[논문]정전방사를 통한 환경기능성 미세섬유 제조 및 특성분석 - 실내환경 CO2 포집용 건식흡착소재

김은주; 박경렬

doi:10.5762/kais.2018.19.12.938

정전방사를 통한 환경기능성 미세섬유 제조 및 특성분석 - 실내환경 CO2 포집용 건식흡착소재
Preparation and characterization of Environmental Functional Nanofibers by electrospun nanofibers-Dry sorption material for indoor CO2 capture 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.12, 2018년, pp.938 - 943

김은주 (우송정보대학 스마트경영학부) , 박경렬 (우송정보대학 병원행정학과)

초록
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고전압 정전방사 장치를 이용하여 나노 섬유를 직조하였다. 정전방사장치는 액상의 고분자를 방출하는 펌프, 노즐과 노즐회전자 등의 부품으로 구성되어 있으며, 알루미늄 재질의 포집판을 설치하여 방사되는 섬유를 포집하였다. 정전방사방법을 이용하여 매우 미세한 나노굵기의 섬유를 제조하고,화학적으로 활성화시킴으로써 미세공을 형성함과 동시에 화학작용기를 분포시켜 저농도의 이산화탄소 분자를 포집하는 실험을 실시하여 실내공기중에 존재하는 저농도 이산화탄소 가스를 포집하는 섬유상 흡착제를 제조해보고자 하였다. 이러한 화학작용기는 이산화탄소 분자와의 상호 인력을 향상시킬 수 있고, 궁극적으로는 포집효율을 증가시킬 수 있었다. 정전방사식으로 제조한 섬유의 굵기는 250-350 nm 였으며, 생성된 미세공은 0.6에서 0.7 nm 이고, 평균 비표면적은 $569m^2/g$였다. 순수 이산화탄소 흐름과 실내공간에서 흔히 발견되는 0.3% 수준의 농도에 대하여 포집실험을 한 결과, 각각 1.08 mmol/g과 0.013 mmol/g에서 2.2 mmol/g과 0.144 mmol/g으로 향상되었다. 이러한 포집량 증가는 나노섬유상 흡착제의 비표면적 대비 미세공의 비율과 관계가 있음이 밝혀졌다. 특히 화학적 상호인력의 특성을 활용하여 저농도에서의 선택도를 향상시킬 수 있음을 간접적으로 파악하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thin nano-sized fibres were prepared by an electrospinning method. The spinning appratus consisted of pump for polymer injection, nozzle and nozzle rotus, and an aluminum plate collected the polymer fibers. Its surface was chemically modified for selective improved adsorption of carbon monoxide at indoor level. The chemical activation enabled to form the fibres 250-350 nm in thickness with pore sizes distributed between 0.6 and 0.7 nm and an average specific surface area of $569m^2/g$. The adsorption capacities of pure (100%) and indoor (0.3%) $CO_2$, of which level frequently appears, at the ambient condition were improved from 1.08 and 0.013 to 2.2 and 0.144 mmol/g, respectively. It was found that the adsorption amount of $CO_2$ adsorbed by the chemically activated carbon nanofiber prepared through chemical activation would vary depending on the ratio of specific surface area and micropores. In particular, chemical interaction between adsorbent surface and gas molecules could enhance the selective capture of weak acidic $CO_2$.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the electrospinning set-up.
그림 Fig. 2. SEM plates of ANFs; (a) AnF-0, (b) AnF-1, (c)AnF-2, (d) AnF-3, (e) AnF-4.
그림 Fig. 3. XPS peaks for nitrogen functionalities.
그림 Fig. 4. TGA thermograms of AnF samples.
표 Table 1. Textural properties of AnFs
그림 Fig. 5. CO₂ adsorption capacity with pressure.
그림 Fig. 6. Breakthrough curves of 0.3% CO₂ flow.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 다중이용실내공간에서 자주 발견되는 저농도 이산화탄소를 관리하기 위한 건식포집기술에 관한 내용으로서 미세한 섬유를 흡착포집체로 활용해보고자 한 것이다. 이를 위해 수산화칼륨으로 표면을 화학 처리함으로써 섬유의 화학적 특성과 구조를 개선할 수 있었다.
본 연구는 상온에서 가동이 가능한 실내환경 관리용으로서의 이산화탄소 흡착제 개발에 대한 기초연구이지만, 우선 순수 이산화탄소 흐름을 조성하여 나노섬유 흡착제의 포집성능을 평가해보고자 하였다.
온도변화에 따른 나노섬유의 열적특성을 관찰하기 위하여 TGA 장비에서 순수질소를 공급하면서 5℃/min의승온 속도로 가열하며 약 4시간 동안 열분해량을 측정하였다. 이를 통하여 시험제조한 나노섬유 시료들의 열적 안정성을 간접적으로 확인하고자 하였다. Fig.

제안 방법

3. 결과 및 고찰

고분자 전구체인 PAN은 질소원자가 포함되어 본 연구의 목적에 부합하는 알칼리성 작용기를 활성화과정에서 형성할 수 있을 것으로 판단하여 선택하였다. 아울러 정전방사 시 직조성능이 매우 우수한 것으로 알려져 있고, 구조나 화학적 구성요소가 안정되어 있는 물질이다.
국내 다중이용 실내공간에 대한 공기질 기준보다 다소 높은 값인 0.3%의 이산화탄소 흐름에 대한 흡착실험을 실시하고, Fig. 6에 나타냈다. 즉, 흡착반응 시간에 따른 초기농도 대비 흡착층 출구 농도를 비교하였다.
이후, 1-4 M의 수산화칼륨 수용액으로 표면개질을 시도하였다. 그리고 나서 고온에서 열처리해줌으로써 섬유 표면의 비표면적을 향상시키고, 미세공을 보다 많이 형성되도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 나노크기의 섬유를 정전방사법으로 제조하여 화학적으로 활성화시킴으로써 미세공을 형성함과 동시에 화학작용기를 분포시켜 저농도의 이산화탄소 분자를 포집하는 실험을 실시하였다.
폴리아크릴니트릴 (PAN), 수산화칼륨, 디메칠포름알데히드(DMF) 등 모든 시약은 Sigma-Aldrich 사의 제품을 사용하였다. 섬유직조를 위한 고분자 전구체는 이온을 제거한 초순수를 이용하여 제조하였다.
시험제조한 섬유시료의 외관은 전자현미경(SEM, JEM-2100F, JEOL, USA)을 이용하여 관찰하였고, 가스의 흡탈착 시험은 열중량분석기 (TGA, Scinco, Japan)를 사용하였다. 활성화시킨 나노섬유의 표면적과 세공분석은 질소흡착원리를 응용한 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 장비(Belsorp, mini-II, Bel, Japan)를 이용하였다.
온도변화에 따른 나노섬유의 열적특성을 관찰하기 위하여 TGA 장비에서 순수질소를 공급하면서 5℃/min의승온 속도로 가열하며 약 4시간 동안 열분해량을 측정하였다. 이를 통하여 시험제조한 나노섬유 시료들의 열적 안정성을 간접적으로 확인하고자 하였다.
본 연구는 다중이용실내공간에서 자주 발견되는 저농도 이산화탄소를 관리하기 위한 건식포집기술에 관한 내용으로서 미세한 섬유를 흡착포집체로 활용해보고자 한 것이다. 이를 위해 수산화칼륨으로 표면을 화학 처리함으로써 섬유의 화학적 특성과 구조를 개선할 수 있었다. 이를 통하여 최대 흡착능은 1.
6에 나타냈다. 즉, 흡착반응 시간에 따른 초기농도 대비 흡착층 출구 농도를 비교하였다.
흡착제의 표면 특성을 확인하기 위하여 BET 기기를 이용하여 –196℃의 액체 질소 분위기에서 질소-헬륨 혼합가스를 공급하여 흡탈착을 반복함으로써 비표면적과 세공크기를 측정하여 Table 1에 요약하였다.

대상 데이터

아울러 정전방사 시 직조성능이 매우 우수한 것으로 알려져 있고, 구조나 화학적 구성요소가 안정되어 있는 물질이다. 궁극적으로 PAN의 분자구조를 공기중에서 사다리형태로 재구성하며 최종 섬유의 고온 내구성과 화학적 안정성을 향상시키고자 시험소재로 사용하였다.
1에 개략적으로 도시한 고전압 정전방사 장치를 이용하여 나노 섬유를 직조하였다. 액상의 고분자를 방출하는 펌프, 노즐과 노즐회전자 등의 부품으로 구성되어 있으며, 알루미늄 재질의 포집판을 설치하여 방사되는 섬유를 포집하였다.
폴리아크릴니트릴 (PAN), 수산화칼륨, 디메칠포름알데히드(DMF) 등 모든 시약은 Sigma-Aldrich 사의 제품을 사용하였다. 섬유직조를 위한 고분자 전구체는 이온을 제거한 초순수를 이용하여 제조하였다.

이론/모형

시험제조한 섬유시료의 외관은 전자현미경(SEM, JEM-2100F, JEOL, USA)을 이용하여 관찰하였고, 가스의 흡탈착 시험은 열중량분석기 (TGA, Scinco, Japan)를 사용하였다. 활성화시킨 나노섬유의 표면적과 세공분석은 질소흡착원리를 응용한 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 장비(Belsorp, mini-II, Bel, Japan)를 이용하였다.

성능/효과

144 mmol/g의 흡착량을 나타냈다. 아울러 본 연구에서 상세하게 고찰하지는 않았지만 절대 흡착량 못지않게 상대적인 흡착 선택도 또한 표면화학적 작용기들에 의하여 월등하게 우수한 것으로 사료되었다. 이러한 선택도의 향상과 포집량 증가는 표면의 염기성 작용기가 약산성인 이산화탄소 분자와의 상호 인력이 증가함으로써 나타내는 결과로 보인다.
144 mmol/g로 증가하였다. 특히 화학적 상호인력의 특성을 활용하여 저농도에서의 선택도를 향상시킬 수 있음을 간접적으로 파악하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이산화탄소는 무엇인가?	이산화탄소는 지하철, 버스, 대형 쇼핑몰, 병원, 사무실 등의 공기질을 결정하는 인자 가운데 하나이다. 실제로 서울을 운행하는 지하철이나 장거리 버스 내부는 3,000 ppm을 상회하여 국가 다중이용실내공간에 대한기준인 1,000 ppm의 세 배를 초과하기도 한다 [1].
	실내공간의 이산화탄소 관리기법은 건식방법이 타당한 이유는?	실제로 서울을 운행하는 지하철이나 장거리 버스 내부는 3,000 ppm을 상회하여 국가 다중이용실내공간에 대한기준인 1,000 ppm의 세 배를 초과하기도 한다 [1]. 그러나 실내공간 중 이산화탄소는 연소공정에서 배출되는 고농도 이산화탄소 관리기법인 아민을 이용하는 습식기법과는 달리 시민들에게 직접 접촉할 가능성이 있으므로 안전성을 고러하는 건식방법이 타당한 것으로 알려져 있다 [2].
	정전방사법을 통해 나노 섬유를 만드는 데 있어 PAN이 좋은 이유는?	고분자 전구체인 PAN은 질소원자가 포함되어 본 연구의 목적에 부합하는 알칼리성 작용기를 활성화과정에서 형성할 수 있을 것으로 판단하여 선택하였다. 아울러 정전방사 시 직조성능이 매우 우수한 것으로 알려져 있고, 구조나 화학적 구성요소가 안정되어 있는 물질이다. 궁극적으로 PAN의 분자구조를 공기중에서 사다리형태로 재구성하며 최종 섬유의 고온 내구성과 화학적 안정성을 향상시키고자 시험소재로 사용하였다.

참고문헌 (10)

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Y. M. Cho, D. S. Park, S. B. Kwon, J. Y. Lee, Y. H. Hwang, Study on the Removal of Carbon Dioxide in the Subway Cabin Using Zeolite Type Carbon Dioxide Adsorbent. Journal of the Korean society for railway, vol. 14, pp. 1-5, 2011. DOI: https://doi.org/10.5572/KOSAE.2014.30.2.175

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A. A. Adelodun, K. H. Kim, J. C. Ngila, J. Szulejko, A review on the effect of amination pretreatment for the selective separation of $CO_2$ . Applied Energy, vol. 158, pp. 631-642, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.08.107
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W. Xu, R. Shen, Y. Yan, J. Gao, Preparation and characterization of electrospun alginate/PLA nanofibers as tissue engineering material by emulsion eletrospinning, J. of Mech Behav Biomed Materials, vol. 65, pp. 428-438, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2016.09.012
M. S. Rahaman, A. F. Ismail, A. Mustafa, A review of heat treatment on polyacrylonitrile fiber, Polymer Degradation and Stability, vol. 92, pp. 1421-1432, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2007.03.023

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H. Yuan, L. Y. Meng, S. J. Park, KOH-activated graphite nanofibers as $CO_2$ adsorbents, Carbon letters, vol. 19, pp. 99-103, 2016. DOI: https://doi.org/10.5714/CL.2016.19.099

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H. Y. Hsiao, C. M. Huang, M. Y. Hsu, H. Chen, Preparation of high-surface-area PAN-based activated carbon by solution-blowing process for $CO_2$ adsorption, Separation and Purification Technology, vol. 82, pp. 19-27, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.08.006

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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