중량식흡착 거동에 기초한 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인 분리 거동 예측 연구 Prediction of Propylene/Propane Separation Behavior of Na-type Faujasite Zeolite Membrane by Using Gravimetric Adsorption원문보기
본 연구에서는 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인 분리 거동을 예측하기 위하여 제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인 단일기체에 대한 중량식흡착 거동을 관찰하고자 하였다. 제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인에 대한 중량식흡착 거동은 자성부유평형저울(MSB)을 이용하여 323, 343, 363 K의 온도와 0.02-1 bar의 압력 범위에서 0.1 bar씩 증가시키면서 측정되었다. 그 결과, 온도가 증가할수록 프로필렌 및 프로페인의 흡착량은 감소하였으며, 프로필렌/프로페인의 흡착 선택도는 증가하였다. 또한 흡착 온도가 증가함에 따라 프로필렌과 프로페인의 확산계수는 증가하여 아레니우스 식을 따랐고, 프로필렌/프로페인 확산 선택도는 323 K에서 0.9753으로 최대값을 가졌다. 흡착 특성을 통해 분리막의 투과선택도를 계산하였고, Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 단일 기체 투과 특성과 비교하였다. 그 결과 계산된 투과선택도와 측정된 투과선택도가 모두 323 K에서 최대값을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 중량식 흡착법으로 예측된 분리막의 프로필렌/프로페인 분리거동 예측이 합리적이며 또한 표면확산에 기반한 프로필렌/프로페인 분리용 제올라이트 분리막의 분리성능예측에 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인 분리 거동을 예측하기 위하여 제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인 단일기체에 대한 중량식흡착 거동을 관찰하고자 하였다. 제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인에 대한 중량식흡착 거동은 자성부유평형저울(MSB)을 이용하여 323, 343, 363 K의 온도와 0.02-1 bar의 압력 범위에서 0.1 bar씩 증가시키면서 측정되었다. 그 결과, 온도가 증가할수록 프로필렌 및 프로페인의 흡착량은 감소하였으며, 프로필렌/프로페인의 흡착 선택도는 증가하였다. 또한 흡착 온도가 증가함에 따라 프로필렌과 프로페인의 확산계수는 증가하여 아레니우스 식을 따랐고, 프로필렌/프로페인 확산 선택도는 323 K에서 0.9753으로 최대값을 가졌다. 흡착 특성을 통해 분리막의 투과선택도를 계산하였고, Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 단일 기체 투과 특성과 비교하였다. 그 결과 계산된 투과선택도와 측정된 투과선택도가 모두 323 K에서 최대값을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 중량식 흡착법으로 예측된 분리막의 프로필렌/프로페인 분리거동 예측이 합리적이며 또한 표면확산에 기반한 프로필렌/프로페인 분리용 제올라이트 분리막의 분리성능예측에 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
In this study, propylene/propane separation behavior of Na-type faujasite zeolite membranes is predicted by observing gravimetric adsorptions of propylene and propane on zeolite 13X. The gravimetric adsorptions were measured by using a magnetic suspension balance (MSB) at temperatures of 323, 343, 3...
In this study, propylene/propane separation behavior of Na-type faujasite zeolite membranes is predicted by observing gravimetric adsorptions of propylene and propane on zeolite 13X. The gravimetric adsorptions were measured by using a magnetic suspension balance (MSB) at temperatures of 323, 343, 363 K and a pressure range of 0.02-1 bar. The pressure was increased at 0.1 bar intervals. As adsorption temperature increased, adsorptions of propylene and propane decreased and propylene/propane adsorption selectivity increased. Also, the diffusion coefficients of propylene and propane were increased as the adsorption temperature increased, following the Arrhenius equation. The maximum propylene/propane diffusion selectivity was 0.9753 at 323 K. The perm-selectivity was calculated from the adsorption data of zeolite 13X and compared with the perm-selectivity measured in the single gas permeation experiment for the Na-type faujasite zeolite membrane. The maximum values for the calculated and measured perm-selectivities were observed at a temperature of 323 K. It could be concluded that the prediction of propylene/propane separation of surface diffusion-based membrane by using gravimetric adsorption data is reasonable. Therefore, it is expected that this prediction method can be applied to the screening of adsorption-based microporous membrane for propylene/propane separation.
In this study, propylene/propane separation behavior of Na-type faujasite zeolite membranes is predicted by observing gravimetric adsorptions of propylene and propane on zeolite 13X. The gravimetric adsorptions were measured by using a magnetic suspension balance (MSB) at temperatures of 323, 343, 363 K and a pressure range of 0.02-1 bar. The pressure was increased at 0.1 bar intervals. As adsorption temperature increased, adsorptions of propylene and propane decreased and propylene/propane adsorption selectivity increased. Also, the diffusion coefficients of propylene and propane were increased as the adsorption temperature increased, following the Arrhenius equation. The maximum propylene/propane diffusion selectivity was 0.9753 at 323 K. The perm-selectivity was calculated from the adsorption data of zeolite 13X and compared with the perm-selectivity measured in the single gas permeation experiment for the Na-type faujasite zeolite membrane. The maximum values for the calculated and measured perm-selectivities were observed at a temperature of 323 K. It could be concluded that the prediction of propylene/propane separation of surface diffusion-based membrane by using gravimetric adsorption data is reasonable. Therefore, it is expected that this prediction method can be applied to the screening of adsorption-based microporous membrane for propylene/propane separation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
하지만 위와 같은 보고들이 있음에도 불구하고 Na형 Faujasite 제올라이트 입자의 흡착 거동으로부터 분리막의 분리 성능을 예측하는 신뢰할 수 있는 연계성을 가지는 연구는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 프로필렌과 프로페인의 중량식흡착에 기초한 제올라이트 13X 입자의 흡착 및 확산 거동에 대하여 비교하였으며, Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 최적의 분리성능을 예측하고자 하였다. 또한 제올라이트 13X 입자의 흡착 및 확산 거동에 대한 결과와 보고된 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 분리성능을 비교함으로써 제올라이트 13X 입자의 중략식흡착 거동이 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 최적의 분리성능에 어떠한 영향을 미치며 제올라이트 13X의 입자로서의 분리성능 비교가 신뢰성을 가지는지 확인하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 프로필렌과 프로페인의 중량식흡착에 기초한 제올라이트 13X 입자의 흡착 및 확산 거동에 대하여 비교하였으며, Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 최적의 분리성능을 예측하고자 하였다. 또한 제올라이트 13X 입자의 흡착 및 확산 거동에 대한 결과와 보고된 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 분리성능을 비교함으로써 제올라이트 13X 입자의 중략식흡착 거동이 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 최적의 분리성능에 어떠한 영향을 미치며 제올라이트 13X의 입자로서의 분리성능 비교가 신뢰성을 가지는지 확인하고자 하였다.
하지만 위와 같은 보고들이 있음에도 불구하고 Na형 Faujasite 제올라이트 입자의 흡착 거동으로부터 분리막의 분리 성능을 예측하는 신뢰할 수 있는 연계성을 가지는 연구는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 프로필렌과 프로페인의 중량식흡착에 기초한 제올라이트 13X 입자의 흡착 및 확산 거동에 대하여 비교하였으며, Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 최적의 분리성능을 예측하고자 하였다. 또한 제올라이트 13X 입자의 흡착 및 확산 거동에 대한 결과와 보고된 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 분리성능을 비교함으로써 제올라이트 13X 입자의 중략식흡착 거동이 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인의 최적의 분리성능에 어떠한 영향을 미치며 제올라이트 13X의 입자로서의 분리성능 비교가 신뢰성을 가지는지 확인하고자 하였다.
가설 설정
ii) 대부분의 입자 모양에서 동등한 구체로서의 표현은 허용 가능한 근사 값이다.
제안 방법
제올라이트 13X의 결정성을 확인하기 위해 X-선 회절(X-ray diffraction, X-Pert Pro, Netherlands) 분석을 진행하였으며, 2θ는 5-60° 범위에서 분석하였다. 단일 기체 흡착 거동 실험에 있어, 기체 흡착량에 대하여 가장 중요한 영향을 끼치는 제올라이트 13X의 비표면적을 확인하기 위해 비표면적분석기(BET, BELSORP-maxII, BEL Japan Inc)분석을 진행하였다. 측정 전 제올라이트 13X의 세공 내에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 673 K에서 12시간 이상 열처리한 후, 77 K에서 질소 흡착실험을 진행하였으며 BET plot을 통해 비표면적을 산출할 수 있었다.
따라서 Mt/M∞ 대 t1/2로 도시한 선의 기울기로 확산계수를 계산하였다.
1에 MSB 장치의 모식도를 나타내었다. 먼저, 0.16 g의 제올라이트 13X 분말을 MSB 추에 걸린 용기에 넣고 0.02 bar의 진공 조건 하에 673 K에서 12시간 동안 열처리 하여 세공 내에 존재하는 수분 및 불순물을 제거하였다. 흡착 실험을 위해 사용된 기체는 프로페인(C3H8, 99.
제올라이트 13X의 결정성을 확인하기 위해 X-선 회절(X-ray diffraction, X-Pert Pro, Netherlands) 분석을 진행하였으며, 2θ는 5-60° 범위에서 분석하였다.
실험에 사용된 제올라이트는 분말형태의 상용 제올라이트 13X (Sigma Aldrich, USA)이었다. 제올라이트 13X의 입자 형상은 주사전자현미경(SEM, JSM-7000F, JEOL) 분석을 통하여 관찰하였으며, 입도 분포를 확인하기 위해 동적 광산란(Dynamic Laser scattering, Nanotrac wave) 분석을 진행하였다. 제올라이트 13X의 결정성을 확인하기 위해 X-선 회절(X-ray diffraction, X-Pert Pro, Netherlands) 분석을 진행하였으며, 2θ는 5-60° 범위에서 분석하였다.
제올라이트 13X의 중량식 흡착 거동 관찰에 앞서 사용할 제올라이트 13X 분체의 특성을 파악하였다. Fig.
제올라이트 13X의 프로필렌/프로페인의 기체 투과거동을 예측하기 위해 투과량과 투과선택도를 계산하였다. 투과량(flux J, cc/m2⋅min)은 분리막을 투과하는 기체의 속도를 의미하며, 분리막 층을 투과하는 기체의 확산 속도와 농도 차의 곱으로 식 (7)처럼 정의된다.
제올라이트 13X의 프로필렌과 프로페인 단일기체에 대한 확산계수 특성을 확인하기 위해 확산계수 측정에 앞서서 제올라이트 13X의 온도 및 압력에 따른 무게 변화특성을 자성 부유 평형 저울(Magnetic Suspension Balance, RUBOTHERM, Germany) 장치를 이용하여 확인하였다. Fig.
주입 압력은 2 bar, 투과부의 압력은 1bar, 주입 유량은 100 cc/min이었다. 측정 온도는 10 K씩 증가하며 진행하였으며, 안정화된 투과량을 측정하기 위하여 기체를 주입한 뒤 3시간 후에 측정하였다. 프로필렌 및 프로페인의 투과량은 측정 온도가 증가할수록 증가하여 353 K에서 22,911, 31,323의 최대값을 가졌으며, 353 K 이상의 높은 온도에선 프로필렌 및 프로페인의 투과량이 동시에 감소하였다.
단일 기체 흡착 거동 실험에 있어, 기체 흡착량에 대하여 가장 중요한 영향을 끼치는 제올라이트 13X의 비표면적을 확인하기 위해 비표면적분석기(BET, BELSORP-maxII, BEL Japan Inc)분석을 진행하였다. 측정 전 제올라이트 13X의 세공 내에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 673 K에서 12시간 이상 열처리한 후, 77 K에서 질소 흡착실험을 진행하였으며 BET plot을 통해 비표면적을 산출할 수 있었다.
1 bar의 압력에서 온도별 프로필렌 및 프로페인의 Mt/M∞ 대 t1/2을 도시한 그래프이다. 흡착이 시작된 첫 지점부터 흡착평형이 시작된 첫 지점까지의 구간으로부터 구해진 기울기로 확산계수를 구하였다. 이때 기울기는 최소제곱법에 의해 도시된 선의 일치함을 판단하는 R2이 1에 가까울수록 신뢰할 수 있다고 할 수 있는데, 최소 0.
대상 데이터
실험에 사용된 제올라이트는 분말형태의 상용 제올라이트 13X (Sigma Aldrich, USA)이었다. 제올라이트 13X의 입자 형상은 주사전자현미경(SEM, JSM-7000F, JEOL) 분석을 통하여 관찰하였으며, 입도 분포를 확인하기 위해 동적 광산란(Dynamic Laser scattering, Nanotrac wave) 분석을 진행하였다.
02 bar의 진공 조건 하에 673 K에서 12시간 동안 열처리 하여 세공 내에 존재하는 수분 및 불순물을 제거하였다. 흡착 실험을 위해 사용된 기체는 프로페인(C3H8, 99.99%)과 프로필렌(C3H6, 99.99%)이었으며, 323, 343, 363 K 온도와 0.02-1 bar 압력범위에서 측정하였다. 압력은 0.
성능/효과
Fig. 10(a)에서 보인 제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인 단일 기체 투과량과 비교하였을 때 동일한 온도 영역인 323-363 K에서 값의 차이는 있지만 유사한 경향을 보이는 것을 확인하였다. Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인 투과선택도는 323 K에서 최대값인 2.
9에서 알 수 있듯이 프로페인의 확산계수가 프로필렌의 확산계수보다 급격히 증가했기 때문에 흡착 온도가 증가할수록 프로필렌/프로페인의 확산 선택도는 감소한 것으로 확인하였다. 0.1 bar의 압력에서 프로필렌/프로페인의 투과선택도는 323, 343, 363 K의 온도 영역에서 1.4252, 1.4152, 1.2934로 323 K에서 최대치를 보인 이후 흡착 온도가 증가함에 따라 감소함을 확인하였다. Table 3은 Min 등[31]이 보고한 303 K에서 373 K까지의 온도 범위에서 전자식 비눗방울 유량계로 측정된 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌 및 프로페인 단일 기체의 투과량(cc/m2⋅min)과 투과도(GPU), 투과선택도이다.
1 bar에서 흡착 온도가 323,343, 363 K일 때, 프로필렌/프로페인 흡착 선택도와 확산 선택도, 투과선택도를 나타내었다. 0.1 bar의 압력에서 프로필렌/프로페인의 확산 선택도는 323, 343, 363K일 때 각각 0.9753, 0.7718, 0.5517로 323 K에서 최대치를 보인 후 감소하는 경향을 보였다. 이는 Fig.
i) 열전달은 흡착 속도에 비해 충분히 빠르다고 가정하므로 입자를 통한 온도 구배와 입자 및 주변 유체 사이의 온도 구배는 무시할 수 있다.
각각의 온도에서 모두 프로필렌의 흡착량이 프로페인의 흡착량보다 높은 것을 확인하였는데, 이는 제올라이트 13X에 대해 프로필렌이 이중결합 구조로서 π결합을 가지고 있기 때문에 프로페인보다 반응성이 높기 때문에 흡착력이 상대적으로 강해 흡착량이 더 높은 것으로 설명할 수 있다.
2294 × 10-12 cm2/sec인 것을 확인하였다. 결과적으로 흡착 온도가 증가할수록 프로필렌과 프로페인의 확산계수는 증가하였으며, 프로페인의 확산계수가 프로필렌의 확산계수보다 급격히 증가하였음을 확인하였다. 또한 프로필렌 및 프로페인의 흡착 거동에서와는 달리 프로페인의 확산계수는 프로필렌의 확산계수보다 높은 것을 확인하였다.
결과적으로, 제올라이트 13X의 프로필렌 및 프로페인의 흡착량은 온도가 증가할수록 감소하였으며, 프로필렌/프로페인의 흡착 선택도는 온도가 증가할수록 증가하였다. 각각의 온도에서 모두 프로필렌의 흡착량이 프로페인의 흡착량보다 높은 것을 확인하였는데, 이는 제올라이트 13X에 대해 프로필렌이 이중결합 구조로서 π결합을 가지고 있기 때문에 프로페인보다 반응성이 높기 때문에 흡착력이 상대적으로 강해 흡착량이 더 높은 것으로 설명할 수 있다.
위의 여러 실험 결과로부터 식 (8)에 대입하면 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 이론 투과선택도를 구할 수 있었으며, 실제 합성된 분리막의 투과선택도를 비교한 결과, 둘 모두 323 K에서 최대치를 보인 후 감소하였음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 중량식 흡착법으로 예측된 분리막의 프로필렌/프로페인 분리거동 예측이 합리적이며 또한 표면확산에 기반한 프로필렌/프로페인 분리용 제올라이트 분리막의 분리성능예측에 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
마찬가지로 측정 온도가 증가할수록 프로필렌 및 프로페인의 단위질량당 흡착량은 감소하였으나, 프로페인의 단위질량당 흡착량이 프로필렌의 단위질량당 흡착량보다 급격히 감소했기 때문에 흡착 온도가 증가할수록 프로필렌/프로페인 흡착 선택도도 증가한 것으로 확인하였다. 또한 모든 온도 범위에서 프로필렌의 단위질량당 흡착량은 프로페인의 단위질량당 흡착량보다 높은 것을 확인하였다.
결과적으로 흡착 온도가 증가할수록 프로필렌과 프로페인의 확산계수는 증가하였으며, 프로페인의 확산계수가 프로필렌의 확산계수보다 급격히 증가하였음을 확인하였다. 또한 프로필렌 및 프로페인의 흡착 거동에서와는 달리 프로페인의 확산계수는 프로필렌의 확산계수보다 높은 것을 확인하였다. 이와 같은 프로필렌과 프로페인 확산계수의 온도의존성은 반응 속도와 온도와의 관계를 보여주는 아레니우스식(Arrhenius equation)인 D = D0exp (-Ea/RT)로 설명할 수 있다.
1 bar 이후에서는 완만하게 증가하였다. 또한 흡착 선택도는 0.1 bar에서 가장 높았으며, 0.2 bar에서 급격하게 감소하여 1 bar까지 유사한 값으로 유지되는 것을 확인하였다. Fig.
1 bar 압력에서 측정된 프로필렌 및 프로페인의 단위질량당 흡착량(mg/g)을 나타낸 그래프이다. 마찬가지로 측정 온도가 증가할수록 프로필렌 및 프로페인의 단위질량당 흡착량은 감소하였으나, 프로페인의 단위질량당 흡착량이 프로필렌의 단위질량당 흡착량보다 급격히 감소했기 때문에 흡착 온도가 증가할수록 프로필렌/프로페인 흡착 선택도도 증가한 것으로 확인하였다. 또한 모든 온도 범위에서 프로필렌의 단위질량당 흡착량은 프로페인의 단위질량당 흡착량보다 높은 것을 확인하였다.
9855 이상을 가졌으므로 신뢰할 수 있다고 판단하였다. 앞선 중량식흡착 실험을 통해 0.1 bar에서 제올라이트 13X의 세공 내 표면에 프로필렌이 포화된 시간인 흡착평형 시간이 323, 343, 363K 온도에서 각각 2,057,1,169, 769 s이었고 프로페인의 흡착평형 시간은 1,110,679, 770 s이었다. 프로필렌 및 프로페인의 흡착평형 시간이 빠를수록 기울기는 가파르게 상승하였고 확산계수도 증가하였다.
0019 cc/m2⋅min의 최대값을 가지는 것을 확인하였다. 위의 여러 실험 결과로부터 식 (8)에 대입하면 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 이론 투과선택도를 구할 수 있었으며, 실제 합성된 분리막의 투과선택도를 비교한 결과, 둘 모두 323 K에서 최대치를 보인 후 감소하였음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 중량식 흡착법으로 예측된 분리막의 프로필렌/프로페인 분리거동 예측이 합리적이며 또한 표면확산에 기반한 프로필렌/프로페인 분리용 제올라이트 분리막의 분리성능예측에 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
5517로 323 K에서 최대치를 보인 후 감소하는 경향을 보였다. 이는 Fig. 9에서 알 수 있듯이 프로페인의 확산계수가 프로필렌의 확산계수보다 급격히 증가했기 때문에 흡착 온도가 증가할수록 프로필렌/프로페인의 확산 선택도는 감소한 것으로 확인하였다. 0.
제올라이트 13X의 입자 크기를 정확히 확인하기 위하여 동적 광산란 분석(DLS)을 실시하였으며, 그 결과 제올라이트 13X의 평균 입자 크기는 약 1.81 µm이고 입자 크기 범위는 0.9-2 µm이었다.
주사전자현미경 사진에서 제올라이트 13X는 약 2 µm 크기이며, 정팔면체 구조를 갖는 것을 확인하였다.
프로페인은 흡착 온도가 323, 343, 363 K일 때, 0.0013,0.0016, 0.0019 cc/m2⋅min인 것을 확인하였다.
측정 온도는 10 K씩 증가하며 진행하였으며, 안정화된 투과량을 측정하기 위하여 기체를 주입한 뒤 3시간 후에 측정하였다. 프로필렌 및 프로페인의 투과량은 측정 온도가 증가할수록 증가하여 353 K에서 22,911, 31,323의 최대값을 가졌으며, 353 K 이상의 높은 온도에선 프로필렌 및 프로페인의 투과량이 동시에 감소하였다. 이때 초반 303-343 K의 온도 영역에서 프로필렌의 투과량은 프로페인의 투과량 보다 높았고 353 K에서는 프로페인의 투과량 보다 낮았다.
1 bar에서 제올라이트 13X의 세공 내 표면에 프로필렌이 포화된 시간인 흡착평형 시간이 323, 343, 363K 온도에서 각각 2,057,1,169, 769 s이었고 프로페인의 흡착평형 시간은 1,110,679, 770 s이었다. 프로필렌 및 프로페인의 흡착평형 시간이 빠를수록 기울기는 가파르게 상승하였고 확산계수도 증가하였다. 따라서 Mt/M∞ 대 t1/2로 도시한 선의 기울기로 확산계수를 계산하였다.
1 bar에서 약 7 mg, 1 bar에서 약 15 mg로 나타내었다. 프로필렌/프로페인 흡착 선택도는 0.1 bar에서 1.8, 1 bar에서 약 1.2인 것을 확인하였다. Fig.
1 bar의 압력 조건 하에 프로필렌과 프로페인의 흡착 거동 및 확산 거동으로부터 얻어진 데이터를 식 (7)에 대입하여 제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인 투과량을 계산하였다. 프로필렌의 투과량은 프로페인의 투과량보다 102 차이로 높았으며, 흡착 온도가 증가할수록 프로필렌 및 프로페인의 투과량은 증가하였다. 이는 Min 등[31]이 보고한 실제 합성된 분리막의 프로필렌 및 프로페인 투과량과 유사한 경향으로 증가하였고 363 K에서 각각 0.
프로필렌의 투과량은 흡착 온도가 323, 343, 363 K일 때, 0.4616, 0.6053, 0.6371 cc/m2⋅min인 것을 확인하였다.
흡착 선택도 결과와 반대로 프로페인의 확산계수는 프로필렌의 확산계수보다 높았으며, 흡착 온도가 증가함에 따라 프로필렌 및 프로페인의 확산계수 모두 증가하였고 363 K에서 각각 6.7472 × 10-12 cm2/sec,12.2294 × 10-12 cm2/sec의 최대값을 가지는 것을 확인하였다.
또한 흡착 온도 증가 시 프로필렌/프로페인의 흡착 선택도는 증가하였다. 흡착 온도가 증가하면서 프로페인의 흡착량이 프로필렌보다 급격히 감소되는 반면 흡착선택도는 증가하는 현상이 발생되었다. 특히 설정된 흡착 온도 중 가장 높은 363 K에서 최대 흡착 선택도인 2.
0019 cc/m2⋅min인 것을 확인하였다. 흡착온도가 증가함에 따라 프로필렌과 프로페인의 투과량은 증가하였고, 프로필렌의 투과량은 프로페인의 투과량보다 102의 차이로 빠름을 확인하였다. Fig.
후속연구
4252를 갖고 이후 온도가 증가함에 따라 투과선택도는 낮아지는 경향이 동일하게 나타났음을 확인할 수 있었다. 앞선 결과들을 비교하면 제올라이트 13X 분체의 흡착 거동을 관찰을 통해 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 투과선택도 예측이 가능했으며, 이를 통해 분리막의 분리 성능을 개선하는데 기여할 수 있을 것으로 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
온도에 따라 프로필렌 및 프로페인의 흡착량과 흡착 선택도는 어떻게 달라지는가?
1 bar씩 증가시키면서 측정되었다. 그 결과, 온도가 증가할수록 프로필렌 및 프로페인의 흡착량은 감소하였으며, 프로필렌/프로페인의 흡착 선택도는 증가하였다. 또한 흡착 온도가 증가함에 따라 프로필렌과 프로페인의 확산계수는 증가하여 아레니우스 식을 따랐고, 프로필렌/프로페인 확산 선택도는 323 K에서 0.
제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인에 대한 중량식흡착 거동에 사용한 것은 무엇인가?
본 연구에서는 Na형 Faujasite 제올라이트 분리막의 프로필렌/프로페인 분리 거동을 예측하기 위하여 제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인 단일기체에 대한 중량식흡착 거동을 관찰하고자 하였다. 제올라이트 13X 입자의 프로필렌 및 프로페인에 대한 중량식흡착 거동은 자성부유평형저울(MSB)을 이용하여 323, 343, 363 K의 온도와 0.02-1 bar의 압력 범위에서 0.
분리막 공정의 소재는 무엇인가?
지금까지 연구된 프로필렌/프로페인 분리용 분리막은 분리막 소재에 따라 분류할 수 있는데, 대표적으로 유리질 고분자(polymer) 분리막, 제올라이트(zeolite), 실리카 등의 무기질 분리막 등이 있다. 고분자 분리막은 PPO계와 6FDA 폴리이미드계 등이 잘 알려져 있으며 선택도는 약 50 이상으로 뛰어나지만 투과율이 수십 barrer 수준으로 낮고 고분자의 가소화(plasticization)로 인해 장기 안정성 확보가 어렵다[6-9].
참고문헌 (32)
Public investment bank berhad, "Important disclaimer is provided at the end of this report", 1, 8, Public investment bank berhad research team, Malaysia (2017).
R. B. Eldridge, "Olefin/paraffin separation technology: A review", Ind. Eng. Chem. Res., 32, 2208 (1993).
P. Angelini, "Materials for separation technologies: Energy and emission reduction opportunities", Energy Efficiency & Renewable Energy, Department of Energy, USA (2005).
C. A. Grande and A. E. Rodrigues, "Propane/propylene separation by Pressure Swing Adsorption using zeolite 4A", Ind. Eng. Chem. Res., 44, 8815 (2005).
N. Kosinov, J. Gascon, F. Kapteijn, and E. J. M. Hensen, "Recent developments in zeolite membranes for gas separation", J. Membr. Sci., 499, 65 (2016).
R. Zarca, A. Ortiz, D. Gorri, L. T. Biegler, and I. Ortiz, "Optimized distillation coupled with state-of-the-art membranes for propylene purification", J. Membr. Sci., 556, 321 (2018).
H. J. Shin, S. H. Choi, J. H. Kim, I. J. Park, and S. B. Lee, "Permeation behavior of olefin/N itrogen through siloxane based polymeric membranes", Membr. J., 13, 246 (2003).
M. Das and W. J. Koros, "Performance of 6FDA-6FpDA polyimide for propylene/propane separations", J. Membr. Sci., 365, 399 (2010).
C. H. Cho, J. G. Yeo, Y. S. Ahn, M. H. Han, J. H. Moon, and C. H. Lee, "A simultaneous improvement in $CO_2$ flux and $CO_2$ / $N_2$ separation factor of sodium- type FAU zeolite membranes through 13X zeolite beads embedding", Membr. J., 17, 269 (2007).
C. H. Cho, J. G. Yeo, Y. S. Ahn, M. H. Han, Y. H. Kim, and S. H. Hyun, "Secondary growth of sodium type faujasite zeolite layers on a porous ${\alpha}$ - $Al_2O_3$ tube and the $CO_2$ / $N_2$ separation", Membr. J., 17, 254 (2007).
B. H. Jeong, Y. Hasegawa, K. I. Sotowa, K. Kusakabe, and S. Morooka, "Permeation of binary mixtures of benzene and saturated C4-C7 hydrocarbons through an FAU-type zeolite membrane", J. Membr. Sci., 213, 115 (2003).
H. Kita, K. Fuchida, T. Horita, H. Asamura, and K. Okamoto, "Preparation of faujasite membranes and their permeation properties", Sep. Purif. Technol., 25, 261 (2001).
Y. Hasegawa, T. Tanaka, K. Watanabe, B. H. Jeong, K. Kusakabe, and S. Morooka, "Separation of $CO_2$ - $CH_4$ and $CO_2$ - $N_2$ systems using ion-exchanged FAU-type zeolite membranes with different Si/Al ratios", Korean J. Chem. Eng., 19, 309 (2002).
S. Li, V. A. Tuan, J. L. Falconer, and R. D. Noble, "X-type zeolite membranes: Preparation, characterization, and pervaporation performance", Microporous Mesoporous Mater, 53, 59 (2002).
V. Nikolakis, G. Xomeritakis, A. Abibi, M. Dickson, M. Tsapatsis, and D. G. Vlachos, "Growth of a faujasite-type zeolite membrane and its application in the separation of saturated/unsaturated hydrocarbon mixtures", J. Membr. Sci., 184, 209 (2009).
I. G. Giannakopoulos and V. Nikolakis, "Separation of propylene/propane mixtures using faujasite-type zeolite membranes", Ind. Eng. Chem. Res., 44, 226 (2005).
M. Kanezashi, M. Kawano, T. Yoshioka, and T. Tsuru, "Organic-inorganic hybrid silica membranes with controlled silica network size for propylene/ propane separation", Ind. Eng. Chem. Res., 51, 944 (2012).
S. Divekar, A. Nanoti, S. Dasgupta, Aarti, R. Chauhan, P. Gupta, M. O. Garg, S. P. Singh, and I. M. Mishra, "Adsorption equilibria of propylene and propane on zeolites and prediction of their binary adsorption with the ideal adsorbed solution theory", J. Chem. Eng. Data., 61, 2629 (2016).
F. A. Da Silva and A. E. Rodrigues, "Adsorption equilibria and kinetics for propylene and propane over 13X and 4A zeolite pellets", Ind. Eng. Chem. Res., 38, 2051 (1999).
J. Kager, "Measurement of diffusion in zeolites: A never ending challenge?", Adsorption, 9, 29 (2003).
A. Germanus, J. Kager, and H. Pfeifer, "Self-diffusion of paraffins and olefins in zeolite Na-X under the influence of residual water molecules", Zeolites, 4, 188 (1984).
J. Kager and D. M. Ruthven, "On the comparison between macroscopic and n.m.r, measurements of intracrystalline diffusion in zeolites", Zeolites, 9, 267 (1989).
J. Kager and P. Volkmer, "Comparison of predicted and nuclear magnetic resonance zeolitic diffusion coefficients", J.C.S., 76, 1562 (1980).
M. A. Granato, M. Jorge, T. J. H. Vlugt, and A. E. Rodrigues, "Diffusion of propane, propylene and isobutane in 13X zeolite by molecular dynamics", Chem. Eng. Sci., 65, 2656 (2010).
A. Azimi and M. Mirzaei, "Determination of effective diffusion coefficient of methane adsorption on activated carbon", World Applied Sciences Journal, 17, 1109 (2012).
Y. H. Oh, J. H. Lee, and D. H. Lee, "Adsorption and diffusion properties of heavy metals in zeolite synthesized from coal fly ash", J. Korea Solid Wastes Engineering Society, 17, 201 (2000).
D. Saha, Z. Bao, F. Jia, and S. Deng, "Adsorption of $CO_2$ , $CH_4$ , $N_2$ O, and $N_2$ on MOF-5, MOF-177, and Zeolite 5A", Environ. Sci. Technol., 44, 1820 (2010).
H. H. Min, Y. I. Park, J. S. Chang, Y. K. Park, and C. H. Cho, "Elucidation of the mechanism of propylene/propane separation through faujasite zeolite membrane", Membr. J., 28, 351 (2018).
I. Mamaliga, W. Schabel, and M. Kind, "Measurements of sorption isotherms and diffusion coefficients by means of a magnetic suspension balance", Chem. Eng. Proc., 43, 753 (2004).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.