[논문]PTMSP-GO 복합막의 기체분리 특성

이슬기; 홍세령

doi:10.14579/membrane_journal.2018.28.2.105

PTMSP-GO 복합막의 기체분리 특성
Gas Separation Properties of PTMSP-GO Composite Membrane 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.28 no.2, 2018년, pp.105 - 112

초록
AI-Helper

본 연구는 GO (graphene oxide)를 활용한 기체 분리막 연구를 위해 기체투과도가 우수한 PTMSP [poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)]에 GO를 첨가하여 PTMSP-GO 고분자 복합막을 제조하고, $N_2$, $CH_4$, $CO_2$에 대한 투과특성을 연구하였다. PTMSP-GO 복합막의 기체투과는 $N_2$ < $CH_4$ < $CO_2$ 순으로 높은 기체투과도 값을 가졌다. $N_2$, $CH_4$, $CO_2$의 기체투과 경향은 GO 함량 0~10 wt% 범위에서 함량이 증감함에 따라 기체투과도가 감소하다가 10~30 wt% 범위에서 증가하는 현상을 보였다. 적은 GO 함량범위에서는 복합막 내에서 GO가 barrier로 작용하여 확산성 감소로 기체투과도가 감소하였고, 일정 함량범위 이상에서는 계면에 생기는 void로 인해 기체투과도가 증가하였다. 그리고 $CO_2$는 GO의 -COOH에 친화성을 가지고 있어 선택도($CO_2/N_2$)와 선택도($CO_2/CH_4$)는 GO 함량이 증가하면서 점차 증가하는데 선택도($CO_2/N_2$)는 PTMSP-GO 10 wt%에서 10.6로 가장 높은 선택도를 보였고, 선택도($CO_2/CH_4$)는 PTMSP-GO 20 wt%에서 3.4로 가장 높은 선택도를 보였다. 그러나 일정 함량 이상에서 선택도($CO_2/N_2$)와 선택도($CO_2/CH_4$) 모두 감소하였는데 GO 함량이 많아지면서 GO 충진물 간의 응집현상이 심해지고, GO 응집물로 인하여 $CO_2$에 대한 용해도 효과가 낮아져 선택도가 감소되었다. PTMSP-GO 20 wt% 복합막은 PTMSP 단일막보다 증가된 $CO_2$ 투과도와 선택도($CO_2/CH_4$)를 보이면서 기체투과 특성이 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, PTMSP-GO composite membranes were prepared by the addition of GO (graphene oxide) into PTMSP [poly (1-trimethylsilyl-1-propyne)] having high gas permeability, to study of gaseous membrane using GO. Gas permeation properties for $N_2$, $CH_4$, $CO_2$ were investigated by increasing the amount of GO in the PTMSP. PTMSP-GO composite membranes had higher gas permeability in the order of $N_2$ < $CH_4$ < $CO_2$. The gas permeation tendency of $N_2$, $CH_4$, and $CO_2$ increased as the content of GO increased from 0 to 10 wt%, but the gas permeability decreased as increased from 10 to 30 wt%. In the range of low GO contents, the gas permeability decreased due to the decrease of diffusivity because GO acts as a barrier in the composite membrane, and the gas permeability increased due to the void at the interface above the content range. And $CO_2$ has an affinity with -COOH of GO, the selectivity ($CO_2/N_2$) and the selectivity ($CO_2/CH_4$) gradually increase with increasing GO content. And the selectivity($CO_2/N_2$) showed the highest selectivity at 10.6 for PTMSP-GO 10 wt% and the selectivity ($CO_2/CH_4$) showed the highest selectivity at 3.4 for PTMSP-GO 20 wt%. However, above a certain amount of GO, selectivity ($CO_2/N_2$) and selectivity ($CO_2/CH_4$) decreased because the coagulation phenomenon between GO was increased and the solubility effect of $CO_2$ decreased. The PTMSP-GO 20 wt% composite membrane exhibited enhanced gas permeation characteristics with increased $CO_2$ permeability and selectivity ($CO_2/CH_4$) over PTMSP membrane.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 최근 GO를 활용한 기체투과 실험이 이루어지고 있으며 앞으로도 계속적으로 다양한 연구 결과들이 보고되어야할 것으로 생각된다. 이에 본 연구에서는 GO를 도입한 고분자 복합막에 대한 기체투과 성질을 연구하고자 하였다. 고분자 중 구조적으로 trimethylsily group을 가지고 있어 큰 자유부피로 인해 높은 기체투과성을 보이는 PTMSP [poly(1-trimethyl-1-propyne)]를 고분자 기본 소재로 하였고, 여기에 GO를 첨가하여 PTMSP-GO 복합막을 제조하여 N₂, CH₄, CO₂의 투과성질을 연구하였다.

제안 방법

본 연구에서는 PTMSP에 GO를 0, 10, 20, 30 wt%로 가하여 PTMSP-GO 복합막을 제조한 뒤, N₂, CH₄, CO₂의 기체투과 특성에 관하여 연구하였다.

대상 데이터

용매로 사용된 toluene은 Sigma Aldrich사(미국)의 특급품을 사용하였다. GO는 Sigma Aldrich사(미국)에서 구입하였고, 파우더 제형으로 가장자리에 4~10%의 -COOH가 존재하는 것으로 Aldrich사에서 제공한 구조는 Fig. 1(b)와 같다. 기체투과 실험에 사용된 기체들은 (주)동진가스(국산)에서 구입한 99.
1(b)와 같다. 기체투과 실험에 사용된 기체들은 (주)동진가스(국산)에서 구입한 99.99%의 N₂, CH₄, CO₂를 사용하였다.
막 제조에 사용되는 PTMSP는 Gelest사(독일)에서 사용하였고, 구조는 Fig. 1(a)와 같다. 용매로 사용된 toluene은 Sigma Aldrich사(미국)의 특급품을 사용하였다.

이론/모형

FT-IR 분석은 Brucker사(독일) Vertex 70을 이용하여 film 상태로 400~4,000 cm^-1 범위에서 실험하였고, 열중량분석(TGA)의 경우는 TA Instruments사(미국) DSC 2010을 사용하여 50~700℃ 범위에서 scanning rate를 10 ℃/min로 하여 무게손실을 측정하였다. 막의 단면을 얻기 위해 액체 질소에서 급속 냉각시켜 절단시키고, 카본테이프에 시료를 고정하여 1.

성능/효과

가 다른 기체들에 비하여 가장 높은 투과도를 보였다. N₂, CH₄, CO₂는 GO 함량 0~10 wt% 범위에서 기체투과도가 감소하다가 10~30 wt% 범위에서 점차 증가하여 PTMSP 단일막에 비해 2.1~3.0 배의 증가된 기체투과도 값을 얻었다. 선택도(CO₂/N₂)와 선택도(CO₂/CH₄)에서는 각각 PTMSP-GO 10 wt% 복합막과 PTMSP-GO 20 wt% 복합막이 가장 높은 선택도를 나타냈고, PTMSP-GO 20 wt% 복합막은 CO₂/CH₄ 분리의 경우 PTMSP 단일막보다 Robeson upper bound에 좀 더 접근하여 향상된 기체투과 성질을 보였다.
PTMSP-GO 복합막의 기체투과 실험 결과, 기체투과도는 N₂ < CH₄ < CO₂ 순으로 CO₂가 다른 기체들에 비하여 가장 높은 투과도를 보였다. N₂, CH₄, CO₂는 GO 함량 0~10 wt% 범위에서 기체투과도가 감소하다가 10~30 wt% 범위에서 점차 증가하여 PTMSP 단일막에 비해 2.
0 배의 증가된 기체투과도 값을 얻었다. 선택도(CO₂/N₂)와 선택도(CO₂/CH₄)에서는 각각 PTMSP-GO 10 wt% 복합막과 PTMSP-GO 20 wt% 복합막이 가장 높은 선택도를 나타냈고, PTMSP-GO 20 wt% 복합막은 CO₂/CH₄ 분리의 경우 PTMSP 단일막보다 Robeson upper bound에 좀 더 접근하여 향상된 기체투과 성질을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 ‘mixed matrix membrane’(MMM)의 충진물로 사용되는 물질은 무엇인가?	일반적으로 고분자에 silica, zeolite, clay 등과 같은 무기물질이 충진물로 사용되어 물리적 개질하여 고분자막의 성능을 향상시키는 연구가 진행되고 있다[7-9]. 최근에는 카본을 기초로 한 CNT (carbon nanotube), graphene, GO (graphene oxide)가 기계적 강도, 내화학성 등의 성질을 가지고 있어 고분자의 충진물 소재로 이용되고 있다[10,11].
	기체분리 공정의 장점은 무엇인가?	지난 수십 년 동안 기체 분리막을 이용하여 화석연료의 연소로 발생하는 배기가스에서 이산화탄소를 분리하거나 천연가스로부터 수소를 분리하는 등의 산업계와 환경문제를 해결하는 연구가 활발히 진행되고 있다[1-3]. 막을 통해 이루어지는 기체분리 공정은 에너지 사용이 적고, 제작이 간단하며 소자본으로도 운용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 고분자 기체 분리막은 일반적으로 trade-off 현상의 한계를 지니고 있어 이 문제를 개선하기 위해서 ‘mixed matrix membrane’(MMM)가 사용되는데, 이것은 고분자막에 무기물질 또는 유기-무기 물질 등을 첨가하여 개질하는 방법이다[4-6].
	‘mixed matrix membrane’(MMM)란 무엇인가?	막을 통해 이루어지는 기체분리 공정은 에너지 사용이 적고, 제작이 간단하며 소자본으로도 운용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 고분자 기체 분리막은 일반적으로 trade-off 현상의 한계를 지니고 있어 이 문제를 개선하기 위해서 ‘mixed matrix membrane’(MMM)가 사용되는데, 이것은 고분자막에 무기물질 또는 유기-무기 물질 등을 첨가하여 개질하는 방법이다[4-6]. 일반적으로 고분자에 silica, zeolite, clay 등과 같은 무기물질이 충진물로 사용되어 물리적 개질하여 고분자막의 성능을 향상시키는 연구가 진행되고 있다[7-9].

참고문헌 (26)

J. Ma, D. Ping, and X. Dong, "Recent developments of graphene oxide-based membranes: A review", Membranes, 7, 52 (2017).

상세보기
S. R. Reijerkerk, R. Jordana, K. Nijmeijer, and M. Wessling, "Highly hydrophilic, rubbery membranes for $CO_2$ capture and dehydration of flue gas", Int. J. Greenh. Gas. Con., 5, 26 (2011).

상세보기
H. Sijbesma, K. Nymeijer, R. V. Marwijk, R. Heijboer, J. Potreck, and M. Wessling, "Flue gas dehydration using polymer membranes", J. Membr. Sci., 313, 263 (2008).

상세보기
D. Q. Vu, W. J. Koros, and S. J. Miller, "Mixed matrix membranes using carbon molecular sieves. I. Preparation and experimental results", J. Membr. Sci., 211, 311 (2003).

상세보기
T. Li, Y. Pan, K. V. Peinemann, and Z. Lai, "Carbon dioxide selective mixed matrix composite membrane containing ZIF-7 nano-fillers", J. Membr. Sci., 425-426, 235 (2013).

상세보기
R. D. Noble, "Perspectives on mixed matrix membranes", J. Membr. Sci., 378, 393 (2011).

상세보기
Y. Shen and A. C. Lua, "Preparation and characterization of mixed matrix membranes based on PVDF and three inorganic filler (fumed nonporous silica, zeolite 4A and mesoporous MCM-41) for gas separation", Chem. Eng. J., 192, 201 (2012).

상세보기
R. S. Murali, A. F. Ismail, M. A. Rahman, and S. Sridhar, "Mixed matrix membranes of pebax-1657 loaded with 4A zeolite for gaseous separations", Sep. Purif. Technol., 129, 1 (2014).

상세보기
J. S. Park, J. W. Rhim, B. G. Park, S. H. Kong, and S. Y. Nam, "Preparation and gas barrier properties of chitosan/clay nanocomposite film", Membr. J., 15, 247 (2005).
L. Ge, Z. Zhu, and V. Rudolph, "Enhanced gas permeability by fabricating functionalized multi-walled carbon nanotubes and polyethersulfone nanocomposite membrane", Sep. Purif. Technol., 78, 76 (2011).

상세보기
F. H. Akhtar, M. Kumar, and K. V. Peinemann, "Pebax 1657/graphene oxide composite membranes for improved water vapor separation", J. Membr. Sci., 525, 187 (2017).

상세보기
Y. Cui, S. I. Kundalwal, and S. Kumar, "Gas barrier performance of graphene/polymer nanocomposites", Carbon, 98, 313 (2016).

상세보기
G. Shi, Q. Meng, Z. Zhao, H. C. Kuan, A. Michelmore, and J. Ma, "Facile fabrication of graphene membranes with readily tunable structures", Appl. Mater. Inter., 7, 13745 (2015).

상세보기
K. K. Sadasivuni, D. Ponnamma, S. Thomas, and Y. Grohens, "Evolution from graphite to graphene elastomer composites", Prog. Polym. Sci., 39, 749 (2014).

상세보기
A. Achari and M. Eswaramoorthy, "Casting molecular channels through domain formation: high performance graphene oxide membranes for $H_2/CO_2$ separation", J. Mater. Chem. A., 4, 7560 (2016).

상세보기
H. W. Kim, H. W. Yoon, S. M. Yoon, B. M. Yoo, B. K. Ahn, Y. H. Cho, H. J. Shin, H. Yang, U. Paik, S. Kwon, J. Y. Choi, and H. B. Park, "Selective gas transport through few-layered graphen and graphene oxide membranes", Science, 342, 91 (2013).

상세보기
S. Morimune, T. Nishino, and T. Goto, "Ecological approach to graphene oxide reinforced poly (methyl methacrylate) nanocomposites", ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 3596 (2012).

상세보기
G. Srinivas, J. W. Ford, and T. Yildirim, "Porous graphene oxide frameworks: synthesis and gas sorption properties", J. Mater. Chem., 21, 11323 (2011).

상세보기
H. D. Huang, P. G. Ren, J. Chen, W. Q. Zhang, X. Ji, and Z. M. Li, "High barrier graphene oxide nanosheet/poly(vinyl alcohol) nanocomposite films", J. Membr. Sci., 409-410, 156 (2012).

상세보기
T. C. Merkel, V. I. Bondar, K. Nagai, and B. D. Freeman, "Sorption and transport of hydrocarbon and perfluorocarbon gases in poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)", J. Polym. Sci. Pol. Phy., 38, 273 (2000).

상세보기
D. R. Paul, "Creating new types of carbon-based membranes", Science, 335, 413 (2012).

상세보기
D. Zhao, J. Ren, Y. Qiu, H. Li, K. Hua, X. Li, and M. Deng, "Effect of graphene oxide on the behavior of poly(amide-6-b-ethylene oxide)/graphen oxide mixed-matrix membrane in the permeation process", J. Appl. Polym. Sci., 132, 42624 (2015).
K. D. Sitter, P. Winberg, J. D'Haen, C. Dotremont, R. Leysen, J. A. Martens, S. Mullens, F. H. J. Maurer, and I. F. J. Vankelecom, "Silica filled poly(1-trimethylsily-1-propyne) nanocomposite membranes: Relation between the transport of gases and structural characteristics", J. Membr. Sci., 278, 83 (2006).

상세보기
S. K. Lee and S. R. Hong, "Gas permeation properties of PTMSP-ZIF composite membrane", Appl. Chem. Eng., 26, 413 (2015).

원문보기 상세보기
J. Shen, "Size effects of graphene oxide on mixed matrix membranes for $CO_2$ separation", AIChE J., 62, 2843 (2016).

상세보기
L. M. Robeson, "The upper bound revisited", J. Membr. Sci., 320, 390 (2008).

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저자의 다른 논문 :

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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