[논문]올레핀/파라핀 분리용 AgNO3 전구체를 활용한 poly(ethylene oxide)/Ag nanoparticles/p-benzoquinone 복합체 분리막 제조

김민수; 강상욱

doi:10.14579/membrane_journal.2018.28.4.260

올레핀/파라핀 분리용 AgNO3 전구체를 활용한 poly(ethylene oxide)/Ag nanoparticles/p-benzoquinone 복합체 분리막 제조
Fabrication of Poly(ethylene oxide)/Ag Nanoparticles/p-benzoquinone Composite Membrane Using AgNO3 Precursor for Olefin/Paraffin Separation 원문보기 논문타임라인

멤브레인 = Membrane Journal, v.28 no.4, 2018년, pp.260 - 264

김민수 (상명대학교 화학에너지공학과) , 강상욱 (상명대학교 화학에너지공학과)

초록
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올레핀/파라핀 분리를 위해 poly(ethylene oxide)(PEO)/Ag nanoparticles (AgNPs)(전구체: $AgBF_4$)/p-benzoquinone (p-BQ) 복합막이 제조되었으며, 이 복합체 분리막의 성능은 100시간까지 선택도 10과 투과도 15 GPU로 유지되는 것이 관찰되었다. 분리막의 성능이 100시간까지 유지할 수 있었던 이유는 p-BQ의 첨가로 인해 Ag ion이 안정적으로 Ag nanoparticles로 형성될 수 있었을 뿐더러 전자수용체인 p-BQ으로 인해 표면이 부분 양극성화 되어 올레핀 운반체로서 역할을 성공적으로 수행한 결과라 생각되었다. 본 연구에서는 Ag nanoparticles의 전구체로 사용된 $AgBF_4$의 가격이 고가이기 때문에 가격 측면에서 유리한 $AgNO_3$ Ag nanoparticles의 전구체로 사용하여 실험을 진행하였다. 그 결과로서 $AgNO_3$의 경우에는 앞선 $AgBF_4$과는 다르게 안정적으로 은 나노입자가 형성되지 못하고 이로 인하여 좋은 성능을 내지 못하는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Poly (ethylene oxide) (PEO)/Ag nanoparticles (AgNPs)(precursor : $AgBF_4$)/p-benzoquinone (p-BQ) composite membrane was prepared for olefin/paraffin separation. As a result, the performance of composite membrane was observed to be maintained at selectivity of 10 and permeance of 15 GPU up to 100 hours. The performance of the membrane was maintained for 100 hours was attributable to that Ag ions could be converted into stable Ag NPs by addition of p-BQ. Furthermore, the surface was partially polarized by the electron acceptor p-BQ, resulting in the formation of olefin carrier. In this study, since the cost of $AgBF_4$ used as a precursor of Ag NPs was relatively higher, $AgNO_3$ was utilized. As a result, it was confirmed that $AgNO_3$ couldn't show the stable formation of nanoparticle, resulting in the poor separation performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구에서 우리 연구팀은 분리막의 상업화를 위해 전구체로서 상대적으로 가격이 비싼 AgBF₄를 대신하여 AgNO₃를 사용해 AgNO₃를 환원시킨 은 나노입자도 앞선 연구 결과와 같이 olefin carrier로서 활용 가능 여부를 조사하였다.

제안 방법

가스 혼합물의 flow는 각각 mass flow meter (MFM)와 mass flow controller (MFC) 을 사용하여 확인하고 조절하였다. Gas chromatography(GC)를 사용하여 선택도를 측정하였고, bubble flowmeter를 사용하여 투과도를 측정하였다. 가스 투과도의 단위는 GPU (1 GPU = 1×10^-6cm³(STP)/(cm² scmHg)로 나타냈다.
PEO 고분자를 3 wt%의 비율로 EtOH용매에 첨가하여 제조한 3 wt% PEO 용액에 PEO/AgNO₃ 1 : 0.4 mole ratio로서 AgNO₃를 용액에 첨가하였다. 그 용액을 60℃에서 30분간 교반과정을 통해, 은 나노입자를 형성시켜 준 후 p-BQ를 첨가하였다.
이러한 현상은 이미 존재하고 있는 NO₃가 AgNPs 표면을 감싸고 있기 때문에 BF가 NPs 표면에 붙지 못하는 것으로 생각 되었다. TGA분석으로 고분자와 AgNPs 사이의 coordination 특징을 살펴보았다. AgBF₄를 전구체로 사용하는 복합막의 경우 순수한 PEO보다 열적 안정도가 감소하는 것으로 확인이 되었으며, 이는 고분자 사슬 사이에 생성된은 나노입자로 인한 고분자 내 사슬간 약화된 상호작용 때문인 것으로 생각되었다.
)/p-BQ이 코팅된 poly-sulfone막에 투과시켰다. 가스 혼합물의 flow는 각각 mass flow meter (MFM)와 mass flow controller (MFC) 을 사용하여 확인하고 조절하였다. Gas chromatography(GC)를 사용하여 선택도를 측정하였고, bubble flowmeter를 사용하여 투과도를 측정하였다.
이 존재하게 된다. 따라서 AgNO₃를 통해 AgNPs를 형성시켜줄 때 주변에 BF₄^-이 AgNPs를 올레핀 운반체로서의 수행할 수 있게 해주는 인자인지 여부를 밝히기 위해 PEO/AgNPs (precursor :AgNO₃)/p-BQ 시스템에 NaBF₄를 통해 BF₄^-을 첨가해주었다. 하지만 Fig.
프로판과 프로필렌(50 : 50 vol%)의 가스 혼합물을 PEO/AgNPs (전구체 : AgNO₃)/p-BQ이 코팅된 poly-sulfone막에 투과시켰다. 가스 혼합물의 flow는 각각 mass flow meter (MFM)와 mass flow controller (MFC) 을 사용하여 확인하고 조절하였다.

대상 데이터

,98%), p-benzoquinone (p-BQ) 모두 Sigma-Aldrich사에서 구입하였다. 고분자 분리막을 만들기 위해 polysulfone (Toray Chemical Korea Inc.) 지지체를 사용하였으며. 구입한 시약들은 모두 별도의 정제 과정 없이 그대로 사용하였다.
기존의 AgBF₄를 전구체로 사용한 PEO/AgNPs/p-BQ 복합막의 성능에 착안하여, 상업성을 높이기 위해 가격이 상대적으로 저렴한 AgNO₃를 은 나노입자 전구체로 사용해 실험을 진행하였다. 하지만 PEO/AgNPs(precursor: AgNO₃)/p-BQ 분리막의 성능에서 선택적인 분리성능이 나타나지 않았다.
실험에 사용한 고분자는 poly(ethylene oxide) (PEO,Mw 600,000)이고, silver tetrafluoroborate (AgBF₄,98%)와 silver nitrate (AgNO₃,98%), p-benzoquinone (p-BQ) 모두 Sigma-Aldrich사에서 구입하였다. 고분자 분리막을 만들기 위해 polysulfone (Toray Chemical Korea Inc.

성능/효과

TGA분석으로 고분자와 AgNPs 사이의 coordination 특징을 살펴보았다. AgBF₄를 전구체로 사용하는 복합막의 경우 순수한 PEO보다 열적 안정도가 감소하는 것으로 확인이 되었으며, 이는 고분자 사슬 사이에 생성된은 나노입자로 인한 고분자 내 사슬간 약화된 상호작용 때문인 것으로 생각되었다. 반면, AgNO₃를 전구체를 사용하는 복합막의 경우 생성된 은 나노입자가 안정화되지 못한 채 균일하게 분산되지 않는 것으로 분석되었다.
하지만 PEO/AgNPs(precursor: AgNO₃)/p-BQ 분리막의 성능에서 선택적인 분리성능이 나타나지 않았다. 기존 PEO/AgNPs(precursor: AgBF)/p-BQ 시스템의 성능의 원인을 BF의 존재라고 판단하고 NaBF를 통해 BF을 첨가했지만, AgNPs의 표면을 양극성화하는데 실패하였으며, 결과적으로 분리성능은 확인되지 않았다. 이러한 현상은 이미 존재하고 있는 NO₃가 AgNPs 표면을 감싸고 있기 때문에 BF가 NPs 표면에 붙지 못하는 것으로 생각 되었다.
반면, AgNO₃를 전구체를 사용하는 복합막의 경우 생성된 은 나노입자가 안정화되지 못한 채 균일하게 분산되지 않는 것으로 분석되었다. 이러한 결과로부터 AgNPs를 형성할 때 은 전구체의 음이온이 올레핀 기체분리 성능에 있어서 매우 중요한 인자라는 결론을 도출하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	은 염들을 사용하는 분리막의 단점은 무엇인가?	하지만 이러한 은 염들을 사용하는 분리막의 경우 시간이 지남에 따라 은이온 염들이 환원이 되면서 성능이 감소한다는 단점이 발견되었다[19]. 따라서 기존 연구에서는 장시간 안정적인 성능을 유지하기 위해 AgBF4를 환원시킨 은 나노입자에 전자수용체 p-benzoquinone(p-BQ)를 PEO 복합막에 첨가하는 연구가 진행되었다[20].
	은 나노입자 표면이 양극성화 되었을때의 장점은 무엇인가?	따라서 기존 연구에서는 장시간 안정적인 성능을 유지하기 위해 AgBF4를 환원시킨 은 나노입자에 전자수용체 p-benzoquinone(p-BQ)를 PEO 복합막에 첨가하는 연구가 진행되었다[20]. 은 나노입자와 p-BQ의 상호작용으로 인해 은 나노입자 표면이 양극성화 되어 olefin carrier로서 활성이 높아지고 균일한 크기의 은 나노입자의 형성으로 인해 성능이 증가하는 것으로 보고되었다[20].
	크래킹 제조방법의 한계점은 무엇인가?	한편, 대부분의 올레핀은 예전부터 증류 크래킹으로 제조가 되고 있다[7-9]. 하지만 이러한 제조 방법은 에너지 및 공간 측면에서 효율이 높지 못하는 것으로 알려져 있기 때문에 이를 분리하기 위한 고효율적인 방법들이 널리 연구되고 있다[10-12]. 다른 방법으로는 극저온 증류법이 있으나 이 또한 많은 시간과 많은 비용이 필요하기 때문에 최근에는 촉진수송 분리막 기술이 비효율적인 분리 방법을 대체할 수 있는 기술로 각광을받고 있다[13-15].

참고문헌 (20)
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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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