초록 ▼

본 연구과제에서는 이산화탄소분리용 막소재 및 이를 활용한 모듈 및 시스템기술의 확보를 연구목표로 하여 본 1단계에서는 막분리소재에 관한 연구를 총 3년에 걸쳐서 수행하였다. 이산화탄소 분리용 막소재로서 본 연구에서 채택한 것은 탄소 및 탄소-실리카로서 이들 소재들은 기체혼합물(이산화탄소/질소 흑은 이산화탄소/질소) 중 특정한 분자크기만을 선택적으로 투과시키는 가장 이상적인 분리메커니즘인 분자체메커니즘을 구현할 수 있도록 설계 및 제조되었다. 상용화되어 있는 고분자막의 경우, 이산화탄소에 의해 쉽게 가소화되어 이산화탄소/질소에 대한

본 연구과제에서는 이산화탄소분리용 막소재 및 이를 활용한 모듈 및 시스템기술의 확보를 연구목표로 하여 본 1단계에서는 막분리소재에 관한 연구를 총 3년에 걸쳐서 수행하였다. 이산화탄소 분리용 막소재로서 본 연구에서 채택한 것은 탄소 및 탄소-실리카로서 이들 소재들은 기체혼합물(이산화탄소/질소 흑은 이산화탄소/질소) 중 특정한 분자크기만을 선택적으로 투과시키는 가장 이상적인 분리메커니즘인 분자체메커니즘을 구현할 수 있도록 설계 및 제조되었다. 상용화되어 있는 고분자막의 경우, 이산화탄소에 의해 쉽게 가소화되어 이산화탄소/질소에 대한 낮은 선택도를 보이며 또한 낮은 내화학성 및 내열성으로 고온 및 부식성환경에서 사용이 극히 제한받는 반면, 본 연구에서 개발된 탄소 및 탄소-실리카 소재는 이들의 전구체인 고분자 혹은 유무기하이브리드의 구조제어 및 열분해조건의 선택적인 제어를 통하여 이산화탄소에 대해서는 높은 투과도를 나타내고 동시에 이산화탄소/질소 선택도를 극대화시킬 수 있도록 이들 소재내의 미세기공 및 메조기공을 알맞게 조절할 수 있는 소재제조기술을 구현하는데 성공하였다. 특히, 본 연구를 통해 얻어진 탄소-실리카 막소재의 경우 실록산 함유 공중합체, 고분자/실리카 복합소재 등을 통하여 비교적 쉽게 제조가 가능하고, 실리카의 기공도를 조절하여 소재내의 기공구조 제어가 용이한 장점과 함께 기존의 탄소막소재의 이산화탄소에 대한 낮은 투과도를 효과적으로 개선한 독창적인 연구결과로서 여러 가지 산업공정 중에 발생하는 이산화탄소를 효과적으로 분리하는 데 큰 일익을 담당할 것으로 기대할 수 있다.

Abstract ▼

In the present research, carbon dioxide selective molecular sieving membrane materials have been extensively investigated for the purpose of the development of thermally and chemically stable membrane-based carbon dioxide separation system. As candidate membrane materials for carbon dioxide separati

In the present research, carbon dioxide selective molecular sieving membrane materials have been extensively investigated for the purpose of the development of thermally and chemically stable membrane-based carbon dioxide separation system. As candidate membrane materials for carbon dioxide separation, microporous carbon molecular sieve membranes and nanoporous carbon-silica membranes, which are derived from entirely new concept, have been fabricated using size-exclusion or molecular sieving concept which is to separate very efficiently by recognizing the size or the shape of gas molecules. In the case of commercialized polymer membranes, they can be easily plasticized by carbon dioxide, then which may lead to the reduction of carbon dioxide/nitrogen drastically. Furthermore, their use in many useful applications should be considerably limited owing to their intrinsic low thermal and chemical stability. On the other hand, carbon molecular sieve membranes and/or carbon-silica membranes show high $CO_2$ permeability and, at the same time, excellent $CO_2$/$N_2$ selectivity, which can be achieved by tuning the micro-structure of polymeric and/or organic-inorganic nanocomposite and also controlling the pyrolysis conditions such as the final pyrolysis temperature, thermal dwell time, pyrolysis atmosphere, and heating rate. Particularly, carbon-silica membranes can be readily prepared using siloxane-containing copolymers and polyimide/silica nanocomposites, and they have high surface area, high micropore volume, and gas-accessible micropore size. In addition, they consist of continuous microporous carbon matrix and dispersed mesoporous silica. Mesopores in silica are very well-connected with micropore in carbon matrix and thus high carbon dioxide permeability can be achieved as well as high gas selectivity. This core-technology is the most promising example to overcome the conventional polymer membrane-based gas separation system suffering from low-flux and low-separation factor, and eventually can provide a variety of useful separation applications in the chemical-industries.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서초록 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 10
• 목차 ... 12
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 13
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 17
• 제 3 장 이산화탄소분리용 무기막분리소재 해외기술관련 정보 ... 25
• 제 4 장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 48
• 제 1 절 기체분리용 막분리 - 이론 및 원리 ... 48
• 제 2 절 기체분리용 막소재의 분류 ... 51
• 제 3 절 이산화탄소 분리용 탄소분자체막 개발 ... 55
• 제 4 절 탄소-실리카막의 제조 ... 108
• 제 5 절 위탁기관 연구개발 수행내용 및 결과 ... 161
• 제 6 절 탄소분자체막의 운전변수에 따른 투과특성연구 ... 213
• 제 5 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 228
• 제 6 장 연구개발결과의 활용계획 ... 232
• 제 7 장 참고문헌 ... 253