KR102457839B1 - Preparation mehtod for separation membrane and separation membrane prepared thereof - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰 및 폴리페닐술폰 중 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 다공성 지지층; 상기 다공성 지지층 상에 형성되고, 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층; 및 상기 거터층 상에 형성되고, 아세틸화 메틸 셀룰로오스를 포함하는 활성층을 포함하는 분리막으로서, 상기 분리막 표면에서 측정되는 S=O 결합의 피크 강도 대비 C=O 결합의 피크 강도가 0.6 이상인 분리막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present specification provides a porous support layer comprising at least one polymer selected from polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone and polyphenylsulfone; a gutter layer formed on the porous support layer and including a silicon-based compound; and an active layer formed on the gutter layer and comprising acetylated methyl cellulose, wherein the peak strength of the C=O bond compared to the peak strength of the S=O bond measured on the surface of the separator is 0.6 or more, and a separation membrane thereof It relates to a manufacturing method.
Description
본 명세서는 분리막의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 분리막에 관한 것이다.The present specification relates to a method for manufacturing a separation membrane and a separation membrane manufactured thereby.
복합 분리막(복합막 또는 분리막)은 기체 분리막, 수처리 분리막, 이온 분리막, 이차전지 분리막 등 현재 여러 분야에 적용되고 있다. 이러한 분리막은 해당되는 적용 분야에 따라 사용되는 소재가 조금씩 다르다. Composite membranes (composite membranes or membranes) are currently being applied to various fields, such as gas separation membranes, water treatment membranes, ion separation membranes, and secondary battery separation membranes. The material used for these separation membranes is slightly different depending on the applicable field of application.
특히, 환경에 대한 관심이 많아지면서 기체 분리 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 중에서도 기체 분리막에 의한 기체의 분리는 증류법, 고압 흡착법 등과 비교하여 에너지 효율이 우수하고, 안정성이 높은 방법이다.In particular, as interest in the environment increases, research on gas separation technology is being actively conducted. Among them, gas separation by a gas separation membrane is a method with superior energy efficiency and high stability compared to a distillation method and a high pressure adsorption method.
기제 분리막은 지지층 및 활성층으로 구성되어 있으며, 활성층의 구조적 특성을 이용하여 혼합기체로부터 선택적으로 기체를 분리하는 막이다. 따라서 기체 투과도와 선택도는 막의 성능을 나타내는 중요한 지표로 사용되며, 이러한 성능은 활성층을 구성하는 고분자 물질에 의해 큰 영향을 받는다.The base separation membrane is composed of a support layer and an active layer, and is a membrane that selectively separates a gas from a mixed gas by using the structural characteristics of the active layer. Therefore, gas permeability and selectivity are used as important indicators of membrane performance, and these performances are greatly affected by the polymer material constituting the active layer.
상용 고분자 분리막이 1970년대에 처음으로 도입된 이후 많은 발전이 있었지만 아직도 여전히 투과도와 선택도의 트레이드오프를 넘는 것이 과제로 남아있다. 따라서 선택도의 희생 없이 투과도를 높일 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.Although a lot of development has been made since commercial polymer membranes were first introduced in the 1970s, it still remains a challenge to overcome the trade-off between permeability and selectivity. Therefore, there is a need to develop a method capable of increasing the transmittance without sacrificing selectivity.
본 명세서는 헬륨에 대한 투과도 및 선택도가 우수한 분리막의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 분리막을 제공하고자 한다.An object of the present specification is to provide a method for manufacturing a separation membrane having excellent helium permeability and selectivity, and a separation membrane manufactured thereby.
본 명세서의 일 실시상태는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰 및 폴리페닐술폰 중 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 다공성 지지층;An exemplary embodiment of the present specification includes a porous support layer comprising at least one polymer selected from polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, and polyphenylsulfone;
상기 다공성 지지층 상에 형성되고, 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층(Gutter layer); 및a gutter layer formed on the porous support layer and including a silicon-based compound; and
상기 거터층 상에 형성되고, 아세틸화 메틸 셀룰로오스(AMC, Acetylated Methyl Cellulose)를 포함하는 활성층An active layer formed on the gutter layer and comprising Acetylated Methyl Cellulose (AMC)
을 포함하는 분리막으로서,As a separation membrane comprising:
상기 분리막 표면의 하기 T값이 0.6 이상인 분리막을 제공한다.To provide a separation membrane having a T value of 0.6 or more on the surface of the separation membrane.
[식 1][Equation 1]
T=(C=O 결합의 피크 강도)/(S=O 결합의 피크 강도)T=(peak intensity of C=O bond)/(peak intensity of S=O bond)
상기 식 1에서, 피크 강도는 푸리에 변환 적외선 분광계(FT-IR)에 의해 측정된 흡수 강도를 의미하고In Equation 1, the peak intensity means the absorption intensity measured by Fourier Transform Infrared Spectrometer (FT-IR) and
상기 C=O 결합은 활성층에 존재하는 결합이며, 상기 S=O 결합은 다공성 지지층에 존재하는 결합이다. The C=O bond is a bond present in the active layer, and the S=O bond is a bond present in the porous support layer.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 분리막을 하나 이상 포함하는 분리막 모듈을 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a separation membrane module including at least one separation membrane.
또한, 다공성 기재 상에 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰 및 폴리페닐술폰 중 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 용액을 도포하여 다공성 지지층 형성하는 단계;In addition, forming a porous support layer by applying a solution containing at least one polymer selected from among polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone and polyphenylsulfone on the porous substrate;
상기 다공성 지지층 상에 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층(Gutter layer) 형성용 조성물을 도포하여 거터층을 형성하는 단계; 및forming a gutter layer by applying a composition for forming a gutter layer including a silicone-based compound on the porous support layer; and
상기 거터층 상에 아세틸화 메틸 셀룰로오스(AMC, Acetylated Methyl Cellulose)를 포함하는 활성층 형성용 조성물을 도포하여 활성층을 형성하는 단계를 포함하며,Forming an active layer by applying a composition for forming an active layer comprising acetylated methyl cellulose (AMC, Acetylated Methyl Cellulose) on the gutter layer,
상기 활성층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로, 상기 아세틸화 메틸 셀룰로오스의 함량은 0.5wt% 내지 5wt%인 것인 분리막의 제조 방법을 제공한다.Based on 100 wt% of the composition for forming the active layer, the content of the acetylated methyl cellulose provides a method for manufacturing a separator of 0.5 wt% to 5 wt%.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 제조 방법에 따라 제조된 분리막을 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a separation membrane manufactured according to the above manufacturing method.
본 명세서에 일 실시상태에 따른 분리막은 천연가스 또는 기체 혼합물로부터 이산화탄소 기체를 선택적으로 분리하는 성능이 우수하다.The separation membrane according to an exemplary embodiment herein has excellent performance in selectively separating carbon dioxide gas from natural gas or a gas mixture.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막을 도시한 것이다.1 illustrates a separator according to an exemplary embodiment of the present specification.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In the present specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member is present between the two members.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
이하 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 분리막은 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰 및 폴리페닐술폰 중 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 다공성 지지층; 상기 다공성 지지층 상에 형성되고, 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층(Gutter layer); 및 상기 거터층 상에 형성되고, 아세틸화 메틸 셀룰로오스(AMC, Acetylated Methyl Cellulose)를 포함하는 활성층을 포함하며, 표면의 하기 T값이 0.6 이상이다.In an exemplary embodiment of the present specification, the separator includes a porous support layer comprising at least one polymer selected from polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, and polyphenylsulfone; a gutter layer formed on the porous support layer and including a silicon-based compound; and an active layer formed on the gutter layer and containing acetylated methyl cellulose (AMC, Acetylated Methyl Cellulose), wherein the following T value of the surface is 0.6 or more.
[식 1][Equation 1]
T=(C=O 결합의 피크 강도)/(S=O 결합의 피크 강도)T=(peak intensity of C=O bond)/(peak intensity of S=O bond)
상기 식 1에서, 피크 강도는 푸리에 변환 적외선 분광계(FT-IR)에 의해 측정된 흡수 강도를 의미하고,In Equation 1, the peak intensity means the absorption intensity measured by a Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR),
상기 C=O 결합은 활성층에 존재하는 결합이며, 상기 S=O 결합은 다공성 지지층에 존재하는 결합이다. The C=O bond is a bond present in the active layer, and the S=O bond is a bond present in the porous support layer.
본 명세서에서, 상기 분리막의 표면은 활성층이 적층된 방향의 표면을 의미한다. 예컨대 도 1과 같이 다공성 기재(10), 다공성 지지층(20), 거터층(30), 활성층(40) 및 보호층(50)을 포함하는 구성이며 상기 보호층(50) 상에 추가의 구성이 없을 경우, 상기 분리막의 표면은 다공성 기재(10)의 표면이 아닌, 보호층(50)의 표면을 의미한다. 또한, 보호층을 포함하지 않는 구성이며, 활성층 상에 추가의 구성이 없을 경우, 상기 분리막의 표면은 활성층의 표면을 의미한다.In the present specification, the surface of the separator means a surface in the direction in which the active layer is laminated. For example, as shown in FIG. 1, it is a configuration including a
구체적으로, 각 층의 두께가 강도에 영향을 미치지 않는 ATR-FTIR법을 통해 분리막에 포함된 작용기 결합의 피크 강도를 측정할 수 있다. Specifically, the peak intensity of the functional group bond included in the separator can be measured through the ATR-FTIR method in which the thickness of each layer does not affect the strength.
일반적으로 이산화탄소 기체 분리에는 아민 습식법 등 고가의 분리 방법이 사용되고 있으며 분리막에 의한 이산화탄소 기체의 분리는 셀룰로오스 계통 고분자를 이용한 중공사막을 적용하여 제한적이다. In general, an expensive separation method such as an amine wet method is used for carbon dioxide gas separation, and the separation of carbon dioxide gas by a separation membrane is limited by applying a hollow fiber membrane using a cellulose-based polymer.
본 발명의 발명자들은 활성층 형성시 사용되는 아세틸화 메틸 셀룰로오스의 농도에 따라 기체의 분리 성능이 제어됨을 발견하였고, 특히 분리막 표면의 상기 식 1로 계산되는 T값이 0.6 이상일 때, 이산화탄소 기체의 투과도 및 선택도가 동시에 높은 값을 나타낼 수 있음을 확인하였다.The inventors of the present invention have found that the gas separation performance is controlled according to the concentration of acetylated methyl cellulose used in forming the active layer. In particular, when the T value calculated by Equation 1 on the surface of the separation membrane is 0.6 or more, the permeability of carbon dioxide gas and It was confirmed that the selectivity can exhibit a high value at the same time.
특히, 활성층 코팅 용액 내 AMC 함량이 높을 수록 상기 T값이 높게 나타나며, 이 경우 메탄 기체에 대한 이산화탄소 기체의 선택도가 높게 달성될 수 있음을 확인하였다. In particular, the higher the AMC content in the active layer coating solution, the higher the T value, and in this case, it was confirmed that the selectivity of the carbon dioxide gas to the methane gas can be achieved.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막은 기체 분리막, 수처리 분리막 또는 이온 분리막이며, 바람직하게는 기체 분리막이다.In one embodiment of the present specification, the separation membrane is a gas separation membrane, a water treatment separation membrane, or an ion separation membrane, preferably a gas separation membrane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 기체 분리막이란 기체 혼합물에서 특정 기체 분자를 선택적으로 분리할 수 있는 배리어(barrier) 분리막을 의미한다. 기체 분리막은 한 쪽 면에 기체 혼합물이 접촉되면서 반대쪽 면이 저압 상태로 될 때, 기체 혼합물 중 특정 기체만이 투과하는 현상을 이용한다. 구체적으로, 분리막과 친화성이 좋은 특정 기체가 분리막 표면에 용해된 후, 확산을 통해 내부를 통과하고, 다른 면에서 탈착되는 원리를 이용한다. 본 명세서에 있어서, 상기 특정 기체 분자는 이산화탄소이다. In an exemplary embodiment of the present specification, the gas separation membrane refers to a barrier separation membrane capable of selectively separating specific gas molecules from a gas mixture. The gas separation membrane uses a phenomenon in which only a specific gas in the gas mixture permeates when the gas mixture is brought into contact with one side and the other side is in a low pressure state. Specifically, it uses the principle that a specific gas having good affinity with the separator is dissolved on the surface of the separator, then passes through the interior through diffusion and is desorbed from the other side. In the present specification, the specific gas molecule is carbon dioxide.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기체 혼합물이란 수소; 헬륨; 일산화탄소; 이산화탄소; 황화수소; 산소; 질소; 암모니아; 유황 산화물; 질소 산화물; 메탄, 에탄 등의 탄화수소 기체; 프로필렌 등의 불포화 탄화수소 기체; 및 수증기를 함유하는 것을 의미할 수 있다. In one embodiment of the present specification, the gas mixture is hydrogen; helium; carbon monoxide; carbon dioxide; hydrogen sulfide; Oxygen; nitrogen; ammonia; sulfur oxides; nitrogen oxides; hydrocarbon gases such as methane and ethane; unsaturated hydrocarbon gases such as propylene; and water vapor.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기체 혼합물이란 이산화탄소 및 메탄을 포함한 기체 혼합물을 의미할 수 있다.In the exemplary embodiment of the present specification, the gas mixture may refer to a gas mixture including carbon dioxide and methane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기체 혼합물이란 천연가스를 의미할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the gas mixture may mean natural gas.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, C=O 결합의 피크 강도 및 S=O 결합의 피크 강도는 FT-IR 흡수 스펙트럼에서 각각 1754cm-1 및 1175cm-1에서 나타나는 흡수 피크의 강도를 의미할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the peak intensity of the C = O bond and the peak intensity of the S = O bond may mean the intensity of the absorption peak appearing at 1754 cm -1 and 1175 cm -1 in the FT-IR absorption spectrum, respectively. .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 C=O 결합은 활성층에 포함된 AMC의 C=O 결합 부분을 의미한다.In an exemplary embodiment of the present specification, the C = O bonding means a C = O bonding portion of the AMC included in the active layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰 및 폴리페닐술폰 중 선택된 1종 이상일 수 있으며 구체적으로는 폴리술폰일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the polymer may be one or more selected from polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, and polyphenylsulfone, and specifically may be polysulfone.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 폴리술폰은 하기 화학식 1으로 표시되는 것일 수 있으며, 상기 S=O 결합은 하기 화학식 1에서 S=O 결합 부분을 의미한다.In the exemplary embodiment of the present specification, the polysulfone may be represented by the following Chemical Formula 1, and the S=O bond means an S=O bond moiety in the following Chemical Formula 1.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서, k는 1 내지 1,000의 정수이다.In Formula 1, k is an integer of 1 to 1,000.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 분리막 표면의 T값은 0.6 이상 2.0 이하, 바람직하게는 0.7 이상 1.8 이하, 더욱 바람직하게는 0.7 이상 1.5 이하이다. In one embodiment of the present specification, the T value of the surface of the separator is 0.6 or more and 2.0 or less, preferably 0.7 or more and 1.8 or less, and more preferably 0.7 or more and 1.5 or less.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 다공성 지지층은 다공성 기재 상에 고분자 용액을 도포하는 방법으로 제조될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the porous support layer may be prepared by applying a polymer solution on a porous substrate.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 다공성 기재는 분리막의 지지체로 사용되는 재질이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에틸렌, 또는 부직포일 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 기재는 부직포일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the porous substrate may be used without limitation as long as it is a material used as a support for the separator, for example, polyester, polypropylene, nylon, polyethylene, or non-woven fabric. Specifically, the porous substrate may be a nonwoven fabric.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 용액은 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰 및 폴리페닐술폰 중 선택된 1종 이상의 고분자를 용매에 녹여 제조될 수 있다. 상기 용매는 상기 고분자를 용해할 수 있는 용매라면 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아미드(DMF) 및 헥사메틸포스포아미드(HMPA) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 고분자는 상기 고분자 용액 100wt%을 기준으로 10wt% 내지 30wt% 포함될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present specification, the polymer solution may be prepared by dissolving one or more polymers selected from among polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone and polyphenylsulfone in a solvent. The solvent may be used without limitation as long as it is a solvent capable of dissolving the polymer. For example, acetone, acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF) and hexamethylphosphoamide (HMPA), etc. can be used, The present invention is not limited thereto. The polymer may be included in an amount of 10 wt% to 30 wt% based on 100 wt% of the polymer solution.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 다공성 지지층의 두께는 20㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다.본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 거터층은 굴곡이 있는 다공성 지지층 표면을 완만하게 만들어 활성층 용액 젖음의 균일도를 높임으로써 활성층의 균일한 형성을 돕는다.In an exemplary embodiment of the present specification, the thickness of the porous support layer may be 20 µm to 100 µm. In an exemplary embodiment of the present specification, the gutter layer smoothes the curved surface of the porous support layer to wet the active layer solution. It helps the uniform formation of the active layer by increasing the uniformity of the
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 거터층은 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층 형성용 조성물을 상기 다공성 지지층 상에 도포함으로써 형성될 수 있다.In the exemplary embodiment of the present specification, the gutter layer may be formed by applying a composition for forming a gutter layer including a silicon-based compound on the porous support layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 화합물은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)(Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne), PTMSP) 및 폴리옥틸메틸실록산(Polyoctylmethylsiloxane, POMS) 중 선택된 1종 이상이며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산이다.In one embodiment of the present specification, the silicone-based compound is polydimethylsiloxane (PDMS), poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) (Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne), PTMSP), and poly At least one selected from among octylmethylsiloxane (POMS), preferably polydimethylsiloxane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 거터층의 두께는 0.01㎛ 내지 1㎛일 수 있으며, 0.01㎛ 미만일 경우 표면 거칠기 완화의 효과가 미미할 수 있고, 1㎛를 초과할 경우 투과도가 대폭 감소하는 문제점이 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the thickness of the gutter layer may be 0.01 μm to 1 μm, and when it is less than 0.01 μm, the effect of alleviating the surface roughness may be insignificant, and when it exceeds 1 μm, the transmittance is significantly reduced. There is this.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 폴리디메틸실록산은 Dow corning사의 sylgard 184 이다 In one embodiment of the present specification, the polydimethylsiloxane is sylgard 184 of Dow corning.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 활성층은 아세틸화 메틸 셀룰로오스를 포함하는 활성층 형성용 조성물을 상기 거터층 상에 도포함으로써 형성될 수 있다. 아세틸화 메틸 셀룰로오스는 다른 셀룰로오스계 화합물에 비해 저점도의 용액을 통해 일정 수준의 선택도가 확보되면서 코팅이 용이한 장점이 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the active layer may be formed by applying a composition for forming an active layer including acetylated methyl cellulose on the gutter layer. Acetylated methyl cellulose has the advantage of easy coating while securing a certain level of selectivity through a low-viscosity solution compared to other cellulosic compounds.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 활성층의 두께는 100nm 내지 2,000nm일 수 있으며, 100nm 미만일 경우 선택도가 낮은 문제점이 있고, 2,000nm를 초과할 경우 투과도가 대폭 감소하는 문제점이 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the thickness of the active layer may be 100 nm to 2,000 nm, and when it is less than 100 nm, there is a problem of low selectivity, and when it exceeds 2,000 nm, there is a problem that the transmittance is greatly reduced.
상기 거터층 및 활성층의 두께는 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰되는 화면을 사용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 0.2cm2의 샘플의 단면을 마이크로톰(microtome)을 통해 절단한 후, 백금(Pt) 코팅한 후, 주사형 전자 현미경(SEM)을 이용하여 상기 거터층 및 활성층의 두께를 측정하여 평균 값으로 계산할 수 있다.The thickness of the gutter layer and the active layer may be measured using a screen observed with a scanning electron microscope (SEM). Specifically, a cross section of a sample of 0.2 cm 2 was cut through a microtome, coated with platinum (Pt), and then the thickness of the gutter layer and the active layer was measured using a scanning electron microscope (SEM), and the average value can be calculated.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 활성층 100wt%를 기준으로, 상기 아세틸화 메틸 셀룰로오스의 함량은 95wt% 내지 99.995wt%이며, 잔부는 잔류 용매일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, based on 100 wt% of the active layer, the content of the acetylated methyl cellulose is 95 wt% to 99.995 wt%, and the remainder may be a residual solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막은 상기 활성층 상에 형성되고, 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 포함하는 보호층을 더 포함한다.In an exemplary embodiment of the present specification, the separator further includes a protective layer formed on the active layer and including polydimethylsiloxane (PDMS).
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 보호층은 상기 보호층 100wt%를 기준으로, 0.005wt% 내지 5wt%의 계면활성제, 0.005wt% 내지 5wt%의 잔류 용매 및 잔부의 폴리디메틸실록산을 포함하며, 상기 계면활성제 및 용매는 후술하는 보호층 형성용 조성물의 계면활성제 및 용매에 대한 설명을 따른다.In an exemplary embodiment of the present specification, the protective layer comprises 0.005 wt% to 5 wt% of a surfactant, 0.005 wt% to 5 wt% of a residual solvent and the balance of polydimethylsiloxane based on 100 wt% of the protective layer, , The surfactant and solvent follow the description of the surfactant and solvent of the composition for forming a protective layer to be described later.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막의 이산화탄소 기체의 투과도는 30GPU 내지 130GPU(Gas Permeation Unit, 10-6cm3(STP)/cm2·s·cmHg), 바람직하게는 48GPU 내지 125GPU일 수 있다. 상기 이산화탄소 기체의 투과도는 14psi 내지 600psi의 압력으로 이산화탄소 단일 기체; 또는 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 혼합 기체를 보호층에서 다공성 지지층 방향으로 투과시켜 측정한 것이다. 구체적으로 상기 혼합 기체는 헬륨 0.001vol% 내지 10vol%, 이산화탄소 0.001vol% 내지 40vol%, 질소 1vol% 내지 45vol% 및 메탄 5vol% 내지 9 vol%를 포함하는 혼합 기체이다.In one embodiment of the present specification, the permeability of the carbon dioxide gas of the separation membrane is 30GPU to 130GPU (Gas Permeation Unit, 10 -6 cm 3 (STP)/cm 2 ·s·cmHg), preferably 48GPU to 125GPU. have. The permeability of the carbon dioxide gas is a single carbon dioxide gas at a pressure of 14 psi to 600 psi; Alternatively, it is measured by permeating a mixed gas containing carbon dioxide and methane from the protective layer toward the porous support layer. Specifically, the mixed gas is a mixed gas containing 0.001 vol% to 10 vol% of helium, 0.001 vol% to 40 vol% of carbon dioxide, 1 vol% to 45 vol% of nitrogen, and 5 vol% to 9 vol% of methane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막의 메탄 기체의 투과도는 1GPU 내지 15GPU, 바람직하게는 2.1GPU 내지 7.7GPU일 수 있다. 상기 메탄 기체의 투과도는 14psi 내지 600psi의 압력으로 메탄 단일 기체; 또는 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 혼합 기체를 보호층에서 다공성 지지층 방향으로 투과시켜 측정한 것이다. 구체적으로 상기 혼합 기체는 헬륨 0.001vol% 내지 10vol%, 이산화탄소 0.001vol% 내지 40 vol%, 질소 1vol% 내지 45vol% 및 메탄 5vol% 내지 98 vol%를 포함하는 혼합 기체이다.In one embodiment of the present specification, the permeability of the methane gas of the separation membrane may be 1GPU to 15GPU, preferably 2.1GPU to 7.7GPU. The permeability of the methane gas is methane single gas at a pressure of 14 psi to 600 psi; Alternatively, it is measured by permeating a mixed gas containing carbon dioxide and methane from the protective layer toward the porous support layer. Specifically, the mixed gas is a mixed gas containing 0.001 vol% to 10 vol% of helium, 0.001 vol% to 40 vol% of carbon dioxide, 1 vol% to 45 vol% of nitrogen, and 5 vol% to 98 vol% of methane.
상기 투과도는 물질 전달 속도를 의미하며, 상기 이산화탄소 기체 및 메탄 기체의 투과도는 표준 온도와 압력(STP, Standard Temperature and Pressure) 조건인 25℃ 내지 60℃, 14psi 내지 600psi에서 버블 플로우 미터(Bubble Flow Meter)로 측정될 수 있다.The permeability refers to the mass transfer rate, and the permeability of the carbon dioxide gas and the methane gas is a bubble flow meter at 25° C. to 60° C., 14 psi to 600 psi, which are standard temperature and pressure (STP) conditions. ) can be measured.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막의 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도는 10 이상 30 이하, 바람직하게는 14 이상 30 이하, 더욱 바람직하게는 14.6 이상 22.7 이하일 수 있다. 상기 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도는 상기 메탄 기체의 투과도에 대한 이산화탄소 기체의 투과도 비율로 계산된 것이다.In an exemplary embodiment of the present specification, the selectivity of carbon dioxide to methane of the separation membrane may be 10 or more and 30 or less, preferably 14 or more and 30 or less, and more preferably 14.6 or more and 22.7 or less. The selectivity of carbon dioxide to methane is calculated as a ratio of permeability of carbon dioxide gas to permeability of methane gas.
분리막이 상기 투과도와 선택도를 동시에 만족하는 경우, 기체 분리 공정 비용을 절감하면서 선택도를 최대한 높일 수 있다.When the separation membrane satisfies the permeability and selectivity at the same time, it is possible to maximize the selectivity while reducing the gas separation process cost.
분리막에 있어서, 투과도와 선택도가 동시에 클수록 좋으나, 대부분의 분리막 소재는 투과도 및 선택도가 상충(trade-off) 관계를 가지고 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막은 투과도 및 선택도의 상충 관계를 개선할 수 있다. 즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막은 이산화탄소 투과도를 비교적 높게 유지하면서도, 선택도를 매우 높일 수 있다.In the separation membrane, the higher the transmittance and the selectivity at the same time, the better, but most membrane materials have a trade-off relationship between the transmittance and the selectivity. The separation membrane according to an exemplary embodiment of the present specification may improve the trade-off between permeability and selectivity. That is, the separation membrane according to an exemplary embodiment of the present specification can maintain a relatively high carbon dioxide permeability, and can greatly increase selectivity.
도 1에는 다공성 기재(10) 상에 고분자 용액을 도포하여 형성한 다공성 지지층(20), 상기 다공성 지지층(20) 상에 구비되며 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층(30), 상기 거터층(30) 상에 형성된 활성층(40) 및 상기 활성층(40) 상에 형성된 보호층(50)이 예시되어 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막은 도 1의 구성에 추가의 구성을 더 포함될 수 있다.1 shows a
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막은 기체 분리막일 수 있으며, 기체 분리막은 평막(flat sheet) 또는 나권형(spiral-wound)일 수 있다. 기체 분리막에는 평막(flat-sheet), 나권형(spiral-wound), 관형(tube-in-shell) 또는 중공사형(hollow-fiber) 형태 등이 있으나, 본 명세서의 일 실시상태는 평막(flat sheet) 또는 나권형(spiral-wound)이 바람직하다.In an exemplary embodiment of the present specification, the separation membrane may be a gas separation membrane, and the gas separation membrane may be a flat sheet or spiral-wound type. The gas separation membrane includes a flat-sheet, spiral-wound, tube-in-shell, or hollow-fiber type, but an exemplary embodiment of the present specification is a flat sheet ) or spiral-wound is preferred.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 분리막 모듈은 전술한 분리막을 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the separation membrane module may include one or more of the above-described separation membranes.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막이 기체 분리막인 경우, 기체 분리막 모듈에 포함되는 상기 기체 분리막의 개수는 1 내지 50개일 수 있으며, 구체적으로 20 내지 30개일 수 있고, 더욱 구체적으로 25 내지 30개일 수 있다.In the exemplary embodiment of the present specification, when the separation membrane is a gas separation membrane, the number of the gas separation membranes included in the gas separation membrane module may be 1 to 50, specifically 20 to 30, and more specifically 25 to It can be 30.
상기 기체 분리막 모듈은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막을 압력 용기에 넣어 일체화한 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 하나 이상의 상기 분리막을 내부 코어 튜브(core tube)를 중심으로 감아 롤링(rolling)한 후 표면에 섬유강화 플라스틱(Fiber reinforced plastic)으로 최종 와인딩(winding)하여 기체 분리막 모듈을 제조할 수 있다.The gas separation membrane module may mean that the separation membrane according to an exemplary embodiment of the present specification is integrated into a pressure vessel. Specifically, one or more of the separation membranes are wound around an inner core tube and rolled, and then finally wound with fiber reinforced plastic on the surface to manufacture a gas separation membrane module. .
상기 분리막 모듈은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막을 포함하는 한, 그 외의 기타 구성 및 제조 방법 등은 특별히 한정되지 않고, 이 분야에서 공지된 일반적인 수단을 제한 없이 채용할 수 있다.As long as the separation membrane module includes a separation membrane according to an exemplary embodiment of the present specification, other configurations and manufacturing methods are not particularly limited, and general means known in this field may be employed without limitation.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 분리막의 제조 방법은 다공성 기재 상에 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰 및 폴리페닐술폰 중 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 용액을 도포하여 다공성 지지층 형성하는 단계; 상기 다공성 지지층 상에 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층(Gutter layer) 형성용 조성물을 도포하여 거터층을 형성하는 단계; 및 상기 거터층 상에 아세틸화 메틸 셀룰로오스(AMC, Acetylated Methyl Cellulose)를 포함하는 활성층 형성용 조성물을 도포하여 활성층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 활성층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로, 상기 아세틸화 메틸 셀룰로오스의 함량은 0.5wt% 내지 5wt%이다.In an exemplary embodiment of the present specification, the method for manufacturing a separator is formed by coating a solution containing at least one polymer selected from among polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone and polyphenylsulfone on a porous substrate to form a porous support layer. step; forming a gutter layer by applying a composition for forming a gutter layer including a silicone-based compound on the porous support layer; and applying a composition for forming an active layer comprising acetylated methyl cellulose (AMC, Acetylated Methyl Cellulose) on the gutter layer to form an active layer, wherein 100 wt% of the composition for forming the active layer is based on the acetylation The content of methyl cellulose is 0.5 wt % to 5 wt %.
상기 분리막의 제조 방법의 각 구성은 전술한 분리막에 대한 설명을 인용할 수 있다.For each configuration of the method for manufacturing the separation membrane, the description of the above-described separation membrane may be cited.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 분리막 표면의 T값은 활성층 형성용 조성물의 농도에 의해 조절할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the T value of the surface of the separator may be controlled by the concentration of the composition for forming an active layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 활성층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로, 상기 아세틸화 메틸 셀룰로오스의 함량은 0.5wt% 내지 3wt%, 바람직하게는 0.5wt% 내지 1.5wt%이다.In an exemplary embodiment of the present specification, based on 100 wt% of the composition for forming the active layer, the content of the acetylated methyl cellulose is 0.5 wt% to 3 wt%, preferably 0.5 wt% to 1.5 wt%.
상기 아세틸화 메틸 셀룰로오스의 함량이 0.5wt% 미만일 경우, 선택도가 매우 낮은 문제점이 있으며, 5wt%를 초과할 경우 투과도가 매우 낮은 문제점이 있다.When the content of the acetylated methyl cellulose is less than 0.5 wt%, there is a problem of very low selectivity, and when it exceeds 5 wt%, there is a problem of very low transmittance.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 활성층 형성용 조성물은 용매로서 니트로메탄을 더 포함한다.In one embodiment of the present specification, the composition for forming the active layer further comprises nitromethane as a solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 활성층 형성용 조성물에서 AMC를 제외한 잔부는 모두 용매일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the remainder of the composition for forming an active layer except for AMC may be a solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 거터층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로, 상기 실리콘계 화합물의 함량은 0.5wt% 내지 5wt%, 바람직하게는 1wt% 내지 3wt%이다.In an exemplary embodiment of the present specification, based on 100 wt% of the composition for forming a gutter layer, the content of the silicone-based compound is 0.5 wt% to 5 wt%, preferably 1 wt% to 3 wt%.
실리콘계 화합물의 함량이 0.5wt% 미만일 경우, 거터층으로서의 제대로 기능하지 못할 수 있고, 5wt%를 초과할 경우 투과도가 대폭 감소하는 문제점이 있다.When the content of the silicone-based compound is less than 0.5 wt%, it may not function properly as a gutter layer, and when it exceeds 5 wt%, there is a problem in that transmittance is significantly reduced.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 거터층 형성용 조성물은 지방족 탄화수소 용매를 더 포함하는 것이다. In one embodiment of the present specification, the composition for forming a gutter layer further comprises an aliphatic hydrocarbon solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 지방족 탄화수소 용매는 프레온류, 탄소수가 5 내지 12인 알칸 및 알칸 혼합물질인 이소파라핀계 용매 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 구체적으로, 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난, 데칸, 운데칸, 도데칸, 사이클로헥산, IsoPar(Exxon), IsoPar G(Exxon), ISOL-C(SK Chem) 또는 ISOL-G(Exxon)일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the aliphatic hydrocarbon solvent may be at least one selected from among freons, alkanes having 5 to 12 carbon atoms, and isoparaffinic solvents that are alkane mixtures, specifically, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, cyclohexane, IsoPar (Exxon), IsoPar G (Exxon), ISOL-C (SK Chem) or ISOL-G (Exxon).
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 거터층 형성용 조성물의 용매는 탄소수가 5 내지 12인 알칸, 바람직하게는 헥산이다.In an exemplary embodiment of the present specification, the solvent of the composition for forming a gutter layer is an alkane having 5 to 12 carbon atoms, preferably hexane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 거터층 형성용 조성물에서 PDMS 를 제외한 잔부는 모두 용매일 수 있다.In the exemplary embodiment of the present specification, the remainder of the composition for forming a gutter layer except for PDMS may be a solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막의 제조 방법은 상기 활성층 상에 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 포함하는 보호층 형성용 조성물을 도포하여 보호층을 형성하는 단계를 더 포함한다.In an exemplary embodiment of the present specification, the method of manufacturing the separator further includes forming a protective layer by applying a composition for forming a protective layer including polydimethylsiloxane (PDMS) on the active layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 보호층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로, 상기 폴리디메틸실록산의 함량은 1wt% 내지 20wt%, 바람직하게는 1wt% 내지 10wt%, 더욱 바람직하게는 1wt% 내지 5wt%이다.In an exemplary embodiment of the present specification, based on 100wt% of the composition for forming a protective layer, the content of the polydimethylsiloxane is 1wt% to 20wt%, preferably 1wt% to 10wt%, more preferably 1wt% to 5 wt%.
상기 보호층 형성용 조성물에서 폴리디메틸실록산의 함량이 1wt% 미만일 경우, 선택도가 매우 낮은 문제점이 있으며, 20wt%를 초과할 경우, 투과도가 매우 낮은 문제점이 있다.When the content of polydimethylsiloxane in the composition for forming a protective layer is less than 1 wt%, there is a problem of very low selectivity, and when it exceeds 20 wt%, there is a problem of very low transmittance.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 보호층 형성용 조성물은 지방족 탄화수소 용매를 더 포함하는 것이다. In an exemplary embodiment of the present specification, the composition for forming a protective layer further comprises an aliphatic hydrocarbon solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 지방족 탄화수소 용매는 프레온류, 탄소수가 5 내지 12인 알칸 및 알칸 혼합물질인 이소파라핀계 용매 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 구체적으로, 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난, 데칸, 운데칸, 도데칸, 사이클로헥산, IsoPar(Exxon), IsoPar G(Exxon), ISOL-C(SK Chem) 또는 ISOL-G(Exxon)일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the aliphatic hydrocarbon solvent may be at least one selected from among freons, alkanes having 5 to 12 carbon atoms, and isoparaffinic solvents that are alkane mixtures, specifically, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, cyclohexane, IsoPar (Exxon), IsoPar G (Exxon), ISOL-C (SK Chem) or ISOL-G (Exxon).
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 보호층 형성용 조성물의 용매는 탄소수가 5 내지 12인 알칸, 바람직하게는 헥산이다.In one embodiment of the present specification, the solvent of the composition for forming a protective layer is an alkane having 5 to 12 carbon atoms, preferably hexane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 보호층 형성용 조성물에서 PDMS를 제외한 잔부는 모두 용매이다.In an exemplary embodiment of the present specification, the remainder except for PDMS in the composition for forming a protective layer is a solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 분리막은 전술한 제조 방법에 따라 제조된 것이며, 전술한 분리막에 대한 설명을 인용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the separation membrane is manufactured according to the above-described manufacturing method, and the description of the above-described separation membrane may be cited.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be given to describe the present specification in detail. However, the embodiments according to the present specification may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not to be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more completely explain the present specification to those of ordinary skill in the art.
<제조예 : 기체 분리막의 제조><Production Example: Preparation of Gas Separation Membrane>
<실시예 1><Example 1>
DMF(N,N-디메틸포름아미드) 용액에 폴리술폰 고형분을 넣고 80℃ 내지 85℃에서 12시간 이상 녹여 균일한 용액을 얻었다. 상기 용액에서 폴리술폰 고형분의 함량은 18중량%였다. Polysulfone solids were added to a DMF (N,N-dimethylformamide) solution and dissolved at 80° C. to 85° C. for 12 hours or more to obtain a uniform solution. The content of polysulfone solids in the solution was 18% by weight.
이 용액을 폴리에스테르 재질의 95㎛ 내지 100㎛ 두께의 부직포(다공성 지지체) 위에 50㎛ 두께로 캐스팅하여 지지층을 형성하였다. 그런 다음, 캐스팅된 부직포를 물에 넣어 다공성 폴리술폰 지지층을 제조하였다.This solution was cast to a thickness of 50 µm on a nonwoven fabric (porous support) having a thickness of 95 µm to 100 µm of a polyester material to form a support layer. Then, the cast nonwoven fabric was placed in water to prepare a porous polysulfone support layer.
상기 지지층 상에 거터층을 형성하기 위하여, 1wt%의 PDMS(Dow Corning 社 Sylgard 184, 이하 동일) 및 99wt%의 헥산으로 이루어진 용액을 지지층 상에 도포한 다음 95℃ 오븐에서 5분간 건조하여, 10 nm 두께의 거터층을 형성하였다.In order to form a gutter layer on the support layer, a solution consisting of 1wt% of PDMS (Dow Corning's Sylgard 184, hereinafter the same) and 99wt% of hexane was applied on the support layer and then dried in an oven at 95°C for 5 minutes, 10 A gutter layer with a thickness of nm was formed.
이후, 상기 거터층 상에 0.5wt%의 아세틸화 메틸 셀룰로오스(롯데정밀화학) 및 99.5wt%의 니트로메탄으로 이루어진 활성층 형성용 용액을 상기 거터층 상에 도포한 다음 60℃ 오븐에서 5분간 건조하여, 1,000nm 두께의 활성층을 형성하였다.After that, a solution for forming an active layer consisting of 0.5wt% of acetylated methyl cellulose (Lotte Fine Chemical) and 99.5wt% of nitromethane on the gutter layer was applied on the gutter layer, and then dried in an oven at 60°C for 5 minutes. , an active layer with a thickness of 1,000 nm was formed.
상기 활성층 상에 보호층을 형성하기 위하여, 1wt%의 PDMS(Dow Corning 社 Sylgard 184, 이하 동일) 및 99wt%의 헥산으로 이루어진 용액을 지지층 상에 도포한 다음 95℃ 오븐에서 5분간 건조하여, 500nm 두께의 보호층을 형성하였다.In order to form a protective layer on the active layer, a solution consisting of 1wt% of PDMS (Sylgard 184, Dow Corning, hereinafter the same) and 99wt% of hexane is applied on the support layer, and then dried in an oven at 95°C for 5 minutes, and 500 nm A thick protective layer was formed.
이를 통해, 평막의 기체 분리막을 제조하였고, 제조된 평막의 기체 분리막 25 내지 30개를 내부 코어 튜브(core tube)를 중심으로 감아 롤링(rolling)한 후 표면에 섬유강화 플라스틱(Fiber reinforced plastic)으로 최종 와인딩(winding)하여 기체 분리막 모듈을 제조하였다. Through this, a flat membrane gas separation membrane was manufactured, and 25 to 30 gas separation membranes of the manufactured flat membrane were wound around an inner core tube and rolled, and then the surface was coated with fiber reinforced plastic. The final winding was performed to prepare a gas separation membrane module.
<실시예 2><Example 2>
상기 실시예 1에서 아세틸화 메틸 셀룰로오스 농도를 1.0wt%로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막 및 기체 분리막 모듈을 제조하였다.A gas separation membrane and a gas separation membrane module were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the concentration of acetylated methyl cellulose in Example 1 was changed to 1.0 wt%.
<실시예 3><Example 3>
상기 실시예 1에서 아세틸화 메틸 셀룰로오스 농도를 1.5wt%로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막 및 기체 분리막 모듈을 제조하였다.A gas separation membrane and a gas separation membrane module were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the concentration of acetylated methyl cellulose in Example 1 was changed to 1.5 wt%.
<비교예 1><Comparative Example 1>
상기 실시예 1에서 활성층 및 보호층을 형성하지 않은 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막 및 기체 분리막 모듈을 제조하였다.A gas separation membrane and a gas separation membrane module were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the active layer and the protective layer were not formed in Example 1.
<비교예 2><Comparative Example 2>
상기 실시예 1에서 아세틸화 메틸 셀룰로오스 농도를 0.1wt%로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막 및 기체 분리막 모듈을 제조하였다.A gas separation membrane and a gas separation membrane module were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the concentration of acetylated methyl cellulose in Example 1 was changed to 0.1 wt%.
<비교예 3><Comparative Example 3>
상기 실시예 1에서 아세틸화 메틸 셀룰로오스 농도를 0.3wt%로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막 및 기체 분리막 모듈을 제조하였다.A gas separation membrane and a gas separation membrane module were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the concentration of acetylated methyl cellulose in Example 1 was changed to 0.3 wt%.
<비교예 4><Comparative Example 4>
상기 실시예 1에서 활성층 형성용 용액으로 0.5wt%의 소듐 카복시 메틸 셀룰로오스(Sodium Carboxy Methyl Cellulose)와 99.5wt% 물로 이루어진 용액을 사용한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막 및 기체 분리막 모듈을 제조하였다.A gas separation membrane and a gas separation membrane module were prepared in the same manner as in Example 1, except that a solution consisting of 0.5wt% of sodium carboxymethyl cellulose and 99.5wt% of water was used as the solution for forming the active layer in Example 1 prepared.
<비교예 5><Comparative Example 5>
상기 비교예 4에서 소듐 카복시 메틸 셀룰로오스의 농도를 1.0wt%로 변경한 것 외에는 상기 비교예 4와 동일한 방법으로 기체 분리막 및 기체 분리막 모듈을 제조하였다.A gas separation membrane and a gas separation membrane module were manufactured in the same manner as in Comparative Example 4, except that the concentration of sodium carboxymethyl cellulose in Comparative Example 4 was changed to 1.0 wt%.
<비교예 6><Comparative Example 6>
상기 비교예 4에서 소듐 카복시 메틸 셀룰로오스의 농도를 1.5wt%로 변경한 것 외에는 상기 비교예 4와 동일한 방법으로 기체 분리막 및 기체 분리막 모듈을 제조하였다.A gas separation membrane and a gas separation membrane module were manufactured in the same manner as in Comparative Example 4, except that the concentration of sodium carboxymethyl cellulose was changed to 1.5 wt% in Comparative Example 4.
<실험예 1: T값의 측정><Experimental Example 1: Measurement of T value>
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 6에서 제조된 기체 분리막의 표면에 대하여, 푸리에 변환 적외선 분광계(FT-IR)의 ATR 측정법을 이용하여 C=O 결합의 피크 강도(1754cm-1에서의 피크 강도) 및 S=O 결합의 피크 강도(1175cm-1에서의 피크 강도)를 측정하였으며, 이를 상기 [식 1]에 대입하여 T값을 계산하였다. 그 결과는 하기 표 1에 기재하였다.For the surfaces of the gas separation membranes prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6, the peak intensity of the C = O bond (at 1754 cm -1 ) using the ATR measurement method of a Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR). Peak intensity) and the peak intensity of the S=O bond (peak intensity at 1175 cm -1 ) were measured, and the T value was calculated by substituting it in [Equation 1]. The results are shown in Table 1 below.
(wt%)Cellulose content in the active layer
(wt%)
(C=O)1754 cm -1
(C=O)
(S=O)1175 cm -1
(S=O)
표 1의 결과를 통해, 본 명세서의 일 실시상태에 따르는 실시예 1 내지 3의 T 값은 모두 0.6 이상인 반면, AMC의 농도가 0.5wt% 미만이거나, AMC 대신 다른 셀룰로오스를 사용한 비교예 1 내지 6의 T값은 모두 0.6 미만인 것을 확인할 수 있다. Through the results in Table 1, the T values of Examples 1 to 3 according to an exemplary embodiment of the present specification are all 0.6 or more, while the concentration of AMC is less than 0.5 wt%, or Comparative Examples 1 to 6 using other cellulose instead of AMC It can be seen that all T values of are less than 0.6.
<실험예 2: 이산화탄소 기체 투과도 및 선택도의 평가><Experimental Example 2: Evaluation of carbon dioxide gas permeability and selectivity>
상온(25℃)에서 기체 분리막 셀(면적 14cm2)에 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 기체 분리막 모듈을 체결한 후, 상기 셀의 상부에 압력조절기(Pressure Regulator)를 이용하여 일정 압력(50psi, 80psi, 100psi 및 200psi)의 이산화탄소 기체를 주입하여 막 상부(보호층 방향)와 하부(다공성 지지층 방향)의 압력차로 인한 기체 투과를 유도하였다.After fastening the gas separation membrane modules prepared in the Examples and Comparative Examples to the gas separation membrane cell (area 14cm 2 ) at room temperature (25° C.), a constant pressure (50 psi) using a pressure regulator on the top of the cell , 80 psi, 100 psi, and 200 psi) of carbon dioxide gas was injected to induce gas permeation due to the pressure difference between the upper portion of the membrane (in the direction of the protective layer) and the lower portion (in the direction of the porous support layer).
이 때 기체 분리막 셀을 투과한 기체의 유량을 버블 플로우 미터(Bubble Flow Meter)를 이용하여 측정하고 안정화 시간(> 1hour)을 고려하여 기체 분리막의 이산화탄소 기체 투과도 를 평가하였고, 이를 하기 표 2에 기재하였다.At this time, the flow rate of the gas passing through the gas separation membrane cell was measured using a bubble flow meter, and the carbon dioxide gas permeability of the gas separation membrane was evaluated in consideration of the stabilization time (> 1 hour), which is described in Table 2 below. did.
상기 CO2/CH4 선택도(Selectivity)는 메탄 기체 투과도에 대한 이산화탄소 기체의 투과도 비율을 의미한다.상기 표 2의 결과를 살펴보면, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 실시예 1 내지 3의 기체분리막은 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도가 14 이상, 많게는 20 이상으로 높은 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있다. The CO 2 /CH 4 selectivity refers to the ratio of the permeability of the carbon dioxide gas to the permeability of the methane gas. Referring to the results of Table 2, the gas separation membranes of Examples 1 to 3 according to an exemplary embodiment of the present specification It can be seen that the selectivity of carbon dioxide to methane is 14 or more, and at most 20 or more, indicating a high value.
구체적으로, 활성층을 형성하지 않았거나, AMC 외 C=O 결합의 피크 강도가 확인될 수 있는 다른 셀룰로오스 물질을 활성층 형성에 사용한 비교예 1 및 4 내지 6의 경우, CO2/CH4 선택도가 1 이하로 매우 낮고, AMC를 사용하였더라도 비교예 2 및 3과 같이 0.5wt% 미만으로 사용한 경우, CO2/CH4 선택도가 실시예의 1/10도 안되는 수준인 것을 확인할 수 있다.Specifically, in Comparative Examples 1 and 4 to 6 in which the active layer was not formed or other cellulosic materials in which the peak strength of C=O bonds other than AMC were used to form the active layer, the CO 2 /CH 4 selectivity was It is very low below 1, and even when AMC is used, when less than 0.5 wt% is used as in Comparative Examples 2 and 3, it can be confirmed that the CO 2 /CH 4 selectivity is less than 1/10 of that of Example.
한편, 실시예 중에서도 T값이 1.4 이상으로 높은 경우, 20 이상의 높은 CO2/CH4 선택도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. On the other hand, when the T value is as high as 1.4 or more among the Examples, it can be confirmed that a high CO 2 /CH 4 selectivity of 20 or more can be obtained.
결론적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 기체분리막은 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 성능이 우수한 것이다.In conclusion, the gas separation membrane according to an exemplary embodiment of the present specification is excellent in selectively separating carbon dioxide.
10: 다공성 기재
20: 다공성 지지층
30: 거터층
40: 활성층
50: 보호층10: porous substrate
20: porous support layer
30: gutter layer
40: active layer
50: protective layer
Claims (15)
상기 다공성 지지층 상에 형성되고, 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층(Gutter layer); 및
상기 거터층 상에 형성되고, 아세틸화 메틸 셀룰로오스(AMC, Acetylated Methyl Cellulose)를 포함하는 활성층
을 포함하는 분리막으로서,
상기 분리막 표면의 하기 T값이 0.6 이상인 분리막:
[식 1]
T=(C=O 결합의 피크 강도)/(S=O 결합의 피크 강도)
상기 식 1에서, 피크 강도는 푸리에 변환 적외선 분광계(FT-IR)에 의해 측정된 흡수 강도를 의미하고,
상기 C=O 결합은 활성층에 존재하는 결합이며, 상기 S=O 결합은 다공성 지지층에 존재하는 결합이다. a porous support layer comprising at least one polymer selected from polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, and polyphenylsulfone;
a gutter layer formed on the porous support layer and including a silicon-based compound; and
An active layer formed on the gutter layer and comprising Acetylated Methyl Cellulose (AMC)
As a separation membrane comprising:
A separator having a T value of 0.6 or more on the surface of the separator:
[Equation 1]
T=(peak intensity of C=O bond)/(peak intensity of S=O bond)
In Equation 1, the peak intensity means the absorption intensity measured by a Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR),
The C=O bond is a bond present in the active layer, and the S=O bond is a bond present in the porous support layer.
상기 실리콘계 화합물은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)(Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne), PTMSP) 및 폴리옥틸메틸실록산(Polyoctylmethylsiloxane, POMS) 중 선택된 1종 이상인 것인 분리막.The method according to claim 1,
The silicone-based compound is one of polydimethylsiloxane (PDMS), poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) (Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne), PTMSP) and polyoctylmethylsiloxane (POMS). Separation membrane that is one or more selected.
상기 활성층 상에 형성되고, 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 포함하는 보호층을 더 포함하는 분리막.The method according to claim 1,
A separation membrane formed on the active layer and further comprising a protective layer containing polydimethylsiloxane (PDMS, polydimethylsiloxane).
14psi 내지 600psi의 압력으로 이산화탄소 단일 기체; 또는 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 혼합 기체를 보호층에서 다공성 지지층 방향으로 투과시켜 측정한 이산화탄소 기체의 투과도가 30GPU 내지 130GPU인 분리막.4. The method of claim 3,
carbon dioxide single gas at a pressure of 14 psi to 600 psi; Alternatively, a separation membrane having a carbon dioxide gas permeability of 30GPU to 130GPU measured by permeating a mixed gas containing carbon dioxide and methane from the protective layer toward the porous support layer.
14psi 내지 600psi의 압력으로 메탄 단일 기체; 또는 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 혼합 기체를 보호층에서 다공성 지지층 방향으로 투과시켜 측정한 메탄 기체의 투과도가 1GPU 내지 15GPU인 분리막.4. The method of claim 3,
methane single gas at a pressure of 14 psi to 600 psi; Alternatively, a separation membrane having a methane gas permeability of 1GPU to 15GPU measured by permeating a mixed gas containing carbon dioxide and methane from the protective layer to the porous support layer.
상기 분리막은 메탄 기체에 대한 이산화탄소 기체의 선택도가 10 내지 30인 분리막.The method according to claim 1,
The separation membrane has a selectivity of carbon dioxide gas to methane gas of 10 to 30.
상기 분리막은 기체 분리막인 것인 분리막. The method according to claim 1,
The separation membrane is a gas separation membrane.
상기 다공성 지지층 상에 실리콘계 화합물을 포함하는 거터층(Gutter layer) 형성용 조성물을 도포하여 거터층을 형성하는 단계; 및
상기 거터층 상에 아세틸화 메틸 셀룰로오스(AMC, Acetylated Methyl Cellulose)를 포함하는 활성층 형성용 조성물을 도포하여 활성층을 형성하는 단계 를 포함하며,
상기 활성층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로, 상기 아세틸화 메틸 셀룰로오스의 함량은 0.5wt% 내지 5wt%인 것인 분리막의 제조 방법.forming a porous support layer by applying a solution containing at least one polymer selected from among polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone and polyphenylsulfone on a porous substrate;
forming a gutter layer by applying a composition for forming a gutter layer including a silicone-based compound on the porous support layer; and
Forming an active layer by applying a composition for forming an active layer comprising acetylated methyl cellulose (AMC, Acetylated Methyl Cellulose) on the gutter layer,
Based on 100wt% of the composition for forming the active layer, the content of the acetylated methyl cellulose is 0.5wt% to 5wt%.
상기 실리콘계 화합물은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)(Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne), PTMSP) 및 폴리옥틸메틸실록산(Polyoctylmethylsiloxane, POMS) 중 선택된 1종 이상인 것인 분리막의 제조 방법.10. The method of claim 9,
The silicone-based compound is one of polydimethylsiloxane (PDMS), poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) (Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne), PTMSP) and polyoctylmethylsiloxane (POMS). A method for producing a separation membrane that is one or more selected.
상기 활성층 형성용 조성물은 용매로서 니트로메탄을 더 포함하는 것인 분리막의 제조방법.10. The method of claim 9,
The composition for forming the active layer is a method of manufacturing a separation membrane that further comprises nitromethane as a solvent.
상기 거터층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로, 상기 실리콘계 화합물의 함량은 0.5wt% 내지 5wt%인 것인 분리막의 제조 방법.10. The method of claim 9,
Based on 100 wt% of the composition for forming a gutter layer, the content of the silicone-based compound is 0.5 wt% to 5 wt%.
상기 활성층 상에 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 포함하는 보호층 형성용 조성물을 도포하여 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 분리막의 제조 방법.10. The method of claim 9,
The method of manufacturing a separation membrane further comprising the step of forming a protective layer by applying a composition for forming a protective layer comprising polydimethylsiloxane (PDMS, polydimethylsiloxane) on the active layer.
상기 분리막 표면의 하기 T값이 0.6 이상인 분리막:
[식 1]
T=(C=O 결합의 피크 강도)/(S=O 결합의 피크 강도)
상기 식 1에서, 피크 강도는 푸리에 변환 적외선 분광계(FT-IR)에 의해 측정된 흡수 강도를 의미하고,
상기 C=O 결합은 활성층에 존재하는 결합이며, 상기 S=O 결합은 다공성 지지층에 존재하는 결합이다. 15. The method of claim 14,
A separator having a T value of 0.6 or more on the surface of the separator:
[Equation 1]
T=(peak intensity of C=O bond)/(peak intensity of S=O bond)
In Equation 1, the peak intensity means the absorption intensity measured by a Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR),
The C=O bond is a bond present in the active layer, and the S=O bond is a bond present in the porous support layer.
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