PVP 고분자 매트릭스를 이용한 은 나노입자의 합성과 공정 변화에 따른 올레핀 촉진 수송 분리막 성능 극대화

Abstract

촉진 수송의 개념을 도입한 올레핀 기체 분리막을 상업화 시키기 위해서는 높은 투과성과 선택성을 갖는 분리막이 필요하다. 이에 따라 poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) 매트릭스 속에서 은 나노입자를 합성하고, 전자 수용체인 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ) 으로 은 나노 입자의 표면에 양전하를 갖도록 활성화시킴으로서 올레핀 운반체가 PVP 에 분산된 촉진수송 분리막을 제조하였다. 분리막 제조 과정에서 은 나노입자의 생성과 크기를 자외선-가시광선 분광기 (ultraviolet-visible spectroscopy : UV-Vis), 투과전자현미경 (transmission electron microscopy : TEM) 으로 분석하였고, 그에 따라 합성된 은 나노입자와 올레핀/파라핀 혼합가스의 분리 성능 간의 상관 관계에 대하여 연구하였다. 제 1장에서는 석유 화학 산업에서 에틸렌 및 프로필렌과 같은 올레핀 가스 분리의 중요성과 현재 분리 공정이 가지고 있는 문제점에 대해서 설명하였다. 최근에 각광받고 있는 분리막 기술의 개념 설명과 장점을 통해 향후 분리막 기술의 가능성에 대해 소개하고, 전형적인 고분자 분리막의 경우 투과성과 선택성이 역 상관관계를 갖고, 이들 성능이 upper bound라는 한계점을 소개하였다. 프로필렌/프로판 혼합가스를 분리하는 데에 있어서 이러한 한계점을 극복할 새로운 모델로써 올레핀 촉진수송 분리막의 개념을 소개하며 수행된 연구에 대한 이론적 배경을 제공하였다. 제 2장에서는 poly(N-vinyl pyrrolidone) (PVP) 고분자가 은 나노입자 형성에 미치는 영향과 특성에 대해서 살펴보고, 최근 은 나노입자를 합성하고 전자수용체를 사용하여 프로필렌/프로판 혼합가스를 분리하는 데 높은 성능을 얻은 선행 연구에 대해 소개하였다. 이러한 연구를 바탕으로 촉진수송 분리막에서 은 나노 입자의 합성과 각 공정 조건들의 변화에 따른 분리막의 성능 변화를 연구하였다. 또한, 은 나노입자의 형성과 크기의 변화를 UV-Vis spectroscopy, TEM을 통해 확인하였고, 합성된 은 나노입자를 운반체로 한 분리막으로 제조함으로 각각의 프로필렌/프로판 혼합가스의 분리 성능을 측정하였다. 특히 은 나노입자 제조 시 가열 조건에 따른 크기 및 입도분포 변화에 대해 연구를 수행하였고, PVP 내에서 합성시간이 길어질수록 은 나노입자가 더 많이 합성되며, 증발 및 가열조건에서 가열시간이 길어질수록 분리 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 전자수용체인 TCNQ의 비율 별 실험을 통해 Ag NPs 대비 1 mol% 의 TCNQ 가 첨가되었을 때 가장 높은 분리 성능을 확인하였다. Heat-treatment process를 closed system 에서 도입한 분리막의 경우, 분리 성능이 가장 높게 나왔고 장기안정성 또한 100 시간 이상 높은 성능이 계속해서 유지되는 것을 확인하였다.

주요어 : poly(N-vinyl pyrrolidone) (PVP), tetracyanoquinodimethane (TCNQ), 은 나노 입자, 올레핀 촉진 수송 분리막