Gas Separation Properties of Microporous Carbon Membranes Containing Mesopores

Abstract

The silica containing carbon (C-SiO2) membranes were fabricated using poly(imide siloxane)(Si-PI) and polyvinylpyrrolidone (PVP) blended polymer. The characteristics of porous carbon structures prepared by the pyrolysis of polymer blends were related with the micro-phase separation behaviors of the two polymers. The glass transition temperatures (Tg) of the mixed polymer blends of Si-PI and PVP were observed with a single Tg using differential scanning calorimetry. Furthermore, the nitrogen adsorption isotherms of the C-SiO2 membranes were investigated to define the characteristics of porous carbon structures. The C-SiO2 membranes derived from Si-PI/PVP showed the type IV isotherm and possessed the hysteresis loop, which was associated with the mesoporous carbon structures. For the molecular sieving probe, the C-SiO2 membranes were prepared with the ratio of Si-PI/PVP and the pyrolysis conditions, such as the pyrolysis temperature and the isothermal times. Consequently, the C-SiO2 membranes prepared by the pyrolysis of Si-PI/PVP at 550°C with the isothermal time of 120 min showed the O2 permeability of 820 Barrer (1 × 10-10 cm3(STP)cm/cm2⋅s⋅cmHg) and O2/N2 selectivity of 14.Poly(imide siloxane)(Si-PI)와 polyvinylpyrrolidone (PVP)를 혼합한 고분자를 사용하여 실리카가 함유된 탄소 분리막을 제조하였다. 고분자 혼합물의 열분해에 의해 제조 된 다공성 탄소 구조의 특성은 두 고분자의 미세 상 분리 거동과 관련이 있다. Si-PI와 PVP의 고분자 혼합물의 유리 전이 온도(Tg)는 시차 주사 열량계를 사용하여 단일 Tg로 관찰되었다. 또한 C-SiO2 막의 질소 흡착 등온선을 조사하여 다공성 탄소 구조의 특성을 규명했다. Si-PI/PVP로부터 유도 된 C-SiO2 막은 IV형 등온선을 나타내었고 중간기공의 탄소 구조와 관련된 히스테리시스 루프를 가지고 있었다. 분자 여과 확인을 위해서, Si-PI/PVP의 비율과 열분해 온도 및 등온 시간과 같은 열분해 조건을 다르게 하여 C-SiO2 막을 제조하였다. 결과적으로, 120분 간의 등온 시간 동안 550°C에서 Si-PI/PVP의 열분해에 의해 제조된 C-SiO2 막의 투과도는 820 Barrer (1 × 10-10 cm3 (STP) cm/cm2⋅s⋅cmHg)이었으며, O2/N2 선택도는 14이었다.