Gas transport characteristics of carbon membranes rendered from poly (imide siloxane)-alumina nanocomposites

Abstract

기체 분리 공정에 있어서 분리막을 이용한 공정은 비용적인 측면과 대면적화의 용이 등으로 인하여 많은 연구가 이루어져 오고 있다. 그 중에 서 열적 안정성이 우수한 고분자로부터 얻어진 탄소 분자체 막은 기존의 고 분자 분리막에 비해 높은 기체투과도와 선택도를 지니고 있어 많은 연구자 들에 의해 주목을 받아왔다. 탄소 분자체막은 기체 분자의 크기에 의해 선 택적으로 분리를 하는 분자체 메커니즘을 따르고 있어 분자체 막 내의 기공 의 크기와 부피의 특징에 의해 기체분리의 성능이 결정된다. 기공을 인위적 으로 조절하는 여러 방법 중 가장 효과적인 방법으로는 고분자를 탄소로 제 조하는 과정인 열처리 과정에서 조건들을 다양하게 변화시키는 방법과 탄소 구조자체에 무기물을 도입하는 방법이 있다. 본 연구에서는 메조포어를 지 니고 있는 알루미늄 옥사이드를 각각 고분자 중량 대비0,1,3,5 wt%의 비율 로 고분자 전구체 (폴리이미드 실록산)에 도입한 후 각각 600oC,700oC,800oC 로 열처리 함으로써 알루미나 입자가 포함된 탄소 분자체 막을 제조하였다. 알루미나 입자의 도입량에 따른 분자체 막의 기공 특성을 확인하기 위하여 질소 흡탈착 실험이 진행되었으며 이로부터 알루미나 입자의 도입에 따른 기공의 크기와 부피가 증가함을 확인할 수 있었다. 기체 투과 실험은 298K 에서 time-lag 장치를 이용하여 측정하였으며 He,H₂,O₂,N₂,CH₄,CO₂ 의 순서로 단일 기체의 투과도를 측정한 후 이로부터 선택도를 구하였다. 그 결과 알 루미나 도입량에 따라 기체 투과도가 증가하여 기공의 구조 분석에서 얻어 진 경향과 일치함을 보였다. 이 실험을 통해서 선택도의 감소폭이 투과도의 증가량에 비해 적은 새로운 분자체 막을 제조할 수 있었다.; Microporous carbon molecular sieve membranes (CMSMs) have shown excellent gas transport properties. To improve gas transport properties of CMSM, many researchers have studied to control pore structure of CMSM. The modification of pyrolysis process is a typical method to control pore structure. Incorporation of inorganic particle in carbon matrix is another effective way. In this study, mesoporous aluminum oxide was incorporated in carbon matrix. It was expected that mesoporous aluminum oxide would increase permeable site because porosity and diffusion pathway between carbon and alumina particles would be enhanced. Poly(imide siloxane) was used as a polymeric precursor and poly(imide siloxane)-alumina composite was carbonized at 600 oC, 700 oC and 800 oC. The surface morphology of poly(imide siloxane)-alumina composites was characterized by AFM and FE-SEM. Also, SEM-EDS was used to confirm composition of aluminum oxide in carbon matrix. Pore characteristics were analyzed by N2 adsorption & desorption experiments. The loading of aluminum oxide affected the quantity of N2 adsorption as well as pore volume and size. Gas permeability increased and permselectivity decreased slightly with increasing loading amount of aluminum oxide. These results were related with trend of pore characteristics depending on the composition of alumina particles.