요약
새로운 혼합 매트릭스 막(MMMs)은 기존 기체 분리 기술의 한계를 뛰어넘어, 이산화탄소의 선택도와 투과도가 동시에 개선됩니다. 이 기술은 온실가스 배출을 대폭 줄이고, 에너지를 효율적으로 사용함으로써 산업적 응용에서 매우 높은 가치를 제공합니다. 특히, Pebax와 PIM-g-MOF의 조합을 통해 이뤄진 막은 고온과 화학적 환경에서도 장기적인 안정성을 보장하며, 기후 변화 문제 해결에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 향상된 막의 성능은 발전소나 석유화학 공장 등에서 활용될 수 있으며, 이는 친환경 공정 발전에 기여할 것입니다.
기본 정보
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특허명: 개질화된 UiO66-MOF와 Pebax 고분자를 이용한 이산화탄소 분리용 혼합 고분자 분리막 및 이의 제조방법
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발명자: 김태현 교수
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출원번호: 10-2021-0186356
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등록번호: 10-2581390
상세 정보
배경 기술
배경 설명
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이산화탄소 분리 기술의 필요성은 온실가스 증가로 인한 기후 변화 문제에서 비롯됨. 높은 수준의 이산화탄소는 지구 온난화 및 환경 오염을 심화시키고 있음.
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멤브레인 분리 기술은 연료 연소로 발생하는 이산화탄소를 효율적으로 분리하며, 에너지 소모가 적고 조작이 간편하여 친환경적임.
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혼합 매트릭스 막(MMMs)은 중합체와 무기 필러의 결합을 통해 기체 분리 성능을 극대화하며, 기존 멤브레인의 투과도와 선택도 간의 트레이드오프를 극복함.
기존 기술의 문제점
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현재의 기체 분리 기술은 투과도와 선택도가 제한적이며, 대규모 적용 시 효율이 떨어지는 문제가 있음. 이는 기체의 선택적 분리에 제한을 줌.
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기존 분리막은 화학적 및 열적 환경에 대한 내구성이 부족하여 장기적인 사용에 안정성을 보장하기 어려움.
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분리막의 성능 향상을 위해 중요한 MOF와 고분자의 상호작용이 미흡하여 결과적으로 기체 분리 효율이 낮음.
기술의 필요성
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기체 분리 기술의 발전은 산업 분야의 온실가스 배출을 줄이는 데 결정적이며, 높은 CO2 선택도와 투과도를 위한 기술 혁신이 필요함.
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Pebax와 같은 고성능 열가소성 엘라스토머 기반의 막은 기계적 강도를 제공하여 막 지지재로 유용하며, 가스 분리 특성을 극대화하는 데 기여함.
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PIM-g-MOF와 같은 혼합 매트릭스 막은 열적 및 화학적 안정성이 높아 기존 분리막의 한계를 넘어섬. 이를 통해 지속 가능한 환경 기술로 자리매김할 수 있음.
구현 방법
기술의 원리
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PIM-g-MOF 합성은 UiO-66-NH2와 4,5-디클로로프탈산 무수물의 화학 반응으로 시작하며, 이는 MOF 표면에 필요한 작용기를 생성하고자 함.
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이후 생성된 제품에 TTSBI 단량체를 추가 반응시켜 PIM 모노머로 표면이 개질된 UiO-66-NH2 MOF를 형성하고 최종적으로 PIM-g-MOF를 얻음.
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PIM-g-MOF는 ATR-FTIR 스펙트럼 분석을 통해 UiO-66-NH2와의 비교로 작용기의 변화를 관찰하여 성공적인 합성을 확인할 수 있음.
구체적인 구현 방법
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PIM-g-MOF 합성 후, 세척과 건조를 여러 번 반복하여 향후 사용을 위한 저장하고, PIM-g-MOF가 포함된 혼합 매트릭스 막(MMMs)은 Pebax와 결합하여 제조됨.
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Pebax 고분자 매트릭스에 PIM-g-MOF를 초음파 처리로 분산시키고, 캐스팅하여 막을 형성한 후 더 나은 가스 투과 및 선택성을 보장함.
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MMM은 Pebax와 다양한 MOF 함량(예: 0.5 wt%, 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%)으로 구성되며, 최적 성능은 일반적으로 1 wt%에서 이뤄짐.
기술의 장점
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PIM-g-MOF는 CO2/N2 기체 분리 성능을 높이며 특히 1 wt%에서 우수한 성능을 제공함. 이는 고분자 매트릭스와의 상호작용을 통해 이루어짐.
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MMM의 경우 기존 Pebax 막에 비해 CO2 투과도와 선택도가 현저히 향상되며, WAXD 및 SEM 분석 결과에서 필러의 균일한 분포와 구조적 안정성을 확인할 수 있음.
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PIM-g-MOF를 첨가한 MMMs는 장기적으로 안정적인 성능을 발휘하며, 240일 동안 CO2 투과도와 선택도의 변화가 거의 없음.
실험의 목적
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PIM-g-MOF의 주요 합성 목표는 UiO-66-NH2 MOF 표면에 내재적 미세 기공성을 가진 고분자를 그래프팅하여 MOF의 내부 구조를 개질하고, 이를 통해 더욱 효율적인 기체 분리 성능을 구현하는 것임. 이를 통해 MOF와 고분자 간의 상호작용을 강화하여 Pebax 매트릭스와의 우수한 호환성을 확보함.
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이산화탄소 분리 기술의 필요성은 온실 가스의 증가로 인한 기후 변화 때문이며, 에너지 소모가 적고 조작이 간편하여 친환경적인 멤브레인 분리 기술의 성능 극대화를 위한 연구임. PIM-g-MOF의 개발로 기존의 멤브레인 성능의 한계를 극복하고 향상된 가스 분리 능력을 달성하고자 함.
실험 방법 및 과정
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첫 번째 단계에서 UiO-66-NH2와 4,5-디클로로프탈산 무수물을 반응시켜 중합에 필요한 작용기를 생성한 후, 두 번째 단계에서 TTSBI 단량체와 추가 반응하여 PIM 모노머로 표면을 개질함. 이를 통해 최종적으로 PIM-g-MOF를 형성하고 여러 번 세척 및 건조 과정을 거쳐 저장함.
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PIM-g-MOF와 Pebax 기반의 혼합 매트릭스 막(MMMs)을 제조하기 위해 PIM-g-MOF-x를 Pebax 용액에 분산시키고 초음파 처리를 통해 혼합한 후 캐스팅하여 막을 형성함. 각 막은 0.5 wt%, 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%의 MOF 함량을 가지며 최적의 성능은 1 wt%에서 발현됨.
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합성 후 막의 특성을 분석하기 위해 WAXD, SEM 분석을 통해 필러의 균일한 분포와 구조적 안정성을 확인함. ATR-FTIR 스펙트럼을 통해 다양한 작용기의 피크 변화를 관찰하여 PIM-g-MOF의 성공적인 합성을 검증함.
실험 결과
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합성된 PIM-g-MOF는 높은 CO2 투과도와 선택도를 보였으며 최적의 1 wt% MOF 함량일 때 성능이 가장 우수함. 이는 MOF의 다공성 구조와 PIM의 기체 친화성이 결합된 결과임.
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고분자 매트릭스 내에서 PIM-g-MOF 필러가 강화된 기계적 및 열적 특성을 나타냄. 특히, 고MOF 함량에서는 필러의 응집으로 투과도 감소가 관찰되었는데 이는 선택적 기체 분리 과정의 비효율성을 유발할 수 있음.
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PIM-g-MOF를 포함한 MMMs는 장기적 안정성을 확인받았으며, 240일 동안 CO2 투과도와 선택도는 거의 변하지 않는 우수한 지속성을 보임.
활용 방안 및 기대효과
활용 방안
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PIM-g-MOF를 이용한 Pebax 기반 혼합 매트릭스 막(MMMs)은 이산화탄소 분리 작업에 활용될 수 있음. 특히 화석 연료 연소 가스로부터 CO2를 효율적으로 분리하여 공정 에너지의 소비를 줄이는 데 기여할 것으로 기대됨.
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기술의 독창성은 MOF와 고분자 매트릭스 간의 조화로운 상호작용을 통해 향상된 CO2/N2 기체 분리 성능에서 잘 드러남. 산업적 응용 범위는 발전소, 석유화학공장 등 대규모 이산화탄소 배출 산업체에 적용될 수 있음.
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새로운 막의 적용은 기존의 CO2 포집 방식에 비해 에너지 효율성을 높이고, 공정의 간소화 및 유지 관리 비용 절감에 기여할 수 있음. 이는 전세계적 친환경 공정 확대에 부합하는 방향이며, 산업계의 널리 쓰일 가능성이 큼.
기대효과
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PIM-g-MOF 기술의 적용으로 CO2 분리막의 효율성이 크게 개선될 것으로 전망됨. 이는 기존 기술의 투과도와 선택도 간의 트레이드오프 문제를 극복하고 높은 성능을 달성할 수 있는 기반이 됨.
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기술의 상용화는 에너지 효율화를 통한 CO2 배출 저감에 기여하여 기후변화 대응을 위한 전지구적 노력에 긍정적인 영향을 미칠 것임. 친환경적인 에너지 절감 효과도 기대됨.
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기술 적용을 통해 기대되는 경제적 파급효과로는 생산성 증가, 운영비 절감 및 신시장 진출을 통한 수익성 향상이 있음. 장기적으로는 고성능 CO2 분리 기술의 글로벌 시장에서의 경쟁 우위를 점할 수 있는 기회를 제공할 것임.
시장 동향
MOF 기반 분리막 시장 전망
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혼합 매트릭스 막(MMM) 시장은 전 세계적으로 주목받고 있으며, 2025년까지 연평균 성장률(CAGR) 9% 이상을 기록할 것으로 예상됨. 이는 친환경 기술의 필요성과 효율성을 높이려는 수요가 주 원인임.[웹 출처]
이산화탄소 분리막 산업 응용 분야 현황
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혼합 고분자 매트릭스 분리막의 개발이 주목받고 있으며, 특히 이산화탄소/질소 선택성이 높은 막의 진보가 강조되고 있음. 나노필러를 활용한 선택성 향상과 고온 안정성 증대가 핵심 연구 방향임.[웹 출처]
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MOF는 가스 저장 및 분리, 촉매, 약물 전달에 광범위하게 사용됨. 예를 들어, MOF-177은 높은 수소 저장 용량을 자랑하며, MIL-101은 벤젠 에폭시화 반응을 촉진하는 촉매로 사용됨.[웹 출처]
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