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KR-20260060622-A - MEMBRANE EMBEDDED WITH CARBON DIOXIDE ADSORBING PARTICLES AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 멤브레인 및 상기 멤브레인 표면 상에 위치하되, 복수개의 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 접착층을 포함하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인으로 이산화탄소 흡착 성능을 향상시킨 멤브레인을 제공하는 것이다.

Inventors

  • 김창래
  • 이성준
  • 김대현

Assignees

  • 조선대학교산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (16)

  1. 멤브레인; 및 상기 멤브레인 표면 상에 위치하되, 복수개의 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 접착층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인.
  2. 제 1항에 있어서, 복수개의 상기 이산화탄소 흡착 입자 부피의 30% 내지 70%가 상기 접착층에 매립된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 접착층은 접착 소재 및 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 접착 소재는 에폭시 수지, 폴리우레탄, 아크릴 수지 및 실리콘 수지로 구성된 군에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 계면활성제는 실란 커플링제 및 티타네이트 커플링제로 구성된 군에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 흡착 입자는 제올라이트, 활성탄, 리튬 지르코네이트 및 MOF로 구성된 군에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 흡착 입자의 직경은 1μm 내지 100μm인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인.
  8. 수지, 에폭경화제, 촉진제, 충진제 및 계면활성제를 혼합하여 접착용액을 제조하는 단계; 멤브레인을 상기 접착용액에 침지하여 상기 멤브레인 표면 상에 접착층을 형성하는 단계; 상기 접착층에 복수개의 이산화탄소 흡착 입자를 매립하는 단계; 및 상기 접착층을 경화하여 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인을 제조하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 접착층에 복수개의 이산화탄소 흡착 입자를 매립하는 단계에서, 상기 이산화탄소 흡착 입자는 제올라이트, 활성탄, 리튬 지르코네이트 및 MOF로 구성된 군에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 접착용액을 제조하는 단계에서, 상기 계면활성제는 실란 커플링제 및 티타네이트 커플링제로 구성된 군에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인을 제조하는 단계에서, 50℃ 내지 200℃의 온도에서 2시간 내지 48시간을 경화하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.
  12. 수지, 에폭경화제, 촉진제, 충진제, 계면활성제 및 복수개의 이산화탄소 흡착 입자를 혼합하여 접착용액을 제조하는 단계; 멤브레인을 상기 접착용액에 침지하여 상기 멤브레인 표면 상에 복수개의 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 접착층을 형성하는 단계; 및 상기 접착층을 경화하여 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인을 제조하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 접착용액을 제조하는 단계에서, 상기 복수개의 이산화탄소 흡착 입자를 분산시키기 위해 진공 함침법 및 기계적 교반법으로 구성된 군에서 1종 이상을 포함하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 접착용액을 제조하는 단계에서, 상기 이산화탄소 흡착 입자는 제올라이트, 활성탄, 리튬 지르코네이트 및 MOF로 구성된 군에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 접착용액을 제조하는 단계에서, 상기 계면활성제는 실란 커플링제 및 티타네이트 커플링제로 구성된 군에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인을 제조하는 단계에서, 50℃ 내지 200℃의 온도에서 2시간 내지 48시간을 경화하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법.

Description

이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 및 이의 제조방법 {MEMBRANE EMBEDDED WITH CARBON DIOXIDE ADSORBING PARTICLES AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME} 본 발명은 이산화탄소 흡착 성능이 향상된 멤브레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소 흡착 소재가 매립되어 이산화탄소 흡착 성능이 향상된 멤브레인에 관한 것이다. 이산화탄소(CO2) 배출은 기후변화의 주된 원인으로, 대기 중 CO₂농도를 줄이기 위한 다양한 기술들이 연구되고 있다. 특히, 산업 공정에서 발생하는 CO₂를 효율적으로 포집하고 제거하는 기술은 환경 보호뿐만 아니라 지속 가능한 에너지 전환을 위해 필수적이며, 이러한 CO₂포집 기술 중 멤브레인 기반 흡착 방식은 높은 선택성과 에너지 효율성으로 주목받고 있다. 종래의 이산화탄소 흡착 멤브레인은 고분자 소재나 다공성 물질을 활용해 특정 가스 분자를 선택적으로 통과시키거나 흡착하는 방식을 사용해왔다. 그러나 기존 멤브레인은 흡착 용량이 낮거나, 흡착 효율이 저하되는 문제를 가지고 있다. 특히, 흡착 입자들이 멤브레인 표면에 고르게 분포되지 않거나, 표면 노출이 적어 CO2와의 접촉 면적이 제한되는 점이 문제로 지적된다. 또한 장기간 사용 시 흡착 성능이 저하되거나 물리적 내구성이 약해지는 경우도 종종 발생하는 문제 또한 존재한다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 이산화탄소와의 접촉 면적을 극대화하고, 장기적인 성능 유지를 보장하는 멤브레인 기술에 대한 연구가 필요하다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법의 단계를 나타낸 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인의 다른 제조방법 단계를 나타낸 순서도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 제조방법의 단계를 나타낸 모식도이다. 도 4는 활성탄 분말의 현미경 이미지이다. 도 5는 활성탄 분말이 매립된 멤브레인의 시간의 경과에 따른 현미경 이미지이다. 도 6은 MOF분말의 현미경 이미지이다. 도 7은 MOF 분말의 FTIR 분석 결과이다. 도 8은 탄소의 FTIR 분석 결과이다. 도 9는 아민으로 기능화된 탄소의 FTIR 분석 결과이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인의 비표면적 분석 결과이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인의 이산화탄소 흡착 성능 결과이다. 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 종래 이산화탄소 흡착 멤브레인은 이산화탄소 흡착 성능 문제에서 자유로울 수 없었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 이하에서는, 본 명세서에 제시된 도면을 참고하여 본 발명을 설명하고자 한다. 참고로, 도면은 본 발명의 특징을 설명하기 위하여 일부 과장되게 표현될 수도 있다. 이 경우, 본 명세서의 전 취지에 비추어 해석되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인을 설명한다. 본 발명은 마이크로에서 수십 센티미터 크기의 이산화탄소 흡착 소재를 접착제에 매립시켜 접착력이 향상된 멤브레인을 제조하는 기술로, 이산화탄소 흡착 소재와 접착제의 혼합 비율, 분산 방법, 경화 조건 등을 최적화하여 흡착 성능과 접착력의 균형을 유지하고, 용도에 따른 맞춤형 멤브레인을 제조할 수 있다. 또한, 제올라이트, 활성탄, 리튬 지르코네이트, MOF 등 다양한 종류의 흡착 소재를 적용하고, 흡착 소재의 종류, 입자 크기, 표면 개질 등을 최적화하여 이산화탄소 선택도 및 흡착 용량을 제어할 수 있고 에폭시 수지, 폴리우레탄, 아크릴 수지, 실리콘 수지 등 다양한 접착제를 활용하고, 실란 커플링제, 티타네이트 커플링제 등의 계면활성제를 도입하여 흡착 소재와 접착제 간의 화학적 결합력을 향상시킬 수 있다. 게다가 두 가지 이상의 흡착 소재를 복합적으로 사용하여 시너지 효과를 유도하고, 충전제, 가소제, 안정제 등의 첨가제를 활용하여 기계적 물성, 내화학성, 내구성 등을 개선함으로써 선행 기술 대비 차별화된 성능과 물성을 가진 이산화탄소 흡착 멤브레인을 제조할 수 있다. 이하에서는, 전술한 기술적 특징을 가지는 본 발명을 자세히 설명하고자 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인은 멤브레인; 및 상기 멤브레인 표면 상에 위치하되, 복수개의 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 접착층;을 포함할 수 있다. 본 발명은 멤브레인을 포함할 수 있다. 본 발명의 멤브레인은 사용 환경에 따라 그 형태가 달라질 수 있으나, 바람직하게는 메쉬 형태의 멤브레인을 사용할 수 있다. 메쉬 형태의 멤브레인 사용할 경우, 이후 메쉬 사이의 공간에 이산화탄소 흡착 입자가 위치할 수 있어 이산화탄소 흡착 효율이 더욱 향상될 수 있다. 본 발명은 복수개의 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 접착층을 포함할 수 있다. 복수개의 이산화탄소 흡착 입자는 접착층에 일정 부분이 각각 매립되어 있는데 그 매립된 정도에 따라 이산화탄소 흡착 효율이 상이할 수 있다. 이에 따라, 복수개의 상기 이산화탄소 흡착 입자 부피의 30% 내지 70%가 상기 접착층에 매립될 수 있다. 이때, 상기 이산화탄소 흡착 입자의 매립된 부피가 30% 미만일 경우 흡착 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있고 70%를 초과할 경우 흡착층의 박리와 같은 내구성 저하의 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 접착층은 접착 소재 및 계면활성제를 포함할 수 있다. 이때, 상기 접착 소재는 특별히 제한되는 것은 아니나 바람직하게는 에폭시 수지, 폴리우레탄, 아크릴 수지 및 실리콘 수지로 구성된 군에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 수지(Epoxy resin)는 높은 접착력, 우수한 내화학성 및 내열성, 경화 시간 조절 가능하며, 폴리우레탄(Polyurethane)은 우수한 접착력, 높은 유연성, 빠른 경화 속도를 가지고, 아크릴 수지(Acrylic resin)는 우수한 접착력, 투명성, 내후성, 빠른 경화 속도를 가지고 있어 접착 소재로 사용하기 바람직하다. 또한, 상기 계면활성제 또한 특별히 제한되는 것은 아니나 바람직하게는 실란 커플링제 및 티타네이트 커플링제로 구성된 군에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 이때, 실란 커플링제(Silane coupling agent)의 경우 무기물과 유기물 사이의 접착력 향상시킬 수 있으며, 일 예로 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES)를 사용할 수 있고, 티타네이트 커플링제(Titanate coupling agent)의 경우 무기 필러와 고분자 매트릭스 사이의 접착력 향상시키며 일 예로, 이소프로필트리이소스테아로일티타네이트(KR TTS)를 사용할 수 있다. 이산화탄소 흡착 입자는 종래 사용되는 이산화탄소 흡착 가능한 입자를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 상기 이산화탄소 흡착 입자는 제올라이트, 활성탄, 리튬 지르코네이트 및 MOF로 구성된 군에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 이때, 제올라이트(Zeolite)의 경우 실리카-알루미나 결정 구조로 높은 비표면적(500~1,000m2/g), 이산화탄소 선택성을 가지고 있다. 또한, 활성탄의 경우 다공성 탄소 물질, 높은 비표면적(500~3,000m2/g), 우수한 이산화탄소 흡착 용량을 가지는 장점이 있다. 또한, 리튬 지르코네이트(Li2ZrO3)의 경우 높은 이산화탄소 흡착 용량(최대 30 wt.%), 빠른 흡착 속도, 우수한 안정성 특성을 가지고 있어 이산화탄소 흡착 입자로 사용하기 유리하다. 이에 따라, 이산화탄소 흡착 입자, 접착 소재 및 계멸활성제의 경우 제조하고자 하는 이산화탄소 흡착 입자가 매립된 멤브레인의 특성에 맞춰 선택하여 제조할 수 있다. 한편, 상기 이산화탄소 흡착 입자의 직경은 제한되는 범위는 없으나 바람직하게는 1μm 내지 100μm일 수 있다. 이때, 1μm 미만일 경우 분산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고 100μm를 초과할 경우 접착력이 감소한 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 종합하면, 본 특허는 이산화탄소 흡착 입자의 직경 크기를 다양한 크기로 적용하는 것으로 응용 분야를 확장시켜 이를 통해 대면적 이산화탄소 포집이 가능하며, 다양한 환경에서 활용할 수 있다. 또한, 기존 연구에서는 기계적·화학적 표면처리를 진행하여 표면에 구조를 형성하거나 마이크로 나노 단위의 분말을 사용하여 표면에 구조를 형성하였으나, 본 특허는 흡착 물질 자체를 표면에 부착 및 임베디드(매립) 하여 표면 구조를 형성하였는데, 임베디드 코팅(매립)된