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미세기공을 가진 PI 고분자와 열적, 기계적 안정성 가진 polyimide(PI)의 공중합체로 이루어진 PIM-PI에 브로민화 및 열처리를 통한 가교를 통해 이산화탄소에 대한 높은 투과도와 선택도 및 항 노화 효과를 가진 분리막 소재를 개발함

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최근 이산화탄소 포집, 저장, 활용(CCUS)에 대한 관심이 높은 가운데 콘크리트의 이산화탄소 포집능을 활용한 연구개발이 이루어지고 있다. 그러나 콘크리트와 이산화탄소의 반응(탄산화 반응)은 콘크리트의 pH를 저감시켜 내부에 매립된 철근의 부식을 유발한다. 현재 CO2를 양생 매체로 활용한 다양한 기술들은 이러한 문제점으로 인해서 벽돌, 블록 등 무근 콘크리트의 생산에 그치고 있다. 또한 CO2 양생은 콘크리트 내부로의 침투속도가 낮아 CO2 양생의 효율 및 CO2 활용 용량이 적다는 한계점이 있다. 이 발명에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해서 CO2 양생을 적용한 철근 콘크리트 구조물의 부분 프리캐스트화 공법을 제안한다. 원형 또는 사각형 중공형 단면을 가진 콘크리트는 CO2 양생을 통해 양생되며, 이 콘크리트는 부분 프리캐스트 콘크리트 공법을 위한 거푸집으로 활용된다. 거부집 내에는 철근 또는 철망을 조립하여 넣을 수 있으며 빈공간은 몰탈 또는 콘크리트를 사용하여 타설함으로서 일체화 시킬수 있다. 이 발명을 통해 해결할 수 있는 기술적 과제는 다음과 같다. 1. 철근은 pH가 높은 내부 콘크리트(또는 몰탈)에 의해 피복되어 철근부식이 발생하지 않는다. 2. 외부의 콘크리트는 중공형 단면으로 높은 비표면적을 가지며 두께가 얇아 CO2와 빠르게 반응하여 CO2를 콘크리트 내에 광물화할 수 있다. 3. 부분 프리캐스트 콘크리트 공법을 통해 RC 구조부재를 만듦으로서 건축, 토목 등 대부분의 건설공사에서 구조부재로 활용될 수 있다. 4. RC부재 생산에 배출되는 이산화탄소를 대폭으로 저감가능하다.

일련의 폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜)(PEG/PPG)- 및 5,6-디(9H-카르바졸-9-일)이소인돌린-1,3-디온(2CZPI이미드) 기반 가교결합 PEG/PPG-2CZPImide(x:y)로 표시되는 고무질 고분자 막은 노보넨 기능화된 PEG/PPG 올리고머(NB-PEG/PPG-NB)와 2-(바이사이클로[2.2.1]헵트-5)로 제조됩니다. 개환 복분해 중합(ROMP)을 통한 -엔-2-일메틸)-5,6-디(9H-카르바졸-9-일)이소인돌린-1,3-디온(2CZPI이미드-NB). NB-PEG/PPG-NB(x)와 2CZPImide-NB(y) 단량체의 몰 비율(x:y)은 10:1에서 6:1까지 다양합니다. X선 회절(XRD), 주사 전자 현미경-에너지 분산 X선 분광법(SEM-EDS) 및 순수 가스 투과성 연구를 통해 공단량체 2CZPImide-NB가 결정질 PEG/PPG 세그먼트 사이의 d-간격을 성공적으로 증가시키는 것으로 나타났습니다. 따라서 막을 통한 가스의 확산성을 향상시킵니다. 합성된 막은 CO2 투과도가 311.1~418.1 Barrer 범위이고 CO2/N2 및 CO2/CH4 선택도가 각각 39.4~52.0 및 13.4~16.0으로 2008 Robeson 상한에 접근하는 우수한 CO2 분리 성능을 나타냅니다. 또한, 최적의 CO2 투과도와 CO2/N2 및 CO2/CH4 선택성을 나타내는 PEG/PPG-2CZPImide(6:1)는 각각 최대 20일 및 3기압까지 물리적 노화 및 가소화 저항에 대한 장기 안정성을 나타냅니다.

본 연구는 분리막의 solution-diffusion 증대를 통한 높은 CO2투과선택도 를 얻기 위해 MOF-COP 복합체를 첨가제로 이용한 TFNC-type hollow fiber membrane를 제조하였다. 우선 기본적인 diffusivity 증가를 위하여 열과 압력 등의 외부자극을 통하여 거미줄을 모사한 high porous PES substrate의 방사를 진행하였다. 또한, 축합반응을 통하여 MOF와 COP간의 복합체(complex)의 합성을 진행하였으며 합성된 MOF-COP복합체는 PES 지지체 내부에 계면중합을 통하여 고정함으로써 나노 입자간의 응집을 줄이고 분포도를 향상시킴으로써 CO2 가스가 분리막을 쉽게 투과할 수 있는 pathway를 만들어주었다. 또한, MOF-COP 복합체의 농도변화를 통하여 최적화된 TFNC 중공사막이 완성되었으며 다양한 분석기기를 이용한 물리-화학적 분석을 통해 MOF-COP 복합체의 결합 및 polyamide코팅층사이에서 polycondensation reaction에 의한 defect-free한 분리막의 제조를 확인하였다. CO2와 친화력이 강한NH그룹을 바탕으로 만들어진 NH-MOF와 COP 그리고 PEI-TMC반응에 의한 polyamide 코팅층으로 구성된 TFNC 중공사막 모듈은 연소배가스(flue gas) 기반에 낮은 운전압력조건(0.1 bar)의 CO2분리에서도 facilitated transport 메커니즘을 통하여 약 350 GPU의 CO2투과도와 CO2/N2 선택도 75의 결과를 나타내었다. 또한 water vapor 유무에 따른dry-wet gas 조건변화에서의 CO2혼합기체 분리결과에서도 분리계수 약 45의 준수한 결과를 도출하였다. MOF-COP 복합체 기반의 TFNC 중공사막은 기체분리막 공정에서 높은 다공성을 기반으로한 지지체에서 나노입자의 분포 및 고정에 따른 투과도 증가와 MMM-type 분리막에서 COP의 적용으로 인한 defect 감소를 고려한 다양한 응용이 기대된다.