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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5531(2023) 이 기사 인용

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하이브리드 폴리비닐리덴 플루오라이드-실리카-헥사데실트리메톡시실란(PVDF-SiO2-HDTMS) 멤브레인은 이산화탄소(CO2)의 멤브레인 접촉 흡수에 사용하기 위한 안정적인 중공 섬유 멤브레인을 만들기 위해 비용매 유도 상전환 방법을 통해 제조되었습니다. 제조된 분리막의 표면 특성, 성능 특성, 장기 성능 안정성을 비교 분석하였다. 제조된 멤브레인의 외부 표면은 표면에 거친 나노 크기의 미세 구조가 형성되고 표면 자유 에너지가 낮기 때문에 초소수성이었습니다. 무기 나노입자를 첨가하면 PVDF-SiO2-HDTMS의 기계적 강도가 향상되었습니다. 혼합 유입가스(CO2/N2 = 19/81, v/v)를 유속 20 mL/min으로 하여 장기간 안정적인 운전 실험을 수행하였다. 이 실험에서 흡수액은 유속 50mL/분의 1mol/L 디에탄올아민(DEA)이었습니다. PVDF-SiO2-HDTMS 막을 통한 CO2 물질 전달 유속은 초기 값 2.39 x 10-3 mol/m2s에서 2.31 x 10-3 mol/m2s로 감소했으며, 20일 후 3% 감소했습니다. 안정성이 높고 소수성인 무기 나노입자를 첨가하여 막의 기공 습윤 및 구조적 손상을 방지했습니다. PVDF-SiO2-HDTMS 막은 CO2 흡수에 있어서 장기간 안정적인 성능을 갖는 것으로 밝혀졌습니다.

바이오가스는 주로 CH4(55~65%), CO2(30~45%)2 및 기타 미량 가스로 구성되는 유망한 재생 에너지원1입니다. 연료로 사용하려면 CH4 함량이 최소 95% 이상이어야 하므로 이산화탄소(CO2) 흡수는 바이오가스의 실제 적용에 매우 중요합니다. 중공사막 접촉기 시스템을 통해 바이오가스에서 이산화탄소(CO2)를 포집하는 방법이 여러 연구자에 의해 조사되었습니다. CO2 흡수용 멤브레인 접촉기 시스템에서는 혼합 가스와 액체 흡수제가 중공사막을 중심으로 반대 방향으로 흐르며, 가스 중의 CO2가 중공사막을 통과한 후 액체 흡수제에 흡수됩니다. 중공사막은 액체상과 기체상 사이의 비선택적 장벽 역할을 하여 기체상과 액체상을 분리하고 큰 기체-액체 접촉 면적을 제공합니다. 연구에 따르면 막 접촉 흡수 과정에서 흡수액이 막 공극으로 들어가 젖게 되는 것으로 나타났습니다3,4,5. 기체 내 CO2의 확산 속도는 액체 상보다 더 큽니다. 이는 CO2에 대한 막의 확산 저항을 크게 증가시켜 CO2의 물질 전달 흐름을 급격히 감소시킵니다. 따라서 중공사막은 소수성으로 만들어져야 합니다.

막 접촉 흡수 과정에서 기포 생성을 방지하려면 액체상의 압력이 기체상의 압력보다 높아야 하므로 막은 필연적으로 젖게 됩니다. 따라서 막횡단 압력 차이로 인해 흡수제가 기공 안으로 유입되어 기공이 젖게 됩니다. 대조적으로, 화학 흡수제를 사용하는 경우, 알칼리성 액체6,7,8에 의한 침식에 대한 고분자 막 재료의 민감성으로 인해 막의 표면 특성(기공 크기, 다공성, 거칠기 및 화학적 조성)이 변경됩니다. 이는 막의 기공 크기를 증가시키고 표면 접촉각을 감소시켜 막의 소수성을 감소시킵니다. 또한 장기간 작동 시 기화된 액체 흡수제가 막 기공으로 유입되어 증기가 응축되면서 이를 적시게 됩니다. 따라서 최근 연구에서는 막 접촉 흡수 공정9,10의 장기간 안정적인 작동을 위한 초소수성 중공 섬유 막 개발에 중점을 두었습니다.

이전 연구에서 초소수성 하이브리드 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사데실트리메톡시실란(PVDF-HDTMS) 멤브레인은 비용매 첨가제로 암모니아와 물의 혼합물을 사용하고 탈불화수소화 시약과 HDTMS를 사용하여 비용매 유도 상반전 방법을 통해 제조되었습니다. 소수성 개질제. 적당한 알칼리성 조건에서 막의 장기 안정성을 조사하기 위해 장기 CO2 막 접촉 흡수 실험을 수행했습니다. PVDF-HDTMS 멤브레인 접촉기의 CO2 물질 전달 플럭스는 17%만 감소한 것으로 나타났으며 흡수제로 1 mol/L 디에탄올아민(DEA)을 사용한 멤브레인 접촉 흡수 17일 동안 안정적으로 유지되었습니다. PVDF-HDTMS 막은 우수한 장기 안정성을 갖는 것으로 밝혀졌지만, 현재 연구에서는 추가 개선이 가능하다고 제안합니다.