N, O, F based surface-modification of carbon molecular sieves and their CO2/CH4 separation properties : 탄소분자체 표면에 도입된 N, O, F와 CO2/CH4의 분리 특성

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 다양한 표면관능기를 도입한 탄소분자체의 CO2/CH4 분리효율에 대해 고찰하였다. 다양한 표면관능기를 탄소분자체에 부여하고자 암모니아수, 기상 불소화, 기상 함산소불소화 방법이 사용되었다. 각각의 표면처리 방법을 통하여 탄소분자체의 미세 (micro) 기공 구조의 변화와 CO2/CH4 분리효율을 확인할 수 있었다.
표면처리된 탄소분자체에 도입된 표면 관능기를 알아보기 위해 X선 광전자분광기를 사용하였다. 암모니아수로 처리한 탄소분자체의 경우 그 처리 정도에 따라 아미노 관능기가 도입된 것을 확인할 수 있었다. 기상 불소화 및 함산소불소화 처리한 탄소분자체의 경우 불소 및 산소 관능기가 도입된 것을 확인하였다. 또한 표면처리된 탄소분자체 각각의 미세 기공 분포와 CO2 흡착량을 확인하였다. 그 결과, 암모니아수 처리된 탄소분자체는 도입된 아미노 관능기와 CO2간의 화학적 흡착에 따라 흡착량이 증가한 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 농도가 짙은 암모니아수로 처리한 탄소분자체의 경우 오히려 흡착량이 감소하였고 이는 미세 기공 구조가 무너져 나온 결과로 해석된다. 기상불소화로 처리된 탄소분자체는 그 처리 정도에 따라 CO2 흡착량이 증가하였고 이는 염기성 관능기인 불소와 CO2간 전자끼리의 인력에 의해 나온 결과로 해석된다. 또한 기상함산소불소화로 처리된 탄소분자체도 그 처리 정도에 따라 CO2 흡착량이 증가하였으며 이 또한 도입된 산소 관능기와 CO2간 전자의 인력으로 인한 결과로 보여진다.
이러한 결과는 탄소분자체의 CO2/CH4 분리실험에서도 비슷한 경향을 보였다. 각각의 처리조건에 따라 탄소분자체는 CH4보다 CO2의 흡착정도가 증가하는 결과를 보였고 이는 미세기공의 발달 및 도입된 관능기의 영향으로 해석된다. 또한 처리 조건이 과할 경우 오히려 CO2의 흡착량 감소 및 CH4 흡착량 증가 등 분리효율이 떨어지는 결과를 보였고 이는 미세 기공 구조의 붕괴 또는 확장에 따른 결과로 해석된다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. The background of this work 1
• II. Theoretical consideration 4
• 1. Mixed matrix membrane (MMM) for gas separation 4
• 1.1. Conventional fillers 6
• 2. Carbon molecular sieves (CMSs) 7
• 2.1. Preparation CMS 10
• 2.1.1. Carbonization 11
• 2.1.2. Char activation 16
• 2.1.3. Coal derived carbon 22
• 2.1.4. Polymer derived carbon 26
• 2.1.5. Carbon derived from other materials 27
• 2.2. Uses of CMSs 29
• 2.3. Catalysis 33
• 2.4. Possible sieving mechanism 34
• III. Experimental 36
• 1. Various surface treatments of carbon molecular sieves (CMSs) 36
• 1.1. Surface treatment of CMSs by ammonium hydroxide 36
• 1.2. Preparation of fluorinated CMSs 36
• 1.3. Surface modification by oxyfluorination of CMSs 38
• 2. Characterization of prepared samples 38
• 2.1. Chemical component analysis of CMSs 38
• 2.2. Pore characteristics and CO2 adsorption capacity of CMSs 38
• 2.3. CO2/CH4 gas separation 39
• IV. Results and Discussion 41
• 1. Surface properties of samples treated by various methods 41
• 1.1. Surface properties of aminated CMSs 41
• 1.2. Effects of fluorination on the chemical composition of CMSs 45
• 1.3. Surface properties of oxyfluorinated CMSs 48
• 2. Textural properties and pore structure 53
• 2.1. Textural properties and pore structure of aminated CMSs 53
• 2.2. Pore characteristics of fluorinated CMSs 55
• 2.3. Textural properties and pore structure oxyfluorinated CMSs 57
• 3. CO2 adsorption capacity 59
• 3.1. CO2 uptake data of aminated CMSs 59
• 3.2. CO2 adsorption kinetics and isotherms of fluorinated CMSs 61
• 3.3. CO2 adsorption capacity of oxyfluorinated CMSs 63
• 4. Gas separation behavior analysis 66
• 4.1. CH4/CO2 gas separation behavior of aminated CMSs 66
• 4.2. CH4/CO2 gas separation behavior of fluorinated CMSs 67
• 4.3. CH4/CO2 gas separation behavior of oxyfluorinated CMSs 68
• 5. Discussion 70
• 5.1. Comparison of breakthrough and saturation times of aminated CMSs 70
• 5.2. Suggested mechanism of functionalized surface molecule of CMSs 71
• 5.2.1. Effects of fluorine on the CO2 adsorption capacity 71
• 5.2.2. CO2 selectivity of fluorinated CMSs 72
• 5.3. Suggested mechanism for the improved effects of oxyfluorinated CMSs on the improvement of CO2 storage 73
• V. Conclusions 75
• REFERENCES 76
• ABSTRACT 85