Separation of CO/CO2 using CuCl-loaded metal organic frameworks (MOFs)

국문 초록 (Abstract)

일산화탄소는 무색, 무취의 기체로서, 인간에게는 매우 해롭지만, 제조사업에서는 매우 유용한 고부가가치 물질이다. 초산, 알데하이드, 포리카보네이트, 메탄올, 폴리우레탄 등 매우 다양한 제조사업에서 사용하는 원료로써 화학산업에서 매우 활발이 활용되고 있다. 일산화탄소는 주로 제철공정에서 발생되는 부생가스로서, 이산화탄소, 질소, 메탄 등과 같이 다른 물질들과 혼합물 형태로 존재하고 있어 이를 분리하고 정제하여 회수하는 기술에 대한 관심이 많아지고 있다. 일산화탄소 가스를 분리하기 위해 일반적으로 심냉법을 사용하지만 에너지가 많이 소요된다는 단점이 있다. 이에 비해 흡착에 의한 분리정제는 에너지 비용 측면에서 저렴하다는 장점이 있다. 한편, 일산화탄소/이산화탄소 가스 혼합물에서 일산화탄소를 선택적으로 분리하는 것은 물리적 흡착으로는 불가능한 과제이다.
본 연구에서는, 최근 각광받고 있는 하이브리드 나노세공 흡착제 (Metal Organic Frameworks, MOFs)를 기반으로 하는 화학적 흡착을 이용하여 일산화탄소를 선택적으로 분리하였다. 하이브리드 나노세공 흡착제 같은 경우, 매우 큰 비표면적을 가지고 있으며, 기공크기와 표면성질을 조절할 수 있는 장점 및 활용도나 합성의 용이함, 그리고 공간이 가지고 있는 잠재적 기능이 매우 뛰어나 기체저장, 기체분리, 촉매 등 다양한 응용 분야에 잠재적인 재료로 관심을 받고 있다.
따라서, 이러한 하이브리드 나노세공 흡착제의 내부에 일산화탄소 분자와 특별한 인력을 가지고 있는 금속이온인 Cu(I)를 효율적으로 함침시키는 방법을 이용하여 일산화탄소와 화학적 흡착을 형성한 뒤, 일산화탄소/이산화탄소 가스 분리에서 일산화탄소의 선택성을 높이고, 좋은 혼합물 분리 성능을 가진 재료를 개발하였다. 또한, 금속이온 Cu(I)의 함침량에 따른 일산화탄소/이산화탄소 가스 분리를 위한 최적의 함칭량을 탐색하고 파과실험 또한 진행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2) separation using porous metal organic frameworks (MOFs) supported with CuCl has been studied. Among various metal organic frameworks, MIL-100(Fe) was chosen due to easy preparation, good hydrothermal and chemical stability, high surface area (>2000m2/g), and facile scale-up. CuCl-loaded MIL-100(Fe) was prepared through a facile and mild reduction of CuCl2, which was carried out at a room temperature and atmospheric pressure with sodium sulfite (Na2SO3) as a mild reducing agent. Generally, in the mixture of carbon monoxide and carbon dioxide, carbon dioxide is adsorbed much more compared to carbon monoxide due to physical adsorption. However, CuCl-loaded MIL-100(Fe) shows selective carbon monoxide adsorption over carbon dioxide because of a special interaction between carbon monoxide and Cu(I) called ‘π -complexation’. Therefore, this research shows the characterizations of CuCl-loaded MIL-100(Fe) and the trend for carbon monoxide and carbon dioxide separation according to the amount of CuCl loaded. From the trend, Cu(0.6M)@MIL-100(Fe) shows the highest CO/CO2 selectivity, which is 4.82 separation factor at 1 bar compared to pristine MIL-100(Fe) having CO/CO2 separation factor of 0.23 at 1 bar.