레졸 페놀 수지 기반 탄소분자체 복합막을 이용한 에틸렌/에탄 분리 연구 = Ethylene/Ethane separation using Carbon Molecular Sieve composite membranes derived from Resol Phenolic Resin

국문 초록 (Abstract)

레졸 페놀 수지 기반 탄소분자체복합막을 이용한 에틸렌/에탄 분리 연구 김동균 화학공학과 경희대학교 대학원 본 연구에서는 페놀 수지를 기반으로 한 탄소분자체 분리막을 제조하고 이를 활용한 에틸렌/에탄 분리 성능을 분석하였다. 에틸렌은 석유화학 산업 에서 폴리에틸렌, 에탄올 등 여러 화학 물질의 출발물질로 사용되며 전 세계 적으로 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 에틸렌은 주로 나프타를 고온에서 열 분해하는 과정을 통해 생산되는데 이때 부산물로 에탄이 함께 생성된다. 에 틸렌과 에탄은 물리적 특성이 유사하여 이들의 분리는 어려우며 일반적으로 저온 증류법이 사용되지만, 이는 에너지가 많이 소모되고 비용이 높다는 단 점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 에너지 소비가 적고 효율이 높은 탄소분자체 분리막이 대안으로 주목받고 있다. 탄소분자체막은 기공 크기가 분자 수준에서 제어되어 선택적으로 기체를 분리할 수 있으며 에틸렌과 에탄과 같은 분자 크기가 비슷한 기체를 효과적 으로 분리할 수 있다. 본 연구에서는 레졸 페놀 수지를 전구체로 사용하여 탄소분자체막을 제조하였다. 페놀 수지는 열적 안정성이 우수하고 가격이 저 렴하여 전구체로 널리 사용되며, 레졸 페놀 수지는 추가 가교제 없이도 가교 도가 높아 탄소분자체막 제조에 적합하다. 레졸 페놀 수지는 과량의 포름알 데히드와 염기성 촉매를 이용해 합성되었으며 알루미나 디스크 위에 코팅하 여 복합막 형태로 제조하였다. 이 과정에서 알루미나 졸을 중간층으로 사용 하여 수 나노미터 크기의 기공을 가진 중간층을 형성함으로써 페놀 수지 고 분자층의 결함을 최소화하였다. 탄소분자체막의 성능을 최적화하기 위해 포름알데히드/페놀 몰비, 가교 온 도, 가교 시간, 탄소화 온도 등의 변수를 제어하여 다양한 조건에서 탄소분 자체막을 제조하였다. 제조된 분리막의 에틸렌/에탄 분리 성능을 평가한 결 과, 높은 투과도와 선택도를 동시에 달성할 수 있었다. 기존 연구에서는 주 로 노볼락 페놀 수지를 이용하여 가교제를 추가해 탄소분자체막을 제조하였 으나 레졸 페놀 수지를 이용해 가교제 없이도 높은 성능을 달성할 수 있음 을 확인하였다. 본 연구는 페놀 수지 기반 탄소분자체 분리막이 에틸렌/에탄 분리 공정에서 저온 증류법의 대안으로서 활용 가능성이 크다는 점을 제시하였다. 이러한 탄소분자체막은 고효율 기체 분리 공정에 적합하며 에너지 절감 및 공정 비 용 절감 측면에서 유리한 이점을 제공할 수 있다. 앞으로의 연구에서는 다양 한 전구체 소재 및 분리막 구조 최적화를 통해 기체 분리 성능을 더욱 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다. Keyword: Ethylene/Ehane separation, Carbon Molecular Sieve (CMS), Gas separation membrane, Composite membrane, Phenolic resin, Curing, Pyrolysis

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Research background 1
• 1.2 Research Purpose 6
• CHAPTER2. THEORETICAL BACKGROUND 9
• 2.1 Gas Separation Membrane 9
• 2.2 Theoretical Background on Gas Permeability 12
• 2.3 Carbon Molecular Sieve Membranes (CMSM) 16
• 2.4 Polymer Precusor 18
• 2.5 Synthesis Mechanism of Phenolic Resin 20
• CHAPTER 3. MATERIALS AND EXPERIMENTAL 22
• 3.1 Materials 22
• 3.2 Resol Phenolic Resin Synthesis 23
• 3.3 Alumina Sol Synthesis 25
• 3.4 Fabrication of CMS Composite Membrane 25
• 3.5 Membrane Characterization 28
• 3.6 Gas Permeation Test 29
• CHAPTER 4. RESULT AND DISCUSSION 32
• 4.1 Effect of Formaldehyde/Phenol Ratio on CMS Membranes derived from Resol Phenolic Resin 32
• 4.1.1 Preparation of CMS Membrane derived from Resol Phenolic Resin on Alumina Disc Support 32
• 4.1.2 Characterization of CMS Membrane derived from Resol Phenolic Resin with different Formaldehyde/Phenol Ratio 34
• 4.1.3 Single Gas Permeation Test 45
• 4.1.4 Ethylene/Ethane Mixture Gas Permeation Test 48
• 4.2 Effect of Curing Process on CMS Membranes derived from Resol Phenolic Resin 51
• 4.2.1 Characterization of CMS Membranes derived from Resol Phenolic Resin with different Curing Process 51
• 4.2.2 Single Gas Permeation Test 63
• 4.2.3 Ethylene/Ethane Mixture Gas Permeation Test 67
• 4.3 Effet of Pyrolysis Parameters on CMS Membranes derived from Resol Phenolic Resin 70
• 4.3.1 Characterization of CMS Membranes derived from Resol Phenolic Resin Pyrolyzed in different Temperature 70
• 4.3.2 Single Gas Separation Permeation Test 75
• 4.3.3 Ethylene/Ethane Mixture Gas Permeation Test 78
• CHAPTER 5. CONCLUSION 81
• REFERENCE 83
• ABSTRACT 87