본 연구에서는 zeolitic imidazolate framework-9 (ZIF-9)을 합성하고 poly(ether-b-amide)-1657 (Pebax-1657) 내에 함량을 달리하여 Pebax/ZIF-9 혼합막을 제조한 다음 단일기체 (N2, CO2)를 투과하여 혼합막에 대한 기체 투과 특성을 조사하 였다. 순수 Pebax 막 내에 혼입되는 ZIF-9 함량이 증가함에 따라 N2 투과도는 점차 감소하고, CO2 투과도는 Pebax/ZIF-9 3 wt% 혼합막까지 증가하다가 그 이후의 함량에서는 감소하였다. 그리고 혼합막들 중 Pebax/ZIF-9 3 wt% 혼합막은 극성 기체 인 CO2에 대해 gate-opening 현상이 일어나면서 선택적으로 CO2를 받아들여 가장 높은 선택도 69.3을 보였다. 또한 CO2 투 과도와 CO2/N2 선택도가 모두 증가하여 Robeson upper-bound에 가장 근접하는 결과를 얻었다.

본 연구에서는 PEBAX2533에 합성된 GO와 PEI-GO의 함량을 달리 첨가하여 혼합막을 제조하고 N2와 CO2의 투과 특성을 연구하였다. PEBAX/GO 혼합막의 N2와 CO2 투과도는 전체적으로 GO 함량이 증가할수록 감소하였고, GO 0.3 wt%에서 가장 높은 CO2/N2 선택도 58.9를 보였다. 그리고 PEBAX/PEI-GO 혼합막에서 N2 투과도는 PEI-GO 함량이 증가함에 따라 감소하였고, CO2 투과도는 PEI-GO 함량에 따라 다른 경향을 보였으며 전체적으로 PEBAX/GO 혼합막보다 더 높은 CO2/N2 선택도를 보였다. 특히 PEI-GO 0.3 wt%는 혼합막들 중 가장 높은 CO2/N2 선택도인 73.5를 보이며 Robeson upper bound 위에 위치하는 긍정적인 결과를 얻었다. 이는 본연의 GO 구조에 의한 molecular sieving channel 효과와 CO2에 친화성이 있는 GO의 구조 내에 존재하는 작용기 그리고 GO를 PEI로 개질함으로써 PEI에 결합되어 있는 amine에 의한 효과가 함께 작용했기 때문으로 생각된다.

본 연구에서는 혼합기체 투과 시 높은 CO2 선택도 특성을 가지는 분리막을 제조하기 위한 연구를 하였다. 이를 위해 Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane(POSS)와 Polyethylene glycol(PEG)의 추가적인 합성을 진행하여 POSS-PEG를 얻었다. 또한 투과도와 선택도를 향상시키기 위해 POSS-PEG를 용매에 희석시켜 추가적인 코팅을 진행하여 복합막을 제조하였다. 특성평가 진행은 POSS-PEG Film의 기체투과 특성을 측정하기 위해 Time lag를 사용하였으며, N2, O2, CO2를 혼합한 혼합기체에 대한 특성평가는 Bubble flowmeter와 Gas chromatography를 이용하여 진행하였다.

Zeolitic Imidazolate Framework(ZIF)는 기체의 선택적인 분리나 센서, 촉매 반응 등의 목적으로 널리 연구된다. 특히 촉매의 역할이 가능하기 때문에 반응과 동시에 가스를 분리 할 수 있는 막 반응기의 역할을 할 수 있다. 본 연구에서는 ZIF-8 입자를 합성하고, 이를 PVC-g-POEM 고분자 매트릭스에 분산하여 MMM(Mixed matrix membrane)으로 제조하였다. 특히, α-알루미나 지지체 위에 PVC-g-POEM/ZIF-8 혼합 용액을 스핀 코팅하여 균일한 두께의 MMM을 얻을 수 있었다. 합성된 MMM은 XRD, FE-SEM을 통해 결정상과 표면, 코팅 두께 등을 측정하였으며, 이성분계 기체 투과 실험을 통해 다양한 이성분계 기체에 대한 투과 특성을 살펴보았다.

Solvothermal surface coating was employed to form hetero-nanostructures consisting of a polystyrene (PS) core and ZIF-8 shell. Upon selective removal of the PS core, hollow zeolite imidazole frameworks (H_ZIF-8) with a particle size of 700 nm and surface area of 1528.5 m²/g were generated. Synthesis was confirmed by Field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM), transmission electron microscopy(TEM), X-raydiffraction(XRD) and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis. Free-standing mixed matrix membranes (MMMs) were prepared by dispersing H_ZIF-8 filler in poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethylene methacrylate) (PVC-g-POEM) graft copolymer matrix. PVC-g-POEM worked well as a robust matrix to homogeneously disperse H_ZIF-8 with good interfacial contact due to the microphase-separated, amphiphilic properties of the hydrophobic glassy PVC main chains and the hydrophilic rubbery POEM side chains. Secondary bonding interactions were responsible for the good interfacial properties of the MMMs, as confirmed by Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), FE-SEM, and XRD analysis. MMMs exhibited significantly enhanced CO2permeabilityrelativetopure PVC-g-POEM membranes: an 8.9-fold increase in permeability from 70.0 to 623 Barrer (1 Barrer = 1 × 10–10cm³(STP)·cm/cm²·s·cmHg) with only a small decrease in CO2/CH4 selectivity from 13.7 to 11.2 at 35℃, as measured via the time-lag method.