글로벌물산업정보센터

[미국] 친환경 화학분리를 위한 분자체 멤브레인 개발

미국의 연구자들이 현재의 방법에 비해 에너지를 거의 사용하지 않고 대규모 화학적 분리를 가능하게 하는 새로운 가능성을 보여주었다.

조지아텍(Georgia Institute of Technology)의 Sankar Nair와 그의 연구팀이 자신들이 개발한 금속유기골격(metal organic framework (MOF))이 결합된 섬유가 프로필렌(propylene)과 프로판(propane)을 분리하는데 있어서 증류(distillation)와 유사한 기능을 수행한다는 것을 보여주었다.

속이 텅 빈 형태의 금속유기골격(metal organic framework (MOF))

2011년 생산된 프로필렌 7700만 톤의 대부분은 이러한 증류 형태로 만들어졌다. 이에 대해 Nair는 "멤브레인(membrane)에 의해 분리되는 정도는 이전의 방법과 유사하지만 이번에 개발한 기술은 훨씬 더 적은 에너지를 이용한다"고 말했다.

연구자들은 금속유기골격(metal organic framework (MOF))의 잠재적인 분리능에 대해 이미 인지하고 있지만, 이들은 대부분 매우 큰 튜브 상에서 제조되고 저렴한 분리 모듈을 만들어 내기에는 표면적대 부피의 비가 너무 작다.

마이크로 크기의 섬유들이 보다 나은 선택이 될 수 있지만 성공적인 멤브레인을 위한 조건이 너무 크게 변해 문제가 된다고 Nair는 설명하고 있다. 그는 또한 "섬유 내에 존재하고 있는 반응액의 양이 매우 작고 이 상황에서 분자의 이동과 반응은 일반적인 조건에서와 많은 차이가 있다"고 덧붙였다.

조지아텍의 연구자들이 개발한 방법은 두 가지 해결책을 제시하고 있다. 그 중 하나는 황 이온(zinc ion)을 포함하는 것이고 다른 하나는 메틸 이미다졸(methyl imidazole)을 포함하는 것이다. 250마이크로미터 지름의 원통형 폴리아미드-이미드 섬유가 내부에 존재하며 바깥쪽으로도 이러한 섬유가 존재하여 이들이 만나는 점에서 지올라이트 이미다졸골격(ZIF)이 만들어진다.

연구자들은 섬유 내부의 용액은 움직이지 않지만 패취형태로 코팅이 되는 조건에 대해 설명했다. Nair팀의 이러한 노력으로 섬유 내부의 필름 성장이 직접적으로 가능했으며 서로 다른 반응액과 용매를 통해 외부 표면에서도 필름의 성장이 이루어졌다. 이에 대해 Nair는 "우리는 금속유기골격(metal organic framework (MOF))을 원통형의 섬유에 맞게 스케일 다운(scale down)하는 방법을 입증하는데 성공했다"고 말했다.

사우디아라비아의 킹압둘라과학대(King Abdullah University of Science and Technology )소속의 화학공학자인 Zhiping Lai은 이번 결과에 대해 "ZIF-8 멤브레인들이 저렴한 지지대 위에서 대량으로 만들어질 수 있다는 것을 입증했다. 효과적인 멤브레인 처리 과정에 의한 증류 과정이 대체됨으로써 에너지 사용을 80%까지 줄일 수 있었다"고 말했다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 7월 10일]

[원문보기]

Molecular sieve membranes look to greener separations

US researchers have made molecular sieving fibres that open up new possibilities for large scale chemical separations that use much less energy than conventional distillation methods. Sankar Nair and his Georgia Institute of Technology team have shown their metal–organic framework (MOF)-lined fibres can perform similarly to distillation in separating propylene and propane. That’s the same post-cracking raw mixture that the majority of the 77 million tonnes of propylene produced in 2011 was distilled from. ‘The degree of separation by the membrane is comparable, but uses vastly less energy,’ Nair says.

Though scientists recognise MOF membranes’ separation potential, they’ve mostly been fabricated on large tubes, whose surface area-to-volume ratio is too low for producing cheap separation modules. Micron-scale fibres would be better, but inside them conditions for successful membrane formation change significantly, Nair explains. ‘The amount of reactant present in the fibre is miniscule, and molecular transport and reaction processes are quite different,’ he says.

The Georgia Tech team’s new approach uses two solutions – one containing zinc ions and another containing methyl imidazole. With one solution inside 250µm diameter hollow poly(amide-imide) porous fibres and another outside them, they start forming a zeolitic imidazolite framework (ZIF) where the two meet. They initially explored conditions where the solution inside the fibre didn’t move, but got patchy coatings. When they realised this setup wasn’t supplying enough reactant, they pumped the inner solution through the fibre, getting better coatings but struggling to control thickness and quality. Finally, they devised an intermittent approach, allowing the membrane to grow under static conditions, then periodically replenishing the reactant supply.

This lets Nair’s team direct film growth inside the fibre or on its inner or outer surfaces through different reagent and solvent permutations. Using tiny pores in MOF films inside the bore of the fibres as selective molecular scale sieves they then separated hydrogen or propylene from propane. ‘We have a demonstrated path to “scale down” MOF membranes to hollow fibres, in a manner that we can now look to “scale up” by an in-parallel replication of the process to many fibres bundled together into a module,’ Nair explains.

Zhiping Lai, a chemical engineer from the King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabia, says this result ‘beautifully demonstrates’ that ZIF-8 membranes can be produced in bulk quantities on cheap supports. ‘Replacing distillation by an efficient membrane process can cut energy use up to 80%,’ Lai says. ‘It significantly increases the economic viability of the membrane process, which may lead to a technical revolution in the chemical industry.’

[원문출처 : http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/07/molecular-sieve-membranes-mof-zif-greener-separations]