Development of ZIF-activated carbon membrane for H2/CO2 and CH4/CO2 separation

Abstract

In this thesis, the zeolitic imidazolate framework (ZIF) membrane was developed with the incorporation of activated carbon (AC) and aluminosilicate (AS). For the preparation of AC, H3PO4 was used as an activator agent to create an abundant pore structure. The Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area of AC derived from algae was 783.53 m2/g. The X-ray diffraction (XRD) analysis of AS revealed that AS were crystalline in structure. The surface characteristics of the modified membrane were observed by using XRD and scanning electron microscopy (SEM) analysis.

The produced membrane exhibited both particle homogeneous distribution and efficient adhesion. Single gas (H2, CH4, and CO2) tests were performed at room temperature and 100°C. The two mixtures of gases, H2/CO2 and CH4/CO2, were tested at room temperature and 100°C. Permeation results from the ZIF membrane revealed the permeation value of H2 and CO2 were 3164.17 and 156.11 (Barrer), respectively, at room temperature. Permeation results from the ZIF-AC-AS membrane revealed the permeation value of CH4 and CO2 were 207.46 and 232.23 (Barrer), respectively, at room temperature. As the temperature rises from room temperature to 100 °C, the permeation values of CH4 and CO2 decreased slightly to 146.89 and 203.58 (Barrer), respectively.

이 연구에서 ZIF 분리먹은 활성탄 및 알루미노실리케이트와 통합했다. 제조된 분리막은 메탄가스, 이산화탄소 가스 등의 가스 분리에 사용했다.

활성탄 제조를 위해 H3PO4를 활성화제로 사용하여 풍부한 기공 구조로 만들었다. 조류에서 추출한 활성탄의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 표면적은 783 m2/g이다. 갈조류로부터 제조된 활성탄은 85%의 탄소 함량을 나타냈다. 알루미노실리케이트의 XRD 분석은 알루미노실리케이트가 구조적으로 결정질임을 보여준다. 알루미노실리케이트의 표면적은 943 m2g-1로 측정되었다. 생성된 멤브레인의 SEM 이미지는 알루미노실리케이트의 통합이 계면 공극 형성을 향상시키고 형태의 기공 차단을 개선한다. 활성탄을 첨가하면 활성탄의 높은 표면적 때문에 멤브레인의 표면이 상대적으로 더 다공성인 성질을 나타낸다.

ZIF 분리막의 투과 결과는 상온에서 H2와 CO2의 투과값이 각각 3164.17, 156.11 (Barrer)인 것으로 나타났다. ZIF-AC-AS 분리막의 투과 결과는 상온에서 CH4와 CO2의 투과값이 각각 207.46, 232.23 (Barrer) 인 것으로 나타났다. 상온에서 100℃까지 온도가 상승함에 따라 CH4와 CO2의 투과도 값은 각각 146.86 과 203.58 Barrer 로 약간 감소하였다. 따라서, 이 연구는 ZIF 구조에서 활성탄과 알루미노실리케이트가 기체 투과성을 증가시킨다는 것을 보여주었다.