정전방사를 통한 환경기능성 미세섬유 제조 및 특성분석 - 실내환경 CO₂ 포집용 건식흡착소재

Preparation and characterization of Environmental Functional Nanofibers by electrospun nanofibers-Dry sorption material for indoor CO₂ capture

Abstract

고전압 정전방사 장치를 이용하여 나노 섬유를 직조하였다. 정전방사장치는 액상의 고분자를 방출하는 펌프, 노즐과 노즐회전자 등의 부품으로 구성되어 있으며, 알루미늄 재질의 포집판을 설치하여 방사되는 섬유를 포집하였다. 정전방사방법을 이용하여 매우 미세한 나노굵기의 섬유를 제조하고,화학적으로 활성화시킴으로써 미세공을 형성함과 동시에 화학작용기를 분포시켜 저농도의 이산화탄소 분자를 포집하는 실험을 실시하여 실내공기중에 존재하는 저농도 이산화탄소 가스를 포집하는 섬유상 흡착제를 제조해보고자 하였다. 이러한 화학작용기는 이산화탄소 분자와의 상호 인력을 향상시킬 수 있고, 궁극적으로는 포집효율을 증가시킬 수 있었다. 정전방사식으로 제조한 섬유의 굵기는 250-350 nm 였으며, 생성된 미세공은 0.6에서 0.7 nm 이고, 평균 비표면적은 $569m^2/g$였다. 순수 이산화탄소 흐름과 실내공간에서 흔히 발견되는 0.3% 수준의 농도에 대하여 포집실험을 한 결과, 각각 1.08 mmol/g과 0.013 mmol/g에서 2.2 mmol/g과 0.144 mmol/g으로 향상되었다. 이러한 포집량 증가는 나노섬유상 흡착제의 비표면적 대비 미세공의 비율과 관계가 있음이 밝혀졌다. 특히 화학적 상호인력의 특성을 활용하여 저농도에서의 선택도를 향상시킬 수 있음을 간접적으로 파악하였다.

Thin nano-sized fibres were prepared by an electrospinning method. The spinning appratus consisted of pump for polymer injection, nozzle and nozzle rotus, and an aluminum plate collected the polymer fibers. Its surface was chemically modified for selective improved adsorption of carbon monoxide at indoor level. The chemical activation enabled to form the fibres 250-350 nm in thickness with pore sizes distributed between 0.6 and 0.7 nm and an average specific surface area of $569m^2/g$. The adsorption capacities of pure (100%) and indoor (0.3%) $CO_2$, of which level frequently appears, at the ambient condition were improved from 1.08 and 0.013 to 2.2 and 0.144 mmol/g, respectively. It was found that the adsorption amount of $CO_2$ adsorbed by the chemically activated carbon nanofiber prepared through chemical activation would vary depending on the ratio of specific surface area and micropores. In particular, chemical interaction between adsorbent surface and gas molecules could enhance the selective capture of weak acidic $CO_2$.

Fig. 1. Schematic diagram of the electrospinning set-up.

Fig. 2. SEM plates of ANFs; (a) AnF-0, (b) AnF-1, (c)AnF-2, (d) AnF-3, (e) AnF-4.

Fig. 3. XPS peaks for nitrogen functionalities.

Fig. 4. TGA thermograms of AnF samples.

Fig. 5. CO₂ adsorption capacity with pressure.

Fig. 6. Breakthrough curves of 0.3% CO₂ flow.

Table 1. Textural properties of AnFs