High Permeability, High Selectivity Carbon-Silica Membranes for Gas Separation

Carbon-silica ($C-SiO_2$) membranes can be easily prepared by the pyrolysis of two-phase copolymers containing an aromatic imide block and a siloxane block and remarkably high permselectivities of $He/N_2, O_2/N_2,$ and $CO_2/N_2$. The pyrolysis of the imide-siloxane block copolymers was carried out at different final temperatures, $600^{\circ}C, 800^{\circ}C,$ and $1000^{\circ}C$ under an inert atmosphere, and is the first reported case of the precursors being used for the preparation of carbon membrane. The polymeric precursors were synthesized in a wide range of siloxane content and different final morphology, and the pyrolozed membranes were tested with a high vacuum time-lag method at $25^{\circ}C$ and 76cmHg of feed pressure. In experiments with He, $CO_2, O_2 \;and \;N_2$, the membranes were found to have good $O_2/N_2$ selectivity up to 32.2 and $O_2$ permeability on the order of $10-8/cm^2(STP)cm/cm^2seccmHg.$.

기체분리용 고투과선택성 탄소-실리카막

이번 연구에서 효율적인 기체분리를 위한 탄소-실리카($C-SiO_2$) 분리막이 방향족 이미드 블록과 실록산 블록으로 구성된 공중합체의 비활성분위기에서의 열분해를 통해 제조되었다. 이 탄소-실리카 기체분리막은 비교적 작은 크기의 기체분리, 즉 $He/N_2, O_2/N_2$ 그리고 $Co_2/N_2$의 분리에 있어 매우 뛰어난 기체선택도를 나타내었다. 두 상을 가진 공중합체의 열분해는 600도, 800도 그리고 1000도의 최종열분해온도로서 수행되었으며, 이러한 두 상으로 이루어진 전구체는 탄소막의 제조에 처음으로 보고되었다. 이러한 전구체는 두 상의 조성 및 같은 조성에서 중합방법의 차이에 의해 형성되는 모폴로지의 변화가 최종 탄소-실리카막의 기체분리특성에 미치는 영향을 살피기 위해 제조되었다. 이러한 탄소-실리카분리막은 $2.6-3.6{\AA}$의 동력학적 반경을 가진 작은 기체분자(헬륨, 산소, 질소, 이산화탄소)들을 사용한 기체투과실험에서, 탄소-실리카 분리막은 높은 투과도와 함께 뛰어난 분자체 효과를 보였다. 게다가 탄소-실리카분리막의 기체분리특성은 사용한 고분자 전구체의 기체분리특성과 매우 유사하며, 이것은 열적으로 안정한 두상의 사용으로 전구체의 초기 모폴로지가 열처리 후에도 상당히 유지되었기 때문이다. 현재의 연구는 탄소막 전구체의 초기의 모폴로지가 최종 탄소막의 분리특성 및 미세구조에 결정적인 영향을 미침을 암시한다.