KR20210097297A - Adsorbent including a polyvinylidene fluoride based activated carbon, method of preparing the same, and adsorption method of methane or carbon dioxide using the same - Google Patents

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Abstract

One embodiment of the present invention provides a method for manufacturing an adsorbent including activated carbon based on methane and/or polyvinylidene fluoride, including the steps of: a) filling a boat with a PVdF-based polymer and putting it into a kiln; b) forming a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted by heating the filled boat in a CO_2 flow atmosphere; c) maintaining the formed PVdF-based polymer film at a reaction temperature of 600 to 900 deg. C for 1 to 3 hours to activate the same; and d) recovering activated carbon by lowering the temperature at a rate of greater than 1 deg. C and less than 5 deg. C/min.

Description

폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제, 이의 제조방법 및 이에 의한 메탄 또는 이산화탄소의 흡착 방법{ADSORBENT INCLUDING A POLYVINYLIDENE FLUORIDE BASED ACTIVATED CARBON, METHOD OF PREPARING THE SAME, AND ADSORPTION METHOD OF METHANE OR CARBON DIOXIDE USING THE SAME}Adsorbent containing polyvinylidene fluoride-based activated carbon, manufacturing method thereof, and adsorption method of methane or carbon dioxide by the same SAME}

본 발명은 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 이산화탄소 흡착제, 이의 제조방법 및 이에 의한 이산화탄소의 흡착 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon dioxide adsorbent comprising polyvinylidene fluoride-based activated carbon, a method for preparing the same, and a method for adsorbing carbon dioxide by the same.

대표적인 온실 가스 중 하나인 이산화탄소는 최근 가속화되는 삼림파괴 등으로 정화능력이 약화되고 공업 발달로 화석연료의 사용량이 증대됨에 따라 배출량이 급격히 상승하고 있다. 이러한 상황에 대응하여 이산화탄소를 제거하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Carbon dioxide, one of the representative greenhouse gases, is rapidly increasing as its purification capacity is weakened due to deforestation, etc., which is accelerating in recent years, and the use of fossil fuels increases due to industrial development. In response to this situation, studies for removing carbon dioxide are being actively conducted.

이산화탄소를 제거하는 방법은 크게 흡수, 막 분리 및 흡착이 있는데, 흡수는 추가적인 열에너지 없이 압력을 낮추어 용액에서 분리 가능하다는 장점이 있는 반면에 공급시 높은 압력이 필요하고 재생단계에서의 부식 위험성이 있다는 문제점이 있다. 막분리는 연속식 운전이 용이하고 에너지 소모가 적은 반면에 압축 과정이 필요하고 시설 및 운전 비용이 크다는 단점이 있다. 흡착은 포집과정에 드는 에너지 소모가 적고 추가적인 오염 부산물이 없이 재사용이 가능하며, 흡착제가 저렴하여 경제적이라는 장점을 가지고 있으나, 선택적 분리가 어렵다는 단점이 있다.Methods for removing carbon dioxide are largely absorption, membrane separation and adsorption. Absorption has the advantage that it can be separated from the solution by lowering the pressure without additional thermal energy, but there is a problem that high pressure is required during supply and there is a risk of corrosion in the regeneration step. There is this. Membrane separation is easy to operate continuously and consumes less energy, but has disadvantages in that it requires a compression process and high facility and operating costs. Adsorption has the advantage of low energy consumption in the collection process, reuse without additional polluting by-products, and economical due to the low cost of the adsorbent, but it has a disadvantage in that selective separation is difficult.

이산화탄소의 흡착은 상용화된 흡착제로서 제올라이트(zeolite), 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF), 활성탄 등이 있다.Adsorption of carbon dioxide is a commercially available adsorbent, such as zeolite, carbon nanofiber (CNF), activated carbon, and the like.

제올라이트는 균일한 크기의 미세기공 구조를 가진 결정소재이며, 미세기공 및 결정구조에 따라 CO2 흡착능의 차이를 보인다. 활성탄에 비해 저압에서 높은 CO2 흡착능을 보이지만, 친수성의 성격으로 수분 분위기에서 급격한 흡착능 감소를 보이는 치명적인 단점이 있다.Zeolite is a crystalline material with a uniformly sized micropore structure, and shows a difference in CO 2 adsorption capacity depending on the micropore and crystal structure. Although it shows high CO 2 adsorption capacity at low pressure compared to activated carbon, it has a fatal disadvantage in that it shows a rapid decrease in adsorption capacity in a moisture atmosphere due to its hydrophilic nature.

탄소나노섬유는 활성탄과 다르게 고분자 기반의 원료를 전기방사를 통해서 제작하기 때문에 성형이 가능하다는 장점이 있다. 나노섬유를 방사할 때 걸어주는 전압, 고분자 혼합물의 유량, 습도, 온도 등 다양한 변수에 의해서 섬유의 직경 및 크기가 달라지기 때문에 이를 탄화시킨다면 원하는 모양의 형상물로 제작할 수 있는 반면, 제조 공정이 복잡하다는 단점이 있다.Unlike activated carbon, carbon nanofibers have the advantage that they can be molded because polymer-based raw materials are produced through electrospinning. Since the diameter and size of the fiber varies depending on various variables such as the voltage applied when spinning the nanofiber, the flow rate of the polymer mixture, humidity, and temperature, if it is carbonized, it can be manufactured into a desired shape, but the manufacturing process is complicated. There are disadvantages.

활성탄은 높은 비율의 중기공 및 미세기공들을 보유하고 있어 다양한 분야에서 흡착제로 용이하게 사용되고 있으며, 높은 표면적, 큰 기공부피, 높은 열적/화학적 안정도, 소수성, 친환경성, 저렴한 원료 등 여러 장점이 있다 이때 활성탄의 원료로는 폴리아크릴니트릴(polyacrylonitirle, PAN), 폴리이미드(polyimdie, PI), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 페놀수지(phenolic resin), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 등과 같은 고분자를 사용한다. 활성탄에 대한 CO2 흡착 연구는 아래 표 1과 같이 활발히 진행되고 있으나, CO2 흡착 성능이 상업적으로 적용될 만큼 개선되지 못하였다.Activated carbon has a high ratio of mesopores and micropores, so it is easily used as an adsorbent in various fields. Raw materials for activated carbon include polyacrylonitirle (PAN), polyimide (PI), polyvinyl alcohol (PVA), phenolic resin, polymethylmethacrylate (PMMA), A polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF) is used. CO 2 adsorption studies on activated carbon are being actively conducted as shown in Table 1 below, but the CO 2 adsorption performance has not been improved enough to be commercially applied.

Figure pat00001
Figure pat00001

활성탄 흡착제는 비표면적이 증가할수록 기공 부피도 비례하여 증가되며, 이러한 활성탄 표면 특성이 구현될 때 CO2 흡착 성능이 개선될 수 있다. 통상적으로 활성탄과 같은 다공성(porous) 흡착제의 기공 구조는 매크로 기공(50nm~), 메조 기공(2~50nm), 마이크로 기공(~2nm) 등으로 형성되는데, CO2는 운동 지름(kinetic diameter)이 약 0.34nm임을 고려할 때, 흡착제의 마이크로 기공 중에서 미세 기공(1nm 이하, 구제적으로 0.5~0.9nm) 구조의 비율이 높아질수록 CO2 흡착 성능이 증가하는 것으로 알려져 있다. 즉, 미세 기공 구조는 CO2 흡착 성능과 밀접한 관련이 있으므로 원료물질의 탄화시 미세 기공의 형성(pore generation)은 촉진하는 반면에 미세 기공의 크기의 증가(pore enlargement)를 방지함으로써 CO2 흡착 성능을 개선할 수 있다.As the specific surface area of the activated carbon adsorbent increases, the pore volume also increases proportionally, and when such activated carbon surface properties are implemented, the CO 2 adsorption performance may be improved. Typically, the pore structure of a porous adsorbent such as activated carbon is formed into macro pores (50 nm~), meso pores (2-50 nm), micro pores (~ 2 nm), etc., CO 2 has a kinetic diameter Considering that it is about 0.34 nm, it is known that the higher the ratio of micropores (1 nm or less, specifically 0.5 to 0.9 nm) structure among the micropores of the adsorbent, the higher the CO 2 adsorption performance. That is, since the micropore structure is closely related to the CO 2 adsorption performance, the carbonization of the raw material promotes the formation of micropores (pore generation) while preventing the increase in the size of the micropores (pore enlargement), thereby adsorbing CO 2 performance can be improved

한편 활성탄의 원료물질로서 PVdF계 고분자는 고온 불활성 분위기에서 탄화 시(carbonization) 활성화(activation)되어 미세 기공의 비율이 높은 다공성 구조의 활성탄을 제조할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 특히 활성화 단계에서 PVdF의 F(fluorine) 원자가 제거됨에 따라, 제거된 F원자를 기준으로 미세 기공이 형성(pore generation)되고 이와 동시에 기공의 크기가 커지는(pore enlargement) 일련의 과정을 통해서 다공성 구조의 활성탄이 얻어진다 이때 탄화 온도는 S.-M. Hong et al. / Carbon 99 (2016) 354e360, Porous carbon based on polyvinylidene fluoride: Enhancement of CO2 adsorption by physical activation(이하, "비특허문헌 1")을 참고하면 450~1,000℃일 수 있다 특히 본 명세서의 도 1에 기재된 탄화 온도에 따른 PVdF의 weight 변화 그래프 Fig. 1.을 참고하면 450℃에서 활성탄으로의 활성화가 진행되어 PVdF의 중량이 감소하고 다공성 구조가 형성되는 것을 알 수 있으며, 450~800℃ 범위에서 탄화 온도를 증가시킬수록 활성탄의 다공성 구조가 이에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있고, 반면에 800℃를 초과하는 온도로 탄화를 진행하는 경우 PVdF의 weight 변화가 급격히 발생된다는 점에서 플루오린(F) 제거에 따른 다공성 구조를 넘어서 탄소의 소실이 발생함을 알 수 있다. On the other hand, PVdF-based polymer as a raw material for activated carbon is known to be activated during carbonization in an inert atmosphere at high temperature to produce activated carbon having a porous structure with a high micropore ratio. As the (fluorine) atoms are removed, micropores are formed based on the removed F atoms, and at the same time, activated carbon having a porous structure is obtained through a series of processes in which the size of the pores is increased (pore enlargement). At this time, the carbonization temperature is S.-M. Hong et al. / Carbon 99 (2016) 354e360, Porous carbon based on polyvinylidene fluoride: Enhancement of CO 2 adsorption by physical activation (hereinafter, “non-patent document 1”) may be 450 ~ 1,000 ° C. In particular, in FIG. 1 of the present specification Graph of PVdF weight change according to the described carbonization temperature Referring to 1., it can be seen that the weight of PVdF is reduced and a porous structure is formed due to the activation of activated carbon at 450°C. On the other hand, when carbonization is carried out at a temperature exceeding 800 °C, the weight change of PVdF occurs rapidly, and carbon loss occurs beyond the porous structure due to the removal of fluorine (F). can be known

탄화 온도
(℃)
carbonization temperature
(℃)
비표면적
(m2/g)
specific surface area
(m 2 /g)
총 기공 부피
(cm3/g)
total pore volume
(cm 3 /g)
마이크로 기공 부피
(cm3/g)
micropore volume
(cm 3 /g)
미세 기공 부피(cm3/g)
(pore size: ~0.7 nm)
Micropore volume (cm 3 /g)
(pore size: ~0.7 nm)
700700 10231023 0.4140.414 0.4030.403 0.2470.247 750750 11791179 0.5000.500 0.4610.461 0.2580.258 800800 14791479 0.6220.622 0.5850.585 0.2610.261 850850 17351735 0.8200.820 0.6590.659 0.2320.232 900900 23072307 1.1581.158 0.8800.880 0.2000.200 950950 27502750 1.4651.465 1.0421.042 0.1390.139

표 2를 참고하면 수득된 활성탄의 비표면적 및 기공 전체 부피는 탄화 시 온도 범위(700~950℃)에 비례하여 증가하는 경향성을 가지나, 구체적으로 700~800℃로 탄화시 온도가 증가할수록 미세 기공의 형성이 최대화되는 반면에 800~950℃로 탄화시 온도가 증가할수록 미세 기공은 되려 감소하나 1nm 이상의 마이크로 기공의 형성이 증가하는 바, CO2 흡착 성능이 가장 최적화된 활성탄을 제조하기 위해서 PVdF 탄화 온도는 800℃, 좋게는 750~850℃ 범위가 바람직한 것으로 이해될 수 있다. 즉, 이러한 종래기술(비특허문헌 1)에 따르면, 비활성 CO2 분위기에서 750~850℃ 온도범위에서 탄화 공정을 수행하는 경우, 제조된 활성탄의 전체 기공 중에서 미세 기공의 비율을 높일 수 있으며 CO2 흡착 성능을 향상시킬 수 있음을 인지할 수 있다. 그러나 종래기술(비특허문헌 1)에서 제공하는 활성탄 흡착제는 여전히 CO2 흡착 성능이 충분히 좋지 못하므로 PVdF의 탄화 공정과, 활성탄의 기공 구조를 개선할 여지가 남아 있다. Referring to Table 2, the specific surface area and total pore volume of the obtained activated carbon have a tendency to increase in proportion to the temperature range (700 to 950° C.) during carbonization, but specifically, as the carbonization temperature increases to 700 to 800° C., the fine pores as the formation of a carbide during the temperature increase, while being maximized to 800 ~ 950 ℃ micropores are bar to the formation of one or more reduced about to 1nm micropores increased, PVdF carbonization in order to produce the activated carbon is CO 2 adsorption performance of the optimized It can be understood that the temperature is preferably in the range of 800°C, preferably in the range of 750-850°C. That is, according to this prior art (Non-Patent Document 1), when the carbonization process is performed in a temperature range of 750 to 850° C. in an inert CO 2 atmosphere, the ratio of micropores among all pores of the prepared activated carbon can be increased, and CO 2 It can be appreciated that adsorption performance can be improved. However, since the activated carbon adsorbent provided in the prior art (Non-Patent Document 1) still has insufficient CO 2 adsorption performance, there is room for improvement of the carbonization process of PVdF and the pore structure of activated carbon.

본 발명에서는 i) 용융된 PVdF계 고분자 시료의 두께에 따라 활성탄의 분자 표면 거동이 변화되고, ii) 800℃에서 수행되는 탄화반응이 종료된 이후 상온으로 냉각할 때 하온 속도를 달리함에 따라 미세 기공이 높은 부피로 치밀하게 형성되는 것을 분석하였다.In the present invention, i) the molecular surface behavior of activated carbon is changed according to the thickness of the molten PVdF-based polymer sample, and ii) micropores are formed by varying the lowering rate when cooling to room temperature after the carbonization reaction performed at 800°C is completed. It was analyzed that it was formed densely with this high volume.

이에, 종래기술 대비 현저히 향상된 CO2 흡착 성능, 및 미세 기공 구조가 치밀하게 형성된 활성탄 흡착제를 제공할 수 있다.Accordingly, it is possible to provide an activated carbon adsorbent having significantly improved CO 2 adsorption performance and a densely formed micropore structure compared to the prior art.

일 구현예는 a) PVdF계 고분자를 보트에 충진하여 소성로에 투입하는 단계; b) 상기 충진된 보트를 CO2 흐름 분위기에서 승온하여 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름(film)을 형성하는 단계; c) 형성된 PVdF계 고분자 필름을 반응온도 600~900℃에서 1~3시간 유지하여 활성화(activation)하는 단계; 및 d) 1℃초과 5℃미만/분의 속도로 하온하여 활성탄을 회수하는 단계;를 포함하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제의 제조방법을 제공한다. One embodiment comprises the steps of: a) filling a boat with a PVdF-based polymer and inputting it into a kiln; b) heating the filled boat in a CO 2 flow atmosphere to form a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted; c) maintaining the formed PVdF-based polymer film at a reaction temperature of 600 to 900° C. for 1 to 3 hours to activate (activation); And d) recovering the activated carbon by lowering the temperature at a rate of more than 1°C and less than 5°C/min; provides a method for producing an adsorbent comprising activated carbon based on polyvinylidene fluoride.

상기 PVdF계 고분자는 단량체 총 몰수에 대하여 비닐리덴 플루오라이드(vinylidene fluoride) 단량체를 78몰% 이상 포함하는 것일 수 있다.The PVdF-based polymer may contain 78 mol% or more of a vinylidene fluoride monomer based on the total number of moles of the monomer.

상기 PVdF계 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-테트라플루오로에틸렌)(poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌)(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 및 퍼플루오로폴리머(perfluoropolymers)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. The PVdF-based polymer is polyvinylidene fluoride (poly(vinylidene fluoride)), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), poly(vinylidene fluoride) -co-tetrafluoroethylene) (poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene)), poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) (poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) and perfluoropolymers ( It may be one or two or more selected from the group consisting of perfluoropolymers).

상기 b)단계는, 상온에서 600~900℃까지 1~10℃/분의 속도로 승온하는 것일 수 있다.In step b), the temperature may be raised from room temperature to 600 to 900° C. at a rate of 1 to 10° C./min.

다른 일 구현예는 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 비표면적 1,250~2,000 m2/g, 기공 총 부피 0.6~0.9 cm3/g, 마이크로 기공 부피 0.6~0.8 cm3/g, 미세기공 부피 0.30~0.35 cm3/g인 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제를 제공한다.Another embodiment is the adsorbent prepared by the above method, with a specific surface area of 1,250 to 2,000 m 2 /g, a total pore volume of 0.6 to 0.9 cm 3 /g, a micropore volume of 0.6 to 0.8 cm 3 /g, and a micropore volume of 0.30 to An adsorbent comprising activated carbon based on polyvinylidene fluoride of 0.35 cm 3 /g is provided.

다른 일 구현예는 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 1을 만족하는 미세기공을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제를 제공한다.Another embodiment provides an adsorbent comprising polyvinylidene fluoride-based activated carbon, which is an adsorbent prepared by the above method, characterized in that it has micropores satisfying the following relation (1).

[관계식 1][Relational Expression 1]

(V1-V2)/V2 ≥ 0.1(V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.1

(상기 관계식 1에서, V1은 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)이고, V2는 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.12cm 이상의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)를 의미한다.) (In Relation 1, V 1 is the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted (cm 3 /g), and V 2 is the PVdF It refers to the micropore volume (cm 3 /g) of an adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.12 cm or more in which the polymer is melted.)

다른 일 구현예는 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 2를 만족하는 이산화탄소 흡착 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제를 제공한다.Another embodiment provides an adsorbent comprising polyvinylidene fluoride-based activated carbon, which is an adsorbent prepared by the above method, characterized in that it has carbon dioxide adsorption performance satisfying Equation 2 below.

[관계식 2][Relational Expression 2]

(A1-A2)/A2 ≥ 0.2(A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.2

(상기 관계식 1에서, A1은 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)이고, A2는 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.12cm 이상의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)을 의미한다.)(In the above relation 1, A 1 is the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25 ℃, atmospheric pressure) of the adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted, A 2 means the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25 ℃, atmospheric pressure) of an adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.12 cm or more in which the PVdF-based polymer is melted.)

다른 일 구현예는 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 3을 만족하는 미세기공을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제를 제공한다.Another embodiment provides an adsorbent comprising polyvinylidene fluoride-based activated carbon, which is an adsorbent prepared by the above method, characterized in that it has micropores satisfying Equation 3 below.

[관계식 3][Relational Expression 3]

(V1-V2)/V2 ≥ 0.1(V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.1

(상기 관계식 3에서, V1은 상기 소성로의 하온속도를 1℃초과 5℃미만/분으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)이고, V2는 상기 소성로의 하온속도를 5℃/분으로 이상으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)를 의미한다.) (In Relational Equation 3, V 1 is the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to more than 1° C. and less than 5° C./min , and V 2 is the It means the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate to 5° C./min or more.)

다른 일 구현예는 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 4를 만족하는 이산화탄소 흡착 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제를 제공한다.Another embodiment provides an adsorbent comprising polyvinylidene fluoride-based activated carbon, which is an adsorbent prepared by the above method, characterized in that it has carbon dioxide adsorption performance satisfying Equation 4 below.

[관계식 4][Relational Expression 4]

(A1-A2)/A2 ≥ 0.2(A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.2

(상기 관계식 4에서, A1은 상기 소성로의 하온속도를 1℃초과 5℃미만/분으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)이고, A2는 상기 소성로의 하온속도를 5℃/분으로 이상으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)을 의미한다.)(In relation 4, A 1 is the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25° C., atmospheric pressure) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to more than 1° C. and less than 5° C./min, and A 2 means the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25°C, atmospheric pressure) of an adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to 5°C/min or more.)

상기 흡착제는 이산화탄소 및/또는 메탄을 흡착하는 용도로 사용되는 것일 수 있다.The adsorbent may be used for adsorbing carbon dioxide and/or methane.

상기 흡착제는 X선 광전자 분광법(XPS)에 의한 F원소의 함량이 10원자% 이하일 수 있다. The adsorbent may have a content of element F by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of 10 atomic% or less.

다른 일 구현예는 100 부피% 이하의 CH4 분압 및 잔부로 N2를 포함하는 상압(760 mmHg) 가스 분위기에서 상기 흡착제를 이용하여 흡착반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 메탄의 흡착방법을 제공한다.Another embodiment provides a methane adsorption method, characterized in that the adsorption reaction is performed using the adsorbent in an atmospheric pressure (760 mmHg) gas atmosphere containing a partial pressure of CH 4 of 100% by volume or less and N 2 as the balance. .

다른 일 구현예는 100 부피% 이하의 CO2 분압 및 잔부로 N2를 포함하는 상압(760 mmHg) 가스 분위기에서 상기 흡착제를 이용하여 흡착반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 흡착방법을 제공한다. Another embodiment provides a carbon dioxide adsorption method, characterized in that the adsorption reaction is performed using the adsorbent in an atmospheric pressure (760 mmHg) gas atmosphere containing a partial pressure of CO 2 of 100% by volume or less and N 2 as the balance. .

상기 흡착반응은 0~30℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다. The adsorption reaction may be carried out in a temperature range of 0 to 30 °C.

본 발명에서는 활성탄의 원료물질로서 PVdF계 고분자의 용융상태에서 형성되는 필름의 두께를 0.03~0.10cm로 조절함에 따라 활성탄의 미세기공 구조를 높은 부피로 치밀하게 형성할 수 있다.In the present invention, by adjusting the thickness of the film formed in the molten state of the PVdF-based polymer as a raw material of activated carbon to 0.03 to 0.10 cm, the micropore structure of activated carbon can be densely formed with a high volume.

또한, PVdF계 고분자의 활성화 이후 상온으로 냉각하는 속도를 1℃초과 5℃미만/분로 조절함에 따라 활성탄의 미세기공 구조 등을 높은 수준으로 개선할 수 있다.In addition, by controlling the rate of cooling to room temperature after activation of the PVdF-based polymer to be more than 1°C and less than 5°C/min, the micropore structure of activated carbon can be improved to a high level.

도 1은 탄화 온도에 따른 PVdF의 weight 변화 그래프이다.
도 2a는 실시예 1-1, 비교예 1-1 및 비교예 1-2에서 제조된 활성탄의 CO2 흡착 성능을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 실시예 1-1, 비교예 1-1 및 비교예 1-2에서 제조된 활성탄의 CH4 흡착 성능을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 비교예 2-1, 2-2 및 실시예 1-1에서 제조된 활성탄의 CO2 흡착 성능을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 비교예 2-1, 2-2 및 실시예 1-1에서 제조된 활성탄의 CH4 흡착 성능을 나타낸 그래프이다.
도 4는 활성탄의 미세기공 부피와 CO2, CH4 흡착능력의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing the weight change of PVdF according to the carbonization temperature.
Figure 2a is a graph showing the CO 2 adsorption performance of the activated carbon prepared in Example 1-1, Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2.
Figure 2b is a graph showing the CH 4 adsorption performance of the activated carbon prepared in Example 1-1, Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2.
Figure 3a is a graph showing the CO 2 adsorption performance of the activated carbon prepared in Comparative Examples 2-1, 2-2 and Example 1-1.
Figure 3b is a graph showing the CH 4 adsorption performance of the activated carbon prepared in Comparative Examples 2-1, 2-2 and Example 1-1.
4 is a graph showing the correlation between the micropore volume of activated carbon and the CO 2 , CH 4 adsorption capacity.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Detailed contents for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings below. Regardless of the drawings, like reference numbers refer to like elements, and "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited items.

다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. When a part "includes" a certain component throughout the specification, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. The singular also includes the plural, unless the phrase specifically states otherwise.

본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the present specification, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, this includes not only the case where the other part is “directly on” but also the case where there is another part in between. do.

이하에서, 본 발명의 일 구현예에 따른 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제의 제조방법을 설명한다. 상기 활성탄의 제조방법은, a) PVdF계 고분자를 보트에 충진하여 소성로에 투입하는 단계; b) 상기 충진된 보트를 CO2 흐름 분위기에서 승온하여 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름(film)을 형성하는 단계; c) 형성된 PVdF계 고분자 필름을 반응온도 600~900℃에서 1~3시간 유지하여 활성화(activation)하는 단계; 및 d) 1℃초과 5℃미만/분의 속도로 하온하여 활성탄을 회수하는 단계;를 포함한다.Hereinafter, a method for preparing an adsorbent including polyvinylidene fluoride-based activated carbon according to an embodiment of the present invention will be described. The method for producing the activated carbon comprises the steps of: a) filling a boat with a PVdF-based polymer and putting it into a kiln; b) heating the filled boat in a CO 2 flow atmosphere to form a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted; c) maintaining the formed PVdF-based polymer film at a reaction temperature of 600 to 900° C. for 1 to 3 hours to activate (activation); and d) recovering the activated carbon by lowering the temperature at a rate of greater than 1°C and less than 5°C/min.

a) 단계에서 상기 보트는 특별히 제한되는 것은 아니나 세라믹 보트(ceramic boat)를 사용할 수 있으며, 상기 보트에 PVdF계 고분자를, 상기 b) 단계의 소성로에서 용융되어 두께 0.03~0.10nm의 필름(film)을 형성하는 함량으로 충진하여 소성로에 투입할 수 있다.In step a), the boat is not particularly limited, but a ceramic boat may be used, and a PVdF-based polymer in the boat is melted in the kiln of step b) and a film having a thickness of 0.03 to 0.10 nm It can be charged to an amount that forms

상기 PVdF계 고분자는 단량체 총 몰수에 대하여 비닐리덴 플루오라이드(vinylidene fluoride) 단량체를 78 몰% 이상, 좋게는 78~99.5 몰%, 더 좋게는 78~82 몰% 포함하는 경우 바람직하다. b)단계에서 상기 PVdF계 고분자 내에 포함되어 있는 불소(F)기가 떨어져나가면서 미세 기공을 형성하며 이때 상기 몰 비율로 비닐리덴 플루오라이드 단량체를 포함하는 경우 활성탄 내부/표면에 다수의 미세 기공이 균일하게 형성될 수 있으므로 미세 기공의 총 부피가 증가하여 CO2 흡착성능 개선에 바람직하다. 한편 PVdF계 고분자 내에 비닐리덴 플루오라이드 단량체를 78 몰% 미만으로 포함하는 경우 활성탄 내 미세기공 형성이 촉진되기 어렵고, 반면에 과도하게 높은 비율로 포함되는 경우, PVdF계 고분자 탄화시 인접한 독립 미세 기공이 병합되어 미세 기공 크기가 증가(pore enlargement)되는 반응이 촉진되므로 미세기공의 형성(pore generation)이 저하되고 기공의 크기가 증가될 수 있다. The PVdF-based polymer preferably contains 78 mol% or more, preferably 78-99.5 mol%, more preferably 78-82 mol% of vinylidene fluoride monomer with respect to the total number of moles of the monomer. In step b), the fluorine (F) group contained in the PVdF-based polymer is removed to form micropores. Since it can be formed in a thin film, the total volume of micropores increases, which is preferable for improving the CO 2 adsorption performance. On the other hand, when the vinylidene fluoride monomer is included in less than 78 mol% in the PVdF-based polymer, it is difficult to promote the formation of micropores in activated carbon. Since the reaction of merging to increase the micropore size (pore enlargement) is promoted, the formation of micropores (pore generation) may be reduced and the size of the pores may be increased.

상기 PVdF계 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-테트라플루오로에틸렌)(poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌)(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 및 퍼플루오로폴리머(perfluoropolymers)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있고, 상기 고분자에 포함되는 서로 다른 단량체가 연속적으로 결합되는 공중합체 (co-polymer)일 수 있으며, 이들의 혼합물일 수 있다.The PVdF-based polymer is polyvinylidene fluoride (poly(vinylidene fluoride)), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), poly(vinylidene fluoride) -co-tetrafluoroethylene) (poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene)), poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) (poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) and perfluoropolymers ( It may be one or two or more selected from the group consisting of perfluoropolymers, and may be a copolymer (co-polymer) in which different monomers included in the polymer are continuously combined, or a mixture thereof.

상기 PVdF계 고분자의 중량평균분자량은 180,000~550,000, 좋게는 180,000~500,000, 200,000~400,000, 더 좋게는 200,000~300,000인 경우 본 발명의 흡착제의 제조방법에서 상기 활성화하는 단계에서 미세기공을 높은 분포와 부피로 형성하는데 좋고, 이후 1℃초과 5℃미만/분의 속도로 하온하여 활성탄을 회수할 때, 상기 형성된 미세기공이 쉽게 붕괴되지 않아서 바람직하다. When the weight average molecular weight of the PVdF-based polymer is 180,000 to 550,000, preferably 180,000 to 500,000, 200,000 to 400,000, more preferably 200,000 to 300,000, the micropores in the activating step in the activating step of the present invention are high distribution and It is good to form in volume, and then, when the activated carbon is recovered by lowering the temperature at a rate of more than 1°C and less than 5°C/min, it is preferable that the formed micropores do not easily collapse.

상기 b) 단계에서, 고분자가 탄화되어 탄소 흡착제를 형성하는 절차는 다음과 같다. 1) 온도가 점차 상승함에 따라 고분자의 용융 온도(melting point) 이상에서 고상의 고분자 시료는 유동성을 가지며 용융되어 본 발명에 따른 일정 두께(0.03~0.1cm)를 가지는 형태로 변화하며, 2) 점차 온도가 올라가며 PVdF계 고분자 내에 포함되어 있는 불소(F)기가 떨어져나가면서 미세 기공을 형성한다. 이때, PVdF계 고분자의 구조체(backbone) 내에서 떨어져 나온 불소가 원활히 빠져나가기 위해서는 용융 상태의 고분자 내부에서 확산(diffusion)을 통해 이동되어야 하는데 이때 용융된 PVdF계 고분자 시료의 두께가 0.1cm를 초과하면 두께 대비 확산이 용이하지 않은 현상을 분석할 수 있었다. 이에 고분자 탄화시 소성로 내에서 용융된 PVdF계 고분자의 두께방향으로 분포되는 위치에 따라, 제조된 탄소계 흡착제의 기공 특성이 서로 상이한 문제가 발생된다. 또한 후술한 바와 같이 탄화 이후 온도를 급격히 낮추게 되면 형성된 기공 구조가 붕괴되어 미세 기공이 잘 형성되지 않을 수 있다. In step b), the polymer is carbonized to form a carbon adsorbent as follows. 1) As the temperature gradually rises above the melting point of the polymer, the solid polymer sample has fluidity and is melted to change into a form having a certain thickness (0.03 to 0.1 cm) according to the present invention, 2) gradually As the temperature rises, the fluorine (F) group contained in the PVdF-based polymer is removed to form micropores. At this time, in order for the fluorine that has fallen out from the backbone of the PVdF polymer to escape smoothly, it must be moved through diffusion inside the polymer in the molten state. It was possible to analyze the phenomenon that diffusion was not easy compared to the thickness. Accordingly, there is a problem in that the pore properties of the carbon-based adsorbents are different from each other depending on the location where the molten PVdF-based polymer is distributed in the thickness direction in the kiln when the polymer is carbonized. In addition, as described later, if the temperature is rapidly lowered after carbonization, the formed pore structure may be collapsed and micropores may not be well formed.

보다 구체적으로 PVdF계 고분자의 용융상태에서 형성되는 필름(film)의 두께가 0.03 cm 미만이면 대량의 고분자 탄화 기반 탄소 흡착제를 제조하기 위해 매우 큰 규모의 퍼니스가 필요해 경제적인 소재 합성을 달성하기 어렵고, 반면에 0.10cm 초과이면 본 발명에서 제공하는 이산화탄소 분위기에서 특정 미세 기공의 크기를 조절하는데 어려움이 있다. 상세하게는, PVdF 고분자가 용융점 이상의 온도에서 액상으로 변하면서 세라믹 보트에 균일한 두께의 필름을 형성하게 되고 온도가 점차 올라가게 되면 PVdF에 포함된 불소 작용기들이 플루오린 기체 등으로 CO2 흐름 가스와 함께 빠져나간다. 이때 생성된 플루오린 기체 등은 액상의 필름 내부에서 형성되어 전달 현상에 의해 중력 반대 방향으로 확산(diffusion)에 의해 전달되어 액/기면에서 기체상으로 빠져나가야 하는데, 탄화 중량이 많아질수록 액상 두께가 두꺼워져 상대적으로 확산(diffusion) 거리가 늘어나게 된다. 이에 탄화 과정이 보다 지연됨에 따라 미세 기공을 충분히 형성하기 어렵게 된다.More specifically, if the thickness of the film formed in the molten state of the PVdF polymer is less than 0.03 cm, it is difficult to achieve economical material synthesis because a very large-scale furnace is required to produce a large amount of carbonized polymer-based carbon adsorbent, On the other hand, if it exceeds 0.10 cm, it is difficult to control the size of specific micropores in the carbon dioxide atmosphere provided by the present invention. Specifically, PVdF polymer is selected and the CO 2 flow of gas when, while changes in the liquid phase at a temperature of the melting point or more and to form a film having a uniform thickness in a ceramic boat temperature is gradually go up to fluorine gas with a fluorine functional group contained in PVdF, etc. get out together At this time, the generated fluorine gas, etc., is formed inside the liquid film and is transferred by diffusion in the opposite direction to gravity by the transfer phenomenon to escape from the liquid/gas phase to the gas phase. As the carbonization weight increases, the liquid thickness increases. becomes thicker and the diffusion distance increases. Accordingly, as the carbonization process is further delayed, it is difficult to sufficiently form micropores.

한편 시료 함량의 기준은 탄화 소성로의 크기에 따라 달라질 수 있으므로, 고분자가 탄화되는 도중 용융상태에서 형성되는 필름두께를 시료 함량 기준으로 설정하는 것이 바람직하다. Meanwhile, since the standard of the sample content may vary depending on the size of the carbonization kiln, it is preferable to set the thickness of the film formed in the molten state while the polymer is carbonized as the sample content standard.

한편 PVdF계 고분자가 용융되어 필름을 형성하는 상태는 녹는점 이상의 온도에서 PVdF계 고분자가 완전히 녹아있는 상태를 의미하며, 예를 들어 소성로 내의 온도가 180~250℃에 도달하여 PVdF계 고분자 분말이 모두 녹아 용융된 상태를 의미하는 것일 수 있다.On the other hand, the state in which the PVdF-based polymer is melted to form a film means the state in which the PVdF-based polymer is completely melted at a temperature above the melting point. It may mean a melted molten state.

상기 c) 단계에서, 형성된 PVdF계 고분자 필름을 CO2 분위기의 소성로에서 반응온도 600~900℃, 좋게는 700~900℃, 더 좋게는 750~850℃에서 1~3시간, 좋게는 1.5~3시간, 1.5~2.5시간, 더 좋게는 2~2.5시간 유지하여 활성화(activation, 탄화)할 수 있다. In the step c), the PVdF-based polymer film formed in a CO 2 atmosphere in a kiln at a reaction temperature of 600 ~ 900 ℃, preferably 700 ~ 900 ℃, more preferably 750 ~ 850 ℃ 1-3 hours, preferably 1.5 ~ 3 Time, 1.5 to 2.5 hours, more preferably, 2 to 2.5 hours to activate (activation, carbonization).

이어서, 상기 반응온도에서 PVdF계 고분자 필름의 탄화가 종료된 이후 1℃초과 5℃미만/분의 속도로 하온하여 최종 활성탄을 제조하는 경우 종래기술 대비 현저하게 향상된 활성탄의 미세구조를 형성할 수 있다. 바람직하게는 1.5~4.5℃/분, 좋게는 2~4℃/분, 더 좋게는 2.5~3.5℃/분, 또는 3℃/분의 속도로 하온하는 것일 수 있다. 상기 하온속도가 1℃/분 이하일 경우 현실적으로 적용하기 어려운 조건이며, 또한 상대적으로 고온에 노출되는 시간이 증가되므로 탄소 소실이 발생하여 구조가 붕괴됨에 따라 비표면적, 총 기공부피 등이 열화될 수 있으므로 바람직하지 않다. 5℃/분 이상이면 과냉각 과정 중에 탄화시 형성된 미세 기공 구조가 붕괴되거나 손상될 수 있어 불리하다. 또한 탄화 반응 종료 후 하온속도를 설정하지 않고 냉각하면(대류 냉각) 반응 종료 직후에는 하온속도가 매우 높고 이후 하온속도의 감소폭이 적어진다. 이러한 경우 반응 종료 직후에 과냉각에 의한 미세기공 구조 손상이 발생되므로 바람직하지 않다. 특히 본 발명의 제조방법에 의하면, 탄화시 용융 상태 기준 특정 막(film) 두께를 형성하는 함량으로 PVdF계 고분자를 준비함으로써 상술한 바와 같이 미세기공이 매우 높은 부피와 비율로 형성되기 때문에, 탄화시 형성된 미세기공 구조의 붕괴 및 손상뿐 아니라, 형성된 미세기공의 크기 증가, 미세기공 간 결합에 의한 마이크로 기공, 매크로 기공의 형성을 방지하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 상기 수치범위로 하온속도를 조절함으로써 종래기술 대비 현저히 향상된 CO2 및/또는 CH4 흡착 성능, 및 미세 기공 구조가 치밀하게 형성된 활성탄 흡착제를 제조할 수 있게 된다.Then, after carbonization of the PVdF-based polymer film is completed at the reaction temperature, when the final activated carbon is prepared by lowering the temperature at a rate of more than 1 ° C and less than 5 ° C / min, a microstructure of activated carbon remarkably improved compared to the prior art can be formed. . Preferably, the temperature may be lowered at a rate of 1.5 to 4.5° C./min, preferably 2 to 4° C./min, more preferably 2.5 to 3.5° C./min, or 3° C./min. When the cooling rate is 1°C/min or less, it is a condition that is difficult to apply realistically, and since the exposure time to relatively high temperature is increased, carbon loss occurs and the structure collapses, so the specific surface area and total pore volume may deteriorate. Not desirable. If it is 5° C./min or more, it is disadvantageous because the micropore structure formed during carbonization during the supercooling process may collapse or be damaged. In addition, if the cooling rate is not set after the completion of the carbonization reaction (convection cooling), the cooling rate is very high immediately after the reaction is completed, and the decrease in the cooling rate thereafter is small. In this case, it is not preferable because damage to the micropore structure due to supercooling occurs immediately after completion of the reaction. In particular, according to the manufacturing method of the present invention, since the micropores are formed in a very high volume and ratio as described above by preparing the PVdF-based polymer in an amount that forms a specific film thickness based on the molten state during carbonization, It is very important to prevent not only the collapse and damage of the formed micropore structure, but also the increase in the size of the formed micropores and the formation of micropores and macropores due to bonding between micropores. Therefore, by controlling the heating rate within the above numerical range, it is possible to manufacture an activated carbon adsorbent having a significantly improved CO 2 and/or CH 4 adsorption performance and a dense micropore structure compared to the prior art.

한편, 상기 c) 단계에서는 상기 반응온도에서 PVdF계 고분자 필름을 탄화하기 전에, 용융된 PVdF계 고분자 필름을 700~900℃까지 1~10℃/분, 좋게는 1~8℃/분, 더 좋게는 1~5℃/분 또는 2~4℃/분의 속도로 상기 반응온도(활성화 온도)까지 승온하는 것일 수 있다. 상기 반응온도까지 상기 범위의 속도로 승온하는 경우 종래기술 대비 향상된 활성탄의 미세구조를 형성할 수 있다. 상기 상온속도가 1℃/분 미만일 경우, 상온 시간이 현저하게 증가되어 소요되는 CO2 가스 소요량이 많아 경제적으로 소재를 합성하기 어려운 조건이며, 반면, 10℃/분 초과일 경우, 급격히 온도가 증가됨에 따라 용융점 근처에서 PVdF계 고분자가 완전히 용융되지 못하고 boiling 효과 등에 의해 시료를 충진한 세라믹 보트 외부로 흘러 넘칠 수 있어 바람직하지 않다.On the other hand, in step c), before carbonizing the PVdF-based polymer film at the reaction temperature, the molten PVdF-based polymer film is heated to 700-900°C at 1-10°C/min, preferably at 1-8°C/min, better may be to increase the temperature to the reaction temperature (activation temperature) at a rate of 1 ~ 5 ℃ / min or 2 ~ 4 ℃ / min. When the temperature is raised to the reaction temperature at a rate within the range, it is possible to form an improved microstructure of activated carbon compared to the prior art. When the room temperature rate is less than 1 ℃ / min, the room temperature time is significantly increased, and the amount of CO 2 gas required is a condition that makes it difficult to economically synthesize the material. On the other hand, if it exceeds 10 ℃ / min, the temperature is rapidly increased Therefore, it is not preferable because the PVdF-based polymer cannot completely melt near the melting point and overflow to the outside of the ceramic boat filled with the sample due to the boiling effect.

본 발명의 다른 일 구현예는, 상기 일 구현예에 따른 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides an adsorbent comprising the polyvinylidene fluoride-based activated carbon according to the embodiment.

상기 흡착제는 비표면적 1,250~2,000 m2/g, 기공 총 부피 0.6~0.9 cm3/g, 마이크로 기공 부피 0.6~0.8 cm3/g, 미세기공 부피 0.30~0.35 cm3/g인 것을 특징으로 한다. The adsorbent has a specific surface area of 1,250 to 2,000 m 2 /g, a total pore volume of 0.6 to 0.9 cm 3 /g, a micropore volume of 0.6 to 0.8 cm 3 /g, and a micropore volume of 0.30 to 0.35 cm 3 /g. .

구체적으로 상기 흡착제는 비표면적 1,300~2,000 m2/g, 1,350~2,000 m2/g, 1,400~2,000 m2/g, 1,450~2,000 m2/g, 1,500~2,000 m2/g 또는 1,550~2,000 m2/g일 수 있다. Specifically, the adsorbent has a specific surface area of 1,300 to 2,000 m 2 /g, 1,350 to 2,000 m 2 /g, 1,400 to 2,000 m 2 /g, 1,450 to 2,000 m 2 /g, 1,500 to 2,000 m 2 /g, or 1,550 to 2,000 m 2 /g.

구체적으로 상기 흡착제는 기공 총 부피 0.61~0.9 cm3/g, 0.63~0.9 cm3/g, 0.65~0.9 cm3/g 또는 0.70~0.9 cm3/g, 마이크로 기공 부피 0.61~0.8 cm3/g, 0.64~0.8 cm3/g, 0.65~0.8 cm3/g, 0.7~0.8 cm3/g 또는 0.75~0.8 cm3/g, 미세기공 부피 0.30~0.35 cm3/g, 0.31~0.35 cm3/g 또는 0.32~0.35 cm3/g일 수 있다. Specifically, the adsorbent has a total pore volume of 0.61 to 0.9 cm 3 /g, 0.63 to 0.9 cm 3 /g, 0.65 to 0.9 cm 3 /g or 0.70 to 0.9 cm 3 /g, and a micropore volume of 0.61 to 0.8 cm 3 /g , 0.64 to 0.8 cm 3 /g, 0.65 to 0.8 cm 3 /g, 0.7 to 0.8 cm 3 /g or 0.75 to 0.8 cm 3 /g, micropore volume 0.30 to 0.35 cm 3 /g, 0.31 to 0.35 cm 3 / g or 0.32 to 0.35 cm 3 /g.

본 발명의 일 구현예는, 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 1을 만족하는 미세기공을 가지는 것을 특징으로 한다.One embodiment of the present invention, the adsorbent prepared by the above method, characterized in that it has micropores satisfying the following relational expression (1).

[관계식 1][Relational Expression 1]

(V1-V2)/V2 ≥ 0.1(V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.1

(상기 관계식 1에서, V1은 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)이고, V2는 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.12cm 이상의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)를 의미한다.) (In Relation 1, V 1 is the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted (cm 3 /g), and V 2 is the PVdF It refers to the micropore volume (cm 3 /g) of an adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.12 cm or more in which the polymer is melted.)

상기 관계식 1은 좋게는 (V1-V2)/V2 ≥ 0.15, 더 좋게는 (V1-V2)/V2 ≥ 0.2, 가장 좋게는 (V1-V2)/V2 ≥ 0.3으로 표시될 수 있다. Relation 1 above is preferably (V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.15, more preferably (V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.2, most preferably (V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.3 can be displayed as

본 발명의 일 구현예는, 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 2를 만족하는 미세기공을 가지는 것을 특징으로 한다. One embodiment of the present invention, the adsorbent prepared by the above method, characterized in that it has micropores satisfying the following relational expression (2).

[관계식 2][Relational Expression 2]

(A1-A2)/A2 ≥ 0.2(A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.2

(상기 관계식 2에서, A1은 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)이고, A2는 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.12cm 이상의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)을 의미한다.)(In the above relation 2, A 1 is the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25 ℃, atmospheric pressure) of the adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted, A 2 means the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25 ℃, atmospheric pressure) of an adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.12 cm or more in which the PVdF-based polymer is melted.)

상기 관계식 2는 좋게는 (A1-A2)/A2 ≥ 0.25, 더 좋게는 (A1-A2)/A2 ≥ 0.3으로 표시될 수 있다.Relation 2 may be preferably expressed as (A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.25, and more preferably (A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.3.

본 발명의 일 구현예는 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 3을 만족하는 미세기공을 가지는 것을 특징으로 한다. One embodiment of the present invention is an adsorbent prepared by the above method, characterized in that it has micropores satisfying the following relation (3).

[관계식 3][Relational Expression 3]

(V1-V2)/V2 ≥ 0.1(V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.1

(상기 관계식 3에서, V1은 상기 소성로의 하온속도를 1℃초과 5℃미만/분으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)이고, V2는 상기 소성로의 하온속도를 5℃/분으로 이상으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)를 의미한다.) (In Relational Equation 3, V 1 is the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to more than 1° C. and less than 5° C./min , and V 2 is the It means the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate to 5° C./min or more.)

상기 관계식 3은 좋게는 (V1-V2)/V2 ≥ 0.15, 더 좋게는 (V1-V2)/V2 ≥ 0.2, 가장 좋게는 (V1-V2)/V2 ≥ 0.3으로 표시될 수 있다. Relation 3 above is preferably (V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.15, more preferably (V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.2, most preferably (V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.3 can be displayed as

본 발명의 일 구현예는, 상기 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 4를 만족하는 미세기공을 가지는 것을 특징으로 한다. One embodiment of the present invention, the adsorbent prepared by the above method, characterized in that it has micropores satisfying the following relational expression (4).

[관계식 4][Relational Expression 4]

(A1-A2)/A2 ≥ 0.2(A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.2

(상기 관계식 4에서, A1은 상기 소성로의 하온속도를 1℃초과 5℃미만/분으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)이고, A2는 상기 소성로의 하온속도를 5℃/분으로 이상으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)을 의미한다.)(In relation 4, A 1 is the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25° C., atmospheric pressure) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to more than 1° C. and less than 5° C./min, and A 2 means the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25°C, atmospheric pressure) of an adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to 5°C/min or more.)

상기 관계식 4는 좋게는 (A1-A2)/A2 ≥ 0.25, 더 좋게는 (A1-A2)/A2 ≥ 0.3으로 표시될 수 있다.Relation 4 may be preferably expressed as (A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.25, and more preferably (A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.3.

상기 활성탄은 원료물질 PVdF계 고분자의 탄화 공정이 종료된 이후에 활성탄에 잔류하는 F 원소의 함량이 10 원자% 이하일 수 있고, 좋게는 0.5~10원자%, 0.5~5 원자%, 0.5~3 원자%, 더 좋게는 0.5~1.5 원자%일 수 있다. 상기 활성탄에 잔류하는 F 원소의 함량은 고분자 탄화가 진행된 정도를 확인하는 지표로 볼 수 있고, 잔류하는 F 원소의 함량이 0.5 원자%에 근접할수록 활성탄의 분자 표면 거동이 개선될 수 있으며, 본 발명의 활성탄 제조방법에 의하면 활성탄의 비표면적 및 총 기공부피가 급격히 증가되는 동시에 미세 기공의 부피가 종래기술 대비 현저히 증가되므로 CO2 흡착성능이 매우 좋을 수 있다. 다만, 활성탄 내 잔류하는 F 원소의 함량이 지나치게 적은 경우에는 탄소 소실이 발생함에 따라 활성탄 내 형성된 미세기공을 유지하는데 좋지 않을 수 있다. In the activated carbon, the content of F element remaining in the activated carbon after the carbonization process of the PVdF-based polymer of the raw material is completed may be 10 atomic% or less, preferably 0.5-10 atomic%, 0.5-5 atomic%, 0.5-3 atomic %, more preferably 0.5 to 1.5 atomic %. The content of the element F remaining in the activated carbon can be viewed as an indicator for confirming the degree of polymer carbonization progress, and as the content of the remaining element F approaches 0.5 atomic%, the molecular surface behavior of the activated carbon can be improved, and the present invention According to the method for producing activated carbon, the specific surface area and total pore volume of the activated carbon are rapidly increased, and the volume of micropores is significantly increased compared to the prior art, so that the CO 2 adsorption performance can be very good. However, when the content of the element F remaining in the activated carbon is too small, it may not be good for maintaining the micropores formed in the activated carbon as carbon loss occurs.

한편 활성탄에 잔류하는 F 원소의 함량은 X선 광전자 분광법(XPS)으로 측정할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, the content of element F remaining in the activated carbon may be measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), but the present invention is not limited thereto.

상기 흡착제는 이산화탄소 및/또는 메탄을 흡착하는 용도로 사용되는 것일 수 있다. The adsorbent may be used for adsorbing carbon dioxide and/or methane.

본 발명의 일 구현예는 상기 흡착제를 이용한 이산화탄소 흡착 방법을 제공한다. 상기 이산화탄소 흡착 방법은 100부피% 이하의 CO2 및 잔부로 불활성기체, 예를 들어 N2를 포함하는 가스 분위기의 반응기에서 상기 흡착제를 이용하여 이산화탄소를 흡착하는 것을 특징으로 한다. One embodiment of the present invention provides a carbon dioxide adsorption method using the adsorbent. The carbon dioxide adsorption method is characterized in that carbon dioxide is adsorbed using the adsorbent in a gas atmosphere reactor containing 100 vol% or less of CO 2 and an inert gas, for example, N 2 as the balance.

본 발명의 일 구현예는 상기 흡착제를 이용한 메탄 흡착 방법을 제공한다. 상기 메탄 흡착 방법은 100부피% 이하의 메탄 및 잔부로 불활성기체, 예를 들어 N2를 포함하는 가스 분위기의 반응기에서 상기 흡착제를 이용하여 메탄을 흡착하는 것을 특징으로 한다. One embodiment of the present invention provides a methane adsorption method using the adsorbent. The methane adsorption method is characterized in that methane is adsorbed using the adsorbent in a gas atmosphere reactor containing 100% by volume or less of methane and an inert gas, for example, N 2 as the balance.

상기 메탄 또는 이산화탄소의 흡착반응은 0~30℃의 온도 범위에서 수행될 수 있고, 예를 들어 15~30℃, 20~30℃, 25~30℃ 또는 25℃에서 수행될 수 있다. The adsorption reaction of methane or carbon dioxide may be carried out in a temperature range of 0 to 30 °C, for example, 15 to 30 °C, 20 to 30 °C, 25 to 30 °C or 25 °C.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실시예 Example

[실시예 1-1 내지 1-3, 및 비교예 1-1 내지 1-3] [Examples 1-1 to 1-3, and Comparative Examples 1-1 to 1-3]

* 용융된 PVdF계 고분자 시료의 필름두께에 따른 활성탄의 표면 기공 구조 변화, 및 CO* Changes in the surface pore structure of activated carbon according to the film thickness of the molten PVdF-based polymer sample, and CO 22 와 CH and CH 44 흡착 성능 평가 Adsorption performance evaluation

(1) PVdF계 고분자(제품명: DyneonTM Fluoroplastic 6108/0001, 제조사: 3M, Mw: 244,000)를 세라믹 보트에 충진하여 소성로에 투입한 후, 이산화탄소 분위기에서 상온으로부터 800℃까지 3℃/분의 승온속도로 퍼니스 온도를 올린 후 2시간 동안 유지 후 100 내지 120℃ 범위까지 3℃/분의 하온속도로 냉각하여 활성탄을 수득하였다.(1) PVdF-based polymer (product name: Dyneon TM Fluoroplastic 6108/0001, manufacturer: 3M, Mw: 244,000) was filled in a ceramic boat and put into the kiln, and then the temperature was raised from room temperature to 800°C in carbon dioxide atmosphere at 3°C/min. After raising the furnace temperature at a rate, it was maintained for 2 hours and then cooled to a range of 100 to 120 °C at a lowering rate of 3 °C/min to obtain activated carbon.

실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예 1-1 내지 1-3에서 사용된 용융된 PVdF 시료의 필름두께, 제조된 활성탄의 비표면적, 총 기공 부피, 마이크로 기공 부피, 및 미세 기공 부피를 하기 표 3에 기재하였다.The film thickness of the molten PVdF sample used in Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 to 1-3, the specific surface area of the prepared activated carbon, total pore volume, micropore volume, and micropore volume Table 3 below.

Film 두께
(cm)
Film thickness
(cm)
하온 속도
(℃/분)
low speed
(°C/min)
비표면적
(m2/g)
specific surface area
(m 2 /g)
총 기공 부피
(cm3/g)
total pore volume
(cm 3 /g)
마이크로 기공 부피
(cm3/g)
micropore volume
(cm 3 /g)
미세 기공 부피
(size: 0.5~0.9 nm)
(cm3/g)
micropore volume
(size: 0.5~0.9 nm)
(cm 3 /g)
실시예 1-1Example 1-1 0.060.06 33 16001600 0.770.77 0.760.76 0.350.35 실시예 1-2Example 1-2 0.0720.072 33 14201420 0.660.66 0.650.65 0.320.32 실시예 1-3Examples 1-3 0.090.09 33 13041304 0.610.61 0.610.61 0.300.30 비교예 1-1Comparative Example 1-1 0.1250.125 33 12091209 0.560.56 0.550.55 0.260.26 비교예 1-2Comparative Example 1-2 0.1880.188 33 11931193 0.550.55 0.550.55 0.260.26 비교예 1-3Comparative Example 1-3 0.280.28 33 11541154 0.510.51 0.380.38 0.250.25

상기 표 3을 참고하면 상술한 바와 같이 PVdF계 고분자 시료의 용융 상태에서 형성되는 필름(film)의 두께가 0.30 cm 이하의 범위에서 감소할 때, 이에 반비례하여 비표면적 및 총 기공 부피가 1,150~1,600 m2/g 및 0.51~0.77 cm3/g 범위에서 증가하고, 마이크로기공 및 미세기공의 형성과 분포가 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 실시예 1-1 내지 1-3에서 제조된 활성탄은 비표면적 1,250~2,000m2/g 범위, 총 기공 부피 0.60~0.90cm3/g 범위, 마이크로 기공 부피 0.60~0.80cm3/g 범위, 및 미세기공 부피 0.30~0.35cm3/g 범위로 형성되어 본 발명에 해당됨에 따라, CO2 및 CH4 흡착 능력이 더욱 개선될 수 있음을 알 수 있다. (2) 제조된 활성탄을 흡착제로 사용하여, 25℃ 온도 조건 및 상압(CO2 또는 CH4 0~100 부피% 범위에서 변화)에서 CO2 및 CH4 흡착성능을 평가하였고, 그 결과를 도 2a 및 2b에 나타내었다. Referring to Table 3, when the thickness of the film formed in the molten state of the PVdF-based polymer sample decreases in the range of 0.30 cm or less, as described above, the specific surface area and the total pore volume are in inverse proportion to 1,150 to 1,600. m 2 /g and 0.51 to 0.77 cm 3 /g increased, and it was confirmed that the formation and distribution of micropores and micropores were improved. In particular, the activated carbon prepared in Examples 1-1 to 1-3 has a specific surface area in the range of 1,250 to 2,000 m 2 /g, a total pore volume in the range of 0.60 to 0.90 cm 3 /g, and a micropore volume in the range of 0.60 to 0.80 cm 3 /g. , and a micropore volume of 0.30 to 0.35 cm 3 /g is formed to correspond to the present invention, and it can be seen that the adsorption capacity of CO 2 and CH 4 can be further improved. (2) Using the prepared activated carbon as an adsorbent , the CO 2 and CH 4 adsorption performance was evaluated under 25° C. temperature conditions and atmospheric pressure (CO 2 or CH 4 change in the range of 0-100 vol%), and the results are shown in FIG. 2a and 2b.

도 2a 및 2b를 참고하면, 실시예 1-1의 흡착제는 25℃, 상압(CO2 또는 CH4 100 부피%)에서 약 4.8 mmol/g 이산화탄소 또는 2.2 mmol/g 메탄을 흡착하는 매우 우수한 흡착성능을 보이나, 비교예의 경우 3.4mmol/g 이산화탄소 또는 1.7~1.9mmol/g 메탄을 흡착하여 성능이 현저히 열화되었다. 이러한 결과는 본 발명의 활성탄은 미세기공(0.6~0.9 nm 크기) 구조가 획기적으로 개선되었기 때문으로 분석된다.Referring to FIGS. 2a and 2b, the adsorbent of Example 1-1 has very good adsorption performance of adsorbing about 4.8 mmol/g carbon dioxide or 2.2 mmol/g methane at 25° C. and atmospheric pressure (CO 2 or CH 4 100% by volume) However, in the case of the comparative example, the performance was significantly deteriorated by adsorbing 3.4 mmol/g carbon dioxide or 1.7 to 1.9 mmol/g methane. These results are analyzed because the activated carbon of the present invention has a remarkably improved micropore (0.6-0.9 nm size) structure.

[실시예 2-1, 2-2, 비교예 2-1 및 2-2] [Examples 2-1 and 2-2, Comparative Examples 2-1 and 2-2]

* 소성로의 하온속도 변화에 따른 활성탄의 표면 기공 구조 분석, 및 CO* Analysis of the surface pore structure of activated carbon according to the change in the heating rate of the kiln, and CO 22 흡착 능력 평가 Adsorption capacity evaluation

(1) 냉각 시 하온속도를 하기 표 4에 기재된 것으로 한 것을 제외하고, 실시예 1-1과 동일하게 진행하여 활성탄을 수득하였다. (1) Activated carbon was obtained in the same manner as in Example 1-1, except that the cooling rate during cooling was set as shown in Table 4 below.

제조된 활성탄의 비표면적, 총 기공 부피, 마이크로 기공 부피, 및 미세 기공 부피에 대한 수치를 하기 표 4에 기재하였다.Table 4 shows the specific surface area, total pore volume, micropore volume, and micropore volume of the prepared activated carbon.

Film두께
(cm)
Film thickness
(cm)
하온 속도
(℃/분)
low speed
(°C/min)
비표면적
(m2/g)
specific surface area
(m 2 /g)
총 기공 부피
(cm3/g)
total pore volume
(cm 3 /g)
마이크로 기공 부피
(cm3/g)
micropore volume
(cm 3 /g)
미세 기공 부피
(size: 0.5~0.9 nm)
(cm3/g)
micropore volume
(size: 0.5~0.9 nm)
(cm 3 /g)
비교예 2-1Comparative Example 2-1 0.060.06 1One 11111111 0.530.53 0.380.38 0.260.26 실시예 2-1Example 2-1 0.060.06 22 14281428 0.700.70 0.690.69 0.310.31 실시예 1-1Example 1-1 0.060.06 33 16001600 0.770.77 0.760.76 0.350.35 실시예 2-2Example 2-2 0.060.06 44 12091209 0.690.69 0.670.67 0.300.30 비교예 2-2Comparative Example 2-2 0.060.06 55 11521152 0.510.51 0.380.38 0.260.26 비교예 2-3Comparative Example 2-3 0.060.06 5~10(대류냉각)5~10 (Convection cooling) 10851085 0.450.45 0.350.35 0.240.24

상기 표 4를 참고하면 상술한 바와 같이 PVdF의 탄화가 종료된 이후 소성로의 하온 속도 1℃초과 5℃미만/분의 범위에서 제조된 활성탄은 비표면적 1,250~2,000m2/g 범위, 총 기공 부피 0.60~0.90cm3/g 범위, 마이크로 기공 부피 0.60~0.80cm3/g 범위, 및 미세기공 부피 0.30~0.35cm3/g 범위로 형성되어 본 발명에 해당됨을 알 수 있다. 특히 하온 속도가 가장 바람직한 범위인 3℃/분으로 조절되었을 때, 미세기공의 형성 및 분포도가 현저히 개선되어 마이크로 기공 부피와 미세기공 부피가 증가하는 것을 알 수 있고, 이에 CO2 및 CH4 흡착 능력이 더욱 개선될 수 있다.(2) 제조된 활성탄을 흡착제로 사용하여, 25℃ 온도 조건 및 상압(CO2 또는 CH4 0~100 부피% 범위에서 변화)에서 CO2 및 CH4 흡착성능을 평가하였고, 그 결과를 도 3a 및 3b에 나타내었다. Referring to Table 4, as described above, after carbonization of PVdF is completed, the activated carbon produced at a heating rate of more than 1°C and less than 5°C/min of the kiln has a specific surface area of 1,250 to 2,000 m 2 /g, a total pore volume 0.60 ~ 0.90cm is formed of a 3 / g range, a micro pore volume of 0.60 ~ 0.80cm 3 / g range, and the fine pore volume of 0.30 ~ 0.35cm 3 / g range it can be seen that this corresponds to the present invention. In particular, it can be seen that when the heating rate is adjusted to 3°C/min, which is the most desirable range, the formation and distribution of micropores are remarkably improved, thereby increasing the micropore volume and micropore volume, thereby adsorbing CO 2 and CH 4 (2) Using the prepared activated carbon as an adsorbent, evaluate the CO 2 and CH 4 adsorption performance under 25°C temperature conditions and atmospheric pressure (CO 2 or CH 4 changes in the range of 0-100 vol%) and the results are shown in FIGS. 3a and 3b.

도 3a 및 3b를 참고하면, 실시예 1-1의 흡착제는 25℃, 상압(CO2 또는 CH4 100 부피%)에서 약 4.8 mmol/g 이산화탄소 또는 2.2 mmol/g 메탄을 흡착하는 매우 우수한 흡착성능을 보이나, 비교예의 경우 3.6~3.8mmol/g 이산화탄소 또는 1.7~1.9mmol/g 메탄을 흡착하여 성능이 현저히 열화되었다. 본 발명의 실시예의 경우 기존에 보고된 결과와 비교해보았을 때 매우 높은 수치라는 점에서 의미가 있다. 또한 이러한 결과는 본 발명의 활성탄의 경우, 활성화된 PVdF계 고분자를 상온으로 냉각할 때, 활성화(탄화)시 형성된 미세기공 구조가 붕괴되지 않고 잘 유지되었기 때문인 것으로 분석된다.Referring to FIGS. 3a and 3b, the adsorbent of Example 1-1 has very good adsorption performance of adsorbing about 4.8 mmol/g carbon dioxide or 2.2 mmol/g methane at 25° C. and atmospheric pressure (CO 2 or CH 4 100% by volume) However, in the case of Comparative Example, the performance was significantly deteriorated by adsorbing 3.6 to 3.8 mmol/g carbon dioxide or 1.7 to 1.9 mmol/g methane. In the case of an embodiment of the present invention, it is meaningful in that it is a very high number compared with the previously reported results. In addition, this result is analyzed to be because, in the case of the activated carbon of the present invention, the micropore structure formed during activation (carbonization) was well maintained without collapse when the activated PVdF-based polymer was cooled to room temperature.

* 소성로의 하온속도 변화에 따른 활성탄의 표면 기공 구조 분석, 및 CO* Analysis of the surface pore structure of activated carbon according to the change in the heating rate of the kiln, and CO 22 흡착 능력 평가 Adsorption capacity evaluation

한편 활성탄의 미세기공 부피 증가에 따른 CO2, CH4 흡착능력 증가율을 평가하여 도 4에 나타내었다. On the other hand, the increase in the CO 2 , CH 4 adsorption capacity according to the increase in the micropore volume of the activated carbon was evaluated and shown in FIG. 4 .

도 4을 참고하면, 미세기공과 흡착능과의 관계는 예상대로 선형적인 관계를 가지는 것을 알 수 있다. 특히 미세기공의 부피(VN)가 미세하게 증가되더라도 이산화탄소, 메탄 흡착능(CO2, CH4 adsorption uptake)은 매우 높은 기울기를 가지며 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4 , it can be seen that the relationship between micropores and adsorption capacity has a linear relationship as expected. In particular, it can be seen that even when the volume of micropores (V N ) is slightly increased, the carbon dioxide and methane adsorption capacity (CO 2 , CH 4 adsorption uptake) has a very high slope and rapidly increases.

이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in a variety of different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will appreciate the technical spirit of the present invention. However, it will be understood that the invention may be embodied in other specific forms without changing essential features. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (14)

a) PVdF계 고분자를 보트에 충진하여 소성로에 투입하는 단계;
b) 상기 충진된 보트를 CO2 흐름 분위기에서 승온하여 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름(film)을 형성하는 단계;
c) 형성된 PVdF계 고분자 필름을 반응온도 600~900℃에서 1~3시간 유지하여 활성화(activation)하는 단계; 및
d) 1℃초과 5℃미만/분의 속도로 하온하여 활성탄을 회수하는 단계;를 포함하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제의 제조방법.
a) filling a boat with a PVdF-based polymer and inputting it into a kiln;
b) heating the filled boat in a CO 2 flow atmosphere to form a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted;
c) maintaining the formed PVdF-based polymer film at a reaction temperature of 600 to 900° C. for 1 to 3 hours to activate (activation); and
d) recovering the activated carbon by lowering the temperature at a rate of more than 1°C and less than 5°C/min;
제1항에서,
상기 PVdF계 고분자는 단량체 총 몰수에 대하여 비닐리덴 플루오라이드(vinylidene fluoride) 단량체를 78몰% 이상 포함하는 것에 특징이 있는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제의 제조방법.
In claim 1,
The PVdF-based polymer is a method of manufacturing an adsorbent comprising a polyvinylidene fluoride-based activated carbon, characterized in that it contains 78 mol% or more of a vinylidene fluoride monomer with respect to the total number of moles of the monomer.
제1항에서,
상기 PVdF계 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-테트라플루오로에틸렌)(poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene)), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌)(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 및 퍼플루오로폴리머(perfluoropolymers)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제의 제조방법.
In claim 1,
The PVdF-based polymer is polyvinylidene fluoride (poly(vinylidene fluoride)), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), poly(vinylidene fluoride) -co-tetrafluoroethylene) (poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene)), poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) (poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) and perfluoropolymers ( A method for producing an adsorbent comprising one or two or more polyvinylidene fluoride-based activated carbons selected from the group consisting of perfluoropolymers).
제1항에서,
상기 b)단계는, 상온에서 600~900℃까지 1~10℃/분의 속도로 승온하는 것인 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제의 제조방법.
In claim 1,
The step b) is a method for producing an adsorbent comprising a polyvinylidene fluoride-based activated carbon to which the temperature is raised from room temperature to 600 ~ 900 ℃ at a rate of 1 ~ 10 ℃ / min.
제1항의 방법으로 제조된 흡착제로서, 비표면적 1,250~2,000 m2/g, 기공 총 부피 0.6~0.9 cm3/g, 마이크로 기공 부피 0.6~0.8 cm3/g, 미세기공 부피 0.30~0.35 cm3/g인 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제.An adsorbent prepared by the method of claim 1, with a specific surface area of 1,250 to 2,000 m 2 /g, a total pore volume of 0.6 to 0.9 cm 3 /g, a micropore volume of 0.6 to 0.8 cm 3 /g, and a micropore volume of 0.30 to 0.35 cm 3 Adsorbent comprising activated carbon based on polyvinylidene fluoride in /g. 제1항의 방법으로 제조된 흡착제로서, 하기 관계식 1을 만족하는 미세기공을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제.
[관계식 1]
(V1-V2)/V2 ≥ 0.1
(상기 관계식 1에서, V1은 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)이고, V2는 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.12cm 이상의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)를 의미한다.)
As an adsorbent prepared by the method of claim 1, an adsorbent comprising polyvinylidene fluoride-based activated carbon, characterized in that it has micropores satisfying the following relation (1).
[Relational Expression 1]
(V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.1
(In Relation 1, V 1 is the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted (cm 3 /g), and V 2 is the PVdF It refers to the micropore volume (cm 3 /g) of an adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.12 cm or more in which the polymer is melted.)
제5항에 있어서, 하기 관계식 2를 만족하는 이산화탄소 흡착 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제.
[관계식 2]
(A1-A2)/A2 ≥ 0.15
(상기 관계식 1에서, A1은 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.03~0.10cm의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)이고, A2는 상기 PVdF계 고분자가 용융된 두께 0.12cm 이상의 필름으로 형성되어 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)을 의미한다.)
[Claim 6] The adsorbent comprising activated carbon based on polyvinylidene fluoride according to claim 5, characterized in that it has carbon dioxide adsorption performance satisfying the following relation (2).
[Relational Expression 2]
(A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.15
(In the above relation 1, A 1 is the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25 ℃, atmospheric pressure) of the adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.03 to 0.10 cm in which the PVdF-based polymer is melted, A 2 means the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25 ℃, atmospheric pressure) of an adsorbent containing activated carbon obtained by forming a film having a thickness of 0.12 cm or more in which the PVdF-based polymer is melted.)
제5항에 있어서, 하기 관계식 3을 만족하는 미세기공을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제.
[관계식 3]
(V1-V2)/V2 ≥ 0.1
(상기 관계식 3에서, V1은 상기 소성로의 하온속도를 1℃초과 5℃미만/분으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)이고, V2는 상기 소성로의 하온속도를 5℃/분으로 이상으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 미세기공 부피(cm3/g)를 의미한다.)
[Claim 6] The adsorbent comprising activated carbon based on polyvinylidene fluoride according to claim 5, characterized in that it has micropores satisfying the following relation (3).
[Relational Expression 3]
(V 1 -V 2 )/V 2 ≥ 0.1
(In Relational Equation 3, V 1 is the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to more than 1° C. and less than 5° C./min , and V 2 is the It means the micropore volume (cm 3 /g) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate to 5° C./min or more.)
제5항에 있어서, 하기 관계식 4를 만족하는 이산화탄소 흡착 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제.
[관계식 4]
(A1-A2)/A2 ≥ 0.15
(상기 관계식 4에서, A1은 상기 소성로의 하온속도를 1℃초과 5℃미만/분으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)이고, A2는 상기 소성로의 하온속도를 5℃/분으로 이상으로 하여 수득된 활성탄을 포함하는 흡착제의 이산화산소 흡착 성능(mmol/g, 25℃, 상압)을 의미한다.)
[Claim 6] The adsorbent comprising activated carbon based on polyvinylidene fluoride according to claim 5, characterized in that it has a carbon dioxide adsorption performance satisfying the following relation (4).
[Relational Expression 4]
(A 1 -A 2 )/A 2 ≥ 0.15
(In relation 4, A 1 is the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25° C., atmospheric pressure) of the adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to more than 1° C. and less than 5° C./min, and A 2 means the oxygen dioxide adsorption performance (mmol/g, 25°C, atmospheric pressure) of an adsorbent containing activated carbon obtained by setting the heating rate of the kiln to 5°C/min or more.)
제5항에서,
상기 흡착제는 이산화탄소 및/또는 메탄을 흡착하는 용도로 사용되는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제.
In claim 5,
The adsorbent is an adsorbent comprising a polyvinylidene fluoride-based activated carbon used for adsorbing carbon dioxide and/or methane.
제5항에서,
상기 흡착제는 X선 광전자 분광법(XPS)에 의한 F원소의 함량이 10원자% 이하인 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 활성탄을 포함하는 흡착제.
In claim 5,
The adsorbent comprises a polyvinylidene fluoride-based activated carbon having an element F content of 10 atomic% or less by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
100 부피% 이하의 CH4 및 잔부로 N2를 포함하는 상압(760 mmHg) 가스 분위기에서 제5항의 흡착제를 이용하여 흡착반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 메탄의 흡착방법.An adsorption method for methane, characterized in that the adsorption reaction is performed using the adsorbent of claim 5 in an atmospheric pressure (760 mmHg) gas atmosphere containing 100% by volume or less of CH 4 and the balance N 2 . 100 부피% 이하의 CO2 및 잔부로 N2를 포함하는 상압(760 mmHg) 가스 분위기에서 제5항의 흡착제를 이용하여 흡착반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 흡착방법. A method of adsorption of carbon dioxide, characterized in that the adsorption reaction is performed using the adsorbent of claim 5 in a gas atmosphere at atmospheric pressure (760 mmHg) containing 100% by volume or less of CO 2 and N 2 as the balance. 제12항 또는 제13항에서,
상기 흡착반응은 0~30℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 메탄 또는 이산화탄소의 흡착방법.
14. In claim 12 or 13,
The adsorption reaction is methane or carbon dioxide adsorption method, characterized in that carried out in a temperature range of 0 ~ 30 ℃.
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