In regards to technological advances thought the globe, there are two major challenges globally causing tremendous impact in environment. First is the CO2 emission to atmosphere and second being release of pollutants in bodies of water. With tremendous amount of effort and research being done to tackle the two global issues, many feasible solutions for each problem were made through development of functional and efficient absorbents. However; due to the scale of production rate of global pollutants, developed absorbent must meet the scale of emitting pollutants in terms of economics and raw materials. To fit the scale of pollutant, covalent organic network polymers were developed and studied for its scalability. Porous organic polymers are synthesized from only organic monomers, which have advantages of chemical stability, cost efficiency, structural tunability and porosity. In this thesis, porous covalent organic network polymers were first synthesized in small scale to test for its feasibility in each CO2 capture application and precious metal capture in water application. Once the functionality was confirmed, they were studied for their synthesizability in large scale reactors. Previously, when porous organic polymers were scaled up, there was a significant loss in functionality and porosity. Hence, in this thesis we evaluate crucial factors that influences the loss of porosity in scale up synthesis of covalent organic polymers Furthermore, we optimize reaction condition of covalent organic polymers to scale up for pilot plant scale with minimal loss in functionality.Chapter 2 introduces scalable nanoparticle, lithium silicate with TiO2 nanotubes and covalent organic polymer (COP) 109 for high and low temperature CO2 capture. Due to the difficulties and hindering factors in scale up of COP 109 such as sudden gelation of product, various methods of synthesis were applied, where the use of turbulent reactor set up and decomposition of DMSO was found to be a suitable method. Two methods were able to prevent sudden gelation of COP 109 during synthesis while maintaining their functional properties and porosities in large scale reactor. All scaled up materials were tested for its specific properties and functionalities in application. Chapter 3 introduces COP 180 for gold capture in e-waste solution where it was well studied for its selective binding with record high uptake of gold. However; COP 180 also faced difficulties in the past in large scale synthesis as porosity was lost during the process. Through identification of variables affecting reaction condition and optimization of processes, 50L scale bench reactor was designed and modified to yield a large batch of COP 180 synthesis in batch reactor condition. Through optimization and major changes in atmospheric condition, loss in gold uptake capacity and porosity were minimized.
범지구적 기술의 발전과 함께, 세계는 환경의 측면에 있어 두 가지 큰 도전 과제에 직면하여 있다. 첫째는 대기 중 이산화탄소 배출이고, 둘째는 수중 오염물질의 배출이다. 이 도전 과제를 해결하기 위해 꾸준히 관련 연구가 진행됨에 따라, 효율적인 흡수제 개발 등 각각의 문제마다 실현 가능한 해결책이 많이 제시되었다. 그러나, 개발된 흡수제는 여전히 오염 물질의 배출 속도에 미치지 못하고 있다. 오염 물질의 배출 규모에 대응하기 위해, 공유결합성 유기 네트워크 고분자를 개발하여 합성 규모 확대 가능성을 연구하였다. 다공성 유기 중합체는 유기 단량체에 기반하여 합성되는데, 이는 화학적 안정성, 비용 효율성, 구조 조작 가능성, 다공성의 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 다공성 공유결합성 유기 네트워크 고분자를 소규모로 합성하여 이산화탄소 포집과 수중 귀금속 흡착 능력을 각각 시험한 후, 이 고분자를 대형 반응기를 이용한 대량 합성 가능성에 대해 연구하였다. 기존 연구는 다공성 유기 고분자의 합성 규모를 확대했을 때 기능성과 다공성 면에서 상당한 손실이 있었다. 따라서 본 논문에서는 공유결합성 유기 고분자의 합성 규모 확대에 있어 다공성 손실에 영향을 미치는 원인을 분석하고, 이를 바탕으로 합성 조건을 최적화하여 고분자 합성 규모를 확대하였다.제2장에서는 고온 이산화탄소 포집을 위해 대량 생산 가능한 Lithium Silicate – TiO2 나노튜브 나노입자를 개발하였으며 저온 이산화탄소 포집 및 에폭시 기질과의 반응을 통한 이산화탄소 전환 반응에 활용될수있는 공유결합성 유기 고분자 (COP) 109를 개발하였다. COP 109의 합성 규모 확대에서 생성물의 겔화와 같은 방해 요소로 인해 난류형 반응기와 DMSO의 열분해를 이용하는 것이 적합하다고 판명하였다. 난류형 반응기를 사용으로 겔화는 방지하지 못하였지만 기능성은 유지하였으며, DMSO 열분해 합성방법으로는 겔화도 방지하며 다공성도 유지하였기에 상용화의 가능성을 보였다.제3장에서는 전자 폐기물로부터 금을 회수하는 과정에서 선택적 결합과 기록적인 흡수율 수치를 보인 COP 180을 소개한다. 그러나 COP 180도 합성 규모를 확대하는 과정에서 다공성이 손실됨을 확인하였다. 반응 조건에 영향을 미치는 변수들을 식별하는 과정을 통해 합성 과정을 최적화하였고, 이후 50 L급 벤치형 반응기를 설계 및 개조하여 회분 반응기 조건에서 COP 180를 대규모로 합성하였다. 고로, 대용량 합성된 COP 180을 분석해본 결과 기능성은 유지하였으며 다공성 손실도 최소화 하였다.
