Recently, due to excessive use of fossil fuels, $\mathrm{CO_2}$ emissions have increased, resulting in various environmental problems. To solve this problem, renewable natural gas (RNG) has emerged, and mixed-matrix membranes as an economically efficient way to upgrade biogas, is drawing attention. However, when fabricating mixed-matrix membranes, the poor adhesion between the inorganic filler and the organic polymer easily causes defects. In particular, a 'sieve-in-a-cage' void acts as a nonselective bypass, which is a problem by greatly reducing the selectivity. In this study, the core-shell structured filler capable of improving organic/inorganic compatibility by synthesizing nanostructured MOFs on the inorganic surface was developed. Nanowhisker-shaped ZIF-8 was synthesized specifically on the surface through a simple ion-exchange method using LTA zeolite as a template, and thus core-shell composites with a memory effect were successfully synthesized. It was confirmed that when the membrane fabricated using this as the filler was applied to $\mathrm{CO_2}$/$\mathrm{CH_4}$ separation, the interfacial interaction between the polymer-filler was improved due to the increased surface roughness and the organic linker constituting the ZIF-8 framework. Moreover, due to the synergistic effects of s5A zeolite and nanowhisker-shaped ZIF-8, it showed excellent $\mathrm{CO_2}$/$\mathrm{CH_4}$ selectivity up to 51.2 at 20 wt% ZIF-8@s5A-50.
최근 과도한 화석연료의 사용으로 인해 대기로의 온실가스인 $\mathrm{CO_2}$ 방출량이 증가하면서 여러 환경문제들이 발생하고 있다. 이를 해결하기 위해 renewable nature gas (RNG)가 등장하였고, 바이오가스 정제를 위한 경제 효율적인 혼합 매질 분리막의 사용이 주목을 받고 있다. 하지만, 혼합 매질 분리막의 제조 시 무기물질과 고분자 간의 낮은 계면 혼화성은 둘 사이에 결함을 쉽게 발생시켜 분리성능을 저하시키는 원인이 된다. 특히 ‘sieve-in-a-cage’는 우회로로 작용하여 분리막의 선택도를 크게 감소시킨다. 본 연구는 무기 소재의 표면에 코어-쉘 구조로 나노구조의 MOF를 합성하여 유/무기 혼화성을 향상시키는 필러를 개발하고자 하였다. LTA 제올라이트를 템플릿으로 하여 간편한 이온교환을 통해 표면에 나노 휘스커 형상의 ZIF-8을 성장시켰고, 메모리 효과를 가지는 코어-쉘 복합체를 합성하는 데 성공하였다. 이를 포함한 분리막을 $\mathrm{CO_2}$/$\mathrm{CH_4}$ 분리에 적용하였을 때, 혼화성이 향상되며 s5A 제올라이트와 나노 휘스커 형상 ZIF-8의 시너지 효과로 인해 20 wt% ZIF-8@s5A-50에서 51.2의 우수한 $\mathrm{CO_2}$/$\mathrm{CH_4}$ 선택도를 나타내었다.
