본 연구는 합성한 graphene oxide (GO), polyethylenimine-graphene oxide (PEI-GO), polyethylenimine-graphene oxide@zeolite imidazolate framework-8 (PEI-GO@ZIF-8)을 poly(ether-b-amide) 2533 (PEBAX 2533)에 함량별로 첨가, 혼합하여 mixed matrix membranes (MMMs)로 사용하였다. 제조된 혼합막은 단일 기체인 CO₂, N₂ 기체에 투과하여 충진재별, 함량별 성능을 알아보았다.
PEBAX 2533에 혼입되는 GO는 기존 발표된 논문을 기초로 합성하였고, PEI-GO는 GO 표면에 PEI 사슬을 접합하는 형태로 합성되었다. PEI-GO@ZIF-8의 경우 PEI-GO 내 GO 표면에 ZIF-8 입자가 형성된 구조를 이루도록 합성하였다.
Fourier-transform infrared spectrometer (FT-IR)를 통해 GO, PEI-GO, PEI-GO@ZIF-8의 합성이 잘 되었음을 판단하였다. 각 충진재의 powder X-ray diffractometer (XRD)를 통해 PEI와 ZIF-8을 통한 개질이 GO sheets 간 거리에 영향을 미친 것으로 확인하였다. Thermogravimetric analyzer (TGA)를 통한 분석 결과 GO를 PEI와 ZIF-8으로 개질할수록 충진재의 열적 안정성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 GO, PEI-GO, PEI-GO@ZIF-8을 첨가한 혼합막의 열적 안정성은 충진재의 함량에 따라 증가하였으며, PEBAX/PEI-GO@ZIF-8 혼합막이 가장 우수한 열적 안정성을 가진다는 것을 확인하였다.
기체 투과는 3atm, 25˚C 조건에서 이루어졌다. PEBAX/GO 혼합막의 경우 GO의 함량 증가에 따라 N₂ 기체와 CO₂ 기체 모두에서 투과도가 감소하는 경향을 보였다. 반면 CO₂/N₂ 선택도는 꾸준히 증가하여 0.3wt%에서 가장 높은 58.89를 보였으며, 0.5wt%에서는 감소하여 0.1wt%와 유사한 55.34를 기록하였고 전체적인 선택도는 순수한 PEBAX 2533 막에 비해 전반적으로 개선된 값을 보였다.
PEBAX/PEI-GO 혼합막에서는 N₂ 투과도가 꾸준히 감소하는데, 그 감소 폭은 PEBAX/GO 막에서보다 큰 것으로 나타났다. CO₂ 투과도는 0.1wt%에서 일시적으로 감소하였다가 0.3wt%에서 증가하고, 0.5wt%에서 약간 감소하나 0.3wt%와 유사한 값을 보인다. CO₂/N₂ 선택도는 PEBAX/GO 혼합막과 유사하게 꾸준히 증가하여 0.3wt%에서 가장 높은 73.5를 기록하였으며, 0.5wt%에서 약간 감소한다.
PEBAX/PEI-GO@ZIF-8 혼합막의 N₂ 투과도는 감소하는 추세를 보이나 PEBAX/PEI-GO 혼합막보다 완만하게 감소한다. CO₂ 투과도는 0.1wt%에서 221.88 Barrer로 모든 혼합막에서 가장 높은 투과도를 보였으며 그 이상의 함량에서는 서서히 투과도가 감소하는 것을 확인하였다. CO₂/N₂ 선택도는 PEBAX/GO, PEBAX/PEI-GO 혼합막과 달리 0.1wt% 함량에서 가장 높은 60을 기록하였으며 그 후 감소하였다.
혼합막의 기체 투과 결과를 upper bound (2008)에 도시하였을 때 순수한 PEBAX 2533 막에 비해 모든 혼합막이 upper bound에 근접한 것을 확인할 수 있었다. 그 중 PEBAX/PEI-GO 0.3wt%, 0.5wt% 혼합막은 upper bound를 넘는 우수한 성능을 보였다.