선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 화학적, 열적으로 우수한 비대칭 구조의 polyvinylidenefluoride (PVDF)를 상전이 공정을 통해 지지막으로 제조하고 활성층으로 PDMS를 표면에 코팅하여 PVDF/PDMS 복합막을 가지고 n-부탄올 /물 혼합액의 부탄올 투과특성을 알아보았다[16]. 또한 제 조막의 성능을 비교하기 위하여 PDMS보다 분자량과실록산의 체인 길이가 길어 분자 내 사슬의 유동성이 크게 줄어든 POMS (polyoctylmethylsiloxane) 고분자를 활성충으로 하는 상용화된 PVDF/POMS 막을 구입하여 공급액의 농도, 온도 및 순환 유속을 변화 시켜 부탄올의 투과특성에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
- 본 연구에서는 PVDF/PDMS 복합막을 제조하고 이를 투과증발 공정에 적용하여 부탄올의 농축특성과 공 , 정조건 변화에 따른 투과 특성을 알아보고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 나타난다[25]. 본 연구에서는 활성층의 물질에 따른 투과특성을 알아보기 위해 PVDF/PDMS 제조 막과 독일 GKSS사의 PVDF/POMS 실록산계 고분자 복합막을 가지고 비교하여 보았다. Fig.
제안 방법
- 1) PVDF 지지체의 농도 변화에 따라 n-부탄올/물의 투과 특성을 실험하였다. 그 결과 고분자의 농도가 증가함에 따라 표면 공극률과 기공 직경이 감소하고 순수투과도와 부탄올 플럭스가 모두 감소하는 동시에 부탄올 선택도 역시 감소하는 결과를 나타내었다.
- 2) PDMS 활성층의 경화 조건의 따라 부탄올 투과 특성을 알아보았다. 경화 온도와 경화 시간이 길어질 수록경화제의 폴리실록산계 고분자와 가교제가 점점 더 결합하게 되고 활성층이 더 치밀한 구조를 가지게 되어 플럭스와 선택도 모두 증가하였다.
- 3) 제조한 PVDF/PDMS 복합막을 가지고 투과 증발 공정 조건에 따른 투과특성을 알아보았다. 공급액 온도, 유속이 증가할수록 부탄올의 투과 플럭스와 선택도 모두 증가하는 경향을 나타내었으며, 공급액 농도가 증가할수록 투과 플럭스는 증가하지만 선택도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 4) 활성층에 따른 투과특성을 알아보기 위해 독일 GKSS 사의 PVDF/POMS 복합막으로 투과증발 실험을 하였다. 그 결과 활성층을 PDMS로 사용한 제조 막의 투과 플럭스, 부탄올 투과 농도, 선택도 모두 POMS를 활성층으로 사용한 상용 고분자 복합막보다 높은 결과를 나타내었다.
- Fig. 4에서 높은 순수투과를 나타낸 지지체인 PVDF 16 wt%> 선택하여 활성층 PDMS의 코팅을 시도하였다. PDMS의 경화 조건에 따라 활성층의 부탄올 분리 특성을 알아보기 위해 지지막 위에 PDMS의 경화시간을 2, 6, 24시간의 변화를 주고 경화온도는 80℃로 실험하였다.
- 4(b)에 투과 부탄올 농도 및 선택도를 나타내었다. PDMS 코팅은 80℃에서 24시간 경화시켰으며 투과증발 실험 조건은 공급액 온도 30℃, 농도 3 wt%, 유속 0.6 L/min로일정하게 진행하였다. 그 결과 PVDF 농도가 증가함에 따라 a) 물 플럭스, 부탄올 플럭스 b) 투과 부탄올 농도, 선택도 모두 감소하는 경향을 나타내었다.
- 4에서 높은 순수투과를 나타낸 지지체인 PVDF 16 wt%> 선택하여 활성층 PDMS의 코팅을 시도하였다. PDMS의 경화 조건에 따라 활성층의 부탄올 분리 특성을 알아보기 위해 지지막 위에 PDMS의 경화시간을 2, 6, 24시간의 변화를 주고 경화온도는 80℃로 실험하였다. 경화조건에 따른 투과증발 공정 조건은 공급액 온도 30℃, 농도 3 wt%, 유속 0.
- PDMS를 코팅한 막을 상온에서 15분 건조 후, 진공건조오븐에서 80℃에서 24시간 건조시켰다. 건조한 막의 미반응 물을 완전히 제거하기 위해 증류수에서 24시간 이상 침지 시켜 PVDF/PDMS 복합막을 제조하였다.
- 6에 경화 온도에 따른 투과증발 결과를 나타내었다. 경화 온도는 80, 100, 150℃로 변화를 주고 경화시간은 6시간으로 일정하게 실험을 진행하였다. 그 결과 전체 투과 플럭스는 증가하는 반면 부탄올 플럭스와 선택도는 감소하는 경향을 나타내었다.
- PDMS의 경화 조건에 따라 활성층의 부탄올 분리 특성을 알아보기 위해 지지막 위에 PDMS의 경화시간을 2, 6, 24시간의 변화를 주고 경화온도는 80℃로 실험하였다. 경화조건에 따른 투과증발 공정 조건은 공급액 온도 30℃, 농도 3 wt%, 유속 0.6 L/min로 실험을 진행하였다. Fig.
- 투과증발 공정조건은 부탄올 공급액의 온도, 유속 및 농도 등 3가지 변화를 주어 실험하였다. 공급액의 온도는 20, 30, 40 ℃, 유속은 0.2, 0.4, 0.6 L/min, 농도는 1, 2, 3 wt%로변화시키면서 투과 플럭스(flux)와 분리계수(separation factor)를 결정하였다. 실험에 사용된 투과증발장치를 Fig.
- LTD) 에 200 pm의 두께를 갖는 casting knife 로 도포한 후, 용매 증발 과정을 거치고, 증류수 응고 조에 응고시켰다. 남아있는 용매를 완전히 제거하기 위해서 24시간 이상 침지시켜 PVDF 지지막을 제조하였으며 제막에 관한 조건을 Table 1에 나타내었다.
- 측정하였다. 또한 부탄올의 분리계수를 알아보기 위해서 GC (ACME 6000, Young Lin Instrument Co. Ltd.)를 사용하여 부탄올 투과 플럭스와 분리계수를 측정하였다. 투과 플럭스(J)와 분리계수(a)를 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- 또한 제 조막의 성능을 비교하기 위하여 PDMS보다 분자량과실록산의 체인 길이가 길어 분자 내 사슬의 유동성이 크게 줄어든 POMS (polyoctylmethylsiloxane) 고분자를 활성충으로 하는 상용화된 PVDF/POMS 막을 구입하여 공급액의 농도, 온도 및 순환 유속을 변화 시켜 부탄올의 투과특성에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
- 모든 투과증발 공정은 막의 안정화를 위해 2시간 동안 운전한 후에 투과증발을 시행하였다. 투과증발 공정조건은 부탄올 공급액의 온도, 유속 및 농도 등 3가지 변화를 주어 실험하였다.
- 11에 제조막과 상용막의 투과플럭스와 부탄올 투과 농도, 선택도를 나타내었다. 제조막과 상용막 모두 공급액 농도 3 wt%, 공급액 온도 30℃, 유속 0.6 L/min 으로 동일하게 실험을 진행하였다. 그 결과 활성층을 PDMS로 사용한 제조막이 POMS보다 투과 플럭스, 부탄올 투과 농도, 선택도 등 모두 높은 결과를 나타내었다.
- 완전한 혼합을 위해 질소 분위기에서 40℃에서 24시간 이상 교반 하였다. 제조한 용액을 polyester 부직포(AWA PAPER MFG.CO.LTD) 에 200 pm의 두께를 갖는 casting knife 로 도포한 후, 용매 증발 과정을 거치고, 증류수 응고 조에 응고시켰다. 남아있는 용매를 완전히 제거하기 위해서 24시간 이상 침지시켜 PVDF 지지막을 제조하였으며 제막에 관한 조건을 Table 1에 나타내었다.
- 지지막으로 사용된 PVDF는 16, 20 wt%의 농도로 상 전환법을 이용하여 비대칭 고분자막을 제조하였다. PVDF 막을 전계 방출형 주사전자현미경(FE-SEM, Carl Zeiss Model LEOSUPRA 55)을 통해 단면을 분석한 사진을 Fig.
- 지지막으로 제조된 PVDF에 불순물을 완전히 제거하기 위해 80℃ 에서 24시간 건조한 후 PVDF와 NMP를일정한 비율로 혼합하여 용액을 제조하였다. 완전한 혼합을 위해 질소 분위기에서 40℃에서 24시간 이상 교반 하였다.
- 운전한 후에 투과증발을 시행하였다. 투과증발 공정조건은 부탄올 공급액의 온도, 유속 및 농도 등 3가지 변화를 주어 실험하였다. 공급액의 온도는 20, 30, 40 ℃, 유속은 0.
- 투과증발 실험이 끝난 후, cold trap에서 잔류 부탄올의 회수를 위해 15분간 방치한 후, 회수된 전체 투과 플럭스(flux)를 측정하였다. 또한 부탄올의 분리계수를 알아보기 위해서 GC (ACME 6000, Young Lin Instrument Co.
- 투과증발공정에서 유체의 흐름에 따른 부탄올의 투과 특성을 알아보기 위해 공급액의 유속을 0.2, 0.4, 0.6 L/min으로 변화를 주어 실험을 진행하였다. 공급액의 농도 3 wt%, 온도 30℃로 일정하게 유지하여 실험한 결과를 Fig.
- 5%), methanol (Deajung, 99%)을 전처리 없이 사용하였다. 한편, 제조한 막의 투과증발 특성을 알아보기 위하여 독일 GKSS 사의 PVDF/POMS 상용막을 구입하여 비교 실험하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 지지막 제조를 위해 사용한 고분자는 polyvinylidenefluoride (PVDF, Solef® 1015/1001, Solvay) 를 사용하였다. 용매는 l-methyl-2-pyrrolidone (NMP, 99.
- 사용하였다. 용매는 l-methyl-2-pyrrolidone (NMP, 99.5%)을 사용하였으며 비용매로 Deionized Water (DI water)를 사용하였다. 활성층 코팅을 위해 PDMS (Dow Coming® Sylgard® 184 Silicone Elastomer, Dow Che- mical)를 사용하였다.
- 이루어진 이액형을 사용하였다. 활성층 코팅용액은 고분자와 경화제 10:1의 무게 비율로 n-헥산에 희석하여 30 wt% 용액을 만들어 사용하였다. 전처리한 지지 막을 유리판에 부착하여 일정하게 유리판을 기울이고 PDMS 용액을 흘려주어 코팅하였다.
- 5%)을 사용하였으며 비용매로 Deionized Water (DI water)를 사용하였다. 활성층 코팅을 위해 PDMS (Dow Coming® Sylgard® 184 Silicone Elastomer, Dow Che- mical)를 사용하였다. 그 밖에 사용된 시약으로 n-hexane (Deajung, 95%), n-butanol (Deajung, 99.
- 활성층으로 사용된 PDMS는 폴리실록산계 고분자와 경화제로 이루어진 이액형을 사용하였다. 활성층 코팅용액은 고분자와 경화제 10:1의 무게 비율로 n-헥산에 희석하여 30 wt% 용액을 만들어 사용하였다.
성능/효과
- 6 L/min로일정하게 진행하였다. 그 결과 PVDF 농도가 증가함에 따라 a) 물 플럭스, 부탄올 플럭스 b) 투과 부탄올 농도, 선택도 모두 감소하는 경향을 나타내었다. 투과 증발에서 지지층저항은 표면공극률과 기공의 직경에 따라 영향을 받으며 지지층에서의 물질전달계수 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- 그 결과 경화 시간이 증가할수록 전체 플럭스, 부탄올 플럭스, 투과 부탄올 농도 등 전부 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 고분자의 경화시간이 길어질수록 치밀막 내부 구조의 경화가 진행되고 폴리실록산계 고분자와 가교제가 점점 더 결합하여 PDMS 구조의 사슬의 유동성이 줄어든다고 판단된다. [19], 또한 선택도의 증가는 PDMS 구조가 잘 정렬됨에 따라 일어난 결과로 보여지며 표면에 흡착되는 부탄올의 상태적인 양도 증가시킬 뿐만 아니라 플럭스와 선택도 모두 증가하는 결과를 나타내었다.
- 조건에 따른 투과특성을 알아보았다. 공급액 온도, 유속이 증가할수록 부탄올의 투과 플럭스와 선택도 모두 증가하는 경향을 나타내었으며, 공급액 농도가 증가할수록 투과 플럭스는 증가하지만 선택도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 3에 PVDF 농도변화에 따른 분리막의 순수투과도를 나타내었다. 그 결과 16 wt%가 20 wt%보다 더 높은 순수투과도를 나타내는데 이는 Fig. 2의 결과에서 20 wt% PVDF막의 지지층에서 표면공극률과 기공의 직경이 감소하여 좀 더 치밀한 구조를 형성한 것이라고 판단하였다.
- 몰 인력상수 G는 저분자 화합물들 사이에서의 상호작용하는 힘을 나타내고 있으며, 이 값들을 이용하여 PDMS, POMS, 물, 부탄올의 solubility parameter를 Table 2에 나타내었다[26]. 그 결과 solubility parameter의 차가 적을 수록친화력이 더 크게 나타나고 있으며 Hildebrand에 의하여 정립된 상대적으로 solubility parameter value 차가 적은 부탄올을 더 선택적으로 흡착하여 더 높은 선택도와 부탄올 플럭스가 나타내었다. 따라서 활성층인 PDMS 막이 POMS의 막보다 부탄올의 친화도가 더 크고 PDMS 막이나 POMS막은 부탄올이 물보다 친화도가 더 크기 때문에 부탄올의 농도가 증가함에 따라 부탄올의 투과 플럭스와 선택도가 모두 증가하는 결과를 나타내었다.
- 5에 PDMS 경화 시간에 따른 투과 증발 결과를 나타내었다. 그 결과 경화 시간이 증가할수록 전체 플럭스, 부탄올 플럭스, 투과 부탄올 농도 등 전부 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 고분자의 경화시간이 길어질수록 치밀막 내부 구조의 경화가 진행되고 폴리실록산계 고분자와 가교제가 점점 더 결합하여 PDMS 구조의 사슬의 유동성이 줄어든다고 판단된다.
- 특성을 실험하였다. 그 결과 고분자의 농도가 증가함에 따라 표면 공극률과 기공 직경이 감소하고 순수투과도와 부탄올 플럭스가 모두 감소하는 동시에 부탄올 선택도 역시 감소하는 결과를 나타내었다.
- 6 L/min으로 실험한 결과를 나타내었다. 그 결과 공급액 온도가 증가할수록 전체 투과 플럭스, 부탄올 플럭스, 투과 부탄올 농도, 선택도가 일정하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 부탄올의 투과도가 증가하는 이유는 온도가 증가함에 따라 막에서의 부탄올과 물의 용해도와 확산도가 증가하는 것과 동시에 막 활성층인 PDMS에서 흡착과 탈착되는 부탄올의 비율 역시 증가하기 때문이다[22].
- 6 L/min으로 실험한 결과를 나타내었다. 그 결과 농도가 증가할수록 투과 플럭스, 투과부탄올 농도는 거의 일정하게 증가하는 반면 선택도는 감소하는 경향을 나타내었다. 플럭스가 증가하는 이유는 막-투과 상호작용으로 공급액의 부탄올 농도가 증가할수록 막 활성층의 사슬에 자유 부피가 증가한다고 설명할 수 있다.
- 2에 나타내었다. 그 결과 두 종류의 막 모두가 거대 기공(macrovoid)을 포함하는 sponge-like한 구조를 가진 것을 확인하였다. Fig.
- 9에 나타내었다. 그 결과 유속이 증가할수록 전체 플럭스, 부탄올 플럭스, 투과 부탄올 농도 및 선택도 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 투과증발공정에서 수용액과 휘발성 유기성분을 가지는 2성 분계의 분리에서 공급액측의 경계층은 물질전달에서 저항으로 작용하고, 총괄저항에도 중대한 영향을 준다고 알려져 있다[23].
- 경화 온도는 80, 100, 150℃로 변화를 주고 경화시간은 6시간으로 일정하게 실험을 진행하였다. 그 결과 전체 투과 플럭스는 증가하는 반면 부탄올 플럭스와 선택도는 감소하는 경향을 나타내었다. 일반적으로 경화가 일어나는 열적 화학반응은 고분자의 밀도 변화를 이끌고, 확산을 위한 고분자 기반의 자유 부피가 작아지게 되는 현상이 나타나게 된다[20].
- 10에 상용막의 FE-SEM을 통한 분리막의 단면을 나타내었다. 그 결과 제조 막과 상용막의 지지체인 PVDF는 거대기공을 포함한 구조를 가지고 있으며 활성층의 두께는 제조한 PVDF/ PDMS의 경우 10~12 μm, 상용막인 PVDF/POMS는 20 pm로 지지막 위에 코팅된 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 그 결과 활성층을 PDMS로 사용한 제조 막의 투과 플럭스, 부탄올 투과 농도, 선택도 모두 POMS를 활성층으로 사용한 상용 고분자 복합막보다 높은 결과를 나타내었다.
- 6 L/min 으로 동일하게 실험을 진행하였다. 그 결과 활성층을 PDMS로 사용한 제조막이 POMS보다 투과 플럭스, 부탄올 투과 농도, 선택도 등 모두 높은 결과를 나타내었다. 이는 활성층의 막 두께의 비교로 확인할 수 있으나 PDMS와 POMS의 부탄올과 물의 친화도인 solubility parameter value의 차이로도 알 수 있다.
- 한편, PVDF/PDMS 막의 경우 부탄올 선택도가 물보다 높은 고분자이므로 부탄올의 농도가 증가할수록 막 표면에 흡착되는 부탄올의 양이 증가한다. 따라서 고분자 막의 물에 대한 팽윤 현상이 줄어들게 되어 부탄올의 농도가 증가하여도 부탄올의 투과 농도와 플럭스 모두 증가하는 결과를 나타내었다. 선택도의 경우 2 wt%에서 부탄올의 선택도가 감소하는 값을 나타내는데 공급액 농도 2 wt%에서 부탄올 투과 농도 폭이 그다지 크지 못하여 낮은 값을 나타내었다.
- 식 (3)에 의해서 지지층에서의 표면공극률과 기공의 직경이 감소하면서 복합막의 지지층저항의 물질전달계수 값이 작아지게 된다. 따라서 투과증발 실험 결과인 투과 플럭스와 투과 부탄올 농도, 선택도가 모두 감소하는 것이라고 판단된다. [18].
- 그 결과 solubility parameter의 차가 적을 수록친화력이 더 크게 나타나고 있으며 Hildebrand에 의하여 정립된 상대적으로 solubility parameter value 차가 적은 부탄올을 더 선택적으로 흡착하여 더 높은 선택도와 부탄올 플럭스가 나타내었다. 따라서 활성층인 PDMS 막이 POMS의 막보다 부탄올의 친화도가 더 크고 PDMS 막이나 POMS막은 부탄올이 물보다 친화도가 더 크기 때문에 부탄올의 농도가 증가함에 따라 부탄올의 투과 플럭스와 선택도가 모두 증가하는 결과를 나타내었다.
- 경화 온도와 경화 시간이 길어질 수록경화제의 폴리실록산계 고분자와 가교제가 점점 더 결합하게 되고 활성층이 더 치밀한 구조를 가지게 되어 플럭스와 선택도 모두 증가하였다. 또한 경화온도가 증가할수록 고분자의 밀도 변화를 이끌고, 확산을 위한 고분자 기반의 자유 부피가 작아지게 되는 현상이 나타나게 됨에 따라 막이 부탄올을 선택적으로 분리가 일어나지 않는 것을 확인할 수 있었다.
- 부탄올의 투과도가 증가하는 이유는 온도가 증가함에 따라 막에서의 부탄올과 물의 용해도와 확산도가 증가하는 것과 동시에 막 활성층인 PDMS에서 흡착과 탈착되는 부탄올의 비율 역시 증가하기 때문이다[22]. 본 연구에서도 온도가 증가할수록 막 표면에서 흡착되는 부탄올의 분자수가 증가함에 따라 높은 선택도를 가지는 결과를 확인하였다.
- 일반적으로 경화가 일어나는 열적 화학반응은 고분자의 밀도 변화를 이끌고, 확산을 위한 고분자 기반의 자유 부피가 작아지게 되는 현상이 나타나게 된다[20]. 본 연구의 실험 결과에서도 실험에 사용한 고분자 막의 경화 온도가 80℃ 보다 증가하게 되면서 고분자의 밀도변화와 함께 자유 부피의 감소로 인하여 막이 부탄올을 선택적으로 분리해 내는데 어려움이 있다고 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.