$Fe(SO_4)_2$, cyclohexanedione dioxime, phenylboronic acid을 이용하여 금속 템플레이트중합을 실시한 후 메탄올로 세척하여 Fe(II) clathrochelate 화합물을 합성하였다. Fe(II) clathrochelate와 polyethersulfone을 이용한 유무기 복합 멤브레인을 제조하였다. 멤브레인 제조를 위하여 Fe(II) clathrochelate는 DMF, NMP, DMAC와 같은 멤브레인 제조에 이용되는 극성 아프로틱 용매에 잘 녹는 물질로 고안되었다. Fe(II) clathrochelate는 trifluorosactic acid와 같은 강산 존재하에서도 금속이 분리되지 않고 안정성이 유지되었다. UV-vis 분광법으로 용액 가용성을 확인하였으며 (i) 강산 및 (ii) 경쟁 킬레이트제를 이용하여 용액상의 안정성을 확인하였다. 유무기 복합막은 PES, PVP, TSA, Fe(II) clathrochelate를 DMF에 녹여 NIPS (비용매 유도 상전이) 방법으로 제조하였다. Fe(II) clathrochelate의 첨가는 표면의 기공 밀도의 향상, 평균기공 크기의 증가 및 유량 증가에 영향을 주었으며 상대적으로 비대칭 구조를 가지는 성능이 향상된 멤브레인을 얻을 수 있었다.
$Fe(SO_4)_2$, cyclohexanedione dioxime, phenylboronic acid을 이용하여 금속 템플레이트 중합을 실시한 후 메탄올로 세척하여 Fe(II) clathrochelate 화합물을 합성하였다. Fe(II) clathrochelate와 polyethersulfone을 이용한 유무기 복합 멤브레인을 제조하였다. 멤브레인 제조를 위하여 Fe(II) clathrochelate는 DMF, NMP, DMAC와 같은 멤브레인 제조에 이용되는 극성 아프로틱 용매에 잘 녹는 물질로 고안되었다. Fe(II) clathrochelate는 trifluorosactic acid와 같은 강산 존재하에서도 금속이 분리되지 않고 안정성이 유지되었다. UV-vis 분광법으로 용액 가용성을 확인하였으며 (i) 강산 및 (ii) 경쟁 킬레이트제를 이용하여 용액상의 안정성을 확인하였다. 유무기 복합막은 PES, PVP, TSA, Fe(II) clathrochelate를 DMF에 녹여 NIPS (비용매 유도 상전이) 방법으로 제조하였다. Fe(II) clathrochelate의 첨가는 표면의 기공 밀도의 향상, 평균기공 크기의 증가 및 유량 증가에 영향을 주었으며 상대적으로 비대칭 구조를 가지는 성능이 향상된 멤브레인을 얻을 수 있었다.
Metal-templated condensation of cyclohexanedione dioxime and phenylboronic acid in the presence of Fe(II) sulfate heptahydrate proceeds cleanly in methanol to furnish the Fe(II) clathrochelate. An organic/inorganic hybrid membranes composed of Fe(II) clathrochelate and polyethersulfone was prepared ...
Metal-templated condensation of cyclohexanedione dioxime and phenylboronic acid in the presence of Fe(II) sulfate heptahydrate proceeds cleanly in methanol to furnish the Fe(II) clathrochelate. An organic/inorganic hybrid membranes composed of Fe(II) clathrochelate and polyethersulfone was prepared by using phase inversion method. For membrane preparation, the Fe(II) clathrochelate was highly soluble (3~5 g/L) in DMF, NMP, and DMAc, which meets the requirements for the solubility of metal complexes in polar aprotic solvent used in membrane preparation. It was stable even in the presence of strong acids, such as trifluorosactic acid (pKa = 0.3). It was characterized by UV-vis spectroscopy, and their stability in solution phase studied in the presence of (i) strong acids or (ii) competing chelates. Organic/inorganic hybrid membranes were prepared with polyethersulfone, polyvinylpyrrolidone, p-toluenesulfonic acid, Fe(II) clathrochelate and DMF by using nonsolvent induced phase inversion method. The addition of Fe(II) clathrochelate leads increase of surface pore density, mean pore size and flux. We can obtain highly asymmetric membranes by addition of Fe(II) clathrochelate.
Metal-templated condensation of cyclohexanedione dioxime and phenylboronic acid in the presence of Fe(II) sulfate heptahydrate proceeds cleanly in methanol to furnish the Fe(II) clathrochelate. An organic/inorganic hybrid membranes composed of Fe(II) clathrochelate and polyethersulfone was prepared by using phase inversion method. For membrane preparation, the Fe(II) clathrochelate was highly soluble (3~5 g/L) in DMF, NMP, and DMAc, which meets the requirements for the solubility of metal complexes in polar aprotic solvent used in membrane preparation. It was stable even in the presence of strong acids, such as trifluorosactic acid (pKa = 0.3). It was characterized by UV-vis spectroscopy, and their stability in solution phase studied in the presence of (i) strong acids or (ii) competing chelates. Organic/inorganic hybrid membranes were prepared with polyethersulfone, polyvinylpyrrolidone, p-toluenesulfonic acid, Fe(II) clathrochelate and DMF by using nonsolvent induced phase inversion method. The addition of Fe(II) clathrochelate leads increase of surface pore density, mean pore size and flux. We can obtain highly asymmetric membranes by addition of Fe(II) clathrochelate.
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문제 정의
본 연구에서는 PES계 고분자 다공성 멤브레인의 제조 시 금속 이온과 이들의 chelate 착물로 이루어진 첨가제가 상전이를 통한 멤브레인의 구조 및 투과 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 본 연구에서 제조된 유무기 복합막은 고분자 막이 갖는 장점은 유지하면서 동시에 금속 착화합물 첨가에 따라 막의 기계적, 구조적, 화학적 물성을 향상시킬 수 있다는 점에서 관심의 대상이 되어왔다.
본 연구에서는 cyclohexanedione dioxime, phenylboronic acid를 Fe(Ⅱ) sulfate heptahydrate와 함께 사용하여 상온에서 쉽게 얻을 수 있는 metal-templated condensation 방법으로 DMF, DMAc, NMP와 같은 고분자 용매에 일정량 이상의 용해도를 가지는 clathrochelate계 화합물을 합성하고 이를 이용하여 용매-비용매 치환 상전이 공정을 통하여 다공성 멤브레인을 제조하고자 하였다.
본 연구에서는 무기 금속을 착화합물 상태로 합성하여 aprotic solvent에 균일하게 용해되는 유기화합물-금속 이온 착물을 멤브레인 상전이 공정에 적용하고자 하였다. 대부분의 유무기 복합막 제조에 관련된 선행 연구가 금속 옥사이드 형태의 입자를 blending하여 멤브레인에 분산을 시키는 연구 형태로 진행되어 왔다.
용매-비용매 치환 상전이법을 이용하여 PES 고분자 멤브레인을 제조하는데 있어 무기 금속을 착화합물 상태로 합성하여 aprotic solvent에 균일하게 용해되는 유기화합물-금속이온 착물을 멤브레인 상전이 공정에 적용하고자 하였다. 유기화합물-금속이온 착물이 상전이 과정에서 멤브레인 구조 변화 및 성능 변화를 극대화하기 위하여 casting plate 표면을 냉각하여 실험을 실시 하였다.
일반적으로 비용매가 들어오는 속도가 막제조 용액에서 제거되는 용매의 속도보다 빠르면 다공성 구조를 갖는 멤브레인이 만들어지며, 반대로 비용매의 침투 속도가 느리면 조밀한 구조를 갖는다고 한다. 이는 viscosity로도 조절이 가능하나 본 연구는 첨가한 Fe(II) clathrochelate 의 양이 다르지만 viscosity의 값이 거의 비슷한 점을 이용하여 캐스팅 시 Fe(II) clathrochelate가 비용매의 멤브레인 내부 침투 속도 및 용매의 침투 속도에 차이를 두어 형성된 멤브레인의 구조 변화를 관찰하고 투과 특성의 차이를 살펴보고자 하였다. 이러한 용매의 이탈 속도의 차이는 직접 측정이 불가능하므로 기공 분포도나 FE-SEM 분석을 통해 멤브레인의 구조의 해석으로 상대적인 속도의 추정이 가능하다.
또한 연료 전지(SOFC)의 분리판 제조 분야, 이온 채널의 지지층, 바이오 알콜의 정제 등 기존 멤브레인의 영역을 뛰어넘는 분야로의 연구 확대가 시도되어지고 있다[10]. 이러한 연구의 출발은 비교적 변형이 용이한 다공성 멤브레인을 기저층(support layer) 으로 사용하고 나노 구조를 갖는 금속을 표면에 형성시킴으로써 막 공경을 nano-scale 수준으로 감소시키고, 막 유효 표면적을 향상시키는데 주목하고 있다. 이러한 신개념의 막을 제조하는데 있어서는 지지층이 되는 다공성 멤브레인의 물질적 특성이 중요한데, 여러 가지 정밀여과 막 재료 중에서 우수한 열적 안정성, 부식 및 화학 반응에 대한 안정성, 전기전달 특성이 우수한 무기 재료인 세라믹 소재가 복합화 공정의 주요 물질로 사용한 연구결과가 보고되었다[11-13].
제안 방법
Microflow permporometer를 이용하여 고분자 멤브레인 최소기공층의 평균 기공 크기(mean pore size), 공기투과도(air permeability), bubble point pressure 값을 측정하였으며(Table 3), 기공분포도를 함께 제시하였다 (Fig. 6). Fe(II) clathrochelate가 첨가된 용액으로 제조한 막의 경우 mean pore size는 B000840 멤브레인에비해 각각 0.
단면, 표면 모두 보다 높은 해상도를 얻기 위하여 고진공 상태에서 촬영하였으며 명암 대비를 극대화하기 위하여 Au 코팅을 한 후 고해상도 사진을 촬영하였다. SEM-EDX (Energy dispersive X-ray, Stereoscan 440)를 통해 나노 입자로 추측되는 Fe(II) clathochelate의 산재된 정도를 알아보았다.
고분자 casting 용액에 Fe(II) clathrochelate을 첨가하기 위하여 고분자 용매인 NMP, DMF, DMAc에 대한 용해도를 조사하였다. 상온에서 세 용매 모두 5 g/L까지는 완전히 녹아있음을 확인하였다.
고분자 복합막을 제조하기 위하여 비용매 유도 상전이 공정을 이용하여 PES와 친수성 첨가제인 PVP, 응고 첨가제인 TSA, 그리고 무기 나노 입자의 종류와 첨가량을 달리하여 용매인 DMF에 녹인 후, 완전히 혼합시키기 위하여 70℃에서 24시간 이상 교반하여 균일한 용액이 될 때까지 녹였다. 각각의 조성은 Table 1에 정리하였다.
고분자 용액이 casting된 후 응고조까지 체류 시간은 40초로 조절하였으며 이때 온도는 상온, 습도는 75∼80%가 유지되도록 조절하였다.
다공성 멤브레인의 morphology 분석은 Microflow porometer (CFP-1200-AE, Porous Material Inc.)를 이용하여 고분자 멤브레인의 평균 기공 크기(average pore size), 공기 투과도(air permeability), 기공 분포도 값을 측정 하였다. 복합막의 porosity는 식(2)로 계산하였다.
멤브레인의 단면을 분석하기 위하여 액체 질소로 냉각한 후, 단면 방향으로 부러뜨려 부서진 모양을 그대로 관측할 수 있도록 샘플을 준비하였다. 단면, 표면 모두 보다 높은 해상도를 얻기 위하여 고진공 상태에서 촬영하였으며 명암 대비를 극대화하기 위하여 Au 코팅을 한 후 고해상도 사진을 촬영하였다. SEM-EDX (Energy dispersive X-ray, Stereoscan 440)를 통해 나노 입자로 추측되는 Fe(II) clathochelate의 산재된 정도를 알아보았다.
그러나 캐스팅 용액에의 금속 착화합물 첨가는 고분자용액과 금속 착화합물간의 비혼화성으로 인해 막 표면에 핀홀(pin-hole) 또는 응집 입자(cluster particle) 을 형성하는 등의 막 결함을 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 나노 금속 입자에 비해 상대적으로 polar aprotic 용매에 대한 높은 용해성을 보이는 금속-리간드 전구체인 metal clathrochelate를 직접 합성하였다.
멤브레인 표면의 Fe(II) clathrochelate의 정착을 확인하기 위하여 EDX 분석을 통하여 Fe 금속의 존재를 확인하였다(Table 2). Table 1의 casting 용액 전체에 대한 Fe(II) clathrochelate의 함량은 0.
복합막의 투과 성능 평가는 cross-flow cell에서 1.0 kgf/cm2의 압력으로 실시하였다. 고분자 멤브레인의 투과 유효 면적은 28.
유기화합물-금속이온 착물이 상전이 과정에서 멤브레인 구조 변화 및 성능 변화를 극대화하기 위하여 casting plate 표면을 냉각하여 실험을 실시 하였다. 본 연구에서는 나노 금속 입자를 용해시키지 않고 분산하여 실시한 종래 실험 방법을 개선하여 polar aprotic 용매에 대한 높은 용해성을 보이는 금속-리간드 전구체인 Fe(II) clathrochelate를 합성하였다. Trifluoroactic acid 강산 하에서도 금속의 탈리나 가수분해되지 않는 안정성을 보였으며 이를 DMF 용액에 완전 용해된 상태로 녹인 후 casting 용액을 제조할 수 있었다.
본 연구에서는 cyclohexanedione dioxime, phenylboronic acid를 Fe(Ⅱ) sulfate heptahydrate와 함께 사용하여 상온에서 쉽게 얻을 수 있는 metal-templated condensation 방법으로 DMF, DMAc, NMP와 같은 고분자 용매에 일정량 이상의 용해도를 가지는 clathrochelate계 화합물을 합성하고 이를 이용하여 용매-비용매 치환 상전이 공정을 통하여 다공성 멤브레인을 제조하고자 하였다. 상전이 공법을 이용하여 제막 공정에서 용액을 캐스팅 후 외부 습도를 고정 시킨 다음 Fe(II) clathrochelate가 첨가된 복합막의 구조 변화와 투과 성능에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았으며, 궁극적으로 PES 멤브레인을 금속착물 첨가제를 통하여 친수화 및 거대기공을 가짐으로 막 오염을 줄이고 동시에 기계적 물성을 높이고 비대칭성 향상을 위한 복합막을 제조하는 방법으로 적합한지를 살펴보았다.
상전이 공정은 평막 캐스팅은 polyester film (Skyrol G31, SK Chemical) 상에서 knife casting 방식으로 실시되었으며 cooling plate 온도를 8℃로, 습도는 75∼80%로 유지한 상태로 실험하였다.
Fe(II) clathrochelate의 첨가량에 따른 순수투과유량 (PWP, Pure Water Permeability) 결과를 Table 2에 함께 제시하였다. 순수를 사용하였기에 fouling은 없을 것으로 예상되나 초기 유량 안정화를 고려하여 PWP는 초기 5분간의 누적 유량을 분당 유량으로 평균을 내어 결정하였다. 멤브레인 두께가 늘어났음에도 불구하고 F060840과 F120840의 PWP값은 B000840의 PWP값에 비해 약 3.
이러한 용매의 이탈 속도의 차이는 직접 측정이 불가능하므로 기공 분포도나 FE-SEM 분석을 통해 멤브레인의 구조의 해석으로 상대적인 속도의 추정이 가능하다. 용매의 이동 속도를 최대한 늦추어 구조의 차이나 투과 성능의 차이를 크게 나타내기 위하여 본 연구에서는 cooling plate를 도입하고 충분히 casting 용액이 냉각된 후 침지되도록 고안되 었다.
용매-비용매 치환 상전이법을 이용하여 PES 고분자 멤브레인을 제조하는데 있어 무기 금속을 착화합물 상태로 합성하여 aprotic solvent에 균일하게 용해되는 유기화합물-금속이온 착물을 멤브레인 상전이 공정에 적용하고자 하였다. 유기화합물-금속이온 착물이 상전이 과정에서 멤브레인 구조 변화 및 성능 변화를 극대화하기 위하여 casting plate 표면을 냉각하여 실험을 실시 하였다. 본 연구에서는 나노 금속 입자를 용해시키지 않고 분산하여 실시한 종래 실험 방법을 개선하여 polar aprotic 용매에 대한 높은 용해성을 보이는 금속-리간드 전구체인 Fe(II) clathrochelate를 합성하였다.
2에 제막 과정을 도식으로 나타내었다. 제조된 고분자 복합막에 Fe(II) clathrochelate 착화합물이 안정적으로 정착되었는지를 확인하기 위하여 Energy Dispersive Spectrometer (EDAX)를 이용하여 금속 Fe의 함량을 조사하였다.
대상 데이터
PES는 멤브레인 형성 고분자 소재로, PVP는 친수화 고분자로, TSA는 고분자 상전이 응고촉진제로 사용하였다. Casting 용매로는 dimethylformamide (DMF, 삼성정밀화학)를 사용하였고, 여기에 무기 나노 입자를 첨가한 후 완전히 녹인 상태에서 PES, PVP, TSA를 첨가하여 균일하게 녹은 용액을 만들었다.
Fe(II) clathrochelate 착화합물의 합성에 사용된 1,2-cyclohexanedione dioxime, 96% (Sigma-aldrich, USA), Phenylboronic acid, 95% (Sigma-aldrich, USA), Fe(II) sulfate heptahydrate (Junsei, Japan)는 모두 시약급으로 구매하여 사용하였다.
)을 정제없이 상용화된 시약을 사용하였다. PES는 멤브레인 형성 고분자 소재로, PVP는 친수화 고분자로, TSA는 고분자 상전이 응고촉진제로 사용하였다. Casting 용매로는 dimethylformamide (DMF, 삼성정밀화학)를 사용하였고, 여기에 무기 나노 입자를 첨가한 후 완전히 녹인 상태에서 PES, PVP, TSA를 첨가하여 균일하게 녹은 용액을 만들었다.
0 kgf/cm2의 압력으로 실시하였다. 고분자 멤브레인의 투과 유효 면적은 28.5 cm2이며 직사각형 형태의 투과셀을 사용하였다. 필름에서 탈리된 표면이 feed water쪽을 향하게 장착되었다.
다공성 고분자 멤브레인 제막에 사용된 polyethersulfone (PES, Ultrason-E-6020 P, BASF, Germany), polyvinylpyrrolidone (PVP, Acros, M.W. 58,000), p-toluenesulfoic acid (TSA, Junsei chemical co.)을 정제없이 상용화된 시약을 사용하였다. PES는 멤브레인 형성 고분자 소재로, PVP는 친수화 고분자로, TSA는 고분자 상전이 응고촉진제로 사용하였다.
복합막의 표면 및 단면 구조를 알아보기 위해 Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM, Quanta 200 FEG, Chalmers)를 이용하였다. 멤브레인의 단면을 분석하기 위하여 액체 질소로 냉각한 후, 단면 방향으로 부러뜨려 부서진 모양을 그대로 관측할 수 있도록 샘플을 준비하였다. 단면, 표면 모두 보다 높은 해상도를 얻기 위하여 고진공 상태에서 촬영하였으며 명암 대비를 극대화하기 위하여 Au 코팅을 한 후 고해상도 사진을 촬영하였다.
데이터처리
즉, 두 멤브레인 사이에 평균 기공 이외의 다른 인자가 멤브레인의 morphology 변화에 의미있는 영향을 미침을 의미한다. 이에 대한 분석을 위하여 기공 분포도와 FE-SEM 분석을 실시하였다.
이론/모형
복합막의 표면 및 단면 구조를 알아보기 위해 Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM, Quanta 200 FEG, Chalmers)를 이용하였다. 멤브레인의 단면을 분석하기 위하여 액체 질소로 냉각한 후, 단면 방향으로 부러뜨려 부서진 모양을 그대로 관측할 수 있도록 샘플을 준비하였다.
상온에서 세 용매 모두 5 g/L까지는 완전히 녹아있음을 확인하였다. 이에 대한 확인은 UV-visible 분광법을 이용하였다. Fig.
성능/효과
(a)) 멤브레인은 평균 기공 크기는 0.22 µm이나 기공 크기 분포는 0.2 µm 미만에서 최다 기공 크기를 가짐을 볼 수 있었다.
(c)) 멤브레인은 0.30 µm의 평균 기공 크기로 계산되었으며, 실제 기공 분포 역시 0.27∼0.30 µm 영역에 대부분 존재 함을 확인할 수 있었다.
3.2절에서 다룬 각 멤브레인의 PWP 차이는 3.1∼3.7배로 일반적인 morphology의 분석으로는 설명하기 힘들 만큼 큰 차이로 나타났다.
Fe(II) clathrochelate의 symmetry가 정확히 대칭이 되는 구조를 가지고 있어 δ 5.3의 물을 제외하면 다른 특징적인 signal이 없음을 보아 순수한 화합물임을 확인할 수 있었다.
Solid line은 Fe(II) clathrochelate만 DMF에 녹은 경우이며 dash line은 Fe(II) clathrochelate와 TFA를 함께 넣은 DMF 용액의 UV-visible spectrum이다. Fe(II)가 착물 상태에서 free 이온상태가 되면 흡광 파장의 변화가 전혀 다르게 나타나야 하나 Fig. 5의 결과에서는 거의 같은 위치와 같은 흡광도를 가짐을 보아 구조 및 화학적 안정성이 우수한 첨가제임을 확인할 수 있었다.
공기 투과도의 경우, 기체의 투과 저항은 액체에 비해 훨씬 작아 멤브레인의 내부 구조나 porosity보다는 기공의 크기에 의해 결정된다. 공기 투과도는 기공의 크기가 크면 막저항이 현저히 작아지므로 비교적 큰 기공의 도수가 많은 F060840이 F120840에 비해 큰 유량값을 가짐을 확인할 수 있었다.
극성인 금속 이온을 포함하는 Fe(II) clathrochelate의 첨가는 cooling plate의 냉각 효과에 의해 점성이 높아진 casting 용액에서도 응고조의 비용매인 물과의 친화도를 높여 빠른 표면에서의 빠른 상전이를 유발한 것으로 보인다. 그 결과 Fe(II) clathrochelate의 농도에 비례해서 polymer-rich region과 solvent-rich region의 명확한 구분이 일어나 고분자 영역과 용매 영역이 나뉘어져 높은 pore density를 가지는 현상이 뚜렷이 나타나게 된다(Fig. 7.
18중량%가 되어야 한다. 그러나 EDX 분석 결과는 각각 3.31중량%와 4.19중량%로 이론적 계산 함량보다 크게 나타났다. 이러한 현상은 상전이 과정에서 polymer rich region과 solvent rich region으로 분리되는 meta stable 상태에서 Fe(II) clathrochelate의 분포가 표면쪽으로 농도 분극이 일어난 상태로 고형화가 종료되기 때문이다.
Trifluoroactic acid 강산 하에서도 금속의 탈리나 가수분해되지 않는 안정성을 보였으며 이를 DMF 용액에 완전 용해된 상태로 녹인 후 casting 용액을 제조할 수 있었다. 또한, 첨가된 Fe(II) clathrochelate의 영향으로 0.22 µm의 mean pore size를 가지는 PES 멤브레인의 구조를 0.29∼0.30µm의 mean pore size를 증가시켰을 뿐만 아니라 기공 분포도 좁은 영역으로 조절할 수 있는 크기 선택성이 우수한 멤브레인을 제조할 수 있었다.
본 연구에서는 PES계 고분자 다공성 멤브레인의 제조 시 금속 이온과 이들의 chelate 착물로 이루어진 첨가제가 상전이를 통한 멤브레인의 구조 및 투과 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 본 연구에서 제조된 유무기 복합막은 고분자 막이 갖는 장점은 유지하면서 동시에 금속 착화합물 첨가에 따라 막의 기계적, 구조적, 화학적 물성을 향상시킬 수 있다는 점에서 관심의 대상이 되어왔다. 그러나 캐스팅 용액에의 금속 착화합물 첨가는 고분자용액과 금속 착화합물간의 비혼화성으로 인해 막 표면에 핀홀(pin-hole) 또는 응집 입자(cluster particle) 을 형성하는 등의 막 결함을 유발할 수 있다.
고분자 casting 용액에 Fe(II) clathrochelate을 첨가하기 위하여 고분자 용매인 NMP, DMF, DMAc에 대한 용해도를 조사하였다. 상온에서 세 용매 모두 5 g/L까지는 완전히 녹아있음을 확인하였다. 이에 대한 확인은 UV-visible 분광법을 이용하였다.
7배로 각각 증가함을 보여준다. 일반적으로 동일한 pore size를 가질 경우 멤브레인의 투과 저항은 반비례로 알려져 있으나 본 실험의 결과에서는 오히려 두꺼운 F060840과 F120840의 유량이 더 늘어났음을 보아 큰 morphology 변화가 일어났음을 추측할 수 있다. 이에 PWP값의 현격한 차이의 원인 분석을 다음 절의 morphology 분석에서 다루었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수처리용 멤브레인의 소재는 어떻게 구분될 수 있는가?
멤브레인의 정수 처리 공정 적용은 기존 고도 정수 처리 공정에 비해 수질이 크게 향상되고도 풍부한 유량을 생산할 수 있는 막 분리 재료의 개선에 힘입은 바가 크다. 수처리용 멤브레인의 소재로는 고분자계 유기막과 세라믹계 무기막으로 나눌 수 있다. 고분자 멤브레인은 제조에 있어서 무기막에 비해서는 내용매성과 내열성이 낮고 일정 정도 이상의 기계적 강도가 약하지만 막의 제조 과정이 용이하며 다양한 형태로의 가공이 가능하고 또한 막 세공구조의 조절이 용이해 막 제조의 소재 물질로서 널리 사용되고 있다[3-6].
무기 재료인 세라믹 소재를 복합화 공정의 주요 물질로 사용한 연구 결과는 어떠한가?
이러한 신개념의 막을 제조하는데 있어서는 지지층이 되는 다공성 멤브레인의 물질적 특성이 중요한데, 여러 가지 정밀여과 막 재료 중에서 우수한 열적 안정성, 부식 및 화학 반응에 대한 안정성, 전기전달 특성이 우수한 무기 재료인 세라믹 소재가 복합화 공정의 주요 물질로 사용한 연구결과가 보고되었다[11-13]. 예로써, 기존의 졸-겔 합성법(sol-gel synthesis methods)에서 발견되는 공정의 복잡성 및 제조비용을 줄이고 재료의 안정성 및 우수성을 증가시키기 위해 철, 알루미늄 등의 금속성 나노 입자(metal-oxide nanoparticles)를 소결(sintering) 시키는 기술을 확보하여, 개발된 새로운 막의 적용성을 평가하고 있다[12]. 또 다른 시도로는 탄소 나노 튜브의 다공성을 이용하는 방법으로 구조의 제어가 용이하여 많은 관심을 끌고 있다[14].
입자를 blending하는 방법의 한계점은 무엇인가?
대부분의 유무기 복합막 제조에 관련된 선행 연구가 금속 옥사이드 형태의 입자를 blending하여 멤브레인에 분산을 시키는 연구 형태로 진행되어 왔다. 이러한 입자를 blending하는 방법은 고분자 멤브레인 표면의 무기 나노 입자 농도가 낮을 뿐만 아니라 분산도 역시 낮을수 밖에 없어 유무기 복합화 효과를 충분히 발휘하기 어렵다. 본 연구에서는 cyclohexanedione dioxime, phenylboronic acid를 Fe(Ⅱ) sulfate heptahydrate와 함께 사용하여 상온에서 쉽게 얻을 수 있는 metal-templated condensation 방법으로 DMF, DMAc, NMP와 같은 고분자 용매에 일정량 이상의 용해도를 가지는 clathrochelate계 화합물을 합성하고 이를 이용하여 용매-비용매 치환 상전이 공정을 통하여 다공성 멤브레인을 제조하고자 하였다.
참고문헌 (20)
M. Mulder, "Basic principles of membrane technology", pp.71-89, Kluwer Academic Publishers, London (1996).
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Z. Yi, L.-P. Zhu, Y.-F. Zhao, B.-K. Zhu, and Y.-Y. Xu, "An extending of candidate for the hydrophilic modification of polysulfone membranes from the compatibility consideration : The polyethersulfone-based amphiphilic copolymer as an example", J. Membr. Sci., 390, 48 (2012).
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