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
- 반면 sponge-like 구조를 가진 막은 치밀한 층을 가지기 쉽고 제거율을 높일 수 있는 장점을 가지고 있어 finger-like 구조를 가진 막보다 염의제거에 있어 더 뛰어나다. 본 연구에서는 1) sponge-like구조를 가지고, 2) 최상층부에 dense layer가 발달되어 폴리아미드 계면 중합이 가능하며, 3) 지지층 단면의 비대칭성이 향상되어 투과수의 확산이 용이하며, 4) 부직포의 두께가 감소하여 PSF 지지층과 PET 부직포의 보강층에 의한 막 저항을 최소화함으로서 PSF 지지층과 폴리아미드 활성층 사이에 발생하는 내부 농도 분극을 최소화 하고자 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 앞에서 언급한 내부 농도 분극을 완화할 수 있는 FO 분리막의 제조에 관하여 조사하였다. 그 방법으로 기존 분리막 제조에 사용되는 부직포에 비해 월등히 얇은 폴리에스터 부직포를 FO 분리막의 보강재로 도입하였으며 부직포의 두께와 통기성, 지지층 형성고분자 용액의 조성을 조절하여 폴리술폰이 침투된 지지층 또는 표면에 도포된 FO 분리막의 지지층을 제조하고자 하였다.
- 직접 물과 접촉한 상층부에서 두 지지층 모두 dense layer가 크게 성장한 것을 볼 수 있었으나 PSF의 농도가 낮은 48-DMF13의 경우 하층부에서 macrovoid 영역이 크게 성장하였으며 두께가 줄어든 반면 48-DMF19의 경우 전형적인 역삼투 분리막 지지층과 유사한 형태의 낮은 비대칭성의 sponge-like 구조를 가짐을 확인할 수 있었다.상층부에서 dense layer와 낮은 비대칭성의 sponge-like구조는 본 연구의 목적인 폴리아미드-폴리술폰 지지층경계면의 농도 분극 저하에 바람직하지 못한 구조임을 의미한다.
제안 방법
- 유입수와 유도용액은 각각 gear pump형태의 정량 펌프를 이용하여 순환시켰으며 각각의 유속은 1 LPM으로 고정하여 운전하였다. 20~22℃에서 15분 동안 FO 평가기를 안정화 시킨 후, 1시간 동안 단위 시간당 투과 유량를 측정하여 그 평균값을 flux로 결정하였다. Flux는 아래 식 (2)에 의해 계산되어지며 ΔV는 부피변화, A는 유효막면적, ΔT는 측정 소요 시간을 의미한다.
- )을 이용하여 분석하였다. FE-SEM분석 시 단면, 표면 모두 carbon coating 전처리 후 고진공 고해상도 분석을 실시하였다. 단면 분석 시료 준비에 있어서 05 TH-48 부직포에 캐스팅된 지지층은 부직포와 PSF층의 분리가 용이하여 액화질소로 얼린 후 파쇄된 단면을 촬영할 수 있었다.
- Fig. 4에 상용화된 역삼투 분리막에서 사용되는 100µm의 두께를 가지는 부직포에서 19 중량%의 PSF 용액으로 제조한 지지층과 13 중량%와 PSF 용액으로 제조한 지지층의 단면 SEM 사진을 제시하였다.
- 본 연구에서는 부직포의 thickness와 PSF 용액의 조성을 변화시키며 다양한 구조를 가지는 PSF 지지층을제조한 후 폴리아미드 활성층을 계면 중합시켜 FO 분리막을 제조하였다. PSF 지지층의 구조와 순수투과량을 조사하였으며 PSF 지지층을 통해 얻은 FO 분리막을 FO mode로 성능평가를 수행하였다. 그 결과 33 µm부직포에서 안정적인 PSF 지지층을 얻을 수 있었을 뿐만 아니라 낮은 농도의 지지체 용액의 PSF 용액에서 안정된 표면층 및 최상층의 구조를 가지면서 하층부와비대칭 구조를 가지는 지지층을 제조할 수 있었다.
- 3. SEM micrographs of 05 TH-08 nonwoven supported PSF membranes (08-DMF13, 08-DMF16 and08-DMF19) prepared by using 13, 16 and 19 wt% of PSF casting solutions; (left) cross-section and (right) cross-section of top side micrographs.
- 2. SEM micrographs of 05 TH-08 nonwoven supportedPSF membranes (08-DMF09, 08-DMF10, 08-DMF11,08-DMF12, and 08-DMF13) prepared by using 9, 10, 11,12 and 13 wt% of PSF casting solutions; (left) cross-section, and (right) cross-section of top side micrographs.
- 본 연구에서는 앞에서 언급한 내부 농도 분극을 완화할 수 있는 FO 분리막의 제조에 관하여 조사하였다. 그 방법으로 기존 분리막 제조에 사용되는 부직포에 비해 월등히 얇은 폴리에스터 부직포를 FO 분리막의 보강재로 도입하였으며 부직포의 두께와 통기성, 지지층 형성고분자 용액의 조성을 조절하여 폴리술폰이 침투된 지지층 또는 표면에 도포된 FO 분리막의 지지층을 제조하고자 하였다. 또한 부직포 특성에 따른 폴리술폰층의 구조 변화와 이에 따른 FO 공정에서의 수투과 특성을 조사하였다.
- 그 방법으로 기존 분리막 제조에 사용되는 부직포에 비해 월등히 얇은 폴리에스터 부직포를 FO 분리막의 보강재로 도입하였으며 부직포의 두께와 통기성, 지지층 형성고분자 용액의 조성을 조절하여 폴리술폰이 침투된 지지층 또는 표면에 도포된 FO 분리막의 지지층을 제조하고자 하였다. 또한 부직포 특성에 따른 폴리술폰층의 구조 변화와 이에 따른 FO 공정에서의 수투과 특성을 조사하였다.
- 본 연구에서는 부직포의 thickness와 PSF 용액의 조성을 변화시키며 다양한 구조를 가지는 PSF 지지층을제조한 후 폴리아미드 활성층을 계면 중합시켜 FO 분리막을 제조하였다. PSF 지지층의 구조와 순수투과량을 조사하였으며 PSF 지지층을 통해 얻은 FO 분리막을 FO mode로 성능평가를 수행하였다.
- 부직포에 의해 보강된 지지층을 유리판과 teflon 틀로 고정하였다. 3.
- 분리막 투과 성능 평가는 cross-flow cell에서 1.0 bar의 압력으로 실시하였다. 분리막 샘플의 투과 유효 면적은 28.
- 분리막의 제조는 용매 치환 상 전이법으로 이루어졌으며 폴리에스터 부직포 상에서 150 µm의 gap을 가지는 casting knife를 이용하여 고분자 용액을 캐스팅하였다.
- 5 cm2이며 폴리아미드 활성층 면이 인입수 방향을 향하게 장착되었다. 분리막의 투과수로는 증류수를 사용하였으며 투과유량(flux)을 살펴보았다. 공급수의 유속은 1 L/min으로 조절되었으며 상온에서 투과량을 측정하였다.
- 물질의 열역학적 에너지 상태에 있어, 모든 물질은 높은 Gibbs energy를 낮추기 위한 변화가 자발적으로 일어난다. 삼투 현상에서도 높은 Gibbs energy를 가진 고농도 물질은 확산, 이동 등의 활동을 통하여 낮은 Gibbs energy를 보유한 상태로 변화하고자 한다. Gibbsenergy의 결정 인자로 온도, 압력, 농도가 중요한 역할을 한다.
- 5 wt/v%의 MPD 수용액을 지지층의 PSF표면에 붓고 충분히 MPD 수용액에 스며들 수 있도록 2분간 접촉시켰다. 유리판에서 teflon 틀을 제거한 후 고무 롤러로 표면의 MPD 수용액을 제거한 후 실리콘판과 잘 건조된 teflon 틀로 다시 고정하였다. MPD 수용액이 침투된 PSF 표면에 0.
- Casting 용액과 폴리에스터 부직포 간의 표면 접촉 시간은 최대한 짧게 유지하고자 하였으며 모든 casting 후 응고조에 입수하는데 걸리는 시간은 5 sec을 넘기지 않도록 주의하였다. 응고조는 상온의 탈염 순수를 사용하였으며 충분히 응고가 이루어지고 난 후 지지층에 남아있을 수 있는 잔여 용매를 제거하기 위하여 60℃ 이상의 물로 충분히 세정하였다. 얻어진 지지층은 폴리아미드 활성층 제조 전까지 탈염 증류수에 보관하였다.
- 이러한 이유로 본 연구에서는 폴리에스터 부직포의 두께를 최소화한 후 폴리술폰의 농도를 바꾸어 가며 형성되는 지지층의 구조와 폴리아미드 복합막 형성 이후의 FO 성능을 살펴보았다. 이 절에서는 폴리에스터 부직포의 두께를 바꾸었을 때 폴리술폰 지지층의 변화를 FE-SEM으로 조사하였다. Figs.
- 지지층을 형성하는 폴리술폰은 혐수성으로 인한 내부 농도 분극이 발생할 수밖에 없으며 비교적 다공성인 지지층인 폴리에스터 부직포 역시 기공은 크다고 하나 외부 구동력 없이는 경계층으로 나온 물이 분리막을 빠져나오기에는 두께나 혐수성이 크다고 할 수 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 폴리에스터 부직포의 두께를 최소화한 후 폴리술폰의 농도를 바꾸어 가며 형성되는 지지층의 구조와 폴리아미드 복합막 형성 이후의 FO 성능을 살펴보았다. 이 절에서는 폴리에스터 부직포의 두께를 바꾸었을 때 폴리술폰 지지층의 변화를 FE-SEM으로 조사하였다.
- 반면 05 TH-08 부직포에 캐스팅된 지지층의 경우 두께가 얇고 밀도가 낮아 부직포의 하층부로 PSF가 스며들어 액화 질소로 얼린 후 파쇄하는 방법을 쓸 수 없었다. 이에 지지층 시편의 양쪽에 장력을 준 상태로 면도날로 충격을 주어 파쇄된 단면의 내측 부위를 측정하였다.
대상 데이터
- 폴리아미드 활성층 제조에 사용된 MPD (m-phenylenediamine)과 TMC (trimesoyl chloride)는 미국 Sigma-Aldrich사에서 시약급을 구매하여 사용하였다. Isol-C 유기용매는 SK에너지에서 구매하여 정제없이 사용하였다. 수투과 평가에 사용된 NaCl 염은 한국 덕산화학에서 시약급을 구매하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 제조된 FO분리막은 폴리에스터 부직포, 폴리술폰, 폴리아미드로 구성된 역삼투막과 유사한 복합박막 구조로 이루어졌다. 지지층을 형성하는 폴리술폰은 혐수성으로 인한 내부 농도 분극이 발생할 수밖에 없으며 비교적 다공성인 지지층인 폴리에스터 부직포 역시 기공은 크다고 하나 외부 구동력 없이는 경계층으로 나온 물이 분리막을 빠져나오기에는 두께나 혐수성이 크다고 할 수 있다.
- 분리막 고분자인 PSF는 미국 Solvay사 UDEL P-3500LCD를 구입하여 정제 없이 사용하였다. 캐스팅 용액 제조에 사용된 주용매로는 DMF (N,N-Dimethylformamide)는 (주)삼성정밀화학에서, 공용매로 사용된 NMP(N,N-dimethylpyrrolidone)는 일본 Junsei Chemical Ind.
- Isol-C 유기용매는 SK에너지에서 구매하여 정제없이 사용하였다. 수투과 평가에 사용된 NaCl 염은 한국 덕산화학에서 시약급을 구매하여 사용하였다.
- 1의 평가 장치를 이용하여 분리막의 FO 투과 성능을 평가하였다. 유도용액(Draw Solution)은 1M의 NaCl수용액을 제조하여 실험을 진행하였으며 유입수(Feed Solution)로는 DI water를 사용하였다. 유도 용액면에 폴리아미드 활성층을 접촉하도록 측정 cell에 분리막을 장착하였다.
- 폴리아미드 활성층 제조에 사용된 MPD (m-phenylenediamine)과 TMC (trimesoyl chloride)는 미국 Sigma-Aldrich사에서 시약급을 구매하여 사용하였다. Isol-C 유기용매는 SK에너지에서 구매하여 정제없이 사용하였다.
이론/모형
-
4. 분리막 구조 분석
분리막의 morphology 분석은 FE-SEM (Quanta 200FEG, Chalmers co.)을 이용하여 분석하였다
. FE-SEM분석 시 단면, 표면 모두 carbon coating 전처리 후 고진공 고해상도 분석을 실시하였다.
성능/효과
- FO 분리막의 활성층은 방향족 TFC RO 분리막과 동일한 MPD와 TMC의 계면 중합반응으로 얻을 수 있었다. Fig.
- 지지층의 표면의 균일도가 RSF 값에 큰 변화를 나타남을 보여주는 또 다른 결과로 FO-08-DMF13의 결과를 들 수 있다. FO-08-DMF13은 flux 29.7 LMH, RSF 28.2 GMH로 모두 증가함을 보여주는데 이는 Fig. 3의 08-DMF13 지지체에서 볼 수 있듯이 지지체 표면 구조 자체가 다른 지지체에 비해 크게 불균일한 형태가 나타난 결과를 극명하게 보여주는 결과라 할 수 있다. 비록 유량이 높다 하더라도 이는 내부 농도 분극 저하 효과인지 defect 효과인지 정확히 분석하기가 어려운 부분이라 할 수 있다.
- Fig. 5에 제시된 지지층 외의 높은 농도를 가진 PSF 지지층, 두꺼운 부직포를 사용한 PSF 지지층의 경우, 그림에서 나타내지는 않았지만 모두 300 LMH⋅bar 미만의 낮은 순수 투과능을 가짐을 확인하였다.
- 이는 낮은 농도의 PSF용액은 부직포 표면에 부착된 것이 아니라 부직포 내부로 용액이 침투되어 유사한 PSF 두께층을 가질 수 있으나 높은 농도에서는 PSF 용액의 부직포 내부로의 침투 속도가 느리기 때문에 부직포 표면에 부착된 상태로 농도에 따라 PSF층이 두꺼워짐을 볼 수 있었다. PSF 용액의 침투 속도는 상 전이 시 표면과 분리막 내부의 용매-비용매 치환 속도에도 영향을 주는 것으로 나타났으며 08-DMF16, 08-DMF19는 직접 물과 접촉한 상층부에서dense layer가 크게 성장된 결과로 이어짐을 확인할 수있었다.
- 가장 큰 특징은 05 TH-08의33 µm 지지층에서 제조된 FO막의 경우 flux 값이 전체적으로 향상됨을 볼 수 있었다.
- 그 결과 33 µm부직포에서 안정적인 PSF 지지층을 얻을 수 있었을 뿐만 아니라 낮은 농도의 지지체 용액의 PSF 용액에서 안정된 표면층 및 최상층의 구조를 가지면서 하층부와비대칭 구조를 가지는 지지층을 제조할 수 있었다.
- (HTI)사의 cellulose triacetate (CTA)소재를 기반으로 하는 FO 막이 가장 널리 알려져 있다.기존의 단일막 구조에 기계적 강도를 부여하기 위하여 폴리에스터 메쉬(mesh)로 보강된 형태로 제막되어 FO수처리가 상용화될 수 있음을 보여주었다. 하지만 CTA소재가 가지는 한계인 내산성, 내화학성, 수투과도, 제거효율의 한계는 방향족 폴리아미드 복합박막(aromaric polyamide thin film composite membrane) 소재로 구성된 역삼투 분리막을 이용하는 수처리 공정에 비해 많은 문제점을 안고 있다[10,12-15].
- 6에 각 지지층에 형성된 FO 분리막의 표면 사진을 제시하였다. 낮은 농도에서 높은 농도의 PSF 용액을 사용한 지지층 모두 폴리아미드층이 성공적으로 형성되었음을 볼 수 있었다. 폴리아미드층이 0.
- 그 결과 33 µm부직포에서 안정적인 PSF 지지층을 얻을 수 있었을 뿐만 아니라 낮은 농도의 지지체 용액의 PSF 용액에서 안정된 표면층 및 최상층의 구조를 가지면서 하층부와비대칭 구조를 가지는 지지층을 제조할 수 있었다. 높아진 FO 분리막 지지층의 비대칭성과 공극률, 줄어든 부직포 층의 두께는 FO mode로 운전 중 폴리아미드활성층과 PSF 지지층 경계면에서 발생하는 ICP를 줄여줄 것으로 예상되었으며 실제 FO-08-DMF12의 FO막은24.3 LMH의 유량, 1.5 GMH의 RSF 값을 가지는 것으로 나타났다. 이러한 활성층과 지지층 경계면에서의 구조 제어는 높은 flux와 낮은 RSF 값을 가지는 FO 분리막 제조의 우수한 성능을 구현하는 유용한 방법 중 하나가 될 수 있을 것으로 판단된다.
- FE-SEM분석 시 단면, 표면 모두 carbon coating 전처리 후 고진공 고해상도 분석을 실시하였다. 단면 분석 시료 준비에 있어서 05 TH-48 부직포에 캐스팅된 지지층은 부직포와 PSF층의 분리가 용이하여 액화질소로 얼린 후 파쇄된 단면을 촬영할 수 있었다. 반면 05 TH-08 부직포에 캐스팅된 지지층의 경우 두께가 얇고 밀도가 낮아 부직포의 하층부로 PSF가 스며들어 액화 질소로 얼린 후 파쇄하는 방법을 쓸 수 없었다.
- 동일한 TH-08의 33 µm 지지층에서 제조된 FO막의 경우라 할지라도 FO-08-DMF16과 FO-08-DMF19에서는 flux 값이 현저히 감소하였으며 05 TH-48의 100 µm 지지층에서 제조된 FO-48-DMF13과 FO-48-DMF19 역시 4.5LMH 미만의 낮은 값을 보여주고 있다.
- 이들 지지층의 순수 투과 성능은 FO막에서 투과된 물이 유도용액으로 빠져나갈 때의 막 투과저항(membrane hindrance)의 크기와 직접적인 관련을 가진다. 즉 최상부층에 폴리아미드 계면 중합이 일어날 수 있는 조밀층을 가지면서 막 저항을 최소로 하는 구조가 FO에 적합한 PSF 지지층으로 생각되어지며 본 연구결과에서는 08-DMF09부터 08-DMF12의 DMF 농도를 가지는 지지층이 적당할 것으로 판단되어진다. Fig.
- 4에 상용화된 역삼투 분리막에서 사용되는 100µm의 두께를 가지는 부직포에서 19 중량%의 PSF 용액으로 제조한 지지층과 13 중량%와 PSF 용액으로 제조한 지지층의 단면 SEM 사진을 제시하였다. 직접 물과 접촉한 상층부에서 두 지지층 모두 dense layer가 크게 성장한 것을 볼 수 있었으나 PSF의 농도가 낮은 48-DMF13의 경우 하층부에서 macrovoid 영역이 크게 성장하였으며 두께가 줄어든 반면 48-DMF19의 경우 전형적인 역삼투 분리막 지지층과 유사한 형태의 낮은 비대칭성의 sponge-like 구조를 가짐을 확인할 수 있었다.상층부에서 dense layer와 낮은 비대칭성의 sponge-like구조는 본 연구의 목적인 폴리아미드-폴리술폰 지지층경계면의 농도 분극 저하에 바람직하지 못한 구조임을 의미한다.
후속연구
- FO 공정에 적합한 분리막의 개발, 높은 삼투압과 회수 용이성이 우수한 유도 용질 개발, 분리막 성능과 유도 용질에 적합한 수처리 응용 공정기술 개발의 세 분야의 기술이 함께 완성도 높은 수준이 확보되어 질 때 비로소 FO 기술의 적용 및 확산이 가능할 것으로 예상된다.
- 5 GMH의 RSF 값을 가지는 것으로 나타났다. 이러한 활성층과 지지층 경계면에서의 구조 제어는 높은 flux와 낮은 RSF 값을 가지는 FO 분리막 제조의 우수한 성능을 구현하는 유용한 방법 중 하나가 될 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.