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Clathrochelate계 금속 착물을 이용한 고분자 멤브레인 구조 제어
Study on Morphology Control of Polymeric Membrane with Clathrochelate Metal Complex 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.24 no.6, 2014년, pp.472 - 483  

김노원 (동의대학교 환경공학과) ,  정보람 (동의대학교 산업기술개발연구소)

초록
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본 연구는 거대고리 금속 이온 착화합물과 유도체를 이용하여 미세 다공성 구조를 가지는 분리막의 제조에 관한 것이다. 고분자와 금속이온 리간드 착물 시스템을 이용함으로써 기존의 방법들에 비해 상 전이 과정을 보다 정교하게 제어할 수 있었다. 금속염, cyclohexanedione dioxime, hydroxyphenylboronic acid와의 축합 반응을 통하여 금속 clathrochelate 착물을 얻을 수 있었다. PES, PVP, BE와 금속 clathrochelate 착물을 DMF에 녹인 후 비용매 유도 상 전이법을 통하여 유무기 혼성고분자막을 제조하였다. 제조된 분리막의 구조는 FE-SEM과 microflow permporometer로 조사하였다. p-Hydroxyphenyl group을 가지는 Fe(II) clathrochelate 착물의 첨가는 분리막의 구조에 있어 기공 크기 분산도를 좁혀주고, 표면의 기공 밀도를 높여 주었으며 최대 기공 크기를 감소시킴을 볼 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study is preparation of microporous membranes by using macrocyclic metal ion complexes and extended cage complexes. It is a more favorable way to existing methods because polymer and metal ion-ligand complex system provides a fine control over the phase transition behavior. Chemical functionali...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 Fe(II) clathrochelate complex의 리간드에 hydroxy 관능기를 도입한 후 Co(III) 이온과 Fe(II) 이온을 함유한 화합물의 첨가가 분리막 제막 후 단면 구조 및 표면 구조에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 대부분의 유무기 복합막 제조에 관련된 선행 연구가 금속 옥사이드 형태의 입자를 blending하여 멤브레인에 분산을 시키는 연구 형태로 진행되어 왔다.
  • 본 연구에서는 극성 조절을 위하여 metal clathrochelate complex를 첨가한 고분자 용액에 관하여 용매-비용매 치환 상 전이 공정을 적용함에 있어, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 또한 리간드 내부 phenyl 그룹의 혐수성을 줄여주기 위하여 p-hydroxyphenylboronic acid와 m-hydroxyphenylboronic acid를 사용함으로써 금속 중심 영역과의 극성 차이를 미세하게 변화시키면서 전체적으로 고른 극성을 유지하는 구조를 가지도록 조절하였다. 본 연구에서는 무기 금속을 착화합물 상태로 합성하여 aprotic solvent에 균일하게 용해되는 유기화합물-금속이온 착물을 멤브레인 상 전이 공정에 적용하고자 하였다. 상 전이 공법을 이용하여 제막 공정에서 용액을 캐스팅 후 외부습도를 고정 시킨 후 Fe(II) clathrochelate complex가 첨가된 복합막의 구조 변화와 투과 성능에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았으며 궁극적으로 PES 멤브레인을 금속착물 첨가제를 통하여 특히 상 전이 초기에 형성되는 표면 기공 밀도와 이의 영향를 크게 받는 기공 크기 분산도를 제어함으로써 막 오염을 줄일 수 있고 기계적 물성을 높있으며 비대칭성이 향상된 복합막을 제조하는 방법을 제시하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 무기 금속을 착화합물 상태로 합성하여 aprotic solvent에 균일하게 용해되는 유기화합물-금속이온 착물을 멤브레인 상 전이 공정에 적용하고자 하였다. 상 전이 공법을 이용하여 제막 공정에서 용액을 캐스팅 후 외부습도를 고정 시킨 후 Fe(II) clathrochelate complex가 첨가된 복합막의 구조 변화와 투과 성능에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았으며 궁극적으로 PES 멤브레인을 금속착물 첨가제를 통하여 특히 상 전이 초기에 형성되는 표면 기공 밀도와 이의 영향를 크게 받는 기공 크기 분산도를 제어함으로써 막 오염을 줄일 수 있고 기계적 물성을 높있으며 비대칭성이 향상된 복합막을 제조하는 방법을 제시하고자 하였다.

가설 설정

  • Fe(II) clathrochelate complex 첨가제가 없이 제조된 Fig. 3 (a)의 PES-blank 막의 표면 기공은 아주 크고 기공의 밀도는 크게 떨어진다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
TiO2 나노입자를 상요한 분리막 소재의 한계점은 무엇인가? TiO2 나노입자를 블렌딩하여 반영구적인 친수성을 가지게 하는 분리막 소재에 관한 내용이 대표적인 예라고 할 수 있다[17]. 하지만 입자의 사용은 고분자 멤브레인의 구조를 균일하게 형성하는데 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위한 연구 방법으로 Fe(II) clathrochelatecomplex가 첨가된 유무기 복합막 제조에 있어 고분자 및 용매 혼화성이 뛰어난 무기 금속 이온 착화합물 상태의 첨가제가 복합막의 구조 변화와 투과 성능에 미치는 영향을 제시한 바 있다[18,19].
고분자 정밀여과 분리막을 이용한 분리공정은 어떠한 분야에 적용되고 있는가? 고분자 정밀여과 분리막을 이용한 분리공정은 입자나 콜로이드와 같은 특정 크기 이상의 불순물을 용액상에서 정제하는데 있어 가장 유용한 방법 중 하나로 음용수, 식품, 생명공학, 환경, 화공, 전자재료, 제약 등 광범위한 분야에서 적용되고 있다. 기존의 정수 및 하수 처리에 사용되어지던 고분자 분리막 소재에서 반도체, 전기/전자 재료, 정밀화학 등과 같은 고부가가치 산업의 정제 기술에 적용이 확대되어지면서 멤브레인의 성능도 투과 수량보다는 제거 효율 향상에 대한 요구가 커지고 있다[1].
치환 상 전이 방법의 장점은 무엇인가? Sulfone계 고분자를 이용한 분리막 제조는 대부분 용매-비용매 치환 상 전이 방법에 의존하고 있다. 열역학적으로 안정한 용액상태의 고분자 용액을 비용매와 접촉시킴으로써 metastable한 상태를 지나 응고핵이 형성되고 이때 조성에 따라 열역학적 안정도(Gibbs energy) 차이를 보이며 고분자와 용매가 상 분리를 일으키는 원리로 다공성이 부여된 분리막을 제조할 수 있다. 용매-비용매 치환 상 전이 방법은 이미 많은 연구들이 진행되었으며 고분자의 특성, 용매와 비용매의 선택, 고분자 용액의 조성, 응고조의 조성 등의 분리막 구조에 영향을 주는 parameter들이 연구되어져 왔다.
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참고문헌 (20)

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  11. Y. Ma, F. Shi, M. Wu, J. Zhang, and C. Gao, "Effect of PEG additive on the morphology and performance of polysulfone ultrafiltration membranes", Desalination, 272, 51 (2011). 

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  15. M.-J. Han, Effect of propionic acid in the casting solution on the characteristics of phase inversion polysulfone membranes, Desalination, 121, 31 (1999). 

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  17. S. J. Oh, N. Kim, and Y. T. Lee, "Preparation and characterization of PVDF/TiO2 organic-inorganic compositemembranes for fouling resistance improvement", J. Membr. Sci., 345, 13 (2009). 

  18. J. Gribble and S. Wherland, "Electron transfer in a series of cobalt clathrochelate s in nonaqueous solution", Inorg. Chem., 28, 2859 (1989). 

  19. B. Jung, Y. Son, Y. T. Lee, and N. Kim, "Preparation of Organic-inorganic Hybrid PES Membranes using Fe(II) Clathrochelate", Membrane Journal, 23, 80 (2013). 

  20. N. Kim, C.-S. Kim, and Y.-T. Lee, "Preparation and characterization of polyethersulfone membranes with p-toluenesulfonic acid and polyvinylpyrrolidone additives", Desalination, 233, 218 (2008). 

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