FASs로 표면 개질한 소수성 막을 이용하여 수용액으로부터 에스테르 성분을 분리/농축 가능성을 알기 위하여, FASs (Fluoloalkyl-silanes-coupling agent)의 용해도파라미터를 구하여 에스테르와 물의 용해도 파라미터와 비교하였다. FASs의 용해도 파라미터는 ${\delta}_t=16.9$이었으며, 에스테르(ethyl acetate${\delta}_t=18.1$, propyl acetate ${\delta}_t=18.0$, ethyl propionate${\delta}_t=17.9$, butyl acetate ${\delta}_t=17.4$, ethyl butyrate${\delta}_t=17.0$)의 용해도 파라미터와 비슷하였다. 그러나, 물의 용해도 파라미터는 ${\delta}_t=47.8$이었으며, FASs의 용해도 파라미터(${\delta}_t=16.9$)와는 큰 차이를 나타내었다. 이것은 FASs로 표면 개질한 소수성 막이 물 보다는 에스테르 성분에 매우 큰 친화도를 나타내는 것을 의미한다. FASs로 표면개질한 알루미나 막을 통한 이들 에스테르 성분들의 투과플럭스에 대한 실험치는 용해도 파라미터에 의해 예측한 투과플럭스 크기의 순서와 거의 동일하였으며, 용해도 파라미터에 의한 투과플럭스 예측은 천연 향의 수용액으로부터 향의 주성분인 에스테르 성분을 분리/농축하는 데 적용할 수 있음을 보여준다.
FASs로 표면 개질한 소수성 막을 이용하여 수용액으로부터 에스테르 성분을 분리/농축 가능성을 알기 위하여, FASs (Fluoloalkyl-silanes-coupling agent)의 용해도 파라미터를 구하여 에스테르와 물의 용해도 파라미터와 비교하였다. FASs의 용해도 파라미터는 ${\delta}_t=16.9$이었으며, 에스테르(ethyl acetate ${\delta}_t=18.1$, propyl acetate ${\delta}_t=18.0$, ethyl propionate ${\delta}_t=17.9$, butyl acetate ${\delta}_t=17.4$, ethyl butyrate ${\delta}_t=17.0$)의 용해도 파라미터와 비슷하였다. 그러나, 물의 용해도 파라미터는 ${\delta}_t=47.8$이었으며, FASs의 용해도 파라미터(${\delta}_t=16.9$)와는 큰 차이를 나타내었다. 이것은 FASs로 표면 개질한 소수성 막이 물 보다는 에스테르 성분에 매우 큰 친화도를 나타내는 것을 의미한다. FASs로 표면개질한 알루미나 막을 통한 이들 에스테르 성분들의 투과플럭스에 대한 실험치는 용해도 파라미터에 의해 예측한 투과플럭스 크기의 순서와 거의 동일하였으며, 용해도 파라미터에 의한 투과플럭스 예측은 천연 향의 수용액으로부터 향의 주성분인 에스테르 성분을 분리/농축하는 데 적용할 수 있음을 보여준다.
To find out the feasibility of the separating/enriching esters from aqueous solution using FASs (Fluoloalkyl-silanes-coupling agent)-surface modified hydrophobic membrane, the solubility parameter of FASs was obtained and compared with those of esters and water. The value of the solubility parameter...
To find out the feasibility of the separating/enriching esters from aqueous solution using FASs (Fluoloalkyl-silanes-coupling agent)-surface modified hydrophobic membrane, the solubility parameter of FASs was obtained and compared with those of esters and water. The value of the solubility parameter of FASs (${\delta}_t=16.9$) was almost same with those of esters (ethyl acetate ${\delta}_t=18.1$, propyl acetate ${\delta}_t=18.0$, ethyl propionate ${\delta}_t=17.9$, butyl acetate ${\delta}_t=17.4$, ethyl butyrate ${\delta}_t=17.0$). However, the calculated value of the solubility parameter of water was ${\delta}_t=47.8$, which was far from the value of the solubility parameter of FASs (${\delta}_t=16.9$). This means that the FASs-modified membrane has a much higher affinity to esters than water. The experimental results of permeation flux of esters used in this study showed that the order of permeation flux predicted by the solubility parameter was almost coincide with experimental results. It might be concluded that the solubility parameter may be applicable for a separating/enriching flavors from aqueous natural-flavor solution, in which esters are main components of natural flavors.
To find out the feasibility of the separating/enriching esters from aqueous solution using FASs (Fluoloalkyl-silanes-coupling agent)-surface modified hydrophobic membrane, the solubility parameter of FASs was obtained and compared with those of esters and water. The value of the solubility parameter of FASs (${\delta}_t=16.9$) was almost same with those of esters (ethyl acetate ${\delta}_t=18.1$, propyl acetate ${\delta}_t=18.0$, ethyl propionate ${\delta}_t=17.9$, butyl acetate ${\delta}_t=17.4$, ethyl butyrate ${\delta}_t=17.0$). However, the calculated value of the solubility parameter of water was ${\delta}_t=47.8$, which was far from the value of the solubility parameter of FASs (${\delta}_t=16.9$). This means that the FASs-modified membrane has a much higher affinity to esters than water. The experimental results of permeation flux of esters used in this study showed that the order of permeation flux predicted by the solubility parameter was almost coincide with experimental results. It might be concluded that the solubility parameter may be applicable for a separating/enriching flavors from aqueous natural-flavor solution, in which esters are main components of natural flavors.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
ESCA 분석 : 실란 커플링제(FASs)로 표면 개질한 알루미나막 표면에서의 각 원소의 조성비와 결합여부를 알아보기 위하여 표면분석장치(Electron Spectroscope for Chemical Analysis (ESCA); ARIESARSC 10MCD 150, VSW, 영국)를 이용하여 분석하였다. 개질된 막 표면에서의 O/Si : C/Si : F/Si : Cl/Si의 원소비는 각각 0.
FASs로 표면을 개질된 소수성 무기막의 분리성능을 예측하기 위하여, Hansen의 용해도 파라미터를 이용하여, 코팅물질인 FASs의 용해도 파라미터를 구하였으며, 이 막(membrane)에 의한 분리대상 물질인 ester (ethyl acetate, propyl acetate, ethyl propionate, butyl acetate, ethyl butyrate), 알코올 (이소프로판올, 부탄올), 그리고 용매인 물의 용해도 파라미터를 구하였다.
FT-IR Spectra 분석 : 실란 커플링제(FASs, Fluoloalkylsilanes)로 표면 개질한 알루미나막 표면의 소수성을 확인하기 위해 FT-IR 분석(FT-3000, BIO-RAD, U.S.A.; FT-IR의 분해능은 2 cm-1)을 실시하였으며, FASs로 코팅한 다공성 알루미나막 표면에서의 Si-O-Al, Si-O-Si, Si-C, -CF2-, -CF3의 관능기 도입여부를 확인하였다.
코팅 전 순수 알루미나 막 표면의 불순물을 제거하기 위하여 아세톤으로 세척하고 건조시켰다. 다공성 알루미나 막의 양단은 테프론 마개를 이용하여 양끝을 밀폐시킨 후, 제조한 코팅용액(헥사데칸 : 사염화탄소 : 클로로포름 : 실란 커플링제 = 300 : 30 : 30 : 1 v/v)에 상온에서 12시간 동안 담가 두어 코팅하였다. 12시간 동안 처리된 알루미나 막에 잔류한 코팅 용액을 제거하기 위해서 클로로포름으로 알루미나 막을 세척한 후 건조하였다.
본 연구에서는 기존의 알루미나 무기막 지지체(substrate)의 표면에 silane-coupling제를 코팅하여 제조한 초소수성(super-hydrophobic) 기능성 막에 대한 유기물들의 친화도(affinity)를 예측하였다. 코팅물질인 FASs (fluoroalkyl silane)의 용해도 파라미터(solubility parameter)와 분리대상 물질인 ester (ethyl acetate, propyl acetate, ethyl propionate, butyl acetate, ethyl butyrate), 알코올(이소프로판올, 부탄올), 그리고 용매인 물의 용해도 파라미터를 구하였으며, 이들의 용해도 파라미터로부터 개질된 표면과 분리대상 물질 간의 친화도를 예측함으로서 FASs로 코팅한 막으로 천연 향의주성분인 esters의 분리 및 농축에의 적용 가능성을 예측하였다.
실란 커플링제로 표면 개질된 다공성 알루미나막의 표면을 분석하기 위하여 FT-IR, ESCA, SEM, 접촉각 측정을 수행하였다.
건조시킨후, 알루미나 막의 표면에 남아 있는 잔류 클로로포름을 제거하기 위해서 초순수로 수차례 세척하였다. 제조된 막은 120℃에서 30분간 열처리과정을 거친 후, 투과 증발 시스템에 적용하기 위해 모듈로 제작하였다.
본 연구에서는 기존의 알루미나 무기막 지지체(substrate)의 표면에 silane-coupling제를 코팅하여 제조한 초소수성(super-hydrophobic) 기능성 막에 대한 유기물들의 친화도(affinity)를 예측하였다. 코팅물질인 FASs (fluoroalkyl silane)의 용해도 파라미터(solubility parameter)와 분리대상 물질인 ester (ethyl acetate, propyl acetate, ethyl propionate, butyl acetate, ethyl butyrate), 알코올(이소프로판올, 부탄올), 그리고 용매인 물의 용해도 파라미터를 구하였으며, 이들의 용해도 파라미터로부터 개질된 표면과 분리대상 물질 간의 친화도를 예측함으로서 FASs로 코팅한 막으로 천연 향의주성분인 esters의 분리 및 농축에의 적용 가능성을 예측하였다.
대상 데이터
) 막((주)동서)을 지지체(substrate)로 사용하였다(Table 1). 알루미나 막의 표면을 소수성으로 개질하기 위하여 silane-coupling agent (FASs, Fluoloalkylsilanes, 시그마알드리치)를 사용하였다. 코팅 전 순수 알루미나 막 표면의 불순물을 제거하기 위하여 아세톤으로 세척하고 건조시켰다.
표면개질을 위한 다공성 지지막은 튜브형(tube-type) 알루미나(α-Al2O3) 막((주)동서)을 지지체(substrate)로 사용하였다(Table 1).
성능/효과
SEM에 의한 표면 분석 : 소수성 실란 커플링제(FASs)로 표면 개질한 다공성 알루미나막의 표면과 단면을 전자현미경(SEM; Hitachi, Model S-510)을 이용하여 분석하였으며, 막 표면에서의 실란 커플링제들이 표면에 약 20 nm 두께로 코팅되어 있는 것을 알 수 있었다.
그러나, 용해도 파라미터에 의해 예측한 투과 플럭스의 크기의 순서가 Ethyl acetate < Propyl acetate < Ethyl propionate < Ethyl butyrate인 것과 실제로 측정한 실험치에 의한 투과플럭스의 크기 순서가 거의 일치함을 알 수있었다.
또한, 용해도 파라미터에 의해 예측한 투과 플럭스의 크기의 순서가 Ethyl acetate < Propyl acetate < Ethyl propionate < Ethyl butyrate인 것과 실제로 측정한 실험치에 의한 투과플럭스의 크기 순서가 거의 일치함을 알 수 있었다.
본 실험에서 사용한 막은 비다공성 평판이 아니라 다공성이면서 튜브형의 굴곡 표면임에도 불구하고 물방울의 접촉각 (θ)이 162°를 나타내는 것은 강한 소수성 표면임을 보여 준다.
전술한 바와 같이 알루미나 막의 표면 개질 성분인 FASs에 대한 친화도는 Ethyl acetate (δt = 18.1) < Propyl acetate (δt = 18.0) < Ethyl propionate (δt = 17.9)< Butyl acetate (δt = 17.4) < Ethyl butyrate (δt = 17.0) 이었으나, 실험으로 측정한 투과 플럭스는 ethyl propionate가 butyl acetate보다 소량 크게 나타났다.
후속연구
또한, 용해도 파라미터에 의해 예측한 투과 플럭스의 크기의 순서가 Ethyl acetate < Propyl acetate < Ethyl propionate < Ethyl butyrate인 것과 실제로 측정한 실험치에 의한 투과플럭스의 크기 순서가 거의 일치함을 알 수 있었다. 그러므로 용해도 파라미터에 의한 투과 플럭스의 예측은 ester류의 유기물의 flux를 예측하는데 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 판단되며, FASs로 표면 개질한 막을 이용하여, 저농도의 향 성분이 함유되어 있는 천연혼합물 수용액로 부터의 향 성분의 분리⋅농축에 사용할 수 있을 것이다.
그러나, 용해도 파라미터에 의해 예측한 투과 플럭스의 크기의 순서가 Ethyl acetate < Propyl acetate < Ethyl propionate < Ethyl butyrate인 것과 실제로 측정한 실험치에 의한 투과플럭스의 크기 순서가 거의 일치함을 알 수있었다. 따라서, 용해도 파라미터에 의한 투과 플럭스의 예측은 ester류의 유기물의 flux를 예측하는데 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
막소재에 대한 특정 성분의 용해도 특성을 예측하기 위한 방법에는 어떠한 것들이 있는가?
막소재에 대한 특정 성분의 용해도 특성을 예측하기 위한 방법으로 용해도 파라미터를 이용하는 방법[4-6], 플러리-허긴스 식을 변형한 방법[7-10], 표면장력을 이용한 방법[11] 등이 있으며, 막의 분리성능을 예측하기 위한 방법으로 이용되고 있다. Dorgan 등은 용해도 파라미터 방법으로 벤젠/사이클로헥산 혼합물의 투과증발 성능을 계산하여 보고하였다[12].
표면을 개질하여 기능성을 부여한 막의 장점은 무엇인가?
특히, 표면을 개질하여 기능성을 부여한 막[2]을 이용하여 특정한 혼합물을 분리하고자 할 경우에는 표면을 개질할 적절한 막소재를 선정하는 기준으로 활용할 수 있다. 막 표면을 개질하는 목적으로는 막의 기능성을 부여하는 것 뿐아니라 실란(silane) 등의 소재를막 표면에 코팅하여 막의 안정성을 높이기도 한다[3].
막분리 공정의 분리 메커니즘은 어떠한가?
막분리 공정의 분리 메카니즘은 막이 가지고 있는 미세공의 형태, 미세공의 크기, 막의 물리⋅화학적 특성과 분리대상 물질의 형태, 크기, 물리⋅화학적 특성에 따라 압력, 농도 등의 추진력에 의하여 분리가 이루어진다. 대부분의 막분리 공정은 단순히 막의 물리적 특성(미세 공의 형태, 미세공의 크기 등)과 분리대상 물질의 물리적 특성(형태, 크기 등)을 이용하고 있다.
참고문헌 (17)
H. Jang, I. C. Kim, and Y. Lee, "Membrane permeation characteristics and fouling control through the coating of poly(vinyl alcohol) on PVDF membrane surface", Membrane Journal, 24, 276 (2014).
C. H. Park, H. S. Kim, and Y. M. Lee, "surface modification of proton exchange membrane by introduction of excessive amount of nanosized silica", Membrane Journal, 24, 301 (2014).
Y. S. Kang, S. W. Lee, U. Y. Lee, and J. S. Shim, "Pervaporation of water-ethanol mixtures through crosslinked and surfacemodified poly(vinyl alcohol) membrane", J. Membr. Sci., 51, 215 (1990).
J. W. Rhim and R. K. Kim, "Pervaporation separation of MTBE-methanol mixtures using cross-linked PVA membranes", J. Appl. Polym. Sci., 75, 1699 (2000).
S. C. George, K. N. Ninan, and S. Thomas, "Pervaporation separation of chlorinated hydrocarbon and acetone mixtures with crosslinked styrene-butadiene rubber and natural rubber blend membranes", J. Membr. Sci., 176, 131 (2000).
M. Niang, G. Luo, and P. Schaetzel, "Pervaporation separation of methyl tert-butyl ether/methanol mixtures using a high-performance blended membrane", J. Appl. Polym. Sci., 64, 875 (1997).
R. Y. M. Huang, R. Pal, and G. Y. Moon, "Pervaporation dehydration of aqueous ethanol and isopropanol mixtures through alginate/chitosan two-ply composite membranes supported by poly(vinylidene fluoride) porous membrane", J. Membr. Sci., 167, 275 (2000).
A. A. Bhat and V. G. Pangarkar, "Methanol-selective membranes for the pervaporative separation of methanol-toluene mixtures", J. Membr. Sci., 167, 187 (2000).
C. J. Brinker, R. Sehgal, S. L. Hietala, R. Deshpande, D. M. Smith, D. Loy, and C. S. Ashley, "Sol-gel strategies for controlled porosity inorganic materials", J. Membr. Sci., 94, 85 (1994).
S. Sakohara, F. Muramoto, T. Sakata, and M. Asaeda, "Separation of acetone/water mixture by thin acrylamide gel membrane prepared in pores of thin ceramic membrane", J. Chem. Eng. Jpn., 23, 40 (1990).
C. M. Hansen, "Hansen Solubility Parameters; A User's Handbook", CRC Press, 2nd ed. (2012).
V. Nguyen, W. Yoshida, J. D. Jou, and Y. Cohen, "Kinetics of free-radical graft polymerization of 1-vinyl-2-pyrrolidone onto silica", J. Polym. Sci. A, 40, 26 (2002).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.