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친환경용매 기반의 술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰 랜덤 공중합체 Thin Film Composite 제조
Preparation of Disulfonated Poly(arylene ether sulfone) Random Copolymer Thin Film Composite Membranes Using a Benign Solvent 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.24 no.4, 2014년, pp.292 - 300  

이창현 (버지니아텍 화학과) ,  제임스 맥그라스 (버지니아텍 화학과) ,  베니프리만 (텍사스주립대학 화공과, 에너지환경자원센타)

초록
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내염소성을 갖는 염제거공정용 술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰 랜덤 공중합체(SPAES) thin film composite (TFC)막이 모노글라임 용매를 이용하여 제조되었다. 모노글라임은 선택층인 SPAES만을 용해시키며, 다공성 폴리술폰(예 : Udel$^{(R)}$)층에 대해 비용해성을 지녀, TFC 제조를 위한 선택적 용매로 사용될 수 있다. 또한 개미산이나 디에틸글리콜과는 달리, 환경적으로 무해하며, 매우 낮은 끊는점을 지녔다는 점이 또 다른 장점이 될 수 있다. 다공성 Udel$^{(R)}$ 지지체 위에 코팅시, 코팅용액이 기공구조에 침투하여 유수량을 감소시키는 기공투과현상이 발생하는데, 이를 최소화하기 위해 지지체를 이소프로필알콜과 글리세린 혼합액에서 전처리 후에, 코팅-건조 공정을 통해 결함이 없는 SPAES TFC로 제조된다. 또한, SPAES 선택층의 술폰화도, 고정이온의 염상태 및 물리-화학적 가교효과를 SPAES TFC막을 통한 투과거동과 관련하여 관찰하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Chlorine-resistant sulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymer (SPAES)-thin film composite (TFC) membranes for desalination are prepared using monoglyme as a selective solvent, which dissolves SPAES, but should be inert to porous polysulfone layer (e.g., Udel$^{(R)}$). Differe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • )을 선택적 용매로 선정하였고, 기공구조변형을 최소화하는 코팅-건조 연속공정을 적용하여 TFC을 제조하였다. 또한 고분자 주쇄의 친수화도 및 물리-화학적 가교, 후처리 등의 다양한 방법을 적용하여, 각 방법별 유수량 및 염제거율 간의 상관관계를 규명코자 하였다.
  • 본 연구에서는 친환경 선택적 용매를 이용하여 내염소성을 갖는 차세대 NF 및 RO용도의 수처리용 술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰 랜덤 공중합체 TFC막 제조하였으며, 제조된 TFC막의 선택층의 친수화도, 물리-화학적 가교, 후처리를 통한 투과특성을 평가하였다. 이를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다:

가설 설정

  • 6. (a) Effects of salt conversion and physical crosslinking on water flux and salt rejection through TFC membranes and (b) chemical structure of PEI used as a physical crosslinker.
  • 이를 위해 기형성된 BisAH-35층에 염기성을 갖는 PEI 박막층을 추가 코팅함으로써, BisAH-35의 -SO3-와 PEI의 1차 및 2차 아민의 -NH2+ 및 -NH3+기 사이에 이온결합을 통한 염 제거율 향상을 유도하였다. 더불어, PEI는 수용성 고분자이므로, 기형성된 BisAH-35층과 이온결합을 하는 계면을 제외하고, 과다하게 코팅된 PEI층이 물과 접촉 시 쉽게 제거될 수 있으므로, 박막의 물리적 가교층 형성을 통해 유수량 감소는 최소화될 것이라 기대하였다. 이 실험을 위해 모노글라임에 녹인 PEI 1 wt% 용액을 사용하였고, BisAH-35 TFC 막 위에 PEI층을 코팅한 후, 60℃에서 1시간, 80℃ 진공 하에서 1시간 건조하여 용매를 완전히 제거하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰 랜덤 고분자의 응용분야의 특징은? 술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰 랜덤 고분자(disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymers; SPAES) 및 유도체는 그들의 고분자 주쇄에 있는 친수성 술폰산 (-SO3-)기와 그로 인해 형성된 수채널(water channels)로 인해 양이온 및 물을 선택적으로 투과전달할 수 있는 다양한 응용에 사용되어져 왔다. 이러한 범주로는 연료전지[1-5], 농도차발전[6].
술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰 랜덤 고분자의 응용분야의 예는? 술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰 랜덤 고분자(disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymers; SPAES) 및 유도체는 그들의 고분자 주쇄에 있는 친수성 술폰산 (-SO3-)기와 그로 인해 형성된 수채널(water channels)로 인해 양이온 및 물을 선택적으로 투과전달할 수 있는 다양한 응용에 사용되어져 왔다. 이러한 범주로는 연료전지[1-5], 농도차발전[6]. 수처리(water purification)[7-9]등이 있다. 일반적으로 수처리 응용, 특히 나노여과 (nanofiltration; NF) 또는 역삼투(reverse osmosis; RO) 소재로 SPAES 고분자가 사용될 경우, 박테리아를 제거하기 위해 사용하는 염소계 살균제(예 : Sodium hypochlorite, NaOCl)에 대한 높은 저항성을 보이는 반면, 대표적인 NF/RO 소재인 폴리아마이드(polyamide, PA) thin film composite (TFC)은 빠른 시간 내 염소화가 진행되어 유수량(water flux)이 향상되는 반면, 단시간 내 염제거율 저하, 그로 인한 수명특성 감소현상이 두드러지게 관찰된다[7-10].
SPAES 고분자가 수처리 응용에 사용될 경우의 특징은? 수처리(water purification)[7-9]등이 있다. 일반적으로 수처리 응용, 특히 나노여과 (nanofiltration; NF) 또는 역삼투(reverse osmosis; RO) 소재로 SPAES 고분자가 사용될 경우, 박테리아를 제거하기 위해 사용하는 염소계 살균제(예 : Sodium hypochlorite, NaOCl)에 대한 높은 저항성을 보이는 반면, 대표적인 NF/RO 소재인 폴리아마이드(polyamide, PA) thin film composite (TFC)은 빠른 시간 내 염소화가 진행되어 유수량(water flux)이 향상되는 반면, 단시간 내 염제거율 저하, 그로 인한 수명특성 감소현상이 두드러지게 관찰된다[7-10]. 따라서, 높은 수투과도와 염제거율을 갖는 SPAES 기반의 TFC 개발 시, PA에 비해 높은 수명특성향상이 기대되어진다.
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참고문헌 (19)

  1. M. A. Hickner, H. Ghassemi, Y. S. Kim, B. R. Einsla, and J. E. McGrath, "Alternative polymer systems for proton exchange membranes (PEMs)", Chemical Reviews, 104, 4587-4612 (2004). 

  2. K. Yoon, J. H. Choi, J .K. Choi, S. K. Hong, Y. T. Hong, and H. Byun, "Fabrication and characterization of partially covalent-crosslinked poly(arylene ether sulfone)s for use in a fuel cell", Membrane Journal, 18, 274-281 (2008). 

  3. K. K. Lee, T. H. Kim, T. S. Hwang, and Y. T. Hong, "Novel Sulfonated Poly(arylene ether sulfone) Composite Membranes Containing Tetraethyl Orthosilicate (TEOS) for PEMFC Applications", Membrane Journal, 20, 278-289 (2010). 

  4. D. J. Kim, H. Y. Hwang, and S. Y. Nam, "Characterization of composite membranes made from sulfonated poly(arylene ether sulfone) and vermiculite with high cation exchange capacity for DMFC applications", Membrane Journal, 21, 389-397 (2011). 

  5. C. H. Park, C. H. Lee, M. D. Guiver, and Y. M. Lee, "Sulfonated hydrocarbon membranes for medium-temperature and low-humidity proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs)", Progress in Polymer Science, 36, 1443-1498 (2011). 

  6. J. W. Post, J. Veerman, H. V. M. Hamelers, G. J. W. Euverink, S. J. Metz, K. Nymeijer, and C. J. N. Buisman, "Salinity-gradient power: Evaluation of pressure-retarded osmosis and reverse electrodialysis", Journal of Membrane Science, 288, 218-230 (2007). 

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  10. T. Knoell, "Municipal wastewater: chlorine's impact on the performance and properties of polyamide membranes", Ultrapure Water, 23, 24-31 (2006). 

  11. G. M. Geise, H. B. Park, A. C. Sagle, B. D. Freeman, and J. E. McGrath, "Water permeability and water/salt selectivity tradeoff in polymers for desalination", Journal of Membrane Science, 369, 130-138 (2011). 

  12. W. Xie, J. Cook, H. B. Park, B. D. Freeman, C. H. Lee, and J. E. McGrath, "Fundamental salt and water transport properties in directly copolymerized disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymers", Polymer, 52, 2032-2043 (2011). 

  13. C. H. Lee, K.-S. Lee, O. Lane, J. E. McGrath, Y. Chen, S. Wi, S. Y. Lee, and Y. M. Lee, "Solvent-assisted thermal annealing of disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymers for low humidity polymer electrolyte membrane fuel cells", RSC Advances, 2, 1025 (2012). 

  14. C. H. Lee, W. Xie, D. VanHouten, J. E. McGrath, B. D. Freeman, J. Spano, S. Wi, C. H. Park, and Y. M. Lee, "Hydrophilic silica additives for disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymer membranes", Journal of Membrane Science, 392-393, 157-166 (2012). 

  15. M. Paul, H. B. Park, B. D. Freeman, A. Roy, J. E. McGrath, and J. S. Riffle, "Synthesis and crosslinking of partially disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymers as candidates for chlorine resistant reverse osmosis membranes", Polymer, 49, 2243-2252 (2008). 

  16. C. H. Lee, B. D. McCloskey, J. Cook, O. Lane, W. Xie, B. D. Freeman, Y. M. Lee, and J. E. McGrath, "Disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymer thin film composite membrane fabricated using a benign solvent for reverse osmosis applications", Journal of Membrane Science, 389, 363-371 (2012). 

  17. The Merck Index: An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals, Merck Research Laboratories, Division of Merck & Co., Inc., Whitehouse station, NJ (1996). 

  18. The Physical and Theoretical Chemistry Laboratory (Ed.): Chemical and Other Safety Information in, Oxford University (2011). 

  19. K. E. Kinzer, D. R. Lloyd, J. P. Wightman, and J. E. McGrath, "Asymmetric membrane preparation from nonsolvent casting systems", Desalination, 46, 327-334 (1983). 

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