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직접술폰화반응에 의한 부분불소화 Poly(vinylidene fluroide)(PVDF) 양이온교환막의 합성 및 특성
Synthesis and Characteristics of Partially Fluorinated Poly(vinylidene fluroide)(PVDF) Cation Exchange Membrane via Direct Sulfonation 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.25 no.5, 2015년, pp.406 - 414  

강기원 (충남대학교 바이오응용화학과) ,  황택성 (충남대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 막 축전식 탈이온 공정에 적용하기 위해 온도와 시간을 달리하여 술폰화 Poly(VDF-co-hexafluoropropylene) copolymers (PVDF-co-HFP)을 합성 후 캐스팅법에 의해 양이온교환막이 제조되었다. 술폰화 PVDF (SPVDF)는 Fourier-transform infrared (FT-IR), $^1H$ Nuclear magnetic resonance ($^1H$ NMR)를 통해 구조확인을 하였고, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)를 통해 화학조성에 대한 정량적 분석을 하였다. 막 성능은 함수율이온교환용량전기저항을 측정하였고. $60^{\circ}C$에서 7시간 술폰화한 SPVDF 멤브레인이 이온교환용량 0.89 meq/g, 함수율 21.5%, 전기저항 $3.70{\Omega}{\cdot}cm^2$로 가장 우수하였다. 수중 이온제거 특성을 막 축전식 탈이온 방법(MCDI)으로 전압(0.9~1.5 V), 유속(10~40 mL/min)을 변수로 SPVDF의 탈염 특성을 확인하여 MCDI 공정에 적용가능 여부를 평가하였다. MCDI 충방전 시험 결과 최대 탈염제거율은 62.5%이었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, partially fluorinated cation exchange membranes were prepared by direct sulfonation of Poly(VDF-co-hexafluoropropylene) copolymers (PVDF-co-HFP) followed by a casting method for application in the Membrane capacitive deionization (MCDI). The structure of sulfonated PVDF-co-HFP (SPVDF)...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 PVDF-co-HFP에 직접 술폰화 반응을 통하여 PVDF 주쇄에 술폰산기를 합성함으로써 간편하게 양이온교환막을 제조하였으며 이들의 기본 특성을 평가하는데 목적을 두었다. 따라서 본 연구에 대한 결론은 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MCDI 공정이란 무엇인가? 전극 위에 이온교환막을 결합하여 전극이 직접 외부 전해질과 접촉하는 것을 방지하여 탈착 시 잔류한 이온이 재 흡착되어 탈염효율이 떨어지는 문제점을 해결하고자 Membrane capacitive deionization (MCDI) 공정이 활용되고 있다. MCDI 공정은 이온교환막의 도입으로 전극에 Co-ions를 제한하고 Counter-ions는 쉽게 전극에 의해 흡착되어 염 제거율이 CDI 공정에 비해서 더 증가하며, 탈염과 재생 과정 동안 생성되는 유독한 부 생성물(By-products)이 없는 친환경적인 공정이다[3,4].
Membrane capacitive deionization (MCDI) 공정의 단점은 무엇이 있는가? 하지만 실제 응용의 관점에서 MCDI는 유입용액의 90%에 달하는 다른 탈염 기술과 비교하여 낮은 비율로 염이온을 제거시키고, 특히 물질 전달 저항(Mass transfer resistance)이 생긴다는 단점을 지닌다. MCDI 공정을 개선하기 위해서 낮은 전기저항과 높은 이온전도도와 이온선택성을 지니고, 기계적 강도와 여러 화학물질에 대한 저항성과 열적 특성을 지닌 이온교환막이 요구되어진다.
수처리를 대표하는 분리막용 고분자 소재는 주로 무엇이 사용되는가? 수처리를 대표하는 분리막용 고분자 소재로는 주로 PVDF (Polyvinylidene fluoride), PTFE (Polytetrafluoroethylene) 등을 중심으로 한 불소계 고분자 소재가 주로 사용되고 있다. 그중에서 PVDF는 높은 기계적 강도 (mechanical properties)와 여러 화학물질에 대한 저항성과 열적 특성을 갖고 있으며, 높은 노화 저항성(Aging resistnace) 특성이 있어서 다양한 분야에서 많이 응용 되는 막 재료로 알려져 있다.
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참고문헌 (15)

  1. V. K. Gupta, I. Ali, T. A. Saleh, A. Nayak, and S. Agarwal, "Chemical treatment technologies for waste-water recycling-an overview", RSC Advances, 2, 6380 (2012). 

  2. P. Biesheuvel and A. Van der Wal, "Membrane capacitive deionization", J. Membr. Sci., 346 256 (2010). 

  3. F. A. AlMarzooqi, A. A. Al Ghaferi, I. Saadat, and N. Hilal, "Application of capacitive deionisa tion in water desalination: A review", Desalination, 342, 3 (2014). 

  4. S. J. Seo, J. H. Lee, J. K. Kim, G. Y. Park, D. Nojima, H. Lee, and S. H. Moon, "Investigation on removal of hardness ions by capacitive deionization(CDI) for water softening applications", Water Res., 44, 2267 (2010). 

  5. S. H. Moon and S. H. yun, "Process integration of electrodialysis for a cleaner environment", Current opinion in chemical engineering, 4, 25 (2014). 

  6. J. S. Kim and J. H. Choi, "Fabrication and characterization of a carbon electrode coated with cation- exchange polymer for the membrane capacitive deionization applications", J. Membr. Sci., 355, 85 (2010). 

  7. H. Li, Y. Gao, L. Pan, Y. Zhang, Y. Chen, and Z. Sun, "Electrosorptive desalination by carbon nanotubes and nanofibres electrodes and ion-exchange membranes", Water Res., 42, 4923 (2008). 

  8. Y. J. Kim and J. H. Choi, "Enhanced desalination efficiency in capacitive deionization with an ion-selective membrane", Sep. Purif. Tech., 71, 70 (2010). 

  9. F. Liu, N. A. Hashim, Y. Liu, M. R. Moghareh Abed, and K Li, "Progress in the production and modification of PVDF membranes", J. Membr. Sci., 375, 1 (2011). 

  10. Z. Cui, E. Drioli, and Y. M. Lee, "Recent progress in fluoropolymers for membranes", Prog. Polym. Sci., 39, 164 (2014). 

  11. G. Kang and Y. Cao, "Application and modification of poly (vinylidene fluoride)(PVDF) membranes- A review", J. Membr. Sci., 463, 145 (2014). 

  12. K. Dutta, S. Das, P. Kumar, and P. P. Kundu, "Polymer electrolyte membrane with high selectivity ratio for direct methanol fuel cells: A preliminary study based on blends of partially sulfonated polymers polyaniline and PVdF-co-HFP", Applied Energy, 118, 183 (2014). 

  13. K. Dutta, S. Das, and P. P. Kundu, "Low methanol permeable and highly selective membranes composed of pure and/or partially sulfonated PVdF-co-HFP and polyaniline", J. Membr. Sci., 468, 42 (2014). 

  14. S. Das, P. Kumar, K. Dutta, and P. P. Kundu, "Partial sulfonation of PVdF-co-HFP: a preliminary study and characterization for application in direct methanol fuel cell", Applied Energy, 113, 169 (2014). 

  15. H. Farrokhzad, T. Kikhavani, F. Monnaie, S. Ashrafizadeh, G. Koeckelberghs, T. Van Gerven, and B. Van der Bruggen, "Novel composite cation exchange films based on sulfonated PVDF for electromembrane separations", J. Membr. Sci., 167, 4 (2015). 

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