캐스팅법에 의한 전기투석용 고내구성 Polyvinylidene Fluoride (PVDF)계 양이온 불균질 이온교환막 제조 및 탈염특성 Preparation and Desalination Characteristics of Highly Durable Heterogeneous Cation-exchange Membrane Based on Polyvinylidene Fluoride (PVDF) by Casting Method for Electrodialysis원문보기
본 연구는 양이온 불균질막을 제조하기 위해 PVDF matrix에 상용 양이온교환수지와 sulfonated poly(phenylene oxide)(SPPO)를 배합하여 제조, 이온 흡착 특성에 관하여 연구하였다. 연구결과 PVDF-IER 불균질막과 PVDF-SPPO 불균질막 PVDF-SPPO-IER과 비교하였을 때 고분자매트릭스의 비율이 30% 이하일 경우 이온교환용량, 전기저항에서 우수한 물성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 인장강도의 경우 PVDF resin의 약한 내구성에도 불구하고 상용화 불균질막과 비교하여 최대 5배 이상의 강인한 모습을 보이고 있는 것으로 확인할 수 있었다. 따라서 화학적 특성과 기계적 특성을 고려했을 때 PVDF와 이온교환분말과 SPPO의 혼합 최적 비율은 30 : 70이며 이때의 전기저항은 $3{\sim}5{\Omega}{\cdot}cm^2$, 이온교환 용량은 0.6~1.0 meq/g으로 측정되었고 기계적 강도는 $12{\sim}15kgf/cm^2$으로 측정되었다.
본 연구는 양이온 불균질막을 제조하기 위해 PVDF matrix에 상용 양이온교환수지와 sulfonated poly(phenylene oxide)(SPPO)를 배합하여 제조, 이온 흡착 특성에 관하여 연구하였다. 연구결과 PVDF-IER 불균질막과 PVDF-SPPO 불균질막 PVDF-SPPO-IER과 비교하였을 때 고분자 매트릭스의 비율이 30% 이하일 경우 이온교환용량, 전기저항에서 우수한 물성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 인장강도의 경우 PVDF resin의 약한 내구성에도 불구하고 상용화 불균질막과 비교하여 최대 5배 이상의 강인한 모습을 보이고 있는 것으로 확인할 수 있었다. 따라서 화학적 특성과 기계적 특성을 고려했을 때 PVDF와 이온교환분말과 SPPO의 혼합 최적 비율은 30 : 70이며 이때의 전기저항은 $3{\sim}5{\Omega}{\cdot}cm^2$, 이온교환 용량은 0.6~1.0 meq/g으로 측정되었고 기계적 강도는 $12{\sim}15kgf/cm^2$으로 측정되었다.
This study was carried out to prepare a heterogeneous cation exchange membrane by mixing polyvinylidene fluoride (PVDF), commercial cation exchange resin and sulfonated poly(phenylene oxide)(SPPO) in order to propose an optimum condition for the preparation, and to compare its properties with commer...
This study was carried out to prepare a heterogeneous cation exchange membrane by mixing polyvinylidene fluoride (PVDF), commercial cation exchange resin and sulfonated poly(phenylene oxide)(SPPO) in order to propose an optimum condition for the preparation, and to compare its properties with commercial membrane. Study results show that the ion exchange capacity and electrical resistance were outstanding when the ratio of polymer matrix was less than 30% comparing between PVDF-IER, PVDF-SPPO and PVDF-SPPO-IER. The tensile strength was confirmed that seemed a hard look was five times greater compared to the commercial heterogeneous membrane, despite the weak durability of PVDF resin. Therefore, when chemical and mechanical properties are considered, the optimum mixing ratio between PVDF, IER and SPPO was 30 : 70, at which electric resistance was measured as $3{\sim}5{\Omega}{\cdot}cm^2$, ion exchange capacity as 0.6~1.0 meq/g, while mechanical strength was in a range of $12{\sim}15kgf/cm^2$.
This study was carried out to prepare a heterogeneous cation exchange membrane by mixing polyvinylidene fluoride (PVDF), commercial cation exchange resin and sulfonated poly(phenylene oxide)(SPPO) in order to propose an optimum condition for the preparation, and to compare its properties with commercial membrane. Study results show that the ion exchange capacity and electrical resistance were outstanding when the ratio of polymer matrix was less than 30% comparing between PVDF-IER, PVDF-SPPO and PVDF-SPPO-IER. The tensile strength was confirmed that seemed a hard look was five times greater compared to the commercial heterogeneous membrane, despite the weak durability of PVDF resin. Therefore, when chemical and mechanical properties are considered, the optimum mixing ratio between PVDF, IER and SPPO was 30 : 70, at which electric resistance was measured as $3{\sim}5{\Omega}{\cdot}cm^2$, ion exchange capacity as 0.6~1.0 meq/g, while mechanical strength was in a range of $12{\sim}15kgf/cm^2$.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 이러한 약점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 불균질 이온교환막이 갖는 matrix 단점을 보완할 수 있는 소재를 탐색하여 높은 기계적 강도와 여러 화학 물질에 대한 저항성과 높은 노화 저항성 특성이 있으며 DMAc, DMF, NMP 등과 같은 일반적인 유기 용매에 용해되는 Polyvinylidene fluoride (PVDF)[16,17]를 고분자 지지체로 사용한다, 그러나 PVDF는 관능기를 분자구조 내에서 갖고 있지 않아 이온들의 선택적 반응의 유용성을 가지고 있지 않다는 한계점이 있다[18,19]. 이를 개선하기 위하여 본 연구에서는 이온선택성을 가지고 있지만 내열성이 우수하고 기계적 강도가 우수한 SPPO (Sulfonated poly phenylene oxide)[20,21]와 상용 양이온교환수지를 교반기를 이용하여 불균질막의 성능이 일정하게 발현될 수 있도록 하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 PVDF와 상용 양이온교환수지, PVDF와 SPPO, PVDF, 이온교환수 지와 SPPO의 배합비율을 달리하여 casting법을 통해 제조한 세 가지 불균질 이온교환막의 morphology를 조사하여 이온교환수지가 균일하게 분산되었는지 확인하였으며, UTM으로 막의 기계적 강도와 측정하였다.
제안 방법
이를 개선하기 위하여 본 연구에서는 이온선택성을 가지고 있지만 내열성이 우수하고 기계적 강도가 우수한 SPPO (Sulfonated poly phenylene oxide)[20,21]와 상용 양이온교환수지를 교반기를 이용하여 불균질막의 성능이 일정하게 발현될 수 있도록 하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 PVDF와 상용 양이온교환수지, PVDF와 SPPO, PVDF, 이온교환수 지와 SPPO의 배합비율을 달리하여 casting법을 통해 제조한 세 가지 불균질 이온교환막의 morphology를 조사하여 이온교환수지가 균일하게 분산되었는지 확인하였으며, UTM으로 막의 기계적 강도와 측정하였다. 또한 불균질 막의 이온교환용량, 팽윤률, 함수율, 전기저항을 측정하여 morphology와 물리화학적 특성을 고찰하였다.
따라서 본 연구에서는 PVDF와 상용 양이온교환수지, PVDF와 SPPO, PVDF, 이온교환수 지와 SPPO의 배합비율을 달리하여 casting법을 통해 제조한 세 가지 불균질 이온교환막의 morphology를 조사하여 이온교환수지가 균일하게 분산되었는지 확인하였으며, UTM으로 막의 기계적 강도와 측정하였다. 또한 불균질 막의 이온교환용량, 팽윤률, 함수율, 전기저항을 측정하여 morphology와 물리화학적 특성을 고찰하였다. 이를 토대로 CDI PVDF 양이온 불균질막의 최적 제조조건 및 탈염 성능 시험을 하였다.
본 연구는 우수한 물성을 갖는 불균질 양이온교환막의 제조를 위하여 casting 방법으로 PVDF와 상용 양이온교환수지, SPPO의 배합비율을 달리하여 제조하고 이들의 기계적, 전기화학적 특성을 연구한 논문으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 불균질 막의 이온교환용량, 팽윤률, 함수율, 전기저항을 측정하여 morphology와 물리화학적 특성을 고찰하였다. 이를 토대로 CDI PVDF 양이온 불균질막의 최적 제조조건 및 탈염 성능 시험을 하였다.
제조한 불균질 이온교환 내의 SPPO와 IER의 분산상태를 조사하기 위하여 불균질 이온교환막을 gold coating 한 후 JEOL, JSM-7000F 전자 현미경을 사용하여 배율을 달리하여 불균질 이온교환막의 수지 분산성과 morphology를 관찰하였다.
대상 데이터
PVDF-SPPO 불균질 양이온교환막의 전기저항을 측정하기 위하여 HIOKI사의 Model 3522-50 LCR meter(Japan)를 사용하였다. 전기저항은 2-compartment cell 에 PVDF 불균질 양이온교환막을 1M NaCl 표준용액에 24시간 침적시킨 후 1.
본 연구에서는 불균질막을 제조하기 위하여 Polyvinylidene Fluoride (PVDF; Kynar®761) powder를 Arkema (France, Nanterre)사 제품을 사용하고, Table 1과 같은 조건의 cation exchange resin (TRILITE SCR-B)를 Samyang (Seoul, Korea)사 제품을 사용하였다. 또한 Table 2와 같은 조건의 sulfonated poly(phenylene oxide) 제품 용액을 Siontech (Daejeon, Korea)사의 제품을 사용하는 한편 반응 용매인 N.N Dimetylacetamide (DMAc; 99%)는 Samchun (Seoul, Korea)사의 제품을 사용하였다. 또한 불균질막과 비교하기 위한 상용화 불균질막 Ionac MC-3470 (sybron, USA)를 사용하였다.
본 연구에서는 불균질막을 제조하기 위하여 Polyvinylidene Fluoride (PVDF; Kynar®761) powder를 Arkema (France, Nanterre)사 제품을 사용하고, Table 1과 같은 조건의 cation exchange resin (TRILITE SCR-B)를 Samyang (Seoul, Korea)사 제품을 사용하였다. 또한 Table 2와 같은 조건의 sulfonated poly(phenylene oxide) 제품 용액을 Siontech (Daejeon, Korea)사의 제품을 사용하는 한편 반응 용매인 N.
이론/모형
PVDF-SPPO 양이온교환막의 이온교환용량을 적정법을 사용하여 측정하였다. 이온교환용량 측정을 위해 PVDF-SPPO 양이온교환막을 1M HCl 용액에 24시간 침적시켜 술폰산기를 SO3Hfoam으로 치환시켰다.
막의 인장시험은 ASTM D638의 7 mm 이하 시편 시험방법에 따라 Fig. 3와 같이 specimen을 제조하고, UTM (universal testing machine)을 이용하여 불균질막의 인장강도를 측정하였다.
성능/효과
1. 불균질 이온교환막 제조 시 casting법을 이용하여 고분자 지지체에 이온교환입자와 SPPO를 분산시킬 수 있음을 SEM 관찰을 통하여 확인하였으며 배합비율의 차이에 따라 분산에 차이가 있었다.
5. PVDF-IER의 탈염성능 시험결과 TDS 제거율은 최대 34.4%이었으며 PVDF-SPPO의 탈염성능 32%와 비슷한 성능을 보였다. 또한 PVDF 불균질막의 TDS 제거율은 상용화 불균질막보다 약간 낮게 나타났다.
6 meq/g이다. PVDF-SPPO 불균질 이온교환막의 이온교환용량은 SPPO의 함량이 증가함에 따라 증가하였으며 0.6~1.1 meq/g을 가진다. 또한 PVDF-SPPO-IER 불균질 막의 경우 0.
14에 나타냈다. 이온교환수지와 SPPO의 비율이 높아질수록 인장강도는 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 불균질 막의 기계적 강도는 고분자 matrix의 물성에 따라 결정되기 때문에 고분자의 비율이 높을수록 Tensile strength는 증가한다.
후속연구
현재 제조되는 불균질 이온교환막은 PE 기재에 이온교환 수지를 분산 고정시켜 제조하였는데 이들은 이온교환성능은 우수하나 막 강도가 약하여 이들을 보완하는 것이 시급한 실정이다. 따라서 이러한 약점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 불균질 이온교환막이 갖는 matrix 단점을 보완할 수 있는 소재를 탐색하여 높은 기계적 강도와 여러 화학 물질에 대한 저항성과 높은 노화 저항성 특성이 있으며 DMAc, DMF, NMP 등과 같은 일반적인 유기 용매에 용해되는 Polyvinylidene fluoride (PVDF)[16,17]를 고분자 지지체로 사용한다, 그러나 PVDF는 관능기를 분자구조 내에서 갖고 있지 않아 이온들의 선택적 반응의 유용성을 가지고 있지 않다는 한계점이 있다[18,19]. 이를 개선하기 위하여 본 연구에서는 이온선택성을 가지고 있지만 내열성이 우수하고 기계적 강도가 우수한 SPPO (Sulfonated poly phenylene oxide)[20,21]와 상용 양이온교환수지를 교반기를 이용하여 불균질막의 성능이 일정하게 발현될 수 있도록 하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이온교환막의 성능에 요구되는 사항은 무엇인가?
이온교환막을 이용한 공정은 낮은 에너지소비율과 높은 분리효율 때문에 여러 산업과 함께 발전되어 우리 생활과 밀접한 관계를 가지고 있다[1,2]. 그리하여 이온 교환막 산업의 급격한 성장과 더불어 이온교환막의 성능은 점차 우수해지고 있고 높은 투과선택성, 낮은 전기저항, 우수한 물리적 강도 및 화학적 안정성이 요구되고 있고 이와 관련하여 단점을 개선하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다[3]. 또한 이러한 이온교환막의 개발과 함께 기존의 탈염기술을 보완한 이온들의 흡착과 탈착 또는 탈염 및 재생과정이 가능하여 비교적 운전이 간편하고, 전기이중층을 형성할 수 있는 낮은 전압으로 탈염이 가능한 축전식 탈염 기술(capacitive deionization, CDI)의 활용도 대두되고 있다[4].
축전식 탈염 기술의 특징은 무엇인가?
그리하여 이온 교환막 산업의 급격한 성장과 더불어 이온교환막의 성능은 점차 우수해지고 있고 높은 투과선택성, 낮은 전기저항, 우수한 물리적 강도 및 화학적 안정성이 요구되고 있고 이와 관련하여 단점을 개선하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다[3]. 또한 이러한 이온교환막의 개발과 함께 기존의 탈염기술을 보완한 이온들의 흡착과 탈착 또는 탈염 및 재생과정이 가능하여 비교적 운전이 간편하고, 전기이중층을 형성할 수 있는 낮은 전압으로 탈염이 가능한 축전식 탈염 기술(capacitive deionization, CDI)의 활용도 대두되고 있다[4].
불균질 이온교환막의 제조 방법에는 어떤 것이 있는가?
불균질 이온교환막의 제조 방법으로는 이온교환수지 (Ion exchange resin, IER) 분말을 압출 또는 성형이 가능한 고무, PVC, 아크릴로니트릴 공중합체와 같은 매트릭스와 결합하여 제조될 수 있다[8]. 불균질막 제조방 법에는 i) 이온교환입자와 고분자 지지체를 혼합하여 압출(extruder) 또는 압축성형을 이용하여 제조하는 방법[9,10], ii) 고분자 지지체를 용매에 용해시켜 이온교환입자를 분산시킨 후 casting하여 용매를 증발건조 방법으로 제조[11-14], iii) 고분자 지지체를 용매에 용해시켜 이온교환입자를 분산한 뒤 casting하고 수용성 용매에 침전시켜 제조하는 방법이 있다[8,15].
참고문헌 (25)
S. M. Hosseini, S. S. Madaeni, A. R. Heidari, and A. Amirimehr, "Preparation and characterization of ion-selective polyvinyl chloride based heterogeneous cation exchange membrane modified by magnetic iron-nickel oxide nanoparticles", Desalination, 284, 191 (2012).
R. K. Nagarale, G. S. Gohil, V. K. Shahi, and R. Rangarajan, "Preparation and electrochemical characterizations of cation-exchange membranes with different functional groups", Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp, 251, 133 (2004).
C. S. Lee, H. S. Shin, J. H. Jun, S. Y. Jung, and J. W. Rhim, "Recent development trends of cation exchange membrane materials", Membr. J., 12, 1 (2002).
B. R. Lee, I. J. Jeong, and S. G. Park, "Effects of N & P treatment based on liquid organic materials for capacitive deionization (CDI)", J. Korean Electrochem. Soc., 16, 124 (2013).
G. S. Gohil, V. K. Shahi, and R. Rangarajan, "Comparative studies on electrochemical characterization of homogeneous and heterogeneous type of ion-exchange membranes", J. Membr. Sci., 240, 211 (2004).
P. V. Vyas, B. G. Shah, G. S. Trivedi, P. Ray, S. K. Adhikary, and R. Rangarajan, "Characterization of heterogeneous anion-exchange membrane", J. Membr. Sci., 187, 39 (2001).
S. M. Hosseini, S. S. Madaeni, A. Zendehnam, A. R. Moghadassi, A. R. Khodabakhshi, and H. Sanaeepur, "Preparation and characterization of PVC based heterogeneous ion exchange membrane coated with Ag nanoparticles by (thermal-plasma) treatment assisted surface modification", J. Ind. Eng. Chem., 19, 854 (2013).
J. Schauer and L. Brozova, "Heterogeneous ion-exchange membranes based on sulfonated poly (1,4-phenylene sulfide) and linear polyethylene: preparation, oxidation stability, methanol permeability and electrochemical properties", J. Membr. Sci., 250, 151 (2005).
T. S. Hwang and J. R. Choi, "The preparation and its properties of heterogeneous anion exchange membrane from polyethylene matrix with 4-Vinylpyridine-divinylbenzene", Korean J. Mater. Res., 8, 1061 (1998).
B. G. Shah, V. K. Shahi, S. K. Thampy, R. Rangarajan, and P. K. Ghosh, "Comparative studies on performance of interpolymer and heterogeneous ion-exchange membranes for water desalination by electrodialysis", Desalination, 172, 257 (2005).
N. Chen and L. Hong, "Proton-conducting membrane composed of sulfonated polystyrene microspheres, poly(vinylpyrrolidone) and poly(vinylidene fluoride)", Solid State Ionics., 146, 377 (2002).
J. V. Gasa, S. Boob, R. A. Weiss, and M. T. Shaw, "Proton-exchange membranes composed of slightly sulfonated poly(ether ketone ketone) and highly sulfonated crosslinked polystyrene particles", J. Membr. Sci., 269, 177 (2006).
X. Li, Z. Wang, H. Lu, C. Zhao, H. Na, and C. Zhao, "Electrochemical properties of sulfonated PEEK used for ion exchange membranes", J. Membr. Sci., 254, 147 (2005).
K. Hu, T. Xu, W. Yang, and Y. Fu, "Preparation of novel heterogeneous cation-permeable membranes from blends of sulfonated poly(phenylene sulfide) and poly(ether sulfone)", J. Appl. Polym. Sci., 91, 167 (2004).
Y. Wu, X. Yu, Y. Yang, B. Li, and Y. Han, "Studies on the reactive polyvinylidene fluoride-polyamide 6 interfaces: rheological properties and interfacial width", Polymer, 46, 2365 (2005).
M.-C. Clochard, J. Begue, A. Lafon, D. Caldemaison, C. Bittencourt, and J.-J. Pireaux, "Tailoring bulk and surface grafting of poly(acrylic acid) in electron-irradiated PVDF", Polymer, 45, 8683 (2004).
D. Wu, L. Wu, J.-J. Woo, S.-H. Yun, S.-J. Seo, T. Xu, and S.-H. Moon, "A simple heat treatment to prepare covalently crosslinked membranes from sulfonated poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) for application in fuel cells", J. Membr. Sci., 348, 167 (2010).
B. Kosmala and J. Schauer, "Ion-exchange membranes prepared by blending sulfonated Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) with polybenzimidazole", J. Appl. Polym. Sci., 85, 1118 (2002).
P. Kumar, K. Dutta, S. Das, and P. P Kundu, "Membrane prepared by incorporation of crosslinked sulfonated polystyrene in the blend of PVdF-co-HFP/Nafion: A preliminary evaluation for application in DMFC", Appl. Energy., 123, 66 (2014).
K.-Y. Wanga, T.-S. Chunga, and M. Grytab, "Hydrophobic PVDF hollowfiber membranes with narrowpore size distribution and ultra-thin skin for the freshwater production through membrane distillation", Chem. Eng. Sci., 63, 2587 (2008).
A. R Khodabakhshi, S. S. Madaeni, T. W. Xu, L. Wu, C. Wu, C. Li, W. Na, S. A. Zolanvan, A. Babayi, J. Ghasemi, S. M. Hosseini, and A. Khaledi, "Preparation, optimization and characterization of novel ion exchange membranes by blending of chemically modified PVDF and SPPO", Sep. Purif. Technol., 90, 10 (2012).
K. W. Kang and T. S. Hwang, "Synthesis and characteristics of partially fluorinated poly(vinylidene fluroide)(PVDF) cation exchange membrane via direct sulfonation", Membr. J., 5, 25 (2015).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.