선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 그러나 소재 개발의 관점에서 FO 공정에 적합한 분리막의 개발을 하기 위한 보다 근본적인 해결 방법은 기존 RO 분리막 구조를 벗어난 새로운 시도들이 필요하다. 본 연구에서는 그 해결 방법의 하나로 복합 박막의 지지층 구조를 기존 RO의 조밀한 sponge-like structure에서 비대칭성이 향상된 미세다공성(microporous) 구조를 가지며 저항이 유발되는 두께를 줄이는 방법을 연구하고자 한다. 기존 RO막은 삼투압보다 높은 압력의 구동력이 외부에서 전달되어야 하므로 기계적 강도가 무시할 수 없는 물리적 특성이었다.
- 본 연구에서는 효과적인 비대칭 막의 제조를 위하여부직포의 두께를 줄인 고분자 재료의 FO 복합막 제조방법에서 TEOS를 이용한 sol-gel 반응을 PS와 PA 경계면에 정착시킴으로써 유-무기 복합막을 형성하여 유량과 제거 효율이 향상된 막을 제막하고자 하였다. FO막을 통과한 투과수가 분리막 내부로부터 배출이 일어나는 것을 원활하게 하고 유도용액의 유입을 향상시키기 위하여 막저항을 줄이는 방법으로 폴리에스터 부직포의 두께를 33µm로 줄여 FO 복합 박막(PS_PA)을 제조함으로써 부직포에 의한 액상의 이동 저항을 최소화시키고자 하였다.
- 복합막은 압력에 대한 기계적 강도를 가져야 하므로 sponge-like 구조를 가져야 하고, RSF를 높이기 위하여 표면에 활성층이 존재하여야 하며, 분리막의 수투과 저항을 줄여주기 위하여 분리막 저항 감소를 줄이는 박막 구조를 가져야한다. 이러한 인자들을 고려하면서도 내부 농도 분극을 최소화하는 PS_PA 경계층에 polysiloxane 친수층을 정착시키는 개질 방법을 적용하고자 하였다.
제안 방법
- 2.2.1에서 얻은 PS_PA막에 2.2.2의 방법으로 준비한 TEOS 용액을 처리함으로써 PS_PA_TEOS 분리막을 얻었다. 여기서 PS_PA_TEOS 명명법의 결정은 먼저 PS 지지층을 제조한 후 PA 계면중합을 실시하고 마지막으로 TEOS를 sol-gel 중합하는 순서를 따랐음을 의미한다.
- 20~22°C에서 15분 동안 FO 평가기를 안정화 시킨 후,1시간 동안 단위 시간당 투과 유량를 측정하여 그 평균값을 flux로 결정하였다.
- Casting은 Polyester 부직포(05-TH-08)위에서 knife casting 방식으로 실시되었으며 casting 나이프의 두께는 150 µm로 고정하여 실시하였다.
- )을 이용하여 분석하였다. FE-SEM분석 시 단면, 표면 모두 carbon coating 전처리 후 고진공 고해상도 분석을 실시하였다. 단면 분석 시료 준비에 있어서 RO분리막은 부직포와 PSF 층의 분리가용이하여 액화질소로 얼린 후 파쇄된 단면을 촬영할 수 있었다.
- FO막을 통과한 투과수가 분리막 내부로부터 배출이 일어나는 것을 원활하게 하고 유도용액의 유입을 향상시키기 위하여 막저항을 줄이는 방법으로 폴리에스터 부직포의 두께를 33µm로 줄여 FO 복합 박막(PS_PA)을 제조함으로써 부직포에 의한 액상의 이동 저항을 최소화시키고자 하였다.
- 먼저, 지지층 제조 과정을 연속식 제막 공정을 통하여 복합 박막에 적용이 가능하면서도 기존의 RO복합 박막의 지지층이 가지는 조밀한 sponge- like structure 내부에 실란 화합물 또는 polysiloxane을 충진한 공정을 도입함으로써 내부 농도 분극을 최소화한 새로운 지지층 구조를 제시하고자 한다. FO막의 기본 구조는 폴리에스터(polyester, PET) 부직포상에 sponge- like 구조를 가지는 폴리술폰(polysulfone, PSF)이 도포된 지지층과 방향족 PA 복합 박막 사이에 친수성 polysiloxane을 형성시킴으로써 내부 농도 분극을 최소화하는 방법을 시도하였다. 이렇게 얻어진 새로운 구조의지지층을 이용하여 복합 박막을 형성하였을 때, FO공정 적용 시 수투과 성능, 농도 분극 특성에 따른 정삼투 공정 투과 성능 변화를 알아보았다.
- 이에 지지층 시편의 양쪽에 장력을 준 상태로 면도날로 충격을 주어 파쇄된 단면의 내측 부위를 측정하였다. SEM-EDX (Energy dispersive X-ray, Stereoscan440)를 통해 분리막 단면의 위치에 따른 탄소, 산소, 실리콘, 황 원소의 상대 분포 값을 조사하였다.
- FO막을 통과한 투과수가 분리막 내부로부터 배출이 일어나는 것을 원활하게 하고 유도용액의 유입을 향상시키기 위하여 막저항을 줄이는 방법으로 폴리에스터 부직포의 두께를 33µm로 줄여 FO 복합 박막(PS_PA)을 제조함으로써 부직포에 의한 액상의 이동 저항을 최소화시키고자 하였다. 또 다른 시도로 PS와 PA 경계면에 polysiloxane을 도입함으로써 투과수가 지지층 내부로 침투하는 것을 향상시키는 효과를 이용하여 농도분극 현상을 줄여주는 방법을시도하였다. PS 지지층에 TEOS를 정착시킨 후 PA를 코팅하는 방법(PS_TEOS_PA), PS 지지층에 PA 코팅한 후TEOS를 정착시키는 방법(PS_PA_TEOS)을 적용하였다.
- 본 연구에서 구현하고자 한 목적은 다음으로 요약할 수 있다. 먼저, 지지층 제조 과정을 연속식 제막 공정을 통하여 복합 박막에 적용이 가능하면서도 기존의 RO복합 박막의 지지층이 가지는 조밀한 sponge- like structure 내부에 실란 화합물 또는 polysiloxane을 충진한 공정을 도입함으로써 내부 농도 분극을 최소화한 새로운 지지층 구조를 제시하고자 한다. FO막의 기본 구조는 폴리에스터(polyester, PET) 부직포상에 sponge- like 구조를 가지는 폴리술폰(polysulfone, PSF)이 도포된 지지층과 방향족 PA 복합 박막 사이에 친수성 polysiloxane을 형성시킴으로써 내부 농도 분극을 최소화하는 방법을 시도하였다.
- 반면, PS_PA막은 부직포의 두께가 33 µm로 박막을 적용하고 12중량%의 PS 용액으로 지지층을 제조하여 다공성을 향상시킨 방법으로 FO 복합막을 제조하였다.
- 1의 방향으로 가함으로써PS_TEOS 복합막을 얻었다. 얻어진 PS_TEOS 복합막을 MPD 3.5 중량 % 수용액과 TMC 0.15 중량 %를 함유한 ISOL E 용액으로 계면 중합을 실시하였으며 sodium carbonate 5% 수용액에서 2시간 이상 세정함으로써 PS_TEOS_PA계 FO복합막을 제조하였다. sodiumcarbonate로 세정된 FO막을 증류수로 2-3회 씻어낸 후 다시 24시간 이상 증류수에 침지하였다.
- 18중량%의 TEOS를 첨가한 후 60°C에서 24시간 교반하여 균일한 용액이 되도록 녹였다. 이 후 용액 속의 기포제거, 질소 충진 후 casting 과정과 PA 복합 박막 제조방법은 2.2.2의 PS_PA 제조 방법을 따라 PS_TEOS doped_PA 분리막을 제조하였다.
- FO막의 기본 구조는 폴리에스터(polyester, PET) 부직포상에 sponge- like 구조를 가지는 폴리술폰(polysulfone, PSF)이 도포된 지지층과 방향족 PA 복합 박막 사이에 친수성 polysiloxane을 형성시킴으로써 내부 농도 분극을 최소화하는 방법을 시도하였다. 이렇게 얻어진 새로운 구조의지지층을 이용하여 복합 박막을 형성하였을 때, FO공정 적용 시 수투과 성능, 농도 분극 특성에 따른 정삼투 공정 투과 성능 변화를 알아보았다. 복합막은 압력에 대한 기계적 강도를 가져야 하므로 sponge-like 구조를 가져야 하고, RSF를 높이기 위하여 표면에 활성층이 존재하여야 하며, 분리막의 수투과 저항을 줄여주기 위하여 분리막 저항 감소를 줄이는 박막 구조를 가져야한다.
- 응고조의 온도는 10 ± 2°C로 조절되었고 제막 후 증류수를 pH 2로 조절한 수용액에서 보관하였다. 이렇게 얻은 지지층(PS_PET) 표면에 MPD 3.5 중량 % 수용액과 TMC 0.15 중량 %를 함유한 ISOL E 용액으로 반응시켜 계면 중합을 실시하였으며 sodium carbonate 5% 수용액에서 2시간 이상 세정함으로써 PA 복합막을 제조하였다. Sodium carbonate로 세정된 PA막을 증류수로 2-3회 씻어낸 후 다시24시간 이상 증류수에 침지하였다.
- 반면 05 TH-08 부직포에 캐스팅된 지지층의 경우 두께가 얇고 밀도가 낮아 부직포의 하층부로 PSF가 스며들어 액화 질소로 얼린 후 파쇄하는 방법을 쓸 수 없었다. 이에 지지층 시편의 양쪽에 장력을 준 상태로 면도날로 충격을 주어 파쇄된 단면의 내측 부위를 측정하였다. SEM-EDX (Energy dispersive X-ray, Stereoscan440)를 통해 분리막 단면의 위치에 따른 탄소, 산소, 실리콘, 황 원소의 상대 분포 값을 조사하였다.
대상 데이터
- 에서 05-TH-08 (thickness33 µm)를 사용하였다. PA 활성층 제조에 사용된 MPD(m-phenylenediamine)과 TMC (trimesoyl chloride)는 미국 Sigma-Aldrich사에서 시약급을 구매하여 사용하였으며 TMC 용매로는 Isol-E를 SK에너지에서 구매하여 정제없이 사용하였다. 상용 역삼투 분리막과의 비교를 위하여 Toray사의 BW RO 4040 모듈을 구매하여 사용하였다.
- 수투과 평가에 사용된 NaCl 염은 한국 덕산화학에서 시약급을 구매하여 사용하였으며 탈이온된 재증류수를 공급수와 유도용액의 제조에 사용하였다. Polysiloxane의제조에 사용된 TEOS (tetraethyl orthosilicate)는 Aldrich사에서 98% 시약급으로 구매하여 사용하였다.
- Toray사의 BW RO 4040 모듈을 구매한 후 분해하여A4 size의 평막 샘플을 준비하였다. 증류수에서 충분히 씻은 후 암실에서 24시간 건조시켰다.
- 분리막 고분자인 PSF는 미국 Solvay사 UDELP-3500 LCD를 구입하여 정제없이 사용하였다. 지지층캐스팅 용액 제조에 사용된 주용매로는 DMF (N, NDimethylformamide)를 (주)삼성정밀화학에서 구입하여 정제없이 사용하였다.
- Casting직전 연속 공정 casting 설비의 운전 속도는 1 m/min으로 운전하였다. 상 전이 공정의 응고조에 사용된 비용매계로는 물을 사용하였다. 응고조의 온도는 10 ± 2°C로 조절되었고 제막 후 증류수를 pH 2로 조절한 수용액에서 보관하였다.
- PA 활성층 제조에 사용된 MPD(m-phenylenediamine)과 TMC (trimesoyl chloride)는 미국 Sigma-Aldrich사에서 시약급을 구매하여 사용하였으며 TMC 용매로는 Isol-E를 SK에너지에서 구매하여 정제없이 사용하였다. 상용 역삼투 분리막과의 비교를 위하여 Toray사의 BW RO 4040 모듈을 구매하여 사용하였다. 수투과 평가에 사용된 NaCl 염은 한국 덕산화학에서 시약급을 구매하여 사용하였으며 탈이온된 재증류수를 공급수와 유도용액의 제조에 사용하였다.
- 상용 역삼투 분리막과의 비교를 위하여 Toray사의 BW RO 4040 모듈을 구매하여 사용하였다. 수투과 평가에 사용된 NaCl 염은 한국 덕산화학에서 시약급을 구매하여 사용하였으며 탈이온된 재증류수를 공급수와 유도용액의 제조에 사용하였다. Polysiloxane의제조에 사용된 TEOS (tetraethyl orthosilicate)는 Aldrich사에서 98% 시약급으로 구매하여 사용하였다.
- 3의 평가 장치를 이용하여 분리막의 FO 투과 성능을 평가하였다. 유도용액(Draw Solution)은 1 M의 NaCl 수용액을 제조하여 실험을 진행하였으며 유입수(Feed Solution)로는 DI water를 사용하였다. 유도 용액면에 PA 활성층을 접촉하도록 측정 cell에 분리막을 장착하였다.
- 분리막 고분자인 PSF는 미국 Solvay사 UDELP-3500 LCD를 구입하여 정제없이 사용하였다. 지지층캐스팅 용액 제조에 사용된 주용매로는 DMF (N, NDimethylformamide)를 (주)삼성정밀화학에서 구입하여 정제없이 사용하였다. 폴리에스터 보강재로 사용된 부직포는 일본 Hirose Paper FG Co.
이론/모형
- FO막의 bench-scale 성능 평가 운전 조건은 선행연구방법을 따랐다[18,19]. Fig.
- 또 다른 시도로 PS와 PA 경계면에 polysiloxane을 도입함으로써 투과수가 지지층 내부로 침투하는 것을 향상시키는 효과를 이용하여 농도분극 현상을 줄여주는 방법을시도하였다. PS 지지층에 TEOS를 정착시킨 후 PA를 코팅하는 방법(PS_TEOS_PA), PS 지지층에 PA 코팅한 후TEOS를 정착시키는 방법(PS_PA_TEOS)을 적용하였다. 그 결과, 현재 FO 공정에서 박막 부직포 공정으로 제조된 PS_PA막의 경우 17.
- 52 g)를 포함하는 용액을 충분히 섞은 후 TEOS를 함유한 환류 용액에 첨가하고 30분간 추가로 환류시켰다. TEOS의 분리막 표면에서의 sol-gel 반응은 선행 연구 문헌의 방법을 따랐다[17]. 이 용액을 상온으로 식힌 후 9-10 mL를 Toray사의 BW RO 평막 샘플에 아래 Fig.
-
1. 구조 및 성분 분석
분리막의 morphology 분석은 FE-SEM (Quanta 200FEG, Chalmers co.)을 이용하여 분석하였다
. FE-SEM분석 시 단면, 표면 모두 carbon coating 전처리 후 고진공 고해상도 분석을 실시하였다.
성능/효과
- 7 wt%로 크게 증가함을 볼 수 있었다. FO test조건인 1 M NaCl 유도용액상에서 D.I. feed 용액으로 측정한 결과, PS_TEOS_PA의 유량과 RSF는 각각 54.1LMH, 1.60 GMH의 향상된 유량 값과 염제거 효율 성능을 확인할 수 있었다. PA 활성층 경계면에서 극성기를 가진 TEOS polysiloxane 층이 형성됨으로써 혐수성을띄는 PET 부직포층과 PS 지지층의 막 저항을 줄여주었을 것으로 예상된다.
- 반면 PS_PA_TEOS 막의 경우, PS층 미세 기공을 따라 확산된 TEOS 용액이 조밀한PA층에 막혀 PS 표면층 내부 기공에 체류하게 되고 지연된 시간만큼 PS 내부에 존재하는 미세기공 내부의빈 공간에서 sol-gel 반응이 일어남으로써 polysiloxane으로 보이는 층의 두께가 증가한 것으로 추정된다. FO test조건인 1M NaCl 유도용액상에서 D.I. feed 용액으로 측정 시 유량은 79.2 LMH로 PS_TEOS_PA 보다 향상된 결과를, RSF는 7.2 GMH로 염 제거효율이 저하된 결과를 얻을 수 있었다. PA 활성층 경계면에서 극성기를 가짐으로써 ICP를 현격히 줄이는 효과는 PS_TEOS_PA막과 동일하게 나타났을 것으로 본다.
- (a)는 PS_PA막을, (b)에는 TEOS 처리를 하되 sol-gel 축합 반응없이 casting 용액에 TEOS를 첨가한 PS_TEOS doped_PA막의 표면 및 단면 사진을 수록하였다. PS_PA, PS_TEOS doped_PA 두 복합막은 모두 PS 단면층에서 전형적인 비대칭성 sponge-like 구조를, PA표면층에서 ridge-and-valley 구조를 가짐을 볼 수 있었다. 즉 TEOS가 dope 용액에서 함께 섞인 상태로 casting 될 경우 TEOS는 monomer 상태로 존재하며 PS 단면층에서 gel화하지 못한 상태로 용매-비용매 치환 과정에서 빠져 나가게 된다.
- feed 용액으로 측정한 결과를 Table 2에 정리하여 나타내었다.PS_PA의 Water flux와 RSF는 각각 17 LMH, 2.12GMH를 얻을 수 있었으며 RO_TEOS는 각각 0.72LMH, 0.57의 Water flux와 RSF를 얻을 수 있었다. 일반적으로 RO 복합 박막은 100 µm 두께의 PET 부직포상에서 두께, 19중량 %의 PS 용액으로 지지층을 만드다.
- PA coating이 PS층 모세관 위에서 형성되는 것이 아니라 PS와 TEOS의 혼성층 또는 TEOS층에서 이루어짐을 의미한다. 그 결과 PS_TEOS_PA의 단면층에서는 빈 공간이 TEOS 고분자 층으로 메워지며 PS_TEOS_PA의 표면층에서는 PS_PA막과 PS_TEOS doped_PA막의 표면층에서 볼 수 있었던 ridge-and-valley 구조를 찾아볼 수 없게 되었다. 이러한 결과는 Fig.
- 즉 TEOS가 dope 용액에서 함께 섞인 상태로 casting 될 경우 TEOS는 monomer 상태로 존재하며 PS 단면층에서 gel화하지 못한 상태로 용매-비용매 치환 과정에서 빠져 나가게 된다. 그 결과 이후의 PA coating 공정에도 영향을 미치지 못해 PS_PA막과 거의 유사한 구조, 유사한 flux와 RSF를 가짐을 추측할 수 있다. 이러한 결과는 Fig.
- PS 지지층에 TEOS를 정착시킨 후 PA를 코팅하는 방법(PS_TEOS_PA), PS 지지층에 PA 코팅한 후TEOS를 정착시키는 방법(PS_PA_TEOS)을 적용하였다. 그 결과, 현재 FO 공정에서 박막 부직포 공정으로 제조된 PS_PA막의 경우 17.0 LMH, 2.12 GMH의 투과성능을 보였으며, PS와 PA 경계면에 TEOS계 poysiloxane층을 정착시킨 PS_PA_TEOS막은 79.2 LMH, 7.10 GMH,PS_TEOS_PA막은 54.1 LMH, 1.60 GMH의 향상된 유량과 RSF 값을 얻을 수 있었다.
- 반면, PS_PA막은 부직포의 두께가 33 µm로 박막을 적용하고 12중량%의 PS 용액으로 지지층을 제조하여 다공성을 향상시킨 방법으로 FO 복합막을 제조하였다. 부직포의 두께 및 PS 공극률을 향상한 시도만으로도 막 저항을 줄여줌으로써 유량 향상이 가능함을 보여주고 있다.
- 5 (d)에서 나타난 Si의 단면 분포도에서도 표면층 하부의 Si 농도가 급격히 향상했음을 보여 주고 있다. 표면층에 존재한 Si의 원소함량 결과가 PS_PA_TEOS 막은 37.9 wt%로 PS_TEOS_PA막에 비해 0.8% 저하되었으나 PS_PA막에 비해서는 크게 증가함을 볼 수 있었다.
- 6 (c)의Si 원소 함량 분석 결과 역시 PS와 PA 경계면에서 급격히 분포도가 높아진 현상도 이러한 사실을 뒷받침해주는 결과라 할 수 있다. 표면층에 존재한 Si의 원소함량 결과가 PS_PA막과 PS_TEOS doped_PA막은 Si 검출이 거의 이루어지지 않았던 반면, PS_TEOS_PA의경우 38.7 wt%로 크게 증가함을 볼 수 있었다. FO test조건인 1 M NaCl 유도용액상에서 D.
후속연구
- 동일한 전처리 용량으로 보다 많은 정제수를 확보할 수 있다는 장점을 가짐을 의미한다. 그 외 식품, 제약의 경우 RO 수처리 공정과 같이 고압의 구동 압력을 요구하지 않아 용액 내의 물질의 물리적 특성(색상, 맛, 향, 영양소 등)을 파괴하지 않고 정제 공정을 수행하는 것이 필요한 산업 분야에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.