계면동전위라 불리는 제타전위(zeta potential)란 표면 전하적 특성을 정량화 한 값으로 전기동역학적 현상으로 발생하는 전위차를 말한다. 제타전위는 막오염(fouling)과 표면전하 분석을 통한 개질 확인 및 치환기 확인에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그리고 제타전위를 측정하는 방법으로는 전기영동(electrophoresis), 전기삼투(eletrosmosis), 유동전위(streaming potential)를 기초로 개발되었고, 그중에서도 평막은 유동전위 측정이 적합하다고 알려졌다. 따라서, 본 연구에서는 poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) 고분자에 암모늄을 도입하여 아민화된 SEBS 평막 형택의 분리막을 제조하고, 계면동전위 측정기를 이용하여 제조된 분리막들의 유동전위를 측정하여 결과를 분석하였다.
계면동전위라 불리는 제타전위(zeta potential)란 표면 전하적 특성을 정량화 한 값으로 전기동역학적 현상으로 발생하는 전위차를 말한다. 제타전위는 막오염(fouling)과 표면전하 분석을 통한 개질 확인 및 치환기 확인에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그리고 제타전위를 측정하는 방법으로는 전기영동(electrophoresis), 전기삼투(eletrosmosis), 유동전위(streaming potential)를 기초로 개발되었고, 그중에서도 평막은 유동전위 측정이 적합하다고 알려졌다. 따라서, 본 연구에서는 poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) 고분자에 암모늄을 도입하여 아민화된 SEBS 평막 형택의 분리막을 제조하고, 계면동전위 측정기를 이용하여 제조된 분리막들의 유동전위를 측정하여 결과를 분석하였다.
The zeta potential, called an electrokinetic potential, refers to the potential difference caused by electrodynamic phenomenon, which is a value obtained by quantifying the surface charge property. The zeta potential has been actively studied for membrane fouling, confirmation of modification and su...
The zeta potential, called an electrokinetic potential, refers to the potential difference caused by electrodynamic phenomenon, which is a value obtained by quantifying the surface charge property. The zeta potential has been actively studied for membrane fouling, confirmation of modification and substituent confirmation through surface charge analysis. The methods of measurement for zeta potential were developed on the basis of electrophoresis, electrosmosis and streaming potential. Among them, it was known that the streaming potential method was suitable for the flat sheet membrane. So, in this study, aminated poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) membranes were prepared by introducing ammonium groups and the streaming potentials of the prepared membranes were measured by using an electrokinetic potential analyzer (SurPASS) and the results were analyzed.
The zeta potential, called an electrokinetic potential, refers to the potential difference caused by electrodynamic phenomenon, which is a value obtained by quantifying the surface charge property. The zeta potential has been actively studied for membrane fouling, confirmation of modification and substituent confirmation through surface charge analysis. The methods of measurement for zeta potential were developed on the basis of electrophoresis, electrosmosis and streaming potential. Among them, it was known that the streaming potential method was suitable for the flat sheet membrane. So, in this study, aminated poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) membranes were prepared by introducing ammonium groups and the streaming potentials of the prepared membranes were measured by using an electrokinetic potential analyzer (SurPASS) and the results were analyzed.
본 연구에서는 poly(styrene-ethylene-butylene-styrene)계 고분자에 암모늄을 도입하여 음이온교환 고분자를 합성하였고, 합성고분자를 이용하여 음이온교환막을 제조하였다. 제타전위 측정기기를 이용하여 음이온교환막 표면의 제타전위를 pH변화와 암모늄의 당량에 따라 측정하였고, 결과를 비교 분석하였다.
제안 방법
Poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) 고분자에 chlorotrimethylsilane과 paraformaldehyde를 이용하여 chloromethylation reagent를 제조하고 당량을 조절하여 클로로메틸화된 SEBS 고분자를 성공적으로 합성하였다. 그리고 클로로메틸화된 SEBS 고분자로 분리막을 제조한 후 trimethylamine solution에 함침하여 암모늄을 클로로메틸기에 치환하여, 결과적으로 아민화된 SEBS 분리막을 제조할 수 있었다.
그리고 클로로메틸화된 SEBS 고분자로 분리막을 제조한 후 trimethylamine solution에 함침하여 암모늄을 클로로메틸기에 치환하여, 결과적으로 아민화된 SEBS 분리막을 제조할 수 있었다. 이렇게 제조된 음이온교환 분리막을 SurPASS 계면동전위 분석기를 이용하여 다양한 조건에서의 제타전위 변화를 확인하였다. 먼저, pH를 4에서 8까지 변화를 주었을 때, 아민화된 SEBS 분리막의 경우 알칼리 작용기가 있기 때문에 제타전위가 양전하에서 음전하로 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
5%, Samchun chemical, Korea)를 사용하였다. Paraformaldehyde (95%, Sigma-Aldrich)와 chlorotrimethylsilane (CTMS, > 98%, TCI)를 이용하여 클로로메틸화 반응용제로 사용하였고, 반응촉매로 Tin(IV) chloride (SnCl4, 98%, Sigma-Aldrich)를 사용하였다. 침전 및 세척을 위한 용매로 methyl alcohol (methanol, MeOH, 99.
5%, Samchun chemical, Korea)를 사용하였다. 클로로메틸화를 통해 주쇄 고분자에 도입된 할로젠과 치환하여 암모늄을 도입하기 위하여 trimethylamine solution (TMA, ~45 wt% in H2O, Sigma-Aldrich)를 사용하였다. 마지막으로, potassium hydroxide (KOH, 95%, Samchun chemical, Korea)를 말단 OH기 형태로 치환하는데 사용하였다.
이론/모형
001 M KOH 수용액을 300mbar의 압력으로 좌에서 우로, 우에서 좌로 흐르게 하여 교차측정하였고, 그 결과로 전위를 측정할 수 있었다. 제타전위를 측정하여 계산할 때에는 앞서 제시한 Helmholtz-Smoluchowski 공식을 이용하여 계산되었다.
성능/효과
또, 두께에 따른 제타전위를 확인하였고, 막저항과 이온전도도에 따라 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 계면동전위 측정기를 이용하여 얻은 제타전위 측정결과를 이용해서 고분자 표면전하, 높은 이온교환용량으로 인한 팽윤, 막저항 그리고 이온전도도 등에 대한 영향을 확인할 수 있었고, 이를 토대로 음이온교환연료전지에 전해질로 사용되는 음이온교환고분자를 이용하여 제조한 음이온교환막의 표면 전하를 확인하는데 도움이 되는 특성평가 중 하나로 판단되어진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제타전위가 중요한 이유는 무엇인가?
계면동전위(electrokinetic potential)로 불리는 제타전위(zeta potential, ζ)란 분리막의 표면 전하적 특성을 정량화한 값으로, 전기동역학적 현상으로 인하여 발생하는 전기적 이중층의 유동층을 통과하는 전위차를 말한다. 또, 유체역학적 현상을 포함하는 물리⋅화학적인 수치로, 표면화학분야의 기초는 물론 응용적인 연구에 있어서도 중요하다[1,2]. 추가로, 분리막의 제타전위는 막오염(fouling)으로 인한 막여과속도(flux)가 감소하여 공정 효율성을 저하하는 원수 속의 막오염 유발 물질들이 대부분 음전하를 띄고 있기 때문에 분리막 표면의 제타전위가 음전하의 값을 띄도록 만들어 전하반발력이 증가하여 막오염이 막표면에 축적되는 것을 방지하는 연구가 활발히 진행되어 왔다[3-5].
제타전위란 무엇인가?
계면동전위라 불리는 제타전위(zeta potential)란 표면 전하적 특성을 정량화 한 값으로 전기동역학적 현상으로 발생하는 전위차를 말한다. 제타전위는 막오염(fouling)과 표면전하 분석을 통한 개질 확인 및 치환기 확인에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
표면전하 특성을 알아낼 수 있는 측정방법은 무엇을 기초로 하여 개발되었는가?
계속해서 제타전위는 용액 내에서 표면 전하 특성에 대해 유용한 정보를 얻을 수 있다. 표면전하 특성을 알아낼 수 있는 측정방법은 세 가지의 계면동전위효과(electrokinetic effects), 즉, 전기영동(electrophoresis), 전기삼투(electrosmosis), 유동전위(streaming potential)를 기초로 개발되었고, 그중에서도 평막은 유동전위가 적합하다고 알려져 있다[7,9]. 유동전위(streaming potential) 특성평가는 많은 상업용 나노여과막(nanofiltration membrane), 역삼투막(reverse osmosis membrane) 그리고 이온교환막에 대한 연구가 진행되어 왔고, 막의 형태로 구분하여 평막(flat sheet membrane)과 중공사막(hollow fiber membrane)에 대한 연구 또한 많이 진행되었다[8-12].
참고문헌 (17)
M. Nystrom and H. Zhu, "Characterization of cleaning results using combined flux and streaming potential methods", J. Membr. Sci., 131, 195 (1997).
A. Nabe, E. Staude, and G. Belfort, "Surface modification of polysulfone ultrafiltration membranes and fouling by BSA solutions", J. Membr. Sci., 133, 57 (1997).
I. C. Kim, J. G. Choi, N. S. Choi, J. H. Kim, and T. M. Tak, "Synthesis of sulfonated polyethersulfone membrane material for ultrafiltration by heterogeneous sulfonation and fouling reduction effect", Membr. J., 8, 210 (1998).
E. H. Cho, S. I. Cheong, and J. W. Rhim, "Study on the fouling reduction of the RO membrane by the coating with an anionic polymer", Membr. J., 22, 481 (2012).
I. H. Kim, E. H. Ji, J. W. Rhim, and S.I. Cheong, "Studies on the fouling reduction thourgh the coating of poly(vinyl alcohol) on polyamide reverse osmosis membrane surface", Membr. J., 22, 272 (2012).
H. Xie, T. Saito, and M. A. Hickner, "Zeta potential of ion-conductive membranes by streaming current measurements", Langmuir, 27, 4721 (2011).
T. S. Lee, S. Y. Lee, J. H. Lee, and S. K. Hong, "Measurement and methods for analyzing zeta potential of the external surface of hollow fiber membranes", J. Korean Soc. Water Wastewater, 23, 353 (2009).
R. Rautenbach and A. Groschi, "Separation potential of nanofiltration membranes", Desalination, 77, 73 (1990).
M. Elimelech, W. H. Chen, and J. J. Waypa, "Measuring the zeta (electrokinetic) potential of reverse osmosis membranes by a streaming potential analyzer", Desalination, 95, 269 (1994).
S. L. Walker, S. Bhattacharjee, E. M. V. Hoek, and M. Elimelech, "A novel asymmetric clamping cell for measuring streaming potential of flat surfaces", Langmuir, 18, 2193 (2002).
M. S. Chun, H. I. Cho, and I. K. Song, "Electrokinetic behavior of membrane zeta potential during the filtration of colloidal suspensions", Desalination, 148, 363 (2002).
E. Hinke and E. Staude, "Streaming potential of microporous membranes made from homogeneously functionalized polysulfone", J. Appl. Polym. Sci., 42, 2951 (1991).
R. J. Hunter, "Zeta potentials in colloid science: Principles and applications, pp. 59-121, Academic Press, London (1988).
A. Szymczyk, A. Pierre, J. C. Reggiani, and J. Pagetti, "Characterization of the electrokinetic properties of plane inorganic membranes using streaming potential measurements", J. Membr. Sci., 134, 59 (1997).
M. Nystrom, A. Pihlajamaki, and N. Ehsani, "Characterization of ultrafiltration membranes by simultaneous streaming potential and flux measurements", J. Membr. Sci., 87, 245 (1994).
C. Werner, H. J. Jacobasch, and G. Reichelt, "Surface characterization of hemodialysis membranes based on streaming potential measurements", J. Biomater. Polymer Edn., 7, 61 (1995).
T. Y. Son, J. H. Kim, C. H. Park, and S. Y. Nam, "Preparation and characterization of hydrophilic aminated poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) polymer membrane", Membr. J., 24, 336 (2017).
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.