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초록
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본 연구에서는 sol-gel법을 이용하여 균일하고 결함을 최소화한 세라믹 한외여과막을 제조하였다. 알루미나 중공사 정밀여과막 지지체의 기공 크기를 줄이기 위해, 합성된 boehmite sol과 sol-ethanol 혼합 용액을 사용하여 dip coating법으로 지지체 표면 위에 ${\gamma}$-알루미나 활성층을 형성시켰다. pristine sol을 이용하여 4회 이상 코팅했을 경우 박막층의 두께가 상당히 증가하여 균열 및 박리현상을 야기시키고, 3회 코팅을 진행하였을 경우 표면 결함이 최소화된 최적의 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 소결 온도가 ${\gamma}$-알루미나 활성층의 기공 크기에 미치는 영향을 분석하였다. 소결 온도가 $1000^{\circ}C$일 때 가장 높은 순수 투과도 값을 보였으며, 10 nm 크기의 dextran 분획분자량(molecular weight cut-off (MWCO) : 51 kDa)이 관찰되었다. 600, $800^{\circ}C$에서 소결한 막의 경우, 12 kDa MWCO (dextran 5 nm)를 갖는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 코팅 용액의 조성은 박막층의 두께에 큰 영향을 주었고, 소결 온도에 따라 분획분자량이 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, homogeneous and defect-free ceramic ultrafiltration membranes were fabricated by using the sol-gel method. A boehmite sol was synthesized and coated onto the surface of alumina hollow fiber microfiltration membranes. The effect of sol viscosity and surface tension on the coating layer...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 최근 발표된 균일한 박막층을 형성시키는 방법으로[5,6], 코팅 용액 내 polyvinyl alcohol (PVA) 및 hydroxyethyl cellulose (HEC) 를 첨가하여 점도를 높인 후 한외여과막을 제조하였고, 결함을 최소화하기 위한 박막층 형성 방법으로[7], layer by layer 방식을 이용하여 코팅 후 한외여과막을 제조하였다. 본 연구에서는 첨가제를 추가하지 않고 균일한 막을 제조하는 방법에 대해 알아보고자, sol 코팅 용액 의 점도 및 표면장력이 박막층을 형성시키는데 끼치는 영향을 분석하였다. 또한, 코팅 횟수 조절을 통해 dip coating법을 이용하여 결함을 최소화한 박막층 제조에 관해 연구하고자 하였으며, 제조된 세라믹 한외여과막 투과 성능 평가를 수행하였다.
  • 코팅 횟수가 2회 이상인 시료들은 코팅 후 1시간 동안 평균 23℃, 습도 50% 이하의 조건에서 건조한 후 재 코팅하였다. 일정한 두께 확보 및 결함을 최소화하기 위해 코팅 용액의 조성을 조절하였고, 코팅 횟수에 따른 차이를 분석하고자 하였다. 또한, 코팅 후 소결 온도에 따른 알루미나 박막층 기공 변화를 확인하고자 하였으며 소결 온도 조건은 Table 2에 나타내었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
dip coating에서 미세기공층의 결함 최소화 외의 장점은? 특히, dip coating의 경우 지지체 내에 충분히 졸이 침투할 수 있 기 때문에, 미세기공층의 결함을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 코팅 횟수에 따라 박막층의 두께를 조절할 수 있고, 지지체의 형태 및 크기에 영향 을 받지 않는 것으로 알려져 있다[2,3]. 그러나 sol이 gelation되는 속도를 조절해야 하고, 코팅 용액인 sol의 안정성 및 점도가 박막층 형성에 크게 영향을 주기 때 문에 한외여과막 제조 시 재현성을 확보할 수 있어야 한다[4].
한외여과막이란? IUPAC 명명법[1]에 따르면 한외여과막(ultrafiltration, UF)은 2-50 nm 크기의 미세기공을 갖는 다공성 분리막 으로, 제조가 용이하고 가격경쟁력이 높은 고분자 한외 여과막이 주로 응용되고 있다. 하지만 고분자 분리막의 단점인 낮은 내구성을 극복하기 위해, 세라믹 소재를 이용한 한외여과막 연구가 활발히 진행되고 있다.
고분자 분리막의 단점은? IUPAC 명명법[1]에 따르면 한외여과막(ultrafiltration, UF)은 2-50 nm 크기의 미세기공을 갖는 다공성 분리막 으로, 제조가 용이하고 가격경쟁력이 높은 고분자 한외 여과막이 주로 응용되고 있다. 하지만 고분자 분리막의 단점인 낮은 내구성을 극복하기 위해, 세라믹 소재를 이용한 한외여과막 연구가 활발히 진행되고 있다. 세라 믹 분리막의 우수한 열적/화학적 안정성과 높은 기계적 강도 특성 때문에 고분자 분리막의 적용이 어려운 석유화학 공정과 산업 폐수 처리 등에 적용할 수 있다[2].
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참고문헌 (23)

  1. R. Nistico, D. Scalarone, and G. Magnacca, "Sol-gel chemistry, templating and spin-coating deposition: A combined approach to control in a simple way the porosity of inorganic thin films/coatings", Microporous and Mesoporous Materials, 248, 18 (2017). 

  2. X. Da, X. Chen, B. Sun, J. Wen, M. Qiu, and Y. Fan, "Preparation of zirconia nanofiltration membranes through an aqueous sol-gel process modified by glycerol for the treatment of wastewater with high salinity", Journal of Membrane Science, 504, 29 (2016). 

  3. X. Chen, W. Zhang, Y. Lin, Y. Cai, M. Qiu, and Y. Fan, "Preparation of high-flux $\gamma$ -alumina nanofiltration membranes by using a modified sol-gel method", Microporous and Mesoporous Materials, 214, 195 (2015). 

  4. F. Jiang, H. Li, Z. Di, S. Sui, Q. Yu, and J. Zhang, "Silica ultrafiltration membrane with tunable pore size for macromolecule separation", J. Membr. Sci., 441, 25 (2013). 

  5. M. Qiu, S. Fan, Y. Cai, Y. Fan, and N. Xu, "Co-sintering synthesis of bi-layer titania ultrafiltration membranes with intermediate layer of sol-coated nanofibers", J. Membr. Sci., 365, 225 (2010). 

  6. K. A. Manjumol, P. Shajesh, K. V. Baiju, and K. G. K. Warrier, "An 'Eco-friendly' all aqueous sol gel process for multi functional ultrafiltration membrane on porous tubular alumina substrate", J. Membr. Sci., 375, 134 (2011). 

  7. D. Saeki and H. Matsuyama, "Ultrathin and ordered stacking of silica nanoparticles via spin-assisted layer-by-layer assembly under dehydrated conditions for the fabrication of ultrafiltration membranes", J. Membr. Sci., 523, 60 (2017). 

  8. B. E. Yoldas, "Alumina gels that form porous transparent $Al_2O_3$ ", J. Mater. Sci., 10, 1856 (1975). 

  9. C. H. Chang, R. Gopalan, and Y. S. Lin, "A comparative study on thermal and hydrothermal stability of alumina, titania and zirconia membranes", J. Membr. Sci., 91, 27 (1994). 

  10. J. Livage, "Sol-gel synthesis of heterogeneous catalysts from aqueous solutions", Catalysis Today, 41, 3 (1998). 

  11. M. Bakhshayeshi, A. Teella, H. Zhou, C. Olsen, W. Yuan, and A. L. Zydney, "Development of an optimized dextran retention test for large pore size hollow fiber ultrafiltration membranes", J. Membr. Sci., 421-422, 32 (2012). 

  12. J. I. Calvo, R. I. Peinador, V. Thom, T. Schleuss, K. ToVinh, P. Pradanos, and A. Hernandez, "Comparison of pore size distributions from dextran retention tests and liquid-liquid displacement porosimetry", Microporous and Mesoporous Materials, 250, 170 (2017). 

  13. M. Bakhshayeshi, H. Zhou, C. Olsen, W. Yuan, and A. L. Zydney, "Understanding dextran retention data for hollow fiber ultrafiltration membranes", J. Membr. Sci., 385-386, 243 (2011). 

  14. G. Vazquez, E. Alvarez, and J. M. Navaza, "Surface tension of alcohol water+ water from 20 to 50. degree. C", Journal of chemical and engineering data, 40, 611 (1995). 

  15. R. J. R. Uhlhorn, M. H. B. J. H. I. t. Veld, K. Keizer, and A. J. Burggraaf, "Synthesis of ceramic membranes", J. Mater. Sci., 27, 527 (1992). 

  16. H. P. Hsieh, "Inorganic Membranes for Separation and Reaction", Elsevier Science, 58 (1996). 

  17. A. F. M. Leenaars, K. Keizer, and A. J. Burggraaf, "The preparation and characterization of alumina membranes with ultra-fine pores", J. Mater. Sci., 19, 1077 (1984). 

  18. A. Boumaza, L. Favaro, J. Ledion, G. Sattonnay, J. B. Brubach, P. Berthet, A. M. Huntz, P. Roy, and R. Tetot, "Transition alumina phases induced by heat treatment of boehmite: An X-ray diffraction and infrared spectroscopy study", Journal of Solid State Chemistry, 182, 1171 (2009). 

  19. Y. S. Lin, K. J. de Vries, and A. J. Burggraaf, "Thermal stability and its improvement of the alumina membrane top-layers prepared by sol-gel methods", J. Mater. Sci., 26, 715 (1991). 

  20. Z. Dong, W. Jing, and W. Xing, "Triblock polymer template assisted sol-gel process for fabrication of multi-channel $TiO_2/ZrO_2$ ultrafiltration membrane", J. Membr. Sci., 373, 167 (2011). 

  21. K. Konig, V. Boffa, B. Buchbjerg, A. Farsi, M. L. Christensen, G. Magnacca, and Y. Yue, "One-step deposition of ultrafiltration SiC membranes on macroporous SiC supports", J. Membr. Sci., 472, 232 (2014). 

  22. Z. Wang, Y.-M. Wei, Z.-L. Xu, Y. Cao, Z.-Q. Dong, and X.-L. Shi, "Preparation, characterization and solvent resistance of ${\gamma}-Al_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$ inorganic hollow fiber nanofiltration membrane", J. Membr. Sci., 503, 69 (2016). 

  23. X. Ju, P. Huang, N. Xu, and J. Shi, "Influences of sol and phase stability on the structure and performance of mesoporous zirconia membranes", J. Membr. Sci., 166, 41 (2000). 

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