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다층박막적층법을 이용한 담수화용 그래핀 나노복합체 분리막 개발
Development of Graphene Nanocomposite Membrane Using Layer-by-layer Technique for Desalination 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.28 no.1, 2018년, pp.75 - 82  

유혜원 (광주과학기술원 지구환경공학부) ,  송준호 (광주과학기술원 지구환경공학부) ,  김창민 (광주과학기술원 지구환경공학부) ,  양은태 (광주과학기술원 지구환경공학부) ,  김인수 (광주과학기술원 지구환경공학부)

초록
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정삼투법을 이용한 해수담수화역삼투 공정에 비해 에너지 절감이 가능하여 해수담수화 차세대 기술로 주목받고 있다. 막을 기반으로 하는 수처리 분야에서 분리 성능을 향상시키고 새로운 기능을 부여하기 위해, 고분자 매트릭스에 필러인 나노물질을 삽입하는 박막 나노복합체 분리막(thin film nanocomposite, TFN) 개발에 대한 연구가 요구되고 있다. 본 연구에서는 딥 코팅(dip coating) 방법을 기반으로 한 다층박막적층법(Layer-by-layer, LBL)을 이용하여 산화그래핀(graphene oxide, GO)의 나노 적층구조를 제어하여, 정삼투 공정에서의 높은 안정성 및 높은 수투과도 및 염 제거, 낮은 염 역확산을 갖는 그래핀 나노복합체 분리막을 개발하고자 하였다. 정삼투 공정의 성능 향상을 위한 산화그래핀의 환원 반응시간과 LBL 딥코팅 적층 수의 최적화를 통해, 수투과도 2.51 LMH/bar, 물분자 선택성 8.3 L/g, 염 제거율 99.5%를 갖는 나노복합체 분리막을 개발하였다. 이는 상용화된 CTA FO 분리막보다 수투과도는 10배, 물분자 선택성은 4배 높게 향상되었으며, 염 제거율은 비슷한 수준으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Forward osmosis (FO) desalination system has been highlighted to improve the energy efficiency and drive down the carbon footprint of current reverse osmosis (RO) desalination technology. To improve the trade-off between water flux and salt rejection of thin film composite (TFC) desalination membran...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 딥 코팅(dip coating) 방법을 기반으로 한 다층박막적층법을 이용하여 나노 적층 구조를 제어하여, 정삼투 공정에서의 높은 안정성 및 높은 수투과도(water permeability) 및 염 제거(salt rejection), 낮은 염 역확산(reverse salt flux)을 갖는 그래핀 나노복합체 분리막을 개발하고자 하였다. 이를 위해 GO 나노시트와 가교 결합제의 화학 결합 강화를 위한 다층박막적층 구조의 디자인, FO 운전시 수용액 내 나노복합체 분리막의 안정성, 정삼투 공정의 성능 향상을 위한 환원 반응 시간과 LBL 딥 코팅 적층 수 등을 최적화하여 분리막의 특성 평가 및 랩스케일의 FO 공정에서의 성능 평가를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 고성능(높은 수투과도 및 물분자 선택성, 높은 염 제거율)의 차세대 FO 나노복합체 분리막을 개발하기 위해 딥 코팅 방법을 기반으로 한 LBL을 이용하여 그래핀 나노시트의 적층 구조를 제어하여 초박막 분리막을 연구하였고, 그에 대한 연구결과는 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다층박막적층법이 해수 담수화용 분리막 제조에 적합한 이유는 무엇인가? 반면에 다층박막적층법(layer-by-layer, LBL)은 수용액 내 양/음으로 상반된 대전 특성을 가지는 다양한 나노소재 물질을 정전기적 상호 인력(electrostatic interaction)을 이용하여 특정 지지체 위에 다층 구조의 초박막 형태로 제조할 수 있는 방법이다. 또한 각각의 층에 원하는 다양한 물질을 삽입시킬 수 있어 원하는 특성을 부여하고 효과적으로 나노 구조를 제어할 수 있는 장점을 가지고 있다[13,14]. 하지만 정전기적 상호 인력만을 이용하여 GO 나노시트를 적층할 경우[11] 이온 강도가 높은 해수를 적용하였을 때 나노 구조가 와해될 가능성이 있음에도 불구하고, 물분자만 선택적으로 투과시킬 수 있는 해수 담수화용으로 적합한 GO 나노채널을 가진 다층박막적층법을 이용한 분리막에 대한 연구는 미비한 실정이다.
기존 고분자 기반 FO 분리막의 한계는 무엇인가? 정삼투법(Forward osmosis, FO)을 이용한 해수담수화는 해수에 비해 농도가 높은 유도용액을 사용하여 삼투현상의 원리와 반투과성 막을 이용하여 물과 염의 분리를 매우 낮은 에너지 소비로 수행하는 방식으로 역삼투 공정에 비해 에너지 절감이 가능하여 해수담수화 차세대 기술로 주목받고 있다. 하지만 기존 고분자 기반의 FO 분리막은 비대칭적인 구조 및 소재의 한계 때문에 낮은 선택적 수투과도로 인한 성능 향상의 기술적 한계가 있다[1]. 막을 기반으로 하는 수처리 분야에서 분리 성능을 향상시키고 새로운 기능을 부여하기 위해, 고분자 매트릭스에 필러 물질을 삽입하는 혼합 매트릭스 분리막(mixed matrix membranes, MMMs)이 연구되고 있다[2].
정삼투법을 이용한 해수담수화란 무엇인가? 정삼투법(Forward osmosis, FO)을 이용한 해수담수화는 해수에 비해 농도가 높은 유도용액을 사용하여 삼투현상의 원리와 반투과성 막을 이용하여 물과 염의 분리를 매우 낮은 에너지 소비로 수행하는 방식으로 역삼투 공정에 비해 에너지 절감이 가능하여 해수담수화 차세대 기술로 주목받고 있다. 하지만 기존 고분자 기반의 FO 분리막은 비대칭적인 구조 및 소재의 한계 때문에 낮은 선택적 수투과도로 인한 성능 향상의 기술적 한계가 있다[1].
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참고문헌 (18)

  1. H. B. Park, J. Kamcev, L. M. Robeson, M. Elimelech, and B. D. Freeman, "Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity", Science, 356, 1137 (2017). 

  2. M. L. Lind, D. U. Suk, T. V. Nguyen, and E. M. V. Hoek, "Tailoring the structure of thin film nanocomposite membranes to achieve seawater RO membrane performance", Environ. Sci. Technol., 44, 8230-8235 (2010). 

  3. C. M. Kim, K. B. Park, K. S. Kim, and I. S. Kim, "Fabrication of ceramic-based graphene membrane (CbGM) and its mass transport behavior for water treatment", J. Korean Soc. Environ. Eng., 37, 649 (2015). 

  4. W. J. Lau, S. Gray, T. Matsuura, D. Emadzadeh, J. P. Chen, and A. F. Ismail, "A review on polyamide thin film nanocomposite (TFN) membranes: History, applications, challenges and approaches", Wat. Res., 80, 306 (2015). 

  5. D. C. Tanugi and C. J. Grossman, "Water desalination across nanoporous graphene", Nano Lett., 12, 3602 (2012). 

  6. Z. Zhang, L. Zou, C. Aubry, M. Jouiad, and Z. Hao, "Chemically crosslinked rGO laminate film as an ion selective barrier of composite membrane", J. Membr. Sci., 515, 204 (2016). 

  7. W. S. Hung, C. H. Tsou, M. D. Guzman, Q. F. An, Y. L. Liu, Y. M. Zhang, C. C. Hu, K. R. Lee, and J. Y. Lai, "Cross-linking with diamine monomers to prepare composite graphene oxide-framework membranes with varying d-spacing", Chem. Mater., 26, 2983 (2014). 

  8. J. Abraham, K. S. Vasu, C. D. Williams, K. Gopinadhan, Y. Su, C. T. Cherian, J. Dix, E. Prestat, S. J. Haigh, I. V. Grigorieva, P. Carbone, A. K. Geim, and R. R. Nair, "Tunable sieving of ions using graphene oxide membranes", Nat. Nanotech., 12, 546 (2017). 

  9. Y. H. Xi, J. Q. Hu, Z. Liu, R. Xie, X.J. Ju, W. Wang, and L. Y. Chu, "Graphene oxide membranes with strong stability in aqueous solutions and controllable lamellar spacing", ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 15557 (2016). 

  10. B. Mi, "Graphene oxide membranes for ionic and molecular sieving", Science, 343, 740 (2014). 

  11. M. Hu and B. Mi, "Layer-by-layer assembly of graphene oxide membranes via electrostatic interaction", J. Membr. Sci., 469, 80 (2014). 

  12. B. Liang, W. Zhan, G. Qi, S. Lin, Q. Nan, Y. Liu, B. Cao, and K. Pan, "High performance graphene oxide/polyacrylonitrile composite pervaporation membranes for desalination application", J. Mat. Chem. A, 3, 5140 (2015). 

  13. T. Lee, M. Gu, and B. S. Kim, "Versatile graphene nanocomposites by layer-by-layer assembly for electroactive materials", Polym Sci. Tech., 24, 512 (2013). 

  14. S. B., Kwon, J. S. Lee, S. J. Kwon, S. T. Yun, S. H. Lee, and J. H. Lee, "Molecular layer-by-layer assembled forward osmosis membranes", J. Membr. Sci., 488, 111 (2015). 

  15. D. L. Shaffer, J. R. Werber, H. Jaramillo, S. Lin, and M. Elimelech, "Forward osmosis: Where are we now?", Desalination, 356, 271 (2015). 

  16. E. T. Yang, C. M. Kim, J. H. Song, H. G. Ki, M. H. Ham, and I. S. Kim, "Enhanced desalination performance of forward osmosis membranes based on reduced graphene oxide laminates coated with hydrophilic polydopamine", Carbon, 117, 293 (2017). 

  17. H. Liu, H. Wang, and X. Zhang, "Facile fabrication of freestanding ultrathin reduced graphene oxide membranes for water purification", Adv. Mater., 27, 249 (2015). 

  18. D. Grosso, "How to exploit the full potential of the dip-coating process to better control film formation", J. Mater. Chem., 21, 17033 (2011). 

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