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나노 크기의 Fumed Silica가 함유된 Polysulfone 한외여과 중공사막 제조 및 내오염성 분석
Preparation of Polysulfone Composite Ultrafiltration Hollow Fiber Membranes Incorporating Nano-size Fumed Silica with Enhanced Antifouling Properties 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.28 no.6, 2018년, pp.379 - 387  

강예솔 (광주과학기술원 지구환경공학부) ,  임주환 (광주과학기술원 글로벌담수화연구센터) ,  김인수 (광주과학기술원 지구환경공학부)

초록
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본 연구에서는 한외여과 polysulfone (PSf) 중공사막에 첨가제를 섞는 방법을 통해 친수성 증가에 따른 분리막 특성 및 성능을 향상하고자 하였다. 15 nm 크기의 fumed silica (FS)를 0.1, 0.3, 0.5 wt%로 방사 용액에 분산시켜 혼합 매트릭스 분리막을 제조하였다. 단면 및 표면상태를 확인하기 위해 SEM 분석을 진행하였으며, FS가 함유될수록 중공사막의 평균 기공 반경이 4 nm 이상 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 분리막의 친수성 분석을 위해 접촉각 측정을 진행하였으며, FS 함유로 분리막의 친수성이 높아진 것을 확인하였다. 수투과도의 경우 FS가 섞인 분리막은 91~96 LMH 수준을 보였으며 PSf 분리막보다 5~11%의 증가율을 보였다. 내오염성 평가에서도 친수도가 상승한 FS 혼합 중공사막 표면에 소수성을 띄는 BSA가 흡착되지 못하여 상대 유량 감소율이 PSf 단일막 보다 낮아졌음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study was conducted to improve the membrane characteristics and performance by increasing hydrophilicity by adding additives to the ultrafiltration polysulfone (PSf) hollow fiber membrane. The mixed matrix membranes (MMMs) were prepared by dispersing 15 nm of fumed silica (FS) in the spinning s...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 FS를 첨가한 한외여과 중공사막의 특성 및 성능을 연구하고자 하였다. 15 nm 크기의 FS를 첨가물로 사용하였으며, 이의 함량을 변경시킨 혼합 매트릭스 분리막을 제조하여 성능을 비교 분석하였다.
  • 본 연구에서는 PSf를 backbone으로 하는 중공사막에 FS를 섞어 수투과도와 내오염성을 향상하고자 하였다. 크기와 함량에 따른 성능분석을 위해 15 nm의 FS와 각각 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
한외여과(ultrafiltration, UF)란 무엇인가? 한외여과(ultrafiltration, UF)는 일반적으로 기공 지름이 1 nm에서 100 nm인 분리막을 의미하며 낮은 압력으로 박테리아, 바이러스뿐만 아니라 유기 화합물도 제거할 수 있다. 한외여과막은 식수 처리에 사용될 뿐만 아니라 해수담수화 공정에서는 나노여과(nanofiltration, NF)와 역삼투(reverse osmosis, RO) 공정 전의 전처리 과정에 사용된다[1,2].
고분자 기반의 물질을 사용하는 한외여과막의 문제점은 무엇인가? 이 중, PSf는 높은 기계적 강도, 열 및 화학적 안정성과 pH 2-12의 범위에서도 안정적이기 때문에 한외여과막 제조에 보편적으로 사용된다[4]. 하지만 소수성을 띄는 고분자 물질의 특성이 막 표면에 심각한 오염을 발생시키고 이는 낮은 수투과도, 높은 에너지 소비와 잦은 분리막 세척 및 교체로 이어진다[5,6].
PSf의 특징은 무엇인가? 현재 상업적으로 판매되는 한외여과막은 고분자 기반의 물질을 사용하며 poly-vinylidene fluoride (PVDF), polysulfone (PSf), polyethersulfone(PES), polypropylene (PP) 등이 대표적이다[3]. 이 중, PSf는 높은 기계적 강도, 열 및 화학적 안정성과 pH 2-12의 범위에서도 안정적이기 때문에 한외여과막 제조에 보편적으로 사용된다[4]. 하지만 소수성을 띄는 고분자 물질의 특성이 막 표면에 심각한 오염을 발생시키고 이는 낮은 수투과도, 높은 에너지 소비와 잦은 분리막 세척 및 교체로 이어진다[5,6].
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참고문헌 (25)

  1. 10.1016/j.desal.2011.01.051 W. Gao, H. Liang, J. Ma, M. Han, Z. L. Chen, Z. S. Han, and G. B. Li, “Membrane fouling control in ultrafiltration technology for drinking water production: A review”, Desalination , 272, 1 (2011). 

  2. 10.1007/s11814-015-0065-3 M. S. Muhamad, M. R. Salim, and W. J. Lau, “Preparation and characterization of PES/SiO2 composite ultrafiltration membrane for advanced water treatment”, Korean J. Chem. Eng. , 32, 2319 (2015). 

  3. 10.1002/app.41267 Z. Yu, X. Liu, F. Zhao, X. Liang, and Y. Tian, “Fabrication of a low-cost nano-SiO2/PVC composite ultrafiltration membrane and its antifouling performance”, J. Appl. Polym. Sci. , 132, 1 (2015). 

  4. 10.1002/polb.20715 Y. Yang, P. Wang, and Q. Zheng, “Preparation and properties of polysulfone/TiO2 composite ultrafiltrationmembranes”, J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. , 44, 879 (2006). 

  5. 10.1016/j.memsci.2013.02.019 X. Zhu, H. E. Loo, and R. Bai, “A novel membrane showing both hydrophilic and oleophobic surface properties and its non-fouling performances for potential water treatment applications”, J. Membr. Sci. , 436, 47 (2013). 

  6. 10.1016/j.seppur.2018.02.043 M. Obaid, E. Yang, D. H. Kang, M. H. Yoon, and I. S. Kim, “Underwater superoleophobic modified polysulfone electrospun membrane with efficient antifouling for ultrafast gravitational oil-water separation”, Sep. Purif. Technol. , 200, 284 (2018). 

  7. 10.1016/j.apsusc.2018.04.180 K. Wang, D. Hou, J. Wang, Z. Wang, B. Tian, and P. Liang, “Hydrophilic surface coating on hydrophobic PTFE membrane for robust anti-oil-fouling membrane distillation”, Appl. Surf. Sci. , 450, 57 (2018). 

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  9. 10.1016/j.memsci.2017.10.069 R. Bernstein, C. E. Singer, S. P. Singh, C. Mao, and C. J. Arnusch, “UV initiated surface grafting on polyethersulfone ultrafiltration membranes via ink-jet printing-assisted modification”, J. Membr. Sci. , 548, 73 (2018). 

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  16. 10.1016/j.seppur.2018.01.035 Z. Aghaei, L. Naji, V. H. Asl, G. Khanbabaei, and F. Dezhagah, “The influence of fumed silica content and particle size in poly (amide 6-b-ethylene oxide) mixed matrix membranes for gas separation”, Sep. Purif. Technol. , 199, 47 (2018). 

  17. 10.1016/j.memsci.2009.03.054 L. Y. Yu, Z. L. Xu, H. M. Shen, and H. Yang, “Preparation and characterization of PVDF-SiO2 composite hollow fiber UF membrane by sol-gel method” J. Membr. Sci. , 337, 257 (2009). 

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  19. 10.1016/j.memsci.2013.03.021 J. Yin, G. Zhu, and B. Deng, “Multi-walled carbon nanotubes (MWNTs)/polysulfone (PSU) mixed matrix hollow fiber membranes for enhanced water treatment”, J. Membr. Sci. , 437, 237 (2013). 

  20. 10.1016/j.seppur.2012.02.014 V. Vatanpour, S. S. Madaeni, R. Moradian, S. Zinadini, and B. Astinchap, “Novel antibifouling nanofiltration polyethersulfone membrane fabricated from embedding TiO2 coated multiwalled carbon nanotubes”, Sep. Purif. Technol. , 90, 69 (2012). 

  21. 10.1016/j.memsci.2013.02.009 G. Zhang, S. Lu, L. Zhang, Q. Meng, C. Shen, and J. Zhang, “Novel polysulfone hybrid ultrafiltration membrane prepared with TiO2-g-HEMA and its antifouling characteristics”, J. Membr. Sci., 436, 163 (2013). 

  22. 10.1016/j.memsci.2014.01.050 Z. Xu, J. Zhang, M. Shan, Y. Li, B. Li, J. Niu, B. Zhou, and X. Qian, “Organosilane-functionalized graphene oxide for enhanced antifouling and mechanical properties of polyvinylidene fluoride ultrafiltration membranes”, J. Membr. Sci. , 458, 1 (2014). 

  23. 10.1016/j.cej.2014.08.082 J. Wang, W. Z. Lang, H. P. Xu, X. Zhang, and Y. J. Guo, “Improved poly(vinyl butyral) hollow fiber membranes by embedding multi-walled carbon nanotube for the ultrafiltrations of bovine serum albumin and humic acid”, Chem. Eng. J. , 260, 90 (2015). 

  24. 10.1074/jbc.271.13.7336 P. Klatt, S. Pfeiffer, B. M. List, D. Lehner, O. Glatter, H. P. Bachinger, E. R. Werner, K. Schmidt, and B. Mayer, “Characterization of heme-deficient neuronal nitric-oxide synthase revealsa role for heme in subunit dimerization and binding of the amino acid substrate and tetrahydrobiopterin”, J. Biol. Chem. , 271, 7336 (1996). 

  25. 10.1002/app.43556 S. Habibi and A. Nematollahzadeh, “Enhanced water flux through ultrafiltration polysulfone membrane via addition-removal of silica nano-particles: Synthesis and characterization”, J. Appl. Polym. Sci. , 133, 1 (2016). 

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