해수담수화의 빠른 증가와 함께 붕소 제거에 대한 중요성이 상승하고 있다. 본 연구는 표면개질 시 친수성 화합물을 이용하여 수투과량을 최대한 막고 붕소 제거율을 높이기 위한 연구를 진행하였다. 첫째로, Control polyamide역삼투막을 얻기 위해 M-phenylenediamine (MPD)와 trimesoyl chloride (TMC)를 Polysulfone한외여과막에 계면중합을 시켜 polyamide 활성층을 제조하였다. 다음으로, Control polyamide 역삼투막에 표면개질을 진행시켜 D-gluconic acid (DGCA)와 D-gluconic acid sodium salt (DGCA-Na)를 glutaraldehyde (GA)와 hydrochloric acid (HCl)을 이용하여 합성시켰다. 합성된 역삼투막의 표면 분석을 위해 XPS 분석을 진행하였으며, DGCA 및 DGCA-Na 화합물과의 반응이 되었음을 확인하였다. 또한, morphology 측정을 위해 FE-SEM과 AFM 분석을 진행하였으며, polyamide 활성층 형성 및 표면 거칠기를 확인할 수 있었다. 수투과량의 경우, 표면개질을 진행한 역삼투막은 10 GFD 수준이거나 그 이하의 값을 가졌다. 하지만, DGCA 및 DGCA-Na 화합물과 표면개질을 진행한 역삼투막의 붕소 제거율은 94.38, 94.64%로, Control polyamide 역삼투막보다 각각 12.03, 12.29 %p만큼 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
해수담수화의 빠른 증가와 함께 붕소 제거에 대한 중요성이 상승하고 있다. 본 연구는 표면개질 시 친수성 화합물을 이용하여 수투과량을 최대한 막고 붕소 제거율을 높이기 위한 연구를 진행하였다. 첫째로, Control polyamide 역삼투막을 얻기 위해 M-phenylenediamine (MPD)와 trimesoyl chloride (TMC)를 Polysulfone 한외여과막에 계면중합을 시켜 polyamide 활성층을 제조하였다. 다음으로, Control polyamide 역삼투막에 표면개질을 진행시켜 D-gluconic acid (DGCA)와 D-gluconic acid sodium salt (DGCA-Na)를 glutaraldehyde (GA)와 hydrochloric acid (HCl)을 이용하여 합성시켰다. 합성된 역삼투막의 표면 분석을 위해 XPS 분석을 진행하였으며, DGCA 및 DGCA-Na 화합물과의 반응이 되었음을 확인하였다. 또한, morphology 측정을 위해 FE-SEM과 AFM 분석을 진행하였으며, polyamide 활성층 형성 및 표면 거칠기를 확인할 수 있었다. 수투과량의 경우, 표면개질을 진행한 역삼투막은 10 GFD 수준이거나 그 이하의 값을 가졌다. 하지만, DGCA 및 DGCA-Na 화합물과 표면개질을 진행한 역삼투막의 붕소 제거율은 94.38, 94.64%로, Control polyamide 역삼투막보다 각각 12.03, 12.29 %p만큼 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
With the rapid increase in seawater desalination, the importance of boron rejection is rising. This study was conducted to investigate the effect of hydrophilic compounds on surface modification to maximize water flux and increase boron rejection. First, polyamide active layer was fabricated by inte...
With the rapid increase in seawater desalination, the importance of boron rejection is rising. This study was conducted to investigate the effect of hydrophilic compounds on surface modification to maximize water flux and increase boron rejection. First, polyamide active layer was fabricated by interfacial polymerization of polysulfone ultrafiltration membrane with M-phenylenediamine (MPD) and trimesoyl chloride (TMC) to obtain Control polyamide membrane. Next, D-gluconic acid (DGCA) and D-gluconic acid sodium salt (DGCA-Na) were synthesized with glutaraldehyde (GA) and hydrochloric acid (HCl) by modifying the surface of Control polyamide membrane. XPS analysis was carried out for the surface analysis of the synthesized membrane, and it was confirmed that the reaction of surface with DGCA and DGCA-Na compounds was performed. Also, FE-SEM and AFM analysis were performed for morphology measurement, and polyamide active layer formation and surface roughness were confirmed. In the case of water flux, the membrane fabricated by the surface modification had a value of 10 GFD or less. However, the boron rejection of the membranes synthesized with DGCA and DGCA-Na compounds were 94.38% and 94.64%, respectively, which were 12.03 %p and 12.29 %p larger than the Control polyamide membrane, respectively.
With the rapid increase in seawater desalination, the importance of boron rejection is rising. This study was conducted to investigate the effect of hydrophilic compounds on surface modification to maximize water flux and increase boron rejection. First, polyamide active layer was fabricated by interfacial polymerization of polysulfone ultrafiltration membrane with M-phenylenediamine (MPD) and trimesoyl chloride (TMC) to obtain Control polyamide membrane. Next, D-gluconic acid (DGCA) and D-gluconic acid sodium salt (DGCA-Na) were synthesized with glutaraldehyde (GA) and hydrochloric acid (HCl) by modifying the surface of Control polyamide membrane. XPS analysis was carried out for the surface analysis of the synthesized membrane, and it was confirmed that the reaction of surface with DGCA and DGCA-Na compounds was performed. Also, FE-SEM and AFM analysis were performed for morphology measurement, and polyamide active layer formation and surface roughness were confirmed. In the case of water flux, the membrane fabricated by the surface modification had a value of 10 GFD or less. However, the boron rejection of the membranes synthesized with DGCA and DGCA-Na compounds were 94.38% and 94.64%, respectively, which were 12.03 %p and 12.29 %p larger than the Control polyamide membrane, respectively.
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문제 정의
하지만 가교 반응 및 표면개질 시, PVA를 대체하여 붕소를 제거하는 논문이 거의 없거나 아주 적다. 본 연구에서는 수투과량의 감소를 막고 붕소 제거율은 높이기 위해 막 표면에 친수성 단량체를 표면개질하는 실험을 진행하였다.
제안 방법
Control polyamide 역삼투막과 표면개질이 완료된 역삼투막은 해수의 조건과 동일한 32,000 ppm의 NaCl과 5 ppm의 붕소가 녹아 있는 공급 용액을 통해 실험을 진행하였다. Test cell은 cross-flow 방식으로 800 psi의 조건에서 운전하였으며, 공급 용액은 25 ± 1°C, pH 8의 조건을 유지하였다.
Control polyamide 역삼투막과 표면개질이 완료된 역삼투막의 원소 구성비를 X-ray photoelectron spectrometry (XPS, Axis nova, Kratos)를 통해 확인하였다. 표면 이미지는 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Carl Zeiss, SigmaHD)와 atomoic force microscopy (AFM, Nanoscopy V, Bruker)를 통해 관찰하였다.
Table 1에서 역삼투막의 morphology와 더불어 표면 거칠기를 분석하기 위해 AFM 분석을 진행하였다. 또한, Fig.
수투과량은 식 (1)을 통해 계산되며 염 제거율 및 붕소 제거율은 식 (2)를 통해 계산된다. 공급 용액은 실제 해수와 비슷하게 만들었으며, 해수의 평균 pH인 pH 8로 맞추어 실험을 진행하였다[21].
표면 이미지는 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Carl Zeiss, SigmaHD)와 atomoic force microscopy (AFM, Nanoscopy V, Bruker)를 통해 관찰하였다. 또한, 역삼투막의 표면 거칠기를 AFM 표면 이미지를 통해 결정하였다. 역삼투막 표면의 친수성을 알아보기 위해 접촉각(Phoenix 300, SEO)을 이용하였으며, 시험조건으로 Water 6~10 µm needle을 사용하였다.
본 연구에서는 막 표면의 친수성 증가를 위해 표면개질 진행 시 PVA를 대체하여 친수성 화합물을 사용하였다. Fig.
역삼투막 표면의 친수성을 알아보기 위해 접촉각(Phoenix 300, SEO)을 이용하였으며, 시험조건으로 Water 6~10 µm needle을 사용하였다. 역삼투막의 전기적 성질은 zeta potential 분석기(Anton Paar, SurPASSTM3)를 통해 측정하였다. zeta potential 측정에 사용된 전해질은 0.
역삼투막의 친수성 정도를 확인하기 위해 접촉각 분석을 진행하였다(Fig. 6). Control polyamide 역삼투막의 접촉각은 67.
역삼투막의 투과 성능 평가는 크게 수투과량, 염 제거율, 붕소 제거율로 진행하였다. 표면개질 전후를 비교하였을 때, 표면개질을 진행한 역삼투막의 경우 매우 큰 수투과량 감소를 확인할 수 있었다.
염 제거율 성능 평가를 Control polyamide 역삼투막과 표면개질이 진행된 역삼투막으로 비교 진행하였다. Control polyamide 역삼투막에 비해 표면개질이 진행된 PVA, DGCA, DGCA-Na 역삼투막의 경우 약 0.
Control polyamide 역삼투막과 표면개질이 완료된 역삼투막의 원소 구성비를 X-ray photoelectron spectrometry (XPS, Axis nova, Kratos)를 통해 확인하였다. 표면 이미지는 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Carl Zeiss, SigmaHD)와 atomoic force microscopy (AFM, Nanoscopy V, Bruker)를 통해 관찰하였다. 또한, 역삼투막의 표면 거칠기를 AFM 표면 이미지를 통해 결정하였다.
표면개질 전후의 역삼투막 표면의 화학결합의 변화를 관찰하기 위해 C 원소에 대한 XPS 분석을 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 표면개질 시 일어나는 수투과량의 감소를 막기 위해 PVA 고분자 대신 친수성 화합물인 DGCA와 DGCA-Na를 사용하였다. 표면개질에 사용되는 GA와 촉매인 HCl을 이용하여 DGCA와 DGCA-Na을 Control polyamide 역삼투막에 표면개질을 진행하였으며, 표면개질이 완료된 각각의 역삼투막에 대해 표면분석 및 투과 성능 평가를 진행하였다. XPS 분석 결과를 통해, 친수성 화합물인 DGCA와 DGCA-Na가 Control polyamide 역삼투막과의 합성이 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
Polyamide 활성층을 형성하기 위해 m-phenylenediamine (MPD, Dupont)와 trimesoyl chloride (TMC, 98%, Aldrich)를 사용하였다. 공급 용액을 제조하기 위해 sodium chloride (NaCl, 98.
시약을 용해시키는 용매로 DI water (EXL-3) 및 Isol-C (100%, SK)가 사용되었다. Polysulfone (PSf, LG) 한외여과막은 활성층 형성을 위한 지지체로 사용되었다.
역삼투막의 전기적 성질은 zeta potential 분석기(Anton Paar, SurPASSTM3)를 통해 측정하였다. zeta potential 측정에 사용된 전해질은 0.001 M NaCl을 사용하였다.
Polyamide 활성층을 형성하기 위해 m-phenylenediamine (MPD, Dupont)와 trimesoyl chloride (TMC, 98%, Aldrich)를 사용하였다. 공급 용액을 제조하기 위해 sodium chloride (NaCl, 98.0%, Samchun), boric acid (99.999%, Aldrich)를 사용하였으며, sodium hydroxide (98.0%, NaOH)를 사용하여 pH를 조절하였다. 표면개질을 위해 glutaraldehyde (GA, 25%, Junsei), hydrochloric acid (HCl, 35%, Jin), D-gluconic acid(DGCA, 49~53% in water, Aldrich), D-gluconic acid sodium salt (DGCA-Na, ≥ 99.
하지만, 다음과 같은 추가적인 막 형성은 수투과량의 감소를 피할 수 없다[2,14]. 그리하여 고분자인 PVA를 대체하여 친수성 화합물인 DGCA, DGCA-Na를 사용하였다.
본 연구에서는 표면개질 시 일어나는 수투과량의 감소를 막기 위해 PVA 고분자 대신 친수성 화합물인 DGCA와 DGCA-Na를 사용하였다. 표면개질에 사용되는 GA와 촉매인 HCl을 이용하여 DGCA와 DGCA-Na을 Control polyamide 역삼투막에 표면개질을 진행하였으며, 표면개질이 완료된 각각의 역삼투막에 대해 표면분석 및 투과 성능 평가를 진행하였다.
88,000 and 88% hydrolyzed, Acros)가 사용되었다. 시약을 용해시키는 용매로 DI water (EXL-3) 및 Isol-C (100%, SK)가 사용되었다. Polysulfone (PSf, LG) 한외여과막은 활성층 형성을 위한 지지체로 사용되었다.
역삼투막 표면의 친수성을 알아보기 위해 접촉각(Phoenix 300, SEO)을 이용하였으며, 시험조건으로 Water 6~10 µm needle을 사용하였다.
표면개질을 위해 glutaraldehyde (GA, 25%, Junsei), hydrochloric acid (HCl, 35%, Jin), D-gluconic acid(DGCA, 49~53% in water, Aldrich), D-gluconic acid sodium salt (DGCA-Na, ≥ 99.0%, Aldrich), Poly(vinyl alcohol) (PVA, 88%, M. W. 88,000 and 88% hydrolyzed, Acros)가 사용되었다.
성능/효과
XPS 분석 결과를 통해, 친수성 화합물인 DGCA와 DGCA-Na가 Control polyamide 역삼투막과의 합성이 이루어진 것을 확인할 수 있었다. Morphology의 분석은 FE-SEM 및 AFM images를 통해 진행되었으며, DGCA와 DGCA-Na 역삼투막의 morphology image가 Control polyamide와 PVA 역삼투막과 다르다는 것을 알 수 있었다. 또한, 표면 거칠기가 Control > DGCA-Na > DGCA > PVA의 순서라는 것을 보았을 때, Control polyamide의 수투과량이 제일 크고 PVA의 수투과량이 제일 작을 것이라고 예측할 수 있었다.
표면개질에 사용되는 GA와 촉매인 HCl을 이용하여 DGCA와 DGCA-Na을 Control polyamide 역삼투막에 표면개질을 진행하였으며, 표면개질이 완료된 각각의 역삼투막에 대해 표면분석 및 투과 성능 평가를 진행하였다. XPS 분석 결과를 통해, 친수성 화합물인 DGCA와 DGCA-Na가 Control polyamide 역삼투막과의 합성이 이루어진 것을 확인할 수 있었다. Morphology의 분석은 FE-SEM 및 AFM images를 통해 진행되었으며, DGCA와 DGCA-Na 역삼투막의 morphology image가 Control polyamide와 PVA 역삼투막과 다르다는 것을 알 수 있었다.
53°)]. 결과적으로 고분자인 PVA와의 표면개질을 진행하였을 때는 소수성 성질이 강해지고, 친수성 화합물인 DGCA와 DGCA-Na와의 표면개질을 진행하였을 때는 친수성 성질이 강해진다는 것을 알 수 있다. PVA는 친수성 고분자여서 PVA 역삼투막의 친수성 성질이 강해져야 한다.
Zeta potential의 크기를 통해 전위안정도를 확인할 수 있는데, 일반적으로 charge의 절대값이 30 mV 이상이면 안정하다고 볼 수 있다[20]. 결과적으로, Control polyamide 역삼투막 및 표면개질이 완료된 DGCA 및 DGCA-Na 역삼투막의 경우, 계면에 대한 안정도가 확보되었다고 할 수 있다.
63%에 해당하는데, 아미드 결합에 의한 것과 더불어 표면개질 시 -COOH과 -COO를 갖는 화합물을 사용한 결과라고 볼 수 있다. 결국, 284.4 eV peak의 비율이 증가한 것으로 보아, Control polyamide 역삼투막과 친수성 화합물인 DGCA와 DGCA-Na의 합성이 이루어진 것을 확인할 수 있다.
또한, 표면 거칠기가 Control > DGCA-Na > DGCA > PVA의 순서라는 것을 보았을 때, Control polyamide의 수투과량이 제일 크고 PVA의 수투과량이 제일 작을 것이라고 예측할 수 있었다.
45 %p 이상 증가하는 것을 관찰할 수 있었으며, DGCA-Na 역삼투막이 가장 큰 염 제거율을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 표면개질이 진행된 모든 역삼투막에서 90% 이상의 붕소 제거율을 갖는다는 것을 확인할 수 있었으며, DGCA 및 DGCA-Na 역삼투막이 Control polyamide 역삼투막보다 12.03, 12.29 %p만큼 붕소 제거율이 높다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 PVA 역삼투막과 비교하여도 1.
75% 커진 값으로 접촉각의 결과와 함께 친수성 성질이 커진다는 것을 알 수 있었다. 염 제거율의 경우, Control polyamide 역삼투막보다 표면개질을 진행하였을 시 0.45 %p 이상 증가하는 것을 관찰할 수 있었으며, DGCA-Na 역삼투막이 가장 큰 염 제거율을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 표면개질이 진행된 모든 역삼투막에서 90% 이상의 붕소 제거율을 갖는다는 것을 확인할 수 있었으며, DGCA 및 DGCA-Na 역삼투막이 Control polyamide 역삼투막보다 12.
또한, 표면 거칠기가 Control > DGCA-Na > DGCA > PVA의 순서라는 것을 보았을 때, Control polyamide의 수투과량이 제일 크고 PVA의 수투과량이 제일 작을 것이라고 예측할 수 있었다. 접촉각의 경우, PVA 역삼투막과의 표면개질을 진행하였을 때는 접촉각이 증가하였지만, DGCA 및 DGCA-Na와 표면개질을 진행하였을 때는 오히려 접촉각이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
역삼투막의 투과 성능 평가는 크게 수투과량, 염 제거율, 붕소 제거율로 진행하였다. 표면개질 전후를 비교하였을 때, 표면개질을 진행한 역삼투막의 경우 매우 큰 수투과량 감소를 확인할 수 있었다. Control polyamide 역삼투막의 경우 23.
43 GFD의 값을 가지는 것에 반해, 표면개질이 진행된 역삼투막의 경우 10 GFD 수준이거나 그 이하의 값을 가졌었다. 하지만, DGCA와 DGCA-Na의 수투과량은 PVA보다 각각 30.52,6.75% 커진 값으로 접촉각의 결과와 함께 친수성 성질이 커진다는 것을 알 수 있었다. 염 제거율의 경우, Control polyamide 역삼투막보다 표면개질을 진행하였을 시 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
역삼투 분리막은 어떤 역할을 하는가?
분리막은 많은 수요와 함께 대부분의 산업 분야에서 다양한 적용이 가능하다는 이점을 갖고 있다. 그중 역삼투 분리막은 용질은 걸러주고 용매가 통과하는 반투과성 막을 이용하여 용해된 용질들을 분리해준다[1]. 역삼투 분리막 중에서 가장 많이 사용하는 박막형 복합막(thin film composite membrane, TFC membrane)은 수백 나노미터의 polyamide 활성층과 수십 마이크로미터의 다공성 Polysulfone (PSf) 지지체로 구성된 여러 개의 층을 가진 구조이다[2].
Polyamide 활성층의 표면에 poly(vinyl alocohol) (PVA)을 가교하는 반응의 단점은 무엇인가?
Polyamide 활성층이 형성된 막 표면에 poly(vinyl alocohol) (PVA)을 가교하는 반응은 polyamide 활성층의 빈 부분을 채워주어 제거율이 향상되는 장점을 갖고 있다. 하지만, 추가적인 막 표면의 형성 때문에 수력학적 저항이 발생하여 수투과량이 감소하는 단점을 가지고 있다[2,14]. PVA는 대표적인 표면개질에 사용되는 화합물로서, 현재 많은 연구가 진행되었다[2,10,15].
박막형 복합막는 어떤 구조를 이루고 있는가?
그중 역삼투 분리막은 용질은 걸러주고 용매가 통과하는 반투과성 막을 이용하여 용해된 용질들을 분리해준다[1]. 역삼투 분리막 중에서 가장 많이 사용하는 박막형 복합막(thin film composite membrane, TFC membrane)은 수백 나노미터의 polyamide 활성층과 수십 마이크로미터의 다공성 Polysulfone (PSf) 지지체로 구성된 여러 개의 층을 가진 구조이다[2]. 계면 중합으로 만들어지는 박막형 복합막은 현재 수처리 시장에서 높은 염 제거율을 보이고 있어 활발히 개발이 진행되고 있다[3].
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