본 연구는 Hummer’s method를 이용하여 Graphene oxide (GO)를 합성하였으며, poly acrylonitrile (PAN)과 복합화하여 나노섬유 막을 제조하였다. 접촉각 측정, SEM, FT-IR, 인장강도, DI water를 이용한 flux 실험 및 BSA rejection 실험을 실시하여 막의 특성 분석을 진행하였다. PAN/GO 0.3 나노섬유의 경우, rejection 값이 59%로 PAN/GO 복합 나노섬유 막들 중 상대적으로 우수하였다. PAN/GO 복합 나노섬유 막을 수 처리 분야에 이용하여 얻은 자료는, 폐수 속의 유기물질 함량 감소 연구에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 비소(arsenic, As) 제거 특성을 가진 망간-철 산화물(manganese-iron oxide, MF)을 제조하고, 이를 poly vinylidene fluoride (PVdF)와 복합화를 진행하여 As(III)와 As(V)를 동시에 제거가 가능한 수처리용 나노섬유복합막 (polymer nanofiber membrane with Mn-Fe, PMF) 제조에 관한 기초 연구를 진행하였다. Transmission electron microscope (TEM) 분석을 통해 MF 소재의 형상 및 구조를 확인하였으며, PMF 복합막의 수처리용 분리막으로의 활용가능성을 조사하 기 위하여 기계적 강도, 기공크기, 접촉각 및 수투과도 분석을 진행하였다. 측정결과로부터 망간과 철 비율이 같은 PMF11 복 합막의 기계적 강도가 가장 높은 결과값(232.7 kgf/cm2)을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 또한, MF 소재의 도입에 따라 기공 크기가 점차 줄어드는 경향성을 확인할 수 있었으며, 특히, 철 산화물의 조성비가 증가할수록 기공크기가 감소하는 경향성을 보여주었다. 수투과도 측정결과 MF 소재의 도입에 따라 PVdF 나노섬유막에 비해 약 10~60% 이상 향상되는 결과를 나타내 었다. 제조된 MF 소재 및 PMF 복합막의 비소 제거 특성평가를 통해 As(III)와 (V)의 동시 제거 가능하며, 특히, MF01 샘플 의 경우 As(III)와 (V)에 각각 93, 68%의 가장 높은 흡착제거율을 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 제조된 MF소재 및 PMF 복합막을 통해 수처리용 분리막의 기능성 향상을 위한 기초연구 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

식용수의 비소오염으로 인한 피해로 비소에 대한 관심이 증대되고 있으며, 아시아 지역뿐만 아니라 북남미, 유럽까지 비소로 오염된 지하수가 발견되고 있다. 본 연구에서는 As(Ⅲ)와 As(V)의 흡착특성을 가진 것으로 알려진 망간-철 산화물을 합성하고, PVdF고분자를 이용하여 복합나노섬유를 제조하였으며, 복합막의 물리적 특성과 비소제거 성능을 확인하였다. 복합화 전 합성된 망간-철 산화물을 ICP를 이용하여 비소제거율을 측정한 결과 As(V)는 43.6%, As(Ⅲ)는 65.5%의 제거율을 보였다.

본 연구에서는 개선된 Hummers법으로 제조된 산화그래핀에 기능화된 산화철(Fe3O4)을 합성하여 나노섬유 분리막을 제조하였다. 기질 고분자인 PVdF(polyvinylidene fluoride)와 제조된 Fe3O4-GO(MGO)은 전기방사법을 이용하여 나노섬유 분리막을 제조하고, 제조된 막에 대한 비소(Ⅲ,V) 제거 실험을 진행하였다. 먼저 MGO의 비소제거 실험에서 비소(Ⅲ) 이온의 경우 83%, 비소(V)이온의 경우 70%까지 MGO에 대한 비소제거 성능이 확인되었으며, 막의 경우에도 MGO의 함량이 높을수록 비소제거가 각각 80%까지 확인되었다.

Polyethersulfone, polysulfone, polyacrylonitrile and cellulose acetate were recently developed to make a membrane for medical application. The membrane made of hydrophobic polymer showed good mechanical properties, however, it caused hydrophobic interaction which results in a disadvantage of short replacement cycle due to the biofouling on the membrane surface. On the other hand, the membrane made of a hydrophilic polymer showed a high swelling ratio, which absorbs a large amount of water and eventually results in a low mechanical strength. In this study, anti-fouling ultrafiltration membranes were prepared using syndiotactic poly(vinyl alcohol) (PVA) via a phase inversion technique and a surface saponification. The biofouling and the permeability of membranes were investigated by controlling the tacticity of PVA.

본 연구에서는 Hummers 법으로 제조된 산화그래핀(GO)를 활용하여 Poly(vinylidene fluoride)(PVdF) 나노섬유 분리막을 제조하고 수처리 적용을 위한 특성평가를 진행하였다. PVdF/GO 나노섬유 분리막의 제조는 나노섬유 지지막에 다양한 농도로 분산된 GO용액을 스프레이건을 이용하여 코팅하는 방법과 고분자 용액에 GO를 도입하여 혼합 방사하는 방법을 적용하였으며, 기공크기 제어 및 기계적 물성을 향상시키기 위해 후처리공정을 진행하였다. 도입방법에 따른 수투과 특성 및 접촉각 등 특성변화를 비교 분석하였다.

본 연구에서는 주위에서 취할 수 있는 식물을 이용하여 엽록체를 추출하고, PP부직포 위에 도포하여 복합막을 제작하였으며, 산소 발생에 대한 연구를 진행하였다. 엽록체의 도입 방법에 따른 실험에서 딥 코팅법과 스프레이 코팅법을 이용하였으며, 밀폐된 용기와 진공오븐내 초를 이용한 연소시험에서 스프레이 코팅이 우수한 결과를 나타내었다. 엽록체 활성증가를 위해 nylon6/6 나노섬유를 부직포 위에 전기방사하여 지지체를 제조 후, 엽록체를 도입하였다. 따라서 본 연구는 산소발생용 분리막 및 공기청정기용 필터소재로의 응용에 대한 기초연구 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 산화그래핀(GO)을 기질 고분자인 PVdF에 도입하여 전기방사법으로 나노섬유 형태의 분리막을 제조하고, 수처리용 분리막으로의 활용가능성을 조사하였다. 제조된 GO와 나노섬유 분리막은 SEM, TEM, XPS, FT-IR, Raman spectra등을 이용하여 GO의 도입여부 및 화학적 구조를 분석하였으며, 순수투과도 및 제거율, TMP변화를 상용막인 CPVC(chlorinated Polyvinyl chloride) 평막과 비교분석하였다. 또한, 항균성 향상과 중금속 제거를 위해 금속물질과 복합화를 진행하고, 이에 따른 활용가능성을 조사하였다.

본 연구에서는 우리 주위에서 흔히 채취할 수 있는 식물을 이용하여 엽록체를 추출하고, 이를 다양한 방법으로 PP부직포 위에 도포하여 복합막을 제작하였으며, 산소 발생여부에 대한 연구를 진행하였다. 제조된 엽록체의 도입 방법에 따 른 실험에서, 딥(dipping) 코팅법과 스프레이(spraying) 코팅법을 이용하였으며, 밀폐된 용기와 진공오븐 내 초를 이용한 연소 시험 모두에서 스프레이 코팅이 비교적 우수한 결과를 나타내었다. 또한, 엽록체의 활성을 증가시키기 위해 nylon6/6 나노섬 유를 PP부직포 위에 전기방사하여 복합지지체를 제조한 후, 엽록체를 도입하여 제조한 샘플의 경우, 나노섬유가 도입되지 않 은 샘플에 비해 낮은 활성을 가진다는 것을 확인하였다. TiO2가 포함된 샘플들의 경우, 포함되지 않은 샘플들에 비해 엽록체 함량이 50%가 도입되었지만, 16%에서 21%까지 도달되는 시간과 초를 이용한 연소실험에서 각각 유사한 결과값을 나타내었 다. 따라서 본 연구에서 도입된 스프레이 코팅법과 TiO2 접목은 산소발생용 분리막 및 공기청정기용 필터소재로의 응용에 대 한 기초연구 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 dimethylformamide (DMF)와 acetone의 혼합용액에 산화그래핀(graphene oxide, GO)을 분산시키고 기질 고분자인 PVdF (polyvinylidene fluoride)를 도입하여 전기방사법으로 나노섬유를 제조하였다. 또한 PVdF/GO 복합 나노 섬유를 평막 형태로 적층시켜 기공크기 0.4 μm인 정밀여과막을 제조하였다. 그리고 GO의 고유한 항균 특성으로 생물학적 오염을 줄일 수 있는 PVdF/GO 복합막의 막오염을 평가하기 위하여 막간 압력차(transmembrane pressure, TMP)를 측정하였 다. 유효 막면적이 0.01 m2인 PVdF/GO 평막과 상용화된 MBR용 CPVC (chlorinated polyvinyl chloride) 평막을 MLSS 4,500 mg/L인 활성슬러지 수용액 내에서 동시에 투과 실험하였다. 공기를 주입하지 않을 경우, 투과유속이 10 L/m2⋅h일 때 PVdF/GO 막의 TMP는 CPVC 막의 최대 79%까지 감소하였다. 또한 운전/휴직 방식으로 운전할 경우, 10 L/m2⋅h일 때 PVdF/GO 막의 TMP는 CPVC 막의 최대 69%까지 감소함을 확인하였다.

본 연구에서는, 산화그래핀(GO) 및 산화철이 기능화된 산화그래핀(M-GO)을 용매인 dimethylformamide (DMF)에초음파분쇄법을 이용하여 완전히 분산시킨 후, 기질고분자인 polyacrylonitrile (PAN)에 첨가하여 전기방사함으로써, 나노섬유 형태의 복합분리막을 제조하였다. 제조된 나노섬유 분리막은 적층수를 변화시켜 기공크기를 조절하였다. Scanning Electron Microscope (SEM) 분석 결과로부터 약 500 nm 크기의 고른 직경분포를 가진 나노섬유 복합분리막이 제조되었음을 확인하였다. 또한, Raman spectroscopy 분석과 Energy Dispersive x-ray Spectroscopy (EDS) 분석 결과로부터 GO 및 M-GO가 분리막 내에 분산되어 있음을 확인하였다. 최종 나노섬유 복합분리막은 상용막(0.27 µm, 55%)과 유사한 기공특성(0.21~0.24 µm,40%)을 보여주었으며, 수투과도 측정결과 PAN 막에 비해 약 200% 향상된 성능을 보여주었다. 이러한 결과로부터, 전기방사법으로 제조된 나노섬유 복합분리막은 수처리용 분리막으로서 충분한 활용가능성이 있다고 판단된다.

고도정수처리를 위한 관형 세라믹 정밀여과와 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 첨가 PES (polyethersulfone) 구의 혼성공정에서 pH 및 산소 역세척의 영향을 막오염에 의한 저항(Rf) 및 투과선속(J), 총여과부피(VT)의 관점에서 고찰하였다. pH가높아질수록 Rf가 감소하고, J는 증가하는 경향을 보였다. 결과적으로 pH 9에서 최대의 VT를 나타내었다. 탁도의 처리효율은 pH와 무관하게 98.7∼99.0%의 비슷한 처리효율을 보였다. 용존유기물질(DOM)의 처리효율은 pH가 높아질수록 감소하였다.산소와 질소 역세척의 차이를 비교한 결과, Rf,180 값이 산소 역세척 시 질소보다 낮게 나타났고, 초기투과선속(J0)으로 무차원화한 최종투과선속(J180/J0)은 역세척 주기(FT) 10분과 12분을 제외하고 산소 역세척이 질소 보다 높게 유지되었다. 산소 역세척 시 탁도물질의 처리효율은 질소 보다 다소 높게 나타났지만, 그 차이는 미비하다. 질소 역세척 시 DOM의 처리율은 산소보다 높게 나타났다. 또한, 포화산소 조건에서 탁도물질의 처리율은 산소 또는 질소 역세척 경우와 비슷하게 나타났지만, 포화산소가 광촉매와 반응하여 OH 라디칼을 생성하였기 때문에 DOM의 처리효율은 큰 폭으로 증가하였다.

고도정수처리를 위한 관형 세라믹 정밀여과와 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 첨가 PES (polyethersulfone) 구의 혼성 공정에서 역세척 주기(FT)와 역세척 시간(BT)의 영향을 막오염에 의한 저항(Rf) 및 투과선속(J), 총여과부피(VT) 측면에서 기 존의 질소 역세척 결과와 비교하였다. FT가 짧아질수록 Rf는 감소하고 J와 VT는 증가하였다. 탁도의 처리효율은 물과 질소 역세척 모두 NBF (no back-flushing)에서 최대이고, FT가 짧아질수록 처리효율이 다소 증가하였다. 유기물질 처리효율은 물 역세척 시 FT 4분에서 최대이었으나, 질소 역세척 시 FT가 짧아질수록 증가하였다. BT가 길어질수록 Rf와 가역적 막오염 저 항(Rrf)은 감소하고, J와 VT는 증가하였다. 탁도 처리효율은 물 역세척 시 98% 이상으로 거의 일정하였으나, 질소 역세척 시 NBF를 제외하고 BT가 길어질수록 증가하였다. 유기물질 처리효율은 물 역세척시 BT 6초에서 최대이고, 질소 역세척 시 NBF를 제외하고 BT가 길어질수록 증가하였다. BT 30초와 FT 2분에서 최대 VT값을 나타내어서, 본 실험 범위에서 최적 조 건은 FT 2분마다 BT 30초이다.

본 연구는 microfiltration (MF) 적용을 위한 PVdF/GO 하이브리드 나노섬유막(FG) 제조에 관한 것이다. 지지체인 PVdF (polyvinylidene difluoride) 나노섬유막은 N,N-Dimethylacetamide (DMAc)와 아세톤에 PVdF를 녹여 방사용액 제조 후 전기방사법을 이용하여 제조하였다. 본 연구에서 사용된 GO (grapheme oxide) sheets는 Hummer’s 방법에 따라 제조되었으며, PVdF 나노섬유 지지체 위에 에탄올에 분산시킨 GO용액을 분사함으로써, 최종적으로 PVdF/GO 하이브리드 나노섬유막(FG)을 제조하였다. FG막은 SEM, Raman, 접촉각, 기공특성분석장치(Porometer), 만능인장시험기(UTM)를 사용하여 조사하였고, 수투과도 분석은 제작된 셀(Dead-End Cell)을 이용하여 측정하였다. 접촉각 측정 결과로부터 제조된 FG막의 표면이 친수성으로 개질되었음을 확인할 수 있었으며, 수투과도값은 PVdF막에 비해 약 2.5배 향상된 것을 확인할 수 있었다.

Polyacrylonitrile (PAN) 기질고분자를 용매인 dimethylformamide (DMF)에 녹인 후 전기방사법을 이용하여 polyacrylonitrile nanofibers membrane (PAM)을 제조하였으며, 정밀여과(microfiltration) 적용을 위해, 제조된 PAM 샘플들의 layer 수를 변화시켜, 기공크기를 조절하였다. 또한, 순수투과도(water-flux) 향상을 위해 poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate와 azobisisobutylronitrile (AIBN)을 이용하여 자유 라디칼 중합(free radical polymerization)을 통해 합성된 AN‐ PEGMA 공중합체를 PAN과 3:1의 비율로 혼합한 후 위와 같은 방법으로 다공성 막(PAM/APM)을 제조하였으며, FT-IR과 E.D.S 분석을 통해 PAM 샘플과 비교⋅분석하였다. Scanning Electron Microscope (SEM) 분석과 기공크기, 기공도 실험을 통해 균일한 직경(400∼600 nm)과 균일한 기공특성(0.5∼0.4 μm)을 가진 다공성 막이 제조되었음을 확인할 수 있었다. 순수 투과도 측정을 통해 정밀여과용 막으로의 활용가능성을 조사하였으며, AN‐PEGMA 공중합체가 도입된 PAM/APM의 경우 상 용막인 polyvinylidenefluoride (PVdF)에 비해 순수투과도가 상대적으로 높은 값을 나타내었다. 위의 결과로부터 전기방사법으로 제조된 PAN 나노섬유막들은 정밀여과용 막으로서 충분한 활용가능성이 있다고 판단된다.

1980년대 이후 국내 하 폐수 처리시설에 대한 지속적인 투자로 하수도 보급률이 90%에 이를 만큼 비약적으로 확충되었다. 21세기 들어 물 부족에 대비한 대체수자원 확보, 기후변화 등 지구환경문제에 대비한 에너지 절감 및 생산, 하천 호소의 지속적인 수질개선 요구 등 사회적 환경적 영향 요소를 감안할 때 더욱 고도화된 선진 하 폐수 처리기술이 필수적이다. 신개념 처리기술은 수질유해물질 및 독성관리기술 등 초고도 처리기술, 맞춤형 재이용기술, 에너지 절감 회수 활용 기술을 유기적으로 조합 연계하는 기술이다. 이러한 선진 처리기술은 국내 수질환경개선은 물론 개도국을 중심으로 급성장세를 보이는 국제 환경시장에서의 경쟁력 확보의 토대가 될 것이므로 글로벌 탑 수준을 지향하는 하 폐수 고도처리 기술개발 사업에서는 상기 기술 분야를 중점 개발하고자 한다. 본 사업단은 방류수 고품질화. 재이용 기술 분야, 에너지자립 분야, 통합관리 분야로 구분, 향후 1단계 5개년(2011-2015) 사업을 본격 추진할 예정이다.

기질 고분자인 sulfonated PEEK (sPEEK)와 가교제(cross-linking reagent) 4,4'-ethyldianiline (EdAn), 그래프트제(grafting reagent) 2-phenylethylamine (PEA)을 용매 dimethylacetamide (DMAc)에 녹여 용매증발법을 이용하여 제막하였다. 이민화 반응(imination)과 술폰화(sulfonation) 과정을 거쳐 최종 이온교환막인 cross-linked and grafted sPEEK (CG-sPEEK)막을 제조하였다. FT-IR 분석을 통해 술폰화 및 이민화 반응여부를 확인할 수 있었다. Proton conductivity와 water uptake, volume change를 측정하여 상용화된 Nafion115와 비교함으로써 이온교환막으로서의 활용가능성을 평가하였다. 제조된 CG-sPEEK막의 proton conductivity (0.17 S/cm) 값이 Nafion115 (0.10 S/cm) 보다 우수하게 나타나 이온교환막으로서의 적용가능성을 보여주었다. 다만 높은 water uptake (130%)는 CG-sPEEK의 치수안정성을 위해서 저감시킬 필요가 있다.

본 연구에서는 Poly(vinyl alcohol) (PVA)을 주쇄부(base polymer)로 하여 화학적 가교를 실시하기 위하여 Poly(styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-MA)를 첨가하고, 실리카와 술폰산기를 함유한 3-(trihydroxysilyl)-1-propanesulfonic acid (THS-PSA)의 함량변화와 열 가교온도 변화를 통하여 직접 메탄을 연료전지(DMFC)에 적용하기 위한 고분자 전해질 막 소재에 관한 연구를 실시하였다. 제조된 막을 Nafion 115와 함께 비교하기 위하여 동일한 조건에서 함수율, 열 중량 분석(TGA), 이온교환용량, 이온전도도 및 메탄올 투과도를 실시하였다. 실험을 통하여 THS-PSA의 함량과 열 가교 온도변화에 따라서 메탄올 투과도가 10 -6에서 10 -8 cm 2 /s로 감소된 결과를 얻었으며, 이온전도도는 10 -3에서 10 -2 S·cm -1으로 향상되어 Nafion 115보다 우수한 결과를 나타내었다.

전기방사법을 이용하여 제조된 pelyestersulfone (PES)-bovin albumin serum (BSA) 친화막에 대하여 L-tryptophan에 대한 흡착특성을 연구하였다. FESEM과 Image Analyzer를 이용하여 방사조건에 따른 섬유의 직경분포를 비교분석 함으로써 섬유의 직경을 조절할 수 있음을 알았다. 또한, 2,2,3,4,4,4-Hexafluoro-1-butanol (HFB)와 BSA의 함량증가에 따른 미세섬유 발생빈도가 높아져서 Darcy 투과도, 기계적 물성, 발수성이 증가한다는 것을 알았다. L-tryptophan의 용출량은 tris-HCl 완충용액보다 borate-DMSO 완충용액에서 높았으며, A 8022형 BSA보다 A 7906형 BSA가 높은 용출량을 보였다. 이러한 결과는 BSA의 종류에 따른 그 특성에 기인하는 것으로 A 7906형은 A 8022형보다 순도가 높고 분자량 분포가 고르며, 사용 pH 환경이 더욱 안정적이기 때문이다.

술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체를 직접 중합법으로 합성하고 공유 가교하여 연료전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 최적의 전해질 막 제조를 위하여 가교제의농도를 30~90 v/v% 및 가교시간을 30분 내지 720분의 범위에서 다양한 조성의 전해질 막 제조실험이 수행되었으며 FT-IR분광법 및 열 중량분석, 수소 이온 전도도 측정 등을 통해 전해질 막의 기본 특성들을 평가하였다. 수소 이온 전도도는 가교도에 따라 감소하는 것으로 나타났으며, 물 흡수율 및 메탄올 투과도도 함께 낮아짐을 알 수 있었다.