본 논문에서는 UiO-66 입자를 합성하고, 이를 열가소성 탄성중합체인 polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) 블록공중합체 매질에 삽입하는 방식으로 CO2/N2 기체를 분리하기 위한 혼합 매질 분리막을 제조하였다. UiO-66 가 고분자 매질에서 미치는 영향을 확인하기 위해 SBS와 UiO-66의 질량 비율을 변화시켜가며 혼합 매질 분리막을 제조하였 다. 또한 UiO-66 입자의 균일한 분산을 위해서 두 차례에 걸친 초음파 처리 및 자성 막대를 이용한 물리적 혼합을 활용하였 다. 제조된 시료들은 푸리에 변환 적외분광법(FT-IR), 주사전자현미경(SEM)을 통해 확인하였다. 또한 기체 투과 성능은 time-lag method를 통해 확인하였다. 이때, UiO-66의 함유량이 증가함에 따라 혼합 매질 분리막의 투과도는 크게 증가하였지만, CO2/N2 선택도는 크게 감소하지 않았다. 가장 좋은 성능을 보인 20%의 UiO-66 입자를 함유한 분리막의 경우 663.8 barrer의 CO2 투 과도와 13.3의 CO2/N2 선택도를 보여주었다. 이러한 결과는 Robeson plot에서 순수 고분자 막에 비해 upper bound에 더 가까 운 성능을 나타냈는데, 첨가된 UiO-66가 선택도를 크게 희생시키지 않고 기체 투과도는 두 배 이상 향상시켰기 때문이다.

본 논문에서는 SBS-g-POEM 블록-그래프트 공중합체, 이온성 액체(EMIMTFSI) 및 ZIF-8 나노 입자를 사용하여 CO2/N2 기체를 분리하기 위한 혼합 매질 분리막(MMMs)을 개발하였다. SBS-g-POEM은 낮은 비용이 드는 자유 라디칼 중합 법을 통해 합성된 유연한 블록-그래프트 공중합체이다. EMIMTFSI는 SBS-g-POEM 매트릭스에 용해시켰으며, 합성된 ZIF-8 나노 입자들 역시 공중합체의 매트릭스에 분산시켰다. 제조된 시료들의 특성은 푸리에 변환 적외 분광법(FT-IR), 시차 주사 열량계(DSC), 주사 전자 현미경(SEM), X선 회절 분석(XRD)을 통해 확인하였으며, 분석 결과 각 성분들은 서로 간의 좋은 혼화성을 나타내었다. 기체 분리 성능은 time-lag measurements를 통해 확인되었으며, 537.0 barrer의 CO2 투과도와 15.2의 CO2/N2 선택도를 나타내었다. 이를 통해 첨가된 EMIMTFSI와 ZIF-8 나노 입자는 CO2/N2 선택도를 크게 희생시키지 않고 기체 투과 도를 두 배 이상 향상시키는 것으로 확인되었다.

Plasticization is one of the biggest challenges in gas separation polymeric membranes. Mixed matrix membrane (MMM) comprising inorganic nanofiller is the most promising solution for anti-plasticization, however, it requires large amount of nanofillers to achieve desired performance. We adopted 2-D nanocomposite of zeolitic imidazolate framework (ZIF) attached on graphene oxide to effectively prevent plasticization of polyimide membrane under mixed gas condition. ZIF nanofillers, known as suitable additive for olefin/paraffin separation membranes, were grown on graphene oxide 2-D nanotemplates to maximize encounter frequency between gas permeant and nanofillers even in lower concentrations. The prepared MMMs successfully showed an improved mixed gas selectivity compapred to pristine membrane, indicating better anti-plasticization effect.

We developed a facile methodology for fabricating a free-standing mixed-matrix membrane (MMM) containing covalently incorporated vinyl-functionalized UiO-66-CH=CH2 particles up to 60 wt% by utilizing thiol-ene photopolymerization. FTIR, TGA, SEM, EDX, and XRD strongly supported the fact that the desired MMM containing well-dispersed UiO-66-CH=CH2 particles was successfully produced by C–S bond formation. The MMM was highly flexible and showed improved mechanical properties compared to the pristine polymeric membrane, indicating that the covalently immobilized UiO-66-CH=CH2 particles were homogeneously distributed in the polymer matrix. Gas permeability across the MMM was significantly enhanced compared with the pristine polymeric membrane as diffusion of the gas molecules was facilitated in the porous space of the MOF.

Various methods for suppressing the membrane fouling have been investigated over the last two decades. For instance, micropatternings including lines, pillars or pyramids on the porous membrane surface as a passive strategy and coating nanoparticles including TiO2, silver and chitosan on the membrane as an active strategy have been verified useful in improving fouling resistance. Here we successfully fabricated biomimeticpatterned ultrafiltration membranes with high pattern fidelity to enhance the fouling resistance. Also, we investigated the synergistic effect of biomimetic patterns and nanoparticles on fouling resistance of our UF membranes. The excellent long-term performance of our nanoparticles containing patterned biomimetic UF membranes in membrane bioreactor further demonstrated its feasibility for ultrafiltration applications.