폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반의 막은 내구성이 우수한 네트워크 구조를 가지는 구조재료로서의 우수한 강성과 더 불어서 고온에서의 우수한 내열성, 우수한 기계적 및 인장 특성, 높은 유리전이온도(Tg), 물이 없는 무수 환경에서의 이온 전 도성능, 산화와 화학적 내구성으로 지난 20년 동안 다양한 용도의 대중적인 막 재료로 다양한 문헌에서 보고되어 왔다. 이온 전도성 PBI 기반 막은 고온용 양이온 교환막 연료 전지(HT-PEMFC)에서 광범위하게 사용되어왔다. 또한 PBI 기반 막은 독 특한 특성으로 인해 기체분리막 및 유기용매나노여과(OSN) 막 개발에서 광범위하게 사용되어왔다. 이번 리뷰에서는 고온용 연료전지, 기체분리 및 OSN 적용을 위한 다양한 유형의 PBI 기반 막의 최근 연구동향 및 적용가능성에 대해 설명하고자 한다.

본 연구에서는 유기용매용 나노여과막 (Organic Solvent Nanofiltration, OSN)의 유기용매 투과 및 분리성능을 분 석하였다. 비극성용매에 적합한 Puramem (PM) 시리즈 분리막의 소재를 분석한 후 다양한 유기용매 분위기에서의 투과성능 을 데드엔드셀로 측정하였다. PM 시리즈 분리막은 극성용매 대비 비극성용매에서 더 높은 투과도를 보였으며, 용질의 종류 및 분자량에 따라 매우 독특한 배제성능을 보이는 것을 확인하였다. 이는 기존 수처리에 적용되는 Solution-diffusion 투과모 델이 OSN 투과모델에는 적합하지 않다는 것을 알 수 있으며, solvent-solute-membrane 간의 상관관계를 더 정확하게 반영할 수 있는 새로운 인자가 필요하다는 결론을 낼 수 있다.

분리막 공정의 효율적인 운전을 위해서는 막오염 원인물질의 파악과 전처리 단계에서의 제어가 필요하며, 막해체를 통한 막오염 물질의 특성 분석은 막오염 원인물질에 대한 정보를 제공한다. 본 연구에서는 1.7 m3/day 규모의 파일럿 나노여과막을 약 60일 동안 운전 후 해체하여 막오염 특성을 평가하였다. 막오염 물질의 대부분(69.7±1.5wt.%)은 미생물에서 유래한 저분자(< 0.5 K Da) 유기물질로 밝혀졌다. 무기 막오염 물질은 알루미늄이 대부분(60% 이상)을 차지하였으며, 이는 정수처리 공정에서 응집제로 사용되는 잔류 폴리염화알루미늄의 영향으로 판단된다. 그러므로 나노여과막 장기운전을 위해서는, 미생물에 의한 막오염 저감 방안과 잔류 응집제를 제거하기 위한 전처리 방안이 마련돼야 한다.

Facing the decommissioning era of nuclear facility, it is necessary to develop technology for treating wastewater containing nuclides. Among variety of nuclides, Cs/Sr/Co are the major nuclides considering quantity and radioactivity. In this presentation, we report the performance of nanofiltration and reverse osmosis membranes for nuclides separation. Reverse osmosis membranes have quite effective for the separation of Cs, Sr, and Co. Rejection is above 93% for single component and even higher for mixed nuclides separation, > 98%. This study indicates that polymeric membranes can be potential candidate for nuclides separation.

본 연구에서는 piperazine 기반 상용화 된 NE70 분리막 표면 성분인 아마이드기가, 산 가수분해 이후 생성된다고 알려져 있는 카르복실과 아민기에 대한 분석을 하고자 한다. 실험 방법으로 15 w/v% 황산 수용액 조건에서 7일간 노출 전/후의 NE70 분리막을 ToF-SIMS 기기를 이용하여 카르복실산과 아민기를 포함하는, Molecular weight이 120 미만인 이차이온들을 비교하였다. 또한, 상대적으로 내산성이 있는 m-phenylene diamine 기반 상용화 된 NE90 분리막을 15 w/v% 황산 수용액 조건에서 63일간 노출 전/후 샘플을 비교군으로 두어 NE70 분리막에서 발생 되는 peak intensity 차이는 산 가수분해로 인해 발생한 것임을 추가로 확인 하였다.

본 연구에서는 Polyvinylidene Fluoride(PVDF)와 Polyacrylonitrile(PAN)의 중공 사막 표면에 계면중합하여 복합막을 제조하였다. 지지체 중공사 막은 기존에 상 용화된 제품을 사용하였고, Poly(4-styrene sulfonic acid)(PSSA)와 Polyetherimide 의 농도변화, 이온세기의 변화, 코팅시간의 변화에 따라 막을 제조하였다. 제조한 막의 특성평가를 위해 NaCl, MgCl2, CaSO4 100ppm의 공급액을 이용하여 일정 가동압력과 공급유량에서 막의 투과도와 배제율을 측정하였다.

유가금속 및 희소금속의 수요가 많아짐에 따라 제련공정에서 발생하는 황산 용액 내의 유가금속 및 희소금속을 회수하여 사용하는 방향의 연구가 진행되고 있다. 이에 황산용액 내의 희소금속 및 유가금속을 분리하기 위해서는 내산성이 뛰어난 나노분리막이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 우수한 내산성을 가진 방향족 폴리아미드 나노여과막을 제조하였으며 제조된 분리막의 나노여과 특성과 내산성 및 내열성을 평가하였다.

Nuclide separation of commercial nanofiltration (NF) & reverse osmosis (RO) membranes is investigated to elucidate the permeation mechanism and possibility on applying treatment of wastewater from nuclear facility. Since wastewater from nuclear facility contains significant amount of dangerous nuclides, their treatment for recycle or clearance is necessary. Polyamide based commercial membranes are prepared to investigate their separation performance on single- & multi-component nuclide aqueous solutions. Similar to their desalination performance, NF shows higher flux, but RO has high rejection. With respect to rejection, NF and RO membranes have better performance comparing to desalination. This study indicates that NF and RO membranes can be potential candidate for nuclide separation.

제련 과정 중 발생하는 폐황산에는 다양한 희소금속들이 포함되어 있으나, 공정수에서 희소금속 회수가 처리기술 부족으로 중화되어 폐기되고 있는 실정이다. 일반적으로 습식제련공정에서의 모액(침출액)은 황산(10~15%) 용액 상태이며, 모액중의 유가금속 (Cu, Zn 등) 및 희소금속(In, Se, Re 등)은 보통 수 ppm에서 수 % 단위로 용해되어 있다. 희소금속은 첨단소재로서의 가치가 높고 수요가 급증하고 있으나 공정수에서 희소금속 처리 기술 부족으로 폐 황산 속 희소금속은 중화되어 폐기되고 있다. 희소금속 처리기술로서 분리막 공정을 희소금속 회수에 적용하면 효율적인 분리/농축을 가능하게 하여 경제적인 이점이 있다. 본 연구에서는 내산성이 뛰어난 방향족 모노머인 메타페닐렌디아민과 파라페닐렌디아민, 지방족 아민모노머인 피페라진와 블렌딩하여 계면중합을 실시하고 물성을 평가한다. 그리고 제조된 분리막의 내산성을 평가하기 위하여 15 wt% 황산용액에 침지한 후 투과성능을 측정하였다.

습식 동 제련공정은 황화광석을 원료로 하며, 제련 공정 중 약 2~15%의 폐황산이 발생하게 된다. 이 황산용액에는 유가금속(Cu, Zn) 및 희소금속(In, Se, Re 등)은 보통 수 ppm에서 수 % 단위로 용해되어 있으며, 첨단소재로서의 희 소금속 및 유가금속의 용도 및 수요가 다양해짐에 따라 이를 회수하여 활용하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 막분리를 이용하여 희소금속을 분리할 시 효율적이며 친환경적인 장점이 있다. 본 연구에서는 폴리에틸렌이민, 피페라진, 트리메조일클로라이드 용액을 사용하여 다공성 지지막 위에 폴리아미드 계면중 합을 하였으며, 제조된 분리막의 투과 특성 및 15%의 황산용액에 대하여 내산성 특성을 살펴보았다.

Radioactive liquid waste has given soil & water pollution and further congenital defect to the humanity. With this regard, there are lots of interests in reducing concentration of radioactive material even if it is in low level (ppm). There are filtration driven by pressure such as ultra-filtration, nano-filtration, and reverse osmosis to separate radioactive liquid waste. Among them, Nano-Filtration membrane shows promising performance in both permeability and selectivity. Commercial nanofiltration membrane were applied to separate model solutions. Model seawater was desalinated to 6,100 ppm with flux of 90 L/ ㎡h. On the other hands, Model nuclides (Co, Cs, and Sr) solutions are separated from 10 ppm to 2 ppm, 0.23 ppm, and 0.13 ppm. Commercial nanofiltration membranes show the trade-off property between selectivity and flux.

본 연구에서는 분리막 공정의 가장 큰 단점인 파울링을 저감시키기 위해 상용 나노막 표면을 실란 화합물로 개질하여 내오염성 및 내염소성이 향상된 복 합막을 제조하고자 하였다. 각기 다른 말단 관능기를 포함한 실란 커플링제로 (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane (MPTES), Octyltrimethoxysilane (OcTES), (3-Aminopropyl)trimethoxysilane (APTMS)을 사용해 표면을 개질하였다. 실란을 표면에 그래프팅 시킨 결과 막 표면의 친수화 증가로 인한 개질막의 투과 수량 향상과 내오염성 및 내염소성에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 또한 AFM, XPS, FT-IR을 통해 제조된 막의 특성을 분석하였다.