For facilitated olefin/paraffin separation, poly(ethylene-alt-maleic anhydride)-g-O-(2-aminopropyl)-O′-(2-methoxyethyl) polypropylene glycol (PEMA-g-PPG) is reported by facile, cheap and moderate-condition synthesis. PEMA-g-PPG provided effective polymer matrix for partially polarized silver nanoparticles (AgNPs) and 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ). AgNPs could facilitate olefin transport through π-complexation, while TCNQ activated surface of AgNPs for partial polarization as a strong electron acceptor. The FT-IR and TEM image supported improved interactions between PEMA-g-PPG and AgNPs. The best separation performance was obtained with 1:3 wt ratio of PEMA-g-PPG:AgNPs, showing 7.8 GPU for mixed gas permeance and 17.5 selectivity for propylene/propane.

We fabricated dual-phase free-standing polymeric membrane for high performance CO2/N2 separation, introducing amphiphilic, CO2-philic copolymer via one-step free radical polymerization, or (2-[3-(2H-benzotriazol-2-yl)-4-hydroxyphenyl]ethyl methacrylate)-graft-poly(oxyethylene methacrylate) (PBE). PBE filler partially interacts with Pebax polymer matrix to generate the interconnected CO2 philic network, exhibiting a microphase-separated, or dual-phase behavior in Pebax matrix. The performance of CO2/N2 separation was increased according to the PBE content, with the maximum selectivity at 5 wt%. The enhancement of Pebax/PBE CO2-philic membrane was attributed to the formation of CO2-philic channel consisting of ether oxygens and triazole groups. The best performance was CO2 permeability of 175.3 Barrer and CO2/N2 selectivity of 48.2.

해수담수화의 성장과 함께 붕소 제거를 위해서 많은 연구가 진행되고 있다. 흡착제, 이온교환수지 등 많은 방법으로 붕소가 제거되고 있는데, 그 중에서 분리막을 이용하여 제거하는 기술은 높은 선택성과 효율로 인해 빠른 성장을 보이고 있는 기술 중에 하나이다. 붕소 제거는 여러 분리막 중에서 역삼투막이 많이 사용되는데, m-phenylenediamine (MPD)와 trimesoyl chloride (TMC)를 이용한 역삼투막 제조가 현재 가장 많이 사용되는 기술이다. MPD와 TMC를 이용하여 Polysulfone 지지체 위에 polyamide 활성층을 제조하는데, 이를 통해 높은 수투과량과 염제거율을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 polyamide 활성층에 표면개질을 이용하여 염제거율 및 보론 제거율을 증가시킬 것이다.

세 가지의 다른 화학 성분으로 구성된 터폴리머는 기체분리막에 거의 활용되지 못하였다. 본 연구에서는 poly (2-[3-(2H-Benzotriazol-2-yl)-4-hydroxyphenyl] ethylmethacrylate)(PBEM), poly(oxyethylene methacrylate)(POEM), methyl methacrylate (MMA)로 구성된 터폴리머를 자유라디칼 중합법으로 합성하였고, 이를 기반으로 하여 이산화탄소/질소 분리를 위한 복합막 제조 공정을 개발하였다. 합성된 PBEM-PMMA-POEM 용액을 다공성 폴리설폰 지지체위에 코팅하여 복합막을 제조하였다. 성공적인 중합, 특성 및 구조분석을 위하여 푸리에 변환 적외선 분광학, X-ray 회절분석법, 열중량 분석 및 전계 방사 주사전자 현미경을 사용하였다. PBEM-PMMA-POEM 터폴리머 분리막의 기체 투과도 및 이산화탄소/질소 선택도를 25°C에서 측정하였다. 최고의 이산화탄소/질소 선택도는 30.2에 도달하였으며, 이산화탄소 투과도는 57.4 GPU (1 GPU = 10-6 cm3(STP)/(s cm2 cmHg))이었다.

무분별한 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화는 이상기후와 생태계 파괴 등을 초래함으로써 인간의 삶에 심각한 영향을 미치고 있다. 이러한 문제의 근본 원인인 이산화탄소 배출을 저감하는 방법으로 본 연구에서는 자가-가교 성질이 있는 P(GMA-g-PPG)-co-POEM) (SP) 공중합체와 상용 고분자인 polyvinylpyrrolidone (PVP)를 혼합하여 블렌드 고분자 분리막을 제조하는 방법을 제시하였다. PVP 함량에 따른 분리막의 이산화탄소/질소 투과 특성을 확인하였으며, PVP의 함량이 증가 할수록 투과도는 감소하고 선택도는 증가하는 결과를 보였다. 특히 PVP 함량이 30 wt%인 경우, 투과도는 순수 SP 고분자의 CO2 투과도인 72.9 GPU에서 12.6 GPU로 감소하였으나, CO2/N2 선택도는 28.1에서 50.4로 약 79% 증가하였다. 이는 SP 공중합체와 PVP 사이의 수소결합으로 인해 고분자 사슬이 더욱 조밀하게 배열되기 때문인 것으로 볼 수 있으며, 이를 FT-IR, TGA, XRD, SEM을 통해 분석하였다. 따라서, 본 연구에서는 SP/PVP 고분자 블렌드 내 PVP의 함량을 조절함으로써 분리막의 투과도 및 선택도를 손쉽게 조절할 수 있음을 확인하였다.

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.

급진적인 산업발전에 따른 무분별한 이산화탄소 배출로 인하여 지구온난화, 이상 기후 등의 문제가 불거지고 있으며 이는 한 나라에만 국한되지 않은 국제적인 문제가 되었다. 위와 같은 문제를 해결하고자 본 연구에서는 이산화탄소에 대해 높은 친화도를 가지고 있는 PEGBEM-g-POEM 가지형 공중합체를 합성하였으며 CaCO3염을 첨가하여 염의 중량에 따 른 혼합매질분리막의 이산화탄소/질소 투과 성능을 관찰하였다. CaCO3염이 고분자 중량 대비 50% 첨가되었을 때 최적의 이 산화탄소/질소 분리 투과성능을 보였으며, 선택도는 염을 추가하기 전 44.7에서 45.42로 크게 변하지 않은 반면 이산화탄소 투과도는 염을 첨가하기 전 22.5 GPU에서 28.16 GPU로 약 25% 향상되었다. 이는 첨가한 염과 이산화탄소간의 상호작용으 로 인하여 향상된 고분자 복합막의 이산화탄소에 대한 용해도에 기인하는 것으로 생각된다. 또한 염을 과량으로 첨가한 경우 에는 고분자가 복합막의 표면을 충분히 메우지 못하여 계면결함이 생성되었으며 이로 인해 이산화탄소 기체 분리성능이 감소하였다. 기체분리성능 향상을 위해서는 적정량의 염 첨가가 필수적인 것으로 분석되었다.

인위적인 온실 가스 배출로 인한 자연 재해가 증가하고 있으며 이로 인해 기체 분리막의 개발이 촉진되게 되었다. 이산화탄소(CO2)는 지구 온난화의 주요 원인이다. 고유의 유연성을 가지는 유기 고분자 막은 기체 분리막의 좋은 후보군 중 하나이며, 이 중 이산화탄소에 대한 높은 확산도를 가지고 있는 폴리디메틸실록산(PDMS)은 유망한 소재이다. 또한, 폴리비 닐피롤리돈(PVP)은 이산화탄소에 대한 높은 용해도를 가지고 있는 고분자로 기체 분리막에 활용될 수 있다. 따라서 본 연구 에서는 용이한 조건에서 간단한 단일 반응 자유 라디칼 중합에 의하여 다양한 조성의 폴리디메틸실록산-폴리비닐피롤리돈 (PDMS-PVP) 빗살 공중합체를 합성하였다. PDMS와 PVP로 합성된 공중합체는 FTIR을 통해 분석하였다. 고분자의 형태학 및 열적 특성은 TEM, TGA 및 DSC를 통하여 분석하였다. PDMS-PVP 빗살 공중합체를 다공성 폴리설폰 지지체 위에 코팅 하여 복합막을 제조했으며, 제조한 복합막의 기체 투과 특성을 분석하였다. 그 결과 이산화탄소의 투과도 및 이산화탄소/질소 선택도가 각각 140.6 GPU 및 12.0에 도달하였다.

We present a facile, room temperature synthesis of poly(ethylenealt- maleic anhydride)-graft-poly(propylene glycol) (PEMA-g-PPG) graft copolymer-based CO2/N2 gas separation membrane with 100% conversion reaction without any further purification process. As confirmed by the Fourier transform infrared (FT-IR) and nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopy, the PEMA-g-PPG was successfully synthesized with 100% conversion of PEMA and PPG monomers. It was confirmed that the PEMA-g-PPG was amorphous and rubbery state according to the X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimetry (DSC0 results. Therefore, PEMA-g-PPG/polysufulfone composite membrane exhibited high performance of CO2 permeability (99.1 Barrer) and selectivity (82.6 for CO2/N2 and 26.8 for CO2/CH4), surpassing conventional PEBAX block copolymer membrane.

In this study, mixed-matrix membranes (MMMs) containing MgO nanosheets (MgO-NSs) and AgBF4 in a comb copolymer matrix were successfully prepared for olefin/paraffin separation. The MgO-NSs, which were synthesized via a non-hydrothermal method, showed a large surface area with multi-mesopores. Two kinds of comb copolymers, POEM-g-PEGBEM and PHMEP-g-PEGBEM, were used as a matrix for dispersion of the MgO-NSs and AgBF4. The separation efficiency was enhanced by addition of MgO-NSs due to the dual-functionality. MgO-NSs resulted in the enhancement of the activity of silver through specific interaction and also led to increased diffusivity due to its mesoporous structure. The interactions among the MgO-NSs, silver ions, and polymer matrix were systematically characterized by using FT-IR, XPS, SAXS, and XRD analysis.

역삼투 공정은 에너지 효율의 증가로 해수담수화에서 많이 사용되고 있는 공정이다. 보론은 해수에서 대개 4∼5 mg/L의 농도로 존재하며, pH 8.2에서 B(OH)3로 76%, B(OH)4 -로 12%, 나머지 11%는 복합체와 금속 이온을 이룬 구조로 존재하고 있다. 이러한 구조로 인해 역삼투 후에도 보론 한계기준보다 높은 수치로 남아 있어 효과적으로 제거할 수 있는 공정이 필요하다. 본 연구에서는 N-methyl-D-glucamine (NMDG)이 포함된 첨가제를 이용하여 역삼투막을 제조 하였으며, 제조된 막의 성능을 평가하였다.

PVC-g-POEM graft copolymer was synthesized for ultrafiltration (UF) membrane area and the effect of TTIP on the membranes was also explored via phase separation. Characterization was explored by FT-IR, 1H-NMR and FE-SEM and measured by cross-flow system. The interaction between copolymer and TTIP enhanced the water permeance because of increased surface pore size and porosity. Phase inversion process in 80 oC water bath resulted in decreased water permeance owing to the increased top selective layer, but increased BSA rejection. However, TTIP-treated membrane with 80 oC inversion showed decreased BSA rejection owing to TTIP dissolution in hot water. TTIP treatment and 80 oC inversion resulted in highly enhanced antifouling property. The best performance exhibited 338 LMH water permeance, 89.4% BSA rejection, and 91.9% flux ratio recovery.

‘용매 이동 유도 상분리‘라는 신 기법을 이용하여 바이젤 중공사막을 개발했고 이를 물/기름 에멀젼 분리에 적용하였다. 바이젤막은 미세유체장치를 이용한 방사법을 통해 제조되며, 제조액으로는 실리카 나노입자가 분산된 삼성분계 혼 합액 (물/가교 가능한 단량체/ 에탄올)을 사용한다. 실리카 나노 입자의 양, 입자 표면을 개질하는 계면활성제의 양에 따라 표면층의 기공 크기 및 하부 층의 구조 변화를 살펴보았다. 바이젤 막의 장점은 후 코팅 공정을 거치지 않고도, 막 표면 전체를 실리카 입자 층으로 덮어 anti-fouling 효과를 보유한다는 점이다. 물/기름 에멀젼에서 순수 물을 얻는 정밀여과에 적용하였으며, 상용 폴리설폰 중공사막보다 우수한 oil rejection 및 투과도를 보여주었다.

The gas separation through membrane is considered as a promising solution for the stabilization of greenhouse gas level of atmosphere attributed from CO2. The separation process of membrane allows low energy requirement, low cost, and ease of operation. However, conventional polymeric membranes generally suffer from the trade-off between permeability and selectivity, which remains as one of the most important challenges for commercialization. Mixed matrix membranes (MMMs), consisting of a polymer matrix and porous nano-filler, are considered to be a promising solution to overcome the trade-offs in polymeric membranes. Herein the porous nano-structures were fabricated to enhance the permselectity of CO2 separation membranes. The MMM which were fabricated with prepared porous nano-filler showed permeability improvement without significant selectivity loss.

올레핀/파라핀 분리는 산업에서 가장 중요하고 도전적인 분리 이슈 중의 하 나이다. 흡착 및 막은 에너지 절약적 분리 기술이기에 올레핀/파라핀 분리를 위한 흡착 및 막 기술의 개발이 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 유무기 하이브리드 세공체(metal-organic framework, MOF)의 기공 내부에 올레핀 분자와 π complexation이라는 특별한 인력을 지니는 Cu 1가 이온을 효율적이며 안정적으로 함침하는 방법을 제시하였다. 또한, Cu 1가 이온이 함침된 MOF를 고분자 막과 결합하여 올레핀 선택 분리용 혼합기질막(mixed matric membranes)을 성공적으로 개발하였다.

메조포러스 공극구조를 갖는 광촉매 멤브레인은 다양한 환경기술에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 TiO2 층을 형 성시킨 광촉매 반응기용 세라믹 멤브레인을 개발하고 이를 염색용액 처리에 적용하였다. 높은 공극률과 균질성을 지닌 TiO2 광촉매층을 그라프트 공중합체를 사용하여 제조하였다. 멤브레인은 광촉매 반응기와 멤브레인 여과를 결합시킨 하이브리드 광촉매 반응기에 성공적으로 적용하였다. 실험결과 정렬된 구조의 TiO2 층이 Al2O3 지지체에 형성되었다. TiO2 층 형성 후 제조된 세라믹 분리막의 순수 투과도는 형성된 광촉매 층 저항으로 감소하였다. 정렬된 구조의 TiO2 층은 UV 결합 시 5시간 안에 완벽한 염색용액 분해를 달성시킬 수 있었다. 광촉매 멤브레인의 염색용액 분해는 Langmuir-Hinshelwood 흡착 모델로 잘 설명할 수 있었다. 또한 TiO2 층이 고정화된 세라믹 멤브레인의 model Congo Red에 대한 1차 속도상수는 Al2O3 지지체 단독인 경우에 비해 약 6배 정도 큰 값을 나타내었다(0.0081 vs. 0.0013 min-1).

고분자 분리막은 가격이 저렴하고, 쉽게 제조가 가능하며, 투과도와 선택도가 우수하여 수처리 분야뿐만 아니라 기체분리에서도 중요한 역할을 한다. 하지만, 고분자 분리막은 일반적으로 투과도와 선택도의 역상관 관계를 나타내는 단점 이 있다; 즉, 투과도가 높으면 선택도가 낮고, 선택도가 높으면 투과도가 높다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방안 중의 하나 가 촉진수송이다. 지난 수십 년간 촉진수송 이론은 촉진수송 분리막 제조에 있어 매우 중요하고 다양한 모델을 제시하는 데 에 핵심적인 역할을 하였다. 한편, 촉진수송에서 주된 역할을 하는 운반체의 특성, 매질의 유동성 및 고분자 복합체의 물리화 학적 성질 등을 이해하는 것은 중요하다. 운반체의 유동성에 따라 촉진수송 분리막의 종류를 3가지로 나눌 수 있다; 즉, 이동 상 운반체 분리막, 준이동상 운반체 분리막, 고정상 운반체 분리막. 또한 촉진 운반체가 특정물질과 상호작용하는 데에는 4가 지 종류의 가역반응으로 나눌 수 있다; 즉, 수소원자 전달 반응, 친핵성 첨가반응, 파이-착체 반응, 그리고 전기화학 반응. 이 러한 촉진수송 분리막은 이산화탄소, 산소, 올레핀(프로필렌, 에틸렌)의 투과도를 선택적으로 향상시키는 역할을 한다. 이와 같이 본 총설에서는 다양한 촉진수송 분리막에 관련된 주요 연구내용과 이러한 연구를 수행하는 대표적인 전략들을 소개하 고자 한다.

The CO2 separation membranes based on a graft copolymer consisting of hydrophobic poly(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA) backbone and hydrophilic poly(propylene glycol) PPG side chains were fabricated by a facile one-pot process. The reaction between O-(2-aminopropyl)-O’-(2-methoxyethyl) polypropylene glycol (AMPPG) and PEMA was conducted in butanol at room-temperature. Without any post-treatment, the as-synthesized PEMA-g-PPG solution could be directly coated onto a microporous polysulfone support to fabricate thin-film composite membranes. The PEMA-g-PPG membrane exhibited high selectivity (82.6 for CO2/N2 and 26.8 for CO2/CH4) and good CO2 permeability (99.1 Barrer), which is a close value to the upper boundary limit (2008). The PEMA-g-PPG membrane could be commercially feasible owing to simple, inexpensive and scalable process.