바이러스는 생물 의약 산업에서 다양한 응용 분야를 가지고 있다. 그들은 살충제 생산, 백신 생산, 유전자 전달, 암 치료제 등에 사용된다. 바이러스의 하류 처리는 그들의 생물학적 및 의약적 응용을 위한 필수 단계이다. 다양한 과정 중에 서 바이러스의 정제는 매우 중요하다. 막 크로마토그래피는 이 과정에서 중요한 역할을 한다. 이온 교환 막 크로마토그래피는 주로 사용되는 방법이지만 크기 배제 및 불충분한 정제에 관한 다양한 제한을 가지고 있다. 또한, 이는 인플루엔자와 같은 빠 르게 변화하는 바이러스의 균주에 적용될 수 없다. 이 검토는 막 크로마토그래피의 다양한 개선된 방법 또는 대안을 검토한 다. 이는 정제, 바이러스 회수율 및 방법의 확장성에 초점을 맞추고 있다.

만성 콩팥병은 많은 사람들이 말기병으로 진단받고 있다. 이 질병은 혈액이 막과 투석기에 의해 세척되는 과정인 혈액투석에 의해 치료된다. 혈액투석을 위한 막은 혈액에서 불순물인 요소를 선택적으로 제거하는 역할을 하기 때문에 이 과 정은 중요한 첫 단계이다. 다양한 종류의 고분자로 구성된 막이 사용되지만, 낮은 선택도와 혈액적합성과 같은 다양한 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 여러 논문에서 서로 다른 고분자의 혼합물을 사용하여 기공의 크기를 변화시키고 혈액적합 성을 높이며 선택성을 높이는 연구를 진행하였다. 그동안 보고된 논문들을 통해 혼합막이 더 큰 장점을 가지고 있음을 알 수 있었다.

항생제는 과도한 사용으로 인해 폐수뿐만 아니라 다양한 수원에서 발견되는 새로운 오염 물질 중 하나입니다. 수 중 항생제 오염 물질을 처리하기 위한 고도 산화 공정, 생물학적 처리 등 다양한 기술이 있습니다. 이 두 가지 공정은 비효율 적이며, 부산물의 생성은 이 공정을 더욱 복잡하게 만듭니다. 오염 물질을 제거하기 위한 또 다른 대안으로 막 기술이 있습니 다. 항생제와 내성 유전자의 제거를 개선하기 위해 막 생물 반응기는 NaClO와 탄소 물질로 변형됩니다. 풍부한 반응성 종의 생성은 항생제의 내성 유전자에 대해 활성입니다.

최근 연구는 역삼투압(RO), 나노여과(NF) 및 전기투석(ED)과 같은 막 공정에서 고급 용량성 탈이온화(CDI) 및 막 변형(MCDI)을 포함하는 광범위한 담수화 및 수처리 방법을 탐구합니다. 비교 분석은 저염도 시나리오에서 ED의 비용 효 율성을 보여주는 반면 하이브리드 시스템(NF-MCDI, RO-NF-MCDI)은 향상된 염 제거 및 에너지 효율성을 보여줍니다. 새로 운 이온 분리 방법(NF-CDI, NF-FCDI)은 향상된 효율성과 에너지 절감을 제공합니다. 이러한 연구는 또한 다양한 산업에 특 정한 복잡한 폐수를 처리하는 데 있어 이러한 방법의 효율성을 강조합니다. 환경 영향 평가는 시스템 선택의 지속 가능성의 필요성을 강조합니다. 또한 마이크로 제작된 센서를 멤브레인에 통합하면 실시간 모니터링이 가능하여 기술 개발이 진전됩니 다. 이러한 연구는 새로운 담수화 및 수처리 기술의 다양성과 가능성을 강조합니다. 이는 효율성 향상, 에너지 사용 최소화, 산업별 문제 해결 및 기존 방법 한계를 능가하는 혁신을 위한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 다양한 응용 분야에서 효율성 향 상, 환경 영향 최소화 및 적응성 보장에 초점을 맞춘 지속적인 발전으로 지속 가능한 수처리의 미래는 밝습니다.

효소 고정화 막 생물반응기(EMBRs)는 폐수 내의 염료를 처리하는 새로운 방법입니다. 이 분야는 효소의 효능과 환경에 대한 높은 저항성 때문에 많은 양의 연구가 진행되었습니다. 효소 자체와 해당 효소의 구조를 모두 포함하는 다양한 방법이 EMBR에 접근할 수 있습니다. 생물반응기 자체는 염료 제거의 필요에 맞게 변형될 수 있습니다. 효소적 생물반응기 부터 산화 그래핀 또는 탄소 나노튜브와 같은 나노구조를 사용하는 것까지 다양합니다. 또한 TiO2와 같은 나노입자는 EMBR 을 더욱 향상시키기 위해 사용될 수 있습니다. 폴리머 기반의 막 지지 구조는 또한 효능 증가의 문제에 접근하는 다양한 방 법을 포함합니다. 본 바와 같이, 지난 수십 년 동안 EMBR을 사용하는 이 문제에 대한 다양한 접근법이 수행되었습니다. 이 검토는 방법론을 요약하고 EMBR에 대한 다양한 개선 사항을 설명하는 것을 목표로 합니다.

가스 분리 방법 중에서도, 멤브레인을 이용한 CO2 포집 및 분리는 지속적으로 개발되고 있는 꾸준히 성장하는 분 야이다. 이온성 액체(IL) 기반 복합 막은 CO2를 분리하는 데 있어 우수한 성능값을 보여준다. 유사하게, 다양한 공중합체/IL 복합막 또한 향상된 성능을 보여준다. 이러한 공중합체/IL 복합만에 산화그래핀과 같은 필러를 첨가하면 IL과 유기 필러 사 이에서 발생하는 강한 상호작용으로 인해 필러의 효과가 더욱 향상되며, 이는 결과적으로 CO2의 친화도, 선택도 및 흡착과 같은 요소를 향상시킨다. 금속-유기 구조체(MOF)를 사용하는 공중합체/IL 복합 막은 향상된 CO2 투과도를 보여주었다. 이 총설에서는 이온성 액체와 공중합체복합막의 다양한 조합에 따른 이산화탄소분리성능에 대한 상관관계를 논의한다.

VRFB에 사용되는 막의 수송 능력은 배터리 성능에 필수적인 요소이다. 탁월한 배터리 성능을 위해서는 높은 양 성자 전도도와 낮은 바나듐 이온 투과도가 달성되어야 한다. 하지만 양성자 전도도와 바나듐 이온 투과도 사이에는 상충관계 가 존재한다. 따라서 이 상충관계를 해결하는 것이 VRFB의 발전에 필수적이다. 또한 높은 쿨롱 효율, 전압 효율 및 에너지 효율을 유지하는 것이 고성능 VRFB를 위해 필수적이다. 최근 복합막과 SPEEK 막을 중심으로 나피온 막의 기존 한계를 극 복하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. VRFB은 이 논문에서 검토하는 복합막에서 충전식 배터리의 필수 등급이다.

폐수 처리는 담수 공급의 수요를 맞추고 동시에 환경 오염을 제어하기 위한 가장 중요한 기술 중 하나이다. 여러 종류의 증류법과 역삼투 공정과 같은 다양한 기술은 더 높은 에너지 투입을 필요로 한다. 축전식 탈염(CDI) 기술은 전력 소 비가 매우 적어 슈퍼커패시터 원리에 기반한 대안으로 떠오르고 있다. 공정의 효율성을 향상시키기 위해 전극 재료를 개선하 기 위한 연구가 계속되고 있다. 역전기투석은 가장 일반적으로 사용되는 담수화 기술 및 삼투압 발전기이다. 역전기투석의 효 율을 향상시키기 위해 수행된 많은 연구 중, 맥신(MXene)은 이온교환막 및 2차원 나노유체 채널로서 역전기투석의 물리적 및 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있는 유망한 방법으로 떠오르고 있다. 맥신은 단독 사용뿐만 아니라 다른 물질들이 맥신 과 혼합되어 복합막의 성능을 더욱 향상시킨다. 전처리를 거치거나 Ti3C2Tx, 나피온 등을 포함한 이종구조를 가진 맥신은 각 각 최대 담수화 성능 측정 결과를 통해 담수화 산업에서 유망한 재료로 맥신의 잠재력을 입증했다. 역전기투석을 통한 삼투 압 발전 산업에서 이온교환막에서 비대칭 나노유체 이온 채널에 맥신을 사용함으로써 최대 삼투압 출력 밀도를 크게 향상시 켰으며, 대부분 상용화 기준값인 5 Wm-2를 넘었다. 일정 개수의 단위체를 연결함으로써 매개체의 도움 없이 전자기기에 직접 적으로 전력을 공급할 수 있는 수준의 전압이 출력됐다. 본 리뷰에서는 맥신 복합막을 기반으로 한 전기투석 공정의 최근 연 구들에 대해 설명한다.

환경 오염과 천연 자원의 고갈에 대한 증가하는 우려는 환경적으로 지속 가능한 기술의 개발을 촉진했습니다. 퍼 바포레이션은 낮은 에너지 소비, 환경 영향 및 성능 효율로 인해 최근 수십 년 동안 주목을 받아 왔습니다. 이 방법은 막이 원하는 선택도를 충족하도록 미세 조정될 수 있기 때문에 화학 종을 분리하고 유기 용매를 탈수하는 데 사용되었습니다. 역 삼투 및 증류와 같은 여러 분리 공정은 실험 환경 및 산업 응용 분야에서 모두 활용되고 있습니다. 그러나 퍼바포레이션은 작동 압력 및 온도가 낮고 거부율이 높은 등 여러 이점이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 현재 막 기술의 상태만으로는 실용적 인 응용에 대한 요구를 충분하게 할 수 없습니다. 반면, 복합막은 유기 물질과 무기 물질의 장점을 모두 활용할 수 있습니다. 많은 연구들이 현재 한계를 해결하기 위해 그래핀 산화물(GO) 및 MXene (MX)과 같은 무기 나노 물질을 고분자 막에 효과 적으로 통합했습니다. 이 검토는 투과증발에서의 2D 복합막의 최근 발전을 조사하고 성능 향상을 평가합니다.

공유 유기 프레임워크(COF)는 분자 분리, 염료 분리, 가스 분리, 여과 및 담수화를 포함한 다양한 응용 분야에서 가능성을 보여주었습니다. COF를 막에 통합하면 투과성, 선택성 및 안정성이 향상되어 분리 공정이 향상됩니다. 단일 벽 탄 소 나노튜브(SWCNT)와 COF를 결합하면 염료 분리에 이상적인 높은 투과성과 안정성을 가진 나노 복합막을 생성합니다. COF를 폴리아미드(PA) 막에 통합하면 합성 계면 전략을 통해 투과성과 선택성이 향상됩니다. 혼합 매트릭스 막(MMM)의 3 차원 COF 필러는 CO2/CH4 분리를 향상시켜 바이오가스 업그레이드에 적합합니다. COF와 금속 유기 프레임워크(MOF) 막 을 결합한 모든 나노 다공성 복합재(ANC) 막은 투과성-선택성 트레이드오프를 극복하여 가스 투과성을 크게 향상시킵니다. 가상 COF (hypoCOF)를 사용한 계산 시뮬레이션은 CO2 분리 및 H2 정제와 관련하여 우수한 CO2 선택성과 작업 능력을 입 증합니다. 박막 복합재(TFC) 및 폴리술폰아미드(PSA) 막에 통합된 COF는 유기 오염물, 염 오염물 및 중금속 이온에 대한 거 부 성능을 향상시켜 분리 능력을 향상시킵니다. TpPa-SO3H/PAN 공유 유기 프레임워크 막(COFM)은 대전된 그룹을 활용하 여 정전기적 반발을 통해 효율적인 담수화를 가능하게 함으로써 기존의 폴리아미드 막에 비해 우수한 담수화 성능을 보여 이 온 및 분자 분리의 잠재력을 제시했습니다. 이러한 연구 결과는 투과성, 선택성 및 안정성을 향상시켜 향상된 분리 공정을 위 한 막 기술에서 COF의 잠재력을 강조합니다. 이 검토에서는 분리 공정에 적용된 COF에 대해 논의합니다.

전기투석(ED)은 이온교환막을 통한 이온의 분리에서 중요한 과정이다. 해수담수화로 발생하는 염수 처리는 환경 적으로 큰 문제이며 막분리 기술을 통한 재활용 효율이 높다. 마찬가지로 알칼리는 가죽, 전기도금, 염색, 제련 등과 같은 여 러 화학 산업에서 생산된다. 폐기물의 고농도 알칼리는 부식성이 높고 화학적 산소 요구량(COD) 값이 높기 때문에 환경에 방출하기 전에 처리해야 합니다. 칼슘과 마그네슘의 농도는 염수의 거의 두 배이며 주요 환경 오염 물질인 이산화탄소의 흡 착에 완벽한 후보입니다. 수산화나트륨은 양극성 막 전기투석 공정으로 쉽게 생산되는 금속 탄산화 공정에 필수적입니다. 역 삼투압(RO), 나노여과(NF), 초여과(UF), ED 등 다양한 공정을 통해 회수가 가능하다. 본 검토에서는 알칼리 회수를 위한 이 온교환막에 의한 ED 공정에 대해 논의한다.

기계적 에너지는 생물학 및 환경 시스템에서 트라이보 전기 나노제너레이터(TENG)로 얻을 수 있다. 웨어러블 전 자제품에서 TENG는 진동 센서에 적용된 인간의 움직임에서 생체역학적 에너지를 수확할 수 있다는 점에서 많은 의미를 지 닌다. 웨어러블 TENG은 습기에 취약하며, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 이러한 용도에 사용되는 우수한 소수성 물질 이다. 높은 전기 음성 불소 원자의 존재는 매우 낮은 표면 에너지로 이어진다. 동시에 미세다공막 표면에 전자를 효율적으로 포획함으로써 소자의 성능이 증가한다. PTFE에 비해 상대적으로 적은 플루오라이드 원자의 존재로 인해 폴리비닐리덴 플루 오라이드(PVDF)에서도 유사한 거동을 보인다.

수산화리튬(LiOH)에 대한 수요는 현재의 대안들에 비해 환경에 대한 효율성과 안전성 때문에 매년 증가하고 있 다. 리튬은 다른 염분과 염수 호수에서 발견될 수 있으며, 나중에 합성되어 다양한 용도로 LiOH를 생성한다. 리튬 이온을 분 리 및 회수하기 위해 다양한 방법이 사용되며, 그 중 가장 일반적인 방법은 전기투석법(ED)이다. ED는 이온을 한쪽에서 다 른 쪽으로 밀어내는 구동력으로서 그 층의 전위차에 작용하는 멤브레인 기반 분리 기술이다. ED의 이온교환막(IEM)은 유체 역학적 부피에 따라 상이한 이온의 선택성이 달라지기 때문에 공정을 효율적으로 만든다. 본 총설에서는 리튬이온의 회수를 향상시키기 위한 ED와 IEM의 서로 다른 변화 전략이 논의된다.

나노여과막(NF)은 식품가공, 제약 등 폐수는 물론 지자체 하수처리시설에서 배출되는 폐수 처리에 있어 훨씬 낮 은 압력으로 운용이 가능해 역삼투막(RO)보다 인기가 높다. NF막의 경우 분리 메커니즘은 투과확산 기작과 더불어 RO 박막 보다 낮은 가교밀도로 인한 체거름 메커니즘이다. 막 오염은 세라믹 막과 달리 고분자 막의 경우 나노 여과 공정의 고질적인 문제 중 하나이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 차아염소산나트륨을 사용한 멤브레인 세척이 이루어진다. 폴리머 멤브레인 에 비해 세라믹 멤브레인은 이러한 화합물에 매우 안정적이다. 본 리뷰에서는 NF 프로세스에 의한 폐수 처리의 다양한 유형 의 세라믹 막 적용에 대해 논의한다.

막 분리 공정은 다양한 응용 분야에서 사용되는 중요한 기술이다. 이러한 분리 공정은 농도 구배, 압력 또는 전위 구배 등의 구동력에 의해 수행된다. 투과증발은 용액 메커니즘에 기초한 분리 과정 중 하나이다. 분리막을 투과한 쪽에서 압 력은 진공에 의해 감소되고 분리는 압력차에 의해 구동된다. 다공성 제올라이트 분리막을 통한 탈수 공정에 의해 에탄올 또 는 이소프로필 알코올과 같은 연료 및 화학 물질의 순도를 향상시킨다. 이러한 분리막들은 높은 열적, 화학적, 기계적 안정성 을 가지고 있다. 이 총설에서는 제올라이트 분리막에 의한 에탄올 회수 및 바이오 오일 탈수라는 두 개의 섹션으로 나누어 소개한다.

활성 의약품 성분(APIs)의 존재가 수생 생태계와 인간의 건강에 위험하다는 증거가 있다. 물에 항생물질인 테트 라사이클린과 같은 API가 존재하면 미생물에 항균제 내성(AMR)이 발생해 개인과 사회에 막대한 비용이 발생한다. TiO2 또 는 비스무트 기반 촉매와 같은 촉매가 내장된 막은 유기 유출물을 분해하고 폐수로부터 분리한다. 촉매의 광촉매 활성은 귀 금속 도핑 및 탄소성 물질의 첨가 및 다른 반도체와의 헤테로 접합 형성으로 향상될 수 있다. 광촉매의 회수는 고분자 막에 서 광촉매의 고정화를 통해 가능하다. 이 검토에서는 물 속 항생제의 분해가 논의된다.

현대에는 배터리를 비롯한 수소 기반 에너지가 효율적이라고 널리 알려져 있다.이러한 결과는 수소가 에너지 수 송체로써의 높은 효율을 가지고 있다는 사실로부터 기반한다. 자연 친화적이며 높은 순도를 가진 수소는 수전해로부터 제조 할 수 있다. 다양한 종류의 전기분해 중, 수소이온 교환막 수전해는 가장 재생 가능하며 싸고 자연 친화적이다. 이는 에너지 로써 사용이 되기에 적합한 산소와 수소를 생성한다. 이와 같이 많은 장점이 있기에 활발한 연구가 수소이온 교환막 전기분 해에 대해 진행되고 있다. 나피온은 수소이온 교환막으로 널리 쓰이지만, 비싼 비용과 다양한 다른 단점으로 인해 여러 가지 종류의 대체재가 개발되고 있다. 본 총설에서는 크게 나피온과 비나피온(non-Nafion) 기반 수소이온 교환막 수전해로 나누어 다루었다.

석유 정제 시설 등에서 발생하는 함유폐수의 처리는 폐수의 유류 허용한계를 넘기지 않기 위해 중요한 공정이다. 세라믹 멤브레인은 유류 처리에서의 높은 효율, 내화학성, 내열성, 기계적 안정성, 그리고 단순한 작동 원리 등의 장점을 가지 고 있어 함유폐수의 처리에 효과적이다. 그러나 세라믹 멤브레인은 원재료의 높은 가격 때문에 널리 사용되는 데에 한계가 있다. 최근에는 이를 해소하기 위해 플라이 애시나 점토를 사용하는 노력도 있었다. 이 리뷰는 세라믹 멤브레인의 효율과 제 작을 실리콘, 알루미나, 그리고 폐석탄회의 재료로 나누었다.

폐수는 석유 정제 산업에서만 방출되는 것이 아니고 아니라 가죽, 섬유, 페인트, 목재, 염료 가공 산업에서 또한 방출된다. 이런 산업 폐수는 중금속과 질소화합물 등 수질오염물질을 포함하고 있으며 화학적 산소요구량(COD)이 높다. 안 전한 처리를 위해 폐수에서 각종 오염물질을 걸러내는 방식이 있지만 막 기반 기술은 고효율, 저비용으로 가장 효율적인 방 법 중 하나이다. 다양한 막 중에서, 제올라이트 막은 가성비로 주목을 받고 있으며 많은 연구를 거쳤다. 본 리뷰논문은 i) 폐 수처리, ii) 미세여과막, iii) 중공사막, iv) 초여과막의 순서로 폐수처리를 위한 제올라이트 막의 최근 진척을 중점으로 다루고 있다.

이온교환막(IEM)은 다양한 종류의 단가이온과 다가이온을 분리하기 위해 사용되는 막의 한 종류로, 배터리, 연료 전지, 염화물-알칼리 공정 등에 사용된다. 이온교환막을 통한 막분리는 전기 구동력을 기반으로 한 녹색 분리 방식이며, 해수 담수화와 수처리 분야에서 떠오르는 방식이다. 전기투석(ED)은 양이온과 음이온이 이온교환막을 따라 선택적으로 이동하는 기술이다. 음이온 교환막(AEM)은 전기투석의 중요한 구성 요소 중 하나이며, 공정 효율을 향상시키는 데 상당한 역할을 한 다. 이온교환막에 가교결합을 도입하면 자유 부피의 감소로 인해 이온 선택 분리 성능이 향상된다. 역삼투(RO) 공정을 통한 해수 담수화 시 RO 농축수에 용해된 염이 다량 존재한다. 따라서 1가 양이온 선택막으로 구성된 전기투석 공정은 오염을 줄 이고 막 플럭스를 개선한다. 이 검토는 전기투석, 음이온 교환막, 그리고 양이온 교환막의 세 부분으로 나뉜다.