산업분야에서는 다양한 용액을 대상으로 분리, 정제, 농축 등의 공정이 필요하며, 분리막이 그 역할을 잘 수행해 오고 있다. 반면, 처리 대상 용액이 강산을 함유하고 있는 경우, 대부분의 분리막은 산에 취약하기 때문에 사용이 제한적일 수밖에 없다. 현재 내산성 분리막으로 상용화 되고 있는 분리막은 투과속도가 낮은 문제점을 갖고 있다. 이에, 투과속도가 높 은 폴리아마이드 분리막에 내산성을 부여하기 위한 접근 방법을 모색하기 위한 기초 자료로 본 총설에서는 폴리아마이드 분 리막이 산성 용액 노출 시 표면성질 및 투과특성이 변화하는 원인과 기작에 대해 살펴보고자 한다.

위 연구의 목적은 상용화 된 폴리아마이드 기반의 해수담수화 분리막 두 종류를 양쪽성 이온 화합물 중 하나인 MPC를 이용하여 표면 개질을 진행한 후, 내오염성 저감 평가에 대한 고찰이다. 표면 개시 원자 이동 라디칼 중합(SI-ATRP) 반응을 이용하여 표면 개질을 진행하였고, 개질 후 분리막 표면의 물리적, 화학적 특성들의 변화를 여러 분석 방법들을 이용해 분석해봄으로써 MPC가 분리막 표면에 합성이 되었음을 확인하였다. 또한 MPC가 개질 됨에 따라서 친수성이 증가한 표면으로 인하여 Sodium Alginate 와 Bovine Serum Albumin에 대한 두 차례의 내오염성 저감 평가 테스트를 통해서 개질 후 해수조건에서 분리막의 막 오염 현상이 저감 되었음을 확인하였다.

본 연구에서는 막증류법에서 문제가 되는 젖음 현상을 방지하기 위해 분리막의 표면을 초소수성으로 개질하고, 젖음 현상의 가속화를 통해 초소수성 표면의 젖음 방지의 평가에 관한 연구를 진행하였다. 분리막의 표면을 물리적 처리를 통해 기공을 키우고, 산화 처리를 통해 하이드록실기를 형성시켜 성장을 준비한다. 성장을 통해 표면에서부터 형성된 나노 입자를 통해 코팅 방법이 가지는 분리막과 나노 입자 사이의 불안정성을 해결하였고, 성장한 나노 입자의 화학적 개질을 통해 초소수성 막을 준비하였다. 준비된 분리막은 막 증류법의 운전 도중 계면활성제를 첨가함으로써 젖음 현상의 가속화를 통해 개질 전후의 방지효과를 비교하였고, sonication 처리를 통해 나노 입자와 분리막 사이의 안정성을 확인하였다.

본 연구에서는 막 증류법에 사용되는 PVDF 분리막을 나노입자로 개질하여 젖음 현상에 미치는 영향을 확인하였다. 나노입자를 분리막에 적용하기 위하여 널리 사용되는 dip-coating 방법의 경우, 나노입자에 의한 기공 막힘 현상과 나노입자와 표면과의 부착력이 약하다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여, plasma 전처리를 통해 분리막 표면의 기공 크기를 키워주었으며, Fenton 반응을 통해 분리막 표면에 SiO2의 성장 작용기인 OH기를 생성시켜 주었다. 이로부터 SiO2를 성장시켜 준 뒤, fluoroalkylsilanes (FAS)를 이용하여 SiO2 표면의 소수성 처리를 통해 막을 준비하였다. 상기 방법을 통해 준비된 분리막과 처리 전분리막의 젖음 정도를 막증류 법으로 비교하였다.

본 연구의 목적은 상용화 된 DOW FILMTECTM과 Toray Chemical Korea Inc.의 폴리아마이드 기반 해수담수화 분리막을 양쪽성 이온의 특성을 지니는 화합물인 SBMA를 이용한 표면 개질 후 성능 및 특성 평가에 대한 고찰이다. 표면개질 방법으로 원자 이동 라디칼 중합(ATRP) 반응을 이용하여 진행하였으며, FT-IR, XPS 및 Contact angle 등의 표면 분석 평가를 통해서 SBMA가 분리막 표면에 합성이 되었음을 확인하였고, 성능 테스트 또한 진행하였다. SBMA가 표면에 개질 되면서 양쪽성 이온의 특성을 통해 분리막은 높아진 친수성으로 개질되기 이전 분리막 대비 해수담수화 시스템 운전시 발생 되는 큰 문제점 중 하나인 막 오염 현상을 개선 시켜 줄 것으로 판단된다.

본 연구에서는 상용화 된 piperazine 기반 NE70 및 m-phenylene diamine 기반 NE90 나노여과막을 15 wt% 황산 수용액 조건에서 산 노출 뒤의 표면 특성평가를 통해 분리막의 내산성 평가를 진행하고자 한다. 표면 특성 평가(SEM/FT-IR/ToF-SIMS 등)를 통해 piperazine 기반 분리막이 낮은 내산성을 가짐을 확인하였다. 이러한 특성을 이용하여, piperazine 기반 NE70 분리막을 황산에 후처리를 하게 될 경우 분리막 기공을 조절할 수 있음을 확인하였으며, 최적화된 후처리 조건에서 서로 다른 분자량을 가지는 erythromycin (Mw ~ 734 Da) 과 vancomycin (Mw ~ 1486 Da) 항생제를 농축시키는 공정에 응용하였다.

고분자 재질의 압력 구동 기반 분리막을 이용하여 담수를 얻기 위한 공정은 에너지 효율이 높은 방법으로 알려져 있다. 하지만, 분리막 운전 중에 투과성능을 떨어트리는 막 오염 문제가 발생 하기에, 막 오염을 제어하는 것은 분리막 공정의 에너지 효율을 높이는 데 필수적이다. 막 오염은 일반적으로 분리막 표면과 막 오염 물질과의 상호 작용으로 발생하며, 분 리막 표면을 개질하는 방법은 막 오염을 방지하여 높은 투과 특성을 지속적으로 유지하게 할 수 있는 좋은 방법 중 하나이다. 본 논문에서는 압력 구동 기반 분리막인 미세여과, 한외여과, 나노여과 및 역삼투용 분리막의 표면을 개질할 수 있는 방법을 정리하였다. 구체적인 개질 방법으로는 개질 물질의 흡착 및 코팅 방법인 물리적 방법과 가교제 이용, 자유 라디칼 중합 (FRP), 원자 이동 라디칼 중합(ATRP), 플라즈마 및 자외선 조사 기반 중합인 화학적 방법으로 나누어 정리하였다. 본 총설에서는 최근 논문상에 보고되고 있는 물리화학적 표면 개질 방법을 소개하고, 막 오염 저항성을 높일 수 있는 분리막 제조를 위한 연구방향을 제시하고자 한다.

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 PVDF 분리막의 표면의 소수성을 향상시키기 위해 소수성 SiO2 나노 입자를 표면에 고정시키고, 표면에서 나노 입자가 막증류법에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 소수성 나노 입자를 부착하는 물리적인 방법으로서 dip-coating 방법을 이용하였다. 나아가 물리적인 방법이 가지는 문제점인 약한 부착력을 해결하기 위해, 표면에 화학적으로 고정시키기 위한 방법으로 PVDF 표면에 OH기를 생성시켜 SiO2 입자의 OH기와의 탈수 반응을 이용하여 고정시켜준다. 이후 SiO2의 소수성 개질을 통해 막 표면의 소수성을 높여 주어 실험을 진행하였다. 앞선 두 가지 부착 방법을 통해 소수성 나노 입자가 PVDF 표면에 부착함에 따른 영향과 부착 방법에 따른 영향을 확인하였다.

본 연구에서는 상용화 된 피페라진 기반 나노여과막인 Toray Chemical Korea 회사의 NE70 분리막을 선정하여, 높은 산성 조건에서 산 노출 뒤의 투과 특성 변화를 고찰 하고자 한다. 투과 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 황산 pH 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 2에서 7, 14, 28, 42, 60일에 노출 시킨 나노여과막의 수투과도 및 1가 이온인 NaCl, 2가 이온인 MgSO4의 염 제거율을 측정하여 1가/2가 이온의 selectivity를 측정하였다. 위와 같은 투과 특성 평가를 바탕으로 손상 된 뒤의 나노여과막은 일정 패턴의 limiting selectivity를 가짐을 확인하였다.

본 연구에서는 막증류법에서 문제가 되는 젖음 현상을 방지하기 위한 방법으로서, 멤브레인 표면의 화학적 결합을 통해 멤브레인의 소수성을 향상시키고 그에 따른 영향을 확인하고자 한다. 중공사 표면에 pentafluorostyrene을 라디칼합성 방법을 통해 개질하여 소수성을 증가시켰다. 합성 시간에 따른 영향을 확인하기 위하여 15, 20, 25시간 동안 합성하여 개질 하였고, 막의 접촉각과 liquid entry pressure (LEP)를 통해 소수성 증가를 확인하였다. 이후 vacuum membrane distillation (VMD)을 통해 실제 운전에서 앞선 합성이 막의 성능에 미치는 영향을 확인하였다.

역삼투 해수담수공정의 전처리로 CO2 가스하이드레이트를 이용한 급속동결담 수(HIID)공정의 가능성 평가를 목적으로 실험을 진행하였다. CO2 가스하이드레 이트는 가압된 CO2가스를 GUEST로 사용하여 만들어지는 얼음형태의 결정을 의미하며, 이때, 가압된 압력을 상압으로 감압하게 되면 흡열반응이 진행되어 온도가 급감하게 된다. HIID공정은 이 온도감소를 구동력으로 해수를 동결하였다. 이 전처리된 해수를 225psi로 역삼투막을 6시간 저압 운전시 수투과도가 14 LMH이상, 제거율이 98.5-99%로 관찰되었다. 이 실험으로 HIID공정이 역삼투공 정의 전처리로 사용가능함을 확인하였으며, 후단의 역삼투공정에서 운전하는 압력을 기수조건으로 가능하게 하였다. 이를 통해 저비용으로 해수담수가 가능함 을 확인하였다.

이 연구의 목적은 폴리머의 물리적, 화학적 방법을 통해 막증류 법에 사용되는 막의 소수성 향상시킴으로써 막의 젖음 현상을 개선하는 것을 목표로 한다. 막의 소수성을 향상시키기 위해, 폴리머에 소수성을 향상 시켜줄 수 있는 시약 을 화학적 결합 또는 물리적 섞음 방법을 통해 개질을 한다. 화학적 결합으로는 styrene, pentafluorostyrene 등을 ATRP(atom transfer radical polimerization)를 통해 합성하고, 물리적 섞음으로는 PTFE(poly tetra fluoro ethylene)을 섞어 준비하였다. 두 방법 모두 평막을 제조하여 ft-ir로 결과를 확인하였고, 접촉각을 측정해 소수성을 평가하는 것으로 폴리머의 소수성 향상 여부를 확인하였다.

본 연구에서는 친수성을 가지고 있으며 외부 온도에 따라 형태를 변하는 특성을 가지는 N-isopropylacrylamide (NIPAM)를 이용하여 상용화 된 정삼투막인 HTI 분리막에 표면 개질을 하고 그에따른 표면 및 투과 특성 변화를 고찰 하고자 한다. 표면 개질을 확인 하는 방법으로 푸리에 변환 적외선 분광기 (FT-IR) 및 광전자분광기 (XPS)를 이용하였으며, 이러한 표면 개질이 정삼투 공정에 미치는 영향을 알아보기 위하여 표면의 친수성을 측정 할 수 있는 접촉각 측정 및 수투과도/Reverse salt flux와 같은 투과 특성 평가를 이용 하였다. 위와 같은 표면 및 투과 특성 평가를 바탕으로 성공적으로 표면 개질을 되었음을 증명 할 수 있었다.

본 연구에서는 높은 산성 조건에서 상용화 된 서로 다른 3가지 나노여과 분리막 NE40, 70, 90을 선정하여, 표면 및 투과 특성 변화를 고찰하고자 한다. 산에 노출 전/후 표면 특성을 확인 하는 방법으로 푸리에 변환 적외선 분광기 (FT-IR) 및 광전자분광기 (XPS)를 이용하였으며, 이러한 표면 특성이 투과 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 염제거율을 측정하였다. 위와 같은 표면 및 투과 특성 평가를 바탕으로 높은 산성 조건에서 Piperazine amide 분리막(NE40, 70)에 비해 Polyamide 분리막(NE90)이 상대적으로 높은 내산성을 가짐을 확인하였다.

이 연구의 목적은 폴리머의 물리적 혼합 또는 화학적 합성 방법을 통해 막증류 법에 사용되는 막의 소수성을 변화시킴으로써 막증류법의 수투과도 변화를 측정 하고자 한다. 막의 소수성을 향상시키기 위해, 물리적 혼합 방법으로 PTFE 을 섞어 준비하였고, 화학적 결합 방법으로는 Styrene, pentafluorostyrene 등을 ATRP 방법을 통해 합성하여 막을 준비하고, 그에 따른 화학적 구조를 FT-IR로 확인하였다. 두 방법을 통해 준비된 중공사 막을 MD에 적용하였을 때 순수 막과 비교하여 소수성 및 성능의 향상 여부를 확인하였다.

본 연구에서는 현재 전량 폐기되는 정수기용 폐 카본블록 필터를 재활용하고자 폐 필터의 특성을 파악한 후 열 처리를 진행하였다. 성능 평가를 위해 실제 정수기에서 사용 후 폐기되는 카본블록 필터 (도레이 케미칼에서 제조)를 회수하여 활성탄의 흡착능을 측정하였다. 대조군으로써 새 필터도 같은 조건으로 진행하였다. 재활용을 위한 열처리의 온도는 400, 550, 및 700℃로 진행하였으며 최적 조건을 찾기 위해 새 필터에 먼저 열처리를 진행하였다. 또한 TGA, DSC, SEM 및 BET를 이용하여 폐 필터의 표면 특성을 분석하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 폐 필터 표면에 막 오염(fouling)과 정도를 확인하였으며, 폐 카본블록 필터의 재활용 및 복원기술 연구를 통한 순환 활용 기술을 확보하고자 한다.