멤브레인은 분리 기술 및 다양한 사용처에 따라서 유기물, 액체, 용질, 증기, 기체, 이온 또는 전자 등 다양한 물질 을 선택적으로 분리할 수 있다. 멤브레인은 크게 대칭막과 비대칭막으로 나누며, 기공의 유무에 따라 다공성과 비다공성으로 분류된다. 또한 멤브레인의 계면은 분자적으로 균일하거나, 또는 화학적으로 또는 물리적으로 불균일할 수 있다. 제조기술로 는 용융 압출 제조법, 연신법, 템플레이트 침출법, 트랙-에치법, 용액 캐스팅법, 상전이법 및 용액 코팅법 등이 있다. 제조된 멤브레인은 정밀여과, 한외여과, 나노여과, 역삼투, 기체분리 및 에너지 분야와 같은 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. 본 총설에서는 멤브레인의 분류 및 종류에 따른 제조 방법에 대한 튜토리얼을 제공한다.

정유소와 석유 공장에서 발생하는 폐수는 심각한 환경오염으로 이어진다. 기름이 있는 물을 정수 처리하는 데에 는 많은 방법이 존재하지만, 가장 효과적인 방법은 막을 이용한 기술이다. 물에서 기름기를 제거하는 데 사용되는 유기재료로 만들어진 고분자 막은 파울링이라는 고질적인 문제를 가지고 있다. 무기성 막은 수명이 길다는 점에서 유기성 분리막보다 효 율적이다. 제올라이트 막은 우수한 화학적 안정성을 갖고 있으며 오랜 기간 재활용할 수 있다. 막에서 친수성의 존재는 막의 수 투과량을 증가시킨다. 제올라이트로 만들어진 세라믹 분리막은 물과 기름을 분리하는 데 사용되는 효율적인 무기막 중 하 나이다. 본 리뷰논문은 i) 순수 제올라이트 막과 ii) 다른 물질과 혼합된 제올라이트 복합막, 2가지로 분류되는 제올라이트 기 반의 무기막을 사용하는 물과 기름 분리 기술을 중점으로 다루고 있다.

높은 안전성과 견고한 기계적 특성을 가진 고체상 슈퍼커패시터는 차세대 에너지 저장 장치로서 세계적 관심을 끌고 있다. 슈퍼커패시터의 전극으로서 경제적인 탄소 기반 전극이 많이 사용되는데 수계 전해질을 도입하는 경우 소수성 표 면을 가진 탄소 기반 전극과의 계면 상호성이 좋지 않아 저항이 증가한다. 이와 관련하여 본 연구에서는 전극 표면에 산소 플라즈마 처리를 하여 친수화된 전극과 수계 전해질 사이의 향상된 계면 성질을 기반으로 더 높은 전기화학적 성능을 얻는 방법을 제시한다. 풍부해진 산소 작용기들로 인한 표면 친수화 효과는 접촉각 측정을 통해 확인하였으며, 전력과 지속시간을 조절함으로써 친수화 정도를 손쉽게 조절할 수 있음을 확인하였다. 수계 전해질로 PVA/H3PO4 고체상 고분자 전해질막을 사 용하였으며 프레싱하여 전극에 도입하였다. 15 W의 낮은 전력으로 5초간 산소 플라즈마 처리를 시행하는 것이 최적 조건이 었으며 슈퍼커패시터의 에너지 밀도가 약 8% 증가하였다.

성장하는 산업화는 심각한 수질 오염으로 이어진다. 폐수로 배출되는 약품과 섬유산업에서 나오는 유기배출물은 환경과 생명에게 악영향을 미친다. 항균치료에 사용되는 항생제가 폐수에 존재하면 인체에 매우 해로운 약제 내성균의 성장 을 야기하게 된다. 섬유산업에서 사용되는 유기염료 분자의 제조에는 다양한 유기 저분자가 사용된다. 이러한 분자들은 인쇄 및 염색 산업의 폐수 배출물에 존재하여 분해가 잘 이루지지 않는다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 광분해성 촉매를 분리 막에 도입하고 폐수를 처리한다. 이 과정을 통해 유기 분자는 광분해되며 동시에 분해된 화합물들은 분리막을 통과하여 분리 된다. 이산화티타늄(TiO2)은 뛰어난 광촉매 역할을 하는 반도체이다. 다른 전이 금속 산화물과 화합물을 만들고 고분자 막에 도입하여 광촉매 능력을 증가시킨다. 본 총설에서는 광촉매성 분리막에 의한 염료 및 약물 분자의 분해에 대해 논의한다.

생체 내 변화에서 효소는 중요한 촉매이다. 효소의 안정성과 재사용성은 촉매 과정에서 중요한 요소이다. 적합한 기질에 효소 고정화는 특정 미세환경의 조성을 통해 효소 활동성을 높인다. 다양한 종류의 분리막이 각각의 생체적합성과 막 표면의 친수성/소수성 조절 용이도에 따라 기질로 사용되었다. 본 논문에서는 셀룰로스, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리디메 틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에테르설폰(PES) 고분자 분리막이 소개되고 토의되었다. 고정화 효소를 이용한 유기오염물의 생물적 분해는 제약 회사 및 섬유 회사 등에서 발생하는 오염물질을 친환경적으로 감소할 수 있는 방법이다. 효소 고정화 생물반응기(EMBR)로 기름의 가수분해를 제어할 수 있고 이를 통해 탄소 배출량 감소 및 환경오염을 줄일 수 있다. EMBR로 만들 수 있는 바이오에탄올과 바이오디젤은 화석 연료의 대체제이다.

물 여과, 단백질 정제 또는 생체 의학 여과 장치에 사용되는 분리막은 여러 가지 이유로 막 파울링을 거치게 된다. 박테리아에 의한 막 표면의 바이오필름 형성은 분리막의 내구성에 심각한 문제를 초래한다. 단백질 정제의 경우, 소수성 인 막의 표면으로 인해 막의 기공이 막히게 된다. 분리막의 파울링을 조절하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 그 중 하나가 은나노 입자의 도입이다. 은나노 입자의 항균 특성은 잘 알려져 있고 따라서 여러 응용에 사용되고 있다. 본 총설에서는 은나 노 입자 또는 그 유도체가 박막 활성층에 도입되거나 또는 복합막 전체에 균일하게 분포된 분리막에 초점을 두었다.

The optimal determination of seeding rate is critical to minimizing uncertainties about the large variations observed in forage quality and productivity when alfalfa is cultivated under different geographical areas and growing conditions. The objective of this investigation was to provide information about the proper seeding rate according to harvest timing for alfalfa cultivation in the Northern regions of Korea. Alfalfa was sown in September 2018 at a seeding rate of 20, 30 or 40 kg/ha and harvested four times in 2019: May 3, July 2, September 11, and October 13. Regardless of seeding rate, alfalfa plant height was longest at the third harvest (113 cm) and the shortest in the last annual harvest (43.8 cm). However, seeding rate had no effect on alfalfa plant height at any harvest. Forage relative feed value was increased in the first cutting but decreased in the third cuttings as seeding rate increased. However, seeding rate had slight effect on alfalfa forage quality components at the second and fourth cuttings. Total annual DM and crude protein production (in 4 harvests) was greater at higher seeding rates. Plots seeded at a rate of 40 kg/ha produced on average 1,257 and 2,620 kg/ha more forage (DM basis) than those seeded at a rate of 30 or 20 kg/ha, respectively. Forage DM production at the first, second, third, and fourth harvests accounted for 36.1, 24.0, 27.1, and 12.8 % of total annual DM production, respectively. Overall, small differences were seen when alfalfa seeding rate was different but maximum forage DM production (in four harvests) was detected when seeding rate was 40 kg/ha. These data could be useful to the alfalfa growers by allowing them to make more accurate trade-offs between seed price and the expected magnitude of forage yield gains in order to select the best seeding rate.

Cutting management has been identified as a critical factor in the alfalfa production systems because it has a significant impact on maximizing yield and maintaining the forage quality. The objective of this experiment was to determine the proper cutting height according to harvesting time for optimizing nutrient yield and forage nutritive quality of alfalfa grown in alpine regions of Korea. Alfalfa was sown at a seeding rate of 30 kg/ha in August 2018 and harvested at four cuttings in 2019 (3 May, 2 July, 11 September, and 13 October). Cutting heights were adjusted at 5, 15, and 25 cm above the soil surface. Alfalfa plant was tallest at the third cutting (109 cm), which was on average 35 cm taller than the first or second cutting. Relative feed value (RFV) remained unaffected by cutting height at the first harvest, but increased consistently in subsequent harvests as cutting height increased. Alfalfa collected at the first and fourth cuttings had the highest RFV (mean 152), which was on average 8 and 67 units higher than the second and third harvests, respectively. At each harvest, in vitro dry matter digestibility was highest in alfalfa cut at a 25-cm height. Dry matter (DM) production at each cutting height was highest in the first cutting, accounting for on average 36-37% of total annual DM production, and lowest in the fourth harvest, accounting for about 11-13% of the total DM yield. The total dry matter production (in four harvests) was 4,218 kg/ha higher when alfalfa was subjected to a cutting height of 5 cm rather than 25 cm. Cutting height had no effect on total crude protein yield, but from the first to fourth cutting, the protein yield followed a decreasing trend. Finally, there were visible declines in forage nutritive quality when alfalfa was cut at a shorter height. However, the magnitude of difference in total forage yield may outweigh the slight decline in forage quality when alfalfa is cut at a lower height. The findings of this study could help the alfalfa growers make better harvest management decisions.

지구 온난화 이슈에서 가장 고질적인 문제 중 하나는 온실가스의 배출이다. 다양한 온실 가스 중 가장 높은 비중을 차지하는 이산화탄소(CO2)는 이를 분리하기 위해 연구자들이 지속적으로 연구를 진행해오고 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 이산화탄소 기체를 분리하기 위해 poly(vinyl alcohol) (PVA) 기반 공중합체를 제조하여 기체 분리막에 활용했다. 공중합체는 자유 라디칼 중합법을 활용했으며, 곁사슬을 위한 단량체로 아크릴산(acrylic acid)를 사용하여 PVA-g-PAA (VAA) 그래프트 공중합체를 제조했다. 본 공중합체를 이산화탄소 기체분리막에 적용한 사례는 최초이며, 폴리설폰 지지체에 복합막 형태로 제조했다. 공중합체 합성 결과는 FT-IR을 통해, 합성한 공중합체 의 거동은 TEM과 DSC, TGA를 통해 분석하였다. AA 그래프팅을 통해 공중합체는 나노 구조를 형성하며, PVA의 결정화도를 급격하게 감소시켜 이산화탄소의 용해도를 증가시켰고, 이는 이산화탄소 기체 분리 성능을 향상시켰다. 이를 통해 이산화탄소 분리막 분야에 용액-확산 및 그래프팅 방법이라는 새로운 접근법을 제시하였다.

물 오염, 지구 온난화, 기후 변화를 해결하기 위한 해결책이 시급한 상황에서, 담수의 수요를 충당하고 친환경 에너지를 생산하기 위한 방법으로 염도차를 이용한 압력지연삼투공정이 제시되고 있다. 압력지연삼투공정에 대한 꾸준한 연구에도 불구하고 최근 기술의 부족과 비싼 멤브레인의 가격 등의 한계로 인해 상용화가 되지 않고 있다. 한편 멤브레인은 압력 지연삼투공정과 염도차 발전 기술에 가장 중요한 구성품이다. 염도차 발전 기술에 사용되는 산화그래핀 멤브레인과 나노복합체 멤브레인의 기술 발전 연구가 지속되고 있다. 특히 낮은 온도의 폐기물 온도에서도 높은 에너지 효율 발전이 가능하도록 효율이 높은 멤브레인과 용매 및 용질에 대한 연구가 활발하다. 높은 투과도와 분리도를 가진 멤브레인, 특히 산화그래핀 멤브레인을 사용함으로써 농도 분극을 줄이고 전력 밀도를 높이는 연구들도 진행 중이다. 본 총설에서는 압력지연삼투 멤브레 인과 이를 통한 이론적 모델링, 그 외 기술을 통해 공정의 효율을 발전시키는 방법에 대해 논의한다.

화석 연료를 사용할 때, 불완전 연소는 필연적으로 발생하는 문제이다. 이러한 관점에서 연소 후 기체 분리는 불완전 연소 기체의 재활용 가능성을 시사한다. 이와 관련하여 본 연구에서는 일산화탄소 기체 분리용 촉진수송 고분자 분리막을 제조하였다. 이를 위해 poly(vinyl alcohol) (PVA) 주사슬 기반으로 acrylic acid (AA) 단량체를 자유 라디칼 중합법으로 PVA-g-PAA 공중합체를 제조하였다. 본 공중합체를 일산화탄소 활용에 적용하는 사례는 처음이며, 제조한 공중합체는 AgBF4 염과 HBF4를 혼합하여 기체 분리막에 적용하였다. 공중합체 합성 결과는 FT-IR을 통해 분석하였으며, 공중합체와 AgBF4, HBF4의 상호작용은 TEM를 통해 분석하였다. 염의 첨가를 통해 일산화탄소 기체의 촉진수송 채널을 형성하였으며 이를 통해 일산화탄소 분리막 분야에 촉진수송 및 그래프팅 방법이라는 새로운 접근법을 제시하였다.

전 세계적으로 물 위기인 상황에서 깨끗한 물에 대한 수요는 꾸준히 이어지고 있다. 이러한 상황에서 정수를 위한 멤브레인 분리 기술은 중요하다. 멤브레인의 오염 때문에 멤브레인의 분리 효과는 방해되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에 여러 방법으로 평막에 패턴을 제공하는 연구와 실험이 수행되었다. 멤브레인의 패턴화는 오염을 줄일 뿐 아니라 방법과 재료에 따라 물투과 유속을 증가시켰다. 각각의 적용된 사례에서 증가된 표면적, 높은 물 투과도, 그리고 향상된 여과 사이클 등과 같은 효과를 보여주었다. 본 총설에서는 오염방지에 대한 패턴화 멤브레인의 효과를 소개하고 논의한다.

미생물 연료전지(MFC)는 미생물의 촉매 반응을 이용하여 폐수 등 환경 오염물질을 처리함과 동시에 전기에너지를 생성하는 생물전기화학 장치다. 미생물 연료전지의 주요 성분 중 하나인 양이온 교환막(PEM)은 미생물 연료 전지의 성능에 결정적인 영향을 미치며, 현재 가장 많이 사용되고 있는 양성자교환막은 Nafion이다. Nafion은 우수한 성능을 가지고 있지만, 단가가 높고, 생물오염에 취약하며, 생분해가 불가능하다는 단점이 있다. 따라서 Nafion을 대체하기 위한 새로운 복합막 을 개발하고자 하는 시도가 꾸준히 이루어졌다. 본 총설에서는 미생물 연료전지 분야에서 최근 개발된 복합막의 특징과 성능을 고찰하며, 특히 양성자교환막을 중점적으로 다룬다.