폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 기반의 중공사막은 뛰어난 열적, 기계적, 화학적 안정 성을 통해 분리 응용을 위한 유연한 플랫폼을 제공한다. 본 총설에서는 PVDF 중공사막의 생산 및 표면 처리 기술의 최신 발 전과, 이를 담수화 및 염료/염 분리 공정에 적용한 사례를 검토하였다. 딥 코팅 기술과 화학적 접목, 그리고 TiO2, MXene, MoS2와 같은 나노소재를 혼합층 형성을 통해 첨가하는 것은 소수성, 습윤 방지 성능 및 투과성에서 뚜렷한 향상을 가져왔으 며, 야누스 트라이보어 및 이중층 막은 막 증류 공정을 장기간 수행할 때 내오염 저항성과 기계적 강도에서 우수한 성능을 보였다. 그리고 혼합 매트릭스 막에서 MOF와 rGO 같은 탄소 기반 충전재를 결합하면 높은 염 거부 수준(> 99.9%)과 물 유 속(> 25 kg/m2·h)을 달성하여 해수 및 산업 폐수 처리에 적합하였다. 본 총설에서는 투과증발, 나노여과, 진공 막 증류 (vacuum membrane distillation, VMD) 방법이 PVDF 막과 어떻게 시너지 효과를 발휘하는지를 검토하였으며, 첨가제 최적화 및 표면 기능화와 함께 막 구조를 설계함으로써 막 성능을 향상시킬 수 있으며 이를 통해 PVDF 중공사막이 실험실 규모의 연구에서 산업 규모 생산으로 확장될 수 있음을 보였다.

나피온은 연료 전지용 고분자 전해질막(polymer electrode membrane, PEM)으로서 가장 실용적인 막 중 하나로 꾸준히 부상해 왔다. 그러나 나피온 막은 높은 온도에서의 낮은 전도도와 기체 분자에 대한 물리적 장벽과 같은 몇 가지 문 제를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이온성 액체(ionic liquid, IL)와 결합하여 전도도와 반응 속도를 향상시킬 수 있는 방안이 제시되고 있다. 나피온 막을 IL, 특히 IL-나피온 막의 다양한 종류와 구성으로 도핑한 결과, 1-butyl-3-methylimidazolium (BMI+)과 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (BMIMOTf)와 같은 IL이 일반적으로 사용되는 나피온 115 및 나피온 117 막과 비교했을 때 이온 전도도, 열적 안정성 및 수분 흡수 특성을 향상시킬 수 있다는 것이 밝혀 졌다. 본 리뷰에서는 이러한 효과와 나피온 막 매트릭스 내 이온성 액체의 변화로 인해 어떻게 발생하는지에 대해 논의하고 자 한다.

만성 상처, 특히 다제내성 세균 감염으로 복잡한 상처는 임상적 상처 관리에서 지속적인 도전 과제이다. 자연 유 래 생체 고분자인 키토산은 고유한 항균 활성, 생체 적합성 및 필름 형성 특성으로 주목받고 있다. 그러나 단독 사용은 기계 적 강도가 낮고 약물 보유가 짧기 때문에 제한적이다. 이 총설에서는 은 나노입자(AgNPs), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofibers, CNF) 및 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)를 포함하는 시스템을 중심 으로 키토산 기반 복합막의 최근 발전을 살펴본다. 이러한 복합막은 항균 효능, 기계적 내구성 및 조절된 약물 방출을 향상시 켜 막 성능을 향상시킨다. 이러한 다기능 막의 물리화학적 특성, 항균 결과, 세포 적합성 및 치료 잠재력을 비판적으로 평가 하여 차세대 상처 드레싱 개발에 대한 가능성을 강조한다.

공유 유기 골격체(covalent organic frameworks, COF)는 기능성을 정밀하게 설계하고 제어할 수 있는 결정성 다 공성 소재로서, 차세대 연료전지 멤브레인으로 주목받고 있다. 표준 양성자 교환막인 나피온(Nafion)은 높은 비용과 좁은 가 용 범위 등의 한계에 직면해 있다. 본 논문은 COF를 다양한 고분자 매트릭스에 도입하여 이러한 단점을 극복하기 위한 최신 연구 전략을 심도 있게 다룬다. 특히 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cells, PEMFC), 음이온 교환막 연료전지(anion exchange membrane fuel cells, AEMFC), 그리고 고온(high-temperature) PEMFC (HT-PEMFC)용 COF 기반 복합막의 설계와 성능 특성에 집중한다. 다양한 COF 기능화 및 복합화 전략을 통해 이온 전도도, 기계적 강도 및 운전 안정 성을 향상시킨 주요 연구들을 비평적으로 논하며, 연료전지의 전반적인 효율 향상에 대한 COF의 잠재력을 조명한다.

최근 신체 움직임, 심장 박동 감지 및 신체 감각 등과 같은 유연한 생체 전자 장치에 대한 연구가 급격히 성장하 고 있다. 압전 센서는 신체 움직임에 의해 생성된 압력을 전기 신호로 효율적으로 변환하기 때문에 인기 있는 웨어러블 장치 로, 자가 동력 웨어러블 장치의 대체 재생 가능한 에너지원 중 하나이다. 폴리(불화비닐리덴)(poly(vinylidene fluoride), PVDF)는 높은 기계적 강도와 쉬운 가공성 및 저렴한 재료를 가진 우수한 압전 폴리머이다. PVDF에 존재하는 5개의 결정상 중 β상이 가장 높은 쌍극자 모멘트를 가진 가장 큰 극성 구조이다. 전기 방사는 β상 배향을 유도하여 가장 높은 압전 특성 을 유도한다. 비-PVDF 고분자 멤브레인은 압전 특성은 PVDF 멤브레인에 비해 상대적으로 낮지만 높은 고분자 사슬의 유연 성, 낮은 결정성 및 높은 기공률을 가진다. 이로 인해 비 PVDF 멤브레인은 우수한 기계적 유연성과 여과 효율을 보인다. 이 리뷰에서는 생체 전기 적용을 위해 PVDF 및 nonPVDF 유형의 멤브레인이 모두 논의된다.

청정에너지는 원유 사용으로 인한 이산화탄소 배출로 환경오염이 계속 증가하는 이 시기에 필요한 에너지이다. 리튬 이온 배터리는 훌륭한 대안 중 하나이지만 막대한 수요로 인해 오염은 물론 비용이 증가한다. 배터리에서 사용한 리튬 을 재활용하는 것이 상기 문제를 해결하는 가장 좋은 방법이다. 정전 용량 탈이온화 공정(capacitive deionization, CDI)에서 는, 셀을 통과하는 전해질에 존재하는 양이온과 음이온이 전극 물질로 전환되고 전극의 극성이 반대가 됨으로써 탈착된다. 전 극의 특성을 개선하는 것이 리튬 이온 회수를 향상시키는 데 있어 핵심이다. 주요 문제는 리튬 이온의 낮은 탈삽입과 선택성 이다. 망간 산화물과 같은 전이 금속 산화물이 탄소 나노튜브로 코팅될 경우, 리튬 회수 성능이 향상된다. 본 리뷰 논문에서 는 폴리머 기반 전극과 복합 전극에 의한 리튬 회수에 대해 설명하며, 최근 전극 소재의 발전이 CDI 성능 향상에 어떻게 기 여하는지에 대해 초점을 맞춘다. 이러한 발전이 리튬 회수 효율 개선에 어떻게 기여하는지 설명하며, 기존 문헌을 보완하고 확장하는 관점을 제시한다.

티오에테르를 기반으로 한 고분자 막은 이온 교환 및 나노 여과에서 중요한 분리 과정의 한 종류를 나타낸다. 막 을 통한 이온의 선택적 투과는 연료 전지, 전기투석, 역전기투석 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있습니다. 티오에테르 변 형은 막의 안정성, 기능 및 상호 작용에 미치는 영향으로 주목받고 있다. 나피온과 같은 양이온 교환 막은 인기 있는 상업적 옵션이지만 비용은 여전히 상당한 제약으로 남아 있다. 반면, 설폰화 폴리(아릴렌 티오에테르 설폰)(SPTES)와 같은 공중합체 는 경제적으로 실용적이며 연료 전지의 핵심 요구 사항인 설폰화 정도를 쉽게 제어할 수 있다. 탈염은 염분은 거부되고 압력 은 구동력이기 때문에 막 분리 공정이 활용되는 또 다른 분야이다. 이 리뷰에서는 위에서 언급한 발전 사항에 대해 논의한다.

‘랩 온 중공 섬유 막(lab-on-hollow fiber membrane, HFM)’ 플랫폼은 다기능성과 신속한 분석 기능을 통합한 새 로운 3D 미세유체 접근 방식을 구현하여 생물학적 분석에서 혁신적인 잠재력을 입증한다. 3D HFM은 비색 정량화를 통해 다양한 생체 분자의 샘플 크기 체질(sieving)과 감지를 통합할 수 있다. 샘플 크기 체질은 그라디언트 방식으로 크기가 제공되 는 HFM의 미세한 기공을 활용하였으며, 기공의 그라디언트 크기와 높은 친수성 플럭스가 미세유체 소자 기판으로 사용되었 다. 3D HFM은 표적 단백질에 대한 접착력이 높고 나노 캐비티 종횡비가 현저히 높아 검출에 필요한 시간이 단축되었다. 이 전 2D HFM 장치와 비교했을 때 3D HFM 미세유체 소자는 다양한 감지 능력과 향상된 감도로 균일한 색상 표현 능력을 보 여주었다. 현장 검사(POCT)와 통합된 3D HFM 장치의 이러한 기능은 더욱 높은 민감도의 분석을 가능하게 한다.

에너지 저장 장치의 필수 요소인 리튬에 대한 필요성이 증가함에 따라 전 세계 리튬 침전물의 주요 공급원인 염 수로부터 효율적인 리튬 회수 방법의 개발이 요구됩니다. 염수로부터 리튬을 회수하는 과정은 유사한 특성을 가진 공존하는 이온의 존재로 인해 복잡합니다. 크라운 에테르 기능화된 막은 선택적 리튬 회수를 위한 유망한 솔루션을 제시합니다. 이온- 쌍극자 상호 작용을 통한 금속 이온에 대한 강한 친화력으로 유명한 크라운 에테르는 공동-이온 크기 호환성에 기반한 리튬 이온의 선택적 추출을 촉진하는 “호스트-게스트” 복합체를 형성합니다. 다양한 연구에서 크라운 에테르 이식된 막이 리튬 선 택성을 향상시키는 데 효과가 있음이 입증되었습니다. 이 리뷰는 크라운 에테르 기능화된 막의 발전을 탐구하여 염수로부터 의 리튬 회수 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 보여줍니다.

해당 연구는 산업 폐수에서 염료를 효율적으로 제거하기 위한 고급 박막 나노복합체(TFN) 기반 나노여과막을 개 발하여 효과적인 폐수 처리 방법을 제시합니다. 최근 연구의 동향을 보면, 나노카본, 실리카 나노스피어, 금속-유기 프레임워 크(MOF) 및 MoS2와 같은 혁신적인 재료를 포함하는 TFN 막의 제조에 중점을 둡니다. 주요 목표는 염료 제거 효율을 향상 시키고 오염 방지 특성을 개선하며 염료/염 분리에 대한 높은 선택성을 유지하는 것입니다. 이 논문은 넓은 표면적, 기계적 견고성 및 특정 오염 물질 상호 작용 능력을 포함하여 이러한 나노 재료의 뚜렷한 이점을 활용하여 현재 나노여과 기술의 제 한을 극복하고 물 처리 문제에 대한 지속 가능한 솔루션을 제공하는 것을 목표로 합니다.

환경오염을 제어하기 위한 청정에너지에 대한 수요 증가는 빠르게 증가하고 있습니다. 리튬 이온 배터리와 같은 충전식 배터리는 청정에너지의 우수한 원천이지만 높은 수요와 공급 불일치로 인해 리튬 금속이 빠르게 고갈되고 있습니다. 배터리 폐기물에서 귀금속을 회수하는 것은 환경오염 제어와 함께 가능한 해결책 중 하나입니다. 멤브레인 기반 분리 방법은 폐기물에서 리튬을 회수할 수 있는 매우 성공적인 상업적 공정입니다. 이 작업은 최근에 보고된 다양한 방법을 다룰 것이며 검토 형식으로 작성될 것입니다.

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.