산업화와 기후 변화는 깨끗한 식수에 대한 수요 증가를 초래하였다. 막분리공정을 이용한 해수담수화는 물의 수요에 대한 요구를 채울 수 있는 경제적으로 실현 가능한 대안 중 하나이다. 막분리공정에서 2차원 재료들은 기존 역삼투분리막 (reverse osmosis membrane) 기반의 폴리아마이드 박막복합막(TFC-PA)과 비교하였을 때 막의 강도를 높여주고 투수성을 용이하게 하며 높은 염제거율 및 높은 선속률과 선택성을 보여준다. 이 리뷰 논문에서는 재료, 합성, 특징, 해수담수화 과정을 기반으로 다양한 2차원 재료로 구성된 복합막들을 소개하고 있다.

막 생물 반응기(MBR)에서, 활성화 된 슬러지는 생물학적 성분을 분해하고 막 공정은 이 부유 물질인 박테리아를 분리시킨다. 그러나 MBR에서의 주요 문제는 ‘막 오염’이다. 이 리뷰에서는 ‘막 오염’을 극복하기 위하여 제시된 ‘복합막’을 논의하고 있다. ‘복합막’은 탄소 또는 비탄소 재료 포함하는 막으로 분류할 수 있다. 이 복합막의 친수성은 그래핀, 산화그래핀 (GO) 및 탄소 나노 튜브 또는 그들의 변형 된 부분을 깨끗한 막에 도입시킬 때 향상된다. 이산화규소(SiO2) 또는 이산화티타 늄(TiO2)과 같은 무기 물질 또한 막의 물 흐름을 증가시키기 위해 복합막 형성에 통합된다.

본 연구에서는 다공성 Polyacrylonitrile (PAN) 중공사막을 지지체막으로 하여 Poly styrene sulfonic acid (PSSA) 와 polyethyleneimine (PEI)을 이용하여 layer-by-layer법으로 선택층을 형성시켰다. 코팅용액에 Mg염을 첨가하여 염석법(salting out method)을 이용하였다. 코팅용액의 이온세기, 고분자 농도, 코팅시간 등을 달리하여 나노여과막을 제조하였으며 NaCl, MgCl2, CaSO4 100 mg/L를 공급액으로 하여 2 atm의 구동 압력에서 투과도와 염 배제율을 평가하였다. PSSA 20,000 ppm, 코팅시간 3분, 이온세기 1.0, PEI 30,000 ppm, 코팅시간 1분, 이온세기 0.1의 조건으로 코팅한 막이 가장 우수한 성능을 보여 주었다. 100 ppm의 NaCl, MgCl2, CaSO4 공급액에서 각각 20.4, 19.4, 18.7 LMH의 투과도와 67, 90, 66.6%의 염 배제율을 나타내었다.

Carbon molecular sieve (CMS) membrane surpasses the upper-bound trade-off and plasticization phenomenon of polymer membrane. Recently, supported CMS membranes have been investigated to provide both high performance and mechanical strength. Herein, we have investigated the supported CMS hollow fiber membranes on low-cost alumina hollow fiber. To prepare the thin and uniform layers, the dip-coating parameters for intermediate and polymeric layers were varied in terms of the withdrawal rate and solution viscosity, respectively. Then, in order to confirm its feasibility in real industry, mixture gas was permeated through prepared CMS membranes. Moreover, the property of long-term stability was characterized in harsh conditions and further modified.

지구온난화의 주요 원인인 CO2로 인한 대기 기온 상승은 세계적으로 큰 화두가 되고 있다. 고분자 분리막을 이용한 이산화탄소 포집용 분리막 제조는 공정의 단순화와 가격적인 측면에서 우수하며 이산화탄소 분리성능이 우수하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 Si-PEG를 이용한 이산화탄소 포집용 기체 분리막을 제조하였다. 분리막 제조에 앞서 Si-PEG를 합성한 뒤, 1H-NMR, GPC, FT-IR을 통해 합성의 유무를 판단하였다. 복합막 제조는 지지체위에 Si-PEG를 코팅하여 제조하였다. 코팅제는 Isocyanate, Si-PEG, 촉매를 사용하여 코팅을 실시하였으며 가교를 위하여 고온공정을 진행하였다. 제조한 기체투과 복합막은 50GPU의 이산화탄소 포집값을 보이며 질소에 대한 이산화탄소의 선택도는 15의 결과를 보여 기체분리막으로의 활용 가능성을 확인하였다.

In this work, economical, facile and eco-friendly technology for gas separation was utilized, especially for propane and propylene. This materials are commonly used in petrochemical process as principle and base sources. In present state, adsorption or cryogenic distillation method are used for their separation, however, intensive energy cost and complex process are needed. In particular, we fabricated polymeric composite membrane with high scalability, propylene and propane gases are effectively separated. Whats more, Ag ion is pivotal materials with pi complexation effect. MgO nanosheet was incorporated for enhancing and activating Ag ion in polymer composite membrane. Lastly, Ag-friend polymer matrix was used for getting higher perm-selecetivity.

In the epoxy resin manufacturing process, carcinogenic ECH (epichlorohydrin), IPA (isopropanol) and Biphenol-A materials has been generally used. After the reaction, byproducts containing ECH/IPA/Water is remained along with final product. But, in the recovery process, ECH and IPA forming an azeotropic mixture with water containing feed solution at any temperature condition, the recovery of high purity ECH is difficult only by distillation. Therefore, pervaporation process could be suitable countermeasure due to its mild operation condition for separation of azeotropic mixtures at the point of energy and cost saving. In this study, Alumina-PVA composite membrane was prepared for pervaporation dehydration of ECH/IPA/Water feed mixtures and pervaporation performance and stability of the prepared composite membrane was identified.

본 연구에서는 고분자인 polyacrylonitrile (PAN) 고분자에 산화 그래핀(Graphene Oxide, GO)을 첨가하여 전기방사법을 통해 나노섬유 복합막(GO-PAN)을 제조하였으며, 과량의 GO를 첨가하기 위해 표면개질 전략을 사용하였다. 계면활성제를 사용하여 GO의 표면을 간단히 변형하면 GO의 안정성 및 분산도 증가로 인해 최종적으로 분리막에 필러의 함량을 3wt%까지 증가시켰다. 이렇게 변형된 GO(mGO)의 PAN 나노섬유막으로의 도입은 원래의 PAN 나노섬유막과 GO-PAN 막에 비해 향상된 친수성과 기계적 강도를 가진다. 따라서 나노필러의 표면 개질은 최종 복합막의 성능에 영향을 미치며 이는 GO의 분산도와 상관관계가 있는 것으로 보인다.

본 연구에서는 polyvinylidene fluoride (PVDF) 중공사막을 지지체로 한 저압용 나노복합막을 제조하였다. Poly styrene sulfonic acid (PSSA)와 polyethyleneimine (PEI)을 layer-by-layer 및 염석 효과 방식으로 지지체막에 코팅하였다. 막의 투과도와 염 배제율 성능을 알아보고자 NaCl, MgCl2, CaSO4 100 mg/L수용액을 1 L/min의 유량으로, 2 bar의 압력을 상온에서 가해주었다. 20,000 ppm의 PSSA (이온세기 1.0)용액에 3분, 30,000 ppm (이온세기 0.1)용액에 1분 코팅한 막이 가장 우수하였다. 투과도와 염 배제율은 NaCl 공급액에서는 38.5 LMH, 57.1%, MgCl2는 37.9 LMH, 90.2%, CaSO4는 32.4 LMH, 54.6%로 각각 측정되었다.

올레핀/파라핀 분리를 위해 poly(ethylene oxide)(PEO)/Ag nanoparticles (AgNPs)(전구체: AgBF4)/p-benzoquinone (p-BQ) 복합막이 제조되었으며, 이 복합체 분리막의 성능은 100시간까지 선택도 10과 투과도 15 GPU로 유지되는 것이 관찰 되었다. 분리막의 성능이 100시간까지 유지할 수 있었던 이유는 p-BQ의 첨가로 인해 Ag ion이 안정적으로 Ag nanoparticles 로 형성될 수 있었을 뿐더러 전자수용체인 p-BQ으로 인해 표면이 부분 양극성화 되어 올레핀 운반체로서 역할을 성공적으로 수행한 결과라 생각되었다. 본 연구에서는 Ag nanoparticles의 전구체로 사용된 AgBF4의 가격이 고가이기 때문에 가격 측면에서 유리한 AgNO3 Ag nanoparticles의 전구체로 사용하여 실험을 진행하였다. 그 결과로서 AgNO3의 경우에는 앞선 AgBF4 과는 다르게 안정적으로 은 나노입자가 형성되지 못하고 이로 인하여 좋은 성능을 내지 못하는 것으로 분석되었다.

본 연구는 GO (graphene oxide)를 활용한 기체 분리막 연구를 위해 PEBAX [poly(ether-block-amide)]에 GO를 첨 가하여 PEBAX-GO 고분자 복합막을 제조하고, 이 복합막을 통해 H2, N2, CH4, CO2에 대한 기체투과 특성을 연구하였다. 기 체투과 실험결과 PEBAX-GO 복합막에 대해 N2, CH4, CO2의 기체투과도는 GO 함량이 증가함에 따라 점차 감소하였다. 반면 H2의 기체투과도는 GO 함량이 증가함에 따라 증가하였고, GO 함량 30 wt%에서는 21.43 barrer로 단일막에 비하여 약 5 배가 증가하였는데 GO는 H2에 대해 다른 기체들에 비해 빠르고 선택적인 기체운송 channel로 더 용이하게 작용하였기 때문이다. 증가된 선택도(H2/N2)와 선택도(H2/CH4)는 투과기체 크기에 의한 확산선택도가, 증가된 선택도(CO2/N2)와 선택도 (CO2/CH4)는 CO2와 GO의 -COOH와의 친화성으로 용해선택성이 더 크게 영향을 미친 것으로 나타났다.

Current petrochemical product mainly comes from light olefin, such as ethylene and propylene. these olefins can be obtained as mixture form of olefin/paraffin, which is co-product of naphtha cracking process. However, the mixture of light olefin and paraffin is considerably difficult to separate because they have similar physicochemical properties such as density, boiling point, and molecular weight. Cryogenic distillation is currently utilized, but still suffered from high operating cost. Membrane separation with polyimide-based material is a promising alternative due to its lower energy cost and modular operation. Here, we synthesized composite membrane with metal-organic framework (MOF) based on polyimide exhibiting high permeability and selectivity in propylene/propane separation, as well as simple preparation and high stability.

To remove SO2 from flue gas, a thin film nanocomposite (TFN) hollow fiber membrane was decorated with Nafion/TiO2 nanoparticles. Morphological and structural analyses of the TFN membranes were performed using FTIR, SEM, EDX, TEM, and AFM. The gas permeation experiments were performed with pure gases and a mixed gas within a pressure range of 1-3 bar and feed gas flow rate of 0.03-0.15 L/min. The obtained experimental results suggest that the addition of Nf/TiO2 nanoparticles improved the membrane performance by introducing sulfonate and hydroxyl functional groups to the membrane, and thus increased SO2 permeability and selectivity. The SO2 permeability was found to be 411-1671 GPU, while the ideal selectivities achieved for SO2/N2 and SO2/CO2 were 2928 and 72, respectively. Overall, an SO2 removal efficiency of 93% was achieved by using the Nf/TiO2 incorporated TFN membrane.

Membrane fabrication is a critical area that hampers forward osmosis (FO) technology from industrialization. Herein, electrospun poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofiber (NF) was used as a support layer for thin film composite (TFC) FO membrane. The PVA NF was incorporated with sulfonated graphene oxide (sGO). The oxygenous-rich sGO enhanced the hydrophilicity and mechanical strength of PVA NF as revealed by contact angle and tensile strength measurements, and pure water flux. On this support, the active polyamide layer was formed through interfacial polymerization. Meanwhile, FO performance of sGO/PVA TFC membrane is currently being evaluated. This work was supported by NRF of Korea funded by the Ministry of Science and ICT (2016R1A2B1009221 and 2017R1A2B2002109) and Ministry of Education (2009-0093816 and 22A20130012051 (BK21Plus)).