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.

막 분리 기술은 이산화탄소(CO2) 포집을 위한 가장 효과적인 기술 중 하나로, 운영이 간단하고 화학적 배출이 없 다는 장점이 있다. 수증기와 같은 불순물은 고분자 막의 성능에 큰 영향을 미친다. 다양한 산업 분야의 배가스 농도에 따라, PDMS/PSF 중공사막을 이용한 가스 분리 실험이 수행되었다. PDMS/PSF 막에서의 습도의 영향을 확인하기 위해, 상대습도 0%와 96% 조건에서 CO2 농도를 달리하며 실험을 진행하였으며, 공급 유량은 300 ccm, 온도는 50°C로 유지하였다. 실험 결 과, 수증기는 막의 CO2 투과도는 다소 감소시키는 반면, CO2/N2 선택도는 소폭 증가시키는 것으로 나타났다. 이러한 선택도 향상은 CO2의 흡착 증가에 기인한 것으로 해석된다. 50°C에서 20 d간의 연속 실험 후, 막의 CO2 투과도는 소폭 감소하였으나, CO2/N2 선택도는 증가하였다. 이 결과는 PDMS 코팅된 PSF 막이 가혹한 조건에서도 안정적인 성능을 유지함을 보여준다.

‘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.

본 연구에서는 열유도상분리법으로 제조한 polyvinylidene fluoride (PVDF) 중공사막의 오염성과 화학적 세척에 대한 실험을 진행하였다. 오염수는 소 혈청 단백질(bovine serum albumin, BSA)과 카올린(kaolin)을 이용해 제조하였으며, 차아 염소산나트륨(NaOCl), 구연산(citric acid), 황산(H2SO4)으로 화학적 세척을 진행한 후 뒤 표면 전하 분석기, 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 그리고 에너지 분산 X선 분광법(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX)을 통해 세 척 효율을 평가하였다. PVDF 분리막은 높은 내화학성과 열적 안정성을 가지는 분리막으로 화학적 세척을 진행한 결과 가장 좋은 효율은 차아염소산나트륨으로 세척한 것으로 그 결과 투과도는 793.2 L/(m2.h.bar)로 초기 투과량인 945.3 L/(m2.h.bar) 값과 비교하였을 때 약 84% 회복률을 보여주었다. 이는 수처리 공정에서의 막 오염 방지 및 세척의 중요성을 제시한다.