최근 유기용매나노분리막(OSN) 기술의 응용분야가 확대되고 있으며 그에 따른 분리막 성능향상이 요구되고 있다. 본 연구에서는 박막복합막 형태의 OSN 분리막을 제조하여 용매의 투과성능을 측정하였다. 먼저 비용매상전이법(NIPS)을 활용하여 한외여과막 지지체를 제조하였고, 지지체의 성능을 최적화하기 위해 고분자(PSf or PES)와 기공형성제(PVP or Pluronic F-127)의 종류 및 조성의 영향을 확인하였다. 지지체 표면에 MPD와 TMC 단량체를 계면중합하여 폴리아미드 박막을 형성하였다. 제막된 박막복합막 OSN 분리막의 용매투과성능과 배제율을 측정하여 평가하였다. OSN 지지체로는 PSf 대비 PES 지지체의 성능이 안정적이었으며 Pluronic F-127보다 PVP를 도프용액에 첨가하였을 때 성능이 더 향상되었다. 기존 TMC-MPD 반응을 활용하여 박막복합막을 제조하였을 때 Acetonitrile 용매의 투과성능이 EtOH보다 월등히 높은 것을 확인 할 수 있었다.

Cobalt tetraphenylporphyrin-benzylimidazole (CoTpp-BIm)을 산소 운반체로 이용하여 polyethersulfone (PES)와의 혼합물을 기반으로 하는 혼합 구조의 평판형 분리막의 기체 분리 성능을 조사하였다. CoTpp-BIm이 혼합된 PES막은 손가락 구조와 스폰지형 구조가 혼합된 비대칭 구조를 가졌고, 상부표면은 치밀한 형태를 보였다. 기체분리 성능 실험은 94%의 N2 기체에 6%의 O2가 혼합된 기체를 사용하여 평가하였다. 산소 및 질소 투과율은 △P가 15~228 cmHg 범위에서 실험하였고, PES막의 투과면은 진공수준으로 유지되었다. CoTpp-BIm이 혼합된 PES막의 산소 투과율은 공급 압력이 감소함에 따라 증가 하였다. 공급 압력이 15 cmHg일 때 산소 투과율(Po2)는 6676 Barrer이었고, O2/N2 선택도(α)는 6.1, 촉진인자(F)는 2.39까지 증가하였다. 이를 바탕으로 PES막에 CoTpp-BIm을 첨가하면 산소분리 특성이 향상되는 것을 확인하였다.

In pressure retarded osmosis (PRO) process, thin film composite (TFC) type membranes which can withstand high operating pressure are required. In this study, glass fibers (GF) are used as additive for mechanical strength enhancement of the support layer of TFC membranes. The support layers were fabricated by a phase inversion method by using the casting solution of blended GF (two different size of milled GF) with polyethersulfone (PES). The fabricated support layers were characterized by FE-SEM, FT-IR, contact angle goniometer, and universal testing machine. Lab-scale ultrafiltration experiment was carried out to measure their performance. As a result, the support layer with milled GF showed higher mechanical strength and water flux than the pure PES support layer, and the support layer with smaller size GF showed higher performance.

폴리술폰 고분자는 비대칭 정밀여과 멤브레인 제조에 가장 널리 사용되는 고분자 소재이다. 폴리술폰 멤브레인은 소수성 특성으로 인하여 공정상에서 빠른 막오염이 일어난다. 고분자 블렌딩은 폴리술폰 멤브레인의 수명을 향상시키는데 있어 가장 간단하고 효과적인 방법이다. sPES는 폴리술폰 블렌딩 방법을 통하여 소수성을 해결할 수 있는 유용한 친수성 고분자이다. 본 연구에서는 PSF/sPES/DMF/PVP/BE 고분자 용액을 물에 침지시켜 정밀여과 멤브레인을 제조하였다. 캐스팅 용액에 소량의 sPES 첨가함으로써 정밀여과 멤브레인 구조 변화를 볼 수 있었다. sPES의 첨가는 높은 비대칭성과 활성층의 성장, 그리고 평균 기공 크기의 감소를 가져왔다. 하지만 수투과량은 PSF/sPES/DMF/PVP/BE로 만든 멤브레인이 PSF/DMF/PVP/BE로 만든 멤브레인에 비해 더 큰 값을 보였다.

Polyethersulfone (PES) 고분자 상변환막의 성능을 향상시키기 위해 PES 고분자에 나노 크기의 ZnO 무기입자를 함침시킨 혼합기질막(mixed matrix membrane)을 제조하고 특성을 평가하였다. PES-ZnO 혼합기질막은 ZnO 나노입자를 PES 대비 최대 0.375 wt%의 낮은 비율로 첨가시킨 PES-ZnO-NMP(N-methyl-1-pyrrolidone)로 이루어진 캐스팅 용액을 사용하여 상변환법을 통해 제조하였다. 제조된 혼합기질 막의 물성과 특성은 막의 단면구조 관찰, 접촉각 측정, 인장강도 측정, 순수 투과량 측정 및 BSA 단백질 용액의 한외여과 실험을 통해 평가하였다. 이 결과 혼합기질 막은 PES 고분자 matrix에 함유된 ZnO 나노입자로 인해 막의 친수성이 증가하여 막오염 발생이 억제되어 투과량이 증가하였다. ZnO 나노입자는 혼합기질막의 제조에 있어 막오염의 발생 억제와 투과량 증가에 유용하게 사용될 수 있는 무기물 첨가제임을 알 수 있다.

혼합매질 막의 제조에 널리 사용되고 있는 TiO2 나노입자의 대안으로서 ZnO 나노입자가 혼합된 Polyethersulfone(PES) 막을 제조하고 특성을 평가하였다. ZnO는 TiO2에 상응하는 기능적 특성을 갖고 있으면서도 가격이 낮다는 장점이 있어 혼합매질 막의 제조에 활용이 가능할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 N-methyl pyrrolidone(NMP)를 용매로 사용하여 각기 다른 농도의 PES 용액에 낮은 비율로 ZnO 나노입자를 혼합시켜 침지침강에 의한 상변환법을 사용하여 혼합매질 막을 제조한 후 표면 및 단면 관찰, 접촉각 측정, 여과/막오염 특성, 그리고 인장 강도를 측정하여 특성을 평가하였다. 그 결과 낮은 비율의 ZnO 나노입자로 순수 투과도와 막오염 정도를 충분히 개선할 수 있었다.

We developed a positively charged membrane with acid resistance via the introduction of a branched-poly(ethyleneimine) (b-PEI) hydrogel layer onto the surface of a polyethersulfone (PES) membrane, which was achieved by immobilization of b-PEI at the PES membrane surface using cross-linking agent. The combined results of ATR FT-IR, XPS and FE-SEM measurements confirmed that the b-PEI hydrogel layer was successfully coated on the PES NF membrane surface. In particular, the b-PEI hydrogel coated membrane surface had positive charge at whole pH range. The positively charged surface could enhance multivalent ion rejection. As a result, the membrane effectively recovered acid substance under strong acidic condition. Moreover, the selective separation was well preserved after exposure to highly concentrated sulfuric acid solution.

본 연구에서는 아연공기전지용 분리막으로 사용하기 위한 다공성 막을 Polyethersulfone (PES) 용액의 상전이법을이용하여 제조하였다. 캐스팅 용액은 PES/polyvinylpyrrolidone(PVP)/N-methylpyrrolidone(NMP) 용액으로 그리고, 비용매는 물을 사용하여 분리막을 제조하였다. 제조된 분리막을 이용하여 아연공기전지를 제작하였다. 분리막의 모폴로지는 캐스팅 용액 내의 PES 및 PVP의 함량을 통해 조절하였다. 제조된 분리막의 기계적 특성, 이온전도도 및 모폴로지는 인장실험, im-pedance 실험 및 SEM을 이용하여 측정하였다. 아연공기전지의 성능은 current interrupt method (CIM)와 정전류 방전실험을통하여 측정하였다. 캐스팅 용액 내의 PES 함량이 증가함에 따라 기계적 강도는 증가한 반면 이온전도도는 감소하였다. 반면, 캐스팅 용액 내의 PVP 함량이 증가함에 따라 이온전도도는 증가하였지만 기계적 강도는 감소하였다. 이와 같은 이온전도도 경향의 아연공기전지 내에서의 효과는 current interrupt method와 정전류 방전실험에서 확인되었다. PES 함량이 높은 캐스팅 솔루션의 분리막으로 제조된 전지는 높은 IR 손실과 낮은 방전용량을 보였으며, PVP 함량이 높은 캐스팅 솔루션의 분리막으로 제조된 전지는 낮은 IR손실과 높은 방전용량을 보였다.

고도정수처리를 위한 관형 세라믹 정밀여과와 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 첨가 PES (polyethersulfone) 구의 혼성공정에서 pH 및 산소 역세척의 영향을 막오염에 의한 저항(Rf) 및 투과선속(J), 총여과부피(VT)의 관점에서 고찰하였다. pH가높아질수록 Rf가 감소하고, J는 증가하는 경향을 보였다. 결과적으로 pH 9에서 최대의 VT를 나타내었다. 탁도의 처리효율은 pH와 무관하게 98.7∼99.0%의 비슷한 처리효율을 보였다. 용존유기물질(DOM)의 처리효율은 pH가 높아질수록 감소하였다.산소와 질소 역세척의 차이를 비교한 결과, Rf,180 값이 산소 역세척 시 질소보다 낮게 나타났고, 초기투과선속(J0)으로 무차원화한 최종투과선속(J180/J0)은 역세척 주기(FT) 10분과 12분을 제외하고 산소 역세척이 질소 보다 높게 유지되었다. 산소 역세척 시 탁도물질의 처리효율은 질소 보다 다소 높게 나타났지만, 그 차이는 미비하다. 질소 역세척 시 DOM의 처리율은 산소보다 높게 나타났다. 또한, 포화산소 조건에서 탁도물질의 처리율은 산소 또는 질소 역세척 경우와 비슷하게 나타났지만, 포화산소가 광촉매와 반응하여 OH 라디칼을 생성하였기 때문에 DOM의 처리효율은 큰 폭으로 증가하였다.

고도정수처리를 위한 관형 세라믹 정밀여과와 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 첨가 PES (polyethersulfone) 구의 혼성공정에서 질소 역세척 주기(FT)와 시간(BT)의 최적운전조건을 막오염에 의한 저항(Rf) 및 투과선속(J), 총여과부피(VT)의 관점에서 고찰하였다. FT가 짧고 BT가 길수록, Rf는 감소하고 J가 증가하여 결국 FT 10분과 BT 30초에서 최대 VT를 얻었다. FT영향 실험 결과 NBF (no back-flushing)에서 막오염이 급격히 진행되어 탁도 및 용존유기물의 처리효율이 가장 높게 나타났다. BT 영향 결과에서는, FT 실험과는 다르게 BT 30초에서 최대 처리효율을 보였다. 결과적으로 FT가 감소하고 BT가 증가할수록 광촉매 첨가 구의 세척이 효율적으로 일어나, 탁도 처리효율은 FT가 짧을수록 95.4%에서 97.5%로, BT가 길수록 95.9%에서 98.5%로 다소 증가하였다. 또한 유기물 처리효율은 FT가 짧을수록 70.8%에서 80.6%로, BT가 길수록 75.1%에서 85.8%로 증가하였다. 본 실험 범위에서 처리효율과 VT가 최대인 최적 질소 역세척 조건은 FT 10분과 BT 30초로 판단된다.

고도정수처리를 위한 관형 세라믹 정밀여과와 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 첨가 PES (polyethersulfone) 구의 혼성공정에서 유기물질의 영향 및 정밀여과(MF), PES 구 흡착, 광산화의 역할을 막오염에 의한 저항(Rf) 및 투과선속(J), 총여과부피(VT)를 통해서 비교 및 고찰하였다. 휴믹산의 농도가 증가함에 따라 급격한 막오염으로 인해 Rf 는 증가하고 J는 감소하였으며, VT는 휴믹산의 농도가 2 mg/L인 조건에서 가장 높았다. 광산화와 흡착의 영향을 알아보기 위해 휴믹산의 농도 4 mg/L와 6 mg/L에서의 결과를 비교하였다. 두 가지 조건에서 공통적으로 정밀여과(MF)만의 단독공정에서 막오염이 급격하게 진행되어 Rf값이 가장 높게 나타났고, 총여과부피(VT)는 광촉매와 자외선의 혼성공정(MF + TiO2 + UV)에서 가장 높은 값을 나타내었다. 탁도와 유기물질의 평균처리효율은 MF + TiO2 + UV 공정에서 가장 높은 값을 나타내었다.

수중 이 취미를 유발시키는 대표적인 미량오염물질인 2-methylisoborneal (MIB)과 geosmin(지오스민)의 배제율을 소수성 polyethersulfone (PES) 나노분리막(분획분자량 : 400 Da)을 적용하여 다양한 용액조성에서 관찰하였다. 실험결과 적용된 모든 조건에서 지오스민이 2-MIB보다 다소 높은 배제율을 나타내었다. 용액의 pH 효과를 관찰한 결과 pH가 증가할수록 2-MIB와 지오스민 양쪽 모두 배제율이 증가하는 경향을 나타내었다. 한편, 수중 자연유기물질의 존재는 두 미량유기물질의 배제율을 크게 증가시켰으며 이와 같은 현상은 높은 pH일수록 더욱 뚜렷하게 나타났다. 소수성 분리막을 친수성 TiO2 입자로 표면코팅 시킨 후 배제율을 관찰한 결과 분리막의 표면을 친수화한 후 소수성인 2-MIB와 지오스민의 배제율은 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 소수성 상호작용은 미량유기물질 나노여과 배제율의 중요한 기작 중 하나임을 확인할 수 있었다.

매립지나 유기성폐기물의 혐기성소화에서 발생되는 바이오 메탄가스 혼합물에서 이산화탄소를 제거하고 고농도의 메탄을 연료로 정제하는 기술은 온실가스의 저감과 신재생에너지 개발의 두 가지 장점을 함께 가지고 있다. 고분자 소재를 이용한 분리막기술은 메탄의 분리에 경제적으로 적용될 수 있는 기술이다. 본 연구에서는 이산화탄소/메탄의 선택도가 50, 이산화탄소의 투과도가 3.4 barrer로 알려진 폴리이서설폰[1]을 고분자 소재로 사용하고, 비용매 첨가제로 폴리이서설폰을 잘 팽윤시키는 아세톤의 함량을 달리하여 비대칭 중공사막을 제조하였다. 아세톤의 함량 9 wt%, 방사높이 10 cm, 4 wt% PDMS 코팅을 거친 폴리이서설폰 중공사막은 이산화탄소 투과도 36 GPU 및 이산화탄소/메탄 선택도 46의 우수한 성능을 나타내었다. 최적조건의 비대칭 폴리이서설폰 중공사막을 이용하여 제조된 모듈의 이산화탄소/메탄 순수가스 및 혼합가스 투과특성을 압력, 유입조성의 변화에 따라 관찰하여 분리막 공정을 구성한 결과 10 atm의 압력조건에서 95%의 메탄을 58%의 회수율로 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 TiO2 나노입자로 표면침적된 polyethersulfone (PES) 정밀여과 분리막이 자연유기물로 인한 분리막 막힘현상(파울링)에 미치는 영향을 관찰하였다. TiO2 나노입자로 표면침적된 PES 정밀여과 분리막의 자연유기물 파울링 거동에 TiO2 나노입자의 결정구조와 용액의 pH 그리고 Ca+2이 미치는 영향을 관찰하였다. 연구결과, TiO2 나노입자로 표면 개질된 정밀여과 분리막은 자연유기물에 의한 파울링 현상을 현저하게 감소시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다. 그러나 이와같은 현상은 TiO2 나노입자의 결정구조와 용액의 성상에 매우 의존하는 것으로 나타났다. 자연유기물 파울링의 감소는 결정구조가 상대적으로 불안정한 anatase TiO2 나노입자를 분리막에 표면침적 시, 용액 중 Ca+2이 존재하지 않을 때 상대적으로 높은 pH에서 효과적인 것으로 관찰되었다. 그러나 Ca+2의 첨가 시 이와 같은 효과는 높은 pH에서 더욱 증가할 수 있음을 확인할 수 있었다. 반면, 결정구조가 상대적으로 안정한 rutile TiO2 나노입자의 경우 자연유기물의 파울링 감소는 용액의 조성에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 비용매 첨가제 BE와 습도 및 노출 시간이 정밀여과막의 구조, 투과특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 멤브레인은 PES/DMF/TSA/PVP/BE 혼합 용액을 물에 침지하여 제조하였다. 다양한 농도의 BE가 첨가된 캐스팅 용액들을 공기 중의 수분이 흡착될 수 있도록 상대습도 60%와 80%로 달리하여 40초와 90초 동안 노출시켰으며, 그 결과로 만들어진 멤브레인 투과 성능과 표변 및 단면 구조와의 연관성을 조사하였다. 멤브레인의 특성은 capillary flow porometer, FE-SEM 및 순수 투과 장치를 이용하여 이루어졌다. PES 멤브레인의 표면 구조는 상대 및 노출 시간에 의해 크게 영향을 받는다. 또한 BE의 첨가는 특정한 습도와 노출 시간에서 표면 및 내부의 구조의 조절이 용이함을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 내열성 고분자인 폴리에테르술폰을 이용하여 전기방사의 방법으로 섬유 형태의 다공성 막을 제조하였다. 여기에 Nafion 용액을 함침 시켜 고분자 전해질 연료전지용 막을 제조하였다. 열중량 분석을 통해, 현재 고분자 전해질 막으로 상용화되어 널리 쓰이고 있는 Nafion 212보다 더 높은 열적 안정성을 갖는 것을 확인하였다. 주사전자현미경 측정을 통하여, 다공성의 폴리에테르술폰 막에 Nafion 용액이 수소이온 전도체로서 잘 함침 되어 있음을 확인할 수 있었다. AC impedance 측정 결과, 100°C 이하의 온도범위에는 수소 이온 전도도가 10 -2 S/cm로 나왔으며, 100°C 이상의 범위에서는 10 -3 S/cm의 값을 나타냈다. 0.6 V, 90°C의 조건에서 389 mA/㎠의 전류밀도를 나타내었다. Nafion 212 상용 막이 75°C에서 최대 성능을 나타내는데 반해, Nafion 용액을 함침시킨 폴리에테르술폰 막은 90°C에서 최대 성능을 갖는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 폴리이서설폰(polyethersulfone, PES) 중공사 막을 이용하여 6대 온실가스에 속하는 육불화황(SF6)을 질소 중에서 분리하고자 하였다. 제막 조건에 따른 막의 구조와 성능변화를 관찰하기 위하여 다른 비용매(아세톤, 에탄올)와 에어갭(air-gap) 그리고 실리콘 코팅을 통하여 성능변화를 관찰하였으며, 전자주사현미경(scanning electron microscope)을 통하여 구조 변화를 관찰하였다. N2, SF6 단일기체 투과실험에서 제조된 막의 표면 실리콘 코팅을 통하여 최고 7.64의 선택도를 나타내어 3.4배 향상된 결과를 나타내었다.

PES/DMF/TSA/PVP 고분자용액을 물에 침지시 시키는 상전이 공정을 통하여 비대칭성이 향상된 PES 멤브레인을 제조하였다. PES (polyethersulfone) 용액에 응고제 (p-toluenesulfonic acid, TSA)와 습윤제 고분자 (polyvinylpyrrolidone, PVP)의 첨가와 습윤 상태에 노출 시간으로 일어나는 멤브레인 표면의 pre-coagulation 현상은 멤브레인의 구조적 특성과 투과량 특성에 있어 중요한 역할을 한다. PES 용액은 폴리에스터 필름에 코팅된 후 약 72~144초 동안 80%의 습도하에서 공기에 노출된 후 응고조에 침지되었다. Capillary flow porometer, FE-SEM과 수투과 평가장치를 통하여 멤브레인의 특성을 살펴보았다. TSA 20 wt%와 PVP 10 wt%가 첨가된 11 wt%의 PES 용액에서 멤브레인 구조의 비대칭성이 크게 향상되었으며 최소 기공충의 두께도 얇아짐을 볼 수 있었다. 그 결과로 수투과량에 큰 증가를 가져옴을 볼 수 있었다.