멤브레인 필터의 세계 탐색하기: 유형, 용도 및 이점(Ⅰ)

소개

멤브레인 여과 기술은 얇은 막 또는 다공성 막을 사용하여 액체 또는 기체에서 작은 입자를 분리, 여과 및 정화하는 물리적 방법입니다. 일반적으로 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리카보네이트 등의 합성 물질로 만들어진 멤브레인은 고체 입자, 미생물, 용질 또는 용매를 차단하여 유체를 효과적으로 정화합니다. 원하는 여과 목적에 따라 나노미터에서 미크론 규모에 이르는 다양한 기공 크기를 가질 수 있습니다. 멤브레인 여과 기술은 침전, 흡착, 이온 교환 등과 같은 기존의 분리 기술과 달리 작동이 간편하고 여과 효율과 여과 정밀도가 높으며 에너지 소비가 적습니다. 이 글에서는 여과막을 만드는 데 사용되는 재료의 종류부터 다양한 유형의 멤브레인 필터의 특성, 준비 과정 및 적용 범위를 소개하여 선택에 참고할 수 있도록 합니다.

2 멤브레인 필터란?

멤브레인 필터는 실험실, 산업 생산, 수처리, 식품 가공, 제약 및 기타 다양한 분야에서 액체 또는 가스를 분리, 정화 및 정제하기 위해 일반적으로 사용됩니다. 특정 기공 크기 또는 사양을 가진 멤브레인을 사용하여 특정 크기 또는 유형의 입자를 분리함으로써 유체를 여과합니다.

멤브레인 필터는 입자의 크기와 멤브레인 기공의 크기에 따라 입자를 선택적으로 차단하는 크기 배제 효과에 따라 작동합니다. 따라서 멤브레인 필터는 멤브레인 기공 크기에 따라 여러 유형으로 나눌 수 있습니다. 예를 들어, 미세 다공성 멤브레인은 대부분의 미생물, 박테리아 및 고분자 용질을 걸러내는 반면 한외 여과 멤브레인은 단백질 및 콜로이드와 같은 큰 입자를 걸러냅니다.

멤브레인 필터는 멤브레인을 만드는 데 사용되는 재료의 유형에 따라 나눌 수도 있습니다. 일반적으로 널리 사용되는 필터는 폴리머(폴리에테르설폰(PES), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 등으로 대표되는 폴리머), 세라믹(산화 지르코늄 및 알루미나 기반 세라믹 등으로 대표되는 세라믹), 나노 구조로 구성됩니다.), 나노 구조(이산화 티타늄 나노 튜브, 산화 그래핀(GO), 탄소 나노 튜브(CNT) 등으로 대표됨), 금속-유기 골격체(MOF) 등 이러한 여과막은 다양한 특성을 가지며 생산 생활 및 연구 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

지면 제약으로 인해 이 글에서는 고분자 및 세라믹 멤브레인에 대해 자세히 설명합니다. 보다 포괄적인 인사이트를 얻으려면 나노 구조 멤브레인 및 금속-유기 프레임워크의 고급 응용 분야와 특성을 살펴볼 수 있는 후속 2부 기사를 웹 사이트에서 확인하시기 바랍니다.

그림 1 정수용 멤브레인 필터

3 고분자 멤브레인

3.1 폴리에테르설폰(PES)

3.1.1 폴리에테르설폰의 소개

폴리에테르설폰(PES)은 화학적 및 물리적 특성이 우수한 중요한 엔지니어링 플라스틱입니다. 화학 구조는 주로 반복되는 페닐리덴 에테르 단위로 구성되며 선형 또는 분지형 고분자 구조를 형성합니다. 벤젠 고리와 에테르 결합의 존재는 폴리에테르설폰에 우수한 열 안정성과 기계적 강도를 제공합니다. 폴리에테르설폰은 또한 폴리머의 내열성과 화학적 안정성을 향상시키는 황산염기를 포함하고 있습니다. 유리 전이 온도는 225 ℃에 달할 수 있으며 180 ℃에서 오랫동안 사용할 수 있습니다. PES 소재는 또한 우수한 내산화성, 내식성, 난연성, 혈액 호환성 및 전반적인 성능이 우수합니다.

3.1.2 폴리 에테르 설폰 생산 방법

1. 상 변환 방법: 상 변환 방법은 간단하고 저렴하며 작동하기 쉽고 널리 사용되며 멤브레인 준비 기술에서 가장 일반적인 방법 중 하나입니다. 막 형성 과정은 용매 및 비 용매 질량 전달 및 교환을 위해 주변 환경에서 용액을 만들기 위해 특정 물리적 방법을 통해 특정 조성을 가진 우수한 균질 폴리머 용액을 공식화하고 용액의 열역학적 상태를 변경하여 균질 폴리머 용액에서 분리되어 3 차원 고분자 네트워크 젤 구조로 변형되고 궁극적으로 멤브레인으로 경화되는 것입니다. 막 형성 방법은 습식(NIPS), 열 유도 상 분리(TIPS) 및 증기 유도 상 분리(VIPS)라고도 하는 비용매 유도 상 분리 방법으로 나눌 수 있습니다.

2. 정전기 방사법: 정전기 방사 기술로 제조된 섬유 멤브레인은 비표면적이 크고, 다공성이 높으며, 연결성이 좋고, 섬유 직경이 작고, 멤브레인의 두께를 조절할 수 있는 등의 특징을 가지고 있습니다. 원리는 구성된 회전 액체를 고전압 전기장에 놓고 고전압 전기장의 작용으로 모세관 테일러 콘 방울이 가속되어 표면 장력을 극복하여 미세한 흐름의 제트를 형성하는 것입니다. 분사 과정에서 스트림의 용매가 증발하고 응고된 다음 수신 장치에 떨어져 부직포와 유사한 섬유 필름을 형성합니다. 위상 변환 방법에 비해 정전기 방적 필름 생산 공정은 더 간단하고 작동하기 쉬우 며 상대적으로 생산 효율이 높으며 조정 가능성이 더 강하고 다양한 응용 시나리오의 요구를 더 잘 충족 할 수 있습니다.

3. 코팅 방법: 앞의 두 가지 방법과 달리 코팅 방법은 주로 복합 필름을 분리하는 역할을하는 분리 층으로베이스 필름 (예 : PSF, PES 필름)을 코팅하여 더 나은 성능을 가진 복합 필름을 얻습니다. 코팅 방법은 간단한 공정이지만 준비 과정에서 필터 멤브레인의 성능이 사용 과정에서 안정성과 신뢰성을 갖도록 코팅의 균일성과 견고성을 고려할 필요가 있습니다.

3.1.3 폴리에테르설폰 사용 방법

1. 생의학 분야: PES 소재는 생체 적합성이 우수하고 개발 잠재력이 큰 생체 의학 소재이며 현재 PES 멤브레인은 생체 의학 응용 분야에서 혈액 정화 재료, 상처 드레싱 및 생물학적 발판 등의 제조에 사용할 수 있습니다. PES 멤브레인은 일반적으로 혈액 투석 멤브레인 제조에 사용되며 방오, 항균, 항응고 및 생체 적합성이 우수합니다.

2. 수처리: PES 멤브레인은 순수한 물의 제조, 유수 분리, 해수 담수화 및 다양한 유형의 폐수 처리를 위해 수처리 분야에서 널리 사용됩니다. 예를 들어, 분리된 철 종(4A-Fe) 촉매 입자가 로드된 폴리도파민(PDA) 및 폴리에틸렌이민(PEI)은 수처리에 사용될 수 있습니다.

분리 된 철 종 (4A-Fe) 촉매 입자가 적재 된 피도 파민 (PDA) 및 폴리에틸렌 이민 (PEI)을 PES 막 표면에 증착하여 비 유화 된 오일-물 혼합물을 효과적으로 분리 할 수 있으며 분리 효율은 다음과 같을 수 있습니다.

분리 효율은 99.8%에 달할 수 있으며 폐수에서 페놀 오염 물질을 동시에 분해 할 수 있습니다. 3.

3. 배터리 필드: PES 멤브레인의 우수한 기계적 특성과 내열성으로 인해 리튬 이온 배터리, 메탄올 연료 전지 미생물 연료 전지 등에 배터리 분리막으로 PES 멤브레인을 사용할 수 있습니다. PES 멤브레인은 리튬 이온 배터리, 메탄올 연료 전지 및 미생물 연료 전지의 생산에 사용할 수 있습니다. 정전기 방사 전에 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 방사 용액에 PES를 첨가하여 리튬 이온 배터리 다이어프램용 내열성 PES/PVDF 복합 섬유 막을 제조하며, 복합 막은 1.69 × 10-3 S/cm의 높은 이온 전도도를 갖습니다.

그림 2 폴리에테르설폰 멤브레인 접힌 카트리지

3.2 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)

3.2.1 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 이해

폴리비닐리덴 플루오르화물(PVDF )은 중요한 합성 폴리머로, 비닐리덴 플루오르화물(VDF) 모노머를 중합하여 만들어집니다. PVDF는 투명하고 무색의 열가소성 플라스틱으로 여러 가지 우수한 특성을 가지고 있어 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

내화학성이 뛰어납니다: 산, 알칼리, 유기 용제 및 기타 화학 물질을 견딜 수 있으며 내열성이 우수하고 고온에서도 안정성을 유지할 수 있으며 일반적으로 최대 약 150 ° C의 고온을 견딜 수 있습니다.

내후성이 우수합니다: PVDF는 자외선, 산화, 습기 및 기타 요인 없이 실외 환경에서 장기간 사용할 수 있습니다.

높은 투명성: PVDF는 투명하고 무색이며 열가소성 플라스틱입니다. 가시광선과 자외선을 투과할 수 있습니다,

생체 적합성: PES와 마찬가지로 PVDF도 생체 적합성이 있으며 의료 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

그림 3 폴리비닐리덴 플루오라이드 멤브레인 필터

3.2.2 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)의 합성 방법

1. 건식 중합: 건식 중합의 한 가지 방법은 기체 상 중합을 통한 것입니다. 이 방법에서는 비닐리덴 플루오르화물(VDF) 가스가 촉매와 반응하여 PVDF 폴리머를 생성합니다. 일반적인 촉매로는 불화철, 염화철 등이 있습니다. 이 방법의 장점은 반응 공정에 용매를 사용하지 않기 때문에 후속 공정 단계에서 용매 제거 단계를 줄일 수 있다는 것입니다. 중합 반응이 완료되면 일반적으로 폴리머의 완전한 결정화와 잔류 촉매의 제거를 위해 생성물의 열처리가 필요합니다. 열처리 공정에는 가열, 냉각 및 결정화 처리와 같은 단계가 포함될 수 있습니다. 그런 다음 폴리머 제품을 압출 또는 캘린더링으로 추가 가공하여 PVDF 필름을 준비합니다.

2. 습식 중합: 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 모노머를 적절한 용매에 용해시킵니다. 일반적으로 사용되는 용매에는 불화수소, 트리클로로에틸렌, 염화메틸렌 등이 있습니다. 용액에서 모노머 분자는 자유 라디칼 또는 음이온 중합을 거칩니다. 개시제(예: 과산화물 기반 화합물)를 용액에 첨가하여 모노머의 중합 반응을 시작합니다. 개시제는 적절한 조건에서 자유 라디칼을 생성하고 단량체 분자 간의 화학 결합 형성을 촉진하여 점진적으로 폴리머 사슬이 형성되도록 합니다. 개시제의 작용에 따라 단량체 분자는 점차적으로 폴리비닐리덴 플루오르화 폴리머로 중합됩니다. 반응은 일반적으로 폴리머 형성 및 분자량 제어를 보장하기 위해 특정 온도와 압력에서 수행됩니다. 폴리머가 형성된 후 용액에서 용매를 제거합니다. 이는 일반적으로 용매를 증발시키거나 용액을 진공 아래에 두어 용매를 제거하여 수행됩니다. 용매가 제거된 후 PVDF 폴리머는 고체 물질로 얻어지며, 이를 필름으로 가공합니다.

그림 4 PVDF 멤브레인 필터 생산 라인 개략도

3.2.3 응용 분야에서의 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)

1. 미생물 제거: PVDF 필터 멤브레인의 미세 다공성 구조는 미생물과 박테리아를 효과적으로 여과 할 수 있으며 식수 처리 및 식음료 생산에서 미생물 제거와 같은 응용 분야에 사용됩니다. 미세 기공의 크기와 분포는 공정 파라미터를 정밀하게 제어하고 PVDF 필터 멤브레인 제조 시 적절한 다공성 제제를 첨가하여 조정할 수 있습니다. 이를 통해 PVDF 필터 멤브레인은 보다 균일하고 제어 가능한 미세 다공성 구조를 가질 수 있으며, PVDF 필터 멤브레인은 일반적으로 나노미터에서 미크론 크기 범위를 갖습니다. 이를 통해 PVDF 필터 멤브레인은 보다 균일하고 제어 가능한 미세 다공성 구조를 가질 수 있습니다. PVDF 필터 멤브레인의 미세 기공은 일반적으로 나노미터에서 마이크로미터 크기 범위에 있습니다. 이 크기 범위는 박테리아, 바이러스, 기생충 알 등을 포함한 대부분의 미생물과 박테리아를 효과적으로 차단하여 물에서 미생물을 효과적으로 여과하고 제거합니다. 미생물에 대한 엄격한 제어가 필요한 식수 처리 및 식음료 생산 공정에 적합합니다.

2. 화학 물질의 분리 및 정제: PVDF 여과막은 화학 산업에서 화학 물질의 분리 및 정제를 위해 널리 사용되며, PVDF 여과막은 내 화학성 및 내 용매성이 우수하며 유기 용매의 회수 및 재사용에 사용할 수 있습니다. PVDF 여과막을 통해 반응액을 여과함으로써 용매와 반응 생성물을 효과적으로 분리하여 유기 용매의 회수 및 재활용을 실현하고 비용과 자원 낭비를 줄일 수 있습니다.

PVDF 여과막은 미세 다공성 구조를 가지고 있기 때문에 큰 분자와 고체 입자는 효과적으로 차단하는 동시에 작은 분자의 용질은 통과시킬 수 있습니다. 따라서 용매에서 불순물을 제거하고 화학 물질을 분리하는 등 화학 물질의 정제에 사용할 수 있습니다. PVDF 여과막의 여과 효과를 통해 원료 용액의 불순물과 고체 입자를 제거하여 순수한 화학 제품을 얻을 수 있습니다.

또한 화학 합성 과정에서 표적 생성물을 얻기 위해 반응 액을 분리하고 정제해야하는 경우가 많으며, PVDF 여과막을 사용하여 반응 액의 고체 입자, 침전물 또는 현탁액을 분리하여 용액을 더 깨끗하고 투명하게 만들 수 있습니다. 이는 후속 정제 단계 또는 다운스트림 공정에 중요합니다.

3. 전자 산업: PVDF 여과막은 전자 장치 제조 공정에서 입자 제거, 포토레지스트 여과 등 전자 산업에서도 일반적으로 사용됩니다. 전자 장치의 제조 공정, 특히 반도체 산업에서 입자 제어는 매우 중요하며 PVDF 여과막은 미세 다공성 구조를 가지고 있으며 먼지, 박테리아, 먼지 등과 같은 작은 입자의 용매 및 공정 수 또는 기타 공정 액체뿐만 아니라 공기를 효과적으로 걸러 낼 수있어 청결한 생산 환경을 보장하고 제품 결함률을 줄일 수 있습니다.

반도체 제조 공정에서 리소그래피는 핵심 단계입니다. 포토리소그래피 공정에서 포토레지스트는 패턴의 정의 및 전송에 필요하며, 포토레지스트의 순도를 보장하고 불순물로 인한 불명확하거나 결함이 있는 포토리소그래피 패턴을 방지하기 위해 포토레지스트 용액의 불순물과 입자를 필터링하는 데 PVDF 필터 멤브레인을 사용할 수 있습니다.

표 1 PES와 PVDF 특성 비교

4 세라믹 멤브레인

4.1 세라믹 멤브레인 개요

세라믹 여과막은 액체 또는 기체의 여과, 분리 및 정제를 위해 세라믹 재료로 만든 얇은 필름입니다. 이러한 여과막은 일반적으로 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 등과 같은 세라믹 소재로 구성되며 미세 다공성 구조를 가지고 있습니다. 이러한 미세 기공은 입자 크기가 다른 입자 또는 분자를 선택적으로 여과하기 위해 필요에 따라 크기와 분포를 제어할 수 있습니다.

세라믹 소재 필름은 고온 저항성이 뛰어나 고온 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 동시에 많은 화학 물질이 화학적으로 부식되기 쉽지 않고 화학적 안정성이 우수합니다. 세라믹 여과막은 또한 어느 정도의 기계적 강도와 내마모성을 가지고 있으며 어느 정도의 압력과 스트레스를 견딜 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 과학 연구 공정의 생산에서 필터 멤브레인으로 만든 세라믹 재료가 널리 사용되었습니다.

4.2 세라믹 멤브레인의 구성

1. 기판: 세라믹 필름은 일반적으로 필름의 기계적 안정성과 접착력을 보장하기 위해 지지 기판 층이 필요합니다. 기판 층은 금속, 세라믹 또는 기타 재료 일 수 있으며 일반적인 기판 재료에는 알루미나, 실리콘, 티타늄 등이 포함됩니다. 베이스 레이어의 선택은 필름 소재와의 호환성 및 접착력을 고려해야 합니다.

2. 기능 레이어: 세라믹 필름의 주요 부분으로, 일반적으로 지르코니아(ZrO2) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3)과 같은 세라믹 재료로 구성됩니다. 기능성 층의 두께는 일반적으로 애플리케이션 요구 사항에 따라 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터까지 다양합니다. 기능성 층의 미세 다공성 구조는 여과 기능을 달성하기 위한 핵심이며, 미세 기공의 크기와 분포는 준비 공정을 제어하여 조정할 수 있습니다.

3. 표면 수정: 때로는 세라믹 필름의 성능을 향상시키거나 특정 응용 환경에 적응하기 위해 기능성 층의 표면에 표면 처리를 할 수 있습니다. 표면 처리에는 필름의 선택성, 안정성 또는 생체 적합성을 향상시키기 위한 화학적 변형, 코팅, 기능적 변형 등이 포함될 수 있습니다.

4. 기공 구조: 세라믹 필름의 기능은 주로 기공 구조에 따라 달라집니다. 이러한 기공은 미세 다공성, 메조 다공성 또는 거대 다공성일 수 있으며, 크기와 분포에 따라 필름의 여과 특성이 결정됩니다. 미세 다공성 구조는 일반적으로 작은 분자나 입자를 분리하는 데 사용되며, 거대 다공성 구조는 처리량이 많은 여과 애플리케이션에 사용됩니다.

4.3 세라믹 멤브레인 합성과 관련된 공정

지르코니아 기반 세라믹 필름을 예로 들어, 무기 지르코늄 염 용액에 분산제 폴리에틸렌 글리콜 또는 질산을 첨가하고 가열 조건에서 반응하고 옥살산을 첨가하여 옥살산 옥소 지르코늄 졸을 생성하고, 옥살산 옥소 지르코늄 졸을 열 반응시켜 산화 지르코늄 나노 용액을 생성하고, 산화 지르코늄 나노 용액에 가소제, 결합제를 첨가하여 코팅 용액; 코팅, 소성, 냉각, 즉., 설명 된 산화 지르코늄 세라믹 한외 여과막을 얻기 위해. 본 발명의 지르코니아 세라믹 한외 여과막의 제조 방법은 균일한 입자 크기의 나노 입자를 얻고, 막 층이 수축 및 균열이 쉽지 않으며, 결함이없는 지르코니아 세라믹 한외 여과막을 얻고, 공정이 간단하고 저렴하다.

4.4 응용 분야에서 세라믹 멤브레인의 힘 활용하기

1. 식음료 산업: 식음료 산업에서 세라믹 여과막은 과일 주스, 와인, 맥주, 유제품 등의 정화 및 여과에 사용되어 부유 물질, 미생물 및 불순물을 제거하고 제품 품질을 향상시킵니다. 세라믹 여과막은 펄프, 껍질, 알맹이 등의 고체 입자와 미생물 및 기타 불순물을 제거하여 과일 주스를 맑게 하는 데 사용할 수 있습니다. 이렇게 하면 주스의 투명도와 풍미를 개선하고 유통기한을 연장하는 데 도움이 됩니다. 세라믹 여과막은 와인 제조 과정에서 와인을 맑게 하는 데도 사용되어 효모, 단백질, 찌꺼기 등의 부유 입자와 미생물 및 이물질이 있을 수 있습니다. 이는 와인의 외관, 맛, 안정성을 개선하고 품질을 보장하는 데 도움이 됩니다. 유제품 생산에서는 세라믹 여과막을 사용하여 에멀젼을 정화하여 단백질, 유지방, 박테리아 등의 부유 물질과 존재할 수 있는 이물질 및 미생물을 제거합니다. 이를 통해 유제품의 순도, 맛, 유통기한을 개선하고 제품의 안전과 위생을 보장할 수 있습니다.

관련 자료 세라믹 멤브레인과 식음료 가공에서의 응용 분야

그림 5 세라믹 여과 멤브레인을 적용한 음료 정화 장비

2. 수처리: 세라믹 여과막은 식수 정화에 사용되어 물에서 부유 물질, 미생물, 유기물 및 기타 불순물을 제거합니다. 이러한 멤브레인은 입자를 효율적으로 여과하여 식수 기준을 충족하도록 수질을 개선합니다. 폐수 처리에서 세라믹 여과막은 고액 분리와 오염 물질 및 미생물 제거에 사용됩니다. 폐수에서 부유 물질, 입자, 박테리아 및 바이러스를 효과적으로 여과하여 배출 기준을 충족하거나 재사용할 수 있도록 물을 정화할 수 있습니다. 세라믹 여과막은 담수화 공정에서 전처리, 담수화 및 후처리에 사용할 수 있으며 효율적인 여과를 통해 해수에서 염분 및 기타 불순물을 제거하여 해수 담수화 및 정화를 실현합니다. 위의 응용 분야 외에도 세라믹 여과막은 산업 폐수 처리, 수자원 재활용, 강과 호수의 수질 개선에도 사용할 수 있습니다. 높은 여과 용량과 안정성으로 다양한 수처리 공정에서 중요한 역할을 수행하여 수질을 개선하고 환경을 보호하며 깨끗한 물을 공급하는 데 도움이 됩니다.

파트 2에서 기대할 수 있는 사항

이 시리즈의 1부에서는 폴리머 및 세라믹 유형과 같은 전통적인 멤브레인 필터에 대한 논의를 마무리하면서 이제 2부에서는 보다 정교한 멤브레인 기술을 살펴보고자 합니다. 다음 섹션에서는 나노 구조 멤브레인, 복합 필터 멤브레인 등의 구조, 합성 및 다양한 응용 분야에 대해 자세히 살펴볼 예정입니다. 진화하는 멤브레인 여과의 세계에 대한 더 많은 인사이트를 얻으려면 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM)를 계속 지켜봐 주세요.