멤브레인 필터의 세계 탐색하기: 유형, 용도 및 이점(Ⅱ)

서문: 이 도움말의 이전 부분인 멤브레인 필터의 세계 탐색하기에서는 멤브레인 필터의 개요에 대해 설명했습니다: 유형, 용도 및 이점(1)에서는 여과막에 대한 개요를 살펴보고 보다 일반적인 두 가지 유형의 여과막인 폴리에테르설폰(PES) 과 폴리비닐리덴 플루오르화물(PVDF)을 포함한 고분자 여과막과 세라믹 여과막을 소개하고 그 준비 및 적용에 대해 설명했습니다. 또한 이들 소재의 제조 및 응용 분야도 소개했습니다. 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM)는 앞으로도 다른 유형의 멤브레인에 대해 소개할 예정입니다.

5 나노 구조 멤브레인

5.1 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 멤브레인

5.1.1 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 멤브레인이란?

1991년 탄소 나노튜브가 발견된 이래, 튜브 구조의 나노물질은 독특한 물리화학적 특성과 마이크로 일렉트로닉스, 응용 촉매, 태양광 변환 등의 유망한 응용 분야로 인해 많은 주목을 받아왔습니다. 우수한 자외선 흡수, 높은 유전율, 안정적인 화학적 특성 등의 장점을 가진 이산화티타늄은 광촉매, 태양전지 코팅, 부식 방지, 공기 정화, 폐수 처리 등의 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이산화티타늄 나노튜브는 일반적으로 직경이 수 나노미터에서 수십 나노미터이고 길이는 수백 나노미터에서 수 마이크로미터까지 다양합니다. 이러한 나노 크기 덕분에 이산화티타늄 나노튜브는 높은 비표면적, 높은 배터리 용량 및 특수한 광전지 특성을 가질 수 있어 광촉매, 광전지 장치 준비, 센서 준비 및 물과 공기 정화 및 처리와 같은 관련 반응 영역에서 이산화티타늄 나노튜브 멤브레인이 광범위하게 응용될 수 있습니다.

그림 6 이산화티타늄 나노튜브의 미세 구조

5.1.2 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 멤브레인의 합성 방법

TiO2 나노 튜브 박막의 일반적인 제조 방법에는 용액법, 기상 증착법 및 전기 화학적 방법이 있으며, 그 중 용액법은 공정이 간단하고 저렴할 뿐만 아니라 크기 형태를 더 잘 제어할 수 있다는 장점으로 인해 가장 일반적으로 사용됩니다.

용액법은 용액 속의 TiO2 전구체를 기반으로 하며, 특정 조건(예: 온도, pH, 용매 등)에서 침전, 용해 및 결정 성장 과정을 제어하여 TiO2 나노튜브 필름을 형성합니다. TiO2 나노튜브 필름 제조를 위한 용액법의 장점은 제조가 간단하고 비용이 저렴하며 대면적 제조에 적합하다는 점입니다.

기상 증착은 기체 상태의 TiO2 전구체를 고온 환경에서 기판 표면에 증착하여 박막을 형성하는 방법입니다. 이 방법에는 화학 기상 증착(CVD)과 물리적 기상 증착(PVD) 방식이 모두 포함됩니다. CVD 방식에서는 기체 상태의 전구체 화합물을 반응 챔버에 공급하고 고온에서 분해하여 기판 표면에 증착함으로써 TiO2 필름을 형성합니다. PVD 방법에서는 물리적 공정(예: 스퍼터링, 증발)을 사용하여 고체 TiO2 원료를 기체 상태로 전환한 다음 기판 표면에 증착합니다. TiO2 나노튜브 필름 제조를 위한 기상 증착 방법의 장점은 제조 과정에서 생성되는 불순물이 적고 필름 품질이 높다는 점입니다.

전기 화학적 방법은 전기 화학 반응을 이용하여 전극 표면에 TiO2 나노튜브를 증착하는 방법입니다. 일반적인 전기화학적 방법은 양극산화로, 특정 전해질에 전압을 가하여 기판 표면에 산화물 층을 형성하고 이 산화물 층을 템플릿으로 사용하여 특정 조건에서 TiO2 나노튜브를 성장시키는 것입니다. TiO2 나노튜브 필름의 전기화학적 제조의 장점은 제조 공정의 단순성, 취급의 용이성, 실온에서 수행할 수 있다는 점 등입니다.

5.1.3 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 멤브레인은 어떻게 사용되나요?

1. 수처리: 이산화티타늄 나노튜브 멤브레인은 미세 오염 물질 제거 및 수질 개선을 위한 수처리에 사용될 수 있습니다. 높은 비표면적과 광촉매 특성을 통해 물 속의 유기물, 중금속 이온, 미생물 등 오염 물질을 효과적으로 흡착 및 분해하고 수질 정화 및 소독을 실현할 수 있습니다. 예를 들어, 이산화 티타늄 나노 튜브 멤브레인과 광촉매 기술을 결합하면 자외선 조사를 통해 활성 산소 종을 생성하도록 자극하여 물 속의 유기 오염 물질과 박테리아를 제거 할 수 있습니다.

2. 공기 정화: 이산화티타늄 나노튜브 멤브레인은 공기 중 유기물, VOC(휘발성 유기 화합물), 포름알데히드 및 기타 유해 가스를 제거하는 공기 정화에도 사용할 수 있습니다. 수처리 분야와 마찬가지로, 이산화티타늄 나노튜브 멤브레인의 광촉매 특성을 활용하여 멤브레인에 자외선을 조사하여 유해 가스의 분해 및 제거를 촉진할 수 있습니다.

3. 입자상 물질 여과: 이산화티타늄 나노튜브 멤브레인은 주로 광촉매 역할을 하지만, 나노 크기의 튜브 구조로 인해 입자상 물질을 어느 정도 여과할 수 있습니다. 이 여과 성능은 다른 여과 재료만큼 효율적이지 않을 수 있지만 특정 응용 시나리오에서 여전히 특정 여과 효과가 있으며 추가 여과 층으로 사용할 수 있습니다.

5.2 산화 그래핀(GO) 멤브레인

5.2.1 산화 그래핀(GO) 멤브레인 소개

산화 그래핀(GO)은 그래핀의 산화물로, 산화 후 그래핀에 산소 함유 작용기가 증가하여 그래핀보다 활성도가 높고 산소 함유 작용기와의 다양한 반응을 통해 특성을 향상시킬 수 있는 그래핀의 산화물입니다. 산화 그래핀 플레이크는 흑연 분말을 화학적으로 산화 및 박리한 결과물입니다. 산화 그래핀은 단일 원자층으로, 측면 크기가 수십 마이크로미터까지 쉽게 확장될 수 있습니다. 따라서 그 구조는 일반 화학 및 재료 과학에서 흔히 볼 수 있는 규모에 걸쳐 있습니다. 산화 그래핀은 고분자, 콜로이드, 박막 및 양친매성 분자의 특성을 가진 비전통적인 유형의 연성 물질로 간주할 수 있습니다.

산화 그래핀은 다량의 산소(예: 수산기, 카르복실기 등)를 함유하고 있어 그래핀 층 사이에 결함 및 작용기를 형성하여 층간 틈새에 미세 다공성 구조를 형성합니다. 이러한 미세 다공성 구조는 산화 그래핀 필터 멤브레인에 높은 수준의 표면적과 투과성을 제공합니다. 이러한 미세 다공성 구조는 미세 기공의 크기에 따라 액체 또는 기체의 분자를 선택적으로 차단하거나 통과시키는 물리적 여과와 부유 고체, 용질, 미생물 등을 제거하는 데 모두 사용할 수 있습니다. 그래핀 산화물 여과막 표면의 작용기는 용질 분자와 화학적으로 결합하여 용질 분자가 여과막 표면에 흡착 또는 부착되도록 하여 액체 또는 기체 내의 유기물, 중금속 이온 및 기타 오염 물질을 제거할 수 있습니다. 동시에 그래핀 산화물 여과막 표면의 작용기는 양전하 또는 음전하를 띨 수 있으며, 이러한 전하 효과는 여과막 표면의 용질 분자의 흡착 및 분포에 영향을 주어 특정 용질의 선택적 여과를 실현할 수 있습니다.

또한 일부 그래핀 산화물 필터 멤브레인은 광촉매 활성, 즉 빛에 노출되면 표면의 그래핀 산화물은 하이드 록실 라디칼 및 슈퍼 옥사이드 이온 등과 같은 활성 산소 종을 생성하여 유기물을 산화 및 분해하여 물 속의 유기 오염 물질의 분해 및 제거를 실현할 수 있습니다.

그림 7 산화 그래핀(GO)의 구조

5.2.2 산화 그래핀(GO) 멤브레인의 다양한 제조 방법

산화 그래핀은 그래핀의 산화 반응을 통해 얻는데, 일반적으로 허머스법과 브로디법의 두 가지 방법이 있습니다.

1. 허머스 방법: 그래핀을 농축 황산과 혼합하고 교반하여 완전히 접촉시킨 다음 질산을 첨가하고 5℃ 이하에서 반응시킨 후 냉각된 과산화수소를 반응에 첨가하고 반응이 끝나면 다량의 물을 첨가하여 반응액을 희석하고 여과, 세척, 건조 등의 단계를 거쳐 산화 그래핀을 얻습니다.

그림 8 허머스법에 의한 산화 그래핀의 제조 과정

2. 브로디법: 흑연 분말과 농축 질산을 혼합하고 냉황산을 첨가하면서 교반하면서 흑연 반응의 질산 산화가 NO2를 생성하고 반응이 끝난 후 다량의 물을 첨가하여 반응 용액을 희석한 후 여과, 세척, 건조 및 기타 단계를 거쳐 산화 그래핀을 얻습니다.

산화 그래핀은 코팅법, 화학 기상 증착법 및 수열법에 의해 박막으로 만들어지는 경우가 많습니다.

1. 코팅 방법: 단계가 비교적 간단하고 산화 그래핀 분말을 적절한 양의 용매에 첨가하고 고르게 저어 분산시키고 용액을 기판에 고르게 코팅하여 건조시킨 다음 두께가 적절해질 때까지 위의 단계를 반복합니다.

2. 화학 기상 증착(CVD): 산화 그래핀 분말을 고온 용광로에 넣고 700°C 이상으로 가열합니다. 메탄, 에틸렌 등 탄소원을 포함하는 하나 이상의 가스가 반응 챔버로 유입되고 탄소원 가스가 고온에서 분해되어 그래핀을 형성하고, 그래핀 산화물의 표면의 산화물과 반응하여 그래핀 산화막을 생성합니다.

3. 수열법: 화학 기상 증착법에 비해 필요한 반응 온도가 낮고, 산화 그래핀 분말을 적절한 양의 용매에 첨가하고 적절한 온도로 가열 한 다음 환원제 (수소, 암모니아 등)를 반응 시스템에 첨가하고 수열 조건에서 환원제를 첨가하여 산화 그래핀을 환원하고 필름을 얻습니다.

5.2.3 다양한 그래핀 산화물(GO) 멤브레인 적용 시나리오

1. 수처리 및 공기 정화: 산화 그래핀 멤브레인은 기존의 여과를 수행할 수 있을 뿐만 아니라 분자 선택성을 통해 담수화, 유수 분리 등을 실현할 수 있습니다. 한편, 미세 다공성 구조와 산화 성분은 중금속 이온뿐만 아니라 유기물도 제거하여 입자, 용질 및 오염 물질을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

2. 분자 분리: 산화 그래핀 여과막의 미세 다공성 구조는 분자의 투과성 및 선택적 분리를 조절할 수 있으므로 가스 분리, 용매 분리, 분자 스크리닝 등에 잠재적 인 응용 가치가 있습니다. 예를 들어, 산화 그래핀 여과막을 사용하여 CO2 포집, 가스 분리 및 유기물 정제를 실현할 수 있습니다.

3. 바이오 의학: 산화 그래핀 여과막은 생체 적합성과 생체 흡착성이 우수하여 바이오 센싱, 바이오 분리 및 바이오 분석 분야에서 사용됩니다. 예를 들어 산화 그래핀 여과막은 세포 배양, 단백질 분리 및 DNA 포획에 사용할 수 있습니다.

4. 에너지: 그래핀 산화물 여과막은 에너지 분야의 배터리, 슈퍼커패시터, 연료전지와 같은 장치에서 이온 수송막 및 전해질 막으로 사용되어 장치의 성능과 안정성을 향상시킵니다.

5.3 탄소나노튜브(CNT) 멤브레인

5.3.1 탄소나노튜브(CNT) 멤브레인의 특성

탄소 나노튜브(CNT)는 흑연 조각을 말아서 만든 이음매 없는 속이 빈 튜브입니다. 탄소 나노튜브의 탄소 원자는 6족 고리를 기본 구조 단위로 하여 SP2 방식으로 혼성화되고 결합되어 있어 탄소 나노튜브는 높은 영스 계수를 가지며 굽힘 상황에서 쉽게 손상되지 않는 높은 파단 강도를 가진 소재입니다. 탄소나노튜브 필름은 탄소나노튜브의 형태, 배향, 결함의 정도, 길이 대 직경비 등의 특성을 가진 개별 탄소나노튜브가 물리적으로 또는 화학적으로 자유롭게 배열된 배열로 채워져 형성된 2차원 탄소나노튜브 네트워크 구조로, 탄소나노튜브 막은 탄소나노튜브의 형상, 배향, 결함 정도, 길이 대 직경비 등에 따라 다양한 특성을 갖습니다. 탄소 나노 튜브 멤브레인은 나노 크기의 기공 구조와 큰 비표면적을 가지고 있어 필터 멤브레인의 표면적이 넓어 용질의 흡착 및 분리에 도움이 됩니다. 기공 구조가 나노 크기이므로 입자, 유기 분자 등의 용질을 효과적으로 차단할 수 있습니다. 나노 크기의 기공 구조에도 불구하고 탄소 나노튜브 여과막은 높은 투과성을 가지고 있어 용질의 빠른 통과를 촉진하고 여과 저항을 감소시킵니다. 탄소 나노튜브는 화학적 안정성이 우수하고 기계적 강도와 유연성이 높으며 대부분의 환경에 적응하여 구조적 특성을 안정적으로 유지할 수 있습니다. 탄소 나노 튜브 여과막을 준비하는 다양한 방법이 있으며, 탄소 나노 튜브의 구조, 밀도, 층 수 및 기타 매개 변수를 조정하여 다양한 응용 시나리오의 요구를 충족하기 위해 여과막의 성능을 조절하여 실현할 수 있습니다.

그림 9 다양한 형태의 탄소 모노머의 개략적인 구조

5.3.2 탄소 나노튜브 여과막의 합성 접근법

1. 화학 기상 증착(CVD): 일반적으로 사용되는 탄소 공급 가스는 에틸렌, 메탄과 같은 탄화수소이며, 촉매로는 철, 니켈, 코발트 등과 같은 금속 촉매가 일반적으로 선택됩니다. 증착할 기판(예: 실리콘 웨이퍼, 유리 웨이퍼 등)을 반응 챔버에 배치하여 기판 표면이 깨끗하고 평평한지 확인합니다. 반응 챔버는 반응 과정에서 가스의 순도와 안정성을 보장하기 위해 적절한 온도로 가열된 후 특정 진공 수준으로 추출됩니다. 탄소원 가스와 촉매 가스는 가스 공급 시스템을 통해 반응 챔버로 유입되어 가스 유량과 유량을 제어합니다. 탄소원 가스는 촉매 표면에서 해리되어 탄소 원자를 생성하고, 이후 기판 표면에 증착되어 탄소 나노튜브를 형성합니다. 탄소 나노튜브의 성장 시간은 나노튜브의 길이와 밀도를 제어하기 위해 보통 몇 분에서 몇 시간까지 조절할 수 있습니다. 성장이 길어지면 탄소 나노튜브의 길이와 밀도가 높아집니다. 성장이 끝나면 탄소 공급원과 촉매 가스의 공급이 중단되고 반응 챔버는 실온으로 냉각됩니다. 반응이 끝나면 질소나 아르곤과 같은 불활성 가스를 공급하여 반응 챔버의 잔류 가스를 제거합니다.

2. 코팅 방법: 탄소 나노 튜브 현탁액은 스핀 코팅, 스프레이, 브러싱 또는 롤링으로 기판 표면에 코팅됩니다. 코팅 공정 중에 코팅 속도 및 코팅 헤드의 회전 속도와 같은 매개 변수를 제어하여 필름의 두께와 균일 성을 제어 할 수 있습니다. 코팅 후 코팅은 통풍이 잘되는 공간이나 가열된 벤치에 놓아 용매 증발을 유도합니다. 용매가 완전히 증발한 후 건조를 통해 균일한 탄소 나노튜브 필름을 형성합니다. 선택적으로 탄소 나노튜브 필름을 열처리하여 필름의 결정성과 기계적 특성을 개선할 수 있습니다. 열처리 조건은 필요에 따라 조정할 수 있으며 일반적으로 불활성 가스 분위기에서 수행됩니다.

3. 여과: 일반적으로 사용되는 필터 멤브레인 재료로는 폴리카보네이트(PC), 폴리에스테르(PET), 폴리아미드(나일론) 멤브레인이 있으며, 기공 크기는 일반적으로 원하는 필름 두께와 투과성에 따라 선택됩니다. 탄소 나노튜브 현탁액은 진공 또는 압력에 의해 필터 멤브레인 위로 여과됩니다. 여과 작업은 진공 여과 깔때기 또는 멤브레인 필터와 같은 장비를 사용하여 수행할 수 있습니다.

4. 스트리핑방법: 일반적인 스트리핑 방법에는 스트리핑 도구(예: 테이프, 스크레이퍼 등)를 사용하여 기판에서 탄소 나노 튜브 필름을 직접 벗겨내는 기계적 스트리핑이 포함됩니다, 테이프, 스크레이퍼 등); 성장된 탄소 나노 튜브 필름을 적절한 용매 또는 용액에 넣어 필름과 기판 사이의 결합이 손상되어 스트립을 실현하는 화학적 스트립; 기판 또는 필름을 가열하여 열적으로 팽창 또는 수축시켜 기판과 필름 사이의 결합을 파괴하여 스트립을 실현하는 열 스트립; 그리고 기판 또는 필름을 가열하여 열적으로 팽창 또는 수축시켜 기판과 필름 사이의 결합을 파괴하여 스트립을 실현하는 열 스트립이 있습니다. 기판 또는 필름을 가열하여 열팽창 및 수축을 일으켜 기판과 필름 사이의 결합을 파괴함으로써 기판과 필름을 박리하는 방식입니다.

5.3.3 탄소 나노튜브(CNT) 멤브레인의 활용

다른 유형의 여과막과 유사한 기능적 용도 외에도 탄소 나노튜브의 독특한 용도는 역삼투막으로 사용하는 것입니다. 역삼투막은 물에서 불순물, 이온, 미생물 등을 분리할 수 있는 막 분리 기술로 식수, 산업 폐수 처리, 해수 담수화 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 역삼투막은 낮은 유속과 낮은 처리 효율이라는 문제점이 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 학자들은 역삼투막에 탄소나노튜브를 도입했습니다. 탄소 나노 튜브는 높은 비 표면적, 고강도, 높은 전도성 등과 같은 우수한 특성을 가지고있어 역삼투막에 일종의 양성자 도체 채널을 형성하고 플럭스를 증가시킬 수 있습니다. 동시에 탄소 나노 튜브는 이온 미생물 및 기타 물 속의 불순물을 흡착하여 역삼 투막의 정수 효율과 수명을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 현재 탄소 나노 튜브를 기반으로 한 역삼 투 멤브레인은 식수, 해수 담수화 및 기타 분야에서 상업적으로 사용되어 상당한 결과를 얻었습니다. 앞으로 탄소 나노 튜브 재료의 연구 및 제조 기술이 더욱 발전하고 역삼투막의 유속과 처리 효율이 지속적으로 개선 될 것입니다.

표 2 TiO2 나노튜브, GO, CNT의 특성 비교

6 금속 유기 프레임워크(MOF) 기반 멤브레인

6.1 MOF 멤브레인이란?

금속 유기 프레임워크(MOF )는 무기 금속 중심을 상호 연결하고 자기 조립을 통해 유기 리간드를 연결하여 형성된 주기적 네트워크 구조를 가진 결정성 다공성 물질의 한 종류입니다. MOF는 배위 고분자라고도 하는 유무기 하이브리드 소재로, 무기 소재의 강성과 유기 소재의 유연성을 모두 가지고 있습니다. 무기 소재의 강성과 유기 소재의 유연성을 모두 가지고 있습니다. 금속-유기 골격은 산소, 질소 등을 포함하는 폴리덴테이트 유기 리간드와 전이 금속 이온이 자기 조립하여 형성된 배위 고분자로 무기 다공성 물질 및 일반 유기 복합체와는 다른 특징을 가지고 있습니다. 다양한 치수의 백본형 구조는 주로 유기 리간드와 금속 이온 간의 배위 상호작용과 수소 결합에 의해 결정됩니다. 합성 과정 중 잔류 반응물과 용매 저분자는 골격 구조의 기공을 차지하고, 활성화 처리에 의한 저분자 제거는 지속적인 기공 구조를 남길 수 있습니다. 또한, 기공의 크기와 구조는 유기 리간드의 구조와 합성 원료의 금속 이온 유형에 따라 변경되어 다양한 용도에 맞게 비표면적과 다공성을 제어할 수 있습니다. 현재 질소 함유 헤테로사이클릭 유기 중성 리간드 또는 주로 카르복실 함유 유기 음이온 리간드와 함께 사용되는 금속-유기 골격 물질은 대량으로 합성할 수 있어 현대 재료 연구에서 개발 및 응용 가능성이 매우 높습니다.

6.2 MOF 멤브레인 생산 방법

1. 현장 합성 방법 : 캐리어 자체의 특수한 표면 특성에 따라 캐리어를 합성 시스템에 직접 투입하고 특정 조건에서 캐리어 표면과 필름 형성 밤이 직접 접촉하여 반응하여 연속 멤브레인을 준비합니다. 현장 합성 방법은 간단하고 작동하기 쉽고 대규모 생산을 실현하기 쉽지만 MOF 재료와 캐리어 간의 화학적 특성이 더 다르고 결정 핵 형성 속도가 감소하여 캐리어 표면에서 MOF 결정의 이질적인 핵 형성 밀도가 낮고 막과 캐리어 사이의 결합이 불량하기 때문에 연속 MOF 멤브레인을 제조하기 어렵습니다.

2. 결정 시드 2 차 성장 방법 : 먼저 열수 방법을 사용하여 결정 시드를 기판에서 성장시킨 다음 결정 핵 형성 과정, 막층 성장, 고밀도 막에 대한 재료 2 차 성장 후 결정 시드를 기판에서 성장시킵니다. 마지막으로, 고온 후 다공성 기판 표면 결정 종, 그룹 간의 응축 반응 및 제올라이트 입자가 결합하여 공유 결합을 형성합니다. 그러나 이 방법은 필터 멤브레인이 고온을 견디지 못하기 때문에 다소 제한적입니다.

그림 10 MOF 필름의 개략적인 합성: PSS@ZIF-8 필름

6.3 MOF 멤브레인은 어떻게 사용되나요?

다른 유형의 여과막과 유사한 기능적 응용 분야 외에도 MOF 멤브레인은 중금속 이온 처리에 적용될 수 있습니다. MOF 멤브레인은 리간드 화학 결합을 통해 금속 이온과 유기 리간드에 의해 형성된 고도로 정렬된 다공성 구조를 가지고 있습니다. 이 다공성 구조는 기공 직경과 기공 크기를 조절할 수 있어 중금속 이온의 흡착 및 내재에 유리한 많은 흡착 부위와 채널을 제공합니다. 따라서 지하수, 산업 폐수, 도시 폐수에서 납, 카드뮴, 수은과 같은 중금속 이온 오염 물질을 제거하는 등 수처리 분야에서 MOF 필름을 사용할 수 있습니다. 고도로 제어 가능한 기공 크기와 표면 기능화를 통해 특정 중금속 이온을 효율적으로 흡착하고 선택적으로 분리할 수 있는 MOF 필름입니다. 또한 환경 정화 및 폐수 처리 공정을 위한 흡착 처리 및 회수에도 중요한 역할을 합니다. MOF 필름은 중금속 이온 흡착 시 목표 금속의 효율적인 포집 및 회수를 실현할 수 있습니다. 적절한 후처리 방법을 통해 흡착된 중금속 이온을 MOF 필름에서 탈착하여 금속 자원의 효과적인 회수 및 재사용을 실현할 수 있습니다.

7 복합 필터 멤브레인

복합 필터 멤브레인은 두 가지 이상의 재료를 결합하여 각각의 장점을 최대한 발휘하고 서로의 단점을 보완하여 보다 효율적이고 안정적인 여과를 달성한다는 점에서 기존의 단일 재료 필터 멤브레인과는 다릅니다. 이러한 재료에는 폴리머, 세라믹, 금속, 나노 물질 등이 포함될 수 있습니다. 각 재료는 고유한 물리적, 화학적, 기계적 특성을 가지고 있으며 다양한 여과 요건에 따라 유연하게 조합할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리에서는 연속 MOF 층이 있는 PVDF-MOF 복합 멤브레인이 고성능 다이어프램 역할을 합니다. 연속 MOF 층의 균일한 기공 구조와 개방형 금속 부위가 연결된 서브 나노 채널은 균일하게 분포된 Li+ 플럭스를 생성하고 수지상 돌기의 형성을 억제하며 전기 화학적 성능을 향상시킬 수 있습니다.

그림 11 연속 MOF 층이 있는 PVDF-MOF 복합 분리막 [5] [5]

해수 담수화 분야에서 막 증류(MD)는 자본 비용과 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 대안적인 해수 담수화 전략으로 부상하고 있습니다. MD 공정에서는 거의 100%의 비휘발성 성분이 제거되고 공급수 농도에 제한이 없는 반면, 압력 구동 역삼투압(RO) 공정은 물 회수율이 낮고 염도가 높은 용액을 처리할 가능성이 적습니다. 휘발성 성분은 미세 다공성 소수성 멤브레인을 사용하여 공급 혼합물에서 분리되며, 시스템은 공급 액체의 끓는점 이하에서 작동합니다. MD 응용 분야의 경우 표면 에너지가 낮고 열 안정성, 화학적 안정성 및 불활성이 높은 고분자 재료가 선호되는 경우가 많습니다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF )는 높은 열 안정성과 소수성으로 인해 진공 막 증류(VMD)에 사용되는 주요 상업용 멤브레인 재료로 간주됩니다. PVDF와 PTFE는 뛰어난 내화학성과 내구성으로 인해 VMD 응용 분야에 최적의 폴리머입니다. 이러한 특성 덕분에 PVDF는 VMD 시스템에서 흔히 발생하는 가혹한 화학적 환경을 견딜 수 있어 장기적인 운영 안정성을 보장합니다. 반면 PTFE는 달라붙지 않는 특성과 고온에 대한 탁월한 저항성으로 핵심적인 역할을 합니다. VMD에서 PTFE는 멤브레인 성능을 개선하고 효과적으로 오염을 방지하여 증류 시 멤브레인 전체에 걸쳐 막힘 없이 효율적인 증기 수송을 보장합니다. VMD 애플리케이션에서 PVDF와 PTFE의 시너지 효과는 전체 멤브레인 시스템의 내구성, 내화학성 및 운영 효율을 향상시킵니다.

그림 12 미세 다공성 PVDF-PTFE 복합 멤브레인 제조 흐름도 [6] [그림 12

8 결론

다양한 재료로 만들어진 필터 멤브레인은 서로 다른 특성으로 인해 다양한 분야에서 사용되며 기본 여과 공정 외에도 다양한 요구에 따라 선택할 수 있습니다. Stanford Advanced Materials (SAM)는 다양한 여과막 제품을 제공 할뿐만 아니라 전문적인 선택 조언을 제공 할 수 있으며 즉시 상담 할 수 있습니다.

관련 읽기:

사례 연구: 멤브레인 필터

참고 문헌

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