역삼투(RO) 기술은 염수 및 해수 담수화에 폭넓게 적용 가능하여 많은 주목을 받고 있습니다. 조밀한 분리층과 다공성 지지층으로 구성된 박막 복합(TFC) 폴리아미드(PA) 역삼투막은 이 분야에서 선도적인 제품으로 자리매김해 왔습니다. 그러나 PA RO 막의 낮은 투과율과 TFC 역삼투막의 오염 문제는 PA RO TFC 막의 광범위한 사용을 제한하는 요인입니다.
나노복합막 합성은 고분자 나노소재와 무기 나노소재의 장점을 결합하는 탁월한 방법임이 입증되었습니다. 역삼투막의 고유한 특성은 조성과 구조를 미세 조정함으로써 개선될 수 있습니다. 예를 들어, 하이드로탈사이트(HT)를 수용액에 분산시키고 계면 중합 단계에서 폴리아닐린(PA) 매트릭스에 포함시켜 물 수송 채널을 형성할 수 있습니다.
이렇게 얻어진 멤브레인은 염분 반발성을 유지하면서도 높은 투과 선택성과 향상된 투수성을 나타낸다. 또한, 나노입자 도입, 표면 코팅, 접합 등을 포함한 멤브레인 개질은 생물막 오염 방지에 효과적인 접근법임이 입증되었다. 그중에서도 PA 매트릭스에 내장된 나노입자에 항오염제를 접합하는 것은 PA 매트릭스를 손상시키지 않고 역삼투 멤브레인에 항오염성을 부여하는 탁월한 전략이다.
HT 나노입자는 하이드록실기가 풍부하여 실란 커플링제의 실록시기와 반응하여 항오염 접합을 이룰 수 있습니다. 따라서 HT 나노입자를 PA 층의 도펀트로 사용하고 항오염 기능기를 포함하는 실란 커플링제를 막 표면에 접합함으로써 높은 선택성과 항오염성을 갖춘 새로운 TFC 역삼투막을 얻을 수 있습니다.
담수화 및 해수통합이용연구소의 왕젠 교수, 산둥과학기술대학교의 마중 교수, 중국과학원 톈신샤 박사 연구팀은 HT 나노입자와 4급 암모늄염을 함유한 실란 커플링제의 특성에 착안하여, 기존의 투과 선택성과 오염 방지 기능을 동시에 향상시켜 장기적으로 안정적인 고성능을 유지하는 새로운 역삼투막 개발에 매진했습니다.
그들의 연구는 TFC PA 역삼투막의 성능을 크게 향상시켰으며, 해수 담수화의 미래를 위한 귀중한 기술적 조언을 제공했습니다. 이 연구는 학술지 Frontiers of Environmental Science & Engineering에 게재되었습니다.
본 연구에서는 계면 중합 과정에서 유기 용액에 분산시킨 Mg-Al-CO3 HT 나노입자를 PA 층에 도입하였다. HT의 도입은 물의 흐름을 향상시키는 동시에 접합 부위 역할을 하는 두 가지 효과를 나타낸다. HT의 도입은 염분 제거율을 저하시키지 않으면서 물의 흐름을 증가시켜 후속 접합 반응으로 인한 손실을 보상한다. HT의 노출된 표면은 항오염제인 디메틸옥타데실[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(DMOT-PAC)의 접합 부위로 작용한다.
HT 도입과 DMOTPAC 접합의 조합은 역삼투막에 높은 투과 선택성과 오염 방지 특성을 부여합니다. PA-NT-0.06의 투수량은 49.8 l/m²·h로, 기존 막보다 16.4% 높았습니다. PA-HT-0.06의 염 제거율은 99.1%로, 기존 막과 유사한 수준이었습니다. 음전하를 띤 리소자임 오염에 대해, 개질된 막의 투수량 회복률은 기존 막보다 높았습니다(예: PA-HT-0.06 86.8% vs. PA-기존 78.2%). PA-HT-0.06의 대장균(Escherichia coli) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)에 대한 살균 활성은 각각 97.3% 및 98.7%였습니다.
본 연구는 PA 매트릭스에 내장된 DMOTPAC 및 HT 나노입자 간의 공유 결합 형성을 보고하는 최초의 연구로서, 이를 통해 높은 투과 선택성과 오염 방지 특성을 갖는 역삼투막을 제조할 수 있음을 보여준다. 나노입자의 통합 및 기능성 그룹 접합을 통해 높은 투과 선택성과 오염 방지 특성을 지닌 역삼투막을 개발할 수 있었다.
추가 정보: Xinxia Tian 외, 해수 담수화를 위한 높은 선택성과 오염 방지 특성을 지닌 역삼투막 제조, Frontiers in Environmental Science and Engineering (2021). DOI: 10.1007/s11783-021-1497-0
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게시 시간: 2023년 1월 4일