양친성 고분자 복합 분리막 제조 및 응용

라즈쿠마 파텔 한국막학회 2015 한국막학회 총회 및 학술발표회 Vol.2015 No.11

Amphiphilic copolymeric membranes are ideally suited for separation of greenhouse gases and control its emission to the environment. Amphiphilic copolymers are a class of polymer that self-assemble in a nanophase domain. Amphiphilic copolymers are also useful in the pressure retarded osmosis process in which clean energy is generated from sea water which is highly essential at the current demand of clean and renewable energy demand. Mixed matrix membrane is another kind of separation process in which the pristine polymer are mixed with inorganic counterpart to prepare higher selectivity as well as permeability. Amphiphilic copolymer comes into handy again due to its synergistic effect mainly with the hydrophilic counterpart and the inorganic filler introduced into the copolymer.

수소이온 전도성 가교된 P(VDF-co-CTFE)-MAA/SEMA 막 제조 및 분석

라즈쿠마 파텔,증효뢰,허성연,김종학 한국막학회 2013 멤브레인 Vol.23 No.4

촉매 1,8-diazabicyclo[5,4,0]undec-7-ene(DBU)를 이용하여, poly(vinylidenefluoride-co-chlorotrifluoroethylene) P(VDF-co-CTFE) 고분자와 methacrylic acid (MAA)를 반응시켜, P(VDF-co-CTFE)-MAA 공중합체를 제조하였다. 또한 P(VDF-co-CTFE)-MAA와 2-sulfoethyl methacrylate (SEMA) 단량체를 4’,4’-azobis(4-cyanovaleric acid) (ACVA) 개시제 하에서 자유 라디칼 중합하여 수소 이온 전도성 막을 제조하였다. SEMA 함량이 많아짐에 따라 술폰산 그룹이 증가하였다. SEMA 함량이 50%일 때 최대 이온교환 용량값이 0.82 meq/g에 도달하였으며 이는 함수량 결과와 일치하였다. 또한, SEMA 함량이 50%일 때 수소이온 전도도가 0.041 S/cm까지 도달하였다. 이러한 결과는 분리막에서 SEMA 함량이 증가할수록 수소 이온을 전달시킬 수 있는 이온그룹이 증가하기 때문이다. Poly(vinylidenefluoride-co-chlorotrifluoroethylene) P(VDF-co-CTFE) polymer was attached to methacrylic acid (MAA) in the presence of 1,8-diazabicyclo[5,4,0]undec-7-ene(DBU) catalyst to prepare P(VDF-co-CTFE)-MAA copolymer. The modified P(VDF-co-CTFE)-MAA was polymerized with 2-sulfoethyl methacrylate (SEMA) monomer in the presence of 4’,4’-azobis(4-cyanovaleric acid(ACVA) initiator by free radical polymerization to form the proton conducting membrane. The ratio of the SEMA was increased in the membrane to increase the presence of the acidic group. The maximum IEC value that was observed at 50% SEMA was around 0.82 meq/g, which is consistentwith the water uptake value. The highest proton conductivity achieved by P(VDF-co-CTFE)-MAA/SEMA membrane with 50% SEMA was approximately 0.041 S/cm. This indicates that the available ionic group for the proton conduction increases with the increase in the SEMA in the membrane.

폴리디메틸실록산-폴리비닐피롤리돈 빗살 공중합체 합성, 모폴로지 및 투과성질

라즈쿠마 파텔,박정태,박민수,김종학 한국막학회 2017 멤브레인 Vol.27 No.6

인위적인 온실 가스 배출로 인한 자연 재해가 증가하고 있으며 이로 인해 기체 분리막의 개발이 촉진되게 되었다. 이산화탄소(CO2)는 지구 온난화의 주요 원인이다. 고유의 유연성을 가지는 유기 고분자 막은 기체 분리막의 좋은 후보군 중 하나이며, 이 중 이산화탄소에 대한 높은 확산도를 가지고 있는 폴리디메틸실록산(PDMS)은 유망한 소재이다. 또한, 폴리비 닐피롤리돈(PVP)은 이산화탄소에 대한 높은 용해도를 가지고 있는 고분자로 기체 분리막에 활용될 수 있다. 따라서 본 연구 에서는 용이한 조건에서 간단한 단일 반응 자유 라디칼 중합에 의하여 다양한 조성의 폴리디메틸실록산-폴리비닐피롤리돈 (PDMS-PVP) 빗살 공중합체를 합성하였다. PDMS와 PVP로 합성된 공중합체는 FTIR을 통해 분석하였다. 고분자의 형태학 및 열적 특성은 TEM, TGA 및 DSC를 통하여 분석하였다. PDMS-PVP 빗살 공중합체를 다공성 폴리설폰 지지체 위에 코팅 하여 복합막을 제조했으며, 제조한 복합막의 기체 투과 특성을 분석하였다. 그 결과 이산화탄소의 투과도 및 이산화탄소/질소 선택도가 각각 140.6 GPU 및 12.0에 도달하였다. The increasing number of natural disasters resulting from anthropogenic greenhouse gas emissions has prompted the development of a gas separation membrane. Carbon dioxide (CO2) is the main cause of global warming. Organic polymeric membranes with inherent flexibility are good candidates for use in gas separation membranes and poly(dimethyl siloxane)( PDMS) specifically is a promising material due to its inherently high CO2 diffusivity. In addition, poly(vinyl pyrrolidine)( PVP) is a polymer with high CO2 solubility that could be incorporated into a gas separation membrane. In this study, poly(dimethyl siloxane)-poly(vinyl pyrrolidine)(PDMS-PVP) comb copolymers with different compositions were synthesized under mild conditions via a simple one step free radical polymerization. The copolymerization of PDMS and PVP was characterized by FTIR. The morphology and thermal behavior of the produced polymers were characterized by transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC). Composite membranes composed of PDMS-PVP on a microporous polysulfone substrate layer were prepared and their CO2 separation properties were subsequently studied. The CO2 permeance and CO2/N2 selectivity through the PDMS-PVP composite membrane reached 140.6 GPU and 12.0, respectively.

정정안내 : 양자점이 합체된 복합 박막을 이용한 정수의 최근 발전

라즈쿠마 파텔,박신영 한국막학회 2023 멤브레인 Vol.33 No.4

Recent Progress on Proton Exchange Membrane Based Water Electrolysis

양승민,라즈쿠마 파텔,Yang, Seungmin,Rajkumar, Patel The Membrane Society of Korea 2022 멤브레인 Vol.32 No.5

현대에는 배터리를 비롯한 수소 기반 에너지가 효율적이라고 널리 알려져 있다.이러한 결과는 수소가 에너지 수송체로써의 높은 효율을 가지고 있다는 사실로부터 기반한다. 자연 친화적이며 높은 순도를 가진 수소는 수전해로부터 제조할 수 있다. 다양한 종류의 전기분해 중, 수소이온 교환막 수전해는 가장 재생 가능하며 싸고 자연 친화적이다. 이는 에너지로써 사용이 되기에 적합한 산소와 수소를 생성한다. 이와 같이 많은 장점이 있기에 활발한 연구가 수소이온 교환막 전기분해에 대해 진행되고 있다. 나피온은 수소이온 교환막으로 널리 쓰이지만, 비싼 비용과 다양한 다른 단점으로 인해 여러 가지 종류의 대체재가 개발되고 있다. 본 총설에서는 크게 나피온과 비나피온(non-Nafion) 기반 수소이온 교환막 수전해로 나누어 다루었다.

Recent Advances in Metal Organic Framework based Thin Film Nanocomposite Membrane for Nanofiltration

김에스더,라즈쿠마 파텔,Kim, Esther,Patel, Rajkumar The Membrane Society of Korea 2021 멤브레인 Vol.31 No.1

나노여과를위한 박막 나노복합체(TFN) 멤브레인 기술의 발전은 천연 자원에서 오염 물질을 제거하는 데 중요하다. 최근에는 기존의 박막 복합체(TFC) 및 나노복합체 멤브레인에서 불가피한 단점을 극복하기 위해 다양한 금속유기구조체(MOF) 수정이 테스트되었다. 일반적으로 MIL-101(Cr), UiO-66, ZIF-8 및 HKUST-1 [Cu3(BCT2)]은 용매 투과성 및 용질 제거 측면에서 막 성능을 현저하게 향상시키는 것으로 입증되었다. 이 리뷰에서는 이러한 MOF가 나노 여과에 미치는 영향에 대한 최근 연구가 논의될 것이다. 서로 다른 금속유기구조체의 동시 사용 및 고유한 금속유기구조체 레이어링 기술(예: 딥 코팅, 스프레이 사전 배치, Langmuir-Schaefer 필름 등)과 같은 다른 새로운 기능도 멤브레인 성능을 향상시켰다. 이러한 MOF 변형 TFN 멤브레인은 각각의 TFC 및 TFN 멤브레인에서 분리 성능을 향상시키는 것으로 자주 나타났을 뿐만 아니라 많은 보고서에서 비용 효율적이고 환경 친화적인 공정에 대한 잠재력을 설명한다. Advancements in thin-film nanocomposite (TFN) membrane technology for nanofiltration is crucial for removing pollutants from natural resources. In recent years, various metal-organic framework (MOF) modifications have been tested to overcome the drawbacks that are inevitable with conventional thin-film composite (TFC) and TFN membranes. In general, MIL-101(Cr), UiO-66, ZIF-8, and HKUST-1 [Cu3(BCT2)] are MOFs that were proven to exhibit excellent membrane performance in terms of solvent permeability and solute rejection; their respective studies are reviewed in this article. Other novelties, such as the simultaneous use of different MOFs and unique MOF layering techniques (e.g., dip-coating, spray pre-disposition, Langmuir-Schaefer film, etc.) are also discussed as they present alternate solutions for membrane enhancement and/or preparation convenience. Not only are these MOF-modified TFN membranes frequently shown to improve separation performance from their respective TFC and TFN membranes, but many reports also explain their potential for a cost-effective and environmentally friendly process. In this review the thin film nanocomposite nanofiltration membrane is discussed.

Oily Wastewater Treatment by Ceramic Membrane: A Review

곽연수,라즈쿠마 파텔,Kwak, Yeonsoo,Rajkumar, Patel The Membrane Society of Korea 2022 멤브레인 Vol.32 No.5

Separation of oily wastewater, which is a byproduct of various industries such as petroleum refineries, is essential to not exceed the tolerance limit of wastewater streams. Ceramic membranes show potential in oily wastewater separation, due to their excellent oil removal efficiency, good chemical, thermal, and mechanical stability, and simple operation. However, widespread application of ceramic membranes is limited due to high material cost of alumina, silica, and other ceramic based materials used to fabricate them. Recent efforts to reduce material cost have been made, using fly ash and clay. This review examines the fabrication and efficiency of ceramic membranes in oily wastewater separation according to material: silica, alumina, and waste ash.

Graphene Oxide Incorporated Antifouling Thin Film Composite Membrane for Application in Desalination and Clean Energy Harvesting Processes

이대원,라즈쿠마 파텔,Lee, Daewon,Patel, Rajkumar The Membrane Society of Korea 2021 멤브레인 Vol.31 No.1

Water supplies are decreasing in comparison to increasing clean water demands. Using nanofiltration is one of the most effective and economical methods to meet the need for clean water. Common methods for desalination are reverse osmosis and nanofiltration. However, pristine membranes lack the essential features which are, stability, economic efficiency, antibacterial and antifouling performances. To enhance the properties of the pristine membranes, graphene oxide (GO) is a promising and widely researched material for thin film composites (TFC) membrane due to their characteristics that help improve the hydrophilicity and anti-fouling properties. Modification of the membrane can be done on different layers. The thin film composite membranes are composed of three different layers, the top filtering active thin polyamide (PA) layer, supporting porous layer, and supporting fabric. Forward osmosis (FO) process is yet another energy efficient desalination process, but its efficiency is affected due to biofouling. Incorporation of GO enhance antibacterial properties leading to reduction of biofilm formation on the membrane surface. Pressure retarded osmosis (PRO) is an excellent process to generate clean energy from sea water and the biofouling of membrane is reduced by introduction of GO into the active layer of the TFC membrane. Different modifications on the membranes are being researched, each modification with its own advantages and disadvantages. In this review, modifications of nanofiltration membranes and their composites, characterization, and performances are discussed. 물 공급은 늘어나는 담수 수요와 다르게 줄어들고 있다. 담수의 수요를 충당하기 위해서 나노여과법은 가장 효율적이고 경제적인 방법이라고 할 수 있다. 해수담수화를 위한 나노여과법의 일반적인 방법으로는 나노여과 멤브레인을 이용한 역삼투압 방식이다. 하지만 기존의 멤브레인들은 주요 특성인 안정성, 경제성, 그리고 살균 및 방오특성이 부족하다. 기존의 나노여과 멤브레인을 향상시키기 위해서 친수성과 방오성이 높은 흑연 산화물이 가장 향상성이 높으며 널리 연구되고 있는 재료이다. 멤브레인 변형은 다른 레이어에 적용될 수 있다. 얇은 막으로 이루어진 멤브레인은 다른 세 레이어로 구성되어 있다, 표면의 폴리아미드 레이어, 기공 레이어, 그리고 전체적인 구조를 구성하는 지원 직물이다. 정삼투압 토한 에너지 효율적인 해수담수화 방식이지만 효율이 생물 오염 때문에 떨어진다. 산화그래핀 결합은 향균 기능을 향상할 수 있으며 멤브레인 표면에 바이오필름 생성을 억제할 수 있다. 압력지연삼투는 해수에서 청정에너지를 발전시키는 최고의 방법 중 하나이다. 멤브레인의 생물 오염은 합성 폴리머 멤브레인의 합성 레이어에 산화 그래핀을 합성하여 줄일 수 있다. 나노여과 멤브레인을 개량하는 여러 연구가 각자의 장단점을 가지고 이루어지고 있다. 이 보고서는 나노여과 멤브레인의 개량, 성질, 그리고 성능에 대해 논의한다.

Recent Advance in Microbial Fuel Cell based on Composite Membranes

김세민,라즈쿠마 파텔,김종학,Kim, Se Min,Patel, Rajkumar,Kim, Jong Hak The Membrane Society of Korea 2021 멤브레인 Vol.31 No.2

Microbial fuel cell (MFC) is a bio-electrochemical device that generates electricity by utilizing bacterial catalytic activity that degrades wastewater. Proton exchange membrane (PEM) is the core component of MFC that decides its performance, and Nafion membrane is the most widely used PEM. In spite of the excellent performance of Nafion, it has drawbacks such as high cost, biofouling issue, and non-biodegradable property. Recent studies in MFC attempted to synthetize the alternative membrane for Nafion by incorporating various polymers, sulfonating, fluorinating, and doping other chemicals. This review summarizes characteristics and performances of different composite membrane based MFCs, mostly focusing on PEM. 미생물 연료전지(MFC)는 미생물의 촉매 반응을 이용하여 폐수 등 환경 오염물질을 처리함과 동시에 전기에너지를 생성하는 생물전기화학 장치다. 미생물 연료전지의 주요 성분 중 하나인 양이온 교환막(PEM)은 미생물 연료 전지의 성능에 결정적인 영향을 미치며, 현재 가장 많이 사용되고 있는 양성자교환막은 Nafion이다. Nafion은 우수한 성능을 가지고 있지만, 단가가 높고, 생물오염에 취약하며, 생분해가 불가능하다는 단점이 있다. 따라서 Nafion을 대체하기 위한 새로운 복합막을 개발하고자 하는 시도가 꾸준히 이루어졌다. 본 총설에서는 미생물 연료전지 분야에서 최근 개발된 복합막의 특징과 성능을 고찰하며, 특히 양성자교환막을 중점적으로 다룬다.

2차원 나노재료 기반 복합막을 이용한 해수담수화

이유경,라즈쿠마 파텔 한국막학회 2020 멤브레인 Vol.30 No.2

산업화와 기후 변화는 깨끗한 식수에 대한 수요 증가를 초래하였다. 막분리공정을 이용한 해수담수화는 물의 수요에 대한 요구를 채울 수 있는 경제적으로 실현 가능한 대안 중 하나이다. 막분리공정에서 2차원 재료들은 기존 역삼투분리막 (reverse osmosis membrane) 기반의 폴리아마이드 박막복합막(TFC-PA)과 비교하였을 때 막의 강도를 높여주고 투수성을 용이하게 하며 높은 염제거율 및 높은 선속률과 선택성을 보여준다. 이 리뷰 논문에서는 재료, 합성, 특징, 해수담수화 과정을 기반으로 다양한 2차원 재료로 구성된 복합막들을 소개하고 있다. Growing industrialization and climate change lead to the huge demand for clean drinking water. Desalination of sea water by membrane separation process is one of the alternative and economically viable methods to fulfil the demand for water. In the membrane separation process, the presence of 2D materials enhances the performance of membrane by facilitating the water permeation, salt rejection, flux rate, and selectivity compared to the traditional reverse osmosis thin-film-composite membranes. In this review, composite membranes with different kinds of 2D materials are discussed on the basis of materials synthesis, characterization and desalination process.