Preparation of PVdF/Fe₃O₄-GO (MGO) Composite Membrane by Using Electrospinning Technology and its Arsenic Removal Characteristics

장원기,후건,변홍식,이재용,Jang, Wongi,Hou, Jian,Byun, Hongsik,Lee, Jae Yong The Membrane Society of Korea 2016 멤브레인 Vol.26 No.6

In this study, the PVdF/MGO composite nanofiber membranes (PMGs) introducing Iron oxide-Graphene oxide ($Fe_3O_4/GO$, Metallic graphene oxide; MGO) was prepared via electrospinng method and its arsenic removal characteristics were investigated. The thermal treatment was carried out to improve the mechanical strength of nanofiber membranes and then the results showed that of outstanding improvement effect. However, in case of PMGs, the decreasing tendency of mechanical strength was indicated as increasing MGO contents. From the results of pore-size analysis, it was confirmed that the porous structured membranes with 0.3 to $0.45{\mu}m$ were prepared. For the water treatment application, the water flux measurement was carried out. In particular, PMG2.0 sample showed about 70% improved water flux results ($153kg/m^2h$) compared to that of pure PVdF nanofiber membrane ($91kg/m^2h$) under the 0.3 bar condition. In addition, the PMGs have indicated the high removal rates of both As(III) and As(V) (up to 81% and 68%, respectively). Based on the adsorption isotherm analysis, the adsorption of As(III) and As(V) ions were both more suitable for the Freundlich. From all of results, it was concluded that PVdF/MGO composite nanofiber membranes could be utilized as a water treatment membrane and for the Arsenic removal applications. 본 연구에서는, 전기방사법을 이용하여 산화철-산화그래핀($Fe_3O_4/GO$, metallic graphene oxide; MGO)이 도입된 PVdF/MGO 복합나노섬유(PMG)를 제조하였으며, 이를 활용하여 비소제거에 대한 특성 평가를 진행하였다. MGO의 경우 In-situ-wet chemical 방법으로 제조하였으며, FT-IR, XRD분석을 진행하여, 형태와 구조를 확인하였다. 나노섬유 분리막의 기계적 강도 개선을 위하여 열처리과정을 진행하였으며, 제조된 분리막의 우수한 기계적 강도 개선 효과를 확인할 수 있었다. 그러나, PMG 막의 경우, 도입된 MGO의 함량이 증가할수록 기계적 강도가 감소되는 경향성을 보여주었으며, 기공크기 분석결과로부터, $0.3{\sim}0.45{\mu}m$의 기공크기를 가진 다공성 분리막이 제조되었음을 확인할 수 있었다. 수처리용 분리막으로의 활용 가능성 조사를 위해, 수투과도 분석을 실시하였다. 특히, PMG2.0 샘플의 경우 0.3 bar 조건에서, PVdF 나노섬유막($91kg/m^2h$)에 비해 약 70% 향상된 결과값($153kg/m^2h$)을 나타내었다. 또한, 비소 흡착실험 결과로부터, PMG 막의 경우, 비소3가와 5가에 최대 81%, 68%의 높은 제거율을 보여주었으며, 흡착등온선 분석으로부터, 제조된 PMG 막의 경우 비소3가, 5가 모두 Freundlich 흡착거동을 따른다는 것을 확인하였다. 위 모든 결과로부터, PVdF/MGO 복합 나노섬유 분리막은 비소제거 및 수처리용 분리막으로 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

대구염색산단 고효율 대기오염방지시설 설치 및 운영에 따른 대기질 개선 효과

장원기(Wongi Jang),김현수(Hyun Su Kim),문혜식(Hye Sik Mun),김성국(Sung Kuk Kim),김학윤(Hak Yun Kim) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

PVdF/GO 복합 나노섬유 평막의 제조 및 활성슬러지 내 투과특성

원인혜,장원기,정건용,변홍식,Won, In Hye,Jang, Wongi,Chung, Kun Yong,Byun, Hongsik 한국막학회 2015 멤브레인 Vol.25 No.1

본 연구에서는 dimethylformamide (DMF)와 acetone의 혼합용액에 산화그래핀(graphene oxide, GO)을 분산시키고 기질 고분자인 PVdF (polyvinylidene fluoride)를 도입하여 전기방사법으로 나노섬유를 제조하였다. 또한 PVdF/GO 복합 나노섬유를 평막 형태로 적층시켜 기공크기 $0.4{\mu}m$인 정밀여과막을 제조하였다. 그리고 GO의 고유한 항균 특성으로 생물학적 오염을 줄일 수 있는 PVdF/GO 복합막의 막오염을 평가하기 위하여 막간 압력차(transmembrane pressure, TMP)를 측정하였다. 유효 막면적이 $0.01m^2$인 PVdF/GO 평막과 상용화된 MBR용 CPVC (chlorinated polyvinyl chloride) 평막을 MLSS 4,500 mg/L인 활성슬러지 수용액 내에서 동시에 투과 실험하였다. 공기를 주입하지 않을 경우, 투과유속이 $10L/m^2{\cdot}h$일 때 PVdF/GO 막의 TMP는 CPVC 막의 최대 79%까지 감소하였다. 또한 운전/휴직 방식으로 운전할 경우, $10L/m^2{\cdot}h$일 때 PVdF/GO 막의 TMP는 CPVC 막의 최대 69%까지 감소함을 확인하였다. In this study the nanofiber was prepared by electrospinning method with polyvinylidene fluoride (PVdF) and a completely dispersed solution of graphene oxide (GO) in the mixed solvent of dimethylformamide (DMF) and acetone. The $0.4{\mu}m$ pore size microfiltration flat membrane was made by increasing layers of the PVdF/GO composite nanofiber. Also, transmembrane pressure (TMP) was measured in order to evaluate fouling of the PVdF/GO composite membrane which was introduced GO reducing biological fouling with the intrinsic antibacterial characteristics. The permeate experiments were carried out simultaneously for the PVdF/GO and commercialized CPVC (chlorinated polyvinyl chloride) flat membranes with $0.01m^2$ effective area in the activated sludge solution of MLSS 4,500 mg/L. TMP of PVdF/GO membrane decreased up to 79% lower than that of CPVC for $10L/m^2{\cdot}h$ permeate flux without air supply. Also, for the case of run/stop operational mode, TMP of PVdF/GO membrane decreased up to 69% lower than that of CPVC for $10L/m^2{\cdot}h$.

유기용매 저항성 Polyketone 중공사 분리막의 제조

박예지,장원기,최진원,우윤하,후건,전성일,변홍식,Park, Yeji,Jang, Wongi,Choi, Jinwon,Woo, Yunha,Hou, Jian,Jeon, Sungil,Byun, Hongsik 한국막학회 2021 멤브레인 Vol.31 No.5

본 연구에서는 유기용매에 저항성이 뛰어난 소재인 polyketone 고분자를 사용하여 열유도 상분리법(TIPS)으로 유기용매 저항성 중공사 분리막을 제조하였다. 희석제는 green solvent로 알려진 PEG300, DMSO₂, glycerine을 사용하였으며, 이때 사용된 diluent에 따라 나타나는 구정형 구조를 가지는 고-액 상분리와 bicontinuous한 구조를 가지는 액-액 상분리를 관찰하였다. 전반적인 분리막의 특성은 SEM, 수투과도, 기계적 강도, 내화학실험을 사용하여 고찰하였으며, 본 연구에서는 다양한 희석제가 적용된 polyketone 중공사 분리막의 제조와 그 상호관계에 대해 심도 있게 연구하였다. Organic solvent resistant hollow fiber membranes were fabricated via a thermally induced phase separation (TIPS) method using Polyketone polymer, a material with excellent resistance to organic solvents. The PEG300, DMSO₂ and Glycerine called the "green solvents" were used as diluents for TIPS method. The spherulite structure was formed with DMSO₂ by S-L phase separation behavior whereas the bicontinuous structures were formed with PEG300 and Glycerine, respectively. The morphology of the PK hollow fiber membranes was investigated using SEM. The pure water permeability and the durability test were conducted to understand the permeation properties of PK hollow fiber membranes. The tensile strength test was conducted for the property of mechanical strength. In this study, the fabrication of PK hollow fiber membranes with various diluents was discussed to understand the correlation between diluent and polymer in detail.

식물 엽록소와 고분자 나노섬유를 이용한 광합성 나노섬유복합막의 제조

윤재한,장원기,변홍식,Yun, Jaehan,Jang, Wongi,Byun, Hongsik 한국막학회 2015 멤브레인 Vol.25 No.1

In this study, chlorophylls were been extracted from common local plants, deposited on polypropylene (PP) substrate using various approaches, and the oxygen generation effect of the chlorophylls were investigated. The loading of chlorophylls on the substrates was achieved by dipping and spraying methods, where the spraying coating showed overall better results regarding oxygen generation from the combustion experiments in the closed vessel or in the isolated vacuum oven cell than those of dip coating. In addition, a composite substrate was prepared by nylon6/6 nanofiber on the PP substrate, and it exhibited an increase in the activation of chlorophylls. In the case of samples containing titanium dioxide ($TiO_2$), the reaching time of oxygen concentration from 16% to 21% and the combustion test using a candle for a sample with 50% chlorophylls showed similar results to those of a sample without $TiO_2$. As such, combining a spray coating and $TiO_2$ incorporation into gas separation membrane systems are expected to be useful to understand the fundamentals of material properties for their applications as oxygen generation membranes and air filtration systems. 본 연구에서는 우리 주위에서 흔히 채취할 수 있는 식물을 이용하여 엽록체를 추출하고, 이를 다양한 방법으로 PP부직포 위에 도포하여 복합막을 제작하였으며, 산소 발생여부에 대한 연구를 진행하였다. 제조된 엽록체의 도입 방법에 따른 실험에서, 딥(dipping) 코팅법과 스프레이(spraying) 코팅법을 이용하였으며, 밀폐된 용기와 진공오븐 내 초를 이용한 연소 시험 모두에서 스프레이 코팅이 비교적 우수한 결과를 나타내었다. 또한, 엽록체의 활성을 증가시키기 위해 nylon6/6 나노섬유를 PP부직포 위에 전기방사하여 복합지지체를 제조한 후, 엽록체를 도입하여 제조한 샘플의 경우, 나노섬유가 도입되지 않은 샘플에 비해 낮은 활성을 가진다는 것을 확인하였다. $TiO_2$가 포함된 샘플들의 경우, 포함되지 않은 샘플들에 비해 엽록체 함량이 50%가 도입되었지만, 16%에서 21%까지 도달되는 시간과 초를 이용한 연소실험에서 각각 유사한 결과값을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 도입된 스프레이 코팅법과 $TiO_2$ 접목은 산소발생용 분리막 및 공기청정기용 필터소재로의 응용에 대한 기초연구 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Preparation of PVdF/GO Nanofiber Composite Membranes and its Heavy Metal Removal Characteristics

Hwakyung Jeong(정화경),Wongi Jang(장원기),Jaehan Yun(윤재한),Hongsik Byun(변홍식) 한국고분자학회 2016 폴리머 Vol.40 No.3

본 연구에서는 전기방사법을 이용하여 PVdF/GO 나노섬유 복합분리막을 제조하고, 중금속(납, 카드뮴)이온에 대한 제거특성평가를 진행하였다. 합성된 GO 및 복합분리막은 SEM, FTIR, Raman 분석 및 tensometer를 이용하여 특성평가를 진행하였으며, 위 결과로부터 다양한 기능기를 가진 GO의 합성 및 PVdF 나노섬유 내에 복합화되어 있는 것을 확인하였다. 또한 합성된 GO의 Langmuir 및 Freundlich 흡착 등온선 연구를 실시하였다. PVdF/GO 나노섬유 복합분리막은 친수특성을 보여주고 있으며, PVdF 나노섬유 분리막 대비 최대 3배 이상의 높은 수투과도를 나타내었다. PVdF/GO20의 중금속 제거율은 시간에 따라 점차 증가하였으며, 2시간 이후 95.2% (Pb), 98.3% (Cd)에 각각 도달하는 것을 확인하였다. 위 결과로부터 제조된 PVdF/GO 나노섬유 복합분리막은 하폐수처리 시스템에 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다. This paper describes the preparation of PVdF/graphene oxide (GO) nanofiber composite membranes via electrospining and their removal characteristics of heavy metal ions (e.g., lead and cadmium). The synthesized GO and composite membranes were characterized by SEM, FTIR, Raman analysis, and tensometry. These results demonstrated the successful synthesis of GO with various functional groups and their incorporation into the PVdF nanofibers. In addition, the adsorption isotherm studies of the synthesized GO using both the Langmuir and Freundlich models were carried out. The PVdF/GO nanofiber composite membranes showed hydrophilic characteristics and higher pure water flux (up to 3 times) than that of a neat PVdF nanofiber membranes. The heavy removal rate of PVdF/GO20 increased gradually as a function of time which reached at 95.2% (Pb) and 98.3% (Cd) after 2 h, respectively. From these results, prepared PVdF/GO nanofiber composite membranes have shown a great potential to be utilized for the wastewater system.

리튬이차전지 전해액의 고온 안정성을 위한 PVA-CN 첨가제 합성 및 평가

후건(Jian Hou),장원기(Wongi Jang),변홍식(Hongsik Byun) 한국고분자학회 2018 폴리머 Vol.42 No.5

현재 리튬이차전지에는 이온전도도나 전기화학적 안정성이 좋은 액체 전해액을 사용하고 있으나, 고온 열적 안정성에 문제가 노출되고 있다. 본 연구에서는 전해액의 열 안정성을 향상시키기 위해 리튬이차전지 전해액용 cyanoethyl polyvinyl alcohol(PVA-CN) 첨가제를 합성하였으며, 합성은 polyvinyl alcohol(PVA) 원료를 용해하는 공정(Step 1)과 PVA-CN을 합성하는 공정(Step 2)으로 나누어서 진행하였다. 합성된 PVA-CN 첨가제의 열적 안정성을 확인하기 위하여 TGA 측정을 진행하였다. 전기적 특성평가에서 PVA-CN이 첨가된 전해액의 이온전도도가 기존 상용의 전해액보다 약 6% 감소하였다. 하지만, PVA-CN 첨가된 전해액을 활용한 리튬이차전지는 고온에서 swelling 특성이 매우 우수한 결과, 즉 29%의 swelling 감소 효과를 보여주었으며, 리튬이차전지의 가장 큰 사고 원인인 고온 swelling 문제를 해결할 수 있다는 결과를 얻었다. Currently liquid electrolyte having good ion-conductivity and high electrochemical stability has been used for the lithium secondary battery. But it has been reported there was a serious problem in the high temperature stability. In this study, the development of PVA-CN cyanoethyl polyvinyl alcohol additive which is used in lithium secondary battery electrolyte was carried out with two steps; the first step was the dissolution of PVA raw materials, and the second step was the synthesis of PVA-CN. The thermal property of the prepared PVA-CN was quantitatively analyzed using TGA. The significantly improved thermal stability of the electrolytes containing PVA-CN additives was also confirmed by monitoring swelling behavior of the membranes at high temperature, i.e. 29% less swelling effect, although they exhibited slightly lower ion conductivity, about 6% lower than commercially available electrolytes. This finding clearly suggests the possibility of preventing the swelling issue at high temperature which is the main cause of dangerous accidents from secondary battery systems.

대구염색산업단지 내 업종별 대기오염물질 배출 특성 분석

김지연(Jiyeon Kim),장원기(Wongi Jang),문혜식(Hye Sik Mun),김현수(Hyun Su Kim),김성국(Sung Kuk Kim),이상훈(Sang-Hun Lee),정응호(Eung Ho Jung),노백호(Paikho Pho),배헌균(Hun Kyun Bae),김학윤(Hak Yun Kim) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

텅스텐을 이용한 의료용 X-선 차폐시트 제조와 조성 최적화

윤재한(Jaehan Yun),후건(Jian Hou),장원기(Wongi Jang),김준현(Jun-Hyun Kim),변홍식(Hongsik Byun) 한국고분자학회 2019 폴리머 Vol.43 No.3

본 연구에서는 방사선 차폐물질로 사용되는 납을 대체하기 위하여, 무기금속 물질 중 원자번호가 큰 분말 상태의 텅스텐을 사용하였으며, 폴리우레탄(polyurethane, PU)과 복합하여 차폐용 시트를 제조하고 최적화를 진행하였다. 차폐시트의 구성은 고분자대비 1:1, 1:5, 1:10 비율로 텅스텐 함량을 증가시켜 제조하였으며, 광학이미지와 SEM으로 단면촬영을 진행하여 구조를 확인하였다. 또 질량감쇠계수와 차폐율의 변화를 확인하였다. 무기물의 함량이 증가할수록 시트의 밀도가 증가하였으며, 차폐율 또한 증가하는 것을 확인하였다. 열처리를 통해 차폐시트에 포함되어 있는 텅스텐의 양을 확인하였으며, 함량과 질량감쇠계수를 비교하여 최적화된 비율을 찾았다. In this study, tungsten (W) powder, which is high atomic number element among inorganic maerials was considered as an alternative material for the lead (Pb) generally used as radiation shielding material. The shielding sheets were prepared by the complexation of tungsten powder and polyurethane (PU), and their optimization was carried out. The sheets were prepared by increasing the tungsten contents to the polymer where the composition was 1:1, 1:5, and 1:10 (polymer:tungsten). The morphology of sheet was investigated by using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The increases of both sheets density and their shielding efficiency were observed with increasing the contents of inorganic filler into composite. The weight of tungsten in the final shielding sheet was confirmed through a heat treatment and the optimized composition ratio was obtained by considering the total weight and mass attenuation coefficient of the sheet.

Rapid incorporation of gold nanoparticles onto graphene oxide-polymer composite nanofiber membranes and its organic dye removal characteristic

Ja Heon Lee(이자헌),Seung Beom Huh(허승범),Kyung Hyun Kim(김경현),Hak Yun Kim(김학윤),Eung Ho Jung(정응호),Paikho Rho(노백호),Hun Kyun Bae(배헌균),Sang-Hun Lee(이상훈),Honksik Byun(변홍식),Wongi Jang(장원기) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11