Polyethersulfone 분리막의 TiO2 나노입자 첨가에 따른 여과특성 평가 = The Evaluation on Filtration Characteristics of Polyethersulfone(PES) Membrane Combined with TiO2 Nanoparticles

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 polyethersulfone(PES) 나노 분리막에 TiO2 나노입자를 결합하여 친수성을 강화시킨 분리막의 여과특성을 관찰하였다. TiO2 나노입자를 실험실에서 직접 합성하여, TiO2를 PES 나노 분리막의 제조과정 중에 혼합시킨 막과 제조된 PES 나노 분리막 표면에 코팅시킨 막을 준비하여 여과 결과를 비교하였다. 분리막의 코팅방법은 딥코팅방법(dip coating method)이 사용되었고, 여과 대상물질은 소수성이 있는 자연유기물(natural organic matter, NOM)을 선택하였다. 최적의 코팅조건을 알아보기 위한 실험과 새로운 코팅방법인 layer-by-layer 코팅법을 실험에 적용하였다.
실험결과, TiO2 나노입자를 이용한 딥코팅 방법에서 투과도가 최대가 되는 최적의 코팅시간은 1일이었다. TiO2가 첨가된 두 종류 막의 투과플럭스는 TiO2의 농도가 증가할수록 높아졌으나, 0.375 wt % 농도 이상에서는 공극 막힘 현상으로 플럭스가 감소하였다. 전반적으로 TiO2 혼합 PES막이 TiO2 코팅 PES막에 비해 투과플럭스 향상에 약 1.5배 효과적인 것으로 나타났다. 또한 TiO2 혼합 PES막과 TiO2 코팅 PES막의 교차여과실험을 수행한 결과, 코팅막에서는 TiO2 나노입자가 분리막 표면에서 떨어져 나가 농축수로 유실될 수 있음을 관찰할 수 있었다. 코팅된 입자의 유실을 감소시키기 위해 유기바인더를 이용한 layer-by-layer 코팅법을 추가 적용하였으며 실험결과 TiO2 나노입자의 유실이 발생하지 않는 TiO2 코팅 PES 막을 제조할 수 있었다. 본 연구를 통해 친수성 나노입자의 적용은 소수성 PES 분리막의 투과플럭스를 향상 시킬 수 있었으나 향상정도는 나노입자의 적용 방법과 조건에 크게 의존할 수 있음을 알 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 문헌 연구 3
• 2.1 분리막 3
• 2.1.1 분리막 재질과 제막법 5
• 2.1.2 나노여과 분리막 6
• 2.1.3. Polyethersulfone 분리막 7
• 2.2 자연유기물 7
• 2.2.1 휴믹 물질 8
• 2.2.3 용존유기물의 측정 방법 9
• 2.3 막오염 11
• 2.3.1 NOM에 의한 막오염 감소 방안 12
• 2.4 이산화 티타늄 13
• 2.4.1 TiO2의 종류 및 특성 13
• 2.4.2 TiO2의 제조 15
• 2.4.3 TiO2의 친수화 메커니즘 16
• 2.5 TiO2 결합 PES막 제조법 17
• 2.5.1 딥코팅 방법 17
• 2.5.2 Layer-by-layer 코팅 방법 19
• 3. 실험재료 및 방법 21
• 3.1 실험재료 21
• 3.1.1 이산화티타늄의 제조 21
• 3.1.2 PES 분리막의 제조 22
• 3.1.3 코팅 분리막의 제조 24
• 3.1.4 대상시료 26
• 3.2 분석 및 실험방법 27
• 3.2.1 TiO2 나노입자의 특성 분석 방법 27
• 3.2.2 제조 분리막의 특성 분석 방법 27
• 3.2.3 여과실험장치 28
• 4. 결과 및 고찰 30
• 4.1. 제조 TiO2 나노입자의 구조적 분석 결과 30
• 4.1.1. TiO2 나노입자의 결정형 분석 결과 30
• 4.1.2. TiO2 나노입자의 크기 분석 결과 31
• 4.2 제조 분리막 의 구조적 특성 분석 결과 32
• 4.3 TiO2 나노입자 코팅 조건 변화에 따른 코팅 PES막의 투과도 분석 결과 36
• 4.4 TiO2 나노입자 혼합 PES막과 코팅 PES막의 여과 거동 분석 결과 39
• 4.4.1 TiO2 나노입자 혼합 PES막과 코팅 PES막의 dead-end 여과 거동 분석 결과 39
• 4.4.2 TiO2 나노입자 혼합 PES막과 코팅 PES막의 교차여과 특성 분석 결과 41
• 4.5 Layer-by-layer 제조막의 여과 거동 분석 결과 45
• 4.5.1 Layer-by-layer 막의 표면 구조 분석 결과 45
• 4.5.2 Layer-by-layer 막의 dead-end 여과 거동 분석 결과 47
• 4.5.3 Layer-by-layer 막의 교차여과 특성 분석 결과 49
• 4.5.4 Layer-by-layer 코팅 PES막의 적용성 판단 결과 52
• 5. 결론 53
• 참고문헌 54