KR20160123190A - 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막 및 그 제조방법 - Google Patents

그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리아크릴로니트릴 지지체; 및 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산 코팅층;을 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막, 또는 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴 지지체; 및 키토산 또는 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산 코팅층;을 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막은 투과도 및 염배제율이 높고, 막오염 방지성능 및 내염소성이 우수하므로, 나권형 막 모듈 형태로 제작하여 수처리 장치에 적용함으로써 실제 나노여과 분리공정에 응용이 가능하다.

Description

그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막 및 그 제조방법{Polyacrylonitrile/chitosan composite nanofiltration membrane containing graphene oxide and preparation method thereof}
본 발명은 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막을 제조하고, 이를 수처리 산업에 응용하는 기술에 관한 것이다.
최근 산업폐수로부터 염료물질을 완벽하게 제거하거나, 또는 원수에 포함된 농약이나 기타 유기 오염물을 제거해야 하는 표층수나 지하수를 원수로 사용하는 공공 음용수 공급의 안정성 확보가 필수적인 정수 공법에 나노여과막이 주목을 받고 있다. 이러한 나노여과막은 그 기공 크기로 구분할 때 역삼투막과 한외여과막의 중간에 위치하는 분리막으로서, 역삼투막 공정에서보다 낮은 압력조건에서 구동하면서 유기물을 비롯한 일부 염류도 여과할 수 있으므로, 나노여과막 공정은 본질적으로 저압력 역삼투막 공정이라고 할 수도 있다. 즉, 여과되어 생산된 물의 순도는 반도체 공정이나 제약 산업에 필요한 초순수 수준의 정밀도를 나타내는 것은 아니므로, 나노여과막은 굳이 고효율의 역삼투막 공정이 필요하지 않은 용도에 사용된다.
상기 용도에 부합하여 수투과량 및 염배제율이 우수한 나노여과막의 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는바, 본 발명자도 이미 나노여과막 또는 역삼투막 분야에서 요구되는 염배제율을 가지면서 나노여과 수준의 높은 투수량을 갖는 폴리아미드계 복합막을 개발하여 특허로 등록하였고, 단위시간당 처리용량의 증가로 수처리 공정상의 효율성을 높일 수 있어 경제적으로도 유리한 효과를 나타낼 수 있으나, 폴리아미드계 복합막의 특성상 내염소성이 떨어지고 막오염(fouling) 발생의 우려가 있어 실제 대규모 수처리 산업에 적용하기에는 한계가 있는 것이 사실이다(특허문헌 1).
한편, 그래핀은 육각형 벌집 모양의 단일 탄소원자 층으로 구성된 2차원 나노판상구조의 물질로서 우수한 물리화학적 성질을 나타내며, 단일원자 층임에도 불구하고 높은 기계적 강도를 갖는 것으로 알려져 있으나, 종래의 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 함유하는 고분자 복합체의 경우에는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드와 고분자의 분산성 및 혼화성이 낮은 관계로 실용화에 매우 제한적인 문제점이 있었다(비특허문헌 1).
또한, 전기방사한 나노섬유상 폴리아크릴로니트릴 기재에 키토산을 코팅함으로써, 투과유속이 전통적인 나노여과막보다 높고 염배제율이 우수한 복합막을 개발한 예도 공지되어 있으나, 폴리아크릴로니트릴계 막 고유의 취성 및 거친 표면 특성으로 인하여 복합막의 안정성이 결여될 수 있으므로 상업화에는 어려움이 있을 것이라 예상할 수 있다(비특허문헌 2).
그리고 그래핀 옥사이드에 의해 가교된 구조의 키토산 나노복합체막에 대한 연구도 수행된바 있으나, 그래핀 옥사이드의 함유에 따른 나노복합체막의 기계적 강도가 크게 증가하여 분리공정에의 응용 가능성만 제시되어 있을 뿐, 나노여과막으로서의 물성 및 분리성능에 대한 평가는 개시된바 없다(비특허문헌 3).
따라서 본 발명자는 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막을 제조하면, 그래핀 옥사이드의 함유로 인하여 복합체막의 친수성과 투과성 및 기계적 물성이 크게 향상되고, 아울러 막오염 방지 효과도 증가되어 장기적으로는 내구성이 현저하게 상승함으로써 실제 나노여과 공정이 적용되는 산업에 응용할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
특허문헌 1. 한국등록특허 제10-1487764호
비특허문헌 1. Hyunwoo Kim et al., Macromolecules, 43, 6515-6530(2010) 비특허문헌 2. Kyunghwan Yoon et al., Polymer 47, 2434-2441(2006) 비특허문헌 3. Lu Shao et al., Applied Surface Science, 280, 989-992(2013)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 투과도 및 염배제율이 높고, 막오염 방지성능 및 내염소성이 우수한 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 폴리아크릴로니트릴 지지체; 및 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산 코팅층;을 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막을 제공한다.
또한, 본 발명은 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴 지지체; 및 키토산 또는 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산 코팅층;을 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막을 제공한다.
상기 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드에 존재하는 히드록실기, 카르복실기, 카르보닐기, 또는 에폭시기가 에스테르기, 에테르기, 아미드기, 또는 아미노기로 전환된 관능화 그래핀 옥사이드인 것을 특징으로 한다.
상기 그래핀 옥사이드는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량% 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 키토산은 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막에 대하여 0.1 중량% 내지 2 중량% 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 I) 그래핀 옥사이드를 함유하는 아세트산 수용액에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻는 단계; 및 II) 상기 제막용액을 폴리아크릴로니트릴 지지체에 코팅 및 건조하는 단계;를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 a) 아세트산 수용액 또는 그래핀 옥사이드를 함유하는 아세트산 수용액에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻는 단계; 및 b) 상기 제막용액을 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴 지지체에 코팅 및 건조하는 단계;를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법을 제공한다.
상기 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드에 존재하는 히드록실기, 카르복실기, 카르보닐기, 또는 에폭시기가 에스테르기, 에테르기, 아미드기, 또는 아미노기로 전환된 관능화 그래핀 옥사이드인 것을 특징으로 한다.
상기 I) 또는 a) 단계의 제막용액 내 그래핀 옥사이드의 함량은 0.1 중량% 내지 10 중량% 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 I) 또는 a) 단계의 제막용액 내 키토산의 함량은 0.1 중량% 내지 2 중량% 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 II) 또는 b) 단계 후, 건조된 막을 글루타르알데히드 용액으로 가교시키는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 글루타르알데히드 용액은 그 농도가 0.1 중량% 내지 5 중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막을 포함하는 나권형(spiral wound type) 막 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 나권형 막모듈을 포함하는 수처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막은 투과도 및 염배제율이 높고, 막오염 방지성능 및 내염소성이 우수하므로, 나권형 막 모듈 형태로 제작하여 수처리 장치에 적용함으로써 실제 나노여과 분리공정에 응용이 가능하다.
도 1은 키토산(CS)과 그래핀 옥사이드(GO) 사이의 수소결합, 가교구조 형성 등의 상호작용을 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 적외선분광광도(FTIR) 스펙트럼.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 라만 스펙트럼.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 표면과 단면을 촬영한 주사전자현미경(SEM) 이미지[(a, b)= (비교예의 표면, 단면), (c, d)=(실시예 1의 표면, 단면), (e, f)=(실시예 3의 표면, 단면), (g, h)=(실시예 2의 표면, 단면)].
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 투과전자현미경(TEM) 이미지[(a) : 비교예, (b) : 실시예 3, (c) : 실시예 1, (d) : 실시예 2]
도 6은 본 발명의 실시예 3으로부터 제조되는 PAN-GO/CS 복합체막에서 키토산의 농도를 달리하여 키토산의 농도에 따른 투과유속 및 배제율의 영향을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예 4로부터 제조된 글루타르알데히드(GA)로 가교된 PAN/CS-GO 및 PAN-GO/CS-GO 복합체 나노여과막의 GA 농도에 따른 투과유속 및 배제율의 영향을 나타낸 그래프[(a) GA로 가교된 PAN/CS-GO, (b) GA로 가교된 PAN-GO/CS-GO].
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 2에 따르되, 그래핀 옥사이드의 함량을 달리하면서 제조한 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 그래핀 옥사이드의 함량에 따른 투과유속 및 배제율의 영향을 나타낸 그래프[(a) 실시예 1에 따른 것, (b) 실시예 2에 따른 것].
도 9는 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 염료배제 특성을 나타낸 그래프(공급액 농도 100 ppm).
도 10은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 염소에 대한 장기 안정성을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 막오염 저항성을 나타낸 그래프[공급액=200 ppm 부식산(humic acid) + 20 ppm 염화칼슘(CaCl2)].
이하에서는 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막 및 그 제조방법에 관하여 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 폴리아크릴로니트릴 지지체; 및 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산 코팅층;을 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막을 제공한다.
또한, 본 발명은 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴 지지체; 및 키토산 또는 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산 코팅층;을 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막을 제공한다.
종래의 그래핀 또는 그래핀 옥사이드(GO)를 함유하는 고분자 복합체의 경우에는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드와 고분자의 분산성 및 혼화성이 낮은 관계로 실용화에 매우 제한적인 문제점이 있었고, 특히 그러한 고분자 복합체를 막(membrane)의 형태로 제작하여 나노여과 공정에 적용한 예는 거의 없다. 그런데 본 발명에서는 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산(CS-GO)을 폴리아크릴로니트릴(PAN) 지지체에 코팅하거나, 또는 키토산 또는 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산을 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴(PAN-GO) 지지체에 코팅하여 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막을 제조하였고, 이를 나노여과 공정에 적용하여 우수한 분리성능을 확인할 수 있었다.
일반적으로 순수한 PAN막은 그 고유의 취성 및 거친 표면 특성으로 인하여 수처리용 분리막으로서 안정성이 결여되어 있고, 종래 나노여과막 또는 역삼투막의 소재로 많이 사용되는 폴리아미드계 복합막은 내염소성이 떨어지며 막오염(fouling)에 대한 저항성이 낮은 단점이 있었다. 따라서 본 발명에서는, 상기 단점들을 극복하고자 최근 수처리용 분리막 소재로서 많이 연구개발 되고 있는 키토산을 PAN과 결합시킨 복합막(PAN/CS)을 제조함에 있어서, 그래핀 옥사이드를 지지체 및 활성층에 개재시키는 것을 기술적 특징으로 한다.
즉, PAN/CS만으로 구성된 나노여과막은 막오염(fouling)에 취약할 수 있으므로, 본 발명에서는 지지체 및 활성층에 그래핀 옥사이드를 도입함으로써 친수성을 강화시키고, 막 표면의 거칠기를 제어하여 오염물질에 대한 저항성을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 사용되는 그래핀 옥사이드는 산화제를 이용하여 그라파이트를 산화시킴으로써 대량으로 제조할 수 있는 것으로, 히드록실기, 카르복실기, 카르보닐기, 또는 에폭시기와 같은 친수성 작용기를 포함하고 있다. 현재 그래핀 옥사이드는 대부분 Hummers method[Hummers, W.S. & Offeman, R.E. Preparation of graphite oxide. J. Am. Chem. Soc. 80. 1339(1958)]에 의해 제조되거나 일부 변형된 Hummers' method에 의해 제조되고 있는바, 본 발명에서도 변형된 Hummers' method에 따라 그래핀 옥사이드를 얻었다.
또한, 본 발명의 그래핀 옥사이드는 상기 그래핀 옥사이드에 존재하는 히드록실기, 카르복실기, 카르보닐기, 또는 에폭시기와 같은 친수성 작용기가 다른 화합물과 화학적으로 반응하여 에스테르기, 에테르기, 아미드기, 또는 아미노기로 전환된 관능화 그래핀 옥사이드를 사용할 수도 있다. 예를 들면, 그래핀 옥사이드의 카르복실기가 알코올과 반응하여 에스테르기로 전환된 것, 그래핀 옥사이드의 히드록실기가 알킬 할라이드와 반응하여 에테르기로 전환된 것, 그래핀 옥사이드의 카르복실기가 알킬 아민과 반응하여 아미드기로 전환된 것, 또는 그래핀 옥사이드의 에폭시기가 알킬 아민과 개환반응에 의하여 아미노기로 전환된 것 등이 있다.
그리고 상기 그래핀 옥사이드는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량% 포함되는 것이 바람직한데, 그래핀 옥사이드 의 함량이 0.1 중량% 미만이면 친수성의 향상 효과가 미미하고 막오염 방지성능이 떨어질 수 있으며, 그 함량이 10 중량%를 초과하면 고분자 매트릭스에 균일하게 분산되기 어려워 모폴로지의 제어가 쉽지 않고, 그에 따라 막오염 발생과 더불어 투과유속 및 염배제율의 저하를 겪을 수 있다.
또한, 상기 키토산은 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막에 대하여 0.1 중량% 내지 2 중량% 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 중량% 내지 1.5 중량%를 포함하는 것이 높은 투과유속 및 염배제율을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 I) 그래핀 옥사이드를 함유하는 아세트산 수용액에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻는 단계; 및 II) 상기 제막용액을 폴리아크릴로니트릴 지지체에 코팅 및 건조하는 단계;를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 a) 아세트산 수용액 또는 그래핀 옥사이드를 함유하는 아세트산 수용액에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻는 단계; 및 b) 상기 제막용액을 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴 지지체에 코팅 및 건조하는 단계;를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법을 제공한다.
상기 그래핀 옥사이드는 상술한 바와 같이 변형된 Hummers' method에 따라 얻어지는 것으로, 그래핀 옥사이드에 존재하는 히드록실기, 카르복실기, 카르보닐기, 또는 에폭시기가 에스테르기, 에테르기, 아미드기, 또는 아미노기로 전환된 관능화 그래핀 옥사이드일 수 있다.
그리고 상기 I) 또는 a) 단계의 아세트산 수용액은 키토산의 분자량에 따른 용해도를 고려하면 1~5 중량% 아세트산 수용액인 것이 바람직하고, 2 중량% 아세트산 수용액을 더욱 바람직하게 사용한다.
또한, 상기 I) 또는 a) 단계의 제막용액 내 그래핀 옥사이드의 함량은 목적물인 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 물성, 분리성능 및 제막의 용이성 등을 고려하여 0.1 중량% 내지 10 중량% 포함되도록 조절하는 것이 바람직하다.
아울러 상기 I) 또는 a) 단계의 제막용액 내 키토산의 함량은 0.1 중량% 내지 2 중량% 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 중량% 내지 1.5 중량%를 포함하는 것이 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 높은 투과유속 및 염배제율을 달성할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 바로부터 제조되는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 기계적 물성을 증가시키고자 상기 II) 또는 b) 단계 후, 건조된 막을 글루타르알데히드 용액으로 가교시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다. 이때, 상기 글루타르알데히드 용액은 그 농도가 0.1 중량% 내지 5 중량%인 것이 바람직한데, 글루타르알데히드 용액의 농도가 0.1 중량% 미만이면 기계적 물성의 향상 효과가 미미할 뿐만 아니라, 염배제율이 저하될 우려가 있고, 글루타르알데히드 용액의 농도가 5 중량%를 초과하면 가교도의 증가에 따라 투과유속이 현저히 떨어질 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막을 포함하는 나권형(spiral wound type) 막 모듈을 제공하며, 이를 포함하는 수처리 장치를 통하여 실제 나노여과 공정에 적용할 수 있다.
이하 구체적인 실시예 및 비교예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명한다.
(제조예) PAN 및 PAN-GO 지지체막의 제조
공지의 변형된 Hummers' method에 의하여 제조된 그래핀 옥사이드(GO) 1중량%를 디메틸포름아미드에 첨가하고 1시간 동안 초음파 처리하여 균일한 분산용액을 얻었다. 상기 분산용액에 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 20 중량% 농도로 70℃에서 용해시켜 12시간 동안 교반한 다음, 1시간 동안 초음파 처리하여 균일한 캐스팅 용액을 얻었다. 상기 캐스팅 용액을 폴리에스테르 부직포를 유리판에 부착한 기재에 닥터블레이드를 사용하여 나이프 갭이 200 ㎛가 되도록 캐스팅한 후, 20℃의 물을 포함하는 응고조에 침지하여 상전이 시키고, 잔류용매를 제거 및 건조하여 PAN-GO 지지체막을 제조하였다. 한편, 상기 제조예에서 그래핀 옥사이드를 함침시키는 과정을 제외하고는 상기 제조예와 동일하게 상전이법에 의하여 그래핀 옥사이드가 함유되지 않은 순수한 PAN 지지체막도 제조하였다.
(실시예 1) PAN/CS-GO 복합체 나노여과막의 제조
그래핀 옥사이드를 함유하는 2 중량% 아세트산 수용액에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻었다(제막용액 내 그래핀 옥사이드의 함량 1 중량%, 키토산의 농도 1 중량%). 상기 제막용액을 진공여과 하여 용해되지 않은 불순물을 제거한 후 탈기하여 기포를 제거하였다. 이 용액을 2M 수산화나트륨을 사용하여 40℃에서 1시간 동안 상기 제조예로부터 얻어진 순수한 PAN 지지체막 상에 코팅 및 건조하여 복합체막을 제조하였으며, 이를 PAN/CS-GO라 명명하였다.
(실시예 2) PAN-GO/CS-GO 복합체 나노여과막의 제조
지지체막으로서 상기 제조예로부터 얻어진 PAN-GO 지지체막을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 복합체막을 제조하였으며, 이를 PAN-GO/CS-GO라 명명하였다.
(실시예 3) PAN-GO/CS 복합체 나노여과막의 제조
2 중량% 아세트산 수용액(그래핀 옥사이드를 함유하지 않는 것)에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 복합체막을 제조하였으며, 이를 PAN-GO/CS라 명명하였다.
(실시예 4) 글루타르알데히드로 가교된 PAN/CS-GO 및 PAN-GO/CS-GO 복합체 나노여과막의 제조
실시예 1로부터 제조된 PAN/CS-GO 및 실시예 2로부터 제조된 PAN-GO/CS-GO를 다양한 농도의 글루타르알데히드 용액(0.1 중량%, 0.25 중량%, 0.5 중량%, 1.5 중량%, 2.5 중량% 및 5 중량%)으로 가교시켜 글루타르알데히드로 가교된 PAN/CS-GO 및 PAN-GO/CS-GO 복합체 나노여과막을 제조하였다.
(비교예) PAN/CS 복합체 나노여과막의 제조
2 중량% 아세트산 수용액(그래핀 옥사이드를 함유하지 않는 것)에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 복합체막을 제조하였으며, 이를 PAN/CS라 명명하였다.
도 1로부터 키토산(CS)과 그래핀 옥사이드(GO) 사이의 수소결합, 가교구조 형성 등의 상호작용을 개념적으로 알 수 있고, 이를 확인하고자 도 2에는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 적외선분광광도(FTIR) 스펙트럼을 나타내었다.
PAN의 2242 cm-1의 흡수피크는 PAN의 니트릴기의 신축진동에 의한 것이며, 1720 cm-1의 피크는 PAN이 -COOH로 가수분해 되었음을 알려준다. PAN을 키토산 용액으로 코팅하자 니트릴 피크가 사라지고 1720 cm-1 피크의 강도가 증가하였는데, 이로부터 카르복실기가 키토산에 결합하였음을 알 수 있다. PAN/CS와 PAN-GO/CS는 3370 cm-1(O-H신축진동과 N-H 신축진동의 중첩), 2926 cm-1(지방족 C-H의 신축진동), 1586 cm-1(N-H굽힘진동) 및 1102 cm-1(고리형 에테르 결합)에서 키토산 특유의 특성피크를 보였다. 복합체막의 표면을 GO로 개질한 경우 3200 cm-1의 피크가 넓어졌는데, 이것은 GO의 자유 하이드록실기에 의한 것이다. CS의 화학적, 공간적 구조는 많은 측쇄 하이드록실기를 갖는 셀룰로스와 유사하다고 알려져 있으며, 다수의 C-O 기와 말단에 두 개의 하이드록실기가 존재한다. 따라서 이러한 관찰결과는 CS와 GO의 산소함유기 사이의 수소결합에 의한 상승효과와 CS의 다가양이온성 부위와 GO 표면의 음전하 사이의 정전기적 상호작용 때문으로 생각된다.
아울러 이들 상호작용이 복합체막 물질 내에 존재하는 성분의 분자구조에 미치는 영향을 라만분석을 통해 조사하였다. 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 라만 스펙트럼에서 보는 바와 같이, PAN/CS는 GO의 D 밴드와 G 밴드를 보이지 않는 반면, PAN-GO/CS는 1302 cm-1에서 D 밴드를, 1600cm-1에서 G 밴드를 보이므로 복합체막 내에 GO가 존재함을 알 수 있었다. 표면 개질된 키토산막은 장파장 쪽으로 약간 이동된 넓은 D 밴드와 G 밴드를 보이는데, 이것은 키토산과 GO의 수소결합 상호작용 때문이다. 다당류인 키토산이 공유결합에 의해 그래핀 시트에 부착되면서 D 밴드와 G 밴드가 이동, 넓어지고 증가하는 것이다. 그러나 라만 스펙트럼에서 복합체막의 가장 뚜렷한 변화는 2D 밴드에서 관찰된다. 앞서 언급한 바와 같이, 이 밴드는 그래핀 시트의 변화에 민감하며 이 밴드의 넓어짐은 분명 키토산과의 결합에 의해 그래핀 옥사이드 층 내부에 생기는 변화와 관련이 있다.
또한, 도 4에는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 표면과 단면을 촬영한 주사전자현미경(SEM) 이미지[(a, b)= (비교예의 표면, 단면), (c, d)=(실시예 1의 표면, 단면), (e, f)=(실시예 3의 표면, 단면), (g, h)=(실시예 2의 표면, 단면)]를 나타내었다. 도 4(b)에서 보듯이, PAN/CS의 표면은 밴드 형태의 구조를 보이는데, 이것은 키토산이 용액 내에서 자가응집하려는 경향 때문이다. PAN/CS 막(b)과 PAN-GO/CS 막(f)은 부드러운 표면을 가짐을 알 수 있다. 이미지가 어둡게 보이는 이유는 키토산의 비전도성 때문이다. 도 4(d, h)에서 표면에 밝은 부분이 보이는데, 그것은 활성층 내에 GO가 존재하기 때문이다. 또한, PAN/CS 막(b)의 단면구조를 살펴보면, 치밀한 활성층과 PAN 지지체막 사이에 뚜렷한 경계층이 나타나지 않으므로 두 성분의 계면 상호작용에 영향이 없음을 알 수 있다. CS 매트릭스 내에서 GO 시트의 분산상태는 종래 CS 매트릭스 내에 분산된 탄소 나노튜브와 비교할 때 훨씬 우수하다. GO에 의해 가교구조를 형성하는 복합체막은 순수한 CS막에 비해 단면 이미지에서 다수의 주름과 홈이 뚜렷하게 관찰되었으며 GO 함량이 증가함에 따라 표면 균열에 의한 거칠기가 증가하였다. 이러한 단면 구조는 GO에 의해 가교구조를 형성하는 CS가 더 거친 성질을 갖는다는 것을 의미한다.
또한, 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 CS막 내 GO의 분산 상태를 조사하였는바, 도 5에는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 TEM 이미지[(a) : 비교예, (b) : 실시예 3, (c) : 실시예 1, (d) : 실시예 2]를 나타내었다. 순수한 PAN/CS 막은 부드러우며, 뚜렷한 층구조를 갖지 않는다. 반면, PAN/CS-GO 및 PAN-GO/CS-GO 복합체막의 경우에는 GO 시트가 응집 없이 고분자 매트릭스 내에 균일하게 분산된 것을 알 수 있다.
또한, 도 6에는 본 발명의 실시예 3으로부터 제조되는 PAN-GO/CS 복합체막에서 키토산의 농도를 달리하여 키토산의 농도에 따른 투과유속 및 배제율의 영향을 그래프로 나타내었다. 일반적으로 CS 농도가 증가할수록 투과유속이 낮아지게 된다. 고분자 농도는 복합체막 내 활성층의 두께에 큰 영향을 미치며, 활성층의 두께는 막의 투과성을 결정한다. 키토산 농도가 낮은 경우, 매우 얇은 활성층이 형성되어 투과유속이 증가하지만 배제특성은 매우 낮다. 묽은 키토산 용액의 경우 막 표면에 결함이 발생하기도 한다. 도 6에서 보는 바와 같이, 1.5 중량%의 CS 농도가 최적농도로 보이며, 이때 투과유속은 30 L/m2·h, MgSO4 배제율은 80%였다.
또한, 도 7에는 본 발명의 실시예 4로부터 제조된 글루타르알데히드(GA)로 가교된 PAN/CS-GO 및 PAN-GO/CS-GO 복합체 나노여과막의 GA 농도에 따른 투과유속 및 배제율의 영향을 그래프로 나타내었다[(a) GA로 가교된 PAN/CS-GO, (b) GA로 가교된 PAN-GO/CS-GO]. 도 7에서 보는 바와 같이, GA의 농도가 증가함에 따라 투과유속이 감소하면서 배제율이 증가하는 것이 관찰되었다. 투과유속의 감소는 소수성의 증가와, 팽창의 감소(즉, 기공의 수축), 그리고 막 내부의 기공을 통한 확산, 즉 굴곡률의 증가가 합쳐진 효과이다. 이러한 현상은 PAN/CS-GO 막에서 더 뚜렷하였으며, 결과적으로 GA 농도가 증가함에 따라 투과유속이 감소한 것이다. GA 농도가 증가함에 따라 두 무기염의 배제율이 증가하였다. GA 농도가 증가하면 물속에서의 팽창이 감소, 즉 기공의 크기가 수축하고, 그로 인해 염배제율이 증가하는 것이다. 물속에서의 팽창이 감소한 것에서 알 수 있듯이, 가교에 의한 막의 소수성 증가가 염이온을 수화시키는 물과의 반발작용을 통해 배제특성을 증가시키는 것일 수도 있다. 또한, 2가의 MgSO4에 대한 배제특성이 1가의 NaCl 이온의 경우보다 우수하였는데, 이것은 크기배제의 원리에 의한 것으로 생각된다.
한편, 도 8에는 본 발명의 실시예 1 및 2에 따르되, 그래핀 옥사이드(GO)의 함량을 달리하면서 제조한 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 그래핀 옥사이드의 함량에 따른 투과유속 및 배제율의 영향을 그래프로 나타내었다[(a) 실시예 1에 따른 것, (b) 실시예 2에 따른 것]. 도 8에서 보는 바와 같이, GO 함량이 증가함에 따라(최대 1%까지) 투과유속이 증가함을 보여준다. GO 함량의 증가에 따른 물의 투과유속 증가의 이유는 여러 요인과 관련된다. GO의 혼입은 막의 친수성을 증가시켜 투수성을 증가시킨다. 또한, 막의 친수성이 증가하면 물 분자가 막 매트릭스 내부로 끌어당겨져 막을 통한 투과가 촉진되므로 투수성이 증가하게 된다. 이에 더하여, 다른 요인들도 관련이 있는데, 첫째, GO는 물 분자가 통과할 수 있는 경로를 추가로 제공할 수 있다. 둘째, GO의 이동은 고분자 사슬의 패킹을 방해하여 자유부피를 증가시킨다. 셋째, GO가 혼입될 때 GO/고분자 계면의 박막층에 불가피하게 공극이 형성된다. 그러나 GO 농도가 더 증가하면 투과유속이 감소하는 것이 관찰되었다. 이처럼 투과유속이 약간 감소하는 것은 GO 농도가 높은 상황에서 GO가 응집하기 때문으로 생각된다.
또한, GO가 CS 막의 투과성에 미치는 영향을 염배제 특성과 관련하여 알아보기 위하여 2000 ppm NaCl 및 MgSO4를 사용하였는바, GO 함량이 증가함에 따라 염 용액의 투과유속이 증가하였으나, 막의 배제특성에는 별다른 변화가 없었다. PAN/CS-GO 및 PAN-GO/CS-GO는 NaCl의 배제율은 18%로 유지되었으나 GO 함량이 1 중량%일 때 MgSO4의 배제율이 약간 증가하였다. 이러한 2가 이온의 배제율 증가는 GO 표면에 존재하는 음전하기가 2가의 SO4 2-를 밀쳐내기 때문으로 생각된다. 예상한 바와 같이, 염배제율은 MgSO4>NaCl의 순으로 감소하였다. MgSO4의 배제율이 NaCl에 비해 큰 것은 정전기적 척력과 크기배제 효과가 함께 작용한 것으로 생각된다.
또한, 도 9에는 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 염료배제 특성을 그래프로 나타내었는바(공급액 농도 100 ppm), 도 9에서 보는 바와 같이, 실시예 1로부터 제조된 PAN/CS-GO 및 실시예 2로부터 제조된 PAN-GO/CS-GO 복합체막은 비교예로부터 제조된 PAN/CS 막에 비해 우수한 염료 체류율을 보였다. 체류율은 메틸 블루(85%) < SF HOMO(97.5%) < 액시드 블랙(98%) 순이었다. 이러한 결과는 음전하를 가지는 막 표면과 음이온성 염료분자 사이의 Donnan 반발력에 의해 설명될 수 있으며, 이는 GO 필러의 혼입이 막의 선택성을 향상시키는 데 있어 유리하다는 것을 의미한다.
또한, 도 10에는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 염소에 대한 장기 안정성을 그래프로 나타내었다. 일반적으로 상용화된 폴리아미드막의 경우 염소의 공격을 받으므로 내염소성이 중요한 내구성 관련요인이다. 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막을 여러 농도(100 ppm, 300 ppm 및 1000 ppm)의 차아염소산나트륨(NaOCl)에 노출시킨 후 여과특성을 시험하여 화학적 안정성을 조사한 결과, 도 10에서 보는 것처럼 고염소 환경에 장시간 노출된 후에도 본 발명의 실시예 1 내지 3으로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막이 비교에로부터 제조된 PAN/CS 막보다 내염소성이 훨씬 우수함을 알 수 있다.
또한, 도 11에는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예로부터 제조된 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체막의 막오염 저항성을 그래프로 나타내었다[공급액=200 ppm 부식산(humic acid) + 20 ppm 염화칼슘(CaCl2)]. 통상 막의 오염 거동은 표면 구조 및 표면전하와 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 도 11에서 보는 바와 같이, PAN-GO/CS-GO 막의 투과유속은 처음에 약간 감소한 후 거의 일정하게 유지된 데 비해, GO를 함유하지 않는 키토산막은 시간이 흐름에 따라 투과유속이 더 많이 감소하였다. 흥미롭게도, GO에 의해 개질된 막의 투과유속이 모든 시간에서 더 높게 유지되었는데, 이것은 GO의 첨가에 의해 막의 성능이 상당히 개선되었음을 의미한다. 이러한 결과는 GO의 혼입이 막의 오염방지 능력을 향상시킨다는 것을 의미하는데, 그 이유는 GO가 혼입됨에 따라 그 친수성이 증가하기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 막의 표면 흡착특성은 친수성에 의존하므로, 막의 친수성을 증가시키면 오염을 어느 정도 줄일 수 있다. 또한, 친수성은 막 표면에 소수성 오염물질이 부착되는 것을 완화시킨다. 막의 거칠기 또한 오염특성에 영향을 주는 중요한 인자인데, GO를 첨가하면 막의 평균 표면 거칠기가 감소한다는 것을 의미한다. 결과적으로, 부식산 용액 내에 존재하는 2가 양이온에 의한 영향이 줄어들 수 있다. 따라서 키토산막에 GO를 가하면 투과성이 증가할 뿐 아니라 오염에 대한 안정성도 향상된다.
그러므로 본 발명에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막은 투과도 및 염배제율이 높고, 막오염 방지성능 및 내염소성이 우수하므로, 나권형 막 모듈 형태로 제작하여 수처리 장치에 적용함으로써 실제 나노여과 분리공정에 응용이 가능하다.

Claims (15)

  1. 폴리아크릴로니트릴 지지체; 및
    그래핀 옥사이드로 개질된 키토산 코팅층;을 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막.
  2. 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴 지지체; 및
    키토산 또는 그래핀 옥사이드로 개질된 키토산 코팅층;을 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드에 존재하는 히드록실기, 카르복실기, 카르보닐기, 또는 에폭시기가 에스테르기, 에테르기, 아미드기, 또는 아미노기로 전환된 관능화 그래핀 옥사이드인 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 키토산은 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막에 대하여 0.1 중량% 내지 2 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막.
  6. I) 그래핀 옥사이드를 함유하는 아세트산 수용액에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻는 단계; 및
    II) 상기 제막용액을 폴리아크릴로니트릴 지지체에 코팅 및 건조하는 단계;를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법.
  7. a) 아세트산 수용액 또는 그래핀 옥사이드를 함유하는 아세트산 수용액에 키토산을 용해시켜 제막용액을 얻는 단계; 및
    b) 상기 제막용액을 그래핀 옥사이드로 개질된 폴리아크릴로니트릴 지지체에 코팅 및 건조하는 단계;를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드에 존재하는 히드록실기, 카르복실기, 카르보닐기, 또는 에폭시기가 에스테르기, 에테르기, 아미드기, 또는 아미노기로 전환된 관능화 그래핀 옥사이드인 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제막용액 내 그래핀 옥사이드의 함량은 0.1 중량% 내지 10 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제막용액 내 키토산의 함량은 0.1 중량% 내지 2 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 II) 단계 후, 건조된 막을 글루타르알데히드 용액으로 가교시키는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 b) 단계 후, 건조된 막을 글루타르알데히드 용액으로 가교시키는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 글루타르알데히드 용액은 그 농도가 0.1 중량% 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막의 제조방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막을 포함하는 나권형 막 모듈.
  15. 제14항에 따른 나권형 막 모듈을 포함하는 수처리 장치.
KR1020150053435A 2015-04-15 2015-04-15 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리아크릴로니트릴/키토산 복합체 나노여과막 및 그 제조방법 KR20160123190A (ko)

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