기능성 나노 제올라이트가 분산된 친수성 복합막 제조 및 탈수 투과증발 특성 연구

Abstract

NaA 제올라이트 입자들을 폴리비닐알콜(PVA) 고분자에 분산시키어 복합막을 제조하였다. 나노 크기의 NaA 입자들을 연구실에서 합성하였으며, 그 평균 크기는 대략 60 nm이었다. 제조한 혼합 매트릭스 분리막을 이용하여 0.01 부터 0.05 몰분율 농도 범위의 에탄올 수용액으로부터 물을 선택적으로 분리하고자 공급 수용액의 농도 및 첨가한 제올라이트 함유량을 0 에서 5 wt% 내에서 조절하면서 투과증발 특성을 고찰하였다. 상호 비교 목적으로 평균 <TEX>$5{\mu}m$</TEX> 크기의 NaA 입자들을 분산시킨 복합막의 투과 증발 특성도 함께 조사하였다. 공급된 에탄올 농도가 0.01 몰분율인 실험조건에서 분리막 내의 나노 NaA 입자들의 첨가량이 0 wt%에서 5 wt%로 증가함에 따라 물의 투과플럭스는 <TEX>$600g/m^2/hr$</TEX>에서 <TEX>$2,000g/m^2/hr$</TEX>로 크게 증가하였으며, 물 선택성은 1.5에서 7.9로 5배 이상 증가함을 알 수 있었다. 또한, 나노 입자들이 분산된 분리막을 통한 물 투과플럭스는 마이크로 입자들이 분산된 분리막을 통한 물 투과플럭스보다 전반적으로 약 15% 이상 증가한 반면, 선택도는 약 5% 정도 증가한 것으로 관찰되었다. 따라서, 마이크로 입자보다는 나노 입자의 혼합으로 인한 투과플럭스나 선택도에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 나노 입자가 더 효율적이라고 사료된다. The NaA zeolite particles were dispersed in a poly(vinyl alcohol) (PVA) matrix to prepare a composite membrane. The nano sized zeolite particles of NaA were synthesized in the laboratory and the mean size was approximately 60 nm. Pervaporation characteristics such as a permeation flux and a separation factor were investigated using the membrane as a function of the feed concentration from 0.01 to 0.05 mole fraction and the weight % of NaA particles between 0 wt% and 5 wt% in the membrane. Also, the micro sized particles of <TEX>$5{\mu}m$</TEX> were dispersed in the membrane for a comparison purpose. When the ethanol concentration in the feed solution was 0.01 mole fraction, the flux of water significantly increased from <TEX>$600g/m^2/hr$</TEX> to <TEX>$2000g/m^2/hr$</TEX> as the content of the nano NaA particles in the membrane increased from 0 wt% to 5 wt%, while the NaA particles improved the separation factor from 1.5 to 7.9. When the flux of water through the membrane containing nano sized particles was roughly 15% increased compared to the micro sized particles, whereas the separation factor of water was found to be approximately 5% increased. It can be said that the role of the nano sized NaA particles is quite important since both the flux and the separation factor are strongly affected.