분자 체질을 위한 연소 막

2022년 8월 18일

킹 압둘라 과학기술대학교

매우 효과적인 분자체 역할을 하는 견고한 나노여과막은 현재 고분자막이 갖고 있는 많은 문제를 피할 수 있습니다.

여과는 정수부터 의약품 생산까지 다양한 산업에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 유기 용매 나노여과는 유기(탄소 기반) 용매에 용해된 분자를 제거하기 위해 작은 구멍이 있는 막을 사용합니다.

나노여과는 증류와 같은 대체 분리 방법보다 에너지 효율적입니다. 그러나 산업용으로 사용되는 혹독한 환경을 견디기 위해서는 나노여과막이 강한 용매, 산, 염기에 대해 안정적이어야 합니다.

"불행하게도 대부분의 고분자 기반 막은 화학적 안정성이 좋지 않습니다"라고 박사후 연구원 Rifan Hardian은 말합니다. 이러한 멤브레인은 일반적으로 안정성을 향상시키기 위해 추가적인 화학적 가교제가 필요하므로 제조가 복잡해집니다. 많은 멤브레인은 부풀어 오르고 노화됨에 따라 성능을 잃는 경향이 있으며 심지어 분해되어 미량 오염 물질을 방출할 수도 있습니다.

Hardian과 그의 KAUST 동료인 Mahmoud A. Abdulhamid와 Gyorgy Szekely는 이제 추가 가교제가 필요하지 않은 새로운 종류의 탄소 분자체(CMS) 막을 만들어 이러한 단점을 극복했습니다.

이 멤브레인은 6FDA-DMN이라는 폴리머를 기반으로 하며 열 안정성이 우수한 편평한 다공성 멤브레인으로 형성될 수 있습니다. 고분자 막을 몇 시간 동안 섭씨 400~600도에서 구우면 일부 화학 그룹이 점차 연소되어 전체가 탄소로 만들어진 견고한 막이 남습니다. 전자현미경 이미지는 최고 온도에서 이러한 탄화 과정이 막의 기공을 상당히 축소시키는 것을 보여줍니다.

CMS 멤브레인을 만드는 데 사용된 조건을 미세 조정한 후 연구원들은 다양한 크기의 분자를 포함하는 용액을 사용하여 여과 능력을 테스트했습니다. 막에 남아 있는 분자의 프로필을 구멍을 통과한 분자의 프로필과 비교하여 막이 다양한 분자를 걸러내는 데 얼마나 효과적인지 밝혀냈습니다.

섭씨 600도에서 준비된 막은 용매 분자가 통과할 수 있도록 하면서 가장 작은 분자의 대부분을 억제하여 최고의 성능을 발휘했습니다. 연구팀은 또한 초기 폴리머의 다공성 구조가 높은 용매 투과성을 갖는 CMS 멤브레인을 생산하는 데 핵심이라는 사실을 발견했습니다.

"소분자에 대한 높은 거부율과 높은 용매 투과성의 조합은 더 나은 막 성능을 나타냅니다."라고 Hardian은 설명합니다. "또한 멤브레인은 산과 염기를 포함한 다양한 유기 용매에서 장기간 동안 탁월한 안정성을 나타냈습니다."

연구진은 현재 막의 투과성을 개선하기 위해 노력하고 있으며, 막의 특성을 제어하기 위해 다양한 나노물질을 막에 통합할 계획입니다.

이 연구는 Applied Materials Today에 게재되었습니다.

추가 정보: Mahmoud A. Abdulhamid 외, 유기 용매 나노여과(OSN) 및 유기 용매 역삼투(OSRO)를 위한 일체형 스킨 비대칭 구조를 갖춘 탄소 분자체 막, Applied Materials Today(2022). DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101541

킹 압둘라 과학기술대학교 제공