La3+ 제거율이 향상된 코폴리이미드 한외여과막 형성에 대한 이온성 액체의 효과

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8200(2022) 이 기사 인용

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최적의 막 재료 선택을 통해 널리 사용되는 산업적 분리 방법인 한외여과(UF)를 적용하여 습식 야금 방법으로 전자 폐기물을 처리하는 동안 형성된 희석 용액에서 희토류 금속을 추출할 수 있습니다. 본 연구에서는 기존 용매에 대한 환경 친화적인 대안으로 간주될 수 있는 [hmim][TCB] 이온성 액체(IL) 공용매를 사용하여 유망한 UF 코폴리이미드 멤브레인을 제조했습니다. 멤브레인은 ATR-FTIR, TGA, SEM 및 양자 화학 계산으로 특성화되었습니다. 이들 막의 형태에 있어서 중요한 차이는 막 단면의 SEM에 의해 밝혀졌다; P84 멤브레인은 캐스팅 용액의 더 높은 동적 점도로 인해 P84/IL 멤브레인의 기판의 해면질 구조와 달리 다공성 기판의 손가락 모양 구조를 갖습니다. 수송 매개변수는 순수한 물과 소혈청 알부민 수용액을 사용한 한외여과 테스트를 통해 결정되었습니다. P84 캐스팅 용액에 이온성 액체를 첨가하면 멤브레인의 성능이 향상됩니다. 거부 용량은 아세톤 수용액에서 란타늄 알리자린 복합체(LAC) 형태의 La3+에 대해 평가되었습니다. IL을 사용하여 제조된 P84 멤브레인은 LAC에 대한 높은 거부율(98.5%)과 상당한 생산성을 나타냈습니다.

기존 분리 방법에 비해 큰 장점을 지닌 멤브레인 기술은 수용액을 정제하고 액체 매질에서 성분을 분리하는 긴급한 환경 및 산업 과제를 해결하는 데 효과적으로 사용됩니다1,2,3,4,5. 멤브레인 기술은 최소한의 에너지와 경제적 비용을 필요로 하며 작동, 구현 및 유지 관리가 쉽습니다. 최신 한외여과(UF)는 지속적으로 개발되어 식품, 제약, 섬유, 종이 및 기타 산업에 적용됩니다6,7,8. 점성 오일의 고온 여과, 원자로의 수질 정화, 화학 촉매 작용, 기상 반응 등과 같은 대규모 공정에는 높은 투과성, 선택성 및 우수한 기계적 특성뿐만 아니라 열적 특성도 나타내는 UF 멤브레인이 필요합니다. 및 화학적 안정성9,10,11,12. 상업적으로 이용 가능한 물질 중에서 골격에 이미드 단위가 있는 중합체는 사슬에 단단한 헤테로고리 및 방향족 고리가 존재하기 때문에 위의 특성을 대부분 보유합니다. ,21,22,23. P84 코폴리이미드(BTDA-TDI/MDI)는 벤조페논-3,3',4,4'-테트라카르복실산 이무수물(BTDA)과 2,4-톨릴렌 디이소시아네이트/1,1'-메틸렌비스(4-이소시아나토벤젠 사이의 중축합 생성물입니다. ) (80/20%) ; 이 상업적으로 이용 가능한 폴리헤테로아릴렌은 우수한 기계적 특성, 내화학성 및 낮은 친수성을 나타냅니다. P84 코폴리이미드는 나노여과24, 가스 분리25,26 및 투과증발14,27,28,29,30을 위한 막 재료로 연구되었습니다.

UF 공정에서 P84 멤브레인에 대한 연구는31,32,33,34에서 수행되었습니다. 연구에서 저자는 사용된 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP) 또는 디메틸설폭사이드(DMSO)에 따라 세 가지 상용 폴리이미드인 P84, Matrimid 및 Torlon으로 제조된 막의 구조와 특성을 비교했습니다. 물을 응고제로 사용하는 상전환 기술에 의해 막을 형성하였다. DMSO 용액에서 얻은 P84 막은 NMP 용액에서 얻은 막의 핑거형 구조와 달리 해면질의 다공성 구조를 가지고 있었습니다. 구조의 차이는 UF 막의 수송 특성에 반영되었습니다. NMP 용액으로부터 얻은 P84 막이 최고의 수송 특성을 갖는 것으로 밝혀졌습니다.

고분자 막은 일반적으로 고분자에 대한 화학적 친화성으로 인해 NMP, DMSO, 디메틸아세트아미드 및 디메틸포름아미드와 같은 극성 비양성자성 용매를 기반으로 하는 용액으로 제조됩니다. 나열된 극성 용매는 인간의 건강과 생태계에 매우 독성이 있습니다. 이온성 액체(IL)는 기존 용매35에 대한 환경 친화적인 대안을 제공합니다. IL은 실온에서 액체 상태로 유지되고 열적, 화학적 특성이 우수하고 휘발성이 낮으며 재활용 및 재사용이 가능한 유기염입니다. 이러한 "친환경" 용매를 사용하면 화학 공정에서 낭비와 손실이 최소화됩니다36. UF 막 형성을 위해 DMF의 폴리에테르술폰 용액에 첨가제(최대 17% IL)로 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로붕산염을 사용하면 수성 막 형성에 대한 플럭스가 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. 소 혈청 알부민 용액과 플럭스 회수율.