한외여과막이 순수제조, 고분자물질의 분리, 폐수처리 등에 쓰이기 시작되면서, 높은 투과율, 내화학성, 충전밀도를 갖는 모듈이 요구되었다. 따라서 polysulfone(이하 PSf)을 막의 재질로 사용한 중공사형모듈이 주로 개발되었다. 그러나 본 연구에서는 PSf보다 투과율, 기계적 강도, 열적강도 및 화학적 성질 면에서 뛰어난 polythersulfone(이하 PES)을 막의 재질로 선택하였다. 또한, 지금까지는 수백 ${\AA}$에서 1mm정도의 외경(O.D.)을 갖는 중공사막이 개발되었다. 따라서 상당히 높은 충전밀도를 갖는 모듈은 개발되었으나, 점성이 높은 feed를 처리할 때, fouling이 큰 문제로 대두되었으며, 중공사막보다 외경이 큰 관형 막은 fouling에는 비교적 강하나, 충전밀도가 낮아서 단위부피당 flux가 낮은 단점을 갖고 있다. 따라서, 중공사막과 관형 막의 중간형태인 외경 2mm이상의 capillary membrane은 강한 fouling 저항과 비교적 높은 단위 부피당 투과율을 갖는다.
건습식방사법에 의한 폴리설폰중공사를 제조함에 있어 여러가지의 방사조건을 변화시켜 이에 따른 중공사의 다양한 구조를 검토하고 이들의 투과특성을 조사하였다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 인식하고 Polysulfone 중공사막의 제조시 여러가지의 방사조건을 세분하여 방사높이, 방사용액 및 내부응고제의 양의 변화등의 방사변수에 따른 구조 및 투과특성 그리고 내부스킨층만이 존재하는 중공사와 외부스킨층만이 존재하는 중공사를 제조할 수 있는 특정조건을 확립한 후 이들의 상전이공정에 따른 변수를 도입하여 중공사를 제조하여 그 투과성능을 상전이공정과 연결시켜 해석하였다.
리포좀은 1960년대 초 Bangham등에 의해 혈액응고시 인지질의 영향에 관한 연구 중 우연히 발견하게 되었다. 즉 인지질이 물에 분산되어 2 분자막 (Bilayer)을 형성함을 알았고, 이때 생긴 폐쇄소포체를 리포좀이라 하였다. 이러한 리포좀은 원형질 막이나 세포내의 소기관의 막과 유사한 구조를 갖고 있기 때문에 이것을 이용하여 생화학자나 생물리학자들은 생체막의 모델시스템으로 이용하여 생체막의 기능 연구에 널리 이용하여 왔다. 1970년 초반부터 리포좀을 이용한 약물의 생체내 공급(Drug Delivery System, DDS)에 대하여 많은 연구가 이루어져 왔고, 지금까지도 의약품외 전달매체로 이용할려고 많은 시도를 하고 있는 실정이다. 최근에는 리포좀을 이용하여 항원을 전달하는 면역보조제(Adjuvant System)로 이용하려는 시도를 하고 있다. 현재까지 리포좀을 이용한 상품들은 화장품과 임상용 진단시 약, DNA transfection system (Lipopectin)으로 활용되고 있다.
습식 상 전환법으로 theophylline이 각인된 poly(acryloni-trile-co-acrylic acid) 막을 제조하였다. theophylline은 고분자가 공중합되는 과정에 각인시키거나(in-situ implanting) 제자리 동시 각인) 공중합된 고분자를 DMSO 용액에 녹이면서 template를 섞어 각인시켰다(post implanting, 후 각인). 막의 template molecule에 대한 흡착 선택도는 응고시키는 물의 온도가 높을수록, 혼합물의 초기 농도가 높을수록 크게 나타났다. 후 각인법으로 제조된 막의 흡착선택도가 제자리 동시각인 제작법으로 제조된 막보다 흡착선택도가 우수하였다.
본 연구에서는 응고조와 도프조성에 따른 투과특성을 알아보기 위해 첨가제로 PEG, PVP를 사용하였고, 상전이법을 이용하여 PSf 평막을 제조하였다. 고분자의 농도, 첨가제의 농도 그리고 응고조의 조성을 달리하여 제막하였다. 평막의 모폴로지와 수투과도를 각각 FE-SEM과 수투과 테스트 장치를 이용하여 측정하였다. 가장 높은 수투과도(986 L/mh)는 PSf 15 wt%, PEG 25 wt% 그리고 응고조로 물이 사용되었을 경우 나타났다. PSf/PEG조성일때 응고조에 DMAc의 함량이 증가할수록 순수투과도는 급격히 감소하였다. 그러한 결과 첨가제의 함량과 응고조의 조성의 변화가 모폴로지와 수투과 특성에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
아이소탁틱 폴리프로필렌과 대두유 시스템으로부터 열유도 상분리 및 연신공정에 의하여 중공사막을 제조하였다. 막의 구조와 성능에 관계되는 각종 조업변수들의 영향을 조사하였고 이들을 최적화하였다. 폴리프로필렌/대두유의 용융점도가 microfibril 형성에 영향을 미침을 확인하였고 기핵제를 첨가함에 따라 핵생성 밀도가 증가하여 연신에 의한 구정 간의 기공형성이 향상되었다. 막을 열처리함으로써 연신 시 유도되었던 stress를 이완시켜 막의 수축현상을 방지하여 다공도를 유지할 수 있었다. 기핵제를 첨가한 경우 고-액 상분리에 의하여 구조가 형성되며 응고조의 온도 변화에 따라 핵 생성 밀도가 변화하게 되고 이에 따라 연신에 의한 기공 형성이 영향을 받게 되었다. 기핵제를 첨가하지 않은 경우 핵 생성이 활발하지 않아서 주로 액-액 상분리 거동이 구조 형성에 영향을 미치게 되며 응고조 온도 변화에 따른 효과가 기핵제를 넣은 경우와는 반대의 경향을 나타내었다.
알코올성 용제를 재활용할 수 있는 목적의 유기용제나노여과막(OSN)을 내용제성이 우수한 폴리벤지다졸 고분자를 이용하여 비용매 유도 상분리법을 이용하여 제조하였다. 제조한 나노여과막의 모폴로지와 투과특성을 조절하기 위하여 도프 용액의 농도와 물과 에탄올의 혼합용액인 응고액의 조성을 변화시키면서 제조하였다. α,α'-dibromo-p-xylene (DBX)을 이용하여 가교한 폴리벤지미다졸 분리막은 유기용제나노여과막으로 사용하기에 충분한 기계적 강도와 내용제성을 갖는 것을 확인하였다. 물로만 이루어진 응고조에서 도프용액의 농도가 20%이상인 분리막을 제조하는 경우에 분자량 696.66 g/mol을 가지는 콩고레드에 대한 제거율은 90% 이상을 나타내었고, 투과도는 5 bar의 압력에서 22.5 LMH/bar를 나타내었다. 응고액 조성에 대한 연구를 통해서 응고액 중의 에탄올 농도가 증가할수록 에탄올의 투과도가 증가하는 것을 확인하였다.
비용매 유도 상전이(nonsolvent induced phase separation, NIPS) 방법을 이용하여 PSf (polysulfone) 중공사 분리막을 제조하였다. PSf/DMAc (N,N-dimethylacetamide)로 이루어진 고분자 용액에 조용매로 GBL (${\gamma}$-butyrolactone)을 첨가하였으며, 물을 응고용액으로 이용하여 중공사 분리막을 제조하였다. 제조된 분리막은 전자주사현미경을 이용하여 그 구조를 분석하였으며 그 결과 GBL의 농도가 증가함에 따라 밀집 구조의 분리활성층과 스폰지 형상의 지지층으로 구성된 이중구조 형태의 비대칭 다공성의 구조를 나타내었다. 또한, 조용매 GBL은 고분자용액의 용해도 상수를 변화시켜 열역학적 상분리 촉진 역할을 할 수 있음을 알 수 있었다. 고분자용액 내의 조용매 GBL의 존재 유무와 GBL의 농도, 첨가제의 농도 그리고 내부응고제의 종류에 따라 중공사 분리막의 구조뿐만 아니라 순수투과도 및 분리특성에도 매우 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 내부응고제로 EG보다 PEG를 사용하였을 경우 $0.05{\mu}m$ PSL (polystyrene latex) bead를 이용하여 배제 특성을 측정한 결과 5% 정도로 소폭 감소한 반면 순수투과플럭스는 최대 130배 이상 증가하는 효과를 나타내었다.
용매 비용매 치환 상전이 공정과 증기 유도 상전이 공정을 결합하여 성능이 향상된 폴리술폰 정밀역과막을 제조하였다. 본 연구에서 제조된 비대칭막은 폴리술폰(고분자), 디메틸 포름아미드(용매), 폴리비닐리돈(친수성 고분자 첨가제), 폴리에틸렌글리콜(극성 고분자 액상 첨가제)로 이루어진 혼합 용액에 디메틸술폭사이드(극성 아프로틱 비용매), 물(극성 프로틱 비용매 첨가제)을 첨가하여 제막용 캐스팅 용액을 물과 이소프로판올 혼합용액에 침지하여 얻었다. 극성 아프로틱 비용매와 극성 프로틱 비용매의 첨가는 멤브레인의 구조를 제어하는데 유용한 방법이며 이를 습윤 공기를 캐스팅 용액에 노출시켜 준 응고상태를 만들어줌으로써 멤브레인의 내부 구조를 제어하고자 하였다. 또한 응고조의 조성을 물/이소프로판올의 혼합비를 통하여 조절하였다. 순수 투과도, 기공 크기 분포도, 표면 친수도 및 구조 분석이 이루어졌으며, 그 결과 평균 기공의 크기를 거의 $0.2{\mu}m$ 정도 향상시키는 효과를 가져왔으며 수 투과 유량 또한 1000-1800 LMH 정도 향상시키는 결과를 나타내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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