투과증발에서의 투과물 및 투과물과 막 사이의 커플링에 관한 연구

홍 연 기, 송 규 민* 홍 원 희

한국과학기술원 화학공학과

전력연구소 원자력연구실*

A Study on Coupling Effect between Permeants and between Permeant and Membrane

Yeon Ki Hong, Kyu Min Song * Won Hi Hong

Department of Chemical Engineering

Korea Advanced Institute of Science and Technology

*Nuclear Power Research Laboratory

Korea Electric Power Research Institute

서론

투과증발 공정에서의 투과물의 커플링 효과는 투과물 사이의 인력과 투과물과 막과의 인력에 의해서 발생된다. 그러나 지지체가 사용된 코팅막의 경우는 사용된 지지체의 특성이 투과물의 투과에 미치는 영향을 고려해야 한다. 즉 지지체의 친수성/소수성의 여부와 세공의 구조 및 크기들이 이러한 특성이 될 수 있다.

하지만 커플링 현상의 직접적인 측정이 어렵기 때문에 Huang[1]은 투과비(permeation ratio, [eqn: theta_i])를 사용하여 이상적인 투과량([eqn: q_i ^o])과 실제 시스템에서의 투과량([eqn: q_i])을 비교하였다.

[eqn: theta_i = q_i / q_i ^o]                                                              (1)

투과비가 1보다 클 경우 다른 물질에 의해서 특정 투과물(i)의 투과량이 향상되었음을 의미하며 1보다 작은 경우는 다른 물질에 의해서 특정 투과물의 투과가 방해 받고 있음을 의미한다.

또한 지지체와 투과물 사이의 커플링 현상을 해석하기 위해서 모세관 응축(Capillary condensation)의 개념을 이용하였다. 모세관 응축이란 지지체와 투과물 사이의 강한 인력에 의해서 투과물이 지지체의 세공에서 열역학적인 포화점에 이르기 전에 응축이 되는 현상을 말한다[2]. 본 연구에서 사용한 PDMS (Polydimethylsiloxane)/세라믹 복합막의 경우 세라믹 지지체가 가지는 강한 친수성으로 인해서 지지체의 세공내에서의 물의 응축이 투과물의 물질전달에 영향을 줄 수 있다[3]. 이러한 현상은 물의 조성이 높은 공급액의 경우에 일어나며 이는 온도에 따른 투과비의 측정을 통해서 간접적으로 확인할 수 있었다.

실험

(1)시약

가. PDMS (Poly(dimethylsiloxane))

본 실험에서 사용한 PDMS는 LG-Dow사의 액상 RTV-3140을 사용하였다.

나. IPA (Isopropyl alcohol)

본 실험에서 사용한 IPA는 Merck제품을 사용하였고 순도는 99.8%이다.

(2)실험 방법 및 분석

가. 실험 방법

a. 막의 제조

액상 PDMS를 헥산에 30%의 농도로 녹인다. 실리콘 관형 지지체를 제조된 PDMS 용액에 dip-coating한 후 rotating-drying의 과정을 거치게 한다. PDMS의 가교반응은 rotating-drying중에 일어나게 되며 이러한 가교반응을 상온가교반응(Room Temperature Vulcanization Reaction)이라 한다.

평판막의 경우에는 준비된 용액을 캐스팅 칼(Casting knife)을 이용해서 테프론 판위에서 casting 한후 공기중에서 가교를 시켰다.

b. 투과증발 실험

투과증발 대상물질은 10wt%의 IPA/물이다. 투과증발막 하부에 걸리는 압력은 3.1 mbar이고 feed와 투과증발 모듈은 항온조를 이용하여 조업온도를 일정하게 유지하였다.

투과증발된 기체는 액체질소와 dewer bottle을 이용하여 포집하였다.

나. 분석

a. 위에서 채취한 sample의 조성은 TCD detector가 장착된 GC(Gas Chromatography)를 이용하였다.

b. IPA와 물의 플럭스는 포집된 각각의 무게와 GC에서 분석된 조성을 이용하여 구할 수 있었다.

결과 및 토론

(1) PDMS/세라믹 복합막을 이용한 투과증발에서의 투과비의 변화

가소화 효과만을 고려한다면 전체투과비([eqn: theta_t])는 1보다 커야 할 것이다. 그러나 Fig. 1에서 보듯이 전체투과비는 1보다 낮은 값을 가짐을 알 수 있다. 이러한 결과는 투과물 사이의 인력과 투과물과 복합막 사이의 인력이 존재함을 의미한다. 또한 투과하는 물의 모세관 응축은 각 성분의 투과에 영향을 미치는 원인으로 고려될 수 있으며 이는 세라믹 지지체의 강한 친수성에 근거한다.

조업온도에 따른 전체투과비는 물이 많은 공급액의 농도영역에서 변화가 심하게 되는데 이는 막을 통하여 투과되는 물이 지지체의 세공 내에서 모세관 응축을 일으키기 때문이다. 즉, 낮은 조업온도에서는 세라믹 세공을 투과하는 물이 세라믹 지지체의 높은 친수성으로 인해서 응축이되고 이렇게 응축이 된 물은 IPA의 투과를 방해하게 된다. 아울러 응축이 일어난 부분은 계속해서 물의 증발만 일어나게 되므로 선택적인 투과증발에 기여하지 못하게 한다. 그러나 조업온도를 높여갈수록 지지체 세공에서의 모세관 응축은 줄어들게 되며 그에 따라 IPA의 투과는 용이하게 된다. 따라서 물의 조성이 높은 공급액에서 전체투과비는 조업온도가 올라감에 따라 크게 상승하게 된다.

위와 같은 모세관 응축은 친수성이 강한 세라믹 지지체를 사용할 경우 물의 조성이 높은 공급액에서 조업온도에 따라 선택도가 증가함을 설명할 수 있으며  이미 보고된 Song과 Hong[4]의 연구결과와도 일치하게 된다.

(2) 순수한 PDMS 고밀도 막을 이용한 투과증발에서의 투과비의 변화

Fig. 3에서는 순수한 PDMS 고밀도 막을 이용한 투과증발에서의 투과비의 변화를 나타내고 있다. 전체투과비가 1보다 낮은 것은 막에서의 투과물 사이의 강한 인력으로 설명이 된다. 즉 투과물이 쌍을 이룰경우(물-물, IPA-IPA, IPA-물), 이러한 분자 쌍의 크기는 PDMS사슬의 jumping 단위보다 크게 된다. 이것은 단분자에 비해 분자쌍의 확산이 어려움을 의미하며 따라서 전체 투과비는 1보다 작게 된다.

참고문헌

1. Huang, R.Y.M. and Yeom, C.K., J. of Membr. Sci., 51 273-292 (1990)

2. Hwang, S.T., Membrane Journal in Korea., 7(1), 1(1997)

3. Hong, Y.K. and Hong, W.H., '97 추계막학회 124-126(1997)

4. Song, K.M. and Hong, W.H., J. of Membr. Sci., 123, 27-33(1997)

Fig. 1 Total permeation ratio in pervaporation of aqueous IPA solution using PDMS/Ceramic composite membrane.

Fig. 2 Effect of operating temperature on selectivities of water

(Song and Hong, J. of Membr. Sci., 1997)

Fig. 3 Total permeation ratio in pervaporation of aqueous IPA solution using homogeneous PDMS membrane.