GO로 개질된 PVDF 한외여과막으로 수질 정화 개선

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8076(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 연구는 침지 침전 유도 상 전환 접근법으로 제조된 그래핀 옥사이드-폴리비닐 알코올-알긴산나트륨(GO-PVA-NaAlg) 하이드로겔(HG) 및 폴리비닐피롤리돈(PVP)과 혼합된 변형된 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 한외여과막을 제시합니다. 서로 다른 HG와 PVP 농도를 갖는 막의 특성은 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM), 원자력 현미경(AFM), 접촉각 측정(CA) 및 감쇠된 총 반사율 푸리에 변환 적외선 분광법(ATR-FTIR)으로 분석되었습니다. FESEM 이미지는 제작된 멤브레인의 비대칭 구조를 보여 주며, 상단에는 얇고 조밀한 층이 있고 손가락 모양의 층이 있습니다. HG 함량이 증가함에 따라 막 표면 거칠기는 증가하여 1wt% HG를 함유한 막의 가장 높은 표면 거칠기는 Ra 값이 281.4 nm입니다. 또한 막의 접촉각은 순수 PVDF 막의 82.5°에서 1wt% HG를 함유한 막의 65.1°에 이릅니다. 주조 용액에 HG와 PVP를 첨가하는 것이 순수 플럭스(PWF), 친수성, 오염 방지 능력 및 염료 제거 효율에 미치는 영향을 평가했습니다. 0.3wt% HG와 1.0wt% PVP를 함유한 변형된 PVDF 막의 경우 가장 높은 물 흐름은 3bar에서 103.2L/m2h에 도달했습니다. 이 막은 메틸 오렌지(MO), 콘지 레드(CR) 및 소 혈청 알부민(BSA)에 대해 각각 92%, 95% 및 98%보다 높은 거부 효율을 나타냈습니다. 모든 나노복합체 막은 순수 PVDF 막보다 더 높은 플럭스 회수율(FRR)을 나타냈으며, 90.1%의 최고 방오 성능은 0.3wt% HG를 함유한 막과 관련이 있었습니다. HG로 개질된 막의 향상된 여과 성능은 HG를 도입한 후 향상된 친수성, 다공성, 평균 기공 크기 및 표면 거칠기 때문이었습니다.

물은 유기체가 생존하는 데 필요한 중요한 살아있는 원천입니다. 그러나 제한된 양의 물에만 담수가 포함되어 있습니다1,2. 주로 섬유, 제지 등 다양한 산업에서 배출되는 폐수의 주요 오염물질 중 하나는 인간의 건강에 위험을 초래하고 유해한 환경 문제를 일으키는 염료입니다3. 섬유 산업의 염료는 고분자량, 비생분해성, 독성 반응물 및 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 더욱이, 빛 방출을 방해하는 염료는 수생 식물의 성장을 방해합니다. 그러므로 그러한 폐수를 처리하는 것은 매우 중요합니다4,5. 염료 함유 폐수를 처리하는 일반적인 방법에는 화학적/광촉매 산화, 흡착, 막 분리 및 응고가 포함됩니다6. 기존 처리 기술의 높은 에너지 요구량과 제한된 재사용성으로 인해 고효율, 작동 용이성 및 에너지 소비 감소를 갖춘 막 분리 공정이 더 많은 주목을 받았습니다7,8. 압력을 기반으로 하는 막 공정에는 미세여과(MF)9,10, 한외여과(UF)11, 나노여과(NF)12 및 역삼투(RO)13가 포함됩니다. UF 기술은 다양한 염료14로 오염된 물을 처리하는 데 광범위하게 사용됩니다.

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 우수한 내화학성, 열 안정성 및 기계적 강도로 인해 UF 고분자막 제조에 적합한 물질입니다15. PVDF 멤브레인은 상대적으로 소수성이거나 친수성이 낮아 폐수 처리 과정에서 단백질 및 유기물에 의한 멤브레인 오염을 유발합니다. 막 오염은 수명과 물 흐름을 감소시키는 동시에 에너지 비용을 증가시킵니다16. 따라서 막 친수성은 크게 감소합니다9. 다양한 기술을 통해 이러한 막의 친수성 및 오염 방지 특성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 무기 나노입자가 멤브레인 매트릭스에 통합되어 친수성과 오염 방지 기능이 향상되었습니다. Wuet al. 상 반전(PI) 접근법을 통해 PVDF-SiO2 복합막을 합성하여 SiO2를 첨가하면 막 오염 저항성이 향상되는 것으로 나타났습니다17. Yanet al. PI 방법을 통해 변형된 PVDF/Al2O3 막을 합성했습니다. AFM 및 SEM 분석에서는 Al2O3 나노입자가 변형되지 않은 멤브레인에 비해 멤브레인 방오 성능 및 투과 흐름을 향상시키는 것으로 나타났습니다18. 다른 나노입자로는 이산화티타늄(TiO2)19, 산화제2철(Fe3O4)20, 탄소나노튜브(CNT)21, 산화그래핀(GO)22 등이 있으며, 이들은 염료를 성공적으로 제거하기 위해 멤브레인 제조에 활용되었습니다.