양친성 고분자 복합 분리막 제조 및 응용

라즈쿠마 파텔 한국막학회 2015 한국막학회 총회 및 학술발표회 Vol.2015 No.11

Amphiphilic copolymeric membranes are ideally suited for separation of greenhouse gases and control its emission to the environment. Amphiphilic copolymers are a class of polymer that self-assemble in a nanophase domain. Amphiphilic copolymers are also useful in the pressure retarded osmosis process in which clean energy is generated from sea water which is highly essential at the current demand of clean and renewable energy demand. Mixed matrix membrane is another kind of separation process in which the pristine polymer are mixed with inorganic counterpart to prepare higher selectivity as well as permeability. Amphiphilic copolymer comes into handy again due to its synergistic effect mainly with the hydrophilic counterpart and the inorganic filler introduced into the copolymer.

수소이온 전도성 가교된 P(VDF-co-CTFE)-MAA/SEMA 막 제조 및 분석

라즈쿠마 파텔,증효뢰,허성연,김종학 한국막학회 2013 멤브레인 Vol.23 No.4

촉매 1,8-diazabicyclo[5,4,0]undec-7-ene(DBU)를 이용하여, poly(vinylidenefluoride-co-chlorotrifluoroethylene) P(VDF-co-CTFE) 고분자와 methacrylic acid (MAA)를 반응시켜, P(VDF-co-CTFE)-MAA 공중합체를 제조하였다. 또한 P(VDF-co-CTFE)-MAA와 2-sulfoethyl methacrylate (SEMA) 단량체를 4’,4’-azobis(4-cyanovaleric acid) (ACVA) 개시제 하에서 자유 라디칼 중합하여 수소 이온 전도성 막을 제조하였다. SEMA 함량이 많아짐에 따라 술폰산 그룹이 증가하였다. SEMA 함량이 50%일 때 최대 이온교환 용량값이 0.82 meq/g에 도달하였으며 이는 함수량 결과와 일치하였다. 또한, SEMA 함량이 50%일 때 수소이온 전도도가 0.041 S/cm까지 도달하였다. 이러한 결과는 분리막에서 SEMA 함량이 증가할수록 수소 이온을 전달시킬 수 있는 이온그룹이 증가하기 때문이다. Poly(vinylidenefluoride-co-chlorotrifluoroethylene) P(VDF-co-CTFE) polymer was attached to methacrylic acid (MAA) in the presence of 1,8-diazabicyclo[5,4,0]undec-7-ene(DBU) catalyst to prepare P(VDF-co-CTFE)-MAA copolymer. The modified P(VDF-co-CTFE)-MAA was polymerized with 2-sulfoethyl methacrylate (SEMA) monomer in the presence of 4’,4’-azobis(4-cyanovaleric acid(ACVA) initiator by free radical polymerization to form the proton conducting membrane. The ratio of the SEMA was increased in the membrane to increase the presence of the acidic group. The maximum IEC value that was observed at 50% SEMA was around 0.82 meq/g, which is consistentwith the water uptake value. The highest proton conductivity achieved by P(VDF-co-CTFE)-MAA/SEMA membrane with 50% SEMA was approximately 0.041 S/cm. This indicates that the available ionic group for the proton conduction increases with the increase in the SEMA in the membrane.

폴리디메틸실록산-폴리비닐피롤리돈 빗살 공중합체 합성, 모폴로지 및 투과성질

라즈쿠마 파텔,박정태,박민수,김종학 한국막학회 2017 멤브레인 Vol.27 No.6

인위적인 온실 가스 배출로 인한 자연 재해가 증가하고 있으며 이로 인해 기체 분리막의 개발이 촉진되게 되었다. 이산화탄소(CO2)는 지구 온난화의 주요 원인이다. 고유의 유연성을 가지는 유기 고분자 막은 기체 분리막의 좋은 후보군 중 하나이며, 이 중 이산화탄소에 대한 높은 확산도를 가지고 있는 폴리디메틸실록산(PDMS)은 유망한 소재이다. 또한, 폴리비 닐피롤리돈(PVP)은 이산화탄소에 대한 높은 용해도를 가지고 있는 고분자로 기체 분리막에 활용될 수 있다. 따라서 본 연구 에서는 용이한 조건에서 간단한 단일 반응 자유 라디칼 중합에 의하여 다양한 조성의 폴리디메틸실록산-폴리비닐피롤리돈 (PDMS-PVP) 빗살 공중합체를 합성하였다. PDMS와 PVP로 합성된 공중합체는 FTIR을 통해 분석하였다. 고분자의 형태학 및 열적 특성은 TEM, TGA 및 DSC를 통하여 분석하였다. PDMS-PVP 빗살 공중합체를 다공성 폴리설폰 지지체 위에 코팅 하여 복합막을 제조했으며, 제조한 복합막의 기체 투과 특성을 분석하였다. 그 결과 이산화탄소의 투과도 및 이산화탄소/질소 선택도가 각각 140.6 GPU 및 12.0에 도달하였다. The increasing number of natural disasters resulting from anthropogenic greenhouse gas emissions has prompted the development of a gas separation membrane. Carbon dioxide (CO2) is the main cause of global warming. Organic polymeric membranes with inherent flexibility are good candidates for use in gas separation membranes and poly(dimethyl siloxane)( PDMS) specifically is a promising material due to its inherently high CO2 diffusivity. In addition, poly(vinyl pyrrolidine)( PVP) is a polymer with high CO2 solubility that could be incorporated into a gas separation membrane. In this study, poly(dimethyl siloxane)-poly(vinyl pyrrolidine)(PDMS-PVP) comb copolymers with different compositions were synthesized under mild conditions via a simple one step free radical polymerization. The copolymerization of PDMS and PVP was characterized by FTIR. The morphology and thermal behavior of the produced polymers were characterized by transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC). Composite membranes composed of PDMS-PVP on a microporous polysulfone substrate layer were prepared and their CO2 separation properties were subsequently studied. The CO2 permeance and CO2/N2 selectivity through the PDMS-PVP composite membrane reached 140.6 GPU and 12.0, respectively.

정정안내 : 양자점이 합체된 복합 박막을 이용한 정수의 최근 발전

라즈쿠마 파텔,박신영 한국막학회 2023 멤브레인 Vol.33 No.4

Recent Advances on Ionic Liquid based Mixed Matrix Membrane for CO₂ Separation

황채림,라즈쿠마 파텔,Wang, Chaerim,Patel, Rajkumar The Membrane Society of Korea 2021 멤브레인 Vol.31 No.1

The membrane-based CO2 capture is a fast-growing branch in gas separating field. Ionic liquid assisted mixed matrix membrane (MMM), which consists of organic fillers with dispersed ionic liquid, shows high potentiality as a candidate for CO2 separation medium. In MMM, various kinds of ionic liquid and inorganic filler are incorporated into polymer to enhance gas separating performance. Especially, the strong interaction between ionic liquid and organic filler gives huge influence on enhancing the separating performance by increasing affinity, selectivity and adsorption of CO2 into the framework. Also the mechanical properties of metal organic framework are positively tuned by input of ionic liquid to improve CO2 permeability and selectivity. In this review, study of various combinations of ionic liquid and metal organic framework (MOF) in the polymeric membrane for carbon dioxide separation is discussed. 이온성 액체 기반 혼합 멤브레인(MMM)은 이산화탄소 분리 매체로써 다양한 종류의 이온성 액체와 무기성 필러 폴리머에 의해 만들어진다. 이온성 액체와 무기성 필러의 강한 상호작용은 이산화탄소의 금속 유기체의 프레임워크 내 친화력, 선택성, 흡착성을 높여 분리성능을 향상시킨다. 또, 이온성 액체에 의해 혼합 매트릭스 멤브레인의 구조적 특성이 조절되어 이산화탄소 투과성과 선택성을 향상시킨다. 이 리뷰에서는 이산화탄소 분리를 위한 고분자 막에서의 이온성 액체(IL)와 금속 유기체 프레임워크(MOF)의 다양한 조합에 대한 연구가 논의될 것이다.

Graphene Oxide Incorporated Antifouling Thin Film Composite Membrane for Application in Desalination and Clean Energy Harvesting Processes

이대원,라즈쿠마 파텔,Lee, Daewon,Patel, Rajkumar The Membrane Society of Korea 2021 멤브레인 Vol.31 No.1

Water supplies are decreasing in comparison to increasing clean water demands. Using nanofiltration is one of the most effective and economical methods to meet the need for clean water. Common methods for desalination are reverse osmosis and nanofiltration. However, pristine membranes lack the essential features which are, stability, economic efficiency, antibacterial and antifouling performances. To enhance the properties of the pristine membranes, graphene oxide (GO) is a promising and widely researched material for thin film composites (TFC) membrane due to their characteristics that help improve the hydrophilicity and anti-fouling properties. Modification of the membrane can be done on different layers. The thin film composite membranes are composed of three different layers, the top filtering active thin polyamide (PA) layer, supporting porous layer, and supporting fabric. Forward osmosis (FO) process is yet another energy efficient desalination process, but its efficiency is affected due to biofouling. Incorporation of GO enhance antibacterial properties leading to reduction of biofilm formation on the membrane surface. Pressure retarded osmosis (PRO) is an excellent process to generate clean energy from sea water and the biofouling of membrane is reduced by introduction of GO into the active layer of the TFC membrane. Different modifications on the membranes are being researched, each modification with its own advantages and disadvantages. In this review, modifications of nanofiltration membranes and their composites, characterization, and performances are discussed. 물 공급은 늘어나는 담수 수요와 다르게 줄어들고 있다. 담수의 수요를 충당하기 위해서 나노여과법은 가장 효율적이고 경제적인 방법이라고 할 수 있다. 해수담수화를 위한 나노여과법의 일반적인 방법으로는 나노여과 멤브레인을 이용한 역삼투압 방식이다. 하지만 기존의 멤브레인들은 주요 특성인 안정성, 경제성, 그리고 살균 및 방오특성이 부족하다. 기존의 나노여과 멤브레인을 향상시키기 위해서 친수성과 방오성이 높은 흑연 산화물이 가장 향상성이 높으며 널리 연구되고 있는 재료이다. 멤브레인 변형은 다른 레이어에 적용될 수 있다. 얇은 막으로 이루어진 멤브레인은 다른 세 레이어로 구성되어 있다, 표면의 폴리아미드 레이어, 기공 레이어, 그리고 전체적인 구조를 구성하는 지원 직물이다. 정삼투압 토한 에너지 효율적인 해수담수화 방식이지만 효율이 생물 오염 때문에 떨어진다. 산화그래핀 결합은 향균 기능을 향상할 수 있으며 멤브레인 표면에 바이오필름 생성을 억제할 수 있다. 압력지연삼투는 해수에서 청정에너지를 발전시키는 최고의 방법 중 하나이다. 멤브레인의 생물 오염은 합성 폴리머 멤브레인의 합성 레이어에 산화 그래핀을 합성하여 줄일 수 있다. 나노여과 멤브레인을 개량하는 여러 연구가 각자의 장단점을 가지고 이루어지고 있다. 이 보고서는 나노여과 멤브레인의 개량, 성질, 그리고 성능에 대해 논의한다.

Recent Advance in Microbial Fuel Cell based on Composite Membranes

김세민,라즈쿠마 파텔,김종학,Kim, Se Min,Patel, Rajkumar,Kim, Jong Hak The Membrane Society of Korea 2021 멤브레인 Vol.31 No.2

Microbial fuel cell (MFC) is a bio-electrochemical device that generates electricity by utilizing bacterial catalytic activity that degrades wastewater. Proton exchange membrane (PEM) is the core component of MFC that decides its performance, and Nafion membrane is the most widely used PEM. In spite of the excellent performance of Nafion, it has drawbacks such as high cost, biofouling issue, and non-biodegradable property. Recent studies in MFC attempted to synthetize the alternative membrane for Nafion by incorporating various polymers, sulfonating, fluorinating, and doping other chemicals. This review summarizes characteristics and performances of different composite membrane based MFCs, mostly focusing on PEM. 미생물 연료전지(MFC)는 미생물의 촉매 반응을 이용하여 폐수 등 환경 오염물질을 처리함과 동시에 전기에너지를 생성하는 생물전기화학 장치다. 미생물 연료전지의 주요 성분 중 하나인 양이온 교환막(PEM)은 미생물 연료 전지의 성능에 결정적인 영향을 미치며, 현재 가장 많이 사용되고 있는 양성자교환막은 Nafion이다. Nafion은 우수한 성능을 가지고 있지만, 단가가 높고, 생물오염에 취약하며, 생분해가 불가능하다는 단점이 있다. 따라서 Nafion을 대체하기 위한 새로운 복합막을 개발하고자 하는 시도가 꾸준히 이루어졌다. 본 총설에서는 미생물 연료전지 분야에서 최근 개발된 복합막의 특징과 성능을 고찰하며, 특히 양성자교환막을 중점적으로 다룬다.

금속 산화물을 기반으로 한 이산화탄소 포집과 저장에 대한 최근 기술

오현영,라즈쿠마 파텔 한국막학회 2020 멤브레인 Vol.30 No.2

이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS)은 인류발생적 요인에 의한 이산화탄소 배출 증가와 그로 인한 기후변화를 완화시킬 수 있는 기술 중 하나이다. 그 중, 매체 순환식 연소(chemical looping combustion, CLC)와 칼슘루핑(calcium looping) 기술은 현재 아민 스크러빙(amine scrubbing)을 대체할 수 있는 유망한 기술로 주목받고 있다. 두 방법 모두 금속 산화물을 이용한 연속적인 순환 사이클 반응에 의한 것이다. 전체적인 이산화탄소 포집 및 저장 성능의 향상을 위해서는 사이클을 거듭 하며 발생하는 소결(sintering)로 인한 안정성 저하 문제를 해결하고 금속 산화물의 구조 또한 최적화해야 한다. 금속 산화물 표면에 얇은 박막을 형성하는 것은 소결로 인한 손상을 막을 수 있는 방법이다. 이러한 박막 제조 기술로 잘 알려진 기술에는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)과 원자층증착기술(atomic layer deposition)이 있다. 본 총설에서는 CVD, ALD 기술을 비롯하여 효과적인 반응 안정성 향상을 위한 안정제 첨가 방법, 금속 산화물 구조 개선에 대한 다양한 최근 기술들을 다루었다. CO2 capture and storage (CCS) is one of the promising technologies that can mitigate ever-growing emission of anthropogenic carbon dioxide and resultant climate change. Among them, chemical looping combustion (CLC) and calcium looping (CaL) are getting increasing attention recently as the prospective alternatives to the existing amine scrubbing. Both methods use metal oxides in the process and consist of cyclic reactions. Yet, due to their cyclic nature, they both need to resolve sintering-induced cyclic stability deterioration. Moreover, the structure of the metal oxides needs to be optimized to enhance the overall performance of CO2 capture and storage. Deposition of thin film coating on the metal oxide is another way to get rid of wear and tear during the sintering process. Chemical vapor deposition or atomic layer deposition are the well-known, established methods to form thin film membranes, which will be discussed in this review. Various effective recent developments on structural modification of metal oxide and incorporation of stabilizers for cyclic stability are also discussed.

Recent Progress on Proton Exchange Membrane Based Water Electrolysis

양승민,라즈쿠마 파텔,Yang, Seungmin,Rajkumar, Patel The Membrane Society of Korea 2022 멤브레인 Vol.32 No.5

현대에는 배터리를 비롯한 수소 기반 에너지가 효율적이라고 널리 알려져 있다.이러한 결과는 수소가 에너지 수송체로써의 높은 효율을 가지고 있다는 사실로부터 기반한다. 자연 친화적이며 높은 순도를 가진 수소는 수전해로부터 제조할 수 있다. 다양한 종류의 전기분해 중, 수소이온 교환막 수전해는 가장 재생 가능하며 싸고 자연 친화적이다. 이는 에너지로써 사용이 되기에 적합한 산소와 수소를 생성한다. 이와 같이 많은 장점이 있기에 활발한 연구가 수소이온 교환막 전기분해에 대해 진행되고 있다. 나피온은 수소이온 교환막으로 널리 쓰이지만, 비싼 비용과 다양한 다른 단점으로 인해 여러 가지 종류의 대체재가 개발되고 있다. 본 총설에서는 크게 나피온과 비나피온(non-Nafion) 기반 수소이온 교환막 수전해로 나누어 다루었다.

Review on the Recent Membrane Technologies for Pressure Retarded Osmosis

전성수,라즈쿠마 파텔,김종학,Jeon, Sungsu,Patel, Rajkumar,Kim, Jong Hak The Membrane Society of Korea 2021 멤브레인 Vol.31 No.4

물 오염, 지구 온난화, 기후 변화를 해결하기 위한 해결책이 시급한 상황에서, 담수의 수요를 충당하고 친환경 에너지를 생산하기 위한 방법으로 염도차를 이용한 압력지연삼투공정이 제시되고 있다. 압력지연삼투공정에 대한 꾸준한 연구에도 불구하고 최근 기술의 부족과 비싼 멤브레인의 가격 등의 한계로 인해 상용화가 되지 않고 있다. 한편 멤브레인은 압력지연삼투공정과 염도차 발전 기술에 가장 중요한 구성품이다. 염도차 발전 기술에 사용되는 산화그래핀 멤브레인과 나노복합체 멤브레인의 기술 발전 연구가 지속되고 있다. 특히 낮은 온도의 폐기물 온도에서도 높은 에너지 효율 발전이 가능하도록 효율이 높은 멤브레인과 용매 및 용질에 대한 연구가 활발하다. 높은 투과도와 분리도를 가진 멤브레인, 특히 산화그래핀 멤브레인을 사용함으로써 농도 분극을 줄이고 전력 밀도를 높이는 연구들도 진행 중이다. 본 총설에서는 압력지연삼투 멤브레인과 이를 통한 이론적 모델링, 그 외 기술을 통해 공정의 효율을 발전시키는 방법에 대해 논의한다. Solutions to water pollution, global warming, and climate change have been currently discussed. Pressure retarded osmosis (PRO) using a difference in salt concentration between two fluids is proposed to meet the demand for clean water and produce eco-friendly energy. Although PRO has been researched continuously, it has not been commercialized yet due to limitations such as lack of technology and the high price of membranes. Meanwhile, the membrane is one of the most significant parts of the PRO engine and salinity gradient power (SGP) technology. Research continues to technologically develop graphene oxide membranes and nanocomposite membranes used in salinity gradient power generation. Studies on efficient membranes, solvents, and solutes are active to enable high energy efficiency of the osmotic heat engine even at low temperatures of waste. Studies have been conducted on reducing internal concentration polarization and increasing power density by using membranes with balanced permeability and selectivity. In this review, dealing with these studies, we discuss the types of PRO membranes, theoretical modeling of technologies through efficient membranes, and other technologies to develop the process efficiency.