폴리비닐알코올 스펀지의 표면 개질을 통한 나노영가철의 부착성 향상

김영화,서영교,김효원,황유훈 대한환경공학회 2019 대한환경공학회지 Vol.41 No.9

Objectives : Nanoscale zero-valent iron (nZVI) is known to effectively remove various contaminants due to its small size and high specific surface area, but it is limited in practical water treatment processes due to its difficulty in recovery after use. In this study, a method of immobilizing nZVI on a support material was adopted in order to increase the applicability of nZVI. A polyvinyl alcohol sponge (PVA), which is readily available commercially, was used as a support. For the immobilization of nZVI, it was considered that improving the binding force with the support is essential in order to enhance the pollutant removal efficiency and prevent nZVI loss. A series of surface modification methods with acrylic acid to induce the formation of carboxyl groups were used to improve the bonding strength with the support. Methods : A PVA sponge with a porosity of 90%, an average pore size of 130 μm, and an apparent density of 0.082 g/cm3 was used as a supporting material to immobilize nZVI. The PVA sponge was further cut into cubes of 0.3 × 0.3 × 0.3 cm3 for easy handling. The PVA sponge induced an acrylic acid polymer on the surface through the reaction of acrylic acid and potassium permanganate (PVA-AA). We optimized the conditions in a series of steps to synthesize nZVI on PVA-AA. The conditions considered were the mass ratio of Fe2+ and PVA, Fe2+ adsorption time, and the reduction time using NaBH4. A SEM/EDS analysis was performed to monitor the morphology of the synthesized nZVI on PVA-AA. The reduction reactivity was evaluated through nitrate reduction. Results and Discussion : The amount of Fe2+ adsorption of the support material modified with AA (PVA-AA) was superior to that of the unmodified material (PVA), and the time to reach the adsorption equilibrium was shortened to 30 min. The optimum mass ratio was Fe/PVA-AA = 1. These results indicate that carboxyl groups are formed on the surface of PVA by surface modification using AA and that these carboxyl groups induce strong binding affinity toward iron. The SEM/EDS analysis results showed that AA polymer was formed on the surface of the PVA sponge fiber through AA modification. Moreover, a large amount of nZVI was formed on AA modified PVA (PVA-AA). As the reduction time was increased from 0.5 h to 1 h, the distribution of nZVI iron on the surface and inside the support was more uniform. Finally, the reducing reactivity was evaluated through a nitrate reduction experiment. The reduction efficiency and the reduction rate of PVA-AA-nZVI were 1.9 times and 3.5 times higher than those of PVA-nZVI, respectively. Conclusions : A surface modification technology was developed to enhance nZVI immobilization on a commercially available supporting material. Through the modification of acrylic acid on the surface of a PVA sponge, which can be easily obtained on the market, it was possible to increase the attachment efficiency of nZVI by forming a large number of carboxyl groups on the surface, and subsequently higher pollutant reduction efficiency could be obtained. It is expected that both the economic efficiency and the ability to remove contaminants can be improved by the development of a material having an increased amount of nZVI by the surface modification technology developed in this study. 목적 : 본 연구에서는 나노 영가철의 적용성을 높이기 위하여 지지체 소재에 고정화하는 방법을 택하였으며, 시중에서 쉽게 구할 수 있는 폴리비닐알코올 스펀지(PVA)를 지지체로 사용하였다. 나노 영가철을 고정화시키는 데 있어서 지지체와의 결합력을 향상시키는 것은 오염물질 제거 효율 증대 및 나노 영가철의 탈리를 방지하는 측면에서 중요하다고 판단하였다. 지지체와의 결합력을 향상시키기 위하여 PVA 표면을 아크릴산으로 개질하여 카르복실기를 유도하는 일련의 표면 개질 방법을 사용하였으며, 이를 통하여 나노 영가철 입자의 부착이 향상되는지 여부에 대하여 평가하였다. 방법 : 나노 영가철을 고정하기 위한 담체로써 공극률 90%, 평균 공극 크기 130 μm, 겉보기 밀도 0.082 g/cm3의PVA 스펀지를 사용하였으며, 취급에 용이하도록 0.3 × 0.3 × 0.3 cm3의 정육면체로 가공 후 사용하였다. PVA 스펀지는 아크릴산 및 과망간산칼륨과의 반응을 통하여 표면에 아크릴산 고분자를 유도하였다(PVA-AA). PVA-AA에 나노 영가철을 합성하기 위한 일련의 과정에서의 조건들을 최적화하였다. 고려한 조건은 나노 영가철의 전구 물질인Fe2+와 PVA의 질량 비율, Fe2+ 흡착 시간 및 NaBH4를 이용한 환원 시간이었다. PVA-AA의 Fe2+ 흡착량, 나노 영가철 합성 이후 SEM/EDS 분석을 실시하였으며, 질산성 질소 환원 실험을 통하여 환원 반응성을 평가하였다. 결과 및 토의 : AA로 개질된 지지체 소재(PVA-AA)의 Fe2+ 흡착량이 미개질 소재(PVA)의 경우보다 우수함을 확인할 수 있었고, 흡착 평형에 이르는 시간도 30분으로 단축되는 것을 확인할 수 있었다. 최적 질량 비율은Fe/PVA-AA = 1이었다. 이와 같은 결과는 AA를 이용한 표면 개질을 통하여 PVA 표면의 카르복실기를 형성하였고, 형성된 카르복실기가 철과의 강한 상호 결합을 유도하기 때문인 것으로 파악되었다. SEM/EDS를 통하여 분석한 결과, AA 개질을 통하여 PVA 스펀지 섬유 표면에 AA 고분자가 형성된 것을 확인할 수 있었고, 여기에 나노영가철이 결합된 형태를 확인하였다. AA 개질을 통하여 다량의 나노 영가철이 결합된 것을 확인하였으며, 환원시간을 0.5시간에서 1시간을 늘림에 따라 나노 영가철의 표면과 내부에서의 분포가 더욱 균일해지는 것을 확인할수 있었다. 최종적으로 질산성 질소 환원 실험을 통하여 환원 반응성을 평가하였으며, 표면 개질을 수행하였던PVA-AA-nZVI가 표면 개질을 수행하지 않은 PVA-nZVI에 비하여 환원 효율은 1.9배, 환원 속도는 3.5배 더 높은것으로 나타났다. 결론 : 나노 영가철의 단점을 개선하고 활용성을 높이기 위해 지지체를 활용함에 있어 부착성을 향상시키기 위한표면 개질 기술을 개발하고자 하는 목적으로 수행되었다. 시중에서 쉽게 구할 수 있는 PVA 스펀지 표면을 아크릴산을 개질함을 통하여 표면에 카르복실기를 다수 형성하여 나노 영가철의 부착 효율을 증대시킬 수 있었고, 더 높은 오염물질 환원 효율을 얻을 수 있었다. 영가철이 고정된 소재의 오염물질 환원율을 높이기 위해 중요한 인자는영가철의 함량이라고 할 수 있다. 담체 표면을 개질하고 합성하는 과정으로 영가철의 합성량을 높인 소재의 개발로실제 공정에 적용함에 있어 경제성과 오염물질의 제거 능력 모두 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

초음파나노표면개질 공정변수에 따른 표면잔류응력 변화 분석

석태현,허남수 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.3

Compressive residual stresses generated on the surface by ultrasonic nanocrystal surface modification vary according to the process variables. In this study, surface compressive residual stresses were analyzed according to process variables using finite element analyses. Finite element analysis methodology was introduced. The surface compressive residual stresses according to the static load, amplitude, feed rate, and line interval were calculated through 3D finite element analyses. As the static load and amplitude increased, the magnitude and depth of the surface compressive residual stress increased. Furthermore, the feed rate and line interval were analyzed in terms of the overlapping ratio. As the feed rate and line interval increased, the overlapping ratio decreased and the magnitude of the surface compressive residual stress in each direction decreased. 초음파나노표면개질에 의한 표면 압축잔류응력의 크기와 깊이는 공정변수에 따라 변화한다. 본 논문에서는 유한요소해석을 활용하여 초음파나노표면개질 공정변수에 따른 표면 압축잔류응력의 변화를 분석하였다. 초음파나노표면개질 유한요소해석을 위한 방법론을 소개하였고 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 정하중, 진폭, 이송 속도, 줄 간격에 따른 표면 압축잔류응력을 분석하였다. 정하중과 진폭이 증가함에 따라 표면 압축잔류응력의 크기와 깊이가 증가하였다. 이송 속도와 줄 간격은 중첩비 관점으로 분석하였다. 이송 속도와 줄 간격이 증가함에 따라 중첩비가 감소하였으며 각 방향으로의 표면 압축잔류응력 크기가 감소하였다.

LNG기지 기화해수펌프 및 초저온밸브의 정비 교체 부품 수명 향상을 위한 초음파나노표면개질 기술 응용

김준형,조인호,김재연,강성우,유성식,김한기,우마로브 라크마트전,AMANOVAUEZHAN,편영식,박정훈 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.1

본 연구는 LNG기지 기화해수펌프 및 초저온밸브에 사용되는 정비 교체 부품 수명 향상을 위한 초음파나노표면개질 기술 응용 연구이다. 스테인리스강을 사용하는 기화해수펌프의 샤프트 슬리브와 초저온볼밸브의 볼 소재에 초음파나노표면개질 기술을 적용하였다. 초음파나노표면개질 전 후의 표면경도, 표면거칠기, 마찰 마모특성을 분석하였다. 초음파나노표면개질 기술 적용 후 STS316L 샤프트 슬리브 및 STS316 볼 소재의 기계적특성은 대체적으로 향상되었고, 마찰 마모특성 역시 향상되었다. 초음파나노표면개질 기술의 효용성이 확인되었고, 현재 기화해수펌프의 샤프트 슬리브는 UNSM 샤프트 슬리브로 현장 적용되고 있다. This study deals with the application of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology to improving the durability of maintenance replacement parts used in the LNG terminal vaporizer seawater pump and cryogenic valve. UNSM technology was applied to a shaft sleeve of vaporizer seawater pump and a cryogenic ball valve made of stainless steel. The surface hardness, surface roughness, and friction and wear properties of the untreated and UNSM-treated stainless steel were evaluated. It was revealed that these properties of the UNSM-treated stainless steel were improved substantially in comparison with the untreated stainless steel. The effectiveness of UNSM technology for improvements in hardness, roughness and friction and wear behavior was thus confirmed. It was also concluded that the shaft sleeve of the vaporizer seawater pump is currently being treated with UNSM technology.

오일분리에 따른 표면 개질 막의 특성

Hyon Seung Dho 위기관리 이론과 실천 2017 Crisisonomy Vol.13 No.4

본 연구에서는 오일 폐수의 처리과정에서 여과 막의 오염을 최소화하기 위하여 폴리프로필렌 정밀 여과 막을 화학적으로 표면개질 하였으며, 이 개질된 막의 성능을 측정하기 위하여 플럭스 실험및 막의 동 전위를 측정하였다. 파울링을 개선하기 위하여, 폴리프로필렌 정밀여과 막을 화학적으로 개질 하였으며, 표면개질은 포름알데히드 및 수산화나트륨을 촉매로 하여 일정한 pH와 온도 하에서행 하였다. 표면개질을 통해 소수성 정밀여과 막은 친수성 막으로 변했다. 실험 결과에 따르면 개질된 폴리프로필렌 여과 막은 원래의 여과 막보다 훨씬 높은 투과 flux를 보였다. 표면개질 막의 제타전위 값은 pH가 증가할수록 더욱 음으로 하전되었다. 실험결과 표면개질 막의 제타전위 값은 pH 뿐만 아니라, 이온 강도 및 계면 활성제의 농도에 따라 변하였다. 개질 막의 제타 전위가 음의 값이 높을 수록, 막의 투과율도 향상 되었다. SDS 농도가 증가함에 따라 제타전위의 값도 음의 값으로 증가하 였다. SDS가 막의 표면장력을 낮춤으로써 오일의 부착에 영향을 주었다. In this study, the surface modified microfiltration membrane was carried out with flux and electrokinetic measurements in order to reduce the fouling of membrane in the oil separation. The polypropylene membranes were chemically modified for improving flux on the surface with formaldehyde and sodium hydroxide catalysts. The hydrophobic polypropylene membranes changed surface to hydrophillic. The modified membrane showed much higher flux than the original polypropylene membrane. The zeta potentials were varied as the function of pH, ionic strength and concentrations in the presence of surfactants. The zeta potentials of the modified membrane were shifted to more negative values. The higher the negative value of the zeta potential, the higher the membrane permeation rate. The zeta potential results were affected by the increasing SDS concentrations. The SDS may affect the attachment of oil droplets by lowering the interfacial tension.

초음파나노표면개질 기술을 적용한 초경의 기계적특성 및 마모 연구

이승철(Seung-Chul Lee),김준형(Jun-Hyong Kim),최갑수(Gab-Su Choi),장영도(Young-Do Jang),아마노프 아웨즈한(Auezhan Amanov),편영식(Young-Sik Pyun) 한국트라이볼로지학회 2015 한국트라이볼로지학회지 (Tribol. Lubr.) Vol.31 No.2

In this study, we investigated the effectiveness of an ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technique on the mechanical and wear properties of tungsten carbide (WC). The UNSM technique is a newly developed surface modification technique that increases the mechanical properties of materials by severe plastic deformation. The objective of this study was to improve the wear resistance of press die made of WC by applying the UNSM technique. We observed the microstructures of the untreated and UNSM-treated specimens using a scanning electron microscope (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) was used to investigate the chemical composition. The SEM observations showed the pore size and the number of pores decreased after the UNSM treatment. We assessed the wear behavior of both the untreated and UNSM-treated specimens using a scratch test. The test results showed that the wear resistance of the UNSM-treated specimens increased by about 46% compared with the untreated specimens. This may be attributed to increased hardness, reduced surface roughness, induced compressive residual stress, and refined grain size following the application of the UNSM technique. In addition, we found that the UNSM treatment increased the carbon concentration to 63% from 33%. We expect that implementing the findings of this study will lead to an increase in the life of press dies.

개질된 표면을 이용한 풀비등 임계열유속 증진에 관련한 실험적 연구

강순호(Soonho Kang),안호선(Hoseon Ahn),조항진(Hangjin Jo),김무환(MooHwan Kim),김형모(Hyungmo Kim),김준원(Joonwon Kim) 대한기계학회 2009 大韓機械學會論文集B Vol.33 No.11

In the boiling heat transfer mechanism, CHF(critical heat flux) is the significantly important parameter of the system. So, many researchers have been struggling to enhance the CHF of the system in enormous methods. Recently, there were lots of researches about enormous CHF enhancement with the nanofluids. In that, the pool boiling CHF in nanofluids has the significantly increased value compared to that in pure water because of the deposition of the nanoparticle on the heater surface in the nanofluids. The aim of this study is the comparison of the effect of the nanoparticle deposited surface and the modified surface which has the similar morphology and made by MEMS fabrication. The nanoparticle deposited surface has the complex structures in nano-micro scale. Therefore, we fabricated the surfaces which has the similar wettability and coated with the micro size post and nano structure. The experiment is performed in 3 cases : the bare surface with 0.002% water-ZnO nanofluids, the nanoparticle deposited surface with pure water and the new fabricated surface with pure water. The contact angle, a representative parameter of the wettability, of the all 3 cases has the similar value about 0 and the SEM(scanning electron microscope) images of the surfaces show the complex nano-micro structure. From the pool boiling experiment of the each case, the nanoparticle deposited surface with pure water and the fabricated surface with pure water has the almost same CHF value. In other words, the CHF enhancement of the nanoparticle deposited surface is the surface effect. It also shows that the new fabricated surface follows the nanoparticle deposited surface well.

전기화학적 특성 개선을 위해 Pt 나노구조를 가지는 미세전극 제작

우현수(Hyeonsu Woo),김수현(Suhyeon Kim),김강현(Kanghyun Kim),윤승빈(Seungbin Yoon),안태창(Taechang An),김건휘(Geon Hwee Kim),임근배(Geunbae Lim) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.5

공간해상도가 우수한 미세전극은 그 작은 크기로 인해 임피던스와 노이즈가 증가하는 한계가 있다. 따라서 고성능의 미세전극을 개발하기 위해서는 공간해상도와 임피던스 특성을 동시에 개선할 수 있는 표면처리 기술의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 전기화학도금을 이용하여 미세전극 표면에 수십 nm 크기의 Pt 나노구조물을 제작하였다. Pt 나노구조로 표면개질된 미세전극은 개질하기 전의 미세전극과 비교하여 임피던스 수치가 평균 86% 감소하였다. 또한, CSC 측정과 EIS 분석, 임피던스 등가회로 모델링을 통해 Pt 나노구조를 가지는 미세전극의 개선된 전기화학적 특성을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 표면개질 기술은 기존의 제작된 전극에도 적용 가능한 후처리 기술로 다양한 구조와 재료를 가진 미세전극에 적용할 수 있다. Microelectrodes with excellent spatial resolution have a limit of large impedance and noise. Therefore, to develop a high-performance microelectrode, it is necessary to develop a surface modification technology that can simultaneously improve spatial resolution and the impedance characteristics. In this study, Pt nanostructures of several tens of nanometers were synthesized on the surface of microelectrodes via electrochemical deposition. The impedance value of the Pt nanostructure-based surface-modified microelectrode was reduced by an average of 86%, compared with that of the bare microelectrode. In addition, through the CSC measurement, EIS analysis, and impedance equivalent circuit modeling, the improved electrochemical properties of Pt nanostructure-based modified microelectrodes were confirmed. The surface modification used in this study is a post-processing technology that is utilized for prefabricated electrodes, and it can be applied to microelectrodes with various structures and materials.

미생물연료전지의 성능향상을 위한 하이드로젤 및 다중벽 탄소나노튜브를 이용한 산화전극의 표면개질

송영채(Young Chae Song),김대섭(Dae Sup Kim),우정희(Jung Hui Woo),유규선(Kyu Seon Yoo),정재우(Jae Woo Chung),이채영(Chae Young Lee) 大韓環境工學會 2012 대한환경공학회지 Vol.34 No.11

본 연구에서는 흑연섬유직물로 이루어진 산화전극의 표면을 하이드로젤 및 하이드로젤과 다중벽탄소나노튜브 복합체를 이용하여 표면을 개질하였다. 개질된 산화전극이 미생물연료전지의 성능향상에 미치는 영향을 회분식 시스템을 이용하여 평가하였으며, 개질하지 않은 흑연섬유직물 및 흑연펠트 산화전극과 비교하였다. 미생물연료전지의 전력밀도는 산화전극 및 환원전극의 성능에 크게 영향을 받았다. 최대전력밀도는 하이드로젤과 다중벽탄소나노튜브 복합체로 흑연섬유직물 표면을 개질한 산화전극을 사용한 경우 1,162 mW/m2로서 표면개질을 하지 않은 흑연섬유직물 산환전극을 사용한 미생물연료전지에 비하여 27.7% 향상되었다. 산화전극 표면을 개질에 사용된 하이드로젤과 다중벽탄소나노튜브 복합체는 산화전극 표면의 생물친화도와 전도성을 증가시키고 활성화저항을 크게 감소시킬 수 있는 우수한 표면개질제로 평가되었다. The surface of graphite fiber fabric anode was modified with a hydrogel and a mixture of hydrogel and multiwall carbon nanotube, and their effectiveness were compared to the unmodified anodes in a batch microbial fuel cell (microbial fuel cells). The maximum power density of the MFC was determined by both performance of the anode and cathode. The maximum power density for the MFC with the anode modified with the mixture of hydrogel and multiwall carbon nanotube was 1,162 mW/m2 which was 27.7% higher than that with the unmodified graphite fiber fabric anode. "The mixture of hydrogel and multiwall carbon nanotube is a good surface modifier for anode with high biological affinity and low activation losses.

실리콘 표면 위에 소수성 점을 이용한 비등 열전달 증진에 관한 실험적 연구

조항진(Hang Jin Jo),김형모(Hyungmo Kim),안호선(Ho Seon Ahn),강순호(Soonho Kang),김준원(Joonwon Kim),신정섭(Jeong-Seob Shin),김무환(Moo Hwan Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.6

표면 젖음성은 비등 상황에서 주요 인자인 임계열유속과 비등열전달 모두에 영향을 미치는 중요한 표면인자이다. 지금까지 표면 젖음성을 이용한 비등 조건 개선에 대한 연구는 한가지 물질의 표면 구조를 개질하는데 국한되었다. 본 논문에서는 최적화된 비등 조건을 이룰 수 있는 표면 젖음성을 찾기 위한 연구의 일환으로 소수성 물질과 친수성 물질의 혼합을 시도하였다. 가열 표면은 표면 접촉각이 60° 인 친수성 표면위에 표면 접촉각 120° 의 소수성 물질 점이 생기도록 개질되었다. 개질된 소수성 점은 마이크로 단위와 밀리 단위로 그 크기를 변화시켜 가며 풀 비등 성능을 평가하였다. Wettability is important to enhance not only CHF but also nucleate boiling heat transfer, as shown by the results of different kinds of boiling experiments. In this regard, an excellent boiling performance (a high CHF and heat transfer performance) could be achieved in the case of pool boiling by some favorable surface modifications that can satisfy the optimized wettability condition. To determine the optimized boiling condition, we design special heaters to examine how two materials, which have different wettabilities (e.g., hydrophilic and hydrophobic materials), affect the boiling phenomena. The special heaters have hydrophobic dots on a hydrophilic surface. The contact angle of the hydrophobic surface is 120° to water at the room temperature. The contact angle of the hydrophilic surface is 60° at same conditions. Experiments involving micro hydrophobic dots and two types of milli hydrophobic dots are performed, and the results are compared with a reference surface.

초고성능 섬유보강 콘크리트의 역학적 성능 향상을 위한 매트릭스 강화 및 섬유표면개질

오택근(Taekgeun Oh),김기웅(Gi-woong Kim),이승원(Seung Won Lee),류두열(Doo-yeol Yoo) 한국방재학회 2023 한국방재학회논문집 Vol.23 No.1

본 연구에서는 초고성능 섬유보강 콘크리트(Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete)의 성능 향상을 위해 충전재와 실리카 퓸을 각각 LCD 유리 분말(Liquid crystal display glass powder, LCDGP)와 나노실리카로 치환하였다. 또한, 섬유와 UHPC 매트릭스 계면마찰력 증진을 위해 에틸렌디아민사초산(ethylendiaminetetraacetic acid, EDTA)용액으로 강섬유 표면을 개질하였다. LCDGP와 나노실리카 모두 수산화칼슘과 반응하여 수화물을 형성하는 것으로 나타났으며 EDTA 처리를 통해 섬유 표면거칠기가 증가하였다. LCDGP 혼입 시 packing density 감소에 의한 압축강도 감소가 나타났으나, 나노실리카의 혼입으로 UHPFRC의 압축강도 및 인장강도가 향상되었다. 섬유의 표면개질은 UHPC 매트릭스와 섬유 계면의 마찰력을 향상시키기 때문에 압축강도보다는 인장강도 향상에 더 효과적인 것으로 나타났다. In this study, filler and silica fume were substituted by Liquid crystal display glass powder (LCDGP) and nanosilica, respectively, to improve the performance of ultra-high- performance fiber-reinforced concrete. In addition, the surface of steel fiber was modified with ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) solution to improve the interfacial friction between the fiber and Ultra-high-performanceconcrete (UHPC) matrix. Both LCDGP and nanosilica reacted with calcium hydroxide to form hydrates, and the fiber surface roughness increased owing to the EDTA treatment. When LCDGP was used, the compressive strength decreased owing to a decrease in packing density; however, the compressive and tensile strengths of Ultra-high-performance fiber-reinforced-concrete (UHPFRC) were improved on using nanosilica. It was observed that the surface modification of the fiber increased the friction force between the UHPC and fiber interface; therefore, it was more effective in improving the tensile strength than the compressive strength.