합성막

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1. 개요
2. 막의 종류와 구조
3. 표면 화학
- 3.1. 친수성 및 소수성
- 3.2. 표면 전하
4. 막 형태
참조

1. 개요

합성막은 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 재료로 만들어지며, 액체, 세라믹, 고분자, 고분자 전해질 막 등 여러 종류가 있다. 세라믹 막은 화학적, 열적, 기계적으로 안정적이며, 고분자 막은 분리 산업 시장에서 널리 사용된다. 막의 표면 화학은 친수성/소수성, 이온 전하, 화학적/열적 저항성 등 중요한 특성을 가지며, 접촉각을 통해 친수성 및 소수성을 표현할 수 있다. 합성막은 조밀막, 다공성막, 비대칭막으로 분류되며, 조밀막은 작은 분자 분리에, 다공성막은 큰 분자 분리에 사용된다. 비대칭막은 조밀막과 다공성막의 조합으로 구성된다.

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합성막
개요
다양한 크기의 입자가 고분자 막을 통과하는 모습을 보여주는 애니메이션.
정의	분리 공정에 사용되는 선택적 장벽으로, 특정 물질은 통과시키고 다른 물질은 유지하는 기능을 가짐.
역사	19세기부터 연구 시작, 20세기 후반부터 산업적으로 중요해짐.
재료	고분자 세라믹 금속
유형 및 분류
막 형태	평막 관형막 중공사막 모노리스막
작동 메커니즘	다공성 막 (체거름) 치밀 막 (용해-확산) 이온 교환 막 전기 투석 막 액체 막 기체 분리 막 투과 증발 막 증기 투과 막 촉진 수송 막 바이폴라 막 나노여과 막 지지 액체 막
작동 방식
구동력	압력 농도 온도 전기장
주요 공정	정밀 여과 (Microfiltration) 한외 여과 (Ultrafiltration) 역삼투 (Reverse osmosis) 투석 (Dialysis) 기체 분리 (Gas separation) 투과 증발 (Pervaporation) 증기 투과 (Vapor permeation) 전기투석 (Electrodialysis) 나노여과 (Nanofiltration)
응용 분야
산업 분야	수처리 식품 산업 제약 산업 화학 산업 에너지 산업
구체적인 응용	해수 담수화 폐수 처리 정수 의료용 (인공 신장 등) 가스 분리 (질소 생산, 탄산가스 포집) 연료 전지 배터리 분리막
재료별 분류
고분자 막	가장 흔하게 사용되는 재료, 다양한 고분자 사용 가능 (예: 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 셀룰로스 아세테이트)
세라믹 막	고온, 화학적 안정성이 우수, 알루미나, 지르코니아, 실리카 등 사용
금속 막	수소 분리 등에 사용
액체 막	용매를 함침시킨 막, 특정 물질 선택적 투과
추가 정보
장점	높은 분리 효율 에너지 효율적 연속 공정 가능 비교적 낮은 비용
단점	막 오염 (fouling) 막 손상 가능성 막 성능 저하
연구 개발 동향
주요 연구	막 성능 향상 막 오염 방지 기술 개발 새로운 막 재료 개발 나노 기술 접목
미래 전망	더 효율적이고 지속 가능한 분리 기술로 발전 가능성 높음.

2. 막의 종류와 구조

합성막은 금속, 세라믹, 균질 필름, 고분자, 불균질 고체(고분자 혼합물, 혼합 유리) 및 액체와 같은 유기 또는 무기 재료로 만들 수 있다.^[3] 액체막, 고분자막, 세라믹막 등으로 나뉜다.

합성막의 중요한 특징 중 하나는 화학적 특성이다. 합성막 화학은 일반적으로 분리 공정 흐름과 접촉하는 표면의 화학적 특성과 조성을 의미한다.^[6] 막 표면의 화학적 특성은 막의 벌크 조성과 매우 다를 수 있다. 막 표면 화학은 친수성 또는 소수성(표면 자유 에너지와 관련), 이온 전하의 존재, 막의 화학적 또는 열적 저항성, 용액 내 입자에 대한 친화도, 생체 적합성 (생물 분리 과정의 경우)과 같은 매우 중요한 특성을 생성한다.^[6]

막 표면의 친수성 및 소수성은 물(액체)의 접촉각 θ로 표현될 수 있다. 친수성 막 표면은 0°<θ<90° (0°에 가까움) 범위의 접촉각을 가지며, 소수성 물질은 90°<θ<180° 범위의 θ를 갖는다. 접촉각 크기의 결과는 젖음 현상으로 알려져 있으며, 이는 모세관 (기공) 침투 거동을 특성화하는 데 중요하다. 막 표면 젖음 정도는 접촉각에 의해 결정된다. 접촉각이 작을수록 젖음성이 더 좋다 (θ=0° - 완전 젖음). 어떤 경우에는 알코올 또는 계면활성제 용액과 같이 낮은 표면 장력의 액체를 사용하여 젖지 않는 막 표면의 젖음성을 향상시킨다.^[6] 막 표면의 자유 에너지 (및 관련 친수성/소수성)는 막 입자 흡착 또는 파울링 현상에 영향을 미친다. 대부분의 막 분리 공정 (특히 생물 분리)에서 표면 친수성이 높을수록 파울링이 낮다.^[6] 합성막 파울링은 막 성능을 저하시킨다. 그 결과 다양한 막 세척 기술이 개발되었다. 때로는 파울링이 비가역성이고 막을 교체해야 한다. 막 표면 화학의 또 다른 특징은 표면 전하이다. 전하의 존재는 막-액체 계면의 특성을 변화시킨다. 막 표면은 전기동전위를 발생시키고 전하를 중화시키는 경향이 있는 용액 입자층의 형성을 유도할 수 있다.

합성막은 구조(형태)에 따라 조밀막, 다공성막, 비대칭막으로 분류될 수 있다. 조밀막과 다공성막은 분리되는 분자의 크기에 따라 서로 구분된다. 조밀막은 일반적으로 작은 분자(보통 기체 또는 액체 상)의 분리 공정에 사용되는 조밀한 물질의 얇은 층이다. 조밀막은 기체 분리 및 역삼투 응용 분야에 산업적으로 널리 사용된다.

조밀막은 비정질 또는 불균일 구조로 합성될 수 있다. 폴리테트라플루오르에틸렌 및 셀룰로스 에스테르와 같은 고분자 조밀막은 일반적으로 고분자 용액의 압축 성형, 용매 주조, 분무를 통해 제조된다. 조밀막의 막 구조는 해당 유리 전이 온도에 따라 주어진 온도에서 고무 상태 또는 유리 상태일 수 있다.^[2] 다공성막은 고체 콜로이드 입자, 큰 생체 분자(단백질, DNA, RNA) 및 여과 매체에서 세포와 같은 더 큰 분자를 분리하기 위한 것이다. 다공성막은 미세 여과, 한외 여과, 투석 응용 분야에서 사용된다. "막 기공"을 정의하는 데에는 논란의 여지가 있다. 가장 일반적으로 사용되는 이론은 단순화를 위해 원통형 기공을 가정한다. 이 모델은 기공이 평행하고 교차하지 않는 원통형 모세관의 형태를 가지고 있다고 가정한다. 그러나 실제로는 전형적인 기공은 크기가 서로 다른 불균일하게 형성된 구조의 무작위 네트워크이다. 기공의 형성은 고분자 용액에서 "더 좋은" 용매를 "더 나쁜" 용매에 용해시켜 유도할 수 있다.^[2] 다른 유형의 기공 구조는 결정질 구조 고분자의 연신에 의해 생성될 수 있다. 다공성막의 구조는 상호 작용하는 고분자 및 용매의 특성, 구성 요소 농도, 분자량, 온도 및 용액 내 저장 시간과 관련이 있다.^[2] 두꺼운 다공성막은 때때로 얇은 조밀막 층을 지지하여 비대칭 막 구조를 형성한다. 후자는 일반적으로 조밀막과 다공성막의 적층에 의해 생산된다.

2. 1. 액체 막

액체 막은 유연한 재료로 만들어진 합성 막을 말한다. 산업에서 다음과 같은 여러 종류의 액체 막을 찾아볼 수 있다.

에멀젼 액체 막
고정화(지지체) 액체 막^[4]
지지된 용융-염 막^[5]
중공 섬유 함유 액체 막^[3]

액체 막은 광범위하게 연구되었지만, 지금까지 상업적 적용은 제한적이다. 막 액체가 증발하거나, 접촉하는 상에 용해되거나, 막 지지체에서 새어 나오는 경향이 있기 때문에 적절한 장기 안정성을 유지하는 것이 중요한 문제이다.

2. 2. 고분자 막

고분자 막은 성능과 경제성 면에서 매우 경쟁력이 뛰어나기 때문에 막 분리 산업 시장을 선도하고 있다.^[3] 많은 고분자가 사용 가능하지만, 막 고분자의 선택은 용도에 적합한 특성을 가져야 하므로 쉬운 일은 아니다.^[6]

고분자는 분리된 분자에 대한 낮은 친화성을 제공해야 하며(생명 공학 응용 분야의 경우), 가혹한 세척 조건을 견뎌야 하고, 선택된 막 제조 기술과 호환되어야 한다.^[6] 사슬의 강성, 사슬 상호 작용, 입체 규칙성, 작용기의 극성 측면에서 적합한 막 형성제여야 한다.^[6]

고분자는 비정질 및 반결정질 구조(다양한 유리 전이 온도를 가질 수 있음)를 가질 수 있으며, 이는 막 성능 특성에 영향을 미친다. 고분자는 막 분리 공정의 저비용 기준을 충족하기 위해 합리적인 가격으로 얻을 수 있어야 한다. 많은 막 고분자가 그 특성을 향상시키기 위해 접목되거나, 맞춤형으로 변형되거나, 공중합체로 생산된다.^[6]

막 합성에 가장 흔히 사용되는 고분자는 아세트산 셀룰로스, 니트로셀룰로스, 셀룰로스 에스터(CA, CN, CE), 폴리설폰(PS), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리염화비닐(PVC)이다.

2. 2. 1. 고분자 전해질 막

고분자 막은 설폰산 및 4급 암모늄과 같은 고도로 산성 또는 염기성 작용기를 첨가하여 이온 교환 막으로 기능화할 수 있으며, 이를 통해 막은 물 채널을 형성하고 각각 양이온 또는 음이온을 선택적으로 수송할 수 있다. 이 범주에서 가장 중요한 기능성 재료에는 양성자 교환 막과 알칼리 음이온 교환 막이 있으며, 이는 수처리, 에너지 저장, 에너지 생성의 많은 기술의 핵심이다. 수처리 분야의 응용 분야에는 역삼투, 전기투석, 역 전기투석이 있다. 에너지 저장 분야의 응용 분야에는 충전 가능한 금속 공기 전지와 다양한 유형의 레독스 흐름 전지가 있다. 에너지 생성 분야의 응용 분야에는 양성자 교환 막 연료 전지(PEMFC), 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지(AEMFC) 및 삼투 기반 및 전기투석 기반 삼투압 발전 또는 '''청색 에너지''' 생성이 있다.

2. 3. 세라믹 막

합성막은 금속, 세라믹, 균질 필름, 고분자, 불균질 고체(고분자 혼합물, 혼합 유리) 및 액체와 같은 유기 또는 무기 재료로 만들 수 있다.^[3] 세라믹 막은 알루미늄 산화물, 탄화 규소, 지르코늄 산화물과 같은 무기 재료로 생산된다. 세라믹 막은 공격적인 매체(산, 강한 용매)의 작용에 매우 강하다. 그것들은 화학적, 열적, 기계적으로 매우 안정적이며 생물학적으로 불활성이다. 세라믹 막은 무게가 많이 나가고 생산 비용이 많이 들지만, 친환경적이고 수명이 길다. 세라믹 막은 일반적으로 관 모양의 모세관의 일체형 형태로 만들어진다.^[3]

세라믹 막은 무기물(예: 알루미나, 티타니아, 지르코니아 산화물, 재결정된 탄화 규소 또는 일부 유리 재료)로 만들어진다. 고분자 막과 달리, 공격적인 매체(산, 강한 용매)가 존재하는 분리에 사용할 수 있다. 또한 뛰어난 열적 안정성을 가지고 있어 고온의 막 기술 작업에 사용할 수 있다.

3. 표면 화학

합성막의 표면 화학은 막의 벌크 조성과 다를 수 있으며, 이는 막 제조 과정에서의 물질 분배나 의도적인 표면 변형 때문에 발생한다. 막 표면 화학은 막의 화학적 또는 열적 저항성, 용액 내 입자에 대한 친화도, 생체 적합성 등 중요한 특성을 결정한다.^[6] 막 표면의 자유 에너지는 막 입자 흡착 또는 파울링 현상에 영향을 주는데, 대부분의 막 분리 공정, 특히 생물 분리에서는 표면 친수성이 높을수록 파울링이 적게 일어난다.^[6] 파울링은 막의 성능을 저하시키므로, 다양한 세척 기술이 개발되었으며, 파울링이 비가역성인 경우에는 막을 교체해야 한다.

3. 1. 친수성 및 소수성

합성막의 중요한 특징 중 하나는 화학적 특성이다. 합성막 화학은 일반적으로 분리 공정 흐름과 접촉하는 표면의 화학적 특성과 조성을 의미한다.^[6] 막 표면의 화학적 특성은 막의 벌크 조성과 매우 다를 수 있다. 이러한 차이는 막 제조 단계에서 물질 분배, 또는 의도적인 표면 후형성 변형의 결과일 수 있다. 막 표면 화학은 친수성 또는 소수성(표면 자유 에너지와 관련), 이온 전하의 존재, 막의 화학적 또는 열적 저항성, 용액 내 입자에 대한 친화도, 생체 적합성 (생물 분리 과정의 경우)과 같은 매우 중요한 특성을 생성한다.^[6] 막 표면의 친수성 및 소수성은 물(액체)의 접촉각 θ로 표현될 수 있다. 친수성 막 표면은 0°<θ<90° (0°에 가까움) 범위의 접촉각을 가지며, 소수성 물질은 90°<θ<180° 범위의 θ를 갖는다.

접촉각은 계면력 균형에 대한 영의 방정식을 풀어서 결정된다. 평형 상태에서 고체/기체 (γ_SG), 고체/액체 (γ_SL), 액체/기체 (γ_LG) 계면에 해당하는 세 개의 계면 장력이 균형을 이룬다.^[6] 접촉각 크기의 결과는 젖음 현상으로 알려져 있으며, 이는 모세관 (기공) 침투 거동을 특성화하는 데 중요하다. 막 표면 젖음 정도는 접촉각에 의해 결정된다. 접촉각이 작을수록 젖음성이 더 좋다 (θ=0° - 완전 젖음). 어떤 경우에는 알코올 또는 계면활성제 용액과 같이 낮은 표면 장력의 액체를 사용하여 젖지 않는 막 표면의 젖음성을 향상시킨다.^[6] 막 표면의 자유 에너지 (및 관련 친수성/소수성)는 막 입자 흡착 또는 파울링 현상에 영향을 미친다. 대부분의 막 분리 공정 (특히 생물 분리)에서 표면 친수성이 높을수록 파울링이 낮다.^[6] 합성막 파울링은 막 성능을 저하시킨다. 그 결과 다양한 막 세척 기술이 개발되었다. 때로는 파울링이 비가역성이고 막을 교체해야 한다. 막 표면 화학의 또 다른 특징은 표면 전하이다. 전하의 존재는 막-액체 계면의 특성을 변화시킨다. 막 표면은 전기동전위를 발생시키고 전하를 중화시키는 경향이 있는 용액 입자층의 형성을 유도할 수 있다.

3. 2. 표면 전하

합성막의 중요한 특징 중 하나는 화학적 특성이다. 합성막 화학은 일반적으로 분리 공정 흐름과 접촉하는 표면의 화학적 특성과 조성을 의미한다.^[6] 막 표면의 화학적 특성은 막의 벌크 조성과 매우 다를 수 있다. 막 표면 화학은 친수성 또는 소수성(표면 자유 에너지와 관련), 이온 전하의 존재와 같은 매우 중요한 특성을 생성한다.^[6] 막 표면의 친수성 및 소수성은 물(액체)의 접촉각 θ로 표현될 수 있다. 친수성 막 표면은 0°<θ<90° (0°에 가까움) 범위의 접촉각을 가지며, 소수성 물질은 90°<θ<180° 범위의 θ를 갖는다.

접촉각은 계면력 균형에 대한 영의 방정식을 풀어서 결정된다. 평형 상태에서 고체/기체 (γ_SG), 고체/액체 (γ_SL), 액체/기체 (γ_LG) 계면에 해당하는 세 개의 계면 장력이 균형을 이룬다.^[6] 접촉각 크기의 결과는 젖음 현상으로 알려져 있으며, 이는 모세관 (기공) 침투 거동을 특성화하는 데 중요하다. 막 표면 젖음 정도는 접촉각에 의해 결정된다. 접촉각이 작을수록 젖음성이 더 좋다 (θ=0° - 완전 젖음). 어떤 경우에는 알코올 또는 계면활성제 용액과 같이 낮은 표면 장력의 액체를 사용하여 젖지 않는 막 표면의 젖음성을 향상시킨다.^[6]

막 표면 화학의 또 다른 특징은 표면 전하이다. 전하의 존재는 막-액체 계면의 특성을 변화시킨다. 막 표면은 전기동전위를 발생시키고 전하를 중화시키는 경향이 있는 용액 입자층의 형성을 유도할 수 있다.

4. 막 형태

합성막은 구조(형태)에 따라 조밀막, 다공성막, 비대칭막으로 분류할 수 있으며, 분리 산업에서 널리 사용된다. 조밀막과 다공성막은 분리되는 분자의 크기로 구분된다.

4. 1. 조밀막

조밀막은 일반적으로 작은 분자(보통 기체 또는 액체 상태)의 분리 공정에 사용되는 조밀한 물질의 얇은 층이다. 조밀막은 기체 분리 및 역삼투 응용 분야에 산업적으로 널리 사용된다.^[2]

조밀막은 비정질 또는 불균일 구조로 합성될 수 있다. 폴리테트라플루오르에틸렌 및 셀룰로스 에스테르와 같은 고분자 조밀막은 일반적으로 고분자 용액의 압축 성형, 용매 주조, 분무를 통해 제조된다. 조밀막의 막 구조는 해당 유리 전이 온도에 따라 주어진 온도에서 고무 상태 또는 유리 상태일 수 있다.^[2]

4. 2. 다공성막

다공성막은 고체 콜로이드 입자, 큰 생체 분자(단백질, DNA, RNA) 및 여과 매체에서 세포와 같은 더 큰 분자를 분리하기 위한 것이다. 다공성막은 미세 여과, 한외 여과, 투석 응용 분야에서 사용된다.^[2] "막 기공"을 정의하는 데에는 논란의 여지가 있다. 가장 일반적으로 사용되는 이론은 단순화를 위해 원통형 기공을 가정한다. 이 모델은 기공이 평행하고 교차하지 않는 원통형 모세관의 형태를 가지고 있다고 가정한다. 그러나 실제로는 전형적인 기공은 크기가 서로 다른 불균일하게 형성된 구조의 무작위 네트워크이다. 기공의 형성은 고분자 용액에서 "더 좋은" 용매를 "더 나쁜" 용매에 용해시켜 유도할 수 있다.^[2] 다른 유형의 기공 구조는 결정질 구조 고분자의 연신에 의해 생성될 수 있다. 다공성막의 구조는 상호 작용하는 고분자 및 용매의 특성, 구성 요소 농도, 분자량, 온도 및 용액 내 저장 시간과 관련이 있다.^[2] 두꺼운 다공성막은 때때로 얇은 조밀막 층을 지지하여 비대칭 막 구조를 형성하는데, 이는 일반적으로 조밀막과 다공성막의 적층에 의해 생산된다.

4. 3. 비대칭막

비대칭막은 일반적으로 조밀막과 다공성막의 적층에 의해 생산된다. 두꺼운 다공성막은 때때로 얇은 조밀막 층을 지지하여 비대칭막 구조를 형성하기도 한다.^[2]

참조

_[1] 서적 Membrane Formation and Modification ACS 1999
_[2] 서적 Membrane Science and Technology New York: Marcel Dekker, Inc 1992
_[3] 서적 Perry’s Chemical Engineers’ Handbook McGraw-Hill 1997
_[4] 논문 Liquid membrane technology: fundamentals and review of its applications 2010-01
_[5] 논문 Supported molten-salt membranes for carbon dioxide permeation 2019-05-28
_[6] 서적 Microfiltration and Ultrafitration New York: Marcel Dekker, Inc 1996
_[7] 서적 Membrane Formation and Modification ACS 1999
_[8] 서적 Membrane Science and Technology New York: Marcel Dekker, Inc 1992

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