합성막
Synthetic membrane인공막 또는 합성막은 일반적으로 실험실 또는 산업에서 분리 목적으로 만들어진 합성막입니다.합성막은 20세기 [1]중반 이후 소규모 및 대규모 산업 공정에 성공적으로 사용되어 왔다.다양한 합성막들이 알려져 있다.[2]그것들은 무기 재료뿐만 아니라 폴리머나 액체 같은 유기 물질로 생산될 수 있다.분리 산업에서 상업적으로 사용되는 대부분의 합성막은 고분자 구조로 만들어진다.표면 화학, 벌크 구조, 형태학 및 생산 방법에 따라 분류할 수 있습니다.합성막과 분리된 입자의 화학적, 물리적 특성 및 구동력의 선택에 따라 특정 막 분리 프로세스가 정의됩니다.업계에서 멤브레인 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 원동력은 압력 및 농도 경사입니다.따라서 각각의 막 과정은 여과라고 알려져 있다.분리공정에서 이용되는 합성막은 다른 형상 및 각각의 흐름 구성을 가질 수 있다.또한 응용 및 분리 [2]체제에 따라 분류할 수 있습니다.가장 잘 알려진 합성막 분리 공정은 정수, 역삼투, 천연가스의 탈수소, 미세여과 및 초여과로 세포입자 제거, 유제품 미생물 제거, 투석 등이다.
막의 종류 및 구조
합성막은 많은 다른 재료로 제작될 수 있다.금속 또는 세라믹과 같은 고형물, 균질막(고분자), 이종고형물(고분자 혼합, 혼합 유리), [3]액체를 포함한 유기 또는 무기 재료로 만들 수 있습니다.세라믹 막은 알루미늄 산화물, 탄화규소 및 산화지르코늄과 같은 무기 재료로 제조됩니다.세라믹 막은 공격적인 매체(산, 강한 용제)의 작용에 매우 강합니다.그것들은 화학적으로, 열적으로, 기계적으로 매우 안정적이고 생물학적으로 불활성적이다.세라믹 막은 무게가 높고 생산비용이 많이 들지만 친환경적이고 작업수명이 길다.세라믹 막은 일반적으로 관 모양의 [3]모세혈관의 단일 형태로 만들어집니다.
액막
액체막은 비강성 재료로 만들어진 합성막을 말한다.산업에서는 에멀젼 액막, 고정화(지지된) 액막, 용융염 및 중공사 포함 액막 [3]등 여러 유형의 액막을 접할 수 있습니다.액막은 광범위하게 연구되어 왔지만, 지금까지 상업적인 용도로는 한정되어 있습니다.멤브레인 액체가 접촉하는 단계에서 증발하거나 용해되는 경향 때문에 적절한 장기적 안정성을 유지하는 것이 문제입니다.
고분자막
고분자 막은 성능과 [3]경제면에서 매우 경쟁력이 있기 때문에 막 분리 산업 시장을 선도합니다.많은 폴리머를 사용할 수 있지만 막 폴리머를 선택하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.폴리머는 [4]용도에 적합한 특성을 가져야 합니다.폴리머는 때때로 분리된 분자에 대해 낮은 결합 친화성을 제공해야 하며(생명공학 애플리케이션의 경우처럼), 가혹한 세척 조건을 견뎌야 합니다.선택된 막 제작 [4]기술과 호환되어야 합니다.고분자는 사슬의 강성, 사슬 상호작용, 입체 조절성 및 기능군의 [4]극성 측면에서 적합한 막이어야 합니다.폴리머는 비정질 및 반결정 구조를 형성할 수 있으며(유리 전이 온도도 다를 수 있음), 막 성능 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.폴리머는 멤브레인 분리 프로세스의 저비용 기준을 준수하기 위해 입수 가능하고 합리적인 가격이 책정되어야 합니다.많은 멤브레인 폴리머는 특성을 [4]개선하기 위해 접목되거나, 맞춤형으로 변형되거나, 공중합체로 생산됩니다.막합성에서 가장 일반적인 중합체는 셀룰로오스 아세테이트, 니트로셀룰로오스 및 셀룰로오스 에스테르(CA, CN, CE), 폴리술폰(PS), 폴리에테르술폰(PES), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌(PE 및 PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(FE)이다.
폴리술폰(PS)
폴리에틸렌(PE)
폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)
폴리프로필렌(PP)
고분자 전해질막
고분자막은 예를 들어 술폰산 및 제4급 암모늄 등의 고산성 또는 염기성 관능기를 첨가함으로써 이온교환막으로 기능화할 수 있으며, 이 막은 각각 수로를 형성하고 양이온 또는 음이온을 선택적으로 운반할 수 있다.이 범주에서 가장 중요한 기능성 재료는 수처리, 에너지 저장, 에너지 생성에 있어 많은 기술의 핵심인 양성자 교환막과 알칼리 음이온 교환막을 포함합니다.수처리에는 역삼투, 전기투석, 역전기투석이 포함된다.에너지 저장소의 용도에는 충전식 금속 공기 전기화학 셀과 다양한 유형의 흐름 배터리가 포함됩니다.에너지 생성 내 응용 분야에는 양성자 교환막 연료전지(PEMFC), 알칼리 음이온 교환막 연료전지(AEMFC), 삼투압 및 전기투석 기반 삼투압 전력 또는 청색 에너지 발생이 포함된다.
세라믹 막
세라믹 막은 무기 재료(예: 알루미나, 티타니아, 지르코니아 산화물, 재결정 탄화규소 또는 일부 유리 재료)로 만들어집니다.고분자막과는 대조적으로 공격적인 매체(산, 강한 용제)가 존재하는 곳에서 분리하여 사용할 수 있습니다.또한 열 안정성도 뛰어나 고온 막 작업에서 사용할 수 있습니다.
표면화학
합성막의 중요한 특징 중 하나는 화학이다.합성막 화학은 일반적으로 분리 과정 [4]스트림과 접촉하는 표면의 화학적 성질과 구성을 말합니다.막 표면의 화학적 성질은 부피 구성과 상당히 다를 수 있습니다.이러한 차이는 멤브레인 제작의 일부 단계에서 재료를 분할하거나 의도된 표면 후 변형으로 인해 발생할 수 있습니다.막 표면 화학은 친수성 또는 친수성(표면 자유 에너지와 관련), 이온 전하 존재, 막 화학 또는 열 저항, 용액 내 입자에 대한 결합 친화성 및 생체 적합성(바이오파라제이션의 [4]경우)과 같은 매우 중요한 특성을 생성합니다.막 표면의 친수성과 친수성은 물(액체) 접촉각θ로 나타낼 수 있다.친수성 막 표면의 접촉 각도는 0°<이다.< < 90° (90° ~ 0°) (소수성 물질이 90° <인 경우θ <180° 미만
접촉각은 계면력 균형에 대한 영의 방정식을 풀어서 결정된다.평형상태에서는 고체/가스SG(θ), 고체/액체SL(θ) 및 액체/가스LG(θ) 계면에 대응하는 3개의 계면장력이 균형을 이룬다.[4]접촉각의 크기의 결과는 습윤 현상으로 알려져 있으며, 이는 모세관(포자) 침입 거동을 특징짓는 데 중요합니다.접촉각에 따라 막 표면의 습윤도가 결정된다.접촉각이 작은 표면은 습윤성이 우수합니다(θ=0°-완벽 습윤).경우에 따라 알코올이나 계면활성제 용액과 같은 저표면 장력 액체를 사용하여 비습성 막 [4]표면의 습도를 높입니다.막 표면의 자유 에너지(및 관련된 친수성/수체성)는 막 입자 흡착 또는 오염 현상에 영향을 미칩니다.대부분의 막 분리 과정(특히 생물 분해)에서 표면 친수성이 높을수록 오염이 [4]낮아집니다.합성막 오염은 막의 성능을 손상시킨다.그 결과, 다양한 막 세척 기술이 개발되었습니다.때론 반칙이 돌이킬 수 없고 막을 교체해야 한다.막 표면 화학의 또 다른 특징은 표면 전하이다.전하의 존재에 따라 막-액체 계면의 특성이 변경됩니다.막 표면은 전위를 발생시키고 전하를 중화시키는 경향이 있는 용액 입자의 층 형성을 유도할 수 있다.
막형태학
합성막은 그 구조(형태학)에 따라 분류할 수도 있다.이러한 합성막의 세 가지 유형은 분리 산업에서 일반적으로 사용됩니다: 밀도 있는 막, 다공질 막 및 비대칭 막.조밀하고 다공질 막은 분리된 분자의 크기에 따라 서로 구별됩니다.고밀도 막은 일반적으로 작은 분자의 분리 과정에서 사용되는 고밀도 물질의 얇은 층입니다(일반적으로 기체 또는 액체상).고밀도 막은 가스 분리 및 역삼투 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
고밀도 막은 비정질 또는 이종 구조로 합성될 수 있다.폴리테트라플루오로에틸렌이나 셀룰로오스 에스테르 등의 고분자 고밀도 막은 보통 고분자 용액의 압축성형, 용매주조 및 분무에 의해 제조된다.고밀도 막의 구조는 유리 전이 [2]온도에 따라 일정 온도에서 고무질 또는 유리질 상태가 될 수 있다.다공질막은 고체 콜로이드 입자, 큰 생체 분자(단백질, DNA, RNA) 및 세포와 같은 더 큰 분자를 여과 매체로부터 분리하는 것을 목적으로 한다.다공질 막은 미세 여과, 여과 및 투석 용도로 사용됩니다."막 모공"을 정의하는 데에는 약간의 논란이 있다.가장 일반적으로 사용되는 이론은 단순성을 위해 원통형 기공을 가정한다.이 모형은 모공이 평행하고 교차하지 않는 원통형 모세혈관의 형태를 가지고 있다고 가정합니다.하지만 실제로 전형적인 기공은 크기가 다른 불규칙한 구조의 무작위 네트워크입니다.모공의 형성은 "더 나은" 용매를 고분자 [2]용액에서 "더 나은" 용매로 용해시킴으로써 유도될 수 있습니다.결정성 구조 폴리머의 스트레칭에 의해 다른 종류의 기공 구조를 제조할 수 있다.다공질막의 구조는 상호작용하는 폴리머와 용제의 특성, 성분 농도, 분자량, 온도, [2]용액의 저장 시간과 관련이 있다.두꺼운 다공질 막은 때때로 얇은 고밀도 막층을 지지하여 비대칭 막 구조를 형성합니다.후자는 보통 고밀도 다공질 막의 적층으로부터 생성됩니다.
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메모들
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레퍼런스
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