A novel nanofiltration membrane prepared with hyperbranched polyethyleneimine (PEI) and trimesoyl chloride (TMC) by interfacial polymerization onto polyacrylonitrile (PAN) nanofibrous support was investigated. The morphology of PAN nanofibrous mid-layer was one of the major factor to determine the performance of the NFC membrane by affecting the formation of top active layer. We concluded that the nanofibrous membrane with smaller diameter is better for successful interfacial polymerization in terms of ion rejection. In addition, the conditions of interfacial polymerization, such as concentration of each monomer and reaction time, were also gave a lot of influence to the performance of the NFC membrane. First, the concentration of PEI in aqueous solution should be higher than 10wt%. Also, the concentration of TMC was prepared as low as possible to fabricate less crosslinked structures which would increase the donnan exclusion effect by remaining a lot of amine groups in each PEI molecules unreacted. In this experiment, the concentration of TMC in organic solution was 0.1wt%. Unlike typical interfacial polymerization reaction, we needed around 10 min reaction time to obtain high ion rejection (over 90% for divalent ions).The rejection order of different salts in this membrane was $MgCl_2>MgSO_4>NaCl>Na_2 SO_4$, which showed typical rejection order of positively charged membranes with donnan exclusion effects. At 100psi, the performance of a HPEI-NFC membrane was around 35LMH, over 90% ion rejection for divalent ions ($MgSO_4$), and over 75% rejection for monovalent ions (NaCl).
본 연구에서는 높은 전하밀도를 가지는 초가지체 PEI를 PAN 나노섬유 지지막 위에 표면중합하여 새로운 나노여과 (NF) 급 나노섬유복합 (NFC) 막을 개발하였으며, 또한 개발된 새로운 NF막의 이온제거 특성이 평가되었다. 첫째로, 중간층을 차지하는 PAN 나노섬유 지지막의 형태는 윗층 (PEI 막) 의 형성에 영향을 주게 되어, 전체적인 NFC 막의 성능에 영향을 주게 되었다. 실험을 통하여, 중간층의 PAN 나노섬유 직경이 작을수록 성공적인 표면중합 (이온제거율이 좋음) 이 가능하다는 것을 밝혀내었다. 또한, 표면중합의 조건들 (모노머의 농도, 반응시간 등) 이 NFC 성능에 많은 영향을 주는 것을 밝혀내었다. 수용액 속 초가지체 PEI의 농도는 적어도 10wt% 이상이어야 했고, 유기용매 속 TMC의 농도는 가능한 한 낮게 설정하였다. 낮은 TMC의 농도는 적은 교차연결 (crosslinked) 구조를 형성하게 되므로, 각각의 PEI의 아민기를 최대한 많이 보존할 수 있어 결과적으로 도넌 배제 효과 (Donnan exclusion effect) 를 증가시킬 수 있을 것이라 가정하였다. 실제 사용된 TMC의 농도는 0.1wt%였다. 일반적인 표면중합 반응과는 다르게, 높은 이온제거율 ( 2가 이온에 대해 90% 이상) 을 보이기 위해서는 10분정도의 반응시간이 필요하였다. 여러 염에 대한 이온제거 순서는 $MgCl_2>MgSO_4>NaCl>Na_2SO_4$ 였다. 이러한 순서는 개발된 NFC 막이 양전하를 띄며, 도넌 배제 효과가 주요한 이온제거 원리로 작용하고 있다는 강력한 증거이다. HPEI-NFC 막의 성능은 100psi에서 35LMH의 투수량을 기록하였고, 2가의 이온 ($MgSO_4$) 에 대해서는 90%의 이온제거율 그리고 1가의 이온 (NaCl) 에 대해서는 75%의 이온제거율을 보여주었다.
