The pervaporation behavior of EtOH/water mixture through IPN membranes was predicted in this study. The pervaporation characteristics of single polymer membrane were modeled according to the "six-coefficients model" proposed by Brun [1]. In the case of the IPN membrane, two models were proposed according to the phase structure of the IPN[2]. For a uniphase membrane with no phase separation, the compositional average of the single polymer membrane was used. In the case of the phase separated IPNs, two cases existed. The first was the island and sea model : in which one phase was continuous and the other was dispersed. The second was the co-continuous model where two continuous phases existed. For these cases, the permeation rate and the separation factor of the IPN membrane were calculated using the experimental sorption data and the component polymer properties. Comparison with the experimental data indicated that these models could be used to predict the performances of IPN membranes depending on the morphology of the IPN.
Poly(styrene-co-acrylonitrile)/anionic poly (acrylic acid) (SAN/(anionic PAA)) IPN and (porous SAN)/(anionic PAA) membranes were prepared using the sequential polymerization method, and the pervaporation characteristics of ethanol/water mixtures and morphology were studied. Anionic charge was introduced in the PAA network by treating with aqueous NaOH solution. Preferential pervaporation of water and high permeation rate were observed in these IPN membranes. The permeation rate showed a maximum at pure water and decreased continuously with increasing ethanol concentration in the feed. In the case of the SAN/(anionic PAA) IPN membranes, the separation factor showed a maximum at around 30wt% ethanol in the feed. The permeation characteristics of the IPN membrane were dominated by the anionic poly (acrylic acid) phase which was more hydrophilic than SAN, formed the continuous phase and acted as the transporting phase in the IPN membrane. In the case of (porous SAN)/(anionic PAA) IPN membranes, the porous SAN phase formed the continuous phase and the anionic PAA filled the pores in SAN. In this case, permeants pass through the pores filled with anionic PAA in the SAN network, and the SAN network suppressed the swelling of the anionic PAA domain effectively when the water concentration was high.
The pervaporation process was modeled using the continuous stirred tank type module and the continuous channel type module. The performance of the continuous channel type module was better than that of the continuous stirred tank type module. For the continuous channel type module, the concentration polarization was a very serious problem to decrease the efficiency of the process. The increase in permeation rate increased the concentration polarization, but the separation factor had small influence on the concentration polarization. The objective function was defined as the multiplication of output flow rate of ethanol and the square of ethanol fraction in the feed. It was observed that the optimum permeation rate to give a maximum objective function at constant separation factor did exist, but the objective function increased with increased separation factor continuously at constant permeation rate. The shift of the optimum permeation rate to lower values was observed with increasing the ethanol concentration in the feed.
IPN 막을 사용한 물/에탄올 투과증발 공정을 수치모사하였다. 단성분막의 경우 어떤 한 성분의 확산계수가 두 투과물 농도의 지수함수라는 Burn 모델을 실험결과에 적용하여 모델식의 계수를 구하였다. 이 단성분막의 계수를 이용하여 IPN 막의 투과특성을 막의 구조에 따라 달리 구하였다. 우선 상분리가 일어난 IPN의 경우, 한 성분이 연속상 다른 성분이 분산상, 두 성분 모두 연속상인 두가지로 나누어 계산하였다. 균일상 IPN의 경우는 각 성분의 계수를 조성평균하여 계산하였다. 이 모델을 이용하여 막 내의 농도구배와 확산계수도 구하였다.
SAN/(음이온성 PAA) 막과 (다공성 SAN)/(음이온성 PAA)를 제조하여 투과증발 특성을 조사하였다. 각 막은 단계중합으로 제조하였으며 NaOH 1% 수용액으로 음이온을 도입하였다. 이 막은 물을 선택적으로 투과하였으며 높은 투과율을 보였는데 투과율은 공급액이 순수한 물일 때가 가장 컸고 공급액의 알코올농도가 커지면 점차 작아졌다. SAN중 AN의 함량이 작을 때는 AA에 팽윤이 많이 되어 PAA의 함량이 큰 IPN막이 제조되었고 SAN은 분산상, PAA는 연속상을 이루었다. SAN 중 AN의 함량이 40%로 높아지면 IPN의 PAA의 함량이 낮아지고 각 성분이 어느 정도 연속상을 보이며 domain이 아주 작아졌다. (다공성 SAN)/(음이온성 PAA) IPN 막의 경우, 투과전자현미경 사진으로 관찰된 막의 구조는 SAN 중의 공극을 PAA가 메우고 있는 모습을 보였으며 PAA의 함량이 커지면 상의 크기도 커졌다. 투과율은 공급액의 알코올 농도가 높아질수록 작아졌으며 선택도는 약 70%에서 최대값을 보였다.
연속혼합식 투과증발 모듈과 연속채널흐름식 투과증발 모듈을 사용하여 투과증발 공정을 수치모사하였는데, 연속채널흐름식 투과증발 모듈의 성능이 연속혼합식 투과증발 모듈보다 우수하였다. 연속채널흐름식 투과증발 모듈의 경우 투과율, 선택도, 모듈의 크기 등에 따라 농도분극이 달라졌으며 투과율이 가장 중요한 영향을 미쳤다. 투과증발효율을 수치화하기 위해 목적함수를 생산되는 에탄올 농도의 제곱과 에탄올 생산량의 곱으로 정의하였으며, 목적함수는 투과율에 따라 최대값을 갖고 선택도에 따라서는 계속 증가하였다. 또한 이 최대값은 공급액의 농도가 높아질수록 낮은 투과율 쪽으로 이동하였다. 큰 목적함수를 갖는 막을 공급액 농도에 따라 선택하여 다단식 투과증발기를 구상하여 계산한 결과, 20%의 공급액을 97.8% 까지 농축할 수 있었다.
