Recently, oil/water separation has been growing widely in the spotlight because of frequent oil-spill accidents in recent years that are considered as disasters could threaten environment we live in. What is worse, it requires high cost to refine industrial oily wastewater. Therefore, it is in great need to research oil/water separation techniques to preserve the environment at low cost. Membrane-based methods are easy to scale-up and energy-efficient. In addition, they provide consistent permeate quality with high selectivity and efficiency because they can be readily used to separate continuous mixture streams. In this perspective, we present the highly-efficient oil/water separation membrane which is coated with the underwater oleophobic copolymer. The ionic cross-linked poly (4-vinyl benzyl chloride-co-2-(dimethyl amino) ethyl methacrylate) (p (VBC-co-DMAEMA)) was deposited onto stainless steel meshes via initial chemical vapor deposition (iCVD) process. The monomer DMAEMA and VBC were selected as co-monomers to render the water absorbing ability and ability to keep water layer to block oils not to pass through the membrane. Due to the formation of ionic cross-linking between amine group and halocarbon, durability and solvent resistivity were guaranteed. Using the p (VBC-co-DMAEMA) coated membrane, we obtained high flux over $230,000 L/m^2h$ and high separation efficiency up to 99.8%. Furthermore, high solvent resistivity which is important factor for a recycling of a membrane was achieved. The membrane we presented here can be applied for the surface modification of chemically stable and large scale oil/water separation membrane.
물/기름 분리는 해양에서 빈번한 기름유출 사고, 꾸준히 증가하고 있는 산업 폐수 등에 의해 그 필요성이 대두되어 온 분야이다. 이에 따라 많은 종류의 물/기름 분리 기술이 꾸준히 발전해 왔다. 그러나 대부분의 연구에서 사용한 분리 방법은 물/기름 혼합물에 대한 낮은 선택성, 낮은 화학적 내구성으로 인해 재사용이 어려운 점 등의 한계를 보인다. 이러한 한계점들은 개시제를 이용한 화학 기상 증착법 (initiated chemical vapor deposition, iCVD)에 의한 분리막 제조로 개선이 가능하다.
본 연구에서는 개시제를 이용한 화학 기상 증착법을 이용해 이온 가교된 공중합체를 합성하였고, 이 공중합체를 물/기름 분리막 제조에 응용하였다. 이온 가교된 공중합체를 합성하기 위해서 아민 작용기를 가지는 2-(dimethyl amino) ethyl methacrylate (DMAEMA) 와 할로카본을 가지는 4-vinyl benzyl chloride (VBC) 를 단량체로 사용하였다. 아민 작용기와 할로 카본은 반응하여 사차 암모늄 화합물을 생성하는 것으로 알려져 있어, 이온 가교를 만들기에 적합하기 때문에 위와 같은 단량체들이 선정되었다. iCVD 공정은 표면 개질에 많이 사용되는 공정 중의 하나로, 기판의 표면에 원하는 화학적 성질을 부여하면서도 코팅되는 박막의 세밀한 두께 조절이 가능하여 높은 투과도를 가져야 하는 물/기름 분리막에 사용되기에 적합하다. 또한, 증착과 동시에 가교가 이루어져 한 번의 과정만으로도 분리막 제조가 가능해 경제성이 뛰어나다. 본 연구에서는 이온성 가교를 가지는 공중합체를 스테인레스 스틸 메쉬에 증착하여 물/기름 분리막을 제조하였다. FT-IR과 XPS 분석을 통해 공중합체가 일정 비율로 합성되었음을 확인하였고, 이온성 가교가 합성과 동시에 이루어졌음도 확인하였다. SEM 결과를 통해 증착 공정으로 표면이 고른 균일한 코팅이 이루어졌음을 확인했으며, 공정 이후에 분리막의 형태나 구조에 변화가 없음을 확인했다. AFM 결과를 통해 거시적뿐만 아니라 미시적으로도 표면 거칠기가 균일한 코팅이 이루어졌다는 사실을 확인했다. 합성한 공중합체의 흡습성을 알아보기 위해 FT-IR로 흡수하는 물의 양을 상대적으로 비교하였으며, 수중에서 기름에 대한 접촉각을 측정함으로써 물/기름 분리막에의 응용 가능성을 확인했다. iCVD 공정을 이용해 합성한 공중합체를 이용하여 분리막을 제작하여 실제로 물/기름 분리에 적용해보았으며, 여러 가지 종류의 물/기름 혼합물에 대하여 물만 통과시키는 분리 성능을 보였다. 제조한 분리막은 높은 선택성, 투과도, 화학적 내구성을 가져 우수한 분리막 응용 가능성을 확인할 수 있었다.
