Plasma graft-polymerized membranes which have functional groups, such as sulfonic acid or carboxlyic acid were prepared to investigate the pervaporation characteristics of aqueous ethanol solution.
Membranes of poly(styrenesulfonic acid) which permeate water selectively from water-ethanol mixture were prepared by plasma graft-polymerization of styrene on to porous poly(vinylidene fluoride)(PVDF) films, by sulfonation of the grafted membranes, and by ionization of the sulfonated membranes, respectively. The permselectivities of the grafted(g-PS), sulfonated(g-PSS) and sodium salt form of sulfonated(g-$PSS^{-}Na^{+}$) membranes were investigated in view of the feed composition of water-ethanol mixture, the grafted amount of polystyrene and the morphology of substrate membrane used. It was found that the permselectivity increased with the ethanol concentration in feed, that the grafted amount should be controlled for the optimum separation of water and that the membranes of sponge-like pore are more resistive to 'swelling effect' than those of finger-like pore. But membranes of sponge-like pore show lower permeation rate than those of finger-like pore, which resulted in lower pervaporation performances. The g-$PSS^{-}Na^{+}$ membrane with grafted amount of poly(styrene) of 0.14 mg/㎠ was found to have high permeation rate of 6.6 kg/㎡hr, and good separation factor of 21 for the pervaporation of ca. 60 wt. % aqueous ethanol solution at 50℃.
Membranes of poly(acrylic acid) which permeate water selectively from water/ethanol mixture were prepared by plasma graft-polymerization of acrylic acid(AA) on to porous poly(vinylidene fluoride) films. The pervaporation characteristics of the prepared membranes were investigated in view of the grafted amount of poly(acrylic acid), the feed composition, and the incorporation of different counter-ions. The Na salt form of the AA grafted membrane with grafted amount of 2.26 mg/㎠ was found to have high permeation rate of 4.9 kg/㎡hr, and large separation factor of 43 for the pervaporation of ca. 80 wt. % aqueous ethanol solution at 40℃.
플라즈마 그래프트 중합법을 이용하여 황산기나 카르복실산기로 구성된 기능성 고분자 치밀층이 다공성 기질막위에 공유결합의 형태로 덮인 복합막을 제조하고, 이 막을 통한 에탄올 수용액의 투과증발분리를 연구하였다.
다공성 PVDF[poly(vinylidene fluoride)] 기질막의 표면을 플라즈마처리하여 표면에 라디칼을 생성시키고, 여기에 스티렌을 그래프트 중합시켜 다공성막의 표면위에 폴리스티렌 치밀층이 덮인 복합막을 제조하였다. 소수성인 폴리스티렌을 황산화처리하여 친수성으로 개질된 막을 얻었다. 이 막을 다시 알칼리금속인 나트륨염으로 처리하여 이온교환막을 제조하였다. 제조된 폴리스티렌막(g-PS), 황산화처리된 폴리스티렌막(g-PSS) 그리고 황산화되고 이온교환된 폴리스티렌막 ($g-PSS^{-}Na^{+}$) 각각을 통한 에탄올 수용액의 투과증발을 수행하였다. 제조된 막 모두는 소수성, 친수성의 특성을 가리지 않고 물을 선택적으로 투과시켰다. 공정변수로서 공급액의 조성, 폴리스티렌의 그래프팅양 (GA, grafted amount) 그리고 기질막의 구조를 변화시켰을때의 투과증발특성을 조사하였다. 물에 대한 선택도는 공급액의 에탄올 조성이 증가 할 수록 증가하였으며, 최적의 선택도를 위해서는 폴리스티렌의 그래프팅양을 적당히 조절해야 함을 알았다. 또한 sponge-like pore를 가지는 기질막이 finger-like pore 를 가지는 기질막보다 막의 팽윤현상에 저항하여, water-rich한 공급액의 투과증발에 더 높은 선택도를 보임을 알았다. 그러나 투과도는 finger-like pore를 가지는 막보다 훨씬 작아서 전체적인 투과증발 성능은 finger-like pore를 가지는 막이 보다 높았다. 에탄올의 조성이 60 wt. \%인 공급액을 GA가 0.14 mg/㎠ 인 $g-PSS^{-}Na^{+}$ 막을 이용하여 50℃에서 투과증발한 결과 투과속도가 6.6 kg/㎡hr 이고 선택도가 21 인 우수한 막이 제조되었음을 확인 할 수 있었다.
공성 PVDF 기질막에 poly(acrylic acid)(PAA)를 플라즈마 그래프트 중합시킨 고분자막(g-PAA)을 제조하였다. 이 막을 다시 알칼리 금속과 알칼리 토금속 계열인 Na 이온, K 이온, Mg 이온 또는 Ba 이온수용액으로 처리해서 이온교환막으로 개질하였다. 각각의 g-PAA 막, $g-PAA^{-}Na^{+}$막, $g-PAA^{-}K^{+}$막, $g-(PAA)_2Mg^{2+}$막 또는 $g-(PAA)_2Ba^{2+}$막을 통한 에탄올 수용액의 투과증발 을 수행하였다. 제조된 막 모두 친수성의 성질을 보였으며, 물을 선택적으로 투과시켰다. 공급액중 물의 조성이 적을 때 가장 높은 선택도를 보였으며, 물의 양이 증가할수록 막의 팽윤현상이 일어나 선택도를 크게 감소시켰다. Water-rich한 공급액에 대해서는 (Ba+Na) 염으로 이온교환된 막이 가장 높은 선택도를 보였으며, ethanol-rich한 공급액에 대해서는 $g-PAA^{-}Na^{+}$막이 가장 우수한 투과 증발성능을 보임을 알았다. 에탄올의 조성이 80 wt. %인 공급액을 GA 가 2.26 mg/㎠인 $g-PAA^{-}Na^{+}$막을 이용하여 40℃에서 투과증발한 결과 투과속도가 4.9kg/㎡hr이고 선택도가 43 인 우수한 막이 제조되었음을 확인 할 수 있었다.
