Interpenetrating polymer network(IPN) membranes of hydrophilic polyurethane (PU) and hydrophobic polystyrene(PS), and cationic PU and anionic acrylic copolymer were prepared using the simultaneous polymerization method, and the pervaporation characteristics of ethanol-water mixture were analyzed.
The PU networks were prepared by reacting the PU prepolymer based on hexamethylene diisocyanate and a polyol mixture of poly(tetramethylene ether)glycol and N-methyl diethanol amine with triethanol amine (or trimethylol propane) as the crosslinking agent. Cationic charges were introduced in the PU network by quaternizing the tertiary amine in the PU backbone with benzylchloride. PS networks were prepared by crosslinking styrene monomer with divinylbenzene. The acrylic networks were prepared by crosslinking monomer mixture of methyl methacrylate and acrylic acid with ethyleneglycol dimethacrylate as the crosslinking agent. Neutralization was done by treating with aqueous NaOH solution to form the anionic network.
Preferential pervaporation of water and high permeation rate were observed in the IPN membranes. In the hydrophilic PU/hydrophobic PS membranes, as the content of PS was increased, the permeation rate decreased while the separation factor increased, indicating that the PS domains suppressed the swelling of the PU phase and reduced the plasticizing effect. The average diffusion coefficient, computed from the permeation rate and solubility, was found to be highly dependent on the viscosity and concentration of the permeant in the membrane.
The pervaporation behavior of cationic/anionic IPN membrane was explored with varying IPN composition and ion concentration in the membrane. The permeation rate of the membrane increased with increasing the cationic PU content when the water concentration in the feed was low, while it decreased when the water concentration was high. The separation factor increased as the content of the anionic component in the membrane increased. The permeation characteristics of the IPN membrane were dominated by the PU phase which formed the continuous phase and thus acted as the transporting phase in the IPN membrane. When the ionic concentration was varied in the membrane, the separation factor showed a maximum value.
It was also attempted to increase the hydrophilicity by using PEG as a polyol instead of PTMG in the polyurethane component. Comparing the results on the IPN membrane with PEG-based PU and that with PTMG-based PU, it was found that the former exhibited better performance over the latter. Moreover, the highest selectivity was observed for the IPN membrane with 10 wt.% of PU(E). This synergistic effect could be explained by the restriction in swelling due to the increase in physical crosslinking between networks. The morphologies of the IPN membranes were observed by means of the transmission electron microscopy, which agreed well with the pervaporation results.
The pervaporation process of binary mixtures was analyzed based on a solution-diffusion model, assuming that the diffusion coefficient of each permeant is an exponential function of the concentrations of the liquid components in the membrane. The coefficients of the model were determined by fitting the experimental data. The concentration profile and the diffusivity change in the membrane were estimated. Model simulations were also carried out to analyze various hypothetical cases.
친수성 폴리우레탄과 소수성 폴리스티렌을 조성분으로 하는 친수/소수성 IPN 막과 양이온성 폴리우레탄과 음이온성 아크릴 공중합체로 이루어진 양이온/음이온성 IPN 막을 제조하여 물-에탄올 혼합물에서의 투과증발 특성을 조사하였다.
폴리우레탄은 헥사메틸렌 디이소시아네이트와 N-메틸 디에탄올아민이 포함되어 있는 폴리올을 원료로 하여 제조한 후 3급 아민기를 갖고 있는 폴리우레탄 가교물을 벤질클로라이드로 4급화하여 폴리우레탄 내에 양이온기를 도입하였다. 폴리스티렌은 스티렌 단량체를 디비닐벤젠으로 가교시켜 제조하였다. 또한 아크릴계 공중합체는 메틸메타크릴레이트와 아크릴산 혼합물을 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트로 가교시킨 후 수산화나트륨으로 아크릴산을 중화하여 음이온기를 도입하였다.
IPN 분리막은 물-에탄올 혼합용액에서 물을 선택적으로 투과하였으며 높은 투과속도를 나타내었다. 친수/소수성 IPN 막 중의 소수성 폴리스티렌 함량이 증가함에 따라 투과속도는 감소하고 분리계수는 증가하여 폴리스티렌 domain이 폴리우레탄 상의 팽윤을 억제하여 가소화효과를 감소시켰음을 알 수 있었다. 투과속도와 투과물의 용해도로부터 구한 평균확산계수는 막에 흡수된 permeant의 농도와 점도에 크게 의존함을 알 수 있었다.
양이온/음이온성 IPN 막의 투과속도는 공급액 내의 물의 농도가 낮을 경우는 양이온성 폴리우레탄의 조성이 증가함에 따라 증가하였고, 물의 농도가 높을 경우는 반대로 감소하였다. 한편 분리계수는 IPN 중 음이온 조성분의 양이 증가함에 따라 증가하였다. IPN 막의 투과증발 결과로부터 연속상을 이루는 폴리우레탄 상이 IPN 막의 투과특성을 주로 좌우함을 발견할 수 있었다. 막 내의 이온농도를 변화시킴에 따라 선택도가 최대가 되는 이온농도가 존재함을 알 수 있었다.
폴리올로서 폴리에틸렌 글리콜을 사용하여 폴리우레탄의 친수성을 높인 결과 폴리옥시테트라메틸렌 글리콜로 부터 제조된 IPN 막과 비교하여 우수한 막 성능을 나타내었다. 또한 폴리우레탄 성분이 10 % 되는 IPN 조성에서 최대의 선택도가 발견되었다. 이러한 상승효과는 조성고분자 간의 얽힘 구조에 의한 물리적 가교밀도 증가에 기인한 것으로 생각된다. 투과 전자현미경으로 관찰한 IPN 막의 몰폴로지는 투과거동과 잘 일치하였다.
2 액 투과증발 공정에서 어떤 한 성분의 확산계수가 두 투과물 농도의 지수함수라는 모델을 근거로 하여 투과증발 공정을 해석하였다. 이 모델을 실험결과에 적용하여 모델식의 계수들을 구하였으며 막 내의 농도와 확산계수 분포를 계산하였다. 또한 콤퓨터 모사를 통하여 모델식의 계수들이 투과속도와 분리계수에 미치는 영향을 검토하였다.
