수처리용 세라믹 기반 그래핀 맴브레인의 합성 및 물질이동특성

• Published in: Daehan hwan'gyeong gonghag hoeji Vol. 37; no. 11; pp. 649 - 655
• Main Authors: 김창민(Chang Min Kim), 박기범(Ki Bum Park), 김광수(Kwang Soo Kim), 김인수(In S. Kim)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한환경공학회 2015
• Subjects: 환경공학; 물질 이동; Ceramic-based Graphene Membrane; Mass Transport Behavior; CbGM; 세라믹 기반 그래핀 막; 수처리; Water Treatment
• ISSN: 1225-5025; 2383-7810
• DOI: 10.4491/KSEE.2015.37.11.649

As a novel water treatment membrane, concept of ceramic-based graphene membrane (CbGM) was suggested, and its mass transport behavior was investigated. The selectivity of CbGM was given by graphene material which is consisting of active layer, only transmitting water, but rejecting salts. Filtration-assisted assembly methods was employed as a facile method to fabricate CbGM. Surface morphology and characteristics of CbGM were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and contact angle. In addition, three different kinds of solutes (i.e., NaCl, $MgCl_2$, $Na_2SO_4$) were tested in batch forward osmosis system to confirm the mass transport behavior. Through surface morphology analysis and mass transport behavior, it was revealed that interlocking between graphene layers is very important, rather than thickness of laminated graphene layers, in terms of selectivity to CbGM. All the anions in each solute showed faster transport than those of cations. In addition, solutes which have high ion valence charge ratio of anion to cation ($Z^-/Z^+$) was easier to be passed through CbGM. It indirectly implied that the surface charge of CbGM appear to be positive. In addition, It showed that surface charge of CbGM has a great role on mass transport, in particular, transport of matter having charges, generally ions. 본 연구에서는 막 기반 수처리 기술의 핵심인 막 성능 및 특성을 혁신적으로 개선시키기 위한 새로운 형태의 막으로서 그래핀과 세라믹을 결합하는 세라믹 기반 그래핀 막(Ceramic-based graphene membrane (CbGM))을 만들고, 막에서 일어나는 물질 이동 특성을 파악하였다. 수투과 및 염 제거의 역할을 하는 활성층으로서 그래핀이 사용되었으며, 간단한 Filtration-assisted assembly (FAA) 방법을 도입하여 막을 합성하였다. 합성한 막의 표면 형태 및 특성 분석을 위해 주사전자 현미경 및 접촉각을 분석하였으며, 막 성능 및 특성 파악을 위해 3가지 용질(i.e., NaCl, $MgCl_2$, $Na_2SO_4$)을 회분식 정삼투 시스템에서 용질 이동을 측정하였다. 표면 형태 특성 분석과 물질 이동 결과를 통해, 그래핀 층의 두께 보다는, 활성층을 구성하는 그래핀 조각들 사이의 교합(Interlocking)이 막에 선택성 부여함에 있어서 가장 중요함을 확인하였다. 또한, 농도차를 구동력으로 하는 막 공정에 CbGM을 적용하였을 때, 수중의 음이온과 양이온의 최외각 전하비($Z^-/Z^+$)값이 증가할수록 용질 이동이 비례적으로 촉진되었으므로, CbGM의 표면이 양으로 하전되어 있으며, 이것이 전하된 물질의 이동에 매우 큰 영향을 끼친다는 것을 확인하였다.