Pervaporation Separation of Isopropyl Alcohol –water Mixtures Using Poly (dimethyl siloxane) Membrane
Ji Seon Kim*, Choong Sub Lee**, Eun Hye Cho*, and Ji Won Rhim*,†
*Department of Chemical Engineering, Hannam University, Daejeon 305-811, Korea
**Airrane Co. Ltd, Daejeon 306-791, Korea
(Received April 19, 2013, Revised June 19, 2013, Accepted June 24, 2013)
요 약: PDMS 단일 막을 이용한 투과증발공정을 통해 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol, IPA)―물계에 대한 분리특성 을 알아보았다. RTV-655 주재와 가교제의 비율을 9:1과 10:1로 달리하고 반응온도를 40, 60, 80°C로 변화하여 경화시켰다.
이렇게 제조된 막을 이용하여 특성평가를 위해 물/IPA 혼합액에 대한 투과증발 실험을 수행하였다. 공급액의 조성은 85 wt%
IPA 수용액을 사용하였으며, 온도는 25, 35, 45, 55°C로 변화시켰다. 공급액의 변화와 반응온도의 조건변화에 따른 투과도 및 IPA 농축농도를 측정하였는데, 투과도는 9:1 비율, 공급액 온도 55°C일 때 148
⋅, 선택도는 10:1 비율, 공급액 온도 55°C일 때 17%로 가장 높은 값을 얻을 수 있었다.
Abstract: In this study, the pervaporation separation characteristics were investigated for the iso-propyl alcohol (IPA)- water system using PDMS dense membranes. The ratio, 9:1 and 10:1, of the basic material based on RTV-655 and cross- linking agent were used to prepare dense membranes at the reaction temperatures, 40, 60, and 80°C. And these resulting membranes were characterized by pervaporation technique in terms of permeabilities and separation factors for the feed composition of IPA 85 wt% at the operating temperatures, 25, 35, 45, and 55°C. Typical results of permeabilities 148
⋅
at 55°C for 9:1 membrane and the selectivity 17 at 55°C for 10:1 membrane were obtained, respectively.
Keywords: pervaporation, Poly(dimethyl siloxane), PDMS, Isopropyl alcohol(IPA)
1. 서 론
1)
막 분리법은 다른 공정들에 비해 역사가 길지 않지만 경제성이나 효율성 측면에서 발전 가능성이 무궁무진 하여 상당한 관심을 끌고 있다. 또한 막의 화학적 특성 과 구조적특성을 변화시킴으로써 고분자의 변형을 꾀 하는 연구 또한 진행되고 있다[1-3].
다양한 분리공정법 중에서도 투과증발은 분리하고자 하는 대상의 물질을 각 성분에 대해 비 다공성 선택투
†교신저자(e-mail: [email protected])
과막을 이용하면서 투과 측에서는 감압에 따른 증기 상 으로의 전환과 응축을 통해 한 성분을 액상의 혼합물에 서 분리하는 공정이다[4]. 이 공정은 공비점을 형성하는 혼합액에서 유기 수용액으로부터 탈수 및 유기물 제거 공정과 유기-유기 혼합액의 분리공정 형태로 이용혼합 액의 분리에 적합하다. 따라서 에너지 효율적인 면에서 현재 많은 연구가 이루어지고 있다[5-9].
Volatile Organic Compounds (VOC) 처리기술은 흡
수, 소각(열 산화, 촉매산화), 흡착 응축 등에 기존 기술
이 존재하며 분리막, bio-필터, 자외선 산화, 플라즈마
등의 하이브리드 기술이 존재하는데 이 중 분리막 기술
Fig. 1. Crosslinking reaction mechanism of PDMS.
은 scale-up 또는 scale-down이 용이하고 저렴한 설치비 와 운영비를 이점으로 가지고 있어 경제적으로 유리하 다. 하지만 무엇보다도 2차 오염물질을 배출하지 않으 며 에너지 소비율도 낮다는 장점이 있다[10-13]. 또한, 분리막 공정은 혼합액에서 VOC를 선택적으로 분리하 는데 성능이 뛰어나고 다른 공정들과 통합하여 사용함 에 따라 향상된 분리성능을 가질 수 있다. 그리고 방류 와 같이 VOC를 희석하여 소극적 방법으로 처리하는 것 보다는 재활용 가능한 형태로 만들어 부가가치를 만 들어 내기 때문에 기존 분리공정과 비교해보면 에너지 절감효과를 가진다[14,15].
대부분의 고무상 고분자들은 주사슬로 C-C, Si-O, 혹 은 C-O와 같은 결합을 지니고 있다. 이 때문에 주사슬 은 유연성(Flexibility)이 좋은 구조로 되어있다. 이 고분 자는 결정성이 생기지 않는 구조로 되어있는데 이는 Side 그룹에 부피가 커 주사슬에 유연성을 떨어트리는 그룹을 포함하지 않고 적당한 크기의 Side 그룹을 지니 고 있어서 주사슬의 규칙성을 깨기 때문이다.
또한 대부분의 고무상의 고분자들은 소수성을 지니 는데 이와 같은 현상을 띄는 이유는 분자 간의 인력을 강하게 하는 수소결합이나 Dipole-dipole 인력이 생기지 않는 구조로 되어 있기 때문이다.
이러한 특성으로 인해서 일반적으로 고무상 고분자
들은 물보다는 유기용매들을 선택적으로 더 잘 흡수하 고, 고분자 내의 큰 Free volume을 가지고 있으므로 상 대적으로 높은 투과성을 나타낸다. 따라서 고무상 고분 자는 물에서 유기용해를 제거하기에 적당한 분리막 재 료이다.
고무상 고분자에 연구는 아직은 다른 고분자들에 비해 서 폭넓게 이루어지지 않았지만 대표적으로 NBR, SBR, Poly (dimethylsiloxane)(PDMS) 등이 있다[16,17].
낮은 유리전이온도와 표면에너지를 가진 PDMS는 가 수투과성와 열적안정성이 높을 뿐만 아니라 산화안정 성, 탄성거동, 윤활성 또한 높은 성질을 가진다[18,19].
이번 연구에 사용한 제품은 이액형으로 Fig. 1에서 보는 것과 같이 주재는 비닐그룹을 말단기로 가지고 있 고, 경화제는 활성 수소기를 가지고 있다. 가교반응은 경화재의 활성화 수소말단이 주재의 비닐그룹을 공격 하는 부가 반응(Hydrosillylation)에 의해 이루어진다[20].
이에 본 연구에서는 IPA 수용액으로부터 IPA를 선택
적으로 분리할 수 있는 PDMS 고분자막을 제조하여 투
과증발 실험을 수행하였다. 이번 투과증발 실험을 통해
주재, 경화제의 혼합비율과 반응온도, 공급액 온도변화
에 따른 투과도와 IPA 선택도를 알아보았다.
a: feed tank d: membrane cell b: temperature controlling system e: cold trap
c: feed pump f: vacuum pump
