Antifouling characteristics of reverse osmosis membrane modified with zwitterion polymer

Abstract

최근 들어 폴리아미드 분리막을 이용한 해수탈염공정이 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 탈염 공정 시 유입수 내에 존재하는 유기물들은 심각한 분리막의 오염을 야기하며 공정의 경쟁력을 크게 떨어뜨린다. 따라서 내오염성 분리막의 개발은 연구자들 사이의 큰 관심사 중 하나이다. 그러나 해수담수화 공정에서 효과적인 내오염성 분리막은 아직까지 학계에 발표된 바 없다. 이 논문에서는 분리막의 내오염성을 증진시키기 위하여 다양한 재료들이 막표면 개질에 이용되었다. 서로 다른 타입의 코팅제 – 양친성 고분자 형태의 폴리에틸렌 글리콜 유도체, 양쪽성 고분자 전해질 형태의 폴리에틸렌 이민 유도체 - 들의 내오염성이 기수와 해수 조건에서 비교 분석 되었다. 스타이렌과 폴리에틸렌 글리콜 아크릴레이트의 불규칙 공중합체와 하이드록시 폴리옥시에틸렌 메타아크릴레이트의 단일중합체는 전통적인 자유라디칼 중합법으로 합성되었으며, 합성 후 분리막 표면개질에 이용되었다. 폴리에틸렌 글리콜 과 아세트산화물 형태의 폴리에틸렌 이민 유도체들은 분리막 표면에서 단계적으로 중합되었다. 개질 후 코팅층의 분리막 표면 도입여부는 기기분석 통하여 이뤄졌다. 분리막 개질 전•후의 표면특성 변화는 푸리에 변환 적외선 분광학, 원자력 현미경, 제타 전위, 수분접촉각 분석을 통해 살펴보았다. 개질된 분리막들의 내오염성은 소혈청 알부민과 알지네이트를 오염원으로 하여 교차흐름 방식으로 평가되었다. 폴리에틸렌 글리콜 계통의 고분자 코팅층은 기수 조건에서 뛰어난 내오염성을 보여주었지만 해수 조건에서는 그 효과가 나타나지 않았다. 반면 폴리에틸렌 이민 유도체로 개질된 분리막들은 해수 조건에서 우수한 내오염성을 보였다. 이는 입체적 방해 효과와 오염원과 반응 가능한 관능기가 보호된 결과로 분석된다. 특히 폴리에틸렌 이민 아세트 산화물 유도체는 다른 코팅제들 보다 낮은 수력학적 저항을 나타내었으며, 그 결과 개질된 분리막은 평가과정 동안 가장 우수한 성능을 보여주었다.

Recently, membrane desalination process using polyamide seawater reverse osmosis (SWRO) has been attracting great interest. Natural organic materials in the filtration medium can cause severe membrane fouling problem, making the system less competitive. Therefore, developing a fouling resistant membrane has been one of main concerns of membrane researchers. However, effective antifouling membrane specialized for sea water desalination has not been reported until present. In this study, SWRO membranes were modified with various surface coating materials to improve antifouling property. Two different types of antifouling coating layers have been investigated: polyethylene glycol (PEG) based hydrophilic coating layer and polyethyleneimine (PEI) based zwitterionic coating layer. Amphiphilic polymers, a random copolymer of styrene/polyethylene glycol acrylate and a homopolymer of hydroxyl polyoxyethylene methacrylate (HPOEM) were synthesized via traditional free radical polymerization and coated on the membrane surface. Pegylated and carboxylated derivatives (PEI-PEG and PEI-BAA, respectively) of PEI were introduced on membrane surface via sequential in situ synthesis. The surface property changes after modification and the successful formation of coating layers were investigated and confirmed using various instrumental analyses such as Fourier transform-infrared spectroscopy, atomic force microscopy, zeta– potential measurement, and sessile drop water contact angle measurement. The performances of the modified membranes were evaluated in cross-flow filtration mode with model foulants (Bovine serum albumin and alginate). The time dependant flux and normalized flux were observed to evaluate the antifouling propensity of each membrane. Difference in fouling behavior of membranes in brackish and sea water was investigated using alginate fouling solution. In sea water desalination condition, PEI based coating layer showed effective antifouling behavior compared to conventional PEG based coating layer, as a results of the steric effect, protection of possible binding site for foulants. Especially due to the low hydrauric-resistance property, PEI-BAA coated membrane outperformed other membranes through the whole period of fouling experiment. Both total and irreversible fouling resistances were remarkably improved with PEI-BAA coating layer.