Synthesis and characterization of a graphene oxide/polybenzimidazole nanocomposite membrane for water treatment

Abstract

Various approaches have been developed chlorine resistant membrane because PA membrane, which is currently the most widely used desalination process, suffurs from poor resistance to continual exposure to oxidizing agent such as chlorine. In this work, we studied the prospect of graphene oxide (GO) / polybenzimidazole (PBI) nano-composite (NF) membranes for water purification. PBI was chosen mainly because of its excellent chemical stability and the membranes show high chlorine resistance compared to the conventional polyamide membranes. To enhance the water flux and the salt rejection, GO was introduced in the PBI membrane. The reverse osmosis process involved semi-permeable thin film composite membranes with a sodium chloride feed solution. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), contact angle, ζ potential, and water uptake were measured for membrane characterization. The composite membrane surface exhibit increased hydrophilicity and surface charge. Additionally, the membranes show increased water flux and a reduction in sodium chloride transport.

폴리아마이드 분리막은 제조단가가 낮고 분리막으로써 뛰어난 성능을 보여왔기 때문에 가장 보편적으로 수처리 공정을 진행하는데 사용되어져 왔으나, 화학적 안정성이 떨어져 염소이온 및 산화제에 쉽게 고분자 구조가 파괴되어 성능이 떨어지는 문제점을 보여왔다. 본 연구에서는, 기존 수처리 분리막의 단점을 극복하기 위해 폴리벤지미다졸을 합성하여 나노여과 수처리 분리막을 제조하였으며 폴리벤지미다졸 수처리 분리막이 현재 상용화 되어있는 폴리아마이드 역삼투 분리막 대비 뛰어난 화학적 안정성과 내염소성 특성을 보이는 것을 확인하였다. 폴리벤지미다졸 여과막의 낮은 투수율과 염제거율을 향상시키기 위해 산화그래핀을 폴리벤지미다졸 모재 내부에 분산시켜 복합막을 제조하는 실험을 추가로 진행하였으며 적외선 분광법 (FT-IR), X선 광전자 분광법 (XPS), 접촉각 측정, 제타전위측정 및 수분흡수율측정을 통하여 분리막의 조성 및 표면특성을 분석하였다. 산화그래핀을 첨가한 복합분리막의 표면전위와 친수성이 증가한 것을 확인하였으며, 투수율과 염제거율이 동시에 향상되는 것을 확인하였다.