경희대학교 화학공학과 기능성재료연구실(Specialty Material Lab.)
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경희대학교 화학공학과 기능성재료연구실은 이용택 교수님의 지도 아래 1992년 설립되어 연구에 매진하고 있습니다. 저희 연구실은 크게 membrane 제조와 이를 응용한 process 그리고 연료전지에 대하여 연구하고 있습니다. Membrane 제조에서는 polysulfone 재질의 한외여과(Ultra Filtration) 막과 polyamide 재질의 해수담수용 역삼투(RO, Reverse Osmosis)막의 합성 및 고기능성(내염소성, 내오염성)을 부여하기 위한 TFC(Thin Film Composite) membrane의 표면개질에 관하여 연구중입니다. 또한, 향 농축등에 쓰일 수 있는 Pervaporation용 분리막으로 PVDF 직접 제조하여 이를 지지층으로 하고 활성층을 PDMS 혹은 POMS로한 복합막의 제조에 관하여 연구 중에 있습니다. Membrane process에서는 막의 여과 및 이동현상, 고도정수 처리, 세라믹 농축 공정, 정삼투(FO, Forward Osmosis)와 막증류법(MD, Membrane Distillation)을 연계한 수처리 공정, PVDF 중공사막 연신을 통한 막의 기능성 향상등에 관하여 연구를 진행하고 있습니다. 연료전지에서는 고농도 수소를 제조하기 위한 졸-겔법을 이용한 세라믹 막의 제조 및 코팅, Cell의 조립방법에 따른 연료전지의 성능변화 및 MEA의 제조에 관하여 연구를 진행하고 있습니다.
지도교수 이용택
| 1981 | B.S. | Kyung Hee University |
| 1983 | M.S | Kyung Hee University |
| 1988 | Doctor of Engineering, The University of Tokyo (Synthetic Chemistry). | |
| 1990?1992 | Korea Academy of Industrial Technology, Assistant Professor | |
| 1992-present | Kyung Hee University, School of Environment and Applied Chemistry, Professor |
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| 1999-2000 | The University of New South Wales, School of Chemical Engineering, Visiting Fellow |
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막이란 두 개의 삼차원 균일상을 분리시키고 있는 상(phase)으로 상의 물리화학적 성질에 의해 물질 및 에너지의 교환 속도가 좌우되는 제3의 상을 말하며 이동하는 유체에 집중된 저항을 가하며 이 저항은 물질에 선택적으로 다르게 작용하므로 이동속도의 차이에 따라 두 상의 분리가 일어난다. 이러한 막분리 공정은 분리하고자 하는 물질의 크기, 형상, 분자량, 그리고 극성 등의 물리/화학적 특성들과 함께 분리공정의 조업 조건(온도, 압력 및 화학적/생물학적 환경)에 따라 활용할 수 있는 공정과 종류가 달라지게 됩니다.1. 기능성 한외여과막 (UF, Ultrafiltration) 제조
고분자량의 유기물이나 각종 바이러스, 박테리아를 제거할 수 있는 한외여과막은 상/하수 처리 및 담수와 하수 재이용의 전처리에 많이 사용되어 지고 있습니다. 한외여과막은 Polysulfone ( PSf )이나 Polyvinylidene fluoride( PVDF )재질로 제조 되어집니다. 본 연구실에서는 기존 고분자 물질에 CNT, MOFs와 같은 nanoparticles을 첨가하여 막의 친수성을 증가시켜 상용막보다 투과 성능, 내오염성이 향상된 막을 제조하기 위한 연구를 진행하고 있습니다.
2. 역삼투막 제조 (RO, Reverse Osmosis)
전세계적인 인구증가와 산업의 발달 및 오염의 확산으로 세계의 거의 모든 국가들이 물부족을 겪게될것으로 예상되어지며, 수자원 확보에 대한 중요성이 대두되어지고 있습니다. 따라서 지구상의 물 중 97%이상을 차지하고 있는 해수를 수자원으로써 활용하는 방안으로써의 해수담수화는 해수를 수자원으로 활용할수 있는 기술로써 관심의 대상이 되어왔으며, 많은 연구가 이루어져 왔습니다. 해수담수화중 가장 대표적인 기술이 역삼투법인데, 역삼투란 삼투현상과 반대되는 개념으로 삼투압이상의 압력을 고농도 용액에 가하여 자연흐름에 반대되는 용매 흐름을 얻어내는 것으로 이 때 사용하는 반투과성 여과막이 역삼투(RO, Reverse Osmosis) 분리막 입니다. 역삼투막은 Polyamide막이 가장 널리쓰이고 있으며, 이는 높은 배제율과 투과유량을 가지고 있을 뿐만 아니라 열안정성이 뛰어나 적용범위가 넓으며 내산성 및 내화학성을 지니고 있어 세정에도 용이하다는 장점을 가지고 있습니다. 역삼투막은 해수를 담수화하는데 주로 사용 되어 지고 있으며 초순수의 제조, 폐수처리등에 사용되고 있습니다. 역삼투막을 이용한 수처리 기술은 분리 효율 및 경제성이 우수하여 그 적용범위가 확대되고 있습니다.
2.1 기능성 역삼투막 제조
최근 염배제율이 99.9%이상을 나타내는 역삼투 상용막이 개발되었지만, 이는 수투과율이 낮아 분리효율이 떨어진다는 단점을 가지고 있습니다. 따라서 본 연구실에서는 상용막과 같은 염배제율을 유지하면서 수투과율을 높이기 위하여 역삼투막의 지지체와 활성층에 다양한 nanoparticles을 첨가하여 역삼투막의 분리성능을 향상시키는 연구를 진행하고 있습니다.
2.2 표면개질을 통한 TFC membrane의 기능성 향상
Polyamide 역삼투막은 기계적 강도 및 분리 선택성이 우수하지만 활성층이 방향족 amide 가교결합으로 이루어져 있어 염소나 오존에 의한 살균소독시 polyamide 결합이 분해되는 단점이 있습니다. 또한 원수속의 오염물질에 의해 막표면이 적층되어 수투과율이 떨어진다는 단점이 있습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 역삼투막 표면에 실란커플링제, amide등을 이용하여 화학적인 표면개질을 하여 수투과율 및 염배제율은 유지하면서 내염소성 및 내오염성을 향상시키는 연구를 진행하고 있습니다.
3. 다성분계 알코올 혼합용액에서 부탄올 선택적 분리를 위한 투과증발막 제조
본 연구에서는 지지체와 활성층의 특성에 따른 투과 특성을 알아보기 위해 지지체의 구조와 활성층의 표면 구조가 다양한 복합막을 제조하고 이를 투과증발 공정에 적용하여 생물발효공정으로 제조되어진 ABE(aceton-butanol-ethanol) 다성분계 혼합 알코올용액에서의 각 알코올 별 투과 특성을 알아보고 다성분계의 알코올 가운데 부탄올을 선택적으로 고순도 농축 시키는데 주요 목적을 가지고 있습니다.또한 투과증발 공정 조건에 따른 다성분계 혼합 알코올용액의 분리에 미치는 영향을 알아보아 부탄올 분리에 최적의 공정조건을 수립하고 투과증발 시 분리막 표면에서의 일어나는 투과 물질과 막의 상호 작용과 다성분계의 혼합액에서의 각각 분자간의 상호 작용에 대해 알아보아 막 표면에서의 투과 메커니즘과 최적을 분리막을 제조에 관한 연구를 수행하고 있습니다.
4. 기체 분리용 세라믹 막
세라믹 막은 상용화 된 유기/무기질 분리 막에 비해 매우 광범위한 조건에서 장시간 이용이 가능한 특성을 가지기 때문에 다양한 응용 개발이 활발하게 이루어지고 있습니다. 특히 기체 분리 막으로써 세라믹 막의 활용은 고온에서의 미세구조 안정성과 긴 수명, 화학적 안정성과 압력에 대한 내성, 다양하고 안정된 구조적 배열을 비교적 쉽게 얻을 수 있는 등의 많은 장점이 있어 연구가치가 높습니다.Chemical vapor deposition (CVD) 법은 재료가공업에 빠질 수 없는 중요한 기술입니다. CVD 법을 이용하면 고 순도 물질의 생산 뿐 아니라 수 나노 단위의 박막 코팅까지 가능합니다. 이는 분자단위의 활성 전구체와 지지체 표면간의 확산과 일대일 반응을 통해 이루어집니다. 이를 이용하면 원자단위두께의 박막 코팅까지 가능하므로 첨단산업분야에 널리 이용되고 있습니다.
본 연구실에서는 수 나노단위의 다공성 세라믹 지지체의 기공을 제어하기 위해 CVD 법을 적용하여 기체 분리 막을 제조하고 그 특성을 연구하고 있습니다. 차세대 친환경 연료인 수소의 생산을 위한 수소기체 분리 막의 개발 및 연구가 진행되었으며 최근 가장 각광받는 분야 중 하나인 탄화수소 이성질체 분리에 대한 연구가 진행 중에 있습니다.
5. 정삼투(Forward Osmosis)와 막증류법(MD, Membrane Distillation)을 연계한 수처리 공정
역삼투와 반대되는 자연적인 삼투현상을 이용하는 정삼투 공정은 용액의 농도차를 이용하여 해수에서 담수를 생산하기 때문에 낮은 에너지로 담수를 생산할 수 있으며 인위적인 높은 압력에 의한 투과가 아니므로 막 오염이 적습니다. FO 공정의 구동력은 삼투압 차이며, 유도용액을 사용하여 삼투압 차이를 발생시키며 투과된 물은 회수공정 즉, 막증류법(MD, Membrane Distillation)을 사용하는 연구 를 진행하고 있습니다. 유도용액을 선정하기 위하여 수치해석 등을 통해 비교, 선택하였으며 FO, MD공정의 운전 성능 특성을 확인하기 위해 유도용액의 온도, 농도, 종류에 따라 water flux를 비교하는 연구등을 진행하고 있습니다.
6. 연신 및 아닐링 공정의 조건 변화에 따른 PVDF 중공사막의 수투과도 향상
열유도 상분리법(TIPS)에 의해 제조된 PVDF hollow fiber 은 다공성은 우수하지만 고분자 사슬의 배향성이 높지 않고 인장강도가 약하다는 단점을 가지고 있다. 이를 개선하기 위해 중공사막의 제조 공정의 하나인 연신 공정과 아닐링 공정을 도입하여 인장강도의 향상 및 수투과도를 향상시키는 연구를 진행하였다. 연신 조건 중 연신온도, 연신속도, 연신비의 변화와 아닐링 공정 도입에 따른 막 표면구조를 기기분석을 통해 분석하였으며 연신을 통해 기존의 막보다 20 % 이상의 수투과도 증가를 확인하였다.
