Pervaporation Separation of Ethanol Aqueous Solution through Carbonate-type Polyurethane Membrane III. The Effect of Zwitterionic Group

카보네이트형 폴리우레탄막을 이용한 에탄올 수용액의 투과증발분리 III. 양쪽이온성기에 의한 영향

NCO-terminated prepolymers were synthesized by reacting carbonate-type polyol(PTMCG)($M_w=1,000$ and 2,000) with MDI and N-methyldiethanolamine, as a chain extender. Carbonate-type polyurethane containg zwitterionic group was prepared by reacting the prepolymer with 1,3-propane sultone. From the IR and NMR spectra of model reactions, it was known that the ionization occurred under the same condition. The structure of zwitterionic carbonate-type polyurethane(ZPU) therefore could be confirmed from the model reactions. Glass transition temperature(Tg) ranged between $-15{\sim}-30^{\circ}C$ from the thermal data. Tg was between $-15{\sim}-18^{\circ}C$ for a series of ZPU10 samples and between $-25{\sim}-26^{\circ}C$ for a series of ZPU20 polymers. Tensile strength increased with mole ratio of ionic content. On the contrary, elongation was rather dropped with mole ratio of ionic content. ZPU10-30 having better tensile strength and less elongation was selected as a membrane for the concentration of ethanol aqueous solution through pervaporation. To obtain the better selectivity, it was crosslinked with HMDI. In the swelling test, it showed the higher swelling degree at around 50wt% ethanol concentration due to the plastization effect of ethanol. To optimize the separation capacity, two operating factors-feed concentration and temperature-were considered. The overall separation capacity was as follows : separation factor, 2~83.2 ; the flux, $25.4{\sim}58.8g/m^2hr$.

분자량이 1,000과 2,000인 카보네이트형 폴리올(PTMCG)을 사용하여 MDI와 사슬 연장제인 N-methyldielhanolamine을 반응시켜 NCO-말단 프레폴리머를 합성한 후 이온화제로 1,3-propane sultone을 반응시켜 양쪽이온성 작용기를 갖는 카보네이트형 폴리우레탄(ZPU)을 합성하였다. 모델반응의 IR과 NMR 스펙트럼으로부터 동일한 조건하에서 이혼화가 잘 일어나고 있음을 알 수 있어, 양쪽이온성 카보네이트형 폴리우레탄의 구조를 확인할 수 있었다. 열적성질을 측정한 결과 유리전이온도(Tg)는 $-15{\sim}-30^{\circ}C$ 범위로써 분자량이 1,000인 폴리올을 사용한 경우 $-15{\sim}-18^{\circ}C$, 분자량이 2,000인 폴리올을 사용한 경우 $-25{\sim}-26^{\circ}C$임을 알 수 있었다. 기계적 성질을 측정한 결과 인장강도는 분자량이 1,000과 2,000인 폴리올 모두 다 이온함량에 따라 크게 증가되나 이온 함량의 몰비율이 4.0 이상에서는 오히려 감소함을 알 수 있었다. 신장율은 인장강도와 달리 이온함량에 따라 오히려 감소함을 알 수 있었다. 이러한 물성측정의 결과로부터 인장강도가 우수하고, 연신율이 크지 않은 ZPU10-30을 택하여, 투과증발법을 이용한 에탄올 수용액농축에 응용하였다. 보다 우수한 선택도를 얻기 위하여 hexamethylene diisocyanate(HMDI)를 이용하여 가교막을 제조하였다. 팽윤도 실험결과 50wt% 에탄올농도 근처에서 증가하는 경향을 나타내었는데, 이는 에탄올에 의한 가소화효과의 영향이라고 생각된다. 분리성능을 최적화하기 위해 공급액 농도변화와 온도변화를 실시하였다. 전반적인 투과증발분리 성능은 선택도 2~83.2 및 투과유량 $25.4{\sim}58.8g/m^2hr$를 갖는 것으로 나타났다.