Pervaporative Recovery of Bio-butanol through Dense- and Composite-type PDMS Membranes

Bio-butanol recovery by pervaporation was performed with dense and composite polydimethylsiloxane (PDMS) membranes. The pervaporative behavior of the membranes was investigated as a function of operation temperature $(20{\sim}40^{\circ}C)$ and membrane thickness $(100{\sim}1{\mu}m)$ using a series of aqueous BtOH model solutions $(1{\sim}5wt%)$. With the increment of the BtOH concentration in feed, the Butanol concentration in permeate, pervaporation selectivity of Butanol over water and Butanol permeation flux increased. As the operating temperature of feed solutions increased, the BtOH concentration in permeate, pervaporation selectivity and permeation flux increased markedly. As the thickness of the PDMS membrane decreased, permeation flux increased but pervaporation selectivity decreased. These results were explained in terms of high solubility and low diffusion resistance of BtOH over water toward hydrophobic and rubbery PDMS membranes.

PDMS막을 이용한 바이오 부탄올 분리정제와 투과증발 특성에 관한 연구

소수성, 고무상 고분자인 polydimethylsiloxane (PDMS) 소재를 대상으로 치밀한 단일막과 복합막을 제조하였으며 이들을 이용한 투과증발법을 통해 바이오부탄올을 농축하는 실험을 수행하였다. 바이오부탄올 회수를 위해 $1{\sim}5wt%$의 부탄올이 함유된 모델 수용액을 대상으로 조업온도$(20{\sim}40^{\circ}C)$와 막두께$(1{\sim}100{\mu}m)$를 변화시키면서 PDMS막의 투과증발 특성을 조사하였다. $100{\mu}m$ 두께 PDMS 단일막의 경우 공급부탄올의 농도가 증가할수록 포집된 부탄올의 농도, 선택도, 투과도가 증가하였다. 이러한 결과는 물보다 부탄올에 대한 PDMS 소재의 친화성과 막 사슬 내의 큰 자유부피(free volume)로 부탄올에 대한 확산저항이 적기 때문에 부탄올에 대한 선택도와 투과도가 높은 것으로 파악되었다. 조업온도를 $20{\sim}40^{\circ}C$로 증가시키며 투과증발특성을 조사한 결과, 온도의 상승에 따라 포집된 부탄올의 농도, 선택도, 투과도 모두 증가하였다. PDMS막의 두께가 $100{\mu}m$에서 $1{\mu}m$로 얇아질수록 포집된 부탄올의 농도와 선택도는 감소하였으며 투과도는 증가하는 경향을 보였다.