Preparation of Forward Osmosis Membranes with Low Internal Concentration Polarization

Thin film composite (TFC) polyamide (PA) membranes were prepared on polyester (PET) nonwoven reinforced polysulfone supports for forward osmosis (FO) processes. PSF (polysulfone) supports were prepared via the phase inversion process from PSF casting solutions in dimethyl formamide (DMF) solvents (19 wt%) by using a PET nonwoven (thickness of $100{\mu}m$) as a mechanical reinforcing material for reverse osmosis (RO) membrane. The PSF support from 19 wt% of DMF/PSF casting solution showed sponge-like morphology and asymmetric internal structure. To reduce the internal concentration polarization in FO operation, thin ($20{\mu}m$ of thickness) nonwoven-supported PSF supports were prepared by using PSF/DMF casting solution (9~19 wt%). A desirable support structure with a highly porous sponge-like morphology were achieved from the thin nonwoven-supported PSF layer prepared with 9~12 wt% casting solution. A crosslinked aromatic polyamide layer was fabricated on top of each support to form a TFC PA membrane. The tested sample from 12 wt% of DMF/PSF casting solution presented outstanding FO performance, almost 5.5 times higher water flux (24.3 LMH) with low reverse salt flux (RDF, 1.5 GMH) compared to a thick nonwoven rainforced membrane (4.5 LMH of flux and 3.47 GMH of RSF). By reducing the thickness of the nonwoven and optimizing PSF concentration of casting solution, the morphology of the prepared membranes were changed from a dense structure to a porous sponge structure in the boundary area between nonwoven and PET support layer.

농도 분극이 저감된 정삼투 분리막 제조

폴리에스터(polyester) 부직포 상에 폴리술폰(polysulfone) 고분자 지지체를 만든 후, 그 표면에 폴리아미드 복합 박막을 형성시킴으로써 정삼투(FO) 공정에 적합한 분리막을 제조하였다. PSF 지지체는 19 중량%의 함량으로 디메틸 포름아미드(DMF)에 균일하게 용해된 폴리술폰 용액을 상 전이 공정을 통하여 제조되었으며, 기계적 보강재로 $100{\mu}m$의 두께를 가지는 폴리에스터 부직포를 사용하였다. 19 중량%의 PSF/DMF 용액으로 제조된 PSF 지지층은 sponge-like구조를 가지는 비대칭 내부 구조를 나타내었다. 정삼투(FO) 공정에서 내부의 농도 분극을 줄이기 위하여, $20{\mu}m$의 얇은 부직포 보강층을 가지는 지지체 상에 9~19 중량%의 PSF/DMF 용액으로 PSF 지지체를 제조하였다. 이들 얇은 부직포 보강층에서 제조된 지지층들은 공극률이 향상된 sponge-like구조를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 각각의 지지층들 표면에 방향족 폴리아미드 가교 반응을 통하여 복합 박막을 얻을 수 있었다. FO 운전 결과, 12 중량%의 DMF/PSF 용액으로 제조한 지지체를 가지는 복합 박막이 가장 우수한 투과 성능을 보여 주었다. 이 경우 4.5 LMH의 유량과 3.47 GMH의 염의 역확산 속도를 가지는 역삼투 분리막에 사용되는 두꺼운 부직포에 비해 약 2.5배 유량이 많은 24.3 LMH의 유량과 1.5 GMH의 염의 역확산 속도를 보여주고 있다. 부직포의 두께 저하와 이에 적합한 PSF 캐스팅 용액의 최적화를 통하여 부직포와 PSF층의 경계면 공극률을 향상시킬 수 있었다.