[논문 리뷰] Membrane fouling: microscopic insights into the effects of surface chemistry and roughness

Mao Wang, John Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 25.

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한 줄 요약

이 분자 시뮬레이션 연구는 표면 화학과 거칠기가 막막성에 미치는 영향을 조사하며, 수분성 알루미나 막에서는 거칠기가 증가함에 따라 오염물질-표면 상호작용이 약해지고 고리 영역에서 수분의 구조가 강화되어 오염이 감소하는 반면, 수소화성 그래핀에서는 거칠기가 증가함에 따라 오염물질-표면의 흡착력이 강화되어 오염이 증가함을 밝혀냈다. 연구 결과는 표면 수분성과 형상이 오염 행동을 함께 결정하며, 저오염 막 설계 원칙을 제공한다.

ABSTRACT

Fouling is a major obstacle and challenge in membrane-based separation processes. Caused by the sophisticated interactions between foulant and membrane surface, fouling strongly depends on membrane surface chemistry and morphology. Current studies in the field have been largely focused on polymer membranes. Herein, we report a molecular simulation study for fouling on alumina and graphene membrane surfaces during water treatment. For two foulants (sucralose and bisphenol A), the fouling on alumina surfaces is reduced with increasing surface roughness; however, the fouling on graphene surfaces is enhanced by roughness. It is unravelled that the foulant-surface interaction becomes weaker in the ridge region of a rough alumina surface, thus allowing foulant to leave the surface and reducing fouling. Such behavior is not observed on a rough graphene surface because of the strong foulant-graphene interaction. Moreover, with increasing roughness, the hydrogen bonds formed between water and alumina surfaces are found to increase in number as well as stability. By scaling the atomic charges of alumina, fouling behavior on alumina surfaces is shifted to the one on graphene surfaces. This simulation study reveals that surface chemistry and roughness play a crucial role in membrane fouling, and the microscopic insights are useful for the design of new membranes towards high-performance water treatment.

연구 동기 및 목표

• 표면 화학과 거칠기가 영향을 미치는 막막성의 미세 기작을 이해하기 위해.
• 표면 거칠기가 알루미나 및 그래핀 막에서 오염물질의 이동성과 흡착에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 수분성 표면에서 오염 완화에 기여하는 수분-수소 결합 및 수분의 구조 형성 역할을 탐색하기 위해.
• 표면 수분성이 어떻게 조절되어 알루미나 유사 반응에서 그래핀 유사 반응으로 오염 행동을 전환시킬 수 있는지 규명하기 위해.
• 표면 화학과 형상에 기반한 차세대 저오염 막 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 변동하는 거칠기(A = 0, 3, 5 Å)를 가진 평탄하고 산형 패tern이 있는 알루미나 및 그래핀 표면에서 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 이동성과 상호작용 에너지를 평가하기 위해, 두 오염물질—설탈로스와 비스페놀 A—를 이러한 표면에 시뮬레이션하였다.
• 이동성의 정량화를 위해 오염물질의 x축 방향 운동을 조절하기 위해 조화력장을 적용하였다. 이는 평균 제곱 이동(MSD)을 통해 수행되었다.
• 흡착력 강도 평가를 위해 오염물질과 표면 간의 상호작용 에너지와 접촉 면적을 계산하였다.
• 수분-알루미나 표면 간 수소 결합의 형성과 안정성을 분석하기 위해 수량 수치와 자기상관 함수를 사용하였다.
• 표면 수분성을 조절하기 위해 알루미나 원자의 전하를 스케일링하여 수소화성 수준을 모의하고, 그래핀과의 오염 행동을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 거칠기는 수분성 알루미나와 수소화성 그래핀 막에서 오염물질의 이동성과 흡착에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 유사한 표면 형상에도 불구하고, 왜 거칠기는 알루미나에서는 오염을 감소시키지만 그래핀에서는 증가시키는가?
• RQ3 거친 알루미나 표면에서 수분-표면 수소 결합은 표면 수분성과 저오염 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 알루미나의 수분성이 어떻게 조절되어 매끄러운 표면에서는 오염 감소에서 거친 표면에서는 오염 증가로의 전이를 이끌어내는가?
• RQ5 표면 전하와 수분성을 조절함으로써 알루미나의 오염 행동을 그래핀 유사 행동으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 거친 알루미나 표면에서는 오염물질가 고리 영역에서 더 높은 이동성과 더 낮은 흡착력을 보이며, 오염물질-표면 상호작용이 약해져 오염이 감소한다.
• 거친 그래핀 표면에서는 오염물질이 고리 영역과 골짜기 영역 모두에서 강하게 흡착되어 거칠기가 증가함에 따라 오염이 증가한다.
• 거칠기가 증가함에 따라 알루미나-수분 수소 결합의 수와 안정성이 증가하며, 더 긴 수명을 가지게 되어 표면 수분성이 향상된다.
• A5 거칠기에서 알루미나 표면과 오염물질 간의 접촉 면적이 고리 영역에서 0으로 감소하여 오염물질의 탈착과 상호작용 감소를 나타낸다.
• 알루미나의 원자 전하를 감소시켜 수분성을 낮추면 오염 행동이 알루미나 유사(거칠기 증가에 따른 오염 감소)에서 그래핀 유사(거칠기 증가에 따른 오염 증가)로 전환되며, 표면 에너지의 역할을 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 3D 프린팅된 알루미나 막에서 패턴이 있는 거칠기로 오염 감소를 관찰한 실험 결과와 일치하여 모델의 예측 능력을 검증한다.