[E-Drug] Further study: Gas permeable membrane
Gas-Permeable membrane: 선택적인 Gas Permeation 혹은 Phase Separation을 위해 만든 막.
->‘Gas Sensor’ 논문에서는 “The capsules also incorporated membranes with embedded nano-materials that allow for the fast diffusion of dissolve gases (Gas Permeation), while blocking liquid(Phase Separation)” 정도만 적혀있어, 그와 관련된 참조논문들을 찾아보았습니다.
Gas-Permeable membrane을 만드는 방법은 크게 두 가지로, 얇은 PDMS에 넣게 되는 nano-material에 따른 1)물리적 구조 혹은 2)화학적 반응에 의한 방법입니다.
여기서 PDMS는 여러 가스 종류에 대해 높은 permeability를 가지고 있어, gas selectivity나 gas permeation을 위한 membrane으로 자주 사용됩니다. (Kalantar-Zadeh 논문에서는 135um 두께의 PDMS membrane을 사용하였습니다)
1) 물리적 구조
“Enhanced Gas Permeation through Graphene Nanocomposites” 논문에서 연구팀은 PDMS에 graphene을 혼합하여 만든 ‘graphene-PDMS nanocomposite membrane’을 통해 ‘N2, CO2, Ar, CH4'와 같은 기체들에 대한 gas permeation을 높일 수 있었습니다.
PDMS와 같은 Rubbery Polymer에 의한 Gas permeation은 “Solution-Diffusion Mechanism”에 의해 일어나게 됩니다. 그 과정은 “Upstream boundary로 부착”->“막 안에서의 확산”->“Downstream boundary에서의 탈착”의 세 단계로 구성되어 있습니다.
이때, Polymer 안에서의 이러한 “Diffusive Jump”는 Gas molecule의 크기가 작거나, 구조 안에서의 Free volume이 클수록 더 잘 일어나게 됩니다(->Gas permeability increase)
따라서, PDMS matrix 안의 Graphene이 구조 안에서 void를 만들어 diffusion을 더 잘 일어나게 할 수 있습니다. 좀 더 정확한 원리는 아래의 그림과 같이 Graphene과 PDMS 사이에 만들어진 Interfacial void가 Fraction free volume (FFV)를 만들기 때문입니다.
하지만 Graphene을 많이만 넣는다고 Gas permeation이 계속 증가하는 것은 아닙니다. 너무 많이 넣게 되면 구조 안에서 Agglomeration(뭉쳐짐, 집적)이 나타나 오히려 성능을 저하시키게 됩니다. (0.25 wt% 일 때, 위의 기체들에 대한 효율이 가장 좋았음을 실험 결과를 통해 알 수 있었습니다/ wt%: 질량백분율)
2) 화학적 반응
화학적 반응을 통한 Gas separation 또한, 위의 방법과 같이 PDMS membrane 안에 nano-material를 첨가하여 만들게 됩니다. “Silver nanoparticle/PDMS nanocomposite catalytic membranes for H2S gas removal” 논문에서는 PDMS안에 Ag nanoparticle을 주입하여 만든 Catalytic membrane을 통해, 산업 현장에서 생성되는 독성 gas인 H2S 를 선택적으로 제거할 수 있는 membrane을 개발하였습니다.
이는 Ag가 H2S와 강한 반응성을 가져, Ag2S를 형성하게 되는 원리를 이용한 것으로, 이렇게 생성된 구조 안의
Ag2S와 Ag는 H2S를 분해시키는데 더욱 강한 Catalyst system으로 작동하게 되어 H2S의 선택적 분리를 가능하게 됩니다. 화학적 반응을 통한 Gas separation 또한, 위의 방법과 같이 PDMS membrane 안에 nano-material를 첨가하여 만들게 됩니다.
하지만, 위의 물리적 구조와 비슷하게 Ag가 너무 많이 넣을 경우, Agglomeration에 의해 Gas separation의 효과는 오히려 떨어지게 되었습니다. (1%의 Ag로 구성된 membrane일 때, 60% 이상의 가장 높은 Reduction of H2S concentration을 확인할 수 있었습니다)
따라서 우리 몸 안에서 생성되는 여러 가스 중 (CO2, O2, N2, H2, CH4), Gas sensor는 H2, O2, CO2의 세 가지 기체에 대한 정보를 얻으려 하므로(그중에서도 특히 H2), H2, O2, CO2가스 분자가 N2, CH4 가스 분자보다 크기가 작은 것을 이용하여, PDMS에 nano-material을 주입하여 만든 물리적 구조를 통해 필요한 분자만을 선택하고, diffusion permeability를 높였을 것이라고 예상됩니다.
Reference
1. Berean, K. J. et al. Enhanced gas permeation through graphene
nanocomposites. J. Phys. Chem. C. 119, 13700–13712 (2015).
2. Nour, M. et al. Silver nanoparticle/PDMS nanocomposite catalytic
membranes for H2S gas removal. J. Membr. Sci. 470, 346–355 (2014).
3. K. Kalantar-Zadeh, K. J. Berean, N. Ha, A. F. Chrimes, K. Xu, D. Grando, J. Z. Ou, N. Pillai, J. L. Campbell, R. Brkljača, K. M. Taylor, R. E. Burgell, C. K. Yao, S. A. Ward, C. S. McSweeney, J. G. Muir, P. R. Gibson, Nat. Electron. 2018, 1, 79.