KR100547592B1 - 불균질 이온교환막의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기식 탈염장치에 구비되어 용존 이온을 제거 또는 농축하는 이온교환막에 관한 것으로, 혼련기에 이온교환수지 50∼54 wt％ - 고분자결합체 40∼50 wt％ - 폴리에틸렌글리콜 5∼10 wt％의 함량비로 장입한 다음, 130∼150℃의 온도범위로 20∼40분 동안 반죽하여 혼합물로 제조하고 압출기에 혼합물을 주입하여 0.5∼2.0 mm의 두께 범위로 압출하여 평판형상의 쉬트로 성형한 후, 가교기에 쉬트를 침적하여 첨가제가 3.0∼5.0 wt％의 함량비로 첨가된 순수를 이용하여 80∼100 ℃의 온도범위로 1∼3 시간 동안 침적하여 가교시키는 것을 특징으로 하여, 이온교환막의 기구적인 손상 및 누수현상이 발생되지 않아 탈염장치의 분해/조립에 따른 작업공수 및 작업하중이 절감될 뿐만 아니라, 이온교환막의 사용과정에서 유기물에 의한 오염 및 스케일의 형성이 방지됨은 물론 전기적 저항이 감소되어 탈염장치의 유지/보수에 따른 각종 부대비용이 절감되게 한 것이다.

전기식탈염장치, 이온교환막, 폴리에스터, 폴리에틸렌글리콜

Description

불균질 이온교환막의 제조 방법 {Method for making the heterogeneous ion exchange membrane }

도 1은 일반적인 기술에 따른 전기투석장치의 개략적인 구성도이다.

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 탈염장치 11 : 양극

12 : 음극 13,14 : 양/음이온교환막

15,16 : 스페이서 17,18 : 양/음이온교환수지

20 : 전원공급장치

본 발명은 전기식 탈염장치에 구비되어 용존 이온을 제거 또는 농축하는 이온교환막에 관한 것으로, 특히 이온교환막의 기계적 특성 및 화학적 특성을 동시에 향상시켜 탈염장치의 작동성능 및 신뢰성을 극대화시킬 수 있도록 된 불균질 이온교환막의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기식 탈염장치는 물에 용존되어있는 각종 이온성분을 제거 또는 농축하는 정화장치로서, 이러한 전기식 탈염장치는 양극과 음극에 공급되는 직류전원의 전위차를 이용하여 양이온성분과 음이온성분을 분리하여 농축실로 농축하면서 희석실에서 순수를 제조하게 된다.

즉, 도 1에서와 같이, 전기식탈염장치(10)는, 양극(11)과 음극(12)의 사이에 음이온교환막(13)과 양이온교환막(14)이 교대로 적층되며, 이온교환막(13,14)의 사이에 유체의 흐름을 유도하는 스페이서(15,16)가 개재되고, 스페이서(15,16)에 이온교환수지(17,18)이 충진되어 구성된다.

따라서, 전원공급장치(20)에 직류전원을 공급하면, 전기식탈염장치(10)의 양극(11)과 음극(12)의 전위차가 발생하여 양극(11)과 음극(12)의 사이에 전류가 흐르므로, 폐수중의 용존 이온들이 스페이서(15,16)에 의해 흐름이 촉진된 상태에서 양/음이온교환막(13,14)을 통과한다.

이어서, 양/음이온교환막(13,14)을 통과하는 이온성분 중 Na+ 등과 같은 양이온성분은 음극(12)의 방향으로 이동하는 반면, Cl- 등과 같은 음이온성분은 양극 (11)의 방향으로 이동하여 농축실에 농축되므로, 희석실(미도시)에서는 이물질이 제거된 순수가 생산되는 것이다.

한편, 전기식탈염장치(10)에 사용되는 불균질이온교환막(13,14)은 용존이온에 대한 선택 투과성을 지닌 평판 형태로 제조된 것으로서, 이온의 선택투과, 분리탈염, 농축 등의 작용을 나타내어 순수처리, 폐수의 재이용, 당액의 정제 및 연료전지 등과 같은 광범위한 범위에 사용되고 있다.

이때, 양이온교환막(14)은 산성기(예:-SO3-, COO-)를 지니고 있어, 예컨대 양이온(예:H+, Na+)은 정전기적 인력에 선택적으로 결합하여 전위차 등의 기전력에 의해 막을 통과할 수 있지만, 음이온(예:OH-, Cl-)은 정전기적 반발력에 의해 막을 통과할 수 없는 특징이 있다.

반면에, 음이온교환막(13)은 염기성기(예:NH+)를 지니고 있어, 음이온은 정전기적 인력에 선택적으로 결합하여 전위차 등의 기전력에 의해 막을 통과할 수 있지만, 양이온은 정전기적 반발력에 의해 막을 통과할 수 없는 특징이 있다.

한편, 이온교환막(13,14)은 분말상태의 이온교환수지와 고분자결합체를 혼합하여 일정온도 및 일정압력하에서 압출성형 및 가압성형 등의 성형방법을 이용하여 제조하는 것으로 비교적 제조가 용이하다. 이때, 고분자결합체로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 등을 사용하고 있다.

그런데, 이온교환막(13,14)은 그 기계적 강도가 고분자결합제의 물성 자체에 의존하고 있어 압력을 가해 조립할 경우 파단면이 발생할 우려가 있을 뿐만 아니라, 고분자 결합제로 사용되는 물질들이 대부분 소수성(Hydrophobic)을 가지고 있어 유기물에 의한 오염(Fouling) 및 스케일(Scale)형성에 의한 성능저하에 대한 문제점이 노출되고 있는 실정이다.

그리고, 이온교환막(13,14)의 기계적 물성을 보강하기 위해 직조섬유를 삽입하는 방법을 사용하지만, 이는 멤브레인의 기계적 물성을 향상시키는 데는 도움이 되지만 표면조도가 증가하여 유체가 밀봉되지 않고 누출될 확률이 높고 전기적저항이 크게 증가하여 전류효율을 저하시키는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 불균질 이온교환막의 기계적 특성 및 화학적 특성을 동시에 향상시켜 탈염장치의 작동성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 된 불균질 이온교환막의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 혼련기에 이온교환수지와 고분자결합체와 폴리에스터 또는 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여 일정온도 및 일정압력하에서 성형하되, 폴리에틸렌글리콜이 첨가된 경우 탄산나트륨 또는 황산나트륨이 포함된 순수에서 가교시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 구성요소 중 장입물을 반죽하여 혼합물로 제조하는 혼련기와, 혼합물을 평판형상의 쉬트로 제조하는 압출기 및, 쉬트를 가교하는 가교기는 공지기술이므로, 자세한 설명을 생략하기로 한다.

[실시예 1]

혼련기에 이온교환수지 50∼54 wt％ - 고분자결합체 40∼50 wt％ - 폴리에스터 0.5∼3.0 wt％로 장입한 다음, 130∼150 ℃의 온도범위로 20∼40분 동안 반죽하여 혼합물로 제조한 후, 압출기에 혼합물을 주입하여 0.5∼2.0 mm의 두께범위로 압출하여 평판형상의 쉬트로 성형하는 것을 특징으로 한다.

이때, 이온교환수지로는 양이온수지나 음이온수지 등을 분말형태로 제조하여 사용함이 바람직하며, 고분자결합체로는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌이나 폴리염화비닐 등을 사용함이 바람직하다.

또한, 폴리에스터는, 최종제품의 전기적 특성에 영향을 미치지 않으면서도 기계적 강도를 향상시키는 첨가성분으로서, 첨가량이 0.5wt％이하인 경우 강도 향상에 도움을 주지 못하였으며, 첨가량이 3wt％이상인 경우 전기적 저항을 감소시키므로, 그 첨가량을 0.5∼3.0 wt％의 중량비로 한정하였다.

또한, 폴리에스터는, 그 절단 크기를 적어도 5cm 이하로 최소화하여 예컨대, 이온교환수지 및 고분자결합체와의 혼합과정에서 용융작업 및 반죽작업이 원활하게 유도되도록함이 바람직하다.

또한, 혼합물 즉, 이온교환수지와 고분자결합체와 폴리에스터의 혼합물을 압출공정을 통해 성형하는 것으로 한정하여 설명하였지만, 가압성형 등과 같은 성형방법으로도 제조할 수 있음은 당연하다.

[실시예 2]

혼련기에 이온교환수지 50∼54 wt％ - 고분자결합체 40∼50 wt％ - 폴리에틸렌글리콜 5∼10 wt％의 함량비로 장입한 다음, 130∼150℃의 온도범위로 20∼40분 동안 반죽하여 혼합물로 제조하고 압출기에 혼합물을 주입하여 0.5∼2.0 mm의 두께 범위로 압출하여 평판형상의 쉬트로 성형한 후, 가교기에 쉬트를 침적하여 첨가제가 3.0∼5.0 wt％의 함량비로 첨가된 순수를 이용하여 80∼100 ℃의 온도범위로 1∼3 시간 동안 가교시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 이온교환수지로는 양이온수지나 음이온수지 등을 분말형태로 제조하여 사용함이 바람직하며, 고분자결합체로는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌이나 폴리염화비닐 등을 사용함이 바람직하다.

또한, 폴리에틸렌글리콜은, 최종제품의 친수성을 부여하여 오염 및 스케일의 형성을 방지시키는 첨가성분으로, 첨가량이 5wt％ 이하인 경우 친수성의 부여에 도움을 주지 못하며, 첨가량이 10wt％ 이상인 경우 기계적인 강도를 저하시키므로, 그 첨가량을 5∼10 wt％의 범위로 한정하였다.

또한, 첨가제는 순수에 3.0 ∼5.0 wt％의 함량비로 첨가된 것으로서 혼합물의 가교과정에서 폴리에틸렌글리콜이 녹는 것을 방지함은 물론 고분자결합제와 폴리에틸렌글리콜을 상호 결합시키는 기능을 수행한다.

물론, 순수에 미량 첨가되는 첨가제로는 탄산나트륨 또는 황산나트륨 중 어느 하나를 선택하여 사용하거나 또는 탄산나트륨과 황산나트륨을 혼합하여 사용할 수도 있다.

[실시예 3]

혼련기에 이온교환수지 50∼54wt％ - 고분자결합체 40∼50wt％ - 폴리에스터 0.5∼3.0wt％ - 폴리에틸렌글리콜 5∼10wt％의 함량비로 장입하고 130∼150℃의 온도범위로 20∼40분 동안 반죽하여 혼합물로 제조한 후, 압출기에 혼합물을 주입하여 0.5∼2.0mm의 두께범위로 압출하여 평판형상의 쉬트로 성형하고, 가교기에 쉬트를 침적하여 첨가제가 0.5∼2.0wt％의 함량비로 첨가된 순수를 이용하여 80∼100℃의 온도범위로 1∼3 시간 동안 가교시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 이온교환수지의 형태와 고분자결합체의 종류 및 폴리에스터와 폴리에틸렌글리콜의 함량비는 실시예 1, 2와 동일한 조건이므로 자세한 설명은 생략하기로 하고, 다만 폴리에스터와 폴리에틸렌글리콜을 함께 첨가하여 최종제품의 기계적 강도 및 친수성을 동시에 향상시킨 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 불균질 이온교환막의 제조 방법에 의하면, 이온교환막에 일정량의 폴리에스터 또는 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여 기계적인 특성 및 화학적 특성을 동시에 향상시키므로써, 이온교환막의 기구적인 손상이 발생되지 않아 탈염장치의 분해/조립에 따른 작업공수 및 작업하중이 절감될 뿐만 아니라, 유체의 밀봉력이 증대되어 누수현상이 발생되지 않아 주변환경의 오염이 방지되는 효과가 있다.

그리고, 이온교환막의 사용과정에서 유기물에 의한 오염 및 스케일의 형성이 원천적으로 봉쇄되어 이온교환막의 수명이 연장될 뿐만 아니라, 이온교환막의 작동과정에서 전기적 저항의 감소로 인해 전류효율이 증대되어 탈염장치의 작동성능 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 분말상태의 이온교환수지와 고분자결합체를 혼합하여 제조하는 공지의 이온교환막에, 0.5∼3.0wt％의 폴리에스터를 첨가하고 130∼150℃의 온도범위로 20∼40분 동안 반죽하여 혼합물로 제조한 후,

   상기 혼합물을 0.5∼2.0mm의 두께로 압출하여 평판형상의 쉬트로 성형하는 것을 특징으로 하는 불균질 이온교환막의 제조 방법.
2. 분말상태의 이온교환수지와 고분자결합체를 혼합하여 제조하는 공지의 이온교환막에, 5∼10wt％의 폴리에틸렌글리콜을 첨가하고, 130∼150℃의 온도범위로 20∼40분 동안 반죽하여 혼합물로 제조한 후,

   상기 혼합물을 0.5∼2.0mm의 두께범위로 압출하여 평판형상의 쉬트로 성형한 다음,

   상기 쉬트를 가교기에 침적한 후 탄산나트륨 또는 황산나트륨 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 0.5∼2.0wt％로 첨가된 순수를 이용하여 80∼100℃의 온도범위로 1∼3 시간 동안 가교시키는 것을 특징으로 하는 불균질 이온교환막의 제조 방법.
3. 분말상태의 이온교환수지와 고분자결합체를 혼합하여 제조하는 공지의 이온교환막에, 0.5∼3.0wt％의 폴리에스터와 5∼10wt％의 폴리에틸렌글리콜을 첨가하고 130∼150℃의 온도범위로 20∼40분 동안 반죽하여 혼합물로 제조한 후,

   상기 혼합물을 0.5∼2.0mm의 두께범위로 압출하여 평판형상의 쉬트로 성형한 다음,

   상기 쉬트를 가교기에 침적한 후 탄산나트륨 또는 황산나트륨 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 0.5∼2.0wt％로 첨가된 순수를 이용하여 80∼100℃의 온도범위로 1∼3 시간 동안 가교시키는 것을 특징으로 하는 불균질 이온교환막의 제조 방법.
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