KR100800305B1 - 수처리용 분리막 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (i) 그라파이트 시트, (ii) 카본계 물질 함유 고분자 분리막, 및 (iii) 스페이서의 적층구조를 포함하고, 상기 그라파이트 시트에 미소 전압이 인가되는 것으로 구성된 향상된 분해능의 분리막 장치, 및 이를 포함하는 것으로 구성된 수처리 시스템을 제공한다.

Description

수처리용 분리막 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템 {Separator Device for Water-treatment and Water-treatment System Employed with the Same}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수처리용 분리막 장치의 구조를 나타낸 모식도이다;

도 2는 본 발명에 따른 분리막 장치를 포함하는 하나의 예시적인 수처리 시스템의 구성도이다.

본 발명은 수처리용 분리막 장치 및 이를 포함하는 것으로 구성된 수처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 (i) 그라파이트 시트, (ii) 카본계 물질을 포함하는 고분자 분리막, 및 (iii) 스페이서의 적층 구조를 포함하고, 상기 그라파이트 시트에 미소 전압이 인가되는 것으로 구성되어 있는 수처리용 분리막 장치 등에 관한 것이다.

일반적으로 염(TDS : Total dissolved solids)의 제거 또는 농축에 사용되는 다양한 방법들이 알려져 있으며, 이와 관련하여, 예를 들어, 역삼투분리, 전기투석, 증발, 기타 방법들이 있다.

그 중에서도 분리막을 이용하는 공정은 기존의 분리 및 농축공정과 비교하여 여러 가지 특징을 가진다. 즉, 막분리 공정은 상변화 없이 물질을 선별적으로 분리시키므로 공정이 단순하고 다른 분리공정에 비해 에너지 효율이 우수하다는 장점이 있다. 기존 방법들은 주로 상변화를 유도하여 물질을 분리하기 때문에 막분리 공정과 비교하여 에너지 소모량이 많은 편이며, 상변화를 위하여 높은 온도를 요구하므로 분리하는 물질의 특성이 변화는 경우가 많다. 그러나, 막분리 공정은 기계적인 압력을 가하여 물질의 분리가 일어나기 때문에, 특정 성분의 분리와 정제, 그리고 농축 공정에서 새로운 대안으로 많이 응용되고 있으며 적용 범위가 점차 넓어지고 있다. 예를 들어, 막의 재질 및 형태, 여과방식에 따라 부유물질, 콜로이드, 효소, 단백질, 유기 용매, 염 등을 분리할 수 있으며, 혼합 기체에서 특정 성분을 분리하여 농축할 수도 있으므로, 새로운 공정개발에 대한 연구가 계속 진행중이다. 응용분야로는 식품산업의 원료분리 및 농축, 보일러 및 반도체 세척공정에 응용되는 초순수의 제조, 폐수내 유효물질회수 및 재활용기술 등을 들 수 있다.

또한, 막분리 공정은 전체적인 시스템 구성이 타 공정에 비하여 간단하기 때문에, 파일럿 실험 후 설계인자에 대한 정보가 확보되면 실제 공정설계 및 시설확장이 편리하며 시설자체의 체적을 작게 할 수 있으므로 설치면적을 최소로 유도할 수 있는 장점을 갖고 있다. 특히, 막분리 공정을 이용하여 폐수를 처리하는 경우 처리과정에서 약품사용이 적기 때문에 슬러지 발생량을 최소화 시킬 수 있다. 분 리막 공정에서 얻어진 처리수는 원수로 사용되거나 수질에 따라 직접 제조 공정에 사용될 수 있다. 또한, 농축된 폐수의 용량은 전체 발생 폐수량의 10% 미만으로 줄일 수 있어서, 무방류 폐수처리 시스템 개발에 막분리 공정이 핵심기술로 자리잡고 있다.

그러나, 이러한 막분리 공정은 대량의 플럭스(Flux)를 처리하기가 어렵고, pH, 화학약품, 고온고압 등의 환경조건에 약하며, 규모의 잇점(scale merit)이 크지 않아 시스템의 최적화가 필요하다는 문제가 있으므로, 이에 대한 해결책이 절실한 상황이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 분리막용 고분자 막으로서 카본계 물질 및/또는 CNT(카본나노튜브)를 사용하고, 전극용 부재로서 그라파이트 시트를 사용하여 미소 전류를 인가하는 경우, 놀랍게도 외부 환경 변화에 대한 내성이 강하면서도, 용이한 분리와 분리막의 분해능이 획기적으로 향상될 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 수처리용 분리막 장치는, (i) 그라파이트 시트, (ii) 카본계 물질을 포함하는 고분자 분리막 (카본계 분리막), 및 (iii) 스페이서(spacer)의 적층 구조를 포함하고, 상기 그라파이트 시트에 미소 전압이 인가되는 것으로 구성되어 있다.

상기 그라파이트 시트는 전류를 인가하기 위한 전극용 부재로서 사용되는 바, 본 발명에 따른 적층 구조의 분리막 장치에서 그라파이트 시트 상에 전압을 인가하게 되면, (+) 및 (-)의 전위에 따라 용액속에 존재하는 이온 및 이온성 유/무기물이 인접한 카본계 분리막으로 이동하는 구동력이 제공된다. 즉, 카본계 분리막 사이에 적층된 그라파이트 시트는 교대로 양극과 음극의 역할을 하면서 분리막 장치 전체적으로 균일한 전위차가 반복적으로 발생하게 된다.

상기 그라파이트 시트 상에는, 앞서 정의한 바와 같이, 전위차가 크지 않은 미소 전압이 인가된다. 인접하는 그라파이트 시트 사이의 전위차가 커지게 되면, 유입되는 물질의 상변화 내지 전기분해가 일어나 물질의 특성이 변할 수 있고, 많은 양의 에너지를 요구하여 효율이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제점을 최소화하고 분리막의 분해능을 최적화하기 위해서는 1.5 V 이하의 직류 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 인가 전압은 0.5 내지 1.5 V일 수 있다.

상기 카본계 물질을 포함하는 고분자 분리막(카본계 분리막)은 분리막에 공급되는 전위차로 인한 극성에 따라 유도되는 이온성 물질을 흡착하는 역할을 한다. 카본계 물질은 다공성이 커서 물질을 흡착하는 성질이 뛰어나며, 온도나 pH등 외부 환경의 급격한 변화에 대한 내성이 우수한 흡착제로서 사용될 수 있다. 상기 고분 자 분리막은 탄소계 물질을 고정하는 바인더(binder) 및 메트릭스(matrix)로서 역할을 하며, 동시에 유입되는 유/무기물을 걸러 주는 물리적 여과부재로서 작용한다.

상기 카본계 물질은 앞서 설명한 바와 같은 작용을 할 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, CNT(카본나노튜브)가 특히 바람직하다. CNT는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있으며, 관의 지름이 수 ~ 수십 나노미터에 불과하다. 따라서, 단위 체적당 표면적이 현저히 크기 때문에 유입되는 물질에 대한 흡착도 역시 월등하게 나타난다. 또한, CNT 안에서의 유체흐름의 속도는 매우 빠르며, 특히 물의 경우 가장 빠른 유속을 보이는 것으로 알려져 있다. 이는 물 분자들 사이의 수소 결합과 물 분자와 나노튜브 벽 사이의 약한 친화력으로 인해 거의 마찰이 없는 흐름을 가지기 때문이다. 반면에, 이온 내지 이온성 유/무기물들은 CNT와 보다 많은 반응을 하기 때문에 상대적으로 유속이 떨어지게 된다. 따라서, 이러한 성질을 이용하여 효율적이면서 선택적인 흡착이 가능하다.

더욱이, CNT는 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100 배나 우수하고, 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 것에 비하여 CNT는 15%가 변형되어도 견딜 수 있는 기계적 강도를 보유하고 있다. 상기와 같은 물리 화학적 특성으로 인해, CNT를 활용한 고분자 분리막은 pH, 화학약품, 고온 고압 등의 환경조건에 견디는 성질이 뛰어나고, 우수한 기계적 강도를 나타내기 때문에 다양한 형태와 크기로 제조하는 것이 가능 하다

상기 스페이서(spacer)는 적층구조의 평막 사이에 유입 용액이 흐를 수 있는 통로의 역할을 한다. 막과 막의 표면 사이에 반응성이 없는 망상 구조의 재질을 갖는 스페이서를 삽입할 경우, 와류를 증대시켜 물질전달을 촉진시키고 농도 분극을 감소시킨다. 유입된 용액은 스페이서를 통과하면서, 이온 내지 이온성 유/무기물들은 고분자 막에 흡착되고, 순수한 용매는 스페이서를 통해 분리막의 반대편으로 빠져 나가게 된다. 상기 스페이서의 재질은 분리막 장치의 작동 환경 하의 다양한 요인들(화학약품, 온도, pH 등)에 대해 반응성이 없는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 고분자 수지로 이루어질 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 스페이서는 적층 구조를 지지하며 유체의 흐름이 용이할 수 있도록 다공성 망상 구조로 이루어져 있을 수 있다.

본 발명에 따른 분리막 장치의 크기는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 하나의 바람직한 예에서 분리막 장치를 구성하는 각 평막의 가로, 세로의 길이는 각각 50 내지 300 mm이고, 적층간격은 2 mm로 구성될 수 있다. 각 구성 평막의 가로 길이(유입 용액의 공급방향에 대한 수직상의 길이)는 분리막의 처리 용량과 상관관계를 가지며, 세로 길이(유입 용액의 공급 방향상의 길이)는 분리막의 분해능을 결정하는 인수로 작용한다. 즉, 평막의 가로의 길이가 300 mm를 초과하면, 유입 용액의 농도 구배를 균일하게 유지하기 힘들어 효율이 떨어지게 되고, 50 mm 미만이면 유입 용액에 대한 처리 용량이 저하될 수 있다. 또한, 세로의 길이가 300 mm를 초과하면, 유입 용액에 대한 저항값이 커지게 되고 증가된 압력에 의해 분리막의 구조가 변형될 수 있고, 50 mm 미만이면 유입 용액의 분리막 투과거리가 짧아 소망하는 수준의 분해능을 얻어지지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 점들을 고려할 때, 분리막 장치의 가로, 세로의 길이는 각각 200 mm인 것이 더욱 바람직하다.

상기 분리막 장치를 구성하는 각 평막의 적층구조는 스페이서를 기준으로 대칭구조로 이루어져 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 분리막 장치이 도 1을 참조하여 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 스페이서(110)를 기준으로 인접하는 상하층에 카본 고분자막(121, 122)이 적층되어 있고, 이러한 적층구조의 위 아래로 다시 그라파이트 시트(131, 132)가 적층되어 있다.

그라파이트 시트(131, 132)에는 전압공급장치(140)를 통해 전압이 인가되는데, 상단의 그라파이트 시트(131)를 양극으로, 하단의 그라파이트 시트(132)를 음극으로 하여 전압을 인가하면, 망상 구조의 스페이서(110)를 통해 유입되는 용액에서 (-) 극성을 띠는 물질은 양극 방향인 위쪽을 유도되어 스페이서(110) 상단의 카본 고분자막(121)에 흡착되고, (+) 극성을 띠는 물질은 반대로 하단의 카본 고분자막(122)에 흡착된다. 따라서, 스페이서(110)에는 순수한 용매만이 남게 되고 이는 분리막(100)의 반대편으로 흘러나가게 된다.

따라서, 상기의 적층 구조를 동일하게 반복함으로써 다량의 용액을 처리할 수 있게 된다. 즉, 각 구성 평막의 적층수는 분리막의 처리 용량과 직결되는 것으로, 최소 150 장 이상을 척층함으로써 소망하는 수준의 처리 용량을 얻을 수 있으며, 반대로 구성 평막의 척층수가 360 장을 초과하는 경우에는 유입 용액을 분리막의 적층 구조에 균일하게 공급하는 것이 어려워져 효율이 저하될 수 있다. 따라 서, 바람직하게는 120 내지 260 장의 범위에서 적층하는 것으로 구성할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 240 장을 적층하는 것으로 구성할 수 있다.

이러한 특정한 구성의 본 발명에 따른 분리막 장치은 다양한 응용 분양에 적용이 가능하다. 구체적으로 살펴보면, 먼저 수처리 분야에서는 물속의 유, 무기물질을 제거한 후 정수(음용수)나 순수 용도로 사용할 수 있으며, 중금속 및 질산성질소에 오염된 지하수 처리 및 분리막의 농축수를 처리하여 처리율도 증가시킬 수 있다. 또한, 전처리된 오하수 및 폐수처리 시에도 적용될 수 있다. 제약분야 및 식품 분야에서는 액상 상태의 특정 물질을 농축 시 적용할 수 있다. 또한, 해수 담수화시 해수의 염을 제거하여 담수로 만드는데도 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에는 평판형 분리막을 사용함으로써, 각 평막 사이의 간격 조절이 가능하며, 고농도의 현탁물질을 함유한 원수에도 적용 가능하다. 또한, 분해 조립이 가능하여 세정이 용이하고, 각각의 평막 자체만의 교체가 가능하다.

본 발명은 또한 상기의 분리막을 포함한 수처리 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 수처리 시스템은 제 1 저장소, 펌프, 필터, 유량계, 상기 분리막 장치, 및 제 2 저장소를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 수처리 시스템이 모식적으로 도시되어 있는 도 2를 참조하면, 먼저, 처리하고자 하는 용액을 제 1 저장소에 넣은 후, 펌프를 이용하여 물리적 여과 단계인 필터를 통과한 용액을 분리막에 공급하게 된다. 이때, 선택적으로 유량계를 설치, 용액의 유입량을 측정하여 분리막에 공급되는 용액의 압력을 조절할 수 있다. 분리막에서 걸러진 유,무기물은 별도의 공정을 거쳐, 슬러리 내지 고농축액의 형태로 수거되며, 여과과정을 거친 순수한 용매는 제 2 저장소에 저장된다.

본 발명은 또한 상기 카본계 분리막을 포함하는 분리막 장치의 제조방법을 제공한다. 이를 예시하면 다음과 같다.

우선, 분리막의 메트릭스 성분으로서의 고분자 분리막 재료, NMP(N-methylpyrrolidone), PVDF(Polyvinylidene fluoride), 및 기타 첨가제를 조성 비율에 따라 혼합액을 제조한다. 이때, NMP는 고분자 재료의 용매로 사용되며, PVDF는 분리막 조성물의 바인더 역할을 한다. 상기 혼합물을 200℃ 이상으로 가열한 프레스를 이용하여 일정한 두께로 캐스팅(casting)하여 각 평막을 제조할 수 있다.

또 다른 방법으로는 상기의 혼합물을 가열된 롤러를 통해 롤링(Rolling)하여 일정 두께의 시트형태로 제조한 후, 상온으로 냉각하여 각 평막을 제조하는 것이 가능하다.

상기의 방법으로 제조된 각 평막을 일정 크기로 재단한 후, 이를 순서대로 적층하고, 그라파이트 시트에 전원공급장치를 연결하여 원하는 전압을 공급하여 분리막 장치를 제조할 수 있다.

이상의 설명과 같이, 본 발명은 분리막용 고분자 막으로서 카본계 물질 및/또는 CNT(카본나노튜브)를 사용하고, 전극용 부재로서 그라파이트 시트를 사용하여 미소 전류를 인가함으로써, pH, 화학약품, 고온고압 등의 환경조건에 강하면서도, 기계적 특성이 우수하고, 분해능이 뛰어난 분리막 장치를 제조할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (6)

1. 카본계 물질을 포함하고 있는 수처리용 분리막 장치로서, (i) 그라파이트 시트, (ii) 카본계 물질을 포함하는 고분자 분리막, 및 (iii) 스페이서(spacer)의 적층 구조를 포함하고, 상기 그라파이트 시트에 미소 전압이 인가되는 것으로 구성된 분리막 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 카본계 물질은 CNT(카본나노튜브)인 것을 특징으로 하는 분리막 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 미소 전압은 1.5 V 이하인 것을 특징으로 하는 분리막 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 가로, 세로의 크기가 각각 50 내지 300 mm이고, 적층 간격이 2 mm인 것을 특징으로 하는 분리막 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 적층 구조는 스페이서를 기준으로 대칭구조를 이루며, 각 구성 평막의 적층수는 150 내지 360 장인 것을 특징으로 하는 분리막 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 따른 분리막 장치를 포함하는 것으로 구성된 수처리 시스템.

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