KR101511232B1 - 유도물질 내재형 정삼투 분리막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 정삼투 장치 - Google Patents

유도물질 내재형 정삼투 분리막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 정삼투 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 지지체층; 상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고, 이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층; 및 상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제공한다. 본 발명에 따르면, 삼투압을 발생시키는 유도물질이 막에 내장되어 있으므로, 종래의 방식과 같이 분리막을 투과한 투과용액이 유도물질과 혼합되지 않아 이를 분리해내기 위한 유도용액 재생장치를 설치하지 않을 수 있다. 따라서 공정상 경제성이 향상될 수 있는 효과가 있다.

Description

유도물질 내재형 정삼투 분리막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 정삼투 장치{Forward Osmosis membrane packed with draw material, the preparing method thereof and the forward osmosis apparatus comprising the same}
본 발명은 유도물질 내재형 정삼투 분리막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 정삼투 장치에 관한 것이다.
현재 기존의 역삼투 분리막(RO, reverse osmosis membrane)을 이용한 해수담수화 공정에 비해 에너지 저감 효율이 높은 분리막에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그 대표적인 연구가 정삼투 분리막(FO, forward osmosis membrane)에 대한 연구라 할 수 있다. 일례로 기존 역삼투 분리막 공정의 경우 2 - 4 kwh/ton의 에너지가 소비되었으나, 정삼투 분리막 공정의 경우 이론적으로 1 - 1.5 kwh/ton 정도로 에너지 소비량을 저감할 수 있는 것으로 나타난다.
정삼투 분리막의 수투과 메커니즘을 살펴보면, 기존의 역삼투 분리막과 유사한 분리막을 통해 정삼투가 수행된다. 즉, 반투막(semipermeable membrane)을 중심으로 일면은 해수와 같이 염 등을 포함한 처리하고자 하는 혼합수가 접하면 혼합수보다 화학적 포텐셜(chemical potential)이 높은 유도물질이 혼합되어 있는 유도용액이 접하여 화학적 포텐셜의 차이에 의해 발생되는 삼투압에 의해 분리투과가 이루어진다.
이와 같은 정삼투 분리막 공정은 도 1에 나타낸 바와 같이 기존의 역삼투 분리막의 염을 배제할 수 있는 분리막을 중심으로 유입수부(Feed side; 해수, 폐수 등을 포함한 처리하고자 하는 공급수)와 투과부(Permeate side; 삼투압을 유발시킬 수 있는 유도물질(draw material)를 포함하는 유도용액부(draw solution)가 있으며, 이와 함께 투과부에는 분리막을 통해 투과된 투과수와 유도용액(draw solution)을 분리하는 유도용액 재생장치로 구성되어 있다. 유도용액 재생장치는 투과수로부터 유도물질(draw material)를 분리, 회수 및 용해과정을 걸쳐 유도용액을 분리막의 투과부를 순환하도록 구성된다.
이하, 정삼투 분리막 공정을 각 구성요소별로 살펴보면 하기 제시된 바와 같다. 상기 정삼투 분리막 공정에 있어서, 정삼투 분리막은 기존의 역삼투막과 같이 폴리설폰(ploysulfone) 등의 유리상고분자들을 이용하여 제조된 다공성 지지체(porous supporter) 위에 계면중합(interface polymerization)을 통해 폴리아마이드(polyamide) 박막형태로 코팅한 TFC 막(thin film composite membrane) 형태로사용할 수 있으나, 아직 상용화되지 않았다.
또한, 현재 HTI사에서 정삼투막으로 상용화된 셀룰로스(cellulose)계 고분자막(CTA 막)이 있으며, HTI사의 CTA막은 평막(sheet membrane) 형태로 두 종류의 분리막을 시판하고 있고 편의상 일반적으로 카트리지 타입(cartridge type)과 파우치 타입(pouch type)으로 분류한다. 카트리지 타입의 분리막은 내부에 매시(mesh)가 내재되어 기계적 강도를 유지할 수 있도록 설계되어 있으며 분리막의 매시를 중심으로 대칭구조라는 것이 특징이라 할 수 있다. 이와 달리 파우치 타입의 분리막은 조밀한 부직포 위에 CTA고분자를 캐스팅(casting)한 방법으로 제조된 비대칭구조의 분리막이 있다. 상기 HTI사의 정삼투 전용 분리막은 염배제율이 비교적 우수한 편이나 NaCl 0.6 mol. 기준의 유도용액에서 수투과도가 약 7 LMH로 매우 낮은 수투과도를 나타내고 있다. 따라서 현재 국내외적으로 정삼투 분리막 개발과 관련된 연구들이 매우 다양하게 수행되고 있다.
나아가, 유도용액, 화학적 포텐셜을 발생시킬 수 있는 유도물질에 대한 연구가 다각적으로 이루어지고 있으나 아직 정삼투 분리막 공정에 맞는 뚜렷한 유도물질은 개발되어 있지 않은 실정이다. 이에 화학적 포텐셜 즉, 삼투압의 발현이 높고, 물에 대한 용해도가 크며 분리회수 및 재용해 즉, 재생이 용이한 용질이 요구되고 있다.
현재 연구되고 있는 용질로는 크게 유기유도물질(organic draw solute)로 메틸이미다?(methylimidazole) 유도체, 무기유도물질(inorganic draw solute)로 암모니아 바이카보네이트(ammonia bicarbonate) 및 입자유도용질(particle draw solute)로 iron(III) acetylacetonate[Fe(acac)3]에 TEG, 2-pyrrolidone 또는 PAA 등을 코팅한 자성나노입자(magnetic nanoparticle, MNP) 등이 있다.
이와 같은 다양한 유도물질의 연구에도 불구하고 현재 정삼투 분리막 공정을 구현함에 있어 매우 큰 기술적 장벽은 유도물질의 재사용에 관한 것이다. 즉, 투과부에서 투과수와 유도물질의 분리회수 공정이 매우 복잡하고 많은 에너지가 소모되고 있다는 점이 기술적 문제로 대두되고 있으며, 이를 해결할 수 있는 유도물질에 대한 연구가 수행되고 있다.
이때, 상기 유기유도물질의 경우 막증류(membrane distillation, MD) 방법 등을 이용하여 분리회수한 다음 다시 물에 용해시키는 과정을 걸쳐야 하는데, 이때, 막증류 공정에서의 에너지가 많이 소비되며 또한 공정이 매우 복잡해지는 단점이 있다. 또한, 무기유도물질의 경우 막증류 및 역삼투 방법을 통해 위와 같은 재생 및 용해공정이 이루어짐에 따라 이 역시 많은 에너지 소비와 복잡한 공정이 걸치게 된다는 문제점이 있다. 또한, 이러한 방법과 달리 보다 용이한 방법으로 입자유도물질을 이용하여 분리회수를 자성분리기(magnetic separator)를 이용하려는 시도를 하고 있으나 공정의 특성상 매우 느리게 분리된다는 단점이 있다.
이에, 본 발명의 발명자들은 정삼투용 분리막 및 이를 이용한 공정에 대하여 연구하던 중, 유도물질을 분리막 내에 내재시켜 분리막을 제조하면 유도물질의 분리회수 공정 없이도 정삼투를 수행할 수 있어 공정단계 및 공정상 에너지 효율이 향상된다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 포함하는 정삼투 장치를 제공하는 데 있다.
나아가, 본 발명의 목적은 상기 정삼투 장치를 이용한 정삼투 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
다공성 지지체층;
상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고,
이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층; 및
상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제공한다.
또한, 본 발명은
삼투압을 유발하는 유도물질을 제조하여 다공성 지지체층의 일면에 이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 삼투압을 유발하는 유도물질을 물리적 또는 화학적으로 고정시켜 유도물질층을 형성하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 형성된 유도물질층의 표면에 활성층을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막 및 상기 분리막의 타면과 접하는 투과부를 포함하되, 상기 유입수부는 상기 분리막의 활성층과 접하고, 상기 투과부는 상기 분리막의 다공성 지지체층과 접하는 정삼투용 셀; 및
상기 투과부와 연결되고, 상기 분리막을 통해 투과되어 유입된 투과용액을 투과부로 유동시키기 위한 진공펌프;를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 포함하는 정삼투 장치를 제공한다.
더욱 나아가, 본 발명은
정삼투용 셀에 상기 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하는 단계(단계 1):
상기 정삼투용 셀의 유입수부에 유입수를 공급하여 정삼투를 수행하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 투과부로 유동시키는 단계(단계 3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 삼투압을 발생시키는 유도물질이 막에 내장되어 있으므로, 종래의 방식과 같이 분리막을 투과한 투과용액이 유도물질과 혼합되지 않아 이를 분리해내기 위한 유도용액 재생장치를 설치할 필요가 없고, 따라서 공정상 경제성이 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 정삼투 분리막 공정을 나타낸 개략도이다.
본 발명은
다공성 지지체층;
상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고,
이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층; 및
상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막은 다공성 지지체층을 포함한다. 상기 다공성 지지체층은 삼투압을 유발하는 유도물질층을 지지하고, 또한 다공성을 가짐으로써 삼투현상으로 투과된 물을 이동시킬 수 있는 통로를 제공한다. 이때, 상기 다공성 지지체층은 지상구조(finger like structure) 또는 스폰지구조(sponge like structure)일 수 있다.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막에 있어서, 상기 다공성 지지체는 폴리설폰(PSf, polysulfon), 폴리이서설폰(PES, polyethersulfone), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF, polyvinyl), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리이서이미드(PEI, polyetherimide), 폴리프로필렌(PP, polypropylene) 및 폴리에틸렌(PE, polyethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종으로 제조되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다공성 지지체들은 상전이 등의 방법으로 다공성으로 용이하게 제조될 수 있고 물리화학적 특성이 우수하여 지지체로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막은 상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고, 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층을 포함한다.
본 발명에 따른 정삼투 분리막은 상기 유도물질층을 포함함으로써 유입수의 정삼투를 발생시킬 수 있는 동력을 제공할 수 있다.
또한, 종래의 정삼투 분리막 공정에 따르면 반투막(semipermeable membrane)을 중심으로 한쪽면은 해수와 같이 염 등을 포함한 처리하고자 하는 혼합수가 접하고 그 반대쪽면은 혼합수보다 화학적 포텐셜(chemical potential)이 높은 유도물질이 혼합되어 있는 유도용액이 접해 화학적 포텐셜의 차이에 의해 발생되는 삼투압에 의해 분리투과가 이루어진다. 따라서, 투과부에는 분리막을 통해 투과된 투과수와 유도용액(draw solution)을 분리하는 유도용액 재생장치가 구성되어 있다. 상기 유도용액 재생장치는 투과수로부터 유도물질(draw solute)을 분리, 회수 및 용해과정을 걸쳐 분리막의 투과부를 순환하도록 구성된다.
그러나 본 발명에 따르면 삼투압을 발생시키는 유도물질이 막에 내장되어 있으므로, 종래의 방식과 같이 분리막을 투과한 투과용액이 유도물질과 혼합되지 않아 이를 분리해내기 위한 유도용액 재생장치를 설치할 필요가 없고, 따라서 공정상 경제성이 향상될 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막에 있어서, 상기 유도물질은 이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)인 것이 바람직하다.
이때, 상기 유도물질은, 일례로써 이온 교환 능력이 있는 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지를 사용할 수 있으며, 산화망간(MnO2), 황산바륨(BaSO4), 황화구리(CuS), 탄산마그네숨(MgCO3), 탄산칼슘(CaCO3), 탄산은(Ag2CO3) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2) 등의 불용성 염, 카라기난(Carrageenan)과 같은 다당류, 단백질류, 폴리 메타크릴레이트 엑시드(Polymethacrylic acid)와 같은 합성 고분자를 포함하는 고분자 전해질을 사용할 수 있다.
또한, 상기 유도물질은 다공성 지지체층 쪽에서 진공펌프를 이용하여 투과된 물을 유동시키는 과정에서 물리적 힘에 의해 추출되지 않는 것이 바람직하다. 이에, 상기 유도물질을 물리적 점착, 화학적 점착 또는 화학결합을 통해 다공성 지지체에 물리적 또는 화학적으로 고정시키는 것이 바람직하다. 상기 고정 방법은 사용되는 유도물질의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다.
한편, 상기 유도물질은 다공성 지지체 상에 물리적 또는 화학적으로 고정되어 삼투압을 유발할 수 있다.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막은 상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층을 포함한다.
상기 활성층은 유도물질 상에 박막형태로 코팅되어 유입수에서 염 등과 같은 불순물을 배제하고 순수물만 선택적으로 투과될 수 있는 치밀층이어야 한다. 상기 활성층은 정삼투 분리막 셀에 공급되는 유입수와 대면하도록 위치한다.
이때, 상기 활성층의 소재는 폴리아마이드(PA, polyamide), 셀룰로스 아세테이트(CA, cellulose acetate) 및 셀룰로스 트리아세테이트(CTA, cellulose triacetate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것이 바람직하나, 물분자에 대한 선택적 투과성을 갖는다면 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막은 평막(sheet membrane) 또는 중공사막(hollow fiber membrane)의 형태일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은
삼투압을 유발하는 유도물질을 제조하여 다공성 지지체층의 일면에 이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 삼투압을 유발하는 유도물질을 물리적 또는 화학적으로 고정시켜 유도물질층을 형성하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 형성된 유도물질층의 표면에 활성층을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법에 있어서, 단계 1은 삼투압을 유발하는 유도물질을 제조하여 다공성 지지체층의 일면에 이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 삼투압을 유발하는 유도물질을 물리적 또는 화학적으로 고정시켜 유도물질층을 형성하는 단계이다.
상기 다공성 지지체층은 삼투압을 발생시킬 수 있는 동력을 제공하는 유도물질층을 지지하는 기능을 하고, 다공성을 가짐으로써 삼투현상으로 투과된 물을 이동시킬 수 있는 통로를 제공한다. 이때, 상기 유도물질은 다공성 지지체층 쪽에서 진공펌프를 이용하여 투과된 물을 유동시키는 과정에서 물리적 힘에 의해 추출되지 않는 것이 바람직하다. 이에, 물리적 점착, 화학적 점착 및 화학결합을 통해 다공성 지지체에 물리적 또는 화학적으로 고정시키는 것이 바람직하다. 상기 고정 방법은 사용되는 유도물질의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 1의 유도물질은 이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)인 것이 바람직하다.
이때, 상기 단계 1의 유도물질은, 이온 교환 능력이 있는 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지를 사용할 수 있으며, 산화망간(MnO2), 황산바륨(BaSO4), 황화구리(CuS), 탄산마그네숨(MgCO3), 탄산칼슘(CaCO3), 탄산은(Ag2CO3) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2) 등의 불용성 염, 카라기난(Carrageenan)과 같은 다당류, 단백질류, 폴리 메타크릴레이트 엑시드(Polymethacrylic acid)와 같은 합성 고분자를 포함하는 고분자 전해질을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 유도물질은 다공성 지지체층 쪽에서 진공펌프를 이용하여 투과된 물을 유동시키는 과정에서 물리적 힘에 의해 추출되지 않는 것이 바람직하다. 이에, 상기 단계 1의 유도물질을 물리적 점착, 화학적 점착 또는 화학결합을 통해 다공성 지지체에 물리적 또는 화학적으로 고정시키는 것이 바람직하다. 상기 고정 방법은 사용되는 유도물질의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다.
한편, 상기 단계 1의 유도물질은 다공성 지지체 상에 물리적 또는 화학적으로 고정되어 삼투압을 유발할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 유도물질층의 표면에 활성층을 코팅하는 단계이다.
구체적으로, 상기 코팅은 친수성 고분자 물질을 박막 형태로 코팅할 수 있는 습식 코팅법으로 수행될 수 있고, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 및 계면중합 등 공지된 바의 방법이 가능하며, 연속공정 또는 핸디코팅 등을 이용할 수 있다.
이때, 상기 단계 2에서 활성층의 소재는 폴리아마이드(PA, polyamide), 셀룰로스 아세테이트(CA, cellulose acetate) 및 셀룰로스 트리아세테이트(CTA, cellulose triacetate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
나아가, 본 발명은
유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막 및 상기 분리막의 타면과 접하는 투과부를 포함하되, 상기 유입수부는 상기 분리막의 활성층과 접하고, 상기 투과부는 상기 분리막의 다공성지지체층과 접하는 정삼투용 셀; 및
상기 투과부와 연결되고, 상기 분리막을 통해 투과되어 유입된 투과용액을 투과부로 유동시키기 위한 진공펌프;를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 포함하는 정삼투 장치를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 정삼투 장치에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 정삼투 장치는 유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막 및 상기 분리막의 타면과 접하는 투과부를 포함하되, 상기 유입수부는 상기 분리막의 활성층과 접하고, 상기 투과부는 상기 분리막의 다공성지지체층과 접하는 정삼투용 셀을 포함한다.
상기 정삼투용 셀에서 유입구를 통해 유입수가 공급될 수 있다. 일정량의 유입수가 유입수부로 공급되면, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막에서 삼투현상이 발생할 수 있다. 이는 상기 분리막에 유도물질이 내재되어 있어 삼투압을 발생시키므로, 유입수에 포함된 염 등의 불순물을 제외한 물분자만이 상기 분리막의 활성층으로 투과하는 현상이 발생한다. 상기 활성층을 통과한 물분자들은 유도물질층 및 다공성 지지체층을 통과하여 투과부로 이동할 수 있다.
본 발명에 따른 정삼투 장치는 상기 투과부와 연결되고, 상기 분리막을 통해 투과되어 유입된 투과용액을 투과부로 유동시키기 위한 진공펌프를 포함한다.
본 발명에 따른 분리막은 유도물질이 내재되어 삼투압을 유발시켜 유입수가 분리막을 투과할 수 있는 동력을 제공한다. 상기 분리막의 활성층을 투과한 후 유도물질층 및 다공성 지지체층에 머무르는 물분자들을 유동시키고, 이를 정삼투용 셀의 투과부로 이동시키기 위한 추가적인 동력을 제공하기 위하여 진공펌프를 연결할 수 있다. 또한, 스위핑 가스(sweeping gas)를 사용할 수 있다.
더욱 나아가, 본 발명은
정삼투용 셀에 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하는 단계(단계 1):
상기 정삼투용 셀의 유입수부에 유입수를 공급하여 정삼투를 수행하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 투과부로 유동시키는 단계(단계 3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 정삼투 방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 정삼투 방법에 있어서, 단계 1은 정삼투용 셀에 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성 지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하는 단계이다.
상기 분리막은 활성층이 유입수부와 대면하도록 배치됨으로써, 이후의 단계에서 유입수에 포함된 물분자들이 분리막의 활성층을 통해 투과하여 이동할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 정삼투 방법에 있어서, 단계 2는 상기 정삼투용 셀의 유입수부에 유입수를 공급하여 정삼투를 수행하는 단계이다.
상기 정삼투용 셀에서 유입구를 통해 유입수가 공급될 수 있다. 일정량의 유입수가 유입수부로 공급되면, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막에서 삼투현상이 발생할 수 있다. 이는 상기 분리막에 유도물질이 내재되어 있어 삼투압을 발생시키므로, 유입수에 포함된 염 등의 불순물을 제외한 물분자만이 상기 분리막의 활성층으로 투과한다. 상기 활성층을 통과한 물분자들은 유도물질층 및 다공성 지지체층을 통과하여 투과부로 이동할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 정삼투 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 정삼투용 셀의 투과부로 유동시키는 단계이다.
본 발명에 따른 분리막에서 물분자들이 활성층을 투과한 후 유도물질층 및 다공성 지지체층에 머무르는 물분자들을 진공펌프를 이용하여 유동시키고, 또한 유도물질 이외에 삼투현상을 발생시키기 위한 추가적인 동력을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 정삼투 분리막의 제조 1
단계 1: 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride)를 20 중량%, 용매인 노말메틸피롤리돈(n-Methyl Pyrrolidone)을 65 중량%, 기공형성제로 폴리에틸렌 글라이콜(polyethylene glycol)을 15 중량%의 조성으로 혼합하여 도포용액을 제조한 후 이를 유리판에 고정시킨 부직포(non-woven) 위에 도포(casting)하여 다공성 지지체를 준비하였다. 이때, 상기 도포용액은 부직포 기준으로 500 ㎛ 두께로 설정한 닥터 블레이드(doctor blade)를 이용하여 도포되었다.
또한, 상기 다공성 지지체 위에 양이온 교환수지를 포함하는 용액을 도포(casting)한 후 비용매유도상전이(NIPS, Nonsolvent-Induced Phase Separation) 방법으로 다공성의 유도물질층이 형성된 평막(flat membrane) 형태의 분리막을 제조하였다. 이때, 상기 비용매유도상전이 방법은 비용매인 초순수가 담겨있는 응고조(coagulation bath)에 침지시켜 수행되었다.
단계 2: 셀룰로즈 트리아세테이트(CTA, cellulose triacetate) 13 중량%, 1,4-다이옥산(1,4-dioxane)과 아세톤(acetone)의 혼합용매(3:1) 80 중량%, 메탄올(methanol) 4.5 중량%, 및 말산(malic acid) 2.5 중량%의 조성으로 혼합용액을 제조한 후 상기 단계 1에서 제조된 유도물질을 포함하는 평막형 다공성 지지체 위에 코팅하여 활성층을 형성함으로써 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 2> 정삼투 분리막의 제조 2
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 음이온 교환수지를 포함하는 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 3> 정삼투 분리막의 제조 3
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 산화망간(MnO2)을 포함하는 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 4> 정삼투 분리막의 제조 4
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 황산바륨(BaSO4)을 포함하는 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 5> 정삼투 분리막의 제조 5
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 황화구리(CuS)를 포함하는 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 6> 정삼투 분리막의 제조 6
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 탄산마그네숨(MgCO3)을 포함하는 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 7> 정삼투 분리막의 제조 7
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 탄산칼슘(CaCO3)을 포함하는 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 8> 정삼투 분리막의 제조 8
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 탄산은(Ag2CO3)을 포함하는 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 9> 정삼투 분리막의 제조 9
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)을 포함하는 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 10> 정삼투 분리막의 제조 10
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 카라기난(Carrageenan) 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 11> 정삼투 분리막의 제조 11
상기 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체 위에 폴리 메타크릴레이트 엑시드(Polymethacrylic acid) 용액을 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
<실시예 12~22> 정삼투 분리막 공정
단계 1: 정삼투용 셀에 상기 실시예 1~11에서 제조한 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성 지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하였다.
단계 2: 상기 정삼투용 셀의 유입수부에 초순수를 50 ml/min의 유량으로 공급한 후 정삼투를 수행하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 투과부로 유동시켜 투과된 초순수를 5 l/m2h 로 회수하였다.

Claims (9)

  1. 다공성 지지체층;
    상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고,
    이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층; 및
    상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 폴리설폰(PSf, polysulfon), 폴리이서설폰(PES, polyethersulfone), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF, polyvinyl), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리이서이미드(PEI, polyetherimide), 폴리프로필렌(PP, polypropylene) 및 폴리에틸렌(PE, polyethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지는 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 불용성 염은 산화망간(MnO2), 황산바륨(BaSO4), 황화구리(CuS), 탄산마그네슘(MgCO3), 탄산칼슘(CaCO3), 탄산은(Ag2CO3) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 전해질은 카라기난(Carrageenan)을 포함하는 다당류, 단백질류, 폴리 메타크릴레이트 엑시드(Polymethacrylic acid)를 포함하는 합성 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층의 소재는 폴리아마이드(PA, polyamide), 셀룰로스 아세테이트(CA, cellulose acetate) 및 셀룰로스 트리아세테이트(CTA, cellulose triacetate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
  7. 삼투압을 유발하는 유도물질을 제조하여 다공성 지지체층의 일면에 이온 교환 수지(Ion exchange resin), 금속 산화물을 포함하는 불용성 염(Insoluble salt) 및 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 삼투압을 유발하는 유도물질을 물리적 또는 화학적으로 고정시켜 유도물질층을 형성하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1에서 형성된 유도물질층의 표면에 활성층을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법.
  8. 유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부, 유입수부와 일면에서 접하는 제 1 항의 유도물질 내재형 정삼투 분리막 및 상기 분리막의 타면과 접하는 투과부를 포함하되, 상기 유입수부는 상기 분리막의 활성층과 접하고, 상기 투과부는 상기 분리막의 다공성지지체층과 접하는 정삼투용 셀; 및
    상기 투과부와 연결되고, 상기 분리막을 통해 투과되어 유입된 투과용액을 투과부로 유동시키기 위한 진공펌프;를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 포함하는 정삼투 장치.
  9. 정삼투용 셀에 제 1 항에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하는 단계(단계 1):
    상기 정삼투용 셀의 유입수부에 유입수를 공급하여 정삼투를 수행하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 투과부로 유동시키는 단계(단계 3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투 방법.
KR1020140008231A 2013-04-30 2014-01-23 유도물질 내재형 정삼투 분리막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 정삼투 장치 KR101511232B1 (ko)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170052711A (ko) * 2015-11-03 2017-05-15 금오공과대학교 산학협력단 해수담수용 하이브리드 정삼투막, 이를 포함하는 해수담수용 정삼투막 필터 및 정삼투 방식의 해수담수시스템

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010527772A (ja) * 2007-05-26 2010-08-19 ストニーブルック ウォーター ピュリフィケーション セルロース又はセルロース誘導体を含む高流束流体分離膜
KR20120031713A (ko) * 2010-09-27 2012-04-04 현대중공업 주식회사 정삼투막 및 그 제조방법
KR20130002837A (ko) * 2011-06-29 2013-01-08 웅진케미칼 주식회사 유량이 개선된 정삼투 복합막의 제조방법 및 그로부터 제조된 정삼투 복합막

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010527772A (ja) * 2007-05-26 2010-08-19 ストニーブルック ウォーター ピュリフィケーション セルロース又はセルロース誘導体を含む高流束流体分離膜
KR20120031713A (ko) * 2010-09-27 2012-04-04 현대중공업 주식회사 정삼투막 및 그 제조방법
KR20130002837A (ko) * 2011-06-29 2013-01-08 웅진케미칼 주식회사 유량이 개선된 정삼투 복합막의 제조방법 및 그로부터 제조된 정삼투 복합막

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170052711A (ko) * 2015-11-03 2017-05-15 금오공과대학교 산학협력단 해수담수용 하이브리드 정삼투막, 이를 포함하는 해수담수용 정삼투막 필터 및 정삼투 방식의 해수담수시스템
KR102428671B1 (ko) * 2015-11-03 2022-08-02 금오공과대학교 산학협력단 해수담수용 하이브리드 정삼투막, 이를 포함하는 해수담수용 정삼투막 필터 및 정삼투 방식의 해수담수시스템

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