KR101993448B1 - 수처리용 다공성 세라믹 분리막 및 이의 제조방법 - Google Patents

수처리용 다공성 세라믹 분리막 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수처리용 다공성 세라믹 분리막, 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 분리막의 공극 내부 표면이 세라믹 입자로 코팅되고, 상기 분리막의 공극 크기가 1 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막을 제공히고, 다공성 세라믹 지지체를 형성하는 단계; 세라믹 입자를 포함하는 졸 용액을 제조하는 단계; 상기 졸 용액을 유기용매와 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및 상기 다공성 세라믹 지지체를 상기 코팅 용액에 침지하여, 지지체의 공극 내부 표면을 세라믹 입자로 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 수처리 분리막에 있어서, 수투과도와 오염물질에 대한 배제율이 동시에 우수한 분리막을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

수처리용 다공성 세라믹 분리막 및 이의 제조방법 {POROUS CERAMIC SEPARATION MEMBRANE FOR WATER TREATMENT AND ITS PREPARATION METHOD}
본 발명은 수처리용 다공성 세라믹 분리막, 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법, 및 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 공극 크기 조절방법에 관한 것이다.
분리막은 수처리, 기체 분리, 석유화학, 전자재료, 의약제조, 연료전지, 증기 분리 등과 같은 여러 산업분야에서 핵심 요소기술로 각광을 받고 있다. 특히 수처리 분야의 경우, 기존 물리 화학적 및 생물학적 공정보다 수질 개선 효과가 우수하며, 인체 유해성 약품의 사용 없이 친환경적인 막분리 공정 구현이 가능하기 때문에 이에 대한 관심 및 유관 연구가 활발히 진행 중이다.
수처리 분리막 소재 중 고분자 분리막은 제조가 용이하고 가격이 저렴하여 대부분의 수처리 공정에서 널리 활용되고 있으나, 열적/화학적 안정성이 취약하고, 막오염에 대한 저항성이 낮은 단점을 가지고 있다.
이와 관련하여 고분자 분리막을 대체할 수 있는 소재로서 극한조건(고압력, 고온, 산/염기 등)에서도 높은 내화학성, 내열성, 내구성으로 장시간 사용이 가능한 다공성 세라믹 분리막에 대한 관심이 증대되고 있다.
다공성 세라믹 분리막을 합성하기 위한 방법으로는 일반적으로 압출법, 상전이법 등이 활용되고 있으나, 생산속도가 느리거나, 분리막의 강도가 약한 단점으로 인해 실용화가 제한적이었으나, 최근에는 압출법과 상전이 법을 혼합한 상전이 압출법을 통하여 생산속도를 높이고 제조된 분리막의 강도를 향상키는 연구가 진행되고 있다.
세라믹 분리막 중에서 가장 많이 사용되고 있는 알루미늄계 막은 대부분 상기 언급된 압출방식에 의해 제조된 튜브 형태로써, 대략 0.05 ~ 1 ㎛ 정도의 기공 범위를 가지는 정밀 여과막이다.
미세 기공 크기를 요구하는 한외여과용으로 사용하기 위해서는 기공 크기의 제어가 필요하여, 제조된 정밀여과막 위에 졸-겔 코팅 등의 공정을 도입하여 활성층을 코팅하는 방법으로 막의 기공 크기를 조절하는 하는 방법으로 제조되어 사용하고 있다.
그러나 이와 같이 표면에 활성층을 코팅하여 막의 기공 크기를 조절하는 경우, 코팅된 활성층의 수투과 저항이 매우 크기 때문에 오염 물질의 배제율을 높게 나오는 반면 수투과 성능이 크게 떨어지는 문제점이 있어서 산업적으로 활용이 크게 제한된다.
예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2017-0060642호에는 표면 개질을 통하여 우수한 내오염성을 갖는 세라믹 분리막이 개시되어 있고, 구체적으로는 세라믹 분리막 표면에 유기물질을 그래프팅하여 표면을 친수성으로 개질함으로써 정전기적 반발력에 의하여 표면 오염을 억제할 수 있는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 이는 분리막의 표면을 개질하는 기술로, 분리막의 내오염성만을 언급하고 있을 뿐, 수투과도나 오염물질에 대한 배제율에 대해서는 언급하고 있지 않다.
다음으로, 박병규, 이정학, "한외여과막에 의한 정수처리 공정에서 응집제를 이용한 분리막의 코팅", 한국물환경학회, 대한상하수도학회 공동춘계학술발표회 논문집, 2002년 04월 19일, C-12에는 분리막 표면을 금속 수산화물, 구체적으로는 Al(OH)3 또는 Fe(OH)3으로 코팅하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 해당 기술에 따르면, 유기물의 제거능은 향상되나, 여과 저항에 의하여 여과 성능이 저하되는 문제점이 있다.
이에 본 발명의 발명자들은 세라믹 분리막에 활성층을 도입하여 수투과도와 배제율을 높이는 연구를 수행하던 중, 활성층을 형성하는 세라믹 입자를 지지체에 스며들게 하는 방법을 통하여 수투과도의 감소를 최소화하고 배제율을 항샹시키는 방법을 발견하여, 우수한 성능의 수처리용 다공성 세라믹 분리막, 예를 들어, 고 투과성 한외여과용 복합 중공사막을 제조할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0060642호
박병규, 이정학, "한외여과막에 의한 정수처리 공정에서 응집제를 이용한 분리막의 코팅", 한국물환경학회, 대한상하수도학회 공동춘계학술발표회 논문집, 2002년 04월 19일, C-12
본 발명의 목적은 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법, 수처리용 다공성 세라믹 분리막, 및 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 공극 크기를 조절하는 방법을 제공하는데 있다.
이를 위하여 본 발명은
다공성 세라믹 분리막에 있어서, 상기 분리막의 공극 내부 표면이 세라믹 입자로 코팅되고, 상기 분리막의 공극 크기가 1 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막을 제공한다.
또한 본 발명은
다공성 세라믹 지지체를 형성하는 단계; 세라믹 입자를 포함하는 졸 용액을 제조하는 단계; 상기 졸 용액을 유기용매와 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및 상기 다공성 세라믹 지지체를 상기 코팅 용액에 침지하여, 지지체의 공극 내부 표면을 세라믹 입자로 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
수처리용 다공성 세라믹 분리막을 준비하는 단계; 세라믹 입자를 포함하는 졸 용액을 제조하는 단계; 상기 졸 용액을 유기용매와 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및 상기 분리막을 상기 코팅 용액에 침지하여, 상기 다공성 분리막의 공극 내부 표면을 세라믹 입자로 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 공극 크기 조절방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 수처리 분리막에 있어서, 수투과도와 오염물질에 대한 배제율이 동시에 우수한 분리막을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 비교예에 따른 분리막의 주사전자현미경 사진이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분리막의 주사전자현미경 사진이고, 및
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 분리막의 오염물질 배제율과 수투과도를 비교하는 그래프이다.
본 발명은 다공성 세라믹 분리막에 있어서, 상기 분리막의 공극 내부 표면이 세라믹 입자로 코팅되고, 상기 분리막의 공극 크기가 1 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 분리막을 각 구성별로 상세히 설명한다.
본 발명의 수처리용 다공성 세라믹 분리막은 분리막의 공극 내부 표면이 세라믹 입자로 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다. 기존의 수처리용 분리막의 경우 공극 크기 조절을 위하여 분리막 표면에 연속적인 활성층을 형성하는 것이 일반적이었는데, 이와 같은 표면에 활성층을 형성하는 경우, 수투과도가 현저히 떨어지는 문제점이 있다. 이에 본 발명은 분리막 표면에 별도의 층을 형성시키는 것이 아니라, 분리막 공극 내부 표면이 세라믹 입자로 코팅되는 구성을 통하여 공극의 크기를 조절하고, 나아가 수투과도가 저하되는 것을 억제할 수 있다. 본 발명에 따른 분리막과 기존의 분리막은 도 1 및 도 2를 통하여 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 분리막의 경우 도 2와 같이 분리막 표면에 별도의 활성층이 없는 반면, 기존의 분리막의 경우 도 1과 같이 분리막 표면에 별도의 활성층을 갖게 된다.
본 발명의 수처리용 다공성 세라믹 분리막은 공극의 크기가 1 내지 100 nm인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 분리막은 수처리용 분리막이기 때문에 수투과도를 고려해야 한다는 점에서 공극의 크기는 1 nm 이상이고, 오염물질 배제율을 고려해야 한다는 점에서 공극의 크기는 100 nm 이하이다.
한편, 본 발명의 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 세라믹 및 공극 내부 표면에 코팅되는 세라믹 입자는 알루미나일 수 있다. 세라믹 소재 중 친수성이며 가격이 낮고 대량 제조가 용이하다는 점에서 수처리용 다공성 세라믹 분리막에 포함되는 세라믹 입자는 알루미나일 수 있다.
또한, 본 발명은
다공성 세라믹 지지체를 형성하는 단계;
세라믹 입자를 포함하는 졸 용액을 제조하는 단계;
상기 졸 용액을 유기용매와 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및
상기 다공성 세라믹 지지체를 상기 코팅 용액에 침지하여, 지지체의 공극 내부 표면을 세라믹 입자로 코팅하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법을 제공한다.
물과 오염물질이 분리막을 투과하는 경우, 두 물질의 분리성능은 단순히 각 물질의 크기 차이에 의한 분자체 현상에 의하여 결정되는 것이 아니라, 물의 동역학적 흐름과 콜로이드 상인 오염물질의 확산과도 밀접하게 연관되어 있다. 이에 본 발명의 발명자들은 분리막 표면에 연속적인 활성층을 형성하지 않고, 다공성 분리막의 공극 내부 표면을 침지식으로 코팅하여, 분리막의 굴곡도(Tortuosity) 및 콜로이드 상 물질의 평균자유 행로(mean free pass) 대비 분리막의 기공의 크기를 감소시켜, 오염 물질의 확산 저항을 최대화하고, 물의 투과 저항을 최소화하는 방향으로 연구를 수행하여 본 발명을 완성하였다. 그러나, 상기의 내용은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 하나의 의견일 뿐, 본 발명의 효과가 상기 내용만으로 반드시 모두 설명되는 것은 아니며, 나아가 본 발명의 권리범위가 상기 내용에 의하여 한정되는 것도 아니다.
이하 본 발명을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법은 다공성 세라믹 지지체를 형성하는 단계를 포함한다. 이때 지지체는 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 세라믹 혼합 도프 용액을 제조하고, 이를 압출기와 노즐을 통해 수중으로 토출하여 용매와 비용매 상호확산을 통하여 고형화를 유도한다. 다음으로 고형화된 분리막을 열수처리하고 건조한 후, 소결시켜 다공성 세라믹 지지체를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법은 세라믹 입자를 포함하는 졸 용액을 제조하는 단계를 포함한다. 졸 용액은 다공성 세라믹 지지체의 공극 내부 표면을 코팅하기 위한 세라믹 입자를 포함하는 용액으로 예를 들어, 세라믹 전구체 용액에 질산과 같은 산을 혼합한 후 교반하여 제조할 수 있으며, 제조된 졸 용액은 필터를 통해 불순물을 제거한 후 사용될 수 있다.
이때 졸 용액 중 졸의 크기는 1 내지 100 nm의 범위일 수 있다. 본 발명에서 졸의 크기는 졸 용액 내에서 졸을 형성하는 입자의 크기를 의미한다. 졸의 크기는 소결 시 형성되는 기공 크기를 한외여과 수준으로 조절하기 위해 1 nm 이상일 수 있고, 효과적인 분산 및 지지체 내 입자의 침투를 위해 100 nm 이하일 수 있다.
또한, 상기 졸 용액의 농도는 10 내지 50 질량비의 범위일 수 있다. 상기 졸 용액의 농도는 졸 용액 내의 세라믹 전구체의 농도를 의미한다. 상기 농도는 코팅에 효과적인 입자크기를 형성하기 위해 10 이상일 수 있고, 균일하게 분산된 졸을 형성하기 위해 50 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법은 상기 졸 용액을 유기용매와 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계를 포함하며, 이때 유기용매는 코팅 시 표면장력이 낮고 휘발성이 높은 점에서 알코올 특히, 에탄올을 사용할 수 있다.
졸 용액과 유기용매를 혼합할 때 졸 용액과 유기용매의 혼합비율은 부피비로 1 : 9 내지 9 : 1일 수 있다. 상기 혼합 비율은 코팅 시 지지체 기공 내 세라믹 입자의 효과적 코팅을 위해 1 : 9 이상일 수 있고, 코팅용액의 점도를 낮추기 위해 9 : 1 이하일 수 있다. 또한, 졸 용액과 유기용매를 혼합할 때 혼합비율은 중량비로 0.5 : 1 내지 2 : 1일 수 있다. 상기 혼합 비율은 코팅 시 지지체 기공 내 세라믹 입자의 효과적 코팅을 위해 0.5 : 1 이상일 수 있고, 코팅용액의 점도를 낮추기 위해 2 : 1 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법은 형성된 다공성 세라믹 지지체를 상기 코팅 용액에 침지하여, 지지체의 공극 내부 표면을 세라믹 입자로 코팅하는 단계를 포함한다. 지지체를 코팅 용액에 침지함에 따라, 코팅 용액이 지지체 내부로 스며들게 되고, 결과적으로 코팅 용액에 의하여 지지체의 공극 내부 표면이 세라믹 입자에 의하여 코팅되게 된다. 상기 단계는 다양한 방법으로 수행될 수 있고, 예를 들어 지지체의 일단을 막고, 딥코터(dip-coater)를 이용하여 상기 코팅 용액 내로 수직으로 디핑하는 방법으로 수행될 수 있다.
이때, 지지체 내부로 스며든 코팅 용액에 의하여 지지체의 공극이 모두 채워져버리는 경우에는 수처리시 물의 투과도가 현저히 떨어지기 때문에 바람직하지 않으며, 스며든 코팅 용액 내의 세라믹 입자에 의하여 지지체의 공극 내부 표면이 코팅되어 상기 공극의 크기가 조절되는 정도로 공정을 조절할 필요가 있다. 즉, 코팅이 두껍게 되는 경우에는 지지체의 공극 크기가 줄어들게 되고, 코팅이 얇게 되는 경우에는 지지체의 공극 크기가 확장되는 방법으로 공극의 크기가 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법에 있어서, 지지체를 코팅 용액에 침지하여, 지지체의 공극 내부 표면을 세라믹 입자로 코팅하는 단계를 통하여 지지체의 공극 크기는 1 내지 100 nm로 조절될 수 있다. 수처리를 위한 분리막은 수투과도를 고려해야 한다는 점에서 지지체의 공극 크기는 1 nm 이상일 수 있고, 오염물질의 배제율을 고려하면 지지체의 공극 크기는 100 nm 이하일 수 있다. 특히 한외여과를 목적으로 하는 경우 공극 크기는 50 nm 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법에 있어서, 상기 지지체의 세라믹 입자 및 졸 용액에 포함되는 세라믹 입자는 알루미나 입자일 수 있다. 세라믹 소재 중 친수성이며 가격이 낮고 대량 제조가 용이하다는 점에서 수처리용 다공성 세라믹 분리막에 포함되는 세라믹은 알루미나일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법은 상기 다공성 세라믹 지지체의 외측 표면에 잔류하는 코팅 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 다공성 세라믹 지지체의 외측 표면에 잔류하는 코팅 용액을 제거하는 단계는 상기 지지체를 코팅 용액에 침지하여 지지체의 공극 내부 표면을 세라믹 입자로 코팅한 직후에 수행될 수도 있고, 또는 상기 코팅 후 추가적인 다른 공정을 수행한 이후에 수행될 수도 있다. 본 발명에 따른 제조방법에서 수투과도가 향상된다는 관점에서 상기 지지체의 외측 표면에 잔류하는 코팅 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 잔류하는 코팅 용액의 제거는 공지의 다양한 방법을 통하여 수행될 수 있다.
나아가 본 발명은
수처리용 다공성 세라믹 분리막을 준비하는 단계;
세라믹 입자를 포함하는 졸 용액을 제조하는 단계;
상기 졸 용액을 유기용매과 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및
상기 분리막을 상기 코팅 용액에 침지하여, 상기 다공성 분리막의 공극 내부 표면을 세라믹 입자로 코팅하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 공극 크기 조절방법을 제공한다.
수처리용 다공성 세라믹 분리막은 수투과도와 오염물질 배제율을 동시에 고려해야 하며, 수투과도가 떨어지는 것을 억제하면서 오염물질의 배제율을 높이기 위하여 다공성 세라믹 분리막의 공극 크기를 조절하는 것이 필요하다. 본 발명의 상기 조절방법에 따르면, 간단한 방법으로 분리막의 수투과도가 저하되는 것을 억제하면서도 오염물질 배제율이 향상될 수 있도록 분리막의 공극 크기를 조절할 수 있는 방법이 제공된다.
상기 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 공극 크기 조절방법의 구체적인 각 단계들은 상기 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법의 각 단계들과 동일하므로, 각 단계들에 대한 설명은 생략한다. 차이점은 분리막의 제조방법은 다공성 세라믹 지지체를 형성하는 반면, 공극 크기 조절방법은 기 형성되어 있는 수처리용 다공성 세라믹 분리막을 사용한다는 점이다.
이때 졸 용액 중 졸의 크기는 1 내지 100 nm의 범위일 수 있다. 본 발명에서 졸의 크기는 졸 용액 내에서 졸을 형성하는 입자의 크기를 의미한다. 졸의 크기는 소결 시 형성되는 기공 크기를 한외여과 수준으로 조절하기 위해 1 nm 이상일 수 있고, 효과적인 분산 및 지지체 내 입자의 침투를 위해 100 nm 이하일 수 있다.
또한, 상기 졸 용액의 농도는 10 내지 50 질량비의 범위일 수 있다. 상기 졸 용액의 농도는 졸 용액 내의 세라믹 전구체의 농도를 의미한다. 상기 농도는 코팅에 효과적인 입자크기를 형성하기 위해 10 이상일 수 있고, 균일하게 분산된 졸을 형성하기 위해 50 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 공극 크기 조절방법은 상기 졸 용액을 유기용매와 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계를 포함하며, 이때 유기용매는 코팅 시 표면장력이 낮고 휘발성이 높은 점에서 알코올 특히, 에탄올을 사용할 수 있다.
졸 용액과 유기용매를 혼합할 때 혼합비율은 중량비로 0.5 : 1 내지 2 : 1일 수 있다. 상기 혼합 비율은 코팅 시 지지체 기공 내 세라믹 입자의 효과적 코팅을 위해 0.5 : 1 이상일 수 있고, 코팅용액의 점도를 낮추기 위해 2 : 1 이하일 수 있다.
이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예 및 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 이하의 내용에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
다공성 세라믹 분리막의 제조
이하 표 1의 함량으로 폴리술폰(PSf), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 마그네슘 하이드록사이드(Mg(OH)2)와 분산제(DISPER BYK-190)를 N,N-디메틸아세트아미드(DMAc)에 첨가한 후, 50 ℃에서 24 시간동안 교반하였다. 첨가제가 용매에 녹아 충분히 섞인 다음, 알루미나(Al2O3) 분말을 표1의 함량으로 첨가하여 72 시간동안 교반하였다.
알루미나 PSf PEG Mg(OH)2 BYK-190 DMAc 총
함량
(중량%)		 70.0 6.5 2.0 0.3 0.5 20.7 100.0
상기 교반 후 제조된 용액을 상온의 진공 오븐에서 4 시간동안 감압하여 용액 내 기포를 제거하였다. 준비된 용액은 압출기와 2중 노즐(중심: 물, 외곽: 기포 제거 후의 용액)을 통해 토출되고, 물에 담금으로써 용매와 비용매 상호 확산에 의하여 고형화를 유도하는 방법으로 다공성 세라믹 지지체를 형성하였다. 형성된 다공성 세라믹 지지체의 잔류 용매를 제거하기 위하여 60 ℃ 열수에서 3 시간 처리 후, 상온에서 건조하였다. 건조 후, 지지체를 가열로(furnace)에서 넣고 1450 ℃에서 6시간 소결시켜 다공성 세라믹 지지체를 형성하였다. 이때. 상승 온도 속도는 3 ℃/min으로 하였다.
10 nm 알루미나 졸 용액을 제조하기 위하여 전구체로 알루미늄-트리-섹-부톡사이드(aluminum-tri-sec-butoxide)를 사용하였다. 39 g의 알루미늄 전구체를 150 ml 증류수에 첨가한 후 85 ℃의 온도에서 1 시간동안 교반시켜 충분히 분산시켰다. 상기 분산 용액에 1 M HNO3 용액 11 g을 추가한 후 85 ℃에서 18 시간동안 교반하였다. 제조된 졸 용액을 마이크로미터 단위의 일반 필터에 여과시켜 불순물을 제거하였다.
상기 제조된 졸 용액과 에탄올을 부피비로 1:1로 혼합하여 코팅 용액을 준비하였다.
상기 소결을 통하여 형성된 다공성 세라믹 지지체의 한쪽 끝을 막고, 딥코터(dip-coater)를 이용하여 지지체를 상기 코팅 용액 내로 수직으로 디핑(dipping)하였다. 이때 코팅 조건은 이하의 표 2와 같다.
하강 속도
(mm/s)		 상승 속도
(mm/s)		 디핑 시간
(sec)
30 30 120
코팅 후, 상대 습도 45 내지 50 %, 20 ℃ 조건에서, 2 시간 건조 후, 1000 ℃ 고온에서 3 시간동안 소결시켜 수처리용 다공성 세라믹 분리막을 제조하였다. 소결시 상승 온도 속도는 2 ℃/min으로 설정하였다.
<실시예 2>
다공성 세라믹 분리막의 제조 2
최종 소결시 소결 온도를 1400 ℃로 하여 1 시간동안 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 분리막을 제조하였다.
<비교예 1>
다공성 세라믹 분리막의 제조
상기 실시예 1에서 다공성 세라믹 지지체를 형성하는 방법과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 분리막을 제조하였다.
<비교예 2>
Hyflux 사의 상용 알루미나 중공사막이며 기공 크기가 20 nm인 InoCep 20을 사용하였다.
<비교예 3>
Hyflux 사의 상용 알루미나 중공사막이며 기공 크기가 100 nm인 InoCep 100을 사용하였다.
<비교예 4>
표면에 활성층이 형성된 다공성 세라믹 분리막의 제조
상기 실시예 1에서 코팅 용액 준비시 에탄올을 사용하지 않고 졸 용액만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막을 제조하였다.
<비교예 5>
상기 실시예 2에서 다공성 세라믹 지지체를 형성하는 방법과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 분리막을 제조하였다.
<비교예 6>
표면에 활성층이 형성된 다공성 세라믹 분리막의 제조를 위해 상기 실시예 2에서 코팅 용액 준비시 에탄올을 사용하지 않고 졸 용액만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 분리막을 제조하였다.
<실험예 1>
다공성 분리막의 주사전자 현미경 분석
비교예 4와 실시예 1에 의하여 제조된 다공성 분리막을 주사전자 현미경을 통하여 확인하였고, 그 결과를 도 1과 도 2에 나타내었다.
비교예 4의 도 1을 보면, 분리막 표면 상부로 활성층이 별도의 층으로 형성되어 있음을 확인할 수 있고, 실시예 1의 도 2를 보면, 분리막 표면 상부에 별도의 층이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
수투과도 및 폴리스티렌의 배제율 측정
비교예 1 내지 4와 실시예 1에 의하여 제조된 분리막을 이용하여 수투과도 및 폴리스티렌에 대한 배제율을 측정하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
비교예 1 내지 4와 실시예 1에 의하여 제조된 분리막에 대하여 크로스 플로우(cross flow) 방식으로 수투과도를 측정하였다. 즉, 1 bar의 압력 하에서 순수 물(pure water)의 단위 시간당, 단위 면적당 투과량을 측정하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 하기 표에서 LMH는 "liter/(m2·h)"을 의미한다.
또한, 20 nm 크기의 폴리스티렌(PS)을 물에 분산시켜 10 ppm 용액을 만들고, 이를 비교예 1 내지 4와 실시예 1에 의하여 제조된 분리막에 크로스 플로우 방식으로 1 bar의 압력 하에서 흐르게 하였고, 그 결과를 UV-Vis 장비의 농도에 따른 흡광도 차이로 계산하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
수투과도
(LMH/bar)		 143 240 196 536 50
오염물질
배제율
(20nm, %))		 98.17 84.56 70.43 71.34 97.54
상기 표 3에 따르면, 비교예들의 경우 수투과도가 높으면 오염물질 배제율이 낮고, 또는 오염물질 배제율이 높으면 수투과도가 현저히 낮은 문제점이 있으나, 실시예 1의 경우 오염물질 배제율이 매우 우수하면서도 수투과도도 함께 우수하다는 것을 알 수 있다.
<실험예 2>
수투과도 및 폴리에틸렌글리콜 배제율 측정
비교예 2, 비교예 3, 비교예 5, 비교예 6 및 실시예2에서 제조된 분리막을 이용하여 수투과도 및 폴리에틸렌글리콜에 대한 배제율을 측정하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
비교예 2, 비교예 3, 비교예 5, 비교예 6 및 실시예2에서 제조된 분리막에 대하여 크로스 플로우(cross flow) 방식으로 수투과도를 측정하였다. 즉, 1 bar의 압력 하에서 순수 물(pure water)의 단위 시간당, 단위 면적당 투과량을 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
또한, 분자량이 900kDa인 PEG와 2000kDa인 PEG 각각으로 1000 ppm의 수용액을 제조하고, 이를 크로스 플로우 방식으로 1 bar의 압력에서 비교예 2, 비교예 3, 비교예 5, 비교예 6 및 실시예 2의 분리막에 대하여 흐르게 하였다. 공급된 수용액과 여과된 후의 수용액의 총탄소량을 TOC 분석을 통하여 측정하여 배제율을 계산하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 따르면, 비교예들의 경우 수투과도가 현저히 낮거나 또는 오염물질 배제율이 낮은 문제점이 있는 반면, 실시예 2의 경우 오염물질 배제율이 우수할 뿐만 아니라, 수투과도도 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 다공성 세라믹 분리막에 있어서,
    상기 분리막의 공극 내부 표면만이 세라믹 입자로 코팅되고,
    상기 분리막의 공극 크기가 1 내지 100 nm이고, 상기 분리막은 추가 층으로 상기 세라믹 입자에 의한 활성층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리막의 세라믹 입자 및 공극 내부 표면에 코팅되는 세라믹 입자는 알루미나인 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막.
  3. 다공성 세라믹 지지체를 형성하는 단계;
    세라믹 입자를 포함하는 졸 용액을 제조하는 단계;
    상기 졸 용액을 유기용매와 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 다공성 세라믹 지지체를 상기 코팅 용액에 침지하여, 지지체의 공극 내부 표면만을 세라믹 입자로 코팅하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 졸 용액 중 졸의 크기는 1 내지 100 nm이고,
    상기 졸 용액의 농도는 10 내지 50 질량비이고,
    상기 졸 용액과 유기용매는 부피비로 1 : 9 내지 9 : 1로 혼합되고,
    추가 층으로 상기 세라믹 입자에 의한 활성층이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제3항에 있어서,
    상기 다공성 세라믹 지지체를 상기 코팅 용액에 침지하여, 지지체의 공극 내부 표면만을 세라믹 입자로 코팅하는 단계를 통하여 지지체의 공극 크기가 1 내지 100 nm로 조절되는 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 세라믹 지지체 및 세라믹 입자의 세라믹은 알루미나인 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제조방법은 상기 다공성 세라믹 지지체의 외측 표면에 잔류하는 코팅 용액을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 다공성 세라믹 분리막의 제조방법.
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