KR20120011129A - 복합막 및 이의 제조방법 - Google Patents

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윤성한
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황지현
이준영
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Abstract

본 발명은 복합막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성탄 블록 코어; 상기 코어를 둘러싸며 형성된 다공성 지지체층; 및 상기 지지체를 둘러싸며 형성된 고분자 분리막층을 포함하는 복합막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

복합막 및 이의 제조방법{COMPOSITE MEMBRANE AND FABRICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 크기 배제와 화학적 흡착에 의한 여과가 동시에 구현될 수 있는 복합막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수처리 장치는 수도수, 자연수, 폐수 등과 같은 정수 대상수를 필터 시스템을 통과시켜 정화하는 것으로, 필터 시스템에 의한 여과 수단을 이용하여 원수에 포함된 중금속이나 기타 유해 물질을 제거한다.
이러한 여과 수단으로서 필터는 막세공과 용질간의 크기차에 의해 특정물질을 분리하는 크기 배제(size-exclusion), 필터 자체의 용질간의 화학적 흡착(chemical adsorption), 막 표면에서의 용해, 확산 등의 분리원리를 응용하여 물질을 분리한다.
이때 제거 대상이 되는 용질의 크기, 종류에 따라 적합한 필터의 종류가 달라질 수 밖에 없으며, 보다 효율적으로 오염물질을 제거하여 위해, 막세공의 크기가 다른 필터, 또는 여과 방법이 다른 필터를 병행하여 사용하고 있다.
이에 따라 다양한 필터를 단계별로 조합하여 적용하게 되며, 두 개 이상의 필터를 조합하여 사용하는 경우 수처리 장치의 규모를 축소하기 어려울 뿐만 아니라 필요에 따라 처리용량을 확대 또는 축소해야 할 경우 전체적인 장치의 수정이 불가피한 문제점이 있다.
상기한 문제점을 개선하기 위해, 본 발명의 과제는 크기 배제 방법에 의해 여과를 할 수 있는 고분자 분리막과 화학적 흡착 방법에 의해 여과를 할 수 있는 활성탄 블록을 복합화하여, 필터를 소형화 및 컴팩트화하며, 동시에 필요에 따라 필터의 수처리 용량을 쉽게 변경할 수 있도록 한 복합막 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명은,
활성탄 블록 코어;
상기 코어를 둘러싸며 형성된 다공성 지지체층; 및
상기 지지체를 둘러싸며 형성된 고분자 분리막층
를 포함하는 복합막을 제공한다.
또한 본 발명은
S1) 활성탄 블록 코어 표면에 다공성 지지체를 권취하는 단계;
S2) 다공성 지지체 표면을 고분자 분리막 형성용 용액으로 코팅하는 단계;
S3) 응고조 내에서 응고시키는 단계; 및
S4) 세척액으로 세척한 후 건조하는 단계
를 포함하는 복합막 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 복합막에 의하면, 크기 배제에 의한 여과를 담당하는 고분자 분리막과 화학적 흡착에 의한 여과를 담당하는 활성탄 블록을 하나의 복합막으로 구성하여 정화 대상수의 정화 효율을 더욱 향상시킬 수 있고, 전체 필터의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합막을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복합막의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합막을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 복합막(100)은 수도수, 자연수 등과 같은 원수로서의 정화 대상수를 필터 시스템을 통과시켜 정화하고, 그 정화된 물을 외부로 방출할 수 있는 수처리 장치에 적용될 수 있다.
복합막(100)은 크기 배제 방법에 의해 여과를 할 수 있는 고분자 분리막과 화학적 흡착 방법에 의해 여과를 할 수 있는 활성탄 블록을 복합하여, 필터의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있는 구조로서 이루어진다.
이를 위해, 본 발명에 따른 복합막(100)은 활성탄 블록 코어(10); 상기 코어를 둘러싸며 형성된 다공성 지지체층(20); 및 상기 지지체를 둘러싸며 형성된 고분자 분리막층(300)을 포함한다.
상기 활성탄 블록 코어(10)는 일정 길이의 원통형의 활성탄으로 이루어진다. 이러한 활성탄 블록 코어(10)의 형상은 원통형에만 한정되는 것이 아니라, 활성탄으로 이루어진 다각 형상이 채택될 수도 있다.
활성탄(Activated Carbon)은 0.2 내지 10 마이크로미터의 마이크로 기공과 10 마이크로미터 이상의 매크로 기공을 가지고 있어, 본 발명에 따른 복합막에서 화학적 흡착에 따른 여과를 담당하게 된다. 즉, 미세 기공들을 통해 화학적 흡착 방식으로서 물에 포함된 용존 불순물인 휘발성 유기 화합물, 발암 물질, 합성세제, 살충제 등 인체에 유해한 화학물질과 염소 성분을 흡착 제거하고, 물의 불쾌한 맛, 냄새, 색소 등을 흡착 제거한다.
이러한 활성탄 블록 코어(10)의 직경은 10 내지 30 mm인 것이 바람직하다.
만약 이의 직경이 상기 범위 미만이면 처리수와의 접촉 면적이 저하되어 처리 효율이 미미한 문제점이 있고, 반대로 상기 범위를 초과하면 투수량이 저하되는 문제점이 있다.
상기 다공성 지지체층(20)은 상기 활성탄 블록 코어(10)의 표면을 둘러싸며 형성된다. 본 발명에서 다공성 지지체층(20)은 고분자 분리막층(30)이 이 지지체층을 통해 활성탄 블록 코어(20)에 의해 지지되어 형성될 수 있도록 한다.
다공성 지지체층은 고분자 물질로 이루어지며, 투과수가 투과하기에 충분한 크기의 기공, 바람직하게는 1 내지 500 nm 크기의 미세 기공이 형성되어 있다. 만약 미세 기공의 크기가 500 nm를 초과하는 경우, 다공성 지지체층(20)의 위에 형성되는 고분자 분리막층(30)을 이루는 고분자 물질이 지지체의 미세 기공 사이로 스며들어 막을 형성하지 못하는 문제점이 있다.
이러한 다공성 지지체층(20)의 재질은 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으며, 이 기술분야에 공지된 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다.
바람직하기로, 올레핀계 수지, 불소계 수지, 폴리에스터계 수지 또는 셀룰로오스계의 부직포를 사용한다.
상기 다공성 지지체층(20)의 두께는 활성탄 블록 코어(10)의 직경에 따라 적절히 변경할 수 있으나, 바람직하기로 10 내지 200 ㎛이다.
이때 다공성 지지체층(20)의 두께가 상기 범위 미만이면 고분자 분리막층을 충분히 지지하지 못하여 분리될 수 있으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 막 저항이 증가하는 문제점이 있다.
상기 고분자 분리막층(30)은 상기 다공성 지지체층(20)의 표면을 둘러싸며 그 상부에 형성되며, 크기 배제에 의한 여과?분리를 담당한다.
즉, 분리막층(30)은 정밀여과막이나 한외여과막 등의 기공막과 같이 압력차를 추진력으로 하여 분리막에 형성된 막세공과 용질간의 크기차에 의해 대상물질을 분리하여 여과한다.
이때 분리막층(30)은 제조시 적용하는 분야에 따라 고분자의 종류, 공정조건을 조절함으로써 막세공의 크기를 달리하여, 정밀여과막이나 한외여과막으로 형성할 수 있다.
정밀여과막으로 형성하는 경우 막세공이 0.01 내지 10 ㎛, 한외여과막으로 형성하는 경우 막세공이 0.002 내지 0.1 ㎛이 되도록한다.
상기 분리막층(30)의 재질은 이 기술분야에서 일반적으로 사용되는 고분자라면 어떠한 것이든 가능하다. 대표적으로, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐술폰, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아크릴레이트 또는 폴리에테르이미드를 선택 사용할 수 있다.
이때 상기 고분자 분리막층(30)의 두께는 10 내지 300 ㎛인 것이 바람직하다.
만약 고분자 분리막층(20)의 두께가 상기 범위 미만이면 분리막의 기계적 물성이 저하되고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 막 저항이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 복합막은 원통형의 필터 하우징(당 업계에서는 통상적으로 “카트리지”라고 한다) 내부에 설치되며, 그 필터 하우징에 형성되는 입수구와 출수구를 통해 정화 대상수가 유입 및 유출된다.
이와 같이, 고분자 분리막과 활성탄 블록이 하나로 복합화되어 구성되므로, 이를 포함하는 필터의 소형화 및 컴팩트화가 구현될 수 있다. 또한, 수처리 장치의 운전조건, 적용분야에 따라 전체 시스템의 변경 없이 하우징 내부에 설치되는 복합막의 수량 조절만으로도 필터의 수처리 용량을 쉽게 변경할 수 있다.
전술한 바와 같은 복합막은,
S1) 활성탄 블록 코어 표면에 다공성 지지체를 권취하는 단계;
S2) 다공성 지지체 표면을 고분자 분리막 형성용 용액으로 코팅하는 단계;
S3) 응고조 내에서 응고시키는 단계; 및
S4) 세척액으로 세척한 후 건조하는 단계
를 거쳐 제조된다.
먼저, 단계 S1)에서는 활성탄 블록 코어 표면에 다공성 지지체를 권취한다.
다공성 지지체는 활성탄 블록 코어의 외주에 동심원 형상으로 층을 이루며 권취되며, 이로써 활성탄 블록 코어 표면에 다공성 지지체층이 형성된다. 이때 지지체의 단부는 열융착시키거나 접착제를 이용하여 접착시킨다.
이어서, 단계 S2)에서는 다공성 지지체 표면을 고분자 분리막 형성용 용액으로 코팅한다.
이때 코팅은 통상적으로 사용하는 딥 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 플로우 코팅 등이 사용될 수 있다.
상기 고분자 분리막 형성용 용액은 분리막 형성을 위한 고분자, 이를 용해하기 위한 용매 및 상분리 온도와 점성 조절을 위한 첨가제를 포함한다.
이때 고분자 분리막 형성을 위한 고분자는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐술폰, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아크릴레이트 및 폴리에테르이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종이 사용될 수 있으며, 전체 분리막 형성용 용액 중 10 내지 45 중량%의 함량으로 포함된다.
만약 고분자의 함량이 상기 범위 미만이면 분리막층의 강도가 감소하게 되고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 투수량을 높게 유지하기가 어려워지는 문제점이 있다.
상기 용매는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 상기 고분자 및 첨가제를 균일하게 용해할 수 있는 것이면 어느 것이든 가능하고, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다. 일예로 디메틸설폭사이드, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 메탄올, 에탄올, 2-메틸-1-부탄올, 2-메틸-2-부탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종의 알코올; γ-부티로락톤, 사이클로헥사논, 3-헥사논, 3-헵타논, 3-옥타논, 아세톤 및 메틸 에틸 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 케톤; 테트라하이드로퓨란, 트리클로로에탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
이때 상기 용매의 함량은 전체 고분자 분리막 형성용 용액 중 25 내지 70 중량%이다. 만약 용매의 함량이 상기 범위 미만이면, 용액의 점도가 높아 코팅이 어려우며, 제조된 분리막의 투과도가 감소된다. 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 고분자 형성용 용액의 점도가 낮아져 균일한 코팅이 어려워지는 문제점이 있다.
상기 첨가제는 본 발명의 분야에서 사용하는 것이라면 어느 것이든 가능하고, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다. 대표적으로 공극 조절제로는 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 키토산, 키틴, 덱스트란 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 고분자 화합물을 사용할 수 있고, 기공 형성제로는 염화리튬, 염화나트륨, 염화칼슘, 리튬아세테이트, 황산나트륨 및 수산화나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 염을 사용할 수 있다. 그 외에 물; 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜 및 디에틸렌 글리콜으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 알코올; 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
이때 첨가제의 함량은 전체 고분자 분리막 형성용 용액 중 5 내지 40 중량%이다. 만약 첨가제의 함량이 상기 범위 미만이면 제조된 고분자 분리막의 표면 기공이 너무 커서 치밀한 분리막층을 형성하기 어렵고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 고분자 분리막 형성용 용액의 점도가 높아서 코팅이 어려워진다.
다음으로, 단계 S3)에서는 응고조 내에서 응고시켜 고분자 분리막층을 형성한다.
고분자 분리막층은 용매와 비용매의 상전환(phase inversion)에 의해 다공성이 부여됨으로써 형성된다. 즉, 응고조에서 용매와 비용매의 상호 확산에 의해 치환이 일어나 고분자의 침전이 발생하며, 이때 용매와 비용매가 차지하고 있던 부분이 기공으로 되어 분리막이 형성된다
상기 응고조 내의 응고제는 고분자 물질에 대해 비용매이고, 용매 및 첨가제와 상용성이 있는 것이라면 어느 것이든 사용가능하다. 대표적으로, 물, 글리세린, 프로필렌글리콜 또는 이들의 혼합물이 가능하며, 바람직하기로는 물을 사용한다.
마지막으로, 단계 S4)에서는 얻어진 복합막을 세척액으로 세척한 후 건조한다.
이후에 응고된 고분자 분리막의 내부 및 표면에 잔류한 용매, 첨가제 및 응고액의 제거를 위한 세척 과정 및 건조 과정을 수행할 수 있다.
세척액으로는 물 또는 열수를 사용할 수 있다.
10: 활성탄 블록 코어 20: 다공성 지지체층
30: 고분자 분리막층

Claims (10)

  1. 활성탄 블록 코어;
    상기 코어를 둘러싸며 형성된 다공성 지지체층; 및
    상기 지지체를 둘러싸며 형성된 고분자 분리막층
    을 포함하는 복합막.
  2. 제1항에 있어서, 상기 활성탄 블록 코어의 직경은
    10 내지 30 mm인 것인 복합막.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다공성 지지체층은
    올레핀계 수지, 불소계 수지, 폴리에스터계 수지 또는 셀룰로오스계의 부직포인 것인 복합막.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 지지체층의 두께는
    10 내지 200 ㎛인 것인 복합막.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고분자 분리막층은
    폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐술폰, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아크릴레이트 및 폴리에테르이미드으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 고분자 재질을 포함하는 것인 복합막.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고분자 분리막층의 두께는
    10 내지 300 ㎛인 것인 복합막.
  7. S1) 활성탄 블록 코어 표면에 다공성 지지체를 권취하는 단계;
    S2) 다공성 지지체 표면을 고분자 분리막 형성용 용액으로 코팅하는 단계;
    S3) 응고조 내에서 응고시키는 단계; 및
    S4) 세척액으로 세척한 후 건조하는 단계
    를 포함하는 복합막 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 분리막 형성용 용액은
    고분자 10 내지 45 중량%, 유기 용매 25 내지 70 중량% 및 첨가제 5 내지 40 중량%를 포함하는 것인 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 유기 용매는
    디메틸설폭사이드, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 메탄올, 에탄올, 2-메틸-1-부탄올, 2-메틸-2-부탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종의 알코올; γ-부티로락톤, 사이클로헥사논, 3-헥사논, 3-헵타논, 3-옥타논, 아세톤 및 메틸 에틸 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 케톤; 테트라하이드로퓨란, 트리클로로에탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 제조방법. 도프 용액 조성물.
  10. 제7항에 있어서, 상기 첨가제는
    물; 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜 및 디에틸렌 글리콜으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 알코올; 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 키토산, 키틴, 덱스트란 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 고분자 화합물; 염화리튬, 염화나트륨, 염화칼슘, 리튬아세테이트, 황산나트륨 및 수산화나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 염 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 제조방법.
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