KR100452719B1 - 섬유질 지지체로 강화한 고인장강도의 중공사 분리막 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 천연면, 유리섬유 등으로 제조된 섬유질(11)을 지지체로 하여, 그 외부표면에 Polysulfone, Polyethersulfone, Polyvinylchloride, Polyvinylidenedifluoride, Polyacrylonitrile 고분자 용액(5)을 코팅하여 개발된 고 인장 강도를 지닌 중공사 분리막(13)이다. 수중에서 흡입 방법이나, 중공사 분리막 표면으로 가압하여 폐수가 통과할 때 물리적, 화학적 충격에 강한 내구성을 갖추어 장기간 사용할 수 있고 높은 투과수량을 나타내는 섬유질 지지체(11)로 강화한 고 인장 강도의 중공사 분리막(13)이다.

Description

섬유질 지지체로 강화한 고 인장강도의 중공사 분리막 및 그 제조방법{High tension hollow fiber membrane, and method of manufacture the same}

본 발명은 폐수에 함유된 부유성 입자를 펌프 등의 물리적인 힘에 의해 가압 및 흡입 여과할 수 있는 섬유질 지지체(11)로 강화한 고 인장강도 중공사 분리막(14)의 개발에 대한 기술이다

보다 상세하게는 폐수 중에 존재하는 부유성 입자를 제거하는 고 인장강도 중공사 분리막(14)으로 섬유질 지지체(11)의 외부표면에 고분자 용액(5)을 코팅하여 제작된 고 인장강도 중공사 분리막(14)으로 지지체인 섬유질(11)에 의해 강한 인장강도를 가지며, 고분자 용액(5)을 코팅하여 경화된 고분자 분리막(21)은 분리막(21)에 형성된 0.1 - 1.0㎛ 공경에 크기에 따라 폐수 중에 부유성 입자의 크기별로 여과할 수 있는 섬유질 지지체로 강화된 고 인장강도 중공사 분리막(14)이다.

일반적으로 분리막이라 함은 넓게 펼쳐 있는 평판형 평막과 평막을 플라스틱 종류의 관형으로 말아서 만든 와권형막 그리고 파이프 모양으로 중앙이 비어 있는 중공사 분리막이 있다. 평막과 와권형막은 단위 면적 당 유효 분리면적이 중공사 분리막에 비해 적으며, 물리ㆍ화학적 오염으로 막 막힘 현상이 높으며 이런 경우에 대부분 화학적인 방법으로 세정을 한다. 이에 반하여, 중공사 분리막은 단위면적 당 유효 분리면적이 평막, 와권형막에 비해 상당히 크며, 물리ㆍ화학적 오염으로 인한 막 막힘 현상의 경우 화학적인 세정보다는 편리한 물과 공기에 의한 와류 진동으로 쉽게 세정하는 장점이 있다.

중공사 분리막은 용기 내에 삽입하여 사용하기도 하고 폐수에 직접 노출, 침적하여 사용하는데, 수중의 강한 와류형성과 고형의 물질 등으로 일반적인 고분자의 분리막은 자주 끊어지는 현상이 발생한다. 분리막이 끊어지면 끊어진 분리막의 단면으로 분리하여야 하는 부유성 물질이 동시에 흡입하여 분리막의 효능이 없어진다. 이런 경우에 분리막의 끊어지는 정도가 심하면 다시 분리막 전체를 교체하는 폐단이 많았다.

이러한 결과의 원인은 기존의 중공사 분리막은 지지체가 없이 고분자 수지를 용융하거나 고분자 수지를 용매에 녹여 이를 특정 제작기구에서 생산해내는 고분자단독으로 형성된 분리막으로 고분자의 함량이나 기타 생산 속도의 조절과 물리ㆍ화학적인 전ㆍ후 처리에 의해 강도가 조절되기 때문에 그 강도는 생산 방식에 관계없이 거의 비슷한 150 -180kg_f/㎠의 인장강도는 유지하고 있다. 따라서 물리적인 힘에 의한 분리막의 손상을 방지하거나 지연시키는 방법이 크게 요구하게 된다. 즉, 분리막 시스템의 수명은 중공사 분리막의 성능과 구조적 안정성에 있기 때문이다.

또한, 종래의 중공사 분리막을 폐수 속에서 침적하여 흡입 여과하는 방식으로 이용할 때, 지지체가 없는 중공사 분리막은 10-15ℓ/㎡ㆍhr 범위의 한정된 투과수량을 가지고 있어 많은 양의 폐수를 처리하기 위하여 분리막의 소요량이 많이 필요하게 된다.

그러므로 본 발명은 상기의 문제점을 해결 방안으로 섬유질 (도3, 11)를 지지체로 인장 강도를 증강시키고, 그 외부표면에 코팅할 고분자 용액(5)을 고분자 수지와 여러 가지 용매 및 첨가제의 배합 비율을 달리 조제하여 그 배합 비율에 따라서 경화된 고분자 분리막(21)에서 공극의 크기가 결정되고 그 크기에 따라 부유성 입자를 분리 여과할 수 있는 기능을 가진, 또 경화된 고분자 분리막(21)의 두께를 조절하여 투과수량을 증가시킨 높은 투과수량의 고인장강도 중공사 분리막(14)과 그 제조 방법에 관한 것이다.

인장 강도는 기존의 고분자 분리막의 인장강도에 비하여 100배정도 강화되는 12,000-18,000kg_f/㎠ 의 고 인장 강도이며, 기존의 고분자 분리막은 오. 폐수 처리시 10-15ℓ/㎡ㆍhr의 투과수량이 보편적인 운전조건이나, 본 발명의 고 인장강도 중공사 분리막은 20-30ℓ/㎡ㆍhr 의 투과수량으로 분리막의 소요량이 절감되는 효과와 폐수처리 시스템의 어떠한 물리적인 운동에도 중공사 분리막이 절단되지 않는 장점이 있다.

도1은 섬유질 지지체로 강화한 고 인장강도 분리막의 제조 공정도와 장치의 구성이고,

도2는 섬유질 표면에 고분자 용액을 코팅하는 코팅과정의 상세도이며,

도3은 섬유질 외부표면과 고분자 용액을 코팅한 후의 완성된 중공사 분리막의 개략도이다.

- 도면의 주요 부호의 설명

(1) 질소 탱크

(2) 질소 주입라인

(3) 고분자 용액 저장조

(4) 압력계

(5) 고분자 용액

(6) 고분자 용액 주입라인

(7) 고분자 용액 주입펌프

(8) 고분자 용액 주입펌프 콘트롤러

(9) 필터

(10) 섬유질 지지체 공급롤러

(11) 섬유질 지지체

(12 고분자 용액 코팅조

(13) 노즐

(14) 고 인장강도 중공사 분리막

(15) 침적액

(16) 침적조

(17) 세정액

(18) 세정조

(19) 권취기

(20) 권취기 회전속도 조절 콘트롤러

(21) 경화된 고분자 분리막

본 발명은 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride) 등의 고분자와 비 양자성 극성 용매 및 고분자 첨가제, 유기 첨가제, 무기염 첨가제 등의 첨가약품을 혼합하여 50 - 100℃에서 완전히 균일한 상태로 혼합한 후 20 - 50℃로 냉각시켜 30,000- 50,000 센티포아즈(cps) 정도의 점도를 갖는 고분자 용액(5)을 준비하여, 고분자용액(5) 저장조(3)에 넣고 탈기 후에 질소가스(1)로 고분자 용액 저장조(3)의 압력을 0.5 - 2 kgf/㎠로 유지한 상태에서 고분자용액(5) 주입펌프(7)에 의해 고분자용액(5)를 고분자용액 주입 라인(6)을 통해 주입하고 고분자용액(5)은 10 - 140㎛의 필터(9)에 의해 협잡물을 제거한 후 고분자용액 코팅조((12)로 주입된다. 주입량은 주입펌프 속도 조절 콘트롤러(8)에 의해 통제된다. 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 천연면, 유리섬유등으로 제조된 섬유질 지지체(11)는 상온의 수조에서 침적과 수세를 거친 후 40 - 60℃로 건조하는 단계를 거친 후 섬유질 공급롤러(10)에서 권취기(19) 속도조절 콘트롤러(20)에 의해 5 - 30 m/min로 조절되는 권취기(19)에 감기고, 이때 연속적으로 주입된 고분자용액(5)은 섬유질 지지체(11) 외부 표면에 고분자 용액 코팅조(12, 도 2)를 통과하면서 결합된다. 고분자 용액 코팅조(12)의 노즐(13)에서 침적조(16)의 수면(15)까지의 거리는 1 - 100cm 이며, 고분자 용액(5)이 코팅된 섬유질 지지체(14)는 침적조(16)의 침적액(15)과 공기 중을 이동한 후 권취기(19)에 감기고, 회전되는 권취기(19)에서 세척한 후 40 - 60℃의 온도에서 건조를 한다. 제조된 중공사 분리막은 1.0 - 5.0mm의 외경을 갖는 섬유질 지지체(11)외부 표피에 0.01 - 0.5mm의 두께를 갖는 경화된 고분자 분리막(21)층의 이중 층 구조(도3)를 가지며 경화된 고분자 분리막(21) 층에는 0.1 - 1.0㎛의 공극이 있는 고 인장강도의 중공사 분리막(14)이며, 그 제조방법이다.

이상의 구성 및 작용에 의하면 본 발명은 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 천연면, 유리섬유 등으로 제조된 섬유질 지지체(11)의 외부표면에 Polyvinyldenefluoride, Polyethersulfone, Polyacrylonitrile, Polysulfone, Polyvinylchloride 등의 고분자로 제조한 고분자 용액(5)을 코팅하여 섬유질 지지체(11)와 막의 이중 층 구조(도 3)를 하여 강한 인장강도와 부유성 고형입자의 여과 분리능력을 가진 중공사 분리막(14)을 제조할 수 있으며, 물리적인 충격이나 화학적인 내성에 안정하여 장시간의 수명을 가지며 오염수계와 목적 수질 중의 부유성 고형 입자를 분리 여과하여 안정적인 처리수 및 특정 목적 성분 중의 유효성분을 회수할 수 있는 섬유질 지지체(11)로 12,000kg_f/㎠ 이상의 인장강도를 지닌 0.1 - 1.0㎛의 공극의 다공성 중공사 분리막이다.

[실시 예 1]

Polysulfone 고분자 23%(무게 비율)에 NMP, DMF, DMAc등의 용매와 PEG를 90℃에서 10시간 교반하여 균일한 상태로 한 후, 40℃로 냉각하여 고분자 용액을 제조한다.

상기의 제막 용액은 30,000 - 40,000 센티포아즈(cps) 정도의 점도를 갖는다.

상 분리를 위해 침적조의 침적액은 20℃의 물이며, 분리막 코팅조의 출구와 침적액의 거리는 15cm로 한다.

코팅조를 나온 중공사 분리막은 침적액과 공기 중을 통과하면서 상 분리가 끝나고 롤러에 감긴다. 상기의 롤러 속도는 10m/min 이다.

제 1도는 중공사 분리막의 제조공정도와 장치의 구성이다.

제 2도는 중공형태의 섬유 표면에 고분자용액이 코팅되는 과정의 상세도이다.

제 3도는 실시 예에 의해 제조된 중공형태 섬유 지지체를 가진 중공사 분리막의 도면이다.

롤러에 감긴 중공사 분리막을 수욕 중에서 12시간 이상 세척을 하고 건조한 후 중공형태의 섬유 지지체를 가진 중공사 분리막을 제조하였다.

도 3에서 중공사 분리막 내부는 지지체인 중공형태의 섬유이고, 외부는 고분자용액이 코팅된 후 상 분리에 의해 형성된 분리막을 형성하고 있다.

이 중공사 분리막은 0.1- 0.3㎛의 미세공을 가지고 있으며, 막 면적 0.2㎡ 으로 하여 40cmHg의 흡인압력으로 청수를 여과하여 700 - 750ℓ/㎡ㆍhr를 얻었다.

또, 13,200kg_f/㎠의 인장강도를 나타내었다.

[비교 예1]

실시 예 1에서 고분자의 종류를 달리하여 실시 예 1과 동일하게 제조한 분리막의 공극 크기와 투과수량을 측정하여 표 1에 나타내었다.

[실시 예2]

실시 예 1에서 고분자 Polysulfone을 Polyvinyldenefluoride로 하고 롤러의 속도를 8m/min으로 변화시킨 것을 제외하고 실시 예와 동일한 방법으로 제조된 중공사 분리막은 0.2-0.25㎛의 공극을 가지며, 12,800kg_f/㎠의 인장강도를 나타내었으며, 40cmHg의 흡인압력으로 청수를 여과하여 900-950ℓ/㎡ㆍhr의 투과수량을 나타내었다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 지지체의 외부표면에 고분자용액이 코팅된 것을 특징으로 하는 중공사 분리막에 있어서, 지지체는 중공사 심지형 섬유질 지지체로 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 나일론, 천연면 및 유리섬유 중에서 선택되는 하나로 이루어지고, 코팅용 고분자 용액은 주성분이 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리술폰(Polysulfone) 및 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride) 중에서 선택되는 하나 이상임을 특징으로 하는 고 인장강도의 중공사 분리막.
5. 제 4항에 있어서, 상기 중공사 분리막의 인장강도는 12,000 - 18,000kg_f/㎠를 갖는 것을 특징으로 하는 고 인장강도의 중공사 분리막.
6. 제 4항에 있어서, 상기 중공사 분리막의 기공의 크기는 0.1 - 1.0㎛로 구성됨을 특징으로 하는 고 인장강도의 중공사 분리막.
7. 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공사 분리막의 투과수량은 폐수에서 20-30ℓ/㎡ㆍhr , 청수에서 900 - 1,300ℓ/㎡ㆍhr를 갖는 것을 특징으로 하는 고 인장강도의 중공사 분리막.
8. 중공사 분리막의 제조에 있어서, 심지로 사용되는 섬유질 지지체를 상온의 수조에서 침적과 수세를 거친 후 40 - 60℃로 건조하는 단계, 상기 섬유질 지지체를 고분자 용액 코팅조를 통과시켜 중공형 섬유질 지지체에 고분자 용액을 코팅하는 단계, 코팅된 중공사 분리막을 권취형 롤러에 감는 단계, 제조된 중공사 분리막을 상온의 수욕 중에 침적 및 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 고 인장강도 중공사 분리막의 제조 방법.
9. 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유질 지지체는 폴리에스테르로 이루어지고 코팅용 고분자 용액은 주성분이 폴리비닐리덴플루오라이드인 것을 특징으로 하는 고 인장강도의 중공사 분리막.