KR100561182B1 - High strength multi-lumen type hollow fiber membrane for waste water treatment in MBR system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MBR 시스템에 적용되는 폐수처리용 고강도 다관형 중공사막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 필라멘트의 장섬유로 이루어진 보강섬유(reinforce filament-yarn)다발이 중공사의 내부 중앙에 내재되고, 상기 보강섬유 다발(bundle) 둘레에는 다수개의 관(lumen)이 둘러싸고 있는 다관(multi-lumen) 구조를 형성하여, 외부의 물리적 충격에 의한 중공사막의 파손 또는 절사 등의 기계적 강도 문제를 해결함과 동시에 상기 보강섬유의 내재로 인한 중공사막의 직경 증가와 그로 인한 단위 부피당 막의 유효표면적 감소를 최소화하여 막의 투과효율을 극대화할 수 있어 분리막 생물 반응기(MBR) 시스템에 적용되는 폐수처리에 유용한 고강도 다관형 중공사막에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength multi-tubular hollow fiber membrane for wastewater treatment applied to an MBR system, and more particularly, a bundle of reinforce filament-yarn made of long fibers of polymer filament is embedded in the inner center of the hollow fiber. A multi-lumen structure is formed around a bundle of reinforcing fiber bundles to solve mechanical strength problems such as breakage or cutting of hollow fiber membranes due to external physical impact. High-strength, multi-tubular hollow, useful for wastewater treatment in membrane bioreactor (MBR) systems, as the diameter of hollow fiber membranes due to the reinforcing fibers and the resulting effective surface area reduction per unit volume can be minimized to maximize membrane permeation efficiency. It's about the desert.

보강섬유, 다관(multi-lumen)구조, 수처리용 고강도 다관형 중공사막, 분리막 생물 반응기(MBR)Reinforcement fiber, multi-lumen structure, high strength multi-tubular hollow fiber membrane for water treatment, membrane bioreactor (MBR)

Description

MBR시스템에 적용되는 폐수처리용 고강도 다관형 중공사막{High strength multi-lumen type hollow fiber membrane for waste water treatment in MBR system}High strength multi-lumen type hollow fiber membrane for waste water treatment in MBR system

도 1은 본 발명에 따라 실시예 1에서 제조된 고강도 다관형 중공사막의 개략도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a schematic view of a high strength multi-tubular hollow fiber membrane prepared in Example 1 according to the present invention.

[도 1의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Signs for Main Parts of FIG. 1]

1. 보강섬유(reinforce filament-yarn) 2. 관(lumen)1. reinforce filament-yarn 2. lumen

본 발명은 수처리용 고강도 다관형 중공사막 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 필라멘트의 장섬유로 이루어진 보강섬유(reinforce filament-yarn)가 내부 중앙에 내재되고, 그 주위에는 다수개의 관(lumen)이 둘러싸고 있는 다관(multi-lumen)구조를 형성하여, 외부의 물리적 충격에 의한 중공사막의 파손 또는 절사 등의 기계적 강도 문제를 해결함과 동시에 상기 보강섬유의 내재로 인한 중공사막의 직경 증가와 그로 인한 단위 부피당 막의 유효표면적 감소 를 최소화하여 막의 투과효율을 극대화할 수 있는 수처리용 고강도 다관형 중공사막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength multi-tubular hollow fiber membrane for water treatment and a method for manufacturing the same, and more particularly, a reinforce filament-yarn made of long fibers of polymer filaments is embedded in the inner center, and a plurality of tubes By forming a multi-lumen structure surrounded by (lumen), to solve the mechanical strength problems such as breakage or cutting of the hollow fiber membrane due to external physical impact and at the same time, the diameter of the hollow fiber membrane due to the intrinsic of the reinforcing fiber The present invention relates to a high-strength, multi-tubular hollow fiber membrane for water treatment, and a method of manufacturing the same, which can maximize the permeation efficiency of the membrane by minimizing the increase and the decrease in the effective surface area of the membrane per unit volume.

최근에 폐수를 처리하는 새로운 공정으로, 생물학적으로 처리하는 기존의 방법에 분리막을 결합하여 처리하는 분리막 생물 반응기(membrane bio-reactor, MBR) 시스템이 우수한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다. Recently, as a new process for treating wastewater, membrane bio-reactor (MBR) systems that combine and treat membranes with existing methods of biological treatment are known to show excellent performance.

분리막 생물 반응기(MBR) 시스템이란 기존의 생물학적 처리 공정 중 폭기조(aeration bath)에 분리막을 침지시켜 연속적으로 폐수처리가 가능한 공정을 의미한다. 즉, 이 시스템은 기존의 침전조(settling bath)를 대체하여 사용된다. 그러나 현재 개발된 MBR 시스템을 실제 폐수 처리공정에 적용할 경우, 가장 크게 발생되는 문제는 폐수에 함유되어 있는 오염물질이 막의 표면을 오염시킨다는 것이다. 따라서, 이러한 막 오염을 최소화하기 위해 공기세정, 간헐적 흡입, 화학적 세척 및 역세척 등의 물리·화학적 방법들이 활용되어지고 있으나 이러한 방법들은 분리막 자체의 물리·화학적으로 우수한 물성을 갖는 분리막의 경우에만 사용이 가능하다. The membrane bioreactor (MBR) system refers to a process in which wastewater treatment can be continuously performed by immersing the separator in an aeration bath in a conventional biological treatment process. In other words, this system is used in place of the existing settling bath. However, when the MBR system currently developed is applied to an actual wastewater treatment process, the biggest problem is that contaminants contained in the wastewater contaminate the membrane surface. Therefore, physical and chemical methods such as air cleaning, intermittent inhalation, chemical cleaning, and backwashing have been used to minimize such membrane contamination. However, these methods are used only for membranes having physical and chemical properties of the membrane itself. This is possible.

현재 MBR 시스템에 적용되고 분리막은 생산성과 시스템의 설비용적 등을 고려하여 대부분 중공사막(hollow fiber membrane)이 활용되어지고 있다. 중공사막은 직경이 약 0.2 ∼ 2 mm 정도이고 중앙이 비어있는 관(lumen) 형태를 가지며, 동일한 부피의 다른 형태를 가지는 막모듈에 비해 단위 부피당 막의 유효표면적비가 매우 커서 높은 생산성을 가지며 또한 모듈화가 용이하기 때문에 다양한 분야에서 널리 응용되어지고 있다. 그러나, 중공사막의 경우 평막(flat membrane)과 는 달리 기계적 강도가 막의 소재 및 구조자체에 의해 결정되어지고 유지되는 경향이 있다. 따라서, 국내외에서 MBR 시스템에 적용되고 있는 중공사막의 경우 대부분 기계적 강도가 우수한 폴리올레핀계 고분자 소재로 이루어졌다. Currently, hollow fiber membranes are mostly used in MBR systems in consideration of productivity and system capacity. The hollow fiber membrane has a diameter of about 0.2 to 2 mm and a hollow hollow tube, and has a high productivity because the effective surface area ratio of the membrane per unit volume is very high compared to membrane modules having different shapes of the same volume. Because of its ease, it is widely used in various fields. However, in the case of hollow fiber membranes, unlike flat membranes, mechanical strength tends to be determined and maintained by the material and structure of the membrane. Therefore, most of the hollow fiber membranes applied to the MBR system at home and abroad were made of a polyolefin-based polymer material having excellent mechanical strength.

그러나, 폴리올레핀계 고분자는 소수성 고분자로 포어(pore)의 크기를 조절하거나, 친수성의 부여가 용이하지 않아 투수효율이 낮으며, 또한 과다한 폭기(aeration)로 인해 중공사막이 파손 또는 절사되는 문제점을 갖고 있다. 이에, 캐나다의 제논사의 경우 폴리프로필렌(PP)으로 직조한 중공사 형태의 지지체에 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)를 코팅함으로써, 기계적 강도가 매우 우수한 중공사막을 개발하여 활용하고 있으나 이 또한 막의 직경이 커서 단위 부피당 막의 유효면적 비율이 낮으며 제조 공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다[미국특허 제 6,354,444호, 미국특허 제 5,914,039호, 및 미국특허 제 5,472,607호]. 따라서, 공기세정과 같은 외부의 물리적 충격에 견딜 수 있는 우수한 기계적 강도를 유지하면서 투과율이 우수한 수처리용 고강도 중공사막의 개발이 절실한 실정이다.However, polyolefin-based polymers are hydrophobic polymers, which have low water permeability because they do not easily control the size of pores or impart hydrophilicity, and have a problem that the hollow fiber membranes are broken or cut off due to excessive aeration. have. Accordingly, in the case of Xenon, Canada, polyvinylidene difluoride (PVDF) is coated on a polypropylene (PP) woven hollow fiber support to develop a hollow fiber membrane having excellent mechanical strength. Due to the large diameter, the effective area ratio of the membrane per unit volume is low and the manufacturing process is very complicated (US Pat. No. 6,354,444, US Pat. No. 5,914,039, and US Pat. No. 5,472,607). Therefore, there is an urgent need to develop a high strength hollow fiber membrane for water treatment having excellent transmittance while maintaining excellent mechanical strength capable of withstanding external physical shocks such as air cleaning.

이에 본 발명자들은 기계적 강도와 동시에 투과율이 우수하여 MBR 시스템이 적용되는 폐수처리용 중공사막을 개발하기 위하여 연구 노력하였으며, 그 결과 중공사막 내부 중앙에 고분자 필라멘트의 장섬유로 이루어진 보강섬유(reinforce filament-yarn) 다발이 내재되어 있고, 보강섬유 다발 둘레에는 다수개의 관(lumen)이 둘러싸고 있는 다관(multi-lumen) 구조를 갖는 중공사막을 제조하여, 외부의 물리적 충격에 의한 중공사막의 파손 또는 절사 등의 문제를 해결하고, 상기 보강섬유의 내재로 인한 중공사막의 직경 증가와 그로 인한 단위 부피당 막의 유효표면적의 감소를 최소화가 가능하다는 것을 알게 됨으로써 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors made an effort to develop a hollow fiber membrane for wastewater treatment to which the MBR system is applied due to its excellent mechanical strength and permeability. As a result, reinforcing fibers made of long fibers of polymer filaments in the center of the hollow fiber membrane yarn) A hollow fiber membrane having a multi-lumen structure in which a bundle is embedded and a plurality of lumens is surrounded around the bundle of reinforcing fibers, and the breakage or cutting of the hollow fiber membrane due to external physical impact The present invention has been completed by recognizing that it is possible to minimize the increase of the diameter of the hollow fiber membrane and the decrease of the effective surface area of the membrane per unit volume due to the intrinsic of the reinforcing fibers.

따라서, 본 발명은 중심에 내재된 보강섬유 다발과 다수개의 관의 구조를 형성한 다관형 중공사막으로, 기계적 물성이 향상됨과 동시에 단위 부피당 막의 유효표면적이 커서 투과 효율이 우수하므로 MBR 시스템이 적용되는 폐수처리에 유용한 다관형 중공사막을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is a multi-tubular hollow fiber membrane formed with a structure of a bundle of reinforcing fibers and a plurality of tubes in the center, and the MBR system is applied because the mechanical properties are improved and the effective surface area of the membrane per unit volume is large, so that the permeability is excellent. The purpose is to provide a multi-tubular hollow fiber membrane useful for wastewater treatment.

본 발명은 중공사의 내부 중앙에는 여러 가닥의 고분자 필라멘트의 장섬유로 이루어진 보강섬유 다발(bundle)이 내재되어 있고, 상기 보강섬유 다발 둘레를 100 ∼ 1000 ㎛ 직경을 갖는 독립적인 다수개의 관이 둘러싸고 있는 다관(multi-lumen) 구조가 형성되어 있어, 분리막 생물 반응기(MBR) 시스템에 적용되는 폐수처리용 고강도 다관형 중공사막에 그 특징이 있다.The present invention is embedded in the inner center of the hollow fiber reinforcement fiber bundle (bundle) consisting of long fibers of several strands of polymer filament, surrounded by a plurality of independent tubes having a diameter of 100 ~ 1000 ㎛ around the bundle Since a multi-lumen structure is formed, the high strength multi-tubular hollow fiber membrane for wastewater treatment applied to a membrane bioreactor (MBR) system is characterized.

또한, 본 발명은 고분자 화합물을 유기용매에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 기포제거를 위해 상온에서 20 ∼ 26 시간동안 방치하는 공정;In addition, the present invention is to prepare a spinning solution by dissolving the polymer compound in an organic solvent, and the step of leaving for 20 to 26 hours at room temperature to remove bubbles;

상기 기포가 제거된 방사용액에 보강섬유를 첨가하여 건습식 방사방법을 통하여 중공사막을 제조하는 공정; 및Adding a reinforcing fiber to the spinning solution from which the bubbles are removed to produce a hollow fiber membrane through a wet and dry spinning method; And

상기 제조된 중공사막을 순수한 물속에서 20 ∼ 26 시간 보관 후, 50 ∼ 70 ℃의 열수에서 4 ∼ 8 시간동안 열수 처리하여 중심에 보강섬유가 내재된 다관형 중공사막을 제조하는 공정;Storing the prepared hollow fiber membrane in pure water for 20 to 26 hours, followed by hydrothermal treatment for 4 to 8 hours in hot water at 50 to 70 ° C. to produce a multi-tubular hollow fiber membrane having a reinforcing fiber in the center thereof;

을 포함하여 이루어진 폐수처리용 고강도 다관형 중공사막의 제조방법에 또 다른 특징이 있다.There is another feature in the method for producing a high strength multi-tubular hollow fiber membrane for wastewater treatment, including.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.

본 발명은 중공사의 내부 중앙에 고분자 필라멘트의 장섬유로 이루어진 보강섬유(reinforce filament-yarn) 다발이 내재되어 있고, 상기 보강섬유 다발의 둘레에는 다수개의 관(lumen) 둘러싸고 있는 다관(multi-lumen) 구조가 형성되어진 폐수처리용 중공사막에 관한 것이다.
단일관(single-lumen)이나 다관(multi-lumen) 구조만을 포함하여 이루어진 종래 중공사막은 외부의 물리적 충격에 의해 막의 파손과 절사가 잘 발생되는 문제가 있고, 또한 보강용 단섬유가 랜덤하게 분포된 형태의 종래 중공사막은 투과효율이 저조한 문제가 있었다. 이에 반하여, 본 발명에서는 보강용 섬유 다발을 중공사의 내부 중앙에 내재시키고, 상기 보강용 섬유다발 둘레를 다수개의 관이 둘러싸고 있는 다관 구조를 형성함으로써 종래 중공사막의 문제점을 한꺼번에 해소시킨 효과를 얻을 수 있었다. 즉, 본 발명에서는 보강용 섬유 다발을 중공사의 내부 중앙에만 내재시킴으로써 종래 발명에서 보강섬유를 중공사 내부에 랜덤하게 내재시켜 내부 관으로 투과되는 투과물의 흐름을 보강섬유가 방해하여 막의 투과율을 저하시키는 문제점을 개선하고, 또한 보강 섬유다발 둘레를 특정 직경 크기를 갖는 다수 개의 관으로 둘러싸고 있는 다관 구조를 형성함으로써 보강섬유 삽입으로 인하여 막의 두께가 증가되거나 또는 단위 부피당 유효면적의 감소를 최소화하여 막의 투과율을 극대화시키는 효과를 얻는다. 따라서, 본 발명의 중공사막은 막의 투과효율과 기계적 물성이 동시에 우수한 고강도 다관형 중공사막이라는 점에 그 특징이 있는 것이다.
The present invention has a reinforce filament-yarn bundle made of long filament of polymer filament in the inner center of the hollow fiber, the multi-lumen surrounding a plurality of lumens around the bundle of reinforcing fibers It relates to a hollow fiber membrane for wastewater treatment having a structure formed.
Conventional hollow fiber membranes comprising only single-lumen or multi-lumen structures have a problem in that breakage and cutting of membranes are caused by external physical shocks, and reinforcing short fibers are randomly distributed. The conventional hollow fiber membrane of the conventional form has a problem of poor permeation efficiency. On the contrary, in the present invention, the reinforcing fiber bundle is embedded in the inner center of the hollow fiber, and by forming a multi-pipe structure in which a plurality of pipes surround the reinforcing fiber bundle, the problem of the conventional hollow fiber membrane can be obtained at once. there was. That is, in the present invention, by embedding the reinforcing fiber bundles only in the inner center of the hollow fiber, the reinforcing fibers randomly embed the reinforcing fibers inside the hollow fiber in the conventional invention, thereby preventing the reinforcing fibers from interfering with the flow of the permeate transmitted through the inner tube, thereby decreasing the permeability of the membrane. In order to improve the problem, and to form a multi-tubular structure surrounded by a plurality of tubes having a specific diameter size around the bundle of reinforcing fibers, the membrane permeability can be increased due to the reinforcing fiber insertion or the effective area per unit volume can be minimized to reduce the permeability of the membrane. Gain the effect of maximizing. Therefore, the hollow fiber membrane of the present invention is characterized in that it is a high strength multi-tubular hollow fiber membrane having excellent membrane permeation efficiency and mechanical properties at the same time.

본 발명에 따른 고강도 다관형 중공사막의 구조를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Referring to the structure of the high-strength tubular hollow fiber membrane according to the present invention in detail.

본 발명에 따른 중공사막은 다음 도 1에서 보여지듯이, 한 가닥의 중공사막에 있어서 보강섬유 다발이 중공사의 내부 중앙에 내재하고, 다수개의 관이 그 주위를 둘러싸고 있는 구조로 형성된 중공사막에 기술 구성상의 특징이 있다.The hollow fiber membrane according to the present invention, as shown in Figure 1, the technical configuration of the hollow fiber membrane formed of a structure in which a bundle of reinforcing fibers in the inner center of the hollow fiber, a plurality of tubes surrounding the surroundings in one strand of the hollow fiber membrane There are features of the award.

상기 보강섬유는 여러 가닥의 가느다란 고분자 필라멘트로 이루어진 장섬유로서, 예를 들면 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리스타일렌 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것이 사용될 수 있다. 상기 보강섬유는 100 ∼ 500 ㎛인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 중공사막의 기계적 강도가 약하거나 막의 직경이 커지는 문제가 있다.The reinforcing fiber is a long fiber composed of several thin polymer filaments, for example, one or two or more selected from polypropylene, polyethylene, and polystyrene may be used. The reinforcing fiber is preferably 100 to 500 μm, and if it is out of the above range, there is a problem that the mechanical strength of the hollow fiber membrane is weak or the diameter of the membrane is large.

또한, 상기 보강섬유 주위를 둘러싸고 있는 관은 보강섬유의 내재로 인한 직경의 증가와 그로 인한 단위 부피당 막의 유효표면적 감소를 최소화하여 투과율 향상을 위한 목적으로 사용되는 것으로 직경이 100 ∼ 1000 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 관의 직경이 100 ㎛ 미만에서는 관의 내경이 너무 작아 투과물질의 이동이 어렵고, 1000 ㎛를 초과하는 경우에는 내경이 너무 커져 단위 부피막의 유효면적이 감소하는 문제가 있다. 이러한 관은 4 ∼ 5개 사용하는 것이 좋으며, 관의 개수가 4개 미만이면 막의 유효면적이 감소하는 문제가 있고, 5개를 초과하는 경우에는 중공사막의 기계적 강도가 약해지거나 중공사막의 직경이 너무 커져 단위부피당 막의 유효면적이 감소하는 문제가 있다. In addition, the tube surrounding the reinforcing fiber is used for the purpose of improving the permeability by minimizing the increase in the diameter due to the intrinsic of the reinforcing fiber and the reduction of the effective surface area of the membrane per unit volume, thereby having a diameter of 100 to 1000 ㎛. Do. If the diameter of the tube is less than 100 µm, the inner diameter of the tube is too small to allow the permeation material to move. If the diameter is greater than 1000 µm, the inner diameter becomes too large to reduce the effective area of the unit volume membrane. It is preferable to use 4 to 5 of these tubes, and if the number of tubes is less than 4, the effective area of the membrane is reduced. If the number is more than 5, the mechanical strength of the hollow fiber membrane is weakened or the diameter of the hollow fiber membrane is decreased. There is a problem that it becomes too large to decrease the effective area of the membrane per unit volume.

본 발명에 따른 고강도 다관형 중공사막의 재료는 종래의 상전이법으로 제조 가능한 모든 고분자 화합물이 사용될 수 있으며, 예를 들면 폴리설폰계, 폴리이미드계 및 폴리플루오르계 고분자 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다. 보다 바람직하기로는 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리비닐리덴디플루오로라이드, 폴리이서이미드 및 폴리아크릴로나이트릴을 사용하는 것이 좋다. As the material of the high strength multi-tubular hollow fiber membrane according to the present invention, any polymer compound that can be prepared by a conventional phase transition method may be used, and for example, one selected from polysulfone-based, polyimide-based, and polyfluoro-based polymers may be used. More preferably, polyisulfone, polysulfone, polyvinylidenedifluorolide, polyisimide, and polyacrylonitrile are preferably used.

한편, 본 발명의 수처리용 고강도 다관형 중공사막의 제조방법은 다음과 같다.On the other hand, the manufacturing method of the high strength multi-tubular hollow fiber membrane for water treatment of this invention is as follows.

먼저, 상기 고분자 화합물 5 ∼ 40 중량%을 유기용매 60 ∼ 95 중량%에 녹여 고분자 방사용액을 제조한 후, 상온에서 20 ∼ 26 시간동안 방치한다. First, 5 to 40% by weight of the polymer compound is dissolved in 60 to 95% by weight of an organic solvent to prepare a polymer spinning solution, and then left to stand at room temperature for 20 to 26 hours.

상기의 방사용액에서 유기용매의 양이 상기의 범위를 벗어날 경우 중공사막 자체가 형성되지 않은 문제가 있다. 또한, 상기 유기용매는 디메틸아세트아마이드, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, N,N'-디메틸포름아마이드 및 1-메틸-2-피롤리디논 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다. 고분자 방사용액 제조시 중공사막의 목적에 따라 다양한 기능성을 부여하는 임의의 첨가제를 사용할 수 있다. 상기 제조된 방사용액의 기포제거를 위하여 상온에서 20 ∼ 26 시간동안 방치한다. If the amount of the organic solvent in the spinning solution is out of the above range there is a problem that the hollow fiber membrane itself is not formed. In addition, the organic solvent may be selected from dimethylacetamide, chloroform, tetrahydrofuran, N, N'-dimethylformamide and 1-methyl-2-pyrrolidinone. In the preparation of the polymer spinning solution, it is possible to use an additive which imparts various functionalities according to the purpose of the hollow fiber membrane. In order to remove bubbles of the prepared spinning solution, the mixture is left at room temperature for 20 to 26 hours.

다음으로, 상기 기포가 제거된 방사용액에 보강섬유를 첨가하여 건습식 방사방법을 통하여 중공사막을 제조한다.Next, reinforcing fibers are added to the spinning solution from which the bubbles are removed to prepare a hollow fiber membrane through a wet and dry spinning method.

상기 건습식 방사 공정은 일반적인 중공사막 제조시에 사용되는 것으로, 지상구조(finger-like structure) 또는 망상구조(sponge-like structure)를 갖는 노즐을 이용될 수 있다. 상기 건·습식 방사는 본 발명에서 제시한 중공사막의 제조가 가능하도록 설계된 방사구금(노즐)으로 특별히 한정하지는 않으나, 본 발명의 구체적인 방사구금의 구조는 중앙에 보강섬유의 토출구가 있고 그 둘레에 다수개의 내부 응고제 토출구가 있으며, 또한 보강섬유의 토출구와 응고액의 토출구 사이에 고분자 용액이 토출되도록 구성되어 있다. 상기 보강제와 고분자 용액 그리고 내부응고제가 동시에 방사구금을 통해 토출되는 건 습식 방사공정에 의해 수행되며, 특히 중공사 중심에 보강섬유가 내재되고 그 둘레에 독립적으로 다수개의 관을 형성시키기 위해서는 보강섬유가 중공사막의 단면 중앙에, 그리고 일정한 간격과 일정한 두께로 다수개의 관이 그 둘레에 내재 되도록 하는 것이 중요하다.
상기 제조공정으로 보강섬유가 중앙에 내재된 중공사막을 제조한다. 이때 중공사막의 중공을 형성하기 위한 응고제는 순수한 물, 디메틸아세트아마이드, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, N,N'-디메틸포름아마이드 및 1-메틸-2-피롤리디논, 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜 등이 사용될 수 있다.
The wet-and-dry spinning process is used in manufacturing a general hollow fiber membrane, and a nozzle having a finger-like structure or a sponge-like structure may be used. The dry and wet spinning is not particularly limited to spinnerets (nozzles) designed to enable the production of the hollow fiber membranes presented in the present invention, but the specific spinneret structure of the present invention has a discharge port of reinforcing fibers in the center and around the spinneret. There are a plurality of internal coagulant discharge ports, and the polymer solution is discharged between the discharge port of the reinforcing fiber and the discharge port of the coagulating liquid. The reinforcing agent, the polymer solution and the internal coagulant are discharged through a spinneret at the same time. The reinforcing fiber is embedded in the center of the hollow fiber to form a plurality of tubes independently. It is important to have a plurality of tubes embedded in the center of the cross section of the hollow fiber membrane and at regular intervals and thicknesses.
In the manufacturing process to produce a hollow fiber membrane embedded in the reinforcing fiber in the center. The coagulant for forming the hollow of the hollow fiber membrane is pure water, dimethylacetamide, chloroform, tetrahydrofuran, N, N'- dimethylformamide and 1-methyl-2-pyrrolidinone, polyethylene glycol, propylene glycol, ethylene Glycols and the like can be used.

다음으로, 상기 제조된 중공사막을 순수한 물속에서 20 ∼ 26 시간동안 보관한 후, 50 ∼ 70 ℃의 열수에서 4 ∼ 8 시간동안 열수 처리하여 중심에 보강섬유가 내재된 다관형 중공사막을 제조한다.Next, the hollow fiber membrane prepared above is stored in pure water for 20 to 26 hours, followed by hydrothermal treatment for 4 to 8 hours in hot water at 50 to 70 ° C. to prepare a multi-tubular hollow fiber membrane having reinforcing fibers in the center. .

상기 열수 처리를 통해 중공사막 내부에 잔존하고 있는 유기용매를 추출함으로써, 중심에 보강섬유가 내재되고 그 주위를 다수의 관이 둘러싸고 있는 다관형의 중공사막을 제조할 수 있다.By extracting the organic solvent remaining inside the hollow fiber membrane through the hydrothermal treatment, it is possible to manufacture a multi-tubular hollow fiber membrane having a reinforcing fiber embedded in the center and surrounding a plurality of tubes.

이상의 본 발명에 따라 제조된 다관형 중공사막은 한 가닥의 중공사막에 있어서, 중심에 보강섬유가 내재되고 그 주위에 관이 둘러싸고 있는 구조를 형성하여 높은 기계적 강도를 유지하면서 단위 부피당 유효표면적을 최소화하여 막의 투과효율을 극대화 할 수 있다. The multi-tubular hollow fiber membrane manufactured according to the present invention has a structure in which a reinforcing fiber is embedded in the center and a tube is surrounded around the hollow fiber membrane of one strand to minimize the effective surface area per unit volume while maintaining high mechanical strength. The membrane's permeation efficiency can be maximized.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples, but the present invention is not limited by the Examples.

실시예 1 Example 1

폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 15중량%를 디메틸아세트아마이드(DMAc) 85중량%에 용해시켜 방사 용액을 제조한 다음, 용액 내의 기포를 제거하기 위하여 24시간 동안 상온에서 방치시켰다. 15% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) was dissolved in 85% by weight of dimethylacetamide (DMAc) to prepare a spinning solution, and then left at room temperature for 24 hours to remove bubbles in the solution.

상기에서 제조된 방사용액과 보강섬유를 사용하여 일반적인 건습식 방사공정을 통하여 중공사막을 제조하였다.Using the spinning solution and the reinforcing fiber prepared above, a hollow fiber membrane was prepared through a general wet and dry spinning process.

상기에서 얻어진 중공사막을 상온에서 순수한 물 속에 24시간 동안 보관시킨 다음, 60 ℃의 열수를 이용하여 6시간 동안 열수 처리하여 중공사막 내부에 잔존하고 있는 유기용매를 추출함으로써 막의 내부 중심에 내재되어 있는 보강섬유(reinforce filament-yarn)를 중심으로 다수개의 관(lumen)을 포함한 수처리용 고강도 다관형 중공사막을 제조하였다. The hollow fiber membrane obtained above was stored in pure water at room temperature for 24 hours, and then subjected to hydrothermal treatment for 6 hours using hot water at 60 ° C. to extract the organic solvent remaining in the hollow fiber membrane. A high-strength, multi-tubular hollow fiber membrane for water treatment, including a plurality of lumens, was prepared around reinforce filament-yarn.

상기에서 제조된 중공사막의 두께, 기계적 강도 및 투과특성을 측정하여, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다. The thickness, mechanical strength and permeability of the hollow fiber membranes prepared above were measured, and the results are shown in Table 1 below.

실시예 2 Example 2

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 폴리설폰(PSf) 15중량%를 디메틸아세트아마이드(DMAc) 85중량%를 사용하여 반응을 수행하여 보강섬유(reinforce filament- yarn)를 포함한 수처리용 고강도 다관형 중공사막을 제조하였다. In the same manner as in Example 1, 15% by weight of polysulfone (PSf) was carried out using 85% by weight of dimethylacetamide (DMAc) to perform high-strength multi-tubular water treatment including reinforcement filament- yarn. A hollow fiber membrane was prepared.

상기에서 제조된 중공사막의 두께, 기계적 강도 및 투과특성을 측정하여, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다. The thickness, mechanical strength and permeability of the hollow fiber membranes prepared above were measured, and the results are shown in Table 1 below.

비교예 1 : 단일관(single-lumen) 중공사막 Comparative Example 1: Single-Lumen Hollow Fiber Membrane

상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하되, 종래의 튜브-인-올리피스(tube-in-orifice)형태의 노즐을 이용하여 단일관(single-lumen)을 갖는 중공사막을 제조하였다. The hollow fiber membrane having a single-lumen was prepared using the same tube-in-orifice type nozzle as in Example 1, but using a conventional tube-in-orifice type nozzle.

상기에서 제조된 중공사막의 두께, 기계적 강도 및 투과특성을 측정하여, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다. The thickness, mechanical strength and permeability of the hollow fiber membranes prepared above were measured, and the results are shown in Table 1 below.

비교예 2 : 다관(multi-lumen) 중공사막Comparative Example 2: Multi-lumen Hollow Fiber Membrane

INge AG 사로부터 중공사막을 구입하여 막의 두께, 기계적 강도 및 투과특성을 측정하여, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The hollow fiber membrane was purchased from INge AG, and the thickness, mechanical strength and permeation characteristics of the membrane were measured, and the results are shown in Table 1 below.

[물성 측정 방법] [Measurement Method]

(1) 막 두께 : SEM 사진을 이용하여 측정하였다. (1) Film thickness: It measured using the SEM photograph.

(2) 기계적 강도 : ASTM법에 의거하여, 인장강도를 측정하였다.(2) Mechanical strength: Tensile strength was measured according to the ASTM method.

(3) 투과특성 : 중공사막을 일정 길이 및 일정 가닥수를 갖는 모듈을 제작하여 수조에 침지시킨 다음, 모듈 양단에 저 진공펌프를 연결하여 중공사막 외부에서 내부로 흡입하는 방법으로 측정하였다.(3) Permeation characteristics: The hollow fiber membrane was prepared by immersing the module having a certain length and the number of strands in a water tank, and then suctioning the inside of the hollow fiber membrane outside by connecting a low vacuum pump to both ends of the module.

구 분division 막 두께 (㎛)Film thickness (㎛) 순수 투과도 (LMH)Pure Permeability (LMH) 기계적 강도 (kg/fiber)Mechanical strength (kg / fiber) 실시예Example 1One 100100 1212 250250 22 100100 1313 230230 비교예Comparative example 1One 150150 1515 6363 22 150150 1010 9898

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 보강섬유(reinforce filament-yarn)가 중앙에 내재되고 이를 중심으로 다수개의 관(lumen)을 포함하는 다관 구조의 중공사막을 제조한 실시예 1 ∼ 2는, 단일관(single-lumen)을 갖는 중공사막인 비교예 1과 종래의 다관(multi-lumen)형 중공사막인 비교예 2에 비해서, 막의 두께가 얇고, 기계적 강도가 우수하며, 단위부피당 막의 유효표면적 감소를 최소화함으로써 막의 투수율이 향상된 결과를 나타내었다. As shown in Table 1, Examples 1 to 2 manufactured a hollow fiber membrane having a multi-pipe structure in which reinforcement filament-yarn is embedded in the center and includes a plurality of tubes (lumen) around the center according to the present invention. Compared to Comparative Example 1, which is a hollow fiber membrane having a single-lumen, and Comparative Example 2, which is a conventional multi-lumen type hollow fiber membrane, the thickness of the membrane is excellent, the mechanical strength is excellent, and Minimizing the effective surface area resulted in an improved permeability of the membrane.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 막 내부 중심에 내재되어 있는 보강섬유(reinforce filament-yarn)를 중심으로 여러 개의 관(lumen)을 포함하는 고강도 다관형 중공사막은, 높은 기계적 강도를 유지하면서 단위 부피당 막의 유효표면적 감소를 최소화하여 막의 투과효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 상전이법을 이용하여 제조되는 모든 고분자에 적용되어 다양한 기능성을 갖는 중공사막 특히 분리막 생물 반응기(MBR) 시스템에 적용되는 폐수처리용 막의 제조에 응용할 수 있다. As described in detail above, a high-strength, multi-tubular hollow fiber membrane comprising a plurality of lumens centered on reinforce filament-yarn embedded in the inner center of the membrane is a membrane per unit volume while maintaining high mechanical strength. In addition to minimizing the reduction of the effective surface area, it is possible to maximize the permeation efficiency of the membrane, as well as for wastewater treatment, which is applied to all polymers manufactured by using the conventional phase transition method, and especially hollow fiber membranes having various functionalities. It is applicable to the manufacture of membranes.

Claims (7)

중공사의 내부 중앙에는 여러 가닥의 고분자 필라멘트의 장섬유로 이루어진 보강섬유 다발(bundle)이 내재되어 있고, In the inner center of the hollow yarn there is embedded a bundle of reinforcing fibers made of long fibers of a plurality of strands of polymer filament, 상기 보강섬유 다발 둘레를 100 ∼ 1000 ㎛ 직경을 갖는 독립적인 다수개의 관이 둘러싸고 있는 다관(multi-lumen) 구조를 형성하고 To form a multi-lumen structure surrounded by a plurality of independent tubes having a diameter of 100 ~ 1000 ㎛ around the bundle of reinforcing fibers 있는 것을 특징으로 하는 분리막 생물 반응기(MBR) 시스템에 적용되는 폐수처리용 고강도 다관형 중공사막.High strength multi-tubular hollow fiber membrane for wastewater treatment, which is applied to a membrane bioreactor (MBR) system. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 필라멘트의 직경이 100 ∼ 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 수처리용 고강도 다관형 중공사막.The high-strength tubular hollow fiber membrane for water treatment according to claim 1, wherein the polymer filament has a diameter of 100 to 500 µm. 제 1 항에 있어서, 상기 보강섬유는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리스타일렌 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 수처리용 고강도 다관형 중공사막.The high strength multi-tubular hollow fiber membrane for water treatment according to claim 1, wherein the reinforcing fiber is one or two or more selected from polypropylene, polyethylene, and polystyrene. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 관은 4 ∼ 5개 사용하는 것을 특징으로 하는 수처리용 고강도 다관형 중공사막.The high strength multi-tubular hollow fiber membrane for water treatment according to claim 1, wherein 4 to 5 pipes are used. 삭제delete 삭제delete
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