KR100586733B1

KR100586733B1 - 나권형 분리막 모듈 제조방법

Info

Publication number: KR100586733B1
Application number: KR1020040059699A
Authority: KR
Inventors: 김연수; 윤성로; 조덕재; 정긍식; 홍성표
Original assignee: 주식회사 새 한
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-06-08
Also published as: KR20060011043A

Abstract

본 발명은 친수성의 복합 재질로 투과수유로를 제조함으로써, 유기물 용출이 적으면서, 접합공정에 사용되는 접착제와 상용성이 좋아 분리막과 접합하는 부위의 강도를 높일수 있을뿐 아니라 투과수 흐름에 대한 저항을 최소화 할 수 있는, 분리막 모듈의 제조방법에 관한 것이다.

Description

나권형 분리막 모듈 제조방법{Producing method of spiral wound module}

도1은 나권형 분리막모듈의 내부구성을 보여주는 절단평면도

도2, 3은 분리막과 투과수유로 각각의 접합부위를 나타내는 개략도

< 도면 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 다공성 유출관 2 : 분리막

3 : 투과수유로 4: 분리막

5 : mesh 6 : 접합부

본 발명은 분리막을 이용한 나권형 모듈제조에 사용되는 트리코트 투과수로(tricot permeate channel)의 제조기술에 관한 것이다. 일반적으로 분리막을 산업적 규모의 액체분리에 적용시키려면 상당히 넓은 막면적이 요구된다. 넓은 막면적을 컴팩트한 규모로 집적시킨 장치단위를 분리막모듈(membrane module)이라 하며, 현재 평판형모듈, 관형모듈, 중공사형모듈, 나권형모듈 등 여러 종류의 막모듈 형식이 개발되어 있고, 특히 최근 상업화되고 있는 역삼투방식의 분리막으로는 나권형(spiral-wound type) 막모듈이 주로 쓰이고 있다. 이러한 나권형모듈은 분리막으로 평판막(flat sheet membrane)을 사용하는데, 유입수유로(feed spacer)인 mesh(5)와 분리막(2)과 투과수유로(permeate spacer, 3) 그리고 또하나의 분리막(4)을 샌드위치 방식으로 접합시킨 후 이를 중앙에 위치한 다공성 유출관(central pipe, 1)에 롤(roll)형태로 감아서 분리막모듈을 형성시킨다.

이러한 분리막모듈의 기능을 보면, 일정한 압력이 가해진 유입수가 유입수유로인 mesh를 거쳐 분리막을 통과하게 되는데 상기 분리막 통과과정에서 용존염 및 유기물 등이 배제되고 순수한 물만이 분리된다. 상기 분리된 물은 분리막 사이에 위치한 투과수유로를 따라 흐르게 되고, 이 투과액은 중심에 위치한 투과수 유출관에 모여져 분리막모듈 외부로 배출된다.

이같은 분리막모듈은 일반적인 여과필름과는 달리 염이나 용존유기물들까지 효과적으로 제거, 분리하기 때문에 액체분리에 있어 최적의 환경소재라 할 수 있고, 그 사용처는 초순수반도체 제조, 석유화학, 제약 및 폐수재활용 등 전 산업분야를 망라한다고 해도 과언이 아니다.

상기 막모듈을 이용한 분리시스템에서 분리된 물이 원활히 흐르게 하기위해 투과수유로가 갖추어야 할 몇가지 구비조건이 있는데, 이들은, 액체분리를 위해 가해지는 압력(통상 용매의 삼투압 이상)을 견디어서 형태가 안정적으로 유지되어야 하는점, 투과수의 흐름에 대한 저항을 최소화할 수 있는 구조라야 하는점, 그리고 분리막 구조에 있어 투과수유로를 내부에 두고 봉투형태로 둘러싸면서 가장자리를 따라 부분접합되는 접합부(6)의 강도가 높아서 분리막 외부의 유입수가 분리막 내부로 유입되지 말아야 하는점, 들이 될 수 있다.

이와 관련된 종래 기술로서 일본 공개특허공보 특개평9-141067, 특개평9-276671에서는 투과수유로제로서 편물, 직물 등으로 된, 예컨데 미세한 홈이나 다공성 표면구조를 갖는 포지를 제안하고 있으며, 그 중에도 특히 표면에 요철을 갖는 편물(tricot)이 바람직한것으로 개시되어 있다. 또한 전술한바와 같이 투과수유로에 형태안정성을 부여하기 위해서, 편물을 편지 제조한 후 에폭시(epoxy)수지 또는 멜라민 수지를 등을 함침하고, 열처리에 의해 강도와 내구성을 부여하는, 분리막모듈의 제조 기술을 제시하고 있다.

그러나 상기 방법으로 제작된 분리막 모듈은 액체분리과정에서 투과수유로 제조과정에 사용되었던 함침 수지가 용해 배출되어 결과적으로 용수의 불순도가 높아짐으로 해서 고순도의 투과수가 요구되어지는 초순수반도체 생산이나 제약, 의료분야에서는 사용되기 어려운 단점이 있다. 게다가 상기 분야에서는 일반 사용처와는 달리 미생물 오염(bio-fouling) 문제를 해결하기 위해 주기적으로 승온처리 하여(80~90℃까지) 미생물을 살균해야 하는데 이 경우 상기 함침 수지의 용출량이 증가하는 것은 물론 투과수유로 자체에 변형이 일어나 원활한 투과액 흐름을 방해하는 문제점들이 노정되었다.

위와 같은 문제들을 해결하기 위해서 일본 공개특허공보 특개평8-074150, 특 개2000-354743, 특개2000-342941에서는 에폭시 또는 멜라민 수지를 사용하지 않고 투과수유로의 형태안정성을 부여하기 위해, 섬유 단면구조에서 코어에 고융점 폴리에스터를 사용하고 저융점 폴리에스터를 바깥쪽에 위치한 컨쥬게이트 섬유로 편물를 제편하고 고융점과 저융점 사이의 온도로 열처리하여 저융점 폴리에스터가 기존 제조방법의 에폭시 수지의 역할을 하여 편물의 형태안정성을 부여하는 방법으로 해결하고 있음을 보여준다. 하지만 상기 기술들은 분리막과 투과수유로의 접착부위에 있어서 접착상태가 안정되어 있지 않고, 또한 투과수와 접하는 투과수유로의 재질(소수성인 폴리에스터)상 유로저항이 클 수밖에 없다는 문제점을 여전히 드러내고 있다.

본 발명은 상기 사용된 수지의 용출문제, 형태변형 문제, 접착부위의 불안정성 및 투과수 흐름에 대한 저항 등의 종래기술이 갖고 있는 문제를 해결하기위해 안출된것으로 투과수유로의 재질과 구조를 개선함으로서 투과수유로의 형태안정성을 장시간 유지하고 또한 유기물의 용출을 억제함과 더불어 분리막과의 접합부 강도를 높이면서 투과수 흐름에 대한 저항을 최소화 할 수 있는 분리막 모듈을 제공한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 구성으로 이루어진다. 즉 본 발명은 투과수유로제로 강도를 부여하는 성분과 친수성 및 접착성이 우수한 성분을 동시에 갖는 이른바 컨쥬게이트 섬유를 원사로 해서 이를 제편기에서 트리코트 조직으로 제편한 원단을 히트 셋터(heat setter)에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈의 투과수유로 제조방법에 관한 것이다.

상기 강도를 부여하는 성분의 이라 함은 컨쥬게이트 섬유의 골격을 이루면서 제편을 용이하게 하고 제편된 편물에 강성이 부여함은 물론 열처리시에 투과수유로의 형태안정성을 부여하는 역할을 한다. 상기 강도를 부여하는 성분의 재질로는 폴리아마이드(polyamide), 폴리에스터(polyester), 폴리올레핀(polyolefin)계의 고분자를 사용할 수 있다.

또한 친수성 및 접착성이 좋은 성분이라 함은 컨쥬게이트 섬유로 통해 제편한 편물을 열처리하는 과정에서 상기 성분이 상기 강도를 부여하는 성분에 용융 접착되어 외력에 의한 변형을 막아 주는 역할을 하며, 또한 친수성을 갖고 있기 때문에 투과수의 흐름에 저항을 최소화하여 투과수가 원활히 유출관으로 흘러갈 수 있게 한다. 나아가 상기 성분은 분리막과 투과수유로를 접착하는 공정에서 사용되는 접착제(예 폴리우레탄계 접착제)와 상용성이 양호하기 때문에 접착부위의 접착강도를 높아져 최종 분리시스템 운전과정에서 가해지는 압력에 견딜뿐 아니라 오작동에 의해 발생할 수 있는 역압(back pressure)으로부터 접착부위가 탈리되는것을 방지해 준다.

상기 친수성 및 접착성이 좋은 성분은 폴리아마이드(polyamide), 폴리우레탄(polyurethane)으로 다른 고분자재질과 비교해 상대적으로 친수성을 가지며 분리막 과 투과수유로의 접착부에 사용되는 우레탄계 접착제와 상용성이 좋고 또한 수소결합으로 인한 접착강도의 증가로 접착력이 우수해 진다.

상기 컨쥬게이트 섬유의 구성으로서 강도를 부여하는 성분과 친수성 및 접착성이 좋은 성분의 조합은 상기 언급된 고분자들 간의 어느 조합이나 가능하지만, 그 중 폴리에스터와 폴리아마이드, 폴리아마이드와 폴리우레탄 또는 폴리에스터와 폴리우레탄 조합이 바람직하고, 또한 섬유의 단면구조는 코어/시쓰형 또는 사이드 바이 사이드형 등 어떠한 구조라도 무난하지만 친수성 및 접착성이 좋은 성분은 표면의 적어도 10%이상을 배치되어야 접착이 용이하며, 표면의 20%이상 배치하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서 상기 컨쥬게이트 섬유로 제편기를 사용하여 제편시, 경편/위편의 섬도는 제한받지는 않지만 경편/위편이 동일섬도로 대략 20~150데니어(denier)가 바람직하게 사용된다.

또한 제편기로 편물 제편과정에서 상기 컨쥬게이트 섬유 단독 또는 일반적인 단일섬유와 합연사 또는 혼섬하여 복합사로 제사하여 적용하는 것도 가능하다.

다음으로 상기 제편된 편물의 형태안정성을 부여하기 위해 열처리를 실시하는데 있어, 실시 온도는 강도를 부여하는 성분과 친수성 및 접착성이 좋은 성분간의 융점사이의 온도로 적용함으로써, 친수성 및 접착성이 좋은 성분이 용융접착되어 편물의 루프(loop)가 고정되어 외력에 대한 변형을 막고 치수 안정성을 부여한다.

상기 열처리 공정은 일반적인 히트 세터(heat setter) 또는 텐터(Tenter)등 으로 가능하지만, 접착효과를 높이기 위해 핫 롤러로 가압하여 통과시키는 방법도 유효하다. 어느 방법에 있어서도 융점이 낮은 접착성이 양호한 성분이 용융접착되어 편물에 형태안정성을 부여한다.

상기 제편하여 열처리한 편물은 일반적인 트리콧 구성과 마찬가지로, 표면에 오목한 부분과 볼록한 부분을 갖게 되는데 오목한 부분은 투과수의 유로가 되고 볼록한 부분은 분리막을 지지하는 역할을 한다. 본 발명에서 오목한 부분과 볼록한 부분의 조직밀도 및 편물후도에 제한을 두지는 않지만 조질밀도의 경우 인치당 20~80웨일(Wales)을 갖는 것이 바람직하며 후도는 100~400um를 갖는 것이 바람직하다.

상기 제편하여 열처리한 편물은 나권형 분리막 모듈에 적용하는데 있어서 분리막-편물(투과수유로)-분리막 순서의 샌드위치 방식으로 배치하고 가장자리를 ㄷ자형으로 접착시켜(도3에서 6) 봉투모양이 되게한 후 중앙에 위치한 투과수 유출관에 롤형태로 감아서 분리막 모듈을 완성한다.

다음의 실시예와 비교예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 실시예와 비교예에 사용한 분리막은 메타페닐렌디아민(MPD)과 트리메조일클로라이드(TMC)을 계면중합시킨 폴리아마이드계 역삼투 복합막(새한 제품)을 사용하였다. 또한 본 발명에 사용된 유입수유로는 폴리프로필렌 재질의 mesh 를 사용하였다.

상기 명세서에 설명되어있는 트리코트 제조방법으로 제작된 투과수유로를 사용하여 분리막-투과수유로-분리막-유입수유로와 같이 샌드위치방식으로 접합시켜 투과수유출관에 롤(roll)형태로 감아서 소형 분리막모듈(막면적 5ft2)를 제작하였다.

상기 방법으로 제조된 분리막모듈의 성능평가는 2,000ppm 염화나트륨 수용액을 이용하여 25℃, 225psi 압력조건에서 교차흐름방식으로 투과유량과 염배제율을 측정하였다.

또한 투과수유로 자체의 용출성을 검증하기 위하여, 1L용량의 유리병에 하기 실시예와 비교예에서 제작된 투과수유로의 일정부분을 집어넣고 초순수(용존유기물(TOC) 20ppb이하)로 채워 50℃에서 5일간 방치후 용액내TOC를 유기물측정기(SIEVERS모델)로 측정하여 투과수유로 그램당 용출유기물을 비교하여 용출성을 검증하였다.

[실시예 1]

투과수유로 제조에 있어서, 강도를 부여하는 성분으로 폴리에스터(폴리에틸렌 테레프탈레이트polyethylene terephthalate; Tm 255℃)를 사용하고, 친수성 및 접착성이 좋은 성분으로 나일론6(nylon6; Tm 210℃)을 복합 방사장치에 공급하여 코어/시쓰(core/sheath)형 노즐로 방출 연신한 후 45d/24f로 복합 섬유사를 얻었다.

상기 복합 섬유사를 트리코트 제편기를 이용하여 편직된 생지를 텐터에서 트리코트 조직밀도(웨일/코오스)가 40/50, 후도가 230um이 되도록 조절하면서 215℃로 2분간 열융착가공을 행하여 투과수유로를 제조한다.

상기 유로를 사용하여 명세서의 설명대로 분리막 모듈을 제작하여 성능평가한 결과는 표1에서와 같이 투과유량이 36.5gfd 이고 염제거율이 99.4% 이다.

[비교예 1]

폴리에스터 필라멘트(45d/24f)를 제편기에서 트리코트 조직으로 웨일/코오스의 밀도가 40/50, 후도를 230um, 중량80g/m2, 폭 74'로 제편한 원단을 60℃의 온수로 제편유제 및 불순물 제거를 위해 정련하고, 라인조건을 180℃X40m/min으로 하여 건조시킨후 원단의 강도 부여 및 밀도 조절을 위하여 텐터에서 160℃조건으로 2분간 열처리하면서 폭을 58'로 줄여 수지 가공전단계의 전처리를 실시한다.

이와는 별도로 비스페놀A형 에폭시수지인 PZ3961(시바가이기사 제품) 25%중량과 폴리아미다민계 경화제인 HZ340(시바가이기사 제품) 20%중량으로 구성되는 수용액 함침액을 조성하고, 이 함침액에 원단을 침지하여 라인 스피드 20m/min, 맹글(mangle)의 압력을 4kgf로 조절한 후 폭이 40'가 되도록 설정한 다음 에폭시수지와 경화제가 완전 경화 되도록 텐터의 온도를 160℃로 하여 건조 및 경화를 시킨다.

이렇게 하여 원단(에폭시 함침전의 트리콧 원지) 대비 수지의 픽업율(도포된 수지의 중량비)이 14%, 후도 228um, 중량91.8g/m2인 편물을 제작하여, 투과수유로 로 사용하여 나권형 분리막 모듈(막면적 5ft2)을 제작한다.

상기 분리막 모듈의 성능평가를 위하여 실시예1과 동일한 방법으로 평가한 결과는 투과유량이 32.6gfd, 염제거율이 99.0%로 나타났다.

[실시예 2]

실시예1과 같이 투과수유로 제조에 있어서, 강도를 부여하는 성분으로 나일론6,6(nylon6,6; Tm 260℃)을 사용하고, 친수성 및 접착성이 좋은 성분으로 폴리우레탄(polyurethane; Tm 205℃)을 복합 방사장치에 공급하여 코어/시쓰(core/sheath)형 노즐로 방출연신한 후 45d/24f로 복합 섬유사를 얻었다.

상기 복합 섬유사를 트리코트 제편기를 이용하여 편직된 생지를 텐터에서 트리코트 조직밀도(웨일/코오스)가 40/50, 후도는 230um가 되도록 조절하면서 215℃로 2분간 열융착가공을 행하여 투과수유로를 제조한다.

상기유로를 사용하여 명세서의 설명대로 분리막 모듈을 제작하여 성능평가한 결과는 표1에서처럼 투과유량이 35.5gfd 염제거율 99.3% 임을 알 수 있다.

[실시예 3]

상기 실시예1과 같이 투과수유로 제조에 있어서, 강도를 부여하는 성분으로 폴리에스터(폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; Tm 255℃)를 사용하고, 친수성 및 접착성이 좋은 성분으로 폴리우레탄(polyurethane; Tm 205℃)을 복합 방사장치에 공급하여 코어/시쓰(core/sheath)형 노즐로 방출연신한 후 45d/24f로 복합 섬유사를 얻었다.

상기 복합 섬유사를 트리코트 제편기를 이용하여 편직된 생지를 텐터에서 트리코트 조직밀도(웨일/코오스)가 40/50, 후도가 230um가 되도록 조절하면서 215℃로 2분간 열융착가공을 행하여 투과수유로를 제조한다.

상기유로를 사용하여 명세서의 내용대로 분리막 모듈을 제작하여 성능평가 한 결과는 표1에서와 같이 투과유량이 35.5gfd, 염제거율이 99.3% 였다.

[표 1]

분리막 모듈	투과유량(gfd)	염제거율(%)	용출량(ppb/kg)
실시예1	36.5	99.4	80
실시예2	35.5	99.3	116
실시예3	35.5	99.3	116
비교예1	32.6	99.0	321

투과수유로 자체의 용출성은, 1L용량의 유리병에 상기 실시예와 비교예에서 제작된 투과수유로의 일정일정부분을 집어넣고 초순수(용존유기물(TOC) 20ppb이하)로 채워 50℃에서 5일간 방치후 용액내 TOC를 유기물측정기(SIEVERS모델)로 측정하였던 바 투과수유로 그램당 용출유기물 농도는 상기 표1에 나타난 바와 같다.

상기 실시예에서와 같은 복합성분의 재질을 가지고 투과수유로를 제작함으로서 상기 투과수유로와 분리막과의 접합성을 양호하게 함은 물론 투과수 흐름에 대한 저항을 대폭 감소시킬수 있었으며 또한 유해고분자의 용출을 최소화할 수 있었 다.

Claims

나권형 분리막 모듈을 제조함에 있어서,

강도를 부여하는 성분의 재질은 폴리아마이드, 폴리에스터, 폴리올레핀계의 고분자 중 어느 하나로 하고, 친수성 및 접착성분을 동시에 갖는 재질은 폴리아마이드, 폴리우레탄계 고분자 중 어느 하나로 된 컨쥬게이트 섬유를 원사로 하여 제편기에서 트리코트 조직으로 제편하고, 이를 히트 셋터(heat setter)에서 열처리한 편물을 투과수유로에 적용하는 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조 방법
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제1항에 있어서, 컨쥬게이트 섬유의 구성은 강도를 부여하는 성분과 친수성 및 접착성분의 조합으로 폴리에스터와 폴리아마이드, 폴리아마이드와 폴리우레탄 또는 폴리에스터와 폴리우레탄 조합을 사용하는 것을 특징으로 하는, 나권형 분리막 모듈 제조 방법
제4항에 있어서, 컨쥬게이트 섬유의 구성에서 친수성 및 접착성분을 갖는 재질의 함량이 표면의 10%이상 차지하는 것을 특징으로 하는, 나권형 분리막 모듈 제조 방법
제1항에 있어서, 원사는 20~150데니어(denier)의 섬도를 갖는 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조 방법
제1항에 있어서, 제편된 편물의 조직밀도는 인치당 20~80웨일(Wales)을 갖는 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조 방법
제1항에 있어서, 제편된 편물의 후도는 100~400um를 갖는 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조 방법