KR100748999B1 - Preparation method of membrane using oxidized metal and carbon powder - Google Patents

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Abstract

A method of preparing a metal membrane by a series of processes of oxidizing polymer in a membrane precursor prepared using metal oxide powder and carbon powder and reducing and sintering metal oxide in an atmosphere of carbon dioxide gas is provided to increase stability and economic efficiency as compared with a conventional method using a mixed gas of nitrogen and hydrogen in the preparation of the metal membrane. A preparation method of a metal membrane comprises: a first step of dispersing and dissolving 40 to 75 wt.% of a metal oxide with a particle size of 0.05 to 15 mum, 5 to 20 wt.% of carbon powder with a particle size of 0.5 to 20 mum, and 5 to 15 wt.% of polymer into 15 to 25 wt.% of a polar solvent, and spinning or casting the solution to prepare a membrane precursor; a second step of oxidizing polymer of the membrane precursor in a temperature range from 500 to 700 deg.C in a reduction furnace under an air atmosphere without injecting carbon dioxide gas; a third step of reducing metal oxide of the polymer oxidized membrane precursor by the reduction reaction between metal oxide and carbon, and carbon dioxide gas in a temperature range from 700 to 900 deg.C under a carbon dioxide atmosphere; and a fourth step of sintering the reduced membrane precursor in a temperature range from 1000 to 1400 deg.C under a carbon dioxide gas atmosphere to prepare a membrane.

Description

금속산화물 및 탄소 분말을 이용한 분리막 제조방법 {Preparation method of membrane using oxidized metal and carbon powder}Separation method using metal oxide and carbon powder {Preparation method of membrane using oxidized metal and carbon powder}

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 중공사막의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.1 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of the cross section of the metal hollow fiber membrane prepared according to Example 1 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 중공사막의 표면을 주사전자현미경으로 촬영한 사진으로, 표면의 무수히 많은 미세 기공들을 확인할 수 있다.2 is a photograph taken with a scanning electron microscope of the surface of the metal hollow fiber membrane prepared according to Example 1 of the present invention, it can be seen a myriad of fine pores of the surface.

본 발명은 금속산화물 분말을 이용한 분리막의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 특정의 입경을 갖는 금속산화물 입자분말과 탄소분말을 고분자와 함께 극성 용매에 일정비율로 용해시킨 후, 방사 또는 캐스팅(casting)하여 분리막 전구체를 제조하고, 제조된 상기 분리막 전구체를 환원로에 투입하여 전구체내의 고분자를 산화시킨 다음, 이산화탄소 분위기하에서 금속산화물과 탄소 및 이산화탄소간의 반응에 의해 금속산화물을 환원시키고 소결하는 일련의 과정으로, 기존의 질소와 수소의 혼합가스를 사용하여 제조되는 금속 필터에 비해 경제성이 좋고 높은 기공도를 유지하고 물성이 뛰어난 금속 분리막의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a separator using a metal oxide powder, and specifically, metal oxide particle powder and carbon powder having a specific particle diameter are dissolved together with a polymer in a polar solvent at a predetermined ratio, followed by spinning or casting. To prepare a separator precursor, add the prepared membrane precursor to a reduction furnace to oxidize the polymer in the precursor, and then reduce and sinter the metal oxide by reaction between the metal oxide and carbon and carbon dioxide under a carbon dioxide atmosphere. The present invention relates to a method for producing a metal separator, which is economical and maintains high porosity and excellent physical properties compared to a metal filter manufactured by using a mixed gas of nitrogen and hydrogen.

분리막은 1920년경 레이온 공업의 펄프폐액으로부터 알카리를 회수하는데 투석법(dialysis)이 대대적으로 사용되면서 개발되었고, 그 후 1940년경에 전기투석법(electrodialysis)이 개발되면서 산업분야에 대한 응용이 활발하게 진행됐으며, 1950년대에 들어와서는 해수담수화용으로 역삼투막이 사용되기 시작하면서 실제 사용이 가능하도록 설비개발이 진행되었고 현재는 산업전분야에 필수적인 매개체로 등장하고 있는 실정이다. Membranes were developed around the 1920s with the extensive use of dialysis to recover alkali from the pulp waste of the Rayon industry. Afterwards, electrodialysis was developed around 1940. In the 1950's, reverse osmosis membranes were used for seawater desalination, and facility development was in progress for practical use, and it is now appearing as an essential medium for all industrial fields.

현재 산업전분야에 사용되는 분리막의 대부분은 고분자 분리막이나, 물리적 강도가 낮고 화학적 안정성이 떨어지며 온도저항성도 낮은 단점이 있다. 반면, 세라믹 분리막은 강도와 온도저항성은 높으나 취성으로 인하여 부러질 위험이 있으므로 사용분야가 한정된다. 한편, 금속 분리막은 내구성, 온도저항성은 우수하나 제조공정상 단가가 매우 높은 단점과 중공사막으로 제조시에는 직경이 큰 문제가 있으므로, 고분자 분리막으로 사용이 불가한 특수한 경우에만 사용이 되고 있다.Currently, most of the separators used in industrial fields are polymer separators, but have a low physical strength, low chemical stability, and low temperature resistance. On the other hand, ceramic separators have high strength and temperature resistance, but their use is limited because of the risk of breaking them due to brittleness. On the other hand, the metal separator is excellent in durability and temperature resistance, but the cost is very high in the manufacturing process, and when manufacturing a hollow fiber membrane has a large diameter problem, it is used only in a special case that can not be used as a polymer membrane.

금속 분리막과 관련된 종래 기술로, 대한민국 등록특허 제10-562043호 금속 분리막의 제조방법에서는 3주기 전이금속 및 이들의 합금 입자분말과 합성 고분자를 일정비로 용해시킨 다음, 방사 또는 캐스팅하여 분리막 전구체를 제조하고, 상기 분리막 전구체를 물에 침지시킨 후, 질소와 수소의 혼합가스 분위기하에서 상기 합성 고분자를 산화시킨 다음, 특정의 온도에서 소결하여 금속분리막을 제조하는 방법을 제공하였다. 상기 기술에서는 직경을 줄인 금속 중공사 분리막을 제조하는 방법을 제공하였으나, 질소, 수소의 혼합가스를 사용하므로 수소가스 취급에 따른 위험성이 있고 특히 초기단계부터 질소, 수소의 혼합가스를 주입하므로 고가의 가스를 다량 필요로 하여 제조단가가 높은 단점이 있었다.In the conventional technology related to the metal separator, Korean Patent No. 10-562043 discloses a method for preparing a metal separator, in which a three-cycle transition metal, an alloy particle powder thereof, and a synthetic polymer are dissolved at a predetermined ratio, followed by spinning or casting to prepare a separator precursor. After immersing the separator precursor in water, the synthetic polymer is oxidized in a mixed gas atmosphere of nitrogen and hydrogen, and then sintered at a specific temperature to provide a method of preparing a metal separator. The above technique provides a method of manufacturing a metal hollow fiber membrane having a reduced diameter, but there is a risk of handling the hydrogen gas because the mixed gas of nitrogen and hydrogen is used. There is a disadvantage in that the manufacturing cost is high because a large amount of gas is required.

이에 본 발명자들은 금속분리막을 제조함에 있어서 우수한 물성을 지니면서도 보다 경제적인 방법의 개발을 위하여 노력하는 과정에서, 금속산화물과 고분자와 더불어 탄소분말을 첨가하고, 저가의 이산화탄소 기체를 환원로에 주입하여 실험을 진행하였으며, 그 결과 고가의 질소와 수소 혼합 가스를 대신하여 저가의 이산화탄소하에서 환원, 소결을 시킴으로써 종래 금속막의 제조방법에 비하여 비용을 절감할 수 있는 금속분리막의 제조방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors added carbon powder together with metal oxides and polymers and injected low-cost carbon dioxide gas into a reduction furnace in the process of trying to develop a more economical method while having excellent physical properties in manufacturing a metal separator. The experiment was carried out, and as a result, the present invention was developed by developing a metal separation membrane manufacturing method which can reduce the cost compared to the conventional metal membrane manufacturing method by reducing and sintering under a low-cost carbon dioxide instead of expensive nitrogen and hydrogen mixed gas. Completed.

본 발명에서는 금속산화물 입자분말과 탄소분말을 이용하여 제조된 분리막 전구체를 환원로에 투입하여 전구체내의 고분자를 산화시킨 다음, 이산화탄소 기체 분위기하에서 금속산화물과 탄소 및 이산화탄소간의 반응에 의해 금속산화물을 환원시키고 소결하는 일련의 과정으로 금속 분리막을 제조하는 방법을 제공함으로써, 금속 분리막의 제조에 있어서 기존의 질소와 수소의 혼합가스를 사용하는 방법에 비하여 안전성과 경제성을 높이고자 한다. In the present invention, the membrane precursor prepared by using the metal oxide particle powder and carbon powder is introduced into a reduction furnace to oxidize the polymer in the precursor, and then the metal oxide is reduced by the reaction between the metal oxide and carbon and carbon dioxide under a carbon dioxide gas atmosphere. By providing a method for manufacturing a metal separator by a series of sintering process, to improve the safety and economics compared to the conventional method using a mixed gas of nitrogen and hydrogen in the manufacture of the metal separator.

본 발명은 특정의 입경을 갖는 금속산화물 입자분말과 탄소분말을 고분자와 함께 극성 용매에 일정비율로 용해시킨 후, 방사 또는 캐스팅(casting)하여 분리막 전구체를 제조하고, 제조된 상기 분리막 전구체를 환원로에 투입하여 전구체내의 고분자를 산화시킨 다음, 이산화탄소 하에서 금속산화물을 환원시키고 소결하는 공정을 순차적으로 수행하여, 기공크기가 0.05 ∼ 10 ㎛으로 종래 금속 분리막에 비해 기공분포가 균일하고, 기공도가 30 ∼ 50 %인 금속 분리막의 제조에 관한 것이다.The present invention dissolves a metal oxide particle powder and a carbon powder having a specific particle diameter with a polymer in a polar solvent at a ratio, and then spinning or casting to prepare a membrane precursor, and the prepared membrane precursor is reduced to And then oxidizing the polymer in the precursor, and then sequentially reducing and sintering the metal oxide under carbon dioxide, and having a pore size of 0.05 to 10 μm, which has a uniform pore distribution and a porosity of 30. It relates to the production of a metal separator of 50%.

본 발명의 분리막을 제조하는 방법은 입자의 크기가 0.05 ∼ 15 ㎛ 인 금속산화물 40 ~ 75 중량%와, 입자의 크기가 0.5 ∼ 20 ㎛ 인 탄소 분말 5 ~ 20 중량%, 셀룰로스 아세테이트계, 폴리올레핀계, 폴리이미드계, 폴리술폰계, 폴리아마이드계, 폴리사카라이드계 등의 고분자들 중에서 선택된 고분자 5 ~ 15 중량%를 디메틸아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸술폭사이드 등의 용매들 중에서 선택된 용매 15 ~ 25 중량%와 함께 분산, 용해시킨 후 일정 크기의 노즐을 통하여 습식방사하거나 캐스팅하여 분리막 전구체를 제조하는 1단계;The method for producing the separator of the present invention is 40 to 75% by weight of the metal oxide particles having a particle size of 0.05 to 15 ㎛, 5 to 20% by weight of carbon powder having a particle size of 0.5 to 20 ㎛, cellulose acetate, polyolefin , 5 to 15% by weight of a polymer selected from among polymers such as polyimide, polysulfone, polyamide, polysaccharide and the like is dimethylamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide Dispersing and dissolving with 15 to 25% by weight of a solvent selected from solvents such as dimethyl sulfoxide, and then wet spinning or casting through a nozzle of a predetermined size to prepare a membrane precursor;

상기 분리막 전구체를 환원로에서 이산화탄소 기체 주입 없이 공기 분위기하의 500 ∼ 700 ℃ 온도 범위에서 고분자를 산화시키는 2단계; Oxidizing the polymer at a temperature range of 500 to 700 ° C. under an air atmosphere without injecting carbon dioxide gas into the separator precursor;

상기 고분자가 산화된 분리막 전구체를 이산화탄소 분위기하의 700 ∼ 900 ℃ 온도 범위에서 금속산화물과 탄소 및 이산화탄소 기체간의 환원 반응에 의해 금속산화물이 환원되는 3단계; 및A step of reducing the metal oxide by the reduction reaction between the metal oxide and carbon and carbon dioxide gas in the membrane precursor in which the polymer is oxidized in a carbon dioxide atmosphere at a temperature of 700 to 900 ° C .; And

환원된 상기 분리막 전구체를 이산화탄소 기체 분위기하의 1000 ∼ 1400 ℃ 온도범위에서 소결하여 0.05 ∼ 10 ㎛ 범위의 기공크기와 30 ~ 50 %의 기공도를 갖는 금속막을 제조하는 4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Sintering the reduced membrane precursor in a carbon dioxide gas atmosphere at a temperature range of 1000 ~ 1400 ℃ characterized in that it comprises a four step of producing a metal film having a pore size in the range of 0.05 to 10 ㎛ and porosity of 30 to 50% .

본 발명에 따른 금속 분리막을 제조하는 방법을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Looking at the method of manufacturing a metal separator according to the present invention in more detail as follows.

우선 금속산화물 분말 및 탄소분말을 고분자와 함께 용매에 분산, 용해시킨 후, 방사 또는 캐스팅하여 분리막 전구체를 제조하는 1단계에 있어서, 상기 금속산화물은 구체적으로 산화니켈, 산화구리, 산화철 중에서 선택된 금속산화물 분말을 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 소결온도가 다른 금속산화물들에 비해 비교적 낮고 산화에 대한 저항도가 높으며 가격이 저렴한 산화구리 및 산화니켈을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 금속산화물 분말의 입자크기가 0.05 ㎛ 미만이면 원하는 크기를 얻기 위해 장시간 볼밀을 하여야 하므로 단가가 높아져 경제성이 떨어지고, 금속산화물 분말의 크기가 15 ㎛를 초과하면 입자가 너무 커서 점도가 높아지고 방사를 위해서는 노즐내경이 커져야 하고 방사자체도 용이하지 않을 뿐만 아니라 기공의 크기가 10 ㎛ 이상으로 형성되어 공기정화 및 수처리 등의 산업전반에 응용하기가 부적절하므로, 금속산화물 분말의 입자크기는 상기의 0.05 ∼ 15 ㎛ 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 분리막을 제조함에 있어서 금속산화물 분말이 40 중량% 미만이면 점성이 약하여 노즐 방사가 어렵고 최종 금속막의 강도가 현저히 떨어져 끊어지는 현상이 일어나므로 사용이 불가능하고, 75 중량%를 초과하면 용매 자체에 균일한 분산 및 용해가 어려워지는 문제가 발생하므로, 40 ~ 75 중량%의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.First, in the first step of dispersing and dissolving a metal oxide powder and a carbon powder in a solvent together with a polymer, and then spinning or casting to prepare a separator precursor, the metal oxide is specifically a metal oxide selected from nickel oxide, copper oxide and iron oxide. Powders may be used, and in the present invention, it is more preferable to use copper oxide and nickel oxide, which have a relatively low sintering temperature, higher resistance to oxidation, and lower cost than other metal oxides. In addition, if the particle size of the metal oxide powder is less than 0.05 ㎛ ball milling for a long time in order to obtain the desired size, the unit price is high and economic efficiency is low, if the size of the metal oxide powder exceeds 15 ㎛ particles are too large, the viscosity is high and spinning In order to increase the nozzle internal diameter and not easy to radiate itself, the size of the pore is 10 μm or more, which makes it unsuitable for industrial applications such as air purification and water treatment. It is preferable to maintain the range of -15 µm. In addition, in the production of the separator, when the metal oxide powder is less than 40% by weight, the viscosity is weak, which makes it difficult to spin the nozzle, and the strength of the final metal film is considerably dropped. The problem of difficulty in uniform dispersion and dissolution occurs, so it is desirable to maintain the range of 40 to 75% by weight.

탄소 분말은 금속산화물을 환원시키기 위하여 혼합한다. 탄소 분말이 5 중량% 미만이면 금속산화물의 환원이 제대로 이루어지지 못하고, 20 중량%를 초과하면 금속산화물의 소결이 어려워지므로, 5 ~ 20 중량%의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.Carbon powder is mixed to reduce metal oxides. When the carbon powder is less than 5% by weight, the reduction of the metal oxide may not be performed properly. When the carbon powder is more than 20% by weight, it is difficult to sinter the metal oxide. Therefore, it is preferable to maintain the range of 5 to 20% by weight.

고분자는 셀룰로스 아세테이트계, 폴리올레핀계, 폴리이미드계, 폴리술폰계, 폴리아마이드계, 폴리사카라이드계의 일종을 선택한다. 이러한 합성고분자 사용량이 5 중량% 미만이면 성형이 어렵고 강도가 약하여 분리막 전구체 제조가 용이하지 않으며, 15 중량%를 초과하는 경우에는 방사용액의 점성이 커져 방사가 어렵고 기공형성이 용이하지 않은 문제가 발생하므로, 상기 5 ~ 15 중량%의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.The polymer is selected from cellulose acetate, polyolefin, polyimide, polysulfone, polyamide, and polysaccharide. If the amount of the synthetic polymer is less than 5% by weight, it is difficult to form a membrane precursor due to its difficulty in molding and strength, and when it exceeds 15% by weight, the spinning solution becomes viscous, so that spinning is difficult and pore formation is not easy. Therefore, it is preferable to maintain the range of 5 to 15% by weight.

이들을 용해시키기 위한 용매는 상기 고분자를 용해시킬 수 있는 특성을 갖는 용매로 구체적으로 디메틸아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 및 디메틸술폭사이드 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다. 상기 용매 사용량이 15 중량% 미만이면 금속산화물 분말 및 탄소분말과 고분자를 균일하게 용해시킬 수가 없어 분리막 제조가 어렵고, 25 중량%를 초과하면 방사용액의 점성 이 매우 약하여 노즐 방사가 어렵고 제조된 금속막의 강도가 현저히 떨어지는 문제점이 야기되므로, 상기 15 ~25 중량%의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.The solvent for dissolving these may be a solvent having a property capable of dissolving the polymer, specifically, selected from dimethylamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide and dimethyl sulfoxide. . When the amount of the solvent used is less than 15% by weight, it is difficult to uniformly dissolve the metal oxide powder, the carbon powder, and the polymer, and thus, it is difficult to manufacture the separation membrane. When the amount of the solvent exceeds 25% by weight, the viscosity of the spinning solution is very weak so that the spinning of the nozzle is difficult. Since a problem of remarkably falling strength is caused, it is preferable to maintain the range of 15 to 25% by weight.

방사 또는 캐스팅 후 고분자 용액을 응고시키는 응고욕은 알코올과 물 및 특정 용매를 사용할 수 있으나 경제적인 면을 고려하여 물을 기본으로 하는 것이 바람직하며, 이때 응고욕의 온도가 0 ℃ 미만이면 방사 후 분리막전구체가 급격히 응고되어 전구체에 미미한 균열을 초래할 수 있고, 70 ℃ 를 초과하면 분리막 전구체의 강도가 약해져서 고분자 산화 과정 시 취성이 발생하고 용매가 기화하여 신체에 해로우므로, 물을 기본으로 하는 응고욕의 온도는 0 ∼ 70 ℃ 범위를 유지하는 것이 바람직하다.The coagulation bath for coagulating the polymer solution after spinning or casting may use alcohol, water and a specific solvent, but it is preferable to consider water in terms of economics. In this case, if the temperature of the coagulation bath is less than 0 ℃, the membrane after spinning Precursor solidifies rapidly and may cause slight cracking in the precursor. If the precursor exceeds 70 ° C, the strength of the membrane precursor becomes weak, brittleness occurs during the oxidation process of the polymer, and the solvent evaporates and is harmful to the body. It is preferable to maintain a temperature in the range of 0-70 degreeC.

고분자를 산화시키는 2단계에서는 제조된 분리막 전구체를 환원로에 넣어 분리막 전구체 내의 고분자를 500 ∼ 700 ℃의 온도에서 이산화탄소 공급 없이 산화시킨다. 이때, 온도가 500 ℃ 미만이면 불완전 산화가 발생하고 시간소모가 크며, 700 ℃ 를 초과하는 경우에는 분리막 전구체의 성형이 일정하지 않고 뒤틀림 현상이 발생하는 문제가 발생하므로, 상기 온도 범위를 유지하는 것이 바람직하다. In the second step of oxidizing the polymer, the prepared membrane precursor is placed in a reduction furnace to oxidize the polymer in the membrane precursor without supplying carbon dioxide at a temperature of 500 to 700 ° C. In this case, when the temperature is less than 500 ℃, incomplete oxidation occurs and time consumption is large, and when the temperature exceeds 700 ℃, the problem that the molding of the precursor precursor is not constant and distortion occurs, it is necessary to maintain the temperature range desirable.

금속산화물을 환원시키는 3단계에서는 700 ∼ 900 ℃ 범위의 환원온도를 유지하며 이때부터 이산화탄소 기체를 환원로 내부로 주입한다. 가스 주입량은 전기로의 크기와 용적에 따라 다르며 많은 실험결과 400(가로)×400(세로)×700(길이) ㎣ 크기의 전기로일 경우 분당 1.5ℓ가 가장 적합하였다. 상기 환원온도가 700 ℃ 미만이면 금속산화물과 탄소 및 이산화탄소 기체 사이에서의 환원이 거의 이루어지지 않아 물성이 약하여 쉽게 부러지며, 900 ℃를 초과하는 경우에는 이미 환원이 다 진행되어 환원을 위한 가스 주입은 무의미하게 되므로 상기 온도 범위를 유지하는 것이 바람직하다. In the third step of reducing the metal oxide, a reduction temperature of 700 to 900 ° C. is maintained, and carbon dioxide gas is injected into the reduction furnace from this time. The amount of gas injected depends on the size and volume of the electric furnace. As a result of many experiments, 1.5 L / min was most suitable for the 400 (W) × 400 (H) × 700 (L) ㎣ size furnace. When the reduction temperature is less than 700 ℃, the reduction between the metal oxide and carbon and carbon dioxide gas is hardly made because the physical properties are weak and easily broken. If the temperature exceeds 900 ℃, the reduction is already complete and gas injection for reduction is It is desirable to maintain the temperature range as it becomes meaningless.

금속막을 소결하는 4단계에서는 환원된 분리막 전구체를 이산화탄소 기체하에서 1000 ∼ 1400 ℃ 의 온도로 소결한다. 상기 소결온도가 1000 ℃ 미만이면 소결이 거의 일어나지 않아 물성이 약하여 금속막의 장점을 살릴 수가 없고, 1400 ℃를 초과하는 경우에는 소결이 너무 과도하게 진행되어 기공형성이 제대로 이루어지지 않으므로 강도는 좋으나 분리막으로서의 가치가 떨어지므로, 상기 온도 범위를 유지하는 것이 보다 바람직하다. 상기와 같이 제조된 금속막은 종래 금속 분리막에 비해 기공크기가 0.05 ∼ 10 ㎛으로 기공분포가 균일하고, 기공도가 30 ∼ 50 %인 기공도를 갖는다. 이러한 상기의 금속 분리막은 중공사막 또는 평막 등의 형태로 제조가 가능하다.In the fourth step of sintering the metal film, the reduced separator precursor is sintered at a temperature of 1000 to 1400 ° C. under carbon dioxide gas. If the sintering temperature is less than 1000 ℃ sintering hardly occurs, the physical properties are weak to take advantage of the advantages of the metal film, if it exceeds 1400 ℃ sintering is excessively proceeded so that the pore formation is not good, but the strength is good as a separation membrane Since the value is low, it is more preferable to maintain the temperature range. The metal film prepared as described above has a pore size of 0.05 to 10 μm, a uniform pore distribution, and a porosity of 30 to 50% as compared to the conventional metal separator. The metal separator may be manufactured in the form of a hollow fiber membrane or a flat membrane.

하기 실시예에 의하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 제시한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.The following examples illustrate the invention in more detail. The following examples are presented to help the understanding of the present invention, but the present invention is not limited thereto.

[실시예 1] Example 1

산화니켈(3㎛) 60 중량% 및 탄소 분말(10㎛) 10 중량%와 디메틸 포름아마이드(DMF) 22 중량% 및 폴리이미드 8 중량% 로 이루어진 방사용액을 제조한 후, 외경이 2.5 mm, 내경이 1.5 mm 인 단구 방사노즐(중공사 구멍이 1개 생기는 일반적인 노즐을 의미)에 주입하고 내부로 물을 주입하여 중공사 형태로 방사한 후, 증류수에 응고시킨다. 이후에 전구체를 물속에서 하루 동안 침지하여 용매와 물의 교환을 통하여 제거한 후 이 중공사 분리막 전구체를 환원로에 넣어 고분자를 6 ℃/min 상승속도로 700 ℃ 까지 올리고 1시간 유지하여 산화시킨 후, 이산화탄소 기체의 흐름속도를 1.5 ℓ/min 으로 하여 이산화탄소 기체 분위기하에서 900 ℃ 까지 6 ℃/min 상승속도로 온도를 올리면서 금속산화물 및 탄소와 이산화탄소간의 환원반응에 의해 산화니켈을 니켈로 환원시킨 다음, 환원과 동일조건으로 1250 ℃까지 승온하여 금속입자를 소결시켰다. 이때 제조된 중공사 분리막은 기공크기는 약 0.1 ∼ 1 ㎛이고 기공도는 약 35 % 정도가 됨을 확인하였다.After preparing a spinning solution consisting of 60% by weight of nickel oxide (3 μm), 10% by weight of carbon powder (10 μm), 22% by weight of dimethyl formamide (DMF), and 8% by weight of polyimide, the outer diameter was 2.5 mm, the inner diameter was It is injected into this 1.5 mm single nozzle spinning nozzle (meaning a general nozzle having one hollow fiber hole), water is injected into the inside and spun into hollow fiber, and then solidified in distilled water. Thereafter, the precursor was immersed in water for one day to remove through exchange of solvent and water, and then the hollow fiber membrane precursor was placed in a reduction furnace to raise the polymer to 700 ° C. at a rate of 6 ° C./min, and maintained for 1 hour for oxidation. Nickel oxide was reduced to nickel by a reduction reaction between metal oxides and carbon and carbon dioxide while raising the temperature at a gas flow rate of 1.5 l / min at a rate of 6 ℃ / min in a carbon dioxide gas atmosphere at a rate of 6 ℃ / min. The metal particles were sintered by increasing the temperature to 1250 ° C. under the same conditions as the above. At this time, the prepared hollow fiber membrane was confirmed that the pore size is about 0.1 ~ 1 ㎛ and porosity is about 35%.

[비교예 1-1] Comparative Example 1-1

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 탄소분말을 제거하고 순수산화니켈만을 70 중량% 로 하여 분리막을 제조한 결과 환원이 제대로 이루어지지 않아 강도가 전혀 없는 막이 제조되어 금소막 제조가 불가능 하였다.The same process as in Example 1 was carried out, but the carbon powder was removed and pure nickel oxide was used as 70 wt% to prepare a separation membrane. As a result, reduction was not performed properly, and thus no membrane was produced.

[비교예 1-2] Comparative Example 1-2

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 용매를 디메틸 포름아마이드 (DMF) 대 신에 디메틸술폭사이드(DMSO)를 사용하여 분리막을 제조한 결과 실시예 1과 거의 동일한 결과를 나타내었다. In the same manner as in Example 1, but using a solvent instead of dimethyl formamide (DMF) dimethyl sulfoxide (DMSO) to prepare a separator showed the same results as in Example 1.

[비교예 1-3] Comparative Example 1-3

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 고분자를 폴리이미드 대신에 폴리술폰을 사용하여 분리막을 제조한 결과 실시예 1과 거의 동일한 결과를 나타내었다.Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, but the separation membrane was prepared using polysulfone instead of polyimide.

[실시예 2] Example 2

산화니켈(1㎛) 62 중량% 및 탄소 분말(10㎛) 10 중량%와 디메틸 포름아마이드(DMF) 21 중량% 및 폴리술폰 7 중량% 로 이루어진 방사용액을 제조한 후, 외경이 2 mm, 내경이 1 mm 인 3구 방사노즐(내부 홀이 3개 생기는 노즐)에 주입하고 내부로 물을 주입하여 중공사 형태로 방사한 후, 증류수에 응고시킨다. 이후에 전구체를 물 속에서 하루동안 침지하여 용매와 물의 교환을 통하여 제거한 후 이 중공사 분리막 전구체를 환원로에 넣어 고분자를 5 ℃/min 상승속도로 700 ℃ 까지 올리고 1시간 유지 하여 산화시킨 후, 이산화탄소 기체의 흐름속도를 1.5 ℓ/min 으로 하여 이산화탄소 기체 분위기하에서 900℃ 까지 5℃/min 상승속도로 온도를 올리면서 금속산화물 및 탄소와 이산화탄소간의 환원반응에 의해 산화니켈을 니켈로 환원시킨 다음, 환원과 동일조건으로 1300 ℃까지 승온하여 금속입자를 소결시켰다. 이때 제조된 중공사 분리막은 기공크기는 약 0.05 ∼ 0.7 ㎛이고 기공도는 약 30 % 정도가 됨을 확인하였다. After preparing a spinning solution consisting of 62% by weight of nickel oxide (1 μm), 10% by weight of carbon powder (10 μm), 21% by weight of dimethyl formamide (DMF), and 7% by weight of polysulfone, an outer diameter of 2 mm and an inner diameter were obtained. It is injected into this 1-mm three-spinning nozzle (nozzle having three inner holes), water is injected into the inside and spun into hollow fiber, and then solidified in distilled water. After immersing the precursor in water for one day to remove through the exchange of solvent and water, and then put the hollow fiber membrane precursor in a reduction furnace to oxidize the polymer by raising the temperature to 700 ℃ at a rate of 5 ℃ / min 1 hour, Nickel oxide was reduced to nickel by a reduction reaction between metal oxides and carbon and carbon dioxide while raising the temperature at a rate of 5 ° C./min up to 900 ° C. under a carbon dioxide gas atmosphere at a rate of 1.5 l / min of carbon dioxide gas. The metal particles were sintered by heating up to 1300 ° C. under the same conditions as reduction. At this time, the prepared hollow fiber membrane was found to have a pore size of about 0.05 to 0.7 μm and a porosity of about 30%.

[비교예 2-1] Comparative Example 2-1

상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 용매를 디메틸 포름아마이드(DMF) 대신에 디메틸술폭사이드(DMSO)를 사용하여 분리막을 제조한 결과 실시예 2와 거의 동일한 결과를 나타내었다. 또한 상기 실시예 2과 동일하게 실시하되, 고분자를 폴리이미드 대신에 폴리술폰을 사용하여 분리막을 제조한 결과 실시예 2와 거의 동일한 결과를 나타내었다.In the same manner as in Example 2, the separation membrane was prepared using dimethyl sulfoxide (DMSO) instead of dimethyl formamide (DMF) solvent was almost the same as in Example 2. In addition, it was carried out in the same manner as in Example 2, but the separation membrane was prepared using polysulfone instead of polyimide polymer showed almost the same results as in Example 2.

[비교예 2-2] Comparative Example 2-2

실시예 2와 동일하게 실시하되 700 ℃ 이후부터 이산화탄소를 주입하지 않고 환원 및 소결실험을 진행한 결과 강도가 전혀 없는 막이 제조되어 금속막 제조가 불가능하였다.In the same manner as in Example 2, but after the reduction and sintering experiment without injecting carbon dioxide from 700 ℃ as a result of a film having no strength at all was not possible to manufacture a metal film.

[실시예 3] Example 3

산화구리(10㎛) 61 중량% 및 탄소 분말(10㎛) 10 중량%와 디메틸 술폭사이드(DMSO) 21 중량% 및 폴리술폰 8 중량% 로 이루어진 방사용액을 제조한 후, 외경이 2 mm, 내경이 1 mm 인 3구 방사노즐(내부 홀이 3개 생기는 노즐)에 주입하고 내부로 물을 주입하여 중공사 형태로 방사한 후, 증류수에 응고시킨다. 이후에 전구체를 물 속에서 하루동안 침지하여 용매와 물의 교환을 통하여 제거한 후 이 중공사 분리막 전구체를 환원로에 넣어 고분자를 5 ℃/min 상승속도로 700 ℃ 까지 올 리고 1시간 유지 하여 산화시킨 후, 이산화탄소 기체의 흐름속도를 1.5 ℓ/min 으로 하여 이산화탄소 기체 분위기하에서 900 ℃ 까지 5 ℃/min 상승속도로 온도를 올리면서 금속산화물 및 탄소와 이산화탄소간의 환원반응에 의해 산화니켈을 니켈로 환원시킨 다음, 환원과 동일조건으로 1200 ℃까지 승온하여 금속입자를 소결시켰다. 이때 제조된 중공사 분리막은 기공크기는 약 0.05 ∼ 0.5 ㎛ 이고 기공도는 약 35 % 정도가 됨을 확인하였다. 61 wt% of copper oxide (10 μm), 10 wt% of carbon powder (10 μm), 21 wt% of dimethyl sulfoxide (DMSO), and 8 wt% of polysulfone were prepared. It is injected into this 1-mm three-spinning nozzle (nozzle having three inner holes), water is injected into the inside and spun into hollow fiber, and then solidified in distilled water. Thereafter, the precursor was immersed in water for one day, and then removed by exchange of a solvent and water, and the hollow fiber membrane precursor was placed in a reduction furnace to raise the polymer to 700 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and maintained for 1 hour for oxidation. The nickel oxide is reduced to nickel by a reduction reaction between metal oxides and carbon and carbon dioxide while raising the temperature of carbon dioxide gas to 1.5 ℓ / min and raising the temperature at a rate of 5 ℃ / min up to 900 ℃ under a carbon dioxide gas atmosphere. The metal particles were sintered by raising the temperature to 1200 ° C. under the same conditions as in the reduction. At this time, the prepared hollow fiber membrane was found to have a pore size of about 0.05 to 0.5 μm and a porosity of about 35%.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 금속 분리막 제조 방법에 따르면 기공크기가 작고 기공도가 높으면서도 강도가 우수하여 공기정화 및 수처리 등 다양한 분야에 적용이 가능한 금속 분리막을 제조할 수 있으며, 기존의 질소와 수소의 혼합가스를 사용하는 금속분리막의 제조방법에 비하여 안전하고 비용이 절감되는 장점이 있다.As described above, according to the method of manufacturing the metal separator of the present invention, the pore size is small and the porosity is high, and the strength is excellent, so that the metal separator can be manufactured in various fields such as air purification and water treatment. Compared to the method of manufacturing a metal separator using a mixed gas of hydrogen and hydrogen, there is an advantage of being safe and cost-saving.

Claims (6)

입자의 크기가 0.05 ∼ 15 ㎛ 인 금속산화물 40 ~ 75 중량%와, 입자의 크기가 0.5 ∼ 20 ㎛ 인 탄소 분말 5 ~ 20 중량%, 고분자 5 ~ 15 중량%를 극성 용매 15 ~ 25 중량%에 분산, 용해시킨 후 방사, 또는 캐스팅하여 분리막 전구체를 제조하는 1단계;40 to 75% by weight of a metal oxide having a particle size of 0.05 to 15 μm, 5 to 20% by weight of a carbon powder having a particle size of 0.5 to 20 μm, and 5 to 15% by weight of a polymer to 15 to 25% by weight of a polar solvent. Dispersing, dissolving and spinning or casting to prepare a membrane precursor; 상기 분리막 전구체를 환원로에서 이산화탄소 기체 주입 없이 공기 분위기하의 500 ∼ 700 ℃ 온도 범위에서 고분자를 산화시키는 2단계; Oxidizing the polymer at a temperature range of 500 to 700 ° C. under an air atmosphere without injecting carbon dioxide gas into the separator precursor; 상기 고분자가 산화된 분리막 전구체를 이산화탄소 분위기하의 700 ∼ 900 ℃ 온도 범위에서 금속산화물과 탄소 및 이산화탄소 기체간의 환원 반응에 의해 금속산화물의 환원되는 3단계; 및3 steps of reducing the metal oxide by the reduction reaction between the metal oxide and carbon and carbon dioxide gas in the membrane precursor oxidized the polymer at a temperature range of 700 ~ 900 ℃ under a carbon dioxide atmosphere; And 환원된 상기 분리막 전구체를 이산화탄소 기체 분위기하의 1000 ∼ 1400 ℃ 온도범위에서 소결하여 분리막을 제조하는 4단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 분리막의 제조방법. And sintering the reduced separator precursor at a temperature ranging from 1000 to 1400 ° C. under a carbon dioxide gas atmosphere to produce a separator. 제1항에 있어서, 상기 금속산화물은 산화구리, 산화니켈, 산화철 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속 분리막의 제조방법. The method of claim 1, wherein the metal oxide is any one selected from copper oxide, nickel oxide, and iron oxide. 제1항에 있어서, 상기 고분자는 셀룰로스 아세테이트계, 폴리올레핀계, 폴리이미드계, 폴리술폰계, 폴리아마이드계, 폴리사카라이드계 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속 분리막의 제조방법. The method of claim 1, wherein the polymer is any one selected from cellulose acetate, polyolefin, polyimide, polysulfone, polyamide, and polysaccharide. 제1항에 있어서, 상기 극성 용매는 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸술폭사이드 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속 분리막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the polar solvent is any one selected from N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, and dimethyl sulfoxide. 제1항에 있어서, 상기 금속 분리막은 기공크기가 0.05 ∼ 10 ㎛이고, 기공도가 30 ~ 50 %인 것을 특징으로 하는 금속 분리막의 제조방법. The method of claim 1, wherein the metal separator has a pore size of 0.05 to 10 µm and a porosity of 30 to 50%. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 분리막은 중공사막, 평막, 모세관막 중의 어느 하나의 형태로 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 분리막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the metal separation membrane is made of any one of a hollow fiber membrane, a flat membrane and a capillary membrane.
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