KR100842074B1

KR100842074B1 - 중공사 내부 투입용 중공사막

Info

Publication number: KR100842074B1
Application number: KR1020070024998A
Authority: KR
Inventors: 염충균
Original assignee: (주)세프라텍
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-06-30

Abstract

본 발명은 분리할 혼합액을 중공사막의 중공(中空) 내부로 투입하여 활성층을 포함하는 다공성 막을 투과하게 하는 중공사 내부 투입용 중공사막에 관한 것으로, 중공을 갖는 관상의 활성층 막을 성형하고, 그 외표면에 직접 고분자 섬유 브레이드, 금속선 브레이드 또는 고분자 섬유와 금속선의 혼조 브레이드를 편조하여, 중공 내부에 고온, 고압의 혼합액을 투입할 경우 활성층 막이 팽창하는 것을 억제할 수 있게 한 것을 특징으로 하고, 본 발명에 의하면, 고온, 고압의 공급혼합액을 중공사막의 중공 내부로 투입하여 혼합액을 구성 물질로 분리할 수 있고, 공급혼합액이 중공사막 내부에 흐르기 때문에 막모듈 내에 불필요한 공간(dead volume)이 최소화됨으로써 공급혼합액 단위 부피당 막 표면과 접촉률이 높아져 필요 막 면적이 줄여 들며, 중공사막 외부에 공급액을 투입할 때 발생하는 채널링 현상을 근본적으로 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 외부의 브레이드 층이 투과물 흐름에 대한 스페이서(spacer)역할을 하여 압력 강하 현상을 최소화시킬 수 있기 때문에 모듈의 길이를 압력 강하에 의한 제한 없이 설정할 수 있고, 공급혼합액을 중공사 내부로 흐려 줌으로써, 외부로의 열손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

중공사막, 금속선, 내압성

Description

중공사 내부 투입용 중공사막{HOLLOW FIBER MEMBRANE FOR FEEDING MIXTURE INTO INSIDE HOLLOW FIBER}

도 1a는 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제1실시 예에 대한 부분절개 사시도이다.

도 1b는 도 1a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도이다.

도 1c는 도 1a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제2실시 예에 대한 부분절개 사시도이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도이다.

도 2c는 도 2a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도이다.

도 3a는 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제3실시 예에 대한 부분절개 사시도이다.

도 3b는 도 3a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도이다.

도3c는 도 3a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치 도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 활성층 막 3 : 금속선

5 : 고분자 섬유 7 : 금속선 보빈(bobbin)

9 : 고분자 섬유 보빈 11 : 보빈 캐리어(bobbin carrier)

본 발명은 중공사막(中空絲膜)에 관한 것으로, 더 상세하게는 분리할 혼합액을 중공사막의 중공(中空) 내부로 투입하여 활성층을 포함하는 다공성 막(이하, 단순히 "활성층 막"이라고 함)을 투과하게 하는 중공사 내부 투입용 중공사막에 관한 것이다.

일반적으로 중공사막에 의하여 혼합액을 분리할 경우, 분리할 혼합액(이하, "공급혼합액"이라고도 함)을 중공사막 외부에 투입하여 압력을 가하고 중공사막을 투과한 물질이 중공으로 배출되게 한다. 이 것은 중공 내부에 분리할 혼합액을 투입하여 압력을 가할 경우, 막이 견디는 강도가 약하여 5-10기압에서 막이 파괴 되기 때문이다.

종래, 고분자 섬유 등으로 편조한 브레이드 외표면에 활성층 막을 형성한 브레이드 강화 중공사막이 사용되고 있다. 그러나, 브레이드 강화 중공사막도 분리할 혼합액을 중공 내부로 투입하여 혼합액을 분리하기에는 다음과 같은 단점이 있다.

즉, 고분자섬유 브레이드의 바깥표면에 도포된 활성층 막의 경우 중공사 외부에 가해지는 압력(외압)에 대해서는 브레이드가 강화재 역할을 하여 어느 정도 견딜 수 있으나, 중공 내부에 공급혼합액을 투입하고 압력을 가할 경우 가해지는 내압이 브레이드의 틈을 통하여 그 외표면에 도포된 활성층에 직접 작용하기 때문에 활성층 막이 쉽게 파괴되는 단점이 있는 것이다. 이와 같이 내압에 대한 중공사막의 취약성 때문에 공급혼합액을 중공사막 외부에 투입하고 투과된 물질을 중공사막의 중공 내부로 부터 회수하는 것이 중공사막에 의한 혼합액 분리의 일반적인 방법이다.

그러나, 이러한 혼합액 외부 투입 투과물 중공 내부 회수 방법은 막모듈 내에 불필요한 공간(dead volume)을 발생하게 하여 많은 공급혼합액이 필요하게 되고, 공급혼합액 단위 부피당 막표면과 접촉률이 낮아져 필요 막면적이 높아진다. 특히, 중공사막 번들 내부에서 공급 혼합액이 중공사 사이에서 중공사 길이에 따라 흐름으로써 공급 혼합액 막을 형성하는 채널링 현상이 일어나, 여러종류의 공급 혼합액을 투입할 경우 공급 혼합액간에 혼합이 잘 이루어지지 않아 분리효율을 저하시키는 요인이 되기도 한다.

브레이드 강화 중공사막을 구성하는 브레이드는 주로 고분자 섬유로 편조되는 데, 폴리에스터, 나일론, 아라미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등이 사용되며, 고온의 분리막 공정에 사용되는 중공사막의 경우 유리섬유를 브레이드의 재료로 사용하기도 한다. 고분자 섬유를 사용하여 브레이드 형태로 직조할 때 사용되는 섬유, 얀(yarn)를 구성하는 필라멘트의 굵기(데니아: Denier), 필라멘트의 개수 그리고 직조에 사용되는 얀의 가닥 수에 따라 브레이드의 두께 및 내경이 결정된다. 사용 용도에 따라 적절한 고분자 섬유 재료를 선정하기는 하지만, 브레이드 강화 중공사막은 주로 상온 하에서 비용매성 용액을 처리하는 막 분리공정에 제한적으로 사용하고 있다. 브레이드 강화로 막의 인장 강도, 즉 막의 길이 방향으로의 부하에는 매우 우수한 특성을 보이나 막표면에 수직으로 작용하는 부하, 특히 중공사막 내부에서 외부로 가해지는 압력에 대해서는 열악한 특성을 보이기 때문이다. 예로서 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막은 20기압이상의 압력의 역삼투압 막분리공정에서 중공 내부에 공급혼압액이 투입될 경우 브레이드가 압력에 의해 방사선방향으로 팽창 되어 그 결과 브레이드 위에 도포된 활성층 막이 손상을 입어 막성능의 저하를 야기하게 된다. 따라서, 분리하고자 하는 혼합액을 고온, 고압 하에서 중공사막의 중공내부로 공급할 때 중공사막의 내압성을 증가시키기 위해서 브레이드를 중공사막 외부에 편조하는 것은 큰 도움이 되지 못하는 것이다.

상술한 종래 중공사막의 문제점을 개선하고자 안출된 본 발명은 고온, 고압의 혼합액을 중공사막의 중공 내부로 투입하여 혼합액을 구성 물질로 분리할 수 있는 중공사 내부 투입용 중공사막을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 혼합액을 중공사막 외부에 투입하여 분리할 때 발생할 수 있는 공급액의 채널링(channeling) 현상을 근본적으로 방지할 수 있는 중공사 내부 투입용 중공사막을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 혼합액의 단위부피당 막 표면 접촉률을 높여 투과 분리 효율을 높일 수 있는 중공사 내부 투입용 중공사막을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명에 따른 중공사 내부 투입용 중공사막은 중공을 갖는 관상의 활성층 막을 성형하고, 그 외표면에 직접 고분자 섬유 브레이드, 금속선 브레이드 또는 고분자 섬유와 금속선의 혼조 브레이드를 편조하여, 중공 내부에 고온, 고압의 혼합액을 투입할 경우 활성층 막이 팽창하는 것을 억제할 수 있게 한 데 그 특징이 있다.

고분자 재질의 중공사막의 본질적인 내압성 제한 때문에, 중공사막 내부로 고압의 공급혼합액을 투입한 후 분리하기 위하여서는 공급혼합액의 압력에 견딜 수 있는 충분한 중공사막의 기계적 강도가 확보되어야 한다. 혼합물이 중공 내부에 투입되는 중공사막에서 브레이드에 의하여 기계적 강도를 확보하고자 할 경우에는 브레이드가 활성층 막의 외부에 위치해야만 한다. 이를 위해, 본 발명은 관상(管狀)의 활성층 막을 형성하고 그 외부에 브레이드를 직접 편조한다. 이 경우 중공사막 내부에 가해지는 압력을 강화재로서 우수한 기계적 특성을 갖는 브레이드가 전적으로 감당하여 중공사막을 지지할 수가 있다. 이 때, 상기 활성층 막 내부에는 외부의 다공성층보다 치밀한 활성층이 복합막 형태로 형성될 수 있다. 활성층 막 외부층을 다공성 재질로 성형하고, 내부에 이보다 치밀한 활성층을 형성할 경우 고압의 공급혼합액을 주입하더라도 공급혼합액의 압력에 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 갖게 된다.

브레이드 재질에 따라 사용 허용압력과 허용온도가 결정이 되는데, 고분자 섬유로 편조된 브레이드는 압력, 고온 및 유기용매 접촉에 취약점이 있기 때문에, 이 경우에는 브레이드의 물성을 보완할 필요가 있다. 고분자 섬유에 비해 금속 재질의 기계적 특성이 월등히 우수할 뿐 아니라 내열성 및 유기용매 접촉시 유기용매 액체와 친화성이 없으므로 치수안정성 또한 우수하다. 따라서, 본원 발명에 따른 브레이드 편조시 고분자 섬유와 금속선을 혼합하여 편조하거나 금속선만으로 편조할 수 있다.

금속선만으로 브레이드를 편조한 경우 브레이드의 기계적 특성과 치수안정성은 우수해지나, 브레이드 자체가 뻣뻣해져서 특히 고압 공정에서는 거친 브레이드 표면 으로 인하여 내부에 위치한 활성층 막에 손상을 입힐 가능성이 있으며, 또한 모듈제작 시 취급성이 나빠진다. 따라서, 고온, 고압 조건에 사용할 중공사막에 있어서는 브레이드 구성원인 고분자 섬유의 일부를 금속선으로 대체하는 것, 즉 고분자 섬유와 금속선을 혼조하는 것이 바람직하다. 이 경우, 브레이드의 유동성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 제조된 브레이드의 압력, 온도 및 유기용매접촉에 대한 안정성은 주요 강화재인 금속선에 의해 주로 결정이 된다. 결과적으로 금속선과 고분자 섬유로 혼조하여 제조한 브레이드는 고온, 고압, 혹은 유기용매 접촉조건 하에서도 매우 안정하여 이런 브레이드로 강화된 막 또한 안정할 수 밖에 없다. 금속선과 고분자 섬유로 혼조된 브레이드 제조시 금속선의 비율이 높아짐에 따라 브레이드의 기계적특성과 치수안정성은 우수해지나 브레이드 자체가 뻣뻣해져서 모듈제작시 취급성이 나빠지며, 반대로 그 비율이 낮아질 때 브레이드의 유동성은 커져서 취급성이 좋으나, 기계적 특성과 치수안정성은 취약해진다. 따라서, 상기 고분자 섬유와 금속선의 혼조 브레이드는 금속선의 가닥 수 혹은 고분자 섬유와 합사한 금속선의 가닥 수가 전체의 편조사 가닥 수의 5-30%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 브레이드에서 각 금속선은 인접 금속선과 등간격을 유지하면서 편조되는 것이 바람직하다. 여기에 사용되는 금속선은 구리, 니켈, 스테인레스스틸, 주석, 니크롬 등 다양한 금속재료를 사용할 수 있으며 각 금속선의 굵기는 만들고자 하는 중공사막의 크기에 따라 0.05-0.4 mm의 직경을 사용한다.

상기 브레이드의 편조에 사용되는 고분자 섬유는 폴리에스터, 나일론, 아라미드, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 등의 섬유이며, 얀(yarn)형태의 고분자섬유가 사용될 수 있다. 얀은 일정한 굵기의 다수 필라멘트를 단일 가닥으로 집합한 것으로, 필라멘트의 굵기는 100-500 데니아(denier), 필라멘트의 가닥 수는 10-400이다.

고분자섬유와 금속선의 각각의 굵기는 제조하고자 하는 브레이드의 두께와 직경에 따라 결정이 되고, 또한 균일한 외관의 브레이드를 제조하기 위해서 사용되는 금속선과 고분자섬유의 굵기를 될 수 있으면 동일한 것들을 선택한다.

상기 브레이드를 편조하는 데 사용되는 고분자 섬유 또는 금속선은 그 전체 가닥수가 10-80가닥인 것이 바람직하다.

상기 활성층 막은 나노투과막(nanofiltration membrane), 역삼투압막(reverse osmosis membrane), 증기투과막(vapor permeation membrane), 투과증발막(pervaporation membrane) 또는 기체투과막(gas separation membrane)을 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제1실시 예에 대한 부분절개 사 시도를, 도 1b는 도 1a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도를, 도 1c는 도 1a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도를, 도 2a는 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제2실시 예에 대한 부분절개 사시도를, 도 2b는 도 2a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도를, 도 2c는 도 2a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도를, 도 3a는 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제3실시 예에 대한 부분절개 사시도를, 도 3b는 도 3a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도를, 도3c는 도 3a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도를 각각 나타낸다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 제1실시 예는 활성층 막(1) 외부에 고분자 섬유만으로 브레이드를 직접 편조한 경우를, 도 2a 및 도 2b에 도시된 제2실시 예는 활성층 막(1) 외부에 금속선(3) 2가닥과 고분자 섬유(5) 34가닥을 혼합하여 브레이드를 직접 편조한 경우를, 도 3a 및 도 3b에 도시된 제3실시 예는 활성층 막(1) 외부에 금속선(3) 4가닥과 고분자 섬유(5) 32가닥을 혼합하여 브레이드를 직접 편조한 경우를 각각 나타낸다.

도 1c, 도 2c 또는 도 3c를 참조하면, 상기 브레이드는 편조기에 미리 형성된 관상의 활성층 막(1)을 심으로 공급하면서 그 외부에 고분자 섬유(5), 금속선(3) 또는 고분자 섬유(5)와 금속선(3)를 편조하여 형성한다.

고분자 섬유(5) 또는 금속선(3)을 각각의 보빈(7, 9)에 감은 후, 이를 편조기의 환형 캐리어(carrier)(11)에 설치하는데 이때 장착하는 보빈수는 상술한 편조에 사용되는 가닥 수와 동일하게 10-80개이다.

금속선을 편조에 이용할 경우, 도 2a 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 금속선만 보빈에 감아 편조에 이용할 수 있으나, 편조 이전에 금속선을 고분자 섬유와 합사하여 편조에 이용할 수도 있다. 그러나, 금속선만 보빈에 감을 때에는 고분자섬유와 합사하여 감을 때보다 굵기가 더 큰 금속선을 사용해야 한다. 또한, 도 2a 및 도 3a에는 금속선으로 단일 금속선을 사용한 경우를 예시적으로 도시하였지만, 필요에 따라 이들 2-5개의 얇은 금속선을 합사한 집합 금속선을 사용할 수도 있다.

제2실시 예 및 제3실시 예에서 처럼 고분자 섬유와 금속선을 혼합하여 브레이드를 편조하는 경우, 상술한 바와 같이, 금속선 가닥수가 전체 가닥수의 5-30%가 되게 하기 위하여, 편조기 캐리어(11)에는 금속선 보빈(7) 수 혹은 고분자 섬유와 합사한 금속선 보빈(7) 수를 장착된 전체의 보빈 수에 대하여 5-30% 개 만큼 장착한다. 이 때, 금속선간의 간격을 균일하게 하기 위하여, 금속선 보빈(7)을 캐리어(11)에 장착할 때 그 개수에 따라 캐리어(11) 원형 중심에 대칭되게 배열해야 한다. 만약 금속선 보빈들을 대칭에서 벗어나게 배열하면 편조된 브레이드 표면은 매끄럽지 못하고 균일하지 못하다.

환형 캐리어(11) 중심에 내부에 관상의 활성층 막(1)을 공급해주고 일정 개수의 편조사 보빈(7, 9)들이 환형 캐리어(11)를 따라 돌면 브레이드가 공급되는 활성층 막(1) 외부에 편조된다. 이 때, 상기 활성층 막(1)과 브레이드간에 긴밀성을 유지하기 위해서, 편조전 활성층의 중공사막(1)의 외경이 활성층 없이 편조된 브레이드의 내경보다 1.1배 - 3.0 배의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 이는 활성층 막(1)과 그 외부에 편조된 브레이드간에 긴밀성을 유지하기 위해서 활성층 막(1)의 외경이 활성층 없이 편조된 브레이드 내경보다 커야 하기 때문이다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시 예를 더 구체적으로 살펴보고 그 성질을 종래의 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막과 비교하여 본다.

< 실시예 1>

폴리설폰 500g과 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) (PVP) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고, 이를 섭씨 35도의 응고액인 물에 방사하여 잔존 용매와 첨가제인 PVP를 완전히 제거한 후 내경 1.1 mm, 외경 1.9 mm인 관상의 다공성 막을 제조하였다. 제조된 다공성 막 내부표면에 2 ㎛ 두께의 폴리비닐알콜 층을 도포하여 관상의 활성층 막을 형성하였다. 이와 같이 하여, 활성층 막은 외부에 다공성층이 형성되고 내부에 외부보다 치밀한 활성층이 형성된다. 이 활성층 막 외부에 300/150 폴리에스터 얀 36개로 편조하여 브레이드를 제조하여 외경이 2.9mm인 중공사 내부 투입용 중공사막을 제조하였다.

< 실시예 2>

폴리설폰 500g과 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) (PVP) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고, 이를 섭씨 35도의 응고액인 물에 방사하여 잔존 용매와 첨가제인 PVP를 완전히 제거한 후 내경 1.1 mm, 외경 1.9 mm인 다공성 막을 제조하였다. 제조된 다공성 막 내부표면에 2 ㎛의 두께의 폴리비닐알콜 층을 도포하여 관상의 활성층 막을 형성하였다. 이와 같이 하여, 활성층 막은 외부에 다공성층이 형성되고 내부에 외부보다 치밀한 활성층이 형성된다. 이 활성층 막 외부에 300/150 폴리에스터 얀 34개, 0.2mm 직경의 스테인레스스틸선 2개로 브레이드를 편조하여 외경이 2.9mm인 중공사 내부 투입용 중공사막을 제조하였다.

< 실시예 3>

폴리설폰 500g과 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) (PVP) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고, 이를 섭씨 35도의 응고액인 물에 방사하여 잔존 용매와 첨가제인 PVP를 완전히 제거한 후 내경 1.1 mm, 외경 1.9 mm인 다공성 막을 제조하였다. 제조된 중공사막 내부표면에 2 ㎛의 두께의 폴리비닐알콜 층을 도포하여 관상의 활성층 막을 형성하였다. 이와 같이 하여, 활성층 막은 외부에 다공성층이 형성되고 내부에 외부보다 치밀한 활성층이 형성된다. 이 활성층 막 외부에 300/150 폴리에스터 얀 32개, 0.2mm 직경의 스테인레스스틸선 4개로 브레이드를 편조하여 외경이 2.9mm인 중공사 내부 투입용 중공사막을 제조하였다.

< 비교예 1>

300/150 폴리에스터 얀 36개로 브레이드를 편조하였는데 외경이 2mm, 내경이 1mm였다. 폴리설폰 500g과 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고, 이를 브레이드 외표면 위에 균일하게 도포한 후 물속에 응고시켜 다공성 막을 갖는 종래의 브레이드 강화 중공사막을 제조하였다. 다공성 막 표면 위에 폴리비닐알콜의 두께가 2 ㎛가 되도록 도포하였다.

< 비교예 2>

300/150 폴리에스터 얀 34개, 0.2mm 직경의 스테인레스스틸선 2개로 브레이드를 편조하였는데 외경이 2.0mm, 내경 1.0 mm였다. 폴리설폰 500g과 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고, 이를 브레이드 바깥 표면 위에 균일하게 도포한 후 물속에 응고시켜 다공성 막을 갖는 브레이드 강화 중공사막을 제조하였다. 다공성 막 표면 위에 폴리비닐알콜의 두께가 2 ㎛가 되도록 도포하였다.

< 비교예 3>

300/150 폴리에스터 얀 32개, 0.2mm 직경의 스테인레스스틸선 4개로 브레이드를 편조하였는데 외경이 2.0mm, 내경 1.0 mm였다. 폴리설폰 500g과 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고, 이를 브레이드 바깥 표면 위에 균일하게 도포한 후 물속에 응고시켜 다공성 막을 갖는 브레이드 강화 중공사막을 제조하였다. 다공성 막 표면 위에 폴리비닐알콜의 두께가 2 ㎛가 되도록 도포하였다.

상기 실시 예 및 비교 예에서 제조한 중공사막을 모듈형태로 제조하기 위해서 길이 1 미터, 내경 1인치인 C-PVC관에 각각 130 가닥의 중공사막 번들을 채워 넣고 번들의 양쪽 끝을 에폭시 수지로 포팅(porting)하였다. 각 조건에서 제조한 중공사막에 대한 압력테스트에서 2, 기압, 10기압, 20기압 40기압의 공기를 중공사막 내부에 가하여 막의 안정성을 관찰하였다. 각 조건에서 제조한 중공사막에 대해 투과증발실험을 행하였는데 사용한 혼합공급액은 95 중량%의 에탄올, 5 중량%의 물로 이루어졌다. 혼합공급액을 실시 예 1, 2, 3 중공사막의 모듈에 대해서는 중공사막 내부로, 비교 예 1, 2, 3 중공사막의 모듈에 대해서는 중공사막 외부로 흘려 보내주었으며 동시에 그 반대편에 진공 5 torr를 가하여 투과분리실험을 하였다. 사용한 혼합공급액의 온도는 섭씨 60도였으며, 공급 혼합액의 초기 유량 속도는 100cc/min이었다. 각각의 조업조건에서 막을 통한 투과속도, 투과물의 물의 함량, 모듈입구와 출구에서의 공급 혼합액의 온도를 측정하였다.

표 1은 실시 예 1, 2, 3과 비교 예 1, 2, 3의 압력테스트 결과를 나타내는 데, 브레이드 외부에 활성층 막이 도포된 모든 중공사막(비교 예 1, 2, 3)은 10기압이상의 압력에서 도포층이 파괴됨이 관찰되며, 반면에 본 발명에 따라 활성층 막 외부에 브레이드를 편조한 중공사막은 40기압에서도 안정성을 보이고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 중공사 내부 투입용 중공사막에 있어서도, 고분자 섬유로만 편조된 브레이드 경우(실시 예1) 시간이 지남에 따라 중공사막 내부에 가해지는 압력에 의해 중공사막 및 브레이드가 방사선 방향으로 팽창하여 중공사막의 활성층 두께가 점점 얇아지게 되어서 중공사막이 파괴되지는 않지만 활성층을 통한 용질의 누출(leak)이 발생하게 된다. 그러나, 금속선과 고분자 섬유를 혼조하여 브레이드를 편조하였을 경우(실시 예 2, 3), 중공사막은 압력에 대한 우수한 안정성을 보이고 있다.

본 발명에 따른 중공사막의 압력안정성 테스트 결과

중공사막	중공사막 내부에 가한 공기압력(기압)
중공사막	2	10	20	40
실시예 1	우수	우수	4시간후 도포층 샘	2-3시간후 도포층 샘
실시예 2	우수	우수	우수	우수
실시예 3	우수	우수	우수	우수
비교예 1	우수	도포층 파괴	도포층 파괴	도포층 파괴
비교예 2	우수	도포층 파괴	도포층 파괴	도포층 파괴
비교예 3	우수	도포층 파괴	도포층 파괴	도포층 파괴

상기의 결과로부터 중공사막의 외부에 브레이드를 편조하였을 경우 중공사막은 혼합물의 중공 내부에 투입에 대하여 우수한 내압성을 보이고 있음을 알 수 있고, 금속선을 고분자 섬유와 함께 혼합하여 브레이드를 편조할 경우 브레이드 강화 효과가 더 현저하게 나타남을 알 수가 있다.

본 발명에 따른 중공사막 중공사막의 투과특성 테스트 결과

	투과특성		공급액 온도(^oC)
	투과속도¹	물함량²	모듈입구	모듈출구
실시예 1	0.50	98.1	60	58
실시예 2	0.52	97.8	60	58
실시예 3	0.51	98.3	60	58
비교예 1	0.34	96.2	60	56
비교예 2	0.31	95.4	60	55
비교예 3	0.36	95.4	60	55

¹: 1시간후의 투과속도(kg/m².hr),

²: 1시간 후의 투과물의 물함량(중량 %)

표 2에는 본 발명에 따른 중공사 내부 투입용 중공사막에 대한 투과증발 막 분리 성능을 비교 예와 함께 나타내었다. 본 발명에 따라 중공사막 외부에 브레이드가 편조된 중공사막(실시 예 1, 2, 3)경우 공급 혼합액을 중공사막 내부로 흘려 보낼 수 있으며, 반면에 브레이드 외부에 도포된 중공사막(비교예 1, 2, 3)경우 약한 내압성 때문에 공급 혼합액을 중공사막 외부로 흘려 보내 주어야 하는데 이 경우 중공사막 사이에서 발생하는 공급액의 채널링현상이 발생하여 투과속도를 저하시킬 뿐 아니라 분리 효율 감소를 야기시킨다. 본 발명에 따라 브레이드가 중공사막 외부에 편조된 중공사막 경우 이러한 공급액의 채널링 현상이 일어나지 않으며 또한 단위부피당 공급액의 막 접촉율이 더 크므로 투과속도가 더 빠르고 또한 분리 효율이 더 우수함을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 중공사 내부 투입용 중공사막은 모듈입구와 모듈출구에서의 공급액의 온도차가 비교 예의 중공사막 보다 훨씬 작아 모듈 내에서 공급액의 열손실율이 적음을 알 수가 있다.

상기의 비교에서 본 발명에 따른 중공사 내부 투입용 중공사막이 고온, 고압 하에서 막의 안정성이 우수할 뿐 아니라 막 투과분리 성능도 우수함 증명되고 있다.

본 발명에 따른 중공사 내부 투입용 중공사막은 높은 기계적 강도를 갖는 브레이드에 의한 지지로 인하여 향상된 중공사막의 내압성으로 말미암아 고온 혹은 고압 하의 막분리 공정, 즉 나노, 역삼투압, 기체분리, 투과증발, 증기투과 등의 막분리 공정에 매우 적합하며 높은 투과분리효율을 얻을 수가 있다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 고온, 고압의 공급혼합액을 중공사막의 중공 내부로 투입하여 혼합액을 구성 물질로 분리할 수 있고, 공급혼합액이 중공사막 내부에 흐르기 때문에 막모듈 내에 불필요한 공간(dead volume)이 최소화됨으로써 공급혼합액 단위 부피당 막 표면과 접촉률이 높아져 필요 막 면적이 줄여 들며, 중공사막 외부에 공급액을 투입할 때 발생하는 채널링 현상을 근본적으로 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 외부의 브레이드 층이 투과물 흐름에 대한 스페이서(spacer)역할을 하여 압력 강하 현상을 최소화시킬 수 있기 때문에 모듈의 길이를 압력 강하에 의한 제한 없이 설정할 수 있고, 공급혼합액을 중공사 내부로 흐려 줌으로써, 외부로의 열손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

이상, 본 발명을 첨부한 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명에 의하여 보호받고자 하는 사항을 이에 한정하는 의미는 아니며, 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 기재된 사항 및 이와 균등한 모든 실시 예에 미친다고 해석되어야 한다.

Claims

중공을 갖는 관상의 활성층 막을 성형하고, 그 외표면에 직접 고분자 섬유와 금속선의 혼조 브레이드를 편조하여, 중공 내부에 고온, 고압의 혼합액을 투입할 경우 활성층 막이 팽창하는 것을 억제할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 활성층 막의 외부는 다공성층이고 내부는 외부보다 치밀한 활성층인 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 브레이드 편조에 사용되는 고분자 섬유는 폴리에스터, 나일론, 아라미드, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 가운데 선택된 섬유인 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 브레이드 편조에 사용되는 금속선은 구리선, 니켈선, 스테인레스스틸선, 주석선 또는 니크롬선 가운데 선택된 1 또는 2 이상의 금속선인 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 관상의 활성층 막과 브레이드간에 긴밀성을 유지하기 위해서, 편조전 활성층의 중공사막 외경이 활성층의 중공사막 없이 편조된 브레이드의 내경보다 1.1배 - 3.0 배의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 고분자 섬유는 100-500 데니아(denier) 굵기를 갖는 10-400개의 섬유 필라멘트를 단일 가닥으로 집합한 얀(yarn)인 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 금속선은 0.05-0.40 mm의 직경의 단일 금속선이거나 또는 얇은 금속선을 2-5개를 단일 가닥으로 합사한 집합 금속선인 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 브레이드를 편조하는 데 사용되는 고분자 섬유 또는 금속선은 그 전체 가닥수가 10-80가닥인 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 브레이드는 편조기에 미리 형성된 관상의 활성층 막을 심으로 공급하면서 그 외부에 고분자 섬유, 금속선 또는 고분자 섬유와 금속선를 편조하여 형성한 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 금속선은 편조 이전에 미리 고분자 섬유와 합사하여 단일 가닥을 형성하거나 금속선만으로 단일 가닥을 형성한 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 10 항에 있어서,

금속선만으로 단일 가닥을 형성한 금속선의 굵기는 고분자 섬유와 합사하는 금속선의 굵기 보다 더 굵은 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 고분자 섬유와 금속선의 혼조 브레이드는 금속선의 가닥 수 혹은 고분자 섬유와 합사한 금속선의 가닥 수가 전체의 편조사 가닥 수의 5-30%인 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 12 항에 있어서,

상기 브레이드에서 각 금속선은 인접 금속선과 등간격을 유지하면서 편조된 것을 특징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.
제 1 항에 있어서,

상기 활성층 막은 나노투과막(nanofiltration membrane), 역삼투압막(reverse osmosis membrane), 증기투과막(vapor permeation membrane), 투과증발막(pervaporation membrane) 또는 기체투과막(gas separation membrane)인 것을 특 징으로 하는 중공사 내부 투입용 중공사막.