KR101200366B1 - Mass fabrication method of asymmetric gas separation hollow fiber membranes having high selectivity and permeability - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무기첨가제를 추가한 중공사막의 생산방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 기체선택성 고분자, 제1용매 및 제2용매를 사용하는 종래의 중공사막 생산방법에 추가로 무기첨가제를 첨가하여 중공사막을 제조함으로써, 기체 투과도와 선택도가 현저히 향상되므로, 바이오 메탄 및 황화수소의 회수, 이산화탄소와 같은 온실기체의 회수, 산소의 부화, 질소의 고순도화, 석유화학의 수소정제 등의 기체분리에 적용 가능한 비대칭구조의 중공사막의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a method for producing a hollow fiber membrane added with an inorganic additive, and more specifically to the hollow fiber membrane production method using a gas-selective polymer, a first solvent and a second solvent in addition to the addition of an inorganic additive to the hollow By producing a desert, gas permeability and selectivity are significantly improved, so it is applied to gas separation such as recovery of biomethane and hydrogen sulfide, recovery of greenhouse gases such as carbon dioxide, enrichment of oxygen, high purity of nitrogen, and hydrogen purification of petrochemical. It can be usefully used for the production of hollow fiber membranes of possible asymmetric structures.

Description

고선택 투과성 기체분리용 비대칭 구조의 중공사막의 대량 생산방법{Mass fabrication method of asymmetric gas separation hollow fiber membranes having high selectivity and permeability}Mass fabrication method of asymmetric gas separation hollow fiber membranes having high selectivity and permeability

본 발명은 혼합 기체 중에 이산화탄소, 산소, 황화수소, 수증기 등을 선택적으로 분리할 수 있는 비대칭구조의 고투과성 기체분리용 중공사막의 대량 생산방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a mass production method of a high permeability gas separation hollow fiber membrane having an asymmetric structure capable of selectively separating carbon dioxide, oxygen, hydrogen sulfide, water vapor and the like in a mixed gas.

고분자를 이용한 분리막이 실제 상업적으로 산업에 적용되기 위해서는 우수한 열적, 화학적, 기계적 안정성 및 높은 기체 투과도와 높은 선택도를 가져야 한다. 상기 기체 투과도는 기상의 투과물질이 분리막을 통하여 투과해 나오는 속도이며 선택도는 서로 다른 두 성분 간의 투과속도의 비로 정의된다. Membranes using polymers must have good thermal, chemical and mechanical stability, high gas permeability and high selectivity in order to be applied to industrial applications. The gas permeability is the rate at which the gaseous permeable material permeates through the membrane and the selectivity is defined as the ratio of the permeation rate between two different components.

그러나 일반적으로 고분자 막의 경우 투과도와 선택도가 서로 반비례하는 경향을 보인다. 기체분리의 경우 일반적으로 고분자 사슬간의 인력이 높은 유리상의 고분자를 사용하게 된다. 이 경우 기체투과도는 낮지만 상대적으로 높은 선택도를 기대할 수 있다. 이에 따라 분리막의 형태를 비대칭구조로 또는 복합막의 형태로 제조하는 것이라 할 수 있다. 그 중에서 특히 비대칭 중공사막의 경우 단위부피당 막 면적이 가장 높아 많은 연구가 이루어진 끝에 상업화되었다.
In general, however, the permeability and selectivity of polymer membranes tend to be inversely proportional to each other. In the case of gas separation, glassy polymers having high attraction force between polymer chains are generally used. In this case, gas permeability is low but relatively high selectivity can be expected. Accordingly, the separation membrane may be referred to as having an asymmetric structure or a composite membrane. Among them, especially asymmetric hollow fiber membranes have the highest membrane area per unit volume and have been commercialized after much research.

기존의 비대칭 중공사형 기체 분리막 생산방법을 보면 기본적으로 중공사의 외부에 실질적인 분리가 일어나는 선택층을 핀홀과 같은 결함이 없이 박막화하고 지지층을 기계적 강도를 유지하면서 하부 층을 다공성으로 제조하는 것이 그 핵심이다.
In the conventional method of producing asymmetric hollow fiber membranes, the key is to make the selective layer where the actual separation takes place outside of the hollow yarn without defects such as pinholes, and to make the lower layer porous while maintaining the mechanical strength of the support layer. .

미국특허 제4,880,441호에는 고분자 용액 제조에 사용되는 고비점의 용매와 산염기 콤플렉스를 형성할 수 있는 산계통의 첨가제를 첨가하여 방사용액을 불안정하게 유도하여 다공성 스킨구조를 형성시키는 생산방법이 개시되어 있다.
US Patent No. 4,880,441 discloses a production method for forming a porous skin structure by inducing a spinning solution unstable by adding an acid-based additive capable of forming a high boiling point solvent and an acidic acid complex used to prepare a polymer solution. have.

미국특허 제5,795,920호에는 용매/공용매/비용매쌍의 조합과 조성의 변화를 통한 중공사막의 생산방법이 개시되어 있다.
U. S. Patent No. 5,795, 920 discloses a method for producing hollow fiber membranes through a combination of solvent / cosolvent / nonsolvent pairs and a change in composition.

미국특허 제4,902,422호에는 고비점의 용매와 저비점의 휘발성 첨가제를 혼합한 후 감압 하에 용매의 증발 시간을 증가시켜 외부에 치밀한 스킨(선택)층을 가진 비대칭 구조의 중공사형 분리막을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
US Patent No. 4,902,422 discloses a method for preparing an asymmetric hollow fiber membrane having a dense skin (selection) layer on the outside by mixing a high boiling point solvent with a low boiling point volatile additive and increasing the evaporation time of the solvent under reduced pressure. It is.

그러나, 상술한 생산방법으로 제조된 중공사막들은 대부분 고분자에 대한 용해도가 좋지 않은 유기산 계통의 첨가제를 사용하거나 저비점의 비용매 첨가제를 사용하므로 방사용액을 균일하게 제조하거나 방사용액 조성을 균일하거나, 방사용액의 발생된 기포를 제거하는데 어려움이 많고, 장시간 방사용약을 보관하는데 어려움이 많으며 특히 방사과정 중에 과도한 외표면의 용매증발로 인해 선택분리층이 지나치게 두꺼워 기체 선택도 및 투과도를 동시에 올리는데 어려운 단점을 가지고 있었다. 이에 따라 제조된 중공사의 기체 투과 특성이 나쁘고 제품의 균일성을 높이는데 한계가 있었다.
However, most of the hollow fiber membranes produced by the above-described production method use organic acid additives having poor solubility in polymers or low-boiling non-solvent additives, so that the spinning solution is uniformly prepared or the spinning solution composition is uniform. It is difficult to remove the generated air bubbles, and it is difficult to store the radiopharmaceutical for a long time, and in particular, the selective separation layer is too thick due to excessive external surface solvent evaporation during the spinning process, which makes it difficult to simultaneously increase gas selectivity and permeability. there was. Accordingly, the gas permeation characteristics of the manufactured hollow yarns were bad and there was a limit in increasing the uniformity of the product.

이에, 본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구를 수행하던 중, 고비점의 비극성 유기용매와 저비점의 극성 용매에 기체선택성 고분자를 녹여 만든 고분자 용액에 증발성이 없으면서도 극성 유기용매에 잘 용해되는 무기염들을 첨가하여, 중공사막의 외부표면 선택층을 결함 없이 박막화시킴으로써, 기체 투과도는 기존보다 획기적으로 올리면서 기체 선택도는 고분자 자체의 특성을 그대로 유지하는 것을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
Thus, the inventors of the present invention, while conducting research to solve this problem, the polymer solution made by dissolving a gas-selective polymer in a high boiling point nonpolar organic solvent and a low boiling point polar solvent is well dissolved in a polar organic solvent without evaporation. By adding inorganic salts and thinning the outer surface selective layer of the hollow fiber membrane without defects, it was found that the gas selectivity maintains the properties of the polymer itself while the gas permeability is significantly increased than before, and the present invention has been completed.

본 발명의 목적은 고선택 투과성 기체분리용 비대칭구조의 중공사막의 대량 생산방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a mass production method of a hollow fiber membrane of asymmetric structure for highly selective permeable gas separation.

본 발명의 다른 목적은 상기 생산방법으로 제조되는 이산화탄소 기체분리용 중공사막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a hollow fiber membrane for carbon dioxide gas separation produced by the above production method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 생산방법으로 제조되는 산소 기체분리용 중공사막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention to provide a hollow fiber membrane for oxygen gas separation produced by the above production method.

본 발명의 다른 목적은 상기 생산방법으로 제조되는 수소 기체분리용 중공사막을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a hollow fiber membrane for hydrogen gas separation produced by the production method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기체선택성 고분자, 제1용매, 제2용매 및 무기첨가제를 혼합하고 기포를 제거하여 모액을 제조하는 단계(단계 1);In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a mother liquor by mixing the gas-selective polymer, the first solvent, the second solvent and the inorganic additive and removing the bubbles (step 1);

상기 단계 1에서 제조한 모액과 내부응고제를 함께 공기층에 방사하여 중공사막의 내부를 응고시키는 단계(단계 2);Solidifying the inside of the hollow fiber membrane by spinning the mother liquor prepared in the step 1 and the internal coagulant together in the air layer (step 2);

상기 단계 2에서 내부 응고된 중공사막을 제1차 응고조에 담궈 중공사막의 외표면을 상전이 시키는 단계(단계 3);Phase-transferring the outer surface of the hollow fiber membrane by immersing the hollow fiber membrane internally solidified in step 2 in a first coagulation tank (step 3);

상기 단계 3에서 외표면이 상전이된 중공사막을 제2차 응고조에 담궈 잔존 용매를 제거하고 권치조에 감는 단계(단계 4); 및Immersing the hollow fiber membrane whose phase is externally phase-transformed in step 3 in a second coagulation bath to remove the remaining solvent and winding it into a winding tank (step 4); And

상기 단계 4에서 제조한 중공사막을 오븐에서 건조시키는 단계(단계 5)를 포함하는 고선택 투과성 기체분리용 비대칭구조의 중공사막의 대량 생산방법을 제공한다.It provides a mass production method of a hollow fiber membrane having a highly selective permeable gas separation asymmetric structure comprising the step of drying the hollow fiber membrane prepared in step 4 in an oven (step 5).

또한, 본 발명은 상기 생산방법으로 제조된 이산화탄소 기체분리용 중공사막을 제공한다.In addition, the present invention provides a hollow fiber membrane for separating carbon dioxide gas produced by the production method.

나아가, 본 발명은 상기 생산방법으로 제조된 산소 기체분리용 중공사막을 제공한다.Furthermore, the present invention provides a hollow fiber membrane for oxygen gas separation produced by the above production method.

또한, 본 발명은 상기 생산방법으로 제조된 수소 기체분리용 중공사막을 제공한다.
In addition, the present invention provides a hollow fiber membrane for hydrogen gas separation produced by the above production method.

본 발명에 따른 중공사막의 생산방법은, 기체선택성 고분자, 제1용매 및 제2용매를 사용하는 종래의 중공사막 생산방법에 추가로 무기첨가제를 첨가함으로써, 기체 투과도와 선택도가 현저히 향상되므로, 고선택 투과성 기체분리용 비대칭구조의 중공사막의 대량 생산에 유용할 수 있다.
Since the method of producing a hollow fiber membrane according to the present invention further increases the gas permeability and selectivity by adding an inorganic additive to the conventional hollow fiber membrane production method using a gas-selective polymer, a first solvent and a second solvent, It may be useful for the mass production of asymmetric structures of hollow fiber membranes for highly selective permeable gas separation.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막을 제조하는 장치이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막의 기체 투과도를 측정하는 장치이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 9는 본 발명의 비교예 2에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 10은 본 발명의 비교예 3에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 11은 본 발명의 비교예 4에 따른 중공사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
1 is a device for manufacturing a hollow fiber membrane according to an embodiment of the present invention.
2 is a device for measuring the gas permeability of the hollow fiber membrane according to an embodiment of the present invention.
3 is an image of a hollow fiber membrane according to Example 1 of the present invention observed with a scanning electron microscope.
Figure 4 is an image of the hollow fiber membrane according to Example 2 of the present invention observed with a scanning electron microscope.
5 is an image of a hollow fiber membrane according to Example 3 of the present invention observed with a scanning electron microscope.
6 is an image of a hollow fiber membrane according to Example 4 of the present invention observed with a scanning electron microscope.
7 is an image of a hollow fiber membrane according to Example 5 of the present invention, observed with a scanning electron microscope.
8 is an image of a hollow fiber membrane according to Comparative Example 1 of the present invention observed with a scanning electron microscope.
9 is an image of a hollow fiber membrane according to Comparative Example 2 of the present invention observed with a scanning electron microscope.
10 is an image of a hollow fiber membrane according to Comparative Example 3 of the present invention observed with a scanning electron microscope.
11 is an image of a hollow fiber membrane according to Comparative Example 4 of the present invention observed with a scanning electron microscope.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 기체선택성 고분자, 제1용매, 제2용매 및 무기첨가제를 혼합하고 기포를 제거하여 모액을 제조하는 단계(단계 1);The present invention comprises the steps of preparing a mother liquor by mixing a gas-selective polymer, a first solvent, a second solvent and an inorganic additive and removing bubbles (step 1);

상기 단계 1에서 제조한 모액과 내부응고제를 함께 공기층에 방사하여 중공사막의 내부를 응고시키는 단계(단계 2);Solidifying the inside of the hollow fiber membrane by spinning the mother liquor and the internal coagulant prepared in step 1 together in the air layer (step 2);

상기 단계 2에서 내부 응고된 중공사막을 제1차 응고조에 담궈 중공사막의 외표면을 상전이 시키는 단계(단계 3);Phase-transferring the outer surface of the hollow fiber membrane by immersing the hollow fiber membrane internally solidified in step 2 in a first coagulation tank (step 3);

상기 단계 3에서 외표면이 상전이된 중공사막을 제2차 응고조에 담궈 잔존 용매를 제거하고 권치조에 감는 단계(단계 4); 및Immersing the hollow fiber membrane whose phase is externally phase-transformed in step 3 in a second coagulation bath to remove the remaining solvent and winding it into a winding tank (step 4); And

상기 단계 4에서 제조한 중공사막을 오븐에서 건조시키는 단계(단계 5)를 포함하는 고선택 투과성 기체분리용 비대칭구조의 중공사막의 대량 생산방법을 제공한다.
It provides a mass production method of a hollow fiber membrane having a highly selective permeable gas separation asymmetric structure comprising the step of drying the hollow fiber membrane prepared in step 4 in an oven (step 5).

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail step by step.

본 발명에 따른 중공사막의 대량 생산방법에 있어서, 상기 단계 1은 모액을 제조하는 단계이다. 구체적으로, 기체선택성 고분자, 제1용매, 제2용매 및 무기첨가제를 혼합하고, 감압하에 기포를 제거하여 모액을 제조하는 것이다.
In the mass production method of the hollow fiber membrane according to the present invention, step 1 is a step of preparing a mother liquid. Specifically, a gas-selective polymer, a first solvent, a second solvent, and an inorganic additive are mixed, and bubbles are removed under reduced pressure to prepare a mother liquid.

본 단계 1의 상기 기체선택성 고분자는 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리이서이미드, 폴리아마이드, 폴리벤즈이미다졸, 브롬화폴리이서설폰 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
The gas-selective polymer of the present step 1 may be used alone or in combination of polyisulfone, polysulfone, polyimide, polyimide, polyamide, polybenzimidazole, brominated polyisulfone, and the like.

이때, 상기 기체선택성 고분자를 20~45 중량% 첨가하여 모액을 제조하는 것이 바람직하고, 25~35 중량%를 첨가하는 것이 더욱 바람직하다.At this time, it is preferable to prepare a mother liquid by adding 20 to 45% by weight of the gas-selective polymer, and more preferably to add 25 to 35% by weight.

만약, 상기 기체선택성 고분자를 20 중량% 미만으로 첨가할 경우에는 중공사막의 기계적 강도가 약한 문제가 있고, 45 중량%를 초과하여 첨가할 경우에는 기체 투과도가 낮아지는 문제가 있다.
If the gas-selective polymer is added in less than 20% by weight, the mechanical strength of the hollow fiber membrane is weak, and when it is added in excess of 45% by weight, the gas permeability is low.

본 단계 1의 상기 제1용매는 상기 기체선택성 고분자를 용해시키는 역할을 하는데, N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드 등의 고비점의 비극성 유기용매를 사용할 수 있다.
The first solvent of the step 1 serves to dissolve the gas-selective polymer, a high boiling point nonpolar organic solvent such as N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide can be used.

이때, 상기 제1용매를 40~70 중량% 첨가하여 모액을 제조하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable to prepare a mother liquid by adding 40 to 70% by weight of the first solvent.

만약, 상기 제1용매를 40 중량% 미만으로 첨가할 경우에는 모액의 점도가 너무 높아 중공사막 스킨층이 너무 치밀하게 형성되어 기체 투과도가 떨어지는 문제가 있고, 70 중량%를 초과하여 첨가할 경우에는 모액의 점도가 낮아 막의 강도가 떨어지고, 기공이 생기는 등 스킨층의 형성에 문제가 있어 기체 선택도가 떨어지는 문제가 있다.
If the first solvent is added in less than 40% by weight, the viscosity of the mother liquor is so high that the hollow fiber membrane skin layer is formed too densely, resulting in poor gas permeability, and when added in excess of 70% by weight. The viscosity of the mother liquor is low, so that the strength of the membrane is lowered, pores are formed, and there is a problem in the formation of the skin layer.

본 단계 1의 상기 제2용매는 상기 기체선택성 고분자를 용해시키진 않지만 팽윤하는 특성을 가지고 있어, 기체 선택성이 있는 스킨층을 형성시키는 역할을 한다. 상기 제2용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 부톡시에탄올 등의 저비점의 비용매를 사용할 수 있다.
The second solvent of the present step 1 does not dissolve the gas-selective polymer but has a swelling property, thereby forming a skin-selective skin layer. As the second solvent, low boiling point nonsolvents such as water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetone, tetrahydrofuran and butoxyethanol can be used.

이때, 상기 제2용매를 10~30 중량% 첨가하여 모액을 제조하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable to prepare a mother liquid by adding 10 to 30% by weight of the second solvent.

만약, 상기 제2용매를 10 중량% 미만으로 첨가할 경우에는 양이 너무 적어 기체 선택성이 있는 스킨층 형성이 용이하지 않은 문제가 있고, 30 중량%를 초과하여 첨가할 경우에는 스킨층이 너무 두껍고 치밀하게 형성이 되며, 또한 용액에 대한 고분자의 용해도가 떨어져 침전될 수 있는 문제가 있다.
If the second solvent is added in less than 10% by weight, there is a problem that the amount is too small to form a skin layer with gas selectivity, and when added in excess of 30% by weight, the skin layer is too thick. Densely formed, there is also a problem that can be precipitated off the solubility of the polymer in the solution.

본 단계 1의 상기 무기첨가제는 중공사막의 기공형성을 돕는 역할을 함으로써, 중공사막 외부 표면에 핀홀과 같은 결함을 최소화하면서 기체 투과도를 획기적으로 향상시키는 역할을 한다.The inorganic additive of the first step serves to help the pore formation of the hollow fiber membrane, thereby significantly improving the gas permeability while minimizing defects such as pinholes on the outer surface of the hollow fiber membrane.

상기 무기첨가제로는 리튬하이드록사이드, 소듐하이드록사이드, 칼륨하이드록사이드, 마그네슘하이드록사이드, 리튬클로라이드, 소듐클로라이드, 마그네슘클로라이드, 칼륨클로라이드로 등을 사용할 수 있다.
As the inorganic additive, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, lithium chloride, sodium chloride, magnesium chloride, potassium chloride, etc. may be used.

이때, 상기 무기첨가제를 1~10 중량% 첨가하여 모액을 제조하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable to prepare the mother liquid by adding 1 to 10% by weight of the inorganic additive.

만약, 상기 무기첨가제를 1 중량% 미만으로 첨가할 경우에는 양이 너무 적어 상기 효과를 기대하기 어려운 문제가 있고, 10 중량%를 초과하여 첨가할 경우에는 점도가 너무 높아지고, 용해도가 충분치 않아 균일한 용액을 제조하기 어려운 문제가 있다.
If the inorganic additive is added in less than 1% by weight, there is a problem that it is difficult to expect the effect because the amount is too small, when added in excess of 10% by weight, the viscosity is too high, the solubility is not enough to uniform There is a problem that is difficult to prepare a solution.

본 발명에 따른 중공사막의 대량 생산방법에 있어서, 상기 단계 2는 단계 1에서 제조한 모액과 내부응고제를 공기층에 방사하여 중공사막의 내부를 응고시키는 단계이다.In the mass production method of the hollow fiber membrane according to the present invention, the step 2 is to solidify the inside of the hollow fiber membrane by spinning the mother liquor and the internal coagulant prepared in step 1 to the air layer.

구체적으로, 도 1의 중공사막 제조장치에서 기어 펌프를 통하여 일정 유량의 모액을 방사노출기의 이중관형 노즐 외부로 공급하고, 액체이송 펌프(HPLC 펌프)를 통하여 일정 유량의 내부응고제를 방사노출기의 이중관형 노즐 내부로 공급한다. 상기 방사노출기의 이중관형 노즐에서 방사되어 나온 중공사막은 일정구간의 공기층(air gap)을 지나면서 모액과 내부응고제간의 상전이가 시작되어 중공사막의 내부 채널을 형성한다.
Specifically, in the hollow fiber membrane manufacturing apparatus of FIG. 1, the mother liquor with a constant flow rate is supplied to the outside of the double-tubular nozzle of the spinneret through a gear pump, and the internal coagulant with a constant flow rate is discharged through the liquid transfer pump (HPLC pump). It is fed into the double-tubular nozzle of the. The hollow fiber membrane radiated from the double-tubular nozzle of the spinneret passes through an air gap of a predetermined period and starts phase transition between the mother liquor and the internal coagulant to form an inner channel of the hollow fiber membrane.

이때, 상기 방사 방법은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 특별히 한정하지는 않으며, 본 발명에서는 건/습식 방사를 이용하여 중공사막을 제조한다. 이때, 방사 온도는 40~200 ℃이고, 방사 속도는 10~80 m/min이며, 방사노출기로 부터 3~30 cm의 공기층(air-gap)을 통과하여 일차응고조 내로 담궈져 중공사막의 외표면을 상전이시킨다.In this case, the spinning method is generally used in the art, and is not particularly limited, and in the present invention, the hollow fiber membrane is manufactured using dry / wet spinning. At this time, the spinning temperature is 40 ~ 200 ℃, the spinning speed is 10 ~ 80 m / min, immersed in the primary coagulation bath through an air-gap (3 ~ 30 cm) from the spinneret to the outside of the hollow fiber membrane Phase change the surface.

만약, 상기 방사 온도가 40 ℃ 미만일 경우에는 고속 방사가 불가능한 문제가 있고, 200 ℃를 초과할 경우에는 제1용매의 급격한 증발 및 모액의 점도가 급격히 감소하여 중공사막의 방사가 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있다. 또한, 방사 속도가 10 m/min 미만일 경우에는 종래의 공정과 마찬가지로 생산성이 떨어지는 문제가 있고, 80 m/min을 초과할 경우에는 중공사막의 연신효과로 인하여 막의 분리 특성이 나타나지 않는 문제가 있다.
If the spinning temperature is less than 40 ℃, there is a problem that high-speed spinning is impossible, if it exceeds 200 ℃, the evaporation of the first solvent and the viscosity of the mother liquor is rapidly reduced, so that the hollow fiber membrane is not smoothly spinning there is a problem. In addition, when the spinning speed is less than 10 m / min there is a problem that the productivity is lowered as in the conventional process, when the spinning speed exceeds 80 m / min there is a problem that the separation characteristics of the membrane does not appear due to the stretching effect of the hollow fiber membrane.

본 단계 2의 내부응고제는 상기 단계 1의 제1용매와 제2용매를 혼합하여 사용할 수 있다.
The internal coagulant of step 2 may be used by mixing the first solvent and the second solvent of step 1.

이때, 상기 내부응고제의 혼합 비율은 제1용매 : 제2용매를 90:10 ~ 50:50의 중량%로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. At this time, the mixing ratio of the internal coagulant is preferably used by mixing the first solvent: the second solvent in a weight ratio of 90:10 to 50:50.

여기서, 제1용매는 중공사막의 내부를 다공성의 표면으로 만들어 주는 역할을 하는데, 모액 제조 시 사용되는 제1용매와 동일하다. 또한, 제2용매는 고속방사를 위해 내부의 구조를 단시간에 상전이 시켜 경화하여 중공사막의 형태가 변형되는 것을 방지하는 역할을 한다.Here, the first solvent serves to make the inside of the hollow fiber membrane a porous surface, which is the same as the first solvent used when preparing the mother liquid. In addition, the second solvent serves to prevent deformation of the hollow fiber membrane by hardening the phase structure of the internal structure in a short time for high speed spinning.

만약, 제1용매의 사용량이 90 중량%를 초과할 경우에는 중공사막의 제조과정에서 중공사막 내부 채널의 구조가 완전히 고정화되지 않아 내부 채널의 편심이 심해져 그 구조가 크게 변하는 문제가 있고, 제2용매의 사용량이 50 중량%를 초과할 경우에는 중공사막의 내부를 다공성의 표면으로 제조할 수 없어 기체 투과도가 매우 낮아지는 문제가 있다.
If the amount of the first solvent exceeds 90% by weight, the internal channel of the hollow fiber membrane is not completely fixed in the manufacturing process of the hollow fiber membrane, so that the eccentricity of the internal channel is increased, and the structure is greatly changed. If the amount of the solvent exceeds 50% by weight, the inside of the hollow fiber membrane may not be manufactured as a porous surface, and thus gas permeability is very low.

본 발명에 따른 중공사막의 대량 생산방법에 있어서, 상기 단계 3은 단계 2에서 방사되어 나온 중공사막을 일차 응고조에 담궈 중공사막의 외표면을 단시간에 상전이 시켜 경화하는 단계이다. 이때, 상기 일차 응고조에는 물을 사용할 수 있다.
In the mass production method of the hollow fiber membrane according to the present invention, the step 3 is a step of immersing the hollow fiber membrane emitted in step 2 in the primary coagulation bath to harden the phase of the outer surface of the hollow fiber membrane in a short time. At this time, water may be used for the primary coagulation bath.

본 발명에 따른 중공사막의 대량 생산방법에 있어서, 상기 단계 4는 이차 응고조에 담궈 잔존 용매를 제거하고 권치조에 감는 단계이다. 구체적으로, 상기 일차 응고조에서 외표면의 상전이가 마무리된 중공사막은 장력조절기를 통해 일정 속도로 30~60 ℃의 열수가 담겨져 있는 이차 응고조 내부로 투입되어 잔존 용매를 제거하며 마지막 권치조에 감기게 된다.
In the method for mass production of hollow fiber membranes according to the present invention, step 4 is a step of immersing in a secondary coagulation bath to remove the remaining solvent and wound in a winding tank. Specifically, the hollow fiber membrane of which the phase transition of the outer surface is finished in the primary coagulation tank is introduced into the secondary coagulation tank containing 30 ~ 60 ° C. of hot water at a constant speed through a tension controller to remove the remaining solvent and to the final winding tank. It is cold.

본 발명에 따른 중공사막의 대량 생산방법에 있어서, 상기 단계 5는 상기 단계 4에서 제조한 중공사막을 오븐에서 건조시켜 중공사막의 제조를 완료하는 단계이다. 구체적으로, 본 건조 단계는 20~60 ℃의 오븐에서 24~72시간 동안 수행할 수 있다.
In the mass production method of the hollow fiber membrane according to the present invention, step 5 is a step of completing the production of the hollow fiber membrane by drying the hollow fiber membrane prepared in step 4 in an oven. Specifically, the drying step may be performed for 24 to 72 hours in an oven at 20 ~ 60 ℃.

본 발명에 따른 대량 생산방법으로 제조된 중공사막은, 높은 기체 선택도를 갖는 스킨층을 형성시키는 제2용매와 기체 투과도를 획기적으로 높일 수 있는 무기첨가제를 첨가하여 중공사막을 제조함으로써, 외부 표면에 기체 투과도 및 선택도가 높은 얇은 선택 분리층을 갖는 비대칭 구조의 중공사막이 제조되는 것이다.
The hollow fiber membrane produced by the mass production method according to the present invention is prepared by adding a second solvent for forming a skin layer having a high gas selectivity and an inorganic additive capable of significantly increasing gas permeability, thereby preparing a hollow fiber membrane, A hollow fiber membrane having an asymmetric structure having a thin selective separation layer having high gas permeability and high selectivity is produced.

본 발명에 따라 제조된 중공사막은 메탄, 이산화탄소, 산소, 황화수소, 질소, 수소, 수증기 등의 다양한 기체를 분리하는데 매우 효과적으로 사용될 수 있다.The hollow fiber membrane prepared according to the present invention can be used very effectively to separate various gases such as methane, carbon dioxide, oxygen, hydrogen sulfide, nitrogen, hydrogen, water vapor and the like.

특히, 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막 중에서, 실시예 1에서 제조한 중공사막은 이산화탄소에 대한 선택도와 투과도가 매우 뛰어난 것으로 나타났고(표 1 참조), 실시예 3에서 제조한 중공사막은 산소에 대한 선택도와 투과도가 매우 뛰어난 것으로 나타났으며(표 2 참조), 실시예 2에서 제조한 중공사막은 수소에 대한 선택도와 투과도가 매우 뛰어난 것으로 나타났다(표 4 참조).In particular, among the hollow fiber membranes according to one embodiment of the present invention, the hollow fiber membrane prepared in Example 1 was found to have excellent selectivity and permeability for carbon dioxide (see Table 1), and the hollow fiber membrane prepared in Example 3 The selectivity and permeability to oxygen were found to be very good (see Table 2), and the hollow fiber membrane prepared in Example 2 was found to have excellent selectivity and permeability to hydrogen (see Table 4).

따라서, 본 발명의 대량 생산방법으로 제조된 중공사막은 특히, 기체 상의 이산화탄소, 산소 및 수소 분리용 중공사막으로 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the hollow fiber membrane prepared by the mass production method of the present invention can be particularly useful as a hollow fiber membrane for separating carbon dioxide, oxygen and hydrogen in the gas phase.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, an Example demonstrates this invention in detail. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.

<< 실시예Example 1> 무기첨가제를 포함한 중공사막의 제조 1 1> Preparation of hollow fiber membranes including inorganic additives 1

2000 ml 둥근 플라스크에 기체선택성 고분자로 폴리이서설폰 350 g, 제1용매로 N-메틸피롤리돈(이하, NMP라 함) 450 g, 제2용매로 아세톤 100 g, 무기첨가제로 리튬하이드록사이드 100 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 모액을 제조하고, NMP와 물을 90:10 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조하였다.In a 2000 ml round flask, 350 g of polyisulfone as a gas-selective polymer, 450 g of N-methylpyrrolidone (hereinafter referred to as NMP) as the first solvent, 100 g of acetone as the second solvent, lithium hydroxide as an inorganic additive 100 g was added and completely dissolved, and the resultant was decompressed using a vacuum pump to completely remove bubbles generated in the solution to prepare a mother liquid. A solution obtained by mixing NMP and water in a 90:10 weight ratio was prepared as an internal coagulant. The mother liquor and the internal coagulant were prepared using the apparatus shown in FIG. 1.

구체적으로, 도 1의 중공사막 제조장치는 기어 펌프를 통하여 일정 유량의 모액을 방사노출기의 이중관형 노즐 외부로 공급하고, 액체이송 펌프(HPLC 펌프)를 통하여 일정 유량의 내부응고제를 방사노출기의 이중관형 노즐 내부로 공급한다. 상기 방사노출기의 이중관형 노즐에서 방사되어 나온 중공사막은 일정구간의 공기층(air gap)을 지나면서 모액과 내부응고제간의 상전이가 시작되어 중공사막의 내부 채널을 형성하기 시작하고, 일차 응고조(물) 내부로 투입되어 중고사막의 외부 표면이 상전이 된다. 상기 일차 응고조에서 상전이가 마무리된 중공사막은 장력조절기를 통해 일정 속도로 이차 응고조 내부로 투입되어 잔존 용매를 제거하며 마지막 권치조에 감기게 된다. 상기 공정을 거쳐 제조된 중공사막을 50 ℃의 오븐에서 48시간 이상 건조하여 중공사막의 제조를 완료하였다.Specifically, the hollow fiber membrane manufacturing apparatus of FIG. 1 supplies the mother liquor of a certain flow rate through the gear pump to the outside of the double-tubular nozzle of the spinneret, and supplies the internal coagulant of the predetermined flow rate through the liquid transfer pump (HPLC pump). It is fed into the double-tubular nozzle of the. The hollow fiber membrane radiated from the double-tubular nozzle of the spinneret passes through an air gap of a certain period and starts phase transition between the mother liquor and the internal coagulant to start forming internal channels of the hollow fiber membrane. Water) and the outer surface of the used desert becomes phase change. The hollow fiber membrane of which phase transition is finished in the primary coagulation tank is introduced into the secondary coagulation tank at a constant speed through a tension controller to remove residual solvent and to be wound in the last winding tank. The hollow fiber membrane prepared through the above process was dried in an oven at 50 ° C. for at least 48 hours to complete the production of the hollow fiber membrane.

이때, 상기 공기층의 길이는 15 cm이었고, 방사온도는 50 ℃이었으며, 방사속도는 50 m/min이었다.
At this time, the length of the air layer was 15 cm, the spinning temperature was 50 ℃, the spinning speed was 50 m / min.

본 실시예 1에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 3에 나타내었다.
The outer diameter, cross section and structure of the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane prepared in Example 1 were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A) .The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200. Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 실시예Example 2> 무기첨가제를 포함한 중공사막의 제조 2 2> Preparation of Hollow Fiber Membranes Containing Inorganic Additives 2

기체선택성 고분자로 폴리이서설폰 350 g, 제1용매로 DMAc 550 g, 제2용매로 THF 50 g, 무기첨가제로 소듐클로라이드 50 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 제조한 모액을 사용한 것과, DMAc와 글리세린을 70:30 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여 사용한 것과, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조할 때, 공기층의 길이를 5 cm, 방사온도를 70 ℃, 방사속도를 75 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 중공사막을 제조하였다.
350 g of polyisulfone as a gas-selective polymer, 550 g of DMAc as a first solvent, 50 g of THF as a second solvent, and 50 g of sodium chloride as an inorganic additive were completely dissolved and decomposed using a vacuum pump to remove bubbles. The hollow fiber membrane was prepared by completely removing the mother liquor, using a solution containing DMAc and glycerin at a 70:30 weight ratio, using an internal coagulant, and using the above-described mother liquor and internal coagulant using the apparatus shown in FIG. When preparing the, the hollow fiber membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the length of the air layer 5 cm, the spinning temperature is set to 70 ℃, the spinning speed is set to 75 m / min.

본 실시예 2에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 4에 나타내었다.
The outer diameter, cross section and structure of the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane prepared in Example 2 were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A) .The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200. Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 실시예Example 3> 무기첨가제를 포함한 중공사막의 제조 3 3> Preparation of Hollow Fiber Membranes Containing Inorganic Additives 3

기체선택성 고분자로 폴리이미드 300 g, 제1용매로 DMAc 400 g, 제2용매로 에탄올 200 g, 무기첨가제로 리튬클로라이드 100 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 제조한 모액을 사용한 것과, DMAc와 물을 70:30 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여 사용한 것과, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조할 때, 공기층의 길이를 10 cm, 방사온도를 150 ℃, 방사속도를 15 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 중공사막을 제조하였다.
Add 300 g of polyimide as gas-selective polymer, 400 g of DMAc as the first solvent, 200 g of ethanol as the second solvent, and 100 g of lithium chloride as the inorganic additive, dissolve completely, and decompress the bubbles in the solution by using a vacuum pump. The hollow fiber membrane was prepared using the mother liquor prepared by removing the mother liquor, and a solution obtained by mixing DMAc and water in a 70:30 weight ratio using an internal coagulant. When preparing, the hollow fiber membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the air layer had a length of 10 cm, a spinning temperature of 150 ° C., and a spinning speed of 15 m / min.

본 실시예 3에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 5에 나타내었다.
The outer diameter and cross section of the hollow fiber membrane prepared in Example 3 and the structure of the inner and outer surfaces thereof were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A) .The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200 Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 실시예Example 4> 무기첨가제를 포함한 중공사막의 제조 4 4> Preparation of Hollow Fiber Membranes Containing Inorganic Additives 4

기체선택성 고분자로 브롬화폴리이서설폰 350 g, 제1용매로 NMP 325 g, 제2용매로 아세톤 200 g, 무기첨가제로 소듐클로라이드 125 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 제조한 모액을 사용한 것과, NMP와 아세톤을 70:30 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여 사용한 것과, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조할 때, 공기층의 길이를 5 cm, 방사온도를 180 ℃, 방사속도를 35 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 중공사막을 제조하였다.
350 g of brominated polyisulfone as a gas-selective polymer, NMP 325 g as the first solvent, 200 g of acetone as the second solvent, 125 g of sodium chloride as the inorganic additive, completely dissolved, and decomposed in a solution by decompression using a vacuum pump. Using the mother liquor prepared by completely removing the solution, and using a solution containing NMP and acetone in a weight ratio of 70:30 as an internal coagulant, and using the apparatus shown in FIG. When preparing a desert, the hollow fiber membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the air layer had a length of 5 cm, a spinning temperature of 180 ° C., and a spinning speed of 35 m / min.

본 실시예 4에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 6에 나타내었다.
The outer diameter, cross section and structure of the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane prepared in Example 4 were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A) .The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200. Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 실시예Example 5> 무기첨가제를 포함한 중공사막의 제조 5 5> Preparation of Hollow Fiber Membranes Containing Inorganic Additives 5

기체선택성 고분자로 폴리이미드 175 g과 폴리이서설폰 175 g, 제1용매로 DMAc 550 g, 제2용매로 THF 50 g, 무기첨가제로 소듐클로라이드 50 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 제조한 모액을 사용한 것과, DMAc와 글리세린을 70:30 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여 사용한 것과, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조할 때, 공기층의 길이를 5 cm, 방사온도를 70 ℃, 방사속도를 75 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 중공사막을 제조하였다.
175 g of polyimide and 175 g of polyisulfone as gas-selective polymer, 550 g of DMAc as the first solvent, 50 g of THF as the second solvent and 50 g of sodium chloride as the inorganic additive were completely dissolved and decompressed using a vacuum pump. The mother liquor prepared by completely removing the bubbles generated in the solution, using a solution containing DMAc and glycerin in a 70:30 weight ratio, prepared as an internal coagulant, and the mother liquor and internal coagulant prepared above are shown in FIG. When manufacturing the hollow fiber membrane by using, the hollow fiber membrane was carried out in the same manner as in Example 1 except that the air layer length was set to 5 cm, the spinning temperature is 70 ℃, the spinning speed is set to 75 m / min Prepared.

본 실시예 5에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 7에 나타내었다.
The outer diameter, cross section and structure of the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane prepared in Example 5 were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A). The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200. Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 비교예Comparative example 1> 종래 방법을 이용한 중공사막의 제조 1 1> Preparation of Hollow Fiber Membrane Using the Conventional Method 1

기체선택성 고분자로 폴리이서설폰 350 g, 제1용매로 NMP 450g, 제2용매로 아세톤 200 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 제조한 모액을 사용한 것과, NMP와 물을 90:10 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여 사용한 것과, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조할 때, 공기층의 길이를 15 cm, 방사온도를 50 ℃, 방사속도를 50 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 중공사막을 제조하였다.
The mother liquor prepared by using 350 g of polyisulfone as a gas-selective polymer, 450 g of NMP as the first solvent, and 200 g of acetone as the second solvent was completely dissolved, and then completely removed bubbles generated in the solution by decompression using a vacuum pump. In the preparation of the hollow fiber membrane using the apparatus shown in FIG. 1 using the solution prepared by mixing NMP and water in a 90:10 weight ratio as the internal coagulant, and using the above-described mother liquor and the internal coagulant, A hollow fiber membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 15 cm, spinning temperature was set to 50 ° C., and spinning speed was set to 50 m / min.

본 비교예 1에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 8에 나타내었다.
The outer diameter, cross section, and inner surface of the hollow fiber membrane prepared in Comparative Example 1 were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A) .The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200. Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 비교예Comparative example 2> 종래 방법을 이용한 중공사막의 제조 2 2> Preparation of Hollow Fiber Membrane Using the Conventional Method 2

기체선택성 고분자로 폴리이서설폰 350 g, 제1용매로 DMAc 550g, 제2용매로 THF 100 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 제조한 모액을 사용한 것과, DMAc와 글리세린을 70:30 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여 사용한 것과, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조할 때, 공기층의 길이를 5 cm, 방사온도를 70 ℃, 방사속도를 75 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 중공사막을 제조하였다.
A mother liquor prepared by using 350 g of polyisulfone as a gas-selective polymer, 550 g of DMAc as a first solvent, and 100 g of THF as a second solvent, completely dissolved, and then completely removing bubbles generated in the solution by decompression using a vacuum pump. In the preparation of the hollow fiber membrane using the apparatus shown in FIG. 1 using the solution prepared by mixing DMAc and glycerin in a 70:30 weight ratio as the internal coagulant, and using the above-described mother liquor and the internal coagulant, A hollow fiber membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 5 cm, the spinning temperature was set to 70 ° C., and the spinning speed was set to 75 m / min.

본 비교예 2에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 9에 나타내었다.
The outer diameter, cross section, and inner surface of the hollow fiber membrane prepared in Comparative Example 2 were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A) .The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200. Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 비교예Comparative example 3> 종래 방법을 이용한 중공사막의 제조 3 3> Preparation of Hollow Fiber Membrane Using the Conventional Method 3

기체선택성 고분자로 폴리이미드 300 g, 제1용매로 DMAc 400g, 제2용매로 에탄올 300 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 제조한 모액을 사용한 것과, DMAc와 물을 70:30 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여 사용한 것과, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조할 때, 공기층의 길이를 10 cm, 방사온도를 120 ℃, 방사속도를 15 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 중공사막을 제조하였다.
300 g of polyimide as the gas-selective polymer, 400 g of DMAc as the first solvent and 300 g of ethanol as the second solvent were completely dissolved, and the mother liquor prepared by completely removing bubbles generated in the solution by depressurization using a vacuum pump, When the hollow fiber membrane was prepared using a solution obtained by mixing DMAc and water in a weight ratio of 70:30 by using an internal coagulant, and the mother liquor and the internal coagulant prepared above using the apparatus shown in FIG. 1, the length of the air layer was 10. The hollow fiber membrane was manufactured by the same method as Example 1, except that cm, the spinning temperature was set at 120 ° C., and the spinning speed was set at 15 m / min.

본 비교예 3에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 10에 나타내었다.
The outer diameter, cross section and structure of the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane prepared in Comparative Example 3 were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A) .The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200. Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 비교예Comparative example 4> 종래 방법을 이용한 중공사막의 제조 4 4> Preparation of Hollow Fiber Membrane Using the Conventional Method 4

기체선택성 고분자로 브롬화폴리이서설폰 350 g, 제1용매로 NMP 325g, 제2용매로 아세톤 325 g을 넣고 완전히 용해시킨 후 진공펌프를 이용해 감압하여 용액 내에 발생한 기포를 완전히 제거하여 제조한 모액을 사용한 것과, NMP와 아세톤을 70:30 중량비로 혼합한 용액을 내부응고제로 제조하여 사용한 것과, 상기에서 제조한 모액과 내부응고제를 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 중공사막을 제조할 때, 공기층의 길이를 5 cm, 방사온도를 180 ℃, 방사속도를 35 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 중공사막을 제조하였다.
350 g of brominated polyisulfone as a gas-selective polymer, 325 g of NMP as the first solvent, and 325 g of acetone as the second solvent were completely dissolved, and the mother solution prepared by completely removing bubbles generated in the solution by depressurization using a vacuum pump was used. And a solution of NMP and acetone in a 70:30 weight ratio prepared using an internal coagulant, and the length of the air layer when the hollow fiber membrane was prepared using the above-described mother liquor and internal coagulant using the apparatus shown in FIG. The hollow fiber membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 5 cm, the spinning temperature is 180 ℃, the spinning speed was set to 35 m / min.

본 비교예 4에서 제조한 중공사막의 외경과 단면 및 내 외부 표면의 구조를 주사전자현미경(JEOL-840A)을 사용하여 분석한 결과, 제조된 중공사막의 외경은 약 400 마이크론이었으며 내경은 약 200~250 마이크론이었다. 그 촬영 결과를 도 11에 나타내었다.
The outer diameter, cross section, and structure of the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane prepared in Comparative Example 4 were analyzed using a scanning electron microscope (JEOL-840A) .The outer diameter of the manufactured hollow fiber membrane was about 400 microns and the inner diameter was about 200. Was 250 microns. The photographing result is shown in FIG.

<< 실험예Experimental Example 1> 무기첨가제 유무에 따른 중공사막의 기체의 투과도 측정 1> Measurement of gas permeability of hollow fiber membrane with or without inorganic additive

실시예 1~5 및 비교예 1~4에서 제조한 각 중공사막의 기체 투과도를 비교하여 알아보기 위하여 도 2에 나타낸 장치를 이용하여 다음과 같이 실험을 수행하였다.In order to find out by comparing the gas permeability of each of the hollow fiber membranes prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 using the apparatus shown in FIG.

구체적으로, 도 2의 장치는 실시예 및 비교예에서 제조한 중공사막 수 가닥에서 수십 가닥을 투과 셀 내에 장착하고, 투과가스를 일정 압력에서 중공사막의 내부 혹은 외부로 공급하는 바, 이때 중공사를 통과해서 투과되는 기체의 양을 거품유량계(버블플로우미터)를 사용하여 그 유속을 측정하였다.
Specifically, the apparatus of Figure 2 is mounted in the permeation cell dozens of strands from the number of hollow fiber membranes prepared in Examples and Comparative Examples, the permeate gas is supplied to the inside or outside of the hollow fiber membrane at a certain pressure, in this case hollow fiber The flow rate of the gas permeated through the bubble was measured using a bubble flow meter (bubble flow meter).

먼저, 질소와 이산화탄소를 대상으로 투과실험을 수행하였으며, 이때 막의 양단의 압력 차는 5 kgf/cm2 이었으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었고,First, permeation experiments were performed on nitrogen and carbon dioxide, wherein the pressure difference between the two ends of the membrane was 5 kg f / cm 2 , and the results are shown in Table 1 below.

질소와 산소를 대상으로 투과실험을 수행한 결과를 하기 표 2에 나타내었으며,The results of performing permeation experiments on nitrogen and oxygen are shown in Table 2 below.

메탄과 이산화탄소를 대상으로 투과실험을 수행한 결과를 하기 표 3에 나타내었으며,The results of permeation experiments on methane and carbon dioxide are shown in Table 3 below.

수소와 이산화탄소를 대상으로 투과실험을 수행한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
The results of performing permeation experiments on hydrogen and carbon dioxide are shown in Table 4 below.



Yes
방사
속도
(m/min)
radiation
speed
(m / min)
방사
온도
(℃)
radiation
Temperature
(℃)
N2
투과도
(GPU)
N 2
Transmittance
(GPU)
CO2
투과도
(GPU)
CO 2
Transmittance
(GPU)
CO2/N2
선택도
CO 2 / N 2
Selectivity
실시예 2Example 2 1515 2525 1111 240240 2121 실시예 4Example 4 3030 8080 1919 419419 2222 실시예 5Example 5 3030 8080 1717 352352 2121 비교예 3Comparative Example 3 1515 5050 33 6161 2020 비교예 4Comparative Example 4 99 2525 44 5656 1414



Yes
방사
속도
(m/min)
radiation
speed
(m / min)
방사
온도
(℃)
radiation
Temperature
(℃)
N2
투과도
(GPU)
N 2
Transmittance
(GPU)
O2
투과도
(GPU)
O 2
Transmittance
(GPU)
O2/N2
선택도
O 2 / N 2
Selectivity
실시예 2Example 2 2323 7070 1515 9292 6.16.1 실시예 3Example 3 1414 4040 2020 116116 5.85.8 실시예 4Example 4 2020 2525 1515 9393 6.26.2 실시예 5Example 5 2020 2525 1616 9393 5.85.8



Yes
방사
속도
(m/min)
radiation
speed
(m / min)
방사
온도
(℃)
radiation
Temperature
(℃)
CH4
투과도
(GPU)
CH 4
Transmittance
(GPU)
CO2
투과도
(GPU)
CO 2
Transmittance
(GPU)
CO2/CH4
선택도
CO 2 / CH 4
Selectivity
비교예 1Comparative Example 1 5050 5050 2020 680680 3535 비교예 2Comparative Example 2 5050 5050 1818 618618 3434 실시예 1Example 1 5050 5050 2424 900900 3838 실시예 2Example 2 55 2525 1818 650650 3636



Yes
방사
속도
(m/min)
radiation
speed
(m / min)
방사
온도
(oC)
radiation
Temperature
( o C)
H2
투과도
(GPU)
H 2
Transmittance
(GPU)
CO2
투과도
(GPU)
CO 2
Transmittance
(GPU)
H2/CO2
선택도
H 2 / CO 2
Selectivity
실시예 2Example 2 1515 2525 420420 5050 88 실시예 4Example 4 3030 8080 240240 4040 66 실시예 5Example 5 3030 8080 210210 3737 66 비교예 3Comparative Example 3 1515 5050 183183 3131 66 비교예 4Comparative Example 4 99 2525 168168 2121 88

표 1 내지 표 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1~5에서 무기첨가제를 첨가하여 모액을 제조할 경우에는, 비교예 1~4에서 무기첨가제를 첨가하지 않은 모액에 비하여 기포 제거가 용이하여 보다 균일한 모액을 안정적으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 중공사막과 비슷한 기체선택도를 가지면서도 현저히 향상된 투과도를 나타냄을 확인하였다.
As shown in Tables 1 to 4, when preparing the mother liquor by adding the inorganic additives in Examples 1 to 5, it is easier to remove bubbles than the mother liquor without adding the inorganic additives in Comparative Examples 1 to 4 and more uniform It was confirmed that not only can a mother liquor be stably prepared, but also has a gas selectivity similar to that of a conventional hollow fiber membrane, but shows a significantly improved permeability.

따라서, 본 발명의 생산방법으로 제조된 중공사막은 기체의 투과도가 현저히 향상되므로, 기체 분리용 중공사막의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the hollow fiber membrane produced by the production method of the present invention is significantly improved permeability of the gas, it can be usefully used in the production of the hollow fiber membrane for gas separation.

Claims (14)

기체선택성 고분자, 제1용매, 제2용매 및 무기첨가제를 혼합하고 기포를 제거하여 모액을 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 제조한 모액과 내부응고제를 함께 공기층에 방사하여 중공사막의 내부를 응고시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 내부 응고된 중공사막을 제1차 응고조에 담궈 중공사막의 외표면을 상전이 시키는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 외표면이 상전이된 중공사막을 제2차 응고조에 담궈 잔존 용매를 제거하고 권치조에 감는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 제조한 중공사막을 오븐에서 건조시키는 단계(단계 5)를 포함하되,
상기 단계 1의 무기첨가제는 리튬하이드록사이드, 소듐하이드록사이드, 칼륨하이드록사이드, 마그네슘하이드록사이드, 리튬클로라이드, 소듐클로라이드, 마그네슘클로라이드, 칼륨클로라이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 고선택 투과성 기체분리용 비대칭구조의 중공사막의 대량 생산방법.
Preparing a mother liquor by mixing a gas-selective polymer, a first solvent, a second solvent, and an inorganic additive and removing bubbles (step 1);
Solidifying the inside of the hollow fiber membrane by spinning the mother liquor prepared in the step 1 and the internal coagulant together in the air layer (step 2);
Phase-transferring the outer surface of the hollow fiber membrane by immersing the hollow fiber membrane internally solidified in step 2 in a first coagulation tank (step 3);
Immersing the hollow fiber membrane whose phase is externally phase-transformed in step 3 in a second coagulation bath to remove the remaining solvent and winding it into a winding tank (step 4); And
Including the step (step 5) drying the hollow fiber membrane prepared in step 4 in an oven,
The inorganic additive of step 1 is lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, lithium chloride, sodium chloride, magnesium chloride, characterized in that the one selected from the group consisting of potassium chloride Mass production of asymmetric hollow fiber membranes for highly selective permeable gas separation.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 기체선택성 고분자는 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리이서이미드, 폴리아마이드, 폴리벤즈이미다졸 및 브롬화폴리이서설폰으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
The method of claim 1, wherein the gas-selective polymer of step 1 is one selected from the group consisting of polyisulfone, polysulfone, polyimide, polyimideimide, polyamide, polybenzimidazole, and brominated polyisulfone Mass production method of the hollow fiber membrane, characterized in that the mixture.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 모액은 기체선택성 고분자를 20~45 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
The method of claim 1, wherein the mother liquor of step 1 is a mass production method of the hollow fiber membrane, characterized in that containing 20 to 45% by weight of the gas-selective polymer.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 모액은 기체선택성 고분자를 25~35 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
The method of claim 1, wherein the mother liquor of step 1 is a mass production method of the hollow fiber membrane, characterized in that containing 25 to 35% by weight of the gas-selective polymer.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 제1용매는 N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드 및 디메틸포름아미드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
The method for mass production of a hollow fiber membrane according to claim 1, wherein the first solvent of step 1 is one selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide and dimethylformamide.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 모액은 제1용매를 40~70 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
The method of claim 1, wherein the mother liquor of step 1 comprises a mass of 40 to 70% by weight of the first solvent.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 제2용매는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜, 아세톤, 테트라하이드로퓨란 및 부톡시에탄올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
The mass production of the hollow fiber membranes according to claim 1, wherein the second solvent of step 1 is one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetone, tetrahydrofuran and butoxyethanol. Way.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 모액은 제2용매를 10~30 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
The method of claim 1, wherein the mother liquor of step 1 comprises 10 to 30% by weight of the second solvent.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 모액은 무기첨가제를 1~10 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
The method of claim 1, wherein the mother liquor of step 1 comprises 1 to 10% by weight of an inorganic additive.
제1항에 있어서, 상기 단계 2의 내부응고제는 제1용매 : 제2용매를 90:10 ~ 50:50의 중량비로 혼합하여 사용한 것을 특징으로 하는 중공사막의 대량 생산방법.
According to claim 1, wherein the internal coagulant of step 2 is a mass production method of the hollow fiber membrane, characterized in that the mixture of the first solvent: the second solvent in a weight ratio of 90:10 to 50:50.
제1항의 생산방법으로 제조된 이산화탄소 기체분리용 중공사막.
Carbon fiber gas separation hollow fiber membrane prepared by the production method of claim 1.
제1항의 생산방법으로 제조된 산소 기체분리용 중공사막.
Hollow fiber membrane for oxygen gas separation produced by the production method of claim 1.
제1항의 생산방법으로 제조된 수소 기체분리용 중공사막.
Hollow fiber membrane for hydrogen gas separation produced by the production method of claim 1.
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