KR101715811B1 - 이온 교환 멤브레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 교환 멤브레인 및 그를 이용한 필터 모듈에 관한 것으로, 이온 교환 멤브레인은 이온교환용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 다공성 멤브레인, 또는 이온교환용액이 전기 분사된 액적이 축적되어 형성된 무기공 멤브레인이다.

Description

이온 교환 멤브레인{Ion exchange membrane}

본 발명은 이온 교환 멤브레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이온교환용액을 전기 방사 또는 전기 분사하여 형성한 초박형 이온 교환 멤브레인 및 그를 이용한 필터 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 지구의 모든 물 중 우리가 사용할 수 있는 양은 고작 0.0086%에 지나지 않는다. 이는 기후변화로 인한 재해를 염두에 둔다면 과히 넉넉한 편은 못된다.

물은 인간 생활에 있어 매우 중요하고, 생활용수나 산업용수로서 물은 다양하게 이용된다. 산업 발전으로 물이 중금속, 질산성 질소, 불소 이온 등으로 오염되고 있고, 오염된 물을 음용했을 때 건강에 매우 해롭다.

최근, 오염된 물을 정화하고, 해수를 정화하여 용수로 사용하기 위한 탈염 기술이 다양하게 연구되고 있다.

이러한 탈염 기술은, 해수나 폐수 등와 같은 오염수에 함유되는 각종 부유물질이나 이온성분을 제거하여 담수화하는 기술로, 화석연료나 전기 등의 열원을 이용하여 수분을 증발시키는 증발법과, 분리막을 이용한 이물질을 걸러 제거하는 여과법과, 전극셀의 전기분해작용을 이용하여 이온들을 제거하는 전기투석법이 있다.

증발법은, 화석연료나 전기 등을 열원으로 사용하여 수분을 증발시키는 것으로, 탈명장치의 부피가 커서 비효율적이고, 에너지의 소모량이 커서 비용이 증대될 뿐만 아니라, 화석연료의 사용으로 인한 대기오염의 원인이 된다.

여과법은 분리막에 고압을 가하여 이물질을 제거해야하므로 에너지의 소모량이 커서 비용이 증대되고, 전기투석법은 지속적으로 전극셀을 교체해야 하므로 전극셀의 교체에 따른 낭비요인이 발생될 뿐만 아니라 전극셀의 교체에 따른 인적 및 물적 부대비용이 증대되는 단점이 있다.

한국 등록특허공보 제501417호에는 소정의 압력으로 유입되는 처리수에 대해 1차로 염성분을 제거하는 역삼투막장치; 스페이서, 양전극, 음전극이 원통형의 탱크내에 순차적으로 설치되어 상기 역삼투막장치에서 1차 처리된 처리수로부터 재차 염성분을 제거하는 전극탈염장치; 상기 역삼투막장치의 브라인측 압력을 전극탈염장치의 입구수 가압용으로 활용하기 위한 에너지회수장치; 상기 전극탈염장치에 구비된 양전극과 음전극에 전원을 공급하는 전원공급수단; 및 상기 전극탈염장치로 유입되는 처리수를 탈염하는 탈염과정과 탈염과정중에 전극에 흡착된 이온들을 탈리시키는 재생과정을 수행하기 위해 처리수가 유동하는 배관들에 구비된 밸브들을 제어하는 제어수단;을 포함하는 역삼투막법/전극법을 이용한 폐수 탈염장치가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 폐수 탈염장치는 역삼투막장치 및 전극탈염장치가 개별적으로 구비되어 있어, 탈염 장치의 크기가 크고, 많은 제조 비용이 소요되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명자들은 멤브레인의 두께를 초박형으로 구현할 수 있는 기술에 대한 연구를 지속적으로 진행하여 다공성 멤브레인으로 케미컬 필터에 적용하고, 무기공 멤브레인으로 탈염 장치에 적용할 수 있는 방법적 및 구조적인 특징을 도출하여 발명함으로써, 보다 경제적이고, 활용 가능하고 경쟁력있는 본 발명을 완성하였다.

한국 등록특허공보 제501417호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 이온교환용액을 전기 방사하여 이온교환 물질의 나노 섬유가 축적된 구조의 멤브레인을 구성함으로써, 표면층에서 이루어지는 표면여과 및 내층에서 이루어지는 심층여과를 수행하고, 나노 섬유의 이온교환 물질로 처리수에 포함된 화학적 물질의 특정 이온을 여과할 수 있는 이온 교환 멤브레인 및 그를 이용한 필터 모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 이온교환용액을 전기 분사하고, 분사된 액적을 축적시켜 무기공 멤브레인을 형성함으로써, 건조 공정을 생략하고, 초박막의 두께를 가질 수 있는 이온 교환 멤브레인 및 그를 이용한 필터 모듈을 제공하는 데 있다.

상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예는, 이온교환용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 다공성 멤브레인, 또는 이온교환용액이 전기 분사된 액적이 축적되어 형성된 무기공 멤브레인을 포함하는 이온 교환 멤브레인을 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예는, 이온교환용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 다공성 이온교환 멤브레인이 부직포, 고분자 나노 섬유 웹, 이들의 모두 중 하나와 적층된 구조, 또는 상기 다공성 이온교환 멤브레인이 반복 적층되어 평판형으로 구현된 필터 모듈을 제공한다.

더불어, 본 발명의 일 실시예는, 이온교환용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 다공성 멤브레인으로 이루어지고, 내부에 관통홀이 형성되어 있는 통체로 이루어져 있고, 상기 관통홀의 측벽과 상기 통체의 외주면에 주름이 형성되어 있는 주름형으로 구현된 필터 모듈을 제공한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예는, 이온교환용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 다공성 이온교환 멤브레인이 부직포, 고분자 나노 섬유 웹, 이들의 모두 중 하나와 적층된 구조, 또는 상기 다공성 이온교환 멤브레인이 스파이럴(spiral) 권취되어 나권형으로 구현된 필터 모듈을 제공한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 전기 방사된 이온교환 물질의 나노 섬유를 적층 배열하여 다공성 이온교환 멤브레인을 형성함으로써, 다공성 이온교환 멤브레인에 존재하는 미세 기공으로 처리수가 통과될 때 처리수에 포함된 나노 단위의 미세 오염 물질을 여과함과 동시에 나노 섬유에 포함된 이온교환 물질로 화학적 물질 이온을 필터링할 수 있는 잇점이 있다.

또, 본 발명에서는 이온교환용액을 전기 분사하고, 분사된 액적을 축적시켜 불필요한 기공이 없는 균일한 무기공 필름 형태의 무기공 이온교환 멤브레인을 형성할 수 있으므로, 별도의 건조 공정이 불필요하여 생산성을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명에서는 이온교환용액을 전기 분사하여 치밀한 구조의 무기공 필름 형태를 구현할 수 있고, 초박막의 두께를 가질 수 있어, 선택된 이온만이 자유자제로 이동할 수 있고, 이온들이 이동하는 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공성 이온교환 멤브레인을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공성 이온교환 멤브레인을 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무기공 이온교환 멤브레인을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 4는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인의 적층 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 5는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인의 다른 적층 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인의 또 다른 적층 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공성 이온교환 멤브레인을 사용한 필터 모듈의 조립 상태를 설명하기 위한 개념적인 사시도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공성 이온교환 멤브레인을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개념적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공성 이온교환 멤브레인을 설명하기 위한 개념적인 도면이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예는 노즐(41)에서 이온교환용액을 전기 방사하고, 방사된 나노 섬유(101)를 축적시켜 다공성 이온교환 멤브레인(100)을 형성한다.

이 다공성 이온교환 멤브레인(100)은 방사된 나노 섬유(101)가 불규칙하게 축적되어 형성된 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 다공성 이온교환 멤브레인( 100)의 나노 섬유(101) 사이에 다수의 미세 기공(102)이 형성된다.

이와 같이 다공성 이온교환 멤브레인(100)은 다공성 이온교환 멤브레인(100)에 존재하는 미세 기공으로 처리수가 통과될 때 처리수에 포함된 나노 단위의 미세 오염 물질을 여과함과 동시에 화학적 물질 이온을 필터링하게 된다.

즉, 다공성 이온교환 멤브레인(100)은 이온교환 물질의 나노 섬유로 이루어져 표면층에서 이루어지는 표면여과 및 내층에서 이루어지는 심층여과를 수행할 수 있다. 그리고, 나노 섬유의 이온교환 물질은 처리수에 포함된 화학적 물질의 특정 이온을 여과할 수 있다.

그러므로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공성 이온교환 멤브레인(100)은 대부분의 산업분야에서 수행되는 공정 중에 사용되는 물을 포함하는 액체에서, 입자성 물질, 이온성 물질, 박테리아, 바이러스 등 불순물을 여과할 수 있는 케미컬 필터로 사용될 수 있는 것이다.

한편, 이온교환용액은 SO₃ ^-, NH₃ ⁺ 등과 같은 이온교환기를 포함하고 있어, 이온교환용액이 분사되어 형성된 다공성 이온교환 멤브레인(100)의 나노 섬유에는 이온교환기가 부착되어 있다. 그러므로, 본 발명에서는 기공 크기를 줄이지 않고도 이온교환기의 흡착 성능에 의해 미세 이온성 물질을 여과할 수 있는 장점이 있다. 여기서, 이온교환기는 음이온 교환기 또는 양이온 교환기이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무기공 이온교환 멤브레인을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예는 노즐(42)에서 이온교환용액을 전기 분사하고, 분사된 액적(210)을 축적시켜 무기공 이온교환 멤브레인(200)을 형성하는 것이다.

즉, 이온교환용액을 전기분사하게 되면, 전기분사되는 노즐에서 미세한 크기의 액적을 분사하며, 전기적인 힘에 의해 최초 분사된 액적은 더 미세하게 분화된다. 그리고, 노즐에서 액적이 분사됨과 동시에 대부분의 용매가 휘발되어 이온교환 물질의 액적(101)만 축적됨으로써, 불필요한 기공이 없는 균일한 무기공 필름 형태의 무기공 이온교환 멤브레인(200)을 형성할 수 있기에, 별도의 건조 공정이 불필요하여 생산성을 극대화시킬 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 이온교환용액을 전기분사하고, 분사된 액적을 축적하여 무기공 이온교환 멤브레인(200)을 형성함으로써, 치밀한 구조의 무기공 필름 형태를 구현할 수 있고, 초박막의 두께를 가질 수 있어, 선택된 이온만이 자유자제로 이동할 수 있고, 이온들이 이동하는 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다.

한편, 물성 향상을 위해 고분자 물질과 이온교환용액을 혼합하여 전기분사하여 무기공 이온교환 멤브레인(200)을 형성할 수 있다. 이 경우, 무기공 이온교환 멤브레인(200)은 고분자 물질과 이온교환 물질이 혼재되어 있는 박막으로 형성된다.

본 발명에서, 무기공 이온교환 멤브레인(200)은 기공이 존재하지 않는 형태를 가짐으로써, 이온의 선택적 투과성을 높일 수 있다. 이와 반대로, 기공을 갖는 이온교환 멤브레인은 전기적인 인력 또는 반발력에도 불구하고 양이온 및 음이온 모두가 기공을 통하여 통과될 수 있기에, 바람직한 구조는 아니다.

무기공 이온교환 멤브레인(200)은 전극의 극성에 따라 양이온교환막 또는 음이온교환막일 수 있고, 무기공 이온교환 멤브레인(200)은 이온들을 전극에 선택적으로 흡착시키는 역할을 한다. 즉, 양극에는 음이온교환막이 결합되고, 음극에는 양이온교환막이 결합되어, 전압이 인가되면 음극에는 양이온만이 흡착되고, 양극에는 음이온만 흡착된다.

그러므로, 무기공 이온교환 멤브레인(200)은 이온교환용액을 전기분사로 만들어진 액적이 축적되어 형성된 무기공성 박막이므로, 무기공 이온교환 멤브레인(200)을 매우 얇고 균일하게 형성할 수 있어, 이온의 흡착 및 탈착 효율을 향상시킬 수 있다.

이러한 무기공 이온교환 멤브레인(200)은 축전식 탈염 장치에서 이온을 흡착한 후, 탈착시 탈착한 이온이 다시 상대방 전극으로 흡착되는 것을 막아주는 효과가 있다.

그러므로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무기공 이온교환 멤브레인은 CDI(Capacitive deionization), ED(Electrodialysis), EDR(Electrodialysis reversal), RED(Reverse electrodialysis) 등의 전기식 탈염장치에 적용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인의 적층 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이고, 도 5는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인의 다른 적층 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인의 또 다른 적층 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이고, 도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공성 이온교환 멤브레인을 사용한 필터 모듈의 조립 상태를 설명하기 위한 개념적인 사시도이다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인(300)은 기계적 강도를 보완하기 위해 부직포(310)와 합지한 적층 구조로 사용될 수 있다.

그리고, 도 5와 같이, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인(300)은 물성 향상을 위해 제1 고분자 나노 섬유 웹(321)과 제2 고분자 나노 섬유 웹(322) 사이에 개재될 수 있다.

아울러, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이온교환 멤브레인(300)은 고분자 나노 섬유 웹(320)에서 형성된 후, 부직포(310)와 합지될 수 있다.

이때, 도 6a는 부직포(310)에 고분자 나노 섬유 웹(320)과 이온교환 멤브레인(300)이 순차적으로 적층된 구조이며, 고분자 나노 섬유 웹(320)이 부직포(310)에 접촉되어 적층되어 고분자 나노 섬유 웹(320) 및 부직포(310) 사이에 접촉 경계면이 형성되어 있다.

또한, 도 6b는 제1 부직포(310)에 고분자 나노 섬유 웹(320)과 이온교환 멤브레인(300)이 순차적으로 적층된 구조이고, 이온교환 멤브레인(300)이 부직포(310)에 접촉되어 있다.

한편, 전술된 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공성 이온교환 멤브레인은 이온교환 물질의 나노 섬유가 축적되어 가요성이 우수함으로, 매우 플렉서블한 특성을 가지고 있어 평판형 필터 모듈(510), 주름형 필터 모듈(520) 및 나권형 필터 모듈(530) 등 다양한 조립 형태의 필터 모듈을 구현할 수 있다.

이러한 필터 모듈의 조립 형태는 먼저, 도 7a와 같이, 이온교환용액을 전기 방사하고 방사된 나노 섬유를 축적시켜 형성된 다공성 이온교환 멤브레인을 부직포, 고분자 나노 섬유 웹, 이들의 모두 중 하나와 적층한 구조 또는 다공성 이온교환 멤브레인을 반복 적층하여 평판형 필터 모듈(500)을 구현하는 것이다.

또한, 다른 필터 모듈의 조립 형태는 이온교환 물질의 나노 섬유(101)가 축적된 다공성 이온교환 멤브레인으로 이루어지고, 내부에 관통홀(521)이 형성되어 있는 통체로 이루어져 있고, 관통홀(521)의 측벽과 통체의 외주면에 주름이 형성되어 있는 주름형 필터 모듈(520)이다(도 7b).

여기서, 통체는 길이가 직경보다 긴 형상이다. 그리고, 본 발명에서는 관통홀(521)의 측벽에 다수의 홈(101a)이 형성되어 있을 수 있고, 이 다수의 홈(101a)에 의해 관통홀(521)의 측벽에는 주름 형상이 만들어질 수 있다. 이때, 다수의 홈(101a)은 직선형 패턴, 곡선형 패턴, 직선 및 곡선형 패턴이 혼합된 패턴, 다각형 패턴, 격자형 패턴, 도트형 패턴, 마름모형 패턴, 평행사변형 패턴, 메쉬형 패턴, 스트라이프형 패턴, 십자형 패턴, 방사형 패턴, 원형 패턴, 상기 패턴들 중 복수개의 패턴이 혼합된 패턴 중 적어도 한 패턴 형상으로 형성될 수 있다.

더불어, 또 다른 필터 모듈의 조립 형태로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 다공성 이온교환 멤브레인을 부직포, 고분자 나노 섬유 웹, 이들의 모두 중 하나와 적층한 구조 또는 다공성 이온교환 멤브레인을 스파이럴(spiral) 권취하여 조립할 수 있다. 즉, 필터 모듈(530)은 나권형으로 조립되어 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 이온교환용액을 전기 방사하여 방사된 이온교환 물질의 나노 섬유를 축적시켜, 나노 섬유로 이루어져 표면층에서 이루어지는 표면여과 및 내층에서 이루어지는 심층여과를 수행하고, 나노 섬유의 이온교환 물질로 처리수에 포함된 화학적 물질의 특정 이온을 여과할 수 있는 이온 교환 멤브레인을 제공할 수 있다.

41,42:노즐 100,200,300:이온 교환 멤브레인
101:나노 섬유 101a:홈
102:미세 기공 210:액적
310:부직포 320,321,322:고분자 나노 섬유 웹
500,520,530:필터 모듈 521:관통홀

Claims (10)

1. 이온교환용액이 전기 분사된 액적이 축적되어 형성된 무기공 멤브레인을 포함하는 이온 교환 멤브레인.
2. 제1항에 있어서, 상기 이온교환용액에는 음이온 교환기 또는 양이온 교환기가 포함되어 있는 이온 교환 멤브레인.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 무기공 멤브레인은,
   부직포 및 고분자 나노 섬유 웹에서 선택된 적어도 하나와 합지되는 이온 교환 멤브레인.
5. 제1항에 있어서, 상기 무기공 멤브레인은,
   제1 고분자 나노 섬유 웹 및 제2 고분자 나노 섬유 웹 사이에 개재되어 있는 이온 교환 멤브레인.
   
   
   
   
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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