KR101744707B1 - 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈과 그를 이용한 수처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 이중구조 멤브레인의 바깥쪽은 유기성 멤브레인인 UF 멤브레인(1)이 감싸고, 그 안쪽에 무기성 멤브레인인 세라믹 멤브레인(2)이 위치하며, 세라믹 멤브레인의 표면에는 탄소나노튜브(3)가 결합된다.
상기 3가지 소재가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈을 오염된 물속에 설치하면 모듈의 바깥쪽으로부터 오염수(4)가 펌프의 구동에 의해 모듈의 안쪽으로 이동하게 되는데, 이때 UF 멤브레인(1)을 통해 1차 여과처리되고, 1차 여과처리된 오염수가 세라믹 멤브레인(2)을 통해 2차 여과처리되어 깨끗해진 처리수(5)가 모듈 바깥쪽으로 배출된다.
본 발명에 따른 이중구조 멤브레인 모듈은 탄소나노튜브가 결합된 세라믹 멤브레인의 성능에 의하여 기존 멤브레인으로는 처리가 어려운 나노 사이즈의 신종 오염물질 및 의약물질까지 완벽히 처리할 수 있다.

Description

탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈과 그를 이용한 수처리 시스템{Dual Structure Membrane Module Combined with Carbon Nano Tube, and Water treatment system using the same}

본 발명은 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈 및 그를 이용한 수처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기성 UF(Ultra Filteration)멤브레인 내부에 탄소나노튜브가 결합된 세라믹 멤브레인을 구비하여 수중의 미량오염물질까지 처리할 수 있는 이중구조의 멤브레인 모듈과 그를 이용한 수처리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 멤브레인(Membrane)은 공경 사이즈보다 큰 오염물질을 통과시키지 않는 체거름 작용에 의하여 수중 오염물질을 제거하며 정수처리, 하수처리, 해수담수화 등에 적용되고 있다.

멤브레인은 분리대상 물질의 크기에 따라 MF(Micro Filteration)멤브레인, UF(Ultra Filteration)멤브레인, RO(Reverse Osmosis)멤브레인 등으로 구분되며, 이 중에서 해수담수화에 쓰이는 RO 멤브레인이 가장 미세한 입자를 분리할 수 있다.

또한, 멤브레인은 구성 재질에 따라 고분자 용액을 이용하여 제조되는 유기성 멤브레인과 세라믹을 이용하여 제조되는 무기성 멤브레인으로 구분된다.

유기성 멤브레인으로는 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리디닐리덴플루오라이드, 폴리술폰, 셀룰로스 아세테이트 멤브레인 등이 있으며 소재가 유연하여 성형가공이 유리하고, 내열성·내약품성이 있어 수처리에 널리 사용되며 전체 멤브레인 소재의 94% 정도를 차지하고 있다.

무기성 멤브레인으로는 세라믹 멤브레인이 있으며 세라믹 소재는 전체 멤브레인 소재의 5% 정도를 차지하고 있고, 유기성 멤브레인에 비해 내열·내약품성이 좋으나 가격 면에서 유기성 멤브레인보다 비싼 단점을 가진다.

한편, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)는 다수의 개별 튜브가 '반데르발스'힘에 의해 서로 뒤엉킴으로서 형성된 집합세공(集合細孔) 구조를 가지고 있으며, 이 미세공들은 그 크기가 메조포어(mesopore; 2 nm ~ 50 nm) 혹은 그 이상이며, 외부 표면 영역에 박테리아와 바이러스를 포함한 큰 생물학적 오염물질을 흡착할 수 있을 만큼의 큰 면적을 제공한다.

CNT 흡착은 주로 내부 빈 공간, 튜브 다발 사이의 흡착공, 튜브 다발 간 경계에 존재하는 홈(groove), 그리고 가장 바깥쪽 CNT의 외부 표면에서 일어난다.

CNT의 다발 사이에 형성된 공간은 낮은 분자량을 가진 흡착물질(금속이온 등)에 우수한 흡착능을 가지며, 튜브 다발 간 경계에 존재하는 홈과 가장 바깥쪽 CNT의 외부 표면은 미생물 등의 생물학적 오염물질이 흡착된다.

이러한 구조를 가지는 CNT는 흡착용량이 크기 때문에 환경에서의 오염물질의 흡착제거에 응용될 수 있으며, 먹는 물 처리시스템에 CNT 흡착을 이용하면 수중의 미생물의 성장을 돕는 탄소원 물질인 NOM(Natural Organic Matter)의 제거, 중금속 이온, 미생물 및 미생물에 의한 독성물질 등의 제거에 큰 효과를 얻는다.

수처리용 멤브레인으로서 주로 유기성 멤브레인이 사용되고 있으나 멤브레인에 탄소나노튜브를 적용한 예로서, 표면처리된 탄소나노튜브를 유기 용매에 분산시켜 이를 폴리에테르설폰과 혼합하여 나노복합체를 제조하고 이 나노복합체를 캐스팅하여 나노복합체 멤브레인을 제조하는 방법과, 이러한 유-무기 하이브리드 멤브레인이 무기물에 대하여 화학적 안정성을 가지면서 고분자의 특성도 함께 가질 수 있는 것으로 대한민국 등록특허공보(등록번호 10-1249403호)에 기재되어 있다.

또한, 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 표면에 형성된 활성층을 포함하되, 상기 활성층이 탄소나노튜브와 화학적으로 결합된 가교된 폴리아마이드계 또는 폴리에스터계의 고분자를 포함하는 탄소나노튜브 결합된 역삼투 복합막이, 높은 투과도와 염 제거율을 지닌 동시에 내오염성 및 내염소성이 우수하여 해수담수화 공정에 사용될 수 있는 것으로 대한민국 등록특허공보(등록번호 10-1374279호)에 기재되어 있다.

그러나, 종래의 멤브레인 기술로는 나노 사이즈의 신종 오염물질, 의약물질 등의 미량 오염물질을 안전하게 처리함에 한계가 있으며 소요 에너지도 많이 들어 새로운 멤브레인 모듈에 대한 기술개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 기존 멤브레인으로는 처리가 어려운 나노 사이즈의 신종 오염물질·의약물질까지도 처리가 가능한 멤브레인 모듈 방식을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수처리, 식음료, 의료 산업 등 다양한 분야에서 활용이 가능한 CNT결합 세라믹 멤브레인 모듈방식을 개발함으로써 현재 널리 사용중인 유기성 멤브레인을 대체할 수 있는 차세대 멤브레인 모듈 방식을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 바깥쪽은 유기성 UF 멤브레인으로 감싸고, 그 안쪽에 무기성 세라믹 멤브레인이 위치하며, 상기 무기성 세라믹 멤브레인의 표면에는 탄소나노튜브가 결합되어 있는 것을 포함하여 이루어지는 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈을 제공한다.

여기서 무기성 세라믹 멤브레인의 표면에 탄소나노튜브를 결합하는 것은 탄소나노튜브와 계면활성제를 초순수 정제수에 넣고 초음파를 이용하여 분산 및 원심분리 후 탄소나노튜브 상등액을 고온으로 유지된 무기성 세라믹 멤브레인에 스프레이하는 것을 포함하여 이루어진다.

또한 여기서 세라믹 멤브레인의 표면에 탄소나노튜브를 결합하는 것은 탄소나노튜브 결합면에 포함된 계면활성제를 제거하기 위해 초순수 정제수에 담근 후 열처리하는 것을 더 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈을 오염된 물속에 설치하여 오염수를 펌프의 구동에 의해 모듈의 바깥쪽으로부터 모듈의 안쪽으로 이동시키는 단계; 상기 모듈의 안쪽으로 이동시킨 오염수를 유기성 UF 멤브레인을 통해 1차 여과처리한 후, 탄소나노튜브가 결합된 무기성 세라믹 멤브레인을 통해 2차 여과처리하여 처리수를 모듈 바깥쪽으로 배출시키는 단계; 상기 여과처리 과정에서 모듈의 멤브레인 표면에 부착된 오염물질을 역세수로써 세정하여 제거시키는 역세단계;를 포함하여 이루어지는 수처리 시스템을 제공한다.

본 발명은 유기성의 UF 멤브레인 내부에 탄소나노튜브가 결합된 무기성의 세라믹 멤브레인을 제공하여 체거름 작용 및 흡착 메커니즘을 통해 신종 오염물질, 의약물질과 같은 대상오염물질로부터 처리수의 안전성을 제고하는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 세라믹 멤브레인의 표면에 탄소나노튜브를 간단하게 결합시키는 방법을 제공하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브가 결합된 수처리용 이중구조 멤브레인 모듈의 구성에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브가 결합된 수처리용 이중구조 멤브레인 모듈을 제조하기 위하여 계면활성제(SDS)와 초음파를 이용하여 탄소나노튜브를 분산시키는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브가 결합된 수처리용 이중구조 멤브레인 모듈의 조립에 대한 개념도이다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 이중구조 멤브레인 및 그를 이용한 수처리 시스템을 첨부된 도면에 의해 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브가 결합된 수처리용 이중구조 멤브레인 모듈의 구성에 대한 개념도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 이중구조 멤브레인 모듈의 바깥쪽은 유기성의 UF 멤브레인(1)이 감싸고, 그 안쪽에 세라믹 멤브레인(2)이 위치하며, 세라믹 멤브레인의 표면에는 탄소나노튜브(3)가 결합된다.

상기 3가지 소재가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈을 오염된 물속에 설치하면 모듈의 바깥쪽으로부터 오염수(4)가 펌프의 구동에 의해 모듈의 안쪽으로 이동하게 되는데, 이때 UF 멤브레인(1)을 통해 1차 여과처리되고, 1차 여과처리된 오염수가 세라믹 멤브레인(2)을 통해 2차 여과처리되어 깨끗해진 처리수(5)가 모듈 바깥쪽으로 배출된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 이중구조 멤브레인 모듈을 사용한 수처리 시스템에서는 모듈의 멤브레인 표면에 부착되어 모듈의 성능을 저하시키는 오염물질(7)을 역세과정(backwash)을 통해 제거하는 것을 포함한다.

세라믹 멤브레인(2)의 표면에 탄소나노튜브(3)를 결합시키는 방법은 아래와 같다.

1. 30 mg의 탄소나노튜브와 계면활성제로서 1 g의 소디움 도데실 설페이트(Sigma-aldrich, sodium dodecyl sulfate;SDS)를 초순수 정제수 100 ml에 넣고 초음파(ultrasonication; 315 Watt, 1h)를 이용하여 분산시킨다. 도 2는 계면활성제(SDS)와 초음파를 이용하여 탄소나노튜브를 분산시키는 개념도이다.

2. 뭉쳐있는 탄소나노튜브를 제거하기 위해 원심분리기(5000 g, 2h)를 사용하여 원심분리한다.

3. 원심분리된 상등액의 상층 50%만을 취하여 탄소나노튜브 결합에 사용한다.

4. 윈심분리된 탄소나노튜브 상등액 2.5~3.5 ml를 준비된 세라믹 멤브레인에 스프레이 건(Spray gun)을 이용하여 1 cm× 1 cm 면적의 탄소나노튜브가 결합된 세라믹 멤브레인을 제작한다.

5. 스프레이 건은 세라믹 멤브레인으로 부터 20 cm 위의 높이에 고정시키며, 핫플레이트(Hot plate)를 이용하여 세라믹 멤브레인의 온도를 120℃로 유지시킨다.

6. 탄소나노튜브 결합면에 포함된 소디움 도데실 설페이트(SDS)를 제거하기 위해 초순수 정제수에 1시간 동안 담근 후 300℃에서 30분간 열처리를 한다.

위와 같이 제작된 탄소나노튜브 결합된 세라믹 멤브레인을 미리 제작된 모듈 프레임 안에 넣고 그 위에 유기성 멤브레인을 덮은 뒤 상부 뚜껑을 덮고 나사를 체결한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브가 결합된 수처리용 이중구조 멤브레인 모듈의 조립에 대한 개념도로서 모듈의 하우징 하부 덮개(50) 위에 멤브레인 물받침대(40), 탄소나노튜브(30) 결합된 세라믹 멤브레인(20), 유기성 멤브레인(10)을 순차적으로 적층시킨 후, 그 위에 하우징 상부 덮개(60)를 덮고 체결용 볼트(70)와 체결용 너트(80)로써 하우징 상부 덮개(60)와 하우징 하부 덮개(50)를 체결함으로써 모듈 내부의 적층구조물을 고정시킨다.

원수는 모듈 상부에 위치한 포트(61)를 통하여 모듈 내로 이동하며, 먼저 유기성 멤브레인을 통과한 후 탄소나노튜브와 결합된 세라믹 멤브레인을 거쳐 처리된 후 모듈 하부 포트(51)로 배출된다.

본 발명의 일실시예에 따른 이중구조 멤브레인 모듈은 탄소나노튜브(3)가 결합된 세라믹 멤브레인의 성능에 의하여 기존 멤브레인으로는 처리가 어려운 나노 사이즈의 신종 오염물질 및 의약물질까지 완벽히 처리할 수 있다.

즉, 멤브레인 공경보다 작은 사이즈의 신종 오염물질, 의약물질을 탄소나노튜브와 결합된 세라믹 멤브레인의 체거름 작용 및 흡착 메커니즘을 이용해 완벽히 제거할 수 있으며, 특히 탄소나노튜브는 고유한 세포독성 특성을 가지고 있어 병원균의 성장을 막고 그로 인해 병원균이 비활성화 되어 탄소나노튜브에는 병원균이 축적되지 않고 역세척을 통해 쉽게 제거할 수 있게 된다.

[실험예]

실제 제작한 모듈을 통하여 실시한 실험결과는 다음과 같다.

단일벽(Single-wall) 탄소나노튜브를 이용하여 세라믹 멤브레인을 코팅하였으며, 실험에 사용한 의약물질은 발기부전제의 성분인 타다라필(Tadalafil)이다. 500 ppb의 농도로 주입하여 실험한 결과, 처리수의 농도는 약 360 ppb로 나타났으며, 고농도로 주입했기 때문에 처리효율이 낮아 보이지만, 자연수 중의 농도에서 본 발명을 적용해 실험할 경우 대부분의 대상물질이 효과적으로 처리될 것으로 예상되었다.

1; UF 멤브레인
2; 세라믹 멤브레인
3; 탄소나노튜브
4; 오염수
5; 처리수
6; 역세수
7; 오염물질
10; 유기성 멤브레인
20; 세라믹 멤브레인
30; 탄소나노튜브
40; 멤브레인 물받침대
50; 하우징 하부 덮개
51; 모듈 하부 포트
60; 하우징 상부 덮개
61; 모듈 상부 포트
70; 체결용 볼트
80; 체결용 너트

Claims (4)

1. 수처리용 멤브레인 모듈에 있어서,
   바깥쪽은 유기성 UF 멤브레인(1)으로 감싸고, 그 안쪽에 무기성 세라믹 멤브레인(2)이 위치하며, 상기 무기성 세라믹 멤브레인의 표면에는 탄소나노튜브(3)가 결합되어 있는 것을 포함하여 이루어지는 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 무기성 세라믹 멤브레인(2)의 표면에 탄소나노튜브(3)를 결합시키는 방법으로서, 탄소나노튜브와 계면활성제를 초순수 정제수에 넣고 초음파를 이용하여 분산 및 원심분리 후 탄소나노튜브 상등액을 고온으로 유지된 무기성 세라믹 멤브레인에 스프레이하는 것을 포함하여 이루어지는 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈.
3. 제2항에 있어서,
   탄소나노튜브 결합면에 포함된 계면활성제를 제거하기 위해 초순수 정제수에 담근 후 열처리하는 것을 더 포함하여 이루어지는 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈.
4. 상기 제1항의 탄소나노튜브가 결합된 이중구조 멤브레인 모듈을 오염된 물속에 설치하여 오염수(4)를 펌프의 구동에 의해 모듈의 바깥쪽으로부터 모듈의 안쪽으로 이동시키는 단계;
   상기 모듈의 안쪽으로 이동시킨 오염수(4)를 유기성 UF 멤브레인(1)을 통해 1차 여과처리한 후, 탄소나노튜브(3)가 결합된 무기성 세라믹 멤브레인(2)을 통해 2차 여과처리하여 처리수(5)를 모듈 바깥쪽으로 배출시키는 단계;
   상기 여과처리 과정에서 모듈의 멤브레인 표면에 부착된 오염물질(7)을 역세수(6)로써 세정하여 제거시키는 역세단계;를 포함하여 이루어지는 수처리 시스템.

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