KR101855417B1 - Hydrophobic ceramics hollow fiber membrane with high efficiency and strength, and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기공구조를 조절하여 스폰지 구조로 형성함으로써, 이산화탄소 흡수율을 향상시킬 수 있는 소수성 세라믹 중공사막을 제조하고, 이를 이산화탄소의 흡수를 위한 기-액 접촉분리막 장치에 응용하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 중공사막의 기공구조를 조절하여 스폰지 구조로 형성함으로써 기체와 중공사막의 저항을 최소화하고, 이로 인하여 이산화탄소의 투과량을 향상시키는데 더욱 효과적이다. 또한, 평균 기공크기가 작은 스폰지 구조의 특성으로 인한 비젖음성이 증가하여 기공을 통한 기체의 이동 및 물질 전달이 더욱 용이하여, 상기 중공사막을 기-액 접촉분리막 장치에 적용할 경우, 이산화탄소의 흡수율을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.
The present invention relates to a technique for manufacturing a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane capable of improving the carbon dioxide absorption rate by forming a sponge structure by controlling a pore structure, and applying the same to a gas-liquid contact membrane apparatus for absorbing carbon dioxide.
According to various embodiments of the present invention, the pore structure of the hollow fiber membrane is adjusted to form a sponge structure, thereby minimizing the resistance of the gas and the hollow fiber membrane, and thereby improving the permeation amount of carbon dioxide. In addition, since the nonwettability due to the characteristic of the sponge structure having a small average pore size is increased, the movement of the gas through the pores and the mass transfer can be facilitated. Therefore, when the hollow fiber membrane is applied to a gas- And the like.

Description

고효율과 고강도의 특성을 위한 소수성 세라믹 중공사막 및 이의 제조방법{Hydrophobic ceramics hollow fiber membrane with high efficiency and strength, and preparation method thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane for high-efficiency and high-strength characteristics, and a method for manufacturing the hollow fiber membrane.

본 발명은 고효율과 고강도의 특성을 위한 소수성 세라믹 중공사막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단면적 대비 95-100%의 스폰지 구조로 형성된 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막을 제조하였으며, 이러한 단일구조를 갖는 세라믹 중공사막은 기계적 강도, 기체 투과도 및 기체 흡수 특성이 모두 우수함과 동시에 막젖음성에 대한 소수성(고접촉각, 최소침투압력)을 구비한 것을 특징으로 하여, 상기 소수성 세라믹 중공사막을 이산화탄소의 흡수를 위한 기체-액체 접촉분리막 장치에 응용하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane for high efficiency and high strength characteristics, and more particularly, to a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane having a pore structure formed by a sponge structure of 95-100% The ceramic hollow fiber membrane having a single structure is characterized by being excellent in both mechanical strength, gas permeability and gas absorption characteristics, and having hydrophobicity (high contact angle, minimum infiltration pressure) against film wettability. The hydrophobic ceramic hollow fiber membrane is made of carbon dioxide Liquid contact separation membrane device for the absorption of water.

일반적으로 산업시대 이후에 대부분의 에너지는 화력발전을 이용하여 생산하였다. 상기 화력발전 과정 중에서 대표적인 온실가스인 이산화탄소가 대량으로 발생하였으며, 이로 인하여 지난 100년 동안 대기에 존재하는 이산화탄소의 농도가 급격히 증가하여 지구의 평균 기온이 약 2 ℃ 증가하였다.Generally, most of the energy after the industrial age was produced using thermal power generation. In the thermal power generation process, a large amount of carbon dioxide, which is a typical greenhouse gas, has been generated. As a result, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere has rapidly increased over the last 100 years, and the average temperature of the earth has increased by about 2 ° C.

지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 줄이기 위한 많은 연구가 진행되었으며, 특히 배출량이 가장 많은 발전소 분야에서 발생하는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 기술이 연구되어 왔다. 기존의 공정인 흡수 컬럼 공정에서 신규 흡수제 개발 등의 많은 연구가 이루어졌으나, 기체에 의한 범람, 비말 동반 등의 문제점이 발생하여 운전에 제약이 많은 단점을 나타낸다. Many researches have been carried out to reduce carbon dioxide, which is the main cause of global warming. In particular, technologies for capturing and storing carbon dioxide generated in a plant area having the highest emission have been studied. Although many studies have been conducted on the development of new absorbents in the existing absorption column process, problems such as flooding and entrainment due to gas are generated, which are disadvantageous in terms of operation.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 등장한 접촉막 공정은 기상과 액상을 접촉막으로 분리하였으며, 상기 기상과 액상을 독립적으로 운전하여 범람 및 거품 등의 문제점을 발생시키지 않고 높은 유량의 기체를 처리할 수 있다는 장점을 나타내었다.In order to solve these problems, the contact membrane process has been separated into a gas phase and a liquid phase by a contact membrane, and independently operating the gas phase and the liquid phase to treat a high flow rate gas without causing problems such as flooding and bubbling Respectively.

그러나, 상기 접촉막 공정에서 접촉막으로 주로 사용되는 고분자 중공사막은 낮은 열적 및 화학적 안정성 문제로 인하여 장기간 운전하기 어려운 문제점을 나타낸다. 또한, 이산화탄소는 기상, 접촉막 및 액상의 순으로 이동하면서 흡수되는데, 이때 각각 기상, 접촉막 및 액상의 저항을 받게 된다. 이러한 저항은 이산화탄소의 흡수율을 저하시키는 요인이 되는데, 기존의 접촉막은 기체와 접촉막 간의 저항으로 인하여 이산화탄소의 흡수율을 향상시키는데 한계가 있다.(특허문헌 1)However, the polymer hollow fiber membrane mainly used as a contact film in the contact membrane process has a problem that it is difficult to operate for a long time due to low thermal and chemical stability problems. In addition, carbon dioxide is absorbed while moving in the order of gas phase, contact film and liquid phase, each of which is subjected to resistance to gas phase, contact film and liquid phase. Such resistance is a factor for lowering the absorption rate of carbon dioxide. However, existing contact films have limitations in improving the absorption rate of carbon dioxide due to the resistance between the gas and the contact film. (Patent Document 1)

따라서, 본 발명에서는 기존의 고분자 분리막의 한계점인 열적 및 화학적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재를 사용하여 표면이 소수성으로 개질된 중공사막을 제조하였으며, 아울러 상기 기체와 접촉막 간의 저항을 최소화시킬 수 있도록 중공사막의 기공구조를 조절하여 향상된 이산화탄소 흡수율을 갖는 세라믹 중공사막을 제조하였다.
Accordingly, in the present invention, a hollow fiber membrane having a hydrophobic surface modified by using a ceramic material having excellent thermal and chemical stability, which is a limitation of a conventional polymer membrane, is prepared, and a hollow fiber membrane The porous hollow fiber membranes were prepared by controlling the pore structure of the ceramic hollow fiber membranes.

특허문헌 1. 한국등록특허 제10-1475568호Patent Document 1. Korean Patent No. 10-1475568

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 표면이 소수성으로 개질된 세라믹 중공사막을 제조하되, 상기 중공사막의 기공을 스폰지 구조의 단일구조로 조절하여, 열적 및 화학적 물성이 향상되고 동시에 이산화탄소의 흡수율을 향상시킬 수 있는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a ceramic hollow fiber membrane whose surface has been modified to have hydrophobicity by adjusting the pores of the hollow fiber membrane to a single structure of sponge structure, And to provide a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane having a novel pore structure capable of improving the physical properties and the absorption rate of carbon dioxide, and a method for producing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막으로서, 상기 기공구조는 스폰지 구조(sponge like structure)이고, 상기 스폰지 구조는 상기 중공사막의 단면적 대비 95 내지 100 %로 형성된 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane having a novel pore structure, wherein the pore structure is a sponge-like structure, and the sponge structure is 95 to 100% The present invention provides a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane having a novel pore structure.

상기 소수성 세라믹 중공사막은 물에 대한 접촉각이 130 내지 150 °의 값을 나타내어 비젖음성(non-wetting)을 갖는 것을 특징으로 한다.The hydrophobic ceramic hollow fiber membrane has a non-wetting property with a contact angle of 130 to 150 ° with respect to water.

상기 소수성 세라믹 중공사막은 직경이 0.08 내지 10 ㎛인 기공을 갖는 것을 특징으로 한다.The hydrophobic ceramic hollow fiber membrane is characterized by having pores having a diameter of 0.08 to 10 탆.

또한, 본 발명은 a) 알루미나 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 트리에틸포스파이트와 혼합하여 도프용액을 제조하는 단계, b) 상기 도프용액을 내부응고제와 함께 이중 방사노즐로 공급 및 토출하여 중공사를 형성하는 단계, c) 상기 중공사를 외부응고제와 접촉시켜 상전이 과정을 거치면서 건조 및 소결시켜 중공사막을 얻는 단계, 및 d) 상기 소결된 중공사막을 소수성 물질로 코팅시키는 단계를 포함하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a process for preparing a dope solution comprising the steps of: a) mixing a alumina particle, a polymeric binder and a dispersant with triethyl phosphite to prepare a dope solution, b) feeding and discharging the dope solution with an internal coagulant, (C) contacting the hollow fiber with an external coagulant to obtain a hollow fiber membrane by drying and sintering under a phase change process, and (d) coating the sintered hollow fiber membrane with a hydrophobic material. The present invention also provides a method for producing a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane having a structure of

상기 a) 단계는 알루미나 입자 100 중량부에 대하여, 고분자 바인더 1 내지 20 중량부, 분산제 0.1 내지 5 중량부 및 트리에틸포스파이트 40 내지 100 중량부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.The a) is characterized in that 1 to 20 parts by weight of a polymer binder, 0.1 to 5 parts by weight of a dispersant and 40 to 100 parts by weight of triethyl phosphite are mixed with 100 parts by weight of alumina particles.

상기 b) 단계는 0.5 내지 7 bar의 압출 압력(extrusion pressure)과 20 cm이하의 에어갭(air gap) 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.The step b) is performed in an atmosphere of an extrusion pressure of 0.5 to 7 bar and an air gap of 20 cm or less.

상기 상전이는 상온에서 10 내지 40 시간 동안 수행되며, 상기 건조는 100 내지 200 ℃의 온도에서 10 내지 40 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.The phase transition is performed at room temperature for 10 to 40 hours, and the drying is performed at a temperature of 100 to 200 DEG C for 10 to 40 hours.

상기 소결은 400 내지 800 ℃의 온도에서 소결시키는 1차 소결 단계, 상기 1차 소결 단계를 거친 후에 800 내지 1200 ℃의 온도에서 소결시키는 2차 소결 단계, 및 상기 2차 소결 단계를 거친 후에 1100 내지 1500 ℃의 온도에서 소결시키는 3차 소결 단계를 통해 수행되는 것을 특징으로 한다. (단, 상기 온도는 1차 소결 온도 < 2차 소결 온도 < 3차 소결 온도)Wherein the sintering is performed by a first sintering step of sintering at a temperature of 400 to 800 ° C, a second sintering step of sintering at a temperature of 800 to 1200 ° C after the first sintering step, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1500 C < / RTI &gt; (The above temperature is the first sintering temperature &lt; the second sintering temperature &lt; the third sintering temperature)

상기 고분자 바인더는 폴리에테르설폰, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아미드 및 폴리아크릴로니트릴 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.Wherein the polymer binder is at least one selected from the group consisting of polyethersulfone, polysulfone, polyetherimide, polyamide and polyacrylonitrile.

상기 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 또는 폴리비닐알코올인 것을 특징으로 한다.Wherein the dispersing agent is polyvinyl pyrrolidone or polyvinyl alcohol.

또한, 본 발명은 소수성 세라믹 중공사막을 포함하는 막 모듈을 제공한다.The present invention also provides a membrane module comprising a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane.

또한, 본 발명은 상기 막 모듈을 포함하는 중공사막 접촉장치를 제공한다.
The present invention also provides a hollow fiber membrane contact apparatus including the membrane module.

본 발명의 여러 구현예에 따르면, 세라믹 중공사막의 기공구조를 조절하여 스폰지 구조를 단일구조로 형성함으로써 기체와 중공사막의 저항을 최소화하고, 이로 인하여 이산화탄소의 투과량을 향상시키는데 더욱 효과적이다.According to various embodiments of the present invention, by controlling the pore structure of the ceramic hollow fiber membrane to form the sponge structure into a single structure, the resistance of the gas and the hollow fiber membrane is minimized, which is more effective in improving the permeation amount of carbon dioxide.

또한, 세라믹 중공사막의 표면을 소수성으로 개질하여 소수성이 향상됨으로써 기공을 통한 기체의 이동 및 물질 전달이 더욱 용이하여, 상기 세라믹 중공사막을 기체-액체 접촉분리막 장치에 적용할 경우, 이산화탄소의 흡수율을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.
In addition, since the hydrophobic property of the surface of the ceramic hollow fiber membrane is improved, the movement of the gas through the pores and the mass transfer of the gas are facilitated. Therefore, when the ceramic hollow fiber membrane is applied to a gas- And exhibit remarkable effects.

도 1은 기상의 이산화탄소가 중공사막을 거쳐 액상으로 흡수되는 과정을 도시화한 모식도이다.
도 2는 중공사막의 핑거 구조와 스폰지 구조가 생성되는 과정을 도시화한 모식도이다.
도 3은 실시예 및 비교예 1 내지 3의 알루미나 중공사막의 단면을 주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy, SEM)으로 측정한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 실시예, (b)는 비교예 1, (c)는 비교예 2, (d)는 비교예 3을 나타낸다.
도 4는 실시예 및 비교예 1 내지 4의 중공사막을 접촉각 측정 장치를 이용하여 접촉각을 측정한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 실시예, (b)는 비교예 1, (c)는 비교예 2, (d)는 비교예 3, (e)는 비교예 4를 나타낸다.
도 5는 실시예 및 비교예 1 내지 3의 중공사막에 대한 기체투과도를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 및 비교예 1 내지 3의 중공사막의 이산화탄소에 대한 흡수량을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예에서 사용된 이산화탄소의 흡수실험장치를 나타낸 모식도이다.
1 is a schematic diagram showing a process of absorbing gaseous carbon dioxide into a liquid phase via a hollow fiber membrane.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a process of generating a finger structure and a sponge structure of a hollow fiber membrane.
3 is an image showing the results of measurement of cross sections of the alumina hollow fiber membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 3 by scanning electron microscopy (SEM), wherein (a) is an example, (b) 1, (c) shows Comparative Example 2, and (d) shows Comparative Example 3.
FIG. 4 is an image showing the results of measurement of the contact angle using the contact angle measuring apparatus of the hollow fiber membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 4, wherein (a) is an example, (b) Comparative Example 2, (d) shows Comparative Example 3, and (e) shows Comparative Example 4.
FIG. 5 is a graph showing the measurement results of gas permeabilities of the hollow fiber membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 3. FIG.
FIG. 6 is a graph showing the measurement results of the absorbed amounts of carbon dioxide in the hollow fiber membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 3.
FIG. 7 is a schematic diagram showing an apparatus for experimenting absorption of carbon dioxide used in Examples. FIG.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명은 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막으로서, 상기 기공구조는 스폰지 구조(sponge like structure)이고, 상기 스폰지 구조는 상기 중공사막의 단면적 대비 95 내지 100 %로 형성된 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막을 제공한다.The present invention relates to a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane having a novel pore structure, wherein the pore structure is a sponge-like structure, and the sponge structure is formed at 95 to 100% of a cross-sectional area of the hollow fiber membrane. Thereby providing a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane.

종래에는 이산화탄소 흡수를 위한 기체-액체(이하 '기-액'이라 함) 접촉분리막 장치에 사용되는 다공성 유기 고분자 중공사막이 흡수액으로 인한 팽창(swelling)현상 때문에 형태가 변형되어 이산화탄소 흡수율이 급격히 감소하는 문제를 극복하고자 중공사막의 소재를 금속산화물 기반의 세라믹인 알루미나로 정하였다. 그러나 알루미나 중공사막은 표면에 존재하는 히드록시기(-OH)로 인하여 친수성을 갖기 때문에, 흡수제가 기공을 채우는 젖음(wetting) 현상이 발생하여 막의 기공을 통한 물질전달이 원활하지 않아 역시 이산화탄소 흡수율이 떨어지는 단점이 나타낸다. Conventionally, the porous organic polymer hollow fiber membrane used in a gas-liquid contact membrane apparatus for absorbing carbon dioxide (hereinafter referred to as "gas-liquid") is deformed due to a swelling phenomenon caused by an absorbent solution, In order to overcome the problem, the material of the hollow fiber membrane was defined as alumina, which is a metal oxide based ceramic. However, since the alumina hollow fiber membrane has hydrophilicity due to the hydroxyl group (-OH) present on the surface, wetting phenomenon occurs in which the absorbent fills the pores and the permeation of the substance through the pores of the membrane is not smooth. Respectively.

또한, 상기 고분자 중공사막은 핑거 구조(finger-like structure)와 스폰지 구조(sponge-like structure)가 혼합된 형태로 제조되는데, 상대적으로 기공의 크기가 큰 핑거 구조는 모세관 현상으로 인하여 불필요한 액체를 함께 흡수하여 투과되는 이산화탄소의 양을 저하시키는 요인으로 작용한다.In addition, the polymer hollow fiber membrane is manufactured by mixing a finger-like structure and a sponge-like structure. A finger structure having a relatively large pore size may cause an unnecessary liquid Which is a factor for lowering the amount of carbon dioxide that is absorbed and permeated.

뿐만 아니라, 중공사막의 기공구조는 중공사가 방사되는 과정 중에서 용매와 비용매의 상호작용으로 인해 생성되는데, 혼화성이 높은 용매와 비용매는 크기가 큰 핑거 형태의 기공 구조를 생성시키며, 반대로 혼화성이 낮은 용매와 비용매는 스폰지 형태의 기공 구조를 발달시키게 된다. 그리고, 방사 과정 중에서 중공사의 내부가 비용매와 먼저 상호교환이 일어나는 경우에는 내부의 핑거 구조가 외부의 핑거 구조보다 발달하게 된다.In addition, the pore structure of the hollow fiber membrane is generated due to the interaction of the solvent and the non-solvent in the spinning process of the hollow fiber. The solvent having high miscibility and the non-solvent form a pore structure having a large finger shape, This low solvent and non-solvent leads to the development of a pore structure in the form of a sponge. When the hollow fibers are exchanged with the non-hollow fibers in the spinning process, the inner finger structure develops more than the outer finger structure.

이와 관련하여, 도 2는 핑거 구조와 스폰지 구조가 생성되는 과정을 도시화한 것으로, 도 2에서 보는 바와 같이 핑거 구조(finger-like structure)는 기공이 길고 크게 형성되어 마치 핑거(finger) 형태로 형성된 것을 가리킨다. 반면에 스폰지 구조(sponge-like structure)는 기공의 크기가 작고 균일하게 형성된 것을 의미한다. In this regard, FIG. 2 illustrates a process in which a finger structure and a sponge structure are produced. As shown in FIG. 2, a finger-like structure has a long pore and is formed as a finger . On the other hand, the sponge-like structure means that the pore size is small and uniformly formed.

즉, 본 발명에서는 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 친수성인 알루미나 중공사막의 표면을 소수성으로 개질하였으며, 상기 세라믹 중공사막의 기공구조를 핑거 구조가 형성되지 않은 스폰지 구조로만 이루어진 단일구조로 제어하여 이산화탄소의 흡수율을 현저히 향상시키고자 한다.That is, in order to solve the problems of the prior art described above, the present invention has been made to modify the hydrophilic surface of the alumina hollow fiber membrane to be hydrophobic and to control the pore structure of the ceramic hollow fiber membrane to a single structure consisting of a sponge structure without a finger structure So that the absorption rate of carbon dioxide is remarkably improved.

상기 세라믹 중공사막의 기공은 직경이 0.08 내지 10 ㎛인 크기를 갖는 것이 바람직한데, 상기 기공의 크기가 0.08 ㎛ 미만이면, 기-액 접촉분리막 장치에 적용시켰을 때 기체 흡수율이 급격히 낮아지는 문제점을 가지며, 10 ㎛를 초과하면, 기체의 최소침투압력(0.15 bar)이 현저히 낮아져 기-액 접촉분리막 장치를 비젖음(non-wetting)모드로 운전할 수 없어, 결국 기체의 흡수량이 감소하는 문제점을 초래한다.It is preferable that the pores of the ceramic hollow fiber membrane have a diameter of 0.08 to 10 mu m. When the pore size is less than 0.08 mu m, there is a problem that the gas absorption rate is rapidly lowered when applied to a gas- , And if it is more than 10 μm, the minimum penetration pressure (0.15 bar) of the gas is significantly lowered, and the gas-liquid contact separation membrane apparatus can not be operated in a non-wetting mode, resulting in a problem that the amount of gas absorption is reduced .

특히, 상기 세라믹 중공사막의 기공 크기는 0.08 내지 1 ㎛ 직경을 갖는 것이 더욱 바람직한데, 고온의 기-액 접촉분리막 장치의 탈거공정에서 흡수액의 접촉각과 표면 장력 수치가 낮아지는 특성으로 인하여, 보다 균일하고 미세한 기공의 크기를 갖는 것이 이산화탄소의 흡수 효율을 증가시킬 수 있기 때문이다.Particularly, it is more preferable that the pore size of the ceramic hollow fiber membrane has a diameter of 0.08 to 1 占 퐉. Due to the characteristic that the contact angle of the absorbing liquid and the surface tension value are lowered in the process of removing the gas- And having a fine pore size can increase the absorption efficiency of carbon dioxide.

이때, 상기 최소침투압력은 소수성(접촉각) 특성에도 영향을 받는데, 상기 접촉각이 증가할수록(소수성이 증가) 최소침투압력도 증가하게 된다.At this time, the minimum penetration pressure is also influenced by the hydrophobic (contact angle) characteristic. As the contact angle increases, the hydrophobic property increases and the minimum penetration pressure also increases.

따라서, 본 발명에 따른 세라믹 중공사막은 물에 대한 접촉각이 130 내지 150 °의 값을 갖는 것이 바람직하다.
Therefore, the ceramic hollow fiber membrane according to the present invention preferably has a contact angle of 130 to 150 ° with respect to water.

또한, 본 발명은 a) 알루미나 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 트리에틸포스파이트와 혼합하여 도프용액을 제조하는 단계, b) 상기 도프용액을 내부응고제와 함께 이중 방사노즐로 공급 및 토출하여 중공사를 형성하는 단계, c) 상기 중공사를 외부응고제와 접촉시켜 상전이 과정을 거치면서 세정, 건조 및 소결시켜 중공사막을 얻는 단계, 및 d) 상기 소결된 중공사막을 소수성 물질로 코팅시키는 단계를 포함하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a process for preparing a dope solution comprising the steps of: a) mixing a alumina particle, a polymeric binder and a dispersant with triethyl phosphite to prepare a dope solution, b) feeding and discharging the dope solution with an internal coagulant, C) contacting the hollow fiber with an external coagulant to obtain a hollow fiber membrane by washing, drying and sintering through a phase transition process, and d) coating the sintered hollow fiber membrane with a hydrophobic material. A method for producing a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane having a novel pore structure is provided.

상기 a) 단계는 도프용액을 제조하는 단계로, 알루미나 입자 100 중량부에 대하여, 고분자 바인더 1 내지 20 중량부, 분산제 0.1 내지 5 중량부 및 트리에틸포스파이트 40 내지 100 중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.The step a) is a step of preparing a dope solution, wherein 1 to 20 parts by weight of a polymer binder, 0.1 to 5 parts by weight of a dispersant, and 40 to 100 parts by weight of triethyl phosphite are mixed with 100 parts by weight of alumina particles .

상기 함량 범위는 도프용액 내에서 분산성 및 중공사막을 제조하는 과정에서의 제막을 최적화할 수 있는 범위로서, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 상기 분산성이 저하되거나, 중공사막의 기공구조가 잘 형성되지 않을 우려가 있어 바람직하지 않다.The above content range is a range capable of optimizing the dispersibility in the dope solution and the film formation in the process of producing the hollow fiber membrane. If the content is out of the above range, the dispersibility is lowered or the pore structure of the hollow fiber membrane is not well formed It is not desirable because there is a possibility that it may not be.

특히, 상기 트리에틸포스파이트 용매를 사용할 때 상기 분산제가 0.1 중량부 미만이면 분산성이 낮아지므로 교반이 어려운 문제점을 갖고, 점도는 기존 용매보다 낮아서 용매를 최대 100 중량부까지 첨가하여도 성공적으로 중공사막의 방사가 가능하다. Particularly, when the triethylphosphite solvent is used, if the amount of the dispersing agent is less than 0.1 parts by weight, the dispersibility of the dispersing agent tends to be low. Therefore, the stirring is difficult and the viscosity is lower than that of the conventional solvent. Desert radiation is possible.

상기 알루미나는 알파 알루미나(α-Al2O3) 또는 감마 알루미나(γ-Al2O3)인 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에서는 복합소재를 사용하지 않고, 세라믹 소재인 알루미나를 단독으로 사용함으로써, 높은 기공율과 우수한 기계적 강도를 얻을 수 있어 경제적인 측면에서도 탁월한 효과를 나타낸다. The alumina is preferably an alpha-alumina (α-Al 2 O 3) or gamma-alumina (γ-Al 2 O 3) . Particularly, in the present invention, by using alumina as a ceramic material alone without using a composite material, a high porosity and an excellent mechanical strength can be obtained, and thus an excellent effect is obtained even in an economical aspect.

상기 고분자 바인더는 상기 알루미나 입자의 결합제로서 역할을 하며, 폴리에테르설폰, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아미드 및 폴리아크릴로니트릴 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. The polymer binder serves as a binder for the alumina particles and is preferably at least one selected from the group consisting of polyethersulfone, polysulfone, polyetherimide, polyamide and polyacrylonitrile.

상기 분산제는 유기용매에서 알루미나 입자의 분산성을 향상시키는 역할을 하며, 폴리비닐피롤리돈, 또는 폴리비닐알코올인 것이 바람직하다.The dispersing agent serves to improve the dispersibility of the alumina particles in the organic solvent, and is preferably polyvinylpyrrolidone or polyvinyl alcohol.

그리고, 상기 트리에틸포스파이트는 유기용매로서, 상기 중공사막의 기공구조를 스폰지 구조로 형성시키는 역할을 한다.The triethyl phosphite serves as an organic solvent to form the pore structure of the hollow fiber membrane into a sponge structure.

특히, 유기용매로서, 상기 트리에틸포스파이트가 아닌 다른 n-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 또는 디메틸술폭시드와 같은 유기용매를 사용할 경우에는 스폰지 구조가 일부만 형성되어 핑거 구조와 혼합된 복합 형태로 형성되므로, 반드시 상기 트리에틸포스파이트를 단독으로 사용하여야만 스폰지 구조를 단독으로 형성할 수 있다.Particularly when an organic solvent such as n-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide or dimethylsulfoxide other than the triethylphosphite is used as the organic solvent, only a part of the sponge structure is formed and mixed with the finger structure . Therefore, the triethyl phosphite must be used alone to form the sponge structure singly.

상술한 바와 같이 스폰지 구조가 단일구조로 형성되면 이산화탄소의 흡수량 즉, 투과성을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기공의 팽윤(swelling) 현상을 발생시키지 않기 때문에 기체 분리막으로서의 안정성 측면에서도 탁월한 효과를 나타낸다.As described above, when the sponge structure is formed into a single structure, the absorption amount of carbon dioxide, that is, the permeability can be increased, and swelling phenomenon of pores does not occur, and therefore, the sponge structure exhibits an excellent effect in terms of stability as a gas separation membrane.

상기 b) 단계는 중공사를 형성하는 단계로, 상기 도프용액을 내부응고제와 함께 이중 방사노즐로 0.5 내지 7 bar의 압출 압력(extrusion pressure)으로 수행되는 것이 바람직한데, 이는 상기 트리에틸포스파이트 용매를 사용하게 되면 기존의 용매 대비 높은 방사 압력을 필요로 하기 때문이다. 또한, 에어 갭(air gap)은 20 cm이하에서 공급하고 토출하여 중공사를 형성시키는 것이 바람직하며, 즉, 상기 에어갭은 0에서도 방사가 가능하나 더욱 바람직하게는 0.01 내지 20 cm이다. 상기 에어갭이 20 cm를 초과하면 중공사막이 방사되면서 끊기게 되므로 바람직하지 않다.The step b) is preferably a step of forming a hollow fiber, and the dope solution is preferably carried out with an internal coagulant in a double spinning nozzle at an extrusion pressure of 0.5 to 7 bar. This is because the triethylphosphite solvent It is necessary to use higher radiation pressure than the conventional solvent. In addition, it is preferable that the air gap is supplied at 20 cm or less and discharged to form a hollow fiber, that is, the air gap can be radiated at zero, more preferably 0.01 to 20 cm. If the air gap is more than 20 cm, the hollow fiber membrane is spun and cut off.

따라서, 상기 압출 압력과 에어 갭 범위를 벗어나는 경우에는 기공구조를 조절하기 어려운 문제점이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다. Therefore, when the extrusion pressure is out of the range of the air gap, it is difficult to control the pore structure, which is not preferable.

그리고, 본 발명에서는 3중 이상의 방사노즐을 사용하지 않고, 2중의 방사노즐을 사용하여 중공사막의 기공 구조를 조절할 수 있기 때문에, 중공사막을 제조하는 공정이 편리한 장점을 지닌다.In the present invention, since the pore structure of the hollow fiber membrane can be adjusted by using the double spinning nozzle without using three or more spinning nozzles, the process for producing the hollow fiber membrane is convenient.

상기 내부응고제로는 도프용액 중 용매와의 상호작용을 통해 분리막에 기공을 형성할 수 있는 물질을 사용하며, 히드록시기(-OH) 작용기가 있는 용매라면 모두 사용이 가능하나, 바람직하게는 물, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이다.As the internal coagulant, a substance capable of forming pores in the separation membrane through interaction with a solvent in the dope solution is used. Any solvent having a hydroxyl group (-OH) function can be used, preferably water, ethanol , Propanol, and butanol.

상기 c) 단계는 중공사막을 얻는 단계로, 상기 b) 단계를 통해 형성된 중공사를 외부응고제와 접촉시켜 상온에서 10 내지 40 시간 동안 상전이 시키는 과정을 거치는 것이 바람직하다. 그리고, 상전이된 중공사를 100 내지 200 ℃의 온도에서 10 내지 40 시간 동안 건조시킨 후, 400 내지 1500 ℃의 온도에서 소결시켜 중공사막을 제조하는 것이 더욱 바람직한다.The step c) is preferably a step of obtaining a hollow fiber membrane, wherein the hollow fiber formed through the step b) is contacted with an external coagulant and subjected to phase transformation at room temperature for 10 to 40 hours. It is further preferable that the hollow fiber is dried at a temperature of 100 to 200 ° C for 10 to 40 hours and then sintered at a temperature of 400 to 1500 ° C to produce a hollow fiber membrane.

상기 소결은 400 내지 800 ℃의 온도에서 소결시키는 1차 소결 단계, 상기 1차 소결 단계를 거친 후에 800 내지 1200 ℃의 온도에서 소결시키는 2차 소결 단계, 및 상기 2차 소결 단계를 거친 후에 1100 내지 1500 ℃의 온도에서 소결시키는 3차 소결 단계를 통해 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 소결 온도는 1차 소결 < 2차 소결 < 3차 소결의 순서로, 3차 소결 온도가 가장 높은 것이 바람직하다.Wherein the sintering is performed by a first sintering step of sintering at a temperature of 400 to 800 ° C, a second sintering step of sintering at a temperature of 800 to 1200 ° C after the first sintering step, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1500 C < / RTI &gt; At this time, the sintering temperature is preferably in the order of first sintering <second sintering <third sintering, and the third sintering temperature is the highest.

이때, 상기 1차 소결 온도에 도달하기 위한 승온 속도는 1 내지 5 ℃/min인 것이 바람직하며, 2차 및 3차 소결 온도에 도달하기 위한 승온 속도는 2 내지 10 ℃/min인 것이 바람직하다.(단, 2차 및 3차의 승온 속도가 1차 승온 속도보다 높은 것이 더욱 바람직하다.) 중공사막 내부의 수분과 고분자(도프용액 제조 시 사용한 용매, 바인더, 첨가제)를 모두 하소시키고, 단일 알루미나로 이루어진 최종 소결체를 얻기 위해서는 상기의 3단계 소결 공정을 거치는 것이 바람직하다. 즉, 상기 3단계의 소결공정을 통해 높은 기계적 강도와 상안정성 확보하기 위해서 불순물이 없는 단일 알루미나 중공사막을 형성할 수 있다.At this time, the rate of temperature increase for reaching the first sintering temperature is preferably 1 to 5 ° C / min, and the rate of temperature rise for reaching the second and third sintering temperatures is preferably 2 to 10 ° C / min. (It is more preferable that the rate of temperature rise of the secondary and tertiary is higher than the rate of temperature rise of the primary.) The water and the polymer in the hollow fiber membrane (solvent, binder, and additive used in the preparation of the dope solution) It is preferable to carry out the above-described three-step sintering process. That is, a single alumina hollow fiber membrane having no impurities can be formed in order to secure high mechanical strength and phase stability through the above three-step sintering process.

상기 d) 단계는 중공사막을 소수성 물질로 코팅하여 표면을 개질시키는 단계로, 상기 중공사막을 과불화옥틸에틸트리메톡시실란 용액에 담지시켜 코팅하는 것을 특징으로 한다.In the step d), the hollow fiber membrane is coated with a hydrophobic substance to modify the surface thereof, and the hollow fiber membrane is coated on the perfluorooctylethyltrimethoxysilane solution to coat the hollow fiber membrane.

상기 과불화옥틸에틸트리메톡시실란은 말단의 메틸기에서 수소 이온이 세라믹 중공사막 표면의 히드록시기와 반응하여 물을 내놓는 짝지음 반응(coupling reaction)을 통해 화학적으로 결합하고, 이는 과불화옥틸에틸트리메톡시실란 반대쪽 말단인 탄소사슬이 중공사막의 표면으로 나와 친수성인 히드록시기를 가리면서 소수성을 갖게 하는 역할을 한다. The perfluorooctylethyltrimethoxysilane chemically bonds through a coupling reaction in which a hydrogen ion reacts with a hydroxyl group on the surface of the ceramic hollow fiber membrane at a terminal methyl group and releases water, The carbon chain at the opposite end of the toxic silane comes out of the surface of the hollow fiber membrane and functions to hydrophilize the hydrophilic hydroxy group.

상기 과불화옥틸에틸트리메톡시실란 용액은 n-헥산과 같은 유기용매에 과불화알킬실란 화합물을 용해시킨 것으로, 상기 용액은 0.005 내지 0.05 mol/L의 농도로 제조된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 농도 범위가 0.005 mol/L 미만이면 코팅층이 균일하게 형성되기 어렵고, 0.05 mol/L를 초과하면 코팅층이 지나치게 두꺼워져 이산화탄소의 흡수율이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.The perfluorooctylethyltrimethoxysilane solution is prepared by dissolving a perfluorinated alkylsilane compound in an organic solvent such as n-hexane, and the solution is preferably used at a concentration of 0.005 to 0.05 mol / L. If the concentration range is less than 0.005 mol / L, the coating layer is difficult to uniformly form. If the concentration range is more than 0.05 mol / L, the coating layer becomes too thick to lower the absorption rate of carbon dioxide.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.

(시약 및 기구)(Reagents and apparatus)

1. 시약1. Reagents

1-methyl-2-pyrrolidone(99.5%), dimethylsulfoxide(99.8%), dimethylacetamide(99.5%) 및 n-hexane(96%)은 SAMCHUN PURE chemical 사에서 구입한 것을 사용하였고, triethylphosphite(99%)는 Junsei chemical 사에서 구입한 것을 사용하였으며, polyethersulfone은 BASF 사(Ultrason

Figure 112016043088925-pat00001
E6020P)에서 구입한 것을 사용하였다. 그리고 polyvinylpyrrolidone 은 SIGMA-ALDRICH 사에서 구입한 것을 사용하였고, Heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyltrimethoxsilane(perfluoro-octylethyl trimethoxy silane, ≥98%)는 SOOYANG chemtec 사에서 구입한 것을 사용하였다.(99.5%), dimethylsulfoxide (99.8%), dimethylacetamide (99.5%) and n-hexane (96%) were purchased from SAMCHUN PURE chemical and triethylphosphite (99% The polyethersulfone was purchased from BASF (Ultrason
Figure 112016043088925-pat00001
E6020P) was used. The polyvinylpyrrolidone was purchased from SIGMA-ALDRICH. Heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyltrimethoxysilane (perfluoro-octylethyl trimethoxy silane, ≥98%) was purchased from SOOYANG chemtec.

2. 기구2. Organization

진공펌프는 Varian 사의 IDP-3를 사용하였고, 전자 주사 현미경은 Hitachi 사의 S-4800을 사용하였으며, 적외선 분광광도계는 Bruker 사의 Vertex-70을 사용하였다. 그리고, 접촉각 측정 장치는 SEO 사의 Phoenix-I를 사용하였고, X-선 회절분석기는 Rigaku 사의 ultima IV를 사용하였다.The vacuum pump used was IDP-3 from Varian, the S-4800 from Hitachi, and the Vertex-70 from Bruker for infrared spectrophotometer. The contact angle measuring apparatus was Phoenix-I manufactured by SEO, and the X-ray diffractometer was Rigaku's ultima IV.

또한, 이산화탄소 흡수 실험에 사용된 장치는 도 7에 나타낸 바와 같이, 스테인리스 재질의 튜브 내부에 중공사막을 넣어 에폭시 접착제로 밀봉하고 양 끝을 피팅에 연결시켜 제작한 모듈을 사용하였다. 상기 모듈은 단일 분리막 모듈을 사용하여 이산화탄소 흡수 장치를 완성하였고, 실험 전 각 라인에 순도 99.9999%의 질소를 5 bar로 가압하여 스누피(snoopy, TM Swagelok사)로 가수 누출이 되지 않는 것을 확인하였다. 실험 모듈로 99.9999% 순도의 이산화탄소와 질소를 질량유량계(Mass flow controller, 5850E, Brooks 사)를 이용하여 이산화탄소를 포함한 모사가스를 공급하였으며, 흡수액은 MEA 수용액을 기어펌프(Gear pump, REGLO-Z Digital, ISMATEC 사)를 이용하여 흘려보내 실험을 진행하였다.
As shown in FIG. 7, the apparatus used for the carbon dioxide absorption experiment was a module formed by inserting a hollow fiber membrane into a tube made of stainless steel, sealing it with an epoxy adhesive, and connecting both ends to fittings. The module used a single membrane module to complete the carbon dioxide absorbing device. Nitrogen of 99.9999% purity was pressurized to 5 bar on each line before the experiment, and it was confirmed that the leakage of the water was not caused by snoopy (TM Swagelok). CO2 and nitrogen of 99.9999% purity were supplied to the experimental module using a mass flow controller (5850E, Brooks). The absorbing solution was a GEA pump (REGLO-Z Digital , ISMATEC Co., Ltd.).

(( 실시예Example ) ) 트리에틸포스파이트Triethyl phosphite (( triethylphosphite트리 에릭스 플러스 , , TEPTEP ) 용매를 이용한 소수성 알루미나 중공사막의 제조) Preparation of Hydrophobic Alumina Hollow Fiber Membrane Using Solvent

polyethersufone을 triethylphosphite 용매에 넣고 150 rpm의 속도로 교반한 후, α-Al2O3 분말 360 g과 polyvinylpyrrolidone 6 g을 투입하고 교반하여 도프용액을 제조하였다. 제조된 도프용액은 스테인리스 탱크에 넣고 1 시간 동안 진공펌프를 이용하여 탈포공정을 수행한다. 탈포공정이 수행된 도프용액은 내경이 1.2 mm이고, 외경이 3 mm인 노즐을 이용하여 방사하여 중공사막을 제조하고, 제조된 중공사막은 하루 동안 상전이 과정을 거치며 건조시킨 후에 1300 ℃의 온도에서 소결하였다. 마지막으로 소결된 중공사막의 표면을 소수성으로 개질시키기 위하여, 과불화옥틸에틸트리메톡시실란(perfluoro-octylethyl trimethoxy silane)을 n-hexane 용매에 0.01 mol/L 농도로 용해시킨 용매에 상기 중공사막을 2 시간 동안 담궈 반응시킨 후, n-hexane으로 3 회 세척하고 120 ℃의 오븐에서 24 시간 동안 건조시킴으로써, 표면이 소수성으로 개질된 알루미나 중공사막을 제조하였다. (단, 방사조건은 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조건을 실시하였다.)
Polyethersufone was added to triethylphosphite solvent and stirred at a speed of 150 rpm. 360 g of α-Al 2 O 3 powder and 6 g of polyvinylpyrrolidone were added and stirred to prepare a dope solution. The prepared dope solution is placed in a stainless steel tank and defoaming process is performed using a vacuum pump for 1 hour. The dope solution subjected to the defoaming process was spinned using a nozzle having an inner diameter of 1.2 mm and an outer diameter of 3 mm to produce a hollow fiber membrane. The hollow fiber membrane was subjected to phase transformation for one day, dried, and then dried at a temperature of 1300 ° C. And sintered. Finally, in order to modify the surface of the sintered hollow fiber membrane to hydrophobicity, perfluoro-octylethyl trimethoxy silane was dissolved in n-hexane solvent at a concentration of 0.01 mol / L to prepare a hollow fiber membrane. 2 hours, washed three times with n-hexane, and dried in an oven at 120 ° C. for 24 hours to prepare an alumina hollow fiber membrane whose surface was modified to be hydrophobic. (Conditions for spinning were as shown in Table 1 below).

(( 비교예Comparative Example 1) n- 1) n- 메틸methyl -2--2- 피롤리돈Pyrrolidone (n-methyl-2-(n-methyl-2- pyrrolidone피리로드로one , , NMPNMP ) 용매를 이용한 소수성 알루미나 중공사막의 제조) Preparation of Hydrophobic Alumina Hollow Fiber Membrane Using Solvent

실시예 1과 동일하게 실시하되, triethylphosphite 용매 대신에 1-methyl-2-pyrrolidone을 사용하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 1-methyl-2-pyrrolidone was used instead of triethylphosphite.

(( 비교예Comparative Example 2)  2) 디메틸술폭시드Dimethyl sulfoxide (( dimethyldimethyl sulfoxidesulfoxide , , DMSODMSO ) 용매를 이용한 소수성 알루미나 중공사막의 제조) Preparation of Hydrophobic Alumina Hollow Fiber Membrane Using Solvent

실시예 1과 동일하게 실시하되, triethylphosphite 용매 대신에 dimethylsulfoxide을 사용하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that dimethylsulfoxide was used instead of triethylphosphite.

(( 비교예Comparative Example 3)  3) 디메틸아세트아미드Dimethylacetamide (( dimethylacetamidedimethylacetamide , , DMAcDMAc ) 용매를 이용한 소수성 알루미나 중공사막의 제조) Preparation of Hydrophobic Alumina Hollow Fiber Membrane Using Solvent

실시예 1과 동일하게 실시하되, triethylphosphite 용매 대신에 dimethylacetamide을 사용하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that dimethylacetamide was used instead of triethylphosphite.

(( 비교예Comparative Example 4) 친수성 알루미나 중공사막의 제조 4) Preparation of hydrophilic alumina hollow fiber membrane

polyethersufone을 triethylphosphite 용매에 넣고 150 rpm의 속도로 교반한 후, α-Al2O3 분말 360 g과 polyvinylpyrrolidone 3 g을 투입하고 교반하여 도프용액을 제조하였다. 제조된 도프용액은 스테인리스 탱크에 넣고 1 시간 동안 진공펌프를 이용하여 탈포공정을 수행한다. 탈포공정이 수행된 도프용액은 내경이 0.4 mm이고, 외경이 1.75 mm인 노즐을 이용하여 방사하여 중공사막을 제조하고, 제조된 중공사막은 하루 동안 상전이 과정을 거치며 건조시킨 후에 1300 ℃의 온도에서 소결시켜 중공사막을 제조하였다.Polyethersufone was added to the triethylphosphite solvent and stirred at a speed of 150 rpm. 360 g of α-Al 2 O 3 powder and 3 g of polyvinylpyrrolidone were added and stirred to prepare a dope solution. The prepared dope solution is placed in a stainless steel tank and defoaming process is performed using a vacuum pump for 1 hour. The dope solution subjected to the defoaming process was spun using a nozzle having an inner diameter of 0.4 mm and an outer diameter of 1.75 mm to produce a hollow fiber membrane. The hollow fiber membrane was subjected to phase transformation for one day, dried, and then dried at a temperature of 1300 ° C And sintered to produce a hollow fiber membrane.

구분division Air gap(cm)Air gap (cm) Inner coagulant rate(ml/min)Inner coagulant rate (ml / min) Extrusion pressure(N2, bar)Extrusion pressure (N 2 , bar) 실시예Example 1010 55 22 비교예1Comparative Example 1 1010 1010 1One 비교예2Comparative Example 2 1010 1010 1One 비교예3Comparative Example 3 1010 1010 1One 비교예4Comparative Example 4 1010 55 22

도 3은 실시예 및 비교예 1 내지 3의 알루미나 중공사막의 단면을 주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy, SEM)으로 측정한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 실시예, (b)는 비교예 1, (c)는 비교예 2, (d)는 비교예 3을 나타낸다.3 is an image showing the results of measurement of cross sections of the alumina hollow fiber membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 3 by scanning electron microscopy (SEM), wherein (a) is an example, (b) 1, (c) shows Comparative Example 2, and (d) shows Comparative Example 3.

도 3을 참조하면, 비교예 1 내지 3의 중공사막의 경우에는 핑거 구조가 중공사막 단면의 내측, 외측, 또는 양측 모두에 형성되고, 그 사이에 스폰지 구조가 존재하는 비대칭 구조임을 알 수 있다. 반면에, 실시예의 경우에는 단면 전체가 스폰지 구조로 형성되어 핑거 구조가 사라진 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 3, it can be seen that, in the case of the hollow fiber membranes of Comparative Examples 1 to 3, the finger structure is formed on the inner side, the outer side, or both sides of the hollow fiber membrane cross section, and there is a sponge structure therebetween. On the other hand, in the case of the embodiment, it can be seen that the entire cross section is formed in a sponge structure and the finger structure disappears.

도 4는 실시예 및 비교예 1 내지 4의 중공사막을 접촉각 측정 장치를 이용하여 접촉각을 측정한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 실시예, (b)는 비교예 1, (c)는 비교예 2, (d)는 비교예 3, (e)는 비교예 4를 나타낸다.FIG. 4 is an image showing the results of measurement of the contact angle using the contact angle measuring apparatus of the hollow fiber membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 4, wherein (a) is an example, (b) Comparative Example 2, (d) shows Comparative Example 3, and (e) shows Comparative Example 4.

비교예 4의 경우에는 소수성으로 표면이 개질되지 않아 표면이 친수성을 나타내어 물이 중공사막에 흡수되므로 접촉각을 측정할 수 없는 것을 알 수 있다. 반면에 소수성으로 표면이 개질된 실시예와 비교예 1 내지 3의 경우에는 모두 120 ° 이상의 접촉각을 가지는 것을 알 수 있다. 특히 실시예의 경우에는 가장 높은 값인 134 °의 접촉각을 갖는 것을 확인할 수 있다.In the case of Comparative Example 4, the hydrophobic surface was not modified and the surface was hydrophilic. As a result, the water was absorbed into the hollow fiber membrane, so that the contact angle could not be measured. On the other hand, in the case of the hydrophobic-modified surface and the comparative examples 1 to 3, it can be seen that they all have a contact angle of 120 ° or more. In particular, in the case of the embodiment, it can be confirmed that the contact angle is the highest value of 134 °.

즉, 실시예는 중공사막의 표면이 소수성으로 개질되었음을 확인할 수 있으며, 높은 소수성 특성으로 인하여 접촉장치에 적용했을 때 액상의 압력이 기상의 압력보다 높은 경우에도 막젖음 현상 없이 안정적이고 높은 흡수 특성을 가질 수 있다.
In other words, it can be confirmed that the surface of the hollow fiber membrane is modified to be hydrophobic. Therefore, even when the liquid pressure is higher than the gaseous pressure when applied to a contact device due to its high hydrophobicity, Lt; / RTI &gt;

도 5는 실시예 및 비교예 1 내지 3의 중공사막에 대한 기체투과도를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 기체 투과도는 다음 식 (1) 내지 (5)에 적용하여 중공사막의 기공 크기와 표면 기공도를 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.FIG. 5 is a graph showing the measurement results of gas permeabilities of the hollow fiber membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 3. FIG. The gas permeability was applied to the following equations (1) to (5) to calculate the pore size and the surface porosity of the hollow fiber membrane, and the results are shown in Table 2 below.

Figure 112016043088925-pat00002
Figure 112016043088925-pat00002

상기 식 (1)에서 K0, P0는 아래 식으로 계산되는 상수이며,

Figure 112016043088925-pat00003
는 기체투과도로 단위는 mol/m2·pa·s이다.
Figure 112016043088925-pat00004
는 도입부와 출구부의 압력(Pa)의 산술 평균이다.In the above equation (1), K 0 and P 0 are constants calculated by the following equations,
Figure 112016043088925-pat00003
Is the gas permeability and the unit is mol / m 2 · pa · s.
Figure 112016043088925-pat00004
Is the arithmetic mean of the pressure Pa at the inlet and outlet.

Figure 112016043088925-pat00005
Figure 112016043088925-pat00005

상기 식 (2), (3)에서, R은 기체 상수, M은 분자량, T는 절대온도이며 rp는 기공크기,

Figure 112016043088925-pat00006
은 표면 기공도를 나타낸다. 상기 기공크기 rp와 표면기공도
Figure 112016043088925-pat00007
를 각각 상수로 나타내면 다음 식 (4), (5)와 같다.In the above formulas (2) and (3), R is a gas constant, M is a molecular weight, T is an absolute temperature, r p is a pore size,
Figure 112016043088925-pat00006
Represents surface porosity. The pore size r p and the surface porosity
Figure 112016043088925-pat00007
(4) and (5), respectively.

Figure 112016043088925-pat00008
Figure 112016043088925-pat00008

상기 식 (1)에서 기체 투과도는 평균 압력차에 선형적으로 비례하는 것을 알 수 있으며, 선형 분석을 통해 두 가지 상수를 계산하여 기공크기와 표면 기공도를 알 수 있다.It can be seen that the gas permeability is linearly proportional to the average pressure difference, and the pore size and surface porosity can be determined by calculating two constants through linear analysis.

구분division K0
(mol/m2·Pa·s)
K 0
(mol / m 2 Pa s)
P0
(mol/m2·Pa·s)
P 0
(mol / m 2 Pa s)
Poresize
(㎛)
Poresize
(탆)
Surface Porosity
(m-1)
Surface Porosity
(m -1 )
실시예Example 8.22×10-5 8.22 x 10 -5 3.08×10-10 3.08 x 10 -10 0.3320.332 38543854 비교예1Comparative Example 1 7.29×10-5 7.29 x 10 -5 1.73×10-10 1.73 × 10 -10 0.2100.210 53985398 비교예2Comparative Example 2 4.84×10-5 4.84 × 10 -5 7.83×10-11 7.83 × 10 -11 0.1430.143 52575257 비교예3Comparative Example 3 7.02×10-5 7.02 x 10 -5 1.05×10-10 1.05 x 10 &lt; -10 &gt; 0.1300.130 82008200

도 6은 실시예 및 비교예 1 내지 3의 중공사막의 이산화탄소에 대한 흡수량을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the measurement results of the absorbed amounts of carbon dioxide in the hollow fiber membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 3.

단, 실험 조건은 상온에서 15 %의 이산화탄소 모사가스를 10 내지 50 ml/min의 유량으로 중공사막 바깥쪽에서 공급하였으며, 10 wt% MEA 수용액을 10 ml/min의 유량으로 중공사막 안쪽을 향해 공급하였다. 실험에 사용된 모듈의 특성을 하기 표 3에 나타내었으며, 이산화탄소 흡수 실험이 시작되고 30 분이 경과한 후, 정상상태에 도달하면 장치를 통과한 기체를 GC(gas chromatography)를 이용하여 분석하였으며, 이산화탄소의 흡수량은 하기 식 (6)으로 계산하였다.Experimental conditions were as follows: 15% CO 2 gas was supplied from outside of the hollow fiber membrane at a flow rate of 10 to 50 ml / min at room temperature, and 10 wt% aqueous MEA solution was fed toward the inside of the hollow fiber membrane at a flow rate of 10 ml / min . The characteristics of the modules used in the experiment are shown in Table 3 below. After 30 minutes passed after the start of the carbon dioxide absorption experiment, when the steady state was reached, the gas passing through the apparatus was analyzed by gas chromatography (GC) Was calculated by the following formula (6).

Figure 112016043088925-pat00009
Figure 112016043088925-pat00009

상기 식 (6)에서, Jco2는 이산화탄소의 흡수량(mol/m2·s)이고, qco2in, qco2out은 각각 장치의 공급부와 배출부의 이산화탄소 유량(m3/s)이다. 그리고 T는 공정의 운전 온도(K)이며, A는 분리막의 유효 단면적으로서, 하기 식 (7)에 의해 결정된다.In Equation (6), J co2 is the absorption amount (mol / m 2 · s) of carbon dioxide, and q co2in and q co2out are the carbon dioxide flow rate (m 3 / s) T is the operating temperature (K) of the process, and A is the effective cross-sectional area of the separator, determined by the following equation (7).

Figure 112016043088925-pat00010
Figure 112016043088925-pat00010

상기 식 (7)에서, L은 중공사막의 유효길이(m)이며, dout, din은 각각 중공사막의 외경(m)과 내경(m)을 나타낸다.In the formula (7), L represents the effective length (m) of the hollow fiber membrane, and d out and d in represent the outer diameter (m) and inner diameter (m) of the hollow fiber membrane, respectively.

도 6을 참조하면, 스폰지 구조가 발달할수록 흡수량이 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 상기 스폰지 구조의 기공 크기는 핑거 구조에 비해 작으나, 스폰지 구조는 모세관 현상이 발생되지 않으므로 기공으로 함께 흡수되는 액상으로 인한 이산화탄소의 투과도가 저하되는 것을 억제하였기 때문이다. 즉, 오히려 핑거 구조에 비하여 이산화탄소의 투과도를 상승시켜 최종적으로 흡수되는 이산화탄소의 흡수량을 증가시켰기 때문이다. Referring to FIG. 6, it can be seen that the absorption amount increases as the sponge structure develops. This is because the pore size of the sponge structure is smaller than that of the finger structure, but the capillary phenomenon does not occur in the sponge structure, so that the permeability of carbon dioxide due to the liquid phase, which is absorbed together with the pores, is suppressed. That is, the permeability of carbon dioxide is increased compared to the finger structure, and the absorption amount of carbon dioxide finally absorbed is increased.

구분(단위: mm)Classification (Unit: mm) 실시예Example 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 비교예3Comparative Example 3 중공사막Hollow fiber membrane 외경Outer diameter 1.771.77 2.222.22 2.472.47 1.731.73 내경Inner diameter 1.011.01 1.441.44 1.771.77 0.860.86 길이Length 150150 150150 150150 150150 모듈module 내경Inner diameter 35.1535.15 35.1535.15 35.1535.15 35.1535.15 외경Outer diameter 42.3042.30 42.3042.30 42.3042.30 42.3042.30

따라서, 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 세라믹 중공사막의 기공구조를 조절하여 스폰지 구조를 단일구조로 형성함으로써 기체와 중공사막의 저항을 최소화하고, 이로 인하여 이산화탄소의 투과량을 향상시키는데 더욱 효과적이다.Therefore, according to various embodiments of the present invention, by controlling the pore structure of the ceramic hollow fiber membrane to form the sponge structure into a single structure, the resistance of the gas and the hollow fiber membrane is minimized, thereby improving the permeation amount of carbon dioxide.

또한, 세라믹 중공사막의 표면을 소수성으로 개질하여 소수성이 향상됨으로써 기공을 통한 기체의 이동 및 물질 전달이 더욱 용이하여, 상기 세라믹 중공사막을 기체-액체 접촉분리막 장치에 적용할 경우, 이산화탄소의 흡수율을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.In addition, since the hydrophobic property of the surface of the ceramic hollow fiber membrane is improved, the movement of the gas through the pores and the mass transfer of the gas are facilitated. Therefore, when the ceramic hollow fiber membrane is applied to a gas- And exhibit remarkable effects.


Claims (13)

삭제delete 삭제delete 삭제delete a) 알루미나 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 트리에틸포스파이트와 혼합하여 도프용액을 제조하는 단계;
b) 상기 도프용액을 내부응고제와 함께 이중 방사노즐로 공급 및 토출하여 중공사를 형성하는 단계;
c) 상기 중공사를 외부응고제와 접촉시켜 상전이 과정을 거치면서 건조 및 소결시켜 중공사막을 얻는 단계; 및
d) 상기 소결된 중공사막을 소수성 물질로 코팅시키는 단계;를 포함하며,
상기 a) 단계는 알루미나 입자 100 중량부에 대하여, 고분자 바인더 1 내지 20 중량부, 분산제 0.1 내지 5 중량부 및 트리에틸포스파이트 40 내지 100 중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법.
a) mixing alumina particles, a polymeric binder and a dispersant with triethyl phosphite to prepare a dope solution;
b) feeding and discharging the dope solution to a dual spinneret with an internal coagulant to form a hollow fiber;
c) contacting the hollow fiber with an external coagulant to obtain a hollow fiber membrane by drying and sintering the polymer through a phase transition process; And
d) coating the sintered hollow fiber membrane with a hydrophobic material,
Wherein the step a) comprises mixing 1 to 20 parts by weight of a polymer binder, 0.1 to 5 parts by weight of a dispersant, and 40 to 100 parts by weight of triethyl phosphite with respect to 100 parts by weight of alumina particles. Desert manufacturing method.
제4항에 있어서,
상기 소수성 세라믹 중공사막은 단면적 대비 95 내지 100 %의 스폰지 구조(sponge like structure)로 형성되고, 직경이 0.08 내지 10 ㎛인 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the hydrophobic ceramic hollow fiber membrane has a sponge-like structure of 95 to 100% of a cross-sectional area, and has pores having a diameter of 0.08 to 10 占 퐉.
삭제delete 제4항에 있어서,
상기 b) 단계는,
0.5 내지 5 bar의 압출 압력(extrusion pressure) 및 20 cm 이하의 에어갭(air gap) 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법.
5. The method of claim 4,
The step b)
Wherein the hydrothermal treatment is carried out in an atmosphere of an extrusion pressure of 0.5 to 5 bar and an air gap of 20 cm or less.
제4항에 있어서,
상기 상전이는 상온에서 10 내지 40 시간 동안 수행되며,
상기 건조는 100 내지 200 ℃의 온도에서 10 내지 40 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법.
5. The method of claim 4,
The phase transition is carried out at room temperature for 10 to 40 hours,
Wherein the drying is performed at a temperature of 100 to 200 DEG C for 10 to 40 hours.
제4항에 있어서,
상기 소결은 400 내지 800 ℃의 온도에서 소결시키는 1차 소결 단계;
상기 1차 소결 단계를 거친 후에 800 내지 1200 ℃의 온도에서 소결시키는 2차 소결 단계; 및
상기 2차 소결 단계를 거친 후에 1100 내지 1500 ℃의 온도에서 소결시키는 3차 소결 단계;를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법.
(단, 상기 온도는 1차 소결 온도 < 2차 소결 온도 < 3차 소결 온도)
5. The method of claim 4,
A sintering step of sintering at a temperature of 400 to 800 캜;
A second sintering step of sintering at a temperature of 800 to 1200 ° C after the first sintering step; And
And a third sintering step in which the sintering is performed at a temperature of 1100 to 1500 ° C after the second sintering step.
(The above temperature is the first sintering temperature < the second sintering temperature < the third sintering temperature)
제4항에 있어서,
상기 고분자 바인더는 폴리에테르설폰, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아미드 및 폴리아크릴로니트릴 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the polymeric binder is at least one selected from the group consisting of polyethersulfone, polysulfone, polyetherimide, polyamide, and polyacrylonitrile.
제4항에 있어서,
상기 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 또는 폴리비닐알코올인 것을 특징으로 하는 신규 기공구조의 소수성 세라믹 중공사막 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the dispersant is polyvinylpyrrolidone or polyvinyl alcohol. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
삭제delete 삭제delete
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KR20220110373A (en) * 2021-01-29 2022-08-08 동국대학교 산학협력단 Gas separation device having ceramic hollow fiber membrane contactor
KR102464466B1 (en) * 2021-01-29 2022-11-07 동국대학교 산학협력단 Gas separation device having ceramic hollow fiber membrane contactor

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