KR101869799B1

KR101869799B1 - 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터

Info

Publication number: KR101869799B1
Application number: KR1020160161886A
Authority: KR
Inventors: 양비룡; 오영환; 김현
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단; (주)이엔에이치
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-07-20
Also published as: KR20180062550A

Abstract

본 발명은 정삼투 복합 필터에 관한 것으로서, 용매에 고분자재료를 용해시켜 고분자용액을 제조하는 제1단계와, 상기 고분자용액을 기판 상에 도포하여 캐스팅하는 제2단계와, 상기 기판 상에 고분자용액의 캐스팅된 상태를 소정 시간동안 유지시켜 상기 고분자용액에 포함된 고분자재료를 고체화시키는 제3단계와, 상기 고체화된 고분자재료를 상기 기판으로부터 분리하여 정삼투 복합 필터의 지지층을 제조하는 제4단계와, 상기 지지층 상에 활성층을 형성하는 제5단계 및 상기 활성층 상에 탄소나노소재층을 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 활성층 상에 탄소나노소재를 적용하여 수투과도와 막 여과 성능을 동시에 향상시킴으로써 정삼투 복합 필터 공정에서의 에너지 소모율을 감소시키는 이점이 있다.

Description

탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터{manufacturing method of forward osmosis filter using carbon nano-material}

본 발명은 정삼투 복합 필터에 관한 것으로서, 탄소나노소재를 적용하여 수투과도와 막 여과 성능을 동시에 향상시킴으로써 정삼투 복합 필터 공정에서의 에너지 소모율을 감소시키는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터에 관한 것이다.

해수로부터 고형 또는 이온성 유/무기물과 같은 대표적으로 염을 순수한 물과 분리하는 역삼투 필터 기술은 현재 전 세계 해수담수화 기술의 90% 이상을 차지하고 있다.

이러한, 역삼투 필터 기술은 원수부에 용존 성분에 의해 유발되는 삼투압에 상응하는 압력을 가하여 해수에 용존해 있는 염과 같은 성분을 물과 분리하는 것으로, 적정량의 담수를 생산해내기 위해서는 많은 에너지가 필요하게 된다.

예컨대, 50~70bar 수준(대기압의 50배~70배)의 고압펌프를 사용함으로써 운전 또는 유지비용이 높아 경제성이 낮은 문제점이 있으며, 이러한 역삼투 필터 기술에서의 에너지 소요의 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 정삼투 필터 기술에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.

정삼투 필터 기술은 두 용액 간의 농도 차에 의해 발생된 삼투압에 의해 정삼투막을 통해 낮은 농도의 용액이 높은 농도의 용액 쪽으로 이동하는 성질을 이용한 것으로, 정삼투막을 통해 원수부(저농도)에서 유도용액(고농도)으로 물을 유입시키고, 반대로는 유도용액에 포함된 유도용질이 빠져나가지 않도록 하는 것이다.

이러한 정삼투 필터 기술은 역삼투 고압펌프의 1% 미만(<7bar)으로도 운전이 가능하므로 경제적인 장점이 있다.

영국의 Modern Water사는 오만 지역 내에 2011년 100m³/d 정삼투 공정을 4.9kWh/m³의 에너지 소모율로 운영한 바 있다. 반면, 역삼투 공정의 에너지 소모율은 8.5kWh/m³(에너지 회수장치 효율 미포함)로서 정삼투 해수 담수 필터 공정의 가능성을 보여주었다.

그러나, 실제 정삼투 해수 담수 생산에는 0.3kWh/m³의 에너지가 소요되었으나, 유도용액 분리 공정에 11kWh/m³의 에너지가 소요되므로 비경제적인 문제가 있다.

막의 수투과도 관점에서 최근 Porifera 정삼투막의 성능은 유도용액 농도 1M NaCl 기준으로 30L/m²/h 수준의 수투과도를 보이며, 이는 일반 역삼투막의 성능과 유사한 정도이다. 이와 같은 결과는 초기 정삼투막의 낮은 수투과도 문제가 지속적으로 개선되고 있는 실저으로 보여주는 것이다.

그러나, 수투과도가 증가됨에 따라 막 여과 특성이 감소되는 문제가 있어, 고효율 특성의 정삼투 트레인 설계 및 시공을 위해서는 높은 수투과도를 유지함과 동시에 막 여과 성능 향상이 함께 동반되어야 한다.

대한민국특허청 특허등록공보 제1179490호. 대한민국특허청 특허등록공보 제0990168호.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탄소나노소재를 적용하여 수투과도와 막 여과 성능을 동시에 향상시킴으로써 정삼투 복합 필터 공정에서의 에너지 소모율을 감소시키는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위해 본 발명은, 용매에 고분자재료를 용해시켜 고분자용액을 제조하는 제1단계와, 상기 고분자용액을 기판 상에 도포하여 캐스팅하는 제2단계와, 상기 기판 상에 고분자용액의 캐스팅된 상태를 소정 시간동안 유지시켜 상기 고분자용액에 포함된 고분자재료를 고체화시키는 제3단계와, 상기 고체화된 고분자재료를 상기 기판으로부터 분리하여 정삼투 복합 필터의 지지층을 제조하는 제4단계와, 상기 지지층 상에 활성층을 형성하는 제5단계 및 상기 활성층 상에 탄소나노소재층을 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 제1단계는, 상기 고분자용액의 제조 후, 상기 고분자용액에 포함된 가스를 제거하기 위한 공정을 더 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3단계는, 상기 기판 상에 고분자용액이 캐스팅된 상태에서 상온의 30~50% 습도하에서, 20~450초 동안 공기 중에 노출시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3단계는, 상기 고분자재료의 고체화 후, 상기 고분자용액이 캐스팅된 기판을 비용매에 담지시켜 추가 고체화 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제4단계는, 상기 고체화된 고분자재료를 상기 기판으로부터 분리한 후, 세척하고, 상기 지지층을 비용매에 담궈 보관하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄소나노소재는, 탄소나노튜브 또는 그래핀 산화물인 것이 바람직하다.

또한, 상기 지지층의 두께는, 50~300㎛인 것을 특징으로 하며, 상기 지지층의 기공도는 30 내지 80%로 기둥형으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고분자용액은, 상기 용매에 상기 고분자재료가 10 내지 25중량% 포함된 것이 바람직하며, 상기 고분자재료는, Cellulose Acetate, Cellulose Triacetate, Polysulfone, Polyether sulfone, Poly(vinylidine fluoride), Polyetherimide 및 Polyamide 중 어느 하나 또는 이들 중 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 활성층 상에 탄소나노소재를 적용하여 수투과도와 막 여과 성능을 동시에 향상시킴으로써 정삼투 복합 필터 공정에서의 에너지 소모율을 감소시키는 효과가 있다.

본 발명에 따른 정삼투 복합 필터의 지지층은 기판 상에 고분자용액의 캐스팅된 상태를 유지시켜 고분자재료의 고체화를 통한 간단한 공정에 의해 수투과성이 우수하고 생산효율이 높은 지지층을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 지지층은 정삼투 복합 필터를 지지하면서, 높은 수투과성을 확보하여 정삼투 복합 필터의 오염도를 낮추고, 유도용액 내의 유도용질은 통과하지 않도록 하여, 해수의 담수화에 유용한 정삼투 복합 필터를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 정삼투 복합 필터는 지지층의 상온 공기 노출 시간이라는 고체화 공정으로 대형화가 용이하고, 이러한 지지층을 포함하는 정삼투 복합 필터는 해수 담수화 공정뿐만 아니라, 의료용 약물 패드 등에도 응용가능하며, 다양한 필터 시스템에 적용이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 지지층 상에 활성층을 형성함으로써, 탄소나노소재층과의 복합 작용으로 수투과도는 개선시키면서, 막분리도가 높아 높은 염배제율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 활성층에 의해 정삼투 복합 필터의 오염도를 더욱 낮추는 효과가 있다.

도 1 - 본 발명에 따른 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법에 대한 순서도.
도 2 - 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 지지층의 고체화 공정에서 공기 노출 시간에 따른 수투과도를 측정한 도.
도 3 - 본 발명의 일실시예에 따라 공기 노출 시간에 따른 지지층의 단면에 따른 전자현미경 사진을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 정삼투 복합 필터의 구성에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 도.
도 5 - 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 탄소나노소재를 적용한 정삼투막 복합 필터의 특성을 나타낸 도.

본 발명은 정삼투 복합 필터에 사용되는 지지층을 제조하기 위한 것으로서, 기판 상에 고분자용액의 캐스팅된 상태를 유지시켜 고분자재료의 고체화를 통한 수투과성이 우수한 지지층을 제공하고자 하는 것이다.

이에 의해 간단한 제조방법으로 수투과성이 우수한 지지층을 제공할 수 있으며, 또한 정삼투 복합 필터를 지지하면서, 높은 수투과성을 확보하여 정삼투 복합 필터의 오염도를 낮추고, 유도용액 내의 유도용질은 통과하지 않도록 하여, 해수의 담수화에 유용한 정삼투 복합 필터를 제공할 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법에 대한 순서도를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 용매에 고분자재료를 용해시켜 고분자용액을 제조하는 제1단계와, 상기 고분자용액을 기판 상에 도포하여 캐스팅하는 제2단계와, 상기 기판 상에 고분자용액의 캐스팅된 상태를 소정 시간동안 유지시켜 상기 고분자용액에 포함된 고분자재료를 고체화시키는 제3단계와, 상기 고체화된 고분자재료를 상기 기판으로부터 분리하여 정삼투 복합 필터의 지지층을 제조하는 제4단계와, 상기 지지층 상에 활성층을 형성하는 제5단계 및 상기 활성층 상에 탄소나노소재층을 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

먼저, 용매에 고분자재료를 용해시켜 고분자용액을 제조한다(제1단계).

본 발명에서의 고분자재료는 정삼투 복합 필터에 있어서, 지지층의 재료가 되는 것으로서, 물과의 투과 저항을 최소화시키기 위하여 친수성 소재를 사용하거나, 친수성 기능기를 가지는 고분자가 공중합된 합성고분자를 사용할 수도 있다.

이러한 친수성 고분자재료로는, Cellulose Acetate, Cellulose Triacetate, Polysulfone, Polyether sulfone, Poly(vinylidine fluoride), Polyetherimide 및 Polyamide 중 어느 하나 또는 이들 중 둘 이상을 혼합하여 사용한다.

상기 고분자재료에 고분자재료의 점성을 조절하기 위한 Polyvinylpyrrolidone와 같은 첨가제 등이 더 첨가될 수도 있다.

상기 용매는 Acetone, Ethyl Acetate, Cyclohexane, N-methyl Pyrrolidone, Dimethyl Formamide, Methylene chloride, Dimethyl sulfoxide 등을 사용하며, 상기 고분자재료 10 내지 25중량%로 혼합하고 교반을 통해 고분자용액을 제조한다.

상기 고분자용액의 함량은 이보다 낮으면 기공이 과도하게 크게 형성되어 수투과성은 높으나 원수 내 용존된 염도 함께 투과할 수 있어 막분리 능력이 저하되게 되고, 이보다 높으면 점도가 너무 높아 후술할 캐스팅 공정이 제대로 이루어지지 않거나, 고체화 과정 후 기공의 크기가 너무 작게 형성되거나 수투과성 개선에 적절하지 않은 형태의 기공이 형성되어 막분리 능력이 저하되게 된다.

이렇게 제조된 고분자용액은 상온에서 교반없이 일정 시간동안 평탄한 바닥에 방치하여 고분자용액 내에 포함된 가스를 제거하도록 한다. 이는 캐스팅 및 고체화 공정에 의한 지지층 형성시에 고분자용액에 포함된 가스를 제거함으로써 기공의 기공도의 제어, 기공의 크기 및 형태의 제어가 용이하게 하기 위한 것이다.

그리고, 상기 고분자용액을 기판 상에 도포(dopping)하여 캐스팅하는 공정을 진행하게 된다(제2단계).

기판으로는 캐스팅 공정을 수행하기 위한 어떠한 재료를 사용하여도 무방하며, 본 발명의 일실시에로는 유리를 사용한다. 상기 유리 기판 상에 고분자용액을 도포하고, 캐스팅 나이프(casting knife)를 이용해 캐스팅 공정을 수행한다.

이때, 캐스팅된 고분자용액의 두께는 50~500㎛ 정도가 적절하며, 고체화 공정 후에 형성될 지지층의 두께를 고려하여 상기 캐스팅된 고분자용액의 두께를 결정한다.

그리고, 상기 기판 상에 고분자용액의 캐스팅이 완료되면, 이 캐스팅 상태에서 소정 시간동안 유지시켜 상기 고분자용액에 포함된 고분자재료를 고체화시키게 된다(제3단계).

즉, 상기 유리 기판 상에서 고분자용액의 캐스팅 상태에서 상온에 노출시켜 대기 중 수분 흡수와 용매의 자연적 휘발을 통한 고체화를 통해 수투과성이 우수한 미세구조를 갖는 지지층을 형성하게 된다.

구체적으로는, 상기 유리 기판 상에 고분자용액이 캐스팅된 상태에서 상온의 30~50% 습도하에서, 20~450초 동안 공기 중에 노출시키는 것에 의해 고체화 공정을 수행하는 것이다.

상기의 조건은 지지층의 수투과성을 개선시키기 위한 가장 효과적인 조건으로써, 지지층 내부의 적절한 기공도를 유지하고, 기공의 크기 및 형태를 제어하기 위한 것이다.

즉, 습도가 너무 낮거나 높으면 고체화 공정이 더디거나, 수투과성 개선 및 염의 분리를 위한 기공의 크기 및 형태, 기공도가 적절하지 않게 형성되며, 너무 짧거나 긴 시간 동안 노출시키게 되면 수투과성 개선을 위한 기공이 형성되지 않거나 기공의 형성에 영향을 미치지 않게 된다.

또한, 상기 고분자재료의 상온 노출에 의한 고분자재료의 고체화 후, 상기 고분자용액이 캐스팅된 기판을 비용매에 담지시켜 남은 용매를 추출함으로써 추가 고체화 공정의 구현이 가능하도록 하여, 보다 신속한 고체화 공정이 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 상온 노출 고체화 공정만 수행할 수도 있으며, 비용매에 담지하여 추가 고체화 공정을 함께 수행할 수도 있도록 하는 것으로서, 고체화 공정의 속도를 조절하면서도, 원수의 농도에 따라 수투과성 개선 및 염 분리를 위해 요구되는 최적의 기공의 형상을 구현하기 위한 것이다.

그리고, 상기 고체화된 고분자재료를 상기 기판으로부터 분리하여 정삼투 복합 필터의 지지층을 제조하게 된다(제4단계).

구체적으로는, 상기 고체화된 고분자재료를 상기 기판으로부터 분리한 후, 세척하여 상기 지지층을 수득하고, 상기 지지층을 비용매에 담궈 사용시까지 보관하여 제공하게 된다.

이렇게 제조된 지지층의 두께는 50~300㎛ 정도가 바람직하며, 상기 지지층에 포함된 기공의 기공도는 30 내지 80%로, 기둥형태로 형성되는 것이 바람직하다.

이는 상술한 바와 같이, 지지층의 수투과성을 개선하고, 염 분리가 제대로 이루어지도록 하면서, 수투과 효율을 고려한 것이다.

즉, 상기 지지층의 두께가 너무 얇으면 파손이 쉽게 되어 정삼투 복합 필터에서의 지지층의 역할을 제대로 할 수 없으며, 필터의 핸들링이 용이하지 않게 되고, 상기 지지층의 두께가 너무 두꺼우면 수투과 효율이 감소되게 된다.

또한, 상기 지지층에 포함된 기공의 기공도가 너무 낮으면 수투과성이 저하되게 되며, 기공의 기공도가 너무 높으면 수투과성은 개선될 수 있으나, 내구성이 저하되어 지지층의 역할을 제대로 수행할 수 없게 된다.

또한, 본 발명에 따라 일정 조건 하에서 상온 노출 공정에 의해 고체화 공정을 거치게 되면, 상온 노출 조건에 따라 상기 지지층에 포함된 기공은 원형, 기둥형태 또는 원형과 기둥형태의 복합적인 형태의 망상 구조로 형성되게 되는데, 기둥형태로 형성된 기공이 수투과성 개선 특성을 보이고 있다.

이렇게 형성된 지지층은 필요에 의해 부직포와 같은 다공성의 지지체 상부에 형성될 수도 있으며, 그 자체로 사용되어 그 상부에 활성층을 형성한다(제5단계).

상기 활성층으로는 친수성 고분자인 폴리아미드(polyamide)로 형성하며, 상기 폴리아미드는 아민계열의 고분자 용액을 이용한 화합물간의 계면중합에 의해 폴리아미드로 이루어진 활성층을 형성한다.

즉, 본 발명에 따른 지지층은 공기 노출 시간에 따라 그 내부의 구조가 다양하게 구현되며, 내부의 기공이 원형, 기둥형태 또는 원형과 기둥형태가 복합적으로 형성된 망상 구조 등으로 형성되게 되는데, 수투과도가 개선된 내부 기공 구조를 갖는 지지층 상에 활성층을 형성한 것이다.

상기 활성층은 정삼투막 필터의 내오염성을 개선시킨 것으로서, 기본적으로 수투과도는 방해하지 않으면서, 염배제율은 개선시키는 구조를 갖는다.

그리고, 상기 활성층 상에 탄소나노소재층을 형성한다(제6단계).

상기 탄소나노소재층은 탄소나노튜브 또는 그래핀 산화물 등을 사용하여 구현되며, 상기 탄소나노튜브 또는 그래핀 산화물을 상기 활성층 상부에 코팅 또는 탄소나노튜브 또는 그래핀 산화물이 분산된 용매를 도포함으로써 구현되도록 한다.

상기 탄소나노소재층은 지지층, 활성층으로 이루어진 기저부가 불균일한 기공 형상으로 인해 물과 함께 염과 같은 성분이 통과하게 되면서, 막분리가 완벽하게 되지 않는 것을 보완한 것으로서, 수투과도와 함께 막분리 기능을 동시에 향상시키도록 한 것이다.

즉, 그래핀 산화물 표면에 존재하는 친수성기(-OH, -COOH)에 의한 수투과도는 향상시키고, 탄소 격자공간을 통한 미세여과 기능 및 막 내부 오염도를 감소시킴으로써 정삼투 필터 성능(수투과성, 막분리) 향상이 가능하도록 한 것이다.

또한, 탄소나노튜브의 경우, 소수성 표면에서 물 분자의 낮은 마찰력에 의해 쉽게 투과되는 성질이 있으므로, 탄소나노튜브의 기공의 크기를 제어함으로써, 선택적인 필터링이 가능하도록 할 수 있다.

이와 같이, 지지층 상에 활성층을 형성하고, 그 상부에 탄소나노소재를 이용한 탄소나노소재층을 형성함으로써, 수투과도가 어느 정도 보장된 망상 구조의 지지층을 사용하면서, 활성층 및 탄소나노소재층으로 이루어진 복합층을 상기 지지층 상부에 구현한 것이다.

이에 의해 정삼투막 복합 필터의 수투과도를 높이면서도 염배제율을 높여 미세 여과 기능과 내부 오염도를 감소시키는 정삼투막 복합 필터를 제공하게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 설명하고자 한다.

세척된 삼각플라스크 비이커에 0.5wt% PVP(Polyvinylpyrrolidone)를 NMP(N-methyl Pyrrolidone) 용매에 넣어 400RPM, 상온 교반을 통해 녹인 다음(약 1분 소요) 12wt% PSf(Polysulfone)을 넣어 parafilm으로 동봉하여 24시간 동안 교반하여 고분자용액을 제조하였다.

그 다음, 24시간 교반된 고분자용액을 상온에서 교반없이 24시간 평탄한 바닥에 놓아 용액 내 가스를 제거 해준다.

그리고, 상기 고분자용액을 유리 기판 상에 도포하고 캐스팅 나이프를 이용해 캐스팅한다. 그 때의 캐스팅된 고분자용액의 두께는 300~500㎛ 정도가 되도록 하다.

그리고, 유리 기판 상에 캐스팅된 상태로 20~450초 동안 상대습도 30~50%에서 상온 노출시켜 고체화 공정을 진행하고, 공기 중에 노출된 캐스팅된 유리 기판을 초순수 물에 빠르게 담지시켜 고체화 공정을 마무리한다.

고체화된 고분자재료는 트위져를 이용하여 꺼낸 다음 깨끗한 초순수 물로 충분히 세척해 준 다음 정삼투 복합 필터를 사용하기 전까지 깨끗한 초순수 물에 담궈 보관한다. 보관용으로 준비한 초순수에 석출물이 녹아 나와 뿌옇게 흐려질 경우 상기의 초순수 물을 교체한다.

이렇게 제조된 지지층의 두께는 50~300㎛ 정도로 형성되게 된다.

세척 및 건조된 상기 지지층 위에 초순수에 녹인 2중량% MPD(Meta-phenylenediamine)를 플라스틱 스포이드로 10ml 도포한 뒤 표면에 충분히 흡수/침투될 수 있도록 2분간 유지한다.

그리고, 약 2분 뒤 과잉 수용성 MPD 용액은 킴텍으로 덮은 뒤 고무롤러를 이용해 제거해준다. 과잉 수용성 MPD 용액을 제거한 다음 Hexane에 0.1중량% TMC(Trimesoyl chloride) 유기용액를 녹인 용액을 플라스틱 스포이드로 10ml 도포한 뒤 표면에 흡수/침투된 MPD 용액과의 계면중합반응을 1분 동안 진행한다.

계면중합반응을 위한 1분이 지난 뒤 과잉 용액은 트위져로 필터를 들어 흔들면서 제거해 준 다음 공기 중에서 2분 동안 건조시켜, 폴리이미드로 이루어진 활성층을 제조한다(건조된 필터의 curing을 위해 80℃ 오븐에서 0~5분 동안 놓아둔다).

이렇게 제작된 활성층/지지층 구조의 필터는 사용 전까지 초순수 물 수조에 담궈둔다.

그리고, 상기 활성층 상부에 탄소나노소재층을 형성하며, 상기 탄소나노소재로는 탄소나노튜브 또는 그래핀 산화물 등을 사용한다. 상기 탄소나노튜브 또는 그래핀 산화물을 상기 활성층 상부에 코팅 또는 탄소나노튜브 또는 그래핀 산화물이 분산된 용매를 도포함으로써 구현되도록 한다.

이와 같이, 탄소나노소재층은 지지층, 활성층으로 이루어진 기저부가 불균일한 기공 형상으로 인해 물과 함께 염과 같은 성분이 통과하게 되면서, 막분리가 완벽하게 되지 않는 것을 보완한 것으로서, 수투과도와 함께 막분리 기능을 동시에 향상시키도록 한 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 지지층의 고체화 공정에서 공기 노출 시간에 따른 수투과도를 측정한 것으로서, 공기 노출 시간이 150초인 경우, 다른 조건(0초, 50초, 100초, 125초, 200초, 250초, 350초, 400초, 450초)에 비해 수투과도가 231L/hr·m²으로 4배 이상 증가됨을 확인할 수 있었다.

도 3은 이러한 공기 노출 시간에 따른 지지층의 단면에 따른 전자현미경 사진을 나타낸 것으로서, 공기 노출 시간(t)이 0 ≤ t < 150인 경우에는 기공의 형태가 방향성을 띄지 않고, 랜덤하게 분포되어 있으며, 기공 사이에 격벽이 불규칙하게 형성되어 있어, 분리성은 좋으나 기공이 조밀하여 물 분자의 투과도가 낮은 특성을 보이게 된다.

그리고, 150 < t ≤ 450인 경우 기공의 직경이 증가되어 물 분자의 투과도는 높으나 분리성이 낮아져 염의 이동이나 유도용액 내 유도용질의 확산 우려가 있게 되어, 담수화 효율을 저하시키게 된다.

반면, 공기 노출 시간이 대략 150초인 경우에는 기공의 크기가 물은 통과시키면서 염이나 유도용질의 확산은 방지할 수 있는 정도의 크기(~10㎛)로 형성되며, 일정한 방향성을 갖는 기둥형태로 기공이 형성되고, 전체적으로 기공이 균일하게 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 기공의 형태는 정삼투 복합 필터의 수투과도는 개선시키면서 막분리성은 높아져 정삼투 복합 필터 효율을 높이게 되는 것이다. 이는 도 2의 수투과도 측정 결과와 일치한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 정삼투 복합 필터의 구성에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 도이다.

도 4(a)는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 활성층 표면을 나타낸 것으로서, 불규칙적으로 형성된 0.05~6㎛ 직경의 원형 기공으로 이루어진 100±5㎛ 직경의 원형 기공과, 0.05㎛ 미만의 원형 기공으로 구성된다.

도 4(b)는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 지지층의 단면을 나타낸 것으로서, 그 내부구조는 24±5㎛ 너비의 기둥형 기공과, 10±2㎛ 직경의 원형 기공으로 구성되어 망상구조를 이루고 있다.

도 4(c) 및 (d)는 탄소나노신소재로 탄소나노나노튜와 그래핀 산화물을 사용하나 경우를 각각 나타낸 것으로서, 상기 활성층 표면에 도포된 구조를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 탄소나노소재를 적용한 정삼투막 복합 필터의 특성을 나타낸 도이다.

도 5(a)는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 정삼투막 복합 필터를 이용한 여과 특성 비교 결과를 나타낸 것으로서, 1M NaCl 유도용액 기준 1bar이하의 압력에서 수투과도/NaCl 여과 특성 비교 결과를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 그래핀 산화물(With GO)의 경우 6L/h·m²/99.8%, 무첨가필터(Without carbon nanomaterials) 4L/h·m²/98%, 탄소나노튜브(With CNT) 3L/h·m²/99.8%을 나타내었다.

도 5(b)는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 정삼투막 복합 필터의 활성층 표면에 여과된 NaCl 결정을 나타낸 것으로서, NaCl이 활성층에 의해 여과되어 염배제율이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 본 발명은 활성층 상에 탄소나노소재를 적용하여 수투과도와 막 여과 성능을 동시에 향상시킴으로써 정삼투 복합 필터 공정에서의 에너지 소모율을 감소시키도록 한 것이다.

또한, 본 발명에 따른 정삼투 복합 필터의 지지층은 기판 상에 고분자용액의 캐스팅된 상태를 유지시켜 고분자재료의 고체화를 통한 간단한 공정에 의해 수투과성이 우수하고 생산효율이 높은 지지층을 제공하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 정삼투 복합 필터는 지지층의 상온 공기 노출 시간이라는 고체화 공정으로 대형화가 용이하고, 이러한 지지층을 포함하는 정삼투 복합 필터는 해수 담수화 공정뿐만 아니라, 의료용 약물 패드 등에도 응용가능하며, 다양한 필터 시스템에 적용이 가능하다.

또한, 탄소나노신소재를 적용한 정삼투막 복합 필터는 이차전지 소재, 반도체 소자 및 발광 소자 등에도 응용이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 지지층 상에 활성층을 형성함으로써, 탄소나노소재층과의 복합 작용으로 수투과도는 개선시키면서, 막분리도가 높아 높은 염배제율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 활성층에 의해 정삼투 복합 필터의 오염도를 더욱 낮추는 장점이 있다.

Claims

용매에 고분자재료를 용해시켜 고분자용액을 제조하는 제1단계;
상기 고분자용액을 기판 상에 도포하여 캐스팅하는 제2단계;
상기 기판 상에 고분자용액의 캐스팅된 상태를 소정 시간동안 유지시켜 상기 고분자용액에 포함된 고분자재료를 고체화시키는 제3단계;
상기 고체화된 고분자재료를 상기 기판으로부터 분리하여 정삼투 복합 필터의 지지층을 제조하는 제4단계;
상기 지지층 상에 활성층을 형성하는 제5단계; 및
상기 활성층 상에 탄소나노소재층을 형성하는 제6단계;를 포함하고,
상기 제1단계는, 상기 고분자용액의 제조 후, 상기 고분자용액에 포함된 가스를 제거하기 위해, 상온에서 교반없이 24 시간 동안 평탄한 바닥에 방치하여 상기 고분자용액에 포함된 가스를 제거하는 공정을 더 수행하고,
상기 제3단계는, 상기 기판 상에 고분자용액이 캐스팅된 상태에서 상온의 30~50% 상대습도 하에서, 150초 동안 공기 중에 노출시키고,
상기 지지층의 기공도는 30 내지 80%이고,
상기 지지층의 기공구조는 일정 방향을 향해 기둥형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법.
삭제
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제 1항에 있어서, 상기 제3단계는,
상기 고분자재료의 고체화 후, 상기 고분자용액이 캐스팅된 기판을 비용매에 담지시켜 추가 고체화 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 제4단계는,
상기 고체화된 고분자재료를 상기 기판으로부터 분리한 후, 세척하고, 상기 지지층을 비용매에 담궈 보관하는 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 탄소나노소재는,
탄소나노튜브 또는 그래핀 산화물인 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 지지층의 두께는,
50~300㎛인 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 고분자용액은,
상기 용매에 상기 고분자재료가 10 내지 25중량% 포함된 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 고분자재료는,
Cellulose Acetate, Cellulose Triacetate, Polysulfone, Polyether sulfone, Poly(vinylidine fluoride), Polyetherimide 및 Polyamide 중 어느 하나 또는 이들 중 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터의 제조방법.
제1항, 제4항 내지 제7항, 제9항, 제10항 중의 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 탄소나노소재가 적용된 정삼투 복합 필터.