KR101875812B1 - An ion-exchange membrane and porous substrate for water treatment and manufacturing method of it - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수처리용 이온교환막 특히 ED(Electrodialysis) 및 RED(Reverse electrodialysis)용 이온교환막에 관한 것이며, 특히 제조단가는 낮으면서 기계적 특성과 화학적 안정성이 우수한 유무기 복합 미세다공성 다공성 지지체를 이용한 이온교환막(membrane)에 관한 것이다. 본 발명은 본 발명은 전기투석용 시스템 제조시 양극과 음극을 서로 격리하기 위한 전해질 막을 제조하는데 있어서, 다공성 지지체의 모재(母材)인 폴리올레핀; 상기 폴리올레핀 멤브레인을 분산매 로하여 상기 폴리올레핀 멤브레인 내에 균일하게 분산되는 표면처리 나노입자 무기필러(inorganic filler); 상기 나노입자 무기필러가 균일 분산된 1축 또는 2축 연신한 필름(film) 형태의 다공성 베이스 멤브레인 내에 상기 양이온전도체가 균일 함침된 수처리용 이온교환막을 제공한다.The present invention relates to an ion exchange membrane for water treatment, in particular, an ion exchange membrane for ED (Electrodialysis) and RED (reverse electrodialysis), and particularly relates to an ion exchange membrane using an organic / inorganic hybrid porous microporous porous support having a low manufacturing cost and excellent mechanical properties and chemical stability membrane. The present invention relates to a process for preparing an electrolyte membrane for isolating an anode and a cathode from each other in the production of an electrodialysis system, comprising the steps of: preparing a polyolefin which is a base material of a porous support; A surface-treated nanoparticle inorganic filler which is uniformly dispersed in the polyolefin membrane using the polyolefin membrane as a dispersion medium; There is provided an ion exchange membrane for water treatment in which the cation conductor is homogeneously impregnated into a porous base membrane in the form of a monoaxially or biaxially stretched film in which the nanoparticle inorganic filler is uniformly dispersed.

Description

다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막 및 이의 제조방법{An ion-exchange membrane and porous substrate for water treatment and manufacturing method of it}[0001] The present invention relates to an ion exchange membrane for water treatment using a porous base membrane and a manufacturing method thereof,

본 발명은 수처리용 이온교환막 특히 ED(Electrodialysis) 및 RED(Reverse electrodialysis)용 이온교환막에 관한 것이다. 본 발명은 제조단가는 낮으면서 기계적 특성과 화학적 안정성이 우수한 유무기 복합 미세다공성 지지체를 이용한 이온교환막(membrane)을 제공한다.
The present invention relates to an ion exchange membrane for water treatment, particularly an ion exchange membrane for ED (Electrodialysis) and RED (Reverse Electrolysis). The present invention provides an ion exchange membrane using an organic / inorganic composite microporous support having a low manufacturing cost and excellent mechanical properties and chemical stability.

이온교환막은 연료전지, 확산투석, 레독스 흐름 전지, 수처리, 해수의 담수화 등의 분야에서 활용되고 있다. 이온교환막은 제조공정이 상대적으로 단순하고, 특정이온에 대한 선택성이 뛰어나며, 응용범위가 넓어 특히 화석원료 사용량을 감소시켜 환경오염을 저감할 수 있는 주요한 청정기술로서 세계적인 주목을 받고 있다.Ion exchange membranes are used in fields such as fuel cells, diffusion dialysis, redox flow cells, water treatment, and desalination of seawater. Ion exchange membranes are attracting worldwide attention because they are relatively simple to manufacture, have excellent selectivity for specific ions, and have a wide range of applications, making them especially important for reducing environmental pollution by reducing fossil raw material usage.

상기와 같은 이온교환막은 수용액 중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있어 연료전지, 전기투석, 산과 염기 회수를 위한 물 분해 전기투석, 산세 폐액으로부터 산 및 금속화학종을 회수하기 위한 확산투석, 초순수 공정 등 폭넓게 사용되고 있으며, 최근 선진국에서는 고성능 이온교환막이 개발됨에 따라 그 응용범위는 더욱 확대되고 있다.The ion exchange membrane as described above can selectively separate cations and anions in the aqueous solution, and thus can be used as a fuel cell, electrodialysis, electrodialysis for water decomposition for acid and base recovery, diffusion dialysis for recovering acid and metal species from acid waste, Process. In recent years, the application range of ion exchange membranes has been expanding as high performance ion exchange membranes have been developed.

이러한 이온교환막은 높은 선택성을 가져야 하며 용매 및 비 이온 용질의 낮은 투과성, 선택된 투과이온의 확산에 대한 낮은 저항, 높은 기계적 강도 및 내화학성을 필요로 한다. 이러한 이온교환막은 우수한 기계적 강도와 내구성이 요구된다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 보편적으로 사용되는 방법은 무기물을 첨가하여 하이브리드 복합 막을 제조하는 방법, 촉매 혼합물을 가열 압착하는 핫프레스 법, 경화제를 첨가하는 방법 등이 있다. 하이브리드 복합막 제조 방법은 막의 스웰링 현상이 계속된다면 막의 무기물과 고분자 막 간의 틈이 생기게 되어 제대로 된 이온교환능력을 발휘할 수 없게 된다는 단점이 있다. 촉매 혼합물을 가열 압착하는 핫프레스 법은 시간의 경과에 따라 촉매층이 녹아 나오는 단점이 있다. 또한 경화제를 첨가하는 방법 역시 시간의 경과에 따라 경화제가 녹아 나오는 단점이 있다. 앞서 기술한 바와 같은 문제점들로 인해 여전히 내구성이 높고 기계적 물성이 우수한 이온교환막의 개발이 요구되어 왔다.Such ion exchange membranes must have high selectivity and require low permeability of solvent and non-ionic solutes, low resistance to diffusion of selected permeate ions, high mechanical strength and chemical resistance. Such an ion exchange membrane is required to have excellent mechanical strength and durability. Methods commonly used to meet such demands include a method of producing a hybrid composite membrane by adding an inorganic substance, a hot pressing method of hot pressing the catalyst mixture, and a method of adding a hardening agent. In the hybrid composite membrane manufacturing method, if the swelling phenomenon of the membrane is continued, there is a gap between the inorganic material and the polymer membrane, and the ion exchange ability can not be exhibited properly. The hot press method in which the catalyst mixture is heated and pressed has a disadvantage in that the catalyst layer dissolves over time. Also, the method of adding a curing agent also has a disadvantage that the curing agent dissolves over time. It has been desired to develop an ion exchange membrane having high durability and excellent mechanical properties due to the problems described above.

현재 연료전지막, 전극막 등에 사용되고 있는 상용화 이온교환막은 술폰화된 폴리스티렌(Sulfonated polystyrene), 듀퐁(Du Pont)사에서 제조한 NafionTM(이하 '나피온'이라 칭함)등을 들 수 있다. 그러나 상기 술폰화된 폴리스티렌은 건조하게 되면 취성의 증가로 부서지게 되어 박막화나 복합막 등의 형태로 성형이 어렵게 되며 전극으로 가공 시에 기계적 안정성이 뒤떨어진다는 단점이 있다.Currently, commercialized ion exchange membranes used in fuel cell membranes, electrode membranes, etc. are sulfonated polystyrene, Nafion TM (hereinafter referred to as "Nafion") manufactured by Du Pont, and the like. However, when the sulfonated polystyrene is dried, it is broken down due to an increase in brittleness, which makes it difficult to form into a thin film or a composite film, and has a disadvantage in that mechanical stability is poor when it is processed into an electrode.

이러한 단점을 개선하기 위해서는 폴리스티렌의 술폰화 비율을 조절하는 방법 또는 막의 두께를 두껍게 하는 방법 등이 있는데, 이때에는 막의 저항이 증가하여 막의 이온교환 능력이 현저하게 떨어져 이온교환막으로서의 성능을 기대할 수 없고, 시스템 제작시 부피가 증가하여 공간의 제약을 받게 된다.In order to improve such disadvantages, there is a method of controlling the sulfonation ratio of polystyrene or a method of increasing the thickness of the membrane. At this time, the membrane resistance is increased and the ion exchange ability of the membrane is remarkably decreased, When the system is manufactured, the volume is increased and the space is limited.

또한, 나피온은 불소계 물질로서 높은 도전성과 화학적 안정성 등으로 인해 이온교환막으로 많이 사용되어 왔으나, 포함되어 있는 불소화합물로 인해 가격이 매우 고가이며, 고온에서의 사용이 제한되는 단점이 있다. 실제로 상기 나피온 등과 같은 고가의 이온교환막은 실제 배터리 구동에 막대한 영향을 미치며 배터리 제조 가격을 높이는 원인으로 지목되고 있다.In addition, Nafion has been used as an ion exchange membrane due to its high conductivity and chemical stability as a fluorine-based material. However, Nafion is very expensive due to the fluorine compound contained therein and its use at a high temperature is limited. In fact, expensive ion exchange membranes such as Nafion and the like have a great effect on the actual battery operation and are pointed out as a cause of increasing the manufacturing cost of the battery.

상기 나피온(NafionTM)과 같은 퍼플루오로술폰산 이온교환막의 단가는 약 100만원/m2으로 높기 때문에 해결되어야 할 과제 중 하나이다. 이에 원가가 저렴한 비불소 이온교환막에 대한 다양한 연구가 이루어졌으며 특히 SPAES (sulfonated poly aryleneether sulfone), SPEEK (sulfonated poly etherether ketone), PBI (Polybenzimidazole), SPSf (sulfonated polysulfone), 기타 합성고분자 등 탄화수소 계열의 고분자들에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔다.The unit price of the perfluorosulfonic acid ion exchange membrane such as Nafion TM is as high as about one million Yuan / m 2 , which is one of the problems to be solved. In this study, we have studied various nonfluorinated ion exchange membranes with low cost. Especially, we have investigated the effect of nonionic fluorinated ion exchange membranes such as SPAES (sulfonated polyaryleneether sulfone), SPEEK (sulfonated polyetherether ketone), PBI (Polybenzimidazole), SPSf (sulfonated polysulfone) Polymers have been extensively studied.

비불소계 고분자 물질들은 다양한 관능기의 도입, 고분자 사슬의 배치, 분자량의 조절 등 다양한 인자들을 조절하여 새로운 물질들이 개발되어 그 가능성을 테스트해 왔다. 그러나 대부분의 물질들은 우수한 전기적 성능에 비해 낮은 화학적/물리적 안정성으로 인하여 실제 응용이 되는 부분에 있어 제한적인 문제점을 안고 있었다. 따라서 고분자물질의 성능 향상을 위해 다양한 방법들이 제시되어 왔다. 그러나 이러한 노력의 결과물들은 낮은 이온 선택성을 보이며 내구성이 낮은 단점이 있다.
Non-fluorinated polymeric materials have been tested for the possibility of new materials by controlling various factors such as introduction of various functional groups, arrangement of polymer chains, and control of molecular weight. However, most of the materials have limited limitations in practical applications due to their low chemical / physical stability compared to their excellent electrical performance. Therefore, various methods have been proposed to improve the performance of the polymer material. However, the results of these efforts show low ion selectivity and low durability.

대한민국 등록특허 제10-1144975호Korean Patent No. 10-1144975

상술한 바와 같이, 비불소계 이온교환막 소재로는 폴리벤즈이미다졸, 폴리포스파젠, PEEK, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미다졸 및 폴리페닐렌 설파이드술폰과 같이 기계적 물성이 우수한 수지를 혼합하여 양이온교환막의 기재로 사용하고 있으나 이들 재료로 제조된 막의 가격은 여전히 고가이고, 막의 제조 후 관능화 반응을 통한 이온교환기의 도입하는 방법은 관능화 도입시 반응에 의해 막 표면 물성이 저하되어 기계적 물성이 취약하게 되는 문제가 있었다. 이에 따라 내구성 향상을 위해 가소제와 같은 약품을 사용해야 하는 단점을 지니고 있어 비용 및 기계적 물성을 개선할 수 있는 새로운 방법의 필요성이 요구되고 있다.
As described above, as a non-fluorine-based ion exchange membrane material, resins having excellent mechanical properties such as polybenzimidazole, polyphosphazene, PEEK, polysulfone, polyimide, polyether imidazole and polyphenylene sulfide sulfone are mixed, But the cost of membranes made of these materials is still high and the method of introducing an ion exchanger through the functionalization after the production of the membrane is that the physical properties of the membrane surface are lowered due to the reaction during the introduction of the functionalization, There was a problem that was vulnerable. Accordingly, there is a disadvantage that a drug such as a plasticizer is used in order to improve durability, and a new method for improving cost and mechanical properties is required.

이에, 본 발명은 전기투석용 시스템 제조시 양극과 음극을 서로 격리하기 위한전해질 막을 제조하는데 있어서, 다공성 지지체의 모재(母材)인 폴리올레핀; 상기 폴리올레핀 멤브레인을 분산매로 하여 상기 폴리올레핀 멤브레인 내에 균일하게 분산되는 표면처리 나노입자 무기필러(inorganic filler); 상기 나노입자 무기필러가 균일 분산된 다공성 지지체 내에 상기 양이온전도체가 균일 함침된 수처리용 이온교환막을 제공함으로써 상기와 같은 과제를 해결하고자 한다.
Accordingly, the present invention provides a method for preparing an electrolyte membrane for separating an anode and a cathode from each other in the production of an electrodialysis system, comprising: preparing a polyolefin which is a base material of a porous support; A surface-treated nanoparticle inorganic filler which is uniformly dispersed in the polyolefin membrane using the polyolefin membrane as a dispersion medium; The present invention provides an ion exchange membrane for water treatment in which the cation conductor is homogeneously impregnated in a porous support in which the nanoparticle inorganic filler is uniformly dispersed.

본 발명에 따르면, 상기 폴리올레핀 멤브레인에 형성된 미세기공 및 통상적 100% PE수지 필름의 연신배율보다는 낮은 비율의 2축 연신을 하여 물리적 강도를 확보하고, 상기 연신된 필름에 양이온전도체가 함침된 이온교환멤브레인을 제공한다. According to the present invention, the micropores formed on the polyolefin membrane and biaxial stretching ratio lower than the stretch ratio of a conventional 100% PE resin film are secured to ensure physical strength, and an ion exchange membrane impregnated with a cation conductor .

본 발명의 수처리용 이온교환막에 따르면, 종래의 나피온과 같은 퍼플루오로술폰산 이온교환막에 대하여 제조단가가 저렴하다. 또한 본 발명의 이온교환막은 대비 가격은 저렴하면서도 나노 실리카 입자와 같은 무기필러가 균일하게 분산되어 있는 폴리올레핀계 유기 무기 복합막으로 구성되어 있어 물리적/화학적 특성이 상대적으로 우수하다. 상기와 같은 구성에 따라 높은 기계적 강도(인장강도, 천공강도)을 가지면서 내산성, 내화화적 특성을 지녀 장기안정성에서도 높은 효과를 유지한다. 또한 다공성베이스멤브레인에 흡착되는 양이온전도체에 의한 이온교환 효과 및 미세기공을 통하여 이온의 이동이 자유롭게 되면서 기공 크기를 조절하여 특정이온을 물리적 크기로 차단하여 높은 선택적 투과율을 기대할 수 있다.
According to the ion exchange membrane for water treatment of the present invention, the production cost is low for a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane such as the conventional Nafion. Also, the ion exchange membrane of the present invention is relatively excellent in physical / chemical characteristics because it is composed of a polyolefin-based organic-inorganic hybrid membrane in which inorganic filler such as nanosilica particles are uniformly dispersed while the contrast price is low. According to the above-described structure, it has high mechanical strength (tensile strength, puncture strength), and it has acid resistance and refractory characteristics and maintains high effect even in long term stability. Also, the ion exchange effect by the cation conductor adsorbed on the porous base membrane and the movement of the ions through the micropores can be freely controlled, so that the selective ion permeability can be expected by controlling the pore size to block specific ions at a physical size.

도 1은 고분자 전해질막의 제조방법 중, 비교예 1에서 제조된 다공성 지지체의 사진이며,
도 2는 실시예의 방법으로 제조된 전해질 막의 사진이고,
도 3은 실시예에서 제조된 다공성 지지체의 SEM 사진이며,
도 4는 실시예에서 제조된 다공성 지지체의 보다 확대된 SEM 사진이다.
도 5는 실시예에서 제조된 다공성 지지체의 단면 SEM 사진이다.
1 is a photograph of the porous support prepared in Comparative Example 1, which is a method of producing a polymer electrolyte membrane,
2 is a photograph of an electrolyte membrane produced by the method of the embodiment,
3 is a SEM photograph of the porous support prepared in Example,
4 is a more enlarged SEM photograph of the porous support prepared in the example.
5 is a cross-sectional SEM photograph of the porous support prepared in the example.

본 발명은 수처리용 이온교환막 특히 ED(Electrodialysis) 및 RED(Reverse electrodialysis)용 이온교환막으로써 제조단가는 낮으면서 기계적 특성과 화학적안정성이 우수한 유무기 복합 미세다공성 다공성 지지체를 이용한 이온교환 막 (membrane)에 관한 것이다. The present invention relates to an ion exchange membrane using an organic / inorganic composite microporous porous support having a low manufacturing cost and excellent mechanical properties and chemical stability as an ion exchange membrane for water treatment, particularly, ED (Electrodialysis) and RED (Reverse Electrolysis) .

본 발명은 수처리용 이온교환막에 있어서, 폴리올레핀 모재(母材)와, 상기 폴리올레핀 모재에 분산되는 나노입자 무기필러를 포함하며 구성되는 다공성베이스멤브레인과, 상기 다공성베이스멤브레인에 흡착되는 양이온전도체 및 음이온전도체를 포함하는 수처리용 이온교환막을 제공한다. 상기 이온교환막은 두께가 10 내지 100㎛이 되도록 형성될 수 있다.The present invention provides an ion exchange membrane for water treatment, comprising: a porous base membrane comprising a polyolefin base material (base material) and a nanoparticle inorganic filler dispersed in the polyolefin base material; and a cationic and anionic conductor And an ion exchange membrane for water treatment. The ion exchange membrane may be formed to have a thickness of 10 to 100 mu m.

상기 양이온전도체는 The cation conductor

Figure 112015004625467-pat00001
Figure 112015004625467-pat00001

상기 화학식 1의 구조를 가지며, 상기 화학식 1에서,(1), wherein in Formula 1,

A와 A'는 -S-, -SO2-, -NH-, -C(CH3)2- 및 -C=O- 중에서 선택되는 하나 이고, A and A 'are one selected from -S-, -SO 2 -, -NH-, -C (CH 3 ) 2 - and -C = O-,

B는 -O-, -SO2-, -C=O- 또는 -C(CF3)2이며, B is -O-, -SO 2 -, and -C = O- or -C (CF 3) 2,

X는 나트륨 또는 칼륨이고, X is sodium or potassium,

k=n+mk이며, n/(n+m)은 0.001 내지 1인 것이 바람직하다. k = n + mk, and n / (n + m) is preferably 0.001 to 1.

상기 화학식 1로 표시되는 고분자로는 NMP (N-methyl-α-pyrrolidinone) 상에서 측정한 고유점도가 0.1 이상으로 물에 용해되지 않으며, NMP 상에서 측정된 고유점도가 0.8 이상 2.5 이하의 범위에 존재하는 것을 사용할 수 있다.The polymer represented by the formula (1) has an intrinsic viscosity of not less than 0.1 as measured on N-methyl-α-pyrrolidinone (NMP), and an intrinsic viscosity of not less than 0.8 and not more than 2.5 as measured on NMP Can be used.

본 발명에 있어서 양이온전도체 용액은 화학식 1로 표시되는 양이온교환기를 갖는 고분자를 전체 용액 중 10 내지 30중량%로 포함하는 것을 사용할 수 있다. In the present invention, the cationic conductor solution may contain 10 to 30% by weight of a polymer having a cation-exchange group represented by the general formula (1) in the total solution.

상기와 같은 양이온전도체의 예로서, 술폰화도(degree of sulfonation) 30 ∼ 70%의 술포네이트 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 공중합체, 술포네이트 폴리 이미드(sulfonated polyimide), 술포네이트 폴리벤조이미다졸(sulfonated polybenzimadazole), 술포네이트 폴리술폰(sulfonated polysulfone) 술포네이트 폴리스티렌(sulfonated polystylene), 술포네이트 폴리에테르키톤(sulfonated poly ether ketone), 술포네이트 폴리에테르에테르키톤(sulfonated polyetheretherketone) 또는 그 들의 혼합물이 적용될 수 있다.
Examples of such cationic conductors include sulfonate polyarylene ether sulfone (SPAES) copolymer having a degree of sulfonation of 30 to 70%, sulfonated polyimide, sulfonate polybenzimidazole a sulfonated polybenzimidazole, a sulfonated polysulfone sulfonated polystylene, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyetheretherketone, or a mixture thereof have.

상기 나노입자 무기필러는 실리카(SiO2), TiO2, Al2O3, 제올라이트(zeolite), AlOOH, BaTiO2, 탈크(Talk), Al(OH)3, CaCO3 중에서 선택된 하나 이상인 것을 적용할 수 있으며, 바람직하게는 10nm-6㎛의 평균 입자 직경을 갖는 구형의 입자의 소수화 및 친수화 표면 처리한 나노 무기물이고, 더욱 바람직한 상기 구형의 입자 크기는 50nm-1㎛이다. 상기 표면처리 나노입자 무기필러의 첨가비는 전체 다공성 지지체 전체 중량 대비 10~50wt%인 것이 바람직하다. 상기 나노입자 무기필러를 전체중량 대비 50% 이상 첨가하게 되면 다공성 지지체의 기계적 강도가 감소하고 10%미만이 첨가되면 무기필러의 특성이 작용하지 않아 기공의 생성이 어렵다.The nanoparticle inorganic filler is at least one selected from the group consisting of silica (SiO 2 ), TiO 2 , Al 2 O 3 , zeolite, AlOOH, BaTiO 2 , talc, Al (OH) 3 and CaCO 3 Preferably hydrophobicized and hydrophilized surface-treated nanomaterials of spherical particles having an average particle diameter of 10 nm-6 占 퐉, and more preferably the spherical particle size is 50 nm-1 占 퐉. The addition ratio of the surface-treated nanoparticle inorganic filler is preferably 10 to 50 wt% based on the total weight of the entire porous support. If the inorganic filler is added in an amount of 50% or more based on the total weight of the nanoparticle, mechanical strength of the porous support decreases. If less than 10% of the inorganic filler is added, the inorganic filler does not work and pore formation is difficult.

상기 소수화 표면 처리 나노 입자 실리카(SiO2)는 생산공정에 따라서 다양한 크기와 형태를 가지는 바, 본 발명에서는 SEM 이미지에서 보이는 바와 같이 모양이 구형 타입이 가장 적합한 것을 알 수 있었다. 상기와 같은 졸-겔 합성방법에 의하면 평균 입자 크기가 작고 입도 분포가 좁은 표면 처리 나노 사이즈의 입자 제조가 가능하다. The hydrophobic surface-treated nanoparticle silica (SiO2) has various sizes and shapes according to the production process. As shown in the SEM image of the present invention, the spherical type is the most suitable. According to the sol-gel synthesis method as described above, it is possible to produce a nano-sized surface-treated particle having a small average particle size and a narrow particle size distribution.

또한, 상기 실리카(SiO2)는 그 표면에 소수성(疎水性)의 직쇄탄화수소(linear hydrocarbon) 분자가 코팅되는 것이 바람직하다. 실리카 자체는 친수성 성질을 가지고 있으므로 본래 소수성인 폴리올레핀 수지와 상용성을 좋게 하기 위해서는 직쇄 탄화수소 분자가 코팅된 나노 입자 구형 타입 실리카가 적당함을 알 수 있다. The surface of the silica (SiO2) is preferably coated with hydrophobic (linear hydrocarbon) molecules on its surface. Since the silica itself has a hydrophilic property, it can be seen that a nanoparticle spherical type silica coated with a straight chain hydrocarbon molecule is suitable for improving compatibility with a polyolefin resin originally hydrophobic.

즉, 상기 나노입자 무기필러는 10nm ~ 600nm크기의 구형 나노실리카이며, 표면이 에틸렌처리된 것을 적용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 나노입자 무기필러는 수처리용 이온교환막의 전체중량대비 10~50 중량% 함유된 것이 바람직하다. 나노입자 무기필러는 물리적/화학적 특성이 상대적으로 우수하며, 이에 따라 멤브레인이 높은 기계적 강도(인장강도, 천공강도)을 가지면서 내산성, 내화화적 특성을 지녀 장기적인 운영시에도 높은 효과를 유지할 수 있게 해준다.
That is, the nanoparticle inorganic filler is spherical nanosilica having a size of 10 nm to 600 nm, and the surface is preferably treated with ethylene. At this time, the nanoparticle inorganic filler is preferably contained in an amount of 10 to 50% by weight based on the total weight of the ion exchange membrane for water treatment. Nanoparticle inorganic filler has relatively good physical / chemical properties and thus has high mechanical strength (tensile strength, puncture strength) and acid resistance and fire resistance, so that it can maintain high effect even in long term operation .

상기 다공성베이스 멤브레인은 2축 연신되어 제조되며, 통기도 70~180초 미만이고, 기공도는 40~80%이며 기공의 직경이 0.1~50㎛인 것이 바람직하다. 상기 기공의 직경은 선택적 투과가 요구되는 이온의 크기에 맞추어 조절될 수 있다. Preferably, the porous base membrane is manufactured by biaxial stretching, has an air permeability of less than 70 to 180 seconds, a porosity of 40 to 80%, and a pore diameter of 0.1 to 50 μm. The diameter of the pores may be adjusted according to the size of the ions required for selective permeation.

상기 다공성 지지체의 모재(母材)인 폴리올레핀 멤브레인은 고밀도폴리에틸렌(HDPE), 초고분자량폴리에틸렌(Ultra high molecular weight polyethylene; (UHMWPE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리메틸펜텐(polymethylpentene, PMP) 중 선택되는 하나 이상 또는 두 가지 이상의 블랜드 재질로 구성될 수 있다. 특히, 상기 다공성 지지체의 모재(母材)인 폴리올레핀 멤브레인은 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra high molecular weight polyethylene; UHMWPE)을 다공성 지지체 필름 총 중량대비 5-50%, 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 총 중량대비 5-20%, 폴리프로필렌(polypropylene) 총 중량대비 5-20% 로 포함하는 것이 바람직하다.The polyolefin membrane, which is the base material of the porous support, may be selected from the group consisting of high density polyethylene (HDPE), ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE), polypropylene (PP), and polymethylpentene In particular, the polyolefin membrane, which is the base material of the porous support, may be made of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) in a ratio of the total weight of the porous support film 5-50%, high density polyethylene (HDPE) in an amount of 5-20% of the total weight and 5-20% of the total weight of polypropylene.

이때, 상기 초고분자량폴리에틸렌(Ultra high molecular weight polyethylene; UHMWPE)은 중량평균분자량 100-500만의 분자량 및 3-6의 분산도(分散度)를 가지고, 고밀도폴리에틸렌(HDPE)은 중량 평균 분자량 30-70만의 분자량 및 3-6의 분산도(分散度)를 가지며, 상기 폴리프로필렌은 중량 평균 분자량 10-20만의 분자량 및 3-6의 분산도(分散度)를 갖는 것이 바람직하다.The high molecular weight polyethylene (UHMWPE) has a weight average molecular weight of 100-500,000 and a molecular weight of 3-6 (dispersion). The high density polyethylene (HDPE) has a weight average molecular weight of 30-70 (Degree of dispersion) of from 3 to 6, and the polypropylene preferably has a weight average molecular weight of from 10 to 20,000 and a molecular weight of from 3 to 6 (degree of dispersion).

상기와 같이 초고분자량폴리에틸렌(UHMWPE) 또는 고밀도 폴리에틸렌 수지와 폴리프로필렌 수지를 압출기에서 용융혼련(Mixing at Melt State) 할 경우, 소량의 상용화제가 첨가될 수 있으며, 가소제(plasticizer), 가공성 향상제(Processing agent) 또는 산화방지제(antioxidant) 등이 첨가될 수 있다. 특히, 가소제 혹은 가공성 향상제는 에틸렌 올리고머계 물질로 이루어진 것이 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐 수지 각각에 대해서 상용화성을 개선하기 위해 필요한 것을 알 수 있었다.
When the ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) or the high density polyethylene resin and the polypropylene resin are melt-kneaded in an extruder as described above, a small amount of a compatibilizer may be added, and a plasticizer, a processing agent ) Or an antioxidant may be added. In particular, it has been found that the plasticizer or the processability-improving agent is required to improve compatibility with each of the high-density polyethylene, polypropylene and polymethylpentene resin, which is made of an ethylene oligomer-based material.

상기의 수처리용 이온교환막의 제조방법은, 나노입자 무기필러 및 폴리올레핀 모재 준비단계(s100); 상기 나노입자 무기필러와 폴리올레핀 모재를 파라핀오일과 혼합하는 단계(s200); 진공탈포에 의한 미세기포 제거단계(s300); 150-300℃에서 용융혼련 토출단계(s400); 상기 용융혼련 토출물을 50-100℃의 캐스팅롤(Casting roll)에서 베이스시트로 형성시키는 단계(s500); 상기 베이스시트를 2축 연신하는 단계(s600); 상기 베이스시트를 용제에 침지시켜 파라핀오일을 제거하는 단계(s700); 상기 베이스시트를 양이온전도체 용액에 침지하거나 베이스시트에 양이온전도체 용액을 도포하는 단계(s800); 상기 베이스시트에 양이온전도체를 함침시키는 단계(s900)를 포함한다. The method for producing an ion exchange membrane for water treatment comprises: preparing a nanoparticle inorganic filler and a polyolefin matrix (s100); Mixing the nanoparticle inorganic filler and the polyolefin base material with paraffin oil (s200); A step of removing fine bubbles by vacuum defoaming (s300); A melt-kneading and discharging step (s400) at 150-300 占 폚; (S500) forming the melt-kneaded discharge product from a casting roll at 50-100 DEG C into a base sheet; Biaxially stretching the base sheet (s600); Immersing the base sheet in a solvent to remove paraffin oil (s700); Immersing the base sheet in the cation conductor solution or applying the cation conductor solution to the base sheet (s800); And impregnating the base sheet with a cation conductor (s900).

상술한 바와 같이, 상기 나노입자 무기필러 및 폴리올레핀 모재 준비단계(s100)에서, 상기 나노입자 무기필러는 10nm ~ 600nm크기의 구형 나노실리카이며, 표면이 에틸렌처리된 것이 바람직하며, 상기 나노입자 무기필러 및 폴리올레핀 모재 준비단계(s100)에서, 상기 폴리올레핀 모재는 분자량이 110만 ∼ 180만의 초고분자량폴리에틸렌 또는 분자량 30-40만의 고분자량 폴리에틸렌 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.As described above, in the nanoparticle inorganic filler and polyolefin matrix preparation step (s100), the nanoparticle inorganic filler is spherical nanosilica having a size of 10 nm to 600 nm, and the surface is preferably treated with ethylene, and the nanoparticle inorganic filler And the polyolefin matrix preparation step (s100), the polyolefin matrix is preferably an ultra-high-molecular-weight polyethylene having a molecular weight of from 1,110,000 to 1,800,000, a high-molecular-weight polyethylene having a molecular weight of 30,000 to 400,000, or a mixture thereof.

또한, 상기 베이스시트를 2축 연신하는 단계(s600)는 100-200℃의 온도하에서 가로방향 및 세로방향 각각 80-150% 연신하는 것이 바람직하다. 물론 1축 연신을 적용하는 것도 적용 가능하다.In addition, it is preferable that the step (s600) of biaxially stretching the base sheet is 80-150% stretching in both the transverse direction and the longitudinal direction at a temperature of 100-200 占 폚. Of course, it is also applicable to apply uniaxial stretching.

보다 높은 기계적 성질을 갖기 위하여, 상기 베이스시트를 용제에 침지시켜 파라핀오일을 제거하는 단계(s700) 이후에 가로, 세로방향 각각 5-20% 연신 후 3-10% 수축한 후 20-120초 동안 유지하여 열고정(Heat Set)하는 2차 연신단계(s710)를 포함하는 것이 바람직하다.
In order to obtain higher mechanical properties, the base sheet is immersed in a solvent to remove paraffin oil (s700). After sintering, the base sheet is shrunk by 5 to 20% in each of the transverse and longitudinal directions and then shrunk by 3-10% And a second elongating step (s710) of holding and heat setting (Heat Set).

상기 베이스시트를 양이온전도체 용액에 침지하거나 베이스시트에 양이온전도체 용액을 도포하는 단계(s800)에서,In the step (s800) of immersing the base sheet in the cation conductor solution or applying the cation conductor solution to the base sheet,

상기 양이온전도체 용액은 4,4'-디클로로디페닐술폰, 4,4'-바이페놀, 디술폰화디클로로디페닐술폰, K2CO3 및 NMP, 톨루엔을 투입하고, 80 ∼ 150℃ 에서 30분 ∼ 2 시간동안 교반시키는 단량체 용해단계(s810); 온도를 150 ∼ 180℃로 승온시킨 후, 3-6 시간동안 톨루엔으로 환류 시키면서 반응 생성물인 물을 제거하는 단계(s820); 190 ∼ 250℃로 추가 승온시켜 딘-스탁 트랩에서 잔류 톨루엔을 완전 제거하고 20 ∼48 시간동안 반응시키는 단계(s830); 반응용액을 희석시켜 여과한 후, 물에 부어 팽윤된 섬유(swollen fiber) 형태로 침전시키고 여과하는 단계(s840); 건조하여 술폰화도 30 ∼ 70%의 술포네이트 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체를 수득하는 단계(s850); 상기 술포네이트 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체를 50 ∼ 90℃의 온도에서 디메틸아세트아마이드(DMAc) 또는 NMP와 같은 유기용매에 용해시키는 단계(s860)를 포함하는 공정으로 제조될 수 있다. 상기와 같은 방법으로 제조된 다공성 지지체의 인장강도는 1000~2000(kgf/㎝²)이 된다.
The cation conductor solution is prepared by adding 4,4'-dichlorodiphenylsulfone, 4,4'-biphenol, disulfonated dichlorodiphenylsulfone, K 2 CO 3 and NMP, and toluene at 80 to 150 ° C. for 30 minutes, A monomer dissolving step (s810) for stirring for 2 hours; Raising the temperature to 150 to 180 ° C, refluxing with toluene for 3-6 hours to remove water as a reaction product (s820); Further increasing the temperature to 190 to 250 DEG C to completely remove the remaining toluene from the dean-stark trap and reacting for 20 to 48 hours (s830); Diluting the reaction solution with water, pouring it into water to precipitate in the form of swollen fiber and filtering (s840); Drying (s850) a sulfonated polyarylene ether sulfone copolymer having a sulfonation degree of 30 to 70%; (S860) dissolving the sulfonate polyarylene ether sulfone copolymer in an organic solvent such as dimethylacetamide (DMAc) or NMP at a temperature of 50 to 90 占 폚. The tensile strength of the prepared porous support is 1000 to 2000 kgf / cm 2.

1. 실시예1. Example

1-1. 다공성베이스멤브레인 제조1-1. Porous base membrane manufacturing

에틸렌 표면 코팅된 600nm의 구형 나노실리카 평균입자직경 20wt%, 동점도 40cSt(40℃기준) 유동 파라핀 오일 65%, 초고분자량폴리에틸렌(Mw=150만) 20wt%, 고분자량 폴리에틸렌(Mw=35만) 20 wt% 준비하였다.Spherical nanosilica coated on ethylene surface 20wt% average particle diameter and kinematic viscosity 40cSt (based on 40 ℃) Liquid paraffin oil 65%, ultra high molecular weight polyethylene (Mw = 1.5 million) 20wt%, high molecular weight polyethylene (Mw = 350,000) 20 wt%.

탄화수소 표면 처리된 나노 실리카 입자를, 유동 파라핀 오일에 10~50%비율로 혼합하고 고속 혼합 믹서를 사용하여 나노 실리카 입자를 균일하게 분산하였다. 이후 진공 탈포 공정을 거쳐서 혼합 과정에서 생긴 미세 기포를 제거하였다.Hydrocarbon surface treated nanosilica particles were mixed in liquid paraffin oil at a ratio of 10 to 50% and the nanosilica particles were uniformly dispersed using a high speed mixing mixer. After the vacuum defoaming process, microbubbles formed during the mixing process were removed.

350mm 폭의 티-다이(T-die)가 장착된 이축 스크류 압출기(Twin Screw Extruder)를 사용하여 190~230℃온도에서 용융 혼련 토출하였다. 이때 최종 다공성베이스멤브레인 중량 대비 무기 필러 함량이 51.4%가 되도록 투입 함량을 제어하였다.Kneaded and discharged at 190 to 230 ° C using a twin screw extruder equipped with a T-die having a width of 350 mm. At this time, the feed content was controlled so that the inorganic filler content was 51.4% based on the weight of the final porous base membrane.

티-다이를 통해서 압출된 용융혼련물은 60℃의 캐스팅 롤 (Casting roll)을 거쳐서 상온으로 냉각 고화시켰으며 Sheet의 두께는 1~2mm로 조절하였다.The melt-kneaded material extruded through the T-die was cooled and solidified at room temperature through a casting roll at 60 ° C. The thickness of the sheet was adjusted to 1 to 2 mm.

그 다음 과정으로 압출된 다공성베이스 멤브레인을 120℃로 가열한 2축 연신기를 사용하여 가로 방향 100%, 세로 방향 100%로 연신하여 필름을 제조하였다.Subsequently, the extruded porous base membrane was stretched to 100% in the transverse direction and 100% in the longitudinal direction using a biaxial stretching machine heated to 120 ° C to produce a film.

그 다음 과정으로 연신된 필름을 40℃의 메틸렌클로라이드(Methylenechloride)에 1시간 침지하여 유동 파라핀 오일을 제거하였다.Then, the stretched film was immersed in methylene chloride at 40 DEG C for 1 hour to remove the liquid paraffin oil.

이후 상온에서 건조시켜 잔류 용매를 제거하였다. 이후 2축연신기를 통해서 가로 방향 10% 연신 후 5%수축, 세로방향 10%연신 후 5%수축하고 30초 동안 유지하여 열고정(Heat Set) 작업을 진행하였다.
The residue was then dried at room temperature to remove residual solvent. Then, 5% shrinkage after 10% stretching in the transverse direction and 5% shrinkage after 10% stretching in the longitudinal direction through the biaxial stretching machine were carried out and the heat set operation was carried out by holding for 30 seconds.

1-2. 술폰화도 40%의 술포네이트 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체 제조1-2. Preparation of sulfonated polyarylene ether sulfone copolymer having 40% of sulfonation degree

100㎖의 가지달린 둥근 플라스크에 가스 주입구, 온도계, 딘-스탁 트랩, 냉각기 및 교반기를 설치하고, 질소 분위기에서 수분동안 공기 및 불순물을 제거한 후, 4,4'-디클로로디페닐술폰 3.4460g, 4,4'-바이페놀(이하 "BP"라고 한다) 3.7242g, 디술폰화디클로로디페닐술폰 3.9301g, K2CO3 3.1787g 및 NMP 44.4㎖, 톨루엔 22.2㎖ (NMP/톨루엔=2/1 V/V)을 투입하고, 80℃ 이상에서 1시간 동안 교반시키면서 단량체를 용해시켰다.A gas inlet, a thermometer, a Dean-Stark trap, a condenser and a stirrer were installed in a 100 ml round-bottom flask equipped with a stirrer, and air and impurities were removed for a few minutes in a nitrogen atmosphere. Then, 4,4'-dichlorodiphenylsulfone , 3.7242 g of 4'-biphenol (hereinafter referred to as "BP"), 3.9301 g of disulfonated dichlorodiphenylsulfone, 3.1787 g of K2CO3 and 44.4 ml of NMP and 22.2 ml of toluene (NMP / toluene = 2/1 V / And the monomer was dissolved while stirring at 80 DEG C or higher for 1 hour.

이후, 반응용액의 온도를 160℃로 승온시킨 후, 4시간 동안 톨루엔으로 환류 시키면서 반응 생성물인 물을 제거한 다음, 다시 190℃로 승온시켜 딘-스탁 트랩에서 잔류 톨루엔을 완전 제거하고 24시간 동안 반응시켰다. 반응이 종료되면 NMP로 반응용액을 희석시켜 여과한 후, 물에 부어 팽윤된 섬유(swollen fiber) 형태로 침전시키고 여과하였다. 이후, 얻어진 반응 생성물을 120℃의 감압 건조기에서 24시간 동안 건조시켜, 술폰화 고분자 공중합체인 술폰화 폴리아릴에테르술폰(SPAES)을 얻었다.
Thereafter, the temperature of the reaction solution was raised to 160 ° C., refluxed with toluene for 4 hours to remove water as a reaction product, and then the temperature was raised to 190 ° C. to completely remove the residual toluene from the Dean-Stark trap, . When the reaction was completed, the reaction solution was diluted with NMP and filtered, and then poured into water to precipitate in the form of swollen fiber and filtered. Thereafter, the obtained reaction product was dried in a vacuum dryer at 120 ° C for 24 hours to obtain a sulfonated polyarylether sulfone (SPAES) as a sulfonated polymer copolymer.

1-3. 상기 제조된 술폰화도(degree of sulfonation) 40%의 수준인 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 공중합체를 60℃에서 디메틸아세트아마이드(DMAc)에 용해시켰다. 다공성베이스 멤브레인에 제조된 상기 이온전도체 용액을 도포한 후 감암/가압공정을 통하여 균일 함침하여 전해질 막을 제조하였다
1-3. The sulfonated polyarylene ether sulfone (SPAES) copolymer having a degree of sulfonation of 40% as prepared above was dissolved in dimethylacetamide (DMAc) at 60 ° C. The ionic conductor solution prepared in the porous base membrane was applied and then uniformly impregnated through a reduction / pressure process to prepare an electrolyte membrane

2. 비교예 12. Comparative Example 1

상용화된 Neosepta(상표명) 양이온교환막(CMX)을 탈이온수로 세척하여 상기의 방법을 이용하여 전해질 막을 평가하였다.
The commercialized Neosepta (trade name) cation exchange membrane (CMX) was washed with deionized water and the electrolyte membrane was evaluated using the above method.

3. 비교예 23. Comparative Example 2

상용화된 Neosepta(상표명) 음이온교환막(AMX)을 탈이온수로 세척하여 상기의 측정방법을 이용하여 전해질 막을 평가하였다.
The commercially available Neosepta (trade name) anion exchange membrane (AMX) was washed with deionized water and the electrolyte membrane was evaluated using the above measurement method.

4. 비교예 34. Comparative Example 3

상기 실시예에서 제조된 이온전도체를 실시예에서 실리카 입자를 제외하고 제조된 베이스 멤브레인에 실시예의 방법과 같이 이온전도체를 균일 함침하여 전해질 막을 제조하였다.
The ion conductor prepared in the above example was uniformly impregnated with the ion conductor in the same manner as in the example of the embodiment, except that the silica particles were removed from the ion membrane to prepare an electrolyte membrane.

[시험 측정 방법][Test Measurement Method]

1. 통기도1. Ventilation

시료를 30mm*30mm으로 준비하여 TOYOSEIKI 통기도 측정기를 사용하여 100ml 공기가 통과하는 시간을 측정함.
Prepare the sample at 30mm * 30mm and measure the time that 100ml air passes through TOYOSEIKI airflow meter.

2. 인장강도2. Tensile strength

다공성 지지체 샘플을 MD, TD방향으로 ASTM D 규격의 시편모양에 맞게 절취한다. 만능인장시험기(UTM)기의 지그에 시편을 물린 후 일정한 속도로 인장시켜 파괴가 일어날 때까지 가해진 응력(N)을 측정한다.The porous support sample is cut in the MD and TD directions to conform to the specimen shape of the ASTM D standard. Bite the specimen to a jig on a universal tensile testing machine (UTM), and pull it at a constant speed to measure the stress (N) applied until fracture occurs.

비 고Remarks 두께
(㎛)
thickness
(탆)
투과율
(Permeability)
(sec)
Transmittance
(Permeability)
(sec)
인장강도
Break Strength
(kgf/㎝²)
The tensile strength
Break Strength
(kgf / cm²)
Break longation (%)Break longation (%)
MDMD TDTD MDMD TDTD 상용막(Neosepta)Neosepta 170170 -- 370370 20.620.6 비교예1Comparative Example 1 19.019.0 322.8322.8 16111611 10411041 70.370.3 106.8106.8 실시예 1Example 1 17.917.9 274.9274.9 17251725 10351035 60.760.7 120.3120.3

3. 기공율(%)3. Porosity (%)

다공성 지지체 샘플을 필름을 일정 크기로 절단 한 다음 전자저울로 무게를 측정한다. 기공이 없는 상태(예: 용융 후 냉각)에서 밀도 구배법을 이용하여 밀도를 측정한다. 이후 필름의 무게 및 절단 크기의 이론적 무게를 상기 측정한 밀도값에 의해 계산한 다음 나누어서 기공율을 계산한다.
The porous support sample is cut to a certain size and then weighed with an electronic scale. Density is measured using a density gradient method in the absence of pores (eg after cooling after melting). Then, the theoretical weight of the film weight and the cut size is calculated by the measured density value, and then the porosity is calculated.

4. 돌자강도(Puncture Strength)4. Puncture Strength

다공성 지지체 샘플 100mm*50mm을 준비한다. KATOTECH社 돌자강도 측정기를 이용하여 다공성 지지체 시료에 Stick으로 힘을 가하여 뚫리는 시점에서의 힘을 측정한다.
Prepare a porous support sample of 100 mm * 50 mm. Measure the force at the point where the porous support sample is pierced by applying force to the stick by using a KATOTECH pounding strength meter.

5. 물 흡수율 측정5. Measurement of water absorption rate

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전해질 막에 대한 물 흡수율을 측정하기 위하여, 전해질 막을 탈 이온수로 여러 번 세척하고, 세척된 고분자 전해질 막을 탈 이온수에 24시간 동안 침지시킨 후 꺼내어 표면에 존재하는 물을 제거한 후 무게를 측정하였다(Wwet). 이어서, 동일한 막을 다시 120℃의 감압 건조기에서 24시간 동안 건조시킨 후 다시 무게를 측정하였다(Wdry). 하기 식 1에 의해 물 흡수율을 산출하였다.
In order to measure the water absorption rate of the electrolyte membrane prepared in the Examples and Comparative Examples, the electrolyte membrane was washed several times with deionized water, and the washed polymer electrolyte membrane was immersed in deionized water for 24 hours, And the weight was measured (Wwet). Subsequently, the same membrane was again dried in a vacuum dryer at 120 ° C for 24 hours and then weighed again (Wdry). The water absorption rate was calculated by the following formula (1).

<식 1><Formula 1>

물 흡수율(water uptake, %) = [(Wwet-Wdry)/Wdry] x 100
Water uptake (%) = [(Wwet-Wdry) / Wdry] x 100

6. 치수 안정성 측정6. Measurement of dimensional stability

치수 안정성은 물 흡수율 측정방법과 동일하게 수행하되, 무게를 재는 대신에, 막의 면적 변화를 측정한 후, 하기 식 2에 의해 산출하였다.
The dimensional stability was measured in the same manner as in the measurement of the water absorption rate, but instead of measuring the weight, the area change of the membrane was measured and then calculated by the following equation (2).

<식 2><Formula 2>

치수 변화율(%) = [(막면적wet-막면적dry)/막면적dry]x 100
Dimensional change ratio (%) = [(membrane area wet-membrane area dry) / membrane area dry] x 100

7. 이온 전도도 측정7. Ion conductivity measurement

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 나노 복합체 전해질 막에 대하여, 측정장비 [네오사이언스사의 VSP-300 Impedance/Gain-Phase analyzer]를 이용하여 이온 전도도를 측정하였다. 이때, 임피던스 스펙트럼은 10MHz부터 10Hz까지 기록되었으며, 이온 전도도는 하기 식 3에 의해 산출되었다.
The ionic conductivity of the nanocomposite electrolyte membranes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was measured using a measuring instrument (VSP-300 Impedance / Gain-Phase analyzer, Neoscience Co., Ltd.). At this time, the impedance spectrum was recorded from 10 MHz to 10 Hz, and the ion conductivity was calculated by the following equation (3).

<식 3><Formula 3>

이온전도도(ion conductivity, S/㎝); δ = (1/R) x (L/A)Ion conductivity (S / cm); ? = (1 / R) x (L / A)

(여기서, R은 측정 저항(Ω), L은 측정 전극 사이의 길이(cm), A는 제조된 전해질 막의 단면적(㎠)이다.)(Where R is the measurement resistance (?), L is the length (cm) between the measurement electrodes, and A is the cross-sectional area (cm 2) of the electrolyte membrane produced.

전해질 막Electrolyte membrane 물흡수율 (%)Water Absorption Rate (%) 이온전환율
(meq./g)
Ion conversion rate
(meq./g)
막두께
(㎛)
Film thickness
(탆)
이온전도도
(mS/cm)
Ion conductivity
(mS / cm)
막 저항
(W cm2)
Membrane resistance
(W cm 2 )
Transport No.Transport No. Transition time(sec)Transition time (sec)
비교예 1Comparative Example 1 26.21 26.21 1.601.60 165165 5.1115.111 3.2283.228 0.9800.980 9.5329.532 비교예 2Comparative Example 2 21.0821.08 1.401.40 135135 4.164.16 3.243.24 0.970.97 9.429.42 비교예 3Comparative Example 3 30.4530.45 0.760.76 7474 3.1163.116 2.3752.375 0.9000.900 10.06810.068 실시예 Example 32.6532.65 1.051.05 7676 6.3436.343 1.1981.198 0.9700.970 9.1139.113

8. 분자량 측정8. Molecular weight measurement

폴리에틸렌의 분자량을 측정하기 위하여 1,2,4-Trichlorobenzene에 8시간 이상 용해시킨 후 0.92ml/min의 속도로 흘려 측정하였다.In order to measure the molecular weight of polyethylene, it was dissolved in 1,2,4-trichlorobenzene for at least 8 hours and flowed at a rate of 0.92 ml / min.

사용된 GPC(Gel Permeation Chromatography)는waters사의 CPCV 2000을 사용하였다.Gel Permeation Chromatography (GPC) used was CPCV 2000 from Waters.

수평균분자량(Number-average molecular weight, Mn)Number-average molecular weight (Mn)

Figure 112015004625467-pat00002
Figure 112015004625467-pat00002

무게평균분자량(Weight-average molecular weight, Mw)Weight-average molecular weight (Mw)

Figure 112015004625467-pat00003
Figure 112015004625467-pat00004
Figure 112015004625467-pat00003
Figure 112015004625467-pat00004

Hi: 머무름 부피(Vi)의 바탕선에 검출기 신호 높이Hi: The detector signal height at the baseline of the retention volume (Vi)

Mi; 머무름 부피(Vi)에서 고분자분율의 분자량Mi; The molecular weight of the polymer fraction at the retention volume (Vi)

n: 데이터의 수
n: number of data

상기 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 수처리용 이온교환막(실시예 1)은 낮은 막두께(1.198 W㎠)에서도 높은 이온전도도(6.343mS/cm)를 갖는 우수한 물성을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, the ion exchange membrane for water treatment (Example 1) according to the present invention had excellent physical properties having a high ion conductivity (6.343 mS / cm) even at a low film thickness (1.198 W cm 2).

즉, 본 발명의 처리용 이온교환막에 따르면, 종래의 나피온과 같은 불소계 이온교환막에 대하여 제조단가가 저렴하다. 또한 본 발명의 이온교환막은 가격은 저렴하면서도 나노 실리카 입자와 같은 무기필러가 균일하게 분산되어 있는 폴리올레핀계 유기 무기 복합막으로 구성되어 있어 물리적/화학적 특성이 상대적으로 우수하다. 상기와 같은 구성에 따라 높은 기계적 강도(인장강도, 천공강도)을 가지면서 내산성, 내화화적 특성을 지녀 장기안정성에서도 높은 효과를 유지한다. 또한 다공성베이스 멤브레인에 흡착되는 양이온전도체에 의한 이온교환 효과 및 미세기공을 통하여 이온의 이동이 자유롭게 되면서 기공 크기를 조절하여 특정이온을 물리적 크기로 차단하여 높은 선택적 투과율을 기대할 수 있다.
That is, according to the ion exchange membrane for treatment of the present invention, the manufacturing cost is low compared to the conventional fluorine ion exchange membrane such as Nafion. Further, the ion exchange membrane of the present invention is composed of a polyolefin-based organic-inorganic hybrid membrane in which the inorganic filler such as nanosilica particles are uniformly dispersed while being inexpensive, and thus the physical / chemical properties are relatively excellent. According to the above-described structure, it has high mechanical strength (tensile strength, puncture strength), and it has acid resistance and refractory characteristics and maintains high effect even in long term stability. Also, the ion exchange effect by the cation conductor adsorbed on the porous base membrane and the movement of the ions through the micropores can be freely controlled, so that the selective ion permeability can be expected by controlling the pore size to block specific ions at a physical size.

본 발명에서는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.The present invention is merely one example of various embodiments and it is an object of the present invention to allow a person having ordinary skill in the art to easily carry out the present invention. It is clear that it is not. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas which fall within the scope of equivalence by alteration, substitution, substitution, Range. In addition, the drawings are made for clarification of the configuration, and are made to be exaggerated or reduced in size.

Claims (15)

수처리용 이온교환막에 있어서,
폴리올레핀 모재(母材)와, 상기 폴리올레핀 모재에 분산되는 나노입자 무기필러를 포함하며 1축 또는 2축 연신한 필름(film) 형태의 다공성베이스멤브레인과,
상기 다공성베이스멤브레인에 흡착되는 양이온전도체 및 음이온전도체를 포함하고,
상기 나노입자 무기필러는 실리카(SiO2), TiO2, Al2O3, 제올라이트(zeolite), AlOOH, BaTiO2, 탈크(Talk), Al(OH)3, 및 CaCO3 중에서 선택된 하나 이상의 나노 무기물이고,
상기 나노 무기물은 10nm 내지 600nm의 평균 입자 직경을 갖는 구형의 입자에 소수화 표면 처리한 것을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막.
In the ion exchange membrane for water treatment,
A porous base membrane in the form of a monoaxially or biaxially stretched film comprising a polyolefin matrix (base material) and a nanoparticle inorganic filler dispersed in the polyolefin matrix;
And a cation conductor and an anion conductor adsorbed on the porous base membrane,
The nanoparticles inorganic filler include silica (SiO 2), TiO 2, Al 2 O 3, zeolite (zeolite), AlOOH, BaTiO 2 , talc (Talk), Al (OH) 3, and CaCO 3 of one or more nano-inorganic material selected from the group consisting of ego,
Wherein the nano-inorganic material is subjected to hydrophobic surface treatment with spherical particles having an average particle diameter of 10 nm to 600 nm.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 나노입자 무기필러는 상기 수처리용 이온교환막의 전체중량대비 10~50 중량% 함유된 것을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the nanoparticle inorganic filler comprises 10 to 50 wt% of the total weight of the ion exchange membrane for water treatment.
제 1항에 있어서,
상기 다공성베이스멤브레인은 1축 또는 2축연신되어 제조되며, 기공도는 40~80%이며 기공의 직경이 10~50㎛인 것을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous base membrane is prepared by uniaxially or biaxially stretching, and has a porosity of 40 to 80% and a pore diameter of 10 to 50 탆.
제 1항에 있어서,
상기 폴리올레핀 모재는 분자량이 100만 ∼ 500만의 초고분자량폴리에틸렌 또는 분자량 30-70만의 고분자량 폴리에틸렌 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the polyolefin matrix is an ultrahigh molecular weight polyethylene having a molecular weight of 1 million to 5,000,000 or a high molecular weight polyethylene having a molecular weight of 30,000 to 700,000 or a mixture thereof.
수처리용 이온교환막의 제조방법에 있어서,
i) 나노입자 무기필러 및 폴리올레핀 모재 준비단계(s100);
ii) 상기 나노입자 무기필러와 폴리올레핀 모재를 파라핀오일과 혼합하는 단계(s200);
iii) 진공탈포에 의한 미세기포 제거단계(s300);
iv) 150-300℃에서 용융혼련 토출단계(s400);
v) 상기 용융혼련 토출물을 50-100℃의 캐스팅롤(Casting roll)에서 베이스시트로 형성시키는 단계(s500);
vi) 상기 베이스시트를 2축 연신 후 열고정하는 단계(s600);
vii) 상기 베이스시트를 용제에 침지시켜 파라핀오일을 제거하는 단계(s700);
viii) 상기 베이스시트를 양이온전도체 용액에 침지하거나 베이스시트에 양이온전도체 용액을 도포하는 단계(s800);
ix) 상기 베이스시트에 양이온전도체를 함침시키는 단계(s900);
를 포함하고,
상기 나노입자 무기필러는 실리카(SiO2), TiO2, Al2O3, 제올라이트(zeolite), AlOOH, BaTiO2, 탈크(Talk), Al(OH)3, 및 CaCO3 중에서 선택된 하나 이상의 나노 무기물이고,
상기 나노 무기물은 10nm 내지 600nm의 평균 입자 직경을 갖는 구형의 입자에 소수화 표면 처리한 것을 것을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막의 제조방법.
In the method for producing an ion exchange membrane for water treatment,
i) preparing nanoparticle inorganic filler and polyolefin matrix (s100);
ii) mixing the nanoparticle inorganic filler and the polyolefin matrix with paraffin oil (s200);
iii) a step of removing fine bubbles by vacuum defoaming (s300);
iv) melt-kneading and discharging at 150-300 ° C (s400);
v) forming (s500) the melt-kneaded discharge from a casting roll at 50-100 DEG C into a base sheet;
vi) step (s600) of biaxially stretching and fixing the base sheet;
vii) dipping the base sheet in a solvent to remove paraffin oil (s700);
viii) immersing the base sheet in the cation conductor solution or applying the cation conductor solution to the base sheet (s800);
ix) impregnating the base sheet with a cation conductor (s900);
Lt; / RTI &gt;
The nanoparticles inorganic filler include silica (SiO 2), TiO 2, Al 2 O 3, zeolite (zeolite), AlOOH, BaTiO 2 , talc (Talk), Al (OH) 3, and CaCO 3 of one or more nano-inorganic material selected from the group consisting of ego,
Wherein the nano-inorganic material is subjected to hydrophobic surface treatment with spherical particles having an average particle diameter of 10 nm to 600 nm. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 8항에 있어서,
상기 나노입자 무기필러 및 폴리올레핀 모재 준비단계(s100)에서,
상기 나노입자 무기필러는 10nm ~ 600nm크기의 구형 나노실리카이며, 표면이 에틸렌 코팅된 것임을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
In the nanoparticle inorganic filler and polyolefin matrix preparation step (s100)
Wherein the nanoparticle inorganic filler is spherical nanosilica having a size of 10 nm to 600 nm and the surface is coated with ethylene.
제 8항에 있어서,
상기 나노입자 무기필러 및 폴리올레핀 모재 준비단계(s100)에서,
상기 폴리올레핀 모재는 분자량이 110만 ∼ 180만의 초고분자량폴리에틸렌 또는 분자량 30-40만의 고분자량폴리에틸렌 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
In the nanoparticle inorganic filler and polyolefin matrix preparation step (s100)
Wherein the polyolefin matrix is an ultrahigh molecular weight polyethylene having a molecular weight of 1,100,000 to 1,800,000 or a high molecular weight polyethylene having a molecular weight of 30,000 to 400,000 or a mixture thereof.
삭제delete 제 8항에 있어서,
상기 베이스시트를 용제에 침지시켜 파라핀오일을 제거하는 단계(s700) 이후에 가로, 세로방향 각각 5-20% 연신 후 3-10% 수축한 후 20-120초동안 유지하여 열고정(Heat Set)하는 2차 연신단계(s710)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
After the base sheet is immersed in a solvent to remove paraffin oil (s700), the base sheet is stretched 5-20% in each of the transverse and longitudinal directions, shrinked 3-10%, and then held for 20-120 seconds, And a second elongating step (S710) for forming the porous base membrane.
제 8항에 있어서,
제조된 다공성베이스 멤브레인의 인장강도가 1000~2000(kgf/㎝²)인 것을 특징으로 하는 다공성베이스 멤브레인을 이용한 수처리용 이온교환막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the porous base membrane has a tensile strength of 1000 to 2000 kgf / cm &lt; 2 &gt;.
삭제delete 삭제delete
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