KR102030476B1 - 방오 기능을 가지는 멤브레인 산기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이상에서 살펴본 바와같이 멤브레인의 표면에 무기 나노 코팅제로 미세한 돌기층을 형성하는 코팅에 의하여 소수성의 멤브레인 표면에 유기 및 무기 재료의 부착 및 축적으로부터 보호할 수 산기장치용 멤브레인에 관한 것이다.
본 발명은 멤브레인의 상, 하 표면과 미세 천공 홀의 내면까지 무기 나노코팅을 하여 멤브레인 고무의 종류에 상관없이 EPDM고무, 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무에도 코팅층을 형성 할 수 있다.
멤브레인 산기장치의 디스크형, 봉형, 판형 등 다양한 산기장치에 멤브레인에 방오(anti-fouling) 코팅층이 형성된 산기장치를 사용함으로써, 미세 천공되어 있는 통기공의 폐쇄율을 줄일 수 있고, 산소전달 공급률을 향상시킬 수 있고, 멤브레인의 기능을 일정하고 균일한 기포 발생을 유지함으로써 송풍기의 과부하를 예방하는 효과도 있는 것이다.

Description

방오 기능을 가지는 멤브레인 산기장치{Membrane diffusers with antifouling function}

본 발명은 멤브레인 산기장치에 관한 것으로, 하, 폐수처리시설의 생물반응조 폭기조의 바닥 저면에 설치되는 산기장치를 이용하여, 공기를 하, 폐수 중에 미세한 기포 방울을 분산시켜 줌으로써, 하, 폐수의 생물학적 처리공정에 중요한 기능을 하는 멤브레인 산기장치로서, 멤브레인의 열화현상으로 인한 노화를 최소화시키고, 멤브레인에 오염물질의 부착을 방지하는 방오 기능을 갖는 멤브레인 산기장치에 관한 것이다.

일반적으로 하수 또는 폐수처리용 산기장치는, 폭기조 또는 반응조 내부에 미생물을 배양 및 번식시켜, 상기 미생물들이 생물학적 작용을 하게 하여, 하수 또는 폐수의 유기물질을 분해 및 정화하는 장치이다.

상기 산기장치에 사용되는 멤브레인은 장기 사용 시 표면에 오염물질이 침적되거나, 미생물에 의한 스케일이 형성되어 멤브레인의 수명을 단축하고, 산기 효율을 떨어트리는 문제점을 가지고 있다.

즉 멤브레인에 천공되어 있는 미세공의 이면 및 홀 내부 면에는, 사멸된 호기성 미생물의 사체 및 오염물질의 퇴적 및 축적으로 인해 미세공을 폐색하는 원인이 되는 것이다.

종래의 기술로는 멤브레인의 축적되어 있는 이물질 제거를 위해서, 별도의 공기공급밸브를 소정위치에 구비하여 설정된 시간에 따라, 공기 공급배관을 통해 일정 압력의 공기를 공급하여 수축 팽창을 반복함으로써, 멤브레인에 부착되어 있는 이물질을 제거하는 방법이 대한민국 공개특허 제2010-0005419호 및 제2015-0077096호에 기재되어 있다.

이러한 종래의 방법은 공기 공급관을 통해서 전달되는 공기압력이, 멤브레인에 지속적으로 전달되면서 순간적으로 받는 압력에 의해, 멤브레인에 가해지는 충격압력으로 인하여 팽창과 수축이 반복되어 신축성이 떨어지는 경직화가 발생하는 문제점이 있다.

이러한 문제점으로 멤브레인의 경화 속도를 빨리 진행시켜 내구성 저하에 큰 요인이 되고, 멤브레인의 미세천공 홀의 이면 및 홀 내부 면에 퇴적물이 축적되어, 신축성이 떨어지는 경직화로 인하여 기공의 폐색이 발생하여 공기 보급 효율이 떨어지고, 멤브레인의 균일한 팽창에 의한 균일한 미세기포 생성에 문제점이 발생할 수 있는 것이다.

또한, 대한민국등록특허 제100666937호에는 EPDM 또는 NITRIL 멤브레인 양면에 PTFE를 다층 구조로 코팅하여 멤브레인을 제작함으로써, 멤브레인의 내산성, 내화학성, 내열성, 그리고 이물질의 부착을 방지할 수 있는 기능을 제공하는 다층구조의 산기관용 멤브레인이 기재되어 있다.

그러나 상기 문헌에 PTFE 코팅은 열처리 공정을 수반하고, 코팅막의 두께가 두껍고 연질의 고무 표면에 대한 접착력이 부족하여, 수지 성분의 물성의 차이에 의하여 분리의 우려가 있어 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.

KR 1020100005419 A KR 1020150077059 A KR 100666973 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 멤브레인의 전, 후면 및 미세기공 천공 홀 내부까지 방오 기능의 미세한 돌기를 갖는 무기 나노 코팅층을 형성하여, 멤브레인에 부착되는 이물질의 부착 방지 및 제거를 용이하게 하고, 내구성을 향상시키는 생물학적 반응조의 포기조에 사용되는 멤브레인 산기장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 공정상 공급되는 공기만으로도 멤브레인 표면에 이물질 적체를 늦출 수 있는, 멤브레인 전면부위 및 미세천공 홀 내부에도 나노 무기물질로 코팅층을 형성함으로써, 오, 폐수장의 처리수질에 함유된 각종 유해 물질의 환경으로부터, 멤브레인의 내구성 향상 및 방오기능을 가질 수 있도록, 멤브레인 전체 면에 대하여 미세한 돌기를 형성하는 무기나노 코팅층을 형성하는 것이다.

방오성 및 내후성을 향상시키기 위한 무기 나노 코팅제는 널리 사용되고 있다(대한민국 등록특허 제10-0562748호, 제10-0819519호, 제10-1241280호, 제10-1760060호, 공개특허 제200-0016606호 참조).

본 발명은 상기의 무기나노입자를 포함하는 코팅제의 소수성과 내후성을 활용하여 오, 폐수의 산기관에 사용하는 멤브레인의 물성을 개선하고자 하는 것이다.

무기 나노 코팅제는 코팅 표면에 미세한 돌기를 형성하여 코팅 표면의 에너지를 최소화하여 오염물질의 부착을 방지하는 기능을 가지는 것이다.

이러한 무기 나노 코팅제의 성분으로 사용되는 금속 산화물 입자는 산화알루미늄, 이산화규소, 이산화티탄 및 산화아연 등이 있으며, 특히 이산화티탄은 광촉매로서 작용도 우수하여 다양한 분야에 사용되고 있다.

본 발명은 무기 나노코팅제의 우수한 물성을 산기장치의 멤브레인에 코팅함으로써, 우수한 방오기능과 내후성을 가지며, 나노 미립자를 사용함으로써 미세천공 홀 내부까지 코팅할 수 있도록 하여, 산기장치의 효율 향상에 큰 효과가 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

종래에는 산기장치용 멤브레인에 무기 나노코팅을 사용한 예는 찾아볼 수 없다.

기존의 멤브레인 산기장치는 열화 현상으로 멤브레인의 경직되어 균일한 미세한 공기 방출을 제한하여 효율성을 저하하는 큰 원인이 된다, 이러한 문제점을 방지하고 방오 기능으로부터 내구성 향상을 위해서, 멤브레인 노출부분 전면부 및 미세 천공 홀에 미세돌기를 가지는 나노 코팅층을 형성하여, 오염물질의 부착 및 축적으로부터 산기관 멤브레인을 보호하기 위한 것을 특징으로 한다.

이러한 미세한 돌기층을 형성하는 무기 나노코팅제의 사용은, 멤브레인의 열화에 의한 내구성 저하를 예방하고 산기관의 동적인 성능을 향상시키며, 지속적인 유지 보수 및 교체의 필요성을 줄여주는 것으로, 멤브레인 전체에 방오기능을 제공함에 그 기술적 특징이 있는 것이다.

또한, 산기관 멤브레인의 역할은 송풍기를 통해서 공급되는 공기를, 미세한 공기방울로 하, 폐수 중으로 전달하는 것으로, EPDM, SILICONE 고무, POLY URETHANE, 불소고무의 재질을 사용하고 있으며, 디스크형, 봉형 또는 판형의 형상이 주로 사용되고 있으며, 연질의 고무 특성상 코팅막을 형성하기란 쉬운 것이 아니다.

따라서, 본 발명에서 적용하는 미세한 돌기 층을 형성하는 무기 나노코팅제는, 나노 소재를 사용함으로써 소재에 관계없이 코팅막이 용이하게 형성되는 것이 특징이며, 나노 구조 미세표면을 형성함으로써 초발수 및 초발유 성질을 갖게 되는 것이다.

상기와 같이 초발수 및 초발유 성질을 갖는 미세한 돌기층을 형성하는 코팅제를 이용하여, 멤브레인의 상, 하 표면과 미세공이 형성되어 있는 기공의 내부면의 전체를 코팅 처리하여, 초발수 및 초발유의 방오 기능이 가능하도록 하였으며, 특히 코팅이 잘 안되는 실리콘 고무 멤브레인에도 나노 코팅막을 균일하게 생성함으로써, 방오 기능에 우수한 효과를 가지는 것이다.

이러한 하, 폐수 중 부유물질 및 미생물과 직접 접촉하게 되는 산기관 멤브레인은, 내후성, 내화학성, 내부식성에 대해 본래의 고무 탄성을 유지할 수 있도록, 멤브레인 전면부에 열화현상 및 오염물질의 부착을 방지하여, 노화를 최소화하는 미세한 돌기층을 형성하는 나노 코팅제로 코팅된 방오 기능을 갖는 멤브레인으로 산소공급을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 멤브레인에 무기 나노코팅에 의한 방오기능으로, 멤브레인의 산소전달효율 및 내구성의 향상과 운전 및 유지관리가 용이하며, 멤브레인의 기공의 폐색없이 균일하게 미세기포를 생성함으로써, 산소전달효율도 우수한 효과를 가지는 것이다.

도 1은 본 발명에 사용되는 아나타제형 이산화티탄의 결정구조이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 아나타제형 이산화티탄의 분자구조이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 아나타제형 이산화티탄의 입자분포에 대한 사진이다.
도 3은 본 발명의 멤브레인의 코팅 단면 설명도이다.
도 4는 본 발명의 멤브레인의 미세 천공 홀 코팅 부위 확대 단면도이다.
도 5는 종래 무기나노코팅이 되지 않은 멤브레인의 표면 발수에 대한 실험 사진이다.
도 6은 본 발명의 멤브레인의 표면 발수에 대한 실험 사진이다.

본 발명은 산기장치의 멤브레인을 개선하여 산기장치의 산소전달효율과 내구성을 극대화하는 것이다.

이하 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 사용되는 무기 나노코팅제의 성분은 산화알루미늄, 이산화규소, 이산화티탄 및 산화아연 등으로, 바람직하게는 아나타제형 이산화티탄(TiO₂)이다.

이산화티탄은 광촉매로서 작용하여 표면의 미생물의 번식 등을 방지하므로, 미생물에 의한 스케일 형성이 억제된다.

무기 나노코팅제의 입자 크기는 0.1㎚ 내지 30㎚, 바람직하게는 1㎚ 내지 10㎚이다.

본 발명에서는 에이엠텍주식회사의 아나타제형 이산화티탄(상품명 AML200)을 사용하였다(도 1, 2, 3 참조).

상기 제품은 순도가 이산화티탄의 함량이 99.5%이고, 평균 입경이 9㎚이며, pH가 7~8의 중성으로 투명한 코팅막을 형성하며 접착성이 우수하다.

멤브레인의 코팅방법은 코팅하고자 하는 멤브레인 표면의 오염물질을 제거한 후, 상기 멤브레인에 프라이머층을 형성시키고, 프라이머층이 형성된 멤브레인을 무기나노코팅제 용액에 침지하거나, 브러시, 롤러, 스프레이로 도포하여 코팅층을 형성하고 상온에서 건조한다.

상기 코팅방법을 상세하게 설명하면, 미세기공 홀이 형성된 멤브레인의 표면을 물로 세척하여, 코팅을 하고자 하는 부위의 먼지나 오염물질을 제거한 후, 상기 표면에 남아있는 이형제 등의 기름성분들을 제거하기 위하여, 유기용매인 메탄올이나 에탄올을 도포하여 세척과정을 거쳐 멤브레인 표면의 이물질을 제거한다.

상기 이물질이 제거된 멤브레인을 에틸아세테이트 90 내지 98중량 %와, 트리클로로이소시아눌산 2 내지 10중량 %로 구성된 프라이머제에 1 내지 5분 침적한 후, 상온에서 10 내지 30분 자연 건조하여 프라이머층을 형성한다.

프라이머층이 형성된 멤브레인을 무기나노코팅제 용액에 1 내지 5분 침적한 후, 상온에서 20 내지 28시간 자연 건조하여 코팅층이 형성되도록 한다.

코팅층의 두께는 침적시간에 따라 20 내지 80㎚로 형성한다.

필요에 따라 상기 코팅막이 형성된 멤브레인을 2차 코팅하기 위하여 재침적하거나 브러시, 롤러, 스프레이로 도포하여 2차 코팅을 할 수도 있다.

상기 2차 코팅은 오염물질의 접촉이 많은 멤브레인의 상면부에 실시한다.

또한, 미세 천공 홀의 내면 코팅을 위하여 무기 나노 코팅제의 에어로졸을 멤브레인을 팽창시키면서 불어 넣어, 추가로 천공 홀의 내부를 코팅할 수도 있다.

본 발명은 멤브레인에 미세 천공홀이 형성된 상태에서, 미세한 입자의 무기나노 코팅제를 침적에 의하여 코팅함으로써, 멤브레인의 전, 후면뿐만 아니라 천공 홀 내부까지 코팅제가 침적되어 코팅되므로, 멤브레인의 내구성을 향상시키고 멤브레인의 표면과 천공 홀의 내면까지 방오 코팅을 함으로써, 멤브레인의 표면과 천공 홀의 오염물질의 부착을 방지하여 기공의 폐색도 방지할 수 있어, 원활한 산소공급으로 산기관의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 것이다.

[실시예]

미세 천공 홀이 형성된 외경 270㎜의 디스크형 멤브레인의 표면을 물로 세척한 후 건조한다.

상기 건조한 멤브레인을 메탄올(농도 99.9%)로 재세척한다.

상기 재세척한 멤브레인을 에틸 아세테이트 96중량 %, 트리클로로이소시아눌산 4중량 %로 이루어진 프라이머제에 3분 담근 후, 상온에서 20분 자연 건조하여 프라이머층을 형성한다.

프라이머층이 형성된 멤브레인을 무기 나노 코팅액(AMTEC 주식회사, 상품명 AML200)에 2분간 침적한 후, 이를 건져서 상온에서 24시간 자연 건조한 후 1차 코팅층을 형성한다.

상기 무기 나노 코팅층이 형성된 멤브레인 표면에 2차로 무기나노 코팅액을 롤러를 이용하여 코팅을 한다.

상기 2차 코팅 작업이 끝나면 상온에서 24시간 자연 건조하여 2차 코팅막 층을 형성한다.

본 발명의 무기 나노 코팅된 멤브레인과 나노 코팅이 안 된 멤브레인을 비교예로 하여 스케일 형성의 대하여 측정하여 표 1에 기재하였다.

시험 방법은 생물학적 처리조의 폐수에 본 발명의 산기관과 비교예의 산기관을 침적한 후, 스케일의 형성 과정을 실험하였다.

스케일 형성에 대하여 일주일 간격으로 4주에 걸쳐 실시하였다.

스케일이 형성되지 아니하면 ○, 스케일이 형성되었으나 쉽게 분리되면 △, 분리가 곤란한 경우에는 ×로 표기하였다.

구분	1주	2주	3주	4주
실시예	○	○	○	△
비교예	○	△	×	×

표 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 무기 나노 코팅 층이 형성된 멤브레인은, 스케일의 형성이 비교예에 비하여 현저하게 낮으며, 비교예는 3주가 지나면 기공이 폐색되는 것으로 보인다.

본 발명은 멤브레인은 무기 나노 코팅에 의하여 멤브레인의 고무 성분의 열화를 방지하여 내구성을 40 내지 50% 향상시킬 수 있을 것으로 예상되며, 표면장력의 향상에 의하여 오염물질의 축적을 방지하여, 이를 제거하기 위한 비용을 획기적으로 절감할 수 있어, 광촉매 작용에 의한 스케일을 방지하여 기공의 폐색을 방지하여 산기관의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명의 무기 나노 층에 의한 미세 돌기 층을 갖는 경우와, 미세 돌기 층을 갖지 아니한 경우를 비교 시험해본 결과 미세 돌기 층이 형성된 멤브레인에서는 도 7에서 보는 바와 같이 물방울이 구슬형태로 발수성을 갖는 차이를 확연히 알 수 있었다.
본 발명의 도면에는 디스크형 멤브레인을 예로 도시하였으나, 이 기술분야에 일반적으로 사용되는 봉형 또는 판형 멤브레인에도 적용이 가능한 것이다.

이상에서와같이, 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은, 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

따라서, 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있으므로, 본 발명의 실시 예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 아니 되며 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

Claims (3)

1. 멤브레인 산기장치에 있어서,
   멤브레인에 미세 천공홀이 형성된 상태에서 0.1㎚ 내지 30㎚의 미세입자로 구성된 산화알루미늄, 이산화규소, 이산화티탄 및 산화아연으로부터 선택된 어느 하나의 성분을 포함하는 무기 나노 코팅제를 20 내지 80㎚의 두께로 멤브레인의 표면 및 미세천공 홀 내면까지 코팅한 것을 특징으로 하는 방오 기능을 가지는 멤브레인 산기장치.
2. 제1항에 있어서,
   무기 나노 코팅제의 성분이 아나타제형 이산화티탄(TiO₂)인 것을 특징으로 하는 방오 기능을 가지는 멤브레인 산기장치.
3. 제1항에 있어서,
   멤브레인이 디스크형, 봉형 또는 판형인 것을 특징으로 하는 방오 기능을 가지는 멤브레인 산기장치.

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