KR102141265B1 - 수처리 분리막 및 이의 제조방법 - Google Patents
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- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
- C02F2101/108—Boron compounds
Abstract
본 명세서는 수처리 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 출원은 2015년 09월 23일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2015-0134785호 및 2015년 09월 23일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2015-0134791호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 수처리 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 수질환경의 심각한 오염과 물 부족으로 인해 새로운 수자원 공급원을 개발하는 것이 시급한 당면 과제로 대두되고 있다. 수질환경 오염에 대한 연구는 양질의 생활 및 공업용수, 각종 생활하수 및 산업폐수 처리를 목표로 하고 있으며, 에너지 절약의 장점을 지닌 분리막을 이용한 수 처리 공정에 대한 관심이 고조되고 있다. 또한, 가속화되고 있는 환경 규제의 강화는 분리막 기술의 활성화를 앞당길 것으로 예상된다. 전통적인 수처리 공정으로는 강화되는 규제에 부합하기 힘드나, 분리막 기술의 경우 우수한 처리효율과 안정적인 처리를 보증하기 때문에 향후 수처리 분야의 주도적인 기술로 자리매김할 것으로 예상된다.
액체분리는 막의 기공에 따라 정밀여과(Micro Filtration), 한외여과(Ultra Filtration), 나노여과(Nano Filtration), 역삼투(Reverse Osmosis), 침석, 능동수송 및 전기투석 등으로 분류된다. 그 중에서 역삼투 방법은 물은 투과하지만, 염에 대해서는 불투과성을 보이는 반투막을 사용하여 탈염작업을 하는 공정을 말하는 것으로 염이 녹아 있는 고압수가 반투막의 한쪽 면에 유입될 때, 염이 제거된 순수가 낮은 압력으로 다른 쪽 면으로 나오게 된다.
근래에 들어 전 세계적으로 대략 10억 gal/day 규모의 물이 역삼투법을 통해 탈염화 공정을 거치고 있으며, 1930년대 최초의 역삼투를 이용한 탈염화 공정이 발표된 이후, 이 분야의 반투막 물질에 대한 많은 연구가 수행되었다. 그 중에서도 상업적 성공으로 주류를 이루게 된 것은 셀룰로오스계 비대칭막(Asymetric membrane)과 폴리아미드계 복합막(Composite membrane)이다. 역삼투막 초기에 개발된 셀룰로오스계막은 운전 가능한 pH 범위가 좁다는 점, 고온에서 변형된다는 점, 높은 압력을 사용하여 운전에 필요한 비용이 많이 든다는 점, 그리고 미생물에 취약하다는 점 등 여러 가지 단점으로 인해 근래에 들어서는 거의 사용되지 않는 추세이다.
한편, 폴리아미드계 복합막은, 부직포 위에 폴리설폰층을 형성하여 미세 다공성 지지체를 형성하고, 이 미세 다공성 지지체를 m-페닐렌디아민(m-Phenylene Diamine, 이하, mPD) 수용액에 침지시켜 mPD층을 형성하고, 이를 다시 트리메조일클로라이드(TriMesoyl Chloride, 이하, TMC) 유기용매에 침지 혹은 코팅시켜 mPD층을 TMC와 접촉시켜 계면 중합시킴으로써 폴리아미드층을 형성하는 방법으로 제조되고 있다. 비극성 용액과 극성 용액을 접촉시킴으로써 상기 중합은 그 계면에서만 일어나 매우 두께가 얇은 폴리아미드층을 형성한다. 상기 폴리아미드계 복합막은 기존 셀룰로오스 계열의 비대칭 막에 비하여, pH 변화에 대해 안정성이 높고, 낮은 압력에서 운전 가능하며, 염 배제율이 우수하여, 현재 수처리 분리막의 주종을 이루고 있다.
한편, 이러한 수처리 분리막이 상업적으로 사용되기 위해서는 몇 가지 갖추어야 할 조건이 있는데, 그 중 하나는 높은 염제거율을 갖는 것이다. 상업적으로 요구되는 수처리 분리막의 염제거율은 반염수에 대해 적어도 97% 이상이다. 수처리 분리막의 또 다른 중요한 성질로는 비교적 낮은 압력에서도 상대적으로 많은 물을 통과시킬 수 있는 능력, 즉 고유량 특성을 들 수 있다. 그러나, 염제거율과 투과유량 특성은 서로 상충되는 성질을 갖기 때문에, 염제거율과 투과유량이 모두 우수한 수처리 분리막을 제조하는 것은 현실적으로 많은 어려움이 있다.
본 명세서는 개선된 여과 성능을 가지는 수처리 분리막 및 이의 제조방법에 대하여 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체 상에 구비된 폴리아미드 활성층을 포함하는 수처리 분리막에 있어서,
상기 폴리아미드 활성층의 내부 또는 표면에 하기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체를 포함하는 수처리 분리막을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐기, 치환 또는 비치환된 알킬기, 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 알케닐기, 치환 또는 비치환된 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이고,
Z1 내지 Z3는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 N(R3), O, 또는 S이며,
A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 O, S, N(R4), N(R5)2 +, O(R6)+, S(R7)+, O(R8)(R9)2+ 또는 S(R9)(R10)2+이고,
R3 내지 R10은 수소, 중수소, 할로겐기, 치환 또는 비치환된 알킬기, 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 알케닐기, 치환 또는 비치환된 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며,
A1 및 A2 중 적어도 하나가 N(R5)2 +, O(R6)+, S(R7)+, O(R8)(R9)2+ 또는 S(R9)(R10)2+인 경우, Y는 HSO4 -, SO4 2-, NO3 -, CO3 2-, HCO3 -, H2PO4 -, HPO4 2 -, PO4 3-, Cl-, Br- 및 F-로 이루어진 군으로부터 선택되고,
n은 1 내지 10의 정수이며,
m은 1 내지 60의 정수이고,
p는 0 내지 4의 정수이며,
n, m 및 p가 각각 2 이상인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는
다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체 상에 구비된 폴리아미드 활성층을 포함하는 수처리 분리막에 있어서,
상기 폴리아미드 활성층의 내부 또는 표면에 상기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체로부터 유래된 구조를 포함하는 수처리 분리막을 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는
다공성 지지체를 준비하는 단계; 및
아민 화합물을 포함하는 수용액 및 아실 할라이드를 포함하는 유기용액의 계면중합을 이용하여, 상기 다공성 지지체 상에 폴리아미드 활성층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 수용액 또는 상기 유기용액은, 상기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체를 포함하는 것인 수처리 분리막의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 전술한 수처리 분리막을 포함하는 수처리 모듈을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 분자량 조절 또는 친수성을 향상시킨 중합체를 도입함으로써 수용액 상의 혼탁 또는 침전 현상을 억제하며 보론 제거율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 수처리 분리막의 제조 공정에 있어서 오염을 방지할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 최종 제조된 수처리 분리막의 보론 제거율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 기존의 방법으로 제조된 수처리 분리막 대비 염제거율 및/또는 투과유량 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 보론 제거율 향상제로서 기존에 높은 중량 평균 분자량을 가지는 PHB를 포함하는 아민 수용액의 혼탁 및 침전이 발생한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 2는 보론 제거율 향상제로서 기존에 높은 중량 평균 분자량을 가지는 PHB를 사용하는 경우의 제조 설비의 오염으로 인한 공정성 저하를 나타낸 것이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 실시예 1 내지 3에 따른 아민 수용액의 혼탁 또는 투명 여부를 확인한 실험결과를 나타낸 것이고, 도 3의 (d) 및 (e)는 비교예 1과 2에 따른 아민 수용액의 혼탁 또는 투명 여부를 확인한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 4는 보론 제거율 향상제로서 본 명세서의 일 실시상태에 따른 PBB를 사용하여 폴리아미드 활성층의 제조 시, 아민 수용액이 10℃ 미만에서 경미한 혼탁을 띈 것을 나타낸 것이다.
도 2는 보론 제거율 향상제로서 기존에 높은 중량 평균 분자량을 가지는 PHB를 사용하는 경우의 제조 설비의 오염으로 인한 공정성 저하를 나타낸 것이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 실시예 1 내지 3에 따른 아민 수용액의 혼탁 또는 투명 여부를 확인한 실험결과를 나타낸 것이고, 도 3의 (d) 및 (e)는 비교예 1과 2에 따른 아민 수용액의 혼탁 또는 투명 여부를 확인한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 4는 보론 제거율 향상제로서 본 명세서의 일 실시상태에 따른 PBB를 사용하여 폴리아미드 활성층의 제조 시, 아민 수용액이 10℃ 미만에서 경미한 혼탁을 띈 것을 나타낸 것이다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체 상에 구비된 폴리아미드 활성층을 포함하는 수처리 분리막에 있어서,
상기 폴리아미드 활성층의 내부 또는 표면에 하기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체를 포함하는 수처리 분리막을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐기, 치환 또는 비치환된 알킬기, 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 알케닐기, 치환 또는 비치환된 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이고,
Z1 내지 Z3는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 N(R3), O, 또는 S이며,
A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 O, S, N(R4), N(R5)2 +, O(R6)+, S(R7)+, O(R8)(R9)2+ 또는 S(R9)(R10)2+이고,
R3 내지 R10은 수소, 중수소, 할로겐기, 치환 또는 비치환된 알킬기, 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 알케닐기, 치환 또는 비치환된 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며,
A1 및 A2 중 적어도 하나가 N(R5)2 +, O(R6)+, S(R7)+, O(R8)(R9)2+ 또는 S(R9)(R10)2+인 경우, Y는 HSO4 -, SO4 2-, NO3 -, CO3 2-, HCO3 -, H2PO4 -, HPO4 2 -, PO4 3-, Cl-, Br- 및 F-로 이루어진 군으로부터 선택되고,
n은 1 내지 10의 정수이며,
m은 1 내지 60의 정수이고,
p는 0 내지 4의 정수이며,
n, m 및 p가 각각 2 이상인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하다.
기존의 역삼투막의 경우, 역삼투막의 제조과정에서 보론 제거율 향상제로서 높은 분자량을 가지는 PHB(Poly(hexamethylene biguanide))를 사용 시, 80% 내지 85% 정도의 보론 제거율을 보인다.
그러나, 이러한 기존의 보론 제거율 향상제는 중량 평균 분자량이 1300 g/mol이상이므로, 0.1% 이상 투입하게 되면 PHB를 포함하는 아민 수용액이 혼탁해지거나, 침전이 발생하여 용해되지 않는 문제점이 발생한다. 결과적으로, 아민 수용액에 PHB를 0.1 wt% 이상 첨가 시에는 용해되지 않으며, 이로 인해 일정 이상의 보론 제거율을 확보할 수 없는 문제가 있다.
또한, PHB를 0.1 wt% 이상 첨가 시에 발생하는 혼탁 및 침전 현상에 의해 수처리 분리막의 제조 설비 오염 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명자들은 기존에 사용하던 PHB 대비 수용성이 향상된 보론 제거율 향상제를 통해 아민 수용액에서의 혼탁 및 침전 현상을 방지하여 공정성을 향상시키고, 보론 제거율을 향상시킬 수 있는 중합체를 개발하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 기존의 높은 분자량을 가지는 PHB 대비 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol 정도의 낮은 분자량을 가지는 중합체 또는 알킬 체인의 길이가 짧은 중합체를 도입하여, 수처리 분리막의 폴리아미드 활성층 내 전술한 중합체의 분산 및 안정성을 향상시키고, 수처리 분리막의 여과 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체는 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol이고, 바람직하게는 200g/mol 내지 1000g/mol, 보다 바람직하게는 400g/mol 내지 950g/mol이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체의 중량 평균 분자량이 100g/mol 이상인 경우에는 공중합체가 막에 잔류하지 않고 조금씩 씻겨 나감으로 인해 분리막의 사용 시간에 따른 보론 제거율 감소 현상을 방지할 수 있고, 1200g/mol 이하인 경우에는 분자량이 높아짐에 따른 수용성이 낮아짐 현상으로 인해 수용액 상에서 분산되지 않는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있고, 활성층 내에 잔류함으로 인해 적당한 보론 제거율을 확보할 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체는 기존의 높은 분자량을 갖는 PHB에 비하여 높은 수용성을 가진다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Z1 내지 Z3는 NH이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Z1 내지 Z3는 O 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Z1 내지 Z3는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 NH, 또는 NH2 +이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 O 또는 OH+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 S 또는 SH+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Z1 내지 Z3는 NH이고, 상기 A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 NH, 또는 NH2 +이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Z1 내지 Z3는 O이고, 상기 A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 O 또는 OH+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Z1 내지 Z3는 S이고, 상기 A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 S 또는 SH+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Y의 이온수와 p를 곱한 값의 절대값은 A1의 이온수와 A2의 이온수를 합한 값의 절대값과 같을 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R3 내지 R10은 각각 수소; 중수소; 할로겐기; 알킬기; 시클로알킬기; 알케닐기; 아릴기; 또는 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R3 내지 R10은 각각 수소; 중수소; 할로겐기; 탄소수 1 내지 5의 알킬기; 또는 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R3 내지 R10은 각각 수소; 중수소; 할로겐기; 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R3 내지 R10은 각각 수소; 중수소; 또는 할로겐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R3 내지 R10은 각각 수소; 또는 중수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R3 내지 R10은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 1 내지 9이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 1 내지 8이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 2 내지 6이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 3이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 4이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 5이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 6이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 7이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 8이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 9이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 n은 10이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 m은 1 내지 60이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 m은 1 내지 40이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 m은 1 내지 30이다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는
다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체 상에 구비된 폴리아미드 활성층을 포함하는 수처리 분리막에 있어서,
상기 폴리아미드 활성층의 내부 또는 표면에 상기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체로부터 유래된 구조를 포함하는 수처리 분리막을 제공한다.
본 명세서에 있어서, 상기 중합체에 관한 설명은 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전술한 중합체로부터 유래된 구조란, 상기 중합체의 구조를 유지하며 폴리아미드 활성층 내부 또는 표면에 결합된 것을 의미할 수 있다. 또한, 상기 중합체로부터 유래된 구조란, 상기 중합체의 일부 작용기가 폴리아미드 활성층 내부 또는 표면에 치환되어 결합된 것을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체는 상기 폴리아미드 활성층의 고분자 매트릭스에 결합된 것일 수도 있고, 상기 폴리아미드 활성층의 고분자 매트릭스에 분산된 형태일 수 있다.
상기 고분자 매트릭스란, 폴리아미드 중합체의 그물망 구조를 의미하는 것일 수 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체는 계면 중합을 통한 상기 폴리아미드 활성층의 형성 시 첨가되어, 폴리아미드 중합체에 가교하여 결합된 것일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 중합체는 상기 폴리아미드 활성층의 고분자 매트릭스 내의 빈 공간에 물리적으로 결합할 수 있다. 또한, 상기 중합체는 상기 폴리아미드 활성층의 고분자 매트릭스 내의 빈 공간에 위치하고, 고분자 매트릭스의 사슬과 분자간 인력으로 고정될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수처리 분리막에 있어서, 상기 중합체의 함량은 폴리아미드 활성층에 대하여 0.001 wt% 이상 5 wt% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.01 wt% 이상 5 wt% 이하, 보다 바람직하게는 0.01 wt% 이상 1 wt% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수처리 분리막에 있어서, 상기 중합체의 함량이 폴리아미드 활성층에 대하여 0.001 wt% 이상인 경우에는 폴리아미드 활성층 내의 적절한 중합체 함유량을 확보하여 보론 제거율의 효과를 기대할 수 있는 효과가 있고, 5 wt% 이하인 경우에는 활성층 내에 중합체가 포화되는 것을 방지하여 보론 제거율의 향상을 기대할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수처리 분리막의 NaCl 제거율은 95% 이상, 바람직하게는 98% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상, 보다 바람직하게는 99.3% 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수처리 분리막의 보론 제거율은 pH 8의 원수에서 80% 이상, 보다 구체적으로는 80% 이상 99.9% 이하이고, 보다 바람직하게는 89% 이상 96%이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수처리 분리막의 투과유량(flux)은 7gfd 이상, 바람직하게는 15gfd 이상, 보다 바람직하게는 18gfd 이상, 보다 바람직하게는 19gfd 이상일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수처리 분리막의 두께는 100 μm 이상 250μm 이하일 수 있고, 상기 수처리 분리막의 두께가 100μm 이상인 경우에는 분리막의 투과유량 및 염제거율이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있고, 250μm 이하인 경우에는 분리막의 염제거율이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는
다공성 지지체를 준비하는 단계; 및
아민 화합물을 포함하는 수용액 및 아실 할라이드를 포함하는 유기용액의 계면중합을 이용하여, 상기 다공성 지지체 상에 폴리아미드 활성층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 수용액 또는 상기 유기용액은, 상기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체를 포함하는 것인 수처리 분리막의 제조방법을 제공한다.
본 명세서에 있어서, 상기 중합체에 관한 설명은 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체의 함량은 상기 수용액 또는 상기 유기용액에 대하여 0.001 wt% 이상 5 wt% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.01 wt% 이상 5 wt% 이하, 보다 바람직하게는 0.1 wt% 이상 1 wt% 이하일 수 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체의 함량이 상기 수용액 또는 상기 유기용액에 대하여 0.001 wt% 이상인 경우에는 폴리아미드 활성층 내의 적절한 중합체 함유량을 확보하여 보론 제거율의 효과를 기대할 수 있는 효과가 있고, 5 wt% 이하인 경우에는 수용액 또는 유기용액에 대하여 불투명한 상태를 형성하게 되어 침전이 발생하여 막 제조 설비를 오염시키는 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 아민 화합물을 포함하는 수용액은 전술한 중합체를 포함할 수 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체의 함량은 상기 아민 화합물을 포함하는 수용액에 대하여 0.001 wt% 이상 5 wt% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.01 wt% 이상 5 wt% 이하, 보다 바람직하게는 0.1 wt% 이상 1 wt% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체의 함량이 상기 수용액에 대하여 0.001 wt% 이상인 경우에는 폴리아미드 활성층 내의 적절한 중합체 함유량을 확보하여 보론 제거율의 효과를 기대할 수 있는 효과가 있고, 5 wt% 이하인 경우에는 수용액 또는 유기용액에 대하여 불투명한 상태를 형성하게 되어 침전이 발생하여 막 제조 설비를 오염시키는 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 중합체에 관한 설명은 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성 지지체로는, 부직포 상에 고분자 재료의 코팅층이 형성된 것을 사용할 수 있다. 상기 고분자 재료로는, 예를 들면, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 폴리메틸클로라이드 및 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 사용될 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 고분자 재료로서 폴리설폰을 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성 지지체의 두께는 60 μm 내지 100 μm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 필요에 따라 조절될 수 있다. 또한, 상기 다공성 지지체의 기공 크기는 1 nm 내지 500 nm인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 폴리 아미드 활성층은 다공성 지지체 상에 아민 화합물을 포함하는 수용액층을 형성하는 단계; 및 상기 아민 화합물을 포함하는 수용액층 상에 아실 할라이드 화합물과 유기용매를 포함하는 유기용액을 접촉시켜 폴리아미드 활성층을 형성하는 단계를 통하여 형성될 수 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 아민 화합물을 포함하는 수용액층을 형성하는 단계는 특별히 한정하지 않으며, 다공성 지지체 위에 수용액층을 형성할 수 있는 방법이라면 제한하지 않고 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 지지체 상에 아민 화합물을 포함하는 수용액층을 형성하는 방법은 분무, 도포, 침지, 적하 등을 들 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 아민 화합물을 포함하는 수용액층과 상기 아실 할라이드 화합물을 포함하는 유기용액의 접촉시, 표면에 코팅된 아민 화합물과 아실 할라이드 화합물이 반응하면서 계면 중합에 의해 폴리아미드를 생성하고, 미세 다공성 지지체에 흡착되어 박막이 형성된다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접촉은 침지, 스프레이 또는 코팅 등의 방법을 통해 활성층을 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수용액층은 필요에 따라 과잉의 아민 화합물을 포함하는 수용액을 제거하는 단계를 추가적으로 거칠 수 있다. 상기 다공성 지지체 상에 형성된 수용액층은 지지체 상에 존재하는 수용액이 지나치게 많은 경우에는 불균일하게 분포할 수 있는데, 수용액이 불균일하게 분포하는 경우에는 이후의 계면 중합에 의해 불균일한 활성층이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 지지체 상에 수용액층을 형성한 후에 과잉의 수용액을 제거하는 것이 바람직하다. 상기 과잉의 수용액 제거는 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들면, 스펀지, 에어나이프, 질소 가스 블로잉, 자연건조, 또는 압축 롤 등을 이용하여 행할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체 및 아민 화합물을 포함하는 수용액에서 상기 아민 화합물은 수처리 분리막 제조에 사용되는 아민 화합물이라면 그 종류를 제한하지 않으나, 구체적인 예를 든다면, m-페닐렌디아민, p-페닐렌디아민, 1,3,6-벤젠트리아민, 4-클로로-1,3-페닐렌디아민, 6-클로로-1,3-페닐렌디아민, 3-클로로-1,4-페닐렌 디아민 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 아실 할라이드 화합물은, 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 2 내지 3개의 카르복실산 할라이드를 갖는 방향족 화합물로서, 트리메조일클로라이드, 이소프탈로일클로라이드 및 테레프탈로일클로라이드로 이루어진 화합물군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 아실 할라이드 화합물의 함량은 유기용액 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상 0.5 중량부 이하일 수 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 아실 할라이드 화합물의 함량이 유기용액 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상인 경우에는 최종 제조된 분리막의 염제거율 및 투과유량이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있고, 0.5 중량부 이하인 경우에는 최종 제조된 분리막의 염제거율이 감소되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기 용액은 유기용매를 더 포함할 수 있고, 상기 유기용매로는 지방족 탄화수소 용매, 예를 들면, 프레온류와 탄소수가 5 내지 12인 헥산, 사이클로헥산, 헵탄, 알칸과 같은 물과 섞이지않는 소수성 액체, 예를 들면, 탄소수가 5 내지 12인 알칸과 그 혼합물인 IsoPar(Exxon), ISOL-C(SK Chem), ISOL-G(Exxon)등이 사용될 수 있으나, 이로써 제한되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기용매는 유기용액 100 중량부를 기준으로 80 중량부 이상 99.499 중량부 이하 포함할 수 있다. 상기 유기용매가 유기용액 100 중량부를 기준으로 80 중량부 이상인 경우에는 최종 제조된 분리막의 염제거율 및 투과유량이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있고, 99.499 중량부 이하인 경우에는 최종 제조된 분리막의 염제거율이 감소되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 수처리 분리막은 정밀 여과막(Micro Filtration), 한외 여과막(Ultra Filtration), 나노 여과막(Nano Filtration) 또는 역삼투막(Reverse Osmosis) 등으로 이용될 수 있으며, 구체적으로 역삼투막으로 이용될 수 있다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 전술한 수처리 분리막을 포함하는 수처리 모듈을 제공한다.
상기 수처리 모듈의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않으며, 그 예에는 판형(plate & frame) 모듈, 관형(tubular) 모듈, 중공사형(Hollow & Fiber) 모듈 또는 나권형(spiral wound) 모듈 등이 포함된다. 또한, 상기 수처리 모듈은 전술한 본 명세서의 일 실시상태에 따른 수처리 분리막을 포함하는 한, 그 외의 기타 구성 및 제조 방법 등은 특별히 한정되지 않고, 이 분야에서 공지된 일반적인 수단을 제한 없이 채용할 수 있다.
한편, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 수처리 모듈은 염제거율 및 투과유량이 우수하며, 화학적 안정성이 우수하여 가정용/산업용 정수 장치, 하수 처리 장치, 해담수 처리 장치 등과 같은 수처리 장치에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지는 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
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실시예
>
수처리
분리막의 제조방법
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실시예
1>
DMF(N,N-디메틸포름아미드) 용액에 18 wt%의 폴리술폰 고형분을 넣고 80℃ 내지 85℃에서 12시간 이상 녹여 균일한 액상이 얻었다. 이 용액을 폴리에스테르 재질의 95㎛ 내지 100㎛ 두께의 부직포 위에 45㎛ 내지 50㎛ 두께로 캐스팅한다. 그런 다음, 캐스팅된 부직포를 물에 넣어 다공성 폴리술폰 지지체를 제조하였다.
메타페닐렌디아민(mPD) 4 wt%, 계면활성제 0.1 wt%, 분자량이 900 g/mol인 PHB (Poly(hexamethylene biguanide)) 0.1 wt%, 투과유량 향상제 0.07 wt%를 함유한 수용액을 스롯 코팅법(slot coating)을 이용하여 상기 다공성 폴리술폰 지지체에 도포하였다. 이때, 수용액은 무색 투명하거나, 투명한 황색을 띄었다. 상기 수용액을 다공성 폴리술폰 지지체 상에 도포시 발생한 과량의 수용액층을 에어 나이프로 제거한 뒤에 Isopar G 95.91 wt%, 메시틸렌 4 wt%, 트리메조일클로로이드(TMC) 0.19 wt%를 포함하는 용액을 도포하여 막을 형성하였다. 이렇게 형성된 막은 95℃에서 액상 성분이 모두 증발할 때까지 건조 후, DIW 배스(bath) 하에서 세척되었다.
<
실시예
2>
분자량이 900 g/mol인 PHB를 0.2 wt% 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수처리 분리막을 제조하였다.
<
실시예
3>
분자량이 900 g/mol인 PHB를 0.5 wt% 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수처리 분리막을 제조하였다.
<
실시예
4>
분자량이 900 g/mol인 PHB 대신 분자량이 600 g/mol인 PEB((Poly(ehthylene biguanide)) 0.1 wt%를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수처리 분리막을 제조하였다.
<
실시예
5>
분자량이 900 g/mol인 PHB 대신 분자량이 600 g/mol인 PEB((Poly(ehthylene biguanide)) 0.2 wt%를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수처리 분리막을 제조하였다.
<
실시예
6>
분자량이 900 g/mol인 PHB 대신 분자량이 600 g/mol인 PEB((Poly(ehthylene biguanide)) 0.5 wt%를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수처리 분리막을 제조하였다.
<
실시예
7>
분자량이 900 g/mol인 PHB 대신 분자량이 750 g/mol인 PBB(Poly(n-butylene biguanide)) 0.5 wt%를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수처리 분리막을 제조하였다.
<
비교예
1>
분자량이 900 g/mol인 PHB 대신 분자량이 1300 g/mol인 PHB를 0.1 wt% 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수처리 분리막을 제조하였다.
<
비교예
2>
분자량이 900 g/mol인 PHB 대신 분자량이 1300 g/mol인 PHB를 0.2 wt% 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수처리 분리막을 제조하였다.
<
실험예
>
수처리
분리막의 성능 평가
실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 수처리 분리막은 3,200ppm NaCl과 5ppm의 보론을 함유하는 수용액에서 800 psi의 압력 하에서 평가되었다. 이 때, 생산수와 원수의 전기전도도 차이를 측정하여 NaCl 제거율을 측정하였으며, 단위 시간(5분)당 확보된 생산수의 부피를 측정하여 투과유량을 산출하였다. 생산수와 원수를 ICP-OES를 이용하여 보론의 함량 차이를 측정하였고, 이를 통해 보론 제거율을 계산하였다.
전술한 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2에 따라 제조된 수처리 분리막의 NaCl 제거율, 보론 제거율 및 투과유량을 측정한 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 보론 제거 향상제 | NaCl 제거율 (%) |
보론 제거율 (%) |
투과유량 (GFD) |
||
| 종류 | 분자량 (g/mol) |
함량(wt%) | ||||
| 실시예 1 | PHB | 900 | 0.1 | 99.3 | 91.2 | 22 |
| 실시예 2 | PHB | 900 | 0.2 | 99.7 | 93.6 | 21 |
| 실시예 3 | PHB | 900 | 0.5 | 99.8 | 95.2 | 20 |
| 실시예 4 | PEB | 600 | 0.1 | 99.5 | 90.3 | 23 |
| 실시예 5 | PEB | 600 | 0.2 | 99.7 | 92.4 | 20 |
| 실시예 6 | PEB | 600 | 0.5 | 99.8 | 95.6 | 19 |
| 실시예 7 | PBB | 750 | 0.5 | 99.5 | 91.2 | 22 |
| 비교예 1 | PHB | 1300 | 0.1 | 99.1 | 82.1 | 21 |
| 비교예 2 | PHB | 1300 | 0.2 | 99 | 82.2 | 21 |
*PEB: Poly(ehthylene biguanide)
*PBB: Poly(n-butylene biguanide)
*PHB: Poly(hexamethylene biguanide)
전술한 바와 같이, 실시예 1 내지 3과 같이 분자량이 900 g/mol인 PHB를 사용한 경우에는 폴리아미드 활성층의 제조 시 사용되는 아민 수용액이 투명함을 확인하였고, 이를 도 3의 (a) 내지 (c)에 나타내었다. 즉, 도 3의 (a)는 실시예 1의 실험결과이고, 도 3의 (b)는 실시예 2의 실험결과이며, 도 3의 (c)는 실시예 3의 실험결과이다.
또한, 실시예 7과 같이 PBB를 사용한 경우에는 폴리아미드 활성층의 제조 시 사용되는 아민 수용액이 10℃ 미만에서 경미한 혼탁을 띄었으며, 이러한 성상을 도 4에 나타내었다. 그러나, 10℃ 이상에서는 투명하였고, 수처리 분리막 제조 설비의 오염은 발생하지 않았다.
이에 비하여, 비교예 1 및 2와 같이 기존의 분자량이 1300 g/mol인 PHB를 사용한 경우에는 폴리아미드 활성층의 제조 시 사용되는 아민 수용액이 혼탁해지면서 침전이 발생하는 것을 확인하였으며, 비교예 1의 경우를 도 3의 (d)에 나타내었고, 비교예 2의 경우를 도 3의 (e)에 나타내었다.
이러한 실험결과를 통해 비교예 1 및 2와 같이 기존의 분자량이 1300 g/mol인 PHB를 사용한 경우에는 수처리 분리막 제조 설비의 오염 문제를 야기시킬 수 있는 문제가 있음을 확인하였고, 이를 도 2에 나타내었다.
또한, 상기 표 1을 살펴보면, 중량 평균 분자량이 1300 g/mol인 PHB를 사용한 수처리 분리막의 경우(비교예 1 및 2)에 비하여 본원 발명에 따라 제조된 수처리 분리막(실시예 1 내지 7)의 경우 보다 높은 염 제거율을 나타냄을 확인하였으며, 보론 제거율 또한 보다 높음을 확인하였다.
Claims (17)
- 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체 상에 구비된 폴리아미드 활성층을 포함하는 수처리 분리막에 있어서,
상기 폴리아미드 활성층의 내부 또는 표면에 하기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체를 포함하며,
상기 중합체의 함량은 폴리아미드 활성층에 대하여 0.1 wt% 이상 0.5 wt% 이하인 것인 수처리 분리막:
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
R1 및 R2는 수소이고,
Z1 내지 Z3는 N(R3)이며,
A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 N(R4) 또는 N(R5)2 +이고,
R3 내지 R5는 수소이며,
A1 및 A2 중 적어도 하나가 N(R5)2 +인 경우, Y는 HSO4 -, SO4 2-, NO3 -, CO3 2-, HCO3 -, H2PO4 -, HPO4 2-, PO4 3-, Cl-, Br- 및 F-로 이루어진 군으로부터 선택되고,
n은 2, 4 또는 6의 정수이며,
m은 1 내지 60의 정수이고,
p는 0 내지 4의 정수이며,
n, m 및 p가 각각 2 이상인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하다. - 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체 상에 구비된 폴리아미드 활성층을 포함하는 수처리 분리막에 있어서,
상기 폴리아미드 활성층의 내부 또는 표면에 하기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체로부터 유래된 구조를 포함하며,
상기 중합체의 함량은 폴리아미드 활성층에 대하여 0.1 wt% 이상 0.5 wt% 이하인 것인 수처리 분리막:
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
R1 및 R2는 수소이고,
Z1 내지 Z3는 N(R3)이며,
A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 N(R4) 또는 N(R5)2 +이고,
R3 내지 R5는 수소이며,
A1 및 A2 중 적어도 하나가 N(R5)2 +인 경우, Y는 HSO4 -, SO4 2-, NO3 -, CO3 2-, HCO3 -, H2PO4 -, HPO4 2-, PO4 3-, Cl-, Br- 및 F-로 이루어진 군으로부터 선택되고,
n은 2, 4 또는 6의 정수이며,
m은 1 내지 60의 정수이고,
p는 0 내지 4의 정수이며,
n, m 및 p가 각각 2 이상인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하다. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 수처리 분리막의 보론 제거율은 pH 8의 원수에서 80% 이상인 것인 수처리 분리막.
- 다공성 지지체를 준비하는 단계; 및
아민 화합물을 포함하는 수용액 및 아실 할라이드를 포함하는 유기용액의 계면중합을 이용하여, 상기 다공성 지지체 상에 폴리아미드 활성층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 수용액 또는 상기 유기용액은, 하기 화학식 1로 표시되고, 중량 평균 분자량이 100g/mol 내지 1200g/mol인 중합체를 포함하며,
상기 중합체의 함량은 폴리아미드 활성층에 대하여 0.1 wt% 이상 0.5 wt% 이하인 것인 수처리 분리막의 제조방법:
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
R1 및 R2는 수소이고,
Z1 내지 Z3는 N(R3)이며,
A1 및 A2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 N(R4) 또는 N(R5)2 +이고,
R3 내지 R5는 수소이며,
A1 및 A2 중 적어도 하나가 N(R5)2 +인 경우, Y는 HSO4 -, SO4 2-, NO3 -, CO3 2-, HCO3 -, H2PO4 -, HPO4 2-, PO4 3-, Cl-, Br- 및 F-로 이루어진 군으로부터 선택되고,
n은 2, 4 또는 6의 정수이며,
m은 1 내지 60의 정수이고,
p는 0 내지 4의 정수이며,
n, m 및 p가 각각 2 이상인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하다. - 삭제
- 청구항 14에 있어서, 상기 수용액은 상기 중합체를 포함하는 것인 수처리 분리막의 제조방법.
- 청구항 1 또는 2의 수처리 분리막을 포함하는 수처리 모듈.
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