KR102427811B1 - Surface modified ceramic hollow fiber membrane, membrane contactor comprising same and method of preparing same - Google Patents

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KR102427811B1 KR1020200113104A KR20200113104A KR102427811B1 KR 102427811 B1 KR102427811 B1 KR 102427811B1 KR 1020200113104 A KR1020200113104 A KR 1020200113104A KR 20200113104 A KR20200113104 A KR 20200113104A KR 102427811 B1 KR102427811 B1 KR 102427811B1
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Abstract

표면개질된 세라믹 중공사막, 그를 포함하는 막접촉기 및 그의 제조방법을 개시한다. 상기 표면개질된 세라믹 중공사막은 친수성 무기물을 포함하는 친수성 세라믹 중공사막; 및 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 형성되고, 소수성 물질을 포함하는 소수성 표면개질층;을 포함할 수 있다. 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막은 표면개질을 통한 소수성 부여로 막 젖음 현상 최소화할 수 있고, 교체주기를 향상할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기는 열적, 물리적 성질이 우수한 세라믹 소재를 사용하여 배기가스를 저온화시키는 추가 설비 없이 바로 투입 가능하도록 하고, 대량의 고온 배기가스를 처리할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기는 설비 체적 및 설치 부지를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.Disclosed are a surface-modified ceramic hollow fiber membrane, a membrane contactor comprising the same, and a method for manufacturing the same. The surface-modified ceramic hollow fiber membrane may include: a hydrophilic ceramic hollow fiber membrane containing a hydrophilic inorganic material; and a hydrophobic surface modification layer formed on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane and including a hydrophobic material. The surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention has the effect of minimizing membrane wetting and improving the replacement cycle by imparting hydrophobicity through surface modification. In addition, the membrane contactor including the surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention uses a ceramic material with excellent thermal and physical properties to allow direct input without additional equipment for lowering the exhaust gas temperature, and can handle a large amount of high temperature exhaust gas. there is an effect In addition, the membrane contactor including the surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention has the effect of remarkably reducing the equipment volume and the installation site.

Description

표면개질된 세라믹 중공사막, 그를 포함하는 막접촉기 및 그의 제조방법{SURFACE MODIFIED CERAMIC HOLLOW FIBER MEMBRANE, MEMBRANE CONTACTOR COMPRISING SAME AND METHOD OF PREPARING SAME}Surface-modified ceramic hollow fiber membrane, membrane contactor comprising same, and method for manufacturing the same

본 발명은 세라믹 중공사막, 그를 포함하는 막접촉기 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면개질된 세라믹 중공사막, 그를 포함하는 막접촉기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic hollow fiber membrane, a membrane contactor comprising the same, and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a surface-modified ceramic hollow fiber membrane, a membrane contactor comprising the same, and a manufacturing method thereof.

산업발전 및 생활수준 향상에 따른 화석연료 사용량이 증가하면서 연료 연소 후 배출되는 배기가스 내 질소산화물(NOX), 황산화물(SOX) 및 이산화탄소(CO2)에 의한 대기오염, 산성비 유발, 대기 중 광화학반응에 의해 2차 생성되는 초미세먼지 및 지구온난화로 인해 일반시민들이 받는 고통이 극심한 상황이다. 기존의 일반적인 배기가스 스크러버 방식으로는 충진탑(packed tower), 분무탑(spray tower), 벤추리 세정기(venturi scrubber), 기포탑(bubble column) 등이 존재한다. 하지만 이상의 재래기술들을 고도화하더라도 제거 효율 향상 및 장치 크기 소형화를 기대하기는 힘들고, 더군다나 장치 내에서 유체의 범람(flooding), 편류(channeling) 등의 많은 문제점을 가지고 있다. As the consumption of fossil fuels increases due to industrial development and improvement of living standards, nitrogen oxides (NO X ), sulfur oxides (SO X ) and carbon dioxide (CO 2 ) in the exhaust gas emitted after fuel combustion have caused air pollution, acid rain, and the atmosphere. The general public is suffering from extreme fine dust and global warming that are secondary to photochemical reactions. Existing general exhaust gas scrubber methods include a packed tower, a spray tower, a venturi scrubber, a bubble column, and the like. However, even if the above conventional techniques are advanced, it is difficult to expect improvement in removal efficiency and size reduction of the device, and furthermore, there are many problems such as flooding and channeling of fluid in the device.

이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 수단으로서 막접촉기를 사용한 기체 분리 공정에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만, 고분자 소재로 인해 고온에 부적합하며, 가스 제거 성능저하를 유발하는 막 젖음 현상으로 인해 실증화에 많은 어려움을 겪는 문제점이 있었다. As a means to solve these problems, research on a gas separation process using a membrane contactor is being actively conducted. However, due to the polymer material, it is not suitable for high temperature, and there is a problem in that there are many difficulties in demonstrating it due to the film wetting phenomenon that causes a decrease in the gas removal performance.

현재 배기가스 중 황산화물(SOX)의 제거 방법에는 소석회(CaO)를 이용해 석고(CaSO4)를 만들어 내는 공정이 주를 이루고 있다. 하지만 황산화물 흡수제인 고품위의 석회석(CaCO3)과 소석회가 지속적인 채굴에 의해 고갈되어 가고 있기 때문에 고품질의 석고를 더 이상 얻기는 어려울 것으로 예상되고 있다. 또한 배기가스의 대부분이 고온으로 방출되어 대량의 황산화물(SOX) 처리에 많은 어려움을 겪는 문제점이 있었다.Currently, a method of removing sulfur oxides (SO X ) from exhaust gas is mainly a process of producing gypsum (CaSO 4 ) using slaked lime (CaO). However, high-quality limestone (CaCO 3 ) and slaked lime, which are sulfur oxide absorbers, are being depleted by continuous mining, so it is expected that it will be difficult to obtain high-quality gypsum any more. In addition, most of the exhaust gas is emitted at a high temperature, so there is a problem that a large amount of sulfur oxide (SO X ) suffers a lot of difficulties.

본 발명의 목적은 표면개질을 통한 소수성 부여로 막 젖음 현상 최소화할 수 있고, 교체주기를 향상할 수 있는 표면개질된 세라믹 중공사막을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a surface-modified ceramic hollow fiber membrane capable of minimizing membrane wetting and improving the replacement cycle by imparting hydrophobicity through surface modification.

또한 본 발명의 목적은 열적, 물리적 성질이 우수한 세라믹 소재를 사용하여 배기가스를 저온화시키는 추가 설비 없이 바로 투입 가능하도록 하고, 대량의 고온 배기가스를 처리할 수 있는 표면개질된 세라믹 중공사막 및 그를 포함하는 막접촉기를 제공하는 데 있다. It is also an object of the present invention to use a ceramic material having excellent thermal and physical properties so that it can be directly injected without additional equipment for lowering the exhaust gas temperature, and a surface-modified ceramic hollow fiber membrane capable of treating a large amount of high-temperature exhaust gas, including the same It is to provide a membrane contactor that

또한 본 발명의 목적은 설비 체적 및 설치 부지를 획기적으로 줄일 수 있는 막접촉기를 제공하는 데 있다.It is also an object of the present invention to provide a membrane contactor that can dramatically reduce a facility volume and an installation site.

본 발명의 일 측면에 따르면, 친수성 무기물을 포함하는 친수성 세라믹 중공사막; 및 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 형성되고, 소수성 물질을 포함하는 소수성 표면개질층;을 포함하는 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막이 제공된다.According to an aspect of the present invention, a hydrophilic ceramic hollow fiber membrane including a hydrophilic inorganic material; and a hydrophobic surface modification layer formed on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane and including a hydrophobic material.

또한 상기 소수성 표면개질층이 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면 및 상기 중공에 접하는 안쪽 표면 중에서 선택된 1종 이상의 표면 상에 형성될 수 있다.In addition, the hydrophobic surface modification layer may be formed on one or more surfaces selected from an outer surface not in contact with the hollow and an inner surface contacting the hollow of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane.

또한 상기 소수성 표면개질층이 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면 상에 형성될 수 있다.In addition, the hydrophobic surface modification layer may be formed on the outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane not in contact with the hollow.

또한 상기 소수성 물질이 유기실란 화합물을 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 코팅하여 형성될 수 있다.In addition, the hydrophobic material may be formed by coating an organosilane compound on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane.

또한 상기 유기실란 화합물이 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.In addition, the organosilane compound may be a compound represented by Structural Formula 1 below.

[구조식 1][Structural Formula 1]

Figure 112020093942913-pat00001
Figure 112020093942913-pat00001

상기 구조식 1에서,In Structural Formula 1,

R1은 C1 내지 C5 알킬기이고,R 1 is a C1 to C5 alkyl group,

R2는 C1 내지 C5 알킬기 또는

Figure 112020093942913-pat00002
이고,R 2 is a C1 to C5 alkyl group or
Figure 112020093942913-pat00002
ego,

t는 0 내지 5의 정수 중 어느 하나이고,t is any one of an integer from 0 to 5,

u는 1 내지 10의 정수 중 어느 하나이고,u is any one of an integer from 1 to 10,

R3는 수소원자(H), 불소원자(F), 염소원자(Cl), 브롬원자(Br), 또는 요오드원자(I)이고,R 3 is a hydrogen atom (H), a fluorine atom (F), a chlorine atom (Cl), a bromine atom (Br), or an iodine atom (I),

R4

Figure 112020093942913-pat00003
이고,R 4 is
Figure 112020093942913-pat00003
ego,

m은 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고, m is any one of integers from 0 to 4,

n은 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고,n is any one of integers from 0 to 4,

q는 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고,q is any one of integers from 0 to 4,

r은 0 또는 1이고,r is 0 or 1,

m + n + q + r = 4일 수 있다.m + n + q + r = 4.

또한 다른 하나의 실시예에 따르면, R1은 C1 내지 C2 알킬기이고,In addition, according to another embodiment, R 1 is a C1 to C2 alkyl group,

R2는 C1 내지 C2 알킬기 또는

Figure 112020093942913-pat00004
이고,R 2 is a C1 to C2 alkyl group or
Figure 112020093942913-pat00004
ego,

t는 1 내지 3의 정수 중 어느 하나이고,t is any one of integers from 1 to 3,

u는 3 내지 8의 정수 중 어느 하나이고,u is any one of an integer from 3 to 8,

R3는 수소원자(H) 또는 염소원자(Cl)이고,R 3 is a hydrogen atom (H) or a chlorine atom (Cl),

R4

Figure 112020093942913-pat00005
이고,R 4 is
Figure 112020093942913-pat00005
ego,

m은 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고, m is any one of integers from 0 to 4,

n은 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고,n is any one of integers from 0 to 4,

q는 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고,q is any one of integers from 0 to 4,

r은 0 또는 1이고,r is 0 or 1,

m + n + q + r = 4일 수 있다.m + n + q + r = 4.

또한 상기 유기실란 화합물이 트리메톡시실란(Trimethoxysilane), 트리메톡시메틸실란(Trimethoxymethylsilane), 헥사메틸 디실란(Hexamethyl disilane), 트리메틸 클로로실란(Trimethyl chlorosilane) 및 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸)실란(Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the organosilane compound is trimethoxysilane, trimethoxymethylsilane, hexamethyl disilane, trimethyl chlorosilane, and trichloro (1H, 1H, 2H, 2H). -Perfluorooctyl) silane (Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane) may include at least one selected from the group consisting of.

또한 상기 친수성 무기물이 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 이들의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the hydrophilic inorganic material may include at least one selected from the group consisting of silica (SiO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and composites thereof.

또한 상기 친수성 세라믹 중공사막은 중공의 지름이 1 내지 50 mm일 수 있다.In addition, the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane may have a hollow diameter of 1 to 50 mm.

또한 상기 친수성 세라믹 중공사막은 황산화물(SOx), 질산화물(NOx), 및 이산화탄소(CO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 분리공정에 사용하기 위한 것일 수 있다.In addition, the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane may be used for at least one separation process selected from the group consisting of sulfur oxides (SOx), nitric oxides (NOx), and carbon dioxide (CO 2 ).

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 표면개질된 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a membrane contactor including the surface-modified ceramic hollow fiber membrane.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 친수성 무기물을 포함하는 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 소수성 물질을 코팅하는 단계; 및 (b) 상기 소수성 물질이 코팅된 친수성 세라믹 중공사막을 건조하여 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 소수성 표면개질층을 형성하는 단계;를 포함하는 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, the method comprising: (a) coating a hydrophobic material on the surface of a hydrophilic ceramic hollow fiber membrane including a hydrophilic inorganic material; and (b) drying the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane coated with the hydrophobic material to form a hydrophobic surface modification layer on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane; .

또한 상기 단계 (a)가 (a-1) 소수성 물질 및 유기용매를 포함하는 소수성 물질 용액을 준비하는 단계; 및 (a-2) 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면 및 상기 중공에 접하는 안쪽 표면 중에서 선택된 1종 이상의 표면이 상기 소수성 물질 용액에 접하도록 상기 친수성 세라믹 중공사막을 위치시키는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, the step (a) comprises the steps of (a-1) preparing a hydrophobic material solution containing a hydrophobic material and an organic solvent; and (a-2) positioning the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane so that at least one surface selected from an outer surface not in contact with the hollow and an inner surface contacting the hollow of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane is in contact with the hydrophobic material solution. ; may be included.

또한 상기 단계 (a-2)가 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면이 상기 소수성 물질 용액에 접하도록 상기 친수성 세라믹 중공사막을 위치시키는 단계 (a-2')일 수 있다.In addition, the step (a-2) may be a step (a-2') of positioning the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane so that an outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane that is not in contact with the hydrophobic material solution is in contact with the hydrophobic material solution.

또한 상기 단계 (a)가 단계 (a-2') 후에 (a-3) 상기 친수성 세라믹 중공사막을 1 내지 20회 굴려 상기 친수성 세라믹 중공사막의 상기 바깥쪽 표면 상에 상기 소수성 물질을 코팅하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.In addition, in step (a) after step (a-2'), (a-3) rolling the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane 1 to 20 times to coat the hydrophobic material on the outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane ; may be additionally included.

또한 상기 유기용매가 에탄올(Ethanol), 톨루엔(Toluene), 핵산(Hexane), 아세톤(Acetone) 및 에틸아세테이트(Ethyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the organic solvent may include at least one selected from the group consisting of ethanol, toluene, hexane, acetone, and ethyl acetate.

또한 상기 세라믹 중공사막의 제조방법이 상기 단계 (a) 전에 (a') 상기 친수성 세라믹 중공사막을 용매에 침지하고 초음파를 조사하여 세척하고 건조하여 상기 친수성 세라믹 중공사막을 전처리하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.In addition, in the method for producing the ceramic hollow fiber membrane, before step (a), (a') pre-treating the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane by immersing the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane in a solvent, irradiating ultrasonic waves to wash and drying the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane; may include

또한 상기 소수성 물질이 유기실란 화합물을 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 코팅하여 형성될 수 있다.In addition, the hydrophobic material may be formed by coating an organosilane compound on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane.

또한 상기 유기실란 화합물이 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.In addition, the organosilane compound may be a compound represented by Structural Formula 1 below.

[구조식 1][Structural Formula 1]

Figure 112020093942913-pat00006
Figure 112020093942913-pat00006

상기 구조식 1에서,In Structural Formula 1,

R1은 C1 내지 C5 알킬기이고,R 1 is a C1 to C5 alkyl group,

R2는 C1 내지 C5 알킬기 또는

Figure 112020093942913-pat00007
이고,R 2 is a C1 to C5 alkyl group or
Figure 112020093942913-pat00007
ego,

t는 0 내지 5의 정수 중 어느 하나이고,t is any one of an integer from 0 to 5,

u는 1 내지 10의 정수 중 어느 하나이고,u is an integer from 1 to 10,

R3는 수소원자(H), 불소원자(F), 염소원자(Cl), 브롬원자(Br), 또는 요오드원자(I)이고,R 3 is a hydrogen atom (H), a fluorine atom (F), a chlorine atom (Cl), a bromine atom (Br), or an iodine atom (I),

R4

Figure 112020093942913-pat00008
이고,R 4 is
Figure 112020093942913-pat00008
ego,

m은 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고, m is any one of integers from 0 to 4,

n은 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고,n is any one of integers from 0 to 4,

q는 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고,q is any one of integers from 0 to 4,

r은 0 또는 1이고,r is 0 or 1,

m + n + q + r = 4일 수 있다.m + n + q + r = 4.

또한 상기 유기실란 화합물이 트리메톡시실란(Trimethoxysilane), 트리메톡시메틸실란(Trimethoxymethylsilane), 헥사메틸 디실란(Hexamethyl disilane), 트리메틸 클로로실란(Trimethyl chlorosilane) 및 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸)실란(Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the organosilane compound is trimethoxysilane, trimethoxymethylsilane, hexamethyl disilane, trimethyl chlorosilane, and trichloro (1H, 1H, 2H, 2H). -Perfluorooctyl) silane (Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane) may include at least one selected from the group consisting of.

본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막은 표면개질을 통한 소수성 부여로 막 젖음 현상 최소화할 수 있고, 교체주기를 향상할 수 있는 효과가 있다.The surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention has the effect of minimizing membrane wetting and improving the replacement cycle by imparting hydrophobicity through surface modification.

또한 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기는 열적, 물리적 성질이 우수한 세라믹 소재를 사용하여 배기가스를 저온화시키는 추가 설비 없이 바로 투입 가능하도록 하고, 대량의 고온 배기가스를 처리할 수 있는 효과가 있다. In addition, the membrane contactor including the surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention uses a ceramic material with excellent thermal and physical properties to allow direct input without additional equipment for lowering the exhaust gas temperature, and can handle a large amount of high temperature exhaust gas. there is an effect

또한 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기는 설비 체적 및 설치 부지를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, the membrane contactor including the surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention has the effect of remarkably reducing the equipment volume and the installation site.

도 1의 (a)는 표면개질되지 않은 세라믹 중공사막, (b)는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 표면개질된 세라믹 중공사막, (c)는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 표면개질된 세라믹 중공사막의 구조를 나타낸 개략도이고, (d)는 표면개질되지 않은 세라믹 중공사막의 이미지이다.
도 2는 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조방법 중 친수성 세라믹 중공사막의 바깥쪽 표면 상에 소수성 물질을 코팅하는 단계를 나타낸 이미지이다.
도 3은 최소침투압력 측정장비를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 4는 액기비(L/G)가 4 ml/L일 때 실시예 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 내지 1-10, 2-1, 2-5, 2-6 및 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막과 비교예 1에 따라 제조된 세라믹 중공사막을 막접촉기에 사용하여 SO2 분리 시 시간에 따른 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 액기비(L/G)가 1 ml/L일 때 실시예 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 내지 1-10, 2-1, 2-5, 2-6 및 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막과 비교예 1에 따라 제조된 세라믹 중공사막을 막접촉기에 사용하여 SO2 분리 시 시간에 따른 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 각각 비교예 1에 따라 제조된 세라믹 중공사막 및 실시예 1-10 및 실시예 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 SEM 이미지이다.
도 7의 (a) 내지 (d)는 각각 실시예 1-1, 1-5, 1-6 및 1-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 SEM 이미지이다.
도 8의 (a) 내지 (d)는 각각 실시예 2-1, 2-5, 2-6 및 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 SEM 이미지이다
도 9의 (a) 및 (b)는 각각 비교예 1에 따라 제조된 세라믹 중공사막 및 실시예 2-5에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 측면 SEM 이미지이다.
1 (a) is a ceramic hollow fiber membrane that is not surface-modified, (b) is a surface-modified ceramic hollow fiber membrane according to an embodiment of the present invention, (c) is a surface according to another embodiment of the present invention It is a schematic diagram showing the structure of the modified ceramic hollow fiber membrane, and (d) is an image of the ceramic hollow fiber membrane that is not surface-modified.
2 is an image showing a step of coating a hydrophobic material on the outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane in the method of manufacturing the surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram schematically showing the minimum penetration pressure measuring equipment.
4 shows Examples 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 to 1-10, 2-1, 2-5, 2-6 when the liquid ratio (L/G) is 4 ml/L and 2-10 using the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 and the ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 in a membrane contactor, and is a graph showing the removal rate according to time when SO 2 is separated.
5 shows Examples 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 to 1-10, 2-1, 2-5, 2-6 when the liquid ratio (L/G) is 1 ml/L and 2-10 using the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 and the ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 in a membrane contactor, and is a graph showing the removal rate according to time when SO 2 is separated.
6 (a) to (c) are SEM images of the ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 and the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membrane prepared according to Examples 1-10 and 2-10, respectively. .
7A to 7D are SEM images of the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Examples 1-1, 1-5, 1-6, and 1-10, respectively.
8 (a) to (d) are SEM images of the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Examples 2-1, 2-5, 2-6 and 2-10, respectively.
9 (a) and (b) are side SEM images of the ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 and the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membrane prepared according to Examples 2-5, respectively.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. In addition, terms including ordinal numbers such as first, second, etc. to be used hereinafter may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.

또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에,” "다른 구성요소 상에 형성되어," "다른 구성요소 상에 위치하여," 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when it is mentioned that a component is “on another component,” “formed on another component,” “located on another component,” or “stacked on another component,” the It may be formed, positioned, or laminated by being directly attached to the front surface or one surface on the surface of other components, but it will be understood that other components may be further present in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

도 1의 (a)는 표면개질되지 않은 세라믹 중공사막, (b)는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 표면개질된 세라믹 중공사막, (c)는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 표면개질된 세라믹 중공사막의 구조를 나타낸 개략도이고, (d)는 표면개질되지 않은 세라믹 중공사막의 이미지이다.1 (a) is a ceramic hollow fiber membrane that is not surface-modified, (b) is a surface-modified ceramic hollow fiber membrane according to an embodiment of the present invention, (c) is a surface according to another embodiment of the present invention It is a schematic diagram showing the structure of the modified ceramic hollow fiber membrane, and (d) is an image of the ceramic hollow fiber membrane that is not surface-modified.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .

본 발명은 친수성 무기물을 포함하는 친수성 세라믹 중공사막; 및 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 형성되고, 소수성 물질을 포함하는 소수성 표면개질층;을 포함하는 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막을 제공한다.The present invention relates to a hydrophilic ceramic hollow fiber membrane containing a hydrophilic inorganic material; and a hydrophobic surface modification layer formed on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane and including a hydrophobic material.

상기 소수성 표면개질층은 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면 및 상기 중공에 접하는 안쪽 표면 중에서 선택된 1종 이상의 표면 상에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면 상에 형성될 수 있다.The hydrophobic surface modification layer may be formed on one or more surfaces selected from an outer surface not in contact with the hollow of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane and an inner surface contacting the hollow of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane. It may be formed on an outer surface that is not in contact with the .

상기 소수성 물질은 유기실란 화합물을 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 코팅하여 형성될 수 있다.The hydrophobic material may be formed by coating an organosilane compound on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane.

상기 유기실란 화합물은 졸-겔 반응을 통해 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 코팅될 수 있다.The organosilane compound may be coated on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane through a sol-gel reaction.

상기 유기실란 화합물은 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The organosilane compound may be a compound represented by Structural Formula 1 below.

[구조식 1][Structural Formula 1]

Figure 112020093942913-pat00009
Figure 112020093942913-pat00009

상기 구조식 1에서,In Structural Formula 1,

R1은 C1 내지 C5 알킬기, 바람직하게는 C1 내지 C2 알킬기이고,R 1 is a C1 to C5 alkyl group, preferably a C1 to C2 alkyl group,

R2는 C1 내지 C5 알킬기 또는

Figure 112020093942913-pat00010
, 바람직하게는 C1 내지 C2 알킬기 또는
Figure 112020093942913-pat00011
이고,R 2 is a C1 to C5 alkyl group or
Figure 112020093942913-pat00010
, preferably a C1 to C2 alkyl group or
Figure 112020093942913-pat00011
ego,

t는 0 내지 5의 정수 중 어느 하나, 바람직하게는 1 내지 3의 정수 중 어느 하나이고,t is an integer from 0 to 5, preferably an integer from 1 to 3,

u는 1 내지 10의 정수 중 어느 하나, 바람직하게는 3 내지 8의 정수 중 어느 하나이고,u is any one of integers from 1 to 10, preferably any one of integers from 3 to 8,

R3는 수소원자(H), 불소원자(F), 염소원자(Cl), 브롬원자(Br), 또는 요오드원자(I), 바람직하게는 수소원자(H) 또는 염소원자(Cl)이고,R 3 is a hydrogen atom (H), a fluorine atom (F), a chlorine atom (Cl), a bromine atom (Br), or an iodine atom (I), preferably a hydrogen atom (H) or a chlorine atom (Cl),

R4

Figure 112020093942913-pat00012
이고,R 4 is
Figure 112020093942913-pat00012
ego,

m은 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고, m is any one of integers from 0 to 4,

n은 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고,n is any one of integers from 0 to 4,

q는 각각 0 내지 4의 정수 중 어느 하나이고,q is any one of integers from 0 to 4,

r은 0 또는 1이고,r is 0 or 1,

m + n + q + r = 4일 수 있다.m + n + q + r = 4.

상기 유기실란 화합물은 트리메톡시실란(Trimethoxysilane), 트리메톡시메틸실란(Trimethoxymethylsilane), 헥사메틸 디실란(Hexamethyl disilane), 트리메틸 클로로실란(Trimethyl chlorosilane) 및 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸)실란(Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The organosilane compound is trimethoxysilane, trimethoxymethylsilane, hexamethyl disilane, trimethyl chlorosilane, and trichloro (1H,1H,2H,2H- It may include at least one selected from the group consisting of perfluorooctyl)silane (Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane).

상기 친수성 무기물은 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 이들의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The hydrophilic inorganic material may include at least one selected from the group consisting of silica (SiO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and composites thereof.

상기 친수성 세라믹 중공사막은 중공의 지름이 1 내지 50 mm일 수 있다. 상기 지름이 1 mm 미만이면, 중공사막 형태로 성형이 힘들기 때문에 바람직하지 않고, 50 mm를 초과하면 막접촉기의 장점인 소형화가 힘들기 때문에 바람직하지 않다.The hydrophilic ceramic hollow fiber membrane may have a hollow diameter of 1 to 50 mm. If the diameter is less than 1 mm, it is not preferable because it is difficult to form a hollow fiber membrane, and if it exceeds 50 mm, it is not preferable because it is difficult to downsize, which is an advantage of the membrane contactor.

상기 친수성 세라믹 중공사막은 다공성일 수 있다.The hydrophilic ceramic hollow fiber membrane may be porous.

상기 친수성 세라믹 중공사막은 황산화물(SOx), 질산화물(NOx), 및 이산화탄소(CO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 분리공정에 사용하기 위한 것일 수 있다.The hydrophilic ceramic hollow fiber membrane may be used in one or more separation processes selected from the group consisting of sulfur oxides (SOx), nitric oxides (NOx), and carbon dioxide (CO 2 ).

또한 본 발명은 상기 표면개질된 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기를 제공한다.The present invention also provides a membrane contactor comprising the surface-modified ceramic hollow fiber membrane.

이하, 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for manufacturing the surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention will be described.

먼저, 친수성 무기물을 포함하는 친수성 세라믹 중공사막의 First, the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane containing the hydrophilic inorganic material 표면 상에on the surface 소수성 물질을 코팅한다(단계 a). A hydrophobic material is coated (step a).

상기 단계 (a)는 (a-1) 소수성 물질 및 유기용매를 포함하는 소수성 물질 용액을 준비하는 단계; 및 (a-2) 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면 및 상기 중공에 접하는 안쪽 표면 중에서 선택된 1종 이상의 표면이 상기 소수성 물질 용액에 접하도록 상기 친수성 세라믹 중공사막을 위치시키는 단계;를 포함할 수 있다.The step (a) comprises the steps of (a-1) preparing a hydrophobic material solution containing a hydrophobic material and an organic solvent; and (a-2) positioning the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane so that at least one surface selected from an outer surface not in contact with the hollow and an inner surface contacting the hollow of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane is in contact with the hydrophobic material solution. ; may be included.

상기 단계 (a-2)는 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면이 상기 소수성 물질 용액에 접하도록 상기 친수성 세라믹 중공사막을 위치시키는 단계 (a-2')일 수 있다.The step (a-2) may be a step (a-2') of positioning the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane so that an outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane not in contact with the hollow is in contact with the hydrophobic material solution.

도 2는 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조방법 중 친수성 세라믹 중공사막의 바깥쪽 표면 상에 소수성 물질을 코팅하는 단계를 나타낸 이미지이다. 도 2를 참조하면, 상기 단계 (a)는 단계 (a-2') 후에 (a-3) 상기 친수성 세라믹 중공사막을 1 내지 20회, 바람직하게는 5 내지 15회, 보다 바람직하게는 8 내지 12회 굴려 상기 친수성 세라믹 중공사막의 상기 바깥쪽 표면 상에 상기 소수성 물질을 코팅하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다. 이때, 상기 중공에 접하는 안쪽 표면은 코팅되지 않도록 한다.2 is an image showing a step of coating a hydrophobic material on the outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane in the method of manufacturing the surface-modified ceramic hollow fiber membrane of the present invention. Referring to FIG. 2 , the step (a) is performed 1 to 20 times, preferably 5 to 15 times, more preferably 8 to (a-3) the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane after step (a-2') The method may further include a step of coating the hydrophobic material on the outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane by rolling 12 times. At this time, the inner surface in contact with the hollow is not to be coated.

상기 유기용매는 에탄올(Ethanol), 톨루엔(Toluene), 핵산(Hexane), 아세톤(Acetone) 및 에틸아세테이트(Ethyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The organic solvent may include at least one selected from the group consisting of ethanol, toluene, hexane, acetone, and ethyl acetate.

상기 세라믹 중공사막의 제조방법은 상기 단계 (a) 전에 (a') 상기 친수성 세라믹 중공사막을 용매에 침지하고 초음파를 조사하여 세척하고 건조하여 상기 친수성 세라믹 중공사막을 전처리하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.The method of manufacturing the ceramic hollow fiber membrane includes the steps of (a') pretreating the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane by immersing the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane in a solvent, washing and drying by irradiating ultrasonic waves before the step (a); can do.

다음으로, 상기 소수성 물질이 코팅된 친수성 세라믹 중공사막을 건조하여 상기 친수성 세라믹 중공사막의 Next, the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane coated with the hydrophobic material is dried to form the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane. 표면 상에on the surface 소수성 hydrophobic 표면개질층을surface modification layer 형성한다(단계 b). form (step b).

[실시예] [Example]

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, this is for illustrative purposes, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1: 침지(immersion)를 통해 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조Example 1: Preparation of surface-modified ceramic hollow fiber membrane through immersion

실시예 1-1Example 1-1

친수성인 알루미나(Al2O3) 세라믹 표면에 지르코니아(ZrO2)가 도포된 중공사막[Pervaporation Membrane module]을 에탄올에 침지시키고, ultrasonic cleaner를 사용하여 15분 동안 초음파를 조사하여 세척한 후, 90℃에서 건조시켜 전처리하였다.A hollow fiber membrane [Pervaporation Membrane module] coated with zirconia (ZrO 2 ) on the hydrophilic alumina (Al 2 O 3 ) ceramic surface was immersed in ethanol, and then cleaned by irradiating ultrasonic waves for 15 minutes using an ultrasonic cleaner, and then 90 It was dried at ℃ and pre-treated.

전처리한 세라믹 중공사막을 표면개질 물질인 트리메톡시실란(Trimethoxysilane)과 용매인 에탄올을 혼합한 용액에 1시간 동안 침지(immersion)시킨 후, 90℃에서 1시간 동안 건조시켜 표면개질하였다. 이후 에탄올과 아세톤으로 세척하고, 100℃에서 30분 동안 건조시켜 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막을 제조하였다.The pretreated ceramic hollow fiber membrane was immersed for 1 hour in a solution of a mixture of trimethoxysilane, a surface modification material, and ethanol, a solvent, and then dried at 90° C. for 1 hour to surface-modify. Thereafter, it was washed with ethanol and acetone, and dried at 100° C. for 30 minutes to prepare a hydrophobically modified ceramic hollow fiber membrane.

실시예 1-2 내지 1-10Examples 1-2 to 1-10

하기 표 1을 참조하면, 표 1의 조건으로 실시예 1-1에 기재된 방법을 이용하여 실시예 1-2 내지 1-10의 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막을 제조하였다.Referring to Table 1 below, using the method described in Example 1-1 under the conditions of Table 1, the hydrophobic surface-modified ceramic hollow fiber membranes of Examples 1-2 to 1-10 were prepared.

실시예Example 표면개질 물질surface modification material 용매menstruum 1-11-1 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 에탄올ethanol 1-21-2 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 에탄올ethanol 1-31-3 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 에탄올ethanol 1-41-4 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 에탄올ethanol 1-51-5 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 에탄올ethanol 1-61-6 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 톨루엔toluene 1-71-7 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 톨루엔toluene 1-81-8 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 톨루엔toluene 1-91-9 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 톨루엔toluene 1-101-10 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 톨루엔toluene

실시예Example 2: 코팅(coating)을 통해 2: Through coating 표면개질된surface modified 세라믹 중공사막의 제조 Manufacturing of ceramic hollow fiber membrane

실시예 2-1Example 2-1

친수성인 알루미나(Al2O3) 세라믹 표면에 지르코니아(ZrO2)가 도포된 중공사막[Pervaporation Membrane module]을 에탄올에 침지시키고, ultrasonic cleaner를 사용하여 15분 동안 초음파를 조사하여 세척한 후, 90℃에서 건조시켜 전처리하였다.A hollow fiber membrane [Pervaporation Membrane module] coated with zirconia (ZrO 2 ) on the hydrophilic alumina (Al 2 O 3 ) ceramic surface was immersed in ethanol, and then cleaned by irradiating ultrasonic waves for 15 minutes using an ultrasonic cleaner, and then 90 It was dried at ℃ and pre-treated.

도 2를 참조하면, 전처리한 세라믹 중공사막을 표면개질 물질인 트리메톡시실란(Trimethoxysilane)과 용매인 에탄올을 혼합한 용액 5mL에 10회 굴려준 후, 90℃에서 1시간 동안 건조시켜 표면개질하였다. 이후 에탄올과 아세톤으로 세척하고, 100℃에서 30분 동안 건조시켜 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막을 제조하였다.Referring to FIG. 2, the pretreated ceramic hollow fiber membrane was rolled 10 times in 5 mL of a solution of a mixture of trimethoxysilane, a surface modifying material, and ethanol, a solvent, and then dried at 90° C. for 1 hour to surface-modify. . Thereafter, it was washed with ethanol and acetone, and dried at 100° C. for 30 minutes to prepare a hydrophobically modified ceramic hollow fiber membrane.

실시예 2-2 내지 2-10Examples 2-2 to 2-10

하기 표 2를 참조하면, 표 2의 조건으로 실시예 2-1에 기재된 방법을 이용하여 실시예 2-2 내지 2-10의 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막을 제조하였다.Referring to Table 2 below, using the method described in Example 2-1 under the conditions of Table 2, the hydrophobic surface-modified ceramic hollow fiber membranes of Examples 2-2 to 2-10 were prepared.

실시예Example 표면개질 물질surface modification material 용매menstruum 2-12-1 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 에탄올ethanol 2-22-2 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 에탄올ethanol 2-32-3 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 에탄올ethanol 2-42-4 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 에탄올ethanol 2-52-5 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 에탄올ethanol 2-62-6 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 톨루엔toluene 2-72-7 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 톨루엔toluene 2-82-8 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 톨루엔toluene 2-92-9 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 톨루엔toluene 2-102-10 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 톨루엔toluene

비교예comparative example 1: One: 표면개질하지No surface modification 않은 세라믹 중공사막의 제조 Manufacturing of non-porous ceramic hollow fiber membranes

친수성인 알루미나(Al2O3) 세라믹 표면에 지르코니아(ZrO2)가 도포된 중공사막[Pervaporation Membrane module]을 구입하여 비교예 1로 사용하였다.A hollow fiber membrane [Pervaporation Membrane module] coated with zirconia (ZrO 2 ) on a hydrophilic alumina (Al 2 O 3 ) ceramic surface was purchased and used as Comparative Example 1.

[시험예] [Test Example]

시험예 1: 접촉각 분석Test Example 1: Contact angle analysis

자체 제작한 접촉각 측정장치를 사용하여 표면개질된 세라믹 중공사막의 접촉각을 측정하였다. 실시예 1-1 내지 1-10 및 실시예 2-1 내지 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 접촉각을 아래 표 3에 나타내었다.The contact angle of the surface-modified ceramic hollow fiber membrane was measured using a self-manufactured contact angle measuring device. Table 3 below shows the contact angles of the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Examples 1-1 to 1-10 and Examples 2-1 to 2-10.

표면개질 방법Surface modification method 실시예Example 표면개질 물질surface modification material 용매menstruum 접촉각contact angle 침지
(immersion)
immersion
(immersion)
1-11-1 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 에탄올ethanol 91.6°91.6°
1-21-2 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 에탄올ethanol 20°20° 1-31-3 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 에탄올ethanol 20°20° 1-41-4 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 에탄올ethanol 1-51-5 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 에탄올ethanol 118.4°118.4° 1-61-6 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 톨루엔toluene 112.5°112.5° 1-71-7 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 톨루엔toluene 103°103° 1-81-8 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 톨루엔toluene 81.2°81.2° 1-91-9 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 톨루엔toluene 80.8°80.8° 1-101-10 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 톨루엔toluene 130.9°130.9° 코팅
(coating)
coating
(coating)
2-12-1 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 에탄올ethanol 98°98°
2-22-2 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 에탄올ethanol 30.8°30.8° 2-32-3 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 에탄올ethanol 29.8°29.8° 2-42-4 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 에탄올ethanol 2-52-5 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 에탄올ethanol 124.0°124.0° 2-62-6 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 톨루엔toluene 90.7°90.7° 2-72-7 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 톨루엔toluene 48.5°48.5° 2-82-8 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 톨루엔toluene 45.1°45.1° 2-92-9 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 톨루엔toluene 60.1°60.1° 2-102-10 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 톨루엔toluene 138.9°138.9°

상기 표 3을 참조하면, 표면개질 방법에 따라 표면의 접촉각의 차이가 나타남을 확인할 수 있었다. 접촉각은 표면의 소수성 및 친수성 여부를 판단하는 척도로, 실시예 1-1 내지 1-10 및 실시예 2-1 내지 2-10에 따라 제조된 세라믹 중공사막은 친수성의 세라믹 막 표면에 소수성이 부여된 것을 확인할 수 있었다. 침지(immersion) 및 코팅(coating)을 통해 표면개질된 세라믹 중공사막의 접촉각은 비슷한 경향을 보인다. 이를 통해 코팅(coating)을 통한 표면개질이 침지(immersion)를 통한 표면개질에 비해 더 적은 양의 표면개질 물질을 사용함으로써 표면개질 물질의 사용량을 현저히 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to Table 3, it was confirmed that the difference in the contact angle of the surface appeared according to the surface modification method. The contact angle is a measure for determining whether the surface is hydrophobic or hydrophilic. The ceramic hollow fiber membranes prepared according to Examples 1-1 to 1-10 and Examples 2-1 to 2-10 impart hydrophobicity to the surface of the hydrophilic ceramic membrane. was able to confirm that The contact angle of the ceramic hollow fiber membrane surface-modified through immersion and coating shows a similar tendency. Through this, it can be confirmed that surface modification through coating uses a smaller amount of surface modification material as compared to surface modification through immersion, thereby significantly reducing the amount of surface modification material used.

시험예 2: 최소침투압력 분석Test Example 2: Analysis of Minimum Penetration Pressure

도 3은 최소침투압력 측정장비를 개략적으로 나타낸 개략도이다. 도 3을 참조하면, 액체의 유량을 100mL/min으로 고정하고 전과 후에 압력계를 설치한 후 후단 쪽에 밸브를 조절하여 막의 물리적인 압력을 측정하였다. 실시예 1-1 내지 1-10 및 실시예 2-1 내지 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막과 비교예 1에 따라 제조된 표면개질하지 않은 세라믹 중공사막의 최소침투압력을 아래 표 4에 나타내었다.Figure 3 is a schematic diagram schematically showing the minimum penetration pressure measuring equipment. Referring to FIG. 3 , the physical pressure of the membrane was measured by adjusting the valve at the rear end after fixing the flow rate of the liquid at 100 mL/min and installing a pressure gauge before and after. Minimum penetration pressure of the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Examples 1-1 to 1-10 and Examples 2-1 to 2-10 and the non-surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Comparative Example 1 is shown in Table 4 below.

표면개질 방법Surface modification method 표면개질 물질surface modification material 용매menstruum 최소침투압력(bar)Minimum penetration pressure (bar) 세척실험 전before washing test 세척 실험 후after washing test -- 비교예 1Comparative Example 1 -- -- 0.040.04 0.040.04 침지
(immersion)
immersion
(immersion)
실시예 1-1Example 1-1 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 에탄올ethanol 0.100.10 0.100.10
실시예 1-2Example 1-2 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 에탄올ethanol -- -- 실시예 1-3Examples 1-3 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 에탄올ethanol -- -- 실시예 1-4Examples 1-4 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 에탄올ethanol -- -- 실시예 1-5Examples 1-5 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 에탄올ethanol 0.850.85 0.850.85 실시예 1-6Examples 1-6 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 톨루엔toluene 0.360.36 0.350.35 실시예 1-7Examples 1-7 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 톨루엔toluene -- -- 실시예 1-8Examples 1-8 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 톨루엔toluene 0.180.18 0.180.18 실시예 1-9Examples 1-9 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 톨루엔toluene 0.180.18 0.180.18 실시예 1-10Examples 1-10 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 톨루엔toluene 0.900.90 0.900.90 코팅
(coating)
coating
(coating)
실시예 2-1Example 2-1 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 에탄올ethanol 0.220.22 0.170.17
실시예 2-2Example 2-2 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 에탄올ethanol -- -- 실시예 2-3Example 2-3 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 에탄올ethanol -- -- 실시예 2-4Example 2-4 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 에탄올ethanol -- -- 실시예 2-5Example 2-5 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 에탄올ethanol 0.350.35 0.410.41 실시예 2-6Example 2-6 TrimethoxysilaneTrimethoxysilane 톨루엔toluene 0.260.26 0.200.20 실시예 2-7Example 2-7 TrimethoxymethylsilaneTrimethoxymethylsilane 톨루엔toluene -- -- 실시예 2-8Examples 2-8 Hexamethyl disilaneHexamethyl disilane 톨루엔toluene -- -- 실시예 2-9Examples 2-9 Trimethyl chlorosilaneTrimethyl chlorosilane 톨루엔toluene -- -- 실시예 2-10Example 2-10 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silaneTrichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 톨루엔toluene 0.520.52 0.540.54

상기 표 4를 참조하면, 침지(immersion)를 통한 표면개질에 비해 코팅(coating)을 통해 표면개질한 막의 최소침투압력이 낮은 것을 확인할 수 있었다. 침지(immersion)를 통한 표면개질과 달리 코팅(coating)을 통해 표면개질한 막은 막의 내부 및 외부 전체가 아닌 외부 표면만 코팅이 되어 투과되는 압력이 낮은 것임을 확인할 수 있었다. Referring to Table 4, it was confirmed that the minimum penetration pressure of the membrane surface-modified through coating was lower than that of surface modification through immersion. It was confirmed that, unlike surface modification through immersion, only the outer surface of the membrane surface-modified through coating was coated, not the entire inner and outer surfaces of the membrane, and the permeation pressure was low.

시험예test example 3: 3: 표면개질surface modification 방법, Way, 표면개질surface modification 물질과 용매의 종류 및 유량에 따른 SO SO according to the type and flow rate of substances and solvents 22 제거율 분석 Removal rate analysis

실시예 1-1 내지 1-10, 실시예 2-1 내지 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막과 비교예 1에 따라 제조된 표면개질하지 않은 세라믹 중공사막을 막접촉기에 사용하여 SO2 제거율을 분석하였다. The hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Examples 1-1 to 1-10 and Examples 2-1 to 2-10 and the non-surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Comparative Example 1 were applied to the membrane contactor. was used to analyze the SO 2 removal rate.

SO2 흡수제가 막접촉기에 투입되는 시점으로부터 적정 시간이 흐른 후의 SO2 제거율(%)은 아래 계산식 1로 계산할 수 있다.The SO 2 removal rate (%) after an appropriate time has elapsed from the time the SO 2 absorbent is introduced into the membrane contactor can be calculated by Equation 1 below.

[계산식 1][Formula 1]

SO2 제거율(%)= ((S1-S2)/S1)x100SO 2 Removal Rate (%)= ((S 1 -S 2 )/S 1 )x100

상기 계산식 1에서, S1은 막접촉기로 도입되는 배가스 중의 SO2농도이고, S2는 상기 막접촉기에서 배출되는 배가스 중의 SO2의 농도이다.In Equation 1, S 1 is the concentration of SO 2 in the exhaust gas introduced into the membrane contactor, and S 2 is the concentration of SO 2 in the exhaust gas discharged from the membrane contactor.

도 4는 액기비(L/G)가 4 ml/L일 때 실시예 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 내지 1-10, 2-1, 2-5, 2-6 및 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막과 비교예 1에 따라 제조된 세라믹 중공사막을 막접촉기에 사용하여 SO2 분리 시 시간에 따른 제거율을 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 전반적으로 높은 SO2 제거율을 보이는데, 이는 기체의 유량이 낮을수록 액체와 접촉 가능한 체류시간의 증가로 인해 제거율이 높게 나오는 일반적인 연구결과와 동일하다. 특히, 코팅(coating)을 통해 세라믹 막의 바깥 표면만을 개질한 막의 제거율이 표면을 개질하지 않은 비교예 1과 유사함을 확인할 수 있었다. 4 shows Examples 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 to 1-10, 2-1, 2-5, 2-6 when the liquid ratio (L/G) is 4 ml/L and 2-10 using the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 and the ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 in a membrane contactor, and is a graph showing the removal rate according to time when SO 2 is separated. Referring to FIG. 4 , the overall SO 2 removal rate is high, which is the same as a general study result in which the removal rate is high due to an increase in the residence time that can be in contact with the liquid as the flow rate of the gas is lower. In particular, it was confirmed that the removal rate of the film in which only the outer surface of the ceramic film was modified through coating was similar to that of Comparative Example 1 in which the surface was not modified.

도 5는 액기비(L/G)가 1 ml/L일 때 실시예 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 내지 1-10, 2-1, 2-5, 2-6 및 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막과 비교예 1에 따라 제조된 세라믹 중공사막을 막접촉기에 사용하여 SO2 분리 시 시간에 따른 제거율을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 기체의 유량이 증가함에 따라 침지(immersion)를 통해 표면을 개질한 막(실시예 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 내지 1-10)의 경우 실험이 시작된 초반에 급격히 SO2 제거율이 감소하는 경향을 볼 수 있다. 또한, 가장 뛰어난 SO2 제거율을 보여준 비교예 1의 경우 실험 시작 약 24 시간이 지난 후 코팅(coating)을 통해 표면개질한 막인 실시예 2-1, 2-5 및 2-6의 SO2 제거율 보다 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 기체의 유량의 증가로 액체와의 접촉 가능한 체류시간의 감소와 더불어 세라믹 막의 바깥표면과 내부의 기공을 모두 표면개질 물질로 덮게 되어 막접촉기로서의 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.5 shows Examples 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 to 1-10, 2-1, 2-5, 2-6 when the liquid ratio (L/G) is 1 ml/L and 2-10 using the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 and the ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 in a membrane contactor, and is a graph showing the removal rate according to time when SO 2 is separated. Referring to FIG. 5 , as the flow rate of gas increased, an experiment in the case of membranes (Examples 1-1, 1-5, 1-6, 1-8 to 1-10) whose surface was modified through immersion At the beginning of this process, the SO 2 removal rate rapidly decreases. In addition, in the case of Comparative Example 1, which showed the most excellent SO 2 removal rate, the SO 2 removal rate of Examples 2-1, 2-5 and 2-6, which was a film surface-modified through coating after about 24 hours from the start of the experiment, was higher than It was observed that the performance decreased. As a result of the increase in the flow rate of gas, the residence time for contact with the liquid was reduced, and both the outer surface and the inner pores of the ceramic membrane were covered with the surface-modifying material, thereby reducing the performance of the membrane contactor.

시험예 4: SEM 이미지 분석Test Example 4: SEM image analysis

도 6의 (a) 내지 (c)는 각각 비교예 1에 따라 제조된 세라믹 중공사막 및 실시예 1-10 및 실시예 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 SEM 이미지이다. 도 6을 참조하면, 표면개질을 하지 않은 비교예 1의 표면과 침지(immersion)와 코팅(coating)을 통해 표면이 개질된 실시예 1-10 및 2-10의 표면의 차이점이 명확하게 관찰 가능하다. 이는 시험예 1의 접촉각 분석으로 통해 확인한 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 6 (a) to (c) are SEM images of the ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 and the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membrane prepared according to Examples 1-10 and 2-10, respectively. . Referring to FIG. 6 , the difference between the surface of Comparative Example 1 without surface modification and the surfaces of Examples 1-10 and 2-10 whose surface was modified through immersion and coating can be clearly observed. do. This was confirmed to be consistent with the results confirmed through the contact angle analysis of Test Example 1.

도 7의 (a) 내지 (d)는 각각 실시예 1-1, 1-5, 1-6 및 1-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 SEM 이미지이다. 도 7을 참조하면, 표면개질에 사용된 개질물질의 종류 및 용매의 종류에 따라 표면의 코팅된 모습의 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 실시예 1-1, 1-6의 경우 개질된 표면에 약간의 크랙이 관찰되는 데 이는 표면개질 물질인 트리메톡시실란(Trimethoxysilane)의 영향인 것으로 판단된다. 또한, 개질된 표면의 고르기는 시험예 1의 접촉각 분석의 실험결과와 일치함을 확인할 수 있었으며, 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸)실란(Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane)이 트리메톡시실란(Trimethoxysilane)보다 더 고른 형태의 개질된 표면을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 7A to 7D are SEM images of the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Examples 1-1, 1-5, 1-6, and 1-10, respectively. Referring to FIG. 7 , it was confirmed that there was a difference in the appearance of the coating on the surface according to the type of the modifying material and the type of the solvent used for the surface modification. In the case of Examples 1-1 and 1-6, some cracks were observed on the modified surface, which is considered to be the effect of trimethoxysilane, which is a surface modification material. In addition, it was confirmed that the evenness of the modified surface was consistent with the experimental results of the contact angle analysis of Test Example 1, and trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane (Trichloro (1H, 1H, 2H) ,2H-perfluorooctyl)silane) showed a more even type of modified surface than trimethoxysilane.

도 8의 (a) 내지 (d)는 각각 실시예 2-1, 2-5, 2-6 및 2-10에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 SEM 이미지이다. 도 8을 참조하면, 코팅(coating)을 통해 표면을 개질한 실시예 2-1, 2-5, 2-6 및 2-10의 표면이 침지(immersion)를 통해 표면을 개질한 막(도 7 참조)에 비해 고르지 못함을 확인할 수 있었다. 표면의 거칠기는 침지(immersion)를 통한 표면개질에 비해 거칠지만 시험예 1의 접촉각 분석의 결과와 크게 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 8A to 8D are SEM images of the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membranes prepared according to Examples 2-1, 2-5, 2-6, and 2-10, respectively. Referring to FIG. 8 , the surfaces of Examples 2-1, 2-5, 2-6, and 2-10 in which the surface was modified through coating were modified through immersion (FIG. 7). It was confirmed that it was uneven compared to the reference). Although the roughness of the surface was rough compared to surface modification through immersion, it was confirmed that there was no significant difference from the results of the contact angle analysis of Test Example 1.

도 9의 (a) 및 (b)는 각각 비교예 1에 따라 제조된 세라믹 중공사막 및 실시예 2-5에 따라 제조된 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막의 측면 SEM 이미지이다. 도 9를 참조하면, 표면개질의 유무에 따라 개질된 표면과 얇은 표면개질 층을 확인할 수 있었다. 9 (a) and (b) are side SEM images of the ceramic hollow fiber membrane prepared according to Comparative Example 1 and the hydrophobically surface-modified ceramic hollow fiber membrane prepared according to Examples 2-5, respectively. Referring to FIG. 9 , a modified surface and a thin surface modified layer were confirmed depending on the presence or absence of surface modification.

시험예 5: 세라믹 중공사막 접촉기의 HTU 값 분석Test Example 5: Analysis of HTU Value of Ceramic Hollow Fiber Membrane Contactor

가스분리 공정의 이론적 설비 부피 산출 시 packing height(Z) 값을 기준으로 하며, Z 값 계산 시 사용되는 이동단위 높이(Height of transfer unit, HTU) 값은 총괄물질전달계수(KGa) 값 등으로 결정된다. When calculating the theoretical facility volume of the gas separation process, the packing height (Z) value is the standard, and the height of transfer unit (HTU) value used in calculating the Z value is the total mass transfer coefficient (K G a) value is determined by

HTU는 일반적인 공정 효율의 척도로 사용되며, 가스분리 공정의 이론적 설비 부피 및 효율 비교는 이동단위 높이(HTU) 값을 통해 확인 가능하다. HTU is used as a measure of general process efficiency, and the theoretical facility volume and efficiency comparison of the gas separation process can be confirmed through the moving unit height (HTU) value.

이동단위 높이(HTU) 값 계산 시 사용된 식과 인자 값은 다음과 같다.The formulas and factor values used to calculate the moving unit height (HTU) value are as follows.

Figure 112020093942913-pat00013
(1)
Figure 112020093942913-pat00013
(One)

상기 식 (1)에서 KGa는 총괄물질전달 용량계수(kmol/m3·hr·kPa), Qg는 기체 유량(Nm3/hr), Z는 유효중공사막 길이(M), P는 운전압력(kPa), CSO2,in은 2,000 ppm, CSO2,out은 10 ppm이다. In Equation (1), K G a is the overall mass transfer capacity coefficient (kmol/m 3 ·hr·kPa), Q g is the gas flow rate (Nm 3 /hr), Z is the effective hollow fiber membrane length (M), and P is Operating pressure (kPa), C SO2,in is 2,000 ppm, C SO2,out is 10 ppm.

상기 식 (1)로부터 계산된 KGa를 아래 식 (2)에 대입하여 이동단위 높이(HTU)를 계산할 수 있다. The moving unit height (HTU) can be calculated by substituting K G a calculated from Equation (1) into Equation (2) below.

Figure 112020093942913-pat00014
(2)
Figure 112020093942913-pat00014
(2)

상기 식 (2)에서 P는 압력(kPa)이다.In the above formula (2), P is the pressure (kPa).

아래 표 5에 기존의 일반적인 배기가스 스크러버에 사용되는 충전탑(Packed column) 및 본 발명의 실시예에서 사용된 알루미나(Al2O3) 세라믹 표면에 지르코니아(ZrO2)가 도포된 중공사막(Ceramic membrane contactor)의 모듈 유효 길이, SO2 제거율, 이동단위 높이(HTU) 값 및 Reactor volume을 수치적으로 나타내었다.In Table 5 below, a hollow fiber membrane (Ceramic) coated with zirconia (ZrO 2 ) on the alumina (Al 2 O 3 ) ceramic surface used in a packed column and an embodiment of the present invention used in a conventional exhaust gas scrubber The effective module length of the membrane contactor, the SO 2 removal rate, the moving unit height (HTU) value, and the reactor volume were numerically expressed.

Packed columnPacked column Ceramic membrane ceramic membrane contactorcontactor 모듈 유효 길이(m)Module effective length (m) 1 - 3.21 - 3.2 0.2500.250 SO2 제거율 (%)SO 2 Removal Rate (%) > 99> 99 HTU* 값 (m)HTU * value (m) 0.5 - 1.60.5 - 1.6 1.2 x 10-1 1.2 x 10 -1 Reactor volumeReactor volume 1One 1 / 4.1 - 13.31 / 4.1 - 13.3

상기 표 5를 참조하면, Packed column의 문헌상 이동단위 높이(HTU) 값은 0.5-1.6m이고, 이를 막접촉기의 실험값을 적용하여 역산하면 lab-scale의 packed column의 모듈 유효 길이(m)는 3.2 m로 추정된다. 실시예에서 표면개질에 사용한 Ceramic membrane contactor의 모듈 크기와 실험값을 적용하면 이동단위 높이(HTU) 값은 1.2 x10-1 m으로 계산된다. Referring to Table 5 above, the moving unit height (HTU) value in literature of the packed column is 0.5-1.6 m, and when inversely calculated by applying the experimental value of the membrane contactor, the effective module length (m) of the lab-scale packed column is 3.2 is estimated to be m. When the module size and experimental value of the ceramic membrane contactor used for surface modification are applied in the example, the moving unit height (HTU) value is calculated as 1.2 x 10 -1 m.

계산 결과를 통해 기존 packed column보다 세라믹 중공사막 접촉기를 적용하였을 때 부피가 1/13 배로 줄어든다고 판단되며, 따라서 본 발명의 표면개질된 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기는 설비 체적 및 설치 부지를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.Based on the calculation results, it is determined that the volume is reduced by 1/13 times when the ceramic hollow fiber membrane contactor is applied compared to the existing packed column. has the effect of reducing

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In the above, although preferred embodiments of the present invention have been described, those of ordinary skill in the art can add, change, delete or The present invention may be variously modified and changed by addition and the like, and this will also be included within the scope of the present invention. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (20)

친수성 무기물을 포함하는 친수성 세라믹 중공사막; 및
상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 형성되고, 소수성 물질을 포함하는 소수성 표면개질층;을 포함하고,
상기 소수성 표면개질층이 상기 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면 상에 형성되고,
상기 소수성 물질이 유기실란 화합물을 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 코팅하여 형성되고,
상기 유기실란 화합물이 트리메톡시실란(Trimetho xysilane), 트리메톡시메틸실란(Trimethoxymethylsilane), 헥사메틸 디실란(Hexamethyl disilane) 및 트리메틸 클로로실란(Trimethyl chlo rosilane)으로 이루어진 군으로부터 선 택된 1종 이상을 포함하고,
상기 친수성 무기물이 지르코니아(ZrO2)를 포함하는 소수성으로 표면개질된 세라믹 중공사막.
A hydrophilic ceramic hollow fiber membrane containing a hydrophilic inorganic material; and
and a hydrophobic surface modification layer formed on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane and including a hydrophobic material;
The hydrophobic surface modification layer is formed on the outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane not in contact with the hollow,
The hydrophobic material is formed by coating an organosilane compound on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane,
The organosilane compound is at least one selected from the group consisting of trimethoxysilane, trimethoxymethylsilane, hexamethyl disilane, and trimethyl chlorosilane. including,
The hydrophilic inorganic material is a hydrophobic ceramic hollow fiber membrane containing zirconia (ZrO 2 ).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 친수성 세라믹 중공사막은 중공의 지름이 1 내지 50 mm인 것을 특징으로 하는 표면개질된 세라믹 중공사막.
According to claim 1,
The hydrophilic ceramic hollow fiber membrane is a surface-modified ceramic hollow fiber membrane, characterized in that the hollow diameter of 1 to 50 mm.
제1항에 있어서,
상기 친수성 세라믹 중공사막은 황산화물(SOx), 질산화물(NOx), 및 이산화탄소(CO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 분리공정에 사용하기 위한 것을 특징으로 하는 표면개질된 세라믹 중공사막.
According to claim 1,
The hydrophilic ceramic hollow fiber membrane is a surface-modified ceramic hollow fiber membrane, characterized in that it is used for at least one separation process selected from the group consisting of sulfur oxide (SOx), nitric oxide (NOx), and carbon dioxide (CO 2 ).
제1항에 따른 표면개질된 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기.A membrane contactor comprising the surface-modified ceramic hollow fiber membrane according to claim 1 . (a-1) 소수성 물질 및 유기용매를 포함하는 소수성 물질 용액을 준비하는 단계;
(a-2) 친수성 무기물을 포함하는 친수성 세라믹 중공사막의 중공에 접하지 않는 바깥쪽 표면이 상기 소수성 물질 용액에 접하도록 상기 친수성 세라믹 중공사막을 위치시켜 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 소수성 물질을 코팅하는 단계; 및
(b) 상기 소수성 물질이 코팅된 친수성 세라믹 중공사막을 건조하여 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 소수성 표면개질층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 소수성 물질이 유기실란 화합물을 상기 친수성 세라믹 중공사막의 표면 상에 코팅하여 형성되고,
상기 유기실란 화합물이 트리메톡시실란(Trimetho xysilane), 트리메톡시메틸실란(Trimethoxymethylsilane), 헥사메틸디실란(Hexamethyldisilane) 및 트리메틸 클로로실란(Trimethyl chlorosilane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 친수성 무기물이 지르코니아(ZrO2)를 포함하는 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조방법.
(a-1) preparing a hydrophobic material solution containing a hydrophobic material and an organic solvent;
(a-2) positioning the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane so that the outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane containing a hydrophilic inorganic material, which is not in contact with the hollow, is in contact with the hydrophobic material solution, a hydrophobic material on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane coating the; and
(b) drying the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane coated with the hydrophobic material to form a hydrophobic surface modification layer on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane;
The hydrophobic material is formed by coating an organosilane compound on the surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane,
The organosilane compound comprises at least one selected from the group consisting of trimethoxysilane, trimethoxymethylsilane, hexamethyldisilane, and trimethyl chlorosilane,
The hydrophilic inorganic material is a method of manufacturing a surface-modified ceramic hollow fiber membrane comprising zirconia (ZrO 2 ).
삭제delete 삭제delete 제12항에 있어서,
상기 단계 (a-2) 후에
(a-3) 상기 친수성 세라믹 중공사막을 1 내지 20회 굴려 상기 친수성 세라믹 중공사막의 상기 바깥쪽 표면 상에 상기 소수성 물질을 코팅하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조방법.
13. The method of claim 12,
After step (a-2) above
(a-3) rolling the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane 1 to 20 times to coat the hydrophobic material on the outer surface of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane; Desert manufacturing method.
제12항에 있어서,
상기 유기용매가 에탄올(Ethanol), 톨루엔(Toluene), 핵산(Hexane), 아세톤(Acetone) 및 에틸아세테이트(Ethyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The organic solvent comprises at least one selected from the group consisting of ethanol, toluene, hexane, acetone, and ethyl acetate. Desert manufacturing method.
제12항에 있어서,
상기 세라믹 중공사막의 제조방법이 상기 단계 (a-1) 전에
(a') 상기 친수성 세라믹 중공사막을 용매에 침지하고 초음파를 조사하여 세척하고 건조하여 상기 친수성 세라믹 중공사막을 전처리하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 표면개질된 세라믹 중공사막의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Before the step (a-1), the method for manufacturing the ceramic hollow fiber membrane
(a') pretreatment of the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane by immersing the hydrophilic ceramic hollow fiber membrane in a solvent, washing and drying by irradiating ultrasonic waves; .
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