KR102441021B1 - 표면 거칠기를 증가시킨 중공사 분리막 및 이의 제조방법 - Google Patents

표면 거칠기를 증가시킨 중공사 분리막 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 제1 방향으로 연장된 중공사를 포함하고, 상기 중공사는 표면에 상기 제1 방향으로 복수 개 제공되는 요철 형태의 제1 패턴; 및 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 상기 중공사의 표면에 제공되는 오목부 형태의 제2 패턴을 포함하고, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 오염 물질이 상기 중공사의 표면에 흡착되는 것을 방지하는, 중공사 분리막이 제공된다.

Description

표면 거칠기를 증가시킨 중공사 분리막 및 이의 제조방법{HOLLOW FIBER MEMBRANE WITH ENHANCED ROUGHNESS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 표면 거칠기를 증가시킨 중공사 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 수처리 공정에서 분리막은 수질의 안정성, 컴팩트한 부지, 자동화 등의 장점이 높아서 널리 사용되고 있다. 물 재이용, 공업용수, 해수담수화 등에도 분리막이 널리 사용되고 있다. 수처리에 사용되는 대부분의 분리막은 오랜 기간 사용이 요구되며 이를 위해서는 분리막의 오염을 줄여야 한다. 분리막의 오염을 줄이기 위해서 일반적으로 소재를 친수성 고분자로 사용하는 방법 및 분리막 표면에 와류를 발생시켜 오염물질이 덜 부착하도록 하는 방법이 사용되고 있다. 친수성 고분자의 경우는 막오염 저항성이 상대적으로 우수하지만 기계적 물성이 떨어지는 단점이 있다. 물리적 오염 제어를 위해서 분리막 표면에 패턴을 형성시켜 막오염을 덜 발생하도록 하는 연구가 진행되고 있다. 아직까지 우수한 막오염 저항성이 있는 물리적 오염제어 방법은 상용화되지 못하고 있는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 기존에 만들어진 중공사 분리막의 오염물질 부착 제어를 위해 중공사 분리막의 표면 물리적 개질 연구 결과, 표면에 물리적 개질 모양에 따라 막오염 거동이 크게 다르다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 중공사 분리막 표면에 물리적 개질을 통하여 오염물질 부착 제어를 하여 막오염 저항성이 우수한 중공사막 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수 개의 제1 방향으로 연장된 중공사를 포함하고, 상기 중공사는 표면에 상기 제1 방향으로 복수 개 제공되는 요철 형태의 제1 패턴; 및 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 상기 중공사의 표면에 제공되는 오목부 형태의 제2 패턴을 포함하고, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 오염 물질이 상기 중공사의 표면에 흡착되는 것을 방지하는, 중공사 분리막이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수 개의 상기 제1 패턴은 각각 0.01 mm 내지 0.1 mm의 간격으로 이격되어 제공되는, 중공사 분리막이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 패턴의 높이는 0.1 mm 내지 1 mm인, 중공사 분리막이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 중공사는 불소가 함유된 고분자, 셀룰로스계 고분자, 술폰 고분자, 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는, 중공사 분리막이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 중공사는 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 상기 중공사의 상기 외부 표면 상에 제공되는, 중공사 분리막이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고분자 용액을 준비하는 제1 단계; 준비된 상기 고분자 용액을 말단에 톱니를 포함하는 노즐을 이용하여 비용매 상으로 방사하는 제2 단계; 및 상기 비용매에 와류를 발생시키는 제3 단계를 포함하고, 상기 제2 단계에서 제1 방향으로 연장되며, 상기 제1 방향을 따라 표면에 복수 개의 요철 형태의 제1 패턴을 포함하는 중공사가 상기 비용매 상으로 방사되고, 상기 제3 단계에서 와류에 의해 상기 중공사에 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 오목부 형태의 제2 패턴이 제공되는, 중공사 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2 단계에서 상기 노즐은 4개 내지 20개의 상기 톱니를 포함하는, 중공사 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제3 단계에서 상기 와류는 상기 중공사가 방사되는 상기 제1 방향과 상이한 상기 제2 방향으로 발생되고, 상기 와류의 발생 방향에 따라 상기 제2 패턴의 제공 방향이 결정되는, 중공사 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제3 단계에서 상기 와류에 의해 상기 비용매 상에서 발생되는 원과 원 사이 간격이 0.1 mm 내지 3 mm가 되도록 상기 와류를 발생시키는, 중공사 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 고분자 용액은 15 중량% 내지 30 중량%의 폴리에테르술폰을 포함하는, 중공사 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 분리막은 한 방향으로만 형성된 거칠기를 갖는 분리막에 비해서 오염물질 부착이 덜 일어나서 수처리에 매우 적합하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 분리막 장치이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 A1-A1' 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사를 나타낸 사시도로, 중공사 표면을 따라 제공된 제1 패턴을 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 표면을 확대한 것으로 제2 패턴을 나타내는 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 표면에 서로 형태를 가지며, 서로 다른 방향으로 제공되는 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함하는 중공사를 제공할 수 있다. 제공된 중공사는 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함함으로써 우수한 내오염성을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 분리막 장치이다.
도 1을 참고하면, 중공사 분리막 장치(FSD)는 복수 개의 중공사(FB)를 포함한다. 중공사 분리막 장치(FSD)는 복수 개의 중공사(FB)를 이용하여 유체 처리를 수행할 수 있다. 유체 처리는 무균수, 음용수, 초순수 제조, 하/폐수 처리, 정화조에서의 고액 분리, 산업폐수에서 부유 물질 제거, 하천수의 정제, 공업 용수의 정제 및 수영장 물의 정제 등 다양한 분리 및 정제 행위일 수 있다.
중공사 분리 장치(FSD)는 침지형일 수 있다. 침지형으로 제공되는 중공사 분리 장치(FSD)는 처리하고자 하는 유체의 수조에 중공사 분리 장치(FSD)를 침지시키고, 중공사막 내부에 진공을 가하여 유체가 중공사(FB) 내부로 투과하게 하여 고액을 분리할 수 있다. 중공사막 내부에 진공을 가하였을 때 유체(예를 들어 순수한 물)는 중공사(FB) 내부로 이동하고, 오염물질은 중공사(FB) 내부로 유입되지 못하고 표면에 남을 수 있다. 따라서, 중공사(FB)를 이용하여 오염물질을 여과할 수 있다. 침지형 중공사 분리 장치(FSD)는 장치 제조 원가를 낮출 수 있고, 유체의 순환을 위한 설비가 필요 없어 시설비나 운전비의 절감을 가져올 수 있다는 장점이 있다.
중공사 분리 장치(FSD) 내에 복수 개의 중공사(FB)로 구성된 중공사 모듈이 제공될 수 있다. 중공사 모듈은 중공사 다발의 양 말단을 접착제를 이용하여 상부 헤드 및 하부 헤드에 고정시킨 "I"자형 모듈과, 중공사 다발을 U자로 접어서 양 말단을 하나로 통합하여 상부 헤드에 고정시킨 "U"자형 모듈일 수 있다. 이러한 중공사 모듈은 중공사 분리 장치(FSD) 내에 복수 개 제공될 수 있다.
다만, 상술한 중공사 분리막 장치(FSD)의 형태는 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라서 다양한 형태의 중공사 분리막 장치(FSD)가 제공될 수 있다.
중공사 분리 장치(FSD)가 침지형인 경우, 고형 성분을 비롯한 막 오염 물질이 존재하는 하수/폐수나 원액을 처리할 때, 막 오염이 발생하여 투과 성능이 저하되는 문제점을 해결하기 위해, 처리조의 하부에서 공기를 산기하여 막 오염 물질을 분리막 표면에서 제거하는 방법 등이 사용될 수 있다. 다만, 공기의 산기로 중공사(FB) 표면에 부착된 오염 물질을 제거하는 것에는 한계가 있으며, 공기 산기를 위한 부재를 설치하기 위해 중공사 분리 장치(FSD) 설계가 복잡해질 수 있다. 따라서, 중공사(FB)에 오염 물질이 잘 흡착되지 않도록 구성하는 것이 보다 바람직할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 분리막 장치에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 중공사 분리막 장치에 제공되는 중공사에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사를 나타낸 단면도이다. 도 3은 도 2의 A1-A1' 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공사(FB)는 제1 방향으로 연장되고, 표면에 제1 방향으로 복수 개 제공되는 요철 형태의 제1 패턴(PT1) 및 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 중공사(FB)의 표면에 제공되는 오목부 형태의 제2 패턴(PT2)을 포함한다. 중공사(FB) 표면의 제1 패턴(PT1) 및 제2 패턴(PT2)은 오염 물질이 중공사의 표면에 흡착되는 것을 방지한다.
중공사(FB)는 제1 방향으로 연장된 형태로 제공될 수 있다. 중공사(FB)는 앞서 살펴본 것과 같이 실 또는 막대와 같이 연장된 형태를 가지며, 단면에서 원, 타원, 정사각형, 직사각형, 마름모, 사다리꼴, 비정형 도형 등의 형태를 가질 수 있다.
중공사(FB)는 내부에 공동(FB_H)을 가질 수 있다. 따라서, 중공사(FB)는 내부의 공동(FB_H)을 정의하는 내부 표면 및 중공사(FB)의 외주면인 외부 표면을 포함할 수 있다. 내부 표면과 외부 표면의 형태는 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 도면에서 확인할 수 있듯이 중공사(FB)의 외부 표면은 제1 패턴(PT1)과 제2 패턴(PT2)이 제공되어 단면이 비정형 형태를 갖는 것에 비해, 내부 표면은 단면이 원형일 수 있다.
중공사(FB)는 앞서 살펴본 것과 같이 내부에 진공이 가해졌을 때, 선택적으로 유체만 내부로 유입되도록 여과 기능을 수행할 수 있다. 이를 위하여 중공사(FB)는 다공성 재질로 구성될 수 있다. 중공사(FB)에 제공된 기공은 물 분자는 투과하되 오염물질 또는 미생물은 투과하지 못할 정도의 작은 크기를 가질 수 있다.
중공사(FB)는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 중공사(FB)는 불소가 함유된 고분자, 셀룰로스계 고분자, 술폰 고분자, 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 상술한 고분자를 포함하는 중공사(FB)는 제조 과정에서 적정한 점도를 가짐으로써 제1 패턴(PT1) 및 제2 패턴(PT2)을 포함하도록 쉽게 성형될 수 있다. 중공사(FB)에 포함되는 고분자 수지는 예를 들어, 폴리술폰(polysulfone; PSf), 폴리에테르술폰(polyethersulfone; PES), 플루오르화폴리비닐리덴(polyvinylidenefluoride; PVDF), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리이미드(Polyimide; PI), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에텔에텔케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리아미드이미드(polyamideimide; PAI), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다.
중공사(FB)의 표면에는 제1 패턴(PT1) 및 제2 패턴(PT2)이 제공된다.
제1 패턴(PT)은 중공사(FB) 표면에 제1 방향으로 복수 개 제공되며, 요철 형태를 가질 수 있다. 이때 제1 방향은 중공사(FB)의 연장 방향과 동일할 수 있다. 제1 패턴(PT1)이 제1 방향으로 복수 개 제공된다는 것은 제1 방향을 따라 복수 개의 제1 패턴(PT1)이 줄지어 제공된다는 것을 의미한다. 이때 중공사(FB) 표면에는 복수 개의 열의 제1 패턴(PT1)이 제공될 수 있다.
제1 패턴(PT)은 요철 형태를 갖는다. 따라서, 제1 패턴(PT)은 삼각뿔, 원뿔, 반구, 타원구, 정육면체, 직육면체, 사각대, 삼각대 등의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 이러한 제1 패턴(PT1)은 0.1 mm 내지 1 mm의 높이를 가질 수 있다. 이때 제1 패턴(PT1)의 높이란 외부표면 원주로부터 제1 패턴(PT1) 끝단까지의 거리를 의미할 수 있다. 제1 패턴(PT1)이 상술한 범위의 높이를 가짐으로써 오염 물질 부착 방지 효과를 달성할 수 있다. 구체적으로, 제1 패턴(PT1)의 높이가 0.1 mm 미만일 경우, 요철에 의한 오염 물질 부착 방지 효과가 미미할 수 있다. 또한, 제1 패턴(PT1)의 높이가 1 mm를 초과할 경우 복수 개의 요철 사이에 오염 물질이 삽입되어 오히려 오염 물질 부착 방지 효과가 떨어질 수 있다.
제1 패턴(PT1)은 복수 개가 서로 약 0.01 mm 내지 약 0.1 mm의 간격으로 이격되어 제공될 수 있다. 제1 패턴(PT1)의 이격 거리 역시 오염 물질 부착 효과와 관계있다. 구체적으로, 제1 패턴(PT1)간 이격 거리가 0.01 mm 미만일 경우, 복수 개의 요철 사이에 오염 물질이 삽입되어 오히려 오염 물질 부착 방지 효과가 떨어질 수 있다. 또한, 제1 패턴(PT1)간 이격 거리가 1 mm를 초과할 경우 요철이 상대적으로 적게 포함되어 요철에 의한 오염 물질 부착 방지 효과가 미미할 수 있다.
제1 패턴(PT1)은 복수 개의 열이 중공사(FB)의 원주를 따라 인접하여 제공되는 형태를 이룰 수 있다. 아울러, 제1 패턴(PT1)의 열 사이에는 제2 패턴(PT2)이 제공된다.
제2 패턴(PT2)은 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 중공사(FB) 표면에 제공되며 오목하게 파인 형태를 가질 수 있다. 제2 패턴(PT2)은 복수 개 제공될 수 있으며, 복수 개의 제2 패턴(PT2)은 중공사(FB)의 원주를 따라 제공될 수 있다. 제2 패턴(PT2) 사이사이에는 제1 패턴(PT1)의 열이 제공될 수 있다.
제2 패턴(PT2)은 와류에 의해 형성될 수 있으며, 이에 따라 물결 무늬로 형성될 수 있다. 제2 패턴(PT2)은 제2 방향으로 형성되는데 제2 방향은 제1 방향과 상이한 것일 수 있다. 경우에 따라 제2 방향은 제1 방향과 수직한 방향일 수 있다. 따라서, 제2 패턴(PT2)은 도면에서 확인할 수 있듯이 중공사(FB) 단면의 원주 방향으로 형성되고, 제1 패턴(PT1)은 중공사(FB)의 길이 방향으로 형성될 수 있다. 다만, 경우에 따라서는 제2 방향은 제1 방향과 예각 또는 둔각을 이룰 수도 있다.
제2 패턴(PT2)은 제1 패턴(PT1)과 마찬가지로 중공사(FB)의 외부 표면에 거칠기(Roughness)를 부여한다. 이에 따라 중공사(FB)의 외부 표면에 여과에 의해 남겨진 오염 물질이 흡착하지 않도록 할 수 있다. 구체적으로, 거칠기가 포함된 외부 표면은 오염 물질이 안정적으로 흡착되지 않도록 방해하고 이에 따라 오염 물질은 쉽게 중공사(FB) 표면으로부터 제거될 수 있다.
제2 패턴(PT2)은 도면 상에서는 제1 패턴(PT1)의 열 사이에 제공되는 단일 오목부와 같이 도시되어 있으나, 복수 개의 오목부로 구성될 수 있다. 구체적으로 2개의 제1 패턴(PT1) 열 사이에 제공된 복수 개의 물결 무늬 오목부 형태로 제2 패턴(PT2)이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 방향으로 제공된 제1 패턴(PT1)과 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 제공된 제2 패턴(PT2)을 포함하는 중공사(FB)를 이용하여 중공사 분리 장치를 제공할 수 있다. 상술한 중공사(FB)는 서로 다른 방향으로 서로 다른 형태를 갖는 패턴을 포함함으로써 거칠기가 높고 이에 따라 표면에 오염 물질이 흡착되지 않도록 한다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 분리 장치와 이에 포함되는 중공사의 구조에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 중공사 제조 방법에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 제조 방법은 고분자 용액을 준비하는 제1 단계(S100); 준비된 상기 고분자 용액을 말단에 톱니를 포함하는 노즐을 이용하여 비용매 상으로 방사하는 제2 단계(S200); 및 상기 비용매에 와류를 발생시키는 제3 단계(S300)를 포함한다.
먼저 제1 단계(S100)에 따르면, 중공사를 제조하기 위한 고분자 용액을 준비한다. 고분자 용액은 불소가 함유된 고분자, 셀룰로스계 고분자, 술폰 고분자, 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 고분자 용액은 후속 공정에서 방사되고 응고되어 중공사 형태로 성형될 수 있다.
제1 단계(S100)에서 고분자 용액은 15 중량% 내지 30 중량%의 폴리에테르술폰을 포함할 수 있다. 고분자 용액 중 폴리에테르술폰의 함량이 15 중량% 미만인 경우 고분자 용액의 점도가 낮아서 중공사 모양이 형성되지 않는 문제가 있고, 폴리에테르술폰의 함량이 30 중량% 초과일 경우 고분자 수지의 점도가 높아 방사 시 균일한 방사가 되지 않고 균일한 거칠기 모양이 형성되지 않을 수 있다는 문제가 있다.
제1 단계(S100)에서 준비되는 고분자 용액은 상술한 폴리에테르술폰 외에 다른 고분자를 더 포함할 수 있으며, 용매 및 첨가제를 더 포함할 수 있다. 또한, 제1 단계(S100)에서 중공사 내부에 공동을 형성하기 위한 성형제가 더 준비될 수 있다. 성형제는 예를 들어 디메틸 아세트아마이드(DMAc)와 에틸렌글라이콜을 약 1:1의 중량비로 혼합하여 준비할 수 있다.
제1 단계(S100)는 상술한 물질들을 균일하게 혼합하고 적정 점도를 유지하기 위해 교반 및 가열 과정을 포함할 수 있다.
다음으로, 제2 단계(S200)에서는 준비된 고분자 용액을 말단에 톱니를 포함하는 노즐을 이용하여 비용매 상으로 방사할 수 있다.
제2 단계(S200)에서 노즐의 말단 또는 노즐의 팁(tip)에는 복수 개의 톱니가 제공될 수 있다. 복수 개의 톱니는 방사되는 중공사에 요철 형상의 제1 패턴을 제공한다. 제2 단계(S200)에서 노즐의 말단에 톱니가 제공되기 때문에 제1 패턴은 중공사가 방사되는 방향을 따라 복수 개 제공된다. 이 때 톱니 하나의 모양은 사각형, 삼각형 등의 다각형일 수 있으며, 톱니의 개수는 4개 내지 20개일 수 있다. 톱니의 개수가 4개 미만일 경우에는 제1 패턴이 충분히 형성되지 않아 오염 물질 부착 정도가 큰 차이가 없을 수 있다. 또한 톱니의 개수가 20개를 초과할 경우 중공사 분리막 표면에서 제1 패턴끼리 서로 뭉쳐서 20개의 톱니 모양이 형성되지 않을 수 있다.
제2 단계(S200)에서 고분자 용액이 방사되는 비용매는 응고조에 제공될 수 있다. 이때 비용매는 물일 수 있으며, 15
Figure 112020098896512-pat00001
내지 40
Figure 112020098896512-pat00002
의 온도로 유지될 수 있다. 응고조로 침지되는 고분자 용액은 응고조 안에서 급속하게 온도저하 및 결정화가 진행된다. 응고조의 온도에 따라 제조되는 중공사막의 결정크기를 제어 가능하다. 응고조의 온도가 낮을수록 고분자 결정크기가 작고, 이렇게 제조된 중공사막은 치밀한 내부구조를 가지게 되며 기계적 강도가 증가된다. 반면 응고조의 온도가 높을수록 결정크기가 증가하여 치밀한 내부구조가 아닌 조대한 구조를 형성하여 수투과도가 증가된 중공사막을 제조할 수 있다.
다음으로, 제3 단계(S300)에서는 고분자 용액이 방사되는 비용매에 와류를 발생시키고, 와류에 의해 상기 중공사에 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 오목부 형태의 제2 패턴을 형성시킨다.
제3 단계(S300)에 따르면, 고분자 용액을 중공사 형태로 방사하여 비용매에 침적할 때 비용매에 와류를 발생시켜 중공사 표면에 와류 방향으로 거칠기를 형성시킬 수 있다. 이때 와류 발생 정도에 따라서 거칠기 간격이 달라지게 된다. 와류를 발생시킬 때 원과 원의 간격을 약 0.1 mm 내지 약 3 mm 간격으로 할 수 있다. 와류에서 원 사이의 간격이 약 0.1 mm 미만이 되도록 와류를 발생시키기 어려우며, 원 사이의 간격이 약 3 mm 초과일 경우에는 오염 물질 부착 정도가 큰 차이가 없게 된다.
제3 단계(S300)에서 와류는 다양한 방법으로 발생될 수 있다. 예를 들어 와류는 초음파에 의해 발생될 수 있다. 초음파를 이용하여 와류를 발생시킬 경우, 필요에 따라 초음파의 파장을 제어함으로써 와류에 의해 발생되는 원과 원 사이의 조절할 수 있고 이에 따라 제2 패턴의 제공 형태, 주기를 쉽게 조절할 수 있다.
제3 단계(S300)에서 와류에 의해 중공사 표면을 성형할 수 있도록 비용매는 소정의 온도를 유지할 수 있다. 이에 따라 비용매에 방사된 중공사가 침적된 후에 중공사는 곧바로 응고되는 것이 아니라, 적어도 일부 영역에서 유리전이상태를 유지할 수 있다. 유리전이상태를 유지하는 중공사의 표면은 발생된 와류에 의해 성형될 수 있고 이에 따라 제2 패턴이 제공될 수 있다. 이에 따라 비용매는 15
Figure 112020098896512-pat00003
내지 40
Figure 112020098896512-pat00004
의 온도로 유지될 수 있다.
제3 단계(S300)에서 와류는 방사 방향과 수직하여 발생될 수 있다. 따라서, 제1 패턴은 방사 방향과 실질적으로 동일한 제1 방향으로 형성되는 것에 비해, 제2 패턴은 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 발생되는 와류에 의하여 제1 패턴과 수직하게 제공될 수 있다. 제1 패턴과 제2 패턴이 서로 다른 방향으로 제공됨에 따라 중공사 표면 거칠기가 증가하고 오염 물질 흡착을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 제조 방법에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 실시예와 비교예 실험 결과 비교를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 분리막의 유리한 효과에 대하여 살펴보고자 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사를 나타낸 사시도로, 중공사 표면을 따라 제공된 제1 패턴을 나타낸 이미지이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사 표면을 확대한 것으로 제2 패턴을 나타내는 이미지이다.
실시예 1 : PES 중공사 분리막의 제조
PES 20 중량%, 디메틸 아세트아마이드 (DMAc) 30 중량%, 폴리에틸렌글리콜 (PEG 200) 50 중량%를 혼합하여 고분자 용액을 제조한 다음, 이를 80
Figure 112020098896512-pat00005
로 교반하면서 가열하였다. 내부 홀 성형제로는 DMAc와 ethylene glycol을 1:1 중량비로 혼합한 용액을 10
Figure 112020098896512-pat00006
의 온도로 정량펌프를 이용하여 노즐로 이송시킨 후, 상기 고분자 용액을 20
Figure 112020098896512-pat00007
의 온도를 유지하며 10개의 톱니가 있는 판이 장착된 노즐로 이송시켰다. 그리고 비용매인인 물과 2mm 간격을 두고, 비용매에 초음파를 설치하여 와류를 발생시키고 이 때 와류의 원과 원과의 사이는 1mm로 하여 PES 중공사 분리막을 제조하였다.
실시예 2 : PES 중공사 분리막의 제조
20개의 톱니가 있는 판이 장착된 노즐을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 분리막을 제조하였다.
실시예 3 : PES 중공사 분리막의 제조
30개의 톱니가 있는 판이 장착된 노즐을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 분리막을 제조하였다.
실시예 4 : PES 중공사 분리막의 제조
40개의 톱니가 있는 판이 장착된 노즐을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 분리막을 제조하였다.
실시예 5 : PES 중공사 분리막의 제조
와류의 원과 원과의 사이는 2mm로 하여 PES 중공사 분리막을 제조한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 분리막을 제조하였다.
실시예 6 : PES 중공사 분리막의 제조
와류의 원과 원과의 사이는 3mm로 하여 PES 중공사 분리막을 제조한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 분리막을 제조하였다.
실시예 7 : PES 중공사 분리막의 제조
와류의 원과 원과의 사이는 4mm로 하여 PES 중공사 분리막을 제조한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 분리막을 제조하였다.
비교예 1: PES 중공사 분리막의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되 톱니가 있는 판을 제거한 상태로 하여 중공사 분리막을 제조하였다.
비교예 2: PES 중공사 분리막의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되 비용매에 와류를 주는 것을 제외한 상태로 하여 중공사 분리막을 제조하였다
실험예 1 : 물성측정실험
상기 실시예 1 ~ 7 및 비교예 1 - 2에서 제조한 중공사 분리막의 물성 (투과유량, 기공크기)을 측정하였으며, 그 결과는 표 1에 나타내었다.
본 실험에서 기공크기는 permporometer를 사용하여 측정하였다. 그리고, 순수투과유량은 중공사 분리막의 모듈을 제조하여 증류수를 사용하여 1kgf/cm2 으로 가압하여 측정하였다.
구분 평균기공크기
(μm) 		순수투과량
(L/m 2 hr)
실시예 1 0.08 412
실시예 2 0.085 406
실시예 3 0.08 384
실시예 4 0.083 375
실시예 5 0.081 418
실시예 6 0.078 510
실시예 7 0.075 352
비교예 1 0.091 394
비교예 2 0.082 384
상기 표1의 물성측정결과를 살펴보면, 실시예 1 ~ 7 및 비교예 1 - 2 모두 평균기공크기 및 순수투과량의 차이가 많이 나지 않는 것을 알 수 있다. 이는 표면에 톱니 부분이 중공사 분리막의 물성에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있는 결과이다.
실험예 2 : 막오염 저항성 측정 실험
순수투과유량을 측정한 후, 단백질 (bovine serum albumin, BSA) 20ppm 수용액 (buffer (pH 10) 수용액)을 이용하여 Out-In 방식으로 가압펌프를 사용하여 1kgf/cm2으로 가압하여 6시간 운전 후의 투과유량을 측정하고 초기투과유량을 비교하여 relative flux로 나타내었다.
이와 같은 방법을 이용하여, 실시예 1 ~ 7에서 제조한 중공사 분리막과 비교예 1 - 2에서 제조한 중공사 분리막을 이용하여 막오염 저항성 측정 실험을 하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
구분 Relative flux
실시예 1 0.61
실시예 2 0.63
실시예 3 0.67
실시예 4 0.72
실시예 5 0.59
실시예 6 0.57
실시예 7 0.56
비교예 1 0.51
비교예 1 0.54
표면에 톱니가 형성된 분리막이 그렇지 못한 분리막에 비해서 내오염성이 향상된 것을 확인할 수 있다. 길이 방향의 톱니 모양과 수직 방향으로 패턴을 형성시킨 경우가 내오염성이 더 우수한 것을 확인하였다. 패턴의 주기가 더 치밀한 것이 내오염성이 향상되는 것을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 고분자 용액을 준비하는 제1 단계;
    준비된 상기 고분자 용액을 말단에 톱니를 포함하는 노즐을 이용하여 비용매 상으로 방사하는 제2 단계; 및
    상기 비용매에 와류를 발생시키는 제3 단계를 포함하고,
    상기 제2 단계에서 제1 방향으로 연장되며, 상기 제1 방향을 따라 표면에 복수 개의 요철 형태의 제1 패턴을 포함하는 중공사가 상기 비용매 상으로 방사되고,
    상기 제3 단계에서 와류에 의해 상기 중공사에 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 오목부 형태의 제2 패턴이 제공되는, 중공사 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서
    상기 제2 단계에서 상기 노즐은 4개 내지 20개의 상기 톱니를 포함하는, 중공사 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 와류는 상기 중공사가 방사되는 상기 제1 방향과 상이한 상기 제2 방향으로 발생되고,
    상기 와류의 발생 방향에 따라 상기 제2 패턴의 제공 방향이 결정되는, 중공사 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 와류에 의해 상기 비용매 상에서 발생되는 원과 원 사이 간격이 0.1 mm 내지 3 mm가 되도록 상기 와류를 발생시키는, 중공사 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 고분자 용액은 15 중량% 내지 30 중량%의 폴리에테르술폰을 포함하는, 중공사 제조 방법.
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