KR102494700B1 - Composite separation membrane for desalination and preparation method therof - Google Patents

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KR102494700B1
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seawater desalination
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nano
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구자승
정승엽
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충남대학교산학협력단
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Abstract

The present invention provides a method for manufacturing a composite separator for seawater desalination, including the steps of: (a) forming a single-layered polymer nano-thin film having a nano-wrinkle structure on the surface of a membrane; (b) forming a multi-layered thin film in which nanochannels are formed by stacking the polymer nano-thin film by repeating the polymer nano-thin film forming step; and (c) irradiating the multi-layered thin film with UV light.

Description

해수담수화용 복합 분리막 및 이의 제조방법{Composite separation membrane for desalination and preparation method therof}Composite separation membrane for desalination and preparation method therof}

본 발명은 해수담수화용 복합 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite separator for seawater desalination and a manufacturing method thereof.

수질환경의 심각한 오염과 물 부족으로 인해 새로운 수자원 공급원을 개발하는 것이 시급한 당면 과제로 대두되고 있다. 지구에 존재하는 물의 97%가 해수이기 때문에, 풍부한 해수를 이용하여 담수를 생산하는 해수담수화 기술이 각광받고 있다. 특히, 박막 복합체(thin film composite, TFC) 분리막을 이용한 해수담수화 기술은, 다른 구조의 분리막 보다 성능과 안정성이 우수하기 때문에, 상업적으로 가장 널리 이용되고 있다.Due to severe pollution and water shortage in the water quality environment, developing new water resource sources has emerged as an urgent task. Since 97% of the water on earth is seawater, seawater desalination technology that produces fresh water using abundant seawater is in the spotlight. In particular, seawater desalination technology using a thin film composite (TFC) separation membrane is the most widely used commercially because it has superior performance and stability to separation membranes of other structures.

일반적으로 박막 복합체 분리막은 기계적 안정성을 제공하는 다공성 지지층과 분리막의 성능을 결정하는 반투과성 선택층으로 구성되며, 선택층의 밀도, 두께 및 표면 거칠기 등의 특성이 분리막의 최종 분리 성능을 결정하게 된다.In general, thin film composite separators are composed of a porous support layer that provides mechanical stability and a semi-permeable selective layer that determines the performance of the separator, and characteristics such as density, thickness, and surface roughness of the selective layer determine the final separation performance of the separator.

그러나, 종래의 박막 복합체 분리막의 선택층은 밀도가 매우 높고 두껍기 때문에, 해수를 담수화하기 위해서는 매우 높은 압력이 요구되고 많은 양의 에너지를 소비하게 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 선택층의 밀도나 두께 등을 조절하여 낮은 압력에서도 수투과도를 향상시키기 위한 연구가 계속 되고 있다. 하지만, 수투과도와 염제거율은 서로 트레이드 오프(trade-off)관계에 있으며, 이러한 시도는 분리막의 수투과도가 향상되더라도 염제거율이 저하되는 한계가 있는 실정이다. 또한, 종래의 박막 복합체 분리막은 박막의 매우 거친 표면 거칠기로 인해 분리막의 오염을 가중시켜 내구성이 낮은 한계가 있지만, 거칠기를 완벽하게 제어하고 결함이 없는 박막을 형성하는 것은 매운 어려운 일이다.However, since the selective layer of the conventional thin film composite separator has a very high density and is thick, a very high pressure is required to desalinate seawater and a large amount of energy is consumed. In order to solve this problem, research is being conducted to improve water permeability even at low pressure by adjusting the density or thickness of the selective layer. However, water permeability and salt rejection are in a trade-off relationship with each other, and this attempt has a limit in that salt rejection is reduced even if the water permeability of the separation membrane is improved. In addition, conventional thin film composite separators have low durability due to increased contamination of the separator due to the very rough surface roughness of the thin film, but it is very difficult to perfectly control the roughness and form a thin film without defects.

즉, 탁월한 수투과도 및 염제거율을 동시에 구현할 수 있으며, 오염에 대한 저항성 또한 우수한 해수담수화용 복합 분리막의 개발이 필요한 실정이다.That is, it is necessary to develop a composite separation membrane for seawater desalination that can simultaneously realize excellent water permeability and salt rejection and has excellent resistance to contamination.

대한민국 등록특허 제10-1804026호Republic of Korea Patent No. 10-1804026

본 발명의 일 양태는 수투과도와 염제거율이 모두 우수한 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite separator for seawater desalination having excellent water permeability and salt rejection.

본 발명의 일 양태는 수투과도, 염제거율 및 오염에 대한 저항성이 모두 우수한 해수담수화용 복합 분리막을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a composite separator for seawater desalination having excellent water permeability, salt rejection and resistance to contamination.

본 발명의 일 양태는 성능이 탁월할 뿐만 아니라 에너지 효율 또한 우수한 해수담수화 장치를 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a seawater desalination device having excellent energy efficiency as well as excellent performance.

상술된 목적을 위해, 본 발명은 (a)복수의 랭뮤어 도메인을 인접시켜, 나노 주름 구조가 형성된 랭뮤어 필름을 형성하는 단계; (b)상기 랭뮤어 필름을 멤브레인에 전사하여, 멤브레인 표면에 단층의 고분자 나노 박막을 형성하는 단계; (c)상기 고분자 나노 박막의 형성 단계를 반복 수행하여, 고분자 나노 박막이 적층된 다층 박막을 형성단계; 및 (d)상기 다층 박막에 UV를 조사하는 단계;를 포함하는, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법을 제공한다.For the purpose described above, the present invention provides a method comprising: (a) forming a Langmuir film having a nano-wrinkled structure by adjoining a plurality of Langmuir domains; (b) transferring the Langmuir film to a membrane to form a single-layer polymer nano-thin film on the surface of the membrane; (c) repeating the formation of the polymer nano-thin film to form a multi-layered thin film in which the polymer nano-thin film is stacked; and (d) irradiating the multilayer thin film with UV.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 단층의 고분자 나노 박막의 두께는 1 내지 20 ㎚일 수 있다.The single-layer polymer nano-thin film according to an aspect of the present invention may have a thickness of 1 to 20 nm.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 (c)단계는 고분자 나노 박막의 형성 단계를 2 내지 50회 반복 수행하여, 고분자 나노 박막이 2 내지 50층 적층되어 나노 채널이 형성된 다층 박막을 형성하는 것일 수 있다.In the step (c) according to an aspect of the present invention, the step of forming the polymer nano-thin film may be repeated 2 to 50 times to form a multi-layer thin film in which 2 to 50 layers of the polymer nano-thin film are stacked to form a nanochannel. .

본 발명의 일 양태에 따른 상기 다층 박막의 두께는 2 내지 1,000㎚일 수 있다.The thickness of the multilayer thin film according to one aspect of the present invention may be 2 to 1,000 nm.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 랭뮤어 도메인은 용매-공기 계면에서 계면중합에 의해 형성되는 것일 수 있다.The Langmuir domain according to an aspect of the present invention may be formed by interfacial polymerization at a solvent-air interface.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 고분자 나노 박막은 폴리아미드일 수 있다.The polymer nano-thin film according to one aspect of the present invention may be polyamide.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 고분자 나노 박막은 방향족 디아민과 다관능성 아실 할라이드로부터 유도된 구조단위를 포함하는 것일 수 있다.The polymer nanothin film according to one aspect of the present invention may include a structural unit derived from an aromatic diamine and a polyfunctional acyl halide.

또한, 본 발명은 멤브레인; 및 상기 멤브레인의 표면에 단층의 고분자 나노 박막이 2회 이상 적층되어 형성된 다층 박막;을 포함하는 해수담수화용 복합 분리막으로서, 상기 다층 박막의 각 층의 고분자 나노 박막은 나노 주름 구조가 형성된 것인, 해수담수화용 복합 분리막을 제공한다.In addition, the present invention is a membrane; And a multi-layered thin film formed by stacking a single layer of polymer nano-thin film on the surface of the membrane two or more times, wherein each layer of the multi-layered thin film has a nano-wrinkled structure, Provided is a composite separator for seawater desalination.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 고분자 나노 박막의 두께는 1 내지 20 ㎚일 수 있다.The polymer nano-thin film according to an aspect of the present invention may have a thickness of 1 to 20 nm.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 다층 박막은 고분자 박막이 2 내지 50층 적층되어 형성된 것일 수 있다.The multilayer thin film according to one aspect of the present invention may be formed by stacking 2 to 50 polymer thin films.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 다층 박막의 두께는 2 내지 1,000 ㎚일 수 있다.The thickness of the multilayer thin film according to one aspect of the present invention may be 2 to 1,000 nm.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 다층 박막은 나노 채널이 형성된 것일 수 있다.The multilayer thin film according to an aspect of the present invention may have nanochannels formed thereon.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 단층의 고분자 나노 박막은 상기 멤브레인의 표면을 용매-공기 계면에서 계면중합으로 형성된 랭뮤어 필름과 접촉시켜 형성되는 것일 수 있다.The single-layer polymer nanothin film according to an aspect of the present invention may be formed by contacting a surface of the membrane with a Langmuir film formed by interfacial polymerization at a solvent-air interface.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 고분자 나노 박막은 폴리아미드일 수 있다.The polymer nano-thin film according to one aspect of the present invention may be polyamide.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 고분자 나노 박막은 방향족 디아민과 다관능성 아실 할라이드로부터 유도된 구조단위를 포함하는 것일 수 있다.The polymer nanothin film according to one aspect of the present invention may include a structural unit derived from an aromatic diamine and a polyfunctional acyl halide.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5bar 조건에서 순수 증류수에 대한 수투과도가 0.5 L/m2hbar 이상이고, 2000ppm의 Na2SO4 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상일 수 있다.The composite separator for seawater desalination according to an aspect of the present invention has a water permeability of 0.5 L/m 2 hbar or more to pure distilled water at 25° C. and 15.5 bar, and a salt removal rate of 80 to 2000 ppm Na 2 SO 4 aqueous solution. % or more.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 NaCl 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상일 수 있다.The composite separation membrane for seawater desalination according to an aspect of the present invention may have a salt removal rate of 80% or more in a 2000 ppm NaCl aqueous solution at 25° C. and 15.5 bar.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 MgSO4 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상일 수 있다.The composite separator for seawater desalination according to an aspect of the present invention may have a salt removal rate of 80% or more for a 2000 ppm MgSO 4 aqueous solution at 25° C. and 15.5 bar.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 MgCl2 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상일 수 있다.The composite separation membrane for seawater desalination according to an aspect of the present invention may have a salt removal rate of 80% or more for a 2000 ppm MgCl 2 aqueous solution at 25° C. and 15.5 bar.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 CaCl2 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상일 수 있다.The composite separation membrane for seawater desalination according to an aspect of the present invention may have a salt removal rate of 80% or more for a 2000 ppm CaCl 2 aqueous solution at 25° C. and 15.5 bar.

또한, 본 발명은 상기 해수담수화용 복합 분리막을 포함하는, 해수 담수화 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a seawater desalination device including the composite separator for seawater desalination.

본 발명의 일 양태에 따른 제조방법으로 제조된 해수담수화용 복합 분리막은, 우수한 성능과 에너지 효율을 동시에 구현할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 탁월한 염제거율을 확보함과 동시에 현저히 향상된 수투과도를 구현할 수 있다.The composite separator for seawater desalination manufactured by the manufacturing method according to one aspect of the present invention can realize excellent performance and energy efficiency at the same time. Specifically, the composite separation membrane for seawater desalination according to one aspect of the present invention can secure an excellent salt removal rate and at the same time realize significantly improved water permeability.

또한, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 염제거율을 유지시키면서 우수한 수투과도를 구현할 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 오염에 대한 저항성이 우수하여 내구성이 향상될 수 있다.In addition, the composite separator for seawater desalination according to an aspect of the present invention can implement excellent water permeability while maintaining salt removal rate, so energy efficiency can be improved, and durability can be improved due to excellent resistance to contamination.

또한, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법은 공정이 매우 간단하여 산업적으로 적용 가능성이 매우 높다.In addition, the manufacturing method of the composite separation membrane for seawater desalination according to one aspect of the present invention has a very simple process and thus has high industrial applicability.

도 1은 랭뮤어-쉐퍼 트루프(rough) 사진이다.
도 2는 실시예 1의 폴리아미드 박막의 형성 과정을 도식화 한 것이다.
도 3은 (a)PES 멤브레인, (b)비교예 2, (c)실시예 1에 따른 분리막 표면의 SEM 측정 결과이다.
도 4는 (a)비교예1 (b)실시예 1에 따른 분리막 표면의 AFM 측정 결과이다.
도 5는 크로스-플로우(cross-flow) 방식의 역삼투막 평가 장치를 도식화 한 것이다.
도 6은 실시예 2에 따른 분리막 표면의 SEM 측정 결과이다.
1 is a photograph of a Langmuir-Scheffer rough.
Figure 2 is a schematic diagram of the formation process of the polyamide thin film of Example 1.
3 is a SEM measurement result of the surface of the separator according to (a) a PES membrane, (b) Comparative Example 2, and (c) Example 1.
Figure 4 is (a) Comparative Example 1 (b) AFM measurement results of the surface of the membrane according to Example 1.
5 is a schematic diagram of a cross-flow reverse osmosis membrane evaluation device.
6 is an SEM measurement result of the surface of the separator according to Example 2.

이하, 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 다만, 이는 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다. 또한, 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것도 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, this invention may be implemented in many different forms, and is not limited to the embodiments described herein. Also, it is not intended to limit the scope of protection defined by the claims.

또한, 본 발명의 설명에 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.In addition, technical terms and scientific terms used in the description of the present invention, unless otherwise defined, have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and in the following description of the present invention Descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist are omitted.

본 발명을 특별한 정의가 없는 한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Unless there is a specific definition of the present invention, the fact that a certain part "includes" a certain component means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may be intended to include the plural forms as well, unless the context dictates otherwise.

본 발명에서 특별한 정의가 없는 한, "유도된"이란 화합물의 작용기 중 적어도 어느 하나가 변형된 것을 의미하며, 구체적으로 화합물의 반응기 및/또는 이탈기가 반응에 따라 변형되거나 이탈된 형태를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 서로 다른 화합물들로부터 유도된 구조가 서로 동일하다면, 어느 하나의 화합물로부터 유도된 구조는 다른 어느 하나의 화합물로부터 유도되어 동일한 구조를 갖는 경우도 포함하는 것일 수도 있다.Unless otherwise specified in the present invention, "derived" means that at least one of the functional groups of a compound is modified, and specifically includes a form in which a reactive group and/or a leaving group of a compound are modified or left according to a reaction. can In addition, if the structures derived from different compounds are identical to each other, the structure derived from any one compound may also include cases where the structure derived from any other compound has the same structure.

본 발명에서 특별한 정의가 없는 한, 층, 막, 박막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것일 수 있다.Unless otherwise defined in the present invention, when a part such as a layer, film, thin film, region, plate, etc. is said to be "on" or "on" another part, this means not only when it is "directly on" the other part, but also in the middle thereof. It may also include the case where there is another part in .

본 발명에서 특별한 정의가 없는 한, "중합체"는 올리고머를 포함하고, 동종중합체와 공중합체를 포함한다, 상기 공중합체는 교호 중합체, 블록 공중합체, 랜덤 공중합체, 가지 공중합체, 가교 공중합체, 또는 이들을 모두 포함하는 것일 수 있다.In the present invention, unless otherwise specified, "polymer" includes oligomers, and includes homopolymers and copolymers, which copolymers include alternating polymers, block copolymers, random copolymers, branched copolymers, crosslinked copolymers, Or it may be one that includes all of them.

이하, 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be specifically described.

분리막을 이용하여 해수를 담수화하는 기술을 장기적으로 사용하기 위해서는, 해수담수화용 분리막의 염제거율 뿐만 아니라 수투과도를 함께 향상시키는 것이 매우 중요한 과제이다. 하지만, 분리막의 수투과도와 염제거율은 서로 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있기 때문에, 이 둘을 동시에 향상시키기에는 한계가 있는 실정이다.In order to use a seawater desalination technology using a separation membrane for a long period of time, it is a very important task to improve not only the salt removal rate but also the water permeability of the separation membrane for seawater desalination. However, since the water permeability and salt rejection of the separation membrane are in a trade-off relationship with each other, there is a limit to simultaneously improving both.

본 발명자들은 해수담수화용 분리막으로, 다공성 지지층 표면에서 계면 중합 반응을 통해 형성된 폴리아미드 박막을 선택층으로 포함하는 폴리아미드계 복합 분리막에 주목하였다. 즉, 본 발명자들은 상기 폴리아미드 박막이 염제거율이 탁월하지만 여전히 수투과도 및 내구성이 부족하다는 것을 알게되었으며, 상기 폴리아미드 박막의 밀도, 두께 및 표면 거칠기 등의 특성이 분리막의 최종 분리 성능을 결정하게 된다는 것을 인식하였다. 이를 해결하기 위해서, 박막의 두께를 최소화하는 방법, 박막의 표면 거칠기를 제어하는 방안 등에 대한 개선 수단을 개발하고자 하였다.The present inventors paid attention to a polyamide-based composite separator for seawater desalination, which includes, as a selective layer, a polyamide thin film formed through interfacial polymerization on the surface of a porous support layer. That is, the present inventors have found that the polyamide thin film has excellent salt removal rate but still lacks water permeability and durability, and the characteristics such as density, thickness and surface roughness of the polyamide thin film determine the final separation performance of the separator. recognized that it would. In order to solve this problem, improvement means for minimizing the thickness of the thin film and controlling the surface roughness of the thin film have been developed.

본 발명의 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 많은 연구를 한 결과, 나노주름 구조 가지는 박막을 적층하는 수단을 개발하였고, 나노 주름 구조를 가지는 박막이 적층되어 형성된 다층 박막 및 나노 채널 구조를 형성함으로써 탁월한 염제거율을 확보함과 동시에 수투과도를 현저히 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 또한, 상기 각 층의 박막을 분자 수준의 두께로 최소화하고 표면적을 향상시킴에 따라 수투과도를 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있음을 발견하였다.As a result of a lot of research to solve the above problems, the inventors of the present invention developed a means for stacking thin films having a nano-wrinkled structure, and by forming a multi-layered thin film formed by stacking thin films having a nano-wrinkled structure and a nanochannel structure, excellent results were obtained. It was found that the water permeability can be significantly improved while securing the salt removal rate. In addition, it was found that the water permeability can be more effectively improved by minimizing the thin film of each layer to a molecular level thickness and improving the surface area.

구체적으로, 얇은 박막이 적층된 다층 박막을 사용할 경우, 다층 박막과 동일한 두께의 단층막을 사용하는 것 보다 염제거율을 현저히 향상시킬 수 있으며, 상기 박막에 나노 주름 구조와 나노 채널 구조를 형성하여 박막의 표면적을 넓힐 수 있으며 수투과도를 매우 효과적으로 개선할 수 있음을 발견하였다. 또한, 상기와 같은 특징을 가지는 복합 분리막을 손쉽게 제조할 수 있는 제조 방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.Specifically, when using a multi-layered thin film in which thin films are stacked, the salt removal rate can be significantly improved compared to using a single-layer film having the same thickness as the multi-layered thin film. It was found that the surface area can be widened and the water permeability can be improved very effectively. In addition, the present invention was completed by discovering a manufacturing method capable of easily manufacturing a composite separator having the above characteristics.

이하, 본 발명의 각 구성에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 예시적으로 설명된 구체적인 실시 형태로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, each configuration of the present invention will be described in more detail. However, this is merely an example and the present invention is not limited to the specific embodiments described as examples.

본 발명의 일 양태는 (a)복수의 랭뮤어 도메인을 인접시켜, 나노 주름 구조가 형성된 랭뮤어 필름을 형성하는 단계; (b)상기 랭뮤어 필름을 멤브레인에 전사하여, 멤브레인 표면에 단층의 고분자 나노 박막을 형성하는 단계; (c)상기 고분자 나노 박막의 형성 단계를 반복 수행하여, 고분자 나노 박막이 적층된 다층 박막을 형성단계; 및 (d)상기 다층 박막에 UV를 조사하는 단계;를 포함하는, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention comprises (a) forming a Langmuir film having a nano-wrinkled structure by adjoining a plurality of Langmuir domains; (b) transferring the Langmuir film to a membrane to form a single-layer polymer nano-thin film on the surface of the membrane; (c) repeating the formation of the polymer nano-thin film to form a multi-layered thin film in which the polymer nano-thin film is stacked; and (d) irradiating the multilayer thin film with UV.

본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화 복합 분리막의 제조 방법으로 제조된 해수담수화 복합 분리막은, 탁월한 성능과 에너지 효율을 동시에 구현할 수 있다. 구체적으로 고분자 나노 박막이 적층된 다층 박막을 형성함에 따라, 상기 다층 박막과 동일한 두께의 단층막을 형성하는 경우와 대비하여 현저히 우수한 수투과도를 구현할 수 있다. 또한, 나노 주름 구조를 형성된 박막을 적층하여 나노 채널을 형성할 수 있으며, 염제거율을 유지함과 동시에 매우 탁월한 수투과도를 구현할 수 있다.The seawater desalination composite membrane manufactured by the method for manufacturing a seawater desalination composite membrane according to one aspect of the present invention can realize excellent performance and energy efficiency at the same time. Specifically, by forming a multi-layered thin film in which polymer nano-thin films are laminated, remarkably excellent water permeability can be realized compared to the case of forming a single-layered film having the same thickness as the multi-layered thin film. In addition, nanochannels may be formed by stacking thin films having a nano-wrinkled structure, and excellent water permeability may be implemented while maintaining a salt removal rate.

본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은, 랭뮤어 방법, 예를 들어, 랭뮤어-쉐퍼(Langmuir-Schaefer, LS) 또는 랭뮤어-블라짓(Langmuir-Blodgett, LB) 방법으로 제조할 수 있으며, 랭뮤어-쉐퍼 방법으로 제조하는 것이 보다 바람직할 수 있다.The composite separator for seawater desalination according to one aspect of the present invention can be manufactured by the Langmuir method, for example, the Langmuir-Schaefer (LS) or Langmuir-Blodgett (LB) method. It may be possible, and it may be more preferable to prepare it by the Langmuir-Schaefer method.

구체적으로 상기 랭뮤어-쉐퍼 방법은, 물-공기 계면에서 계면중합으로 형성된 분자 1층 두께의 단분자막(이하, 랭뮤어 필름이라고도 함.)을 1장씩 고체 기판 위에 이동시켜 누적하는 방식이다. 보다 구체적으로, 랭뮤어 트루프(Langmuir trough)에서 일정한 표면압력으로 유지된 단분자막(랭뮤어 필름)과 고체 기판을 수평으로 접촉시킴으로써, 수면 상에 형성된 랭뮤어 필름을 고체 기판으로 전사하고 이를 반복하여 다층 박막을 형성할 수 있는 방법이다. 즉, 상기 랭뮤어-쉐퍼 방법은 매우 얇은 단층막을 형성하기에 유용한 기술로, 표면압력을 적절하게 조절하여 결함이 거의 없는 대면적의 필름을 손쉽게 제조할 수 있으며, 단층 박막이 일정하게 증착된 다층 박막을 제조하기에 용이한 장점이 있다.Specifically, the Langmuir-Schaefer method is a method in which a monomolecular film (hereinafter referred to as a Langmuir film) formed by interfacial polymerization at the water-air interface and having a thickness of one molecule is moved and accumulated on a solid substrate one by one. More specifically, by horizontally contacting a monomolecular film (Langmuir film) maintained at a constant surface pressure in a Langmuir trough and a solid substrate, the Langmuir film formed on the water surface is transferred to a solid substrate and repeated to It is a method capable of forming a multilayer thin film. That is, the Langmuir-Shaffer method is a useful technique for forming a very thin monolayer film, and it is possible to easily manufacture a large-area film with almost no defects by appropriately adjusting the surface pressure, and a multi-layered monolayer film is uniformly deposited. There is an advantage in that it is easy to manufacture a thin film.

더욱 구체적으로, 본 발명의 일 양태에 따른 상기 (a)단계는, (a-1)랭뮤어 트루프에서 분자 1층 두께의 고분자 도메인(이하, 랭뮤어 도메인이라고도 함.)을 형성하는 단계; (a-2)트루프에 설치된 배리어 간격을 조절하여 면적을 압축시키고, 상기에서 형성된 복수의 랭뮤어 도메인을 서로 인접시켜, 나노 주름 구조가 형성된 단분자막(랭뮤어 필름)을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.More specifically, the step (a) according to one aspect of the present invention includes (a-1) forming a polymer domain (hereinafter referred to as a Langmuir domain) having a thickness of one molecule in the Langmuir trough; (a-2) forming a monomolecular film (Langmuir film) having a nano-wrinkled structure by compressing the area by adjusting the spacing of the barriers installed in the trough and adjoining the plurality of Langmuir domains formed above to each other; can do.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 랭뮤어 도메인은 물-공기 계면에서 계면중합에 의해 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 계면중합은, 랭뮤어 트루프에 제1단량체가 용해된 수용액을 채운 뒤, 상기 수용액 표면에 제2단량체 용액을 골고루 분산시킴으로써 수행될 수 있다. 상기 제 2단량체 용액을 분산시키는 방법은, 해당 기술분야에 사용될 수 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 정밀주사기(Precision syringe & needle), 에어-스프레이(air-spray), 전기-스프레이(electro-spray) 등을 사용할 수 있다.The Langmuir domain according to an aspect of the present invention may be formed by interfacial polymerization at a water-air interface. Specifically, the interfacial polymerization may be performed by filling the Langmuir trough with an aqueous solution in which the first monomer is dissolved, and then evenly dispersing the second monomer solution on the surface of the aqueous solution. A method of dispersing the second monomer solution is not particularly limited as long as it can be used in the related art, but, for example, a precision syringe & needle, air-spray, or electric-spray (electro-spray) and the like can be used.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 고분자 나노 박막은, 해당 기술분야에 사용될 수 있는 고분자라면 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 폴리아미드일 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 나노 박막은 방향족 디아민(제1단량체)과 다관능성 아실 할라이드(제 2단량체)의 계면중합으로 형성되는 것일 수 있다.The polymer nanothin film according to one aspect of the present invention is not particularly limited as long as it is a polymer that can be used in the related art, but may be, for example, polyamide. Specifically, the polymer nano-thin film may be formed by interfacial polymerization of an aromatic diamine (first monomer) and a polyfunctional acyl halide (second monomer).

상기 방향족 디아민은, 해당 기술분야에 사용되는 화합물이라면 제한되지 않지만, 예를 들어, m-페닐렌디아민, p-페닐렌디아민, 1,2,4-벤젠트리아민, 4-클로로-1,3-페닐렌디아민, 2-클로로-1,4-페닐렌디아민 또는 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게는 m-페닐렌디아민일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The aromatic diamine is not limited as long as it is a compound used in the art, but examples include m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 1,2,4-benzenetriamine, 4-chloro-1,3 -It may be selected from phenylenediamine, 2-chloro-1,4-phenylenediamine, or a combination thereof. It may preferably be m-phenylenediamine, but is not limited thereto.

또한, 상기 다관능성 아실 할라이드는, 해당 기술분야게서 통상적으로 사용되는 화합물이라면 제한되지 않지만, 예를 들어, 트리메조일클로라이드, 이소프탈로일클로라이드, 테레프탈로일클로라이드 또는 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게는 트리메조일클로라이드일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In addition, the polyfunctional acyl halide is not limited as long as it is a compound commonly used in the art, but may be, for example, selected from trimesoyl chloride, isophthaloyl chloride, terephthaloyl chloride, or a combination thereof. there is. It may be preferably trimesoyl chloride, but is not limited thereto.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 (a-2)단계에서, 배리어 간격을 조절함에 따라서 랭뮤어 도메인이 형성된 수면의 표면압력을 조절할 수 있다. 또한, 배리어 간격을 조절하여 랭뮤어 필름을 형성할 때, 나노 주름 구조가 형성될 수 있다. 여기서 형성된 나노 주름 구조는 표면압력에 의해 형성된 것으로, 추후 UV 조사를 해줌에 따라 상기에서 형성된 나노 주름 구조 및 나노 채널 구조를 효과적으로 유지할 수 있다. 상기 표면압력은, 바람직하게 30 내지 50 mN/m, 또는 30 내지 40 mN/m 일 수 있으며, 보다 바람직하게 35 내지 45 mN/m 일 수 있다. 상술한 범위의 표면압력을 유지함에 따라, 결함이 거의 없는 대면적의 랭뮤어 필름을 형성할 수 있으며, 나노 주름 구조의 두께 및 랭뮤어 필름 두께를 적절하게 조절할 수 있다. 그러나, 나노 주름 구조를 적절히 조절할 수 있는 한에서는 상기 표면 장력은 크게 한정되지 않는다.In the step (a-2) according to an aspect of the present invention, the surface pressure of the water surface on which the Langmuir domains are formed can be adjusted by adjusting the barrier interval. In addition, when the Langmuir film is formed by adjusting the barrier spacing, a nano-wrinkled structure may be formed. The nano-wrinkle structure formed here is formed by surface pressure, and the nano-wrinkle structure and the nano-channel structure formed above can be effectively maintained by UV irradiation later. The surface pressure may be preferably 30 to 50 mN/m, or 30 to 40 mN/m, and more preferably 35 to 45 mN/m. By maintaining the surface pressure within the above-mentioned range, a large-area Langmuir film having almost no defects can be formed, and the thickness of the nano-wrinkle structure and the Langmuir film thickness can be appropriately adjusted. However, the surface tension is not greatly limited as long as the nano-wrinkle structure can be appropriately controlled.

즉, 본 발명의 일 양태에 따른 제조 방법을 사용함에 따라, 멤브레인 상에 형성되는 고분자 나노 박막의 두께를 나노 미터 단위로 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 고분자 나노 박막의 표면 거칠기를 용이하게 제어할 수 있다.That is, by using the manufacturing method according to one aspect of the present invention, the thickness of the polymer nano-thin film formed on the membrane can be adjusted in nanometer units, and the surface roughness of the polymer nano-thin film can be easily controlled. .

본 발명의 일 양태에 따른 상기 멤브레인은 통상적으로 해당분야에 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있으나, 예를 들어, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리메틸메타크릴에이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플로라이드에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는 폴리에테르설폰을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 않는다. 또한, 상기 멤브레인의 두께는 1 ㎛ 내지 1 ㎝, 또는 1 ㎛ 내지 1000 ㎛, 또는 5 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The membrane according to one aspect of the present invention may be used without limitation as long as it is commonly used in the corresponding field, but, for example, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyamide, polyetherimide, polyacrylonite It may include one or two or more selected from reel, polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, and polyvinylidene fluoride. Preferably, polyethersulfone may be used, but is not limited thereto. In addition, the membrane may have a thickness of 1 μm to 1 cm, 1 μm to 1000 μm, or 5 μm to 500 μm, but is not limited thereto.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 멤브레인의 기공의 평균 크기는 1,000 내지 500,000 분획분자량(Molecular Weight Cut-Off, MWCO)일 수 있으며, 바람직하게는 10,000 내지 20,000 분획분자량일 수 있다. 상술된 기공 크기를 가지는 멤브레인을 사용함에 따라, 담수화된 물이 멤브레인을 용이하게 투과할 수 있다.The average size of the pores of the membrane according to one aspect of the present invention may be 1,000 to 500,000 Molecular Weight Cut-Off (MWCO), preferably 10,000 to 20,000 Molecular Weight Cut-Off. As the membrane having the above-described pore size is used, desalinated water can easily permeate the membrane.

본 발명의 일 양태에서, 상기 (b)단계에서 형성된 단층의 고분자 나노 박막의 두께는, 나노 사이즈의 두께라면 특별히 제한되지 않으나 상술한 표면압력에 의해 결정될 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 100 ㎚일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 50 ㎚, 1 내지 20 ㎚, 또는 1 내지 10 ㎚일 수 있고, 더욱 바람직하게 1 내지 5 ㎚일 수 있다. 상기 두께 범위를 만족하는 고분자 나노 박막을 형성함에 따라, 해수담수화 복합 분리막의 수투과도를 더욱 우수하게 할 수 있다.In one aspect of the present invention, the thickness of the single-layer polymer nano-thin film formed in step (b) is not particularly limited as long as it is nano-sized, but can be determined by the surface pressure described above, for example, 1 to 100 nm , preferably 1 to 50 nm, 1 to 20 nm, or 1 to 10 nm, and more preferably 1 to 5 nm. By forming a polymer nano-thin film that satisfies the thickness range, the water permeability of the seawater desalination composite membrane can be further improved.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 (c)단계에서, 고분자 나노 박막의 적층 횟수는 크게 제한되지는 않으나, 예를 들어, 2 내지 50회, 좋게는 2 내지 20회일 수 있다. 상기 적층 횟수를 만족함에 따라, 해수담수화 복합 분리막의 수투과도 및 염제거율의 동시 개선 효과를 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 (c)단계에서 나노 주름 구조가 형성된 고분자 나노 박막이 적층됨에 따라 나노 채널이 형성될 수 있고, 나노 채널 구조는 해수담수화 복합 분리막의 수투과도를 더욱 탁월하게 할 수 있다.In the step (c) according to an aspect of the present invention, the number of stacking polymer nano-thin films is not particularly limited, but may be, for example, 2 to 50 times, preferably 2 to 20 times. As the number of stacking is satisfied, the effect of simultaneously improving water permeability and salt rejection of the seawater desalination composite separation membrane can be more effectively improved. Specifically, nanochannels can be formed as the polymer nanofilms having nanowrinkled structures are laminated in step (c), and the nanochannel structure can further improve water permeability of the seawater desalination composite membrane.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 다층 박막의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 적층 횟수에 따라 결정될 수 있으며, 2 내지 20회 적층되는 경우를 예로 들면, 2 내지 400㎚일 수 있고, 바람직하게 2 내지 1000 ㎚, 2 내지 400 ㎚, 또는 2 내지 250 ㎚일 수 있고, 더욱 바람직하게 2 내지 100 ㎚일 수 있다.The thickness of the multi-layered thin film according to one aspect of the present invention is not particularly limited, but may be determined according to the number of stackings, and may be, for example, 2 to 400 nm when stacked 2 to 20 times, preferably 2 to 1000 nm, 2 to 400 nm, or 2 to 250 nm, more preferably 2 to 100 nm.

본 발명의 일 양태에서, 상기 (d)단계는 다층 박막이 형성된 멤브레인을 물에 침전시킨 후에 UV를 조사하는 것일 수 있다. 상기 UV의 파장 범위는 200 내지 400 ㎚, 또는 250 내지 400 ㎚, 또는 300 내지 400 ㎚일 수 있으며, UV 조사 시간은 1 분 내지 30분, 또는 5 분 내지 20 분, 또는 10 분 내지 20 분 동안 수행되는 것일 수 있다.In one aspect of the present invention, the step (d) may be to irradiate UV after precipitating the membrane on which the multilayer thin film is formed in water. The UV wavelength range may be 200 to 400 nm, or 250 to 400 nm, or 300 to 400 nm, and the UV irradiation time is 1 minute to 30 minutes, or 5 minutes to 20 minutes, or 10 minutes to 20 minutes. may be performed.

본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 추후 UV 조사를 해줌에 따라 상기에서 형성된 나노 주름 구조 및 나노 채널 구조가 변형되는 것을 방지할 수 있으며, 표면적을 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 UV 조사 후에 표면적이 20 % 이상 증가되는 것일 수 있으며, 20 내지 100%, 좋게는 20 내지 50%, 더욱 좋게는 30 내지 50% 증가되는 것일 수 있다. 상술한 바와 같이 표면적이 향상됨에 따라, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막의 수투과도는 더욱 효과적으로 향상될 수 있다. 반면에, UV 조사 대신에 열처리 통한 후처리를 하는 경우에는 나노 주름 구조의 두께와 간격이 증가하여 표면적이 크게 감소될 수 있다(도 4-(a)).The composite separator for seawater desalination according to an aspect of the present invention can prevent deformation of the nano-wrinkle structure and the nano-channel structure formed above as a result of subsequent UV irradiation, and can further improve the surface area. For example, the composite separator for seawater desalination according to one aspect of the present invention may have a surface area increased by 20% or more after UV irradiation, 20 to 100%, preferably 20 to 50%, and more preferably 30 to 50% may be increasing. As the surface area is improved as described above, the water permeability of the composite separator for seawater desalination according to one embodiment of the present invention can be improved more effectively. On the other hand, in the case of post-processing through heat treatment instead of UV irradiation, the thickness and spacing of the nano-wrinkle structure increase and the surface area can be greatly reduced (FIG. 4-(a)).

상기 (d)단계 이후 형성된 나노 주름 구조는, 주름의 두께가 1 nm 내지 60 nm일 수 있으며, 바람직하게는 1 nm 내지 40 nm, 더욱 바람직하게는 1 nm 내지 30 nm일 수 있다. 또한, 상기 주름의 간격은 1 nm 내지 100 nm일 수 있으며, 바람직하게는 10 nm 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 20 nm 내지 80 nm일 수 있다. 상술한 수치의 주름 두께와 간격을 만족함에 따라, 고분자 나노 박막의 표면적을 현저하게 증가시킬 수 있으며 탁월한 수투과도를 구현할 수 있다.The nano-wrinkle structure formed after step (d) may have a wrinkle thickness of 1 nm to 60 nm, preferably 1 nm to 40 nm, and more preferably 1 nm to 30 nm. In addition, the spacing of the wrinkles may be 1 nm to 100 nm, preferably 10 nm to 100 nm, more preferably 20 nm to 80 nm. As the wrinkle thickness and spacing of the above-mentioned values are satisfied, the surface area of the polymer nano-thin film can be significantly increased and excellent water permeability can be realized.

또한, 본 발명의 일 양태는 멤브레인; 및 상기 멤브레인의 표면에 단층의 고분자 나노 박막이 2회 이상 적층되어 형성된 다층 박막;을 포함하는 해수담수화용 복합 분리막으로서, 상기 다층 박막의 각 층의 고분자 나노 박막은 나노 주름 구조가 형성된 것인, 해수담수화용 복합 분리막을 제공한다.In addition, one aspect of the present invention is a membrane; And a multi-layered thin film formed by stacking a single layer of polymer nano-thin film on the surface of the membrane two or more times, wherein each layer of the multi-layered thin film has a nano-wrinkled structure, Provided is a composite separator for seawater desalination.

본 발명의 일 양태에 따른 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5bar 조건에서 초순수에 대한 수투과도가 0.5 L/m2hbar 이상이고, 2000ppm의 Na2SO4 수용액에 대한 염제거율이 80 % 이상일 수 있다. 구체적으로, 초순수에 대한 수투과도가 1.0 L/m2hbar 이상일 수 있으며, 2000ppm의 Na2SO4 수용액에 대한 염제거율이 85 % 이상, 또는 90 %이상, 또는 95% 이상일 수 있다.The composite separator for seawater desalination according to an aspect of the present invention has a water permeability to ultrapure water of 0.5 L/m 2 hbar or more at 25° C. and 15.5 bar, and a salt removal rate of 80% for an aqueous solution of 2000 ppm Na 2 SO 4 may be ideal Specifically, the water permeability to ultrapure water may be 1.0 L/m 2 hbar or more, and the salt removal rate for a 2000 ppm Na 2 SO 4 aqueous solution may be 85% or more, 90% or more, or 95% or more.

또한, 본 발명의 일 양태에 따른 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 NaCl 수용액에 대한 염제거율이 80 % 이상, 또는 85 %이상일 수 있다. 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 MgSO4 수용액에 대한 염제거율이 80 % 이상, 또는 85%이상, 또는 90% 이상일 수 있다. 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 MgCl2 수용액에 대한 염제거율이 80 % 이상, 또는 85 %이상일 수 있다. 상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 CaCl2 수용액에 대한 염제거율이 80 % 이상, 또는 85 %이상일 수 있다.In addition, the composite separation membrane for seawater desalination according to an aspect of the present invention may have a salt removal rate of 80% or more, or 85% or more with respect to a 2000 ppm NaCl aqueous solution at 25 ° C. and 15.5 bar. The composite separator for seawater desalination may have a salt removal rate of 80% or more, 85% or more, or 90% or more for a 2000 ppm MgSO 4 aqueous solution at 25° C. and 15.5 bar. The composite separator for seawater desalination may have a salt removal rate of 80% or more, or 85% or more for a 2000 ppm MgCl 2 aqueous solution at 25° C. and 15.5 bar. The composite separator for seawater desalination may have a salt removal rate of 80% or more, or 85% or more, for a 2000 ppm CaCl 2 aqueous solution at 25° C. and 15.5 bar.

또한, 본 발명의 일 양태는 해수담수화용 복합 분리막을 포함하는, 해수 담수화 장치를 제공한다. 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막을 사용함에 따라, 우수한 염제거율을 확보함과 동시에 탁월한 수투과도를 구현할 수 있다. 구체적으로, 고분자 나노 박막이 적층된 다층 박막이 형성되어, 현저히 우수한 염제거율을 구현할 수 있으며, 상기 각 층의 박막에 나노 주름 구조가 형성되어, 우수한 염제거율을 확보함과 동시에 탁월한 수투과도를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막의 제조 방법은, 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 추가 구성을 필요로 하지 않기 때문에 산업적으로 적용 가능성이 매우 높을 수 있다.In addition, one aspect of the present invention provides a seawater desalination device including a composite separator for seawater desalination. By using the composite separation membrane for seawater desalination according to one aspect of the present invention, it is possible to secure excellent salt rejection and at the same time achieve excellent water permeability. Specifically, a multi-layered thin film in which polymer nano-thin films are stacked is formed, and a remarkably excellent salt removal rate can be realized, and a nano-wrinkled structure is formed on the thin film of each layer to secure an excellent salt removal rate and realize excellent water permeability. can In addition, the manufacturing method of the composite separation membrane for seawater desalination according to one aspect of the present invention may have very high industrial applicability because the manufacturing process is simple and does not require an additional configuration.

이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail based on the following Examples and Comparative Examples. However, the following Examples and Comparative Examples are only one example for explaining the present invention in more detail, and the present invention is not limited by the following Examples and Comparative Examples.

이하 물성은 다음과 같이 측정하였다.The following physical properties were measured as follows.

1)두께1) Thickness

전계방출 투과전자현미경(FE-TEM, Field Emission Scanning Electron)에 의한 단면 이미지를 관찰하여, 두께를 측정하였다.The thickness was measured by observing a cross-sectional image by a field emission scanning electron microscope (FE-TEM).

2)나노 주름 구조의 면적2) Area of nano-wrinkle structure

원자력 현미경(AFM, Atomic Force microscopy)에 의한 표면 이미지를 관찰하여, 나노 주름 구조의 면적을 측정하였다.The area of the nanowrinkle structure was measured by observing the surface image by atomic force microscopy (AFM).

3)수투과도3) Water permeability

수투과도의 측정은 초순수를 사용하였다. 크로스-플로우(cross-flow) 방식의 역삼투막 평가 장치(도 5)를 이용하였으며, 평가장비의 안정화를 위하여 15.5 bar 압력과 25 ℃ 온도 조건에서 초순수로 24시간 정도 충분히 예비 운전을 실시하였다. 이후, 60분간 투과되는 초순수의 양을 측정하여 수투과도를 계산하였다. 이때, 수투과도의 단위는 L/m2hbar 이다.Ultrapure water was used to measure the water permeability. A cross-flow type reverse osmosis membrane evaluation device (FIG. 5) was used, and sufficient preliminary operation was performed for about 24 hours with ultrapure water at 15.5 bar pressure and 25 ° C temperature conditions to stabilize the evaluation equipment. Thereafter, water permeability was calculated by measuring the amount of ultrapure water permeated for 60 minutes. At this time, the unit of water permeability is L/m 2 hbar.

4)염제거율4) Salt removal rate

염제거율의 측정은 2,000 ppm의 염 수용액(NaCl, MgSO4, MgCl2, CaCl2, Na2SO4)을 사용하였다. 크로스-플로우(cross-flow) 방식의 역삼투막 평가 장치(도 5)를 이용하였으며, 평가장비의 안정화를 위하여 15.5 bar 압력과 25 ℃ 온도 조건에서 초순수로 24시간 정도 충분히 예비 운전을 실시하였다. 이후, 상기 2,000 ppm의 염 수용액을 5일간 투과시키고, 투과 전 후의 염 농도를 비교하여 염제거율(%)을 계산하였다.The salt removal rate was measured using a 2,000 ppm aqueous salt solution (NaCl, MgSO 4 , MgCl 2 , CaCl 2 , Na 2 SO 4 ). A cross-flow type reverse osmosis membrane evaluation device (FIG. 5) was used, and sufficient preliminary operation was performed for about 24 hours with ultrapure water at 15.5 bar pressure and 25 ° C temperature conditions to stabilize the evaluation equipment. Thereafter, the 2,000 ppm aqueous salt solution was permeated for 5 days, and the salt removal rate (%) was calculated by comparing the salt concentration before and after permeation.

[실시예 1][Example 1]

폴리아미드 박막의 형성 Formation of polyamide thin film

폴리아미드 박막의 형성 과정은 도 2에 도시하였다. 구체적으로, 0.1 wt%의 메타-페닐렌 디아민(MPD) 수용액 350 ㎖를 랭뮤어-쉐퍼 트루프(Langmuir-Schaefer trough, LS trough)에 채운 뒤, 배리어(barrier)를 끝까지 넓혀주어 표면압력 값을 0 mN/m로 세팅하였다. 그 후, 헥산에 분산시킨 0.05 wt%의 트리메소일 클로라이드(TMC) 용액 60 ㎕를 정밀주사기(Precision syringe & needle)로 취하여 상기 MPD 수용액 표면에 골고루 뿌려주었다. 10분 후에, 물-공기 계면에서 MPD와 TMC의 계면중합 반응이 충분히 완료되었고, 상기 MPD 수용액의 수면에 폴리아미드 도메인(랭뮤어 도메인)이 형성되었다.The formation process of the polyamide thin film is shown in FIG. 2 . Specifically, 350 ml of a 0.1 wt% meta-phenylene diamine (MPD) aqueous solution was filled in a Langmuir-Schaefer trough (LS trough), and then the barrier was widened to the end to obtain a surface pressure value. It was set to 0 mN/m. Thereafter, 60 μl of a 0.05 wt% trimesoyl chloride (TMC) solution dispersed in hexane was taken with a precision syringe & needle and evenly sprayed on the surface of the MPD aqueous solution. After 10 minutes, the interfacial polymerization reaction between MPD and TMC was sufficiently completed at the water-air interface, and a polyamide domain (Langmuir domain) was formed on the surface of the MPD aqueous solution.

그런 다음, 12 mm/min의 속도로 배리어를 이동하여 표면압력 값이 40 mN/m이 되도록 공간을 압축하였으며, 상기 수면에 형성된 폴리아미드 도메인을 인접시켜 필름화하여 나노 주름 구조가 형성된 폴리아미드 필름(랭뮤어 필름)을 형성하였다. 이때, PES UF(Polyethersulfone ultrafiltration, synder)멤브레인이 수평방향으로 부착된 디퍼(dipper unit)를 5 mm/min 속도로 내려주어, PES UF 멤브레인의 표면과 폴리아미드 필름을 접촉시켰다. 15초간 접촉 시킨 후에 dipper unit을 5 mm/min 속도로 올려주어, PES UF 멤브레인 표면에 단층의 폴리아미드 나노 박막이 전사된 것을 확인하였으며, 이때 상기 단층의 폴리아미드 박막의 두께 2.3 ㎚였다.Then, the barrier was moved at a speed of 12 mm/min to compress the space so that the surface pressure value was 40 mN/m, and the polyamide domain formed on the water surface was adjoined to form a film to form a polyamide film having a nano-wrinkled structure. (Langmuir film) was formed. At this time, the dipper unit to which the PES UF (Polyethersulfone ultrafiltration, synder) membrane was attached in the horizontal direction was lowered at a rate of 5 mm/min to bring the surface of the PES UF membrane into contact with the polyamide film. After contacting for 15 seconds, the dipper unit was raised at a speed of 5 mm/min, and it was confirmed that a single-layer polyamide nano-thin film was transferred to the surface of the PES UF membrane. At this time, the thickness of the single-layer polyamide thin film was 2.3 nm.

해수담수화용 복합 분리막의 제조Manufacturing of composite membrane for seawater desalination

상기 폴리아미드 박막의 형성 과정을 5회 반복하여, PES UF 멤브레인의 표면에 폴리아미드 박막이 5회 적층된 다층 박막이 형성되었다. 그 후, 상기 다층 박막이 형성된 멤브레인을 물에 침전시키고, 365 nm의 UV를 15분 간 조사하여 해수 담수화 복합 분리막을 제조하였다(도 4-(b)). 상기 다층 박막의 두께는 9.6 ㎚이고, 박막 표면에 형성된 나노 주름 구조의 면적은 약 48.5% 이었다.By repeating the process of forming the polyamide thin film 5 times, a multilayer thin film in which the polyamide thin film was laminated 5 times was formed on the surface of the PES UF membrane. Thereafter, the membrane on which the multilayer thin film was formed was precipitated in water, and 365 nm UV was irradiated for 15 minutes to prepare a seawater desalination composite separator (FIG. 4-(b)). The thickness of the multilayer thin film was 9.6 nm, and the area of the nanowrinkle structure formed on the surface of the thin film was about 48.5%.

상기 실시예 1의 해수담수화용 복합 분리막의 수투과도는 1.23±0.09 L/m2hbar 이고, Na2SO4 수용액에 대한 염제거율은 96.87±0.008 %, MgSO4 수용액에 대한 염제거율은 94.36±0.28, MgCl2 수용액에 대한 염제거율은 88.71±0.24, CaCl-2 수용액에 대한 염제거율은 87.62±0.007, NaCl 수용액에 대한 염제거율은 85.04±1.97 % 이었다.The water permeability of the composite membrane for seawater desalination of Example 1 was 1.23±0.09 L/m 2 hbar, the salt removal rate for Na 2 SO 4 aqueous solution was 96.87±0.008 %, and the salt removal rate for MgSO 4 aqueous solution was 94.36±0.28 , the salt removal rate for the MgCl 2 aqueous solution was 88.71±0.24, the salt removal rate for the CaCl- 2 aqueous solution was 87.62±0.007, and the salt removal rate for the NaCl aqueous solution was 85.04±1.97%.

[실시예 2][Example 2]

상기 실시예 1에서, 0.05 wt%의 트리메소일 클로라이드(TMC) 용액을 정밀주사기 대신에 에어-스프레이(Air-spray)를 이용하여 수면 상에 분산시킨 것을 제외하고는 동일하게 실시하여, 실시예 2의 해수담수화용 복합 분리막을 제조하였다(도 6). 이때, 단층의 폴리아미드 박막의 두께는 2.3 nm이고, 5회 적층된 다층 박막의 두께는 9.6 nm였다.In Example 1, the same procedure was carried out except that the 0.05 wt% trimesoyl chloride (TMC) solution was dispersed on the water surface using an air-spray instead of a precision syringe, A composite separator for seawater desalination of 2 was prepared (FIG. 6). At this time, the thickness of the single-layer polyamide thin film was 2.3 nm, and the thickness of the multi-layer thin film laminated five times was 9.6 nm.

[비교예 1][Comparative Example 1]

상기 실시예 1에서 폴리아미드 박막이 5회 적층된 다층 박막을 형성한 후에 UV를 조사하는 단계를 수행하지 않고, 진공 오븐에서 80 ℃에서 10 분간 열처리하는 단계를 수행한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여, 비교예 1의 해수담수화용 복합 분리막을 제조하였다(도 4-(a)). 상기 다층 박막의 두께는 9.6 nm 이고, 박막 표면에 형성된 나노 주름 구조의 면적은 약 37.4% 였다.The same procedure as in Example 1 was performed except that the step of heat treatment at 80 ° C. for 10 minutes in a vacuum oven was performed without performing the UV irradiation step after forming the multilayer thin film in which the polyamide thin film was stacked 5 times. Thus, a composite separator for seawater desalination of Comparative Example 1 was prepared (FIG. 4-(a)). The thickness of the multilayer thin film was 9.6 nm, and the area of the nanowrinkle structure formed on the surface of the thin film was about 37.4%.

상기 비교예 1의 해수담수화용 복합 분리막의 수투과도는 0.41±0.04 L/m2hbar 이고, NaCl 수용액에 대한 염제거율은 85.55±2.42 % 이었다.The water permeability of the composite separator for seawater desalination of Comparative Example 1 was 0.41±0.04 L/m 2 hbar, and the salt removal rate with respect to aqueous NaCl solution was 85.55±2.42%.

[비교예 2][Comparative Example 2]

PES UF 멤브레인을 0.1 wt%의 메타-페닐렌 디아민(MPD) 수용액에 10분 간 담궈둔 뒤에 꺼내어, 멤브레인 표면의 과량의 MPD 용액을 테플론 롤러로 제거해주었다. 그 후, 헥산에 분산시킨 0.05 wt%의 트리메소일 클로라이드(TMC) 용액 5 ㎖를 상기 멤브레인 표면에 부어준 뒤 1분 간 계면중합하여 폴리아미드 층을 형성하였다. 미반응 TMC를 헥산으로 세척하고, 진공 오븐에서 80 ℃에서 10 분간 건조하여 두께 100nm 인 폴리아미드 박막을 형성하여, 비교예 2의 해수담수화용 복합 분리막을 제조하였다(도 3-b).The PES UF membrane was immersed in a 0.1 wt% meta-phenylene diamine (MPD) aqueous solution for 10 minutes, then taken out, and the excess MPD solution on the surface of the membrane was removed with a Teflon roller. Thereafter, 5 ml of a 0.05 wt% trimesoyl chloride (TMC) solution dispersed in hexane was poured onto the surface of the membrane, followed by interfacial polymerization for 1 minute to form a polyamide layer. Unreacted TMC was washed with hexane, and dried in a vacuum oven at 80 ° C. for 10 minutes to form a polyamide thin film having a thickness of 100 nm, thereby preparing a composite separator for seawater desalination of Comparative Example 2 (FIG. 3-b).

상기 비교예 2의 해수담수화용 복합 분리막의 수투과도는 0.23±0.05 L/m2hbar 이고, NaCl 수용액에 대한 염제거율은 86.1 % 이었다.The water permeability of the composite separator for seawater desalination of Comparative Example 2 was 0.23±0.05 L/m 2 hbar, and the salt removal rate with respect to an aqueous NaCl solution was 86.1%.

본 발명의 실시예 1에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 비교예 1과 대비하여 표면적이 약 30% 증가하였음을 확인하였다. 즉, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 UV 조사에 의해 나노 주름 구조를 우수하게 유지하고 표면적이 현저히 향상될 수 있음을 알 수 있다. 이에 따라, 실시예 1에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 비교예 1에 비해 수투과도가 현저히 향상되었음을 알 수 있다(실시예 1: 1.23±0.09 L/m2hbar, 비교예 1: 0.41±0.04 L/m2hbar).It was confirmed that the surface area of the composite separator for seawater desalination according to Example 1 of the present invention increased by about 30% compared to Comparative Example 1. That is, it can be seen that the composite separator for seawater desalination according to one aspect of the present invention can maintain the nano-wrinkle structure excellently and significantly improve the surface area by UV irradiation. Accordingly, it can be seen that the water permeability of the composite separator for seawater desalination according to Example 1 is significantly improved compared to Comparative Example 1 (Example 1: 1.23±0.09 L/m 2 hbar, Comparative Example 1: 0.41±0.04 L /m 2 hbar).

또한, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 상용화된 역삼투 폴리아미드 박막 복합체(DOW, SW30XLC)와 유사한 수준의 염제거율을 확보하면서도, 매우 탁월한 수투과도를 구현할 수 있음을 알 수 있다(실시예 1: 1.23±0.09 L/m2hbar, SW30XLC: 0.83±0.03 L/m2hbar).In addition, it can be seen that the composite separator for seawater desalination according to one aspect of the present invention can achieve very excellent water permeability while securing a salt removal rate similar to that of commercially available reverse osmosis polyamide thin film composites (DOW, SW30XLC). (Example 1: 1.23±0.09 L/m 2 hbar, SW30XLC: 0.83±0.03 L/m 2 hbar).

또한, 도 3을 참조하면, 종래의 계면중합 방법을 사용한 비교예 2의 박막(도 3-b)과 비교하였을 때, 본 발명의 일 양태에 따른 제조방법을 사용한 실시예 1(도 3-c)은 표면이 거칠기가 현저히 개선되었음을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 오염에 대한 저항성이 개선될 수 있고 내구성이 향상될 수 있음을 알 수 있다.In addition, referring to FIG. 3, when compared with the thin film of Comparative Example 2 (FIG. 3-b) using the conventional interfacial polymerization method, Example 1 using the manufacturing method according to one aspect of the present invention (FIG. 3-c ) can be seen that the surface roughness is significantly improved. Accordingly, it can be seen that the composite separator for seawater desalination according to one aspect of the present invention can have improved resistance to contamination and improved durability.

즉, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막은 나노 주름 구조가 형성된 고분자 나노 박막이 적층되어 나노 채널구조가 형성된 다층 박막이 형성되는 것을 특징으로 하며, 이에 따라, 우수한 염제거율을 확보함과 동시에 탁월한 수투과도를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합분리막은 표면 거칠기가 현저히 개선되어 오염에 대한 저항성이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 양태에 따른 해수담수화용 복합 분리막의 제조 방법은, 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 추가 구성을 필요로 하지 않기 때문에 산업적으로 적용 가능성이 매우 높을 수 있다.That is, the composite separator for seawater desalination according to one aspect of the present invention is characterized in that a multi-layered thin film having a nano-channel structure is formed by stacking polymer nano-thin films having a nano-wrinkle structure, thereby securing excellent salt rejection. At the same time, excellent water permeability can be realized. In addition, the surface roughness of the composite separator for seawater desalination according to one aspect of the present invention is significantly improved, so that resistance to contamination can be further improved. In addition, the manufacturing method of the composite separation membrane for seawater desalination according to one aspect of the present invention may have very high industrial applicability because the manufacturing process is simple and does not require an additional configuration.

Claims (21)

(a)복수의 랭뮤어 도메인을 인접시켜, 나노 주름 구조가 형성된 랭뮤어 필름을 형성하는 단계;
(b)상기 랭뮤어 필름을 멤브레인에 전사하여, 멤브레인 표면에 단층의 고분자 나노 박막을 형성하는 단계;
(c)상기 고분자 나노 박막의 형성 단계를 반복 수행하여, 고분자 나노 박막이 적층된 다층 박막을 형성단계; 및
(d)상기 다층 박막에 UV를 조사하는 단계;를 포함하는, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법.
(a) forming a Langmuir film having a nano-wrinkled structure by adjoining a plurality of Langmuir domains;
(b) transferring the Langmuir film to a membrane to form a single-layer polymer nano-thin film on the surface of the membrane;
(c) repeating the formation of the polymer nano-thin film to form a multi-layered thin film in which the polymer nano-thin film is stacked; and
(d) irradiating UV to the multi-layer thin film; manufacturing method of a composite separator for seawater desalination, including.
제 1항에 있어서,
상기 단층의 고분자 나노 박막의 두께는 1 내지 20 ㎚인, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법.
According to claim 1,
The thickness of the single-layer polymer nano-thin film is 1 to 20 nm, a method for producing a composite separator for seawater desalination.
제 1항에 있어서,
상기 (c)단계는 고분자 나노 박막의 형성 단계를 2 내지 50회 반복 수행하여, 고분자 나노 박막이 2 내지 50층 적층되어 나노 채널이 형성된 다층 박막을 형성하는 것인, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법.
According to claim 1,
In the step (c), the step of forming the polymer nano-thin film is repeated 2 to 50 times to form a multi-layered thin film in which a nano-channel is formed by stacking 2 to 50 polymer nano-thin films. method.
제 3항에 있어서,
상기 다층 박막의 두께는 2 내지 1,000㎚인, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법.
According to claim 3,
The thickness of the multilayer thin film is 2 to 1,000 nm, a method for producing a composite separator for seawater desalination.
제 1항에 있어서,
상기 랭뮤어 도메인은 용매-공기 계면에서 계면중합에 의해 형성되는 것인, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법.
According to claim 1,
The Langmuir domain is formed by interfacial polymerization at the solvent-air interface, a method for producing a composite separator for seawater desalination.
제 1항에 있어서,
상기 고분자 나노 박막은 폴리아미드인, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법.
According to claim 1,
The polymer nano-thin film is polyamide, a method for producing a composite separator for seawater desalination.
제 6항에 있어서,
상기 고분자 나노 박막은 방향족 디아민과 다관능성 아실 할라이드로부터 유도된 구조단위를 포함하는 것인, 해수담수화용 복합 분리막의 제조방법.
According to claim 6,
The method of manufacturing a composite separator for seawater desalination, wherein the polymer nano-thin film includes a structural unit derived from an aromatic diamine and a polyfunctional acyl halide.
멤브레인; 및 상기 멤브레인의 표면에 단층의 고분자 나노 박막이 2회 이상 적층되어 형성된 다층 박막;을 포함하는 해수담수화용 복합 분리막으로서,
상기 다층 박막의 각 층의 고분자 나노 박막은 나노 주름 구조가 형성된 것인, 해수담수화용 복합 분리막.
membrane; And a multi-layer thin film formed by stacking a single layer of polymer nano-thin film on the surface of the membrane two or more times. As a composite separator for seawater desalination comprising:
The polymer nano-thin film of each layer of the multi-layer thin film is a composite separator for seawater desalination in which a nano-wrinkled structure is formed.
제 8항에 있어서,
상기 고분자 나노 박막의 두께는 1 내지 20 ㎚인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 8,
The polymer nano-thin film has a thickness of 1 to 20 nm, a composite separator for seawater desalination.
제 8항에 있어서,
상기 다층 박막은 고분자 박막이 2 내지 50층 적층되어 형성된 것인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 8,
The multilayer thin film is a composite separator for seawater desalination, which is formed by stacking 2 to 50 layers of polymer thin films.
제 10항에 있어서,
상기 다층 박막의 두께는 2 내지 1,000 ㎚인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 10,
The multilayer thin film has a thickness of 2 to 1,000 nm, a composite separator for seawater desalination.
제 8항에 있어서,
상기 다층 박막은 나노 채널이 형성된 것인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 8,
The multilayer thin film is a composite separator for seawater desalination, in which nanochannels are formed.
제 8항에 있어서,
상기 단층의 고분자 나노 박막은 상기 멤브레인의 표면을 용매-공기 계면에서 계면중합으로 형성된 랭뮤어 필름과 접촉시켜 형성되는 것인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 8,
The single-layer polymer nano-thin film is formed by contacting the surface of the membrane with a Langmuir film formed by interfacial polymerization at a solvent-air interface.
제 8항에 있어서,
상기 고분자 나노 박막은 폴리아미드인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 8,
The polymer nano-thin film is a polyamide composite membrane for seawater desalination.
제 8항에 있어서,
상기 고분자 나노 박막은 방향족 디아민과 다관능성 아실 할라이드로부터 유도된 구조단위를 포함하는 것인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 8,
The polymer nano-thin film includes a structural unit derived from an aromatic diamine and a polyfunctional acyl halide, a composite separator for seawater desalination.
제 8항에 있어서,
상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5bar 조건에서 순수 증류수에 대한 수투과도가 0.5 L/m2hbar 이상이고, 2000ppm의 Na2SO4 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 8,
The composite membrane for seawater desalination has a water permeability of 0.5 L/m 2 hbar or more to pure distilled water at 25° C. and 15.5 bar, and a salt removal rate of 80% or more for a 2000 ppm Na 2 SO 4 aqueous solution. separator.
제 16항에 있어서,
상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 NaCl 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 16,
The composite separator for seawater desalination has a salt removal rate of 80% or more for a 2000 ppm NaCl aqueous solution at 25 ° C. and 15.5 bar.
제 16항에 있어서,
상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 MgSO4 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 16,
The composite separator for seawater desalination has a salt removal rate of 80% or more for a 2000 ppm MgSO 4 aqueous solution at 25 ° C. and 15.5 bar.
제 16항에 있어서,
상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 MgCl2 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 16,
The composite separator for seawater desalination has a salt removal rate of 80% or more for a 2000 ppm MgCl 2 aqueous solution at 25 ° C. and 15.5 bar.
제 16항에 있어서,
상기 해수담수화용 복합 분리막은 25℃, 15.5 bar 조건에서 2000ppm의 CaCl2 수용액에 대한 염제거율이 80% 이상인, 해수담수화용 복합 분리막.
According to claim 16,
The composite separator for seawater desalination has a salt removal rate of 80% or more for a 2000 ppm CaCl 2 aqueous solution at 25 ° C. and 15.5 bar.
제 8항 내지 제 20항에서 선택되는 어느 한 항에 따른 해수담수화용 복합 분리막을 포함하는, 해수 담수화 장치.A seawater desalination device comprising the composite separator for seawater desalination according to any one of claims 8 to 20.
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