KR20000040002A - 기능성 투과증발 복합막 및 모듈장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 제조공정에서 사용되는 세정용액을 재활용하기 위해 투과증발 막분리기술을 응용한 것으로 분리 공정에 있어서 보다 효과적이고 효율적으로 정제를 하기 위하여 고안된 기능성 복합막 및 투과증발 모듈 장치에 관한 것이다.

이러한 발명은 상부의 액체공급부 모듈과 중간부의 액체 공급부와 투과증발부를 동시에 갖춘 모듈, 그리고 하부의 투과증발부 모듈로 구분되는데 중간부의 모듈을 필요한 수만큼 기능성 복합막과 치밀하게 결합시켜 액체와 접촉하는 유효막면적을 넓게 함으로써 이루워진다.

또한 모듈 내부에서 기능성 복합막은 다공성의 서포터 필터 위에 장착된 후 액체와 기체의 기밀을 유지하기 위해 오-링 개스킷을 구비시킴으로써 이루워진다.

Description

기능성 투과증발 복합막 및 모듈장치

본 발명은 반도체 산업이나 액정표시산업으로 대표되어지는 전자공업분야에서 제조프로세서의 후반부에 정밀한 세정공정과 건조공정이 따르고 이 공정에서 여러 가지 고가의 고품질 화학약품이 초순수와 함께 사용된 후 폐액처리되는데 이러한 고가의 약품을 투과증발막 분리기술을 이용하여 사용용도 및 목적기능에 맞는 약품으로 재활용하는데 있어서 보다 효과적이고 효율적으로 분리 정제를 하기 위해 고안된 투과증발 모듈 장치 및 고기능성 복합막에 관한 것이다.

일반적으로 유기액체혼합물은 증류 및 재결정 기술에 의해 산업적으로 분리되어지고 있는데 이러한 분리정제 기술은 특정 프로세서용 약품을 얻는데에 경비가 많이들고 그에 따른 많은 문제점이 뒤따르고 있다.

따라서 증류의 난점을 해결하고 에너지 절약 및 분리의 고효율화를 위해서 최근에 투과증발 막분리기술과 같은 에너지절약형 분리공정법이 매우 빠른 속도로 전환 발전되고 있다.

기존의 투과증발 막분리기술에 관한 연구는 주로 소규모의 투과증발 장치로부터 유기액체 혼합물의 투과증발 분리특성에 관한 내용이다.

그러나 투과증발막 분리기술을 기존의 분리공정에 응용하여 산업화시키기 위해서는 이에 적합한 투과증발용 모듈장치 및 기능성 분리막에 관한 연구가 선행되어야 한다.

투과증발 막분리기술을 이용한 액체혼합물의 분리방법은 주로 유기수용액에 관한 것으로 분리막의 선택적 기능에 따라 두가지 방법으로 나누어진다.

그 중 한 방법은 물/유기용제 혼합계에 대한 유기용제의 선택투과이며, 다른 한 방법은 물의 선택적 투과로서 탈수분리에 의한 농축이다.

실제적인면에 있어서 투과증발 공정에 의한 막분리기술의 실용범위는 대부분 탈수분리 농축에 초점이 모아진다. 따라서 이러한 기능을 갖는 분리막의 개발로는 대부분 활성층에 강한 친수성기능을 부여함과 아울러 유효막면적을 넓게하여 물에 대한 선택성을 높여 투과성을 향상시키는 것으로서 모듈 및 막재료의 재질에 활발한 연구를 진행하고 있다.

그러나 풍부한 천연자원으로 그 기능성이 뛰어난 셀룰로오스 유도체인 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 바탕으로 하고 친수성이 강한 폴리아크릴산(PAA)을 활성층 소재로 탈수기능성을 향상시킨 투과증발막 개발에 관한 연구는 거의 전무한 상태이다.

본 발명은 CMC를 바탕으로 하고 그 표면위에 PAA를 활성분리층으로 한 투과증발용 복합막을 제막하기 위해 기능성을 부여한 CMC-counter ion(Na⁺, K⁺, Li⁺)를 각각 겔상태의 고분자용액으로 제조한 후 지지층으로 사용된 고밀도 폴리에스테르 부직포 펴면위에 균일한 두께를 갖도록 나이프코팅시키고, 그 표면위에 물에 대한 선택성을 향상시킨 활성층의 PAA-counter ion(Na⁺, K⁺, Li⁺)를 각각 캐스팅하여 열처리함으로써 구조화된 새로운 기능성을 갖는 복합막으로 기존의 분리막에 비해 물에 대한 선택투과성이 뛰어나 물을 효과적으로 제거함으로서 고효율적으로 특정프로세서용 약품을 농축할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 투과증발 막분리기술에 의한 유기액체혼합물의 분리에 있어서 보다 효과적이고 고효율적으로 분리정제를 하기 위해 이 공정에 적합한 분리막의 개발 및 유효막면적을 증가시킬 수 있는 모듈을 고안함으로써 분리시간에 걸리는 온도 및 시간을 단축시켜 에너지를 절약할 수 있고 또한 공비혼합물과 같은 물질의 분리에 따른 증류의 난점을 해결할 수 있도록 한 것이다.

이러한 본 발명은 CMC를 바탕으로 하고 그 표면위에 PAA를 활성분리층으로 한 투과증발용 복합막을 제막하기 위해 기능성을 부여한 CMC-counter ion(Na⁺, K⁺, Li⁺)를 각각 겔상태의 고분자용액으로 제조한 후 지지층으로 사용된 고밀도 폴리에스테르 부직포 펴면위에 균일한 두께를 갖도록 나이프코팅시키고, 그 표면위에 물에 대한 선택성을 향상시킨 활성층의 PAA-counter ion(Na⁺, K⁺, Li⁺)를 각각 캐스팅하여 열처리함으로써 구조화된 새로운 기능성을 갖는 복합막으로 기존의 분리막에 비해 물에 대한 선택투과성이 뛰어나 물을 효과적으로 제거함으로서 고효율적으로 특정프로세서용 약품을 농축할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 투과증발 공정에서 액체와 접촉하는 유효막면적을 넓혀 보다 효율적으로 여러 가지 고가의 고품질 화학약품을 얻기위해 상부의 액체공급부 모듈과 중간부의 액체공급부와 투과증발부를 동시에 갖춘 모듈, 그리고 하부의 투과증발부 모듈로 구성되는데 이 때 모듈의 구성단위는 투과증발 평막을 필요한 수만큼 여러개의 중간부의 모듈에 치밀하게 장착하여 결합시킴으로써 이루어진다.

이러한 본 발명은 새로운 분리기술분야로 공비혼합물과 같은 물질을 분리하는데 적용함으로서 에너지절약 및 증류의 난점을 해결할 수 있고 또한 모듈의 결합형태에 따른 공급과 투과를 동시에 구비시킴으로써 공급액의 온도를 쉽게 조절하여 에너지를 절약할 수 있다.

그리고 중간부의 모듈은 다단으로 치밀하게 적층할 수 있으므로 처리용량에 따라 유효막 면적은 더 넓게 할 수 있고 투과증발 공정에 따른 액체 뿐만 아니라 기체 분리에도 사용할 수 있도록 한 다용도의 모듈로 분리공정에 대한 효율성을 높일 수 있다.

또한 분리막의 형태에 있어서 모든 평막은 이 모듈에 장착하여 운용할 수 있으므로 투과증발 분리공정의 범위를 보다 넓게 적용할 수 있다.

한편 투과증발 복합막의 발명은 새로운 기능성을 갖는 복합막으로서 기존의 분리막에 비해 물에 대한 선택투과성이 뛰어나 반도체 세정제로 초순수와 함께 사용되어 폐수로 배출되는 폐프로세서용 약품으로부터 물을 탈수분리하여 프로세서용약품을 농축하는데 고안된 모듈장치와 결합시킴으로서 에너지 절약형 분리공정으로 최적화할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 투과증발 구성단위모듈 장치 상세도

도 2 는 본 발명의 기능성 투과증발 복합막 상세도

도 3 은 본 발명의 액체 공급부 모듈 상세도

도 4 는 본 발명의 액체 공급부와 투과증발부를 동시에 갖는 모듈 상세도

도 5 는 본 발명의 투과증발부 모듈 상세도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

6 : 공급액 유입부 7 : 순환액 유출부

8 : 액체 공급부 모듈 9 : 투과증발부 모듈

10 : 액체공급/투과증발부 모듈 11 : 투과증발막

12 : 분리막 서포터 필터 13 : 다공성 스테인레스 서포터

14 : 오-링 개스킷 15 : 오-링 개스킷 가압부

18 : 테프론 유체흐름조절요소 19 : 상부액체흐름

20 : 하부증기흐름 21 : 투과증발부

22 : 진공 게이지 24 : 진공펌프

29 : 고밀도 폴리에스테르 부직포

30 : 기능성 카르복시메틸셀룰로오스

31 : 활성층 폴리아크릴산

도 1 은 본 발명의 기능성 복합막과 모듈을 결합하여 하나의 단위로 구성한 투과증발 모듈장치의 상세도로써

본 발명은 투과증발 복합막(11)을 이 모듈 장치에 필요한 수 많큼 장착함으로써 투과증발 공정에서 액체와 접촉하는 유효막 면적을 넓혀 보다 효과적이고 효율적으로 여러 가지 고가의 고품질 화학약품을 재활용할 수 있도록 분리 정제시킬 수 있고 또한 공급액 유입부(6)와 순환액 유출부(7) 및 투과증발부(21)을 동시에 구비시킴으로써 공급액의 유속 및 온도조절 그리고 투과증발 공정을 일정하게 유지시킨다.

투과증발막(11)을 결합시키기 위한 모듈의 기본단위는 도 3, 도 4 그리고 도 5 에 도시된 바와 같이 도 5 의 투과증발부 모듈(9)에 도 4 의 액체공급부와 투과증발부를 동시에 갖춘 모듈(10)을 필요한 수 만큼 적층하고 마지막으로 도 3 의 액체공급부 모듈(8)을 결합시킴으로써 구성된다.

이때 본 발명의 기능성 복합막(11)은 세부분으로 나누어지는 모듈시스템 사이에 장착됨으로써 하나의 투과증발 모듈 단위 시스템으로 구성된다.

도 1 의 구성단위 모듈시스템은 내부에서 투과증발막(11)을 경계로 하여 공급액유입부(6)를 통한 상부액체흐름(19)과 투과증발부(21)인 하부증기흐름(20)으로 구분되는데 모듈내부에서의 투과증발막(11)의 장착은 맨 하부에 다공성의 스테인레스 서포터(13)를 설치하고 그 위에 균일한 증기압차를 갖도록 분리막 서포터 필터(12)를 설치한 후 도 2 의 기능성 복합막을 위치하고 액체와 기체의 기밀을 유지하기 위해 오-링 개스킷(14)을 사용하여 고정시킨다.

이때 오-링 개스킷(14)은 적층되는 상부모듈의 오-링 개스킷 가압부(15)에 의해 실링됨으로서 액체나 기체의 새는 것을 방지할 수 있도록 정밀 설계되었다.

또한 모듈 내부에서의 공급액 유입부(6)를 통한 상부액체흐름(19)은 막표면에서 농도 분극 현상을 방지하기 위해 테프론유체 흐름 조절 요소(18)를 모듈내부에 설치함으로써 일정하게 난류의 흐름으로 유속을 유지시킨다.

공급액은 공급액펌프(3)를 통해 각 모듈의 공급액유입부(6)로 일정하게 유입시키고 유입되는 공급액은 온도센서(4)와 순환액 온도센서(5)에 의해 정밀하게 측정하여 제어함으로써 모듈내부에서 공급액의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.

그리고 농축액은 재순환 펌프(25)를 통해 공급 탱크(1)내에 저장되고 정밀분석 후 다시 도 1 의 모듈 시스템을 통과한 후 3-방향 밸브(26)작동에 의해 포집병(27)에서 실링된다.

한편 기능성 복합막(11)을 통한 투과된 증기는 투과증발부(21)를 따라 냉각트랩(23)에서 포집되어 드래인되고 전체 투과증발부(21)는 진공펌프(24)에 의해 감압함으로서 일정한 구동력을 갖도록 진공게이지(22)를 통해 확인 검출되어진다.

도 5 는 투과증발부 모듈의 상세도, 도 4 는 액체공급과 투과증발부를 동시에 갖춘 모듈의 상세도, 그리고 도 3 은 액체공급부 모듈의 상세도로서 이들 세 개의 모듈이 기능성 복합막(11)과 함께 순서로 결합된 상태가 기본 구성 단위 모듈이 된다.

여기서 도 4 의 모듈은 필요한 수만큼 투과증발막(11)과 함께 결합시킴으로써 유효막면적을 더 넓게 할 수 있고 또한 투과 증발 공정에 따라 모듈의 연결방식을 여러형태로 변형할 수 있는 특징이 있어 액체 뿐만 아니라 기체 분리에도 사용 할 수 있도록 고안된 다용도의 모듈로 특히 투과증발 분리공정에 대한 효율성을 높일 수 있다.

이때 도 3, 도 4 그리고 도 5 의 모듈의 결합은 8개의 상부피팅홀(16)과 하부나사피팅홀(17)을 통해 나사연결방식으로 조립되는데 하부나사피팅홀(17)은 모두 나사산을 이루도록 구성되어 있어 분리막을 교체할 경우 쉽게 분해 결합할 수 있는 특징이 있다.

한편 본 발명의 투과증발용 기능성 복합막은 도 2 에 나타낸 바와 같이 다공성의 고밀도 폴리에스테르 부직포(29)를 지지층으로 하고 그 표면위에 기능성을 부여한 CMC-counter ion(30)를 바탕으로 PAA-counter ion(31)를 활성층으로 하여 구조화시킨 새로운 탈수기능 복합막이다.

우수한 투과분리특성을 갖도록 기능성을 부여한 바탕의 소재인 CMC(30)는 주원료인 셀룰로오스에 가성소다를 작용시켜 알칼리 셀룰로오스를 만들고 여기에 모노클로로 아세트산을 반응시켜 셀룰로오스의 하이드록시기(-OH)를 카르복시메틸기(-CH₂COONa, -CH₂COOK, -CH₂COOLi)로 각각 치환하여 만들어진 치환도 1.06을 갖는 음이온성의 고흡수성 소디움카르복시메틸셀룰로오스(CMC-counter ion)이다.

그리고 물에 대한 선택성을 향상시킨 활성층의 PAA(31)는 초순수에 12∼15wt%용액을 만들고, 여기에 가교제로서 에틸렌글리콜(EG)을 PAA와 1:1의 비율로 첨가하고 또한 물선택기능으로 상대이온도입효과를 갖게 하기 위하여 적정 NaOH, KOH, LiOH를 각각 반응시켜 PAA-counter ion형(31)으로 하였다.

이렇게 해서 얻어진 복합막의 활성분리층의 평균두께는 약 20∼25㎛범위였다.

실시예

모듈형태 : 판틀형 투과증발 모듈

투과증발막 : CMC-Na⁺/PAA-K⁺형 기능성 복합막

유효막면적 : 4,520cm²

공급액 유속 : 100ℓ/hr

조작온도 : 60∼70℃

투과증발부 압력 : 0.7∼0.9 torr

냉각 시스템 온도 : -20℃(2단계 냉각방식)

공급액 : 반도체용 세정제 IPA (iso-propyl alcohol)

공급액 농도 : 95.04wt%

농축액 농도 : 99.90wt%

본 발명은 증류법에 의해 분리가 어려운 공비혼합물을 효과적으로 분리정제함으로써 증류의 난점을 해결하고 또한 기존의 증류법과 병행하여 응용함으로써 분리의 고효율화를 갖는 에너지 절약형 분리공정으로 최적화할 수 있다.

그리고 본 발명은 반도체 제조공정에서 폐액처리된 여러 가지 고가의 약품을 보다 효과적이고 효율적으로 분리정제하여 사용용도 및 목적기능에 맞는 약품으로 재활용함으로써 경제적 잇점을 비롯한 환경오염 예방을 재고할 수 있다.

또한 본 발명의 모듈은 조립방식으로 분리와 결합이 가능하여 쉽게 분리막을 교체할 수 있으며, 분리막은 평막형태이면 모두 모듈에 장착이 가능하기 때문에 분리공정에 따라 기체분리막, UF막(ultrafiltration membrane), NF막(nanofiltration membrane) 등의 분리공정에 있어서도 그 활용이 크게 기대된다.

Claims (4)

1. 투과증발막(11)을 치밀하게 장착하여 액체와 접촉하는 유효막면적을 필요로 하는 만큼 증가시킬 수 있도록 고안된 상부의 액체공급부 모듈(8), 중간부의 액체공급부와 투과증발부를 동시에 갖는 모듈(10), 하부의 투과증발부 모듈(9)로 구성하여 공급액유입부(6)와 순환액 유출부(7) 및 투과증발부(21)를 동시에 구비시킨 것을 특징으로하는 분리결합형 투과증발 모듈장치.
2. 제 1 항에서, 모듈장치에 장착된 분리막은 평막으로 기체분리막, UF막(ultrafiltration membrane), NF막(nanofiltration membrane) 등의 분리공정에도 활용할 수 있는 것을 특징으로 하는 본리결합형 투과증발 모듈장치.
3. 셀룰로오스 유도체인 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)에 상대이온 (Na⁺, K⁺, Li⁺)을 각각 도입하여 CMC-counter ion(30)을 기능성의 바탕으로 하고, 폴리아크릴산인 PAA에 상대이온(Na⁺, K⁺, Li⁺)을 각각 도입한 PAA-counter ion(31)을 기능성의 활성층으로 하여 고분자용액을 제조한 후 지지층으로 사용된 고밀도 폴리에스테르 부직포(29) 표면위에 균일한 두께로 나이프 캐스팅시키고, 열처리하여 구조화한 것을 특징으로 하는 탈수기능성의 투과증발 복합막.
4. 제 1항에서, 모듈장치내에는 기능성 투과증발 복합막의 치밀한 장착을 위해 맨 하부에 다공성의 스테인레스 서포터(13)를 설치하고 그 위에 균일한 증기압차를 갖도록 분리막 서포터 필터(12)를 설치한 후 기능성 복합막(11)을 위치하고, 오-링 개스킷(14)을 사용하여 액체나 기체의 새는 것을 방지할 수 있도록 정밀설계된 것을 특징으로하는 분리결합형 투과증발 모듈장치.