KR20090032803A - 이온교환섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 전기탈이온장치 - Google Patents

이온교환섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 전기탈이온장치 Download PDF

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Abstract

이온교환섬유 및 이를 이용하는 전기탈이온 장치가 개시된다. 이온교환섬유는 폴리프로필렌 부직포에 플라즈마를 이용하여 그라프팅된다. 그라프팅에 사용되는 단량체는 GMA이다. 또한, 그라프팅된 폴리프로필렌 부직포는 술폰화된다. 술폰화에 의해 형성된 이온교환섬유는 전기탈이온 장치에 적용된다. 이온교환섬유가 사용되는 전기탈이온 장치는 높은 이온교환용량, 높은 여과계수 및 비교적 높은 반응속도 상수를 얻을 수 있다.
이온교환수지, 이온교환섬유, 전기탈이온

Description

이온교환섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 전기탈이온 장치{Ion Exchange Textile, Method of manufacturing the same and Apparatus of using the same}
본 발명은 전기탈이온 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온교환섬유 및 이를 이용하는 전기탈이온 장치에 관한 것이다.
전기탈이온 공정은 초순수의 제조나 저농도의 유입수 내의 이온성 물질의 제거를 위한 공정이다. 특히, 전기탈이온 공정은 유입수의 이온농도가 매우 낮을 경우, 탈염실에 이온전도성 스페이서를 삽입함으로써 이온 전달을 촉진시키며, 높은 제거율을 가지도록 고안된 장치이다.
1987년 Milipore에 의해 Ionpure CDI라는 전기탈이온 장치가 상용화된 이래, 지금까지도 이온교환수지는 이온전도성 스페이서로 주로 사용되고 있다. 그러나, 운전중 수리적인 문제와 중력으로 인해 이온교환수지가 일부 영역으로 치중되는 현상이 발생하여 유속이 감소하며, 유효반응면적이 감소하여 제거효율이 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 이온교환수지 대신에 이온교환섬유를 이용하 는 방안이 제시되었다. 즉, 이온교환 스페이서로 이온교환섬유를 이용할 경우, 높은 투과계수, 수리적인 문제 및 시간에 따른 반응효율의 감소 등을 효과적으로 해결할 수 있다.
일본공개특허 제1996-16967호는 코어(core)/쉬스(sheath) 구조를 가지는 섬유에 전리성 방사선을 조사한 후, 중합가능한 단량체를 섬유에 그라프트 중합하여 섬유를 제조하는 방법과 서로 다른 종류의 고분자로 이루어진 코어/쉬스 복합 섬유의 쉬스부에 방사선 그라프트 중압에 의해 제조되는 이온교환섬유를 제공하는 기술을 개시한다. 상기 일본공개특허의 경우, 섬유의 쉬스부가 전리성 방사선 조사에 의해 라디칼 생성이 일어나며, 코어부는 라이칼 생성이 어려운 특징을 가지므로 이온 전도성 특성이 떨어지는 문제점이 있다.
한국공개특허 제1998-13671호는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌-폴리에틸렌 공중합체 등 폴리올레핀계 섬유에 대해 방산선 그라프트 중합법을 수행하는 기술을 개시한다. 상기 공개특허는 그라프트 반응시, 그라프트 용액에 금속염과 산을 첨가한다. 그러나, 사용되는 산은 Ca2 +나 Mg2 +와 같은 약염기로부터 양이온을 용이하게 제거할 수는 있으나, Na+나 K+과 같은 강염기로부터 양이온을 제거하는 능력에는 한계를 가진다.
한국공개특허 제2001-109848호는 방사선을 이용하여 기상 그라프트 중합법을 사용한다. 이는 상기 한국공개특허 제1998-13671호와 마찬가지로 단량체로 아크릴계를 사용하는 경우와 강염기로부터 양이온을 제거하는 스틸렌계를 사용하는 경우 로 구분된다. 특히, 스틸린계의 단량체를 사용하는 경우, 이온교환섬유의 밀도가 높아 여과계수가 저하되며, 시간당 처리능력이 감소하게 된다.
한국공개특허 제2002-09927호는 방사선 그라프트 이온교환섬유에 관한 것으로, 제조되는 이온교환섬유는 소디움 설폰산과 비닐벤젠 트리메틸 암모늄 클로라이드를 직접 폴리프로필렌에 그라프팅한 것이다. 사용되는 단량체는 폴리프로필렌에 대해 낮은 친화성을 가지므로 낮은 그라프팅율과 낮은 이온교환용량 및 높은 소모전력을 보인다.
상술한 선행기술들은 산업상 적용시 많은 문제점을 노출하는데, 우선 감마선을 이용하여 이온교환섬유를 제조하는 경우, 방사선의 취급 특성상 국가공인기관에서만 제조가 가능하여 산업계에서 실제 사용에 제약이 따른다. 또한, UV조사를 이용하여 제조하는 경우, UV의 유용성 때문에 실제적인 적용이 가능하나, 고가의 단량체 사용으로 인해 대량생산에 제약이 따른다.
따라서, 선행기술들의 기술적 문제점을 극복하기 위해 기존의 제조법과 차별화된 방법을 이용하여 높은 이온교환용량과 높은 제거율을 가지는 이온교환섬유 및 이를 이용한 전기탈이온 장치가 요청된다 할 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 제1 목적은 높은 이온교환용량, 높은 제거율 및 빠른 반응속도를 가지는 이온교환섬유를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적을 달성하기 위해 사용되는 이온교환섬유의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 제3 목적은 상기 제1 목적에 따른 이온교환섬유를 이용하는 전기탈이온 장치를 제공하는데 있다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 폴리프로필렌 부직포에 대해 플라즈마 그라프팅을 이용하고, 술폰화 과정을 거쳐서 형성된 하기의 화학식의 이온교환섬유를 제공한다.
Figure 112007070242657-PAT00001
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 폴리프로필렌 부직포를 준비하는 단계; 상기 폴리프로필렌 부직포에 GMA 단량체를 그라프팅시켜서 GMA-폴리프로필렌 부직포를 형성하는 단계; 및 상기 GMA-폴리프로필렌 부직포를 술폰화하는 단계를 포함하는 이온교환섬유의 제조방법을 제공한다. 상기 이온교환섬유는 상기 제1 목적의 달성에 의해 제공되는 상기 화학식의 이온교환섬유이다.
또한, 상기 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유입수로부터 이온이 분리되는 탈염실; 상기 탈염실로부터 제1 양이온 교환막을 통해 양이온이 농축되는 양이온 농축실; 상기 탈염실로부터 제1 음이온 교환막을 통해 음이온이 농축되는 음이온 농축실; 이온의 분리에 필요한 전계를 전달하기 위한 전해질 용액이 보관되고, 상기 음이온 농축실과 양극 사이에 배치되는 제1 전해조; 및 상기 전해질 용액이 보관되고, 상기 양이온 농축실과 음극 사이에 배치되는 제2 전해조를 포함하고, 상기 탈염실은 상기 제1 목적에서 제공되는 이온교환섬유로 충진되는 것을 특징으로 하는 전기탈이온 장치.
본 발명에 따르면, 플라즈마 그라프팅을 이용하는 이온교환섬유는 차세대 청정분리 기술인 전기탈이온 공정에 사용될 수 있다.
또한, 기존의 이온교환섬유의 제조의 문제점인 방사선의 사용을 배제하므로 안정성을 확보할 수 있으며, 일반 산업계에서 도입이 용이한 플라즈마 장치를 이용하여 제조함으로서 상용성을 확보할 수 있다.
또한, 제조방법에서도 기존의 방법과 차별되는 방법을 사용함에 따라 기존의 방사선 그라프트 이온교환섬유가 가지는 한계인 낮은 이온교환용량과 높은 소모전력을 극복할 수 있다. 또한, UV그라프트 이온교환섬유가 가지는 높은 단량체 가격을 상업적으로 이용가능한 새로운 단량체를 이용함으로서 상용화의 가능성을 더욱 증가시킨다.
본 발명은 폴리프로필렌 부직포에 플라즈마 그라프트 방법을 이용하여 이온교환섬유를 제조하며, 제조된 이온교환섬유를 전기탈이온 장치에 적용하여 높은 제거율과 빠른 반응속도를 획득한다.
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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 이온교환섬유의 합성반응을 설명 하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 부직포에 단량체를 그라프팅시킨다. 상기 그라프팅은 플라즈마 조사에 의한다. 단량체로는 GMA(Glycidal Methacrylate Solubility)를 사용한다. GMA 구조는 도 2에 도시된다.
먼저, 폴리프로필렌 부직포를 소정의 크기로 절단하고, 메탄올을 용매로 이용하여 초음파 세척을 수행한다. 초음파 세척후, 잔류하는 용매를 제거하기 위해 오븐에서 약 60℃에서 24시간 동안 건조시킨다. 상기 도 1에서 폴리프로필렌 부직포의 분자식에서 n은 100 내지 10,000이다.
단량체로 정제된 GMA를 이용한다. 정제된 GMA를 얻기 위해, 플라즈마 장치 내에서 진공상태로 단량체를 냉각/용해하는 과정을 반복하여 단량체에 잔류하는 가스를 완전히 제거한다. 이를 통하여, 단량체인 GMA가 그라프팅될 때, 방해가 되는 O2 및 기타 불순 가스를 제거한다. 이러한 냉각/용해 과정은 3회 이상 반복하여 수행함이 바람직하다.
또한, 세척 및 건조가 완료된 부직포를 플라즈마 장치 내에 투입하고, 플라즈마 가스에 노출하여 부직포상에 라디칼을 형성한다. 상기 플라즈마 가스는 Ar 플라즈마 임이 바람직하다.
계속해서, 부직포를 진공상태에서 GMA 용액에 침지시켜서 GMA 단량체를 폴리프로필렌 부직포에 그라프팅시킨다. 반응온도는 30℃ 내지 90℃임이 바람직하다. 그라프팅에 의해 GMA-포리프로필렌 부직포가 형성된다. 상기 도 1에서 GMA-폴리프 로필렌 부직포에 대한 화학식에서 n:m은 약 1:1이 바람직하다.
이어서, 상기 도 1에 도시된 GMA-폴리프로필렌 부직포를 술폰화 용액에 침지하여 술폰화를 시킨다. 상기 술폰화 용액은 NaHSO3용액이 적합하다. 또한, 반응온도는 40℃ 내지 100℃이다.
상술한 과정을 통해, 플라즈마를 이용한 이온교환섬유를 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 이온교환섬유를 이용한 전기탈이온 장치를 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기탈이온 장치는 탈염실(100), 탈염실(100)의 양쪽에 구비된 음이온 농축실(150A) 및 양이온 농축실(150B), 음이온 농축실(150A)과 양극(180) 사이에 구비된 제1 전해조(170A) 및 양이온 농축실(150B)과 음극(190) 사이에 구비된 제2 전해조(170B)를 가진다.
다만, 상기 2개의 전해조들(170A, 170B)은 실시의 변경에 따라 하나의 전해조로 변경될 수 있다.
먼저, 탈염실(100)은 상기 도 1에 도시된 이온교환섬유가 스페이서로 충진된다. 이온교환섬유로 충진된 탈염실(100)의 주변은 제1 음이온 교환막(110) 및 제1 양이온 교환막(120)이 구비된다. 먼저, 탈이온이 요청되는 유입수가 공급된다. 예컨대, 상기 유입수에는 코발트 이온(Co2+)가 함유되어 있다고 가정한다.
탈염실(100)에 충진된 이온교환섬유에 의해 코발트 이온은 유입수로부터 분리되고, 제1 양이온 교환막(120)을 통해 양이온 농축실(150B)로 전달된다. 또한, 유입수 중에 포함된 수소 이온도 제1 양이온 교환막(120)을 통해 양이온 농축실(150B)로 전달된다. 양이온이 제1 양이온 교환막(120)을 통과하는 것은 양측에 구비된 양극 및 음극에 인가되는 전계에 의해 달성된다. 또한, 제1 전해조(170A) 및 제2 전해조(170B)를 환류하는 전해질 Na2SO4 용액이 전계를 전달한다.
또한, 전계에 의해 음이온은 제1 음이온 교환막(110)을 통해 음이온 농축실(150A)로 전달된다.
제1 양이온 교환막(120)을 통해 양이온 농축실(150B)로 전달된 양이온들은 제2 전해조(170B)와 양이온 농축실(150B) 사이에 구비된 제2 음이온 교환막(140)에 의해 이동이 차단된다. 즉, 제2 음이온 교환막(140)은 음이온을 통과시키는 성질이 강하므로 양이온 농축실(150B)로 전달된 양이온은 제2 전해조(170B)로 전달되지 아니한다. 또한, 음극에서 발생되는 전계에 의해 양이온 농축실(150B)에 포함된 음이온들은 척력의 작용을 받는다. 따라서, 양이온 농축실(150B)에 구비된 양이온들은 제2 음이온 교환막(140)에 의해 이동이 차단되고, 음이온들은 음극에서 발생되는 전계에 의해 이동이 차단된다.
음이온 농축실(150A)과 제1 전해조(170A) 사이에는 제2 양이온 교환막(130)이 구비된다. 통상적인 양이온 교환막은 전계의 작용에 의해 양이온만을 투과시키므로, 음이온 농축실(150A)에 전달된 음이온들은 제1 전해조(170A)로 이동하지 않는다. 또한, 전계는 양극으로부터 음극으로 향하므로, 음이온 농축실(150A)에 포함될 수 있는 양이온들도 전계의 척력에 의해 제2 양이온 교환막(130)을 통과하지 못 하고, 음이온 농축실(150A)에 잔류한다.
또한, 탈염실(100)과 농축실들(150A, 150B)에 전계 및 에너지를 전달하기 위해 전해조의 전해액은 환류한다.
<실험예 1>
본 실험예에서는 상기 도 1에 도시된 이온교환섬유의 특성 및 전기탈이온 특성을 파악하기 위해 이온교환용량 및 수분함량을 측정한다. 또한, 상기 도 3에 도시된 전기탈이온 장치에서 전류밀도 1.5mA/cm2에서 탈염실 및 농축실에서의 유속은 6cm/sec로 설정하였으며, 각각의 셀당 50cm2의 표면적으로 1셀쌍(cell paits)에 대해 수행되었다.
이온교환용량( ion exchange capacity )
이온교환용량을 조사하기 위해 상기 도 1에 의해 제조된 이온교환섬유를 0.1g씩 100㎖의 삼각플라스크에 넣고 1.2N 수산화나트륨을 넣어 24시간 동안 교반한다. 그후, 상등액 10㎖를 분취하여 0.1N 염산으로 적정하고, 하기의 식(1)에 의해 이온교환용량을 계산하였다.
(1)
Figure 112007070242657-PAT00002
상기 식(1)에서 NHCl은를 나타내로, VHCl은를 나타내고, NNaOH는를 나타내고, Vsample은를 나타낸다. 또한, g of dry sample은 이온교환섬유 또는 실험대상의 질량을 나타낸다.
전기탈이온 장치의 제거효율(%)
이온교환섬유를 탈염실에 충전한 다음 전기탈이온 장치의 제거율을 측정하였다. 실험에 사용된 전기탈이온 장치는 셀(cell)당 50 ㎠, 1 셀(cell pair)에서 수행되었으며 탈염실과 농축실의 유속은 6 cm/min이다. 사용된 유입수는 Co(NO3)2 10ppm이며, 농축액은 500 ㎲/㎝ Na2SO4이며 전극세척용액(electrode rinse solution)의 경우 500 ㎲/㎝의 Na2SO4가 사용되었다. 적용된 전류밀도 1.5 ㎃/㎠에서 6시간 동안 실시되었다. 스택구성은 전기탈이온 스택내의 침전현상을 억제하기 위해 양이온교환섬유를 충전한 다음 그 위에 음이온교환섬유를 충전한 다층식 충전방법이 적용되었다.
반응속도상수
이온교환섬유의 흡착 동력학(Sorption Kinetics)을 조사하기 위해 유입수는 Co(Ⅱ) 50~150mg/ℓ 범위의 농도에서 수행되었다. 이온교환섬유와 유입수 사이의 평형상태는 다음의 식(2)와 같이 평가한다.
(2)
Figure 112007070242657-PAT00003
상기 식 (2)에서 k1은 정반응 속도상수이며, k2는 역반응 속도상수이다. 또한, 총괄 속도상수는 k=k1+k2로 정의된다.
여과계수
여과계수는 얼마만큼의 수량이 단위시간에 단위면적당 투과하였나를 표시하는 인자이다. 이온교환섬유의 여과계수(Permeability Coefficient; CP)를 조사하기 위해 유량계와 압력계를 설치한 후, 하기의 식(3)에 따라 여과계수를 계산한다.
(3)
Figure 112007070242657-PAT00004
상기 식 (3)에서 CP는 여과계수를, J는 단위면적당 여과수의 양(ℓ/hr·m2)을 나타내고, L은 이온교환섬유의 두께를 나타낸다. 또한, △P는 압력의 변화량을 나타낸다.
하기의 표 1은 본 발명의 플라즈마 그라프트된 이온교환섬유, 기존의 이온교환섬유 및 이온교환수지와의 특성들을 비교한 것이다.
[표 1] 특성비교표
실험예 실시항목 플라즈마 그라프트된 이온교환섬유 방사선 그라프트된 이온교환섬유 이온교환수지(AMBERLITE-IRN77)
이온교환용량 (meq/g dry) 2.83 0.65 1.9
여과계수 (ℓ/hr·m·atm) 21,200 17,800 9,000
총괄속도상수 k=k1+k2(h-1) 9.92 5.40 1.46
전기탈이온 장치의 제거효율 99.1 99.1 99
상기 [표 1]에서 알수 있는 바와 같이 플라즈마 그라프트를 이용한 이온교환섬유는 기존의 이온교환수지 및 방사선 그라프트를 이용하는 이온교환섬유보다 높은 이온교환용량, 높은 여과계수 및 비교적 높은 반응속도 상수를 보여준다.
또한, 전기탈이온 시스템에서의 이온의 제거는 이온교환섬유의 전기전도도에 의해 결정된다. 즉, 이온교환매개체인 이온교환섬유의 자체 전도도가 전기탈이온 시스템에서의 전류의 증가를 유발하며, 높은 이온 제거효율을 유도한다.
상기 표 1에서 본 발명에 따른 이온교환섬유는 높은 이온교환용량을 가지므로 전기탈이온 장치 내에서 저항을 감소시키며, 높은 반응상수로 인해 이온교환반응을 촉진시킨다.
상기 이온교환섬유가 이온교환수지보다 큰 반응상수를 가지는 이유는 물질의 구조적인 특성에 기인하는데, 이는 이온교환수지에서 보이는 가교결합이 본 발명에 따른 이온교환섬유에는 존재하지 않기 때문이다. 가교결합이 배제됨에 따라 이온의 이동은 관능기의 연속적인 연결에 의해 매우 빠르게 진행된다.
또한, 상기 표 1에서 본 발명에 따른 전기탈이온 장치의 제거율은 99% 이상 임을 알 수 있다. 이를 통해 기존의 이온교환섬유나 이온교환수지에 대한 대체물질로서 본 발명의 이온교환섬유가 적합한 것을 알 수 있다.
<실험예 2>
이온교환섬유를 탈염실에 충진한 다음, 전기탈이온 장치의 제거율을 측정한다. 실험에 사용된 전기탈이온 장치는 유효막면적 50cm2의 1셀(cell pair)에서 수행되었으며, 탈염실과 농축실에서의 유속은 6cm/min이다. 사용된 유입수는 Co(NO3)가 10ppm 포함되었으며, 농축액과 전극액은 500 ㎲/㎝ Na2SO4가 사용되었다. 전류밀도 1.5mA/cm2에서 6시간 동안 전기탈이온 동작이 수행되었다. 스택구성은 전기탈이온 장치 내의 침전현상을 억제하기 위해 AMBERLITE IRN77 양이온교환수지를 충진한 다음, 그 위에 AMBERLITE IRN77 음이온교환수지를 충전한 다층식 충전방법이 적용된다.
도 4는 본 발명의 전기탈이온 장치에 이온교환섬유와 기존의 이온교환수지를 충전한 경우의 제거율 변화를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 이온교환섬유가 충진된 전기탈이온 장치는 종래의 이온교환수지보다 더 빨리 정상상태에 도달함을 알 수 있다. 또한, 제거효율에서도 기존의 이온교환수지보다 더 높은 제거율을 보임을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리프로필렌 부직포와 GMA가 그라프팅된 폴리프로필렌 부직포에 대한 SEM 이미지들이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 두께가 49um인 폴리프로필렌 부직포에 비해 GMA가 그라프팅된 폴리프로필렌 부직포는 54um의 두께를 가지는 것으로 조사되었다. 즉, 그라프팅을 통해 폴리프로필렌 부직포의 두께는 증가하였는데, 이는 폴리프로필렌 부직포의 표면에 플라즈마 그라프트 중합법에 의해 단량체인 GMA가 효과적으로 결합함을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리프로필렌 부직포, GMA가 그라프팅된 이온교환섬유 및 술폰화된 이온교환섬유의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 6을 참조하면, 그래프 (a)는 술폰화된 이온교환섬유를, (b)는 GMA가 그라프팅된 이온교환섬유를, (c)는 폴리프로필렌 부직포의 FT-IR 스펙트럼이다. 상기 도 6을 통해 본 실시예의 이온교환섬유의 중합상태(polymerization)를 확인할 수 있다.
특히, 1715~1740(1730) cm-1에서 GMA에 함유된 카르보닐 그룹의 특성 피트가 나타나며, 1210~1230 cm-1에서 황의 특성피크가 나타난다. 또한, 750~770, 1230~1280 cm-1에서 GMA의 C-O-C의 특성피크가 나타난다. 또한, 3200~3400 cm-1에서 에폭시 그룹으로부터의 OH가 발견된다. 즉, 술폰 그룹이 반응하였음을 알 수 있다. 따라서, 폴리프로필렌 부직포 상에 GMA 그라프팅이 성공적으로 수행되었으며, 술폰화 반응 또한 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.
<실험예 3>
본 실험예에서는 이온교환섬유의 전기전도도를 측정하여 전기탈이온 장치에 적용하는 것이 접합한지를 조사한다. 본 발명의 이온교환섬유의 전기전도도는 양쪽에 교류전원을 연결하여 저항을 측정하는 것이다. 전극은 백금 전극을 사용하며, 측정된 저항에 역수를 취하여 전기전도도를 구한다.
또한, 전극의 거리와 면적은 표준 용액을 이용하여 구한다. 용액은 Co(NO3)2를 이용하여 25℃의 수조에서 평형상태에 도달할 때까지 순환시킨다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온교환섬유의 전기전도도를 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 이온교환섬유의 Equiconductance point가 약 1700 ㎲/cm로 나타나며, 이는 전기탈이온 장치에 적용시, 유입수의 범위가 1700㎲/cm 내에서 사용가능함을 나타낸다. 일반적으로 전기탈이온 장치의 유입수는 역삼투 공정의 유출수로 5㎲/cm 내에서 결정된다. 즉, 5㎲/cm 이내의 범위에서 이온교환섬유의 전기전도도가 유입수의 전도도보다 훨씬 높으므로 전기탈이온 장치의 탈염실에 적용되는 플라즈마 그라프팅된 이온교환섬유는 매우 뛰어난 성능을 가진다.
따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 그라프팅된 이온교환섬유는 차세대 청정분리 기술인 전기탈이온 공정에서 사용될 수 있다. 또한, 상수와 하수에서의 유해이온의 제거, 도금폐수 또는 식품폐수에서의 탈염, 원자력발전소의 일차냉각수 정화 및 보충수 제조에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 이온교환섬유의 합성반응을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 GMA를 나타내는 화학식이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 이온교환섬유를 이용한 전기탈이온 장치를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 전기탈이온 장치에 이온교환섬유와 기존의 이온교환수지를 충전한 경우의 제거율 변화를 도시한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리프로필렌 부직포와 GMA가 그라프팅된 폴리프로필렌 부직포에 대한 SEM 이미지들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리프로필렌 부직포, GMA가 그라프팅된 이온교환섬유 및 술폰화된 이온교환섬유의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온교환섬유의 전기전도도를 측정한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 탈염실 150A : 음이온 농축실
150B : 양이온 농축실

Claims (9)

  1. 폴리프로필렌 부직포에 대해 플라즈마 그라프팅을 이용하고, 술폰화 과정을 거쳐서 형성된 하기의 [화학식 1]의 이온교환섬유.
    [화학식 1]
    Figure 112007070242657-PAT00005
  2. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 n:m은 1:1인 것을 특징으로 하는 이온교환섬유.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 그라프팅에 이용되는 단량체는 GMA인 것을 특징으로 하는 이온교환섬유.
  4. 제1항에 있어서, 상기 술폰화는 상기 그라프팅된 폴리프로필렌 부직포를 술폰화용액인 NaHSO3 용액에 침지시키는 것을 특징으로 하는 이온교환섬유.
  5. 폴리프로필렌 부직포를 준비하는 단계;
    상기 폴리프로필렌 부직포에 GMA 단량체를 그라프팅시켜서 GMA-폴리프로필렌 부직포를 형성하는 단계; 및
    상기 GMA-폴리프로필렌 부직포를 술폰화하는 단계를 포함하는 이온교환섬유의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 GMA-폴리프로필렌 부직포를 형성하는 단계는,
    상기 폴리프로필렌 부직포를 플라즈마 가스에 노출시켜서, 상기 폴리프로필렌 부직포 상에 라디칼을 형성하는 단계; 및
    상기 라디칼이 형성된 폴리프로필렌 부직포를 GMA 용액에 침지시켜서, GMA 단량체를 상기 폴리프로필렌 부직포에 그라프팅시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온교환섬유의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마 가스는 Ar 플라즈마이며, 상기 그라프팅의 반응온도는 30℃ 내지 90℃인 것을 특징으로 하는 이온교환섬유의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 술폰화하는 단계는 상기 GMA-폴리프로필렌 부직포를 NaHSO3 용액에 침지시키고, 40℃ 내지 100℃에서 반응시키는 것을 특징으로 하는 이 온교환섬유의 제조방법.
  9. 유입수로부터 이온이 분리되는 탈염실;
    상기 탈염실로부터 제1 양이온 교환막을 통해 양이온이 농축되는 양이온 농축실;
    상기 탈염실로부터 제1 음이온 교환막을 통해 음이온이 농축되는 음이온 농축실;
    이온의 분리에 필요한 전계를 전달하기 위한 전해질 용액이 보관되고, 상기 음이온 농축실과 양극 사이에 배치되는 제1 전해조; 및
    상기 전해질 용액이 보관되고, 상기 양이온 농축실과 음극 사이에 배치되는 제2 전해조를 포함하고,
    상기 탈염실은 하기의 [화학식 2]로 표현되는 이온교환섬유로 충진되는 것을 특징으로 하는 전기탈이온 장치.
    [화학식 2]
    Figure 112007070242657-PAT00006
    상기 화학식 2에서 n:m은 1:1이다.
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