KR20110021712A

KR20110021712A - 고분자 하이브리드막

Info

Publication number: KR20110021712A
Application number: KR1020107019624A
Authority: KR
Inventors: 아쇽 쿠마 슈클라; 세투라만 피츄마니; 파르타사라티 스리다르; 산토스쿠마 다타트레이 바트; 아야판 마노카란; 아키라 쿠마 사후
Original assignee: 카운실 오브 사이언티픽 엔드 인더스트리얼 리서치
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2011-03-04
Also published as: EP2249950B1; CN102006924A; CA2717354A1; WO2009110001A1; CA2717354C; JP2011518230A; CN102006924B; JP5528357B2; KR101575696B1; EP2249950A1

Abstract

본 발명은 공기 가습을 위한 신규한 고분자 하이브리드 막에 관한 것이다. 고분자 전해질 연료 전지 스택에서 공기 가습을 위한 새로운 자가-지지(self-supported) 하이브리드 막을 생성하기 위하여 무기 필러로서 몬모릴로나이트(MMT)를 가지는 키토산(CS)-하이드록시 에틸 셀룰로오스(HEC)를 포함하는 천연 고분자가 개시된다.

Description

고분자 하이브리드막{A POLYMERIC HYBRID MEMBRANE}

본 발명은 신규한 고분자 하이브리드막에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 산성 매질과 교차결합된 키토산(chitosan)[CS], 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose)[HEC] 및 몬모릴로나이트(montmorillonite)[MMT]를 포함하는 막을 제공한다. 본 발명의 새로운 유형의 고분자 막은 공기 가습(air humidification)에 효과적일 뿐만 아니라, 경제적이다.

막-기반 공기 가습은 고분자 전해질 연료 전지(polymer electrolyte fuel cell)(PEFCs)의 장기적인 작동에 있어 중요하다. 이 효력에서, 가습된 공기가 PEFC 스택의 캐소드 챔버로 공급된다. 일반적으로 Nafion® 막으로 형성된, 막 가습기(mambrane humidifier)를 통해 효율적으로 공기가 가습된다. 그런 가습기에서, 액체 물 및 건조 공기가 막을 통해 물 활성 구배(water activity gradient)를 생성하는 막의 양쪽으로 공급되고, 그로 인하여 공기를 가습하는 막/공기 경계에서 연속하여 증발하는 막을 통해 물 쪽에서 공기 쪽으로 물을 확산시킨다. 압축된 공기는 일반적으로 너무 건조하여 고분자 전해질 연료 전지에서 사용할 수 없고 반면에 대기 중의 공기는 습도 및 구성이 상당히 다양하여 요구조건을 충족하지 못할 수도 있기 때문에, 가습된 공기의 사용은 의무적이다.

다른 유형의 막, 즉 셀로판, Nafion® 및 다른 초여과 및 역삼투막은 양과 에너지 소비를 최적화하기 위하여 PEFC 스택을 가습하는데 채택되었다. 두 가지 방법의 공기 가습, 즉 외부 가습 및 내부 가습이 있다. 외부 가습기의 대부분은 PEFC 스택에 가습 공기의 공급을 유지하기 위하여 건조한 기류로 수증기를 주입하는 버블 가습기(bubble humidifier)이다. 그러나 그런 시스템은 복잡하고 기생하는 에너지 소비를 추가한다. 대조적으로, 내부 가습에 있어서, PEFC 스택 자체에서의 생성된 물이 스택에 가습 공기의 공급을 유지하기 위하여 이용된다. 후자가 고성능 연료 전지 작동을 달성하는데 적합하다. 가습 목적을 위해, 막은 투수성이어야 하고 반응가스(reactant gas) 또는 다른 구성요소의 수송을 방지되어야 한다.

옥시던트 공기(oxidant air)와 같은 반응가스가 연료 전지 배출가스의 생성물인 수증기에 의해 가습되는 연료 전지 스택에 있어 가습기는 중요하다. 막의 기계적 성질이 향상되면 가습기 구조가 더 간단해진다. 따라서 어떤 가습 막(humidifying membrane)도 물 분자가 막의 경계(interface)에서 수착(sorption)되고, 농도 구배에 기인하여 막을 통해 확산되며(속도 결정 단계(rate-determining step)) 수증기 상태로 탈착(desorption)되는 투석증발(pervaporation; PV)의 원리를 따를 필요가 있다. 이 단계는 가습 프로세스 동안 높은 유량(water flux)을 알게 할 수 있다. 그런 상황은 또한 상기 특성과 일치하는 막을 주문 설계할 수 있게 한다. 그러므로, 많은 물 유출 및 물에 대한 선택성을 제공하는 새로운 하이브리드 고분자를 찾는 것은 가습 과정에 적합한 막을 생성할 수 있는 고분자 물질을 적합하게 선택하는 것에 달려 있다. 미국특허 6,864,005는 소수성 고밀도 폴리에틸렌 및 첨가제로서 친수성 실리카와 같은 마이크로포어(microporous) 고분자를 포함하는 투수성 막을 채택하는 막 교환 가습기(membrane exchange humidifier)를 기술한다. 그러나, 그런 조합에서 소수성 배리어(hydrophobic barrier)가 존재하기 때문에 원하는 가습 공기 출력을 위한 물 유출이 제한된다는 단점이 있다.

미국특허 6,416,895는 다른 가습 방법을 개시한다. 특히, 본 발명은 연료 전지 시스템 및 방법에 관한 것으로, 연료 전지에 의해 생성된 열과 수증기가 연료 전지로 도입되기 전에 반응가스 흐름을 가습하는데 이용된다. 그러나, 여기에 기술된 방법은 복잡하고 막 및 다른 관련 구성요소에 대한 비용이 추가된다.

미국특허 5,348,691은 기류로의 미생물(microbe), 미립자, 용해된 염 및 물의 수송을 방지하는 이온제거기(demineralizer) 없이 정상적인 질의 음료수로 작동할 수 있는 막 가습 장치(membrane humidifying device)를 제공한다. 여기에서 채택된 막은 퍼플루오로카본 술폰산(perfluorocarbon sulfonic acid) 및 폴리스티렌 술폰산 고분자(polystyrene sulfonic acid polymers)에서 선택된 친수성 이온교환막(hydrophilic ion-exchange membrane)이다. 그러나, 막 가습 장치는 몇몇 인접한 층으로 복합하며, 각각 은, 알루미늄, 스테인리스 및 그들의 혼합물로 이루어진 금속 스크린을 통해서 분리된 친수성 막을 포함한다. 미국특허 5,996,976은 서로 간격을 둔 튜브, 시트 및 관 형태의 시트(tubulated sheet)의 형태로 퍼플루오로화 고분자(perfluorinated polymer)와 같은 투수성 고분자막을 이용하는 가습기를 설명하며, 각 막은 가스 통과 및 물을 공급한다. 그러나, 큰 기류에 있어, 시스템을 복작학 하고 비용 추가뿐만 아니라 전체 부피가 증가하는 저유압 손실(low flow-pressure loss)을 가지는 큰 막을 제공할 필요가 있다.

미국특허 6,474,628은 가습기에 관한 것으로, 장치는 폴리아미드, 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리설폰(polysulfone) 및/또는 테프론-기반 물질을 가지는 공기 가습을 위해 채택된다. 본 발명은 또한 큰 표면영역으로 물을 분산시키는 것을 보장하기 위한 거친 여과기(coarse filter)를 사용할 수 있다. 그러나, 그와 관련된 결점은 공기 가습에 있어 많은 물 침투를 방해하는 이 고분자의 높은 소수성(hydrophobicity)이다.

미국특허 6,841,601은 열과 가습 교환 장치를 위한 교차-결합된 고분자 전해질 막을 개시한다. 막은 술폰화 스틸렌(sulfonated styrene)/올레핀 고분자 층에 부직포 나일론 강화제(non-woven nylon reinforcement)를 적층하여 얻어진다. 다른 보고된 유-무기 하이브리드 막은 무기물질로서 오르가노실란(organosilane)을 가지는 술폰화 스틸렌/에틸렌/프로필렌(sulfonated styrene/ethylene/propylene) 테이핑된 공중합체를 포함한다. 그러나, 본 발명은 열, 이온 및 가습를 전달하기 위한 상기 하이브리드 막을 적어도 하나 포함하는 단일 습도 교환 전지를 제공한다.

미국특허 6,413,298은 난방/환기/냉방장치(heating/ventilation/air conditioning systems)에서 습기를 교환하기 위하여 연료 전지에서 가습 가스용 물-전도성 막으로서 사용되는 올레핀 모노머를 가지는 술폰화 아크릴비닐 중합체(sulfonated arylvinyl polymer)로 구성된 물 및 이온 전도성막(water and ion conducting membrane)을 기술한다. 그러나, 거기에 관련된 결점은 복잡한 술폰화(sulfonation) 단계 및 막을 통해 물이 통과하기에 낮은 친수성(hydrophilicty)이다.

정확한 가습 공기 출력 Nafion®를 달성하기 위하여, Korean Journal of Chemical Engineering 22 (2005) 877에서 발행된, S.K. Park 등에 의한, "Characteristics of membrane humidifier for polymer electrolyte membrane fuel cells"이라는 표제의 논문 및 Journal of power sources 74 (1998) 146에서 발행된 K.H. Choi 등에 의한 "Study of the internal humidification of an integrated PEMFC stack"이라는 표제의 논문에서 폴리설폰(polysulfone) 및 폴리아미드 복합막을 채택하였다. 그러나, 이 막의 주요 제한은 높은 비용의 Nafion®, 가습 과정에 있어서 폴리설폰(polysulfone) 및 폴리아미드의 큰 포어 크기 및 가스 침투성이다. 이 막은 특정한 목적을 위해서만 디자인된 것이고 나중에 가습을 위해 개발되었다.

그러므로, 지금까지 공지된 공지 기술의 결점을 범위 내에서 유지하면서, 본 발명의 발명자는 효율적일 뿐만 아니라 경제적인, 가습 과정에 적당한 더 새로운 고분자막을 위한 신규한 조성물을 제공할 절박한 필요가 있다는 것을 깨달았다.

본 발명에서, 특히 가습 과정에 적합한 새로운 고분자 하이브리드 막 즉, 키토산(chitosan)(CS) - 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose)(HEC) - 몬모릴로나이트(montmorillonite)(MMT)를 개시한다. 그 자체로 CS는 불용성이지만 아세트산 수용액을 사용해서 CS에 존재하는 하이드록시기 및 아미노기를 적당히 변형하면 수용성으로 변할 수 있다. HEC는 수용성 셀룰로오스 에테르이다. CS와 호환되는 비이온성 고분자이며 또한 균질 혼합물을 형성할 수 있다. HEC는 친수성(hydrophilicity)을 개량하기 위하여 추가되고 MMT는 안정한 자기-지지(self-supported) 막을 형성하기 위해 높은 물 보유 및 기계적인 안정성을 위한 필러(filler)로서 사용된다. 본 발명에서, CS-HEC-MMT 고분자 하이브리드막은 가습 목적을 위해 탐구된다. 또한 본 발명에서 보고된 새로운 유형의 고분자 하이브리드막은 공기 가습에 효과적일 뿐만 아니라 비용-효과적이다.

본 발명의 주요 목적은 상술한 결점을 극복하는 공기 가습기에서 사용하는 대체적이고 경제적인 막을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가습 과정에서 적합성 및 호환성을 위해 무기 필러를 가지는 천연 고분자 하이브리드를 포함하는 새로운 고분자 막을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 최적량의 몬모릴로나이트(MMT) 필러를 가지는 키토산(chitosan)(CS) 및 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose) (HEC)를 포함하는 고분자 하이브리드막을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 다양한 막 두께로 용액 성형기술(solution casting technique)에 의하여 하이브리드 막을 제조하는 과정을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 산성 매질에서 교차결합한 키토산(chitosan)(CS)-하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose)(HEC)-몬모릴로나이트(MMT)를 포함하는 천연 고분자 및 그 하이브리드에 관한 것이다. 그러므로 본 발명은 공기가 통과할 수 없게 만들기에 충분히 작은 막의 공동(void)을 통해 흡착될 물을 제공한다. 막으로 그리고 막을 통과하는 물 확산은 하이브리드 막의 친수성-친수성 상호작용과 수착-확산 특성에 의해 촉진된다; 차례로 가습될 공기가 물을 흡수한다.

그러므로, 본 발명은 가습 공기 출력을 얻기 위하여 물과 공기가 한쪽에서 통과되는 가습을 위해 디자인된 2개의 사출성형된(injection molded) 흑연 플레이트 사이에 삽입된 고분자 막을 포함하는 가습 장치를 제공한다. 본 발명에서 보고된 고분자 하이브리드막은 30℃ 내지 70℃ 사이의 다양한 온도에서 우수한 가습 공기를 나타내었다.

- 공기 가습을 위해 사용될 때 본 막은 작업 상태를 빨리 변경시키는 이슬점 냉각 및 재가열부를 결합하는데 있어서 적합하며, 전형적인 반응시간은 1분 이하이다.

- 본 발명의 막에서, 원하는 가습 출력을 위한 높은 침투 유출을 부여하는데 가장 중요한 팽윤 정도는 종래 기술의 막에 비하여 높다.

- 무기 필러의 높은 흡수 용량 때문에 이 막의 제어된 교차 결합(cross-linking)은 수분 흡수, 원하는 친수성-소수성 도메인 및 이중 친수성-친수성 상호작용을 허용한다.

- 장치는 정확한 인레트 연료 과정 가스-흐름 온도 및 광범위의 부하 전류 밀도(load current density)에서 고분자 전해질 연료 전지를 효율적으로 작동하는데 필요한 상대습도 값을 제공하기 위해 역동적으로 제어될 수 있다.

본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 또한 효과적으로 어떻게 실행되는지 더 명확하게 보여주기 위하여, 본 발명의 바람직한 구체예를 보여주는 동반된 도면을 참조할 것이다. 도 1은 70℃에서 CS-HEC-MMT 하이브리드 막에 있어서의 공기 유속에 대한 물 유출의 변이를 보여준다. 유동장의 영역은 25sq.cm이다.

본 발명은 공기 가습(air humidification) 과정을 위한 경제적인 자가-지지 (self-supported) 고분자 막을 실현하기 위한 참신한 접근방법을 제공한다. 막은 천연 고분자 및 가스는 통과시키지 않지만 물을 잘 흡수하는 무기 필러를 포함한다.

상술한 설명에서, 용어 가습-유닛은 가습 공기 출력을 실현하기 위해 천연 고분자에서 형성된 자가-지지(self-supported) 막을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 막은 원하는 친수성 상호작용을 유도하기 위해 전형적으로 하이브리드 형태의 CS-HEC-MMT를 포함한다. 막 성능은 듀퐁 사의 Nafion® 막과 같은 상업적으로 이용가능한 막과 초여과 및 역삼투를 위한 다른 막과 비교될 수 있다. 본 발명에서, 가습(humidification) 영역을 통과하는 액체와 가스 흐름 사이에서 습도 교환을 허용하기 위하여 가습(humidification) 장치의 각 플레이트를 향하는 막의 부분은 물은 침투할 수 있지만, 가스는 침투할 수 없다. 바람직하게, 투수성 막은 반응가스, 특히 본 경우에서는 공기가 침투할 수 없다. 이런 자가-지지(self-supported) 막은 원하는 가습 공기 출력을 성취하기 위해 투수성 가습에 적당하고 편리하다.

천연 고분자 하이브리드는 키토산(chitosan), 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose) 및 하이드록시 프로필 셀룰로오스(hydroxy propyl cellulose), 알지네이트(alginate), 구아검(guargum), 젤라틴(gelatin)으로 이루어진 그룹에서 선택되며, 특히 바람직하게는 키토산과 하이드록시 에틸 셀룰로오스 혼합물이고, 무기 필러(inorganic filler)는 몬모릴로나이트(montmorillonite), 벤토나이트(bentonite), 실리카(silica), 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 제올라이트(zeolite), 메조포어 분자체(mesoporous molecular sieves), 알루미노(alumino), 포스페이트(phosphates)에서 선택되며, 특히 바람직하게는 몬모릴로나이트(montmorrilonite)이다.

천연 고분자 하이브리드는 다음과 같이 제조되었다. CS와 HEC의 공지된 양을 10중량% 아세트산 수용액에 각각 용해하여 투명한 용액을 형성하고 몇몇 비율로 교반하면서 혼합하였다. 이어서, 공지된 양의 10중량%의 아세트산 수용액의 MMT를 5시간 동안 초음파 처리하고 나서, 고분자 하이브리드를 형성하기 위하여 CS:HEC 용액에 첨가하였다. 용액을 24시간 동안 더 교반하였다. 이렇게 얻어진, 혼합물을 주위 온도(~30℃)에서 평활한(smooth flat) 플렉시 유리 플레이트(Plexiglas plate)에서 150㎛의 두께의 막으로 성형하였다. 이렇게 생성된 하이브리드 막을 최종적으로 수성 아세톤 혼합물에서 희석한 H₂SO₄로 교차-결합하였다.

상기 설명은 바람직한 구체예를 구성하는 반면, 본 발명은 첨부된 청구항의 적당한 범위의 정당한 의미를 벗어나지 않고 수정 및 변형할 수 있다. 예를 들면, 다양한 무기 필러를 가지는 다양한 천연 고분자를 채택할 수 있다. 기술분야의 숙련자에 의해 평가될 것과 같이, 가습을 위한 필요조건은 사용되는 막, 작동의 온도 및 압력에 매우 의존적이다.

본 가습 장치는 두 사출성형된 흑연 플레이트 사이에 삽입된 고분자 하이브리드 막을 채용하며, 플레이트는 홈이 있는 가스 교류 채널을 가진다. 가스 교류 채널은 평행한 나선형(serpentine) 가스 교류 채널을 포함한다. 막 물질에의 직접 압력을 감소하기 위하여, 유동장 플레이트의 양쪽에 매끄러운 천을 채용하였다. 장치에 가스가 꽉 차있었다. 공기가 분당 1 내지 10 표준 리터(slpm)의 유속으로 장치의 한쪽을 통과하였다. 이온이 제거된 물을 분당 20ml로 저장소에 공급하였다. 다른 공기 유속에서의 가습 공기 출력을 장치에 부착된 가습 센서를 통해서 기록하였다. 가습 공기 출력에서 정확한 혼합 비율 및 물 유출을 측정하였다.

본 발명에서, 가습 장치의 사출성형 플레이트의 어느 쪽을 향하는, CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 부분은 투수성으로, 액체와 기류 사이의 물 교환을 용이하게 한다. CS-HEC-MMT 막을 위한 상대습도 값은 1-10slpm의 다양한 공기 유속에서 90~30% 사이에서 변화한다. 막을 건너 수송하고 공기와 혼합하는 물의 양은 물의 유출을 결정하는 30℃ 내지 70℃ 사이의 온도에서의 막 활성 영역과 관련이 있다.

본 발명은 또한 MMT 점토 입자에 물이 선택적으로 흡착되기 때문에 흡착-확산-탈착 원리(adsorption-diffusion-desorption principle)를 기술한다. 그러므로, CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 양쪽에서 더 빠른 탈착 속도에 수반하는 물 침투에 대한 원동력이 증가함에 따라 물 유출이 증가한다. 물 분자가 CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 친수성 점토 영역의 자유 채널의 대부분을 차지하기 때문에 이 효과가 물 수송에 있어 더 유리하다.

CS-HEC는 이중 친수성-친수성 상호작용을 가지나 이 막에 MMT 필러를 삽입하여 다른 온도에서 많은 물 유출을 가지는 큰 물 흡수 용량을 더 크게 만드는 구조를 안정되게 한다. 물은 침투하면서 가스를 침투시키지 않는 막의 공동을 통해 물 분자가 흡수되며 이는 원하는 습도의 공기 출력에 있어 최적 혼합 비율을 제공하는데 도움이 된다. CS-HEC-MMT 막에 있어, 반복된 실험주기 동안 10slpm의 공기 유속에서 7.5kg/m²h의 최대 물 유출이 관찰된다. 평형 수착 자료는 CS-HEC-MMT 하이브리드 막에 있어 53%의 물 흡수 용량을 나타낸다. 게다가, 이 막은 경제적이며 따라서 가습 목적을 위해 널리 이용될 수 있다.

실시예

다음의 실시예는 설명을 목적으로 주어지므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석해서는 안 된다.

실시예 1

67.3중량%의 CS, 23.5중량%의 HEC 및 9.2중량%의 MMT를 포함하는 CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 조성물.

2.0gm의 키토산(chitosan)(CS)을 30℃에서 기계적인 교반 하에서 10중량% 아세트산 수용액 70ml에 녹였다. 0.7gm의 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose)(HEC)를 30℃에서 교반하면서 20ml의 10중량% 아세트산 수용액에서 따로 녹였다. 두 중합체의 양호한 상호 혼화성(mutual miscibility)을 나타내는 투명한 균질 용액을 형성할 때까지 CS 및 HEC 둘 다 계속 교반하였다. CS 용액 및 HEC 용액을 교반 상태에서 서로 혼합하여 호환성 혼합물을 형성하였다. 0.27gm의 몬모릴로나이트(MMT)를 5시간 동안 초음파 처리한 10중량% 아세트산 수용액 10ml에 분산시키고 나서 24시간 동안 교반하면서 CS-HEC 혼합물에 첨가하여 CS-HEC 혼합물에 MMT 입자를 균일하게 분산시켰다. CS-HEC-MMT의 필수 용액을 평활한 플렉시유리 플레이트에 따르고 30℃에서 공기 건조하여 막을 형성하였다. 이렇게 형성된 복합막은 67.3중량%의 CS, 23.5중량%의 HEC 및 9.2중량%의 MMT를 포함하고 수성 아세톤 원료 혼합물(30ml의 물+70ml의 아세톤)에서 1M H₂SO₄로 교차 결합하여 물에서 CS-HEC 매트릭스가 녹는 것을 방지하였다.

실시예 2

73.3중량%의 CS, 25.7중량%의 HEC 및 1중량%의 MMT를 포함하는 CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 조성물.

2.0gm의 키토산(chitosan)(CS)을 30℃에서 기계적인 교반 하에서 10중량% 아세트산 수용액 70ml에 녹였다. 0.7gm의 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose)(HEC)를 30℃에서 교반하면서 20ml의 10중량% 아세트산 수용액에서 따로 녹였다. 두 중합체의 양호한 상호 혼화성(mutual miscibility)을 나타내는 투명한 균질 용액을 형성할 때까지 CS 및 HEC 둘 다 계속 교반하였다. CS 용액 및 HEC 용액을 교반 상태에서 서로 혼합하여 호환성 혼합물을 형성하였다. 0.027gm의 몬모릴로나이트(MMT)를 5시간 동안 초음파 처리한 10중량% 아세트산 수용액 10ml에 분산시키고 나서 24시간 동안 교반하면서 CS-HEC 혼합물에 첨가하여 CS-HEC 혼합물에 MMT 입자를 균일하게 분산시켰다. CS-HEC-MMT의 필수 용액을 평활한 플렉시유리 플레이트에 따르고 30℃에서 공기 건조하여 막을 형성하였다. 이렇게 형성된 복합막은 73.3중량%의 CS, 25.7중량%의 HEC 및 1중량%의 MMT를 포함하고 수성 아세톤 원료 혼합물(30ml의 물+70ml의 아세톤)에서 1M H₂SO₄로 교차 결합하여 물에서 CS-HEC 매트릭스가 녹는 것을 방지하였다.

실시예 3

82.6중량%의 CS, 8.3중량%의 HEC 및 9.1중량%의 MMT를 포함하는 CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 조성물.

2.0gm의 키토산(chitosan)(CS)을 30℃에서 기계적인 교반 하에서 10중량% 아세트산 수용액 70ml에 녹였다. 0.2gm의 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose)(HEC)를 30℃에서 교반하면서 20ml의 10중량% 아세트산 수용액에서 따로 녹였다. 두 중합체의 양호한 상호 혼화성(mutual miscibility)을 나타내는 투명한 균질 용액을 형성할 때까지 CS 및 HEC 둘 다 계속 교반하였다. CS 용액 및 HEC 용액을 교반 상태에서 서로 혼합하여 호환성 혼합물을 형성하였다. 0.22gm의 몬모릴로나이트(MMT)를 5시간 동안 초음파 처리한 10중량% 아세트산 수용액 10ml에 분산시키고 나서 24시간 동안 교반하면서 CS-HEC 혼합물에 첨가하여 CS-HEC 혼합물에 MMT 입자를 균일하게 분산시켰다. CS-HEC-MMT의 필수 용액을 평활한 플렉시유리 플레이트에 따르고 30℃에서 공기 건조하여 막을 형성하였다. 이렇게 형성된 복합막은 82.6중량%의 CS, 8.3중량%의 HEC 및 9.1중량%의 MMT를 포함하고 수성 아세톤 원료 혼합물(30ml의 물+70ml의 아세톤)에서 1M H₂SO₄로 교차 결합하여 물에서 CS-HEC 매트릭스가 녹는 것을 방지하였다.

실시예 4

90중량%의 CS, 9중량%의 HEC 및 1중량%의 MMT를 포함하는 CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 조성물.

2.0gm의 키토산(chitosan)(CS)을 30℃에서 기계적인 교반 하에서 10중량% 아세트산 수용액 70ml에 녹였다. 0.2gm의 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose)(HEC)를 30℃에서 교반하면서 30ml의 10중량% 아세트산 수용액에서 따로 녹였다. 두 중합체의 양호한 상호 혼화성(mutual miscibility)을 나타내는 투명한 균질 용액을 형성할 때까지 CS 및 HEC 둘 다 계속 교반하였다. CS 용액 및 HEC 용액을 교반 상태에서 서로 혼합하여 호환성 혼합물을 형성하였다. 0.022gm의 몬모릴로나이트(MMT)를 5시간 동안 초음파 처리한 10중량% 아세트산 수용액 10ml에 분산시키고 나서 24시간 동안 교반하면서 CS-HEC 혼합물에 첨가하여 CS-HEC 혼합물에 MMT 입자를 균일하게 분산시켰다. CS-HEC-MMT의 필수 용액을 평활한 플렉시유리 플레이트에 따르고 30℃에서 공기 건조하여 막을 형성하였다. 이렇게 형성된 복합막은 90중량%의 CS, 9중량%의 HEC 및 1중량%의 MMT를 포함하고 수성 아세톤 원료 혼합물(30ml의 물+70ml의 아세톤)에서 1M H₂SO₄로 교차 결합하여 물에서 CS-HEC 매트릭스가 녹는 것을 방지하였다.

실시예 5

30℃에서 공기 가습에서의 물 유출

가습장치의 사출성형 플레이트의 양쪽을 향하는, 각각 67.3:23.5:9.2중량%의 CS, HEC 및 MMT을 포함하는 CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 부분은 액체와 기류 사이의 물 교환을 용이하게 하는 투수성이다. 막 건너로 수송하고 공기와 혼합하는 물의 양은 1~10slpm 사이의 물 유출을 결정하는 온도 30℃에서의 막 활성 영역에 관련이 있다. 30℃에서의 물 유출은 0.8kg/m²h 내지 1.5kg/m²h 사이이다.

실시예 6

70℃에서 공기 가습에서의 물 유출

가습장치의 사출성형 플레이트의 양쪽을 향하는, 각각 67.3:23.5:9.2중량%의 CS, HEC 및 MMT을 포함하는 CS-HEC-MMT 하이브리드 막의 부분은 액체와 기류 사이의 물 교환을 용이하게 하는 투수성이다. 막 건너로 수송하고 공기와 혼합하는 물의 양은 1~10slpm 사이의 물 유출을 결정하는 온도 70℃에서의 막 활성 영역에 관련이 있다. 70℃에서의 물 유출은 3kg/m²h 내지 7.8kg/m²h 사이이다.

Claims

65중량% 내지 90중량%의 키토산(chitosan);
9중량% 내지 25중량%의 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose); 및
1중량% 내지 10중량%의 몬모릴로나이트(montmorillonite);를 포함하는 고분자 하이브리드 막.
제1항에 있어서,
상기 키토산 및/또는 상기 하이드록시 에틸 셀룰로오스는 수성 아세트산으로 처리되는 고분자 하이브리드 막.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 막은 공기-가습 과정에서 이용되는 고분자 하이브리드 막.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 고분자 하이브리드 막을 채용하는 가습장치로서,
상기 막은 두 사출성형된 흑연 플레이트 사이에 삽입되며,
공기는 물과 함께 상기 장치의 한쪽을 통과하여 다양한 온도에서 가습된 공기 출력을 얻는 가습장치.
제4항에 있어서,
상기 막은 매끄러운 천 서포트(smooth cloth support)로 덮여 있는 가습장치.
제4항에 있어서,
상기 사출성형된 흑연 플레이트는 가스 교류 채널을 포함하는 가습장치.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 사출성형된 흑연 플레이트는 평행한 나선형 가스 교류 채널을 포함하는 가습장치.
제4항에 있어서,
상기 온도는 30℃ 내지 70℃인 가습장치.
제4항에 있어서,
상기 공기의 유속은 분당 1 내지 10표준리터(slpm)인 가습장치.
제4항에 있어서,
상기 물은 이온이 제거된 가습장치.