KR20110098503A - 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 기존의 계면중합을 통한 폴리아미드 역삼투막 활성층 제조공정에 탄소나노튜브를 도입함으로써 제조되는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폴리아미드 역삼투막은, 탄소나노튜브를 극성용매에 분산시킴으로써 계면중합 시 탄소나노튜브가 계면에 삽입되게 하여 역삼투막 활성층의 내염소성을 강화시켜 준다. 또한, 탄소나노튜브의 1차원적 구조 특성으로 인해 계면중합된 고분자와 물리적으로 얽혀 고분자의 내구성이 강화되고, 탄소나노튜브가 가진 높은 화학적 비활성으로 인해 내화학성이 증대되는 효과를 가질 뿐만 아니라, 기존의 공법에 추가되는 공정이 간단하고, 시판 중인 탄소나노튜브를 그대로 사용할 수 있어 공정의 편의성이 매우 높다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 기존의 계면중합을 통한 폴리아미드 역삼투막 활성층 제조공정에 탄소나노튜브를 도입함으로써 제조되는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막에 관한 것이다.
종래 역삼투막의 개념은 1950년대 말 처음 제시되었고, 1960년에 UCLA의 연구진들이 초산 셀룰로오스를 이용하여 최초의 비대칭성 역삼투막을 발명한 바가 있다. 이러한 초산 셀룰로오스를 이용한 역삼투막은 제조비용이 저렴한 반면, 성능 및 내구성이 떨어지는 단점이 있었기 때문에, 다른 소재를 통해 역삼투막을 개발하려는 노력이 계속되어 왔다.
한편, 염을 제거하는 얇은 활성층과 이를 지지하는 두꺼운 지지층의 재료를 다르게 형성한 것을 복합막이라 하는데, 이러한 복합막을 제조하려는 시도는 1970년 Cadotte에 의해 최초로 이루어진 바가 있다. 그 후로 계속된 연구로 인해 1973년에 Scala 등은 계면 중합을 통해 제조한 역삼투막을 특허 출원하였다. 그 후, 방향족 폴리아미드를 기반으로 한 역삼투막이 개발되기에 이르렀다. 이는 현재 가장 널리 쓰이는 역삼투막 종류인데, 다공성지지체와 폴리아미드 복합막으로 이루어져 있는 것으로 현재 상업화되어 있는 실정이며, 두 개의 아민 치환체를 함유하는 방향족 폴리아민과 세 개 이상의 아실할라이드 관능기를 갖는 방향족의 아실할라이드를 미세 다공성 폴리술폰 지지체 상에서 계면중합함으로써 얻어진다. 특히, 물에 녹인 메타페닐렌디아민(MPDA)을 프레온(trichlorotriflu oroethane, Freon TF, DuPont사)에 녹인 트리메조일 클로라이드(TMC)와 반응시켰을 때 그 성능이 우수함이 알려져 있는 실정이다.
그러나, 이러한 폴리아미드 역삼투막에는 계면중합 시 형성되는 가교 결합인 아미드 결합이 해수 내의 염소에 대단히 취약하기 때문에 낮은 내염소성을 나타내어, 막 교체 주기가 단축되어 해수 담수화 공정 전체의 효율이 저하되는 문제점이 존재하였다. 따라서, 장시간의 해수 노출에도 성능 저하가 적은 역삼투막의 개발이 지속적으로 요구되어 왔으나, 제조상 문제점으로 인하여 실용화된 기술이 없는 실정이었다.
이에 본 발명자들은 상술한 종래기술 상의 문제점을 해결할 수 있는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막을 개발하고자 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
결국, 본 발명의 목적은 기존의 계면중합을 통한 폴리아미드 역삼투막 활성층 제조 공정에 탄소나노튜브를 도입함으로서 제조되는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 극성용매에 방향족 디아민, 3차 아민, 및 탄소나노튜브를 용해시켜 수용액을 제조하는 단계; 상기 수용액에 계면활성제를 첨가하고 초음파 처리하는 단계; 다공성 지지체를 상기 초음파 처리된 수용액에 담지 처리 후, 과잉의 잔류용액을 제거하는 단계; 및 상기 잔류용액이 제거된 지지체를 다관능성 아실할라이드가 용해된 유기용액에 담지 처리 및 건조하는 단계;를 포함하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 방향족 디아민은 m-페닐렌디아민(MPDA), o-페닐렌디아민(OPDA) 및 p-페닐렌디아민(PPDA)으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 3차 아민은 트리에틸아민(Triethylamine)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 극성용매는 탈이온수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 계면활성제는 트리톤(Triton) X-100 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 지지체의 상기 수용액 및 상기 유기용액에의 담지 처리는 1분 내지 10분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 잔류용액의 제거는 스펀지, 에어나이프, 질소 가스 블로잉, 자연건조, 및 압축 롤로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 유기용액의 용매는 n-헥산일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 다관능성 아실할라이드는 트리메조일 클로라이드(TMC), 이소프탈로일 클로라이드(IPC) 및 테트라프탈로일클로라이드 (TPC)로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 건조하는 단계는 60℃ 내지 80℃로 1분 내지 10분 동안 열처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 방향족 디아민은 극성용매 대비 1 내지 10중량%, 상기 3차 아민은 1 내지 10중량%, 상기 탄소나노튜브는 상기 방향족 디아민 대비 0.1 내지 1중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 계면활성제는 상기 탄소나노튜브와의 중량비가 1:6이 되게 첨가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 다관능성 아실할라이드는 상기 유기용액의 용매 대비 0.05 내지 5 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 방법들 중 어느 한 방법에 따라 제조되는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막이 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 의하면 탄소나노튜브가 도입된 방향족 폴리아미드 활성층; 및 다공성 지지체로 이루어진 지지층을 구비하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 다공성 지지체는 폴리술폰 지지체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 활성층은 방향족 디아민 및 탄소나노튜브의 혼합물이 다관능성 아실할라이드와 계면중합되어 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 폴리아미드 역삼투막의 제조방법에 의해 제조된 폴리아미드 역삼투막은, 탄소나노튜브를 극성용매에 분산시킴으로써 계면중합 시 탄소나노튜브가 계면에 삽입되게 하여 역삼투막 활성층의 내염소성을 강화시켜 준다. 또한, 탄소나노튜브의 1차원적 구조 특성으로 인해 계면중합된 고분자와 물리적으로 얽혀 고분자의 내구성이 강화되고, 탄소나노튜브가 가진 높은 화학적 비활성으로 인해 내화학성이 증대되는 효과를 가질 뿐만 아니라, 기존의 공법에 추가되는 공정이 간단하고, 시판 중인 탄소나노튜브를 그대로 사용할 수 있어 공정의 편의성이 매우 높다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MWCNT/MPDA 수용액 및 TMC 유기용액의 계면중합에 의한 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법을 도시한 것이다.
도 2a는 기존의 폴리아미드 역삼투막의 표면의 SEM 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.1 중량%)의 표면의 SEM 이미지이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.5 중량%)의 표면의 SEM 이미지이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 1.0 중량%)의 표면의 SEM 이미지이다.
도 3a는 기존의 폴리아미드 역삼투막의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.1 중량%)의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.5 중량%)의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 1.0 중량%)의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 통상의 폴리아미드 역삼투막 및 본 발명에 따른 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.1, 0.5, 1.0 중량%)을 NaOCl 용액에 처리 후, 염제거율 저하량을 비교한 그래프이다.
도 2a는 기존의 폴리아미드 역삼투막의 표면의 SEM 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.1 중량%)의 표면의 SEM 이미지이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.5 중량%)의 표면의 SEM 이미지이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 1.0 중량%)의 표면의 SEM 이미지이다.
도 3a는 기존의 폴리아미드 역삼투막의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.1 중량%)의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.5 중량%)의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 1.0 중량%)의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 통상의 폴리아미드 역삼투막 및 본 발명에 따른 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.1, 0.5, 1.0 중량%)을 NaOCl 용액에 처리 후, 염제거율 저하량을 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 기존의 계면중합을 통한 폴리아미드 역삼투막 활성층 제조공정에 탄소나노튜브를 도입함으로써 제조되는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MWCNT/MPDA 수용액 및 TMC 유기용액의 계면중합에 의한 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법을 도시한 것이다.
본 발명은 극성용매에 방향족 디아민, 3차 아민, 및 탄소나노튜브를 용해시켜 수용액을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 방향족 디아민은 바람직하게는 m-페닐렌디아민(MPDA), o-페닐렌디아민(OPDA) 및 p-페닐렌디아민(PPDA)으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 m-페닐렌디아민(MPDA, >99 %, 판매사: 시그마-알드리치)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 3차 아민은 중합 시 생성되는 염산을 중화하기 위한 산 수용체로써, 바람직하게는 트리에틸아민(Triethylamine, 99.5%, 판매사: 시그마-알드리치)일 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 특별히 한정되지는 아니하나, 평균 지름 9 내지 12 nm, 평균 길이 10 내지 15 ㎛의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs, 판매사: ILJIN CNT)를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 탄소나노튜브는 역삼투막의 폴리머 매트릭스 내의 변질된 다중벽 탄소나노튜브의 카르복실 그룹과 계면중합 시 생성된 아미드 그룹간의 상호작용을 하여, 역삼투막을 염소로부터 보다 안정하게 해주는 역할을 한다.
또한, 상기 극성용매는 극성용매 중에서는 특별히 한정되지는 않지만, 본 발명에서는 탈이온수(Milli-Q water, 18 MΩ·cm)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 수용액을 제조한 후, 수용액에 계면활성제를 첨가하고 초음파 처리하는 단계를 거친다. 나노크기의 물질은 반데르발스 작용(van der Waals interaction)으로 인해 응집을 하려는 경향이 있기 때문에, 계면활성제는 중합체의 매트릭스 내에서 다중벽 탄소나노튜브의 응집을 저해하고 균일하게 확산시키기 위하여 첨가된다. 본 발명에 따르면, 비이온성 계면활성제인 트리톤(Triton) X-100(판매사: 시그마-알드리치)를 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 다중벽 탄소나노튜브의 확산을 증가시키기 위하여 초음파 처리를 행한다. 상기 수용액을 40 kHz의 진동수로 초음파 세척기 (Branson model B5510-MT)에서 25°C에서 6시간 정도 초음파 처리하는 것이 바람직하다.
다음으로, 폴리술폰 지지체를 상기 초음파 처리된 수용액에 담지 처리 후, 과잉의 잔류용액을 제거하는 단계를 행한다. 폴리술폰 지지체는 바람직하게는 다공성 폴리술폰 막(판매사: Trisep, UE50, M.W. 100,000 g/mol)을 사용할 수 있다. 상기 폴리술폰 막은 폴리술폰을 150 ㎛의 깊이의 폴리에스테르 부직포 표면에 50 ㎛의 두께로 비대칭적으로 코팅한 폴리술폰 한외여과막이다.
아울러, 상기 지지체의 상기 수용액 및 상기 유기용액에의 담지 처리는 바람직하게는, 1분 내지 10분 동안 수행될 수 있다.
한편, 잔류용액이 제거되지 않는 경우, 계면중합 층은 지지막 상에 안전하게 형성되지 않고 계면중합 후 불균일한 층을 형성하기 때문에 잔류용액은 제거되어야 한다. 상기 잔류용액의 제거는 과잉 용액의 제거는 스펀지, 에어나이프 , 질소 가스 블로잉, 자연건조, 또는 압축 롤 등을 이용하여 행할 수 있으나 특별히 한정되지는 아니한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 잔류 용액은 질소 가스를 블로잉하여 제거하는 것이 바람직하다.
그 후, 유기용매에 다관능성 아실할라이드를 용해시켜 유기용액을 제조한다. 유기용액의 용매로는 물에 녹지 않는 헥산, 사이클로 헥산, 헵탄, 알칸 등이 사용 가능하다. 특히, 본 발명의 실시에서는 n-헥산(98 %, 판매사: 시그마알드리치) 유기 용매가 바람직하다.
또한, 본 발명에서 사용 가능한 다관능성 아실할라이드는 트리메조일클로라이드(TMC), 이소프탈로일클로라이드(IPC) 및 테트라프탈로일클로라이드(TPC)로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상 일 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면 바람직하게는, 트리메소일클로라이드(TMC, 98 %, 판매사: 시그마알드리치)가 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 마지막으로 상기 잔류용액이 제거된 지지체를 상기 유기용액에 담지 처리하여 계면중합 반응한 후, 건조하는 단계를 행하게 된다. 이러한 건조는 잔여 유기용매를 증발시키기 위한 것으로, 상기 건조하는 단계는 60℃ 내지 80℃로 1분 내지 10분 동안 열처리 하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 수용액에서 상기 방향족 디아민은 극성용매 대비 1 내지 10중량%, 상기 3차 아민은 1 내지 10중량% 인 것이 바람직하다. 1 중량% 미만에서는 너무 얇은 활성층으로 인해 염제거율이 부족해지고, 10 중량% 초과에서는 너무 두꺼운 활성층으로 인해 투과유량이 부족해지기 때문이다. 또한, 상기 탄소나노튜브는 상기 방향족 디아민 대비 0.1 내지 1중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 이는 0.1중량% 미만일 경우 내염소성의 유의적인 증가가 나타나지 못하는 문제점이 있고, 1중량% 초과일 경우에는 계면중합 시 밀집-가교된 아미드 망의 형성을 저해하기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 계면활성제는 상기 탄소나노 튜브와의 중량비가 1:6 이 되게 첨가되는 것이 바람직하다. 한편, 다관능성 아실할라이드는 n-헥산 대비 0.05 내지 5중량% 인 것이 바람직하다. 이 경우, 0.05 중량% 미만에서는 너무 얇은 활성층으로 인해 염제거율이 부족해지고, 5 중량% 초과에서는 너무 두꺼운 활성층으로 인해 투과유량이 부족해지기 때문이다.
상기와 같이 제조된 본 발명에 따른 폴리아미드 역삼투막은, 탄소나노튜브를 극성용매에 분산시킴으로써 계면중합 시 탄소나노튜브가 계면에 삽입되게 하여 역삼투막 활성층의 내염소성이 강화된다. 또한, 탄소나노튜브의 1차원적 구조 특성으로 인해 계면중합된 고분자와 물리적으로 얽혀 고분자의 내구성이 강화되고, 탄소나노튜브가 가진 높은 화학적 비활성으로 인해 내화학성이 증대되는 효과를 가질 뿐만 아니라, 기존의 공법에 추가되는 공정이 간단하고, 시판 중인 탄소나노튜브를 그대로 사용할 수 있어 공정의 편의성이 매우 높다는 장점이 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
실시예
1:
다중벽
탄소나노튜브(
MWCNT
) 0.1, 0.5, 1, 5중량% 함유의
내염소
성이 향상된 폴리아미드 역삼투막의 제조
탈이온수(Milli-Q water, 18 MΩ·cm) 485mL 에 m-페닐렌디아민(MPDA, >99 %, 판매사: 시그마-알드리치) 10 g , 트리에틸아민(Triethylamine, 99.5%, 판매사: 시그마-알드리치) 5 g, 및 평균 지름 9 내지 12 nm, 평균 길이 10 내지 15 ㎛의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs, 판매사: ILJIN CNT)을 각각 5, 25, 50, 250 mg를 첨가하여, MWCNT 0.1, 0.5, 1, 5중량% 함유의 MWCNT/MPDA 수용액을 제조하였다.
그 후, 상기 MWCNT 0.1, 0.5, 1, 5중량% 함유의 MWCNT/MPDA 수용액에 트리톤(Triton) X-100(판매사: 시그마-알드리치)를 상기 다중벽탄소나노튜브와의 중량비가 1:6이 되도록 각각 계량하여 첨가하였다. 다음으로, 트리톤 X-100이 첨가된 상기 수용액을 40 kHz의 진동수로 초음파 세척기(Branson model B5510-MT)에서 25°C에서 6시간 동안 초음파 처리하였다.
폴리술폰을 150 ㎛의 깊이의 폴리에스테르 부직포 표면에 50 ㎛의 두께로 비대칭적으로 코팅한 폴리술폰 지지체를 준비하여, 상기 MWCNT 0.1, 0.5, 1, 5중량%의 MWCNT/MPDA 수용액에 3분 동안 담지 처리한 후 꺼내어, 질소 가스를 블로잉하여 과잉의 잔류용액을 제거하였다. 다음으로, n-헥산(98 %, 판매사: 시그마알드리치) 500 mL 에 트리메소일클로라이드(TMC, 98 %, 판매사: 시그마알드리치) 0.5 g을 용해시켜 TMC 유기용액을 제조하였다. 상기 잔류용액이 제거된 지지체를 상기 TMC 유기용액에 3분간 담지 처리한 후, 꺼내어 탈이온수로 세척하고, 70°C의 오븐에서 1분 동안 건조시켜, MWCNT 0.1, 0.5, 1, 5중량% 함유의 내염소성이 향상된 폴리아미드 역삼투막을 제조하였다.
비교예
1: 통상의 폴리아미드 역삼투막의 제조
탈이온수(Milli-Q water, 18 MΩ·cm) 485mL에 m-페닐렌디아민(MPDA, >99 %, 판매사: 시그마-알드리치) 10 g , 트리에틸아민(Triethylamine, 99.5%, 판매사: 시그마-알드리치) 5 g을 용해시켜 MPDA 수용액을 제조하였다. 그 후, 폴리술폰을 150 ㎛의 깊이의 폴리에스테르 부직포 표면에 50 ㎛의 두께로 비대칭적으로 코팅한 폴리술폰 지지체를 준비하여, 상기 MPDA 수용액에 3분 동안 담지 처리한 후 꺼내어, 질소 가스를 블로잉하여 과잉의 잔류용액을 제거하였다. 다음으로, n-헥산 (98 %, 판매사: 시그마알드리치) 500 mL 에 트리메소일클로라이드(TMC, 98 %, 판매사: 시그마알드리치) 0.5 g을 용해시켜 TMC 유기용액을 제조하였다. 상기 잔류용액이 제거된 지지체를 상기 TMC 유기용액에 3분간 담지 처리한 후, 꺼내어 탈이온수로 세척하고, 70°C의 오븐에서 1분 동안 건조시켜, 통상의 폴리아미드 역삼투막을 제조하였다.
실시예
2:
실시예
1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막들의 표면 특성
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막들을 12시간 진공건조하고 백금-분무코팅기를 이용하여 백금(Pt)으로 코팅하였다. 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막들에서 계면중합으로부터 형성된 층의 모습을 전계방출주사전자현미경(field emission-scanning electron microscopy) (FE-SEM, Hitachi S-4300)을 이용하여 확인하였다.
도 2a는 통상의 폴리아미드 역삼투막의 표면의 SEM 이미지이다. 통상의 폴리아미드 역삼투막의 표면에서 힐(hill) 및 밸리(valley)의 미세형태가 균일하게 나타나는 것을 볼 수 있다.
도 2b, 도 2c, 및 도 2d는 각각 실시예 1에 따라 제조된 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막들(MWCNT 0.1 중량%, 0.5 중량%, 및 1.0 중량%)의 표면의 SEM 이미지이다. 도 2b, 도 2c, 및 도 2d에서 MWCNT의 결합에 의해 기존의 폴리아미드 막의 표면형태와 비교하여 현저하게 표면이 변형되었음을 보여준다. 긴 MWCNT의 결합이 계면중합 시 막 내에 남아있기 때문에 힐 및 밸리의 주기가 MWCNT의 양이 증가할수록 증가됨을 관찰할 수 있다.
실시예
3:
실시예
1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막들의 투과유량 및
염제거율
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막 각각을 5.2 cm 지름의 원형막으로 준비하고, 2,000 ppm NaCl (99 %, 판매사: 알드리치) 수용액을 pH 7, 225 psig (15.5 bar) 공급압력 및 25±2°C (77°F) 온도에서 공급하였다. 급수(feed water)의 속도는 333 L/m2h로 하였고, 투과용액은 10분마다 측정하고 이의 전기 전도도를 전도도 측정기(PC650, EUTECH)를 이용하여 측정하였다.
도 3a는 기존의 폴리아미드 역삼투막의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이고, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d는 각각 실시예 1에 따라 제조된 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막(MWCNT 0.1 중량%, 0.5 중량%, 및 1.0 중량%)의 투과유량 및 염제거율을 나타내는 그래프이다.
도 3b, 도 3c, 및 도 3d에서 볼 수 있듯이, MWCNT이 첨가되었을 때, 도3a에 비해 투과유량 및 염 제거율이 모두 약간 감소하였으나 염 제거율은 0.1, 0.5, 1 중량% MWCNT에 대하여 92 % 이상이었다. 이는 막 분리성능이 거의 떨어지지 않았음을 의미한다.
MWCNT 하중이 증가할수록 유출속도는 증가하였으나(0.1중량%의 MWCNT에서 11.1 L/m2 h로부터 1 중량%의 MWCNT에서 13.6 L/m2 h로), 염 제거율은 감소하였다(0.1 중량%의 MWCNT에서 93.4%로부터 1 중량%의 MWCNT에서 92.5 %로). 이는 MWCNT를 가지는 역삼투막의 기공의 수의 증가로 인한 것으로 판단된다. 기공이 많을수록 용액이 보다 쉽게 유출될 수 있으나 동시에 염 침투도 증가될 수 있는 것이다. MWCNT 하중이 5 중량% 인 경우, 유출속도 및 염 제거율은 각각 35 L/m2 h 및 46 %이였다. 이 경우, m-페닐렌디아민 용액 내의 많은 MWCNT는 계면중합 시 밀집-가교된 아미드 망의 형성을 저해하기 때문에, MWCNT 사이에 비교적 많은 기공이 생성되고, 결국 높은 유출속도와 우수하지 못한 분리를 나타내게 되는 것이다. 상기 결과로부터 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 폴리아미드 역삼투막들의 분리성능이 거의 떨어지지 않았음을 알 수 있었고, 아울러 트리메조일클로라이드(TMC) 유기용액을 이용한 계면중합 시, m-페닐렌디아민 용액의 적합한 MWCNT 하중은 0.1 내지 1 중량%의 범위임을 알 수 있었다.
실시예
4:
실시예
1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막들의
내염소성
실시예 3에서 사용된 역삼투막들을 각각 3,000 ppm NaOCl(4 %, 판매사: 알드리치)용액에 4시간 동안 담구어 둔 후, 탈이온수로 세척하였다. 실시예 2와 같은 방법으로 각각 투과유량 및 염제거율을 측정하였다.
도 4는 NaOCl 용액에 처리 후, 통상의 폴리아미드 역삼투막 및 본 발명에 따른 폴리아미드 역삼투막의 염제거율 저하량을 비교한 그래프이다. 도 4의 MWCNT 함유 0% 막대에서 볼 수 있듯이, 통상의 폴리아미드 역삼투막에 대한 염 제거율은 상기 막을 NaOCl 용액에 담근 후 98.3 %에서 76.5 %로 감소하였다. 이는 폴리아미드 막이 염소와 접촉하는 경우, 아미드 결합(-NHCO-)의 N-H가 염소화되고 물에 의해 가수분해되어, 상기 아민은 퀴논 구조로 변화되고 분해되기 때문이다.
도 4에서 나타나듯이, NaOCl 용액에 침적하기 전 통상의 폴리아미드 역삼투막의 염 제거율은 실시예 1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막 (MWCNT 0.1 중량%, 0.5 중량%, 및 1.0 중량% 막대)보다 높았다. 그러나, 염소에 노출된 후의 통상의 폴리아미드 역삼투막의 염 제거율은 실시예 1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막과 비교하여 현저히 감소되었다. 통상의 폴리아미드 역삼투막의 경우, 염소처리 후의 염 제거율은 98.3 %에서 76.5 %로 21.8 % 감소(MWCNT 함유 0% 막대)되었다. 그러나, 도 4의 MWCNT 함유 0.1, 0.5, 1.0중량% 막대에 나타나듯이 실시예 1에 따라 제조된 폴리아미드 역삼투막들의 염제거율은 0.1, 0.5, 1 중량%의 MWCNT 하중에 대해서 각각 15.8 %(93.4 %에서 77.6 %로), 11.2 % (93.2 %에서 82.0 %로), 및 10.1 % (92.5 %에서 82.4 %로)가 감소되었다.
따라서, 본 발명에 따른 폴리아미드 역삼투막이 통상의 폴리아미드 역삼투막보다 내염소성이 뛰어나고, MWCNT 첨가량이 증가할수록 폴리아미드 역삼투막이 염소로부터 보다 안정하다는 것을 알 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (19)
- 극성용매에 방향족 디아민, 3차 아민, 및 탄소나노튜브를 용해시켜 수용액을 제조하는 단계;
상기 수용액에 계면활성제를 첨가하고 초음파 처리하는 단계;
다공성 지지체를 상기 초음파 처리된 수용액에 담지 처리 후, 과잉의 잔류용액을 제거하는 단계; 및
상기 잔류용액이 제거된 지지체를 다관능성 아실할라이드가 용해된 유기용액에 담지 처리 및 건조하는 단계;
를 포함하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 방향족 디아민은 m-페닐렌디아민(MPDA), o-페닐렌디아민(OPDA) 및 p-페닐렌디아민(PPDA)으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 3차 아민은 트리에틸아민(Triethylamine)인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 극성용매는 탈이온수인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 계면활성제는 트리톤(Triton) X-100 인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 지지체의 상기 수용액 및 상기 유기용액에의 담지 처리는 1분 내지 10분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 잔류용액의 제거는 스펀지, 에어나이프, 질소 가스 블로잉, 자연건조, 및 압축 롤로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 유기용액의 용매는 n-헥산인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 다관능성 아실할라이드는 트리메조일클로라이드(TMC), 이소프탈로일 클로라이드(IPC) 및 테트라프탈로일클로라이드(TPC)로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 건조하는 단계는 60℃ 내지 80℃로 1분 내지 10분 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 방향족 디아민은 극성용매 대비 1 내지 10중량%, 상기 3차 아민은 1 내지 10중량%, 상기 탄소나노튜브는 상기 방향족 디아민 대비 0.1 내지 1중량%인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 계면활성제는 상기 탄소나노튜브와의 중량비가 1:6이 되게 첨가되는 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항에 있어서.
상기 다관능성 아실할라이드는 상기 유기용액의 용매 대비 0.05 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막의 제조방법.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막.
- 탄소나노튜브가 도입된 방향족 폴리아미드 활성층; 및
다공성 지지체로 이루어진 지지층을 구비하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막.
- 제16항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 폴리술폰 지지체인 것을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막.
- 제16항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브임을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막. - 제16항에 있어서,
상기 활성층은 방향족 디아민 및 탄소나노튜브의 혼합물이 다관능성 아실할라이드와 계면중합되어 형성된 것임을 특징으로 하는 향상된 내염소성을 가지는 폴리아미드 역삼투막.
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR101374279B1 (ko) * | 2012-01-03 | 2014-03-14 | 한국화학연구원 | 탄소나노튜브가 결합된 역삼투 복합막 및 이의 제조방법 |
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| KR20190129495A (ko) | 2018-05-11 | 2019-11-20 | 한국수자원공사 | 1d 구조의 나노물질을 증착한 역삼투용 나노복합막의 제조방법 및 이에 따라 제조된 역삼투용 나노복합막 |
| CN111282453A (zh) * | 2020-02-20 | 2020-06-16 | 汕头市奥斯博环保材料制造有限公司 | 一种高性能海水淡化膜的制备方法及制得的海水淡化膜 |
| KR102233816B1 (ko) * | 2020-02-07 | 2021-04-01 | 부산대학교 산학협력단 | 황이 도핑된 나노 탄소 재료를 이용한 폴리아미드 복합 멤브레인의 제조 방법 |
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2010
- 2010-02-26 KR KR1020100018152A patent/KR20110098503A/ko not_active Application Discontinuation
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