KR20140030459A - 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 역삼투막 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 역삼투막에 관한 것으로 보다 상세하게는 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계; 상기 수직배열된 탄소나노튜브 사이를 에폭시로 충진하는 충진단계; 충진된 에폭시를 경화시키는 경화단계; 탄소나노튜브의 말단을 절단하는 절단단계; 및 탄소나노튜브 내부 또는 말단을 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 코팅하는 코팅단계를 포함하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 역삼투막을 제공한다.
Description
본 발명은 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 역삼투막에 관한 것으로 보다 상세하게는 탄소나노튜브의 관을 통해 물이 이동하여 염을 제거하는 담수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법이를 이용한 역삼투막에 관한 것이다.
전 세계적으로 지구온난화에 따른 물 부족 현상이 심화되고 있는 가운데 대체 수자원 확보기술인 담수화 기술이 주목을 받고 있다.
따라서, 해수담수화, 재이용 등 대체수원을 활용한 차세대 수도사업의 핵심기술인 역삼투 분리막을 이용한 수처리 공정이 물산업 시장을 주도할 것으로 예상된다.
종래 역삼투막의 개념은 1950년대 말 처음 제시되었는 데, 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, 근래 들어서 역삼투막을 이용한 담수화 기술이 보편화되고 있기는 하지만 높은 에너지 소비와 막 오염 등의 문제가 있으며 이를 해결하기위한 기술개발도 점점 한계점에 다다르고 있는 실정이다.
이러한 한계를 극복하기 위해서 기존의 수처리 기술에 다른 기술의 융합을 한 기술이 소개되고 있기도 하다. 특히 탄소나노튜브를 이용한 역삼투막의 기술이 최근에 이슈화 되고 있는 부분이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotube, 이하 CNT)는 1991년 일본인 연구자 Kenji Hata, Sumio Iijima 등이 발견한 이래 활발하게 연구되고 있으며, 특이한 물성과 구조로 인하여 전자/정보통신, 환경/에너지, 의약 등의 산업적 응용가치가 대단히 높은 것으로 기대되고 있다.
또한, 수처리와 관련하여 최근 탄소나노튜브를 이용한 수처리용 분리막 제조가 가능성이 높게 평가되기 시작되었고, 초고속 투수율과 안정적인 이온제거율로 담수화 등의 적용 분야가 넓을 것으로 예상되어 진다.
CNT막 기술에 대한 연구를 Hinds 그룹이 최초로 2004년에 보고되었지만, 2년후인 2006년에 Holt 그룹이 직경이 보다 작은 탄소나노튜브를 이용한 분리막의 유체 및 가스의 투과율을 기존의 PC (Polycarbonate)막과 비교 분석하여 이를 발표함에 따라 CNT막 연구의 대표주자로 알려지게 되었다.
또한, 투수율이 약 100~1000배 정도 급격히 향상되는 수직배향 CNT막 기술을 2004년에 세계 최초로 보고하였는 데, 이에 따르면 화학기상증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 방법으로 다중벽 탄소나노튜브 (Multi-Walled Nanotube, MWNT)을 성장시킨 후 수직으로 배열된 분리막을 제조하였다.
그러나, 수직으로 배열된 분리막은 평균 내경이 7.5 ± 2.5 nm 정도로 비교적 큰 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)가 사용되었기 때문에 담수화능(이온제거율)이 낮은 문제점이 발생하였다.
미국등록특허 미국 등록특허 제8038887호는 유체 수용성 막으로 수직정렬되는 탄소나노튜브의 어레이(array)와 탄소나노튜브 사이에 기질재료가 구비되며, 약 2nm이하의 포어(pore) 사이즈를 갖는 막을 제공하며, 기질재료로는 세라믹, 질화규소 등으로 형성됨을 특징으로 하고 있다. 그러나, 상기 특허는 탄소나노튜브 사이를 세라믹, 질화규소 등으로 형성시며, 기공 제어가 우수하지 못해 투수율 및 담수화능이 뛰어나지 못할 것으로 예상할 수 있다.
따라서, 탄소나노튜브를 이용한 담수처리 등의 수처리시에 담수화능이 뛰어난 분리막의 개발이 소망되었다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 나노기술의 핵심 신소재로 관심을 끄는 CNT 기술과 역삼투막기술을 결합하여 기존 역삼투막기술의 투과성을 한 차원 뛰어넘는 수직배열 CNT 역삼투막 기술을 개발하고 해수담수화에 응용하여 글로벌 경쟁력을 가지는 수처리 산업화 기술의 기초 기본 기술을 확립하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 나노기술의 핵심 신소재로 관심을 끄는 탄소나노튜브 기술과 역삼투막기술을 결합하여 기존 역삼투막기술의 투과성을 능가하는 수직배열 탄소나노튜브 역삼투막 기술을 개발하고 해수담수화에 응용하여 활용하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 수직배열된 탄소나노튜브 사이에 에폭시가 충진되며, 상기 탄소나노튜브의 기공이 제어되는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이가 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 밀도가 1㎠당 5×109개 ~ 10×1010개인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 에폭시가 충진된 탄소나노튜브는 말단이 폐쇄되어 있으며, 상기 말단을 수직절단하여 탄소나노튜브 내부 또는 절단된 부위에 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH)로 이루어진 군에서 1이상의 기가 형성되는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브의 내부 또는 말단을 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 코팅하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브의 제어된 기공의 크기가 0.1 ~ 2nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 에폭시 사이에 말단이 개구된 탄소나노튜브 관이 형성되어 상기 탄소나노튜브 말단 및 내부에 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 결합된 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브는 수직으로 배열되었으며, 1㎠당 5×109개 ~ 10×1010개로 형성된 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))는 상기 탄소나노튜브 내부 또는 절단된 부위에 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH) 중 어느 하나로 이루어진 기와 결합하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브 내경의 지름이 0.1 ~ 2nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계; 상기 수직배열된 탄소나노튜브 사이를 에폭시로 충진하는 충진단계; 충진된 에폭시를 경화시키는 경화단계; 탄소나노튜브의 말단을 절단하는 절단단계; 및 탄소나노튜브 내부 또는 말단을 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 코팅하는 코팅단계를 포함하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이는 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 밀도가 1㎠당 5×109개 ~ 10×1010개인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 경화단계에서 경화온도는 30 ~ 50℃이며, 경화시간은 대기압하에서 4~7일간 경화하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 에폭시가 충진된 탄소나노튜브 말단을 수직절단하여 탄소나노튜브 내부 또는 절단된 부위에 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH)로 이루어진 군에서 1이상의 기가 형성되는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브의 내부 또는 말단을 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 코팅하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 코팅단계가 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))가 1 ~ 5중량%로 용해시켜 용액을 2~3bar로 가압하여 탄소나노튜브의 기공을 통과시키는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브의 기공을 0.1 ~ 2nm의 직경으로 제어하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
또한 본 발명은 상기 수처리용 탄소나노튜브 구조체 또는 상기 제조방법으로 제조된 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 포함하는 수처리용 역삼투막을 제공한다.
본 발명에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 역삼투막은 기존 역삼투막기술의 투과성을 능가하는 수직배열 탄소나노튜브 역삼투막 기술로써 해수담수화에 활용이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 역삼투막은 투수율이 1㎠당 2~20 LMH/bar으로 높은 투과수량을 지녀 에너지 소비를 낮출 수 있으며, 염제거율은 30% 이상으로 염제거에 효과적이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체에 관한 제조공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 수직배열된 탄소나노튜브를 제조하는 개략도를 나타낸 것이다.
도 3는 탄소나노튜브가 수직배열된 탄소나노튜브의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브의 직경을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체의 라만스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 작은 기공의 탄소나노튜브를 이동하게 되는 원리를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 수직배열된 탄소나노튜브를 제조하는 개략도를 나타낸 것이다.
도 3는 탄소나노튜브가 수직배열된 탄소나노튜브의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브의 직경을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체의 라만스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 작은 기공의 탄소나노튜브를 이동하게 되는 원리를 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 수직배열된 탄소나노튜브 사이에 에폭시가 충진되며, 상기 탄소나노튜브의 기공이 제어되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체에 관한 제조공정도를 나타낸 것이다.
탄소나노튜브 구조체의 제조방법은 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계; 상기 수직배열된 탄소나노튜브 사이를 에폭시로 충진하는 충진단계; 충진된 에폭시를 경화시키는 경화단계; 탄소나노튜브의 말단을 절단하는 절단단계; 및 탄소나노튜브 내부 또는 말단을 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 코팅하는 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 수직배열된 탄소나노튜브(10)을 에폭시(20)로 충진시킨 후에 이를 경화하여 탄소나노튜브의 말단을 절단한다. 절단된 부위 및 탄소나노튜브의 내부에 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 또는 PSS (poly(styrene sulfonate))를 코팅하여 탄소나노튜브의 기공을 제어할 수 있다.
상기 수직배열단계에서 탄소나노튜브를 수직배열시킬 수 있는 데, 탄소나노튜브를 수직배열시키는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니나, 금속촉매를 이용하여 탄소나노튜브를 수직배향하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 수직배열된 탄소나노튜브를 제조하는 개략도를 나타낸 것이다.
탄소나노튜브는 금속촉매에서 성장할 수 있는 데, 실리콘(Si)에 산화알루미늄(Al2O3)을 증착한 후에 금속인 Fe 촉매를 블록공중합체 리소그라피를 이용하여 일정하게 패터닝한 후에 운반가스 및 반응가스를 주입할 수 있다.
상기 운반가스로는 비활성가스인 Ar, He, N2 등을 이용할 수 있으며, 반응가스로는 C2H2, CH4 등을 이용할 수 있다. 운반가스 및 소스가스(source gas)를 주입하고 700~900℃의 온도를 가하여 주는 경우, 소스가스의 탄소가 패터닝된 금속촉매에 결합되어 성장되면서 탄소나노튜브가 형성된다. 탄소나노튜브의 성장은 균일한 높이를 갖으면서 높은 밀도를 갖는 수직배열된 탄소나노튜브가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이는 상기와 같이 금속촉매를 이용하여 수직배향시키시는 경우 1 ~ 2mm인 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.
도 3는 탄소나노튜브가 수직배열된 탄소나노튜브의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 3를 참조하면, Fe 촉매를 이용하여 균일한 높이를 가지면서 높은 밀도로 수직배열되어 있는 탄소나노튜브를 확인할 수 있다. 상기 수직배열된 탄소나노튜브는 높이가 약 1.3mm이며 직경이 약 5nm인 탄소나노튜브가 수직으로 나란히 배열된 것을 확인할 수 있다.
상기 수직배열된 탄소나노튜브의 밀도는 높은 밀도를 가질 수 있는 데, 1㎠당 5×109개 ~ 10×1010개인 밀도를 갖게된다.
또한, 상기 수직배열된 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 탄소나노튜브의 벽(wall)의 개수는 1~3겹으로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 수직배열된 탄소나노튜브를 역삼투막으로 이용하는 경우 투수율이 월등히 향상되는 효과가 있다.
한편, 수직배열된 탄소나노튜브 사이에는 폴리머로 충진할 수 있는 데, 에폭시를 이용하는 것이 바람직하다. (충진단계)
탄소나노튜브 사이를 에폭시(20)로 충진함에 따라 담수화 등의 수처리시에 물분자가 탄소나노튜브 사이를 통과하지 못하도록 하며 오로지 수직배열된 탄소나노튜브 사이로만 통과할 수 있도록 하기 위함이다.
에폭시 충진시에는 수직배열된 탄소나노튜브의 위아래가 폐쇄되어 있으므로, 상기 에폭시가 탄소나노튜브 직경 안으로 들어가지 못하고, 탄소나노튜브 외부에만 충진될 수 있다. 즉, 탄소나노튜브는 위아래가 폐쇄된 형태로 형성되어 있으며, 상기 탄소나노튜브가 수직배열된 사이에 에폭시가 충진될 수 있다. 따라서, 에폭시가 충진되는 경우에는 탄소나노튜브의 직경 내부로 들어가지 않음은 물론이다.
충진되는 물질로 폴리머 중에서 에폭시를 이용하는 이유는 상기 에폭시가 기공사이즈에서도 침투가 가능하며, 영률(Young’s modulus)이나 인장응력(tensile stress)이 강해 높은 압력으로 역삼투막을 활용하더라도 잘 손상되지 않는 특성이 있기 때문이다.
에폭시를 충진시킨 탄소나노튜브는 에폭시를 경화시킬 수 있다.(경화단계)
에폭시가 경화시키는 경우 온도 및 경화시키는 온도가 중요한데, 이는 이후의 절차인 탄소나노튜브를 말단을 절단시에 잘 잘라지도록 하기 위함이다.
경화되는 온도는 30 ~ 50℃인 것이 바람직하며, 경화되는 시간은 대기압하에서 4~7일간 경화시키는 것이 바람직하다. 상기 범위내의 온도 및 경화시간으로 경화될 경우 경화가 적절히 이루어져 절단단계시에 절단이 잘 이루어진다. 경화가 잘 이루어지지 않은 상태에서 절단을 하게되면 너무 연하여 절단이 잘 이루어지지 않게되며, 또한 경화가 많이 이루어진 상태에서 절단하게 되면 에폭시와 탄소나노튜브가 결합된 구조체가 부숴지거나 에폭시에 크랙(crack)이 발생하게 된다.
경화를 시킨 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브의 말단을 절단할 수 있다.(절단단계)
탄소나노튜브의 말단을 절단함에 따라 수직배열된 탄소나노튜브의 기공이 외부에 노출되게 되어 수처리시 기공을 통해 물이 통과할 수 있게 된다.
절단된 부위는 완전한 탄소나노튜브 형태가 아니고, 절단 부위에 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH) 등으로 이루어진 기가 결합하게 된다. 또한, 절단된 부위뿐만 아니라 탄소나노튜브 내부에도 일부가 탄소만으로 구성된 것이 아니라 탄소와 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH) 등으로 이루어진 기와 연결되어 있다.
절단시 절단시킬 수 있는 기구로는 특별히 제한되는 것은 아니며, 절단 후에 남게되는 탄소나노튜브의 구조 및 경화된 에폭시가 손상되지 않도록 절단할 수 있는 기구이면 된다.
본 발명에 있어서 절단기구로는 예로서 마이크로톰(microtome)을 이용하여 절단하였다.
한편, 절단단계가 이루어진 탄소나노튜브의 기공의 크기는 약 5nm이며, 이를 역삼투막으로 활용할 경우 물분자뿐만 아니라 크기가 큰 이물질들도 함께 통과하게 된다.
따라서, 탄소나노튜브의 절단된 부위 및 내부의 존재하는 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH) 등으로 이루어진 기가 결합된 부위에 다른 물질이 결합하여 기공 사이즈를 좁힐 수 있게 된다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 제조방법에 있어서, 상기 코팅단계에서는 탄소나노튜브 내의 직경인 기공을 제어할 수 있다.
절단단계에서 탄소나노튜브의 말단을 절단하여 탄소나노튜브 내에 약 5nm 이하의 물질이 통과할 수 있도록 한 뒤에, 기공 사이즈를 제어하기 위해서 탄소나노튜브 말단 및 탄소나노튜브 직경내부에 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))를 결합하여 코팅시킬 수 있다.
상기 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))을 탄소나노튜브 내부 전체 또는 일부를 결합시키거나 코팅시킬 수 있다.
상기 코팅단계에서는 상기 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 또는 PSS (poly(styrene sulfonate))을 코팅하기 위해서 물 등의 용매에 상기 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))를 용해시킨 후에 가압하여 탄소나노튜브 기공을 통과하도록 한다.
용액상태에서 PAH (poly(allylamine hydrochloride))는 양전하를 띄고, PSS (poly(styrene sulfonate))는 음전하를 띔에 따라 적절한 형태로 기공 내부 또는 말단 부위에 결합할 수 있다.
물 등의 용매에 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))는 1 ~ 5중량%로 용해시켜 용액을 형성한 후에 탄소나노튜브 구조체의 한쪽면에 위치하도록 하여 용액이 탄소나노튜브 기공을 통해 통과될 수 있도록 한다.
이때 효율적으로 통과시키고 탄소나노튜브 내부에 잘 결합될 수 있도록 2~3bar로 가압을 가하여 통과시킨다.
가압하에 탄소나노튜브를 통해 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))이 용해된 용액이 통과하게 되면서
용액이 통과하면서 용해된 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))이 직경 내부에 존재하는 탄소 외에 다른 기가 결합된 부위와 결합하게 된다.
즉, 탄소나노튜브에서 내부에 탄소결합이 끊어진 부위에서 형성된 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH) 등으로 이루어진 기와 양전하를 띄는 PAH (poly(allylamine hydrochloride))가 결합되어 기공사이즈를 좁게할 수 있다.
또한, 상기 결합된 PAH (poly(allylamine hydrochloride))에 음전하를 띄는 PSS (poly(styrene sulfonate))가 결합됨으로 인해 기공사이즈를 더욱 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브의 직경을 나타내는 개략도이다.
도 4를 참조하면, PAH (poly(allylamine hydrochloride))가 결합되어 탄소나노튜브의 기공사이즈를 제어할 수 있으며, 또는 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및 PSS (poly(styrene sulfonate))가 결합되어 기공사이즈를 더욱 좁게 제어할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 내부에 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 또는 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및 PSS (poly(styrene sulfonate))가 결합됨으로 인해 기공사이즈를 0.1 ~ 2.0nm로 기공사이즈를 제어할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체의 라만스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5의 D peak은 탄소나노튜브의 결함 정도를 나타낸다. D peak의 강도가 높을수록 탄소나노튜브의 벽면과 입구에 많은 결함이 존재함을 의미한다.
이는 PAH (poly(allylamine hydrochloride))와 PSS (poly(styrene sulfonate))가 결합되는 부위가 많음을 의미하므로 D peak의 강도가 높을수록 높은 결합 정도를 높일 수 있다는 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 투수율이 뛰어난 특징이 있다.
본 발명에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 이용하여 역삼투막을 활용할 수 있는 데, 탄소나노튜브 관의 직경내로 물분자가 잘 통과하게 된다. 물분자가 탄소나노튜브의 관을 통과하는 것은 고전적인 유체역학을 적용하여 해석할 수는 없으며, 관을 통과하는 물분자는 탄소나노튜브의 관내부에 존재하는 소수성으로 인해 마찰저항이 거의 존재하지 않아 물분자가 쉽게 통과하게 된다. 따라서, 탄소나노튜브를 통과하는 데 투수율이 크게 향상된다고 볼 수 있다.
이러한 원리는 도 6을 참조하면 이해할 수 있다. 도 6은 작은 기공의 탄소나노튜브를 이동하게 되는 원리를 나타낸 것이다.
탄소나노튜브를 통과하는 물분자의 유속은 급격하게 증가하는 현상이 나타나는 데, 이는 물이 탄소나노튜브 유로(CNT channel)를 통과하는 주요 메커니즘으로 물 분자들이 연환형(Chain)으로 이동하는 현상으로 해석될 수 있다.
즉, 서로 근접한 물 분자간의 수소 결합력에 의해 물 분자가 줄지어서 이동하게 되는 것으로 탄소나노튜브 내벽의 소수성 및 매끄러운 재질로 인해 물 분자의 마찰저항이 미미하게 되고 이로 인해 물은 빠르게 지나가게 된다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 투수율은 1㎠당 2~20 LMH/bar로 이루어지며, 염제거율은 30% 이상으로 염제거에 효과적이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
Claims (21)
- 수직배열된 탄소나노튜브 사이에 에폭시가 충진되며, 상기 탄소나노튜브의 기공이 제어되는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이는 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 수직배열된 탄소나노튜브의 밀도는 1㎠당 5×109개 ~ 10×1010개인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 에폭시가 충진된 탄소나노튜브는 말단이 폐쇄되어 있으며, 상기 말단을 수직절단하여 탄소나노튜브 내부 또는 절단된 부위에 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH)로 이루어진 군에서 1이상의 기가 형성되는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 내부 또는 말단을 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 코팅하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 제어된 기공의 크기는 0.1 ~ 2nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 에폭시 사이에 말단이 개구된 탄소나노튜브 관이 형성되어
상기 탄소나노튜브 말단 및 내부에 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 결합된 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제8항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 수직으로 배열되었으며, 1㎠당 5×109개 ~ 10×1010개로 형성된 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제8항에 있어서,
상기 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))는 상기 탄소나노튜브 내부 또는 절단된 부위에 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH) 중 어느 하나로 이루어진 기와 결합하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 제8항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 내경의 지름은 0.1 ~ 2nm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체.
- 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계;
상기 수직배열된 탄소나노튜브 사이를 에폭시로 충진하는 충진단계;
충진된 에폭시를 경화시키는 경화단계;
탄소나노튜브의 말단을 절단하는 절단단계; 및
탄소나노튜브 내부 또는 말단을 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 코팅하는 코팅단계를 포함하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이는 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 수직배열된 탄소나노튜브의 밀도는 1㎠당 5×109개 ~ 10×1010개인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 경화단계에서 경화온도는 30 ~ 50℃이며, 경화시간은 대기압하에서 4~7일간 경화하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 에폭시가 충진된 탄소나노튜브 말단을 수직절단하여 탄소나노튜브 내부 또는 절단된 부위에 카르복시기(COOH), 히드록시기(OH) 및 히드로퍼옥시기(OOH)로 이루어진 군에서 1이상의 기가 형성되는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 내부 또는 말단을 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))로 코팅하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 코팅단계는 PAH (poly(allylamine hydrochloride)) 및/또는 PSS (poly(styrene sulfonate))가 1 ~ 5중량%로 용해시켜 용액을 2~3bar로 가압하여 탄소나노튜브의 기공을 통과시키는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 기공을 0.1 ~ 2nm의 직경으로 제어하는 것을 특징으로 하는 수처리용 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한항에 따른 수처리용 탄소나노튜브 구조체 또는 제12항 내지 제20항 중 어느 한 한에 따른 제조방법으로 제조된 수처리용 탄소나노튜브 구조체를 포함하는 수처리용 역삼투막.
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