KR20140073357A - Ｐｔｆｅ 중공형 막증류 분리막 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법을 통해 제조된 PTFE 중공형 막증류 분리막은 제조비용의 증가 없이도 단일 PTFE 중공사 분리막에서 중공과의 거리에 따라 따라 노드 및/또는 피브릴의 크기를 조절하여 여과능을 현저하게 개선할 수 있다. 또한 통상의 PTFE 중공사는 외부에서 내부로 유체가 통과하면서 여과공정이 수행되는 것에 비하여, 본 발명의 PTFE 중공사 분리막은 중공사의 내부에서 외부로 유체가 통과하게 되므로 정밀한 여과공정의 수행이 가능하게 된다. 나아가, 내부가 조밀한 구조를 가지므로 여과공정에서 이물질이 공극에 끼일 문제가 적어져 여과능이 현저하게 개선될 뿐 아니라 역세척이 매우 간편해진다.
Description
본 발명은 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 여과능을 극대화할 수 있는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법을 제공하는 것이다.
막 증류법(Membrane Distillation)은 소수성 고분자 분리막의 표면에서 상변화가 일어나고, 분리막 표면의 미세기공을 통해 증기가 투과하여 응축, 분리되는 공정으로서, 비휘발성 이거나 휘발성이 상대적으로 낮은 물질을 분리 제거하는 탈염 공정이나, 수용액 중에 휘발성이 높은 유기물을 분리하는데 이용할 수 있다. 예를 들면, 바이오 에탄올 같은 에탄올 수용액으로부터 에탄올을 분리하는데 막 증류를 적용할 수 있다.
막증류 분리막(MD)는 현재 널리 상용화되고 있는 역삼투 공정과 달리, 소수성 고분자를 분리막의 재료로 이용하는 것이 유리하며 기공은 0.5㎛내외, 두께는 100㎛ 내외인 MF수준의 막이 적용될 수 있다. 막 증류법은 소수성 고분자 분리막을 이용하는데, 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상 변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 투과측에서 응축, 분리되는 것이다. 현재 MD용 분리막의 재료로 소수성이 강한 불소계 고분자인 PTFE, PVDF 가 많이 선호되고 있다. 폴리테트라플르오르에틸렌(PTFE)은 재료 자체의 소수성이 매우 강하기 때문에, 물에 대한 접촉각이 폴리비닐리덴플르오르라이드(PVDF)에 비해 크고, 동일조건에서 수증기의 투과속도 또한 우수해서 MD용 분리막의 재료로 각광받고 있다.
한편, 중공사막이란 통상적으로 마카로니처럼 가운데 부분이 공동으로 되어 있는 실의 형태로 제작된 것으로 미세한 불순물을 제거하기 위한 투과막으로 주로 사용되고 있으며, 고분자 중공사막, 세라믹 중공사막 및 금속 중공사막으로 분류할 수 있다. 그런대, 종래의 PTFE는 중공사막의 제조방법은 널리 알려져 있지 않을 뿐 아니라, 알려진 방법에 의해 PTFE는 중공사막을 제조하는 경우 단일 중공사막에서 노드 및/또는 피브릴의 크기를 다양하게 조절하기 어려워 여과능을 개선하기 어려운 문제가 있었다.
나아가, 통상의 PTFE 중공사는 외부에서 내부로 유체가 통과하면서 여과공정이 수행되므로 정밀한 여과공정을 수행하는데 한계가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 해결하려는 과제는 단일 PTFE 중공사 분리막에서 중공과의 거리에 따라 따라 노드 및/또는 피브릴의 크기를 조절하여 여과능을 현저하게 개선할 수 있으면서 중공사의 내부에서 외부로 유체가 흐르면서 여과공정을 수행할 수 있는 PTFE 중공형 막증류 분리막및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법은 상기 압출공정에서 PTFE 중공사의 중공부에 압출온도보다 낮은 온도의 기체를 주입하거나, 연신공정에서 PTFE 중공사의 중공부에 연신온도보다 낮은 온도의 기체를 주입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 압출단계는 60 ~ 100℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 압출단계는 15 ~ 25㎫의 압력에서 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 압출공정에서 PTFE 중공사의 중공부는 맨드렐(mandrel)에 관통되어 이송되고 맨드렐의 내부에 상기 기체가 주입될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 맨드렐과 연통된 니플에서 상기 기체가 중공사의 중공으로 유입될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 기체의 온도는 압출온도보다 30℃ 이상 낮을 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 기체의 온도는 10 ~ 30℃일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 기체는 공기, 수소, 산소, 질소 및 이산화탄소로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 연신공정을 포함하여 PTFE 중공형 막증류 분리막을 제조하는 방법에 있어서, 상기 연신공정에서 PTFE 중공사의 중공내부의 온도가 연신온도보다 50℃ 이상 낮을 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 연신온도는 250 ~ 320℃일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, PTFE 중공사의 중공내부의 온도가 연신온도보다 100℃ 이상 낮을 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, PTFE 중공사의 중공내부의 온도가 연신온도보다 150℃ 이상 낮을 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 연신공정의 연신비는 1.2 ~ 8배일 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막은 노드 및 피브릴을 포함하는 PTFE 중공형 막증류 분리막에 있어서, PTFE 중공사의 내부에서 외부쪽으로 밀도가 감소한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, PTFE 중공사의 내부에서 외부쪽으로 피브릴의 길이는 길어지고 노드길이는 감소한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 내부에서 외부쪽으로 공극률이 증가하며, 밀도가 감소하고 공극의 크기가 증가할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공형 막증류 분리막의 내경은 500 ~ 1200㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공형 막증류 분리막의 외경은 1800 ~ 2500㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공형 막증류 분리막의 기공도는 60% 이상이고 인장강도가 60㎫ 이상일 수 있다.
본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법을 통해 제조된 PTFE 중공형 막증류 분리막은 제조비용의 증가 없이도 단일 PTFE 중공사 분리막에서 중공과의 거리에 따라 따라 노드 및/또는 피브릴의 크기를 조절하여 여과능을 현저하게 개선할 수 있다. 또한 통상의 PTFE 중공사는 외부에서 내부로 유체가 통과하면서 여과공정이 수행되는 것에 비하여, 본 발명의 PTFE 중공사 분리막은 중공사의 내부에서 외부로 유체가 통과하게 되므로 정밀한 여과공정의 수행이 가능하게 된다. 나아가, 내부가 조밀한 구조를 가지므로 여과공정에서 이물질이 공극에 끼일 문제가 적어져 여과능이 현저하게 개선될 뿐 아니라 역세척이 매우 간편해진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PTFE 중공사 분리막의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 압축기의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 사용될 수 있는 압출기의 모식도이고, 도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 압출기 후단의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 막증류 분리막 모듈을 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 압축기의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 사용될 수 있는 압출기의 모식도이고, 도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 압출기 후단의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 막증류 분리막 모듈을 도시하는 사시도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법은 널리 알려져 있지 않을 뿐 아니라, 알려진 방법에 의해 PTFE 중공형 막증류 분리막을 제조하는 경우 단일 중공사막에서 노드 및/또는 피브릴의 크기를 다양하게 조절하기 어려워 여과능을 개선하기 어려운 문제가 있었다. 나아가, 통상의 PTFE 중공형 막증류 분리막는 외부에서 내부로 유체가 통과하면서 여과공정이 수행되므로 정밀한 여과공정을 수행하는데 한계가 있었다.
이에 본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법은 본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법은 상기 압출공정에서 PTFE 중공사의 중공부에 압출온도보다 낮은 온도의 기체를 주입하거나, 연신공정에서 PTFE 중공사의 중공부에 연신온도보다 낮은 온도의 기체를 주입하는 단계를 포함하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해 제조비용의 증가 없이도 단일 PTFE 중공사 분리막에서 중공과의 거리에 따라 따라 노드 및/또는 피브릴의 크기를 조절하여 여과능을 현저하게 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PTFE 중공사 분리막의 제조방법을 나타내는 흐름도로서 이를 중심으로 본 발명의 PTFE 중공사 분리막의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, (1) 단계로서 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말 및 액상 윤활제를 혼합하여 페이스트를 제조한다(S1). 본 발명의 페이스트에 포함되는 PTFE 분말은 통상적으로 PTFE 중공사 분리막에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 PTFE 분말의 평균입경은 300 ~ 500 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 분자량 등도 특별히 제한되지 않으며 시판의 제품을 사용해도 무방한 바, 그 예로서는, 폴리프론 F-104(다이킨 공업), 플루온 CD- 123(아사히 ICI 플로로폴리머즈사)등을 들 수 있다.
본 발명의 페이스트에 포함되는 액상 윤활제는 PTFE 미세분말의 표면을 적시면서 원활한 압출 및 프리폼 형성을 수행하기 위한 것으로서, 중공사로 성형 후 열에 의한 증발추출 등의 수단에 의해 제거 가능한 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 액상 윤활제로서, 유동파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소 오일 외에, 각종 알코올류, 케톤류, 에스테르류 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 페이스트에 포함되는 액상 윤활제는 PTFE 미세분말의 표면을 적시면서 원활한 압출 및 프리폼 형성을 수행하기 위한 것으로서, 중공사로 성형 후 열에 의한 증발추출 등의 수단에 의해 제거 가능한 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 액상 윤활제로서, 유동파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소 오일 외에, 각종 알코올류, 케톤류, 에스테르류 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 페이스트는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말 100중량부에 대하여 액상 윤활제 10 ~ 50중량부를 포함할 수 있다.
다음, (2) 단계로서, 상기 페이스트를 압축기에서 압축하여 중공사 형태로 예비성형한다(S2). 구체적으로 본 발명에 사용될 수 있는 압축기는 통상적으로 고분자 중공사 분리막의 제막에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있다. 도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 압축기의 모식도로서 상기 (1) 단계에서 제조된 페이스트가 중공사 분리막 제조용 압축기(20) 내부로 유입되면, 중공형성부(21)의 외부공간(22)을 흐르게 되며 이 때 열과 압력을 가하여 페이스트를 중공사 형태로 예비성형할 수 있다. 상기 중공형성부(21)의 단면형상은 원형일 수 있으며, 직경은 원하는 중공사의 중공크기에 따라 조절될 수 있다.
한편, 압축기 내부의 온도 및 압력은 통상의 PTFE 중공사 분리막 제조 시 적용되는 압축기의 조건에 따라 설정할 수 있으며, 바람직하게는 18 ~ 25℃ 및 1 ~ 3㎫의 압력에서 수행될 수 있다.
다음, (3) 단계로서 상기 예비성형된 중공사의 중공 내부에 낮은온도의 기체를 주입하여 압출기에서 압출한다(S3). 구체적으로 본 발명에 사용될 수 있는 압출기는 통상적으로 고분자 중공사 분리막의 제막에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 압출 또는 후술하는 연신공정에서 PTFE 중공사의 중공부에 압출온도보다 낮은 온도의 기체를 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 압출공정에서 연신공정까지 연속적으로 진행되는 경우 연신공정에서 기체주입이 어려우므로 압출공정에서 기체를 주입하는 것이 바람직하고, 단속적으로 진행되는 경우로서 특히 PTFE 중공사를 절단하여 개별적으로 연신하는 경우에는 연신공정에서 연신온도보다 낮은 온도의 기체를 주입할 수 있다.
구체적으로 도 3은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 압출기의 모식도로서, 상기 (2) 단계를 거쳐 예비성형된 PTFE 중공사(120)는 압출기(100) 내부의 맨드렐(mandrel, 110)에 중공이 관통되어 압출기의 후단(도 3의 우측)으로 이송되면서 압출된다. 이 때, 상기 맨드렐의 중공부(111)에 압출온도보다 낮은 온도, 바람직하게는 30℃ 이상 낮은 온도의 기체를 주입하며, 가장 바람직하게는 10 ~ 30℃의 기체를 주입하는 것이 PTFE 중공사의 물성을 향상시키는데 가장 유리하다. 이 경우 상기 기체는 공기, 수소, 산소, 질소 및 이산화탄소로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 이후 연신공정에서 중공내부의 온도를 연신온도보다 낮출 수 있는 것이면 제한없이 사용될 수 있다.
도 4는 도 3의 압출기의 후단(우측)을 확대한 모식도로서, 상기 맨드렐(110)은 니플(130)과 연통되며 맨드렐의 중공부(111)은 니플(130)의 중공부(131)과 연통된다. 그 결과 맨드렐의 중공부(111)에 주입된 기체는 니플(130)의 중공부(131)로 이송되고, 맨드렐(110)에 관통되어 이송된 PTFE 중공사는 맨드렐(110)과 연통된 니플(130)로 이송되어 압출된 후 압출기(100)의 외부로 이송되며, 이 때 니플(130)의 후단부분에서 이송된 기체가 PTFE 중공사의 중공내부로 직접 분사된다. 그 뒤 내부에 낮은 온도의 기체를 포함하는 압출된 PTFE 중공사(140)는 연속적으로 후술하는 건조 및 연신공정을 수행하게 된다. 한편, 니플(130)과 맨드렐(110)의 결합은 여러가지 공지의 수단을 통해 달성될 수 있으며, 니플과 맨드렐의 결합부(125)가 나사결합을 통해 결합되고 조임과 풀림을 반복하여 PTFE 중공사의 이송량을 적절하게 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 압출조건은 낮은 온도의 기체를 주입하는 것을 제외하고는 통상의 PTFE 중공사의 압출조건에 따라 수행될 수 있으며, 바람직하게는 상기 (3) 단계는 60 ~ 100℃에서 15 ~ 25㎫의 압력에서 수행될 수 있다. 한편, 상기 (3) 단계를 거친 PTFE 중공사는 외경이 1.5~5mm이고, 내경이 0.5~4mm일 수 있다.
다음, (4) 단계로서 상기 압출된 중공사를 가열하여 액상 윤활제를 제거하는 단계를 포함할 수 있다(S4). 구체적으로 상기 중공사의 가열온도는 액상 윤활제가 제거되는 정도의 온도이면 족하나 바람직하게는 110 ~ 150℃일 수 있다. 가열시간은 10 초 ~ 10분간 수행될 수 있다.
다음 (5) 단계로서, 상기 액상 윤활제가 제거된 중공사를 연신하여 중공사의 내부에 기공을 형성한다(S5). 구체적으로 통상의 PTFE 중공사는 롤러를 통해 이송되는데 이 경우 롤러간의 속도차를 이용하여 종방향으로 연신할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 통상의 중공사 제조 시 사용되는 연신방법에 따라 연신될 수 있다. 연신온도 역시 250 ~ 320℃일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 연신비는 1.2 ~ 8 배 연신될 수 있다. 연신과정을 거치면 중공사의 내부에 노드와 피브릴을 형성하여 기공이 형성된다.
한편, 상기 (3) 단계에서 낮은 온도를 갖는 기체를 주입하지 않은 경우로서 특히 PTFE 중공사를 절단하여 공정이 진행되는 경우에는 (5) 단계인 연신공정에서
낮은 온도의 기체를 PTFE 중공사의 중공내부로 주입할 수 있다.
그런대, 상기 (3) 단계에서 압출온도보다 낮은 온도의 기체를 주입하거나 (5) 단계에서 연신온도보다 50℃ 이상 낮은 온도를 갖는 기체를 주입하면 결과적으로 연신공정에서 PTFE 중공사의 중공온도가 연신온도보다 50℃ 이상 낮게 된다. 이러한 상태에서 연신공정이 이루어지게되면 종공부의 온도가 PTFE 중공사 외부의 온도보다 현저하게 낮은 상태에서 연신공정이 수행되므로 PTFE 중공사의 중공과 가까운 부분과 먼부분의 형상에 현저한 차이가 발생하게 된다. 구체적으로 PTFE 중공사 내부에서 외부쪽으로 갈수록 피브릴 길이는 길어지고, 공극률은 커지며, 밀도는 낮아지고, 공극크기는 커지며 노드는 줄어들게 된다. 그 결과 제조비용의 증가 없이도 단일 PTFE 중공사 분리막에서 중공과의 거리에 따라 따라 노드 및/또는 피브릴의 크기를 조절하여 여과능을 현저하게 개선할 수 있게 되는 것이다.
그 결과, PTFE 중공형 막증류 분리막은 제조비용의 증가 없이도 단일 PTFE 중공사 분리막에서 중공과의 거리에 따라 따라 노드 및/또는 피브릴의 크기를 조절하여 여과능을 현저하게 개선할 수 있다. 또한 통상의 PTFE 중공사는 외부에서 내부로 유체가 통과하면서 여과공정이 수행되는 것에 비하여, 본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막은 중공사의 내부에서 외부로 유체가 통과하게 되므로 정밀한 여과공정의 수행이 가능하게 된다. 나아가, 내부가 조밀한 구조를 가지므로 여과공정에서 이물질이 공극에 끼일 문제가 적어져 여과능이 현저하게 개선될 뿐 아니라 외부에서 내부로 여과공정은 중공사와 중공사 사이의 이물질을 역세하는데 있어 어려움이 있으나 내부에서 외부로의 여과 공정은 막과 막사이의 이물질 발생이 없어 역세척이 매우 간편해진다. 뿐만 아니라 모듈을 수직설치와 수평설치를 모두 할 수 있어 동일 면적에 대한 모듈 용적율이 매우 높아질 수 있는 장점이 있다.
이를 위하여 보다 바람직하게는 PTFE 중공사의 중공내부의 온도가 연신온도보다 100℃ 이상 낮을 수 있으며, 가장 바람직하게는 PTFE 중공사의 중공내부의 온도가 연신온도보다 150℃ 이상 낮을 수 있다.
다음, (6) 단계로서 상기 연신된 PTFE 중공사 분리막의 열수축을 방지하기 위하여 이를 소성한다(S6). 상기 (6) 단계의 소성온도는 300 ~ 400℃에서 10초 내지 10분간 수행될 수 있다.
상술한 방법을 통해 제조된 본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막의 내경은 500 ~ 1200㎛이고 외경은 1800 ~ 2500㎛일 수 있다. 기공도는 60% 이상이고 인장강도가 60㎫ 이상을 가진다.
본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막은 통상의 막증류 분리막 모듈에 채용되어 막증류 장치에 사용될 수 있다. 구체적으로 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 막증류 분리막 모듈을 도시하는 사시도이다. 이를 구체적으로 설명하면, 막증류 분리막 모듈(400)은 하우징(410), 유도용액이 유입되는 유입구(411), 가스가 배출된 후 담수가 유출되는 유출구(412), 가스가 배출되는 가스 배출구(413, 414)를 포함한다. 하우징(410) 내부에는 분배 튜브(distribution tube)(430)와 이를 둘러싸는 카트리지(420)가 내장된다. 분배 튜브(430)에는 멤브레인이 소수성막이므로 액체는 통과하지 않고 가스만 통과할 수 있는 다수의 개구부(431)가 위치한다. 분배 튜브(430)에는 유입구(411)로부터 유입된 유도용액이 유입되어 유동할 수 있으며, 헨리의 법칙(Henry's law)에 의해 유도용액으로부터 분리된 가스 또는 증기가 분배 튜브(430)로부터 개구부(431)를 통해 카트리지(420)로 유입되고 이후 가스 배출구(413, 414)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
카트리지(420)는 다수의 본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막을 포함한다. 보다 상세하게 본 과정을 설명하면, 진공 펌프(미도시)에 의해 카트리지(420)에 진공이 형성될 수 있다. 이러한 환경에서 유입구(411)를 통해 유입된 유도용액이 분배 튜브(430)를 통과하게 되면 헨리의 법칙에 의해 유도용액으부터 가스가 분리된다. 분리된 가스는 유도용액 외측으로 나오게 되어 개구부(431) 및 본 발명의 다층 PTFE 중공형 막증류 분리막(421)의 내부를 통과하여 외부로 배출되며 결과적으로 가스 배출구(413, 414)를 통해 막증류 분리막 모듈(400) 외부로 배출된다.
유도용액으로부터 가스가 배출되어 유도용액 내의 가스 농도가 현저히 낮아지게 되며, 온도 및/또는 진공도를 이용하여 용존 가스의 부분압을 조절함으로써 유도용액 내에 존재하는 거의 모든 가스를 분리시켜 유도용액을 담수화시킬 수 있다. 담수는 유출구(412)를 통해 외부로 배출된다. 상기 유도용액은 통상적으로 사용되는 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 NH4HCO3 를 사용할 수 있다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
PTFE 미세 파우더(DF-130, 솔베이) 75중량%와 액상 윤활제인 유동 파라핀(엑손모빌제품, 상품명 Isopar-H) 25중량%을 혼합하여 PTFE 페이스트를 형성하였다. 상기 PTFE 페이스트를 3MPa 압력에서 20℃에서 압축하여 중공사 형상의 pre-form을 형성하고 20MPa(200kg/㎠)의 압력으로 중공 형상의 외경 4mm 내경 2mm로 80℃에서 압출 성형하면서 램(페이스트)압출기의 맨드릴을 통하여 25℃에서 냉각 기체를 공급하며 연속공정으로 이후 상기 형성된 PTFE 중공사를 120℃에서 5분간 가열하여 유동 파라핀을 제거하였다. 연속적으로 상기 성형된 PTFE 중공사 분리막을 롤러간의 속도차에 의해 320℃에서 종방향으로 2배 연신하여 노드와 피브릴을 형성시켜 기공을 형성하였다. 이후 350℃로 소성을 통하여 PTFE 중공형 막증류 분리막을 제조하였다. 제조된 PTFE 중공사 분리막은 내부는 조밀한 구조를 가지며 중공에서 외부로 갈수록 밀도가 낮아지는 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 제조된 중공사형 분리막으로서, 외경 1.8mm, 내경 0.9mm, PTFE 중공사막을 모듈에 장착하였고 모듈 내부에서 중공사막의 부피는 45%로 하였다.. 중공사형 분리막의 내부(공급측)로 0.25±0.02㎛의 비드(bid)가 0.2wt% 분산된 80℃의 NaCl 3.5% 수용액을 2.0±0.1m/s로 공급하였고 외부(투과측)엔 10℃의 냉각수를 1.0±0.05m/s 로 투과시키며 직접접촉 막 증류(DCMD)를 수행하였다.
<비교예>
압출단계에서 낮은온도의 기체를 주입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 PTFE 중공사를 제조하였다. 제조된 PTFE 분리막은 중공과 가까운 부분과 먼 부분의 밀도가 별다른 편차를 나타내지 않았다.
<실험예>
(1) 역세척 회복률
29분 운전 후 1분 역세척 진행 후 유량 측정하고, [역세척 후 유량 / 초기(최초 운전 시작시점) 유량] 값을 역세척 회복률로 나타내었다.
| 접촉각(°) (advancing) |
평균기공(㎛) | 열전도도 (W/m·K) |
기공도(%) (porosity) |
제거율(%) | 투과도(kg/㎡·h) | 역세척회복율(%) | 인장강도(MPa) | |
| 실시예 1 | 121 | 0.25 | 0.24 | 77 | 99 | 47.1 | 87 | 55 |
| 비교예 1 | 121 | 0.7 | 0.24 | 78 | 94 | 45 | 25 | 55 |
표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 PTFE 중공형 막증류 분리막은 비교예의 PTFE 중공형 막증류 분리막에 비하여 제거측의 기공크기가 작아, 오염물질의 축적에서 비교적 자유로우며, 따라서 역세공정 수행 시 회복률이 보다 높은 것을 알 수 있다.
본 발명의 제조방법을 통해 제조된 ＰＴＦＥ 중공형 막증류 분리막은 여과능이 우수하여 담수화 장치 등의 분야에 널리 활용될 수 있다.
Claims (16)
- 압출 및 연신공정을 포함하여 PTFE 중공형 막증류 분리막을 제조하는 방법에 있어서, 상기 압출공정에서 PTFE 중공사의 중공부에 압출온도보다 낮은 온도의 기체를 주입하거나, 연신공정에서 PTFE 중공사의 중공부에 연신온도보다 낮은 온도의 기체를 주입하는 단계를 포함하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 압출공정에서 PTFE 중공사의 중공부는 맨드렐(mandrel)에 관통되어 이송되고 맨드렐의 내부에 상기 기체가 주입되는 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 맨드렐과 연통된 니플에서 상기 기체가 중공사의 중공으로 유입되는 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기체의 온도는 압출온도보다 30℃ 이상 낮은 것을 특징을 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 기체의 온도는 10 ~ 30℃인 것을 특징을 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기체는 공기, 수소, 산소, 질소 및 이산화탄소로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법.
- 연신공정을 포함하여 PTFE 중공형 막증류 분리막을 제조하는 방법에 있어서, 상기 연신공정에서 PTFE 중공사의 중공내부의 온도가 연신온도보다 50℃ 이상 낮은 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 연신온도는 250 ~ 320℃인 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법. - 제7항에 있어서,
PTFE 중공사의 중공내부의 온도가 연신온도보다 150℃ 이상 낮은 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 연신공정의 연신비는 1.2 ~ 8배인 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막의 제조방법. - 노드 및 피브릴을 포함하는 PTFE 중공형 막증류 분리막에 있어서, PTFE 중공사의 내부에서 외부쪽으로 밀도가 감소하는 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막.
- 제11항에 있어서, 내부에서 외부쪽으로 공극률이 증가하는 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막.
- 제11항에 있어서, 내부에서 외부쪽으로 피브릴의 길이는 길어지는 것을 특징으로 하는PTFE 중공형 막증류 분리막.
- 제11항에 있어서, 내부에서 외부쪽으로 공극의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막.
- 제11항에 있어서, 내부에서 외부쪽으로 노드길이는 감소하는 것을하는 것을 특징으로 하는PTFE 중공형 막증류 분리막.
- 제1항에 있어서,
상기 PTFE 중공형 막증류 분리막의 중공에서 외부로 유체가 여과되는 것을 특징으로 하는 PTFE 중공형 막증류 분리막.
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