KR20140114109A

KR20140114109A - Macro한 공극을 갖는 지지층이 있는 분리막

Info

Publication number: KR20140114109A
Application number: KR1020130028459A
Authority: KR
Inventors: 정성필; 이석헌
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-09-26
Also published as: KR101511374B1

Abstract

본 발명은 특정 크기 및 모양을 갖는 분리막에 관한 것으로, 보다 구체적으로 대상유체에서 대상물질을 분리하기 위한 활성층 및 평면상에 도시하였을 때 면적이 1 mm² 보다 크고 100 cm² 보다 작거나 같은 크기의 공극을 가지며, 상기 활성층의 강도를 보강하기 위한 지지층을 포함하는 분리막에 관한 것이다.

Description

Macro한 공극을 갖는 지지층이 있는 분리막{Membrane including macro-void support layer}

본 발명은 분리막을 개질하여 막분리 공정의 효율을 향상시키는 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분리막 지지층의 공극을 개질하여 공정의 효율을 극대화시킨 분리막에 관한 것이다.

일반적으로 분리막의 성능 향상을 위해서는 구조 또는 재질의 변화가 가장 많이 시도되고 있으며, 기존의 상용화된 분리막에 추가적인 처리를 하거나 일부를 대체 또는 변형하는 연구들이 많이 진행되고 있다. 구조를 바꾸는 부분에 있어서는 분리막의 제조 방법을 변형하여 분리막의 입경, 공극률, 두께, tortuosity 등의 분리막 특성을 개선하는 방법이 있며, 재질의 변화의 경우에는 기존의 사용되고 있는 재질 보다 향상된 성능을 보이거나, 제조가 간단한 경우이거나, 환경 비용을 포함한 분리막 제조 비용을 줄일 수 있는 신규 소재를 적용하여 분리막을 제조하는 방법이 있다. 또는 기존의 상용화된 막의 전부 또는 일부를 이용하여 각종 화학적, 물리적 처리를 함으로써, 성능을 향상시키는 연구들이 진행되어 왔다. 일반적인 분리막 개질 방법에는 플라즈마를 이용하는 처리, 나노 또는 마이크로 등 다양한 크기의 입자를 분리막에 부착하는 처리, 분리막의 소수성화 또는 친수성화를 위하여 각종 작용기를 부착하는 처리, 분리막의 두께를 조절하기 위하여 산 또는 염기 및 각종 용매들에 담그거나 접촉시키는 처리, 표면 중합을 이용하는 처리, 각종 물질을 코팅하는 처리 등이 활용되어 왔다.

하지만, 종래 기술의 경우 현재 분리막의 구조를 변화시키는 방법은 대부분의 기술이 완성되어 있으며, 분리막을 위한 신소재의 개발의 경우도 매우 더디게 진행되고 있는 실정이다. 또한, 기존 상용막을 개질하여 사용하는 경우도 분리막의 활성층(active layer)만을 대상으로 하는 것이 대부분으로, 거의 기술적인 한계에 도달하였으며, 신소재 또는 분리막의 구조 변화에 비하여 성능의 향상이 크지 않은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 분리막의 지지층을 개질하여 분리막의 효율 즉, flux를 향상시키는데 그 목적이 있다.

본 발명은 분리막에 관한 것으로, 보다 구체적으로 대상 유체에서 대상 물질을 분리하기 위한 활성층 및 평면상에 도시하였을 때 면적이 1 mm² 보다 크고 100 cm² 보다 작거나 같은 크기의 공극을 가지며, 상기 활성층의 강도를 보강하기 위한 지지층을 포함하는 분리막에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 공극은 그 형태가 특별히 정해진 것은 아니나, 면적이 1mm² 이상이고, 적어도 하나이상의 공극이 상기 지지층의 면에 단일폐곡선형태로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 지지층의 공극률은 특별히 한정되는 것은 아니나 분리막의 구조적인 안정성을 유지하는 한에서 최대한 크게 만드는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 20% 내지 90%일 수 있다.

본 발명에서 상기 지지층은 굴곡도(tortuosity)을 최소화하고, 공극률을 극대화하기 위해 최대한 얇은 것이 좋으며 특별히 한정하는 것은 아니나 바람직하게는 두께가 1㎛ 내지 10,000㎛ 인 지지층일 수 있다.

본 발명의 분리막에 있어서, 상기 분리막은 막증류, 삼투 및 여과를 원리로 하는 공정로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 막분리 방식에 적용할 수 있으며, 막간차압(trans-membrane pressure, TMP)이 작게 발생하는 방식이라면 어떠한 막분리 방식에 적용하여도 무방하다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 분리막은 지지층에 벌크한 공극을 형성하여 공극률을 극대화시켜 분리막의 flux를 향상 시키면서도, 분리막의 내구성 또한 장시간의 운전에 지장 없을 정도로 갖출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 분리막의 공극률에 따른 flux를 비교한 그래프이다.

이하, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 분리막에 관한 것으로, 보다 구체적으로 대상 유체에서 대상물질을 분리하기 위한 활성층 및 면적이 1 mm² 보다 크고 100 cm² 보다 작거나 같은 크기의 공극을 가지며, 상기 활성층의 강도를 보강하기 위한 지지층을 포함하는 분리막에 관한 것이다.

상기 대상 유체는 기체, 물, 기름, 식음료, 화학 용매, 바닷물, 하폐수 등 불순물이 포함된 모든 유체이며, 대상 물질은 다른 유체 또는 기체, 고체 등 상기 대상 유체에서 막분리 공정을 적용하였을 때 분리 가능한 모든 물질이다.

macro한 공극의 면적이 1 mm² 이하이면, 기존에 존재하는 지지층의 공극 크기와 유사하여 분리막의 성능 향상이 크지 않으며, 100 cm² 이상이면 지지층이 활성층을 구조적으로 지지하지 못하여 분리막으로 활용할 수 없기 때문이다.

본 발명에서 상기 공극은 그 형태가 특별히 정해진 것은 아니나, 적어도 하나이상의 공극이 상기 지지층 평면상에 도시하였을 때 단일폐곡선형태로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공극을 macro한 공극이라고 한다면, 지지층에는 더 작은 크기의 공극 즉 1mm² 보다 작은 크기의 공극이 추가적으로 더 형성될 수 있다.

본 발명에서 상기 지지층의 공극률은 특별히 한정하는 것은 아니나 분리막의 구조적인 안정성을 유지하는 한에서 극대화하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 20% 내지 90%일 수 있다. 이는 상기 지지층의 공극률이 20%미만일 때는 종래의 분리막보다 향상된 flux를 얻지 못하며, 90%초과일 때는 분리막의 내구성이 크게 떨어져 지지층 본래 역할을 충실히 수행 할 수 없기 때문이다.

본 발명에서 상기 지지층은 굴곡도(tortuosity)를 최소화하고, 공극률을 극대화 하기 위해 최대한 얇은 것이 좋으며 특별히 한정하는 것은 아니나 바람직하게는 두께가 1 ㎛ 내지 10,000 ㎛ 인 지지층일 수 있다.

본 발명의 분리막에 있어서, 상기 분리막은 기체 분리막, 수처리 분리막 등 그 종류가 제한되지 않으며, 예를 들면 막증류, 삼투, 및 여과를 원리로 하는 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 분리막 공정에 적용할 수 있으며, 막간차압(trans-membrane pressure, TMP)이 작게 발생하는 방식이라면 어떠한 막분리 공정에 적용하여도 무방하다.

본 발명에서 분리막은 이중 또는 다층의 막으로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 다만 단일막의 형태로 되어 있다고 하더라도, 구조 또는 소재의 차이, 처리 방법의 차이 등으로 인하여 각 층의 특성이 다른 단일 분리막의 경우도 모두 이중 또는 다층의 막과 같은 것으로 본다.

상기 이중 또는 다층의 막으로 구성된 분리막의 경우, 적어도 한 층 이상은 분리하고자 하는 물질을 처리할 수 있는 활성층(active layer)이며, 다른 층 중 한층 이상은 분리막의 인장 강도 향상 및 활성층의 두께를 감소시키기 위하여 적용된 지지층(support layer)으로 구성된다.

본 발명에서 상기 활성층의 경우 그 소재가 특별히 정해진 것은 아니며, 분리막이 적용되는 기술 분야에 따라 고분자(polymer), 세라믹(ceramic), 단백질(protein), 또는 금속(metal) 등의 소재로 이루어 질 수 있다.

본 발명에서 상기 지지층의 경우 상기 활성층에서 필요한 분리의 특성을 갖거나 갖지 않을 수 있으며, 분리막이 적용되는 기술 분야에 따라 고분자(polymer), 세라믹(ceramic), 단백질(protein), 또는 금속(metal) 중에서 어느 하나를 포함하여 형성되는 것이 바람직하지만, 특별히 그 소재가 한정되는 것은 아니다.

또한, 활성층 및 지지층을 제조하는 방법은 특별히 제한하는 것은 아니나 NIPS (non-solvent induced phase separation), TIPS (thermal induced phase separation), stretching, electro-spinning의 방법 중에서 어느 하나인 것이 바람직 할 수 있다.

또한, 상기 지지층의 형태 역시 그물, 타공판 형태(scrim type), 및 부직포 형태 (non-woven fabric type)의 구조를 가질 수 있으며, 활성층과 물리화학적으로 결합되어 있거나 점진적으로 구조 또는 재질의 변화가 있을 수도 있다.

본 발명의 분리막에서, 지지층의 공극률을 향상시키기 위하여 다양한 크기의 공극을 갖도록 구조 변화를 유도할 수 있으며, 그 방법은 특별히 정해진 것은 아니나, 절단, punching, 연신, rolling과 같은 물리적인 방법이나 용매, 가열, 용융, 플라즈마를 이용한 화학적인 방법이 사용될 수 있다.

또한, 지지층에 공극을 형성하는 방법은 활성층에도 적용가능하며, 일반적으로 활성층의 공극의 크기가 지지층보다 작거나 같을 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막에 대해 단면도를 나타낸 것으로, 분리막(100)은 유체 사이에서 대상 물질(들)을 분리하기 위한 활성층(110)과 활성층의 강도를 보강하기 위한 지지층(120)으로 구성된다.

또한, 지지층(120)에는 공극(130)이 존재하며, 분리막의 구조적인 안정성을 유지하는 한에서 최대한 크게 만들어 지지층(120)의 공극률을 극대화 하고 굴곡도(tortuosity)을 최소화 하는 역할을 한다. 일반적으로 굴곡도(tortuosity)은 구조에 의해 결정되며, 공극(130)이 존재하는 부분의 굴곡도(tortuosity)는 가장 낮은 값인 1이므로, 전체 지지층의 굴곡도(tortuosity) 값을 낮추는 효과가 있다.

상기 활성층(110)에 유체가 접촉하는 경우, 분리막(100)의 특성에 따라 일부 유체는 활성층(110)을 통해 이동되며, 이동되지 못한 유체 및 고체의 경우 활성층(110)을 통과하지 못하고 남게 된다. 활성층(110)을 통과한 유체는 지지층(120)의 공극(130)을 통과하여 지지층(120)과 접촉하고 있는 유체에 섞이거나, 지지층(120) 내부로 스며들거나 통과한 유체에 직접 접촉하여 섞인 후 외부로 이동하게 된다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 분해사시도로 사각형의 공극이 지지층에 형성되어있다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 분해사시도로 직사각형의 공극이 지지층에 형성되어있다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 분해사시도로 원형의 공극이 지지층에 형성되어 있다.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 분해사시도로 영문WORLD 형태의 공극이 지지층에 형성되어 있다. 이는 제조사의 상호를 분리막의 지지층에 공극의 형태로 새겨, 본 발명의 분리막에 관한 제품이 특정제조사의 제품임을 표시할 수 있도록 한 것이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 : 수처리용 분리막의 제조( macro 한 공극)

본 발명에 사용된 분리막은 상용 평막 형태의 PTFE/PP 복합막이며 구입하여 준비하였다.

1) PTFE/PP 분리막에서 활성층인 PTFE 막과 지지층인 PP막을 분리하는 단계,

2) 칼로 PP 막에 1 mm² ~ 100 cm² 의 공극이 생기도록 절개하여 macro한 공극을 형성하는 단계,

3) 활성층을 접착액이 도포된 지지층에 부착하는 단계

시험예 : 분리막의 flux 측정

분리막의 flux를 측정하기에 앞서, 본 발명의 상기 실시예에 따른 macro한 공극을 가지는 지지층을 포함하는 분리막(1, 2, 3) 및 비교예로서 상용 PTFE/PP 분리막(4)을 준비하였으며, 이들에 대해 두께, 공극률을 측정한 값은 아래 [표1]과 같다.

실시예 및 비교예에 따른 분리막의 공극률 비교

	재료	두께	공극률(%)
1( 실시예 )	PTFE / PP	90	50
2( 실시예 )	PTFE / PP	90	60
3( 실시예 )	PTFE / PP	90	70
4( 비교예 )	PTFE / PP	90	36

본 발명의 실시예 및 비교예의 분리막 각각의 공극률 및 이에 대응하는 Flux 값을 비교한 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6에 의하면, 지지층에 macro한 공극을 형성한 본 발명의 실시예에 따른 분리막(공극률은 각각 50%, 60%, 70%)의 경우, 직접접촉 막증류 방식(direct contact membrane distillation, DCMD)의 수 처리 공정에 적용된 분리막의 flux가 기존의 macro한 공극이 형성되어 있지 않은 상용막(비교예) 보다 약 13% 까지 향상됨을 확인할 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 분리막 110 : 활성층
120 : 지지층 130 : 공극

Claims

대상 유체에서 대상물질을 분리하기 위한 활성층; 및
면적이 1 mm² 보다 크고 100 cm² 보다 작거나 같은 크기의 공극을 가지며, 상기 활성층의 강도를 보강하기 위한 지지층;
을 포함하는 분리막.
제 1항에 있어서,
상기 공극은 적어도 하나이상인 것을 특징으로 하는 분리막.
제 1항에 있어서,
상기 공극은 상기 지지층을 평면상에 도시하였을 때 단일폐곡선형태로 형성된 것을 특징으로 하는 분리막.
제 1항에 있어서,
상기 지지층의 공극률은 20%보다 크거나 같고 90%보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 분리막.
제 1항에 있어서,
상기 지지층에는 면적이 1 mm² 미만의 공극이 더 포함되는 분리막.
제 1항에 있어서,
상기 지지층의 두께는 1 ㎛ 내지 10,000 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 분리막.
제 1항에 있어서,
막증류, 삼투 및 여과 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 막분리 방식에 적용되는 분리막.