KR20150024714A - 중공사막 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 표면 다공성에 의해 고투수량의 중공사막을 제조할 수 있는 중공사막 제조장치를 제안한다. 본 발명에서 제안하는 중공사막 제조장치는, 교반된 중공사막 원료들을 방사하여 고분자 용액 필라멘트를 형성하는 동충방사 노즐, 상기 동축방사 노즐과의 사이에 에어갭을 형성하도록 상기 동축방사 노즐로부터 이격되게 배치되고 상기 에어갭을 통과한 고분자 용액 필라멘트가 침지되도록 형성되어 상기 고분자 용액 필라멘트를 응고시키는 상분리조, 상기 고분자 용액 필라멘트와의 접촉에 의해 상기 고분자 용액 필라멘트에 막세공을 형성하는 에어로졸을 상기 에어갭에 공급하는 에어로졸 공급부, 및 상기 에어갭을 외부와 격리시키도록 상기 동축방사 노즐과 상기 상분리조 사이에 설치되고 국부적으로 상기 에어로졸의 농도를 증가시켜 상기 에어갭을 통과하는 고분자 용액 필라메인트에 상기 에어로졸의 부착을 유도하도록 형성되는 챔버를 포함한다.

Description

중공사막 제조장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING HOLLOW FIBER MEMBRANE}
본 발명은 분리막으로 사용되는 중공사막을 제조하는 장치에 관한 것이다.
중공사(hollow fiber)란 속이 빈 섬유를 말하며, 중공사막이란 중공사를 이용한 분리막(필터)를 말한다. 기체나 액체 또는 고체 특히 이온물질과 같은 특정 성분을 분리하기 위해 사용되는 분리막은 특정 성분을 선택적으로 투과 및 배제시키기 위해 치밀한 구조 또는 다공성 구조를 적절히 결합시켜 분리할 물질에 대한 선택성을 갖게 하는 동시에 투과 물질은 낮은 저항으로 통화할 수 있게 설계된다.
최근에는 정수 및 오폐수를 처리하는 공정에서도 이러한 구조를 갖는 분리막을 이용한 막분리 기술이 많이 적용되고 있다. 이러한 수처리용 분리막은 소재와 성능에 따라 분류할 수 있다.
먼저, 소재에 의한 분류로는 고분자, 세라믹, 금속 중 어느 것은 사용했느냐에 따라 고분자막, 세라믹막, 금속막으로 분류할 수 있다. 그리고, 성능에 따라서는 정밀여과막(MF:Microfiltrarion), 한외여과막(UF:Ultrafiltration), 나노여과막(NF:Nanofiltration), 역삼투막(RO:Reverse Osmosis)으로 분류할 수 있다.
특히, 수처리 분야에서 이용되는 한외여과막의 경우 압력차를 추진력으로 하여 막세공과 용질간의 크기 차이에 의해 특정 물질을 분리하는 기작을 이용하며, 이온 물질을 통과시키나, 저분자나 고분자 입자, 박테리아, 바이러스는 제거하는 특성을 갖는다. 한외여과막은 기준에 따라 달라지기는 하나 통상 0.1~0.01㎛ 범위의 기공 크기를 갖는다. 이러한 특성을 갖는 한외여과막은 공정수나 초순수 전처리, 재이용, 하폐수처리, 정수 등 넓은 응용범위를 가지고 있다. 그러나, 한외여과막은 정밀여과막에 비해 막세공 사이즈가 상대적으로 작기 때문에 상대적인 투수량은 떨어진다.
분리막의 제조방법에는 고분자 용액을 열에 의한 상분리가 일어나지 않는 낮은 온도에서 캐스팅 및 압출 방사하여 비용매(non-solvent)에 응고시켜서 다공성 구조를 형성하도록 만드는 비용매 유도 상분리법(NIPS:Nonsolvent Induced Phase Separation)이 일반적으로 사용되며, 수지가 열에 의해 상분리가 일어나는 온도 이상까지 올린 온도에서 방사하고 냉각 및 고화하여 분리막을 제조하는 열 유도 상분리법(Thermally Induced Phase Separation)도 이용되고 있다.
비용매 유도 상분리법이나 열 유도 상분리법에 의한 분리막의 제조는 고분자의 용액 조성을 적정한 비율로 블렌딩하였을 때, 상분리를 통해 다공성을 증대시키는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 비대칭 다공 구조를 만들기 위해 조성을 제어할 경우 필요한 화합물의 양이 많이 소모될 뿐만 아니라 그 결과가 원하는 대로 제어가 이루어지지 않을 가능성이 많아 문제점으로 지적되어 왔다.
본 발명의 일 목적은 종래와 다른 구조의 중공사막 제조장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 중공사막의 막세공 사이즈를 유지하면서 투수량을 증대시킬 수 있는 구조의 중공사막을 제조할 수 있는 중공사막 제조장치를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 중공사막의 표면 다공성을 증대시킬 수 있게 제어가 가능한 중공사막 제조장치를 개시하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 중공사막 제조장치는, 교반된 중공사막 원료들을 방사하여 고분자 용액 필라멘트를 형성하는 동충방사 노즐, 상기 동축방사 노즐과의 사이에 에어갭을 형성하도록 상기 동축방사 노즐로부터 이격되게 배치되고 상기 에어갭을 통과한 고분자 용액 필라멘트가 침지되도록 형성되어 상기 고분자 용액 필라멘트를 응고시키는 상분리조, 상기 고분자 용액 필라멘트와의 접촉에 의해 상기 고분자 용액 필라멘트에 막세공을 형성하는 에어로졸을 상기 에어갭에 공급하는 에어로졸 공급부, 및 상기 에어갭을 외부와 격리시키도록 상기 동축방사 노즐과 상기 상분리조 사이에 설치되고 국부적으로 상기 에어로졸의 농도를 증가시켜 상기 에어갭을 통과하는 고분자 용액 필라메인트에 상기 에어로졸의 부착을 유도하도록 형성되는 챔버를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 챔버는 상기 에어로졸 공급부와 연결되고, 상기 에어로졸 공급부로부터 공급되는 에어로졸을 수용하도록 형성된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 챔버는 상기 에어로졸 공급부로부터 공급된 에어로졸에 의해 내부가 과압되는 것을 방지하도록 에어로졸이 함유된 공기를 배출시키는 배기구를 구비한다.
상기 중공사막 제조장치는, 상기 배기구에 설치되어 상기 챔버로부터 배출되는 상기 에어로졸이 함유된 공기를 정화하는 공기정화장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 중공사막 제조장치는, 상기 챔버 내부에 온도 구배를 형성하도록 상기 챔버의 표면에 설치되고 상기 온도 구배에 의해 상기 에어갭을 통과하는 고분자 용액 필라멘트의 표면으로 상기 챔버 내부의 에어로졸을 유도하도록 형성되는 열공급부를 더 포함한다.
상기 중공사막 제조장치는, 상기 열공급부의 작동에 의해 상기 챔버 내부에 형성된 온도 구배가 상기 상분리조로 확장되는 것을 제한하도록 상기 챔버와 상기 상분리조 사이의 테두리를 따라 형성되는 열차폐부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 상분리조는 상기 고분자 용액 필라멘트에 막세공을 형성하는 미스트를 상기 챔버로 공급하도록 상기 챔버보다 높은 온도로 유지된다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 외부와 격리된 챔버 내부에 에어로졸의 농도를 증가시켜 동축방사 노즐에서 방사되는 고분자 용액 필라멘트와의 접촉 가능성을 증대시킴으로써, 상분리조에서 고분자 용액 필라멘트의 응고시 다량을 막세공을 형성할 수 있다.
또한 본 발명은, 열영동 기작을 이용하여 고분자 용액 필라멘트로 에어로졸의 유도함으로써, 중공사막의 표면 다공성을 증대시킬 수 있다.
또한 본 발명은, 중공사막 제조장치를 이용해 작은 막세공 사이즈에서 투수량을 증대시킨 중공사막을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 중공사막 제조장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 관련된 중공사막 제조장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 관련된 중공사막 제조장치의 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 중공사막 제조장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 중공사막 제조장치(100)의 개념도이다.
중공사막 제조장치(100)는 동축방사 노즐(110), 상분리조(120), 에어로졸 공급부(130) 및 챔버(140)를 포함한다.
동축방사 노즐(110)은 교반된 중공사막 원료들을 방사하여 중공사(hollow fiber) 형태의 고분자 용액 필라멘트를 형성한다. 중공사막 원료로는 PVDF(polyvinylidene fluoride), PTFE(polytetra fluoro ethylene)를 중심으로 한 불소계 고분자와 PES(polyethersulfone), PS(polystyrene)와 같은 술폰계 고분자 및 PE(polyethylene), PP(polypropylene)와 같은 올레핀계 고분자 소재가 사용될 수 있다.
상기 고분자 소재는 교반기를 갖춘 반응기(reactor) 형태의 장비에서 용매 및 첨가제와 함께 용해되어 기포가 제거된 뒤 질소나 기어 펌프의 압력에 의해 압출하여 상기 동축방사 노즐(110)로부터 방사된다.
동축방사 노즐(110)은 도시한 바와 같이, 자유낙하 방향으로 중공사막 원료들을 방사할 수 있다. 동축방사 노즐(110)의 방사는 열에 의한 고분자 용액의 상분리가 일어나지 않는 낮은 온도에서 진행된다. 동축박사 노즐(110)에서 방사된 고분자 용액 필라멘트는 동축방사 노즐(110)과 상분리조(120) 사이에 형성되는 에어갭(115)(air gap)을 통과하게 된다.
에어갭(115)은 비용매 유도 상분리법이나 열 유도 상분리법, 혹은 하이브리드 형태의 용액 방사를 통해 중공사막을 제조하는 과정에서 중공사막의 균일한 내경 및 외경을 확보하기 위한 것이다.
상분리조(120)는 동축방사 노즐(110)과의 사이에 상기 에어갭(115)을 형성하도록 상기 동축방사 노즐(110)로부터 이격되게 배치된다. 동축방사 노즐(110)이 자유낙하 방향으로 중공사막 원료들을 방사하도록 형성되는 경우, 상분리조(120)는 도시한 바와 같이 동축방사 노즐(110)로부터 소정 거리 이격된 하부에 배치될 수 있다.
상분리조(120)는 비용매(non-solvent)를 담도록 형성되고, 상기 에어갭(115)을 통과한 고분자 용액 필라멘트 상기 비용매에 침지될 수 있도록 형성된다. 동축방사 노즐(110)에서 방사된 고분자 용액 필라멘트는 에어갭(115)을 통과하고, 상분리조(120)에 침지되어 응고되고, 중공사막으로 형성된다.
경우에 따라 상기 상분리조(120)는 상기 고분자 용액 필라멘트에 막세공을 형성하는 미스트(mist)를 상기 챔버(140)로 공급하도록 상기 챔버(140)보다 높은 온도로 유지될 수 있다. 고온의 상분리조(120)에서 발생하는 미스트는 챔버(140) 내부의 국부적으로 상대적으로 습도를 증가시켜 중공사 표면에 다공성을 증대시킬 수 있다.
본 발명은, 동축방사 노즐(110)에서 방사된 고분자 용액 필라멘트가 상분리조(120)에 침지되기 전에 에어갭(115)을 통과하면서 상기 고분자 용액 필라멘트와의 접촉에 의해 막세공을 형성하는 에어로졸과 접촉할 수 있도록 에어로졸 공급부(130)와 챔버(140)를 포함한다.
에어로졸은 고분자 용액 필라멘트가 상분리조(120)에 침지되기 전에 필라멘트의 표면에 부착되면, 상분리조(120)에 침지되면서 고분자 용액 필라멘트에 막세공을 형성한다. 에어로졸 공급부(130)는 에어갭(115)을 통과하는 고분자 용액 필라멘트에 에어로젤을 공급하도록 형성되고, 에어로졸 공급부(130)로부터 공급되는 에어로졸은 NaCl 등의 무기염 이 될 수 있다.
에어로졸 공급부(130)는, 예를 들어 Automizer, Spark sidcharge, aerosol generator, Nebulizer, Tube Furnace aerosol generator, Electrospray aerosol generator 등이 사용될 수 있으며, 특정 에어로졸 입경을 사용하는 경우에는 추가적으로 Differential Mobility Analyzer, Impactor, Virtual Impactor 등을 추가할 수 있다.
챔버(140)는 에어갭(115)을 외부와 격리시키도록 상기 동축방사 노즐(110)과 상기 상분리조(120) 사이에 설치된다. 챔버(140)는 에어갭(115)을 외부와 격리시킴으로써 국부적으로 상기 에어로졸의 농도를 증가시키게 되고, 에어갭(115)을 통과하는 고분자 용액 필라멘트에 에어로졸 공급부(130)로부터 공급된 에어로졸의 부착을 유도하여 에어로졸이 고분자 용액 필라멘트에 부착될 가능성을 높인다.
챔버(140)는 에어로졸 공급부(130)와 연결되어 상기 에어로졸 공급부(130)로부터 공급되는 에어로졸을 수용하도록 형성된다. 에어로졸 공급부(130)로부터 공급된 에어로졸은 챔버(140)의 내부에 갇히게 되므로 챔버(140)가 없을 때와 비교하면 챔버(140)의 내부에는 에어로졸의 농도가 높게 형성된다.
챔버(140)에 의해 동축방사 노즐(110)에서 방사된 고분자 용액 필라멘트가 통과하는 에어갭(115) 내부에 국부적으로 높은 농도의 에어로졸 분위기가 형성되고, 에어로졸은 고분자 용액 필라멘트의 표면에 부착된다.
에어로졸이 표면에 부착된 고분자 용액 필라멘트는 에어갭(115)을 통과한 후 상분리조(120)에 침지되어 응고되고, 에어로졸에 의해 막세공이 형성된다. 에어로졸이 고분자 용액 필라멘트의 표면에 더 많이 부착될수록 다량의 막세공을 형성할 수 있고, 높은 표면 다공성에 의해 막세공 사이즈는 유지하면서 고투수량의 중공사막을 제조할 수 있다.
챔버(140)는 에어로졸 공급부(130)로부터 공급된 에어로졸에 의해 내부가 과압되는 것을 방지하도록 에어로졸이 함유된 공기를 배출시키는 배기구(141)를 구비할 수 있다. 에어로졸 공급부(130)로부터 공급된 에어로졸의 무질서한 운동에 의해 어느 일부는 고분자 용액 필라멘트에 부착되고, 다른 일부는 부착되지 못한다. 동축방사 노즐(110)로부터 고분자 용액 필라멘트가 방사되는 과정은 연속적인 과정으로, 중공사막의 지속적인 제조를 위해서는 챔버(140) 내부의 에어로졸 농도를 유지시키기 위해 새로운 에어로졸을 챔버(140)로 공급해야 한다.
에어로졸의 일부가 고분자 용액 필라멘트에 부착되어 에어로졸 농도가 낮아진 공기는 배기구(141)를 통해 배출되고, 에어로졸 공급부(130)로부터는 새로운 에어로졸이 공급되어 챔버(140) 내부의 에어로졸 농도가 떨어지는 것을 방지한다.
공기정화장치(150)는 배기구(141)를 통해 챔버(140)로부터 배출되는 에어로졸이 함유된 공기를 정화하도록 상기 배기구(141)에 설치된다. 공기정화장치(150)는 HEPA필터(High-efficiency particulate air filter) 등을 포함할 수 있다. 공기정화장치(150)는, 도 1에 도시한 바와 같이 에어로졸이 함유된 공기를 외부로 배출하도록 형성될 수 있고, 도시한 바와 달리 공기를 다시 에어로졸 공급부(130)와 챔버(140) 사이의 유로와 연결되어 챔버(140)와 공기정화장치(150) 사이를 순화시키도록 형성될 수도 있다.
중공사막 제조장치(100)에 의해 고분자 용액 필라멘트의 표면에 에어로졸의 부착 가능성을 높일 수 있으며, 이에 의하여 중공사의 표면에 다공성을 증대시킬 수 있다.
이하에서는 도 1에 도시된 중공사막 제조장치(100)와 다른 구조의 중공사막 제조장치(200, 300)에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 관련된 중공사막 제조장치(200)의 개념도이다.
중공사막 제조장치(200)는 동축방사 노즐(210), 상분리조(220), 에어로졸 공급부(230), 챔버(240), 공기정화장치(250) 및 열공급부(260)를 포함하며, 열공급부(260)를 제외한 나머지 구성요소에 대한 설명은 도 1에서 설명한 바와 중복되므로 생략한다.
열공급부(260)는 챔버(240) 내부에 온도 구배를 형성하도록 상기 챔버(240)의 표면에 설치된다. 열공급부(260)는, 도 2에 도시한 바와 같이 히팅와이어(heating wire)의 형태로 형성될 수 있으며, 챔버(240)의 중앙부로 갈수록 점점 온도가 낮아지도록 챔버(240)의 가장자리에 열을 공급할 수 있다.
챔버(240)의 가장자리에 열을 공급하여 챔버(240) 내부에 온도 구배가 형성되면, 온도 구배에 의해 물질이 수송되는 열영동 기작에 따라 챔버(240) 내부의 에어로졸을 고분자 용액 필라멘트의 표면으로 유도할 수 있다. 또한, 챔버(240)의 가장자리가 챔버(240)의 중앙부보다 온도가 높으므로, 에어로졸이 고분자 용액 필라멘트에 붙지 못하고 챔버(240)의 표면에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
에어로졸이 열공급부(260)에서 형성하는 온도구배에 의해 챔버(240)의 중앙부를 통과하는 고분자 용액 필라멘트의 표면으로 유도되므로, 에어로졸을 고분자 용액 필라멘트에 다량 부탁시킬 수 있고, 이에 따라 제조되는 중공사막의 표면 다공성을 증대시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 관련된 중공사막 제조장치(300)의 개념도이다.
중공사막 제조장치(300)는 동축방사 노즐(310), 상분리조(320), 에어로졸 공급부(330), 챔버(340), 공기정화장치(350), 열공급부(360) 및 열차폐부(370)를 포함한다. 열차폐부(370)를 제외한 나머지 구성요소에 대한 설명은 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 중복되므로 생략한다.
열차폐부(370)는 열공급부(360)의 작동에 의해 챔버(340) 내부에 형성된 온도 구배가 상분리조(320)로 확장되는 것을 제한하도록 챔버(340)와 상분리조(320) 사이의 테두리를 따라 형성된다. 열차폐부(370)는 열전달을 제한할 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
열공급부(360)에서 열이 공급되어 챔버(340) 내부의 온도가 증가하면 고분자 용액 필라멘트의 표면에 에어로졸의 부착가능성을 증대시킬 수 있으나, 챔버(340) 내부의 온도가 상분리조(320)의 온도보다 높아지므로 열전달 효과에 의해 원하는 온도를 유지하기 어려울 수 있다. 이에 따라 고분자 용액 필라멘트로 유도되어야 하는 에어로졸이 상분리조(320)로 유도될 가능성을 배제할 수 없다.
열차폐부(370)는 이러한 가능성을 제한하기 위해 챔버(340)와 상분리조(320) 사이의 테두리에서 챔버(340)로부터 상분리조(320)로 열이 전달하는 것을 제한함으로써, 챔버(340) 내부에 원하는 온도를 유지할 수 있도록 한다.
이상에서 설명된 중공사막 제조장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100 : 중공사막 제조장치 110 : 동축방사 노즐
115 : 에어갭 120 : 상분리조
130 : 에어로졸 공급부 140 : 챔버
150 : 공기정화장치 260 : 열공급부
370 : 열차폐부

Claims (7)

  1. 교반된 중공사막 원료들을 방사하여 고분자 용액 필라멘트를 형성하는 동충방사 노즐;
    상기 동축방사 노즐과의 사이에 에어갭을 형성하도록 상기 동축방사 노즐로부터 이격되게 배치되고, 상기 에어갭을 통과한 고분자 용액 필라멘트가 침지되도록 형성되어 상기 고분자 용액 필라멘트를 응고시키는 상분리조;
    상기 고분자 용액 필라멘트와의 접촉에 의해 상기 고분자 용액 필라멘트에 막세공을 형성하는 에어로졸을 상기 에어갭에 공급하는 에어로졸 공급부; 및
    상기 에어갭을 외부와 격리시키도록 상기 동축방사 노즐과 상기 상분리조 사이에 설치되고, 국부적으로 상기 에어로졸의 농도를 증가시켜 상기 에어갭을 통과하는 고분자 용액 필라메인트에 상기 에어로졸의 부착을 유도하도록 형성되는 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 에어로졸 공급부와 연결되고, 상기 에어로졸 공급부로부터 공급되는 에어로졸을 수용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 에어로졸 공급부로부터 공급된 에어로졸에 의해 내부가 과압되는 것을 방지하도록 에어로졸이 함유된 공기를 배출시키는 배기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 중공사막 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배기구에 설치되어 상기 챔버로부터 배출되는 상기 에어로졸이 함유된 공기를 정화하는 공기정화장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내부에 온도 구배를 형성하도록 상기 챔버의 표면에 설치되고, 상기 온도 구배에 의해 상기 에어갭을 통과하는 고분자 용액 필라멘트의 표면으로 상기 챔버 내부의 에어로졸을 유도하도록 형성되는 열공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열공급부의 작동에 의해 상기 챔버 내부에 형성된 온도 구배가 상기 상분리조로 확장되는 것을 제한하도록 상기 챔버와 상기 상분리조 사이의 테두리를 따라 형성되는 열차폐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상분리조는 상기 고분자 용액 필라멘트에 막세공을 형성하는 미스트를 상기 챔버로 공급하도록 상기 챔버보다 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 중공사막 제조장치.
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