KR20150051669A - Apparatus and method for composite filtration - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus for composite filtration, which applies two-step filtration of first filtration by a fiber filter and second filtration by a separation membrane, and maximizes the hydrophobicity of the fiber filter to prevent the adsorption of a contaminant, thereby minimizing the contamination of the separation membrane, and to a method therefor. The apparatus for composite filtration according to the present invention comprises: a filtration tank; and a composite filtration layer provided inside the filtration tank, wherein the composite filtration layer includes a separation membrane and a fiber filter provided in the periphery of the separation membrane, or on both sides of the separation membrane, and the fiber filter includes a hydrophobic fiber and a reduced graphene oxide (RGO) provided inside a structure of the fiber.

Description

복합여과장치 및 방법{Apparatus and method for composite filtration}[0001] Apparatus and method for composite filtration [0002]

본 발명은 복합여과장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 섬유사 필터에 의한 1차 여과와 분리막에 의한 2차 여과의 2단계 여과를 적용하고, 섬유사 필터의 소수성을 극대화하여 오염물질 흡착을 억제함으로써 분리막 오염을 최소화할 수 있는 복합여과장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a composite filtration apparatus and method, and more particularly, to a filtration apparatus and a filtration apparatus which apply a two-stage filtration of a primary filtration by a fiber filter and a secondary filtration by a separation membrane, To thereby minimize separation membrane contamination.

최근, 상수원의 오염이 심각해짐에 따라 정수수질에 대한 관심이 높아지고 고도정수처리에 대한 요구가 증가하여 기존의 정수처리시설에 대한 보완이나 새로운 공정의 도입이 시도되고 있다. 하지만, 기존의 정수시설의 보완이나 새로운 고도 정수처리시설을 도입하기 위해서는 부지확보를 포함하여 많은 어려움이 뒤따르고 있기 때문에 안정된 수질뿐만 아니라 운전 및 유지관리가 용이한 막여과를 이용한 고도 수처리 공정이 제시되고 있다. In recent years, as the pollution of the water source has become more serious, interest in purified water quality has increased, and demands for advanced water treatment have been increased. Therefore, supplementation of a conventional water treatment facility or introduction of a new process has been attempted. However, in order to supplement existing water purification facilities or introduce new advanced water treatment facilities, many difficulties including securing of site are followed. Therefore, advanced water treatment process using membrane filtration that is easy to operate and maintenance as well as stable water quality is presented .

막여과 방법은 선택적 투과기능을 갖는 분리막(membrane)을 이용하여 원수 내의 오염물질을 분리하는 방법으로서 원수에 포함되어 있는 일정 크기 이상의 현탁 물질을 확실하게 제거할 수 있는 장점이 있다. 막여과 수처리 공법은 많은 장점에도 불구하고 막오염과 농도 분극화 현상이 동반되며 이는 막 표면의 투과유속 감소와 막여과 공정의 경제성을 감소시키는 요소로 작용한다. 막오염이 발생되면 역세공정을 통해 막오염물질을 제거하는데, 사용시간이 길어지면 역세주기가 점점 짧아지게 된다. Membrane filtration method is a method of separating contaminants in raw water using a membrane having selective permeation function, and has the advantage of reliably removing suspended solids of a predetermined size or more contained in raw water. Membrane filtration and water treatment methods are accompanied by membrane fouling and concentration polarization phenomenon in spite of many advantages, which reduces the permeation flux on the membrane surface and reduces the economical efficiency of the membrane filtration process. When membrane fouling occurs, membrane pollutants are removed through the backwash process. As the use time increases, the backwash cycle becomes shorter and shorter.

한편, 막오염을 저감시키는 기술로서, 한국등록특허 제315968호에는 공기를 분리막 내부로 공급하여 분리막 표면에 형성된 막오염이나 농도 분극을 제거하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 공기의 충격에 의해 분리막이 파열될 우려가 있어 근본적인 해결책으로는 미흡하다.
On the other hand, Korean Patent Registration No. 315968 discloses a technique for removing air contamination and density polarization formed on the surface of a separation membrane by supplying air into the separation membrane as a technique for reducing membrane contamination. However, this method is not a fundamental solution because the membrane may be ruptured by air impact.

한국등록특허 제315968호Korean Patent No. 315968

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 섬유사 필터에 의한 1차 여과와 분리막에 의한 2차 여과의 2단계 여과를 적용하고, 섬유사 필터의 소수성을 극대화하여 오염물질 흡착을 억제함으로써 분리막 오염을 최소화할 수 있는 복합여과장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been devised to solve the above problems, and it is an object of the present invention to apply a two-stage filtration of a primary filter by a fiber filter and a secondary filter by a separation membrane and to maximize the hydrophobicity of the fiber filter, Which is capable of minimizing the contamination of the separation membrane.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합여과장치는 여과조 및 상기 여과조 내에 구비되는 복합여과층을 포함하여 이루어지며, 상기 복합여과층은, 분리막과, 상기 분리막의 둘레 또는 분리막의 양측부에 구비되는 섬유사 필터로 구성되며, 상기 섬유사 필터는, 소수성의 섬유사와, 상기 섬유사의 조직 내에 구비된 환원그래핀산화물(RGO)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In order to accomplish the above object, a composite filtration apparatus according to the present invention comprises a filtration tank and a composite filtration layer provided in the filtration tank, wherein the composite filtration layer has a separation membrane, Wherein the fiber yarn filter comprises a hydrophobic fiber yarn and a reduced graphene oxide (RGO) provided in the fabric of the fiber yarn.

상기 분리막의 하부에 처리수관이 구비되며, 상기 여과조 내의 원수는 상기 섬유사 필터에 의해 1차 여과되고, 상기 섬유사 필터를 통과한 원수는 상기 분리막에 의해 2차 여과되며, 상기 분리막을 통과한 처리수는 상기 처리수관으로 이동된다. The raw water in the filtration tank is firstly filtered by the fiber yarn filter, the raw water having passed through the fiber yarn filter is secondly filtered by the separation membrane, The treated water is transferred to the treated water pipe.

상기 분리막은 원통형 또는 평판형이며, 상기 분리막은 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중 어느 한 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 섬유사 필터의 섬유사는 폴리프로필렌(PP) 재질로 이루어질 수 있다. The separation membrane may be a cylindrical or flat plate type, and the separation membrane may be made of any one of polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polytetrafluoroethylene (PTFE). The fiber yarn of the fiber yarn filter may be made of polypropylene (PP).

상기 섬유사 필터는, 소수성의 섬유사를 팽윤시키는 단계; 그래핀산화물(GO)이 분산된 극성 비양자성 용매에 팽윤된 섬유사를 침지시켜, 상기 팽윤된 섬유사에 그래핀산화물(GO)을 코팅시키는 단계 및 상기 그래핀산화물(GO)을 환원시키는 단계를 통해 제조된다. Wherein the fiber yarn filter comprises: swelling a hydrophobic fiber yarn; Comprising the steps of: immersing a swollen fiber yarn in a polar aprotic solvent in which graphen oxide (GO) is dispersed to coat graphen oxide (GO) on the swollen fiber yarn; and reducing the graphen oxide (GO) ≪ / RTI >

상기 극성 비양자성 용매에 분산된 그래핀산화물(GO)은 표면에 아미드기 또는 에스테르기를 구비한다. 또한, 상기 그래핀산화물(GO)을 환원시키는 단계는, 산화제 용액에 그래핀산화물(GO)이 코팅된 섬유사를 침지시켜, 그래핀산화물(GO)에 구비된 산소를 포함하는 작용기를 산화제와 반응시켜 제거한다. 이 때, 상기 산화제 용액은 하이드라진 수화물 수용액이고, 상기 극성 비양자성 용매는 DMF(N,N-dimethylformamide) 용액이다. The graphene oxide (GO) dispersed in the polar aprotic solvent has an amide group or an ester group on its surface. The step of reducing the graphene oxide (GO) may be performed by immersing a fiber yarn coated with graphene oxide (GO) in an oxidizing agent solution so that a functional group containing oxygen contained in the graphene oxide (GO) And reacted. At this time, the oxidant solution is an aqueous solution of hydrazine hydrate, and the polar aprotic solvent is DMF (N, N-dimethylformamide) solution.

본 발명에 따른 복합여과방법은 여과조 내의 원수가 상기 섬유사 필터에 의해 1차 여과되는 단계와, 상기 섬유사 필터를 통과한 원수가 상기 분리막에 의해 2차 여과되는 단계 및 상기 분리막을 통과한 처리수가 처리수조로 이동되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
The composite filtration method according to the present invention is characterized in that the raw water in the filtration tank is primarily filtered by the fiber filter, the raw water having passed through the fiber filter is secondly filtered by the separation membrane, And the water is transferred to the treated water tank.

본 발명에 따른 복합여과장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다. The complex filtration apparatus and method according to the present invention have the following effects.

섬유사 필터에 의한 1차 여과, 분리막에 의한 2차 여과 등의 2단계 여과 공정이 적용됨에 따라 원수의 오염물질 제거효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 섬유사 필터에 소수성의 환원그래핀산화물(RGO)이 구비됨에 따라, 섬유사 필터 및 분리막의 오염을 저감할 수 있으며 이를 통해 역세주기를 길게할 수 있게 된다.
The two-stage filtration process, such as primary filtration using a fiber filter and secondary filtration using a separation membrane, is applied to improve the removal efficiency of contaminants in raw water. Further, since the hydrophobic reducing graphene oxide (RGO) is provided in the fiber yarn filter, the contamination of the fiber yarn filter and the separation membrane can be reduced, and the backwashing period can be lengthened.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합여과장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원그래핀산화물이 코팅된 섬유사 필터의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3은 그래핀산화물(GO)의 환원 과정을 나타낸 모식도.
도 4a 및 도 4b는 환원그래핀산화물(RGO) 코팅 전후의 사진.
도 5a 및 도 5b는 환원그래핀산화물(RGO) 적용 전후의 접촉각을 나타낸 사진.
도 6은 환원그래핀산화물(RGO) 적용 여부에 따른 처리수량 변화를 나타낸 그래프. 1 is a configuration diagram of a complex filtration apparatus according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a fiber warped filter coated with reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 3 is a schematic diagram showing a reduction process of graphene oxide (GO). Fig.
Figures 4A and 4B are photographs before and after reducing graphene oxide (RGO) coating.
5A and 5B are photographs showing contact angles before and after application of reduced graphene oxide (RGO).
FIG. 6 is a graph showing changes in treated water depending on whether reduced graphene oxide (RGO) is applied.

본 발명은 분리막의 양측부 또는 분리막의 둘레에 섬유사 필터를 구비시켜 섬유사 필터에 의한 1차 여과 후 분리막에 의한 2차 여과가 진행되는 구조의 복합여과장치를 제시한다. 섬유사 필터 및 분리막에 의한 2단계 여과 공정이 진행됨에 따라 여과 효율이 향상된다. The present invention proposes a composite filtration device having a fiber filter around both sides of a separation membrane or a separation membrane, followed by a first filtration by a fiber filter and a second filtration by a separation membrane. As the two-stage filtration process using the fiber yarn filter and the separation membrane proceeds, the filtration efficiency is improved.

또한, 본 발명은 섬유사 필터의 소수성을 극대화시켜 섬유사 필터 및 분리막에 오염물질이 흡착되는 것을 억제함과 함께 오염물질이 용이하게 탈착되도록 함으로써 섬유사 필터 및 분리막에 대한 역세주기를 길게 할 수 있다. In addition, the present invention maximizes the hydrophobicity of the fiber yarn filter to suppress the adsorption of contaminants to the fiber yarn filter and the separation membrane, and facilitates desorption of the contaminants, thereby increasing the backwash cycle for the fiber yarn filter and the separation membrane have.

섬유사 필터의 소수성을 극대화시키는 방안으로, 본 발명은 섬유사 필터의 조직 내에 환원그래핀산화물(RGO, reduced graphene oxide)을 담지시키는 기술을 제시한다. 환원그래핀산화물(RGO)은 그래핀산화물(GO, graphene oxide)을 환원시킨 물질로서, 소수성을 갖는다. 즉, 소수성의 섬유사 필터에 소수성의 환원그래핀산화물(RGO)을 코팅시킴으로써 섬유사 필터의 소수성을 증가시킬 수 있다. As a method for maximizing the hydrophobicity of the fiber yarn filter, the present invention provides a technique for supporting reduced graphene oxide (RGO) in the fiber yarn filter. Reduced graphene oxide (RGO) is a material obtained by reducing graphene oxide (GO) and has hydrophobicity. That is, the hydrophobic property of the fiber yarn filter can be increased by coating the hydrophobic fiber yarn filter with hydrophobic reducing graphene oxide (RGO).

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 복합여과장치 및 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, a composite filtration apparatus and method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합여과장치는 여과조(10) 및 복합여과층(110)을 포함하여 구성된다. 상기 여과조(10)는 원수를 저장함과 함께 원수의 여과 공간을 제공하며, 상기 복합여과층(110)은 원수 내에 포함되어 있는 오염물질을 여과하는 것으로서 분리막(111)과 섬유사 필터(112)로 구성된다. 또한, 상기 여과조(10)의 일측에는 상기 복합여과층(110)에 의해 처리된 처리수를 저장하는 처리수조(20)가 구비된다. Referring to FIG. 1, a complex filtration apparatus according to an embodiment of the present invention includes a filtration tank 10 and a composite filtration layer 110. The filtration tank 10 stores raw water and provides a filtration space for raw water. The composite filtration layer 110 filters contaminants contained in the raw water and includes a separation membrane 111 and a fiber membrane filter 112 . A treatment water tank 20 for storing treated water treated by the composite filtration layer 110 is provided at one side of the filtration tank 10.

상기 분리막(111)은 다공성 여과막으로서 형태적으로 원통형 또는 평판형으로 구성할 수 있으며, 상기 분리막(111)은 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene) 등의 재질로 이루어질 수 있다. 상기 섬유사 필터(112)는 상기 분리막(111)의 둘레 또는 분리막(111)의 양측부에 구비된다. 원통형의 분리막(111)의 경우 섬유사 필터(112)는 분리막(111)의 둘레에 구비되며, 분리막(111)이 평판형인 경우 분리막(111)의 양측부에 구비된다. The separation membrane 111 may be configured as a porous filtration membrane in the form of a cylindrical or flat plate. The separation membrane 111 may be formed of polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene And polytetrafluoroethylene (PTFE). The fiber yarn filter 112 is provided on both sides of the separation membrane 111 or on both sides of the separation membrane 111. In the case of the cylindrical separator 111, the fiber yarn filter 112 is provided around the separator 111 and is provided on both sides of the separator 111 when the separator 111 is a flat plate.

상기 섬유사 필터(112)는 소수성이 배가된 특성을 갖는다. 구체적으로, 소수성의 섬유사에 소수성을 갖는 환원그래핀산화물(RGO)이 담지된 구조를 갖는다. 환원그래핀산화물(RGO)은 그래핀산화물(GO)을 환원시킨 물질로서, 그래핀(graphene)과 마찬가지로 소수성을 갖는다. 환원그래핀산화물(RGO)은 소수성의 섬유사에 직접 코팅되지 않는 특성을 갖고 있어, 본 발명에서는 소수성의 섬유사에 그래핀산화물(GO)을 코팅한 후 해당 그래핀산화물(GO)을 환원시키는 방법을 제시한다. 소수성의 섬유사에 환원그래핀산화물(RGO)을 형성하는 방법은 후술하여 상세히 설명하기로 한다. The fiber yarn filter 112 has a property of doubling the hydrophobicity. Specifically, the hydrophobic fiber yarn has a structure in which reduced graphene oxide (RGO) having hydrophobicity is supported. Reduced graphene oxide (RGO) is a material obtained by reducing graphene oxide (GO), and has hydrophobicity like graphene. Reduced graphene oxide (RGO) is not directly coated on hydrophobic fibers. In the present invention, since graphene oxide (GO) is coated on a hydrophobic fiber yarn and the graphen oxide (GO) is reduced We suggest a method. The method of forming the reduced graphene oxide (RGO) on the hydrophobic fiber yarn will be described later in detail.

이와 같이, 복합여과층(110)이 분리막(111)과 섬유사 필터(112)의 이중층으로 구성됨에 따라, 여과조(10) 내의 원수는 섬유사 필터(112)에 의해 1차 여과되며, 섬유사 필터(112)를 통과한 원수는 분리막(111)에 의해 2차 여과된다. 분리막(111)을 통과한 처리수는 분리막(111) 하부와 연결된 처리수관(11)을 통해 처리수조(20)로 이동된다. Since the composite filtration layer 110 is composed of the double layer of the separation membrane 111 and the fiber yarn filter 112, the raw water in the filtration tank 10 is primarily filtered by the fiber yarn filter 112, The raw water that has passed through the filter 112 is secondarily filtered by the separation membrane 111. The treated water having passed through the separation membrane 111 is transferred to the treatment water tank 20 through the treatment water pipe 11 connected to the lower part of the separation membrane 111.

상기 여과조(10)의 하부에는 산기관(12)이 구비되며, 상기 산기관(12)을 통해 여과조(10) 내에 공기 공급이 가능하며 이에 의해 섬유사 필터(112) 표면에 부착된 오염물질을 제거할 수 있다.
An air diffuser 12 is provided under the filtration tank 10 and air can be supplied into the filtration tank 10 through the diffuser 12 to remove contaminants attached to the surface of the fiber filter 112 Can be removed.

다음으로, 소수성의 섬유사에 환원그래핀산화물(RGO)을 형성하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다. Next, a method of forming a reduced graphene oxide (RGO) on a hydrophobic fiber yarn will be described in detail.

도 2를 참조하면, 섬유사를 팽윤시키는 과정을 진행한다(S201). 상기 섬유사는 소수성을 갖는 물질로서, 폴리프로필렌(PP, polypropylene) 등이 이용될 수 있다. 이 외에도 폴리에틸렌(PE, polyEthylene), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene), 나일론(nylon) 등 소수성을 가지고 있는 고분자들을 섬유사의 재료로 이용할 수 있다.Referring to FIG. 2, the process of swelling the fiber yarn proceeds (S201). The fiber yarn may be a hydrophobic material such as polypropylene (PP). In addition, polymers having hydrophobic properties such as polyethylene (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), and nylon can be used as the material of the fiber yarn.

섬유사를 팽윤시키는 이유는 섬유사의 분자간 간격을 넓혀 후술하는 그래핀산화물(GO)의 코팅을 최대화하기 위함이다. 소수성의 섬유사는 물리적으로 강한 조직을 이루고 있어 섬유사가 용매에 노출되는 상황에서도 용매 분자의 섬유사 조직으로의 침투가 용이치 않다. 이에 따라, 본 발명에서는 섬유사를 팽윤시킴으로써 섬유사 조직을 이완시키고, 섬유사 조직의 이완에 의해 확보된 공간 내에 용매 및 그래핀산화물(GO)이 침투되도록 유도한다.  The reason for swelling the fiber yarn is to maximize the coating of the graphene oxide (GO) described later by widening the intermolecular spacing of the fiber yarn. Hydrophobic fibers make up a physically strong structure, so penetration of the solvent molecules into the fibers of the fibers is insufficient even when the fibers are exposed to the solvent. Accordingly, in the present invention, the fiber yarn is relaxed by swelling the fiber yarn, and the solvent and the graphen oxide (GO) are introduced into the space secured by the relaxation of the fiber yarn structure.

섬유사의 팽윤은 자일렌(xylene)을 이용할 수 있다. 즉, 자일렌 용액 내에 섬유사를 침지시킨 후 일정시간 동안 유지시켜 섬유사를 팽윤시킬 수 있다. The swelling of the fiber yarn can use xylene. That is, the fiber yarn can be swollen by immersing the fiber yarn in the xylene solution for a certain period of time.

섬유사가 팽윤된 상태에서, 섬유사에 그래핀산화물(GO)을 코팅시키는 과정을 진행한다(S202). 구체적으로, 그래핀산화물(GO)이 분산된 극성 비양자성 용매(polar aprotic solvent)에 팽윤된 섬유사를 투입하여 섬유사 조직 내에 그래핀산화물(GO)을 코팅시킨다. 극성 비양자성 용매는 소수성의 섬유사와의 반응성이 우수한 특성을 갖고 있으며, 극성 비양자성 용매로서 DMF(N,N-dimethylformamide)가 적합하며 DMSO(dimethylsulfoxide), 아세토니트릴(acetonitrile), HMPA(hexamethylphosphoramide), 톨루엔 등도 이용 가능하다. In a state in which the fiber yarn is swollen, the process of coating the fiber yarn with graphene oxide (GO) proceeds (S202). Specifically, a fiber yarn swollen in a polar aprotic solvent in which graphen oxide (GO) is dispersed is added to coat graphen oxide (GO) in the fiber yarn structure. N, N-dimethylformamide (DMF) is suitable as a polar aprotic solvent. DMSO (dimethylsulfoxide), acetonitrile (HMPA), hexamethylphosphoramide (HMPA) Toluene and the like are also usable.

한편, 극성 비양자성 용매에 팽윤된 섬유사를 투입하기 전에 극성 비양자성 용매 내에 그래핀산화물(GO)을 미리 분산시키는데, 극성 비양자성 용매 내에 그래핀산화물(GO)이 고르게 분산되어야 섬유사 내의 그래핀산화물(GO) 코팅 효율이 향상된다. 극성 비양자성 용매 내에서의 그래핀산화물(GO)의 고른 분산을 위해 그래핀산화물(GO)의 표면에 작용기를 부여할 수 있다. 일 실시예로, 그래핀산화물(GO) 표면에 아미드기(amide group), 에스테르기(ester group) 등이 구비되면, 극성 비양자성 용매 내서의 분산력이 강화된다. On the other hand, graphen oxide (GO) is preliminarily dispersed in a polar aprotic solvent before the fiber yarn swollen in the polar aprotic solvent, and graphen oxide (GO) dispersed evenly in the polar aprotic solvent, The efficiency of coating the pin oxide (GO) is improved. It is possible to impart functional groups to the surface of the graphene oxide (GO) for uniform dispersion of the graphene oxide (GO) in the polar aprotic solvent. In one embodiment, when an amide group, an ester group, or the like is provided on the graphene oxide (GO) surface, the dispersing ability of the polar aprotic solvent is enhanced.

정리하면, 극성 비양자성 용매 내에 그래핀산화물(GO)이 균일하게 분산된 상태에서, 극성 비양자성 용매에 팽윤된 섬유사를 투입하면 팽윤된 섬유사의 조직 내부로 그래핀산화물(GO)이 침투하여, 최종적으로 섬유사에 그래핀산화물(GO)이 코팅된 형태를 얻을 수 있게 된다. In summary, when a fiber yarn swollen in a polar aprotic solvent is introduced while graphen oxide (GO) is uniformly dispersed in a polar aprotic solvent, graphen oxide (GO) penetrates into the tissue of the swollen fiber yarn , And finally a graft oxide (GO) is coated on the fiber yarn.

섬유사에 그래핀산화물(GO)이 코팅된 상태에서, 그래핀산화물(GO)을 환원시키는 과정을 진행한다(S203). 그래핀산화물(GO)은 그라파이트(graphite)가 산화된 물질임에 따라, 에폭시기, 수산기(OH), 카르복실기(COOH), 카르보닐기(C=O) 등의 산소를 포함하는 작용기를 갖고 있어 친수성을 띤다. 따라서, 그래핀산화물(GO)의 산소를 포함하는 작용기를 제거하면 그래핀산화물(GO)을 환원시킴과 함께 친수성의 상태를 소수성으로 변환시킬 수 있다(도 3 참조). In a state where the graphen oxide (GO) is coated on the fiber yarn, a process of reducing the graphen oxide (GO) proceeds (S203). Since graphene oxide (GO) is an oxidized graphite material, it has a functional group containing oxygen such as an epoxy group, hydroxyl group (OH), carboxyl group (COOH) and carbonyl group (C = O) . Therefore, removing the oxygen-containing functional group of the graphen oxide (GO) can reduce the graphene oxide (GO) and convert the hydrophilic state to hydrophobic (see FIG. 3).

일 실시예로, 산화제인 하이드라진 수화물(Hydrazine monohydrate, H4N2·H2O)이 용해된 수용액 내에 그래핀산화물(GO)이 코팅된 섬유사를 투입시키면, 그래핀산화물(GO)의 산소를 포함하는 작용기가 하이드라진 수화물과 반응하게 되어 제거되며, 이에 따라 그래핀산화물(GO)은 환원된 상태 즉, 환원그래핀산화물(RGO, reduced graphene oxide)을 이루게 되며, 최종적으로 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅된 섬유사의 제조가 완료된다. 참고로, 도 4a 및 도 4b는 환원그래핀산화물(RGO) 코팅 전후의 사진을 나타낸 것이다.
In one embodiment, when a fiber yarn coated with graphene oxide (GO) is introduced into an aqueous solution in which hydrazine monohydrate (H 4 N 2 .H 2 O) as an oxidant is dissolved, the graphen oxide (GO) (GO) reacts with the hydrazine hydrate to form a reduced graphene oxide (RGO). Finally, the reduced graphene oxide (RGO) RGO) coated fiber yarn is completed. 4A and 4B are photographs before and after the reduction graphene oxide (RGO) coating.

본 발명의 일 실험예에 따른 환원그래핀산화물이 코팅된 섬유사 필터의 제조방법 및 그에 따라 제조된 섬유사 필터의 특성을 살펴보기로 한다. A method of manufacturing a reduced-graphene oxide-coated fiber yarn filter according to an experimental example of the present invention and characteristics of a fiber yarn filter manufactured thereby will be described.

<실험예><Experimental Example>

폴리프로필렌(PP) 일정량을 자일렌 용액에 상온 하에 2시간 동안 침지시켜 폴리프로필렌(PP)을 팽윤시켰다. 이어, 팽윤된 폴리프로필렌(PP)을 그래핀산화물(GO)이 분산된 DMF 용액에 넣고 2시간 동안 유지시켰다. 그런 다음, 60℃에서 5시간 동안 건조시켜 미반응 용매를 제거함과 함께 그래핀산화물(GO)이 코팅된 폴리프로필렌(PP)을 제조하였다. 그래핀산화물(GO)의 환원을 위해, 그래핀산화물(GO)이 코팅된 폴리프로필렌(PP)을 하이드라진 수화물(65%) 수용액에 넣고 100℃ 하에서 하루동안 유지시켰다. 최종적으로, 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅된 폴리프로필렌(PP)을 차가운 물로 몇 차례에 세척하고, 진공 하에서 60℃의 온도에서 5시간 동안 건조시켰다. A certain amount of polypropylene (PP) was immersed in a xylene solution at room temperature for 2 hours to swell the polypropylene (PP). Then, the swollen polypropylene (PP) was placed in a DMF solution in which graphene oxide (GO) was dispersed and maintained for 2 hours. Then, the film was dried at 60 ° C for 5 hours to remove unreacted solvent, and polypropylene (PP) coated with graphene oxide (GO) was produced. For reduction of graphene oxide (GO), polypropylene (PP) coated with graphene oxide (GO) was placed in an aqueous solution of hydrazine hydrate (65%) and kept at 100 ° C. for one day. Finally, polypropylene (PP) coated with reduced graphene oxide (RGO) was washed several times with cold water and dried under vacuum at a temperature of 60 DEG C for 5 hours.

상기 실험예를 통해 제조된 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅된 폴리프로필렌(PP)(도 5b 참조)과, 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅되지 않은 폴리프로필렌(PP)(도 5a 참조)의 소수성을 대비하면, 접촉각을 반복 측정한 결과 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅됨에 따라 소수성이 약 47% 향상됨을 확인할 수 있다. 5A) coated with reduced graphene oxide (RGO) (see FIG. 5A) and polypropylene (PP) coated with reduced graphene oxide (RGO) As a result of repetitive measurement of the contact angle, hydrophobicity was improved by about 47% as reduced graphene oxide (RGO) was coated.

또한, 하폐수처리공정에 적용한 경우, 아래 표 1 및 도 6을 참고하면 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅되지 않은 폴리프로필렌(PP)(도 6의 'virgin filter' 참조)은 시간의 경과에 따라 처리수량(flux)이 감소하는 양태를 띠며, 역세(1st Backwash, 2nd Backwash) 후에도 마찬가지 양상을 보인다. 반면, 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅된 폴리프로필렌(PP)(도 6의 'RGO coated filter' 참조)은 시간의 경과에 무관하게 처리수량이 일정하여 별도의 역세가 필요 없음을 알 수 있다. In addition, when applied to a wastewater treatment process, referring to Table 1 and FIG. 6 below, polypropylene (PP) (see "virgin filter" in FIG. 6) without reduced graphene oxide (RGO) The flux is reduced, and the same pattern is observed after backwash (2nd backwash). On the other hand, polypropylene (PP) coated with reduced graphene oxide (RGO) (refer to 'RGO coated filter' in FIG. 6) has a constant amount of treatment regardless of the passage of time, .

이와 함께, 표 1에서 나타낸 바와 같이 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅되지 않은 폴리프로필렌(PP)은 1차 역세 전 1,231 L/m2/h, 2차 역세 전 1,272 L/m2/h의 막투과수량의 감소가 있었으나, 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅된 폴리프로필렌(PP)은 1차 역세 전, 2차 역세 전 각각 2 L/m2/h의 막투과수량의 변화만 있음을 확인할 수 있었다. In addition, as shown in Table 1, polypropylene (PP) not coated with reduced graphene oxide (RGO) had a density of 1,231 L / m 2 / h before the first backwash, 1,272 L / m 2 / h before the second backwash There was a decrease in membrane permeability, but the reduced graphene oxide (RGO) -coated polypropylene (PP) showed only a change in membrane permeability of 2 L / m 2 / h before the first backwash and before the second backwash I could confirm.

표 2를 참조하면, 100NTU 탁도를 가지는 원수로 탁도제거실험을 했을 때 환원그래핀산화물(RGO)이 코팅된 폴리프로필렌(PP)이 그렇지 않을 때 보다 약 10∼15 %정도 높은 제거율을 보여주어 보다 우수함을 알 수 있다.
As shown in Table 2, when the turbidity removal test was performed with raw water having 100 NTU turbidity, reduced graphene oxide (RGO) -coated polypropylene (PP) showed a removal rate of about 10 to 15% It can be seen that it is excellent.

역세 후 막투과수량 특성 Membrane permeability after backwash
Virgin filterVirgin filter
RGO coated filterRGO coated filter
Flux (L/m2/h)Flux (L / m 2 / h) Flux reduction (L/m2/h)Flux reduction (L / m 2 / h) Flux (L/m2/h)Flux (L / m 2 / h) Flux reduction (L/m2/h)Flux reduction (L / m 2 / h) Clean water fluxClean water flux 9562.29562.2 -- 8113.08113.0 -- Flux before 1st backwash (25min)Flux before 1 st backwash (25 min) 8331.08331.0 -1231-1231 8115.28115.2 22 Flux after 1st backwashFlux after 1 st backwash 9207.49207.4 -- 80178017 -- Flux before 2nd backwash (50min)Flux before 2 nd backwash (50min) 8290.68290.6 -1272-1272 8111.48111.4 -2-2 Flux after 2nd backwash (75min)Flux after 2 nd backwash (75min) 90419041 -- 80248024 --

역세 후 탁도 특성Turbidity characteristics after backwash
Virgin fliterVirgin fliter
RGO coated filterRGO coated filter
Turbidity
(NTU)Turbidity
(NTU) Rate of rejection (%)Rate of rejection (%) Turbidity
(NTU)Turbidity
(NTU) Rate of rejection (%)Rate of rejection (%) InfluentInfluent 100100 -- 100100 Turbidity before 1st backwashTurbidity before 1 st backwash 55.255.2 44.844.8 44.144.1 55.955.9 Turbidity before 2nd backwashTurbidity before 2 nd backwash 59.359.3 40.740.7 45.545.5 54.554.5 Turbidity after 75 minTurbidity after 75 min 57.657.6 42.442.4 45.745.7 54.354.3

10 : 여과조 11 : 처리수관
12 : 산기관 20 : 처리수조
110 : 복합여과층 111 : 섬유사 필터
112 : 분리막10: filtration tank 11: treated water pipe
12: Acanjuren 20: Treatment tank
110: composite filtration layer 111: fiber yarn filter
112: Membrane

Claims (11)

여과조; 및
상기 여과조 내에 구비되는 복합여과층을 포함하여 이루어지며,
상기 복합여과층은,
분리막과, 상기 분리막의 둘레 또는 분리막의 양측부에 구비되는 섬유사 필터로 구성되며,
상기 섬유사 필터는,
소수성의 섬유사와, 상기 섬유사의 조직 내에 구비된 환원그래핀산화물(RGO)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
Filtration tank; And
And a composite filtration layer provided in the filtration tank,
In the composite filtration layer,
And a fiber yarn filter provided on both sides of the separation membrane or at both sides of the separation membrane,
The fiber yarn filter
Characterized in that it comprises a hydrophobic fiber yarn and a reduced graphene oxide (RGO) provided in the fabric of the fiber yarn.
제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 하부에 처리수관이 구비되며,
상기 여과조 내의 원수는 상기 섬유사 필터에 의해 1차 여과되고,
상기 섬유사 필터를 통과한 원수는 상기 분리막에 의해 2차 여과되며,
상기 분리막을 통과한 처리수는 상기 처리수관으로 이동되는 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
The method as claimed in claim 1, wherein a treatment water pipe is provided under the separation membrane,
The raw water in the filtration tank is primarily filtered by the fiber yarn filter,
The raw water having passed through the fiber yarn filter is secondly filtered by the separation membrane,
And the treated water having passed through the separation membrane is moved to the treated water pipe.
제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 원통형 또는 평판형인 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
The composite filtration apparatus according to claim 1, wherein the separation membrane is a cylindrical or flat plate.
제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중 어느 한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
The composite filtration apparatus according to claim 1, wherein the separation membrane is made of one of polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polytetrafluoroethylene (PTFE).
제 1 항에 있어서, 상기 섬유사 필터의 섬유사는 폴리프로필렌(PP) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
The composite filtration apparatus according to claim 1, wherein the fiber yarn of the fiber yarn filter is made of polypropylene (PP).
제 1 항에 있어서, 상기 섬유사 필터는,
소수성의 섬유사를 팽윤시키는 단계;
그래핀산화물(GO)이 분산된 극성 비양자성 용매에 팽윤된 섬유사를 침지시켜, 상기 팽윤된 섬유사에 그래핀산화물(GO)을 코팅시키는 단계; 및
상기 그래핀산화물(GO)을 환원시키는 단계를 통해 제조된 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
The fiber yarn filter according to claim 1,
Swelling the hydrophobic fiber yarn;
Immersing a swollen fiber yarn in a polar aprotic solvent in which graphen oxide (GO) is dispersed, thereby coating the swollen fiber yarn with graphene oxide (GO); And
And reducing the graphene oxide (GO).
제 6 항에 있어서, 상기 극성 비양자성 용매에 분산된 그래핀산화물(GO)은 표면에 아미드기 또는 에스테르기를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
7. The composite filtration apparatus according to claim 6, wherein the graphene oxide (GO) dispersed in the polar aprotic solvent has an amide group or an ester group on its surface.
제 6 항에 있어서, 상기 그래핀산화물(GO)을 환원시키는 단계는,
산화제 용액에 그래핀산화물(GO)이 코팅된 섬유사를 침지시켜, 그래핀산화물(GO)에 구비된 산소를 포함하는 작용기를 산화제와 반응시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
7. The method of claim 6, wherein reducing the graphene oxide (GO)
Characterized in that a fiber yarn coated with graphene oxide (GO) is immersed in an oxidizing agent solution to react and remove a functional group containing oxygen contained in the graphene oxide (GO) with an oxidizing agent.
제 8 항에 있어서, 상기 산화제 용액은 하이드라진 수화물 수용액인 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
The complex filtration apparatus according to claim 8, wherein the oxidant solution is a hydrazine hydrate aqueous solution.
제 6 항에 있어서, 상기 극성 비양자성 용매는 DMF(N,N-dimethylformamide) 용액인 것을 특징으로 하는 복합여과장치.
7. The composite filtration apparatus of claim 6, wherein the polar aprotic solvent is a solution of N, N-dimethylformamide (DMF).
복합여과장치를 이용한 복합여과방법에 있어서,
상기 복합여과장치는 여과조 및 복합여과층을 포함하여 구성되며, 상기 복합여과층은 분리막 및 상기 분리막의 둘레 또는 분리막의 양측부에 구비되는 섬유사 필터로 구성되며, 상기 섬유사 필터는 소수성의 섬유사 및 상기 섬유사의 조직 내에 구비된 환원그래핀산화물(RGO)을 포함하여 구성되며,
여과조 내의 원수가 상기 섬유사 필터에 의해 1차 여과되는 단계;
상기 섬유사 필터를 통과한 원수가 상기 분리막에 의해 2차 여과되는 단계; 및
상기 분리막을 통과한 처리수가 처리수조로 이동되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합여과방법. In a complex filtration method using a complex filtration device,
Wherein the composite filtration device comprises a filtration tank and a composite filtration layer, wherein the composite filtration layer is composed of a separation membrane and a fiber yarn filter provided on both sides of the separation membrane or on both sides of the separation membrane, And a reduced graphene oxide (RGO) provided in the fabric of the fiber yarn,
The raw water in the filtration tank is primarily filtered by the fiber yarn filter;
Filtering the raw water having passed through the fiber yarn filter by the separation membrane; And
And moving the treatment water passing through the separation membrane to the treatment water tank.
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