KR20150072913A - 중공사막 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중공사막에 관한 것으로, 축방향을 따라 내부에 중공부가 형성된 원통형의 중공사막에 있어서, 최외곽에 위치하여 외부에 노출되고, 기공이 형성되어 상기 기공을 통하여 원수가 출입하는 제1층과, 상기 제1층의 내부에 형성되어, 원수가 통과하면서 원수 내의 오염 물질이 걸러지는 제2층, 및 상기 제2층을 통해 유입된 원수 또는 상기 중공부로부터 유입된 원수가 통과하여 원수 내의 오염 물질이 걸러지거나 선택적으로 분리되는 제3층을 포함하고, 상기 제1층 내지 제3층은 일체로 형성되며, 상기 제1층의 공극률은 제3층의 공극률보다 큰 것을 특징으로 하는 중공사막이 제공될 수 있다.

Description

중공사막{HOLLOW FIBER MEMBRANE}
본 발명은 중공사막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단면의 깊이에 따라 공극률이 상이한 중공사막에 관한 것이다.
일반적으로 중공사막은 비용매 상분리법 또는 열유도 상분리법을 이용하여 제조한다. 이와 같은 방법에 의해서 제조된 중공사막은 정밀여과막(MF), 한외여과막(UF), 나노여과막(NF), 역삼투막(RO)로 구분된다.
일반적인 중공사막은 중공사막의 최외곽층과 최내곽층이 존재하고 이 부분이 활성층으로서 오염원의 제거 성능을 담당하게 된다. 또한 중공사막의 공극률에 따라서 투과량의 차이를 보이는데, 중공사막의 단면 구조가 저 공극률을 갖게 되면 낮은 투과량, 높은 강도를 가지게 되며, 반대로 고 공극률을 갖게 되면 높은 투과량을 보이지만 낮은 강도를 나타나게 된다.
종래 중공사막은 투과량을 늘리기 위해 중공사막 단면의 공극률을 높여 여과 압력 손실을 최소화하고자 하였지만 중공사막의 인장강도 및 파단강도의 저하를 초래하였다. 또한 오염물질의 제거 성능을 높이기 위해 중공사막 단면의 공극률을 감소시켜 미세한 오염 물질까지도 제거하려는 노력을 하였지만, 여과 압력 손실이 증가하기 때문에 투과량이 급격하게 떨어지고, 이를 활용하기 위해서 경제적인 손실이 막대하였다. 이를 극복하기 위해 여러 방법들이 시도되고 있지만 여과 압력 손실을 최소화 하여 투수량을 높임과 동시에 제거율, 강도를 향상시키는 것이 곤란하였다.
본 발명의 일 목적은 내부 단면의 공극률을 깊이에 따라 다르게 하여 파단강도 및 인장강도를 높임과 동시에 투과량을 향상시키는 중공사막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 여과 압력 손실을 줄일 수 있는 중공사막을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 축방향을 따라 내부에 중공부가 형성된 원통형의 중공사막에 있어서, 최외곽에 위치하여 외부에 노출되고, 기공이 형성되어 상기 기공을 통하여 원수가 출입하는 제1층과, 상기 제1층의 내부에 형성되어, 원수가 통과하면서 원수 내의 오염 물질이 걸러지는 제2층, 및 상기 제2층을 통해 유입된 원수 또는 상기 중공부로부터 유입된 원수가 통과하여 원수 내의 오염 물질이 걸러지거나 선택적으로 분리되는 제3층을 포함하고, 상기 제1층 내지 제3층은 일체로 형성되며, 상기 제1층의 공극률은 제3층의 공극률보다 큰 것을 특징으로 하는 중공사막이 제공될 수 있다.
상기 제1층의 공극률은 30~80%일 수 있고, 상기 제1층은 최외곽으로부터 내부를 향하여 20㎛ 이내의 위치에 형성될 수 있다.
상기 제2층의 공극률은 25~65%일 수 있다.
제3층의 공극률은 25% 이하일 수 있고, 상기 제3층은 중공사막 두께의 10%이하일 수 있으며, 상기 제3층은 상기 중공부의 최외곽에서부터 경방향으로 외부를 향하여 20㎛이내에 형성될 수 있다.
상기 중공사막은 폴리설폰, 폴리에테르설폰 또는 이들을 이용한 중합체 중 하나 이상일 수 있다.
상기 중공사막의 두께는 50~400㎛일 수 있다.
상기 제1층 내지 제3층은 네트워크 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 중공사막의 단면 구조에 따른 여과 압력 손실을 최소화하여 중공사막의 수명을 연장시키고, 고투과량을 기대할 수 있는 동시에 오염원 제거 성능을 극대화하거나, 선택적 분리 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 중공사막 최외곽 단면에 고공극률층을 형성함으로써 막 세척이 용이하여 장기간 운전시에도 안정성을 확보하고 경제성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막의 사시도.
도 2는 도 1의 AA'선을 따르는 단면도.
도 3은 도 2의 B 부분의 상세 단면도.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따르는 중공사막에 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.
본 발명은 중공사막(100)이 가지고 있는 단점인 낮은 강도 및 여과 압력 손실을 낮추기 위해 중공사막(100) 내부의 중공부분에 공극률이 낮은 층이 존재하여 파단강도를 높임과 동시에 제거 성능을 극대화시키고, 이를 제외한 중공사막(100) 단면에 공극률이 높은 네트워크 구조를 형성하여 여과 압력 손실을 줄이고, 높은 투과량을 유지하는 중공사막(100)에 관한 것이다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 AA'선을 따라 절개된 단면의 형상이고, 도 3은 도 2의 B부분의 확대도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막(100)에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막(100)은 내부에 중공부(140)가 형성된 원통형인데, 내부 중앙에 형성되는 중공부(140)를 향하여 깊이에 따라 공극률을 다르게 하였다.
상기 중공사막(100)의 가장 바깥에 위치하여 외부에 노출되는 제1층(110)에는 거대 기공(115) 및 거대 기공(115)보다 작은 기공(115')들이 형성되어 있다. 도 3에서는 기공(115,115')의 깊이가 모두 동일한 것으로 도시되었으나, 이는 개략적으로 표현한 것으로 실제는 기공(115,115')의 깊이는 모두 다르다. 따라서 후술하겠지만 제1층(110)을 구분할 수 있는 대략적인 두께(D1)의 정의가 필요하다. 이는 제3층(130)의 경우에도 동일하다. 즉, 도 3에서 기공(135)의 깊이는 제각각이므로 제3층(130)의 평균적인 두께(D3)의 정의가 필요하다.
상기 기공(135)을 통하여 외부로부터 오염 물질이 포함된 원수가 유입되거나 내부에서 외부로 오염물질을 선택적으로 분리하게 된다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1층(110)의 공극률을 30~80%로 한다. 만약, 제1층(110)의 공극률이 30%보다 낮으면, 조밀층(dense layer)이 되어 원수의 유입이 원활하지 않게 되고, 80%를 초과하게 되면 외부 또는 내부에서 가압될 때 쉽게 박리될 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에서는 제1층(110)의 공극률을 30~80%로 한정한다.
즉, 제1층(110)에 고공극률층을 형성하여 여과 압력 손실을 줄임과 동시에 높은 투과량을 유지할 수 있도록 한다.
상기 제1층(110)을 통해 중공사막(100) 내부로 유입되는 원수는 제2층(120)을 지나면서 오염 물질이 더욱 걸러진다. 상기 제2층(120)은 상기 제1층(110)의 내부에 형성되며, 공극률이 25~65%이다. 만약 제2층(120)의 공극률이 25%보다 낮으면 조밀층(dense layer)이 되어 원수가 원활하게 통과하지 못하고 막히는 현상이 발생할 수 있으며, 65%보다 높으면 파단강도가 작아져서 중공사막(100)이 쉽게 끊어질 수 있다. 이는 고분자끼리 연결되지 않은 상태이기 때문이다. 즉, 제2층(120)에서는 네트워크 구조가 형성되어 있어서, 여과 압력 손실을 최소화하여 투과 성능을 증대 및 유지하는데 기여를 한다. 이때, 제2층(120)은 중공사막(100)의 대부분을 차지하며 두께는 D2이다.
그리고, 상기 중공사막(100)의 가장 안쪽에는 활성층(active layer)이라고 불리는 제3층(130)이 형성된다. 상기 제3층(130)은 상기 제2층(120)을 통해 유입된 원수 또는 상기 중공부(140)로부터 유입된 원수가 통과하여 원수 내의 오염 물질이 걸러지거나 선택적으로 분리되는 층이다. 상기 제3층(130)의 공극률은 25%이하이며, 중공사막(100) 단면 두께(D)의 10%이하를 차지하도록 한다. 즉, 제3층(130)에서 25%이하의 낮은 저공극률층을 형성하여, 중공사막(100)의 인장강도 및 파단강도를 증가시키고, 오염원의 제거 성능 극대화 또는 선택적 투과 성능을 극대화시킬 수 있도록 하였다. 이때, 상기 제3층(130)에 형성되는 기공(135)의 크기는 제1층(110)에 형성되는 거대 기공(115)보다는 작다. 이와 같이 상기 제3층(130)은 중공사막(100)의 고유 특성을 나타내는 층이라 할 수 있다.
상기의 제1층(110) 내지 제3층(130)을 통과하여 중공부(140)로 유입된 정수는 오염 물질이 대부분 걸러져서 식수 등으로 사용될 수 있다.
이때, 상기 중공사막(100) 단면 두께(D)는 중공사막(100)의 내부에 형성되는 중공부(140)의 최외곽에서부터 외부에 노출되는 중공사막(100)의 제1층(110)의 표면까지의 거리를 의미한다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 중공사막(100)의 단면 두께(D)는 50~400㎛이다. 상기 단면 두께(D)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 조절될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 제3층(130)의 두께(D3) 또한 중공사막(100)의 단면 두께(D)의 변화에 따라 달라질 수 있음은 당연하다.
상기 제1층(110) 내지 제3층(130)은 일체로 형성되고, 상기 제1층(110)의 공극률은 제3층(130)의 공극률보다 크게 형성되며, 제2층(120)의 공극률은 대략 제1층(110)과 제3층(130)의 공극률 사이의 값을 가지도록 하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제2층(120)의 공극률이 제1층(110)의 공극률보다 높을 수도 있다.
또한, 상기 제1층(110) 내지 제3층(130)에는 고분자로 이루어진 네트워크 구조가 존재하며, 상술한 바와 같이 공극률을 조절함으로써 여과 압력 손실을 최소화한다. 이때, 여과 압력 손실이란, 상기 중공사막(100)의 외부에 작용하는 압력(Pe)과 중공사막(100)의 중공부(140)에서의 압력(Pi)과의 차이를 의미하는 것으로, 여과 압력 손실이 작을수록 보다 작은 압력으로도 오염 물질을 충분히 제거할 수 있으므로 여과 효율(투과율)이 우수하다.
이때, 상기 제1층(110)은 외부에 노출되는 중공사막(100)의 최외곽으로부터 내부 단면을 향하여 20㎛이내에 형성되고, 제3층(130)은 상기 중공부(140)의 최외곽에서부터 경방향으로 외부를 향하여 20㎛이내에 형성된다.
그리고, 상기 중공사막(100)은 폴리설폰, 폴리에테르설폰 또는 이들을 이용한 중합체 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 중공사막은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 축방향을 따라 내부에 중공부가 형성된 원통형의 중공사막에 있어서,
    최외곽에 위치하여 외부에 노출되고, 기공이 형성되어 상기 기공을 통하여 원수가 출입하는 제1층;
    상기 제1층의 내부에 형성되어, 원수가 통과하면서 원수 내의 오염 물질이 걸러지는 제2층; 및
    상기 제2층을 통해 유입된 원수 또는 상기 중공부로부터 유입된 원수가 통과하여 원수 내의 오염 물질이 걸러지거나 선택적으로 분리되는 제3층을 포함하고,
    상기 제1층 내지 제3층은 일체로 형성되며, 상기 제1층의 공극률은 제3층의 공극률보다 큰 것을 특징으로 하는 중공사막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1층의 공극률은 30~80%인 것을 특징으로 하는 중공사막.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1층은,
    최외곽으로부터 내부를 향하여 20㎛ 이내의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2층의 공극률은 25~65%인 것을 특징으로 하는 중공사막.
  5. 제3항에 있어서,
    제3층의 공극률은 25% 이하인 것을 특징으로 하는 중공사막.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3층은,
    중공사막 두께의 10%이하인 것을 특징으로 하는 중공사막.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3층은,
    상기 중공부의 최외곽에서부터 경방향으로 외부를 향하여 20㎛이내에 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막은 폴리설폰, 폴리에테르설폰 또는 이들을 이용한 중합체 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 중공사막.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막의 두께는 50~400㎛인 것을 특징으로 하는 중공사막.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1층 내지 제3층은 네트워크 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 중공사막.
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