KR20160022619A - 친수성 분리막의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 친수성 분리막 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 친수성 분리막의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 친수성 분리막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 친수성을 가진 고분자에 카르복실기 등의 친수성 관능기를 부착하여 친수성을 더욱 높인 고분자를 제조하고 이를 분리막 표면상에 가교 코팅하는 방법을 통해 간단한 공정으로 분리막 전체에 친수성을 부여하여 친수성 분리막을 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 친수성 분리막에 관한 것이다.
Description
본 발명은 친수성 분리막의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 친수성 분리막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 친수성을 가진 고분자에 카르복실기 등의 친수성 관능기를 부착하여 친수성을 더욱 높인 고분자를 제조하고 이를 분리막 표면상에 가교 코팅하는 방법을 통해 간단한 공정으로 분리막 전체에 친수성을 부여하여 친수성 분리막을 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 친수성 분리막에 관한 것이다.
분리막을 이용한 공정은 에너지 절약 및 환경 친화적 공정으로 주목받고 있으며, 각종 폐수처리 및 음용수 처리, 의약합성, 식품분야, 해수담수화 등 여러 분야에 다양하게 활용되고 있다. 분리막의 성능을 결정하는 중요한 요소는 우수한 투과유량, 고선택성, 내오염성 등이 있다. 먼저, 투과유량이 우수할 경우 분리막을 운전하기 위해 사용되는 에너지가 적으므로 경제적이다. 선택성이 클 경우 분리하고자 하는 물질을 더 잘 분리함으로써 순도를 높일 수 있다. 그리고, 내오염성이 클 경우 단백질 등에 막이 쉽게 손상되지 않아 투과 성능 저하를 막을 수 있으며 막의 교체 주기가 길어져 막을 오랫동안 사용할 수 있다.
정수처리 분야에서는 작은 막 면적으로도 대용량의 물을 처리할 수 있도록 고투과성 및 고내압성을 가지는 분리막이 요구된다. 대부분의 분리막의 경우 인장강도와 같은 물리적 특성을 높이기 위하여 고분자 물질인 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리카보네이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 사용하고 있다. 소수성 분리막은 내구성, 기계적 강도, 열 안정성 및 내화학성이 우수한 장점이 있다. 그러나, 막오염에 있어서는 일반적으로 친수성 막보다는 소수성 막에 단백질 흡착량이 크기 때문에 소수성 막이 유기물에 의한 오염이 크고 이것은 막의 순수 투과도를 급격하게 저하시키는 원인이 된다.
분리막 공정 운전시 운전시간 경과에 따라 투과도가 점차 감소하게 되는데 이것은 막 표면 및 기공 내의 용질의 흡착과 용질의 농도 분극화에 의한 감소에 의한 것이다. 이러한 현상은 분리막의 재질이나 형태와 밀접한 관련이 있다. 친수성 고분자 물질은 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 나이트레이트와 같은 셀룰로오스계나 폴리아마이드 (polyamide)계 등이 있다. 이중 셀룰로오스계 고분자는 수소결합 등 물과의 분자간 상호작용으로 인하여 물이 쉽게 침투하는 특성을 가지나, 열에 민감하고 내화학성이 떨어지며 효소 등에 의해서 고분자 주쇄가 파괴되는 단점이 있다.
한편, 폴리아마이드계 고분자는 뛰어난 기계적 물성, 열적 안정성, 수력학적 안정성으로 특히 역삼투막 분리막 소재로 널리 사용되고 있지만 정밀여과나 한외여과용으로 제조하기 힘들고 단백질과 강력히 결합하여 막오염을 심각하게 일으키는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 소수성막의 내화학성, 기계적 강도, 내구성, 열 안정성 등은 유지하되 소수성 분리막 표면을 친수화하여 표면성질인 투과성과 내오염성을 높이는 방법이 연구되고 있다.
친수성을 부여할 수 있는 소재로는 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올 등이 있으며, 대표적으로 표면에 친수성을 부여하는 방법에는 물리적 코팅법, 그래프팅법, 고분자 블랜딩법, 가교 반응에 의한 코팅법 등이 있다. 물리적 코팅법은 소수성 막 표면에 친수성 물질을 코팅하여 물리적으로 분리막 표면을 개질하는 방법이다. 그래프팅법은 플라즈마, 감마선, 자외선 또는 오존 등과 같은 고에너지를 조사하여 분리막 표면에 라디칼을 형성한 후 친수성기를 가진 단량체를 함유한 용액에 접촉시켜 분리막 표면에 그래프팅 반응을 유도하여 개질하는 방법이다. 고분자 블랜딩법은 제막시 소수성 고분자에 친수성 고분자를 블랜딩하여 막 전체에 친수화 성질을 부여하여 개질하는 방법이다. 가교 반응에 의한 코팅법은 가교제, 개시제, 단량체 등을 물 등에 넣어 열, 자외선, 전자빔 등과 같은 것을 이용하여 분리막 표면에 코팅하는 방법이다.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 종래의 친수성 개질 방법들 가운데 가장 간단하게 소수성 막 표면을 개질할 수 있는 방법을 사용하면서 분리막 전체에 친수성을 부여할 수 있는 방법을 찾고자 노력한 결과, 친수성을 가진 고분자에 카르복실기 등의 친수성 관능기를 부착하여 친수성을 더욱 높인 고분자를 제조하고 이를 소수성 분리막 표면상에 가교 코팅하는 방법을 통해 간단한 공정으로 분리막 전체에 친수성을 부여하여 소수성 막 표면을 개질할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 친수성이 증가되어 내오염성을 증가시키면서 이와 동시에 수투과도도 우수한 수준으로 유지되는 분리막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 친수성 중공사막을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 친수성 분리막의 제조방법을 제공한다.
1) 히드록실기(hydroxyl group)를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화 반응시켜 상기 히드록실기 위치가 탈수소화된 친수성 고분자를 얻는 단계(단계 1);
2) 상기 탈수소화된 친수성 고분자를 친수성기를 함유하는 단량체와 반응시켜 상기 탈수소화 위치에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 얻는 단계(단계 2);
3) 분리막에 가교제를 접촉시키는 단계(단계 3); 및
4) 상기 가교제를 접촉시킨 분리막에 상기 단계 2)에서 얻은 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 접촉시켜 가교 반응시킴으로써 분리막 표면에 친수성 코팅층을 형성시키는 단계(단계 4).
바람직하기로, 상기 단계 3)과 단계 4)는 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있다.
이하 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.
본 발명은 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화시킨 후 친수성기를 함유하는 단량체를 결합시켜 친수성을 더욱 증가시킨 고분자를 분리막의 표면에 가교 반응시킴으로써 종래 친수성 고분자를 그대로 분리막 표면에 가교 코팅시키는 경우에 비해 친수성을 더욱 증가시킬 수 있고, 이러한 친수성의 증가로 인하여 내오염성을 증가시키고 수투과도도 우수한 분리막을 제조하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에서는 친수성 표면 개질제로서 종래 친수성 고분자에 추가적으로 친수성기를 더 결합시켜 친수성이 증가된 고분자를 사용함으로써 분리막 표면의 친수성 정도를 더욱 증가시킬 수 있고 이로 인하여 내오염성을 증가시키면서 이와 동시에 수투과도도 우수한 수준으로 유지되는 분리막을 제조할 수 있다는데 특징이 있다.
또한, 본 발명은 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자가 결정성을 가지는 경우, 상기한 바와 같이 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화시킨 후 친수성기를 함유하는 단량체를 결합시키는 과정에서 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자의 결정성을 낮추거나 비결정성으로 변화시킬 수 있어 결과적으로 결정성이 낮거나 비결정성인 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 얻을 수 있고, 이를 가교제와 함께 처리하여 분리막에 코팅시킬 경우 기공이 잘 형성되어 결과적으로 수투과도를 높일 수 있는 장점이 있다.
더 나아가, 본 발명은 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자에 추가적으로 친수성기를 더 결합시켜 친수성이 증가된 고분자를 제조한 후 이를 가교 코팅하는 방식으로 분리막의 표면을 개질함으로써, 단량체를 가교제 및 개시제와 함께 처리하여 중합 반응시킴으로써 분리막의 표면을 개질하는 방식보다 보다 간단한 공정으로 분리막의 표면을 개질시킬 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명은 친수성의 정도를 더욱 증가시킬 수 있는 동시에 보다 간단한 공정으로 수행가능하다는데 특징이 있다.
상기 단계 1은, 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화 반응시켜 친수성기를 함유하는 단량체가 결합될 수 있는 반응 위치를 형성시키는 단계이다.
본 발명에서, 상기 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴산(PMAA), 셀룰로스계 고분자, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌글리콜(PPG), 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 셀룰로스계 고분자는 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 트리아세테이트, 셀룰로스 아세테이트 프로피오네이트, 셀룰로스 아세테이트 부티레이트, 아세틸 메셀로스, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자의 수평균 분자량은 바람직하기로 500 내지 200,000일 수 있다. 만일 상기 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자의 수평균 분자량이 500 미만이면 막 제조 후 가교제와 결합력이 약하여 코팅이 쉽게 떨어져 나갈 수 있는 단점이 있고 200,000 초과이면 점도가 너무 높아 코팅이 어려운 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 1)의 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자의 농도는 바람직하기로 0.01 내지 90 중량%, 더욱 바람직하기로 0.1 내지 50 중량%일 수 있다. 만일 상기 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자의 농도가 0.01 중량% 미만이면 반응이 일어날 수 있는 사이트가 제한적이어서 반응이 일어나기 힘든 단점이 있고 90 중량% 초과이면 단량체와 반응하기 어려운 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 1)의 탈수소화 반응은 수산화나트륨 및 물을 사용하여 수행할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 단계 1)의 수산화나트륨의 농도는 0.01 내지 90 중량%, 더욱 바람직하기로 0.1 내지 50 중량%일 수 있다. 만일 상기 수산화나트륨의 농도가 0.01 중량% 미만이면 탈 수소화 반응이 일어나기 어려운 단점이 있고 90 중량% 초과이면 부 반응이 일어나기 쉬운 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 1)의 물의 사용량은 상기 단계 1)의 반응 용액의 전체 중량 중 1 내지 90 중량%, 더욱 바람직하기로 10 내지 50 중량%, 더욱더 바람직하기로 1.5 내지 14 중량%, 가장 바람직하기로 1.5 내지 9 중량%일 수 있다. 만일 상기 물의 사용량이 1 중량% 미만이면 반응이 일어나기 힘들어 친수성 고분자의 제조가 어려운 단점이 있고 90 중량% 초과이면 반응이 일어나기 힘들어 친수성 고분자의 제조가 어려운 단점이 있다. 특히, 본 발명에서는, 상기 단계 1)의 물의 사용량이 1.5 내지 9 중량%인 경우 수투과도 및 내오염성이 모두 우수하며 14 중량%로 증가한 경우 내오염성은 더욱 높아지나 수투과도는 다소 낮아지는 것을 확인하였다(실시예 1 내지 4의 표 1 실험 결과 참조)
본 발명에서, 상기 단계 1)의 반응용매는 이소프로필알코올, 물 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 단계 1)의 반응용매의 사용량은 상기 단계 1)의 반응 용액의 전체 중량 중 1 내지 90 중량%, 더욱 바람직하기로 10 내지 50 중량%일 수 있다. 만일 상기 반응용매의 사용량이 1 중량% 미만이면 반응이 일어나기 힘들어 친수성 고분자의 제조가 어려운 단점이 있고 90 중량% 초과이면 반응이 일어나기 힘들어 친수성 고분자의 제조가 어려운 단점이 있다.
상기 단계 2는, 상기 탈수소화된 친수성 고분자를 친수성기를 함유하는 단량체와 반응시켜 상기 탈수소화 위치에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 얻는 단계이다.
본 발명에서, 상기 단계 2)의 친수성기를 함유하는 단량체는 카르복실기 (carboxyl group, -COOH), 히드록실기 (hydroxyl group, -OH), 및 아민기 (amine group, -NH2)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 친수성기를 함유하는 단량체일 수 있다.
본 발명에서, 상기 단계 2)의 친수성기를 함유하는 단량체는 C1 -10 할로카르복시산, C1 -10 할로히드린, C1 -10 할로알킬아민, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자로서 폴리비닐알코올(PVA)을 사용하고 친수성기를 함유하는 단량체로서 카르복실기를 함유하는 단량체를 사용할 수 있다.
폴리비닐알코올(PVA)은 결정성 고분자로서 가교제와 함께 처리하여 분리막에 코팅시킬 경우 기공 형성이 어려운 단점이 있다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 폴리비닐알코올(PVA)을 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자로서 사용하고 이를 친수성기를 함유하는 단량체로서 카르복실기를 함유하는 단량체와 반응시켜 폴리비닐알코올(PVA)에 카르복실기를 부여함으로써 폴리비닐알코올(PVA)의 결정성을 낮출 수 있어 가교제와 함께 처리하여 분리막에 코팅시킬 경우 기공이 잘 형성되어 결과적으로 수투과도를 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 2)의 친수성기를 함유하는 단량체의 첨가량은 상기 단계 1)의 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자 내 히드록실기의 전체 몰수를 기준으로 0.001 내지 90 mol%, 더욱 바람직하기로 0.1 내지 50 mol%일 수 있다. 만일 상기 친수성기를 함유하는 단량체의 첨가량이 0.001 mol% 미만이면 반응에 참여하는 단량체가 희박하여 효과적인 고분자 치환 반응이 진행되기 어려운 단점이 있고 90 mol% 초과이면 부 반응이 잘 일어나기 쉬운 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 2)의 반응온도는 바람직하기로 10 내지 90℃, 더욱 바람직하기로 20 내지 50℃일 수 있다. 만일 상기 반응온도가 10℃ 미만이면 반응이 잘 일어나기 어려워 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 얻기 어려운 단점이 있고 90℃ 초과이면 반응 제어가 어려운 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 2)의 반응시간은 바람직하기로 5분 내지 24시간, 더욱 바람직하기로 30분 내지 6시간일 수 있다. 만일 상기 반응시간이 5분 미만이면 반응이 완전하게 일어나지 않아 친수성기가 결합된 친수성 고분자의 생성량이 낮은 단점이 있고 24시간 초과이어도 더 이상 반응이 일어나지 않아 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 2)의 반응용매는 이소프로필알코올, 물 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 3은, 분리막에 가교제를 접촉시켜 분리막 표면에 가교제를 코팅시키는 단계이다.
본 발명에서, 상기 단계 3)의 분리막의 소재는 불소가 함유된 고분자, 셀룰로스계 고분자, 술폰계 고분자, 설파이드계 고분자, 폴리올레핀계 고분자 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 단계 3)의 분리막의 소재는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리술폰(polysulfone), 폴리에테르술폰(polyethersulfone; PES), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 셀룰로스아세테이트(cellulose acetate), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polyprolylene; PP), 폴리아미드(polyamide; PA), 셀룰로스에스테르(cellulose ester), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate); PMMA), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK) 및 폴리이미드(polyimide; PI)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 단계 3)의 가교제는 이중결합이 두 개 이상인 글루타알데하이드(glutaraldehyde), 아크릴레이트, 메타아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메틸아크릴레이트 (trimethylolpropane trimethylacrylate, TMPTMA), 폴리에틸렌글리콜에틸디아크릴레이트 (polyethylene glycol ethyl diacrylate, PEGDA), 폴리에틸렌글리콜에틸디메타아크릴레이트(polyethylene glycol ethyl dimethacrylate, PEGDMA) 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 단계 3)의 가교제의 농도는 바람직하기로 0.001 내지 50 중량%, 더욱 바람직하기로 0.01 내지 10 중량%일 수 있다. 만일 상기 가교제의 농도가 0.001 중량% 미만이면 가교제 농도가 희박하여 가교 반응이 잘 진행되지 않아 코팅된 고분자가 물에 용해될 수 있는 단점이 있고 50 중량% 초과이면 지나친 고분자 가교반응이 일어나 막 표면에 기공 형성이 어려운 단점이 있다.
상기 단계 4는, 상기 가교제를 접촉시킨 분리막에 상기 단계 2)에서 얻은 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 접촉시켜 가교 반응시킴으로써 분리막 표면에 친수성 코팅층을 형성시키는 단계이다.
본 발명에서, 상기 단계 4)의 친수성기가 결합된 친수성 고분자의 농도는 바람직하기로 0.001 내지 50 중량%, 더욱 바람직하기로 1 내지 30 중량%일 수 있다. 만일 상기 친수성기가 결합된 친수성 고분자의 농도가 0.001 중량% 미만이면 고분자가 막 표면에 균일하게 코팅되기 어려운 단점이 있고 50 중량% 초과이면 코팅 용액 제조가 어렵고 막 표면에 두껍게 코팅되어 기공 형성이 어려운 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 4)의 가교반응의 온도는 바람직하기로 10 내지 90℃, 더욱 바람직하기로 20 내지 50℃일 수 있다. 만일 상기 가교반응의 온도가 10℃ 미만이면 가교반응이 잘 일어나기 어려워 분리막 표면에 친수성기가 결합된 친수성 고분자가 가교되어 코팅되기 어려운 단점이 있고 90℃ 초과이면 반응 제어가 어려운 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 단계 4)의 가교반응의 시간은 바람직하기로 5분 내지 24시간, 더욱 바람직하기로 30분 내지 6시간일 수 있다. 만일 상기 가교반응의 시간이 5분 미만이면 가교반응이 완전하게 일어나지 않아 분리막 표면에 친수성기가 결합된 친수성 고분자가 가교되어 코팅되기 어려운 단점이 있고 24시간 초과이어도 더 이상 가교반응이 일어나지 않아 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되어 친수성기가 결합된 친수성 고분자가 가교제에 의하여 상기 친수성기를 통해 분리막 표면에 결합되어 분리막 표면에 친수성 코팅층이 형성된 친수성 분리막을 제공한다.
본 발명에서, 상기 친수성기가 결합된 친수성 고분자는, 친수성기가 결합되기 전에 결정성을 가지나 친수성기가 결합된 후에 결정성이 낮아지거나 비결정성으로 변화되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 친수성 분리막은 이러한 결정성이 감소되거나 또는 비결정성으로 변화된 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 가교제와 함께 처리하여 분리막에 코팅시킴으로써 기공이 잘 형성되어 결과적으로 수투과도가 향상되는 장점이 있다.
본 발명에서, 상기 분리막은 오폐수 및 정수처리 등의 수처리용으로 광범위하게 사용될 수 있으며, 이에 제한되지 않고 분리막의 소재 및 물성 등에 따라 당 분야에 알려진 다양한 용도로 활용이 가능하다. 특히, 본 발명의 방법에 따라 제조된 분리막은 친수성이 증가된 고분자를 사용함으로써 분리막 표면의 친수성 정도를 더욱 증가시킬 수 있어 내오염성이 우수하여 막오염으로 인한 역세 주기가 길고 이와 동시에 수투과도와 같은 물성도 매우 우수한 수준으로 유지되어 성능도 우수하므로 수처리용 분리막으로 사용하기에 적합하다. 본 발명의 분리막은 예컨대 정수기, 해수담수화 공정의 전처리 장치, 연수기, 정수처리 장치, 폐수 처리 장치 또는 식품 정제장치 등에 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 친수성 분리막을 이용하여 수처리하는 단계를 포함하는 수처리된 물의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 수처리에 사용되는 물은 해수 또는 폐수 등일 수 있다.
본 발명에서, 상기 수처리된 물은 음용수 또는 정제수 등일 수 있다.
본 발명에서, 상기 수처리는 정밀여과, 한외여과, 나노여과, 역삼투 또는 이들의 조합 공정일 수 있다.
또한, 본 발명은 분리막; 가교제를 포함하는 제1코팅용액; 및 히드록실기(hydroxyl group)를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화 반응시킨 후, 상기 탈수소화된 친수성 고분자를 친수성기를 함유하는 단량체와 반응시켜 얻은 상기 탈수소화 위치에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 포함하는 제2코팅용액을 포함하는, 친수성 분리막 제조용 키트를 제공한다.
본 발명에서, 상기 키트를 이용하여 친수성 분리막을 제조하는 경우, 분리막에 가교제를 포함하는 제1코팅용액과, 히드록실기(hydroxyl group)를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화 반응시킨 후, 상기 탈수소화된 친수성 고분자를 친수성기를 함유하는 단량체와 반응시켜 얻은 상기 탈수소화 위치에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 포함하는 제2코팅용액을 순차적으로 또는 동시에 접촉시킴으로써 분리막 표면에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 가교 코팅시켜 친수성 분리막을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 히드록실기(hydroxyl group)를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화 반응시킨 후, 상기 탈수소화된 친수성 고분자를 친수성기를 함유하는 단량체와 반응시켜 얻은 상기 탈수소화 위치에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 포함하는 분리막의 표면을 친수성으로 개질하기 위한 가교 코팅용 조성물을 제공한다.
본 발명은 친수성을 가진 고분자에 카르복실기 등의 친수성 관능기를 부착하여 친수성을 더욱 높인 고분자를 제조하고 이를 분리막 표면상에 가교 코팅하는 방법을 통해 간단한 공정으로 분리막 전체에 친수성을 부여하여 친수성이 향상된 분리막을 제조할 수 있다. 이러한 분리막 표면의 친수성의 향상에 따라 내오염성이 증가하면서 이와 동시에 수투과도도 우수한 수준으로 유지되는 분리막을 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 효과를 보다 더 구체적으로 설명하고자 하나, 이들 실시예는 본 발명의 예시적인 기재일 뿐 본 발명의 범위가 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실시예
1:
친수성기가
결합된
친수성 고분자를 코팅한 분리막의 제조
단계 1
먼저, 친수성 고분자로서 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; 이하, PVA)(분자량 88,000)을 이소프로필알코올에 1 중량%로 넣고, 여기에 수산화나트륨 1 중량% 및 물 4 중량%를 첨가하여 교반시킨 후 탈수소화시켰다.
단계 2
상기 단계 1의 탈수소화된 반응물에 친수성기를 함유하는 단량체로서 클로로아세트산을 상기 단계 1)의 폴리비닐알코올 내 히드록실기의 전체 몰수를 기준으로 0.05 mol% 첨가하여 교반한 후 60℃ 오븐에서 24시간 동안 진공 건조시켜 고형화 된 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 얻었다.
단계 3
가교제인 글루타 알데하이드(glutaraldehyde) 0.1 중량% 용액을 제조하여 소수성 PVDF 분리막을 1분 침지시킨 후 롤링 건조시켰다.
단계 4
상기 단계 2에서 제조한 친수성기가 결합된 친수성 고분자(PVA-OCH2COONa) 0.1 중량%를 물에 용해한 용액을 제조하여 여기에 상기 단계 3에서 얻은 가교제 처리된 PVDF 분리막을 1분 침지시키고 건조시킨 후 증류수로 세척하여 친수화시킨 분리막을 제조하였다.
실시예
2:
친수성기가
결합된
친수성 고분자를 코팅한 분리막의 제조
상기 실시예 1의 단계 1에서 물의 양을 1.5 중량%로 첨가하여 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 친수화시킨 분리막을 제조하였다.
실시예
3:
친수성기가
결합된
친수성 고분자를 코팅한 분리막의 제조
상기 실시예 1의 단계 1에서 물의 양을 9 중량%로 첨가하여 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 친수화시킨 분리막을 제조하였다.
실시예
4:
친수성기가
결합된
친수성 고분자를 코팅한 분리막의 제조
상기 실시예 1의 단계 1에서 물의 양을 14 중량%로 첨가하여 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 친수화시킨 분리막을 제조하였다.
실시예
5:
친수성기가
결합된
친수성 고분자를 코팅한 분리막의 제조
상기 실시예 1의 단계 4에서 친수성기가 결합된 친수성 고분자의 양을 0.2 중량%로 첨가하여 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 친수화시킨 분리막을 제조하였다.
실시예
6:
친수성기가
결합된
친수성 고분자를 코팅한 분리막의 제조
상기 실시예 1의 단계 4에서 친수성기가 결합된 친수성 고분자의 양을 0.3 중량%로 첨가하여 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 친수화시킨 분리막을 제조하였다.
비교예
1:
코팅전
소수성
PVDF
분리막
코팅전 소수성 PVDF 분리막을 본 발명에 따른 친수화시킨 분리막과 비교하기 위하여 비교예 1로 하였다.
비교예
2: 폴리비닐알코올을 코팅한 분리막의 제조
상기 실시예 1에서 단계 1 및 단계 2를 수행하지 않고 친수성기가 결합된 친수성 고분자 대신 폴리비닐알코올을 그대로 첨가하여 가교 코팅을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 친수화시킨 분리막을 제조하였다.
실험예
1: 분리막의 투과특성 측정
본 발명의 제조 방법에 의하여 제조된 분리막의 투과특성을 확인하기 위하여 3 kgf/cm2 하에서 120분 운전하고 압력을 낮추어 1 kgf/cm2 하에서 120분 안정화 후 순수 투과도 (L/m2hr)를 측정하고, 내오염성을 평가하기 위하여 bovine serum albumin (BSA) 20 ppm 수용액을 이용하여 1 kgf/cm2 하에서 120분 운전 후의 투과도 감소에 따른 상대 투과도 감소비율(-)을 측정하였다.
상기 순수 투과도 및 내오염성 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때 내오염성 수치는 높을수록 내오염성이 우수함을 나타낸다.
수투과도 (l/m2hr) | 내오염성 (-) | |
실시예1 | 535 | 0.12 |
실시예2 | 587 | 0.10 |
실시예3 | 554 | 0.12 |
실시예4 | 200 | 0.47 |
실시예5 | 528 | 0.11 |
실시예6 | 546 | 0.11 |
비교예1 | 1966 | 0.01 |
비교예2 | 155 | 0.40 |
상기 표 1을 통해, 비교예 1에서 코팅 전 PVDF막은 순수투과도가 1966 l/m2hr에서 BSA용액 투과 120분 후 39 l/m2hr로 감소하여 내오염성이 0.01로 매우 낮은 수치를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 2에서 폴리비닐알코올 코팅 후 순수투과도는 155 l/m2hr로 비교예 1에 비하여 현저히 낮아졌으나, 내오염성은 크게 증가하였다. 실시예 1에서 PVA-OCH2COONa를 코팅한 경우, 순수투과도가 535 l/m2hr로 코팅 후에도 비교예 1에 비하여 투수량이 크게 감소하지 않으면서 내오염성은 10배 증가하였다. 실시예 4에서 순수투과도가 200 l/m2hr로 실시예 1에 비하여 많이 감소되었으나, 내오염성은 0.47로 매우 증가하였다. 비교예 2와 비교하였을 때 수투과도와 내오염성 모두가 증가한 수치를 나타내었다. 이로써 본 발명에 의하여 제조된 막이 종래 친수화 방법, 즉 비교예 2에서 제조된 막보다 높은 투과도와 내오염성을 동시에 가짐을 확인하였다.
Claims (20)
- 하기 단계를 포함하는 친수성 분리막의 제조방법:
1) 히드록실기(hydroxyl group)를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화 반응시켜 상기 히드록실기 위치가 탈수소화된 친수성 고분자를 얻는 단계(단계 1);
2) 상기 탈수소화된 친수성 고분자를 친수성기를 함유하는 단량체와 반응시켜 상기 탈수소화 위치에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 얻는 단계(단계 2);
3) 분리막에 가교제를 접촉시키는 단계(단계 3); 및
4) 상기 가교제를 접촉시킨 분리막에 상기 단계 2)에서 얻은 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 접촉시켜 가교 반응시킴으로써 분리막 표면에 친수성 코팅층을 형성시키는 단계(단계 4).
- 제1항에 있어서, 상기 단계 3)과 단계 4)는 순차적으로 또는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴산(PMAA), 셀룰로스계 고분자, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌글리콜(PPG) 또는 이들의 혼합물인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자의 수평균 분자량은 500 내지 200,000인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 1)의 탈수소화 반응은 수산화나트륨 및 물을 사용하여 수행하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 단계 1)의 물의 사용량은 상기 단계 1)의 반응 용액의 전체 중량 중 1 내지 90 중량%인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 친수성기를 함유하는 단량체는 카르복실기 (carboxyl group, -COOH), 히드록실기 (hydroxyl group, -OH), 및 아민기 (amine group, -NH2)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 친수성기를 함유하는 단량체인 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 단계 2)의 친수성기를 함유하는 단량체는 C1-10 할로카르복시산, C1 -10 할로히드린, C1 -10 할로알킬아민 또는 이들의 혼합물인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 친수성기를 함유하는 단량체의 첨가량은 상기 단계 1)의 히드록실기를 함유하는 친수성 고분자 내 히드록실기의 전체 몰수를 기준으로 0.001 내지 90 mol%인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 반응온도는 10 내지 90℃이고 반응시간은 5분 내지 24시간이며, 상기 단계 4)의 가교반응의 온도는 10 내지 90℃이고 가교반응의 시간은 5분 내지 24시간인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 3)의 분리막의 소재는 불소가 함유된 고분자, 셀룰로스계 고분자, 술폰계 고분자, 설파이드계 고분자, 폴리올레핀계 고분자 또는 이들의 혼합물인 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 단계 3)의 분리막의 소재는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리술폰(polysulfone), 폴리에테르술폰(polyethersulfone; PES), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 셀룰로스아세테이트(cellulose acetate), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polyprolylene; PP), 폴리아미드(polyamide; PA), 셀룰로스에스테르(cellulose ester), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate); PMMA), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK) 및 폴리이미드(polyimide; PI)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 3)의 가교제는 이중결합이 두 개 이상인 글루타알데하이드(glutaraldehyde), 아크릴레이트, 메타아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메틸아크릴레이트 (trimethylolpropane trimethylacrylate, TMPTMA), 폴리에틸렌글리콜에틸디아크릴레이트 (polyethylene glycol ethyl diacrylate, PEGDA), 폴리에틸렌글리콜에틸디메타아크릴레이트(polyethylene glycol ethyl dimethacrylate, PEGDMA) 또는 이들의 혼합물인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 4)의 친수성기가 결합된 친수성 고분자의 농도는 0.001 내지 50 중량%인 방법.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되어 친수성기가 결합된 친수성 고분자가 가교제에 의하여 상기 친수성기를 통해 분리막 표면에 결합되어 분리막 표면에 친수성 코팅층이 형성된 친수성 분리막.
- 제15항에 있어서, 상기 친수성기가 결합된 친수성 고분자는, 친수성기가 결합되기 전에 결정성을 가지나 친수성기가 결합된 후에 결정성이 낮아지거나 비결정성으로 변화되는 것을 특징으로 하는 친수성 분리막.
- 제15항에 있어서, 상기 친수성 분리막은 수처리용인 것을 특징으로 하는 친수성 분리막.
- 제15항의 친수성 분리막을 이용하여 수처리하는 단계를 포함하는 수처리된 물의 제조방법.
- 분리막;
가교제를 포함하는 제1코팅용액; 및
히드록실기(hydroxyl group)를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화 반응시킨 후, 상기 탈수소화된 친수성 고분자를 친수성기를 함유하는 단량체와 반응시켜 얻은 상기 탈수소화 위치에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 포함하는 제2코팅용액을 포함하는, 친수성 분리막 제조용 키트.
- 히드록실기(hydroxyl group)를 함유하는 친수성 고분자를 탈수소화 반응시킨 후, 상기 탈수소화된 친수성 고분자를 친수성기를 함유하는 단량체와 반응시켜 얻은 상기 탈수소화 위치에 친수성기가 결합된 친수성 고분자를 포함하는 분리막의 표면을 친수성으로 개질하기 위한 가교 코팅용 조성물.
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