KR20170093435A - 유체 분리막 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

유체 분리막 및 그 제조 방법이 제공된다. 유체 분리막은 두께 방향으로 개방된 복수의 개구를 포함하는 지지체부, 및 개구를 채우는 분리막부를 포함하되, 지지체부 사이의 개구 중앙부의 분리막부 두께는 지지체부 주변의 분리막부 두께보다 작다. 유체 분리막의 제조 방법은 두께 방향으로 개방된 복수의 개구를 포함하는 지지체부 및 액상의 분리막 물질을 준비하는 단계, 지지체부에 액상의 분리막 물질을 제공하여, 개구에 액상의 분리막 물질로 이루어진 박막을 형성하는 단계, 및 박막을 응고하거나 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

유체 분리막 및 그 제조방법{Fluid separating membrane and method for fabricating the same}
본 발명은 유체 분리막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 관심의 대상이 되는 지구 온난화는 이산화탄소와 메탄가스 등에 의한 온실효과가 큰 역할을 하고 있다. 이러한 온난화는 생태계를 교란시킬 뿐만 아니라 인간의 사회생활에 커다란 영향을 미치고 있어서 온실가스의 대기 중 방출을 줄이고자 하는 노력이 여러 방면에서 진행되고 있다.
이산화탄소는 최근 온실가스로 가장 주목을 받는 것 중 하나이다. 이산화탄소는 하수처리장, 폐수처리장 및 매립장 등에서는 폐기물 연소 시에 생성되는 것 외에도 화력 발전소 또는 제철소 등에서 다량 생성될 수 있다. 따라서, 폐가스 중에서 이산화탄소만을 분리하여 제거하는 기술이 연구되고 있다. 이산화탄소 이외에도, 수소 연료에 대한 관심이 증폭되면서, 수소 가스를 분리하는 기술도 많은 관심의 대상이 되고 있다. 또한, 순수하게 분리된 산소나 질소 등도 다양한 분야에 활용이 가능하기 때문에 그 분리 방법에 대한 연구가 지속되고 있다. 향후, 특정 기체나 액체의 활용 기술이 발전함에 따라, 더욱 다양한 유체에 대한 분리 기술이 필요할 것으로 전망된다.
특정 유체의 분리는 단순히 분리 이론을 정립하는 것만으로는 산업계에서 활용하기 어렵다. 일 예로, 이산화탄소 분리 기술은 흡수법, 흡착법, 심냉법 또는 막분리법 등이 오래 전부터 제시되어 왔지만, 막대한 에너지가 필요하다거나, 부작용이 있다든지, 대형화가 어렵다는 등의 현실적인 이유로 현재까지 상용화된 예는 극히 미미한 수준이다.
그나마, 막분리법이 다른 방법에 비해 상대적으로 저에너지를 사용하기 때문에, 상용화에 적합하다는 평가가 있다. 막분리법에서 지금까지 연구되고 있는 방향은 주로 분리막의 분리 효율을 높이는 데에 있다. 실험실 내에서 90% 이상의 분리 효율을 나타낼 수 있는 작은 사이즈(예컨대 1인치X1인치)의 분리막을 개발하는 것이 1차 목표이다. 대형화 및 상용화는 그 다음 과제로 여겨지고 있다.
실험실 내에서 90% 이상의 분리 효율을 얻어내기 위하여, 많은 연구자들은 분리막의 두께를 보다 얇게 만들고, 분리막 내외부의 압력 차이를 보다 높게 설정하고자 한다. 그러나, 두께가 얇고, 압력이 높을수록 분리막의 내구성이 취약해진다. 따라서, 일부의 연구자들은 위와 같은 조건에서도 내구성을 갖춘 분리막의 재질에 대한 연구도 병행한다.
그러나, 위와 같이 실험실 수준에서 고효율 분리막을 개발하였다 하더라도, 이를 상용화하는 것은 별개의 문제이다. 우선, 박막의 분리막은 대량으로 생산하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 고가의 원재료를 사용하여야 하므로 생산 비용도 크게 증가한다. 또한, 박막의 분리막을 대형화된 장비에 적용하려면 수 많은 분리막을 조립하여야 하므로, 조립 시간 및 조립 비용이 증가한다. 또한, 고효율을 위해 높은 압력을 사용하므로 처리비용이 증가한다. 이론적으로 분리가 가능하더라도 생산 및 처리 비용 등이 과도하면, 현실적인 상용화는 불가능하다.
따라서, 낮은 처리 비용을 가지면서도 비용 대비 우수한 분리 효율을 갖고, 상업적인 규모로 적용가능한 유체 분리막의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분리막끼리의 밀착이 방지된 유체 분리막을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 분리막끼리의 밀착이 방지된 유체 분리막의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막은 유체 분리막은 두께 방향으로 개방된 복수의 개구를 포함하는 지지체부, 및 상기 개구를 채우는 분리막부를 포함하되, 상기 지지체부 사이의 상기 개구 중앙부의 상기 분리막부 두께는 상기 지지체부 주변의 상기 분리막부 두께보다 작다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막의 제조 방법은 두께 방향으로 개방된 복수의 개구를 포함하는 지지체부 및 액상의 분리막 물질을 준비하는 단계, 상기 지지체부에 상기 액상의 분리막 물질을 제공하여, 상기 개구에 상기 액상의 분리막 물질로 이루어진 박막을 형성하는 단계, 및 상기 박막을 응고하거나 경화시키는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유체 분리막에 의하면, 유체 분리막이 근접하거나 겹쳐졌을 때 개구를 채운 분리막부가 상호 완전히 밀착하는 것을 방지하여, 충분한 유체 분리 면적 및 이동 통로를 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유체 분리막의 제조 방법에 의하면, 액상 분리막부의 표면 장력을 이용한 단순한 방법으로 지지체부와 분리막부를 포함하는 유체 분리막을 쉽게 제조할 수 있다. 따라서, 제조 비용이 절감되고, 공정 효율이 개선되므로, 상업적으로 규모로 양산하기 용이하다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 튜브형 유체 분리막의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 판상형 유체 분리막의 사시도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI'선을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리막의 단면도이다.
도 8은 도 4의 유체 분리막의 내부에 음압이 걸린 상태를 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 IX-IX'선을 따라 자른 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막을 포함하는 유체 분리 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 유체 분리 장치(1)는 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 분리하는 데에 사용되는 장치이다.
유체는 기체나 액체일 수 있다. 유체 혼합물(MF)은 서로 다른 복수의 유체를 포함한다. 예를 들어, 유체 혼합물(MF)은 화력발전소나 공장의 배기가스, 자동차 배기가스, 부생 가스, 폐기물 매립가스, 폐수 등일 수 있다.
복수의 기체는 상호 균일하게 완전히 혼합될 수도 있지만, 그에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 유체 혼합물이 배치된 공간 내에서 특정 부위에는 제1 유체만 존재하고, 다른 특정 부위에는 제2 유체만 존재할 수도 있다. 또한, 특정 부위에서의 제1 유체의 함량이 다른 특정 부위에서의 제1 유체의 함량보다 클 수도 있다.
특정 유체의 분리는 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 완전히 분리하는 것 뿐만 아니라, 입력된(제공된) 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체의 함량이 높아진 유체 혼합물을 출력(생성)해내는 것을 포함한다. 입력되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 그 함량비가 3:1인 경우를 예로 하여 설명하면, 출력되는 유체(MF1, MF2)가 100% 이산화탄소인 경우 또는 출력되는 유체 혼합물(MF1, MF2)의 질소와 이산화탄소 함량비가 3:1보다 작은 경우에는 이산화탄소의 분리가 이루어진 것으로 해석된다. 출력되는 유체(MF1, MF2)가 100% 질소이거나 출력되는 유체 혼합물(MF1, MF2)의 질소와 이산화탄소 함량비가 3:1보다 큰 경우에는 질소의 분리가 이루어진 것으로 해석된다. 아울러, 특정 유체의 함량이 높아진 정도가 클수록 특정 유체 분리의 효율이 높은 것으로 해석된다.
분리되는 유체의 예로는 상술한 이산화탄소나 질소 이외에도 다양할 수 있다. 예를 들어, 아세톤, 암모니아, 아르곤, 벤젠, 부탄(n-C4H10), 이황화탄소(CS2), 일산화탄소, 에탄, 에틸렌, 헬륨, 헥산(n-C6H14), 수소, 황화수소, 메탄, 메탄올, 일산화질소, 이산화질소, 아산화질소(N2O), 옥탄, 산소, 펜탄, 프로판, 이산화황, 톨루엔, 수증기 등이 분리되는 대상 유체가 될 수 있으나, 그에 제한되는 것은 아니다.
유체 분리 장치(1)는 챔버(20) 및 챔버(20) 내부에 배치된 유체 분리막(10)을 포함한다.
유체 분리막(10)은 튜브 형상으로 이루어질 수 있다. 유체 분리막(10)의 내부(10s1)와 유체 분리막(10)의 외부(10s2)는 유체 분리막(10)을 기준으로 물리적으로 분리되어 있다. 즉, 유체 분리막(10)을 기준으로 공간이 분할된다. 적어도 일부의 유체는 유체 분리막(10)을 통과하여 유체 분리막(10)의 내외부(10s1, 10s2)를 소통할 수 있고, 이것이 특정 유체 분리에 이용된다.
챔버(20)는 제한된 공간을 제공한다. 챔버(20) 내부의 공간은 챔버(20) 외부의 공간과 물리적으로 구분된다. 챔버(20)는 내부에 공급되는 유체의 이동을 공간적으로 제한한다. 또한, 챔버(20)는 그 내부의 온도, 압력, 습도 등과 같은 다양한 공정 변수를 챔버(20) 외부와 상이하게 독립적으로 제어하도록 할 수 있다. 챔버(20)의 제한된 공간은 반드시 밀폐된 공간만을 의미하지는 않으며, 외부와 소통하는 개방 공간을 포함할 수 있다.
예를 들어, 챔버(20)는 적어도 3개의 유체 출입구(21, 22, 25)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 챔버(20)는 유체 투입구(25), 제1 유체 배출구(21), 및 제2 유체 배출구(22)를 포함한다.
제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)는 유체 혼합물 또는 유체(MF1, MF2)가 챔버 외부로 배출(출력)되는 통로가 된다. 유체 분리막(10)의 내부 공간은 제1 유체 배출구(21)와 공간적으로 연결되거나, 제1 유체 배출구(21)를 통과하여 일단(10E1)이 챔버(20)의 외부로 노출된다. 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(10)의 내부 공간과 연결되지 않는다.
유체 투입구(25)는 유체 혼합물(MF)이 챔버(20) 내부로 투입(입력)되는 통로가 된다. 일 실시예에서, 유체 투입구(25)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유체 분리막(10)의 내부 공간과 연결되지 않는다. 이 경우, 유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 챔버(20) 내부이자 유체 분리막(10)의 외부(10s2)로 투입된다. 챔버(20) 내부에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리막(10)을 통해 유체 분리막(10)의 내부(10s1)로 이동한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('MF1' 참조)되고, 유체 분리막(10) 외부(10s2)에 잔류한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('MF2' 참조)될 수 있다. 유체 투입구(25)를 통해 제공되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 유체 분리막(10)을 통한 이산화탄소의 이동도가 질소보다 높을 경우, 유체 분리막(10) 외부(10s2)는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지면서 질소의 농도는 상대적으로 높아지고, 유체 분리막(10) 내부(10s1)는 이산화탄소의 농도가 높아지면서 질소의 농도는 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 제2 유체 배출구(22)에서는 상대적으로 질소의 함량이 높은 유체 혼합물(MF2)이 배출되고, 제1 유체 배출구(21)에서는 상대적으로 이산화탄소의 함량이 높은 유체 혼합물(MF1)이 배출될 수 있다.
도 1에서는 유체 분리막(10)과 제1 유체 배출구(21)에 공간적인 연결을 위해 유체 분리막(10)의 일단(10E1)이 개방된 경우가 예시되어 있지만, 공간적인 연결이 반드시 일단(10E1)에서 이루어질 필요는 없고, 유체 분리막(10)의 단부가 아닌 길이 방향 중간 부분에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기한 유체 분리막(10)의 중간 부분에 개구가 형성될 것이며, 일단(10E1)은 폐쇄되어도 무방하다.
또한, 도 1에서는, 유체 분리막(10)의 타단(10E2)이 챔버(20) 내부에 배치되고 폐쇄되어 있는 경우가 예시되어 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 챔버(20)가 복수 개의 제1 유체 배출구(21)를 포함하는 경우, 유체 분리막(10)의 타단(10E2)은 개방될 수도 있다. 개방된 타단(10E2)은 다른 유체 배출구와 공간적으로 연결되거나, 그 유체 배출구를 통과하여 챔버(20)의 외부로 노출될 수 있다.
제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)를 통해 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)들은 각각 특정 성분들의 농도가 상대적으로 높아진 상태에 있게 되다. 제1 유체 배출구(21) 또는 제2 유체 배출구(22)에서 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)을 상기한 유체 분리 장치(1)에 다시 투입하거나, 다른 유체 분리 장치에 투입하는 것을 1회 이상 반복하면, 특정 성분의 농도를 더욱 높일 수 있다. 제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)에서 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)은 선택적으로 폐기되거나 탱크 등에 저장될 수 있고, 필요에 따라 다른 다양한 분야에 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(2)는 유체 혼합물(MF)이 유체 분리막(11)의 내부(11s1)로 투입되는 점에서 도 1의 실시예와 상이하다.
유체 분리막(11)은 제1 유체 배출구(21)와 공간적으로 연결되거나, 제1 유체 배출구(21)를 통과하여 일단(11E1)이 챔버(20)의 외부로 노출되고, 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(11)과 공간적으로 연결되지 않는 점은 도 1의 실시예와 동일하다. 다만, 본 실시예의 경우, 유체 분리막(11)은 유체 투입구(25)와 공간적으로 연결되거나, 유체 투입구(25)를 통과하여 타단(11E2)이 챔버(20)의 외부로 노출될 수 있다.
유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 유체 분리막(11) 내부(11s1)로 투입된다. 유체 분리막(11) 내부(11s1)에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리막(11)의 관벽(11w)을 통해 유체 분리막(11)의 외부(11s2)로 이동한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('MF2' 참조)되고, 유체 분리막(11) 내부(11s1)에 잔류한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('MF1' 참조)될 수 있다. 유체 투입구(25)를 통해 제공되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 유체 분리막(11)을 통한 이산화탄소의 이동도가 질소보다 높을 경우, 유체 분리막(11) 내부(11s1)는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지면서 질소의 농도는 상대적으로 높아지고, 유체 분리막(11) 외부(11s2)는 이산화탄소의 농도가 높아지면서 질소의 농도는 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 제1 유체 배출구(21)에서는 상대적으로 질소의 함량이 높은 유체 혼합물이 배출되고, 제2 유체 배출구(22)에서는 상대적으로 이산화탄소의 함량이 높은 유체 혼합물이 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(3)는 유체 분리막(12)이 판상형으로 형성된 점이 도 1의 실시예와 다른 점이다.
판상형의 유체 분리막(12)은 챔버(20) 내부를 막아 공간을 분리한다. 본 실시예의 경우, 유체 분리막(12)의 일측(도면에서 좌측)이 도 1의 유체 분리막(10)의 외부 공간에 대응되고, 유체 분리막(12)의 타측(도면에서 우측)이 도 1의 유체 분리막(10) 내부 공간에 대응된다. 유체 투입구(25)과 제1 유체 배출구(21)는 유체 분리막(12)의 일측에 형성되고, 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(12)의 타측에 형성된다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 유체 분리막(12)이 챔버(20)의 내부 공간을 완전히 분할하지 않고, 대신 모듈화되어 제공될 수도 있다. 상기 모듈은 챔버(20) 내부에 배치되고, 해당 모듈 내에서 유체 분리막(12)이 공간을 분할하는 구조를 가질 수 있다. 상기 모듈은 외곽 공간을 한정하고 밀폐하는 최외곽 커버를 포함할 수 있고, 이 경우 챔버(20)는 생략될 수도 있다.
상술한 도 1 내지 도 3의 실시예에서, 유체 분리막(10, 11, 12)은 챔버(20) 내에 복수개가 배치될 수 있다. 튜브형 유체 분리막(10, 11)의 경우 복수의 유체 분리막(10, 11)이 인접 배치될 수 있다. 판상형 유체 분리막(12)의 경우, 복수의 유체 분리막(12)이 소정 간격을 가지며 나란하게 배치되어 챔버(20) 내부의 공간을 복수로 구분하거나, 복수의 유체 분리막(12)이 적층된 형태로 모듈화되어 제공될 수도 있다.
이하, 상술한 유체 분리막에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 튜브형 유체 분리막의 사시도이다. 도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 판상형 유체 분리막의 사시도이다. 도 6은 도 5의 VI-VI'선을 따라 자른 단면도이다. 도 4의 단면도는 도 6과 실질적으로 동일하므로, 그 도시를 생략하였다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리막의 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 유체 분리막(101, 102)은 개구(OP)를 포함하는 지지체부(SP) 및 지지체부(SP)를 덮는 분리막부(FS)를 포함한다.
지지체부(SP)는 복수의 개구(OP)를 포함한다. 각 개구(OP)는 두께 방향(X)으로 개방되어 있다.
지지체부(SP)의 두께는 10um 내지 1mm일 수 있다. 지지체부(SP)의 두께가 10um 이상인 것이, 유체 분리막(101, 102)의 기계적 강도를 확보하는 데에 유리하다. 지지체부(SP)의 두께가 너무 두꺼우면, 얇은 두께의 분리막부(FS) 비율이 낮아지므로, 높은 유체 분리 효율을 기대하기 어려워진다. 상기 관점에서 지지체부(SP)의 두께는 1mm 이하인 것이 바람직하다.
지지체부(SP)의 간격, 다시 말하면 개구(OP)의 폭은 0.1mm 내지 10mm일 수 있다. 개구(OP)의 폭(w)이 0.1mm 이상일 경우, 충분한 유체 이동 유효 면적을 확보할 수 있다. 개구(OP)의 폭(w)이 10mm 이하이어야, 유체 분리막(101, 102)의 기계적 강도 확보에 유리하다.
지지체부(SP)는 그물망이나 모기장과 같이 일정한 형상의 개구(OP)를 가질 수 있다. 상기 예에서, 지지체부(SP)는 경사와 위사를 갖는 꼬인 그물망 구조를 가질 수 있다.
다른 예로, 지지체부(SP)는 부직포와 같이 랜덤한 형상의 개구(OP)를 가질 수 있다. 이 경우에도 적어도 일부의 개구(OP)는 두께 방향으로 소통할 수 있도록 개방된다.
지지체부(SP)는 유체의 이동을 허용하지 않는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 지지체부(SP)는 천연 섬유나 합성 수지로 이루어질 수 있다. 지지체부(SP)는 예를 들어, 마닐라삼, 펄프, 레이온이나, 아세테이트 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리올레핀 섬유 등을 단독 또는 혼합하여 형성할 수 있다. 지지체부(SP)는 금속 재질로 이루어질 수도 있다. 상기 금속 재질의 예로는 SUS(Stainless Steel), 철, 알루미늄 또는 이들의 합금 등을 들 수 있다.
분리막부(FS)는 개구(OP)를 채우도록 형성된다. 일 실시예에서, 분리막부(FS)는 지지체부(SP)의 상면과 하면에 형성되어 지지체부(SP)를 덮으면서 개구(OP)를 채울 수 있다. 즉, 분리막부(FS)는 전체적으로 일체화되어 연결될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 7에 예시된 바와 같이, 분리막부(FS)는 개구(OP)별로 물리적으로 분리되어 있을 수 있다. 즉, 분리막부(FS)는 지지체부(SP)의 상면과 하면에는 형성되지 않고, 개구(OP)만을 채우도록 형성될 수 있다. 이 경우, 지지체부(SP)의 상면과 하면은 적어도 부분적으로 분리막부(FS)에 의해 덮이지 않고 노출될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 분리막부(FS)는 지지체부(SP)의 일부 영역에서는 상면과 하면에 형성되고, 다른 일부의 영역에서는 상면 및/또는 하면에 형성되지 않아 지지체부(SP)의 상면 및/또는 하면을 노출할 수 잇다.
분리막부(FS)는 후술하는 바와 같이 액상 분리막 물질의 표면 장력을 이용하여 형성될 수 있다. 이와 같은 방식에 의해 초박막 분리막의 대량 생산이 가능하다. 분리막부(FS)의 두께가 얇으면 ?을수록 유체의 이동도가 증가하므로, 분리 효율을 높일 수 있다.
분리막부(FS)의 두께는 위치에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 두께 방향(X)으로 지지체부(SP)와 오버랩되지는 않지만, 지지체부(SP) 주변에 위치하는 분리막부(FS)는 그 두께(d1)가 상대적으로 두껍다. 지지체부(SP) 사이의 개구(OP)의 중앙부에서는 분리막부(FS)의 두께(d2)가 상대적으로 얇다. 지지체부(SP) 사이의 개구(OP)의 중앙부에서의 분리막부(FS) 두께(d2)는 지지체부(SP)의 두께(d4)보다 작을 수 있다. 분리막부(FS)의 두께는 지지체부(SP) 주변으로부터 멀어질수록 얇아질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 분리막부(FS)는 지지체부(SP)의 상하면에도 위치할 수 있다. 지지체부(SP) 상하면 상에서 분리막부(FS)의 두께(d3)는 상대적으로 얇을 수 있다. 지지체부(SP) 상하면 상의 분리막부(FS)의 두께(d3)는 개구(OP) 중앙부의 분리막부(FS)의 두께(d2)보다 얇을 수 있다. 상술한 바와 같이 다른 몇몇 실시예에서, 분리막부(FS)는 지지체부(SP)의 상하면에 위치하지 않을 수도 있다(도 7 참조). 이 경우, 지지체부(SP) 상하면 상의 분리막부(FS) 두께는 0인 것으로 해석된다.
유체 분리막(101, 102)의 전체 두께는 지지체부(SP)가 있는 영역, 다시 말하면 지지체부(SP)의 상하면에 분리막부(FS)가 형성된 영역이 가장 두꺼울 수 있다. 두께가 가장 얇은 영역은 개구(OP)의 중앙부이다.
분리막부(FS)의 두께는 지지체부(SP)의 상하면(d3)에서 5um 내지 200um이고, 개구(OP)의 중앙부(d2)에서 10um 내지 200um이고, 지지체부(SP)와 중첩하지 않는 지지체부(SP)의 주변부(d1)에서 10um 내지 1mm일 수 있다. 상기한 바와 같이 개구(OP)의 중앙부가 상대적으로 얇을 경우, 분리막부(FS)를 통한 유체의 이동도롤 높일 수 있다.
분리막부(FS)는 유체의 이동을 허용하는 물질로 이루어질 수 있다. 유체는 크누센 확산(Knudsen diffusion), 분자 확산(molecular diffusion), 표면 확산(surface diffusion), 초미세기공 확산(super micropore diffusion) 등과 같은 확산 방식이나, 여과, 삼투 등의 방식으로 분리막부(FS)를 통과하여 이동할 수 있다.
분리막부(FS)는 예를 들어, 셀롤로스 아세테이트, 폴리술폰, 실리콘 고무 등과 같은 고분자 물질이나 실리카계 세라믹스, 실리카계 유리, 알루미나계 세라믹스, 스텐레스 다공체, 티탄 다공체, 은 다공체 등의 무기 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 분리막부(FS)의 구성 물질의 선택에는 혼합 유체의 종류와 분리하고자 하는 대상 및 유체의 선택도 뿐만 아니라, 제조 방법의 용이성, 대량 생산 가능성, 내구성 등이 함께 고려될 수 있다. 실리콘 고무는 그 종류 및 제조 방식에 따라 상이하긴 하지만, 이산화탄소와 질소의 선택비가 대략 3:1 이상이고, 5:1 이상인 것도 제조하기가 어렵지 않아서, 이산화탄소와 질소의 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 데에 용이하게 사용될 수 있다.
분리막부(FS)는 플렉시블한 물질로 이루어질 수 있다. 아울러, 지지체부(SP)도 플렉시블한 물질로 이루어지거나, 그 형상이 구부리기가 쉬운 형상으로 이루어져서 유체 분리막(101, 102) 전체가 플렉시블할 수 있다.
유체 상술한 유체 분리막(101, 102) 외에 이격재를 더 포함할 수 있다. 튜브형 유체 분리막(101)의 경우, 유체 분리막(101)의 내부에 이격재가 삽입된다. 판상형 유체 분리막(102)의 경우, 여러 장의 유체 분리막(102)이 적층될 수 있는데, 각 유체 분리막(102) 사이에 이격재가 배치된다.
도 8은 도 4의 유체 분리막의 내부에 이격재가 삽입된 상태를 나타낸 사시도이다. 도 9는 도 8의 IX-IX'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1의 실시예와 같이, 혼합 유체를 유체 분리막(101)의 외부에 공급할 경우, 특정 유체의 이동도를 높이기 위해 유체 분리막(101)의 외부의 압력을 유체 분리막(101)의 내부 압력보다 높게 설정할 수 있다. 유체 분리막(101)의 내외부 압력차를 0.5kgf/cm2 정도로 설정하면, 상업적으로 이용가능한 분리 효율을 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 유체 분리막(101)의 외부는 0 내지 4kgf/cm2의 압력을 가하고, 유체 분리막(101)의 내부는 0 내지 -1kgf/cm2의 압력을 가할 수 있다.
유체 분리막(101)의 내부에 음압이 가해지면, 플렉시블한 특성을 갖는 유체 분리막(101)은 찌그러지면서 분리막부(FS)의 내벽끼리 밀착할 수 있다. 이처럼, 유체 분리막(101)이 찌그러지면 복수의 유체 분리막(101)을 배치할 때 배치 밀도를 높일 수 있어, 단위 면적당 분리 효율을 높일 수 있다.
한편, 분리막부(FS)의 내벽이 완전히 밀착하면 해당 부위에서 유체가 분리막부(FS)의 내벽으로 진입하지 못한다. 밀착하는 부위가 많아지면 유체의 분리 면적이 줄어들어 분리 효율이 감소함은 물론, 분리막부(FS)의 길이 방향으로 이동 통로가 막혀 분리된 유체를 추출하기 어렵다. 따라서, 유체 분리막(101)의 내부에 이격재(150)를 삽입함으로써, 유체 분리막(101)의 내벽이 밀착되어 폐쇄되는 것을 방지할 수 있다.
이격재(150)는 유체 분리막(100)과 동일한 길이를 가져 유체 분리막(100)의 연장 방향 전체에 걸쳐 배치될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고, 이격재(150)가 유체 분리막(100)의 일부분, 예컨대 중앙부에 배치되고, 유체 분리막(100)의 일 단부 또는 양 단부 부근에는 배치되지 않을 수도 있다. 또한, 길이 방향으로 복수의 이격재(150)가 배치될 수도 있다. 복수의 이격재(150)는 상호 이격되어 배치될 수도 있다.
이격재(150)는 두께 방향으로 유체가 소통할 수 있는 복수의 개구(152)를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 이격재(150)는 그물망 형상을 가질 수 있다. 복수의 개구(152)는 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 유체가 머무르거나 이동할 수 있는 공간을 제공한다. 이격재(150)의 두께는 유체 분리막(101)의 최대 두께(즉, 지지체부 상에서의 두께)보다 클 수 있다. 또한, 이격재(150)의 개구(152)는 유체 분리막(101)의 개구(OP)보다 클 수 있다.
이격재(150)는 길이 방향으로의 유체 이동 통로(154)를 제공하는 구성을 포함할 수 있다. 상기 구성의 예로서, 꼬인 그물망 구조의 이격재(150)가 적용될 수 있다. 꼬인 그물망 구조는, 도 8의 확대도에 예시된 바와 같이, 그물을 구성하는 일 방향의 실(150a)들과 타 방향의 실(150b)들이 서로 교차할 때, 아래로 교차와 위로 교차를 반복하여 이루어진 구성이다. 따라서, 유체 분리막(101)의 내표면이 이격재(150)에 밀착되더라도, 실들(150a, 150b)의 교차 영역에 틈이 유지될 수 있다. 이러한 틈이 길이 방향의 유체 이동 통로(154)를 제공할 수 있다.
이격재(150)는 합성 수지, 나일론, 폴리 에스테르 등의 고분자 물질이나, 금속 재질로 이루어질 수 있다.
이하, 상술한 바와 같은 유체 분리막의 예시적인 제조 방법을 설명한다.
먼저, 복수의 개구(OP)를 포함하는 지지체부(SP)와 액상 분리막 물질, 예컨대 용융 실리콘 고무가 담겨진 수조를 준비한다. 이어, 지지체부(SP)를 수조에 담그었다가 꺼내면 액상 분리막 물질이 표면 장력에 의해 지지체부(SP)의 개구(OP)에 묻어 얇은 막, 즉 박막을 형성할 수 있다. 이어, 박막의 액상 분리막 물질을 응고하거나 경화시키면 도 4 또는 도 5의 유체 분리막이 형성될 수 있다. 즉, 액상 분리막 물질의 표면 장력을 이용한 단순한 방법으로 지지체부(SP)와 분리막부(FS)를 포함하는 유체 분리막을 쉽게 제조할 수 있다. 따라서, 제조 비용이 절감되고, 공정 효율이 개선되므로, 상업적으로 규모로 양산하기 용이하다.
다른 방법으로, 지지체부(SP)에 액상 분리막부(FS)를 바르거나 스프레이 방식으로 분사하여 지지체부(SP)의 개구(OP) 부분에 얇은 막을 형성한 후, 응고 또는 경화 과정을 거쳐 도 4나 도 5의 유체 분리막을 형성할 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.
1: 유체 분리 장치
10: 유체 분리관
20: 챔버
21: 제1 유체 배출구
22: 제2 유체 배출구
23: 유체 투입구

Claims (11)

  1. 두께 방향으로 개방된 복수의 개구를 포함하는 지지체부; 및
    상기 개구를 채우는 분리막부를 포함하되,
    상기 지지체부 사이의 상기 개구 중앙부의 상기 분리막부 두께는 상기 지지체부 주변의 상기 분리막부 두께보다 작은 유체 분리막.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 지지체부의 두께는 상기 지지체부 사이의 상기 개구 중앙부의 상기 분리막부 두께보다 두꺼운 유체 분리막.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 분리막부는 상기 지지체부의 상하면 상에 더 형성되고, 전체에 걸쳐 일체화되어 있는 유체 분리막.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 지지체부의 상하면 상의 상기 분리막부의 두께는 상기 지지체부 사이의 상기 개구 중앙부의 상기 분리막부 두께보다 작은 유체 분리막.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 분리막부는 상기 개구별로 물리적으로 분리되어 있고, 상기 지지체의 상하면은 적어도 부분적으로 상기 분리막부에 덮이지 않고 노출되어 있는 유체 분리막.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 분리막부는 실리콘 고무를 포함하는 유체 분리막.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 지지체부는 꼬인 그물망 구조를 갖는 유체 분리막.
  8. 두께 방향으로 개방된 복수의 개구를 포함하는 지지체부 및 액상의 분리막 물질을 준비하는 단계;
    상기 지지체부에 상기 액상의 분리막 물질을 제공하여, 상기 개구에 상기 액상의 분리막 물질로 이루어진 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 박막을 응고하거나 경화시키는 단계를 포함하는 유체 분리막의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 지지체부에 상기 액상의 분리막 물질을 제공하는 단계는 상기 지지체부를 상기 액상의 분리막 물질에 담그거나, 상기 지지체부에 상기 액상의 분리막 물질을 도포하는 단계를 포함하는 유체 분리막의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 액상의 분리막 물질은 실리콘 고무를 포함하는 유체 분리막의 제조 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 지지체부는 꼬인 그물망 구조를 갖는 유체 분리막의 제조 방법.
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