KR20180121526A - 중공사막 모듈, 정수기용 카트리지 및 정수기 - Google Patents
중공사막 모듈, 정수기용 카트리지 및 정수기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 중공사막 모듈은 소수성 고분자 및 친수성 고분자를 포함하는 중공사막을 복수개 묶은 U자 형상 중공사막 다발이 통 형상 케이스에 충전되고, 상기 중공사막 다발의 개구 단부가 포팅재에 의해 상기 통 형상 케이스의 개구부에 고정되어 있고, 중공사막의 외경이 350㎛ 이하이고, 통 형상 케이스의 축 방향에 수직인 단면의 단면적이 가장 작아지는 개소의 단면적을 S, 중공사막의 외주 길이를 L, 통 형상 케이스에 충전된 상기 중공사막의 개수를 N이라고 했을 때에, (2N×L)/S가 6.2 이상이고, 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율이 99.9% 이상이다.
Description
본 발명은 중공사막 모듈, 정수기용 카트리지 및 정수기에 관한 것이다.
최근, 가정에서 수돗물을 정화하는 정수기가 널리 이용되고 있고, 수돗물을 정화하기 위한 각종 여과재가 수용된 정수 카트리지가 사용되고 있다. 여과재로서는 수돗물 중의 유리 잔류 염소, 곰팡이 냄새, 트리할로메탄, 납 등의 중금속 이온 등을 제거하는 활성탄이나 이온교환체와, 수돗물 중의 탁질 성분, 세균류 등을 제거하는 중공사막이 일반적으로 사용되고 있다. 정수기는 수도꼭지에 부착하는 타입, 수전 본체의 샤워 헤드에 내장되는 타입, 싱트대 아래에 설치되는 타입 등, 다양한 형태로 사용되지만, 어느 형태도 주방 스페이스에 한정되어 있기 때문에 카트리지 사이즈에 제약이 있어 콤팩트한 제품 형태가 선호된다.
특허문헌 1에는 수전 본체 내에 부착하여 사용하는 타입의 정수기 카트리지 내의 섬유상 활성탄부와 중공사막부의 용적 비율을 규정함으로써 목적으로 하는 물질의 제거 수명을 밸런스 좋게 설정할 수 있다는 기재가 있다.
특허문헌 2에는 정수기 용도로서 막히기 어려운 고수명한 막 구조를 갖는 것이 유효한 것으로 복합화 중공사막을 적용한 사례가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는 폴리에틸렌의 용융 부형물을 연신 개공시켜 소수성의 중공사막을 얻은 후, 친수성 공중합체 용액 중에 침지하여 친수성 중공사막으로 하는 방법이 기재되어 있다.
특허문헌 3에는 비대칭 구조를 가지는 고성능한 정밀 여과막을 사용한 중공사막 모듈이 개시되어 있고, 정수기 용도에서 중요하게 되는 입자지름이 0.1㎛나 0.2㎛인 입자의 제거율의 기재가 있다.
그러나, 특허문헌 1에 개시된 정수기 카트리지에 있어서는 이 정수기 카트리지에 사용되는 중공사막의 성능에 따라서 정수기용 카트리지의 수명이 짧은 것으로 된다는 과제가 있다. 또한, 특허문헌 2에 개시된 복합화 중공사막에 있어서는 중공사막의 복합화에 따라 중공사막의 막 두께가 굵어짐으로써 중공사막의 외경도 커지고, 콤팩트한 스페이스 중에서 충분한 막 면적을 갖는 것이 어려워져 상기 중공사막을 사용한 정수기용 카트리지의 수명이 짧은 것으로 된다는 과제가 있다. 또한, 특허문헌 2에 개시된 복합화 중공사막에 있어서, 이 중공사막을 친수화하는 경우에는 소수성인 상기 중공사막에 친수성 고분자를 피복할 필요가 있다. 그러나, 상기 친수성 고분자를 포함하는 친수화제는 점도가 높기 때문에, 정수기용 카트리지의 수명을 장기화하기 위해서 중공사막의 외경을 작게 하고, 중공사막 다발에 있어서, 이 중공사막의 밀도를 높게 하면 상기 중공사막 다발의 친수화 처리에 의해 중공사막끼리가 밀착해버려 중공사막 다발의 밀착 부분이 유효 이용되지 않고, 상기 중공사막을 사용한 정수기용 카트리지의 수명이 짧은 것으로 된다는 과제는 해소되지 않는다. 또한, 특허문헌 3에 개시된 중공사막 모듈에 있어서는 이 중공사막 모듈에 사용되는 중공사막의 외경이나 투수 성능 등에 따라서는 상기 중공사막을 사용한 정수기용 카트리지의 수명이 짧은 것으로 된다는 과제가 있다.
거기에서, 본 발명은 정수기에 필요한 분획 성능(0.3㎛ 이상의 입자의 제거 성능)을 만족시키면서, 중공사막 모듈을 소형화해도 충분한 중공사막의 막 면적을 갖는 중공사막 모듈을 제공하고, 이 중공사막 모듈을 탑재하는 정수기용 카트리지의 장기 수명화를 달성하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음의 (1)~(8)로 구성된다.
(1) 소수성 고분자 및 친수성 고분자를 포함하는 중공사막을 복수개 묶은 U자 형상 중공사막 다발이 통 형상 케이스에 충전되고, 상기 중공사막 다발의 개구 단부가 포팅재에 의해 상기 통 형상 케이스의 개구부에 고정된 중공사막 모듈로서, 상기 중공사막의 외경이 350㎛ 이하이고, 상기 통 형상 케이스의 축 방향에 수직인 단면의 단면적이 가장 작아지는 개소의 단면적을 S, 상기 중공사막의 외주 길이를 L, 상기 통 형상 케이스에 충전된 상기 중공사막의 개수를 N이라고 했을 때에, (2N×L)/S가 6.2 이상이고, 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율이 99.9% 이상인 중공사막 모듈.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 중공사막의 내경과 상기 중공사막의 외경의 비(내경/외경)가 0.67 이하인 중공사막 모듈.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 통 형상 케이스의 내측 공간에 대한 중공사막 충전율이 60% 이하인 중공사막 모듈.
(4) 상기 (1)~(3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 중공사막의 투수 성능이 30ml/Pa/hr/㎡ 이상인 중공사막 모듈.
(5) 상기 (1)~(4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 소수성 고분자가 폴리술폰계 고분자인 중공사막 모듈.
(6) 상기 (1)~(5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 친수성 고분자가 폴리비닐피롤리돈을 포함하는 중공사막 모듈.
(7) 상기 (1)~(6) 중 어느 하나에 기재된 중공사막 모듈을 탑재한 정수기용 카트리지.
(8) 상기 (7)에 기재된 정수기용 카트리지를 구비한 정수기.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 정수기에 필요한 분획 성능(0.3㎛ 이상의 입자의 제거 성능)을 만족시키면서 중공사막 모듈을 소형화해도 충분한 막 면적을 갖는 중공사막 모듈을 제공할 수 있고, 이 중공사막 모듈을 탑재하는 정수기용 카트리지의 장기 수명화를 달성할 수 있다. 또한, 본 중공사막 모듈은 정수기용 카트리지뿐만 아니라, 큰 사이즈의 물 처리용 모듈에도 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「질량」은 「중량」과 동의이다.
본 발명의 중공사막 모듈에 사용하는 중공사막은, 예를 들면 비용매 유기상 분리법에서 이중 고리 노즐을 이용하여 액체 주입법으로 비대칭 구조의 중공사막을 제조하는 방법으로서, 이중 고리 노즐의 외주 슬릿부에 제막 원액을 중심 파이프에 비응고성 등의 액체를 주입하여 중공사막의 중공 형상을 형성하는 방법 등에 의해 얻을 수 있다. 또한, 상기 방법에 있어서 제막 원액은, 예를 들면 비응고성 등의 액체와 함께 이중 고리 노즐로부터 토출되어 소정의 구간을 공주(空走)한 후, 하류측에 설치되어 있는 응고욕에 인도된다. 그리고, 제막 원액은 응고욕에 의해 중공 형상으로 응고하여 중공사막이 된다. 그리고, 이 중공사막은 수세되고, 그 후 타래에 권취된다.
상기 중공사막은 소수성 고분자를 포함하고, 이 소수성 고분자는 중공사막의 기재를 구성한다. 그리고, 상기 소수성 고분자에는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트 등의 폴리술폰계 고분자를 사용하는 것이 바람직하고, 폴리술폰이 보다 적합하게 사용된다. 또한, 폴리비닐리덴플루오라이드 등의 불소계 수지, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 디아세테이트 등의 셀룰로오스계 수지, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드 등을 갖는 것도 적당히 선택할 수 있다.
여기에서, 제막 원액에는 폴리술폰계 폴리머 등의 중공사막 구성 성분이 용해되어 있다. 폴리머를 용해하는 용매로서는 디메틸술폭시드, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 디옥산 등, 다종의 용매가 사용되지만, 특히 디메틸아세트아미드, 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈이 바람직하고, 제막 원액의 점도나 주입 액체의 응고성에 따라 적당히 선택하면 좋다.
또한, 본 발명의 중공사막 모듈에 사용되는 중공사막에는 친수성 고분자가 포함되는 것이 중요하다. 그 이유로서는, 중공사막의 표면에 친수성을 부여할 수 있고, 그 투수 성능을 향상시킬 수 있고, 또한 탁질이 중공사막에 부착되어 중공사막이 갖는 미세구멍이 막히는 것도 억제할 수 있기 때문이다. 상기 효과를 충분히 얻을 수 있는 관점에서, 친수성 고분자의 함유량은 중공사막 전체의 질량에 대하여 3질량부 이상이 바람직하고, 5질량부 이상이 보다 바람직하다. 한편, 중공사막 중의 친수성 고분자의 함유량이 많으면, 친수성 고분자 자체가 물을 유지하기 때문에, 반대로 투과 저항이 되어 중공사막의 투수 성능이 저하한다. 그 때문에, 친수성 고분자의 질량은 중공사막 전체의 질량에 대하여 20질량부 이하가 바람직하고, 15질량부 이하가 보다 바람직하다.
여기에서, 상기 친수성 고분자란 수용성의 고분자 화합물 또는 비수용성이어도 정전 상호작용이나 수소 결합에 의해 물 분자와 상호작용하는 고분자 화합물을 말한다. 구체적으로는, 폴리에틸렌옥시드나 폴리프로필렌옥시드와 같은 폴리알킬렌옥시드, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈(이하, 「PVP」라고 말함), 폴리아세트산 비닐, 폴리디메틸메톡시아크릴레이트, 폴리디메틸아크릴아미드, 비닐피롤리돈과 아크릴산의 코폴리머, 아세트산비닐과 비닐피롤리돈의 코폴리머 등의 비이온성 친수성 고분자, 폴리아크릴산, 폴리비닐황산, 카르복시메틸 셀룰로오스 등의 음이온성 친수성 고분자, 폴리아릴아민, 폴리리신, 키토산, 폴리[메타크릴산{2(디메틸아미노)에틸}] 등의 양이온성 친수성 고분자를, 폴리메타크릴로일옥시에틸포스포릴 콜린, 폴리메타크릴로일옥시에틸디메틸암모니오프로피오나토 등의 양쪽성 이온성 친수성 고분자를 들 수 있다. 또한, 중공사막에 포함되는 친수성 고분자는 2종류 이상이어도 상관없다. 특히, 탁질의 부착 억제라는 관점에서는 비이온성 친수성 고분자, 양쪽성 이온성 친수성 고분자가 적합하게 사용된다. 폴리술폰계 수지와의 친화성을 고려하면, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜을 포함하는 것이 보다 바람직하고, 폴리비닐피롤리돈을 포함하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 정수기 용도로서 사용하는 경우에, 중공사막으로부터의 친수성 고분자의 용출이 적은 것이 안전성의 면에서 바람직하고, 폴리비닐피롤리돈을 단독으로 사용하는 것도 바람직하다.
본 발명의 중공사막 모듈에 사용하는 중공사막은 방사원액의 조성 및 주입 액 조성, 구금으로부터 방사원액, 주입액을 토출시킬 때의 토출량, 토출 후의 건식부의 냉풍의 노점·온도, 냉풍 속도, 방사원액 토출시의 드래프트비, 응고욕 온도 등을 제어함으로써 얻어진다. 그 후, 복수개의 중공사막을 묶는 것으로 중공사막 다발이 되고, 수세 조건, 탈액 조건, 건조 조건을 제어함으로써 중공사막 모듈에 사용했을 때에, 이 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율을 99.9% 이상으로 할 수 있는 양질의 중공사막 다발이 된다. 그리고, 상기 방법으로 얻어진 중공사막 다발을 U자 형상으로 접고, 폴리우레탄 수지 등의 포팅재로 중공사막 다발 개구부를 통 형상 케이스에 접착 고정함으로써 중공사막 모듈이 얻어진다.
정수기용 중공사막 모듈은 세균의 사이즈 이상의 탁질의 제거 성능을 갖는 것이 필수 요건이다. 따라서, 본 발명의 중공사막 모듈은 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율이 99.9% 이상인 것이 중요하다. 또한, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율을 99.9% 이상으로 하기 위해서는 중공사막 모듈에 사용되는 중공사막의 파손이 매우 고도로 억제되어 있는 것이 중요하게 된다.
여기에서, 친수성 고분자를 함유하는 중공사막의 외경을 350㎛ 이하로 매우 작게 하고, 이 중공사막이 고밀도로 존재하는 중공사막 다발이라고 하면, 상기 수세 후, 주로 중공사막끼리의 사이에 친수성 고분자가 과잉으로 잔존하는 경우가 있고, 이 상태에서 중공사막 다발의 건조를 행하면, 중공사막의 외표면 부근에서 물이 응집하므로 불용화 친수성 고분자가 편재하게 되고, 중공사막끼리가 접착하는 개소가 생겨 중공사막 다발이 강직하는 경우가 있다. 중공사막 다발이 강직하게 되면, 모듈화에서의 중공사막 다발 가공성이 악화하는 경향을 나타낼 뿐만 아니라, 중공사막 다발의 유연함을 잃어버림으로써 특히 U자 형상의 중공사막 다발의 정점 부분에 배치되는 중공사막 부분에 균열이 들어가 중공사막 다발이 파손하는 경향이 보여진다. 그리고, 중공사막 다발이 파손하면 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율이 99.9% 미만이 된다.
특히 중공사막을 세경화하여 중공사막 다발에 포함되는 중공사막의 밀도가 오르면, 이 경향이 현저해진다. 상기 관점에서 중공사막 다발의 불용성 친수성 고분자의 함유율(이하, 중공사막 다발의 불용화 친수성 고분자율이라고 하는 것이 있음)은 중공사막 다발에 포함되는 전체 친수성 고분자 질량에 대하여 80% 이하인 것이 바람직하고, 60% 이하인 것이 보다 바람직하다. 불용성 친수성 고분자량이 너무 적으면 중공사막의 투수 성능이 저하하기 때문에, 중공사막 다발의 불용성 친수성 고분자의 함유율은 5% 이상인 것이 바람직하고, 또한 10% 이상인 것이 바람직하고, 15% 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한, 불용화 친수성 고분자율은 이하와 같이 구할 수 있다. 건조 후의 중공사막 다발을 용매인 N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 용액에 넣어 교반 후, 흡인 여과를 행하여 잔사의 건조 고체 질량을 불용화 친수성 고분자 질량(uC)으로서 측정한다. 불용화 친수성 고분자율은 불용화 친수성 고분자 질량(uC)을 중공사막 다발 중의 전체 친수성 고분자 질량(wC)로 나눔으로써, 식(1)으로부터 계산한다.
불용화 친수성 고분자율(%)=100×uC/wC (1)
또한, 중공사막 다발의 불용성 친수성 고분자의 함유율을 상기 범위로 하는 수단으로서는 응고욕에서 구조 형성된 중공사막을 권취 공정 전에 설치된 수세욕에서 세정하거나, 중공사막을 권취, 중공사막을 실다발화한 후, 오프라인으로 중공사막 다발을 세정하는 것을 들 수 있다. 또한, 양자의 세정을 적당히 조합하여 실시하는 것이 보다 바람직하다. 중공사막의 세정은 물이나 알콜 등의 수용성 성분의 용매를 사용하는 것이 바람직하고, 80℃ 이상의 고온의 액으로 세정하면 세정 효율이 좋아 바람직하다.
중공사막의 세정 후는 보관 중의 품질 유지와 취급성의 면에서 중공사막 다발을 건조시켜 두는 것이 바람직하다. 이 때, 건조 온도는 60℃ 이상인 것이 바람직하고, 140℃ 미만인 것이 바람직하다. 60℃ 미만의 건조 온도에서는 건조 속도가 느리기 때문에 중공사막 다발의 제조 효율이 열악하다. 140℃ 이상의 건조 온도에서는 건조 속도가 너무 빠르므로 실다발 내의 건조 불균일이 생겨 중공사막 다발이 강직해버리는 경우가 있다.
또한, 건조 뷸균일을 생기지 않는 수단으로서, 고온에서의 건조 전에 원심 탈액 하거나, 송풍 건조하는 것 등을 들 수 있다.
본 발명의 중공사막의 투수 성능으로서는 30ml/Pa/hr/㎡ 이상인 것이 바람직하고, 또한 35ml/Pa/hr/㎡ 이상인 것이 바람직하고, 40ml/Pa/hr/㎡ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 중공사막의 투수 성능의 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않지만, 투수 성능이 너무 높으면 분획 성능이 저하할 우려가 있기 때문에, 중공사막의 투수 성능의 상한은 120ml/Pa/hr/㎡ 미만인 것이 바람직하고, 또한 100ml/Pa/hr/㎡ 미만인 것이 바람직하다.
중공사막의 분획 특성으로서는 입자지름 0.2㎛ 입자의 제거율이 80% 이상인 것이 바람직하고, 또한 90% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 원수 중의 세균을 제거할 필요가 있는 관점에서, 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율은 99.9% 이상인 것이 필수적이다.
얻어진 중공사막을 복수개 묶어 U자 형상으로 한 실다발을 통 형상 케이스에 삽입하고, 중공사막 다발의 개구 단부를 포팅재로 통 형상 케이스의 개구부에 고정하여 중공사막 모듈로 한다. 중공사막 모듈을 카트리지 케이스에 삽입하고 활성탄 등의 흡착제나 이온교환체를 충전함으로써, 일반적인 수돗물에 포함될 수 있는 인체에 불필요한 물질의 제거가 가능한 정수기용 카트리지로 할 수 있다.
정수기용 카트리지화했을 때의 제품 수명의 관점에서는 중공사막의 외경이 작은 것이 바람직하다. 한편, 여과 유량의 관점에서는 중공사막의 내경은 크고, 중공사막의 막 두께는 얇은 쪽이 바람직하다. 또한, 실강도의 관점에서는 중공사막의 외경이 크고, 중공사막의 내경은 작고, 중공사막의 막 두께는 두꺼운 쪽이 바람직하다. 이들을 양립시키기 위해서, 중공사막의 외경은 350㎛ 이하인 것이 중요하고, 330㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 300㎛ 이하인 것이 특히 바람직하다. 한편, 상기 관점에서 중공사막의 외경은 190㎛ 이상인 것이 바람직하고, 220㎛ 이상인 것이 보다 바람직하고, 260㎛ 이상인 것이 특히 바람직하다. 중공사막의 내경은 150㎛ 이상인 것이 바람직하고, 155㎛ 이상인 것이 보다 바람직하고, 160㎛ 이상인 것이 특히 바람직하다. 한편, 상기 관점에서 중공사막의 내경은 220㎛ 이하인 것이 바람직하고, 210㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 200㎛ 이하인 것이 특히 바람직하다.
또한, 중공사막의 막 두께는 90㎛ 이하인 것이 바람직하고, 85㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 한편, 중공사막의 막 두께가 30㎛ 이상인 것이 바람직하고, 50㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다.
외경이 350㎛ 이하인 세경 중공사막 다발을 U자화하여 통 형상 케이스에 삽입할 때는 막 두께가 작은, 즉 중공사막의 내경/외경비가 크면, U자화시에 중공부가 찌그러져 중공사막이 손상하고, 제거해야 할 탁질이나 박테리아 등이 정수 중에 누설해버릴 우려가 있다. 이것으로부터, 외경이 350㎛ 이하인 중공사막의 내경/외경은 0.67 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.61 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.6 이하이다.
결정된 용량의 중공사막 모듈의 통 형상 케이스에 제품 수명을 연장시키는 수단으로서, 단순히 통 형상 케이스의 내측 공간에 대한 중공사막의 충전율을 올리면 좋다. 한편, 60% 이하의 충전율로 하면, 원수가 중공사막 다발 전체에 침투하지 않고, 중공사막 다발의 속부의 중공사막 부분이 유효 이용되지 않는 사태가 발생하는 것을 억제할 수 있어 바람직하다. 또한, 60% 이하의 충전율로 하면, U자 형상으로 한 실다발을 통 형상 케이스에 삽입할 때의 조작성이 향상하는 관점에서도 바람직하다. 여기에서, 충전율은 통 형상 케이스 중에서 가장 면적이 작은 단면으로 계산한다. 통 형상 케이스는 내경이 그 길이 방향에 따라 확경 또는 축경하는 것이 사용되는 경우가 있다. 따라서, 본 발명에 있어서, 중공사막의 충전율은 내통 케이스의 축 방향에 수직인 단면의 단면적이 가장 작아지는 개소의 단면적(S)에 대해서 구한다. 충전율은 중공사막 단면적(A)과 중공사막 개수의 2배값의 적산값을 통 형상 케이스 단면적(S)으로 나눈 식(2)로 나타낸다. 중공사막 단면적은 중공사막의 중공부는 무시하고 계산한다.
충전율(%)=100×[실 개수×2]×A/S (2)
중공사막은 동심원 형상의 이중 고리 형상이 바람직한 형태가 되지만, 특히 외주측은 반드시 원형일 필요는 없고, 외측 표면 상에 돌기를 갖는 것이나, 다각 형상이어도 좋다.
통 형상 케이스 내에 중공사막의 막 면적을 많이 차지하는 것, 즉 고밀도의 중공사막을 갖는 중공사막 다발을 통 형상 케이스 내에 수용하여 중공사막 모듈로 하는 것이 이 중공사막 모듈을 사용한 정수기용 카트리지의 제품 수명을 연장하는 관점에서 중요하다. 막 면적은 중공사막의 외주 길이, 중공사막 개수, 중공사막 모듈 내의 중공사막의 유효 길이의 곱으로 나타내어지지만, 상기 유효 길이는 통 형상 케이스의 사이즈에 기인하기 때문에 통 형상 케이스의 단위단면적당 [중공사막의 외주 길이(L)]와 [중공사막 개수(N)×2]의 적산값을 얼마나 크게 취할 수 있는지가 제품 수명을 연장하는데 중요하다. 또한, 상술한 바와 같이, 통 형상 케이스의 단면적은 통 형상 케이스의 축 방향에 수직인 단면의 단면적이 가장 작아지는 개소의 단면적이다. 본 발명에 있어서, (2N×L)/S가 6.2 이상인 것이 중요하고, 6.5 이상이 바람직하고, 6.8 이상이 보다 바람직하고, 7.0 이상이 특히 바람직하다. 또한, (2N×L)/S의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 실강도의 관점에서 중공사막의 바람직한 외경이 260㎛ 이상, 바람직한 충전율이 60% 이하임으로써 9.3 이하인 것이 바람직하다. 또한, 중공사막의 외주 길이(L)는 실시예에 기재된 측정 방법으로 산출하는 것이다.
통 형상 케이스 내에 중공사막의 막 면적을 많이 차지하기 위해서는 상술한 바와 같이, 중공사막의 외경을 350㎛ 이하로 하는 것이 중요하다. 바람직하게는 330㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 300㎛ 이하이다.
또한, 본 발명의 중공사막 모듈은 중공사막 모듈 및 활성탄을 구비하는 정수기용 카트리지에 적합하게 사용할 수 있고, 이 정수기용 카트리지는 정수기용 카트리지 및 유로 전환기를 구비하는 정수기에 적합하게 사용할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
(1) 중공사막 외경, 내경 및 중공사막의 외주 길이
중공사막을 길이 방향에 대하여 수직으로 칼날로 절단하고, 단면을 노출시켜 노출한 단면의 외경, 내경을 Microwatcher(Keyence Corporation 제작, VH-Z100)의 1000배 렌즈로 측정했다. 외경, 내경은 모두 5점의 평균값으로 했다. 중공사막의 외주 길이(L)는 외경(평균값)×π로 계산했다.
(2) 투수 성능
양단에 환류액용 구멍을 구비한 관 형상의 케이스에 중공사막을 삽입하고, Konishi Co., Ltd. 제작 에폭시 수지계 화학반응형 접착제 "Quickmender(등록상표)"로 케이스의 양단부에 중공사막을 접착 고정하여 양단부를 커팅하여 개구함으로써, 유효 길이 12cm의 소형 중공사막 모듈을 제작했다. 다음에, 중공사막의 내측에 37℃의 물을 수압을 가하여 공급하고, 중공사막의 외측으로부터 투과하여 유출해오는 단위시간당 물의 양을 측정하고, 이하의 식에 의해 투수 성능을 산출했다.
투수 성능(mL/hr/Pa/㎡)=Q/(T×P×A)
Q: 중공사막의 외측으로부터 유출한 물의 양(mL)
T: 수압을 가한 시간(hr)
P: 수압(Pa)
A: 중공사막의 유효 면적(㎡)
(3) 중공사막 다발의 불용화 친수성 고분자율의 측정
N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 용액 50ml을 넣은 바이알병에 중공사막 다발 1g을 넣고, 교반 후 흡인 여과를 행했다. 여과지 위의 잔사를 60℃에서 5시간 진공 건조를 행하여 건조한 고체 질량을 불용화 친수성 고분자 질량(uC)으로서 측정했다. 불용화 친수성 고분자율은 이하 식(1)으로부터 계산했다. 또한, wC는 중공사막 다발에 포함되는 전체 친수성 고분자 질량이다.
불용화 친수성 고분자율(%)=100×uC/wC (1)
(4) 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율
중공사막 다발을 U자 형상으로 절곡하고, 통 형상 케이스 내에 삽입하여 중공사막의 개구측을 접착 고정한 모듈을 제작하고, 파티클 카운터(Hach Corporation 제작 A2400)를 사용하여 중공사막 모듈 개구단측으로부터 유량 28.3L/분으로 흡인했다. 측정 입자지름 0.3㎛ 이상의 설정으로 하여 28.3L/분으로의 흡인시 대기 중의 입자수가 10000개 이상이 되도록 측정 환경을 조정하고, 개구단측으로부터 배출되는 입자수를 카운팅하여 제거율을 산출했다.
(5) 중공사막 모듈 여과 유량
중공사막 모듈의 비개구측에 원수 공급 가능해지도록 튜브를 접속하여 20℃의 물을 0.1MPa로 공급하고, 중공사막을 투과하여 유출해오는 단위시간당 물의 양을 측정하여, 단위시간당 중공사막 모듈 여과 유량(L/min)을 산출했다.
(6) 정수기 카트리지 탁함 여과 능력
제작한 중공사막 모듈 상류측에 활성탄을 배치하여 카트리지화한 후, JIS S 3201:2004(가정용 정수기 시험 방법)에 나타내는 방법에 따라 실시했다. 초기 유량은 2.0L/min로 설정했다.
[실시예 1]
폴리비닐피롤리돈(PVP)(ISP Co., Ltd. 제작 K90) 7질량부와 N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 75질량부와 물 3.0질량부와 폴리술폰(Solvay 제작 Udel PSU(등록상표)P-3500) 15질량부를 용해함으로써 얻은 제막 원액을 이중 고리 구금의 환상 슬릿으로부터 토출했다. 주입 액체로서 DMAc 55질량부와 PVP(BASF Corp. 제작 K30, 중량 평균 분자량 4만) 30질량부와 글리세린 15질량부를 용해한 액체를 중심 파이프로부터 토출했다. 건식부에 냉풍통을 설치하여 제막 원액의 양측으로부터 냉풍을 공급하면서 소정의 건식 길이를 통과시키고, 90부의 물 및 10부의 DMAc로 이루어지는 혼합 용액을 넣은 85℃의 응고욕에 침지하여 응고시킨 후, 수세 공정을 거쳐서 타래에 권취하여 습윤 상태의 중공사막을 얻었다. 권취된 중공사막은 외경 300㎛, 내경 180㎛, 막 두께 60㎛이었다.
얻어진 중공사막 다발을 길이 방향으로 30cm로 절단하고, 85℃에서 1시간 열수 세정했다. 건열 건조기 내에 있어서 100℃에서 10시간 건조하여 열처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1728개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고, 폴리우레탄 수지로 개구부를 고정하여 중공사막 모듈로 했다.
충전율은 52.2%, 얻어진 중공사막의 막 면적은 0.099㎡, (2N×L)/S는 6.97이었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈 여과 유량, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율, 정수기 카트리지 탁함 여과 능력 등의 각종 성능에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[실시예 2]
원액 및 주입 액 토출량을 조정하여 실시예 1과 같은 방법으로 외경 330㎛, 막 두께 65㎛의 중공사막을 얻었다. 얻어진 중공사막 다발을 실시예 1과 같은 방법 으로 처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1428개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고, 폴리우레탄 수지로 개구부를 고정하여 중공사막 모듈이라고 했다.
충전율은 52.2%, 얻어진 중공사막의 막 면적은 0.090㎡, (2N×L)/S는 6.33이었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율, 중공사막 모듈 여과 유량에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[실시예 3]
실시예 1과 같은 방법으로 조제한 제막 원액을 이중 고리 구금의 환상 슬릿으로부터 토출했다. 주입 액체로서 DMAc 55질량부와 폴리비닐피롤리돈(BASF Corp. 제작 K30, 중량 평균 분자량 4만) 30질량부와 글리세린 15질량부를 용해한 액체를 중심 파이프로부터 토출했다. 건식부에 냉풍통을 설치하여 제막 원액의 편측으로부터 냉풍을 공급하면서 소정의 건식 길이를 통과시키고, 90부의 물 및 10부의 DMAc로 이루어지는 혼합 용액을 넣은 응고욕에 침지하여 응고시킨 후, 수세 공정을 거쳐 타래에 권취하여 습윤 상태의 중공사막을 얻었다. 권취된 중공사막은 외경 300㎛, 막 두께 60㎛이었다.
얻어진 중공사막 다발을 길이 방향으로 30cm로 절단하고, 90℃에서 2시간 열수 세정했다. 건열 건조기 내에 있어서 100℃에서 10시간 건조하고 열처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1728개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고, 폴리우레탄 수지로 개구부를 고정하여 중공사막 모듈로 했다.
충전율은 52.2%, 얻어진 중공사막의 막 면적은 0.099㎡, (2N×L)/S는 6.97이었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈 여과 유량, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[실시예 4]
원액 및 주입 액 토출량을 조정하여 실시예 1과 같은 방법으로 외경 300㎛, 막 두께 60㎛의 중공사막을 얻었다. 얻어진 중공사막 다발을 실시예 1과 같은 방법 로 처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1824개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고, 폴리우레탄 수지로 개구부를 고정하여 중공사막 모듈로 했다.
충전율은 55.1%, 얻어진 중공사막의 막 면적은 0.105㎡, (2N×L)/S는 7.35이었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈 여과 유량, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[실시예 5]
원액 및 주입 액 토출량을 조정하고, 실시예 1과 같은 방법으로 외경 300㎛, 막 두께 52㎛의 중공사막을 얻었다. 얻어진 중공사막 다발을 실시예 1과 같은 방법 로 처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1728개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고, 폴리우레탄 수지로 개구부를 고정하여 중공사막 모듈로 했다.
충전율은 52.2%, 얻어진 중공사막의 막 면적은 0.099㎡, (2N×L)/S는 6.97이었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈 여과 유량, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[비교예 1]
원액 및 주입 액 토출량을 조정하고, 실시예 1과 같은 방법으로 외경 360㎛, 막 두께 70㎛의 중공사막을 얻었다. 얻어진 중공사막 다발을 실시예 1과 같은 방법 로 처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1200개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고, 폴리우레탄 수지로 개구부를 고정하여 중공사막 모듈로 했다.
충전율은 52.2%, 얻어진 중공사막의 막 면적은 0.083㎡, (2N×L)/S는 5.80이었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈 여과 유량, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율, 정수기 카트리지 탁함 여과 능력 등의 각종 성능에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[비교예 2]
원액 및 주입 액 토출량을 조정하고, 실시예 1과 같은 방법으로 외경 360㎛, 막 두께 70㎛의 중공사막을 얻었다. 얻어진 중공사막 다발을 실시예 1과 같은 방법 로 처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1400개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고, 폴리우레탄 수지로 개구부를 고정하여 중공사막 모듈로 했다.
충전율은 61.0%, 얻어진 중공사막의 막 면적은 0.097㎡, (2N×L)/S는 6.77이었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈 여과 유량, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율, 정수기 카트리지 탁함 여과 능력 등의 각종 성능에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[비교예 3]
실시예 1과 같은 방법으로 외경 300㎛, 막 두께 60㎛의 중공사막을 얻었다. 얻어진 중공사막 다발을 길이 방향으로 30cm로 절단하고, 90℃에서 2시간 열수 세정한 후, 건열 건조기 내에 있어서 160℃에서 5시간 건조하고 열처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
(2N×L)/S를 6.97로 하기 위해서, 상기 중공사막 1728개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입을 시도했지만, 중공사막 다발이 매우 강직했기 때문에 삽입할 수 없었다. 즉, U자 형상의 중공사막 다발이 통 형상 케이스 내에 충전된 중공사막이고, 그 (2N×L)/S가 6.97인 것을 제작할 수는 없었다. 중공사막투수 성능에 대해서 표 1에 나타낸다.
[비교예 4]
실시예 1과 같은 방법으로 외경 300㎛, 막 두께 60㎛의 중공사막을 얻었다. 얻어진 중공사막 다발을 길이 방향으로 30cm로 절단하고, 90℃에서 2시간 열수 세정했다. 건열 건조기 내에 있어서 160℃에서 5시간 건조하고 열처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1680개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입했지만, 중공사막 다발 정점 부분에서 중공사막이 일부 파손되고 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율이 82%인 중공사막 모듈이 되었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[비교예 5]
폴리술폰(Solvay 제작 Udel PSU(등록상표) P-3500) 16질량부와 폴리비닐피롤리돈(ISP Co., Ltd. 제작 K30) 3질량부와 폴리비닐피롤리돈(ISP Co., Ltd. 제작 K90) 3질량부와 디메틸아세트아미드 77질량부와 물 1질량부를 가열 용해하여 얻어진 제막 원액을 이중 고리 구금의 환상 슬릿으로부터 토출했다. 주입 액체로서 DMAc 65질량부, 물 35질량부로 이루어지는 주입 액체를 이중 고리 구금의 중심 파이프로부터 토출했다. 건식부를 통과시켜 90부의 물 및 10부의 DMAc로 이루어지는 혼합 용액을 넣은 70℃의 응고욕에 침지하여 응고시킨 후, 수세 공정을 거쳐 타래에 권취하여 습윤 상태의 중공사막을 얻었다. 권취된 중공사막은 외경 280㎛, 막 두께 40㎛이었다.
얻어진 중공사막 다발을 길이 방향으로 30cm로 절단하고, 90℃에서 2시간 열수 세정했다. 건열 건조기 내에 있어서 100℃에서 10시간 건조하고 열처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 1932개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고, 폴리우레탄 수지로 개구부를 고정하여 중공사막 모듈로 했다.
충전율은 52.2%이었지만, 중공사막 다발의 U자 정점 부분이 접히고, 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율이 88.5%인 중공사막 모듈이 되었다. 중공사막 투수 성능, 중공사막 모듈의 입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율에 대해서 표 1 및 2에 나타낸다.
[비교예 6]
원액 및 주입 액 토출량을 조정하고, 실시예 1과 같은 방법으로 외경 300㎛, 막 두께 60㎛의 중공사막을 얻었다. 얻어진 중공사막 다발을 실시예 1과 같은 방법 로 처리함으로써 건조 상태의 중공사막 다발을 얻었다.
상기 중공사막 2016개를 물에 적신 뒤 U자 형상으로 구부리고 다시 건조시켰다. 이 건조 상태의 U자 형상의 중공사막 다발을 통 형상 케이스(내경 24.4mm, 길이 56mm) 내에 삽입하고 중공사막 모듈 제작을 시도했지만, 충전율이 너무 높았기 때문에 삽입시에 중공사막이 끊어져 양품 모듈을 제작할 수 없었다. 중공사막 투수 성능에 대해서 표 1에 나타낸다.
본 발명을 상세하게 또는 특정 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경이나 수정을 추가할 수 있는 것은 당업자에 있어서 명백하다. 본 출원은 2016년 3월 22일 출원의 일본 특허 출원(특원 2016-056696)에 근거하는 것이고, 그 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
Claims (8)
- 소수성 고분자 및 친수성 고분자를 포함하는 중공사막을 복수개 묶은 U자 형상 중공사막 다발이 통 형상 케이스에 충전되고, 상기 중공사막 다발의 개구 단부가 포팅재에 의해 상기 통 형상 케이스의 개구부에 고정된 중공사막 모듈로서,
상기 중공사막의 외경이 350㎛ 이하이고,
상기 통 형상 케이스의 축 방향에 수직인 단면의 단면적이 가장 작아지는 개소의 단면적을 S, 상기 중공사막의 외주 길이를 L, 상기 통 형상 케이스에 충전된 상기 중공사막의 개수를 N이라고 했을 때에, (2N×L)/S가 6.2 이상이고,
입자지름 0.3㎛ 이상의 입자의 제거율이 99.9% 이상인 중공사막 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 중공사막의 내경과 상기 중공사막의 외경의 비(내경/외경)가 0.67 이하인 중공사막 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 통 형상 케이스의 내측 공간에 대한 중공사막 충전율이 60% 이하인 중공사막 모듈. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공사막의 투수 성능이 30ml/Pa/hr/㎡ 이상인 중공사막 모듈. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소수성 고분자가 폴리술폰계 고분자인 중공사막 모듈. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 친수성 고분자가 폴리비닐피롤리돈을 포함하는 중공사막 모듈. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 중공사막 모듈을 탑재한 정수기용 카트리지.
- 제 7 항에 기재된 정수기용 카트리지를 구비한 정수기.
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