KR20190047309A - 바이오가스 고질화용 중공사 복합막, 이를 포함하는 막모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1 유리상 고분자 재질의 다공성 내층 및 제2 유리상 고분자 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조의 중공사막; 및 상기 중공사막의 표면이 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막을 제공한다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소의 투과도 및 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도가 동시에 크게 향상됨으로써, 바이오가스 고질화공정에서 이산화탄소/메탄의 혼합기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리 및 제거하고 분리공정 효율을 개선할 수 있다.
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Description
본 발명은 바이오가스 고질화용 중공사 복합막, 이를 포함하는 막모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리상 고분자 재질의 내층 및 외층을 갖는 이중층 구조의 중공사막을 형성하고, 그 중공사막의 표면에 선택층이 코팅된 복합막을 포함하는 막모듈을 제조하여, 이를 고품질의 바이오가스를 생산하는데 응용하는 기술에 관한 것이다.
바이오가스는 슬러지류 및 음식물쓰레기, 가축분뇨 등의 유기성 폐자원이 미생물에 의해 분해하면서 생성되는 메탄과 이산화탄소 등을 포함하는 기체 상태의 연료를 일컫고, 이러한 바이오가스 중에서 이산화탄소 및 일부 다른 가스가 제거된 메탄가스를 바이오메탄이라고 하는데, 최근에는 천연가스와 같이 청정연료로 사용될 수 있어 에너지원으로 각광받고 있다.
그러나 바이오가스에 함유된 메탄 조성은 약 50~70% 수준으로 열량(5,000kcal/m3 이하)이 작아 운송용 연료나 도시가스로는 사용이 어려우며 천연가스와 비슷한 열량을 맞추기 위해서는 바이오가스 중의 메탄 함량을 95%이상으로 향상시켜야 하는 과제를 안고 있다. 따라서 바이오가스 중의 대부분을 차지하고 있는 이산화탄소/메탄 혼합기체를 분리하는 공정이 적용되어 고질화를 통해 원거리 공급이 가능해야 비로소 발전, 보일러, 공장 및 자동차 연료 또는 도시가스 등으로 사용이 가능하게 되는 것이다.
막분리법은 분리막을 사용하여 특정 성분을 선택적으로 투과하여 기체를 분리하는 방법으로서, 분리막을 이용한 기체분리는 용해 및 확산 과정을 거쳐 기체를 분리하며 상변화를 동반하지 않아 에너지 소모가 적고, 설치면적이 작아 유지 보수가 용이하다는 장점이 있어 근래에 기체분리 및 정제기술로 주목 받고 있다. 이러한 막분리법을 이용한 바이오가스 중의 이산화탄소 제거에는 주로 고분자막이 사용되는바, 상용화된 이산화탄소/메탄 분리막은 주로 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르이미드 등을 소재로 하여 제조된 것이 대부분이며, 용해 및 확산 과정을 통해 기체가 투과될 때 확산에 지배적인 영향을 받아 이산화탄소/메탄의 투과속도 차이에 따라 분리가 이루어지게 되는 것이다.
상기 분리막은 막의 재질에 따라 단일막 또는 복합막으로, 막의 구조에 따라 대칭막 또는 비대칭막으로, 막의 형태에 따라 평막 또는 중공사막으로 분류하는데, 통상 기체분리용으로 연구개발 되거나 상업화 되는 것은 기체의 투과도 및 선택도의 트레이드-오프 관계를 개선하고자 비대칭 중공사 복합막이 주류를 이루고 있다.
그런데 지금까지 개발된 대부분의 비대칭 중공사 복합막은 폴리술폰 재질의 중공사막 표면에 통상의 폴리디메틸실록산 용액을 코팅한 것들로서, 단일층 구조의 내층인 지지체층 및 외부의 선택층으로 이루어진 단순한 형태일 뿐만 아니라, 코팅 용액에 한계가 있고, 이산화탄소/메탄의 혼합기체로부터 이산화탄소의 투과도 및 선택도의 트레이드-오프 관계가 개선되지 않는 문제점을 안고 있다.
한편, 유리상 고분자 재질의 중공사막 표면이 폴리에틸렌글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막도 특허로 등록된 바 있으나, 바이오가스 정제공정에 상용화를 위해서는 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도 저하 없이 이산화탄소의 투과도를 더욱 향상시켜야 하는 요구가 있었다.
그러므로 본 발명자 등은 바이오가스 정제공정에서 고품질의 바이오가스를 생산할 수 있는 분리막을 개발하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 유리상 고분자 재질의 내층 및 외층을 갖는 이중층 구조의 중공사막을 형성하고, 그 중공사막의 표면에 선택층이 코팅된 복합막을 포함하는 막모듈을 제조하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이산화탄소의 투과도 및 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도가 동시에 크게 향상됨으로써, 바이오가스 고질화공정에서 이산화탄소/메탄의 혼합기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리 및 제거하고 분리공정 효율을 개선할 수 있는, 유리상 고분자 재질의 내층 및 외층을 갖는 이중층 구조의 중공사막 표면에 선택층이 코팅된 복합막, 이를 포함하는 막모듈 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 유리상 고분자 재질의 다공성 내층 및 제2 유리상 고분자 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조의 중공사막; 및 상기 중공사막의 표면이 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막을 제공한다.
상기 제1 유리상 고분자는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아릴레이트, 폴리술피드, 폴리케톤, 셀룰로오즈 아세테이트 및 셀룰로오스 트리아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.
상기 제2 유리상 고분자는 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈티아졸 및 폴리피롤론으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.
상기 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 3-아미노프로필 에테르 또는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) [3-(트리메틸암모니오)프로필 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막을 포함하는 막모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 (I) 제1 유리상 고분자, 유기용매 및 첨가제를 혼합하여 제1 도프용액을 얻는 단계; (II) 제2 유리상 고분자, 유기용매 및 첨가제를 혼합하여 제2 도프용액을 얻는 단계; (III) 상기 제1, 2 도프용액을 보어용액과 함께 삼중 방사노즐로 공급 및 토출하는 단계; (IV) 상기 토출된 도프용액을 응고액에 접촉시켜 중공사를 형성하는 단계; (V) 상기 중공사를 권취, 세정 및 건조시켜 이중층 중공사막을 수득하는 단계; 및 (VI) 상기 이중층 중공사막의 표면에 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막의 제조방법을 제공한다.
상기 (I) 단계 또는 (II) 단계의 유기용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc) 디메틸포름아미드(DMF) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.
상기 (I) 단계 또는 (II) 단계의 첨가제는 감마부티로락톤, 테트라히드로퓨란, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 트리클로로에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디메틸에테르 및 디에틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것과, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 2-펜탄올, 메톡시에탄올, 부톡시에탄올, 퍼퍼릴알코올 및 터셔리아밀알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것이 혼합된 것을 특징으로 한다.
상기 (I) 단계의 제1 도프용액 또는 (II) 단계의 제2 도프용액은 30~35 중량% 농도인 것을 특징으로 한다.
상기 (III) 단계의 보어용액은 물, 이소프로판올, 에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 디메톡시에탄올, 디에톡시에탄올, 부톡시메탄올, 디메톡시부틸렌옥시드 및 디글리시딜디메틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.
상기 (IV) 단계의 응고액은 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 펜탄, 헥산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유리상 고분자 재질의 내층 및 외층을 갖는 이중층 구조의 중공사막 표면에 선택층이 코팅된 중공사 복합막은, 이산화탄소의 투과도 및 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도가 동시에 크게 향상됨으로써, 바이오가스 고질화공정에서 이산화탄소/메탄의 혼합기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리 및 제거하고 분리공정 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중공사 복합막의 제조장치 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폴리술폰 재질의 다공성 내층 및 폴리에테르이미드 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조를 갖는 중공사막의 모폴로지를 관찰한 주사전자현미경(SEM) 이미지.
도 3은 본 발명에 따른 중공사 복합막을 포함하는 막모듈의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 중공사 복합막의 기체투과도 측정장치 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폴리술폰 재질의 다공성 내층 및 폴리에테르이미드 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조를 갖는 중공사막의 모폴로지를 관찰한 주사전자현미경(SEM) 이미지.
도 3은 본 발명에 따른 중공사 복합막을 포함하는 막모듈의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 중공사 복합막의 기체투과도 측정장치 개략도.
이하에서는 본 발명에 따른 바이오가스 고질화용 중공사 복합막, 이를 포함하는 막모듈 및 그 제조방법에 관하여 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 제1 유리상 고분자 재질의 다공성 내층 및 제2 유리상 고분자 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조의 중공사막; 및 상기 중공사막의 표면이 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막을 제공한다.
이때, 상기 제1 유리상 고분자는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아릴레이트, 폴리술피드, 폴리케톤, 셀룰로오즈 아세테이트 및 셀룰로오스 트리아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것일 수 잇고, 상기 제2 유리상 고분자는 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈티아졸 및 폴리피롤론으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것일 수 있다.
상기 제1 유리상 고분자 재질의 다공성 내층 및 제2 유리상 고분자 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층은 중공사 복합막이 기체분리용의 장치산업에 적용되어 고압에서도 견딜 수 있도록 선택층의 지지체 역할을 수행함과 아울러, 다공성 내층은 이산화탄소의 투과도가 뛰어난 유리상 고분자로, 다공성 외층은 이산화탄소/메탄의 선택도가 우수한 유리상 고분자로 구성함으로써, 이산화탄소의 투과도 및 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도를 동시에 향상시킬 수 있어, 통상의 기체분리막에서 나타나는 투과도와 선택도의 트레이드-오프 관계를 해소하는데 기여한다.
이에 따라, 상기 제1 유리상 고분자로서는 폴리술폰을, 상기 제2 유리상 고분자로서는 폴리에테르이미드를 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 중공사 복합막은 이중층 중공사막의 표면이 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 것인바, 상기 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 3-아미노프로필 에테르 또는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) [3-(트리메틸암모니오)프로필 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용한다. 종래 대부분의 중공사 복합막이 중공사막 표면에 단지 폴리디메틸실록산만을 코팅한 것과는 달리 본 발명에 따라 이중층 중공사막의 표면에 다양한 코팅제로서 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체를 코팅함으로써 이산화탄소의 용해도가 크게 증가하여 이산화탄소/메탄의 혼합기체로부터 이산화탄소의 투과도가 더욱 향상되는 것이다.
또한, 본 발명에서는 도 3에 도시한 바와 같이 상술한 중공사 복합막을 포함하는 막모듈을 제공하는데, 막모듈의 하우징 내에는 1,000~150,000 가닥의 중공사 다발이 삽입되고, 막모듈의 양 말단은 포팅제에 의해 차단된다. 상기 막모듈의 하우징은 알루미늄, 탄소강 또는 스테인레스로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 재료로 제작한다.
또한, 본 발명은 (I) 제1 유리상 고분자, 유기용매 및 첨가제를 혼합하여 제1 도프용액을 얻는 단계; (II) 제2 유리상 고분자, 유기용매 및 첨가제를 혼합하여 제2 도프용액을 얻는 단계; (III) 상기 제1, 2 도프용액을 보어용액과 함께 삼중 방사노즐로 공급 및 토출하는 단계; (IV) 상기 토출된 도프용액을 응고액에 접촉시켜 중공사를 형성하는 단계; (V) 상기 중공사를 권취, 세정 및 건조시켜 이중층 중공사막을 수득하는 단계; 및 (VI) 상기 이중층 중공사막의 표면에 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막의 제조방법을 제공한다.
상기 (I) 단계의 제1 유리상 고분자 및 (II) 단계의 제2 유리상 고분자는 상술한 바와 같으며, 도 1에 본 발명에 따른 중공사 복합막의 제조장치의 개략도를 도시하였다.
먼저, 제1 유리상 고분자 재질의 다공성 내층 및 제2 유리상 고분자 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조의 중공사막을 형성하기 위해서는 방사과정의 첫 번째 단계로서 두 가지 조성의 도프용액이 필요한바, 상기 (I) 단계 또는 (II) 단계의 유기용매로서는 상대적으로 비점이 높은(150℃ 이상) 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 비점이 낮으면 중공사 방사과정에서 유기용매의 급격한 증발로 인하여 중공사의 선택층에 결함이 발생할 수 있고, 비점이 너무 높으면 방사용액이 공기를 통과하는 동안 유기용매의 증발이 일어나지 않아 원활한 선택층을 얻을 수 없게 된다. 따라서 그 용매로서는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc) 디메틸포름아미드(DMF) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있으며, 그 중에서 N-메틸피롤리돈(NMP)이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 (I) 단계의 제1 도프용액 및 (II) 단계의 제2 도프용액은 첨가제를 혼합하고 교반함으로써 균일한 방사용액을 얻는다. 상기 첨가제로서는 고분자 용액의 점도를 다소 감소시키고 고분자 용액의 상태를 균일하게 유지하는 역할을 하는 감마부티로락톤, 테트라히드로퓨란, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 트리클로로에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디메틸에테르 및 디에틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것과, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 2-펜탄올, 메톡시에탄올, 부톡시에탄올, 퍼퍼릴알코올 및 터셔리아밀알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 혼합하여 첨가하는 것이 바람직하고, 감마부티로락톤과 에탄올을 혼합하여 첨가하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 (I) 단계의 제1 도프용액 또는 (II) 단계의 제2 도프용액은 30~35 중량% 농도인 것이 바람직한데, 제1 도프용액 또는 제2 도프용액 중의 제1 유리상 고분자 또는 제2 유리상 고분자의 함량이 30 중량% 미만이면 이중층 중공사막의 기계적 강도가 떨어질 수 있을 뿐만 아니라, 방사과정에서 발생하는 내외층의 수축현상을 방지하기 어렵고, 35 중량%를 초과하면 기체 흐름에 대한 저항성을 최소화 하는데 문제가 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 제1, 2 도프용액을 보어용액과 함께 삼중 방사노즐로 공급 및 토출하게 되는데, 먼저 제1, 2 도프용액을 각각 저장조로 옮기고 50℃ 오븐에서 12시간 동안 정치시켜 기포를 제거한 다음, 필터를 사용하여 이물질을 제거한 후 기어펌프를 통하여, 그리고 보어용액은 액체이송펌프(HPLC 펌프)를 통하여 삼중 방사노즐로 각각 공급한다. 이때, 상기 보어용액(bore liquid)은 내부응고제로 작용하여 도프용액 간의 상전이가 시작되어 중공사의 형성에 기여하는 것으로서, 물, 이소프로판올, 에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 디메톡시에탄올, 디에톡시에탄올, 부톡시메탄올, 디메톡시부틸렌옥시드 및 디글리시딜디메틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있는데, 물을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 (III) 단계에 있어서, 방사시 2차 연신이 일어나지 않도록 제1, 2 도프용액의 방사속도와 보어용액의 방사속도를 각각 기어펌프와 액체이송펌프(HPLC 펌프)를 이용하여 조절하는데, 제1 도프용액의 토출속도는 2.0~3.0cc/min, 제2 도프용액의 토출속도는 1.0~1.5cc/min, 및 보어용액의 토출속도는 0.8~2.0cc/min 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 이어서 상기 토출된 도프용액을 응고액에 접촉시켜 중공사를 형성하게 되는데, 응고액으로서는 비용매를 포함하는 것이면 제한 없이 사용할 수 있으나, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 펜탄, 헥산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 (IV) 단계에서 형성된 중공사를 권취, 세정 및 건조시킴으로써 이중층 중공사막을 수득하는바, 중공사를 권취하고 흐르는 물에 2~3일간 세척하여 잔류 용매와 첨가제를 제거한 후, 메탄올에 3~5시간 동안 침적하고 n-헥산에 다시 3~5시간 동안 침적하여 메탄올을 n-헥산으로 치환한 다음, 70~80℃ 진공오븐에서 3시간 이상 건조시켜 이중층 중공사막을 얻는다.
마지막으로, 상기 이중층 중공사막의 표면에 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체 용액을 코팅함으로써 중공사 복합막을 제조한다. 상기 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로서는 상술한 예의 것을 사용한다. 이때, 상기 유기폴리실록산 공중합체 용액은 탄소수 1 내지 5의 지방족 알코올, 탄소수 5 내지 10의 지방족 또는 지환족 알칸, 할로겐화 알칸, 디알킬에테르 또는 이들의 혼합물을 용매로 사용하여 얻는다. 특히, 상기 코팅용액은 1~5 중량% 농도로 조절하는데, 코팅용액의 농도가 1 중량% 미만이면 중공사 외부 표면의 결함을 코팅하기에 너무 농도가 낮아 코팅이 제대로 되지 않음으로써 중공사 복합막의 선택도가 감소하게 되고, 그 농도가 5 중량%를 초과하면 중공사의 외부 표면에 새로운 코팅층을 형성함으로써 투과도가 감소하는 문제점이 있으므로, 상기 범위 내에서 코팅용액의 농도를 조절하는 것이 바람직하다.
이하 구체적인 실시예 및 비교예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명한다.
(실시예) 이중층 구조의 중공사막으로터 중공사 복합막의 제조
교반기가 부착된 2L 반응기에 N-메틸피롤리돈(NMP) 225g을 투입하고 폴리술폰 150g을 서서히 가하여 고분자 용액을 얻었다. 상기 고분자 용액에 첨가제로 에탄올 25g과 감마부티로락톤 100g을 부가 및 혼합하여 균일한 제1 도프용액을 얻었다. 또한, 교반기가 부착된 2L 반응기에 N-메틸피롤리돈(NMP) 175g을 투입하고 폴리에테르이미드 160g을 서서히 가하여 고분자 용액을 얻었다. 상기 고분자 용액에 첨가제로 에탄올 25g과 감마부티로락톤 140g을 부가 및 혼합하여 균일한 제2 도프용액을 얻었다. 상기 제1, 2 도프용액을 각각 저장조로 옮기고 50℃ 오븐에서 12시간 동안 정치시켜 기포를 제거하였다. 도 1에 나타낸 삼중 방사노즐을 구비한 이중층 중공사막 제조장치를 이용하여 제1, 2 도프용액 및 보어용액(=물)을 각각 기어펌프와 HPLC 펌프를 통하여 삼중 방사노즐로 공급 및 토출하였고, 토출된 방사용액을 물이 채워진 응고조에 접촉시켜 상전이를 마무리함으로써 중공사를 형성하였으며(방사온도 60℃, 에어 갭 10cm, 응고조 20℃), 이때, 방사시 2차 연신이 일어나지 않도록 제1 도프용액의 토출속도는 2.7cc/min, 제2 도프용액의 토출속도는 1.3cc/min, 보어용액의 토출속도는 1.5cc/min로 조절하였다. 상기 형성된 중공사를 권취하였고, 흐르는 물에 2일 간 세척하여 잔존하는 용매와 첨가제를 제거하였다. 그 후 메탄올에 3시간 침적하고, n-헥산에 다시 3시간 동안 침적하여 메탄올을 헥산으로 치환한 후, 70℃ 진공오븐에서 4시간 동안 건조시켜 이중층 구조의 중공사막을 얻었다. 상기 얻어진 이중층 중공사막을 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 메틸에테르를 에탄올에 5 중량% 용해시킨 코팅용액에 딥 코팅한 후, 80℃에서 12시간 건조하여 중공사 복합막을 제조하였다.
(비교예 1) 단일층 구조의 중공사막으로부터 중공사 복합막의 제조
N-메틸피롤리돈(NMP) 500g, 폴리에테르이미드 300g, 에탄올 15g 및 테트라히드로퓨란 5g의 조성으로 얻어진 한 개의 도프용액만으로 통상의 이중 방사노즐을 구비한 중공사 방사장치를 이용하여 상기 실시예와 동일한 방법에 따라 중공사 복합막을 제조하였다.
(비교예 2) 단일층 구조의 중공사막으로부터 중공사 복합막의 제조
N-메틸피롤리돈(NMP) 500g, 폴리술폰 300g, 에탄올 10g 및 테트라히드로퓨란 10g의 조성으로 얻어진 한 개의 도프용액만으로 상기 비교예 1과 동일한 방법에 따라 중공사 복합막을 제조하였다.
도 2에 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지로부터 본 발명의 실시예에 따른 폴리술폰 재질의 다공성 내층 및 폴리에테르이미드 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조를 갖는 중공사막의 모폴로지를 확인할 수 있다.
(시험예) 중공사 복합막의 기체투과도 측정
상기 실시예로부터 제조된 중공사 복합막 및 비교예 1, 2로부터 제조된 중공사 복합막의 기체투과도를 도 4에 나타낸 기체투과도 측정 장치를 이용하여 측정하였다. 혼합기체로는 99.99%의 이산화탄소와 메탄을 각각 사용하였고, 5기압 하에서 5개의 동일한 중공사막 모듈을 제조하여 이산화탄소 및 메탄의 평균 투과도와 선택도를 측정하였다. 기체투과도는 유량계를 이용하여 측정하였고, 기체투과단위는 GPU(Gas Permeation Unit, 10-6 x cm3/cm2ㅇsec·cmHg)를 사용하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 측정예 | 이산화탄소 투과도 (PCO2, GPU) |
메탄 투과도 (PCH4, GPU) |
이산화탄소/메탄 선택도 (PCO2/PCH4) |
| 실시예 | 276.4 | 5.5 | 50.3 |
| 비교예 1 | 113.8 | 2.4 | 47.4 |
| 비교예 2 | 171.2 | 7.6 | 22.5 |
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예로부터 제조된 중공사 복합막은 폴리술폰 재질의 다공성 내층 및 폴리에테르이미드 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조의 중공사막으로부터 형성된 것에 기인하여, 단일층 구조의 중공사막으로부터 형성된 비교예 1, 2에 따라 제조된 중공사 복합막에 비하여 이산화탄소의 투과도가 크게 증가한 것을 알 수 있다. 특히, 비교예 1, 2와 대비하여 이산화탄소의 투과도가 크게 증가되었음에도 불구하고, 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도도 동시에 향상됨으로써 통상의 기체분리막에서 발생하는 기체투과도와 선택도의 트레이드-오프 관계를 해소할 수 있었다.
그러므로 본 발명에 따른 유리상 고분자 재질의 내층 및 외층을 갖는 이중층 구조의 중공사막 표면에 선택층이 코팅된 중공사 복합막은, 이산화탄소의 투과도 및 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도가 동시에 크게 향상됨으로써, 바이오가스 고질화공정에서 이산화탄소/메탄의 혼합기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리 및 제거하고 분리공정 효율을 개선할 수 있다.
Claims (11)
- 제1 유리상 고분자 재질의 다공성 내층 및 제2 유리상 고분자 재질의 다공성 외층으로 이루어진 이중층 구조의 중공사막; 및
상기 중공사막의 표면이 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막. - 제1항에 있어서, 상기 제1 유리상 고분자는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아릴레이트, 폴리술피드, 폴리케톤, 셀룰로오즈 아세테이트 및 셀룰로오스 트리아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 유리상 고분자는 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈티아졸 및 폴리피롤론으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 3-아미노프로필 에테르 또는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) [3-(트리메틸암모니오)프로필 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막을 포함하는 막모듈.
- (I) 제1 유리상 고분자, 유기용매 및 첨가제를 혼합하여 제1 도프용액을 얻는 단계;
(II) 제2 유리상 고분자, 유기용매 및 첨가제를 혼합하여 제2 도프용액을 얻는 단계;
(III) 상기 제1, 2 도프용액을 보어용액과 함께 삼중 방사노즐로 공급 및 토출하는 단계;
(IV) 상기 토출된 도프용액을 응고액에 접촉시켜 중공사를 형성하는 단계;
(V) 상기 중공사를 권취, 세정 및 건조시켜 이중층 중공사막을 수득하는 단계; 및
(VI) 상기 이중층 중공사막의 표면에 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막의 제조방법. - 제6항에 있어서, 상기 (I) 단계 또는 (II) 단계의 유기용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc) 디메틸포름아미드(DMF) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 (I) 단계 또는 (II) 단계의 첨가제는 감마부티로락톤, 테트라히드로퓨란, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 트리클로로에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디메틸에테르 및 디에틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것과, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 2-펜탄올, 메톡시에탄올, 부톡시에탄올, 퍼퍼릴알코올 및 터셔리아밀알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것이 혼합된 것을 특징으로 하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 (I) 단계의 제1 도프용액 또는 (II) 단계의 제2 도프용액은 30~35 중량% 농도인 것을 특징으로 하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 (III) 단계의 보어용액은 물, 이소프로판올, 에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 디메톡시에탄올, 디에톡시에탄올, 부톡시메탄올, 디메톡시부틸렌옥시드 및 디글리시딜디메틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 (IV) 단계의 응고액은 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 펜탄, 헥산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 이산화탄소/메탄 분리용 중공사 복합막의 제조방법.
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