KR20200053166A - 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인, 그의 제조방법, 그를 포함하는 해수 담수화 장치 및 그것을 이용한 해수 담수화 방법 - Google Patents
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인, 그의 제조방법, 그를 포함하는 해수 담수화 장치 및 그것을 이용한 해수 담수화 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인, 그의 제조방법, 그를 포함하는 해수 담수화 장치 및 그것을 이용한 해수 담수화 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 멤브레인은, 다공성 고분자층; 및 상기 다공성 고분자층 상에 형성된 탄소 물질을 포함하는 탄소층;을 포함한다.
Description
본 발명은 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인, 그의 제조방법, 그를 포함하는 해수 담수화 장치 및 그것을 이용한 해수 담수화 방법에 관한 것이다.
물은 인류의 생존에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나이다. 하지만, 인구 증가와 환경오염에 기인하여 지구촌의 물 부족 문제가 악화되면서 담수(fresh water)의 확보가 중요해지고 있다. 특히, 적도 부근의 나라들과 고지대 지역들은 상수도 보급률이 낮아 오염된 우물 사용에 따른 질병 발생 등과 같은 담수 부족에 기인한 사회적 문제가 존재한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 해수 및 염수를 담수화시키는 기술 개발이 필요하다. 그런데 기존의 역삼투 방식의 멤브레인 기반 담수화 기술은 고농도의 염수를 담수화하기가 어렵다. 이에 따라 여러 단계의 수처리 공정을 거침에 따라 운영비용이 많이 들어 생산한 식수의 단가가 높다. 이는 저가의 식수 공급이 필요한 빈곤 지역에 적용하기가 어려워 식수 부족 문제를 실질적으로 해결하지 못한다. 따라서 해수 및 염수를 무전원 방식의 단일 수처리 공정으로 담수화시킬 수 있는 새로운 개념의 기술 개발이 필요하다. 이러한 담수화기술은 식수가 필요한 빈곤 지역에 해수 및 염수로부터 저가의 식수를 생산할 수 있어서 실질적 해결 방안이 될 수 있을 것이다.
극심한 식수 부족 문제를 겪는 적도 부근 나라들과 고지대 지역들은 연간 일정하고 높은 일사량과 함께 담수에 쓰일 해수 및 염수가 충분하다. 태양광 기반의 증발식 담수화 기술은 이러한 기후 지리적 이점을 활용할 수 있는 기술로 무전원 단일 수처리 공정을 이용하여 저렴한 비용으로 식수 생산이 가능하다. 그동안 증발용 멤브레인의 빛 흡수체로서 금속 플라즈몬, 반도체, 탄소, 그리고 자연 소재들이 소개되었다. 특히, 탄소 기반의 물질들은 재활용성, 높은 빛 흡수도, 우수한 열 변환 특성으로 빛 흡수체로 활발히 연구되고 있으며, 카본나노튜브, 그래핀, 탄소 나노입자, 그리고 그래핀 기반 금속 합성물 등이 개발되었다.
저렴하고 간단한 멤브레인 제조 방법과 기존 멤브레인 기술에 비해 증발률이 높고, 염수를 담수화할 때 멤브레인 표면에 석출되는 이온을 저감시켜 증발 성능을 장시간 지속시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 해수에 포함된 각종 이온의 제거율을 높일 수 있는 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 해수로부터 지속적이고 원활하게 담수화 할 수 있는 3차원 다공성 멤브레인을 포함하는 해수 담수화 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 해수를 무전원, 환경 친화적이고 경제적으로 담수화 시킬 수 있는 3차원 다공성 멤브레인을 이용한 해수 담수화 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 다공성 고분자층; 및 상기 다공성 고분자층 상에 형성된 탄소 물질을 포함하는 탄소층;을 포함하는, 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인을 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층은, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate; PEN), 폴리노르보넨(Polynorbornene; PN), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVA), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone; PES), 폴리스타일렌(Polystyrene; PS), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene; PE), 폴리염화비닐(polyvinylchloride; PVC), 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutyleneterephthalate; PBT) 및 폴리메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate; PMMA)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소층은 다공성 고분자층의 기공 네트워크에 설탕 유래 탄소 물질이 코팅된 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층의 기공은 100 ㎛ 내지 500 ㎛인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층의 하면은 친수성 표면인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 친수성 표면은, 플라즈마 처리된 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 단계; 상기 구조체에 고분자를 흡착하는 단계; 상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 다공성 멤브레인을 형성하는 단계; 상기 다공성 멤브레인의 상부를 탄화시키는 단계; 및 상기 탄화된 다공성 멤브레인 하부를 플라즈마 처리하는 단계;를 포함하는, 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은, 해수 상에, 고분자층이 향하도록 배치되는 상기의 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인; 상기 멤브레인을 통하여 상기 멤브레인의 상기 탄소층을 통하여 증발 배출되는 수증기가 응축되는 상판; 및 상기 상판에 응축된 수증기가 모이는 담수 저장부;를 포함하고, 상기 상판은 상기 담수 저장부 방향으로 경사지게 형성된 것인, 해수 담수화 장치를 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 상판은 광투과성인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 해수 담수화 장치는 무전원인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 해수 담수화 장치는 해수 중 석출이온이 상기 다공성 고분자층 아래로 중력 기인 탈착되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기의 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법으로서, 무광 조건에서, 상기 멤브레인 상단에 형성된 석출이온을 상기 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 기공을 통하여 상기 해수로 탈착 배출시키는 해수 담수화 방법을 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 기공의 크기를 조절하여 석출이온의 탈착 배출을 제어하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 석출이온을 회수하는 것을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인은 기존 증발용 멤브레인 방식에 비해 증발 성능이 매우 높다. 또한, 해수의 담수화 시 증발표면에서 발생하는 이온 석출을 저감 또는 제거하여 장기간 높은 증발 성능의 유지가 가능하다. 또한, 멤브레인 성능 저감에 따른 멤브레인의 교체 및 관리 비용도 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 멤브레인 제조방법은 매우 간단한 공정을 통하여 단순한 공정과 저가 재료로 제조되는 높은 증발 성능의 멤브레인을 제조할 수 있다. 이에 따라, 산업적 규모의 증발용 3차원 다공성 멤브레인의 제조가 가능하고 해수 및 염수로부터 지속적이고 원활하게 담수화하여 저가의 식수 생산이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치는 태양광 기반의 증발식 담수화 기술을 이용하여 기후·지리적 이점을 활용할 수 있는 것으로서, 태양광을 이용하여 해수 및 염수를 증발시켜 환경 친화적인 무전원 담수화 공정으로 경제적으로 담수화 시킬 수 있다. 또한, 해수 또는 염수의 담수 시 증발표면에서 발생하는 이온석출을 저감 또는 제거하여 장기간 높은 증발 성능의 유지가 가능하여 멤브레인 성능 저감에 따른 멤브레인의 교체 및 관리 비용도 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법은, 멤브레인 기공의 막힘 현상 또는 멤브레인 기공의 크기가 축소되는 현상에 의해 초래되는 멤브레인의 성능저하 가능성을 최소화시킬 수 있다. 또한, 우수한 담수화 처리 유량을 확보할 수 있어 해수 및 염수로부터 지속적이고 원활하게 담수화하여 저가의 식수 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인 제조과정을 나타내는 사진이고, 도 4의 (b)는 설탕의 화학 구조이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인을 찍은 사진이고, 도 5의 (B)의 왼쪽은, 탄화된 탄소층이 코팅된 PDMS 스펀지 사진이고, 도 5의 (B)의 오른쪽은, 탄화층이 없는 PDMS 스펀지 사진이다.
도 6의 (A)는 본 발명의 실시예에 따른 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 물 위에 띄워 놓은 후 빛을 조사했을 때의 사진이다.
도 6의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때와 사용하지 않았을 때 광 조사에 따른 질량 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때 광 조사에 따른 온도, 습도, 상대습도 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (D)는 도 6의 (A)의 적외선 열화상 카메라로 촬영된 사진이다.
도 6의 (E)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인의 빛 흡수 시간에 따른 표면온도를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (A)는 본 발명의 태양광 모사 장비(solar simulator) 사진이다.
도 7의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 인공 태양광을 조사한 후 탄화된 PDMS 멤브레인의 질량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 세기의 태양빛을 조사하였을 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인의 증발률을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (D)는 본 발명의 실시예에 따른 염수의 증발 후 이온전도도 변화를 나타낸 도면이다.
도 8의 (A)의 왼쪽은 본 발명의 실시예에 따라 폴리비닐알코올(PVA)로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이다.
도 8의 (B)의 본 발명의 실시예에 따라 왼쪽은 PVA로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이다.
도 8의 (C)는 본 발명의 실시예에 따라 산소 플라즈마로 표면처리된 매크로포러스한 탄화된 PDMS 멤브레인을 염수에 담그고 빛을 조사했을 때 멤브레인 표면 및 내부의 이온석출층의 생성 및 거동을 포항가속기 6c biomedical imaging beamline에서 X-선으로 촬영한 사진이다.
도 9의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 빛 조사 유무에 따른 멤브레인의 이온석출층의 X-선 사진이다.
도 9의 (B)는 도 9의 (A)에 멤브레인 내부의 시간에 따른 마이크로 버블의 변화를 나타내는 X-선 사진이다.
도 9의 (C)는 본 발명의 탄화된 나무로 만든 멤브레인의 이온석출층의 X-선 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인 제조과정을 나타내는 사진이고, 도 4의 (b)는 설탕의 화학 구조이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인을 찍은 사진이고, 도 5의 (B)의 왼쪽은, 탄화된 탄소층이 코팅된 PDMS 스펀지 사진이고, 도 5의 (B)의 오른쪽은, 탄화층이 없는 PDMS 스펀지 사진이다.
도 6의 (A)는 본 발명의 실시예에 따른 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 물 위에 띄워 놓은 후 빛을 조사했을 때의 사진이다.
도 6의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때와 사용하지 않았을 때 광 조사에 따른 질량 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때 광 조사에 따른 온도, 습도, 상대습도 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (D)는 도 6의 (A)의 적외선 열화상 카메라로 촬영된 사진이다.
도 6의 (E)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인의 빛 흡수 시간에 따른 표면온도를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (A)는 본 발명의 태양광 모사 장비(solar simulator) 사진이다.
도 7의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 인공 태양광을 조사한 후 탄화된 PDMS 멤브레인의 질량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 세기의 태양빛을 조사하였을 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인의 증발률을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (D)는 본 발명의 실시예에 따른 염수의 증발 후 이온전도도 변화를 나타낸 도면이다.
도 8의 (A)의 왼쪽은 본 발명의 실시예에 따라 폴리비닐알코올(PVA)로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이다.
도 8의 (B)의 본 발명의 실시예에 따라 왼쪽은 PVA로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이다.
도 8의 (C)는 본 발명의 실시예에 따라 산소 플라즈마로 표면처리된 매크로포러스한 탄화된 PDMS 멤브레인을 염수에 담그고 빛을 조사했을 때 멤브레인 표면 및 내부의 이온석출층의 생성 및 거동을 포항가속기 6c biomedical imaging beamline에서 X-선으로 촬영한 사진이다.
도 9의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 빛 조사 유무에 따른 멤브레인의 이온석출층의 X-선 사진이다.
도 9의 (B)는 도 9의 (A)에 멤브레인 내부의 시간에 따른 마이크로 버블의 변화를 나타내는 X-선 사진이다.
도 9의 (C)는 본 발명의 탄화된 나무로 만든 멤브레인의 이온석출층의 X-선 사진이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인, 그의 제조방법, 그를 포함하는 해수 담수화 장치 및 그것을 이용한 해수 담수화 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면은, 다공성 고분자층; 및 상기 다공성 고분자층 상에 형성된 탄소 물질을 포함하는 탄소층;을 포함하는, 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인은 기존 증발용 멤브레인 방식에 비해 증발 성능이 매우 높다. 또한, 해수의 담수화 시 증발표면에서 발생하는 이온 석출을 저감 또는 제거하여 장기간 높은 증발 성능의 유지가 가능하다. 또한, 멤브레인 성능 저감에 따른 멤브레인의 교체 및 관리 비용도 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 형태에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인(100)은 다공성 고분자층(110) 및 탄소층(120)을 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층(110)은, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate; PEN), 폴리노르보넨(Polynorbornene; PN), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVA), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone; PES), 폴리스타일렌(Polystyrene; PS), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene; PE), 폴리염화비닐(polyvinylchloride; PVC), 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutyleneterephthalate; PBT) 및 폴리메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate; PMMA)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소층(120)은 다공성 고분자층(110)의 기공 네트워크에 설탕 유래 탄소 물질이 코팅된 것일 수 있다. 상기 다공성 고분자층(110)은 복수의 기공으로 이루어져 있으며, 각각의 기공들 사이의 점 접촉, 선 접촉 또는 면 접촉을 통하여 상하좌우 서로 연결되어 네트워크를 이루고 있는 구조일 수 있다. 네트워크 구조는, 흡수제로서 액체를 흡수할 수 있는 능력을 향상시키고 공간을 최대화할 수 있다. 상기 탄소층(120)은 이러한 상하좌우 서로 연결된 다공성 고분자층(110)의 기공 네트워크에 설탕 유래 탄소 물질이 코팅된 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층(110)의 기공은 100 ㎛ 내지 500 ㎛인 것일 수 있다. 기공 크기는 물이 통과하고 염수의 증발 시 증발표면에 석출된 이온결정층들이 표면에서 탈착 후 멤브레인의 하부까지 쉽게 통과하여 내려갈 수 있는 정도의 크기여야 한다. 상기 다공성 고분자층(110)의 기공이 100 ㎛ 미만인 경우 증발표면에서 석출된 이온결정들이 멤브레인 표면에서 탈착되더라도 탈착된 이온석출층들이 기공을 통과하지 못해 멤브레인 하부로 배출되지 못하고 증발표면에 남아 있게 되어 석출 이온을 감소시키거나 제거하기 어려운 문제가 있고, 500 ㎛ 초과인 경우 석출된 이온들이 탈착 후 멤브레인을 통과하여 배출되기 쉬우나 모세관힘이 약해져 멤브레인 내부의 물 수송이 약해지는 문제가 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층(110)의 하면은 친수성 표면인 것일 수 있다. 상기 다공성 고분자층(110)의 하면은, 다공성 고분자층(110) 아래의 모든 면을 의미한다. 상기 다공성 고분자층(110)의 하면이 친수성 표면으로 이루어져 다공성 고분자층(110) 아래 부분의 기공 내부로 해수가 많이 함침될 수 있다. 이에 따라, 친수성 표면은 해수의 수투과도를 높여 다공성 고분자층(110) 표면으로 원활하게 수송할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 친수성 표면은, 플라즈마 처리된 것일 수 있다. 상기 플라즈마 처리 방법은 플라즈마 상태에서 부분적으로 이온화된 가스에 다공성 고분자층(110)의 하면의 표면을 노출시켜 표면을 개질하는 방법으로서, 이런 방법은 아주 적은 표면에서 일어나기에 다공성 고분자층(110)의 막 자체에 손상 및 내부의 큰 물성 변화없이 처리할 수 있는 장점과, 오염물질이 적다는 장점을 또한 갖고 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리인 것일 수 있다. 산소 플라즈마 처리에 의해 3차원 다공성 멤브레인의 초친수성 표면과 미세다공성의 구조적 특성을 이용하여 증발표면에서 지속적으로 축적되는 이온 석출을 저감시켜 내구성을 강화할 수 있다. 다공성 고분자층(110)의 하면이 해수에 잠긴 상태에서 해수를 빨아 올리면 해수가 3차원 다공성 멤브레인을 통과하면서 이온이 필터링될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 단계; 상기 구조체에 고분자를 흡착하는 단계; 상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 다공성 멤브레인을 형성하는 단계; 상기 다공성 멤브레인의 상부를 탄화시키는 단계; 및 상기 탄화된 다공성 멤브레인 하부를 플라즈마 처리하는 단계;를 포함하는, 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 멤브레인 제조방법은 매우 간단한 공정을 통하여 단순한 공정과 저가 재료로 제조되는 높은 증발 성능의 멤브레인을 제조할 수 있다. 이에 따라, 산업적 규모의 증발용 3차원 다공성 멤브레인의 제조가 가능하고 해수 및 염수로부터 지속적이고 원활하게 담수화하여 저가의 식수 생산이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 설명하는 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극활물질의 제조방법은, 구조체 형성 단계(210), 구조체에 고분자 흡착 단계(220), 다공성 멤브레인 형성 단계(230), 멤브레인 상부 탄화 단계(240) 및 멤브레인 하부 플라즈마 처리 단계(250)를 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 구조체 형성 단계(210)는, 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 것일 수 있다. 설탕을 이용하여 다공질의 구조를 미리 형성하는 것이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 구조체에 고분자 흡착 단계(220)는 상기 구조체에 고분자를 흡착하는 것일 수 있다. 앞에서 제조한 구조체인 설탕 템플릿(template)에 고분자 용액을 붓는다. 예를 들어, 진공챔버에서 설탕 템플릿 내부의 기포를 빼고, 설탕 템플릿 내부를 고분자로 채울 수도 있다. 거푸집에 해당하는 설탕 구조체에 고분자를 흡착시키면 설탕의 구조에 따라 다공성 스펀지 형상의 고분자가 형성될 수 있다. 그리고 나서, 설탕 템플릿 내부의 고분자를 굳히는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 멤브레인 형성 단계(230)는, 상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 다공성 멤브레인을 형성하는 것일 수 있다. 예를 들어, 60°C의 물로 설탕을 녹여 설탕 부분이 빠진 고분자 스펀지를 제조할 수 있다. 이 때, 설탕의 역상에 해당하는 스펀지 형상의 다공성 멤브레인이 형성될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 상부 탄화 단계(240)는, 상기 다공성 멤브레인의 상부를 탄화시키는 것일 수 있다. 스펀지 고분자 상부를 설탕과 함께 예를 들어, 200 ℃ 내지 400 ℃로 열판으로 가열하면 설탕이 탄소로 분해되고, 고분자 스펀지 상단이 탄화 된다.
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 하부 플라즈마 처리 단계(250)는, 상기 탄화된 다공성 멤브레인 하부를 플라즈마 처리하는 것일 수 있다. 플라즈마는, 예를 들어, 산소 플라즈마로 표면처리 하여 3차원 다공성 멤브레인이 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 해수 상에, 고분자층이 향하도록 배치되는 상기의 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인; 상기 멤브레인을 통하여 상기 멤브레인의 상기 탄소층을 통하여 증발 배출되는 수증기가 응축되는 상판; 및 상기 상판에 응축된 수증기가 모이는 담수 저장부;를 포함하고, 상기 상판은 상기 담수 저장부 방향으로 경사지게 형성된 것인, 해수 담수화 장치를 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치를 이용한 해수 및 염수의 증발 담수 기술의 개념도이다. 도 3을 참조하면, 다공성 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인(100), 상판(310) 및 담수 저장부(320)를 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인(100)은 해수 상에, 다공성 고분자층(110)이 향하도록 배치되는 것일 수 있다. 탄화된 3차원 다공성 멤브레인(100)을 해수 및 염수 위에 띄우고 멤브레인 표면을 태양광에 노출시켜 멤브레인의 스펀지와 같은 다공성 구조를 통해 표면으로 올라온 물을 증발시킨다.
일 실시형태에 따르면, 상기 상판(310)은, 상기 멤브레인(100)을 통하여 상기 멤브레인의 상기 탄소층(120)을 통하여 증발 배출되는 수증기가 응축되는 것일 수 있다. 상판(310)은 경사진 형태이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 상판(310)은 광투과성인 것일 수 있다. 이에 따라, 태양광에 의해 해수가 빨리 증발되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 담수 저장부(320)는, 상기 상판(310)에 응축된 수증기가 모이는 것일 수 있다. 경사진 형태의 상판(310)에 의해 증발된 수증기를 응축시켜 중력을 이용하여 담수 저장부(320)로 담수(정제수)를 모을 수 있게 된다.
일 실시형태에 따르면, 상기 해수 담수화 장치는 무전원인 것일 수 있다. 태양광 기반의 증발식 담수화 기술은 기후·지리적 이점을 활용할 수 있는 것으로서, 태양광을 이용하여 해수 및 염수를 증발시켜 환경 친화적인 무전원 담수화 공정으로 경제적으로 담수화 시킬 수 있다. 또한, 해수 또는 염수의 담수 시 증발표면에서 발생하는 이온석출을 저감 또는 제거하여 장기간 높은 증발 성능의 유지가 가능하여 멤브레인 성능 저감에 따른 멤브레인의 교체 및 관리 비용도 줄일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 해수 담수화 장치는 해수 중 석출이온이 상기 다공성 고분자층 아래로 중력 기인 탈착되는 것일 수 있다. 따라서, 멤브레인의 기공의 막힘 현상 또는 기공의 크기가 축소되는 현상을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기의 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법으로서, 무광 조건에서, 상기 멤브레인 상단에 형성된 석출이온을 상기 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 기공을 통하여 상기 해수로 탈착 배출시키는 해수 담수화 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법은, 멤브레인 기공의 막힘 현상 또는 멤브레인 기공의 크기가 축소되는 현상에 의해 초래되는 멤브레인의 성능저하 가능성을 최소화시킬 수 있다. 또한, 우수한 담수화 처리 유량을 확보할 수 있어 해수 및 염수로부터 지속적이고 원활하게 담수화하여 저가의 식수 생산이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 상기 기공의 크기를 조절하여 석출이온의 탈착 배출을 제어하는 것일 수 있다. 3차원 다공성 멤브레인의 기공의 크기를 조절하여, 석출이온을 부착할 수도 탈리할 수도 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 석출이온을 회수하는 것을 포함하는 것일 수 있다. 무광 조건(태양광이 없을 때)에서, 석출이온은 3차원 다공성 멤브레인의 기공을 통하여 해수로 탈착 배출시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 방법은 환경 친화적이고 경제적으로 해수 및 염수를 담수화시킬 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
탄화된 3차원 폴리디메틸실록산(PDMS) 스펀지 멤브레인의 제조 과정
탄화된 3차원 폴리디메틸실록산(PDMS)을 이용한 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인은 저렴한 재료로 간단하게 제조할 수 있다.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인 제조과정을 나타내는 사진이다. 도 4의 (b)는 설탕의 화학 구조이다.
도 4의 (a)의 왼쪽 도시된 바와 같이, 큐브 설탕 템플릿을 준비하였다. 그리고 나서 큐브 설탕 템플릿에 PDMS 용액을 부었다. 진공챔버에서 설탕 템플릿 내부의 기포를 빼고, 설탕 템플릿 내부를 PDMS로 채웠다. 이어서, 설탕 템플릿 내부의 PDMS를 굳히고, 60 ℃의 물로 설탕을 녹였다. 도 4의 (A)의 가운데 사진과 같이, 설탕 부분이 빠진 PDMS 스펀지를 만들었다. 이어서, PDMS 스펀지 윗면을 설탕과 함께 300 ℃로 열판으로 가열하면, 도 4의 (B)의 화학 구조를 가진 설탕이 탄소로 분해되고, PDMS 스펀지 상단이 탄화된다. 마지막으로, 제조한 멤브레인을 산소 플라즈마로 표면처리 하여 탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인을 제조하였다. 제조한 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인은 도 4의 (A)의 오른쪽 사진과 같다.
탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인의 내부 구조
도 5의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인을 찍은 사진이다. 이 멤브레인의 상부는 도 5의 (B)의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 탄화된 탄소층이 코팅된 PDMS 스펀지이며, 멤브레인의 하부는 도 5의 (B)의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 탄화층이 없는 PDMS 스펀지로 구성되어 있다. 탄화층이 코팅된 PDMS 스펀지의 상부는 태양광을 흡수하여 이를 열에너지로 변환시켜 증발이 이루어지는 부분이다. 멤브레인 하부의 PDMS 스펀지는, 도 5의 (C)에 도시된 바와 같이, 다공성 구조와 함께 친수성 표면 특성을 가지고 있어서 해수나 염수에 담겨있는 멤브레인 바닥면에서 상부의 탄화층으로 물을 무전원 방식으로 효과적으로 끌어올린다.
탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인의 증발 성능과 온습도 변화
도 6의 (A)는 본 발명의 실시예에 따른 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 물 위에 띄워 놓은 후 빛을 조사했을 때의 사진이다. 도 6의 (A)에 도시된 바와 같이, 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 물 위에 띄워 놓은 후, 빛을 조사하면 높은 증발률로 물이 증발한다.
도 6의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때와 사용하지 않았을 때 광 조사에 따른 질량 변화율을 나타낸 그래프이다. 도 6의 (B)에 도시된 바와 같이, 300 mW 세기의 532 nm 파장의 레이저를 조사한 경우, 멤브레인 사용 시 멤브레인을 사용하지 않을 경우보다 증발률이 3.4 배 높은 것을 알 수 있다.
도 6의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때 광 조사에 따른 온도, 습도, 상대습도 변화율을 나타낸 그래프이다. 도 6의 (C)를 참조하면, 증발용 PDMS 멤브레인에 의해 높은 증발률은 용기 내부 (가로 15 cm, 세로 20 cm, 높이 25 cm)의 상대습도가 30 분 이내에 90 %로 증가하였다.
이러한 높은 증발률은 멤브레인 탄화층의 강한 빛 흡수와 PDMS의 낮은 열전도도 (0.15 W/mK)에 기인한다 [도 6의 (D), 도 6의 (E)].
도 6의 (D)는 도 6의 (A)의 적외선 열화상 카메라로 촬영된 사진이고, 도 6의 (E)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인의 빛 흡수 시간에 따른 표면온도를 나타낸 그래프이다. 빛 조사 전 (t=0s)의 경우, 물 위에 떠있는 멤브레인과 물의 온도는 모두 25 ℃ 정도의 초기 온도를 보인다. 하지만, 빛을 조사하자 (t=1s), 멤브레인 상단의 표면 온도가 75 ℃ 정도로 급격히 상승하였고 30 초가 지났을 때도 그 높은 온도가 유지되고 있다. 특히, 30 초 후, 조사된 빛이 흡수되어 변환된 열에너지가 멤브레인 표면에만 국부적으로 집중되어 있음을 알 수 있는데, 이는 변환된 열에너지가 멤브레인의 낮은 열전도도에 기인하여 외부로 열손실이 최소화되기 때문이다. 낮은 열전도도에 기인한 열손실의 최소화는 도 6의 (E)에서 멤브레인 아래의 물 온도는 1 시간 30 분 동안의 빛 조사 후에도 거의 변하지 않는 것으로 확인할 수 있다. 이것은 PDMS의 열전도도가 매우 낮아 탄소층에서 흡수되어 변환된 열에너지를 단열시켜 주기 때문이다. 결국, 열손실의 최소화는 흡수된 열에너지가 온전히 증발에만 사용될 수 있게 만들어 준다.
따라서, 도 6의 (D)는 멤브레인의 탄화층이 빛 흡수도가 매우 높고 멤브레인의 PDMS 스펀지가 열전도도가 매우 낮음을 말해주고, 이러한 특성은 도 6의 (E)에서 처럼 멤브레인의 표면 온도를 높게 유지시켜주어 증발이 잘 일어나게 해준다.
탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인의 태양광 기반 증발 및 담수 성능
도 7의 (A)는 본 발명의 태양광 모사 장비(solar simulator) 사진이고, 도 7의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 인공 태양광을 조사한 후 탄화된 PDMS 멤브레인의 질량 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7의 (B)를 참조하면, 탄화된 PDMS 멤브레인을 물에 띄운 후 태양광 모사 장비(solar simulator)로 2 kW/m2 세기의 인공 태양광을 조사한 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인은 멤브레인이 없는 경우에 비해 4.9 배 높은 증발률을 보였다.
도 7의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 세기의 태양빛을 조사하였을 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인의 증발률을 나타낸 그래프이다. 도 7의 (C)를 참조하면, 다양한 세기의 태양빛을 조사하였을 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인은 기존의 다른 증발 담수용 멤브레인에 비해 높은 증발률을 보였다.
탄화된 PDMS 멤브레인을 이용하여 3 mole의 염수를 담수화시킨 결과 이온전도도가 식수 영역의 값 아래로 떨어져 식수 생산이 가능함을 확인하였다.
도 7의 (D)는 본 발명의 실시예에 따른 염수의 증발 후 이온전도도 변화를 나타낸 도면이다. 증발을 거친 물의 경우 식수 영역 이하로의 이온전도도를 보였다. 이는 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 이용한 증발 담수 기술이 단일 공정으로 식수 생산이 가능함을 보여준다. 하지만, 기존 멤브레인 기반의 역삼투 기술(빗금 부분)은 담수 후 이온전도도가 식수영역 이하로 내려오지 못함을 보여준다. 이는 기존 산업에서 사용중인 역삼투 기술은 단일 공정으로 염수를 담수화하기 힘들고 다양한 전/후처리 공정들이 필요함을 말해준다. 기존 멤브레인 기반의 담수 기술 (도 7의 (D)에서 빗금 부분)은 단일 담수 공정으로 염수를 식수로 만들지 못하고 여러 다단계의 공정들이 들어가지만, 본 발명의 실시예에 따른 탄화된 PDMS 멤브레인을 이용한 증발 담수화 기술은 태양광 기반의 단일 공정이며, 99.97 %의 높은 이온 필터링 성능으로 식수 생산이 가능하였다 (도 7의 (D)).
탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인의 형태학적 구조와 친수성 표면특성을 이용한 멤브레인 표면에 석출된 이온의 탈착 및 제거
멤브레인에서 염분 농도가 높은 염수가 증발되면, 이온 과포화 상태의 염수 속 이온들은 멤브레인의 증발 표면에서 석출되고, 이는 증발 표면을 막아 증발 성능을 떨어뜨리며, 이를 파울링(fouling)이라고 한다. 탄화된 PDMS 멤브레인은 높은 친수성과 매크로포러스(macroporous)한 구조를 갖고 있어서 해수/염수를 담수화시킬 때 멤브레인의 증발 표면에서 이온 석출 저감 성능을 보였다. 이를 폴리비닐알코올(PVA)로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출 성능과 비교하였다.
도 8의 (A)의 왼쪽은 본 발명의 실시예에 따라 폴리비닐알코올(PVA)로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이다. 도 8의 (B)의 왼쪽은 본 발명의 실시예에 따라 PVA로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이다. 도 8의 (A) 및 도 8의 (B)를 참조하면, PVA로 코팅된 마이크로포러스한 멤브레인에 비해 증발 표면에서의 이온석출량이 75 %로 감소한 것을 알 수 있다.
도 8의 (C)는 본 발명의 실시예에 따라 산소 플라즈마로 표면처리된 매크로포러스한 탄화된 PDMS 멤브레인을 염수에 담그고 빛을 조사했을 때 멤브레인 표면 및 내부의 이온석출층의 생성 및 거동을 포항가속기 6c biomedical imaging beamline에서 X-선으로 촬영한 사진이다. 도 8의 (C)를 참조하면, 빛을 조사하기 전에는 (t=0s), 멤브레인 표면에서 증발률이 낮아 이온석출이 없음을 보여준다. 하지만, 빛을 멤브레인 상단 표면에 조사하였을 경우, 멤브레인 표면에서 증발이 급속히 발생되고 염수 내 이온들이 멤브레인 표면에 석출된다. 10 분 후, 멤브레인 표면에 이온석출층들(소금결정층, 제일 짙은 검정색)이 많이 생성되어 증발표면에 쌓여있음을 알 수 있다. 그러나, 빛을 조사한지 50 분 후, 증발 표면에 이온석출층(염, 노란색 영역)이 멤브레인 상단으로부터 탈착되어 중력에 의해 아래로 가라앉음을 확인하였다. 탈착된 이온석출층은 중력에 의해 멤브레인의 기공을 통과하여 하부까지 내려가 결국 물이 담겨져있는 용기 바닥으로 가라앉게 된다. 따라서, 탄화된 PDMS 멤브레인이 PVA 코팅층보다 친수성이 높고 멤브레인의 기공 크기가 커서 빛 조사에 따른 증발 과정동안 이온석출층들이 증발표면으로부터 탈착되고 멤브레인의 하부로 빠져나가 석출된 이온들을 제거할 수 있음을 보여준다.
빛 조사 유무에 따른 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인의 증발 표면에서의 이온석출층 탈착 및 제거 성능
도 9의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 빛 조사 유무에 따른 멤브레인의 이온석출층의 X-선 사진이다. 도 9의 (A)를 참조하면, 염수 위에 멤브레인을 띄우고 빛을 조사할 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인 상단의 증발 표면에는 이온석출층이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 멤브레인에 조사하는 빛을 끄면 멤브레인 표면의 이온석출층이 탈착되어 멤브레인의 다공성 구조를 통해 하강하여 염수를 담은 용기의 바닥으로 가라앉고, 대부분의 표면 이온석출층이 제거되는 것을 확인할 수 있다.
도 9의 (B)는 도 9의 (A)에 멤브레인 내부의 시간에 따른 마이크로 버블의 변화를 나타내는 X-선 사진이다. 빛을 켜고 60 분 후, 멤브레인 내부의 에어버블(air bubble)의 크기는 증가하였다. 이는 멤브레인 내부의 음압(negative pressure)에 의해 버블이 팽창하여 크기가 커졌음을 의미한다. 즉, 빛을 조사하면 멤브레인 표면에 증발률이 높아 멤브레인 상단에서 잡아당기는 증발력에 의해 멤브레인 내부는 큰 음압이 발생되고, 이온석출층이 증발 표면에 붙어있게 된다. 그러나, 조사하던 빛을 끄게 되면, 76 분 후의 에어 버블의 크기는 작아져 있음을 확인할 수 있다. 이는 에어 버블을 잡아당기던 멤브레인 내부의 음압이 감소했음을 말해준다. 이는 멤브레인에 조사하던 빛을 끄게 되면, 증발이 급격히 감소하여 멤브레인 상단에서 위로 잡아당기던 증발력이 급격히 감소해 멤브레인 내부 음압이 급격히 감소함을 말해준다. 다시 빛을 조사해주고 94 분 후, 증발력에 의한 멤브레인 내부의 큰 음압으로 에어 버블의 크기가 커졌음을 볼 수 있습니다. 따라서, 도 9의 (B) 사진은 멤브레인 내부의 에어 버블의 크기 변화를 통해 내부 음압의 변화를 말해주고 있다. 조사중이던 빛 차단 시, 급격한 멤브레인 내부의 음압 감소가 발생되고 이는 결국 도 9의 (A) 사진처럼 증발면의 이온 석출층들을 탈착시켜 아래로 가라앉혀 준다.
도 9의 (C)는 본 발명의 탄화된 나무로 만든 멤브레인의 이온석출층의 SEM 사진이다. 도 9의 (C)를 참조하면, 탄화된 PDMS 멤브레인이 아니라 탄화된 나무로 만든 멤브레인의 경우, 빛을 조사한 후 끌 때 증발 표면에서의 이온석출층 제거율이 낮았다. 이것은 탄화된 PDMS 멤브레인의 경우, 증발률이 높고 빛을 차단할 경우 음압의 감소폭이 커 증발 표면에서의 이온석출층 탈착이 쉽고, 멤브레인 구멍의 크기가 커서 탈착된 석출 이온들이 멤브레인 내부를 손쉽게 통과하기 때문이다. 이에 따라 탄화된 PDMS 멤브레인에 조사하는 빛을 제거함에 따른 석출층의 제거성능이 탄화된 나무 멤브레인보다 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인
110: 다공성 고분자층
120: 탄소층
310: 상판
320: 담수 저장부
110: 다공성 고분자층
120: 탄소층
310: 상판
320: 담수 저장부
Claims (15)
- 다공성 고분자층; 및
상기 다공성 고분자층 상에 형성된 탄소 물질을 포함하는 탄소층;
을 포함하는,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
- 제1항에 있어서,
상기 다공성 고분자층은, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate; PEN), 폴리노르보넨(Polynorbornene; PN), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVA), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone; PES), 폴리스타일렌(Polystyrene; PS), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene; PE), 폴리염화비닐(polyvinylchloride; PVC), 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutyleneterephthalate; PBT) 및 폴리메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate; PMMA)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소층은 다공성 고분자층의 기공 네트워크에 설탕 유래 탄소 물질이 코팅된 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
- 제1항에 있어서,
상기 다공성 고분자층의 기공은 100 ㎛ 내지 500 ㎛인 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
- 제1항에 있어서,
상기 다공성 고분자층의 하면은 친수성 표면인 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
- 제5항에 있어서,
상기 친수성 표면은, 플라즈마 처리된 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
- 제6항에 있어서,
상기 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리인 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
- 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 단계;
상기 구조체에 고분자를 흡착하는 단계;
상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 다공성 멤브레인을 형성하는 단계;
상기 다공성 멤브레인의 상부를 탄화시키는 단계; 및
상기 탄화된 다공성 멤브레인 하부를 플라즈마 처리하는 단계;
를 포함하는,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법.
- 해수 상에, 고분자층이 향하도록 배치되는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인;
상기 멤브레인을 통하여 상기 멤브레인의 상기 탄소층을 통하여 증발 배출되는 수증기가 응축되는 상판; 및
상기 상판에 응축된 수증기가 모이는 담수 저장부;
를 포함하고,
상기 상판은 상기 담수 저장부 방향으로 경사지게 형성된 것인,
해수 담수화 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 상판은 광투과성인 것인,
해수 담수화 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 해수 담수화 장치는 무전원인 것인,
해수 담수화 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 해수 담수화 장치는 해수 중 석출이온이 상기 다공성 고분자층 아래로 중력 기인 탈착되는 것인,
해수 담수화 장치.
- 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항의 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법으로서,
무광 조건에서, 상기 멤브레인 상단에 형성된 석출이온을 상기 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 기공을 통하여 상기 해수로 탈착 배출시키는 것인,
해수 담수화 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 기공의 크기를 조절하여 석출이온의 탈착 배출을 제어하는 것인,
해수 담수화 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 석출이온을 회수하는 것을 포함하는, 해수 담수화 방법.
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2018
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