KR20200111028A - Pressure retarded osmosis membrane and Manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압력지연삼투 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상업성이 우수한 압력지연삼투 모듈을 제공할 수 있는 고수투과도 및 고전력 밀도의 PRO 분리막 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a pressure delayed osmosis membrane and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a high water permeability and high power density PRO membrane capable of providing a pressure delayed osmosis module excellent in commerciality, and a method of manufacturing the same.
물은 투과시키지만 물에 용해되어 있는 용질(이온 및 분자)은 거의 투과시키지 않는 성질을 가진 반투과성 멤브레인을 고농도 용액과 저농도 용액 사이에 설치하면 저농도 용액의 용매가 고농도 용액으로 이동하여 농도평형을 이루려 하는 자연현상이 발생하며 이를 "삼투작용" 또는 "삼투현상"이라고 한다. 삼투현상은 1867년 독일의 화학자 M. 트라우베가 발견하였고, 삼투현상에 의해 발생하는 삼투압은 1877년 페퍼가 처음으로 측정하였다. If a semi-permeable membrane, which has the property of permeating water but hardly permeating solutes (ions and molecules) dissolved in water, is installed between the high concentration solution and the low concentration solution, the solvent of the low concentration solution moves to the high concentration solution and attempts to achieve concentration equilibrium. Natural phenomena occur and are referred to as "osmotic" or "osmotic". The osmotic phenomenon was discovered by the German chemist M. Traube in 1867, and the osmotic pressure caused by the osmotic phenomenon was first measured by Pepper in 1877.
상기와 같은 삼투현상은 지구온난화에 의한 기후변화, 산업화에 따른 공업용수증가, 인구증가에 따른 물 수요의 증가로 심각해진 물 부족을 해결할 수 있는 방법 중의 하나인 바닷물을 이용한 담수화 기술의 핵심이다.The osmosis phenomenon as described above is the core of desalination technology using seawater, which is one of the methods that can solve the severe water shortage due to climate change caused by global warming, industrial water increase due to industrialization, and water demand increase due to population increase.
그러나 현재까지의 해수 담수화 공정은 고도의 에너지 집약형공정으로 중동과 같은 물 부족 지역이 아니면 아직까지 경제적인 면에서 한계를 가지고 있다.However, the seawater desalination process up to now is a highly energy-intensive process, and it still has limitations in terms of economics unless it is a water shortage area such as the Middle East.
바닷물 속의 염을 제거하여 사용하기 위한 방법으로는 증발법과 역삼투법으로 크게 나눌 수 있다.Methods for removing and using salts in seawater can be broadly divided into evaporation and reverse osmosis.
상기 역삼투법은 과거 30년 동안 사용되어온 기술로 완성도가 높으며 최근 저압에서도 고회수율을 얻을 수 있는 역삼투막의 개선 등에 중점을 둔 기술의 개발이 계속되고 있다.The reverse osmosis method is a technology that has been used for the past 30 years, and has a high degree of completion. Recently, the development of a technology focusing on improvement of a reverse osmosis membrane capable of obtaining a high recovery rate even at low pressure has been continued.
한편, 상기와 같은 기술개발의 계속에 의해 최근에는 역삼투식 공정에서 배출되는 해수농축수의 고압에너지를 회수하는 기술들이 등장하고, 분리막 기술도 비약적인 발전을 거듭함에 따라 1976년에 소개되었던 삼투압 발전에 대한 관심이 증가되고 있다.On the other hand, with the continuation of technology development as described above, technologies for recovering high-pressure energy from seawater condensed water discharged from the reverse osmosis process have recently emerged, and as the membrane technology has continued to develop rapidly, the osmotic pressure development introduced in 1976. There is increasing interest in
삼투압 발전이란 염도차가 있는 두 흐름이 만나는 곳에서의 삼투압 작용을 이용하여 전력을 생산하는 것을 의미하며, 27bar의 삼투압을 가지는 해수와 0에 가까운 삼투압을 가지는 강물 혹은 하수가 만나는 곳에서의 27 bar 삼투압이 전력생산에 이용될 수 있다.Osmotic power generation means generating electric power by using the osmotic pressure action at the place where two streams with a difference in salinity meet, and 27 bar osmotic pressure at the place where seawater with an osmotic pressure of 27 bar and river or sewage with an osmotic pressure close to zero meet. This can be used for power generation.
상기 전력생산은 역삼투 방식(RO)과 다른 압력지연삼투(PRO) 방식을 사용한다. 압력지연삼투 방식을 이용하여 고농도의 해수쪽을 삼투압보다 낮은 압력으로 가해주면 삼투압에 의해 막을 투과하는 물의 플럭스(flux)는 감소하게 되고, 이로 인해 삼투압은 수압으로 바뀌어 상기 발생된 수압을 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산하게 되는 것이다.The power generation uses a pressure delayed osmosis (PRO) method different from the reverse osmosis method (RO). When the pressure of the high-concentration seawater is applied at a pressure lower than the osmotic pressure using the pressure delayed osmosis method, the flux of water permeating the membrane is reduced by the osmotic pressure, and the osmotic pressure is changed to water pressure, and the generated water pressure is used in the turbine. This is to produce electricity.
상기와 같은 압력지연삼투를 이용한 전력생산은 국제적 이슈인 지구 온난화 문제에 대응할 수 있고, 현재의 화석연료 에너지를 대체할 만한 신재생 에너지이며, 무한한 에너지원인 바닷물을 이용하기 때문에 환경 친화적이고 이산화탄소 발생이 제로인바 이에 대한 기술개발이 시급하다. 이를 위해서는 압력지연삼투 분리막의 개발, 삼투모듈의 개발 및 압력지연 삼투발전 플랜트 개발 등의 여러 기술의 개발이 동시에 이루어져야 할 필요가 있다.Power generation using pressure delayed osmosis as described above can cope with the global warming problem, which is an international issue, and is a renewable energy that can replace current fossil fuel energy, and it is environmentally friendly and generates carbon dioxide because it uses seawater, an infinite energy source. There is an urgent need to develop technology for zero. To this end, it is necessary to simultaneously develop several technologies such as the development of a pressure delayed osmosis membrane, an osmotic module, and a pressure delayed osmosis power plant.
특히, 압력지연삼투압(PRO) 방식을 사용하는 경우, 압력지연삼투 분리막을 기준으로 고농도 용액과 저농도 용액이 분리되어 이동할 시 삼투압에 의해 저농도 용액은 분리막의 지지층 및 활성층을 차례로 통과하여 고농도 용액측으로 이동하게 되는데, 고전력 밀도의 압력지연삼투 분리막을 구현하기 위해서는 지지층 및 활성층을 통과하는 물의 양이 증가된 고수투과도의 분리막 개발이 필수적이다. In particular, in the case of using the pressure delayed osmosis (PRO) method, when the high concentration solution and the low concentration solution are separated and moved based on the pressure delayed osmosis membrane, the low concentration solution passes through the support layer and the active layer of the membrane in order and moves to the high concentration solution side by osmotic pressure. However, in order to implement a pressure delayed osmosis membrane having a high power density, it is essential to develop a separator having a high water permeability in which the amount of water passing through the support layer and the active layer is increased.
기존 공지된 기술로서, 친수성 다공성 지지층을 이용하여 고성능의 정삼투용 박막 복합체 분리막의 제조방법에 관한 것으로 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 광개시제 및 용제를 혼합하여 예비중합용액을 제조하고 예비중합용액에 광을 조사 및 중합시켜 다공성 지지층을 제조하고 지지층 위에 선택층(활성층)을 형성시켜 고수투과도의 분리막을 제조하는 방법이 알려진 바 있다. 그러나 종래 기술에서 제시한 고수투과도의 다공성 지지층을 제조하기 위해 광을 조사하고 중합시키는 방법은 실제 대용량 분리막 제조공정에서 적용하기에는 매우 복잡하고 원가부담이 높아 상업화하기 어렵다는 문제점이 있었다. As a known technology, it relates to a method of manufacturing a high-performance forward osmosis thin film composite separator using a hydrophilic porous support layer. A prepolymerization solution is prepared by mixing polyethylene glycol diacrylate, a photoinitiator and a solvent, and light is applied to the prepolymerization solution. A method of preparing a porous support layer by irradiation and polymerization and forming a selection layer (active layer) on the support layer to prepare a separator having a high water permeability has been known. However, the method of irradiating and polymerizing light in order to manufacture a porous support layer having a high water permeability suggested in the prior art has a problem that it is very complex to be applied in an actual large-capacity separator manufacturing process and is difficult to commercialize due to high cost burden.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 보다 쉽게 상업화할 수 있으면서도 높은 수투과도 및 고 전력밀도를 확보한 압력지연삼투(PRO) 분리막 및 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention has been conceived to solve the above-described problems, and the problem to be solved by the present invention is a method of manufacturing a pressure delayed osmosis (PRO) separator and module that can be commercialized more easily and secures high water permeability and high power density. To provide.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 압력지연삼투 분리막에 관한 것으로서, 다공성 지지체층, 다공성 친수성 고분자층 및 활성층이 차례대로 적층된 복합막을 포함하고, 상기 다공성 친수성 고분자층은 폴리설폰(polysulfone) 수지 및 설폰화된 폴리설폰(sulfonated polysulfone) 수지 중 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 조액을 코팅 및 상분리시켜 형성시킨 것일 수 있다.The present invention for solving the above problem relates to a pressure delayed osmosis membrane, comprising a porous support layer, a porous hydrophilic polymer layer, and a composite membrane in which an active layer is sequentially stacked, and the porous hydrophilic polymer layer is a polysulfone resin and It may be formed by coating and phase-separating a polymer crude liquid containing at least one selected from among sulfonated polysulfone resins.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 폴리설폰 수지는 하기 화학식 1-1 및 화학식 1-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the polysulfone resin may be a copolymer including a repeating unit represented by Formulas 1-1 and 1-2 below.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
[화학식 1-2][Formula 1-2]
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지는 하기 화학식 2-1 및 화학식 2-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the sulfonated polysulfone resin may be a copolymer including a repeating unit represented by the following Formulas 2-1 and 2-2.
[화학식 2-1][Formula 2-1]
[화학식 2-2][Formula 2-2]
상기 화학식 2-1 및 2-2에서, R1, R2, R3 및 R4 각각은 독립적으로 수소원자, C1 ~ C5의 직쇄형 알킬기, C3 ~ C5의 분쇄형 알킬기 또는 C2 ~ C4의 알킬렌기이다. In Formulas 2-1 and 2-2, each of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is independently a hydrogen atom, a straight chain alkyl group of C1 to C5, a branched alkyl group of C3 to C5 or an alkyl of C2 to C4. It's Rengi.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 폴리설폰 수지는 중량평균분자량 15,000 ~ 100,000g/mol이고, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지는 중량평균분자량 100,000 ~ 200,000g/mol일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the polysulfone resin may have a weight average molecular weight of 15,000 to 100,000 g/mol, and the sulfonated polysulfone resin may have a weight average molecular weight of 100,000 to 200,000 g/mol.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 고분자 조액은 폴리설폰 수지 100 중량부에 대하여, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지를 4 ~ 15 중량부로 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the polymer crude liquid may contain 4 to 15 parts by weight of the sulfonated polysulfone resin based on 100 parts by weight of the polysulfone resin.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 폴리설폰 수지의 설폰화도는 5 ~ 40%일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the sulfonation degree of the polysulfone resin may be 5 to 40%.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 고분자 조액은 점도가 500 ~ 3,000 cP(25℃)일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the polymer crude liquid may have a viscosity of 500 to 3,000 cP (25°C).
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 다공성 지지체층은 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에틸렌, 아크릴, 레이온, 아세테이트 및 셀룰로오스 중에서 선택된 1종 이상의 섬유로 재직된 직물을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the porous support layer may include a fabric made of one or more fibers selected from polyester, polypropylene, nylon, polyethylene, acrylic, rayon, acetate, and cellulose.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 활성층은 폴리아미드계 고분자, 폴리피페라진계 고분자, 폴리페닐렌디아민계 고분자, 폴리클로로페닐렌디아민계 고분자 및 폴리벤지딘계 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the active layer may contain at least one selected from polyamide-based polymer, polypiperazine-based polymer, polyphenylenediamine-based polymer, polychlorophenylenediamine-based polymer, and polybenzidine-based polymer. I can.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 다공성 지지체층은 두께 60 ~ 80㎛이고, 다공성 친수성 고분자층은 두께 30 ~ 80㎛이며, 상기 활성층은 두께 0.1 ~ 1㎛일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the porous support layer may have a thickness of 60 to 80 μm, the porous hydrophilic polymer layer may have a thickness of 30 to 80 μm, and the active layer may have a thickness of 0.1 to 1 μm.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명 압력지연삼투 분리막의 전체 두께는 90.1㎛ ~ 161㎛일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the total thickness of the pressure delayed osmosis membrane of the present invention may be 90.1 μm to 161 μm.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 압력지연삼투(PRO) 분리막은 70,000 ppm의 염화나트륨 수용액에 대해 25℃, 20 bar의 압력 및 0.5 LPM의 유속 조건에서 압력지연삼투 실험하여, 하기 수학식 1에 의거하여 수투과도 측정시, 수투과도가 12 ~ 40 L/m2/hr일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the pressure delayed osmosis (PRO) separator of the present invention is subjected to a pressure delayed osmosis experiment under conditions of a flow rate of 0.5 LPM at 25° C., a pressure of 20 bar and a 70,000 ppm sodium chloride aqueous solution, and the following equation When measuring the water permeability according to 1, the water permeability may be 12 to 40 L/m 2 /hr.
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에서 JW는 수투과도, πdraw은 유도용액 삼투압, πfeed은 유입용액 삼투압, A는 PRO 분리막(membrane)의 수투과 상수, B는 PRO 분리막의 염투과 상수, Km은 1/KR이고, KR은 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 염확산 저항계수, △P는 압력이다.In Equation 1, J W is the water permeability, π draw is the osmotic pressure of the draw solution, π feed is the osmotic pressure of the influent solution, A is the water permeation constant of the PRO membrane, B is the salt permeation constant of the PRO membrane, and K m is 1 /K R , K R is the salt diffusion resistance coefficient of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO membrane, and ΔP is the pressure.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 수학식 1에서 PRO 분리막의 수투과도 상수값(A)이 1 ~ 3.6 L/m2/hr/bar, PRO 분리막의 염투과 상수값(B)이 0.1 ~ 0.8 L/m2/hr일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, in Equation 1, the water permeability constant value (A) of the PRO separator is 1 to 3.6 L/m 2 /hr/bar, and the salt permeability constant value (B) of the PRO separator is 0.1 to It may be 0.8 L/m 2 /hr.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 수투과 상수값 및 염투과 상수값은 1,000 ppm NaCl 수용액, 10bar 조건에서의 염제거율 실험을 통해, 하기 수학식 2에 의거하여 구할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the water permeation constant value and the salt permeation constant value can be obtained based on Equation 2 below through an experiment of a salt removal rate under conditions of 1,000 ppm NaCl aqueous solution and 10 bar.
[수학식 2][Equation 2]
상기 수학식 2에서, A는 PRO 분리막의 수투과 상수, B는 PRO 분리막의 염투과 상수이며, R은 염제거율이고, △P는 압력이며, △π는 유도용액 삼투압과 유입용액 삼투압 차이값이다.In Equation 2, A is the water permeation constant of the PRO membrane, B is the salt permeation constant of the PRO membrane, R is the salt removal rate, ΔP is the pressure, and Δπ is the difference between the osmotic pressure of the draw solution and the osmotic pressure of the input solution. .
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 수학식 1의 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 염확산 저항계수(KR) 및 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 구조상수(S)는 20bar의 가압 조건에서 유도용액으로 70,000 ppm의 NaCl 수용액과 공급용액인 증류수를 이용한 압력지연삼투 실험을 통해, 하기 수학식 3에 의거하여 계산할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the salt diffusion resistance coefficient (K R ) of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO membrane of Equation 1 and the structural constant (S) of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO membrane are derived under a pressure condition of 20 bar. Through a pressure delayed osmosis experiment using 70,000 ppm of NaCl aqueous solution as a solution and distilled water as a feed solution, it can be calculated based on Equation 3 below.
[수학식 3][Equation 3]
상기 수학식 3에서 S(mm)는 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층 의 구조상수이고, Ds는 염확산계수이다.In Equation 3, S (mm) is the structural constant of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO separator, and D s is the salt diffusion coefficient.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 PRO 분리막은 하기 수학식 4에 의거하여 측정시, 전력밀도가 6 ~ 25 W/m2일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PRO separator of the present invention may have a power density of 6 to 25 W/m 2 when measured according to Equation 4 below.
[수학식 4][Equation 4]
상기 수학식 4에서, PRO의 수투과도(L/m2/hr)이고, △P는 압력이다.In Equation 4, PRO is the water permeability (L/m 2 /hr), and ΔP is the pressure.
본 발명의 다른 목적은 앞서 설명한 본 발명의 압력지연삼투 분리막을 제조하는 방법을 제공하는데 있으며, 본 발명의 압력지연삼투 분리막은 폴리설폰 수지 및 설폰화된 폴리설폰 수지 중 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 수지 및 용매를 혼합하여 고분자 조액을 제조하는 1단계; 상기 고분자 조액이 다공성 지지체의 기공 내로 침투하도록 상기 다공성 지지체 상에 상기 고분자 조액을 처리한 후, 상기 고분자 조액을 상전이 시켜 상기 다공성 지지체층 상에 다공성 친수성 고분자층을 형성시키는 2단계; 및 상기 다공성 친수성 고분자층 상에 활성층을 형성시키는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a pressure delayed osmosis membrane of the present invention described above, and the pressure delayed osmosis membrane of the present invention comprises at least one selected from polysulfone resin and sulfonated polysulfone resin. 1 step of preparing a polymer crude liquid by mixing a polymer resin and a solvent; A second step of forming a porous hydrophilic polymer layer on the porous support layer by treating the polymer crude liquid on the porous support so that the polymer crude liquid penetrates into the pores of the porous support, and then performing a phase transition of the polymer crude liquid; And it can be prepared by performing a process comprising a; 3 step of forming an active layer on the porous hydrophilic polymer layer.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 폴리설폰 수지는 상기 화학식 1-1 및 화학식 1-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체일 수 있다. As a preferred embodiment of the present invention, the polysulfone resin may be a copolymer including a repeating unit represented by Formulas 1-1 and 1-2.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지는 상기 화학식 2-1 및 화학식 2-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the sulfonated polysulfone resin may be a copolymer including a repeating unit represented by Chemical Formulas 2-1 and 2-2.
본 발명의 또 다른 목적은 앞서 설명한 압력지연삼투 분리막을 구비한 압력지연삼투 모듈을 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide a pressure delayed osmosis module provided with the pressure delayed osmosis membrane described above.
본 발명의 압력지연삼투(PRO) 분리막은 고수투과도 및 고전력 밀도를 갖는 압력지연삼투 분리막 및 모듈을 구현할 수 있다. 특히 친수성 고분자를 고분자 지지층에 첨가하여 쉽게 고수투과도를 구현할 수 있으며, 이로 인하여 대용량 분리막 생산공정에 적합하고 실용 가능한 고전력 밀도의 압력지연삼투 분리막 및 제조방법을 제공할 수 있다. The pressure delayed osmosis (PRO) membrane of the present invention can implement a pressure delayed osmosis membrane and module having high water permeability and high power density. In particular, by adding a hydrophilic polymer to the polymer support layer, a high water permeability can be easily achieved, and thus, a pressure delayed osmosis membrane and a manufacturing method of a high power density suitable and practical for a large-capacity separation membrane production process can be provided.
도 1은 RO 및 PRO 공정에 사용되는 분리막 단면도 및 이의 파울링 현상을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력지연삼투(PRO) 분리막의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PRO 분리막 단면의 SEM 측정 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력지연 삼투막 모듈의 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a cross-sectional view of a separator used in RO and PRO processes and a fouling phenomenon thereof.
2 is a schematic cross-sectional view of a pressure delayed osmosis (PRO) separation membrane according to an embodiment of the present invention.
3 is a SEM measurement photograph of a cross section of a PRO separator according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram of a pressure delay osmotic membrane module according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명에 대해서 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
상술한 바와 같이 종래의 친수성 다공성 지지층을 이용하여 고성능의 정삼투용 박막 복합체 분리막의 제조방법은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 광개시제 및 용제를 혼합하여 예비중합용액을 제조하고 예비중합용액에 광을 조사하여 중합시켜 다공성 지지층을 제조하고 지지층 위에 선택층을 형성시켜 고수투과도의 분리막을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 종래 기술에서 제시한 고수투과도의 다공성 지지층를 제조하기 위해 광을 조사하고 중합시키는 방법은 실제 대용량 분리막 제조공정에서 적용하기에는 매우 복잡하고 원가부담이 높아 상업화하기 어렵다는 문제점이 있었다.As described above, the method of manufacturing a high-performance forward osmosis thin film composite separator using a conventional hydrophilic porous support layer is to prepare a prepolymerization solution by mixing polyethylene glycol diacrylate, a photoinitiator and a solvent, and irradiate light to the prepolymerization solution. A method of preparing a porous support layer by polymerization and forming a selection layer on the support layer to prepare a separator having a high water permeability is disclosed. However, the method of irradiating and polymerizing light in order to prepare a porous support layer having a high water permeability proposed in the prior art is very complicated to be applied in an actual large-capacity separator manufacturing process and has a problem that it is difficult to commercialize it due to high cost burden.
도 1에 도시된 바와 같이 압력지연삼투(이하, PRO로 칭함) 공정은 RO(Reverse Osmosis) 및 FO(Forward Osmosis)공정과 달리 삼투 구배에 따라 플럭스(flux)의 이동 방향이 PRO 분리막의 이면(backing layer)에서 활성층(active layer) 또는 선택층으로 이동하게 되며, 이에 따라 PRO 분리막의 이면 측으로 파울링 현상이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 파울링은 PRO 분리막의 성능 저하를 야기하고 막 모듈 교체 및 CIP 세정 주기를 단축시켜 공정의 유지 보수 비용이 증가하는 문제점이 있다.As shown in Figure 1, the pressure delayed osmosis (hereinafter referred to as PRO) process differs from the RO (Reverse Osmosis) and FO (Forward Osmosis) processes, and the direction of movement of the flux according to the osmotic gradient is the rear surface of the PRO membrane ( The backing layer) moves to the active layer or the selection layer, and thus there is a problem in that a fouling phenomenon occurs toward the back side of the PRO separator. Such fouling causes the degradation of the PRO separator and shortens the membrane module replacement and CIP cleaning cycle, thereby increasing the maintenance cost of the process.
이에 본 발명은 도 2에 개략도로 나타낸 바와 같이, 다공성 지지체층(12)에 다공성 친수성 고분자층(12)을 형성시키고, 상기 지지층의 상면에 배치된 활성층(13)을 형성시킴으로써, 고수투과도 및 고전력 밀도를 가지는 압력지연삼투 분리막(이하, PRO 분리막, 10) 및 이를 용이하게 제조하고, 상용화가 가능한 제조방법을 제공할 수 있는 발명이다.Accordingly, the present invention is a high water permeability and high power by forming a porous
또한, 본 발명의 PRO 분리막을 이용하여, 고전력 밀도의 압력지연삼투모듈을 제공할 수도 있다.In addition, by using the PRO separation membrane of the present invention, it is possible to provide a pressure delayed osmosis module having a high power density.
본 발명의 PRO 분리막은 친수성 고분자 수지 및 용매를 혼합하여 고분자 조액을 제조하는 1단계; 상기 고분자 조액이 다공성 지지체의 기공 내로 침투하도록 상기 다공성 지지체 상에 상기 고분자 조액을 처리한 후, 상기 고분자 조액을 상전이시켜 상기 다공성 지지체층 상에 다공성 친수성 고분자층을 형성시키는 2단계; 및 상기 다공성 친수성 고분자층 상에 활성층을 형성시키는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조하여, 도 2의 개략도와 같은 구조를 지닌 PRO 분리막을 제조할 수 있다.The PRO separator of the present invention comprises a first step of preparing a polymer crude liquid by mixing a hydrophilic polymer resin and a solvent; A second step of forming a porous hydrophilic polymer layer on the porous support layer by processing the polymer crude liquid on the porous support so that the polymer crude liquid penetrates into the pores of the porous support, and then phase-transferring the polymer crude liquid; And 3 steps of forming an active layer on the porous hydrophilic polymer layer; by performing a process including, a PRO separator having a structure as in the schematic diagram of FIG. 2 may be manufactured.
또한, 본 발명의 PRO 분리막 제조방법은 미반응 잔여물을 제거하기 위해서, 3단계의 활성층이 형성된 적층체를 세척 및 건조시키는 4단계;를 더 포함할 수도 있다.In addition, the PRO separation membrane manufacturing method of the present invention may further include a fourth step of washing and drying the laminate having the active layer formed thereon in order to remove the unreacted residue.
1단계에 있어서, 상기 친수성 고분자 수지는 술폰화된 폴리설폰 수지 및 설폰화된 폴리에테르술폰 수지 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 In step 1, the hydrophilic polymer resin may include at least one selected from a sulfonated polysulfone resin and a sulfonated polyethersulfone resin, preferably
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면 상기 친수성 고분자 수지는 폴리설폰, 설폰화된 폴리설폰 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 폴리설폰 수지 100 중량부에 대하여, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지를 4 ~ 25 중량부로, 더욱 바람직하게는 폴리설폰 수지 100 중량부에 대하여, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지를 5 ~ 15 중량부로 포함할 수 있다. 이때, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지 사용량이 4 중량부 미만이면 분리막의 친수성이 발현되지 않아 수투과도가 낮아질 수 있는 문제가 있을 수 있고, 25 중량부를 초과하면 분리막의 구조가 변형되어 낮은 다공성 및 내압성이 발생되는 문제가 있을 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the hydrophilic polymer resin may include at least one of polysulfone and sulfonated polysulfone, and the sulfonated polysulfone resin is 4 parts by weight based on 100 parts by weight of the polysulfone resin. In ~ 25 parts by weight, more preferably, based on 100 parts by weight of the polysulfone resin, the sulfonated polysulfone resin may be included in an amount of 5 to 15 parts by weight. At this time, if the amount of the sulfonated polysulfone resin used is less than 4 parts by weight, there may be a problem that the hydrophilicity of the separator may not be expressed, so that the water permeability may be lowered. If it exceeds 25 parts by weight, the structure of the separator is deformed, resulting in low porosity and pressure resistance. There may be a problem with this occurring.
그리고, 상기 폴리설폰 수지는 하기 화학식 1-1 및 화학식 1-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함할 수 있으며, 폴리설폰 수지의 중량평균분자량은 15,000 ~ 100,000g/mol, 바람직하게는 20,000 ~ 65,000 g/mol, 더욱 바람직하게는 20,000 ~ 40,000 g/mol일 수 있다. 그리고, 폴리설폰 수지의 설폰화도는 5 ~ 40%, 바람직하게는 20 ~ 40%일 수 있다. 이때, 설폰화도가 5% 이하인 경우에는 분리막의 친수화도가 저감되어 수투과도가 감소하게 되고 압력지연삼투 분리막의 전력밀도가 낮아질 수 있으며, 설폰화도가 40%를 초과하는 경우 PRO 분리막의 내압성이 낮아지고, 염제거율이 낮아지는 문제가 있을 수 있다. In addition, the polysulfone resin may include a copolymer including a repeating unit represented by Formulas 1-1 and 1-2 below, and the weight average molecular weight of the polysulfone resin is 15,000 to 100,000 g/mol, preferably May be 20,000 to 65,000 g/mol, more preferably 20,000 to 40,000 g/mol. In addition, the degree of sulfonation of the polysulfone resin may be 5 to 40%, preferably 20 to 40%. At this time, when the degree of sulfonation is less than 5%, the degree of hydrophilicity of the separation membrane is reduced, resulting in a decrease in water permeability, and the power density of the pressure-delayed osmosis membrane may be lowered.If the degree of sulfonation exceeds 40%, the pressure resistance of the PRO membrane is low. There may be a problem that the salt removal rate is lowered.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
[화학식 1-2][Formula 1-2]
또한, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지는 하기 화학식 2-1 및 화학식 2-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함할 수 있다.In addition, the sulfonated polysulfone resin may include a copolymer including a repeating unit represented by Formulas 2-1 and 2-2 below.
[화학식 2-1][Formula 2-1]
[화학식 2-2][Formula 2-2]
상기 화학식 2-1 및 2-2에서, R1, R2, R3 및 R4 각각은 독립적으로 수소원자, C1 ~ C5의 직쇄형 알킬기, C3 ~ C5의 분쇄형 알킬기 또는 C2 ~ C4의 알킬렌기이며, 바람직하게는 R1, R2, R3 및 R4 각각은 독립적으로 수소원자, C1 ~ C5의 직쇄형 알킬기 또는 C3 ~ C5의 분쇄형 알킬기일 수 있고, 더욱 바람직하게는 C1 ~ C3의 직쇄형 알킬기일 수 있다.In Formulas 2-1 and 2-2, each of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is independently a hydrogen atom, a straight chain alkyl group of C1 to C5, a branched alkyl group of C3 to C5 or an alkyl of C2 to C4. It is a ren group, and preferably each of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be independently a hydrogen atom, a straight chain alkyl group of C1 to C5 or a branched alkyl group of C3 to C5, and more preferably C1 to C3 It may be a straight-chain alkyl group of.
상기 친수성 고분자 수지 중 상기 설폰화된 폴리설폰 수지는 중량평균분자량 100,000 ~ 200,000g/mol, 바람직하게는 120,000 ~ 180,000g/mol, 더욱 바람직하게는 130,000 ~ 165,000g/mol일 수 있다. 이때, 설폰화된 폴리설폰 수지 중량평균분자량이 100,000 g/mol 미만이면 분리막의 구조에 영향을 미치고, 활성층이 불안정해져 염제거율이 감소할 수 있는 문제가 있을 수 있고, 설폰화된 폴리설폰 수지 중량평균분자량이 200,000 g/mol을 초과하면 다공성 친수성 고분자층의 친수화도가 감소하여 수투과도가 낮아지는 문제가 있을 수 있다.Among the hydrophilic polymer resins, the sulfonated polysulfone resin may have a weight average molecular weight of 100,000 to 200,000 g/mol, preferably 120,000 to 180,000 g/mol, more preferably 130,000 to 165,000 g/mol. At this time, if the weight average molecular weight of the sulfonated polysulfone resin is less than 100,000 g/mol, the structure of the separator may be affected, and the active layer may become unstable, resulting in a decrease in the salt removal rate, and the weight of the sulfonated polysulfone resin If the average molecular weight exceeds 200,000 g/mol, the hydrophilicity of the porous hydrophilic polymer layer may decrease, resulting in a problem of lowering the water permeability.
그리고, 상기 다공성 친수성 고분자층 형성에 사용되는 고분자 조액은 상기 친수성 고분자 수지와 용매를 혼합하여 제조하며, 상기 고분자 조액은 점도가 500 ~ 3,000 cP(25℃), 바람직하게는 900 ~ 2,800 cP(25℃), 더욱 바람직하게는 1,250 ~ 2,500 cP(25℃)인 것이 좋다. 이때, 고분자 조액의 점도가 500cP 이하일 경우 수투과도는 증가할 수 있으나 내압성이 감소하여 고압에서의 운전이 불가하게 될 수 있고, 3,000 cP 이상일 경우에는 수투과도가 감소하여 압력지연삼투 분리막의 전력밀도가 낮아질 수 있으며 높은 점도로 인해 다공성 지지체층과 다공성 친수성 고분자층과의 결합력이 약해져 탈리 현상이 발생할 수 있으며 다공성 친수성 고반자층 표면이 불안정하게 되어 염제거율이 낮아지는 단점이 있을 수 있다.In addition, the polymer crude liquid used to form the porous hydrophilic polymer layer is prepared by mixing the hydrophilic polymer resin and a solvent, and the polymer crude liquid has a viscosity of 500 to 3,000 cP (25°C), preferably 900 to 2,800 cP (25 ℃), more preferably 1,250 ~ 2,500 cP (25 ℃) is good. At this time, when the viscosity of the polymer crude liquid is less than 500 cP, the water permeability may increase, but the pressure resistance decreases, making it impossible to operate at high pressure. When the viscosity of the polymer crude liquid is more than 3,000 cP, the water permeability decreases and the power density of the pressure delayed osmosis membrane decreases. Due to the high viscosity, the bonding strength between the porous support layer and the porous hydrophilic polymer layer may be weakened, resulting in a desorption phenomenon, and the surface of the porous hydrophilic polymer layer may become unstable, resulting in a low salt removal rate.
1단계에 있어서, 상기 다공성 지지체층은 지지체층은 통상적으로 압력지연삼투막 지지체에 사용될 수 있는 것이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에틸렌, 아크릴, 레이온, 아세테이트 및 셀룰로오스 중에서 선택된 1종 이상의 섬유로 재직된 직물을 포함할 수 있다. In step 1, the porous support layer may be used without limitation, as long as the support layer is generally used for a pressure delayed osmosis membrane support, and preferably polyester, polypropylene, nylon, polyethylene, acrylic, rayon, acetate and It may include a fabric served with one or more fibers selected from cellulose.
그리고, 상기 다공성 지지체의 기공도와 두께에 따라 분리막의 성능이 향상될 수 있다. 지지체의 구조 및 두께는 PRO 분리막 구조상수인 S값에 영향을 미치기 때문에 지지체 선정에 따라 분리막의 전력밀도가 변할 수 있다. 일례로 공기투과도가 우수한 지지체를 사용할 경우 S 값은 감소하여 고수투과도 및 고전력 밀도의 압력지연삼투 분리막을 구현할 수 있으며 지지체의 두께가 감소하면 고성능의 압력지연삼투 분리막을 제조할 수 있다. 하지만 공기투과도가 700 cc/m2/sec를 초과한 지지체를 사용할 경우 고분자 지지층이 올바르게 지지체 위에 도포되지 않아 분리막의 형태가 불안정해지고 여과층 형성에 영향을 미쳐 염제거율이 낮아지는 단점이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 다공성 지지체는 공기투과도가 50 ~ 700 cc/m2/sec, 바람직하게는 80 ~ 500 cc/m2/sec, 더욱 바람직하게는 90 ~ 400 cc/cm2·sec인 것을 사용하는 것이 좋다.In addition, the performance of the separator may be improved depending on the porosity and thickness of the porous support. Since the structure and thickness of the support affects the S value, which is the structural constant of the PRO separator, the power density of the separator may change depending on the selection of the support. For example, when a support having excellent air permeability is used, the S value decreases to implement a pressure delayed osmosis membrane having high water permeability and high power density, and when the thickness of the support is decreased, a high performance pressure delayed osmosis membrane can be manufactured. However, if a support with an air permeability exceeding 700 cc/m 2 /sec is used, the polymer support layer is not properly applied on the support, resulting in unstable shape of the separator and affecting the formation of the filtration layer, resulting in a disadvantage of lowering the salt removal rate . Therefore, the porous support is used with an air permeability of 50 to 700 cc/m 2 /sec, preferably 80 to 500 cc/m 2 /sec, more preferably 90 to 400 cc/cm 2 ·sec. good.
다음으로, 2단계는 다공성 지지체층 상부에 다공성 친수성 고분자층을 형성시키는 공정으로서, 다공성 지지체의 일면에 1단계에서 제조한 상기 고분자 조액을 도포한 후, 비용매가 담긴 응고조에 침지시켜, 상분리(상전이)를 유도하여 다공성 친수성 고분자층을 다공성 지지체층 상부에 형성시켜서 2층 구조의 적층체를 제조한다. 여기서, 상기 비용매로는 물, 에탄올, 이소프로필알코올 및 메탄올 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 있으며, 바람직하게는 물 및/또는 이소프로필알코올을 사용할 수 있다.Next, step 2 is a process of forming a porous hydrophilic polymer layer on top of the porous support layer.After applying the polymer crude solution prepared in step 1 to one side of the porous support, it is immersed in a coagulation bath containing a non-solvent, and phase separation (phase transition ) To form a porous hydrophilic polymer layer on top of the porous support layer to prepare a two-layered laminate. Here, as the non-solvent, at least one selected from water, ethanol, isopropyl alcohol and methanol may be used, and water and/or isopropyl alcohol may be preferably used.
다음으로, 상기 3단계는 2단계에서 제조한 적층체의 다공성 친수성 고분자층 상부에 활성층을 형성시키는 공정으로서, 2단계는 적층체를 다관능성 아민 또는 알킬화된 지방족 아민을 포함하는 수용액에 침지시키는 3-1단계; 적층체 표면의 비용매를 제거하는 3-2단계; 비용매가 제거된 적층체를 다관능성 산할로겐 화합물을 함유한 유기용액에 침지시켜서 계면중합을 수행하는 3-3단계; 및 계면중합된 적층체를 건조시켜서 활성층을 형성시키는 3-4단계;를 포함하는 공정일 수 있다.Next, the third step is a process of forming an active layer on the porous hydrophilic polymer layer of the laminate prepared in step 2, and the second step is 3 in which the laminate is immersed in an aqueous solution containing a polyfunctional amine or an alkylated aliphatic amine. -Level 1; 3-2 step of removing the non-solvent from the surface of the laminate; 3-3 step of performing interfacial polymerization by immersing the laminate from which the non-solvent has been removed in an organic solution containing a polyfunctional acid halogen compound; And 3-4 steps of drying the interfacially polymerized laminate to form an active layer.
상기 활성층은 폴리아미드계 고분자, 폴리피페라진계 고분자, 폴리페닐렌디아민계 고분자, 폴리클로로페닐렌디아민계 고분자 및 폴리벤지딘계 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리아미드계 고분자를 포함하는 층일 수 있다.The active layer may include at least one selected from polyamide-based polymers, polypiperazine-based polymers, polyphenylenediamine-based polymers, polychlorophenylenediamine-based polymers, and polybenzidine-based polymers, and preferably polyamide-based It may be a layer containing a polymer.
상기 3단계의 활성층이 폴리아미드계 화합물로 구성된 폴리아미드계 활성층인 경우를 기준으로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.When the active layer in the third step is a polyamide-based active layer composed of a polyamide-based compound, it will be described in detail as follows.
3-1단계는 상기 적층체를 1.5 ~ 3.8 중량% 농도의 다관능성 아민 또는 알킬화된 지방족 아민을 포함하는 수용액에 30초 ~ 300 초간, 바람직하게는 2.0 ~ 3.8 중량% 농도의 다관능성 아민 또는 알킬화된 지방족 아민을 포함하는 수용액에 40초 ~ 200 초간, 더욱 바람직하게는 2.5 ~ 3.5 중량% 농도의 다관능성 아민 또는 알킬화된 지방족 아민을 포함하는 수용액에 침지시켜서 수행한다. 이때, 수용액 내 다관능성 아민 또는 알킬화된 지방족 아민의 농도가 1.5 중량% 미만이면 2-3 단계의 계면중합 반응이 충분하게 형성되지 않아서 활성층이 고르게 형성되지 않는 문제가 있을 수 있고, 수용액 내 다관능성 아민 또는 알킬화된 지방족 아민의 농도가 3.8 중량%를 초과하면 제조된 PRO 분리막의 수투과 상수(L/m2/hr/bar)가 너무 낮거나, PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층 의 구조상수(S,mm)가 너무 높아져서, PRO 분리막의 수투과도 및/또는 전력밀도가 매우 저조한 문제가 있을 수 있다.Step 3-1 is the multifunctional amine or alkylation of the layered product in an aqueous solution containing 1.5 to 3.8% by weight of a polyfunctional amine or an alkylated aliphatic amine for 30 seconds to 300 seconds, preferably at a concentration of 2.0 to 3.8% by weight. It is carried out by immersing in an aqueous solution containing a polyfunctional amine or an alkylated aliphatic amine at a concentration of 2.5 to 3.5% by weight for 40 seconds to 200 seconds, more preferably in an aqueous solution containing the aliphatic amine. At this time, if the concentration of the polyfunctional amine or the alkylated aliphatic amine in the aqueous solution is less than 1.5% by weight, there may be a problem in that the interfacial polymerization reaction of 2-3 steps is not sufficiently formed and the active layer is not formed evenly, and the polyfunctionality in the aqueous solution If the concentration of amine or alkylated aliphatic amine exceeds 3.8% by weight, the water permeation constant (L/m 2 /hr/bar) of the produced PRO membrane is too low, or the structural constant of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO membrane (S ,mm) is too high, there may be a problem that the water permeability and/or power density of the PRO separator is very low.
그리고, 상기 다관능성 아민은 메타페닐디아민, 파라페닐디아민, 오르소페닐디아민, 피페라진 및 알킬화된 피페라진 중에서 선택된 1종 이상을, 바람직하게는 메타페닐디아민, 파라페닐디아민 및 오르소페닐디아민 중에서 선택된 1종 이상을, 더욱 바람직하게는 메타페닐디아민 및 파라페닐디아민 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the polyfunctional amine is at least one selected from metaphenyldiamine, paraphenyldiamine, orthophenyldiamine, piperazine, and alkylated piperazine, preferably from metaphenyldiamine, paraphenyldiamine and orthophenyldiamine. It may include at least one selected, more preferably at least one selected from metaphenyldiamine and paraphenyldiamine.
또한, 3-1단계의 다관능성 아민 또는 알킬화된 지방족 아민을 포함하는 수용액은 하이드록실기, 설폰화기, 카르보닐기, 트리알콕시실란기, 음이온기 및 3급 아미노기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 친수성 기능기를 가지는 친수성 화합물을 더 포함할 수도 있다.In addition, the aqueous solution containing the polyfunctional amine or the alkylated aliphatic amine of step 3-1 is at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, a sulfonated group, a carbonyl group, a trialkoxysilane group, an anionic group, and a tertiary amino group. It may further contain a hydrophilic compound having a hydrophilic functional group.
더욱 구체적으로는, 하이드록시기를 가지는 친수성 화합물의 바람직한 일례로는 1,3-디아미노-2-프로판올, 에탄올아민, 디에탄올아민, 3-아미노-1-프로판올, 4-아미노-1-부탄올, 2-아미노-1-부탄올 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.More specifically, preferred examples of the hydrophilic compound having a hydroxy group include 1,3-diamino-2-propanol, ethanolamine, diethanolamine, 3-amino-1-propanol, 4-amino-1-butanol, It may contain at least one selected from 2-amino-1-butanol.
또한, 카르보닐기를 가지는 친수성 화합물은 아미노아세트알데히드 디메틸아세탈, α-아미노부틸로락톤, 3-아미노벤즈아미드, 4-아미노벤즈아미드 및 N-(3-아미노프로필)-2-피롤리디논 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the hydrophilic compound having a carbonyl group is 1 selected from aminoacetaldehyde dimethylacetal, α-aminobutylrolactone, 3-aminobenzamide, 4-aminobenzamide and N-(3-aminopropyl)-2-pyrrolidinone It may contain more than one species.
또한, 트리알콕시실란기를 함유한 친수성 화합물은 (3-아미노프로필)트리에톡시실란 또는 (3-아미노프로필)트리메톡시실란 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the hydrophilic compound containing a trialkoxysilane group may include at least one selected from (3-aminopropyl)triethoxysilane or (3-aminopropyl)trimethoxysilane.
또한, 상기 음이온기를 가지는 친수성 화합물로는 글리신, 타우린, 3-아미노-1-프 로펜설포닉 엑시드, 4-아미노-1-부텐설포닉 엑시드, 2-아미노에틸 하이드로젠 설페이트, 3-아미노벤젠설포닉 엑시드, 3-아미노-4-하이드록시벤젠설포닉 엑시드, 4-아미노벤젠설포닉 엑시드, 3-아미노프로필포스포닉 엑시드, 3-아미노-4-하이드록시벤조익 엑시드, 4-아미노-3-하이드록시벤조익 엑시드, 6-아미노헥센오익엑시드, 3-아미노부탄오익 엑시드, 4-아미노-2-하이드록시부티릭 엑시드, 4-아미노부티릭 엑시드 및 글루타믹 엑시드 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the hydrophilic compounds having an anionic group include glycine, taurine, 3-amino-1-propenesulphonic acid, 4-amino-1-butenesulphonic acid, 2-aminoethyl hydrogen sulfate, and 3-aminobenzenesulphate. Phonic acid, 3-amino-4-hydroxybenzenesulphonic acid, 4-aminobenzenesulphonic acid, 3-aminopropylphosphonic acid, 3-amino-4-hydroxybenzoic acid, 4-amino-3- Including at least one selected from hydroxybenzoic acid, 6-aminohexenoic acid, 3-aminobutanoic acid, 4-amino-2-hydroxybutyric acid, 4-aminobutyric acid, and glutamic acid can do.
또한, 3급 아미노기를 가지는 친수성 화합물로는 3-(디메틸아미노)프로필아민, 3-(디에틸아미노)프로필아민, 4-(2-아미노에틸)모폴린, 1-(2-아미노에틸)피페라진, 3,3'-디아미노-N-메틸디프로필아민 및 1-(3-아미노프로필)이미다졸 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, as hydrophilic compounds having a tertiary amino group, 3-(dimethylamino)propylamine, 3-(diethylamino)propylamine, 4-(2-aminoethyl)morpholine, 1-(2-aminoethyl)pipe It may contain at least one selected from ragine, 3,3'-diamino-N-methyldipropylamine, and 1-(3-aminopropyl)imidazole.
3-2단계의 적층체의 표면에 묻은 비용매를 제거하는 방법은 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 통해 수행할 수 있으며, 바람직한 일례로는 압착 방법으로 비용매를 제거할 수 있다.The method of removing the non-solvent from the surface of the layered product in step 3-2 may be performed by a general method used in the art, and as a preferred example, the non-solvent may be removed by a compression method.
3-3단계는 계면중합을 수행하는 단계로서, 비용매가 제거된 유기용액에 상온(10 ~ 35℃) 하에서 30초 ~ 300초, 바람직하게는 40초 ~ 180초, 더욱 바람직하게는 50초 ~ 120초 정도 침지시켜서 적층체 표면에 존재하는 다관능성 아민 또는 알킬화된 지방족 아민과 다관능성 산할로겐 화합물이 계면 중합을 수행하여 폴리아미드계 화합물을 포함하는 활성층을 형성하게 된다.Step 3-3 is a step of performing interfacial polymerization, in the organic solution from which the non-solvent has been removed, at room temperature (10 to 35°C) for 30 seconds to 300 seconds, preferably 40 seconds to 180 seconds, more preferably 50 seconds to By immersing for about 120 seconds, the polyfunctional amine or the alkylated aliphatic amine present on the surface of the laminate and the polyfunctional acid halogen compound undergo interfacial polymerization to form an active layer including the polyamide compound.
이때, 상기 유기용액은 다관능성 산할로겐 화합물 및 유기용매를 포함하며, 이때, 상기 유기용매는 헥산, 톨루엔, 사이클로헥산 및 헵탄 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. At this time, the organic solution includes a polyfunctional acid halogen compound and an organic solvent, wherein the organic solvent may include at least one selected from hexane, toluene, cyclohexane, and heptane.
그리고, 상기 다관능성 산할로겐화합물은 다관능성 아실할라이드, 다관능성 술포닐할라이드 및 다관능성 이소시아네이트 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 좀 더 구체적으로는 트리메조일클로라이드, 이소프탈로일클로라이드 및 테레프탈로일클로라이드 중에서 선택된 1종 이상의 다관능성 아실할라이드를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 트리메조일클로라이드를 포함할 수 있다. In addition, the polyfunctional acid halogen compound may include at least one selected from a polyfunctional acyl halide, a polyfunctional sulfonyl halide, and a polyfunctional isocyanate. More specifically, at least one polyfunctional acyl halide selected from trimesoyl chloride, isophthaloyl chloride and terephthaloyl chloride may be included, and preferably trimesoyl chloride may be included.
그리고, 상기 유기용액은 다관능성 산할로겐화합물의 농도가 0.1 ~ 0.5 중량%, 바람직하게는 0.15 ~ 0.40 중량%일 수 있으며, 다관능성 산할로겐화합물의 농도가 0.1 중량% 미만이면 충분한 계면중합 반응생성물이 부족하여 활성층이 잘 형성되지 않을 수 있으며, 0.5 중량%를 초과하면 활성층이 두껍게 형성되어 수투과도가 감소하는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 농도 범위의 유기용액을 사용하는 것이 좋다. In addition, the organic solution may have a concentration of the polyfunctional acid halogen compound of 0.1 to 0.5% by weight, preferably 0.15 to 0.40% by weight, and if the concentration of the polyfunctional acid halogen compound is less than 0.1% by weight, a sufficient interfacial polymerization reaction product Due to the lack of this, the active layer may not be formed well, and if the amount exceeds 0.5% by weight, the active layer may be formed thick and there may be a problem that the water permeability decreases. Therefore, it is preferable to use an organic solution in the above concentration range.
이렇게 형성된 활성층은 PRO 분리막의 조밀한 표면층으로 형성되어 내압성에 강한 구조를 형성할 수 있으며 동시에 박막형 친수성 선택층이 균일한 크기의 기공을 유지하여 높은 염배제율을 확보할 수 있다.The active layer thus formed can be formed as a dense surface layer of the PRO separator to form a structure with strong pressure resistance, and at the same time, the thin-film hydrophilic selective layer can maintain a uniform size of pores to secure a high salt exclusion rate.
상기 3-4 단계는 계면중합반응을 수행한 적층체를 건조시켜서 활성층을 형성시키는 공정이다. 이때, 상기 건조는 당업계에서 사용하는 일반적인 방법으로 수행할 수 있으며, 바람직한 일례를 들면, 15 ~ 35℃ 하에서 1분 ~ 5분간 자연건조시켜서 수행할 수 있다. Step 3-4 is a process of forming an active layer by drying the laminate subjected to the interfacial polymerization reaction. In this case, the drying may be performed by a general method used in the art, and a preferred example may be performed by naturally drying for 1 minute to 5 minutes at 15 to 35°C.
이렇게 제조된 본 발명의 PRO 분리막은 다공성 지지체층, 다공성 친수성 고분자층 및 활성층이 차례대로 적층된 형태이며, 상기 다공성 지지체층은 두께 60 ~ 80㎛, 바람직하게는 65 ~ 75㎛일 수 있다. 이때, 다공성 지지체층의 두께가 60㎛ 미만이면 그리고 지지체의 두께가 60㎛ 미만인 경우에는 내압성이 낮아져 고압 운전조건에서는 활용하지 못하여 PRO 분리막으로서의 기능을 제대로 수행할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 80㎛를 초과하면 PRO 분리막 구조상수인 S값이 증가하고 수투과도는 감소하여 전력밀도가 낮아지는 문제가 있을 수 있다.The PRO separator of the present invention thus prepared has a form in which a porous support layer, a porous hydrophilic polymer layer, and an active layer are sequentially stacked, and the porous support layer may have a thickness of 60 to 80 μm, preferably 65 to 75 μm. At this time, if the thickness of the porous support layer is less than 60㎛, and if the thickness of the support is less than 60㎛, the pressure resistance is low, so that it cannot be utilized under high pressure operation conditions, so that the function as a PRO separator may not be performed properly. If it exceeds, the S value, which is the structural constant of the PRO membrane, increases and the water permeability decreases, resulting in a problem of lowering the power density.
그리고, 상기 다공성 친수성 고분자층은 두께 30 ~ 80㎛, 바람직하게는 35 ~ 75㎛, 더욱 바람직하게는 40 ~ 65㎛일 수 있다. 이때, 다공성 친수성 고분자층은 두께가 30㎛ 미만이면 내압성이 약해지는 문제가 있을 수 있고, 80㎛를 초과하면 분리막 구조상수가 증가하여 수투과도가 저하되는 문제가 있을 수 있다.In addition, the porous hydrophilic polymer layer may have a thickness of 30 to 80 μm, preferably 35 to 75 μm, more preferably 40 to 65 μm. At this time, when the thickness of the porous hydrophilic polymer layer is less than 30 μm, the pressure resistance may be weakened, and when the thickness of the porous hydrophilic polymer layer is less than 80 μm, there may be a problem in that the separator structure constant increases and water permeability decreases.
그리고, 상기 활성층은 두께 0.1 ~ 1㎛, 바람직하게는 두께 0.2 ~ 0.8㎛일 수 있으며, 활성층의 두께가 0.1 ㎛ 미만이면 역염투과상수가 증가하는 문제가 있을 수 있고, 활성층의 두께가 1㎛를 초과하면 수투과도가 저하되는는 문제가 있을 수 있다.In addition, the active layer may have a thickness of 0.1 to 1 μm, preferably 0.2 to 0.8 μm, and if the thickness of the active layer is less than 0.1 μm, there may be a problem that the reverse salt transmission constant increases, and the thickness of the active layer is 1 μm. If it is exceeded, there may be a problem that the water permeability decreases.
이러한, 본 발명의 PRO 분리막은 전체 두께는 90.1㎛ ~ 161㎛, 바람직하게는 95 ~ 145㎛, 더욱 바람직하게는 100 ~ 140㎛인 적정 수투과도, 전력밀도 측면에서 좋다.Such, the PRO separation membrane of the present invention has an overall thickness of 90.1 μm to 161 μm, preferably 95 to 145 μm, more preferably 100 to 140 μm, which is good in terms of proper water permeability and power density.
본 발명의 PRO 분리막은 70,000 ppm의 염화나트륨 수용액에 대해 25℃, 20 bar의 압력 및 0.5 LPM의 유속 조건에서 압력지연삼투 실험하여, 하기 수학식 1에 의거하여 수투과도(JW) 측정시, 수투과도가 12 ~ 40 L/m2/hr, 바람직하게는 14 ~ 38 L/m2/hr, 더욱 바람직하게는 14.5 ~ 35 L/m2/hr 일 수 있다.The PRO separation membrane of the present invention is subjected to a pressure delayed osmosis experiment at 25° C., a pressure of 20 bar and a flow rate of 0.5 LPM for an aqueous solution of 70,000 ppm sodium chloride, and the water permeability (J W ) is measured according to the following equation The transmittance may be 12 to 40 L/m 2 /hr, preferably 14 to 38 L/m 2 /hr, more preferably 14.5 to 35 L/m 2 /hr.
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에서 JW는 수투과도, πdraw은 유도용액 삼투압, πfeed은 유입용액 삼투압, A는 PRO 분리막(membrane)의 수투과 상수, B는 PRO 분리막의 염투과 상수, Km은 1/KR이고, KR은 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 염확산 저항계수, △P는 압력이다.In Equation 1, J W is the water permeability, π draw is the osmotic pressure of the draw solution, π feed is the osmotic pressure of the influent solution, A is the water permeation constant of the PRO membrane, B is the salt permeation constant of the PRO membrane, and K m is 1 /K R , K R is the salt diffusion resistance coefficient of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO membrane, and ΔP is the pressure.
실제 압력지연삼투 공정에서는 1) 염투과로 인한 삼투압 손실, 2) 지지층내에서 염 확산의 방해로 인한 유효삼투압 저하 3) 여과층에서의 유도용액 희석이 작용하기 때문에 투과유량이 감소할 수 있다. 이 3 가지의 영향은 각각 염투과상수 B, 지지층 구조상수 S를 포함하는 확산 저항 값 그리고 유도용액의 유체흐름과 수투과 양이 관계된 수투과도 상수 A로 표현될 수 있다. In the actual pressure delayed osmosis process, 1) osmotic pressure loss due to salt permeation, 2) effective osmotic pressure decrease due to disturbance of salt diffusion in the support layer, and 3) dilution of the draw solution in the filter layer can reduce the permeate flow rate. These three effects can be expressed by the diffusion resistance value including the salt permeability constant B, the support layer structure constant S, and the water permeability constant A, which is related to the fluid flow and water permeation amount of the draw solution.
그리고, 본 발명의 PRO 분리막은 상기 수학식 1에서 PRO 분리막의 수투과도 상수값(A)이 1 ~ 3.6 L/m2/hr/bar, 바람직하게는 1.10 ~ 3.00 L/m2/hr/bar, 더욱 바람직하게는 1.15 ~ 2.90 L/m2/hr/bar의 범위를 만족할 수 있다. 이때, 수투과도 상수값이 1 L/m2/hr/bar 이만인 경우에는 수투과도가 감소하여 전력밀도가 낮아지는 단점이 발생할 수 있고 3.6 L/m2/hr/bar 을 초과하는 경우에는 염제거율이 낮아지는 단점이 발생할 수 있다.In addition, the PRO separation membrane of the present invention has a water permeability constant value (A) of the PRO separation membrane in Equation 1 from 1 to 3.6 L/m 2 /hr/bar, preferably 1.10 to 3.00 L/m 2 /hr/bar , More preferably, it may satisfy the range of 1.15 to 2.90 L/m 2 /hr/bar. At this time, if the water permeability constant value is less than 1 L/m 2 /hr/bar, the water permeability decreases and the power density decreases. If it exceeds 3.6 L/m 2 /hr/bar, salt The disadvantage of lowering the removal rate may occur.
또한, 본 발명의 PRO 분리막은 상기 수학식 1에서 염투과 상수값(B)이 0.1 ~ 0.8 L/m2/hr을 만족할 수 있고, 바람직하게는 0.200 ~ 0.600 L/m2/hr, 더욱 바람직하게는 0.300 ~ 0.550 L/m2/hr의 범위를 만족할 수 있다. 이때, 0.1 L/m2/hr 이하일 경우에는 수투과도가 감소하는 단점이 발생할 수 있고 0.7 L/m2/hr 이상일 경우에는 염이 역으로 투과되는 양이 많아짐에 따라 분리막을 기준으로 유도용액 및 유입용액간의 농도차가 감소하여 전력밀도가 낮아지는 단점이 발생할 수 있다.In addition, the PRO membrane of the present invention may satisfy a salt permeation constant value (B) of 0.1 to 0.8 L/m 2 /hr in Equation 1, preferably 0.200 to 0.600 L/m 2 /hr, more preferably In other words, the range of 0.300 to 0.550 L/m 2 /hr may be satisfied. At this time, if it is less than 0.1 L/m 2 /hr, there may be a disadvantage of decreasing the water permeability, and if it is more than 0.7 L/m 2 /hr, the amount of salt permeates backwards. There may be a disadvantage of lowering the power density due to a decrease in the concentration difference between the influent solutions.
그리고, 수투과 상수값 및 염투과 상수값은 1,000ppm NaCl 수용액, 10bar 조건에서의 염제거율 실험을 통해, 하기 수학식 2에 의거하여 구할 수 있다. In addition, the water permeation constant value and the salt permeation constant value can be obtained based on Equation 2 below through an experiment of a salt removal rate under 1,000 ppm NaCl aqueous solution and 10 bar condition.
[수학식 2][Equation 2]
상기 수학식 2에서, A는 PRO 분리막의 수투과 상수, B는 PRO 분리막의 염투과 상수이며, R은 염제거율이고, △P는 압력이며, △π는 유도용액 삼투압과 유입용액 삼투압 차이값이다.In Equation 2, A is the water permeation constant of the PRO membrane, B is the salt permeation constant of the PRO membrane, R is the salt removal rate, ΔP is the pressure, and Δπ is the difference between the osmotic pressure of the draw solution and the osmotic pressure of the input solution. .
또한, 본 발명의 PRO 분리막은 상기 수학식 1에서 구조상수인 S값이 6×10-4 ~ 3×10-3 m인 범위를 만족할 수 있고, 바람직하게는 7×10-4 ~ 2.5×10-3 m의 범위를 만족할 수 있다. 이때, 6×10-4 m 이하인 경우 분리막의 내압성이 감소하여 고압에서의 내구성이 낮아질 수 있으며 운전기간 또한 감소할 수 있으며, 3×10-3 m 이상인 경우 분리막 내부에서의 저항이 커져 수투과도가 감소하는 단점이 발생할 수 있다.In addition, the PRO separation membrane of the present invention may satisfy a range in which the S value, which is a structural constant in Equation 1, is 6×10 -4 to 3×10 -3 m, and preferably 7×10 -4 to 2.5×10 It can satisfy the range of -3 m. At this time, if it is less than 6×10 -4 m, the pressure resistance of the separator decreases, so durability at high pressure may be lowered, and the operating period may also be reduced, and if it is 3×10 -3 m or more, the resistance inside the separator increases, resulting in water permeability. Reducing disadvantages can occur.
그리고, 수학식 1의 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 염확산 저항계수(KR) 및 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 구조상수(S)는 20bar의 가압 조건에서 유도용액으로 70,000 ppm의 NaCl 수용액과 공급용액인 증류수를 이용한 압력지연삼투 실험을 통해, 하기 수학식 3에 의거하여 계산할 수 있다.In addition, the salt diffusion resistance coefficient (K R ) of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO separation membrane of Equation 1 and the structural constant (S) of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO separation membrane are 70,000 ppm NaCl aqueous solution as a draw solution under pressure of 20 bar. And through a pressure delayed osmosis experiment using distilled water as a feed solution, it can be calculated based on Equation 3 below.
[수학식 3][Equation 3]
상기 수학식 3에서 S(mm)는 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 구조상수이고, Ds는 염확산계수이다.In Equation 3, S (mm) is the structural constant of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO membrane, and D s is the salt diffusion coefficient.
전력밀도는 압력지연삼투에서 가장 중요한 성능지표로서 분리막의 단위면적당 생산가능한 전력량으로 정의될 수 있으며, 최대전력밀도는 분리막을 투과하는 수투과도와 수압차의 곱으로 계산된다. 보다 자세하게는 압력지연삼투공정에서 저농도의 유입수는 삼투현상에 의해 고농도의 유도용액으로 이동하게 되며 이때 증가된 유도용액의 유량을 이용하여 터빈을 운전시켜 전력을 생산한다. 이때 전력밀도는 분리막을 투과하는 투과유량을 이용하는 식으로 표현된다. 그리고, 본 발명의 PRO 분리막은 하기 수학식 4에 의거하여 측정시, 전력밀도가 6 ~ 25 W/m2, 바람직하게는 7.0 ~ 22.5 W/m2, 더욱 바람직하게는 8.0 ~ 22.0 W/m2일 수 있다.The power density is the most important performance indicator in pressure delayed osmosis and can be defined as the amount of power that can be produced per unit area of the separator, and the maximum power density is calculated as the product of the water permeability through the separator and the water pressure difference. In more detail, in the pressure-delayed osmosis process, the low-concentration influent is moved to the high-concentration draw solution by the osmosis phenomenon. At this time, the turbine is operated using the increased flow rate of the draw solution to generate power. In this case, the power density is expressed by using the permeate flow rate through the separation membrane. In addition, the PRO separator of the present invention has a power density of 6 to 25 W/m 2 , preferably 7.0 to 22.5 W/m 2 , more preferably 8.0 to 22.0 W/m when measured according to Equation 4 below. It can be 2 .
[수학식 4][Equation 4]
상기 수학식 4에서, PRO의 수투과도(L/m2/hr)이고, △P는 압력이다.In Equation 4, PRO is the water permeability (L/m 2 /hr), and ΔP is the pressure.
이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described through the following examples. At this time, the following examples are only presented to illustrate the invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.
[실시예][Example]
실시예 1Example 1
다공성 지지체로서 폴리에스테르 재질의 위사 및 경사를 가로(2.54cm) × 세로(2.54cm) 면적범위 내에 목수가 300 ~ 310개 범위의 평직으로 재직된 직물을 준비했다. 상기 직물은 공기투과도가 약 100 ~ 200 cc/cm2·sec 범위를 만족하며, 두께는 약 65 ㎛이다.As a porous support, a fabric with a weft and warp of polyester material in the range of width (2.54 cm) × length (2.54 cm) and in the range of 300 to 310 plain weaves by carpenters was prepared. The fabric has an air permeability of about 100 to 200 cc/cm 2 ·sec and has a thickness of about 65 μm.
폴리설폰 수지 100 중량부에 대하여, 설폰화된 폴리설폰 수지 11 중량부 및 디메틸포름아마이드 용매 444 중량부를 혼합 및 교반하여 25℃에서 점도 2,000 cP(centi poise)인 고분자 조액을 제조하였다.With respect to 100 parts by weight of the polysulfone resin, 11 parts by weight of a sulfonated polysulfone resin and 444 parts by weight of a dimethylformamide solvent were mixed and stirred to prepare a polymer crude liquid having a viscosity of 2,000 cP (centi poise) at 25°C.
이때, 상기 폴리설폰 수지는 하기 화학식 1-1 및 화학식 1-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 중량평균분자량 25,000g/mol인 공중합체이며, 설폰화도가 30%이다. 그리고, 상기 설폰화된 폴리설폰 수지는 하기 화학식 2-1 및 화학식 2-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 중량평균분자량 145,000g/mol인 공중합체이다.In this case, the polysulfone resin is a copolymer having a weight average molecular weight of 25,000 g/mol including a repeating unit represented by the following Chemical Formulas 1-1 and 1-2, and a sulfonation degree of 30%. In addition, the sulfonated polysulfone resin is a copolymer having a weight average molecular weight of 145,000 g/mol including a repeating unit represented by the following Chemical Formulas 2-1 and 2-2.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
[화학식 1-2][Formula 1-2]
[화학식 2-1][Formula 2-1]
[화학식 2-2][Formula 2-2]
상기 화학식 2-1 및 2-2에서, R1, R2, R3 및 R4는 모두 메틸기이다.In Formulas 2-1 and 2-2, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are all methyl groups.
다음으로, 상기 다공성 지지체의 일면에 상기 고분자 조액을 도포한 후, 비용매인 물이 담긴 응고조에 침지시켜, 상분리(상전이)를 유도하여 다공성 친수성 고분자층을 다공성 지지체층 상부에 형성시켜서 2층 구조의 적층체를 제조하였다. 이때, 응고조 용액의 온도는 20℃로 유지하였다.Next, after applying the polymer crude solution to one side of the porous support, it is immersed in a coagulation bath containing water as a non-solvent to induce phase separation (phase transition) to form a porous hydrophilic polymer layer on top of the porous support layer to form a two-layer structure. A laminate was prepared. At this time, the temperature of the coagulation bath solution was maintained at 20°C.
다음으로 상기 2층 구조의 적층체를 3.5 중량%로 메타페닐렌디아민(MPD)을 함유한 수용액에 1분간 침지시킨 후, 압착방법으로 표면에 묻은 비용매를 제거하였다. 이후, ISOPAR 용매(Exxon Corp.)에 트리메조일클로라이드(TMC) 0.1 중량%를 함유하는 유기용액에 1분간 침적하여 계면중합시킨 직후 상온(25℃)에서 1분 30초간 자연 건조시켜 폴리아미드로 구성된 활성층을 형성하였다. Next, the two-layered laminate was immersed in an aqueous solution containing metaphenylenediamine (MPD) in an amount of 3.5% by weight for 1 minute, and then the non-solvent on the surface was removed by a compression method. Thereafter, it was immersed in an organic solution containing 0.1% by weight of trimesoyl chloride (TMC) in an ISOPAR solvent (Exxon Corp.) for 1 minute, followed by interfacial polymerization, and then naturally dried at room temperature (25°C) for 1 minute and 30 seconds to obtain polyamide. The configured active layer was formed.
이후, 미반응 잔여물들을 제거하기 위해 0.2중량% 소듐카보네이트 용액에 2시간 동안 침지하여 총 두께가 약 120㎛인 압력지연삼투(PRO) 분리막을 제조하였다. 이때, 상기 압력지연삼투 분리막에서, 다공성 지지체층의 두께는 65㎛이고, 다공성 친수성 고분자층 의 두께는 약 55 ㎛이며, 활성층의 두께는 약 0.2 ㎛였다.Thereafter, in order to remove unreacted residues, a pressure delayed osmosis (PRO) membrane having a total thickness of about 120 μm was prepared by immersing in a 0.2% by weight sodium carbonate solution for 2 hours. At this time, in the pressure delayed osmosis membrane, the thickness of the porous support layer was 65 μm, the thickness of the porous hydrophilic polymer layer was about 55 μm, and the thickness of the active layer was about 0.2 μm.
실시예 2Example 2
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 용매 함량을 조절하여, 25℃에서 2,500 cP인 고분자 조액을 제조한 후, 이를 이용하여 하기 표 1과 같이 PRO 분리막을 제조하였다.Preparation was carried out in the same manner as in Example 1, but after preparing a polymer crude liquid having 2,500 cP at 25° C. by adjusting the solvent content, a PRO separator was prepared as shown in Table 1 below.
실시예 3Example 3
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 폴리설폰 수지 100 중량부에 대하여 설폰화된 폴리설폰 수지 5.6 중량부를 사용하여 고분자 조액을 제조한 후, 이를 이용하여 하기 표 1과 같이 PRO 분리막을 제조하였다.Preparation was carried out in the same manner as in Example 1, but a polymer crude solution was prepared using 5.6 parts by weight of a sulfonated polysulfone resin based on 100 parts by weight of a polysulfone resin, and then a PRO separator was prepared as shown in Table 1 below. .
실시예 4Example 4
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 폴리설폰 수지 100 중량부에 대하여 설폰화된 폴리설폰 수지를 8.3 중량부를 사용하여 고분자 조액을 제조한 후 이를 이용하여 하기 표 1과 같이 PRO 분리막을 제조하였다.Preparation was carried out in the same manner as in Example 1, but a polymer crude solution was prepared using 8.3 parts by weight of a sulfonated polysulfone resin based on 100 parts by weight of a polysulfone resin, and then a PRO separator was prepared as shown in Table 1 below. .
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1과 동일하게 실시하여 하기 표 2와 같이 PRO 분리막을 제조하되, 두께가 135㎛인 PRO 분리막을 제조하였으며, 이때, 상기 압력지연삼투 분리막에서, 다공성 지지체층의 두께는 65㎛이고, 다공성 친수성 고분자층의 두께는 약 70 ㎛이며, 활성층의 두께는 약 0.2 ㎛였다.In the same manner as in Example 1, a PRO separation membrane was prepared as shown in Table 2 below, but a PRO separation membrane having a thickness of 135 μm was prepared. In this case, in the pressure delayed osmosis membrane, the thickness of the porous support layer was 65 μm, and the porosity The thickness of the hydrophilic polymer layer was about 70 μm, and the thickness of the active layer was about 0.2 μm.
비교예 2Comparative Example 2
실시예 1과 동일하게 실시하여 하기 표 2와 같이 PRO 분리막을 제조하되, 용매 사용량을 더 적게 사용하여, 25℃에서 3,200 cP인 고분자 조액을 제조한 후, 이를 이용하여 PRO 분리막을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, a PRO separation membrane was prepared as shown in Table 2 below, but a polymer crude solution having 3,200 cP was prepared at 25° C. by using less solvent, and then a PRO separation membrane was prepared using this.
비교예 3Comparative Example 3
실시예 1과 동일하게 실시하여 하기 표 2와 같이 PRO 분리막을 제조하되, 두께가 40㎛인 지지체를 이용하여 PRO 분리막을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, a PRO separator was prepared as shown in Table 2 below, but a PRO separator was prepared using a support having a thickness of 40 μm.
비교예 4Comparative Example 4
실시예 1과 동일하게 실시하여 하기 표 2와 같이 PRO 분리막을 제조하되, 활성층의 형성시, 2층 구조의 적층체를 4.0 중량%로 메타페닐렌디아민(MPD)을 함유한 수용액에 1분간 침지시킨 후, 압착방법으로 표면에 묻은 비용매를 제거하였다. 이후, ISOPAR 용매(Exxon Corp.)에 트리메조일클로라이드(TMC) 0.1 중량%를 함유하는 유기용액에 1분간 침적하여 계면중합시킨 직후 상온(25℃)에서 1분 30초간 자연 건조시켜 폴리아미드로 구성된 활성층을 형성하였다. A PRO separation membrane was prepared as shown in Table 2 below by performing the same as in Example 1, but when the active layer was formed, the two-layered laminate was immersed in an aqueous solution containing metaphenylenediamine (MPD) at 4.0% by weight for 1 minute. After that, the non-solvent on the surface was removed by a pressing method. Thereafter, it was immersed in an organic solution containing 0.1% by weight of trimesoyl chloride (TMC) in an ISOPAR solvent (Exxon Corp.) for 1 minute, followed by interfacial polymerization, and then naturally dried at room temperature (25°C) for 1 minute and 30 seconds to obtain polyamide. The configured active layer was formed.
그 외 과정은 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 PRO 분리막을 제조하였다.Other procedures were carried out in the same conditions and method as in Example 1 to prepare a PRO separator.
조액Polymer
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부11
Parts by
중량부11
Parts by weight
중량부5.6
Parts by weight
중량부8.3
Parts by
중량부11
Parts by
중량부11
Parts by weight
중량부326
Parts by weight
중량부450
Parts by weight
중량부447
Parts by weight
중량부444
Parts by weight
중량부444
Parts by weight
(25℃)Viscosity
(25℃)
Total thickness of separator
B : 중량평균분자량 145,000g/mol인 설폰화된 폴리설폰 수지A: Polysulfone resin having a weight average molecular weight of 25,000 g/mol
B: Sulfonated polysulfone resin having a weight average molecular weight of 145,000 g/mol
조액Polymer
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부100
Parts by
중량부11
Parts by weight
중량부55
Parts by
중량부11
Parts by
중량부11
Parts by weight
중량부2.5
Parts by
중량부11
Parts by
중량부11
Parts by weight
중량부400
Parts by weight
중량부444
Parts by weight
중량부444
Parts by weight
중량부444
Parts by weight
중량부444
Parts by weight
중량부444
Parts by weight
(25℃)Viscosity
(25℃)
Total thickness of separator
B : 중량평균분자량 145,000g/mol인 설폰화된 폴리설폰 수지A: Polysulfone resin having a weight average molecular weight of 25,000 g/mol
B: Sulfonated polysulfone resin having a weight average molecular weight of 145,000 g/mol
실험예 : PRO 분리막의 물성 평가 측정Experimental Example: Measurement of property evaluation of PRO membrane
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 PRO 분리막의 수투과도 및 전력밀도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The water permeability and power density of the PRO separators prepared in the Examples and Comparative Examples were measured, and the results are shown in Table 3 below.
(1) 수투과도 측정 및 계산법(1) Water permeability measurement and calculation method
PRO 분리막의 활성층이 유도용액(염화나트륨 수용액)을 향하는 방향(압력에 맞닿는 방향)으로 장착하고, 25℃ 온도, 20bar의 가압 및 0.5 LPM 유속 조건에서 유도용액으로 70,000 ppm의 NaCl 수용액과 공급용액인 증류수를 이용한 압력지연삼투 실험을 통해, PRO 분리막의 수투과도(Jw, L/m2/hr)를 측정하였으며, 수투과도는 하기 수학식 1에 의거하여 계산하였다.The active layer of the PRO separation membrane is mounted in the direction of the draw solution (aqueous sodium chloride solution) (direction in contact with the pressure), and under the conditions of 25℃ temperature, 20bar pressure and 0.5 LPM flow rate, 70,000 ppm NaCl aqueous solution and distilled water as the supply solution Through a pressure delayed osmosis experiment using, the water permeability (J w , L/m 2 /hr) of the PRO membrane was measured, and the water permeability was calculated based on Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에서 JW는 수투과도, πdraw은 유도용액 삼투압, πfeed은 유입용액 삼투압, A는 PRO 분리막(membrane)의 수투과 상수, B는 PRO 분리막의 염투과 상수, Km은 1/KR이고, KR은 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 염확산 저항계수, △P는 압력이다.In Equation 1, J W is the water permeability, π draw is the osmotic pressure of the draw solution, π feed is the osmotic pressure of the influent solution, A is the water permeation constant of the PRO membrane, B is the salt permeation constant of the PRO membrane, and K m is 1 /K R , K R is the salt diffusion resistance coefficient of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO membrane, and ΔP is the pressure.
그리고, PRO 분리막의 수투과 상수인 A(L/m2/hr/bar) 및 PRO 분리막의 염투과 상수인 B(L/m2/hr)는 1,000ppm NaCl 수용액, 10bar 조건에서의 염제거율 실험을 통해, 하기 수학식 2에 의거하여 구할 수 있다.In addition, A (L/m 2 /hr/bar), the water permeation constant of the PRO membrane and B (L/m 2 /hr), the salt permeation constant of the PRO membrane were 1,000 ppm NaCl aqueous solution, and the salt removal rate was tested under 10 bar conditions. Through, it can be obtained based on Equation 2 below.
[수학식 2][Equation 2]
상기 수학식 2에서, A는 PRO 분리막의 수투과 상수, B는 PRO 분리막의 염투과 상수이며, R은 염제거율이고, △P는 압력이며, △π는 유도용액 삼투압과 유입용액 삼투압 차이값이다.In Equation 2, A is the water permeation constant of the PRO membrane, B is the salt permeation constant of the PRO membrane, R is the salt removal rate, ΔP is the pressure, and Δπ is the difference between the osmotic pressure of the draw solution and the osmotic pressure of the input solution. .
또한, 수학식 1의 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 염확산 저항계수(KR) 및 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 구조상수(S)는 20bar의 가압 조건에서 유도용액으로 70,000 ppm의 NaCl 수용액과 공급용액인 증류수를 이용한 압력지연삼투 실험을 통해, 하기 수학식 3에 의거하여 계산할 수 있다.In addition, the salt diffusion resistance coefficient (K R ) of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO separation membrane of Equation 1 and the structural constant (S) of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO separation membrane are 70,000 ppm NaCl aqueous solution as a draw solution under a pressure of 20 bar. And through a pressure delayed osmosis experiment using distilled water as a feed solution, it can be calculated based on Equation 3 below.
[수학식 3][Equation 3]
상기 수학식 3에서 S(mm)는 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층 의 구조상수이고, Ds는 염확산계수이다.In Equation 3, S (mm) is the structural constant of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO separator, and D s is the salt diffusion coefficient.
(2) 전력밀도 (2) power density
PRO 분리막의 전력밀도(W)는 하기 수학식 4에 의거하여 계산하였다.The power density (W) of the PRO separator was calculated based on Equation 4 below.
[수학식 4][Equation 4]
상기 수학식 4에서, PRO의 수투과도(L/m2/hr)이고, △P는 압력이다.In Equation 4, PRO is the water permeability (L/m 2 /hr), and ΔP is the pressure.
(A, L/m2/hr/bar)Water permeation constant of PRO membrane
(A, L/m 2 /hr/bar)
(L/m2/hr)Water permeability
(L/m 2 /hr)
(W/m2)Power density
(W/m 2 )
상기 표 1을 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 압력지연삼투 분리막은 실시예 2~4에서 제조된 분리막과 비교예 1~4에서 제조된 분리막보다 수투과도가 높고 전력밀도가 우수한 것을 확인할 수 있다. Looking at Table 1, it can be seen that the pressure-delayed osmosis membrane prepared in Example 1 has higher water permeability and superior power density than the separation membranes prepared in Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 to 4.
또한, 실시예 1보다 점도가 높은 실시예 2의 경우 수투과도 상수인 A값 및 수투과도가 감소하였고 이에 전력밀도 또한 낮아진 것을 확인할 수 있다. 이는 고분자 조액의 점도가 증가함에 따라 분리막 두께가 증가된 것으로 판단된다.In addition, in the case of Example 2, which has a higher viscosity than Example 1, it can be seen that the water permeability constant A value and the water permeability decreased, and thus the power density was also lowered. It is believed that the thickness of the separator increased as the viscosity of the polymer crude liquid increased.
실시예 3 ~ 4의 경우, 실시예 1보다 설폰화된 폴리설폰의 사용량이 감소함에 따라 압력지연삼투 분리막의 수투과도가 감소하는 경향을 보였고, 이에 전력밀도 또한 다소 감소하는 경향을 보였다.In the case of Examples 3 to 4, as the amount of sulfonated polysulfone was decreased compared to Example 1, the water permeability of the pressure delayed osmosis membrane showed a tendency to decrease, and thus the power density also showed a tendency to slightly decrease.
그리고, 비교예 1의 경우, 실시예 1보다 지지층 두께가 증가하여 분리막 구조상수인 S값이 증가하고 수투과도는 감소하여 전력밀도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었으며, 비교예 2는 점도가 3,000cP 이상인 고분자 조액을 적용함에 따라 염투과상수인 B값이 0.8L/m2/hr 이상으로 증가하고 분리막 구조상수인 S값이 증가하고 전력밀도가 감소하는 문제가 있었다. And, in the case of Comparative Example 1, it was confirmed that the thickness of the support layer was increased than that of Example 1, so that the S value, which is the separator structural constant, was increased and the water permeability decreased, so that the power density was lowered.In Comparative Example 2, the viscosity was 3,000 cP or more. As the polymer crude solution was applied, the salt permeation constant B value increased to 0.8L/m 2 /hr or more, the separator structural constant S value increased, and the power density decreased.
비교예 3은 실시예 1보다 분리막의 두께가 감소하여 낮은 내구성으로 인해 분리막이 압착되어 물성 측정이 불가능한 문제가 있었다. 그리고, 비교예 4는 실시예 1보다 활성층의 메타페닐렌디아민(MPD)의 함량을 증가시킴에 따라 염제거율이 증가하여 염투과상수인 B값이 0.1 L/m2/hr 이하로 감소하였으나, 수투과도는 감소하여 수투과도 상수인 A값이 1 L/m2/hr/bar 이하로 낮아져 전력밀도가 감소하는 문제가 발생함을 확인할 수 있었다.Comparative Example 3 had a problem in that the thickness of the separator was decreased compared to Example 1, and the separator was compressed due to low durability, making it impossible to measure physical properties. In addition, in Comparative Example 4, as the content of metaphenylenediamine (MPD) in the active layer was increased, the salt removal rate was increased, so that the salt permeability constant B value decreased to 0.1 L/m 2 /hr or less. It was confirmed that the water permeability decreased and the water permeability constant A value was lowered to 1 L/m 2 /hr/bar or less, resulting in a problem of decreasing power density.
10: 압력지연삼투 분리막 11: 다공성 지지체층
12: 다공성 친수성 고분자층 13: 활성층
14: 이면 20: 다공성 투과수 유출관
21: 홀 22: 압력지연삼투 분리막
30: 압력케이스10: pressure delayed osmosis membrane 11: porous support layer
12: porous hydrophilic polymer layer 13: active layer
14: back side 20: porous permeated water outlet pipe
21: hole 22: pressure delayed osmosis membrane
30: pressure case
Claims (12)
상기 다공성 친수성 고분자층은 폴리설폰(polysulfone) 수지 및 설폰화된 폴리설폰(sulfonated polysulfone) 수지 중 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 조액을 코팅 및 상분리시켜 형성시킨 것이며,
상기 폴리설폰 수지는 하기 화학식 1-1 및 화학식 1-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체이고,
상기 설폰화된 폴리설폰 수지는 하기 화학식 2-1 및 화학식 2-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는 압력지연삼투 분리막;
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
[화학식 2-1]
[화학식 2-2]
상기 화학식 2-1 및 2-2에서, R1, R2, R3 및 R4 각각은 독립적으로 수소원자, C1 ~ C5의 직쇄형 알킬기, C3 ~ C5의 분쇄형 알킬기 또는 C2 ~ C4의 알킬렌기이다.
A porous support layer, a porous hydrophilic polymer layer, and a composite membrane in which an active layer is sequentially stacked,
The porous hydrophilic polymer layer is formed by coating and phase-separating a polymer crude liquid containing at least one selected from polysulfone resin and sulfonated polysulfone resin,
The polysulfone resin is a copolymer including a repeating unit represented by Formulas 1-1 and 1-2,
The sulfonated polysulfone resin is a pressure delayed osmosis membrane, characterized in that it is a copolymer comprising a repeating unit represented by the following formulas 2-1 and 2-2;
[Formula 1-1]
[Formula 1-2]
[Formula 2-1]
[Formula 2-2]
In Formulas 2-1 and 2-2, each of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is independently a hydrogen atom, a straight chain alkyl group of C1 to C5, a branched alkyl group of C3 to C5 or an alkyl of C2 to C4. It's Rengi.
The pressure delayed osmosis membrane of claim 1, wherein the polysulfone resin has a weight average molecular weight of 15,000 to 100,000 g/mol, and the sulfonated polysulfone resin has a weight average molecular weight of 100,000 to 200,000 g/mol.
The pressure delayed osmosis membrane according to claim 1, wherein the polymer crude liquid comprises 4 to 15 parts by weight of the sulfonated polysulfone resin based on 100 parts by weight of the polysulfone resin.
The pressure delayed osmosis membrane of claim 1, wherein the porous support layer comprises a fabric made of at least one fiber selected from polyester, polypropylene, nylon, polyethylene, acrylic, rayon, acetate, and cellulose.
The method of claim 1, wherein the active layer comprises at least one selected from a polyamide polymer, a polypiperazine polymer, a polyphenylenediamine polymer, a polychlorophenylenediamine polymer, and a polybenzidine polymer. Pressure delayed osmosis membrane.
The pressure-delayed osmosis membrane according to claim 1, wherein the polymer crude liquid has a viscosity of 500 to 3,000 cP (25°C).
The method of claim 1, wherein the porous support layer has a thickness of 60 to 80 μm, the porous hydrophilic polymer layer has a thickness of 30 to 80 μm, the active layer has a thickness of 0.1 to 1 μm, and the total thickness of the pressure delayed osmosis membrane is 90.1 to Pressure delayed osmosis membrane, characterized in that 161㎛.
[수학식 1]
상기 수학식 1에서 JW는 수투과도, πdraw은 유도용액 삼투압, πfeed은 유입용액 삼투압, A는 PRO 분리막(membrane)의 수투과 상수, B는 PRO 분리막의 염투과 상수, Km은 1/KR이고, KR은 PRO 분리막의 다공성 친수성 고분자층의 염확산 저항계수, △P는 압력이다.
According to any one of claims 1 to 7, by performing a pressure delayed osmosis experiment under conditions of 25°C, a pressure of 20 bar and a flow rate of 0.5 LPM for an aqueous solution of 70,000 ppm sodium chloride, according to Equation 1 below. When measuring the permeability, the pressure delayed osmosis membrane, characterized in that the water permeability of the pressure delayed osmosis membrane 12 ~ 40 L / m 2 /hr;
[Equation 1]
In Equation 1, J W is the water permeability, π draw is the osmotic pressure of the draw solution, π feed is the osmotic pressure of the influent solution, A is the water permeation constant of the PRO membrane, B is the salt permeation constant of the PRO membrane, and K m is 1 /K R , K R is the salt diffusion resistance coefficient of the porous hydrophilic polymer layer of the PRO membrane, and ΔP is the pressure.
[수학식 4]
상기 수학식 4에서, PRO의 수투과도(L/m2/hr)이고, △P는 압력이다.
The pressure delayed osmosis membrane according to claim 8, wherein when measured according to Equation 4 below, the power density of the pressure delayed osmosis membrane is 6 to 25 W/m 2 ;
[Equation 4]
In Equation 4, PRO is the water permeability (L/m 2 /hr), and ΔP is the pressure.
The method of claim 8, wherein the pressure delayed osmosis membrane has a water permeability constant value (A) of 1 to 3.6 L/m 2 /hr/bar, and a salt permeability constant value (B) of 0.1 to 0.8 L/m 2 /hr, Structural constant (S) is (0.6 ~ 3) ⅹ10 -3 m pressure delayed osmosis membrane, characterized in that.
상기 고분자 조액이 다공성 지지체의 기공 내로 침투하도록 상기 다공성 지지체 상에 상기 고분자 조액을 처리한 후, 상기 고분자 조액을 상전이시켜 상기 다공성 지지체층 상에 다공성 친수성 고분자층을 형성시키는 2단계; 및
상기 다공성 친수성 고분자층 상에 활성층을 형성시키는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조하며,
상기 폴리설폰 수지는 하기 화학식 1-1 및 화학식 1-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체이고,
상기 설폰화된 폴리설폰 수지는 하기 화학식 2-1 및 화학식 2-2로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는 압력지연삼투 분리막의 제조방법;
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
[화학식 2-1]
[화학식 2-2]
상기 화학식 2-1 및 2-2에서, R1, R2, R3 및 R4 각각은 독립적으로 수소원자, C1 ~ C5의 직쇄형 알킬기, C3 ~ C5의 분쇄형 알킬기 또는 C2 ~ C4의 알킬렌기이다.
A first step of preparing a polymer crude liquid by mixing a polymer resin containing at least one selected from polysulfone resin and sulfonated polysulfone resin and a solvent;
A second step of forming a porous hydrophilic polymer layer on the porous support layer by processing the polymer crude liquid on the porous support so that the polymer crude liquid penetrates into the pores of the porous support, and then phase-transferring the polymer crude liquid; And
It is prepared by performing a process including; 3 step of forming an active layer on the porous hydrophilic polymer layer,
The polysulfone resin is a copolymer including a repeating unit represented by Formulas 1-1 and 1-2,
The sulfonated polysulfone resin is a method for producing a pressure delayed osmosis membrane, characterized in that the copolymer comprising a repeating unit represented by the following formulas 2-1 and 2-2;
[Formula 1-1]
[Formula 1-2]
[Formula 2-1]
[Formula 2-2]
In Formulas 2-1 and 2-2, each of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is independently a hydrogen atom, a straight chain alkyl group of C1 to C5, a branched alkyl group of C3 to C5 or an alkyl of C2 to C4. It's Rengi.
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