KR20230012911A - 맥신 섬유 부직포, 그의 제조방법, 투과형 축전식 탈염 장치 및 이를 이용한 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법 - Google Patents
맥신 섬유 부직포, 그의 제조방법, 투과형 축전식 탈염 장치 및 이를 이용한 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 높은 투수성을 가지는 맥신 섬유 부직포, 그의 제조방법, 투과형 축전식 탈염 장치 및 이를 이용한 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포는, 맥신 섬유 집합체를 포함한다.
Description
본 발명은 맥신 섬유 부직포, 그의 제조방법, 투과형 축전식 탈염 장치 및 이를 이용한 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법에 관한 것이다.
축전식 탈염(Capacitive Deionization; CDI) 기술은 하전된 전극 계면에 형성되는 전기이중층(Electric Double Layer; EDL)에서의 이온 흡착 및 탈착 반응을 이용하여 원수 내 이온성 물질을 제거하는 기술이다.
축전식 탈염 기술은 하전된 전극 표면에서 이온들의 흡착 및 탈착 과정을 포함한다. 흡착 및 탈착 과정은, 먼저 물의 전기분해반응이 일어나지 않는 전위 범위 내에서 전압을 인가하면 전극에는 일정한 전하량이 하전된다. 하전된 전극에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전극 표면에 흡착되고, 전극을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(desalinated water)가 된다.
이때, 전극에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(Capacitance)에 따라 결정되기 때문에 CDI에 사용되는 전극은 비표면적이 큰 다공성 탄소 전극(Carbon Electrode)이 일반적으로 사용된다.
한편, 전극의 흡착 용량이 포화되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수로 나오게 된다. 이때 전극에 흡착된 이온들을 탈착시키기 위하여, 전극들을 쇼트(short) 시키거나 전극에 흡착 전위와 반대 전위를 인가하면, 전극은 전하를 잃거나 반대 전하를 갖게 되고 흡착된 이온들은 빠르게 탈착되어 전극의 재생이 이루어지게 된다.
이와 같이 CDI 기술은 전극의 전위만을 변화시켜서 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 매우 간편하고 탈염 과정에서 환경오염 물질을 배출하지 않기 때문에 환경 친화적인 탈염 공정으로 알려져 있다. 또한, 또 다른 실시예로 전극 표면에 이온교환막을 형성하여 흡착되는 이온의 선택도를 높일 수도 있다.
그러나, 종래의 CDI의 전극에 사용된 활성탄은 야자각 계열로 상대적으로 불순물 함량이 높고 비표면적이 낮아 전극의 내구성에 취약하며, 제조 시 사용하는 유기 바인더 및 유기 용매가 생산수로 용출되는 문제가 대두되고 있다.
이에 비표면적이 높은 활성탄을 이용하여 전극을 제조하려는 시도가 있지만, 그 경우 비표면적이 높은 활성탄 분말의 특성상 입자들이 서로 뭉쳐져 포도송이와 같은 응집체를 형성하게 되는데, 종래의 일반적인 방법에 의하여 전극을 제조하는 경우 바인더가 응집체 내 입자들 사이로 들어가지 못하고 응집체 사이 빈 기공으로 들어가 기공을 막게 됨에 따라 흡착 효율이 오히려 현저히 저하되는 문제가 새롭게 발생되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 높은 투수성을 가지는 맥신 섬유 부직포 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 높은 축전 용량과 고염도 해수 내 이온성 물질의 흡착 효율이 뛰어난 투과형 축전식 탈염 장치 및 이를 이용한 염수 내에 존재하는 이온 흡착 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 실시예에 따른 맥신(MXene) 섬유 부직포는, 맥신 섬유 집합체를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유의 직경은 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 및 길이 1 mm 내지 1000 mm인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유 부직포는, 평량이 10 g/m2 내지 1000 g/m2인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포의 제조방법은, 액정상의 맥스 상 용액 및 응고 용매를 혼합한 혼합액을 습식 방사한 후, 여과 및 건조하여 부직포용 맥신 스테이플 섬유(MXene staple fiber)를 준비하는 단계; 상기 맥신 스테이플 섬유를 수중분산하여 웹을 형성시켜 스테이플 섬유가 분포된 혼탁액을 준비하는 단계; 및 상기 혼탁액을 시트 몰드에 여과한 후 건조시켜 부직포를 제조하는 단계;를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥스 상은 화학식 1로 표현되고, 상기 맥신 섬유 부직포는 화학식 2로 표현되는 것일 수 있다:
[화학식 1]
Mn+1AXn
상기 화학식 1에서,
M은 전이금속이고,
A는 Al, Cd, In Ga, Tl, Pb, Ge, P, As, S 및 Sn로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
X는 C 또는 N이고,
n은 1 내지 3의 정수임.
[화학식 2]
Mn+1Xn(Tx)
상기 화학식 2에서,
M은 전이금속이고,
X는 C 또는 N이고,
n은 1 내지 3의 정수이고,
Tx는 알콕사이드, 카르복실레이트, 할라이드, 하이드록사이드, 하이드라이드, 옥사이드, 나이트라이드, 설파이드 및 티올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥스 상은, Ti2AlC, Ti2CdC, Sc2InC, Ti2GaC, Ti2InC, Ti2TlC, V2AlC, V2GaC, Cr2GaC, Ti2AlN, Ti2GaN, Ti2InN, V2GaN, Cr2GaN, Ti2GeC, Ti2SnC, Ti2PbC, V2GeC, Cr2AlC, Cr2GeC, V2PC, V2AsC, Ti2SC, Zr2InC, Zr2TlC, Nb2AlC, Nb2GaC, Nb2InC, Mo2GaC, Zr2InN, Zr2TlN, Zr2SnC, Zr2PbC, Nb2SnC, Nb2PC, Nb2AsC, Zr2SC, Nb2SC, Hf2InC, Hf2TlC, Ta2AlC, Ta2GaC, Hf2SnC, Hf2PbC, Hf2SnN, Hf2SC, Ti3AlC2, V3AlC2, Ti3SiC2, Ti3GeC2, Ti3SnC2, Ta3AlC2, Ti4AlN3, V4AlC3, Ti4GaC3, Ti4SiC3, Ti4GeC3, Nb4AlC3 및 Ta4AlC3로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 액정상의 맥스 상 용액은, 분산매에 상기 맥스 상이 30 mg/ml 내지 100 mg/ml의 농도로 혼합된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분산매는, 아민계, 에테르계 및 물로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 아민계 용매는 디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈 및 디메틸아세트아미드로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 에테르계 용매는 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디메틸에테르 및 디부틸에테르로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 응고 용매는, 알코올계 용매, 케톤계 용매, 에스테르계 용매 및 비극성 용매로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 알코올계 용매는 메탄올, 에탄올, 메톡시에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 및 이소부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 케톤계 용매는 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 등일 수 있으며, 에스테르계 용매는 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트 및 3-메톡시-3-메틸 부틸 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 비극성 용매는 펜탄, 헥산, 헵탄, 사이클로펜탄, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 1,4-다이옥산, 디클로로메탄, 메틸 3급-부틸 에터, 클로로포름, 탄소 테트라클로라이드 및 디에틸 에터로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 습식 방사는 산성 겔화 방법을 이용하고, 상기 산성물질은 불산(HF), 염산(HCl), 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 습식 방사는 10 ℃ 내지 50 ℃의 온도 범위에서, 방사 시 분산액의 토출 속도는 0.01 ml/min 내지 0.1 ml/min인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 혼탁액을 시트 몰드에 여과한 후 건조시켜 부직포를 제조하는 단계 이후에, 상기 부직포를 70 ℃ 내지 150 ℃의 온도범위에서 진공건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염 장치는, 양극챔버, 제1 집전체, 양극, 제1 가스켓, 분리막, 제2 가스켓, 음극, 제2 집전체 및 음극챔버가 순차적으로 결합되고, 상기 양극 및 상기 음극은 각각 독립적으로, 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포 또는 다른 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포의 제조방법에 의해 제조된 맥신 섬유 부직포이다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극챔버는, 염수가 흘러 들어가는 포트를 포함하고, 상기 음극챔버는, 처리수를 배출하는 배출구를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극과 상기 제1 집전체 및 상기 음극과 상기 제2 집전체는 전도성 에폭시로 접착된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체는, 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸 및 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 시트, 박막 또는 메쉬 형태인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법은, 일 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염장치에 전압을 인가하는 단계; 염수를 공급하는 단계; 및 상기 염수 내에 존재하는 이온을 양극 및 음극에 흡착시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포는 맥신 섬유가 부직포 형태의 섬유집합체로 이루어져 있어 높은 투수성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포의 제조방법은 액정 용액 상태로 만들어 섬유형으로 제조할 수 있고, 바인더 없이 습식 부직포 공정을 통해 섬유간 융합을 유도하여 투수성이 있는 시트를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염 장치는, 전기 이중층 이온저장물질인 탄소기반의 전극을 층간삽입형 이온저장 물질인 맥신으로 대체하여, 종래 축전식 탈염공정에 비해 높은 축전 용량과 고염도 해수의 탈염을 효과적으로 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법에 의하여, 염수가 직접적으로 전극을 통과할 수 있게 하는 투과형 축전식 탈염(flow-through CDI)을 가능하게 함으로써, 염수가 두 전극 사이를 평행하게 통과시키는 flow-between 방식보다 효과적으로 탈염공정을 수행할 수 있게 한다. 본 발명의 투과형 축전식 탈염 장치를 이용한 축전식탈염 공정은 해수, 기수로 부터의 담수 확보, 방사성 또는 중금속 이온에 오염된 오염수 정화, 해수내 용해된 우라늄, 리튬 등의 희귀자원 채취, 산업용수 생산등에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포의 제조방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 습식 방사 공정을 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 맥신-기반 섬유 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 맥신-기판 섬유의 미세구조 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염 장치를 포함하는 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 맥신 부직포 전극의 CsCl 염수 시간에 따른 탈염 효율을 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 습식 방사 공정을 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 맥신-기반 섬유 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 맥신-기판 섬유의 미세구조 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염 장치를 포함하는 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 맥신 부직포 전극의 CsCl 염수 시간에 따른 탈염 효율을 측정한 그래프이다.
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.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 높은 투수성을 가지는 맥신 섬유 부직포, 그의 제조방법, 투과형 축전식 탈염 장치 및 이를 이용한 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포는, 맥신 섬유 집합체를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 맥신은 2차원 결정성을 갖는 전이금속 탄화물, 전이금속 질화물 또는 전이금속 탄질화물인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유의 경우 액정 용액 상태로 만들어 섬유형으로 제조된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유 집합체는 맥신 섬유가 짜여지지 않은 형태로 랜덤하게 집합된 직물과 유사한 형태인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 맥신 섬유 집합체의 적층은 층 대 층 적층일 수 있으며, 층 대 층 적층은 맥신 섬유의 층과 층이 서로 마주보도록 적층된 구조를 의미할 수 있다. 층 대 층 적층시 적층되는 층이 반드시 맥신 섬유의 단일층(monolayer)으로 한정되어 해석되어서는 안 되며, 수개(a few)의 단일층이 적층되어 생성된 다층의 플레이크(flake) 또한 포함하는 의미로 해석되어야 한다. 또한, 층 대 층 적층에서 각 층은 섬유의 축 방향(길이 방향)을 따라 배향될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유 집합체는 하나의 판상의 섬유상 단면으로 이루어질 수 있다. 즉, 맥신 섬유 단면 상, 단일한 판이 판의 폭 방향(늘어난 방향)으로 불규칙적으로 휘어진 형태일 수 있다. 이는, 맥신 섬유 집합체가 전체적으로 2차원 나노물질이 층 대 층 적층된 구조를 가짐을 의미한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유의 직경은 1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것일 수 있다. 상기 맥신 섬유의 직경은, 1 ㎛ 내지 80 ㎛, 1 ㎛ 내지 60 ㎛, 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 1 ㎛ 내지 40 ㎛, 1 ㎛ 내지 30 ㎛, 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 10 ㎛ 내지 80 ㎛, 10 ㎛ 내지 60 ㎛, 10 ㎛ 내지 40 ㎛, 10 ㎛ 내지 20 ㎛, 20 ㎛ 내지 100 ㎛, 20 ㎛ 내지 80 ㎛, 20 ㎛ 내지 60 ㎛, 20 ㎛ 내지 40 ㎛, 30 ㎛ 내지 100 ㎛, 30 ㎛ 내지 80 ㎛, 30 ㎛ 내지 60 ㎛, 30 ㎛ 내지 40 ㎛, 30 ㎛ 내지 80 ㎛, 40 ㎛ 내지 100 ㎛, 40 ㎛ 내지 80 ㎛, 40 ㎛ 내지 60 ㎛, 50 ㎛ 내지 100 ㎛, 50 ㎛ 내지 70 ㎛, 60 ㎛ 내지 100 ㎛, 60 ㎛ 내지 80 ㎛ 또는 80 ㎛ 내지 100 ㎛인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유의 직경이 1 ㎛ 미만인 경우 유체 흐름에 해 섬유가 끊기는 문제가 발생할 수 있고, 100 ㎛ 초과인 경우 접촉면적이 줄어들어 탈염효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 맥신 섬유의 평균 직경은, 2차원 나노물질의 주사전자현미경 등의 관찰 사진 이미지상 2차원 나노물질의 각각의 면적을 측정한 후, 이를 동일 면적의 원으로 환산하여, 원의 지름을 기준하여 산출된 평균 직경일 수 있다. 이때, 크기가 측정되는 2차원 나노물질의의 수는 50 개 이상, 구체적으로 100 개 이상, 실질적으로 500 개 이상인 것일일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유 부직포는, 평량이 10 g/m2 내지 1000 g/m2인 것일 수 있다. 상기 맥신 섬유 부직포는, 평량이 10 g/m2 내지 800 g/m2, 10 g/m2 내지 600 g/m2, 10 g/m2 내지 400 g/m2, 10 g/m2 내지 200 g/m2, 10 g/m2 내지 100 g/m2, 50 g/m2 내지 800 g/m2, 50 g/m2 내지 600 g/m2, 50 g/m2 내지 400 g/m2, 50 g/m2 내지 200 g/m2, 50 g/m2 내지 100 g/m2, 100 g/m2 내지 800 g/m2, 100 g/m2 내지 600 g/m2, 100 g/m2 내지 400 g/m2, 100 g/m2 내지 200 g/m2, 200 g/m2 내지 800 g/m2, 200 g/m2 내지 600 g/m2, 200 g/m2 내지 400 g/m2, 400 g/m2 내지 800 g/m2, 400 g/m2 내지 600 g/m2, 500 g/m2 내지 1000 g/m2, 500 g/m2 내지 800 g/m2, 500 g/m2 내지 600 g/m2 또는 800 g/m2 내지 1000 g/m2인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 맥신 섬유 부직포는, 평량이 100 g/m2인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유 부직포의 평량이 10 g/m2 미만인 경우 부직포가 얇거나 공극률이 커서 체류시간이 짧아 탈염효율 저하 문제가 발생할 수 있고, 1000 g/m2 초과인 경우 부직포가 두껍거나 공극률이 작아서 압력강하 커지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포는 맥신 섬유가 부직포 형태의 섬유집합체로 이루어져 있어 높은 투수성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 맥신(MXene) 섬유 부직포의 제조방법은, 액정상의 맥스 상 용액 및 응고 용매를 혼합한 혼합액을 습식 방사한 후, 여과 및 건조하여 부직포용 맥신 스테이플 섬유(MXene staple fiber)를 준비하는 단계; 상기 맥신 스테이플 섬유를 수중분산하여 웹을 형성시켜 스테이플 섬유가 분포된 혼탁액을 준비하는 단계; 및 상기 혼탁액을 시트 몰드에 여과한 후 건조시켜 부직포를 제조하는 단계;를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포의 제조방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포의 제조방법은, 맥신 스테이플 섬유 준비 단계, 혼탁액 준비 단계 및 부직포 제조단계를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 스테이플 섬유 준비 단계 (110)는, 액정상의 맥스 상 용액 및 응고 용매를 혼합한 혼합액을 습식 방사한 후, 여과 및 건조하여 부직포용 맥신 스테이플 섬유를 준비하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥스 상은 화학식 1로 표현되는 것일 수 있다:
[화학식 1]
Mn+1AXn
상기 화학식 1에서,
M은 전이금속이고,
A는 Al, Cd, In Ga, Tl, Pb, Ge, P, As, S 및 Sn로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
X는 C 또는 N이고,
n은 1 내지 3의 정수임.
일 실시형태에 있어서, 상기 전이금속 M은 IIIB족, IVB족, VB족, VIB 및 VIIB족에서 하나 이상 선택되는 전이금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 전이금속(M)은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망가니즈(Mn), 스칸듐(Sc), 몰리브데넘(Mo), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 이트륨(Y) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥스 상은, Ti2AlC, Ti2CdC, Sc2InC, Ti2GaC, Ti2InC, Ti2TlC, V2AlC, V2GaC, Cr2GaC, Ti2AlN, Ti2GaN, Ti2InN, V2GaN, Cr2GaN, Ti2GeC, Ti2SnC, Ti2PbC, V2GeC, Cr2AlC, Cr2GeC, V2PC, V2AsC, Ti2SC, Zr2InC, Zr2TlC, Nb2AlC, Nb2GaC, Nb2InC, Mo2GaC, Zr2InN, Zr2TlN, Zr2SnC, Zr2PbC, Nb2SnC, Nb2PC, Nb2AsC, Zr2SC, Nb2SC, Hf2InC, Hf2TlC, Ta2AlC, Ta2GaC, Hf2SnC, Hf2PbC, Hf2SnN, Hf2SC, Ti3AlC2, V3AlC2, Ti3SiC2, Ti3GeC2, Ti3SnC2, Ta3AlC2, Ti4AlN3, V4AlC3, Ti4GaC3, Ti4SiC3, Ti4GeC3, Nb4AlC3 및 Ta4AlC3로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, Ti3AlC2인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 액정상의 맥스 상 용액은, 분산매에 상기 맥스 상이 30 mg/ml 내지 100 mg/ml, 50 mg/ml 내지 100 mg/ml, 70 mg/ml 내지 100 mg/ml, 90 mg/ml 내지 100 mg/ml, 40 mg/ml 내지 100 mg/ml, 40 mg/ml 내지 80 mg/ml, 40 mg/ml 내지 60 mg/ml, 60 mg/ml 내지 80 mg/ml, 60 mg/ml 내지 100 mg/ml, 50 mg/ml 내지 100 mg/ml, 50 mg/ml 내지 80 mg/ml 또는 50 mg/ml 내지 60 mg/ml의 농도로 혼합된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분산매는, 아민계, 에테르계 및 물로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 아민계 용매는 디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈 및 디메틸아세트아미드로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 에테르계 용매는 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디메틸에테르 및 디부틸에테르로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 응고 용매는, 알코올계 용매, 케톤계 용매, 에스테르계 용매 및 비극성 용매로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 알코올계 용매는 메탄올, 에탄올, 메톡시에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 및 이소부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 케톤계 용매는 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 등일 수 있으며, 에스테르계 용매는 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트 및 3-메톡시-3-메틸 부틸 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 비극성 용매는 펜탄, 헥산, 헵탄, 사이클로펜탄, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 1,4-다이옥산, 디클로로메탄, 메틸 3급-부틸 에터, 클로로포름, 탄소 테트라클로라이드 및 디에틸 에터로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 응고 용매는, 비이온성인 것일 수 있으며, 아세톤, 에틸메틸케톤 또는 에틸 아세테이트인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분산매는 둘 이상의 용매가 혼합된 혼합용매일 수 있으며, 제2용매는 제1 용매보다 큰 표면 장력을 가질 수 있다. 구체적으로, 제2 용매는 제1용매의 표면 장력(대기중 20 ℃ 기준) 대비 1.2 배 내지 3배, 구체적으로 1.3 배 내지 2.5 배, 보다 더 구체적으로 1.5 배 내지 2.0배의 표면 장력을 가질 수 있다.
나아가, 분산매와 맥스 상 간의 상호작용이 강할수록 응고를 지연시킬 수 있다. 구체적으로, 맥스 상이 N, O 및 S로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 극성 헤테로 원자를 함유하는 경우, 다이폴과 직접적으로 연관된 용매의 유전상수가 높을수록, 섬유의 응고를 지연시킬 수 있다.
이러한 측면에서, 분산매는 둘 이상의 용매가 혼합된 혼합용매일 수 있으며, 제2 용매는 제1 용매보다 큰 유전상수(dielectric constant)를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 용매와 제2 용매간의 유전상수(25 ℃ 기준) 차는 20 이상, 25 이상, 또는 30 이상일 수 있으며, 실질적으로, 50 이하일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분산매는, 5 mg/mL 이상, 구체적으로 5 mg/mL 내지 30 mg/mL, 보다 구체적으로 10 mg/mL 내지 20 mg/mL의 2차원 나노물질을 함유할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시형태에 있어서, 혼합액의 방사는 습식방사(wet spinning)일 수 있다. 섬유 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 습식 방사는 혼합액을 응고액 중의 방사구(오리피스 또는 노즐)를 통하여 압출하여, 압출된 혼합액이 응고액 중에서 섬유상으로 고화되는 방법이다. 이때, 응고액 중 수득되는 부직포용 맥신 스테이플 섬유는 응고액 내부 또는 외부에서 권취될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 습식 방사는 산성 겔화 방법(acidic gelation methods)을 이용하고, 상기 산성물질은 불산(HF), 염산(HCl), 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 습식 방사는 맥신 입자의 용매 분산도 차이를 이용하는 용매 교환(solvent exchange) 또는 음전하를 띤 멕신 입자의 산을 첨가하여 응집시키는 산성 겔화 방법을 사용한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 습식 방사는 10 ℃ 내지 50 ℃의 온도 범위에서, 방사 시 분산액의 토출 속도는 0.01 ml/min 내지 0.1 ml/min인 것일 수 있다.
예를 들어, 혼합액이 방사되는 온도는, 20 ℃ 내지 30 ℃ 실질적으로 상온(25 ℃ ± 3 ℃)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 혼합액의 방사 시 분산액의 토출 속도는 0.1 ml/min 내지 0.7 ml/min일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 권취 속도는 토출 속도에 상응할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시형태에 있어서, 혼합액의 방사 시 응고액의 회전이 이루어질 수 있다. 즉, 방사시 응고액을 회전시켜 섬유의 고화와 섬유에의 전단응력 인가가 동시 수행될 수 있다. 응고액(응고액이 담긴 응고 배쓰)의 회전 속도는 1 rpm 내지 100 rpm, 바람직하게는 20 rpm 내지 50 rpm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 응고액의 회전에 의해 섬유(고화중인 섬유)에 전단응력(shear)이 인가되며, 이러한 전단응력에 의해 맥신이 섬유의 축 방향으로 배향될 수 있다. 즉, 이러한 응고액 내에서의 전단응력 인가는 맥신의 섬유 축방향으로의 배향성을 높여, 섬유의 기계적/전기적 물성을 향상시킬 수 있어 유리하다.
일 실시형태에 있어서, 방사된 섬유는 습식 방사 후 여과 및 건조를 통해 부직포용 맥신 스테이플 섬유가 될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 혼탁액 준비 단계 (120)는, 상기 맥신 스테이플 섬유를 수중분산하여 웹을 형성시켜 스테이플 섬유가 분포된 혼탁액을 준비하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 스테이플 섬유를 고속 전단 혼합(high shear mixing)을 이용하여 수중분산하여 섬유를 해리시켜 웹을 형성시켜 혼탁액을 준비하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 부직포 제조단계 (130)는, 상기 혼탁액을 시트 몰드에 여과한 후 건조시켜 부직포를 제조하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 혼합액을 시트 몰드에 여과한 후 공기 중에 건조시켜 섬유간 결합을 유도하여 부직포를 제조하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 혼탁액을 시트 몰드에 여과한 후 건조시켜 부직포를 제조하는 단계 이후에, 상기 부직포를 70 ℃ 내지 150 ℃의 온도범위에서 진공건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 온도범위에서 진공건조를 통해 표면 하이드록실기(-OH) 기능기의 축합(condensation)을 유도하여 맥신 판상 간의 가교(cross-linking)를 형성시켜 수중에서 섬유가 풀어지는 것을 방지할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 맥신 섬유 부직포는 화학식 2로 표현되는 것일 수 있다:
[화학식 2]
Mn+1Xn(Tx)
상기 화학식 2에서,
M은 전이금속이고,
X는 C 또는 N이고,
n은 1 내지 3의 정수이고,
Tx는 알콕사이드, 카르복실레이트, 할라이드, 하이드록사이드, 하이드라이드, 옥사이드, 나이트라이드, 설파이드 및 티올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 맥신에서, 2차원 구조의 전이금속 탄화물, 전이금속 질화물 또는 전이금속 탄질화물은 Tx로 표현되는 표면 작용기로 종결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포의 제조방법은 액정 용액 상태로 만들어 섬유형으로 제조할 수 있고, 바인더 없이 습식 부직포 공정을 통해 섬유간 융합을 유도하여 투수성이 있는 시트를 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염 장치는, 양극챔버, 제1 집전체, 양극, 제1 가스켓, 분리막, 제2 가스켓, 음극, 제2 집전체 및 음극챔버가 순차적으로 결합되고, 상기 양극 및 상기 음극은 각각 독립적으로, 일 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포 또는 다른 실시예에 따른 맥신 섬유 부직포의 제조방법에 의해 제조된 맥신 섬유 부직포이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염 장치는, 전기 이중층 이온저장물질인 탄소기반의 전극을 층간삽입형 이온저장 물질인 맥신으로 대체하여, 종래 축전식 탈염공정에 비해 높은 축전 용량과 고염도 해수의 탈염을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염 장치(200)는, 양극챔버(210), 제1 집전체(220), 양극(230), 제1 가스켓(240), 분리막(250), 제2 가스켓(260), 음극(270), 제2 집전체(280) 및 음극챔버(290)를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극챔버(210)는, 염수가 흘러 들어가는 포트(212)를 포함하고, 상기 음극챔버(290)는, 처리수를 배출하는 배출구(292)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 음극챔버(290)는, 저장소(reservoir, 294)가 파여 있는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극챔버(210) 및 상기 음극챔버(290)는 아크릴 판인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극(230) 및 상기 음극(270)은 상기 분리막(250)에 의해 분리되어 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분리막(250)은, 유리섬유막인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 집전체(220) 및 상기 제2 집전체(280)는, 각각 독립적으로, 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸 및 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 시트, 박막 또는 메쉬 형태인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 집전체(220) 및 상기 제2 집전체(280)는, 티타늄 메쉬인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극(230)과 상기 제1 집전체(220) 및 상기 음극(270)과 상기 제2 집전체(280)는 전도성 에폭시로 접착된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 집전체(220) 및 상기 제2 집전체(280)는, 각각 독립적으로, 긴 와이어로 연결되어 외부 전원과 연결할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극(230) 및 상기 음극(270)으로서 맥신을 부직포 형태의 섬유집합체를 포함함으로써 높은 투수성을 부여할 수 있다. 따라서, 염수가 직접적으로 양극(230) 및 음극(270)을 통과할 수 있게 하는 투과형 축전식 탈염(flow-through CDI)을 가능하게 하여, 염수가 두 전극 사이를 평행하게 통과시키는 flow-between 방식보다 효과적으로 탈염 공정을 수행할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법은, 일 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염장치에 전압을 인가하는 단계; 염수를 공급하는 단계; 및 상기 염수 내에 존재하는 이온을 양극 및 음극에 흡착시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법은, 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염장치를 이용하는 것일 수 있다.
먼저, 투과형 축전식 탈염장치에 전압을 인가한 후 투과형 축전식 탈염장치 내로 염수를 공급한다. 염수가 투과형 축전식 탈염장치 내에 양극 및 음극을 직접 투과하는 방식으로 양극 및 음극에 흡착시켜 염수 내 이온을 탈착시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법에 의하여, 염수가 직접적으로 전극을 통과할 수 있게 하는 투과형 축전식 탈염(flow-through CDI)을 가능하게 함으로써, 염수가 두 전극 사이를 평행하게 통과시키는 flow-between 방식보다 효과적으로 탈염공정을 수행할 수 있게 한다.
본 발명의 투과형 축전식 탈염 장치를 이용한 축전식탈염 공정은 해수, 기수로 부터의 담수 확보, 방사성 또는 중금속 이온에 오염된 오염수 정화, 해수내 용해된 우라늄, 리튬 등의 희귀자원 채취, 산업용수 생산등에 응용될 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
맥신(MXene)의 제조
맥신과 그 전구체인 맥스(MAX)는 다음과 같은 방법으로 제조되었다.
먼저, 혼합 분말 (TiC : Ti : Al)을 2 : 1 : 1 원자비로 볼 밀링 한 후 1380 ℃에서 6 시간 동안 열처리하여 맥스를 제조 하였다. 그 후 맥신은 MILD (Minimum Intensive Layer Delamination)를 합성했다. HCl (9M) 20ml에 맥스 1 g과 LiF 1.6 g을 25 ℃에서 24 시간 동안 교반 하였다. 마지막으로 합성 된 맥신을 원심 분리기로 세척하였다.
맥신-기반 섬유의 제조
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 습식 방사 공정을 나타낸 이미지이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 맥신-기반 직물 재료는 산성 겔화 방법으로 습식 방사하여 제조하였다.
먼저, 2 ml의 맥신 분산액 (물, 35 mg/ml)을 아세톤 응고액이 들어있는 회전 수조 (직경: 13 cm, 20 rpm)에 실린지 펌프를 이용 0.05 ml/min의 속도로 방사하였다. 방사 후 30분간 응고 시킨 후 공기 중 1차 건조를 통해 스테이플 섬유 제조하였다. 에탄올 : 물 = 9 : 1 혼합 용매에 스테이플 섬유를 넣고 고속 전단 혼합 (300 rpm)을 통해 분산시켰다. 섬유 혼탁액을 시트 몰드에 filtering 후 공기 중에서 12 시간, 80 ℃ 진공오븐에서 12 시간 건조시켜 맥신 부직포 전극을 제조하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 맥신-기반 섬유 이미지이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 맥신-기판 섬유의 미세구조 이미지이다.
맥신-기반 직물은 맥신의 전기 화학적으로 원하는 선택적 Cs 이온 교환 특성으로 인해 방사성 Cs 용으로 제조하였다. 향후 작업에서는 실제 적용을 위해 수압 투과성 및 기계적 특성 측정을 수행하였다. 또한, Cs 수성 용액에서 3 전극 순환 전압 전류법 실험을 통해 Cs 흡착 메커니즘을 확인하였다.
투과형 축전식 탈염 장치
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 축전식 탈염 장치를 포함하는 시스템의 개략도이다. 양극 및 음극은 상기에서 제조한 맥신-기반 섬유이다.
도 6의 시스템을 이용하여 NaCl 또는 CsCl이 녹아 있는 염수를 유동 펌프를 통해 전극셀에 흘려 주었다. 염수는 전압이 인가된 양극 및 음극 내에 직접적으로 통과하여 탈염 공정을 수행하였다.
탈염 공정은 음극, 양극 모두 Φ35 mm x 0.3t 의 맥신 부직포 전극으로 약 70 mg으로 준비하였다. 50 ppm CsCl 용액을 유동 펌프를 통해 2 ml/min의 속도로 전극셀에 공급하고, 1.2 V의 전압을 인가하였다. 전극셀을 투과하여 나오는 CsCl 염수의 전기전도도 측정을 통해 탈염효율 측정하였다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 맥신 부직포 전극의 CsCl 염수 시간에 따른 탈염 효율을 측정한 그래프이다.
맥신 전극의 탈염 효율은 SAC (Specific adsorption capacity): 3.3 mg/g 및 ASAR (Averag Salt Adsortpion Rate): 0.234 mg/g/min 으로 측정되었다.
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 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 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.
200: 투과형 축전식 탈염 장치
210: 양극챔버
220: 제1 집전체 230: 양극
240: 제1 가스켓 250: 분리막
260: 제2 가스켓 270: 음극
280: 제2 집전체 290: 음극챔버
220: 제1 집전체 230: 양극
240: 제1 가스켓 250: 분리막
260: 제2 가스켓 270: 음극
280: 제2 집전체 290: 음극챔버
Claims (17)
- 맥신 섬유 집합체를 포함하는,
맥신(MXene) 섬유 부직포.
- 제1항에 있어서,
상기 맥신 섬유의 직경은 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 및 길이 1 mm 내지 1000 mm인 것인,
맥신 섬유 부직포.
- 제1항에 있어서,
상기 맥신 섬유 부직포는, 평량이 10 g/m2 내지 1000 g/m2인 것인,
맥신 섬유 부직포.
- 액정상의 맥스 상 용액 및 응고 용매를 혼합한 혼합액을 습식 방사한 후, 여과 및 건조하여 부직포용 맥신 스테이플 섬유(MXene staple fiber)를 준비하는 단계;
상기 맥신 스테이플 섬유를 수중분산하여 웹을 형성시켜 스테이플 섬유가 분포된 혼탁액을 준비하는 단계; 및
상기 혼탁액을 시트 몰드에 여과한 후 건조시켜 부직포를 제조하는 단계;
를 포함하는,
맥신(MXene) 섬유 부직포의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 맥스 상은 화학식 1로 표현되고,
상기 맥신 섬유 부직포는 화학식 2로 표현되는 것인, 맥신(MXene) 섬유 부직포의 제조방법:
[화학식 1]
Mn+1AXn
상기 화학식 1에서,
M은 전이금속이고,
A는 Al, Cd, In Ga, Tl, Pb, Ge, P, As, S 및 Sn로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
X는 C 또는 N이고,
n은 1 내지 3의 정수임.
[화학식 2]
Mn+1Xn(Tx)
상기 화학식 2에서,
M은 전이금속이고,
X는 C 또는 N이고,
n은 1 내지 3의 정수이고,
Tx는 알콕사이드, 카르복실레이트, 할라이드, 하이드록사이드, 하이드라이드, 옥사이드, 나이트라이드, 설파이드 및 티올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함함.
- 제4항에 있어서,
상기 맥스 상은,
Ti2AlC, Ti2CdC, Sc2InC, Ti2GaC, Ti2InC, Ti2TlC, V2AlC, V2GaC, Cr2GaC, Ti2AlN, Ti2GaN, Ti2InN, V2GaN, Cr2GaN, Ti2GeC, Ti2SnC, Ti2PbC, V2GeC, Cr2AlC, Cr2GeC, V2PC, V2AsC, Ti2SC, Zr2InC, Zr2TlC, Nb2AlC, Nb2GaC, Nb2InC, Mo2GaC, Zr2InN, Zr2TlN, Zr2SnC, Zr2PbC, Nb2SnC, Nb2PC, Nb2AsC, Zr2SC, Nb2SC, Hf2InC, Hf2TlC, Ta2AlC, Ta2GaC, Hf2SnC, Hf2PbC, Hf2SnN, Hf2SC, Ti3AlC2, V3AlC2, Ti3SiC2, Ti3GeC2, Ti3SnC2, Ta3AlC2, Ti4AlN3, V4AlC3, Ti4GaC3, Ti4SiC3, Ti4GeC3, Nb4AlC3 및 Ta4AlC3로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
맥신(MXene) 섬유 부직포의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 액정상의 맥스 상 용액은,
분산매에 상기 맥스 상이 30 mg/ml 내지 100 mg/ml의 농도로 혼합된 것인,
맥신(MXene) 섬유 부직포의 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 분산매는, 아민계, 에테르계 및 물로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 아민계 용매는 디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈 및 디메틸아세트아미드로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 에테르계 용매는 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디메틸에테르 및 디부틸에테르로 이루어진 군으로터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
맥신(MXene) 섬유 부직포의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 응고 용매는,
알코올계 용매, 케톤계 용매, 에스테르계 용매 및 비극성 용매로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 알코올계 용매는 메탄올, 에탄올, 메톡시에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 및 이소부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 케톤계 용매는 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 등일 수 있으며, 에스테르계 용매는 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트 및 3-메톡시-3-메틸 부틸 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 비극성 용매는 펜탄, 헥산, 헵탄, 사이클로펜탄, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 1,4-다이옥산, 디클로로메탄, 메틸 3급-부틸 에터, 클로로포름, 탄소 테트라클로라이드 및 디에틸 에터로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
맥신 섬유 부직포의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 습식 방사는 산성 겔화 방법을 이용하고,
상기 산성 물질은 불산(HF), 염산(HCl), 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
맥신 섬유 부직포의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 습식 방사는 10 ℃ 내지 50 ℃의 온도 범위에서,
방사 시 분산액의 토출 속도는 0.01 ml/min 내지 0.1 ml/min인 것인,
맥신 섬유 부직포의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 혼탁액을 시트 몰드에 여과한 후 건조시켜 부직포를 제조하는 단계 이후에,
상기 부직포를 70 ℃ 내지 150 ℃의 온도범위에서 진공건조하는 단계;
를 더 포함하는,
맥신 섬유 부직포의 제조방법.
- 양극챔버, 제1 집전체, 양극, 제1 가스켓, 분리막, 제2 가스켓, 음극, 제2 집전체 및 음극챔버가 순차적으로 결합되고,
상기 양극 및 상기 음극은 각각 독립적으로,
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 맥신 섬유 부직포 또는 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항의 맥신 섬유 부직포의 제조방법에 의해 제조된 맥신 섬유 부직포인,
투과형 축전식 탈염 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 양극챔버는, 염수가 흘러 들어가는 포트를 포함하고,
상기 음극챔버는, 처리수를 배출하는 배출구를 포함하는 것인,
투과형 축전식 탈염 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 양극과 상기 제1 집전체 및 상기 음극과 상기 제2 집전체는 전도성 에폭시로 접착된 것인,
투과형 축전식 탈염 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체는, 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸 및 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
시트, 박막 또는 메쉬 형태인 것인,
투과형 축전식 탈염 장치.
- 제13항의 축전식 탈염장치에 전압을 인가하는 단계;
염수를 공급하는 단계; 및
상기 염수 내에 존재하는 이온을 양극 및 음극에 흡착시키는 단계;
를 포함하는,
염수 내에 존재하는 이온 흡착 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20240083788A (ko) | 2022-12-05 | 2024-06-12 | 주식회사 노블머트리얼즈 | 유동 전극 축전식 탈염을 이용한 선택적 이온분리 장치 및 방법 |
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| KR20190095893A (ko) * | 2018-02-07 | 2019-08-16 | 원광대학교산학협력단 | 탄소 섬유 부직포 및 이에 코팅된 맥신을 포함하는 탄소 섬유 복합재, 그 제조 방법 및 용도 |
| CN110886050A (zh) * | 2019-10-17 | 2020-03-17 | 宁波甬烯光电科技有限公司 | 一种Mxene聚己内酯无纺布及其制备方法 |
| KR20210079208A (ko) * | 2019-12-19 | 2021-06-29 | 한양대학교 산학협력단 | 맥신 섬유 및 이의 제조방법 |
-
2021
- 2021-07-16 KR KR1020210093759A patent/KR102567441B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|
| KR102567441B1 (ko) | 2023-08-17 |
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