KR20230148044A - A stretchable superhydrophobic membrane, a manufacturing method thereof, and a membrane distillation using same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a superhydrophobic separation membrane that can increase a permeation flux by including elastic materials, capable of maintaining superhydrophobicity when forming a pore size to prevent the separation membrane from getting wet, and allowing the pore size to be adjusted. The present invention provides the superhydrophobic separation membrane, the manufacturing method thereof, and a membrane distillation method using the same. The superhydrophobic separation membrane includes a fibrous membrane layer containing elastic material; and a coating layer in which the fibrous membrane is coated with hydrophobic microspheres.

Description

신축 가능한 초소수성 분리막, 이의 제조방법 및 이를 이용한 막증류법{A STRETCHABLE SUPERHYDROPHOBIC MEMBRANE, A MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND A MEMBRANE DISTILLATION USING SAME}Stretchable superhydrophobic membrane, manufacturing method thereof, and membrane distillation method using the same

본 발명은 신축성 재료를 이용하여 기공 크기 조절이 가능한 초소수성 분리막 및 이를 이용한 막증류법 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a superhydrophobic separation membrane capable of controlling pore size using a stretchable material and a membrane distillation system using the same.

담수화 기술은 현재 해수, 지하수 및 폐수를 포함한 다양한 염수 또는 오염원에서 담수를 획득하여 담수 부족 문제를 해결하는 데 사용된다.Desalination technology is currently used to solve the problem of freshwater shortage by obtaining freshwater from various salty or polluted sources, including seawater, groundwater, and wastewater.

담수화 기술 중 역삼투법(RO)은 가장 높은 에너지 효율을 보이며 현재 전 세계 담수화 용량의 60% 이상을 차지한다. 그러나 역삼투법은 역삼투압 분리막의 허용 오차를 크게 이상하는 삼투압의 고염수를 처리에 적용하기 어렵다는 단점이 있었다. Among desalination technologies, reverse osmosis (RO) has the highest energy efficiency and currently accounts for more than 60% of global desalination capacity. However, the reverse osmosis method had the disadvantage of being difficult to apply to the treatment of high-salt water whose osmotic pressure greatly exceeds the tolerance of the reverse osmosis membrane.

직접 접촉 막증류법(Direct contact Membrane Distillation; DM) 은 증기 분자만을 따뜻한 식염수 공급 채널에서 소수성 미세 다공성 막을 통해 차가운 투과 채널로 이동시키는 유망한 담수화 기술 중 하나로, 담수화 기술의 원동력은 공급 채널과 투과 채널 사이의 온도 차이에 의해 생성된 증기압 구배이다. Direct contact membrane distillation (DM) is one of the promising desalination technologies that moves only vapor molecules from the warm saline supply channel to the cold permeation channel through a hydrophobic microporous membrane. The driving force of the desalination technology is the separation between the supply channel and the permeation channel. It is a vapor pressure gradient created by temperature differences.

역삼투법과 같은 압력 구동 분리막 공정과 달리 막증류법은 열 구동 분리 기술의 일종으로 작동 압력이 낮고 용질 제거율이 높다는 장점이 있다. 다만, 액체에서 증기로의 불가피한 상 변화로 인해 에너지 효율이 낮으며 역삼투법에 비해 투과 유속이 낮다는 단점이 있으나, 에너지 효율에 대한 단점은 막증류법이 끓는점 이하의 저급 열에너지를 사용하여 작동 가능하다는 점에서 큰 문제가 되지 않을 것이다. Unlike pressure-driven membrane processes such as reverse osmosis, membrane distillation is a type of heat-driven separation technology that has the advantage of low operating pressure and high solute removal rate. However, due to the inevitable phase change from liquid to vapor, energy efficiency is low and the permeation flow rate is lower than that of reverse osmosis. However, the disadvantage to energy efficiency is that membrane distillation can operate using low-grade heat energy below the boiling point. It won't be a big problem.

따라서, 현재의 막증류법의 해결 과제는 분리막이 젖지 않으면서 물의 투과 유속을 향상시키는 것이다. Therefore, the problem to be solved in the current membrane distillation method is to improve the permeation flow rate of water without wetting the membrane.

최근 몇 년 동안 분리막 젖음을 감소시키거나 방지할 수 있는 초소수성, 옴니포빅(omniphobicity) 또는 이중 친수성-소수성 등의 특수한 표면 습윤성을 갖는 새로운 분리막의 제조 기술에 상당한 발전이 있었다. 예를 들어 한국 공개특허공보 제10-2015-0076508호는 원자층 증착법을 이용하여 다공성 분리막에 친수성 산화막층을 증착 한 후 소수성 박막층을 추가 형성하는 막증류용 친수성-소수성 이중 층 분리막을 개시한다. In recent years, significant progress has been made in the fabrication technology of new separators with special surface wettability, such as superhydrophobicity, omniphobicity, or dual hydrophilic-hydrophobicity, which can reduce or prevent membrane wetting. For example, Korean Patent Publication No. 10-2015-0076508 discloses a hydrophilic-hydrophobic double layer separator for membrane distillation in which a hydrophilic oxide film layer is deposited on a porous separator using an atomic layer deposition method and then a hydrophobic thin film layer is additionally formed.

반면, 투과 유속이 높아지기 위해서는 다공성 분리막의 기공 크기가 커져야 하는데, 다공성 분리막의 기공크기가 커지면 분리막 젖음이 발생할 가능성이 높아져, 분리막 젖음 방지 및 투과 유속 상승의 두 가지 조건을 모두 충족시킬 수 있는 최적화된 기공 크기의 조절 방법이 필요한 실정이다.On the other hand, in order to increase the permeation flux, the pore size of the porous membrane must be increased. As the pore size of the porous membrane increases, the possibility of membrane wetting increases, so an optimized membrane that can satisfy both conditions of preventing membrane wetting and increasing the permeate flux is needed. There is a need for a method to control pore size.

한국 공개특허공보 제10-2015-0076508호Korean Patent Publication No. 10-2015-0076508

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분리막 젖음 방지를 위해 기공 크기 조성시에 초소수성을 유지하며, 기공 크기 조정이 가능한 신축성이 있는 재료를 포함하여 투과 유속을 증가시킬 수 있는 초소수성 분리막에 대한 것이다.The present invention is intended to solve the above problems, and maintains superhydrophobicity when forming the pore size to prevent the separator from getting wet, and includes a flexible material capable of adjusting the pore size to increase the permeation flow rate. It's about the separation membrane.

본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 분리막은 신축성 재료를 포함하는 섬유막 층; 상기 섬유막 층이 소수성 미소구체로 코팅되는 코팅층을 포함하고, 상기 초소수성 분리막은 기계적 변형에 의해 기공 직경이 변경되는 초소수성 분리막을 제공한다.A superhydrophobic separator according to an embodiment of the present invention includes a fibrous membrane layer containing a stretchable material; The fibrous membrane layer includes a coating layer coated with hydrophobic microspheres, and the superhydrophobic separator provides a superhydrophobic separator whose pore diameter is changed by mechanical deformation.

본 발명의 다른 실시예에 따른 초소수성 분리막의 제조방법은 신축성 재료를 포함하는 용액을 전기 방사하여 섬유막을 제조하는 단계; 및 상기 섬유막을 소수성 미소구체를 포함하는 용액을 전기 분무하여 코팅하는 단계; 를 포함하고 상기 초소수성 분리막은 기계적 변형에 의해 기공 직경이 변경되는 초소수성 분리막의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a superhydrophobic separator according to another embodiment of the present invention includes manufacturing a fibrous membrane by electrospinning a solution containing a stretchable material; and coating the fibrous membrane by electrospraying a solution containing hydrophobic microspheres. It includes a superhydrophobic separator and provides a method of manufacturing a superhydrophobic separator whose pore diameter is changed by mechanical deformation.

본 발명의 다른 실시예는 상기 초소수성 분리막을 이용하는 막증류법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a membrane distillation method using the superhydrophobic separation membrane.

본 발명의 초소수성 분리막은 초소수성으로 인한 액체진입압력의 상승 및 분리막 젖음성을 현저히 감소시킬 수 있는 동시에, 상기 초소수성 분리막을 변형하여 기공 크기를 조절할 수 있어 투과 유속의 조절이 가능하다. 특히, 변형에 의해 기공 크기를 확대하여 물의 투과 유속을 증가시킬 수 있다. The superhydrophobic separator of the present invention can significantly reduce the increase in liquid entry pressure and separator wettability due to superhydrophobicity, and at the same time, the pore size can be adjusted by modifying the superhydrophobic separator, making it possible to control the permeate flow rate. In particular, the permeation flow rate of water can be increased by enlarging the pore size through deformation.

본 발명의 초소수성 분리막은 담수 분리에 따라 염수의 염 농도가 고농도로 증가할 때 담수 분리 효율이 떨어지는 문제를 개선할 수 있다.The superhydrophobic separation membrane of the present invention can improve the problem of low freshwater separation efficiency when the salt concentration of salt water increases to a high concentration following freshwater separation.

본 발명의 다른 효과로는 산업용 폐수나 태양열을 이용하여 간단한 방법으로 도달할 수 있는 상대적으로 저온(약 60℃)의 염수를 이용하여 담수를 제조할 수 있어 소비 에너지를 최소화할 수 있다.Another effect of the present invention is that fresh water can be produced using industrial wastewater or saline water at a relatively low temperature (about 60°C), which can be reached in a simple manner using solar power, thereby minimizing energy consumption.

본 발명의 초소수성 분리막의 도입으로 분리막의 기공 크기를 구체적으로 제어할 수 있어, 활용 분야를 해수 담수화, 폐수 및 상수도 처리, 초순수 및 음용수 제조 등으로 확장할 수 있음으로, 막증류법 분리막의 미래 상업화 및 상용화에 기여할 수 있다.With the introduction of the superhydrophobic membrane of the present invention, the pore size of the membrane can be specifically controlled, and the field of application can be expanded to seawater desalination, wastewater and water supply treatment, ultrapure water and drinking water production, etc., leading to the future commercialization of membrane distillation membranes. and can contribute to commercialization.

도 1은 본 발명의 초소수성 분리막의 변형에 따른 증기 이동 양상을 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 초소수성 분리막 제조 공정의 개략도이다.
도 2b는 (i)본 발명의 초소수성 분리막에 기계적 변형을 가하여 (ii) 초소수성 분리막의 기공 크기 조절 및 투과 유속 증가에 대한 개념도이고, (iii) 본 발명의 초소수성 분리막 단면의 SEM 이미지이다.
도 2c는 본 발명의 전기 방사를 통한 폴리우레탄 섬유막층의 표면 구조 사진을 나타낸다.
도 2d는 전기 분무를 통해 PDMS 미소구체를 코팅한 후 코팅층의 표면 구조 사진(b), 탄성 및 비탄성 이중막의 표면 구조 사진(c)를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 초소수성 분리막에 0%에서 150% 범위의 기계적 변형 하에서 실시예 및 비교예의 분리막 표면의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 4는 초소수성 분리막에 기계적 변형을 적용하는 경우에 초소수성을 유지하는지 여부를 촬영한 사진이며, 물방울을 빨간색으로 염색하였다.
도 5은 본 발명의 초소수성 분리막에 워터젯을 수행하는 경우에 물이 투과되지 않는 양상을 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 초소수성 분리막의 변형율에 따른 물의 접촉각을 나타내는 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 초소수성 분리막의 변형율에 따른 물의 슬라이딩 각도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 초소수성 분리막의 변형율에 따른 평균 기공 크기와 최대 기공 크기를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 초소수성 분리막의 변형율에 따른 기공 크기 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 초소수성 분리막의 변형율에 따른 액체진입압력의 측정값(LEPm) 및 계산값(LEPc)를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 초소수성 분리막의 변형율에 따른 투과 유속을 나타내는 그래프이다.
도 11는 본 발명의 초소수성 분리막의 투과 채널에서 변형율에 다른 유체의 전도도를 나타낸다.
도 12는 막증류법 공정의 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 막증류법 분리막 모듈 내부의 공급 채널, 투과 채널 및 초소수성 분리막의 모델링을 나타낸다.
도 13은 0.0 내지 0.5초 동안 온도 구배, 투과 유속 구배 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 14는 기계적 변형을 적용하여 제어된 기공 직경에 따른 초소수성 분리막의 실험 및 계산된 막증류법 투과 유속 값 간의 비교 그래프이다.
Figure 1 shows the vapor movement pattern according to the modification of the superhydrophobic membrane of the present invention.
Figure 2a is a schematic diagram of the superhydrophobic separator manufacturing process of the present invention.
Figure 2b is (i) a conceptual diagram of (ii) adjusting the pore size and increasing the permeate flow rate of the superhydrophobic separator by applying mechanical strain to the superhydrophobic separator of the present invention, and (iii) an SEM image of the cross section of the superhydrophobic separator of the present invention. .
Figure 2c shows a photograph of the surface structure of the polyurethane fiber membrane layer through electrospinning of the present invention.
Figure 2d shows a photograph of the surface structure of the coating layer (b) and a photograph of the surface structure of the elastic and inelastic bilayers (c) after coating PDMS microspheres through electrospraying.
Figure 3 shows SEM images of the surface of the superhydrophobic separator of the present invention under mechanical strain ranging from 0% to 150% of the examples and comparative examples.
Figure 4 is a photograph taken to determine whether superhydrophobicity is maintained when mechanical deformation is applied to the superhydrophobic separator, and the water droplets are dyed red.
Figure 5 shows how water does not permeate when water jetting is performed on the superhydrophobic separator of the present invention.
Figure 6a is a graph showing the contact angle of water according to the strain rate of the superhydrophobic separator of the present invention.
Figure 6b is a graph showing the sliding angle of water according to the strain rate of the superhydrophobic separator of the present invention.
Figure 7 is a graph showing the average pore size and maximum pore size according to strain rate of the superhydrophobic separator of the present invention.
Figure 8 is a graph showing the pore size distribution according to strain rate of the superhydrophobic separator of the present invention.
Figure 9 is a graph showing the measured value (LEPm) and calculated value (LEPc) of liquid entry pressure according to the strain rate of the superhydrophobic separator of the present invention.
Figure 10 is a graph showing the permeation flux according to the strain rate of the superhydrophobic separator of the present invention.
Figure 11 shows the conductivity of fluid at different strain rates in the permeation channel of the superhydrophobic membrane of the present invention.
Figure 12 shows modeling of the supply channel, permeation channel, and superhydrophobic membrane inside the membrane distillation membrane module for computer simulation of the membrane distillation process.
Figure 13 shows the temperature gradient and permeate flow rate gradient simulation results for 0.0 to 0.5 seconds.
Figure 14 is a comparative graph between the experimental and calculated membrane distillation permeate flux values of the superhydrophobic membrane according to the pore diameter controlled by applying mechanical strain.

이하 발명을 상세하게 설명한다. 구현예는 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.The invention will be described in detail below. The embodiment is not limited to the content disclosed below and may be modified into various forms as long as the gist of the invention is not changed.

본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this specification, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

또한, 본 명세서에 기재된 구성요소의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.In addition, all numerical ranges representing physical property values, dimensions, etc. of components described in this specification should be understood as being modified by the term “about” in all cases unless otherwise specified.

초소수성 분리막Superhydrophobic membrane

본 발명의 일 실시예의 초소수성 분리막은 신축성 재료를 포함하는 섬유막 층; 및 섬유막 층이 소수성 미소구체로 코팅되는 코팅층을 포함하는, 초소수성 분리막으로서, 초소수성 분리막은 기계적 변형에 의해 기공 직경이 변경된다. The superhydrophobic separator of one embodiment of the present invention includes a fibrous membrane layer containing a stretchable material; and a coating layer in which the fibrous membrane layer is coated with hydrophobic microspheres, wherein the pore diameter of the superhydrophobic separator is changed by mechanical deformation.

신축성 재료는 폴리우레탄, 폴리에스테르(PE), 폴리디메틸실록산(PDMS), 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리비닐알코올(PVA), 술폰화 폴리아릴렌티오에테르술폰(SPTES), 실리콘고무, 아크릴고무, SBS고무, 폴리이소프렌, 폴리이소부틸렌(PIB), 폴리클로로프렌으로부터 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 폴리우레탄이다. 신축성 재료가 폴리우레탄인 경우 뛰어난 신축성을 나타내며 인강 강도, 신율 등 기계적 물성이 우수해 기계적 변형에 적합하다.Elastic materials include polyurethane, polyester (PE), polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), sulfonated polyarylenethioether sulfone (SPTES), silicone rubber, It may be one or more selected from the group consisting of acrylic rubber, SBS rubber, polyisoprene, polyisobutylene (PIB), and polychloroprene, and is preferably polyurethane. When the elastic material is polyurethane, it exhibits excellent elasticity and has excellent mechanical properties such as tensile strength and elongation, making it suitable for mechanical deformation.

섬유막의 섬유 직경은 0.1 ㎛ 내지 3.0 ㎛일 수 있다. 구체적으로, 섬유막의 섬유 직경은 0.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛, 1.0 ㎛ 내지 1.8 ㎛, 1.1 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 또는 1.2 ㎛ 내지 1.4 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The fiber diameter of the fibrous membrane may be 0.1 ㎛ to 3.0 ㎛. Specifically, the fiber diameter of the fibrous membrane may be 0.5 ㎛ to 2.0 ㎛, 1.0 ㎛ to 1.8 ㎛, 1.1 ㎛ to 1.5 ㎛, or 1.2 ㎛ to 1.4 ㎛, but is not limited thereto.

소수성 미소구체는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리(락트산-코-글리콜산) (PLGA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리스티렌(PS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로부터 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. Hydrophobic microspheres include polydimethylsiloxane (PDMS), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), poly(lactic acid-co-glycolic acid) (PLGA), polycaprolactone (PCL), It may include one or more selected from the group consisting of polystyrene (PS), polytetrafluoroethylene (PTFE), and high-density polyethylene (HDPE).

소수성 미소구체는 PDMS 및 PVDF-HFP를 포함할 수 있다. PDMS는 분리막 표면에 매우 높은 초소수성을 부여하는 역할을 하고, PVDF-HFP는 폴리우레탄과 미소구체의 부착력을 향상시키는 역할을 한다.Hydrophobic microspheres may include PDMS and PVDF-HFP. PDMS serves to provide very high superhydrophobicity to the surface of the separator, and PVDF-HFP serves to improve the adhesion between polyurethane and microspheres.

소수성 미소구체에 포함되는 PDMS 및 PVDF-HFP의 중량비는 1:0.8 내지 1.2 일 수 있다. 구체적으로, 소수성 미소구체에 포함되는 PDMS 및 PVDF-HFP의 중량비는 1:0.9 내지 1.1 일 수 있다. PDMS 및 PVDF-HFP의 중량비가 상기 범위를 벗어날 경우 전기 분무시 비드(Bead) 아닌 섬유의 형태로 방사될 수 있다.The weight ratio of PDMS and PVDF-HFP included in the hydrophobic microspheres may be 1:0.8 to 1.2. Specifically, the weight ratio of PDMS and PVDF-HFP included in the hydrophobic microspheres may be 1:0.9 to 1.1. If the weight ratio of PDMS and PVDF-HFP is outside the above range, it may be spun in the form of fibers rather than beads during electrospraying.

PDMS는 경화제를 포함하지 않은 PDMS일 수 있으며, 경화제를 포함하여 경화된 PDMS일 수 있다. PDMS may be PDMS that does not contain a curing agent, or may be PDMS that has been cured by including a curing agent.

경화제를 전체 용액을 기준으로 0.1 중량% 내지 3 중량%로 포함할 수 있다. 구체적으로, 경화제를 전체 용액을 기준으로 0.2 중량% 내지 1.5 중량%로 포함할 수 있다.The curing agent may be included in an amount of 0.1% to 3% by weight based on the total solution. Specifically, the curing agent may be included in an amount of 0.2% to 1.5% by weight based on the total solution.

PVDF-HFP의 중량평균분자량은 200 kDa 내지 1,000 kDa일 수 있다. 구체적으로, PVDF-HFP의 중량평균분자량은 300 kDa 내지 700 kDa 또는 400 kDa 내지 600 kDa 일 수 있다.The weight average molecular weight of PVDF-HFP may be 200 kDa to 1,000 kDa. Specifically, the weight average molecular weight of PVDF-HFP may be 300 kDa to 700 kDa or 400 kDa to 600 kDa.

소수성 미소구체의 평균 직경은 2.0 ㎛이하, 1.8 ㎛이하, 1.7 ㎛이하, 1.6 ㎛ 이하 또는 1.5 ㎛ 이하일 수 있다. 소수성 미소구체의 평균 직경이 상기 범위를 만족할 때, 소수성 미소구체의 직경이 작아지며, 분리막의 기계적 변형시에도 미소구체의 분포를 일정하게 유지하는데 유리하여 높은 초소수성을 나타낸다. The average diameter of the hydrophobic microspheres may be 2.0 ㎛ or less, 1.8 ㎛ or less, 1.7 ㎛ or less, 1.6 ㎛ or less, or 1.5 ㎛ or less. When the average diameter of the hydrophobic microspheres satisfies the above range, the diameter of the hydrophobic microspheres becomes smaller, and it is advantageous to maintain a constant distribution of microspheres even when the separator is mechanically deformed, showing high superhydrophobicity.

초소수성 분리막은 폴리우레탄 섬유막 층 및 PDMS 미소구체 코팅층을 포함할 수 있다. The superhydrophobic separator may include a polyurethane fiber membrane layer and a PDMS microsphere coating layer.

초소수성 분리막의 전체 평균 두께는 50 ㎛ 내지 200 ㎛, 70 ㎛ 내지 150 ㎛, 80 ㎛ 내지 120 ㎛ 또는 90 ㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 초소수성 분리막은 공급 채널 또는 투과 채널의 압력을 버틸 수 있는 기계적 강성이 필요하다. 이 때, 초소수성 분리막의 두께가 얇을수록 증기의 수송이 원활해지고, 초소수성 분리막의 두께가 두꺼울수록 각 채널 사이의 온도 차이를 더 높게 유지 가능하여 효율이 높아진다. 일 예로, 초소수성 분리막은 전체 평균 두께가 70㎛ 이상일 때, 따뜻한 염수 공급 채널과 투과 채널 사이의 적은 열 교환으로 에너지 손실이 적으며, 150㎛ 이하일 때 증기의 수송이 원활하다. 따라서, 초소수성 분리막의 전체 평균 두께는 각 채널의 압력을 버틸 수 있는 수준에서 수증기 이동이 원활한 최소한의 두께로 설정할 필요가 있으므로, 상기 범위 내로 초소수성 분리막의 전체 평균 두께를 조절하는 것이 바람직하다.The overall average thickness of the superhydrophobic separator may be 50 ㎛ to 200 ㎛, 70 ㎛ to 150 ㎛, 80 ㎛ to 120 ㎛, or 90 ㎛ to 100 ㎛. Superhydrophobic membranes require mechanical rigidity to withstand the pressure of the supply channel or permeation channel. At this time, the thinner the thickness of the superhydrophobic separator, the smoother the transport of vapor, and the thicker the superhydrophobic separator, the higher the temperature difference between each channel can be maintained, increasing efficiency. For example, when the overall average thickness of the superhydrophobic membrane is 70㎛ or more, energy loss is small due to small heat exchange between the warm salt water supply channel and the permeation channel, and when it is 150㎛ or less, vapor transport is smooth. Therefore, the overall average thickness of the superhydrophobic separator needs to be set to the minimum thickness that can withstand the pressure of each channel and allows smooth water vapor movement, so it is desirable to adjust the overall average thickness of the superhydrophobic separator within the above range.

폴리우레탄 섬유막 층의 평균 두께는 50 ㎛ 내지 120 ㎛, 70 ㎛ 내지 100 ㎛ 또는 75 ㎛ 내지 90 ㎛일 수 있다. 폴리우레탄 섬유막 층의 평균 두께가 상기 범위를 만족할 때, 100% 이상의 변형율을 안정적으로 구현할 수 있다 The average thickness of the polyurethane fiber membrane layer may be 50 μm to 120 μm, 70 μm to 100 μm, or 75 μm to 90 μm. When the average thickness of the polyurethane fiber membrane layer satisfies the above range, a strain rate of 100% or more can be stably achieved.

PDMS 미소구체 코팅층의 평균 두께는 5 ㎛ 내지 40 ㎛, 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 또는 10 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있다. The average thickness of the PDMS microsphere coating layer may be 5 μm to 40 μm, 10 μm to 30 μm, or 10 μm to 20 μm.

초소수성 분리막은 기계적 변형에 의해 기공크기가 제어될 수 있으며, 도 1에서는 증기 수송을 향상시키기 위해 기계적 변형을 통해 분리막의 기공 크기를 제어하는 것을 나타낸다. The pore size of a superhydrophobic separator can be controlled by mechanical deformation, and Figure 1 shows controlling the pore size of the separator through mechanical deformation to improve vapor transport.

기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 변형율은 길이를 기준으로 0% 이상 및 150% 이하일 수 있으며, 구체적으로, 20% 이상, 30% 이상 또는 50% 이상일 수 있고, 120% 이하, 110% 이하, 105% 이하 또는 100% 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 변형율이 너무 작은 경우, 투과 유속이 충분하지 않아 막증류법 작동 효율이 감소하며, 변형율이 너무 큰 경우, 분리막의 초소수성이 손상되어 공급 채널과 투과 채널 사이의 분리 기능이 손상될 수 있다. 여기에서 변형율이 100% 일 경우는, 변형율이 0% 일 때의 초소수성 분리막의 길이의 2배의 길이로 신장되는 것을 의미한다. The strain rate of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation may be 0% or more and 150% or less based on the length, and specifically, may be 20% or more, 30% or more, or 50% or more, 120% or less, 110% or less, 105 It may be % or less or 100% or less, but is not limited thereto. If the strain rate is too small, the permeate flow rate is not sufficient and the operating efficiency of the membrane distillation method is reduced, and if the strain rate is too large, the superhydrophobicity of the separator may be damaged and the separation function between the supply channel and the permeation channel may be impaired. Here, when the strain rate is 100%, it means that the superhydrophobic separator is stretched to twice the length of the superhydrophobic separator when the strain rate is 0%.

기계적 변형율이 증가함에 따라 섬유막 층이 신장되고, 초소수성 미소구체 층 사이에 조밀한 마이크로스케일의 공극이 형성된다. 상기 초소수성 분리막이 신장되는 경우 균일하게 분포하던 PDMS 미소구체 층이 미세한 PDMS 미소구체의 클러스터로 나누어진다. As the mechanical strain rate increases, the fibrous membrane layer is stretched, and dense microscale pores are formed between the superhydrophobic microsphere layers. When the superhydrophobic separator is stretched, the uniformly distributed PDMS microsphere layer is divided into clusters of fine PDMS microspheres.

이 때, 초소수성 분리막이 기계적 변형에서도 초소수성을 유지하려면 초소수성 미소구체 층에 형성된 공극이 너무 넓어서는 안되며, 공극 클러스터가 조밀하고 반복되는 계층 구조를 형성해야 한다. 상기 PDMS 미소구체의 분포가 변형된 분리막 전체에 균일하게 위치하는 경우 클러스터 사이의 공극에 의해 전체 분리막의 초소수성이 손상되지 않는다.At this time, in order for the superhydrophobic separator to maintain superhydrophobicity even under mechanical deformation, the pores formed in the superhydrophobic microsphere layer should not be too wide, and the pore clusters should form a dense and repetitive hierarchical structure. When the PDMS microspheres are distributed uniformly throughout the modified separator, the superhydrophobicity of the entire separator is not damaged due to pores between clusters.

기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 변형율이 20% 내지 120% 일 때, 기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 평균 기공 직경은 2.343 ㎛ 내지 4.493 ㎛ 일 수 있으며, 구체적으로, 2.35 ㎛ 내지 4.49 ㎛, 2.5 ㎛ 내지 4.4 ㎛, 3.0 ㎛ 내지 4.3 ㎛ 또는 3.5 ㎛ 내지 4.3 ㎛일 수 있다. 평균 기공 직경이 상기 범위에 속하는 경우 기공 크기가 증가하여 증기 수송의 흐름이 향상되고, 분리막 표면의 초소수성을 유지할 수 있다. When the strain rate of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation is 20% to 120%, the average pore diameter of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation may be 2.343 ㎛ to 4.493 ㎛, specifically, 2.35 ㎛ to 4.49 ㎛, 2.5 ㎛ to 4.4 μm, 3.0 μm to 4.3 μm, or 3.5 μm to 4.3 μm. When the average pore diameter is within the above range, the pore size increases, the vapor transport flow is improved, and the superhydrophobicity of the separator surface can be maintained.

기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 변형율이 20% 내지 120% 일 때, 기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 최대 기공 직경이 5.416 ㎛ 내지 8.274 ㎛ 이하일 수 있으며, 구체적으로, 5.5 ㎛ 내지 8.1 ㎛ 또는 6.0 ㎛ 내지 7.0 ㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. When the strain rate of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation is 20% to 120%, the maximum pore diameter of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation may be 5.416 ㎛ to 8.274 ㎛ or less, specifically, 5.5 ㎛ to 8.1 ㎛ or 6.0 ㎛. It may be from 7.0 ㎛, but is not limited thereto.

분리막 젖음은 공급 채널의 염수가 분리막의 공극을 통해 투과 채널로 유입될 때 분리 공정 손상을 일으킬 수 있으므로, 막증류법 중 분리막 젖음을 방지할 필요가 있다.Membrane wetting can cause damage to the separation process when brine from the supply channel flows into the permeation channel through the pores of the membrane, so it is necessary to prevent membrane wetting during membrane distillation.

액체진입압력(LEP)은 젖음성을 수치적으로 나타내는 지표로, 분리막의 초소수성이 높을수록, 다공성 막의 기공 크기가 작을수록 상기 액체진입압력이 높아지고, 액체진입압력이 높아질수록 분리막이 견딜 수 있는 수압이 높아져 분리막이 잘 젖지 않는다. 따라서, 액체진입압력 값 이하의 수압에서는 막증류가 정상적으로 이루어지고 막은 젖지 않게 된다.Liquid entry pressure (LEP) is a numerical indicator of wettability. The higher the superhydrophobicity of the separator and the smaller the pore size of the porous membrane, the higher the liquid entry pressure, and the higher the liquid entry pressure, the water pressure the separator can withstand. As the temperature rises, the separator does not get wet well. Therefore, at water pressure below the liquid entry pressure value, membrane distillation occurs normally and the membrane does not get wet.

일 예로, 염수 공급 채널에서 물에 의한 수압(hydraulic pressure)은 채널을 지나는 물의 유량(250ml/min), 밀도(998.2kg/m3), 동점도(kinemaitc viscosity)를 고려하였을 때 8.2kPa이다.For example, the hydraulic pressure caused by water in a salt water supply channel is 8.2 kPa, considering the flow rate (250 ml/min), density (998.2 kg/m 3 ), and kinematic viscosity of water passing through the channel.

기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 변형율이 20% 내지 120% 일 때, 액체진입압력이 10kPa 내지 18 kPa 일 수 있다. 액체진입압력이 상기 범위일 경우, 물에 의한 수압을 고려하는 경우에도 분리막의 초소수성이 유지되어 분리막의 젖음을 방지할 수 있다. 구체적으로, 액체진입압력이 12kPa 내지 15 kPa일 수 있다. When the strain rate of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation is 20% to 120%, the liquid entry pressure may be 10 kPa to 18 kPa. When the liquid entry pressure is within the above range, the superhydrophobicity of the separator is maintained even when considering the hydraulic pressure caused by water, thereby preventing wetting of the separator. Specifically, the liquid entry pressure may be 12 kPa to 15 kPa.

초소수성 분리막의 습윤성은 접촉각(Contact Angle; CA) 또는 슬라이딩 각도(Sliding Angle; SA)로 나타날 수 있으며, 접촉각이 감소하거나, 슬라이딩 각도가 증가하는 경우 분리막의 초소수성 특성이 저하될 수 있으며, 이는 기계적 변형으로 인해 PDMS 미소구체에 큰 공극이 형성되어 수분이 폴리우레탄 섬유막과 접촉할 수 있다. The wettability of a superhydrophobic separator can be expressed as a contact angle (CA) or a sliding angle (SA). If the contact angle decreases or the sliding angle increases, the superhydrophobic properties of the separator may deteriorate, which causes Due to mechanical deformation, large pores are formed in the PDMS microspheres, allowing moisture to contact the polyurethane fiber membrane.

기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 변형율이 20% 내지 120% 일 때, 상기 초소수성 분리막의 접촉각(Contact Angle; CA)은 160 °이상, 163 °이상 또는 165°이상일 수 있다. 접촉각이 상기 범위를 만족할 경우, 기계적 변형에도 불구하고 분리막의 초소수성이 초기 수준으로 유지될 수 있다.When the strain rate of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation is 20% to 120%, the contact angle (CA) of the superhydrophobic separator may be 160 ° or more, 163 ° or more, or 165 ° or more. When the contact angle satisfies the above range, the superhydrophobicity of the separator can be maintained at the initial level despite mechanical deformation.

또한, 기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 변형율이 20% 내지 120% 일 때 상기 접촉각의 변화율은 1.3% 이하일 수 있다. 바람직하게는, 1.0% 이하일 수 있다. 접촉각의 변화율이 상기 범위를 만족함으로써 초소수성이 초기 수준으로 유지될 수 있다.Additionally, when the strain rate of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation is 20% to 120%, the change rate of the contact angle may be 1.3% or less. Preferably, it may be 1.0% or less. As the contact angle change rate satisfies the above range, superhydrophobicity can be maintained at the initial level.

기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 변형율이 20% 이상 및 120% 이하일 때, 초소수성 분리막의 슬라이딩 각도(Sliding Angle; SA)는 5° 내지 10° 이하일 수 있다. 슬라이딩 각도가 상기 범위를 만족하는 경우, 기계적 변형에도 불구하고 분리막의 초소수성이 초기 수준으로 유지될 수 있다.When the strain rate of the superhydrophobic separator due to mechanical deformation is 20% or more and 120% or less, the sliding angle (SA) of the superhydrophobic separator may be 5° to 10° or less. When the sliding angle satisfies the above range, the superhydrophobicity of the separator can be maintained at the initial level despite mechanical deformation.

초소수성 분리막의 제조방법Method for manufacturing superhydrophobic membrane

본 발명의 일 실시예에 있어서, 초소수성 분리막의 제조방법은 신축성 재료를 포함하는 용액을 전기 방사하여 섬유막을 제조하는 단계; 및 섬유막을 소수성 미소구체를 포함하는 용액을 전기 분무하여 코팅하는 단계; 를 포함하며, 초소수성 분리막의 제조방법으로 제조된 초소수성 분리막은 기계적 변형에 의해 기공 직경이 변경된다. In one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a superhydrophobic separator includes manufacturing a fibrous membrane by electrospinning a solution containing a stretchable material; and coating the fibrous membrane by electrospraying a solution containing hydrophobic microspheres; It includes, and the pore diameter of the superhydrophobic separator manufactured by the method of manufacturing a superhydrophobic separator is changed by mechanical deformation.

신축성 재료 및 소수성 미소구체에 대해서는 상술하였으므로 중복되는 내용은 생략한다.Since the elastic materials and hydrophobic microspheres have been described above, redundant information will be omitted.

신축성 재료를 포함하는 용액 또는 상기 소수성 미소구체를 포함하는 용액에서, 용매는 테트라히드로푸란(THF), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 클로로포름(Chloroform, CHCl3), 에탄올, 디메틸아세트아미드(DMAc)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 구체적으로는, THF 및/또는 DMF 일 수 있다.In the solution containing the elastic material or the solution containing the hydrophobic microspheres, the solvent is tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), chloroform, It may be one or more selected from the group consisting of CHCl 3 ), ethanol, and dimethylacetamide (DMAc), and specifically, it may be THF and/or DMF.

용매로 THF 및 DMF를 사용하는 경우, THF 및 DMF의 중량비가 40:60 내지 60:40인 혼합 용매일 수 있다.When THF and DMF are used as solvents, the solvent may be a mixed solvent in which the weight ratio of THF and DMF is 40:60 to 60:40.

용매는 전체 용액 중량을 기준으로 80 중량% 내지 90 중량% 일 수 있다. 용매의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 폴리우레탄 섬유막 층을 적절한 평균 두께로 제작할 수 있다. 구체적으로, 용매는 전체 용액 중량을 기준으로 85 중량% 내지 88 중량% 일 수 있다.The solvent may be 80% to 90% by weight based on the total solution weight. When the solvent content satisfies the above range, a polyurethane fiber membrane layer can be manufactured with an appropriate average thickness. Specifically, the solvent may be 85% by weight to 88% by weight based on the total solution weight.

섬유막을 제조하는 단계 또는 코팅하는 단계에 있어서, 신축성 재료를 포함하는 용액 또는 소수성 미소구체를 포함하는 용액으로 0.1 mL/h 내지 5.0 mL/h, 0.3 mL/h 내지 3.5 mL/h 또는 0.5 mL/h 내지 2.0 mL/h의 주입 속도로, 노즐과 수집기 사이의 간격 1cm 내지 50cm, 5cm 내지 40cm 또는 10cm 내지 20cm에 걸쳐, 1 kV 내지 30 kV, 2 kV 내지 25 kV 또는 5 kV 내지 15 kV의 전압을 인가하여 전기 방사 또는 전기 분무를 수행할 수 있다.In the step of manufacturing or coating a fibrous membrane, a solution containing an elastic material or a solution containing hydrophobic microspheres is used at 0.1 mL/h to 5.0 mL/h, 0.3 mL/h to 3.5 mL/h, or 0.5 mL/h. Voltage of 1 kV to 30 kV, 2 kV to 25 kV or 5 kV to 15 kV over a distance of 1 cm to 50 cm, 5 cm to 40 cm or 10 cm to 20 cm between nozzle and collector, at an injection rate of from h to 2.0 mL/h. Electrospinning or electrospraying can be performed by applying.

이 때, 전기 방사 및 전기 분무 모두 고전압 공급기, 실린지 펌프 및 알루미늄 판 수집기(Collector)로 이루어진 동일한 장치를 사용하여 수행될 수 있으며, 이외에도 다른 장치를 사용하여 수행될 수 있다.At this time, both electrospinning and electrospraying can be performed using the same device consisting of a high voltage supply, a syringe pump, and an aluminum plate collector, or can be performed using other devices.

구체적으로, 전기 방사는 노즐과 수집기 사이에 1.0 mL/h 내지 2.0 mL/h의 주입 속도로 10cm 내지 20cm에 걸쳐 5kV 내지 10kV의 전압을 인가하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, electrospinning may be performed by applying a voltage of 5 kV to 10 kV between the nozzle and the collector over a distance of 10 cm to 20 cm at an injection rate of 1.0 mL/h to 2.0 mL/h, but is not limited thereto.

구체적으로, 전기 분무는 0.5 mL/h 내지 1.5 mL/h의 주입 속도로 10cm 내지 20cm에 걸쳐 10kV 내지 15kV의 전압을 인가하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, electrospraying can be performed by applying a voltage of 10 kV to 15 kV over 10 cm to 20 cm at an injection rate of 0.5 mL/h to 1.5 mL/h, but is not limited thereto.

막증류법membrane distillation

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 막증류법은 상기 초소수성 분리막을 이용하는 것이다.In one embodiment of the present invention, the membrane distillation method of the present invention uses the superhydrophobic separation membrane.

막증류법은 증기 분자만을 따뜻한 염수 공급 채널에서 초소수성 분리막을 통해 차가운 투과 채널로 이동시키는 원리로 이루어진다. Membrane distillation is based on the principle of moving only vapor molecules from a warm brine supply channel to a cold permeation channel through a superhydrophobic membrane.

막증류법은 공급 채널의 공급수는 염수로 해수, 폐수 또는 오염수 등을 사용할 수 있으며, 염수의 염 농도는 전체 염수 용액의 중량을 기준으로 3.0 내지 4.5 중량%일 수 있다. In the membrane distillation method, the feed water of the supply channel may be seawater, wastewater, or contaminated water, and the salt concentration of the brine may be 3.0 to 4.5% by weight based on the weight of the total brine solution.

막증류법은 투과 채널의 투과수는 담수로 지하수, 탈이온수 또는 증류수 등을 이용할 수 있다. In the membrane distillation method, the permeate water of the permeation channel can be fresh water, such as groundwater, deionized water, or distilled water.

공급 채널의 염수의 온도는 40 내지 80 ℃일 수 있으며, 투과 채널의 담수의 온도는 10 내지 30 ℃일 수 있다. The temperature of the salt water in the supply channel may be 40 to 80 °C, and the temperature of the fresh water in the permeation channel may be 10 to 30 °C.

공급 채널 및 상기 투과 채널의 온도 차이는 10 내지 70℃, 20 내지 60 ℃ 또는 30 내지 50℃ 일 수 있다. 공급 채널 및 투과 채널의 온도 차이가 상기 범위일 때 공급 채널과 투과 채널 사이의 온도 차이에 의해 생성된 증기압 구배에 의한 증기 투과가 발생된다.The temperature difference between the supply channel and the transmission channel may be 10 to 70°C, 20 to 60°C, or 30 to 50°C. When the temperature difference between the supply channel and the permeation channel is in the above range, vapor permeation occurs due to a vapor pressure gradient generated by the temperature difference between the supply channel and the permeation channel.

공급 채널 또는 상기 투과 채널의 순환 속도는 150 내지 300 mL/분 또는 200 내지 250 mL/분 일 수 있다. The circulation rate of the feed channel or the permeation channel may be 150 to 300 mL/min or 200 to 250 mL/min.

증기의 투과 유속은 디지털 저울을 사용하여 투과 채널 탱크의 중량 증가를 적시에 기록하여 지속적으로 모니터링된다. 초소수성 분리막의 투과 유속은 20 내지 40.3 L/m2h일 수 있고, 20 내지 40 L/m2h 또는 25 내지 37 L/m2h일 수 있다. The permeation flow rate of vapor is continuously monitored by timely recording the weight increase in the permeation channel tank using a digital scale. The permeation flow rate of the superhydrophobic separator may be 20 to 40.3 L/m 2 h, 20 to 40 L/m 2 h, or 25 to 37 L/m 2 h.

분리막 모듈로 유입하는 유입 유속은 200 ml/h 내지 600 ml/h 일 수 있다. 유입 유속이 너무 작을 경우 The inflow rate into the separation membrane module may be 200 ml/h to 600 ml/h. When the inlet flow rate is too small

막증류법의 공정 효율이 감소하고, 유입 유속이 너무 클 경우 물에 의한 수압(hydraulic pressure)의 증가로 인해 분리막의 초소수성이 손상되고 젖음 현상이 발생될 수 있다. 구체적으로, 분리막 모듈로 유입하는 유입 유속이 200ml/h 내지 400ml/h 일 수 있다.The process efficiency of the membrane distillation method decreases, and if the inlet flow rate is too high, the superhydrophobicity of the membrane may be damaged and wetting may occur due to an increase in hydraulic pressure caused by water. Specifically, the inflow rate into the separation membrane module may be 200ml/h to 400ml/h.

투과 채널의 전도도는 전도도 측정기를 사용하여 측정 중에 지속적으로 모니터링된다. 투과 채널의 전도도는 0 내지 150 μS/cm, 0 내지 120 μS/cm, 0 내지 110 μS/cm, 0 내지 100 μS/cm, 0 내지 90 μS/cm 또는 0 내지 50 μS/cm일 수 있다.The conductivity of the transmission channel is continuously monitored during the measurement using a conductivity meter. The conductivity of the transmission channel may be 0 to 150 μS/cm, 0 to 120 μS/cm, 0 to 110 μS/cm, 0 to 100 μS/cm, 0 to 90 μS/cm, or 0 to 50 μS/cm.

투과 채널의 전도도로부터 투과수의 염 농도를 구하고 공급 채널에서 투과 채널로 제거된 염의 양을 계산하여. 염제거율을 결정한다. By determining the salt concentration of the permeate water from the conductivity of the permeate channel and calculating the amount of salt removed from the feed channel to the permeate channel. Determine the salt removal rate.

초소수성 분리막의 염제거율이 99.9% 이상일 수 있으며, 구체적으로, 99.95% 이상 또는 99.99% 이상일 수 있다. The salt removal rate of the superhydrophobic separator may be 99.9% or more, specifically, 99.95% or more or 99.99% or more.

염제거율이 99.9% 이하인 경우 막증류법을 통해 제조하고자 하는 투과수의 염 농도 요건을 만족시킬 수 없다. If the salt removal rate is less than 99.9%, the salt concentration requirements of the permeate intended to be produced through membrane distillation cannot be satisfied.

본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 분리막은 초소수성을 유지할 수 있는 동시에 막증류법 성능을 위한 기공 크기를 최적화하여, 투과 유속 및 염제거율이 우수하다.The superhydrophobic separation membrane according to an embodiment of the present invention can maintain superhydrophobicity and at the same time optimize the pore size for membrane distillation performance, resulting in excellent permeate flow rate and salt removal rate.

[실시예][Example]

제조예: 초소수성 분리막의 제작Manufacturing example: Fabrication of superhydrophobic separator

(전기 방사 용액의 제조)(Preparation of electrospinning solution)

0:40의 부피비로 혼합된 테트라히드로푸란(THF, 삼천화학) 및 디메틸포름아미드(DMF, 삼천화학)의 용매 혼합물에 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(Pellethane® 2363-80AE, Lubrizol)를 10 중량%로 용해하고, 용액을 실온에서 밤새 교반하여 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머 펠릿을 완전히 용해시켜 폴리우레탄 용액을 제조하였다. 10% by weight of thermoplastic polyurethane elastomer (Pellethane® 2363-80AE, Lubrizol) was dissolved in a solvent mixture of tetrahydrofuran (THF, Samchun Chemical) and dimethylformamide (DMF, Samchun Chemical) mixed at a volume ratio of 0:40. Then, the solution was stirred at room temperature overnight to completely dissolve the thermoplastic polyurethane elastomer pellets, thereby preparing a polyurethane solution.

(전기 분무 용액의 제조)(Preparation of electrospray solution)

폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene; PVDF-HFP. Sigma-Aldrich, MW: 455 kDa) 및 경화된 폴리디메틸실록산(PDMS, Sylgard® 184, Dow Corning) 용액(전구체 및 경화제 10 중량%:1 중량%)과 PVDF-HFP를 50:50의 중량비로 혼합된 THF와 DMF의 용매 혼합물에 용해시켰다. PDMS, PVDF-HFP 및 THF/DMF 용매의 최종 중량비는 2.5:2.5:95였다. 용액을 60℃로 설정된 핫플레이트에서 밤새 교반하여 PDMS 고분자 미소구체 용액을 제조하였다.Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene; PVDF-HFP. Sigma-Aldrich, MW: 455 kDa) and cured polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard® 184, Dow Corning) ) solution (precursor and curing agent 10% by weight: 1% by weight) and PVDF-HFP were dissolved in a solvent mixture of THF and DMF mixed at a weight ratio of 50:50. Final weight ratio of PDMS, PVDF-HFP and THF/DMF solvent. was 2.5: 2.5: 95. The PDMS polymer microsphere solution was prepared by stirring the solution overnight on a hot plate set at 60°C.

(초소수성 분리막의 제작)(Production of superhydrophobic membrane)

초소수성 분리막의 섬유막은 폴리우레탄 용액을 전기 방사하여 제조되며, 상기 전기 방사는 노즐과 수집기 사이에 1.5mL/h의 주입 속도로 15cm에 걸쳐 7kV의 전압을 인가하였다. The fibrous membrane of the superhydrophobic separator was manufactured by electrospinning a polyurethane solution, and a voltage of 7kV was applied between the nozzle and the collector over 15cm at an injection rate of 1.5mL/h.

생성된 폴리우레탄 섬유막에 PDMS 고분자 미소구체 용액을 전기 분무하여 PDMS 중합체성 미소구체로 코팅하였다. 그 다음, PDMS 용액에 1.0 mL/h의 주입 속도로 노즐과 수집기 사이 17 cm에 걸쳐 13 kV의 전압을 인가하였다.The resulting polyurethane fiber membrane was coated with PDMS polymer microspheres by electrospraying the PDMS polymer microsphere solution. Next, a voltage of 13 kV was applied to the PDMS solution over 17 cm between the nozzle and the collector at an injection rate of 1.0 mL/h.

이 때, 상기 전기 방사 및 상기 전기 분무 모두 고전압 공급기, 실린지 펌프 및 알루미늄 판 수집기(Collector)로 이루어진 동일한 장치를 사용하여 수행되었다.At this time, both the electrospinning and the electrospraying were performed using the same device consisting of a high voltage supply, a syringe pump, and an aluminum plate collector.

제조예의 초소수성 분리막의 제조 방법을 도 2a에 도시하였다.The manufacturing method of the superhydrophobic separator in the manufacturing example is shown in Figure 2a.

제조예의 분리막의 전체 두께는 95㎛ 이며 두께가 각각 80 및 15㎛인 폴리우레탄 섬유막 층과 PDMS 미소구체 층으로 구성된다. The total thickness of the separator in the manufacturing example is 95㎛ and is composed of a polyurethane fiber membrane layer and a PDMS microsphere layer with a thickness of 80 and 15㎛, respectively.

실시예 1 및 2, 비교예 1 및 2Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 2

제조예의 분리막을 길이 방향을 기준으로 0%에서 150% 범위의 기계적 변형을 가하여 실시예 1(변형율 50%), 실시예 2(변형율 100%), 비교예 1(변형율 0%) 및 비교예 2(변형율 150%)의 초소수성 분리막을 제조하였다. The separator of the manufacturing example was subjected to mechanical strain ranging from 0% to 150% in the longitudinal direction to produce Example 1 (strain rate 50%), Example 2 (strain rate 100%), Comparative Example 1 (strain rate 0%), and Comparative Example 2. A superhydrophobic separator (strain rate of 150%) was manufactured.

비교예 3: 상용 PVDF 분리막Comparative Example 3: Commercial PVDF separator

기공 크기가 0.22 ㎛인 상용 PVDF 분리막(Durapore® Membrane Filters, Merck Millipore Ltd.)을 사용하였다.A commercial PVDF membrane (Durapore® Membrane Filters, Merck Millipore Ltd.) with a pore size of 0.22 ㎛ was used.

[실험예][Experimental example]

실험예 1: 분리막의 접촉각(CA) 및 슬라이딩 각도(SA)의 측정Experimental Example 1: Measurement of contact angle (CA) and sliding angle (SA) of separator

실시예 및 비교예의 분리막의 표면 습윤성은 sessile drop 방법과 틸팅(tiling) 방법을 사용하여 물의 접촉각과 슬라이딩 각도를 각각 측정하였다. 분리막 표면의 증류수 액적의 접촉각과 슬라이딩 각도의 측정 방법은 EasyDROP CA 측정 시스템(Femto Science)을 사용하여 수행하였다.The surface wettability of the separators of Examples and Comparative Examples was measured by measuring the water contact angle and sliding angle using the sessile drop method and the tilting method, respectively. The contact angle and sliding angle of the distilled water droplet on the separator surface were measured using the EasyDROP CA measurement system (Femto Science).

실험예 2: 기공 크기 분포 및 기공도 측정Experimental Example 2: Pore size distribution and porosity measurement

실시예 및 비교예의 분리막의 기공 크기 분포 및 평균 기공 크기는 기액 치환 기공 측정법을 기반으로 모세관 기공계(PoroLuxTM 1000, POROMETER)를 사용하여 측정되었다.The pore size distribution and average pore size of the separation membranes of Examples and Comparative Examples were measured using a capillary porometer (PoroLuxTM 1000, POROMETER) based on the gas-liquid displacement porosity measurement method.

실험예3: 액체진입압력(LEP) 측정Experimental Example 3: Liquid Entry Pressure (LEP) Measurement

실시예 및 비교예의 분리막의 액체진입압력은 실험실 설정을 사용하여 측정되었다. 미세유체 압력 조절 장치는 물로 채워진 용기의 입구에 압력을 가하는 데 사용되었다. 용기의 다른 쪽 끝은 실시예 및 비교예의 분리막으로 장착되었으며, 실시예 및 비교예의 분리막은 0%에서 150% 범위의 기계적 변형율을 적용하여 물로 채워진 용기에 장착되었다.The liquid entry pressure of the separators of Examples and Comparative Examples was measured using a laboratory setting. A microfluidic pressure regulator was used to apply pressure to the inlet of a water-filled vessel. The other end of the container was equipped with the separator of Examples and Comparative Examples, and the separator of Examples and Comparative Examples was installed in a container filled with water by applying a mechanical strain ranging from 0% to 150%.

스테인리스 스틸 메쉬는 분리막 아래의 기계적 보강재로 사용되었다. 분리막의 신축성으로 인해 기계적 보강재가 없으면 압력에 의해 기계적 변형을 발생하고, 분리막 기공 크기가 변화할 수 있어 이를 방지하기 위해 보강재를 사용한다. 분리막에 가해지는 압력은 물이 분리막의 기공을 투과하도록 허용하는 데 필요한 최소 압력을 측정하기 위해 점진적으로 증가되었다. 용기에 더 강한 압력이 가해짐에 따라 물은 결국 분리막을 관통했다.Stainless steel mesh was used as mechanical reinforcement beneath the separator. Due to the elasticity of the separator, if there is no mechanical reinforcement, mechanical deformation may occur due to pressure and the pore size of the separator may change, so reinforcement is used to prevent this. The pressure applied to the membrane was gradually increased to determine the minimum pressure required to allow water to penetrate the pores of the membrane. As more pressure was applied to the vessel, water eventually penetrated the membrane.

실험예4: 막증류법 성능 실험Experimental Example 4: Membrane distillation method performance experiment

실시예 및 비교예의 분리막의 막증류법 성능은 유효 분리막 면적이 8cm2인 실험실 규모의 직접 접촉 막증류법 실험 설정을 사용하여 평가되었다. The membrane distillation performance of the membranes of Examples and Comparative Examples was evaluated using a laboratory-scale direct contact membrane distillation experimental setup with an effective membrane area of 8 cm 2 .

실험 장치는 2개의 기어 펌프, 디지털 저울, 핫플레이트, 냉각기, 열교환기, 전도도 측정기, 2개의 탱크 및 분리막 모듈로 구성되었다. The experimental setup consisted of two gear pumps, a digital scale, a hot plate, a cooler, a heat exchanger, a conductivity meter, two tanks, and a separation membrane module.

해수를 모사하기 위한 공급 채널로 탈이온수 중 3.5 중량% NaCl을 사용하고 투과 채널로 순수한 탈이온수(전도도는 약 4μS)를 사용했다. To simulate seawater, 3.5 wt% NaCl in deionized water was used as a supply channel, and pure deionized water (conductivity was about 4 μS) was used as a permeation channel.

공급 채널은 핫플레이트를 사용하여 60℃로 가열되었고 투과 채널은 냉각기와 열교환기를 사용하여 20℃로 유지되었다. 공급 채널과 투과 채널은 각각 기어 펌프를 사용하여 각각 250 및 200 mL/분의 속도로 순환했다. The supply channel was heated to 60°C using a hot plate and the permeate channel was maintained at 20°C using a cooler and heat exchanger. The feed and permeate channels were circulated using gear pumps at rates of 250 and 200 mL/min, respectively.

투과 유속은 디지털 저울을 사용하여 투과 채널 탱크의 중량 증가를 적시에 기록하여 지속적으로 모니터링했다. The permeate flow rate was continuously monitored by timely recording the weight increase in the permeate channel tank using a digital scale.

투과 채널의 전도도는 전도도 측정기를 사용하여 측정 중에 지속적으로 모니터링되었다. The conductivity of the transmission channel was continuously monitored during the measurements using a conductivity meter.

염제거율을 얻기 위해 투과수 채널 탱크의 전도도를 막증류법 작동 중에 모니터링했다. 투과수로 탱크의 농도를 구하고 공급수로의 농도(3.5%중량)와 비교하였다. 염제거율은 공급 채널에서 투과 채널로 제거된 염의 양을 계산하여 결정되었다. 이 때, 염농도가 3.5 중량%인 해수의 전도도는 53 mS/cm이다. The conductivity of the permeate channel tank was monitored during membrane distillation operation to obtain the salt rejection rate. The concentration of the permeate tank was determined and compared with the concentration of the feed water (3.5% by weight). The salt rejection rate was determined by calculating the amount of salt removed from the feed channel to the permeate channel. At this time, the conductivity of seawater with a salt concentration of 3.5% by weight is 53 mS/cm.

모니터링된 모든 데이터는 실시간으로 컴퓨터로 전송되었다.All monitored data was transferred to the computer in real time.

실험예5: 막증류법 시뮬레이션Experimental Example 5: Membrane distillation simulation

공급 채널, 실시예 및 비교예의 분리막 및 투과 채널을 구축한 후 에너지 대류 및 전도, 공급 및 투과 채널에 대한 모멘트 수송, 초소수성 분리막에 대한 질량 수송의 세가지 수송 현상을 고려하여 직접 접촉 막증류법 과정을 모델링하였다. After constructing the supply channel, the separation membrane and permeation channel of Examples and Comparative Examples, the direct contact membrane distillation process was performed by considering three transport phenomena: energy convection and conduction, moment transport for the supply and permeation channel, and mass transport for the superhydrophobic separator. Modeled.

COMSOL Multiphysics® 소프트웨어를 사용하였으며 경계와 초기 조건을 사용하여 방정식을 수치적으로 풀기 위해 사용되어 분리막을 가로지르는 온도 분포와 투과 유속을 계산하였다.COMSOL Multiphysics® software was used to numerically solve the equations using boundary and initial conditions to calculate the temperature distribution and permeate flux across the membrane.

실험결과1: 기계적 변형에 따른 초소수성 분리막의 표면 형태 Experiment Result 1: Surface shape of superhydrophobic membrane according to mechanical deformation

하기 도 2b 내지 도 3은 초소수성 분리막의 단면 또는 표면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 측정한 이미지를 나타낸다. Figures 2b to 3 below show images of the cross-section or surface of the superhydrophobic separator measured using a scanning electron microscope (SEM).

도 2b는 (i)본 발명의 초소수성 분리막에 기계적 변형을 가하여 (ii) 초소수성 분리막의 기공 크기 조절 및 투과 유속 증가에 대한 개념도를 나타낸다. Figure 2b shows a conceptual diagram of (i) applying mechanical strain to the superhydrophobic membrane of the present invention and (ii) controlling the pore size of the superhydrophobic membrane and increasing the permeate flux.

도 2b의 (iii) 본 발명의 초소수성 분리막 단면의 SEM 이미지를 나타내는 것으로 섬유막층과 코팅층의 층상 구조를 나타낸다. 제조예의 분리막을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 이미지를 나타내며, Figure 2b (iii) shows an SEM image of a cross section of the superhydrophobic separator of the present invention, showing the layered structure of the fiber membrane layer and the coating layer. Shows an image of the separation membrane of the manufacturing example observed with a scanning electron microscope (SEM),

도 2c는 평균 섬유 직경이 1.3 ㎛인 전기 방사 폴리우레탄 섬유막의 SEM 이미지를 나타내며, 도 2d는 전기 분무에 의한 PDMS 미소구체(평균직경 1.5㎛)의 증착 후 완성된 제조예의 분리막의 표면을 나타낸다. Figure 2c shows an SEM image of an electrospun polyurethane fiber membrane with an average fiber diameter of 1.3 ㎛, and Figure 2d shows the surface of the separator of the preparation example completed after deposition of PDMS microspheres (average diameter 1.5 ㎛) by electrospray.

도 3에 도시된 바와 같이, 0%에서 150% 범위의 기계적 변형을 가한 초소수성 분리막의 표면을 SEM을 이용하여 관찰하였다. 기계적 변형율이 증가함에 따라 PDMS 미소구체 클러스터 사이의 공극이 넓어지고, 변형 방향에 수직인 평행 골 형태의 공극이 생성되었다. As shown in Figure 3, the surface of the superhydrophobic separator subjected to mechanical strain ranging from 0% to 150% was observed using SEM. As the mechanical strain rate increased, the pores between PDMS microsphere clusters widened, and pores in the form of parallel valleys perpendicular to the strain direction were created.

제조예의 분리막의 초소수성 미소구체 층의 구조는 미소구체 사이에 조밀한 마이크로스케일 공극의 형성을 유도함으로써 분리막의 초소수성을 유지하는 것에 유리한 것으로 나타났으며, 평면형 초소수성 층은 기계적 변형이 가해졌을 때, 임의의 위치에서 일부 막의 파손이 발견되었고, 넓은 공극이 형성됨이 관찰된다. 따라서, 상기 초소수성 분리막의 과도한 기계적 변형시 분리막의 초소수성이 손상될 것으로 예상된다.The structure of the superhydrophobic microsphere layer of the prepared separator was found to be advantageous in maintaining the superhydrophobicity of the separator by inducing the formation of dense microscale pores between microspheres, and the planar superhydrophobic layer was found to be advantageous when mechanical deformation was applied. When some membranes were broken at random locations, it was observed that large voids were formed. Therefore, it is expected that the superhydrophobicity of the separator will be damaged when the superhydrophobic separator undergoes excessive mechanical deformation.

실험결과2: 기계적 변형에 따른 초소수성 분리막의 습윤성 분석 Experiment Result 2: Analysis of wettability of superhydrophobic membrane according to mechanical deformation

분리막의 초소수성에 대한 육안 관찰 결과를 도 4 및 도 5에 도시하였다. The visual observation results of the superhydrophobicity of the separator are shown in Figures 4 and 5.

도 4는 0%에서 150% 범위의 기계적 변형이 적용되었을 때 실시예 및 비교예의 분리막의 초소수성을 유지하는 것을 나타낸다. Figure 4 shows that the separators of Examples and Comparative Examples maintain superhydrophobicity when mechanical strain ranging from 0% to 150% is applied.

도 5은 본 발명의 초소수성 분리막에 워터 젯을 수행하는 경우에도 물이 투과되지 않고 튕겨 나가는 양상을 나타낸다. Figure 5 shows that even when water jetting is performed on the superhydrophobic separator of the present invention, water is not transmitted but is repelled.

분리막의 습윤 특성을 추가로 조사하기 위해 기계적 변형 상태에 따른 접촉각(CA) 및 슬라이딩 각도(SA)를 측정하여 하기 표 1, 도 6a 및 도 6b에 나타낸다.To further investigate the wetting properties of the separator, the contact angle (CA) and sliding angle (SA) according to mechanical strain state were measured and shown in Table 1 and Figures 6a and 6b below.

구분division 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 2Comparative Example 2 변형율strain rate 0%0% 50%50% 100%100% 150%150% 접촉각(°)Contact angle (°) 165.12165.12 165.0165.0 166.1166.1 164.7164.7 슬라이딩 각도(°)Sliding angle (°) 5.45.4 7.67.6 88 8.68.6

도 6a에서 실시예 및 비교예의 분리막은 0 내지 150%의 변형율에서 접촉각이 160°이상을 유지하고, 도 6b는 150%까지의 변형율에서 슬라이딩 각도가 10°이하로 유지됨을 나타낸다. 이는 100%를 이상의 큰 기계적 변형 하에서 분리막의 초소수성이 잘 보존되었음을 나타낸다. In Figure 6a, the contact angle of the separators of Examples and Comparative Examples is maintained at 160° or more at a strain rate of 0 to 150%, and Figure 6b shows that the sliding angle is maintained at 10° or less at a strain rate of up to 150%. This indicates that the superhydrophobicity of the separator was well preserved under large mechanical deformation of more than 100%.

다만, 기계적 변형율이 150%에 도달했을 때 슬라이딩 각도가 증가하는 경향이 나타나, 분리막의 소수성 특성이 열화 되었음을 나타낸다. 상기 열화는 극단적인 기계적 변형으로 인해 PDMS 미소구체에 큰 공극이 형성되어 물방울이 폴리우레탄 섬유막과 접촉할 수 있기 때문으로 예상된다. However, when the mechanical strain rate reached 150%, the sliding angle tended to increase, indicating that the hydrophobic properties of the separator were deteriorated. The deterioration is expected to be due to the formation of large pores in the PDMS microspheres due to extreme mechanical deformation, allowing water droplets to contact the polyurethane fiber membrane.

실험결과3: 기계적 변형 하에서 초소수성 분리막의 기공 분석 Experimental result 3: Pore analysis of superhydrophobic membrane under mechanical deformation

도 7, 도8 및 표 2는 다양한 기계적 변형(0%에서 150% 범위) 하에서 실험적으로 측정한 초소수성 분리막의 평균 기공 직경, 최대 기공 직경 및 기공 분포를 나타낸다. Figures 7, 8, and Table 2 show the average pore diameter, maximum pore diameter, and pore distribution of the superhydrophobic membrane experimentally measured under various mechanical strains (ranging from 0% to 150%).

상기 기계적 변형에 따른 실시예 및 비교예의 분리막의 평균 기공 직경 및 최대 기공 직경을 하기 표 2에 나타낸다.The average pore diameter and maximum pore diameter of the separation membranes of Examples and Comparative Examples according to the mechanical modification are shown in Table 2 below.

구분division 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 2Comparative Example 2 변형율strain rate 0%0% 50%50% 100%100% 150%150% 평균 기공 직경(㎛)Average pore diameter (㎛) 2.3432.343 3.6443.644 4.2404.240 4.4934.493 최대 기공 직경(㎛)Maximum pore diameter (㎛) 5.4165.416 6.3406.340 6.8566.856 8.2748.274

기계적 변형율이 증가함에 따라 분리막의 평균 및 최대 기공 직경이 그에 따라 증가했다. As the mechanical strain rate increased, the average and maximum pore diameters of the membrane increased correspondingly.

평균 기공 직경은 기계적 변형이 적용될 때 면적 및 길이 치수의 관계와 상관관계가 있는 기계적 변형의 제곱근에 비례하여 증가하며, 최대 기공 직경도 최대 100%의 변형율까지 평균 기공 직경과 유사한 경향을 나타냈다. The average pore diameter increases proportionally to the square root of the mechanical strain, which is correlated with the relationship between area and length dimensions when mechanical strain is applied, and the maximum pore diameter also showed a similar trend to the average pore diameter up to a strain rate of 100%.

그러나 150% 이상의 기계적 변형의 경우 최대 기공 직경은 최대 8㎛ 이상의 급격한 증가를 나타낸다. 이것은 더 큰 기공이 생성될 경우 비교예 2의 분리막의 국부적 영역에서 폴리우레탄 섬유의 찢어짐에 기인한 것으로 예상된다. However, for mechanical deformation of more than 150%, the maximum pore diameter shows a rapid increase of up to 8㎛ or more. This is expected to be due to tearing of the polyurethane fibers in localized areas of the separator of Comparative Example 2 when larger pores were created.

도 8은 기계적 변형율이 클수록 평균 기공 직경이 증가하는 경향을 확인할 수 있으며, 기계적 변형에 의해 기공 직경 분포 곡선이 더 큰 직경으로 이동하기 때문이다. 기공 직경 분포 곡선은 최대 100%의 변형율이 적용될 때 좁아지는 경향을 나타낸다. Figure 8 shows that the average pore diameter tends to increase as the mechanical strain rate increases, and this is because the pore diameter distribution curve moves to a larger diameter due to mechanical strain. The pore diameter distribution curve shows a tendency to narrow when strain rates of up to 100% are applied.

실험결과4: 기계적 변형 하에서 초수수성 분리막의 액체진입압력(LEP) 분석Experiment Result 4: Liquid Entry Pressure (LEP) Analysis of Superaqueous Membrane under Mechanical Deformation

액체진입압력은 분리막이 물에 의해 침투된 정확한 순간에 가해진 압력을 측정한 것이다. 물은 분리막 표면의 가장 큰 구멍을 통해 침투한 것으로 간주되었다. 이 구멍을 통과하는 데 가장 낮은 압력이 필요하기 때문이다. Liquid entry pressure is a measurement of the pressure applied at the exact moment when the separator is penetrated by water. Water was considered to have penetrated through the largest pores on the membrane surface. This is because the lowest pressure is required to pass through this hole.

실시예 및 비교예의 분리막의 LEP는 하기 식 1에 의해 계산될 수 있다. The LEP of the separator of Examples and Comparative Examples can be calculated by Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

상기 식 1에서, B는 기하학적 기공 계수, In Equation 1 above, B is the geometric porosity coefficient,

γl은 액체 표면 장력(물: 72 dyne/cm), γ l is the liquid surface tension (water: 72 dyne/cm),

rmax는 최대 기공 반경, r max is the maximum pore radius,

θ는 CA이다.θ is CA.

0%에서 150% 범위의 기계적 변형에 따른 실시예 및 비교예의 분리막의 액체진입압력의 측정값(LEPm)과 액체진입압력의 계산값(LEPc)를 하기 표 3에 기재하였고, 도 9에서 각 수치를 비교한다. The measured values of liquid entry pressure (LEPm) and calculated values of liquid entry pressure (LEPc) of the separators of Examples and Comparative Examples according to mechanical strain ranging from 0% to 150% are listed in Table 3 below, and each value in FIG. 9 Compare.

구분division 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 2Comparative Example 2 변형율strain rate 0%0% 50%50% 100%100% 150%150% LEPm (kPa)LEPm (kPa) 19.619.6 14.714.7 12.212.2 6.26.2 LEPc (kPa)LEPc (kPa) 17.08617.086 14.15514.155 13.13213.132 10.77710.777

LEPm, LEPc 값은 모두 분리막에 가해지는 변형율 증가와 반비례 관계를 나타낸다. Both LEPm and LEPc values are inversely proportional to the increase in strain applied to the separator.

150% 기계적 변형이 적용된 비교예 2의 분리막에 대해 LEPm 은 상당한 하락을 나타냈다. 이것은 더 큰 기공을 생성했을 때 및 비교예 2의 분리막의 국부적 영역에서 폴리우레탄 섬유의 찢어짐에 기인한 것으로 간주되었다. For the separator of Comparative Example 2 to which 150% mechanical strain was applied, LEPm showed a significant decrease. This was attributed to tearing of the polyurethane fibers in localized areas of the separator of Comparative Example 2 and when creating larger pores.

LEPm과 LEPc 모두 유사한 경향을 보이나, LEPc보다 LEPm가 기계적 변형율에 따라 급격하게 감소한다. 이는 실험실 내 LEPm 측정 방법의 한계에서 발생되는 오차 범위로 생각된다. Both LEPm and LEPc show similar trends, but LEPm decreases more rapidly than LEPc depending on the mechanical strain rate. This is thought to be an error range arising from the limitations of the LEPm measurement method in the laboratory.

LEPm을 측정하기 위해 실시예 및 비교예의 분리막을 원통형 용기의 한쪽 끝에 감싸고 고무 밴드로 단단히 고정했다. 이러한 장착 과정은 실시예 및 비교예의 분리막을 가로질러 변형율이 고르지 않게 분포되어 용기 입구 중앙에서 공중에 떠 있는 부분보다 용기 입구 가장자리에 눌린 분리막 부분에 더 큰 변형을 생성할 수 있다. 이것은 넓은 기공 크기 분포 곡선과 예상보다 더 큰 최대 기공 크기를 야기할 것이다. 예상외의 최대 기공 크기의 형성은 기계적 변형이 더 커질 때 LEPm가 결국 LEPc 아래로 감소되게 한다.To measure LEPm, the separators of Examples and Comparative Examples were wrapped around one end of a cylindrical container and tightly fixed with a rubber band. This mounting process may cause the strain rate to be unevenly distributed across the separators of the Examples and Comparative Examples, creating greater strain in the portion of the separator pressed against the edge of the container inlet than in the portion floating in the air at the center of the container inlet. This will result in a broad pore size distribution curve and a larger maximum pore size than expected. The formation of an unexpected maximum pore size causes LEPm to eventually decrease below LEPc when the mechanical strain becomes larger.

추가로, 분리막 모듈 내부에 위치한 내부 분리막에 작용하는 압력을 측정하였으며, 체적 유량과 같은 매개변수로 측정하였을 때 막증류법 작동 중 채널 벽에 가해지는 유압은 8.2kPa로 추정되었다. Additionally, the pressure acting on the internal membrane located inside the membrane module was measured, and when measured with parameters such as volumetric flow rate, the hydraulic pressure applied to the channel wall during membrane distillation operation was estimated to be 8.2 kPa.

반면, 150% 기계적 변형을 가했을 때 비교예 2의 분리막의 LEPm 값은 약 6.2kPa로 내부 분리막에 작용하는 예상 압력보다 낮으며, 이는 물이 분리막의 투과 채널에 의해 침투되었음을 알 수 있다. On the other hand, when 150% mechanical strain was applied, the LEPm value of the separator of Comparative Example 2 was about 6.2 kPa, which was lower than the expected pressure acting on the internal separator, indicating that water had penetrated through the permeation channel of the separator.

실험결과 5: 초소수성 분리막의 막증류법 성능Experiment Result 5: Membrane distillation performance of superhydrophobic membrane

실험실 규모의 직접 접촉 막증류법의 설정을 사용하여 다양한 변형율에서 실시예 및 비교예의 분리막의 막증류법 성능(막증류법 투과 유속 값 및 염제거율)을 평가했다. A laboratory-scale direct contact membrane distillation setup was used to evaluate the membrane distillation performance (membrane distillation permeate flux values and salt removal rates) of the Example and Comparative membranes at various strain rates.

구분division 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 2Comparative Example 2 변형율strain rate 0%0% 50%50% 100%100% 150%150% 유속 (L/m2h)Flow rate (L/m 2 h) 10.1310.13 25.0125.01 36.5936.59 40.3240.32 염제거율 (%)Salt removal rate (%) 99.9999.99 99.9999.99 99.9699.96 99.3499.34

막증류법의 설정의 신뢰성을 검증하기 위하여 비교예 3으로 상용 PVDF 분리막을 사용하였고, 비교예 3의 분리막에 대한 투과 유속은 약 20 L/m2h이었다. In order to verify the reliability of the membrane distillation method settings, a commercial PVDF separation membrane was used as Comparative Example 3, and the permeate flow rate for the membrane of Comparative Example 3 was about 20 L/m 2 h.

도 10은 실시예 및 비교예의 분리막의 막증류법의 투과 유속을 보여준다. 더 큰 변형율이 적용된 실시예 및 비교예의 분리막의 투과 유속이 증가하는 것을 나타낸다.Figure 10 shows the permeation flow rate of the membrane distillation method of the separation membrane of Examples and Comparative Examples. It shows that the permeation flux of the separation membrane of the Examples and Comparative Examples to which a larger strain rate was applied increases.

변형이 없는 비교예 1의 초소수성 분리막은 10.13 L/m2h의 투과 유속을 기록했으며, 이는 비교예 3보다 낮은 투과 유속이다. 반면, 50% 변형율을 갖는 실시예 1의 분리막은 25.01L/m2h로 비교예 3보다 높은 투과 유속이며, 변형률이 증가함에 따라 투과 유속도 증가하였다. The superhydrophobic separator of Comparative Example 1 without modification recorded a permeation flux of 10.13 L/m 2 h, which is lower than that of Comparative Example 3. On the other hand, the separator of Example 1 with a 50% strain rate had a permeation flux of 25.01 L/m 2 h, which was higher than that of Comparative Example 3, and as the strain rate increased, the permeation flux also increased.

150% 변형율을 갖는 비교예 2의 분리막은 투과 유속이 가장 높은 40.32L/m2h값을 기록하였으나 운전 내내 불안정한 투과 유속 값을 나타낸다.The separator of Comparative Example 2 with a 150% strain rate recorded the highest permeation flux value of 40.32 L/m 2 h, but showed unstable permeation flux values throughout operation.

도 11에서 볼 수 있듯이 0%에서 100% 범위의 기계적 변형율을 적용한 실시예 1, 2 및 비교예 1의 분리막은 모두 막증류법 작동 전반에 걸쳐 안정적인 전도도를 나타냈다. 그러나 150%의 기계적 변형이 적용된 비교예 2의 분리막은 막증류법 작동의 시작 시 전도도의 즉각적인 증가를 나타내며, 이는 분리막이 부분적으로 젖어 공급되는 물이 분리막의 투과 채널로 침투하였음을 알 수 있다. As can be seen in Figure 11, the separation membranes of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 to which mechanical strain rates ranging from 0% to 100% were applied all showed stable conductivity throughout the membrane distillation operation. However, the separator of Comparative Example 2, to which 150% mechanical strain was applied, showed an immediate increase in conductivity at the start of membrane distillation operation, indicating that the separator was partially wet and the supplied water penetrated into the permeation channel of the separator.

해수의 전도도가 53 mS/cm임을 감안할 때 150% 기계적 변형율을 적용한 비교예 2의 분리막도 99.34%의 높은 염제거율을 보였으나, 100% 이하의 기계적 변형율을 적용한 분리막은 99.9% 이상의 염제거율을 나타낸다. Considering that the conductivity of seawater is 53 mS/cm, the membrane of Comparative Example 2 to which 150% mechanical strain was applied also showed a high salt removal rate of 99.34%, but the membrane to which 100% or less of mechanical strain was applied showed a salt removal rate of more than 99.9%. .

실험결과 6: 실험 및 이론 막증류법 투과 유속의 비교 Experimental Result 6: Comparison of experimental and theoretical membrane distillation permeation fluxes

막증류법 투과 유속은 공극 크기와 막증류법 투과 유속 간의 관계를 검증하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 추가로 조사되었다. The membrane distillation permeate flux was further investigated through computer simulation to verify the relationship between pore size and membrane distillation permeate flux.

도 12은 막증류법 분리막 모듈 내부의 유입 채널, 투과 채널 및 실시예 및 비교예의 분리막의 모델링을 나타낸다.Figure 12 shows modeling of the inlet channel, permeation channel, and separation membrane of Examples and Comparative Examples within the membrane distillation membrane module.

막증류법 작동 매개변수는 실제 실험실 규모의 직접 접촉 막증류법 설정을 반영하도록 설정되었다. 다공성 매질에서 희석된 종(species)의 수송은 막 영역을 가로질러 지배적인 물질 전달 원리로 간주되었다. 지배 방정식은 다음의 식 2와 같다.Membrane distillation operating parameters were set to reflect a realistic laboratory-scale direct contact membrane distillation setup. Transport of dilute species in porous media was considered the dominant mass transfer principle across the membrane domain. The governing equation is as follows:

[식 2][Equation 2]

상기 식 2에서 확산 계수 Dm은 분리막의 기공 직경과 증기의 평균 자유 경로의 비율로 정의되는 Knudsen 수에 의해 결정된다. 다양한 변형이 적용된 실시예 및 비교예의 분리막의 기공 크기 범위는 Knudsen 확산과 분자 확산 사이의 전이 영역에 속한다. Knudsen 확산 및 분자 확산에 대한 확산 계수는 다음의 식 3 및 식 4와 같다.In Equation 2 above, the diffusion coefficient Dm is determined by the Knudsen number, which is defined as the ratio of the pore diameter of the membrane and the mean free path of vapor. The pore size range of the separation membranes of Examples and Comparative Examples to which various modifications were applied belongs to the transition region between Knudsen diffusion and molecular diffusion. The diffusion coefficients for Knudsen diffusion and molecular diffusion are given in Equations 3 and 4 below.

[식 3][Equation 3]

[식 4][Equation 4]

[식 5][Equation 5]

식 5와 같이 Dm을 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 막증류법 투과 유속을 계산했다. 0.0-0.5초 동안 온도 구배, 투과 자속 구배 및 결과적인 자속 그래프의 과도 시뮬레이션이 도 13에 나타난다.The membrane distillation permeation flux was calculated using computer simulation using Dm as shown in Equation 5. A transient simulation of the temperature gradient, transmitted flux gradient and resulting flux graph for 0.0-0.5 seconds is shown in Figure 13.

이와 같은 시뮬레이션 결과를 이용하여 기계적 변형율을 적용하여 조절한 기공 직경에 따른 초소수성 분리막의 막증류법 투과 유속 값을 실험값과 계산한 값을 비교하여 도 14에 나타내었다. Using these simulation results, the permeation flux values of the membrane distillation method of the superhydrophobic membrane according to the pore diameter adjusted by applying the mechanical strain rate were compared with the experimental values and the calculated values are shown in FIG. 14.

실험 및 계산된 막증류법 투과 유속 값은 상당한 유사성을 나타냈으며, 기공 직경에 대한 변수(involution)의 형태로 추정할 때 두 투과 유속 값은 기공 직경의 두 번째 거듭제곱을 따라 나타낸다. 분자 확산의 계수가 기공 직경의 2제곱이기 때문에 이로부터, 실시예 및 비교예의 분리막의 주요 확산 모드가 분자 확산임을 알 수 있다.The experimental and calculated membrane distillation permeate flux values showed significant similarity, and when estimated in the form of an involution of the pore diameter, both permeate flux values were expressed along the second power of the pore diameter. Since the coefficient of molecular diffusion is the square of the pore diameter, it can be seen that the main diffusion mode of the separators of the Examples and Comparative Examples is molecular diffusion.

Claims (13)

신축성 재료를 포함하는 섬유막 층; 및
상기 섬유막 층이 소수성 미소구체로 코팅되는 코팅층을 포함하는, 초소수성 분리막으로서,
상기 초소수성 분리막은 기계적 변형에 의해 기공 직경이 변경되는, 초소수성 분리막.
A fibrous membrane layer containing elastic material; and
A superhydrophobic separator wherein the fibrous membrane layer includes a coating layer coated with hydrophobic microspheres,
The superhydrophobic separator is a superhydrophobic separator whose pore diameter is changed by mechanical deformation.
제 1 항에 있어서,
상기 신축성 재료는 폴리우레탄, 폴리에스테르(PE), 폴리디메틸실록산(PDMS), 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리비닐알코올(PVA), 술폰화 폴리아릴렌티오에테르술폰(SPTES), 실리콘고무, 아크릴고무, SBS고무, 폴리이소프렌, 폴리이소부틸렌(PIB), 폴리클로로프렌 로부터 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
상기 섬유막의 섬유 직경이 0.1 내지 3.0 ㎛인, 초소수성 분리막.
According to claim 1,
The elastic materials include polyurethane, polyester (PE), polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), sulfonated polyarylenethioether sulfone (SPTES), and silicone rubber. At least one selected from the group consisting of acrylic rubber, SBS rubber, polyisoprene, polyisobutylene (PIB), and polychloroprene,
A superhydrophobic separator wherein the fiber membrane has a fiber diameter of 0.1 to 3.0 ㎛.
제 1 항에 있어서,
상기 소수성 미소구체는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리(락트산-코-글리콜산) (PLGA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리스티렌(PS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)로부터 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고,
상기 소수성 미소구체의 직경이 2.0 ㎛이하인, 초소수성 분리막.
According to claim 1,
The hydrophobic microspheres include polydimethylsiloxane (PDMS), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), poly(lactic acid-co-glycolic acid) (PLGA), and polycaprolactone (PCL). , may include one or more selected from the group consisting of polystyrene (PS), polytetrafluoroethylene (PTFE), and high-density polyethylene (HDPE),
A superhydrophobic separator wherein the hydrophobic microspheres have a diameter of 2.0 ㎛ or less.
제 3 항에 있어서,
상기 소수성 미소구체는 상기 PDMS 및 상기 PVDF-HFP를 포함하고,
상기 PDMS 및 상기 PVDF-HFP의 중량비가 1:0.8 내지 1.2인, 초소수성 분리막.
According to claim 3,
The hydrophobic microspheres include the PDMS and the PVDF-HFP,
A superhydrophobic separator wherein the weight ratio of the PDMS and the PVDF-HFP is 1:0.8 to 1.2.
제 1 항에 있어서,
상기 기계적 변형에 의한 초소수성 분리막의 변형율은 길이를 기준으로 20% 이상 및 120% 이하인, 초소수성 분리막.
According to claim 1,
A superhydrophobic separator wherein the strain rate of the superhydrophobic separator due to the mechanical deformation is 20% or more and 120% or less based on the length.
제 5 항에 있어서,
상기 변형율이 20% 이상 및 120% 이하일 때, 평균 기공 직경이 2.343 ㎛ 이상 및 4.493 ㎛ 이하인, 초소수성 분리막.
According to claim 5,
A superhydrophobic separator having an average pore diameter of 2.343 ㎛ or more and 4.493 ㎛ or less when the strain rate is 20% or more and 120% or less.
제 5 항에 있어서,
상기 변형율이 20% 이상 및 120% 이하일 때, 최대 기공 직경이 5.416 ㎛ 이상 및 8.274 ㎛ 이하인, 초소수성 분리막.
According to claim 5,
A superhydrophobic separator having a maximum pore diameter of 5.416 ㎛ or more and 8.274 ㎛ or less when the strain rate is 20% or more and 120% or less.
신축성 재료를 포함하는 용액을 전기 방사하여 섬유막을 제조하는 단계;
상기 섬유막을 소수성 미소구체를 포함하는 용액을 전기 분무하여 코팅하는 단계; 를 포함하는 초소수성 분리막의 제조방법으로서,
상기 초소수성 분리막은 기계적 변형에 의해 기공 직경이 변경되는, 초소수성 분리막의 제조방법.
Manufacturing a fibrous membrane by electrospinning a solution containing an elastic material;
Coating the fibrous membrane by electrospraying a solution containing hydrophobic microspheres; A method for manufacturing a superhydrophobic separator comprising:
A method of manufacturing a superhydrophobic separator, wherein the pore diameter of the superhydrophobic separator is changed by mechanical deformation.
제 8 항에 있어서,
상기 신축성 재료를 포함하는 용액 또는 상기 소수성 미소구체를 포함하는 용액에서,
용매는 테트라히드로푸란(THF) 및 디메틸포름아미드(DMF)의 중량비가 40:60 내지 60:40인 혼합 용매이고, 상기 혼합 용매는 전체 용액 중량을 기준으로 90 내지 95 중량%인, 초소수성 분리막의 제조방법.
According to claim 8,
In a solution containing the elastic material or a solution containing the hydrophobic microspheres,
The solvent is a mixed solvent of tetrahydrofuran (THF) and dimethylformamide (DMF) at a weight ratio of 40:60 to 60:40, and the mixed solvent is 90 to 95% by weight based on the total solution weight, a superhydrophobic separator Manufacturing method.
제 8 항에 있어서,
상기 섬유막을 제조하는 단계 또는 코팅하는 단계에 있어서,
상기 신축성 재료를 포함하는 용액 또는 상기 소수성 미소구체를 포함하는 용액을 0.1 내지 5.0 mL/h의 주입 속도로 노즐과 수집기 사이의 간격 1 내지 50cm에 걸쳐 1 내지 30 kV의 전압을 인가하여 수행하는, 초소수성 분리막의 제조방법.
According to claim 8,
In the step of manufacturing or coating the fiber membrane,
Applying a voltage of 1 to 30 kV over a distance of 1 to 50 cm between the nozzle and the collector to the solution containing the elastic material or the solution containing the hydrophobic microspheres at an injection rate of 0.1 to 5.0 mL/h, Method for manufacturing superhydrophobic membrane.
제 1 항 내지 제 7 항의 초소수성 분리막을 이용하는, 막증류법.
Membrane distillation method using the superhydrophobic membrane of claims 1 to 7.
제 11 항에 있어서,
상기 초소수성 분리막의 투과 유속이 20 내지 40.3 L/m2h인, 막증류법.
According to claim 11,
A membrane distillation method in which the permeation flow rate of the superhydrophobic membrane is 20 to 40.3 L/m 2 h.
제 11 항에 있어서,
상기 초소수성 분리막의 염제거율이 99.9% 이상인. 막증류법.
According to claim 11,
The salt removal rate of the superhydrophobic separator is 99.9% or more. Membrane distillation.
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