KR20240028690A - 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 포함하는 장치 - Google Patents

수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 포함하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 둘 이상의 기공들을 포함하는 새로 제조되거나 재사용되는 중공사막 및 하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질 또는 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질 및 제1물질 또는 제2물질과 축중합된 이중 가교제가 점성체와 혼합되어 기공들 각각에 함침된 친수성 충진제를 포함하는 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 포함하는 장치를 제공한다.

Description

수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 포함하는 장치{Rechargeable pore-filling hollow fiber membrane for water vapor separation, manufacturing method and apparatus thereof}
본 명세서는 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.
발전소의 스택이나 냉각탑 위에서 배출되는 백연은 심미적, 환경적 문제를 야기하기 때문에 큰 우려로 인식되어 시민들의 불안감이 점차 커지고 있다.
백연은 냉각탑에서 다량의 냉각수가 증발하여 외부의 찬 공기와 만나 과포화증기가 되어 하얀 연기처럼 보이는 현상이며, 발전소의 용수 흐름에서 가장 많이 배출되기 때문에 물 부족 문제도 함께 야기된다. 이렇게 냉각탑 외부로 배출되어 사라지는 백연인 수증기의 일부를 회수할 수만 있다면 백연 문제는 물론 물 부족 문제도 해결할 수 있을 것이다. 이에 많은 연구자들은 수증기를 회수는 제습 기술에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.
일반적인 제습 방법으로는 응축기 및 제습제 건조 방식이 있다. 응축은 다른 방법에 비해 상대적으로 더럽고 부식을 일으키며, 제습제는 제습제의 재생이 필요하여 연속적인 공정이 어렵다. 게다가 두 방식은 모두 에너지를 많이 소비하기 때문에 에너지를 절감시킬 수 있는 새로운 기술 개발이 필요하다.
본 실시예는 저렴한 가격의 기공을 포함하는 중공사막을 사용하여 수분을 분리하고 기공을 재충진하여 재생하는 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인 및 그 제조방법, 그 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인은 둘 이상의 기공들을 포함하는 새로 제조되거나 재사용되는 중공사막 및 하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질 또는 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질 및 제1물질 또는 제2물질과 축중합된 이중 가교제가 점성체와 혼합되어 기공들 각각에 함침된 친수성 충진제를 포함한다.
다른 실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법은 둘 이상의 기공들을 포함하는 중공사막을 새로 제조하거나 재사용하는 제1단계, 액상의 점성체를 하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질 또는 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질 및 제1물질 또는 제2물질과 가교결합하는 이중 가교제와 혼합한 혼합액을 기공들 각각에 충진하는 제1단계, 및 중공사막을 열처리하여 제1물질 또는 제2물질과 이중 가교제의 축중합을 진행하여 중공사막의 기공들에 친수성 충진제를 함침하는 제3단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 따른 장치는 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인을 포함한다. 이때 이 장치는 배기팬의 하부에 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인이 배치된 냉각탑 또는 건물 공조 시스템일 수 있다.
본 실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인 및 그 제조방법, 그 장치는 저렴한 가격의 기공을 포함하는 중공사막을 사용하여 수분을 분리하고 기공을 재충진하여 재생할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 모식도이다.
도 2a 및 도 2b는 일실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법의 공정도들이다.
도 3는 제조예에 따른 HDPE 중공사 멤브레인의 SEM 이미지이다.
도 4은 도 3의 제조예에 따른 HDPE 중공사 멤브레인의 기공크기 분포를 나타낸다.
도 5는 도 3의 제조예에 따른 중공사 멤브레인의 접촉각을 예시하고 있다.
도 6은 도 3의 제조예에 따른 중공사 멤브레인의 열중량 분석 결과들을 나타낸다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 냉각탑의 단면도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.
구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
전술한 바와 같이 냉각탑 외부로 배출되어 사라지는 백연인 수증기의 일부를 회수하기 위해 제습 기술에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.
일반적인 제습 방법으로는 응축기 및 제습제 건조 방식이 있다. 응축은 다른 방법에 비해 상대적으로 더럽고 부식을 일으키며, 제습제는 제습제의 재생이 필요하여 연속적인 공정이 어렵다. 게다가 두 방식은 모두 에너지를 많이 소비하기 때문에 에너지를 절감시킬 수 있는 새로운 기술 개발이 필요하다.
최근에는 중공사막을 이용하여 제습하는 연구가 진행되고 있다. 친수성을 가지는 비다공성 멤브레인 내부에 진공을 걸어주면 외부에 있는 수분이 멤브레인 내부 및 외부와의 농도차 및 압력차로 인해 멤브레인 내부로 투과되어 분리된다. 멤브레인 기술은 온도 변화 없이(등온) 수분만을 선택적으로 분리(제습)하는 기술이기 때문에 다른 기술에 비해 에너지가 적게 소모된다. 또한, 회수된 물은 증류수처럼 깨끗하기 때문에 고부가가치 산업에 활용될 수 있다. 게다가, 멤브레인 기술은 냉각탑의 백연저감은 물론 크린룸, 드레스룸 등의 제습 장치로도 활용이 가능하기 때문에 넓은 적용성이 있으며, 완벽한 설치도 가능하다.
수분 분리용 멤브레인은 공기중에서 수분만을 선택적으로 분리해야하기 때문에 비다공성으로 제조되어야하며, 친수성도 가져야 한다. 게다가 상업적으로 사용되기 위해서는 가격이 저렴해야 한다. 이를 위해 가격이 저렴한 수처리용 중공사 한외여과막을 지지체로 활용하고, 지지체 표면에 친수성 물질을 얇게 코팅하여 선택층(selective layer)을 도입함으로써 박막 복합멤브레인(thin film composite membrane, TFC)을 만드는 연구가 활발히 진행되고 있다. 선택층은 멤브레인의 기공을 막고 친수성을 높여주는 역할을 하기에 선택층에 따라 멤브레인의 수분 투과도 및 선택도가 달라진다. 코팅은 일반적으로 함침(dipping)과 계면중합(interfacial polymerization) 방법으로 진행된다.
멤브레인 표면에 도입되는 코팅은 두께가 일반적으로 수십~수백 nm이기 때문에 멤브레인 표면에 이들보다 큰 기공이 존재하면 코팅으로 치밀막을 만들기가 어렵다. 멤브레인 표면에 큰 기공들이 존재하게 되면 수분 뿐만 아니라 질소 및 산소로 이루어진 공기도 통과하게 되어 선택적인 분리가 되지 않는다.
그러나 제조 공정에서 기공의 크기를 일정하게 조절하기는 매우 어렵기 때문에 수분분리 멤브레인용 지지체로 활용되는 중공사막은 한정될 수 밖에 없다. 이러한 이유로 기공 크기가 비교적 작고 일정한 중공사막을 지지체로 사용해야 한다. 하지만, 만약 비록 기공이 크고 기공크기 분포가 넓지만 가격은 더 저렴한 중공사막을 지지체로 활용할 수 있는 코팅 기술이 개발된다면 멤브레인을 이용한 수분분리 분야로의 활용 가치가 더욱 증가할 것이다.
본 명세서는 재충전이 가능한 기공 충진 방법(rechargeable pore-filling method)으로 기공이 큰 중공사 멤브레인을 코팅하는 기술을 제공한다.
도 1은 일실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)은 둘 이상의 기공들(112)을 포함하는 새로 제조되거나 재사용되는 중공사막(110) 및 하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질 또는 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질 및 제1물질 또는 제2물질과 축중합된 이중 가교제(double-crosslinker)가 점성체와 혼합되어 기공들 각각(112)에 함침된 친수성 충진제(120)를 포함한다.
중공사막(110)은 도 2를 참조하여 후술하는 바와 같이, 새로 제조된 중공사막이거나 충진제(120)가 함침된 중공사막에서 충진제(120)를 제거한 중공사막을 재사용한 중공사막일 수 있다.
중공사막(110)은 지지체(substrate)로 사용된다. 중공사막(110)은 공지된 다양한 폴리머들을 사용하여 제조되는 박막 복합멤브레인(thin film composite membrane, TFC)일 수 있다. 예를 들어, 중공사막(110)은 HDPE(high density polyethylene)으로 제조될 수 있다.
이중 가교제는 액상의 점성체로 일반적으로 중공사막을 제조한 후 기공 안정제로 사용되는 물질이다. 중공사막(110)은 기공(112)이 존재해야 수처리 및 기체 분리에 사용되는데, 안정제가 없으면 중공사막(110)이 건조되어 기공(112)이 닫히기 때문이다.
이중 가교제는 다른 물질의 하이드록시(-OH) 또는 아민(-NH2) 그룹과 가교결합할 수 있다. 즉 하이드록시(-OH) 그룹, 아민(-NH2) 그룹 등이 있는 물질은 이중 가교제와 축중합이 가능하며, 중공사막(110)의 기공을 충진하는 기공 충진에 사용될 수 있다.
하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질은 PVA(polyvinyl alcohol), PEG(Polyethylene glycol), 셀룰로스 중 하나이고, 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질은 PEI(polyethyleneimine), 젤라틴, 키토산, 콜라겐　중 하나일 수 있다. 하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질로, PVA는 반복단위(repeat unit)당 하이드록시(-OH) 그룹이 많기 때문에 중합도 잘되고 친수성이 우수하며 가격이 저렴한 장점이 있다. 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질로, PEI는 반복 단위당 아민(-NH2) 그룹이 많은 장점이 있다.
이중 가교제는 글루타알데하이드(Glutaraldehyde(GA))이고, 점성체는 글리세롤 또는 분자량 100~1000의 PEG(polyethylene glycol)일 수 있다. 글리세롤 또는 분자량 100~1000의 PEG(polyethylene glycol)는 액상의 점성체로 일반적으로 중공사막(110)을 제조한 후 기공 안정제로 사용될 수 있다.
글리세롤은 식품산업(습윤제, 용매, 감미료 등), 화장품 용도(보습제), 손 소독제 용도(보습제) 등에 사용되는 등 안전하며 값이 저렴한 물질입니다.
글리세롤과 유사한 성격의 물질이 PEG(polyethylene glycol)이다. PEG는 분자량에 따라 점성이 달라진다. 즉 분자량이 1000이 넘어가는 PEG1000은 고체 상태이므로, PEG를 분자량 기준으로 100~1000까지의 PEG(예를 들어, PEG200, PEG300, PEG400, PEG600)를 이중 가교제로 사용할 수 있다.
충진제(120)가 기공(112)에 함침된 중공사막(110)의 표면(114)에 물방울을 떨어트렸을 때, 물방울이 퍼진 접촉각(contact angle)은 10도 미만이고, 충진제(120)가 기공(112)에서 제거된 중공사막(110)의 표면(114)에 물방울을 떨어트렸을 때, 물방울이 퍼진 접촉각이 60도 이상, 예를 들어 70도일 수 있다.
접촉각은 중공사막(110)의 표면(114) 위에 작은 물방울 하나를 떨어트린 다음에 물방울의 각도를 측정한 값이다. 비교예로, 연꽃 표면은 소수성의 작은 돌기가 있어 물방울이 퍼지지 않아 소수성을 띄고 있다. 　이와 마찬가지로 중공사막(110)이 전술한 충진제(120)이 함침되어 있고 이들 함침 물질이 매우 친수성이라서 중공사막(110)의 표면(114)에 물방울을 떨어트리면 바로 퍼진다. 즉, 아주 중공사막(110)이 매우 친수성임을 의미한다.
다시 말해, 위의 돌출되어 보이는 것은 접촉각을 측정하기 위해 일부러 떨어트린 물방울이며 충진제(120)가 기공(112)에 함침된 중공사막(110)의 표면(114)은 친수성이라 물방울이 퍼져서 접촉각이 10도 미만이며,　세척하면 친수성 충진제(120)가 물에 씻겨나가 친수성이 약해져서 접촉각이 60도 이상, 예를 들어 70도 정도로 올라갈 수 있다. 　
이하, 이하 제조예에서 제1물질은 PVA이고, 제2물질은 PEI(polyethyleneimine)이고, 이중 가교제는 글루타알데하이드(Glutaraldehyde(GA))이고, 점성체는 글리세롤인 것을 예시적으로 설명하나 이에 제한되지 않는다.
예를 들어, 글리세롤은 전체 용액 대비 15~60wt%가 바람직하며, 더 바람직하게는 30~60 wt%일 수 있다. 글리세롤의 함량이 너무 낮으면 전체 용액 대비 충진제(120)의 비율이 낮아 중공사막(110)의 기공(112)을 못채울 수 있으며, 함량이 너무 높으면 점도가 높아져 기공(112)의 충진이 어려울 수 있다.
PVC는 전체 용액 대비 0.5~3 wt%가 바람직하며, 더 바람직하게는 0.5~1.5 wt%일 수 있다. PVA 함량이 너무 낮으면 가교도가 감소하여 열처리 후에 점성이 낮아짐에 따라 충진제(120)의 누수가 발생할 수 있으며, 함량이 너무 높으면 가교가 많이 발생하여 중공사막(110)의 가닥끼리 서로 붙는 현상이 발생할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 일실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법의 공정도들이다.
도 2a를 참조하면, 다른 실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법(200A)은 둘 이상의 기공들(112)을 포함하는 중공사막(110)을 새로 제조하거나 재사용하는 제1단계(a), 액상의 점성체를 하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질 또는 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질 및 제1물질 또는 제2물질과 가교결합하는 이중 가교제와 혼합한 혼합액(122)을 기공들 각각(112)에 충진하는 제1단계(b), 및 중공사막(110)을 열처리하여 제1물질 또는 제2물질과 이중 가교제의 축중합을 진행하여 중공사막(110)의 기공들(112)에 친수성 충진제(120)를 함침하는 제3단계를 포함한다.
제1단계(a)에서, 도 2b에 도시한 바와 같이, 다른 실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법(200B)에서, 중공사막(110)을 재사용하는 경우, 기제조된 중공사막(110)에서 친수성 충진제(120)를 물로 세척하여 제거한 중공사막(110)을 재사용할 수 있다.
이중 가교제는 액상의 점성체로 일반적으로 중공사막을 제조한 후 기공 안정제로 사용되는 물질이다. 중공사막(110)은 기공(112)이 존재해야 수처리 및 기체 분리에 사용되는데, 안정제가 없으면 중공사막(110)이 건조되어 기공(112)이 닫히기 때문이다.
이중 가교제는 다른 물질의 하이드록시(-OH) 또는 아민(-NH2) 그룹과 가교결합할 수 있다. 즉 하이드록시(-OH) 그룹, 아민(-NH2) 그룹 등이 있는 물질은 이중 가교제와 축중합이 가능하며, 중공사막(110)의 기공을 충진하는 기공 충진에 사용될 수 있다.
하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질은 PVA, PEG, 셀룰로스 중 하나이고, 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질은 PEI, 젤라틴, 키토산, 콜라겐　중 하나일 수 있다.
이중 가교제는 글루타알데하이드이고, 점성체는 글리세롤 또는 분자량 100~1000의 PEG일 수 있다. 글리세롤 또는 분자량 100~1000의 PEG는 액상의 점성체로 일반적으로 중공사막(110)을 제조한 후 기공 안정제로 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 충진제(120)가 기공(112)에 함침된 중공사막(110)의 표면(114)에 물방울을 떨어트렸을 때, 물방울이 퍼진 접촉각(contact angle)은 10도 미만이고, 충진제(120)가 기공(112)에서 제거된 중공사막(110)의 표면(114)에 물방울을 떨어트렸을 때, 물방울이 퍼진 접촉각이 60도 이상, 예를 들어 70도일 수 있다.
이하, 이하 제조예에서 제1물질은 PVA이고, 제2물질은 PEI이고, 이중 가교제는 글루타알데하이드이고, 점성체는 글리세롤인 것을 예시적으로 설명하나 이에 제한되지 않는다.
제2단계(b)에서, 코팅용 친수성 충진제(120)로 글리세롤(glycerol), PVA(polyvinyl alcohol)와 GA(glutaaldehyde) 등을 이용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 글리세롤은 점성의 액체로, 많은 하이드록시(-OH) 그룹을 가지고 있어 친수성이 우수하고 기공(112)에 쉽게 도입할 수 있는 물질이다. 글리세롤, PVA, GA 등을 물에 녹인 후, 혼합액(122)을 펌프를 이용하여 기공(112) 내부에 채우면 기공(112)이 채워져 치밀막이 만들어 진다. 하지만, 글리세롤은 액체이기 때문에 중공사막(110) 내부에서 진공을 가하게 되면 내부로 빠져나올 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해서는 점성을 높여줘야 한다.
제3단계(c)에서, 글리세롤을 PVA와 GA와 혼합한 액체액(122)을 기공에 채운 후, 열처리를 통해 PVA와 GA를 가교시켜 겔 형태의 점성체를 만든다. 예를 들어 중공사막(110)을 일정 온도, 예를 들어 70도로 유지되는 오븐에 넣고 일정시간 동안 열처리를 진행하여 PVA와 GA가 서로 가교되도록 한다.
기공(112)을 고체 물질로 채우면 중공사막(110)의 자유 공간에 이동도(mobility)가 낮아 투과도가 감소하나, 점성체인 겔상태에서는 이동도가 고체 상태보다 우수하여 투과도를 높일 수 있다. 물론 글리세롤/PVA/GA 가교 물질은 점성체이기 때문에 중공사막(110)을 따뜻한 물로 씻으면 충진제(120)가 중공사막(110) 밖으로 빠져나올 수 있다. 하지만, 물과의 접촉이 없는 실내 제습장치로 활용한다면 이들 문제는 해결이 가능하다.
또한, 도 2b에 도시한 바와 같이 지지체인 중공사막(110)을 다시 재활용할 경우에는 따뜻한 물에 함침하여 중공사막(110)을 세척한 후, 다시 다른 충진제(120)로 채우면 재생(rechargeable)이 가능하다.
이렇게 재생 가능한 기공 함침형 멤브레인(100)은, 첫째, 기공이 큰 멤브레인의 치밀화가 가능하고, 둘째, 코팅막 오염시 재생(재충전)이 가능하고, 셋째, 용도에 맞게 치밀 정도를 조정할 수 있다.
이하에서 도면을 참조하여 전술한 다른 실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조예 및 제조된 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 특성을 확인한 결과를 설명한다.
도 3는 제조예에 따른 HDPE 중공사 멤브레인의 SEM 이미지이다. 도 4은 도 3의 제조예에 따른 HDPE 중공사 멤브레인의 기공크기 분포를 나타낸다. 도 5는 도 3의 제조예에 따른 중공사 멤브레인의 접촉각을 예시하고 있다. 도 6 및 도 7은 도 3의 제조예에 따른 중공사 멤브레인의 열중량 분석 결과들을 나타낸다.
[제조예]
수처리용으로 사용되는 HDPE(high density polyethylene) 중공사막(110)을 구매하였으며, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 이들 중공사막(110)은 수십 ~ 수백 nm의 기공크기를 가지고 있는 것으로 확인되었다.
함침용 혼합액(122)은 전체 용액 대비 50 wt% 글리세롤, 1 wt% PVA, 0.5 wt% GA, 0.5 wt% HCl을, 48 wt% 물을 혼합하여 제조하였다.
중공사막(110)을 용액에 담근 후, 중공사막(110) 내부를 펌프를 이용하여 감압하면 중공사막(110) 외부에 있던 혼합액(122)이 압력차에 의해 내부에 들어오면서 중공사막(110)의 기공(112)을 채우게 된다.
일정 시간동안 펌프를 이용하여 혼합액을 중공사막(110)의 기공(112)에 함침한 후, 중공사막(110)을 털어내어 외부에 남아 있던 혼합액(122)을 제거한다.
중공사막(110)을 70도로 유지되는 오븐에 넣고 30분 동안 열처리를 진행하여 PVA와 GA가 서로 가교되도록 한다. 열처리 전에는 점성이 낮은 용액이지만, 열처리 후에는 PVA와 GA가 가교됨에 따라 점성이 높아진 기공함침 충진제(120)가 된다.
HDPE 중공사막(110)을 이용하여 50wt%글리세롤/1wt%PVA/0.5wt%GA/0.5wt%HCl 혼합액(H2O을 포함함)으로 코팅하고, 이를 다시 수돗물을 이용하여 세척(washing)함에 따른 접촉각을 도 5에 나타내었다.
도 5에 도시한 바와 같이, 세척후에는 중공사막(110)을 상온에서 일주일간 보관하면서 건조시켰다. 충진제(120)로 코팅된 이후에는 접촉각이 10도 이하의 친수성으로 나타났으며, 세척 후에는 접촉각이 다시 증가하였고, 코팅/세척이 반복되어도 비슷한 값을 보임을 확인하였다. 이는 재충진이 잘 되고 있음을 의미한다.
열중량분석기(TGA)를 이용하여 코팅/세척에 따른 멤브레인의 열적 성질을 평가하였다.
코팅후에는 코팅 회수에 상관없이 65~70 wt%의 충진제가 잘 포함되어 있음을 확인하였으며, 세척 후에는 약 15 wt%의 물이 포함되어 있음을 확인하였다. 이는 세척후에 중공사막(110)을 고온이나 진공으로 건조시키지 않았기 때문에 기공(112) 내에 있던 물이 측정된 것으로 사료된다.
멤브레인(100)의 열중량 분석 결과로, 온도 30도, 상대습도 80%에서 측정된 멤브레인의 수분투과도 및 선택도를 도 6에 나타냈었다. 코팅이 진행됨에도 수분투과도는 2000~2050 GPU를, 선택도는 200~220을 일정하게 보여주었으며, 이로부터 코팅 회수에 따라 충진제가 잘 충진됨을 알 수 있었다. 즉 재충진이 가능함을 알 수 있었다. 세척된 멤브레인(110)에 대해서는 충진제(120)가 빠져나감에 따른 누수(leak)가 발생하여 압력이 걸리지 않았기에 수분투과도 및 선택도를 측정할 수 없었다.
한편, 글리세롤/PVA/GA 혼합액 중에서 PVA, GA는 함량이 매우 낮기에 대부분 글리세롤이 함량을 차지한다. 글리세롤 50wt%가 함유된 50G/1PVA/0.5GA를 기준으로 글리세롤/PVA/GA는 51.5wt%를 차지하며 나머지가 물이다.
즉, 충진제(120)를 중공사막(110)의 기공(112)에 충진한 후 시간이 지나거나 내부에 진공을 가하면 점성이 낮은 물만 빠져 나올 것입니다. 즉, 약 50%의 점성체가 중공사막(110)의 기공(112)에 남게 된다.
전술한 다른 실시예에 따른 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조예에 의해 제조된 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(110)은 다음과 같은 특성을 가진다.
- 기공(112)이 크고 기공 분포가 넓은 중공사막(110)을 충진제(120)를 이용하여 기공 함침시킴으로써 수분분리용 치밀막으로 만들 수 있다.
- 충진제(120)를 기공(112)에 함침하기 위해서는 점성이 낮아야 하는데, ㄱ글리세롤/PVA/GA/HCl/H2O 혼합액(122)은 열처리 전 또는 용액을 만든지 1시간 내에 사용하면 가교결합이 진행되지 않기 때문에 점성이 낮은 용액 상태에서 기공(112)을 함침시킬 수 있다.
- 함침을 더 잘시키기 위해서는 혼합액(122)의 온도를 올린 후(최대 50도) 함침하므로 50도 이상의 온도에서는 HCl이 빨리 증발하여 품질이 낮아질 수 있으며, 가교결합이 빨리 진행될 수 있다.
- 충진제(120)의 누수, 오염으로 인해 재충진하거나, 지지체인 중공사막(110)을 재사용하고자 할 때에는 중공사막(110)을 물에 담지하여 충진제(120)를 제거하면 재사용이 가능하다.
또 다른 실시예에 따른 장치는 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)을 포함한다. 이때 이 장치는 배기팬의 하부에 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)이 배치된 냉각탑 또는 건물 공조 시스템일 수 있다.
또한, 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)은 다음과 같은 다양한 용도로 사용될 수 있다.
- 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)이 건물공조나 실내 제습기로 적용되어 실내 상대습도를 적정 수준까지 낮춤으로써 쾌적한 실내공기 환경을 구현할 수 있다.
- 드레스룸은 밀폐된 공간이기 때문에 환기가 어렵고 습한 공기 때문에 벽이나 천장 모서리와 옷에도 곰팡이가 생길 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 제습 공정이 필수적이며, 이러한 드레스룸에도 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)을 적용하여 적은 에너지로 제습을 진행한다면 전기료 부담 없이 드레스룸을 쾌적하게 유지할 수 있다.
- 무기고는 내부의 결로 방지 및 최적의 습도(50~60%) 유지를 위한 공조 제습시스템이 필수적이다. 무기고에 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)을 적용한 후, 진공압 세기 조절에 의한 제습량 조절로무기고의 최적 습도를 유지할 수 있다.
- 일반적인 클린룸의 적정 습도 조건은 50~60%이며, 40% 이하 시 건식제습(실리카겔 로터)을, 50% 이상 시 냉각식제습(냉각코일)을 이용하고 있으나 앞에서 기술한 바와 같이 에너지 소모가 크다는 단점이 있다. 클린룸 공정에도 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)을 적용하여 기존의 클린룸 제습공정 비용을 절감하는 것이 가능한다.
- 이외에도 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)이 제약보관용, 농산물/식품 저장소, 습도관리가 필요한 사업장(전산실, 기계설비실, 방송실, warehouse 등)에도 적용이 가능하다.
- 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)은 백연저감에 사용될 수 있다.
- 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)을 통과하여 응축된 물은 NF막을 통해 얻은 물처럼 깨끗하기 때문에 공업용수는 물론 고부가가치 산업으로의 재이용이 가능할 수 있다.
이하에서 도 8을 참조하여 배기팬의 하부에 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)이 배치된 냉각탑을 예시적으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.
도 7은 다른 실시예에 따른 냉각탑의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 냉각탑(300)은 본체(310)의 내부에 엘리미네이터(eliminator, 320)와 배기팬(330)을 포함하고 있는 향류형 냉각탑(counter flow cooling tower)이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인(100)은 엘리미네이터(320)와 배기팬(330) 사이 배기팬(330)에 배치된다. 멤브레인(110)은 엘리미네이터(320)을 통과하여 배기판(330)을 통해 외부로 방출되는 백연에서 수증기를 응축하여 깨끗한 물을 회수할 수 있다. 멤브레인(110)에 의해 응축된 물을 물 배수관(미도시)을 통해 외부의 물탱크로 이동하여 공업용 용수로 사용될 수 있다.
멤브레인(110)은 수백 ~ 수천 가닥의 중공사막 멤브레인을 엮어 멤브레인 모듈로 제조되어 냉각탑(300)에 적용될 수 있다. 이들 모듈은 수 ~ 수십 m2의 비표면적을 갖는다. 그러므로 수분의 제거 목표가 정해지면, 그에 맞춰 모듈 개수를 설계하고 서로 연결하여 사용할 수 있는 확장성이 있다.
이 맴브레인(100)은 냉각탑(300)에서 회수되어 도 2b에 도시한 바와 같이 물로 세척하여 중공사막(110)으로부터 충진제(120)를 제거한 후 다시 충진제(120)를 기공(112)에 함침하여 재생할 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술 사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 둘 이상의 기공들을 포함하는 새로 제조되거나 재사용되는 중공사막;
    하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질 또는 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질 및 상기 제1물질 또는 상기 제2물질과 축중합된 이중 가교제가 점성체와 혼합되어 상기 기공들 각각에 함침된 친수성 충진제를 포함하는, 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1물질은 PVA(polyvinyl alcohol), PEG(polyethylene glycol), 셀룰로스 중 하나이고, 상기 제2물질은 PEI(polyethyleneimine), 젤라틴, 키토산, 콜라겐　중 하나이고, 상기 이중 가교제는 글루타알데하이드(Glutaraldehyde(GA))이고, 상기 점성체는 글리세롤 또는 분자량 100~1000의 PEG(polyethylene glycol)인, 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충진제가 함침된 중공사막의 표면에 물방울을 떨어트렸을 때, 상기 물방울이 퍼진 접촉각은 10도 미만이고,
    상기 충진제가 제거된 중공사막의 표면에 상기 물방울을 떨어트렸을 때, 상기 물방울이 퍼진 접촉각이 60도 이상인, 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인.
  4. 둘 이상의 기공들을 포함하는 중공사막을 새로 제조하거나 재사용하는 제1단계;
    액상의 점성체를 하이드록시(-OH) 그룹을 가진 제1물질 또는 아민(-NH2) 그룹을 가진 제2물질 및 상기 제1물질 또는 상기 제2물질과 가교결합하는 이중 가교제와 혼합한 혼합액을 상기 기공들 각각에 충진하는 제1단계; 및
    상기 중공사막을 열처리하여 상기 제1물질 또는 상기 제2물질과 이중 가교제의 축중합을 진행하여 상기 중공사막의 기공들에 친수성 충진제를 함침하는 제3단계를 포함하는, 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 중공사막을 재사용하는 경우, 기제조된 중공사막에서 상기 친수성 충진제를 물로 제거한 중공사막을 재사용하는, 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1물질은 PVA(polyvinyl alcohol), PEG(polyethylene glycol), 셀룰로스 중 하나이고, 상기 제2물질은 PEI(polyethyleneimine), 젤라틴, 키토산, 콜라겐　중 하나이고, 상기 이중 가교제는 글루타알데하이드(Glutaraldehyde(GA))이고, 상기 점성체는 글리세롤 또는 분자량 100~1000의 PEG(polyethylene glycol)인, 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 충진제가 함침된 중공사막의 표면에 물방울을 떨어트렸을 때, 상기 물방울이 퍼진 접촉각은 10도 미만이고,
    상기 충진제가 제거된 중공사막의 표면에 상기 물방울을 떨어트렸을 때, 상기 물방울이 퍼진 접촉각이 60도 이상인, 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한항의 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인을 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 장치는 배기팬의 하부에 수분분리용 기공 재충진 중공사 멤브레인이 배치된 상기 냉각탑 또는 건물 공조 시스템인 장치.
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