WO2018226076A2 - 필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛 - Google Patents

필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛 Download PDF

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WO2018226076A2
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Definitions

  • the present invention relates to a filter medium, and more particularly, to a filter medium, a manufacturing method thereof and a filter unit including the same.
  • the separation membrane may be classified into a microfiltration membrane (MF), an ultrafiltration membrane (UF), a nano separation membrane (NF), or a reverse osmosis membrane (RO) according to the pore size.
  • MF microfiltration membrane
  • UF ultrafiltration membrane
  • NF nano separation membrane
  • RO reverse osmosis membrane
  • the separation membranes exemplified above have a difference in use and pore size, but they have a common feature that they are either a filter medium formed from a fiber or a porous polymer filter medium or in the form of a composite membrane.
  • the porous polymer filter medium may be formed by sintering the pore-forming agent or dissolving it in an external coagulating solution through a separate pore-forming agent contained in the crude liquid. Is common.
  • the filter medium formed from the fibers is generally manufactured by applying heat / pressure or the like after accumulating the prepared short fibers or by applying heat / pressure or the like simultaneously with spinning.
  • a representative example of the filter medium formed from the fibers is a nonwoven fabric, and in general, the pores of the nonwoven fabric are controlled by the diameter of the short fibers, the basis weight of the medium, and the like.
  • the diameter of the short fibers included in the general nonwoven fabric is a micro unit, there was a limitation in implementing a separator having a fine and uniform pore structure only by adjusting the diameter and basis weight of the fibers. Only a degree of separation membrane can be realized, and separation membranes such as ultrafiltration membranes and nano separation membranes for filtering finer particles have been difficult to implement.
  • the method devised to solve this problem is a separator prepared through the ultrafine fibers having a diameter of the nano-fibers.
  • microfibers with a diameter of nano units are difficult to be produced by only one spinning in a fiber spinning process such as general wet spinning, and after being spun by sea island yarn, eluting sea component separately to obtain the island component as microfibers.
  • a fiber spinning process such as general wet spinning
  • sea island yarn eluting sea component separately to obtain the island component as microfibers.
  • the high pressure applied when the filter medium is washed may cause damage to the filter medium, and in the case of the filter medium having a multi-layer structure, a problem of separation between layers may occur.
  • the present invention has been made in view of the above, and the filter media having a large flow rate, excellent filtration efficiency, and a fast treatment speed as the shape, structural deformation, and damage of the filter media are minimized during water treatment operation and the flow path is smoothly ensured. And to provide a method for producing the same.
  • another object of the present invention is to provide a filter medium having excellent durability and a method of manufacturing the same, which can ensure a flow path even at a high pressure applied in a backwashing process, and can minimize layer separation and damage to a membrane.
  • another object of the present invention is to provide a flat filter unit and a filter module that can be variously applied in the water treatment field through a filter medium having excellent water permeability and durability.
  • the present invention includes a porous second support and a nanofiber web stacked in order on each of the upper and lower porous first supports, and the filtrate filtered from the nanofiber web is the agent.
  • the filter medium having a flow path flowing in one support direction, wherein the first support, the second support and the nanofiber web provide a filter medium that satisfies at least one condition selected from the following conditions (1) and (2).
  • a 1 , b 1 and c 1 are the basis weights (g / m 2) of the first support, the second support and the nanofiber web, respectively, and a 2 , b 2 and c 2 are the first support and the second, respectively. Thickness of the support and nanofiber web (mm).
  • the first support, the second support and the nanofiber web may satisfy one or more conditions selected from the following conditions (1) and (2).
  • the basis weight of the first support may be 250 ⁇ 800g / m2
  • the basis weight of the second support may be 10 ⁇ 200 g / m2
  • the basis weight of the nanofiber web may be 0.05 ⁇ 20 g / m2 have.
  • the thickness of the first support may be 2 ⁇ 8mm
  • the thickness of the second support may be 100 ⁇ 400 ⁇ m
  • the thickness of the nanofiber web may be 0.5 ⁇ 200 ⁇ m.
  • first support and the second support may be a nonwoven fabric, and the first support, the second support and the nanofiber web may satisfy the following condition (3).
  • a 3 , b 3 and c 3 are the average fiber diameters ( ⁇ m) of the first support, the second support and the nanofiber web, respectively.
  • the average fiber diameter of the first support may be 5 ⁇ 50 ⁇ m
  • the average fiber diameter of the second support may be 5 ⁇ 30 ⁇ m
  • the average fiber diameter of the nanofiber web is 0.05 ⁇ 1 ⁇ m Can be.
  • the second support further includes a second composite fiber including a support component and a low melting component so that at least a portion of the low melting component is exposed to the outer surface, and the low melting component of the second composite fiber is It can be fused to the nanofiber web.
  • the first support includes a first composite fiber including a support component and a low melting component so that at least a portion of the low melting component is exposed to the outer surface, and the low melting component and the second composite fiber of the first composite fiber
  • the first support and the second support may be joined by fusion between low melting point components of the composite fiber.
  • the nanofiber web includes a fluorine-based compound as a fiber forming component
  • the fluorine-based compound is polytetrafluoroethylene (PTFE) -based, tetrafluoroethylene- perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) -based, tetra Fluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) system, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (EPE) system, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE) system It may include any one or more compounds selected from the group consisting of, polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) system, chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer (ECTFE) system and polyvinylidene fluoride (PVDF) system.
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • ECTFE chlorotrifluor
  • the nanofiber web may have an average pore diameter of 0.1 to 3 ⁇ m and porosity of 60 to 90%.
  • the filter medium may be an ultrafiltration membrane.
  • the present invention (1) laminating the nanofiber web and the second support; And (2) disposing the laminated nanofiber web and the second support on both sides of the first support such that the second support contacts the first support.
  • the support and the nanofiber web provide a method for producing filter media satisfying at least one condition selected from the following conditions (1) and (2).
  • a 1 , b 1 and c 1 are the basis weights (g / m 2) of the first support, the second support and the nanofiber web, respectively, and a 2 , b 2 and c 2 are the first support and the second, respectively. Thickness of the support and nanofiber web (mm).
  • the step (1) comprises the steps of 1-1) forming a nanofiber web by electrospinning the nanofibers on the second support; And 1-2) laminating the nanofiber web and the second support by applying heat and pressure at both sides of the second support on which the nanofiber web is formed.
  • the present invention is a filter medium according to the present invention. And a flow path through which the filtrate filtered from the filter medium flows out, and a support frame supporting the edge of the filter medium.
  • the filter media can minimize the shape, structural deformation, and damage of the filter media during the water treatment operation, have excellent filtration efficiency, and have a high flow rate by smoothly securing a flow path.
  • due to the excellent durability of the filter medium in the high pressure applied during backwashing has a prolonged use cycle can be applied in various applications in various water treatment fields.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the filter medium according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a photograph of a filter medium in which the washing solution is trapped inside the filter medium and swells after being separated in the filter medium by a backwashing process.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the direct lamination of the first support and the nanofiber web
  • Figure 4 is a schematic diagram of laminating the filter medium according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4a is a view showing the lamination of the nanofiber web and the second support
  • Figure 4b is a laminated nanofiber web and the second support A drawing showing the lamination on both sides of the first support
  • FIG. 5a to 5b is a view of a nanofiber web included in an embodiment of the present invention
  • Figure 5a is a surface electron micrograph of the nanofiber web
  • Figure 5b is a cross-sectional electron micrograph of the nanofiber web
  • Figure 6 is a cross-sectional electron micrograph of the second support having a nanofiber web on one surface included in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view of a flat plate filter unit according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7a is a perspective view of the filter unit
  • Figure 7b is a schematic diagram showing the filtration flow based on the cross-sectional view of the X-X 'boundary line of Figure 7a.
  • the filter media 1000 includes porous second supports 121 and 122 stacked in order on the upper and lower portions of the porous first support 130, and nano.
  • the fibrous webs 111 and 112 are provided, and the filtrate filtered from the nanofiber webs 111 and 112 has a filtration flow flowing toward the first support 130.
  • the filter medium 1000 according to the present invention has at least five layers and includes two kinds of supports 121, 122, and 130 having different thicknesses.
  • first support 130, the second support bodies 121 and 122, and the nanofiber web included in the filter medium 1000 of the present invention Before describing each layer constituting the filter medium 1000 according to the present invention, the first support 130, the second support bodies 121 and 122, and the nanofiber web included in the filter medium 1000 of the present invention.
  • the reason why (111, 112) should satisfy the following conditions (1) and (2) and the reason why a second support body should be provided in addition to the first support body in the filter medium will be described first.
  • backwashing removes foreign matter attached to or stuck to the filter medium by strongly flowing or blowing air in a direction opposite to the filtration direction of the filter medium, and supplies the washing water and / or air to the filter medium and at the same time. It is necessary to supply the washing water or air at a pressure higher than the pressure applied to the filter medium in the filtration process.
  • the filter medium in order for the filter medium to have a backwashing capability, it is important to have a mechanical strength such that the filter medium is not deformed or damaged even at a high pressure applied, and a support for supplementing the mechanical strength is usually provided in the filter medium.
  • Factors that may affect the mechanical strength of the support may be the structure of the support, for example, the diameter of the fibers forming the nonwoven fabric when the support is a nonwoven fabric, fiber length, inter-fiber bonding, thickness, basis weight, the thickness is The thicker or the basis weight, the higher the mechanical strength of the support. Therefore, as an example for designing a filter medium resistant to backwashing, a thick nonwoven fabric may be used or a nonwoven fabric having a very large basis weight may be used as a support even if the thickness is rather thin.
  • the support may have a large pore size so as not to affect the flow of the filtrate of the filter medium.
  • the decrease in flow rate due to the support provided for supplementing the mechanical strength is very undesirable as it lowers the main physical properties of the filter medium.
  • a nonwoven fabric having sufficient mechanical strength is expressed as a support, even though it is thin, the diameter and porosity of the pores in the nonwoven fabric are remarkably small due to the large basis weight of the nonwoven fabric, and thus affects the filtrate flow of the filter medium.
  • the desired flow rate may not be achieved.
  • the filter media 1000 according to the present invention, the first support 130, the second support (121, 122) and the nanofiber web (111, 112) to secure the mechanical strength of the filter medium while ensuring a sufficient flow path
  • the basis weight of is a 1 , b 1 and c 1 , respectively
  • the conditions (1) for the basis weight of each layer are satisfied, and the first support 130, the second support 121, 122, and the nanofiber web
  • the thicknesses of 111 and 112 are a 2 , b 2 and c 2 , respectively, the following condition (2) for the thickness of each layer is satisfied.
  • condition (1) Preferably , As the condition (2) , Preferably , Can be.
  • the bonding force between the nanofiber webs 111 and 112 and the second supports 121 and 122 may not be good, the adhesion force with the first support 130 may be reduced, and the filtration efficiency and / or the flow rate may be reduced. In addition, it may be difficult to backwash smoothly due to increased differential pressure.
  • the filter medium 1000 does not have sufficient mechanical strength and thus it is difficult to perform backwashing, so that the filter medium 1000 is replaced.
  • the cycle may be short, smooth backwashing may be difficult due to increased differential pressures, and (b 2 + c 2 ) / a 2 exceeds 0.32 to ensure mechanical strength sufficient to withstand backwashing. Since it is accompanied by an increase in basis weight due to the decrease in the thickness of the support body 130, it is not preferable because the flow of the filtrate may be reduced and the flow rate may be reduced.
  • the first support 130 and the second support may be any one or more of each of the non-woven fabric, woven fabric and knitted fabric as described below, wherein the filter medium 1000 according to the present invention is When the average diameters of the fibers constituting the first support 130, the second support 121, 122, and the nanofiber webs 111, 112 are a 3 , b 3, and c 3 , respectively, Condition (3) can be satisfied.
  • condition (3) May be, preferably , Can be.
  • the bonding strength of the nanofiber web (111,112) and the first support 130, which functions as a filter medium is weak, even if the mechanical strength is very excellent durability of the filter medium due to backwashing can be reduced. That is, the high pressure applied during the backwashing process may accelerate the interfacial separation between the layers forming the filter medium, and in this case, as shown in FIG. 2, the batching of the separator may occur in the backwashing process. As a separator, the function may be significantly reduced or completely lost.
  • the method of attaching the support and the nanofiber web may use a separate adhesive material or fused the low-melting point component provided on the support to the nanofiber web to bond the two layers.
  • the bonding material may be dissolved by the water to be treated, and consequently, contamination and / or water permeability of the filtrate may be reduced. If backwashing the filter media in which the bonding material is partially dissolved, the filter media may be hung or the nanofiber web may be peeled off and the filter media may be completely lost.
  • a method in which the nanofiber web and the support are bonded through the fusion (A) may be employed, and heat and / or may be provided in both the support 1 and the nanofiber web 2 laminated as shown in FIG. 3. Pressure can be applied to join them.
  • Points to be taken into consideration when selecting heat and / or pressure conditions in the attaching process so that there is no physical / chemical deformation of the nanofiber web 2 may be nanofiber web, material properties of the support, for example, melting point, thermal conductivity, heat capacity, and the like.
  • the low melting point component of the support may be fused to the nanofiber web by simultaneously applying the temperature above the melting point or the temperature and the pressure above the melting point, or high pressure may be applied to the nanofiber web by applying a high pressure even if the melting point is slightly lower than the melting point. have.
  • the material for forming the support or the nanofiber web is a high molecular compound, and since such a high molecular compound has a low thermal conductivity and a very high heat capacity, even if predetermined heat (H 1 , H 2 ) is applied to both sides as shown in FIG. 3. Heat (H 1 , H 2 ) to reach the interface between the nanofiber web (1) and the support (2) to continuously heat for a long time to raise the temperature of the low melting point component of the support (2) to the melting point This should be applied. Furthermore, as shown in FIG. 3, when the thickness of the support 1 is very thick, heat (H 2 ) transmitted from the lower side is transferred to the vicinity of the interface between the nanofiber web 2 and the support 1 and is provided at the support nearby.
  • Another method can solve the difficulty of the thickness of the support 1 by increasing the heat (H1) applied from the upper side, but in this case, the physical / chemical deformation of the nanofiber web (2) can be caused,
  • the physical properties of the filter media designed in may not be fully expressed.
  • the filter medium 1000 does not directly face the first support 130 and the nanofiber webs 111 and 112, but interposes the second support bodies 121 and 122 that are thinner than the first support 130.
  • the interlayer attachment process can be more stably and easily performed, expressing a remarkably excellent bonding force at the interface between the layers, and minimizing the problem of separation and separation even when high external force is applied due to backwashing or the like.
  • the thickness of the second support 3 that satisfies the condition (2) for the thickness is different from that of the nanofiber web 2 between the nanofiber web 2 and the first support 1.
  • the heat (H 1 , H 2 ) applied above and below the laminate of the nanofiber web 2 / the second support 3 reaches the interface between them and the fusion zone (B). It is easier to form than in FIG.
  • the nanofiber web 2 may be formed on the second support 3 as shown in FIG. 4A because it is advantageous in preventing physical / chemical deformation of the nanofiber web 2. ) Is coupled to the nanofibers with excellent adhesion on the support without changing the physical properties of the initially designed nanofiber web (2).
  • the first support 130 supports the filter medium 1000 and forms a large flow path to perform a filtration process or a backwashing process more smoothly.
  • the filter medium may be compressed. In this case, as the flow path through which the filtrate flows inside the filter medium is significantly reduced or blocked. The greater the pressure is applied to the filter media, the lower the flow rate can be.
  • an external force may be applied to expand in both directions from the inside of the filter medium, and when the mechanical strength is low, the filter medium may be damaged due to the external force applied.
  • the first support 130 is provided to prevent the above problems occurring in the filtration process and / or backwashing process, may be a known porous member that is used in the water treatment field, the mechanical strength is secured, for example
  • the first support may be a nonwoven, woven or fabric.
  • the fabric means that the fibers included in the fabric has a longitudinal direction
  • the specific structure may be plain weave, twill weave, etc., the density of the warp and weft is not particularly limited.
  • the knitted fabric may be a known knit tissue, and may be a knitted fabric, a warp knitted fabric, or the like, and may be, for example, a tricot in which yarn is knitted.
  • the first support body 130 may be a non-woven fabric having no longitudinal and lateral direction on the fiber 130a. Known nonwovens may be used which are produced by various methods such as needle punching nonwovens or meltblown.
  • the first support 130 is provided with a thickness that satisfies condition (2) as described above in order to express sufficient mechanical strength.
  • the first support 130 may be 2 to 8 mm, more preferably 2 to 5 mm, even more preferably 3 to 5 mm. If the thickness is less than 2 mm, it may not develop sufficient mechanical strength to withstand frequent backwashing.
  • the thickness exceeds 8mm, when the filter medium is implemented as a filter unit to be described later, when implementing a plurality of filter units as a filter module of a limited space, the degree of integration of the filter medium per unit volume of the module can be reduced, the differential pressure Smooth backwashing due to increase can be difficult.
  • the first support 130 may have a basis weight of 250 to 800 g / m2 to satisfy the condition (2) for the thickness as described above and at the same time the condition (1) for the basis weight, more preferably Preferably from 350 to 600 g / m 2. If the basis weight is less than 250 g / m2 it may be difficult to express a sufficient mechanical strength, the adhesion with the second support may be reduced, if the basis weight exceeds 800 g / m2 the flow rate is not formed due to insufficient flow path It can decrease, and smooth backwashing due to increased differential pressure can be difficult.
  • the average diameter of the fiber may be 5 to 50 ⁇ m so as to satisfy the condition (3) for the fiber average diameter as described above. 20 to 50 ⁇ m. If the average fiber diameter of the first support 130 is less than 5 ⁇ m flow rate may be reduced, smooth backwashing may be difficult due to the differential pressure increase, if it exceeds 50 ⁇ m it may be difficult to express sufficient mechanical strength , The filtration efficiency may be lowered, and the adhesion force with the second support may be reduced.
  • the first support 130 may have an average pore diameter of 20 to 200 ⁇ m, and porosity may be 50 to 90%, but is not limited thereto.
  • the nanofibers described later in the filtration process and / or the backwashing process may be used. Supporting the webs (111, 112) to express the desired level of mechanical strength, and at the same time porosity and pore size enough to form a flow path even at high pressure is not limited.
  • the first support 130 is a material used as a support of the separator, there is no limitation in the material thereof.
  • synthetic polymer components selected from the group consisting of polyesters, polyurethanes, polyolefins and polyamides; Alternatively, natural polymer components including cellulose may be used.
  • the first support body has strong brittle physical properties, it may be difficult to expect a desired level of bonding force in the process of laminating the first support body and the second support body.
  • the surface may have a macroscopic uneven shape while forming porosity, and a surface formed of fibers such as a nonwoven fabric may not have a smooth surface according to the arrangement of the fibers, the fineness of the fibers, and the degree may vary depending on the location. to be. If the remaining parts are joined together while there is a part that is not in close contact at the interface between the two layers to be laminated, the part that is not in contact may start the interlayer separation. In order to solve this problem, it is necessary to carry out the lamination process by increasing the adhesion between the two layers by applying pressure from both layers. If the support of the brittle physical properties is strong, the adhesion between the two layers is maintained.
  • the support may be damaged when a greater pressure is applied, the material of the first support is good flexibility, high elongation may be suitable, preferably have a good adhesion with the second support (121, 122)
  • the first support 130 may be made of a polyolefin-based material.
  • the first support 130 may include a low melting point component to bind with the second support (121, 122) without a separate adhesive or adhesive layer.
  • the first support 130 may be made of a first composite fiber 130a including a low melting point component.
  • the first composite fiber 130a may include a support component and a low melting point component such that at least a portion of the low melting point component is exposed to an outer surface.
  • a sheath-core composite fiber in which a support component forms a core portion and a low melting component forms a sheath portion surrounding the core portion or a side-by-side composite fiber in which a low melting component is disposed on one side of the support component. Can be.
  • the low melting point component and the support component may be preferably polyolefin-based in terms of flexibility and elongation of the support, and for example, the support component may be polypropylene and the low melting component may be polyethylene.
  • the melting point of the low melting point component may be 60 ⁇ 180 °C.
  • the second supports 121 and 122 support the nanofiber webs 111 and 112 to be described later, and serve to increase the bonding force of each layer provided in the filter medium.
  • the second supports 121 and 122 are not particularly limited as long as they generally serve as a support for the filter medium, but may preferably be a woven fabric, a knitted fabric, or a nonwoven fabric.
  • the fabric means that the fibers included in the fabric has a longitudinal direction, the specific structure may be plain weave, twill weave, etc., the density of the warp and weft is not particularly limited.
  • the knitted fabric may be a known knit structure, but may be a knitted fabric, a warp knitted fabric, and the like, but is not particularly limited thereto.
  • nonwoven fabric is meant that the fibers included in the longitudinal direction does not have a direction, such as chemical bonding nonwovens, thermal bonding non-woven fabrics, such as dry non-woven fabrics, such as wet non-woven fabrics, span nonwoven fabrics, needle punched non-woven fabrics, such as melt blown Nonwoven fabrics produced by known methods can be used.
  • chemical bonding nonwovens such as chemical bonding nonwovens, thermal bonding non-woven fabrics, such as dry non-woven fabrics, such as wet non-woven fabrics, span nonwoven fabrics, needle punched non-woven fabrics, such as melt blown Nonwoven fabrics produced by known methods can be used.
  • the second support bodies 121 and 122 may be nonwoven fabrics.
  • the fibers forming the second support bodies 121 and 122 may have an average diameter of 5 to 30 ⁇ m so as to satisfy the condition (3) for the above average fiber diameter. And preferably 10 to 25 ⁇ m. If the average fiber diameter of the second support (121, 122) is less than 5 ⁇ m may reduce the flow rate, it may be difficult to smooth backwashing due to the differential pressure increase, if it exceeds 30 ⁇ m, the filtration efficiency may be lowered, Adhesion with the support and the nanofiber web can be reduced.
  • the second supports 121 and 122 may have a thickness of 100 to 400 ⁇ m, more preferably 150 to 400 ⁇ m, and even more preferably 150 to satisfy the condition (2) for the above-described thickness. ⁇ 250 ⁇ m, for example 200 ⁇ m. If the thickness of the second support 121, 122 is less than 100 ⁇ m, the filtration efficiency and the backwash durability may be lowered. If the thickness exceeds 400 ⁇ m, smooth backwashing due to the differential pressure may be difficult.
  • the second supports 121 and 122 may have an average pore diameter of 20 to 100 ⁇ m, and porosity may be 50 to 90%.
  • the present invention is not limited thereto, and the nanofiber webs 111 and 122 to be described below are supported to express a desired level of mechanical strength and not to inhibit the flow of the filtrate flowing through the nanofiber webs 111 and 122. If there is porosity and pore size, there is no restriction.
  • the second support (121, 122) may be 10 ⁇ 200 g / m2, more preferably 35 ⁇ 200 g / m2, even more preferably to satisfy the above condition (1) for the basis weight 35 to 80 g / m 2, for example 40 g / m 2. If the basis weight is less than 10 g / m2 may reduce the filtration efficiency, the amount of fibers forming a second support distributed in the interface formed with the nanofiber webs (111, 112) to be described later may be less, accordingly nanofibers The reduction of the effective adhesion area of the second support in contact with the web may not be able to express the desired level of binding force.
  • the basis weight exceeds 200 g / m2 it may be difficult to secure the desired level of flow rate, it may be difficult to smooth backwash due to the increased differential pressure.
  • the second support (121, 122) is a material used as a support for the filter medium is not limited in the material.
  • synthetic polymer components selected from the group consisting of polyesters, polyurethanes, polyolefins and polyamides; Alternatively, natural polymer components including cellulose may be used.
  • the second supports 121 and 122 may be a polyolefin-based polymer component for improving adhesion between the nanofiber webs 111 and 112 and the first support 130 described later.
  • the second support bodies 121 and 122 may be made of the second composite fiber 121a including low melting point components.
  • the second composite fiber 121a may be disposed such that at least a portion of the low melting point component is exposed to an external surface including a support component and a low melting point component.
  • a sheath-core composite fiber in which a support component forms a core portion and a low melting component forms a sheath portion surrounding the core portion or a side-by-side composite fiber in which a low melting component is disposed on one side of the support component.
  • the low melting point component and the support component may be preferably polyolefin-based in terms of flexibility and elongation of the support, and for example, the support component may be polypropylene and the low melting component may be polyethylene.
  • the melting point of the low melting point component may be 60 ⁇ 180 °C.
  • first support 130 is implemented with the first composite fiber 130a including a low melting point component to express more improved bonding force with the second support 121, 122, the first support 130 and the first support 130.
  • a more firm fusion can be formed due to the fusion of the low melting point component of the first composite fiber 130a and the low melting point component of the second composite fiber 121a.
  • the first composite fiber 130a and the second composite fiber 121a may be the same material in terms of compatibility.
  • the nanofiber webs 111 and 112 disposed on one surface of the second support bodies 121 and 122 described above will be described.
  • the nanofiber webs 111 and 112 may be a three-dimensional network structure formed by randomly stacking one or several strands of nanofibers in three dimensions (see FIG. 5).
  • the nanofibers forming the nanofiber web may be formed of a known fiber forming component.
  • the fluorine-based compound may be included as a fiber-forming component, and thus, even if the treated water is a solution of a strong acid / strong base or a high temperature solution, a desired level without changing the physical properties of the filter medium As a result, it is possible to secure filtration efficiency / flow rate and have a long use cycle.
  • the fluorine-based compound may be used without limitation in the case of a known fluorine-based compound which may be made of nanofibers.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PFA tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer
  • FEP tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer
  • EPE tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer
  • tetrafluoroethylene-ethylene aerial At least one compound selected from the group consisting of copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer (ECTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF) More preferably, the manufacturing cost is low, mass production of nanofibers is easy through electrospinning, and mechanical strength and chemical resistance are good.
  • the weight average molecular weight of the PVDF may be 10,000 to 1,000,000, preferably 300,000 to 600,000, but is not limited thereto.
  • the nanofibers may have a fiber average diameter of 0.05 ⁇ 1 ⁇ m, preferably a fiber average diameter of 0.1 ⁇ 0.9 ⁇ m to satisfy the condition (3) for the above-described fiber average diameter. If the average fiber diameter of the nanofibers is less than 0.05 ⁇ m may reduce the flow rate, it may be difficult to smooth backwashing due to the differential pressure increase, if it exceeds 1 ⁇ m, the bonding strength with the second support may be lowered, and the filtration Efficiency may be lowered.
  • the nanofibers provided in the nanofiber webs 111 and 112 include a first nanofiber group having a diameter of 0.1 to 0.2 ⁇ m, a second nanofiber group having a diameter of 0.2 to 0.3 ⁇ m, and a third having a diameter of 0.3 to 0.4 ⁇ m.
  • the nanofiber group may include 35 wt%, 53 wt%, and 12 wt% with respect to the total weight of the nanofiber web 111, but is not limited thereto.
  • the aspect ratio of the nanofibers may be 1,000 to 100,000, but is not limited thereto.
  • the above-mentioned nanofiber webs 111 and 112 may be formed to have a thickness of 0.5 to 200 ⁇ m so as to satisfy the condition (2) for the above-described thickness, preferably, the thickness may be formed to be 1 to 150 ⁇ m. It may be 20 ⁇ m. If the thickness of the nanofiber webs 111 and 112 is less than 0.5 ⁇ m, filtration efficiency and / or backwash durability may be reduced. If the thickness exceeds 200 ⁇ m, smooth backwashing may be difficult due to an increase in differential pressure.
  • the porosity of the nanofiber webs (111, 112) may be 40 to 90%, more preferably 60 to 90%.
  • the average pore diameter may be 0.1 to 5 ⁇ m, more preferably 0.1 to 3 ⁇ m, for example, may be 0.25 ⁇ m.
  • the nanofiber webs 111 and 112 may have a basis weight of 0.05 to 20 g / m 2, preferably 5 to 15 g / m 2 so as to satisfy the condition (1) for the basis weight described above, for example 10 g / M 2. If the basis weight of the nanofiber web is less than 0.05 g / m 2, the filtration efficiency may be lowered, and the backwash durability may be lowered as the bonding strength with the second support decreases, and if the basis weight exceeds 20 g / m 2, It may be difficult to ensure that the flow rate is high, and smooth backwashing may be difficult due to the increased differential pressure.
  • nanofiber webs (111, 112) may be provided in the filter medium 1000 more than one layer, wherein the porosity, pore size, basis weight and / or thickness of each nanofiber web may be different.
  • the nanofibers forming the nanofiber webs 111 and 112 may be modified to increase hydrophilicity.
  • a hydrophilic coating layer may be further provided on at least part of an outer surface of the nanofibers. If the nanofibers contain a fluorine-based compound as described above, the fluorine-based compound may be very hydrophobic and may not have good flow rate when the filtrate is a hydrophilic solution.
  • a hydrophilic coating layer may be further provided on the surface of the hydrophobic nanofiber, and the hydrophilic coating layer may be a known one, and for example, may be formed including a hydrophilic polymer having a hydroxy group or the hydrophilic polymer is crosslinked through a crosslinking agent. Can be formed.
  • the hydrophilic polymer may be a single or mixed form of polyvinyl alcohol (PVA), ethylene vinyl alcohol (Ethylenevinyl alcohol, EVOH), sodium alginate (Sodium alginate), and most preferably polyvinyl alcohol (PVA).
  • the crosslinking agent may be used without limitation in the case of a known crosslinking agent having a functional group capable of crosslinking through a hydroxyl group condensation reaction and the like provided with the hydrophilic polymer.
  • the functional group may be a hydroxyl group, a carboxyl group, or the like.
  • the hydrophilic coating layer may be formed by crosslinking a crosslinking agent including polyvinyl alcohol (PVA) and a carboxyl group for more improved expression of physical properties.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the polyvinyl alcohol may have a degree of polymerization of 500 to 2000 and a degree of saponification of 85 to 90%.
  • the degree of polymerization of the polyvinyl alcohol is excessively low, the formation of the hydrophilic coating layer may not be smooth or may be easily peeled off, and may not be improved to the desired level of hydrophilicity.
  • the degree of polymerization is too large, the formation of the hydrophilic coating layer may be excessive, thereby changing the pore structure of the nanofiber web or closing the pores.
  • the degree of saponification is too low, it may be difficult to improve the hydrophilicity.
  • the crosslinking agent may be a component containing a carboxyl group so as to be crosslinked with the above-described polyvinyl alcohol.
  • the crosslinking agent may include at least one material selected from the group consisting of poly (acrylic acid-maleic acid), polyacrylic acid, and poly (styrenesulfonic acid-maleic acid).
  • the crosslinking agent may be coated with at least three or more carboxyl groups in order to express a more improved flow rate while coating very thin so that there is no change in the coating property / adhesion to the hydrophobic nanofiber surface and the pore structure of the nanofiber webs 111 and 112. It may be a multifunctional crosslinking agent comprising a.
  • the crosslinking agent is less than three carboxyl groups, the coating layer is difficult to form on the surface of the hydrophobic nanofibers, even if formed, the adhesion is very weak and can be easily peeled off.
  • the crosslinking agent having three or more carboxyl groups may be poly (acrylic acid-maleic acid).
  • the hydrophilic coating layer may be formed by crosslinking 2 to 20 parts by weight of a crosslinking agent containing a carboxyl group based on 100 parts by weight of the polyvinyl alcohol. If the crosslinking agent is provided in less than 2 parts by weight, the formability of the hydrophilic coating layer may be lowered, and chemical resistance and mechanical strength may be lowered. In addition, when the crosslinking agent is provided in excess of 20 parts by weight, the pores may be reduced due to the coating layer, thereby decreasing the flow rate.
  • the hydrophilic coating layer may be formed on some or all of the outer surface of the nanofiber.
  • the hydrophilic coating layer may be coated with nanofibers so that 0.1 ⁇ 2g per nanofiber web unit area (m 2).
  • the wetting angle of the surface of the nanofiber webs 111 and 112 modified to include the hydrophilic coating layer may be 30 ° or less, more preferably 20 ° or less, even more preferably 12 ° or less, and more preferably. It may be less than 5 °, through which there is an advantage to secure an improved flow rate even though the fiber web is made of a hydrophobic material nanofibers.
  • the filter medium 1000 described above may be manufactured by the manufacturing method described below, but is not limited thereto.
  • the filter media 1000 comprises the steps of: (1) laminating the nanofiber web and the second support; And (2) disposing the laminated nanofiber web and the second support on both sides of the first support such that the second support contacts the first support.
  • step (1) the step of laminating the nanofiber web and the second support.
  • the nanofiber web may be used without limitation in the case of a method of forming a fibrous web having a three-dimensional network shape by providing a nanofiber.
  • the nanofiber web may form a nanofiber web by electrospinning a spinning solution containing a fluorine-based compound on the second support.
  • the spinning solution may include, for example, a fluorine compound and a solvent as a fiber forming component.
  • the fluorine-based compound is preferably contained in 5 to 30% by weight, preferably 8 to 20% by weight in the spinning solution, if less than 5% by weight of the fluorine-based compound is difficult to form a fiber, when spinning is not spun into fibrous droplets Even when sprayed to form a film or spinning, beads are formed a lot and the volatilization of the solvent is not made well, the pores may be clogged in the calendaring process to be described later.
  • the fluorine-based compound is more than 30% by weight, the viscosity rises and solidification occurs at the surface of the solution, which makes it difficult to spin for a long time, and the fiber diameter may increase, making it impossible to form a fibrous size of micrometer or less.
  • the solvent may be used without limitation in the case of a solvent which does not generate a precipitate while dissolving a fluorine-based compound which is a fiber-forming component and does not affect the radioactivity of the nanofibers described later, but is preferably ⁇ -butyrolactone, cyclohexanone, 3 It may include any one or more selected from the group consisting of -hexanone, 3-heptanone, 3-octanone, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, acetone dimethyl sulfoxide, dimethylformamide.
  • the solvent may be a mixed solvent of dimethylacetamide and acetone.
  • the prepared spinning solution may be prepared nanofibers through known electrospinning apparatus and method.
  • the electrospinning apparatus may use an electrospinning apparatus having a single spinning pack having one spinning nozzle or a plurality of single spinning packs for mass production or an electrospinning apparatus having a spinning pack having a plurality of nozzles. It is okay.
  • dry spinning or wet spinning having an external coagulation bath can be used, and there is no limitation according to the method.
  • a nanofiber web formed of nanofibers may be obtained when electrospinning onto a collector, for example, paper.
  • the air spray nozzle provided in the nozzle of the spinning pack may be set to the air pressure of the air injection is 0.01 ⁇ 0.2 MPa range. If the air pressure is less than 0.01MPa, it does not contribute to the collection and accumulation. If the air pressure exceeds 0.2 MPa, the cone of the spinning nozzle is hardened to block the needle, which may cause radiation trouble.
  • the injection rate of the spinning solution per nozzle may be 10 ⁇ 30 ⁇ m / min.
  • the distance between the tip of the nozzle and the collector may be 10 ⁇ 30cm.
  • the present invention is not limited thereto, and may be changed according to the purpose.
  • the nanofiber web may be directly formed on the second support by electrospinning the nanofibers directly on the second support.
  • the nanofibers accumulated / collected on the second support have a three-dimensional network structure, and heat and / or pressure are applied to maintain porosity, pore size, basis weight, etc., which are suitable for expressing the water permeability and filtration efficiency of a desired separator.
  • the accumulated / collected nanofibers can be implemented as a nanofiber web having a three-dimensional network structure.
  • a specific method of applying the heat and / or pressure a known method may be adopted, and as a non-limiting example, a conventional calendaring process may be used, and the temperature of the applied heat may be 70 to 190 ° C.
  • the calendaring process when carried out, it may be divided into several times and carried out a plurality of times. For example, the pores after performing a drying process to remove some or all of the solvent and water remaining in the nanofibers through primary calendering. Secondary calendaring can be performed for adjustment and strength enhancement. At this time, the degree of heat and / or pressure applied in each calendaring process may be the same or different.
  • the binding through the heat-sealing of the nanofiber web and the second support may be simultaneously carried out through the calendering process.
  • a separate hot melt powder or hot melt web may be further interposed to bind the second support and the nanofiber web.
  • the heat may be applied to 60 ⁇ 190 °C
  • the pressure may be applied to 0.1 ⁇ 10 kgf / cm2, but is not limited thereto.
  • components such as hot melt powder, which are added separately for binding, frequently generate fumes or melt in the lamination process between supports and supports and nanofibers to close pores, thus achieving the flow rate of the first designed filter media. You may not be able to.
  • the second support having the nanofiber web laminated on one surface by performing the step (1) may have a thickness of about 173 ⁇ 7 ⁇ m, as shown in FIG. 6, wherein the scale bar of FIG. 6 has a size of 10 ⁇ m. Can be.
  • the hydrophilic coating layer forming composition may be treated on the nanofiber web to form a hydrophilic coating layer.
  • the hydrophilic coating layer-forming composition may include a hydrophilic component and a crosslinking component, and may include, for example, a polyvinyl alcohol, a crosslinking agent including a carboxyl group, and a solvent for dissolving them, for example, water.
  • the hydrophilic coating layer-forming composition may include 2 to 20 parts by weight of a crosslinking agent and 1,000 to 100,000 parts by weight of a solvent based on 100 parts by weight of polyvinyl alcohol.
  • the hydrophilic coating layer forming composition may further include a wettability improving agent.
  • the wettability improving agent may be used without limitation when it is a component that can improve the wettability of the hydrophilic solution of the hydrophobic nanofiber outer surface and can be dissolved in the hydrophilic coating layer-forming composition.
  • the wettability improving agent may be at least one component selected from the group consisting of isopropyl alcohol, ethyl alcohol, and methyl alcohol.
  • the wettability improving agent may be included in an amount of 1,000 to 100,000 parts by weight based on 100 parts by weight of polyvinyl alcohol provided in the hydrophilic coating layer-forming composition.
  • the wettability improving agent is provided in less than 1000 parts by weight, the wettability improvement of the nanofibers may be weak, and thus the formation of the hydrophilic coating layer may not be smooth, and the hydrophilic coating layer may be frequently peeled off.
  • the wettability improving material is included in an amount exceeding 100,000 parts by weight, the degree of wettability improvement may be insignificant, and the concentration of the polyvinyl alcohol and the crosslinking agent included in the hydrophilic coating layer forming composition may be low, thereby preventing the formation of the hydrophilic coating layer.
  • the hydrophilic coating layer forming composition may be formed by pretreating the wettability improving agent on the nanofiber web and then treating the hydrophilic coating layer forming composition to form a hydrophilic coating layer.
  • the nanofiber web in which the wettability improving agent is supported in the pores is immersed in the hydrophilic coating layer forming composition, the time required for the wettability improving agent contained in the pores to exit the nanofiber web and at the same time the hydrophilic coating layer forming composition penetrates into the pores. This length can lengthen the manufacturing time.
  • the hydrophilic coating layer-forming composition may be formed non-uniformly for each position of the fibrous web. Furthermore, as the hydrophilic coating layer is unevenly formed, pores may be closed to the hydrophilic coating layer in a part of the nanofiber web, and in this case, the desired flow rate may not be obtained as the pore structure of the initially designed nanofiber web is changed. Incorporating a wettability improving agent into the hydrophilic coating layer forming composition is advantageous to simultaneously achieve a shortening of the manufacturing time, a simplification of the manufacturing process, and an improvement in the formation of the hydrophilic coating layer without changing the pore structure of the nanofiber web.
  • the method of forming the hydrophilic coating layer-forming composition described above on the nanofiber web can be employed without limitation in the case of known coating methods, for example, immersion, spraying method and the like can be used.
  • the heat treatment of the hydrophilic coating layer-forming composition treated on the nanofiber web to form a hydrophilic coating layer can be performed.
  • the drying process of the solvent in the hydrophilic coating layer forming composition can be made at the same time.
  • the heat treatment may be performed in a dryer, wherein the heat is applied may be a temperature of 80 ⁇ 160 °C, the treatment time may be 1 minute to 60 minutes, but is not limited thereto.
  • step (2) the laminated nanofiber web and the second support on both sides of the first support so that the second support is in contact with the first support in the laminated second support and the nanofiber web, respectively.
  • step of placing the paper is carried out.
  • Step (2) comprises the steps of 2-1) laminating the second support and the nanofiber web laminated in step (1) on both sides of the first support; And 2-1) fusing the first support and the second support by applying one or more of heat and pressure.
  • step 2-2 As a specific method of applying heat and / or pressure in step 2-2), a well-known method may be adopted, and as a non-limiting example, a conventional calendaring process may be used, and the temperature of the heat applied is 70 ⁇ 190 ° C.
  • the calendaring process when the calendaring process is performed, it may be divided into several times and carried out a plurality of times. For example, second calendaring may be performed after the first calendaring. At this time, the degree of heat and / or pressure applied in each calendaring process may be the same or different.
  • the second support and the first support may be bound by heat fusion between the first support, and there is an advantage in that a separate adhesive or an adhesive layer may be omitted.
  • the present invention includes a filter unit implemented including the filter medium produced through the above-described manufacturing method.
  • the filter medium 1000 may be implemented with a flat filter unit 2000.
  • the flat filter unit 2000 includes a filter filter 1000 and a support frame 1100 for supporting the edge of the filter filter 1000, and the filter filter in any one region of the support frame 1100.
  • a suction port 1110 may be provided to gradient the pressure difference between the outside and the inside of the 1000.
  • the support frame (1100) so that the filtrate filtered from the nanofiber web (101,102) can flow out to the outside through the support 200, the second support / first support in the filter medium 1000 is stacked A flow path can be formed.
  • the filter unit 2000 as shown in FIG. 7A applies a high pressure suction force through the suction port 1110
  • the filtrate P disposed outside the filter medium 1000 as shown in FIG. 7B is the filter medium 1000.
  • the filtrate Q1 filtered through the nanofiber webs 101 and 102 flows along a flow path formed through the support 200 in which the second support / first support is stacked, and then the outer frame 1100. Inflow into the flow path (E) provided in the, and the introduced filtrate (Q2) may flow out through the inlet 1110.
  • the flat plate filter unit 2000 as shown in Figure 7a can be implemented a plurality of filter modules are provided spaced apart at a predetermined interval in one outer case, such a filter module is again stacked / block to a plurality of large
  • a water treatment apparatus can also be comprised.
  • hydrophilic component 7142 parts of ultrapure water was mixed with respect to 100 parts by weight of polyvinyl alcohol (Kuraray Co., PVA217), and PVA was dissolved using a magnetic bar at a temperature of 80 ° C. for 6 hours to prepare a mixed solution.
  • polyacrylic acid comaleic acid Aldrich, PAM
  • PAM polyacrylic acid comaleic acid
  • a spinning solution 12 g of polyvinylidene fluoride (Arkema, Kynar761) as a fiber forming component was mixed with 88 g of a mixed solvent in which the weight ratio of dimethylacetamide and acetone was 70:30 at a temperature of 80 ° C. for 6 hours. While dissolving using a magnetic bar to prepare a mixed solution.
  • the spinning solution was introduced into a solution tank of an electrospinning apparatus and discharged at a rate of 15 ⁇ l / min / hole.
  • the temperature of the spinning section is 30 °C
  • the humidity is maintained at 50%
  • the average thickness is 200 ⁇ m
  • the basis weight 40 g / m2 as a second support on the collector A nonwoven fabric (Namyang Nonwovens Co., Ltd., CCP40) formed of a low melting point composite fiber having an average diameter of 15 ⁇ m with a polyethylene having a melting point of about 120 ° C. and a polypropylene core as a core, and then spinning using a high voltage generator.
  • a nanofiber web formed of PVDF nanofibers having an average fiber diameter of 0.5 ⁇ m is provided on one surface of the second support by applying a voltage of 40 kV or more to the spin pack and simultaneously applying an air pressure of 0.03 MPa per spin pack nozzle.
  • the prepared laminates Next, the solvent and moisture remaining in the nanofiber web of the laminate were dried, and a calendering process was performed by applying heat and pressure at a temperature of 140 ° C. or higher and 1 kgf / cm 2 to thermally fuse the second support and the nanofiber web. .
  • the manufactured laminate had a shape as shown in FIG. 6 and the second support and the nanofiber web were thermally bonded to each other, and the nanofiber web had a three-dimensional network structure as shown in FIGS. 5A and 5B. At this time, the average thickness of the nanofiber web was 20 ⁇ m, basis weight was 10g / m2.
  • the prepared laminate was immersed in the hydrophilic coating layer-forming composition prepared in the preparation example, and dried at a temperature of 110 ° C. for 5 minutes in a dryer to prepare a hydrophilic coating layer on the nanofiber surface of the nanofiber web.
  • the laminate was disposed on both sides of the first support such that the second support faced the prepared laminate.
  • the first support is formed of a low melting point composite fiber having an average thickness of 5 mm and a basis weight of 500 g / m 2, a polyethylene having a melting point of about 120 ° C. as the first part, and a fiber having an average diameter of 35 ⁇ m using polypropylene as the core part.
  • a nonwoven fabric Namyang Nonwoven, NP450
  • the filter medium was manufactured by applying heat and a pressure of 1 kgf / cm 2 at a temperature of 140 ° C. or higher.
  • the water permeability per 0.5 m 2 of the specimen area was measured by applying an operating pressure of 50 kPa, and then the water permeability of the filter media of Example 1 was set to 100. Water permeability of the filter media according to the remaining examples and comparative examples was measured based on.
  • Turbidity before and after filtration was prepared by dispersing test dust (ISO Test dust A2 fine grades) in pure water to prepare a turbidity solution having a turbidity of 100 NTU, with respect to the filter unit implemented by the respective filter media prepared in Examples and Comparative Examples. Filtration efficiency through the measurement was measured.
  • backwashing was performed under conditions that pressurized 400LMH water for 2 minutes per 0.5m2 of the specimen area by applying an operating pressure of 50kPa after immersion in water. After that, when any abnormality does not occur- ⁇ , when any problem such as peeling of the silver antimicrobial layer, interlayer peeling or the like occurs-backwash durability was evaluated as x.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Example 4
  • Example 5 Example 6
  • First support basis weight (g / m2) 500 700 600 350 290 500 2nd support basis weight (g / m2) 40 25 35 200 190 190 Nano Fiber Web Basis Weight (g / m2) 10 3 5 15 25 3
  • Condition (1) (b 1 + c 1 ) / a 1 0.1 0.04 0.067 0.59 0.74 0.39 c 1 / b 1 0.25 0.12 0.14 0.079 0.13 0.016
  • Second support thickness (mm) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
  • Condition (2) (b 2 + c 2 ) / a 2 0.044 0.044 0.044 0.044 0.044 0.044 0.044 0.044 0.044
  • Example 12 First support basis weight (g / m2) 500 500 500 500 500 500 2nd support basis weight (g / m2) 180 35 30 40 40 40 Nano Fiber Web Basis Weight (g / m2) 5 15 15 10 10 10
  • Condition (1) (b 1 + c 1 ) / a 1 0.37 0.1 0.09 0.1 0.1 0.1 c 1 / b 1 0.028 0.43 0.5 0.25 0.25 0.25 First support thickness (mm) 5 5 5 5 5 5 3 Second support thickness (mm) 0.2 0.2 0.2 0.08 0.15 0.38 Nano Fiber Web Thickness (mm) 0.02 0.02 0.02 0.001 0.003 0.035 Condition (2) (b 2 + c 2 ) / a 2 0.044 0.044 0.044 0.0162 0.0306 0.1383 c 2 / b 2 0.1 0.1 0.1 0.0125 0.02 0.092 First support fiber average diameter ( ⁇ m) 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 Second support fiber average diameter ( ⁇ m) 15 15 15 15 15 15 15 15
  • Example 14 Example 15 Example 16 Example 17 Example 18 First support basis weight (g / m2) 500 500 500 500 500 500 2nd support basis weight (g / m2) 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Condition (1) (b 1 + c 1 ) / a 1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 c 1 / b 1 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 First support thickness (mm) 1.5 5 5 5 5 5 5 Second support thickness (mm) 0.4 0.5 0.38 0.15 0.08 0.2 Nano Fiber Web Thickness (mm) 0.05 0.001 0.002 0.08 0.11 0.02 Condition (2) (b 2 + c 2 ) / a 2 0.3 0.1002 0.0764 0.046 0.038 0.044 c 2 / b 2 0.125 0.002 0.0053 0.53 1.38 0.1 First support fiber average diameter ( ⁇ m) 35 35 35 35 35 35 35 35

Landscapes

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Abstract

필터여재가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 필터여재는 다공성의 제1지지체 상부 및 하부 각각에 순서대로 적층된 다공성의 제2지지체, 및 나노섬유웹을 구비하고, 상기 나노섬유웹에서 여과된 여과액이 상기 제1지지체 방향으로 흐르는 유로가 형성된 필터여재로서, 상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은 각 층의 평량 및 두께에 대한 소정의 조건을 만족하도록 구현된다. 이에 의하면, 필터여재는 수처리 운전 중 필터여재의 형상, 구조 변형, 손상이 최소화되고 여과효율이 우수하며, 유로가 원활히 확보되어 높은 유량을 가질 수 있다. 또한, 역세척시 가해지는 높은 압력에도 필터여재의 뛰어난 내구성으로 인해 연장된 사용주기를 가짐에 따라서 각종 수처리 분야에서 다양하게 응용될 수 있다.

Description

필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛
본 발명은 필터여재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛에 관한 것이다.
분리막은 기공크기에 따라 정밀 여과막(MF), 한외 여과막(UF), 나노분리막(NF) 또는 역삼투막(RO)으로 분류될 수 있다.
상기 예시되는 분리막들은 용도, 기공의 크기 차이점을 가지고 있지만, 공통적으로 섬유로부터 형성된 여과매체 또는 다공성 고분자 여과매체이거나 이들이 복합화된 막의 형태를 가진다는 공통점이 있다.
상기 다공성 고분자 여과매체는 고분자 막 또는 고분자 중공사 내부에 형성되는 기공을 조액에 포함된 별도의 기공형성제를 통해서 상기 기공형성제를 소결시키거나 외부응고액에 용해시키는 등의 방법을 통해 형성시키는 것이 일반적이다. 이에 반하여 상기 섬유로부터 형성된 여과매체는 제조된 단섬유를 축적시킨 후 열/압력 등을 가하여 제조되거나 방사와 동시에 열/압력 등을 가하여 제조되는 것이 일반적이다.
상기 섬유로부터 형성된 여과매체의 대표적인 예가 부직포인데, 통상적으로 부직포의 기공은 단섬유의 직경, 매체의 평량 등으로 조절된다. 그러나 일반적인 부직포에 포함되는 단섬유의 직경은 마이크로 단위임에 따라 섬유의 직경, 평량을 조절하는 것만으로는 미세하고 균일한 기공구조를 가지는 분리막 구현에 한계가 있었고, 이에 따라 통상의 부직포 만으로는 정밀여과막 정도의 분리막만 구현가능하고 그 보다 미세한 입자를 여과시기 위한 한외여과막, 나노분리막과 같은 분리막은 구현되기 어려웠다.
이를 해결하기 위해 고안된 방법이 섬유의 직경이 나노단위인 극세섬유를 통해 제조된 분리막이다. 다만, 직경이 나노단위인 극세섬유는 일반적인 습식방사와 같은 섬유방사공정으로는 단 1회의 방사만으로 제조되기 어렵고, 해도사 등으로 방사된 후 해성분을 별도로 용출시켜 극세섬유인 도성분을 수득해야 하는 번거로움, 비용상승, 생산시간의 연장 문제가 있다. 이에 따라 최근에는 전기방사를 통해 직경이 나노단위인 섬유를 직접 방사하여 섬유로부터 형성된 여과매체를 많이 제조하고 있는 추세에 있다.
한편, 수처리 과정을 반복 수행한 여과매체의 기공에는 피처리수에 포함되었던 각종 이물질 중 일부가 남아있거나 여과매체 표면에 부착층을 형성할 수 있는데, 여과매체에 남아있는 이물질은 여과기능을 저하시키는 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여 전처리를 통해 위와 같은 파울링 현상 자체의 발생을 방지하는 방법이나 이미 파울링 현상이 발생한 여과매체를 세척하는 방법을 생각해볼 수 있는데, 여과매체의 세척은 당해 여과매체로 피처리수가 유입되어 여과 및 유출되는 경로와 정반대의 방향이 되도록 여과매체에 높은 압력을 가해주어서 여과매체에 남아있는 이물질을 제거하는 것이 일반적이다.
다만, 여과매체의 세척 시 가해지는 높은 압력은 여과매체의 손상을 유발할 수 있고, 다층구조로 형성되는 여과매체의 경우 층간 분리의 문제가 발생할 수 있다.
한편, 여과매체에는 여과공정에서도 높은 압력이 가해질 수 있는데, 이 경우 압력이 가해지는 방향에 따라서 여과매체가 압착되어 유로가 원활히 확보되지 못함에 따라서 유량이 현저히 감소되는 문제가 있다.
이에 따라서 높은 압력에서 수행되는 역세척 공정에서도 여재의 형상, 구조 변형, 손상이 최소화되는 동시에 유로가 원활히 확보됨에 따라서 큰 유량, 빠른 피처리수 처리속도를 가지는 필터여재에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 수처리 운전 중에 필터여재의 형상, 구조 변형, 손상이 최소화되는 동시에 유로가 원활히 확보됨에 따라서 큰 유량과 우수한 여과효율, 빠른 처리속도를 가지는 필터여재 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 역세척 공정에서 가해지는 높은 압력에도 유로가 확보될 수 있는 동시에 층간 분리, 막의 손상 등이 최소화될 수 있는 내구성이 뛰어난 필터여재 및 이의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
더불어, 본 발명은 우수한 수투과도 및 내구성을 갖는 필터여재를 통하여 수처리 분야에서 다양하게 응용될 수 있는 평판형 필터유닛 및 필터모듈을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다공성의 제1지지체 상부 및 하부 각각에 순서대로 적층된 다공성의 제2지지체, 및 나노섬유웹을 구비하고, 상기 나노섬유웹에서 여과된 여과액이 상기 제1지지체 방향으로 흐르는 유로가 형성된 필터여재로서, 상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은 하기 조건 (1) 및 조건 (2) 중에서 선택된 하나 이상의 조건을 만족하는 필터여재를 제공한다.
(1)
Figure PCTKR2018006578-appb-I000001
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000002
(2)
Figure PCTKR2018006578-appb-I000003
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000004
이때, 상기 a1, b1 및 c1는 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 평량(g/㎡)이고, 상기 a2, b2 및 c2는 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 두께(㎜)이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은 하기 조건 (1) 및 조건 (2) 중에서 선택된 하나 이상의 조건을 만족할 수 있다.
(1)
Figure PCTKR2018006578-appb-I000005
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000006
(2)
Figure PCTKR2018006578-appb-I000007
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000008
또한, 상기 제1지지체의 평량은 250 ~ 800g/㎡일 수 있고, 상기 제2지지체의 평량은 10 ~ 200 g/㎡일 수 있으며, 상기 나노섬유웹의 평량은 0.05 ~ 20 g/㎡일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체의 두께는 2 ~ 8㎜일 수 있고, 상기 제2지지체의 두께는 100 ~ 400㎛일 수 있으며, 상기 나노섬유웹의 두께는 0.5 ~ 200㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체 및 제2지지체는 부직포일 수 있고, 상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은 하기 조건 (3)을 만족할 수 있다.
(3)
Figure PCTKR2018006578-appb-I000009
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000010
이때, 상기 a3, b3 및 c3은 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 섬유 평균직경(㎛)이다.
또한, 상기 제1지지체의 섬유 평균직경은 5 ~ 50㎛일 수 있고, 상기 제2지지체의 섬유 평균직경은 5 ~ 30㎛일 수 있으며, 상기 나노섬유웹의 섬유 평균직경은 0.05 ~ 1㎛일 수 있다.
또한, 상기 제2지지체는, 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 제2복합섬유를 구비하고, 상기 제2복합섬유의 저융점 성분이 나노섬유웹에 융착될 수 있다.
또한, 제1지지체는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 제1복합섬유를 구비하고, 상기 제1복합섬유의 저융점 성분 및 제2복합섬유의 저융점 성분 간 융착으로 제1지지체 및 제2지지체가 접합될 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹은 섬유형성성분으로 불소계화합물을 포함하며, 상기 불소계화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(EPE)계, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)계, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)계, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE)계 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹은 평균공경이 0.1 ~ 3 ㎛이고, 기공도가 60 ~ 90 %일 수 있다.
또한, 상기 필터여재는 한외여과막일 수 있다.
또한, 본 발명은, (1) 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지하는 단계; 및 (2) 상기 제2지지체가 제1지지체와 맞닿도록 제1지지체의 양면에 각각 상기 합지된 나노섬유웹 및 제2지지체를 배치시켜 합지시키는 단계;를 포함하며, 상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은 하기 조건 (1) 및 조건 (2) 중에서 선택된 하나 이상의 조건을 만족하는 필터여재 제조방법을 제공한다.
(1)
Figure PCTKR2018006578-appb-I000011
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000012
(2)
Figure PCTKR2018006578-appb-I000013
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000014
이때, 상기 a1, b1 및 c1는 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 평량(g/㎡)이고, 상기 a2, b2 및 c2는 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 두께(㎜)이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (1) 단계는 1-1) 제2지지체 상부에 나노섬유를 전기방사하여 나노섬유웹을 형성시키는 단계; 및 1-2) 나노섬유웹이 형성된 제2지지체의 양방에서 열 및 압력을 가하여 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지시키는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 필터여재; 및 필터여재에서 여과된 여과액이 외부로 유출되도록 하는 유로를 구비하고, 상기 필터여재의 테두리를 지지하는 지지프레임;을 포함하는 평판형 필터유닛을 제공한다.
본 발명에 의하면, 필터여재는 수처리 운전 중 필터여재의 형상, 구조 변형, 손상이 최소화되고 여과효율이 우수하며, 유로가 원활히 확보되어 높은 유량을 가질 수 있다. 또한, 역세척시 가해지는 높은 압력에도 필터여재의 뛰어난 내구성으로 인해 연장된 사용주기를 가짐에 따라서 각종 수처리 분야에서 다양하게 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 필터여재의 단면도,
도 2는 역세척 공정으로 필터여재 내부에서 층분리가 된 후 세척액이 필터여재의 내부에 갇혀 부풀어 오른 필터여재의 사진,
도 3은 제1지지체와 나노섬유웹을 직접 합지시키는 것을 나타낸 모식도,
도 4는 본 발명이 일실시예에 따른 필터여재를 합지시키는 모식도로써, 도 4a는 나노섬유웹과 제2지지체를 합지시키는 것을 나타낸 도면이고, 도 4b는 합지된 나노섬유웹과 제2지지체를 제1지지체 양면에 배치시켜 합지시키는 것을 나타낸 도면,
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 나노섬유웹에 대한 도면으로써, 도 5a는 나노섬유웹의 표면 전자현미경 사진이고, 도 5b는 나노섬유웹의 단면 전자현미경 사진,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 일면에 나노섬유웹을 구비하는 제2지지체의 단면 전자현미경 사진, 그리고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 평판형 필터유닛의 도면으로써, 도 7a는 필터유닛의 사시도, 도 7b는 도 7a의 X-X' 경계선의 단면도를 기준으로 한 여과흐름을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 필터여재(1000)는 다공성의 제1지지체(130) 상부 및 하부 각각에 순서대로 적층된 다공성의 제2지지체(121,122), 및 나노섬유웹(111,112)을 구비하고, 상기 나노섬유웹(111,112)에서 여과된 여과액이 상기 제1지지체(130) 방향으로 흐르는 여과흐름을 가진다.
도 1과 같이 본 발명에 따른 필터여재(1000)는 적어도 5층 구조를 가지며, 두께가 상이한 2종의 지지체(121/122,130)를 구비한다. 본 발명에 따른 필터여재(1000)를 이루는 각 층에 대해 설명하기에 앞서서 본 발명의 필터여재(1000)에 포함되는 상기 제1지지체(130), 제2지지체(121, 122) 및 나노섬유웹(111, 112)이 하기 조건 (1) 및 조건 (2)를 만족해야 하는 이유와 필터여재 내에 제1지지체 이외에 제2지지체를 구비해야 하는 이유에 대해 먼저 설명한다.
필터여재를 이용한 수처리 공정이 반복될수록 피처리수에 포함된 이물질이 필터여재에 들러붙어 부착층을 형성하거나 필터여재 내부에 박혀 유로를 막고 여과기능을 저하시키는데, 이와 같은 문제가 발생할 때마다 필터여재를 교체할 경우 수처리에 소요되는 비용이 증가하는 문제가 있다. 이에 따라 필터여재의 사용주기를 연장시키기 위해 주기적으로 필터여재에 물리적 자극을 가하여 필터여재에 들러붙거나 내부에 박힌 이물질을 제거하는 세척공정을 수행할 필요가 있고, 이를 역세척이라고 한다. 통상적으로 역세척은 필터여재의 여과방향에 반대되는 방향으로 세척수를 강하게 흘려주거나 공기를 불어넣는 방식으로 필터여재에 부착되거나 박힌 이물질을 제거하는데, 세척수 및/또는 공기를 필터여재에 공급하고 동시에 이물질을 제거하기 위해서는 여과공정에서 필터여재에 가해지는 압력보다 더 높은 압력으로 세척수나 공기를 공급할 필요가 있다.
이에 따라서 필터여재가 역세척 능력을 보유하기 위해서는 가해지는 높은 압력에도 필터여재가 변형되거나 손상되지 않을 정도의 기계적 강도를 갖는 것이 중요하며, 기계적 강도의 보완을 위한 지지체가 통상적으로 필터여재에 구비된다. 지지체의 기계적 강도에 영향을 미칠 수 있는 인자로는 지지체의 구조, 일예로 상기 지지체가 부직포인 경우 부직포를 형성하는 섬유의 직경, 섬유장, 섬유간 결합방식, 두께, 평량일 수 있고, 두께가 두껍거나 평량이 클수록 지지체의 기계적 강도는 증가할 수 있다. 따라서 역세척에 강한 필터여재를 설계하기 위한 일예로 두께가 두꺼운 부직포를 사용하거나 두께가 다소 얇더라도 평량이 매우 큰 부직포를 지지체로 사용할 수 있다.
한편, 지지체는 필터여재의 여과액의 흐름에 영향을 미치지 않도록 큰 공경을 갖는 것이 좋다. 기계적 강도의 보완을 위해 구비된 지지체로 인해 유량이 저하되는 것은 필터여재의 주요 물성을 저하시키는 것임에 따라서 매우 바람직하지 못하다. 그런데 얇은 두께임에도 충분한 기계적 강도가 발현되는 부직포를 지지체로 사용할 경우 부직포의 평량이 매우 큼에 따라서 부직포 내 기공의 직경, 기공도가 현저히 작을 수밖에 없고, 필터여재의 여과액 흐름에 영향을 미침에 따라서 목적하는 수준의 유량을 확보하지 못할 수 있다.
이에 따라서, 본 발명에 따른 필터여재(1000)는 충분한 유로를 확보하면서 필터여재의 기계적 강도를 담보하기 위해 상기 제1지지체(130), 제2지지체(121, 122) 및 나노섬유웹(111,112)의 평량이 각각 a1, b1 및 c1 일 때, 하기 각 층의 평량에 대한 조건 (1)을 만족하고, 제1지지체(130), 제2지지체(121, 122) 및 나노섬유웹(111,112)의 두께가 각각 a2, b2 및 c2 일 때, 하기 각 층의 두께에 대한 조건 (2)를 만족한다.
조건 (1)로써
Figure PCTKR2018006578-appb-I000015
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000016
이고, 바람직하게는
Figure PCTKR2018006578-appb-I000017
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000018
일 수 있으며, 조건 (2)로써
Figure PCTKR2018006578-appb-I000019
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000020
이고, 바람직하게는
Figure PCTKR2018006578-appb-I000021
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000022
일 수 있다.
만일, 상기 조건 (1)에서 (b1+c1)/a1이 0.9를 초과하면 충분한 기계적 강도를 발현하기 어려울 수 있고, 제1지지체(130) 및 제2지지체(121, 122) 간의 부착력이 감소할 수 있으며, 여과효율 및/또는 유량이 감소할 수 있고, 차압이 증가하여 원활한 역세척이 어려울 수 있다. 또한, 만일 상기 조건 (1)에서 c1/b1이 2.1을 초과하면 나노섬유웹(111,112)과 형성하는 계면에 분포하는 제2지지체(121, 122)를 형성하는 섬유의 양이 적을 수 있고, 이에 따라서 나노섬유웹(111,112)과 제2지지체(121, 122)의 결합력이 좋지 않을 수 있으며, 제1지지체(130)와의 부착력이 감소할 수 있고, 여과효율 및/또는 유량이 감소할 수 있으며, 차압이 증가하여 원활한 역세척이 어려울 수 있다.
그리고, 만일 상기 조건 (2)에서 (b2+c2)/a2이 0.32를 초과하면 필터여재(1000)가 충분한 기계적 강도를 보유하지 못해 역세척을 수행하기 어려워서 필터여재(1000)의 교체주기가 짧아질 수 있고, 차압 증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있으며, (b2+c2)/a2이 0.32를 초과하면서 역세척에 충분히 견딜 수 있을 정도의 기계적 강도를 확보한다는 것은 제1지지체(130)의 두께 감소에 따른 평량 증가가 수반되기 때문에 여과액의 흐름방해, 유량감소가 있을 수 있어서 매우 바람직하지 못하다. 또한, 만일 상기 조건 (2)에서 c2/b2이 2.1을 초과하면 제1지지체(130)와 제2지지체(121, 122) 간 및/또는 제2지지체(121,122)와 나노섬유웹(111, 112) 간 부착력이 감소할 수 있고, c2/b2이 2.1을 초과하면서 역세척에 충분히 견딜 수 있을 정도의 기계적 강도를 확보하기 위해서는 제2지지체(121, 122)의 평량 증가가 수반되기 때문에, 목적하는 수준의 여과효율 및/또는 유량을 확보하기 어려울 수 있고, 역세척 내구성이 저하될 수 있으며, 차압이 증가하여 원활한 역세척이 어려울 수 있다.
한편, 상기 제1지지체(130) 및 제2지지체(121, 122)는 후술하는 바와 같이 각각 독립적으로 부직포, 직물 및 편물 중 어느 하나 이상일 수 있는데, 이때 본 발명에 따른 필터여재(1000)는 상기 제1지지체(130), 제2지지체(121, 122) 및 나노섬유웹(111,112)을 구성하는 섬유의 평균직경이 각각 a3, b3 및 c3 일 때, 하기 각 층의 섬유 평균직경에 대한 조건 (3)을 만족할 수 있다.
조건 (3)으로써
Figure PCTKR2018006578-appb-I000023
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000024
일 수 있고, 바람직하게는
Figure PCTKR2018006578-appb-I000025
,
Figure PCTKR2018006578-appb-I000026
일 수 있다.
만일, 상기 조건 (3)에서 (b3+c3)/a3이 6.4를 초과하면 여과효율 및/또는 유량이 감소할 수 있고, 차압증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있으며, 불균일한 공경 분포로 여과능이 감소하며 수투과도 또한 감소할 수 있고, 각 층간 접합력이 저하될 수 있으며, c3/b3이 0.21을 초과하면 여과효율 및/또는 유량이 감소할 수 있고, 차압증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있으며, 나노섬유웹과 제2지지체와의 접합력이 저하될 수 있다.
한편, 여재로써 기능하는 나노섬유웹(111,112)과 상기 제1지지체(130)의 결합력이 약할 경우 기계적 강도가 매우 뛰어남에도 역세척에 따른 필터여재의 내구성이 저하될 수 있다. 즉, 역세척 과정에서 가해지는 높은 압력은 필터여재를 형성하는 각 층간의 계면분리를 가속화시킬 수 있고, 이 경우 도 2에 도시된 것과 같이 역세척 공정에서 분리막의 배부름 현상이 발생할 수 있으며, 분리막으로써 기능이 현저히 저하 또는 완전 상실할 수 있다.
따라서, 제1지지체와 여재로써의 나노섬유웹 간에 높은 부착력은 잦은 역세척에도 충분한 내구성을 발휘하는 필터여재의 구현에 있어서 매우 중요하다.
통상적으로 지지체와 나노섬유웹를 부착시키는 방법은 별도의 접착물질을 이용하거나 지지체에 구비된 저융점 성분을 나노섬유웹에 융착시켜 두 층을 접합시킬 수 있다. 그러나 별도의 접합물질을 통해 두 층을 접합시킬 경우 피처리수에 의해 접합물질이 용해될 우려가 있고, 이로 인한 여과액의 오염 및/또는 수투과도가 저하될 수 있다. 만일 접합물질이 부분적으로 용해된 필터여재를 역세척할 경우 필터여재의 배부름 현상이나 심할 경우 나노섬유웹이 박리되어 필터여재로의 기능을 완전히 상실할 수 있다.
이에 따라 바람직하게는 나노섬유웹과 지지체가 융착(A)을 통해 접합되는 방식을 채용할 수 있고, 도 3과 같이 적층된 지지체(1) 및 나노섬유웹(2)의 양방에서 열 및/또는 압력을 가해 이들을 접합시킬 수 있다. 다만, 열 및/또는 압력을 가해 이들을 접합시킬 때 고려해야 할 점은 가해지는 열, 압력으로 인해 여재로써 기능하는 나노섬유웹(2)이 물리, 화학적으로 변형되는 것을 최소화해야 하며, 만일 열접합 과정에서 나노웹이 물리, 화학적으로 변형될 경우 초도에 설계한 필터여재의 유량, 여과율 등의 물성이 변경될 수 있다.
나노섬유웹(2)의 물리/화학적 변형이 없도록 부착공정에서 열 및/또는 압력 조건을 선택할 때 고려되어야 하는 점은 나노섬유웹, 지지체의 재질적 특성, 일예로 융점, 열전도율, 열용량 등일 수 있고, 통상적으로 융점 이상의 온도 또는 융점 이상의 온도와 압력을 동시에 가하여 지지체의 저융점성분을 나노섬유웹에 융착시키거나 융점보다 다소 낮더라도 높은 압력을 가해 지지체의 저융점성분을 나노섬유웹에 융착시킬 수 있다.
한편, 지지체나 나노섬유웹을 형성하는 재질은 고분자화합물로써, 이와 같은 고분자화합물은 열전도율이 작고, 열용량이 매우 크기 때문에, 도 3과 같이 양방에 소정의 열(H1, H2)을 가하더라도 열(H1, H2)이 나노섬유웹(1)과 지지체(2) 사이의 계면에 도달하여 지지체(2)에 구비된 저융점성분의 온도를 융점까지 상승시키기 위해서는 오랜 시간 동안 지속적으로 열이 가해져야 한다. 더욱이 도 3과 같이 지지체(1)의 두께가 매우 두꺼울 경우 하방에서 전달되는 열(H2)이 나노섬유웹(2)과 지지체(1)의 계면부근까지 전달되고 해당 부근의 지지체에 구비된 저융점성분의 온도를 융점까지 상승시키는 데에는 더욱 오랜 시간이 소요될 수 있고, 시간의 단축을 위해 더 큰 열을 하방에서 가해줄 필요가 있다. 그러나 너무 큰 열을 하방에서 가할 경우 제1지지체 하부에서 저융점 성분의 용융이 먼저 일어날 수 있고, 지지체의 형상, 구조가 변경될 수 있다.
다른 방법으로 상방에서 가해지는 열(H1)을 더 크게 하여 지지체(1)의 두께에 따른 난점을 해결해볼 수 있으나, 이 경우 나노섬유웹(2)의 물리/화학적 변형이 초래될 수 있고, 초도에 설계한 필터여재의 물성을 온전히 발현하지 못할 수 있다.
이에 따라서, 본 발명의 일실시예에 의한 필터여재(1000)는 제1지지체(130)와 나노섬유웹(111,112)을 직접 대면시키지 않고, 그 보다 두께가 얇은 제2지지체(121,122)를 개재시키며, 이를 통해 층간 부착공정을 보다 안정적이고 용이하게 수행할 수 있고, 각 층 간의 계면에서 현저히 우수한 결합력을 발현하며, 역세척 등으로 인해 높은 외력이 가해져도 층간 분리, 박리 문제를 최소화할 수 있다.
이를 도 4a를 통해 설명하면, 두께에 대한 조건 (2)를 만족하는 제2지지체(3)는 나노섬유웹(2)과의 두께 차이가 나노섬유웹(2)과 제1지지체(1)간의 두께 차이에 비해 현저히 적어짐에 따라서 나노섬유웹(2)/제2지지체(3)의 적층체 상방, 하방에서 가해지는 열(H1, H2)이 이들 간 계면에 도달하여 융착부(B)를 형성하기가 도 3에 비해 용이하다. 또한, 가해주는 열의 양과 시간을 조절하기가 도 3에 비해 용이함에 따라서 나노섬유웹(2)의 물리/화학적 변형 방지에 유리함에 따라서 도 4a와 같이 제2지지체(3)에 나노섬유웹(2)이 결합된 경우 초도에 설계된 나노섬유웹(2)의 물성 변화 없이 지지체상에 우수한 접착력으로 나노섬유를 결합시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 필터여재(1000)에 구비되는 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 제1지지체(130)는 필터여재(1000)를 지지하고 큰 유로를 형성하여 여과공정 또는 역세척공정을 보다 원활히 수행하는 기능을 담당한다. 구체적으로 여과과정에서 필터여재의 밖보다 내부가 낮은 압력이 되도록 압력구배가 형성될 경우 필터여재는 압착될 수 있는데, 이 경우 여과액이 필터여재 내부에서 흐를 수 있는 유로가 현저히 줄어들거나 차단됨에 따라서 필터여재에 더 큰 차압이 걸리는 동시에 유량이 현저히 저하될 수 있다. 또한, 역세척 과정에서 필터여재의 내부에서 외부 양방향을 향해 팽창시키는 외력이 가해질 수 있는데 기계적 강도가 낮을 경우 가해지는 외력으로 인해 필터여재가 손상될 수 있다.
제1지지체(130)는 여과과정 및/또는 역세척과정에서 발생하는 위와 같은 문제들을 방지하기 위해 구비되며, 수처리 분야에서 사용되며, 기계적 강도가 담보되는 공지된 다공성 부재일 수 있으며, 일예로 상기 제1지지체는 부직포, 직물 또는 원단일 수 있다.
상기 직물은 직물에 포함되는 섬유가 종횡의 방향성이 있는 것을 의미하며, 구체적인 조직은 평직, 능직 등일 수 있으며, 경사와 위사의 밀도는 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 편물은 공지의 니트조직일 수 있으며, 위편물, 경편물 등일 수 있고, 일예로 원사가 경편성된 트리코트(Tricot)일 수 있다. 또한, 도 1과 같이 제1지지체(130)는 섬유(130a)에 종횡의 방향성이 없는 부직포일 수 있고, 케미컬본딩 부직포, 써멀본딩 부직포, 에어레이 부직포 등의 건식부직포나 습식부직포, 스판레스 부직포, 니들펀칭 부직포 또는 멜트블로운과 같은 다양한 방법으로 제조되는 공지된 부직포를 사용할 수 있다.
상기 제1지지체(130)는 충분한 기계적 강도를 발현하기 위하여 상술한 것과 같이 조건 (2)를 만족하는 두께로 구비된다. 일예로, 상기 제1지지체(130)의 2 ~ 8㎜일 수 있고, 보다 바람직하게는 2 ~ 5㎜, 보다 더 바람직하게는 3 ~ 5㎜일 수 있다. 두께가 2㎜ 미만일 경우 잦은 역세척에 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 발현하지 못할 수 있다. 또한, 두께가 8㎜를 초과할 경우 필터여재가 후술하는 필터유닛으로 구현된 후 복수개의 필터유닛을 한정된 공간의 필터모듈로 구현할 때, 모듈의 단위 부피당 필터여재의 집적도가 감소할 수 있고, 차압 증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있다.
바람직하게는 상기 제1지지체(130)는 상술한 것과 같은 두께에 대한 조건 (2)를 만족하는 동시에 평량에 대한 조건 (1)을 만족하도록 평량이 250 ~ 800 g/㎡일 수 있고, 보다 바람직하게는 350 ~ 600g/㎡일 수 있다. 만일 평량이 250 g/㎡ 미만일 경우 충분한 기계적 강도를 발현하기 어려울 수 있고, 제2지지체와의 부착력이 감소할 수 있으며, 만일 평량이 800 g/㎡를 초과할 경우 충분한 유로를 형성하지 못해 유량이 감소하며, 차압 증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있다.
또한, 상기 제1지지체(130)가 부직포와 같이 섬유로 형성된 경우 상술한 것과 같은 섬유 평균직경에 대한 조건 (3)을 만족하도록 상기 섬유의 평균직경은 5 ~ 50 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 20 ~ 50㎛일 수 있다. 만일 상기 제1지지체(130)의 섬유 평균직경이 5㎛ 미만이면 유량이 감소할 수 있고, 차압증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있으며, 50㎛를 초과하면 충분한 기계적 강도를 발현하기 어려울 수 있고, 여과효율이 저하될 수 있으며, 제2지지체와의 부착력이 감소할 수 있다.
또한, 상기 제1지지체(130)는 평균공경이 20 ~ 200 ㎛일 수 있으며, 기공도는 50 ~ 90%일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 여과공정 및/또는 역세척 공정에서 후술한 나노섬유웹(111,112)을 지지하여 목적하는 수준의 기계적 강도를 발현시킴과 동시에 높은 압력에도 유로를 원활히 형성시킬 수 있을 정도의 기공도 및 공경크기이면 제한이 없다.
상기 제1지지체(130)는 분리막의 지지체로 사용되는 재질인 경우 그 재질에 있어서 제한은 없다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리올레핀계 및 폴리아미드계로 이루어진 군에서 선택되는 합성고분자 성분; 또는 셀룰로오스계를 포함하는 천연 고분자성분이 사용될 수 있다. 다만, 제1지지체가 브리틀한 물성이 강할 경우 제1지지체와 제2지지체를 합지시키는 공정에서 목적하는 수준의 결합력을 기대하기 어려울 수 있는데, 이는 제1지지체가 필름과 같이 표면이 매끄러운 상태가 아니라 다공성을 형성하면서 표면이 거시적으로 울퉁불퉁한 형상일 수 있고, 부직포와 같이 섬유들로 형성된 표면은 섬유들의 배치, 섬유의 섬도 등에 따라서 표면이 매끄럽지 못하며, 위치별로도 그 정도가 상이할 수 있기 때문이다. 만일 합지되는 두 층간 계면에 밀착되지 않은 부분이 존재한 채로 나머지 부분들이 접합될 경우 밀착되지 않은 부분으로 인해 층간 분리가 시작될 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 두 층의 양방에서 압력을 가해 두 층의 밀착 정도를 높인 상태에서 합지공정을 수행할 필요가 있는데, 만일 브리틀한 물성이 강한 지지체의 경우 압력이 가해져도 두 층간 계면의 밀착성을 높이는데 한계가 있고, 더 큰 압력을 가할 경우 지지체가 파손될 수도 있어서 제1지지체의 재질은 유연성이 좋고, 신율가 높은 재질이 적합할 수 있으며, 바람직하게는 제2지지체(121,122)와 우수한 밀착성을 가질 수 있도록 제1지지체(130)는 폴리올레핀계 재질일 수 있다.
한편, 상기 제1지지체(130)는 별도의 접착제나 접착층 없이도 제2지지체(121,122)와의 결속되기 위하여 저융점 성분을 포함할 수 있다. 상기 제1지지체(130)가 부직포와 같은 원단일 경우 저융점 성분을 포함하는 제1복합섬유(130a)로 제조된 것일 수 있다. 상기 제1복합섬유(130a)는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 것일 수 있다. 일예로, 지지성분이 코어부를 형성하고, 저융점 성분이 상기 코어부를 둘러싸는 시스부를 형성한 시스-코어형 복합섬유나, 지지성분의 일측에 저융점 성분이 배치되는 사이드-바이-사이드 복합섬유일 수 있다. 상기 저융점 성분 및 지지 성분은 상술한 것과 같이 지지체의 유연성 및 신율 측면에서 바람직하게는 폴리올레핀계일 수 있고, 일예로 지지성분은 폴리프로필렌, 저융점 성분은 폴리에틸렌일 수 있다. 상기 저융점 성분의 융점은 60 ~ 180℃일 수 있다.
다음으로, 상술한 제1지지체(130)의 양면에 배치되는 제2지지체(121,122)에 대하여 설명한다.
상기 제2지지체(121,122)는 후술한 나노섬유웹(111,112)을 지지하고, 필터여재에 구비되는 각 층의 접합력을 증가시키는 기능을 담당한다.
상기 제2지지체(121,122)는 통상적으로 필터여재의 지지체 역할을 수행하는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 그 형상에 있어서는 바람직하게는 직물, 편물 또는 부직포일 수 있다. 상기 직물은 직물에 포함되는 섬유가 종횡의 방향성이 있는 것을 의미하며, 구체적인 조직은 평직, 능직 등일 수 있으며, 경사와 위사의 밀도는 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 편물은 공지의 니트조직일 수 있으며, 위편물, 경편물 등일 수 있으나 이에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 부직포는 포함되는 섬유에 종횡의 방향성이 없는 것을 의미하고, 케미컬본딩 부직포, 써멀본딩 부직포, 에어레이 부직포 등의 건식부직포나 습식부직포, 스판레스 부직포, 니들펀칭 부직포 또는 멜트블로운과 같은 공지된 방법으로 제조된 부직포를 사용할 수 있다.
상기 제2지지체(121,122)는 일예로 부직포일 수 있는데, 이때 상기 제2지지체(121,122)를 형성하는 섬유는 상술한 섬유 평균직경에 대한 조건 (3)을 만족하도록 평균직경이 5 ~ 30 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 ~ 25㎛일 수 있다. 만일 상기 제2지지체(121,122)의 섬유 평균직경이 5㎛ 미만이면 유량이 감소할 수 있고, 차압증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있으며, 30㎛를 초과하면 여과효율이 저하될 수 있고, 제1지지체 및 나노섬유웹과의 부착력이 감소될 수 있다.
또한, 상기 제2지지체(121,122)는 상술한 두께에 대한 조건 (2)를 만족하도록 두께가 100 ~ 400 ㎛일 수 있고, 보다 바람직하게는 150 ~ 400㎛일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 150 ~ 250㎛일 수 있고, 일예로 200㎛일 수 있다. 만일 상기 제2지지체(121,122)의 두께가 100㎛ 미만이면 여과효율 및 역세척 내구성이 저하될 수 있고, 두께가 400㎛를 초과하면 차압 증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있다.
또한, 상기 제2지지체(121,122)는 평균공경이 20 ~ 100㎛일 수 있으며, 기공도는 50 ~ 90%일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 후술하는 나노섬유웹(111,122)을 지지하여 목적하는 수준의 기계적 강도를 발현시킴과 동시에 나노섬유웹(111,122)을 통해 유입되는 여과액의 흐름을 저해시키지 않을 정도의 기공도, 및 공경크기이면 제한이 없다.
또한, 상기 제2지지체(121,122)는 상술한 평량에 대한 조건 (1)을 만족하도록 평량이 10 ~ 200 g/㎡, 보다 바람직하게는 35 ~ 200 g/㎡일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 35 ~ 80 g/㎡일 수 있고, 일예로, 40 g/㎡ 일 수 있다. 만일 평량이 10 g/㎡ 미만일 경우 여과효율이 저하될 수 있고, 후술하는 나노섬유웹(111,112)과 형성하는 계면에 분포하는 제2지지체를 형성하는 섬유의 양이 적을 수 있고, 이에 따라서 나노섬유웹과 접하는 제2지지체의 유효접착면적의 감소로 목적하는 수준의 결합력을 발현할 수 없을 수 있다. 또한, 나노섬유웹을 지지할 수 있을 충분한 기계적 강도를 발현하지 못할 수 있고, 제1지지체와의 부착력이 감소할 수 있다. 또한, 만일 평량이 200 g/㎡을 초과할 경우 목적하는 수준의 유량을 확보하기 어려울 수 있고, 차압이 증가하여 원활한 역세척이 어려울 수 있다.
상기 제2지지체(121,122)는 필터여재의 지지체로 사용되는 재질인 경우 그 재질에 있어서 제한은 없다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리올레핀계 및 폴리아미드계로 이루어진 군에서 선택되는 합성고분자 성분; 또는 셀룰로오스계를 포함하는 천연 고분자성분이 사용될 수 있다.
다만, 상기 제2지지체(121,122)는 후술하는 나노섬유웹(111,112) 및 상술한 제1지지체(130)와의 밀착력 향상을 위해 폴리올레핀계 고분자성분일 수 있다. 또한, 상기 제2지지체(121,122)가 부직포와 같은 원단일 경우 저융점 성분을 포함하는 제2복합섬유(121a)로 제조된 것일 수 있다. 상기 제2복합섬유(121a)는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 것일 수 있다. 일예로, 지지성분이 코어부를 형성하고, 저융점 성분이 상기 코어부를 둘러싸는 시스부를 형성한 시스-코어형 복합섬유나, 지지성분의 일측에 저융점 성분이 배치되는 사이드-바이-사이드 복합섬유일 수 있다. 상기 저융점 성분 및 지지 성분은 상술한 것과 같이 지지체의 유연성 및 신율 측면에서 바람직하게는 폴리올레핀계일 수 있고, 일예로 지지성분은 폴리프로필렌, 저융점 성분은 폴리에틸렌일 수 있다. 상기 저융점 성분의 융점은 60 ~ 180℃일 수 있다.
만일 상술한 제1지지체(130)가 상기 제2지지체(121,122)와 더욱 향상된 결합력을 발현하기 위하여 저융점 성분을 포함하는 제1복합섬유(130a)로 구현될 경우 제1지지체(130) 및 제2지지체(121) 간 계면에 제1복합섬유(130a)의 저융점 성분 및 제2복합섬유(121a)의 저융점 성분들의 융착으로 인한 더욱 견고한 융착부를 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1복합섬유(130a) 및 제2복합섬유(121a)는 상용성 측면에서 동종의 재질일 수 있다.
다음으로, 상술한 제2지지체(121,122)의 일면에 배치되는 나노섬유웹(111,112)에 대해 설명한다. 상기 나노섬유웹(111,112)은 한 가닥 또는 여러가닥의 나노섬유가 랜덤하게 3차원적으로 적층되어 형성된 3차원 네트워크 구조일 수 있다(도 5 참조).
상기 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유는 공지된 섬유형성성분으로 형성된 것일 수 있다. 다만 바람직하게는 우수한 내화학성 및 내열성을 발현하기 위해 불소계 화합물을 섬유형성성분으로 포함할 수 있고, 이를 통해 피처리수가 강산/강염기의 용액이거나 온도가 높은 용액일지라도 필터여재의 물성 변화 없이 목적하는 수준으로 여과효율/유량을 확보 및 오랜 사용주기를 가질 수 있는 이점이 있다. 상기 불소계 화합물은 나노섬유로 제조될 수 있는 공지된 불소계 화합물의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 일예로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(EPE)계, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)계, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)계, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE)계 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 제조 단가가 낮고 전기방사를 통하여 나노섬유의 대량생산이 용이하며, 기계적 강도 및 내화학성이 우수한 측면에서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)일 수 있다. 이때, 상기 나노섬유가 섬유형성성분으로 PVDF를 포함할 경우 상기 PVDF의 중량평균분자량은 10,000 ~ 1,000,000일 수 있고, 바람직하게는 300,000 ~ 600,000일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 나노섬유는 상술한 섬유 평균직경에 대한 조건 (3)을 만족하도록 섬유 평균직경이 0.05 ~ 1㎛일 수 있고, 바람직하게는 섬유 평균직경이 0.1 ~ 0.9㎛일 수 있다. 만일 상기 나노섬유의 섬유 평균직경이 0.05㎛ 미만이면 유량이 감소할 수 있고, 차압증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있으며, 1㎛를 초과하면 제2지지체와의 접합력이 저하될 수 있고, 여과효율이 저하될 수 있다.
한편, 상기 나노섬유웹(111,112)에 구비된 나노섬유는 직경이 0.1 ~ 0.2 ㎛인 제1나노섬유군, 직경이 0.2 ~ 0.3㎛인 제2나노섬유군 및 직경이 0.3 ~ 0.4㎛인 제3나노섬유군을 나노섬유웹(111) 전체 중량에 대하여 각각 35 중량%, 53 중량%, 12중량%로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 나노섬유의 종횡비는 1,000 ~ 100,000일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 나노섬유웹(111,112)은 상술한 두께에 대한 조건 (2)를 만족하도록 의 두께가 0.5 ~ 200㎛로 형성될 수 있고, 바람직하게는 두께가 1 ~ 150㎛로 형성될 수 있으며, 일예로 20㎛일 수 있다. 만일, 상기 나노섬유웹(111,112)의 두께가 0.5㎛ 미만이면 여과효율 및/또는 역세척 내구성이 저하될 수 있고, 두께가 200㎛를 초과하면 차압 증가로 인한 원활한 역세척이 어려울 수 있다.
상기 나노섬유웹(111,112)의 기공도는 40 ~ 90%이고, 보다 바람직하게는 60 ~ 90%일 수 있다. 또한, 평균공경은 0.1 ~ 5㎛일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.1 ~ 3㎛일 수 있고, 일예로, 0.25㎛일 수 있다.
상기 나노섬유웹(111,112)은 상술한 평량에 대한 조건 (1)을 만족하도록 평량이 0.05 ~ 20 g/㎡일 수 있고, 바람직하게는 평량이 5 ~ 15g/㎡일 수 있으며, 일예로 10g/㎡일 수 있다. 만일, 나노섬유웹의 평량이 0.05g/㎡ 미만이면 여과효율이 저하될 수 있고, 제2지지체와의 접합력이 감소함에 따라 역세척 내구성이 저하될 수 있으며, 평량이 20g/㎡를 초과하면 목적하는 수준의 유량을 확보하기 어려울 수 있고, 차압이 증가하여 원활한 역세척이 어려울 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹(111,112)은 한층 이상으로 필터여재(1000)에 구비될 수도 있고, 이때 각 나노섬유웹의 기공도, 공경, 평량 및/또는 두께 등은 상이할 수 있다.
한편, 상기 나노섬유웹(111,112)을 형성하는 나노섬유는 친수성을 높이기 위해 개질된 것일 수 있고, 일예로, 친수성 코팅층이 나노섬유의 외부면 적어도 일부에 더 구비될 수 있다. 만일 나노섬유가 상술한 것과 같이 불소계 화합물을 포함할 경우 상기 불소계 화합물은 소수성이 매우 강해 피여과액이 친수성 용액일 경우 유량이 좋지 못할 수 있다. 이를 위해 상기 소수성의 나노섬유 표면에 친수성 코팅층을 더 구비시킬 수 있으며, 상기 친수성 코팅층은 공지된 것일 수 있고, 일예로 히드록시기를 구비하는 친수성고분자를 포함하여 형성되거나 상기 친수성고분자가 가교제를 통해 가교되어 형성될 수 있다. 일예로, 상기 친수성고분자는 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol,PVA), 에틸렌비닐알코올(Ethylenevinyl alcohol,EVOH), 알긴산 나트륨(Sodium alginate) 등의 단독 또는 혼합 형태일 수 있으며, 가장 바람직하게는 폴리비닐알코올(PVA)일 수 있다. 또한, 상기 가교제는 상기 친수성고분자가 구비하는 히드록시기와 축합반응 등을 통하여 가교될 수 있는 관능기를 구비한 공지된 가교제의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 일예로, 상기 관능기는 히드록시기, 카르복시기 등일 수 있다.
상기 친수화코팅층은 보다 향상된 물성의 발현을 위하여 폴리비닐알코올(PVA) 및 카르복시기를 포함하는 가교제가 가교되어 형성될 수 있다. 상기 폴리비닐알코올은 중합도가 500 ~ 2000이고, 검화도가 85 ~ 90%인 것일 수 있다. 폴리비닐알코올의 중합도가 과도하게 낮을 경우 친수성 코팅층의 형성이 원활히 되지 않거나 형성되더라도 쉽게 벗겨질 수 있고, 친수도를 목적하는 수준까지 향상시키지 못할 수 있다. 또한, 중합도가 너무 클 경우 친수성코팅층의 형성이 과도할 수 있으며 이에 따라서 나노섬유웹의 기공구조가 변경되거나 기공을 폐쇄시킬 수 있다. 또한, 검화도가 너무 낮을 경우 친수성 향상이 어려울 수 있다.
상기 가교제는 상술한 폴리비닐알코올과 가교될 수 있도록 카르복시기를 함유하는 성분일 수 있다. 일예로, 상기 가교제는 폴리(아크릴산-말레산), 폴리아크릴산 및 폴리(스티렌술폰산-말레산)로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상을 물질을 포함할 수 있다. 또한, 보다 향상된 소수성의 나노섬유 표면에의 코팅성/접착성 및 나노섬유웹(111,112)의 기공구조의 변경이 없도록 매우 얇게 코팅되는 동시에 더욱 향상된 유량을 발현하기 위하여 상기 가교제는 적어도 3개 이상의 카르복시기를 포함하는 다관능성 가교제일 수 있다. 만일 가교제가 구비하는 카르복시기가 3개 미만일 경우 소수성인 나노섬유의 표면에 코팅층이 형성되기 어렵고, 형성되더라도 부착력이 매우 약해 쉽게 벗겨질 수 있다. 일예로 카르복시기를 3개 이상 구비하는 가교제는 폴리(아크릴산-말레산)일 수 있다.
상기 친수성코팅층은 상기 폴리비닐알코올 100 중량부에 대해 카르복시기를 함유하는 가교제가 2 ~ 20 중량부 가교되어 형성될 수 있다. 만일 가교제가 2 중량부 미만으로 구비되는 경우 친수성 코팅층의 형성성이 저하될 수 있고, 내화학성 및 기계적 강도가 저하될 수 있다. 또한, 가교제가 20 중량부를 초과하여 구비되는 경우 코팅층으로 인해 기공이 줄어 유량이 저하될 수 있다.
한편, 상기 친수성코팅층은 나노섬유의 외부면 일부 또는 전부에 형성될 수 있다. 이때, 상기 친수성 코팅층은 나노섬유웹 단위면적(㎡)당 0.1 ~ 2g 포함되도록 나노섬유를 피복될 수 있다.
상술한 것과 같이 친수성 코팅층을 구비하도록 개질된 나노섬유웹(111,112)쪽 표면의 젖음각은 30° 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 20 °이하, 보다 더 바람직하게는 12°이하, 더욱 바람직하게는 5°이하일 수 있으며, 이를 통해 재질상 소수성인 나노섬유로 구현된 섬유웹임에도 불구하고 향상된 유량을 확보할 수 있는 이점이 있다.
상술한 필터여재(1000)는 후술하는 제조방법으로 제조될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 필터여재(1000)는 (1) 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지하는 단계; 및 (2) 상기 제2지지체가 제1지지체와 맞닿도록 제1지지체의 양면에 각각 상기 합지된 나노섬유웹 및 제2지지체를 배치시켜 합지지시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 (1) 단계로써, 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지하는 단계를 수행한다.
상기 나노섬유웹은 나노섬유를 구비하여 3차원 네트워크 형상의 섬유웹을 형성시키는 방법의 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 나노섬유웹은 불소계 화합물을 포함하는 방사용액을 제2지지체 상에 전기방사 하여 나노섬유웹을 형성할 수 있다.
상기 방사용액은 섬유형성성분으로써, 일예로 불소계 화합물과, 용매를 포함할 수 있다. 상기 불소계 화합물은 방사용액에 5 ~ 30 중량%, 바람직하게는 8 ~ 20중량%로 포함됨이 좋고, 만일 불소계 화합물이 5 중량% 미만일 경우 섬유로 형성되기 어려우며, 방사 시 섬유상으로 방사되지 않고 액적상태로 분사되어 필름상을 형성하거나 방사가 이루어지더라도 비드가 많이 형성되고 용매의 휘발이 잘 이루어지지 않아 후술하는 캘린더링 공정에서 기공이 막히는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 만일 불소계 화합물이 30 중량% 초과할 경우 점도가 상승하여 용액 표면에서 고화가 일어나 장시간 방사가 곤란하며, 섬유직경이 증가하여 마이크로미터 이하 크기의 섬유상을 만들 수 없을 수 있다.
상기 용매는 섬유형성성분인 불소계 화합물을 용해시키면서 침전물을 생성시키지 않고 후술하는 나노섬유의 방사성에 영향을 미치지 않는 용매의 경우 제한 없이 사용될 수 있으나 바람직하게는 γ-부티로락톤, 사이클로헥사논, 3-헥사논, 3-헵타논, 3-옥타논, N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 아세톤 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아마이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 일예로 상기 용매는 디메틸아세트아미드와 아세톤의 혼합용매일 수 있다.
상기 제조된 방사용액은 공지된 전기방사 장치 및 방법을 통해 나노섬유을 제조될 수 있다. 일예로, 상기 전기방사 장치는 방사 노즐이 1개인 단일 방사팩을 구비한 전기방사 장치를 사용하거나 양산성을 위하여 단일 방사팩 복수개로 구비하거나 노즐이 복수개인 방사팩을 구비한 전기방사 장치를 사용해도 무방하다. 또한 전기방사 방식에 있어서 건식방사 또는 외부응고조를 구비하는 습식방사를 이용할 수 있고 방식에 따른 제한은 없다.
상기 전기방사장치에 교반시킨 방사용액을 투입시켜 콜렉터, 일예로 종이 상에 전기방사시킬 경우 나노섬유로 형성된 나노섬유웹을 수득할 수 있다. 상기 전기방사를 위한 구체적 조건은 일예로써, 방사팩의 노즐에 구비되는 에어분사노즐은 에어 분사의 에어압은 0.01 ~ 0.2 MPa 범위로 설정될 수 있다. 만약 에어압이 0.01MPa 미만인 경우 포집, 집적에 기여를 하지 못하며, 0.2 MPa를 초과하는 경우 방사노즐의 콘을 굳게 하여 니들을 막는 현상이 발생하여 방사 트러블이 발생할 수 있다. 또한, 상기 방사용액을 방사할 때, 노즐 당 방사용액의 주입속도는 10 ~ 30㎕/min일 수 있다. 또한, 상기 노즐의 팁과 콜렉터까지의 거리는 10 ~ 30㎝일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 목적에 따라 변경하여 실시할 수 있다.
또는, 상술한 제2지지체 상에 나노섬유를 직접 전기방사 시킴으로써 나노섬유웹을 제2지지체상에 직접 형성시킬 수 있다. 상기 제2지지체 상에 축적/수집된 나노섬유는 3차원 네트워크 구조를 가지며, 목적하는 분리막의 수투과도, 여과효율을 발현하기에 적합한 기공율, 공경, 평량 등을 보유하기 위해 열 및/또는 압력이 축적/수집된 나노섬유에 더 가해짐으로써 3차원 네트워크 구조를 가지는 나노섬유웹으로 구현될 수 있다. 상기 열 및/또는 압력을 가하는 구체적인 방법은 공지의 방법을 채택할 수 있으며, 이에 대한 비제한적이 예로써 통상의 캘린더링 공정을 사용할 수 있고 이때 가해지는 열의 온도는 70 ~ 190℃일 수 있다. 또한, 캘린더링 공정을 수행할 경우 이를 몇 차로 나누어 복수 회 실시할 수도 있고, 예를 들어 1차 캘린더링을 통해 나노섬유에 잔존하는 용매와 수분을 일부 또는 전부 제거하기 위한 건조과정을 수행 후 기공조절 및 강도 향상을 위해 2차 캘린더링을 실시할 수 있다. 이때, 각 캘린더링 공정에서 가해지는 열 및/또는 압력의 정도는 동일하거나 상이할 수 있다.
한편, 제2지지체가 저융점 복합섬유로 구현된 것일 경우 상기 캘린더링 공정을 통하여 나노섬유웹과 제2지지체의 열융착을 통한 결속을 동시에 진행시킬 수 있다.
또한, 제2지지체 및 나노섬유웹을 결속시키기 위해 별도의 핫멜트 파우더나 핫멜트 웹을 더 개재시킬 수도 있다. 이때 가해지는 열은 60 ~ 190℃일 수 있으며, 압력은 0.1 ~ 10 kgf/㎠로 가할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 그러나 결속을 위하여 별도 더해지는 핫멜트 파우더와 같은 성분들은 흄(Hum)을 생성시키거나 지지체간, 지지체와 나노섬유간 합지공정에서 용융되어 기공을 폐쇄시키는 경우가 빈번히 발생하여 초도 설계된 필터여재의 유량을 달성할 수 없을 수 있다. 또한, 수처리과정에서 용해될 수 있어서 환경적으로 부정적 문제를 야기시킬 수 있어서 바람직하게는 포함시키지 않고 제2지지체 및 나노섬유웹을 결속시키는 것이 좋다.
(1) 단계를 수행하여 합지되어 일면에 나노섬유웹을 구비하는 제2지지체는 도 6에 도시된 바와 같이 두께가 약 173±7㎛일 수 있고, 이때 도 6의 스케일바의 크기는 10㎛일 수 있다.
다음으로 후술하는 (2) 단계 수행 전, 상기 나노섬유웹에 친수성 코팅층 형성조성물을 처리하여 친수성 코팅층을 형성시키는 단계를 더 수행할 수 있다.
구체적으로 본 단계는 나노섬유웹에 친수성 코팅층 형성조성물을 처리하는 단계; 및 상기 친수성 코팅층 형성조성물을 열처리하여 친수성 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
먼저 친수성 코팅층 형성조성물은 친수성 성분 및 가교성 성분을 포함할 수있고, 일예로 폴리비닐알코올, 카르복시기를 포함하는 가교제 및 이들을 용해시키는 용매, 일예로 물을 포함할 수 있다. 상기 친수성 코팅층 형성조성물은 폴리비닐알코올 100 중량부에 대하여 가교제를 2 ~ 20 중량부, 용매를 1,000 ~ 100,000 중량부로 포함할 수 있다.
한편, 제조된 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유가 불소계 화합물을 포함할 경우 소수성이 강함에 따라서 상술한 친수성 코팅층 형성조성물을 처리하더라도 코팅층이 표면에 제대로 형성되지 못할 수 있다. 이에 따라서 친수성 코팅층 형성조성물이 나노섬유 외부면에 잘 젖도록 하기 위하여 상기 친수성 코팅층 형성조성물은 젖음성 개선제를 더 포함할 수 있다.
상기 젖음성 개선제는 소수성의 나노섬유 외부면의 친수성 용액에 대한 젖음성을 향상시킬 수 있는 동시에 친수성 코팅층 형성조성물에 용해될 수 있는 성분인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 일예로, 상기 젖음성 개선제는 이소프로필알코올, 에틸알코올 및 메틸알코올로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 성분일 수 있다. 또한, 상기 젖음성 개선제는 친수성 코팅층 형성조성물에 구비되는 폴리비닐알코올 100 중량부에 대하여 1,000 ~ 100,000 중량부로 포함될 수 있다. 만일 젖음성 개선제가 1000 중량부 미만으로 구비되는 경우 나노섬유의 젖음성 개선이 미약하여 친수성 코팅층의 형성이 원활하지 않을 수 있고, 친수성 코팅층의 박리가 빈번할 수 있다. 또한, 상기 젖음성 개선재가 100,000 중량부를 초과하여 포함될 경우 젖음성 향상정도가 미미할 수 있고, 친수성 코팅층 형성조성물에 구비되는 폴리비닐알코올 및 가교제의 농도가 낮아져 친수성 코팅층의 형성이 원활하지 못할 수 있다.
한편, 친수성 코팅층 형성조성물에 젖음성 개선제를 구비시키지 않고, 상기 나노섬유웹에 젖음성 개선제를 전처리한 후 친수성 코팅층 형성조성물을 처리하여 친수성 코팅층을 형성시킬 수도 있다. 다만, 젖음성 개선제를 기공에 담지한 상태의 나노섬유웹을 친수성 코팅층 형성조성물에 침지시 기공에 담지된 젖음성 개선제가 나노섬유웹에서 빠져 나오고, 동시에 친수성 코팅층 형성조성물이 상기 기공에 침투하는데 소요되는 시간이 길어 제조시간이 연장될 수 있다. 또한, 친수성 코팅층 형성조성물의 침투정도가 나노섬유웹의 두께 및 기공의 직경에 따라 상이함에 따라서 친수성 코팅층이 섬유웹의 위치별로 불균일하게 형성될 수 있다. 나아가 친수성 코팅층이 불균일하게 형성됨에 따라서 나노섬유웹의 일부분에서는 기공이 친수성 코팅층으로 폐쇄될 수 있고, 이 경우 초도 설계된 나노섬유웹의 기공구조가 변화하게 됨에 따라서 목적하는 유량을 수득할 수 없을 수 있어서 친수성 코팅층 형성조성물에 젖음성 개선제를 구비시키는 것이 나노섬유웹의 기공구조를 변경시키지 않으면서도 제조시간의 단축, 제조공정의 간소화 및 친수성코팅층의 형성성 향상을 동시에 달성시키기에 유리하다.
상술한 친수성 코팅층 형성조성물을 나노섬유웹에 형성시키는 방법은 공지된 코팅방법의 경우 제한 없이 채용할 수 있으며, 일예로, 침지, 스프레잉 방법 등을 사용할 수 있다.
이후 나노섬유웹에 처리된 친수성 코팅층 형성조성물을 열처리 하여 친수성 코팅층을 형성시키는 단계;를 수행할 수 있다. 상기 열처리를 통해 친수성 코팅층 형성조성물 중 용매의 건조 공정이 동시에 이루어질 수 있다. 상기 열처리는 건조기에서 수행될 수 있으며, 이때 가해지는 열은 온도가 80 ~ 160℃일 수 있고, 처리시간은 1 분 ~ 60분일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 합지된 제2지지체 및 나노섬유웹에서 상기 제2지지체가 제1지지체와 맞닿도록 제1지지체의 양면에 각각 상기 합지된 나노섬유웹 및 제2지지체를 배치시켜 합지지시키는 단계를 수행한다.
상기 (2) 단계는 2-1) 제1지지체의 양면에 상술한 (1) 단계에서 합지된 제2지지체 및 나노섬유웹을 적층시키는 단계; 및 2-1) 열 및 압력 중 어느 하나 이상을 가하여 제1지지체 및 제2지지체를 융착시키는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
상기 2-2) 단계에서의 열 및/또는 압력을 가하는 구체적인 방법은 공지의 방법을 채택할 수 있으며, 이에 대한 비제한적이 예로써 통상의 캘린더링 공정을 사용할 수 있고 이때 가해지는 열의 온도는 70 ~ 190℃일 수 있다. 또한, 캘린더링 공정을 수행할 경우 이를 몇 차로 나누어 복수 회 실시할 수도 있고, 예를 들어 1차 캘린더링 후 2차 캘린더링을 실시할 수도 있다. 이때, 각 캘린더링 공정에서 가해지는 열 및/또는 압력의 정도는 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 2-2) 단계를 통하여 제2지지체와 제1지지체간에 열융착을 통한 결속이 일어날 수 있으며 별도의 접착제나 접착층를 생략할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 상술한 제조방법을 통해 제조된 필터여재를 포함하여 구현된 필터유닛을 포함한다.
도 7a와 같이 상기 필터여재(1000)는 평판형 필터유닛(2000)으로 구현될 수 있다. 구체적으로 상기 평판형 필터유닛(2000)은 필터여재(1000) 및 상기 필터여재(1000)의 테두리를 지지하는 지지프레임(1100)을 포함하며, 상기 지지프레임(1100)의 어느 일영역에는 필터여재(1000)의 외부와 내부 간 압력차를 구배시킬 수 있는 흡입구(1110)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 지지프레임(1100)에는 나노섬유웹(101,102)에서 여과된 여과액이 필터여재(1000) 내부의 제2지지체/제1지지체가 적층된 지지체(200)를 거쳐 외부로 유출될 수 있도록 하는 유로가 형성될 수 있다.
구체적으로 도 7a와 같은 필터유닛(2000)은 상기 흡입구(1110)를 통해 높은 압력의 흡입력을 가할 경우 도 7b와 같이 필터여재(1000)의 외부에 배치되는 피여과액(P)이 필터여재(1000)의 내부를 향하게 되고, 나노섬유웹(101,102)을 거쳐 여과된 여과액(Q1)은 제2지지체/제1지지체가 적층된 지지체(200)를 통해 형성된 유로를 따라 흐른 뒤 외부프레임(1100)에 구비된 유로(E)로 유입되고, 유입된 여과액(Q2)은 상기 흡입구(1110)를 통해 외부로 유출될 수 있다.
또한, 도 7a와 같은 평판형 필터유닛(2000)은 복수개가 하나의 외부케이스에 소정의 간격을 두고 이격하여 구비되는 필터모듈을 구현할 수 있고, 이와 같은 필터모듈이 다시 복수개로 적층/블록화 하여 대형 수처리 장치를 구성할 수도 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<준비예: 친수성 코팅층 형성조성물>
친수성 성분으로 폴리비닐알코올(Kuraray사, PVA217) 100 중량부에 대하여 초순수 7142 중량부를 혼합한 후 80℃의 온도로 6시간 동안 마그네틱바를 사용하여 PVA를 용해시켜 혼합용액을 제조했다. 이후 상기 혼합용액을 상온으로 낮춘 후 가교제로써, 폴리아크릴릭에시드코말레익에시드(Aldrich, PAM)를 폴리비닐알코올 100 중량부에 대하여 15 중량부가 되도록 상기 혼합용액에 혼합하고 상온에서 12시간 용해시켰다. 이후 상기 혼합용액에 이소프로필알코올(덕산화학, IPA)을 상기 폴리비닐알코올 100 중량부에 대하여 7142 중량부 첨가 및 2시간 동안 혼합하여 친수성 코팅층 형성 조성물을 제조했다.
<실시예 1>
먼저, 방사용액을 제조하기 위하여 섬유형성성분으로 폴리비닐리덴플루오라이드(Arkema사, Kynar761) 12g을 디메틸아세트아마이드와 아세톤의 중량비를 70:30으로 혼합한 혼합용매 88g에 80℃의 온도로 6시간 동안 마그네틱바를 사용하여 용해시켜 혼합용액을 제조했다. 상기 방사용액을 전기방사장치의 용액탱크에 투입하고, 15㎕/min/hole의 속도로 토출하였다. 이때 방사 구간의 온도는 30℃, 습도는 50%를 유지하고, 콜렉터와 방사노즐팁 간 거리를 20㎝하고, 상기 콜렉터 상부에 제2지지체로 평균두께가 200㎛ 및 평량이 40 g/㎡이며, 융점이 약 120℃인 폴리에틸렌을 초부로 하고, 폴리프로필렌을 심부로 하는 섬유 평균직경이 15㎛인 저융점 복합섬유로 형성된 부직포(㈜남양부직포, CCP40) 를 배치시킨 후 고전압 발생기를 사용하여 방사 노즐 팩(Spin Nozzle Pack)에 40kV 이상의 전압을 부여함과 동시에 방사 팩 노즐 당 0.03MPa의 에어압력을 부여하여 제2지지체의 일면에 섬유 평균직경 0.5㎛인 PVDF 나노섬유로 형성된 나노섬유웹이 구비된 적층체를 제조하였다. 다음으로 상기 적층체의 나노섬유웹에 잔존하는 용매, 수분을 건조시키고, 제2지지체와 나노섬유웹을 열융착시키기 위해 140℃ 이상의 온도 및 1kgf/㎠로 열과 압력을 가해 캘린더링 공정을 실시하였다. 제조된 적층체는 도 6과 같은 형상으로 제2지지체와 나노섬유웹은 열융착 되어 결속되었고, 나노섬유웹은 도 5a 및 5b와 같은 형상으로 3차원 네트워크 구조를 가졌다. 이때, 나노섬유웹의 평균두께는 20㎛, 평량은 10g/㎡이었다.
이후 상기 준비예에서 준비된 친수성 코팅층 형성조성물에 상기 제조된 적층체를 침지시킨 후 건조기에서 110℃ 의 온도로 5분간 건조시켜 친수성 코팅층을 나노섬유웹의 나노섬유 표면에 구비시켰다.
이후, 제조된 적층체에서 제2지지체가 대면되도록 제1지지체의 양면에 적층체를 배치시켰다. 이때 상기 제1지지체는 평균두께가 5 mm 및 평량이 500 g/㎡이며, 융점이 약 120℃인 폴리에틸렌을 초부로 하고, 폴리프로필렌을 심부로 하는 섬유 평균직경 35㎛인 저융점 복합섬유로 형성된 부직포(남양부직포, NP450)를 사용하였다. 이후 140℃ 이상의 온도로 열및 1kgf/㎠의 압력을 가해 필터여재를 제조하였다.
<실시예 2 ~ 25 및 비교예 1 ~ 6>
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표 1 내지 표 5와 같이 제1지지체, 제2지지체, 나노섬유웹 각각의 평량, 두께, 섬유 평균직경 및 조건 (1) ~ (3)의 만족여부 등을 변경하여 표 1 내지 표 5와 같은 필터여재를 제조하였다.
<실험예>
실시예 및 비교예에 따라 제조한 각각의 필터여재에 대하여 하기의 물성을 평가하여 표 1 내지 표 5에 나타내었다.
1. 상대적 수투과도 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 필터여재로 구현한 필터유닛에 대하여, 운전압력을 50kPa로 가하여 시편 면적 0.5㎡ 당 수투과도를 측정한 후, 실시예 1의 필터여재의 수투과도를 100으로 기준하여 나머지 실시예 및 비교예에 따른 필터여재의 수투과도를 측정하였다.
2. 여과효율 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 필터여재로 구현한 필터유닛에 대하여, 시험용 분진(ISO Test dust A2 fine grades)를 순수에 분산시켜 100 NTU의 탁도를 갖는 혼탁액을 제조하여 여과 전 후의 탁도 측정을 통한 여과효율을 측정하였다.
3. 역세척 내구성 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 필터여재로 구현한 필터유닛에 대하여, 물에 침지 후 운전압력을 50kPa로 가하여 시편 면적 0.5㎡ 당 2분 동안 400LMH의 물을 가압하는 조건으로 역세척을 수행한 후, 어떠한 이상도 발생하지 않는 경우 - ○, 은 항균층의 박리, 층간 박리 등의 어떠한 문제라도 발생하는 경우 - ×로 하여 역세척 내구성을 평가하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
제1지지체 평량(g/㎡) 500 700 600 350 290 500
제2지지체 평량(g/㎡) 40 25 35 200 190 190
나노섬유웹 평량(g/㎡) 10 3 5 15 25 3
조건(1) (b1+c1)/a1 0.1 0.04 0.067 0.59 0.74 0.39
c1/b1 0.25 0.12 0.14 0.079 0.13 0.016
제1지지체 두께(㎜) 5 5 5 5 5 5
제2지지체 두께(㎜) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
나노섬유웹 두께(㎜) 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
조건(2) (b2+c2)/a2 0.044 0.044 0.044 0.044 0.044 0.044
c2/b2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
제1지지체 섬유평균직경(㎛) 35 35 35 35 35 35
제2지지체 섬유평균직경(㎛) 15 15 15 15 15 15
나노섬유웹 섬유평균직경(㎛) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
조건(3) (b3+c3)/a3 0.44 0.44 0.44 0.44 0.44 0.44
c3/b3 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033
상대적 수투과도(%) 100 98 97 92 83 97
여과효율(%) 97 78 93 96 97 79
역세척내구성 ○ × ○ ○ × ×
구분 실시예7 실시예8 실시예9 실시예10 실시예11 실시예12
제1지지체 평량(g/㎡) 500 500 500 500 500 500
제2지지체 평량(g/㎡) 180 35 30 40 40 40
나노섬유웹 평량(g/㎡) 5 15 15 10 10 10
조건(1) (b1+c1)/a1 0.37 0.1 0.09 0.1 0.1 0.1
c1/b1 0.028 0.43 0.5 0.25 0.25 0.25
제1지지체 두께(㎜) 5 5 5 5 5 3
제2지지체 두께(㎜) 0.2 0.2 0.2 0.08 0.15 0.38
나노섬유웹 두께(㎜) 0.02 0.02 0.02 0.001 0.003 0.035
조건(2) (b2+c2)/a2 0.044 0.044 0.044 0.0162 0.0306 0.1383
c2/b2 0.1 0.1 0.1 0.0125 0.02 0.092
제1지지체 섬유평균직경(㎛) 35 35 35 35 35 35
제2지지체 섬유평균직경(㎛) 15 15 15 15 15 15
나노섬유웹 섬유평균직경(㎛) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
조건(3) (b3+c3)/a3 0.44 0.44 0.44 0.44 0.44 0.44
c3/b3 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033
상대적 수투과도(%) 98 91 91 105 101 90
여과효율(%) 92 97 95 74 94 97
역세척내구성 ○ ○ × × ○ ○
구분 실시예13 실시예14 실시예15 실시예16 실시예17 실시예18
제1지지체 평량(g/㎡) 500 500 500 500 500 500
제2지지체 평량(g/㎡) 40 40 40 40 40 40
나노섬유웹 평량(g/㎡) 10 10 10 10 10 10
조건(1) (b1+c1)/a1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
c1/b1 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
제1지지체 두께(㎜) 1.5 5 5 5 5 5
제2지지체 두께(㎜) 0.4 0.5 0.38 0.15 0.08 0.2
나노섬유웹 두께(㎜) 0.05 0.001 0.002 0.08 0.11 0.02
조건(2) (b2+c2)/a2 0.3 0.1002 0.0764 0.046 0.038 0.044
c2/b2 0.125 0.002 0.0053 0.53 1.38 0.1
제1지지체 섬유평균직경(㎛) 35 35 35 35 35 55
제2지지체 섬유평균직경(㎛) 15 15 15 15 15 8
나노섬유웹 섬유평균직경(㎛) 0.5 0.5 0.3 0.8 0.5 0.1
조건(3) (b3+c3)/a3 0.44 0.44 0.437 0.53 0.44 0.15
c3/b3 0.033 0.033 0.02 0.033 0.033 0.013
상대적 수투과도(%) 74 105 100 85 54 99
여과효율(%) 98 76 95 93 99 82
역세척내구성 × × ○ ○ × ×
구분 실시예19 실시예20 실시예21 실시예22 실시예23 실시예24 실시예25
제1지지체 평량(g/㎡) 500 500 500 500 500 500 500
제2지지체 평량(g/㎡) 40 40 40 40 40 40 40
나노섬유웹 평량(g/㎡) 10 10 10 10 10 10 10
조건(1) (b1+c1)/a1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
c1/b1 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
제1지지체 두께(㎜) 5 5 5 5 5 5 5
제2지지체 두께(㎜) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
나노섬유웹 두께(㎜) 0.02 0.04 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
조건(2) (b2+c2)/a2 0.044 0.048 0.044 0.044 0.044 0.044 0.044
c2/b2 0.1 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
제1지지체 섬유평균직경(㎛) 45 20 20 35 35 35 20
제2지지체 섬유평균직경(㎛) 10 25 35 35 25 10 4
나노섬유웹 섬유평균직경(㎛) 0.1 0.7 0.9 0.1 0.1 0.8 0.5
조건(3) (b3+c3)/a3 0.22 1.29 1.8 1 0.72 0.31 0.23
c3/b3 0.01 0.028 0.026 0.0029 0.004 0.08 0.13
상대적 수투과도(%) 96 85 71 94 95 99 64
여과효율(%) 85 85 79 83 85 85 87
역세척내구성 ○ ○ × × ○ ○ ×
구분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5 비교예6
제1지지체 평량(g/㎡) 200 500 500 500 500 500
제2지지체 평량(g/㎡) 250 8 40 40 40 40
나노섬유웹 평량(g/㎡) 25 24 10 10 10 10
조건(1) (b1+c1)/a1 1.38 0.064 0.1 0.1 0.1 0.1
c1/b1 0.1 3 0.25 0.25 0.25 0.25
제1지지체 두께(㎜) 5 5 1.5 5 5 5
제2지지체 두께(㎜) 0.2 0.2 0.5 0.08 0.2 0.2
나노섬유웹 두께(㎜) 0.02 0.02 0.3 0.25 0.02 0.02
조건(2) (b2+c2)/a2 0.044 0.044 0.53 0.066 0.044 0.044
c2/b2 0.1 0.1 0.6 3.125 0.1 0.1
제1지지체 섬유평균직경(㎛) 35 35 35 35 4 35
제2지지체 섬유평균직경(㎛) 15 15 15 15 35 4
나노섬유웹 섬유평균직경(㎛) 0.5 0.5 0.5 0.5 1.2 1.2
조건(3) (b3+c3)/a3 0.44 0.44 0.44 0.44 9.05 0.15
c3/b3 0.033 0.033 0.033 0.033 0.034 0.3
상대적 수투과도(%) 84 83 96 90 82 78
여과효율(%) 87 82 89 76 80 86
역세척내구성 × × × × × ×
상기 표 1 내지 표 5에서 알 수 있듯이,본 발명에 따른 제1지지체, 제2지지체, 나노섬유웹 각각의 평량, 두께, 섬유 평균직경 및 조건 (1) ~ (3)의 만족여부 등을 모두 만족하는 실시예 1, 3, 4, 7, 8, 11, 12, 15, 16, 19, 20, 23 및 24가, 이 중에서 하나라도 누락된 실시예 2, 5, 6, 9, 10, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 25 및 비교예 1 ~ 6에 비하여 수투과도, 여과효율 및 역세척 내구성이 모두 동시에 현저히 우수한 것을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 다공성의 제1지지체 상부 및 하부 각각에 순서대로 적층된 다공성의 제2지지체, 및 나노섬유웹을 구비하고, 상기 나노섬유웹에서 여과된 여과액이 상기 제1지지체 방향으로 흐르는 유로가 형성된 필터여재로서,
    상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은 하기 조건 (1) 및 조건 (2) 중에서 선택된 하나 이상의 조건을 만족하는 필터여재:
    (1)
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000027
    ,
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000028
    (2)
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000029
    ,
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000030
    이때, 상기 a1, b1 및 c1는 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 평량(g/㎡)이고, 상기 a2, b2 및 c2는 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 두께(㎜)이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은 하기 조건 (1) 및 조건 (2) 중에서 선택된 하나 이상의 조건을 만족하는 필터여재:
    (1)
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000031
    ,
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000032
    (2)
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000033
    ,
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000034
    임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체의 평량은 250 ~ 800g/㎡이고,
    상기 제2지지체의 평량은 10 ~ 200 g/㎡이며,
    상기 나노섬유웹의 평량은 0.05 ~ 20 g/㎡인 필터여재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체의 두께는 2 ~ 8㎜이고,
    상기 제2지지체의 두께는 100 ~ 400㎛이며,
    상기 나노섬유웹의 두께는 0.5 ~ 200㎛인 필터여재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체 및 제2지지체는 부직포이고,
    상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은 하기 조건 (3)을 만족하는 필터여재:
    (3)
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000035
    ,
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000036
    이때, 상기 a3, b3 및 c3은 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 섬유 평균직경(㎛)이다.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1지지체의 섬유 평균직경은 5 ~ 50㎛이고
    상기 제2지지체의 섬유 평균직경은 5 ~ 30㎛이며,
    상기 나노섬유웹의 섬유 평균직경은 0.05 ~ 1㎛인 필터여재.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2지지체는,
    지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 제2복합섬유를 구비하고, 상기 제2복합섬유의 저융점 성분이 나노섬유웹에 융착된 필터여재.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1지지체는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 제1복합섬유를 구비하고, 상기 제1복합섬유의 저융점 성분 및 제2복합섬유의 저융점 성분 간 융착으로 제1지지체 및 제2지지체가 접합된 필터여재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유웹은 섬유형성성분으로 불소계화합물을 포함하며,
    상기 불소계화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(EPE)계, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)계, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)계, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE)계 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물을 포함하는 필터여재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유웹은 평균공경이 0.1 ~ 3 ㎛이고, 기공도가 60 ~ 90 %인 필터여재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 필터여재는 한외여과막인 필터여재.
  12. (1) 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지하는 단계; 및
    (2) 상기 제2지지체가 제1지지체와 맞닿도록 제1지지체의 양면에 각각 상기 합지된 나노섬유웹 및 제2지지체를 배치시켜 합지시키는 단계;를 포함하며,
    상기 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹은, 하기 조건 (1) 및 조건 (2) 중에서 선택된 하나 이상의 조건을 만족하는 필터여재 제조방법:
    (1)
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000037
    ,
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000038
    (2)
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000039
    ,
    Figure PCTKR2018006578-appb-I000040
    이때, 상기 a1, b1 및 c1는 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 평량(g/㎡)이고, 상기 a2, b2 및 c2는 각각 제1지지체, 제2지지체 및 나노섬유웹의 두께(㎜)이다.
  13. 제12항에 있어서, 상기 (1) 단계는
    1-1) 제2지지체 상부에 나노섬유를 전기방사하여 나노섬유웹을 형성시키는 단계; 및
    1-2) 나노섬유웹이 형성된 제2지지체의 양방에서 열 및 압력을 가하여 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지시키는 단계;를 포함하여 수행되는 필터여재 제조방법.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 필터여재; 및
    필터여재에서 여과된 여과액이 외부로 유출되도록 하는 유로를 구비하고, 상기 필터여재의 테두리를 지지하는 지지프레임;을 포함하는 평판형 필터유닛.
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