KR102595067B1 - Membrane distillation membrane with excellent long-term stability and Manufacturing method thereof - Google Patents
Membrane distillation membrane with excellent long-term stability and Manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- KR102595067B1 KR102595067B1 KR1020210105859A KR20210105859A KR102595067B1 KR 102595067 B1 KR102595067 B1 KR 102595067B1 KR 1020210105859 A KR1020210105859 A KR 1020210105859A KR 20210105859 A KR20210105859 A KR 20210105859A KR 102595067 B1 KR102595067 B1 KR 102595067B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- membrane
- separator
- porous
- copolymer
- membrane contactor
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 208
- 238000004821 distillation Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 36
- 230000007774 longterm Effects 0.000 title abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 115
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 91
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims abstract description 80
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 48
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 41
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 36
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 43
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 39
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 claims description 37
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 22
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 claims description 18
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 13
- 239000012466 permeate Substances 0.000 claims description 11
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 claims description 9
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 5
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 claims description 5
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 5
- 125000002023 trifluoromethyl group Chemical group FC(F)(F)* 0.000 claims description 5
- 239000013535 sea water Substances 0.000 abstract description 8
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 abstract description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 68
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 14
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 12
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 10
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-Difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 9
- 125000001188 haloalkyl group Chemical group 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229920006370 Kynar Polymers 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 6
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 6
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 6
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 5
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 5
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000003995 emulsifying agent Substances 0.000 description 4
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 229920006373 Solef Polymers 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000007720 emulsion polymerization reaction Methods 0.000 description 3
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 125000005010 perfluoroalkyl group Chemical group 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 description 2
- 239000008235 industrial water Substances 0.000 description 2
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LCPVQAHEFVXVKT-UHFFFAOYSA-N 2-(2,4-difluorophenoxy)pyridin-3-amine Chemical compound NC1=CC=CN=C1OC1=CC=C(F)C=C1F LCPVQAHEFVXVKT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 NaCl (saturated sodium chloride Chemical class 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 1
- YOALFLHFSFEMLP-UHFFFAOYSA-N azane;2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-pentadecafluorooctanoic acid Chemical compound [NH4+].[O-]C(=O)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)F YOALFLHFSFEMLP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 238000012662 bulk polymerization Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000445 field-emission scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000010528 free radical solution polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N hexafluoropropylene Chemical group FC(F)=C(F)C(F)(F)F HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007602 hot air drying Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 229920001600 hydrophobic polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 238000000643 oven drying Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 229920005569 poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- CHQMHPLRPQMAMX-UHFFFAOYSA-L sodium persulfate Substances [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O CHQMHPLRPQMAMX-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 description 1
- 238000010557 suspension polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
- 238000005292 vacuum distillation Methods 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/06—Organic material
- B01D71/30—Polyalkenyl halides
- B01D71/32—Polyalkenyl halides containing fluorine atoms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/36—Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
- B01D61/364—Membrane distillation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
- B01D67/0002—Organic membrane manufacture
- B01D67/0023—Organic membrane manufacture by inducing porosity into non porous precursor membranes
- B01D67/0025—Organic membrane manufacture by inducing porosity into non porous precursor membranes by mechanical treatment, e.g. pore-stretching
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
- B01D67/0081—After-treatment of organic or inorganic membranes
- B01D67/0083—Thermal after-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
- C02F1/447—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by membrane distillation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
- B01D2325/02—Details relating to pores or porosity of the membranes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
- B01D2325/02—Details relating to pores or porosity of the membranes
- B01D2325/0283—Pore size
- B01D2325/02834—Pore size more than 0.1 and up to 1 µm
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
- B01D2325/20—Specific permeability or cut-off range
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/124—Water desalination
- Y02A20/131—Reverse-osmosis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
본 발명의 막접촉기 공정용 다공성 분리막은 불소계 반복단위를 특정 비율로 포함하는 공중합체를 사용함으로써, 분리막의 소수성을 향상시켜 장기안정성이 우수한 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제조하였다. 구체적으로 상기 막접촉기 공정용 다공성 분리막은 투과유속 및 염배제율이 우수하고, 상기 두 가지 성능이 장시간 유지되어 장기안정성이 매우 우수하다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 다공성 분리막을 해수담수화를 위한 막증류 공정에 적용할 경우, 분리막의 효능이 장기적으로 유지되어 불필요한 교체가 필요하지 않고 종래보다 공정의 효율이 더욱 높아져 좋다. 또한, 상기 분리막은 막증류 공정뿐만이 아니라 높은 소수성을 요구하는 다양한 분야의 분리막에 적용될 수 있다.The porous separator for the membrane contactor process of the present invention was manufactured by using a copolymer containing fluorine-based repeating units in a specific ratio, thereby improving the hydrophobicity of the separator and having excellent long-term stability. Specifically, the porous separation membrane for the membrane contactor process has the advantage of excellent permeation flux and salt rejection rate, and excellent long-term stability as the above two performances are maintained for a long time.
When the porous separation membrane according to the present invention is applied to a membrane distillation process for seawater desalination, the effectiveness of the separation membrane is maintained for a long period of time, eliminating the need for unnecessary replacement, and improving the efficiency of the process more than before. Additionally, the membrane can be applied not only to the membrane distillation process but also to membranes in various fields that require high hydrophobicity.
Description
본 발명은 장기안정성이 우수한 막접촉기 공정용 다공성 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 소수성을 향상시킨 공중합체를 제조하고 이를 포함하는 고분자 섬유를 3차원적으로 축적한 다공성 막접촉기 공정용 다공성 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous separation membrane for a membrane contactor process with excellent long-term stability and a method of manufacturing the same. Specifically, the present invention relates to a porous separator for a porous membrane contactor process in which a copolymer with improved hydrophobicity is manufactured and polymer fibers containing the same are accumulated three-dimensionally, and a method for manufacturing the same.
해수담수화란 생활용수나 공업용수로 직접 사용하기 힘든 바닷물로부터 염분을 포함한 용해물질을 제거하여 순도 높은 식수, 생활용수 및 공업용수 등의 담수로 정제하는 일종의 수처리 과정을 의미한다. 상기 해수담수화 방법에는 증발법 (Distillation), 역삼투법 (Reverse Osmosis), 전기 투석법(Electro-dialysis), 냉열에너지를 이용한 냉동법(Freezing Process) 및 소수성막을 이용한 막증류법 (membrane distillation) 등이 있다.Seawater desalination refers to a type of water treatment process that removes dissolved substances, including salt, from seawater that is difficult to use directly as domestic or industrial water and purifies it into fresh water for high purity drinking water, domestic water, and industrial water. The seawater desalination method includes distillation, reverse osmosis, electro-dialysis, freezing process using cold energy, and membrane distillation using a hydrophobic membrane.
이중 막증류법은 작동방식이 간단하고 고순도의 담수를 얻을 수 있다는 장점이 있어 광범위하게 사용된다. 구체적으로 막증류법은 용매나 용질의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 분리막의 기공을 통과하지 못하고 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산 및 투과되고, 최종적으로 분리막의 반대편에서 담수가 응축 및 분리되는 원리이다.The double membrane distillation method is widely used because it has the advantage of simple operation and the ability to obtain high purity fresh water. Specifically, in the membrane distillation method, the surface tension of the solvent or solute is greater than the surface of the membrane, so it cannot pass through the pores of the membrane in a liquid state and is repelled from the surface of the membrane, and the substance to be separated is phase transformed into a vapor phase at the pore entrance of the surface of the membrane. This is the principle in which fresh water diffuses and permeates into the pores, and ultimately condenses and separates on the other side of the membrane.
상기 막증류법을 이용한 해수담수화 공정의 효율을 더욱 좋게 하기 위해서는, 상기 분리막 기공이 건조한 상태를 유지해야 한다. 구체적으로 분리막 성능인 투과유속 및 염배제율이 우수함과 동시에 분리막의 기공이 건조한 상태를 오랫동안 유지할 수 있는 다공성의 소수성 분리막을 사용하는 것이 바람직하며, 일예로 PTFE, PP, PVDF 및 PVDF-HFP 등을 사용한다. 선행문헌 Journal of Membrane Science 428 (2013) pp. 104-115는 PVDF-HFP 공중합체를 사용하여 막접촉기 공정용 다공성 분리막이 개시되어 있지만 상기 제조된 분리막으로 막증류 공정을 진행하는 과정에서 시간이 지남에 따라 분리막이 젖어버리는 문제점이 있다.In order to further improve the efficiency of the seawater desalination process using the membrane distillation method, the membrane pores must be maintained in a dry state. Specifically, it is desirable to use a porous hydrophobic membrane that has excellent permeation flux and salt rejection, which are membrane performance, and can maintain the pores of the membrane dry for a long time. Examples include PTFE, PP, PVDF, and PVDF-HFP. use. Previous literature Journal of Membrane Science 428 (2013) pp. 104-115 discloses a porous separator for a membrane contactor process using a PVDF-HFP copolymer, but there is a problem in that the separator becomes wet over time during the membrane distillation process with the prepared separator.
따라서, 투과유속 및 염배제율 등과 같은 분리막 성능이 우수하고, 동시에 건조한 상태가 오랫동안 유지되어 장기안정성이 우수한 막접촉기 공정용 다공성 분리막에 대한 연구개발이 절실히 필요하다.Therefore, there is an urgent need for research and development on porous membranes for the membrane contactor process that have excellent separation membrane performance such as permeation flux and salt rejection rate, and at the same time have excellent long-term stability by maintaining a dry state for a long time.
본 발명은 장기안정성이 우수한 막접촉기 공정용 다공성 분리막 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a porous separation membrane for a membrane contactor process with excellent long-term stability and a method for manufacturing the same.
또한, 본 발명은 투과유속 및 염배제율이 높으며, 동시에 장기안정성이 우수한 막접촉기 공정용 다공성 분리막 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the purpose of the present invention is to provide a porous separation membrane for a membrane contactor process with high permeation flux and salt rejection rate, and at the same time excellent long-term stability, and a method for manufacturing the same.
구체적으로 본 발명은 불소계 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 막접촉기 공정용 다공성 분리막 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Specifically, the purpose of the present invention is to provide a porous separator for a membrane contactor process in which fluorine-based polymer fibers are accumulated three-dimensionally and have multiple pores, and a method for manufacturing the same.
본 발명은 비교적 간단한 공정으로 섬유 직경과 기공의 크기를 조절하여 우수한 접촉각, 액체 투과 압력을 갖는 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a method of manufacturing a porous separation membrane for a membrane contactor process with excellent contact angle and liquid permeation pressure by controlling the fiber diameter and pore size in a relatively simple process.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 장기안정성이 우수한 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 개발하기 위해서 끊임없는 연구를 거듭한 끝에, 특정 불소계 반복단위를 특정 비율로 갖는 공중합체를 포함하는 고분자 섬유로 제조한 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 경우, 소수성이 매우 향상되며, 분리막 성능인 투과유속 및 염배제율이 매우 우수하며, 상기 분리막 성능이 15시간 이상 유지된다는 놀라운 점을 발견하여 본 발명을 완성하였다.In order to achieve the above object, the present inventors conducted continuous research to develop a porous separation membrane for the membrane contactor process with excellent long-term stability, and developed a polymer fiber containing a copolymer with a specific fluorine-based repeating unit in a specific ratio. In the case of a porous separator for a membrane contactor process, the hydrophobicity is greatly improved, the permeation flux and salt rejection rate, which are membrane performances, are excellent, and the surprising fact that the membrane performance is maintained for more than 15 hours was completed to complete the present invention.
본 발명은 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 막접촉기 공정용 다공성 분리막으로서, 상기 고분자 섬유는 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제공한다.The present invention is a porous separator for a membrane contactor process in which polymer fibers are accumulated three-dimensionally and has a plurality of pores, wherein the polymer fibers include a copolymer represented by the following formula (1). provides.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,
R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐 또는 C1-7할로알킬기이고,R 1 and R 2 are independently halogen or C 1-7 haloalkyl group,
x 및 y는 상기 공중합체 내 각 반복단위의 몰%로서,x and y are the mole percent of each repeating unit in the copolymer,
x 및 y는 서로 독립적으로 1 이상의 실수를 나타내고, x and y independently represent a real number of 1 or more,
y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 5 내지 12 몰%이다.)y is 5 to 12 mol% based on the total repeating units in the copolymer.)
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 1의 할로알킬기는 퍼플루오로알킬기일 수 있다.Preferably, the haloalkyl group of Formula 1 according to an embodiment of the present invention may be a perfluoroalkyl group.
더욱 바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 1의 R1은 플루오로(F)이고, R2는 퍼플루오로메틸기(-CF3)일 수 있다.More preferably, in Formula 1 according to an embodiment of the present invention, R 1 may be fluoro (F), and R 2 may be a perfluoromethyl group (-CF 3 ).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 1의 y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 7 내지 9 몰%인 것일 수 있다.In addition, y in Formula 1 according to an embodiment of the present invention may be 7 to 9 mol% based on the total repeating units in the copolymer.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체는 중량평균분자량(Mw)이 350,000 내지 700,000 g/mol일 수 있다.The copolymer according to an embodiment of the present invention may have a weight average molecular weight (Mw) of 350,000 to 700,000 g/mol.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체는 유리전이온도(Tg)가 -35 내지 -25℃일 수 있다.The copolymer according to an embodiment of the present invention may have a glass transition temperature (Tg) of -35 to -25°C.
본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 섬유는 평균 직경이 0.5 내지 0.8㎛일 수 있다.The polymer fiber according to an embodiment of the present invention may have an average diameter of 0.5 to 0.8 ㎛.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 상기 공중합체를 전기방사하여 제조된 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 구조체일 수 있다. The separator according to an embodiment of the present invention may be a structure having multiple pores by three-dimensionally accumulating polymer fibers manufactured by electrospinning the copolymer.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 접촉각(Contact angle)이 135°이상일 수 있다.The separator according to an embodiment of the present invention may have a contact angle of 135° or more.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 액체 투과 압력(LEP, Liquid Entry Pressure)이 150 kPa이상일 수 있다.The separator according to an embodiment of the present invention may have a liquid entry pressure (LEP) of 150 kPa or more.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 46 Torr의 압력, 70℃의 온도 및 농도가 50 g/L인 염화나트륨 수용액이 0.9L/min의 유속으로 흐르는 조건에서 측정된 투과유속 및 염배제율은 하기 식 1 및 식 2를 동시에 만족할 수 있다.The separation membrane according to an embodiment of the present invention has the permeate flux and salt rejection rate measured under the conditions of a pressure of 46 Torr, a temperature of 70°C, and an aqueous sodium chloride solution with a concentration of 50 g/L flowing at a flow rate of 0.9 L/min. Equation 1 and Equation 2 can be satisfied simultaneously.
[식 1][Equation 1]
Jwx/Jwi ≥ 0.7Jw x /Jw i ≥ 0.7
(상기 식 1에서,(In Equation 1 above,
Jwx는 상기 조건에서 x시간 후에 1분간 측정된 투과유속 (Flux)이고, Jwi는 초기 1분간 측정된 분리막의 투과유속이다.)Jw x is the permeation flux (Flux) measured for 1 minute after
[식 2][Equation 2]
Rx/Ri ≥ 0.9R x /R i ≥ 0.9
(상기 식 2에서,(In Equation 2 above,
Rx는 상기 조건에서x시간 후에 1분간 측정된 염배제율 (Rejection)이고, Ri는 초기 1분간 측정된 분리막의 염배제율이다.)R x is the salt rejection measured for 1 minute after x hours under the above conditions, and R i is the salt rejection of the separation membrane measured for the initial 1 minute.
(상기 식 1 및 식 2에서 x는 15이상의 실수이다.)(In Equation 1 and Equation 2 above, x is a real number of 15 or more.)
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 표면조도(Roughness)가 하기 식 3을 만족할 수 있다.The surface roughness of the separator according to an embodiment of the present invention may satisfy Equation 3 below.
[식 3] [Equation 3]
Ray/Ra0 ≥ 1.3 Ray /Ra 0 ≥ 1.3
(상기 식 3에서,(In Equation 3 above,
Ray 및 Ra0은 상기 화학식 1의 y가 각각 y몰% 및 0몰%인 공중합체를 포함하는 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 표면조도이다.)Ra y and Ra 0 are the surface roughness of a porous separator for a membrane contactor process in which polymer fibers containing a copolymer in which y of Formula 1 is y mol% and 0 mol%, respectively, are accumulated three-dimensionally and have multiple pores. .)
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막은 진공식 막증류(VMD) 공정에 적용될 수 있다.A porous separation membrane for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention can be applied to a vacuum membrane distillation (VMD) process.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 포함하는 분리막 모듈을 제공할 수 있다.A separation membrane module including a porous separation membrane for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention can be provided.
본 발명은 (a) 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 포함하는 도프 용액(dope solution)을 제조하는 단계;The present invention includes the steps of (a) preparing a dope solution containing a copolymer represented by the following formula (1);
(b) 상기 도프 용액을 전기방사한 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 분리막을 제조하는 단계;(b) manufacturing a separator having a plurality of pores by accumulating polymer fibers electrospun from the dope solution in three dimensions;
(c) 열처리 단계;를 포함하는 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법을 제공할 수 있다.(c) a heat treatment step; a method for manufacturing a porous separation membrane for a membrane contactor process can be provided.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,
R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐 또는 C1-7할로알킬기이고,R 1 and R 2 are independently halogen or C 1-7 haloalkyl group,
x 및 y는 상기 공중합체 내 각 반복단위의 몰%로서,x and y are the mole percent of each repeating unit in the copolymer,
x 및 y는 서로 독립적으로 1 이상의 정수를 나타내고, x and y independently represent an integer of 1 or more,
y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 5 내지 12 몰%이다.)y is 5 to 12 mol% based on the total repeating units in the copolymer.)
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법에서 상기 화학식 1의 R1은 플루오로(F)이고, R2는 퍼플루오로메틸기(-CF3)일 수 있다.Preferably, in the method for manufacturing a porous separation membrane for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention, R 1 in Formula 1 may be fluoro (F), and R 2 may be a perfluoromethyl group (-CF 3 ).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법에서 상기 화학식 1의 y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 7 내지 9 몰%일 수 있다.Additionally, in the method for manufacturing a porous separator for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention, y in Formula 1 may be 7 to 9 mol% based on the total repeating units in the copolymer.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법에서 상기 도프 용액은 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체가 20 내지 30 wt%로 포함된 것일 수 있다.In the method for manufacturing a porous separator for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention, the dope solution may contain 20 to 30 wt% of the copolymer represented by Chemical Formula 1.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법의 (b) 상기 도프 용액을 전기방사한 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 분리막을 제조하는 단계에서 상기 도프 용액의 토출 속도(Flow rate)가 0.05 내지 1.0 ml/hr일 수 있다.In the step (b) of manufacturing a porous separator for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention, polymer fibers obtained by electrospinning the dope solution are accumulated in three dimensions to produce a separator having a plurality of pores. The flow rate of the solution may be 0.05 to 1.0 ml/hr.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법의 (c) 열처리 단계에서 열처리 온도는 80 내지 120℃일 수 있다.In the heat treatment step (c) of the method for manufacturing a porous separator for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention, the heat treatment temperature may be 80 to 120°C.
본 발명은 불소계 반복단위를 특정 비율로 포함하는 공중합체를 사용하여 분리막의 소수성을 매우 향상시킴으로써, 장기안정성이 우수한 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제공한다. 구체적으로 상기 막접촉기 공정용 다공성 분리막은 투과유속 및 염배제율과 같은 분리막 성능이 우수하고, 상기 두 가지 성능이 15시간 이상 유지되어 장기안정성이 매우 우수하다는 장점이 있다. The present invention provides a porous separator for a membrane contactor process with excellent long-term stability by greatly improving the hydrophobicity of the separator using a copolymer containing fluorine-based repeating units in a specific ratio. Specifically, the porous separation membrane for the membrane contactor process has excellent separation membrane performance such as permeate flux and salt rejection rate, and has the advantage of excellent long-term stability as the above two performances are maintained for more than 15 hours.
본 발명에 따른 다공성 분리막을 해수담수화를 위한 막증류 공정에 적용할 경우, 분리막의 효능이 장기적으로 유지되어 불필요한 교체가 필요하지 않고 종래보다 공정의 효율이 더욱 높아져 좋다. 또한, 상기 분리막은 막증류 공정뿐만이 아니라 높은 소수성 및 상기와 같은 분리막 성능을 요구하는 다양한 분야의 분리막에 적용될 수 있다.When the porous separation membrane according to the present invention is applied to a membrane distillation process for seawater desalination, the effectiveness of the separation membrane is maintained for a long period of time, eliminating the need for unnecessary replacement, and improving the efficiency of the process more than before. In addition, the membrane can be applied not only to the membrane distillation process but also to membranes in various fields that require high hydrophobicity and membrane performance as described above.
도 1은 본 발명의 다공성 분리막의 성능 테스트를 위한 진공식 막증류(Vacuum Membrane Distillation, VMD) 공정 설비의 대략적인 공정도이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1 내지 6에 따른 다공성 분리막의 표면을 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 분석한 이미지이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1 내지 5에 따른 다공성 분리막의 막증류 공정 후의 분리막 단면을 SEM-EDX(Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive X-ray Analysis)로 분석한 이미지이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1 내지 6의 다공성 분리막의 접촉각과 LEP(액체 투과 압력)의 결과값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1 내지 5의 다공성 분리막의 표면을 주사탐침현미경 (AFM, Atomic Force Microscopy)으로 분석한 이미지이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1 내지 5의 다공성 분리막의 표면을 주사탐침현미경 (AFM)으로 분석하여 측정한 표면조도(Ra)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1 내지 5의 다공성 분리막을 진공식 막증류(VMD) 공정에 적용하여 측정된 투과유속 결과값을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1 내지 5의 다공성 분리막을 진공식 막증류(VMD) 공정에 적용하여 측정된 염배제율 결과값을 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 3 및 비교예 7 내지 12의 다공성 분리막의 기공크기, LEP 및 접촉각을 측정한 결과값을 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a schematic process diagram of a vacuum membrane distillation (VMD) process equipment for testing the performance of the porous membrane of the present invention.
Figure 2 is an image of the surface of the porous separator according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 6 analyzed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM).
Figure 3 is an image of the cross-section of the porous membranes according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 after the membrane distillation process analyzed by SEM-EDX (Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive X-ray Analysis).
Figure 4 is a graph showing the contact angle and LEP (liquid permeation pressure) results of the porous separators of Example 1 and Comparative Examples 1 to 6.
Figure 5 is an image of the surface of the porous separator of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 analyzed by scanning probe microscopy (AFM, Atomic Force Microscopy).
Figure 6 is a graph showing the surface roughness (Ra) measured by analyzing the surface of the porous membrane of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 using a scanning probe microscope (AFM).
Figure 7 is a graph showing the permeation flux results measured by applying the porous membranes of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 to a vacuum membrane distillation (VMD) process.
Figure 8 is a graph showing salt rejection results measured by applying the porous membranes of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 to a vacuum membrane distillation (VMD) process.
Figure 9 is a graph showing the results of measuring the pore size, LEP, and contact angle of the porous separators of Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 to 3, and Comparative Examples 7 to 12.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the following specific examples or examples are only a reference for explaining the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. Additionally, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. The terminology used in the description herein is merely to effectively describe specific embodiments and is not intended to limit the invention.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Additionally, as used in the specification and the appended claims, the singular forms “a,” “an,” and “the” are intended to also include the plural forms, unless the context clearly dictates otherwise.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, units used without special mention in this specification are based on weight, and as an example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and weight % refers to the amount of any one component of the entire composition unless otherwise defined. It refers to the weight percent occupied in the composition.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.In addition, the numerical range used in this specification includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the shape and width of the defined range, all double-defined values, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of the lower bounds. Unless otherwise specified in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental error or rounding of values are also included in the defined numerical range.
본 명세서에 기재된 "포함한다"는 "구비한다", "함유한다", "가진다" 또는 "특징으로 한다" 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.As used herein, “comprises” is an open description with the same meaning as expressions such as “comprises,” “contains,” “has,” or “features,” and includes elements and materials that are not additionally listed. or does not exclude the process.
본 명세서에 기재된 "고분자"는 단량체로부터 중합되어 제조된 중합체 또는 공중합체를 의미한다.As used herein, “polymer” refers to a polymer or copolymer prepared by polymerizing monomers.
본 명세서에 기재된 "고분자 섬유"는 고분자를 방사하여 제조된 섬유형태를 의미한다. 예시로, 고분자 섬유는 고분자를 용해시킨 도프 용액을 노즐을 통해 방사하여 제조된 고분자 섬유를 의미할 수 있다.“Polymer fiber” as used herein refers to a type of fiber manufactured by spinning polymer. As an example, the polymer fiber may refer to a polymer fiber manufactured by spinning a dope solution in which a polymer is dissolved through a nozzle.
본 명세서에 기재된 "축적"은 연속적으로 방사되는 고분자 섬유가 3차원적인 구조체를 형성해 나가는 것을 의미하며, 상기 방사된 고분자 섬유는 3차원적으로 축적되어 다공성 분리막을 형성할 수 있다.“Accumulation” as used herein means that continuously spun polymer fibers form a three-dimensional structure, and the spun polymer fibers can be three-dimensionally accumulated to form a porous separator.
본 명세서에 기재된 "표면조도"는 표면거칠기와 동일한 의미로 사용될 수 있다.“Surface roughness” as used herein may be used in the same sense as surface roughness.
본 발명에 기재된 "알킬"은 1가 탄화수소 라디칼을 의미하고, 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함한다.As used herein, “alkyl” refers to a monovalent hydrocarbon radical and includes both straight-chain and branched forms.
본 발명에 기재된 "할로겐" 및 "할로"는 플루오린, 클로린, 브로민 또는 아이오딘을 의미한다.As used herein, “halogen” and “halo” mean fluorine, chlorine, bromine or iodine.
본 발명에 기재된 "할로알킬" 은 각각 하나 이상의 수소 원자가 할로겐 원자로 치환된 알킬 그룹을 의미한다. 예를 들어, 할로알킬은 -CF3, -CHF2, -CH2F, -CBr3, -CHBr2, -CH2Br, -CC13, -CHC12, -CH2CI, -CI3, -CHI2, -CH2I, -CH2-CF3, -CH2-CHF2, -CH2-CH2F, -CH2-CBr3, -CH2-CHBr2, -CH2-CH2Br, -CH2-CC13, -CH2-CHC12, -CH2-CH2CI, -CH2-CI3, -CH2-CHI2, -CH2-CH2I, 및 이와 유사한 것을 포함한다. 여기에서 알킬 및 할로겐은 앞서 정의된 바와 동일하다.As used herein, “haloalkyl” refers to an alkyl group in which one or more hydrogen atoms are each replaced by a halogen atom. For example, haloalkyl is -CF 3 , -CHF 2 , -CH 2 F, -CBr 3 , -CHBr 2 , -CH 2 Br, -CC1 3 , -CHC1 2 , -CH 2 CI, -CI 3 , -CHI 2 , -CH 2 I, -CH 2 -CF 3 , -CH 2 -CHF 2 , -CH 2 -CH 2 F, -CH 2 -CBr 3 , -CH 2 -CHBr 2 , -CH 2 -CH 2 Br, -CH 2 -CC1 3 , -CH 2 -CHC1 2 , -CH 2 -CH 2 CI, -CH 2 -CI 3 , -CH 2 -CHI 2 , -CH 2 -CH 2 I, and similar It includes Here alkyl and halogen are as previously defined.
본 발명에 기재된 "퍼플루오로알킬"은 모든 C-H결합이 C-F로 치환된 알킬을 의미한다.As used herein, “perfluoroalkyl” means alkyl in which all C-H bonds are replaced with C-F.
본 발명에 기재된 "HFP(A%)"은 하기 화학식 1의 y가 A 몰%인 공중합체를 의미한다. 예로 화학식 1의 y가 7.7몰%인 공중합체는 HFP(7.7%)로 표시할 수 있다.“HFP (A%)” as used in the present invention refers to a copolymer of the following formula (1) where y is A mol%. For example, a copolymer in Formula 1 where y is 7.7 mol% can be expressed as HFP (7.7%).
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
종래에 해수담수화를 위한 공정에 분리막으로 PTFE, PP, PVDF 및 PVDF-HFP 등과 같은 소수성 고분자가 사용되었지만, 이를 막증류 공정에 적용할 경우 일정 시간이 지나면 젖어버려 더 이상 분리막의 성능을 하지 못하는 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하고자 본 발명에서는 특정 불소계 반복단위를 특정 비율로 갖는 불소계 공중합체를 중합하고, 이를 이용하여 장기안정성이 매우 우수한 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제조함으로써 본 발명을 완성하였다.Previously, hydrophobic polymers such as PTFE, PP, PVDF, and PVDF-HFP were used as separation membranes in the process for seawater desalination, but when applied to the membrane distillation process, they become wet after a certain period of time and no longer perform as membranes. occurs. In order to solve this problem, the present invention was completed by polymerizing a fluorine-based copolymer having a specific fluorine-based repeating unit at a specific ratio and using it to manufacture a porous separator for the membrane contactor process with excellent long-term stability.
본 발명은 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제공한다. 바람직하게 상기 고분자 섬유는 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 포함할 수 있다.The present invention provides a porous separator for a membrane contactor process in which polymer fibers are accumulated three-dimensionally and has multiple pores. Preferably, the polymer fiber may include a copolymer represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐 또는 C1-7할로알킬기이고, x 및 y는 상기 공중합체 내 각 반복단위의 몰%로서, x 및 y는 서로 독립적으로 1 이상의 실수를 나타내고 x+y=100일 수 있으며, y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 5 내지 12 몰%이다. In Formula 1, R 1 and R 2 are independently halogen or C 1-7 haloalkyl groups, x and y are mole percent of each repeating unit in the copolymer, and x and y are independently 1 or more real numbers. It may be x+y=100, and y is 5 to 12 mol% based on the total repeating units in the copolymer.
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 1의 할로알킬기는 퍼플루오로알킬기일 수 있고, 더욱 바람직하게 상기 R1은 플루오로(F)이고, R2는 퍼플루오로메틸기(-CF3)일 수 있다. 구체적으로 상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다. Preferably, the haloalkyl group of Formula 1 according to an embodiment of the present invention may be a perfluoroalkyl group, and more preferably, R 1 is fluoro (F), and R 2 is a perfluoromethyl group (-CF 3 ). It can be. Specifically, Chemical Formula 1 may be expressed as Chemical Formula 2 below.
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서, x 및 y는 상기 공중합체 내 각 반복단위의 몰%로서, x+y=100일 수 있으며, y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 6 내지 10 몰%, 더욱 구체적으로 7 내지 9 몰%이다. In Formula 2, x and y are mol% of each repeating unit in the copolymer, and x+y=100, and y is 6 to 10 mol%, more specifically, relative to the total repeating units in the copolymer. It is 7 to 9 mol%.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 1의 y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 5 내지 12 몰%, 바람직하게 6 내지 10 몰%, 더욱 바람직하게 7 내지 9 몰%일 수 있다. 상기 범위를 만족할 경우, 소수성이 우수한 공중합체를 제조할 수 있고, 이를 이용하여 다공성 분리막을 제조할 경우 우수한 접촉각 및 액체 투과 압력(LEP)을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 다공성 분리막은 막증류 공정에 적용하였을 때, 우수한 투과유속 및 염배제율을 장시간 유지하여 장기안정성을 확보할 수 있어 매우 좋다.In addition, y in Formula 1 according to an embodiment of the present invention may be 5 to 12 mol%, preferably 6 to 10 mol%, and more preferably 7 to 9 mol% based on the total repeating units in the copolymer. When the above range is satisfied, a copolymer with excellent hydrophobicity can be manufactured, and when a porous separator is manufactured using the copolymer, it can exhibit excellent contact angle and liquid permeation pressure (LEP). In addition, when the porous separation membrane is applied to a membrane distillation process, it is very good because it can secure long-term stability by maintaining excellent permeation flux and salt rejection rate for a long time.
상기 공중합체는 당업계에서 통상적으로 사용되는 중합방법 또는 공지된 중합방법이라면 제한되지 않고 사용 가능하다. 구체적으로 벌크중합, 솔루션중합, 에멀젼중합 및 서스펜션중합 등에서 선택되는 것일 수 있고, 바람직하게 고순도의 공중합체를 얻기 위하여 에멀젼중합을 통해 중합할 수 있다. 더욱 구체적으로 탈이온수, 유화제, 단량체 및 수용성 개시제를 포함하여 에멀젼중합하는 것일 수 있다. 먼저 유화제를 탈이온수에 충분히 녹인 뒤, 단량체와 개시제를 넣고 60 내지 90℃에서 반응한 후 냉각하여 공중합체 분산액을 수득하고, 이를 침전 및 건조과정을 거쳐 최종 공중합체를 수득하는 것일 수 있다. 상기 유화제 및 개시제의 함량은 통상적으로 사용하는 범위에서 크게 제한없이 사용할 수 있으며, 분자량 조절제 및 버퍼 등과 같은 첨가제를 더 첨가하여 중합할 수 있다. The copolymer can be used without limitation as long as it is a polymerization method commonly used in the art or a known polymerization method. Specifically, it may be selected from bulk polymerization, solution polymerization, emulsion polymerization, and suspension polymerization, and preferably, polymerization may be performed through emulsion polymerization to obtain a high-purity copolymer. More specifically, it may be emulsion polymerization including deionized water, an emulsifier, a monomer, and a water-soluble initiator. First, the emulsifier is sufficiently dissolved in deionized water, then the monomer and the initiator are added and reacted at 60 to 90° C., then cooled to obtain a copolymer dispersion, which is then subjected to precipitation and drying to obtain the final copolymer. The content of the emulsifier and initiator can be used without major limitations within the commonly used range, and additives such as molecular weight regulators and buffers can be further added for polymerization.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체는 중량평균분자량(Mw)이 10,000 내지900,000 g/mol, 구체적으로 100,000 내지 800,000 g/mol, 더욱 구체적으로 350,000 내지 700,000 g/mol일 수 있다. 또한, 수평균분자량(Mn)은 10,000 내지 700,000 g/mol, 구체적으로 120,000 내지 300,000 g/mol일 수 있으며, 다분산성지수(PDI)는 1 내지 5, 바람직하게 1 내지 3일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 분자량 및 다분산성지수는 상기 중합 조건에 따라 조절될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 공중합체의 경우, 본 발명이 목적으로 하는 유리전이온도, 용융점 및 기계적 물성을 발현할 수 있어 좋다.The copolymer according to an embodiment of the present invention may have a weight average molecular weight (Mw) of 10,000 to 900,000 g/mol, specifically 100,000 to 800,000 g/mol, and more specifically 350,000 to 700,000 g/mol. In addition, the number average molecular weight (Mn) may be 10,000 to 700,000 g/mol, specifically 120,000 to 300,000 g/mol, and the polydispersity index (PDI) may be 1 to 5, preferably 1 to 3, but is limited thereto. It doesn't work. The molecular weight and polydispersity index can be adjusted depending on the polymerization conditions. In the case of a copolymer that satisfies the above range, it is good because it can express the glass transition temperature, melting point, and mechanical properties targeted by the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체는 유리전이온도(Tg)가 -40 내지 -15℃, 바람직하게 -35 내지 -20℃, 더욱 바람직하게 -35 내지 -25℃일 수 있고, 상기 화학식 1의 y값에 따라 유리전이온도가 조절될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체는 용융점(Tm)이 130 내지 145℃, 바람직하게 135 내지 140℃일 수 있다. 상기 범위의 유리전이온도 및 용융점을 갖는 공중합체를 방사하여 고분자 섬유를 제조할 경우, 본 발명이 목적으로 하는 섬유 직경, 기공 크기 및 분리막 두께를 갖는 다공성 분리막을 제조할 수 있어 좋다.The copolymer according to an embodiment of the present invention may have a glass transition temperature (Tg) of -40 to -15°C, preferably -35 to -20°C, more preferably -35 to -25°C, and has the formula (1) The glass transition temperature can be adjusted depending on the y value. Additionally, the copolymer according to an embodiment of the present invention may have a melting point (Tm) of 130 to 145°C, preferably 135 to 140°C. When producing polymer fibers by spinning a copolymer having a glass transition temperature and melting point in the above range, it is possible to manufacture a porous separator having the fiber diameter, pore size, and separator thickness targeted by the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 섬유는 평균 직경이 0.1 내지 1.5㎛일 수 있다. 바람직하게 0.3 내지 1.0 ㎛, 더욱 바람직하게 0.5 내지 0.8 ㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 고분자 섬유가 축적된 다공성 분리막의 경우 본 발명에서 목적으로 하는 기공 크기를 가져 우수한 접촉각 및 액체 투과 압력을 발현할 수 있으며, 상기 분리막의 성능이 더욱 향상될 수 있어 좋다. The polymer fiber according to an embodiment of the present invention may have an average diameter of 0.1 to 1.5 ㎛. Preferably it may be 0.3 to 1.0 ㎛, more preferably 0.5 to 0.8 ㎛. In the case of a porous separator in which polymer fibers satisfying the above range are accumulated, it has the pore size targeted in the present invention and can exhibit excellent contact angle and liquid permeation pressure, and the performance of the separator can be further improved.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 상기 공중합체를 전기방사하여 제조된 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 구조체일 수 있다. 상기 전기방사의 구체적인 조건 및 방법은 하기 제조방법에 기재한 바와 동일하며, 그 조건에 따라 분리막의 기공 크기 및 두께 등이 조절될 수 있다. 구체적으로 상기 공중합체를 용해시킨 도프 용액을 전기방사하여 고분자 섬유가 제조되며, 고분자 섬유가 연속적이고 3차원적으로 축적됨으로써 다수의 기공을 갖는 구조체 즉, 다공성 분리막을 제조할 수 있다. The separator according to an embodiment of the present invention may be a structure having multiple pores by three-dimensionally accumulating polymer fibers manufactured by electrospinning the copolymer. The specific conditions and method of electrospinning are the same as those described in the manufacturing method below, and the pore size and thickness of the separator can be adjusted depending on the conditions. Specifically, polymer fibers are manufactured by electrospinning a dope solution in which the copolymer is dissolved, and the polymer fibers are continuously and three-dimensionally accumulated to produce a structure with multiple pores, that is, a porous separator.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 기공 평균 크기가 0.1 내지 10㎛일 수 있다. 바람직하게 0.2 내지 1.0 ㎛, 더욱 바람직하게 0.4 내지 0.6 ㎛일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 분리막의 기공 크기는 섬유 직경, 방사 조건 및 후처리 유무 등에 따라 조절될 수 있으며, 본 발명이 목적으로 하는 분리막 성능을 발현하기 위해서는 상기 범위의 기공 크기를 갖는 것이 바람직하다. The separator according to an embodiment of the present invention may have an average pore size of 0.1 to 10 μm. It may preferably be 0.2 to 1.0 ㎛, more preferably 0.4 to 0.6 ㎛, but is not limited thereto. The pore size of the separator can be adjusted depending on fiber diameter, spinning conditions, presence or absence of post-treatment, etc., and in order to achieve the separator performance targeted by the present invention, it is preferable to have a pore size within the above range.
또한, 상기 화학식 1의 y값이 증가할수록 상기 섬유의 평균 직경도 증가할 수 있다. 이는 분리막 기공의 크기 및 분포에도 영향을 미치므로, 본 발명이 목적으로 하는 다공성 분리막을 제조하기 위해서는 상기 y값을 적절한 범위로 설정하는 것이 바람직하다.Additionally, as the y value of Formula 1 increases, the average diameter of the fiber may also increase. Since this also affects the size and distribution of the separator pores, it is desirable to set the y value to an appropriate range in order to manufacture the porous separator targeted by the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 두께가 1 내지 150㎛일 수 있다. 바람직하게 10 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게 60 내지 80㎛일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 분리막의 두께는 방사 조건 및 후처리 유무 등에 따라 조절될 수 있으며, 본 발명이 목적으로 하는 분리막 성능을 발현하기 위해서는 상기 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로 두께가 너무 얇은 경우에는 투과유속이 우수할 수 있지만 염배제율이 낮고, 두께가 너무 두꺼운 경우에는 염배제율이 우수하지만 투과유속이 작을 수 있으므로, 막접촉기 공정의 조건에 적합한 다공성 분리막의 두께를 설정하여 사용하는 것이 바람직하다.The separator according to an embodiment of the present invention may have a thickness of 1 to 150 μm. It may preferably be 10 to 100 ㎛, more preferably 60 to 80 ㎛, but is not limited thereto. The thickness of the separator can be adjusted depending on spinning conditions, presence or absence of post-treatment, etc., and in order to achieve the separator performance targeted by the present invention, it is preferable to have a thickness within the above range. Specifically, if the thickness is too thin, the permeation flux may be excellent, but the salt rejection rate may be low, and if the thickness is too thick, the salt rejection rate may be excellent, but the permeation flux may be low, so the porous membrane suitable for the conditions of the membrane contactor process may be used. It is desirable to use it by setting the thickness.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 접촉각(Contact angle)이 125°이상, 바람직하게 135°이상, 더욱 바람직하게 145°이상 일 수 있으며, 특별히 상한은 제한되지 않는다. 상기 접촉각은 물에 대한 접촉각일 수 있다. 또한, 상기 접촉각은 상기 분리막 표면의 표면 에너지, 소수성 정도, 기공의 크기 및 표면 조도 등에 따라서 조절될 수 있다. 바람직하게 분리막 표면의 표면 에너지 및 소수성 정도는 상기 화학식 1의 y값을 통해 조절할 수 있고, 표면 조도 및 기공의 크기는 방사 조건 및 후처리 유무 등에 따라 조절될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 방사하여 제조된 다공성 분리막의 경우, y가 0몰%인 중합체로 제조된 다공성 분리막에 대하여 10% 이상 향상된 접촉각을 가질 수 있다. 바람직하게 상기 범위의 접촉각을 갖는 다공성 분리막을 막접촉기 공정에 적용할 경우, 현저히 향상된 투과유속 및 염배제율을 나타내며, 상기 두 가지 분리막 성능이 장시간 유지되어 분리막의 장기안정성을 확보할 수 있어 더욱 좋다.The separator according to an embodiment of the present invention may have a contact angle of 125° or more, preferably 135° or more, and more preferably 145° or more, and the upper limit is not particularly limited. The contact angle may be a contact angle for water. Additionally, the contact angle can be adjusted depending on the surface energy, degree of hydrophobicity, pore size, and surface roughness of the separator surface. Preferably, the surface energy and hydrophobicity of the separator surface can be adjusted through the y value of Formula 1, and the surface roughness and pore size can be adjusted according to spinning conditions and the presence or absence of post-treatment. In the case of a porous separator manufactured by spinning the copolymer represented by Formula 1 according to an embodiment of the present invention, the contact angle may be improved by more than 10% compared to a porous separator made of a polymer with y of 0 mol%. Preferably, when a porous separation membrane with a contact angle in the above range is applied to the membrane contactor process, it exhibits significantly improved permeation flux and salt rejection rate, and the two membrane performances are maintained for a long time, which is even better, ensuring long-term stability of the separation membrane. .
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 액체 투과 압력(LEP, Liquid Entry Pressure)이 150 kPa이상, 바람직하게 200kPa이상, 더욱 바람직하게 250 kPa이상일 수 있으며, 상기 분리막 표면의 표면 에너지, 소수성 정도, 기공의 크기 및 표면 조도 등에 따라서 조절될 수 있다. 상기 공중합체를 방사하여 제조된 다공성 분리막의 경우, y가 0몰%인 중합체로 제조된 다공성 분리막에 대하여 3배, 좋게는 4배, 더욱 좋게는 5배 이상 향상된 접촉각을 가질 수 있다. 바람직하게 상기 범위의 액체 투과 압력을 갖는 다공성 분리막을 막접촉기 공정에 적용할 경우, 현저히 향상된 투과유속 및 염배제율을 나타내며, 상기 두 가지 분리막 성능이 장시간 유지되어 분리막의 장기안정성을 확보할 수 있어 더욱 좋다.The separator according to an embodiment of the present invention may have a liquid entry pressure (LEP) of 150 kPa or more, preferably 200 kPa or more, more preferably 250 kPa or more, and the surface energy, degree of hydrophobicity, and pores of the surface of the separator. It can be adjusted depending on the size and surface roughness, etc. In the case of a porous separator manufactured by spinning the copolymer, the contact angle can be improved by 3 times, preferably 4 times, and even more preferably 5 times or more compared to a porous separator made of a polymer with y of 0 mol%. Preferably, when a porous membrane with a liquid permeation pressure in the above range is applied to the membrane contactor process, it exhibits significantly improved permeation flux and salt rejection rate, and the above two membrane performances are maintained for a long time, ensuring long-term stability of the membrane. Even better.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 분리막은 접촉각 및 액체 투과 압력이 모두 우수하며, 이는 분리막 성능이 향상되어 매우 바람직하다. 종래에는 후처리 공정을 통해 액체 투과 압력은 증가하고 접촉각은 감소한 소수성 분리막을 사용하였지만, 결과적으로 미흡한 분리막 성능을 나타냈다. 반면, 본 발명의 다공성 분리막은 액체 투과 압력 및 접촉각을 동시에 향상시켜, 성능이 매우 향상된 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제조할 수 있다. 또한, 상기 분리막은 장기안정성이 확보되어 우수한 분리막 성능을 장시간 발현할 수 있고, 이는 막접촉기 공정의 효율을 더욱 향상시킬 수 있어 좋다.The porous separator according to an embodiment of the present invention has excellent contact angle and liquid penetration pressure, which is very desirable because the separator performance is improved. Conventionally, a hydrophobic separator was used in which the liquid permeation pressure increased and the contact angle decreased through a post-treatment process, but as a result, the separator performance was insufficient. On the other hand, the porous membrane of the present invention simultaneously improves the liquid permeation pressure and contact angle, making it possible to manufacture a porous membrane for the membrane contactor process with greatly improved performance. In addition, the separator has long-term stability and can exhibit excellent separator performance for a long time, which is good because it can further improve the efficiency of the membrane contactor process.
본 발명의 막접촉기 공정용 다공성 분리막은 바람직하게 막증류 공정용일 수 있다. 일반적으로 막증류 공정은 직접접촉식 막증류(DCMD, Direct contact membrane distillation), 공기간극식 막증류(AGMD, Air gap membrane distillation), 기체 흐름식 막증류(SGMD, Sweeping gas membrane distillation), 진공식 막증류(VMD, Vacuum membrane distillation) 등이 있으며, 바람직하게 상기 다공성 분리막은 직접접촉식 막증류(DCMD) 또는 진공식 막증류(VMD), 더욱 바람직하게 진공식 막증류(VMD) 공정에 적용되는 것일 수 있지만, 본 발명이 목적으로 하는 장기안정성을 발현할 수 있는 공정이라면 특별히 제한되지 않는다.The porous separation membrane for the membrane contactor process of the present invention may be preferably used for the membrane distillation process. In general, membrane distillation processes include direct contact membrane distillation (DCMD), air gap membrane distillation (AGMD), sweeping gas membrane distillation (SGMD), and vacuum distillation. Vacuum membrane distillation (VMD), etc. Preferably, the porous membrane is applied to direct contact membrane distillation (DCMD) or vacuum membrane distillation (VMD), more preferably to vacuum membrane distillation (VMD) process. However, there is no particular limitation as long as the process can achieve the long-term stability targeted by the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 막접촉기 공정, 구체적으로 막증류 공정에 적용하여 분리막 성능을 평가할 수 있고, 상기 분리막 성능은 투과유속 및 염배제율을 포함할 수 있다. 상기 두 가지의 분리막 성능이 모두 높은 수준을 장시간 유지할 경우, 장기안정성이 우수하다고 평가할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 분리막은 장기안정성이 현저하게 우수하여 막접촉기 공정의 효율을 향상시킬 수 있어 매우 좋다.The separation membrane according to an embodiment of the present invention can be applied to a membrane contactor process, specifically a membrane distillation process, to evaluate the membrane performance, and the membrane performance may include permeate flux and salt rejection rate. If both of the above two separator performances are maintained at a high level for a long period of time, the long-term stability can be evaluated as excellent. The porous separation membrane according to an embodiment of the present invention has significantly excellent long-term stability, which is very good because it can improve the efficiency of the membrane contactor process.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막을 막증류 공정 테스트(투과유속 및 염배제율)에 적용할 수 있고, 구체적인 조건은 46 Torr의 압력, 70℃의 온도 및 농도가 50 g/L인 염화나트륨 수용액이 0.9L/min의 유속으로 흐르는 조건일 수 있으며, 상기 측정된 투과유속 및 염배제율은 하기 식 1 및 식 2를 동시에 만족하는 것일 수 있다.The separation membrane according to an embodiment of the present invention can be applied to a membrane distillation process test (permeation flux and salt rejection rate), and the specific conditions are a pressure of 46 Torr, a temperature of 70°C, and an aqueous sodium chloride solution with a concentration of 50 g/L. This may be a condition of flowing at a flow rate of 0.9 L/min, and the measured permeate flow rate and salt rejection rate may simultaneously satisfy Equations 1 and 2 below.
[식 1] Jwx/Jwi ≥ 0.7[Equation 1] Jw x /Jw i ≥ 0.7
상기 식 1에서, Jwx는 상기 조건에서 x시간 후에 1분간 측정된 투과유속(Flux)이고, Jwi는 초기 1분간 측정된 분리막의 투과유속이다. 상기 투과유속은 단위 시간동안 단위 면적에 얼마나 많은 양의 액체가 투과되었는지를 의미하고, Flux 또는 Water Flux으로 표현할 수 있으며, 측정된 투과수량을 분리막의 유효면적 및 시간으로 나누어 계산할 수 있다. 구체적으로 상기 식 1을 만족한다는 것은 초기 투과유속에 대하여 x시간 후의 투과유속이 70% 이상으로 유지된다는 것을 의미할 수 있다. 상기 식 1은 0.7, 바람직하게 0.75, 더욱 바람직하게 0.8이상을 만족할 수 있다.In Equation 1, Jw x is the flux measured for 1 minute after The permeation flux refers to how much liquid permeates a unit area during unit time, and can be expressed as Flux or Water Flux, and can be calculated by dividing the measured permeation amount by the effective area and time of the separation membrane. Specifically, satisfying Equation 1 above may mean that the permeation flow rate after x hours is maintained at 70% or more with respect to the initial permeation flow rate. Equation 1 above may satisfy 0.7, preferably 0.75, and more preferably 0.8 or more.
[식 2] Rx/Ri ≥ 0.9[Equation 2] R x /R i ≥ 0.9
상기 식 2에서, Rx는 상기 조건에서 x시간 후에 1분간 측정된 염배제율(Rejection)이고, Ri는 초기 1분간 측정된 분리막의 염배제율이다. 상기 염배제율은 투과후 용액 내에 포함되어 있던 염의 제거율을 의미하고, 구체적으로 상기 식 2를 만족한다는 것은 초기 염배제율에 대하여 x시간 후의 염배제율이 90% 이상으로 유지된다는 것을 의미할 수 있다. 상기 식 2는 0.9, 바람직하게 0.95, 더욱 바람직하게 0.99이상을 만족할 수 있다.In Equation 2 , R The salt rejection rate refers to the removal rate of salt contained in the solution after permeation, and specifically satisfying Equation 2 may mean that the salt rejection rate after x hours is maintained at 90% or more with respect to the initial salt rejection rate. there is. Equation 2 above may satisfy 0.9, preferably 0.95, and more preferably 0.99 or more.
상기 염배제율의 계산 방법은 당업계에서 통상적으로 사용되는 공지된 방법이라면 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 분리막 투과 전과 투과 후의 수용액 전도도를 측정하고 이를 이용하여 캘리브레이션 값과 대조하여 염농도를 구한 후 다음과 같은 공식으로 배제율을 계산할 수 있다. The method for calculating the salt rejection rate can be used without limitation as long as it is a known method commonly used in the art. Specifically, the conductivity of the aqueous solution before and after permeation through the separator is measured, the salt concentration is calculated by comparing it with the calibration value, and the rejection rate can be calculated using the following formula.
[계산식 2][Calculation Formula 2]
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 상기 식 1 및 식 2에서 x가 15이상의 실수, 구체적으로 20 이상의 실수 또는 30이상의 실수, 더욱 구체적으로 35 이상의 실수일 수 있다. 본 발명에 따른 분리막을 적용하여 측정된 투과유속 및 염배제율은 상기 식 1 및 식 2를 동시에 만족함으로써, 장시간 운전함에 불구하고 안정적인 투과유속 및 염배제율을 유지함으로써 더욱 향상된 장기안정성을 발현할 수 있다. 반면 y가 5몰% 내지 12몰%를 만족하지 못할 경우 15 시간 안에 투과유속과 염배제율이 급격하게 감소함으로써 분리막의 기능을 상실하여 바람직하지 않다.In addition, in the separator according to an embodiment of the present invention, in Equations 1 and 2, x may be a real number of 15 or more, specifically, a real number of 20 or more, or a real number of 30 or more, and more specifically, a real number of 35 or more. The permeate flux and salt rejection rate measured by applying the separation membrane according to the present invention simultaneously satisfy Equations 1 and 2 above, thereby maintaining a stable permeate flux and salt rejection rate despite long-term operation, thereby demonstrating further improved long-term stability. You can. On the other hand, if y does not satisfy 5 mol% to 12 mol%, the permeation flux and salt rejection rate decrease rapidly within 15 hours, which is not desirable because the function of the separation membrane is lost.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 표면조도(Roughness)가 하기 식 3을 만족할 수 있다. 상기 분리막의 표면 및 표면조도는 주사탐침현미경(AFM, Atomic Force Microscope)을 이용하여 분석할 수 있고, 구체적으로 상기 표면 조도는 중심선 평균 조도(Ra)를 의미할 수 있다.Additionally, the surface roughness of the separator according to an embodiment of the present invention may satisfy Equation 3 below. The surface and surface roughness of the separator can be analyzed using a scanning probe microscope (AFM, Atomic Force Microscope). Specifically, the surface roughness may refer to the center line average roughness (Ra).
[식 3] Ray/Ra0 ≥ 1.3[Equation 3] Ra y /Ra 0 ≥ 1.3
상기 식 3에서, Ray 및 Ra0은 상기 화학식 1의 y가 각각 y몰% 및 0몰%인 공중합체를 포함하는 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 표면조도이다. 상기 식 3에서 y는 상기 화학식 1의 y에 대한 설명과 동일하며, 상기 범위의 y를 만족할 경우 표면조도가 상기 식 3을 만족할 수 있다. 바람직하게 상기 식 3은 1.6이상, 더욱 바람직하게 1.8 이상일 수 있고, 상기 범위를 만족하는 분리막의 경우 우수한 표면 에너지, 접촉각 및 액체 투과 압력을 가져 더욱 향상된 분리막 성능을 발현할 수 있어 좋다.In Equation 3, Ra y and Ra 0 are porosity for the membrane contactor process in which polymer fibers containing a copolymer in which y in Formula 1 is y mol% and 0 mol%, respectively, are accumulated three-dimensionally and have a plurality of pores. This is the surface roughness of the separator. In Equation 3, y is the same as the description for y in Chemical Formula 1, and when y satisfies the above range, the surface roughness can satisfy Equation 3. Preferably, Equation 3 may be 1.6 or more, more preferably 1.8 or more, and a separator that satisfies the above range has excellent surface energy, contact angle, and liquid permeation pressure, so that further improved separator performance can be achieved.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 포함하는 분리막 모듈을 제공할 수 있다. 상기 분리막 모듈의 경우, 공정에서 더욱 우수한 분리막 성능을 발현할 수 있고, 특히 우수한 성능을 장시간 유지할 수 있어 좋다. 또한, 상기 분리막 모듈은 불필요한 교체 과정을 제거 또는 단축하여 막접촉기 공정의 효율을 향상시킬 수 있어 더욱 좋다.A separation membrane module including a porous separation membrane for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention can be provided. In the case of the separator module, superior separator performance can be achieved in the process, and in particular, excellent performance can be maintained for a long time. In addition, the separation membrane module is better because it can improve the efficiency of the membrane contactor process by eliminating or shortening unnecessary replacement processes.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체를 방사하여 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 구조체인 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 방사 방법은 섬유 제조에 사용되는 일반적인 방사장치를 이용하여 진행할 수 있으며, 일예로 전기 방사 (electro spinning), 용액 방사(solution spinning), 용융 방사 (melt-blown spinning) 및 용액 블로잉(solution blowing) 등에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 공중합체를 전기 방사 또는 용액 방사, 더욱 바람직하게 전기 방사 방법으로 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제조할 수 있다. 상기 전기 방사의 원리 및 장치 구성은 당업계에서 통상적으로 사용되거나 공지된 것이라면 크게 제한되지 않는다.By spinning the copolymer according to an embodiment of the present invention, a porous separator for a membrane contactor process, which is a structure having multiple pores in which polymer fibers are accumulated in three dimensions, can be manufactured. Specifically, the spinning method can be performed using a general spinning device used in fiber manufacturing, such as electro spinning, solution spinning, melt-blown spinning, and solution blowing. blowing), etc. Preferably, the porous separator for the membrane contactor process can be manufactured from the copolymer by electrospinning or solution spinning, more preferably electrospinning. The principle and device configuration of the electrospinning are not particularly limited as long as they are commonly used or known in the art.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법은 (a) 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 포함하는 도프 용액(dope solution)을 제조하는 단계; (b) 상기 도프 용액을 전기방사한 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 분리막을 제조하는 단계; (c) 열처리 단계;를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a porous separator for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention includes the steps of (a) preparing a dope solution containing a copolymer represented by the following formula (1); (b) manufacturing a separator having a plurality of pores by accumulating polymer fibers electrospun from the dope solution in three dimensions; (c) heat treatment step; may be included.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1의 R1, R2, x 및 y는 앞서 화학식 1에서 서술한 바와 동일하다.R 1 , R 2 , x and y in Formula 1 are the same as previously described in Formula 1.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법의 (a) 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 포함하는 도프 용액(dope solution)을 제조하는 단계에서 상기 도프 용액은 유기 용매를 포함한다. 상기 유기 용매는 상기 공중합체를 용해시킬 수 있는 용매이면 특별히 제한되지 않으며, 극성 또는 중성 유기용매일 수 있다. 일예로, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), C1-6 알코올(alcohols), 테트라하이드로퓨란(THF), 아세톤(Acetone) 및 메틸에틸케톤(MEK) 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. In the step (a) of preparing a dope solution containing the copolymer represented by Formula 1 in the method for producing a porous separator for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention, the dope solution contains an organic solvent. Includes. The organic solvent is not particularly limited as long as it is a solvent that can dissolve the copolymer, and may be a polar or neutral organic solvent. For example, dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), C 1-6 alcohols, tetrahydrofuran (THF) ), acetone, methyl ethyl ketone (MEK), etc., but is not limited thereto.
바람직하게 상기 도프 용액은 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체가 10 내지 40 wt% 더욱 바람직하게, 20 내지 30 wt%로 포함된 것일 수 있으며, 상기 도프 용액의 농도에 따라 제조되는 섬유의 직경 및 기공의 크기가 조절될 수 있다. 또한, 상기 도프 용액은 20 내지 80 ℃에서 12 시간 이상 교반할 수 있고, 상기 과정을 통해 더욱 균일하게 분산된 도프 용액을 제조할 수 있다.Preferably, the dope solution may contain 10 to 40 wt%, more preferably 20 to 30 wt%, of the copolymer represented by Formula 1, and the diameter and pores of the fiber produced depending on the concentration of the dope solution. The size can be adjusted. Additionally, the dope solution can be stirred at 20 to 80° C. for more than 12 hours, and a more uniformly dispersed dope solution can be prepared through this process.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법의 (b) 상기 도프 용액을 전기방사한 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 분리막을 제조하는 단계에서 상기 도프 용액의 토출 속도(Flow rate)가 0.05 내지 1.0 ml/hr, 바람직하게 0.05 내지 0.5 ml/hr, 더욱 바람직하게 0.05 내지 0.3 ml/hr 일 수 있다. 상기 범위를 만족할 경우, 상기 다공성 분리막의 기공 크기가 감소하여 우수한 접촉각 및 액체 투과 압력을 갖는 막접촉기 공정용 다공성 분리막을 제조할 수 있다.In the step (b) of manufacturing a porous separator for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention, polymer fibers obtained by electrospinning the dope solution are accumulated in three dimensions to produce a separator having a plurality of pores. The flow rate of the solution may be 0.05 to 1.0 ml/hr, preferably 0.05 to 0.5 ml/hr, and more preferably 0.05 to 0.3 ml/hr. When the above range is satisfied, the pore size of the porous membrane is reduced, making it possible to manufacture a porous membrane for the membrane contactor process with excellent contact angle and liquid permeation pressure.
상기 전기 방사의 구체적인 공정 조건은 제조하고자 하는 분리막의 목표 물성에 따라 조절되는 것일 수 있지만, 바람직하게10 내지 50℃의 온도 및 25 내지 50%의 상대습도에서, 0 내지 60 kV, 구체적으로 10 내지 30 kV 전압이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리가 5 내지 20 cm이며, 토출 속도 0.001 ml/hr 내지 50 ml/hr, 구체적으로 0.01 ml/hr 내지 10 ml/hr 더욱 구체적으로 0.05 내지 1.0 ml/hr의 조건으로 진행될 수 있다. 또한, 상기 노즐의 직경은 20 내지 35 게이지일 수 있지만, 본 발명이 목적으로 하는 물성을 저해하지 않는다면 크게 제한되지 않는다.The specific process conditions of the electrospinning may be adjusted depending on the target physical properties of the separator to be manufactured, but is preferably 0 to 60 kV, specifically 10 to 60 kV, at a temperature of 10 to 50 ° C. and a relative humidity of 25 to 50%. The voltage is 30 kV, the distance between the nozzle and the collector is 5 to 20 cm, and the discharge rate is 0.001 ml/hr to 50 ml/hr, specifically 0.01 ml/hr to 10 ml/hr, more specifically 0.05 to 1.0 ml/hr. It can proceed under the following conditions. Additionally, the diameter of the nozzle may be 20 to 35 gauge, but is not greatly limited as long as it does not impair the physical properties targeted by the present invention.
상기 전기 방사 단계 이후, 잔여 유기 용매를 휘발시키기 위하여 60℃ 이하의 온도에서 오븐 건조 또는 열풍 건조 등의 공정을 수행할 수 있고, 바람직하게 40℃이하, 더욱 바람직하게 30℃ 이하 및 5℃ 이상의 온도에서 진행할 수 있으며, 진공 상태에서 진행되는 것일 수 있다. 이때 건조 조건은 상기 유기 용매 및 공중합체의 종류에 따라 조절될 수 있다.After the electrospinning step, a process such as oven drying or hot air drying may be performed at a temperature of 60°C or lower to volatilize the remaining organic solvent, preferably at a temperature of 40°C or lower, more preferably at a temperature of 30°C or lower and 5°C or higher. It can be carried out in , and it may be carried out in a vacuum. At this time, drying conditions can be adjusted depending on the type of organic solvent and copolymer.
본 발명의 일 실시예에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법의 마지막 단계로 열처리를 수행할 수 있다. 상기 열처리 온도는 80 내지 120℃, 바람직하게 90 내지 110℃ 더욱 바람직하게 95 내지 105℃일 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간은 1 내지 24 시간, 바람직하게 3 내지 12 시간, 더욱 바람직하게 5 내지 10 시간일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 온도 및 시간의 조건에서 열처리 공정을 진행할 경우, 3차원적으로 축적된 고분자 섬유들이 서로 융착되어 더욱 조밀한 분리막 기공을 형성할 수 있고, 이를 통해 향상된 접촉각 및 액체 투과 압력을 가지는 다공성 분리막을 제조할 수 있다. 상기 다공성 분리막은 우수한 염배제율 및 투과유속의 분리막 성능을 장시간 동안 유지하여 장기안정성을 확보할 수 있어 매우 좋다. Heat treatment may be performed as the final step in the method of manufacturing a porous separator for a membrane contactor process according to an embodiment of the present invention. The heat treatment temperature may be 80 to 120°C, preferably 90 to 110°C, and more preferably 95 to 105°C. Additionally, the heat treatment time may be 1 to 24 hours, preferably 3 to 12 hours, and more preferably 5 to 10 hours. When the heat treatment process is performed under temperature and time conditions that satisfy the above range, the three-dimensionally accumulated polymer fibers can be fused together to form more dense membrane pores, which has improved contact angle and liquid penetration pressure. A porous separation membrane can be manufactured. The porous membrane is very good because it can maintain the membrane performance of excellent salt rejection rate and permeate flux for a long time, thereby ensuring long-term stability.
이하 실시예 및 비교예를 통해 본 발명에 따른 막접촉기 공정용 다공성 분리막에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. 또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 또한, 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Hereinafter, the porous separator for the membrane contactor process according to the present invention will be described in more detail through examples and comparative examples. However, the following examples are only a reference for explaining the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms. Additionally, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Additionally, the terms used in the description in the present invention are only intended to effectively describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention.
[물성평가방법][Physical property evaluation method]
1) 평균분자량 [g/mol] 및 분포1) Average molecular weight [g/mol] and distribution
제조예 및 비교제조예에서 제조된 공중합체의 중량평균분자량(Mw), 수평균분자량(Mn) 및 분자량 분포(PDI)를 GPC(YL9100, YL Instrument Co.)를 이용하여 측정하였다. 펌프(YL 9112), 굴절률검출기 (YL9170), 30cm의 PS gel-packed 컬럼 및 폴리스티렌 표준을 이용하였고, 표준 용액으로 0.01M의 LiBr이 용해된 DMF를 50℃의 온도에서 0.8ml/min의 유속으로 흘려주며 측정하였다. 분석 샘플은 상기 공중합체를 1 mg/ml 이하의 농도로 희석한 뒤, 0.1 ml를 투입하여 분석을 진행하였다.The weight average molecular weight (Mw), number average molecular weight (Mn), and molecular weight distribution (PDI) of the copolymers prepared in Preparation Examples and Comparative Preparation Examples were measured using GPC (YL9100, YL Instrument Co.). A pump (YL 9112), a refractive index detector (YL9170), a 30 cm PS gel-packed column, and a polystyrene standard were used, and DMF with 0.01 M LiBr dissolved as a standard solution was used at a flow rate of 0.8 ml/min at a temperature of 50°C. It was measured while flowing. The analysis sample was prepared by diluting the copolymer to a concentration of 1 mg/ml or less and then diluting the copolymer to a concentration of 0.1 mg/ml or less. Analysis was performed by adding ml.
2) 유리전이온도(Tg) [℃]2) Glass transition temperature (Tg) [℃]
제조예 및 비교제조예에서 제조된 공중합체의 유리전이온도를 시차 주사 열량계 (Q1000, TA Instruments)를 사용하여 측정하였다. 10℃/min의 승온 속도로 -80 내지 25℃의 온도범위에서 분석하였다.The glass transition temperature of the copolymers prepared in Preparation Examples and Comparative Preparation Examples was measured using a differential scanning calorimeter (Q1000, TA Instruments). Analysis was conducted in a temperature range of -80 to 25°C at a temperature increase rate of 10°C/min.
3) 열분해온도(Td) [℃]3) Thermal decomposition temperature (Td) [℃]
제조예 및 비교제조예에서 제조된 공중합체의 열분해온도를 열중량 분석기(Q5000, TA Instruments)를 사용하여 측정하였다. 10℃/min의 승온 속도로 상온에서 600℃까지 가열하여 열분해온도를 분석하였다.The thermal decomposition temperature of the copolymers prepared in Preparation Examples and Comparative Preparation Examples was measured using a thermogravimetric analyzer (Q5000, TA Instruments). Thermal decomposition temperature was analyzed by heating from room temperature to 600°C at a temperature increase rate of 10°C/min.
4) 액체 유입 압력 (LEP, Liquid entry pressure) [kPa]4) Liquid entry pressure (LEP) [kPa]
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 분리막의 액체 유입 압력(LEP)을 모세관 흐름 기공계(PMI, capillary flow porometer) 시스템을 사용하여 측정하였다. 상기 다공성 분리막을 가압장치가 연결된 챔버를 위치시키고 상기 챔버에 탈이온수(DI water)를 채운 뒤, 서서히 가압하여 분석을 진행하였다. 상온을 유지하며 10분 간격으로 단계적으로 50 kPa 씩 상승시키면서 분리막의 반대편에 물방울이 관찰될 때의 압력을 액체 유입 압력 (LEP)으로 측정하였다.The liquid entry pressure (LEP) of the porous membranes prepared in Examples and Comparative Examples was measured using a capillary flow porometer (PMI) system. Analysis was performed by placing the porous membrane in a chamber connected to a pressurizing device, filling the chamber with deionized water (DI water), and then slowly pressurizing it. While maintaining room temperature, the temperature was gradually increased by 50 kPa at 10-minute intervals, and the pressure when water droplets were observed on the other side of the separator was measured as liquid inlet pressure (LEP).
5) 접촉각 (Contact angle) 및 표면에너지 (Surface energy)5) Contact angle and surface energy
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 분리막의 물에 대한 접촉각을 방울 모양 분석기 (KRUSS GmbH 22453 Hamburg)을 사용하여 측정하였다. The contact angle of the porous membranes prepared in Examples and Comparative Examples with respect to water was measured using a drop shape analyzer (KRUSS GmbH 22453 Hamburg).
또한, 상기 다공성 분리막의 표면 에너지는 Owens-Wendt-Rabel-Laelble 방법으로 계산하였다. Additionally, the surface energy of the porous separator was calculated using the Owens-Wendt-Rabel-Laelble method.
6) 두께 (Thicknesses)6) Thicknesses
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 분리막의 두께는 디지털 마이크로미터를 사용하여 5회 측정한 평균값을 기록하였다. The thickness of the porous separator prepared in Examples and Comparative Examples was measured 5 times using a digital micrometer, and the average value was recorded.
7) 기계적 강도7) Mechanical strength
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 분리막을 5 mm x 20 mm의 크기로 절단하여 샘플을 제조하였고, 상기 샘플의 인장 강도, 영률 및 파단시 연신율을 측정하였다.Samples were prepared by cutting the porous separators prepared in Examples and Comparative Examples to a size of 5 mm x 20 mm, and the tensile strength, Young's modulus, and elongation at break of the samples were measured.
8) 고분자 섬유 평균 직경(fiber diameter) 및 다공성 분리막의 기공 크기(pore size)8) Average fiber diameter of polymer fiber and pore size of porous membrane
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 분리막을 전계방사 주사전자현미경 (FE-SEM, field-emission scanning electron microscopy)으로 분석하여, 이미지에서 보이는 섬유의 직경을 10회 측정하여 평균값을 기록하였다. The porous separators prepared in Examples and Comparative Examples were analyzed using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and the diameters of the fibers visible in the images were measured 10 times and the average value was recorded.
또한, 상기 다공성 분리막을 Galwick 용액에 10분 이상 침지한 후 모세관 흐름 기공계(PMI, capillary flow porometer) 시스템으로 상기 다공성 분리막의 기공 크기와 이의 분포도를 분석하였다. In addition, after immersing the porous membrane in Galwick solution for more than 10 minutes, the pore size and distribution of the porous membrane were analyzed using a capillary flow porometer (PMI) system.
9) 표면조도 (Surface Roughness)9) Surface Roughness
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 분리막을 주사탐침현미경(AFM, Atomic Force Microscope)을 이용하여 표면을 관찰하고 표면조도를 분석하였다. 표면조도 값은 중심선 평균 조도(Ra)를 기록하였다. The surface of the porous separator prepared in Examples and Comparative Examples was observed using a scanning probe microscope (AFM, Atomic Force Microscope) and the surface roughness was analyzed. The surface roughness value was recorded as the center line average roughness (Ra).
10) 분리막 성능10) Separator performance
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 분리막의 성능을 진공식 막증류(Vacuum Membrane Distillation, VMD) 공정 설비를 이용하여 평가하였다. 상기 설비에 15.2 ㎠의 유효면적을 갖는 다공성 분리막을 설치하고, 펌프로 온도가 70℃이고 농도가 50g/L이며 전도도가 70mS/cm인 염화나트륨 수용액을 0.90/min의 유속으로 순환시켜 주었고, 진공 압력을 46 Torr로 유지하면서, 전도도 측정기(CON 11 Economy Meter)를 사용하여 공급되는 수용액과 투과된 담수의 전도도를 모니터하였다. 이해를 돕기 위해 상기 VMD공정의 대략적인 공정도를 도 1에 도시하였다.The performance of the porous membranes prepared in Examples and Comparative Examples was evaluated using Vacuum Membrane Distillation (VMD) process equipment. A porous separation membrane with an effective area of 15.2 cm2 was installed in the facility, and an aqueous sodium chloride solution with a temperature of 70°C, a concentration of 50 g/L, and a conductivity of 70 mS/cm was circulated at a flow rate of 0.90/min with a pump, and the vacuum pressure While maintaining the temperature at 46 Torr, the conductivity of the supplied aqueous solution and permeated fresh water was monitored using a conductivity meter (CON 11 Economy Meter). To aid understanding, a rough process diagram of the VMD process is shown in Figure 1.
상기 분리막 성능은 투과유속(Flux)과 염배제율(Rejection)을 측정하였으며, 계산식은 하기와 같다.The membrane performance was measured by measuring flux and salt rejection, and the calculation formula was as follows.
[계산식 1][Calculation Formula 1]
상기 계산식 1에서 Jw는 투과유속(L/㎡h)이고, V는 투과된 담수의 양(L)이고, A는 분리막의 유효면적(㎡)이고, t는 투과한 시간(h)이다. 상기 계산식 1을 이용하여 계산한 실시예 및 비교예의 투과유속 결과값을 정규화하여 0 내지 1의 값(Normalized Flux)으로 나타내었으며, 이를 그래프화 하여 도 7에 도시하였다.In the above calculation equation 1, Jw is the permeation flow rate (L/㎡h), V is the amount of fresh water permeated (L), A is the effective area of the separation membrane (㎡), and t is the permeation time (h). The permeation flux results of Examples and Comparative Examples calculated using Equation 1 above were normalized and expressed as values of 0 to 1 (Normalized Flux), which were graphed and shown in FIG. 7.
[계산식 2][Calculation Formula 2]
상기 계산식 2에서 R은 염배제율(%)이고, Cf는 공급되는 수용액의 염농도(mg/L)이고, Cp는 투과된 담수의 염농도(mg/L)이며, 염농도는 상기 측정된 전도도를 이용하여 계산할 수 있다.In the above calculation formula 2, R is the salt rejection rate (%), Cf is the salt concentration of the supplied aqueous solution (mg/L), Cp is the salt concentration of the permeated fresh water (mg/L), and the salt concentration is calculated using the measured conductivity. It can be calculated by:
장기안정성은 상기 분리막의 투과유속 및 염배제율 결과값이 하기 식 1 및 식 2를 동시에 만족하는 최대 시간 x(hr)를 기록하였다. 상기 계산식 2을 이용하여 계산한 실시예 및 비교예의 염배제율 결과값을 그래프화 하여 도 8에 도시하였다.Long-term stability was recorded as the maximum time x (hr) for which the permeate flux and salt rejection rate of the separation membrane simultaneously satisfy Equations 1 and 2 below. The salt rejection ratio results of Examples and Comparative Examples calculated using Equation 2 above were graphed and shown in FIG. 8.
또한, 하기 식 1 및 식 2에서 x가 15이상의 실수일 때, 하기 식 1 및 식 2를 동시에 만족하는 경우 분리막의 장기안정성이 우수하다고 평가하였다.In addition, in Equations 1 and 2 below, when x is a real number of 15 or more and Equations 1 and 2 below are simultaneously satisfied, the long-term stability of the separator was evaluated to be excellent.
[식 1] Jwx/Jwi ≥ 0.7[Equation 1] Jw x /Jw i ≥ 0.7
상기 식 1에서,In equation 1 above,
Jwx는 상기 조건에서 x시간 후에 1분간 측정된 투과유속(Flux)이고, Jwi는 초기 1분간 측정된 분리막의 투과유속이다.Jw x is the flux measured for 1 minute after x hours under the above conditions, and Jw i is the flux flux of the separation membrane measured for the initial 1 minute.
[식 2] Rx/Ri ≥ 0.9[Equation 2] R x /R i ≥ 0.9
상기 식 2에서,In equation 2 above,
Rx는 상기 조건에서 x시간 후에 1분간 측정된 염배제율(Rejection)이고, Ri는 초기 1분간 측정된 분리막의 염배제율이다.R x is the salt rejection measured for 1 minute after
[제조예 1 내지 3 및 비교제조예 1 내지 3] PVDF-co-HFP 공중합체의 중합 [Preparation Examples 1 to 3 and Comparative Preparation Examples 1 to 3] Polymerization of PVDF-co-HFP copolymer
1L 스테인리스 반응기에 탈이온수 280g과 유화제 APFO(Ammonium perfluorooctanoate, TCI) 0.7g을 투입하고 82℃에서 충분히 교반하였다. 이어서 단량체인 VDF(1,1-Difluoroethylene, Apollo)와 HFP(Hexafluoropropylene, Career Henan Chemical)를 하기 표 1에 기재된 중량대로 투입하고, 개시제 SPS(sodium persulfate, Na2S2O8, Sigma-Aldrich) 0.279g을 탈이온수 20g에 완전히 녹인 수용액을 함께 투입한 뒤, 반응기 압력이 더이상 내려가지 않을 때까지 반응시켰다. 반응이 완료된 후 40℃이하로 냉각하여 PVDF-co-HFP 공중합체 분산액를 수득하였다. 상기 분산액에 NaCl(saturated sodium chloride) 수용액을 투입하여 공중합체만 침전시키고, 이를 여러 번 탈이온수로 세척한 뒤 50℃ 진공오븐에서 24 시간 이상 건조하여 하기 화학식 2로 표시되는 목표 생성물 PVDF-co-HFP 공중합체를 수득하였다.280 g of deionized water and 0.7 g of emulsifier APFO (Ammonium perfluorooctanoate, TCI) were added to a 1L stainless steel reactor and thoroughly stirred at 82°C. Next, the monomers VDF (1,1-Difluoroethylene, Apollo) and HFP (Hexafluoropropylene, Career Henan Chemical) were added in the weight range shown in Table 1 below, and the initiator SPS (sodium persulfate, Na 2 S 2 O 8 , Sigma-Aldrich) was added. 0.279 g was added with an aqueous solution completely dissolved in 20 g of deionized water, and then reacted until the reactor pressure no longer decreased. After the reaction was completed, it was cooled below 40°C to obtain a PVDF-co-HFP copolymer dispersion. An aqueous NaCl (saturated sodium chloride) solution was added to the dispersion to precipitate only the copolymer, which was washed several times with deionized water and dried in a vacuum oven at 50°C for more than 24 hours to produce the target product PVDF-co- represented by the following formula (2): HFP copolymer was obtained.
[화학식 2][Formula 2]
(상기 화학식 2에서, (In Formula 2 above,
x 및 y는 상기 공중합체 내 각 반복단위의 몰%로서, x and y are the mole percent of each repeating unit in the copolymer,
x 및 y의 합은 100몰%이다.)The sum of x and y is 100 mol%.)
수득한 공중합체의 중량평균분자량(Mw), 유리전이온도(Tg) 및 열분해온도(Tm)를 측정하여 하기 표 1에 나타내었고, 상기 화학식 2로 표시되는 PVDF-co-HFP 공중합체에서 y인 몰%를 19F NMR spectrometer (AVANCE 700 MHz, Bruker)로 분석하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The weight average molecular weight (Mw), glass transition temperature (Tg), and thermal decomposition temperature (Tm) of the obtained copolymer were measured and shown in Table 1 below. In the PVDF-co-HFP copolymer represented by Formula 2, y The mole percent was analyzed using a 19 F NMR spectrometer (AVANCE 700 MHz, Bruker), and the results are shown in Table 1 below.
(g/mol)Mw
(g/mol)
HFP(7.4%)Manufacturing Example 1
HFP (7.4%)
HFP(12.7%)Comparative Manufacturing Example 1
HFP (12.7%)
[실시예 1 및 비교예 1 내지 6] 전기방사를 이용한 다공성 분리막의 제조 [Example 1 and Comparative Examples 1 to 6] Preparation of porous separator using electrospinning
상기 표 1의 HFP(0%) 내지 HFP(32.2%)와 유기 용매 DMF를 하기 표 2에 따라 투입하고 60℃에서 24시간 동안 교반하여 균일하게 분산된 도프 용액을 제조하였다. 상기 도프 용액 3 ml를 27 게이지의 스테인리스 바늘이 연결된 NORM-JECT 주사기에 주입하고, 25℃의 온도 및 30 내지 35%의 상대습도에서 전기방사장치(ESR200R2D, NanoNC, Korea)로 전기방사하여 다공성 분리막을 제조하였다. 구체적으로 상기 전기방사는 전압이 15kV이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리가 12 cm이며, 상기 도프 용액의 토출 속도가 0.1 ml/hr이고, 드럼 콜렉터의 감는 빠르기가 400RPM의 조건에서 진행되었다. 이어서 제조된 다공성 분리막을 20℃의 오븐에서 열풍 건조하여 남은 용매를 제거한 뒤, 100℃의 오븐에 60분간 열처리하여 다공성 분리막을 제조하였다. 제조된 분리막의 물성을 평가하여 하기 표 3에 나타내었고, 상기 분리막의 표면을 FE-SEM으로 분석하여 도 2에 도시하였다. 도 2 및 표 3에서 보는 바와 같이 HFP의 몰%가 증가함에 따라 섬유의 직경이 두꺼워지는 것을 확인하였고, 특히, HFP(32.2%)를 사용한 비교예 6의 경우 열처리 과정에서 섬유간 융착이 과도하게 일어나 분리막 성능이 현저하게 저하됨을 확인하였다.HFP (0%) to HFP (32.2%) of Table 1 and the organic solvent DMF were added according to Table 2 below and stirred at 60°C for 24 hours to prepare a uniformly dispersed dope solution. 3 ml of the dope solution was injected into a NORM-JECT syringe connected to a 27 gauge stainless steel needle, and electrospun with an electrospinning device (ESR200R2D, NanoNC, Korea) at a temperature of 25°C and a relative humidity of 30 to 35% to form a porous separator. was manufactured. Specifically, the electrospinning was carried out under the conditions that the voltage was 15 kV, the distance between the nozzle and the collector was 12 cm, the discharge rate of the dope solution was 0.1 ml/hr, and the winding speed of the drum collector was 400 RPM. The prepared porous membrane was then dried with hot air in an oven at 20°C to remove the remaining solvent, and then heat-treated in an oven at 100°C for 60 minutes to prepare a porous membrane. The physical properties of the prepared separator were evaluated and shown in Table 3 below, and the surface of the separator was analyzed by FE-SEM and shown in Figure 2. As shown in Figure 2 and Table 3, it was confirmed that the diameter of the fiber became thicker as the mole percent of HFP increased. In particular, in the case of Comparative Example 6 using HFP (32.2%), excessive fusion between fibers occurred during the heat treatment process. It was confirmed that the separator performance was significantly reduced.
또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 5의 다공성 분리막의 성능을 평가하여 표 4에 나타내었으며, 막증류 공정 후의 분리막 단면을 SEM-EDX(BRUKER, QUANTAZX 200)로 분석하여 도 3에 도시하였다. 도 3에서 보는 바와 같이 비교예 1의 경우 막증류 공정 테스트를 시작하자마자 분리막이 젖어버려 더 이상 평가를 진행을 할 수 없었으며, 비교예 2 및 3의 경우도 7 시간 12시간밖에 버티지 못하였다. 반면, 실시예 1의 경우 35시간 이상 우수한 분리막 성능을 유지하여 본 발명이 목적으로 하는 장기안정성을 확인할 수 있었다.In addition, the performance of the porous separators of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 was evaluated and shown in Table 4, and the cross-section of the separator after the membrane distillation process was analyzed using SEM-EDX (BRUKER, QUANTAZX 200) and shown in Figure 3. . As shown in Figure 3, in the case of Comparative Example 1, the membrane became wet as soon as the membrane distillation process test started, so further evaluation could not be performed, and in the case of Comparative Examples 2 and 3, the membrane could only last 7 and 12 hours. On the other hand, in Example 1, excellent separator performance was maintained for more than 35 hours, confirming the long-term stability targeted by the present invention.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 6의 다공성 분리막의 물성 중 접촉각과 LEP의 결과값을 도 4에 도시하였으며, 도 4에서 실시예 1의 접촉각 및 LEP의 값이 가장 우수하다는 것을 확인하였다.The contact angle and LEP results among the physical properties of the porous separators of Example 1 and Comparative Examples 1 to 6 are shown in Figure 4, and it was confirmed in Figure 4 that the contact angle and LEP values of Example 1 were the best.
또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 5의 표면조도를 AFM으로 분석한 결과를 도 5 내지 6에 도시하였고, 실시예 1의 표면조도가 가장 우수하다는 것을 확인하였다. 하기 표 3 및 표 4에서 보는 바와 같이, 우수한 표면조도를 갖는 실시예 1의 경우, 더욱 조밀한 분리막을 형성하여 비교예 대비 매우 향상된 분리막 성능을 발현할 수 있다.In addition, the results of analyzing the surface roughness of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 using AFM are shown in Figures 5 and 6, and it was confirmed that the surface roughness of Example 1 was the best. As shown in Tables 3 and 4 below, in the case of Example 1, which has excellent surface roughness, a more dense separator can be formed, resulting in greatly improved separator performance compared to the comparative example.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 5의 다공성 분리막의 투과유속과 염배제율 결과값을 그래프화하여 도 7 내지 8에 도시하였고, 도 7 내지 8에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 경우에만 상기 식 1 및 2를 동시에 만족하였으며, 이를 통해 본 발명의 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 장기안정성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.The permeation flux and salt rejection rate results of the porous membranes of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 were graphed and shown in Figures 7 to 8. As shown in Figures 7 to 8, only in Example 1 Equations 1 and 2 were simultaneously satisfied, and through this, it was confirmed that the long-term stability of the porous separation membrane for the membrane contactor process of the present invention was excellent.
하기 표 2는 실시예 1 및 비교예 1 내지 6에서의 도프 용액의 조성물의 함량에 대한 것이고, 하기 표 3은 상기 다공성 분리막의 물성측정결과에 대한 것이고, 하기 표 3은 상기 다공성 분리막의 분리막 성능에 대한 것이다.Table 2 below shows the content of the composition of the dope solution in Example 1 and Comparative Examples 1 to 6, Table 3 below shows the results of measuring the physical properties of the porous separator, and Table 3 below shows the membrane performance of the porous separator. It's about.
(사용 고분자)copolymer used
(Polymer used)
[실시예 2 내지 비교예 7 내지 9][Example 2 to Comparative Examples 7 to 9]
상기 실시예 1에서 상기 도프 용액의 토출 속도가 0.2 ml/hr인 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 진행하였으며, Solef® 1015(HFP(0%)), Kynar Flex® LBG(HFP(2.3%)), Kynar Flex® 2800(HFP(4.5%)) 및 제조예 1의 HFP(7.7%)을 사용하여 실시예 2 내지 비교예 7 내지 9에 따른 다공성 분리막을 제조하였다. 제조된 분리막의 물성을 평가하여 하기 도 9에 나타내었다.The same procedure as Example 1 was carried out except that the discharge rate of the dope solution was 0.2 ml/hr, Solef ® 1015 (HFP (0%)), Kynar Flex ® LBG (HFP (2.3%) ), Kynar Flex ® 2800 (HFP (4.5%)), and HFP (7.7%) of Preparation Example 1 were used to prepare porous separators according to Examples 2 to Comparative Examples 7 to 9. The physical properties of the manufactured separator were evaluated and are shown in Figure 9 below.
[실시예 3 내지 비교예 10 내지 12][Example 3 to Comparative Examples 10 to 12]
상기 실시예 1에서 상기 도프 용액의 토출 속도가 0.5 ml/hr인 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 진행하였으며, Solef® 1015(HFP(0%)), Kynar Flex® LBG(HFP(2.3%)), Kynar Flex® 2800(HFP(4.5%)) 및 제조예 1의 HFP(7.7%)을 사용하여 실시예 3 내지 비교예 10 내지 12에 따른 다공성 분리막을 제조하였다. 제조된 분리막의 물성을 평가하여 하기 도 9에 나타내었다.The same procedure as Example 1 was carried out except that the discharge rate of the dope solution was 0.5 ml/hr, Solef ® 1015 (HFP (0%)), Kynar Flex ® LBG (HFP (2.3%) ), Kynar Flex ® 2800 (HFP (4.5%)) and HFP (7.7%) of Preparation Example 1 were used to prepare porous separators according to Examples 3 to Comparative Examples 10 to 12. The physical properties of the manufactured separator were evaluated and are shown in Figure 9 below.
도 9에서 보는 바와 같이 실시예 1 내지 3의 경우, 비교예 1 내지 3 및 7 내지 12에 비하여 더욱 조밀한 기공크기와 우수한 접촉각 및 LEP를 갖는다는 것을 확인하였다. 또한, 도프 용액의 토출 속도가 0.1 ml/hr일때, 더욱 우수한 물성을 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다. As shown in Figure 9, it was confirmed that Examples 1 to 3 had denser pore sizes, excellent contact angles, and LEP compared to Comparative Examples 1 to 3 and 7 to 12. In addition, it was confirmed that when the discharge rate of the dope solution was 0.1 ml/hr, it exhibited more excellent physical properties.
상기 실시예를 통해 본 발명의 막접촉기 공정용 다공성 분리막은 소수성 정도가 우수한 공중합체를 전기방사하여 제조되었으며, 상기 분리막은 유리한 기공크기, 섬유직경, 접촉각 및 LEP 등과 같은 물성을 갖고, 우수한 분리막 성능이 장시간 동안 유지될 수 있음을 보여줌으로써, 장기안정성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 본 발명의 분리막을 해수담수화를 위한 막증류 공정에 적용하여 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 꼭 막증류 공정이 아니더라도 높은 소수성을 갖는 분리막이 요구되는 다양한 분야에도 적용할 수 있다.Through the above examples, the porous separator for the membrane contactor process of the present invention was manufactured by electrospinning a copolymer with excellent hydrophobicity, and the separator has physical properties such as advantageous pore size, fiber diameter, contact angle, and LEP, and has excellent separator performance. By showing that this can be maintained for a long period of time, it was confirmed that long-term stability is excellent. The separation membrane of the present invention can be applied to a membrane distillation process for seawater desalination to further improve efficiency, and can be applied to various fields that require a separation membrane with high hydrophobicity even if it is not necessarily a membrane distillation process.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific details and limited embodiments, but these are provided only to facilitate a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the field to which the present invention belongs is not limited to the above embodiments. Those skilled in the art can make various modifications and variations from this description.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all modifications that are equivalent or equivalent to the scope of this patent claim shall fall within the scope of the spirit of the present invention. .
Claims (20)
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1은 플루오로(F)이고,
R2는 퍼플루오로메틸기(-CF3)이고,
x 및 y는 상기 공중합체 내 각 반복단위의 몰%로서,
x 및 y는 서로 독립적으로 1 이상의 실수를 나타내고,
y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 5 내지 12 몰%이다.A porous separator for a membrane contactor process in which polymer fibers are accumulated three-dimensionally and has a plurality of pores, wherein the polymer fibers include a copolymer represented by the following formula (1).
[Formula 1]
In Formula 1,
R 1 is fluoro (F),
R 2 is a perfluoromethyl group (-CF 3 ),
x and y are the mole percent of each repeating unit in the copolymer,
x and y independently represent a real number of 1 or more,
y is 5 to 12 mol% based on the total repeating units in the copolymer.
상기 화학식 1의 y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 7 내지 9 몰%인 것인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.According to clause 1,
A porous separator for a membrane contactor process in which y in Formula 1 is 7 to 9 mol% based on the total repeating units in the copolymer.
상기 공중합체는 중량평균분자량(Mw)이 350,000 내지 700,000 g/mol인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.According to clause 1,
The copolymer is a porous separator for a membrane contactor process having a weight average molecular weight (Mw) of 350,000 to 700,000 g/mol.
상기 공중합체는 유리전이온도(Tg)가 -35 내지 -25℃인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.According to clause 1,
The copolymer is a porous separator for a membrane contactor process with a glass transition temperature (Tg) of -35 to -25°C.
상기 고분자 섬유는 평균 직경이 0.5 내지 0.8㎛인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.According to clause 1,
The polymer fiber is a porous separator for the membrane contactor process with an average diameter of 0.5 to 0.8㎛.
상기 분리막은 상기 공중합체를 전기방사하여 제조된 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 구조체인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.According to clause 1,
The separator is a porous separator for the membrane contactor process, which is a structure having multiple pores by accumulating three-dimensionally polymer fibers produced by electrospinning the copolymer.
상기 분리막은 접촉각(Contact angle)이 135°이상인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.According to clause 1,
The separator is a porous separator for the membrane contactor process with a contact angle of 135° or more.
상기 분리막은 액체 투과 압력(LEP, Liquid Entry Pressure)이 150 kPa이상인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.According to clause 1,
The separator is a porous separator for the membrane contactor process with a liquid entry pressure (LEP) of 150 kPa or more.
상기 분리막은 46 Torr의 압력, 70℃의 온도 및 농도가 50g/L인 염화나트륨 수용액이 0.9L/min의 유속으로 흐르는 조건에서 측정된 투과유속 및 염배제율은 하기 식 1 및 식 2를 동시에 만족하는 것인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.
[식 1] Jwx/Jwi ≥ 0.7
상기 식 1에서,
Jwx는 상기 조건에서 x시간 후에 1분간 측정된 투과유속(Flux)이고, Jwi는 초기 1분간 측정된 분리막의 투과유속이다.
[식 2] Rx/Ri ≥ 0.9
상기 식 2에서,
Rx는 상기 조건에서 x시간 후에 1분간 측정된 염배제율(Rejection)이고, Ri는 초기 1분간 측정된 분리막의 염배제율이다.
상기 식 1 및 식 2에서 x는 15이상의 실수이다.According to clause 1,
The permeate flow rate and salt rejection rate of the separation membrane measured under the conditions of a pressure of 46 Torr, a temperature of 70°C, and an aqueous solution of sodium chloride with a concentration of 50 g/L flowing at a flow rate of 0.9 L/min simultaneously satisfy Equations 1 and 2 below. A porous separation membrane for the membrane contactor process.
[Equation 1] Jw x /Jw i ≥ 0.7
In equation 1 above,
Jw x is the flux measured for 1 minute after x hours under the above conditions, and Jw i is the flux flux of the separation membrane measured for the initial 1 minute.
[Equation 2] R x /R i ≥ 0.9
In equation 2 above,
R x is the salt rejection rate (rejection) measured for 1 minute after
In Equations 1 and 2 above, x is a real number of 15 or more.
상기 분리막은 표면조도(Roughness)가 하기 식 1을 만족하는 것인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.
[식 3] Ray/Ra0 ≥ 1.3
상기 식 3에서,
Ray 및 Ra0은 상기 화학식 1의 y가 각각 y몰% 및 0몰%인 공중합체를 포함하는 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 표면조도이다.According to clause 1,
The separator is a porous separator for a membrane contactor process whose surface roughness satisfies Equation 1 below.
[Equation 3] Ra y /Ra 0 ≥ 1.3
In equation 3 above,
Ra y and Ra 0 are the surface roughness of a porous separator for a membrane contactor process in which polymer fibers containing a copolymer in which y of Formula 1 is y mol% and 0 mol%, respectively, are accumulated three-dimensionally and have multiple pores. .
상기 막접촉기 공정용 다공성 분리막은 진공식 막증류(VMD) 공정에 적용되는 것인 막접촉기 공정용 다공성 분리막.According to clause 1,
The porous membrane for the membrane contactor process is a porous membrane for the membrane contactor process that is applied to the vacuum membrane distillation (VMD) process.
(b) 상기 도프 용액을 전기방사한 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 분리막을 제조하는 단계; 및
(c) 열처리 단계;
를 포함하는 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1은 플루오로(F)이고,
R2는 퍼플루오로메틸기(-CF3)이고,
x 및 y는 상기 공중합체 내 각 반복단위의 몰%로서,
x 및 y는 서로 독립적으로 1 이상의 정수를 나타내고,
y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 5 내지 12 몰%이다.(a) preparing a dope solution containing a copolymer represented by the following formula (1);
(b) manufacturing a separator having a plurality of pores by accumulating polymer fibers electrospun from the dope solution in three dimensions; and
(c) heat treatment step;
A method of manufacturing a porous separation membrane for a membrane contactor process comprising a.
[Formula 1]
In Formula 1,
R 1 is fluoro (F),
R 2 is a perfluoromethyl group (-CF 3 ),
x and y are the mole percent of each repeating unit in the copolymer,
x and y independently represent an integer of 1 or more,
y is 5 to 12 mol% based on the total repeating units in the copolymer.
상기 화학식 1의 y는 상기 공중합체 내 전체 반복단위에 대하여 7 내지 9 몰%인 것인 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법.According to clause 15,
A method for producing a porous separation membrane for a membrane contactor process, wherein y in Formula 1 is 7 to 9 mol% based on the total repeating units in the copolymer.
상기 도프 용액은 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체가 20 내지 30 wt%로 포함되어 있는 것인 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법.According to clause 15,
The dope solution is a method of producing a porous separator for a membrane contactor process, wherein the copolymer represented by Formula 1 is contained in an amount of 20 to 30 wt%.
상기 (b) 상기 도프 용액을 전기방사한 고분자 섬유가 3차원적으로 축적되어 다수의 기공을 갖는 분리막을 제조하는 단계에서
상기 도프 용액의 토출 속도(Flow rate)가 0.05 내지 1.0 ml/hr인 것인 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법.According to clause 15,
In the step (b) of manufacturing a separator having a plurality of pores by accumulating three-dimensionally the polymer fibers obtained by electrospinning the dope solution,
A method of manufacturing a porous separator for a membrane contactor process, wherein the flow rate of the dope solution is 0.05 to 1.0 ml/hr.
상기 (c) 열처리 단계에서 열처리 온도는 80 내지 120℃인 것인 막접촉기 공정용 다공성 분리막의 제조방법.According to clause 15,
In the heat treatment step (c), the heat treatment temperature is 80 to 120°C.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210105859A KR102595067B1 (en) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | Membrane distillation membrane with excellent long-term stability and Manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210105859A KR102595067B1 (en) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | Membrane distillation membrane with excellent long-term stability and Manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20230023947A KR20230023947A (en) | 2023-02-20 |
KR102595067B1 true KR102595067B1 (en) | 2023-10-30 |
Family
ID=85329209
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020210105859A KR102595067B1 (en) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | Membrane distillation membrane with excellent long-term stability and Manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102595067B1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009061401A (en) | 2007-09-06 | 2009-03-26 | Gunze Ltd | Fiber structure for filtration filter and method for manufacturing the same |
US20110033645A1 (en) * | 2008-02-05 | 2011-02-10 | Rong Wang | Method for the production of an asymmetric hollow fiber membrane |
KR102254803B1 (en) | 2019-11-18 | 2021-05-21 | 한국화학연구원 | Blood compatible fluorine membrane and preparation method thereof |
CN107737529B (en) | 2017-10-13 | 2021-06-01 | 中国科学院生态环境研究中心 | Preparation method of super-hydrophobic and oleophobic composite membrane |
-
2021
- 2021-08-11 KR KR1020210105859A patent/KR102595067B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009061401A (en) | 2007-09-06 | 2009-03-26 | Gunze Ltd | Fiber structure for filtration filter and method for manufacturing the same |
US20110033645A1 (en) * | 2008-02-05 | 2011-02-10 | Rong Wang | Method for the production of an asymmetric hollow fiber membrane |
CN107737529B (en) | 2017-10-13 | 2021-06-01 | 中国科学院生态环境研究中心 | Preparation method of super-hydrophobic and oleophobic composite membrane |
KR102254803B1 (en) | 2019-11-18 | 2021-05-21 | 한국화학연구원 | Blood compatible fluorine membrane and preparation method thereof |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
B.S. Lalia et al., Journal of Membrane Science, 428, 2013, 104~115* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20230023947A (en) | 2023-02-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5861734B2 (en) | Polymer porous membrane | |
CN107250179B (en) | Hydrophilizing agent, composition containing hydrophilizing agent, and porous polymer membrane | |
CN111921392A (en) | Polymer blend membranes | |
JP6256705B2 (en) | Composite separation membrane | |
US11065587B2 (en) | Long chain branched fluoropolymer membranes | |
JP6444382B2 (en) | Polymer membrane materials based on 1234yf and 1234ze, membrane preparation and use thereof | |
KR20190038571A (en) | Porous membrane | |
US20230093662A1 (en) | Polymer additive comprising zwitterionic moieties for pvdf based membranes | |
DE60012425T2 (en) | Membranes of (per) fluorinated amorphous polymers | |
KR102595067B1 (en) | Membrane distillation membrane with excellent long-term stability and Manufacturing method thereof | |
WO2019016179A1 (en) | Membranes comprising fluorinated polymers and use thereof | |
WO2019236533A1 (en) | Fluoropolymer latex coatings for membranes | |
Sun et al. | Structuring and characterization of a novel microporous PVDF membrane with semi‐interpenetrating polymer networks for vacuum membrane distillation | |
JP2016183301A (en) | Porous polyvinylidene fluoride membrane for water treatment, and method for producing porous polyvinylidene fluoride membrane for water treatment | |
WO2019057682A1 (en) | Porous membrane and method of making | |
KR20220112292A (en) | Polymer Additive Comprising Zwitterionic Moieties for Vylidene Fluoride Polymer Based Membrane | |
WO2019016177A1 (en) | Membranes comprising fluorinated polymers and use thereof | |
CN113195081A (en) | Porous membranes for high pressure filtration | |
WO2024003351A1 (en) | Use of polymer additive comprising zwitterionic moieties in pvdf membranes for increasing the flux of said membranes | |
WO2024003352A1 (en) | Use of polymer additive comprising zwitterionic moieties in pvdf membranes for decreasing the transmembrane pressure at constant flux of said membranes | |
KR101811540B1 (en) | Composition for separation membrane, method for separation membrane using the same, separation membrane prepared therefrom and apparatus for purifying water | |
US20170165613A1 (en) | Hollow fiber membranes formed from trans-1,3,3,3-tetrafluoropropene and vinylidene difluoride fluoropolymers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |