KR20130040624A - Hollow fiber membrane with inner bisectional supporter for water treatment and preparation thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 수지를 이용한 내부 보강벽을 갖는 수처리용 중공사막의 제조방법에 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 고분자 수지에 무기첨가제, 유기첨가제, 용매계 첨가제 등에서 선택된 하나 이상의 첨가제를 첨가한 후 이를 용매로 용해시켜 단일상 방사용액을 제조하거나 가소제 혹은 희석제를 혼합한 후 고온에서 용융시켜 단일상 방사용액을 제조한 후 복합방사노즐을 통해, 이를 방사하여 내부보강벽을 갖는 수처리용 중공사막을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이와 같이 제조된 내부 보강벽을 갖는 강도 보강형 수처리용 중공사막은 중공사막이 가지고 있는 약한 내구성을 획기적으로 개선하여 수처리용으로 장기간 사용이 가능할 수 있으므로 경제적인 수처리 성능을 나타내는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for producing a hollow fiber membrane for water treatment having an internal reinforcing wall using a polymer resin, and more particularly, to at least one additive selected from an inorganic additive, an organic additive, a solvent-based additive, and the like, to a polymer resin. After dissolving it in a solvent to prepare a single-phase spinning solution or mixing a plasticizer or diluent and melting at a high temperature to prepare a single-phase spinning solution, and then spinning through a composite spinning nozzle, this hollow fiber membrane for water treatment having an internal reinforcing wall It relates to a method of manufacturing. The hollow fiber membrane for strength reinforcement type water treatment having the internal reinforcing wall manufactured as described above is characterized by economical performance of water treatment because it can be used for a long time for water treatment by dramatically improving the weak durability of the hollow fiber membrane.
Description
본 발명은 중공사 내부에 중공사의 강도를 보강할 수 있는 내부 보강벽이 있는 수처리용 중공사 분리막 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 고분자 수지에 무기계 첨가제와 유기계 첨가제, 용매계 첨가제를 하나이상 선택되어진 것을 첨가한 후 용매로 용해시키거나 혹은 용융시켜 방사용액으로 제조한 뒤 복합방사노즐을 통해 외부 응고조로 방사하여 내부 보강벽을 갖도록 하는 수처리용 중공사 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hollow fiber membrane for water treatment having an internal reinforcing wall capable of reinforcing the strength of the hollow fiber in the hollow fiber, and a method of manufacturing the same. More specifically, the polymer resin includes an inorganic additive, an organic additive, and a solvent additive. The present invention relates to a hollow fiber membrane for water treatment and a method for preparing the same, which are prepared by dissolving or melting with a solvent and then melted or melted with a solvent and then spinning into an external coagulation bath through a composite spinning nozzle to have an internal reinforcing wall.
한외여과 또는 정밀여과 중공사막을 제조하는데 주로 사용되는 고분자 소재로서 폴리설폰 (Polysulfone; PSf), 폴리이서설폰(Polyethersulfone; PES), 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidenefluoride; PVDF), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리에스터(Polyester), 폴리염화비닐(Polyvinylchloride: PVC), 셀룰로오즈나이트레이트(Cellulose nitrate), 재생셀룰로오즈(Regenerated Cellulose), 셀룰로오즈아세테이트(Celluloseacetate; CA), 셀룰로오즈트리아세테이트(Cellulosetriacetate; CTA), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile; PAN) 등이 사용된다. 폴리설폰 (Polysulfone; PSf), 폴리이서설폰(Polyethersulfone; PES), 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidenefluoride; PVDF)은 소수성 소재로서 일반적으로 상전이법을 이용하여 한외여과막이나 정밀여과 중공사막을 제조한다. 폴리설폰이나 폴리이서설폰은 폴리불화비닐리덴보다 상전이 속도가 훨씬 빠르고 점도가 낮기 때문에 짧은 시간에 많은 양의 중공사막을 제조할 수 있으나, 기계적 강도가 약하여 쉽게 막 표면이 손상되거나 절단되고, 낮은 내화학성으로 인해 장기간 사용시 분리막의 급속한 열화를 초래하며, 상대적으로 막의 공극이 커서 막오염으로 인한 장기 사용상의 문제점이 있었다. 투과속도는 크지만 막의 오염 현상이 심하고 미세 유기물질의 통과를 유발하는 문제점이 있었다. 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌은 대표적인 결정성 고분자로서 주로 고분자를 용융하여 압출방사한 후 연신에 의해 결정과 결정 사이에 존재하는 비결정 영역을 찢음으로서 공극을 형성시켜 매우 높은 공극율을 가진다. 따라서 이러한 방법에 의해 제조된 중공사막은 높은 투과유속을 가지게 되지만, 공극이 슬릿모양을 띠고, 상대적으로 큰 공극과 공극분포를 가지게 되어 막오염 제어가 어렵고, 분리성능에 한계를 가지므로 하폐수 처리 등에 극히 제한적으로 사용되는 문제점이 있다. 폴리카보네이트나 폴리에스터 소재는 소재의 특성상 트랙에칭법을 사용하여 분리막으로 제조하지만, 이러한 방법은 균일한 공극을 제조할 수 있는 장점이 있으나, 공극율이 극히 적고, 공극이 큰 정밀여과막에 한정되며, 대규모 분리막 생산이 어려운 문제점을 지닌다. 셀룰로오즈나이트레이트(Cellulosenitrate), 재생셀룰로오즈(Regenerated Cellulose), 셀룰로오즈아세테이트(Celluloseacetate; CA), 셀룰로오즈트리아세테이트(Cellulosetriacetate; CTA), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile; PAN)등의 고분자는 상대적으로 친수성의 고분자로서 용매유도상전이법을 이용하여 분리막을 제조하고, 높은 투과유속을 가지지만, 내화학성과 내구성이 약한 문제점을 가지고 있어, 중공사막으로 성형시 쉽게 파단되거나 손상으로 장기 사용상의 문제점을 가지고 있다. Polysulfone (Polysulfone; PSf), Polyethersulfone (PES), Polyvinylidenefluoride (PVDF), Polyethylene, Polypropylene (Polypropylene; PP), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polycarbonate (PC), Polyamide (PA), Polyester, Polyvinylchloride (PVC), Cellulose Nitride Cellulose nitrate, Regenerated Cellulose, Celluloseacetate (CA), Cellulosetriacetate (CTA), Polyacrylonitrile (PAN) and the like are used. Polysulfone (PSf), polyethersulfone (PES), and polyvinylidene fluoride (PVDF) are hydrophobic materials, and generally, ultrafiltration membranes or microfiltration hollow fiber membranes are prepared using a phase transfer method. Polysulfone or polyisulfone have a much higher phase transition speed and lower viscosity than polyvinylidene fluoride, so that a large amount of hollow fiber membranes can be produced in a short time, but the mechanical strength is weak, so that the membrane surface is easily damaged or cut, Due to chemistry, the membrane deteriorates rapidly during long-term use, and there is a problem of long-term use due to membrane contamination due to the relatively large pore size of the membrane. Although the permeation rate is large, the fouling phenomenon of the membrane is severe and there is a problem of causing the passage of fine organic materials. Polyethylene or polypropylene is a typical crystalline polymer, and mainly melts the polymer and extrudes it, and then stretches the amorphous region existing between the crystal and the crystal to form voids, thereby having a very high porosity. Therefore, the hollow fiber membrane produced by this method has a high permeation flux, but the pores are slit-shaped, have a relatively large pore and pore distribution, it is difficult to control the membrane contamination, and the separation performance is limited, so sewage treatment There is a problem that is used extremely limited. Polycarbonate or polyester material is manufactured as a separation membrane using the track etching method due to the characteristics of the material, but this method has the advantage of producing a uniform void, but is extremely limited in the microfiltration membrane with a very small porosity, a large void, Large scale membrane production has a difficult problem. Polymers such as cellulosenitrate, Regenerated Cellulose, Celluloseacetate (CA), Cellulosetriacetate (CTA), Polyacrylonitrile (Polyacrylonitrile; PAN) As a separator, a separation membrane is manufactured by using a solvent induction phase transition method, and has a high permeation flux, but has a weak chemical resistance and durability, and has a problem of long-term use due to breakage or damage when forming into a hollow fiber membrane.
대한민국 특허공개 제2005-18624호에서는 삼차원 메쉬상 구조와 구상구조를 모두 갖는 다공질막의 제조 및 이의 응용을 개시하고 있다. 본 특허에서는 상기 다공질막의 달성을 위하여 열가소성 수지를 용매에 용해시키고, 상기 수지용액을 방사 노즐로부터 냉각 액체 중에 토출함으로써 고화시켜 다공질막을 제조함에 있어서 상기막의 한쪽 면과 다른 쪽 면에서 냉각 액체의 조성을 변화시켜 삼차원 메쉬상 구조와 구상구조를 모두 갖는 방법, 구상구조로 이루어진 다공질막의 적어도 한쪽 측에 수지 용액을 도포한 후 응고액에 침지함으로써 삼차원 메쉬상 구조를 형성하는 방법, 삼차원 메쉬상 구조 형성용 수지 용액과 구상 구조 형성용 수지용액을 3중 방사 노즐로부터 동시에 토출한 후 고화시킨 삼차원 메쉬상 구조와 구상구조를 모두 갖는 방법을 개시하고 있다. 그러나 이러한 중공사막 제조방법은 공정이 지나치게 복잡하여 제조단가가 상승할 수 없고, 또한 각 층간의 이질적인 공정과 제조공정으로 계면간 접착 불량으로 인한 박리 등의 문제를 일으킬 수 있다. 불테 등은 1996년 출간된 문헌 [A.M.W. Bulte, M.H.V. Mulder, C.A. Smolders, H. Strathmann, Diffusion induced separation with crystallizable nylons. II. Relation to final membrane morphology, Journal of membrane science, 121, 51-58(1996)]에서 열가소성 수지를 이용하여 분리막을 제조할 경우 고온에서 용해시킨 후 낮은 온도의 응고조에 침지함에 의해 구상구조를 갖는 분리막의 제조를 개시하고 있다. 1994년 출간된 리 등의 문헌 [S.-G. Li, G.H. Koops, M.H.V. Mulder, T. van den Boomgaard, C.A. Smolders, Wet spinning of integrally skinned hollow fiber membranes by a modified dual-bath coagulation method using a triple orifice spinneret, Journal of membrane science, 94, 329-340 (1994)], 2005년 출간된 알브레츠 등의 문헌 [W. Albrecht, K. Kneifel, Th. Weigel, R. Hilke, R. Just, M. Schossig, K. Ebert, A. Lendlein, Preparation of highly asymmetric hollow fiber membranes from poly(ether imide) by a modified dry-wet phase inversion techniquie using a triple spinneret, Journal of membrane science, 262, 69-80 (2005)] 등에서 3중 방사 노즐을 이용하여 투과증발용 중공사 분리막의 제조를 개시하고 있다. 대한민국 특허 공개 제2007-102012호에서는 평균입경이 5 마이크론 내외이고, 길이가 5 마이크론 이상의 다수의 막대형 입자 및 평균입경이 5 마이크론 이하의 다수의 구형입자를 포함하는 친수성 폴리불화비닐리덴 수지 다공성 중공사막의 제조를 개시하고 있다. 대한민국 특허 공개 제 2007-113374에서는 중공사막의 중공 중심부로부터 외부 쪽으로, 분리막 내부에 위치하고 평균직경 500 나노미터 이하의 다수의 고분자 나노섬유가 막단면상에 노출되어 있고, 동시에 평균입경 1 내지 5 마이크론 이하의 다수의 미세구형입자를 포함하는 내부층, 상기 내부층의 상부에 위치하고 평균직경 500 나노미터 이하의 다수의 고분자 나노섬유가 막단면에 노출되어 있고, 동시에 평균입경 5 마이크론 초과 10 마이크론의 다수의 중간구형입자를 포함하는 중간층, 및 상기 중간층의 상부에 위치하고 평균직경 500 나노미터 이하의 다수의 고분자 나노섬유가 막단면상에 노출되어 있고, 동시에 평균입경 1 내지 5 마이크론 이하의 다수의 미세구형입자를 포함하는 표면층을 포함하는 폴리불화비닐리덴게 다공성 중공사막의 제조를 개시하고 있다. 또한 대한민국 특허공개 제 2007-113375에서는 중공사막의 중공 중심부로부터 구형 입자의 입경을 달리하는 네 개의 층을 갖는 폴리불화비닐리덴 수지 다공성 중공사막의 제조를 개시하고 있고, 대한민국 특허 공개 제 2007-103187에서는 중공사막의 중심부로부터 바깥쪽으로 내부층은 다수의 구형입자를 포함하고 있으며, 표면층은 다수의 구형 섬유상 입자를 포함하는 폴리불화비닐리덴 수지 다공성 중공사막의 제조를 개시하고 있다. 그러나 이러한 방법은 내부의 두꺼운 층을 형성하고 있는 지지층의 구상구조로 인하여 입자와 입자 사이의 공극이 작아 거대 공극 형성이 어려우므로 수투과를 제한하는 결점을 가지고 있다. 또한 다공성막의 표면에 분리활성층을 갖고 있지 않으므로 미세입자나 병원성 세균, 미생물 등의 제거 효율이 높지 않은 결점을 지닌다. 대한민국 특허공개 제2005-0056245호에서는 폴리불화비닐리덴 미다공막에 전리성 방사선의 조사를 이용하여 친수성 비닐 단량체의 라디칼생성을 유도한 뒤 막표면에 이들 라디칼들을 그래프트 중합시키는 방법을 통해 친수화된 막의 형성을 개시하고 있다. 또한, 대한민국 특허공개 제2006-0003347호에서는 에폭시기, 히드록시기, 카르복시기, 에스테르기, 아미드기를 함유한 친수성 단량체를 현탁중합을 통해 폴리불화비닐리덴 단량체와 공중합하여 제조된 친수화된 폴리불화비닐리덴 수지 다공막을 개시하고 있다. 대한민국 특허공개 제2005-0078747호에서는 친수화된 유기점토를 함유한 나노복합체 중공사막의 제조예를 개시하고 있다. 이외에, 알칼리, 산화제를 이용한 화학적 처리를 통한 친수화된 폴리불화비닐리덴 수지 다공성막의 제조예가 또한 개시되어 있다. 그러나, 이러한 종래 기술에는 중합과 같은 부가적인 공정, 방사선의 사용 같은 고비용 공정 등이 사용되고 있으며, 특히 화학적 처리방법은 흔히 폴리불화비닐리덴 수지 고유의 기계적 강도를 손상시킬 수 있는 결점을 가지고 있다. Korean Patent Publication No. 2005-18624 discloses the preparation and application of a porous membrane having both a three-dimensional mesh structure and a spherical structure. In this patent, in order to achieve the porous membrane, the thermoplastic resin is dissolved in a solvent, and the resin solution is solidified by ejecting the resin solution from the spinning nozzle into the cooling liquid to change the composition of the cooling liquid on one side and the other side of the membrane. A method having both a three-dimensional mesh structure and a spherical structure, a method of forming a three-dimensional mesh structure by applying a resin solution to at least one side of the porous membrane having a spherical structure, and then immersing in a coagulating solution, and a resin for forming a three-dimensional mesh structure A method having both a three-dimensional mesh structure and a spherical structure in which a solution and a resin solution for forming a spherical structure are simultaneously discharged from a triple spinning nozzle and then solidified. However, such a hollow fiber membrane manufacturing method is too complicated to increase the manufacturing cost, and also may cause problems such as peeling due to the interfacial adhesion failure in the heterogeneous process and manufacturing process between each layer. Bulte et al., Published in 1996, published by A.M.W. Bulte, M.H.V. Mulder, C. A. Smolders, H. Strathmann, Diffusion induced separation with crystallizable nylons. II. (Relation to final membrane morphology, Journal of membrane science, 121, 51-58 (1996)], when preparing a membrane using a thermoplastic resin, the membrane having a spherical structure by dissolving at high temperature and immersing in a low temperature coagulation bath The production is started. Lee et al., Published in 1994, S.-G. Li, G.H. Koops, M.H.V. Mulder, T. van den Boomgaard, C.A. Smolders, Wet spinning of integrally skinned hollow fiber membranes by a modified dual-bath coagulation method using a triple orifice spinneret, Journal of membrane science, 94, 329-340 (1994), albretz et al. W. Albrecht, K. Kneifel, Th. Weigel, R. Hilke, R. Just, M. Schossig, K. Ebert, A. Lendlein, Preparation of highly asymmetric hollow fiber membranes from poly (ether imide) by a modified dry-wet phase inversion techniquie using a triple spinneret, Journal of membrane science, 262, 69-80 (2005)] discloses the production of hollow fiber membranes for pervaporation using triple spinning nozzles. Korean Patent Publication No. 2007-102012 discloses a hydrophilic polyvinylidene fluoride resin porous hollow comprising a plurality of rod-shaped particles having an average particle diameter of about 5 microns, a length of 5 microns or more, and a plurality of spherical particles having an average particle diameter of 5 microns or less. Started manufacturing of the desert. In Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-113374, a plurality of polymer nanofibers, which are located inside the separation membrane from the hollow center of the hollow fiber membrane to the outside, are exposed on the cross-section of the membrane and have an average particle diameter of 1 to 5 microns or less. An inner layer comprising a plurality of microspherical particles, a plurality of polymer nanofibers located on top of the inner layer and having an average diameter of 500 nanometers or less are exposed to the cross-section, and at the same time, a plurality of intermediates having an average particle diameter of more than 5 microns and 10 microns An intermediate layer comprising spherical particles, and a plurality of polymer nanofibers, which are located on top of the intermediate layer and have an average diameter of 500 nanometers or less, are exposed on the cross-section, and at the same time, include a plurality of microspherical particles having an average particle diameter of 1 to 5 microns or less. Production of polyvinylidene fluoride porous hollow fiber membrane comprising surface layer And. In addition, Korean Patent Publication No. 2007-113375 discloses the production of a polyvinylidene fluoride resin porous hollow fiber membrane having four layers having different particle diameters from a hollow central part of a hollow fiber membrane. Disclosed is a production of a polyvinylidene fluoride resin porous hollow fiber membrane comprising an inner layer comprising a plurality of spherical particles outward from a central portion of the hollow fiber membrane and a surface layer comprising a plurality of spherical fibrous particles. However, this method has a drawback of limiting water permeation because it is difficult to form large voids due to the small voids between the particles due to the spherical structure of the support layer forming the thick layer inside. In addition, since it does not have a separation active layer on the surface of the porous membrane, it has a drawback that the removal efficiency of microparticles, pathogenic bacteria, microorganisms, etc. is not high. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-0056245 discloses the formation of hydrophilic vinyl monomers by irradiating polyvinylidene fluoride microporous membranes with ionizing radiation, followed by graft polymerization of these radicals on the membrane surface. It is starting to form. In addition, Korean Patent Publication No. 2006-0003347 discloses a porous hydrophilized polyvinylidene fluoride resin prepared by copolymerizing a hydrophilic monomer containing an epoxy group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an ester group, and an amide group with a polyvinylidene fluoride monomer through suspension polymerization. The film is starting. Korean Patent Publication No. 2005-0078747 discloses a preparation example of a nanocomposite hollow fiber membrane containing hydrophilized organic clay. In addition, examples of preparing a hydrophilized polyvinylidene fluoride resin porous membrane through chemical treatment with alkali and oxidizing agent are also disclosed. However, such prior art uses additional processes such as polymerization, expensive processes such as the use of radiation, and the like, and particularly, chemical treatment methods often have the disadvantage of impairing the mechanical strength inherent in polyvinylidene fluoride resin.
이에, 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 고분자 수지에 무기계 첨가제, 유기계 첨가제, 용매계 첨가제에서 하나이상 선택되어진 것을 첨가한 후 용매로 용해시켜 용매유도상분리법(Non-solvent induced phase separation; NIPS) 혹은 확산유도산분리법(Diffusion induced phase separation; DIPS)을 통해 내부 보강벽을 갖는 강도 보강형 수처리용 중공사 분리막을 제조하거나, 용융시켜 방사용액을 제조한 뒤 이를 열유도상분리법(Thermally induced phase separation method; TIPS)을 통해 내부 보강벽을 갖는 강도 보강형 수처리용 중공사 분리막을 제조함으로써 본 발명을 완성하였다. In order to solve the above problems, the present inventors add one or more selected from inorganic additives, organic additives, and solvent additives to a polymer resin, and then dissolve it in a solvent to dissolve the solvent in a non-solvent induced phase separation method (NIPS). ) Or a hollow fiber membrane for strength-reinforced water treatment with internal reinforcement walls through diffusion induced phase separation (DIPS), or melted to prepare a spinning solution and then thermally induced phase separation The present invention was completed by preparing a hollow fiber separator for strength-reinforced water treatment having an internal reinforcing wall through a separation method (TIPS).
내부 보강벽을 갖는 강도 보강형 수처리용 중공사 분리막에 있어서,In the hollow fiber membrane for strength reinforcement type water treatment having an internal reinforcing wall,
분리막은 고분자에 첨가제를 첨가한 것을 용매로 용해시켜 복합방사노즐로 방사하여 제조하는 것으로, 중공사 분리막의 관 내부에 중공사막의 관을 지지하는 격벽을 갖는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The membrane is prepared by dissolving the additives added to the polymer with a solvent and spinning with a composite spinning nozzle. The membrane has a strength-reinforced hollow fiber separator characterized by having a partition wall for supporting the hollow fiber membrane inside the hollow fiber membrane. And it relates to a manufacturing method thereof.
특히, 본 발명은 용매유도상분리법 또는 열유도상분리법을 통해 중공사 분리막으로 성형할 수 있는 다양한 고분자 수지에 투과유속을 향상시키기 위한 친수성 고분자를 첨가하거나 기공형성을 촉진시키거나 고분자의 액상(Liquid phase)-고상(solid phase) 상전이를 촉진시키기 위한 기핵제, 성형성을 향상시키고, 기공형성을 조절하기 위한 용매계 첨가제 등을 첨가해 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하거나 용융시켜 방사용액을 제조한 후 복합방사노즐을 통해 방사하여 내부 보강벽을 가지는 강도 보강형 중공사 분리막을 제조함으로써 수처리 분야에 안정적으로 사용이 가능하도록 하는 데 있다.In particular, the present invention is to add a hydrophilic polymer for improving the permeation flux to the various polymer resin that can be formed into a hollow fiber membrane through a solvent induction phase separation method or a thermal induction phase separation method or to promote pore formation or liquid A spinning solution is prepared by melting or dissolving in a solvent by adding a nucleating agent to promote phase-solid phase phase transition, improving moldability, and controlling a pore formation, and preparing a spinning solution. After the spinning through the composite spinning nozzle to produce a strength-reinforced hollow fiber membrane having an internal reinforcing wall to be used in a stable water treatment field.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
1) 용매에 의한 방사용액의 제조1) Preparation of spinning solution by solvent
고분자 수지를 이용한 중공사 분리막 제조는 용매유도상분리법(Non-solvent phase separation method), 열유도상분리법(Thermally phase separation method), 연신법(Stretching method), 소결법(Sintering method), 트랙에칭법(Track-etching method) 등으로 구분할 수 있다. 용매유도 상분리법과 열유도 상분리법이 본 발명에 유효하다. 용매유도상분리법은 고분자 수지를 용매에 용해시켜 방사용액을 제조한 후 용액속에 남아있는 기포를 제거하기 위해 통상적으로 감압 등의 방법으로 탈기시킨다. 탈기된 방사용액은 액 중에 있을 불순물 특히 고형의 불순물을 제거하기 위해 필터링을 한다. 필터링 후에는 중공사로 성형하기 위해 방사노즐로 보내게 되는데, 일정한 토출량이 매우 중요하므로 정량 펌프를 사용하거나 질소압 등을 사용한다. 방사노즐은 일반적으로 동심원의 이중노즐로 이루어져 중심부에는 내부응고제가 투입된다. 내부응고제는 비용매가 주로 사용되지만, 필요에 따라 빈용매, 용매 등이 혼합된 혼합용매가 사용되기도 한다. 내부응고제 대신 질소나 공기 등 기체를 불어넣기도 한다. 내부응고제와 함께 토출된 중공사 형태의 고분자 수지는 외부 응고조로 투입되면서 외부응고조에 있는 비용매가 중공사로 성형된 고분자 수지 용액으로 침투하여 고분자와 용매의 분리가 발생, 고분자 수지의 고화로 최종 고체상의 중공사가 완성된다. 직전에 고분자와 용매가 불안정 상태가 되어 부분적으로 고분자액상과 용매의 상분리, 즉, 액체-액체 상분리(Liquid-liquid demixing)가 발생하여 용매가 비용매로 대체되면서 분리막의 공극으로 존재하게 된다. 통상적으로 고분자 수지는 단독 혹은 복합적으로 사용된다. 특히 친수성을 부여하기 위해서 친수성 고분자인 폴리에틸렌글리콜(Polyethyleneglycol), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide), 덱스트란(Dextrane), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate)등을 블렌딩하거나 염화리튬, 염화아연, 황산마그네슘, 염화마그네슘 등을 첨가하기도 한다. 외부응고제는 통산 비용매를 사용하며 바람직하게는 물이 사용된다. 방사용액은 고분자를 용매로 녹이기 때문에 통상적으로 실온에서 제조하고 방사하지만, 대체로 20℃내지 80℃ 정도에서 수행한다. 방사온도가 20℃ 미만이면 공극크기가 작고 공극율이 감소하여 투과유속이 감소한다. 반면에 배제율이 증가하고 기계적 강도가 증가하는 경향이 있다. 80℃를 초과하는 방사조건에서는 20℃ 미만의 방사조건과는 대비되는데, 공극크기가 증가하고 공극율이 증가하여 투과유속이 증가하지만, 배제율이 감소하고 기계적 강도가 감소하는 경향이 있다. 내부응고제의 온도는 가늘고 긴 스테인레스스틸관을 통과하기 때문에 방사용액의 온도에 거의 의존하므로, 방사용액과 온도차가 크지 않으면, 그 온도에 따른 차별효과는 거의 나타나지 않는다. 외부응고조의 온도도 중공사막의 성능이나 물성에 영향을 미친다. 이 밖에 내부응고제의 조성, 외부응고제의 조성도 공극의 크기, 공극율, 기계적강도 등에 큰 영향을 미친다. 고분자 수지의 중량평균 분자량도 매우 중요하다. 분자량이 크면 점도가 높아 방사가 어렵고 공극의 크기가 작아지며, 공극율도 감소하여 투과유속의 감소가 발생하지만, 기계적 강도 증가한다. 용매유도상분리법에 의해 중공사막을 제조할 경우, 통상적으로 고분자는 10 내지 30 중량%의 범위에서 이루어진다. 만약 10 중량% 미만이면, 기계적 강도가 작아서 쉽게 판단되고, 공극이 커서 분리목적을 달성하기 어렵다. 30 중량%를 초과할 경우에는 점도가 너무 높아 방사가 어려우며, 공극이 작고 공극율이 작아서, 투과유속이 너무 작아 모듈로 제작하여 수처리 공정에 적용할 경우 경제성을 확보하기 어렵다. 일례로 폴리불화비닐리덴 수지로 용매유도상분리법을 통해 중공사 분리막을 제조할 경우, 폴리불화비닐리덴 수지 10 내지 25 중량%를 넣고 무기첨가제, 유기첨가제를 첨가한 후 20℃ 내지 100℃의 온도에서 용매에 용해시켜 방사용액을 제조한다. 폴리불화비닐리덴 수지는 중량평균 분자량 200,000 달톤 내지 700,000 달톤인 것이 본 발명의 목적에 부합한다. 폴리불화비닐리덴 수지의 중량평균 분자량이 200,000 달톤 미만일 경우 중공사막으로 성형하면 투과유속은 높게 나타나지만, 기계적 강도가 작아서 수처리 공정에 적용하면 쉽게 파단되거나 손상을 받게 되어 장기간 사용시 문제된다. 폴리불화비닐리덴 수지가 700,000 달톤을 초과하는 중량평균 분자량을 갖게 되면 점도가 매우 높아 방사에 어려움이 있고 작은공극으로 투과유속의 감소 문제가 있다. Hollow fiber membranes using polymer resins can be manufactured using non-solvent phase separation method, thermally phase separation method, stretching method, sintering method, track etching method ( Track-etching method). Solvent-induced phase separation and heat-induced phase separation are effective in the present invention. The solvent induction phase separation method is to degas the polymer resin in a solvent to prepare a spinning solution, and to remove bubbles remaining in the solution by decompression or the like. The degassed spinning solution is filtered to remove impurities, particularly solid impurities, in the liquid. After filtering, it is sent to the spinning nozzle for molding into hollow fiber. Since a constant discharge amount is very important, a metering pump or nitrogen pressure is used. Spinning nozzles generally consist of concentric double nozzles with an internal coagulant in the center. The internal coagulant is mainly a non-solvent, but a mixed solvent in which a poor solvent and a solvent are mixed may be used, if necessary. Instead of internal coagulants, some gases such as nitrogen and air are blown. The hollow fiber-type polymer resin discharged together with the internal coagulant is introduced into the external coagulation bath while the nonsolvent in the external coagulation bath penetrates into the polymer resin solution molded into the hollow fiber, resulting in separation of the polymer and the solvent. Hollow yarn is completed. Immediately before the polymer and the solvent become unstable, the polymer liquid phase and the solvent phase separation, that is, liquid-liquid demixing occurs, whereby the solvent is replaced by a non-solvent and exists as pores of the separator. Usually, the polymer resin is used alone or in combination. Particularly, in order to impart hydrophilicity, a blend of a hydrophilic polymer, polyethyleneglycol, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneoxide, dextran, polymethylmethacrylate, or lithium chloride Zinc chloride, magnesium sulfate and magnesium chloride may also be added. The external coagulant uses a total nonsolvent, preferably water. The spinning solution is usually prepared at room temperature and spun because the polymer is dissolved in a solvent, but is generally performed at about 20 ° C to 80 ° C. If the spinning temperature is less than 20 ℃, the pore size is small and the porosity is reduced to reduce the permeation flux. On the other hand, the rejection rate increases and the mechanical strength tends to increase. In the spinning conditions exceeding 80 ℃, compared with the spinning conditions of less than 20 ℃, the pore size increases and the porosity increases, the permeation flux increases, but the exclusion rate tends to decrease and the mechanical strength tends to decrease. Since the temperature of the internal coagulant passes through the elongated stainless steel tube, it is almost dependent on the temperature of the spinning solution. Therefore, if the temperature difference between the spinning solution and the spinning solution is not large, there is almost no difference in the temperature. The temperature of the external coagulation bath also affects the performance and properties of the hollow fiber membranes. In addition, the composition of the internal coagulant, the composition of the external coagulant also greatly influences the size of the pores, the porosity, the mechanical strength. The weight average molecular weight of the polymer resin is also very important. If the molecular weight is high, the viscosity is high, it is difficult to spin, the pore size is small, the porosity is also reduced to decrease the permeation flux, but the mechanical strength increases. When the hollow fiber membrane is prepared by the solvent induction phase separation method, the polymer is usually in the range of 10 to 30% by weight. If less than 10% by weight, the mechanical strength is small and easily judged, and the voids are so large that it is difficult to achieve the purpose of separation. If it exceeds 30% by weight, the viscosity is too high to be difficult to spin, the pore is small and the porosity is small, the permeation flow rate is too small to produce a module and applied to the water treatment process is difficult to secure economic feasibility. For example, when preparing a hollow fiber membrane using a solvent-induced phase separation method with a polyvinylidene fluoride resin, 10 to 25% by weight of polyvinylidene fluoride resin is added, and an inorganic additive and an organic additive are added, and then a temperature of 20 ° C. to 100 ° C. It was dissolved in a solvent to prepare a spinning solution. The polyvinylidene fluoride resin has a weight average molecular weight of 200,000 Daltons to 700,000 Daltons in accordance with the object of the present invention. If the weight average molecular weight of the polyvinylidene fluoride resin is less than 200,000 Daltons, the permeation flux is high when molded into the hollow fiber membrane, but the mechanical strength is small, so it is easily broken or damaged when applied to the water treatment process. When the polyvinylidene fluoride resin has a weight average molecular weight of more than 700,000 Daltons, the viscosity is very high, so it is difficult to spin and there is a problem of decreasing the permeation flux with small pores.
2) 용융에 의한 방사 용액의 제조2) Preparation of Spinning Solution by Melting
열유도상분리법(Thermally induced phase separation)은 일반적으로 상온에서 적정 용매가 없는 고분자 소재를 이용하여 고분자-가소제 2성분계의 혼합물을 적절한 냉각 속도로 상분리 온도 이하로 급냉시켜 연속상과 분산상의 상 분리를 일으킨 후 매트릭스 전체에 다공성을 부여하여 분리막을 제조하는 공정으로서, 통상, 고분자와 가소제를 용융 블렌딩(melt-blending)을 통해 균일한 용액을 만든 후 이를 중공사로 성형한 다음, 냉각시킴으로써 상 분리를 유도하고 고분자를 고화시킨다. 그 후 가소제를 제거하여 미세 다공 구조를 제조한다. 열유도상분리법으로 중공사막을 제조하는 고분자는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리아미드 등이다. 고분자 수지에 염화리튬이나 염화아연, 황산마그네슘, 염화마그네슘 등이나 실리카와 같은 기공형성제, 빈용매 혹은 가소제, 친수화를 목적으로 하는 친수성 고분자 등을 첨가하여 고온에서 용융시켜 방사용액을 제조한다. 고분자 수지는 통상 용매유도상분리법과 달리 비교적 고농도를 사용하므로 중공사막으로 성형 후 기계적 강도가 높다. 일례로 폴리불화비닐리덴 수지를 이용한 열유도상분리법에 의한 중공사 분리막의 성형은 고분자 수지에 무기첨가제, 유기첨가제, 가소제 등과 분리막의 유연성 강화를 목적으로 용매를 혼합하여 110 내지 200 의 온도에서 용융시켜 방사용액을 제조한다. 보다 상세하게는, 폴리불화비닐리덴 수지 20 내지 60 중량%로서 중량평균 분자량 200,000 달톤 내지 700,000달톤으로 단독 혹은 2종 이상 혼합물로 구성하되, 단독으로 사용할 경우에는 250,000 달톤 내지 700,000 달톤의 고분자를 사용하는 것이 바람직하고 2종 이상의 혼합물로 구성할 경우에는 200,000달톤 내지 400,000달톤의 저분자량 폴리불화비닐리덴 수지와 400,000달톤 내지 700,000달톤의 고분자량 폴리불화비닐리덴 수지를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 고분자가 20 중량% 미만이면 기계적 강도가 약하여 중공사막으로 성형하여 수처리용으로 사용할 경우 쉽게 절단되어 사용상 불편함을 초래하고, 60 중량%를 초과할 경우에는 높은 점도로 인하여 성형이 어렵고, 공극이 작아서 투과유속이 낮아 수처리용 중공사막으로 사용하기에 부적합하다. 고분자의 중량평균 분자량이 200,000 달톤 이하가 되면 기계적 강도가 약하여 수처리용 중공사막으로 사용하기에는 부적합하고, 중량평균 분자량이 700,000 달톤 이상일 경우에는 점도가 높아 방사하기 어렵거나 형성되는 공극이 작아서 낮은 투과유속을 가지므로 목적하는 수처리용 중공사막으로 사용하기에 부적합하다. 폴리불화비닐리덴 수지는 소수성이므로 물과의 친화성이 약하기 때문에 상전이 속도를 높이고, 이를 조절하기 위해서 무기첨가제를 사용하게 되는데 이들 무기첨가제는 폴리불화비닐리덴 수지 중공사막의 공극 형성에 중요한 역할을 한다. 염화리튬(LiCl), 염화아연(ZnCl2), 염화마그네슘(MgCl2), 황산마그네슘(MgSO4)에서 선택되는 어느 하나 이상의 무기첨가제가 1 내지 20 중량%가 사용된다. 무기첨가제가 1 중량% 미만일 경우 그 첨가 효과가 미미하여 공극형성이 잘 이루어지지 않고, 20 중량%를 초과할 경우 불용 첨가제의 존재와 분산성이 나빠져서 불규칙한 거대공극의 형성과 제조시 불량 중공사막이 형성되는 문제점이 있다. 유기첨가제는 친수성 고분자나 물질로서 폴리에틸렌글리콜(Polyethylenglycol; PEG), 덱스트란(Dextrane), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리비닐알콜(Polyvinylalcohol; PVA), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide; PEO), 폴리비닐아세테이트(Polyvinylacetate; PVAc), 말레인산(Maleic acid)에서 하나이상 선택하여 1 내지 20 중량%를 혼합한다. 친수성 유기첨가제가 1 중량% 미만일 경우 친수성을 나타내는 효과가 미미하여 중공사막으로 성형시 낮은 투과유속을 나타내며, 20 중량%를 넘을 경우 높은 투과유속을 나타내지만, 기계적 강도가 약하여 쉽게 막손상이 발생하거나 낮은 내화학성으로 장기 사용시 문제점이 있다. 용매는 디메틸포름아마이드(N,N-Dimethylformamide; DMF), 디메틸아세트아미드(N,N-Dimethylacetamide; DMAc), 노말메틸피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone; NMP), 디메틸설퍼옥사이드(Dimethylsulfoxide; DMSO)에서 어느 하나 이상으로 1 내지 10 중량%를 사용하는데, 양용매가 1 중량% 미만일 경우 용매 첨가의 효과가 실질적으로 잘 나타나지 않고, 10 중량%를 초과할 경우 고분자 수지의 용매에 의한 과다 용해로 인해 중공사 분리막으로 성형 후 공극의 크기가 크고, 물성이 낮아지는 단점이 있다. 3 내지 50 중량%의 가소제를 첨가하는데 감마부티로락톤(γ-Butyrolactone), 사이클로헥사논(Cyclohexanone), 이소포론(Isophorone), 디부틸프탈레이트(Dibutylphthalate; DBP), 디에틸헥실프탈레이트(Di-2-ethylhexylphthaltate; DOP) 등이 대표적인다. 이들 가소제에서 선택되어진 하나이상의 혼합 용매를 사용하는데 이는 중공사막 성형시 성형을 용이하게 하고, 공극형성에 매우 중요한 역할을 한다. 가소제가 3 중량% 이하가 되면 그 효과를 얻기 어렵고, 60 중량% 이상이면 큰 공극과 공극율을 가질 수 있어 투과유속은 크지만, 막오염에 취약하고 기계적 강도가 낮아 수처리용 중공사막으로 사용하는데 적합하지 않다. Thermally induced phase separation is generally performed by quenching a mixture of a polymer-plasticizer two-component system below the phase separation temperature at an appropriate cooling rate using a polymer material without a proper solvent at room temperature to prevent phase separation between the continuous phase and the dispersed phase. A process of manufacturing a separator by imparting porosity to the entire matrix after the formation of the polymer, and in general, a polymer and a plasticizer are made through melt blending to form a homogeneous solution, molded into hollow fibers, and then cooled to induce phase separation. And solidify the polymer. The plasticizer is then removed to produce a microporous structure. Polymers for preparing the hollow fiber membranes by thermally induced phase separation are polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyamide, and the like. The spinning solution is prepared by adding a pore-forming agent such as lithium chloride, zinc chloride, magnesium sulfate, magnesium chloride, magnesium chloride, silica, poor solvent or plasticizer, and a hydrophilic polymer for hydrophilicity to the polymer resin. Unlike the solvent-induced phase separation method, polymer resins generally use relatively high concentrations, and thus have high mechanical strength after molding into hollow fiber membranes. For example, forming the hollow fiber membrane by the thermal induction phase separation method using polyvinylidene fluoride resin is melted at a temperature of 110 to 200 by mixing a solvent with a polymer resin for the purpose of enhancing the flexibility of the separator with an inorganic additive, an organic additive, a plasticizer and the like. To prepare a spinning solution. More specifically, the polyvinylidene fluoride resin 20 to 60% by weight of the weight average molecular weight of 200,000 Daltons to 700,000 Daltons composed of a single or a mixture of two or more, when used alone to use a polymer of 250,000 Daltons to 700,000 Daltons In the case of using a mixture of two or more kinds, a low molecular weight polyvinylidene fluoride resin of 200,000 Daltons to 400,000 Daltons and a high molecular weight polyvinylidene fluoride resin of 400,000 Daltons to 700,000 Daltons is preferably used. If the polymer is less than 20% by weight, the mechanical strength is weak, so it is easily cut when used for water treatment by forming into a hollow fiber membrane, and inconvenient in use.In the case of more than 60% by weight, the molding is difficult due to the high viscosity and the void is small. Low permeation flow rate makes it unsuitable for use as a hollow fiber membrane for water treatment. When the weight average molecular weight of the polymer is less than 200,000 Daltons, the mechanical strength is weak, which is not suitable for use as a hollow fiber membrane for water treatment. When the weight average molecular weight is 700,000 Daltons or more, the viscosity is high, so it is difficult to radiate, or the voids formed are small. It is not suitable for use as a hollow fiber membrane for the desired water treatment. Because polyvinylidene fluoride resin is hydrophobic, it has a weak affinity with water, so that the phase transition speed is increased and inorganic additives are used to control them. These inorganic additives play an important role in forming voids in the polyvinylidene fluoride resin hollow fiber membrane. . 1-20% by weight of one or more inorganic additives selected from lithium chloride (LiCl), zinc chloride (ZnCl 2 ), magnesium chloride (MgCl 2 ), magnesium sulfate (MgSO 4 ) is used. If the inorganic additive is less than 1% by weight, the effect of addition is insignificant, and the pore formation is poor. If the inorganic additive is more than 20% by weight, the presence and dispersibility of insoluble additives are deteriorated. There is a problem. Organic additives are hydrophilic polymers or materials such as polyethylene glycol (PEG), dextran (Dextrane), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), Polyvinylacetate (PVAc), maleic acid (maleic acid) at least one selected from 1 to 20% by weight is mixed. If the hydrophilic organic additive is less than 1% by weight, the effect of exhibiting hydrophilicity is insignificant, which shows a low permeation flux when forming into a hollow fiber membrane, and when the hydrophilic organic additive is more than 20% by weight, it shows a high permeation flux. There is a problem in long-term use due to chemical resistance. Solvents include dimethylformamide (N, N-Dimethylformamide; DMF), dimethylacetamide (N, N-Dimethylacetamide; DMAc), normal methylpyrrolidone (N-Methyl-2-pyrrolidone; NMP), and dimethylsulfoxide 1 to 10% by weight of any one or more in DMSO), the effect of the addition of the solvent is not very effective when the good solvent is less than 1% by weight, the excess dissolution of the polymer resin by solvent Due to the hollow fiber membrane after molding, the size of the pores is large, there is a disadvantage that the physical properties are lowered. 3 to 50% by weight of plasticizer is added to gamma butyrolactone (γ-Butyrolactone), cyclohexanone (Cyclohexanone), isophorone (Isophorone), dibutylphthalate (DBP), diethylhexylphthalate (Di-2) -ethylhexylphthaltate (DOP). One or more mixed solvents selected from these plasticizers are used, which facilitates molding in forming the hollow fiber membranes and plays a very important role in forming voids. If the plasticizer is less than 3% by weight, it is difficult to obtain the effect, and if it is 60% by weight or more, it can have a large porosity and porosity. Not.
3) 중공사막의 제조3) Preparation of Hollow Fiber Membrane
상기 1) 및 2) 단계에서 제조된 방사용액을 복합방사노즐의 바깥 관으로 흘려보내고, 내부 응고제는 복합방사노즐의 중심관으로 흘려서 외부응고조로 방사하여 방사용액을 고화시켜 중공사막을 제조하고 제조된 중공사막은 세정조에서 남아있는 용매와 유기첨가제가 제거된 후 권취된다. 복합방사노즐은 도 1에 나타낸 바와 같이 중심에 내부 응고제를 흘려보낼 수 있는 중심관과 그 바깥으로 고분자 수지를 흘려보낼 수 있는 바깥관이 있는 이중관 형태로서 상기 이중관이 쌍을 이루는 형태를 띄고 있다. 복합방사노즐의 온도는 용매유도상분리법의 경우 20℃ 내지 100℃이고 바람직하게는 30℃ 내지 80℃이다. 열유도상분리법의 경우에는 고분자 수지의 용융온도나 결정화 온도에 의존하므로 다양한 온도 범위가 적용된다. 용매유도상분리법에서 복합방사노즐의 온도가 20℃ 미만에서는 방사용액의 점도가 너무 높아 방사가 어렵고, 100℃를 초과하면 방사용액의 낮은 점도로 관경과 중공사막의 두께가 작아져서 기계적 강도가 낮아져 쉽게 절단되므로 중공사막이 연속 성형되지 못한다. 세정조는 물이 단독으로 사용되며 장기 사용시 추출된 용매가 증가하므로 일정량을 지속적으로 교환하여 추출된 용매의 증가를 제어할 수 있도록 구성한다.The spinning solution prepared in step 1) and 2) is flowed into the outer tube of the composite spinning nozzle, and the inner coagulant is flowed into the center tube of the complex spinning nozzle and spun into an external coagulation tank to solidify the spinning solution to prepare and manufacture a hollow fiber membrane. The hollow fiber membrane is wound up after the remaining solvent and organic additives are removed from the washing tank. As shown in Fig. 1, the composite spinning nozzle has a double tube in the form of a double tube having a central tube through which an internal coagulant can be flowed in the center and an outer tube through which a polymer resin can be flowed out thereof. The temperature of the composite spinning nozzle is 20 ° C to 100 ° C and preferably 30 ° C to 80 ° C in the case of solvent-induced phase separation. In the case of thermally induced phase separation, various temperature ranges are applied because they depend on the melting temperature or the crystallization temperature of the polymer resin. In the solvent-induced phase separation method, when the temperature of the composite spinning nozzle is lower than 20 ° C., the spinning solution has a high viscosity, which makes it difficult to spin. The hollow fiber membranes cannot be continuously formed because they are easily cut. The washing tank is configured to control the increase of the extracted solvent by continuously exchanging a predetermined amount because water is used alone and the extracted solvent increases during long-term use.
4) 세척과정4) washing process
또한, 본 발명에서는 세정조로부터 권취기로 이송된 중공사막의 내외에 잔존하는 용매를 포함한 유기물을 제거하기 위해 세척과정을 더욱 포함할 수 있다. 세척액으로 물의 사용이 바람직하며, 세척시간은 특별히 한정되지는 않으나, 적어도 4시간 이상 2일 이하가 바람직하다.In addition, the present invention may further include a washing process to remove the organic matter, including the solvent remaining in the inside and outside of the hollow fiber membrane transferred to the winder from the washing tank. The use of water as the washing liquid is preferred, and the washing time is not particularly limited, but at least 4 hours or more and 2 days or less.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 내부 보강벽을 갖는 강도 보강형 중공사 분리막은 모듈로 제조하여 수처리에 적용할 경우 내부 보강벽에 의해 높은 외압을 적용하더라도 찌그러짐이 없어 고압을 적용할 수 있으므로 수처리 막여과 공정에서 경제성을 확보할 수 있을 것으로 전망된다. As described in detail above, the strength-reinforced hollow fiber membrane having the internal reinforcing wall manufactured according to the present invention has no distortion even when high external pressure is applied by the internal reinforcing wall when it is manufactured as a module and applied to water treatment. As such, it is expected to secure economic feasibility in the water treatment membrane filtration process.
도 1은 본 내부 보강벽을 갖는 중공사막을 제조하기 위한 복합방사노즐의 개략도.
도 2는 본 발명에 의해 제조된 분리막 단면에 대한 주사전자현미경사진. 1 is a schematic view of a composite spinning nozzle for producing a hollow fiber membrane having the present internal reinforcing wall.
Figure 2 is a scanning electron micrograph of the cross-section of the membrane prepared by the present invention.
이하, 본 발명을 실시 예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.
실시예Example
[실시예 1]Example 1
중량평균 분자량 520,000 달톤의 폴리불화비닐리덴 수지 15 중량%에 기공을 형성시키기 위한 무기첨가제인 염화리튬 8 중량%, 친수화 고분자인 폴리에틸렌글리콜 3 중량%와 폴리비닐피롤리돈 3 중량%, 양용매인 디메틸포름아미드 71 중량%를 혼합하여 30℃에서 교반하여 방사 용액을 제조하였다. 제조된 방사용액은 30℃를 유지하면서 감압장치를 이용하여 용액 중에 존재하는 기포를 제거하였다. 내부응고제는 물과 디메틸포름아미드의 비를 6 대 4로 하여 실온에서 제조한 후 역시 감압장치를 이용하여 탈포하였고 방사시 25℃ 온도로 유지하였다. 외부 응고제는 물과 디메틸포름아미드를 각각 99 중량%와 1 중량%로 혼합하여 사용하였으며 40℃가 되도록 약간 가온하였다. 방사용액은 30℃를 유지하고 있는 복합방사노즐의 바깥 관으로 펄스가 없는 정량 기어펌프에 의해 이송되고, 내부응고제 역시 정량 기어펌프를 이용하여 복합방사노즐의 중심관으로 이송되어 외부응고조로 방사하였다. 외부응고조로 유입되기 전 복합방사노즐로부터 방출된 액상의 중공사는 표면장력에 의해 결합되어 결합된 부분의 벽체가 내부 보강벽이 되도록 하였으며, 방사된 고분자용액은 외부응고제로 유입되면서 상전이가 발생하면서 고화되어 내부 보강벽을 갖는 중공사막으로 성형되고 성형된 중공사막은 세정조를 거쳐 권취되었다. 권취된 중공사막은 남아있는 용매 제거를 위해 순수에 4시간 정도 침지하였다. 침지된 중공사막을 꺼내어 건조한 후 실험용 미니모듈을 제작하여 순수투과도와 배제율을 측정하였다. 또한 중공사막의 파단강도를 만능시험기를 이용하여 측정하였다. 8% by weight of lithium chloride, an inorganic additive for forming pores in 15% by weight of polyvinylidene fluoride resin having a weight average molecular weight of 520,000 Daltons, 3% by weight of hydrophilic polymer polyethylene glycol, 3% by weight of polyvinylpyrrolidone, and good solvent 71 wt% of dimethylformamide was mixed and stirred at 30 ° C. to prepare a spinning solution. The prepared spinning solution was used to remove bubbles in the solution by using a pressure reduction device while maintaining a 30 ℃. The internal coagulant was prepared at room temperature with a ratio of water to dimethylformamide of 6 to 4, and then degassed using a decompression device and maintained at 25 ° C. during spinning. The external coagulant was mixed with 99 wt% and 1 wt% of water and dimethylformamide, respectively, and warmed slightly to 40 ° C. The spinning solution was transferred to the outer tube of the composite spinning nozzle maintained at 30 ° C by a pulse-free metering gear pump, and the internal coagulant was also transferred to the center tube of the complex spinning nozzle using the metering gear pump and spun into an external coagulation tank. . The liquid hollow fiber discharged from the composite spinning nozzle before entering into the external coagulation tank is combined by surface tension so that the wall of the combined part becomes the internal reinforcing wall, and the polymer solution is solidified as the phase transition occurs as it enters the external coagulant And a hollow fiber membrane having an internal reinforcing wall, and the molded hollow fiber membrane was wound up through a washing tank. The wound hollow fiber membrane was immersed in pure water for about 4 hours to remove the remaining solvent. The immersed hollow fiber membrane was taken out and dried, and then an experimental mini module was manufactured to measure pure permeability and rejection rate. In addition, the breaking strength of the hollow fiber membrane was measured using a universal testing machine.
[실시예 2][Example 2]
중량평균 분자량 520,000 달톤의 폴리불화비닐리덴 수지 45 중량%에 기공을 형성시키기 위한 무기첨가제인 염화리튬 8 중량%, 친수화 고분자인 폴리에틸렌글리콜 3 중량%와 폴리비닐피롤리돈 3 중량%, 양용매인 노말메틸피롤리돈 5 중량%, 감마부티로락톤 35 중량%, 디에틸글리콜 1 중량%를 혼합하여 150℃에서 교반하여 방사 용액을 제조하였다. 제조된 방사용액은 150℃를 유지하면서 감압장치를 이용하여 용액 중에 존재하는 기포를 제거하였다. 내부응고제는 물과 노말메틸피롤리돈의 비를 8 대 2로 하여 실온에서 제조한 후 역시 감압장치를 이용하여 탈포하였고 방사시 온도를 제어하지는 않았다. 외부 응고제는 물과 노말메틸피롤리돈을 각각 99 중량%와 1 중량%로 혼합하여 사용하였으며 1℃ 내지 2℃를 유지할 수 있도록 냉각장치를 설치하였다. 방사용액은 150℃를 유지하고 있는 복합방사노즐의 바깥 관으로 펄스가 없는 정량 기어펌프에 의해 이송되고, 내부응고제 역시 정량 기어펌프를 이용하여 복합방사노즐의 중심관으로 이송되어 외부응고조로 방사하였다. 외부응고조로 유입되기 전 복합방사노즐로부터 방출된 액상의 중공사는 표면장력에 의해 결합되어 결합된 부분의 벽체가 내부 보강벽이 되도록 하였으며, 방사된 고분자용액은 외부응고제로 유입되면서 상전이가 발생하면서 고화되어 내부 보강벽을 갖는 중공사막으로 성형되고 성형된 중공사막은 세정조를 거쳐 권취되었다. 권취된 중공사막은 남아있는 용매 제거를 위해 순수에 4시간 정도 침지하였다. 침지된 중공사막을 꺼내어 건조한 후 실험용 미니모듈을 제작하여 순수투과도와 배제율을 측정하였다. 또한 중공사막의 파단강도를 만능시험기를 이용하여 측정하였다. 도 2에 내부 보강벽을 갖는 중공사막의 단면을 나타내었다. Lithium chloride, an inorganic additive for forming pores in 45% by weight of a polyvinylidene fluoride resin having a weight average molecular weight of 520,000 Daltons, 3% by weight of hydrophilic polymer polyethylene glycol and 3% by weight of polyvinylpyrrolidone, a good solvent 5 wt% of normal methylpyrrolidone, 35 wt% of gamma butyrolactone, and 1 wt% of diethyl glycol were mixed and stirred at 150 ° C. to prepare a spinning solution. The prepared spinning solution was used to remove bubbles in the solution by using a pressure reduction device while maintaining a 150 ℃. The internal coagulant was prepared at room temperature with a ratio of water to normal methylpyrrolidone of 8 to 2, and then degassed using a decompression device, and did not control the temperature during spinning. The external coagulant was mixed with 99% by weight and 1% by weight of normal methylpyrrolidone, respectively, and a cooling device was installed to maintain 1 ° C to 2 ° C. The spinning solution was transferred to the outer tube of the composite spinning nozzle maintained at 150 ° C by a pulse-free metering gear pump, and the internal coagulant was also transferred to the center tube of the complex spinning nozzle using the metering gear pump and spun into an external coagulation tank. . The liquid hollow fiber discharged from the composite spinning nozzle before entering into the external coagulation tank is combined by surface tension so that the wall of the combined part becomes the internal reinforcing wall, and the polymer solution is solidified as the phase transition occurs as it enters the external coagulant And a hollow fiber membrane having an internal reinforcing wall, and the molded hollow fiber membrane was wound up through a washing tank. The wound hollow fiber membrane was immersed in pure water for about 4 hours to remove the remaining solvent. The immersed hollow fiber membrane was taken out and dried, and then an experimental mini module was manufactured to measure pure permeability and rejection rate. In addition, the breaking strength of the hollow fiber membrane was measured using a universal testing machine. 2 shows a cross section of the hollow fiber membrane having an internal reinforcing wall.
[실시예 3][Example 3]
폴리설폰 수지 20 중량%에 폴리에틸렌글리콜 5 중량%와 폴리비닐피롤리돈 8 중량%, 양용매인 노말메틸피롤리돈 67 중량%를 혼합하여 150℃에서 교반하여 방사 용액을 제조하였다. 제조된 방사용액은 150℃를 유지하면서 감압장치를 이용하여 용액 중에 존재하는 기포를 제거하였다. 내부응고제는 물과 노말메틸피롤리돈의 비를 6 대 4로 하여 실온에서 제조한 후 역시 감압장치를 이용하여 탈포하였고 방사시 온도를 제어하지는 않았다. 외부 응고제는 물을 사용하였으며 1℃ 내지 2℃를 유지할 수 있도록 냉각장치를 설치하였다. 방사용액은 150℃를 유지하고 있는 복합방사노즐의 바깥 관으로 펄스가 없는 정량 기어펌프에 의해 이송되고, 내부응고제 역시 정량 기어펌프를 이용하여 복합방사노즐의 중심관으로 이송되어 외부응고조로 방사하였다. 외부응고조로 유입되기 전 복합방사노즐로부터 방출된 액상의 중공사는 표면장력에 의해 결합되어 결합된 부분의 벽체가 내부 보강벽이 되도록 하였으며, 방사된 고분자용액은 외부응고제로 유입되면서 상전이가 발생하면서 고화되어 내부 보강벽을 갖는 중공사막으로 성형되고 성형된 중공사막은 세정조를 거쳐 권취되었다. 권취된 중공사막은 남아있는 용매 제거를 위해 순수에 4시간 정도 침지하였다. 침지된 중공사막을 꺼내어 건조한 후 실험용 미니모듈을 제작하여 순수투과도와 배제율을 측정하였다. 또한 중공사막의 파단강도를 만능시험기를 이용하여 측정하였다. To 20% by weight of polysulfone resin, 5% by weight of polyethylene glycol, 8% by weight of polyvinylpyrrolidone, and 67% by weight of normal solvent, normal methylpyrrolidone, were mixed and stirred at 150 ° C to prepare a spinning solution. The prepared spinning solution was used to remove bubbles in the solution by using a pressure reduction device while maintaining a 150 ℃. The internal coagulant was prepared at room temperature with a ratio of water to normal methylpyrrolidone of 6 to 4, and then degassed using a decompression device, and did not control the temperature during spinning. The external coagulant used water and installed a cooling device to maintain 1 ℃ to 2 ℃. The spinning solution was transferred to the outer tube of the composite spinning nozzle maintained at 150 ° C by a pulse-free metering gear pump, and the internal coagulant was also transferred to the center tube of the complex spinning nozzle using the metering gear pump and spun into an external coagulation tank. . The liquid hollow fiber discharged from the composite spinning nozzle before entering into the external coagulation tank is combined by surface tension so that the wall of the combined part becomes the internal reinforcing wall, and the polymer solution is solidified as the phase transition occurs as it enters the external coagulant And a hollow fiber membrane having an internal reinforcing wall, and the molded hollow fiber membrane was wound up through a washing tank. The wound hollow fiber membrane was immersed in pure water for about 4 hours to remove the remaining solvent. The immersed hollow fiber membrane was taken out and dried, and then an experimental mini module was manufactured to measure pure permeability and rejection rate. In addition, the breaking strength of the hollow fiber membrane was measured using a universal testing machine.
[비교예 1]Comparative Example 1
상기 실시예 1에서 복합방사노즐을 일반 이중방사노즐로 교체하여 실시예 1과 같이 방사하여 중공사막을 제조하였다.In Example 1, the composite spinning nozzle was replaced with a general double spinning nozzle to spin in the same manner as in Example 1 to prepare a hollow fiber membrane.
[비교예 2]Comparative Example 2
상기 실시예 2에서 복합방사노즐을 일반 이중방사노즐로 교체하여 실시예 2와 같이 방사하여 중공사막을 제조하였다.In Example 2, the composite spinning nozzle was replaced with a general double spinning nozzle to spin in the same manner as in Example 2 to prepare a hollow fiber membrane.
[비교예 3][Comparative Example 3]
상기 실시예 3에서 복합방사노즐을 일반 이중방사노즐로 교체하여 실시예 1과 같이 방사하여 중공사막을 제조하였다.In Example 3, the composite spinning nozzle was replaced with a general double spinning nozzle to spin in the same manner as in Example 1 to prepare a hollow fiber membrane.
[실험예 1][Experimental Example 1]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 중공사막들을 모듈로 제조하여 순수투과도, 배제율 (폴리스티렌 단분산 입자; 직경 100 나노미터) 및 인장강도를 하기한 방법으로 측정하였다.The hollow fiber membranes prepared in Examples and Comparative Examples were prepared as modules to measure pure permeability, rejection rate (polystyrene monodisperse particles; diameter of 100 nanometers), and tensile strength by the following method.
순수투과도의 측정;Measurement of pure permeability;
제조된 중공사막 50가닥을 30cm의 폴리카보네이트 투명관에 장입하고 양쪽 끝을 폴리우레탄이나 에폭시 접착제를 이용하여 포팅하여 유효막면적 0.0651㎡인 실험용 미니모듈을 제조하였다. 20℃ 순수를 50kPa 하에 십자흐름 방식의 외압형으로 모듈의 한 측면으로 공급하여 투과된 물의 양을 측정한 뒤, 단위시간, 단위막면적당 투과량으로 환산하였다.50 hollow fiber membranes were inserted into a 30 cm polycarbonate transparent tube, and both ends were potted using a polyurethane or epoxy adhesive to prepare an experimental minimodule having an effective membrane area of 0.0651 m 2. 20 ° C. pure water was supplied to one side of the module in a cross flow method under 50 kPa to measure the amount of permeated water, and then converted into unit time and per unit membrane area.
배제율의 측정;Measurement of exclusion rate;
100 나노미터 크기인 단분산 폴리스티렌 입자 수용액을 20℃의 순수에 분산시켜 500 피피엠 입자수용액을 제조하였다. 중공사막 2가닥을 20cm의 투명관에 삽입하고 양측을 포팅하여 배제율 측정용 미니 모듈을 제작하였다. 상기 제조된 모듈의 일측면으로 입자수용액을 50kPa의 압력으로 공급하여 투과된 수용액 및 초기 공급된 원수에 분산된 폴리스티렌 농도를 자외선 분광기 (Shimadzu사, UV-1601PC)를 이용하여 측정하였다.A 500 nanometer aqueous solution was prepared by dispersing an aqueous solution of monodisperse polystyrene particles having a size of 100 nanometers in pure water at 20 ° C. Two hollow fiber membranes were inserted into a 20 cm transparent tube, and both sides were potted to prepare a mini-module for measuring exclusion rate. Particle aqueous solution was supplied to one side of the prepared module at a pressure of 50 kPa to measure the permeated aqueous solution and polystyrene concentration dispersed in the initially supplied raw water using an ultraviolet spectrometer (Shimadzu, UV-1601PC).
이후, 240 나노미터의 파장에서 측정된 흡수피크의 상대적인 비를 하기의 식을 이용하여 백분율로 환산하여 배제율을 결정하였다.Then, the exclusion rate was determined by converting the relative ratio of the absorption peak measured at a wavelength of 240 nanometers into a percentage using the following equation.
배제율(퍼센트) = (공급수 농도-투과수 농도) ÷ 공급수 농도 X 100Exclusion rate (percent) = (feed water concentration-permeate concentration) ÷ feed water concentration X 100
인장강도 신도의 측정;Measurement of tensile strength elongation;
인장강도 및 신도는 인장시험기를 이용하여, 파지거리 60 밀리미터의 시료를 크로스헤드 스피드를 분당 50 밀리미터의 속도로 5회 측정하여 평균값을 취하였다.Tensile strength and elongation were averaged by measuring a crosshead speed 5 times at a rate of 50 millimeters per minute using a tensile tester.
각각의 투과실험의 결과를 표 1에 나타내었다The results of each permeation experiment are shown in Table 1.
(L/㎡-hr) at 20℃, 50kPaPure Permeate Flux
(L / ㎡-hr) at 20 ℃, 50kPa
at 20℃, 50kPa% Rejection
at 20 ℃, 50kPa
상기 표 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 3의 경우 순수투과플럭스나 배제율은 비교예 1 내지 3과 비교하여 큰 변화가 없으나 파단강도의 경우 매우 큰 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다. As shown in Table 1, in the case of Examples 1 to 3 according to the present invention, the pure permeate flux or rejection rate does not change significantly compared to Comparative Examples 1 to 3, but shows a very large difference in breaking strength. It can be seen.
내부보강벽을 갖는 강도 보강형 중공사막을 모듈로 제조하여 정수처리, 하수처리, 하수 재이용, 해수담수화 전처리 공정 등에 사용할 경우 높은 파단강도를 가짐으로써 가혹한 조건에서도 분리막이 파단되거나 손상되는 문제가 발생하지 않음으로서 장기간 사용할 수 있으므로 차세대 고효율 수처리용 중공사막으로 사용할 수 있다.When strength reinforced hollow fiber membrane with internal reinforcing wall is manufactured as a module and used for water treatment, sewage treatment, sewage reuse, seawater desalination pretreatment, etc., it has high breaking strength, so that the membrane does not break or damage even under severe conditions. Since it can be used for a long time, it can be used as a hollow fiber membrane for next-generation high efficiency water treatment.
Claims (10)
분리막은 고분자에 첨가제를 첨가한 것을 용매로 용해시켜 복합방사노즐로 방사하여 제조하는 것으로, 중공사 분리막의 관 내부에 중공사막의 관을 지지하는 격벽을 갖는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막. In the hollow fiber membrane for strength reinforcement type water treatment having an internal reinforcing wall,
The membrane is prepared by dissolving the additives added to the polymer with a solvent and spinning with a composite spinning nozzle. The membrane has a strength-reinforced hollow fiber separator characterized by having a partition wall for supporting the hollow fiber membrane inside the hollow fiber membrane. .
중공사 분리막은 폴리설폰, 폴리이서설폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아미드, 폴리이서이미드, 폴리이서이서케톤, 폴리비닐클로라이드, 셀룰로오즈아세테이트, 셀룰로오즈트리아세테이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌에서 하나 이상 선택되어진 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막.The method of claim 1,
Hollow fiber membranes are polysulfone, polyisulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyamide, polyisimide, polyaceciketone, polyvinylchloride, cellulose acetate Strength-reinforced hollow fiber membranes, characterized in that made of a polymer selected from at least one of cellulose triacetate, polyimide, polyethylene.
첨가제는 무기계 첨가제, 유기계 첨가제, 용매계 첨가제가 하나이상 선택되어 첨가되는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막.The method of claim 1,
The additive is an strength-reinforced hollow fiber separator, characterized in that at least one inorganic additive, organic additive, or solvent additive is selected and added.
무기계 첨가제는 염화리튬, 염화마그네슘, 염화아연, 황산마그네슘에서 하나이상 선택되어 첨가되는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막.The method of claim 3,
The inorganic additive is a strength-reinforced hollow fiber separator, characterized in that at least one selected from lithium chloride, magnesium chloride, zinc chloride, magnesium sulfate is added.
유기계 첨가제는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 덱스트란, 폴리에틸렌옥사이드에서 하나이상 선택되어 첨가되는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막.The method of claim 3,
The organic additive is a strength-reinforced hollow fiber membrane, characterized in that at least one selected from polyethylene glycol, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, dextran, polyethylene oxide is added.
용매계 첨가제는 빈용매계 첨가제와 비용매계 첨가제가 단독 내지 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막.The method of claim 3,
Solvent-based additive is a strength-reinforced hollow fiber membrane, characterized in that the poor solvent-based additives and non-solvent-based additives are used alone or mixed.
빈용매계 첨가제는 감마부티로락톤, 디메틸프탈산, 디부틸프탈산, 디옥틸프탈산, 사이클로헥사논으로서 하나이상 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막.The method according to claim 6,
The poor solvent additive is a strength-reinforced hollow fiber separator characterized in that at least one selected from gamma butyrolactone, dimethyl phthalic acid, dibutyl phthalic acid, dioctyl phthalic acid and cyclohexanone.
비용매계 첨가제는 물, 알콜, 모노에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜로서 하나이상 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막.The method according to claim 6,
Non-solvent additive is a strength reinforced hollow fiber separator characterized in that at least one selected from water, alcohol, monoethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol.
용매는 디메틸포름아미드, 노말메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸설퍼옥사이드에서 하나이상 선택되어 첨가되는 것을 특징으로 하는 강도 보강형 중공사 분리막.The method of claim 1,
The solvent is a strength-reinforced hollow fiber separator, characterized in that at least one solvent is selected from dimethylformamide, normal methylpyrrolidone, dimethylacetamide, and dimethyl sulfoxide.
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