KR102120642B1 - Three-dimensional porous membrane for seawater desalination, method for manufacturing the same, seawater desalination apparatus comprising the same and seawater desalination method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인, 그의 제조방법, 그를 포함하는 해수 담수화 장치 및 그것을 이용한 해수 담수화 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 멤브레인은, 다공성 고분자층; 및 상기 다공성 고분자층 상에 형성된 탄소 물질을 포함하는 탄소층;을 포함한다.The present invention relates to a three-dimensional porous membrane for seawater desalination, a method for manufacturing the same, a seawater desalination device including the same, and a seawater desalination method using the same, wherein the three-dimensional porous membrane according to an embodiment of the present invention includes: a porous polymer layer; And a carbon layer comprising a carbon material formed on the porous polymer layer.
Description
본 발명은 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인, 그의 제조방법, 그를 포함하는 해수 담수화 장치 및 그것을 이용한 해수 담수화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional porous membrane for seawater desalination, a method for manufacturing the same, a seawater desalination device comprising the same, and a seawater desalination method using the same.
물은 인류의 생존에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나이다. 하지만, 인구 증가와 환경오염에 기인하여 지구촌의 물 부족 문제가 악화되면서 담수(fresh water)의 확보가 중요해지고 있다. 특히, 적도 부근의 나라들과 고지대 지역들은 상수도 보급률이 낮아 오염된 우물 사용에 따른 질병 발생 등과 같은 담수 부족에 기인한 사회적 문제가 존재한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 해수 및 염수를 담수화시키는 기술 개발이 필요하다. 그런데 기존의 역삼투 방식의 멤브레인 기반 담수화 기술은 고농도의 염수를 담수화하기가 어렵다. 이에 따라 여러 단계의 수처리 공정을 거침에 따라 운영비용이 많이 들어 생산한 식수의 단가가 높다. 이는 저가의 식수 공급이 필요한 빈곤 지역에 적용하기가 어려워 식수 부족 문제를 실질적으로 해결하지 못한다. 따라서 해수 및 염수를 무전원 방식의 단일 수처리 공정으로 담수화시킬 수 있는 새로운 개념의 기술 개발이 필요하다. 이러한 담수화기술은 식수가 필요한 빈곤 지역에 해수 및 염수로부터 저가의 식수를 생산할 수 있어서 실질적 해결 방안이 될 수 있을 것이다.Water is one of the most important factors in human survival. However, due to population growth and environmental pollution, the problem of water shortages in the global village has deteriorated, so securing fresh water is becoming important. In particular, countries near the equator and high-altitude regions have low water supply rates, so there are social problems due to the lack of fresh water, such as the occurrence of diseases caused by the use of contaminated wells. In order to solve these problems, it is necessary to develop a technology for desalination of sea water and salt water. However, the existing reverse osmosis membrane-based desalination technology is difficult to desalinate high concentration of brine. As a result, the cost of drinking water produced is high due to the high operating cost as it goes through several stages of water treatment. This is difficult to apply to poor areas where low-priced drinking water is needed, so it does not substantially solve the problem of drinking water shortage. Therefore, it is necessary to develop a new concept of technology that can desalination of seawater and brine in a single power-free process. This desalination technology can be a practical solution because it can produce low-cost drinking water from seawater and brine in poor areas where drinking water is needed.
극심한 식수 부족 문제를 겪는 적도 부근 나라들과 고지대 지역들은 연간 일정하고 높은 일사량과 함께 담수에 쓰일 해수 및 염수가 충분하다. 태양광 기반의 증발식 담수화 기술은 이러한 기후 지리적 이점을 활용할 수 있는 기술로 무전원 단일 수처리 공정을 이용하여 저렴한 비용으로 식수 생산이 가능하다. 그동안 증발용 멤브레인의 빛 흡수체로서 금속 플라즈몬, 반도체, 탄소, 그리고 자연 소재들이 소개되었다. 특히, 탄소 기반의 물질들은 재활용성, 높은 빛 흡수도, 우수한 열 변환 특성으로 빛 흡수체로 활발히 연구되고 있으며, 카본나노튜브, 그래핀, 탄소 나노입자, 그리고 그래핀 기반 금속 합성물 등이 개발되었다.Countries near the equator and high-altitude regions with severe drinking water shortages have sufficient annual seawater and saltwater for freshwater with constant high insolation. Solar-based evaporative desalination technology is a technology that can take advantage of this climatic geographical advantage, and it is possible to produce drinking water at a low cost using a single power-free water treatment process. Metal plasmons, semiconductors, carbon, and natural materials have been introduced as light absorbers for evaporation membranes. In particular, carbon-based materials are actively studied as light absorbers due to their recyclability, high light absorption, and excellent heat conversion properties, and carbon nanotubes, graphene, carbon nanoparticles, and graphene-based metal composites have been developed.
저렴하고 간단한 멤브레인 제조 방법과 기존 멤브레인 기술에 비해 증발률이 높고, 염수를 담수화할 때 멤브레인 표면에 석출되는 이온을 저감시켜 증발 성능을 장시간 지속시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다.There is a need for a technique capable of maintaining an evaporation performance for a long time by reducing the ions deposited on the surface of the membrane when desalination is desalination, and the evaporation rate is high compared to the existing membrane technology.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 해수에 포함된 각종 이온의 제거율을 높일 수 있는 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인을 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above problems, the object of the present invention is to provide a three-dimensional porous membrane for seawater desalination that can increase the removal rate of various ions contained in seawater.
또한, 본 발명의 다른 목적은 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for producing a three-dimensional porous membrane for seawater desalination.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 해수로부터 지속적이고 원활하게 담수화 할 수 있는 3차원 다공성 멤브레인을 포함하는 해수 담수화 장치를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a seawater desalination device including a three-dimensional porous membrane capable of continuously and smoothly desalination from seawater.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 해수를 무전원, 환경 친화적이고 경제적으로 담수화 시킬 수 있는 3차원 다공성 멤브레인을 이용한 해수 담수화 방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for desalination of seawater using a three-dimensional porous membrane capable of desalination of seawater in a non-powered, environmentally friendly and economical manner.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 측면은, 다공성 고분자층; 및 상기 다공성 고분자층 상에 형성된 탄소 물질을 포함하는 탄소층;을 포함하는, 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인을 제공한다.One aspect of the present invention, a porous polymer layer; It provides a three-dimensional porous membrane for seawater desalination, including; and a carbon layer comprising a carbon material formed on the porous polymer layer.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층은, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate; PEN), 폴리노르보넨(Polynorbornene; PN), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVA), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone; PES), 폴리스타일렌(Polystyrene; PS), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene; PE), 폴리염화비닐(polyvinylchloride; PVC), 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutyleneterephthalate; PBT) 및 폴리메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate; PMMA)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the porous polymer layer is polydimethylsiloxane (Polydimethylsiloxane; PDMS), polycarbonate (PC), polyethylene naphthalate (PEN), polynorbornene (Polynorbornene; PN), polyacrylic Polyacrylate, Polyvinyl alcohol (PVA), Polyimide (PI), Polyethylene terephthalate (PET), Polyethersulfone (PES), Polystyrene (PS), Polypropylene (PP), Polyethylene (PE), Polyvinylchloride (PVC), Polyamide (PA), Polybutyleneterephthalate (PBT) and Polymethacrylate (Polymethyl methacrylate) ; PMMA) may include at least one selected from the group consisting of.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소층은 다공성 고분자층의 기공 네트워크에 설탕 유래 탄소 물질이 코팅된 것일 수 있다.According to one embodiment, the carbon layer may be a sugar-derived carbon material coated on the pore network of the porous polymer layer.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층의 기공은 100 ㎛ 내지 500 ㎛인 것일 수 있다.According to one embodiment, the pores of the porous polymer layer may be 100 μm to 500 μm.
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층의 하면은 친수성 표면인 것일 수 있다.According to one embodiment, the lower surface of the porous polymer layer may be a hydrophilic surface.
일 실시형태에 따르면, 상기 친수성 표면은, 플라즈마 처리된 것일 수 있다.According to one embodiment, the hydrophilic surface may be plasma-treated.
일 실시형태에 따르면, 상기 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리인 것일 수 있다.According to one embodiment, the plasma treatment may be oxygen plasma treatment.
본 발명의 다른 측면은, 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 단계; 상기 구조체에 고분자를 흡착하는 단계; 상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 다공성 멤브레인을 형성하는 단계; 상기 다공성 멤브레인의 상부를 탄화시키는 단계; 및 상기 탄화된 다공성 멤브레인 하부를 플라즈마 처리하는 단계;를 포함하는, 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention, forming a structure using sugar; Adsorbing a polymer to the structure; Forming a porous membrane by dissolving the sugar contained in the structure; Carbonizing the top of the porous membrane; And Plasma treatment of the lower carbonized porous membrane; provides a method for producing a three-dimensional porous membrane for seawater desalination.
본 발명의 또 다른 측면은, 해수 상에, 고분자층이 향하도록 배치되는 상기의 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인; 상기 멤브레인을 통하여 상기 멤브레인의 상기 탄소층을 통하여 증발 배출되는 수증기가 응축되는 상판; 및 상기 상판에 응축된 수증기가 모이는 담수 저장부;를 포함하고, 상기 상판은 상기 담수 저장부 방향으로 경사지게 형성된 것인, 해수 담수화 장치를 제공한다.Another aspect of the present invention, the three-dimensional porous membrane for desalination of the seawater is disposed on the seawater, the polymer layer is facing; A top plate through which the water vapor evaporated and discharged through the carbon layer of the membrane condenses through the membrane; And a fresh water storage unit in which water vapor condensed on the upper panel is collected. The upper panel is formed to be inclined in the direction of the fresh water storage unit.
일 실시형태에 따르면, 상기 상판은 광투과성인 것일 수 있다.According to one embodiment, the top plate may be light transmissive.
일 실시형태에 따르면, 상기 해수 담수화 장치는 무전원인 것일 수 있다.According to one embodiment, the seawater desalination device may be non-powered.
일 실시형태에 따르면, 상기 해수 담수화 장치는 해수 중 석출이온이 상기 다공성 고분자층 아래로 중력 기인 탈착되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the seawater desalination device may be that the precipitation ions in seawater are desorbed due to gravity below the porous polymer layer.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기의 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법으로서, 무광 조건에서, 상기 멤브레인 상단에 형성된 석출이온을 상기 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 기공을 통하여 상기 해수로 탈착 배출시키는 해수 담수화 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention, as a seawater desalination method using the above seawater desalination device, in a matte condition, the deposition ions formed on the top of the membrane are desorbed and discharged into the seawater through the pores of the three-dimensional porous membrane for seawater desalination. It provides a method for desalination of seawater.
일 실시형태에 따르면, 상기 기공의 크기를 조절하여 석출이온의 탈착 배출을 제어하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the size of the pores may be controlled to control desorption and discharge of precipitated ions.
일 실시형태에 따르면, 상기 석출이온을 회수하는 것을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, it may be to include recovering the precipitated ions.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인은 기존 증발용 멤브레인 방식에 비해 증발 성능이 매우 높다. 또한, 해수의 담수화 시 증발표면에서 발생하는 이온 석출을 저감 또는 제거하여 장기간 높은 증발 성능의 유지가 가능하다. 또한, 멤브레인 성능 저감에 따른 멤브레인의 교체 및 관리 비용도 줄일 수 있다.The 3D porous membrane for seawater desalination according to an embodiment of the present invention has a very high evaporation performance compared to a conventional evaporation membrane method. In addition, it is possible to maintain high evaporation performance over a long period of time by reducing or removing ion precipitation generated on the evaporation surface during desalination of seawater. In addition, it is possible to reduce the cost of replacing and managing the membrane due to reduced membrane performance.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 멤브레인 제조방법은 매우 간단한 공정을 통하여 단순한 공정과 저가 재료로 제조되는 높은 증발 성능의 멤브레인을 제조할 수 있다. 이에 따라, 산업적 규모의 증발용 3차원 다공성 멤브레인의 제조가 가능하고 해수 및 염수로부터 지속적이고 원활하게 담수화하여 저가의 식수 생산이 가능하다.The method for manufacturing a three-dimensional porous membrane according to an embodiment of the present invention can manufacture a membrane having high evaporation performance, which is made of a simple process and a low-cost material through a very simple process. Accordingly, it is possible to manufacture a three-dimensional porous membrane for evaporation on an industrial scale, and continuously and smoothly desalination from seawater and brine to produce low-cost drinking water.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치는 태양광 기반의 증발식 담수화 기술을 이용하여 기후·지리적 이점을 활용할 수 있는 것으로서, 태양광을 이용하여 해수 및 염수를 증발시켜 환경 친화적인 무전원 담수화 공정으로 경제적으로 담수화 시킬 수 있다. 또한, 해수 또는 염수의 담수 시 증발표면에서 발생하는 이온석출을 저감 또는 제거하여 장기간 높은 증발 성능의 유지가 가능하여 멤브레인 성능 저감에 따른 멤브레인의 교체 및 관리 비용도 줄일 수 있다.The seawater desalination device according to an embodiment of the present invention can utilize climate and geographic advantages by using solar-based evaporative desalination technology, and uses solar energy to evaporate seawater and brine to make the environment-friendly, non-powered desalination process Can be economically desalination. In addition, it is possible to reduce or remove ion precipitation occurring on the evaporation surface during fresh water of seawater or brine to maintain high evaporation performance for a long period of time, thereby reducing the cost of membrane replacement and management due to reduced membrane performance.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법은, 멤브레인 기공의 막힘 현상 또는 멤브레인 기공의 크기가 축소되는 현상에 의해 초래되는 멤브레인의 성능저하 가능성을 최소화시킬 수 있다. 또한, 우수한 담수화 처리 유량을 확보할 수 있어 해수 및 염수로부터 지속적이고 원활하게 담수화하여 저가의 식수 생산이 가능하다.The seawater desalination method using the seawater desalination device according to an embodiment of the present invention can minimize the possibility of membrane degradation caused by the phenomenon of membrane pore clogging or membrane pore size reduction. In addition, since excellent desalination treatment flow rate can be secured, continuous and smooth desalination from seawater and salt water is possible to produce low-cost drinking water.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인 제조과정을 나타내는 사진이고, 도 4의 (b)는 설탕의 화학 구조이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인을 찍은 사진이고, 도 5의 (B)의 왼쪽은, 탄화된 탄소층이 코팅된 PDMS 스펀지 사진이고, 도 5의 (B)의 오른쪽은, 탄화층이 없는 PDMS 스펀지 사진이다.
도 6의 (A)는 본 발명의 실시예에 따른 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 물 위에 띄워 놓은 후 빛을 조사했을 때의 사진이다.
도 6의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때와 사용하지 않았을 때 광 조사에 따른 질량 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때 광 조사에 따른 온도, 습도, 상대습도 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (D)는 도 6의 (A)의 적외선 열화상 카메라로 촬영된 사진이다.
도 6의 (E)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인의 빛 흡수 시간에 따른 표면온도를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (A)는 본 발명의 태양광 모사 장비(solar simulator) 사진이다.
도 7의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 인공 태양광을 조사한 후 탄화된 PDMS 멤브레인의 질량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 세기의 태양빛을 조사하였을 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인의 증발률을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (D)는 본 발명의 실시예에 따른 염수의 증발 후 이온전도도 변화를 나타낸 도면이다.
도 8의 (A)의 왼쪽은 본 발명의 실시예에 따라 폴리비닐알코올(PVA)로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이다.
도 8의 (B)의 본 발명의 실시예에 따라 왼쪽은 PVA로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이다.
도 8의 (C)는 본 발명의 실시예에 따라 산소 플라즈마로 표면처리된 매크로포러스한 탄화된 PDMS 멤브레인을 염수에 담그고 빛을 조사했을 때 멤브레인 표면 및 내부의 이온석출층의 생성 및 거동을 포항가속기 6c biomedical imaging beamline에서 X-선으로 촬영한 사진이다.
도 9의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 빛 조사 유무에 따른 멤브레인의 이온석출층의 X-선 사진이다.
도 9의 (B)는 도 9의 (A)에 멤브레인 내부의 시간에 따른 마이크로 버블의 변화를 나타내는 X-선 사진이다.
도 9의 (C)는 본 발명의 탄화된 나무로 만든 멤브레인의 이온석출층의 X-선 사진이다.1 is a perspective view of a three-dimensional porous membrane for seawater desalination according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a three-dimensional porous membrane for seawater desalination according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 (a) is a photograph showing a three-dimensional porous membrane manufacturing process for seawater desalination according to an embodiment of the present invention, Figure 4 (b) is the chemical structure of sugar.
FIG. 5(A) is a photograph of a carbonized 3D PDMS sponge membrane prepared according to an embodiment of the present invention, and the left of FIG. 5(B) is a PDMS sponge photo coated with a carbonized carbon layer, The right side of FIG. 5B is a photograph of a PDMS sponge without a carbonized layer.
FIG. 6(A) is a photograph when light is irradiated after the carbonized PDMS sponge membrane according to an embodiment of the present invention is floated on water.
6(B) is a graph showing the rate of mass change according to light irradiation when the membrane according to the embodiment of the present invention is used and not used.
6(C) is a graph showing the rate of change in temperature, humidity, and relative humidity according to light irradiation when the membrane according to the embodiment of the present invention is used.
6D is a picture taken with the infrared thermal imaging camera of FIG. 6A.
6(E) is a graph showing the surface temperature according to the light absorption time of the membrane according to the embodiment of the present invention.
7A is a photo of a solar simulator of the present invention.
7B is a graph showing the mass change of carbonized PDMS membrane after irradiating artificial sunlight according to an embodiment of the present invention.
7(C) is a graph showing the evaporation rate of carbonized PDMS membranes when irradiated with sunlight of various intensities according to an embodiment of the present invention.
7(D) is a view showing a change in ion conductivity after evaporation of brine according to an embodiment of the present invention.
The left side of Figure 8 (A) is a carbonized PDMS membrane photograph of a microporous structure coated with polyvinyl alcohol (PVA) according to an embodiment of the present invention, and the right side is an oxygen plasma treated macroporous ( This is a macroporous structure of carbonized PDMS membrane.
According to an embodiment of the present invention of FIG. 8(B), the left is a photograph showing the amount of ion precipitation of a carbonized PDMS membrane having a microporous structure coated with PVA, and the right is a macroporous treated with oxygen plasma. This is a photograph showing the amount of ion precipitation of a carbonized PDMS membrane with a (macroporous) structure.
Figure 8 (C) is a macroporous carbonized PDMS membrane surface treated with oxygen plasma in accordance with an embodiment of the present invention in the brine and irradiated with light to encompass the generation and behavior of the ion depositing layer and the surface of the membrane This is an X-ray image of the accelerator 6c biomedical imaging beamline.
9A is an X-ray photograph of the ion precipitation layer of the membrane with or without light irradiation according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9(B) is an X-ray photograph showing changes in microbubbles with time inside the membrane in FIG. 9(A).
9(C) is an X-ray photograph of the ion precipitation layer of the membrane made of carbonized wood of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, various changes may be made to the embodiments, and the scope of the patent application right is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for illustrative purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the embodiment belongs. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the embodiments, detailed descriptions thereof will be omitted.
이하, 본 발명의 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인, 그의 제조방법, 그를 포함하는 해수 담수화 장치 및 그것을 이용한 해수 담수화 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a three-dimensional porous membrane for desalination of the present invention, a method for manufacturing the same, a seawater desalination device including the same, and a seawater desalination method using the same will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.
본 발명의 일 측면은, 다공성 고분자층; 및 상기 다공성 고분자층 상에 형성된 탄소 물질을 포함하는 탄소층;을 포함하는, 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인을 제공한다.One aspect of the present invention, a porous polymer layer; It provides a three-dimensional porous membrane for seawater desalination, including; and a carbon layer comprising a carbon material formed on the porous polymer layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인은 기존 증발용 멤브레인 방식에 비해 증발 성능이 매우 높다. 또한, 해수의 담수화 시 증발표면에서 발생하는 이온 석출을 저감 또는 제거하여 장기간 높은 증발 성능의 유지가 가능하다. 또한, 멤브레인 성능 저감에 따른 멤브레인의 교체 및 관리 비용도 줄일 수 있다.The 3D porous membrane for seawater desalination according to an embodiment of the present invention has a very high evaporation performance compared to a conventional evaporation membrane method. In addition, it is possible to maintain high evaporation performance over a long period of time by reducing or removing ion precipitation generated on the evaporation surface during desalination of seawater. In addition, it is possible to reduce the cost of replacing and managing the membrane due to reduced membrane performance.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 형태에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인(100)은 다공성 고분자층(110) 및 탄소층(120)을 포함한다.1 is a perspective view of a three-dimensional porous membrane for seawater desalination according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a three-dimensional
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층(110)은, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate; PEN), 폴리노르보넨(Polynorbornene; PN), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVA), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone; PES), 폴리스타일렌(Polystyrene; PS), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene; PE), 폴리염화비닐(polyvinylchloride; PVC), 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutyleneterephthalate; PBT) 및 폴리메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate; PMMA)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소층(120)은 다공성 고분자층(110)의 기공 네트워크에 설탕 유래 탄소 물질이 코팅된 것일 수 있다. 상기 다공성 고분자층(110)은 복수의 기공으로 이루어져 있으며, 각각의 기공들 사이의 점 접촉, 선 접촉 또는 면 접촉을 통하여 상하좌우 서로 연결되어 네트워크를 이루고 있는 구조일 수 있다. 네트워크 구조는, 흡수제로서 액체를 흡수할 수 있는 능력을 향상시키고 공간을 최대화할 수 있다. 상기 탄소층(120)은 이러한 상하좌우 서로 연결된 다공성 고분자층(110)의 기공 네트워크에 설탕 유래 탄소 물질이 코팅된 것일 수 있다.According to one embodiment, the
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층(110)의 기공은 100 ㎛ 내지 500 ㎛인 것일 수 있다. 기공 크기는 물이 통과하고 염수의 증발 시 증발표면에 석출된 이온결정층들이 표면에서 탈착 후 멤브레인의 하부까지 쉽게 통과하여 내려갈 수 있는 정도의 크기여야 한다. 상기 다공성 고분자층(110)의 기공이 100 ㎛ 미만인 경우 증발표면에서 석출된 이온결정들이 멤브레인 표면에서 탈착되더라도 탈착된 이온석출층들이 기공을 통과하지 못해 멤브레인 하부로 배출되지 못하고 증발표면에 남아 있게 되어 석출 이온을 감소시키거나 제거하기 어려운 문제가 있고, 500 ㎛ 초과인 경우 석출된 이온들이 탈착 후 멤브레인을 통과하여 배출되기 쉬우나 모세관힘이 약해져 멤브레인 내부의 물 수송이 약해지는 문제가 있다.According to one embodiment, the pores of the
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 고분자층(110)의 하면은 친수성 표면인 것일 수 있다. 상기 다공성 고분자층(110)의 하면은, 다공성 고분자층(110) 아래의 모든 면을 의미한다. 상기 다공성 고분자층(110)의 하면이 친수성 표면으로 이루어져 다공성 고분자층(110) 아래 부분의 기공 내부로 해수가 많이 함침될 수 있다. 이에 따라, 친수성 표면은 해수의 수투과도를 높여 다공성 고분자층(110) 표면으로 원활하게 수송할 수 있다.According to one embodiment, the lower surface of the
일 실시형태에 따르면, 상기 친수성 표면은, 플라즈마 처리된 것일 수 있다. 상기 플라즈마 처리 방법은 플라즈마 상태에서 부분적으로 이온화된 가스에 다공성 고분자층(110)의 하면의 표면을 노출시켜 표면을 개질하는 방법으로서, 이런 방법은 아주 적은 표면에서 일어나기에 다공성 고분자층(110)의 막 자체에 손상 및 내부의 큰 물성 변화없이 처리할 수 있는 장점과, 오염물질이 적다는 장점을 또한 갖고 있다.According to one embodiment, the hydrophilic surface may be plasma-treated. The plasma treatment method is a method of modifying the surface by exposing the surface of the lower surface of the
일 실시형태에 따르면, 상기 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리인 것일 수 있다. 산소 플라즈마 처리에 의해 3차원 다공성 멤브레인의 초친수성 표면과 미세다공성의 구조적 특성을 이용하여 증발표면에서 지속적으로 축적되는 이온 석출을 저감시켜 내구성을 강화할 수 있다. 다공성 고분자층(110)의 하면이 해수에 잠긴 상태에서 해수를 빨아 올리면 해수가 3차원 다공성 멤브레인을 통과하면서 이온이 필터링될 수 있다.According to one embodiment, the plasma treatment may be oxygen plasma treatment. By using oxygen plasma treatment, structural properties of the superhydrophilic surface and microporosity of the three-dimensional porous membrane can be used to reduce the precipitation of ions that continuously accumulate on the evaporation surface, thereby enhancing durability. When the bottom surface of the
본 발명의 다른 측면은, 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 단계; 상기 구조체에 고분자를 흡착하는 단계; 상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 다공성 멤브레인을 형성하는 단계; 상기 다공성 멤브레인의 상부를 탄화시키는 단계; 및 상기 탄화된 다공성 멤브레인 하부를 플라즈마 처리하는 단계;를 포함하는, 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention, forming a structure using sugar; Adsorbing a polymer to the structure; Forming a porous membrane by dissolving the sugar contained in the structure; Carbonizing the top of the porous membrane; And Plasma treatment of the lower carbonized porous membrane; provides a method for producing a three-dimensional porous membrane for seawater desalination.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 멤브레인 제조방법은 매우 간단한 공정을 통하여 단순한 공정과 저가 재료로 제조되는 높은 증발 성능의 멤브레인을 제조할 수 있다. 이에 따라, 산업적 규모의 증발용 3차원 다공성 멤브레인의 제조가 가능하고 해수 및 염수로부터 지속적이고 원활하게 담수화하여 저가의 식수 생산이 가능하다.The method for manufacturing a three-dimensional porous membrane according to an embodiment of the present invention can manufacture a membrane having high evaporation performance, which is made of a simple process and a low-cost material through a very simple process. Accordingly, it is possible to manufacture a three-dimensional porous membrane for evaporation on an industrial scale, and continuously and smoothly desalination from seawater and brine to produce low-cost drinking water.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법을 설명하는 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극활물질의 제조방법은, 구조체 형성 단계(210), 구조체에 고분자 흡착 단계(220), 다공성 멤브레인 형성 단계(230), 멤브레인 상부 탄화 단계(240) 및 멤브레인 하부 플라즈마 처리 단계(250)를 포함한다.Figure 2 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a three-dimensional porous membrane for seawater desalination according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 2, the method of manufacturing an electrode active material according to an embodiment of the present invention, the
일 실시형태에 따르면, 상기 구조체 형성 단계(210)는, 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 것일 수 있다. 설탕을 이용하여 다공질의 구조를 미리 형성하는 것이다.According to one embodiment, the
일 실시형태에 따르면, 상기 구조체에 고분자 흡착 단계(220)는 상기 구조체에 고분자를 흡착하는 것일 수 있다. 앞에서 제조한 구조체인 설탕 템플릿(template)에 고분자 용액을 붓는다. 예를 들어, 진공챔버에서 설탕 템플릿 내부의 기포를 빼고, 설탕 템플릿 내부를 고분자로 채울 수도 있다. 거푸집에 해당하는 설탕 구조체에 고분자를 흡착시키면 설탕의 구조에 따라 다공성 스펀지 형상의 고분자가 형성될 수 있다. 그리고 나서, 설탕 템플릿 내부의 고분자를 굳히는 것일 수 있다.According to one embodiment, the
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 멤브레인 형성 단계(230)는, 상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 다공성 멤브레인을 형성하는 것일 수 있다. 예를 들어, 60°C의 물로 설탕을 녹여 설탕 부분이 빠진 고분자 스펀지를 제조할 수 있다. 이 때, 설탕의 역상에 해당하는 스펀지 형상의 다공성 멤브레인이 형성될 수 있다.According to one embodiment, the forming of the
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 상부 탄화 단계(240)는, 상기 다공성 멤브레인의 상부를 탄화시키는 것일 수 있다. 스펀지 고분자 상부를 설탕과 함께 예를 들어, 200 ℃ 내지 400 ℃로 열판으로 가열하면 설탕이 탄소로 분해되고, 고분자 스펀지 상단이 탄화 된다. According to one embodiment, the membrane
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 하부 플라즈마 처리 단계(250)는, 상기 탄화된 다공성 멤브레인 하부를 플라즈마 처리하는 것일 수 있다. 플라즈마는, 예를 들어, 산소 플라즈마로 표면처리 하여 3차원 다공성 멤브레인이 제조될 수 있다.According to one embodiment, the
본 발명의 또 다른 측면은, 해수 상에, 고분자층이 향하도록 배치되는 상기의 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인; 상기 멤브레인을 통하여 상기 멤브레인의 상기 탄소층을 통하여 증발 배출되는 수증기가 응축되는 상판; 및 상기 상판에 응축된 수증기가 모이는 담수 저장부;를 포함하고, 상기 상판은 상기 담수 저장부 방향으로 경사지게 형성된 것인, 해수 담수화 장치를 제공한다.Another aspect of the present invention, the three-dimensional porous membrane for desalination of the seawater is disposed on the seawater, the polymer layer is facing; A top plate through which the water vapor evaporated and discharged through the carbon layer of the membrane condenses through the membrane; And a fresh water storage unit in which water vapor condensed on the upper panel is collected. The upper panel is formed to be inclined in the direction of the fresh water storage unit.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치를 이용한 해수 및 염수의 증발 담수 기술의 개념도이다. 도 3을 참조하면, 다공성 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인(100), 상판(310) 및 담수 저장부(320)를 포함한다.3 is a conceptual diagram of evaporation and desalination technology of seawater and brine using a seawater desalination device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the porous seawater desalination includes a three-dimensional
일 실시형태에 따르면, 상기 다공성 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인(100)은 해수 상에, 다공성 고분자층(110)이 향하도록 배치되는 것일 수 있다. 탄화된 3차원 다공성 멤브레인(100)을 해수 및 염수 위에 띄우고 멤브레인 표면을 태양광에 노출시켜 멤브레인의 스펀지와 같은 다공성 구조를 통해 표면으로 올라온 물을 증발시킨다. According to one embodiment, the porous seawater desalination 3D
일 실시형태에 따르면, 상기 상판(310)은, 상기 멤브레인(100)을 통하여 상기 멤브레인의 상기 탄소층(120)을 통하여 증발 배출되는 수증기가 응축되는 것일 수 있다. 상판(310)은 경사진 형태이다.According to one embodiment, the
일 실시형태에 따르면, 상기 상판(310)은 광투과성인 것일 수 있다. 이에 따라, 태양광에 의해 해수가 빨리 증발되는 것일 수 있다.According to an embodiment, the
일 실시형태에 따르면, 담수 저장부(320)는, 상기 상판(310)에 응축된 수증기가 모이는 것일 수 있다. 경사진 형태의 상판(310)에 의해 증발된 수증기를 응축시켜 중력을 이용하여 담수 저장부(320)로 담수(정제수)를 모을 수 있게 된다.According to one embodiment, the fresh
일 실시형태에 따르면, 상기 해수 담수화 장치는 무전원인 것일 수 있다. 태양광 기반의 증발식 담수화 기술은 기후·지리적 이점을 활용할 수 있는 것으로서, 태양광을 이용하여 해수 및 염수를 증발시켜 환경 친화적인 무전원 담수화 공정으로 경제적으로 담수화 시킬 수 있다. 또한, 해수 또는 염수의 담수 시 증발표면에서 발생하는 이온석출을 저감 또는 제거하여 장기간 높은 증발 성능의 유지가 가능하여 멤브레인 성능 저감에 따른 멤브레인의 교체 및 관리 비용도 줄일 수 있다.According to one embodiment, the seawater desalination device may be non-powered. Solar-based evaporative desalination technology can utilize climatic and geographic advantages, and it can be economically desalination by using eco-friendly non-powered desalination process by evaporating seawater and salt water using sunlight. In addition, it is possible to reduce or remove ion precipitation occurring on the evaporation surface during fresh water of seawater or brine to maintain high evaporation performance for a long period of time, thereby reducing the cost of membrane replacement and management due to reduced membrane performance.
일 실시형태에 따르면, 상기 해수 담수화 장치는 해수 중 석출이온이 상기 다공성 고분자층 아래로 중력 기인 탈착되는 것일 수 있다. 따라서, 멤브레인의 기공의 막힘 현상 또는 기공의 크기가 축소되는 현상을 최소화시킬 수 있다.According to one embodiment, the seawater desalination device may be that the precipitation ions in seawater are desorbed due to gravity below the porous polymer layer. Therefore, it is possible to minimize the phenomenon of clogging of pores in the membrane or a reduction in the size of the pores.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기의 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법으로서, 무광 조건에서, 상기 멤브레인 상단에 형성된 석출이온을 상기 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 기공을 통하여 상기 해수로 탈착 배출시키는 해수 담수화 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention, as a seawater desalination method using the above seawater desalination device, in a matte condition, the deposition ions formed on the top of the membrane are desorbed and discharged into the seawater through the pores of the three-dimensional porous membrane for seawater desalination. It provides a method for desalination of seawater.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치를 이용한 해수 담수화 방법은, 멤브레인 기공의 막힘 현상 또는 멤브레인 기공의 크기가 축소되는 현상에 의해 초래되는 멤브레인의 성능저하 가능성을 최소화시킬 수 있다. 또한, 우수한 담수화 처리 유량을 확보할 수 있어 해수 및 염수로부터 지속적이고 원활하게 담수화하여 저가의 식수 생산이 가능하다.The seawater desalination method using the seawater desalination device according to an embodiment of the present invention can minimize the possibility of membrane degradation caused by the phenomenon of membrane pore clogging or membrane pore size reduction. In addition, since excellent desalination treatment flow rate can be secured, continuous and smooth desalination from seawater and salt water is possible to produce low-cost drinking water.
일 실시형태에 따르면, 상기 기공의 크기를 조절하여 석출이온의 탈착 배출을 제어하는 것일 수 있다. 3차원 다공성 멤브레인의 기공의 크기를 조절하여, 석출이온을 부착할 수도 탈리할 수도 있다.According to one embodiment, the size of the pores may be controlled to control desorption and discharge of precipitated ions. By controlling the size of the pores of the three-dimensional porous membrane, precipitation ions may be attached or detached.
일 실시형태에 따르면, 상기 석출이온을 회수하는 것을 포함하는 것일 수 있다. 무광 조건(태양광이 없을 때)에서, 석출이온은 3차원 다공성 멤브레인의 기공을 통하여 해수로 탈착 배출시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 방법은 환경 친화적이고 경제적으로 해수 및 염수를 담수화시킬 수 있다.According to one embodiment, it may be to include recovering the precipitated ions. Under matte conditions (when there is no sunlight), precipitated ions can be desorbed and discharged into seawater through the pores of the three-dimensional porous membrane. Therefore, the seawater desalination method according to an embodiment of the present invention is environmentally friendly and economically capable of desalination of seawater and brine.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and comparative examples. However, the technical spirit of the present invention is not limited or limited thereby.
탄화된 3차원 폴리디메틸실록산(PDMS) 스펀지 멤브레인의 제조 과정Manufacturing process of carbonized 3D polydimethylsiloxane (PDMS) sponge membrane
탄화된 3차원 폴리디메틸실록산(PDMS)을 이용한 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인은 저렴한 재료로 간단하게 제조할 수 있다.The three-dimensional porous membrane for seawater desalination using carbonized three-dimensional polydimethylsiloxane (PDMS) can be easily manufactured with inexpensive materials.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인 제조과정을 나타내는 사진이다. 도 4의 (b)는 설탕의 화학 구조이다.Figure 4 (a) is a photograph showing a three-dimensional porous membrane manufacturing process for seawater desalination according to an embodiment of the present invention. Fig. 4(b) is the chemical structure of sugar.
도 4의 (a)의 왼쪽 도시된 바와 같이, 큐브 설탕 템플릿을 준비하였다. 그리고 나서 큐브 설탕 템플릿에 PDMS 용액을 부었다. 진공챔버에서 설탕 템플릿 내부의 기포를 빼고, 설탕 템플릿 내부를 PDMS로 채웠다. 이어서, 설탕 템플릿 내부의 PDMS를 굳히고, 60 ℃의 물로 설탕을 녹였다. 도 4의 (A)의 가운데 사진과 같이, 설탕 부분이 빠진 PDMS 스펀지를 만들었다. 이어서, PDMS 스펀지 윗면을 설탕과 함께 300 ℃로 열판으로 가열하면, 도 4의 (B)의 화학 구조를 가진 설탕이 탄소로 분해되고, PDMS 스펀지 상단이 탄화된다. 마지막으로, 제조한 멤브레인을 산소 플라즈마로 표면처리 하여 탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인을 제조하였다. 제조한 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인은 도 4의 (A)의 오른쪽 사진과 같다.As shown in the left side of Figure 4 (a), a cube sugar template was prepared. The PDMS solution was then poured into the cube sugar template. Bubbles inside the sugar template were removed from the vacuum chamber, and the inside of the sugar template was filled with PDMS. Subsequently, the PDMS inside the sugar template was solidified, and the sugar was dissolved with water at 60°C. As shown in the middle photo of FIG. 4(A), a PDMS sponge with missing sugar portion was made. Subsequently, when the upper surface of the PDMS sponge is heated with sugar to a heating plate at 300° C., sugar having the chemical structure of FIG. 4B is decomposed into carbon, and the upper portion of the PDMS sponge is carbonized. Finally, the prepared membrane was surface treated with oxygen plasma to prepare a carbonized 3D PDMS sponge membrane. The manufactured 3D PDMS sponge membrane is as shown in the right picture of FIG. 4(A).
탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인의 내부 구조Internal structure of carbonized 3D PDMS sponge membrane
도 5의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인을 찍은 사진이다. 이 멤브레인의 상부는 도 5의 (B)의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 탄화된 탄소층이 코팅된 PDMS 스펀지이며, 멤브레인의 하부는 도 5의 (B)의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 탄화층이 없는 PDMS 스펀지로 구성되어 있다. 탄화층이 코팅된 PDMS 스펀지의 상부는 태양광을 흡수하여 이를 열에너지로 변환시켜 증발이 이루어지는 부분이다. 멤브레인 하부의 PDMS 스펀지는, 도 5의 (C)에 도시된 바와 같이, 다공성 구조와 함께 친수성 표면 특성을 가지고 있어서 해수나 염수에 담겨있는 멤브레인 바닥면에서 상부의 탄화층으로 물을 무전원 방식으로 효과적으로 끌어올린다.5A is a photograph of a carbonized 3D PDMS sponge membrane prepared according to an embodiment of the present invention. The upper part of this membrane is a PDMS sponge coated with a carbonized carbon layer, as shown on the left side of Fig. 5B, and the lower part of the membrane is a carbonized layer, as shown on the right side of Fig. 5B. It consists of a PDMS sponge without. The upper portion of the PDMS sponge coated with the carbonized layer is a portion that absorbs sunlight and converts it into thermal energy to evaporate. PDMS sponge at the bottom of the membrane, as shown in Figure 5 (C), has a hydrophilic surface characteristic with a porous structure to effectively water in a non-powered manner from the bottom of the membrane contained in sea water or brine to the upper carbonized layer Pull up.
탄화된 3차원 PDMS 스펀지 멤브레인의 증발 성능과 온습도 변화Evaporation performance and temperature and humidity change of carbonized 3D PDMS sponge membrane
도 6의 (A)는 본 발명의 실시예에 따른 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 물 위에 띄워 놓은 후 빛을 조사했을 때의 사진이다. 도 6의 (A)에 도시된 바와 같이, 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 물 위에 띄워 놓은 후, 빛을 조사하면 높은 증발률로 물이 증발한다.Figure 6 (A) is a photo when the carbonized PDMS sponge membrane according to an embodiment of the present invention is floated on water and then irradiated with light. As shown in FIG. 6(A), after the carbonized PDMS sponge membrane is floated on water, water is evaporated at a high evaporation rate upon irradiation with light.
도 6의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때와 사용하지 않았을 때 광 조사에 따른 질량 변화율을 나타낸 그래프이다. 도 6의 (B)에 도시된 바와 같이, 300 mW 세기의 532 nm 파장의 레이저를 조사한 경우, 멤브레인 사용 시 멤브레인을 사용하지 않을 경우보다 증발률이 3.4 배 높은 것을 알 수 있다.6(B) is a graph showing the rate of mass change according to light irradiation when the membrane according to the embodiment of the present invention is used and not used. As shown in FIG. 6(B), it can be seen that when the laser having a wavelength of 532 nm having a 300 mW intensity is irradiated, the evaporation rate is 3.4 times higher than when the membrane is not used.
도 6의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인을 사용했을 때 광 조사에 따른 온도, 습도, 상대습도 변화율을 나타낸 그래프이다. 도 6의 (C)를 참조하면, 증발용 PDMS 멤브레인에 의해 높은 증발률은 용기 내부 (가로 15 cm, 세로 20 cm, 높이 25 cm)의 상대습도가 30 분 이내에 90 %로 증가하였다.6(C) is a graph showing the rate of change in temperature, humidity, and relative humidity according to light irradiation when the membrane according to the embodiment of the present invention is used. Referring to FIG. 6(C), the high evaporation rate by the PDMS membrane for evaporation increased to 90% relative humidity inside the container (15 cm horizontal, 20 cm vertical, 25 cm high).
이러한 높은 증발률은 멤브레인 탄화층의 강한 빛 흡수와 PDMS의 낮은 열전도도 (0.15 W/mK)에 기인한다 [도 6의 (D), 도 6의 (E)].This high evaporation rate is due to the strong light absorption of the membrane carbide layer and the low thermal conductivity (0.15 W/mK) of the PDMS [Fig. 6(D), Fig. 6(E)].
도 6의 (D)는 도 6의 (A)의 적외선 열화상 카메라로 촬영된 사진이고, 도 6의 (E)는 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인의 빛 흡수 시간에 따른 표면온도를 나타낸 그래프이다. 빛 조사 전 (t=0s)의 경우, 물 위에 떠있는 멤브레인과 물의 온도는 모두 25 ℃ 정도의 초기 온도를 보인다. 하지만, 빛을 조사하자 (t=1s), 멤브레인 상단의 표면 온도가 75 ℃ 정도로 급격히 상승하였고 30 초가 지났을 때도 그 높은 온도가 유지되고 있다. 특히, 30 초 후, 조사된 빛이 흡수되어 변환된 열에너지가 멤브레인 표면에만 국부적으로 집중되어 있음을 알 수 있는데, 이는 변환된 열에너지가 멤브레인의 낮은 열전도도에 기인하여 외부로 열손실이 최소화되기 때문이다. 낮은 열전도도에 기인한 열손실의 최소화는 도 6의 (E)에서 멤브레인 아래의 물 온도는 1 시간 30 분 동안의 빛 조사 후에도 거의 변하지 않는 것으로 확인할 수 있다. 이것은 PDMS의 열전도도가 매우 낮아 탄소층에서 흡수되어 변환된 열에너지를 단열시켜 주기 때문이다. 결국, 열손실의 최소화는 흡수된 열에너지가 온전히 증발에만 사용될 수 있게 만들어 준다.6 (D) is a picture taken with the infrared thermal imaging camera of FIG. 6 (A), FIG. 6 (E) is a graph showing the surface temperature according to the light absorption time of the membrane according to an embodiment of the present invention to be. Before light irradiation (t=0s), the temperature of both the membrane and the water floating on the water show an initial temperature of about 25°C. However, upon irradiation with light (t=1s), the surface temperature at the top of the membrane rapidly rose to about 75°C, and the temperature is maintained even after 30 seconds have passed. In particular, after 30 seconds, it can be seen that the irradiated light is absorbed and the converted thermal energy is concentrated locally only on the membrane surface, because the converted thermal energy is minimized to the outside due to the low thermal conductivity of the membrane. to be. The minimization of heat loss due to the low thermal conductivity can be seen in FIG. 6(E) that the water temperature under the membrane hardly changes after 1 hour and 30 minutes of light irradiation. This is because the thermal conductivity of PDMS is very low to insulate the thermal energy absorbed and converted by the carbon layer. Consequently, minimization of heat loss allows the absorbed heat energy to be used solely for evaporation.
따라서, 도 6의 (D)는 멤브레인의 탄화층이 빛 흡수도가 매우 높고 멤브레인의 PDMS 스펀지가 열전도도가 매우 낮음을 말해주고, 이러한 특성은 도 6의 (E)에서 처럼 멤브레인의 표면 온도를 높게 유지시켜주어 증발이 잘 일어나게 해준다.Accordingly, FIG. 6(D) shows that the carbonized layer of the membrane has a very high light absorption and the PDMS sponge of the membrane has a very low thermal conductivity, and these properties indicate the surface temperature of the membrane as in FIG. 6(E). It is kept high so that evaporation occurs well.
탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인의 태양광 기반 증발 및 담수 성능Solar-based evaporation and freshwater performance of carbonized PDMS sponge membranes
도 7의 (A)는 본 발명의 태양광 모사 장비(solar simulator) 사진이고, 도 7의 (B)는 본 발명의 실시예에 따른 인공 태양광을 조사한 후 탄화된 PDMS 멤브레인의 질량 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7의 (B)를 참조하면, 탄화된 PDMS 멤브레인을 물에 띄운 후 태양광 모사 장비(solar simulator)로 2 kW/m2 세기의 인공 태양광을 조사한 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인은 멤브레인이 없는 경우에 비해 4.9 배 높은 증발률을 보였다.Figure 7 (A) is a photovoltaic simulation equipment (solar simulator) of the present invention, Figure 7 (B) shows the mass change of the carbonized PDMS membrane after irradiating artificial sunlight according to an embodiment of the present invention It is a graph. Referring to (B) of FIG. 7, when the carbonized PDMS membrane is floated in water and irradiated with artificial sunlight of 2 kW/m 2 intensity with a solar simulator, the carbonized PDMS membrane has no membrane. The evaporation rate was 4.9 times higher than the case.
도 7의 (C)는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 세기의 태양빛을 조사하였을 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인의 증발률을 나타낸 그래프이다. 도 7의 (C)를 참조하면, 다양한 세기의 태양빛을 조사하였을 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인은 기존의 다른 증발 담수용 멤브레인에 비해 높은 증발률을 보였다.7(C) is a graph showing the evaporation rate of carbonized PDMS membranes when irradiated with sunlight of various intensities according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7(C), when irradiated with sunlight of various intensities, the carbonized PDMS membrane showed a higher evaporation rate compared to other evaporative freshwater membranes.
탄화된 PDMS 멤브레인을 이용하여 3 mole의 염수를 담수화시킨 결과 이온전도도가 식수 영역의 값 아래로 떨어져 식수 생산이 가능함을 확인하였다. As a result of desalination of 3 moles of brine using a carbonized PDMS membrane, it was confirmed that the ion conductivity fell below the value of the drinking water region, so that drinking water production was possible.
도 7의 (D)는 본 발명의 실시예에 따른 염수의 증발 후 이온전도도 변화를 나타낸 도면이다. 증발을 거친 물의 경우 식수 영역 이하로의 이온전도도를 보였다. 이는 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인을 이용한 증발 담수 기술이 단일 공정으로 식수 생산이 가능함을 보여준다. 하지만, 기존 멤브레인 기반의 역삼투 기술(빗금 부분)은 담수 후 이온전도도가 식수영역 이하로 내려오지 못함을 보여준다. 이는 기존 산업에서 사용중인 역삼투 기술은 단일 공정으로 염수를 담수화하기 힘들고 다양한 전/후처리 공정들이 필요함을 말해준다. 기존 멤브레인 기반의 담수 기술 (도 7의 (D)에서 빗금 부분)은 단일 담수 공정으로 염수를 식수로 만들지 못하고 여러 다단계의 공정들이 들어가지만, 본 발명의 실시예에 따른 탄화된 PDMS 멤브레인을 이용한 증발 담수화 기술은 태양광 기반의 단일 공정이며, 99.97 %의 높은 이온 필터링 성능으로 식수 생산이 가능하였다 (도 7의 (D)).7(D) is a view showing a change in ion conductivity after evaporation of brine according to an embodiment of the present invention. In the case of evaporated water, ion conductivity below the drinking water region was shown. This shows that the evaporated fresh water technology using carbonized PDMS sponge membrane can produce drinking water in a single process. However, the existing membrane-based reverse osmosis technology (hatched part) shows that the ion conductivity after fresh water does not fall below the drinking water area. This means that the reverse osmosis technology in use in the existing industry is difficult to desalination in brine in a single process and requires various pre/post treatment processes. Existing membrane-based freshwater technology (hatched part in FIG. 7(D)) does not make brine into drinking water as a single freshwater process, but several multi-step processes are included, but evaporation using a carbonized PDMS membrane according to an embodiment of the present invention The desalination technology is a single solar-based process, and was able to produce drinking water with a high ion filtering performance of 99.97% (Fig. 7(D)).
탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인의 형태학적 구조와 친수성 표면특성을 이용한 멤브레인 표면에 석출된 이온의 탈착 및 제거Desorption and removal of ions deposited on the membrane surface using the morphological structure of the carbonized PDMS sponge membrane and hydrophilic surface properties
멤브레인에서 염분 농도가 높은 염수가 증발되면, 이온 과포화 상태의 염수 속 이온들은 멤브레인의 증발 표면에서 석출되고, 이는 증발 표면을 막아 증발 성능을 떨어뜨리며, 이를 파울링(fouling)이라고 한다. 탄화된 PDMS 멤브레인은 높은 친수성과 매크로포러스(macroporous)한 구조를 갖고 있어서 해수/염수를 담수화시킬 때 멤브레인의 증발 표면에서 이온 석출 저감 성능을 보였다. 이를 폴리비닐알코올(PVA)로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출 성능과 비교하였다.When brine with a high salt concentration is evaporated from the membrane, ions in the brine of ion supersaturation precipitate on the evaporation surface of the membrane, which clogs the evaporation surface and degrades the evaporation performance, which is called fouling. The carbonized PDMS membrane has a high hydrophilicity and macroporous structure, and thus, when desalination of seawater/salt water, it showed a performance of reducing ion precipitation on the evaporation surface of the membrane. This was compared with the ion precipitation performance of a carbonized PDMS membrane having a microporous structure coated with polyvinyl alcohol (PVA).
도 8의 (A)의 왼쪽은 본 발명의 실시예에 따라 폴리비닐알코올(PVA)로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인 사진이다. 도 8의 (B)의 왼쪽은 본 발명의 실시예에 따라 PVA로 표면 코팅된 마이크로포러스(microporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이고, 오른쪽은 산소 플라즈마 처리된 매크로포러스(macroporous)한 구조의 탄화된 PDMS 멤브레인의 이온석출량을 나타낸 사진이다. 도 8의 (A) 및 도 8의 (B)를 참조하면, PVA로 코팅된 마이크로포러스한 멤브레인에 비해 증발 표면에서의 이온석출량이 75 %로 감소한 것을 알 수 있다. The left side of FIG. 8(A) is a photograph of a carbonized PDMS membrane having a microporous structure coated with polyvinyl alcohol (PVA) according to an embodiment of the present invention, and the right side is an oxygen plasma treated macroporous ( This is a photo of a carbonized PDMS membrane with a macroporous structure. The left side of FIG. 8(B) is a photograph showing the ion precipitation of the carbonized PDMS membrane having a microporous structure coated with PVA according to an embodiment of the present invention, and the right side is an oxygen plasma treated macroporous This is a photograph showing the amount of ion precipitation of a carbonized PDMS membrane with a (macroporous) structure. 8(A) and 8(B), it can be seen that the amount of ion precipitation at the evaporation surface was reduced to 75% compared to the microporous membrane coated with PVA.
도 8의 (C)는 본 발명의 실시예에 따라 산소 플라즈마로 표면처리된 매크로포러스한 탄화된 PDMS 멤브레인을 염수에 담그고 빛을 조사했을 때 멤브레인 표면 및 내부의 이온석출층의 생성 및 거동을 포항가속기 6c biomedical imaging beamline에서 X-선으로 촬영한 사진이다. 도 8의 (C)를 참조하면, 빛을 조사하기 전에는 (t=0s), 멤브레인 표면에서 증발률이 낮아 이온석출이 없음을 보여준다. 하지만, 빛을 멤브레인 상단 표면에 조사하였을 경우, 멤브레인 표면에서 증발이 급속히 발생되고 염수 내 이온들이 멤브레인 표면에 석출된다. 10 분 후, 멤브레인 표면에 이온석출층들(소금결정층, 제일 짙은 검정색)이 많이 생성되어 증발표면에 쌓여있음을 알 수 있다. 그러나, 빛을 조사한지 50 분 후, 증발 표면에 이온석출층(염, 노란색 영역)이 멤브레인 상단으로부터 탈착되어 중력에 의해 아래로 가라앉음을 확인하였다. 탈착된 이온석출층은 중력에 의해 멤브레인의 기공을 통과하여 하부까지 내려가 결국 물이 담겨져있는 용기 바닥으로 가라앉게 된다. 따라서, 탄화된 PDMS 멤브레인이 PVA 코팅층보다 친수성이 높고 멤브레인의 기공 크기가 커서 빛 조사에 따른 증발 과정동안 이온석출층들이 증발표면으로부터 탈착되고 멤브레인의 하부로 빠져나가 석출된 이온들을 제거할 수 있음을 보여준다.Figure 8 (C) is a macroporous carbonized PDMS membrane surface treated with oxygen plasma in accordance with an embodiment of the present invention in the brine and irradiated with light to encompass the generation and behavior of the ion depositing layer and the surface of the membrane This is an X-ray image of the accelerator 6c biomedical imaging beamline. Referring to (C) of FIG. 8, before light irradiation (t=0s), it shows that there is no ion precipitation due to low evaporation rate on the membrane surface. However, when light is irradiated to the top surface of the membrane, evaporation occurs rapidly on the surface of the membrane and ions in the brine are deposited on the surface of the membrane. After 10 minutes, it can be seen that a lot of ion precipitation layers (salt crystal layer, darkest black) were formed on the surface of the membrane and accumulated on the evaporation surface. However, after 50 minutes of light irradiation, it was confirmed that the ion precipitation layer (salt, yellow area) on the evaporation surface was detached from the top of the membrane and settled down by gravity. The desorbed ion precipitation layer passes through the pores of the membrane by gravity, descends to the bottom, and eventually sinks to the bottom of the container containing the water. Therefore, the carbonized PDMS membrane has a higher hydrophilicity than the PVA coating layer, and the pore size of the membrane is large, so that during the evaporation process according to light irradiation, the ion-precipitation layers are detached from the evaporation surface and can escape to the bottom of the membrane to remove precipitated ions. Show.
빛 조사 유무에 따른 탄화된 PDMS 스펀지 멤브레인의 증발 표면에서의 이온석출층 탈착 및 제거 성능Desorption and removal performance of ion-precipitated layer on the evaporation surface of carbonized PDMS sponge membrane with and without light irradiation
도 9의 (A)는 본 발명의 실시예에 따라 빛 조사 유무에 따른 멤브레인의 이온석출층의 X-선 사진이다. 도 9의 (A)를 참조하면, 염수 위에 멤브레인을 띄우고 빛을 조사할 경우, 탄화된 PDMS 멤브레인 상단의 증발 표면에는 이온석출층이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 멤브레인에 조사하는 빛을 끄면 멤브레인 표면의 이온석출층이 탈착되어 멤브레인의 다공성 구조를 통해 하강하여 염수를 담은 용기의 바닥으로 가라앉고, 대부분의 표면 이온석출층이 제거되는 것을 확인할 수 있다.9A is an X-ray photograph of the ion precipitation layer of the membrane with or without light irradiation according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9(A), when floating the membrane over brine and irradiating light, it can be confirmed that an ion precipitation layer was formed on the evaporation surface of the carbonized PDMS membrane. However, when the light irradiating the membrane is turned off, the ion precipitation layer on the surface of the membrane is detached and descends through the porous structure of the membrane to sink to the bottom of the container containing salt water, and it can be seen that most of the surface ion precipitation layer is removed.
도 9의 (B)는 도 9의 (A)에 멤브레인 내부의 시간에 따른 마이크로 버블의 변화를 나타내는 X-선 사진이다. 빛을 켜고 60 분 후, 멤브레인 내부의 에어버블(air bubble)의 크기는 증가하였다. 이는 멤브레인 내부의 음압(negative pressure)에 의해 버블이 팽창하여 크기가 커졌음을 의미한다. 즉, 빛을 조사하면 멤브레인 표면에 증발률이 높아 멤브레인 상단에서 잡아당기는 증발력에 의해 멤브레인 내부는 큰 음압이 발생되고, 이온석출층이 증발 표면에 붙어있게 된다. 그러나, 조사하던 빛을 끄게 되면, 76 분 후의 에어 버블의 크기는 작아져 있음을 확인할 수 있다. 이는 에어 버블을 잡아당기던 멤브레인 내부의 음압이 감소했음을 말해준다. 이는 멤브레인에 조사하던 빛을 끄게 되면, 증발이 급격히 감소하여 멤브레인 상단에서 위로 잡아당기던 증발력이 급격히 감소해 멤브레인 내부 음압이 급격히 감소함을 말해준다. 다시 빛을 조사해주고 94 분 후, 증발력에 의한 멤브레인 내부의 큰 음압으로 에어 버블의 크기가 커졌음을 볼 수 있습니다. 따라서, 도 9의 (B) 사진은 멤브레인 내부의 에어 버블의 크기 변화를 통해 내부 음압의 변화를 말해주고 있다. 조사중이던 빛 차단 시, 급격한 멤브레인 내부의 음압 감소가 발생되고 이는 결국 도 9의 (A) 사진처럼 증발면의 이온 석출층들을 탈착시켜 아래로 가라앉혀 준다.FIG. 9(B) is an X-ray photograph showing changes in microbubbles over time in the membrane in FIG. 9(A). 60 minutes after turning on the light, the size of the air bubble inside the membrane increased. This means that the bubble expands due to the negative pressure inside the membrane, which increases the size. That is, when light is irradiated, the evaporation rate is high on the surface of the membrane, and a large negative pressure is generated inside the membrane due to the evaporating force pulling from the top of the membrane, and the ion-precipitating layer is attached to the evaporation surface. However, when the irradiated light is turned off, it can be confirmed that the size of the air bubble after 76 minutes is small. This indicates that the negative pressure inside the membrane that was pulling the air bubbles was reduced. This means that when the light irradiated to the membrane is turned off, evaporation decreases rapidly, and the evaporation force pulling upward from the top of the membrane decreases rapidly, and the negative pressure inside the membrane decreases rapidly. After irradiating the light again, after 94 minutes, you can see that the size of the air bubble increased due to the large negative pressure inside the membrane due to the evaporation power. Therefore, the photo of FIG. 9B shows the change in the internal sound pressure through a change in the size of the air bubble inside the membrane. When blocking the light being irradiated, a sudden decrease in the negative pressure inside the membrane occurs, which eventually desorbs the ionic precipitation layers on the evaporation surface as shown in FIG. 9(A) and sinks it down.
도 9의 (C)는 본 발명의 탄화된 나무로 만든 멤브레인의 이온석출층의 SEM 사진이다. 도 9의 (C)를 참조하면, 탄화된 PDMS 멤브레인이 아니라 탄화된 나무로 만든 멤브레인의 경우, 빛을 조사한 후 끌 때 증발 표면에서의 이온석출층 제거율이 낮았다. 이것은 탄화된 PDMS 멤브레인의 경우, 증발률이 높고 빛을 차단할 경우 음압의 감소폭이 커 증발 표면에서의 이온석출층 탈착이 쉽고, 멤브레인 구멍의 크기가 커서 탈착된 석출 이온들이 멤브레인 내부를 손쉽게 통과하기 때문이다. 이에 따라 탄화된 PDMS 멤브레인에 조사하는 빛을 제거함에 따른 석출층의 제거성능이 탄화된 나무 멤브레인보다 높게 나타나는 것을 알 수 있다.9(C) is an SEM photograph of the ion precipitation layer of the membrane made of carbonized wood of the present invention. Referring to (C) of FIG. 9, in the case of a membrane made of carbonized wood rather than a carbonized PDMS membrane, the ion precipitation layer removal rate on the evaporation surface was low when irradiated after light irradiation. This is because, in the case of a carbonized PDMS membrane, the evaporation rate is high, and when the light is blocked, the negative pressure is large and the ion precipitation layer is easily detached from the evaporation surface. to be. Accordingly, it can be seen that the removal performance of the precipitation layer by removing light irradiated on the carbonized PDMS membrane is higher than that of the carbonized wood membrane.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, even if the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form from the described method, or replaced or replaced by another component or equivalent Appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
100: 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인
110: 다공성 고분자층
120: 탄소층
310: 상판
320: 담수 저장부100: 3D porous membrane for seawater desalination
110: porous polymer layer
120: carbon layer
310: top
320: fresh water storage
Claims (15)
상기 다공성 고분자층 상에 형성된 탄소 물질을 포함하는 탄소층;
을 포함하고,
상기 다공성 고분자층의 기공은 100 ㎛ 내지 500 ㎛인 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
Porous polymer layer; And
A carbon layer comprising a carbon material formed on the porous polymer layer;
Including,
The pores of the porous polymer layer is 100 ㎛ to 500 ㎛,
3D porous membrane for seawater desalination.
상기 다공성 고분자층은, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate; PEN), 폴리노르보넨(Polynorbornene; PN), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVA), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone; PES), 폴리스타일렌(Polystyrene; PS), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene; PE), 폴리염화비닐(polyvinylchloride; PVC), 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutyleneterephthalate; PBT) 및 폴리메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate; PMMA)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
According to claim 1,
The porous polymer layer includes polydimethylsiloxane (PDMS), polycarbonate (PC), polyethylene naphthalate (PEN), polynorbornene (PN), polyacrylate, poly Polyvinyl alcohol (PVA), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polyethersulfone (PES), polystyrene (PS), polypropylene (PP) ), polyethylene (PE), polyvinylchloride (PVC), polyamide (PA), polybutylene terephthalate (PBT) and polymethacrylate (Polymethyl methacrylate; PMMA) It includes at least one selected from,
3D porous membrane for seawater desalination.
상기 탄소층은 다공성 고분자층의 기공 네트워크에 설탕 유래 탄소 물질이 코팅된 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
According to claim 1,
The carbon layer is coated with a sugar-derived carbon material on the pore network of the porous polymer layer,
3D porous membrane for seawater desalination.
상기 다공성 고분자층의 하면은 친수성 표면인 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
According to claim 1,
The lower surface of the porous polymer layer is a hydrophilic surface,
3D porous membrane for seawater desalination.
상기 친수성 표면은, 플라즈마 처리된 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
The method of claim 5,
The hydrophilic surface, plasma-treated,
3D porous membrane for seawater desalination.
상기 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리인 것인,
해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인.
The method of claim 6,
The plasma treatment is an oxygen plasma treatment,
3D porous membrane for seawater desalination.
상기 구조체에 고분자를 흡착하는 단계;
상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 다공성 멤브레인을 형성하는 단계;
상기 다공성 멤브레인의 상부를 탄화시키는 단계; 및
상기 탄화된 다공성 멤브레인 하부를 플라즈마 처리하는 단계;
를 포함하는,
제1항의 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 제조방법.
Forming a structure using sugar;
Adsorbing a polymer to the structure;
Forming a porous membrane by dissolving the sugar contained in the structure;
Carbonizing the top of the porous membrane; And
Plasma treating the carbonized porous membrane underneath;
Containing,
Method of manufacturing a three-dimensional porous membrane for desalination of seawater of claim 1.
상기 멤브레인을 통하여 상기 멤브레인의 상기 탄소층을 통하여 증발 배출되는 수증기가 응축되는 상판; 및
상기 상판에 응축된 수증기가 모이는 담수 저장부;
를 포함하고,
상기 상판은 상기 담수 저장부 방향으로 경사지게 형성된 것인,
해수 담수화 장치.
A three-dimensional porous membrane for desalination of seawater of claim 1 disposed on the seawater with the polymer layer facing thereon;
A top plate through which the water vapor evaporated and discharged through the carbon layer of the membrane condenses through the membrane; And
Fresh water storage unit condensing water vapor condensed on the top plate;
Including,
The top plate is formed to be inclined toward the fresh water storage unit,
Seawater desalination device.
상기 상판은 광투과성인 것인,
해수 담수화 장치.
The method of claim 9,
The top plate is light-transmitting,
Seawater desalination device.
상기 해수 담수화 장치는 무전원인 것인,
해수 담수화 장치.
The method of claim 9,
The seawater desalination device is a non-power,
Seawater desalination device.
상기 해수 담수화 장치는 해수 중 석출이온이 상기 다공성 고분자층 아래로 중력 기인 탈착되는 것인,
해수 담수화 장치.
The method of claim 9,
In the seawater desalination device, precipitation ions in seawater are desorbed by gravity due to the porous polymer layer.
Seawater desalination device.
무광 조건에서, 상기 멤브레인 상단에 형성된 석출이온을 상기 해수 담수화용 3차원 다공성 멤브레인의 기공을 통하여 상기 해수로 탈착 배출시키는 것인,
해수 담수화 방법.
As a seawater desalination method using the seawater desalination device of claim 9,
In the matte condition, the precipitated ions formed on the top of the membrane are desorbed and discharged into the seawater through the pores of the three-dimensional porous membrane for seawater desalination.
Seawater desalination method.
상기 기공의 크기를 조절하여 석출이온의 탈착 배출을 제어하는 것인,
해수 담수화 방법.
The method of claim 13,
By controlling the size of the pores to control the desorption and discharge of precipitated ions,
Seawater desalination method.
상기 석출이온을 회수하는 것을 포함하는, 해수 담수화 방법.The method of claim 13,
Seawater desalination method comprising recovering the precipitated ions.
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2018
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