Hollow fiber membranes for reverse osmosis were manufactured by dry-wet spinning of cellulose acetate solution.
The dope used was 27% by weight of cellulose acetate (E-400-25) in 40:60 by weight of formamideacetone mixture; the spinning was through a single hole needle-in-orifice hollow filament spinnerette. In order to coagulate the inner wall of the hollow fiber, water-formamide or water-acetone mixture was used as an internal coagulant.
The effect of the coagulation bath temperature, the air-drying time, the internal coagulant composition, the annealing temperature, the stretch ratio, and the operating pressure on the hollow fiber membrane properties were studied.
The hollow fiber membranes in this study were of the asymmetric type with a structure comprised of a dense selective outer surface (thickness about 1-5 ㎛) and a porous gelled substructure. And the fiber had outside and inside diameters of 450 and 188 ㎛, respectively.
At an operating pressure of 23.5 atm the permeate flux was 0.4 gal.ft.$^{-2} day^{-1}$, with about 96% salt rejection, when charging with a 5000 ppm NaCl solution.
In this study, the optimum spinning conditions are as follows :
Coagulation bath temperature ; below 15℃
Internal coagulant composition ; 100% water
air-drying time ; 1- 2 sec.
Annealing temperature ; 70 - 75℃ for 5 min. in water bath.
본 연구에서는 셀룰로오스 아세테이트 중공 사막 (cellulose acetate hollow fiber membrane) 의 제조에 있어서 그 제조 공정에 따른 중공 사막의 구조와 물성을 조사하였다.
방사 원액은 셀룰로오스 아세테이트(E-400-25, Acetyl content,40.0% ASTM Visc., 25s) 를 아세톤과 포름 아미드 (60 : 40 중량비)의 혼합액에 정당비 (27% 중량비) 로 녹여 만들었다.
방사에 사용된 스피너렛 (spinnerette) 은 annulus 형으로 그 직경 이 각각 0.5588 mm, 0.9mm 이며 길이는 1mm로서 바깥 부분에는 방사원액이 흐르고 안쪽으로는 중공을 형성하기 위한 물-포름 아미드혹은 물-아세톤의 혼합액이 흐른다. 방사 방법은 응고조에서 중공사가 응고되기전에 짧은 시간 동안 공기중에서 건조 (evaporation of acetone) 되는 건습식 방사 방법을 택하였다. 만들어진 중공사는 비대칭형 구조로서 치밀한 표면층 (dense skin layer, 1-5㎛) 과 다공성층 (porous) 의 이중구조이며 그 크기는 외경이 450㎛ 내경이 188㎛이었다.
중공사의 구조와 물성에 영향을 미치는 요인으로서 응고조의 온도, 건조시간, 내부응고액의 종류와 조성, 연신의 정도, 그리고 열처리 온도에 대해 조사하였으며 시험 압력과의 관계도 조사 하였다.
셀룰로오스 아세테이트 막은 항상 물에 젖은 상태로 보존되어야 하므로 높은 압력을 얻기 위한 밀봉제 (sealant) 인 에폭시 수지를 굳히는 데 문제점이 있으나 젤라틴(gelatin) 을 이용함으로써 막에 영향을 주지않고 굳힐수 있었다.
응고조의 온도가 증가함에 따라 염배제율은 감소하였고, 수 투과율 은 증가 하였으며 낮은 응고조온도 (6℃)에서 방사된 실은 투명하였다. 건조 시간이 증가함에 따라 수 투과율은 감소하였으나 넓은 범위에 걸쳐 염배제율은 변하지 않았다. 이것은 실제 염을 배제하는 곳은 건조에 의해 형성되는 치밀한 표면층 중에서도 제일 바깥 부분의 극히 얇은 층이기 때문이다. 중공을 형성하기 위한 내부응고액은 혼합액을 사용하였을 경우 수 투과율이 감소 하였으며 포름 아미드-물을 사용하였을 경우 균열 (crack) 이 내부벽에서 전자 현미경에 의해 관찰되었고 아세톤-물을 사용하였을 경우 방사속도를 증가시킬 수 있었다. 중공사 막의 안정성은 열처리에 의해 얻어 지는데 열처리 온도가 증가함에 따라 수 투과율은 감소하였으나 염배제율은 70℃ 부근에서 급격히 증가하였고, 열처리 온도가 높았던 중공사 일수록 안정성이 높은 것으로 나타났다.
시험 압력이 증가함에 따라 수 투과율은 거의 일정하게 직선적으로 증가하였고 염배제율도 매우 경미하게 증가하였으나 둘다 23.5 기압을 기점으로 감소하였다. 그 이유는 중공사가 그 압력을 견디지 못했기 때문이다.
이와 같이 조사한 결과 5,000ppm 의 소금을 23.5기압까지 가압하여 수투과율 0.4 gfd 염배제율 96% 의 값을 얻을 수 있었으며 최적 방사조건은 다음과 같다.
응고조 온도 : 15℃
내부응고액 : 순수한 물
건조 시간 : 상온에서 1-2 초
열처리온도 : 물중탕에서 5분간 처리할 경우 70-75℃
