JP2020519439A - ３層構造の供給スペーサおよびそれを含む逆浸透フィルタモジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、供給スペーサに関し、より詳しくは、供給スペーサを構成するセットを３層構造に形成することによって、逆浸透膜と接触するセットが供給スペーサ構造の中央に原水を対流させ、中央に層流性流速勾配が発生して逆浸透フィルタモジュールの分極現象を減少させ、圧力損失を最小化することができる、３層構造の供給スペーサおよびそれを含む逆浸透フィルタモジュールに関する。

Description

本明細書は２０１７年１０月２０日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２０１７−０１３６４９５号に基づいた優先権の利益を主張し、該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、供給スペーサに関し、より詳しくは、供給スペーサを構成するセットを３層構造に形成することによって、逆浸透膜と接触するセットが供給スペーサ構造の中央に原水を対流させ、中央に層流性流速勾配が発生して逆浸透フィルタモジュールの分極現象を減少させ、圧力損失を最小化することができる、３層構造の供給スペーサおよびそれを含む逆浸透フィルタモジュールに関する。

全世界的に地球温暖化に応じた水不足現象が深刻化している中で代替水源の確保技術である水浄化技術が注目を浴びている。

よって、海水淡水化、水の再利用など、代替水源を活用した次世代水道事業の核心技術である逆浸透膜（Ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を用いた水処理工程が水産業市場を主導すると予想されている。

このような逆浸透膜による逆浸透膜透過水は、純粋な水または限りなく純粋な水に近い水になって、医療用の無菌水や人工透析用の精製水、あるいは電子産業の半導体製造用の水など、様々な分野で利用されている。

ここで、逆浸透とは、濃度差のある二つの溶液を半透膜で分離し、一定時間が過ぎれば、濃度の低い溶液が濃度の高い側に移動して一定の水位差を発生させ、これを浸透現象という。さらに、この過程で発生する水位の差を逆浸透圧という。この原理を利用して水分子だけ半透膜を通過させて水を浄化する装置を逆浸透装置といい、これに入れられる半透膜が逆浸透フィルタモジュールである。

このような逆浸透フィルタモジュールは、中央チューブ、供給スペーサ（Ｆｅｅｄ ｓｐａｃｅｒ）、逆浸透膜（ＲＯ ｍｅｍｂｒａｎｅ）、トリコット濾過水路などを含んで構成される。

この中、供給スペーサは原水が流入される通路の役割をする。原水が供給スペーサを通して流入される場合に供給スペーサによる流れ妨害で差圧が発生すれば、これはエネルギー費用の増加につながるため、このような差圧は低いほど逆浸透フィルタモジュールの効率を増加させることになる。

一方、水透過フラックスにより、必然的に逆浸透膜付近では濃度分極現象が発生し、このような現象が激しくなるほど、逆浸透膜付近で浸透圧が高くなって水透過率が低下することになる。

これと関連し、差圧の発生を減少させ、濃度分極現象を緩和させることによって逆浸透フィルタモジュールの効率を増加できる供給スペーサが必要な現状である。

本発明は、上述した問題を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、逆浸透膜と直接接触する層および接触しない層で構成されることによって、流体の圧力損失を引き起こすストランド（ｓｔｒａｎｄ）の厚さが減少した３層構造の供給スペーサ構造を提供することにある。

また、本発明の目的は、原水がスペーサ構造の中央に対流することによって、逆浸透膜と直接接触する層にのみ局所的に乱流性対流が発生し、スペーサ構造の中央に層流性流速勾配が発生して分極現象を減少させる３層構造の供給スペーサ構造を提供することにある。

本発明の一実施例による３層構造の供給スペーサは、複数のストランド（Ｓｔｒａｎｄ）が平行に位置する第１セット、前記第１セットと交差して提供され、複数の平行したストランドからなる第２セット、および原水方向と平行に位置し、複数の平行したストランドからなる第３セットを含み、前記第３セットは、前記第１および第２セットの間あるいは前記第１および第２セットのいずれか一つの一側に位置することを特徴とする。

一つの実施例において、前記供給スペーサは、単位長さ当たりのストランド数（Ｓｔｒａｎｄ ｐｅｒ ｉｎｃｈ、ＳＰＩ）が５〜９であることを特徴とする。

一つの実施例において、前記第１および第２セットの交差点間の距離は、３，８００μｍ〜１２，０００μｍであることを特徴とする。

一つの実施例において、前記第１および第２セット間の角度は、５０°〜９０°であることを特徴とする。

一つの実施例において、前記ストランドは、直径が１６７μｍ〜３００μｍであることを特徴とする。

一つの実施例において、前記供給スペーサは、厚さが５００μｍ〜９００μｍであることを特徴とする。

本発明の一実施例による逆浸透フィルタモジュールは、３層構造の供給スペーサを含むことを特徴とする。

一つの実施例において、前記逆浸透フィルタモジュールは、長さ方向に沿って透過液を収容する開口を含むチューブ、および前記チューブから外側方向に延び、前記チューブ周縁に巻き取られる一つ以上の逆浸透膜を含み、前記スペーサは、前記一つ以上の逆浸透膜と接触し、前記チューブ周縁に巻き取られることを特徴とする。

一つの実施例において、前記スペーサは第１〜第３セットからなり、前記第１および第２セットは前記一つ以上の逆浸透膜と接触し、前記第３セットは前記一つ以上の逆浸透膜と非接触することを特徴とする。

本発明によれば、供給スペーサは逆浸透膜と直接接触する層および接触しない層で構成されることによって、原水の乱流の流動をスペーサ構造の中央に集中させて圧力損失を最小化するという効果が発生する。

また、本発明によれば、原水がスペーサ構造の中央に対流することによって、逆浸透膜と直接接触する層にのみ局所的に乱流性対流が発生し、スペーサ構造の中央に層流性流速勾配が発生して分極現象を減少させるという効果が発生する。

本発明の一実施例による逆浸透フィルタモジュールの斜視図である。 （ａ）は本発明の一実施例による３層構造の供給スペーサの平面図であり、（ｂ）は本発明の一実施例による３層構造の供給スペーサの一側および他側に逆浸透膜が位置した逆浸透フィルタモジュールの断面図である。 本発明の他の実施例による３層構造の供給スペーサの断面図である。 （ａ）は本発明の一実施例によるＳＰＩが９の３層構造の供給スペーサの平面図であり、（ｂ）は本発明の一実施例によるＳＰＩが７の３層構造の供給スペーサの平面図である。

本発明を添付図面を参照して詳細に説明すれば以下のとおりである。ここで、繰り返される説明、本発明の要旨を不要に濁す恐れのある公知機能および構成に関する詳細な説明は省略することにする。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。よって、図面での要素の形状および大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

明細書の全体にかけて、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことをを意味する。

以下では本発明の理解を助けるために好ましい実施例を提示する。但し、下記の実施例は本発明をより容易に理解するために提供されるものに過ぎず、下記の実施例によって本発明の内容が限定されるものではない。

＜供給スペーサ＞

図２（ａ）は本発明の一実施例による３層構造の供給スペーサの平面図であり、図２（ｂ）は本発明の一実施例による３層構造の供給スペーサの一側および他側に逆浸透膜が位置した逆浸透フィルタモジュールの断面図である。図３は本発明の他の実施例による３層構造の供給スペーサの断面図である。図４（ａ）は本発明の一実施例によるＳＰＩが９の３層構造の供給スペーサの平面図であり、図４（ｂ）は本発明の一実施例によるＳＰＩが７の３層構造の供給スペーサの平面図である。本発明に係る供給スペーサは、複数のストランド（Ｓｔａｎｄ）が平行に位置する第１セット１０、第２セット２０および第３セット３０で構成されることができる。

第１セット１０は一つ以上、複数のストランドが平行に位置することができ、ここで、ストランドは原水方向と傾斜して位置することができる。そして、第２セット２０は、第１セット１０と交差して位置することができる。また、第２セット２０は第１セット１０と傾き方向が反対に位置し、第１セット１０および第２セット２０は格子形状として提供されることができる。

なお、第１セット１０は原水の流れ方向から１０°〜８０°の角度ａで位置し、第２セット２０は原水の流れ方向から１００°〜１７０°の傾きで位置することができる。そして、第１セット１０および第２セット２０間の角度ａは５０°〜９０°に形成されることができる。

例えば、第１セット１０を構成するストランドが原水の流れ方向から６０°傾いて形成されれば、第２セット２０のストランドは原水の流れ方向から１１０°〜１５０°傾いて位置することができる。

すなわち、第１セット１０と第２セット２０間の角度が５０°である時、第１セット１０を構成するストランドが原水の流れ方向から６０°傾いて形成されれば、第２セット２０のストランドは原水の流れ方向から１１０°傾いて位置することができる。

この時、第１セット１０および第２セット２０間の角度が５０°未満の場合には、後述する第３セット３０との間隔が小さくなることによって、ストランドにより形成される流路の断面積が減少し、供給スペーサの中央部分に層流性流速勾配が発生しないので分極現象が増加するという問題が発生し、９０°超過の場合には、第３セット３０との間隔が大きくなることによって、流路の断面積が増加して原水の流動が上下方向に活発に起こって圧力損失が増加するという問題が発生しうる。ここで、流路は、各セットを構成するストランドにより形成されるものであり、供給スペーサの上部および下部に位置する逆浸透膜と各セットとの間の空いた空間を意味する。

本発明に係る第３セット３０は、原水の流れ方向と平行に位置し、第１セット１０および第２セット２０の間あるいは３個のセットのうち最も上に位置することができる。すなわち、第１セット１０一側および第２セット２０一側のいずれか一つの位置に置かれる。より詳細には、セット積層順が第１セット１０の上部に第２セット２０が位置する場合、第３セット３０は第２セット２０の一側、すなわち、上部に位置する。そして、セット積層順が第２セット２０の上部に第１セット１０が位置する場合、第１セット１０の上部に第３セット３０が位置する。

先ず、図１（ｂ）を参照すれば、第３セット３０が第１セット１０の一側および第２セット２０の他側に位置する場合、供給スペーサは、逆浸透膜と直接接触するセットおよび接触しないセットで構成されることができる。より詳細には、第３セット３０は逆浸透膜と直接接触せず、第１セット１０と第２セット２０は逆浸透膜と接触する構造である。

第１セット１０および第２セット２０は、逆浸透膜と接触して供給スペーサ構造を支持する役割をし、逆浸透膜との間の原水の界面流動を周期的に供給スペーサ構造の中央に対流させることができる。すなわち、本発明に係る供給スペーサは原水の界面流動を第３セット３０に対流させ、第３セット３０は界面流動の層流性流速勾配（Ｆｌｏｗ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｇｒａｄｉｅｎｔ）を発生させて分極現象を減少させるという効果が発生する。

なお、第３セット３０は、第１セット１０と第２セット２０の交差点あるいは交差点と交差点との間の１／５〜４／５地点のいずれか一つの位置に提供されることができる。

本発明に係る供給スペーサは、融着法により製造されることができる。第１セット１０、第２セット２０および第３セット３０が接合された状態で押出されるか、または第１セット１０と第３セット３０あるいは第２セット２０と第３セット３０が接合された状態で押出された後、第２あるいは第１セットが積層および接合される方法により製造されることができる。

次に、図３を参照すれば、第３セット３０が第２セット２０の一側に位置する場合、最も上に位置する第３セット３０は、原水の流れ方向と平行することによって流動を半分に分離する役割をすることができる。したがって、逆浸透膜と直接接触する第１セット１０は原水の界面流動を第２セット２０に対流させ、第３セット３０は原水を半分に分離して第２セット２０に対流させて、逆浸透膜の界面付近に対流現象が周期的に発生して本発明に係る供給スペーサの圧力損失を最小化することができる。

本発明に係る第１〜第３セット１０、２０、３０を形成するストランド間の間隔は４ｍｍ〜１２ｍｍであってもよい。ここで、ストランド間の間隔が４ｍｍ未満の場合には、流路の断面積が増加し、各層のストランド間の間隔が減少して、原水の乱流流動が必要以上に発生して圧力損失が増加するという問題が発生しうる。そして、ストランド間の間隔が１２ｍｍ超過の場合には、ストランド間の間隔が増加し、原水の上下流動が発生しない区間が発生して層流性流速勾配が発生しないという問題が発生しうる。

本発明に係る第１〜第３セット１０、２０、３０は各セットを形成するストランドの直径が１６７μｍ〜３００μｍとして提供され、したがって、供給スペーサの厚さは５００μｍ〜９００μｍであることを特徴とする。本発明に係る供給スペーサを構成するストランドの直径は従来の供給スペーサを構成するストランドの直径より狭く提供されることができ、ストランドの直径が狭くなることによって供給スペーサに供給される流体と接触するストランドの面積が減少して摩擦による流体の圧力損失が減少するという効果が発生しうる。

ストランドの直径が１６７μｍ未満であり、供給スペーサ厚さが５００μｍ未満の場合には、供給スペーサ構造を支持できないという問題が発生しうる。そして、ストランドの直径が３００μｍ超過であり、供給スペーサ厚さが９００μｍ超過の場合には、供給される原水と接触する面積が増加して抵抗力が増加し、供給スペーサの圧力損失が増加するという問題が発生しうる。

そして、本発明に係るストランドの直径は従来の供給スペーサを構成するストランドの直径より減少することによって、原水が流動できるチャネルの孔隙率（Ｖｏｉｄ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）と実効逆浸透膜面積（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ａｒｅａ）を確保することができるため、差圧の改善だけでなく、生産水の物性の向上に効果がある。

本発明に係る供給スペーサは、単位長さ当たりのストランド数（Ｓｔｒａｎｄ ｐｅｒ ｉｎｃｈ、ＳＰＩ）が５〜９であってもよい。換言すれば、第１セット１０と第２セット２０が交差して形成される交差点間の距離Ｌが３，８００μｍ〜１２，０００μｍであってもよい。ここで、単位長さ当たりのストランド数（ＳＰＩ）は、インチ当たりに流路の一辺に該当するストランドの数を意味する。すなわち、第１セット１０と第２セット２０および第３セット３０が交差して形成する交差点間のストランドの数を意味する。

ＳＰＩが５未満、交差点間の距離が１２，０００μｍ超過の場合には、流路の断面積が減少し、供給スペーサの中央部分に層流性流速勾配が発生しないので分極現象が増加するという問題が発生し、ＳＰＩが９超過、交差点間の距離が３，８００μｍ未満の場合には、流路の断面積が増加し、原水の流動が上下方向に活発に起こって圧力損失が増加するという問題が発生しうる。

＜逆浸透フィルタモジュール＞

図１は本発明の一実施例による逆浸透フィルタモジュールの斜視図である。逆浸透フィルタモジュールは、実際に供給される水を逆浸透圧原理を利用して浄化する役割をするメンブレイン分離装置の構成要素である。逆浸透フィルタモジュールは、逆浸透膜２００、供給スペーサ１００、トリコット濾過水路３００、および長さ方向に沿って透過液を収容する開口を含むチューブ４００を含むことができる。また、１対のテレスコープ防止装置（図示せず）をさらに含むことができるが、これに関する具体的な説明は省略する。

一つ以上の逆浸透膜２００は、浸透現象を利用して水に含まれた異質物を濾過させると共に精製水が効果的に流れるように流路の役割をする。このような一つ以上の逆浸透膜は、チューブから外側方向に延び、チューブ周縁に巻き取られる。
供給スペーサ１００としては、上述した本発明に係る供給スペーサ１００が提供されることができる。より詳細には、供給スペーサ１００は３層構造として提供されることができ、ここで、３層とは、供給スペーサ１００を構成する３個のストランドが積層された構造であって、複数のストランドが平行に位置して１層のセットを構成し、３個のセットが積層される形態を意味する。

供給スペーサ１００は３層構造として提供されていることによって、逆浸透膜２００と接触するセットと逆浸透膜２００と接触しないセットに区分することができる。一つの実施例において、第１および第２セットは一つ以上の逆浸透膜２００と接触し、第３セットは一つ以上の逆浸透膜２００と非接触する。逆浸透膜２００と接触するセットは、逆浸透フィルタモジュールに供給される原水の流動方向を供給スペーサ１００の中央、すなわち逆浸透膜２００と接触しないセットに対流させることができる。したがって、逆浸透膜２００と接触しないセットが位置した部分には層流性流速勾配が発生し、逆浸透膜２００と接触するセット部分にのみ局所的に乱流性対流が発生して供給スペーサ１００の分極現象を減少させ、圧力損失を減少させて逆浸透フィルタモジュールの効率をさらに増加させることができる。

供給スペーサ１００は、外部から原水が流入される通路を形成し、一つの逆浸透膜２００と他の一つの逆浸透膜２００との間の間隔を維持させる役割をする。このために、供給スペーサ１００は、一つ以上の逆浸透膜２００と上側および下側で接触し、一つ以上の逆浸透膜２００と同様にチューブ周縁に巻き取られるように構成される。

ここで、供給スペーサ１００の材質は特に限定されないが、ポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリ塩化ビニル（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ポリエステル（Ｐｏｌｙｓｅｔｅｒ）およびポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）のいずれか一つからなることが好ましい。

トリコット濾過水路３００は、一般に織物形態の構造を有し、逆浸透膜２００を通して精製された水が流れていける空間を作る流路の役割をする。

この時、トリコット濾過水路３００は、一般に織物形態の構造を有し、逆浸透膜１０を通して精製された水が流れていける空間を作る流路の役割をする。

チューブ４００は、逆浸透フィルタモジュールの中心に位置し、濾過された水が流入して排出される通路の役割をする。

このために、チューブ４００の外側には、濾過された水が流入されるように所定大きさの孔隙（あるいは開口）が形成されることが好ましい。この時、孔隙は、濾過された水がより効率的に流入されるように一つ以上形成されることが好ましい。

＜比較例＞

従来の供給スペーサは、２層構造として第１セットおよび第２セットのみからなっている。比較例１は、ＳＰＩが９、交差点間の距離が３８８９μｍ、および流路の流れ方向と第１および第２セットがなす角度が９０°の２層構造の供給スペーサであり、比較例２は、ＳＰＩが７、交差点間の距離が５０００μｍ、および流路の流れ方向と第１および第２セットがなす角度が９０°の２層構造の供給スペーサである。

＜実施例＞

実施例１〜４は本発明に係る３層構造の供給スペーサであり、実施例１〜３は第３セットが第１セットおよび第２セット間の中間（Ｍｉｄｄｌｅ）に位置した構造である。流路の流れ方向と第１および第２セットがなす角度が５０°、５５°および９０°の３層構造にＳＰＩが９、７および５に変更した供給スペーサである。実施例４は、第３セットが供給スペーサの最も上に位置する構造である。ＳＰＩが９および流路の流れ方向と第１および第２セットがなす角度が９０°に形成された供給スペーサである。

実施例１は比較例１と比較して長さ当たりの供給スペーサの差圧（Ｐａ／μｍ）が０．０２０５１として比較例１の０．０４５６より減少し、よって、供給スペーサ全体圧力が比較例１に対比して５５％減少した。すなわち、３層構造は、２層構造と比較して、原水と供給スペーサの間に発生する圧力が減少することが分かる。

そして、ＳＰＩが同一であり流れ方向角度が減少するほど、長さ当たりの差圧が減少し、供給スペーサ全体の差圧減少が増加することが分かる。

以上では本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更できることを理解することができるであろう。

Claims (9)

1. 複数のストランド（Ｓｔｒａｎｄ）が平行に位置する第１セット、
   前記第１セットと交差して提供され、複数の平行したストランドからなる第２セット、および
   原水方向と平行に位置し、複数の平行したストランドからなる第３セットを含み、
   前記第３セットは、前記第１セットおよび前記第２セットの間あるいは前記第１セットおよび前記第２セットのいずれか一つの一側に位置する、
   ３層構造の供給スペーサ。
2. 前記供給スペーサは、単位長さ当たりのストランド数（Ｓｔｒａｎｄ ｐｅｒ ｉｎｃｈ、ＳＰＩ）が５〜９である、
   請求項１に記載の３層構造の供給スペーサ。
3. 前記第１セットおよび前記第２セットの交差点間の距離は、３，８００μｍ〜１２，０００μｍである、
   請求項１または２に記載の３層構造の供給スペーサ。
4. 前記第１セットおよび前記第２セットがなす角度は、５０°〜９０°である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の３層構造の供給スペーサ。
5. 前記ストランドは、直径が１６７μｍ〜３００μｍである、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の３層構造の供給スペーサ。
6. 前記供給スペーサは、厚さが５００μｍ〜９００μｍである、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の３層構造の供給スペーサ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の３層構造の供給スペーサを含む、
   逆浸透フィルタモジュール。
8. 前記逆浸透フィルタモジュールは、
   長さ方向に沿って透過液を収容する開口を含むチューブ、および
   前記チューブから外側方向に延び、前記チューブの周縁に巻き取られる一つ以上の逆浸透膜
   を含み、
   前記３層構造の供給スペーサは、
   前記一つ以上の逆浸透膜と接触し、前記チューブの周縁に巻き取られる、
   請求項７に記載の逆浸透フィルタモジュール。
9. 前記３層構造の供給スペーサは、
   第１セット〜第３セットからなり、
   前記第１セットおよび前記第２セットは前記一つ以上の逆浸透膜と接触し、
   前記第３セットは前記一つ以上の逆浸透膜と非接触する、
   請求項８に記載の逆浸透フィルタモジュール。

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