JP6609874B2 - 逆浸透フィルタモジュール - Google Patents

Description

本明細書は２０１５年９月３０日付け韓国特許庁に出願された韓国特許出願第１０−２０１５−０１３７８１２号及び２０１６年７月２５日付け韓国特許庁に出願された韓国特許出願第１０−２０１６−００９４１８８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、改善された供給スペーサを含む逆浸透フィルタモジュールに関し、フィラメントの第１セットと第２セットが交差する終端点領域で非対称直径を備えることによって、流路の断面積を増加させて差圧を下げ、且つ、渦巻き流れを発達させて濃度分極を緩和することができる、改善された供給スペーサ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資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、代替水資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設備といい、これに入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し、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。

本発明の目的は、フィラメントの第１セットと第２セットが交差する終端点領域で非対称直径を備えることによって、流路の断面積を増加させて差圧を下げ、且つ、渦巻き流れを発達させて濃度分極を緩和することができる、改善された供給スペーサを含む逆浸透フィルタモジュールを提供することにある。

本発明に係る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、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、及び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供給スペーサを含み、前記供給スペーサは、互いに平行したフィラメントの第１セット及び互いに平行したフィラメントの第２セットが互いに交差した状態に構成され、前記第１セットと前記第２セットが交差する終端点領域で前記第１セットのいずれか一つ以上または前記第２セットのいずれか一つ以上は外側面の一部領域が外部に向かって突出する非対称直径を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記終端点領域は、前記供給スペーサの格子長さを基準に０．２〜０．４比率であってもよい。

好ましくは、前記終端点領域において、前記細線化（ｔｈｉｎｎｉｎｇ）パラメータは１．２以上、より好ましくは、前記細線化パラメータは１．３以上であってもよい。

好ましくは、前記非対称直径は、原水の流れ方向に対しフィラメントの一側は外部に向かって突出し、他側はそのまま維持される。

本発明によれば、フィラメントの第１セットと第２セットが交差する終端点領域で非対称直径を備えるように設計することによって、流路の断面積を増加させて差圧を下げ、且つ、渦巻き流れを発達させて濃度分極を緩和することができるようになる。

また、上述した効果によって逆浸透フィルタモジュールの効率をさらに増加できるという効果が発生する。

本発明の一実施例による水処理用逆浸透フィルタモジュール１００の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は逆浸透フィルタモジュールで用いられる従来の供給スペーサの概略図である。 本発明の一実施例による水処理用逆浸透フィルタモジュール１００で用いられる供給スペーサの斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例による水処理用逆浸透フィルタモジュール１００で用いられる供給スペーサの正面及び側断面図である。

以下、本発明の一実施例による逆浸透フィルタモジュールの好ましい実施例について添付図面を参照して説明する。この過程で図面に示された線の厚さや構成要素の大きさなどは説明の明瞭性と便宜上誇張して図示されていてもよい。また、後述する用語は本発明での機能を考慮して定義された用語であって、これは使用者、運用者の意図または慣例に応じて異なりうる。よって、このような用語に対する定義は本明細書の全般にわたった内容に基づいて記述されなければならない。

＜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水処理用逆浸透フィルタモジュール１００の斜視図であり、図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は逆浸透フィルタモジュールで用いられる従来の供給スペーサの概略図であり、図３は本発明の一実施例による水処理用逆浸透フィルタモジュール１００で用いられる供給スペーサの斜視図であり、図４（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例による水処理用逆浸透フィルタモジュール１００で用いられる供給スペーサの正面及び側断面図である。

以下、図１〜図４を参照して本発明の一実施例による水処理用逆浸透フィルタモジュール１００について具体的に説明する。

逆浸透膜モジュール１００は、実際に供給される水を逆浸透原理を利用して浄化する役割を行う膜分離装置の構成要素である。

図１を参照すれば、このような逆浸透膜モジュール１００は、逆浸透膜１０、供給スペーサ２０、トリコット濾過水路３０、及び長さ方向に沿って透過液を収容する開口（図示せず）を含むチューブ４０を含むことができる。また、図面には示されていないが、１対のテレスコープ防止装置（ａｎｔｉ−ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）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１０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１０は、チューブ４０から外側方向に延び、チューブ４０周縁に巻き取られる。

供給スペーサ２０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１０と他の一つの逆浸透膜１０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２０は、一つ以上の逆浸透膜１０と上側及び下側で接触し、一つ以上の逆浸透膜１０と同じようにチューブ４０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２０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（Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）及びポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）のいずれか一つからなることが好ましい。

一方、供給スペーサ２０の具体的な構成は後述する。

トリコット濾過水路３０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。

この時、トリコット濾過水路３０の織物組織ラインは、逆浸透膜モジュール１００の作動時に発生する水圧に耐え、且つ、ラインの間に水が詰まることなく適正水量の水を移動させなければならないため、トリコット濾過水路３０は、水圧に耐えるのに十分な強度を持つように構成されることに留意する。

チューブ４０は、水処理用逆浸透フィルタモジュール１００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４０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。

一方、本発明の一実施例による供給スペーサ２０は平行したフィラメントの第１セット２１と平行したフィラメントの第２セット２２が交差した状態に構成され、この時、第１セット２１と第２セット２２が交差する終端点近くの交差付近で第１セット２１のいずれか一つ以上及び／又は第２セット２２のいずれか一つ以上が非対称直径を備えることができる。

従来の供給スペーサ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを見てみれば、平行した２セットのフィラメントが交差する点でフィラメントの直径変化なしにそのまま維持されるか（図２（ａ）参照）、平行した２セットのフィラメントが交差する点でフィラメントの直径が細くなるか（図２（ｂ）参照）、そして平行した２セットのフィラメントが交差する点でフィラメントの直径が太くなるように構成されていることが分かる（図２（ｃ）参照）。また、このようなフィラメントの直径はその断面を基準に対称的に増加または減少するように構成されていることが分かる。

しかし、本発明に係る供給スペーサ２０は、終端点領域でフィラメントの第１セット２１及び／又は第２セット２２の外側部分のみが外部に向かって突出した形態に構成され、より具体的には、フィラメントの外側の一部領域のみが外部に向かって突出し、突出した部分の他側に該当する部分はそのまま維持されるようになり、流路の断面積は増加させながらもフィラメントの非対称断面形状を構築できるようになる（図４（ａ）及びド（ｂ）参照）。

この時、終端点領域Ｌ２は、供給スペーサ２０の格子長さＬ１を基準に０．２〜０．４比率であってもよい。その理由は、０．２より小さい場合には渦巻き流れを十分に発生し難く、０．４を超過する場合には断面積が減少して差圧が増加するためである。

また、終端点領域Ｌ２で第１セット２１及び／又は第２セット２２の細線化（ｔｈｉｎｎｉｎｇ）パラメータは１．２以上、より好ましくは１．３以上であってもよい。

その理由は、太い部分の大きさが固定された状態で、細線化パラメータが可能な限り大きいほど、流路断面積が増加して差圧が減少し、渦巻き流れの生成程度には大きな影響を及ぼさないためである。

ここで、細線化パラメータとは、第１セット２１及び／又は第２セット２２のフィラメントの厚さにおいて、細い部分Ｗ１に対する終端点領域Ｌ２での非対称部分Ｗ２の厚さ比率を意味することに留意する。

一方、図面では第１セット２１及び第２セット２２がいずれも非対称直径を備えることとして示されているが、二つのうち一つ以上だけその断面が非対称直径を備えることもできることに留意する。

このような構成により、本発明に係る供給スペーサ２０の場合はフィラメントの第１セット２１と第２セット２２が交差する終端点領域Ｌ２で第１セット２１及び第２セット２２のいずれか一つ以上が非対称直径を備えるように設計することによって、流路の断面積を増加させて差圧を下げることができ、且つ、渦巻き流れを発達させて濃度分極を緩和することができる。

＜実験例＞

逆浸透フィルタモジュールで用いられる従来の供給スペーサ（図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ））と本発明の一実施例による供給スペーサ２０を用いて、差圧（△Ｐ［Ｐａ］）、流れ方向平均渦度（Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ）及びリカバリー（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）性能を比較した。

このために、上述の４個の製品に対し、その他の条件を同一に維持し、単に供給スペーサのみ交替した状態で上述の差圧、流れ方向平均渦度及びリカバリー性能を比較し、その結果を表１に示す。下記は実験領域に対する説明である。
＊横×縦×高さ（厚さ）：７．７５ｍｍ×１５．５ｍｍ×０．６６ｍｍ
＊入口速度：０．３ｍ／ｓ

上述したように、比較例１は交差点でフィラメントの直径変化なしにそのまま維持される供給スペーサを用いた場合であり、比較例２は交差点でフィラメントの直径が細くなるように構成された供給スペーサを用いた場合であり、比較例３は交差点でフィラメントの直径が太くなるように構成された供給スペーサを用いた場合であり、そして実施例は交差点でフィラメントの直径が非対称的に一部のみ太くなるように構成された本発明に係る供給スペーサ２０を用いた場合である。

表１を参照すれば、（ａ）比較例１は差圧が１，２３８Ｐａであり、流れ方向平均渦度が１，５３１を示し、（ｂ）比較例２は差圧が１，０７１Ｐａであり、流れ方向平均渦度が１，３４０を示し、（ｃ）比較例３は差圧が９８６Ｐａであり、流れ方向平均渦度が１，３８０を示し、そして（ｄ）実施例は差圧が９５８Ｐａであり、流れ方向平均渦度が１，３９９を示すことが分かる。

この時、差圧が低いほど流動の側面で有利な構造であるということを考慮すれば、本発明に係る供給スペーサ２０を用いた実施例が最も差圧が低く、流動流れが円滑で流路の確保に有利であることが確認された。

また、渦巻きの発生程度が大きいほど濃度分極現象が緩和するということを考慮すれば、本発明に係る供給スペーサ２０を用いた実施例が相当に高いレベルの渦巻きを発生させることが確認され、逆浸透膜近くの塩の移動が円滑になることが確認された。

再び、表１を参照すれば、（ａ）比較例１はリカバリーが６．７５％、（ｂ）比較例２はリカバリーが６．３５％、（ｃ）比較例３はリカバリーが６．７３％、そして（ｄ）実施例はリカバリーが６．８５％であることが分かる。

結果的に、それに基づいて判断すれば、本発明に係る供給スペーサ２０は、同一の最大及び最小直径を有するフィラメント（あるいはストランド）の形状変更によって差圧を最小化し、渦巻きの発生程度を増加させてリカバリー性能が向上することが分かる。

Claims (3)

1. 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、
   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、及び
   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供給スペーサを含み、
   前記供給スペーサは、互いに平行したフィラメントの第１セット及び互いに平行したフィラメントの第２セットの断面形状が円形形状であり、互いに交差した状態に構成され、
   前記第１セットと前記第２セットが交差する交差領域のみにおいて、前記円形形状の円周から突出する部分を備え、
   前記突出する部分が、前記フィラメントを前記チューブの周縁に巻き付けた状態において、チューブの軸方向中心から外側に向かって形成されており、
   前記交差領域の長さは、前記第１セットと前記第２セットの一方のフィラメントにおいて、前記第１セットと前記第２セットの他方の前記互いに平行したフィラメントの中心間隔である供給スペーサの格子長さ１に対して０．２〜０．４である、
   逆浸透フィルタモジュール。
2. 前記交差領域において、
   前記第１セット及び前記第２セットのフィラメントの前記円周から突出する部分の突出方向における、前記交差領域での断面の長さが前記交差領域以外の部分での断面の長さ１に対して１．２〜１．４の範囲であるように構成される、
   請求項１に記載の逆浸透フィルタモジュール。
3. 前記交差領域において、
   前記第１セット及び前記第２セットのフィラメントの前記円周から突出する部分の突出方向における、前記交差領域での断面の長さが前記交差領域以外の部分での断面の長さ１に対して１．２以上である、
   請求項１に記載の逆浸透フィルタモジュール。

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