JP6693027B2 - 逆浸透フィルタモジュール - Google Patents

Description

本明細書は２０１６年０９月２８日に韓国特許庁に出願された韓国特許出願第１０−２０１６−０１２４７８８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、より詳しくは、螺旋状のフィラメントが繰り返し位置して供給スペーサを形成することにより、供給スペーサに供給される液体の流れを逆浸透膜表面に集中させて効果的に濃度分極現象を緩和できる、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、純粋な水あるい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、上述した問題点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、流路の断面積を増加させて差圧を下げ、且つ、逆浸透膜表面に原水の渦巻き流れを集中させるために螺旋状のフィラメントを繰り返し位置させて供給スペーサが形成された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、螺旋状のフィラメントが繰り返し位置して形成されることを特徴とする。

好ましくは、前記供給スペーサは、一つのフィラメントが平面上で一側及び他側の間を往復するように提供されることによって形成されることを特徴とする。

好ましくは、前記フィラメントは、直径が０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とする。

好ましくは、前記フィラメントは、ピッチが７８０〜３，１２０μｍであることを特徴とする。

好ましくは、前記フィラメントは、押出成形方式を用いて形成されることを特徴とする。

好ましくは、前記逆浸透フィルタモジュールは、前記供給スペーサに供給される液体の渦巻きが前記フィラメントの上部及び下部に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、螺旋状のフィラメントが繰り返し位置して供給スペーサを形成することにより、流路の断面積を増加させて差圧を下げ、また、原水の渦巻きを逆浸透膜表面に集中させて濃度分極を緩和できるようになる。

さらに、上述した効果により、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の斜視図である。 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で用いられる供給スペーサの斜視図である。 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で用いられるフィラメントの斜視図である。

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及び構成に関する詳細な説明は省略することにする。本発明の実施形態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及び大きさ等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、特に反対の記載がない限り、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意味する。

以下、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。

＜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２０の斜視図であり、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で用いられるフィラメント２１の斜視図である。

以下、図１〜図３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。

逆浸透フィルタモジュール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、このような逆浸透フィルタモジュール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ことにする。

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、螺旋状のフィラメント２１が繰り返し位置して形成されることができる。さらに、供給スペーサ２０は、一つのフィラメント２１が平面上で一側及び他側の間を往復するように提供されることによって形成されることができる。例えば、押出成形方式によって螺旋状のフィラメント２１を押出し、押出されたフィラメント２１を「Ｚ」または「己」字形態に繰り返し折り畳むことにより、２次元平面の供給スペーサ２０を形成することができる。また、供給スペーサ２０は、押出成形方式によって螺旋状のフィラメント２１を複数製造した後、複数のフィラメント２１を平行に羅列し、羅列されたフィラメント２１の一側及び他側に連結部（図示せず）を接合させてフィラメント２１を固定して供給スペーサ２０を形成することができる。ここで、連結部の接合は、１番目のフィラメントの一側と２番目のフィラメントの一側に位置させ、２番目のフィラメントと３番目のフィラメントの他側に位置させることにより、ジグザグ方式で連結部とフィラメント２１を接合させることができる。また、連結部は押出成形方式によって形成されることができる。

フィラメント２１は螺旋状の形状によって複数の円形流路が形成され、円形流路の直径は０．２〜０．５ｍｍに形成され、好ましくは、流路の直径が０．４７ｍｍに形成される。流路の直径が０．２ｍｍ以下の場合には、原水が投入される時に流れ妨害が起こって差圧が増加し、０．５ｍｍ以上の場合には、供給スペーサ２０に渦巻きが発生しないため、濃度分極現象が発生して逆浸透膜１０表面に浸透圧が高くなって逆浸透フィルタモジュール１００の水透過率が低下するという問題点がある。

また、フィラメント２１はピッチが７８０〜３，１２０μｍに形成され、ここで、ピッチは螺旋状の形状によって形成された複数の円形流路の間の距離であって、７８０μｍより小さい場合には、フィラメント２１が原水の流れを阻害して差圧が増加することによってエネルギー費用が増加し、３，１２０μｍを超過する場合には、渦巻き流れを十分に発生させ難いという問題点がある。

このような構成により、本発明に係る供給スペーサ２０の場合には、フィラメント２１が螺旋状に押出され、２次元平面上に繰り返し位置することにより、供給スペーサ２０に供給される原水の渦巻きがフィラメント２１の上部及び下部に集中し、よって、差圧を減少させ、渦巻きを逆浸透膜１０表面に集中させて効率的に濃度分極を緩和できるようになる。

＜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（ΔＰ［Ｐａ］）及び膜表面の塩分の平均質量分率性能を比較した。

このために、３個の従来の供給スペーサと４個の本発明の一実施例による供給スペーサの製品に対し、その他の条件を同様にし、供給スペーサのピッチ（Ｌ１）値のみを異なるように設定した状態で、上述した差圧及び膜表面の塩分の平均質量分率性能を比較し、その結果を表１に記す。下記は実験領域に関する説明である。
＊横×縦×高さ（厚さ）：７．７５ｍｍ×１５．５５ｍｍ×０．４７ｍｍ
＊入口速度：０．３ｍ／ｓ

上述したように、比較例１〜３は２個のフィラメントが交差して流路を形成する供給スペーサを用いた場合であって、比較例１は格子長さが２７５０μｍの供給スペーサを用いた場合であり、比較例２は格子長さが５０００μｍの供給スペーサを用いた場合であり、比較例３は格子長さが１５００μｍの供給スペーサを用いた場合である。実施例１〜４は本発明に係る供給スペーサ２０を用いた場合であって、実施例１は流路間の間隔、すなわち、ピッチが１５６０μｍの螺旋状のフィラメントからなる供給スペーサを用いた場合であり、実施例２はピッチが７８０μｍの螺旋状のフィラメントからなる供給スペーサを用いた場合であり、実施例３はピッチが１９８４μｍの螺旋状のフィラメントからなる供給スペーサを用いた場合であり、実施例４はピッチが３１２０μｍの螺旋状のフィラメントからなる供給スペーサを用いた場合である。

表１を参照すれば、比較例１は、差圧が１０３２Ｐａであり、膜表面の塩分の平均質量分率が０．０３３２を示し、比較例２は、差圧が７３０Ｐａであり、膜表面の塩分の平均質量分率が０．０３３５を示し、比較例３は、差圧が１７０５Ｐａであり、膜表面の塩分の平均質量分率が０．０３３２を示す。そして、実施例１は、差圧が６８２Ｐａであり、膜表面の塩分の平均質量分率が０．０３２９を示し、実施例２は、差圧が１１３１Ｐａであり、膜表面の塩分の平均質量分率が０．０３２９を示し、実施例３は、差圧が５３８Ｐａであり、膜表面の塩分の平均質量分率が０．０３３１を示し、実施例４は、差圧が３７９Ｐａであり、膜表面の塩分の平均質量分率が０．０３３３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を用いた実施例１〜４が、比較例１〜３より差圧が低いために流動流れが円滑であり、流路の確保に有利であることが確認された。より詳細には、比較例１と実施例４を比較すると、比較例１は膜表面の塩分の平均質量分率が０．０３３２であり、実施例４は０．０３３３であって、数値が類似しているが、差圧の場合、比較例１は１０３２であり、実施例４は３７９であって、実施例４が顕著に低い。よって、膜表面の塩分の平均質量分率が同一な場合、螺旋状のフィラメントからなる供給スペーサが格子縞の供給スペーサより流動流れが円滑であると判断できる。

また、膜表面に渦巻きが集中する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を用いた実施例１〜４が、膜表面に渦巻きを集中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。すなわち、比較例３と実施例１を比較すると、流路と流路間の間隔が類似する場合、フィラメントが螺旋状に形成され、螺旋状の流路が形成された供給スペーサが差圧及び膜表面の塩分の平均質量分率がさらに低いことにより、螺旋状のフィラメントからなる供給スペーサは、流路の原水流れが円滑であり、供給スペーサに形成される渦巻きを上部及び下部に位置する逆浸透膜に集中させて逆浸透膜を通した塩の移動を円滑にすることができる。

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）の形状の変更を通じて差圧を最小化し、渦巻きの発生程度を逆浸透膜表面に集中させて膜表面の塩分の平均質量分率を減少させることによって逆浸透フィルタモジュールの性能が向上することが分かる。

本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当業界で通常の知識を有した者であれば、以下の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域を逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できることを理解するはずである。

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、螺旋状のフィラメントが平面上で繰り返し並ぶように形成され、
   前記フィラメントは、ピッチが７８０〜３，１２０μｍであり、
   前記フィラメントにより形成される円形流路の直径が０．２〜０．５ｍｍである、
   逆浸透フィルタモジュール。
2. 前記供給スペーサは、
   一つのフィラメントが平面上で一側及び他側の間を往復するように提供されることによって形成される、請求項１に記載の逆浸透フィルタモジュール。
3. 前記逆浸透フィルタモジュールは、
   前記供給スペーサに供給される液体の渦巻きが前記フィラメントの前記逆浸透膜と近接する側に形成される、請求項１又は２に記載の逆浸透フィルタモジュール。

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