JP7226689B2 - 逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサおよび形成ノズル - Google Patents

Description

本明細書は、２０１９年３月２８日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０－２０１９－００３５６３３号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み込まれる。

本発明は、逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサおよび形成ノズルに関し、より詳しくは、逆浸透エレメントを構成するフィードスペーサの断面を菱形状に形成して、逆浸透膜の界面で効果的な原水の流れによりフィードスペーサの圧力損失を最小化し、これを形成するノズルを提供できる逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサおよび形成ノズルに関する。

地球は表面の７０％が水で覆われている惑星である。しかし、全体の水の量の中で海水が９７．５％を占めるため、飲み水として利用できない。このため、海水中に溶けている塩分を除去して使用可能な水に変える海水淡水化技術が開発されている。かつては海水を沸かし、水蒸気を集めて純粋な水を製造する方法を用いていたが、現在は逆浸透圧フィルタを用いて純粋な水を製造する方法が海水淡水化の核心技術として利用されている。

逆浸透圧は、濃度の低い所から濃度の高い所に水が移動する浸透圧とは異なり、濃度の高い溶液に圧力をかけて水が低い濃度の溶液に移動する現象である。この時、粒子の粗い塩や汚染物質はフィルタを通過できずに水のみ通過するため、純粋な状態のきれいな水を得ることができる。これは、医療用の無菌水、精製水および半導体製造用水などの多様な分野で用いられている。

このような逆浸透圧方式を利用して逆浸透エレメントを用いている。逆浸透エレメントは、逆浸透膜、フィードスペーサおよび透過スペーサが複数積層されて集水管の周りを取り囲んでいる。逆浸透エレメントは、原水が一端面から供給され、フィードスペーサに沿って流動しながら逆浸透膜でナノメートル以下の微細な汚染物質も濾過して、他端面から透過水が取り出される。逆浸透膜から濾過した透過水は透過スペーサに沿って流動して、集水管の穴から流入して、集水管内を流動する。このため、逆浸透エレメントは、原水が流動する時の圧力損失を少なくするために高い圧力に耐えられる構造を用いる。

フィードスペーサは、一般的に網（ｍｅｓｈ）状のスペーサを用いて原水の流路を確保することで流動が増加し、逆浸透膜の界面で発生するイオンの分極現象を緩和させる。しかし、流動が増加すれば、透過水の塩除去率や透過率などの物性は改善されるものの、増加した流動摩擦によって圧力損失が発生する。その結果として差圧が増加し、運営コストが増加する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、逆浸透膜の界面で効果的な原水の流れにより逆浸透エレメントの差圧を減少させることができる垂直断面が菱形状の逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサを提供することである。

また、本発明の目的は、逆浸透エレメントの差圧を減少させることができる垂直断面が菱形状のフィードスペーサを形成可能な逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズルを提供することである。

本発明に係る逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサは、逆浸透エレメントのフィードスペーサにおいて、複数のストランドが一定の交差点を有する網形状に形成され、前記ストランドの垂直断面は菱形状であることを特徴とする。

また、前記ストランドは、２層構造に網を形成することを特徴とする。

また、前記ストランドの交差点の一側の角度は８０゜以下であることを特徴とする。

また、前記ストランドの交差点間の長さがすべて同一であり、前記フィードスペーサの厚さは一定であることを特徴とする。

また、前記ストランドの交差点間の長さと前記フィードスペーサの厚さとの比が増加するほど、前記逆浸透エレメントの差圧が減少することを特徴とする。

本発明に係る逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズルは、本発明に係るフィードスペーサを形成することを特徴とする。

また、前記フィードスペーサ形成ノズルは、二重構造のノズルで形成されることを特徴とする。

また、前記フィードスペーサ形成ノズルは、１つ以上の菱形状のスロットが形成されたことを特徴とする。

また、前記フィードスペーサ形成ノズルは、前記スロット間の長さを調節できることを特徴とする。

また、前記フィードスペーサ形成ノズルは、前記スロットの大きさを調節できることを特徴とする。

本発明によれば、逆浸透エレメントの逆浸透膜の界面で効果的な原水の流れを発生してイオンの分極現象を緩和させ、差圧を減少させることができる垂直断面が菱形状のフィードスペーサを提供することで、逆浸透エレメントの運営コストを減少させることができる効果が発生する。

また、逆浸透エレメントの差圧を減少させることができる垂直断面が菱形状のフィードスペーサを生成可能なフィードスペーサ形成ノズルを提供できる効果が発生する。

本発明の一実施形態に係るストランドの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル１００の断面図である。

以下、本発明を添付した図面を参照して詳しく説明する。ここで、繰り返される説明、本発明の要旨を不必要にあいまいにしうる公知の機能および構成に関する詳細な説明は省略する。本発明の実施形態は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明を完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における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。

明細書全体において、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のではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

以下、本発明の理解のために好ましい実施例を提示する。しかし、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、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。

図１は、本発明の一実施形態に係るストランドの斜視図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサの斜視図である。

逆浸透エレメントは、逆浸透膜、フィードスペーサおよび透過スペーサが複数積層されて集水管の周りを取り囲む構成を有することができる。フィードスペーサは、逆浸透膜の間に位置して逆浸透膜間の間隔を一定に維持させ、逆浸透膜を通して流入した原水に含まれた汚染物質を濾過させることができるように逆浸透膜の表面を塞ぐ役割を果たすことができる。そのため、フィードスペーサは、原水に含まれた汚染物質が溜まることなく流動できるように複数のストランドが一定の交差点を有する網（ｍｅｓｈ）形状に構成される。この時、ストランドの材質は特に限定しないが、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエステル（Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、および２つ以上のポリマー混合物のうちのいずれか１つで構成されることが好ましい。また、ストランドは、菱形状の垂直断面を有することができる。菱形状は、円形や四角形に比べて同一の厚さの場合、最も狭い広さを有することができる。したがって、菱形状の垂直断面を有するストランドで構成されたフィードスペーサの流路が広くなり、これにより、逆浸透エレメントの流動抵抗を低減して差圧を減少させることができる。

本発明に係るフィードスペーサの網形状は２層構造であってもよい。まず、一部のストランドを原水の流れ方向に対して傾斜方向に一定間隔平行に配置させる。以後、交差点が形成できるように傾斜方向と対称の逆傾斜方向に残りのストランドを平行に上層に一定間隔平行に配置させる。ストランドの配置位置によって、網形状は同一の平行四辺形状に形成される。この時、原水の流れ方向に対する平行四辺形の角度（θ）は８０゜以下を満足する。原水の流れがストランドからよく剥離せずに比較的長い間ストランドに沿って流れた後に剥離し、原水の流れが広がる。原水の流れの拡散が大きければ、原水が逆浸透膜の界面に均一に供給され流れを混合する効果もあるので、イオンの分極現象も減少して原水の流動抵抗が減少するため、逆浸透エレメントの差圧を改善することができる。平行四辺形の角度（θ）が８０゜を超えると、原水の流れがストランドから剥離を起こしやすく、原水の流れは広がりにくい。

一方、フィードスペーサは、同一の平行四辺形の網形状を有しているため、ストランドの交差点（ｐ）間の長さ（ｌ、ｇ）はすべて同一である。ストランドの１層の厚さはｈ／２とすべて同一の値を有し、ストランドが２層構造に位置して形成されたフィードスペーサの厚さはｈになり、すべて同一の値を有する。ストランドの交差点（ｐ）間の長さ（ｌ、ｇ）は特に限定しないが、２～５ｍｍが好ましい。２ｍｍより小さければ、イオンの分極現象を抑制する効果があるが、フィードスペーサの圧力損失が大きくなる。これに対し、５ｍｍより大きければ、フィードスペーサの圧力損失は小さくなるが、イオンの分極現象が発生して逆浸透エレメントの性能低下が発生しうる。フィードスペーサの厚さ（ｈ）は特に限定しないが、０．５～２．０ｍｍが好ましい。０．５ｍｍより薄ければ、原水中の異物が流路を塞いだり、原水を噴出するポンプの動力が大きくなりうる。逆に、２．０ｍｍより厚ければ、逆浸透エレメントの逆浸透膜の面積が減少して逆浸透膜の性能が減少しうる。このようなストランドの交差点（ｐ）間の長さ（ｌ、ｇ）とフィードスペーサの厚さ（ｈ）の範囲内でストランドの交差点（ｐ）間の長さ（ｌ、ｇ）とフィードスペーサの厚さ（ｈ）との比（ｌ／ｈ）の値が増加するほど、圧力損失が減少するため、フィードスペーサの差圧が改善できる。

図３は、本発明の一実施形態に係る逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル１００の断面図である。

逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル１００は、外部ノズル１０と、内部ノズル２０と、スロット３０とを含むことができる。

本発明に係る逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル１００は、ストランドの材質として用いられるポリエチレン（ＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエステル（Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、および２つ以上のポリマー混合物のうちのいずれか１つを噴霧して、本発明に係る逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサを形成することができる。

逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル１００は、外部ノズル１０および内部ノズル２０の二重構造に構成される。外部ノズル１０と内部ノズル２０とが互いに当接する面には、それぞれストランドの断面を形成するスロット３０が複数個位置している。外部ノズル１０および内部ノズル２０は、互いに噛み合って回転して複数のスロット３０上の距離が調節され、これにより、ストランドの交差点（ｐ）間の長さ（ｌ、ｇ）も調節可能である。そして、スロット３０は菱形状にデザインされてストランドを形成することができる。スロット３０の大きさによって、形成されるストランドの広さも異なり、スロット３０の大きさが大きくなるほど、フィードスペーサの厚さ（ｈ）は増加できる。

＜比較例１＞

ノズルタイプが四角形状であり、原水の流れ方向に対する網の平行四辺形の角度（θ）は９０゜であるフィードスペーサの差圧を測定した。

＜比較例２＞

ノズルタイプが円形状であり、原水の流れ方向に対する網の平行四辺形の角度（θ）は９０゜であるフィードスペーサの差圧を測定した。

＜比較例３＞

ノズルタイプが四角形状であり、原水の流れ方向に対する網の平行四辺形の角度（θ）は７５゜であるフィードスペーサの差圧を測定した。

＜比較例４＞

ノズルタイプが四角形状であり、原水の流れ方向に対する網の平行四辺形の角度（θ）は７５゜であるフィードスペーサの差圧を測定した。

＜実施例１＞

ノズルタイプが菱形状であり、原水の流れ方向に対する網の平行四辺形の角度（θ）は７５゜であるフィードスペーサの差圧を測定した。

＜実施例２＞

ノズルタイプが菱形状であり、原水の流れ方向に対する網の平行四辺形の角度（θ）は８０゜であるフィードスペーサの差圧を測定した。

フィードスペーサの差圧の変化を測定するために、比較例および実施例をそれぞれ含むエレメントを用いた。この時、エレメントは、直径が８ｉｎｃｈの標準エレメントで、有効膜面積が３７ｍ^２である。そして、エレメントに２０００ｐｐｍ ＮａＣｌの原水を原水圧力２２５ｐｓｉで流し、差圧は平均流量（原水の流量と透過水の流量との算術平均）４４ＧＰＭで測定した値である。

実施例と比較例のノズルタイプによって形成されるストランドの垂直断面は、ノズルタイプの形態と同一である。したがって、前記表１を参照すれば、比較例１～４は、ストランドが従来の四角形または円形の垂直断面を有し、実施例１および２は、本発明に係る垂直断面が菱形のストランドを用いた。

まず、比較例１と比較例３とを比較すれば、ノズルタイプは四角形状と同一であり、原水の流れ方向に対する網の平行四辺形の角度（θ）は、比較例１は９０゜であり、比較例３は７５゜である。この時の差圧は、比較例１は３．９４ｐｓｉ、比較例３の差圧は２．９６ｐｓｉを示した。これにより、角度（θ）が８０゜以下を満足すると、フィードスペーサの差圧が減少することを確認することができる。

比較例３と実施例１とを比較すれば、原水の流れ方向に対する平行四辺形の角度（θ）は７５゜と同一である。比較例３は、ストランドの交差点の長さ（ｌ）が２．９２ｍｍの時、フィードスペーサの厚さとの比（ｌ／ｈ）は３．４０であり、実施例１は、ストランドの交差点の長さ（ｌ）が４．６３ｍｍの時、フィードスペーサの厚さとの比（ｌ／ｈ）が５．３８である。この時の差圧は、比較例３は２．９６ｐｓｉ、実施例１は１．８３ｐｓｉを示した。これにより、ストランドの交差点の長さ（ｌ）とフィードスペーサの厚さとの比（ｌ／ｈ）が増加すれば、フィードスペーサの差圧が減少することを確認することができる。

比較例４と実施例２とを比較すれば、ストランドの交差点間の長さ（ｌ）とフィードスペーサの厚さとの比（ｌ／ｈ）は類似しており、比較例４はストランドの垂直断面が四角形であり、実施例２は菱形状である。また、比較例４の平行四辺形の角度（θ）は７５゜、実施例２は８０゜で、比較例４に比べて角度が増加した。この時の差圧は、比較例４は２．７９ｐｓｉ、実施例２は２．０３ｐｓｉを示した。これにより、ストランドの垂直断面が菱形状であれば、原水の流れ方向に対する網の平行四辺形の角度（θ）が増加しても、フィードスペーサの差圧が減少することを確認することができる。

すなわち、本発明の菱形状のストランドデザインを用いると、フィードスペーサの差圧が減少することを確認することができる。また、ストランドの交差点間の角度（θ）が８０゜以下を満足し、ストランドの交差点間の長さ（ｌ）とストランド厚さとの比（ｌ／ｈ）が増加するほど、フィードスペーサの差圧が減少することを確認することができる。

上記の本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当業界における通常の知識を有する者であれば、以下の特許請求の範囲に記載の本発明の思想および領域を逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更させることができることを理解するであろう。

Claims (7)

1. 逆浸透エレメントのフィードスペーサにおいて、
   複数のストランドが一定の交差点を有する網形状に形成され、
   前記ストランドの垂直断面は菱形状であり、
   前記複数のストランドの一部は、原水の流れ方向に対して傾斜方向に一定間隔平行に配置され、残りのストランドは、交差点が形成できるように傾斜方向と対称の逆傾斜方向に一定間隔平行に配置され、これにより前記網形状が平行四辺形に形成され、
   前記原水の流れ方向に対する前記平行四辺形の角度は８０゜以下であり、
   前記ストランドの交差点間の長さがすべて同一であり、
   前記フィードスペーサの厚さは一定であり、
   前記ストランドの交差点間の長さは２～５ｍｍであり、
   前記フィードスペーサの厚さは０．５～２．０ｍｍであり、
   前記ストランドの交差点間の長さと前記フィードスペーサの厚さとの比が増加するほど、前記逆浸透エレメントの差圧が減少する、
   逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ。
2. 前記ストランドは、
   ２層構造に網を形成する、
   請求項１に記載の逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ。
3. フィードスペーサ形成ノズルにおいて、
   請求項１又は２に記載の前記逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサを形成する、
   逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル。
4. 前記フィードスペーサ形成ノズルは、
   二重構造のノズルで形成される、
   請求項３に記載の逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル。
5. 前記フィードスペーサ形成ノズルは、
   １つ以上の菱形状のスロットが形成された、
   請求項３または４に記載の逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル。
6. 前記フィードスペーサ形成ノズルは、
   前記スロット間の長さを調節できる、
   請求項５に記載の逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル。
7. 前記フィードスペーサ形成ノズルは、
   前記スロットの大きさを調節できる、
   請求項５または６に記載の逆浸透エレメント差圧減少フィードスペーサ形成ノズル。

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