KR100384658B1 - Spacer for guiding fluid - Google Patents

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KR100384658B1
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Abstract

본 발명은 반투과막을 통하여 강제 유동(pressure-driven flow)시켜 액체를 분리하는 기술에 사용되는 유체 안내용 스페이서(spacer)에 관한 것으로서, 특히 스페이서에 긴 홈을 형성하여 유체의 흐름에 난류(turbulence)가 발생되도록 함으로써 농도분극화현상을 극소화시켜 여과(filtration) 효율을 극대화시킬 수 있는 유체 안내용 스페이서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fluid guide spacer used in a technique for separating a liquid by force-driven flow through a semi-permeable membrane, and particularly relates to turbulence in the flow of fluid by forming long grooves in the spacer. The present invention relates to a fluid guide spacer capable of maximizing filtration efficiency by minimizing concentration polarization.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 여과가 진행되는 박막(membrane)을 지지하는 스페이서를 포함하고 여과에 의해 폐수처리 등이 이루어지는 여과장치에 있어서, 상기 스페이서는 유체에 난류가 발생되도록 그 표면에 다수의 긴 홈이 형성된 것을 특징으로 하고, 다수개의 홈이 스페이서의 표면에 형성되어 농도 분극화 현상이 방지될 뿐만 아니라 최적의 여과 효율을 구현할 수 있는 효과를 제공한다.The present invention for achieving the above object comprises a spacer for supporting a membrane (membrane) in which the filtration proceeds, the filtration device in which waste water treatment, etc. by filtration, the spacer is formed on the surface so that turbulence occurs in the fluid A plurality of long grooves are formed, and a plurality of grooves are formed on the surface of the spacer to prevent concentration polarization and provide an effect of realizing optimal filtration efficiency.

Description

유체 안내용 스페이서 {Spacer for guiding fluid}Spacer for guiding fluid

본 발명은 반투과막을 통하여 강제 유동(pressure-driven flow)시켜 액체를 분리하는 기술에 사용되는 유체 안내용 스페이서(spacer)에 관한 것으로서, 특히 스페이서에 긴 홈을 형성하여 유체의 흐름에 난류(turbulence)가 발생되도록 함으로써 농도분극화현상을 극소화시켜 여과(filtration) 효율을 극대화시킬 수 있는 유체 안내용 스페이서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fluid guide spacer used in a technique for separating a liquid by force-driven flow through a semi-permeable membrane, and particularly relates to turbulence in the flow of fluid by forming long grooves in the spacer. The present invention relates to a fluid guide spacer capable of maximizing filtration efficiency by minimizing concentration polarization.

막 분리란, 물질을 선택적으로 투과하는 반투막을 이용하여 물질을 분리해내는 것을 말하며, 이때 사용되는 막을 분리막이라 한다. 일반적으로여과법(filtration)이라 함은 유체로부터 2종류 이상의 구성요소(component)를 분리하는 것을 의미하는데, 박막 필터(membrane filter)의 개념은 용전 물질(dissolved solids)이나 혼합 기체의 분리 기능까지도 포함한다.Membrane separation refers to separation of a substance by using a semipermeable membrane that selectively permeates the substance, and the membrane used here is called a separation membrane. In general, filtration refers to the separation of two or more components from a fluid. The concept of membrane filters includes the separation of dissolved solids or mixed gases. .

분리막은 분리 방법 및 그 정도에 따라 분류되고 있으며, 수처리에 주로 사용되고 있는 막은 분리막이 지니는 세공크기(pore size)와 운전 방법에 따라 크게 아래의 표 1과 같은 종류로 분류할 수 있다.Separation membranes are classified according to the separation method and the degree, and membranes that are mainly used for water treatment can be largely classified into the types shown in Table 1 below according to the pore size and operating method of the membrane.

막 종류Membrane type 운전압력(kg/cm2)Operating pressure (kg / cm 2 ) 세공크기(㎛)Pore size (㎛) 분획분자량(MWCO)Fractional Molecular Weight (MWCO) 적용apply 정밀여과(micro filtration)Micro filtration 0.1~20.1 ~ 2 0.1~1000.1-100 200,000이상200,000 or more 제거범위속의 부유물질분리Separation of suspended solids within the removal range 한외여과(ultra filtration)Ultra filtration 1.5~101.5-10 0.005~0.50.005-0.5 10,000이상More than 10,000 콜로이드 중ㆍ고분자 유기물분리Separation of Colloidal Medium / Polymer Organics 나노여과(nano filtration)Nano filtration 10~2010-20 0.001~0.010.001-0.01 200이상More than 200 중ㆍ저분자유기물 2가이온류의 분리Separation of Medium and Low Molecular Organic Divalent Ions 역삼투(reverse osmosis)Reverse osmosis 20~12020-120 0.001이하Less than 0.001 200이하Less than 200 이온성 물질분리Ionic material separation

상기 막 분리에 사용되는 막의 구조는 60년대 초에 제작된 비대칭막(asymmetric membrane)과 80년대에 상업화가 된 복합막(composite membrane)의 2가지가 있다. 비대칭막은 반투과성 특성을 갖는 박막층(membrane skin layer)과 이를 지지해주는 다공성의 지지층(porous support layer)과 같은 재질로 구성되어 있으며 복합막은 박막층과 다공성의 지지층이 서로 다른 재질로 구성되어 있다. 비대칭막의 경우 박막층의 두께는 0.1~1㎛ 정도이나 복합막의 경우는 다공성 지지층 위에 초박막화 기술을 적용하여 0.1㎛ 이하의 박막층을 캐스팅하여 제작할 수 있고 또한 막과 다공성 지지층의 재질을 서로의 기능에 맞게 선택할 수 있다. 따라서, 막의 두께가 얇을수록 막의 투과 유속을 증대시킬 수가 있고 염 배제율이 우수한 막 재질을 선택할 수 있기 때문에 복합막의 구조가 비대칭막보다 우수한 성능을 나타낼 수 있고, 고강도의 다공성 지지층을 사용함으로써 고압 운전으로 인하여 발생되는 막의 압밀화 현상을 최소로 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 복합막은 비대칭막보다 제조 공정이 복잡하여 제조 단가가 비싸고 시트(sheet) 형태의 막 제작만 가능하여 나권형(spiral wound type)의 모듈 제작만 가능한 반면 비대칭막은 중공사형(hollow fiber type)과 나권형 모듈 제작이 모두 가능하기 때문에 처리하고자 하는 용수의 조건과 공정설계 방법에 따라 현재 2가지 구조가 모두 사용되고 있다.The membranes used for membrane separation are of two types: asymmetric membranes manufactured in the early 60's and composite membranes commercialized in the 80's. The asymmetric membrane is composed of a material such as a membrane skin layer having a semi-permeable property and a porous support layer supporting the same, and the composite membrane is composed of a different material from the membrane layer and the porous support layer. In the case of asymmetric membranes, the thickness of the thin film layer is about 0.1 ~ 1㎛, but in the case of composite membranes, the thin film layer of 0.1㎛ or less can be cast on the porous support layer by applying ultra thin filming technology. You can choose. Therefore, the thinner the membrane, the more the permeation flux of the membrane can be increased, and the membrane material having excellent salt rejection rate can be selected. Therefore, the structure of the composite membrane can exhibit better performance than the asymmetric membrane. Due to this, there is an advantage that the condensation phenomenon of the film generated can be minimized. However, composite membranes are more expensive to manufacture than asymmetric membranes, and are more expensive to manufacture. Only membrane-type modules can be manufactured, whereas asymmetric membranes are hollow fiber type and hollow fiber type. Since both types of spiral winding modules can be manufactured, both structures are currently used depending on the water condition and process design method to be treated.

막을 이용한 분리기술은 고순도, 고기능성 물질의 제조와 지구환경보호 등의 사회적 요구에 따라서 간단한 실험실적 규모로부터 산업분야의 대규모 공정에 이르기까지 선진국에서 이미 폭넓게 연구되어 왔고 응용, 실용화되고 있다. 분리막 공정은 전형적인 분리방법인 증류공정과 같이 상변화를 필요로 하지 않기 때문에 기존의 에너지 다소비형 공정과 비교했을 때 상당량의 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한 그 원리 및 고정이 간단하기 때문에 장치가 차지하는 공간이 작으며 이로 인해 시설비를 줄일 수 있다. 하지만, 막 분리 공정에서 막 표면에 여과물이 축적되는 현상 즉, 농도 분극화 현상(concentration polarization)이 불가피하게 발생한다. 이러한 현상은 분리막 고정의 효율을 떨어뜨리는 가장 큰 원인이 되므로 농도 분극화 현상을 최소화하는 것이 공정의 효율증가를 위한 중요한 과제이다.Separation technology using membranes has been widely studied and applied and practical in developed countries, ranging from simple laboratory scale to large scale industrial processes, depending on the social needs of high purity, high functional materials and global environmental protection. Since the membrane process does not require a phase change like a distillation process, which is a typical separation method, there is an advantage in that a considerable amount of energy can be saved when compared to a conventional energy saving process. In addition, because of its simple principle and fastening, the device occupies a small space, which reduces the cost of the installation. However, in the membrane separation process, a phenomenon in which filtrate accumulates on the surface of the membrane, that is, concentration polarization occurs inevitably. Since this phenomenon is the biggest cause of deterioration of the membrane fixing efficiency, minimizing the concentration polarization phenomenon is an important task for increasing the efficiency of the process.

농도 분극화 현상을 해소하기 위한 방법으로는 여러 가지가 고려될 수 있다. 그 중 하나는 모듈의 설계에 의한 방법인데, 하나의 모듈 내부에 유로를 만들어서 막 표면에 쌓이는 여과물질을 제거하고자 하는 것이 그 목적이다. 즉 같은 막을 고정에 사용하더라도 막 오염을 줄일 수 있는 모듈을 설계하면 막 투과 성능을 크게 늘릴 수 있게 된다.Various methods can be considered to solve the concentration polarization phenomenon. One of them is the design of the module, which aims to remove the filtration material accumulated on the membrane surface by making a flow path inside the module. In other words, even if the same membrane is used for fixation, designing a module that can reduce membrane contamination can greatly increase membrane permeation performance.

도 1 및 도 2는 농도 분극화 현상이 일어나기 전과 후의 상태를 표시한 개략도로서, 오른쪽으로부터 왼쪽으로 용액이 걸러지는 막(1)이 존재하는 여과과정을 나타낸 도면이다. 도 1은 여과초기의 상태를, 도 2는 여과가 어느 정도 진행된 상태를 나타낸다. 도 1에서 벌크 솔루션의 농도 Cb와 막 표면에서의 농도 Cw는 연결성을 띠면서 일정하게 증가함을 알 수 있다. 즉, 연속성을 띠는 곡선으로 연결되어 있다. 하지만, 도 2의 경우에는 여과물질이 어느 정도 쌓인 뒤 생겨난 겔층(gel layer)에서의 농도 Cg에서 막의 표면까지 농도가 일정한 값을 유지하면서 벌크 솔루션의 농도 Cb와 불연속적인 연결성을 보인다. 즉, 막 분리 공정이 진행되었을 때 용액의 농도가 막(1) 표면의 농도와 불연속적인 연결성을 보일 때 이를 농도 분극화 현상이라 한다.1 and 2 are schematic diagrams showing states before and after concentration polarization occurs, showing a filtration process in which the membrane 1 is filtered from right to left. 1 shows a state of initial filtration, and FIG. 2 shows a state in which filtration proceeds to some extent. It can be seen from FIG. 1 that the concentration C b of the bulk solution and the concentration C w at the surface of the membrane increase constantly while being connected. That is, they are connected by a continuity curve. However, in the case of the filter cake and 2 to some extent in the stacked behind emerging concentration C g in the gel layer (gel layer) to the surface of the film, while the concentration is kept at a fixed value appears with the concentration of C b discontinuous connectivity of the bulk solution. That is, when the membrane separation process is performed, when the concentration of the solution shows a discontinuous connection with the concentration of the surface of the membrane 1, this is called concentration polarization phenomenon.

또한, 막(1)을 중심으로 물질전달은 두 가지의 방향성을 가지고 있는 바, 이는 도 3에 도시된 바와 같다. 즉, 막(1)을 중심으로 플럭스(flux)는 두 방향으로 나타나는데 유체의 흐름 방향으로 나타나는 흐름 JT와 흐름의 반대방향으로 생겨하는 JB이다. 유체역학적인 측면에서 고려한다면 JT는 대류(convection)에 의한 플럭스에 해당하며 JB는 확산(diffusion)에 의한 플럭스에 해당한다. 막(1) 표면에 가까워질수록 농도가 높아짐을 고려해 보면 농도 차에 의해 생겨나는 확산 현상을 쉽게 이해할 수 있다.In addition, the material transfer around the film 1 has two directions, as shown in FIG. That is, the flux around the membrane 1 appears in two directions, the flow J T in the flow direction of the fluid and the J B in the opposite direction of the flow. From a hydrodynamic point of view, J T corresponds to flux by convection and J B corresponds to flux by diffusion. Considering the higher concentration nearer the surface of the film 1, it is easy to understand the diffusion phenomenon caused by the concentration difference.

일반적인 막 분리공정에 있어서 용액은 막 표면에 수직방향으로 이동한다. 하지만 횡단 흐름(cross flow)(C) 형태의 경우에는 막(1) 표면과 평행한 방향으로 용액이 흐르게 된다. 이러한 경우 생겨나는 농도 분극화 현상은 일반적인 경우와는 상이한 형태를 보이게 되는데, 도 4에 잘 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 평행한 상태의 플레이트(2)와 막(1)이 하나의 닫힌 시스템을 구성한다면 유입되는 용액이 완전발달이 일어나기 전까지 받는 마찰력은 증가한다. 속도가 감소한 용액은 막(1) 표면에 쌓이는 여과물질을 용해시킬 수 있는 능력이 저하된다. 따라서 막(1) 표면에 생겨나는 농도 분극화 현상(CP)은 포물선의 반을 잘라놓은 듯한 것처럼 생겨난다. 농도 분극화가 심하게 발생하는 영역에서 투과되는 유체의 양은 적기 때문에 유출구에서 먼 곳일수록 투과되는 유체의 양은 감소하게 된다.In a typical membrane separation process, the solution moves in a direction perpendicular to the membrane surface. However, in the case of the cross flow C type, the solution flows in a direction parallel to the surface of the membrane 1. In this case, the concentration polarization phenomenon is different from the general case, which is shown in FIG. 4. As shown in FIG. 4, if the plate 2 and the membrane 1 in parallel form a closed system, the frictional force that the incoming solution receives until full development takes place increases. The reduced velocity solution has a reduced ability to dissolve the filtration material that accumulates on the membrane 1 surface. Therefore, the concentration polarization phenomenon (CP) that occurs on the surface of the film 1 occurs as if half of the parabola is cut off. Since the amount of fluid permeated in the region where concentration polarization occurs severely is small, the amount of fluid permeated decreases farther from the outlet.

한외 여과법은 역삼투법의 발전과 함께 고분자량물질의 분리농축에 공업적으로 이용되어 왔다. 초기에는 낙농식품관계에서 응용이 행해져 왔지만 최근에는 의약용이나 반도체 공업용의 순수 또는 초순수의 제조, 의약품공업에서 성분분리에 응용되고 있다. 막의 종류나 모듈의 형식도 다양해져 최근에는 세라믹막이나 다공성의 유리 또는 흑연의 표면에 산화지르코니아를 입힌 무기재료막도 상당히 개발되고 있다. UF막은 평판형(plate & frame), 관형(tubular), 스파이럴형(spiral), 중공사형(hollow fiber)의 네 종류가 있다. 원액의 입구, 출구, 여과액의 출구가 있는 셀(cell) 내에 일정하게 막 면적을 가지도록 고정된 유니트를 모듈이라 하며 막의 종류에 따라 모듈도 네 종류가 있다. 각각의 모듈의 특징에 대해서 다각도로 검토가 이루어졌고 이것은 표 2에 비교하여 나타내어진다.Ultrafiltration has been industrially used for the separation and concentration of high molecular weight materials with the development of reverse osmosis. In the early stages, applications have been made in dairy food relations, but in recent years they have been applied to the separation of components in the manufacture of pure or ultrapure water for the pharmaceutical and semiconductor industries, and in the pharmaceutical industry. Various types of membranes and modules have also been diversified. In recent years, an inorganic material film coated with zirconia oxide on the surface of a ceramic film, porous glass, or graphite has also been considerably developed. There are four types of UF membranes: plate & frame, tubular, spiral, and hollow fiber. A unit fixed to have a constant membrane area in a cell having an inlet, an outlet of a stock solution, and an outlet of a filtrate is called a module, and there are four types of modules depending on the type of membrane. The features of each module were reviewed at various angles and are shown in comparison to Table 2.

평판형Flat plate 판형Plate type 스파이럴형Spiral 중공사형Hollow fiber type 용적당막면적예)막면적/모듈부피(m2/l)Volume per film area) Membrane area / module volume (m 2 / l) small 소~중0.08Small to Medium 0.08 대0.430.43 대0.520.52 설치공간Installation space medium 중~대Medium to large small small 모듈내구조Module structure 약간복잡Slightly complicated 약간복잡Slightly complicated 복잡complication 간단simple 위생특성Hygiene Characteristics ×× 세척용이성Ease of Cleaning ×× 펌프용량Pump capacity medium 대~중Large to medium small small 홀드 업량Hold up amount medium 대~중Large to medium small 소~중Small to medium 막의 교체Replacement of membrane 막 단위Membrane unit 모듈단위Module unit 모듈단위Module unit 모듈단위Module unit 유로폐쇄(오염성)Euro Closure (Pollution) 위험가능Dangerous 위험적음Low risk 위험큼Dangerously 위험큼Dangerously

종래의 디스크 튜브 모듈(disc tube module)은 분자분리, 탈염 및 수처리를 위한 최첨단 기술로 설계되었으며 SDI(silt density index)가 높은 산업폐수, 매립지의 침출수, 해수 및 고농축 폐수처리에 효율적이고 경제적으로 운영할 수 있는 모듈이고, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 스페이서인 압력판(hydraulic disc)(11)들 사이에 분리막(membrane cushion)(12)이 겹쳐져 장력봉(tension rod)(13)에 끼워져 있는 구조로 되어 있으며, 양끝에 금속 플랜지(14)가 결합되어 단단하게 분리막(12)과 압력판 즉 스페이서(spacer)(11)를 조이고 있는 구조이다. 그리고 외부를 압력관(pressure pipe vessel)이 둘러싸고 있으며 이러한 간단한 구조로 인해 사용하려는 용도에 따라 디스크 튜브 모듈의 길이 및 재질을 쉽게 변경할 수 있으며, 또 성능검사 및 분리막(12)의 교체가 용이하다. 압력판(11)과 분리막 (12) 표면 사이의 짧은 거리의 공간과 늑골모양의 구멍으로 원수가 이동하므로 흐름이 원활하여 원수의 유입을 제한하지 않는다. 그러므로 분리막(12)에 쌓이는 퇴적물이 자동 제거되어 막 오염 현상이 타 분리막에 비해 훨씬 적으며 이러한 방식의 원수흐름방식에 의해 수처리시, 단지 기계적인 여과 모래, 미세 필터만을 거치고 아무런 문제없이 운전할 수 있다. 이러한 디스크 튜브 모듈은 현재 고농축 시스템에서 95% 이상 회수율을 높이고 있는 실정이다. 참조번호 15는 하우징을 나타낸다.Conventional disc tube modules are designed with state-of-the-art technology for molecular separation, desalination, and water treatment, and operate efficiently and economically for industrial wastewater with high SDI (silt density index), landfill leachate, seawater and highly concentrated wastewater treatment. 5 to 7, a membrane cushion 12 is overlapped between the hydraulic discs 11, which are spacers, as shown in FIGS. 5 to 7, and fitted to a tension rod 13. The metal flange 14 is coupled to both ends to tightly tighten the separator 12 and the pressure plate, that is, the spacer 11. In addition, the pressure pipe vessel surrounds the outside, and this simple structure makes it possible to easily change the length and material of the disk tube module according to the intended use, and to facilitate the performance inspection and the replacement of the membrane 12. Since the raw water moves into the space and the rib-shaped hole of the short distance between the pressure plate 11 and the separator 12 surface, the flow is smooth and does not restrict the inflow of raw water. Therefore, the sediment accumulated in the separator 12 is automatically removed, so that the membrane contamination is much less than that of other membranes, and the raw water flow method can be operated without any problems through only mechanical filtration sand and fine filters. . Such disk tube modules are currently increasing recovery rates of more than 95% in high concentration systems. Reference numeral 15 denotes a housing.

상기와 같은 구성에서 유체의 흐름은 도 6에 도시된 바와 같이 흐르게 되는 바, 먼저 유입구(14a)를 통하여 유입된 유체는 스페이서(11)의 내측에 형성된 구멍(11b)을 통하여 이동하게 되고, 이동되는 동안 스페이서(11) 사이에 끼워진 분리막(12)을 통하여 여과가 이루어지게 된다. 그에 따라, 여과된 처리수는 장력봉(13) 둘레에 형성된 처리수 출구(14b)를 통하여 토출되고, 여과가 이루어진 농축수는 농축수 출구(14c)를 통하여 외부로 토출되게 된다.In the above configuration, the flow of the fluid flows as shown in FIG. 6. First, the fluid introduced through the inlet port 14a moves through the hole 11b formed inside the spacer 11. Filtration is performed through the separator 12 sandwiched between the spacers 11 during the process. Accordingly, the filtered treated water is discharged through the treated water outlet 14b formed around the tension rod 13, and the concentrated water having been filtered is discharged to the outside through the concentrated water outlet 14c.

종래기술에 의한 디스크 튜브 모듈의 스페이서(11)는 한국특허 제0751895호에 기재되어 있는 바, 도 7에 도시된 바와 같이 원형으로 이루어지고, 중앙에는 장력봉(13)이 통과하게 되는 구멍(11a)이 형성되고, 그 주위에 유체가 이동하기 위한 슬롯형의 구멍(11b)이 방사상으로 배열 형성되어 있는 구조이다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 슬롯형의 구멍(11b)을 통과한 유체는 그 상부의 분리막(12)과 스페이서(11)로 이동하게 되는 바, 이때, 분리막(12)에 의한 여과가 이루어지게 되고, 특히 상기 스페이서(11)의 표면에는 다수개의 돌기(11c)가 형성되어 있기 때문에 이동되는 유체에 난류(turbulence)가 발생하게 되어 여과 효율이 증대되는 동시에 농도 분극화 현상을 방지할 수 있게 된다.The spacer 11 of the disc tube module according to the prior art is described in Korean Patent No. 0751895, and has a circular shape as shown in FIG. 7, and has a hole 11a through which the tension rod 13 passes. Is formed, and the slot-shaped hole 11b for moving a fluid is formed in a radial arrangement. Therefore, as shown in FIG. 6, the fluid having passed through the slot-shaped hole 11b is moved to the separator 12 and the spacer 11 at the upper portion thereof, whereby filtration by the separator 12 is performed. In particular, since a plurality of protrusions 11c are formed on the surface of the spacer 11, turbulence is generated in the fluid to be moved, thereby increasing filtration efficiency and preventing concentration polarization. do.

또한, 종래기술에 의한 UF 모듈 중에 평판형 모듈의 경우에는 도 8에 도시된 바와 같이 하우징(20) 내부의 평판 형태의 분리막(21)을 일정 간격을 두고 쌓아 놓은 형태로서, 유체는 일단으로부터 유입되어 타단으로 유출되게 되는 구조이다.In addition, in the case of the flat panel module among the UF modules according to the related art, the flat separators 21 are stacked at regular intervals as shown in FIG. 8, and fluid flows from one end. It is a structure that is leaked to the other end.

미설명 부호, 22는 러버 스페이서(rubber spacer)를 나타내고, 23은 분리막(21)에 의해 걸러진 처리수가 통과되는 구멍이 형성된 드레인 핀(drain pin)(23)을 각각 나타낸다.Reference numeral 22 denotes a rubber spacer, 23 denotes a drain pin 23 in which a hole through which the treated water filtered by the separator 21 passes.

그러나, 종래기술의 디스크 튜브 모듈의 경우에는 분리막을 지지하기 위한 스페이서를 두는 경우에 스페이서의 표면에서 난류가 발생되도록 다수개의 돌기를 형성하여 사용하고 있으나, 제작원가가 워낙 고가인 문제점이 있다.However, in the case of the disc tube module of the prior art, when a spacer for supporting the separator is used to form a plurality of protrusions so that turbulence occurs on the surface of the spacer, there is a problem that the manufacturing cost is very expensive.

또한, 종래기술의 평판 모듈의 경우에는 스페이서를 두지 않은 경우가 많을뿐만 아니라 스페이서를 설치하는 경우에도 난류가 제대로 발생되지 않아 농도 분극화 현상이 발생되어 효율이 저하되는 문제점이 있다.In addition, in the case of the flat panel module of the prior art, not only do not have a spacer in many cases, but turbulence is not properly generated even when the spacer is installed, there is a problem that the efficiency of the concentration is lowered due to the concentration polarization phenomenon occurs.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서 모델의 선정에 있어서는 기존의 모델에 유로가 파여진 스페이서를 삽입한 모듈을 고려하였다. 스페이서 내부에 존재하는 유로는 유입되는 유체를 난류(turbulent flow)로 만들어서 용질을 막 표면에서 제거하는 역할을 한다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and in selecting the model in the present invention, a module having a spacer inserted with a channel into an existing model was considered. The flow path present inside the spacer serves to remove the solute from the membrane surface by making the incoming fluid turbulent (turbulent flow).

UF(한외여과)에 의한 분획은 대부분 막에 의하여 규정되며 운전조건에 따라서 분획은 다소 변할 수 있으나 무시할 만 하다. 경제성에 대해서는 표 3과 같은 항목으로 계산을 하여 채용여부를 결정한다.Fractions by UF (ultrafiltration) are mostly defined by the membrane, and depending on the operating conditions the fractions may vary somewhat but are negligible. The economic feasibility is determined by the items shown in Table 3 to determine whether to hire.

비용이 발생하는 항목Items that cost you 비용이 회수되는 항목Items recoverable 1. 모듈 교환비2. 동력비3. 막세척용 약품비4. 노동비5. 설비 감가상각비6. 수선비 등Module replacement cost 2. Power cost 3. Film cleaning chemical cost 4. Labor cost 5. Equipment depreciation 6. Repair fee 1. 농축회수되는 유가물2. UF도입에 의해 절약되는 항목에너지비설비설치 공간노동비 등3. 신뢰성 향상에 의한 수율 상승 등Valuables recovered by concentration 2. Items saved by the introduction of UF Energy cost facility installation space labor cost, etc.3. Yield increase due to improved reliability

모듈의 선택은 주로 경제성을 고려하여 선택되어 진다. 이것은 비용이 가장 적게 드는 형태를 선택하는 것이 최상이라는 것을 의미하지는 않는다. 왜냐하면 공정의 형태 또한 매우 중요하기 때문이다. 표 1처럼 각각의 모듈은 각각의 적용분야를 가지고 있다. UF법에 의한 처리비용은 대부분이 동력비와 모듈의 교환비용이다. 따라서 여과능력이 높은 모듈을 선택하고, 여과 능력을 어떻게 유지할 것인가가 중요하다. 본 연구에서는 모듈의 교체에 있어서 막 단위로 교체할 수 있는 평판형을 선택하고 여과 능력을 오랜 시간 지속할 수 있도록 모듈의 설계를 검토하고자 한다.The choice of modules is mainly based on economics. This does not mean that it is best to choose the least expensive form. Because the type of process is also very important. As shown in Table 1, each module has its own application. Most of the processing costs by the UF method are power costs and module replacement costs. Therefore, it is important to choose a module with high filtration capacity and how to maintain the filtration capacity. In this study, the module design is selected to replace the module and the design of the module to maintain the filtration capacity for a long time.

도 1은 막에 의한 여과가 일어나기 전의 상태가 도시된 개략도,1 is a schematic diagram showing a state before filtration by a membrane occurs;

도 2는 막에 의한 여과가 일어난 후의 농도 분극화 현상이 나타난 상태가 도시된 개략도,2 is a schematic view showing a state in which concentration polarization phenomenon occurs after filtration by a membrane occurs;

도 3은 농도 분극화 현상을 유체의 흐름을 따라 도시한 개략도,3 is a schematic diagram illustrating a concentration polarization phenomenon along a flow of a fluid;

도 4는 횡단 흐름에 의해 나타나는 농도 분극화 현상을 도시한 개략도,4 is a schematic diagram illustrating a concentration polarization phenomenon exhibited by a cross flow;

도 5는 종래기술에 의한 디스크 튜브 모듈의 단면도,5 is a cross-sectional view of a disk tube module according to the prior art,

도 6은 종래기술에 의한 디스크 튜브 모듈에서 유체의 흐름이 도시된 상세도,Figure 6 is a detailed view showing the flow of fluid in the disk tube module according to the prior art,

도 7은 종래기술에 의한 디스크 튜브 모듈의 일부구성요소인 원형의 스페이서의 정면도,7 is a front view of a circular spacer that is part of a disc tube module of the prior art,

도 8은 종래기술에 의한 평판 모듈의 개략적인 사시도,8 is a schematic perspective view of a flat panel module according to the prior art,

도 9는 본 발명에 의한 평판 모듈의 개략적인 사시도,9 is a schematic perspective view of a flat panel module according to the present invention;

도 10은 본 발명에 의한 평판 모듈의 측단면도,10 is a side cross-sectional view of a flat panel module according to the present invention;

도 11은 본 발명에 의한 유체 안내용 스페이서의 평면도,11 is a plan view of a fluid guide spacer according to the present invention;

도 12는 본 발명에 의한 유체 안내용 스페이서의 정면도,12 is a front view of a fluid guide spacer according to the present invention;

도 13은 본 발명에 의한 스페이서를 개발하기 위한 여러 가지 모델의 평면도,13 is a plan view of various models for developing a spacer according to the present invention;

도 14는 본 발명에 의한 스페이서를 개발하기 위한 모델 중에 도 14a는 모델 4의 부분적인 개략도이고, 도 14b는 모델 3과 4를 혼용한 스페이서의 부분적인 개략도,FIG. 14 is a partial schematic view of a model 4 of a model for developing a spacer according to the present invention, and FIG. 14B is a partial schematic view of a spacer mixed with models 3 and 4;

도 15는 본 발명에 의한 스페이서를 개발하기 위한 모델의 측면도이다.15 is a side view of a model for developing a spacer according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>

50 : 하우징 51 : 분리막50 housing 51 separator

52 : 스페이서 53 : 오링52: spacer 53: O-ring

본 발명은 여과가 진행되는 박막(membrane)을 지지하는 스페이서를 포함하고 여과에 의해 폐수처리 등이 이루어지는 여과장치에 있어서, 상기 스페이서는 유체에 난류가 발생되도록 그 표면에 다수의 긴 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.The present invention includes a spacer for supporting a membrane through which filtration proceeds, and a filtration device in which wastewater treatment is performed by filtration, wherein the spacer has a plurality of long grooves formed on a surface thereof so that turbulence occurs in the fluid. It features.

또한, 본 발명은 상기 스페이서의 홈이 유체가 흐르는 방향을 따라 길게 형성되고, 상기 스페이서의 홈의 폭이 일정한 각도로 반복하여 증감되도록 형성되며, 상기 스페이서의 홈의 폭이 증감되도록 하는 일정한 각도는 150도인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is the groove of the spacer is formed long along the flow direction of the fluid, the width of the groove of the spacer is formed to be repeatedly increased or decreased at a constant angle, the constant angle to increase or decrease the width of the groove of the spacer is It is characterized by being 150 degrees.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

우선 참조된 도면, 도 9는 본 발명에 의한 평판 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 10은 본 발명에 의한 평판 모듈의 측면도이며, 도 11은 본 발명에 의한 유체 안내용 스페이서의 평면도이고, 도 12는 본 발명에 의한 유체 안내용 스페이서의 정면도이다.9 is a schematic perspective view of a flat plate module according to the present invention, FIG. 10 is a side view of a flat plate module according to the present invention, FIG. 11 is a plan view of a fluid guide spacer according to the present invention, and FIG. Is a front view of a fluid guide spacer according to the present invention.

본 발명에 의한 유체 안내용 스페이서를 구비한 평판형 모듈은 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이 하우징(50) 내부에 평판형 분리막(51)이 여러 개 적층된 상태에서 그 사이마다 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같은 평판형 스페이서(52)가 설치되어 있는 구조이다.As shown in FIGS. 9 to 12, the flat module having the spacer for guiding the fluid according to the present invention has a plurality of flat separators 51 stacked in the housing 50, and each of the flat modules has a stacking structure. 12 is a structure in which the flat spacer 52 as shown in FIG. 12 is provided.

상기 스페이서(52)의 구조를 상세하게 살펴보면, 우선 오링(O-ring)(53)을 끼우기 위한 두개의 오링 구멍(52a)이 형성되어 있고, 유체의 흐름과 일치하는 방향으로 다수개의 홈(52b)이 일정한 간격을 두고 형성되어 있다. 그리고, 상기 홈(52b)은 그 폭이 일정하게 반복하여 증감하도록 형성되어 있는 바, 상기 홈(52b)의 폭 증감을 위한 각도는 150도로 설정되어 있다. 상기 스페이서(52)의 정면도인 도 12를 참조하면, 상기 스페이서(52)는 중앙에 오링(53)이 끼워지게 되고, 그 오링(53)을 중심으로 양쪽으로 홈(52b)이 일정한 간격을 두고 반복하여 형성되어 있는 구조이다.Looking at the structure of the spacer 52 in detail, first two O-ring holes (52a) for the insertion of the O-ring (53) is formed, a plurality of grooves (52b) in the direction to match the flow of the fluid ) Are formed at regular intervals. The groove 52b is formed such that its width is repeatedly increased and decreased constantly, and the angle for increasing or decreasing the width of the groove 52b is set to 150 degrees. Referring to FIG. 12, which is a front view of the spacer 52, an o-ring 53 is fitted at the center of the spacer 52, and grooves 52b are spaced at regular intervals on both sides of the o-ring 53. It is a structure formed repeatedly.

상기와 같은 스페이서(52)의 구조에서 유체의 흐름은 종래의 평판형 모듈과 마찬가지로 도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이 왼쪽에서 원수가 유입되고 유입된 원수는 상기 스페이서(52)와 분리막(51) 사이를 흐르면서 분리막(51)에 걸러지고 오른쪽 출구로 토출되게 되며, 상기 분리막(51)에 의해 걸러져 분리막(51)의 하부로 유입된 처리수는 오링(53)이 끼워진 스페이서(52)의 구멍(52a)을 통하여 외부로 토출되게 된다.In the structure of the spacer 52 as described above, as shown in FIGS. 9 to 10, the flow of fluid is similar to a conventional flat module, and raw water is introduced from the left side, and the introduced raw water is separated from the spacer 52 and the separator 51. The filter water is filtered through the separator 51 and discharged to the right outlet, and the treated water filtered by the separator 51 and introduced into the lower portion of the separator 51 is a hole of the spacer 52 in which the O-ring 53 is inserted. It is discharged to the outside through 52a.

상기와 같은 구조를 선택하게 된 이유를 설명하면 다음과 같다.The reason for selecting the structure as described above is as follows.

본 발명에서는 막 분리 공정에서 생겨나는 농도 분극화 현상을 최대한 효율적으로 줄여줄 수 있는 모듈을 개발하기 위해서 2차원 모델과 3차원 모델을 사용하여 전산모사를 수행했다. 기존의 장치에서 유로가 존재하는 스페이서를 장착하는모듈을 고려하여 디자인을 하였다. 선정된 모델은 각각 이차원적으로 전산모사를 수행하였으며 그 결과를 바탕으로 삼차원으로 전산모사를 확장했다. 기본적으로 모듈선정을 하는데 있어서 고려한 점은 막 표면 부근에서의 속도분포와 모듈 내에서의 압력분포를 기준으로 하였다. 그 이유는 막 표면에서의 속도분포와 모듈 내에서의 쌓이는 용질이 어느 정도 제거될 수 있는가와 관련이 있기 때문이다. 각각의 네 가지 경우에 있어서 이차원 전산모사를 수행한 뒤 최적으로 판단되는 모델을 선정하여 하나의 모델을 두고 삼차원으로 전산모사하였다. 삼차원 전산모사의 경우에 있어서는 스페이서 내부에 존재하는 유로의 개수와 높이의 변화에 따른 영향을 고려하여 최적의 모델을 선정하였다. 연구에 사용된 전산모사는 난류에 대한 운동량 보존방정식을 기본으로 수행된다. 이러한 운동량 보존식을 유한체적법(finite volume method)에 의해서 풀게 되며, 그 결과 시스템 내부에서의 속도분포와 압력분포를 알 수 있다.In the present invention, computer simulation was performed using a two-dimensional model and a three-dimensional model to develop a module that can effectively reduce the concentration polarization phenomenon generated in the membrane separation process. In the existing device, the design was carried out considering the module to install the spacer with the flow path. Each of the selected models carried out two-dimensional computational simulations, and based on the results, expanded the computational simulations to three dimensions. Basically, the module selection considerations were based on the velocity distribution near the membrane surface and the pressure distribution in the module. The reason is related to the rate distribution at the membrane surface and how much solute can be removed in the module. In each of the four cases, two-dimensional computer simulations were performed, and then, the optimal model was selected and three-dimensional computer simulations were made with one model. In the case of three-dimensional computer simulation, the optimal model was selected by considering the effect of the change of the number and height of the flow paths in the spacer. Computer simulations used in this study are based on the momentum conservation equations for turbulence. The momentum conservation equation is solved by the finite volume method, and as a result, the velocity distribution and the pressure distribution in the system can be known.

상기와 같은 연구내용을 진행하기 위하여, 첫째, 모델을 선정하고, 둘째, 각각의 모델에 대한 이차원 전산모사를 행한 후, 셋째, 모듈 내부에서의 면적손실을 고려하였으며, 넷째, 선정된 모델에 대한 삼차원 전산모사를 시행하고, 최종적으로 최적의 모델을 선정하였다.In order to proceed with the above research, first, the model was selected, second, two-dimensional computer simulation for each model, third, the area loss in the module was considered, and fourth, the selected model was Three-dimensional computer simulations were performed and finally the optimal model was selected.

상기에서, 모델의 선정을 위해 시행한 전산모사에서 사용된 유체의 성질(밀도, 점도)은 모두 일정하게 유지하였고, 속도분포를 기준으로 모델의 우수성을 판별하였으며 압력 분포도 동시에 고려하였다.In the above, the properties (density, viscosity) of the fluids used in the computer simulation performed for the model selection were kept constant, the superiority of the model was determined based on the velocity distribution, and the pressure distribution was also considered.

특히, 속도분포는 일정한 높이에서 고려하였는데 그 기준이 되는 높이는 막표면에서 가까운 곳의 면 전체에 대해서 고려했다. 그 이유는 막 표면의 속도가 표면에서의 여과물질을 제거할 수 있는 가장 큰 힘이 되기 때문이다. 운전조건은 대기압, 상온을 기준으로 하였으며, 중력에 의한 영향은 무시하였다.In particular, the velocity distribution was considered at a constant height, and the reference height was considered for the entire surface near the membrane surface. This is because the speed of the membrane surface is the greatest force to remove the filtration material from the surface. The operating conditions were based on atmospheric pressure and room temperature, and the effects of gravity were ignored.

그리고, 상기와 같은 실험의 계산은 수치해석방법에 의해 이루어지는 바, 지배방정식은 유한체적법에 의해 유한차분화되어 심플 알고리즘(simple algorithm)에 의해 계산된다. 유한차분화된 연립방정식들은 각각의 시간단위에 대해서 3차원 행렬을 풀어내는데 이러한 방법을 TDMA(Tri-Diagonal Matrix Algorithm)이라고 한다.And, the calculation of the experiment as described above is performed by a numerical method, the governing equation is finite difference by the finite volume method is calculated by a simple algorithm (simple algorithm). Finite-differential systems solve three-dimensional matrices for each time unit. This method is called Tri-Diagonal Matrix Algorithm (TDMA).

지배방정식들은 각 그리드를 둘러싸고 있는 제어체적에 대해서 각 격자점 사이들의 종속변수들을 보간함수(interpolation function)를 이용하여 적분하였다. 이러한 유한차분식은 일련의 대수방정식으로 각각의 그리드 사이의 종속변수의 값들을 연결시킨다. 이렇게 얻어진 방정식을 연속적으로 풀어서 해를 구할 수 있다. 해를 구하는 과정을 설명하면 다음과 같다.The governing equations are integrated using the interpolation function of the dependent variables between the grid points for the control volume surrounding each grid. This finite difference equation is a series of algebraic equations that connect the values of the dependent variables between each grid. The solution can be solved by successively solving the equations thus obtained. The process of finding the solution is as follows.

첫째, x, y, z방향의(2차원의 경우는 z방향을 무시) 속도를 나타내는 운동량보존방정식을 현재 주어진 압력 값을 바탕으로 차례로 계산하여 새로운 속도장을 구한다. 둘째, 구해진 새로운 속도장으로 압력방정식을 푼다. 셋째, 새로운 압력 값을 계산한다. 넷째, 속도수정식을 이용하여 각 방향의 속도 값을 구해낸다. 다섯째, 수정된 압력을 새로운 압력 값으로 하여 오차의 범위가 해가 수렴할 때까지 일련의 과정을 반복한다.First, a new velocity field is obtained by sequentially calculating the momentum conservation equations representing the velocity in the x, y, and z directions (ignoring the z direction in two dimensions) based on the current pressure values. Second, solve the pressure equation with the new velocity field. Third, calculate a new pressure value. Fourth, the speed value in each direction is calculated using the speed equation. Fifth, the modified pressure is used as a new pressure value, and a series of processes are repeated until the range of error converges.

그리고, 계산하고자 하는 것이 유동장이므로 연속방정식과 운동량보존식을 지배방정식으로 사용한다. 사용되는 식은 연속방정식(continuity equation)인 수학식 1과 운동량 보존식(momentum equation)인 수학식 2에 나타냈다.Since the flow field is to be calculated, the continuous equation and the momentum conservation equation are used as the governing equations. The equations used are shown in Equation 1, the continuity equation, and Equation 2, the momentum equation.

경계조건은 모든 전산모사에 대해서 일정하며 유입되는 유체의 유속을 0.2m/s로 정의하였다. 또한 전산모사에 사용되는 유체는 처리하고자 하는 유체의 성질을 고려하여 밀도는 1000kg/m3, 점도는 0.01kg/m·s로 선정하였다. 또한, 시스템의 크기는 기존의 막 크기를 고려하여 선정하였다. 지금까지 언급한 내용은 아래의 표 4에 표시하였다.(단, 모듈의 높이는 삼차원전산모사에서만 고려되었고, Fi는 용질의 소스 텀(source term)을 의미한다.)The boundary condition is constant for all computer simulations and the flow velocity of the incoming fluid is defined as 0.2m / s. In addition, the fluid used for computer simulation was selected to have a density of 1000kg / m 3 and a viscosity of 0.01kg / m · s in consideration of the properties of the fluid to be treated. In addition, the size of the system was selected in consideration of the existing membrane size. The contents mentioned so far are shown in Table 4 below, except that the height of the module is considered only in three-dimensional computer simulation, and F i means the source term of the solute.

크기size 길이 : 20cm, 폭 : 10cm, 높이 : 0.3cmLength: 20cm, Width: 10cm, Height: 0.3cm 입구속도Inlet speed 0.2m/s0.2 m / s 특성값Property value ρ : 1000kg/m , μ : 0.01kg/m·sρ: 1000kg / m, μ: 0.01kg / m

앞에서 설명한 경계조건 및 물성치를 기본으로 하여 도 13에 도시된 모델 1,2,3,4에 대하여 이차원 전산모사를 시행하면, 그 결과는 아래의 표 5에 기재된 바와 같이 모델 4가 가장 우수함을 알 수 있었고, 한편 압력 분포를 고려한 결과 공정에 커다란 영향을 미칠만한 분포가 아닌 것을 알 수 있다.Based on the boundary conditions and property values described above, two-dimensional computational simulation of the models 1,2,3,4 shown in FIG. 13 shows that the model 4 is the best as shown in Table 5 below. On the other hand, considering the pressure distribution, it can be seen that it is not a distribution that will have a big impact on the process.

속도(m/s)Speed (m / s) 압력손실(Pa)Pressure loss (Pa) 모델 1Model 1 0.2160.216 34.834.8 모델 2Model 2 0.3320.332 413413 모델 3Model 3 0.2100.210 984984 모델 4Model 4 0.4250.425 544544

또한, 이차원 전산모사를 확장하여 유로의 높이를 0.3cm로 고정시킨 뒤 삼차원의 경우에 대해서도 고려하였다. 모델 1,2,3,4의 경우에 대해서 각각 삼차원으로 전산모사를 수행한 결과는 아래의 표 6과 같다. 이차원 전산모사와 거의 비슷한 경향을 나타내었으며 속도분포를 고려했을 때 모델 4가 가장 적절하다. 표 6에 기재된 바와 같이 압력분포는 그 크기로 보았을 때 공정에 영향을 미칠만한 변수가 되지 못함을 알 수 있다.In addition, the two-dimensional computational simulation was extended to fix the height of the flow path to 0.3 cm, and the three-dimensional case was also considered. The results of computer simulation in three dimensions for the models 1,2,3,4 are shown in Table 6 below. The trends were similar to those of two-dimensional computational simulations, and model 4 is most appropriate given the velocity distribution. As shown in Table 6, it can be seen that the pressure distribution is not a variable that can affect the process in terms of its size.

속도(m/s)Speed (m / s) 압력손실(Pa)Pressure loss (Pa) 모델 1Model 1 0.3010.301 748748 모델 2Model 2 0.4210.421 10501050 모델 3Model 3 0.2850.285 574574 모델 4Model 4 0.5350.535 14161416

한편, 이차원, 삼차원 전산모사의 수행결과 모델 4가 존재할 수 있는 가장 적절한 모델임을 알 수 있다. 하지만, 모델 4와 같은 모양으로 유로를 파낼 경우 문제점이 발생한다. 도 14a에 도시된 바와 같이 유입되는 유체가 영향을 받을 수 있는 면적이 많이 손실된다는 점이다. 도 14a에 도시된 바와 같이 모델 4만을 사용하는 경우 손실되는 면적이 많아짐을 알 수 있다. 이러한 문제점을 최소화하고자 도 14b에 도시된 바와 같이 모델 3과 모델 4를 동시에 사용하여 손실되는 면적을 최소한으로 줄여 보고자 하였다. 도 14a 및 도 14b에서 참조번호 60은 홈을 나타내고, 61은 손실되는 면적을 나타낸다.On the other hand, it can be seen that model 4 is the most appropriate model that can exist as a result of performing two-dimensional and three-dimensional computer simulation. However, a problem occurs when digging a flow path in the same shape as the model 4. As shown in Fig. 14A, the area in which the incoming fluid can be affected is lost much. As shown in FIG. 14A, when only the model 4 is used, an area lost is increased. In order to minimize this problem, as shown in FIG. 14B, the loss of the loss area is minimized by using the models 3 and 4 simultaneously. In Figs. 14A and 14B, reference numeral 60 denotes a groove and 61 denotes an area to be lost.

또한, 모델 3과 모델 4를 혼합한 디자인에 대해서 유로의 개수를 변화시켜가면서 속도분포를 알아보았다. 기준이 되는 면, 즉 속도분포를 나타낸 면은 분리막으로부터 0.02cm되는 거리에 있는 면이다. 기준이 되는 면의 설정은 막에서 매우 가까운 곳이 되는 면에 해당하며 결과는 모두 같은 지점에서의 값에 해당한다. 아래의 표 7에서 알 수 있듯이 전체 면에 나타나는 속도분포는 유로의 개수가 증가할수록 빨라진다는 것을 알 수 있다. 유로의 개수가 많아질수록 속도는 빨라짐을 알 수 있으며 이에 따르는 압력손실이 커짐을 예상할 수 있지만 운전조건에 커다란 영향을 미칠만한 압력손실은 일어나지 않음을 알 수 있다. 유로의 개수를 더 증가시킬 수도 있지만 유로의 개수가 증가하면 유로의 폭, 즉 홈의 폭이 1cm미만이 되기 때문에 실제적으로 유로를 깎아내는데 어려움이 있다고 사료된다. 필요에 따라서 유로를 더 깎고자 하는 경우라면 등간격으로 깎으면 유로의 증가에 따라 속도분포가 좋아질 것으로 예상된다. 유로의 개수변화에 따른 압력손실의 차이가 크지 않기 때문에 유로의 개수가 어느 정도 늘어나도 공정에 영향을 미칠만한 압력손실은 발생하지 않을 것임을 알 수 있다.In addition, the speed distribution was examined by varying the number of flow paths for the mixed design of model 3 and model 4. The reference surface, that is, the surface showing the velocity distribution, is the surface at a distance of 0.02 cm from the separator. The setting of the reference plane corresponds to the plane that is very close to the act, and the results correspond to the values at the same point. As can be seen from Table 7 below, the velocity distribution appearing on the entire surface becomes faster as the number of flow paths increases. As the number of flow paths increases, the speed increases, and the pressure loss is expected to increase. However, it can be seen that there is no pressure loss that will greatly affect the operating conditions. Although the number of flow paths can be increased further, it is thought that it is difficult to actually cut off the flow path because the width of the flow path, that is, the width of the grooves, is less than 1 cm. If it is necessary to further cut the flow path as needed, the speed distribution is expected to improve as the flow path increases if the flow paths are cut at equal intervals. Since the difference in the pressure loss due to the change in the number of flow paths is not large, it can be seen that even if the number of flow paths is increased to some extent, no pressure loss affecting the process will occur.

유로의 개수Number of euros 속도(m/s)Speed (m / s) 압력손실(Pa)Pressure loss (Pa) 4개Four 0.05190.0519 440440 5개5 0.05250.0525 483483 6개6 0.07420.0742 520520

한편, 유로의 높이를 변화시켜 전산모사한 결과는 아래의 표 8에 도시된 바와 같고, 도 15에서 L이 의미하는 바가 고정된 높이(0.3cm)에 해당하는 전체높이다. 이렇게 전체높이 L을 고정시킨 상태에서 유로의 높이 즉, 도 15에서 L1에 해당하는 길이를 변화시켜 가면서 속도분포와 압력손실을 전산모사하였다. 높이 변화를0.1cm, 0.15cm, 0.2cm, 0.21cm, 0.23cm, 0.25cm로 변화시키면서 속도분포와 압력손실을 알아보았다. 도 15에서 참조번호 70은 스페이서를, 71은 분리막을, 70a는 홈을 각각 나타내다.On the other hand, the computer simulation results by changing the height of the flow path is shown in Table 8 below, the bar in Figure 15 means the total height corresponding to a fixed height (0.3cm). Thus, the velocity distribution and the pressure loss were simulated by varying the height of the flow path, that is, the length corresponding to L1 in FIG. 15 while the total height L was fixed. Velocity distribution and pressure loss were examined by changing the height change to 0.1cm, 0.15cm, 0.2cm, 0.21cm, 0.23cm, 0.25cm. In FIG. 15, reference numeral 70 denotes a spacer, 71 denotes a separator, and 70a denotes a groove.

먼저, 유로의 높이가 0.1cm, 0.15cm, 0.2cm인 경우는 높이의 증가에 따라서 막 부근의 속도분포가 비교적 고르면서도 빠르게 증가함을 알 수 있다. 하지만 0.2cm의 높이 이상에서는 속도증가가 커지기는 하지만 막 부근의 전체 면적을 고려하였을 때 오히려 효율적이지 못함을 알 수 있다. 속도분포의 측면에서 생각하면 막 표면 근처에서 전체면적에 대해서 속도분포가 고르고 빠르게 나타나야 가장 최적의 디자인임을 생각해 볼 때, 유로의 높이가 0.2cm일 때 최적의 속도분포가 나타남을 알 수 있다. 유로의 높이가 0.2cm이상일 때는 표 8에서 알 수 있듯이 최고속도는 더 빠른 점을 발견할 수 있다. 이러한 현상이 나타나게 되는 이유는 유로가 일정 높이 이상이 되는 경우에는 유로의 윗부분 즉, 막과 유로 사이의 공간에 존재하는 유체가 잘 섞이지 못하게 되는 장애물로서 작용하게 되기 때문이다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 속도분포가 전체면적에 골고루 분포되는 것이 약간의 속도 증가보다 더 중요함을 생각해 볼 때 선정한 최적의 모델은 유로의 높이가 0.2cm일 때이다. 압력손실도 표 8에 기재되어 있으며 역시 공정에 영향을 줄만한 커다란 손실을 나타내지는 않았다. 따라서, 결과적으로 압력손실은 평판형 막 모듈의 제작시 커다란 요인으로 작용하지 않음을 알 수 있다.First, when the height of the flow path is 0.1cm, 0.15cm, 0.2cm, it can be seen that the velocity distribution near the membrane increases relatively uniformly and rapidly as the height is increased. However, the speed increase increases above the height of 0.2cm, but it is not efficient considering the total area near the membrane. In terms of the velocity distribution, it can be seen that the optimum velocity distribution appears when the flow path height is 0.2cm, considering that the velocity distribution should be uniform and fast for the entire area near the membrane surface. When the height of the flow path is more than 0.2cm, as can be seen from Table 8, the maximum speed is found to be faster. This phenomenon occurs because when the flow path is above a certain height, it acts as an obstacle that does not mix well in the upper portion of the flow path, that is, the space between the membrane and the flow path. However, as mentioned above, it is more important than the slight increase in velocity that the velocity distribution is evenly distributed over the entire area. Pressure losses are also listed in Table 8 and also did not show significant losses that would affect the process. Therefore, as a result, it can be seen that the pressure loss does not act as a big factor in the fabrication of the flat membrane module.

유로의 높이(cm)Height of the flow path (cm) 속도분포(m/s)Velocity distribution (m / s) 압력손실(Pa)Pressure loss (Pa) 0.10.1 0.07120.0712 10791079 0.150.15 0.0750.075 11201120 0.20.2 0.0810.081 12241224 0.210.21 0.0762 & 0.09525두 개의 속도영역으로 구별됨0.0762 & 0.09525 divided into two speed ranges 11651165 0.230.23 0.076 & 0.095두 개의 속도영역으로 구별됨0.076 & 0.095 divided into two speed ranges 11741174 0.250.25 0.0753 & 0.0941두 개의 속도영역으로 구별됨0.0753 & 0.0941 divided into two speed ranges 12331233

이상에서 살펴본 바와 같이, 막 분리 공정의 효율 증대를 위해서 기존의 모듈에 스페이서를 삽입한 형태를 고려하였다. 막 표면에 증착되는 여과물질을 최대한 제거하기 위해서 네 경우의 유로를 디자인하여 삼차원으로 확장한 전산모사 결과로서 최적의 모듈을 선택하였다. 이차원의 모델을 확장함에 있어서 기존의 막 모듈의 높이를 참고하였고, 정해진 전체 높이에서 스페이서 내부에 존재하는 유로의 개수와 높이에 따른 영향을 알아보았다. 유로의 개수는 어느 정도의 범위까지는 많아질수록 공정의 효율에 긍정적인 영향을 미치며 유로의 높이의 경우에 있어서는 속도분포가 빠르고 고르게 일어날 수 있는 최적의 높이를 찾아야 한다. 본 발명에서 제안하는 최적의 디자인은 모델 3과 모델 4를 혼용한 유로를 6개 사용하고, 유로의 높이가 0.2cm인 모듈이다. 특히 유로의 개수 증가를 고려하는 경우에 있어서는 짝수개씩 증가할 것을 제안한다. 속도분포가 막 부근의 모든 면에 골고루 나타나려면 유로의 형태가 짝을 맞추어서 배열되어야 한다는 근거에서이다. 하지만 유로의 개수가 증가함에 따라 유로를 깎아야 하는 폭이 1cm이하로 작아지기 때문에 기술적인 측면을 충분히 고려해야할 것이라 생각된다. 지나친 유로의 개수 증가는 압력손실을 크게 야기할 수 있으므로 다른 고려의 대상으로 생각해 볼 수 있다. 재질은 가공이 용이한 재질을 선택하고 두께는 난류를 유발시키기 위하여 홈을 팔 수 있는 정도의 두께이면 유체의 흐름에 어느 정도 휘어도 문제는 없다. 어느 정도 흔들림이 있으면 난류를 유발하는데 오히려 효과적일 수 있다. 간격조정은 플레이트와 유로판 사이의 오링의 굵기를 가능한 가는 것으로 함으로써 조절이 가능할 것이다. 그리고 검토사항으로는 플레이트 사이에 유로판을 설치하는 경우 막의 패킹 밀도(packing density)가 반정도로 줄어들어 그 만큼 여액량이 줄어들 것으로 사료되나 플레이트 사이의 유로판 간격을 전산모사의 결과를 토대로 좁게 함으로써 패킹 밀도의 감소를 줄일 수 있다. 그러나, 농도 분극화 현상을 감소시켜 줌으로써 그 영향을 어느 정도 상쇄시킬 수 있을 것으로 사료된다. 그러한 영향을 수치적으로 나타내기 위해서는 장시간 실험을 통하여 얻어야 할 것으로 판단된다.As described above, in order to increase the efficiency of the membrane separation process, a shape in which a spacer is inserted into an existing module is considered. In order to remove the filtration material deposited on the surface of the membrane as much as possible, four flow paths were designed and the optimal module was selected as a result of computer simulation expanded in three dimensions. In the expansion of the two-dimensional model, the height of the existing membrane module was referred to, and the influence of the number and the height of the flow path existing inside the spacer at the predetermined overall height was examined. As the number of flow paths increases to a certain extent, it has a positive effect on the efficiency of the process. In the case of the height of the flow paths, it is necessary to find an optimal height at which the speed distribution can be performed quickly and evenly. The optimal design proposed by the present invention is a module having six flow paths in which a mixture of model 3 and model 4 is used, and the height of the flow path is 0.2 cm. In particular, when considering the increase in the number of flow paths, it is proposed to increase evenly. This is based on the fact that the flow paths must be arranged in pairs in order for the velocity distribution to appear evenly on all sides near the membrane. However, as the number of flow paths increases, the width of cutting paths decreases to less than 1 cm, so it is considered that technical aspects should be fully considered. An excessive increase in the number of flow paths can cause large pressure losses, which can be considered for other considerations. If the material is easy to process the material is selected, the thickness is enough to dig grooves to cause turbulence, there is no problem bent to the flow of the fluid to some extent. Some shaking may be more effective at inducing turbulence. The spacing can be adjusted by making the thickness of the O-ring between the plate and the flow path plate as thin as possible. In addition, it is considered that the packing density of the membrane is reduced by half when the flow path plates are installed between the plates, and the amount of filtrate is reduced by that. However, the packing density by narrowing the gap between the plates based on the simulation results Can reduce the decrease. However, by reducing the concentration polarization phenomenon, the effect may be offset to some extent. In order to represent such effects numerically, it is necessary to obtain them through long time experiments.

결과적으로 제안된 모듈의 형태는 하우징까지 고려하였을 때 여과수가 통과하기 위한 통로에 오링을 장착해야 하기 때문에, 스페이서 중심 부분에 오링을 장착할 수 있는 충분한 공간이 필요하다. 그에 따라, 중심부분의 스페이서의 두께를 두껍게 디자인하였다.As a result, the shape of the proposed module requires O-rings to be mounted in the passage for the filtered water, even when considering the housing, so that sufficient space for mounting the O-rings in the center portion of the spacer is required. Therefore, the thickness of the spacer of the central part was designed thick.

참고로, 스페이서의 두께는 특별히 그 값을 지정하지 않았다. 유로 내부에서의 유동장이 스페이서의 두께에 크게 영향을 받지 않기 때문이다. 기술적으로 문제가 되지 않는 한계에서 최대한 얇은 경우가 유리하다고 판단된다.For reference, the thickness of the spacer did not specifically specify its value. This is because the flow field inside the flow path is not significantly affected by the thickness of the spacer. It is considered advantageous to be as thin as possible at the limits that are not technically problematic.

이와 같이, 본 발명에 의한 유체 안내용 스페이서는 다수개의 홈이 그 표면에 형성되어 유동하는 유체의 흐름에 난류가 형성되도록 함으로써 농도 분극화 현상이 방지되도록 할 뿐만 아니라 최적의 여과 효율을 구현할 수 있는 효과를 제공한다.As such, the spacer for guiding the fluid according to the present invention has a plurality of grooves formed on the surface thereof such that turbulence is formed in the flow of the flowing fluid, thereby preventing the concentration polarization phenomenon and implementing the optimum filtration efficiency. To provide.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 고안의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변형 실시될 수 있다.The present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified and implemented by those skilled in the art without departing from the technical gist of the present invention.

Claims (8)

여과가 진행되는 박막(membrane)을 지지하는 스페이서를 포함하고 여과에 의해 폐수처리 등이 이루어지는 여과장치에 있어서,A filtration apparatus comprising a spacer for supporting a membrane through which filtration proceeds, and in which wastewater treatment is performed by filtration, 상기 스페이서는 유체에 난류가 발생되도록 그 표면에 다수의 긴 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 유체 안내용 스페이서.The spacer is a fluid guide spacer, characterized in that a plurality of elongated grooves are formed on the surface so that turbulence occurs in the fluid. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스페이서의 홈은 유체가 흐르는 방향을 따라 길게 형성된 것을 특징으로 하는 유체 안내용 스페이서.The groove of the spacer is a fluid guide spacer, characterized in that formed long along the flow direction. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 스페이서의 홈은 그 폭이 일정한 각도로 반복하여 증감되도록 형성된 것을 특징으로 하는 유체 안내용 스페이서.The groove of the spacer is a fluid guide spacer, characterized in that the width is formed to repeatedly increase and decrease at a predetermined angle. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 스페이서의 홈의 폭이 증감되도록 하는 일정한 각도는 150도인 것을 특징으로 하는 유체 안내용 스페이서.And a predetermined angle to increase or decrease the width of the groove of the spacer is 150 degrees. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 홈은 그 폭이 홈들 사이의 간격보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 유체 안내용 스페이서.And the groove is formed to have a width greater than a gap between the grooves. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 홈은 그 개수가 6개인 것을 특징으로 하는 유체 안내용 스페이서.And the groove is six in number. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 홈은 그 높이가 0.2cm인 것을 특징으로 하는 유체 안내용 스페이서.The groove is a fluid guide spacer, characterized in that the height is 0.2cm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스페이서는 처리수가 유입되는 구멍에 오링이 끼워지고, 상기 오링이 끼워지는 부근의 두께는 다른 곳에 비해 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 유체 안내용 스페이서.The spacer is a fluid guide spacer, characterized in that the O-ring is inserted into the hole into which the treated water flows, the thickness of the vicinity of the O-ring is thicker than other places.
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