KR100477585B1 - 나권형분리막모듈제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정수장치 등에 사용되는 나권형 분리막 모듈 제조방법에 관한 것으로서, 투과수측 유로 재료들을 접착시키는 공정을 단순화함으로써 생산상을 향상시킬 수 있고, 공급되는 원수의 물흐름성도 고르게 되어 효과적인 정수 및 풍부한 유량 제공이 가능한 나권형 분리막 모듈 제조방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 분리막 모듈 제조방법은, 기준 투과수측 유로재에 다수의 다른 투과수측 유로재들을 차례로 일정한 간격으로 나란하게 접착시킴으로써 투과수측 유로틀을 만드는 단계와; 분리막을 일정한 길이로 커팅하여 분리막의 표면쪽이 안쪽으로 향하게 하여 서로 마주보는 방향으로 길이방향의 가운데를 접고 접힌 분리막 사이로 커팅된 공급수측 유로재를 삽입하여 와인딩 또는 롤링공정을 수행함으로써 '분리막 + 공급수측 유로재 + 분리막' 어셈블리를 준비하는 단계와; 그리고, 상기 투과수측 유로재틀의 기준 투과수측 유로재를 집수관 파이프에 고정하고 기준 투과수측 유로재의 반대쪽 끝은 잡아 적절한 장력을 준 후 정해진 위치에 접착제를 도포하면서 동시에 투과수측 유로재 사이에 준비된 상기 어셈블리를 삽입하면서 집수관 파이프를 천천히 회전시켜 와인딩하는 단계를 포함하여 이루어진다. 따라서, 기준 투과수측 유로재에 다른 투과수측 유로재들을 차례로 부착시킴으로써 간격을 일정하게 유지시키기가 용이하고 분리막 모듈의 직경의 편차를 줄일 수 있다.

Description

나권형 분리막 모듈 제조방법{METHOD FOR PREPARATION OF SPIRAL WOUND MEMBRANE MODULE}

본 발명은 나권형(spiral wound type) 분리막 모듈 제조방법에 관한 것으로서, 투과수측 유로 재료들을 접착시키는 공정을 단순화함으로써 생산성을 향상시킬 수 있고, 물흐름성이 좋아 풍부한 유량을 제공할 수 있는 나권형 분리막 모듈 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 액체내에 존재하는 여러 성분들의 분리방법으로는 한외여과법, 역삼투법, 전기투석법, 증발법, 냉동법, 이온교환법 등 여러 가지 방법이 있으나, 최근 가장 각광을 받고 있는 방법으로는 에너지 소비량이 적고, 운전이 간편하며, 자동화가 용이할 뿐만 아니라 적용시 어려움이 적다는 이점으로 인하여 역삼투법을 들 수 있다. 특히 역삼투법에 사용되는 역삼투막은 정밀여과(MF) 또는 한외여과(UF)에 의해서는 제거할 수 없는 1가 이온이나 염 등을 제거할 수 있는 분리막이기 때문에 음료용, 농업용 또는 기타의 목적에 사용하기 위한 물을 해수 또는 염수로부터 얻는 탈염공정에 효과적으로 사용되고 있다.

역삼투막이 이용목적에 적합한 특성을 갖기 위해서는 높은 염 배제율(salt rejection)과 높은 수투과율(flux)을 가져야만 한다. 즉, 염삼투막은 비교적 낮은 압력하에서 많은 양의 물을 투과시킬 수 있어야 탈염공정에 상업적으로 적용될 수 있다.

최초의 역삼투막은 1960년대 초 로브(Loeb)와 수리라잔(Sourirajan)이 개발한 이른바 비대칭형 셀룰로우즈디아세테이트막이다. 셀룰로우즈디아세테이트막은 가격이 저렴하다는 장점이 있는 반면에 미생물에 대하여 취약하고 또 강염기하에서 쉽게 가수분해될 뿐만 아니라 사용온도와 pH의 범위가 좁다는 단점으로 인하여 셀룰로우즈의 개질과 여러 셀룰로우즈 합금을 통해 사용되고 있지만 이들 단점들을 완전히 극복할 수는 없다. 그 후 셀룰로우즈막의 단점을 보완하기 위하여 폴리아미드계, 폴리우레탄계, 방향족 폴리술폰계, 방향족 폴리아미드계 등을 대상으로 연구가 활발히 진행되었다.

현재 이들 중에서 방향족 폴리술폰을 다공성 지지막으로 하고 폴리아미드를 지지층으로 하는 복합막이 개발되고 있다. 이 복합막은 기계적 강도를 유지하기 위한 지지층과 선택적 투과성을 가진 활성층으로 이루어져 있다.

복합막의 제조방법으로는 박층분산법, 침지코팅법, 기상증착법, Langmuir- Blodgett법, 계면중합법 등이 있으며, 현재 개발된 역삼투 복합막의 제조는 미국 특허 제4,277,344호에 개시되어 있는 계면중합법이 주로 이용되고 있다.

이러한 계면중합법에 의한 복합막의 시초는 노스 스타(North Star) 연구소의 NS-100으로 다공성 폴리 술폰 지지체에 폴리에틸렌아민 수용액과 헥산 중의 톨루엔 디아이소시아네이트를 반응시켜 제조하였다. NS-100의 개발 이후 이러한 계면중합법에 많은 지방족 아민, 방향족 아민이 사용되어 다양한 특성의 막이 제조되었다. 그러나 이 당시에는 계면중합법의 특성을 잘 이해하지 못했기 때문에 폴리아민, 예컨대 폴리에틸렌이민(polyethylenimine) 정도만이 좋은 염배제율과 충분한 유량이 얻어졌다.

그러나, NS-100의 개발자인 캐도트(Cadotte)에 의해 폴리피페라진아미드 활성층을 가진 NS-300이 나오면서 비로소 계면중합법에 의한 진정한 의미의 복합막이 나오기 시작했다.

NS-300막은 미굴 필름 테크(Film Tech)사의 NF-40 등급 나노막으로 나와 있는 것으로 나노미터급의 용질에 대한 특이한 선택적 분리능력을 가진다고 알려져 있다. NS-300의 개발 당시에 폴리피페라진아미드는 2가 이온과 단당류에 대해 95% 이상의 높은 배제율과, 염화나트륨에 대해서는 40∼96%의 비교적 넓은 범위의 배제율을 가진 막들이 개발되었는데 이와 같은 특성은 주로 폴리술폰계의 미소다공성기질 위에 피페라진과 알칼리성 촉매가 섞인 다관능성 아민 용액에 함침시키고 그 기질상에 다관능성 살할로겐화합물을 도포해 계면중합을 일으켜 얻었다. 이런 막의 주된 배제율 조절방법은 산할로겐 화합물을 테레프타로일클로라이드, 이소프타로일클로라이드, 트리메조일클로라이드 용액을 적절한 비율로 혼합해가며 사용하는 방법이었으며, 이 혼합비율에 배제율이 비례하는 방식이었다.

나노 복합막의 제조방법중 미국특허 제4,259,183에는 피페라진과 촉매로는 N,N'-디메틸 피페라진, 수산화나트륨 등을 쓰고 이소프타로일클로라이드와 트리메조일클로라이드를 혼합 사용해 계면중합시키고 있고, 산할로겐화합물의 용매로는 n-헥산을 사용하였다.

한편, 미국특허 제4,619,767호에서는 폴리술폰 위에 폴리비닐알코올을 먼저 코팅시키고 다시 피페라진 혹은 피페라진 구조를 포함한 디아민과 트리메조일클로라이드/이소프타로일클로라이드의 혼합물을 사용해 계면중합시키고 있다. 용매는 n-헥산을 사용하고 있다.

역삼투 분리막은 반투과막으로 염들이 녹아있는 수용액의 한쪽 방향에서 가압을 할 경우 용액과 용질의 분리가 일정방향으로 일어난다는 원리를 이용하여 고압에도 견디고 내구성, 내화학성이 뛰어난 재질의 고기능 분리막이다. 역삼투 분리막의 중요한 특성으로는 염배제율(salt rejection : 용매로부터 용질의 분리능 정도를 나타내는 수치)과, 유량(flux : 일정시간동안 일정 압력에서 분리막을 통하여 나오는 용매의 유량)이 있다. 박막 복합재료의 역삼투 분리막으로는 계면중합에서 얻어지는 폴리아미드가 일반적으로 사용된다. 수용성 아민에서 미세 다공성 고분자 지지층(폴리술폰)을 잠기게 한 후 얻어진 층을 다시 유기층의 아실클로라이드가 녹은 용액층에 잠기게 함으로써 계면중합을 실시한다. 이 때 유기용매는 폴리아미드화 반응에 영향을 주지 않으며 적당량의 기질을 녹일 수 있는 용매로 선택한다. 환경친화적인 용매의 사용에 관한 연구가 최근 활발히 진행되었는데 미국특허 제4,005,012호, 제4,259,813호, 제4,360,434호, 제4,606,943호, 제4,737,325호, 제4,282,708호, 제5,258,203호 등은 .1,1,2-트리클로로트리플로오르에탄(1,1,2- trichlorotrifluoroethane)을 사용하지 않고 지방족 탄화수소 용매로 대체하여 분리막 제조에 성공하였다. 그러나 헥산 같은 지방족 반응용매들의 사용은 유량을 떨어뜨리는 결과로 상업적 사용이 제한되어 왔다.

기존의 프레온 공정에 비해 좋은 염배제율과 충분한 유량을 얻기 위한 연구들이 진행되어 왔는데 조액시 첨가하는 물질들을 개발하는 연구(미국특허 제5,234,598호 및 제5,258,203호), 폴리아미드 반응에 참가하는 단량체들의 구조를 바꾸는 연구(미국특허 제4,761,234호, 제4,643,829호, 제5,019,264호, 제5,160,619호, 제5,271,843호, 제5,336,409호 등), 후처리를 통한 유량증가 방법에 관한 연구(미국특허 제4,938,872호 및 4,927,540호)들이 활발하게 진행되었다.

지방족 탄화수소 용매는 지방족 탄화수소 복합용액과 몇몇 첨가제가 혼합된 것을 사용하여 계면중합에 의한 유량의 많은 박막소재 반투과 여과막의 제조방법에 관한 것이다. 첫 번째 반응물은 수용액층에서 만들어지고 두 번째 반응물은 지방족 유기용매에서 만들어진다. 이 때 첨가제로는 수용액 용매상이나 지방족 탄화수소 용매상에서 첨가제가 추가될 수 있다. 그 이외에도 수용액층이나 물층에 여러 가지의 첨가제를 넣어 분리막의 고유한 성능을 높이는 방향의 발명들이 제안되어 있다.

분리시스템은 분리막 모듈, 펌프, 배관, 탱크 및 기타 보조장치로 구성되어 있는데, 이러한 시스템을 구성하고 있는 구성요소중 가장 중요한 것은 분리막 모듈이며, 그 종류로는 평판형(plate and frame type), 중공사형(hollow fiber type), 관상형(tublar type) 및 나권형(sprial wound type) 등 여러 가지 분리막 모듈이 상업화되어 있다. 이와 같은 여러 가지 형태의 분리막 모듈의 특징을 다음의 표 1에 나타내었다.

분리막 모듈의 형태별 특성

	나권형	중공사형	관상형	평판형
패킹 밀도(m2/m3)	600∼1,000	∼1,000	100	35∼50
유량 밀도(m3/m3)	90∼900	36∼2,400	-	60∼400
투과 유량(m3/m2)	0.3∼1.0	0.004∼0.1	-
막 교체비용	보통	보통	높음	높음
오염 저항성	보통	매우 나쁨	중간	나쁨
고압작동	양호	양호	보통	보통

이 중 나권형 모듈은 두 장의 스페이서(feed spacer : 공급수측 유로재)를 적층시킨 후 롤 케이크 형태로 말아서 만든 모듈이다. 이와 같은 형태는 모듈당 막 면적이 넓고 투과 유속도 크며 장치가 조밀한 것이 특징이다. 또한 스페이서가 난류 촉진역할을 하는 기능을 가지고 있고, 막에 대한 공급유량이 적어도 막의 면에서의 유속이 크기 때문에 막 표면에서의 농도분극현상을 억제할 수 있다. 반면에 유로 단면적이 0.7㎟ 이하로 작기 때문에 적절한 전처리를 요한다. 통상 전처리로는 스페이서 두께의 1/10 크기의 물질까지 여과를 해 주어야 한다.

일반적으로 상업화된 역삼투막 및 모듈은 염소에 대한 저항성이 약하기 때문에 활성탄 필터를 사용하여 원수에 함유되어 있는 잔류염소를 미리 제거한다. 염소를 제거하는 방법의 일환으로 소디움바이설파이트(Na2S2O5)를 소량 첨가시키기도 한다. 마이크로 필터는 원액에 함유되어 있는 입자를 제거하여 분리막 또는 모듈이 입자상에 의해 열화되는 것을 방지한다. 이와 같은 전처리방법 이외에도 시스템의 규모, 원수의 특성에 따라 응집침전 여과기, 이온교환기, 스케일 방지제 주입기, 산소이온농도 조절장치 등이 설치되어 분리막 모듈의 성능이 최대한 발휘되도록 적절한 전처리를 한다. 또한 시스템을 운영하면서 한 달에 한 번 또는 최소한 세 달에 한 번 주기적으로 시스템을 세정하여 모듈 엘리멘트의 성능이 저하되는 것을 방지하기도 한다.

나권형 모듈의 일반적인 제조방법은 미국특허 제3,417,870호, 제3,872,014호, 제4,277,340호, 제4,235,723호, 제4,842,736호, 제4,906,372호, 제5,034,126호 등에 개시되어 있다. 특히 미국특허 제3,417,870호에는 역삼투막과 구멍을 포함하는 중공관에 투과수측 유로재료(permeate spacer : product water channel material)를 먼저 중공관을 감아준 뒤 옆으로 동일한 공간에 걸치는 평판형의 투과수측 유로들이 반경방향으로 향하여 뻗게 한 뒤 선택투과성 역삼투막을 접어서 투과수측 유로재료 사이에 접힌 끝부분이 중공관 쪽으로 향하게 넣고, 양쪽 끝과 집수관 파이프로부터 먼 곳에 위치한 가장자리를 접착제로 실링하여 각각 리프가 봉투모양으로 되도록 한 다음, 접힌 역삼투막 사이에 격자모양의 공급수측 유로재(feed spacer : feed water channel material)를 끼워 넣고 나권형으로 감아서 투과수측 유로-막-공급수측 유로-막으로 구성된 틀을 만든 후, 한 쪽 끝으로 공급수를 유입시키고 반대편의 다른 한 쪽 끝으로 농축수를, 중공관으로 투과수(생산수)를 유출시킬 수 있도록 만든 나권형 분리막 모듈에 대하여 기술하고 있다.

집수파이프 또는 집수관은 하나 이상의 구멍이 집수관의 외면과 내면을 관통하고 있기 때문에 생산된 유체가 투과수측 유로재를 통과하여 집수관의 내부로 모이도록 하는 역할을 한다. 집수관의 재질로는 PVC, 클린 PVC(C-PVC), 테프론, 변형 폴리페닐렌 옥사이드(Modified PPO), 폴리프로필렌, FRP관 등이 사용될 수 있다.

공급수측 유로재로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 나일론 등의 재질로 된 망사형태의 재질이 사용되며, 두께는 0.3∼1.0㎜, 인치당 가닥수(strand/inch)는 5∼30개 정도가 적당하며, 교차된 망사의 가닥의 각도는 70∼110도인 것이 적당하다.

투과수측 유로재로는 에폭시 함침된 폴리에스테르 니트 직물이 가장 많이 사용되며, 두께는 0.2∼0.6㎜, 에폭시 함침율은 10∼50%의 제품이 적당하고, 단위 인치당 웨일스의 수(wales/inch)는 30∼60인 제품이 적합하다. 미국특허 제4,802,982호에는 투과수측의 압력손실을 최소화하기 위한 목적으로 폴리프로필렌 메쉬를 투과수측 유로로 사용하는 것을 개시하고 있다.

접착제로는 에폭시 또는 폴리우레탄 접착제가 널리 사용되며, 접착제를 바른 후 롤링하여 나권형 모듈을 만든 후 접착제가 완전히 경화된 후에 일정하게 정해진 규격으로 양쪽 가장자리 부분을 커팅하여 일정한 규격품의 모듈을 제조한다.

모듈을 와인딩한 후에 접착제가 충분히 에이징된 다음에는 일정한 정해진 규격대로 제조된 모듈의 양쪽 가장자리 부분을 커팅하여 마무리한다. 이후 ATD(Anti Telescoping Device)를 커팅된 모듈의 양쪽 끝에 고정시키고 원수쪽의 ATD에는 원수가 분리막의 원수유로재로 흘러들어갈 수 있도록 U자 또는 V자 모양의 시일(seal)을 장착하여 하우징 및 용기(vessel)에 장착하여 사용가능한 형태로 제조한다.

롤링시에는 적어도 한 개의 투과수측 유로재를 집수관 파이프 반대쪽에서 잡아주어 적정한 장력을 유지시킨다. 적정한 장력의 범위는 0.5∼50kg/전폭이다.

나권형 모듈 엘리멘트를 제조하는 방법으로는 여러 가지의 방법이 있으며, 꽃잎(petal) 형태와 샌드위치 형태로 나눌 수 있다. 직경이 대략 200mm(8인치)되는 큰 모듈 엘리멘트를 제조하는 경우 통상적으로 12～30개의 리프(leaf)가 되며, 직경이 50mm(2인치)인 소형 모듈 엘리멘트를 제조하는 경우에는 통상적으로 1개의 리프를 사용한다. 리프란 '한 층의 분리막 + 한 층의 투과수측 유로 + 또 다른 한 층의 분리막 + 한 층의 공급수측 유로'로 이루어진 하나의 세트를 의미한다. 여기서 '한 층의 분리막 + 한 층의 투과수측 유로 + 또 다른 한 층의 분리막'은 집수관 파이프와 근접하여 접촉하는 면을 제외한 나머지 3부분의 가장자리가 접착제에 의하여 실링 되는 형태로 제조된다. 이와 같이 하면, 분리막을 투과한 투과수(또는 정수)가 투과수측 유로를 타고 집수관 파이프까지 흘러간 후 집수관 파이프에 있는 작은 구멍을 통과하여 집수관 파이프 내부로 모인 뒤 이 집수관 파이프의 한 쪽 끝으로 흘러갈 수 있다. 꽃잎 형태의 모듈은 여러 개의 리프 구성시 커팅되지 않은 분리막을 사용하여 연속적으로 접어서 '한 층의 분리막 + 한 층의 투과수측 유로 + 또 다른 한 층의 분리막 + 한 층의 공급수측 유로 + ...'를 형성시키는 방법으로서 파이프 측에 근접한 쪽을 제외한 '분리막 + 투과수측 유로 + 분리막 가장자리 부분'을 접착시키고 분리막은 최초의 초기선과 마지막 끝선을 단 한 곳만 접착시켜 분리막 모듈을 만드는 방법이다. 이와 같은 방법은 미국특허 제3,386,583호 및 제4,277,340호에 상세히 기술되어 있다. 샌드위치 형태는 공급되는 분리막을 리프의 수만큼 커팅하여 연속적으로 삽입함으로써 제조된다. 이 방법은 상업적으로 가장 많이 이용되는 방법으로 미국특허 제3,417,870호, 제4,033,878호, 제4,235,723호, 제4,475,973호, 제4,548,714호 등에 상세히 기술되어 있다.

나권형 모듈 엘리멘트를 제조하는 방법을 좀 더 상세히 기술하면 다음과 같다.

먼저 준비된 집수관 파이프에 투과수측 유로를 고정시킨다. 집수관에 투과수측 유로를 고정시키는 방법으로 미국특허 제3,872,014호에는 감압테이프를 사용하는 방법과 접착제를 사용하는방법이 개시되어 있다. 그러나, 테이프 또는 접착제의 사용은 분리막 모듈에 불필요한 오염을 발생시킬 수 있으며, 모듈 제조공정상 실제로 적용하기 어려운 단점이 있다.

또한 미국특허 제5,538,642호에는 초음파를 이용하여 집수관 파이프의 외면 원주길이 단위의 1cm당 0.7개 이상의 투과수측 유로를 붙여 모듈을 제조하는 방법에 대하여 상세히 기술하고 있다. 그러나, 이 방법은 불필요한 화학물질 등에 대한 오염을 극소화시킬 수 있다는 장점은 있으나, 접착제를 바르는 공정에는 응용하기 어렵고, 여러 매의 리프를 집수관 파이프에 초음파로 접착할 경우에는 파이프가 손상될 우려가 있는 단점을 가진다. 또한 원형의 파이프에 여러 매의 리프를 부착시킬 경우 일정한 간격으로 접착시키기에도 쉽지 않다.

한편, 미국특허 제4,235,723호에는 지류 타입(tributary type)의 모듈 제조공정이 상세히 개시되어 있다. 이 경우에는 도 2와 같이 유동 가이드 멤버(FGM : flow guide member)를 집수관 파이프에 접근되도록 여분의 투과수측 유로를 추가하여 물길을 넓혀 줌으로써 투과수의 유동성을 좋게 해주는 역할을 하고 있다. 분리막 모듈을 제조하는데 필요한 각각의 리프는 미리 투과수측 유로를 분리막 모듈을 만드는데 필요한 리프 수만큼 커팅된 상태로 도 3에 도시된 바와 같이 연속적으로 연결한 후 분리막 모듈 제조작업을 시작하게 된다. 투과수측 유로재끼리의 접착은 접착제를 사용하거나 바느질을 하여 연속적으로 이음으로써 수행된다. 도 2의 투과수측 유로인 PC1과 PC2 사이에 '분리막 + 공급수측 유로 + 분리막'을 삽입하고, 연속적으로 PC2와 PC3 사이에 '또 다른 분리막 + 공급수측 유로 + 분리막'을 삽입하며, 동일한 방법으로 삽입하여 최종적으로는 PC7 위에 '또 다른 분리막 + 공급수측 유로 + 분리막'을 삽입한다. 이와 같이 구성된 재질은 순서대로 나열하면 '분리막 - 투과수측 유로 - 분리막 - 공급수측 유로'의 순서대로 연속적으로 반복된다. 투과수측 유로의 네군데 가장자리중 집수관 파이프에 평행하게 근접하여 위치하는 가장자리를 제외한 나머지 세군데 가장자리 즉, 집수관 파이프와 수직인 가장자리 두군데와 평행하게 위치하는 끝부분의 가장자리 부분은 접착제로 실링된다. 집수관 파이프를 구동하여 와인딩한 후 제조된 모듈의 접착제를 에이징시킨 후 양쪽 끝을 잘라내어 완성된 모듈을 얻는다.

이와 같은 방법을 좀 더 덧붙여서 설명하면 도 2에서 ℓ1의 길이는 각각의 리프에서 집수되는 투과수 또는 정수가 원활하게 집수관 파이프의 구멍을 지날 수 있도록 공간을 넓혀주는 역할을 하며, 이를 극대화시키기 위하여 각각의 리프를 구성하는 PC1∼PC7 이외에 추가로 파이프에 인접하도록 투과수측 유로 재질을 추가한다. ℓ2는 가급적 집수관 파이프의 바깥쪽의 원주와 동일한 길이가 되도록 하여 일정한 간격으로 투과수측 유로가 위치되도록 한다. 이와 같은 방법으로 투과수측 유로재를 연결하여 부착시키는 경우 첫 번째 투과수측 유로(PC1)에서 마지막째 투과수측 유로(PC7)까지의 거리인 ℓ2의 길이를 정확하게 맞추기가 힘들며, 또한 각각의 투과수측 유로간의 간격을 일정하게 유지시키는데 어렵다. 또한 투과수측 유로끼리 한 쪽 끝을 접착하는 방법으로 접착제나 테이프를 사용하는 것은 투과수측 유로의 물흐름을 방해할 우려가 있고, 공정이 적용하기 복잡한 단점이 있다.

이와 같은 방식의 모듈 제조방식은 모듈 제조후 외경의 편차가 심한 단점을 가진다. 이는 추가로 투입시킨 유동 가이드 멤버(FGM)의 영향, 일정하지 못한 투과수측 유로의 간격 및 이로 인한 삽입되는 '막 + 공급수측 유로 + 막'의 삽입간격의 불균일, 이 이외에도 투입되는 모든 리프를 집수관 파이프에 일정한 간격으로 최대한 근접시키지 못한데서 발생하는 것이 대부분이다. 일반적으로 알려진 방법으로 모듈을 제조할 경우 모듈 직경의 편차가 적게는 2.0%에서 많은 경우에는 5.0% 이상이 되는 경우도 발생할 수 있다. 이와 같이 모듈 직경의 편차가 클 경우에는 모듈을 하우징 또는 용기에 삽입시키기가 곤란하며, 또한 공급되는 원수의 물흐름성이 고르게 되지 않을 위험성이 있다. 상기에 언급한 미국특허 제5,538,642호는 이러한 단점을 보완하기 위한 방법으로 집수관 파이프에 투과수측 유로를 직접 일정한 간격으로 접착시킨 후 기타 필요한 재료들을 삽입하여 와인딩하는 것을 개시하고 있는데, 원형으로 생긴 플라스틱 재질의 집수관에 투과수측 유로재를 일정한 간격으로 많은 수량 접착시키는 경우 일정한 간격으로 접착시키기가 공정상 매우 어려우며, 또한 정확히 일정한 간격으로 붙었는지 확인하기도 어려운 단점이 있다.

본 발명은 선행 특허들의 상기한 기술상의 단점들을 개선시키고자 한 것으로서, 투과수측 유로 재료들을 접착시키는 공정을 단순화함으로써 생산상을 향상시킬 수 있고, 공급되는 원수의 물흐름성도 고르게 되어 효과적인 정수 및 풍부한 유량 제공이 가능한 나권형 분리막 모듈 제조방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 나권형 분리막 모듈 제조방법은, 기준 투과수측 유로재에 적어도 2개 이상의 다른 투과수측 유로재들을 초음파 융착에 의하여 차례로 균등한 간격으로 나란하게 접착시킴으로써 투과수측 유로틀을 만드는 제1단계; 분리막을 커팅하여 분리막의 표면이 안쪽으로 향하게 하여 서로 마주보는 방향으로 길이방향의 가운데를 접고 접힌 분리막 사이로 커팅된 공급수측 유로재를 삽입하여 와인딩 또는 롤링공정을 수행함으로써 '분리막 + 공급수측 유로재 + 분리막' 어셈블리를 준비하는 제2단계; 및 제1단계에서 제조된 투과수측 유로틀에서 기준 투과수측 유로재를 집수관 파이프에 초음파 융착에 의하여 고정하고 기준 투과수측 유로재의 반대쪽 끝을 잡아 당긴 후, 투과수측 유로재 네 가장자리중 집수관 파이프에 평행하게 근접된 가장자리를 제외한 3부분의 가장자리에 접착제를 도포하면서 동시에 투과수측 유로재 사이에 준비된 '분리막 + 공급수측 유로재 + 분리막' 어셈블리를 삽입하면서 집수관 파이프를 회전시켜 와인딩하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 나권형 분리막 모듈 제조방법에 따르면, 기준 투과수측 유로재(PC7)에 또 다른 투과수측 유로재들을 일정한 간격으로 차례로 부착시킴으로써 간격을 유지시키기가 용이하고, 따라서 분리막 모듈의 직경 편차를 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 리프수 7개를 기준으로 예를 들어 본 발명에 따름 모듈을 제조하는 방법을 설명한 도면으로서, 이보다 리프수가 적거나 많을 경우에도 원리는 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명은 생략한다.

참조부호 PC7은 기준 투과수측 유로재로서, 이 기준 투과수측 유로재(PC7)에 또 다른 투과수측 유로재들(PC1～PC6)을 초음파로 차례로 접착시킴으로써 투과수측 유로틀을 만든다. 이와 같이 투과수측 유로재(PC1)와 투과수측 유로재(PC2)를 접착시키고, 다시 투과수측 유로재(PC2)와 투과수측 유로재(PC3)를 접착시키는 방법으로 나머지 투과수측 유로재들도 차례로 접착시키는 방법은 기준되는 투과수측 유로재(PC7)에 일정한 간격으로 투과수측 유로재(PC1～PC6)가 차례로 접착되기 때문에 도 2의 방법과는 달리 간격의 일정하고 작업도 편리하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라 투과수측 유로재를 일정한 간격으로 연속적으로 커팅하여 접착시키는 공정을 자동화할 수 있어 접착공정을 단순화시킬 수 있다.

일반적으로 분리막 모듈은 직경이 2.5인치, 4인치 및 8인치이고, 길이는 14인치, 21인치 및 40인치의 크기의 제품이 주로 사용된다. 지름이 2.5인치인 제품을 제조하는 경우 약 1∼2개의 리프가 사용되고, 지름이 4인치인 제품을 제조할 경우 약 3∼5개의 리프가 사용되며, 지름이 8인치인 제품을 제조할 경우 액 12∼35개의 리프가 사용된다. 동일한 지름을 가지는 분리막 모듈을 제조할 때 리프수가 가지는 의미는 매우 중요하다. 리프수가 12개로 적은 경우 리프의 길이가 커야 하며, 리프수가 30개로 많을 경우 리프의 길이가 짧아야 한다. 유효막 면적(투입된 분리막중 분리기능을 가지는 막의 면적, 즉 접착제 라인의 안쪽에 위치한 분리막의 면적)의 측면에서 보면 리프수가 많도록 분리막 모듈을 제조하는 것이 접착라인의 비율이 적어 유효막 면적이 높다. 즉, 동일한 직경을 만들 때는 리프수가 적은 것이 유효막 면적을 넓힐 수 있다. 그러나, 리프수가 적게 설계되어 제조된 모듈이 유효막 면적이 넓음에도 불구하고 넓은 유효막 면적만큼의 생산수량을 얻지 못하는 경우가 있다. 그 이유로는 투과수측 생산수 유로에서 생기는 압력손실 때문이다. 리프의 길이가 길 경우에는 생산된 물이 지나가는 양이 많아진다. 즉, 한 개의 리프당 생산되는 물이 많다. 이 경우 투과수측 유로에 압력손실이 생겨 유효압력이 감소될 가능성이 있다. 리프수가 많은 경우에는 모듈 1개를 제조하는데 필요한 시간이 많이 걸린다. 공정도 좀 더 복잡하고 이에 따라 불량률도 증가할 수밖에 없다. 그러므로 적합한 리프수를 고려하여야 하며, 이러한 이유로 예컨대 8인치 직경의 모듈의 경우 일반적으로 15∼30개의 리프수로 제조하게 된다. 본 발명에 있어서는 미리 준비된 투과수측 유로를 사용할 경우 리프의 증가시에도 와인딩 공정을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.

투과수측 유로끼리의 접착시에는 실로 꿰매는 방법과 접착제로 접착하는 방법, 그리고 양면접착테이프 등을 사용할 수 있지만 이러한 방법들은 공정이 복잡하고, 불필요한 화학물질 등을 사용해야만 하기 때문에 본 발명에서는 초음파융착에 의하여 접착방법이 채용되었다. 초음파 융착 이외에 열융착 방법을 사용할 수 있으나 이 경우에는 투과수측 유로가 부분적으로 차단되는 악효과를 나타낼 수 있으므로 바람직하지 못하다.

초음파 융착기는 초음파 발진부, 초음파 진동부, 그리고 제품에 초음파를 전파하여 제품을 융착시키는 초음파 공구혼을 가진다. 본 발명에 있어서 적합한 초음파 공구혼의 모양은 융착되는 폭이 0.5∼8.0mm, 길이가 3mm∼150mm인 것이 바람직하다. 증폭범위로는 20∼45㎛가 바람직하며, 주기는 15∼45㎑(바람직하게는 15∼20㎑)가 좋다. 초음파 융착에 의하여 투과수측 유로재끼리 접착하기 위해서는 소정의 압력이 필요하며, 0.1∼0.5kgf/㎠의 압력 범위에서 0.1∼3초간 접촉시켜 투과수측 유로재들을 차례로 접착시킨다.

융착은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 투과수측 유로틀 중 맨 아래쪽 투과수측 유로재(PC1) 위에 투과수측 유로재(PC2)를 접착시키고(접착부위 aa1), 투과수측 유로재(PC2) 위에 투과수측 유로재(PC3)를 접착시키는 방식으로 동일하게 나머지 투과수측 유로재(PC4～PC7)을 차례로 접착하는 방법과는 달리, 본 발명에 있어서는 도 1에서와 같이 다른 투과수측 유로재보다 긴 하나의 투과수측 유로재, 즉 기준 투과수측 유로재(PC7) 위에 일정한 간격으로 나머지 투과수측 유로재(PC2～PC7)를 붙이는 방법으로 초음파에 의하여 수행된다. 접착부위는 a1～a6로 나타낸다.

투과수측 유로재들을 접착하여 투과수측 유로재틀을 제조하는 경우에는 길이(ℓ2)가 집수관 파이프의 외경원주와 동일하게 되도록 하여 정해진 수량의 리프를 동일한 방법으로 배치하여 접착시켜야 한다. 만일 길이(ℓ2)가 집수관 파이프의 원주보다 큰 경우 더 긴 부분에 부착된 투과수측 유로재는 본래 목적대로의 역할을 할 수 없게 된다. 길이(ℓ1)는 투과된 생산수가 집수관을 쉽게 통과될 수 있도록 파이프 원주의 길이보다 큰 것이 바람직하다. 보통 파이프 원주길이의 1～10배 길게 하여 투과수측 유로재틀을 만드는 것이 좋다.

투과수측 유로재틀은 2개 이상의 투과수측 유로재를 원하는 방법으로 미리 접착시켜 제조된 투과수측 유로재의 접착된 다발을 지칭한다.

다음에, 이와 같이 준비된 투과수측 유로재틀을 이용하여 롤링하는 공정을 설명한다.

먼저, 투과수측 유로재틀의 기준 투과수측 유로는 도 1에 도시된 바와 같이 파이프(P)에 고정시킨다. 파이프(P)에 고정시키는 방법으로는 접착제를 이용하는 방법, 양면접착테이프를 이용하는 방법, 그리고 초음파 융착을 이용하는 방법이 채용될 수 있으나, 불필요한 화학물질의 사용과 유출을 방지하고자 하는 의미에서 초음파 융착방법이 가장 바람직하다.

분리막은 일정한 길이로 커팅하여 분리막의 표면쪽이 안쪽으로 향하게 하여 서로 마주보는 방향으로 길이방향의 가운데를 접는다. 접힘부분은 대개 400psig 이상의 고압에서는 원수가 누설되는 현상이 발생하므로 이 누설을 막아준다(blocking). 이와 같이 누설을 막는 방법으로는 폴리머를 코팅하는 방법, 열로 접힘부분을 실링하는 방법, 테이프로 붙이는 방법 등이 사용될 수 있다. 이와 같이 분리막을 접은 다음 접힌 분리막 사이로 커팅된 공급수측 유로재를 삽입하여 와인딩 또는 롤링공정을 수행한다.

와인딩 또는 롤링공정은, 투과수측 유로재틀을 상기한 바와 같이 집수관 파이프(P)에 고정시킨 후 기준 투과수측 유로재(PC7)를 파이프(P)와 반대 방향에 위치한 끝 부분을 잡아 당긴 후, 투과수측 유로재 네 가장자리중 집수관파이프에 평행하게 근접된 가장자리를 제외한 3부분의 가장자리에 접착제를 도포하면서 동시에 투과수측 유로재 사이에 준비된 '분리막 + 공급수측 유로재 + 분리막' 어셈블리를 삽입하면서 집수관 파이프를 천천히 회전시켜 와인딩함으로써 수행된다.

다음의 실시예들 및 비교예에서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하는 것이지만, 본 발명의 범주를 한정하는 것이 아니다. 본 발명에 있어서 사용되는 분리막은 미국특허 제4,344,277호에 개시된 방법으로 제조한 것이다. 이 분리막에 대하여 소금이 2,000ppm 함유된 물을 온도 25℃, 압력 225psi, 회수율 15%의 조건에서 성능시험을 하였다. 다음의 실시예들 및 비교예에서 나타내는 분리막 또는 분리막 모듈의 물성을 나타내는 염배제율은 (1-Cp/Cf)×100으로 계산된다. 그리고, 수생산량을 나타내는 수투과도(water flux)는 GPD(gallon per day)의 단위로 나타내었다.

<실시예 1>

투과수측 유로재를 하기와 같이 커팅한 후 초음파를 이용하여 도 1과 같은 모양으로 접착시켰다. 초음파 공구혼의 크기는 두께 4mm, 폭 40mm로 하였고, 투과수측 유로의 폭(40인치)방향으로 동일한 간격으로 네군데 융착하였다. 길이(ℓ1)는 258mm, 길이(ℓ2)는 128.7mm로 하였고, 접착시킨 투과수측 유로의 간격은 5.3mm로 하여 투과수측 유로틀을 제조하였다. 커팅된 분리막을 분리막의 표면이 안쪽으로 향하게 하여 길이방향을 기준으로 정가운데를 접었다. 접힘부에서 원수가 새는 것을 방지하기 위하여 0.1mm 두께, 50mm 폭의 폴리프로필렌 테이프로 접착시킨 후 재단된 공급수측 유로를 접어 준비한 분리막 사이로 삽입하여 '분리막 + 공급수측 유로 + 분리막'을 준비하였다. 투과수측 유로틀의 길이(ℓ1) 방향의 한 쪽 끝을 집수관 파이프에 초음파를 이용하여 융착 고정하였다. 투과수측 유로 사이로 준비된 '분리막 + 공급수측 유로 + 분리막'을 차례로 삽입하면서 접착제를 파이프에 수평으로 근접된 가장자리를 제외한 3부분의 투과수측 유로 가장자리에 발라주었다. 이와 같은 방법을 반복하여 25개의 리프의 작업을 완성한 후 완전히 와인딩하였다. 와인딩이 끝난 후 폭 50mm의 PVC재질의 테이프로 감아서 나권형으로 감긴 모듈의 원형을 유지시켰다.

사용재료 및 재단길이

집수관 파이프 : 지름 41.0㎜, 길이 40인치

접착제 ; 폴리우레탄

공급수측 유로 : 두께 0.7㎜, 인치당 가닥수 11

투과수측 유로 : 두께 0.3㎜, 인치당 웨일즈(wales) 수 : 45

리프 수 : 25리프

분리막 재단(커팅)길이 : 2×816mm(폭 40인치)

공급수측 유로재 재단(커팅)길이 : 816mm(폭 40인치)

투과수측 유로재 재단(커팅)길이 : 816mm(폭 40인치)

길이(ℓ1) : 2×3.14×41×2mm

상기한 바와 같이 제조된 분리막 모듈은 성능이 염배제율 99.6% 및 수생산량 12,000GPD의 성능을 나타내었다. 또한 모듈 직경의 편차가 평균 수치의 1.5% 이내에 들어 아주 적은 외경 편차를 나타내었다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 재질로 분리막 모듈을 제조하되, 분리막의 재단길이는 2×1200mm, 투과수측 유로와 공급수측 유로의 재단길이를 1200mm로 하며, 리프수를 17개로 하고 투과수측 유로재의 초음파 융착간격을 8mm로 하여, 분리막 모듈을 제조하였다.

상기한 바와 같이 제조된 분리막 모듈은 성능이 염배제율 99.6%, 수생산량 12150GPD의 성능을 나타내었다. 또한 모듈 직경의 편차가 평균수치의 1% 이내에 들어 아주 적은 외경편차를 나타내었다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 나권형 분리막 모듈 제조방법에 있어서는, 기준 투과수측 유로재(PC7)에 또 다른 투과수측 유로재들을 일정한 간격으로 차례로 부착시킴으로써 간격을 일정하게 유지시키기가 용이하고 분리막 모듈의 직경의 편차를 평균 2.0% 미만으로 줄일 수 있으므로 정수기를 제조하기 위하여 분리막 모듈을 하우징 또는 용기에 삽입하는 것이 용이함에 따라 생산성이 향상된다.

또한 공급되는 원수의 물흐름성도 고르게 되어 효과적인 정수를 행할 수 있을 뿐만 아니라 풍부한 유량을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 분리막 모듈 제조방법을 설명하기 위한 설명도이다.

도 2 및 도 3은 각각 종래 분리막 모듈 제조방법을 설명하기 위한 설명도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

P : 집수관 파이프, PC1∼PC7 : 투과수측 유로재,

Claims (5)

1. 기준 투과수측 유로재에 적어도 2개 이상의 다른 투과수측 유로재들을 초음파 융착에 의하여 차례로 균등한 간격으로 나란하게 접착시켜 투과수측 유로틀을 제조하는 제1단계;

   분리막을 커팅하여, 분리막의 표면이 안쪽으로 향하게 하여 서로 마주보는 방향으로 길이방향의 가운데를 접은 후, 접힌 분리막 사이로 공급수측 유로재를 삽입하고 와인딩 또는 롤링공정을 수행하여 '분리막+공급수측 유로재+분리막' 어셈블리를 준비하는 제2단계; 및

   제1단계에서 제조된 투과수측 유로틀에서 기준 투과수측 유로재를 집수관 파이프에 초음파 융착에 의하여 고정하고 기준 투과수측 유로재의 반대쪽 끝을 잡아당긴 후, 투과수측 유로재 네 가장자리중 집수관 파이프에 평행하게 근접된 가장자리를 제외한 3부분의 가장자리에 접착제를 도포하고, 상기 도포된 투과수측 유로재 사이에 제2단계의 '분리막 + 공급수측 유로재 + 분리막' 어셈블리를 삽입하면서 집수관 파이프를 와인딩하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 융착에 의하여 접착된 투과수측 유로재들의 간격은 2㎜∼20㎜로 균등한 간격이고, 첫 번째 접착된 투과수측 유로재와 마지막에 접착된 투과수측 유로재의 간격은 집수관 파이프의 외경 원주 길이의 -95% ∼ +105% 사이의 범위의 길이임을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 투과수측 유로재들에 대한 초음파 융착은 폭이 0.5∼8.0㎜, 길이가 3㎜∼150㎜이고, 증폭범위는 20∼㎛이며, 주기는 15∼40㎑이며, 융착시에 0.1∼50kgf/㎠ 압력범위에서 0.1∼3초간 접촉시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 분리막이 70～150㎛ 두께의 폴리에스터 부직포; 상기 부직포상에 30～60㎛의 폴리술폰이 코팅된 지지층; 및 상기 지지층 상에 0.1～0.3㎛의 폴리아미드층이 형성된 분리막인 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 투과수측 유로틀의 기준 투과수측 유로재는 집수관 파이프의 접착부 끝에서 또 다른 투과수측 유로재의 융착 지점의 끝의 길이가 집수관 외경 원주길이의 1～10배인 것을 특징으로 하는 나권형 분리막 모듈 제조방법.