KR100554056B1 - 집수 헤더 및 막 모듈 유닛 - Google Patents

Abstract

복수개의 막 모듈이 접속 가능하며, 각 막 모듈에서의 여액을 모아 취출하기 위한 관상 집수부를 가지며, 그 관상 집수부의 종탄성계수가 4.0 GPa 이하임과 동시에, 그 관상 집수부의 적어도 일부가 4.0 GPa ~ 250 GPa의 종탄성계수를 갖는 보강 부재로 덮여 이루어진 집수 헤더. 그 집수 헤더의 관상 집수부는 합성 수지로 이루어지는 것이 바람직하며, 관상 집수부의 길이 방향으로 수직인 단면적은 4~36㎠인 것이 바람직하다.

관상 집수부, 막 모듈 접속부, 여과수 취출구, 연결 부재, 보강 부재

Description

집수 헤더 및 막 모듈 유닛{CATCHMENT HEADER AND MEMBRANE MODULE UNIT}

본 발명은 막 모듈이 접속되어 여과수를 모아서 흐르게 하는 집수 헤더 및 막 모듈 유닛에 관한 것이다.

본 출원은 일본 특허출원 제2002-31414호에 기초하는 것이며, 이 내용을 본 명세서에 포함한다.

정수 처리, 하배수 처리 등의 수처리에 있어서, 정밀 여과막, 한외 여과막 등의 분리막을 설치한 막 모듈을 이용하여 피처리수를 고액 분리하는 방법이 여러가지로 검토되고 있다. 분리막을 이용하여 피처리수를 여과 처리하면 수질이 높은 처리수를 얻을 수 있다.

분리막을 이용하여 피처리수를 고액 분리할 경우, 여과 처리를 계속함에 따라 현탁 물질(SS분)에 의한 분리막의 막힘이 진행되기 때문에, 여과 유량의 저하, 또는 막간 차압(Transmembrane Pressure)의 상승이 발생한다. 이와 같은 상태로부터 회복시키기 위해, 분리막 장치의 하부에 산기(散氣) 장치를 설치하여, 여과 실시중 또는 여과를 정지중에 산기를 수행하여 세정하는 기술이 알려져 있다.

일본 특허공개 평5-261253호 공보, 일본 특허공개 평6-342호 공보, 일본 특허공개 평6-340호 공보 등에는, 구형(矩形)의 하우징에 시트 형상의 중공사막(中空 絲膜)을 수지 고정한 중공사막 모듈을 이용하여, 인접하는 막 모듈과의 간격을 일정하게 유지하고, 산기 장치로부터 버블링을 행하여, 피처리수의 흐름을 균일하게 막 모듈에 충당하여 안정된 고액 분리를 행하는 방법이 개시되어 있다.

다수개의 막 모듈을 인접하는 막 모듈과 균일한 간격으로 배치하기 위해, 막 모듈 접속용의 구멍이 형성된 관상의 집수 헤더에 다수개의 막 모듈을 액밀(液密) 접속하고, 여과액을 모아서 취출하는 방법이 알려져 있다.

집수 헤더는 수지제 파이프에 모듈 접속용의 구멍이 뚫린 수지 평판을 용착한 것, 절곡하여 ㄷ자형으로 한 금속 박판에 모듈 접속용 구멍이 뚫린 금속 후판을 용접한 것, 또는 모듈 접속용 구멍이 뚫린 두꺼운 금속판과 수지제 통수부를 조합한 것 등이 고안되어 있다.

그러나, 수지제 파이프에 모듈 접속용 구멍이 뚫린 수지 평판을 용착한 것은 모듈 접속용 평판의 가공에서는 금속에 비하여 용이하게 가공할 수 있으나, 집수부를 구성하는 수지제 파이프는 동일 형상의 금속에 비해 기계적 강도는 낮다.

이 때문에, 집수 헤더를 수지성 파이프로 작성할 경우, 버블링 세정 등에 의해 집수 헤더에 걸리는 휨 응력에 장기간 견디기 위해서는, 외경이 두꺼운 집수 헤더로 할 필요가 있고, 여과에 직접 관여하지 않는 부분이 커지기 때문에 막의 집적 효율을 높일 수 없었다.

그리고, 어떠한 장치 트러블이 원인으로 오니(汚泥)가 막면(膜面)에 부착된 경우, 트러블 해결을 위해 막 분리 장치를 들어 올릴 때, 통상 작용하는 것 보다도 큰 휨 응력이 작용하여 집수 헤더가 파손될 우려가 있기 때문에, 이를 피하기 위해 통상의 사용에 견딜수 있는 이상으로 집수 헤더를 두껍게 설계할 필요가 있어, 더욱 집적 효율의 저하로 이어졌다.

또한 절곡하여 ㄷ자형으로 한 금속 박판에 모듈 접속용의 구멍이 뚫린 두꺼운 금속판을 용접한 집수 헤더나, 모듈 접속용 구멍이 뚫린 두꺼운 금속판과 수지제 통수부를 조합한 집수 헤더가 있으나, 이와 같은 집수 헤더는 두꺼운 금속판에 연속하여 다수의 모듈 접속용 구멍을 뚫는 가공을 행할 필요가 있어, 그와 같은 가공은 매우 곤란한 작업이 된다. 또한 금속 후판과의 용접에 대해서도 길이 방향으로 연속하여 변형이 적은 용접하는 것은 어려우며, 예를 들면 길이 70cm의 집수 헤더를 용접에 의해 제작했을 경우, 용접의 열변형에 의해, 수평, 수직 방향 모두 5~6mm의 휨이 발생한다. 이 때문에, 변형된 집수 헤더에 다수의 막 모듈을 정연히 늘어놓아 배치하는 것은 곤란하였다.

또한, 용접이 불충분하게 되어 장기간 사용하는 동안에 접합 부분이 박리되어 리크(leak)가 발생할 우려가 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 경량이고, 컴팩트하고 가공성이 뛰어남과 동시에, 분리막에 의한 고액 분리 처리를 장기간에 걸쳐 안정되게 행할 수 있는 집수 헤더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 제1 요지는 복수개의 막 모듈이 접속 가능하고, 각 막 모듈로부터 여액을 모아서 취출(取出)하기 위한 관상 집수부를 가지며, 상기 관상 집수부의 종탄성계수가 4.0 GPa 이하이고, 상기 관상 집수부의 적어도 일부가 4.0 GPa ~ 250 GPa의 종탄성계수를 갖는 보강 부재로 덮여 이루어진 집수 헤더이다.

또한, 상기 관상 집수부가 합성 수지로 이루어지면, 용이하면서 저가로 성형 가공할 수 있어 바람직하다.

그리고, 상기 관상 집수부의 길이 방향에 수직인 단면적이 4~36㎠이면, 컴팩트한 크기로 충분한 양의 여액을 흐르게 할 수 있어 바람직하다.

또한, 상기 관상 집수부가 복수개의 부재가 직렬로 연결되어 이루어지면, 임의 길이의 집수 헤더가 얻어지기 때문에 바람직하다.

또한, 상기 보강 부재가 금속, 필러 강화 플라스틱, 섬유 강화 플라스틱 중의 어느 하나로 이루어지면, 강도가 높아 바람직하다.

본 발명의 제2 요지는 막 모듈이 전술한 구조의 집수 헤더에 복수개 접속되어 이루어지는 막 모듈 유닛이다.

상기 막 모듈 유닛이, 구형(矩形)의 하우징 내부에 시트 형상의 중공사막 속단부(束端部)를 수용하여 고정용 부재로 액밀 고정되어 이루진 중공사막 모듈이면, 막의 집적 효율을 높일 수 있어 바람직하다.

도 1은 본 발명의 집수 헤더의 일례를 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 집수 헤더의 일례를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명에 사용하는 중공사막 모듈의 일례를 도시한 사시도이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 집수 헤더의 일례를 도시한 사시도이다. 도 1에 있어서, 관상 집수부(1)는 막 모듈 접속 구멍(2)이 중앙에 뚫려있는 막 모듈 접속부(3)를 갖는다. 관상 집수부(1)의 내부는 중공이며, 막 모듈로부터의 여과수를 모아, 흐르게 하도록 구성되어 있다. 관상 집수부(1)의 양 끝 혹은 한쪽 끝에는 여과수 취출구(4)가 설치되어 있다.

관상 집수부(1)의 재질은 성형 가공이 용이한 점에서 수지가 바람직하다. 예로서는, 염화비닐 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리스티렌 수지, ABS 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 변성 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리아세탈 수지 등의 열가소성 수지를 들 수 있다. 관상 집수부(1)의 재질은 형상이 복잡하며, 감합부(勘合部)는 액밀성이 필요하기 때문에 강화 필러가 들어있지 않은 수지가 바람직하다.

관상 집수부(1)의 형상으로는, 도 1에 나타낸 바와 같이 길이 방향에 수직인 단면의 형상이 사각형이 되도록 할 수도 있고, 그 밖의 다각형 또는 원형, 타원형 등으로 하는 것도 가능하다.

막 모듈 접속부(3)는 평판상의 부재에 막 모듈 접속용의 구멍을 뚫은 것이라도 상관없으나, 도 1에 나타낸 바와 같이 돌기형으로 할 수도 있다. 돌기형으로 하면, 성형시의 변형이 적고 정밀도를 유지할 수 있어 바람직하다. 또한, 돌기형으로 하는 경우는 인접하는 돌기끼리를 연결 부재(5)로 연결되도록 하여 성형하면, 강도가 높아지기 때문에 바람직하다.

도 2는 본 발명의 집수 헤더의 일례를 나타낸 단면도이다. 관상 집수부(1) 는 도 2에 나타낸 바와 같이 복수개의 부재를 직렬로 연결시켜 1개의 관상 집수부를 형성할 수 있도록 하면, 임의 길이의 집수 헤더가 용이하게 얻어질 수 있어 바람직하다.

도 2의 예에서는, 관상 집수부(1)는 5개의 막 모듈이 접속 가능한 크기를 하나의 블록으로 성형한 것으로, 각 블록은 그 한 끝에 배치된 돌기가 인접하는 블록의 내부에 밀봉재(7)를 통하여 액밀 끼움 결합하도록 구성되어 있다. 그리고, 양끝은 플렌지부가 고정되어 있다. 플렌지부에는 양끝 또는 한쪽 끝에 여과수 취출구(4)가 배치된다.

하나의 블록에 접속 가능한 막 모듈의 수가 너무 많으면, 길이가 너무 길어진다. 한편, 접속 가능한 막 모듈의 수가 너무 적으면, 블록의 수가 너무 많아져 비경제적이다. 따라서 하나의 블록에 접속 가능한 막 모듈의 수는 5~20개가 바람직하며, 7 ~ 15개가 더욱 바람직하다.

또한, 각 블록끼리의 접합 방법은 특별히 한정하지 않고, 기계적인 접합 방법, 열용융에 의한 접합 방법, 접착제에 의한 접합 방법 등 중에서 조립 가공성과 사용 목적에 따라서 적절히 선택한다. 집수 헤더의 조립, 분해의 간편성과 리사이클을 고려하면, 기계적인 접합 방법이 바람직하다.

기계적인 접합 방법의 예로서는, 나사 체결, 핀과 고정 고리에 의한 체결, 스냅 핏, 프레스 핏, 코킹(caulking) 등을 들 수 있다. 나사 체결에서는 수지의 크리프에 의한 접합의 느슨함과 과조임에 의한 크리프 파괴를 고려해야만 한다. 스냅 핏은 조립은 용이하지만, 액밀로 하기 위해서는 고리의 탄성력이 상시 가해질 필요가 있어, 고리 밑단에 발생하는 응력을 고려하여 설계해야만 한다. 따라서 이들 기계적 접합 방법 중에서는, 성형품끼리의 접합 부분에 상시적인 잔류 응력을 발생시키지 않는 핀과 고정고리에 의한 접합 방법이 특히 바람직하다.

밀봉재(7)는 O-링, 평 패킹, V-링 등을 적용할 수 있지만, 밀봉 성능의 신뢰성이 높은 O-링이 바람직하다. 밀봉재(7)의 재질은 니트릴 고무, 스티롤 고무, 실리콘 고무, 불소 고무 등 중에서 사용 목적에 따라 적절히 선택한다.

관상 집수부(1)의 길이 방향에 수직인 단면적은, 너무 가늘면 압력 손실이 커져 여과량을 많게 하는 것이 곤란하게 되고, 한편 너무 두꺼우면 막의 집적 효율이 저하하기 때문에, 4~36㎠로 하는 것이 바람직하고, 9~25㎠로 하는 것이 보다 바람직하다.

관상 집수부(1)의 주위에는 보강 부재(6)를 배치한다. 보강 부재(6)는 필요한 강도가 얻어진다면 형상은 반드시 한정되지 않으나, 관상 집수부(1)의 외경 형상에 따라 관상 집수부(1)를 둘러싸도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한 보강 부재(6)는 관상 집수부(1)의 전체를 둘러싸도 되지만, 막 모듈 접속부(3)를 제외한 부분을 둘러싸도록 배치하면, 형상을 단순하게 할 수 있어 바람직하다.

또한, 보강 부재(6)는 필요한 강도를 유지하고 있는 한, 그물 형상이나 격자 형상이라도 상관없다.

보강 부재(6)는 집수 헤더에 발생하는 휨 응력, 회전 모멘트에 저항하여 집수 헤더의 변형을 막는 것으로, 그 강도는 보강 부재(6)의 길이 방향에 수직인 인장 또는 압축 응력을 가했을 때, 응력과 그 방향의 변형 길이와의 비로 표시되는 종탄성계수로서 4.0 ~ 250 GPa이다.

집수 헤더의 사용시에 가해진다고 상정되는 휨 응력은 60 ~ 100 MPa 정도이다. 따라서, 보강 부재(6)의 종탄성계수가 4.0 GPa보다 작으면, 장기간의 사용에는 강도가 불충분하다. 한편, 종탄성계수가 250 GPa보다 큰 재료는 강도가 너무 높아 부서지기 쉽기 때문에, 가공이 현저히 곤란하여 바람직하지 않다.

관상 집수부(1)의 주위에 보강 부재(6)를 배치함으로써, 관상 집수부(1)는 종탄성계수로서 4.0 GPa 이하인 것을 사용할 수 있고, 이에 따라 집수 헤더의 강도를 유지하면서 컴팩트화 할 수 있음과 동시에 용이하게 가공할 수 있다.

또한, 종탄성계수는 재질에 따라 JIS K7113(플라스틱 인장 시험 방법), JIS Z2241(금속 재료 인장 시험 방법), JIS K7054(유리섬유 강화 플라스틱 인장 시험 방법), JIS K7073(탄소섬유 강화 플라스틱 인장 시험 방법) 등의 시험 방법에 따라 구한다.

보강 부재(6)의 재질은 내식성, 강도, 가공성이 뛰어난 것이 바람직하며, 금속, 필러 강화 플라스틱, 섬유 강화 플라스틱 중의 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다. 금속의 예로서는, 스테인레스, 티탄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등을 들수 있으며, 또한 필러 강화 플라스틱 또는 섬유 강화 플라스틱의 예로서는 ABS 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리아세탈 수지, 변성 폴리페닐렌에테르 수지 등 중에, 필러 또는 유리 섬유, 탄소 섬유 등을 함유시킨 것을 들수 있으며, 이들 중에서 상기 종탄성계수의 범위에 있는 것을 적절히 선택할 수 있다.

막 모듈 유닛을 작성하는 데 있어서, 접속하는 막 모듈은 특별히 한정되지 않지만, 평판상의 막 모듈을 사용하면, 세정성이 양호하여 폐색되기 어렵고, 장기간 안정된 여과가 가능하기 때문에 바람직하다. 그 중에서도, 도 3에 나타낸 바와 같은, 중공사막(9)을 평형으로 전개하고, 그 단부를 고정 부재(10)를 이용하여 하우징(11)에 고정한 중공사막 모듈(12)을 이용하면, 양호한 세정성을 유지하면서 집적 효율을 높일 수 있어 더욱 바람직하다.

중공사막의 재질로서는 셀룰로오스계, 폴리올레핀계, 폴리술폰계, 폴리비닐알코올계, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리불화비닐리덴, 폴리4불화에틸렌 등 종래 공지의 것을 적용할 수 있지만, 가공성, 산기시의 흔들림 대응성 등의 관점에서 신축성이 큰 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 소재가 바람직하게 이용된다.

막 모듈을 집수 헤더에 접속하는 방법은 액밀 접속 가능하면 특별히 한정되지 않지만, 막 모듈의 여과수 취출구에 O-링을 배치하고, 집수 헤더에 형성된 구멍에 여과수 취출구를 끼워 넣음으로써 고정하면, 간편한 구조이면서도 액밀 고정이 가능하며, 또한 막 모듈의 착탈이 가능해지기 때문에 바람직하다.

집수 헤더는 막 모듈의 형상이나 여과수 취출구의 수 등에 따라 임의의 수로 하는 것이 가능하나, 각각의 막 모듈로부터 집수 헤더로의 여액의 흐름이 가능할 수 있을 만큼 균등하게 흐르록 설치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 중공사막 모듈과 같이, 중공사막의 양 끝에 여과수 취출구(8)가 있는 경우에는, 하나의 막 모듈 유닛당 2개의 집수 헤더를 설치하면 된다. 또한, 도 3에서는 중공사막 양단부의 집수관의 한쪽 단부에 여과수 취출구(8)가 있지만, 집수관의 양단부에 여과수 취출구(8)를 설치하여도 상관없다. 그 경우, 하나의 막 모듈 유닛당 4개의 집수 헤더를 설치하면 된다.

또한, 막 모듈을 지그재그 상태로 배치할 수도 있다. 이 경우, 하나의 집수 헤더에 막 모듈 접속용의 구멍을 지그재그 상태로 뚫은 것을 사용하는 것도 가능하고, 2개의 집수 헤더를 어긋나게 늘어놓는 것도 가능하다.

한편, 평평한 형태로 전개된 시트 형상의 중공사막 모듈을 사용하여 막 모듈 유닛으로 하는 경우, 시트면이 연직 방향을 향하도록 배치하는 것이 세정 효율의 면에서 바람직하다. 이 때, 중공사막의 섬유축 방향은 수평 방향 혹은 연직 방향을 향하도록 배치한다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명한다.

＜제1 실시예＞

ABS 수지(상품명: 다이아펫트ABS, SW3, 미쯔비시레이온(주) 제품)를 사출 성형하여, 도 2에 나타낸 구조의, 길이 방향에 수직인 단면의 형상이 거의 정사각인 관상 집수부를 제작하였다.

1블록당 접속하는 막 모듈의 수는 10으로 하고, 블록 4개를 NBR 고무제의 O-링으로 이루어진 밀봉재를 끼워 감합하여, 인접하는 플렌지끼리 4mm의 나사로 각각 고정하였다.

플렌지부의 형상은 한변 4cm의 거의 정사각형이고 두께 4mm이었다. 관상 집수부의 양 끝에는 여과수 유출구를 NBR 고무제 O-링으로 이루어진 밀봉재를 끼워 감합하여, 4mm의 나사로 각각 고정하였다.

이 관상 집수부의 전장에 걸쳐, 막 모듈 접합부를 제외한 부분을 둘러싸고, 종탄성계수 200GPa, 두께 1.5mm의 스테인레스판을 보강 부재로서 절곡하여, 높이 4.5cm, 폭 4.5cm, 길이 84cm로 하였다.

본 실시예에서 제작한 집수 헤더의, 길이 방향 중심선에 대한 수평, 수직 방향의 변형은 수평, 수직 방향 모두 1.5mm 이하였다.

또한, 집수 헤더에 9.8×10^-2N/m의 등분포 하중이 작용한 경우의 최대 휨 모멘트는 0.9N·m이며, 최대 휨 응력은 약 87MPa로서, 파괴에 이르는 응력의 1/5 이하로 충분한 강도를 갖고 있기 때문에 사용 도중에는 파손되지 않는다.

본 발명의 집수 헤더에 따르면, 관상 집수부의 적어도 일부를 4.0 GPa ~ 250 GPa의 종탄성계수를 갖는 보강 부재로 둘러싸고 있기 때문에, 경량이고, 컴팩트하며, 가공성이 뛰어나고, 치수 정밀도가 높으며, 충분한 강도를 갖기 때문에, 분리막에 의한 고액 분리 처리를 장기간에 걸쳐 안정되게 행할 수 있다.

Claims (9)

1. 복수개의 막 모듈이 접속 가능하며, 각 막 모듈로부터의 여액을 모아 취출하기 위한 관상 집수부를 갖고, 상기 관상 집수부의 종탄성계수가 4.0GPa 이하임과 동시에, 상기 관상 집수부의 적어도 일부가 4.0 GPa ~ 250 GPa의 종탄성계수를 갖는 보강 부재로 덮여 이루어진 집수 헤더.
2. 제1항에 있어서, 상기 관상 집수부가 합성 수지로 이루어진 집수 헤더.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관상 집수부의 길이 방향에 수직인 단면적이 4~36㎠인 집수 헤더.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관상 집수부는 복수개의 부재로서 직렬로 연결되어 이루어진 집수 헤더.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보강 부재가 금속, 필러 강화 플라스틱, 섬유 강화 플라스틱 중의 어느 하나로 이루어진 집수 헤더.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 돌기형의 막 모듈 접속부를 갖는 집수 헤더.
7. 제6항에 있어서, 인접하는 돌기형의 막 모듈 접속부가 서로 연결 부재로 연결되어 있는 집수 헤더.
8. 막 모듈이 제1항 또는 제2항에 기재된 집수 헤더에 복수개 접속 되어 이루어지는 막 모듈 유닛.
9. 제8항에 있어서, 상기 막 모듈이 구형(矩形)의 하우징 내부에 시트 형상의 중공사막 속단부(束端部)를 수용하여 고정용 부재로 액밀 고정되어 이루어지는 중공사막 모듈인 막 모듈 유닛.

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