KR100624154B1 - 침지형 중공사막 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 침지형 중공사막 모듈에 관한 것으로서, [ⅰ] 중공사막(1)을 통해 여과된 여과수가 집수되는 여과수 집수부(6)와 여과수 출구(4)를 갖는 두 개의 모듈헤더(2), [ⅱ] 양말단부가 상기 모듈헤더(2) 상하단부에 수직방향으로 연결되어 고정되어 있는 지지대(3) 및 [ⅲ] 양말단부가 상기 모듈헤더(2) 내부에 집수공간이 형성되도록 모듈헤더 내부에 접착제(5)로 고정되고, 중공사막의 중공부 말단(8)이 여과수 배출면(7)과 평행하도록 위치하면서 열려있도록 고정된 다수의 중공사막(1) 다발을 포함하며, 상기 중공사막(1) 다발 각각의 두께(T)가 1~30㎜이며, 상기 중공사막(1) 다발들이 1~5㎝의 다발 간격(W)으로 모듈헤더(2)의 길이방향을 따라 규칙적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 중공사막(1) 다발들이 1~5㎝의 간격(W)으로 모듈헤더(2)의 길이방향을 따라 규칙적으로 배열되어 있어서 산기 작용시 공기방울이 중공사막들 사이로 원활하게 유통될 수 있다.

그로 인해, 본 발명은 산기장치를 모듈 외부에 설치할 수 있어서 모듈의 구조가 단순해지고, 제조원가도 절감할 수 있다.

모듈, 중공사막, 침지형, 다발, 규칙배열, 외부 산기관, 구조.

Description

침지형 중공사막 모듈 {Submerged hollow fiber membrane module}

도 1은 본 발명에 따른 침지형 중공사막 모듈의 사시 개략도.

도 2는 도 1의 모듈헤더(2)를 중공사막의 길이방향과 수직으로 절개한 상태를 나타내는 단면도.

도 3은 도 1의 모듈헤더(2)를 중공사막의 길이 방향과 수평으로 절개한 상태를 나타내는 단면도.

도 4는 외부 산기관(12)을 사용한 본 발명에 따른 침지형 중공사막 모듈의 산기작용을 나타내는 개략도.

도 5는 본 발명에 따른 모듈을 수직배치 시 산기작용을 나타내는 개략도.

도 6은 도 5중 가지산기관(9)의 확대 개략도.

* 도면 중 주요 부분에 대한 부호 설명

1 : 중공사막 2 : 모듈헤더

3 : 지지대 4 : 여과수 출구

5 : 접착제 6 : 여과수 집수부

7 : 여과수 배출면 8 : 중공사막의 중공부 말단

9 : 가지 산기관 10 : 산기구멍

11 : 공기주입구 12 : 외부 산기관

본 발명은 폐수, 오수, 정수처리등의 수처리 분야에 적합한 침지형 중공사막 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 중공사막(1) 다발들이 모듈헤더(2)의 길이 방향을 따라 일정간격으로 규칙되게 배열되어 있어서 산기 작용시 공기방울이 중공사막들 사이로 원활하게 유통되어 산기 장치를 외부로 설치 가능하며, 이로 인해 모듈의 구조가 간단하고 제조원가도 저렴한 침지형 중공사막 모듈(이하 "모듈"이라고 약칭한다)에 관한 것이다.

고분자 분리막은 최근 들어 그 기술의 진보와 함께 기존 응용분야 이외에 다양한 분야로의 확대가 이루어지고 있으며, 특히 환경의 중요성이 높아짐에 따라 수처리 분야에서 그 수요가 증가되고 있다. 중공사 형태의 막은 설치면적당 처리량이 높아 수처리에 유리한 점을 가진 반면 막 구조상의 특징으로 인해 기계적 강도가 낮아 원통형 케이스에 의해 막이 보호되는 형태의 모듈이 일반적이다. 이러한 형태의 모듈은 폐수 처리의 경우 공지된 바와 같이 막표면에 퇴적되는 오염물의 원활한 제거가 불가능하여, 파울링에 의한 투과 성능 저하가 발생되는 문제가 있다.

한편 이를 극복하기 위해 케이스가 없는 침지형 모듈이 고안되었으나, 막의 강도가 충분히 높지 않을 경우 막 손상에 의한 시스템 신뢰도 저하가 큰 문제로 제기될 수 있으며, 이 경우도 공기에 의한 산기 작용이 효율적으로 이루어지지 않을 경우 여전히 파울링 문제가 발생되어 운전압 상승 및 플럭스 저하의 문제가 발생될 수 있다.

침지형 모듈의 투과 성능 손실을 최소화 하기 위해서는 산기 작용을 통해 막에 퇴적되는 오염물을 제거해야 하는데 이때 가혹한 산기 조건이 필요하게 되므로 중공사 막의 손상의 우려가 있다.

대한민국 등록 특허 제022807호, 대한민국 공개특허 2002-0017362호 및 미국 특허 5262050호에서는 막오염을 방지하고 하부에서 상승되는 공기방울의 흐름을 방해하지 않기 위해 중공사 막을 U자형으로 접어 고정한 모듈을 제시하였다. 그러나 이러한 경우 모듈의 부피가 커지며 산기 작용에 의해 U자로 접힌 부분이 움직이면서 마찰에 의한 막손상의 우려가 있으며 구조상 처리용량 증가를 위한 모듈간의 결합이 용이치 않다는 단점이 있다.

대한민국 등록 특허 제0236921호에 개시된 침지형 모듈의 경우 중공사막이 U자형으로 접히지 않고 I자형으로 양단이 고정된 형태로 공기 주입구와 여과수 출구가 모듈의 한쪽 부분에 연결된 특징을 하고 있다. 이러한 모듈 구조는 처리용량 증가를 위해 다수의 모듈을 결합하는데 있어 집수 파이프와 공기 주입 파이프 배치에 비효율적이며, 모듈의 한쪽 부분에 여과수 출구와 공기 주입구가 공존하므로 모듈 제조시 작업성이 떨어지는 문제가 있다.

특히, 대용량의 수처리에 사용되는 모듈의 경우 원통형 보다는 중공사막 다 발을 넓게 펼쳐 놓은 사각 형태가 여러개의 모듈을 작은 설치면적에 집속해 놓기에 유리하다. 이러한 형태의 모듈은 작은 설치 면적에서 많은 양을 처리할 수 있는 장점이 있는 반면, 중공사막 다발이 빽빽히 집속되어 있으므로 퇴적물이 쌓일 가능성이 많아 효율적인 산기 공정이 수반되어야 한다. 이러한 과정에서 막에 가해지는 직접적인 충격으로 인해 장기간 사용할 때 막의 손상에 의한 처리수 수질 저하 및 모듈 부품간의 연결부위 약화에 의한 누수가 발생될 수 있다. 또한 대규모 수처리 적용시 처리용량에 맞게 여러개의 모듈을 결합할 경우, 효율적인 배치가 불가능하여 설치면적의 최소화가 어려운 단점이 있고 결합이 용이치 않은 단점이 있다.

대한민국 특허 공개번호 제1999-0036232호에서는 직사각형 형태의 모듈로 모듈을 수직으로 배치하면서 산기 작용이 모듈 내에서 이루어지도록 고안하였다. 이 경우, 모듈 구조상 중공사막이 수직이 되도록 모듈을 배치할 경우 모듈 헤더에 의해 외부에서 발생되는 공기방울이 막에 효과적으로 도달하지 못하고 손실되므로 일반적으로 모듈 내부에 자체 산기 기능을 부여하게 된다. 이럴 경우 모듈 구조가 복잡해지므로 원가상승의 원인이 된다. 또한 상기 구조의 모듈인 경우 중공사막이 수평이 되도록 모듈을 배치할 경우 내부에 존재하는 산기 기능이 모듈 한쪽 측면에만 집중되므로 기능을 할 수 없으며, 외부에 산기 장치가 존재하더라도 모듈헤더와 모듈헤더사이를 연결하는 모듈 지지대가 공기방울의 흐름을 방해하게 되어 효율적인 산기가 이루어지지 않게 된다.

또한 공지된 기술에서는 침지형 모듈의 경우 중공사막 다발이 뭉쳐있을 때, 산기에 의한 오염물 탈리가 용이치 않음을 간과하였고 모듈의 확장성을 고려하지 않은 단점이 있다.

이상과 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 중공사막(1) 다발들의 배치의 최적화로 오염물질 퇴적을 최소화하며, 공기방울의 흐름에 방해가 되지 않도록 중공사막 다발과 지지대(3)를 구성하며, 모듈 배치를 자유롭게 할 수 있도록 별도의 산기 장치를 제공한다.

즉, 본 발명에서는 오염물질의 퇴적에 의한 유량감소나 압상승을 방지하기 위해 산기 작용시 공기방울이 중공사막 사이로 원활하게 유통될 수 있도록 중공사막 다발이 일정한 두께로 간격을 두고 모듈 헤더에 규칙적으로 고정시킴으로써 오염물질의 퇴적을 방지함과 동시에 외부의 산기장치로도 산기작용을 효과적으로 실시할 수 있도록 한다.

그로 인해 본 발명은 모듈의 구조를 단순화 시킬 수 있고, 제조원가도 절감될 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기의 방법으로 적은 설치면적에서 높은 유량을 나타내며, 모듈 구조의 단순화를 통한 원가절감과 동시에 모듈 배치를 자유롭게 할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 효율적인 산기조건에 의해 안정적인 플럭스 유지와 막손상 및 모듈 연결부위의 약화로 인한 누수가 없는 침지형 모듈을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적과 과제를 달성하기 위한 본 발명의 침지형 중공사막 모듈은 [ⅰ] 중공사막(1)을 통해 여과된 여과수가 집수되는 여과수 집수부(6)와 여과수 출구(4)를 갖는 두 개의 모듈헤더(2), [ⅱ] 양말단부가 상기 모듈헤더(2) 상하단부에 수직방향으로 연결되어 고정되어 있는 지지대(3) 및 [ⅲ] 양말단부가 상기 모듈헤더(2) 내부에 집수공간이 형성되도록 모듈헤더 내부에 접착제(5)로 고정되고, 중공사막의 중공부 말단(8)이 여과수 배출면(7)과 평행하도록 위치하면서 열려있도록 고정된 다수의 중공사막(1) 다발을 포함하며, 상기 중공사막(1) 다발 각각의 두께(T)가 1~30㎜이며, 상기 중공사막(1) 다발들이 1~5㎝의 다발 간격(W)으로 모듈헤더(2)의 길이방향을 따라 규칙적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 침지형 중공사막 모듈의 사시 개략도이고, 도 2는 도 1의 모듈헤더(2)를 중공사막의 길이 방향과 수직인 방향으로 절개한 단면도이고, 도 3은 도 1의 모듈헤더(2)를 중공사막의 길이 방향과 수평인 방향으로 절개한 단면도이며 도 4는 외부 산기관에 의한 침지형 중공사막 모듈의 산기작용을 나타내는 개략도이다.

본 발명에 의해 제공된 모듈은 분리막 기능을 갖는 중공사막(1) 다발로 이루어지며 흡인압 혹은 수두에 의한 자연압에 의해 막의 외부로 부터 투과된 여과수가 막 내부를 통해 양측 모듈 헤더(2)의 여과수 집수부(6)에 모이게 된다. 이때 모듈 헤더 내부의 여과수 배출면(7)에는 도 3와 같이 중공사막의 중공부 말단(8)이 여과 수 배출면(7)과 평행하도록 열린 채, 접착제(5)로 고정되어 있으므로 여과수가 여과수 배출면(7)과 평행한 중공사막을 통해 여과수 집수부(6)로 모이는 것이 가능하게 된다. 여과수 집수부(6)에 모인 여과수는 흡인펌프 등의 여과수 인출 장치와 연결된 모듈 헤더(2)의 여과수 출구(4)를 통해 유출된다. 이때 모듈 헤더(2)의 여과수 출구(4)는 모듈 단위체의 결합을 통한 확장성을 고려하여 상하면에 각각 하나씩 존재하는 것이 가능하며, 이러한 구조일 경우 모듈 단위체 하나로 운전하기 위해서 각각의 출구가 여과수 인출 장치와 연결되거나, 헤더 하단면의 여과수 출구는 폐쇄 연결 부재를 이용하여 폐쇄하여 상단면의 여과수 출구만 연결하여 사용하는 것이 가능하다. 중공사막(1)의 길이 즉, 모듈 헤더간(2)의 거리는 80cm에서 150cm 정도인 것이 바람직하며, 상기와 같이 두 개의 헤더(2)에서 대칭적으로 집수 기능을 수행함으로써 중공사막(1) 길이에 따른 압력 손실을 보상하게 된다.

여과 공정중에 압력에 의해 모듈 헤더(2)로 집수되는 처리수는 중공사막 외표면에 존재하는 미세공을 통해 투과되며, 모듈 상의 틈새 등을 통한 누수가 발생할 경우 여과 기능이 저하된다. 본 발명에 의해 제공된 모듈은 모듈 헤더(2)가 단일 부품으로 이루어지며, 이것이 중공사막(1)과 접착제(5)만으로 조합되어 이루어져 있으므로 모듈 제조 원가 절감이 가능하고 부품간 연결 부위 약화로 인한 누수를 예방할 수 있다.

이때 모듈헤더(2)의 형태는 원통형 혹은 사각형으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

한편 고농도의 고형 부유물질 등을 함유한 폐수처리시에는 오염물 퇴적에 의 한 유량감소나 압상승을 초래할 수 있으므로 여과 공정과 동시에 공기에 의한 산기공정을 수반하게 된다. 이때 중공사막 다발이 집속되어 있을 경우 산기 장치로부터 발생된 공기방울이 막 전체를 효율적으로 털어줄 수 없으며 단지 다발의 외부에 위치한 중공사막의 오염만 최소화할 수 있다. 즉 중공사막이 하나의 큰 다발로 구성될 경우 다발 내부에 위치한 중공사막은 공기에 의한 세정이 거의 이루어지지 않는 동시에 막간의 저항으로 인해 수류가 원활하게 흐르지 못하므로 모듈 투과성능면에서도 불리하다. 따라서 본 발명에서는 중공사막 다발을 도 2에서와 같이 두께(T) 1~30mm의 얇은 다발 여러 개로 나누어, 일정 간격을 두고 모듈헤더(2)에 고정하게 되며 공기방울은 다발 사이 사이로 흐르면서 막오염을 방지하게 된다.

상기 중공사막(1) 다발 각각은 두께(T)는 1~30mm이며, 서로 1~5㎝의 다발 간격(W)으로 모듈헤더(2)의 길이 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 있다.

중공사막 다발의 두께(T)가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 중공사막 다발이 집속되어 다발 내부에 위치하는 중공사막은 공기에 의한 세정이 이루어지지 않는 문제가 발생된다.

또한, 중공사막 다발간의 간격(W)이 상기 범위보다 좁을 경우에는 세정을 위한 공기방울이 다발사이로 원활하게 상승하며 세정하지 못하게되고, 반대로 간격(W)이 상기 범위보다 넓을 경우에는 공기 방울이 다발간의 공간을 통해 바로 통과되어 막표면의 세정효과가 감소되는 문제가 발생된다.

모듈의 치수 안정성 및 설치시 작업 용이성을 부여하기 위해, 본 발명에 의한 모듈은 모듈헤더(2)와 모듈헤더(2) 사이를 지지대(3)로 지탱하게 된다. 즉, 양 말단부가 상기 모듈헤더(2) 상하단부에 수직방향으로 연결되어 고정되어 있는 지지대(3)는 두 개 이상의 관이 1~10cm 간격을 두고 수평으로 배치되도록 구성된다. 이러한 배치로 인해 지지대 사이의 간격을 통해 모듈 하방의 외부 산기관(12)으로 부터 생성되는 공기의 상승이 가능하게 되므로 산기장치를 모듈 내부에 두지 않아도 되고 공지되어 있는 기술과 같이 모듈 하방에 외부 산기장치를 두는 것이 가능하게 된다. 따라서 모듈 내부에 자체 산기작용을 두지 않으므로 모듈 구조의 단순화가 가능하여 원가 절감효과를 기대할 수 있다.

이러한 외부 산기 장치는 기존의 공지된 기술과 같이 여러 가지 방법에 의해 제공될 수 있으며, 도 4에서 그 실시예를 보여 주고 있다.

한편 산기 작용에 의해 막 손상의 우려가 있으므로 중공사막 다발을 이루는 중공사막(1)의 인장강도가 1kg/1가닥 이상인 중공사막을 사용하며, 바람직하기로는 중공사막(1)이 편조물에 의해 보강되어 인장강도가 10kg/1가닥 이상인 복합 중공사막을 사용한다.

대규모 수처리 공정에 침지형 모듈을 적용할 경우, 작은 설치 면적에서 높은 처리 유량을 얻는 것이 유리하다. 이를 위해 본 발명에 따른 모듈은 처리용량에 따라 하나의 단위모듈이 사용될 수 있음은 물론, 두 개 이상의 단위모듈이 투영 면적의 증가 없이 조합되어 처리용량을 증가시키는 것이 가능하다.

산기작용은 하부모듈의 아래쪽에 외부 산기장치를 적용함으로써 이루어지며 공기방울이 하부 모듈을 거쳐 상부 모듈로 상승하면서 막오염을 방지할 수 있게 된다.

또한 본 발명에서는 중공사막이 도 5와 같이 수직방향이 되도록 모듈을 배치할 경우 중공사막 다발과 다발 사이에 가지 산기관(9)이 삽입될 수 있도록하여 모듈배치를 자유롭게 할 수도 있다. 도 6은 수직으로 모듈이 배치될 경우 제공될 수 있는 산기장치의 개략도로서 이때 산기관의 산기구멍(10) 직경은 2~8㎜인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 침지형 모듈은 모듈 부품의 최소화로 내구성이 우수한 동시에 모듈 제조를 위한 작업이 용이하며 외부 산기장치를 통해 효율적인 막오염 방지가 가능하도록 중공사막 다발 및 지지대가 배치되어 있으며 외부의 산기장치를 이용하여 모듈 배치를 자유롭게 할 수 있다.

Claims (7)

1. [ⅰ] 중공사막(1)을 통해 여과된 여과수가 집수되는 여과수 집수부(6)와 여과수 출구(4)를 갖는 두 개의 모듈헤더(2), [ⅱ] 양말단부가 상기 모듈헤더(2) 상하단부에 수직방향으로 연결되어 고정되어 있는 지지대(3) 및 [ⅲ] 양말단부가 상기 모듈헤더(2) 내부에 집수공간이 형성되도록 모듈헤더 내부에 접착제(5)로 고정되고, 중공사막의 중공부 말단(8)이 여과수 배출면(7)과 평행하도록 위치하면서 열려있도록 고정된 다수의 중공사막(1) 다발을 포함하는 침지형 중공사막 모듈에 있어서, 상기 중공사막(1) 다발 각각의 두께(T)가 1~30㎜이며, 상기 중공사막(1) 다발들이 1~5㎝의 다발 간격(W)으로 모듈헤더(2)의 길이방향을 따라 규칙적으로 배열되어 있고, 모듈헤더(2) 상하단부에 위치한 지지대(3)는 두 개 이상의 관이 1~10cm 간격을 두고 수평으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.
2. 삭제
3. 1항에 있어서, 중공사막 다발을 이루는 중공사막(1)의 인장강도가 1kg/1가닥 이상인 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.
4. 1항에 있어서, 중공사막 다발을 이루는 중공사막(1)이 편조물에 의해 보강되어 인장강도가 10kg/1가닥 이상인 복합 중공사막인 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.
5. 1항에 있어서, 모듈헤더(2)의 형태가 원통형 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.
6. 1항에 있어서, 중공사막 다발들 사이에 가지 산기관(10) 삽입되는 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.
7. 6항에 있어서, 산기구멍(11)의 직경이 2~8㎜인 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.

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