KR100810986B1

KR100810986B1 - 왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 시스템

Info

Publication number: KR100810986B1
Application number: KR1020070000518A
Authority: KR
Inventors: 민병렬; 김종표; 김유리; 김종학; 임세준
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2007-01-03
Filing date: 2007-01-03
Publication date: 2008-03-10

Abstract

본 발명은 왕복축동형 세정봉이 관형 분리막 내부에 위치되고, 이 왕복 축동형 세정봉이 관형 분리막으로 유입되는 공급액의 유량 변화에 의한 유입압력의 크기에 따라, 관형 분리막 내부에서 상하 왕복 운동을 하게 되는 왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈 및 상기 분리막 모듈을 구비한 장치에 관한 것으로서, 상기 관형 분리막 모듈을 이용하는 공정에서 분리막 표면에 매우 큰 난류를 형성시키거나 혹은 흐름 패턴을 변화시키거나 혹은 직접 닦아냄으로서 분리막 표면 및/혹은 근방에 형성되는 농도 분극층 또는 케이크 층 등 투과 저항층을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한 분리막을 투과하지 못하고 체류하게 되는 물질들이 상기 특징에 의해 분리막 표면으로부터 소개됨으로써 분리막의 기공 내에 흡착되거나 끼이거나 하는 방법으로 분리막의 성능을 저하시키는 과정이 감소하게 되므로 분리막의 사용 수명을 현저히 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈 및 상기 모듈을 장착한 장치를 사용하면 분리막의 세척주기 및 새로운 분리막으로의 교체 주기를 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라 투과액의 질을 감소시키지 않으면서 투과량을 극대화할 수 있다.

관형분리막, 왕복축동, 세정봉, 힘판, 농도분극, 막오염, 투과유속

Description

왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 시스템 {Tubular Membrane System Equipped with Self-Moved Reciprocal Rod}

도 1은 왕복 축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈을 장착하여 투과 성능을 실험하기 위한 분리막 시스템을 도식적으로 나타낸 도면.

도 2는 도 1의 왕복축동형 세정봉이 구비된 관형 분리막 모듈을 도식적으로 나타낸 도면.

도 3은 도 2의 관형 분리막 모듈에 삽입되어 분리막 표면 근처에서 유체의 속도 분포를 변화시켜 막오염이나 농도 분극을 감소시킬 수 있는 왕복축동형 대류촉진 세정봉들을 도식적으로 나타낸 도면

도 4는 도 2의 관형 분리막 모듈에 삽입되어 분리막 표면에 형성된 케익층을 직접 제거하기 위한 수단으로 솔 부착식 및 스펀지 부착식 왕복축동형 세정봉들을 도식적으로 나타낸 도면

도 5는 도 2의 관형 분리막 모듈에 삽입되어 분리막 표면 근처에서 유체의 흐름을 방해, 과난류가 형성되도록 유도하여 막오염이나 농도 분극을 감소시킬 수 있도록 나사식, 반구형 실린더 방해판식, 또는 나선 부착식 왕복축동형 대류촉진 세정봉들을 도식적으로 나타낸 도면

도 6은 도 3(a)의 세정봉이 장착된 왕복축동형 분리막 모듈과 일반적인 관형 분리막 모듈에 대하여 운전시간에 따른 투과유속을 비교하여 나타낸 도면

도 7은 도 3(b)의 세정봉이 장착된 왕복축동형 분리막 모듈과 일반적인 관형 분리막 모듈에 대하여 운전시간에 따른 투과유속을 비교하여 나타낸 도면

도 8은 도 5(b)의 세정봉이 장착된 왕복축동형 분리막 모듈과 일반적인 관형 분리막 모듈에 대하여 운전시간에 따른 투과유속을 비교하여 나타낸 도면

도 9는 도 3(b)의 및 5(b)의 세정봉이 장착된 왕복축동형 분리막 모듈과 일반적인 관형 분리막 모듈에 대하여 운전시간에 따른 투과유속을 비교하여 나타낸 도면

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 관형 분리막

11: 왕복 축동형 봉

12: 확산관

13: 수집관

14: 하부 몸체

15: 왕복축동형 세정봉 상부유도관

16: 왕복축동형 세정봉 하부유도관

17: 공급액 유입관

18: 분리막 우회 배출관

19: 농축수 배출관

20: 힘판

21: 투과액 상부 배출관

22: 투과액 하부 배출관

23: 상부몸체

100: 원료유입관

110: 공급조

120: 공급펌프

130: 공급수 유량계

140: 공급수 압력계

150: 공급액관

160: 왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈

170: 농축수 배출관

180: 농축수 압력계

190: 농축수 조정밸브

200: 농축수 유량계

210: 투과액 배출관 하부 밸브

220: 투과액 배출관 상부 밸브

230: 투과액 유량계

240: 투과액 배출관

250: 분리막 우회관

260: 분리막 우회관 유량계

270: 분리막 우회유량조정 밸브

280: 시스템 우회밸브

290: 시스템 우회관

300: 분리막 우회관 개폐 솔레노이드 밸브

310: 농축수 조정 밸브 우회관

320: 농축수 압력해제 솔레노이드 밸브

330: 타이머

340: 배수 밸브

350: 배수관

본 발명은 신규한 왕복 축동형 봉이 장착된 관형 분리막 모듈에 관한 것으로서, 침출수 또는 공장이나 산업상의 활동으로 발생하는 폐수, 폐용액 등을 관형 분리막으로 처리하거나 혹은 일반적인 분리막 공정으로 처리가 곤란한 고농도의 축산 폐수를 처리하거나 또는 점도가 높은 용액 혹은 혼합 액체 등을 분리막으로 일정 분자량 범위를 갖도록 분획(Fractionation)하거나 또는 상기 용액으로부터 염이나 이온 등 용질을 제거 분리하거나 또는 용액 내에 존재하는 콜로이드, 단백질 등 입자성 물질을 제거하거나 또는 정수장에서 정수용으로 분리막 모듈을 사용하는 것과 같이 분리막 공정을 산업적으로 이용함에 있어서, 분리막에 의해 배제되는 물질이 분리막 표면에 잔류하여 투과저항을 일으켜 투과유속의 감소를 초래하는 공정에 유효한 관형 고분자 분리막 모듈 또는 관형 무기질 분리막 모듈 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.

분리막을 이용한 분리, 정제 및 분획은 산업 전반에 걸쳐 오늘날 광범위하게 이루어지고 있다. 분리막은 용액 또는 혼합물을 적은 에너지로 효과적으로 분리할 수 있으며 분리 후 제 3의 폐기물을 발생시키지 않고 간단한 조작에 의해 쉽게 원하는 목적을 달성할 수 있는 잇점을 지닌다.

이러한 분리막 모듈은 그 형태에 따라 크게 판틀형(Plate-and-frame type), 관형(Tubular type), 나권형(Spiral-wound type), 모세관형(Capillary-fiber type), 그리고 실관형(Hollow-fiber type) 막으로 구분된다. 실관형이나 나권형 분리막이 단위면적당 제조 단가가 낮고, 충전밀도가 높아서 많은 연구와 기술적 발전을 이루어왔으나 최근, 분리막 반응기로의 응용, 고농도의 폐수처리, 또는 조대 입자가 비교적 많은 용액의 처리 등에 있어서 매우 유리한 형태인 관경이 비교적 큰 관형 분리막에 대한 연구가 시도되고 있다. 특히 분리막의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있는 저오염형 분리막 공정의 요구시 가장 부합하는 형태로서의 분리막 모듈이 관형 분리막 모듈이다. 관형 분리막 모듈 및 이를 응용한 기술이 미국특허 4,200,531: 관형 분리막 분리장치, 4,231,875: 관형 반투과성 분리막을 이용한 확산장치, 4,255,255: 관형 분리막 공정 및 그 장치, 4,309,287: 역삼투 관형 분리막, 4,198,293: 관형 분리막 공정 및 그 장치, 6,376,116: 관형 고분자 분리막 연 료전지 시스템, 6,267,801: 관형 수소투과막 제조 방법, 5,599,383: 관형 고상 분리막 모듈, 5,591,316: 관형 분리막 전극셀로 방호된 전착도장법, 5,352,610: 관형 분리막 어셈블리, 5,227,063: 관형 분리막 모듈, 5,141,640: 분리용 관형 분리막 모듈, 5,100,549: 관형 분리막 모듈, 4,976,866: 이온교환 혹은 흡착 공정에 유용한 동심 관형 분리막 장치 및 공정, 4,747,946: 관형 한외여과 분리막 모듈, 4,707,261: 관형 한외여과 분리막 모듈, 4,704,205: 고정나사 주변 액체 흐름을 유지하는 관형 분리막 모듈, 4,687,522: 관형 분리막 내표면 세척 방법, 4,654,137: 다관셀로 구성된 무한 확장 관형 분리막, 4,461,707: 한외 및 역삼투 관형 분리막 모듈, 4,326,960: 관형 투과 선택성 막 및 방법, 및 한국특허 312,166: 관형 분리막을 이용한 스트립 탈지 세정액의 재처리 장치, 349,317: 자체 회전봉 장착형 프로펠러를 지니는 관형 분리막 모듈, 512,045: 관형 막 여과재 및 이를 이용한 재배 장치, 한국특허 공개 2001-0107892: 관형막 내부 공기주입에 의한 침지형 분리막 생물 반응기의 막오염 제어 방법 등에 개시되어 있다. 비록 관형 분리막이 기타의 모듈과 비교하여 상대적으로 낮은 오염성을 나타내지만, 용액에 존재하는 입자성 물질이나 용질을 분리하고자 할 때 용액 내에 존재하는 배제 입자들은 확산 속도가 매우 작기 때문에 막의 중심부와 표면 사이의 농도 구배가 크더라도 쉽게 역확산이 일어나지 않아 막의 표면 근처에서 용질의 농도가 증가되는 농도 분극 현상이 발생하거나 이들 농도 분극층이 진행, 분리막 표면에서 용질 연속상으로 상전이가 발생하여 용질층이 형성되기도 하며, 작은 용질 입자는 큰 기공의 벽에 흡착되기도 하고 기공과 비슷한 크기의 입자에 의해 기공이 차폐되기도 하는 분리막 오염 현상이 발생하기도 한다.

따라서 이러한 현상들에 의해 운전 시간이 지남에 따라 분리막 투과유속이 저하되고, 투과유속의 감소로 경제성을 상실할 경우 일반적으로 장치를 정지시킨 후 스폰지 볼 등으로 용질층을 제거하거나 화학 약품을 이용하여 세정하거나 혹은 물리적인 방법을 동원하여 세정하며, 세정 효과를 상실할 경우 새로운 막으로 교체한다.

상기 막오염이나 농도분극 등 투과 저항층을 제어하거나 감소시키기 위한 기술로서 내압형 관형막의 경우 나사 모양의 봉을 관형막 내부에 삽입하고, 외압형의 경우 하우징 내부에 나사식 홈을 만들어 분리가 수행되는 분리막 표면에 와류를 형성시키는 방법이 미국 특허 5,628,909 및 기술문헌 {Momentum balance analysis of permeate flux for ultrafiltration in tubular membranes with gradually increasing incidental angles of a wired-rod insert, Journal of Membrane Science, Volume 278, Issues 1-2, 5 July 2006, Pages 205-211 H.M. Yeh and Y.F. Chen}, {Prediction of permeate flux for ultrafiltration in wire??rod tubular-membrane modules, Journal of Membrane Science, Volume 209, Issue 1, 1 November 2002, Pages 19-26 H. M. Yeh, J. F. Dong, M. J. Hsieh and C. C. Yang}, {The performance of helical screw-thread inserts in tubular membranes, Separation and Purification Technology, Volumes 22-23, 1 March 2001, Pages 89-113, B. J. Bellhouse, G. Costigan, K. Abhinava and A. Merry}, {Improvement of ultrafiltration performance in tubular membranes using a twisted wire-rod assembly, Journal of Membrane Science, Volume 178, Issues 1-2, 15 September 2000, Pages 43-53, H. M. Yeh and K. T. Chen}, {Enhanced microfiltration of bovine blood using a tubular membrane with a screw-threaded insert and oscillatory flow, Journal of Membrane Science, Volume 112, Issue 2, 17 April 1996, Pages 249-261} 등에 개시되어 있다. 그러나 상기 형태의 와류 형성 장치는 내부 삽입봉이나 외부 나사식 홈이 고정되어 단순히 수동적 와류 형성 장치에 불과하므로 그 효과가 크지 않다.

보다 적극적인 형태의 와류 형성 시스템으로 테일러 와류를 형성시키기 위하여 분리막에 모터를 장착, 막을 회전시키고 막외부로 공급액을 공급시켜 막내부로 투과시키는 방법이 기술문헌 {Rotating reverse osmosis filtration for wastewater recovery: Dynamic model for flux and rejection, Lee, S, and Lueptow, RM, Journal of Membrane Science, 192:129-143, 2001} 등에 개시되어 있다. 그러나 상기 방법의 경우 공급액 또는 농축수가 투과수 측으로 혼입되지 않도록 하기 위한 차폐가 어렵고 이로 인해 운전압력에 제한을 받으며, 모터를 장착함으로써 모터를 구동하기 위한 추가적인 에너지 비용이 소요되는 문제점을 지닌다.

본 발명자들은 공급액 또는 농축액의 혼입을 차폐시키기 위하여 관형막을 고정시키고 장치를 단순화하고 모터의 구동력을 배제한 상태에서 공급액의 흐름 힘, 또는 농축액의 유출 힘에 의해 회전할 수 있는 회전봉을 관형막 내부에 장착하여 테일러 와류를 발생시키거나 난류를 형성시키거나 또는 직접적인 방법으로 막 내부에 형성된 용질층 및 농도 분극을 제거하여 투과수의 높은 유량을 보유하면서 장시 간 운전이 가능하도록 하는 방식의 관형 분리막 모듈을 발명하여 한국특허 349,317로 등록한 바 있다. 본 발명에 의한 관형 분리막 모듈의 경우 상기에 적시한 문제점을 상당부분 해결할 수 있으나, 중심부에 삽입된 봉이 회전하면서 원심력에 의해 바깥으로 휘게 되고 이로 인해 모듈의 중간 부분에 위치한 관형막은 손상을 입을 수 있으므로 이를 방지하기 위해서는 분리막 모듈의 길이에 제한을 두어야하는 문제점을 지녔다.

이 밖에도 물질 분리에 관형막을 사용한 한국특허 312,166에서는, 철강 탈지공정의 세정액의 오염물을 제거하고 회수하여 공정수로 재이용하기 위하여 미량의 교류 전류를 처리수의 흐름 방향으로 공급하여 오염 물질 표면의 반발 전위를 순간적으로 진동시켜 합체 현상을 가속화하고 유분과 결합된 현탁 물질을 분리시켜 비중차를 변화시킴으로써 오염 물질로부터의 처리수 분리 회수 효율을 향상시키도록 하고 폐세정액에 적합한 분리막에 의해 연속여과하는 관형 분리막을 이용한 스트립 탈지 세정액 재처리 장치가 있다. 그러나 이들은 폐세정액에 의해 발생하는 관형 분리막 내부의 농도 분극을 제거하기 위한 수단을 구비하지 못하여, 분리막의 사용주기가 매우 단축되며, 생산수량도 급속 감소하는 문제점을 지녔다.

따라서, 본 발명자들은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명에 이르렀다.

본 발명은 관형 분리막을 사용함에 있어서 분리막이 본질적으로 지니는 문제점인 분리막 표면에 형성되는 용질층이나 분리막 내부에 흡착 등의 형태로 발생하 는 분리막 오염 또는 분리막 근처에 형성되는 농도 분극층을 보다 효과적으로 제거하여 투과액의 높은 유량을 보유하면서 장시간 운전이 가능하며, 저농도의 용액 뿐만 아니라 특히 고농도의 용액과 조대한 입자를 함유하는 거친 혼합폐액에서도 뛰어난 효과를 보이는 새로운 형태의 관형 분리막 모듈에 대한 것이다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점인 중심봉 회전시 발생하는 원심력에 의한 분리막 표면의 심대한 손상을 방지하고, 고농도 침출수, 분뇨, 축산 폐수 등을 처리하거나 정수장에서 정수를 실시하는 등에 있어서 뿐말 아니라, 특히 조대한 입자를 함유하는 거친 혼합 폐액의 처리시 관형 분리막 및 분리막 모듈을 사용함에 있어서 막오염을 저감시키며 분리막 표면에 용질층의 형성을 방해하거나, 또는 분리막 표면 근처에 형성되는 농도 분극 현상을 제거하여 분리막의 수명을 연장시키고 또한 막의 세정 시간을 최소화하여 배제율의 감소 없이 투과량을 최대화할 수 있는 새로운 형태의 왕복 축동형 관형 분리막 모듈 장치를 개발함으로서 관형 분리막을 보다 폭넓게 이용할 수 있도록 유도하는데 있다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적과 특징 및 잇점은 하기 발명의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 본 발명의 목적은 관형 분리막 내부에, 분리막 내부로의 유체 유입량의 규칙적이고 연속적인 증감 변화에 따라 분리막의 상하로 왕복운동을 할 수 있는 여러 형태의 세정봉을 삽입함으로서 분리막의 표면에 형성된 용질층 및 농도 분극층을 제거하여 높은 배제율 및 투과량을 유지하고 분리막의 가용 수명을 획기 적으로 연장함으로써 달성될 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 관형 분리막 모듈은 생활하수나 오수, 침출수 또는 공장이나 산업상의 활동으로 발생하는 폐수, 폐용액 등 및 조대한 입자를 함유한 거친 폐액을 관형 분리막으로 처리하거나 혹은 일반적인 분리막 공정으로 처리가 곤란한 고농도의 축산 폐수를 처리하거나 또는 점도가 높은 용액 혹은 혼합 액체 등을 관형 분리막으로 일정 분자량 범위를 갖도록 분획(Fractionation)하거나 또는 상기 용액으로부터 염이나 이온 등 용질을 제거 분리하거나 또는 용액 내에 존재하는 콜로이드, 단백질 등 입자성 물질을 제거하거나 또는 정수장에서 정수용으로 관형 분리막 모듈을 사용할 경우 분리막에 의해 배제되는 물질이 분리막 표면에 잔류하여 투과저항을 일으켜 투과유속의 감소를 초래하는 공정에 유효한 관형 고분자 또는 무기질 분리막 모듈 및 이를 장착한 관형 분리막 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명에 의한 새로운 형태의 왕복 축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈은, 관형 분리막을 이용한 공정에서 일반적으로 발생하는 농도 분극이나 용질층의 형성 또는 분리막 오염 등에 의한 투과 저항층을 현저히 감소시킴으로써 분리막의 세척 주기 및 새로운 분리막 교체 주기를 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 처리수 혹은 투과액의 질을 감소시키지 않으면서 투과량을 극대화하고 장기간 분리막 모듈을 사용할 경우에도 처리수의 감소가 일반적인 분리막 모듈에 비해 현저히 적어서 장기간 분리막 모듈을 경제적으로 사용할 수 있는 모듈이다.

본 발명은, 분리막 내부에서 왕복 운동을 수행하는 왕복 축동형 세정봉이 삽입된 관형 분리막 모듈,

상기 모듈의 관형 분리막 내부에서 왕복운동을 하는 왕복 축동형 세정봉이 왕복 운동을 수행할 수 있도록 유체 유입수량의 규칙적이고 연속적인 증감 변화를 주는 방법,

상기 모듈의 관형 분리막 내부에 장치된 왕복 축동형 세정봉이 최적의 농도 분극이나 막오염을 제어할 수 있도록 특징되고 상기 왕복 축동형 세정봉이 유체의 흐름에 의해 왕복 운동을 할 수 있도록 힘판이 갖추어진 왕복 축동형 세정봉,

상기 모듈의 관형 분리막 내부에 장치된 왕복 축동형 세정봉이 유체 흐름의 양에 따라 왕복 운동의 폭을 달리하도록 고안된 상부 몸체상의 확산관,

상기 왕복 축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈을 장착한 관형 분리막 시스템을 제공한다.

이하, 본 발명의 관형 분리막 모듈을 첨부하는 도면을 참고로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈을 장착하여 상기 모듈을 운전하고, 실제 공정에 적용하기 위한 왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 시스템을 도시한다. 보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 시스템에서, 처리하고자 하는 대상 물질이 원료유입관(100)을 통해 유입되어, 용액 배수 밸브(340)을 구비한 배수관(350)이 설치된 용액조(110)에 저장되고, 이를 처리하기 위해서 공급액은 공급액관(150)을 따라 공급펌프(120)에 의해 왕복축동형세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈(160)로 이송되며, 이 때 공급수 유량계(130) 및 공급수 압력계(140)에 의해 공급유량 및 공급압력이 측정되어지고, 왕복축동형세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈(160)에서 처리된 투과수는 하부투과액 배출 밸브(210) 또는 상부투과액 배출밸브(220)가 설치된 투과액 배출관(240)을 통해 생산수조 또는 다음 단계의 장치로 배출된다. 특히 모듈내의 분리막이 젖음 상태를 유지해야 할 경우에는 상부투과액 배출밸브(220)만을 열어 투과액을 수집관에 가득 채운 후 배출하는 것이 바람직하며, 투과액 배출관(240)에는 투과액의 유량 측정을 위해서 투과액 유량계(230)가 장착되기도 한다. 분리막 모듈에서 처리 후 남은 농축수는 공급조로 재순환되도록 고안되었는데, 재순환로인 농축수 배출관(170)은 농축수량을 측정할 수 있도록 농축수 유량계(200)가 장착되어 있고, 농축수 압력을 측정할 수 있도록 농축수 압력계(180)가 구비되어 있다. 분리막 내·외부 압력차와 공급액의 유량을 독립적인 변수로 두기 위해서 공급펌프(120) 이후에 시스템 우회관(290)을 설치하여 시스템 우회밸브(280)를 장착하였다. 농축수 배출관(170)에 장착된 농축수 조정밸브(190)와 시스템 우회관(290)에 설치된 시스템 우회밸브(280)로서 각각 니들형의 조정형 밸브를 채택하는 것이 바람직하며, 상기 두 장치를 조작함으로써 분리막 모듈 내에서의 운전 압력과 공급유량의 임의 조정이 달성될 수 있다. 즉, 농축수 조정밸브(190)를 부분적으로 닫게 되면 분리막 내부에서의 공급액의 유량은 감소하나 운전 압력은 증가하게 된다. 반면에, 시스템 우회밸브(280)를 부분적으로 닫게 되면 분리막 내부에서의 공급액의 유량과 운전압력이 증가하게 된다. 따라서 이들 두 밸브를 적절히 조정함으로서 임의의 공급액 유량에 대한 임의의 운전압력을 구현할 수 있게 된다. 관형 분리막 모 듈 내부에 위치한 왕복축동형 세정봉(11)의 힘판(20)은 상부몸체(23)의 확산관(12)상에 놓이게 되는데, 분리막에서 배제된 농축수의 흐름이 없을 경우에는 확산관(12)을 힘판(20)이 막고 있으나, 농축수가 흐름에 따라 힘판이 들리게 되고 확산관과 힘판 사이 개구된 틈으로 농축수가 흘러 농축수 배출관으로 이송된다. 따라서 농축수의 양이 많을수록 확산관과 힘판 사이 개구된 틈을 더 많이 요하게 되므로 힘판은 더욱 상측부로 밀려 올라가게 되고, 힘판에 고정된 세정봉도 함께 상측부로 이동하게 된다. 농축수의 유량이 감소하면서 세정봉은 그와 비례하여 하부로 내려오게된다. 이러한 세정봉의 효과를 극대화하기 위해서는 농축수의 유량을 규칙적으로 증가와 감소가 반복되도록 함으로써 세정봉이 유량의 증가에 따른 상승과 유량의 감소에 따른 하부로의 회귀가 주기적으로 발생하도록 해야 한다. 분리막압력해제 솔레노이드 밸브(320)가 장착된 농축수 조정밸브 우회관(310)으로 농축수가 우회되도록 타이머(330)의 꺼짐 신호에 의해 분리막압력해제 솔레노이드 밸브(320)가 열리면, 분리막내에서의 압력은 급격히 하강하여 농축수의 유량이 급증하고, 이에 의해 세정봉은 상부로 이동한다. 이때, 분리막 우회관(250)에 장착된 분리막 우회관 개폐솔레노이드 밸브(300)는 역시 타이머(330)의 꺼짐 신호에 의해 닫힘을 유지하게 되고, 수 초 내지 수십 분동안 상기 상태를 유지한 후, 타이머(330)의 켜짐 신호에 의해 분리막압력해제 솔레노이드 밸브(320)가 담힘으로 동작함과 동시에 분리막 우회관 개폐솔레노이드 밸브(300)는 열림 상태가 됨으로서 운전 압력은 운전 모드로 가압되며, 공급액의 일부분이 분리막 관을 경유하지 않고, 분리막 우회관(250)을 통해 공급조(110)로 순환하므로서 운전 압력이 과압되는 현상을 방지하 고, 농축수량이 감소하게 되어 세정봉은 하부로 이동하며, 상기 상태가 수 초 내지 수 십 분 혹은 그 이상의 상태로 유지된 후에 다시 타이머(330)의 꺼짐에 의해 역동작이 수행되고 이러한 과정이 규칙적이고 반복적으로 수행됨으로써 분리막 표면의 물리적 세정이 달성된다. 분리막 우회관에는 분리막을 우회하는 유량을 측정하기 위해 분리막 우회관 유량계(260)가 설치되고, 분리막을 우회하는 유량의 절대량을 조정하기 위해 분리막 우회유량조정밸브(270)가 장착되어 있다.

도 2는 도 1의 왕복축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 모듈 구성을 도시한 것으로 관형 분리막(10)은 모듈의 수집관(13)내에 위치하고, 수집관(13) 및 관형분리막(10)의 상측부에는 확산관(12)을 가진 상부 몸체(23)에 의해서 관형 분리막 내·외부가 분리·폐쇄되어 공급액 유입관(17)에 의해 공급액이 관형 분리막 내부로 공급되어 흐르는 동안 분리막의 내부압에 의해 관형 분리막의 기공을 통하지 아니하고 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 고안되었으며, 하측부 역시 모듈의 하부 몸체(14)에 의해서 상측부와 동일한 효과가 발생하도록 고안하였다. 따라서, 분리막 내부로 공급액유입관(17)에 의해 유입되는 공급액은 분리막에 의해 선택적으로 수집관으로 투과되며, 이렇게 투과된 투과액은 관형분리막(10)이 운전동안 젖음 상태를 요할 경우 상부 투과액배출관(21)을, 그렇지 않을 경우 하부 투과액배출관(22)을 통해 모듈의 외부로 배출되도록 고안되었다. 모듈의 관형 분리막 내부에 위치된 왕복 축동형 세정봉(11)은 왕복축동형세정봉(11)이 유체의 흐름 양의 변화에 따라 상하운동을 할 수 있도록 고정된 힘판(20)을 보유하며, 왕복축동형세정봉(11)이 동선을 벗어나지 않도록 상부몸체(23) 및 하부몸체(14)는 상부 왕복축동 형 세정봉 유도관(15)과 하부 왕복축동형 세정봉 유도관(16)을 각각 구비하고 있다. 상부몸체(23)에는 공급유량에 의해 왕복축동형 세정봉(11)이 왕복운동을 할 수 있도록 확산관(12) 및 농축수가 배출되는 농축수 배출관(19)이 설치되어져 있으며, 하부몸체(14)에는 분리막으로 공급액을 공급할 수 있도록 공급액 유입관(17)이 설치되어져 있고, 분리막으로의 공급액 유량을 용이하게 조정할 수 있도록 분리막을 우회하여 공급액이 흐를 수 있도록 분리막 우회배출관(18)이 구비되어 있다.

도 3은 도 2의 관형 분리막 모듈에 삽입되어 분리막 표면 근처에서 유체의 속도 분포를 변화시켜 막오염이나 농도 분극을 사전 감소시키거나 제거하는 왕복축동형 세정봉을 도시한 것으로, 3(a)는 강화되지 않은 세정봉을, 3(b)는 3(a)의 세정봉을 더욱 두껍게 하여 강화된 세정봉을 도시한 것으로 상부에 힘판을 부착하였다.

도 4는 도 2의 관형 분리막 모듈에 삽입되어 분리막 표면에 형성된 케익층을 직접 제거하기 위한 수단으로 도 4(a) 솔 부착식 및 도 4(b) 스펀지 부착식 왕복축동형 세정봉들을 도시한 것으로 역시 상부에 힘판을 부착하였다.

도 5는 도 2의 관형 분리막 모듈에 삽입되어 분리막 표면 근처에서 유체의 흐름을 방해, 과난류가 형성되도록 유도하여 막오염이나 농도 분극을 감소시킬 수 있도록 도 5(a) 나사식, 도 5(b) 원판형 방해판식, 또는 도 5(c) 나선 부착식 왕복축동형 세정봉들을 각각 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 잇점은 실시예를 통해 보다 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예들에만 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 2의 왕복축동형 세정봉을 갖는 관형 분리막 모듈을 도 1의 분리막 시스템에 장착한 후 5.0 중량부로 조제된 에멀젼형 금속 절삭유 수용액을 공급조에 공급한 후 분당 5 리터의 유량으로 분리막 모듈로 공급하고, 운전 압력은 2.5기압이 되도록 유지하면서 운전시간에 따른 투과유속 및 배제율을 측정하였다. 이 때 사용한 관형막은 0.1 마이크로미터 미세공을 갖는 정밀여과막으로 상기 관형분리막의 재질은 세라믹이다. 본 실시예에서 사용된 관형 분리막의 내경은 15 밀리미터이며, 유효 길이는 300 밀리미터이고, 141 제곱센티미터이다. 또한 본 실시예에서 사용한 왕복축동형 세정봉은 도 3(a) 속도 프로필 변화를 유발시켜 관형 분리막 내부에서의 농도 분극이나 막오염을 사전 감소시키거나 제거하는 왕복축동형 세정봉으로서 직경이 8 밀리미터로서 강화되지 않은 것을 사용하였다. 본 실시예에서는 시험용액의 온도는 25도로 일정하게 유지하였고, 왕복 축동형 세정봉의 왕복유무 및 왕복시간에 따른 투과유속의 감소 저감 효과를 비교하기 위하여 왕복축동형 세정봉이 장착되지 않은 경우와 타이머의 켜짐에 의한 세정봉의 하강, 즉 운전모드와 타이머의 꺼짐에 의한 세정봉의 상승의 비를 각각 5초-1초, 10초-1초, 20초-1초, 20초-5초, 20초-10초로 할 경우로 나누어서 각각의 경우에 대해 1시간 동안 실시 후 이들 결과를 비교하여 도 6에 운전 시간에 따른 투과유속을 단위시간당 단위 면적당의 리터로서 나타내었고, 표 1에 각각에 대한 배제율을 시험 실시 초기, 30분 후, 및 1시간 후에 각각 측정하여 나타내었다.

	무세정봉	5-1	10-1	20-1	20-5	20-10
실험초기	99.93	99.93	99.95	99.94	99.93	99.94
30분 후	99.95	99.96	99.97	99.95	99.98	99.99
60분 후	99.95	99.96	99.95	99.98	99.98	99.95

이 때 투과액의 농도는 탁도계를 이용하여 각각의 농도에 대하여 탁도를 측정한 후 이 측정값으로부터 탁도계 검량선을 구하고 실험 용액의 탁도를 측정, 탁도계 검량선에 의해 얻어진 값이며, 농도 배제율은 (1-(투과용액의 농도/공급용액의 농도))*100 의 계산에 의해 구했으며, 어느 실험에서나 99.9 퍼센트 이상의 배제율을 얻었다. 세정봉을 삽입하지 않은 경우 투과유속은 지속적으로 감소하여, 운전 1시간 후에는 단위시간당 단위 면적당 투과유속이 약 5.3 리터에 불과했다. 이러한 결과는 왕복 축동형 세정봉이 느리게 움직이는, 즉 20초간 하강에서 운전되고 10초간 상승에서 세정되는 모드에서도 유사한 결과를 얻었으나, 그 외의 경우에 있어서는 32.5 퍼센트에서 42.9 퍼센트에 이르는 높은 투과유속의 향상을 보여주고 있어서 왕복 축동형 세정봉이 투과유속의 감소를 저감하는 효과를 충분히 지니고 있음을 보여준다.

<실시예 2>

상기 도 2의 관형 분리막 모듈에 도 3(b)의 속도 프로필 변화를 유발시켜 관형 분리막 내부에서의 농도 분극이나 막오염을 사전 감소시키거나 제거하는 왕복축동형 세정봉으로서 직경이 8 밀리미터 본체에 직경 12 밀리미터로 강화된 왕복 축동형 세정봉을 삽입하여 도 1의 분리막 시스템에 장착한 후, <실시예 1>의 조건 및 방법으로 실시하여 운전 시간에 따른 투과유속을 단위시간당 단위 면적당 리터로 환산하여 도 7에 나타내었고, 배제율을 표 2에 나타내었다.

	무세정봉	5-1	10-1	20-1	20-5	20-10
실험초기	99.93	99.98	99.93	99.97	99.98	99.97
30분 후	99.95	99.99	99.98	99.99	99.99	99.98
60분 후	99.95	99.99	99.99	99.99	99.99	99.99

세정봉을 삽입하지 않은 경우와 비교하여 세정봉을 삽입하여 상하 왕복운동이 진행될 경우에는 높은 투과유속의 증가가 달성되었음에도 불구하고, 배제율의 감소는 일나지 않았으며, 어느 경우에나 99.9 퍼센트 이상의 배제율을 보여주고 있으며, 특히 세정봉을 삽입하여 운전할 경우, 운전 1시간 후에는 측정 한계를 넘겨 99.99 퍼센트 이상의 매우 높은 배제율을 보여주었다. 세정봉이 5초간 하락 후 1초간 상승(5-1)의 경우 운전후 한 시간 뒤 투과유속은 단위시간당 단위면적당 15.3 리터로서 세정봉이 삽입되지 않은 무세정봉과 비교하여 187.5 퍼센트의 투과유속 증가가 있었으며, 특히 20초간 하락 후 1초간 상승의 경우에는 약 232 퍼센트의 투과유속의 상승효과가 있었으며, 강화되지 않은 세정봉에서는 그 효과가 거의 없었던 20초간 하락 후 10초간 상승하는 경우에도 단위시간당 단위면적당 12.1 리터의 투과유속이 발생하여 무세정봉과 비교하여 약 129 퍼센트의 투과유속의 상승효과가 있었다.

<실시예 3>

상기 도 2의 관형 분리막 모듈에 도 5(b)의 분리막 표면 근처에서 유체의 흐름을 방해, 과난류가 형성되도록 유도하여 막오염이나 농도 분극을 감소시킬 수 있는 원판형 방해판식 왕복축동형 세정봉으로서 직경 8 밀리미터인 본체에 직경 12 밀리미터, 길이 30 밀리미터의 방해판을 20 밀리미터 간격으로 장착한 왕복 축동형 세정봉을 삽입하여 도 1의 분리막 시스템에 장착한 후, <실시예 1>의 조건 및 방법으로 실시하여 운전 시간에 따른 투과유속을 단위시간당 단위 면적당 리터로 환산하여 도 8에 나타내었고, 배제율을 표 3에 나타내었다.

	무세정봉	5-1	10-1	20-1	20-5	20-10
실험초기	99.93	99.98	99.98	99.96	99.98	99.98
30분 후	99.95	99.99	99.98	99.98	99.98	99.99
60분 후	99.95	99.99	99.99	99.99	99.98	99.99

세정봉을 삽입하지 않은 경우와 비교하여 세정봉을 삽입하여 상하 왕복운동이 진행될 경우에는 높은 투과유속의 증가가 달성되었음에도 불구하고, 배제율의 감소는 일나지 않았으며, 어느 경우에나 99.9 퍼센트 이상의 배제율을 보여주고 있으며, 특히 세정봉을 삽입하여 운전할 경우, 운전 1시간 후에는 <실시예 2>에서와 마찬가지로 측정 한계를 넘겨 99.99 퍼센트 이상의 매우 높은 배제율을 보여주었다. 세정봉이 5초간 하락 후 1초간 상승(5-1)의 경우 운전 한시간 뒤 투과유속은 단위시간당 단위면적당 13.2 리터로서 세정봉이 삽입되지 않은 무세정봉과 비교하여 약 148 퍼센트의 투과유속 증가가 있었으며, 특히 20초간 하락 후 1초간 상승의 경우에는 약 216 퍼센트의 투과유속의 상승효과가 있었으며, 이러한 투과유속의 증가는 <실시예 2>에서 사용된 세정봉에 비해 약간 낮은 값을 보여주지만, <실시예1>과 비교하여 매우 높은 투과유속 증가율을 나타내고, 여전히 세정봉이 없는 경우와 비교하여 매우 높은 상승효과가 있었다.

<실시예 4>

상기 도 2의 관형 분리막 모듈에 도 3(b)의 속도 프로필 변화를 유발시켜 관형 분리막 내부에서의 농도 분극이나 막오염을 사전 감소시키거나 제거하는 왕복축동형 세정봉 및 도 5(b)의 분리막 표면 근처에서 유체의 흐름을 방해, 과난류가 형성되도록 유도하여 막오염이나 농도 분극을 감소시킬 수 있는 원판형 방해판식 왕복축동형 세정봉을 각각 삽입하여 도 1의 분리막 시스템에 장착한 후, 타이머의 꺼짐과 켜짐 시간을 각각 20초-1초로 고정하고, 운전 압력 1 기압 및 2.5 기압에 대해서 <실시예 1>의 조건 및 방법으로 실시하여 운전 시간에 따른 투과유속을 단위시간당 단위 면적당 리터로 환산하여 도 9에 나타내었고, 배제율을 표 4에 나타내었다.

	3(b) 세정봉		5(b) 세정봉
		1.0 기압	2.5 기압	1.0 기압	2.5 기압
	실험초기	99.98	99.98	99.96	99.98
30분 후	99.99	99.98	99.98	99.98
60분 후	99.99	99.99	99.99	99.98

<비교실시예 1 내지 4>

왕복 축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 시스템의 성능을 비교하기 위하여 세정봉이 장착되지 않은 일반적으로 운용되고 있는 관형 분리막 모듈을 장착한 시스템에 대한 배제율과 투과유속 등 관형 분리막 모듈의 투과 특성에 대한 실험을 <실시예 1> 내지 <실시예 4> 의 방법으로 실시하였으며, 실시 결과는 이상의 실시 예 1 내지 4 에서 비교 자료로 나타내었다.

본 발명에 따른 왕복 축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 시스템은 분리막 내부에 삽입된 세정봉에 의해 분리막 표면 또는 근처에서 형성되는 막오염이나 농도 분극 등의 투과 저항층을 제거 또는 획기적으로 감소시킬 수 있으므로 투과유속의 감소를 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 왕복 축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 시스템을 이용하여 식품산업에서의 쥬스의 농축이나, 유제품 농축, 하,폐수 처리, 축산분뇨 처리, 침출수 처리, 및 정수 시설, 생물산업 등에 적용할 수 있으므로 보다 폭넓게 관형 분리막 시스템을 응용할 수 있다.

Claims

왕복 축동형 세정봉이 장착된 관형 분리막 장치를 사용함에 있어서,

왕복운동을 하는 세정봉을 구비한 관형 분리막 모듈;

관형 분리막 모듈 내부에 위치한 세정봉을 왕복 운동 시키기 위한 유량 조절용 솔레노이드 밸브 및 타이머;

관형 분리막 내부에 위치한, 공급액의 유량을 조절하기 위해 분리막을 우회하여 공급액이 흐를 수 있도록 한 분리막 우회관;

관형 분리막 모듈에서 유량과 운전압력을 동시에 제어할 수 있도록 장치된 시스템 우회관;

을 특징으로 하는 왕복 축동형 세정봉 장착 관형 분리막 장치.
제 1항에 있어서, 왕복운동을 하는 세정봉을 구비한 관형 분리막 모듈은 분리막이 모듈의 수집관 내부에 위치하고 수집관의 상·하부에 각각 상부몸체와 하부 몸체가 위치하며, 공급유체는 하부 몸체로 유입되어 관형 분리막 내부로 들어가 분리막을 관통하여 수집관에 수집된 후 상·하부 투과액 배출관으로 배출되도록 하며, 분리막을 투과하지 못한 농축액은 상부 확산관을 거쳐 농축수 배출관을 통해 배출되도록 하고, 관형 분리막 내부에는 관형 분리막의 중심축을 따라 왕복 운동을 할 수 있는 세정봉이 위치하여 분리막의 표면 또는 근방에 형성되는 농도 분극이나 케익층, 또는 막오염을 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 축동형 세정봉 장착 관형 분리막 장치.
제 2항에 있어서, 관형 분리막은 세라믹, 금속, 또는 이들의 혼합물로 구성되고, 관경은 5 밀리미터 이상의 것으로 정밀여과막, 한외여과막, 나노여과막 또는 역삼투막 중의 1종으로 액상의 물질을 처리할 수 있는 것을 특징으로 하는 왕복 축동형 세정봉 장착 관형 분리막 장치.
제 2항에 있어서, 세정봉은 긴 막대의 형태로서 관형 분리막 내부에서 왕복 운동을 함으로써 유체의 노슬립 조건 특성에 의해 유체흐름을 변화시키는 것, 혹은 긴 막대에 부드러운 솔 내지 스폰지 등이 부착되어 관형 분리막 내부를 직접 세척하는 것, 혹은 긴 막대에 원형판 등의 방해판이 부착되어 관형 분리막 내부에서 난류흐름을 유도하는 것 중의 1 종을 선택하는 것을 특징으로 하는 왕복 축동형 세정봉 장착 관형 분리막 장치.
제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 유체의 흐름을 변화시키는 세정봉은 그를 구성하는 재질에는 구애됨이 없이 최대 외경이 관형 분리막 내경의 95% 이하가 되는 것을 특징으로 하는 왕복 축동형 세정봉 장착 관형 분리막 장치.
제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 난류를 유도하는 세정봉은 그를 구성하는 재질에는 구애됨이 없이 부착된 방해판의 최대 외경이 관형 분리막 내경의 95% 이하가 되는 것을 특징으로 하는 왕복 축동형 세정봉 장착 관형 분리막 장치.
제 2항에 있어서, 확산관은 세정봉의 힘판을 가지며, 힘판이 유체의 유량에 따라 상하 왕복운동을 용이하게 할 수 있도록 경사져 있으며, 경사각은 0도보다 크고 90도보다 작은 것을 특징으로 하는 왕복 축동형 세정봉 장착 관형 분리막 장치.
제 1항에 있어서, 분리막 우회관 솔레노이드 밸브 열림에 의한 힘판의 하강시간과, 분리막 우회관 솔레노이드 밸브 닫힘에 의한 힘판의 상승 시간의 비가 1 대 1 내지 1대 50이 되는 것을 특징으로 하는 왕복 축동형 세정봉 장착 관형 분리막 장치.