KR100937973B1 - 고형성분을 함유한 용액 또는 라텍스용액의 농축을 위한분리막모듈 - Google Patents

고형성분을 함유한 용액 또는 라텍스용액의 농축을 위한분리막모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및 고분자중합공정 중에 생산되는 중합체 라텍스 용액을 농축하기 위한 분리막에 관한 것으로, 막오염 저감형(Anti-fouling)이면서, 낮은 동력에너지로 운전되어 에너지 절약형으로 설계 제작된 엔드프리 형태의 분리막 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 또는 고분자중합공정 중에 생산되는 중합체 라텍스용액으로부터 물을 제거 혹은 회수하여 농도를 높이기 위하여 하단이 개방된 엔드프리 형의 분리막 모듈로 설계 제작되며, 용액의 농축의 효율을 높이기 위하여 중공사막의 간격은 5㎜내지 20㎜를 유지하도록 중공사막의 막간 간격조절 지지체가 설치되고, 중공사막내부에는 중공사막의 강도를 높이기 위하여 섬유지지체가 내장되며, 섬유지지체에는 입자성 물질 내의 물을 효율적으로 제거하기 위하여 친수성 고분자중합체로 코팅하여 중공사막을 제조한 후, 중공사막의 하단부에는 중공사막이 일정간격으로 고정 설치하기 위한 중공사막 고정대가 설치되어 있다.
본 발명은 에너지를 절약할 수 있고, 효율적으로 수분을 제거할 수 있어 생산성을 크게 향상시킬 수 있으며, 분리막 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있고, 중공사막의 간격을 일정하게 유지하여 중공사막의 오염현상을 줄이며, 역세 운전이 가능하여 분리막 복원력을 높이 수 있는 효과가 있다.
분리막 모듈, 에너지 절약, 내구성 향상, 고형성분, 라텍스, 막오염 저감형

Description

고형성분을 함유한 용액 또는 라텍스용액의 농축을 위한 분리막모듈{A Membrane Module for Concentration of the Latex Solution or the Solution including Solidity Component}
본 발명은 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 고분자중합공정 중에 생산되는 중합체 라텍스용액으로부터 수분을 제거 혹은 회수하여 용액의 농도를 높이기 위하여 하단이 개방된 엔드프리 모듈 형태로 설계 제작되며, 고형성분 및/또는 라텍스가 분리막 표면에 부착·축적되어 막오염을 일으키는 것을 방지하고, 수분이 제거된 고형성분 및/또는 라텍스 입자 덩어리가 분리막 모듈 하단으로 원활이 빠져나갈 수 있도록 중공사막의 간격을 5㎜내지 20㎜를 유지하도록 중공사막의 막간 간격조절 지지체가 설치되고, 중공사막내부에는 중공사막의 절단을 방지하기 위하여 섬유지지체가 내장시켜 중공사막의 강도를 높이고, 섬유지지체에는 입자성 물질과 함께 존재하는 물을 효율적으로 제거하기 위하여 친수성 고분자중합체로 코팅하여 중공사막을 제조한 후, 분리막 모듈의 하단부에는 탈수된 고형성분 및/또는 라텍스 입자 덩어리가 빠져 나갈 수 있도록 중공사막이 일정간격으로 유지할 수 있도록 중공사막 고정대가 설치되어 다양한 온도 범위에서도 농축효율이 우수하여 에너지를 절약할 수 있도록 설계 제작된 고형성분을 함유하고 있는 용액 또는 라텍스용액의 농축을 위한 분리막 모듈에 관한 것이다.
고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액의 농축에 이용되어 왔던 종래의 농축기술로는 고체와 액체 분리를 이용한 원심 탈수법, 스팀법, 증발법, 클리닝법 및 막분리법 등이 있으며, 원심 탈수법은 원심필터에 사용되는 필터의 막힘 현상으로 인한 필터의 재생과 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액의 농축농도를 조절하기 어렵고, 농축된 고형물질 또는 라텍스의 회생이 어렵다는 문제점이 있으며, 스팀법과 증발법은 물을 고온으로 증발시켜 농축하므로 에너지 소모량이 상당히 높아서 효율적이지 못한 문제점이 있다.
또 종래의 또 다른 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액의 농축방법으로 관형모듈 혹은 카트리지 필터를 이용한 외부 순환형(crossflow type)의 한외여과막 공정(ultrafiltration process)은 최종 생산 공정의 전 공정에 전처리 필터의 설치가 필요하고, 관형 모듈 내부에 고형성분 및/또는 라텍스가 계속적으로 축적되면서 축적된 고형성분 및/또는 라텍스가 덩어리 형태로 점점 커짐과 동시에 용액의 흐름을 방해하여 회수효율이 크게 떨어지는 문제점이 있으므로 이를 해결하기 위하여 관형모듈 형태의 한외여과막 공정은 분리막의 투과 플러스를 유지하기 위하여 100내지700kPa의 높은 압력을 유지하기 위하여 외압형 고압 펌프의 의한 고압 운전과 분리막 및 하우징 내의 고형물의 정체에 따른 잦은 세정이 요구되는 또 다른 문제점이 있다.
또한, 관형 모듈 형태의 한외 여과막 공정은 높은 압력을 유지하기 위하여 사용되는 외압형 고압펌프의 기계적 전단력에 의한 라텍스의 불안정화와 라텍스 미립자등이 중공사막오염도를 더욱 증가시키면서 최종 생산품의 품질을 감소시키는 문제점이 있다.
침지형 막분리 공정의 경우는 일반적으로 사용되는 중공사막의 인장 강도가 낮아 고형성 입자가 부착 성장하여 케이크화 될 경우에 중공사막이 절단되거나 파손되어 농축을 어렵게 만들어 장치의 실용화에 어려움이 있고, 대부분의 분리막 모듈의 형태가 미세 중공사막 다발 형태로 되어 있기 때문에 내부에 고형성분 및/또는 라텍스 입자 쉽게 축적되고 막오염이 쉽게 발생하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 폐수, 식품산업, 석유화학산업 등의 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액을 흡입펌프를 이용하여 농축 시에 작은 에너지가 소요되면서 고분자 중합 공정 내 생산되는 용액 내의 고형성분 및/또는 라텍스의 농도가 40중량%내지 50중량%의 용액을 60중량%이상으로 농축시켜 회수하기 위하여 강도 및 내구성이 우수하고, 에너지 절약형의 분리막 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 폐수, 식품산업, 석유화학산업 등의 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스 용액 등으로부터 입자성 물질 내에 존재하는 물을 효율적으로 제거하기 위하여 친수성 고분자중합체로 코팅한 중공사막을 이용하고, 강도 및 내구성이 우수한 중공사막을 제조하기 위하여 섬유지지체를 내장하여 친수성 고분자중합체를 코팅하므로 내구성이 우수하면서 물을 효율적으로 회수할 수 있는 중공사막으로 분리막 모듈을 이루는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 중공사막과 중공사막사이의 간격을 일정하게 유지하여 고형성분 및/또는 라텍스 입자의 부착에 의한 중공사막이 오염되는 현상을 줄이고, 중공사막의 복원력을 높일 수 있도록 설계 제작하여 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액으로부터 물을 효율적으로 분리할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결수단은 폐수, 식품산업, 석유화학산 업 등의 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 중에 고형성분의 농도 및/또는 고분자 중합 공정 내 생산되는 중합체 라텍스(백수) 내의 라텍스 농도가 40중량%내지 50중량%의 용액을 60중량%이상으로 농축하기 위하여 물을 회수하되, 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액을 55℃이하의 낮은 온도에서도 농축효율이 우수하여 에너지를 절약하면서 고형성분 및/또는 라텍스를 농축하기 위하여 엔드프리 분리막 모듈 형태로 설계 제작되며, 농축효율을 높이기 위하여 중공사막의 간격은 5㎜내지 20㎜를 유지하도록 중공사막의 막간 간격조절 지지체가 분리막 모듈헤드와 인접하여 고정 설치되고, 중공사막내부에는 중공사막의 강도 및 내구성을 높이기 위하여 섬유지지체가 내장되며, 섬유지지체에 입자성 물질과 함께 존재하는 물을 효율적으로 제거하기 위하여 친수성 고분자중합체로 코팅하여 제작된 중공사막을 구비하며, 분리막 모듈의 하단부에는 분리막 모듈헤드로부터 중공사막이 일정간격으로 유지할 수 있도록 설계 제작된 중공사막 고정대를 고정 설치하여 내구성이 우수하면서 에너지를 절약할 수 있도록 설계 제작된 분리막 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제의 해결수단은 폐수, 식품산업, 석유화학산업 등의 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액으로부터 물을 회수하기 위하여 효율적이고 에너지 절약형의 분리막 모듈로서 중공사막사이의 간격을 5㎜내지 20㎜로 유지하여 고형성분 및/또는 라텍스 입자의 농축에 적합한 내막오염형 형태인 엔드프리 형태의 분리막 모듈로 설계 제작되며, 중공사막의 재질은 인장강도가 200N/m-fiber이상을 가진 섬유지지체에 친수성 PVDF(폴리 비닐리덴플로라이드)를 코팅하여 제작함으로써 일정 압력이상으로 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액으로부터 물을 흡입하거나 역세운전 시에 역세펌프로 물을 배출할 수 있도록 구성하여 신속하고 효율적으로 물을 회수하고, 강도 및 내구성이 우수하여 분리막 모듈의 잦은 교체함에 따라 발생하는 유지관리비용을 크게 절감하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제의 해결수단은 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액의 농축을 비교적인 낮은 온도에서 수행할 수 있어서 적은 에너지에서 운전이 가능하여 에너지 절약형이면서 고형성분 및/또는 라텍스 입자성 물질의 부착에 의한 막오염과 분리막 모듈내에 고형성분 및/또는 라텍스 입자의 부착 성장에 의한 벌크화에 의한 막오염에 방지하고, 농축효율을 높이기 위하여 중공사막의 간격을 5㎜내지 20㎜를 유지할 수 있도록 엔드프리 타입 분리막 모듈로 설계 제작하되, 중공사막의 엔드 부분에 위치하는 중공사막 고정대를 종방향으로 다수개 설치하고 중공사막사이의 간격이 5㎜내지 20㎜를 유지하도록 설치하며, 하부의 중공사막사이의 간격을 분리막 모듈헤드 부분의 중공사막사이의 간격보다 넓게 또는 동일하게 유지할 수 있도록 구성함으로써 고형성분 및/또는 라텍스의 농축을 효율적으로 이루는데 있다.
본 발명은 에너지 절약형의 침적형의 엔드프리 분리막 모듈로, 흡입펌프를 이용하여 적은 량의 에너지가 투입되면서 폐수, 식품산업, 석유화학산업 등의 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 중에 고형성분의 농도 및/또는 고분자 중합 공정 내 생산되는 중합체 라텍스(백수) 내의 라텍스 농도가 40중량%내지 50중량%의 용액을 60중량%이상으로 농축 회수함으로 고형성분 및/또는 라텍스 회수효율이 우수한 작용효과가 있다.
본 발명에 따른 또 다른 효과는 친수성 고분자중합체로 코팅한 중공사막을 이용하여 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 입자성 물질인 라텍스 용액 내에 존재하는 물을 효율적으로 제거하고, 중공사막의 인장강도 및 내구성이 우수한 중공사막을 제조하기 위하여 섬유지지체를 내장함으로써 인장강도 및 내구성이 우수하고 일정압력으로 물을 흡입하거나 역세운전을 반복하여 효율적으로 고형성분 및/또는 라텍스를 농축할 수 있는 중공사막을 이루는데 있다.
본 발명에 따른 또 다른 효과는 중공사막과 중공사막사이의 간격을 일정하게 유지하여 용액속의 고형성분 및/또는 라텍스입자의 부착에 의한 막오염 현상을 줄이고, 분리막의 막투과 유속의 회복율을 높일 수 있으며, 역세펌프를 이용하여 물과 공기와 물이 혼합된 역세수를 공급함으로서 중공사막에 부착된 라텍스를 분리막 표면으로부터 용이하게 제거하는데 있다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다. 본 발명은 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 중에 고형성분의 농도 및/또는 고분자 중합 공정 내 생산되는 중합체 라텍스(백수) 내의 라텍스 농도가 40중량%내지 50중량%의 고형성분 및/또는 라텍스 용액을 60중량%이상으로 농축하기 위하여 물을 회수하되, 다양한 실험을 거쳐서 55℃ 이하의 낮은 온도에서도 농축효율이 우수하여 에너지를 절약하면서 용액의 농축할 수 있는 엔드프리 모듈로 설계 제작되며, 고형성분 및/또는 라텍스 농축효율을 높이기 위하여 중공사막사이의 간격은 5㎜내지 20㎜가 유지되도록 중공사막의 막간 간격조절 지지체가 분리막 모듈헤드와 인접하여 고정 설치되고, 중공사막내부에는 중공사막의 강도를 높이기 위하여 섬유지지체가 내장되며, 섬유지지체에는 입자성 물질과 함께 존재하는 물을 효율적으로 제거하기 위하여 친수성 고분자중합체인 PVDF로 코팅하여 중공사막을 제작하며, 분리막 모듈의 하단부에는 분리막 모듈헤드로부터 중공사막이 일정간격으로 유지할 수 있도록 설계 제작된 중공사막 고정대가 설치하여 내구성 및 농축효율이 우수하면서 에너지를 절약할 수 있는 분리막 모듈을 제공하는데 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나 이상의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
본 발명의 이해를 용이하게 하는 도면을 살펴본다. 도1은 본 발명에 따라 설계 제작된 분리막 모듈의 전체적인 설계 제작도면이며, 도2는 단위 부피당 중공사막의 밀도에 따른 투과플럭스의 변화를 도시한 것이다. 도3은 중공사막표면에 부착되어 있는 라텍스입자 및 고형화된 라텍스입자를 촬영한 사진이며, 도4는 역세압력 변화에 따른 역세수량을 측정한 결과를 도시한 것이다. 도5는 분리막 반응기 내의 라텍스(a) 및 중공사막 투과수(b)를 촬영한 사진며, 도6은 운전시간 변화에 따른 중공사막표면에 부착된 라텍스 양을 도시한 것이다. 도7은 본 발명에 따라 설계 제 작된 라텍스 농축용 분리막 모듈의 사진을 나타낸 것이다.
일반적으로 합성 라텍스는 합성고무를 에멀션화 중합시켜 에멀션으로 만들어 제조하는 것으로, PVC 혹은 ABS 공정 등 고분자 중합공정에서 생성되며, 일반적인 라텍스 입자의 지름은 0.2㎛ 내지 10㎛가 대부분이고, 라텍스 내의 함수율이 60중량%로 pH(수소이온농도)가 4.8인 곳에 등전점이 있어 응고되어 분리되는 특징이 있다.
본 발명에 따라 제작된 분리막 모듈로 회수할 수 있는 합성 라텍스의 종류는 스트렌 부타디엔 중합체(styrene-butadiene copolymer)와, 아크릴레이트 수지(acrylate resins)와, 폴리비닐 아세테이트(polyvinly acetate)와, 폴리 비닐클로라이드 (polyvinly chloride)와 같은 중합체와 메틸 메타아크릴레이트(methyl methacrylate)의 에멀젼 중합체 내에 에틸렌 프로피렌(ethylene-propylene)이 혼성된 혼성중합체와, 에틸렌 프로필렌 디엔(ethylene-propylene-diene)과 같은 혼성 중합체와, 두 혼합물의 복합 공중합체들과 폴리아크릴레이트(polyacrylates)와 폴리스티린(polystyrene)들의 그라프트(graft)결합들이 결합된 종류 등을 포함한다.
또한, 본 발명은 폐수, 식품산업, 석유화학산업 등의 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 상기 라텍스용액으로부터 물을 효율적으로 회수하되 에너지를 절약할 수 있는 분리막 모듈의 개발을 위한 것으로 농축의 효율을 높이기 위하여 중공사막의 간격을 5㎜내지 20㎜를 유지할 수 있도록 엔드프리 타입 분리막 모듈로 제작하되, 중공사막의 길이에 맞추어서 중공사막의 엔드 부분을 고정하기 위한 중공사막 고정대를 종방향으로 일정간격으로 다수 개 설치되고 중공사막사이 의 간격을 분리막 모듈헤드에 위치하는 중공사막사이의 간격보다 넓게 또는 평행되게 일정하게 유지할 수 있도록 구성하여 일정시간동안 물을 회수한 후 역세펌프를 이용하여 중공사막에 부착된 고형성분 및/또는 라텍스를 분리하고 다시 회수하는 작업을 반복하여 고형성분 및/또는 라텍스농축을 효율적으로 이루는데 있다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예는 폐수, 식품산업, 석유화학산업 등의 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액 중에서 라텍스 용액에 대하여 살펴본다.
[실시 예]
[실시 예1]
본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도1은 본 발명에 따라 설계 제작된 분리막 모듈의 전체적인 구성도이다. 본 발명은 통상적으로 고온 상태(100∼130℃ 정도의 스팀조건)에서 라텍스용액으로부터 물의 회수가 이루어지나, 55℃이하의 라텍스용액으로부터 물을 회수할 수 있도록 구성되어 회수에 투입되는 에너지를 절약할 수 있으며, 또한 높은 인장강도를 가진 섬유지지체가 중공사막의 내부에 내장된 형태로 구성되고, 분리막 모듈 내에 라텍스 입자의 부착으로 인한 라텍스 축적현상을 줄이기 위하여 중공사막과 중공사막사이의 간격을 좌우로 일정하게 아래로 직선으로 유지되도록 고정 설치함으로써 역세펌프로 역세시켜 중공사막에 부착된 라텍스를 분리하는 운전 시에 라텍스가 분리막 모듈로부터 쉽게 떨어지도록 구성함으로써 라텍스가 분리막 모듈에 부착된 후 케이크 화되어 막투과 유속에 저해하는 영향을 최소화하여 중공사막투과 유속을 높일 수 있고, 내구성이 우수하여 장기간 반복 운전이 가능하여 생산성을 크게 증대시킬 수 있다.
본 발명은 고분자 중합 공정 내 생산되는 중합체 라텍스(백수) 내의 라텍스 농도가 40중량%내지 50중량%의 라텍스용액을 60중량%이상으로 농축하기 위하여 물을 회수하되, 55℃ 이하의 낮은 온도에서도 농축효율이 우수하여 에너지를 절약하면서 라텍스용액을 농축할 수 있도록 수많은 실험을 거쳐서 엔드프리 모듈 형태로 설계 제작하였으며, 라텍스농축의 효율을 높이기 위하여 중공사막사이의 간격은 5㎜내지 20㎜를 유지하도록 중공사막의 막간 간격조절 지지체가 분리막 모듈헤드와 인접하여 고정 설치되고, 중공사막내부에는 중공사막의 인장강도 및 내구성을 높이기 위하여 섬유지지체가 내장되며, 섬유지지체에는 입자성 물질과 함께 존재하는 라텍스용액으로부터 물을 효율적으로 제거하기 위하여 친수성 고분자중합체인 PVDF로 코팅하여 중공사막을 제작하며, 분리막 모듈의 하단부에는 분리막 모듈헤드로부터 중공사막이 일정간격으로 유지할 수 있도록 설계 제작된 중공사막 고정대를 설치하여 내구성 및 효율이 우수하면서 에너지를 절약할 수 있는 분리막 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 구성요소들을 살펴본다. 도1에서, (a)는 본 발명에 따른 설계 제작된 분리막 모듈의 평면도를 나타낸 것이며, (b)는 본 발명에 따른 설계 제작된 분리막 모듈의 정면도를 나타낸 것이며, (c) 및 (d) 는 본 발명에 따른 설계 제작된 서로 다른 실시 예에 따른 분리막 모듈의 측면도를 나타낸 것이다.
도1의 (b)에서, 상부에 위치하는 분리막 모듈헤드(11)는 중공사막(15)이 에폭시 몰드로 고정 설치되며, 수많은 중공사막들이 라텍스 용액으로부터 회수한 물 이 모여서 들어오는 다수의 집수구(12)를 구비하며, 다수의 집수구를 통해서 회수된 물이 모이는 공간이 설치되어 있다.
분리막 모듈헤드(11)의 상부 일측에는 라텍스용액으로부터 물을 회수하거나 역세운전을 할 때 물을 흡입 및/또는 역세를 위하여 흡입 및 역세펌프와 연결하기 위한 배관이 고정 설치되어 있다.
상기 도1의 (b)에서, 상부에 위치하는 분리막 모듈헤드(11)의 하부에는 라텍스용액으로부터 물을 회수하기 위한 에폭시 몰드로 분리막 모듈헤드(11)에 고정 설치된 중공사막이 설치되어 있고, 분리막 모듈헤드(11)와 인접하여 분리막 모듈헤드(11)와 평행되게 중공사막의 막간 간격조절 지지체(16)가 중공사막사이의 간격이 5㎜내지 20㎜를 유지하도록 고정 설치되어 있다.
도1의(b)에서와 같이 분리막 모듈 프레임(20)은 분리막 모듈헤드(11)의 좌우측 가장자리 또는 일측에 부착 설치되어 분리막 모듈을 견고하게 지지하도록 설계 제작되며, 분리막 모듈 프레임(20)의 하단부에는 분리막의 상부에 설치되어 중공사막의 막간 간격조절 지지체(16)가 유지하고 있는 중공사막사이의 간격인 5㎜내지 20㎜에서 유지하되, 상부에서 유지하고 있는 간격과 평행되게 유지하거나 더 넓게 유지할 수 있도록 중공사막의 앤드부에 중공사막 고정대(18, 19)가 고정 설치되어 있다.
상기 중공사막 고정대(18, 19)는 종방향으로 다수개가 설치되며, 중공사막사이의 간격이 분리막을 상부의 중공사막의 막간 간격조절 지지체(16)가 유지하고 있는 5㎜내지 20㎜에서 유지하되, 상부에서 유지하고 있는 간격과 평행되게 유지하거나 더 넓게 유지할 수 있도록 설계 제작하는 것이 바람직하며, 이와 같이 설계 제작할 경우에 중공사막의 오염도를 줄이고, 역세펌프를 이용하여 중공사막으로부터 라텍스를 용이하게 분리할 수 있으므로 효율적인 라텍스농축을 이룰 수 있다. 상기 중공사막 고정대는 종방향(가로방향)으로 프레임을 이용하여 중공사막사이의 간격을 5㎜내지 20㎜사이에서 유지하도록 다수 개를 고정 설치하는 것이 바람직하나, 횡방향(세로방향)으로 중공사막사이의 간격을 5㎜내지 20㎜사이에서 유지되도록 하여 다수 개를 고정 설치할 수도 있다.
본 발명에 따른 중공사막은 200N/m-fiber이상의 인장강도를 지닌 중공사막을 제작하기 위하여 중공사막 내부에 섬유지지체가 내장되어 있다. 보다 구체적으로, 상기 중공사막의 내부에 내장되는 섬유지지체는 폴리에스테르(PET), 폴리프로필렌(PP) 또는 나일론(Nylon) 등의 합성수지계열로 제조된 직경이 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터를 가진 수없이 많은 단섬유들로 구성되어 소정 굵기와 강도를 가진 끈으로 제작되어 있다.
상기 수없이 많은 단섬유로 제작된 섬유지지체는 수용성 고분자물질이 단섬유사이로 녹아서 용이하게 스며들어 견고하게 부착 고정될 수 있도록 유기용제를 단섬유사이로 스며들게 한 후, 수용성 고분자물질(PVDF)을 코팅하여 제작함으로써 200N/m-fiber이상의 인장강도를 가지면서 내구성이 우수하여 장기간 반복 사용할 수 있다.
다음은 본 발명에 따라 설계 제작된 분리막 모듈을 이용하여 테스트한 구체적인 실시 예에 대하여 살펴본다.
실험에 사용한 라텍스 용액은 라텍스의 농도가 40중량% 정도이고 용액의 온도는 55℃ 정도로 유지한 상태에서 수행되었다.
먼저 중공사막의 충진율에 따른 중공사막투과 유속변화에 대한 실험을 수행하였다. 중공사막 모듈내의 충진 밀도, 즉 중공사막을 포팅하는 포팅 부분의 중공사막 충진 밀도를 조절하여 분리막 투과유속의 검토를 통하여 중공사막오염 현상 및 역세운전을 통한 중공사막모듈 복원력 등을 수행하여 얻은 결과에 대하여 살펴본다.
중공사막 모듈의 포팅 측의 단위 부피 당 중공사막 밀도는 10.0%, 30.0%이고, 중공사막 면적은 1㎡로 고정하여 분리막 투과유속의 변화를 실험하여 검토하였다. 이때 라텍스용액의 고형성 성분의 농도(TSC)는 40%이고, 중공사막투과 유속은 3.0LMH(ℓ/㎡·hr)으로 고정하였다. 도2는 중공사막의 충진 밀도가 면적대비 각각 10% 및 30%에서의 시간변화에 따른 분리막 투과유속의 변화를 도시한 것이다.
도2에서 알 수 있듯이, 분리막 모듈의 포팅 측의 단위 부피당 중공사막의 밀도가 10%인 것은 중공사막 밀도가 3배 높은 충진 밀도가 30% 인 것 보다 비교적 안정된 투과유속을 유지하였으며, 라텍스 입자의 축적 및 분리막 모듈 내의 고형화는 중공사막의 충진 밀도가 30%인 경우가 더 신속하게 진행되고, 중공사막 투과유속의 감소는 중공사막표면에 라텍스 입자가 케이크 층 형성이 진행된 이후에 급격히 감소됨을 알 수 있었다.
도3의 (a)는 운전 초기 중공사막 표면에 부착되어 있는 라텍스입자 크기를 나타낸 것이고, 도4는 중공사막 충진밀도가 30%인 분리막 모듈에서 라텍스용액으로 부터 물을 흡수하는 운전시간을 30분 동안 동작시킨 후, 중공사막표면에 부착되어 있는 케이크 화된 라텍스 지름을 측정한 결과이다. 라텍스입자는 분리막 모듈의 운전 직후 중공사막표면 위에 급속히 부착되었으며 흡입운전을 30분 동안 수행한 후에는 800μm까지 증가하였다.
입자성 물질의 퇴적 및 부착에 의한 케이크 층의 형성을 방지하고 높은 여과수량을 유지하기 위하여 분리막의 역세 운전은 필수적이다. 하지만 분리막 역세 운전 동안에는 중공사막의 절단 및 크랙 현상이 발생할 수 있어 여과수내의 수질을 악화시킬 수 있다. 이와 같이 역세펌프를 운전하는 동안에 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 중공사막의 재질은 불소계 고분자인 폴리바이닐풀로라이드(PVDF) 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 라텍스 용액과 같이 입자성 물질이 존재하는 용액으로부터 물을 효율적으로 제거하기 위하여 친수성 고분자를 이용하여 고분자를 친수화하는 것이 중요하다. 도4는 역세압력의 변화에 따른 역세유량의 변화를 나타낸 것이다. 역세유량은 역세압력이 증가할수록 비례하여 직선적인 관계를 가지고 증가하였고, 1.5kgf/㎠의 압력에서 1㎡의 중공사막면적으로부터 시간당 투과되는 역세수량은 65ℓ이었다.
역세운전에 대한 중공사막의 안정성 검토는 1.5kgf/㎠의 압력 조건과 65cmHg 진공압력 조건에서 라텍스 용액으로부터 물을 흡입하는 흡입운전과 흡입 시에 중공사막에 부착된 라텍스를 분리시키기 위한 역세운전을 반복하여 수행되었다.
라텍스용액으로부터 물을 흡입하는 운전시간은 10분으로 하고, 흡입 시에 중공사막에 부착된 라텍스를 분리시키기 위한 역세운전은 3분으로 설정하여 140회 동 안 가동하였고, 투과수 내의 라텍스 입자의 누출을 관찰하였지만 발견되지 않아서 내구성이 우수함을 확인할 수 있었음으로 본 발명에 따라 제작된 중공사막을 이용한 분리막 모듈은 내구성, 효율성 및 에너지 절약 등에서 우수한 성능을 나타내었다.
고분자 중합공정에 있어서 생산되는 라텍스와 같은 고분자 물질은 중공사막표면에 쉽게 부착되어 케이크 층을 형성하여 중공사막투과 유속을 크게 감소시킨다. 따라서 고형성 입자의 부착에 의한 중공사막 투과유속의 감소를 줄이기 위하여 중공사막과 중공사막사이의 간격조절을 최적화하여 고형성 입자의 부착을 최소화하여 운전하는 것이 무엇보다 중요하다.
다음은 중공사막과 중공사막사이의 간격을 1㎜내지 10㎜로 조절하여 중공사막 투과유속을 실험하여 검토한 결과이다. 초기 중공사막투과 유속은 3.0LMH(ℓ/㎡·hr)로 설정하고, 라텍스용액으로부터 물을 흡입하는 시간을 8분으로 설정하고, 정지 운전시간은 2분으로 설정하여 운전하였고, 부착된 라텍스를 분리하기 위한 역세운전 시간을 30초로 하고, 역세 압력은 0.5kgf/㎠로 하여 운전하였다.
여기서 운전시간 동안의 중공사막 투과유속은 10분, 30분, 60분, 120분 간격으로 측정하였고, 이때 라텍스용액으로부터 물을 흡입하는 흡입 압력의 변화를 측정하였다. 운전을 시작한 초기 흡입 압력은 30cmHg 이었으며, 이는 운전시간이 증가할수록 서서히 증가하여 62cmHg까지 증가하였다.
중공사막사이의 간격변화에 대한 흡입압력의 변화를 살펴보면 다음과 같다. 중공사막사이의 간격이 1㎜이하에서는 흡입압력의 변화범위가 41내지62cmHg 을 나 타내었고, 중공사막사이의 간격이 3㎜에서는 흡입압력의 변화범위가 38내지 62cmHg를 보였으며, 중공사막사이의 간격이 5㎜에서는 흡입압력의 변화범위가 38내지 55cmHg를 나타내었고, 중공사막사이의 간격이 10㎜ 간격에서는 흡입압력의 변화범위가 40내지 52cmHg를 나타냈었다. 이상의 결과로부터 라텍스농축을 위한 중공사막사이의 간격은 5㎜내지 10㎜사이가 적합하고, 1㎜내지 3㎜의 중공사막사이의 간격을 갖는 중공사막 모듈은 막오염이 신속하게 진행됨을 알 수 있다.
표 1 막간 간격변화에 있어서 운전시간 변화에 따른 막투과 유속의 변화
Figure 112007071510083-pat00001
중공사막사이의 간격을 5㎜내지 10㎜가 되도록 하여 도7과 같이 제작하여 라텍스입자가 중공사막표면에 부착되는 부착성 및 운전시간에 따른 중공사막에 부착되는 라텍스입자의 무게의 변화를 실험하고 검토하였다. 이때 사용된 중공사막면적은 5.0㎡이고, 중공사막 길이는 1.0m이다. 운전방법은 연속적으로 라텍스용액으로부터 물을 흡입하는 방식으로 수행하였다. 운전 초기 3분 동안 라텍스입자는 중공사막 면적당 0.54kg가 부착되었고, 약 8분의 운전시간동안에 0.69kg/㎡의 라텍스가 부착되었다. 라텍스입자의 중공사막에 부착되는 속도는 초기 0.186kg/㎡·min이지만 운전시간이 경과됨에 따라 0.086kg/㎡·min까지 감소하는 경향이 있지만, 전체 분리막 모듈에 부착되는 라텍스 축적농도는 계속적으로 증가하였다. 이때 라텍스용액으로부터 물을 흡입하는 흡입압력은 30내지 50cmHg에서 운전하였다.
단, 막모듈 내에 부착되어 있는 라텍스 무게는 다음의 방법으로 계산되었다. (분리막 모듈에 부착되어 있는 라텍스 무게 = 일정시간동안 운전한 후 분리막 모듈의 무게 - 물을 흡입하지 않은 순수한 분리막 모듈의 무게 - 순수하게 물만을 흡입 한 후의 분리막 모듈의 무게)
상기 실험에서는 중공사막사이의 간격을 5㎜ 내지 10㎜가 되도록 구성하고, 중공사막의 끝부분을 고정하기 위한 종방향으로 다수의 중공사막 고정대를 설치하되, 중공사막 고정대(판)와 중공사막 고정대(판)사이의 간격을 1㎜내지 20㎜가 되도록 고정 설치하여 분리막 모듈을 제작하였다. 운전조건은 라텍스용액으로부터 물을 흡입하는 시간을 8분으로 설정하고, 운전 정지시간은 2분으로 설정하여 운전하였고, 부착된 라텍스를 분리하기 위한 역세 운전시간은 1분으로 하여 수행하였다. 이때 흡입 진공압력은 76cmHg까지 도달할 수 있도록 설정하였고, 약 48시간 동안 운전하였다. 표2는 종방향의 중공사막 고정대사이의 간격변화에 따른 분리막 모듈에 부착되어 남아 있는 라텍스 무게변화를 측정하여 나타낸 것이다. 이상의 결과로부터 라텍스입자가 중공사막에 부착되는 것을 줄이기 위해서는 중공사막의 앤드부분을 고정하는 중공사막 고정대와 중공사막 고정대사이의 간격을 5㎜에서 20㎜간격 내로 조절하는 것이 분리막 모듈 내에 라텍스 축적을 줄이고, 분리막 모듈의 부피를 적당하게 유지하면서 필요한 중공사막 투과유속에서 장기간 운전에 적합하다는 것을 알 수 있다.
표 2 중공사막사이 간격변화에 따른 막투과 유속의 변화
Figure 112007071510083-pat00002
도7은 본 발명에 따라 에너지 절약형이면서 내구성이 우수하고 라텍스 농축에 적합한 최적화된 엔드 프리 형태의 분리막 모듈의 사진을 나타낸 것이다. 중공사막사이의 간격은 5㎜내지 10㎜로 조절하고, 중공사막을 하부에서 잡아주는 중공사막 고정대와 중공사막 고정대와의 간격은 5㎜내지 15㎜로 조절하여 라텍스 입자의 축적을 줄이고, 중공사막 모듈 회복운전 시 라텍스 입자가 중공사막으로부터 잘 분리되어 나갈 수 있는 분리막 모듈을 얻었다.
본 발명은 폐수, 식품산업, 석유화학산업 등의 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액의 농도 및/또는 고분자 중합 공정 내 생산되는 중합체 라텍스(백수) 내의 라텍스 농도가 40중량%내지 50중량%의 라텍스 용액을 60중량%이상으로 농축하기 위하여 물을 회수하되, 55℃의 낮은 온도에서도 농축효율이 우수하여 에너지를 절약하면서 용액을 농축하기 위하여 엔드프리 분리막 모듈 형태로 설계 제작되며, 중공사막내부에는 중공사막의 강도 및 내구성을 높이기 위하여 섬유지지체가 내장되고, 중공사막사이의 간격은 5㎜내지 10㎜로 유지하고, 중공사막을 하부에서 잡아주는 중공사막 고정대와 중공사막 고정대사이의 간격은 5㎜내지 15㎜로 유지하여 최적화된 고형성분 및/또는 라텍스 농축을 위한 분리막 모듈을 제공할 수 있음으로써 산업상 이용가능성이 매우 높다.
도1 : 본 발명에 따라 설계 제작된 분리막 모듈의 전체적인 구성도
도2 : 본 발명에 따라 설계 제작된 분리막 모듈에서 단위 부피당 막밀도에 따른 투과플럭스의 변화도
도3 : 라텍스 용액으로 물을 회수할 때 중공사막표면에 부착되어 있는 라텍스 입자 및 고형화된 라텍스 입자를 촬영한 사진
도4 : 역세압력 변화에 따른 역세수량을 측정한 결과를 도시한 것
도5 : 본 발명에 따라 설계 제작된 분리막 모듈에서 분리막 반응기 내의 라텍스(a) 및 막투과수(b)를 촬영한 사진
도6 : 본 발명에 따라 설계 제작된 분리막 모듈의 운전시간 변화에 따른 막표면에 부착된 라텍스 양을 도시한 도면
도7 : 본 발명에 따라 설계 제작된 라텍스 농축용 분리막 모듈의 사진
<도면부호의 간단한 설명>
11; 분리막 모듈헤드 12; 집수구
13; 막투과 수 14; 분리막모듈 고정용 부재
15; 중공사막 16; 중공사막의 막간 간격조절 지지체
17; 중공사막 고정대(횡 방향) 18; 19; 중공사막 고정대(종 방향)
20; 분리막 모듈 프레임

Claims (6)

  1. 고농도의 고형성분을 함유하고 있는 용액 및 고분자중합공정 중에 생산되는 라텍스 용액을 농축하기 위한 분리막 모듈에 있어서,
    에폭시 몰드로 중공사막과 중공사막사이를 일정간격으로 배치하여 분리막 모듈헤드 하부에 고정되며, 상기 고정된 중공사막을 통해서 고형성분을 함유하고 있는 용액 및 라텍스 용액으로부터 물을 회수하기 위한 집수구가 설치된 분리막 모듈헤드;
    상기 분리막 모듈헤드의 하부에 접착제로 고정된 중공사막의 하단을 일정간격으로 잡아주기 위하여 분리막 모듈의 하부에 고정 설치된 중공사막 고정대;
    고형성분을 함유하고 있는 용액 및 라텍스 용액으로부터 흡입펌프를 이용하여 물을 회수하기 위하여 분리막 모듈헤드와 하부에 설치된 상기 중공사막 고정대에 의하여 일정간격이 유지되도록 고정 설치된 중공사막; 및
    상기 분리막 모듈헤드의 양측 가장자리와 체결되고, 상기 중공사막의 하부에 설치된 분리막 고정대와 견고하게 체결되어 분리막 모듈을 견고하게 지지하기 위한 분리막 모듈 프레임으로 구성된 분리막모듈.
  2. 청구항1에 있어서,
    상기 분리막 모듈헤드와 인접하여 중공사막에 고정 설치되어 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스 용액으로부터 물을 흡입펌프로 흡입 시에 중공사막의 오염을 줄이고, 역세펌프로 역세 운전시 고형성분 및/또는 라텍스가 중공사막 으로부터 용이하게 분리되도록 하기 위한 중공사막의 막간 간격조절 지지체를 더 구비한 분리막 모듈.
  3. 청구항1 또는 청구항2에 있어서,
    상기 중공사막 고정대는 중공사막이 상기 중공사막의 막간 간격조절 지지체에서 유지시킨 중공사막사이의 간격과 동일하거나 더 넓게 유지되도록 구성하기 위하여 종방향으로 다수개의 중공사막 고정대가 고정 설치됨을 특징으로 하는 분리막모듈.
  4. 청구항3에 있어서,
    상기 중공사막 간격은 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스용액으로부터 흡입펌프로 물을 흡입 시에 막오염을 줄이고, 역세펌프를 이용하여 역세 운전시 고형성분 및/또는 라텍스가 중공사막으로부터 용이하게 분리되도록 중공사막의 막간 간격조절 지지체를 이용하여 5㎜내지 10㎜ 로 고정 설치하고, 종방향으로 다수개의 중공사막 고정대를 설치하되 중공사막사이의 간격이 5㎜내지 15㎜의 간격을 유지하도록 고정 설치함을 특징으로 하는 분리막모듈.
  5. 청구항3에 있어서,
    상기 중공사막은 고형성분을 함유하고 있는 용액 및/또는 라텍스 용액으로부터 흡입펌프로 물을 효율적으로 회수하고, 역세펌프를 이용하여 역세 운전 시에 중 공사막에 부착된 고형성분 및/또는 라텍스를 중공사막으로부터 용이하게 분리되도록 구성하면서 강도 및 내구성을 높이기 위하여 내부에 섬유지지체가 내장되고, 섬유지지체에 친수성 고분자중합체인 PVDF로 코팅하여 제조함을 특징으로 하는 분리막모듈.
  6. 청구항3에 있어서,
    상기 중공사막은 200N/m-fiber이상의 인장강도를 가진 중공사막으로 제작하기 위하여 폴리에스테르, 폴리프로필렌 및 나일론 중 하나를 선택하여 수 마이크로미터내지 수십 마이크로미터의 직경을 가진 수많은 단섬유로 섬유지지체를 제조하고,
    상기 섬유지지체와 수용성 고분자물질의 결합강도 및 내구성을 높이기 위하여 섬유지지체를 이루고 있는 단섬유사이로 유기용제가 스며들게 한 후, 수용성 고분자물질을 코팅하여 제조됨을 특징으로 하는 분리막 모듈.
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