KR100956765B1 - 막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막증류 분리공정 - Google Patents

막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막증류 분리공정 Download PDF

Info

Publication number
KR100956765B1
KR100956765B1 KR1020080005521A KR20080005521A KR100956765B1 KR 100956765 B1 KR100956765 B1 KR 100956765B1 KR 1020080005521 A KR1020080005521 A KR 1020080005521A KR 20080005521 A KR20080005521 A KR 20080005521A KR 100956765 B1 KR100956765 B1 KR 100956765B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
membrane distillation
membrane module
insert
distillation
Prior art date
Application number
KR1020080005521A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090079498A (ko
Inventor
김광제
문상진
소원욱
양영미
Original Assignee
한국화학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국화학연구원 filed Critical 한국화학연구원
Priority to KR1020080005521A priority Critical patent/KR100956765B1/ko
Publication of KR20090079498A publication Critical patent/KR20090079498A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100956765B1 publication Critical patent/KR100956765B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/36—Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
    • B01D61/364—Membrane distillation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10—Spiral-wound membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10—Supported membranes; Membrane supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12—Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • B01D69/1213—Laminated layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02—Inorganic material
    • B01D71/022—Metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/26—Polyalkenes
    • B01D71/261—Polyethylene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/26—Polyalkenes
    • B01D71/262—Polypropylene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/30—Polyalkenyl halides
    • B01D71/32—Polyalkenyl halides containing fluorine atoms
    • B01D71/36—Polytetrafluoroethene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2311/00—Details relating to membrane separation process operations and control
    • B01D2311/10—Temperature control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2311/00—Details relating to membrane separation process operations and control
    • B01D2311/16—Flow or flux control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/10—Specific supply elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/14—Specific spacers
    • B01D2313/143—Specific spacers on the feed side
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/20—Specific permeability or cut-off range

Abstract

본 발명은 분리막 모듈의 공급측 내에 삽입물이 장착된 막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막 증류 분리공정에 관한 것이다.
본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치는 분리막 모듈의 공급측 내에 삽입물을 장착하여 유로 폭을 조절함으로써, 분리막과 삽입물 사이의 좁은 유로를 통해 빠른 유속을 유도하여, 낮은 공급 유량에서도 높은 선속도를 나타내므로 비교적 낮은 공급온도에서도 우수한 투과유량을 확보할 수 있다. 나아가, 상기 막 증류용 분리막 모듈 장치를 다양한 투과측의 응축방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하여, 염제거율 및 투과유량이 우수한 고효율의 막 증류 분리공정을 제공함으로써, 증발법에 의한 분리공정보다 낮은 온도에서 조업이 가능하고, 역삼투압법보다 전처리가 간단하고 낮은 압력에서 수행되는 에너지 효율적인 분리공정을 제공할 수 있다.
막 증류, 소수성 분리막, 탈염, 수처리

Description

막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막 증류 분리공정{MEMBRANE MODULE APPARATUS FOR MEMBRANE DISTILLATION AND MEMBRANE DISTILLATION WITH HIGH EFFICIENCY USING THE SAME}
본 발명은 막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막 증류 분리공정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본 발명의 분리막 모듈 장치는 분리막 모듈의 공급측 내에 삽입물을 장착하여 공급용액의 열 전달과 물질전달을 촉진함으로써, 상대적으로 낮은 온도 및 낮은 공급유량 조건 하에서도 조업이 가능하고, 상기 분리막 모듈 장치를 다양한 투과측의 응축방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 함으로써, 염제거율이 99%이상이고, 투과유량이 우수한 고효율의 막 증류 분리공정에 관한 것이다.
막 증류법(Membrane Distillation)은 소수성 고분자 분리막의 표면에서 상변화가 일어나고, 분리막의 표면 미세 기공을 통해 증기가 투과하여 응축, 분리되는 공정으로서, 비휘발성 물질이나 휘발성이 상대적으로 낮은 물질을 분리 제거하는 탈염 공정에 이용되거나, 수용액 중에 휘발성이 높은 유기물을 분리하는데도 이용할 수 있다. 예를 들면, 에탄올 수용액으로부터 에탄올을 분리하는데 막 증류를 적용할 수 있다.
막 증류에 대한 개념이 1940년에 제안된 이래, 현재에 이르기까지 막 증류에 대한 연구는 주로 미국, 유럽, 일본, 호주 중심으로 진행되어 왔다. 최근에 막 증류 분리 공정을 종래의 증발 또는 역삼투압막을 이용한 분리 공정과 대체하려는 움직임이 활발하다. 막 증류법과 종래 사용되는 한외여과법, 역삼투압법, 투과증발법의 분리 공정에 대한 비교를 하기 표 1에 기재하였다.
분리 공정 분리대상 물질의 크기 구동력 분리막 형태
막 증류 (Membrane Distillation) <1 nm 분자 분압차 다공성
한외여과 (Ultrafiltration) 1∼100 nm 입자 압력차 (1-10 bar) 다공성
역삼투압 (Reverse Osmosis) <1 nm 분자 압력차 (10-100 bar) 비다공성
투과증발 (Pervaporation) <1 nm 분자 농도차 비다공성
현재, 순수제조나 담수화 공정으로 사용되고 있는 증발법과 역삼투압법은 에너지가 많이 소요되는데, 특히 역삼투압법은 오염과 파울링의 문제로 인하여 사용 전에, 여러 단계의 전처리 과정을 거치므로 운전 관리상의 어려움뿐만 아니라, 높은 압력에서 운전되므로 펌프동력원인 전기에너지가 많이 사용되어 관리비용이 많이 소요되는 문제가 있다.
반면에, 막 증류는 다공성 막을 사용하면서 한외여과법과 역삼투압법에 비해 낮은 압력에서 운전되며 증기압 분압차에 의해 분리가 이루어진다. 또한, 상기 막 증류 분리법을 이용하면, 염과 같은 비휘발성 물질을 분리ㆍ제거하는데 있어서 전통적인 증류법이 가지는 비말 동반이 없고 높은 압력으로 운전되는 여과기 또는 분리막을 사용하지 않아도 된다.
이러한 막 증류 분리공정의 장점으로 인하여, 막 증류법을 이용한 담수화(탈염화) 처리공정은 저비용의 유틸리티와 분리장치의 내구성이 우수하므로 전 세계적으로 음용수 생산에 있어 경쟁력있는 방법 중의 하나로 부상하고 있다.
막 증류법은 소수성 고분자 분리막을 이용하는데, 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 투과측에서 응축, 분리되는 것이다.
이러한 막 증류법은 공급용액이 분리막을 통과하는 공급측과 분리대상 물질이 응축 및 분리되는 투과측으로 구성된 분리막 모듈을 통해 수행된다. 이때, 공급온도, 공급유량 속도, 분리막 재질 등에 따른 물의 투과 속도에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
막 증류법을 이용하여 투과유량을 극대화하기 위해서는 공급측에서의 공급용액이 높은 증기압을 형성해야 하며, 일반적으로 증기압을 높게 하려면 공급용액의 온도를 높이고 유속을 증가시키고, 투과측의 온도를 낮게 유지하면 결과적으로 공급측과 투과측의 증기압차가 극대화되어 많은 투과유량을 확보할 수 있다. 또한, 분리막 모듈 내에서 유속이 높으면, 격렬한 교반 효과가 형성되어 열전달과 물질전달을 촉진시킨다.
그러나, 종래 막 증류에서 사용하는 분리막 모듈은 공급측 유로의 폭이 상대적으로 넓어, 막 증류에 필요한 구동력, 즉 높은 증기압차를 얻기 위해서는 공급측의 온도가 비교적 높아야 하고, 공급 유속도 상당히 빨라야 하기 때문에, 막 증류에 충분한 열전달과 물질전달이 수행하기 위해서 많은 에너지 공급이 요구된다.
이러한 문제를 해소하기 위하여, 캐스 등은 공급유량의 선 속도를 향상시키기 위해 스페이서(spacer)를 이용하는 방법을 제시한 바 있으나[Journal of Membrane Science, 2004, 228, 5-16], 특수 설계인 관계로 큰 스케일 제작에 어려움이 있고, 평판형 또는 권선형 등의 다양한 형태의 분리막 모듈에 적용할 수 없다.
이에, 본 발명자들은 종래의 막 증류법의 분리막 모듈 내에서의 설계 한계를 극복하기 위하여 노력한 결과, 분리막 모듈의 공급측 내에 적절한 크기의 삽입물을 장착하여 공급용액의 열 전달과 물질전달을 촉진함으로써, 투과측의 투과유량을 증가시키는 막 증류용 분리막 모듈 장치를 제공하고, 상기 분리막 모듈 장치를 다양한 투과측 막 증류장치에 적용함으로써, 상대적으로 낮은 온도 및 공급유량의 조건 하에서도 운전가능하며, 99% 이상의 염제거율과 투과유량이 향상된 결과를 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 분리막 모듈의 공급측 내에 적절한 크기의 삽입물이 장착된 막 증류용 분리막 모듈 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 막 증류용 분리막 모듈 장치를 직접 접촉 막 증류방 식, 진공 막 증류방식, 공기 간극 막 증류방식 또는 쓸기 막 증류방식에 적용하여, 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 고효율의 막 증류 분리공정을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공급용액이 통과하는 공급측으로 구성된 분리막 모듈 장치에 있어서, 상기 분리막 모듈의 공급측 내에 삽입물이 장착된 막 증류용 분리막 모듈 장치를 제공한다.
본 발명에서 사용되는 삽입물은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리테트라플르오르에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라스틱재질; 또는 가공 가능한 금속재질에서 선택되어 사용될 수 있다.
본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치에서, 상기 분리막과 상기 삽입물간의 유로 폭은 3 내지 20 mm로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치에서 사용하는 분리막은 평균기공크기 0.1 내지 0.5㎛를 가지는 폴리테트라플르오르에틸렌 또는 폴리비닐리덴플르오르라이드에서 선택되는 불소계 합성 고분자를 사용한다.
또한, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈은 평판형 또는 권선형 등의 다양한 형태에 적용할 수 있다.
본 발명은 공급측 내에 삽입물이 장착된 상기 분리막 모듈 장치를 직접 접촉 막 증류방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 고효율의 막 증류 분리공정을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 분리막 모듈 장치를 진공 막 증류방식, 공기 간극 막 증류방식 또는 쓸기 막 증류방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 고효율의 막 증류 분리공정을 제공하며, 본 발명의 막 증류 분리공정은 염제거율이 99%이상이고, 투과유량이 5 내지 45 kg/㎡ㆍh인 고효율의 막 증류 분리효율을 구현한다.
본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치는 분리막 모듈의 공급측 내에 적절한 크기의 삽입물이 장착되어 공급용액의 열 전달과 물질전달이 촉진됨으로써, 상대적으로 낮은 온도 및 낮은 공급유량 조건 하에서도 조업이 이루어지기 때문에 에너지 절약에 유리하다.
또한, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치를 다양한 투과측의 응축방식에 적용하여, 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 함으로써, 염제거율이 99%이상이고, 투과유량이 5 내지 45 kg/㎡ㆍh인 고효율의 막 증류 분리효율을 구현할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 공급용액이 통과하는 공급측으로 구성된 분리막 모듈 장치에 있어서, 분리막 모듈의 공급측 내에 삽입물이 장착된 막 증류용 분리막 모듈 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치의 분해사시도를 도시한 것으 로, 본 발명에서 사용되는 삽입물은 분리막과 동일한 유효 직경을 가지는 것이 바람직하고, 높이 10 내지 30㎜를 가지는 형태로서, 분리막과 삽입물 사이의 유로 폭을 조절할 수 있다.
본 발명에서 삽입물로서 사용되는 바람직한 일례로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리테트라플르오르에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라스틱재질; 또는 가공 가능한 금속재질에서 선택되는 것이다. 상기 금속재질로는 스테인레스 스틸을 사용할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 공급용액으로서 해수를 사용하는 경우에 염분의 부식을 고려할 때, 본 발명의 삽입물은 플라스틱재질을 사용하는 것이다.
본 발명의 삽입물 장착으로 인해 조절될 수 있는 분리막과 상기 삽입물간의 유로 폭은 3 내지 20 mm, 더욱 바람직하게는 3 내지 10 mm 이내가 바람직하다. 이때, 유로 폭이 3 mm 미만이면, 큰 투과유속을 얻을 수 있으나 분리 선택도가 떨어져 비휘발성 물질제거 또는 탈염 효과가 반감될 수 있다. 반면에, 유로 폭이 20 mm를 초과하면, 유로 폭이 커져서 큰 체류공간이 발생하고 이것을 상쇄할 수 있는 빠른 유속이 필요하므로 바람직하지 않다.
상기에서 기술하고 있는 삽입물을 분리막 모듈의 공급측 내에 장착하면, 낮은 공급 유량에서도 높은 선속도를 나타내므로 비교적 낮은 공급온도에서도 우수한 투과 플럭스를 확보할 수 있다.
본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치를 사용할 경우, 공급용액의 온도는 40 내지 80℃ 범위 내에서 조절할 수 있으나, 더욱 바람직하기로는 40 내지 60℃가 좋다. 이때, 40℃ 보다 낮으면, 증발효과가 낮아져 투과 플럭스가 저하되며, 80℃를 초과하면, 증발효과는 우수하나 온도가 너무 높아 에너지가 많이 소요되는 문제가 있다.
막 증류 공정에서 분리효율은 공급측과 투과측간의 온도차, 공급측 유속 및 분리막 재질에 따라 큰 영향을 받는다.
이에, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치에 사용되는 분리막의 재질은 평균기공크기 0.1 내지 0.5㎛를 가지는 소수성 고분자막으로서, 폴리테트라플르오르에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플르오르라이드(PVDF) 또는 불소계 합성 고분자로 이루어진 균일막 또는 복합막이 바람직하다.
상기 폴리테트라플르오르에틸렌(PTFE)은 물에 대한 접촉각이 폴리비닐리덴플르오르라이드(PVDF)에 비해 커서 소수성이 우수하고, 동일조건에서 물의 투과속도도 우수하다. 반면에, 상기 폴리비닐리덴플르오르라이드(PVDF)은 상기 폴리테트라플르오르에틸렌(PTFE)이 우수한 물성에도 불구하고 소재자체의 고가문제를 해소할 수 있는 범용적인 재질로서, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈의 설계와 운전 조건의 최적화에 따라, 투과유량이 개선된다.
본 발명의 분리막 모듈은 평판형 또는 권선형 등에 다양하게 적용할 수 있다.
이러한 불소계 고분자 분리막을 장착하는 분리막 모듈로는 평판막과 권선막 형태가 있다.
이때, 평판형 분리막은 직사각 형태와 실린더 이외의 다양한 형태의 모듈로 제작할 수 있다. 평판형 모듈 내의 삽입물의 재료로는 금속 또는 플라스틱재질을 사용할 수 있으나, 공급용액의 부식성을 고려하여 재질을 선정할 수 있다.
또한, 권선형 모듈에는 삽입물 재료로서 금속재질보다 유연성이 우수한 플라스틱재질을 사용한다. 이때, 플라스틱은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리테트라플르오르에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
도 2 내지 도 3은 공급측 내에 삽입물이 장착되어 유로 폭이 조절된 본 발명의 분리막 모듈을 도시한 것으로서, 분리막 모듈의 공급측 내에 삽입물이 장착되어, 유로 폭이 바람직하게는 3mm 및 11mm로 조절된 반면에, 도 4는 공급측 내에 삽입물이 장착되지 않아 유로 폭이 26mm로서 상대적으로 큰 종래의 분리막 모듈을 도시한 것이다.
즉, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치의 경우, 공급측 내에 삽입물을 장착하여 공급용액의 유로 폭을 좁혀 조절함으로써, 분리막과 삽입물 사이의 좁은 유로에서 빠른 유속을 유도하고, 공급용액의 체류공간을 줄이면서도 종래의 분리막 모듈 장치와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치는 기존 설계 제약을 벗어나 용이하게 열전달과 물질전달을 촉진시켜, 종래의 분리막 모듈 장치에 비해 상대적으로 적은 유량과 비교적 낮은 온도에서 조업이 이루어지기 때문에 에너지 효율측면에서도 유리하다.
나아가, 본 발명은 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 구비하는 것 이라면, 투과측의 다양한 증류방식에 적용가능하며, 이로부터 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 고효율의 막 증류 분리공정을 제공한다.
본 발명의 고효율의 막 증류 분리공정은 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 이용함으로써, 상대적으로 낮은 온도 및 공급유량의 조건 하에서도 운전가능하며, 99% 이상의 염제거율과 투과유량이 5 내지 45 kg/㎡ㆍh인 고효율의 막 증류 분리효율을 구현한다.
이에, 본 발명의 막 증류 분리공정은 증발법에 의한 분리공정보다 40 내지 60℃의 낮은 온도에서 조업이 가능하고, 역삼투압법보다 전처리가 간단하고 낮은 압력, 즉 상압 또는 대기압 상태에서 운전되는 에너지 효율적인 분리공정이다. 따라서, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치를 이용한 막 증류 분리공정은 종래의 증발법, 증류법, 역삼투압막법을 대체하여, 순수제조, 담수화, 식품의 농축, 공장의 폐수처리 등에 이용하거나, 산업용수, 발전용수 처리 등에 활용 가능하다.
본 발명의 고효율의 막 증류 분리공정의 바람직한 구현을 위한 제1실시형태는 상기 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 직접 접촉 막 증류방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 막 증류 분리공정을 제공한다[도 5].
상기 직접 접촉 막 증류방식(direct contact membrane distillation, DCMD)은 가열기(1)에 의해 가열된 공급용액이 공급조(2)를 통해 분리막 모듈(6)의 공급측으로 유입되고, 상기 분리막의 표면 미세 기공을 통해 분리대상 물질이 증기상으로 상변 환되어 기공 안으로 확산, 투과된다. 이때, 순환 펌프(4)에 의해 투과측 저장조(5)에 차가운 냉수가 순환되면서 상기 투과된 증기가 바로 접촉하여 응축 분리되는 것이다.
이때, 상기 분리막 모듈(6)은 공급측 내에 삽입물이 장착되어 유로 폭을 조절하여, 분리막과 삽입물 사이의 좁은 유로를 통해 빠른 유속을 유도하여, 낮은 공급 유량에서도 높은 선속도를 나타내므로 비교적 낮은 공급온도에서도 우수한 투과 플럭스를 확보할 수 있다.
특히, 본 발명의 고효율의 막 증류 분리공정은 일정한 온도로 공급용액을 가열하거나 유지할 때 화석연료와 전기 가열뿐만 아니라 태양열이나 태양전지 등과 같은 신ㆍ재생 에너지를 활용하여 막 증류공정의 필요한 에너지로 사용할 수 있고, 특히, 공장에서는 폐열과 같은 저급 에너지도 공급용액의 열원으로 이용할 수 있다.
고효율의 막 증류 분리공정의 바람직한 구현을 위한 제2실시형태로서, 본 발명은 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 진공 막 증류방식에 적용하여, 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 막 증류 분리공정을 제공한다.
상기 진공 막 증류방식(vacuum membrane distillation)은 투과측에서 진공이 유지되는 가운데 냉각 콘덴서로 응축하는 방법이다.
또한, 본 발명은 고효율의 막 증류 분리공정의 바람직한 구현을 위한 제3실시형태 및 제4실시형태로서, 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 공기 간극 막 증류방식 및 쓸기 막 증류방식에 적용하여, 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 막 증류 분리공정을 제공한다.
상기에서 공기 간극 막 증류방식(air gap membrane distillation)은 냉각 응축기와 분리막 사이에 공기 간극을 두어 응축하는 방법이고, 쓸기 막 증류방식(sweep membrane distillation)은 쓸기 가스(sweep gas)를 투과측에 보내어 응축하는 방법이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
분리막으로서, 직경 5cm의 소수성 폴리비닐리덴플르오라이드(이하, "PVDF"라 한다) 평판막 모듈에, 직경 5cm이고, 높이 23 mm인 폴리테트라플르오르에틸렌(이하, "PTFE"라 한다) 재질의 삽입물을 장착하고, 상기 분리막과 삽입물 사이의 유로 폭을 3 mm로 유지하여 직접 접촉 막 증류(DCMD) 공정을 수행하였다. 이때, 분리막으로 사용된 PVDF 막의 평균기공크기는 0.22㎛이었으며, 공급용액은 3% NaCl 용액으로 40℃에서 0.11 L/min로 공급하였으며 투과측은 10℃의 냉수로 순환하였다.
상기 직접 접촉 막 증류 결과, 전기전도도법으로 공급용액과 투과용액의 농도를 측정하여 결정된 분리 선택도는 99% 이상의 염 제거율을 보였으며, 6.7 kg/㎡ㆍh의 순수를 얻었다.
<실시예 2>
직경 5cm의 소수성 PVDF 평판막 모듈에, 직경 5cm이고, 높이 15 mm인 PTFE 재질의 삽입물을 장착하고, 분리막과 삽입물 사이의 유로 폭을 11 mm로 유지하여 직접 접촉 막 증류(DCMD) 공정을 수행하였다. 이때, 분리막으로 사용된 PVDF 막의 평균기공크기는 0.22㎛이었으며, 공급 용액은 3% NaCl 용액으로 40℃에서 0.38 L/min로 공급하였으며, 투과측은 10℃의 냉수를 순환하였다.
상기 직접 접촉 막 증류 결과, 분리 선택도 99% 이상의 염 제거와 5.2 kg/㎡ㆍh의 순수를 얻었다.
<실시예 3>
직경 5cm의 소수성 PVDF 평판막 모듈에, 직경 5cm이고, 높이 23 mm인 PTFE 재질의 삽입물을 장착하고, 분리막과 삽입물 사이의 유로 폭을 3 mm로 유지하여 직접 접촉 막 증류(DCMD) 공정을 수행하였다. 이때, 분리막으로 사용된 PVDF 막의 평균기공크기는 0.22㎛이었으며, 공급 용액은 3% NaCl 용액으로 60℃에서 1.64 L/min로 공급하였으며 투과측은 10℃의 냉수를 순환하였다.
상기 직접 접촉 막 증류 결과, 분리 선택도 99% 이상의 염 제거와 32.5 kg/㎡ㆍh의 순수를 얻었다.
<실시예 4>
직경 5cm의 PTFE 평판막 모듈에, 직경 5cm이고, 높이 23 mm인 PTFE 재질의 삽입물을 장착하고, 분리막과 삽입물 사이의 유로 폭을 3 mm로 유지하여 직접 접촉 막 증류(DCMD) 공정을 수행하였다. 이때, 사용된 PTFE 막의 평균기공크기는 0.22㎛이었으며, 공급용액은 3% NaCl 용액으로 40℃에서 1.64 L/min로 공급하였으며 투과측은 10℃의 냉수를 순환하였다.
상기 직접 접촉 막 증류 결과, 분리 선택도 99% 이상의 염 제거와 44.0 kg/㎡ㆍh의 순수를 얻었다.
<실시예 5>
분리막으로서, 직경 5cm의 PVDF 평판막 모듈에, 직경 5cm이고, 높이 23 mm인 PTFE 재질의 삽입물을 장착하고, 상기 분리막과 삽입물 사이의 유로 폭을 3 mm로 유지하여, 진공 막 증류 공정으로 수행하였다.
<실시예 6>
분리막으로서, 직경 5cm의 PVDF 평판막 모듈에, 직경 5cm이고, 높이 23 mm인 PTFE 재질의 삽입물을 장착하고, 상기 분리막과 삽입물 사이의 유로 폭을 3 mm로 유지하여, 공기 간극 막 증류 공정으로 수행하였다.
<실시예 7>
분리막으로서, 직경 5cm의 PVDF 평판막 모듈에, 직경 5cm이고, 높이 23 mm인 PTFE 재질의 삽입물을 장착하고, 상기 분리막과 삽입물 사이의 유로 폭을 3 mm로 유지하여, 쓸기 막 증류 공정으로 수행하였다.
<비교예 1>
유로 폭이 26 mm로 유지되고 삽입물이 전혀 장착되지 않은 직경 5cm의 소수성 PVDF 평판막 모듈을 이용하여 직접 접촉 막 증류(DCMD) 공정을 수행하였다. 이때, 사용된 PVDF 막의 평균기공크기는 0.22㎛이었으며, 공급 용액은 3% NaCl 용액으로 40℃에서 0.11 L/min로 공급하였으며 투과측은 10℃의 냉수를 순환하였다.
상기 직접 접촉 막 증류 결과, 분리 선택도 99% 이상의 염 제거와 0.12 kg/㎡ㆍh의 순수를 얻었으며, 상기 삽입물이 장착된 실시예 1의 투과속도와 비교할 때, 순수 투과 플럭스가 1/56로 낮게 관찰되었다.
<비교예 2>
유로 폭이 26 mm로 유지되고, 삽입물이 전혀 장착되지 않은 직경 5cm의 소수성 PVDF 평판막 모듈을 이용하여 직접 접촉 막 증류(DCMD) 공정을 수행하였다. 이때, 사용된 PVDF 막의 평균 기공 크기는 0.22㎛이었으며, 공급 용액은 3% NaCl 용액으로 40℃에서 0.38 L/min로 공급하였으며 투과측은 10℃의 냉수를 순환하였다.
상기 직접 접촉 막 증류 결과, 분리 선택도 99% 이상의 염 제거와 1.53 kg/㎡ㆍh의 순수를 얻었으며, 높이가 23 mm인 삽입물이 장착된 막 증류공정과 비교할 때, 순수 투과플럭스가 1/7로 감소하는 결과를 확인하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은
첫째, 분리막 모듈의 공급측 내에 적절한 크기의 삽입물이 장착된 막 증류용 분리막 모듈 장치를 제공함으로써, 기존 설계 제약을 벗어나 용이하게 열전달과 물질전달을 촉진시킴으로써, 상대적으로 낮은 온도 및 낮은 공급유량 조건 하에서도 조업이 가능하다.
둘째, 상기 막 증류용 분리막 모듈 장치를 다양한 투과측의 응축방식에 적용하여, 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 함으로써, 염제거율이 99%이상이고, 투과유량이 5 내지 45 kg/㎡ㆍh인 고효율의 막 증류 분리공정을 제공하였다.
셋째, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치를 이용한 막 증류 분리공정은 종래의 증발법, 증류법, 역삼투압막법을 대체할 수 있으며, 이에 순수제조, 담수화, 식품의 농축, 공장의 폐수처리 등에 이용하거나, 산업용수, 발전용수 처리 등에 활용할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명의 삽입물이 장착된 분리막 모듈의 분해사시도이고,
도 2 및 도 3은 본 발명의 분리막 모듈의 유로 폭을 도시한 것이고,
도 4는 종래의 분리막 모듈의 유로 폭을 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 직접 접촉 막 증류장치의 공정 흐름도이다.
<도면부호에 대한 간단한 설명>
1. 가열기 2. 공급조
3. 냉각 항온조 4. 순환 펌프
5. 투과측 저장조 6. 분리막 모듈
TI : 온도계 PI : 압력계
TIC : 온도 조절기

Claims (11)

  1. 공급용액이 통과하는 공급측으로 구성된 분리막 모듈 장치에 있어서,
    상기 분리막 모듈의 공급측 내에 삽입물을 장착하여, 상기 분리막과 상기 삽입물간의 유로 폭을 좁혀 빠른 유속이 유도되도록 하는 것을 특징으로 하는 막 증류용 분리막 모듈 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 삽입물이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리테트라플르오르에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라스틱재질; 또는 가공 가능한 금속재질에서 선택되는 것을 특징으로 하는 상기 막 증류용 분리막 모듈 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분리막과 상기 삽입물간의 유로 폭이 3 내지 20 mm인 것을 특징으로 하는 상기 막 증류용 분리막 모듈 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 분리막 모듈이 평판형 또는 권선형인 것을 특징으로 하는 상기 막 증류용 분리막 모듈 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 분리막 모듈 장치 내 공급측의 공급용액의 온도가 40 내지 80℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 막 증류용 분리막 모듈 장치.
  7. 제1항의 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 직접 접촉 막 증류방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율의 막 증류 분리공정.
  8. 제1항의 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 진공 막 증류방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율의 막 증류 분리공정.
  9. 제1항의 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 공기 간극 막 증류방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율의 막 증류 분리공정.
  10. 제1항의 공급측 내에 삽입물이 장착된 분리막 모듈 장치를 쓸기 막 증류방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율의 막 증류 분리공정.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리공정에 의해 염제거율이 99% 이상이고, 투과유량이 5 내지 45 kg/㎡ㆍh인 것을 특징으로 하는 상기 고효율의 막 증류 분리공정.
KR1020080005521A 2008-01-18 2008-01-18 막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막증류 분리공정 KR100956765B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080005521A KR100956765B1 (ko) 2008-01-18 2008-01-18 막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막증류 분리공정

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080005521A KR100956765B1 (ko) 2008-01-18 2008-01-18 막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막증류 분리공정

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090079498A KR20090079498A (ko) 2009-07-22
KR100956765B1 true KR100956765B1 (ko) 2010-05-12

Family

ID=41290679

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080005521A KR100956765B1 (ko) 2008-01-18 2008-01-18 막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막증류 분리공정

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100956765B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101171262B1 (ko) 2011-02-14 2012-08-06 아주대학교산학협력단 증기압식 발전장치
KR101605954B1 (ko) * 2014-05-07 2016-03-23 금오공과대학교 산학협력단 플라즈마 발생장치를 이용한 막증발법 수처리 시설의 온수공급장치
KR20160078132A (ko) * 2014-12-24 2016-07-04 국민대학교산학협력단 친수성 분리막의 소수성화 표면 개질 방법 및 이를 통하여 제조되는 소수성 분리막
KR20170129507A (ko) 2016-05-17 2017-11-27 한국건설기술연구원 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101926832B1 (ko) * 2012-09-28 2018-12-07 주식회사 엘지화학 분리막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 오염물질제거용 유닛, 및 이의 용도
KR101625274B1 (ko) * 2014-02-06 2016-06-08 한양대학교 에리카산학협력단 막 증발 모듈, 및 이를 이용한 담수화 시스템
KR101667931B1 (ko) * 2014-02-14 2016-10-21 한국과학기술연구원 막증류 결합형 유동상 혐기하폐수처리 장치 및 방법
KR102105349B1 (ko) * 2019-02-20 2020-05-29 전북대학교산학협력단 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0924249A (ja) * 1995-07-14 1997-01-28 Hitachi Ltd 膜蒸発装置および膜蒸留方法
JP2000167358A (ja) 1998-12-08 2000-06-20 Nitto Denko Corp 膜分離システムおよび膜分離方法
KR100756491B1 (ko) * 2006-03-30 2007-09-07 순천대학교 산학협력단 물과 질산이 혼합된 용액에서 물 제거를 위한 멤브레인증류 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0924249A (ja) * 1995-07-14 1997-01-28 Hitachi Ltd 膜蒸発装置および膜蒸留方法
JP2000167358A (ja) 1998-12-08 2000-06-20 Nitto Denko Corp 膜分離システムおよび膜分離方法
KR100756491B1 (ko) * 2006-03-30 2007-09-07 순천대학교 산학협력단 물과 질산이 혼합된 용액에서 물 제거를 위한 멤브레인증류 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Journal of Membrane Science, 2004*

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101171262B1 (ko) 2011-02-14 2012-08-06 아주대학교산학협력단 증기압식 발전장치
KR101605954B1 (ko) * 2014-05-07 2016-03-23 금오공과대학교 산학협력단 플라즈마 발생장치를 이용한 막증발법 수처리 시설의 온수공급장치
KR20160078132A (ko) * 2014-12-24 2016-07-04 국민대학교산학협력단 친수성 분리막의 소수성화 표면 개질 방법 및 이를 통하여 제조되는 소수성 분리막
KR20170129507A (ko) 2016-05-17 2017-11-27 한국건설기술연구원 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090079498A (ko) 2009-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100956765B1 (ko) 막 증류용 분리막 모듈 장치 및 그를 이용한 고효율의 막증류 분리공정
Kebria et al. Membrane distillation: basics, advances, and applications
Alkhudhiri et al. Membrane distillation—Principles, applications, configurations, design, and implementation
Gazagnes et al. Desalination of sodium chloride solutions and seawater with hydrophobic ceramic membranes
KR101936159B1 (ko) 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법
Hussain et al. Membrane distillation: recent technological developments and advancements in membrane materials
Drioli et al. Membrane engineering for water engineering
KR101524225B1 (ko) 막 증류용 분리막 모듈
Ragunath et al. Selective hydrophilization of the permeate surface to enhance flux in membrane distillation
JP2011200770A (ja) 膜蒸留用多孔質膜、膜蒸留用モジュールおよび膜蒸留式造水システム
Cao et al. Membrane desalination for water treatment: recent developments, techno-economic evaluation and innovative approaches toward water sustainability
Kargari et al. Water desalination: Solar-assisted membrane distillation
Baghbanzadeh et al. Membrane distillation
US20150246828A1 (en) Membrane distillation module
KR101394517B1 (ko) 담수화 장치
US8353981B2 (en) Condensing tube and filtration module thereof
KR20180001019A (ko) 초소수성 정밀여과막 및 그 제조방법
US10695720B2 (en) Floating type membrane distillation module
KR101421103B1 (ko) 압력지연식 막증류를 이용한 발전 겸용 정수화 장치
US9480950B2 (en) Separation membrane for membrane distillation
Mohd Ramli et al. Advanced application and fouling control in hollow fibre direct contact membrane distillation (HF-DCMD)
Gao Desalination of high-salinity water by membranes
WO2008085106A1 (en) Method for purifying water by means of an ro device
Behroozi et al. MXene-based membranes for water desalination
KR20160133253A (ko) 배플을 포함하는 막증류용 분리막 모듈

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130329

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee