KR101023792B1 - 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전특성을 이용하여 여과막의 손상 여부를 용이하게 파악함과 함께 손상 감지의 정확성을 향상시킬 수 있는 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치는 막모듈 및 압전장치를 포함하여 이루어지며, 상기 막모듈은, 원수를 여과처리하는 복수의 여과막과, 상기 복수의 여과막이 구비되는 공간을 제공하는 하우징을 포함하여 구성되며, 상기 압전장치는, 상기 막모듈의 하우징 표면 상에 부착되어 상기 하우징의 기계적 진동을 전기적 신호로 변환하는 압전체와, 상기 압전체를 하우징의 표면 상에 부착함과 함께 상기 압전체가 외부 환경에 노출되는 것을 방지하는 역할을 하는 접착매개부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치{Apparatus for detecting damage of filtration membrane using piezoelectric effect}

본 발명은 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전특성을 이용하여 여과막의 손상 여부를 용이하게 파악함과 함께 손상 감지의 정확성을 향상시킬 수 있는 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치에 관한 것이다.

상수원의 오염이 심각해짐으로 인해 정수수질에 대한 관심이 높아지고 고도의 정수처리에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라, 기존의 정수처리시설에 대한 보완이나 새로운 여과장치 및 여과공정의 도입이 시도되고 있다. 그러나, 기존의 정수시설의 보완이나 새로운 고도정수처리시설을 도입하기 위해서는 부지확보, 비용 등 여러 가지 어려움이 뒤따른다. 최근, 안정된 수질뿐만 아니라 운전 및 유지관리가 용이한 막여과를 이용한 고도정수처리공정이 제시되고 있다.

막여과 수처리방법은 선택적 투과기능을 갖는 여과막(membrane)을 이용하여 원수 내의 오염물질을 분리하는 방법으로서, 원수 내에 포함되어 있는 일정 크기 이상의 현탁물질을 확실하게 제거할 수 있는 장점이 있다. 한편, 여과막의 표면에 오염물질이나 고형물 등에 의한 부착층이 생겨 막여과 성능이 저하될 수 있는데, 이 경우 물 역세척, 공기 역세척 등의 물리세척이나 약품을 이용하여 분해, 용해시키는 화학세척을 통해 여과막을 세척함으로써 막여과 성능을 복구할 수 있다.

이와 같은 막여과 성능의 저하를 방지하기 위해서는 막여과 손상 여부를 즉각 감지하고 대처하는 것이 중요하다. 종래 기술에 있어서 막여과 공정에서의 여과막 손상 감지기술을 살펴보면 다음과 같다.

'Journal of AWWA, Desalination, membrane Science'에 개재된 논문에 의하면 여과막의 손상 감지방법으로 1차측과 2차측이 기체와 액체인 조건에서 1차측에 공기를 주입하는 방법이 개시되어 있으며, 한국공개특허공보 제2001-7011098호와 일본공개특허공보 제2000-342936호, 제2001-269551호 및 제2007-245060호에는 중공섬유로된 막모듈의 1차측과 2차측을 기체 및 액체로 유지하여 1차측 또는 2차측에 공기를 주입하는 방법을 적용하여 여과막의 손상을 검지하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 위 논문 및 선행특허들은 막모듈의 1차측 및 2차측을 기체-액체 또는 액체-기체 상태로 적용한 조건 하에서 여과막의 손상을 감지한다. 이와 같은 조건 하에서, 가압공기가 압력차에 의해 기체 상태쪽에서 액체 상태쪽으로 이동하게 되는데, 밀도와 공기압 분압 등에 의한 저항이 발생하여 공기압의 변화율이 크지 않고 이에 따라, 여과막에 손상이 있더라도 공기압의 변화가 작기 때문에 여과막 손상을 정확하게 판단하기에 여러움이 있다. 또한, 막여과가 진행됨에 따라 총 여과저항값이 높아지면서 측정감도가 저하되는 문제점이 있다.

이와 같은 종래 기술의 단점을 해결한 것으로서, 1차측과 2차측을 모두 기체 상태로 유지함으로써 공기압의 변화율을 극대화한 기술이 제시된 바 있으나, 이 기술 역시 종래의 제반 기술들과 마찬가지로 공기압 변화율을 바탕으로 막여과 손상 여부를 판단함에 따라, 손상 감지의 정확성에 있어 다소 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 압전특성을 이용하여 여과막의 손상 여부를 용이하게 파악함과 함께 손상 감지의 정확성을 향상시킬 수 있는 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치는 막모듈 및 압전장치를 포함하여 이루어지며, 상기 막모듈은, 원수를 여과처리하는 복수의 여과막과, 상기 복수의 여과막이 구비되는 공간을 제공하는 하우징을 포함하여 구성되며, 상기 압전장치는, 상기 막모듈의 하우징 표면 상에 부착되어 상기 하우징의 기계적 진동을 전기적 신호로 변환하는 압전체와, 상기 압전체를 하우징의 표면 상에 부착함과 함께 상기 압전체가 외부 환경에 노출되는 것을 방지하는 역할을 하는 접착매개부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 압전체는, 기계적 진동을 전기적 신호로 변환하는 압전 고분자 필름과, 상기 압전 고분자 필름의 상면, 하면에 각각 구비된 제 1 전극(+), 제 2 전극(-)과, 상기 제 1 전극(+), 제 2 전극(-) 각각의 전면 상에 구비되어 외부의 전기적 노이즈(noise)를 차단하는 절연층과, 상기 절연층 상에 구비된 정전기 차단막을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 압전 고분자 필름은 PVDF(Polyvinylidene Fluoride), PVDCN(Polyvinylidene Cyanide) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

이와 함께, 본 발명에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치는, 상기 압전장치에 의해 변환된 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정하는 공진주파수를 측정하는 공진주파수 측정수단과, 정상 상태의 막모듈의 기준 공진주파수와 상기 공진주파수 측정수단에 의해 측정된 검진 공진주파수를 비교하여 검진 공진주파수를 발생시킨 막모듈의 손상 여부를 판단하는 제어수단을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치는 다음과 같은 효과가 있다.

막모듈에 압전장치를 부착시킨 상태에서, 압전장치로부터 발생되는 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정하고 이를 정상 상태의 기준 공진주파수와 비교함으로써, 여과막의 손상 여부를 용이하게 파악함과 함께 손상 감지의 정확성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 여과막 손상 감지방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4a 및 도 4b는 각각 정상 상태의 막모듈과 손상된 막모듈의 내부에 기체 또는 액체를 주입한 경우를 나타낸 참고도.
도 5a는 손상되지 않은 막모듈의 기준 공진주파수와 검진 공진주파수를 비교한 것.
도 5b는 손상된 막모듈의 기준 공진주파수와 검진 공진주파수를 비교한 것.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치는 막모듈(100)과 압전장치(200)를 구비한다.

상기 막모듈(100)은 하우징(120)과 복수의 여과막(110)으로 구성된다. 상기 하우징(120)은 상기 복수의 여과막(110)이 구비되는 공간을 제공함과 함께 상기 복수의 여과막(110)에 의한 원수의 여과처리 공간을 제공한다. 상기 복수의 여과막(110)을 구성하는 각각의 여과막(110)은 원수를 여과처리하는 역할을 하는 것으로서, 정수처리 및 해수담수화처리 등의 제반 수처리에 사용되는 정밀여과막(110)(microfiltration), 한외여과막(110)(ultrafiltration)을 포함하며, 일 실시예로 중공사 형태로 구성될 수 있다.

한편, 상기 하우징(120)의 일측에는 원수가 공급되는 원수공급배관(121)이 구비되고, 다른 일측에는 처리수가 배출되는 처리수배출배관(122)이 구비된다. 또한, 상기 하우징(120)의 내부공간은 여과막(110)과 하우징(120) 사이의 공간인 1차측과 여과막(110) 내부공간인 2차측으로 구분되며, 이에 따라 상기 원수공급배관(121)을 통해 공급되는 원수는 1차측으로 유입되며, 여과막(110)에 의해 여과처리된 처리수는 2차측을 통해 처리수배출배관(122)으로 배출된다.

이와 함께, 본 발명의 목적인 여과막 손상감지를 위해 상기 1차측 또는 2차측에는 일정 압력의 기체(일 실시예로, 공기) 또는 액체(일 실시예로, 물)가 공급되는데, 상기 기체와 액체는 각각 기체주입수단, 액체주입수단을 통해 공급된다. 액체가 공급되는 경우, 상기 원수공급배관(121) 또는 처리수배출배관(122)을 통해 액체가 공급될 수 있으며, 기체가 공급되는 경우 별도의 제 1 기체공급배관(123), 제 2 기체공급배관(124)을 통해 기체가 공급될 수 있다.

한편, 상기 압전장치(200)는 상기 막모듈(100)의 하우징(120) 표면 상에 부착되어 상기 하우징(120)의 기계적 진동을 전기적 신호로 변환하는 역할을 하며, 세부적으로 압전체(210)와 접착매개부재(220)의 조합으로 이루어진다.

상기 압전체(210)는 구체적으로, 기계적 진동을 전기적 신호로 변환하는 압전 고분자 필름(211)과, 상기 압전 고분자 필름(211)의 상면, 하면에 각각 구비된 제 1 전극(212)(+), 제 2 전극(213)(-)과, 상기 제 1 전극(212)(+), 제 2 전극(213)(-) 각각의 전면 상에 구비되어 외부의 전기적 노이즈(noise)를 차단하는 절연층(214)과, 상기 절연층(214) 상에 구비된 정전기 차단막(215)으로 구성된다. 이 때, 상기 압전 고분자 필름(211)으로는 PVDF(polyvinylidene fluoride), PVDCN(polyvinylidene cyanide) 등이 사용될 수 있으며, 상기 제 1 전극(212)과 제 2 전극(213)은 크롬(Cr), 금(Au), 백금(Pt) 등이 이용될 수 있다. 한편, 상기 압전 고분자 필름(211)에 의해 발생된 전기적 신호는 제 1 전극(212)과 제 2 전극(213)을 통해 외부의 공진주파수 측정수단(300)에 전달되는데 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

상기 압전장치(200)를 구성하는 상기 접착매개부재(220)는, 상기 압전체(210)를 하우징(120)의 표면 상에 부착함과 함께 상기 압전체(210)가 외부 환경에 노출되는 것을 방지하는 역할을 한다.

이상, 막모듈(100) 및 압전장치(200)의 구성에 대해 설명하였는데, 상기 막모듈(100) 및 압전장치(200) 이외에 본 발명의 일 실시예에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치는 공진주파수 측정수단(300) 및 제어수단(400)을 더 구비한다.

상기 공진주파수 측정수단(300)은 상기 압전장치(200)로부터 전달되는 전기적 신호를 분석하여 공진주파수를 측정하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 압전장치(200)는 막모듈(100)의 표면에 부착되어 있으며, 막모듈(100)의 내부에 일정 압력의 기체 또는 액체가 공급되어 막모듈(100)에 기계적 진동이 발생되면 상기 압전장치(200)는 기계적 진동을 전기적 신호를 변환하는데, 상기 공진주파수 측정수단(300)은 해당 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정함으로써 궁극적으로, 상기 압전장치(200)의 전기적 신호를 통해 막모듈(100)의 공진주파수를 측정하는 것이다.

막모듈(100)의 공진주파수를 측정하는 이유는, 정상 상태의 막모듈(100)의 공진주파수(기준 공진주파수)와 손상된 상태의 막모듈(100)의 공진주파수(검진 공진주파수)를 비교함으로써 특정 막모듈(100)의 손상 여부를 판단하기 위함이다.

따라서, 복수의 막모듈(100)을 대상으로 여과막(110)의 손상 여부를 판단하고자 하면, 해당 복수의 막모듈(100) 각각의 기준 공진주파수가 미리 측정되어야 하며, 이와 같이 각각의 막모듈(100)의 기준 공진주파수가 측정된 상태에서 추후 각각의 막모듈(100)의 공진주파수를 측정하고 이를 기준 공진주파수와 비교함으로써 해당 각각의 막모듈(100)의 손상 여부를 감지할 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 기준 공진주파수의 확보, 검진 공진주파수와 기준 공진주파수의 비교 및 손상 여부 판단 등의 역할을 상기 제어수단(400)이 수행한다. 즉, 상기 제어수단(400)은 복수의 막모듈(100)의 정상 상태의 공진주파수 즉, 기준 주파수를 저장한 상태에서, 상기 공진주파수 측정수단(300)을 통해 측정된 특정 막모듈(100)의 검진 공진주파수를 전달받아 해당 막모듈(100)의 검진 공진주파수와 기 저장된 기준 공진주파수를 비교함으로써 해당 막모듈(100)의 손상 여부를 판단하는 역할을 한다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치를 이용한 여과막 손상 감지방법을 설명하기로 한다.

먼저, 도 3에 도시한 바와 같이 막여과 공정이 완료된 막모듈(100)을 준비한다. 이 때, 막여과 공정이란 막모듈(100)을 이용하여 원수를 처리수로 처리하는 것을 일컬으며, 막여과 공정이 완료된 상태의 막모듈(100)란 막모듈(100)의 1차측 및 2차측에 원수 및 처리수가 존재하지 않는 상태 즉, 막모듈(100)이 빈 공간을 유지하는 상태를 일컫는다.

이와 같은 상태에서 정상 상태의 막모듈(100)에 대한 기준 공진주파수를 측정한다(S301). 구체적으로, 상기 막모듈(100)의 내부에 일정 압력의 기체 또는 액체를 공급한다(도 4a 참조). 상기 일정 압력의 기체 또는 액체는 상기 막모듈(100)의 1차측 또는 2차측에 공급될 수 있다. 또한, 상기 막모듈(100)의 내부에 공급되는 기체 또는 액체의 압력은 일정 상태로 유지되는 것이 바람직하며, 구체적으로 1차측에 공급된 기체 또는 액체가 2차측으로 확산되는 시점의 임계 압력 또는 2차측에 공급된 기체 또는 액체가 1차측으로 확산되는 시점의 임계 압력으로 유지되는 것이 바람직하다. 이와 같이 임계 압력을 적용하는 이유는, 막모듈(100)의 여과막 손상 여부를 확인하기 위한 것으로서 여과막(110)이 손상된 경우에는 임계 압력으로 공급된 기체 또는 액체가 여과막 손상으로 인해 임계 압력 이하로 급격히 떨어지게 되며 이 때, 그에 상응하는 기계적 진동을 발생시키기 때문이다. 물론, 장치적 구성 및 기타 조건에 부응하기 위해 임계 압력을 벗어나는 범위 하의 압력을 적용할 수도 있다.

상기 정상 상태의 막모듈(100) 내부에 일정 압력의 기체 또는 액체를 공급하면, 그에 상응하는 기계적 진동이 발생되며 해당 기계적 진동은 상기 막모듈(100)에 부착된 압전장치(200)에 의해 전기적 신호로 변환되어 상기 공진주파수 측정수단(300)에 전달된다. 상기 공진주파수 측정수단(300)은 전달된 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정하고, 측정된 공진주파수는 정상 상태의 막모듈(100)에 대한 공진주파수 즉, 기준 공진주파수로서 상기 제어수단(400)에 저장된다. 막모듈(100)이 복수개 구비되는 경우, 각각의 막모듈(100)에 대한 기준 공진주파수 측정 과정이 적용된다. 한편, 상기 기준 공진주파수 측정과정은 막여과 공정 전에 진행할 수도 있다.

이와 같이 기준 공진주파수가 측정된 상태에서, 상기 기준 공진주파수가 측정된 조건과 동일한 조건을 적용하여 각각의 막모듈(100)에 대한 검진 공진주파수를 측정한다(S302). 즉, 막여과 공정이 완료된 상태의 막모듈(100)을 준비하고, 각각의 막모듈(100) 내부에 일정 압력의 기체 또는 액체를 공급하고 이 때의 기계적 진동을 압전장치(200)를 통해 전기적 신호를 변환하며, 공진주파수 측정수단(300)을 이용하여 변환된 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정한다. 이 때, 상기 막모듈(100) 내부에 가압된 기체 또는 액체의 압력은 상기 기준 공진주파수 측정시와 동일하며, 일 실시예로 임계 압력에 해당될 수 있다.

상기 측정된 각각의 막모듈(100)의 검진 공진주파수는 상기 제어수단(400)에 전달되며, 상기 제어수단(400)은 기 저장된 기준 공진주파수와 검진 공진주파수를 비교하고(S303), 일치 여부를 확인하여 검진 공진주파수에 해당되는 막모듈(100)의 손상 여부를 판단한다(S304). 막모듈(100)의 여과막(110)이 손상된 경우, 막모듈(100) 내부에 일정 압력으로 주입된 기체 또는 액체의 압력이 감소됨(도 4b 참조)에 따라, 막모듈(100)의 기계적 진동 역시 정상 상태의 기계적 진동과는 상이한 형태를 나타내고, 그에 상응하는 공진주파수 역시 기준 공진주파수와 다르게 나타난다.

도 5a는 손상되지 않은 막모듈(100)의 기준 공진주파수와 검진 공진주파수를 비교한 것이고, 도 5b는 손상된 막모듈(100)의 기준 공진주파수와 검진 공진주파수를 비교한 것인데, 도 5a의 경우 기준 공진주파수 그래프(파란색)와 검진 공진주파수 그래프(녹색)가 거의 일치함을 알 수 있으며 이를 통해 해당 검진 공진주파수를 발생시킨 막모듈(100)은 여과막(110)이 손상되지 않음을 판단할 수 있다. 이에 반해, 도 5b의 경우 검진 공진주파수 그래프의 양태가 기준 공진주파수 그래프와 매우 크게 차이 남을 알 수 있으며 이는 해당 검진 공진주파수에 상응하는 막모듈(100)에 손상이 있음을 반증한다.

100 : 막모듈 110 : 여과막
120 : 하우징 121 : 원수공급배관
122 : 처리수배출배관 123 : 제 1 기체공급배관
124 : 제 2 기체공급배관 200 : 압전장치
210 : 압전체 211 : 압전 고분자 물질
212 : 제 1 전극 213 : 제 2 전극
214 : 절연층 215 : 정전기 차단막
220 : 접착매개부재 300 : 공진주파수 측정수단
400 : 제어수단

Claims (5)

1. 막모듈 및 압전장치를 포함하여 이루어지며,
   상기 막모듈은,
   원수를 여과처리하는 복수의 여과막과,
   상기 복수의 여과막이 구비되는 공간을 제공하는 하우징을 포함하여 구성되며,
   상기 압전장치는,
   상기 막모듈의 하우징 표면 상에 부착되어 상기 하우징의 기계적 진동을 전기적 신호로 변환하는 압전체와,
   상기 압전체를 하우징의 표면 상에 부착함과 함께 상기 압전체가 외부 환경에 노출되는 것을 방지하는 역할을 하는 접착매개부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,
   상기 압전장치에 의해 변환된 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정하는 공진주파수를 측정하는 공진주파수 측정수단과,
   정상 상태의 막모듈의 기준 공진주파수와 상기 공진주파수 측정수단에 의해 측정된 검진 공진주파수를 비교하여 검진 공진주파수를 발생시킨 막모듈의 손상 여부를 판단하는 제어수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체는,
   기계적 진동을 전기적 신호로 변환하는 압전 고분자 필름과,
   상기 압전 고분자 필름의 상면, 하면에 각각 구비된 제 1 전극(+), 제 2 전극(-)과,
   상기 제 1 전극(+), 제 2 전극(-) 각각의 전면 상에 구비되어 외부의 전기적 노이즈(noise)를 차단하는 절연층과,
   상기 절연층 상에 구비된 정전기 차단막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 압전 고분자 필름은 PVDF(Polyvinylidene Fluoride), PVDCN(Polyvinylidene Cyanide) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 여과막은 중공사막인 것을 특징으로 하는 압전특성을 이용한 여과막 손상 감지장치.

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