KR101301457B1 - 분리 모듈의 시험 방법 - Google Patents

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필름텍 코포레이션
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Abstract

분리 모듈 또는 여과 시스템의 완전성을 평가하는 신규한 방법 및 장치가 기재되어 있다. 원리적인 양태는 나선형 권취 모듈을 조사하기 위한 순간 펄스의 챌린지 종(challenge species)의 용도에 관한 것이다. 투과물 속의 챌린지 종의 시간 의존성 농도를 검출하고, 기록하고, 참조값과 비교한다. 나선형 권취 모듈의 투과물 수집 튜브 속의 다수 지점에서 통과물 전도도를 검출하기 위한 장치가 또한 청구되어 있다. 여과 시스템으로부터의 통과물 스트림이 챌린지 종의 농도 측정 전에 고 회수율 막 장치에 의해 농축되는 방법이 또한 개시되어 있다.
Figure R1020077005043
분리 모듈, 여과 시스템, 챌린지 종, 통과물 스트림, 고 회수율 막 장치

Description

분리 모듈의 시험 방법{Method for testing separation modules}
본 발명은 분리 모듈 또는 여과 시스템의 완전성(integrity)을 평가하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 나선형 권취 초여과(hyperfiltration) 모듈 및 당해 모듈을 포함하는 시스템에 특히 유용하다. 본 발명의 신속한 시험 방법은 누출 검출 능력을 향상시키고 모듈 제조업자에 의한 품질 검사에 유용하다. 하나의 양태는 또한 장착된 시스템에서의 누출이 가동 중단 없이 위치파악되도록 한다. 바람직한 양태는 비파괴적인 시험으로 모듈 속 또는 여과 시스템 속에서의 누출 위치를 결정한다.
초여과는 압력을 반투과성 막의 한 측면에 인가하여 용질(종종 염)을 보유하면서 용매(흔히 물)가 막을 통과하도록 하는 방법이다. 용매가 저농도로부터 고농도로 이동하는 자연 구동력을 극복하기 위해서, 인가된 압력은 삼투압을 초과해야 한다. 이러한 이유로 용어 "초여과"는 종종 "역삼투압"과 호용된다. 본 명세서의 목적을 위해서, 초여과는 역삼투압(RO) 및 나노여과(NF) 방법 둘 모두를 포함한다.
초여과 막은 가장 흔히 나선형 권취 형상으로 사용되는데, 이는 이러한 형상이 작은 체적에 대량의 막 면적이 충전되기 때문이다. 통상적인 나선형 권취 모듈(2)이 도 1에 도시되어 있다. 하나 이상의 막 덮개(4) 및 공급 스페이서 시트(6)가 중심 통과물 수집 튜브(8) 주위에 감겨있다. 덮개(4)는 통과물 캐리어 시트(12)를 둘러싸고 있는 일반적으로 사각형 막 시트(10)를 2개 포함한다. 이러한 "샌드위치형" 구조물이 3개의 에지(edge)(16, 18, 20)를 따라서 아교 라인(glue line)(14)에 의해 결합되는 한편, 덮개(4)의 제4 에지(22)는, 통과물 캐리어 시트(12)가 통과물 수집 튜브(8)를 관통하는 작은 구멍(24)과 유체 접촉하도록 통과물 수집 튜브(8)와 인접해 있다. 나선형 권취 모듈의 구성은 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제5,538,642호, 제5,681,467호 및 제6,632,356호에 추가로 기재되어 있다.
도 1에서 대형 화살표는 작동시 공급물 및 통과물에 대한 대략적인 유동 방향(26, 28)을 나타낸다. 공급물 유동 방향(26)은 막(34) 전면 전체에 걸쳐 입구 말단(30)으로부터 출구(거부) 말단(32) 방향이다. 통과물 유동 방향(28)은 공급물 유동 방향(26)에 대하여 대략적으로 수직이다. 실제 유동 경로 및 속도는 구성 및 작동 조건의 세부사항에 따라 달라진다. 통상적인 작동 조건하에, 모듈은 공급 속도 0.15m/초 및 튜브 근처에서의 통과 속도 0.04m/초를 나타낼 수 있다. 공급 속도는 입구 말단(30)으로부터 출구 말단(32)으로 감소하는데, 이는 일부 공급 액체가 통과물 측면으로 손실되기 때문이다. 벽 구성 모듈에 있어서, 통과 속도는 이면 아교 라인(속도는 0에 근접함)으로부터와 마찬가지로 통과물 튜브에서 최대 속도로 증가한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 나선형 권취 모듈은 일반적으로 가동용 원주형 압력 용기의 내부에 위치한다. 8개 이하의 나선형 권취 모듈(2)이 압력 용기(40) 속에 직렬로 결합되어 있을 수 있는 것은 통상적이다. 압력 용기(40)는 양쪽 말단에 공급물이 직렬 모듈(2) 각각을 축방향으로 통과하는 포트(port)(42, 43) 및 통과 용액 제거용 추가 포트(44)를 하나 이상 갖는다. 인접하는 모듈(2)로부터의 통과물 수집 튜브(8)는 하나 이상의 통과 밀봉부(48)를 갖는 인터커넥터(interconnector)(46)에 의해 결합되고, 이에 따라 용기(40) 속에 하나의 긴 모듈을 형성한다. 본 명세서의 목적을 위해서, 용기의 통과물 수집 영역(50)은 직렬의 통과물 수집 튜브(8), 이들의 인터커넥터(46) 및 이들의 용기 말단 어댑터(52)에 의해 둘러싸인 체적을 포함한다. (용기 어댑터(52)는 통상적으로 통과물 수집 튜브(8)를 용기 말단 캡(54)에 결합시켜 통과물이 용기로부터 방출되도록 한다.) 압력 용기는 또한 다른 압력 용기와 직렬로 또는 병렬로 결합되어 막 여과 시스템을 형성할 수 있다.
나선형 권취 초여과 모듈의 제조업자들은 모듈을 개별적으로 시험하고 20 내지 30분 후의 염 거부를 명시하는 것이 통상적이다. 성능의 작은 변화가 실제로 수일 또는 수개월 동안 계속될 수 있을지라도 20 내지 30분은 정상 상태에 가까운 조건 하에 측정이 이루어지도록 한다. 염수 모듈의 경우, 통상적인 시험은 NaCl 2000ppm 및 인가 압력 225psi를 사용한다. 해수 제품은 통상적으로 NaCl 32000ppm 및 인가 압력 800psi를 사용하여 시험된다. 필름텍(FilmTec)의 NF270 모듈은 70psi에서 MgSO4 2000ppm을 사용하여 시험된다. 막 또는 구조 결함이 없는 "완전한(intact)" 모듈은 통상적으로 이러한 표준 시험에서 최대 염 통과율이 0.3 내지 3%인 것으로 입증된다. 초여과는 심지어 완전한 막을 통해서도 염을 일부 통과시키므로, 이러한 시험은 모듈 구성 문제로 인해 야기될 수 있는 거시적인 결함에 특히 민감하지는 않다. 또한, 높은 염 통과율이 관찰되는 경우에도 이러한 표준 시험은 결함의 유형 또는 공급원에 대한 어떠한 정보도 제공하지 못한다.
도 3에서 화살표로 표시되어 있는 바와 같이, 통과물 유동 통로로의 누출이 특히 흔한 몇몇 영역이 있다. 통과물 캐리어 시트(12)의 이면영역(60)과 측면영역(62, 64)은 공급물이 통과물로 들어가는 직접적인 통로를 허용하는, 결함있는 아교 라인(14)에 상응한다. 통과물 수집 튜브(8)에 인접하는 에지 근처 영역(66)은 막 폴드(fold)에 상응하고, 특히 모듈이 격렬하고 빈번한 세정 사이클에 적용되는 경우에, 누출의 통상적인 원인이다. 모듈의 입구 및 출구 말단, 통과물 튜브(8) 근처, 삽입 누출영역에 상응하는 영역(68, 70)(여기서, 리프(leaf)는 구성시 모듈로부터 인취된다)은 높은 염 통과율을 초래할 수 있다. 막 자체는 일반적으로 염 통과율이 높을 수도 있거나 스크래치 및 핀홀(pinhole)과 같은 편재된 결함을 가질 수도 있으며, 이들은 공급 액체를 통과물 채널의 큰 중심 영역(72)으로 통과시킬 수 있다.
나선형 권취 모듈의 결함의 위치는 식별하기 곤란할 수 있다. 몇몇 경우, 해부 및 사멸이 결함의 위치를 드러낼 수 있다[참조: "Membrane Element Autopsy Manual," Water Treatment Technology Program Report #17, U.S. Bureau of Reclamation, 1996]. 그러나, 해부는 파괴적이고 시간 소모적인 과정이고 결과 수득과 관련된 지연은 제조시 존재하는 문제를 수정하는 데 사용될 수 있는 정보를 거의 생산하지 못한다는 것을 의미한다.
초여과 모듈은 물로부터 염을 제거하는 데 가장 통상적으로 사용된다. 이들 막은 또한 해당하는 특정 대형 불순물(예: 지아디아(Giardia), 크립토스포리듐(Cryptosporidium), 바이러스)을 제거한다. 따라서, 초여과는, 살균제에 대한 필요성을 제한하지만, 지표수로부터 식수를 생성시킬 수 있다. 이들 막은 또한 직간접 식수 재활용을 위해 도시의 폐수를 처리하는 데 사용된다. 그러나, 완전성에 대한 우려로 인해, 초여과는 항상 이들 물을 처리하는 데 사용되는 몇몇 단계들 중의 하나이고 보다 큰 입자에 대한 제거 효율에 대한 이의 실제 영향은 일반적으로 정해지지 않는다.
막에 의한 모든 종의 완벽한 제거는 모든 생성수가 배리어 층(barrier layer)을 통과하는 것과 배리어 층이 결함이 없는 것을 요한다. 로지어 제이.(Lozier J.)는 막 시트에서의 결점, 막 리프의 아교 또는 열 밀봉부의 결점 및 생성물 물 튜브에 대한 부착 영역에서의 막의 결점으로서 초여과 모듈 내의 바이러스 및 포낭 통과용 핵심 영역을 교시하고 있다[참조: J. Lozier, et al., "Microbial Removal and Integrity Monitoring of High-Pressure Membranes", AWWA Research Foundation, 2003]. 제조업자들에 의해 사용되는 표준 염 거부 시험은 보다 큰 입자를 통과시키는 경향이 보다 큰 결함을 검출하는 민감도가 부족하다. 추가로, 누출의 몇몇 주요 원인은 모듈 외부에 있는데, 특히 인접하는 모듈들을 결합시키고 모듈을 외부 파이프에 연결시키는 인터커넥터이다. 시스템에 사용되는 효과적인 시험 방법은 모듈과 이를 둘러싸고 있는 모든 부품들을 평가할 필요가 있다. 시험은 또한 이상적으로 시스템 작동을 중단시키지 않는데, 이는 감소된 생산성으로 인해서 뿐만 아니라 나선형 권취 모듈이 연속적으로 작동할 때 가장 신뢰 가능하기 때문이다.
최근에 UF, MF 및 RO의 완전성을 시험하는 다수의 방법이 제안되고 입증되었으며 이들은 몇몇 문헌에서 검토되었다[참조: Lozier, et al., op.cit.; M.M. Nederlof, et al., "Integrity of membrane elements, vessels and systems," Desalination, 113 (1997), 179-181; M.W. Chapman, et al., "Methods for monitoring the integrity of reverse osmosis and nanofiltration membrane systems," Desalting and Water Purification Research Report 55, Bureau of Reclamation; and S. Adham, et al., "Monitoring the integrity of reverse osmosis membranes" Desalination 119, (1998), 143-150].
모듈의 완전성은 종종 공기 유동 측정 수단에 의해 평가된다. 이러한 공기 유동 시험은 대개 버블점 방법에 근거하고 변형법들이 몇몇 특허에 기재되어 있다[참조: 미국 특허 제6,202,475호, 제6,228,271호 및 제6,324,898호]. 압력 또는 진공을 막의 한 측면에 가하여 공기가 큰 구멍을 통해 자유롭게 유동하도록 한다. 초여과 모듈을 사용하는 경우, 표준 시험 방법은 진공을 막의 통과물 측에 가하고 시간의 경과에 따라 진공의 감소로서 공기 통과를 관찰하는 것이다[참조: ASTM D6908-03, "Standard Practice for Integrity Testing of Water Filtration Membrane Systems", ASTM International, West Conshohocken, PA, (June 2003), 1-13]. 이는 습식 모듈 또는 건식 모듈을 사용하여 수행될 수 있다. 그러나, 당해 표준 방법은 일반적으로 약 2㎛보다 큰 구멍을 검출하는 데 제한되고 시스템은 시험을 위해 일시적으로 중단되어야 한다. 몇몇 경우, 공기 유동 시험은 시스템 내에서 및 심지어 모듈 내에서 누출부의 대략적인 위치에 대한 정보를 제공해 줄 수 있다. 예를 들면, 습식 나선형 권취 초여과 모듈의 통과물 튜브를 가압함으로써 특정 누출 유형을 나타내는 위치를 갖는 스크롤 말단에서 버블을 초래할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 시간 소모적이고 자동화하기 어려우며 이의 감도는 막의 분리를 방지하는 데 필요한 저압에 의해 상당히 제한된다.
레인(Laine) 등은 UF 시스템의 절단 섬유를 검출하기 위한 음파 센서의 사용을 교시하고 있다[참조: Laine, J.M. et al., "Acoustic sensor: a novel tecnique for low pressure membrane integrity monitoring," Desalination 119 (1998), 73-77]. 당해 시험의 이점은 시스템이 시스템을 평가하는 동안에 처리수를 계속 생산할 수 있다는 것이다. 직경이 0.5mm인 구멍이 검출될 수 있지만, 감도는 배경 룸 노이즈(background room noise)에 강하게 의존하고, 또한 공정은 전여과(dead-end filtration) 동안에만 작동한다. 또한, 레인 등의 방법은 각각의 모듈에 대한 개별 센서를 사용하여 대략적인 누출 위치에 대한 일부 정보를 제공한다. 그러나, 음파 감지가 나선형 권취 모듈을 횡단 유동하는 데 효과적으로 채택될 수 있는지는 명확하지 않고 초여과 모듈 내에 존재하는 구멍의 광범위한 유형 및 크기를 확실히 검출하지는 못한다.
공급수의 각종 천연 성분은 막 시스템의 이상을 연속적으로 모니터링하는 데 사용되어 왔다. 챕먼(Chapman) 등은 새로운 시스템 누출의 지시제가 증가된 수준의 입자 계수, TOC, 혼탁도, TDS, 2가 음이온 또는 양이온, 455nm에서 검출되는 착색 물질 및 254nm에서 검출되는 물질(유기물질, 부식산 및 풀브산)을 포함한다. 입자 계수는 MF/UF 시스템에서 사용되는 가장 통상적인 방법들 중의 하나이지만, 이는 공급수가 전처리되었을 때에는 초여과용으로 적합하지 않다. 이들 방법의 각각에 있어서, 감도는 천연 공급수의 성분 및 시간에 따른 이의 조도(consistency)에 의존한다. 막 변경, 공급물 변경 또는 공정 조건 변경으로 인한 성능의 작은 변화는 감지하기 어렵다.
ASTM 표준(D 6908-03)은 챕먼 등 및 로지어 등의 교시를 포함하고, 양호하게 거부되는 챌린지 종(challenge species)(이는 또한 통과물 속에서 쉽게 검출된다)을 공급물에 가한다. 챕먼은 RO 막을 얼루라 레드(Allura Red; FD &C #40)로 처리했다. 로지어는 로다민(Rhodamine) WT 및 0.02㎛ 형광 미소구체 둘 다를 시스템 공급물에 혼합시켰다. ASTM 표준에서 권장되는 바와 같이, 통과물 샘플은 모듈이 상대적으로 정적 조건을 얻기 위해 상당한 시간 동안 챌린지된 공급물에 대해 가동된 후에 수집한다. 시스템 누출은 증가된 통과물 대 공급물 농도 비에 의해 나타난다. 챕먼 및 로지어 둘 모두 염료 시험이 일부 큰 누출을 검출할 수 있지만 모든 결함을 명확히 검출하기에는 충분히 민감하지 못하다는 것을 알았다. 초여과 막의 경우, 염료 시험의 감도는 막을 통한 염료의 확산 및 고농도 거부 용액의 폐기로 인한 문제에 의해 제한된다. 형광성 미소구체의 사용은 현재 대단히 비용이 많이 든다. 이러한 챌린지 시험은 실패를 나타내는 하나의 값만 제공하고 당해 수는 누출 위치에 대한 정보를 제공하지 못한다.
특히 다른 측정법이 나선형 권취 모듈의 특정 용기가 완전성 문제를 갖는지 의심하는 이유가 있음을 제안하는 경우, 프로브 도관은 특정 모듈에 대해 문제를 국한하는 수단을 제공할 수 있다. 문헌[참조: "FILMTEC Membranes: Probing Reverse Osmosis Systems," DOW Form No. 609-00235-0404, Dow Chemical, Midland, MI, (Nov, 1997)]에는 물이 용기의 통과물 수집 영역의 측정 구역으로부터 우회되고 분석될 수 있도록 튜브를 용기 속에서 일련의 연결된 통과물 튜브 아래에 삽입시킬 수 있는 방법이 기재되어 있다. 불행하게도, 당해 방법은 시간 소모적이고 프로브용 어댑터가 존재하지 않는 경우 시스템을 중단시킬 필요가 있다.
개별 나선형 권취 초여과 모듈에서의 누출부를 검출하는 개선된 방법이 요망된다. 당해 시험은 특히 바이러스 및 세균의 통과를 허용하는 거시적인 모듈 구조 결함에 대해 특히 대응해야 하지만, 염 통과율을 현저히 증가시킬 수 있는 작은 구멍을 검출하는 데도 충분히 민감해야 한다. 당해 분야의 초여과 시스템의 완전성을 물 생산의 중단없이 입증하는 방법이 또한 요망된다. 두가지 경우 모두에 있어서, 시험은 보다 신속하고 현존하는 선택사항들보다 높은 감도를 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 시험은 누출부의 존재를 나타내고, 당해 누출부의 위치 및 원인에 대한 정보도 제공한다.
발명의 개요
본 발명은 여과 시스템의 완전성을 신속하게 평가하는 개선된 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 방법은 하나의 모듈 또는 모듈들의 시스템을 시험하는 데 적용될 수 있고 개시된 방법은 시스템의 감압없이 수행될 수 있다. 하나의 양태에서, 식수 생산은 시험 과정 동안에도 계속될 수 있다. 또 다른 양태는 모듈 내의 통과물 스트림 중의 챌린지 종의 농도 변화를 측정하는 프로브 어레이를 제공한다. 또 다른 양태는 여과 시스템의 통과물 시스템 중의 챌린지 종의 낮은 농도를 측정하는 장치를 제공한다.
본 발명자들은 막에 의해 쉽게 거부되는 짧은 펄스의 챌린지 종을 모듈의 공급 스트림에 도입시킴으로써 나선형 권취 모듈을 시험하고, 통과물 스트림 속에서 생성된 챌린지 종의 시간 의존성 농도를 측정함으로써 결함에 대한 향상된 감도가 초래되는 것을 발견하였다. 얻어진 시간 의존성 통과물 시그널(signal)을 측정하고 기록하고 참조값과 비교할 수 있다. 통과물 농도가 준정상상태에 있는 경우 수행되는 통상적인 완전성 시험에 비해, 통과물 시그널의 시간 의존성은 향상된 편차를 제공할 수 있고, 이는 누출부가 보다 용이하게 발견되도록 한다. 당해 방법은 약 4분 정도 기간에 걸쳐 첨가된 챌린지 종의 공급 펄스에 적용가능하지만, "완전한" 누출 여과 시스템의 통과물 반응 특성을 수득하기 위해, 바람직하게는 2분 이하, 바람직하게는 40초 이하 또는 5초 이하의 짧은 펄스 기간을 사용한다. 비정상 상태의 통과물 농도를 사용함으로써 단시간의 측정 시간 간격으로 인해 가변 배경에 대한 통과물 시그널을 증가시키고, 이는 또한 결함으로부터의 반응이 챌린지 종의 "양호한" 막 통과에 비해 단시간에 농축시킬 수 있기 때문에 시그널을 증가시킨다. 또한, 비정상 상태는 고농도의 챌린지 종을, 삼투압이 인가된 압력에 근접하거나 초과하는 경우에도 펄스에 사용하도록 한다. 바람직한 양태로서, 챌린지 펄스는 삼투 강도를 일시적으로 증가시켜 시스템의 총 구동 포텐셜을 극적으로 감소시키고 누출 영역으로부터의 시그널의 크기를 증가시킨다. 본 발명의 방법은 거부된 챌린지 종의 상당 분획을 수집하고 재사용하는 추가 이점을 갖는다.
본 발명자들은 또한 모듈 내의 통과물 튜브를 따라 몇몇 위치에서의 챌린지 종의 농도를 측정함으로써 결함에 대한 향상된 감도를 제공하는 것을 밝혀냈다. 통과물 튜브를 따른 각각의 측정 위치에서의 농도는, 농축된 챌린지 종을 갖는 공급물이 모듈의 길이를 횡단하고 통과물이 통과물 캐리어 시트 아래로 이동할 때 시간의 함수로서 변한다. 본 발명의 또 다른 양태는 용기의 통과물 수집 영역 내의 4개 이상의 지점으로부터 전도도를 측정하는 수단을 포함한다. 특히, 챌린지 종의 단 펄스와의 조합으로, 본 발명의 장치는 결함에 대해 실질적으로 향상된 감도를 제공할 수 있고 결함의 위치 및, 몇몇 경우, 결함의 원인도 비파괴 시험으로 확인되도록 할 수 있다. 용기 내에서 하나의 모듈을 사용하는 경우 또는 복수의 모듈을 사용하는 경우, 프로브 장치는 바람직하게는 하나의 모듈의 업스트림의 인터커넥터 밀봉부로부터의 누출을 검출하는 데 채택된다. 용기 내에서 복수 모듈을 사용하는 경우, 프로브는 가장 유리하게는 용기의 통과물 수집 영역의 내부 직경이 줄어드는 것을 방지하는 인터커넥터와 합해진다.
본 발명의 또 다른 양태는 여과 시스템의 통과물 스트림을 샘플링하고 고 회수율 막 장치를 사용하여 스트림 속의 챌린지 종을 농축시킨 후, 고 회수율(그렇지 않음 측정하기가 보다 어렵다) 막 장치의 거부 용액 속의 챌린지 종을 검출하는 장치를 포함한다. 청구된 장치는 챌린지 종의 연속 농축 및 검출 수단을 제공하기 때문에 이는 감도를 향상시키기 위해 매우 유리하게는 펄스 시험과 합해진다. 장치의 고 회수율 막 장치는 바람직하게는 출구 말단에서의 단면적이 상당히 감소된 공급 스페이서(feed spacer)를 포함한다.
도면에서의 참조번호는 본원 명세서에서 괄호 속의 참조번호에 상응한다.
도 1은 통상적인 나선형 권취 모듈의 부분 사시도이다.
도 2는 모듈을 직렬로 포함하는 통상적인 용기의 부분 단면도이다.
도 3은 통과물 캐리어 시트, 통과물 수집 튜브 및 화살표로 지시한 통과물 유동 통로로의 통상적인 누출 영역을 도시하고,
도 4는 공급물의 상대 챌린지 농도 대 시간의 그래프를 도시하고 이는 펄스에 대한 FWHM(반치폭)을 계산하는 방법을 나타낸다.
도 5는 공급 스페이서 단면적이 감소하는 3개의 모듈을 함유하는 용기를 도시한다.
도 6은 공급물 및 통과물 속의 챌린지 종의 시간에 따른 변화를 도시하는 그래프이다. 통과물 액체를 모듈의 통과물 수집 튜브의 상이한 4개의 영역(#1, #2, #6 및 #7)으로부터 샘플링한다. 시간 의존성 공급물 농도(#0)를 유사한 규모로 보이는 크기로 감소시켰다. 마찬가지로, 통과물의 다른 3개 위치로부터의 상대 농도에 비해 위치(#1)로부터의 상대 농도는 20으로 감소했다.
도 7은 2개의 모듈로부터의 통과물에 대한 농도 프로파일을 도시한다. 누출부가 공지된 모듈(A)은 통상적인 완전한 모듈(B)에 비해 높은 피크 농도 및 이른 피크 용출 시간을 입증한다.
도 8은 2개의 NF 모듈(하나는 완전한 모듈(C) 및 또 하나는 누출부를 갖는 모듈)에 대한 정규화된 통과물 프로파일을 비교한다. 펄스 시험을 2개의 농도, 0.7% 및 1.5% 황산나트륨을 사용하여 수행하고, 통과물에 대한 정규화된 상대 농도는 측정된 농도를 각각의 시험에 대한 최대 공급 농도로 나눔으로써 계산된다.
도 9는 용기의 통과물 수집 영역 내에서 몇몇 위치에서 챌린지 농도를 측정하는 데 사용될 수 있는 프로브 장치의 하나의 양태에 대한 외부 표면을 도시한다.
도 10 및 도 11은 용기의 통과물 수집 영역 내의 복수 위치에 대한 전도도를 측정할 수 있는 프로브 장치에 대한 하나의 바람직한 양태를 예시하는 사시도이다.
도 12는 3개의 염수 모듈(이들 중 하나는 o-링 밀봉 표면 근처의 한 말단에서 누출부를 갖는다)을 함유하는 용기로부터의 통과물에 대한 농도 프로파일을 도시한다. 용기 속의 모듈의 상이한 배향 및 배열은 피크 용출 시간으로 입증된다.
도 13은 누출부가 하나의 모듈에서 유발되기 전후에 3개의 나노여과 모듈이 들어가 있는 용기로부터의 통과물에 대한 농도 프로파일을 도시한다. 5초 펄스는 완전한 시스템에 대해 관찰되는 반응보다 많이 집중되어 있는 누출부에 대한 반응을 야기한다.
도 14는 공급물의 상대 챌린지 농도 대 시간의 그래프를 도시하고 모듈로부터 통과물에 대한 시간 의존성 농도 프로파일을 나타낸다. MgSO4 또는 NaCl의 총 통과율은 결함을 제안하지 않지만, 이중 융기된 통과물 프로파일로 인해 막 리프의 이면 근처의 우연한 노출이 발견된다.
상세한 발명
본 발명은 나선형 권취 모듈 및 당해 모듈을 함유하는 시스템의 완전성을 평가하는 개선된 시험 방법에 집중된다.
본 발명의 하나의 양태는 하나 이상의 나선형 권취 모듈을 포함하는 여과 시스템의 완전성을 여과시와 같이 가압 액체하에 시스템을 작동시키고 쉽게 거부되는 챌린지 종의 단펄스의 염을 통과하도록 한다. 당해 펄스는 액체 공급물 공급원들 사이를 스위칭하거나 나노 챌린지 종의 농축된 용액을 연속 공급 용액 속으로 주입함으로써 생성된다. 둘 중의 한 경우, 제1 공급 액체는 보다 높은 챌린지 농도의 제2 공급 액체로 대체되고 제2 공급 액체는 제3 공급 액체로 대체된다. (본 발명에서 공급 액체의 대체는 플러그 유동을 요하지 않는다. 예를 들면, 이는 모듈 속의 공급 액체가 보다 이른 공급 액체로부터의 잔류 성분을 함유할 수 있는, 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 제1 공급 액체와 제3 공급 액체는 동일한 용액일 수 있다.) 생성된 펄스 기간은 다수의 방식들 중의 하나를 특징으로 할 수 있는데, 본 발명자들은 FWHM(반치폭)을 선택했다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 FWHM은 피크(94)로부터 기준선(96)까지의 최대 증가량(92)의 반(90)인 챌린지 농도에 상응하는 시간(86, 88) 사이에 측정한 챌린지 농도의 피크의 상승하는 에지(82)와 낙하하는 에지(84)를 분리하는 시간(80)의 길이이다. 대부분의 시스템에서, 당해 FWHM은 제2 공급물을 한정하는 사건들(예: 밸브 개방/폐쇄 또는 주입 펌프의 작동/중단) 사이의 시간 차에 대략적으로 상응한다.
바람직한 양태로서, 펄스 동안에 막과 접촉하는 챌린지 종의 최대 농도는 초기 및 최종 공급 액체의 농도의 2배 이상이어야 하지만, 초기 공급 액체는 챌린지 종을 함유하지 않는 것이 가장 바람직하다. 챌린지 종은 시험 동안 완전한 막의 영역에서 평균 거부율이 97% 이상이며, 이는 위에서 언급한 표준 시험에서의 최대 염 통과율 3%에 대략적으로 상응한다. 그러나, 훨씬 높은 거부율(99% 초과)이 보다 우수한 감도를 제공한다. 챌린지 종의 농도 분극화가 모듈 속에서 정확히 추정하는 것을 곤란하게 할 수 있기 때문에 당해 완전한 막의 표면에서의 평균 거부율이 회수율로 인해 증가된 공급물 농도를 설명하지만 분극화는 고려하지 않은 겉보기 거부율로서 명시된다.
본 발명자들은 짧은 펄스가 일부 유형의 결함들 사이에서 구별되는 기회를 허용하는 것을 발견하였다. 도 3에 기재된 영역에서의 모든 결함들은 통과물 채널 내에서의 유동 및 챌린지 농도를 변경할 수 있다. 그러나, 표준 시험은 모든 영역들로부터의 통과물을 합하여 모든 결함이 평균 염 통과율이 증가함에 따라서 입증된다. 반대로, 짧은 펄스 후 용출 프로파일은 누출 영역들 사이에서 구별할 수 있다. 예를 들면, 이면 아교 라인에서의 누출은 통과물 튜브 부근의 누출보다 모듈로부터 용출하는 데 긴 시간이 걸린다. (이면 아교 라인에서의 누출물이 용출하는 실제 시간은 이의 크기에 좌우되며, 이는 이의 존재가 통과물 채널 속에서의 유동 경로 및 속도를 변화시키기 때문이다.) 유사하게, 시간 프로파일의 차는 모듈의 입구 및 출구 말단 부근에서 기원되는 누출물에 대해 볼 수 있다. 이러한 차는 공급 액체가 모듈 전체를 가로질러 이동하는 데 걸리는 시간 및 통과 액체가 한쪽 말단으로부터 모듈로부터 방출되는 데 걸리는 시간 둘 다에 의해 초래된다. 통상적인 작동시, 후자 효과가 지배적이지만, 이들의 영향은 통과물을 모듈의 입구측으로부터 제거함으로써 합해질 수 있다. 실시예들은 얼마나 편재된 결함이 시간에 따른 통과물 농도에서 개별 스파이크로서 그것들 자체를 분형히하는 방법을 보여준다. 반대로, 챌린지 종의 통과율이 높은 막으로부터 제조된 완전한 모듈은 챌린지 통과율의 크기는 평균값보다 높겠지만, 상당히 통상적인 시간 프로파일을 갖는 것으로 예상될 수 있다.
공급물과 통과물 둘 다에서의 챌린지 종의 농도를 시간 함수로서 검출하고 기록하는 것이 요망된다. (시간의 함수로서 디지털로 기록한 이러한 시그널은 컴퓨터가 결과를 연산하고 참조값과의 비교에 의해 평가하도록 한다.) 공급물 펄스는 4분 미만, 바람직하게는 2분 미만, 보다 바람직하게는 1분 미만의 FWHM을 특징으로 하는 시간에 따른 농도 프로파일을 갖는다. 통과물 시그널을 10초 미만의 간격으로 검출하고 기록한다. 보다 바람직하게는, 시그널은 2분 미만의 간격으로 검출 및 기록되는데, 이는 피크에서의 강도를 정확하게 측정할 것이 요구되기 때문이다. 통과물 속의 챌린지 종의 시간 의존성 상대 농도만을 사용하여 결함의 특징인 프로파일의 변화를 주지할 수 있다. 누출에 대한 보다 정확한 정도는 당해 시그널의 절대 크기 (및 공급물 속의 챌린지 농도에 관련한다) 및/또는 공급물 펄스 프로파일로부터 통과물 펄스 프로파일의 시간에 있어서의 적절한 분리에 대한 보다 정밀한 정보를 추가로 사용하여 수득할 수 있다.
여과 시스템(하나의 모듈로 이루어진 시스템 포함)의 완전성을 평가하기 위해서, 기록된 데이터를 참조값과 비교하는 것이 바람직하다. 참조값은 동일한 시스템(동일한 용기 및 모듈)에서 이전에 수집된 데이터를 사용하거나 본질적으로 동등한 하나 이상의 시스템(평가되는 시스템과 본질적으로 동일한 시스템 구성 및 동일한 유형의 모듈을 갖는 시스템)에 대해 이전에 수집한 데이터를 사용하여 수득할 수 있다. 참조값은 또한 실험에 의해 또는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 측정된 "완전한" 모듈 또는 용기의 성능을 사용하여 유도될 수도 있다. 초여과 모듈의 제조업자에 의해 제공된 시스템 시뮬레이션 소프트웨어와 유사하게, 프로그램은 바람직하게는 직렬 모듈의 유형의 수, 용기 중의 물 유동 및 용기 회수율과 같은 작동 조건을 고려한다. (당업자가 이해하는 바와 같이, 이들 고려사항들은 인가된 압력 및 막 투과성과 같은 다른 형태를 취할 수 있다.) 추가로, 시뮬레이션 소프트웨어는 펄스 기간에 대한 정보를 사용하고, 보다 바람직하게는 측정된 공급물 프로파일에 대한 데이타를 통합시킨다. 참조값을 기준으로 하여, 모듈 또는 시스템의 완전성을 평가할 수 있다. 당해 정보는 모듈의 적절한 배치를 지시하고 보증된 보정 작업을 결정하는 데 사용될 수 있다.
본 발명자들은 공급 액체 농도의 짧은 펄스를 사용하는 시험 모듈의 또 다른 이점은 노이즈에 대한 시그널의 향상된 비를 수득할 수 있는 것을 발견하였다. 모듈을 표준 방법에 따라서 시험하는 경우, 통상적으로 과량의 전도도가 크고 가변하는 배경 시그널에 대해 측정된 결함으로 인한 것인 경우이다. 이면 시그널은 전도성 종의 여과로 인해서 또는 시간에 따른 막 거부율의 변화로 인해 달라질 수 있다. 어느 쪽의 경우에서도 공급물 농도의 짧은 펄스를 사용하는 시험은 가변하는 이면 수준에 대해 덜 민감할 수 있는데, 이는 통과물 농도의 변화가 훨씬 단시간에 걸쳐 관찰되기 때문이다. 유사하게, 신속하게 펄스를 보내는 공급물은 수 개의 모듈로 이루어진 막 시스템의 결함에 대해 상당히 높은 감도를 허용할 수 있다. (대개 종래의 모니터링 방법으로 시스템의 결함을 검출하기는 어려운데, 이는 당해 분야에서 통상적으로 획득된 연속 측정치가 막, 공급물 및 공정 조건의 변화에 의해 모호해지기 때문이다.)
본 발명자들은 정상 상태 성능을 수득하는 것이 감도 완전성 시험에 필요하지 않다는 것을 밝혀냈다. 사실상, 본 발명의 전이 펄스 방법은 실제로 정상 상태 성능에 비해 증가된 감도를 제공할 수 있다. 초여과 모듈의 성능은 시험 기간에 따라 변하는 것으로 알려져 있다. 초여과 모듈의 제조업자에 의해 권장되고 수행되는 표준 시험은 안정된 막 성능이 측정하도록 상당한 가온 기간 후(통상 20분 또는 30분으로 명시) 염 통과율 측정한다. 염료 완전성 시험에 대한 신규한 ASTM법(D6908-03)은 시스템이 평형화된 성능을 달성하도록 가동되어야 하고 염료를 첨가한 후, 이는 샘플을 취하기 전에 평형을 재달성하기 위해 15분을 추가로 명시하고 염료 통과율을 계산한다. 이는 또한 통과물 캐리어 시트에서의 용액의 정상 상태 분포는 통과물 채널을 비우기 위한 필요성에 의해 훨씬 단시간에 추가로 방지된다. 이를 수행하는 데 필요한 시간은 대략적으로 모듈의 유량에 반비례한다. 5, 10 및 20gfd(8.5, 17 및 34ℓ/m2hr)로 작동하는 통상적인 비누출성 나선형 권취 모듈에서, 4분, 2분 및 1분의 시간은 통과물이 통과물 시트 길이 아래로 90% 통과하여 통과물 튜브로 도입하는 시간의 2배에 상응한다. 본 발명에서 제안된 챌린지 종의 신속한 펄스에 의한 시험은 실질적인 가온을 요하지 않고, 적어도 몇몇 경우, 정상 상태 성능이 달성되지 않기 때문에 결함 검출시에 보다 효과적인 것으로 여겨진다.
본 작업의 놀라운 발견은 정상 상태가 아닌 모듈 시험 조건을 생성시키는 짧은 공급물 펄스는 초여과 시험이 높은 챌린지 농도 및 낮은 인가 압력 둘 다를 사용하도록 한다. 보다 높은 챌린지 농도는 현존하는 배경 시그널 및 낮은 검출 한계에 대한 감도를 증가시킨다. 낮은 인가 압력은 펌프 및 파이프의 비용을 감소시킨다. 정상 상태 공정에서, 막 유량은 트랜스-막 삼투압에 의해 감소되고 인가 압력이 감소되거나 공급물 농도가 실질적으로 증가되는 경우에 유량 0에 근접한다. 따라서, 소정의 인가 압력에서, 실제 상부 결합은 쉽게 거부된 챌린지 종의 농도에 대해 존재한다. 그러나, 공급물 농도의 급속 펄스의 경우, 막을 통한 시간-평균 유량은 원칙적으로 펄스 전후에 공급 조건에 의해 결정된다. 이는 통과물 유체의 심각한 손실없이 펄스 동안 높은 공급물 농도를 사용되도록 허용한다. 이는 또한 챌린지 종이 통과물 채널 속에서 농축되어 표준 유량의 회복시, 보다 큰 시그널을 야기한다.
짧은 펄스를 사용하는 또 다른 이점은 삼투압을 신속하게 변화시킴으로써, 몇몇 경우, 특히 총 구동 포텐셜이 0에 근접하거나 음의 값으로 되는 경우에 결함에 대한 감도를 상당히 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 총 구동 포텐셜은 인가 압력의 합 - 분별 막 전체에 걸친 삼투압 차로서 정의되고, 이는 막의 전면에서의 농도가 큰 경우 음의 값으로 될 수 있다. (펄스는 농도가 증가하는 하나 이상의 성분을 함유할 수 있기 때문에 검출된 챌린지 종이 삼투압 증가의 주요 원인이라고 할 필요가 없다.) 유용성을 제한하고자 하는 것은 아니지만, 증가하는 감도를 설명하기 위한 메카니즘이 다음과 같다고 가정한다. 펄스 동안에 공급물 농도가 높은 경우, 구멍(매우 작은 구멍에서도)을 통한 물 유량 및 챌린지 용질 유량은 인가된 압력에 의해 구동되고 공급물의 삼투압에 의해 방해되지 않는다. 결함에 근접하는 통과물 캐리어 시트 영역은 펄스 동안에 챌린지 분자로 충전될 수 있고, 이어서 모듈로부터 씻겨 흘러가고, 펄스 후 모듈로부터 검출기로 향한다. 반대로, 펄스 동안 높은 공급물 농도(높은 삼투압에 상응)는 실질적으로 "완전한" 초여과 막을 통한 물 유량을 제한한다. 유량이 당해 영역에서 0에 근접함에 따라 특히 가동 포텐셜이 음의 값이 되어 역 유동이 일어나는 경우, 초여과 막의 이면측에서 챌린지 종의 대류 수송이 극적으로 감소할 수 있고 "완전한" 분별 막을 통하는 챌린지 종의 이동이 상당히 감소될 수 있다. 위에서 기재한 바와 같이, 통과물 채널을 통과하는 평균 유량 및 유동이 펄스 전후의 조건에 더 지배되기 때문에 음의 총 구동 포텐셜을 야기하는 펄스를 사용하여 시험할 수 있다.
또 다른 바람직한 양태로서, 챌린지 종을 함유하는 짧은 펄스를 높은 삼투압 강도의 것보다 긴 지속시간의 펄스에 함유시킬 수 있다. 예를 들면, 삼투압 강도가 높은 용액을 시스템의 표준 공급물 용액으로 주입(예: 0 내지 60초)시키고 쉽게 검출된 챌린지 종은 보다 짧은 시간 동안(예: 시간 15분 내지 45분) 주입시킬 수 있다. 종래의 염료 시험은 완전한 막을 통한 확산으로부터 배경 시그널에 의한 감도가 제한되어, 높은 삼투 강도 펄스(특히, 역유동을 야기하는 것)에 의해 염료의 펄스를 둘러쌈으로써 누출에 대한 감도를 향상시킬 수 있다. 챌린지 종과 높은 삼투 강도 둘 다 포함하는 하나의 펄스와 비교하면 당해 방법은 펄스 에지에서 "완전한" 막을 통한 통과율은 감소되었다.
몇몇 경우, 챌린지 분자의 짧은 펄스로 공급물을 스파이킹(spiking)함으로써 현존하는 저렴한 검출기를 사용할 수 있다. 하나의 바람직한 양태로서, 공급물 용액은 황산염 이온으로 스파이킹된다. 황산염과 같은 2가 음이온은 대부분의 초여과 막에 의해 잘 거부된다. 통과물 전도도의 시간 의존성 변화는 황산염 누출이 배경 전도도 수준으로부터 구별하는 것을 가능하게 한다. 제조업자의 모듈 시험으로서, 이는 다른 전도성 물질의 침출(leaching) 및 가변의 막의 염 통과율에도 불구하고 완전성이 평가되도록 한다. 물 처리 플랜트와 같은 여과 시스템에서, 황산염 이온의 짧은 펄스는 통과물 속에 전도성 종이 연속 존재하는 것으로부터 구별될 수 있다. 이러한 시험은 공급물 또는 통과물에 금지 종을 도입시키지 않고, 짧은 펄스는 물 생산 중단 없이 완전성을 평가한다. 유사한 시험은 여과 시스템에 흔히 존재하고 검출되는 다른 챌린지 물질(입자, TOC 등)을 스파이킹함으로써 수행될 수 있다.
짧은 챌린지 펄스를 사용하는 또 다른 이점은 보다 적은 용질이 시험에 사용된다는 점이다. 펄스 시간은 정상 상태 수준에 비해서 감소된 시간 평균 방출 수준(폐물)을 야기시킨다. 또한, 공급물 농도가 평균 방출 수준(비교적 단기간에 걸치더라도)에 의해 제한되는 경우, 짧은 펄스는 보다 높은 공급물 농도 및 노이즈에 대한 시그널의 향상된 비를 제공할 수 있다. 짧은 펄스는 또한 통과물 속의 물질의 것 보다 낮은 시간 평균 농도를 야기한다.
짧은 펄스는 또한 높은 챌린지 농도의 펄스 동안에 거부 용액이 물리적으로 격리되고 챌린지 종의 상당한 회수율을 가능하게 할 수 있다. 예를 들면, 회수율 85%의 여과 시스템에서, 거부 용액의 짧은 체류는 초기 공급물 농도의 6배보다 클 수 있고, 이러한 거부 용액은 재사용을 위해서 저장 탱크에 보내질 수 있다. 실제 회수 가능한 농도는 종종 낮은 시스템 회수율 및 펄스 말단에서의 혼합으로 인해 낮다. 챌린지 종의 회수율 및 재사용은 앞에서 기재한 형광성 입자와 같은 고가 물질용으로 특히 유리하다.
본 발명의 또 다른 양태는 막(MF, UF, NF, RO) 모듈 또는 시스템의 통과물 속의 챌린지 종의 농도를 전체 통과물 스트림을 대표하는 당해 통과물 스트림을 샘플링하여 후속 고 회수율 여과 장치를 통해 통과시킴으로써 검출 전에 증가시킬 수 있다는 것이다. 이러한 경우, 샘플링된 통과물 스트림은, 필요한 경우, 재압축되고, 고 수율 장치로의 공급물이 된다. 고 회수율 장치로부터의 거부 스트림을 검출기로 전송한다. 회수율은 95% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상인 것이 바람직하고, 이는 검출기에서 20배 및 100배 증가된 시그널을 생성시킨다. 챌린지 종의 농축은 초기 통과물 농도가 쉽고 정확하게 측정되지 않는 경우, 예를 들면, 이의 농도가 100배 미만인 경우 또는 20배 미만인 경우에 특히 유용한다.
이러한 방식의 샘플링 스트림의 농축은 전여과 및 교차 유동 여과에 의해 달성할 수 있다. 특히 챌린지 종이 입상인 경우, 전여과는 막 표면에서 샘플링된 통과물의 체적 이내로 입자를 농축시키는 데 사용되고, 이어서 표면은 분석될 수 있다. 특히 높은 감도는 개별 입자(예: 자기 또는 형광 입자)가 따로 계수될 수 있는 경우에 가능하다. 공급물 펄스와 함께 사용될 수 있는 바람직한 검출 장치는 하나 이상의 용기의 통과 스트림으로부터의 샘플링 라인, 공급물 펄스에 이은 특정 시간 동안 통과물 샘플을 수집하는 자동화 수단, 각각의 샘플링 라인으로부터 샘플링된 통과물을 보유하는 저장소, 전여과시 챌린지 종을 보유하는, 각각의 저장소에 상응하는 플랫 분리 막 시트, 각각의 막 시트 전체에 상이한 압력을 인가하는 수단 및 막 표면에 보유된 챌린지 종의 양을 정량하고 기록하는 하나 이상의 자동화 검출기를 포함한다. 신속한 분석 시간이 중요하기 때문에 각각의 샘플링 라인이 상응하는 검출기를 갖거나 단일 검출기가 수 개의 막 표면에서 챌린지 종 함량을 자동으로 정량하도록 프로그래밍되는 것이 바람직하다. 흡착에 의해 막에서 보유되는 분자 종을 포함하여 형광성 챌린지 종이 사용되는 경우, 자동화 검출기는 여기 레이저, 바람직하게는 특히 532nm 부근의 것, 및 산란 여기광을 거부하고 장파장을 통과시키는 광학 필터를 포함한다. 농축 흡착된 입자를 측정 전에 소량의 적합한 용매를 가함으로써 표면으로부터 방출시킬 수 있다.
전여과와 대조적으로 교차 유동 여과에 의한 샘플링 스트림의 농축은 농축물의 실시간 분석에 보다 많이 이바지한다. 따라서, 교차 유동 기하학은 챌린지 농축의 펄스와 통과물 시그널의 시간 의존성을 측정하는 것으로 유리하게도 합할 수 있다. 가압된 교차 유동 여과시, 고 회수율 막에 대한 압력은 검출기 전후에 유동 거부에 대한 내성에 의해 유지될 수 있다. 또는, 고 회수율 막 전체에 걸친 유량은 통과물에 진공을 가함으로써 발생시킬 수 있다. MF 또는 UF 막은 특히 진공 여과에 이바지한다.
샘플링된 통과물 스트림으로부터의 시그널을 증가시키는 장치는 RO, NF, UF 또는 MF 막을 사용할 수 있다. 그러나, 고 회수율 여과 장치의 막은 해당 챌린지 종을 매우 거부해야한다. UF 또는 MF 막은 몇몇 입자의 농축에는 적합하지만, 초여과 막은 보다 작은 종 및 특히 염을 농축시키는 데 필요하다. 고 회수율 NF 막에 혼입된 검출 시스템 또는 방법은 RO 또는 NF 시스템의 완전성을 평가하는 데 사용되는 경우에 특정 이점이 있을 수 있다. (미국 특허 제5,858,240호에 기재되어 있는 바와 같이, NF 막은 실질적으로 일부 염을 통과시키는 한편, 다른 염들, 특히 다가 종을 갖는 염들은 선택적으로 보유된다는 사실로 구별된다.) RO 및 NF 시스템으로부터의 통과물 스트림은 통상적으로 염을 함유하지만, 이들은 일반적으로 NF가 우선적으로 통과하는 1가 이온에 의해 지배된다. 결과적으로, NF 막은 배경 전도도 수준 및 삼투 강도를 낮게 유지하면서 황산염, 아황산염 및 인산염과 같은 2가 챌린지 종을 상당히 농축시키는 데 사용될 수 있다.
고 회수율 여과 장치를 사용하여 통과물의 샘플링을 농축한 후 통과물 속의 특정 챌린지 종의 농도를 결정하는 이 방법은, 각종 상이한 검출기와 챌린지 종과 함께 사용될 수 있다. 검출 방법으로는 비이온 농도, 전도도, TOC(총 유기 탄소), 혼탁도, 입자, 흡광도 또는 형광을 측정하는 방법이 있지만, 이로써 제한되는 것은 아니다. 이는 천연 챌린지 종과 스파이킹된 챌린지 종 둘 모두와 함께 사용될 수 있지만, 공급물 스트림에 챌린지 종을 가함으로써 종종 시간이 지남에 따라 장치의 완만한 변화 및 수질의 변화 둘 다의 영향을 감소시킬 수 있다. 이러한 보다 민감한 검출 방법은 규제 또는 비용이 보다 높은 공급물 농도를 억제하는 경우에 특히 유리하다. 예를 들면, 고 회수율 초여과 또는 UF 막을 사용한 농축을 포함하는 검출 시스템은 작은 형광 입자의 보다 경제적인 사용을 허용하고 직경이 0.005㎛을 초과하는 형광 입자가 바이러스용 대체물로서 사용될 수 있다. 현재, 형광성 미소구체의 사용은 시스템 완전성 시험에 대해 비용이 너무 많이 드는 것으로 언급된다.
또 다른 바람직한 양태로서, 고 회수율 장치용 공급물 대 통과물 유량 비는 샘플링 스트림 속의 절대 농도가 계산될 수 있도록 공지되어 있다. 따라서, 통과물 유동 및 공급 또는 거부 유동을 측정하는 것이 바람직하다. 그러나, 고 회수율 장치가 비교적 안정한 방식으로 작동되는 경우, 상이한 측정 결과를 상대적인 기준으로 비교할 수도 있다. 예를 들면, 유용한 정보가 챌린지 종의 펄스를 공급물로 도입시킴으로써 통과물 스트림 속의 시간 프로파일을 변화시키는 것으로부터 수득될 수 있다. 마찬가지로, 여과 시스템 속의 모듈, 용기 또는 트레인 간의 대략적인 챌린지 누출 차이로부터 비교가 유용하게 이루어질 수 있다.
또 다른 바람직한 양태로서, 고 회수율 장치는 입구 말단에 비해 출구 말단에서 단면적이 실질적으로 좁은 교차 유동 공급 채널을 포함한다. 이는 바람직한 매우 높은 수율에도 불구하고 공급 속도를 높게 유지되도록 한다. 빠른 속도는 농도 분극화를 최소화하는 데 유리하고 쇠퇴된(tapered) 단면적은 거부 스트림의 시간 변동 농도 프로파일을, 아주 없으면 어지럽힐 수 있는 유체 체류 시간의 변화를 추가로 감소시킬 수 있다. 단면적은 바람직하게는 5 이상, 보다 바람직하게는 25 이상 감소한다. 하나의 양태로서, 고 회수율 장치는 계단식 디자인을 갖는데, 다수 모듈로부터의 거부율이 단일 모듈로 공급을 제공한다. 도 5에 도시된 또 다른 양태로서, 상이한 공급 스페이서 단면적을 갖는 모듈은 압력 용기(40) 속에서 직렬로 결합될 수 있다. 통과물 샘플링 스트림은 용기의 입구 말단(100)의 포트(42)로부터 용기로 도입되고 공급 채널 단면적이 연속해서 작아지는 모듈(2) 내에서 여과에 의해 농축된다. 모듈들(2) 사이의 분배 수단(102)이 모듈 속에서 공급물 유동 균일도를 향상시키고 염수 밀봉부(104) 또는 다른 수단이 다운스트림 모듈의 우회를 방지하는 것이 바람직하다. 농축된 거부 스트림은 용기의 출구 말단(106)의 포트(43)으로부터 방출되고 검출기는 챌린지 종의 농도를 측정한다. 이러한 양태 및 계단식 디자인 둘 모두 편평한 시트 또는 중공 섬유 막을 사용할 수 있다.
특히 바람직한 하나의 양태로서, 위에서 기재한, 농축되고 측정될 샘플링 스트림은 프로브 도관을 사용하여 용기의 통과물 수집 영역의 특정 영역으로부터 제거된다.
본 발명의 또 다른 양태는 용기의 통과물 수집 영역 내의 4개 이상의 지점으로부터 챌린지 종의 농도를 동시에 측정하는 것을 포함한다. 복수 지점으로부터 시그널을 검출하고 기록함으로써, 실시예에서 예시되는 바와 같이, 결함에 대한 민감도를 향상시킨다. 통과물 수집 영역 내부에서 측정하거나 복수의 샘플링 스트림을 통과물 도관으로 동시에 추출하여 통과물 수집 영역의 외부에서 측정할 수 있다. 통과물 수집 영역 외부에서 측정하고 통과물 샘플이 복수의 프로브 도관을 사용하여 용기로부터 추출되는 경우, 상이한 통과물 도관으로부터의 유량을 또한 측정하여 영역간의 상대적인 시간 지연을 계산할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 용기의 통과물 수집 영역 내에서 복수회 측정하는 것이, (1) 프로브에 의한 통과물 수집 영역 내의 압력 강하가 감소될 수 있고, (2) 다수의 샘플링 지점이 공간 압박으로 인해 표준 통과물 튜브 내에서 보다 쉽게 수집되고, (3) 프로브 도관 아래로의 파급에 수반되는 시간 지연이 방지되기 때문에 프로브 도관을 사용하여 복수회 측정하는 것이 바람직하다. 통과물 수집 영역 내부에서 측정하든지 외부에서 측정하든지간에 복수의 모듈을 갖는 용기를 탐침하는 것은 모듈들 사이의 인터커넥터가 통과물 유동을 위한 직경이 줄어들지 않는 경우에 가장 쉽게 달성된다. 복수 측정 지점에 사용하기에 바람직한 인터커넥터로는 축방향 밀봉부를 갖는 인터커넥터(미국 특허 제6,632,356호) 및 통과물 튜브를 둘러싸는 방사상 밀봉부를 갖는 인터커넥터가 있다.
4개 이상의 지점, 보다 바람직하게는 10개 이상의 지점을 동시에 탐침하기 위해 바람직한 장치는 통과물 튜브로부터 연장되고 전기 시그널이 용기로부터 방출되도록 하는 와이어에 연결된 각각의 지점에서 전도도 셀(conductivity cell)을 갖는다. 전도도 셀은 용기의 길이 아래로 알려진 위치에 있고 통과물 수집 영역 내에서 축방향을 연장된 지지 구조물에 부착되어 있다. 프로브는 바람직하게는 통과물 튜브 내의 특정 구멍 세트로부터 합해진 전도도가 통과물 튜브 아래로 흐르는 벌크용 전도도로부터 실질적으로 분리되도록 한다. ("실질적으로 분리된"은 측정된 액체의 50% 이상이 통과물 튜브 내의 특정 구멍 세트를 통과하는 것을 의미한다.) 이는 또한 바람직하게는 인터커넥터의 밀봉부에서의 누출을 확인할 수 있도록 인터커넥터의 바로 다운스트림이지만 후속 모듈의 통과물 튜브 내의 제1 구멍의 업스트림에 위치하는 전도도 셀을 포함한다. (모듈의 제1 통과물 구멍은 가장 업스트림 구멍이고, 이 경우, 업스트림은 튜브 내에서의 통과물 유동면에서 정의된다.) 몇몇 디자인에서, 프로브는 슬라이딩하여 이의 축의 위치를 변화시킬 수 있다. 용기로부터 몇몇 상이한 통과물 스트림을 제거할 필요가 없기 때문에, 당해 전도도 프로브는 종래의 프로브 도관보다 용기의 통과물 수집 영역 내에서 적은 공간을 필요로 할 수 있다. 따라서, 수개월 동안 작동하는 동안 시스템 성능을 실질적으로 열화시키지 않으면서 적소에 유지시킬 수 있다.
도 9 내지 도 11은 용기의 통과물 수집 영역 내의 수개의 지점에서 챌린지 농도를 측정하는 데 사용될 수 있는 프로브 장치에 대한 하나의 바람직한 양태를 도시한다.
도 9는 2개의 인접하는 모듈의 통과물 튜브 아래로 연장되어 있는 프로브 구역의 외부 표면(110)을 보여준다. 도시된 2개의 모듈은, 미국 특허 제6,632,356호에 기재되어 있는 바와 같이, 인터커넥터(46)가 통과물 유동을 위한 직경을 감소시키지 않도록 통과물 튜브(8)를 둘러싸고 있는 축방향 통과물 밀봉부(48)에 의해 결합되어 있다. 프로브의 외부 표면(110)의 개구부(112)는 튜브 구멍(24)과 일직선이고 통과물 수집 영역 내에서 벌크 유동으로부터 개별 구멍(24)을 통한 유동의 분리를 지지한다. 도 9의 디자인은 통과물 밀봉부(48)에서의 누출을 검출하기 위해 하나의 모듈의 제1 통과물 구멍(116)의 업스트림에 추가의 개구부(114)를 포함한다.
도 10 및 도 11은 통과물 수집 영역 내에서 벌크 유동을 특정 구멍 세트를 통한 통과물 유동과 분리시키기 위한 하나의 바람직한 수단을 도시하는 사시도이다. 당해 양태에서, 각각의 셀은 외부 전극(118), 내부 전극(120) 및 절연성 스페이서(122)(이는 2개의 전극을 분리시키고 셀을 통한 통과물 유동 통로를 제공한다)로 구성된다. 개구부를 갖는 외부 파이프는 외부 전극(118) 및 프로브용 지지 구조물 둘 다로서 작용한다. 원주형 내부 전극에 부착되어 있는 와이어(124)는 프로브의 한쪽 말단으로 연장되어 각각의 셀 내의 전도도가 용기 외부에서 측정되도록 한다. 도시된 구조에서, 모듈의 제1 통과물 튜브 구멍(116)의 업스트림에 있는 전도도 셀은 통과물 밀봉부에서의 누출을 검출한다. 다른 셀로부터의 전도도는 실질적으로, 각각이 모듈 아래에서 동일한 축 방향 위치에 있는 4개의 통과물 튜브 구멍으로 이루어진 세트를 통과하는 액체로부터의 전도성으로 인한 것이다. 그러나, 프로브의 상단을 절단하는 변형법에 의해 이러한 셀의 구조는 하나의 모듈의 완전성을 시험하는 데 특히 유리하다.
다음 실시예는 특정 구체예를 설명하며, 이는 어떤식으로든 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
실시예 1
나선형 권취 염수 초여과 모듈을 순수 공급물을 사용하여 67psi에서 가동시킨다. 30초 동안 모듈에 대한 공급물을 2000ppm MgSO4의 용액에 스위칭한다. 공급원을 순수한 물에 되돌려 스위칭하고 모듈의 입력 말단에서 측정된 전도도에 의해 결정되는, 공급물 챌린지 농축물에서 얻을 수 있는 펄스는 40초 미만의 FWHM을 갖는다. 공급물 펄스 내에서 상대적인 챌린지 종의 농도를 도 6에 #0으로서 도시한다.
나선형 권취 모듈의 통과물 튜브 내에서 프로브는 통과물 튜브 속의 개별 구멍에 상응하는 선택된 영역으로부터 통과물을 분리시킨다. 프로브는 길이가 1m를 초과하는 12개의 도관(외부 직경 0.0125")을 포함한다. 통과물 튜브 속에 이런 다수의 도관이 존재함으로써, 측정하지는 않았지만, 모듈에 대한 역압은 실질적으로 증가한다.
도 6은 통과물 튜브 내에서 4개의 상이한 영역(지점 #1, #2, #6 및 #7)으로부터 샘플링된 전도도에 의해 측정된 상대 농도를 도시한다. 개별 도관을 통한 유량을 측정하고, 작은 도관을 통한 유동에 수반되는 시간의 지연은 알려졌다. 시간(0)은 당해 지연을 제거하기 위해 각각의 도관 위치에 대해서 조절되었다.
이러한 모듈은 한쪽 말단에 삽입 누출부를 갖는 것으로 공지되어 있다. 위치 #1에서, 통과물은 모듈의 입구 말단에 가장 근접한 통과물 수집 튜브의 구멍로부터 수집되고, 당해 위치는 통과물 농도가 가장 많이 증가하는 것으로 입증되었다. 위치 #1은 또한 가장 일찍 피크를 나타내고 이의 시간 프로파일은 공급 액체에 대한 시간 프로파일과 유사하다. 위치 #2는 위치 #1로부터 단지 1인치 떨어져 있는 영역에 상응한다. 이들의 근접성에도 불구하고, 위치 #2는 농도의 조기 증가를 나타내지는 않고 이의 시간 프로파일은 모듈의 다른 "완전한" 구역에서 관찰된 것과 매우 유사하다. 이러한 모듈은 또한 이면 아교 라인에서 결함을 갖고 이의 영향은 위치 #6 및 #7에서 알 수 있다. 위치 #7은 늦은 시간에 통과물 농도의 큰 증가를 보이고 모듈의 "완전한" 영역에 대한 위치로부터 충분히 떨어져 있다. 위치 #6은 단지 1인치 떨어져 있는 통과물을 분리시키지만, 이는 농도의 상당한 증가를 나타내지 않는다. 위치 #6으로부터의 바이모달(bimodal) 프로파일은 "완전한" 영역으로부터 약간 이동된 제1 최대 피크 및 훨씬 늦은 시간에 용출된 제2 피크를 갖는다. 위치 #7의 피크에 비해 위치 #6의 제2 피크는 나중에 발생되는데, 이는 누출이 통과물 캐리어 시트의 상이한 영역에서 상이한 유체 속도를 초래하기 때문이다.
실시예 2
한쪽 말단에 삽입 누출부를 갖는 나선형 권취 해수 초여과 모듈(FilmTec SW30-2540)을 공급물 중의 챌린지 종의 펄스를 사용하는 본 발명의 방법을 사용하여 시험한다. 펄스는 순수한 물을 1700ppm MgSO4의 챌린지 종 공급 용액으로 일시적으로 대체함으로써 발생시킨다. 펄스의 FWHM은 40초 약간 미만이다. 시험 동안 인가된 압력은 227psi이다.
40inch 길이의 모듈을 2개의 상이한 방향으로 시험한다. 제1 시험에서, 모듈을 압력 용기에 대해 배향시켜 삽입 누출부가 입구 말단에 위치하도록 한다. 모든 통과물을 모듈의 입구 말단으로부터 제거한다. 제2 시험에서, 모듈을 역전시켜 누출부가 일부 말단 및 통과물 제거 말단 둘 다로부터 가장 먼 말단에 있도록 한다. 제2 시험은 제1 시험에서 관찰된 피크 위치에 대해 10초의 피크 위치 지연을 나타낸다. 이러한 지연은 모듈의 배향 변화로 인한 것으로 여겨진다.
실시예 3
20개의 해수 나선형 권취 모듈(FILMTEC SW30-2540)을 본 발명의 방법을 사용하여 인가 압력 150psi으로 챌린지 펄스를 사용하여 시험한다. 순수한 물을 FWHM이 40초 미만인 펄스로 일시적으로 대체한다. 이의 피크 농도에서, 공급물 펄스는 대략 3% MgSO4이며, 이는 약 100psi의 삼투 강도를 생성시킨다. 전도도는 통과물의 농도를 측정하는데 사용하고, 당해 펄스 시험 동안 시간의 함수로서 기록한다.
나중 표준 해수 시험(3.2% NaCl, 800psi)으로부터 측정된 바와 같이, "완전한" 모듈은 통과물에서 MgSO4에 대한 유사한 시간 프로파일을 나타낸다. 도 7은 누출 모듈(A) 및 "완전한" 모듈(B)에 대한 시간 프로파일을 나타낸다. 누출 모듈은 높은 피크 농도 및 이른 피크 용출 시간을 나타내고, 둘 모두 개별적으로 결함을 나타낸다. 당해 실시예에서, 결함에 대한 향상된 민감도는 누출 모듈에 대해 관찰된 시간 프로파일로부터 통상적인 "완전한" 모듈에 대한 시간 프로파일을 줄임으로써 수득될 수 있다.
실시예 4
2개의 FILMTEC NF-2540 모듈을 당해 모듈 유형에 대한 제조업자의 표준 시험(인가 압력 150psi에서 2000ppm MgSO4)을 사용하여 시험한다. 모듈 C에 대한 MgSO4 통과율은 0.5%이고, 모듈 D에 대한 MgSO4 통과율은 1.6%이었다. 버블 시험을 사용하여 모듈 D가 삽입 누출부를 가지고 있음을 확인했다.
챌린지 종을 40초 미만의 FWHM를 갖는 황산나트륨의 펄스를 사용하여 인가 압력 75psi으로 각각의 모듈에 도입시켰다. 황산나트륨은 완전한 막에 의해 양호하게 거부되고 이의 삼투압이 소정의 농도의 황산염 종에 대해 비교적 높기 때문에 선택했다. 각각의 모듈을 2회 시험하는데, 한번은 펄스 0.7%에서 최대 공급 농도가 나타나고 한번은 펄스 1.5%에서 최대 공급 농도가 나타났다. 5% 황산나트륨 용액은 삼투압이 75psi를 초과하기 때문에, 통과물 라인은 시험 동안에 통과물 용액의 저층에 담수되고, 이는 통과물 라인이 펄스 동안 역 유동으로 인해 비워지지 않도록 하였다.
도 8은 두 조건에서의 펄스 시험의 결과를 도시한다. 통과물의 상대 시간 의존성 정규화 농도를 측정된 통과물 농도를 시험에서의 최대 공급 농도로 나눔으로써 계산하였다. 통과물 농도에 대한 데이타를 5초 간격으로 통과물 전도도를 측정하여 수득하였다. 도 8은 이러한 간격이 1.5%에서 모듈 D에 대한 최대 피크 높이를 정확히 정량하기에 너무 길다는 것을 나타내었다. 그렇다 하더라도, 당해 실시예는, 모듈 D가 1.5% 황산나트륨을 사용하여 시험하는 경우, 보다 큰 최대 정규화 농도를 나타낸다. 모듈 D(누출)에 대한 최대 정상화 대 모듈 C("완전")의 농도 비 또한 1.5% 황산나트륨을 사용한 시험의 경우에 보다 크다.
실시예 5
염수 모듈(FILMTEC TW30-2540)을 표준 시험 조건(225psi, 0.2% NaCl)을 사용하여 정상 상태 염 통과에 대해 시험한 후, 본 발명의 펄스 시험을 사용하여 또한 시험한다. 펄스 시험은 인가 압력 150psi를 유지하면서 30초 동안 저장소를 스위치하여 FWHM이 30초를 약간 초과하는 공급물 펄스를 야기시켜 수행한다. 펄스 시험은 순수한 물을 3% MgSO4로 일시적으로 대체함으로써 수행하고, 통과물의 전도도를 측정하여 시간의 함수로서 기록한다.
표준 시험에 의해 측정된 정상 상태 염 통과율은 0.48%이고, 펄스 시험은 91μmho에서 통과물 전도도를 발생시킨다. 핀을 사용하여 모듈 리프들 중 하나에 작은 결함을 생성시키고 다시 시험한다. 표준 시험은 염 통과율이 0.75% 통과율로 작은 증가율을 보이지만, 펄스 시험은 1246μmho의 피크에서 현저히 큰 전도도를 발생시킨다. 표준 시험을 사용하여 TW30-2540 모듈에 대해 허용된 최대 거부율은 2%이며, 따라서 표준 시험은 이러한 결함을 포착하지 못했다.
실시예 6
o-링 누출을 하나의 모듈(FILMTEC TW30-2540)의 말단에서 당해 말단 부근의 통과물 튜브 벽을 관통하는 작은 구멍을 생성시켜 모의시험한다. 표준 시험 동안 당해 모듈에 대한 NaCl의 통과율은 0.6%로부터 2.6%로 증가하였다. 당해 모듈과 2개의 유사하지만 손상되지 않은 모듈을 압력 용기에 직렬로 충전시킨다. 공급물 펄스의 리딩 에지(leading edge)가 3개의 소자 중 제1 소자(즉, 손상된 소자)의 입구로부터 출구 말단으로 횡단하는 데 걸리는 시간은 대략 10초이고, 나머지 2개의 소자에 대해서는 약간 긴 시간이 예상된다. 시스템을 본 발명의 펄스 시험을 사용해서 RO 공급수로부터 MgSO4 챌린지 용액으로 5초 동안 스위칭함으로써 시험한다. 용기는 교차 유동 형상을 갖고 통과물이 공급물 입구와 동일한 말단에서 방출되도록 한다. 통과물을 용기의 공급물 입구 말단으로부터 제거한다. 손상된 모듈의 위치 및 배향을 용기 내에서 이동시키고 새로운 펄스 시험을 수행한다. 4개의 잠재적인 누출 위치로부터의 영향이 조사될 수 있도록 상이한 위치에서 손상된 모듈에 대한 시험을 재시행한다. 이들 위치들 중 2개가 모듈 인터커넥터 위치에서 o-링 누출을 나타내는 한편, 2개의 위치는 용기 말단 어댑터 위치 부근에서 o-링 누출을 나타낸다. 도 12는 4개의 위치 각각에서의 누출이 상이한 시간 의존성 통과물 시그널을 발생시킴을 보여준다.
실시예 7
3개의 나노여과 모듈을 압력 용기에 직렬로 충전시키고 평균 19.3L/m2/시, 60psi 및 33% 회수율로 작동시킨다. 공급수는 각종 이온을 함유하고 전도도가 569μmho이다. 연속 작동 동안, 이들 나노여과 모듈로부터 합한 통과물은 전도도가 207μmho이다. 본 발명의 펄스 시험을, 황산나트륨의 5초 펄스를 도입하여 수행한다. 도 13은 초기 시스템(E) 및 하나의 o-링에서 누출이 발생하는 시스템(F) 및 이어서 하나의 리프의 이면 말단에서 누출이 발생하는 동일한 시스템(G)에 대한 시간 의존성 통과물 전도도를 나타낸다. 그래프의 좌우 에지에서 나타낸 바와 같이, 유발된 누출이 표준 작동 동안 측정된 통과물 전도도를 거의 변화시키지 않지만, 각각의 누출의 영향이 펄스 시험 동안에 나타난다. 각각의 누출이 단시간에 집중되기 때문에 "양호한" 모듈을 통한 통과는 장시간에 걸쳐 분포되는 반면, 누출에 대한 감도는 증가하였다.
실시예 8
FWHM이 30초인 MgSO4의 펄스를 사용하여 FILMTEC BW400 모듈을 시험한다. 공급물 펄스(J)에서의 상대 농도 및 시간 의존성 공급물 프로파일(K)을 도 14에 도시한다. 도면에서, 공급물 시그널은 팩터 100을 곱한 값이다. 당해 공급물 프로파일을 "양호한" 모듈로부터 얻어진 공급물 프로파일과 비교함으로써 제1 피크가 "양호한" 막을 통과한 MgSO4의 통과율에 상응하고 제2 피크는 결함으로 인한 것임을 인지하였다. 이러한 모듈은 표준 시험에서의 평균 NaCl 거부보다 우수하고 펄스 후의 총 MgSO4 통과율은 펄스 시험에 대한 정상 범위 내에 있다. 그러나, 시간 의존성 통과물 시그널의 형상은 누출을 나타내고, 이는 모듈의 검증에 의해 입증된다.

Claims (37)

  1. 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과(hyperfiltration) 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법으로서,
    (a) 제1 공급 액체를, 상기 제1 공급 액체에 압력을 가하면서, 막 표면으로 통과시켜 투과 용액(permeate solution)과 거부 용액(reject solution)을 생성시키는 단계(여기서, 상기 제1 공급 액체는 챌린지 종(challenge species)을 함유하거나 함유하지 않는다),
    (b) 챌린지 종을 함유하는 제2 공급 액체를 가압하에 도입시키는 단계(여기서, 상기 제2 공급 액체 중의 상기 챌린지 종의 농도는 상기 제1 공급 액체에 존재하는 챌린지 종의 농보보다 2배 이상 높고, 상기 챌린지 종은 2가 음이온(i) 및 직경이 0.005㎛를 초과하는 형광성 입자(ii) 중의 하나 이상으로부터 선택된다),
    (c) 제3 공급 액체를 가압하에 도입시키는 단계(여기서, 상기 제2 공급 액체와 상기 제3 공급 액체를 연속적으로 도입함으로써, 상기 챌린지 종의 시간에 따른 농도 프로파일이 4분 미만의 FWHM(반치폭)을 갖는 것을 특징으로 하는 챌린지 종의 펄스가 생성된다)의 3개의 연속적인 공정을 포함하고, 추가로
    (d) 상기 투과 용액 속의 챌린지 종의 상대 농도를, 지지 구조물 상에 적층된 4개 이상의 전도성 셀을 포함하는 프로브 어레이를 사용하여 4개 이상의 지점으로부터 동시에 시간의 함수로서 검출하고 기록하는 단계 및
    (e) 상기 투과 용액 속의 챌린지 종의 기록된 시간 의존성 농도를 참조값과 비교하여 상기 여과 시스템의 완전성(integrity)을 평가하는 단계를 포함하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모듈 속의 챌린지 종의 펄스가 2분 미만의 FWHM임을 특징으로 하고 상기 투과 용액 속의 챌린지 종의 상대 농도를 10초 미만의 간격으로 검출하고 기록하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모듈 속의 챌린지 종의 펄스가 FWHM이 40초 미만임을 특징으로 하고 상기 투과 용액 속의 챌린지 종의 상대 농도를 2초 미만의 간격으로 검출하고 기록하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 모듈 속의 챌린지 종의 펄스가 FWHM이 5초 미만임을 특징으로 하고 상기 투과 용액 속의 챌린지 종의 상대 농도를 1초 미만의 간격으로 검출하고 기록하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 여과 시스템이 초여과 모듈을 하나만 함유하는 용기를 포함하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 여과 시스템이 3개 이상의 초여과 모듈을 직렬로 함유하는 용기를 포함하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 공급 액체의 삼투압이 상기 제1 공급 액체 및 상기 제3 공급 액체에 대한 삼투압보다 크고 막 표면에서의 총 구동 포텐셜이 상기 제2 공급 액체의 도입에 의해 음의 값으로 되는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 챌린지 종의 펄스가 삼투압의 순간적인 증가에 의해 한정된 보다 긴 지속 펄스에 함유되고 막 표면에서의 총 구동 포텐셜이 보다 긴 지지속 펄스에 의해 음의 값으로 되는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 챌린지 종의 펄스가 상기 제2 공급 액체의 도입으로 인한 리딩 에지(leading edge)를 갖고 챌린지 종의 펄스의 FWHM이, 챌린지 종의 펄스의 리딩 에지가 모듈의 길이를 가로지르는 데 필요한 시간 미만인, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 거부 용액이, 상기 거부 용액 속의 챌린지 종의 펄스 동안 짧은 펄스에 의해 물리적으로 격리되어 챌린지 종의 95% 이상의 회수율을 제공하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 격리된 거부 용액 속의 챌린지 종이 막 표면을 통과하는 챌린지 종의 후속 펄스를 생성시키기 위해 사용되는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  12. 제1항에 있어서, 샘플 용량의 투과 용액이, 챌린지 종의 농도가 검출 단계 전에 20배 이상으로 증가되도록 고 회수율 막 장치를 사용하여 농축되는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
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  17. 제1항에 있어서, 상기 상대 농도가 상기 용기의 투과물 수집 영역에 위치하는 4개 이상의 전도도 셀(conductivity cell)을 사용하여 10초 미만의 간격으로 검출하여 기록하고, 상기 여과 시스템이 3개 이상의 초여과 모듈을 직렬로 함유하는 용기를 포함하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 상대 농도를 상기 용기의 투과물 수집 영역에 위치하는 10개 이상의 전도도 셀을 사용하여 10초 미만의 간격으로 검출하여 기록하고, 상기 여과 시스템이 하나의 초여과 모듈을 함유하는 용기를 포함하는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
  19. 제1항에 있어서, 공급물 속의 챌린지 종에 대한 농도 프로파일이 자동화 검출기에 의해 시간-의존적 방식으로 측정되는, 용기 속에 하나 이상의 나선형 권취 초여과 모듈을 갖는 막 여과 시스템의 결함 검출방법.
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  30. 직렬로 연결된 복수의 나선형 권취 여과 모듈을 함유하는, 막 시스템 속의 압력 용기로서, 각각의 모듈이 투과물 튜브를 갖고, 상기 투과물 튜브는 인터커넥터를 사용하여 인접하는 모듈의 투과물 튜브에 상호연결되어 있으며, 직렬로 연결된 최초 모듈 또는 최종 모듈의 하나 이상의 투과물 튜브가 용기 말단 어댑터에 의해 압력 용기에 연결되어 있고, 투과물 수집 영역이 투과물 수집 튜브들, 이들의 인터커넥터 및 용기 말단 어댑터에 의해 둘러싸인 체적에 의해 한정되고, 프로브 어레이가 용기 투과물 수집 튜브에 삽입되어 있고,
    프로브 어레이는 압력 용기를 통해 유동하는 챌린지 종의 농도 변화로 인해 유발된 전도도 변화 측정에 적합하고, 용기의 투과물 수집 영역으로의 축방향 삽입에 적합하고 투과물 수집 영역의 고정된 위치에서 전도도 셀을 유지시킬 수 있는 지지 구조물(a) 및 상기 지지 구조물에 탑재되어 있는 각각 4개 이상의 전도도 셀(b)을 포함(여기서, 각각의 전도도 셀은 용기 외부로부터 투과물 수집 영역을 축방향에 따라서 전도도 셀로 시그널을 전달할 수 있는 전기 시그널 입력 수단과 소통하고 또한 각각의 전도도 셀은 전도도 셀로부터 투과물 수집 영역을 축방향에 따라서 용기 출구로 시그널을 전달할 수 있는 전기 시그널 출력 수단과 동시에 소통한다)하는, 압력 용기.
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  36. 제30항에 있어서, 상기 지지 구조물이 용기의 투과물 영역에 삽입되는 경우, 셀이 상기 용기의 투과물 수집 영역 속의 벌크 유동으로부터 투과물 튜브 구멍을 통한 투과물 유동을 격리시키도록 상기 전도도 셀들 중의 하나 이상이 지지 구조물에 위치하는, 압력 용기.
  37. 제30항에 있어서, 상기 지지 구조물이 용기의 투과물 영역에 삽입되는 경우, 셀이 하나의 모듈에 대한 인터커넥터의 밀봉부의 다운스트림 및 당해 모듈에 대한 투과물 튜브 속의 가장 업스트림 구멍의 업스트림에 위치되도록 전도도 셀들 중의 하나 이상이 지지 구조물에 위치하는, 압력 용기.
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