KR101333677B1 - 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치 - Google Patents

실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 여과장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유입되는 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수의 여과대상 용액을 산화제에 의해 전처리하는 산화제처리부와, 산화제에 의해 전처리된 여과대상 용액을 바로 공급받아 1차 수처리하는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과, 1차 수처리된 여과대상 용액에 포함되어 있는 무기성 이온류, 저분자유기물을 제거하여 순수 물(Pure Water)만을 통과시키는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 정수, 해수, 하수처리수 여과장치에 관한 것이다.

Description

실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치{A DEFECATOR USING THE MEMBRANE WITH SILICON CARBIDE MATERIAL FOR WASTE LIQUID}
본 발명은 분리막을 결정함에 있어, 전단에 실리콘카바이드 분리막을 설치하고 후단에 역삼투압분리막을 설치하여 막의 파울링 없이 지속적인 여과처리가 가능하도록 한 여과장치에 관한 것으로서,
산화제에 의해 전처리된 처리수를 중화처리과정 없이 바로 실리콘카바이드 분리막을 통과시켜 1차 처리한 후,
이와 같이 1차 처리된 처리수를 초음파 처리 후, 역삼투압 분리막을 통과시킴으로써 막의 파울링 없이 지속적인 여과처리가 가능하여, 다양한 용도로 사용가능한 고순도의 여과수를 효과적으로 공급할 수 있는 여과장치에 관한 것이다.
용액(Solution) 내에 분산되어 있는 입자(Particulate, Colloids)의 분리는 응집법(Coagulation)이나 여과법(Filtration)에 의한 제거가 가능한 것으로서,
상기 응집법의 경우, 응집제를 투입하여 수중에 콜로이드 입자의 제타포텐셜(Zeta Potential)을 감소시켜 콜로이드 입자 간의 결합을 유도하여 입자를 거대화하는 화학적 반응으로 입자의 크기를 성장시켜 침전법(Sedimentation)이나 부상분리방법(Floatation)으로 제거할 수 있으며,
상기 여과법(Filtration)의 경우, 분산된 이온이나 입자를 적절한 여과경(Pore Size)을 갖는 여과제(Media) 또는 여과막(Membrane)을 이용하여 이온이나 입자를 분리할 수 있는 방법으로서, 상기 여과막(Membrane)은 Microfiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration, Reversefiltration으로 분류할 수 있으며, 본 발명은 상기 여과막(Membrane)을 이용한 용액(Solution) 내의 입자를 분리할 수 있다.
상기 용액 내의 입자(Particulate, Colloids)의 분리를 위하여 선택적 투과성과 투과속도(Flux)가 높은 다양한 재질의 고분자여과막(Polymer Membrane)이 이용되고 있다. 이러한 고분자 재질로는 Polyethylenes, Polyvinylidenefluoride, Polysulfones, Polyamides 등의 합성고분자 재질을 이용한다. 일반적으로 여과막(Membrane)은 하부에 지지층(Carrier Layer)과 지지층의 상측면에 0.5~1.0마이크론의 두께로 형성되어 있는 활성층(Active Layer)으로 구성되어 있다. 투과속도(Flux)는 활성층의 두께와 지지층의 다공성(Porous)에 매우 큰 영향을 받기 때문에 활성층의 박막화와 지지층의 균일한(Uniform) 다공성(High Porous)이 필수적이다. 상기 지지층(Carrier Layer)은 활성층(Active Layer)을 지지하여 박막의 파손을 보호하는 역할을 한다. 이러한 지지층은 박막의 보호뿐만이 아니라 활성층을 통과한 유체의 투과속도와 투과압력을 결정하는 매우 중요한 부분이기도 하다.
고분자 분리막(Polymer Membrane)의 재질은 대부분 소수성(Hidrophobicity)으로 물에 의한 세정효과가 낮아 막오염 발생현상(Fouling)이 쉽게 발생하기 때문에 일반적으로 별도의 친수성(Hidrophilicity) 처리를 하여 이러한 문제를 해결하고 있다. 또한 고분자재질을 이용한 분리막 제조과정은 치밀한 활성층(Active Layer)을 형성할 수 있지만, 균일한 다공성(Porous) 구조의 지지층(Carrier Layer)의 형성은 불가능하다. 고분자재질의 분리막은 활성층을 지지할 수 있는 일정두께 이상의 기계적 강도를 갖는 지지층을 필요로 하여 투과압력이 높고 투과유량이 낮은 단점과 고분자성 유기물질인 분리막이 미생물에 의해 서서히 분해되는 단점도 동시에 가지고 있다.
막 오염 발생현상(Fouling)은 교차흐름여과(Cross Flow) 과정에서 여과대상물질에 의한 여과막(Membrane) 표면의 농도분극현상(Concentration Polarization), Gel층 형성에 의한 여과압력 상승과 여과대상 입자들이 여과막 기공내부까지 침투되는 가역/비가역적 막오염발생 현상이다. 이러한 막오염 발생현상의 발생원인 중에서 하나로 분리막 재질의 표면전하와 여과입자의 전하의 상태에 크게 영향을 받는다. 실리콘카바이드(Silicon Carbide) 재질은 등전점(Iso Electric Point)이 2.7로 고분자 재질의 등전점 5.0 ~ 9.5에 비하여 낮아 막오염 발생현상이 적다. 이러한 이유로는 멤브레인 재질의 등전점은 여과대상 용액의 pH와 비교하여 등전점이 낮은 경우에는 플러스(+) 이온을, 높은 경우에는 마이너스(-) 이온을 띄게 된다. 이는 수중에서 대부분의 여과대상 물질이 일반적으로 콜로이드입자로 마이너스(-) 이온을 띠고 있기 때문에 등전점이 낮을수록 막오염발생현상(Fouling)의 발생이 억제되는 전하적 상호작용(Electrostatic Interaction)에 기인한다. 고분자분리막을 이용하는 극성, 비극성 유기물을 포함하는 용액의 여과에서 분리막의 친수성(Hidrophilicity)은 막오염발생현상(Fouling)에 관여한다.
친수성(Hidrophilicity)이 클수록 낮은 접촉각을 나타내는 접촉각실험(Sessile Drop Test)에서 Polysulfones 계열은 61~69°, Polyamides 계열은 36~60°, Polyethylenes 계열은 55~90°, 높은 접촉각으로 막오염발생현상(Fouling)이 쉽게 나타나는 문제점을 나타낸다.
이를 극복하기 위하여 고분자분리막은 폴리비닐알콜(PVA), 키토산, 알긴산나트륨등의 친수성고분자를 표면중합, 도포법 등을 이용하는 친수성(Hidrophilicity)처리로 문제를 해결하고 있다. 상기의 재질적 특성에 따라서 대부분의 고분자분리막(Polymer Membrane)은 막오염을 회복하기 위한 화학적크리닝(Chemical Cleaning)단계에서 산, 알카리, 산화제, 온도, 압력 등에 의한 고분자분리막(Membrane)의 변형과 파손 때문에 매우 제한적인 세정약품(차아염소산나트륨, 옥산산)과 농도(500~2,000PPM), 온도(30℃미만), 압력(1.0~2.0bar) 등으로만 크리닝(Cleaning)을 실시하여야 함으로 회복율이 낮고 입자가 여과막 내부의 활성층(Active Layer)까지 침투하는 비가역적 막오염발생현상(Fouling)이 진행됨에 따라서 세정약품을 이용한 화학적크리닝(Chemical Cleaning)으로도 회복이 불가능해져 최종적으로는 분리막 전체를 교체하여야 하는 문제를 발생시켜 대부분을 유지관리비를 막교체비로 사용하여야 하는 비경제적 문제점도 함께 나타내고 있다.
상기의 고분자 분리막(Polymer Membrane)의 단점을 보완하고 높은 투과속도와 함께 막오염 발생현상(Fouling)을 방지하고 화학적 크리닝(Chemical Cleaning)의 제한적요소를 보완하기 위하여 알루미늄, 티타늄, 실리콘, 지르코늄 또는 이들의 혼합물의 산화물을 재질로 하는 비대칭성 복합막 형태의 무기질 세라믹분리막(Ceramic Membrane)이 개발되어 이용되고 있는데 이러한 세라믹분리막은 내화학성과 내마모성이 우수하고 pH 사용범위가 0~14로 넓어 고분자재질의 분리막에 비하여 매우 긴 수명과 무기질이기 때문에 미생물과 세균에 의한 분리막의 분해와 오염을 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한 세라믹분리막은 막오염 발생현상(Fouling)을 최소화하기 위하여 역세척(Backwashing), 고압세척, 고온살균, 선택성이 넓은 세정약품과 고농도의 화학세정 등에 의하여 비가역적 막오염 형태인 여과막 내부의 활성층(Active Layer)의 오염물까지도 강력하게 제거할 수 있는 장점이 있다. 이러한 이유로 점차 수요가 증가하고 있는 상태이다. 이러한 세라믹분리막(Ceramic Membrane)은 기공이 0.1~1.0 범위인 활성층(Active Layer)과 1~50 마이크론 범위인 비다공성 지지층(Carrier Layer)구성되어 있다. 세라믹지지층(Carrier Layer)은 다수의 슬립케스팅법이나 슬러리 코팅법 등으로 부착하며 지지층(Carrier Layer)과 활성층(Active Layer)은 졸-겔 코팅법에 의해서 부착하는 방식으로 제조된다.
이러한 산화물 재질의 세라믹분리막(Ceramic Membrane)은 지지층(Carrier Layer)과 활성층(Active Layer)사이에 점차 미세해지는 균질하지 않은 비다공성 구조로 제작되어 매우 작고 균일하지 않은 미세한 기공이 세라믹 분리막 전체에서 연속적이고 광범위하게 분포하게 된다. 세라믹분리막(Ceramic Membrane)의 제조에 있어서도 고분자재질의 분리막과 같이 높은 투과속도를 위한 활성층(Active Layer)의 재질적 친수성(Hidrophilicity)과 박막화 그리고 지지층(Carrier Layer)의 균일하고(Uniform) 높은 다공성(Porous)이 필수적이다. 세라믹분리막의 여과과정에서 활성층(Active Layer)을 투과한 여과용액은 점차 미세해지는 균일하지 않고 낮은 다공성의 지지층(Carrier Layer)의 투과과정에서 투과유속의 감소와 투과압력차이(Trans Membrane Pressure)가 상승하는 현상이 나타난다. 이러한 이유로 모든 분리막은 활성층(Active Layer)의 박막화와 지지층이 균일한(Uniform) 구조의 다공성(Porous)이 형성될 경우 높은 투과유속과 함께 낮은 에너지로 여과가 가능하다.
하지만 알루미늄, 티타늄, 실리콘, 지르코늄 또는 이들의 혼합물의 산화물을 재질로 하는 세라믹분리막은 분리막을 형성하는 지지층(Carrier Layer) 소결과정에서 미세입자가 용융상태(Melt Phase)가 되어서 지지층에 형성된 기공이 밀봉되는 기공막힘현상을 피할 수 없는 현상이다.
일반적으로 금속산화물을 재질로 하는 세라믹분리막(Ceramic Membrane)은 고분자재질의 분리막에 비하여 2~3배 정도 여과속도(Flux)가 높지만 재질적인 친수성의 처리가 어려워 고분자재질에 비하여 친수성이 낮다. 일반적으로 많이 사용되는 산화알루미늄(Al2O3)재질의 분리막은 전하적 상호작용(Electrostatic Interaction)에 영향을 나타내는 등전점(Iso Electric Point)이 9.1로 상수, 지표수, 지하수, 하수처리수에서 일반적으로 (-)이온을 띠는 미세입자나 콜로이드에 비하여 세라믹분리막의 표면전위는 플러스(+) 이온을 띄어 막오염발생현상(Fouling)이 쉽게 발생하고 투과유속(Flux)과 관계가 있는 접촉각은 20~50°높은 접촉각을 나타낸다.
산화물을 재질로 하는 분리막들은 고분자재질의 분리막에 비하여 우수한 재질적 특성과 높은 투과유속(Flux)을 나타내지만 분리막의 지지층(Carrier Layer) 소결과정에서 미세한 산화물입자의 용융에 의해 부분적으로 기공이 막히는 현상으로 기공(Pore Size)이 균일하지 못하고 낮은 다공성으로 투과유속(Flux)이 낮고 투과압력(Trans Membrane Pressure)이 상승하는 단점과 재질적인 높은 등전점(Iso Electric Point)에 의하여 쉽게 오염되는 문제를 나타낸다.
이와 같은 종래기술의 문제점을 반영하여 본 발명자는 2011.08.24자에 출원번호 10-2011-0084397호 '실리콘카바이드 재질의 분리막을 이용한 정수, 해수, 하수처리수 여과장치 및 이를 이용한 여과방법'에 대해 특허출원하여 대한민국 등록특허 10-1117647호(등록일자 2012.02.10)로 등록받은 바 있다.
하지만, 상기 등록특허의 경우에는 최종적으로 여과된 여과수의 용도가 조경수 또는 공업용수 등 사용에 있어 매우 제한적이라는 단점이 있었다. 이외에 실리콘카바이드 분리막의 여과경이 사각 형상을 이루고 있기 때문에 여과경 내부의 코너 부분에 막 형성이 제대로 이루어지지 않아, 처리된 여과 수질이 일정하게 유지되지 않는다는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 10-1117647호(등록일자 2012.02.10) 대한민국 공개특허 10-2009-0043507호(공개일자 2009.05.06) 대한민국 등록실용 20-0365882호(등록일자 2004.10.16)
상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 역삼투압분리막을 이용하여 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액을 여과처리를 하되, 역삼투압분리막의 파울링을 없애주어 지속적인 여과처리가 가능하도록 하기 위하여 산화제처리 및 여과경이 0.1~0.04μm인 실리콘카바이드 분리막을 전단에 구성하고, 역삼투압 분리막의 전단에 초음파 처리를 하는 파울링 방지장치를 구성하며, 또한 상기 실리콘카바이드 분리막의 여과경 형상을 원형으로 구성함으로써 여과수질이 일정하게 유지될 수 있도록 하는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 유입되는 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상 용액을 산화제에 의해 전처리하는 산화제처리부와,
산화제에 의해 전처리된 여과대상 용액을 바로 공급받아 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 이용하여 1차 수처리하는 제1분리막처리부와,
1차 수처리한 처리수를 역삼투압 분리막에 이용하여 무기성 이온류, 저분자유기물을 제거하고 순수 물(Pure Water)만을 통과시켜 2차 수처리하는 제2분리막처리부로 구성된 여과장치에 관한 것으로서,
산화제공급탱크로부터 공급받은 산화제와 여과대상 용액을 반응시켜, 산화제의 강한 산화력을 이용하여 여과대상 용액 내의 다당류형태의 유기물과 미생물을 저분자화시키는 산화제처리부와,
상기 산화제처리부를 거친 전처리수를 별도의 중화처리 없이 인라인믹서를 거쳐 바로 공급받되, 상기 인라인믹서를 거치기 전에 PAC 정량펌프를 통해 여과대상 용액에 PAC(Poly aluminium chloride)를 투입하여 0.04㎛ 이하의 미세콜로이드 입자를 거대화시킨 후, 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 이용하여 1차 수처리하는 제1분리막처리부와,
상기 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 세정하는 세정부와,
상기 제1분리막처리부를 거쳐 1차 처리된 처리수를 저장하는 처리수저장탱크와,
상기 처리수저장탱크의 처리수를 제2분리막처리부로 공급하기에 앞서 통과시키는 필터와,
상기 필터를 통과한 처리수를 역삼투압 분리막의 전단에 설치된 파울링 방지장치를 이용하여 초음파 처리를 한 후, 처리수에 포함되어 있는 무기성 이온류, 저분자 유기물을 역삼투압 분리막을 이용하여 제거하는 제2분리막처리부와,
여과장치 전체에 동력의 공급과 운전, 역세, 세정과정을 아날로그 신호와 디지털신호로 제어하는 자동제어부를 포함하여 이루어지는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치를 주요 기술 구성으로 한다.
그리고, 상기 제2분리막처리부는 역삼투압 분리막의 전단에 파울링 방지장치를 설치하여, 30~200kHz 범위의 사각형태 주파수(각형파)를 20~60watt의 낮은 출력으로 연속으로 내보냄으로써 역삼투압 분리막의 파울링 현상을 방지하도록 구성된 것으로서,
상기 파울링 방지장치는 초음파변환기와, 상기 초음파변환기와 초음파방사부를 연결하는 연결선와, 상기 초음파변환기로부터 오는 신호를 특정 주파수로 조정하여 방사하는 초음파방사부와, 상기 초음파방사부의 전면을 이루는 방사면에 형성되어 초음파변환기로부터 오는 신호를 초음파로 발생시키는 초음파방사판과, 상기 초음파방사판을 통해 방사되는 초음파를 유체에 전파하는 초음파처리 배관연결부를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 여과장치는 산화제에 의한 전처리와, 전처리된 물을 중화과정을 거치지 않고 바로 공급받아 실리콘카바이드(SiC) 분리막에 의해 수처리하는 제1분리막처리부와, 역삼투압 분리막의 전단에 파울링 방지장치를 설치하여 수처리하는 제2분리막처리부를 포함하고 있어, 파울링을 일으키지 않으면서 지속적인 여과가 가능하기 때문에 고순도의 여과된 물을 지속적으로 확보할 수 있다는 장점을 갖는다.
이는 구체적으로, 실리콘카바이드(SiC) 분리막의 전단에 산화제처리부를 둠으로써 강한 산화력을 이용하여 다당류형태의 유기물과 미생물을 저분자화함으로써, 후단에 놓이는 분리막의 급격한 막오염(Fouling)을 감소시키게 된다. 그리고 2차적으로는 상기 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 통해 산화처리된 처리수를 별도의 중화처리과정을 거치지 않고 바로 공급받아 산화제에 의해 전처리된 처리수 내의 무기성 이온류, 저분자유기물을 제거하여 후단에 놓이는 역삼투압 분리막으로 보내주기 때문에 막오염(Fouling)이 발생하지 않으면서 지속적인 여과가 가능하다.
단, 상기 실리콘카바이드 분리막을 종래 고분자 막으로 대체하게 될 경우에는 산화제의 강한 산화력에 의해 막 손상이 발생하기 때문에 산화제에 의해 전처리한 처리수를 바로 공급받아 처리하기 곤란하여, 별도의 중화처리과정을 거쳐야만 한다. 결국 본 발명에서는 산화제에 의해 전처리된 처리수를 별도의 중화처리 없이 바로 공급받아 처리가능하기 때문에 더욱더 지속적인 여과기능성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 역삼투압 분리막을 최종적으로 거치지 않을 경우, 그 처리수의 용도가 조경수 또는 공업용 용수 등 그 사용에 매우 제한적이기 때문에, 역삼투압 분리막을 후단에 둠으로써 순수 물만을 통과시킴으로써 고순도의 여과수를 제공할 수 있다.
특히, 상기 역삼투압 분리막의 전단에는 파울링 방지장치가 설치되어 있어, 사각형태 주파수를 이용하여 스케일 형성 방지와, 미생물에 의한 슬라임층 형성을 방지하여 주기 때문에 역삼투압 분리막의 막오염(Fouling) 발생 없이 지속적인 여과가 가능하다.
결과적으로, 본 발명은 산화제처리, 실리콘카바이드(SiC) 분리막 처리 및 초음파 처리를 포함하는 역삼투압 분리막 처리가 상호 보완적이면서 유기적인 관계를 이루어 유입되는 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상 용액을 보다 효과적으로 처리할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 여과장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 도시한 도면.
도 3은 분리막에 따라 분리할 수 있는 용질을 분류하여 보인 도면.
도 4는 본 발명에 따른 파울링 방지장치를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 파울링 방지장치에 따른 초음파의 주파수 형태(a)와 일반적인 초음파 주파수 형태(b)를 보인 도면.
상기의 기술 구성에 대해 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴보고자 한다.
해수의 담수화과정을 포함하여 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액을 여과하기 위해 역삼투압 분리막을 적용할 경우 가장 문제가 되는 부분이 파울링(fouling)이다. 역삼투압 분리막의 처리효율은 파울링에 의해 시간에 따라 그 효율이 급격히 떨어지게 되기 때문에 지속적인 여과가 거의 불가능하다.
본 발명은 이와 같은 역삼투압 분리막의 파울링 문제를 해소함으로써, 지속적인 여과가 가능하고, 이로 인해 해수의 담수화를 비롯한 여과대상 처리수의 수처리 효율을 증대시킬 수 있도록 하는 여과장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 여과장치는 역삼투압 분리막 처리에 앞서 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 두되, 산화제에 의해 전처리된 처리수를 별도의 중화처리하지 않고 바로 상기 실리콘카바이드 분리막으로 공급하여 분리막 처리 되도록 하고,
또한, 상기 역삼투압 분리막의 전단에 파울링 방지장치를 설치함으로써, 사각형태 주파수를 이용하여 스케일 형성 방지와, 미생물에 의한 슬라임층 형성을 방지하여 역삼투압 분리막의 파울링 문제를 해결하였다.
앞서 밝힌 바와 같이, 상기 실리콘카바이드 분리막을 종래 사용되던 PVMF, PSF, PP의 고분자막으로 대체하여 사용하게 되는 경우에는 정도의 차이는 있으나, 산화제에 의한 급격한 막손상을 초래하게 된다.
따라서, 이와 같은 막손상을 방지하기 위해서는 산화제처리된 처리수의 중화처리과정을 필요로 하며, 이로 인해 공정이 복잡해지고, 처리에 소요되는 시간 및 비용의 증가로 이어져 매우 비효율적인 결과를 도출하게 된다. 그러나 본 발명에서는 산화제에 의해 전처리된 처리수를 별도의 중화처리 없이 바로 공급받아 분리막 처리할 수 있도록 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 사용하기 때문에 원활한 여과공정이 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명의 여과장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 역삼투압 분리막을 이용한 분리막 처리에 앞서, 산화제처리부(10)에 의한 산화제처리 및 실리콘카바이드(SiC) 분리막에 의한 1차 수처리과정을 거친 처리수를 공급받아 막처리를 하되,
상기 역삼투압 분리막(502) 처리에 앞서, 사각형태 주파수를 갖는 초음파를 이용하여 스케일 형성 방지와, 미생물에 의한 슬라임층 형성을 방지함으로써 막의 파울링 발생 억제 효과를 갖게 된다.
이와 같은 파울링 발생을 억제함으로써 본 발명의 여과장치(1)를 통해 고순도의 여과수를 지속적으로 공급할 수 있다는 장점을 갖게 된다.
즉, 본 발명에 따른 상기 여과장치(1)는 앞서 살펴본 바와 같이,
유입되는 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상 용액을 산화제에 의해 전처리하는 산화제처리부와,
산화제에 의해 전처리된 여과대상 용액을 바로 공급받아 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 이용하여 1차 수처리하는 제1분리막처리부와,
1차 수처리한 처리수를 역삼투압 분리막에 이용하여 무기성 이온류, 저분자유기물을 제거하고 순수 물(Pure Water)만을 통과시켜 2차 수처리하는 제2분리막처리부로 구성되는 것으로서,
더욱 상세하게는, 산화제공급탱크(101)로부터 공급받은 산화제와 여과대상 용액을 반응시켜, 산화제의 강한 산화력을 이용하여 여과대상 용액 내의 다당류형태의 유기물과 미생물을 저분자화시키는 산화제처리부(10)와,
상기 산화제처리부(10)를 거친 전처리수를 별도의 중화처리 없이 인라인믹서(102)를 거쳐 바로 공급받되, 상기 인라인믹서(102)를 거치기 전에 PAC정량펌프(103)를 통해 여과대상 용액에 PAC(Poly aluminium chloride)를 투입하여 0.04㎛ 이하의 미세콜로이드 입자를 거대화시킨 후, 실리콘카바이드(SiC) 분리막(202)을 이용하여 1차 수처리하는 제1분리막처리부(20)와,
상기 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 세정하는 세정부(30)와,
상기 제1분리막처리부(20)를 거쳐 1차 처리된 처리수를 저장하는 처리수저장탱크(40)와,
상기 처리수저장탱크(40)의 처리수를 제2분리막처리부(50)로 공급하기에 앞서 통과시키는 필터(104)와,
상기 필터(104)를 통과한 처리수를 역삼투압 분리막(502)의 전단에 설치된 파울링 방지장치(501)를 이용하여 초음파 처리를 한 후, 처리수에 포함되어 있는 무기성 이온류, 저분자 유기물을 역삼투압 분리막(502)을 이용하여 제거하는 제2분리막처리부(50)와,
여과장치 전체에 동력의 공급과 운전, 역세, 세정과정을 아날로그 신호와 디지털신호로 제어하는 자동제어부(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 산화제처리부(10)는 산화제공급탱크(101)로부터 공급되는 산화제에 의해 상수, 지표수, 지하수, 해수, 하수처리수의 여과처리 대상수를 전처리하여 줌으로써, 강한 산화력으로 다당류형태의 유기물과 미생물을 저분자화 하여 후단에 놓이는 분리막의 급격한 막오염(Fouling)을 감소시키고 막여과 투과율은 향상시켜 주게 된다. 막여과 공정에서 일정량까지 산화제 주입농도를 증가시킬 경우 막오염이 저감되어 차압 상승률이 감소하게 된다.
특히, 소수성 NOM 성분을 친수성 성분으로 전환하고 고분자 유기물은 저분자 유기물로 분해하여 전체적으로 막에 미치는 유기물 부하량 감소로 막오염을 감소시키는 효과를 나타나게 된다. 이때 산화제의 주입은 0.5~2.5mg/L로 한다.
이와 같은 산화제 주입량을 유지하게 되는 경우, 막 차압 상승률의 저감을 가져오게 되며, 이는 막 파울링의 주요 원인 중의 하나로 알려진 소수성 유기물인 휴믹 물질이 산화제에 의해 저분자화되어 막 오염에 영향을 미치지 못하게 되기 때문이다.
이와 같이, 산화제처리부(10)를 거친 전처리수는 유입펌프(701)의 작용으로 산화제처리부(10)의 뒤에 놓이는 인라인믹서(102)로 이송되고, 이후 순환펌프(702)의 작용으로 제1분리막처리부(20)로 이송된다.
이때 상기 인라인믹서(102)로 전처리수가 유입되기 전에 PAC 정량펌프(103)를 통해 전처리수에 PAC(Poly aluminunim chloride)를 주입하여 인라인믹서 내에서 약품 혼화과정을 거침으로써, 전처리수의 내에 존재하는 0.04㎛ 이하의 미세콜로이드 입자를 거대화시키게 된다.
제1분리막처리부(20)는 유체의 고른 흐름을 유도하는 스테인레스 재질의 하우징(201)과, 상기 순환펌프(702)를 통해 공급되는 전처리수를 수mm ~ 0.4㎛의 입자로 분리하는 일체형 실리콘카바이드 분리막(202)과, 상기 하우징(201)의 상부 일측에 설치되어 주기적으로 1~5bar의 고압의 공기를 발생시켜 실리콘카바이드 분리막의 유입측 표면에 부착된 여과입자를 떨어뜨리는 백펄스햄머(203)를 포함하여 이루어진다.
상기 실리콘카바이드(SiC) 분리막(202)은 균일(Uniform)하고 높은 다공성(High Porous)에 따라 여과수량(Flex)이 매우 높고(10,000 LMH/bar, 20℃, 0.04㎛), 낮은 압력(TMP 0.3~0.3 bar)에서도 운전이 가능하다.
상기 실리콘카바이드 분리막(202)은 도 2에 도시된 바와 같이, 원형구조의 여과경을 갖음으로써, 여과유량의 증가와 함께 여과수질이 일정하게 유지될 수 있다는 장점을 갖는다. 이는 여과경 내측면의 코팅처리와 관련되는 것으로서, 종래 사각구조의 여과경을 사용하게 되는 경우에는 기체를 이용한 코팅시에 모서리부분에 제대로 코팅이 이루어지지 않아 여과수질이 일정하지 않았으며, 이로 인해 여과유량이 원형구조에 비해 낮게 나타났다.
다시 말해, 기존의 사각형 구조를 갖는 channel 형식의 분리막은 제조단계에서 지지층(Carrier Layer) 상부에 형성되는 활성층(Active Layer)의 두께가 기공이 사각형의 모서리 부분 형상에 의하여 불규칙하게 형성되어, 용액 여과시 상기 불안정한 모서리 부분의 활성층으로 거대입자가 통과되어 처리수질이 불안정한 현상을 보이게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 모서리 부분이 없는 원형 구조를 갖는 channel 형식의 분리막으로 개선함으로써, 지지층(Carrier Layer) 상부에 형성되는 활성층(Active Layer)의 두께나 기공이 전체적으로 일정하게 형성되고, 이와 같은 결과로 종래 불안정한 모서리 부분의 활성층으로 거대입자가 통과되는 문제를 해결할 수 있어, 항상 일정한 처리수질을 얻을 수 있게 된다.
상기 실리콘카바이드(SiC) 분리막(202)의 연속되는 여과(Filtration)와 역세(Backpluse) 과정이 일정기간 이상 진행되면 서서히 여과유량 감소와 운전압력의 상승이 발생하게 되며 이러한 현상이 발생하면 화학약품을 이용한 세정을 실시하여 초기의 운전 유량과 압력으로 회복하는 화학적 세정(Cleaning)의 세정부(30)를 통해 이루어진다. 즉 세정용액을 저장하고 있는 세정부(30)로부터 세정펌프(703)의 작동으로 하우징(201) 내부로 세정액을 유입시킴으로써 실리콘카바이드 분리막을 세정하게 된다.
고분자재질의 분리막은 세정약품의 농도 세정온도, 세정압력에 매우 제한적이어서 회복율이 일정시간 이후 급격히 감소하는 현상을 나타내며 종래의 세라믹(α-Al2O3) 합성재질의 분리막은 분자재질의 분리막에 비하여 세정약품의 농도, 정온도, 압력에 훨씬 더 우수하지만 세라믹막 만의 특징적 용도인 고온(90℃ 이상)에서 2% HCl, 10% NaOH 등에 분리막 재질이 용해되는 단점이 있다.
이에 비교하여 100% 실리콘카바이드 분리막(202)은 재질적 특성인 내화학성, 내열성, 내구성으로 화학적 세정공정에서(Chemical Cleaning) 세정약품과 세정온도, 세정압력의 무제한에 의해 95 ~ 100%의 높은 세정 회복율을 얻을 수 있다는 특징이 있다.
상기 화학적 세정공정(Chemical Cleaning)은 세정용액의 온도를 30~97℃, NaOCl 500~10,000 mg/l as Cl2 까지 제조할 수 있는 크리닝탱크(100L, STS304)와 실리콘카바이드 분리막(202)을 세정할 수 있는 크리닝펌프(10 ㎥/hr, 1.5kw)와 용액의 온도를 올릴 수 있는 전기히터(5kw, 380V)를 크리닝 탱크 내부에 설치한다.
하수처리수, 해수(Sew Water)의 여과의 경우 대상용액에 휴믹물질(Humic Substances), 유기물질(Polysaccharides), 단백질(Protein), 미생물에 등에 의하여 여과과정에서 분리막표면의 농도 분극현상에 의한 여과유량의 감소와 운전압력 상승을 발생시켜 단기간에 운전이 불가능해 진다.
이러한 현상을 제어하기 위하여, 본 발명에서는 산화제공급탱크(3.0~9.0 gr/hr)를 설치하여 산화제의 강한 산화력을 이용하여 다당류형태의 유기물과 미생물을 저분자화 하여 급격한 오염(Fouling)을 방지할 수 있도록 하고, 산화제를 산화제반응조 내로 유입시켜 반응조 내에 설치된 산기장치를 이용하여 접촉효율을 증대시킨다. 즉, 상기 산화제공급탱크는 여과대상 용액으로 3~8 mg/l의 산화제투입량으로 산화제를 투입하여, 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액의 분리막 여과 과정에서 발생하는 농도 분극현상을 억제하게 된다.
상기 산화제의 구체적인 예로는 오존(O3) 또는 차아염소산을 사용한다.
수중에서의 오존(O3)은 산성용액 중에서 약간 안정하지만 온도상승 및 pH상승에 따라 급속히 분해(반감기 20 ~ 30분, 온도 20℃)한다. 그 메카니즘은 대단히 복잡하고 가수분해에 의해 Hydroperoxy 라디칼(HO2 -ㆍ)을 생성하여 그것이 개시제로 되어 연쇄반응으로 분해된다. 즉 오존이 강력하고 효율적인 산화제로 알려져 있는 이유는 반응물과 직접 반응하는 경로 이외에도 오존 스스로가 먼저 분해되어 강력한 반응성을 가지는 hydroxyl radical(ㆍOH)을 생성할 수 있기 때문이다.
상기 차아염소산은 염소를 물에 녹이면, 가수 분해에 의해 염산과의 혼합물로서 얻어진다.(Cl2 + H2O → HClO + HCl) 자극적인 냄새와 빛을 대면 분해해서 산소를 발생한다.(HClO→HCl+O) 이 발생기의 산소는 기체인 산소보다 산화 작용이 강하다. 따라서, 차아염소산은 건조한 상태의 염소보다 산화력이 강해 살균과 표백 등의 산화제로 사용되고 있다.
그리고, PAC(Poly aluminium chloride) 정량펌프를 통해 여과대상 용액에 1~3 mg/l의 투입물량으로 PAC(Poly aluminium chloride)를 투입하여 미세한 콜로이드 입자를 거대화하게 된다. 분해 전과 분해 후의 원수는 DOC와 UV254를 측정하여 분해상태를 확인하였다. 콜로이드 입자의 크기는 일반적으로 0.001~0.1㎛ 범위의 크기를 가지며, 이러한 콜로이드 여과경(Pore Size)의 크기는 여과대상 용액에 따라서 차지하는 콜로이드 입자의 크기분포에 따라 다를 수 있다.
여과대상 용액이 하수처리수, 해수, 지표수의 경우 대부분 입자의 구성은 0.1㎛ 이상으로 구성되어 있어 여과경(Pore Size)이 0.04㎛인 실리콘카바이드 분리막을 적용할 경우 대부분의 콜로이드 입자의 제거가 가능하다. 하지만 여과수의 이용 목적에 따라 고도의 여과수질이 요구될 경우(SDI 2 이하)와 0.04㎛ 이하의 미세콜로이드 입자에 의한 여과 차압 상승(TMP)을 안정적으로 유지하기 위하여 0.04㎛ 이하의 콜로이드 입자를 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 목적으로 유입되는 원수의 탁도(Turbidity)에 대응하여 1.0~20 mg/l as Al2O3 농도의 PAC투입장치(20L, PE)를 설치하여 변화되는 유입수질의 탁도와 이용목적에 따르는 여과수질의 요구 정도에 대응하여 운전할 수 있도록 한다.
이와 같은 실리콘카바이드 분리막(202)의 사용에 따른 장점으로는 산화제에 의해 전처리과정을 거친 전처리수를 별도의 중화처리를 거치지 않고서도 바로 공급받아 막처리가 가능하다는 점에 있다.
이는 상기한 바와 같이, 100% 실리콘카바이드 분리막(202)의 경우, 재질적 특성으로 인해 내화학성이 강하여 화학적 세정공정에서(Chemical Cleaning) 세정약품과 세정온도, 세정압력의 무제한에 의해 95 ~ 100%의 높은 세정 회복율을 얻을 수 있기 때문이다. 이와 같은 이유로 기존의 고분자막을 사용할 경우 막손상의 우려로 인해 별도의 중화처리과정을 거쳐야만 가능했던 산화제처리수의 막처리를 본 발명에서는 별도의 중화처리 없이 바로 처리가능하기 때문에 수처리의 공정상 높은 효율성을 갖는다.
상기 실리콘카바이드 분리막(202)을 거쳐 1차 처리된 처리수는 처리수저장탱크(40)에 임시 저장된 후에, 유입펌프(704)에 의해 마이크로 필터(104)로 공급된다. 상기 마이크로 필터(104)를 거친 후 고압펌프(705)의 작동으로 제2분리막처리부(50)로 이송되어 역삼투압 분리막(502)에 의해 순수한 물(Pure Water) 만을 걸러내게 된다.
역삼투막 담수화에서 시간에 따라 그 효율을 떨어뜨리는 가장 큰 요인 중의 하나는 파울링(fouling)이다. Eyecamp에 의하면 파울링이란 처리대상수의 어떤 성분에 의해 막이 막히거나 코팅되는 현상(Barger and Carnahanm, 1991)으로 정의된다. 파울링은 부착층에 의한 오염과 세공 막힘(pore plugging) 및 유로 폐쇄에 의한 오염으로 분류할 수 있다. 부착층에 의한 파울링의 원인을 살펴보면 공급원액 중의 현탁물질이 막표면에 축적되어 형성하는 케이크층; 농축에 의한 용해성 고분자 등이 막면에 형성하는 겔층; 농축에 의한 난용해성 물질이 용해도를 초과하여 막표면에 석출하여 형성하는 스케일층; 공급원액에 함유되어 있는 흡착성 물질에 의한 흡착층; 등이 원인이다. 세공막힘 및 유로 페쇄에 오염의 원인은 막의 다공성붕 흡착, 석출 등에 의한 원인과 고형물에 의한 원액 유로의 막힘이 원인이다
일반적으로 분리막 공정은 미세공의 크기에 따라 또는 분리할 수 있는 용질의 종류에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다. 즉, 역삼투(RO, Reverse Osmosis), 나노여과(NF, Nanofiltration), 한외여과(UF, Ultrafiltraion) 및 정밀여과(MF, Microfiltration)로 분류된다.
도 3은 각각의 분리막 공정이 분리할 수 있는 용질들에 의해 분류된 그림으로서, RO 공정은 물만 투과되고 나머지 모든 용질은 배제되는 것을 알 수 있다. 이로 인해 주로 해수로부터 담수의 생산 및 정수기에 사용된다. 용질의 농도에 따라 삼투압이 증가하기 때문에 보통 20-40 기압 정도의 고압에서 작동된다. 예를 들면 용존 고형물(TDS, Total Dissolved Solids)의 농도가 35,000mg/L 인 해수의 삼투압은 25℃에서 397psi 정도이다. 따라서 해수 속의 염을 제거하기 위해서는 약 27기압 이상의 높은 압력이 필요하다.
NF는 RO와 UF의 중간 범위로 분자량이 수백에서 수천 정도의 용질을 분리해낼 수 있다. 또한 2가 양이온을 1가 양이온과 선택적으로 분리할 수 있기도 하다.
UF는 단백질, 다당류 또는 고분자 물질들과 같은 거대분자(Macromolecule)를 분리하는데 용이한 공정이다. 거대분자가 발생하는 삼투압은 미미하므로 UF 공정은 RO에 비해서 상대적으로 낮은 압력인 1-8기압 정도로 운전한다.
그리고, MF는 기본적으로 부유 입자성 물질(현탁물질)을 분리하는데 적합한 공정이다.
상기 역삼투(Reverse Osmosis: RO)막은 물은 통과하지만 이온은 통과하지 않는 역삼투압 분리막으로 금속이온, 해수 중의 염소이온 등 이온물질을 제거하는 목적으로 사용한다. 공경은 0.001~0.0001㎛이고, 여과작용으로는 체거름 작용과 확산 작용이 일어난다. 즉 삼투현상을 응용한 것이다. 제거 대상물질은 무기성 이온류, 저분자 유기물 등이며, 조작압력은 40~100 kg/㎠ 정도이다.
이온 상태의 물질까지도 분리할 수 있어 주로 해수담수화, 펄프 폐액 정화, 폐수재이용 등에 사용되며, TDS 35,000 mg/ℓ인 표준해수도 안정하게 처리할 수 있다.
상기한 바와 같이, 역삼투압 분리막은 물에 용해된 이온성물질(Na+, Cl-, Mg2 +, Ca2+ 등)은 거의 배제하고, 순수한 물만을 통과시켜 해수 중에 용해되어 있는 이온성 물질을 여과하게 된다.
본 발명에 따른 역삼투압 분리막은 셀룰로즈아세테이트 또는 폴리아마이드 소재를 이용하는 것으로 생산수량이 많고 염제거율이 높으며 넓은 PH범위에서 화학적으로 안정하며 막의 수명이 긴 특징이 있다.
본 발명은 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상 용액을 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 이용하여 여과대상 용액 내의 콜로이드성 입자를 1차 제거한 후 연속되는 후단의 2차 역삼투압 여과장치로 유입하여 수중의 이온성분과 세균 등의 모든 물질을 분리하여 순수한 물(Pure Water) 만을 생산하게 된다.
이와 같은 역삼투압 분리막에 의한 분리과정에서 농축현상에 의한 이온물질의 용해도 변화에 따른 스케일발생, 미생물, 세균의 막 표면서식 등에 의한 미생물 슬라임층 형성 등의 파울링(Fouling) 현상이 발생하여 세공의 막힘과 유로의 폐쇄에 의하여 여과가 불가능한 상태를 발생시킨다.
본 발명은 역삼투압 분리막에서 발생하는 파울링(Fouling) 현상을 방지 또는 생성된 오염물질을 제거하기 위하여, 제2분리막처리부(50) 내에 특정한 패턴의 초음파를 이용한 파울링(Fouling) 방지장치(501)를 둠으로써 목적하는 바를 달성할 수 있다.
즉, 상기 파울링(Fouling) 방지장치(501)를 역삼투압 분리막(502)의 전단에 설치함으로써, 마그네슘, 칼슘, 실리카 등의 무기이온에 의한 스케일 형성과 미생물에 의한 슬라임층 형성을 방지하여 역삼투압 분리막의 처리수량과 처리수질을 연속적으로 일정하게 유지하여 분리막의 수명을 향상시키는 효과를 갖도록 한다.
상기 파울링 방지장치(501)은 본 발명자가 2007.5.16자에 출원번호 2007-004773호 "초음파와 태양광을 이용한 조류제거장치"로 특허출원하여 대한민국 등록특허 10-0752786호(등록일자 2007. 08 .21)로 등록받은 초음파발생장치의 기술을 역삼투압 분리막에 적용한 것으로서, 상기 파울링 방지장치(501)는 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파변환기(501a)와, 상기 초음파변환기와 초음파방사부를 연결하는 연결선(501b)와, 상기 초음파변환기(501a)로부터 오는 신호를 특정 주파수로 조정하여 방사하는 초음파방사부(501c)와, 상기 초음파방사부(501c)의 전면을 이루는 방사면에 형성되어 초음파변환기(501a)로부터 오는 신호를 초음파로 발생시키는 초음파방사판(501d)과, 상기 초음파방사판(501d)을 통해 방사되는 초음파를 유체에 전파하는 초음파처리 배관연결부(501e)를 포함하여 이루어진다.
상기 파울링 방지장치(501)는 초음파를 이용하되, 특히 30~200kHz 범위의 사각형태 주파수(각형파)를 20~60watt의 낮은 출력으로 연속으로 내보낼 수 있도록 구성된 것으로서, 이와 같은 초음파가 배관 내의 유체에 반사, 굴절되면서 전달되어 스케일 생성과 세균의 성장을 방지하게 된다.
상기 20~60watt의 낮은 전력은 조류(Algae)를 모두 제거할 수 있는 특징을 갖는 것으로서, 종래의 20~40kHz의 낮은 영역과 100~200watt를 사용하는 초음파 전달거리가 수m미만의 종래의 초음파변환기와는 전혀 다른 특징이 있다.
상기 파울링 방지장치(501)는 앞서 살펴본 바와 같이, 30~200kHz 범위의 사각형태의 주파수를 20~60watt의 낮은 출력으로 연속으로 내보낼 수 있도록 구성되어 있어, 그 주파수 형태가 도 5a에서 보이는 바와 같이, 특정 사각주파수를 발생시키는 것임을 확인할 수 있다. 그리고 이와 같은 사각주파수는 도 5b에서 보이는 일반적인 초음파의 주파수와는 다른 것임을 알 수 있다.
초음파에 의한 스케일 형성 방지와, 미생물에 의한 슬라임층 형성 방지의 원리를 살펴보면 다음과 같다.
초당 25,000~30,000회 정도 발생과 소멸을 하는 초음파가 기체, 액체, 고체 등의 매질 속을 진행할 때 분자의 진동을 발생시켜 종파로 전파하며, 초음파가 매질에 도달하면 매질 속에서 분자가 앞뒤로 진동하여 매질의 분자운동방향과 초음파의 진행 방향이 평행한 종파가 발생하게 된다. 즉 입자농도가 증가하는 밀 (compression, condensation)부분과 입자농도가 감소되는 소(rarefaction)부분이 계속 반복되는 소밀파에 의하여 미세기포가 형성되며 이러한 반복은 매우 큰 압력(수십 기압 ~ 수백 기압)과 고온(수백 ℃ ~ 수천 ℃)을 동반하고 이러한 현상은 극히 짧은 시간(수만 분의 일초 ~ 수십만 분의 일초) 내에 생성과 소멸을 반복하는 공동붕괴(cavitation)에 의해 OH-Radical을 발생시켜 세균의 세포막조직을 파괴시킴으로써 세균이 제거되는 원리와 함께 소밀파에 의한 화학 반응의 촉진과 분산작용이 증가해 역삼투압 분리막 주위에 부착되어 있는 이물질을 작은 구멍이나 눈에 보이지 않는 오물까지도 깨끗이 세척할 수 있게 되는 것이다.
상기의 공동붕괴(cavitation) 효과를 극대화하기 위해서, 도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 일정한 형태(sine wave)의 초음파 패턴(도 5b)에 비하여 입자농도가 증가하는 밀(compression, condensation) 부분과 입자농도가 감소하는 소(rarefaction) 부분의 에너지 편차가 극명하게 나타날 수 있도록 주기적이고 강한 사각형태(square wave)의 초음파 패턴(도 5a)을 형성하는 파울링 방지장치(501)를 역삼투압 분리막(502)의 전단에 둠으로써 연속적인 스케일 형성 방지와 미생물 슬라임 형성을 방지한다.
이와 같은 역삼투압 분리막에 따른 특징적인 부분 외에, 공정상의 특징적인 면으로서, 해수를 담수화하고자 하는 경우, 회수율 증가를 위해 해수의 수온과 염분의 농도를 조절한다. 즉, 수온이 높고 염분농도가 낮은 경우 회수율 증가로 이어질 수 있으며, 보다 구체적으로 운전기간 동안 35%~50%로 회수율을 맞추기 위한 조건은 수온 23.8~29.8℃, 염분농도 15.2~23.5 ‰, 운전압력 45.9~51.8 bar를 유지하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 여과장치의 전체적인 동력의 공급과 운전, 역세, 세정과정의 제어는 자동제어부(60)를 통해 아날로그 신호와 디지털 신호로 제어하게 된다.
본 발명에 따른 여과장치는 역삼투압분리막을 이용하여 정수, 해수, 하수처리수 여과처리를 하되, 역삼투압분리막의 파울링을 없애주어 지속적인 여과처리가 가능하도록 하기 위하여 산화제처리 및 여과경이 0.1~0.04μm인 실리콘카바이드 분리막을 구성하고, 역삼투압 분리막의 처리에 앞서 초음파 처리가 되도록 기술을 구성하고, 또한 상기 실리콘카바이드 분리막의 여과경 형상을 원형으로 구성함으로써 여과수질이 일정하게 유지될 수 있도록 함으로써 산업상 이용가능성이 크다.
1: 여과장치
10: 산화제처리부
20: 제1분리막처리부
30: 세정부
40: 처리수저장탱크
50: 제2분리막처리부
60: 자동제어부
701, 704: 유입펌프
702: 순환펌프
703: 세정펌프
705: 고압펌프

Claims (5)

  1. 산화제공급탱크(101)로부터 공급받은 산화제와 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상 용액을 반응시켜, 산화제의 강한 산화력을 이용하여 여과대상 용액 내의 다당류형태의 유기물과 미생물을 저분자화시키는 산화제처리부(10)와,
    상기 산화제처리부(10)를 거친 전처리수를 별도의 중화처리 없이 인라인믹서(102)를 거쳐 바로 공급받되, 상기 인라인믹서(102)를 거치기 전에 PAC정량펌프(103)를 통해 여과대상 용액에 PAC(Poly aluminium chloride)를 투입하여 0.04㎛ 이하의 미세콜로이드 입자를 거대화시킨 후, 실리콘카바이드(SiC) 분리막(202)을 이용하여 1차 수처리하는 제1분리막처리부(20)와,
    상기 실리콘카바이드(SiC) 분리막을 세정하는 세정부(30)와,
    상기 제1분리막처리부(20)를 거쳐 1차 처리된 처리수를 저장하는 처리수저장탱크(40)와,
    상기 처리수저장탱크(40)의 처리수를 제2분리막처리부(50)로 공급하기에 앞서 통과시키는 필터(104)와,
    상기 필터(104)를 통과한 처리수를 역삼투압 분리막(502)의 전단에 설치된 파울링 방지장치(501)를 이용하여 초음파 처리를 한 후, 처리수에 포함되어 있는 무기성 이온류, 저분자 유기물을 역삼투압 분리막(502)을 이용하여 제거하는 제2분리막처리부(50)와,
    여과장치 전체에 동력의 공급과 운전, 역세, 세정과정을 아날로그 신호와 디지털신호로 제어하는 자동제어부(60)를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    산화제처리부(10)는 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상 용액에 대해 0.5~2.5mg/L로 산화제를 주입하는 것임을 특징으로 하는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1분리막처리부(20)의 실리콘카바이드(SiC) 분리막(202)은 원형 구조의 여과경을 갖는 것임을 특징으로 하는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제2분리막처리부(50)는 해수를 담수화하고자 하는 경우에 해수 수온 23.8~29.8℃이고, 염분 농도 15.2~23.5 ‰이며, 운전압력 45.9~51.8 bar로 처리되는 것임을 특징으로 하는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    제2분리막처리부(50)는 역삼투압 분리막(502)의 전단에 파울링 방지장치(501)를 설치하여, 30~200kHz 범위의 사각형태 주파수를 20~60watt의 낮은 출력으로 연속으로 내보냄으로써 초음파 처리에 의해 역삼투압 분리막(502)의 파울링 현상을 방지하도록 구성된 것으로서,
    상기 파울링 방지장치(501)는 초음파변환기(501a)와, 상기 초음파변환기와 초음파방사부를 연결하는 연결선(501b)와, 상기 초음파변환기(501a)로부터 오는 신호를 특정 주파수로 조정하여 방사하는 초음파방사부(501c)와, 상기 초음파방사부(501c)의 전면을 이루는 방사면에 형성되어 초음파변환기(501a)로부터 오는 신호를 초음파로 발생시키는 초음파방사판(501d)과, 상기 초음파방사판(501d)을 통해 방사되는 초음파를 유체에 전파하는 초음파처리 배관연결부(501e)를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 실리콘카바이드(SiC) 분리막과 역삼투압 분리막을 이용한 상수, 정수, 해수, 우수, 오수, 지표수, 지하수, 하수, 하수처리수 중 어느 하나 이상의 여과대상용액 여과장치.



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