KR101508852B1 - 에어를 이용한 막증류모듈 역세정 장치 및 방법 - Google Patents

에어를 이용한 막증류모듈 역세정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어를 이용한 막증류모듈 역세정 장치 및 방법으로서, 소수성 분리막을 포함하는 막증류모듈; 및 상기 막증류모듈의 처리수측에 에어를 공급하는 에어블로워;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어를 이용한 막증류모듈 역세정 장치, 상기 막증류모듈의 처리수측 내의 처리수를 배수시키는 단계; 및 상기 막증류모듈의 처리수측 내로 에어가 공급되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어를 이용한 막증류모듈 역세정 방법에 관한 것이다.

Description

에어를 이용한 막증류모듈 역세정 장치 및 방법{A backwashing device for membrane distillation module using an air and method thereof}
본 발명은 에어를 이용한 막증류모듈 역세정 장치 및 방법에 관한 것으로, 막증류모듈의 처리수측에 주기적으로 에어를 공급하여 막증류모듈의 처리수측에서 원수측으로 에어를 통과시켜 분리막에 발생한 파울링(fouling) 인자들을 제거하는 역세정 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 막증류모듈을 이용한 막증류법(MD 공법)은 소수성의 다공성 분리막을 이용하여 증발 및 응축 과정을 통해 처리수를 생산하는 방법으로, 분리막 표면에서는 가열된 원수 중 증기만이 분리막 기공을 통과하며, 통과된 증기를 냉각수로 응축하여 처리수를 생성하는 방법을 말한다.
막증류법은 원수측과 처리수측의 온도차이에 의한 증기압차로 발생하는 기체 확산을 이용하여 초순수를 획득하는 수처리 공정인데, 이러한 획득 과정 중에 원수측에 포함된 오염물질에 의해 분리막 오염이 발생한다.
이러한 분리막 오염으로 인하여 친수성 물질이 분리막 표면에 흡착되어 분리막을 친수화시키고, 이에 따라 분리막 내부로 물이 유입되는 웨팅(wetting) 현상이 발생한다.
한편, 종래에는 정수, 하수 처리에 이용되는 여과막의 파울링 인자들을 제거하기 위해 일정 주기로 물이 이용하여 역세정을 실시한다.
그러나 막증류모듈 내의 분리막 내부는 다공성을 유지하기 위해 기체로 채워져야 하기 때문에, 분리막 내부에 물이 들어가면 안된다. 따라서, 종래의 기술인 물로 역세정을 할 수 없다.
종래기술인 대한민국 특허공개번호 제10-2013-0016865호에서는 오염수를 여과하는 필터부에 에어를 공급하여 필터부 내부에 쌓인 찌꺼기를 제거하는 기술이 개시된다.
또한, 국제출원공개번호 WO 2010/084962호에서는 여과막 모듈에 에어를 공급하여 역세정하는 기술이 개시된다.
그러나 상술한 종래 기술은 하천수나 오염수를 여과하는 여과막에 대한 역세정 기술에 관한 것이며, 막증류모듈 내의 분리막 역세정에 대한 기술은 개시하고 있지 않다.
또한, 오염수 또는 하천수가 통과되면서 오염물질을 걸러내는 여과막 모듈 또는 필터부와 증류된 증기만이 통과하는 분리막과의 차이점으로 종래의 기술을 적용할 수 없는 문제점이 있다.
이에 따라, 종래에 뚜렷한 역세정 방법이 없는 막증류법은 단기적으로 운영되었으며, 나아가 기초적인 유량발생과 오염물질 제거 기능만 평가되고 장기적인 유지 세정 방법에 대해서는 논의되지 않았다.
(특허문헌 1) KR10-2013-0016865 A
(특허문헌 2) WO 2010-084962 A
본 발명에 따른 역세정 장치 및 방법은 종래의 문제점을 해결하고자, 막증류모듈 내의 분리막을 에어로 역세정하는 기술을 제공하고자 한다.
구체적으로, 역세정을 위해 막증류모듈 내의 분리막에 공급되는 에어의 압력, 에어 제공 시간 등을 제공하고자 한다.
또한, 분리막을 손상시키지 않고 적정 압력의 에어로 역세정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 소수성 분리막(250)을 포함하는 막증류모듈(200); 및 상기 막증류모듈(200)의 처리수측(220)에 에어를 공급하는 에어블로워(300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에어블로워(300)가 공급하는 에어는 상기 막증류모듈의 처리수측(220)에 연통된 하나의 이상의 에어공급관(320)을 통하여 공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 막증류모듈(200)의 원수측(240)에 원수를 공급하는 원수펌프(120)를 더 포함하며, 상기 막증류모듈의 처리수측(220)에 에어를 공급함과 동시에 상기 원수펌프(120)를 가동시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에어블로워(300)는 0.1bar 내지 0.4bar의 에어를 공급하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에어블로워(300)가 공급하는 에어의 공급시간은 1분 50초 내지 3분인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에어블로워(300)가 공급하는 에어의 공급 시간간격은 2시간 내지 3시간인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 역세정 장치를 사용하는 역세정 방법으로서, (a) 상기 막증류모듈의 처리수측(220) 내의 처리수를 배수시키는 단계; 및 (b) 상기 막증류모듈의 처리수측(220) 내로 에어가 공급되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계 이후, (c) 상기 원수펌프(120)가 가동되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계는, (a-1) 상기 막증류모듈의 처리수측(220) 내의 처리수가 유출되어 관통하는 처리수측 상단밸브(260)를 폐쇄하는 단계; (a-2) 상기 막증류모듈의 처리수측(220) 내로 처리수가 유입되면서 관통하는 처리수측 하단밸브(280)를 개방하는 단계; 및 (a-3) 상기 막증류모듈의 처리수측(220) 내의 처리수를 상기 처리수측 하단밸브(280)로 배수시키는 처리수펌프(440)가 작동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계는, (a-4) 상기 막증류모듈의 처리수측(220)과 연통된 에어밸브(290)를 개방하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 에어를 이용한 막증류모듈 역세정 장치 및 방법에 따라, 분리막을 적정 압력의 에어, 적정 에어 공급시간, 적정 에어 공급간격으로 역세정할 수 있어 분리막의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 주기적으로 분리막을 에어로 역세정하여 처리수 생산 유량을 일정 수준으로 지속적으로 유지시킬 수 있고, 이에 따라 분리막의 효율을 높은 수준으로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 역세정 방법에 따라 역세정 발생할 수 있는 분리막 손상을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 막증류모듈을 이용한 여과 공정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 막증류모듈의 역세정 공정을 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명에 따른 막증류모듈의 역세정 방법에 대한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 역세정 장치 및 방법에 따른 제 1 실시예의 실험값이다.
도 5는 본 발명에 따른 막증류모듈 역세정 장치 및 방법에 따른 제 2 실시예의 실험값이다.
도 6은 본 발명에 따른 막증류모듈 역세정 장치 및 방법에 따른 제 3 실시예의 실험값이다.
도 7은 본 발명에 따른 막증류모듈 역세정 장치 및 방법에 따른 제 4 실시예의 실험값이다.
도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 "막증류모듈의 처리수측"이란, 막증류모듈 내부에서 분리막을 사이에 두고 원수에서 증류된 증기가 분리막을 통과한 후 응축되어 처리수로 전환되는 부분을 말한다.
본 발명에 따른 "막증류모듈의 원수측"이란 막 증류형 막증류모듈 내부에서 원수가 유입되어 증류되는 부분으로, 분리막을 사이에 두고 막증류모듈의 처리수측과 대응되는 부분이다.
1. 구조 설명
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 장치를 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 에어를 이용한 막증류모듈 역세정 장치는 원수조(100), 막증류모듈(200), 에어블로워(300), 및 처리수조(400)를 포함한다.
원수조(100)에는 처리될 원수가 유입된다. 원수조(100)에 유입된 원수는 원수펌프(120)의 가동에 의해 후술할 막증류모듈(200)로 이동된다. 이동 과정 중 원수는 원수측 항온수조(140)에서 가열되어 막증류모듈(200)로 이동된다.
막증류모듈(100) 내부에는 분리막(250)이 위치한다. 분리막(250)은 상술한 바와 같이 소수성 다공성 막이며, 가열된 원수 중 증기만을 통과시킨다. 즉, 막증류모듈의 원수측(240)에 가열된 원수가 유입되고, 가열되어 증류된 증기만이 분리막(250)을 통과하여 막증류모듈의 처리수측(220)에서 응축되어 처리수가 된다.
막증류모듈(100)의 처리수측(220)에는 외부 에어가 소통할 수 있는 에어밸브(290)가 위치한다. 후술할 역세정 공정 중 막증류모듈의 처리수측(220) 내의 처리수를 배수시킬 때 막증류모듈의 처리수측(220)으로 에어가 들어갈 수 있도록 하여 분리막(250)의 손상을 최소화한다.
처리수측 상단밸브(260)는 막증류모듈의 처리수측(220) 내의 처리수가 후술할 처리수조(400)로 유출되는 통로 상에 위치하여 막증류모듈의 처리수측(220)으로부터의 처리수 유출을 조절한다.
처리수측 하단밸브(280)는 후술할 처리수조(400)에서의 처리수가 막증류모듈의 처리수측(220)에 유입되는 통로 상에 위치하여 막증류모듈의 처리수측(220)으로의 유입을 조절한다.
에어블로워(300)는 막증류모듈의 처리수측(220)에 에어를 공급한다. 에어를 공급하는 경우에 막증류모듈의 처리수측(220)과 연통된 하나 이상의 에어공급관(320)을 통하여 에어가 공급된다.
하나 이상의 에어공급관(320) 상에는 막증류모듈의 처리수측(220)에 공급되는 에어량을 조절하는 하나 이상의 블로워밸브(340, 350)가 위치할 수 있다. 또한, 하나 이상의 에어공급관(320) 상에는 에어블로워(300)에서 공급되는 에어의 압력을 측정하는 압력계(360) 또는 에어의 유량을 측정하는 유량계(380)가 위치할 수 있다.
처리수조(400)는 막증류모듈의 처리수측(220)에서 생성된 처리수가 저류되는 곳이다. 처리수조(400)에 저류된 처리수는 처리수펌프(420)에 의해 다시 막증류모듈의 처리수측(220)에 유입될 수 있다. 이때, 처리수펌프(420)에 의해 이동되는 처리수는 처리수측 항온수조(440)를 거치게 되며, 항온수조(440)에서 가열되어 막증류모듈의 처리수측(220)에 유입된다.
2. 여과 공정 설명
도 1을 참조하여 여과 공정을 자세히 설명한다.
원수조(100)에 유입된 원수는 원수펌프(120)에 의해 막증류모듈 원수측(240)에 유입된다. 원수가 막증류모듈 원수측(240)에 유입될 때 원수측 항온수조(140)에서 가열된 상태에서 막증류모듈 원수측(240)에 유입된다.
막증류모듈 원수측(240)에 유입되어 가열된 원수 중 증기만이 분리막(250)을 통과하여 막증류모듈의 처리수측(220)으로 이동된다. 원수 중 분리막(250)을 통과하지 못한 원수는 다시 원수조(100)로 재순환된다.
분리막(250)을 통과한 증기는 막증류모듈의 처리수측(220)에 응축되어 처리수로 전환된다. 처리수는 응축된 후 처리수측 상단밸브(260)를 통과하여 처리수조(400)에 저류된다.
처리수조(400)에 저류된 처리수 중 일부는 처리수펌프(440)에 의해 다시 막증류모듈의 처리수측(220)에 유입된다. 막증류모듈의 처리수측(220)에 유입되는 처리수는 처리수측 항온수조(440)를 거치면서 가열된 후에 유입된다.
여과 공정 중에는 막증류모듈의 처리수측(290)과 연통된 에어밸브(290)가 폐쇄되며, 제 1의 블로워밸브(340) 및 제 2의 블로워밸브(350)가 폐쇄된다.
3. 역세정 공정 설명
도 2 및 도 3을 참조하여 역세정 공정을 자세히 설명한다.
원수펌프(120) 및 처리수펌프(440)의 가동을 정지시킨다. 처리수측 상단밸브(260)를 폐쇄한다.
막증류모듈의 처리수측(220)에 남아 있는 처리수를 배수시키기 위해 처리수펌프(440)를 드레인펌프 역할을 할 수 있도록 가동시킨다. 즉, 처리수를 막증류모듈의 처리수측(220)에 공급하는 처리수펌프(440)가 역방향으로 가동되어 막증류모듈의 처리수측(220)에 남아 있는 처리수를 배수시킨다. 처리수를 막증류모듈의 처리수측(220)에 유입시키는 처리수펌프(440)가 처리수를 배수시킬 때에는 역방향으로 가동되어 드레인펌프의 역할을 한다.
처리수펌프(440)에 의해 처리수를 배수시킬 때, 막증류모듈의 처리수측(220)에 연통된 에어밸브(290)를 개방한다. 처리수펌프(440)에 의해 처리수가 배수될 때, 막증류모듈의 처리수측(220)에 진공현상으로 분리막(250)이 손상되는 것을 방지하기 위해서다.
막증류모듈의 처리수측(220) 내에 처리수를 배수시킨 후에 드레인펌프 역할을 하는 처리수펌프(440) 가동을 정지시키고, 에어밸브(290)를 폐쇄한다. 더불어 처리수측 하단밸브(280)를 폐쇄한다.
다음으로, 에어블로워(300)를 가동시키면서 제 1, 2의 블로워밸브(340, 350)를 개방하여 에어를 막증류모듈의 처리수측(220)에 공급한다. 에어 공급은 에어공급관(320)을 통하여 공급된다. 에어공급관(320) 상에는 상술한 제1, 2의 블로워밸브(340, 350), 유량계(380), 및 압력계(360)가 위치하여 에어 공급시 에어의 압력을 체크하고 에어의 유량을 조절한다.
하나 이상의 에어공급관(320)은 막증류모듈의 처리수측(220)에 연통된다. 에어공급관(320)이 어느 한쪽에 치우쳐 에어를 공급하는 경우, 에어 공급이 균일하게 공급되지 않아 분리막(250)의 역세정 효과가 떨어진다. 따라서, 일정한 간격으로 분리막(250) 상하 또는 상중하에 연통된 에어공급관(320)으로 에어를 공급하여 분리막(250)에서 균일한 역세정이 일어나도록 한다.
막증류모듈의 처리수측(220)에 에어를 공급하면 분리막(250)의 파울링 인자들이 분리막(250) 내측에서 막증류모듈 원수측(240)으로 밀려나가면서 분리막(250)의 파울링 인자들을 제거되는 역세정이 일어난다.
즉, 에어밸브(290), 처리수측 상단밸브(260), 및 처리수측 하단밸브(280)가 폐쇄된 상태에서 막증류모듈의 처리수측(220)에 에어를 공급하면 공급된 에어는 일정한 압력을 가지고 분리막(250)으로 이동하며, 이에 따라 분리막(250)의 파울링 인자가 제거된다.
막증류모듈의 처리수측(220)에 에어가 공급될 때 원수펌프(120)가 가동될 수 있다. 구체적으로, 분리막(250) 내측의 파울링 인자가 에어에 의해 분리막(250) 내측에서 막증류모듈 원수측(240)으로 밀려나올 때, 밀려나온 파울링 인자가 원수펌프(120)에 의해 막증류모듈 원수측(240)에 공급된 원수에 휩쓸려 제거되게 하기 위함이다.
일정기간 동안 원수펌프(120)를 가동시킨 후 원수펌프(120) 가동을 정지시키지만 에어블로워(300)에서의 에어 공급은 계속된다.
원수펌프(120) 가동이 정지된 후 일정시간이 흐른 후에 에어블로워(300)의 가동을 정지시킨다.
제 1, 2의 에어블로워(340, 350)를 폐쇄하고 정상적인 여과 공정이 다시 시작된다.
도 4를 참조하여 본 발명에 따른 제 1 실시예를 설명한다.
도 4는 시간이 지남에 따라 분리막(250)을 통과한 유량을 측정한 값이다. 시간이 지남에 따라 파울링 현상으로 분리막(250)을 통과하는 유량이 점차적으로 낮아지는 것을 볼 수 있다.
실험에서 27시간의 여과 공정을 실시한 후에 막증류모듈의 처리수측(220)에 0.4bar의 압력을 가한 후의 유량을 나타낸다. 에어를 공급한 후 유량 회복량은 약 1.5LMH이다.
도 5를 참조하여 본 발명에 따른 제 2 실시예를 설명한다.
도 5는 6시간마다 0.4bar의 에어를 막증류모듈의 처리수측(220)에 공급한 후에 유량의 변화를 나타낸다.
6시간마다 0.4bar로 역세정한 후 유량 회복량은 다소 차이가 있지만 1.6LMH 정도이다.
도 6을 참조하여 본 발명에 따른 제 3 실시예를 설명한다.
도 6은 6시간마다 0.1bar의 에어를 막증류모듈의 처리수측(220)에 공급한 후에 유량의 변화를 나타낸다.
유량 회복량에 다소 차이가 있지만 약 1.5LMH의 유량 회복량을 나타낸다.
도 7을 참조하여 본 발명에 따른 제 4 실시예를 설명한다.
도 7은 6시간마다 0.1bar의 에어를 막증류모듈의 처리수측(220)에 공급한 후에 유량의 변화를 나타낸다.
유량 회복량에 다소 차이가 있지만 1.5LMH의 유량 회복량을 나타낸다.
실험에서 에어의 압력은 0.1bar에서 0.4bar 사이이다. 0.4bar 이상의 압력을 공급하였지만 막증류모듈에서의 압력은 증가되지 않았고, 오히려 분리막(250)의 손상 위험만 증가시켰다.
0.1bar 이하의 에어를 공급한 경우에는 에어 공급량이 적어 분리막(250)에서 파울링 인자가 제거되지 않았다. 따라서, 분리막(250)의 파울링 인자를 제거하기 위한 최적의 에어 압력은 0.1bar 내지 0.4bar임을 알 수 있다.
역세정을 위해 막증류모듈의 처리수측(220)에 에어를 공급하는 초기에는 분리막(250) 내측의 파울링 인자 때문에 압력이 높게 나온다. 일반적으로 1분 50초에서 3분 정도의 시간 동안 에어를 공급하면 원래 압력을 회복한다. 따라서, 에어 공급에 따른 에너지 소비 등을 고려하였을 때 최적의 에어 공급 시간은 1분 50초에서 3분 정도의 시간으로 볼 수 있다.
도 5, 6, 7을 참조하여 에어 공급 주기를 살펴본다. 일반적으로, 여과 공정 중 유량의 감소량이 1LMH일 경우에 분리막(250)을 세정하여 적정한 유량을 유지하는 것이 바람직한 것을 알려져 있다.
따라서, 실험값을 살펴보건대, 6시간마다의 역세정은 2 내지 6LMH의 유량이 감소한 후에 이루어진다. 따라서, 6시간마다의 역세정은 적정 유량을 유지하는 적절하지 않다. 따라서 1LMH 유량 감소시 역세정하는 것이 바람직한데 실험데이타를 살펴보면 1LMH 유량 감소 시간은 약 2시간 내지 3시간이다. 이에 따라, 약 2시간 내지 3시간 간격으로 역세정 하는 것이 바람직하다.
100: 원수조
120: 원수펌프
140: 원수측 항온수조
200: 막증류모듈
220: 막증류모듈의 처리수측
240: 막증류모듈 원수측
250: 분리막
260: 처리수측 상단밸브
280: 처리수측 하단밸브
290: 에어밸브
300: 에어블로워
320: 에어공급관
340: 제 1의 블로워밸브
350: 제 2의 블로워밸브
360: 압력계
380: 유량계
400: 처리수조
420; 처리수펌프
440: 처리수측 항온수조

Claims (10)

  1. 소수성 분리막(250)을 포함하는 막증류모듈(200);
    상기 막증류모듈(200)의 처리수측(220)에 에어를 공급하는 에어블로워(300); 및
    상기 막증류모듈(200)의 원수측(240)에 원수를 공급하는 원수펌프(120)를 포함하는 역세정 장치를 사용하는 역세정 방법으로서,
    (a) 상기 막증류모듈(200)의 처리수측(220) 내의 처리수를 배수시키는 단계; 및
    (b) 상기 막증류모듈(200)의 처리수측(220) 내로 에어가 공급되는 단계;를 포함하며,
    상기 (a) 단계는,
    (a-1) 상기 막증류모듈의 처리수측(220) 내의 처리수가 유출되어 관통하는 처리수측 상단밸브(260)를 폐쇄하는 단계;
    (a-2) 상기 막증류모듈의 처리수측(220) 내로 처리수가 유입되면서 관통하는 처리수측 하단밸브(280)를 개방하는 단계; 및
    (a-3) 상기 막증류모듈의 처리수측(220) 내의 처리수를 상기 처리수측 하단밸브(280)로 배수시키는 처리수펌프(440)가 작동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    막증류모듈 역세정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어블로워(300)가 공급하는 에어는 상기 막증류모듈의 처리수측(220)에 연통된 하나의 이상의 에어공급관(320)을 통하여 공급되는 것을 특징으로 하는,
    막증류모듈 역세정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 막증류모듈(200)의 원수측(240)에 원수를 공급하는 원수펌프(120)를 더 포함하며,
    상기 막증류모듈의 처리수측(220)에 에어를 공급함과 동시에 상기 원수펌프(120)를 가동시키는 것을 특징으로 하는,
    막증류모듈 역세정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어블로워(300)는 0.1bar 내지 0.4bar의 에어를 공급하는 것을 특징으로 하는,
    막증류모듈 역세정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어블로워(300)가 공급하는 에어의 공급시간은 1분 50초 내지 3분인 것을 특징으로 하는,
    막증류모듈 역세정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어블로워(300)가 공급하는 에어의 공급 시간간격은 2시간 내지 3시간인 것을 특징으로 하는,
    막증류모듈 역세정 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후,
    (c) 상기 원수펌프(120)가 가동되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    막증류모듈 역세정 방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a-4) 상기 막증류모듈의 처리수측(220)과 연통된 에어밸브(290)를 개방하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    막증류모듈 역세정 방법.
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