KR101557533B1

KR101557533B1 - 지그재그 형태로 배열된 미니헤더 및 미니다발을 갖는 중공사막 모듈

Info

Publication number: KR101557533B1
Application number: KR1020120142300A
Authority: KR
Inventors: 석유민; 김진민; 황병국; 민규홍
Original assignee: 롯데케미칼 주식회사
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2015-10-07
Also published as: US9278317B2; US20130146518A1; KR20130065623A; WO2013085360A1; WO2013085360A9

Abstract

본 발명의 모듈은 투과수가 배출되는 일체형 상부헤더에서, 상부는 상부 미니헤더로서 포팅되는 복수의 미니다발로 나누어진 섬유 다발을 갖고; 상기 섬유 하부의 데드-엔드(dead-end)부는 에어레이터 박스 내에서 서로 각도를 갖고 지그재그 형태로 장착된 하부 미니헤더에 접착식으로 고정된다. 각 미니다발은 상기 박스의 종방향 축에 대하여 각각 횡방향으로 장착되고, 각 하부 미니헤더의 너비가 에어레이는 박스의 너비보다 크며, 연속된, 적어도 두 개의 섬유의 평면 배열 어레이를 갖는다. 상기 에어레이터 박스 내의 슬롯에서 상하로 슬라이드 운동을 위해 하부 미니헤더들이 설치되면, 상기 섬유의 길이는 시간 경과에 따른 수축에 의한 파손 위험성이 거의 없게 수직으로 된다.

Description

지그재그 형태로 배열된 미니헤더 및 미니다발을 갖는 중공사막 모듈 {HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE WITH MINISKEINS IN MINIHEADERS HAVING A ZIG-ZAG CONFIGURATION}

본 발명은 탱크 조에 모듈을 침지하여 물을 정화하는데 사용되는 미세다공성 중공사막(“섬유”라 약칭함) 모듈에 관한 것이다. 일반적으로 모듈은 복수의 관형 막 다발을 포함하고 있으며, 다발의 상단 및 하단부는 상부 헤더 및 하부 헤더에 각각 고정(포팅)되어 있다. 다발이 에워싸여 있지 않은 형태의 “셸-리스(shell-less, 외형없는)” 모듈은 섬유 표면에 적층된 오염물질을 세척하기 위해 하부 헤더의 주위, 또는 아래로부터 공급된 공기에 이용한다. 좀 더 상세하게는, 본 발명은 대기압 하에서 탱크 내에 담긴 유체, 일반적인 물의 정밀여과 및 한외여과를 제공하는 중공섬유 다발을 포함하는 셸-리스 모듈에 관한 것이다.

주로 카세트 내에 조립되는 다중 모듈은 종래 배치여과, 배치-연속여과, 드물게는 연속여과로 필터링할 유체, 예를 들면, 물, 또는 부유물질을 포함하는 폐수가 포함된 탱크에 배치된다. 대체로 여과 과정에서는 다발의 섬유 표면에 남아있는 부유물질을 제거하기 위하여, 탱크 내부에 공기를 주입되는 공기가 생성하는 기포를 통해 섬유 다발을 스크럽(scrub)하게 된다. 이러한 스크럽 과정이 없으면, 폐수 내의 부유물질이 상기 섬유의 표면에 침적되고, 둘러싸이게 되어 여과 성능을 크게 저하시킬 수 있다.

전술된 어떠한 공정이 사용되건 간에 상관없이, 섬유사이의 간격이 커지면, 즉 다발을 더 크게 개방하면, 기포가 섬유와 더 오래 접촉할 수 있고, 표면이 더 오랫동안 깨끗이 유지될 것이며 모듈의 성능이 더 향상될 것은 자명하다. 그러나, 다발을 더 크게 개방하면, 모듈이 배치되었을 때 기질 단위 부피당 섬유 표면적이 감소하여 모듈을 사용할 때의 비용이 증가하게 된다.

선행 기술은 상업적으로 실행 가능한 공정에 대한 모듈을 구성하는 방향으로 많은 노력을 기울여 왔으나, 선택된 섬유 다발로부터 최고의 효율을 이끌어 낼 수 있는 모듈의 기능에 대해서는 거의 제시하지 않았다. 다발이 섬유 번들로 세분되어 한쪽 말단부가 상부헤더에 포팅되고 반대쪽 말단부가 여러 개의 하부 헤더들에 포팅된 모듈은 미국특허 출원 제 2010/0237014호(이하, “‘014출원” 또는 “‘014”로 약칭함)에 개시된다. 미국특허 제 6,899,811호에 개시된 바와 같이, 배치된 모듈의 목적은 여과 효율의 개선이다. 하기에 개시된 새로운 모듈의 구조는 개선된 여과 효율을 제공한다.

헤더 내 섬유의 충진밀도 :

선행 기술에 따르면, 경제적인 다발은 섬유-섬유간 상호작용 또는 섬유 수축으로 인한 섬유 손상을 방지하면서, 일정한 섬유-세정(클렌징)공기 공급량에 알맞는 크기의 헤더 내 충진밀도(packing density)를 가지며, 섬유 길이는 위쪽으로 흘러가는 기포로부터 최고의 세정성능을 얻도록 선택되며, 상기 섬유는 특정 섬유-섬유간 거리를 유지하며, 1 - 3 mm의 외경을 갖는다.

따라서 선행 기술에서는 긴 직사각 형태의 모듈에서 상기 전술된 외경을 갖는 섬유는 상부 또는 하부 헤더 에서 약 0.32(32%)의 최대 실용 충진밀도 “δ_b”를 갖으며, 이를 “최대 헤더밀도”라 칭한다.

세부-분할 헤더 또는 미니헤더와 같은 헤더의 섬유에서, 용어 “충진밀도”는 [섬유의 종단부가 어레이(array)를 이루거나 불규칙하게 클러스터(cluster)화 되어 심어져 있는 헤더, 또는 세분된(sub-divided) 헤더, 또는 미니헤더(“헤더”라고 한다)의 x-y 면의 내부, 즉 수직한 x-z 면 및 y-z 면이 이루는 경계선 내에서 클러스터화 또는 번들(bundle)화 된, 단면이 원형인 모든 섬유(각각의 외경 “d”기준)에 의해 포함되는 총면적]을, [x-y 평면에서 헤더가 차지하는 수직투영면적(footprint)의 평면의 면적]으로 나눈 것이다.

한정된 어레이의 수는 2 내지 12개, 바람직하게는 2 내지 8개, 더 바람직하게는 2 내지 6개, 가장 바람직하게는 2 내지 4개의 어레이이며, ‘연이어서 차례대로’ 평면형 클러스터를 이루고, 각 어레이의 섬유수를 250개 내로 한정하며, 이를 미니다발(miniskein)이라 칭한다. “연이어서 차례대로”의 의미는 한 쌍의 어레이가 마운팅 스트립을 사이에 두고 접착식으로 고정되거나, 혹은 접착제 단독으로 고정되는 것을 의미한다.

예를 들면, 외경 “d”를 가진 “n”개의 섬유 클러스터는 [n*πd²/4]㎠의 총면적을 차지한다. 섬유가 “x”cm의 길이(x-축을 따라 측정된)이고 “y”cm의 폭(y-축을 따라 측정된)을 갖는 직사각형 헤더에 심어져 있을 때, 상기 헤더가 차지하는 수직투영면적은 “xy”㎠이다. 상기 미니헤더에 심어진 상기 섬유의 충진밀도 δ_h는 [(n*πd²/4)/xy]이다.

평면 배열 어레이(또는 “어레이”라 약칭함)를 사용하여 헤더를 형성하는 것은 미국특허 제5,639,373호(이하, “‘373특허” 또는 “‘373”으로 약칭함) 및 U.S.RE39,294에 개시되어 있으며, 상기 헤더에 종단부가 고정되어 있는 섬유는 상기 어레이에 물리적인 경계 혹은 장벽을 제공하는 마운팅 스트립의 한쪽 측면에만 나란히 위치한다. 상기 어레이와 같은 두 번째 어레이는 또 다른(두 번째) 마운팅 스트립 상에 만들어져 상기 첫 번째 어레이 상에 덧씌어지고, 그리고 세 번째 순서의 어레이도 유사하게 세 번째 마운팅 스트립 상에 만들어져서 상기 두 번째 어레이 상에 덧씌어지고; 그리고 전술한 과정은 마운팅 스트립의 한쪽 측면에 어레이 층을 형성하기 위해 더 반복된다. 마운팅 스트립 상에 어레이들이 배열된 (또는 “어레이들(arrays)”로 약칭한다) 복수의 평면 층의 스택(stack)은 헤더로서의 작용을 위해 집합적으로 포팅된다.

상기 ‘014출원에 예시된 상기 제1 구체예에서는, 운전 비용을 최적화하기 위한 목적으로, 복수의 일반적인 평행한 시트 또는 면(이하 “어레이”로 부른다)으로 배열된, x cm의 길이와 y cm의 너비를 갖는 연장된 직사각형 상부 헤더에서의 섬유의 번들(“다발”)을 개시하고; 그리고, 상기 번들은 각각 ‘x_s’cm의 길이와 ‘y_s’cm의 너비를 갖고, ‘w’cm로 이격된 4개의 서브-헤더(sub-header)에 포팅되는 4 개의 서브-번들(sub-bundle)로 종방향으로 나뉘어지고, 이때 서브-번들은 복합 개방 하부 헤더(composite open lower header)를 형성하는 그룹을 이룬다.

용어“복합”은 복수의 서브-번들을 포함하는 헤더를 가리키며, 이때 각각의 서브-번들은 모듈의 다발을 세분(sub-dividing)하여 형성된다.

용어“개방”은 서브-번들의 섬유를 스크럽하기 위해 각 세분된 헤더 사이로 솟아오르는 공기의 기포를 위한 통로를 제공하는, 복수의 서브-번들을 포함하는 인접한 세분된 헤더들 사이의 간격을 가리킨다.

또 다른 구체예에서 보여지는 모듈(“400”)은 3개의 서브-번들로 형성되어 있고, 각 서브-번들은 연장된 직사각 형태의 어레이 클러스터이다(‘014출원의 도 11 참조). 제1 구체예에서, 4개의 이격되고 서브-번들된 하부 헤더는, 그들 사이에서 각 xw ㎠의 면적을 갖는 개방 공간을 제공한다. 각 서브-번들은 x_sw_s ㎠의 면적을 갖는 서브-헤더를 제공한다. 그러므로 그룹화된 하부 서브-헤더는 본 명세서에서 “복합 개방 하부 헤더”라고 한다.

각 4개의 서브-번들에 포팅된 “n”개 섬유에 의해 점유된 면적은 복합 개방 하부 헤더에 의해 점유된 총면적(복합 개방 하부 헤더의 수직투영면적)인 [4x_sy_s 3x_sw]㎠보다 작은 4x_sy_s㎠이다. 상기 ‘014출원의 도 2에서 보이는 바와 같이, 상기 섬유가 상부 헤더에서 서브-번들화되어 이격되는 경우, 상기 상부 헤더에서 이격된 서브-번들 사이의 직사각형 공간은 포팅된 물질로 충진 되어있어 개방 통로를 제공할 수 없기 때문에, 상기 상부 헤더는 “복합 개방 상부 헤더”가 아닌, “복합 상부 헤더(composite upper header)”라고 한다.

각 서브-헤더에서 서브-번들화된 섬유의 충진 밀도는 [(n*πd²/4)/x_sy_s]/㎠이다. 각 서브-헤더에서 섬유의 “유효 충진 밀도(effective packing density)”는 {모든 섬유의 총면적 4[n*πd²/4]㎠}을 {헤더의 xy㎠, 또는 길이 “x_c”cm 및 폭 “y_c”cm를 갖는 합성 헤더의 x_cy_c ㎠인 수직투영면적의 평면적}으로 나누어서 계산된 비율이며, 여기서 수직투영면적은 섬유가 분포된 것이다. 상기 합성 하부 헤더에서 섬유의 δ_he는 [4(n*πd²/4)/(4x_sy_s + 3x_sw)]이다.

외경 “d”를 갖는 “n”개의 동일한 섬유가, 섬유의 상단부는 상부 헤더 A에, 섬유의 하단부는 하부 헤더 B에 포팅되며, 각각 동일한 수직투영면적 xy를 갖는 경우, 각 헤더에 섬유가 어떻게 분포된 것과는 관계없이 각 헤더에서 섬유의 δ_he는 동일하다.

만일 상기 n개의 동일한 섬유가 상기 섬유의 상단부는 x_Ay_A ㎠의 면적을 갖고 상부 헤더 A에 포팅되고, 상기 섬유의 하단부는 x_By_B ㎠의 면적을 갖고 하부 헤더 또는 복합 헤더 B에 포팅되는 경우, 상기 A와 B의 δ_he는 달라질 것이다.

하부 헤더의 길이 또는 너비가 상부 헤더 A의 길이 또는 너비보다 크거나, 또는 길이와 너비가 둘 다 크던 간에 관계없이, 상기 하부 헤더의 면적이 상부 헤더의 면적보다 클 때, 하부 헤더 B의 δ_he는 상부 헤더 A의 δ_he보다 작을 것은 자명하다. 하부 헤더 B의 δ_he는 상부 헤더 A의 δ_he보다 작기 때문에, 어느 경우든지, 상기 다발은 상부 헤더 주변보다 하부 헤더 주변에서 더욱 개방될 것이다. 이와 같은 개방성(openness)으로 인해 솟아오르는 공기 기포와 더 좋은 접촉성을 갖게 되고 다발의 기저에 수집되는 고형물은 더욱 쉽게 방출될 것으로 예상된다.

예상 밖의 효과와 경제성을 가지는 모듈을 얻기 위해 어떤 다발 배열이 충분히 높은 실질 충진 밀도(practical packing density), δ_h와 충분히 낮은 유효 충진 밀도(effective packing density), δ_he의 조합을 제공할 지에 대한 정보나 계산 등에 대해서는 알려져 있지 않다.

다발 분리( Splitting a Skein )

원하는 충진밀도를 갖는 동시에 헤더에서 공기의 더욱 효율적인 사용을 위해, ‘373 특허와 미국특허 제 5,910,250호는 하나의, 또는 필요한 경우 하부 헤더의 양쪽 편에 하나 이상의 공기-공급관에 대한 개방 채널을 가지도록 직사각 형태의 상부 및 하부 헤더를 종방향으로 분리하는 다발 분리에 대한 내용(‘373의 도 9 참조)이 개시되어 있고, ‘373의 도 10에는 측면으로 이격되어, 세정 또는 스크러빙 공기가 하부 헤더 사이로 도입되는 두 개의 개별 다발이 예시된다.

앞서 말한 다발 분리에 대한 개념은, ‘014출원에 개시된 다발이 복수의, 서브-번들화 되고, 분리된, 종방향의 하부 헤더(여기서는 “서브-헤더”라 한다)로 나뉘어지는 모듈에서 사용되고, 각각의 상기 하부 헤더는 복수의 하단이 막히고 포팅된 섬유를 갖는다.

앞서 말한 원리는, 포팅된 섬유의 종단부는 섬유의 외경 ‘d’의 약 1.2-5배(1.2d-5d)의 범위를 가지고 인접한 섬유들의 중심에서 중심거리로 이격되는 것과 섬유를 간격이 가까워지면, 말단이 포팅되었을 때 종단부 근처에서 섬유-섬유간 접촉의 위험성(risk)이 증가하는 내용(17페이지 위를 참조)이 명시된 ‘373 특허에 구현되어 개시되었다.

각각의 서브-번들의 충진 밀도 또는 서브-번들 사이의 간격과 관련한 내용은 ‘014 특허에 개시되지 않았기 때문에, 각 헤더의 섬유의 충진 밀도나 유효 충진 밀도는 알려지지 않았다.

‘014 특허에는 서브-번들화된 다발이 종래의 단일 다발로 된 ‘373 특허의 모듈, 다시 말해, 서브-번들화 되지 않거나 혹은 ‘373 특허의 도 9에 보이는 바와 같이 아예 종방향으로 나누어진 섬유를 갖는 모듈 대비 비용 효율이 더욱 높다는 어떠한 스펙 관련 데이터도 개시되지 않는다.

수축 및 손상:

이것은 합성 수지 재료(세라믹과 반대되는 중합체)로 제조된 섬유의 특징으로, 모듈 운전 시에 액체 내에서 운전시 시간에 따라 (단순한 노화가 아닌 특정 온도나 압력에 의해) 수축되는 현상이다. 수축량은 고분자의 종류, 섬유의 직경“d”, 또한 섬유 내에 보강재가 있다면 그 종류 등에 따른다. 일반적으로 현재 사용되는 모듈의 경우 상부와 하부 헤더 사이의 수직 거리 “v”(z-축을 따라 측정)가 고정되어 있기 때문에, 섬유가 상기 “v”보다 약간, 즉, 0.5%-2% 범위 내로만 길다면, 운전 시간에 따른 수축은 섬유를 파손시키길 수 있다. 만일 섬유가 상당히 길어지면, 즉, 상기 “v”다 5%-10% 정도 더 길어지면, 공기가 통과하는 기질, 주로 폐수 내에서 위쪽으로 상승하는 가스 기포의 힘에 의해 요동하게 되어 인접한 섬유 간에 비벼지는 현상을 유발한다.

섬유가 길어질수록, 섬유는 더욱 요동하며, 손상을 입기 더욱 쉬워진다. 손상된 섬유는 누수된다. 가동되는 다발 내에서의 단일 파손 및 돌출된 섬유로 인해 상기 다발을 운전에서 제거해야 될 수도 있다.

결국 통상적인 고분자 섬유가 사용된 다발을 갖는 기술 분야의 경험과 선행기술에서 볼 때, 상부와 하부의 헤더간 수직 거리 “v”를 갖는 섬유는 상기 “v”보다 0.5%-5% 정도 더 긴 것을 사용할 것을 제안한다. 상기 범위의 상부 범위에서는 느슨해진 섬유가 서로 문지르며 손상을 유발할 수 있고, 상기 범위의 하부 범위에서는 오버스트레칭(overstretching)되어 파손의 위험이 있다.

‘014호 출원에서는, 다양한 배열로 포팅된 섬유들이 개시된다. 예를 들면, 서브-번들내의 섬유는 하부 헤더에 불규칙하게 배열되거나 또는 ‘373 특허에 개시된 바와 같이, 각각 하나의 어레이를 갖고, 마운팅 스트립에 적층되어(stack) 포팅된다. 각각의 복수의 서브-번들의 섬유의 상단은(‘014호 출원에서 보이는 4개) 상부 헤더에서 혼합될 수 있거나; 또는 하나의 서브-번들의 섬유의 상단이 상부 헤더에서 인접한 다른 서브-번들의 섬유와 혼합되는 것을 방지할 수 있다.

상부 헤더 내에서 상기 서브-번들이 유지되는 경우에서 상기 섬유 사이의 간격은 증가할 수 있고, 그리고 인접한 서브-번들 사이의 간격은 하부 헤더 내의 간격에 대하여 감소할 수 있다. 섬유가 어레이를 이루어 배열되는 경우, 열(row)은 일반적으로 고르게 헤더에서 이격될 수 있으나, 상부 헤더의 간격은 더 커진다(‘014호 출원의 [0042] 참조).

다시 말해서, ‘014호 출원은 상부 헤더에서 또는 세분된 하부 헤더에서 섬유의 배열은 중요하지 않고; 상기 세분된 하부 헤더 내부의 충진 밀도 δ_h 및/또는 상기 헤더 내의 유효 충진밀도 δ_he에 중요성이 부여되지 않는다는 것을 개시하고 있다.

예시된 실시예로서, ‘014호 출원의 상부 헤더는 길이(하나의 어레이 내의 섬유의 개수)가 정해지지 않은 30개의 어레이를 가질 수 있고, 5 내지 20cm의 너비일 수 있으며; 하부 헤더는 1 내지 5개의 어레이를 가질 수 있고, 길이가 정해지지 않은 0.5 내지 4cm의 너비일 수 있다. 평면도에서, 상기 헤더는 예를 들면, 2 또는 그 이상, 또는 4 또는 그 이상, 또는 8 또는 그 이상의 길이 대 너비의 비율을 갖고 연장될 수 있다.

탱크 내에서 모듈의 작동시의 섬유의 부피 충진밀도 :

다발의 부피 충진 밀도(volumetric packing density)로부터 상기 다발의 성능은 예측될 수 없다. 특히, ‘014호 출원에서는 섬유의 길이로서, 또는 헤더의 수직투영면적으로서, 또는 상부 및 하부 헤더 사이의 수직 거리; 또는, 하부 헤더의 면적이 상부 헤더의 면적보다 클 수 있는지; 어디에도 나타나지 않는다. 따라서 폐수 내에서 ‘014호 출원의 섬유 다발의 부피 충진 밀도는 알 수 없다.

용어 “부피 충진 밀도”(“δ_v”)는 [수직투영면적 xy ㎠를 갖으며 ‘v’cm로 수직하게 이격된 상부헤더와 하부헤더 사이에서 단면적 “πd²/4”를 갖고 길이 “L”cm를 갖는 전체 ‘n’개의 섬유의 부피] 대 [섬유의 다발에 의해 점유되는 폐수의 부피]의 비율을 나타낸다. 상기 비율은 δ_v= [πd²/4*L]/[xy*v]로서 계산된다. 고정된 부피의 기질 내부에 주어진 길이와 섬유 간격‘s’를 가진 섬유의 수가 커질수록, 더 높은 부피 충진 밀도로 충진될 수 있다.

상부 및 하부 모듈 사이에서 섬유가 비교적 곧고 팽팽할 때, 즉, v=L일 때, 그러면 δ_v는 충진밀도 “δ_h”와 동등해질 것이다.

섬유의 길이가 v≒L이고, 대략 섬유 간격 ‘s’를 갖는 경우, 더 높은 δ_v에서 더욱 오래, 잘 접촉함에도 불구하고, 섬유가 더욱 수직하고 곧아지기 때문에, 따라서 솟아오르는 공기 기포로 더욱 잘 스크러빙 된다. 섬유가 헤더 사이의 수직 거리보다 훨씬 길 때, 상기 섬유는 솟아오르는 공기 기포의 기류에서, 직사각형 평행파이프 형태의 xyv보다 넓은 불규칙한 모양의 폐수 컬럼(관) 내에서 앞 뒤로 요동할 것이며, 더 큰 불규칙한 칼럼의 경계는 끊임없이 변동한다.

동일한 섬유를 사용한 두 모듈을 비교해보면, 양쪽 면 사이의 수직 거리 ‘v’가 동일하고, 상부 및 하부헤더의 면적이 갖고, 각 헤더내 섬유 간격이 동일할 때, δ_v는 동일할 것으로 예상된다. 따라서, 각 모듈의 성능에 대한 δ_v의 영향은 동일할 것으로 예상된다.

성능을 개선하기 위해, δ_v를 증가시키지 않는 상태로 섬유 사이의 거리를 증가시켜 δ_v를 감소시킴으로서 섬유가 서로 스크럽하기 위한 기회를 제공하고, 한 개 이상의 섬유가 손상되는 확률을 증가시키는 것을 고려해볼 수 있다. 그러나, 섬유 사이의 거리를 증가시키기 위해 상기 ‘014호 출원의 복합 하부 헤더의 헤더에서 섬유를 서브-번들화하고 상기 서브-번들된 헤더를 측면으로 이격시킴에 의해, δ_v가 각각의 서브-번들 또는 기질의 부피의 인접한 하부에서 증가될 수 있는 것은 명백하다.

두 모듈을 비교해보면, 만일 각 모듈이 동일한 방법으로, 동일한 상태의 단위 섬유 표면당 공기량을 갖고 같은 폐수의 여과용으로 사용될 경우, 즉, 특정한 방법으로 공기를 순환시키면, 상기 두 모듈의 성능의 차이는: (i) 각 헤더 또는 세분된 헤더에서 섬유의 충진 밀도의 차이(Δδ_h); (ii) 각 헤더 또는 에어레이터 박스(또는 “박스”라 약칭한다)에서 섬유의 유효 충진 밀도의 차이(Δδ_he); (iii) 부피 충진 밀도의 차이(Δδ_v); 및, (iv) δ_v가 계산된 헤더보다 크거나 작은 면적을 갖는 헤더에서 동일한 수의 섬유의 유효 부피 충진밀도의 차이(Δδ_ve)에 기인하게 될 것이다.

두 모듈의 성능을 비교해보면, 어떻게 상기 헤더가 세분되든지, 어떻게 상기 세분된 헤더가 각각의 헤더 형태로 되든지 간에, 성능의 차이는 반드시 차이가 각각 섬유의 충진 밀도에 의해 결정된 앞서 말한 특징들의 차이에 기인한다.

용어 “성능”은 0.1 kPa/min의 오염(파울링) 속도를 갖는 폐수의 여과 시에, 여과 표면의 특정한 공기 유속에서((liters/min/㎡/) 또는 (㎥/㎡/hr) 또는 (scfm/ft²)) 각 모듈에서 단위멤브레인 표면(liters/㎡/hr(LMH) 또는 gals/ft²/day)을 통과하는 투과수의 플럭스(flux) 또는 유속을 가리킨다.

문제점:

하기의 인자들은 모듈의 성능에 대해 함께 고려되어야 할 인자들이지만, 선행기술은 이들을 제대로 인식하지 않고 있다; (i) 어레이(용어 “어레이”는 다르게 기술하지 않으면, 본 명세서에서 “평면 배열 어레이”를 나타내기 위해 사용된다)들을 포함하는 하나의 헤더 내의 섬유의 충진밀도, (ii) 다중 헤더 내에서 섬유의 유효 충진밀도, (iii) 운전시 섬유 다발에 의해 점유되는 폐수 칼럼 내의 섬유의 부피충진밀도, 그리고 (iv) 특정 헤더의 면적과 비교했을 때, 더 큰 면적을 가진 헤더에 분포된 섬유에 의해 점유된 폐수 칼럼(관)에서 섬유의 유효 부피 충진밀도와의 상호작용.

보통 동일한 여과면적을 갖는 섬유 여과 모듈의 성능은 거의 동일할 것으로 예상된다. 그러나, 마라톤과 같이, 이것은 장기간의 성능, 즉 정상적인 여과 조건 하에서 며칠 동안 연속적인 작동 후 모듈의 성능, 또는 가속된 슬러지-생성 조건 하에서 적어도 48시간의 기간 동안 가동했을 때, 그것이 차이를 만든다.

또한 선행 기술은 여과 표면의 효율적 사용은 하부 헤더에서 섬유의 73.5%이하, 바람직하게는 52%이하가 인접한 다른 섬유로 둘러싸이는 것(즉, 완전히 둘러싸인 것)을 필요로 하기 때문에, 단일 마운팅 스트립에 겹쳐져 고정되는 배열의 숫자에 상한(upper limit)이 있다는 것을 인지하지 못했다.

본 발명의 목표는 선행 기술의 어떤 이용 가능한 모듈보다 더욱 효율적이고, 확실하게 작동될 수 있고, 따라서 더욱 경제적인, 셸-리스(shell-less) 모듈을 설계 및 구성하는 것이다.

본 발명의 하나의 목적은 중공사막 표면에 형성되는 오염물의 세정효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제조비용, 운전비용 및 유지관리비용을 절감할 수 있는 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.

‘014호 출원에 개시된 바와 같은, 서브-번들화된 헤더를 가진 다발을 이용하는 모듈에서, ‘014호의 다발은 복수의 적어도 4 개의, 적어도 한 쌍의 어레이를 가진 각각의 미니 다발을 가지고 각 어레이는 서로 측면으로 이격된 10-250개의 섬유를 가지며, 상기 어레이는 연이어 위치하고, 상기 각 어레이에서 섬유의 수는 같거나 다를 수 있는 미니다발을 포함한 다발보다 덜 경제적임이 발견되었다. 바람직하게는, 어레이를 만드는 과정에서 편의성을 위해 각각의 어레이는 동일한 갯수의 섬유를 가진다. 상기 섬유의 상부는 통상적인 단일 상부 헤더에 포팅되고; 상기 섬유의 하단부는 막혀있고, 연이어 결합된 어레이들은 서로 접착식으로 고정되며, 바람직하게는 팬에 부착(즉, “포팅된”)되지 않게, “포팅되지 않은” 하부 미니헤더를 형성한다. 만일 포팅팬(“팬”)에 상기 하부 미니헤더가 포팅되는 경우, 길이방향 말단부에 지그재그 배열로 에어레이터 박스 양쪽 벽면의 수직 홈을 따라 움직일 수 있는 마운팅-스터브를 제공한다. 따라서, 각각의 하부 미니헤더의 양쪽 말단은, 하부 미니헤더의 특정 형태에 따라 선택된, 종방향으로 돌출된 다발-장착 수단이 제공된다.

하기에 개시된 최소 4개의 지그재그 형태로 장착된 미니다발로 인해, 예기치 않은 효능을 가진 모듈(본 명세서에서 “지그재그”모듈이라고 불리는)을 제공하는 것을 발견하였다. 모든 상단이 단일 상부 헤더에서 일체형으로 포팅되기 전에, 각각의 미니다발의 섬유의 상단은 가급적이면 한정된 형태를 가지며 인접한 미니다발의 상단으로부터 분리된다. 각각의 하부 미니헤더를 형성하기 위해 상기 각각의 미니다발의 섬유의 하단은 막혀있고, 바람직하게는 테잎 또는 리본형태의 핫-멜트 접착제로 함께 부착되어 있거나, 그렇지 않으면 섬유-마운팅 스트립을 갖거나 갖지 않고, 측면으로 이격되어 부착될 수 있다.

섬유-마운팅 스트립이 사용되는 경우에는 그것은 평면형이고; 스터브-스트립이 미니헤더에 사용되었을 때, 상기 스터브 스트립의 기능은 섬유를 장착하는 것이 아닌, 미니헤더를 장착하기 위한 것이며, 상기 스터브 스트립은 어레이상의 섬유와 동일한 면에 놓이지 않을 수 있다.

이러한 복수의 하부 미니헤더는 박스의 종방향을 따라서(상기 박스에서 종방향인 x-축) 지그재그 형태로 각도를 갖고 횡방향으로 이격된다. 상기 박스의 천장과 바닥은 개방되어 있으며, 양쪽 종방향 벽의 실내 표면에서 바람직하게 각을 이루는(x-축 및 y-축에 대하여), 수직 슬롯들(z-축)을 갖는다 (이러한 박스를 “슬롯 박스”라 부른다). 하부 미니 헤더는 양쪽 슬롯에 장착되어 고정되며, 또는 더욱 바람직하게, 모듈의 작동시 박스 내에서 상하운동을 위해 장착될 수 있다. 에어레이터 수단은 상기 뚫려있는 바닥의 밑으로 직접 삽입되고 상기 하부 미니헤더에 근접해있다. 상기 박스의 직사각 형태의 뚫려있는 면적은 상부 헤더의 면적과 같거나 1.35배 이하이다.

상기 다중 하부 미니헤더에서 하부 미니헤더의 대안의 배열은 서로가 평행한 관계로 (각각 y축을 따라 놓인) 박스의 길이 방향인 횡방향 (x-축)으로 이격되는 것이다. 이러한 배열은 포팅이 되지 않거나 되거나 상관없이 평행 배열을 의미한다. 평행한 배열의 성능은 지그재그 배열과 유사할 수 있으나, 특정 용도에 따라 선택이 가능하다.

모듈은 하나로 이어진 상부 헤더와 수직하게 이격되고 헤더와 같은 방향으로 길게 연장된 에어레이터 박스를 포함하며, 각각은 동일한 면적 내지 상기 박스가 상기 상부 헤더보다 35% 더 큰 수직투영면적 범위를 갖게 되고, 이 경우 상기 박스에서 적어도 같거나, 혹은 바람직하게는 38%보다 낮은 유효 충진 밀도를 제공한다. 바람직하게는, 수직투영면적이 동일하거나 다르던 간에, 상기 헤더 및 박스의 길이는 적어도 각각의 너비의 두 배를 가진다.

상기 박스의 면적이 상기 상부 헤더의 면적보다 크고, 박스의 수직투영면적이 대응하는 치수의 상부 헤더보다 1.35배 보다 작다면, 상기 박스의 너비 또는 길이, 또는 너비와 길이는 동시에 상부 헤더의 대응하는 치수보다 클 수 있다.

지그재그 모듈로 수처리 시, 1.35 이상의 비율이 제공되면 보통 1.35의 비율을 갖는 것에 비례되는 이득을 제공하지 못한다.

가장 바람직하게, 빗(comb)모양 형상의 평행한 빗살(tine)사이의 각각의 공간에서 다발 내 섬유의 상부는 선형으로 그룹되고, 상기 섬유의 위치는 인접한 가지 사이로 한정되며 상부 미니헤더를 형성한다. 전술한 바와 같이, 상기 상부 헤더내에 상기 빗모양 형상으로 평행하게 배열된 섬유는 상기 헤더에 일체형으로 포팅된다.

전술한 바와 같이, 한정되어 포팅된 상부 미니헤더의 형태는 최대 미니헤더 실질 충진밀도 “δ_h”와 기질에서 섬유의 가장 높은 유효 부피 충진밀도(△δ_ve)를 갖게 하지만, 상부 헤더의 유효 충진밀도는 낮게 하고자 한다.

박스는 상부 헤더의 수직 아래로 위치되고, 상기 박스 및 헤더는 바람직하게 그들의 수직면, 다시 말해 x-z의 종방향으로 수직한 면과 y-z에 직교하는 수직한 면에 대해 각각 대칭적으로 위치된다.

연속적인 하부 미니헤더는 박스의 양쪽 벽에 수직하게, 바람직하게는 각을 가지는 슬롯에 고정되고, 하부 미니헤더는 각을 갖고 박스의 종방향에 대해 횡방향으로 위치되기 때문에, 하부 미니헤더의 유효 너비는 에어레이터 박스의 너비보다 커야한다.

상기 슬롯은 각 인접한 미니헤더 쌍이 평면에서 볼 때, V 자를 형성한 지그재그 형태의 미니다발을 제공하기 위해 각각의 수직한 하부 미니헤더가 인접한 하부 미니헤더에 대해 특정한 내각이 되도록 커팅된다.

상기 지그재그 형태의 인접한 미니다발 사이의 내각은 여과된 기질의 타입, 기질의 고형물 함유량, 부유 고형물의 사이즈 범위 및 다른 기준에 따라 1°-20°이며, 바람직하게는 5°-10°이다.

복수의 미니다발로 세분된 다발에서, 섬유의 길이와 결합하여, 상기 다발의 미니헤더의 지그재그 형태는 수직하게 솟아오르는 거품에서 존재하는 기질 내의 섬유의 평균 각도에 영향을 준다. 기질에 노출된 각 미니다발의 섬유길이는 상부 헤더의 밑면과 바로 아래 하부 미니헤더의 윗면 사이에서 고정된 수직거리보다 0-5% 더 크게 되기 위해 제한된다. 각 하부 미니헤더는 가동식, 마찰식 및 제어 가능 방식으로 수직 슬롯에 고정되어 미니다발에서 섬유가 수축할 때 각각의 상기 하부 미니헤더가 자유롭게 수직으로 움직일 수 있도록 한다. 미니다발에서 섬유의 길이 L이 ‘v’와 동일할 때, 상기 하부 미니헤더는 초기에 상기 박스의 벽면의 슬롯의 바닥부분 근처에 위치한다. 하부 미니헤더가 갖고 고정되는 정확한 양의 마찰력은 섬유 구성타입 즉, 편조되는지 아닌지, 멤브레인의 중합체 필름에 사용되는 중합체의 타입, 정상 운전 시 사용된 주입된 공기의 양, 및 다른 요인과 같은 수많은 요인들에 의해 결정될 수 있을 것이다.

상대적으로 팽팽하고 거의 수직하게 고정되어 있을 때, 미니다발의 섬유는 상부 및 하부 헤더 사이의 고정거리보다 5% 이상 더 섬유 길이가 긴 선행기술의 다발에서 가능한 부피 충진밀도보다 더 높은 부피 충진밀도 δ_v을 가지고 작동하는 것을 가능하게 한다.

지그재그 형태는 공기의 효율적 사용을 가능하게 하고; 결국 종방향으로 이격된 세분된 다발을 가진, 본 발명의 모듈과 선행기술 모듈의 성능의 차이는 여과 공정의 작동 시 예상 외로 높은 비용 절약을 가져올 수 있다.

전형적인 선행기술 모듈의 헤더에서 보통 최적으로 간주되는 δ_he보다 더 낮은 유효 충진밀도 δ_he는, 다발이 복수의 미니다발로 세분되기 위해 각각 다발의 포팅되지 않은 하부 미니헤더를 갖고, 상기 다발의 섬유가 나눠져서 낮은 δ_he가 얻어질 때, 놀랍게도 더욱 효율적이 되는 것을 발견하였으며, 각 하부 미니헤더에서 섬유의 충진 밀도 δ_h는 25% 이상이 된다.

상기 새로운 모듈의 바람직한 구체예에서, 효율적인 성능을 위해, 섬유는 미니다발에서 총 2-12개의 어레이로, 바람직하게는 2-7개의 어레이로, 더욱 바람직하게는 2-3개의 어레이로 마운팅 스트립의 각 측면에서 그룹이 되는 한, 하나의 어레이에서 섬유 간격은 섬유 직경의 3 배 이하 일 수 있다. 복수의 어레이는 섬유-마운팅 스트립의 어느 한 측면 또는 양쪽 면에 연속적으로 적층된 후, 바람직하게는 포팅되지 않은 상태로, 하부 미니헤더의 최대 충진밀도 δ_h가 0.25 또는 25% 이상이 되며; 상기 박스에서 바람직한 유효 충진 밀도 δ_he는 0.38 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.30 - 0.35이다; 상기 상부 헤더에서는 충진밀도가 0.35 - 0.55의 범위를 가질 수 있다.

미니헤더에서 높은 충진밀도와 박스에서의 낮은 유효 충진밀도와의 조합의 예상치 못한 효율성은 (i) 박스와 상부헤더의 길이가 동일할 때, 박스의 너비가 상부 헤더의 너비보다 35% 이상 큰 경우, 또는 (ii) 에어레이터 박스와 상부헤더의 너비가 동일할 때, 에어레이터 박스의 길이가 상부 헤더의 길이보다 35% 이상 큰 경우, 또는 (iii) 상기 에어레이터 박스의 면적이 상기 상부 헤더의 면적보다 35% 더 큰 면적을 제공하기 위해 에어레이터 박스의 길이와 너비 둘 다 상부 헤더의 길이와 넓이보다 충분히 큰 경우 중 어느 하나일 때 절충된다. 그러므로 앞서 말한 고려의 결과로서, 상기 박스의 치수는 제한된 수치보다 크지 않기 위해 선택된다.

수천 개의 섬유를 갖는 복수의 미니헤더를 포함하는 다발은 상부 헤더에서, 현재 통상적으로 사용되는 제논 모델 500번(Zenon Model No.500D)과 같은 다발의 상부 헤더에서 갖는 유효 충진밀도보다 상당히 낮은 유효 충진밀도 “δ_he”를 제공할 수 있다. 상부 헤더에서 이러한 낮은 유효 충진밀도는 각 미니다발 사이와 각 미니다발의 섬유 사이에서 스크럽하는 공기 기포의 용이한 접근과 결합되어, 결과적으로 예측할 수 없는 낮은 파울링(fouling), 및 비슷한 선행 기술의 모듈보다 더 나은 성능을 제공한다.

본 새로운 발명의 모든 섬유는 최소한으로 요동하며 거의 직선형으로 유지된다. 각 하부 미니헤더는 자유롭지만 마찰-제어된 하부 미니헤더의 상하 운동을 허용하기 위해, 에어레이터 박스의 측면에서 커팅된 맞은편에 각을 가지는 수직한 그루브에서 상기 하부 미니헤더의 자체 중량과 마찰에 의해 고정된다. “각을 가지는 형상에 의해”는, 슬롯이 수직한 x-z면 및 y-z면에 대해 각도를 가지고 면에서 커팅되는 것을 의미한다. 양쪽의 장착 수단은 섬유-마운팅 스트립의 양쪽 말단에 있는 일체형 마운팅 텝인 개별 마운팅 텝이든, 또는 미니헤더의 각 말단에 있는 양쪽 T-핀이든, 수직한 각을 가지지 않는 슬롯에 고정될 수 있다; 그러나, 슬롯 내 장착 수단의 제어된 마찰의 최적량을 제공하기 위해, 수직 슬롯을 각지게(각 슬롯의 수직 중앙면은 상기 박스의 벽면에 대해 예각을 가짐)하고, 장착 수단의 판상 말단을 갖게 하는 것이 바람직하고, 따라서 미니헤더의 꼬임이 최소화 될 것이다. 상기 마찰은 공기가 미니헤더 밑으로 주입되었을 때, 상기 미니헤더가 위쪽으로 낮게 뜨지 않고, 섬유가 수축할 때, 하부 미니헤더가 상부로 자유롭게 높이 이동하지 않도록 제어된다.

다성분 액체기질 내에서 미립자 물질의 농도가 증가하는 동안, 상기 다성분 액체기질로부터 투과수를 배출하기 위한 모듈 제조방법은, (i) 각각 적어도 2개에서 12개의 어레이를 포함하고, 각 어레이당 10-250개의 섬유를 가지며, 상기 섬유의 상부는 선택된 형태의 일체형 상부 헤더에 포팅되고, 상기 섬유의 하부는 하부 미니헤더를 형성하기 위해 서로의 상부에 덧씌워지고, 각 어레이는 서로 측면으로 이격되어 접착식으로 고정된 섬유를 가지는 적어도 4개의 미니다발을 조립하는 단계; (ii) 상기 섬유의 상단에 투과수 수집 수단과 유체가 통하는 루멘을 갖기 위해, 상기 에어레이터 박스 위로 수직한 위치에 붙박이로 고정되는 상부 헤더에서 섬유의 상부를 포팅하는 단계; 및, (iii) 에어레이터 박스의 양쪽 벽에서 상하운동을 위해 각 미니다발의 각각의 하부 미니헤더를 고정하여 하부 미니헤더가 연이어서 횡방향으로 위치하고, 상부 헤더 및 에어레이터 박스의 종방향 축들(x-축)에 대하여 서로 지그재그 형태로 이격하여(x-축을 따라) 각을 이루어, 연이은 미니다발의 형태가 상기 에어레이터 박스에서 1-20도의 내각을 갖는 단계를 포함한다.

본 발명의 모듈은 다성분 액체기질 내의 미립자 물질의 농도가 증가하는 동안, 상기 다성분 액체기질로부터 투과수를 배출하기 위한 모듈로서, 외부로부터 유입되는 여과를 위한 복수의 중합형 중공사막(‘섬유)을 포함하며, 상기 중공사는 5kPa(0.7psi)-75kPa(10.9psi)의 막간차압을 받으며, 셸에 의해 고정되지 않고, 상기 모듈은 상부 헤더의 수직투영면적 보다 35% 이하로 더 큰 수직투영면적을 갖는 에어레이터 박스로부터 수직으로(z-축) 이격된 상부 헤더와, 최소한 4개의 미니다발을 포함하고, 상기 상부 헤더 및 에어레이터 박스는 동일한 방향으로, 각각 종방향(x-축)으로 연장하며, 상기 미니다발 각각은 상기 에어레이터 박스 내에 장착된 하부 미니헤더를 가지고; 상기 미니다발은, 2 내지 12개의 평면 배열 어레이를 포함하고, 각 어레이는 각 하부 미니헤더에서 서로 측면으로 이격되어 고정된 10-250개의 섬유를 가지며, 상기 하부 미니헤더의 섬유 상부는 상부 미니헤더에 조립 및 포팅되고, 상기 하부 미니헤더의 섬유 하부는 하부 미니헤더에 접착 고정되고, 상기 상부 미니헤더 및 하부 미니헤더는 (z-축을 따라) 고정된 거리로 수직하게 이격되어 배치되고; 각 상부 미니헤더의 섬유 상부는 상기 모듈의 상부 헤더에 포팅되어 일체가 되고, 섬유내 공간(루멘)을 갖는 상기 섬유의 상부는 개방 유체 통로에 투과수 수집 수단을 포함하며; 상기 섬유의 하부는 각각의 평면 배열 어레이가 서로 측면으로 이격되어 고정되어, 적어도 두 개의 평면 배열 어레이가 하부 미니헤더에 연이어 고정되어 있는 막혀있고 접착식으로 고정된 말단부를 갖고; 상기 에어레이터 박스의 양쪽 벽 내부의 슬롯 내부의 각각의 하부 미니헤더가 미끌어지도록 장착되기 위해, 각각의 하부 미니헤더의 양쪽 말단부에 장착 수단이 위치되고; 그리고, 각각의 장착된 하부 미니헤더는, 연이은 하부 미니헤더들이 1 내지 20도의 범위의 내각을 갖도록 상기 에어레이터 박스의 종방향 x-축에 대하여 횡방향(y-축)으로, 지그재그 형태로 배치되는 구성을 갖는다.

구체예에서 상기 연장된 상부 헤더 및 에어레이터 박스는 각각의 폭(wide)보다 최소 두 배 이상 길고; 장착 수단들을 갖는 상기 하부 미니헤더는 상기 에어레이터 박스의 너비보다 큰 유효 너비를 가지고; 상기 슬롯 내부에서 상기 하부 미니헤더의 상하 운동을 위해 상기 하부 미니헤더가 상기 슬롯 내부에 장착되고; 그리고 미니다발에서 각각의 상기 섬유는 다른 섬유와 같이 거의 길이가 동일하고, 각 섬유의 중간 부분이 상기 미니다발 내의 또 다른 섬유의 움직임에 상관없이 제한적으로 움직이게 하도록, 상기 길이는 상기 고정된 거리보다 0.1% - 5% 미만으로 더 긴 것을 특징으로 한다.

상기 섬유는 1-3mm의 공칭 직경‘d’를 가지고, 0.1d 에서 3d 이하로 이격하여 고정되고, 상기 섬유의 약 65%이하가 인접한 섬유의 어레이들에 의해 둘러쌓이도록, 각 하부 미니헤더는 2-6개의 평면형 배열 어레이들의 섬유를 포함하며, 상기 에어레이터 박스의 상기 양쪽 벽 내부는, x-z 면 및 y-z 면에 대해 각을 이루는 각각의 하부 미니헤더 내의 각각의 장착 수단들을 유지하기 위해 수직하게 각을 가진 슬롯들을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 각각의 하부 미니헤더는 포팅 되지 않고 조립될 수 있다.

상기 장착 수단은 마운팅 스트립의 양쪽 말단부에 의해 제공될 수 있다.

상기 장착 수단은 한 쌍의 T-자형 마운팅 핀에 의해 제공될 수 있다.

상기 장착 수단은 한 쌍의 스터브-스트립에 의해 제공될 수 있다.

상기 각각의 하부 미니헤더는 상기 각각의 하부 미니헤더는 상기 섬유의 중량, 및 장착수단과 슬롯 표면 사이의 마찰력에 의하여 미끌어질 수 있도록 고정되어, 상기 모듈이 작동하는 동안, 상기 기질 내에서 상기 섬유가 수직 방향에 대하여 15% 이하로 움직일 수 있다.

상기 각 미니다발의 섬유의 상부는, (i) 상부 미니헤더에서 서로 불규칙하게 위치되고, 동일한 미니다발의 하부 미니헤더에서 대응하는 섬유의 어레이의 하단에 위로 수직한, 상부가 포팅되는 포팅 팬 위로 미니다발들이 하부 미니헤더들과 함께 유지될 때, 중력하에 자체 질량으로 인해 곧은 모든 섬유에 의해, 제1 미니다발 섬유의 상부가 인접한 제2 미니다발의 상부로부터 저절로 분리된 형태; (ii) 또 다른 인접한 미니다발로부터 한 미니다발이 인접한 미니다발 섬유의 상부가 분리되어, 분리수단의 가지 사이에서 규제되어, 상부 미니헤더가 각각 x-축에 대해 직각으로, 평행한 관계로 포팅된 형태; (iii) 장착 수단이 구비된 상부 미니헤더에서 어레이를 이루어 고정된 각각의 미니다발의 섬유의 상부와, 상기 상부 미니헤더는 포팅 팬의 양쪽 벽에 평행하고, 일정 간격으로 이격되며, 수직 슬롯들 내에 고정된 형태; 및 (iv) 하부 미니헤더에서 고정된 어레이와 유사하게, 장착 수단이 구비된 상부 미니헤더에서 어레이를 이루어 고정된 각각의 미니다발의 섬유의 상부와, 바로 위로 수직하게 위치하도록 각각의 상부 미니헤더는 포팅되고, 상기 상부 헤더와 상기 박스의 면적이 실질적으로 동일할 때, 섬유의 하단이 고정되는 대응하는 하부 미니헤더와 대략 거울상 관계를 갖는 형태에서 선택되는 형태로 상부 헤더에서 포팅될 수 있다.

본 발명의 지그재그 형태로 배열된 미니헤더 및 미니다발을 갖는 중공사막 모듈은 중공사막을 포함하는 미니다발이 서로 이격되어 지그재그 형태로 배열되어, 상기 미니다발의 아래쪽에서 산기함으로써 공기기포가 통과하여 상기 중공사막 표면에 형성되는 오염물의 세정효율을 획기적으로 향상시키고, 상기 중공사막의 파손을 방지하며, 운전비용 및 유지관리비용을 절감할 수 있고, 모듈 제작 공정의 간소화 및 저비용화가 가능한 잇점이 있다.

본 발명의 바람직한 구체예에 관한 도식적인 예시가 부록된 다음의 상세한 설명을 참고로 하면 본 발명의 상술한 목적과 또 다른 목적 및 장점이 가장 잘 이해될 것이며, 도면에서의 동일한 인용 번호는 동일한 요소를 가리키는 것이다.
도 1은 통상적인 하부 헤더 대신에, 섬유가 어레이를 이루어 배열되며, 상기 섬유의 상부는 포팅되고, 상기 섬유의 하부는 에어레이터 박스 내에 이동식으로 고정된 하부 미니헤더에서 고정식으로 고정된 제1 모듈의 투시도이다.
도 2는 도 1에서와 같이, 섬유가 하부 미니헤더를 갖고 어레이를 이루며 배열되지만, 각각의 미니다발에서 섬유의 상부는, 미니다발의 하부 미니헤더와 유사한 상부 미니헤더에 고정되는 제2 모듈의 투시도이다. 상부헤더의 수직투영면적 면적은 하부 헤더의 수직투영면적 면적보다 작다.
도 3은 미니다발이 최소 미니다발인 제2 모듈의 구체예에서, 에어레이터 박스 내의 연이은 하부 미니헤더 사이의 각도를 보여주는, 상기 도 2의 3-3 방향에서 가져온 평면도이다. 하부 미니헤더 사이에서 보이는 복수의 장착홀은 바람직하게는 일반적인 공기-공급 덕트에 의해 공급되는 복수의 공기-파이프인, 박스 밑의 공기-주입 수단의 맨 위에 있는 구멍이다. 상기 박스의 수직투영면적은 상부 헤더의 수직투영면적보다 26.5%크다.
도 3a는 각각의 최소 미니다발을 갖는 하부 미니헤더가 어레이에 고정되는 것에 대응하는, 상기 제2 모듈의 상부 헤더의 일체형 부분을 형성하고, 각각의 최소 미니다발을 갖는 상부 미니헤더가 어레이에 고정되는 구체예를 보여주는, 상기 도 2의 3A-3A 방향에서 가져온 평면도이다. 상부 미니헤더가 연속으로 포팅된, 포팅된 상부 미니헤더 사이의 각도는 하부 미니헤더의 포팅된 사이의 각도와 동일하다.
도 4는 섬유-마운팅 스트립 없이 함께 부착되어 덧씌워진 각각의 3개의 합동 어레이의 각 말단의 27개의 섬유를 보여주는, 개별적인 단단한 마운팅 텝 또는 “스터브-스트립”을 갖는 3개 어레이의 하부 미니헤더의 단면 평면도이다. 필요하다면, 상부 미니헤더는 상부 헤더에서 지그재그로 포팅된 형태를 사용한 것과 유사한 방법으로 조립될 수 있다.
도 5는 마운팅 스트립 바로 위에서 수행되며, 마운팅 스트립의 각각의 면에 연이어서 끼어들어져 스트립에 접착식으로 고정되는, 서로 다른 수를 갖는 어레이인, 최소 2개의 어레이의 미니다발의 단면 평면도이다.
도 5a는 마운팅 스트립에 섬유를 접착식으로 고정하고, 에어레이터 박스의 슬롯에 삽입되도록 조정된 말단을 제공하기 위해 각 어레이의 섬유 주변에서 액화되는 액화성 접착제를 보여주는, 도 5의 5A 부분의 상세한 평면 단면도이다.
도 6은 마운팅 스트립의 정면에서 연이어 적층되는 두 개의 제1 및 제2 어레이를 포함하는 미니헤더를 예시한 비틀린 투시도이다. 정면 상의 제2 어레이와 상기 제2 어레이 섬유를 커버하는 비용융성 접착 리본이 함께 보인다. 스트립 정면의 두 개의 어레이의 스택에서 이탈되어, 정면 스택의 위와 뒤에 보이는 것은 두 개 이상의, 다시 말해 제3 및 제4 어레이의 후면 스택이다. 각각의 스택에서는 이전에 마운팅 스트립의 한쪽 측면에 접착식으로 고정된 하부 어레이 상에서, 합동식이거나 맞물려서 중첩 어레이가 덧씌워진다.
도 7은 서로의 상부에 연이어 맞물린 마운팅 스트립의 한쪽 측면에 접착제 층이 3개의 어레이를 고정하는 미니헤더를 보여주는 바닥 평면 단면도이다.
도 7a는 마운팅 스트립이 없는 미니헤더를 보여주는 바닥 평면 단면도이며, 여기서 6개의 어레이는, 서로의 상부에 합동식으로 접착식으로 층을 형성하고, T-자형 핀은 미니헤더가 형성된 다음에 상기 미니헤더의 말단부 주변에 삽입된다.
도 7b는 도 7에 보이는 어레이의 말단부를 고정하는 접착제 바로 위에, 조립된 미니헤더의 말단에 있는 이격된 섬유 뒤쪽의 각 말단에 삽입된 T-핀을 갖는 여섯 개의 어레이 미니헤더의 투시도이다.
도 8은 말단을 도시하지 않은 제3 모듈의 상부 헤더의 평면 단면도이며, 여기서 상기 상부 헤더는 아래 에어레이터 박스와 동일한 너비와 길이를 갖고; 도시된 트윈 어레이를 갖는 미니다발의 복수의 상부 미니헤더는 상부 헤더의 수직 슬롯에 평행하게 장착되고, 여기서 각 미니헤더는 상기 상부 헤더 및 에어레이터 박스의 종방향 x-축에 직각으로 y-z 평면에 놓인다.
도 9는 말단을 도시하지 않은 제3 모듈의 에어레이터 박스의 평면 단면도이며, 상기 박스는 도 8의 상부 헤더와 같이 동일한 너비와 길이를 갖고; 지그재그 형태의 트윈 어레이 미니다발의 복수의 하부 미니헤더는 박스의 각을 갖는 개별 수직 슬롯에 장착되어, 각 미니다발은 인접한 미니다발에 각을 갖고 놓인다.
도 10은 말단을 도시하지 않은 제4 모듈의 상부 헤더의 평면 단면도이며, 상기 상부 헤더는 아래 에어레이터 박스와 너비는 동일하나 길이는 25% 짧다(도 11 참조); 트윈 어레이를 갖는 미니다발의 복수의 상부 미니헤더는 상부 헤더의 개별수직 슬롯에 평행하게 장착되고, 여기서 각 미니헤더는 상기 박스의 종방향 x-축에 직각으로 y-z 평면에 놓인다.
도 11은 상부 헤더와 너비는 동일하나 길이는 25% 더 긴 제4 모듈의 에어레이터 박스(도 10 참조)의 말단을 도시하지 않은 평면 단면도이며, 트윈 어레이 미니다발의 복수의 하부 미니헤더는, 내각 θ의 지그재그 형태로 상기 박스의 벽에 각을 갖는 개별 수직 슬롯에 장착된다.
도 12는 양쪽 종방향 벽에 각을 이룬 수직 슬롯을 도시한 에어레이터 박스의 말단을 도시하지 않은, 상부 평면도이다. 양쪽 벽 말단은 도시되지 않는다. 상기 박스는 천장과 바닥이 개방되어 있다.
도 13은 헤더가 아래 박스와 너비가 동일하나 길이가 25% 짧고(도 14 참조), 복수의 여섯 개의 어레이 미니다발이 포팅된, 말단을 도시하지 않은 상부헤더의 바닥 평면도이다.
도 14는 아래 상부 헤더와 너비는 동일하나 길이가 25% 더 긴(도 13 참조) 에어레이터 박스의 말단을 도시하지 않은 평면 단면도이며; 각 여섯 개의 어레이 미니다발의 하부 미니헤더는 인접한 미니다발이 갖는 상부 헤더와 동일한 길이를 갖는 박스에 있을 때보다 더 큰 내각 θ를 갖는 V 자로 놓이기 위해, 지그재그 형태로 상기 에어레이터 박스의 벽에 각을 갖는 수직 슬롯에 장착된다.
도 14a는 에어레이터 박스 위의 상부헤더와 너비는 동일하나 길이가 25% 더 긴 제5 모듈의 에어레이터 박스의 말단을 도시하지 않은 평면 단면도이며, 도 14와 같이 복수의 미니다발을 가지나, 박스의 벽에서 각을 갖는 수직 슬롯에, 도 14와 같이, 인접한 미니다발이 동일한 길이를 갖는 박스에서의 형태의 내각보다 더 큰 내각을 갖는 V 자로 놓이기 위해 지그재그 형태로, 삽입된 T-핀을 갖고 장착되어 예비 성형된 하부 미니헤더를 갖는다.
도 15는 종방향 x-축과 동일한 방향으로 평행한 x-z 면상에 놓인 어레이에서 섬유의 그룹의 각 16개 층인 상부 헤더 아래에서, 헤더 그룹의 섬유의 4개의 포팅된 서브-번들의 그룹과 동일한 너비와 길이를 갖는(도 16 참조) ‘014호의 상부 헤더의 밑면의 평면도이며; 상기 어레이는 고정 액체에 고정되고 상부 헤더로서 작용하는 헤더 팬에 부착된다.
도 16은 ‘014호 출원에 도시되어 설명된, 4개의 횡방향으로 이격되어(y-축을 따라 이격된) 고정 액체에 고정되어 팬에 부착된 섬유의 층을 이룬 그룹의 서브-번들의 평면도이다.
도 17은 한쪽 말단부가 도시되지 않고, 양쪽 말단이 말단-체결된 개방된 에어레이터 박스의 투시도이다.
도 18은 슬롯이 장착된 벽과 키퍼 스트립을 도시한 에어레이터 박스의 투시도이다.
도 19는 도 2에 예시된, 에어레이터 박스 밑에 공기 파이프를 갖는 작동 모듈의 도식적인 측면도이다.
도 20은 각 두 모듈이 50Lmh의 순간 플럭스와 4㎥/hr의 공기 유속을 갖고(서브-번들 또는 미니다발 하에서), 10g/mL의 고형물을 갖는 동일한 “더러운”물에서 나란히 작동되는 동안 시간에 대한 막간차압(TMP)을 나타낸 그래프이다. ○은 본 발명의 모듈(실시예)이 작동하는 동안 시간별 TMP를 기록하고; ●은 ‘014호 출원의 모듈(비교예)이 작동하는 동안 시간별 TMP를 기록한 것이다.
도 21은 임계 플럭스를 결정하기 위해, 다양하게 증가하는 플럭스에서, 특정한 0.08㎥/㎡/hr의 공기 유속을 갖고 폐수에서 미니다발을 갖고 작동되는 실시예 모듈의, 연속적인 시간에 대하여 각 TMP 변화를 나타낸 그래프이다.
도 22는 특정한 0.08㎥/㎡/hr의 공기 유속을 갖고 40 lmh의 선택된 플럭스에서, 폐수에서 미니다발을 갖고 작동되는 실시예 모듈의 16시간 동안의 TMP 변화를 나타낸 그래프이다.
도 23은 둘 다 카세트 내에 있는, 선행기술 ‘014호의 복수의 모듈(비교예)과 미니다발을 가진 복수의 모듈(실시예)에서 얻은 임계 플럭스를 비교하기 위해, 200분 동안의 TMP 변화를 왼쪽의 기간(period) 좌표와 오른쪽의 플럭스 좌표로 나타낸 그래프이다.

본 발명의 새로운 모듈의 모든 구체예에서, 다발-장착 수단은 바람직하게 “포팅되지 않은” 각각의 하부 미니헤더가, 에어관통 박스로서(“에어레이터 박스” 또는, “박스”로 약칭한다) 기능하는 마운팅 프레임에서 상하 운동을 위해 장착되게 하는 것을 의미하며, 이후에는 상기와 같이 칭한다.

각 미니다발의 섬유의 상부는 상부 헤더에서, 대응하는 하부 미니헤더 대략 수직하게 위로, 집합적으로 포팅되고; 그리고, 상부의 종단은 투과수 수집 물통(trough)과 통하게 될 수 있다. 상부 헤더는 보통 모양이 상기 에어레이터 박스와 유사하고, 보통 각각 직사각형태이며, 상부 헤더와 박스의 바닥면 또는 “수직투영면적”의 평면적은 최소한 동일할 수 있다.

상기 새로운 모듈에서, 상기 섬유가 다음의 여러 개의 상부 헤더의 형태 중에서 어떤 하나를 선택하여 서로 이격된 상기 상부 헤더에서 포팅되면, 상기 상부헤더에서 섬유 상부의 포팅된 형태는 크게 중요하지 않다:

(i) 섬유 상부가 포팅되는 포팅 팬(potting pan) 위로 미니다발이 하부 미니헤더와 함께 고정될 때, 모든 섬유가 자체 중량으로 인해 거의 곧게 내려오도록 매달려서 제1 미니다발 어레이의 섬유 상부가 인접한 제2 미니다발의 상부로부터 저절로 분리되어 불규칙하게 위치된 각각의 미니다발의 섬유를 갖고;

(ii) 위와 같이 미니다발이 거꾸로 걸린 상태로, 그 아래부분에 걸린 각 미니 다발의 개별 섬유는 빗(comb)형태의 분리수단의 빗살(tine) 사이에서 고정되고; 따라서, 인접한 미니다발의 섬유의 걸린 부분은 일체형으로 포팅될 수 있어, 상부 헤더에서 상기 섬유가 집합적으로 y-축에 대해 평행할 수 있도록 분리가 유지된다(도 1 참조). 상기 빗살(tines)은 하부 미니헤더에 대응하게 걸리는 어레이의 하단 바로 밑에서(x-y 면에서), 수평으로 위치되어, 상부 헤더에 포팅될 때, 각 미니헤더의 빗으로 규제되고 정렬된 섬유는 집합적으로 y-축에 평행하게 놓이고;

(iii) 장착수단이 구비된 상부 미니헤더의 어레이를 이루어 고정된 각 미니다발의 섬유의 상부를 가지고, 상기 상부 미니헤더는 평행하고, 이격되고, 수직한 포팅 팬의 슬롯에서 고정되고 투과수 배출 라인을 갖는 일체형 헤더를 형성하기 위해 포팅되고; 및

(iv) 하부 미니헤더에서 고정된 어레이와 유사하게, 장착수단이 구비된 상부 미니헤더에서 어레이를 이루어 고정된 각 미니다발의 섬유의 상부를 가지고, 각 상부 미니헤더는 바로 위로 수직하게 위치하도록 포팅되고, 그리고 상기 상부헤더와 상기 박스의 면적이 실질적으로 동일할 때, 섬유의 하단부가 고정된 대응하는 하부 대략 거울상 관계가 될 수 있다. 박스가 상부헤더보다 면적이 클 때 상기 상부헤더 및 하부헤더는 완전한 거울상 관계가 되지 않을 수 있다.

미니헤더의 제1 구체예에서, 제1 어레이 쌍의 하부는 섬유-마운팅 스트립에 고정되어 부착될 수 있다. 상기 “스트립”이라는 용어는 열에 안정하고, 임의의 길이를 갖고, 단단한 물질을 사용할 수 있고, 필요에 따라 길이를 커팅할 수 있으며, 미니헤더가 장착된 에어레이터 박스의 슬롯에서 이탈된 하부 미니헤더를 갖기에 충분할 정도로 모듈이 작동하는 동안에도 굽어지지 않는 층을 가리킨다. 상기 스트립은 이는 하나의 어레이에 사용되는 상기 섬유의 직경과 숫자, 사용된 접착제의 종류, 물질의 인장항복강도, 경도, 충격강도에 따라 일반적으로 약 0.5 cm-5 cm, 바람직하게는 1cm-3cm의 동일한 너비와 약 0.5mm-5 mm, 바람직하게는 1mm-2 mm의 동일한 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는 적어도 40MPa의 인장항복강도(ASTM D638); 적어도 50 쇼어 D(Shore D)의 경도(ASTM D2240); 그리고 23에서 적어도 50J/m의 충격강도(IZOD ASTM D256)의 값을 갖는, 저급(lower) C2-C4의 폴리올레핀, PVC 또는 ABS와 같은 합성수지 물질일 수 있다.

상기 접착제는 점성이 있는 액체 또는 액화성일 수 있으며, 바람직하게는 용융성 접착제 일 수 있다. 상기 스트립은 측면으로 이격된 위치 표시 또는 상기 스트립 표면에 제공된 이격된 팽행 그루브로 표시될 수 있다.

상기 스트립은 미니헤더를 형성하기 위해 안정한 플랫폼을 제공하고; 그리고, 상기 미니헤더의 제1 구체예에서, 상기 스트립의 양쪽 말단부는 미니다발의 일체화 부인 마운팅 텝을 제공할 수 있다. 적어도 두 개의 어레이가 상기 스트립에 고정되며, 바람직하게 연이어 각각의 면에 하나씩 고정될 수 있다. 두 개 이상의 어레이가 마운팅 스트립에 부착되었을 때, 바람직하게 같은 수의 어레이들이 연이어서 상기 마운팅 스트립의 각각의 면에 층을 이룰 수 있다.

상기 미니헤더의 제2 구체예에서, 각각의 어레이는 연이어서 접착식으로 고정되고, 바람직하게는 섬유-마운팅 스트립 없이 용융성 접착 리본으로 고정될 수 있다. 양쪽 다발-장착수단은 개별적인 다발-마운팅 텝을 제공할 수 있다(“마운팅 텝”이라 칭한다). 상기 마운팅 텝은 (i) 미니헤더 내부에서 일체화 되도록 접착식으로 고정되어 어레이 양쪽 각 말단부에 배치되는 스터드-스트립, 또는 (ii) 어레이에서 미니헤더가 형성된 다음에, 상기 미니헤더의 양쪽 끝에 근접하여 섬유의 뒤에 삽입되는 독립되고, 개별적인 T-핀(T-pin)을 가질 수 있다. 바람직하게 상기 개별적인 T-핀은 상기 박스 내에서 상하운동을 위해 미니다발의 하부 내에서 단단하게 고정 될 수 있다. 스터브-스트립이든 T-핀이든 간에, 이러한 마운팅 텝은 상기 박스의 종방향 벽의 수직한 양쪽 슬롯에서 유지되고, 상기 섬유가 종방향으로 수축할 때, 상기 섬유의 손상을 방지하기 위하여 위쪽으로 가동할 수 있다.

각 미니다발의 어레이의 섬유의 상부가 상부 헤더에 어떻게 포팅되든 간에, 복수의 미니다발에서 각각의 어레이의 하부는 박스 내에서 명확한 지그재그 형태로 어레이되고; 그리고, 각각의 하부 미니헤더는 2-12개, 바람직하게는 2-8개의 어레이가 고정되어 배열된, “하부 미니헤더”에서 클러스터화 될 수 있다.

모듈의 제1 구체예에서, 상부 헤더는 상기 박스와 동일한 형상이며, 동일한 수직투영면적 또는 면적을 가질 수 있다. 상기 모듈의 제2 구체예에서, 상부 헤더는 상기 박스와 동일한 형상이나, 상기 박스는 상기 상부 헤더보다 면적 또는 수직투영면적이 35%까지 클 수 있다.

각 구체예에서, 하부 미니헤더의 너비(y-축을 따라 측정된)는 상기 박스의 너비(또한 y-축을 따라 측정된)보다 클 수 있다. “지그재그 모듈”에서, 적어도 4개의 하부 미니헤더가 에어레이터 박스의 종방향 x-축에 대해 횡방향으로 지그재그 형태로 x-축 및 y-축에 대한 각도를 가지고 장착될 수 있다.

지그재그 형태의 하부 미니헤더를 갖고 조립된 모듈에서, 상기 상부 헤더는 상기 박스와 수직하게 이격되어 움직이지 않게 고정될 수 있다. 필요시에, 상기 미니다발은 양쪽 말단이 상기 박스의 양쪽 벽에 장착된 하부 미니헤더들의 밑과 사이에 주입된 수많은 공기에 의해 세정될 수 있다. 복수의 모듈은 전형적으로 탱크에 배치되는 케이지 또는 카세트에 설치될 수 있다. 이러한 케이지는 전형적으로 여과될 유체의 탱크 내에 전략상으로 위치되기 위해 적합한 프레임 내에 설치될 수 있다.

미니헤더의 각 어레이에서 섬유의 종단부는 0.1-3d의 예정 거리로 측면으로 이격되며, 여기서 ‘d’는 섬유의 외경이다; 그리고 연속적인 어레이들은 아래 후술될 미니헤더를 형성하기 위해 부착될 수 있다.

도 1은 각각의 하부 미니헤더 및 각각의 미니다발이 상기 에어레이터 박스의 종방향 축에 대해 횡방향으로 배치된 제1 모듈의 투시도이다. 상기 예시된 구체예에서, 각 미니다발의 섬유의 개방 상단은 상기 빗(comb)의 인접한 두 개의 빗살(tines) 사이에서 느슨하게 고정되어, 연이은 미니다발의 섬유의 상단이 상기 빗(comb)의 빗살 쌍 사이에서 분리되어 규제될 수 있다. 그 다음 상기 상단은 상부 헤더로부터 투과수의 배출을 위해 일체형 상부 헤더에서 모두 포팅될 수 있다(전술한 상부 헤더의 형태(ii)). 상기 에어레이터 박스와 상기 상부헤더의 수직투영면적이 동일하도록, 상기 에어레이터 박스의 너비 및 길이는 상기 상부 헤더의 너비 및 길이와 각각 동일할 수 있다.

상기 언급된 상부 헤더의 구성(i)은 도 1에 예시된 것과 구분되지 않기 때문에 예시하지 않았다.

도 1에서는 섬유의 다발인, 참조 부호(10)이 가리키는 일반적인 모듈과, 개방 슬롯 박스 (12)와 상부 헤더(14) 사이에 위치하고, 각각 동일한 평면적(또는 수직투영면적)를 가지며, 각각 연장된, 바람직하게는 직사각형의 평행 파이프형의, 개별적이고 집합적인 참조 부호(11)이 가리키는 모듈을 예시한다.

상기 에어레이터 박스(12)는 각각 마운팅 스트립(21)의 각 면에서의 섬유의 어레이 이고(도 1에는 보이지 않으나 도 3-4 및 5a에 도시함), 각각의 섬유의 하부(13)를 갖는, 평면 배열 어레이로 이격된 하부헤더(23)를 갖는 복수의 미니다발(20)을 고정하고; 하부(13)의 종단은 상기 스트립(21)에 막혀있고 움직이지 않게 접착식으로 고정될 수 있다. 매우 많은 수의 어레이는 큰 면적을 갖는 박스에 250개의 섬유를 가질 수 있으나, 물의 한외여과를 위한 미니다발의 각각의 어레이는 바람직하게 20-150 개의 섬유를 포함할 수 있다.

상기 섬유(11)의 상부(15)의 종단은 상기 섬유가 상부 헤더에 포팅되었을 때, 어레이에서 상기 섬유의 공간관계를 유지시키는 빗(comb)(미도시)에 고정될 수 있다. 상기 빗은 단일 상부 헤더(14)를 형성하기 위해 모든 상부가 포팅되어 일체화되기 전에 각 미니다발의 섬유의 상부(15)를 모으고, y-z 면에서 x-축에 대해 직각으로 평행하게, 인접한 미니다발의 섬유를 분리되게 유지하는 기능을 하여, 상기 섬유의 상단의 종단은 투과라인(16)을 통해 배출되는 투과수를 방출하기 위해 개방될 수 있다.

덜 바람직하게, 빗 대신에 상단 종단부가 상기 에어레이터 박스(12)의 각각의 미니다발의 배치보다 덜 명확하고 대략적으로 동일한 V-모양 형태를 유지하기 위해 상기 하부 미니헤더로부터 매달릴 수 있다. 각각의 미니다발들의 섬유의 상부(15)가 지나치게 수집되고 상기 섬유의 상단 종단부가 단일 상부 헤더(14)에서 가깝게 이격되지만 불규칙하게 포팅될 때, 상기 수집된 섬유의 상부(15)는 슬롯(17, 17'(도 18 참조))의 밑부분에서 고정되는 해당 미니다발의 하부(13)의 대략 바로 위에 고정될 수 있다. 상기 상부(15)의 위치는 불규칙, 즉, 상부 말단이 포팅되었을 때, 어레이의 형태학적 패턴이 없는 상태이나, 각각의 미니다발의 모든 상부(15)는 상기 미니다발의 교차하는 인접한 섬유 없이 수직으로 매달릴 수 있다.

상기 개방된 박스(12)는 상기 박스의 미니다발 쌍이 등각을 유지하기 위해(도 3에 도시된 또 다른 모듈과 같이), 마찰식으로 고정되나, 수직 높이 이상으로, 상-하로 자유롭게 미끄러지기 쉽고, 상기 에어레이터 박스(12)의 양쪽 전면(32)과 후면(34) 종방향 벽에서 커팅된, 바람직하게는 슬롯(17)과 각을 이루는 복수의 미니다발(20)을 지지하는 기능을 할 수 있다. 등각인 것이 바람직하나, 연이은 하부 미니헤더들 사이에서 언급된 범위의 각도가 유지되는 한, 크게 중요하지 않다.

수직한 각을 이룬 20개의 슬롯(17)이 상기 에어레이터 박스(12)의 정면에 보여지고(도 1에 보이는); 21개의 수직한 각을 이룬 슬롯(17')이 (도 1에 보이지 않음) 반대편 종방향 면에 커팅되어 있다(또한 보이지 않음). 상기 슬롯들은 미니헤더(23)가 삽입될 때 상기 미니헤더(23)가 지그재그 형태로 있을 수 있도록, 상기 에어레이터 박스(12)의 대응하는 슬롯(17, 17')에서 미끄러지기 쉽게 삽입된 인접한 미니다발(20)의 마운팅 스트립(21)의 양쪽 종단부 모서리(21', 21") (도 5에 도시된 바와 같은)를 가질 수 있다. 에어레이터 박스는 상기 박스에 설치되는 하부 미니헤더의 수에 따라 슬롯을 더 많거나 적은 수의 슬롯을 가질 수 있다.

명료하게, 최소 트윈 어레이의 미니다발(20)이 도 1~3A, 5 및 5A에 도시되고; 마운팅 스트립(21)과 양쪽 종단부(21', 21")의 각 면에 각각 한 개의 어레이만을 가진다. 이러한 두 개의 하부 미니헤더(23)의 두 개의 마운팅 스트립(21)의 양쪽 종단부(21', 21")(도 5에 보이는)는 상기 박스(12)의 정면 벽에서 인접한 슬롯(17)에 각각 삽입되어, 인접한 미니다발들이 꼭지점을 형성하고; 각 마운틴 스트립(21)의 하나의 반대편 말단부(21")는 상기 박스의 반대편 종방향 면에서 이격된 슬롯(도 1에서는 보이지 않으나, 도 3에 유사한 에어레이터 박스의 슬롯(57')을 참조)에 각각 삽입될 수 있다. 각각 종단부(21')를 갖는 두 개의 인접한 미니다발(20)은 따라서 V자 형태를 갖고 1° 내지 25°의 각도 θ를 형성하는 가지(arm)를 고정시킬 수 있다. 이러한 시퀀스는 상기 에어레이터 박스(12)의 각각의 면에서 각을 이룬 미니다발 쌍이 연이어서 있기 위해 반복될 수 있다(도 3에 보이는 바와 같은, 두 번째 모듈에서). 상기 각도가 25°보다 넓을 때, 각각의 미니헤더(23)의 대체 종단부는 좁은 각도를 가질 때보다 더욱 급속하게 분리되고, 미니다발이 25°에서도, 각각 한 어레이에서 100개의 섬유만을 가지게 되고, 상기 다발이 만족할 수 없는 낮은 유효 충진 밀도를 갖게 될 것이다.

또한 상기 미니다발의 지그재그 형태는 등각으로, 즉, 용이하고 타당한 각도를 정하는 것이 아닌 동일한 각도 θ로 제한될 필요는 없다.

섬유(11)의 하부(13)의 하단의 종단은 각각의 미니다발(20)이 막혀있다. 투과수는 상기 상부 헤더(14)의 투과 배출 라인(16)으로 부터만 배출될 수 있다. 하부 미니헤더의 상기 바닥이 개방된 V 형태는 0.1-10mm의 크기의, 또는 더 크더라도, 상기 섬유 사이에서 상승하는, 공기의 기포로 스크러빙하기 위한 간격을 제공하기 위한 기능을 하고; 또한 폐수내의 고형물이 통하여 여과되는 상기 미니다발 사이의 간격을 통하여 떨어질 수 있다. 상기 에어레이터 박스(12) 끝 면에는 상기 박스를 복수의 모듈(10)이 보통 장착되는 프레임(미도시)에 부착하기 위한 장착홀(19) 한 쌍이 제공될 수 있다.

상대적으로 팽팽한 섬유를 가진 미니다발의 하부 미니헤더는 수직 슬롯에서 고정되기 때문에, 측면으로부터 상기 섬유의 요동성이 제한될 수 있다. 따라서, 고정되고, 상기 섬유가 상기 헤더들 사이의 수직 거리 1m 보다 0.5% 더 긴, 100.5cm 길이의 섬유를 갖는 미니다발의 중간지점(미니헤더 사이)은 수직하게 양쪽 방향으로 5cm 요동할 수 있을 것이다(다발에 대해 직각 방향에서 축을 따라 측정된). 상기 섬유가 상기 헤더들 사이의 수직 거리 1m 보다 5% 더 긴, 105cm 길이의 섬유를 갖는 미니다발의 중간지점은(미니헤더 사이), 수직하게 양쪽 방향으로 15cm 요동할 수 있을 것이다. 이러한 최소 요동은 공기의 압력과 양의 최대치가 적용되어 서로 맞문질러져도, 상기 섬유가 심각한 손상을 일으키지 않을 정도로 불충분할 수 있다.

과도하게 비벼대는 동작은 폐수의 고형물 및 미립자를 제거하는데 도움을 줄 수 있으나, 시간이 흐름에 따라, 상기 섬유의 표면에 연마 마모를 일으켜 상기 섬유의 유출을 야기할 수 있다. 적어도 상기 하부 미니헤더의 지그재그 형태는 저압에서 상대적으로 소량의 공기를 사용하고, 더 효율적인 여과와 상응하는 작동 비용을 절감하도록 기능할 수 있다. 이러한 수축은 결과적으로 상기 섬유의 원래 길이의 95%까지 수축시킬 수 있고, 가동식으로 고정된 하부 미니헤더는 이러한 상기 섬유에 과도하게 스트레스를 주지 않는 수축이 가능하도록 할 수 있다.

미니헤더를 조립하는 단계;

미니헤더(23)의 제1 구체예(도 5 참조)에서는 다음과 같이 조립될 수 있다: 공급롤(feed-roll)로부터 연속적으로 공급된 섬유가 바람직한 간격 ‘s’를 갖는 섬유를 평면 형상이 되도록 배열한 후 공급롤로부터 섬유를 커팅한 뒤, 섬유와 수직방향으로 용융성 접착제의 스트립이 상기 섬유 양 말단의 위로 가로질러 위치되고, 그런 다음, 마운팅 스트립은 상기 접착제 중 한쪽 위에 위치되어 가압될 수 있다. 상기 평면 형상의 섬유는 복수의 미니다발로 나누어지고, 단일 어레이는 제조되는 각각의 미니다발의 마운팅 스트립의 한쪽 측면에 부착될 수 있다.

두 번째 어레이를 상기 마운팅 스트립 상에 부착하기 위해, 상기 공급롤(feed-roll)로 부터의 섬유는 상기 마운팅 스트립의 한쪽 말단에 위치되고, 앞서와 같이 상기 마운팅 스트립을 한쪽 말단에 오도록 하며 상기 연속적인 평면 형태의 섬유 배열을 만들 수 있다.

상기 연속적인 섬유 배열이 커팅되기 전에 용융성 접착제의 스트립이 상기 마운팅 스트립 위를 가압할 수 있다.

상기 연속적인 섬유 배열이 커팅되었을 때, 마운팅 스트립(도 5 참조)의 각각의 면에 한 어레이씩 부착되어, 각각 두 개의 어레이를 갖는, 복수의 최소 미니다발이 만들어질 수 있다.

마운팅 스트립에 복수의 어레이를 제공하기 위해, 상기 공급롤로부터의 연속적인 섬유는, 제1층을 형성하며 평면 형태 섬유 배열을 만들고, 상기 연속적인 섬유가 커팅되기 전에 용융성 접착제의 스트립이 상기 감겨진 섬유 위를 가압할 수 있다. 상기 공정 후에 상기 제1층 위로 감겨지는 제2층을 형성하여 상기 연속적인 섬유가 상기 제1층의 마지막 섬유를 덮게 되고 용융성 접착제의 스트립이 상기 제1층의 스트립 위로 가압할 수 있다. 만일 제3층이 3개의 어레이의 미니다발을 제공하기 위하여 형성되면, 상기 공정은 반복되고, 그런 다음 마운팅 스트립이 접착제 상에 가압될 수 있다.

상기 공정에 의해 제조되면 각각 하나의 미니헤더와 마운팅 스트립의 한쪽 측면에만 어레이가 있는, 복수의 세 개의 어레이의 미니 다발이 형성될 수 있다.

마운팅 스트립의 각 면에 세 개의 어레이가 있는 여섯 개의 어레이의 미니다발(도 7에 나타난 바와 같이)을 제공하기 위해, 세 개의 어레이의 미니다발이 상기 방법에 의해 형성된 다음, 다시 그 위층에 연속적인 세 개의 어레이를 갖도록 미니 다발을 상기와 동일한 방법으로 형성하여 복수의 여섯 어레이의 미니다발을 형성한다. 연이어 덧씌워진, 연속된 어레이들은 각 어레이의 섬유가 합동적으로 상기 어레이의 섬유 밑의 어레이들의 섬유 위로 덧씌워질 수 있거나, 또는 상기 어레이의 섬유 밑의 어레이의 섬유 사이로 맞물려질 수 있고, 섬유 사이에 선택된 측면 간격을 제공하는 스택을 형성하고, 상기 스택(stack)은 바람직한 충진 밀도를 가질 수 있다. 어레이들은 상기 섬유를 고정하는 접착제의 두께와 상기 섬유의 마운팅 스트립(사용시에)의 두께에 의해서만 분리될 수 있다.

바람직한 접착제는 어레이 내에 상기 섬유를 고정하기 위해 상기 섬유와 열융착되어 위치된, 상용화된 “EVA”와 같은 용융성(또는 “핫-멜트”) 접착제의 스트립일 수 있다. 또 다른 유용한 접착제는 고에너지 음파로서 음향식으로(sonically) 액화될 수 있는 액화성 합성수지 물질의 스트립일 수 있다. 또 다른 접착제는 바람직하게는 20℃에서 1,500-10,000 cP(1.5-10 mPa.sec)의 점성을 갖는, 점성 있는 수지성의 속경화성 수지 접착제일 수 있다.

섬유의 초과길이가 커팅된 다음, 상기 섬유의 하부의 종단부에는 말단을 막기 위해 플러깅(plugging)용 혹은 포팅용 액체(예를 들면, 폴리우레탄)가 침지된 후 건조될 수 있다.

상기와 같은 방법으로 형성된 단일 미니헤더와 느슨한 말단을 가진 섬유를 갖고 형성된 미니다발은, 수용성 글리세린과 같은 후처리 용액의 탱크에 침지된 뒤 건조될 수 있다. 미니헤더는 각 어레이에서 바람직하게 10-250개의 섬유를 가지며, 여과될 유체와 상기 섬유의 직경에 따라 가장 바람직하게는 25-100개의 섬유를 가질 수 있다.

스트립상의 연이어 배열된 어레이들은 한 어레이가 밑에 있는 어레이에 대하여, 종방향으로(즉, 수직한 y-z 면에 고정된 미니헤더에서 x-축을 따라) 가깝게 이격될 수 있다. 상기 연이은 어레이들의 스트립의 두께는 바람직하게 약 0.1-2mm 또는 부분적으로 ‘d’에 따라, 0.05d-1.0d일 수 있다. 각 미니다발은 가장 바람직하게 6개 이하의 어레이들을 포함할 수 있다. 상기 스트립(사용되는 경우)의 각 면의 어레이들의 수는 동일하거나 다를 수 있으나, 6개의 어레이의 미니다발에서는 가장 바람직하게 마운팅 스트립의 각 면에서 3개의 어레이를 갖는다.

미니헤더의 제1 구체예에서, 상기 하부 미니헤더는 상기 섬유-마운팅 스트립의 양쪽 말단에 의해 제공된 일체형 장착 수단 또는 텝을 갖고 상기 박스에 장착될 수 있다. 필요하다면, 상기 미니다발의 어레이의 상부는 상부 헤더에 원하는 형태로 포팅될 수 있는 상부 미니헤더를 형성하기 위해, 유사하게 상부 마운팅 스트립 상에 덧씌워질 수 있다.

미니헤더의 제2 구체예에서는 마운팅 스트립이 제공되지 않는다. 상기 스트립은 상기 미니헤더의 양쪽 면에 위치되는, 마주보는, 독립된, 개별적인 스터브-스트립으로 대체될 수 있다. 상기 미니헤더의 제2 구체예에서는 다음과 같이 조립된다: 스터브-스트립(25' 및 25")(도 4 참조)은 연속적인 섬유로부터 평면 형태의 섬유 배열을 만든 후, 상기 스터브-스트립에 부착되는 섬유의 연이은 층을 갖게 될 수 있다.

방금 전술한 바와 같이 조립된, 상기 미니헤더가 하부 미니헤더로서 사용될 때, 필요하다면, 상기 미니헤더의 어레이의 섬유 상부는 양쪽 일체형 마운팅 텝을 갖는 상부 미니헤더를 형성하기 위해 양쪽 스터브-스트립 상에 비슷하게 배열될 수 있다. 그 다음에, 상기 미니헤더는 상부 헤더의 수직으로 슬롯이 형성된 포팅 팬에서 원하는 형태로 포팅될 수 있다.

미니헤더의 제3 구체예에서는 마운팅 스트립 및 마운팅 스터브가 제공되지 않는다. 상기 제3 구체예에서, 미니헤더는 다음과 같이 조립될 수 있다: 용융성 접착제의 스트립이 가압된 감겨진 섬유의 제1층을 형성하기 위해 연속적인 섬유가 평면 형태의 섬유 배열을 만들고, 상기 연속적인 섬유는 커팅되고, 상기 제1층의 직접 위로, 제2층의 평면 섬유 배열을 생성한 후 용융성 접착제의 스트립이 상기 제2층 위에 가압될 수 있다. 추가적인 섬유의 층은 앞서와 같이, 각각 밑에 있는 층과 부착되어 섬유 스택을 형성한 뒤, 마운팅 수단을 갖지 않는 복수의 미니헤더를 제공할 수 있다.

각 미니헤더가 슬롯이 형성된 박스(48 또는 48')(도 14 및 14A 참조)에 장착되기 전에, 상기 미니헤더를 상기 박스 내에 장착하기 위한 장착 수단을 제공하기 위해 T-자형(T-shaped) 마운팅 핀(66', 66")의 가지들이 어레이 말단 뒤로 삽입될 수 있다(도 7a 참조). 상기 마운팅 핀은 바람직하게 접착식으로 미니헤더 내부에 고정될 수 있다.

만일 복수 개의, 유사한 상부 미니헤더들이 상부 헤더에서 원하는 형태로 포팅되면, 각각의 상부 미니헤더가 유사하게 형성되고, 헤더가 포팅되기 전에 포팅 팬에서 상기 상부 헤더를 장착하기 위해, 상부 미니헤더의 양쪽 말단 근처에서 바람직하게 탈착 불가능하게 T-핀이 삽입될 수 있다.

한 다발에서, 미니다발의 성능에 직접 영향을 미치는 다른 섬유에 의해 둘러싸인 섬유의 비율(percentage)에서, 둘러싸인 비율이 높을수록, 성능은 더욱 저하될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 예시된 바와 같은, 어레이가 덧씌워지지 않는, 각각의 면이 하나의 어레이(최소 미니다발)을 갖는 마운팅 스트립은 상기 미니다발의 너비(y-축을 따라 측정된)를 무시하고, 둘러싸여진 섬유가 없다(0%). 각각의 면이 각각의 어레이가 14개의 섬유만을 가지는(도 13 참조) 세 개의 어레이를 갖는 마운팅 스트립은 개방되어 간섭되지 않고, 여과될 기질과 접촉하는 32개의 섬유를 갖게되며, 남은 52개의 섬유는 다른 섬유에 의해 둘러싸이게 될 수 있다; 즉, 52/84=61.9%가 둘러싸이게 될 수 있다. 각 어레이에서 섬유의 수가 증가할수록, 다른 섬유에 의해 둘러싸인 퍼센테이지는 높아질 수 있다; 왜냐하면, 앞선 제1 어레이 상에서 마운팅 스트립의 한 면에 바람직하게 3개 이하의 어레이가 고정된, 하나의 미니헤더에서 6개 이상의 어레이는 모듈 성능의 비례적인 증가를 제공하지 않기 때문이다.

미니다발의 섬유가 약 65%이상으로 둘러싸인 미니다발은, 보통 쉽게 오염(파울링)되고, 쉽게 깨끗해지지 않아서 장기적 성능의 향상을 보이지 않는다. 앞서 말한 예시된 둘러싸인 섬유의 계산은 상기 스트립의 존재에 영향을 받지 않을 수 있다.

도 2에 상부 헤더(55)보다 너비가 10% 더 넓고, 길이가 15% 더 긴(치수의 차이는 도 2에 보이지 않음), 슬롯이 형성된 박스(58)내에 장착된 미니다발(60)을 갖는 제2 모듈(50)이 예시되어 있다.

각 미니다발(60)에서 섬유(61)의 하부(63)는 조립되어, 막혀있는 섬유(61)의 말단에서, 전술한 바와 같이 도 1에서 상기 하부 미니헤더를 위해 하부 미니헤더(53)(도 2에 보이지 않음)에서 마운팅 스트립(21)에 고정된다. 상기 하부 미니헤더(53)는 상기 박스(58)의 양쪽 면의 슬롯(57 및 57')에서(도 2에 도시되지 않음) 지그재그 형태로 장착되고, 인접한 미니헤더는 상기 전술한 바와 유사한 방식으로 각도 θ를 형성할 수 있다.

장착홀(19)이 탱크에 배치되기 위해, 상기 박스를 케이지 또는 카세트에 장착하기 위해 제공될 수 있다.

전술된 상부 헤더의 형태(iii)를 제공하기 위해, 하부 미니헤더(53)와 유사한 상부 미니헤더(54)(도 2에 보이지 않음)에서, 섬유(61)의 상부는 조립되어 마운팅 스트립(21)에 고정될 수 있다(도 5 참조). 상부 미니헤더(55)는 포팅 팬의 양쪽 벽(슬롯을 갖는 포팅 팬)의 인접한 수직 슬롯(y-z 면)에서 서로 평행하고, 이격되게 장착되고, 배출 라인(56)을 통한 투과수의 배출을 위한 상부 헤더(55)에서, 일체형으로 포팅될 수 있다(도 8과 같이). 도 2에 나타낸 상기 모듈의 하부의 수직한 면의 어두운 선(dark line)들은, (i) 연이은 미니다발에서 어레이의 섬유는 상기 상부 헤더까지 대부분의 거리에서 상기 어레이의 섬유의 지그재그 형태를 유지하고, (ii) 상기 상부 미니헤더 주변의 섬유와 같이, 섬유가 형태(iii)에서 평행한 상부 미니헤더의 직각 배향을 따르는 것을 나타낸다.

전술된 상부 헤더의 형태(iv)를 갖지 않는, 도 2에 나타낸 제2 모듈과 유사한 제3 모듈을 제공하기 위해, 도 3에 예시된 것은 상기 상부 헤더(55)보다 너비가 10% 더 넓고, 길이가 15% 더 긴 슬롯이 형성된 박스(58')이다. 수직투영면적이 26.5% 더 큰 것을 제외하고, 상기 박스(58')는 제2 모듈(50)의 박스(58)와 유사하다. 형태(iv)를 갖는 상기 상부 헤더(55)는 도 3에 박스(58')와 함께 예시되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 모듈이 작동할 때, 상기 박스(58')의 하부에 공기-확산기(air-diffuser, 또는 하나 이상의 공기-파이프)(40)가 위치될 수 있다.

상기 확산기(40)의 상부 표면은 공급된 공기-공급 라인(42)을 통하여, 인접한 미니다발(60)(도 3 및 도 3a에는 보이지 않으나, 미니다발(20)과 유사함) 사이에서 방출되는 공기가 통과하는, 복수의 구멍들(41)이 천공될 수 있다. 제공되는 공기의 양과 압력은 다음의 사항들을 제공할 수 있도록 필요에 따라 조절될 수 있다. (i) 요구된 상기 섬유(61)의 표면의 스크러빙과 (ii) 공기에 의해 스크러빙되어, 떨어진 고형물의 방향을 변화시키는데 요구되는 양을 제공하기 위하여, 상기 산기관 상부에 고형물이 머무르지 않고, 하부에 수집될 수 있다.

도 3a는 슬롯이 형성된 포팅 팬(51)에서 포팅된 상부 미니헤더(54)를 갖는 상부 헤더(55)를 예시한다. 상기 상부 헤더(55)에는, 두 개의 상부 헤더 사이의 차이는 단지 도 3a에 도시된, 포팅되기 전에 포팅 팬(51)에서 지그재그 형태(도 2에 도시된 바와 같이 평행하지 않음)로 장착되는 상부 미니헤더(54)를 갖는 것 하나이기 때문에, 도 2의 상부 헤더에 사용된 것과 같은 동일한 식별 번호가 사용된다.

슬롯(57 및 57')에서 하부 미니헤더(63)의 스트립 말단(21' 및 21")의 지그재그 형태는 상기 상부 미니헤더가 포팅되기 전에, 단일 상부 헤더(55)에서, 각 미니다발(60)의 상부 미니헤더(54)의 스트립 말단(21' 및 21")이 슬롯(67 및 67') 내부로 삽입됨에 의해 유지될 수 있다.

상기 단일 상부 헤더(55)에서 미니다발의 지그재그 형태의 결과는 연이은 하부 미니헤더들 사이의 내각은 상부 헤더들 사이의 내각보다 크기 때문에 에어레이터 박스(58)의 거울상이 되지 않을 수 있다.

미니다발을 조립하는 단계:

각각의 미니다발(20)(도 5 및 도 5a에 예시된, 각 면에서 단일 어레이를 갖는 미니헤더를 갖는 최소 미니다발)은 전술한 미니헤더를 조립하는 간단한 방법을 사용하여 조립될 수 있다.

상기 방법은 테이블 또는 다른 평면 표면상에서, 복수의 섬유(11)를 수동으로 마운팅 스트립(21)에 위치하여 고정시키는 것을 방지할 수 있다.

섬유-마운팅 스트립이 사용되지 않으면, 적층 어레이들의 양쪽 말단에서, T-핀(도 7a 또는 7b 참조) 또는 스터드-스트립(25' 및 25")(도 4 참조)의 마운팅 텝이 제공될 수 있다. 또한, 굴곡강도가 너무 낮아서 상기 미니헤더가 에어레이터 박스 또는 포팅 팬의 수직 슬롯들에서 고정되어 유지될 수 없을 때, 스택의 양쪽 말단에 마운팅 텝이 제공될 수 있다.

도 5에는 마운팅 스트립(21)의 한쪽 측면에 위치되고, 각 섬유가 섬유의 직경 ‘d’, 다발의 에어레이션(폭기) 요구량, 및 기질의 고형물 함유량에 따라 다른 섬유와 ‘s’만큼 떨어진 33개의 섬유를 갖는 미니헤더(23)가 예시된다. 간격 템플레이트가 스트립을 통하여 오는 상기 섬유가 상기 롤러의 표면상으로 유도되도록 롤러 표면의 바로 위에 위치될 수 있다. 바람직하게, 0.5d＜s＜3d 이며, 여기서 ‘d’는 하나의 섬유의 외경을 나타낸다. 상기 ‘s’가 커지면 상기 다발이 더욱 개방되고, 상기 미니헤더의 유효 충진 밀도는 감소할 수 있다.

따라서, 각각의 어레이가 각 면에서 각 어레이가 동일한 수의 섬유 가질 수 있는, 또는 다른 수의 섬유를 가질 수 있는 최소 두 개의 어레이의 미니다발이 형성되며; 상기 어레이들은 섬유-마운팅 스트립(21)의 단일 면에서 생성될 수 있다.

제2 어레이(도 6에 예시된 바와 같은)는 이전 제1 어레이를 위치하고 고정시킨 공정의 반복에 의해 미니헤더의 제1 어레이에 적층될 수 있다. 제2 어레이는 간격 템플레이트(spacing template)를 갖고 상기 제1 어레이의 바로 위에 위치될 수 있어, 상기 제2 어레이의 섬유는 합동적으로 상기 제1 어레이들의 섬유 바로 위에 있는 접착제 상에 덧씌워질 수 있다. 이러한 어레이의 일대일 적층을 위해 보통 각 어레이는 이전의 어레이와 같은 수의 섬유를 가질 수 있다.

미니헤더에서 최대 충진 밀도를 갖기 위해, 상기 제2 어레이는 상기 제1어레이보다 한 개가 적거나 또는 한 개 더 많은 숫자의 섬유를 가질 수 있고, 상기 제2 어레이의 섬유는 하부 어레이의 섬유 위와, 사이에 위치될 수 있어, 각 어레이에서 섬유의 하단은 효과적으로 끼어들어질 수 있다.

각각의 어레이에서 섬유의 숫자가 다른 것처럼, 마운팅 스트립 또는 마운팅 텝의 각각의 면에서 어레이의 수는, 같거나 또는 다를 수 있다.

또는, 섬유-마운팅 스트립이 없으나, 스터브-스트립(25' 및 25")을 갖는 미니헤더를 갖는(미니헤더의 제2 구체예) 미니다발을 제공하기 위해, 상기 전술한 바와 같이 미니헤더가 조립되고, 조립될 미니헤더의 양쪽 말단에 상기 스터브-스트립을 위치시키고, 섬유 말단을 스터브-스트립에 접착식으로 고정시킬 수 있다. 그 다음에 상기 섬유의 상부는 미니다발의 상부가 포팅되기 전에, 원하는 상부 헤더 형태로 배치될 수 있다.

미니다발에서 섬유의 충진밀도 δ_h는 (상기 미니다발의 미니헤더의 단면에 의해 점유된 면적)을 (각 섬유의 외경을 사용해 계산된 미니다발에서 모든 섬유의 전체 단면적)으로 나눈 것으로 정의된다. 상기 충진밀도는 보통 상기 분율에 100을 곱한 값으로서 나타낸다.

구체예에서 미니다발 또는 하부 미니헤더의 충진밀도는 30~80%(0.3~0.8)의 범위를 가지며, 바람직하게는 40~60%(0.4~0.6)의 범위를 가질 수 있다.

제1 구체예에서 에어레이터 박스 내에서 상기 섬유의 유효 충진밀도(δ_he)는 마운팅 스트립의 각각의 면에서 어레이들의 수, 상기 섬유의 직경 및 상기 박스의 면적에서 상기 섬유의 이격에 따라, 38%이하(0.38)일 수 있다. 바람직하게는 15%-35%(0.15~0.35) 일 수 있다.

명확하게, 개방된 단면적 1,511㎡를 갖는 에어레이터 박스 내 마운팅 스트립에서 1.8mm의 거리로 이격된 80개의 섬유의 미니헤더에서 외경(o.d)이 2.0mm를 갖는 섬유를 갖는 최소 미니다발(마운팅 스트립의 각각의 면에 한 어레이당 80개의 섬유가 있는)의 모듈에서 유효 충진밀도는 33.3% 일 수 있다.

도 5에는 바로 맞은편 어레이의 중간 섬유에 위치된 스트립의 한쪽 측면과, 상기 스트립의 다른쪽 면에서의 한 어레이의 섬유를 보여주는 확대된 미니헤더(23)의 말단부가 예시된다. 상기 섬유는 또한 상기 스트립의 다른쪽 면에 바로 맞은편 섬유가 위치될 수도 있다.

만일, 제2 어레이가 상기 제2 어레이 바로 밑에 있는 제1 섬유의 중간에 위치된 제2 섬유를 갖고 위치된다면, 상기 마운팅 스트립의 두께에 의해 이격되더라도, 상기 두 어레이는 서로 끼어들어질 수 있는 섬유를 갖는 것으로 가리켜질 수 있다. 섬유의 제2 어레이가 섬유의 제1 어레이의 바로 위에 덧씌워져 겹쳐질 때, 상기 마운팅 스트립의 두께에 의해 이격되더라도, 제2 어레이는 제1 어레이 위로 합동적으로 위치된 것으로 가리켜질 수 있다.

도 6은 마운팅 스트립(31)의 한쪽 측면에서 제1 어레이가 상기 스트립(31)에 위치되어, 열융착되는 제1 접착 리본(22)으로 고정된 다음, 마운팅 스트립(31)의 한쪽 측면에서 제1 어레이(27)과 제2 어레이(28) 2개의 어레이가 형성되는 것을 묘사한, 미니다발(28)의 4개 어레이를 도식적으로 예시한 투시도이다(리본이 용융된 다음 제2 어레이의 섬유의 밑은 보이지 않는다). 그 다음에 제2 어레이(28)는 합동적으로 접착식으로 고정된 제1 어레이(27) 상에 덧씌워지고, 제2 접착 리본(22)은 상기 제1 어레이(27) 위에 열융착 될 수 있다(상기 리본이 용융되기 전에 제2 어레이의 맨 위에서 보임). 도 6에 예시된 바와 같이, 36개의 섬유를 갖는 각각의 어레이는, 38개의 개방 섬유를 갖고, 이것은 각 면에서 72개의 섬유중 34개의 섬유가, 또는 47.2%가 둘러싸인 것이다.

두 어레이들(27, 28)이 마운팅 스트립(31)의 제1 면에서 형성된 다음, 상기 스트립은 뒤집혀서 위치시키고 고정하는 동일한 시퀀스로 두 개의 추가적인 어레이(27, 29)이 형성될 수 있다. 간단 명료하게, 상기 마운팅 스트립의 제1 면에서 처음 두 어레이의 형성만이 예시된다. 정면에서 보여진 상기 두 어레이들의 형성에 대응하여, 마운팅 스트립(31)의 반대쪽 면에서 형성된, 두 개의 합동 어레이를 확인하기 위해, 제2 접착 리본(22)의 한쪽 말단이 도 6에서 고정된 두 개의 어레이(27, 29) 뒤로 보여진다.

종단부에서, 헤더 사이의 섬유의 전체 길이의 보통 3%-7% 만이 마운팅 스트립에 고정되어, 상기 섬유가 서로 이격되더라도, 상기 종단부가 모듈에 위치된 이후, 미니다발의 하부의 중요한 부분에서 상기 다발로 이루어진 어레이의 형태학적 규칙성은 유지될 수 있다.

도 7은 한 어레이의 섬유가 인접한 한 어레이의 섬유 사이에 위치되도록 각 어레이는 EVA 필름의 열융착된 리본(22)으로 마운팅 스트립에 연속적으로 고정되는 각 면에 3개의 어레이의 섬유(11)를 갖는 마운팅 스트립(21, 21' 및 21")이 있는 미니헤더(24)를 바닥에서 본 그림을 예시한다. 상기 섬유의 종단부가 막혀있을 때, 마운팅 스트립의 데드-엔드(dead-ended) 어레이는 에어레이터 박스(12)에서 그것의 수직운동을 허용하기 위해 슬롯(17 또는 17')내에 삽입되어 고정되는 하부 미니헤더(24)를 구성한다. 도 7에 예시된 바와 같이, 접착 리본에 의해 각각의 면이 분리된 각각의 어레이의 섬유를 갖는, 마운팅 스트립의 각 면에 3개의 어레이가 있는 각각 36개의 섬유를 갖는 6개의 어레이들에서, 모든 섬유는 하나의 어레이가 다른 어레이위에, 각 면에 40개의 개방된 섬유를 갖고 합동적으로 위치되며, 이것은 섬유의 62.9%가 다른 섬유로 둘러싸인 것이다.

상기 둘러싸인 섬유들의 비율이 높아질수록, 여과를 위해 배치된 멤브레인 표면적의 기능으로서의 다발의 성능은 계속해서 저하된다; 섬유가 65%이하로 둘러싸일 때 더 나은 성능을 얻게될 수 있다.

도 7a에 따르면, 평면도에서, 합동 어레이에 서로 접착식으로 고정된 섬유(11)의 하부를 보이는 마운팅 스트립이 없는 6개의 어레이의 미니헤더(64)의 하부를 도식적으로 예시한다. 용융성 접착 리본(68')이 연속적인 어레이를 고정하고, 상기 용융성 접착 리본(68')의 가장 바깥쪽 레이어가 미니헤더에서 모든 어레이 배열을 한정할 수 있다. 장착 수단은 T-핀의 가지(arm)가 각 어레이의 섬유 말단의 뒤에 오도록 삽입된 T-자형 핀(66', 66")에 의해 제공될 수 있다.

도 7b는 용융되기 전의 미용융 접착제(68)의 가장 바깥쪽 리본만을 도시한 미니헤더(64)의 투시도이다. T-핀(66' 및 66")은 미니헤더가 조립되어 상온으로 냉각된 이후에 삽입될 수 있다. 어레이는 미니다발(20, 도 17 참조)의 복수의 하부 미니헤더(23", 도 7 참조)를 접착식으로 고정시킬 수 있다. 이때 도 5와 같이 마운팅 스트립(21')의 각 면에 두 평면 배열 어레이만 위치할 수 있다. 상기 마운팅 스트립(21')은 에어레이터 박스(12)에 수직 슬롯(17, 17'(도 18 참조))에 연속으로 번갈아 배치되어, 상기 마운팅 스트립(21')의 각 쌍(pair)이 동일한 각을 형성하여 동일한 지그재그형태를 만들 수 있다.

도 8은 제3 모듈의 상부헤더(30)의 단면도이다. 상부헤더는 그 아래의 에어레이터 박스와 동일한 너비와 길이를 가지고; 트윈 어레이를 가지는 미니다발의 복수의 하부 미니헤더(54)는 미니헤더(54)와 평행관계를 갖고 각 미니헤더는 상부 헤더(30)와 에어레이터 박스(31)의 종방향 x-축에 수직한 y-z 면에 놓여, 상부 헤더(30)의 양쪽 벽에 수직 슬롯(67, 67')에 장착될 수 있다.

도 9는 제3 모듈의 상부 헤더(30)와 동일한 너비와 길이를 가지는 에어레이터 박스(31)의 평면 단면도이다. 각 미니다발이 수직 x-z 평면과 x-z 평면에 직각인 수직 x-z 평면 모두에 각을 갖고 놓이도록, 트윈-어레이 미니다발의 복수의 하부 미니헤더(53)는 박스의 각을 이룬 수직 슬롯(57, 57')에 지그재그 형태로 장착된다. 특정 예에서 인접한 미니다발 사이의 내각은 약 4°일 수 있다.

도 10은 제4 모듈의 상부 헤더(30)의 평면도로서, 상부 헤더는 그 아래의 박스와 동일한 너비와 25% 작은 길이를 가질 수 있다. 트윈-어레이를 가지는 미니다발의 복수의 상부 미니헤더는 상부 헤더(30)의 양쪽 벽에 수직 슬롯(67, 67')에 평행하게 장착되고, 각 미니헤더는 상부 헤더(30)와 박스(33)의 종방향 x-축에 수직한 y-z 면상에 위치할 수 있다.

도 11은 제4 모듈의 에어레이터 박스(33)의 평면도로서, 상기 박스는 상부 헤더(30)와 동일한 너비와 25% 긴 길이를 가질 수 있다. 트윈-어레이를 가지는 미니다발의 복수의 상부 미니헤더는 박스(33)의 양쪽 벽에 각을 이룬 수직 슬롯(57, 57')에 지그재그 형태로 장착되어 인접한 미니다발이 상부 헤더와 동일한 너비와 동일한 길이를 가지는 박스에서의 미니다발 사이 내각보다 인접한 미니다발의 내각이 더 큰 V 형태로 놓이게 할 수 있다.

도 12는 에어레이터 박스(58)의 상면도로, 정면 종방향 벽(32)에서 각을 이룬 수직 슬롯(57)과 인접한 슬롯 사이의 내각과 함께 반대벽(34)의 슬롯(57")을 예시한다. 양쪽 말단 벽은 도시되지 않는다. 상기 박스의 상부와 하부는 개방될 수 있다.

도 13은 하기(도 14에 도시된) 에이레이터 박스(48)와 너비는 동일하나 25% 짧은 길이를 가지는 상부 헤더(46)를 예시한 하부 평면도이며; 미니다발(24)의 복수의 상부 미니헤더는 각각 6개의 어레이를 가지며, 마운팅 스트립의 각각의 면의 세 개의 합동 어레이는 상부 헤더(46)의 전면(44) 및 배면(45) 벽들의 수직 슬롯(67, 67')에 평행하게 장착될 수 있다. 각 미니헤더는 헤더(46)와 아래 박스(48)의 x-z 면 및 종방향 x-축에 수직하도록 y-z 면상에 위치할 수 있다.

도 14는 상부에 위치한 상부 헤더(46)와 너비는 동일하나 25% 긴 길이를 가지는 에이레이터 박스(48)의 평면 분해도로서, 마운팅 스트립상에 합동 어레이를 가지는 복수의 6개의 어레이 상부 미니헤더(24')는 박스(48)의 양쪽 벽에 수직인 각을 갖는 슬롯(57, 57')에 지그재그 형태로 장착될 수 있다.

도 14a는 상부에 위치한 상부 헤더(46)와 너비는 동일하나 25% 긴 길이를 가지는 에이레이터 박스(48')의 평면 분해도로서, 복수의 6개의 어레이 상부 미니헤더(64)는 상기 박스(48')의 양쪽 벽에 수직하게 각을 갖는 슬롯(57, 57')에 T-핀이 지그재그 형태로 삽입된 상태로 장착될 수 있다.

도 15는 섬유의 어레이(36)가 포팅되는 상부 헤더(37)의 하부 면의 평면도이다. 상기 헤더(37)는 배열되어 포팅되는 16개의 어레이(12개만 보임)를 평행한 관계로 포함하며, 각 어레이는 종방향 x-축과 동일한 방향으로 평행한 x-z 면상에 놓일 수 있다.

도 16은 합성 하부헤더(39)에서 어레이의 네 개의 횡방향으로 이격된(y-축을 따라 이격) 서브번들(39a ~ 39d)의 평면도이다. 각 서브-번들은 복수의 섬유를 가지며 각 하부헤더에 포팅된 4개의 평면 어레이를 포함할 수 있다. 상부 헤더(37)는 합성 헤더(39)와 동일한 너비와 길이를 가진다. 상기 서브-번들은 개별적으로 포팅되고 좌우로 이격(y-축을 따라)되어 복합 하부헤더(39)를 형성할 수 있다.

도 17에 따르면, 모든 트윈-어레이 미니다발(20)이 에어레이터 박스(12)의 벽의 슬롯(17, 17')에 연이어서, 교대로, 등각으로, 지그재그 형태로 삽입된 후의 모듈(10)의 박스(12)의 분해 사시도가 도시되어 있다. 키퍼 스트립(71, 71')은 박스 벽의 상부 표면에 나사(72)로 고정되어 미니헤더가 섬유를 스크럽하는 공기에 의해 슬롯 밖으로 밀려나지 않도록 할 수 있다. 각 미니다발의 섬유의 상부의 종단 상부(미도시)는 인접한 미니다발의 섬유로부터 분리되어 도 1에 전술된 바와 같이 포팅될 수 있다.

도 18은 모듈(10)의 에어레이터 박스(12)의 사시도로서, 슬롯(17, 17')이 박스의 측면 아래로 연장하는 것을 도시한다. 벽(32, 34)은 양 끝에서 좌우 말단캡(47, 49)과 말단 캡핑된다. 이때 후자는 박스를 장착하기 위한 장착홀(19)을 포함한다. 키퍼 스트립(71, 71')은 하부 미니헤더가 슬롯(17, 17')에 삽입된 후에 종방향 벽의 상부표면에 고정될 수 있다. 분명히, 미니다발의 연속된 쌍 사이 내각이 동일하게 슬롯을 커팅할 필요는 없지만, 등각인 미니다발이 바람직하다. 상기 에어레이터 박스(12)는 바람직하게 폴리올레핀, 폴리에틸렌 등의 열성형된 합성수지 물질로 형성될 수 있다.

도 19는 개방 에어레이터 박스(12)의 사시도가 예시된다. 개방 에어레이터 박스(12)는 전면 종방향 벽(32) 및 후면 종방향 벽(34)을 각각 포함하고 벽들의 내부 표면에는 수직인 각을 가지는 슬롯이 커팅되어 있을 수 있다. 도 19는 폐수 탱크에서 사용되는 설치 모듈(50)을 도식적으로 예시한다. 상기 모듈은 공기-확산기(40) 구멍에서 솟아오르는(rising) 공기로 스크럽 될 수 있다. 공기 공급 라인(42)의 공기량과 압력은, 상승하는 공기의 기포가 미니다발(60)의 섬유에 침투하는 흐름 패턴을 만들고 동시에 섬유 표면에 퇴적되고 스크럽되는 고형물 아래로 압력이 가해지는 동안 섬유 표면에 새 폐수를 제공하는 폐수순환을 생성하기 위해 조절될 수 있다. 투과수 배출 라인(56)에서 흡입하는 결과 투과수 P가 배출될 수 있다.

약 0.2-3 mm의 공칭직경을 가지는 섬유는 보통 유체의 정밀여과 및 한외여과 용으로 사용되지만, 0.5-2.5 mm의 외경을 가지는 섬유가 바람직하게 사용될 수 있다. 섬유의 벽 두께는 보통 섬유 외경의 약 2% ~ 약 60% 이며, 바람직하게는 0.1 mm-0.5 mm일 수 있다. 이러한 섬유는 5 kPa(0.7 psi)-75 kPa(10.9 psi)의 멤브레인을 통한 압력차로 작동하며, 중력으로 투과수가 배출되어 주위기압 하에서 사용될 수 있다. 섬유를 배치하기 위해 롤러를 사용하여 평면 어레이를 갖는 전술한 미니다발이 만들어질 경우 섬유들은 바람직하게 유연할 수 있다. 요구되는 유연성은 미니다발 섬유의 선택된 길이에 해당하는 롤러 원주에 섬유를 감싸기 충분할 수 있다.

섬유는 등방성이거나 이방성인 유기 중합체 또는 세라믹스로 제조되며, 섬유의 외부 표면에 얇은 막이나 “스킨”이 존재할 수 있다. 일부 섬유는 다공성 천연 고무 라텍스 또는 비수용성 셀룰로오스 중합체 물질로 피복된 편조된 면직물이나 중합체 섬유로 제조될 수 있다. 바람직한 섬유용 유기 중합체는 폴리설폰, 폴리(스티렌), 아크릴로니트릴-스티렌, 부타디엔-스티렌 및 스티렌-비닐벤질할라이드 공중합체와 같은 스티렌-함유 공중합체를 포함하는 중합체들, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 중합체, 폴리프로필렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(에틸렌테레프탈레이트), 폴리 비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 등일 수 있다. E.I. DuPont deNemours 사(Co.) 및 미국특허 제 4,069,157호에 따르면, 미니다발의 롤러 배치에 적합하지 않은 세라믹 섬유는 그 중에서도 특히 알루미나로 제조될 수 있다.

사용되는 중합체와 헤더에 섬유를 고정하는 방법은 종래에 잘 알려져 있으며, 섬유와의 호환성, 모듈이 작동하는 온도, 비용, 투과수의 오염을 막기 위해 각 헤더 내에서 유체기밀식 관계로 섬유를 고정시켜야 한다는 필수 요구사항에 따라 선택될 수 있다.

다발의 성능은 다발에서 각 섬유의 표면이 여과에 이용되는 정도의 함수이다. 이용 가능한 섬유 표면의 총면적은 기질상의 섬유 충진 밀도에 따라 다르지만, 다른 섬유가 미니헤더의 섬유 표면을 둘러싸는 정도에 따라서도 다를 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자라면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예 및 비교예

에어레이션 파이프(AP1) 위로 4개의 서브-번들된 하부 헤더를 가지나, 박스에서 규제되지 않는 ‘014 출원의 모듈(비교예)의 성능과, 동일한 에어레이션 파이프(AP2) 상에 포지셔닝 되고 지그재그 형태로 에어레이터 박스에 장착된 미니다발로 구성된 본 발명의 모듈(실시예)의 성능을 비교하였다.

‘014 출원의 모듈(비교예)의 상부 헤더는 각각 135개의 섬유를 가지며 간격‘s’가 0.8mm인, 16 개의 포팅된 어레이를 포함하고; 각 서브-번들은 각각 135개의 섬유를 가지며 간격‘s’가 0.8mm인, 4 개의 포팅된 어레이를 포함하였다. 상기 실시예 모듈의 상부 헤더는 에어레이터 박스에 장착된 36개의 트윈-어레이 미니다발을 포함하며, 이 상부는 72개의 그룹으로 나뉘어져 불규칙한 간격으로 포팅되었다. ‘014 출원의 도면부호 116과 같은 수직 가스 도관을 필요로 하는 복수의 모듈이 아닌, 비교예의 모듈 한 개만 비교했기 때문에, 실시예 모듈의 에어레이터 박스에서 사용되는 동일한 에어레이션 파이프를 비교예에도 사용하였다. 상기 비교예의 에어레이터 박스와 동일한 공기-규제 기능을 수행하기 위해 상기 비교예의 양쪽 측면중 한 측면에 사이드 패널(‘014 출원의 도면부호 118과 같은)을 구비하였다.

상기 실시예 및 비교예의 모듈의 구성은 하기와 같다:

(a) 하기 스펙(specification)을 갖는 동일한 섬유들:

섬유의 외경(Outside Diameter of fibers): 2.2mm

섬유의 내경(Inside Diameter of fibers): 0.9mm

^§ 멤브레인의 공극 크기(Pore size in membrane): 0.03㎛

섬유의 X-섹션 면적(X-sectional area of a fiber): 3.80㎟

헤더 사이의 섬유 길이(Fiber length between headers): 1090mm

(b) 동일한 치수를 갖는 각 모듈의 상부 헤더, 즉

각 상부 헤더의 길이: 402mm

각 상부 헤더의 너비: 102mm

각 상부 헤더의 수직투영면적: 0.041㎡

(c) 아래와 같이 그룹된 말단 폐쇄된 섬유의 하부

^＊ 그룹으로 포팅된 비교예의 서브-번들에서;

각각의 길이: 402 mm

각 서브-번들의 너비: 15mm

서브-번들 사이의 거리: 8mm

⁺ 그룹의 너비: 102 mm

실시예의 에어레이터 박스

길이: 402 mm

너비: 102 mm

에어레이터 박스의 수직투영면적: 0.041㎡

비교예의 사이드패널 사이의 너비: 110 mm

(d) 비교예 및 실시예의 다른 스펙

비교예 및 실시예의 전체 높이: 1300 mm

물속에서 비교예 및 실시예의 부피: 0.053㎥

각 모듈의 다발에서 섬유의 수: 2160개

각 포팅된 헤더 내 멤브레인 표면적: 16.3㎡

각 포팅된 헤더 내 섬유의 단면적: 0.0082㎡

상부 헤더 내 섬유의 충진밀도: 20%

멤브레인 면적/유닛 부피, (㎡/㎥): 307

§: 폴리스티렌 라텍스 입자에 의해 측정된다(참조: Separation and Purification technology 63(2008) 415-423).

*:“그룹”은 함께 이격된 4 개의 서브-번들을 가리킨다.

+: 4 개의 서브-번들은 8mm 이격되고 상기 그룹의 외각 말단에서 9mm의 말단-간격을 가진다.

상기와 더불어, 하기 표 1은 ‘014 다발(비교예)의 4개의 서브-번들 섬유 및 실시예의 모듈에 사용된 36개의 미니다발에 대한 스펙 비교이다.

	미니다발(실시예)	서브-번들(비교예)
하부 미니헤더/서브-번들	36	4
어레이 당 섬유 수	30	135
각 어레이의 수	2	4
마운팅 스트립의 너비 또는 두께	1.0mm	-
섬유 사이의 측면 간격 ‘s’(x-축)	0.8mm	0.8mm
섬유 사이의 횡방향 간격 (y-축)	1.0mm	0.4mm
모듈 내 섬유 수	2160	2160
길이(종방향, x-축)	102mm	402mm
너비 또는 두께(y-축)	5.8mm	15mm
수직투영면적(footprint)	5.916㎠	60.30㎠
충진밀도 δ_h	38.5%	34.0%
에어레이터 박스/그룹 내 δ_he	20%	20%
20cm 높이의 직사각 평행파이프형 섬유의 부피	45.6㎤	410.4㎤
각 하부 미니헤더/서브-번들의 δ_v	0.372	0.340

앞선 두 모듈의 스펙 비교는 실시예 및 비교예중에서 어느 것이 더 나은 성능을 보일지 판단할 합리적인 근거가 되지 않는다. 그러나, 각 직경이 2.2 mm 이고, 밀접하게 이격된 60개의 섬유만으로 최소 두 개의 어레이의 미니다발이 미니헤더에서 38.5%의 충진밀도 δ_h를 제공할 경우(이때 δ_h는 비교된 102mm 길이의 6개의 어레이의 미니다발이고 마운팅 스트립은 1 mm 두께이며, 연이은 어레이 사이에 접착제 두께가 0.4 mm인), 너비(두께)가 15.8 mm인 미니헤더의 충진밀도 δ_h는 42.5%가 될 것이다. 간격이 0.8 mm를 초과하면, δ_h는 30%로 낮아질 수도 있다. 하부 미니헤더의 충진밀도 δ_h의 바람직한 범위는 0.3-0.5이며, 더욱 바람직하게는 0.34 이상이다.

에어레이터 박스의 면적이 그대로 유지되면, 유효 충진밀도는 δ_h의 함수에 따라 변화한다. 에어레이터 박스에서 유효 충진밀도는, 에어레이터 박스의 미니다발의 수 및 미니다발의 형태에 따라, 바람직하게 15 - 30%이다.

또한 실시예 미니다발의 하부 미니헤더에서든지, 또는 비교예의 서브-번들에서든지, 부피 충진밀도 δ_v는 성능에 영향을 미치게 될 것이다; 하지만, 이런 δ_v의 영향의 정도는 예측 불가능하다. 결론적으로, 사용된 섬유의 물리적 스펙, 배치된 섬유의 간격, 미니다발에서 어레이의 수, 및 미니다발에서 어레이의 배열 방식에 따라, 하부 미니헤더의 상부 표면에서 측정된 높이가 20 cm인 기질의 직사각 평행파이프 형태의 컬럼에서, 하부 미니헤더를 위한 부피 충진밀도 δ_v는 0.12 - 0.4, 바람직한 범위는 0.32 이상 0.4 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.34 이상 0.4 미만이다.

실험예 1

전술한 스펙을 갖는 상기 실시예 및 비교예에 따른 한외여과 모듈은 21℃에서 활성슬러지(“오수” 기질)를 0.8㎥ 포함한 1.0㎥의 파일럿 탱크 내에 나란히 장착되었다. 수직 스틸 플레이트(steel plate)는 총 10,000 mg/L의 혼합액 현탁 고형물(Mixed Liquor Suspended Solid, MLSS) 농도를 가진 동일한 활성 슬러지에 침지되어 공유된 두 모듈을 분리하였다. 상기 고농도의 활성 슬러지는 가속시험을 제공하기 위해 사용되었다. 각 모듈의 섬유는 기포를 만드는 코스 기포 확산기(coarse bubble diffuser)를 사용하여 4.0 ㎥/hr/모듈의 유속으로, 연속으로 8 시간의 주간 운전 동안 “공기 스크럽”되었다. 상기 공기기포는 (1) 비교예의 서브-번들된 헤더 및 (2) 실시예의 에어레이터 박스에서 약 15cm 밑에 위치한 에어레이터 파이프로부터 방출되었다. 상기 활성 슬러지의 균질성(homogeneity)을 확보하기 위해, 슬립-스트림(slip-stream)이 탱크로부터 배출되어 8 시간의 주간 운전 동안 계속 리사이클링 되었다.

각 다발의 섬유의 상부는 5.0 cm 두께의 포팅 수지(potting resin)에서 포팅되어 투과수가 배출되는 헤더를 제공하였다. 사용된 포팅 수지는 약 60 Shore D의 경도를 갖는 폴리우레탄이었다. 멤브레인의 하단은 4 개의 번들로 세분되고, 개별 하부 헤더에서 포팅되기 전에 말단 폐쇄되며, 각 하부헤더는 길이가 각각 40 cm이고 너비는 1.5 cm이고 서로 13.3 mm 만큼 이격된 4 개의 팬에서, 5 cm 두께의 포팅 수지에서 각각 심겨지면서 개별 하부헤더에서 포팅되어, 합성된 하부 헤더에서 4 개의 서브-번들의 그룹의 너비는 102 mm를 가진다.

성능 비교는 50 LMH(liters/meter²/hr)의 순간 투과유량에서 20℃(TMP 20)로 조절된 멤브레인을 통한 압력 측정을 기반으로 하는데, 이는 상기 측정은 오염(파울링, fouling)에 대한 미세한 정량을 제공하기 때문이다.

각 모듈로부터의 투과수는 진공 펌프로 약 30 kPa정도 석션하여 상부 헤더로부터 투과수 배출 라인을 통해 배출된다. 배출된 투과수는 이는 실제로 육안으로 보이며 멤브레인의 성능을 보여주는, 약 0.8의 NTU (네펠로메트릭 탁도 단위, nephelometric turbidity units)의 평균 리딩값을 가진다. 비교테스트는 주간 8시간씩 연일 실시하였다.

두 모듈은 섬유를 통해 매일 1분 동안 25 LMH의 투과수를 펄싱에 의해 수동으로 역세척되었다. 도 20의 그래프는 실시예 및 비교예의 모듈이 작동되는 동안 시간의 함수로서 TMP 20 데이터 포인트를 나타내었다. 자동 데이터 기록기를 사용하여 10분마다 샘플을 채취하여 측정하였다.

도 20을 참조하면, 각 모듈의 성능은 처음 16시간 동안 비슷하지만(약 12 kPa), 그 이후에는 비교예(‘014 출원)의 모듈의 TMP 20 값이 상승하기 시작해서 작동 25시간 후에는 19 kPa에 도달하였다. 반면에, TMP 20 값이 12 kPa를 초과하기 전에 비교예의 모듈은 매일 8시간씩 50시간 동안의 작동에서 약 12 kPa 수준에서 계속 작동하였다.

실험예 2

실시예에서 제조된 모듈의 임계 플럭스(critical flux)를 결정하기 위해, 다양 플럭스에서, 0.08㎥/㎡/hr의 특정 공기 유속(specified air flow rate)에서 상기 실험예 1과 동일한 폐수에서 미니다발을 갖고 운전되는 실시예의 모듈을 각각의 플럭스에서 연속적인 운전시간대에서 각 TMP 변화를 플롯팅하여 도 21의 그래프에 그 결과를 도시하였다. 도 21을 참조하면, 플럭스가 높을수록 TMP 값은 증가하지만, 55 LMH에서도 TMP 20 값은 일정 수준으로 유지되었고, 따라서 본 실험예 결과로 볼때 사용된 상기 모듈의 임계 플럭스는 55 LMH이상임을 알 수 있었다.

실험예 3

0.08㎥/㎡/hr의 특정 공기 유속과 40 lmh의 플럭스에서 실험예 1과 동일한 폐수에서 미니다발을 갖고 작동되는 실시예의 모듈의 16시간 동안의 TMP 20의 변화를 플롯팅하여 도 22의 그래프에 그 결과를 도시하였다. 도 22를 참조하면, 실시예의 모듈의 경우 약 8kPa의 막간차압 수준을 유지하면서 작동하고 있음을 알 수 있었다.

실험예 4

‘014 출원에 따른 비교예의 모듈(‘014 출원의 도면부호 400 번과 같은) 및 미니다발을 가진 실시예의 모듈을 같은 조건에서 실험하였다. 상기 실시예 및 비교예의 모듈에서 얻은 임계 플럭스를 비교하기 위해, 200분 동안 운전 플럭스를 변경하며 TMP 변화를 시간 좌표 및 플럭스 좌표로 플롯팅하여 도 23의 그래프에 그 결과를 도시하였다. 도 23을 참조하면, 실시예의 임계 플럭스 값은 공기유량 0.11㎥/㎡/hr에서 48 LMH 이고, 비교예의 임계 플럭스 값은 더 높은 공기유량인 공기유량 0.13㎥/㎡/hr에서 31 LMH인 것을 알 수 있었다.

상기 실험예 1~4에서, 모듈의 멤브레인 표면적이 주어졌을 때, 섬유가 상기 언급된 제한에 따라 미니다발로 나누어져, 상부 헤더의 종방향 축에 평행관계로 놓이는 서브-번들에서 종래 방법으로 포팅된 하부 헤더보다, 상기 미니다발이 상부 헤더의 종방향 축에 대하여 횡방향 관계로 놓여지는 상기 미니다발이 지그재그 형태로 장착된 에어레이터 박스를 갖는 모듈에서 동작하는 경우, 성능이 크게 향상되는 것을 보여주었다.

어렵고 힘든 수질-정화에 필요한 더욱 효과적이고 경제적인 새로운 모듈을 제조하고 상기 새로운 모듈을 사용한 최상의 모드의 특정한 예를 갖고 상기 새로운 모듈의 일반론적인 논의를 제공하고, 설명 및 예시하였다. 따라서, 예시되고 설명된 상기 특정한 구체예를 이유로 과도하게 제한될 수 없는 것으로 이해되어야 하고, 특히 상기 새로운 모듈은 본 명세서에서 출발한 세부사항에 맹종하여 제한되지 않는다.

Claims

다성분 액체기질 내의 미립자 물질의 농도가 증가하는 동안, 상기 다성분 액체기질로부터 투과수를 배출하기 위한 모듈로서, 상기 모듈은,
외부로부터 유입되는 여과를 위한 복수의 중합형 중공사막을 포함하며, 상기 중공사는 5kPa~75kPa의 막간차압을 받으며, 셸에 의해 고정되지 않고,
상기 모듈은 상부 헤더의 수직투영면적 보다 35% 이하로 더 큰 수직투영면적을 갖는 에어레이터 박스로부터 수직으로(z-축) 이격된 상부 헤더와, 최소한 4개의 미니다발을 포함하고, 상기 상부 헤더 및 에어레이터 박스는 동일한 방향으로, 각각 종방향(x-축)으로 연장하며, 상기 미니다발 각각은 상기 에어레이터 박스 내에 장착된 하부 미니헤더를 가지고;
상기 미니다발은, 2 내지 12개의 평면 배열 어레이를 포함하고, 각 어레이는 각 하부 미니헤더에서 서로 측면으로 이격되어 고정된 10-250개의 섬유를 가지며,
상기 하부 미니헤더의 섬유 상부는 상부 미니헤더에 조립 및 포팅되고, 상기 하부 미니헤더의 섬유 하부는 하부 미니헤더에 접착 고정되고, 상기 상부 미니헤더 및 하부 미니헤더는(z-축을 따라) 고정된 거리로 수직하게 이격되어 배치되고;
각 상부 미니헤더의 섬유 상부는 상기 모듈의 상부 헤더에 포팅되어 일체가 되고, 섬유내 공간(루멘)을 갖는 상기 섬유의 상부는 개방 유체 통로에 투과수 수집 수단을 포함하며;
상기 섬유의 하부는 각각의 평면 배열 어레이가 서로 측면으로 이격되어 고정되어, 적어도 두 개의 평면 배열 어레이가 하부 미니헤더에 연이어 고정되어 있는 막혀있고 접착식으로 고정된 말단부를 갖고;
상기 에어레이터 박스의 양쪽 벽 내부의 슬롯 내부의 각각의 하부 미니헤더가 미끌어지도록 장착되기 위해, 각각의 하부 미니헤더의 양쪽 말단부에 장착 수단이 위치되고; 그리고
각각의 장착된 하부 미니헤더는, 연이은 하부 미니헤더들이 1 내지 20도의 범위의 내각을 갖도록 상기 에어레이터 박스의 종방향 x-축에 대하여 횡방향(y-축)으로, 지그재그 형태로 배치되는 구성을 갖는 모듈.
제1항에 있어서,
상기 연장된 상부 헤더 및 에어레이터 박스는 각각의 폭보다 최소 두 배 이상 길고;
장착 수단들을 갖는 상기 하부 미니헤더는 상기 에어레이터 박스의 너비보다 큰 유효 너비를 가지고;
상기 슬롯 내부에서 상기 하부 미니헤더의 상하 운동을 위해 상기 하부 미니헤더가 상기 슬롯 내부에 장착되고; 그리고
미니다발에서 각각의 상기 섬유는 다른 섬유와 같이 길이가 동일하고, 각 섬유의 중간 부분이 상기 미니다발 내의 또 다른 섬유의 움직임에 상관없이 제한적으로 움직이게 하도록, 상기 길이는 상기 고정된 거리보다 0.1% - 5% 미만으로 더 긴 모듈.
제2항에 있어서,
상기 섬유는 1-3mm의 공칭 직경 ‘d’를 가지고, 0.1d 에서 3d 이하로 이격하여 고정되고,
상기 섬유의 65%이하가 인접한 섬유의 어레이들에 의해 둘러쌓이도록, 각 하부 미니헤더는 2-6개의 평면형 배열 어레이들의 섬유를 포함하며,
상기 에어레이터 박스의 상기 양쪽 벽 내부는, x-z 면 및 y-z 면에 대해 각을 이루는 각각의 하부 미니헤더 내의 각각의 장착 수단들을 유지하기 위해 수직하게 각을 가진 슬롯들을 가지는 모듈.
제3항에 있어서,
상기 각각의 하부 미니헤더는 포팅 되지 않고 조립되는 모듈.
제3항에 있어서,
상기 장착 수단은 마운팅 스트립의 양쪽 말단부에 의해 제공되는 모듈.
제3항에 있어서,
상기 장착 수단은 한 쌍의 T-자형 마운팅 핀에 의해 제공되는 모듈.
제3항에 있어서,
상기 장착 수단은 한 쌍의 스터브-스트립에 의해 제공되는 모듈.
제1항에 있어서,
상기 각각의 하부 미니헤더는 상기 섬유의 중량, 및 장착수단과 슬롯 표면 사이의 마찰력에 의하여 미끌어질 수 있도록 고정되어, 상기 모듈이 작동하는 동안, 상기 기질 내에서 상기 섬유가 수직 방향에 대하여 15% 이하로 움직이는 모듈.
제1항에 있어서,
상기 각 미니다발의 섬유의 상부는,
(i) 상부 미니헤더에서 서로 불규칙하게 위치되고, 동일한 미니다발의 하부 미니헤더에서 대응하는 섬유의 어레이의 하단에 위로 수직한, 상부가 포팅되는 포팅 팬 위로 미니다발들이 하부 미니헤더들과 함께 유지될 때, 중력하에 자체 질량으로 인해 곧은 모든 섬유에 의해, 제1 미니다발 섬유의 상부가 인접한 제2 미니다발의 상부로부터 저절로 분리된 형태;
(ii) 또 다른 인접한 미니다발로부터 한 미니다발이 인접한 미니다발 섬유의 상부가 분리되어, 분리수단의 가지 사이에서 규제되어, 상부 미니헤더가 각각 x-축에 대해 직각으로, 평행한 관계로 포팅된 형태;
(iii) 장착 수단이 구비된 상부 미니헤더에서 어레이를 이루어 고정된 각각의 미니다발의 섬유의 상부와, 상기 상부 미니헤더는 포팅 팬의 양쪽 벽에 평행하고, 일정 간격으로 이격되며, 수직 슬롯들 내에 고정된 형태; 및,
(iv) 하부 미니헤더에서 고정된 어레이와 유사하게, 장착 수단이 구비된 상부 미니헤더에서 어레이를 이루어 고정된 각각의 미니다발의 섬유의 상부와, 바로 위로 수직하게 위치하도록 각각의 상부 미니헤더는 포팅되고, 상기 상부 헤더와 상기 박스의 면적이 실질적으로 동일할 때, 섬유의 하단이 고정되는 대응하는 하부 미니헤더와 거울상 관계를 갖는 형태;
에서 선택되는 형태로 상부 헤더에서 포팅되는 모듈.
제4항에 있어서,
상기 각각의 하부 미니헤더에서 섬유의 충진 밀도 “δ_h”는 0.25 이상이고, 상기 에어레이터 박스 내부의 섬유의 유효 충진 밀도는 0.38 이하인 모듈.
제4항에 있어서,
하부 미니헤더의 섬유의 충진 밀도 “δ_h”는 0.35-0.75의 범위를 가지며, 기질에서 섬유의 부피 충진 밀도 “δ_v”는 0.12 이상이고 0.4 미만인 모듈.
제5항에 있어서,
상기 마운팅 스트립은 0.1-2mm의 두께를 갖는 모듈.
(i) 각 어레이당 10-250개의 하부 미니헤더에 접착식으로 고정된 섬유를 가진 평면 배열 어레이의 섬유를 가지며,
상기 섬유의 상부는 선택된 형태의 일체형 상부 헤더로 포팅되고, 상기 섬유의 하부는 하부 미니헤더의 양쪽 말단에서 장착 수단과 함께 하나씩 적층되고,
각 어레이는 각각의 하부 미니헤더에서 서로 측면으로 이격되어 접착식으로 고정된 섬유를 가지며,
각 미니다발이 2개 내지 12개의 평면 배열 어레이를 포함하는, 적어도 4개의 미니다발을 조립하는 단계;
(ii) 상기 섬유의 상단에 투과수 수집 수단과 유체가 통하는 루멘을 갖기 위해, 에어레이터 박스 위로 수직한 위치에 붙박이로 고정되는 상부 헤더에서 섬유의 상부를 포팅하는 단계; 및
(iii) 하부 미니헤더가 연이어서 횡방향으로 위치하고, 상기 상부 헤더 및 에어레이터 박스의 종방향 축들(x-축)에 대하여 서로 지그재그 형태로 이격하여(x-축을 따라) 각을 이루어, 상기 에어레이터 박스의 연이은 미니다발의 형태가 1-20도의 내각을 갖도록 상기 에어레이터 박스의 양쪽 벽에 있는 각 미니다발의 각각의 하부 미니헤더를 고정하는 단계;를 포함하는, 다성분 액체기질 내의 미립자 물질의 농도가 증가하는 동안, 상기 다성분 액체기질로부터 투과수를 배출하기 위한 모듈 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 에어레이터 박스의 양쪽 벽의 상하운동을 위해 각 미니다발의 각각의 하부 미니 헤더를 고정하는 단계를 포함하는 모듈 제조방법.