KR101584117B1 - 중공사막 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중공사 분리막(1), 상기 중공사 분리막(1)을 감싸는 모듈 하우징(2), 상기 중공사 모듈 하우징(2) 외벽(2b)에 설치된 자켓형 원수 유로(3), 및 상기 중공사 분리막(1)의 중앙에 설치된 센터 파이프(4)를 포함하는 중공사막 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 소수성 실로 감싼 중공사 분리막을 포함하는 중공사 모듈은 상기 소수성 실로 인해 중공사 모듈에 포함된 중공사막은 일정한 간격을 유지할 수 있어 모듈 내부에서 막 밀도 차이에 의해 생길 수 있는 채널링(channeling) 현상을 방지할 수 있고, 직조된 소수성 실이 스페이서(spacer) 역할과 함께 유체의 turbulence를 유발시켜 중공사막에서의 농도 분극 현상을 저감시켜 물질전달 속도를 향상시키는 효과를 가진다.

Description

중공사막 모듈{Hollow fiber module}
본 발명은 분리 성능이 향상된 중공사막 모듈에 관한 것이다.
막 증류법(Membrane distillation, 이하 ‘MD’라 함)은 소수성 분리막을 이용해 물을 탈염하는 공정으로 기존의 열에너지를 이용한 증류 공정에 비해 장점이 많은 공정이나, 현재까지 전용 분리막 및 모듈이 본격적으로 상업화되지 않아 그 잠재적인 이용가능성에 비해 상업화가 더디게 진행되고 있는 공정 중의 하나이다.
현재 MD 공정의 상업화가 늦어지는 원인을 크게 나누면 첫 번째는 50~60℃ 정도의 운전온도에서 경제성을 가질 정도의 안정된 투과량을 보이는 MD 전용 분리막의 개발이 지연되고 있는 것이 가장 큰 이유이다.
둘째는 운전 중 문제 발생을 최소화 할 수 있는 적절한 MD 전용 모듈의 개발이 이루어지지 않고 있다는 것이다.
따라서 MD의 상업적 가능성을 앞당기기 위해서는 운전안정성 및 성능이 향상된 MD전용 모듈의 개발이 필요하다.
MD 모듈의 성능저하를 유발하는, 특히 VMD(vacuum membrane distillation)와 DCMD(direct contact membrane distillation)의 성능을 저하시키는 원인은 공급부에서 투과부로의 과량의 열전달, 그로 인해 발생하는 Heat polarization에 의한 구동력 감소, 중공사의 모듈 내 위치별 막 밀도의 불균일에 의해 발생하는 채널링(channeling) 현상, VMD의 경우 모듈의 투과부 측 막 표면에서 발생하는 응축현상과 그로 인한 발생하는 분리막의 젖음 현상 등으로 크게 나눌 수 있다.
따라서 MD의 상업적인 성공 가능성을 높이기 위해서는 위와 같은 문제점을 해결할 수 있는 모듈 설계 및 구성이 필요하다.
또한, 상기 막 증류법 뿐만 아니라, 투과증발(pervaporation), 및 수처리 공정을 이용하는 경우에서도 중공사 모듈의 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허 2009-0100437
본 발명의 목적은 막 증류법, 투과증발법, 및 수처리 공정 등을 이용하는 분리막 공정에서 발생되는 종래 여러 가지 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 구조의 중공사막 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 모듈은 중공사 분리막(1), 상기 중공사 분리막(1)을 감싸는 모듈 하우징(2), 상기 중공사 모듈 하우징(2) 외벽에 설치된 자켓형 원수 유로(3), 및 상기 중공사 분리막(1)의 중앙에 설치된 센터 파이프(4)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 중공사 분리막은 중공사 외부를 두께 0.1~0.5mm의 소수성 실을 이용하여 감싼 구조의 중공사막을 포함하여 각 중공사들이 일정한 간격을 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 소수성 실의 가닥수는 4~10개를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 중공사 분리막을 구성하는 단일 중공사에서 소수성 실로 감싼 중공사의 면적은 전체 중공사 면적의 20%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
상기 소수성 실은 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 나일론, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 아라미드, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 중공사 외부를 두께 0.1~0.5mm의 소수성 실을 이용하여 감싼 구조의 중공사막은 전체 중공사 분리막 중 30~100%로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모듈 하우징의 내벽과 외벽에는 깊이 2~5 ㎜, 넓이 3~8㎜의 홈이 형성된 것이 바람직하다.
상기 센터 파이프에는 중공사 모듈 내부의 유체의 흐름을 유도하는 홀(hole)을 포함하며, 상기 홀은 센터 파이프의 상단에서 하단으로 내려갈수록 전단보다 2~10%로 더 큰 홀이 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 중공사막 모듈은 VMD(vacuum membrane distillation), DCMD(direct contact membrane distillation), SGMD(Sweeping Gas Membrane Distillation) 중에서 선택되는 막 증류법, 투과증발, 및 수처리 공정에 이용되는 것일 수 있다.
본 발명은 중공사의 외부를 일정 두께의 소수성 실로 감싼 구조의 중공사막을 사용하여 중공사막 간에 일정한 간격을 유지할 수 있어 모듈 내부에서 막 밀도 차이에 의해 생길 수 있는 채널링(channeling) 현상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 직조된 소수성 실이 스페이서(spacer) 역할과 함께 유체의 turbulence를 유발시켜 중공사막에서의 농도 분극 현상을 저감시켜 물질전달 속도를 향상시키는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 중공사 모듈은 상기 중공사 분리막을 사용하고, 모듈 하우징 외부에 원수가 흐를수 있는 자켓형 원수 유로를 설치함으로써 낮은 온도의 원수가 모듈 내부 투과부쪽 온도를 낮출 수 있어 구동력을 유지해 줄 수 있음은 물론, 원수의 입장에서는 가온 공정 전에 일정부분 온도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 중공사 모듈은 모듈 하우징의 내벽과 외벽에 일정한 크기의 홈을 설치함으로써 수증기의 응축으로 인한 중공사 분리막의 젖음(wetting) 현상을 최소화시키고, 응축된 수증기에 효과적인 유로를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 모듈의 상하 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 실로 감싼 구조를 가지는 중공사막의 구조이고,
도 3은 본 발명의 중공사막 모듈의 모듈 하우징 내벽과 외벽에 홈이 형성된 구조를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 중공사막 모듈에 설치된 투과수 유출 유로 인입 홀의 구조를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 투과 플러스가 38% 증가되는 결과를 나타낸 것이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명은 중공사막 모듈에 관한 것이다.
다음 도 1은 본 발명에 따른 중공사막 모듈의 상하 단면도를 나타낸 것으로 이를 참조하면, 중공사 분리막(1), 상기 중공사 분리막(1)을 감싸는 모듈 하우징(2), 상기 중공사 모듈 하우징(2) 외벽(2b)에 설치된 자켓형 원수 유로(3), 상기 중공사 모듈(1)의 중앙에 설치된 센터 파이프(4)를 포함한다.
또한, 상기 자켓형 원수 유로(3)로 원수를 유입하기 위한 원수 유입 포트(5)와 유입된 원수가 유출되는 원수 유출 포트(6)가 상기 자켓형 원수 유로(3)에 연결되어 있다.
상기 자켓형 원수 유로(3)로 유입된 원수가 공급되는 공급부 유입 포트(7)가 상기 중공사 분리막(1) 상부에 연결되어 있고, 상기 공급부 유입 포트(7)를 통과한 공급액이 투과수로 유출되지 못한 공급액이 유출되는 공급부 유출 포트(8)가 모듈 하단부에 설치되어 있다.
상기 중공사 분리막(1)은 모듈 상부 캡(9)과 모듈 하부 캡(10)에 의해 고정되며, 투과 방식에 따라 가스가 유입되는 투과부 유입 포트(11)가 상기 센터 파이프(4) 외벽에 설치되어 있고, 공급액이 상기 중공사 분리막(1)을 통과한 후 투과수 유출 유로(12)를 통하여 투과부 유출 포트(13)로 유출된다.
본 발명의 중공사막 모듈에 포함되는 각 구성들(예를 들어, 센터 파이프, 모듈 하우징, 자켓형 원수 유로, 투과부 유입 및 유출 포트, 공급부 유입 및 유출 포토, 모듈 상부 및 하부 캡 등)은 각각 일정한 형태로 성형(예를 들어, 사출 성형)되고, 다음 도 1과 같은 구조를 가지도록 각각 접착제를 이용하여 접착시켜 연결된다.
상기 본 발명의 중공사막 모듈에 포함되는 각 구성 요소들은 다음 도 1에 나타낸 바와 같으나, 이에 한정되지 않고 적절한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 각 구성요소들의 재료는 특별히 한정되지 않으며, 통상의 재료들을 사용할 수 있고, 상기 구성 요소들을 연결하는 접착제의 종류도 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 중공사막 모듈은 막 증류법, 투과 증발법, 및 수처리 공정과 같이 물을 이용한 분리 공정에 사용되는 것이므로 내부 부식 문제를 고려하여 상기 각 구성들을 일정한 형태대로 성형시킨 다음 이를 접착제로 고정시켜 조립시키는 것이 가장 바람직하다. 상기 성형 방법 또한 특별히 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 중공사 분리막(1)은 중공사 외부를 두께 0.1~0.5mm의 소수성 실을 이용하여 감싼 구조를 가진다. 이는 상기 중공사막을 이용하여 중공사 모듈을 제조함에 있어, 각 중공사들이 일정한 간격을 유지하도록 하기 위함이다.
따라서, 본 발명에서는 중공사 간 일정한 간격을 유지하여 서로 접촉되지 않도록 하기 위해 다음 도 2와 같이 중공사(21)의 외부에 두께 0.1~0.5mm의 소수성 실(22)을 직조하여 감싸준 구조의 중공사막(20)을 이용한다.
이는 중공사(21) 외부에 감싼 소수성 실(22)의 두께만큼 중공사와 중공사 간에 일정한 간격을 유지할 수 있기 때문에 모듈 내부에서 막 밀도 차이에 의해 생길 수 있는 채널링(channeling) 현상을 방지할 수 있다. 또한 직조된 소수성 실이 스페이서(spacer) 역할과 함께 유체의 turbulence를 유발시켜 중공사막에서의 농도 분극 현상을 저감시켜 물질전달 속도를 향상시켜 투과 플럭스를 향상키는 효과를 가진다.
그러나, 상기 중공사 외부에 감싸주는 소수성 실은 그 두께가 0.1~0.5㎜인 것이 바람직하다. 상기 소수성 실의 두께가 0.1mm 미만인 경우 두께가 너무 얇아 그 효과가 미흡하고, 또한, 0.5mm를 초과하는 경우 두께가 너무 두꺼워져 오히려 물질 전달을 방해할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
또한, 사용되는 소수성 실의 가닥수는 4~10개, 바람직하기로는 4~8개를 이용하는 것이 좋다. 상기 소수성 실의 가닥수가 4개 미만인 경우 역시 원하는 효과가 미흡하고, 10개를 초과하는 경우 중공사 외부를 너무 촘촘하게 감싸게 되어 오히려 물질 전달을 방해할 수 있다.
상기 중공사 외부를 감싸는 실은 반드시 소수성 소재를 사용해야 하며, 만일 친수성 소재를 쓸 경우 중공사 분리막의 기공을 웨팅(wetting)시키는 문제가 있기 때문에 유의해야 한다. 이러한 본 발명에 따른 소수성 실의 구체 예로는, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 나일론, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 아라미드, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따르면, 중공사 분리막을 구성하는 단일 중공사에서 소수성 실로 감싼 중공사 면적은 전체 중공사 면적의 20%를 초과하지 않도록, 바람직하기로는 10~20%가 되도록 한다. 각 중공사에서 상기 소수성 실로 감싼 중공사의 면적이 20%를 초과하는 경우 역시 물질 전달을 방해하여 바람직하지 못하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 중공사 모듈은 중공사 외부를 두께 0.2~0.4mm의 소수성 실을 이용하여 감싼 중공사막으로 중공사 분리막을 구성하는 것이 바람직하나, 전체 중공사 분리막 중 30% 이상, 바람직하기로는 30~100%로 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 중공사 외부를 두께 0.2~0.4mm의 소수성 실을 이용하여 감싼 중공사막으로 중공사를 전체 중공사 중 적어도 30% 이상은 포함되어야만 본 발명의 효과를 달성할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 중공사 분리막은 적절한 중공사막 제조를 위한 고분자를 용매에 용해시키고 방사시켜 제조한다. 상기 중공사막 제조에 사용되는 고분자는 특별히 한정되지 않으나, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 소수성 다공성 막이 사용될 수 있으나, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 그 다음, 상기 중공사막의 외부에 두께 0.1~0.5㎜인 소수성 실 4~10가닥을 이용하여 균일하게 감싸준다. 이때, 소수성 실로 감싼 면적은 전체 중공사막 중 20%를 초과하지 않도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 중공사 모듈은 상기 소수성 실로 감싼 중공사막과 일반 중공사막을 혼합하여 일정한 형태의 관에 상기 중공사막 번들을 채워 넣고 번들의 양쪽 끝을 에폭시 수지로 고정시켜 마무리한다. 본 발명의 중공사 모듈에는 상기 중공사 외부를 소수성 실로 감싼 중공사막이 전체 중공사막 중 30% 이상 포함되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 중공사 분리막(1)을 감싸는 모듈 하우징(2)은 내벽(2a)과 외벽(2b)의 이중벽 구조로 되어 있으며, 본 발명에 따른 모듈 하우징(2)은 다음 도 3에서와 같이 그 내벽(2a)과 외벽(2b)에 깊이 2~5㎜, 넓이 3~8㎜의 일정한 형태의 홈(14, hole)이 형성되어 있다.
특별히 VMD의 경우 수증기가 중공사 분리막(1) 외부로 나와서 응축되는 게 일반적인데 그럴 경우 수증기의 흐름 속도가 낮을 경우 분리막 표면이나 모듈 하우징(2)의 내벽(2a)에서 응축되어 모듈의 성능을 낮추는 원인이 된다.
따라서, 본 발명에서는 모듈 하우징(2) 내벽(2a)과 외벽(2b)에 홈(14)을 설치함으로써 수증기의 흐름 속도가 낮더라도 막 표면에서의 수증기 응축을 막을 수 있어, 모듈 내부에서 응축 효율을 높일 뿐만 아니라 응축 후의 유로를 제공할 수 있는 장점이 있어 더욱 안정한 운전이 가능하도록 하였다. 또한, 중공사 모듈(1) 내외부의 열전달을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 중공사 모듈 하우징(2)의 외벽에 자켓형 원수 유로(3)를 설치한 데 특징이 있다. 즉, 본 발명에서는 공급부 유입 포트(11)로 직접 원수를 유입시키는 것이 아니라, 모듈 하우징(2) 외벽에 자켓형 원수 유로(3)를 형성하여 원수를 통과하게끔 한다.
본 발명과 같이 자켓형 원수 유로(3)를 설치하면 다음과 같은 이점이 있다.
일반적으로 MD 공정은 낮은 온도의 원수를 일정온도 이상으로 높이는 가온공정이 필요하다. 50~60℃로 상승한 공급수를 공급부 유입 포트(11)를 통하여 중공사 분리막(1) 내부로 흘려보내면 공급부의 높은 온도로 인해 투과부 쪽으로 열전달이 발생한다. 따라서 투과부 쪽의 온도가 서서히 상승하게 되며 MD 공정의 구동력을 낮추는 원인이 된다.
그런데 본 발명에서와 같이 모듈 하우징(2)에 낮은 온도의 원수가 흐를 수 있는 자켓형 원수 유로(3)를 형성해 주면 낮은 온도의 원수가 모듈(1) 내부 투과부쪽 온도를 낮출 수 있어 구동력을 유지해 줄 수 있음은 물론, 원수의 입장에서는 가온공정 전에 일정부분 온도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 상기 자켓형 원수 유로(3)의 크기는 특별히 한정되지 않고 원수가 원활하게 흐를 정도이면 무방하다.
또한, 본 발명에 따른 중공사막 모듈은 공급부 유체의 흐름과 투과부쪽 유체의 흐름 방향을 직각으로 유지하기 위해, 즉 중공사 모듈 내부의 유체의 흐름을 유도하는 센터 파이프(4)에 일정 간격으로 홀(hole)이 형성되어 있다.
통상, 중공사 분리막(1) 내부에서 유체의 흐름은 중공사 내부로 흐르는 유체와 외부로 흐르는 유체로 나눌 수 있다. 다음 도 1에서와 같이, 중공사 외부로 흐르는 유체는 중공사 분리막(1)의 중앙에 위치한 센터 파이프(4)로부터 파이프의 직각방향 즉, 모듈 하우징(2)의 벽 쪽으로 흐르도록 구성되어 있다.
따라서, 유체는 투과부 유입 포트(11) 노즐을 통해 유입되어 센터 파이프(4)에 뚫린 홀(15)을 통해 흘러나가 중공사의 직각 방향으로 흘러 모듈 하우징(2) 내벽(2a) 쪽으로 향하며 상기 내벽(2a)을 타고 흐르다 투과수 유출 유로 인입 홀(16)을 통하여 흘러나가 최종적으로 투과부 유출 포트(13) 노즐을 통해 모듈 밖으로 나오게 된다.
이때, 본 발명에서는 상기 중공사 모듈(1)의 내벽(2a)과 투과부 유출 유로(12)가 만나는 지점에 투과수 유출 유로 인입 홀(16)을 설치하여 상기 투과된 유체가 투과부 유출 유로(12)를 통하여 모듈 밖으로 효율적으로 유출되도록 하였다.
상기 투과수 유출 유로 인입 홀(16)은 다음 도 4에 나타낸 바와 같으며, 일정한 간격으로 홀을 형성하였으며, 홀의 크기는 특별히 한정되지 않고 유체가 원활하게 통과할 정도이면 가능하다.
일반적으로 MD 공정의 경우 공급부와 투과부 간의 물질 전달은 두 흐름이 직각방향을 이룰 때 좀 더 원활하게 하게 이루어지는 것으로 알려져 있다. 따라서 이러한 흐름 방향을 유지해 줌으로서 물질전달 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 센터 파이프(4)에 형성된 홀(15)은 상기 투과부 유입 포트(11) 노즐 쪽에서 멀어질수록 그 전 홀의 크기보다 2~10% 크게 형성시키는 것이 공급부와 투과부 간의 물질 전달을 직각방향을 이루도록 하여 물질 전달 효율을 높이는 데 있어 바람직하다.
이는 센터파이프 홀의 크기가 같을 경우 입구 쪽에서 멀어질수록 압력손실에 따라 흐르는 유체의 양이 작아져 모듈 전체에 균등한 유체 흐름을 유지할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 투과부 유입 포트(11)로부터 멀어질수록 상기 홀의 크기를 크게 형성시킴으로써 중공사 모듈 전체에 걸쳐 균일한 유체 흐름이 유지되도록 하였다.
상기와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 중공사막 모듈은 막의 하부를 감압하여 구동 추진력을 높이는 VMD(vacuum membrane distillation), 막의 하부의 응축수가 막과 직접 접촉하는 방식의 DCMD(direct contact membrane distillation), 및 막의 투과된 증기상의 sweeping 가스 또는 기체를 이용하여 이동시키는 SGMD(Sweeping Gas Membrane Distillation) 등과 같은 막 증류법; 투과증발법(pervaporation); 및 정밀여과막(microfiltration membrane) 또는 한외여과막(ultrafiltration membrane), 나노투과막(nanofiltration membrane), 역삼투압막(reverse osmosis membrane)과 같은 수처리 공정에도 사용 가능하다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
실시예 1: 중공사막 모듈 제조
두께 0.1~0.5mm의 폴리프로필렌 실 4~10가닥을 이용하여 다음 표 1의 조건을 달리하면서, 다음 도 2와 같이 중공사막의 외부를 균일하게 감싼 구조를 가지는 PP중공사 분리막을 제조하였다.
투과부 유입 포트로부터 일정 간격 이격된 거리에 형성된 3.00mm 크기의 제1홀, 또한, 상기 제1홀로부터 일정 간격 이격된 거리에 형성된 3.15mm 크기의 제2홀, 상기 제2홀로부터 일정 간격 이격된 거리에 형성된 3.31mm 크기의 제3홀, 상기 제3홀로부터 일정 간격 이격된 거리에 형성된 3.47mm 크기의 제4홀, 상기 제4홀로부터 일정 간격 이격된 거리에 형성된 3.65mm 크기의 제5홀을 포함하는 센터 파이프를 중심으로 일정한 형태의 관에 상기 제조된 중공사막 번들을 채워 넣고 번들의 양쪽 끝을 에폭시 수지로 고정시켜 마무리하였다. 또한, 깊이 2㎜, 넓이 3mm의 홈이 형성된 내벽과 외벽을 포함하는 사출 성형된 모듈 하우징으로 상기 중공사 분리막을 접착시키고, 상기 모듈 하우징 외부에는 원수가 흐를 정도 두께를 가지며, 원수 유입 포트와 원수 유출 포트가 구비된 사출 성형된 자켓형 원수 유로를 접착제를 이용하여 부착시켰다.
또한, 상기 모듈 상부에는 일정한 형태로 각각 사출 성형된 투과부 유입 포트와 공급부 유입 포트가 접착제로 연결되고, 상기 모듈 하부에는 상기 중공사막 분리막을 투과하여 나온 투과수가 투과수 유출 유로 인입홀을 통하여 투과수 유출 유로를 통과하여 나오는 투과부 유출 포트와 투과되지 못하고 유출되는 공급부 유출 포트가 각각 일정한 형태로 사출 성형되고, 역시 접착제로 연결되어 있다.
상기 모듈은 일정한 형태로 사출성형된 상부와 하부 캡을 접착제로 접착시킴으로써 본 발명에 따른 중공사막 모듈을 제조하였다.
소수성 실(PP) 두께(mm) 가닥 수(개) 소수성 실로 감싼 면적
시료 1* - - -
시료 2* 0.04 20 20
시료 3* 0.05 13 18
시료 4 0.1 9 18
시료 5 0.2 6 15
시료 6 0.3 7 13
시료 7 0.4 5 12
시료 8 0.5 4 10
시료 9* 0.6 3 10
시료 10* 1 20 40
시료 11* 2 30 55
*는 본 발명의 범주를 벗어나는 예이고, 시료 1은 소수성 실로 감싸지 않은 순수한 PP 중공사막임.
시료 4~8에서 중공사 모듈 중 중공사막(2)의 함량은 각각 30, 50, 70, 85, 100%가 되도록 함.
실험예
상기 제조된 각 중공사막 모듈을 이용하여 원수(해수)를 이용하여 막 증류법을 이용하여 투과실험을 하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
Flux(LMH) 제거율(%)
시료 1* 4.72 99.97
시료 2* 4.75 99.95
시료 3* 4.90 99.98
시료 4 6.48 99.98
시료 5 6.54 99.98
시료 6 6.45 99.98
시료 7 6.30 99.98
시료 8 6.28 99.98
시료 9* 4.85 99.96
시료 10* 5.01 99.97
시료 11* 4.95 99.95
*는 본 발명의 범주를 벗어나는 예임.
상기 표 2의 결과에서와 같이, 본 발명과 같이 소수성 실로 그 외부를 감싼 중공사막을 사용하는 경우 제거율은 종래 중공사막과 동등한 수준으로 유지하면서도 투과 플러스(flux)는 월등히 향상되는 것으로 확인되었다.
특히, 소수성 실로 외부를 감싸지 않은 중공사막(시료 1)에 비해 0.2mm 두께의 소수성 실 6가닥으로 감싼 중공사막(시료 5)를 비교해 보면, 다음 도 5에서와 같이 투과 플러스가 38% 증가되는 결과를 나타내었다.
이러한 결과로부터 본 발명과 같이 중공사 외부에 소수성 실로 감싼 구조의 중공사막을 사용함으로써, 중공사막 외부의 소수성 실의 두께만큼 중공사와 중공사 간에 일정한 간격을 유지할 수 있기 때문에 모듈 내부에서 막 밀도 차이에 의해 생길 수 있는 채널링(channelling) 현상을 방지할 수 있고, 직조된 소수성 실이 스페이서(spacer) 역할과 함께 유체의 turbulence를 유발시켜 중공사막에서의 농도 분극 현상을 저감시켜 물질전달 속도를 향상시켜 투과 플럭스를 향상키는 데 효과적임을 알 수 있다.
1 : 중공사 분리막 2 : 모듈 하우징
2a : 모듈 하우징 내벽 2b : 모듈 하우징 외벽
3 : 자켓형 원수 유로 4 : 센터 파이프
5 : 원수 유입 포트 6 : 원수 유출 포트
7 : 공급부 유입 포트 8 : 공급부 유출 포트
9 : 모듈 상부 캡 10 : 모듈 하부 캡
11 : 투과부 유입 포트 12 : 투과수 유출 유로
13 : 투과부 유출 포트 14 : 모듈 하우징 내벽과 외벽에 형성된 홈
15 : 센터 파이프에 형성된 홀
16 : 투과수 유출 유로 인입 홀
20 : 중공사막
21 : 중공사
22 : 소수성 실

Claims (9)

  1. 중공사 외부를 두께 0.1~0.5mm의 소수성 실 4~10개의 가닥을 이용하여 감싸 각 중공사들이 일정한 간격을 유지하도록 한 중공사 분리막,
    상기 중공사 분리막을 감싸는 모듈 하우징,
    상기 모듈 하우징 외벽에 설치되며, 원수를 유입하기 위한 원수 유입 포트와 유입된 원수가 유출되는 원수 유출 포트가 구비된 자켓형 원수 유로,
    상기 자켓형 원수 유로로 유입된 원수를 상기 중공사 분리막으로 공급하기 위하여 중공사 분리막 상부에 연결된 공급부 유입 포트와, 상기 공급부 유입 포트를 통과한 공급액 중 투과수로 유출되지 못한 공급액을 유출시키기 위하여 모듈 하단부에 설치된 공급부 유출 포트, 및
    상기 중공사 분리막의 중앙에 설치된 센터 파이프를 포함하며,
    상기 중공사 분리막을 구성하는 단일 중공사에서 소수성 실로 감싼 중공사의 면적은 전체 중공사 면적의 20%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 실은 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 나일론, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 아라미드, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 중공사막 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중공사 분리막은 전체 중공사 분리막 중 30~100%로 포함되는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징의 내벽과 외벽에는 깊이 2~5 ㎜, 넓이 3~8㎜의 홈이 형성된 것인 중공사막 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센터 파이프에는 중공사 모듈 내부의 유체의 흐름을 유도하는 홀(hole)을 포함하며, 상기 홀은 센터 파이프의 상단에서 하단으로 내려갈수록 전단보다 2~10%로 더 큰 홀이 형성되는 것인 중공사막 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 진공 막 증류법(vacuum membrane distillation, VMD), 직접 접촉식 막 증류법(direct contact membrane distillation, DCMD), 기체 흐름식 막 증류법(sweeping gas membrane distillation, SGMD) 중에서 선택되는 막 증류법, 투과증발, 및 수처리 공정에 이용되는 것인 중공사막 모듈.
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