KR101699539B1 - 나노 여과 모듈 및 이를 이용한 농축 방법 - Google Patents

나노 여과 모듈 및 이를 이용한 농축 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 나노 여과 모듈은 처리대상약품 및 염을 포함하는 원수가 유입되어 농축수를 배출하는 농축부; 일면이 상기 농축부에 접하며, 염 투과성이고, 약품 불투과성인 나노여과막; 및 상기 나노여과막의 타면에 형성되며, 상기 농축부로부터 투과된 염이 배출되는 투과부가 구비되고, 상기 나노여과막의 분획 분자량은 150~400g/mol이다.

Description

나노 여과 모듈 및 이를 이용한 농축 방법 {NANO FILTERATION MODULE AND CONDENSATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 나노 여과 모듈 및 이를 이용한 농축 방법에 관한 것이다.
화학 제품의 생산 공정에는 산 또는 알칼리 용액을 사용하게 된다. 이때 발생하는 염과 물은, 제품의 순도를 저하시켜 상품성을 저하시키며, 제품의 순도에 영향을 미치지 않으면서 부가적으로 발생되는 염과 물을 효과적으로 제거해야하는 필요성이 있다.
한편, 폴리말토오스수산화제이철착염 (Ferric Hydroxide Polymaltose complex)은 체내 철결핍성 빈혈 예방 및 치료 목적으로 사용되며 제조공정상 염화나트륨(NaCl) 등과 같은 염이 포함되어 제품의 순도를 저하시키고 가치를 떨어뜨리는 문제가 있다.
종래에는 한외여과막(ultrafiltration membrane) 등을 적용하여, 압력차를 추진력으로 하여, 한외여과막에 형성된 기공과 분리대상물질의 크기 차이를 이용하여 염을 제거하는 방법이 적용되었다.
그러나 상기 방법은 염 제거를 위해 다량의 물을 투입하여야 하며, 이로 인해 물을 제거하는 농축공정이 필연적으로 수반되어야 하며, 공정이 번거롭고 원가 상승을 초래하는 문제점이 있었다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2015-0096465호(2015.08.24. 공개, 발명의 명칭: 향상된 플럭스를 갖는 여과시스템 및 막, 및 그 제조 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 원수로부터 염(salt) 분리 및 농축수 생성을 동시에 진행할 수 있어 여과 효율성이 우수한 나노 여과 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 여과 공정시 순수 소모량 및 폐수 배출량을 감소시킬 수 있어 친환경성이 우수한 나노 여과 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 여과 공정시 여과막 외부로 처리대상약품이 용출되는 현상을 방지할 수 있는 나노 여과 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작업비용 및 작업시간을 절감할 수 있어 경제성이 우수한 나노 여과 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 나노 여과 모듈을 이용한 농축 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 나노 여과 모듈에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 나노 여과 모듈은 처리대상약품 및 염을 포함하는 원수가 유입되어 농축수를 배출하는 농축부; 일면이 상기 농축부에 접하며, 염 투과성이고, 약품 불투과성인 나노여과막; 및 상기 나노여과막의 타면에 형성되며, 상기 농축부로부터 투과된 염이 배출되는 투과부;가 구비되고, 상기 나노여과막의 분획 분자량은 150~400g/mol이다.
한 구체예에서 상기 처리대상약품은 중량평균 분자량이 450~650g/mol인 폴리말토오스수산화제이철착염(Ferric Hydroxide Polymaltose Complex)을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수는 10~45bar의 유입압력이 인가될 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수는 pH가 9 내지 12.5 이고, 온도는 15℃ 내지 35℃일 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수의 염 농도는 6중량% 내지 12중량% 이고, 상기 투과부의 염 농도는 8중량% 내지 10중량%일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 나노 여과 모듈을 이용한 농축 방법에 관한 것이다. 상기 농축 방법은 처리대상약품 및 염을 포함하는 원수를 농축부에 유입하고; 그리고 상기 염은 나노여과막을 통해 투과되어 투과부로 분리되고, 상기 처리대상약품은 농축부에서 농축되는;단계를 포함하고, 상기 나노여과막은 일면이 상기 농축부에 타면은 상기 투과부에 접하며, 염 투과성이고, 약품 불투과성이고, 분획 분자량이 150~400g/mol이다.
한 구체예에서 상기 처리대상약품은 중량평균 분자량이 450~650g/mol인 폴리말토오스수산화제이철착염(Ferric Hydroxide Polymaltose Complex)을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수는 10~45bar의 유입압력이 인가될 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수는 pH가 9 내지 12.5 이고, 온도는 15℃ 내지 35℃일 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수의 염 농도는 6중량% 내지 12중량% 이고, 상기 투과부의 염 농도는 8중량% 내지 10중량%일 수 있다.
본 발명에 따른 나노 여과 모듈을 적용하여 나노 여과시, 원수의 물과 염을 상 변화나 추가적인 약품 투입 없이 분리 가능하며, 염 분리 및 농축수 생성을 동시에 진행할 수 있어 여과 효율성이 우수하고, 여과 공정시 순수 소모량 및 폐수 배출량을 감소시킬 수 있어 친환경성이 우수하며, 나노여과막 외부로 처리대상약품이 용출되는 현상을 방지할 수 있으며, 작업비용 및 작업시간을 절감할 수 있어 경제성이 우수하다.
도 1은 종래 한외여과막을 이용한 염 제거 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 나노 여과 모듈을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 농축장치를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 명칭을 사용하였다.
나노 여과 모듈
본 발명의 하나의 관점은 나노 여과 모듈에 관한 것이다. 도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 나노 여과 모듈을 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 나노 여과 모듈(200)은 처리대상약품(1) 및 염(2)을 포함하는 원수가 유입되어 농축수를 배출하는 농축부(120); 일면이 농축부(120)에 접하며, 염 투과성이고, 약품 불투과성인 나노여과막(130); 및 나노여과막(130)의 타면에 형성되며, 상기 농축부로부터 투과된 염이 배출되는 투과부(110);가 구비된다.
상기 원수는 처리대상약품 및 염을 포함한다. 예를 들면 상기 원수는 처리대상약품과, 제품 생산 공정에서 pH 중화를 위해 사용되는 산(HCl) 및 염기(NaOH) 등에 의해 생성된 물과 염(NaCl)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 원수는 본 발명의 나노 여과를 통해 분리 가능한 칼슘(Ca2 +) 및 마그네슘(Mg2 +) 등의 2가 양이온이나 이와 침전물을 형성하는 황산이온(SO4 2-), 탄산이온(CO3 2-) 및 중탄산이온(HCO3 -) 등의 음이온 성분을 더 포함할 수 있다.
도 1은 일반적인 한외 여과 모듈을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 한외 여과 모듈(100)은 처리대상약품(1) 및 염(2)을 포함하는 원수가 유입되는 농축부(101); 일면이 상기 원수부와 접하는 한외여과막(11); 및 한외여과막(11)의 타면에 형성되며, 투과수가 유입되고, 상기 원수부로부터 투과된 염이 배출되는 투과부(102);를 포함한다. 상기 원수 및 투과수에는 각각 유입압력이 인가된다. 이때 농축부(101)의 염(salt)농도와 투과부(102)의 염농도는 6중량%~12중량%의 농도차가 발생하는데, 상기 염농도 차이에 의해 발생하는 삼투압에 의해 농축부(101)의 염이 한외여과막(11)을 통과하여 투과부(102)로 이동하게 된다. 이 과정에서 농축부(101)의 염농도는 낮아지나, 투과부(102)에서 물이 유입되어, 농축부(101)의 내부 보유 용량을 넘어서게 되어 투과수의 유입을 중단하고 상기 원수를 농축하여 농축수를 생성하게 되며, 이러한 과정을 반복하여 여과를 실시하게 된다.
그러나 상기와 같은 한외 여과 모듈을 적용시, 염 제거와 농축 공정을 별도로 실시하게 되어 공정 시간 및 비용이 증가하게 되며, 한외여과막(11)의 분획 분자량은 약 100,000g/mol로서, 이보다 낮은 분자량을 갖는 처리대상약품이 한외여과막을 통과하게 되는 문제점이 있었다.
반면, 본 발명에서 상기 나노여과막의 분획 분자량은 150~400g/mol이다. 본 명세서에서 상기 분획 분자량(Molecular Weight Cut Off, MWCO)은, 나노여과막에 의해 90% 이상의 배제도를 나타내는 용질의 최소 분자량을 의미한다. 상기 범위의 분획 분자량에서, 상기 원수의 물과 염을 상 변화나 추가적인 약품 투입 없이 나노여과막을 용이하게 통과하여 투과부로 이동할 수 있다. 상기 분획 분자량이 150g/mol 미만인 경우, 공정시간이 길어지며, 물과 염 물질이 나노여과막을 용이하게 통과하지 못하며, 여과 공정시간 및 비용이 증가하며, 400g/mol을 초과하는 경우, 상기 처리대상약품이 나노여과막을 통과하여 투과부로 이동할 수 있다. 예를 들면 150~400g/mol일 수 있다. 다른 예를 들면 150~350g/mol일 수 있다.
한 구체예에서 상기 처리대상약품은 중량평균 분자량이 450~650g/mol인 폴리말토오스수산화제이철착염(Ferric Hydroxide Polymaltose Complex)을 포함할 수 있다. 상기 분자량 범위에서, 나노여과막을 통과하여 투과부로 이동하는 현상을 방지할 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수는 10~45bar의 유입압력이 인가될 수 있다. 상기 범위의 압력에서 상기 나노여과막이 손상되지 않으면서, 상기 도 2와 타이 상기 원수의 염(2)과 물(3)이 나노여과막을 용이하게 통과할 수 있다. 예를 들면 10~12bar의 유입압력이 인가될 수 있다.
한 구체예에서 상기 나노 여과 모듈은, 나권(spiral wound) 형태로 형성될 수 있다. 한 구체예에서 상기 나권 형태는 공급수가 유입되는 투과부와, 상기 투과부 외주면에 나노여과막이 권취되어, 원수가 유입되는 농축부를 형성할 수 있다. 한 구체예에서 상기 권취된 나노여과막 사이에는, 상기 나노여과막을 지지하는 지지부재가 포함될 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수는 pH가 9 내지 12.5 이고, 온도는 15℃ 내지 35℃일 수 있다. 상기 범위에서 여과 효율이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 농축부 원수의 염 농도는 6중량% 내지 12중량% 이고, 상기 투과부의 염 농도는 8중량% 내지 10중량% 일 수 있다. 상기 범위에서 여과 효율이 우수할 수 있다.
상기 농축부에서는, 원수에서 염과 물이 제거되어 처리대상약품이 농축화되어 농축수가 배출되며, 투과부에서는 상기 농축부로부터 투과된 염과 물이 집수된다.
농축 방법
본 발명의 다른 관점은 상기 나노 여과 모듈을 이용한 농축 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 농축 방법은 처리대상약품 및 염을 포함하는 원수를 농축부에 유입하고; 그리고 상기 염은 나노여과막을 통해 투과되어 투과부로 분리되고, 상기 처리대상약품은 농축부에서 농축되는;단계를 포함한다.
본 발명에 따른 나노 여과 모듈을 이용한 농축 방법을 적용시 농축부에 유입된 원수에 포함된 물 및 염 성분이 투과부로 분리되면서, 동시에 농축부에서는 농축이 발생하여 농축수가 발생하게 되므로, 추가적인 농축공정 없이 염 분리 및 농축수 생성을 동시에 진행할 수 있어 여과 효율성이 우수할 수 있다.
상기 나노여과막은 일면이 상기 농축부에 타면은 상기 투과부에 접하며, 염 투과성이고, 약품 불투과성이다.
한 구체예에서 상기 나노여과막의 분획 분자량은 150~400g/mol이다. 상기 범위의 분획 분자량에서, 물 및 염(NaCl) 등의 물질이 나노여과막을 용이하게 통과하여 투과부로 이동할 수 있으며, 상기 처리대상약품이 나노여과막을 통과하여 투과부로 이동하는 현상을 방지할 수 있고, 여과 공정 시간을 절감할 수 있어 여과 효율이 우수할 수 있다. 상기 분획 분자량이 150g/mol 미만인 경우, 공정시간이 길어지며, 물과 염 물질이 나노여과막을 용이하게 통과하지 못하여 여과 공정시간 및 비용이 증가하며, 400g/mol을 초과하는 경우, 상기 처리대상약품이 나노여과막을 통과하여 투과부로 이동할 수 있다. 예를 들면 150~400g/mol일 수 있다. 다른 예를 들면 150~350g/mol일 수 있다.
한 구체예에서 상기 처리대상약품은 중량평균 분자량이 450~650g/mol인 폴리말토오스수산화제이철착염(Ferric Hydroxide Polymaltose Complex)을 포함할 수 있다. 상기 분자량 범위에서, 나노여과막을 통과하여 투과부로 이동하는 현상을 방지할 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수는 10~45bar의 유입압력이 인가될 수 있다. 상기 범위의 압력에서 상기 나노여과막이 손상되지 않으면서, 상기 원수의 물과 염이 나노여과막을 용이하게 통과할 수 있다.
한 구체예에서 상기 원수는 pH가 9 내지 12.5 이고, 온도는 15℃ 내지 35℃일 수 있다. 상기 범위에서 여과 효율이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 농축부 원수의 염 농도는 6중량% 내지 12중량% 이고, 상기 투과부의 염 농도는 8중량% 내지 10중량% 일 수 있다. 상기 범위에서 여과 효율이 우수할 수 있다.
본 발명에 따른 나노 여과 모듈을 적용하여 나노 여과시, 원수에 포함된 염 및 2가 이온성 화합물의 제거 효과가 우수하며, 염 제거 및 농축을 동시에 진행할 수 있어 여과 효율성이 우수하고, 여과 공정시 순수 소모량 및 폐수 배출량을 감소시킬 수 있어 친환경성이 우수하며, 나노여과막 외부로 처리대상약품이 용출되는 현상을 방지할 수 있으며, 작업비용 및 작업시간을 절감할 수 있어 경제성이 우수하다.
농축장치
본 발명의 또 다른 관점은 상기 나노 여과 모듈을 포함하는 농축장치에 관한 것이다. 도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 농축장치를 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 농축장치(1000)는 제1 유입부(10)를 통해 유입된 처리대상약품 및 염을 혼합하여 원수를 생성하는 혼합탱크(20); 및 상기 혼합탱크와 제1 이송부(12)를 통해 연결되며, 상기 유입된 원수로부터 염을 분리하여 농축수를 배출하는 나노 여과 모듈(200)을 포함한다.
한 구체예에서 혼합탱크(20)에는 상기 처리대상약품 및 염와 함께 공급수가 유입되어 원수를 생성할 수 있다. 상기 공급수로는 순수를 사용할 수 있다.
한 구체예에서 제1 이송부(12)에는 가압펌프(30) 및 압력측정부(40)가 차례로 구비되어 상기 원수에 유입압력을 인가할 수 있다.
한 구체예에서 나노 여과 모듈(200)은, 상기 혼합탱크의 원수가 유입되어 농축수를 배출하는 농축부; 일면이 상기 농축부에 접하며, 염 투과성이고, 약품 불투과성인 나노여과막; 및 상기 나노여과막의 타면에 형성되며, 상기 농축부로부터 투과된 염이 배출되는 투과부가 구비된다.
한 구체예에서 상기 농축부 및 투과부는, 각각 제2 이송부(16) 및 배출부(14)와 연결된다. 한 구체예에서 상기 투과부에서 배출된 염을 포함하는 처리수는 배출부(14)를 통해 배출되어 폐기되거나, 재활용 될 수 있다. 또한 상기 농축부에서 배출된 농축수는 제2 이송부(16)를 통해 혼합탱크(20)로 유입되어 상기 원수와 혼합되어 농축이 이루어질 수 있다.
상기 도 3을 참조하면, 혼합탱크(30)에는 염도측정부(22)가 구비되어 원수의 염 농도를 측정하며, 배출부(14)에는 유량측정부(42)가 구비되어 상기 배출되는 염을 포함하는 처리수의 유량을 측정할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 및 비교예
실시예
원수가 유입되어 농축수를 배출하는 농축부; 일면이 상기 농축부에 접하며, 염 투과성이고, 약품 불투과성인 나노여과막; 및 상기 나노여과막의 타면에 형성되며, 상기 농축부로부터 투과된 염이 배출되는 투과부;가 구비되고, 분획 분자량이 300g/mol인 나노여과막이 구비된 나권형 나노 여과 모듈을 포함하는 도 3과 같은 농축 장치를 이용하여 농축을 실시하였다.
처리대상약품(분자량 450~650 g/mol의 폴리말토오스수산화제이철착염) 및 염(10% 농도의 NaCl)을 포함하며, pH 11~12.5 및 온도 20℃ 조건의 원수를 11bar의 유입압력으로 농축부에 유입하고, 상기 농축부에 공급수(순수)를 함께 유입하였다. 상기 원수에 포함된 염 및 물은 나노여과막을 통해 투과되어 투과부로 분리하고, 상기 처리대상약품은 농축부에서 농축되었다.
비교예 1
분획 분자량이 450g/mol인 나노여과막을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 농축을 실시하였다.
비교예 2
분획 분자량이 130g/mol인 나노여과막을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 농축을 실시하였다.
비교예 3
한외여과막을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 농축을 실시하였다.
상기 실시예 및 비교예 1-3 에 대하여, 농축시 소모된 운전시간, 공급수 소모량, 염 제거율과, 상기 처리대상약품의 나노여과막 통과여부를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 비교예 1 비교예 2 비교예 3
운전시간(hr) 27 18 72 48
공급수(순수) 소모량(m3) 17 22 20 24
NaCl 제거율(%) 50 40이하 90 이상 0
처리대상약품 여과막 통과여부 미통과 일부통과 미통과 통과
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 분획 분자량 범위를 갖는 나노여과막을 적용한 실시예의 경우, 운전 시간이 짧고, 순수 소모량이 적으며, NaCl 제거율이 우수함을 알 수 있었다. 반면, 본 발명의 분획 분자량 범위를 초과하는 나노여과막을 적용한 비교예 1의 경우, NaCl 제거율은 40% 이하(NaCl 투과율 60 % 이상)이지만, 공급수 소모량이 증가하고, 농축부의 처리대상약품이 나노여과막을 일부 통과하여 투과부로 이동하였다. 본 발명의 분획 분자량 범위 미만의 나노여과막을 적용한 비교예 2의 경우, NaCl 제거율은 90% 이상(NaCl 투과율 10 % 이하)이고, 실시예보다 운전시간이 크게 증가하고, 공급수 소모량이 증가하였다. 한외여과막을 적용한 비교예 3의 경우, 처리대상약품이 나노여과막을 통과하여 투과부로 이동하였으며, NaCl 제거율은 0 % 이었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
1: 처리대상약품 2: 염
3: 물 10: 제1 유입부
11: 한외 여과막 12: 제1 이송부
14: 배출부 16: 제2 이송부
20: 혼합탱크 22: 염도측정부
30: 가압펌프 40: 압력측정부
42: 유량조절부 100: 한외 여과 모듈
101: 농축부 102: 투과부
110: 투과부 120: 농축부
130: 나노여과막 200: 나노 여과 모듈
1000: 농축장치

Claims (10)

  1. 처리대상약품 및 염을 포함하는 원수가 유입되어 농축수를 배출하는 농축부;
    일면이 상기 농축부에 접하는 나노여과막; 및
    상기 나노여과막의 타면에 형성되며, 상기 농축부로부터 투과된 염이 배출되는 투과부;가 구비되고,
    상기 나노여과막의 분획 분자량은 300g/mol이며,
    상기 원수는 11 bar의 유입압력이 인가되고, 상기 원수의 pH는 11 이고, 온도는 20℃이며,
    상기 처리대상약품은 중량평균 분자량이 450~650g/mol인 폴리말토오스수산화제이철착염(Ferric Hydroxide Polymaltose Complex)을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 여과 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 원수의 염 농도는 6중량% 내지 12중량% 이고, 상기 투과부의 염 농도는 8중량% 내지 10중량%인 나노 여과 모듈.
  6. 처리대상약품 및 염을 포함하는 원수를 농축부에 유입하고; 그리고
    상기 염은 나노여과막을 통해 투과되어 투과부로 분리되고, 상기 처리대상약품은 농축부에서 농축되는;단계를 포함하고,
    상기 나노여과막은 일면이 상기 농축부에 타면은 상기 투과부에 접하고, 분획 분자량이 300g/mol이며,
    상기 원수는 11 bar의 유입압력이 인가되고, 상기 원수의 pH는 11 이고, 온도는 20℃이며,
    상기 처리대상약품은 중량평균 분자량이 450~650g/mol인 폴리말토오스수산화제이철착염(Ferric Hydroxide Polymaltose Complex)을 포함하는 것을 특징으로 하는 농축 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서, 상기 원수의 염 농도는 6중량% 내지 12중량% 이고, 상기 투과부의 염 농도는 8중량% 내지 10중량%인 농축 방법.
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