KR101799578B1 - 막 증류용 분리막 세정 방법 - Google Patents

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Abstract

막 증류용 분리막 세정방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류용 분리막 세정방법은 (a) 막 증류용 분리막이 오염된 것으로 판단되는 경우에, 분리막을 분리한 후 분리막에 물을 분사하여 분리막을 세정하는 단계; (b) (a)단계 후 분리막에 물리적 또는 화학적 처리를 하여 분리막을 세정하는 단계; 및 (c) (b)단계 후 분리막에 물을 분사하여 분리막을 세정하는 단계를 포함한다.

Description

막 증류용 분리막 세정 방법{MEMBRANE CLEANING METHOD FOR THE MEMBRANE DISTILLATION}
본 발명은 막 증류용 분리막 세정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오염된 분리막에 대한 세정효율을 향상시킬 수 있는 막 증류용 분리막 세정방법에 관한 것이다.
일반적으로 막 증류법(Membrane Distillation)은 소수성 고분자 분리막의 표면에서 상변화가 일어나고, 분리막의 표면 미세기공을 통해 증기가 투과된 후 응축, 분리되는 공정이다.
그리고, 막 증류법은 비휘발성 물질이나 휘발성이 상대적으로 낮은 물질을 분리 제거하는 탈염 공정에 이용되거나, 수용액 중에 휘발성이 높은 유기물을 분리하는데도 이용될 수 있다.
이러한 막 증류법에 대한 개념이 1960년에 제안된 이래 현재에 이르기까지 막 증류에 대한 연구는 주로 미국, 유럽, 일본, 호주 중심으로 진행되어 왔다. 최근에는 막 증류 분리 공정을 종래의 증발 또는 역삼투압막을 이용한 분리공정과 대체하려는 움직임이 활발하다.
현재, 순수제조나 담수화 공정으로 사용되고 있는 증발법과 역삼투압법은 에너지가 많이 소요되는데, 특히 역삼투압법은 오염과 파울링의 문제로 인하여 사용 전에, 여러 단계의 전처리 과정을 거쳐야 하므로 운전 관리상의 어려움이 있으며 또한 높은 압력에서 운전되므로 펌프 동력원인 전기에너지가 많이 사용되어 관리비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
반면에, 막 증류법(membrane distillation)은 다공성 막을 사용하면서 한외여과법과 역삼투압법에 비해 낮은 압력에서 운전되며 증기압 분압차에 의해 분리가 이루어진다.
또한, 막 증류법을 이용하면, 염과 같은 비휘발성 물질을 분리제거하는데 있어서 전통적인 증류법이 가지는 비말 동반이 없고 높은 압력으로 운전되는 여과기 또는 분리막을 사용하지 않아도 된다.
이러한 막 증류 분리공정의 장점으로 인하여, 막 증류법을 이용한 담수화(탈염화) 처리공정은 저비용의 유틸리티와 분리장치의 내구성이 우수하므로 전 세계적으로 음용수 생산에 있어 경쟁력 있는 방법 중의 하나로 부상하고 있다.
한편, 막 증류법은 소수성 고분자 분리막을 이용하는데, 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공 입구에서 분리대상 물질이 증기 상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 처리수 측에서 응축, 분리되는 것이다.
이러한 막 증류법은 유입용액이 분리막을 통과하는 유입수측과 분리대상 물질이 응축 및 분리되는 처리수측으로 구성된 분리막 모듈을 통해 수행된다.
하지만, 막 증류법은 분리막의 소재로 상기와 같이 소수성 고분자 분리막을 이용하기 때문에, 막 증류 수처리 장치의 유입수측 내의 오염 원수에 포함되어 있는 각종 오염 물질에 의해 분리막의 표면이 오염되어 부분적으로 친수화되는 경우에 유입수가 친수화된 부분을 직접 통과하는 막젖음(Wetting) 현상이 발생할 수 있다.
막젖음 현상이 발생하는 경우 유입수의 원수가 분리막을 통과하게 되므로, 순수를 얻는 것이 목적인 막 증류 공정의 운영이 불가능하며, 맞젖음 현상이 발생되는 경우 공극 내부의 막오염 물질을 제거하는 막 세정 세정공정이 반드시 요구된다.
종래의 막 증류 공정의 막 세정 방법은 일반적으로 염산을 이용한 세정이 주로 사용되었으나, 염산을 이용하여 분리막을 세정하는 경우에 분리막의 지속적인 성능 회복에 어려움이 있어 세정효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 오염된 분리막에 대한 세정효율을 향상시킬 수 있는 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1551450호 (2015.09.08. 공고)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 막 증류 공정 중 오염된 분리막의 세정효율을 향상시킴으로써 분리막의 성능 저하를 방지할 수 있으며 분리막의 세정주기를 증대시킬 수 있는 막 증류용 분리막 세정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 막 증류용 분리막이 오염된 것으로 판단되는 경우에, 상기 분리막을 분리한 후 상기 분리막에 물을 분사하여 상기 분리막을 세정하는 단계; (b) 상기 (a)단계 후 상기 분리막에 물리적 또는 화학적 처리를 하여 상기 분리막을 세정하는 단계; 및 (c) 상기 (b)단계 후 상기 분리막에 물을 분사하여 상기 분리막을 세정하는 단계를 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법이 제공될 수 있다.
상기 (b)단계는 상기 분리막을 1 ~ 2 중량 % 구연산 수용액에 10 ~ 15분 동안 침지하여 세정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (b)단계는 상기 분리막을 1 중량 % 수산화 나트륨 수용액에 10 분 동안 침지하여 세정하는 단계; 및 상기 분리막을 순차로 1 중량 % 구연산 수용액에 10 분 동안 침지하여 세정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (b)단계는 상기 분리막을 2 중량 % 차아염소산 수용액에 10분 동안 침지하여 세정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (b)단계는 초음파 세척장치를 이용하여 상기 분리막을 60℃로 가열한 물에 침지한 후 20분 동안 초음파를 이용하여 상기 분리막을 세정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계와 상기 (c) 단계는 상기 분리막에 30초 동안 물을 분사할 수 있다.
(a-1) 상기 (a) 단계 이전에, 상기 분리막에 맞젖음 현상이 발생하였는지 여부를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (a-1) 단계는 상기 분리막에 대향되게 배치되는 막젖음 검출유닛을 이용하여 상기 분리막을 투과하는 조명을 실시간으로 측정한 후 상기 분리막의 막젖음 현상을 검출할 수 있다.
상기 막젖음 검출유닛은 상기 분리막의 일측면에 대향되게 배치되어 상기 분리막으로 조명을 조사하는 광원부; 및 상기 분리막의 타측면에 대향되게 배치되어 상기 분리막을 투과한 조명을 실시간으로 측정하는 검출부를 포함할 수 있다.
상기 광원부는 막 증류 수처리유닛의 유입수 챔버 측에 배치되어 상기 분리막에 조명을 조사하고, 상기 검출부는 막 증류 수처리유닛의 처리수 챔버 측에 배치되어 상기 분리막을 투과한 조명을 실시간으로 측정할 수 있다.
상기 광원부는 자외선 이하의 단파장 광선, 자외선, 가시광선, 적외선 및 적외선 이상의 긴 파장을 갖는 광선 중 어느 하나로 이루어진 광원을 포함을 포함하며, 상기 검출부는 상기 분리막을 투과한 조명을 측정하는 영상촬영장치를 포함할 수 있다.
상기 막젖음 검출유닛은 상기 검출부에서 측정된 영상을 기초로 조명이 상기 분리막을 투과하는지에 따라 상기 분리막의 막젖음 현상 발생여부와 상기 분리막 상의 막젖음 위치를 산출하는 막젖음 판단부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 막 증류 공정 중 분리막에 막젖음 현상이 발생되어 분리막이 오염되는 경우에, 분리막에 물리적 또는 화학적 처리를 하여 분리막을 세정하여 분리막의 세정효율을 향상시킴과 더불어 분리막의 성능 저하를 방지하고 분리막의 세정주기를 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 막 증류 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 막젖음 검출유닛을 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 막 증류 공정 중 막젖음 검출유닛에 의해 측정된 분리막을 나타내는 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 막 증류용 분리막 세정방법을 나타내는 순서도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 물리적 또는 화학적 세정방법 별 세정효율을 나타내는 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 막젖음 검출유닛을 나타내는 도면이고, 도 3a 내지 도 3c는 막 증류 공정 중 막젖음 검출유닛에 의해 측정된 분리막을 나타내는 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 막증류 시스템은 다양한 유체를 저장하는 원수 저장조(100)와, 원수에 함유된 이물질을 제거하는 전처리유닛(400)과, 원수에 함유된 이물질이 제거된 유입수를 공급받아 분리막(230)을 이용하여 순수를 생성하는 막 증류 수처리유닛(200)과, 분리막(230)에 대향되게 배치되어 분리막(230)의 막젖음 현상과 막젖음 위치를 검출하는 막젖음 검출유닛(300)을 포함한다.
본 발명에 따른 막증류 시스템은 막 증류 수처리유닛(200)의 분리막(230)을 이용하여 순수를 생성하는 공정 중 분리막(230)에 막젖음 현상이 발생하는 것을 실시간 검출하고 분리막(230) 상에 막젖음 위치를 실시간으로 검출할 수 있도록 하는 것이다.
원수 저장조(100)는 다양한 유체가 내부에 저장된다. 원수 저장조(100)에 저장되는 유체는 이물질, 즉 각종 유기 물질 등이 포함한다.
즉, 원수는 오염물질을 포함하는 담수, 기수, 해수, 역삼투 공정 농축수, 하폐수, 슬러지 등 일 수 있고, 순수를 생성하거나 농축이 필요한 식품 농축액, 산 또는 염기, 각종 약품 공정수 및 초순수 공정수 등일 수 있다.
그리고 원수 저장조(100)는 원수와 반응하지 않는 금속 또는 비금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
구체적으로 원수 저장조(100)는 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC), 섬유강화플라스틱(Fiber reinforced plastic, FRP), SUS316L 및 DUPLEX 중 어느 하나로 제조될 수 있다.
그리고 전처리유닛(400)은 원수에 함유된 이물질을 제거하는 역할을 한다.
도 1에서 도시한 바와 같이 전처리유닛(400)은 원수 저장조(100)에 공급되는 원수에 함유된 이물질을 제거할 수 있다. 한편 도시되지는 않았으나 전처리유닛(400)은 원수 저장조(100)에서 후술할 막 증류 수처리유닛(200)의 유입수 챔버(210)로 공급되는 원수에 함유된 이물질을 제거하도록 설치될 수 있다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 전처리유닛(400)은 원수 저장조(100)에 공급되는 원수를 사전에 전처리하도록 원수 저장조(100)의 전방에 배치될 수 있다.
전처리유닛(400)은 원수 저장조(100)에 연결되어 전처리된 원수를 원수 저장조(100)에 공급한다. 이때 원수 저장조(100)는 후술할 막 증류 수처리유닛(200)과 연결되어 유입수 챔버(210)에서 생성되는 농축수를 공급받아 저장한다.
이처럼 유입수 챔버(210)에서 공급되는 농축수와 전처리된 원수는 원수 저장조(100)에서 상호 혼합되어 다시 유입수 챔버(210)로 공급된다. 즉 농축수와 전처리된 원수가 혼합되어 유입수를 형성하고 유입수는 유입수 챔버(210)로 공급된다.
또한 원수 저장조(100)와 유입수 챔버(210) 사이에는 원수 저장조(100)에서 혼합된 농축수와 전처리된 원수를 유입수 챔버(210)로 공급하는 공급펌프(P)가 마련된다.
한편, 도시되지는 않았으나 본 실시예에 따른 전처리유닛은 원수 저장조와 직접 결합될 수 있다. 이때 전처리유닛은 막 증류 수처리유닛과 연결되어 유입수 챔버에서 생성되는 농축수를 공급받아 저장한다. 이처럼 유입수 챔버에서 공급되는 농축수와 전처리된 원수는 전처리유닛에서 상호 혼합되어 다시 유입수 챔버로 공급된다. 여기서, 농축수와 전처리된 원수가 혼합되어 유입수를 형성하고 유입수는 유입수 챔버로 공급된다. 그리고 전처리유닛와 별개로 전처리유닛의 후방에 유량 저장조(미도시)가 마련될 수 있으며, 유량 조정조는 전처리유닛과 연결되어 전처리된 원수를 공급받아 저장하고 유입수 챔버와 연결되어 유입수 챔버에서 생성되는 농축수를 공급받아 저장한다.
또한 도시되지은 않았으나 본 실시예에 따른 전처리유닛은 원수 저장조의 후방에 배치될 수 있다. 전처리유닛이 원수 저장조의 후방에 배치되는 경우, 구체적으로 전처리유닛이 원수 저장조와 막 증류 수처리유닛의 유입수 챔버 사이에 마련 또는 배치되는 경우에 전처리유닛과 유입수 챔버 사이에는 적어도 하나의 유량 조정조가 더 마련된다. 여기서 유량 조정조는 전처리유닛과 연결되어 전처리된 원수를 공급받아 저장하며, 또한 유입수 챔버와 연결되어 유입수 챔버에서 생성되는 농축수를 공급받아 저장한다. 이러한 유량 조정조에 공급되는 농축수와 전처리된 원수는 유량 조정조 내부에서 상호 혼합되고 공급펌프에 의해 다시 유입수 챔버로 공급된다. 여기서 농축수와 전처리된 원수가 혼합되어 유입수를 형성하고 유입수는 유입수 챔버로 공급된다.
한편, 도 1에서는 하나의 전처리유닛(400)이 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며 막 증류 시스템의 규모나 사용 환경에 따라 복수의 전처리유닛(400)이 설치될 수 있다.
또한 도 1에서는 전처리유닛(400)이 저장조 형태로 도시되었으나, 그 형태가 특정되는 것은 아니다. 예를 들어 원수 저장조(100)와 막 증류 수처리유닛(200)에 연결된 배관의 내부에 삽입된 형태이거나, 배관의 외부에 설치된 장치 형태이든 어떠한 형태라도 무방하다.
한편, 본 실시예에서 전처리유닛(400)은 주로 입자 또는 유기물 오염물(foulant), 미생물, 무기물 오염물 등과 같이 막 증류 공정에서 발생할 수 있는 이물질을 제어하기 위한 장치이다. 특히 입자, 유기 오염물, 미생물이 무기 오염물과 복합적으로 결합할 수 있어, 제어가 필요할 수 있다.
이를 위해 전처리유닛(400)은 무기 이온 제어공정, 유기물 제어공정, 미생물 제어공정 및 입자 제어공정 등 중 어느 하나 이상의 공정을 수행한다.
보다 상세하게는 전처리유닛(400)은 응집, 침전, 여과 (모래여과, Dual media filtration, Multi-media filtration, cartridge filter, MF(Microfiltration) / UF(Ultrafiltration) / NF(Nanofiltration) / RO(Reverse osmosis) / MD(membrane distillation) / FO(Forward osmosis) membrane), 살균 (HOCl, NaOCl, UV irradiation), 미생물 공정, 이온 교환(Ion exchange, Softening), 화학 약품 처리(산, 염기, 소독제, 세정제, Anti-scalant), 흡착(활성탄류, Filter absorber, 수지(resins)류 등) 중 어느 하나 이상의 공정을 수행한다.
또한 전처리유닛(400)은 막 증류 공정 중에 막오염을 방지하기 위해 지속적으로 약품을 주입하거나, 일정 주기로 약품을 주입할 수 있으며, 막 세정을 위해 짧은 시간동안 높은 농도의 약품을 주입할 수 있다. 이때에는 약품 주입과 동시에 공기 또는 세정수가 투입될 수 있다.
이를 위해 막 증류 공정 중에 분리막(230) 및 유입수 챔버(210)에 대한 세정 공정을 더 포함할 수 있으며, 세정은 유기 및 무기 또는 살균 등과 같이 분리막(230) 또는 배관의 오염물질을 세정할 수 있는 그 어떤 약품이라도 적용 가능하다.
예를들어, 약품은 pH 조절제, Eh 조절제, 침전제, 응집제, 소독제, anti-scalant 등을 포함하나, 이에 한정되지 않고 다양한 유체의 화학 조성에 변화를 줄 수 있는 약품이라면 어떠한 약품이라도 적용 가능하다.
그리고 막 증류 수처리유닛(200)은 유입수를 공급받아 분리막(230)을 이용하여 순수를 생성한다.
본 실시예에 따른 막 증류 수처리유닛(200)은 침지식 형태, 가압식 형태를 모두 포함하며, 직접 접촉 막 증류(Direct Contact Membrane Distillation, DCMD), 공기 간극 막 증류(Air Gap Membrane Distillation, AGMD), 진공 막 증류(Vacuum Membrane Distillation, VMD), 동반 기체식 막 증류(Sweep Gas Membrane Distillation, SGMD) 및 투과 간극 막 증류(Permeate Gap Membrane Distillation, PGMD) 방식 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
여기서, 직접 접촉 막 증류(DCMD) 방식은 분리막 양측에 따뜻한 물과 차가운 물이 직접 접촉하는 방식이고, 공기 간극 막 증류(AGMD) 방식은 분리막의 유입수 챔버 측에 따뜻한 원수가 접촉하고 처리수 챔버 측에 공기층(air gap)이 존재하고 공기층 반대편에 냉각용 판이 존재하여 공기를 냉각하는 방식이고, 진공 막 증류(VMD) 방식은 분리막의 유입수 챔버 측에 따뜻한 원수가 접촉하고 처리수 챔버 측에 공기층(air gap)이 존재하고 해당 공기층에서 공기를 빨아내어(진공을 적용) 수증기가 포함된 공기를 추가적인 응축 장치에 접촉하여 순수를 얻는 방식이고, 동반 기체식 막 증류(SGMD) 방식은 분리막의 유입수 챔버 측에 따뜻한 원수가 접촉하고 처리수 챔버 측에 공기층(air gap)이 존재함. 해당 공기층에 수증기를 흡수할 수 있는 동반 기체(Sweep gas)를 통과시키고 추가적인 응축장치에서 순수를 얻는 방식이고, 투과 간극 막 증류(PGMD) 방식은 분리막의 유입수 챔버 측에 따뜻한 원수가 접촉하고 처리수 챔버 측에 유체층(물로 채워져 있는 층)이 존재하고 유체층 반대편에 냉각용판이 존재하여 유체를 냉각하는 방식이다.
막 증류 수처리유닛(200)은 유입수가 유입되는 유입수 챔버(210)와, 유입수 챔버(210) 내의 유입수를 수증기와 농축수로 분리하는 분리막(230)과, 분리막(230)에 의해 분리된 수증기가 공급되며 수증기를 응축하는 처리수 챔버(250)를 포함한다.
본 실시예에서 분리막(230)은 평막으로 도시되었으나, 분리막(230)은 중공사막, 튜브 형태 등도 적용가능하다.
또한 본 실시예에서 분리막(230)은 소수성 고분자 분리막 또는 세라믹 막일 수 있다.
그리고, 소수성 고분자 분리막은 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리설폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리에테르이미드(Polyether lmide, PEI), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 및 폴리아마이드(Polyamide, PA) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 막 증류 수처리유닛(200)에 의하면, 공급펌프(P)에 의해 유입수가 유입수 챔버(210)로 공급된다. 유입수 챔버(210)로 공급된 유입수는 분리막(230)을 경계로 유입수 챔버(210)와 처리수 챔버(250) 사이의 온도차에 의해 형성된 증기압 차이에 의해 순수한 수증기와 농축수로 분리된다.
순수한 수증기는 분리막(230)을 통과하여 처리수 챔버(250)로 이동하고, 처리수 챔버(250)에서 응축되어 순수가 생성된다.
그리고 처리수 챔버(250)에서 생성된 순수는 순수 저장조(미도시)로 공급된다. 순수 저장조는 막 증류 수처리유닛(200)의 일측에 마련되어 처리수 챔버(250)와 상호 연결된다. 또한 순수 저장조는 순수와 반응하지 않는 금속 또는 비금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 농축수는 공급펌프(P)에 의해 발생된 압력에 의해 배출되며, 도 1에서 도시된 바와 같이 원수 저장조(100)로 공급된다.
상기와 같은 막 증류 공정을 반복하여 수행하는 경우에 분리막(230)은 오염물질이 함유된 유입수에 지속적으로 노출된다. 따라서 분리막(230)에 막오염 현상, 특히 막젖음 현상이 발생할 수 있다.
막젖음 현상(Wetting)이란 막 증류 공정에서 분리막(230)에 강한 압력이 가해지거나 특히 분리막(230)의 공극 내부에 친수성 오염물질(예를들어, Ca계열 결정)이 형성되어 친수화되는 경우, 유입수 챔버(210)의 오염수가 분리막(230)을 직접 통과하여 처리수 챔버(250)로 이동되는 것을 말한다.
막젖음 현상이 발생하는 경우 처리수 챔버(250) 내에서 생성된 순수에 오염수가 섞이게 되므로 막 증류 공정이 불가능하게 된다. 따라서 일반적으로 막젖음 현상이 발생하지 않도록 분리막(230)에 강한 압력이 가해지지 않도록 하거나 분리막(230)의 막오염 현상을 방지하는 방식으로 운영되고 있다. 그리고 막젖음 현상이 발생하는 경우 분리막 세정공정을 수행한다.
분리막 세정공정을 수행하기에 앞서 분리막에 막젖음 현상이 발생하였는지를 확인하는 작업이 필요하다.
종래에는 전기전도도 측정을 통한 막젖음 현상을 관찰하였으나, 이는 유입수가 처리수 챔버(250)로 이동된 후에 막젖음 현상을 확인할 수 있는 문제점이 있다. 또한 종래의 방법은 막젖음 현상이 부분적으로 발생하거나, 분리막(230)이 부분적으로 손상 또는 불균질하게 제조되어 막젖음 현상이 분리막(230)의 일부에서만 나타날 수 있으며 그 예측이 불가능한 문제점이 있다.
이에 본 실시예에서는 분리막(230)의 특정위치에서 막젖음 현상이 나타내는 것을 광학적으로 확인할 수 있는 막젖음 검출유닛(300)이 마련된다.
본 실시예에서는 막 증류 공정 중 발생되는 막젖음 현상을 실시간 모니터링할 수 있도록 막젖음 검출유닛(300)을 포함한다.
막젖음 검출유닛(300)은 분리막(230)에 대향되게 배치되어 분리막(230)을 투과하는 조명을 실시간으로 측정하여 분리막(230)의 막젖음 현상과 막젖음 위치를 검출한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 막젖음 검출유닛(300)은 분리막(230)의 일측면에 대향되게 배치되어 분리막(230)으로 조명을 조사하는 광원부(310)와, 분리막(230)의 타측면에 대향되게 배치되어 분리막(230)을 투과한 조명을 실시간으로 측정하는 검출부(330)와, 검출부(330)에서 측정된 영상을 기초로 조명이 분리막(230)을 투과하는지에 따라 분리막(230)의 막젖음 현상 발생여부 및 분리막(230) 상의 막젖음 위치를 산출하는 막젖음 판단부(미도시)를 포함한다.
광원부(310)는 유입수 챔버(210) 측에 배치되어 분리막(230)의 일측면에 조명을 조사한다.
구체적으로 도 2에서 도시한 바와 같이 광원부(310)는 유입수 챔버(210)의 외부에 배치되고 유입수 챔버(210)의 분리막(230)에 대향되는 일면에 마련된 투명창을 통해 분리막(230)에 조명을 조사할 수 있다. 이에 대응하여 검출부(330)는 처리수 챔버(250)의 외부에 배치되고 처리수 챔버(250)의 분리막(230)에 대향되는 일면에 마련된 투명창을 통해 분리막(230)을 통과한 조명을 검출할 수 있다.
또한 도시되지는 않았으나 광원부(310)는 유입수 챔버(210)의 내부에 배치되어 분리막(230)에 조명을 조사할 수도 있다. 또한 도시되지는 않았으나 광원부(310)는 분리막(230) 상에 배치될 수도 있다.
그리고 광원부(310)는 자외선 이하의 단파장 광선, 자외선, 가시광선, 적외선 및 적외선 이상의 긴 파장을 갖는 광선 중 어느 하나로 이루어진 광원을 포함할 수 있으나 이에 의해 제한되지 않으며, 본 실시예에서 광원부(310)는 분리막(230)에 조명을 조사할 수 있는 광원이면 어느 것이든 사용가능하다.
또한 막 증류 수처리유닛(200)을 암실 내에 배치하고 암실에 다양한 모양을 갖는 슬릿(미도시)을 형성하고, 슬릿을 통해 태양광, 형광, 불꽃, 불빛 등이 분리막(230)에 조사되게 할 수 있다.
그리고 검출부(330)는 분리막(230)의 타측면에 대향되게 배치된다. 즉 검출부(330)는 분리막(230)을 사이에 두고 광원부(310)의 반대편에 배치되어 분리막(230)을 투과한 조명을 실시간으로 측정한다.
검출부(330)는 분리막(230)을 투과한 조명을 측정하는 것으로서, 필름형태 또는 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라 등 영상촬영장치를 포함한다. 또한 검출부(330)는 처리수 챔버(250) 내부 또는 외부에 배치될 수 있다.
검출부(330)는 분리막(230) 표면을 투과한 조명에 분리막(230)을 촬영한 영상의 변화로부터 막젖음 현상을 측정한다.
즉, 막 증류 공정에서 분리막(230)의 공극 내부에 친수성 막오염 물질(예를 들어 Ca계 결정)이 성장하게 되면, 분리막(230)이 부분적으로 친수화되고, 일정 이상 크기로 성장한 일부 Ca계 결정은 조명을 통과시킨다. 따라서 도 3a의 막젖음 현상이 발생하기 전이나 도 3b의 막 증류 공정에서 처리수 챔버(250) 측으로 이동하는 수증기가 감소되기 시작하는 시점과 달리 도 3c에서 도시한 바와 같이 처리수 챔버(250) 측에 마련된 CCD 카메라에서 분리막(230)을 통과한 조명이 상대적으로 밝은 형태로 측정된다.
그리고, 막젖음 판단부(미도시)는 검출부(330)에서 실시간 측정된 영상을 기초로 조명이 분리막(230)을 투과하는지에 따라 분리막(230)의 막젖음 현상 발생여부와 분리막(230)상의 막젖음 위치를 산출한다. 또한 막젖음 판단부는 검출부(330)에서 측정된 영상을 기초로 이미 입력된 자료 또는 계산식을 활용하거나 또는 측정을 통해 저장된 자료를 평가하여 막 증류 공정의 운전을 제어할 수 있는 제어신호를 발생시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 막 증류 시스템의 동작 중 분리막(230)을 통과하는 순수 수증기의 유량이 감소됨에 따라 분리막(230)이 오염된 것으로 판단되는 경우와 막젖음 검출유닛(300)에 의해 분리막(230)에 막젖음 현상이 발생하여 분리막(230)이 오염된 것으로 판단되는 경우에 분리막(230)을 막 증류 수처리유닛(200)으로부터 분리한 후 분리막 세정공정을 수행한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 막 증류용 분리막 세정방법을 나타내는 순서도이고, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 물리적 또는 화학적 세정방법 별 세정효율을 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 먼저 분리막(230)을 통과하는 순수 수증기의 유량의 변화를 통해 순수 수증기의 유량이 감소하면 분리막(230)이 오염된 것으로 판단하고 또한 막젖음 검출유닛(300)을 이용하여 분리막(230)에 막젖음 현상이 발생하면 분리막(230)이 오염된 것으로 판단한다(S100).
다음으로 분리막(230)이 오염된 것으로 판단되는 경우에 분리막(230)을 세정한다.
구체적으로 분리막 세정방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 막 증류 수처리유닛(200)에서 분리된 분리막(230)에 물을 분사하여 분리막(230)을 일차로 세정한다(S200). 증류수 또는 수도물 등의 물을 분리막(230)에 분사하여 분리막(230)에 부착된 오염물을 일차적으로 제거한다. 이때 분리막(230)에 분사되는 물은 상온이며, 30초 동안 분리막(230)에 물을 분사한다.
그리고 분리막(230)에 물을 분사하여 일차적으로 분리막(230)에 부착된 오염물을 제거한 후 분리막(230)에 물리적 또는 화학적 처리를 하여 분리막(230)을 세정한다(S300).
물리적 또는 화학적 세정(S300)은 구연산 단독세정(S310)과 수산화 나트륨-구연산 혼합세정(S330)과 차아염소산 단독세정(S330)을 포함하는 화학적 세정과, 초음파 세정(S370)을 포함하는 물리적 세정을 포함한다.
본 실시예에서는 구연산 단독세정(S310)과 수산화 나트륨-구연산 혼합세정(S330)과 차아염소산 단독세정(S330) 및 초음파 세정(S370) 중 적어도 어느 하나를 선택하여 분리막(230)을 세정할 수 있다. 즉 구연산 단독세정(S310)과 수산화 나트륨-구연산 혼합세정(S330)과 차아염소산 단독세정(S330) 및 초음파 세정(S370) 중 어느 하나를 선택하여 분리막을 세정할 수도 있고 이 중에 복수 개를 선택하여 분리막(230)을 세정할 수도 있다.
구체적으로 구연산 단독세정(S310)은 1~2 중량% 구연산 수용액에 분리막(230)을 약 10~15분 동안 침지하여 세정한다. 구연산 단독세정(S310)은 무기오염 물질이 주로 존재할 경우에 효과적으로 작용한다.
도 5a는 유입수 챔버(210) 내의 온도가 70℃이고 처리수 챔버(250) 내의 온도가 20℃이고 유입수 챔버(210) 내의 유입수의 유입 유량이 0.8 ℓ/minute이고 처리수 챔버(250) 내의 처리수의 배출유량이 0.4ℓ/minute인 조건에서 구연산 단독 세정(S310)에 따른 PTFE/PP 재질의 소수성 고분자 분리막(230)의 성능변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a를 살펴보면 분리막(230)을 구연산 단독세정(S310) 후 막 증류 공정을 cycle 0에서 cycle 5까지 수행한 경우에 초기에 분리막(230)을 통과한 순수한 수증기의 유량이 오차범위 내에서 일정한 것으로 나타나므로 세정에 따른 분리막(230)의 성능회복이 우수하다.
그리고, 수산화 나트륨-구연산 혼합세정(S330)은 분리막(230)을 1 중량 % 수산화 나트륨 수용액에 10분 동안 침지하여 세정한 후, 분리막(230)을 순차로 1 중량% 구연산 수용액에 10분 동안 침지하여 세정한다. 수산화 나트륨-구연산 혼합세정(S330)은 유기 및 무기 오염물질이 혼재할 경우에 효과적으로 작용한다.
도 5b는 유입수 챔버(210) 내의 온도가 70℃이고 처리수 챔버(250) 내의 온도가 20℃이고 유입수 챔버(210) 내의 유입수의 유입 유량이 0.8 ℓ/minute이고 처리수 챔버(250) 내의 처리수의 배출유량이 0.4ℓ/minute인 조건에서 수산화 나트륨-구연산 혼합세정(S330)에 따른 PTFE/PP 재질의 소수성 고분자 분리막(230)의 성능변화를 나타내는 그래프이다.
도 5b를 살펴보면 분리막(230)을 수산화 나트륨-구연산 혼합세정(S330) 후 막 증류 공정을 cycle 0에서 cycle 5까지 수행한 경우에 초기에 분리막(230)을 통과한 순수한 수증기의 유량이 오차범위 내에서 일정한 것으로 나타나므로 세정에 따른 분리막(230)의 성능회복이 우수하다.
그리고 차아염소산 단독세정(S350)은 분리막(230)을 2 중량 % 차아염소산 수용액에 10 동안 침지하여 세정한다. 차아염소산 단독세정(S350)은 유기오염물 또는 미생물이 주요 오염원인 경우에 효과적으로 작용한다.
도 5c는 유입수 챔버(210) 내의 온도가 70℃이고 처리수 챔버(250) 내의 온도가 20℃이고 유입수 챔버(210) 내의 유입수의 유입 유량이 0.8 ℓ/minute이고 처리수 챔버(250) 내의 처리수의 배출유량이 0.4ℓ/minute인 조건에서 차아염소산 단독세정(S350)에 따른 PTFE/PP 재질의 소수성 고분자 분리막(230)의 성능변화를 나타내는 그래프이다.
도 5c를 살펴보면 분리막(230)을 차아염소산 단독세정(S350) 후 막 증류 공정을 cycle 0에서 cycle 5까지 수행한 경우에 초기에 분리막(230)을 통과한 순수한 수증기의 유량이 오차범위 내에서 일정한 것으로 나타나므로 세정에 따른 분리막(230)의 성능회복이 우수하다.
그리고 초음파 세정(S370)은 초음파 세척 장치를 이용하여 분리막(230)을 60℃로 가열한 물에 침지한 후 20분 동안 초음파를 이용하여 분리막(230)을 세정한다. 초음파 세정(S370)은 입자성 오염물이 주요 오염원인 경우에 효과적으로 작용한다.
도 5d는 유입수 챔버(210) 내의 온도가 70℃이고 처리수 챔버(250) 내의 온도가 20℃이고 유입수 챔버(210) 내의 유입수의 유입 유량이 0.8 ℓ/minute이고 처리수 챔버(250) 내의 처리수의 배출유량이 0.4ℓ/minute인 조건에서 초음파 세정(S370)에 따른 PTFE/PP 재질의 소수성 고분자 분리막(230)의 성능변화를 나타내는 그래프이다.
도 5d를 살펴보면 분리막(230)을 초음파 세정(S370) 후 막 증류 공정을 cycle 0에서 cycle 5까지 수행한 경우에 초기에 분리막(230)을 통과한 순수한 수증기의 유량이 막 증류 공정을 반복함에 따라 감소되므로 구연산 단독세정(S310)과 수산화 나트륨-구연산 혼합세정(S330)과 차아염소산 단독세정(S330)을 포함하는 화학적 세정방법과 대비하여 다소 분리막(230)의 성능회복이 낮으나, 막 증류 공정을 반복하는 경우에 세정에 따른 분리막(230)의 성능회복이 일정하게 유지되므로 분리막 세정방법으로 적합하다.
상기와 같이, 물리적 또는 화학적 세정(S300)을 거친 후 분리막(230)에 물을 분사하여 분리막(230)을 최종적으로 세정한다(S400). 증류수 또는 수도물 등의 물을 분리막(230)에 분사하여 물리적 또는 화학적 세정(S300)을 거친 분리막(230)을 최종적으로 세정한다. 이때 분리막(230)에 분사되는 물은 상온이며, 30초 동안 분리막에 물을 분사한다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 원수 저장조 200: 막 증류 수처리유닛
210: 유입수 챔버 230: 분리막
250: 처리수 챔버 300: 막젖음 검출유닛
310: 광원부 330: 검출부
400 400b: 전처리유닛

Claims (12)

  1. (a) 막 증류용 분리막에 막젖음 현상이 발생하였는지 여부를 검출하는 단계;
    (b) 상기 분리막이 오염된 것으로 판단되는 경우에, 상기 분리막을 분리한 후 상기 분리막에 물을 분사하여 상기 분리막을 세정하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계 후 상기 분리막에 물리적 또는 화학적 처리를 하여 상기 분리막을 세정하는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계 후 상기 분리막에 물을 분사하여 상기 분리막을 세정하는 단계를 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 분리막을 1 ~ 2 중량 % 구연산 수용액에 10 ~ 15분 동안 침지하여 세정하는 단계를 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 분리막을 1 중량 % 수산화 나트륨 수용액에 10 분 동안 침지하여 세정하는 단계; 및
    상기 분리막을 순차로 1 중량 % 구연산 수용액에 10 분 동안 침지하여 세정하는 단계를 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 분리막을 2 중량 % 차아염소산 수용액에 10분 동안 침지하여 세정하는 단계를 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    초음파 세척장치를 이용하여 상기 분리막을 60℃로 가열한 물에 침지한 후 20분 동안 초음파를 이용하여 상기 분리막을 세정하는 단계를 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계와 상기 (d) 단계는 상기 분리막에 30초 동안 물을 분사하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 분리막에 대향되게 배치되는 막젖음 검출유닛을 이용하여 상기 분리막을 투과하는 조명을 실시간으로 측정한 후 상기 분리막의 막젖음 현상을 검출하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 막젖음 검출유닛은,
    상기 분리막의 일측면에 대향되게 배치되어 상기 분리막으로 조명을 조사하는 광원부; 및
    상기 분리막의 타측면에 대향되게 배치되어 상기 분리막을 투과한 조명을 실시간으로 측정하는 검출부를 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광원부는 막 증류 수처리유닛의 유입수 챔버 측에 배치되어 상기 분리막에 조명을 조사하고,
    상기 검출부는 막 증류 수처리유닛의 처리수 챔버 측에 배치되어 상기 분리막을 투과한 조명을 실시간으로 측정하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광원부는 자외선 이하의 단파장 광선, 자외선, 가시광선, 적외선 및 적외선 이상의 긴 파장을 갖는 광선 중 어느 하나로 이루어진 광원을 포함을 포함하며,
    상기 검출부는 상기 분리막을 투과한 조명을 측정하는 영상촬영장치를 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 막젖음 검출유닛은,
    상기 검출부에서 측정된 영상을 기초로 조명이 상기 분리막을 투과하는지에 따라 상기 분리막의 막젖음 현상 발생여부와 상기 분리막 상의 막젖음 위치를 산출하는 막젖음 판단부를 더 포함하는 막 증류용 분리막 세정방법.
  12. 삭제
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