KR101866441B1 - 스파이럴형 분리막 엘리먼트 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
복수장의 분리막 쌍을 집수관(集水管)의 외주면에 권취하여 이루어지는 스파이럴형 분리막 엘리먼트로서, 복수장의 분리막은, 인접하는 2장의 분리막을 분리막의 공급수측끼리가 대면하도록 적층되고, 집수관의 길이 방향으로 평행하고, 또한 집수관에 가까운 쪽의 분리막 단부(端部)의 공급수측의 면끼리가 봉지재(封止材)에 의해 봉지된 분리막 쌍 중 적어도 2조(組)를 포함하는 스파이럴형 분리막 엘리먼트.
Description
본 발명은, 액체, 기체 등의 유체에 포함되는 성분을 분리하기 위해 사용되는 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 제조하기 위한 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 제조 방법에 관한 것이다.
액체, 기체 등의 유체에 포함되는 성분을 분리하는 방법으로서는, 다양한 방법이 있다. 예를 들면, 해수, 함수(鹹水) 등에 포함되는 이온성 물질을 제거하기 위해, 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 대한 이용이 증가하고 있다.스파이럴형 분리막 엘리먼트에 사용되는 분리막에는, 정밀 여과막, 한외 여과막, 나노 여과막, 역삼투막, 정삼투막 등이 있다. 이들 분리막은, 예를 들면, 해수, 함수, 유해물을 포함한 물 등으로부터 음료수를 얻는 경우나, 공업용 초순수의 제조, 배수 처리, 유가물(有價物)의 회수 등에 사용되고 있고, 목적으로 하는 분리 성분 및 분리 성능에 따라 구분하여 사용할 수 있다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트는, 분리막의 한쪽 면에 원유체(原流體)를 공급하고, 다른쪽 면으로부터 투과 유체를 얻는 것이지만, 다른 분리막 엘리먼트에 비해, 큰 분리막 면적을 채용할 수 있는 것이 이점으로 되어 있다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트는, 분리막을 스파이럴로 권취된 권회체(卷回體), 권회체의 한쪽 측단에 끼워맞추어진 상류측 단판(端板), 권회체의 다른쪽 측단에 끼워맞추어진 하류측 단판, 분리막의 한쪽 면을 따라 설치된 원유체 유로와 분리막의 다른쪽 면을 따라 설치된 투과 유체 유로, 및 투과 유체 수집관을 포함하고, 원유체 유로가, 투과 유체 수집관에 대하여 폐색(閉塞)되고, 투과 유체 유로가, 투과 유체 수집관에 대하여 개방된 상태에서, 분리막이, 투과 유체 수집관에 스파이럴로 권취되어, 상기 권회체가 형성되고, 투과 유체 수집관의 길이 방향의 일단부가 폐색되고, 개방되어 있는 타단부가 하류측 단판의 외측에 위치하고, 상류측 단판을 통해서, 원유체 유로에 원유체가 공급되고, 하류측 단판을 통해서, 분리막을 투과하지 않은 농축 유체가 배출되고, 투과 유체 수집관을 통해서, 분리막을 투과한 투과 유체가 도출(導出)되어 이루어진다.
분리막으로서 역삼투막을 사용한 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 사용하여, 원유체로서의 물을 처리하는 경우, 분리막을 따라 물을 흐르게 하는 유로를 형성하기 위한 공급수측 유로재로서 고분자제의 네트가 많이 사용되고 있다. 분리막으로서는, 폴리아미드 등의 가교 고분자로 이루어지는 분리 기능층, 폴리술폰 등의 고분자로 이루어지는 다공성 지지막, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 고분자로 이루어지는 부직포가, 이 순서로, 공급수측으로부터 투과수측에 걸쳐 적층된 복합 반투막이 많이 사용되고 있다. 분리막을 따라 투과수를 흐르게 하기 위한 투과수측 유로재로서 분리막의 유로의 꺼짐을 방지하고, 또한 투과수의 유로를 형성시키기 위하여, 전술한 공급수측 유로재보다 로재(路材) 사이의 간극이 촘촘한 트리코(tricot)제의 직물이 많이 사용되고 있다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트를 사용한 조수(造水) 장치에 있어서, 조수 비용의 저감을 도모하기 위하여, 그 고성능화가 요구되고 있다. 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 분리 성능의 향상의 하나의 방책으로서 단위 시간당 투과 유체량을 증가시키기 위하여, 엘리먼트 내의 공급수 및 투과수의 유로를 형성하는 각각의 유로 부재를 포함하는 스파이럴로 권취되는 분리막층의 성능 향상이 제안되어 왔다.
예를 들면, 특허 문헌 1에는, 요철로 부형(賦形)된 시트형물을 투과수측 유로재로서 사용하는 방법에 대하여 제안하고 있다. 특허 문헌 2에는, 유로 형성용의 기재(基材)(로재)를 사용하지 않고, 분리막의 공급수측 표면에 요철을 형성하고, 그 내부에 중공(中空) 통로를 형성한 분리막의 사용이 제안되어 있다. 특허 문헌 3에는, 요철을 가지는 다공성 지지체와 분리 활성층으로 이루어지는 시트형 복합 반투막을 사용하고, 네트 등의 공급수측 유로재나 트리코 등의 투과수측 유로재를 사용하지 않는 방법에 대하여 제안하고 있다.
한편, 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서, 일련의 분리막을, 공급수측의 면이 대향하는 상태로 절곡하여 접어 형성한 분리막 쌍을 사용하는 것에 대하여, 알려져 있다. 이에 의하면, 분리막을 절곡하여 접는 것에 의해, 네트와 같은 유로재를, 분리막의 공급수측의 면에, 비교적 양호한 정밀도로 협지할 수 있다. 얻어진 분리막 쌍의 복수는, 분리막의 투과수측의 면끼리 대향하는 상태로, 적층되어, 권회체를 형성한다.
각 분리막 쌍은, 한 변에 접은 자국을 가지고, 이 접은 자국에 의해, 분리막 쌍의 내측의 원유체 유로가, 투과 유체 수집관에 대하여, 폐색되어 있다. 접은 자국의 방향에 대하여 직각인 방향의 한쪽 변(길이 방향의 한쪽 변)이, 상류측 단판에 마주보고, 접은 자국의 방향에 대하여 직각인 방향의 다른 쪽의 변(길이 방향의 다른 쪽의 변)이, 하류측 단판에 마주보고, 권회체를 형성하고 있다. 각 분리막 쌍의 나머지 한 변은, 접착에 의해 폐색되어 있다.
그러나, 전술한 종래의 스파이럴형 분리막 엘리먼트는, 성능 향상, 특히 장기간에 걸쳐 운전을 행했을 때의 분리 성능의 안정성에 있어서, 충분하다고는 할 수 없다. 특허 문헌 1에서 제안되어 있는 요철로 부형된 시트형물을 투과수측 유로재로서 사용하는 방법은, 투과수의 유동 저항을 경감시킬 뿐이며, 또한 상기 시트형 물 그 자체가 두께를 가지므로, 분리막을 직접 요철로 부형한 경우에 비하여, 공극(空隙)이 적어져서, 투과수의 유동 저항 저감 효과가 충분하다고는 할 수 없다.
특허 문헌 2에서 제안되어 있는 기재를 사용하지 않고, 분리막의 공급수측 표면에 요철을 형성하고, 그 내부에 중공 통로를 형성한 분리막을 사용하는 방법에서는, 분리막의 표면과 평행한 방향으로 연장되는 중공 통로를 분리막 내에 가지므로, 분리막의 표면의 요철의 높이를 크게 하는 것이 곤란하고, 또한 상기 요철의 형상이 한정된다. 특허 문헌 2의 실시예에서는, 단차 0.15 mm의 홈으로 되어 있다. 또한, 투과수측 유로의 형상도 한정되므로, 공급수측, 투과수측의 유로에 있어서의 유동 저항 저감 효과가 충분하다고는 할 수 없다.
특허 문헌 3에 제안되어 있는 요철을 가지는 다공성 지지체와 분리 활성층으로 이루어지는 시트형 복합 반투막을 사용하고, 네트 등의 공급수측 유로재나 트리코 등의 투과수측 유로재를 사용하지 않는 방법에서는, 특허 문헌 3의 실시예에, 평막 평가용의 셀을 사용한 경우의 막 성능에 대해서만 기술되어 있으며, 이 시트형 복합 반투막을 사용하여, 실제로 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 제작한 경우의 성능은, 개시되어 있지 않다. 실제로 압력을 인가하여 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 운전할 경우, 공급수측 유로, 투과수측 유로의 단면적이 변화하기 쉽고, 초기뿐만 아니라 장기간에 걸쳐 운전을 실시했을 때, 성능이 변화하기 쉬운 경향이 있다고 할 수 있다.
또한, 종래와 같이 분리막을 절곡하여 접어 분리막 쌍을 제작했을 때, 분리막의 절곡이 불충분하여, 접은 자국에 공극이 생기는 경우가 있다. 이와 같은 분리막 쌍을 투과 유체 수집관에 권위(卷圍)하여, 스파이럴형 분리막 엘리먼트로 만든 경우에, 운전 시에, 유체의 리크(leak)가 생기는 경우가 있으며, 이러한 경우, 스파이럴형 분리막 엘리먼트로서 기능하지 않게 된다.
본 발명은, 분리막 쌍의 제작 시에 막 어긋남이 거의 없으며, 양호한 분리 기능을 장기간에 안정적으로 유지할 수 있는 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트는,
(a-1) 스파이럴로 권취된 분리막을 가지는 권회체,
(a-2) 상기 분리막의 한쪽 면을 따라 설치된 원유체 유로,
(a-3) 상기 분리막의 다른쪽 면을 따라 설치된 투과 유체 유로, 및
(a-4) 투과 유체 수집관을 포함하고,
(a-5) 상기 원유체 유로가, 상기 투과 유체 수집관에 대하여 폐색되고, 또한 상기 투과 유체 유로가, 상기 투과 유체 수집관에 대하여 개방된 상태에서,
(a-6) 상기 분리막이, 상기 투과 유체 수집관의 주위에 스파이럴로 권취되어, 상기 권회체가 형성되고,
(a-7) 상기 권회체의 한쪽 단부로부터, 상기 원유체 유로에 원유체가 공급되고,
(a-8) 상기 권회체의 다른 쪽 단부로부터, 상기 분리막을 투과하지 않은 농축 유체가 배출되고,
(a-9) 상기 투과 유체 수집관을 통해서, 상기 분리막을 투과한 투과 유체가 도출되어 이루어지는 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서,
(b-1) 인접하는 상기 분리막의 상기 원유체에 접하는 면이 서로 대향하고, 상기 투과 유체 수집관 측의 쌍방의 단부 사이의 상기 원유체 유로가, 상기 투과 유체 수집관에 대하여, 상기 분리막의 단부에 설치된 봉지재(封止材)에 의해 폐색되어 형성된 분리막 쌍 중 적어도 2조(組)를 가지고,
(b-2) 상기 각 분리막 쌍이, 상기 투과 유체 수집관에 스파이럴로 권취됨으로써, 상기 권회체가 형성된다.
본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서, 상기 봉지재의 상기 투과 유체 수집관의 길이 방향에 대하여 직각인 방향의 폭이, 5 mm 내지 100 mm인 것이 바람직하다.
본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서, 상기 봉지재의 두께가, 5㎛ 내지 500㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서, 상기 원유체 유로가, 상기 분리막의 표면에 형성된 요철, 또는 상기 분리막의 표면을 따라 설치된 유로재로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서, 상기 분리막의 표면에 형성된 상기 요철의 고저차, 또는 상기 분리막의 표면을 따라 설치된 상기 유로재의 두께가, 80㎛ 내지 1000㎛인 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 제조 방법은,
(a) 2장의 분리막을 각각의 원유체에 접하는 면이 서로 마주보도록 배치하고, 쌍방의 분리막의 사이에 원유체 유로를 설치하고, 쌍방의 분리막의 한 변의 단부끼리, 상기 원유체 유로가 폐색되도록 봉지재로 결합함으로써 분리막 쌍을 제작하고, 분리막 쌍 중 적어도 2조를 준비하는 분리막 쌍의 제작 공정과,
(b) 상기 분리막 쌍의 제작 공정에 있어서 제작된 적어도 2조의 분리막 쌍을, 각각의 투과 유체에 접하는 면이 서로 마주보도록 배치하고, 쌍방의 분리막 쌍의 사이에 투과 유체 유로를 설치하고, 상기 투과 유체 유로의 상기 분리막의 한 변과 같은 측의 한 변이 개방된 상태로 되도록 중첩함으로써, 분리막 쌍의 적층체를 준비하는 분리막 쌍의 적층체의 제작 공정과,
(c) 상기 분리막 쌍의 적층체의 제작 공정에 있어서 제작된 분리막 쌍의 적층체를, 둘레면에 투과 유체의 수집공을 가지는 투과 유체 수집관에, 상기 투과 유체 유로의 개방되어 있는 부분이 상기 투과 유체의 수집공에 대응하는 상태로, 권취하는 권회체 제작 공정을 포함한다.
본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서는, 대향하는 분리막의 사이에 있어서의 막의 어긋남의 발생이 억제된다. 따라서, 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서의 분리 성능은, 장기간 안정된 상태로 유지된다.
도 1은, 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 일태양의 일부를 전개한 사시도이다.
도 2는, 종래의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서 사용되고 있는 분리막 쌍의 선단부(先端部)와 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서 사용되고 있는 분리막 쌍의 선단부와의 상이점을 설명하는 모식 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서 사용되는 분리막 쌍의 제작 방법의 일례를 설명하는 분해 사시 모식도이다.
도 4는, 도 3에 있어서의 상하의 분리막이 중첩되어 형성된 분리막 쌍의 투과 유체 수집관 쌍의 투과유체 수집관이 바라보는 변에 대하여 직각인 방향(분리막 쌍의 길이 방향)의 종단면 모식도이다.
도 2는, 종래의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서 사용되고 있는 분리막 쌍의 선단부(先端部)와 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서 사용되고 있는 분리막 쌍의 선단부와의 상이점을 설명하는 모식 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서 사용되는 분리막 쌍의 제작 방법의 일례를 설명하는 분해 사시 모식도이다.
도 4는, 도 3에 있어서의 상하의 분리막이 중첩되어 형성된 분리막 쌍의 투과 유체 수집관 쌍의 투과유체 수집관이 바라보는 변에 대하여 직각인 방향(분리막 쌍의 길이 방향)의 종단면 모식도이다.
본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례에 대하여, 도 1을 참조하면서, 설명한다.
도 1에 있어서, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)는,
(A-1) 스파이럴로 권취된 분리막(3)으로 형성된 권회체(3a),
(A-2) 상기 권회체(3a)의 한쪽의 측단에 끼워맞추어진 상류측 단판(7)과 상기 권회체(3a)의 다른쪽 측단에 끼워맞추어진 하류측 단판(8),
(A-3) 상기 분리막(3)의 한쪽 면을 따라 설치된 원유체 유로(4)와 상기 분리막(3)의 다른쪽 면을 따라 설치된 투과 유체 유로(5), 및
(A-4) 투과 유체 수집관(2)을 포함한다.
상기 권회체(3a)는,
(A-5) 상기 원유체 유로(4)가, 상기 투과 유체 수집관(2)에 대하여 폐색되고, 상기 투과 유체 유로(5)가, 상기 투과 유체 수집관(2)에 대하여 개방된 상태로,
(A-6) 상기 분리막(3)이, 상기 투과 유체 수집관(2)에 스파이럴로 권취됨으로써 형성된다.
또한, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에 있어서,
(A-7) 상기 투과 유체 수집관(2)의 길이 방향의 일단부(2b)는 폐색되고, 개방되어 있는 타단부는 상기 하류측 단판(8)의 외측에 위치하고,
(A-8) 상기 상류측 단판(7)을 통해서, 상기 원유체 유로(4)에 원유체(101)가 공급되고,
(A-9) 상기 하류측 단판(8)을 통해서, 상기 분리막(3)을 투과하지 않은 농축 유체(103)가 배출되고,
(A-10) 상기 투과 유체 수집관(2)을 통해서, 상기 분리막(3)을 투과한 투과 유체(102)가 도출된다.
보다 상세하게는,
(B-1) 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)는, 적어도 2조의 분리막 쌍(6)을 가지고,
상기 분리막 쌍(6)에 있어서, 인접하는 상기 분리막(3)의 상기 원유체(101)에 접하는 면은 서로 대향하도록 배치되고,
상기 투과 유체 수집관(2) 측의 쌍방의 단부 사이의 상기 원유체 유로(4)는, 상기 투과 유체 수집관(2)에 대하여, 상기 분리막(3)에 설치된 봉지재(9)(도 3 참조)에 의해 폐색되고,
(B-2) 인접하는 상기 분리막 쌍(6)은, 상기 투과 유체(102)에 접하는 면이 서로 대향하도록 배치되고, 상기 투과 유체 수집관(2) 측의 쌍방의 단부 사이의 상기 투과 유체 유로(5)는, 상기 투과 유체 수집관(2)에 대하여 개방되고, 또한
(B-3) 상기 각 분리막 쌍(6)이 상기 투과 유체 수집관(2)의 주위에 스파이럴로 권취됨으로써, 상기 권회체(3a)가 형성된다.
분리막(3)은, 분리막 표면에 공급되는 유체 중의 성분을 분리하고, 분리막을 투과한 투과 유체를 얻는 것이면, 특별히 한정되지 않는다. 분리 기능층, 다공성 지지막, 기재로 이루어지는 복합 분리막이 바람직하게 사용된다.
분리 기능층을 형성하는 재료로서는, 공경(孔徑) 제어, 내구성의 면에서, 가교 고분자가 바람직하게 사용된다. 성분의 분리 성능의 면에서, 다공성 지지막 상에 형성되는 다관능 아민과 다관능 산 할로겐화물을 중축합시켜 이루어지는 폴리아미드 분리 기능층이나 유기와 무기로 이루어지는 하이브리드 기능층 등이 바람직하게 사용된다. 또한, 셀룰로오스 막, 폴리 불화 비닐리덴 막, 폴리에테르술폰 막, 폴리술폰 막과 같은 분리 기능과 지지체 기능을 가지는 다공성 지지막을 사용할 수도 있다.
분리 기능층이, 폴리아미드로 구성되는 경우에 대하여 상세하게 설명한다. 폴리아미드 막은, 다관능 아민과 다관능 산 할로겐화물과의 계면 중축합에 의해 형성할 수 있다. 여기서, 다관능 아민 또는 다관능 산 할로겐화물 중 적어도 한쪽이, 3관능 이상의 화합물을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
다관능 아민이란, 1분자 중에 적어도 2개의 제1급 아미노기 및/또는 제2급 아미노기를 가지고, 상기 아미노기 중 적어도 1개는 제1급 아미노기인 아민을 말한다. 예를 들면, 2개의 아미노기가 오르토 위치나 메타 위치, 파라 위치 중 어느 하나의 위치 관계로 벤젠환에 결합한 페닐렌디아민, 크실렌디아민, 1,3,5-트리아미노벤젠, 1,2,4-트리아미노벤젠, 3,5-디아미노벤조산, 3-아미노벤질아민, 4-아미노벤질아민 등의 방향족 다관능 아민, 에틸렌디아민, 프로필렌디아민 등의 지방족 아민, 1,2-디아미노시클로헥산, 1,4-디아미노시클로헥산, 4-아미노피페리딘, 4-아미노에틸피페라진 등의 지환식 다관능 아민 등을 들 수 있다.
그 중에서도, 막의 선택 분리성이나 투과성, 내열성을 고려하면, 1분자 중에 2개 이상 4개 이하의 제1급 아미노기 및/또는 제2급 아미노기를 가지는 방향족 다관능 아민인 것이 바람직하다. 이와 같은 다관능 방향족 아민으로서는, m-페닐렌디아민, p-페닐렌디아민, 1,3,5-트리아미노벤젠이 바람직하게 사용된다. 그 중에서도, 입수의 용이성이나 취급의 용이성을 고려하면, m-페닐렌디아민(이하, m-PDA 라고 함)을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
이들 다관능 아민은, 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 동시에 사용할 수도 있다. 2종 이상을 동시에 사용하는 경우, 상기 아민끼리를 조합시켜도 되고, 상기 아민과 1분자 중에 적어도 2개의 제2급 아미노기를 가지는 아민을 조합시켜도 된다. 1분자 중에 적어도 2개의 제2급 아미노기를 가지는 아민으로서, 예를 들면, 피페라진, 1,3-비스피페리딜프로판 등을 들 수 있다.
다관능 산 할로겐화물이란, 1분자 중에 적어도 2개의 할로겐화 카르보닐기를 가지는 산 할로겐화물을 말한다. 예를 들면, 3관능 산 할로겐화물에는, 트리메스산 클로라이드, 1,3,5-시클로헥산트리카르복실산 트리클로라이드, 1,2,4-시클로부탄트리카르복실산 트리클로라이드 등이 있으며, 2관능 산 할로겐화물에는, 비페닐디카르본산 클로라이드, 아조벤젠디카르본산 클로라이드, 테레프탈산 클로라이드, 이소프탈산 클로라이드, 나프탈렌디카르본산 클로라이드 등의 방향족 2관능 산 할로겐화물, 아디포일클로라이드, 세바코일클로라이드 등의 지방족 2관능 산 할로겐화물, 시클로펜탄디카르본산 클로라이드, 시클로헥산디카르본산 클로라이드, 테트라하이드로퓨란디카르본산 클로라이드 등의 지환식 2관능 산 할로겐화물이 있다.
다관능 아민과의 반응성을 고려하면, 다관능 산 할로겐화물은, 다관능 산 염화물인 것이 바람직하고, 또한, 막의 선택 분리성, 내열성을 고려하면, 1분자 중에 2개 이상 4개 이하의 염화 카르보닐기를 가지는 다관능 방향족 산 염화물인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 입수의 용이성이나 취급의 용이성의 관점에서, 트리메스산 클로라이드를 사용하면 보다 바람직하다. 이들 다관능 산 할로겐화물은, 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 동시에 사용할 수도 있다.
또한, 분리 기능층을, 성형성, 내약품성의 면에서, Si 원소 등을 가지는 유기·무기 하이브리드 구조로 만든 분리막도 사용할 수 있다. 유기·무기 하이브리드 막으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 에틸렌성 불포화기를 가지는 반응성기 및 가수분해성기가 규소 원자에 직접 결합한 규소 화합물(A), 및 (B) 상기 규소 화합물 이외의 에틸렌성 불포화기를 가지는 화합물(B)을 사용한, 규소 화합물(A)의 가수분해성기의 축합물, 및 규소 화합물(A) 및 에틸렌성 불포화기를 가지는 화합물(B)의 에틸렌성 불포화기의 중합물을 사용할 수 있다.
규소 화합물(A)의 에틸렌성 불포화기를 가지는 반응성기 및 가수분해성기가 규소 원자에 직접 결합한 규소 화합물에 대하여 설명한다.
에틸렌성 불포화기를 가지는 반응성기는, 규소 원자에 직접 결합되어 있다. 이와 같은 반응성기로서는, 비닐기, 알릴기, 메타크릴옥시에틸기, 메타크릴옥시프로필기, 아크릴옥시에틸기, 아크릴옥시프로필기, 스티릴기가 예시된다. 중합성의 관점에서, 메타크릴옥시프로필기, 아크릴옥시프로필기, 스티릴기가 바람직하다.
또한, 규소 원자에 직접 결합되어 있는 가수분해성기가 수산기로 변화하는 등의 프로세스를 거쳐, 규소 화합물끼리 실록산 결합으로 연결되는 축합 반응이 일어나, 고분자로 된다. 가수분해성기로서는, 알콕시기, 알케닐옥시기, 카르복시기, 케토옥심기, 아미노하이드록시기, 할로겐 원자 및 이소시아네이트기 등의 관능기가 예시된다.
알콕시기로서는, 탄소수 1 이상 10 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는, 탄소수 1 또는 2인 것이다. 알케닐옥시기로서는, 탄소수 2 이상 10 이하인 것이 바람직하고, 탄소수 2 이상 4 이하인 것이 더욱 바람직하고, 3인 것이 가장 바람직하다. 카르복시기로서는, 탄소수 2 이상 10 이하인 것이 바람직하고, 탄소수 2의 것, 즉 아세톡시기이다. 케토옥심기로서는, 메틸에틸케토옥심기, 디메틸케토옥심기, 디에틸케토옥심기가 예시된다. 아미노하이드록시기는, 산소를 통하여 아미노기가 산소 원자를 통하여 규소 원자에 결합되어 있는 것이다. 이와 같은 것으로서는, 디메틸아미노하이드록시기, 디에틸아미노하이드록시기, 메틸에틸아미노하이드록시기가 예시된다. 할로겐 원자로서는, 염소 원자가 바람직하게 사용된다.
분리 기능층의 형성 시에는, 상기 가수분해성기의 일부가 가수분해하고, 실라놀 구조를 취하고 있는 규소 화합물도 사용할 수 있다. 또한, 2개 이상의 규소 화합물이, 가수분해성기의 일부가 가수분해하고, 축합하고 가교하지 않을 정도로 고분자량화한 것도 사용할 수 있다.
규소 화합물(A)로서는, 하기 일반식(a)으로 표시되는 것이 바람직하다.
Si(R1)m(R2)n(R3)4-m-n···(a)
(R1은, 에틸렌성 불포화기를 포함하는 반응성기를 나타낸다. R2는, 알콕시기, 알케닐옥시기, 카르복시기, 케토옥심기, 할로겐 원자 또는 이소시아네이트기 중 어느 하나를 나타낸다. R3는, H 또는 알킬기를 나타낸다. m, n은, m＋n≤4를 만족시키는 정수이며, m≥1, n≥1을 만족시킨다. R1, R2, R3 각각에 있어서, 2개 이상의 관능기가 규소 원자에 결합되어 있는 경우, 동일해도 되고 상이해도 된다.)
R1은, 에틸렌성 불포화기를 포함하는 반응성기이며, 위에서 설명한 바와 같다.
R2는, 가수분해성기이며, 이들은 위에서 설명한 바와 같다. R3가 되는 알킬기의 탄소수로서는, 1 이상 10 이하인 것이 바람직하고, 1 또는 2인 것이 더욱 바람직하다.
가수분해성기로서는, 분리 기능층 형성 시에, 반응액이 점성을 가지므로, 알콕시기가 바람직하게 사용된다.
이와 같은 규소 화합물로서는, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 스티릴트리메톡시실란, 메타크릴옥시프로필메틸디메톡시실란, 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 메타크릴옥시프로필메틸디에톡시실란, 메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, 아크릴옥시프로필트리메톡시실란이 예시된다.
규소 화합물(A) 외에, 에틸렌성 불포화기를 가지는 반응성기를 가지고 있지 않지만, 가수분해성기를 가지는 규소 화합물을 함께 사용할 수도 있다. 이와 같은 규소 화합물은, 일반식(a)에서는 「m≥1」로 정의되어 있지만, 일반식(a)에 있어서 m이 제로"0"인 화합물이 예시된다. 이와 같은 것으로서는, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란이 예시된다.
다음으로, 규소 화합물(A) 이외의 것으로서, 에틸렌성 불포화기를 가지는 화합물(B)에 대하여 설명한다.
에틸렌성 불포화기는, 부가 중합성을 가진다. 이와 같은 화합물로서는, 에틸렌, 프로필렌, 메타아크릴산, 아크릴산, 스티렌 및 이들의 유도체가 예시된다.
또한, 이 화합물(B)은, 분리막을 수용액의 분리 등에 사용했을 때, 물의 선택적 투과성을 높여, 염의 저지율을 높이기 위하여, 산기를 가지는 알칼리 가용성 화합물인 것이 바람직하다.
바람직한 산의 구조로서는, 카르본산, 포스폰산, 인산 및 술폰산이며, 이들 산의 구조로서는, 산의 형태, 에스테르 화합물, 및 금속염의 어느 상태로 존재해도 된다. 이들 에틸렌성 불포화기를 1개 이상 가지는 화합물은, 2개 이상의 산을 함유할 수 있지만, 그 중에서도 1개 또는 2개의 산기를 함유하는 화합물이, 바람직하다.
상기 에틸렌성 불포화기를 1개 이상 가지는 화합물 중 카르본 산기를 가지는 화합물로서는, 이하의 것이 예시된다.
말레산, 무수 말레산, 아크릴산, 메타크릴 산, 2-(하이드록시 메틸) 아크릴산, 4-(메타) 아크릴로일옥시에틸트리메리트산 및 대응하는 무수물, 10-메타크릴로일옥시데시르마론산, N-(2-하이드록시-3-메타크릴로일옥시프로필)-N-페닐 글리신 및 4-비닐벤조산을 들 수 있다.
상기 에틸렌성 불포화기를 1개 이상 가지는 화합물 중 포스폰산기를 가지는 화합물로서는, 비닐포스폰산, 4-비닐페닐포스폰산, 4-비닐벤질포스폰산, 2-메타크릴로일옥시에틸포스폰산, 2-메타크릴아미드에틸포스폰산, 4-메타크릴아미드-4-메틸-페닐-포스폰산, 2-[4-(디하이드록시포스포릴)-2-옥사-부틸]-아크릴산 및 2-[2-디하이드록시포스포릴)-에톡시메틸]-아크릴산-2,4,6-트리메틸-페닐에스테르가 예시된다.
상기 에틸렌성 불포화기를 1개 이상 가지는 화합물 중에서 인산 에스테르 화합물로서는, 2-메타크릴로일옥시프로필 일수소인산 및 2-메타크릴로일옥시프로필 이수소인산, 2-메타크릴로일옥시에틸 일수소인산 및 2-메타크릴로일옥시에틸 이수소인산, 2-메타크릴로일옥시에틸-페닐-수소 인산, 디펜타에리트리톨펜타메타크릴로일옥시포스페이트, 10-메타크릴로일옥시데실-이수소인산, 디펜타에리트리톨펜타메타크릴로일옥시포스페이트, 인산 모노-(1-아크릴로일피페리딘-4-일)-에스테르, 6-(메타크릴아미드)헥실 이수소포스페이트 및 1,3-비스-(N-아크릴로일-N-프로필-아미노)-프로판-2-일-이수소포스페이트이 예시된다.
상기 에틸렌성 불포화기를 1개 이상 가지는 화합물 중 술폰산기를 가지는 화합물로서는, 비닐술폰산, 4-비닐페닐술폰산 또는 3-(메타크릴아미드)프로필술폰산을 예로 들 수 있다.
본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서 사용되는 분리막의 분리 기능층을 형성하기 위하여, 규소 화합물(a) 이외에, 에틸렌성 불포화기를 1개 이상 가지는 화합물, 및 중합 개시제를 포함한 반응액이 사용된다. 이 반응액을 다공질막 상에 도포하고, 또한 가수분해성기를 축합하는 것에 더하여, 에틸렌성 불포화기의 중합에 의해, 이들 화합물을 고분자량화할 필요가 있다. 규소 화합물(A)을 단독으로 축합시켰을 경우, 규소 원자에 가교쇄의 결합이 집중하고, 규소 원자 주변과 규소 원자로부터 이격된 부분과의 밀도 차가 커지므로, 분리 기능층 중의 공경이 불균일하게 되는 경향이 있다.
한편, 규소 화합물(A) 자체의 고분자량화 및 가교에 더하여, 에틸렌성 불포화기를 가지는 화합물(B)을 공중합시킴으로써, 가수분해성기의 축합에 의한 가교점과 에틸렌성 불포화기의 중합에 의한 가교점이 적절하게 분산된다. 이와 같이 적절하게 가교점을 분산시킴으로써, 균일한 공경을 가지는 분리 기능층이 구성되며, 투수성능와 제거 성능의 밸런스가 양호한 분리막을 얻을 수 있다. 이 때, 에틸렌성 불포화기를 1개 이상 가지는 화합물은, 저분자량이라면 분리막 사용 시에 용출하여 막 성능 저하를 일으킬 가능성이 있으므로, 고분자량화되어 있을 필요가 있다.
분리 기능층의 제조 방법에 있어서, 에틸렌성 불포화기를 가지는 반응성기 및 가수분해성기가 규소 원자에 직접 결합한 규소 화합물(A)의 함유량은, 반응액에 함유되는 고형 분량 100 중량부에 대해 10 중량부 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 중량부 이상 50 중량부 이하이다. 여기서, 반응액에 함유되는 고형분이란, 반응액에 함유되는 전체 성분 중, 용매 및 축합 반응으로 생성되는 물이나 알코올 등의 증류 제거 성분을 제거한, 얻어지는 분리막에 최종적으로 분리 기능층으로서 포함되는 성분을 가리킨다. 규소 화합물(A)의 양이 적으면 가교도가 부족한 경향이 있으므로, 막 여과 시에 분리 기능층이 용출하여 분리 성능이 저하되는 등의 문제가 발생할 우려가 있다.
에틸렌성 불포화기를 가지는 화합물(B)의 함유량은, 반응액에 함유되는 고형 분량 100 중량부에 대해 90 중량부 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50 중량부 이상 80 중량부 이하이다. 화합물(B)의 함유량이 전술한 범위에 있을 때, 얻어지는 분리 기능층은, 가교도가 높아지므로, 분리 기능층이 용출하지 않고 안정적으로 막 여과를 행할 수 있다.
다음으로, 분리 기능층을 다공질 지지막 상에 형성하는 방법에 대하여 설명한다.
분리 기능층 형성을 위해 예시되는 방법으로서는, 규소 화합물(A) 및 에틸렌성 불포화기를 가지는 화합물(B)을 함유하는 반응액을 도포하는 공정, 용매를 제거하는 공정, 에틸렌성 불포화기를 중합시키는 공정, 가수분해성기를 축합시키는 공정의 차례로 행하는 방법을 예로 들 수 있다. 에틸렌 불포화기를 중합시키는 공정에 있어서, 가수분해성기가 동시에 축합될 수도 있다.
먼저, 화합물(A) 및 화합물(B)을 함유하는 반응액을 다공성 지지막에 접촉시킨다. 이 반응액은, 통상, 용매를 함유하는 용액이지만, 이러한 용매는, 다공성 지지막을 파괴하지 않고, (A) 및 (B), 및 필요에 따라 첨가되는 중합 개시제를 용해하는 것이면, 특별히 한정되지 않는다. 이 반응액에는, 규소 화합물(A)의 몰수에 대하여 1 내지 10 배 몰량, 바람직하게는 1 배 몰량 이상 5 배 몰량 이하의 물을 무기산 또는 유기산과 함께 첨가하여, 규소 화합물(A)의 가수분해를 촉진하는 것이 바람직하다.
반응액의 용매로서는, 물, 알코올계 유기용매, 에테르계 유기용매, 케톤계 유기용매 및 이들을 혼합한 것이 바람직하다.
예를 들면, 알코올계 유기용매로서 메탄올, 에톡시메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아밀알코올, 시클로헥산올, 메틸시클로헥산올, 에틸렌글리콜모노메틸에테르(2-메톡시에탄올), 에틸렌글리콜모노아세트에스테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모논아세테이트, 프로필렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노아세테이트, 디프로필렌글리콜모노에틸에테르, 메톡시부탄올 등을 들 수 있다.
에테르계 유기용매로서 메틸랄, 디에틸에테르, 디프로필에테르, 디부틸에테르, 디아밀에테르, 디에틸아세탈, 디헥실에테르, 트리옥산, 디옥산 등을 예로 들 수 있다.
케톤계 유기용매로서 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸프로필케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸아밀케톤, 메틸시클로헥실케톤, 디에틸케톤, 에틸부틸케톤, 트리메틸노나논, 아세토니트릴아세톤, 디메틸옥시드, 포론, 시클로헥사논, 디아세톤알코올 등을 예로 들 수 있다.
용매의 첨가량으로서는, 50 중량부 이상 99 중량부 이하가 바람직하고, 80 중량부 이상 99 중량부 이하가 더욱 바람직하다. 용제의 첨가량이 지나치게 많으면 막 중에 결점이 생기기 쉬운 경향이 있으며, 지나치게 적으면 얻어지는 분리막의 투수성이 낮아지는 경향이 있다.
다공성 지지막과 반응액과의 접촉은, 다공성 지지막면 상에서 균일하게, 또한 연속적으로 행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들면, 반응액을 스핀 코터, 와이어 바, 플로우 코터, 다이코터, 롤 코터, 스프레이 등의 도포 장치를 사용하여 다공성 지지막에 코팅하는 방법을 예로 들 수 있다. 또한, 다공성 지지막을, 반응액에 침지(浸漬)하는 방법을 들 수 있다.
침지시키는 경우, 다공성 지지막과 반응액과의 접촉 시간은, 0.5 분간 이상 10 분간 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 1분간 이상 3분간 이하의 범위 내이면 더욱 바람직하다. 반응액을 다공성 지지막에 접촉시킨 후에는, 막 상에 액적(液滴)이 남지 않도록 충분히 액을 제거하는 것이 바람직하다. 충분히 액을 제거함으로써, 막 형성 후에 액적 잔존 부분이 막 결점으로 되어 막 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 액 제거 방법으로서는, 반응액 접촉 후의 다공성 지지막을 수직 방향으로 잡고 과잉의 반응액을 자연스럽게 흘러내리게 하는 방법이나, 에어 노즐로부터 질소 등의 바람을 분사하여, 강제적으로 액을 제거하는 방법 등을 사용할 수 있다. 또한, 액 제거 후, 막 면을 건조시켜, 반응액의 용매분의 일부를 제거할 수도 있다.
규소의 가수분해성기를 축합시키는 공정은, 다공성 지지막 상에 반응액을 접촉시킨 후에 가열 처리함으로써 행해진다. 이 때의 가열 온도는, 다공성 지지막이 용융되어 분리막으로서의 성능이 저하되는 온도보다 낮은 것이 요구된다. 축합 반응을 신속하게 진행시키기 위해 통상 0℃ 이상에서 가열을 행하는 것이 바람직하고, 20℃ 이상이 보다 바람직하다. 또한, 상기 반응 온도는, 150℃ 이하가 바람직하고, 100℃ 이하가 보다 바람직하다. 반응 온도가 0℃ 이상이면, 가수분해 및 축합 반응이 신속하게 진행되고, 150℃ 이하이면, 가수분해 및 축합 반응의 제어가 용이하게 된다.
또한, 가수분해 또는 축합을 촉진하는 촉매를 첨가함으로써, 보다 저온에서도 반응을 진행시키는 것이 가능하다. 또한, 분리 기능층이 세공(細孔)을 가지도록 가열 조건 및 습도 조건을 선정하고, 축합 반응을 적절하게 행하도록 하는 것이 바람직하다.
규소 화합물(A) 및 에틸렌성 불포화기를 가지는 화합물(B)의 에틸렌성 불포화기의 중합 방법으로서는, 열처리, 전자파 조사, 전자선 조사, 플라즈마 조사에 의해 행할 수 있다. 전자파는 적외선, 자외선, X선, γ선 등을 포함한다. 중합 방법은, 적절하게 최적인 선택을 하면 되지만, 유지비, 생산성 등의 면에서, 전자파 조사에 의한 중합이 바람직하다. 전자파 중에서도 적외선 조사나 자외선 조사가 간편성의 면에서 보다 바람직하다. 실제로 적외선 또는 자외선을 사용하여 중합을 행할 때, 이들의 광원은, 선택적으로 이 파장역의 광만을 발생할 필요는 없으며, 이들 파장역의 전자파를 포함하는 것이면 된다. 그러나, 중합 시간의 단축, 중합 조건의 제어 등의 용이성의 면에서, 이들 전자파의 강도가 그 외의 파장역의 전자파에 비해 높은 것이 바람직하다.
전자파는, 할로겐 램프, 크세논 램프, UV 램프, 엑시머 램프, 메탈 할라이드 램프, 희가스 형광 램프, 수은등 등으로부터 발생시킬 수 있다. 전자파의 에너지는, 중합할 수 있으면 특별히 제한하지 않지만, 그 중에서도 고효율로 저파장의 자외선이, 박막 형성성이 높다. 이와 같은 자외선은, 저압 수은등, 엑시머 레이저 램프에 의해 발생시킬 수 있다. 분리 기능층의 두께, 형태는, 각각의 중합 조건에 따라 크게 변화할 수 있으며, 전자파에 의한 중합이면, 전자파의 파장, 강도, 피 조사물과의 거리, 처리 시간에 의해 크게 변화할 수 있다. 그러므로 이들 조건은 적절하게 최적화를 행할 필요가 있다.
중합 속도를 빠르게 할 목적으로, 분리 기능층 형성 시에, 중합 개시제, 중합 촉진제 등을 첨가하는 것이 바람직하다. 여기서, 중합 개시제, 중합 촉진제는, 특별히 한정되지 않고, 사용하는 화합물의 구조, 중합 방법 등에 맞추어 적절하게 선택된다.
중합 개시제를 이하에 예시한다. 전자파에 의한 중합의 개시제로서는, 벤조인에테르, 디알킬벤질케탈, 디알콕시아세토페논, 아실포스핀옥시드 또는 비스아실포스핀옥시드,α-디케톤(예를 들면, 9,10-페난트렌퀴논), 디아세틸퀴논, 퓨릴퀴논, 아니실퀴논, 4,4'-디클로로벤질퀴논 및 4,4'-디알콕시벤질퀴논, 및 캠퍼퀴논이, 예시된다.
열에 의한 중합의 개시제로서는, 아조 화합물(예를 들면, 2,2'-아조비스(이소부티로니트릴)(AIBN) 또는 아조비스-(4-시아노발레리안산)), 또는 과산화물(예를 들면, 과산화 디벤조일, 과산화 디라우로일, 과옥탄산tert-부틸, 과벤조산tert-부틸 또는 디(tert-부틸)퍼옥시드), 또한 방향족 디아조늄염, 비스술포늄염, 방향족 요오도늄염, 방향족 술포늄염, 과황산 칼륨, 과황산 암모늄, 알킬리튬, 큐밀칼륨, 나트륨 나프탈렌, 디스티릴디아니온이 예시된다. 그 중에서도 벤조피나콜 및 2,2'-디알킬벤조피나콜은, 라디칼 중합을 위한 개시제로서 특히 바람직하다.
과산화물 및 α-디케톤은, 개시를 가속하기 위하여, 바람직하게는, 방향족 아민과 조합하여 사용된다. 이 조합은, 레독스(Redox)계라고도 한다. 이와 같은 계의 예로서는, 과산화 벤조일 또는 캠퍼퀴논과 아민(예를 들면, N,N-디메틸-p-톨루이딘, N,N-디하이드록시에틸-p-톨루이딘, p-디메틸-아미노벤조산 에틸에스테르 또는 그 유도체)과의 조합이 있다. 또한 과산화물을, 환원제로서의 아스코르브산, 바르비투레이트 또는 술핀산과 조합시켜 함유하는 계도 더욱 바람직하다.
이어서, 이것을, 약 100℃ 내지 약 200℃에서 가열 처리하면, 중축합 반응이 일어나, 다공성 지지막 표면에 실란 커플링제 유래의 분리 기능층이 형성된 분리막을 얻을 수 있다. 가열 온도는, 다공성 지지막의 소재에 따라 다르지만, 지나치게 높으면 용해가 일어나, 다공성 지지막의 세공이 폐색되므로 복합 반투막의 조수량(造水量)이 저하된다. 한편, 지나치게 낮은 경우에는, 중축합 반응이 불충분하게 되어, 기능층의 용출에 의해, 제거율이 저하된다.
그리고, 상기 제조 방법에 있어서, 실란커 플링제와 에틸렌성 불포화기를 1개 이상 가지는 화합물을 고분자량화하는 공정은, 실란커 플링제의 중축합 공정 전에 행해도 되고, 공정 후에 행해도 된다. 또한, 동시에 행해도 된다.
이와 같이 하여 얻어진 분리막은, 그대로도 사용할 수 있지만, 사용하기 전에, 예를 들면, 알코올 함유 수용액, 알칼리 수용액에 의해, 막의 표면을 친수화시키는 것이 바람직하다.
분리 기능층의 두께는, 한정되지 않지만, 분리 성능과 투과 성능의 점에서, 5 nm 이상 3000 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 역삼투막, 정삼투막, 나노 여과막에서는, 5 nm 이상 300 nm 이하인 것이 바람직하다.
분리 기능층의 두께의 측정은, 종래부터 사용되고 있는 분리막의 막 두께 측정법에 의해 행할 수 있다. 예를 들면, 분리막을 수지에 의한 포매(包埋) 후에, 초박 절편을 제작하고, 염색 등의 처리를 행한 후, 투과형 전자 현미경에 의해 관찰함으로써, 두께를 측정할 수 있다. 측정값은, 예를 들면, 분리 기능층이 주름 구조를 가지는 경우, 다공성 지지막보다 위에 위치하는 주름 구조의 단면 길이 방향으로 50 nm 간격으로 측정하되, 주름 수를 20개 측정하여, 그 평균으로부터 구할 수 있다.
다공성 지지막을 사용하는 경우, 분리막으로서의 성능을 유지하면서 분리 기능층을 지지하는 막으로서 사용할 수 있다.
다공성 지지막에 사용하는 재료나 그 형상은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 기재에 다공성 지지체가 형성된 막을 예시할 수 있다. 다공성 지지체의 소재로서는, 폴리술폰, 아세트산 셀룰로오스, 폴리염화 비닐, 에폭시 수지 또는 이들을 혼합, 적층한 것이 사용되며, 화학적, 기계적, 열적으로 안정성이 높고, 공경이 제어하기 쉬운 폴리술폰을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 폴리술폰의 N,N-디메틸포름아미드(이후, DMF로 기재함) 용액을, 후술하는 기재, 예를 들면, 조밀하게 짠 폴리에스테르 포 또는 부직포 상에 일정한 두께로 주입하고, 그것을 수중 습식 응고시킴으로써, 제조할 수 있다.
다공성 지지막은, "Office of saline Water Research and Development Progress Report No.359(1968)"에 기재된 방법에 따라, 전술한 형태를 얻기 위하여, 폴리머 농도, 용매의 온도, 빈용매를 조정하여, 제조할 수 있다.
예를 들면, 소정량의 폴리술폰을 DMF에 용해하고, 소정 농도의 폴리술폰 수지 용액을 조제한다. 이어서, 이 폴리술폰 수지 용액을 폴리에스테르 포 또는 부직포로 이루어지는 기재 상에 대략 일정한 두께로 도포한 후, 일정 시간 공기 중에서 표면의 용매를 제거한 후, 응고액 중 폴리술폰을 응고시킴으로써 얻을 수 있다. 이 때, 응고액과 접촉하는 표면 부분 등에는, 용매의 DMF가 신속하게 휘산하고, 폴리술폰의 응고가 급속히 진행되어, DMF가 존재하는 부분을 핵으로 하는 미세한 연통공이 생성된다.
또한, 상기 표면 부분으로부터 기재 측으로 향하는 내부에 있어서는, DMF의 휘산과 폴리술폰의 응고는, 표면에 비해 완만하게 진행되므로, DMF가 응집하여 큰 핵을 형성하기 쉽고, 따라서, 생성하는 연통공이 대경화(大徑化)된다. 물론, 전술한 핵 생성의 조건은, 막 표면으로부터의 거리에 따라 서서히 변화하므로, 명확한 경계가 없는, 스무드한 공경 분포를 가지는 지지막이 형성된다.
이 형성 공정에 있어서 사용하는 폴리술폰 수지 용액의 온도, 폴리술폰의 농도, 도포를 행하는 분위기의 상대 습도, 도포하고 나서 응고액에 침지할 때까지의 시간, 또는 응고액의 온도나 조성 등을 조절함으로써, 평균 공극 비율과 평균 공경을 제어한 폴리술폰막을 얻을 수 있다.
다공성 지지막으로서는, 분리막에 기계적 강도를 부여하고, 이온 등의 분자 사이즈가 작은 성분에 대하여, 분리막과 같은 분리 성능을 갖지 않는 것이면, 구멍의 사이즈나 분포는, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 균일하고 미세한 구멍, 또는 분리 기능층이 형성되는 측의 표면으로부터 다른 한쪽 면까지 서서히 커지는 미세공을 가지고, 또한 분리 기능층이 형성되는 측의 표면에서 원자간력 현미경, 전자 현미경 등을 사용하여 표면으로부터 측정된 세공의 투영 면적 원 상당 직경이 1 nm 이상 100 nm 이하인 다공성 지지막이 바람직하게 사용된다. 특히, 계면 중합 반응성, 분리 기능막의 유지성의 면에서 3 nm 내지 50 nm의 투영 면적 원 상당 직경을 가지는 것이 바람직하다.
다공성 지지막의 두께는, 특별히 한정되지 않는다. 분리막의 강도, 분리막의 고저차를 형성하는 점과, 공급수측 유로의 형태 안정성의 점에서, 다공성 지지막의 두께는, 20㎛ 이상 500㎛ 이하의 범위에 있는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30㎛ 이상 300㎛ 이하이다.
다공성 지지막의 형태는, 주사형 전자 현미경이나 투과형 전자 현미경, 원자간 현미경에 의해 관찰할 수 있다. 예를 들면, 주사형 전자 현미경으로 관찰한다면, 기재로부터 다공질 지지체를 박리한 후, 이것을 동결 할단법으로 절단하여, 단면 관찰의 샘플로 한다. 이 샘플에, 백금 또는 백금-팔라듐 또는 사염화루테늄, 바람직하게는 사염화루테늄을 얇게 코팅하여 3 kV 내지 6 kV의 가속 전압으로, 고분해능 전계 방사형 주사 전자 현미경(UHR-FE-SEM)으로 관찰한다. 고분해능 전계 방사형 주사 전자 현미경으로서는, 히타치에서 제조한 S-900형 전자 현미경 등을 사용할 수 있다.
얻어진 전자 현미경 사진으로부터, 다공성 지지막의 막 두께나 표면의 투영 면적 원 상당 직경을 결정한다. 다공성 지지막의 두께, 공경은, 평균값이며, 다공성 지지막의 두께는, 단면 관찰로 두께 방향에 대하여 직교하는 방향으로 20㎛ 간격으로 측정하여, 20점 측정의 평균값이다. 또한, 공경은, 구멍을 200개 카운트하고, 각각의 투영 면적 원 상당 직경의 평균값이다.
또한, 분리막의 강도, 치수 안정성, 요철 형성능의 점에서, 기재를 사용해도 된다. 기재로서는, 특별히 한정되지 않지만, 분리막의 분리, 투과 성능을 유지하면서, 적절한 기계 강도를 부여하고, 분리막 표면의 고저차를 제어하는 점에서, 섬유상(纖維狀) 기재가 바람직하게 사용된다.
섬유상 기재를 형성하는 재료로서는, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 셀룰로오스 등이 사용된다. 분리막의 고저차를 형성하는 점과, 형태 유지성의 점에서, 폴리올레핀, 폴리에스테르가 바람직하다. 또한, 기재로서는, 복수의 소재를 혼합시킨 것도 사용할 수 있다.
투과 유체 수집관(2)은, 일방향(도 1에 나타내는 x축 방향)을 긴 원통 부재이다. 투과 유체 수집관(2)의 측면에는, 복수의 유체 수집공(2a)이 설치되어 있다. 투과 유체 유로(5)을 따라 흐르는 투과 유체는, 이들 복수의 유체 수집공(2a)를 지나서, 투과 유체 수집관(2)의 내측으로 수집된다.
분리막(3)은, 원하는 분리 성능을 가지는 막이면 된다. 분리막(3)으로서 적용 가능한 막의 예에 대해서는, 후술한다. 분리막(3)은, 원유체(101)에 접하는 면(31)과 투과 유체(102)에 접하는 면(32)을 가진다.
원유체 유로(4)는, 분리막(3)의 원유체에 접하는 면(31)에 설치된다. 분리막(3)의 원유체에 접하는 면(31)은, 그 표면으로부터 두께 방향으로, 분리막(3)을 형성하고 있는 수지체의 밀도가 비교적 높은 영역과, 낮은 영역을 가진다.
투과 유체 유로(5)는, 종래 범용되고 있는 유로재를 사용하여 형성할 수 있다. 이 경우의 유로재로서는, 예를 들면, 트리코 등의 편직물이 있다. 투과 유체 유로(5)는, 분리막 쌍(6)에 있어서의 인접하는 분리막(3)의 투과 유체에 접하는 면(32)에 설치되어 있다. 투과 유체 유로(5)를 형성하는 상기 부재는, 투과 유체 유로를 형성할 수 있는 다른 부재로 변경 가능하다. 또한, 분리막(3)으로서, 그 표면에 요철이 형성된 분리막을 사용함으로써, 이 요철에 의해 투과 유체 유로(5)를 형성할 수 있다. 이 경우에, 전술한 유로재를 생략할 수 있다. 투과 유체 유로의 형성의 방법의 상세한 내용 및 다른예에 대해서는, 후술한다.
인접하는 2장의 분리막 쌍(6)은, 분리막의 투과 유체에 접하는 면(32)이, 서로 대향하는 상태로 중첩되어, 분리막 쌍의 층을 형성하고 있다. 각 분리막 쌍(6)의 평면에 있어서의 형상은, 직사각형이다. 인접하는 2장의 분리막 쌍(6) 사이는, 3변에 있어서 닫혀있고, 나머지 한 변(투과 유체 수집관(2)을 따른 한 변)에 있어서 개구되어 있다.
각 분리막 쌍(6)은, 상기 한 변에 있어서의 개구가, 투과 유체 수집관(2)을 향하도록 배치되고, 투과 유체 수집관(2)의 주위에 권취되어 있다. 분리막 엘리먼트(1)에 있어서는, 복수의 분리막 쌍(6)이 중첩되도록 권취되어, 권회체(3a)를 형성하고 있다. 각 분리막 쌍(6)의 내측의 면은, 원유체에 접하는 면(31)이며, 각 분리막 쌍(6)에 있어서의 인접하는 분리막(3)은, 원유체에 접하는 면(31)이 서로 마주 보는 상태로 분리막 쌍(6)을 형성하고 있다. 즉, 각 분리막 쌍(6)에 있어서의 인접하는 분리막(3) 사이에는, 원유체 유로(4)가 형성되고, 각 분리막 쌍(6)의 외측에는, 투과 유체 유로(5)가 형성되어 있다.
상류측 단판(7)은, 분리막 쌍(6)의 권회체(3a)의 상류측 단부(21)에 장착되고, 하류측 단판(8)은, 분리막 쌍(6)의 권회체(3a)의 하류측 단부(22)에 장착되어 있다.
그리고, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)는, 전술한 것 이외의 부재를 구비할 수 있다. 예를 들면, 분리막의 권회체(3a)의 주위는, 필름 등의 다른 부재로 덮혀져 있어도 된다.
원유체(101)는, 상류측 단판(7)을 통하여, 분리막(3)의 원유체에 접하는 면(31)에 공급된다. 분리막(3)을 투과한 투과 유체(102)는, 인접하는 분리막 쌍(6) 사이에 형성된 투과 유체 유로(5)를 지나서, 투과 유체 수집관(2)에 설치되어 있는 유체 수집공(2a)으로부터 투과 유체 수집관(2)의 내부로 흘러든다. 투과 유체 수집관(2)을 흐른 투과 유체(102)는, 하류측 단판(8)의 외측, 즉 분리막 엘리먼트(1)의 외부로 도출된다. 농축 유체(103)는, 원유체에 접하는 면(31) 사이의 원유체 유로(5)를 통하여, 하류측 단판(8)으로부터, 분리막 엘리먼트(1)의 외부로 배출된다. 이와 같이 하여, 원유체(101)는, 투과 유체(102)와 농축 유체(103)로 분리된다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에 포함되는 복수의 분리막 쌍(6)의 각각은, 2장의 분리막(3)이, 원유체에 접하는 면(31)이 서로 대향한 상태로 적층되고, 원유체에 접하는 면(31)의 투과 유체 수집관(2)의 길이 방향으로 평행하고, 또한 투과 유체 수집관(2)에 가까운 측의 분리막 단부끼리 봉지재(9)(도 3 참조)에 의해 봉지되어 형성되어 있다. 2장의 분리막(3)은, 분리막(3)의 원유체에 접하는 면(31)끼리 서로 대향하도록 적층되어 있다. 또한, 분리막(3)에 있어서, 투과 유체 수집관(2)의 길이 방향으로 평행한 단부이며, 또한 투과 유체 수집관(2)에 가까운 측의 분리막 단부의, 원유체에 접하는 면(31)끼리 봉지된다. 이와 같은 봉지에 의해 분리막 쌍(6)이 제작되므로, 분리막의 쌍을 형성하는데 있어서, 종래와 같이, 장척의 분리막을 절곡하여 접을 필요가 없다.
종래의 절곡하여 접는 방식의 분리막에서는, 접은 자국 부분에, 분리막의 휨이 생긴다. 그러나, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에 포함되는 복수의 분리막 쌍(6)은, 단부가 봉지재(9)에 의해 봉지되어 있으므로, 그 부분에 있어서의 분리막의 휨의 문제가 해소되어 있다. 절곡하여 접는 공정이 존재하면, 분리막(3)의 절곡하여 접히는 것이 불충분한 경우에, 접은 자국 근방에서 분리막(3)이 휘고, 권취하여 스파이럴형 분리막 엘리먼트로 만든 경우에, 접은 자국 부분에 공극이 생겨, 유체의 리크가 발생하는 경우가 있다. 유체의 리크가 발생하면, 분리막 쌍 회수율이 저하되는 문제가 생긴다.
분리막 쌍 회수율이란, 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 수중에 있어서의 에어 리크 테스트를 행하고, 에어 리크가 발생한 분리막 쌍의 수를 카운트하여, 식: (에어 리크가 발생한 분리막 쌍의 수/평가에 제공한 분리막 쌍의 수)에 의해 산출되는 값의 백분율이다. 구체적인 에어 리크 테스트 방법으로서는, 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 투과수 수집관의 단부를 봉지하고, 다른 한쪽 단부로부터 에어를 주입하는 방법이 있다. 주입된 에어는, 투과수 수집관의 구멍을 통과하여, 분리막 쌍의 투과수측에 도달한다. 전술한 바와 같이, 분리막의 절곡하여 접히는 것이 불충분하여 접은 자국 근방에서 분리막에 휨이 생김으로써, 그 부분에 공극이 존재하면, 에어가 이 공극에 유입된다. 그 결과, 분리막 쌍의 원유체 측으로 에어가 이동하고, 분리막 엘리먼트 단부의 원유체 측으로부터, 에어가 수중으로 유출한다.
구체적으로는, 2장의 분리막(3)을, 서로의 원유체에 접하는 면(31)이 쌍이 되도록, 즉 대향하도록 적층한다. 이 때, 적층한 분리막(3) 사이에, 유로재를 배치하여, 원유체 유로(4)를 형성해도 되고, 또는 사전에, 원유체에 접하는 면(31)에, 요철 등에 의해 고저차가 형성된 분리막(3)을 사용하고, 이 고저차에 의해, 원유체 유로(4)를 형성할 수도 있다.
이 봉지재를 사용하는 방법이면, 분리막에 접은 자국이 존재하지 않으므로 접은 자국 근방에서 분리막이 휘기 어렵다. 따라서, 이 봉지재를 사용하는 방법이면, 전술한 바와 같은 공극이 쉽게 생기지 않는다.
봉지하는 방법으로서는, 접착제나 접착 테이프, 열접착 필름 등에 의한 접착, 고무제나 실리콘제와 같은 시트 등으로 협지하는 방법, 가열이나 레이저, 초음파 등에 의한 용착(溶着) 등을 예로 들 수 있다. 그러나, 가열에 의한 용착의 경우, 분리막의 기능층이나 다공성 지지막을 200℃ 이상에서 처리할 필요가 있고, 용착부의 주변이 열화되거나 또는 파괴되어, 분리막으로서의 기능이 저하되는 경우가 있다. 마찬가지로, 레이저나 초음파에 의한 용착에서도, 용착부의 주변이 열화되거나 또는 파괴되는 경우가 있다. 다만, 용착부에서는, 원유체가 닿지 않기 때문에, 분리 기능을 필요로 하지 않으며, 용착이 불충분하지 않는다면, 열 열화의 영향은 고려하지 않아도 된다. 결론적으로, 봉지재를 사용한 접착에 의한 봉지가, 봉지의 완전성, 간편성의 면에서, 바람직하다.
봉지재란, 시트나 접착제와 같은 분리막 쌍(6)에 있어서의 인접하는 분리막(3) 사이, 즉 투과 유체 수집관(2)의 길이 방향으로 평행하고, 또한 투과 유체 수집관(2)에 가까운 측의 분리막의 단부의 원유체에 접하는 면(31)끼리를 밀봉할 수 있는 재료를 지칭한다. 접착이란, 분리막(3)을 순간 접착제나 2액 혼합 타입, 핫멜트계, 열가소성 수지계, 열경화성 수지계, 에멀젼계, 일래스터머계를 포함하는 공지의 접착제로 접착시키는 것을 일컬으며, 용착이란, 분리막(3)을 열에 의해 용해하고, 가압하여 냉각함으로써 접착시키는 것을 일컫는다.
봉지재(9)(도 3 참조)로서는, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)의 산이나 알칼리 등의 약액 세정에 견디는 것이면, 특별히 한정되지 않는다. 시판되고 있는 봉지재를 사용할 수 있다. 에틸렌아세트산 비닐 공중합체나 폴리에틸렌, 폴리아미드 등을 주성분으로 하고, 또한 핫멜트로서 사용되는 재료는, 내약품성이 높고, 2장의 분리막(3)으로부터 분리막 쌍(6)을 단시간으로, 또한 간편하게 제작할 수 있으므로, 바람직하다.
도 2의 (a) 내지 (c)에서는, 분리막 쌍의 단부 중에서, 투과 유체 수집관(2)을 따른 단부가 선단(T)으로서 나타나 있다. 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이 접은 자국을 가지는 분리막 쌍(6a)에 있어서는, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 분리막 전체가, 분리막 쌍(6a)의 선단(T)까지, 즉 접은 자국 부분이 평평하게 될 때까지, 하부 측(즉, 선단(T)과는 반대측)으로부터 벌어진다. 한편, 도 2의 (c)에 나타낸 바와 같이, 폭 W1을 가지는 봉지재(9)에 의해 봉지된 분리막 쌍(6)에 있어서는, 봉지재(9)가 설치된 영역, 즉 분리막 쌍(6)의 선단(T)으로부터의 거리가 W1 이하인 영역에 있어서는, 분리막은 벌어지지 않는다.
도 3에 나타내는 상하의 분리막(3)을 2장 중첩시켜 분리막 쌍(6)을 제작할 때의 분리막(3)의 길이방 향에 있어서의 봉지재(9)의 폭 W1은, 지나치게 좁으면, 가압 여과를 개시하여 원유체가 유입되었을 때의 내구성이 부족하여, 원유체의 일부가 투과수측으로 유입되는 문제가 발생하는 경우가 있다. 봉지재(9)의 폭 W1이 지나치게 넓으면, 내구성은 증가하지만, 분리에 관련된 분리막(3)의 면적(즉, 유효 막 면적)이 저감한다. 그러므로, 이들의 밸런스를 고려하면, 봉지재(9)의 폭 W1은, 5mm 이상 100mm 이하인 것이 바람직하다. 봉지재(9)의 폭 W1은, 10 mm 이상 100mm 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 도 4에 나타내는 상하의 분리막(3) 사이에 형성되는 봉지재(9)의 높이(두께)(H)가 지나치게 낮으면, 원유체가 유입되었을 때의 분리막 쌍(6)의 부푼 곳에, 봉지재(9)에 의한 접착부가 견디지 못하여, 파손되거나 막이 손상되는 경우가 있다. 봉지재(9)의 높이(두께)(H)가 지나치게 높으면, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에 장전(裝塡)할 수 있는 분리막 쌍(6)의 수가 적어진다. 그러므로, 봉지재(9)의 높이(두께)(H)는, 5㎛ 이상 500㎛ 이하가 바람직하고, 10㎛ 이상 200㎛ 이하가 더욱 바람직하다.
유체 유로를 유로재로 형성하는 태양은, 특별히 한정되지 않는다. 고압 하에서의 운전에서도 양호하게 분리막 엘리먼트로서 기능하는 것을 전제로, 염 농도가 높은 해수를 여과하는 경우에, 유체 유로를 유로재로 형성하는 것이 특히 바람직하다. 한편, 유체 유로를 분리막의 표면에 고저차를 부여하여 형성한 분리막은, 분리막의 원유체 측이나 투과 유체 측에서의 유체의 유동 저항이 작아지므로, 특히 높은 조수 성능이 요구되는 함수를 여과하는 경우에, 바람직하게 사용된다.
홈부를 통해 투과 유체를 투과 유체 수집관(2)의 측변까지 인도하고, 홈부 사이의 볼록부로 분리막을 지지하는 구조를 가진 트리코와 같은 투과 유체 유로(5)를 형성하는 유로재, 또는 분리막의 투과 유체 측에 있어서, 투과 유체 수집관(2)의 길이 방향으로 평행하고, 또한 투과 유체 수집관(2)에 가까운 측의 분리막의 단부를 제외하고, 접착제나 열융착, 고무제 시트 등에 의해 투과 유체 측끼리를 봉지시켜 적층하여 분리막층을 형성하고, 이 분리막층을 스파이럴로 권취하여 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)를 제작한 경우, 전술한 바와 같은 리크의 문제가 거의 발생하지 않는다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에 적층되어 장전되는 분리막 쌍(6)의 수는, 본 발명의 효과가 달성되는 범위에서, 적절하게 선정된다. 이들 중에, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, 종래의 절곡하여 접는 구조의 분리막 쌍이 포함될 수도 있다.
유체 유로를 형성하기 위하여, 분리막의 표면에 고저차를 가지는 부분, 예를 들면, 요철을 형성하는 방법은, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 엠보스 성형, 수압 성형, 캘린더 가공 등에 의한 요철 형성 방법을 사용할 수 있다. 엠보스 성형, 수압 성형, 캘린더 가공의 경우에는, 분리막 성형 후에, 40℃ 내지 150℃에서 분리막에 열처리를 행함으로써, 형성된 요철 형상의 유지성을 향상시킬 수 있다.
롤 엠보싱 가공을 실시할 때의 압력이나 처리 온도는, 분리막(3)을 구성하는 수지의 융점에 따라 적절하게 결정된다. 예를 들면, 에폭시 수지의 다공성 수지가 사용되고 있는 경우에는, 선압(線壓) 10 kg/cm 이상 60 kg/cm 이하의 가압인 것이 바람직하고, 가열 온도 40℃ 이상 150℃ 이하의 열처리 온도인 것이 바람직하다. 또한, 폴리술폰 등의 내열성 수지의 다공성 수지가 사용되고 있는 경우, 선압 10 kg/cm 이상 70 kg/cm 이하의 가압인 것이 바람직하고, 롤 가열 온도 70℃ 이상 160℃ 이하의 열처리 온도가 바람직하다. 롤 엠보싱 가공의 경우에는, 가공한 분리막의 권취 속도는, 1 m/분 이상 20 m/분 이하인 것이 바람직하다.
엠보싱 가공을 하는 경우, 롤의 표면의 무늬의 형상은, 특별히 한정되지 않는다. 유체 유로의 유체의 유동 저항을 적게 하고, 또한 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에 원유체를 공급하고, 분리막을 투과시켰을 때의 유체 유로를 안정화시키는 것이 중요하다. 이러한 점을 고려하여, 분리막의 표면 상부로부터 관찰한 요철의 볼록부 면의 형상은, 타원, 원, 장원, 사다리꼴, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 평행사변형, 마름모형, 부정형이 있으므로, 입체적으로는, 표면 상부로부터의 형태를 그대로 바닥면 방향으로 부형한 것, 넓어지는 형태로 부형한 것, 좁히는 형태로 부형 한 것이 있다.
분리막(3)의 원유체 측의 표면에, 고저차가 80㎛ 이상 1000㎛ 이하의 연속된 볼록부, 또는 불연속으로 위치하는 볼록부를 배치시키는 경우에 대하여, 설명한다. 분리막의 원유체 측의 표면에 고저차가 존재하면, 유체 유로가 확보되고, 원유체 측의 유로재를 생략할 수 있다.
연속된 볼록부란, 네트, 필름 등과 같이 투영했을 때, 볼록부를 형성하고 있는 구성 소재가, 연속적으로 위치하고 있는 볼록부를 말한다.
불연속으로 위치하는 볼록부란, 배열되어 있는 복수의 볼록부에 있어서, 인접하는 볼록부 사이에 볼록부가 결손되어 있는 복수의 볼록부를 말한다. 예를 들면, 도트, 스트라이프 등과 같이, 소재끼리가 불연속으로 배치되는 것을 말한다. 복수의 볼록부는, 도트 또는 스트라이프인 것이 바람직하고, 그 중에서, 도트가 특히 바람직하다.
도트의 경우, 높이는, 0.1 mm 이상 2.0 mm 이하, 직경은, 0.1 mm 이상 5.0 mm 이하, 간격은, 0.2 mm 이상 20.0 mm 이하의 지그재그형, 또는 격자 배열이 바람직하다. 높이가, 0.2 mm 이상 1.0 mm 이하, 직경이, 0.5 mm 이상 1.0 mm 이하, 간격이, 1.0 mm 이상 15.0 mm 이하의 지그재그형, 또는 격자 배열이 보다 바람직하다.
볼록부를 배치하는 장소는, 특별히 한정되지 않는다. 분리막을 대상으로 하여, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에 내장했을 때, 투과 유체 수집관(2)의 길이 방향의 양쪽의 띠형 단부에, 적어도 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 분리막(3)을 봉투형, 즉 분리막 쌍(6)으로 만든 경우에, 막 어긋남을 방지할 수 있다. 이 관점에서, 볼록부의 도포 폭, 즉 띠형 단부의 폭은, 단부로부터 10.0 mm 이상 100.0 mm 이하인 것이 바람직하고, 5.0 mm 이상 70.0 mm 이하인 것이 보다 바람직하다.
여기서 말하는 연속이란, 실질적으로 유로재의 전체 범위에 있어서 연속이면 되며, 조수량이 저하되는 등 본 발명의 효과를 손상시키지 않을 정도로, 유로재의 일부가 불연속으로 되는 개소가 포함되어 있어도 된다.
또한, 연속형의 볼록부 또는 불연속형의 볼록부는, 폴리올레핀, 변성 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 우레탄, 에폭시 수지 등의 열가소성 수지로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 특히, 가공성과 비용의 면에서, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지 등의 폴리올레핀 수지나 폴리에스테르 수지로 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다. 100℃ 이하에서의 가공이 가능한 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지 등의 폴리올레핀 수지나 폴리에스테르 수지로 형성되어 있는 것이, 특히 바람직하다.
연속형의 볼록부 또는 불연속형의 볼록부의 형성 방법은, 분리막의 원유체 측의 띠형 단부에, 목적으로 하는 패턴으로 형성할 수 있는 방법이면, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 노즐법, 스크린법, 그라비아법 등을 들 수 있다.
연속형의 볼록부 또는 불연속형의 볼록부를 형성하기 위한 수지의 도포 공정은, 특별히 한정되지 않는다. 분리막을 제작하기 전의 단계에서 지지막을 가공하는 공정, 지지막, 기재를 적층한 적층체를 가공하는 공정, 분리막을 가공하는 공정에서 수지를 도포하는 방법을 바람직하게 채용할 수 있다.
고저차를 부여하는 방법의 조합으로서, 분리막의 원유체 측의 전체 영역에 걸쳐, 엠보싱 가공을 해도 되고, 엠보싱 가공뿐만 아니라, 입상물(粒狀物)과 같은 상이한 소재를 불연속으로 배치시키거나, 상이한 소재만을 불연속으로 배치시켜도 된다.
불연속형의 볼록부이면, 종래의 네트와 같은 연속형의 볼록부의 경우와 유체의 유동 저항이 대략 동일하면서, 소량의 유로재로, 안정적인 유체 유로를 확보할 수 있다. 여기서, 불연속이란, 엘리먼트를 구성하는 분리막 쌍(6)에 있어서, 적어도 불연석으로 되는 부분을 가지는 것을 의미하고, 네트, 필름 등과 같이 투영했을 때 구성 소재가 연속적으로 형성되지 않고, 예를 들면, 입상, 선형 등과 같이, 소재끼리 불연속으로 배치되는 것을 의미한다. 환언하면, 불연속이란, 부재 사이를 유체가 흐를 수 있을 정도로, 인접하는 부재의 거리가 이격되어 있는 것을 의미한다.
상이한 소재란, 분리막(3)에서 사용되는 재료와는 상이한 조성, 또는 크기를 가지는 재료를 의미하고, 분리 기능층, 다공성 지지막, 기재를 성형하고, 고저차를 부여했을 때의 분리막 중의 어느 소재와도 상이한 조성물, 직경, 형상 중 어느 하나를 만족하는 것이면, 특별히 한정되지 않는다.
분리막(3)의 투과 유체 측에, 불연속 또는 연속으로, 상이한 소재를 배치시키는 방법은, 특별히 한정되지 않는다. 네트, 트리코 외에도, 핫멜트 가공, 인쇄, 분무 등에 의해, 불연속 또는 연속형물을 배치시킬 수 있다.
전술한 방법에 의해 부여되는 분리막(3)의 원유체 측의 고저차는, 분리 특성이나 원유체 투과 성능이 요구되는 조건을 만족시키고, 예를 들면, 엠보싱 가공이면, 가압 열처리 조건을, 또한, 핫멜트법으로, 불연속으로 상이한 소재를 배치시키는 경우이면, 처리 온도를 변경함으로써, 자유롭게 조정할 수 있다. 그러나, 분리막(3)의 원유체 측의 고저차가 지나치게 크면, 유체의 유동 저항은 작아지지만, 엘리먼트화한 경우에, 권회체(3a)에 충전할 수 있는 막 분리막 쌍의 수가 적어진다. 고저차가 작으면, 유체 유로의 유체의 유동 저항이 커져서, 분리 특성이나 원유체의 투과 성능이 저하된다. 따라서, 엘리먼트의 조수 능력이 저하되고, 조수량을 증가시키기 위한 운전 비용이 높아진다.
따라서, 전술한 각 성능의 밸런스나 운전 비용을 고려하면, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에 있어서는, 분리막의 원유체 측의 고저차는, 80㎛ 이상 1000㎛ 이하인 것이 바람직하고, 100㎛ 이상 500㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
한편, 투과 유체 측에서는, 원유체 측에 비하여, 투과 유체의 유량이 적기 때문에, 유체의 유동 저항의 영향이 작다. 그러므로, 분리막의 투과 유체 측의 고저차는, 50㎛ 이상 500㎛ 이하인 것이 바람직하고, 100㎛ 이상 300㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 이것을 만족하는 것으로서 트리코와 같은 유로재, 또는 핫멜트 가공, 인쇄, 분무 등에 의해 형성되는 불연속 또는 연속형의 볼록부가 있다. 분리막의 투과 유체 측에 고저차가 존재하면, 유체 유로를 확보할 수 있고, 투과 유체 측에 있어서의 유로재를 생략할 수 있다.
분리막의 원유체 측의 면(표면) 및/또는 투과 유체 측의 면(배면)에 있어서의 고저차는, 시판되고 있는 형상 측정 시스템 등을 사용하여 계측할 수 있다. 예를 들면, 레이저 현미경에 의해 얻어지는 단면에 있어서의 고저차를, 키엔스에서 제조한 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100 등으로 측정할 수 있다. 측정값은, 임의의 고저차가 존재하는 개소에 대하여 실시하여, 각 높이의 값을 합계한 값을 전체 측정 개소의 수로 나눗셈하여 구할 수 있다.
홈 폭에 의해, 유체의 유동 저항이 변화하며, 분리 특성이나 원유체의 투과 성능의 밸런스나 운전 비용을 고려하여, 홈 폭을 결정할 수 있다. 홈 폭은, 0.2 mm 이상 10 mm 이하인 것이 바람직하고, 0.5 mm 이상 3 mm 이하인 것이 보다 바람직하다. 홈의 피치는, 홈 폭의 1/10배 이상 50배 이하의 사이에서 적절하게 설계하면 된다. 홈 폭이란, 고저차가 존재하는 표면에서 침하하고 있는 부위이다. 피치란, 고저차가 존재하는 표면에 있어서의 높은 개소의 가장 높은 곳으로부터 근접하는 높은 개소의 가장 높은 개소까지의 수평 거리이다.
분리막의 표면 상부 및/또는 하부의 관찰 면적(2차원 면적)에 대한, 분리막의 원유체 측 표면 및/또는 투과 유체 측 표면에 존재하는 고저차의 중심선보다 표면 상부 및/또는 하부 방향으로 높은 위치를 가지는 볼록 면적의 비율은, 분리 특성이나 원유체의 투과 성능이 요구되는 조건을 만족시키도록, 자유롭게 조정할 수 있다. 이 비율이 지나치게 높으면, 유체의 유동 저항이 지나치게 커져, 엘리먼트화한 경우, 조수량이 작아진다. 한편, 비율이 지나치게 낮으면, 유체의 유동 저항은 작아지지만, 유체의 유동의 균일화가 곤란하게 되어, 농도 분극이 생겨, 엘리먼트의 성능이 저하된다. 이와 같은 관점에서, 비율은, 분리막의 표면 상부의 관찰 면적(2차원 면적)에 대하여, 5% 이상 95% 이하인 것이 바람직하고, 유체의 유동 저항과 유체 유로의 안정성의 점에서, 35% 이상 85% 이하인 것이 특히 바람직하다. 그리고, 이 비율을 볼록면적율로 정의한다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)의 제조 방법은, 한정되지 않는다. 폴리아미드 분리 기능층을 다공성 지지막, 기재에 적층하고, 분리막을 얻은 후에, 원유체 측에, 연속 유로재, 투과 유체 측에, 불연속 유로재를 배치하여, 엘리먼트를 제조하는 대표적인 방법에 대하여 설명한다. 그리고, 투과 유체 측에, 불연속 유로재를 배치할 때의 성형 공정 등은, 전술한 바와 같이, 분리막 제막 공정 전, 공정의 도중, 공정 후의 어디에서도 도입할 수 있다.
다공성 지지막과 기재를 복합한 후, 다공성 지지막에, 다관능 아민 수용액을 도포하고, 여분의 아민 수용액을 에어 나이프 등으로 제거한 후, 다관능 산 할로겐화물 함유 용액을 도포하여, 폴리아미드 분리 기능층을 형성한다. 유기용매는, 물과 비혼화성이며, 또한 다관능 산 할로겐화물을 용해하고, 다공성 지지막을 파괴하지 않는 것이 바람직하고, 다관능 아민 화합물 및 다관능 산 할로겐화물에 대하여 불활성인 것이면 된다. 바람직한 예로서, n-헥산, n-옥탄, n-데칸 등의 탄화수소 화합물을 들 수 있다.
또한, 필요에 따라 분리 성능, 투과 성능을 높일 수 있도록, 염소, 산, 알칼리, 아초산 등의 화학 처리를 실시하고, 나아가서는 모노머 등을 세정하여, 분리막 시트를 얻는다.
그 후, 얻어진 분리막 시트의 원유체 측에, 엠보싱 가공으로, 고저차를 부여하거나, 핫멜트 법 등에 의해, 연속 및/또는 불연속 로재를 배치시킨다. 투과 유체 측에는, 연속 및/또는 불연속 로재를 배치하고, 종래의 엘리먼트 제작 장치를 사용하여, 분리막 쌍의 수가 26장, 분리막 쌍의 유효 면적이 37 m2인 2 인치 엘리먼트를 제작한다. 엘리먼트 제작 방법으로서는, 예를 들면, JP44-014216B, JP04-011928A, 또는 JP11-226366A에 기재되어 있는 방법을 사용할 수 있다.
26장의 분리막 쌍(6)은, 중첩되고, 투과 유체 수집관(2)의 주위에 권취되면서 접합된다. 분리막 쌍(6)끼리의 접착에 사용되는 접착제는, 점도가 40 PS(POISE) 이상 150 PS 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 50 PS 이상 120 PS 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 접착제 점도가 지나치게 높은 경우에는, 적층한 리프를 투과 유체 수집관(2)에 권취할 때, 주름이 쉽게 발생하여, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)의 성능이 손상되기 쉬워진다. 반대로, 접착제 점도가 지나치게 낮은 경우에는, 리프의 단부(접착면 부분)로부터 접착제가 유출되어, 장치를 더럽히고, 또한 불필요한 부분에 접착제가 부착되어, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)의 성능을 해치고, 유출된 접착제의 처리 작업에 의해 작업 효율이 현저하게 저하된다.
접착제로서는, 우레탄계 접착제가 바람직하고, 점도를 40 PS 이상 150 PS 이하의 범위로 하기 위해서는, 주제(主劑)의 이소시아네이트와 경화제의 폴리올을, 이소시아네이트:폴리올=1:1 내지 1:5의 비율로 혼합하면 된다. 접착제의 점도는, 사전에 주제, 경화제 단체(單體), 및 배합 비율을 규정한 혼합물의 점도를 B형 점도계(JIS K 6833)로 측정한 것이다.
이와 같이 제조되는 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트는, 직렬로 또는 병렬로 접속하여 압력 용기에 수납한 분리막 모듈로 만들 수도 있다.
상기 스파이럴형 분리막 엘리먼트(모듈)는, 이들에 유체를 공급하는 펌프나, 그 유체를 전처리하는 장치 등과 조합하여, 유체 분리 장치를 구성할 수 있다. 이 분리 장치를 사용함으로써, 예를 들면, 원유체인 원수를, 투과 유체인 투과수와 분리막을 투과하지 않은 농축 유체인 농축수로 분리하여, 목적에 맞는 투과수, 예를 들면, 음료수를 얻을 수 있다.
유체 분리 장치의 조작 압력이 높으면, 제거할 성분의 제거율은 향상되지만, 운전에 필요한 에너지도 증가한다. 또한, 막 엘리먼트의 원유체 유로, 투과 유체 유로의 유지성을 고려하면, 막 모듈에, 원유체인 피처리수를 투과시킬 때의 조작 압력은, 0.2 MPa 이상, 5 MPa 이하인 것이 바람직하다. 피처리수의 온도는, 높아지면 염 제거율이 저하되지만, 낮아짐에 따라 막 투과 유속도 감소하므로, 5℃ 이상, 45℃ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 피처리수 pH는, 높아지면 해수 등의 고염 농도의 피처리수의 경우, 마그네슘 등의 스케일(scale)이 발생할 우려가 있고, 또한, 고 pH 운전에 의한 막의 열화가 우려되므로, 중성 영역에서의 운전이 바람직하다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트에 의해 처리되는 유체는, 특별히 한정되지 않는다. 엘리먼트를 수처리에 사용하는 경우, 원수로서는, 해수, 함수, 배수 등의 500 mg/L 내지 100 g/L의 TDS(Total Dissolved Solids: 총용해 고형분)를 함유하는 액상 혼합물을 예로 들 수 있다. 일반적으로, TDS는, 총용해 고형 분량을 지칭하며, (질량/체적)의 값으로 나타내거나, 또는 1 L를 1 kg로 간주하는 경우에는 중량비에 의해 나타낸다. 정의에 따르면, 0.45㎛의 필터로 여과한 용액을, 39.5℃ 내지 40.5℃의 온도로 증발시켰을 때의 잔류물의 무게로부터 산출할 수 있지만, 실용 염분(S)으로부터 환산하는 것이 보다 간편하다.
이하에서, 몇 가지 실시예를 사용하여 본 발명을 더 설명하지만, 본 발명은, 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(분리막 투과수측의 고저차)
키엔스에서 제조한 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 5 cm×5 cm의 크기로 잘라낸 분리막 투과수측의 측정 결과로부터, 평균 고저차를 해석했다. 10㎛ 이상의 고저차가 있는 개소를 측정하고, 각 높이의 값을 합계한 값을 전체 측정 개소의 수로 나눗셈하여 구하였다.
(탈염율(TDS 제거율))
식: TDS 제거율(%) = 100×{1-(투과수 중의 TDS 농도/공급수 중의 TDS 농도)}에 따라 구하였다.
그리고, 1시간 후의 측정값과 8시간 후의 측정값에서, 0.1% 이상의 변화가 있었을 경우에, 그 결과를 부가적으로 기재했다.
(조수량)
공급수(함수)의 스파이럴형 분리막 엘리먼트 투과수량을, 원수 500 mg/L 식염, 운전 압력 0.7 MPa, 운전 온도 25℃, 스파이럴형 분리막 엘리먼트당, 1일당 투수량(입방미터)을 조수량(m3/일)으로 하였다. 그리고, 1시간 후의 측정값과 8시간 후의 측정값이 1 m3/일 이상이 되었을 경우에, 그 취지를 부가적을 기재했다.
(분리막 쌍 회수율)
스파이럴형 분리막 엘리먼트를 수중에 침지시켜 압력 공기(0.3 MPa)를 공급하고, 기포가 3분 이상 발생하는 경우를, 리크로 간주했다. 리크가 발생한 분리막 쌍의 수를 카운트하여, 에어 리크가 발생한(분리막 쌍의 수/평가에 제공한 분리막 쌍의 수)의 값을 회수율로 하였다.
[실시예 1]
폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유로 이루어지는 부직포(실 직경: 1 데시텍스, 두께: 약 90㎛, 통기도: 1 cc/cm2/sec) 상에, 폴리술폰 15.0 중량%의 DMF 용액을, 180㎛의 두께로, 실온(25℃)에 의해, 캐스팅하고, 즉시 순수(純水) 중에 침지하여 5분간 방치함으로써, 섬유 보강 폴리술폰 지지막으로 이루어지는 다공성 지지막(두께 130㎛) 롤을 제작하였다.
그 후에, 다공성 지지막 롤로부터 다공성 지지막을 풀어내고, 폴리술폰 표면에, m-PDA 1.8 중량%, ε-카프로락탐 4.5 중량%의 수용액을 도포하고, 에어 노즐로부터 질소를 분사하여, 지지막 표면으로부터 여분의 수용액을 제거한 후, 트리메스산 클로라이드 0.06 중량%를 포함하는 25℃의 n-헥산 용액을, 표면이 완전히 젖도록 도포했다. 그 후, 막으로부터, 여분의 용액을 에어 블로우로 제거하고, 50℃의 열수로 세정하고, 3.5%의 글리세린 수용액에 1분간 침지한 후, 100℃의 열풍 오븐에서 1분간 처리하여, 반건조 상태의 분리막 롤을 얻었다.
다음으로, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지(TEX YEAR INDUSTRIES INC. 제조, 상품명: 703A)를 핫멜트하고, 분리막 롤의 분리막 표면(공급수측)의 단부 양측에 대하여, 피치 7.0 mm로, 직경 1.0 mm, 높이 400㎛의 도트를, 폭 50 mm로 격자형으로 도포했다.
얻어진 2장의 분리막(각 분리막은, 집수관 길이 방향에 있어서의 분리막 폭 W2: 300 mm×집수관 길이 방향에 대하여 수직 방향에 있어서의 분리막 길이 L: 955 mm의 면적을 가짐)을 공급수측끼리가 대면하도록 배치하고, 접착제(도레이·파인케미컬 주식회사 제조, 상품명 케미트 R-248)를 봉지재로서 사용하여, 폭 W1: 10 mm로 접착시켜 분리막 쌍을 얻었다.
다음으로, 투과수측의 유로재로서 트리코(두께: 300㎛, 홈 폭: 200㎛, 규폭(畦幅): 300㎛, 홈 깊이: 105㎛)를 분리막의 투과수측의 표면에 적층하고, 이어서, 재단하여, 분리막을 공급수측이 대면하게 되도록 적층하고, 투과수측의 유로재를 배치시킨 분리막 쌍을, 스파이럴형 분리막 엘리먼트에서의 유효 면적이 1.0 m2로 되도록, 집수관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서의 분리막 길이 L 930mm의 2장의 분리막 쌍을 제작하였다. 여기서, 분리막의 투과수측에 있어서의 높은 개소의 가장 높은 곳으로부터 근접하는 높은 개소의 가장 높은 곳까지의 수평 거리 200개에 대하여 카운트하여, 그 평균값을 피치로 하였다.
그 후, 투과수측 유로재의 단부를 집수관에 권취하면서, 26장의 분리막쌍 형물을, 스파이럴형으로 권취한 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 제작하고, 얻어진 권회체의 외주에, 필름을 권취하고, 테이프로 고정한 후에, 에지 컷, 단판 장착, 필라멘트 와인딩을 행하여, 2 인치 엘리먼트를 제작하였다.
얻어진 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 원수 500 mg/L의 식염, 운전 압력 0.7 MPa, 운전 온도 25℃, pH 7로 운전(회수율 15%)한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.81 m3/일 및 98.7%이며, 분리막 쌍 회수율은, 99.4%였다.
표 1에, 분리막의 가공 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[실시예 2]
실시예 2에서는, 단부 양측에 배치한 도트의 사이에, 엠보싱 가공을 행한 점 이외는, 모두 실시예 1과 동일한 방법으로, 분리막 롤을 제작하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.79 m3/일 및 97.9%이며, 분리막 쌍 회수율은, 99.1%였다. 표 1에, 분리막으로의 고저차 부여 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[실시예 3]
실시예 3에서는, 트리코 대신, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지(TEX YEAR INDUSTRIES INC. 제조, 상품명: 703A)를 분리막에 핫멜트하고, 높이 230㎛의 도트를 형성하여, 분리막 투과수측에 고저차를 부여한(도트 가공) 점 이외는, 모두 실시예 1과 동일한 방법으로, 분리막 롤을 제작하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.82 m3/일 및 98.5%이며, 분리막 쌍 회수율은, 99.2%였다. 표 1에, 분리막으로의 고저차 부여 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[실시예 4]
실시예 4에서는, 모두 실시예 1과 동일한 방법으로, 분리막 롤을 제작하였다. 그리고, 봉지재의 폭 W1를 90 mm으로 한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.73 m3/일 및 98.8%이며, 분리막 쌍 회수율은, 99.5%였다. 표 1에, 분리막의 가공 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[실시예 5]
실시예 5에서는, 분리막 롤의 분리막 표면(공급수측) 단부 양측에 대하여 핫멜트를 실시하지 않고, 유로재로서 네트를 사용한 점 이외는, 모두 실시예 1과 동일한 방법으로, 분리막 롤을 제작하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.75 m3/일 및 98.8%이며, 분리막 쌍 회수율은, 99.0%였다. 표 1에, 분리막의 가공 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[실시예 6]
실시예 6에서는, 분리막 롤의 분리막 표면(공급수측) 단부 양측에 대하여 핫멜트를 실시하지 않고, 유로재로서 네트를 사용한 점 이외는, 모두 실시예 5와 동일한 방법으로, 분리막 롤을 제작하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.69 m3/일 및 98.9%이며, 분리막 쌍 회수율은, 99.2%였다. 표 2에, 분리막의 가공 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[비교예 1]
비교예 1에서는, 분리막 롤을 모두 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다. 그리고, 재단 공정을 종래의 절곡하여 접어서 재단한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.82 m3/일 및 98.0%이며, 분리막 쌍 회수율은, 94.5%였다. 표 2에, 분리막으로의 고저차 부여 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[비교예 2]
비교예 2에서는, 분리막 롤을 모두 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다. 그리고, 재단 공정을 종래와 마찬가지로 절곡하여 접어서 재단하여, 분리막의 공급수측 유로재로서 네트(두께: 900㎛, 피치: 3 mm×3 mm)를 사용한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.74 m3/일 및 98.8%이며, 분리막 쌍 회수율은, 93.6%였다. 표 2에, 분리막으로의 고저차 부여 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[비교예 3]
비교예 3에서는, 분리막 롤을 모두 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다. 그리고, 재단 공정을 핫 프레스(양면 프레스, 압력: 1.0 MPa, 온도: 250℃)로 한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.85 m3/일 및 85.0%이며, 분리막 쌍 회수율은, 15.6%였다. 표 2에, 분리막으로의 고저차 부여 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
[비교예 4]
비교예 4에서는, 분리막 롤을 모두 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다. 그리고, 재단 공정을 점착 테이프로 한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 2 인치 엘리먼트를 제작하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전한 바, 조수량 및 탈염율은, 0.83 m3/일 및 67.2%이며, 분리막 쌍 회수율은, 7.5%였다. 표 2에, 분리막으로의 고저차 부여 조건 및 엘리먼트 성능을 나타내었다.
이상과 같이, 본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트는, 높은 조수성능을 가지고, 운전 안정성이 우수하며, 우수한 제거 성능을 가지고 있다.
[표 1]
[표 2]
[산업상 이용 가능성]
본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트는, 특히, 함수나 해수의 탈염에 바람직하게 사용할 수 있다.
1: 스파이럴형 분리막 엘리먼트
2: 투과 유체 수집관(집수관)
2a: 유체 수집공(집수공)
2b: 투과 유체 수집관의 일단부(집수관의 일단부)
21: 권회체의 상류측 단부
22: 권회체의 하류측 단부
3: 분리막
3a: 권회체
31: 원유체에 접하는 면(분리막의 공급수측의 면)
32: 투과 유체에 접하는 면(분리막의 투과수측의 면)
4: 원유체 유로(공급수측 유로)
5: 투과 유체 유로(투과수측 유로)
6: 분리막 쌍
7: 상류측 단판
8: 하류측 단판
9: 봉지재
101: 원액 유체
102: 투과 유체
103: 농축 유체
H: 봉지재의 높이(두께)
L: 투과 유체 수집관(집수관)의 길이 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서의 분리막 길이
T: 분리막 쌍의 선단
W1: 분리막 쌍을 제작할 때의 봉지재의 폭
W2: 투과 유체 수집관(집수관)의 길이 방향에 있어서의 분리막의 폭
2: 투과 유체 수집관(집수관)
2a: 유체 수집공(집수공)
2b: 투과 유체 수집관의 일단부(집수관의 일단부)
21: 권회체의 상류측 단부
22: 권회체의 하류측 단부
3: 분리막
3a: 권회체
31: 원유체에 접하는 면(분리막의 공급수측의 면)
32: 투과 유체에 접하는 면(분리막의 투과수측의 면)
4: 원유체 유로(공급수측 유로)
5: 투과 유체 유로(투과수측 유로)
6: 분리막 쌍
7: 상류측 단판
8: 하류측 단판
9: 봉지재
101: 원액 유체
102: 투과 유체
103: 농축 유체
H: 봉지재의 높이(두께)
L: 투과 유체 수집관(집수관)의 길이 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서의 분리막 길이
T: 분리막 쌍의 선단
W1: 분리막 쌍을 제작할 때의 봉지재의 폭
W2: 투과 유체 수집관(집수관)의 길이 방향에 있어서의 분리막의 폭
Claims (6)
- (a-1) 스파이럴(spiral)로 권취된 분리막을 가지는 권회체(卷回體);
(a-2) 상기 분리막의 한쪽 면을 따라 설치된 원유체(原流體) 유로;
(a-3) 상기 분리막의 다른쪽 면을 따라 설치된 투과 유체 유로; 및
(a-4) 투과 유체 수집관(收集管)
을 포함하고,
(a-5) 상기 원유체 유로가, 상기 투과 유체 수집관에 대하여 폐색(閉塞)되고, 또한 상기 투과 유체 유로가, 상기 투과 유체 수집관에 대하여 개방된 상태에서,
(a-6) 상기 분리막이, 상기 투과 유체 수집관의 주위에 스파이럴로 권취되어, 상기 권회체가 형성되고,
(a-7) 상기 권회체의 한쪽 단부(端部)로부터, 상기 원유체 유로에 원유체가 공급되고,
(a-8) 상기 권회체의 다른 쪽 단부로부터, 상기 분리막을 투과하지 않은 농축 유체가 배출되고,
(a-9) 상기 투과 유체 수집관을 통해서, 상기 분리막을 투과한 투과 유체가 도출되어 이루어지는 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서,
(b-1) 인접하는 상기 분리막의 상기 원유체에 접하는 면이 서로 대향하고, 상기 투과 유체 수집관 측의 쌍방의 단부 사이의 상기 원유체 유로가, 상기 투과 유체 수집관에 대하여, 상기 분리막의 단부에 설치된 봉지재(封止材)에 의해 폐색되어 형성된 분리막 쌍 중 적어도 2조(組)를 가지고,
(b-2) 상기 각 분리막 쌍이, 상기 투과 유체 수집관의 주위에 스파이럴로 권취됨으로써, 상기 권회체가 형성되어 이루어지고,
(b-3) 상기 봉지재의 상기 투과 유체 수집관의 길이 방향에 대하여 직각인 방향의 폭이, 5mm 내지 100mm이며, 상기 봉지재는, 하나의 분리막의 원유체에 접하는 면과 인접하는 분리막의 원유체에 접하는 면 사이에 형성되고,
상기 하나의 분리막 및 인접하는 분리막은 상기 봉지재에 의해 서로 직접 접합되는, 스파이럴형 분리막 엘리먼트. - 제1항에 있어서,
상기 봉지재의 두께가, 5㎛ 내지 500㎛인, 스파이럴형 분리막 엘리먼트. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 원유체 유로가, 상기 분리막의 표면에 형성된 요철, 또는 상기 분리막의 표면을 따라 설치된 유로재로 형성되어 있는, 스파이럴형 분리막 엘리먼트. - 제3항에 있어서,
상기 분리막의 표면에 형성된 상기 요철의 고저차, 또는 상기 분리막의 표면을 따라 설치된 상기 유로재의 두께가, 80㎛ 내지 1000㎛인, 스파이럴형 분리막 엘리먼트. - 제1항에 있어서,
상기 봉지재는 핫멜트 접착제로서 사용되는 재료를 포함하는, 스파이럴형 분리막 엘리먼트. - 제1항에 있어서,
상기 봉지재는 접착제인, 스파이럴형 분리막 엘리먼트.
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