KR101916648B1 - 원수 유로 스페이서, 및 이것을 구비한 스파이럴형 막 엘리먼트 - Google Patents
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Abstract
(과제) 원수 유로에 있어서 분리막 근방 영역에 있어서의 농도 분극층의 형성을 억제할 수 있는 원수 유로 스페이서, 및 이것을 구비한 스파이럴형 막 엘리먼트를 제공한다.
(해결 수단) 원수 유로 스페이서 (40) 는, 제 1 사열 (M) 과 제 2 사열 (N) 을 중첩시켜 이루어지고, 각 사열 (M, N) 에 의해 구성된 제 1 사각형상 메시 (52a ∼ 52c) 가 제 2 사열 (N) 의 연장 방향으로 늘어서 구성된 제 1 메시 구조 (52) 와, 제 1 메시 구조 (52) 를 구성하는 제 2 사열 (N) 의 간격보다 제 2 사열의 간격이 좁아지도록 동 사열 (N) 의 연장 방향으로 늘어서 구성된 제 2 메시 구조 (61) 를 교대로 구비한다.
(해결 수단) 원수 유로 스페이서 (40) 는, 제 1 사열 (M) 과 제 2 사열 (N) 을 중첩시켜 이루어지고, 각 사열 (M, N) 에 의해 구성된 제 1 사각형상 메시 (52a ∼ 52c) 가 제 2 사열 (N) 의 연장 방향으로 늘어서 구성된 제 1 메시 구조 (52) 와, 제 1 메시 구조 (52) 를 구성하는 제 2 사열 (N) 의 간격보다 제 2 사열의 간격이 좁아지도록 동 사열 (N) 의 연장 방향으로 늘어서 구성된 제 2 메시 구조 (61) 를 교대로 구비한다.
Description
본 발명은, 액체에 용존하는 성분을 분리하는 스파이럴형 막 엘리먼트에 관한 것으로, 특히, 스파이럴형 막 엘리먼트의 원수 유로 스페이서에 관한 것이다.
최근, 수도물 등에 포함되는 이온이나 염류 등을, 예를 들어, 스파이럴형 막 엘리먼트 등의 분리막을 사용하여 여과 처리하여, 음료에 보다 적합한 물을 제조하는 시도가 이루어지고 있다.
이 스파이럴형 막 엘리먼트는, 집수관과, 집수관의 둘레에 둘러감긴 복수의 분리막을 포함한다. 각 분리막은, 시트상의 투과수 스페이서의 양면에 분리막을 중첩시키고, 이 상태에서 3 변을 접착 등의 수단에 의해 봉지하고, 다른 1 변을 개구단 (開口端) 으로 한 주머니 형상으로 형성된다. 그리고, 이 개구단이 집수관에 접속됨으로써 투과수 스페이서를 따라 흐르는 투과수가 집수관에 흘러들도록 구성되어 있다.
또, 주머니 형상으로 형성된 각 분리막 사이에는, 수도물 등의 원수의 유로를 형성하는 메시상의 원수 유로 스페이서가 끼워 넣어진다. 그리고, 스파이럴형 막 엘리먼트에 공급되는 원수는, 상기 원수 유로 스페이서를 따라 흐르면서, 그 일부가 분리막을 투과하여 투과수가 되어 집수관을 거쳐 외부로 내보내진다.
특허문헌 1 에는, 경사를 원수의 흐름 방향을 따라 배치하고, 횡사를 원수의 흐름 방향에 대해 교차하는 방향으로 배치함과 함께, 횡사를 경사보다 가늘게 형성함으로써 원수 유로에 있어서의 압력 손실을 저감시킬 수 있는 원수 유로 스페이서를 구비한 스파이럴형 막 엘리먼트가 개시되어 있다.
그런데, 분리막을 원수가 투과함에 따라, 분리막을 투과할 수 없는 이온이나 염류는 원수 유로측에 있어서의 분리막의 근방 영역에 잔류한다. 이 잔류한 이온이나 염류가 분리막 근방에 축적됨으로써 원수 유로의 다른 영역보다 이온이나 염류의 농도가 높은 농도층 (이하, 농도 분극층이라고 적당히 표현한다) 이 형성된다. 이로 인하여, 분리막의 막면 근방에 있어서의 삼투압이 상승하기 때문에 분리막을 투과하는 투과수의 양이 감소하여 원수로부터 투과수를 효율적으로 얻을 수 없다고 하는 문제가 생긴다.
그래서, 본 발명에서는, 분리막 근방 영역에 있어서의 농도 분극층의 형성을 억제할 수 있는 원수 유로 스페이서, 및 이것을 구비한 스파이럴형 막 엘리먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관련된 원수 유로 스페이서는, 스파이럴형 막 엘리먼트의 집수관에 둘러감긴 제 1 분리막과 제 2 분리막 사이에 끼워 넣어지고, 집수관과 평행한 방향에 대해 서로 반대 방향으로 경사지는 제 1 사열 (絲列) 및 제 2 사열로 이루어지는 2 층 구조의 원수 유로 스페이서로서, 제 1 사열 및 제 2 사열에 의해 제 2 사열의 연장 방향으로 늘어서 구성된 제 1 메시 구조와, 제 1 사열 및 제 2 사열에 의해 제 2 사열의 연장 방향으로 늘어서 구성되고, 제 1 메시 구조를 구성하는 제 2 사열의 간격보다 제 2 사열의 간격이 좁아지도록 구성된 제 2 메시 구조를 교대로 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관련된 원수 유로 스페이서에 있어서, 제 2 메시 구조를 구성하는 제 1 사열의 집수관과 평행한 방향에 대한 경사는, 제 1 메시 구조를 구성하는 제 1 사열의 집수관과 평행한 방향에 대한 경사보다 커지도록 구성되어도 된다.
본 발명에 관련된 원수 유로 스페이서에 있어서, 제 1 메시 구조는, 제 1 메시와, 제 1 메시보다 눈이 촘촘한 중간 메시를 교대로 나열하여 구성되고, 제 2 메시 구조는, 중간 메시와, 중간 메시보다 눈이 촘촘한 제 2 메시를 교대로 나열하여 구성되어도 된다.
본 발명에 관련된 스파이럴형 엘리먼트는, 투과수가 흐르는 집수관과, 시트상의 투과수 스페이서와, 투과수 스페이서의 양면에 중첩시킨 상태에서 3 변이 봉지되고, 다른 1 변이 개구단인 주머니 형상을 이루고, 이 개구단이 집수관에 접속된 상태에서 집수관에 둘러감긴 제 1 분리막 및 제 2 분리막과, 상기 발명 중 어느 하나에 관련된 원수 유로 스페이서를 구비하는 것이다.
본 발명의 원수 유로 스페이서에 의하면, 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조는 교대로 배치되고, 집수관과 평행한 방향에 대한 경사 방향으로 각각 연장된다. 여기에서, 제 2 메시 구조는, 제 1 메시 구조보다 제 2 사열의 간격이 좁아지도록 형성된다. 이 때문에, 상기 평행 방향을 따라 원수가 흐를 때, 제 1 메시 구조로부터 하류측에 인접하는 제 2 메시 구조에 유입되는 원수 유량보다, 제 2 메시 구조로부터 하류측에 인접하는 제 1 메시 구조에 유입되는 원수 유량 쪽이 많아진다. 이로써, 제 1 메시 구조를 흐르는 원수 유량이 증가하여, 동 메시 구조 주변에 있어서 제 1 분리막 또는 제 2 분리막 쪽으로 사행하면서 하류측으로 흐르는 원수 흐름의 기세를 강하게 할 수 있다. 한편, 제 2 메시 구조는 제 1 메시 구조보다 제 2 사열의 간격이 좁기 때문에 원수 유량이 적어도 제 1 메시 구조와 동일 정도의 수세를 유지할 수 있다. 이 결과, 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조 주변의 양 분리막 근방에 잔류하는 이온이나 염류를 하류측으로 흘러가게 하여 농도 분극층의 형성을 억제할 수 있다.
본 발명의 스파이럴형 막 엘리먼트에 의하면, 원수 유로 스페이서에 있어서 제 2 메시 구조는 제 1 메시 구조보다 제 2 사열의 간격이 좁아지도록 형성되어 있다. 그리고, 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조는, 집수관과 평행한 방향에 대해 경사지는 방향으로 연장됨과 함께 교대로 배치되어 있다. 이 때문에, 상기 평행 방향을 따라 원수가 흐를 때, 제 1 메시 구조로부터 하류측에 인접하는 제 2 메시 구조에 유입되는 원수 유량보다, 제 2 메시 구조로부터 하류측에 인접하는 제 1 메시 구조에 유입되는 원수 유량 쪽이 많아진다. 이로 인하여, 제 1 메시 구조를 흐르는 원수 유량이 증가하여, 동 메시 구조 주변에 있어서 제 1 분리막 또는 제 2 분리막 쪽으로 사행하면서 하류측으로 흐르는 원수 흐름의 유속을 빠르게 할 수 있다. 한편, 제 2 메시 구조는 제 2 사열의 간격이 좁기 때문에 원수 유량이 적어도 제 1 메시 구조와 동일 정도의 수세를 유지할 수 있다. 이 결과, 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조 주변의 양 분리막 근방에 잔류하는 이온이나 염류를 하류측으로 흘러가게 하여 농도 분극층의 형성을 억제할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태인 스파이럴형 막 엘리먼트가 적용되는 여과 장치의 개략 구성도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 스파이럴형 막 엘리먼트의 일부를 전개 상태로 나타냄과 함께, 당해 일부에 포함되는 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 부분 확대도를 포함하는 사시도이다.
도 3 은, 도 2 에 나타내는 제 1 및 제 2 분리막 사이에 끼워 넣어진 원수 유로 스페이서의 구성을 나타냄과 함께, 일부에 그 단면도를 포함하는 사시도이다.
도 4 는, 도 2 에 나타내는 제 1 및 제 2 분리막 사이에 끼워 넣어진 원수 유로 스페이서에 의해 형성되는 원수 흐름과, 유체 해석 시뮬레이션의 대상 영역을 나타내는 사시도이다.
도 5(a) 는, 도 3 에 나타내는 제 1 분리막에 작용하는 전단 응력의 분포 상태를 나타내는 등치선도이다. 도 5(b) 는, 도 3 에 나타내는 제 2 분리막에 작용하는 전단 응력의 분포 상태를 나타내는 등치선도이다.
도 6(a) 는, 비교예인 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다. 도 6(b) 는, 도 6(a) 에 나타내는 X 방향으로 흐르는 원수가 제 1 분리막에 작용시키는 전단 응력을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 산출한 결과를 나타내는 등치선도이다. 도 6(c) 는, 도 6(b) 와 마찬가지로, 도 6(a) 에 나타내는 제 2 분리막에 작용하는 전단 응력을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 산출한 결과를 나타내는 등치선도이다.
도 7 은, 변형예 1 ∼ 변형예 4 의 원수 유로 스페이서에 있어서, 분극 용이 영역이 양 분리막에서 차지하는 면적 비율을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8(a) 는 변형예 1 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 8(b) 는 변형예 2 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 8(c) 는 변형예 3 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 8(d) 는 변형예 4 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9 는, 변형예 5 ∼ 변형예 9 의 원수 유로 스페이서에 있어서, 분극 용이 영역이 양 분리막에서 차지하는 면적 비율을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 도면이다.
도 10(a) 는 변형예 5 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10(b) 는 변형예 6 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10(c) 는 변형예 7 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10(d) 는 변형예 8 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10(e) 는 변형예 9 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11 은, 변형예 10 의 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12 는, 도 11 에 나타내는 제 1 분리막 및 제 2 분리막 사이에 끼워 넣어진 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 13 은, 변형예 11 의 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 14 는, 변형예 12 의 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 15(a) 는, 농도 분극의 평가에 사용하는 평가용 셀의 일부의 구성을 생략하여 내부 구성을 나타내는 사시도이다. 도 15(b) 는, 평가용 셀 내부에 설치되는 원수 유로 스페이서의 시험체의 구성을 나타내는 도면이다. 도 15(c) 는, 평가용 셀 내부에 형성되는 유로 구성을 나타내기 위해 외형을 가상선으로 나타냄과 함께 유로 구성 부분을 실선으로 나타낸 도면이다.
도 16(a) 는, 각 분리막의 시험체를 사용한 평가 시험에 있어서의 농도비와, 당해 농도비를 측정했을 때의 순수 체적 유속 (流束) 의 측정값의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 16(b) 는, 동 도면 (a) 에 나타내는 각 분리막의 시험체를 사용한 평가 시험에 있어서의 농도비 및 순수 체적 유속의 측정값을 나타내는 표이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 스파이럴형 막 엘리먼트의 일부를 전개 상태로 나타냄과 함께, 당해 일부에 포함되는 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 부분 확대도를 포함하는 사시도이다.
도 3 은, 도 2 에 나타내는 제 1 및 제 2 분리막 사이에 끼워 넣어진 원수 유로 스페이서의 구성을 나타냄과 함께, 일부에 그 단면도를 포함하는 사시도이다.
도 4 는, 도 2 에 나타내는 제 1 및 제 2 분리막 사이에 끼워 넣어진 원수 유로 스페이서에 의해 형성되는 원수 흐름과, 유체 해석 시뮬레이션의 대상 영역을 나타내는 사시도이다.
도 5(a) 는, 도 3 에 나타내는 제 1 분리막에 작용하는 전단 응력의 분포 상태를 나타내는 등치선도이다. 도 5(b) 는, 도 3 에 나타내는 제 2 분리막에 작용하는 전단 응력의 분포 상태를 나타내는 등치선도이다.
도 6(a) 는, 비교예인 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다. 도 6(b) 는, 도 6(a) 에 나타내는 X 방향으로 흐르는 원수가 제 1 분리막에 작용시키는 전단 응력을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 산출한 결과를 나타내는 등치선도이다. 도 6(c) 는, 도 6(b) 와 마찬가지로, 도 6(a) 에 나타내는 제 2 분리막에 작용하는 전단 응력을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 산출한 결과를 나타내는 등치선도이다.
도 7 은, 변형예 1 ∼ 변형예 4 의 원수 유로 스페이서에 있어서, 분극 용이 영역이 양 분리막에서 차지하는 면적 비율을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8(a) 는 변형예 1 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 8(b) 는 변형예 2 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 8(c) 는 변형예 3 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 8(d) 는 변형예 4 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9 는, 변형예 5 ∼ 변형예 9 의 원수 유로 스페이서에 있어서, 분극 용이 영역이 양 분리막에서 차지하는 면적 비율을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 도면이다.
도 10(a) 는 변형예 5 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10(b) 는 변형예 6 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10(c) 는 변형예 7 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10(d) 는 변형예 8 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10(e) 는 변형예 9 의 원수 유로 스페이서에 있어서의 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11 은, 변형예 10 의 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12 는, 도 11 에 나타내는 제 1 분리막 및 제 2 분리막 사이에 끼워 넣어진 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 13 은, 변형예 11 의 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 14 는, 변형예 12 의 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 15(a) 는, 농도 분극의 평가에 사용하는 평가용 셀의 일부의 구성을 생략하여 내부 구성을 나타내는 사시도이다. 도 15(b) 는, 평가용 셀 내부에 설치되는 원수 유로 스페이서의 시험체의 구성을 나타내는 도면이다. 도 15(c) 는, 평가용 셀 내부에 형성되는 유로 구성을 나타내기 위해 외형을 가상선으로 나타냄과 함께 유로 구성 부분을 실선으로 나타낸 도면이다.
도 16(a) 는, 각 분리막의 시험체를 사용한 평가 시험에 있어서의 농도비와, 당해 농도비를 측정했을 때의 순수 체적 유속 (流束) 의 측정값의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 16(b) 는, 동 도면 (a) 에 나타내는 각 분리막의 시험체를 사용한 평가 시험에 있어서의 농도비 및 순수 체적 유속의 측정값을 나타내는 표이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태인 스파이럴형 막 엘리먼트를 구비하는 여과 장치에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 「X」방향은 집수관의 축 방향에 평행한 방향을 나타내고, 「Y」방향 및 「Z」방향은 서로 직교하는 집수관의 직경 방향을 나타내는 것으로 한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 여과 장치 (10) 는, 수도물 등의 원수를 저류하는 원수 탱크 (12) 와, 원수에 대해 여과 처리를 실시하는 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 를 구비한다. 원수 탱크 (12) 에는, 예를 들어, 공급관 (L1) 을 통해 원수가 공급된다. 그리고, 원수 탱크 (12) 에는, 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 로 원수를 내보내는 송수관 (L2) 이 접속되어 있다. 이 송수관 (L2) 에는, 원수 탱크 (12) 로부터 원수를 퍼 올리기 위한 펌프 (14) 와, 원수에 포함되는 탁질 성분을 제거하는 전처리 유닛 (16) 이 설치되어 있다. 전처리 유닛 (16) 으로 처리된 원수는, 송수관 (L2) 을 경유하여 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 로 내보내진다. 또, 송수관 (L2) 에 있어서의 펌프 (14) 의 하류측에 바이패스 배관 (L2-B) 이 접속되어 있다. 이 바이패스 배관 (L2-B) 은 송수관 (L2) 을 흐르는 원수의 일부를 원수 탱크 (12) 로 되돌림으로써 전처리 유닛 (16) 으로 내보내지는 원수 유량을 조정하는 역할을 갖는다.
이 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 는, 이온이나 염류를 원수로부터 제거한 투과수와, 제거된 이온이나 염류를 포함하는 농축수를 생성하는 기능을 갖는다. 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 에 의해 생성된 투과수는 투과수 배관 (L3) 을 경유하여 투과수 탱크 (18) 에 저류되고, 농축수는 농축수 배관 (L4) 을 경유하여 외부로 배출된다.
도 2 는, 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 의 일부를 전개 상태로 나타내는 사시도와, 동 엘리먼트에 포함되는 제 1 분리막 및 제 2 분리막에 끼워 넣어진 원수 유로 스페이서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 는, 투과수가 흐르는 집수관 (22) 과, 집수관 (22) 의 주위에 중첩시킨 상태에서 둘러감기는 제 1 분리막 (24) 및 제 2 분리막 (28) 을 구비한다. 또, 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 는, 양 분리막 (24, 28) 사이에 끼워 넣어지고, 양 분리막 (24, 28) 사이에 원수 유로를 형성하는 원수 유로 스페이서 (40) 를 구비한다. 제 1 분리막 (24) 및 제 2 분리막 (28) 은 동일한 구성을 구비하기 때문에, 제 1 분리막 (24) 의 구성에 대해서만 이하에서 설명한다.
제 1 분리막 (24) 은, 투과수 스페이서 (26) 를 사이에 두고 양면에, 예를 들어, 역침투막, 한외 여과막, 또는, 정밀 여과막으로 이루어지는 분리막 (24a, 24b) 을 각각 중첩시켜 주머니 형상으로 구성되고, 개구단이 집수관 (22) 에 접속된다. 이 투과수 스페이서 (26) 는, 집수관 (22) 에 연통되는 유로를 형성하고 있고, 이 유로를 따라 분리막 (24a, 24b) 을 투과한 투과수가 집수관 (22) 으로 흘러 들어간다.
이 집수관 (22) 에는, 복수의 연통공 (22a, 22b, 22c) 이 축 방향을 따라 소정 피치로 형성되어 있고, 양 분리막 (24, 28) 을 투과한 투과수는 연통공 (22a ∼ 22c) 으로부터 집수관 (22) 으로 유입된다. 또, 제 1 분리막 (24) 의 개구단을 제외한 다른 3 변은, 투과수와 농축수의 혼합을 방지하기 위해 접착제 등에 의해 봉지되어 있다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로를 흐르는 원수의 일부는, 양 분리막 (24, 28) 중 어느 일방을 투과함으로써 이온이나 염류 등의 탁질 성분이 제거된 투과수가 되어, 투과수 스페이서 (26) 를 따라 집수관 (22) 으로 유도된다. 또, 잔여의 원수는, 원수 유로를 따라 흐름에 따라 투과수로부터 제거된 탁질 성분을 많이 포함하는 농축수가 되어, 하류측의 농축수 배관 (L4) (도 1 참조) 으로 배출된다.
스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 는, 상류측 캡재 (32) 와, 하류측 캡재 (34) 를 축 방향 양 끝면에 각각 장착하도록 해도 된다. 상류측 캡재 (32) 에는, 원수가 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 내부로 흘러 들어가기 위한 간극이 형성되어 있다. 또, 하류측 캡재 (34) 에는, 집수관 (22) 을 흐르는 투과수와, 원수 유로로부터 배출되는 농축수가 서로 섞이지 않도록 2 개의 유로가 형성되어 있다.
계속해서, 도 2 및 도 3 을 사용하여, 원수 유로 스페이서 (40) 의 구성에 대하여 설명한다. 도 3 은, 제 1 분리막 (24) 및 제 2 분리막 (28) 사이에 끼워 넣어진 원수 유로 스페이서 (40) 의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (40) 는, 제 1 사열 (M) 및 제 2 사열 (N) 을 서로 중첩시킨 2 층 구조의 원수 유로 스페이서이며, 각 사열 (M, N) 을 적층 상태에서 고착하여 형성되어 있다. 또한, 원수 유로 스페이서는, 각 사열 (M, N) 을 서로 넣어 짠 상태로 해도 된다. 원수 유로 스페이서 (40) 는, 제 1 메시 구조 (51, 52, 53) 및 제 2 메시 구조 (61, 62, 63) 를 교대로 구비한다. 제 1 메시 구조 (51 ∼ 53) 는 동일한 구성을 구비하기 때문에, 이하의 설명에서는 제 1 메시 구조 (52) 에 대해서만 설명한다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 제 1 메시 구조 (52) 는, 제 1 사각형상 메시 (52a, 52b, 52c) 가 제 2 사 (N2, N3) 의 연장 방향으로 늘어서 형성된다. 제 1 사각형상 메시 (52a ∼ 52c) 의 구성은 동일하기 때문에, 제 1 사각형상 메시 (52a) 에 대해서만 이하에서 설명한다.
제 1 사각형상 메시 (52a) 에 있어서의 제 1 변부 (52a-1) 및 제 2 변부 (52a-2) 는, 제 1 사 (M1, M2) 에 의해 각각 형성되고, 제 3 변부 (52a-3) 및 제 4 변부 (52a-4) 는 제 2 사 (N2, N3) 에 의해 형성된다. 제 1 사각형상 메시 (52a) 는, 일례로서 각 변부 (52a-1 ∼ 52a-4) 의 치수가 3 ㎜ 가 되도록 구성된 정방형상의 외관 형상을 갖는다. 각 사열 (M, N) 은, X 방향에 대해, 예를 들어, 45°각각 반대 방향으로 경사지도록 배치된다. 또, 각 사열 (M, N) 은, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 또는, 폴리프로필렌 등의 수지재에 의해, 예를 들어, 직경 (D) 이 0.4 ㎜ 인 원기둥상으로 형성된다. 그리고, 원수 유로 스페이서 (40) 에 의해 형성되는 원수 유로의 폭 (E) 은, 일례로서 0.8 ㎜ 이다. 또, 각 사열 (M, N) 의 형상은 원기둥상에 한정하지 않고, 예를 들어, 평판상 등으로 형성해도 된다.
제 2 메시 구조 (61 ∼ 63) 는 동일한 구성을 구비하기 때문에, 제 2 메시 구조 (61) 에 대해서만 설명을 하고, 제 2 메시 구조 (62, 63) 에 대해서는 적절히 설명을 생략한다. 제 2 메시 구조 (61) 는, 동일한 구성을 갖는 제 2 사각형상 메시 (61a, 61b, 61c) 가 제 2 사 (N1, N2) 의 연장 방향으로 늘어서 형성된다.
제 2 사각형상 메시 (61a) 의 제 1 변부 (61a-1) 및 제 2 변부 (61a-2) 는 제 1 사 (M1, M2) 에 의해 각각 형성되고, 제 2 사각형상 메시 (61a) 에 있어서의 제 3 변부 (61a-3) 는 제 2 사 (N1) 에 의해 형성된다. 또, 제 2 사각형상 메시 (61a) 의 제 4 변부는, 상기 서술한 제 1 사각형상 메시 (52a) 에 있어서의 제 3 변부 (52a-3) 에 의해 구성된다. 제 2 사각형상 메시 (61a) 는, 예를 들어, 각 변부 (61a-1, 61a-2, 61a-3) 의 치수를 3 ㎜ 로 하고, 평행사변형상으로 형성해도 된다.
여기에서, 제 1 변부 (61a-1) 및 제 2 변부 (61a-2) 의 X 방향에 대한 경사각 (α1) 은, 제 1 사각형상 메시 (52a) 의 제 1 변부 (52a-1) 및 제 2 변부 (52a-2) 의 X 방향에 대한 경사각 (α2) 보다 커지도록 제 1 사 (M1, M2) 를 굴곡시켜 구성된다. 일례로서, 경사각 (α1) 은 90°로 하고, 경사각 (α2) 을 45°로 하면 된다. 그리고, 제 2 사각형상 메시 (61a) 에 있어서의 양 변부 (61a-1, 61a-2) 의 간격 (R1) 은, 제 1 사각형상 메시 (52a) 에 있어서의 양 변부 (52a-1, 52a-2) 의 간격 (즉, 제 3 변부 (52a-3) 의 길이) 보다 좁아지도록 형성된다.
마찬가지로, 제 2 사각형상 메시 (61a) 에 있어서의 양 변부 (52a-3, 61a-3) 의 간격 (R2) 은, 제 1 사각형상 메시 (52a) 에 있어서의 양 변부 (52a-3, 52a-4) 의 간격 (즉, 제 1 변부 (52a-1) 의 길이) 보다 좁아지도록 형성된다.
이로써, 제 2 사각형상 메시 (61a) 쪽이 제 1 사각형상 메시 (52a) 보다 눈이 촘촘하게 (즉, 둘러싼 면적이 작게) 구성되어, X 방향으로 흐르는 원수가 유로로부터 받는 저항 (이하, 유로 저항이라고 표기) 이 커지도록 형성된다. 따라서, 제 2 사각형상 메시 (61a) 와 동일 구성의 메시가 늘어서 구성되는 제 2 메시 구조 (61) 쪽이, 제 1 사각형상 메시 (52a) 와 동일 구성의 메시가 늘어서 구성되는 제 1 메시 구조 (52) 보다 유로 저항이 커진다.
여기에서, 각 메시 구조 (52, 61, 62) 에 있어서의 원수 흐름에 대하여 도 4 를 사용하여 설명한다. 도 4 는 원수 유로 스페이서 (40) 에 의해 형성되는 원수 흐름, 및 시뮬레이션 영역 (T) 을 도 3 과 마찬가지로 나타내는 도면이다. 이 시뮬레이션 영역 (T) 은, 가상선 (T1 ∼ T4) 에 의해 둘러싸인 영역이며, 가상선 (T1) 은 제 2 사각형상 메시 (61a) 의 중심점과, 제 2 사각형상 메시 (61b) 의 중심점 사이를 연결하는 제 2 사 (N1) 및 제 2 사 (N2) 의 중간선이다. 가상선 (T3) 은, 제 2 사각형상 메시 (62a) 의 중심점과, 제 2 사각형상 메시 (62b) 의 중심점 사이를 연결하는 제 2 사 (N3) 및 제 2 사 (N4) 의 중간선이다. 또, 가상선 (T2) 은, 제 2 사각형상 메시 (61b) 의 중심점과, 제 2 사각형상 메시 (62b) 의 중심점을 연결하는 제 1 사 (M2) 및 제 1 사 (M3) 의 중간선이다. 가상선 (T4) 은, 제 2 사각형상 메시 (61a) 의 중심점과, 제 2 사각형상 메시 (62a) 의 중심점을 연결하는 제 1 사 (M1) 및 제 1 사 (M2) 의 중간선이다.
각 메시 구조 (52, 61, 62) 의 연장 방향은, 도 4 에 나타내는 바와 같이 X 방향에 대해 경사져 있다. 이 때문에, 제 2 메시 구조 (61), 제 1 메시 구조 (52), 제 2 메시 구조 (62) 를 이 순서로 통과하면서 원수는 하류측으로 흐르게 된다. 이 점에 대하여, 각 메시 구조 (52, 61, 62) 의 일부를 구성하는 각 사각형상 메시 (52a, 61a, 62a) 에 있어서의 원수 흐름을 예로 들어 설명한다.
각 사각형상 메시 (52a, 61a, 62a) 는, X 방향에 있어서의 상류측에서부터 제 2 사각형상 메시 (61a), 제 1 사각형상 메시 (52a), 제 2 사각형상 메시 (62a) 의 순서로 인접 배치된다. 이 제 2 사각형상 메시 (61a) 에 있어서, 원수의 일부는 흐름 (C1) 을 따라 제 2 분리막 (28) 쪽으로 사행하면서 제 1 사각형상 메시 (52a) 에 유입된다. 이로써, 제 2 분리막 (28) 에 근접한 영역에 있어서의 원수의 유속을 높여, 제 2 분리막 (28) 에 근접한 영역에 체류하는 잔류 이온이나 염류를 하류측으로 흘러가게 할 수 있다.
또, 마찬가지로, 제 1 사각형상 메시 (52a) 에 있어서, 원수의 일부는 흐름 (C2) 을 따라 제 2 분리막 (28) 쪽으로 사행하면서 제 2 사각형상 메시 (62a) 에 유입된다. 이로써, 제 2 분리막 (28) 에 근접한 영역에 체류하는 잔류 이온이나 염류를 하류측으로 흘러가게 할 수 있다.
또, 상기 서술한 바와 같이 제 2 메시 구조 (61, 62) 의 일부를 각각 구성하는 제 2 사각형상 메시 (61a, 62a) 쪽이, 제 1 메시 구조 (52) 의 일부를 구성하는 제 1 사각형상 메시 (52a) 보다 유로 저항이 크다. 이 때문에, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 제 2 사각형상 메시 (61a) 로부터 흐름 (C1) 을 따라 제 1 사각형상 메시 (52a) 에 유입되는 유량 (Q1) 쪽이, 제 1 사각형상 메시 (52a) 로부터 흐름 (C2) 을 따라 제 2 사각형상 메시 (62a) 로 유출되는 유량 (Q2) 보다 많아진다. 그리고, 유량 (Q1) 과 유량 (Q2) 의 차분인 유량 (Q3) 만큼 제 1 사각형상 메시 (52a) 로부터 하류측의 제 1 사각형상 메시 (52b) 로 흐르는 원수의 유량이 증가하게 된다. 이와 같이 하여 제 1 메시 구조 (52) 에 있어서의 원수 유량이 증가함과 함께, 제 2 메시 구조 (61, 62) 에 있어서의 원수 유량이 감소한다.
이 때문에, 각 사각형상 메시 (52a, 61a, 62a) 의 각 변부 (52a-2, 61a-2, 62a-2) (도 3 참조) 주변에서 흐름 (S1, S2, S3) 을 따라 제 1 분리막 (24) 쪽으로 각각 사행하면서 흐르는 원수 흐름 중 제 1 메시 구조 (52) 에 있어서의 원수의 흐름 (S1) 의 수세를 증대시킬 수 있다. 이로써, 제 1 메시 구조 (52) 에 의해 둘러싸인 제 1 분리막 (24) 의 근접 영역에 있어서의 원수의 유속을 높여, 동 영역에 체류하는 잔류 이온이나 염류를 하류측으로 흘러가게 하는 것이 가능해진다.
한편, 제 2 사각형상 메시 (61a, 62a) 에 있어서의 원수의 흐름 (S2, S3) 의 유량은 흐름 (S1) 의 유량보다 각각 감소한다. 그러나, 제 2 사각형상 메시 (61a, 62a) 에 있어서의 제 1 사 (M1, M2) 의 간격 (R1) (도 3 참조) 은, 제 1 사각형상 메시 (52a) 에 있어서의 제 1 사 (M1, M2) 의 간격, 즉, 제 3 변부 (52a-3) 의 길이 (도 3 참조) 보다 좁게 구성된다. 이 때문에, 상기 서술한 바와 같이 원수의 흐름 (S2, S3) 에 있어서의 원수 유량이 원수의 흐름 (S1) 보다 각각 감소해도 동 흐름 (S2, S3) 은 유속이 빠른 상태로 유지되어, 제 1 사각형상 메시 (52a) 와 동일 정도의 수세가 유지된다. 이 때문에, 제 2 메시 구조 (61, 62) 에 의해 둘러싸인 제 1 분리막 (24) 의 근접 영역에 있어서의 원수의 유속을 높여, 동 영역에 체류하는 잔류 이온이나 염류를 하류측으로 흘러가게 할 수 있다.
도 5(a) 는, 도 3 에 나타내는 영역 (T) 에 있어서 원수가 제 1 분리막 (24) 에 작용시키는 전단 응력의 크기를 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 등치선도이다. 도 5(b) 는, 도 5(a) 와 마찬가지로 영역 (T) 에 있어서 제 2 분리막 (28) 에 작용하는 전단 응력의 크기를 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 등치선도이다. 여기에서, 각 분리막 (24, 28) 에 작용하는 전단 응력의 크기가 클수록, 각 분리막 (24, 28) 에 근접하는 영역으로부터 원수가 잔류 이온이나 염류를 흘러가게 하는 작용이 큰 것을 의미한다. 또, 반대로, 각 분리막 (24, 28) 에 작용하는 전단 응력이 작을수록, 각 분리막 (24, 28) 에 근접하는 영역으로부터 원수가 잔류 이온이나 염류를 흘러가게 하는 작용이 작은 것을 의미한다. 상기 유체 해석 시뮬레이션에서는, X 방향을 따라 영역 (T) 에 유입되는 원수의 유속은 0.162 m/s 로 하고 있다.
도 5(a) 에 나타내는 바와 같이 제 1 사각형상 메시 (52a, 52b) 로 둘러싸인 제 1 분리막 (24) 의 영역에 있어서, 제 2 변부 (52a-2) (도 3 참조) 의 주변에서 사행한 원수에 의해 제 2 사각형상 메시 (61a, 61b, 62a, 62b) 로 둘러싸인 제 1 분리막 (24) 의 영역과 동일 정도의 강한 전단 응력이 광범위하게 작용하고 있는 것을 알 수 있다.
또, 각 분리막 (24, 28) 에 작용하는 전단 응력의 크기가 0.75 ㎩ 이하가 되는 영역, 즉 각 분리막 (24, 28) 의 근접 영역에 있어서의 원수의 흐름이 완만하고 잔류 이온이나 염류를 원수가 흘러가게 하는 작용이 작은 영역이 양 분리막 (24, 28) 의 표면에서 차지하는 면적의 비율은 16 ％ 였다. 이하의 설명에 있어서, 상기 서술한 전단 응력의 크기가 0.75 ㎩ 이하가 되는 영역을 분극 용이 영역이라고 호칭한다. 또한, 도 5(a) 및 도 5(b) 에 나타내는 양 분리막 (24, 28) 에 작용하는 전단 응력의 평균값은 3.3 ㎩ 이다.
도 6(a) 는 비교예인 원수 유로 스페이서 (300) 의 구성을 나타내는 도면이다. 도 6(b) 는 동 도면 (a) 에 나타내는 영역 (U) 에 있어서 제 1 분리막 (24) 에 작용하는 전단 응력의 크기를 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 등치선도이다. 도 6(c) 는 동 도면 (a) 에 나타내는 영역 (U) 에 있어서의 제 2 분리막 (28) 에 작용하는 전단 응력의 분포 상태를 나타내는 등치선도이다. 도 6(b) 및 도 6(c) 에서는, X 방향을 따라 영역 (U) 에 유입되는 원수의 유속은 0.162 m/s 로 하고 있다.
도 6(a) 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (300) 는, 사 (V1, V2, V3) 를 포함하는 사열 (V) 과, 사 (W1, W2, W3) 를 포함하는 사열 (W) 을 서로 직교하도록 적층시켜 이루어지는 메시 구조 (310) 를 갖는다. 이 메시 구조 (310) 는, 제 1 사각형상 메시 (52a) 와 동일한 구성을 갖는 사각형상 메시 (310a, 310b, 310c, 310d) 를 포함한다. 또한, 영역 (U) 은, 사각형상 메시 (310a ∼ 310d) 에 있어서의 중심점을 연결하는 가상선에 의해 둘러싸인 영역이다.
도 6(b) 및 도 6(c) 에 나타내는 바와 같이, 양 분리막 (24, 28) 의 영역 (U) 으로 둘러싸인 영역에 작용하는 전단 응력은 최대로 약 8 ㎩ 정도이다. 또, 양 분리막 (24, 28) 에 형성되는 분극 용이 영역이 양 분리막 (24, 28) 의 표면에서 차지하는 면적의 비율은 20 ％ 이다.
이와 같이, 비교예의 원수 유로 스페이서 (300) 에서는, 본 실시형태의 원수 유로 스페이서 (40) 와 같이 양 분리막 (24, 28) 에 큰 전단 응력이 작용하고 있지 않아, 양 분리막 (24, 28) 에 형성되는 분극 용이 영역의 면적 비율도 20 ％ 로 비교적 높아진다. 이 때문에, 양 분리막 (24, 28) 에 근접한 영역에 잔류하는 이온이나 염류를 충분히 흘러가게 할 수 없다.
또, 제 2 메시 구조 (61, 62, 63) 만으로 구성된 원수 유로 스페이서를 사용하는 것도 생각할 수 있지만, 이 경우에는, 원수 유로 스페이서에 의해 생기는 압력 손실이 과대해진다. 이 때문에, 원수 유로 스페이서가 하류측으로 흘러가 텔레스코프 현상이 생긴다고 하는 문제도 있다.
이에 대해, 본 실시형태의 원수 유로 스페이서 (40) 에서는, 제 1 메시 구조 (51, 52, 53) 와, 제 1 메시 구조 (51 ∼ 53) 보다 X 방향으로 흐르는 원수가 통과 하기 어려운 제 2 메시 구조 (61, 62, 63) 를 교대로 배치하고 있다. 이 때문에, 예를 들어, 제 2 메시 구조 (61) 에 있어서의 제 2 사각형상 메시 (61a) 로부터 제 1 메시 구조 (52) 에 있어서의 제 1 사각형상 메시 (52a) 로 흘러드는 원수의 유량을 증가시킬 수 있다. 이로써, 제 1 사각형상 메시 (52a) 로 둘러싸인 영역의 양 분리막 (24, 28) 에 제 2 사각형상 메시 (61a) 로 둘러싸인 영역의 양 분리막 (24, 28) 과 동등한 전단 응력을 작용시킬 수 있다.
이 결과, 원수 유로 스페이서 (40) 에 의하면, 압력 손실의 증대를 방지하면서, 양 분리막 (24, 28) 의 근방 영역에 잔류하는 이온이나 염류를 흘러가게 하여 농도 분극층의 형성을 억제할 수 있다.
또, 원수 유로 스페이서 (40) 에 의하면, 큰 전단 응력을 양 분리막 (24, 28) 에 작용시킬 수 있기 때문에, 바이오 필름 등의 균체에서 유래하는 물질에 의해 양 분리막 (24, 28) 이 막힌 상태가 되는 바이오파울링의 발생을 억제할 수도 있다.
계속해서, 도 7 ∼ 도 14 를 사용하여, 본 실시형태에 있어서의 원수 유로 스페이서의 변형예에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 상기 실시형태에 있어서의 원수 유로 스페이서 (40) 와 구성이 공통되는 부분에 대해서는 상기 실시형태와 동일한 부호를 붙여서 적절히 설명을 생략하고, 구성이 상이한 부분에 대해서만 설명을 하는 것으로 한다.
도 7 에 나타내는 표 1 에서는, 제 1 메시 구조에 있어서의 경사각 (α1) 의 크기를 변화시킨 변형예 1 ∼ 4 의 원수 유로 스페이서에 있어서, 분극 용이 영역이 양 분리막 (24, 28) 에서 차지하는 면적의 비율을 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내고 있다. 도 8(a) ∼ 도 8(d) 는, 변형예 1 ∼ 변형예 4 의 각 원수 유로 스페이서에 있어서, 제 1 메시 구조에 있어서의 제 1 사각형상 메시 및 제 2 메시 구조에 있어서의 제 2 사각형상 메시의 형상을 모식적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 8(a) ∼ 도 8(d) 에 있어서 X 방향을 따라 영역 (T) (도 3 참조) 에 유입되는 원수의 유속은 0.162 m/s 로 설정하고 있다. 도 8(a) ∼ 도 8(d) 에 나타내는 각 원수 유로 스페이서 (70, 80, 90, 100) 는, 상기 실시형태의 원수 유로 스페이서 (40) 와 제 2 사각형상 메시의 구성이 상이한 점을 제외하고 동일한 구성을 구비한다.
도 8(a) 에 나타내는 바와 같이, 변형예 1 의 원수 유로 스페이서 (70) 는, 제 2 메시 구조 (71) 를 구성하는 제 2 사각형상 메시 (71a) 의 경사각 (α1) 이 50°가 되도록 형성되어 있는 점에서, 상기 실시형태에 있어서의 원수 유로 스페이서 (40) 의 구성과 상이하다. 또, 도 7 에 나타내는 바와 같이 원수 유로 스페이서 (70) 에 의하면 분극 용이 영역이 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 면적 비율은 19 ％ 이다.
도 8(b) 에 나타내는 바와 같이, 변형예 2 의 원수 유로 스페이서 (80) 는, 제 2 메시 구조 (81) 를 구성하는 제 2 사각형상 메시 (81a) 의 경사각 (α1) 이 85°가 되도록 형성되어 있는 점에서, 상기 실시형태에 있어서의 원수 유로 스페이서 (40) 의 구성과 상이하다. 또, 도 7 에 나타내는 바와 같이 원수 유로 스페이서 (80) 에 의하면 분극 용이 영역이 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 면적 비율은 17 ％ 이다.
도 8(c) 에 나타내는 바와 같이, 변형예 3 의 원수 유로 스페이서 (90) 는, 제 2 메시 구조 (91) 를 구성하는 제 2 사각형상 메시 (91a) 의 경사각 (α1) 이 95°가 되도록 형성되어 있는 점에서, 상기 원수 유로 스페이서 (40) 의 구성과 상이하다. 또, 도 7 에 나타내는 바와 같이 원수 유로 스페이서 (90) 에 의하면 분극 용이 영역이 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 면적 비율은 15 ％ 이다.
도 8(d) 에 나타내는 바와 같이, 변형예 4 의 원수 유로 스페이서 (100) 는, 제 2 메시 구조 (101) 를 구성하는 제 2 사각형상 메시 (101a) 의 경사각 (α1) 이 120°가 되도록 형성되어 있는 점에서, 상기 원수 유로 스페이서 (40) 의 구성과 상이하다. 또, 도 7 에 나타내는 바와 같이 원수 유로 스페이서 (100) 에 의하면 분극 용이 영역이 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 면적 비율은 10 ％ 이다.
또, 변형예 4 에 나타내는 원수 유로 스페이서의 경사각 (α1) 보다 경사각을 크게 하면, 제 1 메시 구조와 제 2 메시 구조가 서로 간섭하기 때문에 제작이 곤란해진다. 이 때문에, 경사각 (α1) 은 120°이하의 크기로 설정하는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 변형예 1 ∼ 4 의 구성에 있어서도, 상기 실시형태에 있어서의 원수 유로 스페이서 (40) 와 마찬가지로 농도 분극층의 형성을 억제할 수 있다.
도 9 에 나타내는 표 2 는, 제 1 메시 구조 (51) 및 제 2 메시 구조 (61) 의 구성 비율을 변경한 변형예 5 ∼ 변형예 9 의 원수 유로 스페이서에 있어서, 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 분극 용이 영역의 면적 비율을 상기 실시형태의 원수 유로 스페이서 (40) 와 마찬가지로 유체 해석 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내고 있다. 동 도면에 나타내는 유체 해석 시뮬레이션에 있어서, X 방향을 따라 흐르는 원수의 유속은 0.162 m/s 로 설정하고 있다. 도 10(a) ∼ 도 10(e) 는, 변형예 5 ∼ 9 의 경우에 있어서의 원수 유로 스페이서의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
변형예 5 의 원수 유로 스페이서 (110) 는, 도 10(a) 에 나타내는 제 1 메시 구조 (112) 및 제 2 메시 구조 (114) 를 교대로 구비한다. 제 1 메시 구조 (112) 는, 제 1 사열 (M10) 을 구성하는 제 1 사 (M11, M12) 의 연장 방향으로 제 1 사각형상 메시 (112a, 112b) 를 2 개 나열하여 구성된다. 제 1 사각형상 메시 (112a, 112b) 는, 제 1 사각형상 메시 (52a) 와 동일한 구성을 갖는다. 또, 제 2 메시 구조 (114) 는, 제 2 메시 구조 (61) 와 동일한 구성을 갖는다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (110) 에 있어서, 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 분극 용이 영역의 면적 비율은 18 ％ 이다.
변형예 6 의 원수 유로 스페이서 (120) 는, 도 10(b) 에 나타내는 제 1 메시 구조 (122) 및 제 2 메시 구조 (124) 를 교대로 구비한다. 제 1 메시 구조 (122) 는 제 1 사열 (M20) 을 구성하는 제 1 사 (M21, M22) 의 연장 방향으로 제 1 사각형상 메시 (122a, 122b, 122c) 를 3 개 나열하여 구성된다. 제 1 사각형상 메시 (122a ∼ 122c) 는, 제 1 사각형상 메시 (52a) 와 동일한 구성을 갖는다. 제 2 메시 구조 (124) 는, 제 2 메시 구조 (61) 와 동일한 구성을 갖는다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (120) 에 있어서, 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 분극 용이 영역의 면적 비율은 19 ％ 이다.
변형예 7 의 원수 유로 스페이서 (130) 는, 도 10(c) 에 나타내는 제 1 메시 구조 (132) 및 제 2 메시 구조 (134) 를 교대로 구비한다. 제 1 메시 구조 (132) 는, 제 1 사열 (M30) 을 구성하는 사 (M31, M32) 의 연장 방향으로 제 1 사각형상 메시 (132a, 132b) 를 2 개 나열하여 구성된다. 제 1 사각형상 메시 (132a, 132b) 는, 제 1 사각형상 메시 (52a) 와 동일한 구성을 갖는다. 그리고, 제 2 메시 구조 (134) 는, 제 1 사열 (M30) 을 구성하는 제 1 사 (M31, M32) 의 연장 방향으로 2 개의 제 2 사각형상 메시 (134a, 134b) 를 나열하여 구성된다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (130) 에 있어서, 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 분극 용이 영역의 면적 비율은 16 ％ 이다.
변형예 8 의 원수 유로 스페이서 (140) 는, 도 10(d) 에 나타내는 제 1 메시 구조 (142) 및 제 2 메시 구조 (144) 를 교대로 구비한다. 제 1 메시 구조 (142) 는, 제 1 메시 구조 (51) 와 동일한 구성을 갖는다. 제 2 메시 구조 (144) 는, 제 1 사열 (M40) 을 구성하는 제 1 사 (M41, M42) 의 연장 방향으로 제 2 사각형상 메시 (144a, 144b) 를 2 개 나열하여 구성된다. 제 2 사각형상 메시 (144a, 144b) 의 구성은, 제 2 사각형상 메시 (61a) 와 동일한 구성을 갖는다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (140) 에 있어서, 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 분극 용이 영역의 면적 비율은 15 ％ 이다.
변형예 9 의 원수 유로 스페이서 (150) 는, 도 10(e) 에 나타내는 제 1 메시 구조 (152) 및 제 2 메시 구조 (154) 를 교대로 구비한다. 제 1 메시 구조 (152) 는, 제 1 메시 구조 (51) 와 동일한 구성을 갖는다. 제 2 메시 구조 (154) 는, 제 1 사열 (M50) 을 구성하는 제 1 사 (M51, M52) 의 연장 방향으로 제 2 사각형상 메시 (154a, 154b, 154c) 를 3 개 나열하여 구성된다. 이 원수 유로 스페이서 (150) 에 있어서, 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 분극 용이 영역의 면적 비율은 14 ％ 이다.
상기와 같이, 변형예 5 ∼ 9 의 구성에 있어서도, 상기 실시형태에 있어서의 원수 유로 스페이서 (40) 와 마찬가지로 농도 분극층의 형성을 억제할 수 있다.
도 11 은, 변형예 10 의 원수 유로 스페이서 (160) 의 구성을 나타내는 도면이다. 도 12 는, 도 11 에 나타내는 원수 유로 스페이서 (160) 에 포함되는 제 1 메시 구조 및 제 2 메시 구조의 구성을 나타내는 확대도이다.
도 11 및 도 12 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (160) 는, 제 1 사열 (A) 및 제 2 사열 (B) 을 서로 중첩시킨 2 층 구조의 원수 유로 스페이서이며, 각 사열 (A, B) 을 적층 상태에서 고착하여 형성된다. 각 사열 (A, B) 은, 상기 실시형태에 있어서의 각 사열 (M, N) 과 마찬가지로, X 방향에 대해 서로 반대 방향으로 예를 들어 45°각각 경사져 있다. 또, 제 1 사열 (A) 을 구성하는 제 1 사 (A1, A2) 의 간격과 제 1 사 (A2, A3) 의 간격은 동일한 크기가 되도록 형성되어 있고, 일례로서 4 ㎜ 로 설정된다. 그리고, 제 1 사 (A3, A4) 의 간격 및 제 1 사 (A4, A5) 의 간격은, 각각 제 1 사 (A1, A2) 의 간격의 절반의 크기가 되도록 형성되어 있다. 마찬가지로, 제 2 사열 (B) 을 구성하는 제 2 사 (B1, B2) 의 간격 및 제 2 사 (B2, B3) 의 간격은, 동일한 크기가 되도록 형성되어 있고, 일례로서 4 ㎜ 로 설정된다. 그리고, 제 2 사 (B3, B4) 의 간격과 제 2 사 (B4, B5) 의 간격은 각각 제 2 사 (B1, B2) 의 간격의 절반의 크기가 되도록 형성되어 있다. 각 사 (A1 ∼ A5, B1 ∼ B5) 는, 예를 들어, 원기둥상으로 형성되어 있고, 그 직경은 0.4 ㎜ 이다.
도 11 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (160) 는, 상기 서술한 제 1 사열 (A) 및 제 2 사열 (B) 에 의해 제 2 사열 (B) 의 연장 방향으로 늘어서 구성된 제 1 메시 구조 (171, 172, 173) 와, 제 2 메시 구조 (181, 182, 183) 를 교대로 구비한다. 제 1 메시 구조 (171 ∼ 173) 는 동일한 구성을 구비하고, 제 2 메시 구조 (181 ∼ 183) 도 동일한 구성을 구비하기 때문에, 이하의 설명에서는, 제 1 메시 구조 (172), 제 2 메시 구조 (182) 를 예로 들어 설명을 한다.
제 1 메시 구조 (172) 는, 제 1 사 (A1 ∼ A3) 및 제 2 사 (B1 ∼ B3) 에 의해 형성되는 제 1 메시 (172a-1) 와, 제 1 사 (A3 ∼ A5) 및 제 2 사 (B3 ∼ B5) 에 의해 형성되는 중간 메시 (172a-2) 를 제 2 사열 (B) 의 연장 방향을 따라 교대로 배치하여 구성된다. 이 제 1 메시 (172a-1) 는, 예를 들어, 정방형상의 외관 형상을 갖는다. 한편, 중간 메시 (172a-2) 는, 예를 들어, 장방형상의 외관 형상을 갖고, 제 1 메시 (172a-1) 보다 눈이 촘촘해지도록 구성된다. 이 때문에, 제 1 메시 (172a-1) 와 중간 메시 (172a-2) 를 비교하면, 제 1 메시 (172a-1) 쪽이 중간 메시 (172a-2) 보다 유로 저항이 작아진다.
제 2 메시 구조 (182) 는, 제 1 사 (A1 ∼ A3) 및 제 2 사 (B3 ∼ B5) 에 의해 형성되는 중간 메시 (182a-1) 와, 제 1 사 (A3 ∼ A5) 및 제 2 사 (B3 ∼ B5) 에 의해 형성되는 제 2 메시 (182a-2) 를 제 2 사열 (B) 의 연장 방향을 따라 교대로 배치하여 구성된다. 중간 메시 (182a-1) 는, 중간 메시 (172a-2) 와 마찬가지로, 예를 들어, 장방형상의 외관 형상을 갖고, 동 메시 (172a-2) 와 동일한 눈의 크기가 되도록 구성된다. 또, 제 2 메시 (182a-2) 는, 예를 들어, 정방형상의 외관 형상을 갖고, 중간 메시 (182a-1) 보다 눈이 촘촘하게 형성된다. 이 때문에, 제 2 메시 (182a-2) 와 중간 메시 (182a-1) 를 비교하면, 제 2 메시 (182a-2) 쪽이 중간 메시 (182a-1) 보다 유로 저항이 커진다.
도 12 에 나타내는 바와 같이, 제 2 메시 구조 (182) 에 있어서, 원수의 일부는 흐름 (C11, C12) 을 따라 중간 메시 (182a-1) 로부터 하류측의 제 1 메시 구조 (172) 에 있어서의 제 1 메시 (172a-1) 에 유입된다. 그리고, 제 1 메시 (172a-1) 에 있어서, 원수의 일부는 흐름 (C21, C22) 을 따라 제 1 메시 (172a-1) 로부터 하류측의 제 2 메시 구조 (183) 의 중간 메시 (183a-1) 에 유입된다.
여기에서, 중간 메시 (182a-1) 의 원수 흐름에 있어서의 하류측에는 제 2 메시 (182a-2) 및 제 1 메시 (172a-1) 가 인접해 있다. 그리고, 제 2 메시 (182a-2) 는 제 1 메시 (172a-1) 보다 유로 저항이 크기 때문에, 중간 메시 (182a-1) 로부터 흐름 (C11, C12) 을 따라 제 1 메시 (172a-1) 에 흘러드는 원수의 유량 (Q11) 쪽이 제 2 메시 (182a-2) 에 흘러드는 원수의 유량 (Q12) 보다 많아진다.
한편, 제 1 메시 (172a-1) 의 하류측에는, 중간 메시 (172a-2, 183a-1) 가 각각 인접해 있다. 양 메시 (172a-2, 183a-1) 는, 눈의 크기가 동등하기 때문에 유로 저항의 크기도 동등 정도의 크기가 된다. 이 때문에, 흐름 (C21, C22) 을 따라 중간 메시 (183a-1) 에 유출되는 원수의 유량 (Q12) 과, 흐름 (S11, S12) 을 따라 중간 메시 (172a-2) 에 유출되는 원수의 유량 (Q13) 은 동일 정도의 유량이 된다.
따라서, 흐름 (C11, C12) 을 따라 제 2 메시 구조 (182) 로부터 제 1 메시 구조 (172) 에 있어서의 제 1 메시 (172a-1) 에 유입되는 유량 (Q11) 과, 동 메시 (172a-1) 로부터 흐름 (C21, C22) 을 따라 제 2 메시 구조 (183) 에 유출되는 유량 (Q12) 의 차분 유량 (ΔQ11-12) 만큼 제 1 메시 구조 (172) 에 있어서의 제 1 메시 (172a-1) 로부터 흐름 (S11, S12) 을 따라 하류측의 중간 메시 (172a-2) 에 흘러드는 원수의 유량 (Q13) 이 증대된다. 이와 같이 원수 유로 스페이서 (160) 에 있어서도, 제 1 메시 구조 (172) 를 흐르는 원수의 수세를 늘릴 수 있어, 상기 실시형태에 있어서의 원수 유로 스페이서 (40) 와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 원수 유로 스페이서 (160) 에 대하여, 상기 서술한 원수 유로 스페이서 (40) 와 동 조건에서 유체 해석 시뮬레이션을 실행한 경우에, 양 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 분극 용이 영역의 면적 비율은 17 ％ 이다.
또, 상기 유체 해석 시뮬레이션에 있어서, 원수 유로 스페이서 (160) 를 사용한 경우에 양 분리막 (24, 28) 에 원수 흐름을 작용시키는 전단 응력의 평균값은 2.6 ㎩ 인 데에 대해, 상기 서술한 원수 유로 스페이서 (40) 의 전단 응력의 평균값은 3.3 ㎩ 였다.
따라서, 원수 유로 스페이서 (160) 를 사용한 경우, 양 분리막 (24, 28) 에 작용하는 평균 전단 응력이 상기 서술한 원수 유로 스페이서 (40) 보다 약 20 ％ 저하된다. 이 때문에, 원수 유로 스페이서 (40) 와 비교하여 압력 손실을 억제할 수 있다는 효과도 얻을 수 있다.
도 13 은, 변형예 11 의 원수 유로 스페이서 (200) 의 구성을 나타내는 도면이다. 도 13 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (200) 는, 상기 서술한 원수 유로 스페이서 (160) 의 변형예이다. 이하의 설명에서는, 원수 유로 스페이서 (160) 와 구성이 상이한 부분에 대해서만 설명을 하고, 구성이 공통되는 부분에 대해서는 적절히 설명을 생략한다.
도 13 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (200) 는, 제 1 사열 (A10) 및 제 2 사열 (B10) 을 서로 중첩시킨 2 층 구조의 원수 유로 스페이서이며, 각 사열 (A10, B10) 을 적층 상태에서 고착하여 형성된다. 제 1 사열 (A10) 을 구성하는 각 사 (A11, A12, A13) 가 등간격으로 배치되는 점에서 상기 원수 유로 스페이서 (160) 의 구성과 상이하다. 한편, 제 2 사열 (B10) 을 구성하는 제 2 사 (B11 ∼ B15) 의 구성은, 상기 서술한 원수 유로 스페이서 (160) 에 있어서의 제 2 사 (B1 ∼ B5) 와 동일하다.
도 13 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (200) 는, 상기 서술한 제 1 사열 (A10) 및 제 2 사열 (B10) 에 의해 제 2 사열 (B10) 을 따라 구성된 제 1 메시 구조 (201, 202, 203) 와, 제 2 메시 구조 (211, 212, 213) 를 교대로 구비한다. 제 1 메시 구조 (201 ∼ 203) 는 동일한 구성을 구비하고, 제 2 메시 구조 (211 ∼ 213) 도 동일한 구성을 구비한다. 이 때문에, 이하의 설명에서는, 제 1 메시 구조 (202) 및 제 2 메시 구조 (212) 를 예로 들어 설명한다.
제 1 메시 구조 (202) 는, 제 1 사 (A11, A12) 및 제 2 사 (B11 ∼ B13) 에 의해 형성되는 제 1 메시 (202a) 를 포함하고, 이 제 1 메시 (202a) 와 동일 구성으로 이루어지는 다수의 메시가 제 2 사열 (B10) 의 연장 방향으로 다수 늘어서 구성된다.
제 2 메시 구조 (212) 는, 제 1 사 (A11, A12) 및 제 2 사 (B13 ∼ B15) 에 의해 형성되는 제 2 메시 (212a) 를 포함하고, 이 제 2 메시 (212a) 와 동일 구성으로 이루어지는 다수의 메시가 제 2 사열 (B10) 의 연장 방향으로 다수 늘어서 구성된다. 이 제 2 메시 (212a) 는, 제 1 메시 (202a) 보다 눈이 촘촘하게 형성된다. 이 때문에, 제 1 메시 (202a) 보다 유로 저항이 커진다.
원수 유로 스페이서 (200) 에 대하여, 상기 실시형태에 있어서의 원수 유로 스페이서 (40) 와 동 조건에서 유체 해석 시뮬레이션을 실시한 결과, 각 분리막 (24, 28) 표면에서 차지하는 분극 용이 영역의 면적 비율은 17 ％ 였다. 이 변형예 11 의 원수 유로 스페이서 (200) 에 있어서도 상기 서술한 원수 유로 스페이서 (160) 와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 14 는, 변형예 12 의 원수 유로 스페이서 (230) 의 구성을 나타내는 도면이다. 원수 유로 스페이서 (230) 는, 사열 (M, N) 을 중첩시켜 형성된 제 1 메시 구조 (231, 232, 233) 와 제 2 메시 구조 (241, 242, 243) 를 교대로 구비한다. 여기에서, 제 1 메시 구조 (231, 232, 233) 는 동일 구성을 각각 갖고, 제 2 메시 구조 (241, 242, 243) 도 동일 구성을 각각 갖기 때문에, 이하의 설명에서는, 제 1 메시 구조 (232) 및 제 2 메시 구조 (241) 를 예로 들어 원수 유로 스페이서 (230) 의 설명을 한다.
원수 유로 스페이서 (230) 는, 사열 (N) 의 간격이 등간격이 되는 점에서 상기 서술한 원수 유로 스페이서 (40) 의 구성과 상이하다. 한편, 사열 (M) 의 간격은, 제 1 메시 구조 (232) 를 구성하는 사 (M1, M2) 의 간격 (R3) 보다 제 2 메시 구조 (241) 를 구성하는 사 (M1, M2) 의 간격 (R4) 쪽이 좁게 형성되어 있다. 이와 같이 사열 (M) 만큼 제 1 메시 구조 (231) 보다 제 2 메시 구조 (241) 에 있어서의 간격이 좁아지도록 구성해도 된다. 단, 이 경우에는, 사열 (M) 이 제 2 사열에 상당하고, 사열 (N) 이 제 1 사열에 상당한다.
계속해서, 상기 서술한 원수 유로 스페이서 (40) 에 의한 농도 분극 억제 효과의 평가 시험에 사용하는 평가용 셀 (400) 의 사용 방법, 및 당해 셀 (400) 을 사용한 평가 시험에 대하여 도 15(a) ∼ 도 15(c) 를 사용하여 설명을 한다. 도 15(a) 는, 평가용 셀 (400) 을 당해 셀의 일부 구성을 생략하여 나타냄과 함께, 일부에 단면도를 포함하는 사시도이다. 도 15(b) 는, 평가용 셀 (400) 의 내부에 설치되는 원수 유로 스페이서 (40) 의 시험체의 구성을 나타내는 도면이다. 도 15(c) 는, 평가용 셀 (400) 내부의 유로 구성을 나타내기 위해 외형을 가상선으로 나타냄과 함께 유로 구성 부분을 실선으로 나타내는 도면이다. 도 15(a) 에 있어서, 원수 유로 스페이서 (40) 에 있어서의 시험체 (40-T) 의 단면은, 편의상 「×」마크의 해칭을 하여 나타내고 있다.
도 15(a) ∼ 도 15(c) 에 나타내는 바와 같이, 평가용 셀 (400) 은, 웅형 (雄型) (410) 및 자형 (雌型) (420) 을 끼워 맞추게 하여 이루어지는 대략 직방체상의 농도 측정 유닛이다. 이 평가용 셀 (400) 은, 도 1 에 나타내는 여과 장치 (10) 에 포함되는 스파이럴형 막 엘리먼트 (20) 를 바꿔 넣어서 사용된다. 도 15(a) 에 나타내는 바와 같이, 웅형 (410) 은 중앙부에 볼록부 (412) 가 형성된 금속 또는 수지제 부재이다. 이 볼록부 (412) 는, 돌출면 (412a) 이 모서리가 둥근 장방형상으로 형성된다. 모서리가 둥근 장방형이란, 장방형을 구성하는 단변과 장변 중, 단변이 반원상으로 외측을 향해 돌출되는 곡선으로 치환된 외형을 이루는 형상을 의미한다. 또, 돌출면 (412a) 의 주연부는 모따기 가공이 실시되어 있고, 경사면 (412b) 이 형성되어 있다.
자형 (420) 은, 상기 웅형 (410) 의 볼록부 (412) 에 끼워 맞추는 오목부 (422) 가 중앙부에 형성된 금속 또는 수지제 부재이다. 그리고, 평가용 셀 (400) 은, 양 형 (410, 420) 을 끼워 맞추게 함으로써, 볼록부 (412) 및 오목부 (422) 사이에 평가용 유로 (430) 가 형성된다. 이 평가용 유로 (430) 는, 도 15(c) 에 나타내는 바와 같이 모서리가 둥근 장방형상의 외형을 갖고, 일례로서, 전체 길이 (D1) 가 167 ㎜ 이고, 양 끝에 형성되는 반원부의 직경, 즉 폭 (D2) 이 35 ㎜ 이고, 유로의 두께는 약 1 ㎜ 이다.
또, 도 15(a) 및 도 15(c) 에 나타내는 바와 같이, 웅형 (410) 에는, 원수 입구를 구성하는 관끝 (414) 과, 농축수 출구를 구성하는 관끝 (416) 이 형성된다. 이 원수 입구를 구성하는 관끝 (414) 에는 원수를 공급하는 송수관 (L2) (도 1 참조) 이 접속되고, 농축수 출구를 구성하는 관끝 (416) 에는 농축수 배관 (L4) (도 1 참조) 이 접속된다. 그리고, 양 관끝 (414, 416) 은, 웅형 (410) 내부에 형성된 연락 유로 (414a, 416a) 에 의해 평가용 유로 (430) 와 각각 연통되어 있다. 자형 (420) 에도, 웅형 (410) 의 관끝 (414, 416) 과 대향하는 위치에 각각 투과수 출구를 구성하는 관끝 (424, 426) 이 장착되어 있다. 그리고, 양 관끝 (424, 426) 과 평가용 유로 (430) 는, 자형 (420) 내부에 형성된 연락 유로 (424a, 426a) 에 의해 연통되어 있다. 또, 투과수 출구를 구성하는 관끝 (424, 426) 은, 각각 투과수 배관 (L3) (도 1 참조) 에 접속된다.
다음으로, 평가용 셀 (400) 의 사용 방법에 대하여 설명한다. 평가용 셀 (400) 의 내부에 형성되는 평가용 유로 (430) 에는, 투과수 스페이서 (26) 의 시험체 (26-T), 분리막 (24a) 의 시험체 (24-T), 및 원수 유로 스페이서 (40) 의 시험체 (40-T) 가 적층 상태로 격납된다. 각 시험체 (26-T, 24-T, 40-T) 는, 자형 (420) 의 오목부 (422) 에 간극 없이 들어가도록 모서리가 둥근 장방형상으로 미리 가공되어 있다. 이 때, 도 15(a) 에 나타내는 바와 같이, 자형 (420) 쪽에서 볼 때, 투과수 스페이서의 시험체 (26-T), 분리막의 시험체 (24-T), 원수 유로 스페이서의 시험체 (40-T) 의 순서로 오목부 (422) 에 설치된다. 이와 같이 각 시험체 (26-T, 24-T, 40-T) 를 설치함으로써, 분리막인 시험체 (24-T) 를 투과한 투과수가 시험체 (26-T) 의 내부를 통과하여 연락 유로 (424a, 426a) 중 어느 것으로부터 투과수 배관 (L3) (도 1 참조) 으로 유출되게 된다. 한편, 분리막인 시험체 (24-T) 를 투과하지 않은 원수는 농축수로서 연락 유로 (416a) 를 경유하여 농축수 배관 (L4) (도 1 참조) 으로 배출된다.
그리고, 도 15(a) 에 나타내는 바와 같이, 시험체 (40-T) 를 오목부 (422) 에 설치하고 나서 오목부 (422) 의 측벽 (422a) 을 따르게 하도록 O 링 (432) 을 장착한다. 이 O 링 (432) 은, 외주가 모서리가 둥근 장방형상을 이루는 환상 부재이며, 그 단면이 원상으로 구성된 고무제 패킹이다. 이 O 링 (432) 은 웅형 (410) 의 볼록부 (412) 에 형성된 경사면 (412b) 에 가압됨으로써, 웅형 (410) 의 볼록부 (412) 와 자형 (420) 의 오목부 (422) 의 간극을 막아 평가용 유로 (430) 로부터의 누수를 방지하는 시일재로서의 기능을 갖는다. 또, 변형예의 원수 유로 스페이서 (160) 및 비교예의 원수 유로 스페이서 (300) 에 대해서도, 상기 원수 유로 스페이서 (40) 의 시험체 (40-T) 와 마찬가지로, 시험체 (160-T, 300-T) 를 제작하여 평가를 실시한다.
상기와 같이, 각 시험체 (24-T, 26-T, 40-T) 와, O 링 (432) 을 자형 (420) 의 오목부 (422) 에 설치한 다음에, 웅형 (410) 의 볼록부 (412) 를 오목부 (422) 에 끼워 넣고, 복수의 볼트 (BL1 ∼ BL4) (도 15(a) 참조) 등에 의해 양 형 (410, 420) 을 고정시킨다. 이 때, 웅형 (410) 의 볼록부 (412) 와 O 링 (432) 사이에 간극이 남는 경우에는, 투과수 스페이서 (26-T) 를 복수 장 겹침으로써, O 링 (432) 이 볼록부 (412) 의 경사면 (412b) 과 오목부 (422) 의 측벽 사이에서 압접되도록 조정한다. 이로써, 원수 유로 스페이서 (40) 의 시험체 (40-T) 의 평가용 셀 (400) 로의 장착 작업이 완료된다.
본 평가 시험에 있어서, 시험체 (300-T) 는, 사열 (V) (도 6(a) 참조) 의 간격 및 사열 (W) (도 6(b) 참조) 의 간격이 각각 2 ㎜ 가 되도록 제작하였다. 각 사열 (V, W) 을 구성하는 각 사 (V1 ∼ V3, W1 ∼ W3) 의 직경은 0.2 ㎜ 이다.
또, 시험체 (40-T) 는, 제 1 사열 (M) (도 3 참조) 의 간격 및 제 2 사열 (N) (도 3 참조) 의 간격이 각각 2 ㎜ 가 되도록 제작하였다. (따라서, 시험체 (40-T) 에 있어서, 상기 서술한 제 1 사각형상 메시 (52a) 는 1 변이 2 ㎜ 인 정방형상의 외관 형상을 이루고, 제 2 사각형상 메시 (61a) 는 1 변이 2 ㎜ 인 마름모형상의 외관 형상을 나타내는) 각 사열 (M, N) 을 구성하는 각 사 (M1 ∼ M3, N1 ∼ N4) 의 직경 (D) 은 0.2 ㎜ 이다.
시험체 (160-T) 는, 제 1 사열 (A) (도 11 참조) 을 구성하는 제 1 사 (A1, A2) 의 간격과 제 1 사 (A2, A3) 의 간격이 각각 3 ㎜ 이고, 제 1 사 (A3, A4) 의 간격과 제 1 사 (A4, A5) 의 간격이 각각 1.5 ㎜ 가 되도록 제작하였다. 또, 제 2 사열 (B) (도 11 참조) 은, 제 2 사 (B1, B2) 의 간격과 제 2 사 (B2, B3) 의 간격이 각각 3 ㎜ 이고, 제 2 사 (B3, B4) 의 간격과 제 2 사 (B4, B5) 의 간격이 각각 1.5 ㎜ 가 되도록 제작하였다. 각 사열 (A, B) 을 구성하는 각 사 (A1 ∼ A5, B1 ∼ B5) 의 직경은 0.2 ㎜ 이다.
계속해서, 상기 평가용 셀 (400) 을 사용한 원수 유로 스페이서의 평가 시험에 대하여 설명한다. 또한, 이 평가 시험은 기온 25 ℃ 의 조건하에서 실시하고 있다.
우선, 순수 투과 계수 (A) 를 산출한다. 이 「순수」투과 계수는, 평가용 셀 (400) 에 관끝 (414) 으로부터 공급되는 원수가 염 등의 불순물을 포함하지 않는 순수인 경우에 있어서 이하의 식 (1) 의 관계로부터 구해지는 투과 계수이다.
JW ＝ A × Pout ………… (1)
상기 식 (1) 에 있어서, JW 는 순수 체적 유속 [㎥/(㎡s)] 이고, Pout 은 농축수 배관 (L4) 에 설치된 수압계 (도시 생략) 의 측정값이다. 순수 투과 계수 (A) 의 산출 방법으로는, 농축수 배관 (L4) 의 유량 조정 밸브 (도시 생략) 및 바이패스 배관 (L2-B) 의 유량 조정 밸브를 조정함으로써, Pout ＝ 0.5 ㎫, 농축수 배관 (L4) 에 있어서의 농축수 유량 (QL4) 을 14.5 cc/min. 으로 한 경우에 있어서의 투과수 배관 (L3) 의 투과수 유량 (QL3) [㎥/s] 을 측정한다. 그리고, 이 투과수 유량 (QL3) 을 분리막 (24a) 의 시험체 (24-T) 의 면적으로 나눔으로써 순수 체적 유속 (JW1) 을 구한다.
마찬가지로, Pout ＝ 2.0 ㎫, 농축수 유량 (QL4) 을 14.5 cc/min. 으로 한 경우에 있어서, 투과수 유량 (QL3) [㎥/s] 을 측정하고, 당해 측정값을 상기 시험체 (24-T) 의 면적으로 나눔으로써 순수 체적 유속 (JW2) 을 측정한다.
그리고, Pout ＝ 0.5 ㎫, 순수 체적 유속 (JW1) 과, Pout ＝ 2.0 ㎫, 순수 체적 유속 (JW2) 을 사용하여, 최소 제곱법에 의한 직선 근사에 의해 상기 식 (1) 에 있어서의 순수 투과 계수 (A) 를 구한다.
다음으로, 평가용 셀 (400) 에 관끝 (414) 으로부터 공급하는 원수를, 예를 들어, 염 농도가 250 ppm 전후가 되도록 조정된 염화나트륨 (NaCl) 용액으로 변경하여, Pout ＝ 0.5 ㎫, 농축수 유량 (QL4) 을 14.5±0.5 [cc/min] 로 하고, 이 경우에 있어서의 투과수의 유량 (QL3) [㎥/s] 을 측정한다. 그리고, 투과수의 유량 (QL3) 을 시험체 (24-T) 의 면적으로 나눔으로써 용액 체적 유속 (JV) 을 산출하고, 산출된 용액 체적 유속 (JV) 을 이하의 식 (2) 에 대입하여 시험체 (24-T) 의 막면에 있어서의 삼투압 (Pf) 을 산출한다. 이하의 식 (2) 에 있어서, Pout ＝ 0.5 ㎫ 이다.
Pf ＝ Pout － (JV/A) ………………… (2)
그리고, 이하에 나타내는 식 (3) 에 의해 분리막인 시험체 (24-T) 의 막면 근방에 있어서의 원수의 염 농도를 의미하는 막면 농도 (Cm) 를 산출한다.
Cm ＝ B × Pf ……………………… (3)
상기 식 (3) 에 있어서 환산 계수 (B) 는, 원수에 함유되는 NaCl, MgSO4, CaCl2 등의 염 농도와 삼투압의 관계에 의해 정해지는 정수이며, 본 실시형태와 같이 원수에 포함되는 염이 염화나트륨인 경우에는 환산 계수 (B) ＝ 1.2294 가 된다.
다음으로, 식 (4) 의 관계로부터, 벌크 (bulk) 농도 (Cb) 를 산출한다.
Cb ＝ (Cin ＋ Cout)/2 ……………… (4)
상기 식 (4) 에 있어서의 Cin 은 송수관 (L2) 을 흐르는 원수의 염 농도, Cout 은 농축수 배관 (L4) 을 흐르는 농축수의 염 농도이다. 본 실시형태에서는, 원수에 포함되는 염화나트륨의 염 농도는 상기 서술한 바와 같이 250 ppm 전후로 미리 조정되어 있기 때문에, 농축수 배관 (L4) 을 흐르는 농축수의 염 농도 (Cout) 만 측정하면 된다. 또, 농축수나 원수에 있어서의 염 농도의 측정은, 일례로서, 전기 전도도 (비율) 를 측정함으로써 실시하면 된다.
그리고, 식 (4) 에 의해 산출된 Cb 와, 식 (3) 에 의해 산출된 Cm 의 비인 식 (5) 에 나타내는 농도비 (Cr) 를 산출한다.
Cr ＝ Cm/Cb ………………………… (5)
여기에서, 도 16(a) 는 상기 서술한 농도비 (Cr) 를 세로축에, 순수 체적 유속 (JW) 의 측정값을 가로축으로 하여 각 분리막의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 동 도면 (a) 에 있어서, 「△」마크는 비교예인 원수 유로 스페이서 (300) 의 시험체 (300-T) 의 측정값을 나타내고, 「◇」는 원수 유로 스페이서 (40) 의 시험체 (40-T) 의 측정값을 나타내고, 「＋」는 변형예 10 의 원수 유로 스페이서 (160) 의 시험체 (160-T) 의 측정값을 나타낸다. 도 16(b) 는, 동 도면 (a) 에 나타내는 각 시험체 (40-T, 160-T, 300-T) 의 농도비 (Cr) 의 측정값을 측정시의 순수 체적 유속 (JW) 과 함께 나타내는 표이다.
또, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (40) 의 제 1 사열 (M) 및 제 2 사열 (N) 은 비대칭으로 구성되어 있다. 이 때문에, 원수 유로 스페이서 (40) 를 사이에 두고 대향하는 분리막 (24a) 과 분리막 (28a) 에 있어서의 막면 근방의 원수 흐름은 크게 상이하다. 이 때문에, 양 분리막 (24a, 28a) 근방에 있어서의 염 농도의 분포 상태도 크게 상이하다. 따라서, 원수 유로 스페이서 (40) 의 시험체 (40-T) 를 사용한 평가 시험에서는, 분리막 (24) 의 시험체 (24-T) 에 제 1 사열 (M) 이 접하도록 설치하는 경우와, 동 시험체 (24-T) 에 제 2 사열 (N) 이 접하도록 설치하는 경우에 있어서의 농도비 (Cr) 를 각각 측정하고, 그 평균값에 기초하여 농도 분극의 크기를 평가할 필요가 있다.
그 때문에, 도 16(b) 에서는, 시험체 (24-T) 에 제 1 사열 (M) 이 접하도록 설치한 경우를 「B」로 하고, 시험체 (24-T) 에 제 2 사열 (N) 이 접하도록 설치한 경우를 「A」로 하여 각각 나타내고 있다.
또, 이하의 설명에서는, 상기 「A」의 설치 상태에 있어서의 원수 유로 스페이서 (40) 의 시험체 (40-T) 를 시험체 (40-TA) 라고 표기하고, 상기 「B」의 설치 상태를 나타내는 경우의 시험체 (40-T) 를 시험체 (40-TB) 라고 적절히 표기한다.
도 16(a) 에 나타내는 바와 같이, 시험체 (40-TA) 를 사용한 평가 시험에서는, 순수 체적 유속 (JW) ＝ 0.91 × 10-5 [㎥/(㎡s)] 에 있어서, 농도비 (Cr) ＝ 2.1 이다. 또, 시험체 (40-TB) 를 사용한 평가 시험에서는, 순수 체적 유속 (JW) ＝ 1.13 × 10-5 [㎥/(㎡s)] 에 있어서, 농도비 (Cr) ＝ 3.1 이다. 따라서, 시험체 (40-TA, 40-TB) 에 있어서의 농도비 (Cr) 의 평균값은 2.6 이 되어, 비교예인 시험체 (300-T) 의 농도비 (Cr) 의 최소값 2.7 보다 낮은 값이 된다. 따라서, 원수 유로 스페이서 (40) 에 의하면, 종래의 원수 유로 스페이서 (300) 보다 농도 분극을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 16(a) 에 나타내는 바와 같이, 원수 유로 스페이서 (160) 의 시험체 (160-T) 를 사용한 평가 시험에서는, 순수 체적 유속 (JW) ＝ 1.03 × 10-5 [㎥/(㎡s)] 인 경우의 농도비 (Cr) 가 1.6 이고, 순수 체적 유속 (JW) ＝ 1.51 × 10-5 [㎥/(㎡s)] 인 경우의 농도비 (Cr) 가 2.4 이다. 이와 같이 시험체 (160-T) 를 사용한 평가 시험에서는, 어느 경우에 있어서도 비교예인 시험체 (300-T) 에 있어서의 농도비 (Cr) 의 최소값인 2.7 을 크게 하회하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 원수 유로 스페이서 (160) 에 의하면, 종래의 원수 유로 스페이서 (300) 보다 농도 분극을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또, 시험체 (160-T) 를 사용한 상기 평가 시험에 있어서, 농축수 배관 (L4) 에 있어서의 농축수 유량 (QL4) 을 14.5 cc/min. 으로 했을 때의 압력 손실 (PL) 을 측정한 결과 6.4 ㎪ 였다. 이 압력 손실 (PL) 은, 관끝 (414) 으로부터 평가용 셀 (400) 의 평가용 유로 (430) 에 공급되는 원수의 수압 (Pin) 과, 상기 서술한 Pout 의 차압이다.
마찬가지로, 시험체 (300-T) 를 사용한 상기 평가 시험에 있어서, 상기 서술한 농축수 유량 (QL4) 을 14.5 cc/min. 으로 했을 때의 압력 손실 (PL) 을 측정한 결과, 측정값은 8.6 ㎪ 였다.
상기와 같이, 시험체 (160-T) 를 사용한 경우에는, 종래의 시험체 (300-T) 보다 압력 손실을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이 때문에, 원수 유로 스페이서 (160) 에 의하면, 농도 분극 및 압력 손실 쌍방의 저감을 도모하는 것이 가능하다.
본 발명은, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자의 지식에 기초하여 다양한 개량, 수정, 또는 변형을 가한 양태에서도 실시할 수 있다. 또, 동일한 작용 또는 효과가 발생하는 범위 내에서, 어느 발명의 특정 사항을 다른 기술로 치환한 형태로 실시해도 된다.
Claims (4)
- 스파이럴형 막 엘리먼트의 집수관에 둘러감긴 제 1 분리막과 제 2 분리막 사이에 끼워 넣어지고, 상기 집수관과 평행한 방향에 대해 서로 반대 방향으로 경사지는 제 1 사열 및 제 2 사열로 이루어지는 2 층 구조의 원수 유로 스페이서로서,
상기 제 1 사열 및 상기 제 2 사열에 의해 상기 제 2 사열의 연장 방향으로 늘어서 구성된 제 1 메시 구조와,
상기 제 1 사열 및 상기 제 2 사열에 의해 상기 제 2 사열의 연장 방향으로 늘어서 구성되고, 상기 제 1 메시 구조를 구성하는 상기 제 2 사열의 간격보다 상기 제 2 사열의 간격이 좁아지도록 구성된 제 2 메시 구조를 교대로 구비하는 것을 특징으로 하는, 원수 유로 스페이서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 메시 구조는, 제 1 메시와, 상기 제 1 메시보다 눈이 촘촘한 중간 메시를 교대로 나열하여 구성되고,
상기 제 2 메시 구조는, 상기 중간 메시와, 상기 중간 메시보다 눈이 촘촘한 제 2 메시를 교대로 나열하여 구성되어 있는, 원수 유로 스페이서. - 투과수가 흐르는 집수관과,
시트상의 투과수 스페이서와,
상기 투과수 스페이서의 양면에 중첩시킨 상태에서 3 변이 봉지되고, 다른 1 변이 개구단인 주머니 형상을 이루고, 당해 개구단이 상기 집수관에 접속된 상태에서 상기 집수관에 둘러감긴 제 1 분리막 및 제 2 분리막과,
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 원수 유로 스페이서를 구비하는, 스파이럴형 막 엘리먼트. - 삭제
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