KR102046688B1 - 역삼투압 필터 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 나선형 형태의 필라멘트가 반복적으로 위치하여 공급 스페이서를 형성함으로써, 공급 스페이서에 공급되는 액체의 흐름을 역삼투압막 표면으로 집중시켜 효과적으로 농도 분극 현상을 완화할 수 있는 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것이다.

Description

역삼투압 필터 모듈 {REVERSE OSMOSIS FILTER MODULE FOR WATER TREATMENT}

본 발명은 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 나선형 형태의 필라멘트가 반복적으로 위치하여 공급 스페이서를 형성함으로써, 공급 스페이서에 공급되는 액체의 흐름을 역삼투압막 표면으로 집중시켜 효과적으로 농도 분극 현상을 완화할 수 있는 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것이다.

전 세계적으로 지구온난화에 따른 물 부족 현상이 심화되고 있는 가운데 대체 수자원 확보기술인 물 정화 기술이 주목을 받고 있다.

따라서, 해수담수화, 물의 재이용 등 대체 수자원을 활용한 차세대 수도사업의 핵심기술인 역삼투막(Reverse osmosis membrane)을 이용한 수처리 공정이 물 산업 시장을 주도할 것으로 예상되고 있다.

이러한 역삼투막에 의한 역삼투막 투과수는 순수한 물 내지 한없이 순수한 물에 가까운 물이 되어 의료용의 무균수나 인구 투석용 정제수, 혹은 전자 산업의 반도체의 제조용 물 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.

여기서, 역삼투란 농도차가 있는 두 용액을 반투막으로 분리하고 일정 시간이 지나면 농도가 낮은 용액이 농도가 높은 쪽으로 이동하면서 일정한 수위차를 발생시키는데 이를 삼투 현상이라고 한다. 아울러 이 과정에서 발생하는 수위의 차이를 역삼투압이라고 한다. 이 원리를 이용해 물 분자만 반투막을 통과시켜 물을 정화하는 장치를 역삼투압 설비라고 하며, 여기에 들어가는 반투막이 역삼투압 필터 모듈이다.

이러한 역삼투압 필터 모듈은 중앙 튜브, 공급 스페이서(Feed spacer), 역삼투막(RO membrane), 트리코트 여과수로 등을 포함하여 구성된다.

이 중, 공급 스페이서는 원수가 유입되는 통로 역할을 수행한다. 원수가 공급 스페이서를 통하여 유입되는 경우에 공급 스페이서에 의한 흐름 방해로 차압이 발생하게 되면 이는 에너지 비용의 증가로 귀결되기 때문에, 이러한 차압은 낮을수록 역삼투압 필터 모듈의 효율을 증가시키게 된다.

한편, 수투과 플럭스에 의해 필연적으로 역삼투막 근처에서는 농도 분극 현상이 발생하게 되며 이러한 현상이 심해질수록 역삼투막 근처에서 삼투압이 높아져 수투과율이 저하되게 된다.

이와 관련하여, 차압의 발생을 감소시키며 농도 분극 현상을 완화시킴으로써 역삼투압 필터 모듈의 효율을 증가시킬 수 있는 공급 스페이서가 필요한 실정이다.

한국등록특허 제10-0976074호

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 낮추면서 역삼투막 표면에 원수의 소용돌이 흐름을 집중시키기 위해 나선형 형태의 필라멘트를 반복적으로 위치시켜 공급 스페이서가 형성된 역삼투압 필터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 역삼투압 필터 모듈은 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 개구를 포함하는 튜브; 상기 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 상기 튜브 둘래로 권취되는 하나 이상의 역삼투막; 및 상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 튜브 둘레로 권취되는 공급 스페이서;를 포함하고, 상기 공급 스페이서는, 나선형 형태의 필라멘트가 반복적으로 위치하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 공급 스페이서는, 하나의 필라멘트가 평면상에서 일측 및 타측 사이를 왕복하도록 제공됨으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 필라멘트는, 직경이 0.2 내지 0.5㎜인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 필라멘트는, 피치가 780 내지 3,120㎛인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 필라멘트는, 압출 성형 방식을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 역삼투압 필터 모듈은, 상기 공급 스페이서에 공급되는 액체의 소용돌이가 상기 필라멘트의 상부 및 하부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 나선형 형태의 필라멘트가 반복적으로 위치되어 공급 스페이서를 형성함으로써, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 낮출 수 있고, 또한, 원수의 소용돌이를 역삼투막 표면으로 집중시켜 농도 분극을 완화할 수 있게 된다.

아울러, 상술된 효과로 인하여 역삼투압 필터 모듈의 효율을 보다 증가시킬 수 있다는 효과가 발생하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈에서 사용되는 공급 스페이서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈에서 사용되는 필라멘트의 사시도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

<역삼투압 필터 모듈>

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)에서 사용되는 공급 스페이서(20)의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)에서 사용되는 필라멘트(21)의 사시도이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)을 구체적으로 설명하기로 한다.

역삼투압 필터 모듈(100)은 실제적으로 공급되는 물을 역삼투압 원리를 이용하여 정화하는 역할을 수행하는 멤브레인 분리 장치의 구성 요소이다.

도 1을 참조하면, 이러한 역삼투압 필터 모듈(100)은 역삼투막(10), 공급 스페이서(20), 트리코트 여과수로(30) 및 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 개구(도시 안됨)를 포함하는 튜브(40)를 포함할 수 있다. 또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 한 쌍의 텔레스코핑 방지 장치(anti-telescopng device)를 더 포함할 수 있으나 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

하나 이상의 역삼투막(10)은 삼투 현상을 이용하여 물에 포함된 이물질을 여과시키는 동시에, 정제수가 효과적으로 흘러가도록 유로의 역할을 수행한다.

이러한 하나 이상의 역삼투막(10)은 튜브(40)로부터 외측 방향으로 연장되고 튜부(40) 둘레로 권취되게 된다.

공급 스페이서(20)는 외부로부터 원수가 유입되는 통로를 형성하며, 하나의 역삼투막(10)과 다른 하나의 역삼투막(10)의 사이의 간격을 유지시키는 역할을 수행한다. 이를 위해, 공급 스페이서(20)는 하나 이상의 역삼투막(10)과 상측 및 하측에서 접촉하며 하나 이상의 역삼투막(10)과 마찬가지로 튜브(40) 둘레로 권취되도록 구성된다.

여기서, 공급 스페이서(20)의 재질은 특별히 한정하지 않지만, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화 비닐(Polyvinyl chloride), 폴리에스테르(Polyseter) 및 폴리프로필렌(Polypropylene) 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 공급 스페이서(20)의 구체적인 구성은 후술하기로 한다.

트리코트 여과수로(30)는 일반적으로 직물 형태의 구조를 가지며, 역삼투막(10)을 통해 정제된 물이 흘러나갈 수 있는 공간을 만들어 주는 유로 역할을 수행하게 된다.

이때, 트리코트 여과수로(30)는 일반적으로 직물 형태의 구조를 가지며, 역삼투막(10)을 통해 정제된 물이 흘러나갈 수 있는 공간을 만들어 주는 유로 역할을 수행하게 된다.

튜브(40)는 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)의 중심에 위치하며, 여과된 물이 유입되어 배출되는 통로 역할을 수행한다.

이를 위해, 튜브(40)의 외측에는 여과된 물이 유입되도록 소정 크기의 공극(혹은 개구)이 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 공극은 여과된 물이 보다 효율적으로 유입될 수 있도록 하나 이상 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공급 스페이서(20)는 나선형 형태의 필라멘트(21)가 반복적으로 위치하여 형성될 수 있다. 나아가, 공급 스페이서(20)는 하나의 필라멘트(21)가 평면상에서 일측 및 타측 사이를 왕복하도록 제공됨으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 압출 성형 방식을 통해 나선형 모양의 필라멘트(21)를 압출하고, 압출된 필라멘트(21)를 ‘Z’또는 ‘ㄹ’자 형태로 반복적으로 폴딩함으로써, 2차원 평면의 공급 스페이서(20)를 형성할 수 있다. 또한, 공급 스페이서는(20) 압출 성형 방식에 의해 나선형 모양의 필라멘트(21)를 복수 개 제조한 후, 복수의 필라멘트(21)를 평행하게 나열하고, 나열된 필라멘트(21)의 일측 및 타측에 연결부(도시되지 않음)를 접합시켜 필라멘트(21)를 고정하여 공급 스페이서(20)를 형성할 수 있다. 여기서, 연결부의 접합은 1번째 필라멘트 일측과 2번째 필라멘트 일측에 위치시키고, 2번째 필라멘트와 3번째 필라멘트 타측에 위치시킴으로써, 지그재그 방식에 의해 연결부와 필라멘트(21)를 접합시킬 수 있다. 또한, 연결부는 압출 성형 방식에 의해 형성될 수 있다.

필라멘트(21)는 나선형 형상에 의해 복수 개의 원형 유로가 형성되고, 원형 유로의 직경은 0.2 내지 0.5㎜로 형성될 수 있고, 바람직하게는, 유로의 직경이 0.47㎜로 형성될 수 있다. 유로의 직경이 0.2㎜이하일 경우, 원수가 투입될 때 흐름 방해가 일어나 차압이 증가 될 수 있고, 0.5㎜이상일 경우, 공급 스페이서(20)에 소용돌이가 발생 되지 않아 농도 분극 현상이 발생하여 역삼투막(10) 표면에 삼투압이 높아져 역삼투압 필터 모듈(100)의 수투과율이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.

또한, 필라멘트(21)는 피치가 780 내지 3,120㎛로 형성될 수 있는데, 여기서, 피치는 나선형에 의해 형성된 복수 개의 원형 유로 사이 거리로 780㎛ 보다 작을 경우 필라멘트(21)가 원수의 흐름을 방해하여 차압이 증가함으로써 에너지 비용이 증가될 수 있고, 3,120㎛를 초과하는 경우 소용돌이 흐름을 충분히 발생시키기 어려운 문제점이 발생할 수 있다.

이러한 구성으로 인하여, 본 발명에 따른 공급 스페이서(20)의 경우에는 필라멘트(21)가 나선형으로 압출되고, 2차원 평면상에 반복적으로 위치됨으로써, 공급 스페이서(20)에 공급되는 원수의 소용돌이가 필라멘트(21)의 상부 및 하부에 집중되고, 따라서 차압을 감소시키고, 소용돌이를 역삼투막(10) 표면에 집중시켜 효율적으로 농도 분극을 완화할 수 있게 된다.

< 실험예 >

역삼투압 필터 모듈에서 사용되는 종래의 공급 스페이서들과 본 발명의 일 실시예에 따른 공급 스페이서(20)를 이용하여 차압(ΔP[Pa]) 및 막표면 염분 평균 질량 분율 성능을 비교하였다.

이를 위해, 종래의 공급 스페이서 3개와 본 발명의 일 실시예에 따른 공급 스페이서 4개의 제품에 대하여, 기타 다른 조건을 동일하게 유지하고 공급 스페이서들의 피치(L1) 값만 상이하게 설정한 상태로 상술된 차압 및 막표면 염분 평균 질량 분율 성능을 비교하였고, 이 결과를 표 1에 기재하였다. 아래는 실험 영역에 대한 설명이다.

*가로 X 세로 X 높이(두께) : 7.75㎜ X 15.55㎜ X 0.47㎜

*입구 속도 : 0.3m/s

	Pitch	ΔP[Pa]	막 표면 염분 평균 질량 분율
비교예 1	2750㎛	1032	0.0332
비교예 2	5000㎛	730	0.0335
비교예 3	1500㎛	1705	0.0332
실시예 1	1560㎛	682	0.0329
실시예 2	780㎛	1131	0.0329
실시예 3	1984㎛	538	0.0331
실시예 4	3120㎛	379	0.0333

상술된 바와 같이, 비교예 1 내지 3은 두 개의 필라멘트가 교차되어 유로를 형성하는 공급 스페이서를 사용한 경우로, 비교예 1은 격자 길이가 2750㎛인 공급 스페이서를 사용한 경우이고, 비교예 2는 격자 길이가 5000㎛인 공급 스페이서를 사용한 경우이며, 비교예 3은 격자 길이가 1500㎛인 공급 스페이서를 사용한 경우이다. 실시예 1 내지 4는 본 발명에 따른 공급 스페이서(20)를 사용한 경우로, 실시예 1은 유로 사이 간격, 즉 피치가 1560㎛인 나선형 형태의 필라멘트로 이루어진 공급 스페이서를 사용한 경우이고, 실시예 2는 피치가 780㎛인 나선형 형태의 필라멘트로 이루어진 공급 스페이서를 사용한 경우이며, 실시예 3은 피치가 1984㎛인 나선형 형태의 필라멘트로 이루어진 공급 스페이서를 사용한 경우이고, 실시예 4는 피치가 3120㎛인 나선형 형태의 필라멘트로 이루어진 공급 스페이서를 사용한 경우이다.

표 1을 참고하면, 비교예 1은 차압이 1032Pa이고, 막 표면 염분 평균 질량 분율이 0.0332를 나타내며, 비교예 2는 차압이 730Pa이고, 막 표면 염분 평균 질량 분율이 0.0335를 나타내며, 비교예 3은 차압이 1705Pa이고, 막 표면 염분 평균 질량 분율이 0.0332를 나타낸다. 그리고, 실시예 1은 차압이 682Pa이고, 막 표면 염분 평균 질량 분율이 0.0329를 나타내며, 실시예 2는 차압이 1131Pa이고, 막 표면 염분 평균 질량 분율이 0.0329를 나타내며, 실시예 3은 차압이 538Pa이고, 막 표면 염분 평균 질량 분율이 0.0331을 나타내며, 실시예 4는 차압이 379Pa이고, 막 표면 염분 평균 질량 분율이 0.0333을 나타냄을 알 수 있다.

이 때, 차압이 낮을수록 유동 측면에서 유리한 구조라는 점을 고려하면, 본 발명에 따른 공급 스페이서를 사용한 실시예 1 내지 4가 비교예 1 내지 3보다 차압이 낮아 유동 흐름이 원활하고 유로 확보에 유리한 것으로 확인되었다. 좀 더 상세하게는, 비교예 1과 실시예 4를 비교하면, 비교예 1은 막 표면 염분 평균 질량 분율이 0.0332이고, 실시예 4는 0.0333으로 수치가 유사하나, 차압의 경우 비교예 1은 1032이고 실시예 4는 379로 실시예 4가 현저하게 낮은 것으로 나타난다. 따라서, 막 표면 염분 평균 질량 분율이 동일할 경우, 나선형의 필라멘트로 이루어진 공급 스페이서가 격자 무늬 공급 스페이서보다 유동 흐름이 원활한 것으로 판단할 수 있다.

또한, 막 표면에 소용돌이가 집중될수록 농도 분극 현상이 완화된다는 점을 고려하면, 본 발명에 따른 공급 스페이서를 사용한 실시예 1 내지 4가 막 표면에 소용돌이를 집중시키는 것으로 확인되어 역삼투막 근처의 염의 이동이 원활해지는 것으로 확인되었다. 즉, 비교예 3과 실시예 1을 비교하면, 유로와 유로간의 간격이 유사할 경우, 필라멘트가 나선형으로 형성되어 나선형의 유로가 형성된 공급 스페이서가 차압 및 막 표면 염분 평균 질량 분율이 더 낮은 것으로 나타남으로써, 나선형의 필라멘트로 형성된 공급 스페이서는 유로의 원수 흐름이 원활하고 공급 스페이서에 형성되는 소용돌이를 상부 및 하부에 위치되는 역삼투막으로 집중시켜 역삼투막을 통한 염의 이동을 원활하게 할 수 있다.

결과적으로, 이를 토대로 판단하면, 본 발명에 따른 공급 스페이서는 동일한 최대 및 최소 직경을 가지는 필라멘트들(혹은 스트랜드)의 형상 변경을 통하여 차압을 최소화하고 소용돌이의 발생 정도를 역삼투막 표면으로 집중시켜 막 표면 염분 평균 질량 분율을 감소시킴으로써 역삼투압 필터 모듈의 성능이 향상됨을 알 수 있다.

상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 역삼투압 필터 모듈
10: 역삼투막
20: 공급 스페이서
21: 필라멘트
30: 트리코트 여과수로
40: 튜브

Claims (6)

1. 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 개구를 포함하는 튜브;
   상기 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 상기 튜브 둘레로 권취되는 하나 이상의 역삼투막; 및
   상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 튜브 둘레로 권취되는 공급 스페이서;를 포함하고,
   상기 공급 스페이서는,
   나선형 형태의 필라멘트가 반복적으로 위치되고, 상기 필라멘트는 직경이 0.2 내지 0.5㎜, 피치가 780 내지 3,120㎛인 것을 특징으로 하는,
   역삼투압 필터 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 공급 스페이서는,
   하나의 필라멘트가 평면상에서 일측 및 타측 사이를 왕복하도록 제공됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는,
   역삼투압 필터 모듈.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 필라멘트는,
   압출 성형 방식을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 역삼투압 필터 모듈.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 역삼투압 필터 모듈은,
   상기 공급 스페이서에 공급되는 액체의 소용돌이가 상기 필라멘트의 상부 및 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는, 역삼투압 필터 모듈.
   

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