KR102230979B1 - 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투압 필터 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 하나의 공급 스페이서에 원수의 흐름방향을 따라 날실(Strand)의 각도를 상이하게 형성함으로써, 차압감소 영역과 회수율(Recovery) 증가 영역이 분리되어 다기능을 갖는 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것이다.

Description

공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투압 필터 모듈{FEED SPACER AND REVERSE OSMOSIS FILTER MODULE FOR WATER TREATMENT COMPRISING THE SAME}
본 명세서는 2017년 12월 12일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2017-0170395호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 하나의 공급 스페이서에 원수의 흐름방향을 따라 날실(Strand)의 각도를 상이하게 형성함으로써, 차압감소 영역과 회수율(Recovery) 증가 영역이 분리되어 다기능을 갖는 공급 스페이서 및 이를 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. 공급 스페이서는 그물망 형태의 하나의 형상으로 형성된다. 하나의 형상으로 이루어진 공급 스페이서에 원수가 유입되는 경우, 공급 스페이서에 의한 흐름 방해로 차압이 발생하게 되며 이는 에너지 비용의 증가로 귀결되는 문제점이 발생한다.
그리고, 수투과 플럭스에 의해 필연적으로 역삼투막 근처에서는 농도 분극 현상이 발생하게 되며 이러한 현상이 심해질수록 역삼투막 근처에서 삼투압이 높아져 수투과율이 저하되는 문제점이 발생한다.
이와 관련하여, 하나의 공급 스페이서를 이용하여 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, 하나의 공급 스페이서에 교차각이 상이한 영역을 형성하고, 교차영역과 비교차영역의 직경비율을 달리함으로써, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 감소시키는 영역과 회수율을 증가시키는 영역이 동시에 형성된 공급 스페이서 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공급 스페이서는 복수의 날실(Strand)이 평행하게 위치되는 제1 세트; 및 복수의 날실이 상기 제1 세트와 교차되고 평행하게 위치되는 제2 세트;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 세트의 교차 각도는, 원수의 흐름 방향을 따라 증가하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 세트의 교차 각도는, 상기 원수의 흐름 방향을 따라 단계적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공급 스페이서는, 상기 제1 및 제2 세트의 교차점과 비교차점의 직경이 상이한 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공급 스페이서는, 원수의 흐름방향을 따라 상기 제1 및 제2 세트의 교차점과 비교차점의 직경 차이가 감소되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공급 스페이서는, 제1 단 및 제2 단으로 형성되고, 상기 제1 단은 상기 제2 단보다 상기 제1 세트 및 제2 세트의 교차 각도가 작은 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 세트의 교차점 사이의 거리는, 상기 제1 단보다 상기 제2 단이 짧은 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공급 스페이서는, 원수의 흐름방향을 따라 상기 제1 단의 직경 차이는 상기 제2 단의 직경 차이보다 큰 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 세트의 교차점의 날실 직경이 동일한 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 세트의 비교차점의 날실 직경은, 상기 제1 세트의 날실이 상기 제2 세트의 날실보다 얇은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투압 필터 모듈은 상기 공급 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 역삼투압 필터 모듈은 길이 방향을 따라 투과액으르 수용하는 개구를 포함하는 튜브; 및 상기 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 상기 튜브 둘레로 권취되는 하나 이상의 역삼투막;을 포함하고, 상기 스페이서는, 상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 튜브 둘레로 권취되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 하나의 공급 스페이서에 교차각이 상이한 영역을 형성하고, 교차영역과 비교차영역의 직경비율을 달리함으로써, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 감소시키는 영역과 회수율을 증가시키는 영역이 동시에 형성하여 하나의 공급 스페이서를 이용하여 복수의 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공급 스페이서의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공급 스페이서의 사시도이다.
도 3(a)는 도 1의 A부분의 날실 확대도이고, 도 3(b)는 도 1의 B부분의 날실 확대도이다.
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.
<공급 스페이서 >
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공급 스페이서의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공급 스페이서의 사시도이며, 도 3(a)는 도 1의 A부분의 날실 확대도이고, 도 3(b)는 도 1의 B부분의 날실 확대도이다.
본 발명에 따른 공급 스페이서는 복수개의 날실(Strand)이 평행하게 위치되는 제1 세트 및 제2 세트로 구성될 수 있다.
제1 세트는 하나 이상의 날실이 평행하게 위치될 수 있는데, 여기서 날실은 원수 방향과 경사지게 위치될 수 있다. 그리고, 제2 세트도 하나 이상의 날실이 평행하게 위치될 수 있고, 제1 세트와 교차되게 위치될 수 있다. 또한, 제2 세트는 제1 세트와 기울기 방향이 반대로 위치되어 제1 세트 및 제2 세트(10, 20)는 격자 모양으로 제공될 수 있다.
아울러, 제1 세트(10)는 원수의 흐름 방향으로부터 10°내지 80°각도로 위치될 수 있고, 제2 세트(20)는 원수의 흐름 방향으로부터 100°내지 170°기울기로 위치될 수 있다. 예를 들어, 제1 세트(10)를 구성하는 날실이 원수의 흐름 방향으로부터 30°기울어져 있을 경우, 제2 세트(20)의 날실은 원수의 흐름 방향으로부터 120°기울어져 위치될 수 있다.
이때, 제1 세트(10)와 원수의 흐름 방향 사이 형성되는 각도가 10°미만인 경우, 날실에 의해 형성되는 유로의 단면적이 감소하고 공급 스페이서 중앙 부분에서 층류성 유속 구배가 발생하지 않아 분극 현상이 증가하는 문제점이 발생할 수 있고, 80°초과일 경우, 유로 단면적이 감소하여 원수의 유동이 상하 방향으로 활발하게 일어나 압력 손실이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 여기서, 유로는 각 세트를 구성하는 날실에 의해 형성되는 것으로 공급 스페이서의 상부 및 하부에 위치되는 역삼투막과 각 세트 사이의 빈 공간을 의미할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 공급 스페이서는 원수의 흐름방향을 따라 제1 및 제2 세트(10, 20)가 교차하는 각도가 상이해질 수 있다. 좀 더 상세하게는, 제1 및 제2 세트 사이 각도에 따라 차압을 감소시키는 영역(A)과 회수율(Recovery)을 증가시키는 영역(B)이 분리되어 있을 수 있다. 차압을 감소시키는 영역과 회수율을 증가시키는 영역의 넓이는 그 기능을 수행할 수 있는 한 한정하지 않는 것을 유의한다.
나아가, 원수와 처음 닿는 부분은 차압을 감소시키는 영역(A)이 위치될 수 있고, 원수의 흐름 방향을 따라 회수율을 증가시키는 영역(B)이 위치될 수 있다. 다시 말해, 원수의 흐름방향을 따라 제1 및 제2 세트(10, 20)의 교차 각도는 원수의 흐름 방향을 따라 증가할 수 있고, 각도 증가는 단계적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 공급 스페이스는 2단으로 형성될 수 있고, 차압을 감소시키는 영역(A, 제1 단)은 제1 및 제2 세트 교차 각도(a1)가 회수율을 증가시키는 영역(B, 제2 단)의 교차 각도(a2)보다 작게 형성될 수 있다. 즉, 차압을 감소시키는 영역(A, 제1 단)은 제1 및 제2 세트가 교차되어 형성되는 교차점 사이 거리(d1)가 회수율을 증가시키는 영역(B, 제2 단)의 교차점 사이 거리(d2)보다 넓게 형성될 수 있다. 즉, 동일한 면적을 기준으로 차압을 감소시키는 영역은 교차점의 밀도가 낮고 회수율을 증가시키는 영역은 교차점의 밀도가 높게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 공급 스페이서는 영역에 따라 제1 및 제2 세트를 구성하는 날실의 직경 비율이 상이하게 제공될 수 있고, 제1 및 제2 세트(10, 20)의 교차점과 비교차점의 직경이 상이하게 제공될 수 있다. 도 2를 참고하면, 제1 및 제2 세트(10, 20)를 형성하는 날실은 두께가 비대칭적으로 형성될 수 있는데, 이는, 날실의 중간에 돌출되는 부분이 형성되어 날실의 직경이 두꺼워짐으로써, 돌출부분과 비 돌출부분의 직경이 비대칭적으로 형성될 수 있는 것을 의미할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 차압을 감소시키는 영역(A)을 형성하는 날실의 직경 비율은 회수율을 증가시키는 영역(B)을 형성하는 날실의 직경 비율보다 크게 형성될 수 있다. 도 3을 참고하면, 차압을 감소시키는 영역(A)을 형성하는 날실의 돌출부분 직경(W2)과 비 돌출부분 직경(W1) 차이는 회수율을 증가시키는 영역을 형성(B)하는 날실의 돌출부분 직경(W2)과 비 돌출부분 직경(W1') 차이보다 크게 형성될 수 있다. 즉, 원수 흐름방향을 따라 교차점과 비교차점 날실의 직경 차이가 감소될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 공급 스페이서는 영역에 상관없이 두께가 동일한 것을 유의한다. 즉, 제1 및 제2 세트(10, 20)는 돌출부가 교차되어 공급 스페이서를 형성할 수 있는데, 차압을 감소시키는 영역과 회수율을 증가시키는 영역 모두 돌출부의 직경(W2)은 동일하게 형성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 본 발명에 따른 제1 및 제2 세트(10, 20)는 제1 세트(10)를 형성하는 날실의 돌출부분과 제2 세트(20)를 형성하는 날실의 돌출부분이 교차됨으로써 공급 스페이서의 두께를 결정할 수 있다. 따라서, 각 영역을 형성하는 날실의 직경 비율 차이는 비 돌출부(W1, W1')에 의해 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 공급 스페이서는 제1 및 제2 세트(10, 20) 사이 각도(a1, a2) 조절 및 날실의 직경 비율을 조절함으로써, 하나의 공급 스페이서를 이용해 복수개의 기능 및 효과를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
좀 더 상세하게는, 차압을 감소시키는 영역(A)은 제1 및 제2 세트(10, 20) 사이 각도(a1)를 줄이고 돌출부분(W2)과 비 돌출부분(W1)의 직경 차이를 증가시킴으로써, 공급 스페이서의 유로를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 원수가 공급 스페이서를 통하여 유입되는 경우 넓은 유로로 인해 공급 스페이서가 원수의 흐름을 방해하지 않아 차압이 감소되는 효과가 발생할 수 있다. 차압의 발생을 감소시킴으로써 공급 스페이서의 농도 분극 현상을 완화시키고 역삼투압 필터 모듈의 효율을 증가시킬 수 있는 공급 스페이서를 제공할 수 있다.
그리고, 회수율을 증가시키는 영역(B)은 제1 및 제2 세트(10, 20) 사이 각도(a2)를 증가시키고 돌출부분(W2)과 비 돌출부분(W1')의 직경 차이를 감소시킴으로써, 공급 스페이서의 유로를 감소시켜 투과수량을 증가시킬 수 있다. 즉, 같은 압력으로 원수를 공급 스페이서에 제공할 경우, 공급 스페이서의 유로가 감소되면 압력은 증가하게 된다. 따라서, 증가된 압력에 따라 회수율이 증가하는 효과가 발생할 수 있다.
이때, 차압을 감소시키는 영역(A)의 비 돌출부분(W1)과 회수율을 증가시키는 영역(B)의 비 돌출부분(W1')은 직경이 상이할 수 있다. 즉, 차압을 감소시키는 영역(A)과 회수율을 증가시키는 영역(B)의 직경 비율 조절은 비 돌출부분(W1, W1')로 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 공급 스페이서의 높이는 차압을 감소하는 영역(A)과 회수율을 증가시키는 영역(B)이 동일한 것을 특징으로 한다.
<역삼투압 필터 모듈>
역삼투압 필터 모듈은 실제적으로 공급되는 물을 역삼투압 원리를 이용하여 정화하는 역할을 수행하는 멤브레인 분리 장치의 구성 요소이다. 역삼투압 필터 모듈은 역삼투막, 공급 스페이서, 트리코트 여과수로 및 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 개구를 포함하는 튜브를 포함할 수 있다. 또한, 한 쌍의 텔레스코핑 방지 장치를 더 포함할 수 있으나 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
하나 이상의 역삼투막은 삼투 현상을 이용하여 물에 포함된 이물질을 여과시키는 동시에 정제수가 효과적으로 흘러가도록 유로의 역할을 수행한다. 이러한 하나 이상의 역삼투막은 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 튜브 둘레로 권취되게 된다.
공급 스페이서는 상술된 본 발명에 따른 공급 스페이서가 제공될 수 있다. 좀 더 상세하게, 공급 스페이서는 복수개의 날실이 평행하게 위치되어 형성되는 제1 및 제2 세트로 구성될 수 있고, 제1 및 제2 세트 사이 각도와 직경 비율 차로 인해 하나 이상의 영역으로 분리될 수 있다. 본 발명에 따른 공급 스페이서는 앞서 설명한 공급 스페이서와 동일함으로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
공급 스페이서는 외부로부터 원수가 유입되는 통로를 형성하며, 하나의 역삼투막과 다른 하나의 역삼투막의 사이의 간격을 유지시키는 역할을 수행한다. 이를 위해, 공급 스페이서는 하나 이상의 역삼투막과 상측 및 하측에서 접촉하며 하나 이상의 역삼투막과 마찬가지로 튜브 둘레로 권취되도록 구성된다.
여기서, 공급 스페이서의 재질은 특별히 한정하지 않지만, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화 비닐(Polyvinyl chloride), 폴리에스테르(Polyseter) 및 폴리프로필렌(Polypropylene) 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
트리코트 여과수로는 일반적으로 직물 형태의 구조를 가지며, 역삼투막(10)을 통해 정제된 물이 흘러나갈 수 있는 공간을 만들어 주는 유로 역할을 수행하게 된다.
이때, 트리코트 여과수로는 일반적으로 직물 형태의 구조를 가지며, 역삼투막(10)을 통해 정제된 물이 흘러나갈 수 있는 공간을 만들어 주는 유로 역할을 수행하게 된다.
튜브는 수처리용 역삼투압 필터 모듈의 중심에 위치하며, 여과된 물이 유입되어 배출되는 통로 역할을 수행한다.
이를 위해, 튜브의 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.
<비교예>
종래 공급 스페이서는 제1 및 제2 세트 각도, 날실의 거리(교차점 사이의 거리) 및 날실의 직경 차이가 모두 동일한 하나의 그물망 형태로 이루어졌다.
<실시예>
실시예는 본 발명에 따른 공급 스페이서로, 세트 각도, 날실의 거리(교차점 사이의 거리) 및 날실의 직경 차이가 서로 다른 2개의 형태로 이루어졌다.
제1 단 제2 단
Pa/㎛ 0.0144 0.0205
비교예 실시예
Pa/㎛ 0.123 0.105
표 1은 실시예의 제1 및 제2 단 각각의 단위길이에 대한 차압(Pa/㎛)을 나타낸 것이고, 표 2는 비교예 및 실시예 각각의 단위길이에 대한 차압(Pa/㎛)을 타나낸 것이다.
우선, 실시예는 차압을 감소시키는 영역(A, 제1 단)이 회수율을 증가시키는 영역(B, 제2 단)보다 차압(Pa/㎛)이 70% 감소된 것을 알 수 있다. 그리고, 비교예의 단위길이당 차압은 0.123Pa/㎛이고, 실시예의 단위길이당 차압은 0.105Pa/㎛로 비교예 대비 85% 감소된 것을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 제1 세트
20: 제2 세트

Claims (11)

  1. 복수의 날실(Strand)이 평행하게 위치되는 제1 세트; 및
    복수의 날실이 상기 제1 세트와 교차되고 평행하게 위치되는 제2 세트;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 세트의 교차 각도는,
    원수의 흐름 방향을 따라 단계적으로 증가하고, 원수의 흐름방향을 따라 상기 제1 및 제2 세트의 교차점과 비교차점의 직경 차이가 감소되는 것을 특징으로 하는,
    공급 스페이서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공급 스페이서는,
    상기 제1 및 제2 세트의 교차점과 비교차점의 직경이 상이한 것을 특징으로 하는, 공급 스페이서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공급 스페이서는,
    제1 단 및 제2 단으로 형성되고, 상기 제1 단은 상기 제2 단보다 상기 제1 세트 및 제2 세트의 교차 각도가 작은 것을 특징으로 하는, 공급 스페이서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 세트의 교차점 사이의 거리는,
    상기 제1 단보다 상기 제2 단이 짧은 것을 특징으로 하는, 공급 스페이서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 공급 스페이서는,
    원수의 흐름방향을 따라 상기 제1 단의 직경 차이는 상기 제2 단의 직경 차이보다 큰 것을 특징으로 하는, 공급 스페이서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 세트의 교차점의 날실 직경이 동일한 것을 특징으로 하는, 공급 스페이서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 세트의 비교차점의 날실 직경은,
    상기 제1 세트의 날실이 상기 제2 세트의 날실보다 얇은 것을 특징으로 하는, 공급 스페이서.
  10. 제1항, 제3항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 공급 스페이서를 포함하는,
    역삼투압 필터 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 역삼투압 필터 모듈은,
    길이 방향을 따라 투과액으르 수용하는 개구를 포함하는 튜브; 및
    상기 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 상기 튜브 둘레로 권취되는 하나 이상의 역삼투막;를 포함하고,
    상기 스페이서는,
    상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 튜브 둘레로 권취되는 것을 특징으로 하는, 역삼투압 필터 모듈.
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