KR102567234B1 - 중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈 및 정침투수 처리 방법 - Google Patents

중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈 및 정침투수 처리 방법 Download PDF

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Abstract

측면에 복수의 구멍을 갖는 코어관과, 코어관의 주위에 배치된 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막군과, 코어관 및 중공사막군을 그것들의 양단에서 고정하는 수지벽을 구비하고, 코어관 및 복수의 중공사막의 양단이 개구되어 있는, 양단 개구형의 중공사막 엘리먼트. 중공사막군은, 코어관 주위를 둘러싸도록 배치된 복수의 제1 중공사막으로 구성되는 제1 중공사막층과, 제1 중공사막층의 주위를 둘러싸도록 배치된 복수의 제2 중공사막으로 구성되는 제2 중공사막층을 포함하고, 복수의 제1 중공사막의 투과 계수는, 복수의 제2 중공사막의 투과 계수보다도 작다.

Description

중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈 및 정침투수 처리 방법
본 발명은, 중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈 및 정침투수 처리 방법에 관한 것이다.
해수, 하천수 또는 배수 등의 처리 대상액(피드 용액)으로부터, 정침투 현상을 이용하여 담수를 회수하기 위한 정침투수 처리가 알려져 있다. 정침투 현상이란, 저농도의 피드 용액(FS: Feed Solution) 중의 물이 더 고농도(고침투압)인 드로우 용액(DS: Draw Solution)을 향해 막을 침투하여 이동하는 현상이다.
이러한 막을 사용한 수처리는, 막을 집합시켜 하나의 구성 요소로 한 막 엘리먼트를 압력 용기에 장전한 막 모듈로서 사용되고 있고, 특히, 중공사막 엘리먼트는, 막 모듈 용적당의 막 면적을 크게 할 수 있기 때문에, 전체적으로 투수량을 크게 할 수 있어, 용적 효율이 매우 높다는 이점이 있어, 컴팩트성이 우수하다.
예를 들어, 특허문헌 1(국제 공개 제2017/010270호), 특허문헌 2(일본 특허 공개 제2004-209418호 공보)가 개시된 바와 같이, 측면에 복수의 구멍을 갖는 코어관과, 상기 코어관의 주위에 교차 배치된 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막군을 구비한 양단 개구형의 중공사막 모듈이 알려져 있다. 이러한 중공사막 모듈에서는, 정침투수 처리에 사용되는 경우, 도 3에 나타난 바와 같이, 코어관(20)에 형성된 다수의 구멍(20a)으로부터 중공사막(21)의 외측(3)으로 흐르는 액의 흐름이, 중공사막(21)의 중공부 내의 흐름과 거의 직교하는, 소위 크로스류 방식의 구조가 채용되어 있다.
여기서, DS로서 스케일 성분 등이 적은 DS를 사용하는 경우는, 통상 스케일 성분 등을 포함하는 FS보다도 DS를 중공사막(21)의 중공부 내에 흐르게 하는 쪽이 중공사막(21)으로의 스케일 부착이 발생하기 어렵기 때문에, DS를 중공사막(21)의 중공부 내에 흐르게 하고, FS를 중공사막(21)의 외측(3)으로 흐르게 하는 것이 바람직하다.
한편, 예를 들어 DS가 고점도인 경우, DS를 중공사막(21)의 중공부 내에 흐르게 하면 DS의 송액에 필요한 에너지가 증가하거나, 중공사막(21)의 중공부 내가 막히기 쉬워지거나 하기 때문에, DS를 중공사막(21)의 외측(3)으로 흐르게 하는 것이 바람직하다. 또한, PRO(정침투 발전)와 같이 DS에 압력이 가해지는 경우, 중공사막은 외압에 대한 내성이 내압에 대한 내성보다 높기 때문에, DS를 중공사막(21)의 외측(3)으로 흐르게 하는 것이 바람직하다.
후자와 같이, DS가(코어관(20)을 통해) 중공사막(21)의 외측(3)을 흐르고, FS가 중공사막(21)의 중공부 내를 흐르는 경우는, FS에 포함되는 물은 중공사막(21)의 내측으로부터 외측을 향해 투과한다(도 8의 (b) 참조).
이 경우, 도 2를 참조하여, 코어관(20)으로부터 이격됨에 따라(도 2의 (b)의 A로부터 B를 향해), 중공사막(21)의 외측(3)을 흐르는 DS는 막 투과수에 의해 희석되므로, 코어관(20)의 근방(도 2의 I 및 III)에서는, DS의 농도가 다른 장소(도 2의 II 및 IV)보다도 높아진다. 이 때문에, 코어관(20) 근방의 중공사막(21)의 내부를 흐르는 FS는 특히 농축되어, 그 하류측의 부분(도 2의 III)에 있어서 FS가 가장 농축된 상태로 된다(도 5 참조). 따라서, 코어관(20) 근방의 가장 하류측의 부분(도 2의 III)에 있어서, 중공사막에 스케일(FS 중에 포함되는 탄산칼슘, 탄산마그네슘 등의 석출물)이 가장 부착되기 쉬워진다.
이 때문에, 코어관(20) 근방의 가장 하류측의 부분(도 2의 III)에 있어서, 스케일이 발생하지 않도록 FS의 유량을 조정할 필요가 있다. 즉, FS의 유량이 감소할수록 FS의 농축률은 높아지고, 스케일이 생성되기 쉬워지는바, FS의 유량을, 코어관(20) 근방의 가장 하류측의 부분에 있어서 스케일이 발생하지 않는 소정의 유량 이상으로 설정할 필요가 있다.
그러나, FS의 유량이 증가하면 FS로부터의 물의 회수율이 저하된다는 문제가 있다. 회수율이 저하되면, 동일한 물을 얻기 위해 많은 FS가 필요해지기 때문에, FS의 전처리의 비용 상승이나 FS의 송액에 필요한 에너지의 상승과 같은 문제가 발생한다.
또한, 특허문헌 1에는, 중공사막 엘리먼트의 내측의 층을 구성하는 중공사막의 내경을 중공사막 엘리먼트의 외측의 층을 구성하는 중공사막의 내경보다도 크게 하는 것이 개시된다. 또한, 특허문헌 2에는, 중공사막 엘리먼트의 내측의 층을 구성하는 중공사막의 투과 속도가, 중공사막 엘리먼트의 외측의 층을 구성하는 중공사막의 투과 속도보다도 빠르게 하는 것이 개시된다.
국제 공개 제2017/010270호 일본 특허 공개 제2004-209418호 공보
본 발명은, 상기한 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적은, 드로우 용액(DS)이 중공사막의 외측을 흐르고, 피드 용액(FS)이 중공사막의 중공부 내를 흐르는 경우에 있어서, 중공사막으로의 스케일의 부착을 억제하면서, FS로부터의 물의 회수율을 높일 수 있는, 중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈 및 정침투수 처리 방법을 제공하는 것이다.
[1] 측면에 복수의 구멍을 갖는 코어관과,
상기 코어관의 주위에 배치된 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막군과,
상기 코어관 및 상기 중공사막군을 그것들의 양단에서 고정하는 수지벽을 구비하고,
상기 코어관 및 상기 복수의 중공사막의 양단이 개구되어 있는, 양단 개구형의 중공사막 엘리먼트이며,
상기 중공사막군은, 상기 코어관 주위를 둘러싸도록 배치된 복수의 제1 중공사막으로 구성되는 제1 중공사막층과, 상기 제1 중공사막층의 주위를 둘러싸도록 배치된 복수의 제2 중공사막으로 구성되는 제2 중공사막층을 포함하고,
상기 복수의 제1 중공사막의 투과 계수는, 상기 복수의 제2 중공사막의 투과 계수보다도 작은 것을 특징으로 하는, 중공사막 엘리먼트.
[2] 상기 복수의 제2 중공사막 투과 계수에 대한 상기 복수의 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율은 0％ 초과 60％ 이하인, [1]에 기재된 중공사막 엘리먼트.
[3] 상기 중공사막 엘리먼트는 원주 형상을 갖고, 상기 제1 중공사막층과 상기 제2 중공사막층의 두께의 총합에 대한 상기 제1 중공사막층의 두께의 비율이 0％ 초과 30％ 이하인, [1] 또는 [2]에 기재된 중공사막 엘리먼트.
[4] 상기 복수의 중공사막은, 서로 교차하도록 상기 코어관의 주위에 나선형으로 권회되어 있는, [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 중공사막 엘리먼트.
[5] [1] 내지 [4] 중 어느 한 항에 기재된 중공사막 엘리먼트와,
해당 중공사막 엘리먼트가 적어도 1개 장전된 용기를 구비하는, 중공사막 모듈.
[6] [5]에 기재된 중공사막 모듈을 사용하는 정침투수 처리 방법이며,
상기 복수의 중공사막의 중공부 내에 물과 물 이외의 성분을 포함하는 처리 대상수를 흐르게 함과 함께, 상기 코어관을 통해 상기 복수의 중공사막의 외측으로 드로우 용질을 포함하는 드로우 용액을 흐르게 함으로써, 상기 처리 대상수 중에 포함되는 물을 상기 복수의 중공사막을 통해 상기 드로우 용액측으로 이동시키는 정침투 공정을 포함하는, 정침투수 처리 방법.
[7] 상기 드로우 용액의 농도가 7질량％ 이상인, [6]에 기재된 정침투 처리 방법.
본 발명에 따르면, 드로우 용액(DS)이 중공사막의 외측을 흐르고, 피드 용액(FS)이 중공사막의 중공부 내를 흐르는 경우에 있어서, 중공사막으로의 스케일의 부착을 발생하기 어렵게 하기 위해 필요한 FS의 최저 유량이 감소한다. 이로써, 중공사막으로의 스케일의 부착을 억제하면서, FS로부터의 물의 회수율을 높일 수 있는, 중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈 및 정침투수 처리 방법을 제공할 수 있다.
또한, 최저 FS 유량의 감소에 의해, FS의 전처리의 설비 투자(Capex), 운용 유지비(Opex) 등의 저감이 가능하다고 생각된다.
도 1은 본 발명의 중공사막 엘리먼트의 일 실시 형태를 나타내는 단면 모식도이다.
도 2는 종래의 중공사막 엘리먼트의 과제를 설명하기 위한 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 중공사막 엘리먼트 및 중공사막 모듈의 일 실시 형태를 나타내는 단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 중공사막 엘리먼트의 일 실시 형태를 나타내는 모식도이다.
도 5는 도 2 및 도 3에 나타나는 정침투 모듈(중공사막 모듈)에 있어서의 FS의 농도 분포를 나타내는 모식적인 그래프이다.
도 6은 실시예 1(FO)에 있어서의, A값 감소율과 최저 FS 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1(FO)에 있어서의, A값 감소율과, 최저 FS 유량에서의 FS로부터의 물의 회수율(FS 회수율)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 PRO를 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 실시예 2(PRO)에 있어서의, A값 감소율과 최저 FS 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 2(PRO)에 있어서의, 제2 중공사막의 투과 계수 (A)에 대한 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율(A값 감소율)과, 정미 발전량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 3-1(PRO)에 있어서의, 제1 중공사막층의 비율(제1 중공사막층의 두께의 비율)과, 스케일 생성을 억제할 수 있는 막 투과 유량의 최댓값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예 3-1(PRO)에 있어서의, 제1 중공사막층의 비율과 최저 FS 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예 3-1(PRO)에 있어서의, 제1 중공사막층의 비율과, 최저 FS 유량에서의 정미 발전량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 FS의 NF막에 의한 전처리를 행하는 실시예 3-2(PRO)에 있어서의, 제1 중공사막층의 비율과, 최저 FS 유량에서의 정미 발전량의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면에 있어서, 동일한 참조 부호는, 동일 부분 또는 상당 부분을 나타낸다. 또한, 길이, 폭, 두께, 깊이 등의 치수 관계는 도면의 명료화와 간략화를 위해 적절히 변경되어 있고, 실제의 치수 관계를 나타내는 것은 아니다.
(중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈)
이하, 본 발명의 중공사막 엘리먼트 및 중공사막 모듈의 일 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 3을 참조하여, 본 실시 형태의 중공사막 엘리먼트는, 측면에 복수의 구멍(20a)을 갖는 코어관(20)과, 코어관(20)의 주위에 배치된 복수의 중공사막(21)을 포함하는 중공사막군과, 코어관(20) 및 중공사막군을 그것들의 양단에서 고정하는 수지벽(41, 42)을 구비한다. 이 중공사막 엘리먼트는, 코어관(20) 및 복수의 중공사막(21)의 양단이 개구되어 있는, 양단 개구형의 중공사막 엘리먼트이다.
도 1의 (a)를 참조하여, 중공사막군은, 코어관(20)의 주위를 둘러싸도록 배치된 복수의 제1 중공사막(211)으로 구성되는 제1 중공사막층(21a)과, 제1 중공사막층(21a)의 주위를 둘러싸도록 배치된 복수의 제2 중공사막(212)으로 구성되는 제2 중공사막층(21b)으로 구성되어 있다.
그리고, 본 실시 형태의 중공사막 엘리먼트는, 제1 중공사막층(21a)을 구성하는 복수의 제1 중공사막(211)의 투과 계수는, 제2 중공사막층(21b)을 구성하는 복수의 제2 중공사막(212)의 투과 계수보다도 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시 형태의 중공사막 엘리먼트에 있어서, 중공사막군은, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같은 2층 구조(제1 중공사막층(21a) 및 제2 중공사막층(21b))를 포함하지만, 이것에 한정되지 않고, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 중공사막군은, 또한 제2 중공사막(212)보다도 투과 계수가 큰 복수의 제3 중공사막(213)으로 구성되는 제3 중공사막층(21c)을 포함하는 3층 구조를 갖는 것이어도 되고, 마찬가지로 4층 이상의 구조를 갖는 것이어도 된다.
도 3을 참조하여, 본 실시 형태의 중공사막 모듈은, 적어도 1개의 상기 중공사막 엘리먼트와, 해당 중공사막 엘리먼트가 적어도 1개 장전된 용기(1)(예를 들어, 운전 압력에 견디는 내압성을 갖는 압력 용기)를 구비한다.
이 중공사막 모듈은, 코어관(20)에 접속된 공급구(10)나, 중공사막(21) 내에 연통한 공급구(11) 및 배출구(12)를 갖고 있고, 벽 부재(14, 15, 51, 52)에 의해 고정되어 있다. 또한, 중공사막(21)의 외측에 연통한 배출구(13)가, 용기(1)의 측면에 형성되어 있다. 코어관(20)의 구멍(20a)으로부터 유출된 유체는, 중공사막의 외측(3)을 중공사막 엘리먼트의 직경 방향으로 흐른다.
또한, 도 2 및 도 3에서는, 간략화를 위해 중공사막(21)이 코어관(20)과 평행인 것처럼 그려져 있지만, 실제로는, 복수의 중공사막이 평행하게 배열되어 있어도 되고, 또한 도 4에 나타난 바와 같이, 중공사막군(제1 중공사막층(21a) 및 제2 중공사막층(21b))을 구성하는 복수의 중공사막(21)이 서로 교차하도록 코어관(20)의 주위에 나선형으로 권회되어 있어도 된다. 나선형으로 권회되어 있다는 것은, 바꿔 말하면, 중공사막의 배열이 코어관의 축선과 각도를 갖도록 권회되어 있는 것이다.
복수의 중공사막(21)이 서로 교차하도록 배치됨으로써, 중공사막의 교차부(23)에 의해 공극이 규칙적으로 형성된다. 이 규칙적인 공극이 존재하기 때문에, 중공사막(21)의 외측을 흐르는 유체의 편류가 작아진다. 또한, 중공사막의 외측을 흐르는 유체 중의 비용해 성분이나 입자 성분 등이, 중공사막 사이에 포착되는 경우가 적기 때문에, 압력 손실의 증대도 발생하기 어렵다.
또한, 본 실시 형태의 중공사막 엘리먼트는, 예를 들어 코어관의 주위에 중공사막을 나선형으로 권취하고, 중공사막이 교차 형상으로 배치된 상태로 반경 방향으로 적층됨으로써 형성되는 중공사막 권상체의 양단부를 수지로 밀봉한 후, 수지(수지벽)의 일부를 절단하여 중공사막의 양단부를 개구시킴으로써 제작할 수 있다.
이하, 본 실시 형태의 중공사막 엘리먼트 및 중공사막 모듈의 각 구성 부재 등의 구체예에 대하여 설명한다.
코어관은, 공급구에 접속되어 있는 경우, 해당 공급구로부터 공급된 유체를 중공사막 엘리먼트 내의 중공사막의 외측(3)(외표면)에 분배시키는 기능을 갖는 관 형상 부재이다. 코어관은, 중공사막 엘리먼트의 대략 중심부에 위치시키는 것이 바람직하다.
코어관의 직경은 너무 크면, 막 모듈 내의 중공사막이 차지하는 영역이 감소하고, 결과적으로 막 엘리먼트 또는 막 모듈의 막 면적이 감소하기 때문에 용적당의 투수량이 저하되는 경우가 있다. 또한, 코어관의 직경이 너무 작으면, 공급 유체가 코어관 내를 유동할 때 압력 손실이 커지고, 결과적으로 중공사막에 가하는 유효 차압이 작아져 처리 효율이 저하되는 경우가 있다. 또한, 강도가 저하되고, 공급 유체가 중공사막층을 흐를 때 받는 중공사막의 장력에 의해 코어관이 파손되는 경우가 있다. 이들 영향을 종합적으로 고려하여, 최적의 직경을 설정하는 것이 중요하다. 중공사막 엘리먼트의 단면적에 대하여 코어관(중공부를 포함함)의 단면적이 차지하는 면적 비율은 4 내지 20％가 바람직하다.
중공사막의 소재는, 원하는 분리 성능(바람직하게는 역침투막 상당 레벨이 높은 분리 성능)을 발현할 수 있는 한, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 아세트산셀룰로오스계 수지, 폴리아미드계 수지, 술폰화폴리술폰계 수지, 폴리비닐알코올계 수지가 사용 가능하다. 이 중에서는, 아세트산셀룰로오스계 수지, 술폰화폴리술폰이나 술폰화폴리에테르술폰 등의 술폰화폴리술폰계 수지가, 살균제인 염소에 대한 내성이 있어, 미생물의 증식을 용이하게 억제할 수 있는 점에서 바람직하다. 특히, 막면에서의 미생물 오염을 효과적으로 억제할 수 있는 특징이 있다. 아세트산셀룰로오스 중에서는, 내구성의 점에서 3아세트산셀룰로오스가 바람직하다.
본 실시 형태의 중공사막 엘리먼트에 있어서, 제1 중공사막층(21a)을 구성하는 복수의 제1 중공사막의 투과 계수는, 제2 중공사막층(21b)을 구성하는 복수의 제2 중공사막의 투과 계수보다도 작다.
복수의 제2 중공사막의 투과 계수에 대한 복수의 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율은, 바람직하게는 0％ 초과 60％ 이하이고, 보다 바람직하게는 5％ 이상 55％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 10％ 이상 50％ 이하이다. 이 범위에 있어서, 최저 FS 유량을 저감시킬 수 있고, FS 회수율을 향상시킬 수 있다는 효과가, 더 확실하게 발휘된다고 생각된다. 또한, 본 발명을 PRO에 적용한 경우에, 정미 발전량을 향상시키는 효과가 기대된다. 또한, 당해 감소율은, 이하의 식으로 나타나는 비율이다.
「감소율」＝〔(「복수의 제2 중공사막의 투과 계수」－「복수의 제1 중공사막의 투과 계수」)/「복수의 제2 중공사막의 투과 계수」〕×100 [％]
복수의 제1 중공사막의 투과 계수 (A)는, 바람직하게는 1.0×10-6 내지 1.5×10-5㎤/〔㎠·s·(kgf/㎠)〕이고, 보다 바람직하게는 1.5×10-6 내지 1.3×10-5㎤/〔㎠·s·(kgf/㎠)〕이다.
중공사막의 투과 계수는, 예를 들어 역침투법에 의한 평가를 행함으로써 측정할 수 있다.
구체적으로는, 투과 계수(순수 투과 계수) A는, 하기의 방법에 의해 구할 수 있다.
Figure 112021054732042-pct00001
Cf: 공급수 농도 [㎎/L]
Cm: 막면 농도 [㎎/L]
Cp: 투과수 농도 [㎎/L]
Js: 용질 투과 유속 [㎎/(㎠·s)]
Jv: 순수 투과 유속 [㎤/(㎠·s)]
k: 물질 이동 계수 [㎝/s]
A: 순수 투과 계수 [㎤/〔㎠·s·(kgf/㎠)〕]
A25: 25℃에서의 순수 투과 계수 [㎤/〔㎠·s·(kgf/㎠)〕]
B: 용질 투과 계수 [㎝/s]
B25: 25℃에서의 용질 투과 계수 [㎤/〔㎠·s·(kgf/㎠)〕]
T: 온도 [℃]
α: 운전 조건에 의한 변동 계수 [－]
β: 운전 조건에 의한 변동 계수 [－]
ΔP: 운전 압력 [kgf/㎠]
μ: 점도 [㎩·s]
μ25: 25℃에서의 점도 [㎩·s]
π: 침투압 [kgf/㎠]
즉, Jv, Cf, Cp, T를 실측하여, k, 기타의 물성값을 상기 식(1) 내지 (4)에 대입함으로써 실측 조건에서의 순수 투과 계수 A와 용질 투과 계수 B를 구할 수 있다. 또한, 미리 얻어져 있는 α, β에 기초하면, 25℃에 있어서의 순수 투과 계수 A25와 용질 투과 계수 B25를, 상기 식(5) 내지 (6)으로부터 구할 수 있고, 또한, 상기 식(5) 내지 (6)을 사용하여 임의의 온도 T의 순수 투과 계수와 용질 투과 계수도 얻을 수 있다.
또한, 중공사막의 투과 계수에 영향을 끼치는 요소로서 중공사막의 미세 구멍의 구멍 직경 등을 들 수 있다. 중공사막의 미세 구멍의 평균 구멍 직경은, 바람직하게는 0.1㎚ 내지 0.1㎛, 보다 바람직하게는 0.5㎚ 내지 50㎚, 더욱 바람직하게는 0.5㎚ 내지 5㎚, 보다 더욱 바람직하게는 0.5㎚ 내지 2㎚이다. 당해 평균 구멍 직경은, 질소 가스 흡착법이나 수은 압입법, 펌포로메트리(permporometry), DSC법, 양전자 소멸법 등에 의해 측정할 수 있다.
상기 중공사막 엘리먼트는 원주 형상을 갖는 경우에 있어서, 전체 중공사막층의 두께(제1 중공사막층의 두께＋제2 중공사막층의 두께)에 대한 상기 제1 중공사막층의 두께의 비율은, 바람직하게는 0％ 초과 30％ 이하이고, 보다 바람직하게는 5％ 이상 25％ 이하이다. 상기 비율이 이 범위 내인 경우, FS의 회수율을 향상시키는 효과가, 더 확실하게 발휘된다고 생각된다.
중공사막의 내경은, 정침투막으로서 사용되는 범위 내이면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 50㎛ 이상 700㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 80㎛ 이상 400㎛ 이하이다. 내경이 상기 범위보다 작으면, 중공사막의 중공부를 흐르는 유체의 유동 압력 손실이 커져 문제가 발생할 수 있다. 한편, 내경이 상기 범위보다 크면, 모듈에 있어서의 단위 용적당의 막 면적을 크게 할 수 없게 되어, 중공사막 모듈의 장점의 하나인 컴팩트성이 손상된다.
중공사막의 중공률은, 정침투막에 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 15 내지 45％이다. 중공률이 상기 범위보다 작으면, 중공부의 유동 압력 손실이 커져, 원하는 투과수량이 얻어지지 않을 가능성이 있다. 또한, 중공률이 상기 범위보다 크면, 정침투 처리에서의 사용이라도 충분한 내압성을 확보할 수 없을 가능성이 있다. 또한, 중공률(％)은, 중공률(％)＝(내경/외경)2×100에 의해 구할 수 있다.
중공사막 엘리먼트(중공사막군)의 외경은, 바람직하게는 50 내지 450㎜이다. 외경이 너무 크면, 막 교환 작업 등의 유지 관리에서의 조작성이 나빠질 수 있다. 외경이 너무 작으면, 단위 막 엘리먼트당의 막 면적이 감소하여, 처리량이 작아져, 경제성의 점에서 바람직하지 않다.
또한, 중공사막의 내경, 외경, 중공률의 측정은, 예를 들어 이하와 같이 하여 측정할 수 있다. 먼저, 중공사막을 슬라이드 글래스의 중앙에 개방된 직경 3㎜의 구멍에 중공사막이 누락되지 않을 정도로 적당 개수 통과시킨 후, 슬라이드 글래스의 상하면을 따라 면도기에 의해 중공사막을 커트하여, 중공사막 단면 샘플을 얻는다. 이어서, 투영기 Nikon PROFILE PROJECTOR V-12를 사용하여, 중공사막 단면 1개에 대하여 2방향의 짧은 직경, 긴 직경을 측정하여, 각각의 산술 평균값을 중공사막 단면 1개의 내경 및 외경이라고 한다. 5개의 단면에 대하여 마찬가지로 측정을 행하여, 평균값을 중공사막의 내경, 외경이라고 한다.
중공사막으로서는, 예를 들어 특허 3591618호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 3아세트산셀룰로오스, 에틸렌글리콜(EG), N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 포함하는 제막 용액을 3분할 노즐로부터 토출하고, 공중 주행부를 거쳐서, 물/EG/NMP를 포함하는 응고액 중에 침지시켜 중공사막을 얻고, 이어서 중공사막을 수세한 후, 열처리함으로써 아세트산셀룰로오스계 중공사막을 제조할 수 있다. 또한, 테레프탈산디클로라이드 및 4,4'-디아미노디페닐술폰, 피페라진으로부터 저온 용액 중합법으로 얻은 공중합 폴리아미드를 정제한 후, CaCl2 및 디글리세린을 포함하는 디메틸아세트아미드 용액에 용해하여 제막 용액으로 하고, 이 용액을 3분할 노즐로부터 공중 주행부를 거쳐서 응고액 중에 토출시켜, 얻어진 중공사막을 수세한 후, 열처리함으로써 폴리아미드계 중공사막을 제조할 수 있다. 또한, 3,3'-디술포-4,4'-디클로로디페닐술폰2나트륨염, 2,6-디클로로벤조니트릴, 4,4'-비페놀을 중합하여 얻은 술폰화폴리아릴에테르술폰폴리머를, NMP, EG에 용해하여 제막 용액을 조제하고, 코어액으로서 EG와 함께 튜브 인 오리피스형 노즐로부터 토출한 후, 염수를 포함하는 응고욕에 침지하여, 얻어진 중공사막을 열처리함으로써 술폰화폴리술폰계 중공사막을 제조할 수 있다.
상기와 같이 하여 얻어진 중공사막은, 종래 공지의 방법에 의해 중공사막 엘리먼트에 내장된다. 중공사막의 내장은, 예를 들어 일본 특허 제4412486호 공보, 일본 특허 제4277147호 공보, 일본 특허 제3591618호 공보, 일본 특허 제3008886호 공보 등에 기재되어 있는 바와 같이, 중공사막을 45 내지 90개 또는 그 이상을 모아 하나의 중공사막 집합체로 하고, 또한 이 중공사막 집합체를 복수 옆으로 나열하여 편평한 중공사막 다발로 하고, 다수의 구멍을 갖는 코어관을 트래버스시키면서 감는다. 이 때의 코어관의 길이 및 회전 속도, 중공사막 다발의 트래버스 속도를 조절함으로써, 권상체의 특정 위치의 주위면 위에 교차부가 형성되도록 권상한다. 이어서, 이 권상체를, 길이와 교차부의 위치를 조정하여, 소정의 위치에서 절단한다. 그 후, 중공사의 권상체의 외주부에, 코어관의 구멍이 있는 부분과 반대측을 남기고, 비투과성 필름을 배치하고, 이 권상체의 양단부를 접착한 후, 양측을 절삭하고, 중공사막 개구부를 형성시켜 중공사막 엘리먼트를 제작한다.
또한, 본 발명의 중공사막 엘리먼트는, 스파이럴형의 평막에 비해 엘리먼트당의 막 면적을 많이 취할 수 있고, 중공사막의 크기에 따라 다르지만, 대략 동사이즈의 엘리먼트의 경우, 스파이럴형의 약 10배의 막 면적을 얻을 수 있다. 또한, 엘리먼트 내의 편류가 발생하기 어렵기 때문에, 농도차를 구동력으로 하여 수처리를 행하는 경우에 적합하다.
(정침투수 처리 방법)
상기한 중공사막 모듈은, 상기 복수의 중공사막의 중공부 내에 물과 물 이외의 성분을 포함하는 처리 대상수(FS)를 흐르게 함과 함께, 상기 코어관을 통해 상기 복수의 중공사막의 외측에 드로우 용질을 포함하는 드로우 용액(DS)을 흐르게 함으로써, 상기 처리 대상수 중에 포함되는 물을 상기 복수의 중공사막을 통해 상기 드로우 용액측으로 이동시키는 정침투 공정을 포함하는, 정침투수 처리 방법에 적합하게 사용할 수 있다.
피드 용액(FS)은, 물과 물 이외의 성분을 포함하는 액체라면 특별히 한정되지 않지만, FS가 스케일 성분을 포함하고 있는 경우에, 본 실시 형태의 효과가 특히 유효하다. 스케일 성분으로서는, 예를 들어 탄산칼슘 및 탄산마그네슘을 들 수 있다. 스케일 성분을 포함하는 FS로서는, 예를 들어 해수, 기수, 하천수, 호수와 연못수, 공업 폐수, 생활 배수 등을 들 수 있다. 또한, FS(처리 대상수)가 해수 등의 염분 농도가 높은 용액인 경우, 처리 대상수의 증발 잔류물 농도(TDS)는, 바람직하게는 0.7 내지 14질량％이고, 보다 바람직하게는 1.5 내지 10질량％이고, 더욱 바람직하게는 3 내지 8질량％이다.
또한, 드로우 용액(DS)이란, 드로우 용질을 포함하는 액이고, 피드 용액보다 높은 침투압을 갖는 액체라면 특별히 한정되지 않는다. 드로우 용액의 침투압은, 용질의 분자량 등에 따라 다르지만, 바람직하게는 0.5 내지 20㎫이다.
드로우 용액의 농도는, 바람직하게는 7질량％ 이상이다. 이 경우, 본 발명에 의해, 중공사막으로의 스케일의 부착을 억제하기 위해 필요한 FS의 최저 유량(최저 FS 유량)을 저감시키는 효과가, 더 효과적으로 발휘된다.
드로우 용질로서는, 정침투 처리에 사용되는 다양한 공지의 것을 사용할 수 있고, 드로우 용질은, 드로우 용액 중에 있어서 반드시 용해되어 있을 필요는 없다.
적합한 드로우 용질로서는, 예를 들어 자극 응답성 고분자를 들 수 있다. 자극 응답성 고분자로서는, 온도 응답성 고분자, pH 응답성 고분자, 광 응답성 고분자, 자기 응답성 고분자 등을 들 수 있다.
온도 응답성 고분자란, 소정의 온도를 임계점으로 하여 친수성이 변화되는 특성(온도 응답성)을 갖는 고분자이다. 온도 응답성이란, 바꿔 말하면, 온도에 따라 친수성으로 되거나 소수성으로 되거나 하는 특성이다. 여기서, 친수성의 변화는 가역적인 것이 바람직하다. 이 경우, 온도 응답성 고분자는, 온도를 조정함으로써, 물에 용해시키거나, 물과 상분리시키거나 할 수 있다.
온도 응답성 고분자는, 모노머에서 유래하는 복수의 구조 단위를 포함하는 폴리머이고, 측쇄에 친수성기를 갖고 있는 것이 바람직하다.
온도 응답성 고분자에는, 하한 임계 공용 온도(LCST) 타입과 상한 임계 공용 온도(UCST) 타입이 있다. LCST 타입에서는, 저온의 물에 용해되어 있는 고분자가, 고분자에 고유의 온도(LCST) 이상의 온도로 되면, 물과 상분리된다. 반대로, UCST 타입에서는, 고온의 물에 용해되어 있는 고분자가, 고분자에 고유의 온도(UCST) 이하로 되면, 물과 상분리된다(스기하라 외, 「환경 응답성 고분자의 조직체로의 전개」, SEN' I GAKKAISHI(섬유와 공업), Vol.62, No.8, 2006 참조). 반투막은, 고온에서 열화되기 쉬운 소재를 사용하는 경우에 있어서는, 저온의 물에 용해되어 있는 온도 응답성 고분자가 반투막에 접촉되어 있는 쪽이 바람직하기 때문에, 본 발명에 사용하는 온도 응답성 고분자는 LCST 타입인 것이 바람직하다. 또한, 고온에서 열화되기 어려운 소재로 구성된 반투막을 사용하는 경우는, LCST 타입 외에, UCST 타입도 사용할 수 있다.
친수성기로서는, 예를 들어 수산기, 카르복실기, 아세틸기, 알데히드기, 에테르 결합, 에스테르 결합을 들 수 있다. 친수성기는, 이것들로부터 선택되는 적어도 1종류인 것이 바람직하다.
온도 응답성 고분자는, 적어도 일부 또는 전부의 구조 단위에 있어서 적어도 하나의 친수성기를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 온도 응답성 고분자는, 친수성기를 가지면서, 일부의 구조 단위에 있어서 소수성기를 갖고 있어도 된다. 또한, 온도 응답성 고분자가, 온도 응답성을 갖기 위해서는, 분자 중에 포함되는 친수성기와 소수성기의 밸런스가 중요하다고 여겨지고 있다.
구체적인 온도 응답성 고분자로서는, 예를 들어 폴리비닐에테르계 폴리머, 폴리아세트산비닐계 폴리머, (메트)아크릴산계 폴리머 등을 들 수 있다.
본 발명의 정침투수 처리 방법과 같이, 중공사막을 정침투막으로서 사용하는 경우, 중공사막의 내압성이나, 고압 펌프를 필요로 하지 않는다는 관점에서, 중공사막의 중공부 내에 흐르게 하는 유체(FS)의 압력은 0.2㎫ 이하인 것이 바람직하다. 한편, 중공막의 외측으로 흐르게 하는 DS의 압력은, 0.01㎫ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 정침투수 처리 방법은, 침투 공정 후에, 드로우 용액에 포함되는 드로우 용질을 물과 분리시키는 분리 공정을 더 포함하는 것이 바람직하다.
분리 방법으로서는, 드로우 용질의 종류에 따라 적합한 것이 선택된다. 예를 들어, 무기염이나 저융점 물질 등의 경우는 정석 처리, 물에 대한 용해도가 높은 기체의 경우는 가스 방산, 자성체 미립자의 경우는 자기 분리, 당 용액의 경우는 이온 교환, 자극 응답성 고분자의 경우는 그 자극(온도, pH, 전기, 자장, 광 등)을 선택할 수 있다. 또한, 공통의 분리 방법으로서, 예를 들어 증류, 역침투막 처리를 들 수 있다.
예를 들어, 드로우 용질이 온도 응답성 고분자인 경우, 드로우 용액을 중공사막 모듈과는 별도의 챔버 내에 유입시켜, 해당 챔버 내의 드로우 용액의 온도를 변화시킴으로써, 드로우 용액에 포함되는 드로우 용질을 물과 분리시킬 수 있다. 이 경우, 드로우 용액의 온도를 변화시키는 것만으로, 드로우 용질(온도 응답성 고분자)을 용이하게 물로부터 분리시켜, 회수할 수 있다. 또한, 회수 후의 드로우 용질은, 용이하게 재이용(드로우 용액 등에 재용해)할 수 있다.
본 발명의 정침투수 처리 방법은, 물과 분리한 드로우 용질을 회수하는 회수 공정을 더 포함하는 것이 바람직하다. 드로우 용질의 회수는, 예를 들어 막 분리 장치, 원심 분리 장치, 침강 분리 장치 등을 사용하여 실시할 수 있다. 이 드로우 용질의 회수 공정 후에 잔존하는 물을 회수함으로써, 수처리 방법의 목적물인 물을 얻을 수 있다. 순수한 물이 얻어지도록 드로우 용질의 회수 공정은 다단계로 나누어 반복되어도 되고, 드로우 용질의 회수 공정 후에, 또한 얻어지는 물의 품질을 높이기 위한 처리를 행해도 된다.
또한, 본 발명의 정침투수 처리 방법은, 회수 공정에서 회수된 드로우 용질을 드로우 용액 중에 재용해시키는 재이용 공정을 더 포함하고 있어도 된다.
본 실시 형태의 정침투수 처리 방법과 같이, 복수의 중공사막의 중공부 내에 처리 대상수(FS)를 흐르게 함과 함께, 코어관을 통해 복수의 중공사막의 외측에 DS를 흐르게 하는 경우, 중공사막 모듈 내에서의 FS의 농도 분포는, 도 5에 나타낸 바와 같은 삼차원적인 분포로 된다.
즉, 중공사막 모듈의 직경 방향의 내측일수록 FS의 농도가 높다. 이것은, 코어관(20)의 복수의 구멍(20a)으로부터 배출된 DS가 직경 방향의 외측으로 이동하는 과정에서 중공사막(21) 내의 FS로부터의 물 회수에 의해 조금씩 희석되기 때문에, 중공사막 모듈의 직경 방향의 내측일수록 DS의 농도가 높고, FS의 농축률도 높기 때문이다. 또한, 중공사막 모듈의 축방향의 출구측일수록 FS의 농도가 높다. 이것은, FS가 중공사막의 중공부 내를 중공사막 모듈의 축방향의 출구측으로 이동하는 과정에서 농축되기 때문이다.
따라서, 본 실시 형태의 정침투수 처리 방법에서는, 중공사막 모듈의 축방향의 출구측이고 또한 직경 방향의 내측의 부위(도 2의 III)에 있어서, FS의 농축률이 최댓값(최대 농축률)으로 되어, 스케일이 가장 석출되기 쉬워진다. 이 때문에, 이 부위에 있어서 스케일 석출이 발생하지 않도록(이 부위에 있어서의 FS의 농축률이 소정의 역치 이하로 되도록) FS 유량을 조정하면, FO 모듈 전체에 있어서 스케일의 석출을 억제할 수 있다.
본 발명의 중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈 및 정침투 처리 방법은, FS로부터의 물의 회수율이 높고, 수처리나 농도차를 구동력으로 하여 에너지를 생성하는 분야에 있어서 극히 유용하다.
구체적으로는, 본 발명은, 유기물의 농축 및 회수, 배수의 농축에 의한 감용화, 해수의 담수화 등에 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 농도차(침투압차)를 구동력으로 하여 저농도의 수용액으로부터 고농도의 가압 상태의 수용액으로 반투막을 통해 담수를 투과시키고, 투과한 담수에 의해 증가한 가압 상태의 고농도 수용액의 유량과 압력으로 터빈을 돌리거나 하여 전력 등의 에너지를 생성시키는 침투압 발전(PRO)에 적합하게 이용할 수 있다. 특히, 해수 또는 농축 해수와 담수의 농도차에 의한 침투압을 이용하여 전력을 생성하는 PRO 등에 적합하게 이용할 수 있다.
본 발명을 PRO에 적용함으로써, 중공사막 모듈 내에서의 스케일의 석출을 억제 가능한 최저 FS 유량이 감소함으로써, FS 유량을 저감시키는 것이 가능하게 되기 때문에, FS의 공급에 필요한 에너지를 고려한 정미의 발전량을 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 본 발명을 FO(정침투수 처리)에 적용한 경우에 대하여, 이하의 조건에서 최저 FS 유량 및 FS 회수율의 시뮬레이션 계산을 행하였다.
먼저, 본 실시예에서는, 도 3에 나타난 바와 같은 중공사막 엘리먼트 1개를 압력 용기에 장전하여 이루어지는 중공사막 모듈(직경: 10인치, 유효 길이: 1310㎜)에 대하여, 복수의 중공사막의 중공부 내에 처리 대상수(FS)로서 물을 흐르게 함과 함께, 코어관을 통해 복수의 중공사막의 외측으로 DS(농도: 70000ppm(약 7질량％))를 흐르게 하는 것을 전제로 했다.
또한, 중공사막 엘리먼트로서는, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같은 2층 구조의 것을 사용하는 것을 전제로 했다. 즉, 본 실시예에서는, 복수의 제1 중공사막을 포함하는 제1 중공사막층을 코어관의 주위에 배치하고, 그 주위에, 복수의 제2 중공사막을 포함하는 제2 중공사막층을 배치했다. 중공사막 엘리먼트의 반경은 5인치이고, 전체 중공사막층의 두께(제1 중공사막층의 두께＋제2 중공사막층의 두께)에 대한 제1 중공사막층의 두께의 비율은 20％로 했다. 또한, 제1 중공사막과 제2 중공사막의 충전율(하기 식 참조)이 각각 50％로 되도록, 각 층에 충전하는 중공사막의 개수를 설정했다.
또한, 복수의 중공사막은 코어관의 주위에 중공사막을 나선형으로 권회함으로써 중공사막을 교차 형상으로 배치하여, 중공사막 권상체를 제작했다. 각 중공사막의 충전율은 하기 식에 의해 산출했다.
충전율(％)＝π×(중공사막의 외경)2/4(㎡)×중공사막의 총 전체 길이(m)/중공사막 권상체 용적(㎥)×100％
또한 제1 중공사막층과 제2 중공사막층의 각각의 중공사 권상체의 용적은, 전체의 중공사막 권상체의 용적을 제1 중공사막층과 제2 중공사막층의 각각의 두께 비율에 따라 분배했다.
중공사막(제1 중공사막 및 제2 중공사막)의 내경은 105㎛, 외경은 200㎛로 했다. 이 경우, 중공사막의 중공률은 약 27.6％이다. 중공사막의 충전율이 50％로 되도록 충전하는 중공사막의 개수를 설정했다. 제2 중공사막의 투과 계수는 7.68×10-6[㎤/〔㎠·s·(kgf/㎠)〕]으로 하고, 제2 중공사막의 투과 계수에 대한 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율을 0 내지 80％의 범위에서 변화시켰다.
도 3을 참조하여, 중공사막(21)의 상류측의 개구부에 연통하는 공급구(11)로부터, 규정량의 FS(수)를 공급하고, 중공사막(21)의 하류측의 개구부에 연통하는 배출구(12)로부터 FS를 배출시킨다. FS의 상기 규정량은, 중공사막층을 두께 방향으로 10분할하여 각각의 회수율을 시뮬레이션한 경우에, 10분할된 각 층 중, 코어관에 가장 가까운 층에서의 FS 회수율이 80％로 되도록 설정되었다. 그 때문에, FS 공급 유량은, 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율에 따라 변동된다. 한편, 코어관(20)에 연통하는 공급구(10)로부터, DS(NaCl 농도: 70000ppm)를 30L/분의 유량(인가 압력: FS 공급 압력＋0.1㎫)으로 공급하고, 코어관(20)의 복수의 구멍(20a)을 통해 중공사막(21)의 외측(3)을 통과시킨 후, 중공사막(21)의 외측(3)에 연통하는 용기(1)의 측면에 배치된 배출구(13)로부터 배출시킨다.
중공사막 엘리먼트(중공사막 모듈) 내에 있어서의 최대 회수율(도 2의 III의 위치에 있어서의 FS로부터 DS로의 물의 회수율)이 80질량％로 될 때의 FS 유량을 최저 FS 유량으로 하여 산출했다. 또한, 최저 FS 유량에서의 FS 회수율(중공사막 모듈 전체에 있어서의 FS로부터 DS로의 물의 총 회수율)을 산출했다.
최저 FS 유량 및 FS 회수율의 각각의 계산 결과를 도 6 및 도 7에 나타낸다.
도 6 및 도 7에 나타나는 결과로부터, 복수의 제2 중공사막의 투과 계수에 대한 복수의 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율(A값 감소율)은, 바람직하게는 0％ 초과 60％ 이하이고, 보다 바람직하게는 5％ 이상 55％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 10％ 이상 50％ 이하라고 생각된다. 이 범위에 있어서, 중공사막 엘리먼트를 구성하는 제1 중공사막과 제2 중공사막의 투과 계수가 동일한 경우(도 6 및 도 7에서 A값 감소율이 0％인 경우)에 비해, 최저 FS 유량을 저감시킬 수 있고, FS 회수율을 향상시킬 수 있다고 생각된다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 본 발명을 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같은 PRO(정침투 발전)에 적용한 경우에 대하여, 최저 FS 유량 및 정미 발전량의 시뮬레이션 계산을 행하였다.
중공사막 모듈에 대하여, 중공사막(제1 중공사막 및 제2 중공사막)의 내경은 135㎛, 외경은 300㎛로 했다. 이 경우, 중공사막의 중공률은 20.25％이다. 제2 중공사막의 투과 계수는 2.18×10-6[㎤/〔㎠·s·(kgf/㎠)〕]으로 하고, 제2 중공사막의 투과 계수에 대한 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율을 0 내지 70％의 범위에서 변화시켰다. 또한, 중공사막 모듈의 유효 길이를 1995㎜로 했다. 그 이외는 실시예 1과 동일한 중공사막 모듈을 사용하는 것을 전제로, 이하의 조건에서의 PRO를 실시하는 경우에 대하여, 최저 FS 유량 및 정미 발전량의 시뮬레이션 계산을 행하였다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로, 복수의 중공사막의 중공부 내에 처리 대상수(FS)를 흐르게 함과 함께, 코어관을 통해 복수의 중공사막의 외측으로 DS를 흐르게 하는 것을 전제로 했다(도 8의 (b) 참조).
도 3 및 도 8을 참조하여, 중공사막(21)의 상류측의 개구부에 연통하는 공급구(11)로부터, FS로서 물을 규정량 공급하고, 중공사막(21)의 하류측의 개구부에 연통하는 배출구(12)로부터 FS를 배출시킨다. FS의 상기 규정량은, 중공사막층을 두께 방향으로 10분할하여 각각의 회수율을 시뮬레이션한 경우에, 10분할된 각 층 중, 코어관에 가장 가까운 층에서의 FS 회수율이 80％로 되도록 설정했다. 그 때문에, FS 공급 유량은, 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율에 따라 변동된다. 한편, 코어관(20)에 연통하는 공급구(10)로부터, DS(농도: 200000ppm)를 30L/분의 유량(인가 압력: 8㎫)으로 공급하고, 코어관(20)의 복수의 구멍(20a)을 통해 중공사막(21)의 외측(3)을 통과시킨 후, 중공사막(21)의 외측(3)에 연통하는 용기(1)의 측면에 배치된 배출구(13)로부터 배출시킨다. 또한, 도 8에 나타나는 NF막(옵션)에 의한 FS의 여과(전처리)는, 본 실시예에서는 행하지 않는 것으로 했다.
최저 FS 유량 및 정미 발전량의 각각의 계산 결과를 도 9 및 도 10에 나타낸다.
도 9 및 도 10에 나타나는 결과로부터, 복수의 제2 중공사막의 투과 계수에 대한 복수의 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율(A값 감소율)은, 바람직하게는 0％ 초과 60％ 이하이고, 보다 바람직하게는 5％ 이상 55％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 10％ 이상 50％ 이하라고 생각된다. 이 범위에 있어서, 최저 FS 유량을 저감시킬 수 있고, FS 회수율을 향상시킬 수 있다는 효과가, 더 확실하게 발휘된다고 생각된다. 또한, 본 발명을 PRO에 적용한 경우에, 정미 발전량을 향상시키는 효과가 기대된다.
(실시예 3-1)
본 실시예에서는, 농도가 다른 3종의 DS(농도: 150000ppm, 200000ppm, 250000ppm)를 사용한 PRO(정침투 발전)에 대하여, 막 투과 유량, 최저 FS 유량 및 정미 발전량의 시뮬레이션 계산을 행하였다.
본 실시예에서는, 제2 중공사막의 투과 계수는 2.18×10-6[㎤/〔㎠·s·(kgf/㎠)〕]으로 하고, 제2 중공사막의 투과 계수에 대한 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율을 0 내지 80％의 범위에서 변화시켰다. 그 이외의 점은 실시예 2와 마찬가지로 하여, 계산을 실시했다.
막 투과 유량, 최저 FS 유량 및 정미 발전량의 각각의 계산 결과를 도 11 내지 도 13에 나타낸다. 즉, 도 11은, 제1 중공사막층의 두께의 비율과, 스케일 생성을 억제할 수 있는 막 투과 유량의 최댓값의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 12는, 제1 중공사막층의 두께의 비율과, 스케일 생성을 억제할 수 있는 최저 FS 유량의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 13은, 제1 중공사막층의 두께의 비율과, 스케일 생성을 억제할 수 있는 최저 FS 유량에서의 정미 발전량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12에 나타나는 결과로부터, 제1 중공사막층의 비율(중공사막 모듈의 반경에 대한 제1 중공사막층의 두께의 비율)이 30％ 이하인 경우에, 제1 중공사막층(중공사막이 낮은 A값을 갖는 내측의 층)의 비율이 증가할수록, 최저 FS 유량이 저감된다고 생각된다. 또한, 제1 중공사막층의 비율을 그 이상 증가시켜도, 최저 FS 유량을 감소시키는 효과는 그다지 증대되지 않는다고 생각된다. 한편, 도 11에 나타난 바와 같이, 제1 중공사막층의 비율이 증가할수록, 중공사막 모듈 전체에서의 투과 유량은 감소되어 버린다. 이들의 관점에서, FS의 회수율을 향상시키기 위해서는, 제1 중공사막층의 비율(중공사막 엘리먼트의 반경에 대한 제1 중공사막층의 두께의 비율)은, 바람직하게는 0％ 초과 30％ 이하이고, 보다 바람직하게는 5％ 이상 25％ 이하이다.
도 13에 나타나는 정미 발전량의 시뮬레이션 결과로부터, 본 발명을 PRO에 적용하는 경우에 있어서, 제1 중공사막층(내측의 층)에 있어서 투과 계수가 낮은 중공사막을 사용함으로써, 정미 발전량이 향상된다고 생각된다. 정미 발전량은, 총 발전량으로부터 발전에 필요한 에너지(DS 및 FS의 공급에 필요한 전력 등)를 뺀 발전량이고, 본 발명에 의해 최저 FS 유량을 저감시킬 수 있기 때문에, 정미 발전량을 향상시킬 수 있다고 생각된다.
(실시예 3-2)
본 실시예에서는, 도 8에 있어서의 옵션의 NF막에 의한 FS의 전처리를 행하는 경우에 대하여, 이 전처리에 필요한 소비 전력을 고려하여(총 발전량으로부터 빼서), 정미 발전량을 계산했다. 그 이외의 점은, 실시예 3과 동일한 조건에서, 정미 발전량(전처리 감안 정미 발전량)의 시뮬레이션 계산을 행하였다. 계산 결과를 도 14에 나타낸다.
도 14에 나타나는 결과로부터, 제1 중공사막층(내측의 층)에 있어서 투과 계수가 낮은 중공사막을 사용함으로써, 제1 중공사막층의 두께의 비율이 30％ 이하인 경우에, 정미 발전량이 증가하는 것을 알 수 있다. 이 증가는, 실시예 3-1(도 13)보다 현저하고, FS의 전처리에 필요한 에너지를 고려하면, 본 발명에 의한 최저 FS 유량의 감소에 의한 정미 발전량의 향상 효과는 더 유익한 효과인 것을 알 수 있다.
또한, 도 12 내지 도 14에 나타나는 결과로부터, DS 인가 압력이 8㎫인 경우에는, DS의 농도가 200000ppm(약 20질량％) 이상이면, 본 발명에 의한 최저 FS 유량의 저감 효과, 정미 발전량의 향상 효과 등이, 더 현저하게 발휘되는 것을 읽어낼 수 있다. 또한, DS 농도가 변화되면, 최적의 DS 인가 압력도 변화된다.
금회 개시된 실시 형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1: 용기
10, 11: 공급구
12, 13: 배출구
14, 15, 51, 52: 벽 부재
20: 코어관
21: 중공사막
21a: 제1 중공사막층
21b: 제2 중공사막층
21c: 제3 중공사막층
211: 제1 중공사막
212: 제2 중공사막
213: 제3 중공사막
23: 교차부
3: 중공사막의 외측
41, 42: 수지벽

Claims (7)

  1. 측면에 복수의 구멍을 갖는 코어관과,
    상기 코어관의 주위에 배치된 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막군과,
    상기 코어관 및 상기 중공사막군을 그것들의 양단에서 고정하는 수지벽을 구비하고,
    상기 코어관 및 상기 복수의 중공사막의 양단이 개구되어 있는, 양단 개구형의 중공사막 엘리먼트이며,
    상기 중공사막군은, 상기 코어관의 주위를 둘러싸도록 배치된 복수의 제1 중공사막으로 구성되는 제1 중공사막층과, 상기 제1 중공사막층의 주위를 둘러싸도록 배치된 복수의 제2 중공사막으로 구성되는 제2 중공사막층을 포함하고,
    상기 복수의 제1 중공사막의 투과 계수는, 상기 복수의 제2 중공사막의 투과 계수보다도 작은 것을 특징으로 하는, 중공사막 엘리먼트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제2 중공사막의 투과 계수에 대한 상기 복수의 제1 중공사막의 투과 계수의 감소율은 0％ 초과 60％ 이하인, 중공사막 엘리먼트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중공사막 엘리먼트는 원주 형상을 갖고, 상기 제1 중공사막층과 상기 제2 중공사막층의 두께의 총합에 대한 상기 제1 중공사막층의 두께의 비율이 0％ 초과 30％ 이하인, 중공사막 엘리먼트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 중공사막은, 서로 교차하도록 상기 코어관의 주위에 나선형으로 권회되어 있는, 중공사막 엘리먼트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 중공사막 엘리먼트와,
    해당 중공사막 엘리먼트가 적어도 1개 장전된 용기를 구비하는, 중공사막 모듈.
  6. 제5항에 기재된 중공사막 모듈을 사용하는 정침투수 처리 방법이며,
    상기 복수의 중공사막의 중공부 내에 물과 물 이외의 성분을 포함하는 처리 대상수를 흐르게 함과 함께, 상기 코어관을 통해 상기 복수의 중공사막의 외측으로 드로우 용질을 포함하는 드로우 용액을 흐르게 함으로써, 상기 처리 대상수 중에 포함되는 물을 상기 복수의 중공사막을 통해 상기 드로우 용액측으로 이동시키는 정침투 공정을 포함하는, 정침투수 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 드로우 용액의 농도가 7질량％ 이상인, 정침투수 처리 방법.
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