KR20030003833A - Maintenance of membranes by prefiltration at high pressure and by cleaning their microstructures with supercritical fluids - Google Patents

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KR20030003833A
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Abstract

PURPOSE: A maintenance of membranes by prefiltration at high pressure and by cleaning their microstructures with supercritical fluids is provided, in which contamination of main separation membrane is minimized by cleaning the pre-treatment filtration media, with the cleaning being conducted by stabilizing and forcibly adsorbing the hydrophilic or hydrophobic contaminants at high pressure of 2 to 20 atm higher than the saturation pressure of bubble. And the regeneration of main separation membrane is conducted within a shortened time by washing the surface and pore inside of the separation membrane by using supercritical fluids without any restrictions of sort, figure, process concerning with the separation membrane. CONSTITUTION: The method comprises two steps of minimizing contamination of the pre-treatment separation membrane and regeneration performance of the main separation membrane. The minimization method comprises stabilizing the subject material to separate at a state of 2 to 20 atm higher than the saturation pressure of bubble at the pre-treatment filter media consisting of the same separation membrane or similar material from the hydrophilic or hydrophobic point of view followed by forcible adsorption. The regeneration method of performance of the separation membrane comprises washing the surface and pore inside of the separation membrane by using supercritical fluid of supercritical carbon dioxide or reformed supercritical fluid reformed by methanol, ethanol, and isopropanol followed by drying.

Description

고압 전처리와 초임계 유체 세정에 의한 분리막 성능의 유지 및 복원방법{Maintenance of membranes by prefiltration at high pressure and by cleaning their microstructures with supercritical fluids}Maintenance of membranes by prefiltration at high pressure and by cleaning their microstructures with supercritical fluids}

본 발명은 고압 전처리와 초임계 유체 세정에 의한 분리막 성능의 유지 및 복원방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막분리 공정에서 발생하는 분리막의 오염과 성능 저하의 문제점을 해결하기 위하여, 고압하에 전처리 여과를 거쳐 오염물을 사전에 제거하는 방법과, 특수한 물성을 갖는 세정제를 사용하여 오염된 분리막을 재생하는 방법에 관한 것이다. 전처리 여과 방법에서는 주 분리막과 동일한 재질이거나, 친수ㆍ소수성 측면에서 유사한 재질로 구성된 전처리 여과 장치에서 일정 압력으로 가압함으로써, 오염 물질을 능동 흡착하여 주 분리막의 오염 가능성을 최소화할 수 있다. 그리고, 오염된 분리막은 초임계 유체 또는 개질된 초임계 유체를 이용하여 수분 이내의 짧은 시간에 세척함으로써, 분리막의 구조형태학적 변형을 최소화하면서 분리막의 선택적 분리 효율과 처리 용량이 복원될 수 있으며, 오염되어 해체된 분리막 뿐만 아니라 분리막이 설치된 막모듈 단위로도 적용이 가능하다. 따라서, 본 발명은 막분리 공정의 효율을 초기 상태와 같이 장기간 유지할 수 있게 하고, 분리막의 교체 주기를 연장할 수 있게 하여 막분리 공정의 경제성과 실용성을 향상시킬 수 있는 새로운 개념의 분리막 성능의 유지 및 복원방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for maintaining and restoring membrane performance by high pressure pretreatment and supercritical fluid cleaning, and more particularly, in order to solve the problems of fouling and performance degradation of the membrane generated in the membrane separation process, pretreatment filtration under high pressure. The present invention relates to a method for removing contaminants in advance and a method for regenerating a contaminated separator using a cleaning agent having special physical properties. In the pretreatment filtration method, by pressurizing at a predetermined pressure in a pretreatment filtration device composed of the same material as the main separation membrane or a material similar in hydrophilicity and hydrophobicity, the possibility of contamination of the main separation membrane can be minimized by actively adsorbing contaminants. In addition, the contaminated membrane is washed in a short time using a supercritical fluid or a modified supercritical fluid within a short time, thereby minimizing the structural morphological deformation of the membrane, and thus the selective separation efficiency and treatment capacity of the membrane can be restored. It can be applied not only to the membrane that has been decontaminated and contaminated, but also to the membrane module unit where the membrane is installed. Therefore, the present invention can maintain the efficiency of the membrane separation process as long as the initial state, and to maintain the membrane performance of a new concept that can extend the replacement cycle of the membrane to improve the economics and practicality of the membrane separation process And a restoration method.

분리막은 정수, 폐수 처리, 해수 담수화, 화학 공정 중의 분리 정제 공정 및 식품의 농축 가공 공정 등에서 단독으로 또는 하이브리드 형태로 널리 활용되고 있으며, 분리 대상 물질들의 분자 또는 회합체의 크기, 분리막과의 물리적 상호작용, 분리막과의 화학적 상호작용, 증기압과 같은 물리적, 화학적 특성의 차이를 활용하여 분리가 일어나게 된다. 최근에는 분리막이 복합화되고, 다층 구조를 갖게 하거나, 불균질 특성을 부여하는 등 구조 형태학적으로 복잡화되는 경향이 있고, 또한 분리막 공정도 적용 분야 측면에서 점차 다양화되고, 규모면에서도 대형화되는 추세에 있다. 다양한 분리 기전을 활용하는 분리막들이 출현하고 적용되고 있으나, 기본적으로 분리막들은 분리막의 세공 구조 특성과 분리막 재질의 소수성 또는 친수성의 물리화학적 특성 측면에서 대별할 수 있다. 분리막의 세공은 1 ㎛ 이하에서부터 수십 ㎛에 이르기까지 다양하며, 세공이 막 증류(membrane distillation) 용도의 소수성 막과 같이 미세공 형태로 양방향으로 열린 구조로 연결된 경우와 투과증발(pervaporation) 용도의 분리막과 같이 주름 형태로 표면적을 발달시킨 일차측(원료 공급측)으로만 미세공이 열려져 있는 경우로 나눌 수 있다. 분리막 재질도 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVdF) 등의 소수성 재질로부터 폴리비닐알콜(PVA), 초산셀룰로오즈(cellulose acetate), 알긴산소다(sodium alginate) 및 키토산(chitosan) 등의 가교물들 그리고 이온교환수지막과 같은 친수성 재질 등으로 매우 다양하다.Membranes are widely used alone or in hybrid form in water purification, wastewater treatment, seawater desalination, separation and purification processes in chemical processes, and concentrated food processing processes, and the size of molecules or associations of substances to be separated and their physical interaction with the membrane. Separation takes place by exploiting differences in physical and chemical properties such as action, chemical interaction with the membrane, and vapor pressure. Recently, the membrane tends to be complicated by structural morphology, such as complex, multi-layered structure, or endowed with heterogeneous characteristics. Also, the membrane process is gradually diversified in terms of application field, and in size. have. Although membranes utilizing various separation mechanisms have emerged and are being applied, basically, membranes can be classified in terms of pore structure characteristics of the membrane and the physicochemical characteristics of the hydrophobicity or hydrophilicity of the membrane material. The pores of the membrane vary from less than 1 μm to several tens of μm, and the pores are connected in an open structure bidirectionally in the form of micropores, such as hydrophobic membranes for membrane distillation, and membranes for pervaporation. It can be divided into the case where the micropores are opened only to the primary side (raw material supply side) that developed the surface area in the form of wrinkles as follows. The membrane material is also made of polyvinyl alcohol (PVA), cellulose acetate, and sodium alginate from hydrophobic materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene (PP), and polyvinylidene difluoride (PVdF). crosslinked products such as alginate) and chitosan, and hydrophilic materials such as ion exchange resin membranes.

이러한 분리막들을 사용하는 막분리 공정은 운전 조건이 매우 엄격하여, 분리막에 공급되는 분리 대상 혼합물의 규격이 일정 범위 안에서 통제되어야 한다. 그 결과로 부수적인 많은 전처리 단위 공정들이 필요하게 되며, 분리막 모듈 자체에도 이러한 막의 기능 저하에 대처할 수단을 보조적으로 확보할 수 있도록 설계된다. 일반적으로 예비여과장치(prefilter) 등과 같은 전처리 방법과 역세척(back-flushing) 방법 등이 혼용되는 형식으로 분리 시스템이 구축되고 활용된다. 그럼에도 불구하고, 분리막의 오염과 이로 인한 분리 효율의 저하, 처리 용량의 감소 등의 문제가 상존하며, 이로 인하여 분리막의 적용 영역이 제한되어 확장되지 못하고 있으며, 분리막의 사용 수명이 해당 분리 공정의 경제성과 실용성을 좌우하는 것이 일반적이다. 실제로 운전되는 막분리 공정 시스템에서 막모듈의 교체 주기는 막모듈 공급자가 제공하는 성능 곡선(performance curve)을 기준으로 하여 결정되는데, 예를 들어 플럭스(flux) 초기값을 기준으로 70 %에 도달하면 교체하든지 또는 역세척과 같은 재생 절차를 수행하게 된다. 한편 단순한 역세척 조작만으로 초기 성능으로 완전 복귀하는 것이 매우 어려우므로, 점차 분리막의 기능을 상실하여 궁극적으로 사용된 분리막을 폐기하고, 새로운 막으로 교체하여야 한다. 이러한 막의 사용 주기는 짧을 경우 수개월에서 길어야 2 ∼ 3년의 경우가 대부분인 것으로 알려져 있다.Membrane separation process using these membranes is very strict operation conditions, the specification of the mixture to be supplied to the membrane within a certain range must be controlled. As a result, many additional pretreatment unit processes are required, and the membrane module itself is designed to assist in securing a means to cope with the degradation of the membrane. In general, a separation system is constructed and utilized in a form in which pretreatment methods such as prefilter and back-flushing methods are mixed. Nevertheless, there are problems such as contamination of the membrane, deterioration of separation efficiency, reduction of treatment capacity, and the like, thereby limiting the application area of the membrane and preventing expansion thereof, and improving the service life of the membrane. And the practicality is generally determined. In a real membrane separation system, membrane module replacement cycles are determined based on the performance curve provided by the membrane module supplier. For example, when 70% of the initial flux is reached, Replace or perform a regeneration procedure such as backwash. On the other hand, it is very difficult to completely return to the initial performance only by simple backwashing operation, and thus gradually lose the function of the separator and ultimately discard the used membrane and replace it with a new membrane. It is known that the use cycle of these membranes is short for several months to long for two to three years.

사용된 분리막의 재생 과정은, 이온교환 막과 같은 특별한 목적의 막의 경우에는 화학적 치환 조작 등이 행하여지기도 하지만, 대부분 물리적인 역세척 과정으로 국한된다. 이러한 분리막의 효율을 회복시키는 방법은 실제로 분리막 모듈의 해체 과정 없이 유로와 흐름 방향의 변경을 통하여 직접적으로 이루어지며, 이탈된 오염 물질은 분리계에서 제거되지 않고 일차측에 잔류하게 된다. 따라서 분리막의 분리 효율을 저해하는 오염성 물질들이 재흡착할 가능성이 높으며 동일한 분리 효율 저하 현상이 재발하게 된다. 그리고, 분리 대상 혼합물 중의 특정 성분이 막의 형태학적 특성들(morphological properties)에 영향을 미쳐, 역세척과 같은 물리적인 방법으로 회복할 수 없는 비가역적인 변화를 일으키기도 한다. 고분자성 분리막의 경우에는 비정질 영역(amorphous domain)과 결정성 영역(crystalline domain)이 적절하게 혼재되어 있으며, 탄성 비정질 영역을 통하여 분리 목표 물질의 선택적인 침투(penetration) 또는 확산(diffusion)이 일어남으로써 분리가 일어나게 된다. 그러나, 투과증발(pervaporation)의 예에서와 같이, 용질이 분리막 기질에 증착하여 가소화 과정이 진행되면 유연성이 있는 비정질 영역이 결정성 영역과 같이 단단하게 변성되어 유리전이 온도(glass transition temperature)가 상승하는 등의 형태학적 변성 과정이 진행될 수 있다. 이러한 경우, 역세척과 같은 통상적인 재생 방법이 적용될 수 없고, 분리막을 교체하여야 한다. 막 증류(membrane distillation)에 사용되는 소수성 분리막의 경우에도 2 ∼ 5 ㎛의 기공 범위를 갖는 미세공 내에 비활성 분리 매체로서 공기 층이 존재하여야 하며, 미세공 내에 메니스커스(meniscus)가 형성되어야 온도 차이에 의하여유발된 증발과 응축에 의하여 분리 기능이 발휘된다. 만일, 분리막 양단의 압력 균형이 파괴되어, 미세공 내에서 증기압이 낮은 액체가 응축되거나, 비휘발성 소수성 물질로 오염되어 미세 기공이 막힐 경우, 그 분리능을 상실하게 된다. 위와 같은 범위의 미세공들을 갖는 분리막들은 역세척을 적용하기 매우 어려우며, 특히 압력 균형을 깨지 않고 역세척할 수 없으므로, 통상적인 역세척 수단으로 미세공을 원상 회복할 수 없다. 또한 막 표면과 미세공 내에 존재하는 오염물에 따라 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)의 정도가 달라지며, 이러한 상호작용이 매우 큰 경우에는 액상 세척 매질을 이용하여 장시간 세척하여도 제거하기 어려운 경우도 있다. 미세여과(microfiltration) 분리막의 경우에는 역세척 방법이 효능을 발휘할 수 있지만, 분리 대상 혼합물의 조성이 넓은 범위에서 변화할 경우에는 막의 오염이 심각하여질 수 있고, 그 사용 수명이 단축되게 된다. 최근에는 미세여과막을 유체 흐름의 방향에 따라 자기 조립과 해체가 가능한 사슬(chain)식 미세여과(microfiltration) 기술도 개발되고 있으나, 분리막의 선택적인 분리 특성이 취약해지는 단점을 가지고 있으며, 실제 적용 범위가 매우 제한적이다. 위와 같이 여러 형태로 적용되고 있는 기존의 역세척 방법은 세척 매질의 불량한 물질전달 특성과 세척 매질에 대한 낮은 용해도(solubility) 또는 분배계수(partition coefficient)에 의하여 침투와 세척 시간이 길어지게 되어 정상적인 막분리 조작 시간이 단축되고, 결과적으로 설계 용량에 비하여 처리 용량이 감소되게 된다.The regeneration process of the separation membrane used is mostly limited to physical backwashing, although a chemical substitution operation may be performed in the case of a special purpose membrane such as an ion exchange membrane. This method of recovering the efficiency of the membrane is actually made directly through the change of the flow path and flow direction without disassembly of the membrane module, and the separated contaminants remain on the primary side without being removed from the separator. Therefore, there is a high possibility of re-adsorption of contaminants that hinder the separation efficiency of the separation membrane, and the same separation efficiency degradation phenomenon will recur. In addition, certain components in the mixture to be separated affect the morphological properties of the membrane, causing irreversible changes that cannot be recovered by physical methods such as backwashing. In the case of the polymer membrane, the amorphous domain and the crystalline domain are properly mixed, and selective penetration or diffusion of the separation target material occurs through the elastic amorphous region. Separation will occur. However, as in the example of pervaporation, when the solute is deposited on the membrane substrate and the plasticization process proceeds, the flexible amorphous region is hardly deformed like the crystalline region, so that the glass transition temperature is increased. Morphological modification processes, such as rising, can proceed. In this case, conventional regeneration methods such as backwashing cannot be applied and the separator must be replaced. In the case of hydrophobic membranes used for membrane distillation, an air layer must exist as an inert separation medium in the micropores having a pore range of 2 to 5 μm, and a meniscus must be formed in the micropores. Separation is achieved by evaporation and condensation induced by the difference. If the pressure balance at both ends of the membrane is broken and the liquid having low vapor pressure condenses in the micropores or is contaminated with non-volatile hydrophobic material and the micropores are blocked, the separation ability is lost. Separators having a range of micropores in the above range is very difficult to apply backwashing, and in particular, since the backwashing cannot be performed without breaking the pressure balance, the micropores cannot be restored to their original state by conventional backwashing means. In addition, the degree of hydrophobic interaction varies depending on the contaminants present in the membrane surface and the micropores, and in the case where such interaction is very large, it may be difficult to remove even after long-term washing using a liquid washing medium. In the case of microfiltration membranes, the backwashing method may be effective, but when the composition of the mixture to be separated is changed in a wide range, contamination of the membrane may be serious and its service life may be shortened. Recently, a chain type microfiltration technology capable of self-assembling and disassembling the microfiltration membrane according to the direction of fluid flow has also been developed, but has a disadvantage in that the selective separation characteristics of the membrane are weak. Is very limited. Conventional backwashing methods, which have been applied in various forms as described above, have a long membrane penetration due to the poor material transfer characteristics of the washing medium and low solubility or partition coefficient of the washing medium. The separation operation time is shortened, and as a result, the processing capacity is reduced compared to the design capacity.

일반적으로 분리막의 표면은 소수성 또는 친수성 재질로 기능화되어 있으며,분리막의 세공 내에는 많은 주름과 미세공 구조들이 잘 발달되어 있다. 분리막은 특수한 분리 목적을 위하여 기능이 서로 다른 재질들에 의해 적층 구조 형태로 만들어지기도 하며, 복합막 형태로 제조되기도 한다. 막 표면의 세공 입구와 세공 내부는 분리가 일어나는 선택적 상호작용이 가능하도록 기질적으로 기능화되어 있으며, 분리 선택성이 유지되기 위해서는 표면 상태 또는 세공내 계면 상태를 청결히 유지하여야 하며, 분리 대상 물질과 기질 사이의 비가역적인 물리화학적 변화가 막의 기능에 손상을 유발하지 않도록 최소화되어야 한다. 대부분의 막분리 공정에서 막분리 공정 이전의 유수 분리 또는 증기상 응축 과정에서 에멀젼(emulsion)과 같은 분산상(dispersed phase)의 출현 또는 미스트(mist) 형태의 비말동반(entraintment) 혼입에 의하여 이러한 변화를 일으킬 수 있는 물질들이 혼입될 가능성이 상존하게 된다. 따라서, 분리막의 기능유지 조작을 위하여 가능한 오염물들의 종류와 혼입 성상 및 오염 부하, 그리고 주요 오염 위치를 예측하는 것이 필수적이고, 분리막 내부의 구조적 특징과 기질의 물리화학적 특성을 이해하여 주된 오염 부위를 파악하는 것이 필요하다. 분리막의 기계적 특징은 분리막 지지체(support)를 포함한 분리막 기질의 결정성 영역과 비정질 영역에 대한 미세 구조 분포에 의하여 결정되며, 이러한 형태학적 특성들(morphological properties)은 막의 유지, 세척 과정에서 그 변화가 최소화되어야 한다. 이때, 분리막은 막분리 공정의 특징과 오염 부하의 정도에 따라 분리막 모듈을 해체하지 않고 재생하거나, 모듈을 완전 해체하여 이탈시킨 분리막만을 대상으로 별도의 막재생 설비를 이용하여 재생한 후 재조립, 설치하여 사용할 수 있다.In general, the surface of the separator is functionalized with a hydrophobic or hydrophilic material, and many wrinkles and fine pore structures are well developed in the pores of the separator. The separator may be made in the form of a laminated structure by different materials for a special separation purpose, or may be manufactured in the form of a composite membrane. The pore inlet and the pore interior of the membrane surface are functionally functionalized to allow selective interactions in which separation occurs, and in order to maintain separation selectivity, the surface state or interfacial interface state must be kept clean, The irreversible physicochemical change of s should be minimized to avoid damaging the membrane's function. In most membrane separation processes, these changes are caused by the appearance of a dispersed phase, such as an emulsion, or by the incorporation of a mist-like entraintment during the oil-separation or vapor phase condensation prior to the membrane separation process. There is always the possibility of incorporation of substances that can be produced. Therefore, it is essential to predict possible types of contaminants, mixing characteristics, contamination loads, and major contaminant positions for the function maintenance of the membrane, and identify the major contaminated sites by understanding the structural characteristics and the physicochemical characteristics of the substrate. It is necessary to do The mechanical properties of the membrane are determined by the distribution of microstructures in the crystalline and amorphous regions of the membrane substrate, including the membrane support, and these morphological properties change with the maintenance and cleaning of the membrane. Should be minimized. At this time, the membrane may be regenerated without dismantling the membrane module according to the characteristics of the membrane separation process and the degree of contamination load, or may be reassembled after regenerating by using a separate membrane regeneration facility for only the membrane separated and dismantled completely Can be installed and used.

일반적으로 분리막 모듈은 평막 모듈, 중공사막 모듈, 나권형막 모듈 등으로 분류할 수 있으며, 모듈 형태는 분리막에서의 플럭스의 정도, 분극화 현상의 발생 정도, 막분리 메커니즘에 따라 다르게 선택된다. 대부분의 나권형 또는 중공사막 모듈은 절대 압력으로 10기압 내외의 저압 또는 진공 상태에서 운전되도록 설계되어 있다. 이에 비하여 평막 모듈은 넓은 범위의 온도와 압력에서, 국부적으로 그리고 가변적으로 조절하는 것이 용이하며, 나권형이나 중공사막 모듈과 달리, 조립된 모듈 단위로 세정, 재생할 수 있도록 모듈을 설계할 수 있다. 막 증류의 경우에는 분리의 구동력이 되는 증발과 응축에 대한 온도 차이가 분리막 양면에 인가되어야 하며, 삼투 증류(osmotic distillation)에 의한 기여를 상쇄시키고도 남는 증기압의 차이가 막 세공을 거쳐 현저하게 존재하도록 하여야 한다. 이러한 목적을 쉽게 달성하기 위해서는 분리막을 통한 열전달이 최소화되어야 하며, 국부적인 정교한 온도 제어가 가능하여야 한다. 또한 일차측인 원료 공급측과 이차측인 분리후단 측의 균일한 온도 유지를 위하여 적절한 혼합 수단이 필요하며, 이를 위하여 기계적인 강제 교반이나 강한 난류 혼합 흐름이 유발되도록 그리드(grid) 형태의 막표면 떠는 막지지체 표면에 근접하여 유동 장애물을 설치하기도 한다. 막 증류의 경우에는 막 세공내 건조 상태를 유지하기 위하여, 액체 혼합물의 침투가 없도록 막간 차압(differential pressure)이 무시할 만큼 작아야 하며, 허용 차압 이상의 막간 차압이 인가될 경우, 미세공 내의 기포의 제거로 인하여 분리 기능이 상실된다. 따라서 이러한 막 증류용 평막을 재생하는 과정에서 막 양면의 압력 균형의 유지가 필요하며, 미세공내 응축성 잔류물을 효율적으로제거할 수 있어야 한다. 이 과정에서, 분리막 기질의 기계적 손상과 팽윤 현상과 같은 형태학적 변형이 최소화 되도록, 구조 변형이 일어나는 특성 시간보다 더 짧은 접촉 시간 내에 세정 재생 과정이 완료되어야 하고, 세정 매체는 그 용해력과 물리화학적 특징이 폭넓게 조절(tuning)되어야 한다. 그리고, 미세공 내부 구조를 건조 상태로 회복하기 위하여, 미세공 내부를 적시고 있는 액체를 효율적으로 제거하고 건조시킬 수 있는 수단이 필요하다.In general, the membrane module can be classified into a flat membrane module, hollow fiber membrane module, spiral wound membrane module, etc., the module type is selected according to the degree of flux in the membrane, the degree of polarization phenomenon, the membrane separation mechanism. Most spiral wound or hollow fiber membrane modules are designed to operate at low or vacuum conditions of around 10 atm. In contrast, the flat membrane module can be easily adjusted locally and variably in a wide range of temperature and pressure, and unlike the spiral wound or hollow fiber membrane module, the module can be designed to be cleaned and regenerated in an assembled module unit. In the case of membrane distillation, the temperature difference for evaporation and condensation, which is the driving force of the separation, must be applied to both sides of the membrane, and there is a significant difference in the vapor pressure through the membrane pores that offsets the contribution by osmotic distillation. It should be done. In order to achieve this goal easily, heat transfer through the membrane should be minimized and local sophisticated temperature control should be possible. In addition, proper mixing means are required to maintain uniform temperature between the raw material supply side, which is the primary side, and the rear end side, which is the secondary side. Flow obstructions may be provided in close proximity to the membrane support surface. In the case of membrane distillation, in order to maintain the dry state in the membrane pore, the differential pressure must be negligibly small so that there is no penetration of the liquid mixture, and when the interlayer differential pressure above the allowable differential pressure is applied, This results in loss of separation. Therefore, in the process of regenerating the membrane for distillation of the membrane, it is necessary to maintain the pressure balance of both sides of the membrane, and be able to efficiently remove condensable residues in the micropores. In this process, the cleaning regeneration process must be completed within a shorter contact time than the characteristic time at which structural deformation occurs, so that morphological deformation such as mechanical damage and swelling of the membrane substrate is minimized, and the cleaning medium has its solvent and physicochemical characteristics. This should be tuned broadly. In order to restore the micropore internal structure to a dry state, a means for efficiently removing and drying the liquid moistened inside the micropore is required.

본 발명에서는 막분리 공정에 사용되는 분리막의 분리 성능 유지 조작을 통하여 막의 사용 수명을 연장하고, 이를 통하여 막분리 공정의 경제성과 효율성을 향상시키고자 연구하였다. 이를 위하여 막의 오염을 원천적으로 최소화할 수 있는 예비여과(prefiltration) 방법을 제안하고자 한다. 또한, 물질전달 특성이 좋고, 광범위한 오염물들에 대하여 용해도를 쉽게 제고시킬 수 있는 세척 매질을 사용하여 신속하게 미세공에 침투시키고, 단시간의 단일 조작으로 우수한 세척 능력을 갖게 하여 막의 초기특성에 가까운 성능을 회복하는 기술적인 수단을 제안하고자 한다. 특히, 막 증류용 분리막과 같이 분리막내 세공 특성이 매우 엄격히 유지되어야 하고 건조 세공 상태를 유지하여야 하는 경우와, 막 표면내 소수성 유기 오염물의 흡착에 의한 세공 입구의 막힘 현상에 의한 플럭스 등의 기능 저하가 심각한 경우에 대하여 신속하고 신뢰성 있는 막 세정 재생 및 건조 기술을 제공하고자 한다.In the present invention, to extend the service life of the membrane through the operation to maintain the separation performance of the membrane used in the membrane separation process, the study to improve the economics and efficiency of the membrane separation process. To this end, we propose a prefiltration method that can minimize membrane contamination. In addition, it has good material transfer characteristics, quickly penetrates micropores using a cleaning medium that can easily increase solubility against a wide range of contaminants, and has excellent cleaning ability with a single operation in a short time. I would like to propose a technical means to recover. In particular, when the pore characteristics in the membrane must be maintained very strictly and dry pore state, such as membrane distillation membrane, and the function such as flux due to clogging of pore inlet by adsorption of hydrophobic organic contaminants on the membrane surface It is intended to provide rapid and reliable membrane cleaning regeneration and drying techniques for severe cases.

본 발명은 막분리 공정의 전처리 여과에 있어서,The present invention in the pre-treatment filtration of the membrane separation process,

분리막과 동일하거나 친수ㆍ소수성 측면에서 유사한 재질로 이루어진 전처리 여과 매체에서 분리 대상 물질을 고압(high pressure) 상태로 안정화하고, 강제 흡착 처리하여 분리막의 오염을 최소화하는 방법을 특징으로 한다.In the pretreatment filtration medium made of the same material as the separator or similar in hydrophilicity and hydrophobicity, the material to be separated is stabilized at a high pressure, and forced adsorption treatment is performed to minimize contamination of the separator.

또한, 본 발명은 분리막을 세정하여 분리 기능을 복원하는 방법에 있어서,In addition, the present invention is a method for cleaning the separation membrane to restore the separation function,

초임계 유체 또는 개질된 초임계 유체를 사용하여 오염된 분리막의 표면과 세공 내부를 세정 및 건조하여 분리막 성능을 복원하는 방법을 또 다른 특징으로 한다.Another feature is a method of restoring separator performance by cleaning and drying the surfaces of contaminated separators and the interior of pores using a supercritical fluid or a modified supercritical fluid.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.

먼저, 본 발명에 따른 고압 전처리 여과 방법을 설명하겠는바, 이 방법은 분리하고자 하는 물질을 여과 장치에 넣고 높은 압력을 걸어 줌으로써, 분리하고자 하는 물질을 여과 매체에 강제 흡착하는 원리이다. 이때, 사용될 수 있는 여과 매체는 분리막과 동일한 재질을 사용하거나, 친수ㆍ소수성 측면에서 유사한 재질이 바람직하다. 즉, 분리막이 친수성이면 전처리 여과에 사용하는 매체의 재질도 친수성인 것이 바람직하며, 마찬가지로 분리막이 소수성인 경우에는 매체는 소수성의 재질을 선택 사용함이 좋다. 상기 압력은 혼합물의 압력-조성(P-x)의 상 다이아그램(phase diagram)에서 버블(bubble) 포화 압력(saturation pressure)보다 2∼ 20 atm 만큼 높은 압력 범위로 조절하는 것이 좋다. 만일 포화 압력보다 압력이 충분히 높지 않으면, 유체 혼합물의 상 안정성(phase stability)이 떨어져 기포가 발생하여, 예비 여과 매질과 접촉성이 나빠서 포집되지 않고 쉽게 통과할 수 있으며, 가압에 의한 강제 흡착 제거 효과가 떨어진다. 그러나, 압력을 필요 이상으로 너무 높이는 것은, 분리 시스템의 제작, 운전 비용 측면에서 바람직하지 못한 것이 분명하며, 상기와 같은 가압에 의한 유동상의 안정화와 강제 흡착 제거 효과는 시스템의 압력이 포화 증기압에 비하여 20 atm 정도 높으면 거의 대부분의 경우 충분하다.First, the high pressure pretreatment filtration method according to the present invention will be described. This method is a principle of forcibly adsorbing a substance to be separated to a filtration medium by putting a substance to be separated into a filtration apparatus and applying a high pressure. In this case, the filter medium that can be used is the same material as the separator, or a similar material in terms of hydrophilicity and hydrophobicity is preferable. That is, if the separator is hydrophilic, the material of the medium used for pretreatment filtration is preferably hydrophilic. Similarly, if the separator is hydrophobic, it is preferable to use a hydrophobic material. The pressure is preferably adjusted to a pressure range of 2-20 atm higher than the bubble saturation pressure in the phase diagram of the pressure-composition (P-x) of the mixture. If the pressure is not higher than the saturation pressure, the phase stability of the fluid mixture is poor, bubbles are generated, and the contact with the preliminary filtration medium is poor and can easily pass through without being collected, and the forced adsorption removal effect by pressurization Falls. However, increasing the pressure too much more than necessary is obviously undesirable in terms of manufacturing and operating costs of the separation system, and the effect of stabilization and forced adsorption removal of the fluidized bed by the pressurization is that the pressure of the system is higher than that of saturated vapor pressure. A high 20 atm should suffice in most cases.

막모듈의 일차측에 혼입되는 오염원은 우선 전처리 여과장치(prefilter)에서 그 대부분이 제거되는 것이 바람직하다. 분리막에 대한 잠재적인 오염원은 그 종류와 성상 면에서 매우 다양하지만, 분리막에 대한 비가역적 흡착과 형태 구조학적인 변형의 경우가 가장 심각하게 고려되어야 한다. 따라서, 분리막의 재질과 동일한 재질이 포함된 전처리 여과 매체를 활용하는 것이 가장 효율적이다. 그러나, 그 사용 수명과 교체 비용을 고려하여, 여과 매체의 세공 및 표면 특성 등을 까다롭게 요구하지 않는 것이 실제적이다. 본 발명에서는 분리막의 재질과 친수성 또는 소수성 측면에서 매우 유사한 재질을 선택하여 전처리 여과장치를 구성하고, 운전 조건을 인위적으로 혹심하게 조절함으로써, 오염 물질의 포집 효율을 증가시킬 수 있다.It is preferable that most of the contaminants incorporated into the primary side of the membrane module are first removed in a prefilter. The potential sources of contamination for the membranes vary greatly in type and nature, but the case of irreversible adsorption and morphological structural modifications to the membrane should be considered most seriously. Therefore, it is most efficient to utilize a pretreatment filtration medium containing the same material as that of the separator. However, in consideration of its service life and replacement cost, it is practical not to demand the pore and surface properties of the filtration medium. In the present invention, by selecting a material very similar to the material of the separator in terms of hydrophilicity or hydrophobicity to configure the pretreatment filtration apparatus, and artificially harshly controlling the operating conditions, it is possible to increase the collection efficiency of contaminants.

반응기의 증기상 응축물을 분리하고자 하는 반응기와 연동된 막분리 공정에서, 일차측에 공급되는 응축물 중에는 비말동반 액체로부터 오염 물질이 혼입될 수있다. 반대로, 부분 응축기(partial condenser)를 사용하는 경우에는, 응축액(condensed liquid)의 버블 온도(bubble point)의 기-액 포화 상태에 근접하여 전처리 여과기의 공정 조건의 요동(fluctuation)과 여과 매체에서의 복잡한 유동 거동에 의하여 포집할 오염 물질이 기화되어 쉽게 통과됨으로써 처리 효과가 반감되는 경우가 많다. 이러한 경우, 전처리 여과 과정을 가압 상태에서 액상을 안정화시키고 가역적 또는 비가역적 흡착을 촉진함으로써, 처리 효율과 신뢰성을 제고할 수 있다.In the membrane separation process associated with the reactor to which the vapor phase condensate of the reactor is to be separated, contaminants may be incorporated from the entrained liquid in the condensate supplied to the primary side. Conversely, in the case of using a partial condenser, fluctuations in the process conditions of the pretreatment filter and in the filtration media are approaching the gas-liquid saturation of the bubble point of the condensed liquid. Due to the complex flow behavior, contaminants to be collected are often vaporized and easily passed through, thus reducing the treatment effect. In this case, the pretreatment filtration process can stabilize the liquid phase under pressure and promote reversible or irreversible adsorption, thereby improving treatment efficiency and reliability.

또한, 본 발명에 따른 초임계 유체 세정 방법을 설명하겠는바, 이 방법은 물질전달 특성 등이 우수한 초임계 유체를 사용하여 오염된 분리막의 표면과 세공 내부를 신속하게 세척하는 것이다.In addition, the supercritical fluid cleaning method according to the present invention will be described. This method uses a supercritical fluid having excellent material transfer properties and the like to quickly clean the surface of the contaminated membrane and the inside of the pores.

어떤 물질의 초임계 유체(supercritical fluid) 상태는 그 물질 고유의 임계 온도(critical temperature), 임계 압력(critical pressure) 이상의 온도와 압력 조건에서 가지는 열역학적으로 안정한 상태를 말한다. 초임계 유체는 압축성 유체로서, 온도와 압력의 조건 변화에 따라 그 밀도가 큰 폭으로 변화될 수 있으며, 초임계 유체 매질의 특성은 위와 같이 거시적인 공정 변수의 조작에 의하여, 마치 전혀 다른 용매 또는 매질을 교체하여 적용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있을 만큼, 폭넓은 범위에서 연속적으로 물성 변화를 유도하고 제어할 수 있다. 초임계 유체는 미세공이 있는 다공체(porous medium)에 대한 침투력이 양호하여 천연 화합물의 초임계 유체 추출과 같은 공정 용매로 사용되기도 하며, 제어 가능한용해도를 이용하여 나노 입자(nano particle)를 제조하는 데 사용하기도 하고, 훌륭한 침투력과 용해력을 바탕으로 반도체 소재, 전자부품, 정밀기계부품의 세정 매질로 사용하기도 한다. 초임계 유체 내에서 유기합성 반응을 일으켜 반응속도론적인 이득과 반응 수율면에서의 이점을 취할 수 있으며, 예를 들어 초임계수 산화 기술에서 산화제와 유기오염물과 같이 서로 섞이지 않는 물질들을 초임계 유체 매질에 가용화시켜 폐기물 또는 폐수를 신속하고 완전하게 산화 분해할 수도 있다. 기체와 액체 사이에 상변화가 일어나는 경우, 일반적으로 계면(interface)이 존재하는 불연속적인 상공존 곡선(coexistence curve)을 통과하여 상전이가 일어나게 되는데, 초임계 유체 영역을 경유하여 기체 상태와 액체 상태 사이의 상변화를 유도하면 불연속적인 계면의 출현이 없이, 양방향으로 연속적이고 점차적인 상전이를 일으킬 수 있다. 본 발명에서는 초임계 유체의 이러한 특징을 이용하여, 기계적 강도가 매우 약한 다공성 매체의 세척 과정에서 세공내 응축상(condensed phase)에 의한 모세관력(capillary force)을 극복하여, 구조의 붕괴와 변형을 일으키지 않고 미세공 내에 존재하는 목표 물질을 제거할 수 있는 것이다.The supercritical fluid state of a substance refers to the thermodynamically stable state of the material at its critical temperature, at critical temperatures and above its pressure. Supercritical fluids are compressible fluids, whose density can vary significantly with changes in conditions of temperature and pressure, and the properties of the supercritical fluid medium can be characterized by the manipulation of macroscopic process variables, It is possible to induce and control the change in physical properties continuously in a wide range so as to obtain the same effect as changing the medium. Supercritical fluids can be used as process solvents such as supercritical fluid extraction of natural compounds due to their good permeability to porous media with micropores, and are also used to produce nanoparticles using controllable solubility. It is used as a cleaning medium for semiconductor materials, electronic parts, and precision machine parts based on its excellent penetration and dissolving power. Organic synthesis reactions can occur in supercritical fluids to take advantage of kinetic gains and reaction yields.For example, in supercritical water oxidation technology, materials that do not mix with each other, such as oxidants and organic contaminants, are added to the supercritical fluid medium. Solubilization can also quickly and completely oxidize the waste or wastewater. When a phase change occurs between a gas and a liquid, a phase transition generally occurs through a discontinuous coexistence curve where an interface exists, between the gas state and the liquid state via the supercritical fluid region. Inducing the phase change of can lead to continuous and gradual phase transitions in both directions without the appearance of discontinuous interfaces. In the present invention, this feature of the supercritical fluid is used to overcome the capillary force caused by the condensed phase in the pore during the washing of the porous medium having very low mechanical strength, thereby preventing the collapse and deformation of the structure. It is possible to remove the target substance present in the micropores without causing.

상기 초임계 유체로는 초임계 이산화탄소, 초임계 암모니아, 초임계 프로판, 초임계 염화불화탄소류, 초임계 에틸렌, 초임계 프로필렌 및 초임계 수(水) 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 초임계 이산화탄소를 사용한다. 상기 초임계 수(水)는 무기 분리막의 경우와 같이 열변형이 거의 없는 경우에 제한적으로 사용될 수 있다. 초임계 유체 중에서 세정과 추출의 목적으로 가장 널리 사용되는 매질은 초임계 이산화탄소인데, 이는 세공 구조에 대한 강력한 침투력을 가지고 있으며, 불소 원자를 포함하는 물질들을 포함한 소수성 물질군과 강한 상호작용을 나타내기 때문이다. 이산화탄소는 임계 온도(31.1 ℃)와 임계 압력(72.8 atm)이 비교적 낮아, 약 40 ℃, 75 atm 가량이면 초임계 유체 상태로 존재한다. 초임계 이산화탄소에 의한 분리막 기질의 변형성은 노출 시간을 최소화하거나, 초임계 이산화탄소의 비극성 성질을 변화시키는 개질제(modifier)를 사용함으로써 방지할 수 있다. 이러한 개질제의 사용은 초임계 이산화탄소 외에도 상기한 초임계 유체들에 모두 적용할 수 있는데, 즉 초임계 유체를 직접 사용하거나 적당히 개질된 상태로 사용할 수 있는 것이다. 개질제는 초임계 유체에 용해된 상태로 사용하며, 개질제로는 메탄올, 에탄올 및 이소프로판올 등의 알콜류와, 일차 아민, 이차 아민 및 삼차 아민 등의 아민류, 일산화탄소, 노르말 파라핀류(n-paraffins), 올레핀류(oleffins) 그리고 방향족 화합물 등이 사용될 수 있고, 더욱 바람직하게는 알콜류 및 아민류가 사용된다. 초임계 유체에 적용되는 개질제는 오염물의 물성과 분리막 기질의 특징을 고려하여 선택되며, 분리막의 손상 없이 신속하게 오염물을 제거하기 위하여 한 가지 또는 두 가지 이상의 개질제를 적용할 수 있다.As the supercritical fluid, supercritical carbon dioxide, supercritical ammonia, supercritical propane, supercritical chlorofluorocarbons, supercritical ethylene, supercritical propylene, supercritical water, and the like may be used, more preferably supercritical water. Use critical carbon dioxide. The supercritical water may be used in a limited case where there is little thermal deformation, such as in the case of an inorganic separator. Among the supercritical fluids, the most widely used medium for cleaning and extraction purposes is supercritical carbon dioxide, which has a strong penetration into the pore structure and exhibits strong interactions with hydrophobic groups including materials containing fluorine atoms. Because. Carbon dioxide has a relatively low critical temperature (31.1 ° C.) and critical pressure (72.8 atm), and is present in supercritical fluid at about 40 ° C. and 75 atm. Deformation of the membrane substrate by supercritical carbon dioxide can be prevented by minimizing exposure time or by using modifiers that alter the nonpolar nature of the supercritical carbon dioxide. The use of such modifiers can be applied to all of the above supercritical fluids in addition to supercritical carbon dioxide, i.e., the supercritical fluid can be used directly or in a properly modified state. Modifiers are dissolved in supercritical fluids. Modifiers include alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, amines such as primary amines, secondary amines and tertiary amines, carbon monoxide, normal paraffins, and olefins. Oleffins and aromatic compounds may be used, and more preferably alcohols and amines are used. The modifier applied to the supercritical fluid is selected in consideration of the properties of the contaminants and the characteristics of the membrane substrate, and one or more modifiers may be applied to remove the contaminants quickly without damaging the separator.

상기 분리막이 친수성 투과증발 분리막인 경우, 초임계 유체로는 초임계 이산화탄소를 사용함이 바람직하다. 또한, 상기 분리막이 소수성의 막 증류용 분리막인 경우, 초임계 유체로는 초임계 이산화탄소 또는 초임계 프로판을 사용하는 것이 좋다. 상기 소수성의 막 증류용 분리막의 경우, 분리 대상 혼합물로는 물과 초산을 포함하는 용액 등을 예로 들 수 있는데, 이때 분리막은 물을 선택적으로 분리하는데 사용된다.When the separator is a hydrophilic pervaporation separator, it is preferable to use supercritical carbon dioxide as the supercritical fluid. In addition, when the separator is a hydrophobic membrane distillation membrane, it is preferable to use supercritical carbon dioxide or supercritical propane as the supercritical fluid. In the case of the hydrophobic membrane distillation membrane, the mixture to be separated may include, for example, a solution containing water and acetic acid, and the membrane is used to selectively separate water.

분리막의 세공 내부를 건조 상태로 유지하여야 하는 경우, 세공 내에 응축상이 생기지 않게 하여야 하며, 이미 오염되어 있는 응축상도 모두 제거하여야 한다. 이를 위하여, 세정 매질인 초임계 유체를 이용하여 오염 응축상을 추출 및 제거하고, 잔류 응축성 기체와 초임계 유체가 미세공 내에 응축되지 않게 하기 위하여, 기체-액체 공존 곡선을 우회하도록 거시 변수를 조절함으로써 최종 목적 상태인 기체 상태에 이르도록 한다. 이때 세정 시스템 내의 세정 매질과 세공내 기체는 질소, 헬륨 및 아르곤과 같은 불활성, 비응축성 기체로 치환되는 것이 바람직하다. 이러한 방법으로 미세공 내의 잔류 응축성 물질을 제거하여 미세공을 건조 상태로 유지할 수 있다.If the inside of the separator is to be kept dry, the condensed phase should not be formed in the pores, and any contaminated condensed phase should be removed. To this end, macroscopic parameters are set to bypass the gas-liquid coexistence curve to extract and remove the condensation condensate phase using a supercritical fluid as a cleaning medium, and to ensure that the residual condensable gas and supercritical fluid do not condense in the micropores. By adjusting, the gas state is reached as the final target state. The cleaning medium and the pore gas in the cleaning system are preferably replaced with inert, non-condensable gases such as nitrogen, helium and argon. In this way, residual condensable material in the micropores can be removed to keep the micropores dry.

초임계 유체는 개별적인 분리막 뿐만 아니라 분리막 모듈 단위로도 적용될 수 있는데, 즉 막모듈의 해체 과정이 없이, 조립된 막모듈 단위로 초임계 유체를 유입시킬 수 있다. 또한, 막모듈의 역세척 공정과 같이 분리 공정 중간에 재생 공정을 추가할 수 있다. 일반적으로, 분리막은 그 두께가 1 ㎜ 이하로 매우 얇으므로 미세 기공 세척에 필요한 침투 거리는 초임계 유체 상태에서의 확산 계수를 감안하면 수 초간의 세척으로 충분한 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명은 초임계 유체를 이용하여 오염물의 액적 또는 흡착물을 제거함으로써, 막 세공 구조를 복원 재생하여 분리막의 기능을 장기간 유지시킬 수 있다.The supercritical fluid may be applied not only to individual membranes but also to the membrane module unit, that is, the supercritical fluid may be introduced into the assembled membrane module without disassembling the membrane module. In addition, a regeneration process may be added in the middle of the separation process, such as a backwashing process of the membrane module. In general, since the separation membrane is very thin (1 mm or less), it can be seen that the penetration distance required for the micropore washing can be sufficiently effected by washing for several seconds in consideration of the diffusion coefficient in the supercritical fluid state. As described above, the present invention removes contaminant droplets or adsorbates using a supercritical fluid, thereby restoring and regenerating the membrane pore structure to maintain the function of the separator for a long time.

이하, 본 발명을 다음의 비교예와 실시예에 의거하여 더욱 구체화하여 설명하겠는바, 본 발명의 기술적 내용과 범위가 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following comparative examples and examples, but the technical contents and scope of the present invention are not limited to the examples.

비교예 1Comparative Example 1

초산(acetic acid)과 글리세린(glycerine)을 이용하여 트리아세틴(triacetin)을 합성하는 반응을 수행하였다. 에스테르화 반응기 상단의 부분 응축기로부터 회수된 응축액을 분석한 결과, 초산이 73.2 %, 트리아세틴이 3400 ppm, 글리세린이 2900 ppm이고, 그 나머지는 수분으로 분석되었다. 이 혼합물을 0.22 ㎛의 미세공을 갖는 유효직경 45 ㎜의 폴리테트라풀루오르에틸렌(PTFE) 분리막을 이용하여 전처리 여과 과정을 생략하고, 수분을 선택적으로 제거하여 초산을 농축시켰다. 일차측의 온도를 35 ℃로 유지하고 이차측의 온도를 15 ℃로 유지하면서 직접 접촉식 막 증류를 행한 경우 수분의 플럭스(flux)는 5.83 mole/(㎡ㆍhr)로 유지되었다. 이때, 이차측의 초산의 농도는 47.2 %로 감소하여 물이 선택적으로 분리되었음을 확인하였다. 72시간 연속 운전한 후 해당 플럭스는 초기치의 92 % 수준으로 측정되었으며, 이차측 초산의 농도는 초기 농도와 유사한 48.8 %로 분석되었다.Reaction of synthesizing triacetin using acetic acid and glycerine was performed. Analysis of the condensate recovered from the partial condenser at the top of the esterification reactor showed 73.2% acetic acid, 3400 ppm triacetin, 2900 ppm glycerin and the remainder as moisture. The mixture was skipped by pretreatment filtration using an effective diameter 45 mm polytetrapuloethylene (PTFE) separation membrane having 0.22 μm fine pores, and water was selectively removed to concentrate acetic acid. When direct contact membrane distillation was carried out while maintaining the temperature on the primary side at 35 ° C. and the temperature on the secondary side at 15 ° C., the flux of water was maintained at 5.83 mole / (m 2 · hr). At this time, the concentration of acetic acid on the secondary side was reduced to 47.2% to confirm that the water was selectively separated. After 72 hours of continuous operation, the flux was measured at 92% of the initial value and the secondary side acetic acid concentration was analyzed to be 48.8% similar to the initial concentration.

실시예 1Example 1

비교예 1의 일차측 혼합물을 미세공 직경 범위가 약 20 ∼ 40 ㎛인 폴리프로필렌(PP) 막과 글래스필터(glass filter)로 구성된 예비여과기(prefilter)에 10 ∼ 15 atm의 가압 상태로 통과시킨 후, 비교예 1과 같이 막 증류를 수행하였다. 72 시간 연속운전 이후의 수분의 플럭스는 초기 플럭스의 97 % 수준으로 감소하였으며, 이차측 초산 농도의 변화는 47.6 %로 분석되었다.The primary side mixture of Comparative Example 1 was passed through a prefilter consisting of a polypropylene (PP) membrane having a micropore diameter in the range of about 20 to 40 μm and a glass filter under pressure of 10 to 15 atm. Thereafter, membrane distillation was performed as in Comparative Example 1. After 72 hours of continuous operation, the water flux decreased to 97% of the initial flux, and the change in secondary side acetic acid concentration was 47.6%.

실시예 2Example 2

비교예 1의 PTFE 분리막을 30일간 약 20 ℃의 실온에서 비교예 1의 일차측 혼합물에 담가 교반하여, 인위적으로 막의 표면과 세공을 오염시켰다. 오염된 막을 이용하여 비교예 1과 같이 막 증류 실험을 수행한 결과 수분 플럭스가 초기치의 78 % 수준으로 감소하였다. 그러나, 이차측 초산의 농도는 47.9 %로, 오염에도 불구하고 분리막이 초기의 분리 선택성으로 거의 유지하는 것으로 나타났다. 분리막을 막 모듈에서 해체하여, 이를 45 ℃, 80 atm의 초임계 이산화탄소를 이소프로판올(isopropanol) 층을 통과시켜 포화시킨 초임계 유체를 이용하여 1 분간 세정하고 10 분간에 걸쳐 질소 기체로 치환한 후, 30 분간 서서히 감압시켜 건조된 상태로 재생하였다. 재생 처리된 분리막을 이용하여 막 증류 실험을 수행한 결과 수분 플럭스는 초기값의 98 % 이상으로 회복되었으며, 분리 선택도도 1 % 범위 안에서 회복된 것으로 확인되었다.The PTFE separator of Comparative Example 1 was immersed in the primary mixture of Comparative Example 1 for 30 days at room temperature at about 20 ° C. and stirred to artificially contaminate the surface and pores of the membrane. Membrane distillation experiments were carried out using the contaminated membrane as in Comparative Example 1, and the water flux was reduced to 78% of the initial value. However, the concentration of the secondary side acetic acid was 47.9%, indicating that the membrane remained almost at its initial separation selectivity despite contamination. The membrane was disassembled from the membrane module, and the supercritical carbon dioxide at 45 ° C. and 80 atm was passed through an isopropanol layer and washed with a supercritical fluid saturated for 1 minute, and replaced with nitrogen gas for 10 minutes. It was regenerated under reduced pressure for 30 minutes and dried. Membrane distillation experiment using the regenerated membrane showed that the water flux was recovered to 98% or more of the initial value, and the separation selectivity was also recovered within the range of 1%.

실시예 3Example 3

평균분자량이 약 1500인 폴리비닐알콜(PVA)의 수용액을 부피비로 약 5 %에 해당하는 글루타알데하이드(glutaldehyde)를 이용하여 가교시키고 건조하여 친수성 투과증발 분리막을 제조하였다. 물-초산 혼합계의 일차측 온도를 40 ℃로 하고, 이차측의 압력을 10 torr 내외로 감압시킬 때의 총 플럭스는 약 150g/(㎡ㆍhr)이고, 이때의 물에 대한 분리 계수(separation factor)는 약 120으로 계산되었다. 이 분리막을 비교예 1의 혼합물에 30일간 실온에서 담가 교반 상태를 유지하며 강제로 오염시킨 결과, 총 플럭스는 초기치의 92 % 수준으로 감소하였고, 물에 대한 분리 계수도 약 27 % 가량 감소하였다.An aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) having an average molecular weight of about 1500 was crosslinked and dried using glutaaldehyde (glutaldehyde) corresponding to about 5% by volume to prepare a hydrophilic pervaporation separator. When the primary side temperature of the water-acetic acid mixture system is 40 ° C and the secondary side pressure is reduced to about 10 torr, the total flux is about 150 g / (m 2 · hr), and the separation coefficient for water at this time factor) was calculated to be about 120. The membrane was immersed in the mixture of Comparative Example 1 at room temperature for 30 days while being forced to contaminate. As a result, the total flux was reduced to 92% of the initial value, and the separation coefficient for water was reduced by about 27%.

상기 오염된 분리막을 50 ℃, 150 atm의 초임계 이산화탄소를 이용하여 3분간 세척하고, 30분간에 걸쳐 질소 기체의 치환 과정이 없이 감압 처리하였다. 총 플럭스는 초기 플럭스의 98 % 이상 회복하였으며, 물에 대한 분리 계수도 초기값의 95 % 이상으로 회복되는 것을 확인하였다.The contaminated membrane was washed for 3 minutes using supercritical carbon dioxide at 50 ° C. and 150 atm, and decompressed over 30 minutes without substitution of nitrogen gas. The total flux recovered more than 98% of the initial flux, and the separation coefficient for water also recovered to 95% or more of the initial value.

실시예 4Example 4

미세공 크기가 3.0 ㎛이고 공극률(porosity)이 12 %인 질산셀룰로오즈(cellulose nitrate) 분리막을, 질산화옥탄(octyl nitrate)으로 30일간 처리하여 오염시킨 후 공극률을 측정한 결과, 오염후 공극률이 초기 공극률의 83 %로 감소하였다. 이를 135 ℃, 120 atm의 조건에서 초임계 암모니아를 사용하여 3 분간 세척하고, 20 분간에 걸쳐 서서히 감압하였다. 위와 같은 세정 조작을 2회 수행한 후, 분리막의 측정된 공극률은 초기 공극률의 약 96 %로 회복되었다.The porosity was measured after contaminating the cellulose nitrate membrane with a micropore size of 3.0 μm and the porosity of 12% by treating it with octyl nitrate for 30 days to contaminate it. Decreased to 83%. This was washed for 3 minutes using supercritical ammonia at 135 ° C. and 120 atm, and slowly depressurized over 20 minutes. After performing the above two cleaning operations, the measured porosity of the separator was restored to about 96% of the initial porosity.

실시예 5Example 5

실시예 2와 같이 오염된 분리막이 장착된 막 증류 모듈을 해체하지 않고 일차측과 이차측을 압력 균형이 이루어지도록 개방한 후, 양방향에서 동시에 50 ℃, 100 atm의 초임계 이산화탄소에 메탄올을 포화시켜 공급하여 2 분간 처리하였다. 이산화탄소를 질소 기체로 치환하면서 서서히 감압시켜 막 모듈 단위로 재생 과정을 수행하였다. 수분 플럭스는 초기치의 98 % 이상 회복하였으며, 수분에 대한 선택도도 무게 분율로 2 % 내에서 유지됨을 확인하였다.After disassembling the membrane distillation module equipped with the contaminated separator as in Example 2, the primary side and the secondary side were opened to achieve pressure balance, and then saturated methanol in supercritical carbon dioxide at 50 ° C. and 100 atm simultaneously in both directions. It was fed and treated for 2 minutes. The carbon dioxide was replaced with nitrogen gas and slowly depressurized to regenerate the membrane module. Moisture flux recovered more than 98% of the initial value, it was confirmed that the selectivity for moisture is maintained within 2% by weight fraction.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 분리막의 기능 저하 및 수명 단축을 초래하는 소수성 및 친수성 오염원들을, 분리막과 유사한 기질을 갖는 전처리 여과 매체를 이용하여 가압 조건에서 안정화시켜 강제 흡착 제거함으로써, 주 분리막의 오염을 최소화할 수 있다. 또한, 초임계 유체 또는 개질된 초임계 유체를 활용하여 매우 짧은 공정 시간 내에 주 분리막에 존재하는 오염물들을 세정, 제거함으로써, 분리막의 세공 구조를 복원하여 분리막의 기능을 회복시킬 수 있다. 이러한 분리막 세척, 재생 기술은 분리막의 종류 및 형태, 막분리 공정의 구체적 작용 메카니즘 등에 제한 받지 않으며, 분리막 모듈 단위 또는 분리막 개별 단위로 세정, 건조 및 재생 과정을 거칠 수 있다. 초임계 유체 세정의 기본 매질은 분리막 기질의 기계적, 형태학적 손상을 방지하기 위하여, 초임계 유체에 소량의 개질제를 병용하거나 온도와 압력 등의 거시 변수를 조절함으로써, 세정력과 용해력, 그리고 팽윤력의 지표가 되는 매질의 밀도를 제어할 수 있다. 본 발명에서 제안된 기술은 분리막 공정의 경제성을 좌우하는 지배 인자로 간주되는 분리막 재질의 수명과 교체 비용적 측면을 개선함으로써, 분리막의 수명을 증가시키고 해당 막분리 공정의 경제성과 실용성을 확보할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, hydrophobic and hydrophilic contaminants that cause degradation of the membrane and shorten its lifespan are stabilized in a pressurized condition by using a pretreatment filtration medium having a substrate similar to that of the membrane, thereby forcibly adsorbing the primary membrane. Contamination can be minimized. In addition, by using a supercritical fluid or a modified supercritical fluid to clean and remove contaminants present in the main separator within a very short process time, the pore structure of the separator may be restored to restore the function of the separator. Such membrane cleaning and regeneration techniques are not limited to the type and form of the membrane, the specific mechanism of the membrane separation process, and the like, and may be cleaned, dried, and regenerated in a membrane module unit or a separate membrane unit. The basic medium for supercritical fluid cleaning is the use of a small amount of modifier in the supercritical fluid or by adjusting macro variables such as temperature and pressure to prevent mechanical and morphological damage of the membrane substrate. You can control the density of the indicator medium. The technique proposed in the present invention can improve the lifespan and replacement cost of the membrane material, which is considered as the dominant factor that determines the economics of the membrane process, thereby increasing the lifetime of the membrane and ensuring economic feasibility and practicality of the membrane separation process. It has an effect.

Claims (9)

막분리 공정의 전처리 여과에 있어서,In pretreatment filtration of the membrane separation process, 분리막과 동일하거나 친수ㆍ소수성 측면에서 유사한 재질로 이루어진 전처리 여과 매체에서 분리 대상 물질을 고압(high pressure) 상태로 안정화하고, 강제 흡착 처리하는 것을 특징으로 하는 분리막의 오염을 최소화하는 방법.A method for minimizing contamination of a separator, characterized by stabilizing a material to be separated at a high pressure in a pretreatment filtration medium made of the same material as that of the separator or having a similar hydrophilicity and hydrophobicity. 제 1 항에 있어서, 상기 압력은 버블 포화 압력에 비하여 2 ∼ 20 atm 더 높은 범위인 것을 특징으로 하는 주 분리막의 오염을 최소화하는 방법.The method of claim 1, wherein the pressure is in the range of 2 to 20 atm higher than the bubble saturation pressure. 분리막을 세정하여 분리 기능을 복원하는 방법에 있어서,In the method of washing the separation membrane to restore the separation function, 초임계 유체 또는 개질된 초임계 유체를 사용하여 오염된 분리막의 표면과 세공 내부를 세정 및 건조하는 것을 특징으로 하는 분리막 성능의 복원방법.A method of restoring membrane performance, characterized in that the surface of the contaminated membrane and the inside of the pores are cleaned and dried using a supercritical fluid or a modified supercritical fluid. 제 3 항에 있어서, 상기 초임계 유체는 초임계 이산화탄소, 초임계 암모니아, 초임계 프로판, 초임계 염화불화탄소류, 초임계 에틸렌, 초임계 프로필렌 및 초임계 수(水) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 분리막 성능의 복원방법.The method of claim 3, wherein the supercritical fluid is selected from supercritical carbon dioxide, supercritical ammonia, supercritical propane, supercritical chlorofluorocarbons, supercritical ethylene, supercritical propylene, and supercritical water. To restore the membrane performance. 제 4 항에 있어서, 상기 초임계 유체는 초임계 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 분리막 성능의 복원방법.5. The method of claim 4 wherein the supercritical fluid is supercritical carbon dioxide. 제 3 항, 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 초임계 유체를 개질하는 개질제로는 메탄올, 에탄올 및 이소프로판올을 포함하는 알콜류와, 일차 아민, 이차 아민 및 삼차 아민을 포함하는 아민류 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 분리막 성능의 복원방법.The method of claim 3, 4 or 5, wherein the modifying agent for modifying the supercritical fluid is selected from alcohols including methanol, ethanol and isopropanol, and amines including primary amine, secondary amine and tertiary amine. Method for restoring the performance of the separator, characterized in that. 제 3 항에 있어, 상기 오염된 분리막이 친수성 투과증발 분리막인 경우, 초임계 유체로는 초임계 이산화탄소를 사용하는 것을 특징으로 하는 분리막 성능의 복원방법.4. The method of claim 3, wherein when the contaminated membrane is a hydrophilic pervaporation separator, supercritical carbon dioxide is used as the supercritical fluid. 제 3 항에 있어서, 상기 오염된 분리막이 소수성의 막 증류용 분리막인 경우, 초임계 유체로는 초임계 이산화탄소 또는 초임계 프로판을 사용하는 것을 특징으로 하는 분리막 성능의 복원방법.4. The method of claim 3, wherein when the contaminated membrane is a hydrophobic membrane distillation membrane, supercritical fluid is used as supercritical carbon dioxide or supercritical propane. 제 3 항에 있어서, 상기 오염된 분리막은 막모듈의 해체 과정이 없이, 조립된 막모듈 단위로 초임계 유체를 유입시키는 것을 특징으로 하는 분리막 성능의 복원방법.4. The method of claim 3, wherein the contaminated membrane introduces supercritical fluid into the assembled membrane module without disassembling the membrane module.
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