KR20040086835A - 스파이럴형 분리막 요소 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 특히 저압 조작에서 문제가 되는 중심관의 유공부의 근방에 있어서의 압력 손실을 저감하는데 효과적인 스파이럴형 분리막 요소에 관한 것이다. 스파이럴 분리막 요소는 유공의 중심관(5)과, 그 주위에 스파이럴형으로 감겨진 분리막(1)과, 공급측 유로재(2)와, 투과측 유로재(4)를 포함하며, 상기 분리막(1) 및 유로재(2, 4)는 상기 중심관(5) 주위에 감겨져, 상기 공급측 유로재(2) 및 상기 투과측 유로재(4)가 상기 분리막(1)의 공급측 및 투과측상에 각각 배치되고, 상기 투과측 유로재(4)와 동일하거나 또는 상이한 투과측 유로재(10)가 유공의 중심관(5)의 외주에 개재되며, 상기 중심관(5)의 유공부의 총면적에 상기 중심관(5) 주위의 투과측 유로재 한 층의 개구율을 곱하여 계산되는 유효 유공부 면적이 상기 중심관(5)의 내측 단면적의 적어도 1.0배이다.
Description
본 발명은 액체중에 부유 및 용해되어 있는 성분을 분리하는 스파이럴형 분리막 요소에 관한 것으로, 특히 초저압 역삼투 여과, 한외(限外) 여과 또는 정밀 여과 등의 저압 운전에 의한 막 분리에 유효한 스파이럴형 분리막 요소에 관한 것이다.
스파이럴형 분리막 요소의 구조로서는, 분리막에 투과측 유로재 또는 공급측 유로재를 개재시킨 하나 또는 그 이상의 막 리프(membrane leaf)를 공급측 유로재 또는 투과측 유로재를 개재시키면서, 유공의 중심관에 스파이럴형으로 귄취되는 것이 일반적이었다. 막 리프를 감는 경우, 막 리프의 투과측 유로재와 동일하거나 또는 상이한 투과측 유로재를 중심관의 주위에 감고 나서 막 리프를 중심관 주위에 감음으로써, 각 막 리프를 통과한 투과액이 중심관의 주위의 투과측 유로재를 통과한 후에 중심관의 유공부내로 보다 용이하게 유입하고 있다(예컨대, 미국 특허 제 5,681,467 호 참조).
이러한 스파이럴형 분리막 요소를 설계할 때, 중심관내의 유속 등과 내경의 관계로부터 관내 유동의 압력 손실이 결정되기 때문에, 우선 집수관으로서 기능하는 중심관을 통과한 투과액 유량에 따라 중심관의 내경이 결정되어 왔다. 이어서, 유공의 중심관의 유공부의 총면적이 결정된다. 그러나, 유공부의 총면적은 중심관의 내경과 구멍의 크기 등을 고려하여, 중심관 단면적의 2배 내지 4배 정도가 적절하다고 생각된다.
그러나, 유공부 주위에 투과측 유로재가 감겨 있는 구조에 있어서, 투과측 유로재 한 층의 개구율은 20% 정도로 작기 때문에, 실질적인 유공부 면적은 상정되었던 면적보다 훨씬 작다. 즉, 투과측 유로재의 한 층만이 중심관 주위에 감겨 있는 경우에도, 실질적인 유공부 면적은 중심관 내측 단면적의 1배미만이 되어, 이것이 투과측의 저항으로 된다.
이와 같이, 중심관의 실질적인 유공부 면적이 작은 때문에, 유공부의 근방에서의 압력 손실이 커지지만, 종래의 스파이럴형 분리막 요소가 고압으로 조작되거나(차압: 0.5MPa 이상), 투과 수량이 작기 때문에, 상기와 같은 투과측 유로재를 통과할 때의 압력 손실은 그렇게 문제가 되지 않는다.
그러나, 최근의 조작압의 저압화 및 투과 수량 증대에 의해, 그 압력 손실은 무시할 수 없게 되고 있다. 특히, 저압에서 운전되는 초저압 RO(역삼투) 막이나 정화용 스파이럴형 분리막 요소에 있어서, 상기 압력 손실의 영향이 큰 문제가 된다.
한편, 중심관의 주위에 감기는 투과측 유로재를 1번 감는 정도로 하고, 또한 개구율이 큰 투과측 유로재를 사용하면, 이론적으로는 유공부의 유효 면적의 저하를 어느 정도 작게 할 수 있다. 그러나, 현실적으로는 투과측 유로재의 개구율을 크게 하면, 투과측 유로재를 중심관 주위에 감길 때에 그 형상을 유지할 수 없는 문제가 생기기 때문에, 개구율의 증대에는 한계가 있다. 또한, 투과측 유로재를 1번 감는 정도로 하면, 각각의 막 리프로부터의 투과액이 중심관 주위의 투과측 유로재를 따라 흐를 때의 유로 면적이 작게 되어, 그 부분의 압력 손실이 커진다. 따라서, 이러한 기술도 저압 조작의 경우에는 현실적이지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 특히 저압 조작에서 문제가 되는 중심관의 유공부의 근방에 있어서의 압력 손실을 저감할 수 있는 스파이럴형 분리막 요소를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명자는 중심관의 유공부의 근방에 있어서의 압력 손실에 대한 투과측 유로재의 개구율이나 권수, 유공부의 구경 등의 영향에 관해서 예의 조사한 바 있다. 그 결과, 어느 정도 권수가 많아지면 권수에 의한 압력 손실에의 영향을 무시할 수 있다는 것을 알아냈다. 또한, 2회 또는 그 이상의 권수로 투과측 유로재가 감겨진 경우에도 이 개구율과 유공부의 총면적의 곱이 중심관의 내측 단면적에 대하여 일정한 배율 이상인 값이 되면, 유공부 근방의 압력 손실이 하한에 근접한다는 것을 알아냈다. 본 발명은 이러한 결과에 근거하여 완성되었다.
본 발명은 유공의 중심관과, 그 주위에 스파이럴형으로 감겨진 하나 또는 그 이상의 분리막, 하나 또는 그 이상의 공급측 유로재 및 하나 또는 그 이상의 투과측 유로재를 포함하는 스파이럴형 분리막을 제공하며, 상기 분리막 및 유로재를 상기 중심관 주위에 감아, 상기 공급측 유로재 및 상기 투과측 유로재가 상기 분리막의 공급측 및 투과측상에 각각 배치되며, 상기 투과측 유로재와 동일하거나 또는 상이한 투과측 유로재가 유공의 중심관의 외주에 개재되며, 상기 중심관의 유공부의 총면적에 상기 중심관 주위의 투과측 유로재 한 층의 개구율을 곱하여 계산되는 유효 유공부 면적이 상기 중심관의 내측 단면적의 적어도 1.0배이다.
본 발명에 따르면, 유효 유공부 면적이 중심관 단면적의 적어도 1.0배이기 때문에, 투과측 유로재의 권수가 그 이상인 경우에도, 유공부 근방의 압력 손실이 하한에 근접한다. 이 때문에, 특히 저압 조작에서 문제가 되는 중심관의 유공부의 근방에 있어서의 압력 손실을 저감할 수 있다.
상술한 분리막 요소에 있어서, 상기 중심관의 외주에 개재되는 투과측 유로재의 권수가 실질적으로 2회 내지 15회인 것이 바람직하다. 이 구성에 있어서, 각각의 막 리프로부터의 투과액이 중심관 주위의 투과측 유로재를 따라 흐르는 유로가 적절하게 큰 면적을 가질 뿐만 아니라, 지나치게 많은 권수에 의해 유발되는 막 면적 감소를 억제할 수 있다. 더구나, 중심관 유공부의 근방에서의 압력 손실을 저감하는 본 발명의 효과를 충분히 얻을 수 있다.
바람직하게는, 상기 분리막은 초저압 역삼투막, 한외 여과막 또는 정밀 여과막이다. 이러한 분리막이 저압 조작되기 때문에, 전술한 바와 같이 중심관 유공부의 근방에서의 압력 손실이 문제가 되어 왔다. 그러나, 상술한 작용 효과를 발생하는 본 발명은 이러한 분리막에 특히 유효하다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 스파이럴형 분리막 요소의 일 실시예를 제조하기 위한 권선 단계를 도시한 도면,
도 2는 시험예 1에 있어서의 투과측 유로재의 권수와 압력 손실의 관계를 나타내는 그래프,
도 3은 시험예 2에 있어서의 유효 유공부 면적/중심관 내측 단면적의 비와 압력 손실의 관계를 나타내는 그래프,
도 4는 실시예 1과 비교예 1 사이의 압력 손실의 차이를 나타내는 그래프.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 막 2 : 공급측 유로재
4 : 투과측 유로재 5 : 중심관
10 : 투과측 유로재
이하, 본 발명의 실시예에 관해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 스파이럴형 분리막 요소의 일 실시예를 제조하기 위한 권선 단계를 도시한 도면이다.
도 1c에 도시한 바와 같이, 본 발명의 스파이럴형 분리막 요소는 분리막(1),공급측 유로재(2) 및 투과측 유로재(4)를 유공의 중심관(5)에 스파이럴 형상으로 감는 구조를 갖는다. 권선시에는, 도 1b 및 도 1c에 도시한 바와 같이, 공급측 유로재(2)가 분리막(1)의 공급측에, 투과측 유로재(4)가 투과측상에 배치된다. 또한, 투과측 유로재(4)와 동일하거나 또는 상이한 투과측 유로재(10)는 유공의 중심관(5)의 주위에 개재되도록, 중심관(5)상에 먼저 감겨진다.
도 1a 내지 도 1c에 도시한 실시예는, 각각 둘로 접혀지고 그 사이에 공급측 유로재(2)가 개재된 분리막(1)이 투과측 유로재(4)를 개재시키면서 투과측 유로재(10)상에 적층하고, 이것을 중심관(5) 둘레에 감는 방식으로 얻어진 구조를 갖는다. 또한, 이러한 일련의 공정의 몇 가지 단계에서, 투과측 유로재(4)를 끼운 접혀진 각 분리막(1)의 측면 에지나, 분리막(1)의 최내부측 에지가 밀봉된다. 따라서, 공급측 유로와 투과측 유로가 서로 직접 연결되지 않고 분리막(1)을 통해 연결된다.
본 발명의 분리막 요소의 구조는 도 1a 내지 도 1c에 도시한 구조에 제한되지 않아야 한다. 분리막(1)으로서 연속한 막을 사용할 수도 있다. 투과측 유로재(4)중 하나를 연장할 수 있어, 권선용 투과측 유로재(10)로서 기능한다. 또한, 각부의 밀봉 구조는, 공급측 유로가 투과측 유로에 직접 연결되는 것이 방지되는 한 임의의 구조라도 좋다.
연속막을 사용하는 경우, 예컨대 이러한 막은 하기 방식으로 처리된 것이다. 분리막(1)이 주름 잡혀지고, 분리막(1)의 각 대향면 사이에 교대로 공급측 유로재(2)와 투과측 유로재(4)가 삽입된다. 투과측 유로재(4)가 다른 투과측 유로재(10)에 빗살 형태로 고정된다.
분리막(1)의 투과측에 배치되는 투과측 유로재(4)는 분리막(1)의 스페이서로서 분리막(1)을 투과한 투과액을 위한 유로를 확보하는 기능을 한다. 이 투과측 유로재(4)는 스파이럴형막 요소에 사용되는 종래 공지의 투과측 유로재중 어느 것일 수 있고, 예컨대 네트(net), 메시(mesh), 선재 직물, 섬유 직물, 부직포, 요홈 시트, 파형 시트 등 어떠한 것도 좋다. 또한, 투과측 유로재(4)의 재질도 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드, 에폭시, 우레탄 등의 수지 외에, 천연고분자, 고무, 금속 등 어떠한 것도 좋다. 그러나, 예컨대 분리 조작시에 유로재로부터의 용출이 문제가 되는 경우, 이 용출을 고려하여 재질을 선택하는 것이 바람직하다.
투과측 유로재(4)의 두께는 0.1mm 내지 2mm인 것이 바람직하다. 투과측 유로재(4)의 두께 방향에서의 공극율은 10% 내지 80%인 것이 바람직하다. 또한, 투과측 유로재(4)가 네트 형태인 경우, 그 피치가 0.3mm 내지 3mm인 것이 바람직하다.
중심관(5) 주위의 투과측 유로재(10)는 각각의 막 리프로부터의 투과액이 중심관(5) 주위의 투과측 유로재(10)를 따라 흐를 때의 유로를 확보하면서, 투과측 유로재(10)의 개구를 통해서 투과액을 중심관(5)의 구멍(5a)에 유입시키는 기능을 갖는다. 따라서, 투과측 유로재(10)로서는 투과측 유로재(4)와 동일하거나 또는 다른 것이 사용될 수 있다.
구체적으로는, 한 층에 대하여 측정된 개구율이 20% 내지 50%인 투과측 유로재(4)중 어느 것도 사용할 수 있다. 그 개구율은 30% 내지 40%인 것이 바람직하다. 여기서, 투과측 유로재(10)의 개구율은 투과측 유로재(10)의 투영 영역에 대한 그 개구의 투영 영역의 비율을 가리킨다. 결과적으로, 투과측 유로재(10)는 네트, 메시, 선재 직물 등의 형태인 것이 바람직하다. 또한, 투과측 유로재(4)를 투과측 유로재(1O)에 열융착이나 초음파 융착으로 고착하는 경우에, 유로재(4) 및 유로재(10)는 동일한 재료 또는 서로 융착성이 있는 재료로 이루어지도록 선택되는 것이 바람직하다.
중심관(5) 주위에 개재되는 투과측 유로재(10)의 권수는 실질적으로 2회 내지 15회가 바람직하고, 3회 내지 10회가 보다 바람직하다. 그 권수가 2회 미만인 경우에, 각각의 막 리프로부터의 투과액이 중심관(5) 주위의 투과측 유로재(10)를 따라 흐를 때의 유로 저항이 너무 높은 경향이 있다.
유공의 중심관(5)의 재질로서는, 예컨대 금속, 섬유 강화 플라스틱, 플라스틱 및 세라믹 등을 들 수 있다. 중심관(5)의 외경과 길이는 스파이럴형막 요소의 크기에 따라서 적절하게 결정된다. 예컨대, 외경이 10mm 내지 10Omm, 길이가 500mm 내지 2000mm이며, 바람직하게는 외경이 12mm 내지 50mm, 길이가 900mm 내지1200mm이다.
본 발명에서는, 중심관(5)의 유공부의 총면적에 그 중심관(5) 주위의 투과측 유로재(10)의 한 층분의 개구율을 곱하여 계산된 유효 유공부 면적이 중심관(5)의 내측 단면적의 적어도 1.0배로 조절된다. 중심관 유공부의 근방에서의 압력 손실을 보다 확실히 저감하는 관점에서, 유효 유공부 면적이 중심관(5)의 내측 단면적의 2.0배 내지 5.0배인 것이 바람직하다. 역세정을 실행하는 용도에서는, 보통의 여과 유량의 1.5배 내지 2.0배로 수량이 증가하기 때문에, 유효 유공부 면적은 특히 2.0배 이상이 바람직하다.
따라서, 중심관(5)의 구멍의 크기, 개수 등은 투과측 유로재(10)의 개구율이나 내측 단면적과의 관계로부터 상기 조건을 만족하도록 결정된다. 또한, 중심관(5)의 구멍의 배치나 형상은 종래와 동일한 것일 수 있다.
공급측 유로재(2)는, 스파이럴형막 요소에 사용되는 종래 공지의 공급측 유로재중 어느 것일 수 있고, 예컨대 네트, 메시, 선재 직물, 섬유 직물, 부직포, 요홈 시트, 파형 시트 등 어떠한 것도 좋다. 또한, 공급측 유로재(2)의 재질도 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드 등의 수지 외에, 천연고분자, 고무, 금속 등 어떠한 것도 좋다.
분리막(1)은 일반적으로 저압으로 조작되는 초저압 역삼투막, 한외 여과막 또는 정밀 여과막인 것이 바람직하다. 본 발명은 조작 압력이 0.5MPa 미만이 되는 용도에 있어서 특히 유효하다. 예컨대, 정화용의 스파이럴형 분리막 요소에는 한외 여과막 또는 정밀 여과막이 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명은 이하의 예를 참조하여 보다 상세하게 기술되지만, 본 발명이 이에 제한되도록 의도한 것이 아님을 이해해야 한다.
시험예 1
우선, 중심관의 주위에 감겨지는 투과측 유로재의 권수와, 압력 손실(중심관 자체에 의해 유발되는 압력 손실을 포함함) 사이의 관계를 조사했다. 유공의 중심관은 외경 22mm, 내경 16mm, 구멍 직경 2mm, 4mm 또는 6mm 및 구멍 개수 40개이다. 개구율이 20%이고 유로재 두께가 0.29mm인 폴리에스테르제 네트를 중심관 주위에 0 내지 12회 감았다. 스파이럴형 분리막 요소에 사용되는 용기에 중심관을 설정하여, 투과수의 유량 1m3/시간에서 용기의 중심관 출구와 입구관의 압력차(압력 손실)를 측정했다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 결과에 의해, 투과측 유로재를 2회 이상 감는 경우에는, 권수에 따라 압력 손실의 변화가 거의 없는 것이 밝혀졌다.
시험예 2
유효 유공부 면적/중심관 내측 단면적의 비와, 압력 손실(중심관 자체에 의해 유발되는 압력 손실을 포함함) 사이의 관계를 조사했다. 유공의 중심관은 외경 22mm, 내경 16mm, 구멍 직경 2mm, 4mm 또는 6mm 및 구멍 개수 40개이다. 개구율이 20%이고 유로재 두께가 0.29mm인 폴리에스테르제 네트를 중심관 주위에 12회 감았다. 스파이럴형 분리막 요소에 사용되는 용기에 중심관을 설정하여, 투과수의 유량 1m3/시간에서 용기의 중심관 출구와 입구관의 압력차(압력 손실)를 측정했다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타낸 결과에 의해, 유효 유공부 면적/중심관 내측 단면적의 비가 1.0 이상의 경우에는, 압력 손실의 변화가 거의 없고, 유공부 근방의 압력 손실이 하한에 근접한다는 것이 밝혀졌다.
실시예 1
유공의 중심관은 외경 22mm, 내경 1.6mm, 구멍 직경 6mm 및 구멍 개수 40개를 갖는 것이 사용되었다. 개구율이 20%이고 유로재 두께가 0.29mm인 폴리에스테르제 네트를 중심관 주위에 8회 감았다(유효 유공부 면적이 중심관 내측 단면적의 1.1배임). 스파이럴형 분리막 요소에 사용되는 용기에 중심관을 설정하여, 투과수의 유량을 변화시키면서, 용기의 중심관 출구와 입구관의 압력차(압력 손실)를 측정했다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
비교예 1
유공의 중심관은 외경 22mm, 내경 16mm, 구멍 직경 4mm 및 구멍 개수 40개를 갖는 것이 사용되었다. 개구율이 20%이고 유로재 두께가 0.29mm인 폴리에스테르제 네트를 중심관 주위에 8회 감았다(유효 유공부 면적이 중심관 내측 단면적의 0.5배임). 스파이럴형 분리막 요소에 사용되는 용기에 중심관을 설정하여, 투과수의 유량을 변화시키면서, 용기의 중심관 출구와 입구관의 압력차(압력 손실)를 측정했다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
실시예 1과 비교예 1의 대비에 의해, 본 발명은 특히 저압 조작에서 문제가 되는 중심관의 유공부의 근방에 있어서의 압력 손실을 저감하는데 유효하다는 것을 알았다. 또한, 상기 도시 및 기술한 바와 같은 형태 및 세부 사항이 다양하게 변경될 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다. 이러한 변경은 본원에 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위내에 포함된다.
본 발명의 스파이럴형 분리막 요소에 따르면, 중심관의 유공부의 근방에 있어서 압력 손실을 저감할 수 있다.
Claims (3)
- 유공의 중심관과, 그 주위에 스파이럴형으로 감겨진 하나 또는 그 이상의 분리막과, 하나 또는 그 이상의 공급측 유로재와, 하나 또는 그 이상의 투과측 유로재를 포함하는 스파이럴형 분리막 요소로서, 상기 분리막 및 유로재를 상기 중심관 주위에 감아, 상기 공급측 유로재 및 상기 투과측 유로재가 상기 분리막의 공급측 및 투과측상에 각각 배치되며, 상기 투과측 유로재와 동일하거나 또는 상이한 투과측 유로재가 유공의 중심관의 외주에 개재되는, 상기 스파이럴형 분리막 요소에 있어서,상기 중심관의 유공부의 총면적에 상기 중심관 주위의 투과측 유로재 한 층의 개구율을 곱하여 계산되는 유효 유공부 면적이 상기 중심관의 내측 단면적의 적어도 1.0배인스파이럴형 분리막 요소.
- 제 1 항에 있어서,상기 중심관의 외주에 개재되는 투과측 유로재의 권수가 실질적으로 2회 내지 15회인스파이럴형 분리막 요소.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 분리막이 초저압 역삼투막, 한외 여과막 또는 정밀 여과막인스파이럴형 분리막 요소.
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