KR20050055039A - 접선 여과용 막과 이들의 제조 방법 - Google Patents

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테끄놀로지 아방세 에 망브란느 엥뒤스트리엘
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Abstract

본원 발명은 유체의 접선 여과용 막에 관련된다. 본원 발명 막은 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서 주어진 방향(f)으로 흐르는 유체에 대하여 적어도 하나의 유동 채널(3)을 한정하는 다공성 서포트(support)를 포함한다. 더욱이, 상기 채널(3)을 한정하는 다공성 서포트(2)의 내부면(4)은 유체에 대하여 적어도 하나의 분리층으로 덮여있다. 본원 발명은 상기 서포트가 분리면을 포함하고, 상기 서포트의 내부면(4)으로부터 연장되는 가변적인 부분적 채움(c)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본원 발명에 따르면, 전술한 채움은 서포트의 내부면(4)으로부터 연장되고, 주어진 일정한 구역(e)을 가지는 서포트(2)의 부분(8)에서 주입구(6)에서 최소 평균 다공도가 존재하고 배출구(7)에서 최대 평균 다공도가 존재하는 평균 다공도 기울기를 생성한다.

Description

접선 여과용 막과 이들의 제조 방법{MEMBRANE FOR TANGENTIAL FILTRATION AND PRODUCTION METHOD THEREOF}
본원 발명은 처리되는 유체 매개물 안에 함유된 입자 또는 분자의 분리(separation)를 확보하기 위하여 분리층의 성질 및 형태가 선택되는 적어도 하나의 분리층이 다공성 서포트(support)의 표면에 침착되고, 유체 매개물에 대하여 적어도 하나의 유동 채널을 한정하는 다공성 서포트(porous support)로 구성되며, 무기(inorganic) 물질로 제조된 일반적으로 막이라 일컫는 분리 원소를 사용하는 접선 분리의 기술 분야에 관련된다.
본원 발명의 대상은, 더욱 간결하게는 다공성 서포트의 제조에 관련된다.
특히 본원 발명의 대상은 나노여과, 한외여과, 정밀여과, 여과 또는 역삼투의 분야에서 편리하게 사용할 수 있다.
전통적으로, 막은 소결에 의하여 서로에 그리고 서포트에 연결되고, 각각의 유동 채널(flow channel)의 표면위에 침착된 무기(inorganic) 물질로 된 하나 이상의 분리층을 가지며, 세라믹과 같은 무기 물질로 된 다공성 서포트의 연합으로 정의된다. 이러한 막들은 상이한 구조(geometry)를 선택할 수 있다. 서포트의 기능은 서포트의 기계적 저항을 통하여 얇은 층을 수득하는 것인 반면, 분리층의 기능은 분자 또는 미립자 화학종들의 분리를 확보하는 것이다.
당해 기술 분야에서, 수많은 막들이 관형 또는 평판형 여과 요소로 제조되는 것으로 알려져 있다. 관형 막(tubular membrane)분야에서는, 단단한 다공성 서포트는 다각형 또는 원형의 횡단면을 가지면서 길게 늘어난 형상이다. 다공성 서포트는 각각 원통형의 형상을 가지는 다공성 서포트의 종방향 축(longitudinal axis) 및 서로에 평행한, 적어도 하나, 바람직하게는 일련의 채널을 포함하도록 배치된다. 채널들의 한쪽 면에서는 처리되는 유체 매개물에 대한 주입구 챔버와 소통하며(communicate), 다른쪽 면에서는 배출구 챔버와 소통한다. 채널의 표면은 주입구라 일컫는 채널의 한쪽 말단에서 배출구 또는 다른쪽 말단으로, 주어진 방향을 따라 채널 내부에 흐르는 유체 매개물에 함유된 입자들 또는 분자들의 분리를 확보하는 적어도 하나의 분리층으로 코팅된다. 막 공극보다 크기가 더 큰 입자들 또는 분자들이 보유되는 한, 차단효과(screening effect)를 통하여 상기 막은 처리되는 산물(product)의 분자 또는 미립자 화학종을 분리한다. 분리하는 동안, 유체의 이동은 분리층을 통하여 이루어지고, 이후 유체는 다공성 서포트의 외부 표면 쪽으로 향하게 하는 서포트의 투과성(permeability)을 분산시킨다. 분리층 및 다공성 서포트를 통과하여 처리되는 유체 부분은 투과수(permeate)라 불리우며, 막을 둘러싼 수집 챔버안에 수집된다.
평판형 막(flat membrane)의 기술적인 분야에서, 다공성 서포트는 각각이 일반적으로 직사각형인 다각형의 횡단면을 가지면서, 적어도 하나, 및 일반적으로 일련의 포개진 채널(superimposed channel)이 배치되는 블럭(block) 형태이다. 채널의 표면은 적어도 하나의 분리층으로 덮여있다.
접선 여과의 원리에 따르면, 처리되는 유체는 채널의 표면 전체에 걸쳐 고속으로 흘러서, 표면위에 침착된 물질을 재-분산시키는 전단응력(shearing stress)을 생성한다. 이는 채널의 표면에 유체 마찰을 발생시키며, 채널의 길이에 관하여 선형 방식(linear fashion)을 변화시키는 수두손실(head loss)을 일으킨다. 이러한 수두손실은 막의 길이, 막의 유체역학적 지름과 같은 치수 매개 변수(dimensional parameter) 및 처리되는 유체의 유속, 점성도 및 밀도와 같은 실험적 변수들에 따라 달라진다.
알짜(acting) 여과력은 압력이기 때문에, 채널의 길이 전체에 걸쳐 처리되는 유체의 압력이 감소하는 변화가 나타난다. 상기 압력 기울기는 분리층 및 이후 다공성 바디(porous body)를 통해 통과하는 투과수의 교차 흐름을 변형시킨다. 그러므로 투과수의 유속은 막의 길이를 따라 변화한다. 이러한 투과수의 유속 기울기는 채널을 따라 상이한 분리 일정(separation schedule)을 발생시키는 막에 의하여 비균일적인 분리를 초래한다.
이러한 결점을 극복하기 위한 시도에서, 미국 특허 4 105 547은 수두감소를 보완하기 위한 시스템을 사용하는 교차-흐름 필터 장치를 기술한다. 상기 시스템은 채널 내부에서 접선적으로 흐르는, 처리되는 유체와 같은 방향으로 막의 외부에서 투과수(permeate)의 접선적 흐름을 확보하는 것으로 구성된다. 투과수 흐름의 수두손실은 처리되는 유체의 수두손실과 동일하다. 그러므로 상기 두가지 손실은 채널을 따라 모든 지점에서 압력이 동일하게 유지되도록 서로 상쇄된다.
유럽 특허 0 333 753은 이러한 시스템에 대한 개선이다. 이 특허는 매우 저유속(low flow rate)으로 처리되는 액체의 수두손실과 동일한 수두손실을 수득하기 위하여, 투과수 구획내에 비드(bead)를 배치하는 것으로 구성된다.
그럼에도 불구하고, 상기 장치는 제조 공정을 상당히 복잡하게 하는 투과수 재순환 루프(loop)의 사용 및 이러한 추가적인 루프의 작동에 관계된 에너지 비용의 증가를 필요로 하는 불편한 점을 가지고 있다.
이러한 불편한 점을 개선하기 위하여, 유럽 특허 0 870 534 B1은 다공도 기울기를 제공하기 위하여 서포트의 외부 다공도가 서포트의 길이를 따라 변형되는 마크로다공성(macroporous) 서포트를 제시한다. 이러한 다공도 기울기는 투과성 기울기를 발생시킨다. 압력의 변화로 인하여, 막을 통과하는 투과수의 유속은 일정해 진다. 이러한 해법은 서포트를 단독으로 변형시킬 수 있긴 하지만, 이러한 기술은 서포트의 외부적 다공도를 감소시키는 결점을 가지고 있어, 통계적으로, 분자 또는 입자들이 감소된 다공도를 가지는 서포트 부분에 의하여 보유될 수 있고, 분리층을 통과하는 분자 또는 입자들의 축적(build-up)을 촉진시킨다. 실제로, 공극의 직경은 이러한 서포트의 수직의 횡단면 전체에서 증가하며, 표면에서는 감소하여, 분자 또는 입자들이 축적될 위험이 존재한다. 상기 축적은 서포트를 파괴시킬 수도 있다. 또한, 다공도는 다공성 서포트의 외부 고리에서만 감소된다. 그러므로, 분리층에 인접한 내부 부분에 있는 서포트의 다공성은 감소되지 않는다. 따라서 분리작업을 하는 동안, 채널 내부의 압력은 처리되는 유체의 흐름 방향으로 감소한다. 분리층을 통과한 후, 투과수는 내부 다공도 이내에서 분산되며, 에너지를 덜 필요로 하는 구역을 찾으면서 바깥쪽으로 흐른다. 그러므로 투과수는 주로 가장 다공성인 서포트 부분을 통하여 흐른다. 이러한 조건하에서, 수득된 다공도 기울기는 막의 길이를 따라 불균일적인 투과수 유속을 나타내는 결과를 초래한다.
유럽 특허 출원 1 074 291은 막의 길이를 따라 균일한 투과수 유속을 수득할 수 있게 하는 해법을 제시한다. 이러한 해법은 마크로다공성 서포트 위에, 처리되는 유체의 흐름 방향으로 감소하는 두께 기울기를 가지는 분리층을 침착시키는 것으로 구성된다. 이러한 경우, 분리층은 기계적 강도에 기여하지 않고 투과성(permeability)을 결정하는 반면, 서포트는 막의 유체역학적 저항(hydraulic resistance)에 기여하지 않고 기계적인 강도를 확보한다.
도 1은 본원 발명에 따른 막의 실시예의 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 실질적으로 도시된 막의 종단면도이다.
도 3은 본원 발명에 따른 막의 또다른 변형을 설명하는 도 2에 대한 유사한 도면이다.
도 4 내지 도 16은 각각 선행 기술의 막과 본원 발명의 막에 대한 실험적 수치를 제공하는 표이다.
그러므로 본원 발명은 막의 길이를 따라 더욱 균일적인 투과수 흐름을 수득하기 위해 채택된 접선 여과 막을 제시함으로써, 전술한 불편한 점들을 극복하고, 처리되는 유체의 화학종이 축적되고 막에 의하여 보유될 수 있는 약한 구역을 가지지 않는 또다른 해법을 제시한다. 본원 발명에 의하여 주장된 해법은 다공성 서포트를 분리층에 인접한 부분에서 막 투과성에 기여하도록 변형시키는 것으로 구성된다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 처리되는 유체의 접선적 여과를 위한 본원 발명의 막은 주입구와 배출구 사이에서 주어진 방향으로 흐르는 처리되는 유체에 대하여 적어도 하나의 유동 채널을 한정하는 다공성 서포트, 처리되는 유체에 대하여 채널을 한정하는, 적어도 하나의 분리층으로 코팅된 다공성 서포트의 내부면을 포함하며, 투과수(permeate)라 일컫는 분획은 분리층과 다공성 서포트를 통과한다. 서포트는 분리층이 침착되는 서포트의 내부면으로부터 연장되는 가변적인 부분적 공극-채움(pore-filling)을 가진다. 서포트의 내부면으로부터 연장되는 주어진 일정한 두께의 서포트 부분에서, 상기 부분적인 공극-채움은 처리되는 유체의 흐름 방향으로, 주입구에서 최소 평균 다공도가 존재하고, 배출구에서 최대 평균 다공도가 존재하는 평균 다공도 기울기를 형성한다.
본원 발명의 또다른 목적은 유체에 적합한 접선 여과막의 제조 방법을 제시하는 것이다. 본원 발명에 따르면, 상기 방법은 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장되는 주어진 일정한 두께의 부분 전체에 걸쳐, 처리되는 유체의 흐름 방향으로, 주입구(6)에서 최소 평균 다공도가 존재하고, 배출구(7)에서 최대 평균 다공도가 존재하는 평균 다공도 기울기를 수득하기 위하여, 유동 채널을 한정하는 다공성 서포트(2)의 내부면(4)으로부터, 평균 직경이 서포트의 평균 공극 직경(dp)보다 더 작은 무기 입자의 침투에 의하여 다공성 서포트(2)를 변형시키는 것으로 구성되는 단계를 포함한다.
다른 다양한 특성들은 첨부된 도면을 참고하여, 본원 발명의 비-제한적인 실시 형태의 예 및 본원 발명의 목적의 비-제한적인 수행 예를 제공하는 다음의 설명으로부터 명확해 질 것이다.
본원 발명을 설명하기에 앞서, 몇가지 정의가 주어질 필요가 있다.
다공도는 서포트의 총 겉보기 부피에 관한 서포트 공극의 부피를 나타낸다. 다공도는 예컨대 수은 공극 측정기를 사용하여 측정한다. 수은 공극 측정기는 압력하에서 수은을 다공성 표본으로 보내는 기구이다. 이 기구는 공극 직경의 분포 뿐 아니라 다공성 바디의 다공도도 제공한다.
주어진 일정한 두께의 부피 부분에서의 평균 다공도 기울기의 존재는, 주어진 일정한 두께의 부피 부분이 이 구획의 종방향의 축과의 관계에서 횡단적으로 연장되는 단편에 해당하는 일련의 기본적인 균등 부피로 나누어 진다면, 기본적인 부피의 평균 다공도가 이러한 구획의 종방향의 축을 따라 변화함을 의미한다.
단위 압력 당 유동 밀도(flux density) 및 다공성 서포트의 투과성은 유체 매개물이 상기 서포트를 통해 통과할 수 있는 용이성을 나타낸다. 본원 발명에서, 유동 밀도는 단위 시간(초)당 서포트의 단위 면적(㎡)을 통과하는 투과수의 양(㎥)을 나타낸다. 그러므로 단위 압력 당 유동 밀도는 ㎥/㎡/s/Pa ×10-12 으로 측정된다.
본원 발명에서, 투과성은 두께에 관한 단위 압력 당 유동 밀도에 해당하며, ㎥/㎡/s/m/Pa ×10-12 로 표현된다.
도 1 및 2에서 도시한 바와 같이, 본원 발명의 여과막(1)은 고체 상(phase)을 포함하거나 포함하지 않는 다양한 유형의 유체 매개물, 바람직하게는 액체에 함유된 분자 또는 입자의 분리 또는 여과를 확보하기 위하여 채택된다. 설명된 실시예에서, 여과막(1)의 구조(geometry)는 관형이다. 이러한 실시예에 따르면, 여과막(1)은 물질의 이동 저항이 수행되는 분리에 적합한 물질로 제조된 단단한 무기적 다공성 서포트(2)를 포함한다. 다공성 서포트(2)은 금속 산화물, 탄소 또는 금속과 같은 무기 물질로 제조된다. 이러한 실시예에서, 다공성 서포트(2)은 종방향의 중심축(A)을 따라 연장되는 길게 늘어난 형태로 제조된다. 다공성 서포트(2)은 도 1 및 도 2에 설명된 실시예에서와 같이, 다각형의 횡단면 또는 원형의 횡단면을 가진다. 그리하여 다공성 서포트(2)는 원형 횡단면의 원통형 외부면(21)을 가진다.
설명된 실시예에서, 다공성 서포트(2)는 서포트의 축(A)에 평행하게 제조된 적어도 하나의 채널(3)을 포함하도록 배치된다. 설명된 실시예에서, 서포트의 축(A)에 횡단적인 채널의 횡단면은 원통형이다. 채널(3)은 접선 방식으로 작동하는 상기 막에 대한 주입구(6) 및 배출구(7)를 결정할 수 있게 하는 화살표(f)에 의하여 지시된 흐름 방향으로 채널(3) 내부에서 흐르는 유체 매개물과 접촉되는 적어도 하나의 분리층(5)으로 코팅된 내부면(4)을 가진다. 이러한 유형의 분리층(5)은 수득되는 분리력 또는 여과력과의 관계에서 선택되며, 액체 매개물로부터 유도된 압력이 다공성 서포트(2)에 전달되도록 다공성 서포트(2)와 밀접한 결합을 형성한다. 이러한 분리층은 예컨대, 광물적 여과요소의 제조에 전통적으로 사용되는 적어도 하나의 금속 산화물을 함유하는 현탁액으로부터 침착될 수 있다. 이러한 분리층을 건조시킨 후, 이들을 경화 및 서로에 그리고 다공성 서포트(2)에 결합시키기 위하여 소결단계를 거치게 한다. 투과수라 일컫는 이렇게 처리된 유체의 부분이 다공성 서포트의 외부면(21)을 통하여 흐를 수 있도록, 액체 매개물의 일부는 분리층(5)과 다공성 서포트(2)를 통과한다.
본원 발명에 따르면, 분리층(5)에 인접한 서포트(2) 부분은 서포트의 남은 부분에 관하여 변형된다. 분리층(5)의 부근에서, 서포트(2)는 분리층(5)이 침착되는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 서포트를 따라 연장되는 가변적인 부분적 공극-채움을 가진다. 이러한 공극-채움은 투과수가 서포트를 통과할 수 있도록 완전히는 채워지지는 않기 때문에, <<부분적>>이라 말한다. 이러한 부분적인 공극-채움은 서포트(2)의 길이를 따라 변화하며, 이로 인하여 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장되는 주어진 일정한 두께(e) 부분(8) 전체에 걸쳐, 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 평균 다공도 기울기를 생성하기 때문에 <<가변적>>이라 말한다. 가장 높은 평균 다공도를 가지는 가장 덜 채워져 있는 일부분은 막의 배출구(7)에 존재하는 반면, 대부분이 채워져 있고, 가장 낮은 평균 다공도를 가지는 부분(8)의 일부분은 막의 주입구(6)에 존재한다. 그러므로 주입구(6)과 배출구(7) 사이에서, 단위 압력 당 유동 밀도는 서포트(2)를 따라 증가한다. 따라서 평균 다공도 기울기 및 그로인한 단위 압력당 유동 밀도 기울기가 분리되는 유체 매개물에 의하여 생성된 압력에 역으로 비례하는 방식으로 변화하는 한, 분리층(5)과 다공성 서포트(2)를 통과하는 투과수의 유속은 막의 길이를 따라 일정하다. 처리되는 유체의 압력은 유체의 흐름 방향(f), 즉, 막의 주입구(6)로부터 배출구(7) 방향으로 감소한다. 그러므로 단위 압력 당 분리층의 유동 밀도 기울기는 막의 전체 길이에 걸쳐 일정한 투과수 유속을 수득하기 위하여 선택된다.
또한 본원 발명은 또다른 이점을 제공한다. 유럽 특허 0 870 534 B1에 기술된 서포트 내부에서는, 공극의 평균 직경이 분리층으로부터 서포트의 외부면 쪽으로의 유체의 흐름 방향에 횡단 방향으로 증가하고, 이후 감소하며, 이에 의하여 축적 구역의 생성을 촉진시킨다. 반대로, 본원 발명에서는 서포트의 평균 다공도가 서포트(2)의 내부에서 증가하는데, 특히 부분(8) 내부에서는 처리되는 유체의 흐름 방향(f), 즉, 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 외부면(21) 쪽으로의 유체의 흐름 방향에 횡단방향으로 증가한다.
평균 다공도 기울기는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터, 평균 직경이 서포트(2)의 평균 공극 직경보다 작은 입자의 침투에 의하여 수득되며, 침투는 서포트(2)의 부분(8)의 부분적인 공극-채움(c)를 수득할 수 있게 한다. 이러한 부분(8)은 분리층(5)을 수용하고자 하는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장된다. 부분(8)은 일정한 두께(e)의 부피 부분이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 두께(e)는 분리층(5)이 침착되는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 결정되는, 부분적인 공극-채움(c)의 최대 깊이에 해당한다. 입자의 침투에 해당하는 이러한 부분적인 공극-채움(c)은 입자 크기, 즉, 입자 직경 및 실험적 침투 조건에 따라 깊이(p) 전체에 걸쳐 생성된다. 일반적으로, 침투 깊이(p)는 수십 ㎛를 넘지 않으며, 이 값은 가장 고운 입자들에 의하여 달성된다.
만약 일정한 두께(e)의 부분(8)이 유체 흐름 방향(f)에 관하여 횡단적으로 연장되는 단편들에 해당하는 일련의 기본적인 균등 부피로 나누어 진다면, 일정한 두께(e)의 부분(8)에서의 평균 다공도 기울기의 존재는 이러한 기본적인 부피에 대하여 수득된 평균 다공도가 처리되는 유체의 흐름 방향(f)의 종방향으로 증가함을 의미한다.
상기 정의된 부분(8)에서 증가하는 평균 다공도 기울기의 존재는 서포트(2)의 길이를 따라 증가하는 단위 압력 당 유동 밀도 기울기의 존재를 나타낸다.
서포트 다공도 내부의 입자의 존재는 두가지 영향을 미칠 수 있다:
-첫번째는 서포트 다공도의 감소에 관련되고,
-두번째는 서포트의 평균 공극 직경의 감소에 관련된다.
이러한 두가지 영향 각각은 단위 압력 당 서포트의 유동 밀도가 감소하는 결과를 가져온다.
접선 방식으로 작동하는 막의 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서 서포트(2)의 길이를 따라 단위 압력 당 유동 밀도 기울기를 수득하기 위하여, 본원 발명은 다음의 변형을 제공한다:
-막을 따르는 입자의 침투 깊이(p). 이러한 경우, 사용되는 입자 모두는 동일한 평균 직경, 침착 매개변수를 변형시킴으로써 수득되는 침투 깊이(p)의 변화를 가진다.
-또는 침투시킨 후, 서포트의 평균 공극 직경 및 다공도. 이러한 경우, 상이한 크기의 입자가 사용되며, 가장 큰 입자들을 침투시킨 후에 가장 고운 입자들을 침투시킨다.
-또는 상기 두가지 방법을 조합시킴.
본원 발명의 첫번째 변형에 따르면, 평균 다공도는 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서 일정한 두께(e)의 부분(8) 전체에 걸쳐 실질적으로 연속적인 방식으로 증가할 수 있다. 이러한 경우, 단위 압력 당 유동 밀도 또한 주입구(6)와 배출구(7)사이에서 실질적으로 연속적인 방식으로 증가한다.
도 2에 설명된 실시예에서 더욱 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 이러한 평균 다공도 기울기는 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 실질적으로 연속적인 방식으로 감소하는 깊이(p) 전체에 걸쳐 서포트의 내부면(4)으로부터 입자들을 침투시킴으로써 수득될 수 있다. 도면에서 분리층(5), 부분(8) 그리고 다공성 서포트(2) 사이의 크기 비율은 측정되지 않는다: 분리층(5)과 부분(8)은 본원 발명의 대상을 설명하기 위하여 더 큰 크기로 나타낸다.
또다른 변형에 따르면, 일정한 두께(e)의 서포트(2)의 부분(8)에서의 평균 다공도는 평면 Pi에서 증가할 수 있다. 이러한 경우, 단위 압력 당 유동 밀도 또한 주입구(6)와 배출구(7) 사이의 평면 Pi에서 증가한다.
만약 증가가 평면에서 일어난다면, 단위 압력 당 평균 다공도와 유동 밀도를 측정하기 위하여 흐름 방향(f)을 따라 취해진 기본적인 부피에 해당하는 단편의 길이는 평면 Pi의 길이에 해당한다. 도 3은 이러한 평균 다공도 기울기가 깊이 기울기(p) 전체에 걸친 입자 침투에 해당하는 부분적 공극-채움(c)으로 인하여 일어나는 경우를 설명한다. 깊이(p)는 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서, 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 평면 Pi에서 감소한다. 설명한 실시예에서, 네 개의 침투 깊이(p)에 해당하는 네 개의 평면 P1 내지 P4 가 존재한다. 주입구(6)에 위치한 평면 P1 에서의 침투 깊이(p)는 그 다음의 평면 P2의 침투 깊이보다 더 깊으며, P2에서의 침투 깊이는 평면 P3의 침투 깊이보다, P3에서의 침투 깊이는 평면 P4의 침투 깊이보다 더 깊다. 설명한 실시예에서, 침투 깊이(p)는 각각의 평면에 대하여 일정하다. 침투 깊이(p)는 두개의 연속적인 평면 사이의 접합점에서 깊이를 변화시켜 흐름 방향(f)으로 각각의 평면에서 점진적으로 감소하도록 제조될 수도 있다. 바람직하게는 상기 평면은 흐름 방향으로 실질적으로 동일한 길이를 취한다.
전술한 실시예는 실질적으로 타원형의 횡단면을 가지는 원통형 형상의 채널을 포함하는 단일 채널막에 관계됨을 알아두어야 한다. 분명히 본원 발명의 대상은 변화있는 다양한 형태의 하나 이상의 채널을 포함하는 막에 사용될 수 있다. 유사하게, 본원 발명의 대상은 평판형(flat-type) 막을 형성하기 위하여 다공성 블럭으로 배열된 다각형 횡단면의 적어도 하나의 채널(3)을 포함하는 막에 분명하게 사용될 수 있다. 이러한 유형의 막에서, 다공성 서포트(2)는 채널 각각이 직사각형의 횡단면을 가지며, 채널벽이 분리층(5)으로 코팅된 일련의 포개어진 채널들(3)을 포함한다. 여러개의 채널을 가진 막에 대하여, 서포트는 채널(3)을 한정하는 각각의 내부면(4)의 부근에서 상기 정의된 바와 같은 부분적 공극-채움을 거친다. 그러므로 서포트는 채널(3)과 서포트의 외부면(21)사이 또는 두개의 채널(3)사이에 존재하는 내부면(4)에 인접한 부피 전체에 걸쳐 변형된 다공도를 가진다.
본원 발명의 대상은 상기 기술된 여과막(1)의 제조 방법에도 관련된다. 상기 방법은, 상기 서포트의 내부면(4)으로부터, 서포트(2)의 평균 공극 직경(dp)보다 더 작은 평균 직경을 가지는 무기 입자의 침투에 의하여 다공성 서포트(2)를 변형시키는 것으로 구성되는 단계를 포함한다. 이러한 침투는, 일정한 두께(e)의 부분(8)에서, 처리되는 유체의 흐름 방향으로 주입구에서 최소 평균 다공도가 존재하고 배출구에서 최대 평균 다공도가 존재하는 평균 다공도 기울기가 수득되도록 이루어진다.
서포트(2)의 평균 공극 직경(dp)보다 더 작은 평균 직경이란 바람직하게는 무기 입자들의 평균 직경이 dp/100과 dp/2 사이에 있다는 것을 의미한다.
서포트(2) 내부의 입자 침투는 상기 입자들을 분산시킨(deflocculated) 현탁액을 사용하여 달성된다. 현탁액의 분산(deflocculating)은 입자 집단(cluster)의 형성을 막기 위하여, 그리고 서포트의 공극 내부를 침투할 수 있는 분리된 형태로 입자들을 유지하기 위하여 필요하다. 편리하게 현탁액은 낮은 점성도를 가진다.
상기 입자들은 가능하면 서포트 및/또는 분리층(5)에 사용된 물질과 동일한 무기 입자들의 무기 물질 성분, 금속 산화물과 같은 무기 물질로 구성되어 있다.
침투 단계는 고체 서포트(2)의 부분적 공극 채움을 고정시키기 위하여 상기 입자들의 확장 및 아말감화(amalgamation)를 일으키는, 고체 서포트(2)의 공극에 존재하는 입자들을 서로 결합시키기 위한 소결 단계가 수반된다. 처리되는 유체의 흐름 방향으로 주입구에서 최소 평균 다공도가 존재하고, 배출구에서 최대 평균 다공도가 존재하는 평균 다공도 기울기를 생성하는 가변적인 부분적 공극-채움(c)을 수득하기 위하여, 다공성 서포트의 부분(8) 안에서의 무기 입자들의 가변적인 침투가 필요하다.
다음의 설명은 도 2에 도시된 바와 같은 막의 제조 방법에 관련된다. 이러한 경우, 동일한 크기의 입자들의 침투는 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 감소하는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 측정된 깊이(p) 전체에 걸쳐 부분(8)의 공극 내부에서 이루어진다. 서포트의 길이에 관하여 상기 가변적인 침투는 다공성 서포트(2)를 수직으로 배치하는 단계 및 가변적인 회전 속도의 연동식 유형(peristaltic type)의 펌프를 사용하는 서포트의 평균 공극 직경(dp)보다 평균 직경이 더 작은 무기 입자들의 분산된(deflocculated) 현탁액으로 채널(3)을 채우는 단계로 구성되는 접촉 방법을 사용하여 이루어진다. 채널 채움 시간(filling time)을 Tr로 나타낸다. 서포트가 펌프의 회전 속도에 대한 작용에 의하여 현탁액으로 채워져 유지되는 동안의 시간은 Ta로 나타낸다. 이후 서포트를 펌프의 회전 방향을 반대로 전환시켜 비우는데, 비움 시간(emptying time)은 Tv로 나타낸다. 세 가지 시간 Tr, Ta, Tv는 서포트(2)의 내부면(4)의 각 지점과 현탁액 사이의 접촉 시간 Tc를 결정한다.
높이(h)에 존재하는 서포트(2)의 내부면(4)의 지점(x)에서, 현탁액과의 접촉 시간(Tc)은 :
Tc = (Tr + Ta + Tv) - Ss / Qpr * h - Ss / Qpv * h (I)
여기서:
Tr = 채움 시간
Ta = 관이 채워짐을 기다리는 시간
Tv = 비움 시간
Tc = 접촉 시간
Qpr = 채우는 동안 펌프 유속
Qpv = 비우는 동안 펌프 유속
Ss = 채널 구획
h = 채움 높이(fillng level)
서포트 내부의 입자들의 침투 깊이(p)는 다공성 서포트(2)와 현탁액 사이의 접촉 시간(Tc)에 따라 달라진다. 그러므로 배출구(7)에 해당하는 서포트의 상부와 주입구(6)에 해당하는 서포트의 하부 사이에서 실질적으로 연속적인 방식으로 그리고 점진적으로 증가하는, 입자들의 현탁액과 서포트(2) 사이의 접촉 시간(Tc)을 수득하기 위하여, 점진적으로 채널(3)을 비우도록 제조될 수도 있다. 서포트의 상부 말단으로부터 서포트의 하부 말단까지 증가하는 침투 깊이(p)를 수득하는 것 또한 가능하다. 그러므로, 접촉시간(Tc)으로 상이한 값을 사용하고, 식(I)에 따라, Tc, Ta, 및 Tv에 적용시켜, 서포트(2) 내부에 침투하는 무기 입자들의 중량(mass)을 선택할 수 있다.
도 3에 도시된 막을 제조하기 위한 하나의 방법은 채널(3)을 예컨대, 설명된 실시예에서 전체 네 개의 P 1 내지 P 4 의 실질적으로 동일한 길이의 일련의 단편들(P i )로 나누는 것으로 구성될 수 있다. 채널(3)의 표면을 서포트의 평균 공극 직경(dp)보다 더 작은 평균 직경의 입자들로 구성된 분산된(deflocculated) 현탁액과 접촉시킨다. 전통적인 공지된 방식으로, 침투 깊이(p)는 현탁액 농도 및 현탁액과 다공성 서포트(2) 사이의 접촉 시간의 매개변수에 의하여 제어된다. 동일한 하나의 현탁액에 대한 접촉 시간은 평면 P 4 로부터 평면 P 1 으로 감소한다.
가변적인 부분적 공극-채움(c)을 달성할 수 있는 또다른 기술은 항상 서포트의 평균 공극 직경보다 더 작고 상이한 평균 직경을 가지는 무기 입자들의 연속적인 침투를 수행하는 것이다. 특히, 두 가지 연속적인 침투는 먼저 dp/100과 dp/2 사이에 있는 평균 직경(d 1 )의 무기 입자들을 사용하고, 이후 두번째로 평균 직경(d 2 )이 d 1/100과 d 1 /2 사이에 있는 무기 입자들을 사용하여 이루어질 수 있다.
분명히, 내부면(4)로부터 연장되는 가변적인 부분적 공극-채움을 포함하는 다공성 서포트는 상기 기술된 방법 이외의 다른 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 부분적 공극-채움 및 평균 다공도 값 그리고 채널(3)에서 흐르는 처리되는 유체의 압력 기울기에 관한 부분(8)에서의 단위 압력당 유동 밀도 기울기의 범위를 선택함으로써, 유동 채널(3)을 따라 실질적으로 일정한 투과수 유속을 수득하는 것이 가능하다.
또한 본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 부분적 공극-채움에 사용하기 위한 크기가 동일한 무기 입자와 분리층(5)을 제조하는데 사용되는 조성물을 사용하도록 제조될 수도 있다. 이러한 경우, 본원 발명은 입자 침투 작업을 하는 동안, 서포트의 내부면(4)에 이루어지는 침착을 제공한다. 이러한 조건하에서, 서포트의 부분적 공극-채움 및 분리층(5)의 침착은 동시에 수행된다. 이러한 경우, 분리층(5)의 두께는 EP 1 074 291에서 기술된 바와 같이, 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 감소할 수 있다.
이에 반해, 부분적 공극-채움에 사용되는 입자들이 분리층을 제조하는데 사용되는 입자들과 상이하다면, 본원 발명은 서포트(2) 내부에 무기 입자가 침투할 때, 다공성 서포트(2)의 내부면(4)에 침착의 형성을 막는 단계를 제공한다.
다음의 실시예에서, 외부 직경 10mm, 내부 직경 6mm, 그리고 길이 1200mm의 단일 채널 서포트가 사용된다. 이러한 다공성 서포트는 5 ㎛의 등가의 평균 공극 직경을 가진다.
채널벽에 먼저 티타늄 산화물의 현탁액을 침착시키고, 소결시킨 후, 침착에 대하여 1.5 ㎛의 평균 등가 직경을 수득하게 한다.
침착의 균일성을 분석하기 위하여, 이렇게 제조된 막을 물 투과성에 대해 측정되는, 10㎝ 길이의 12개 단편으로 자른다. 이러한 막은 부분적 공극-채움이 없는 대조막으로서 제조되었다.
유체로 물을 사용하는 도 4의 표는 다음을 보여준다:
-각각의 단편에 대하여 측정된 단위 압력 당 유동 밀도,
-1.5 ㎛의 등가의 평균 공극 직경을 가진 층의 두께
- 6.9×10-8 의 단위 압력 당 서포트에 대한 유동 밀도값을 사용하여 결정된 층의 투과성
이 표에서 주어진 값은 단편들이 유동 밀도, 층 두께 및 투과성에 관하여 상대적으로 균일함을 보여준다.
유속에 관하여 1178mm의 길이를 가지는 상기와 같은 막 내부에 흐르는 유체의 수두 감소(head loss)가 도 5의 표에 주어져 있다.
참조로, 막 위의 표본 위치(sampling position)에 관한 이러한 막의 여과액의 유속 또한 주어져 있다. 이러한 측정은 네 개의 등가의 부분으로 분할된 TAMI CeRAM Inside casing CLC120100100호로 구성되는 기구를 사용하여 이루어진다. 각각의 이러한 부분위에 다음을 배치한다:
-각 말단부 부근에 있는 투과수 배출구,
-각각의 단편들에 대하여 이용가능한 주입구/배출구에서의 DN 38 클램프 커넥터(clamp connector).
클램프 커넥터를 차단하는데 사용되는 개스켓(gasket)은 그 중심에 직경 9.5mm의 구멍을 포함한다는 점에서 특수하다. 네 개의 케이싱은 특수한 개스켓을 통하여 서로 결합된다.
1178mm 길이의 막을 이러한 네 개의 케이싱 안에 배치하고, 이후 그 어셈블리(assembly)를 각각 1 내지 5m/s의 속도에 해당하는 100과 500ℓ/h 사이의 유속을 제공하는 펌프에 연결시킨다. 이러한 조건하에서, 그리고 각각의 케이싱의 투과수 배출구에 의하여, 투과수의 유속을 각각의 케이싱에 대하여 측정한다. 도 6에 있는 표는 실험 조건을 정의하며, 수득된 여과액의 유속 값을 제공한다.
유속에 상관없이, 단편의 유속은 압력 값에 따라 달라지는 것으로 보인다. 이는 막 내부의 유체의 흐름에 의하여 일어나는 수두 손실(head loss)의 결과이다. 주입구 단편의 유속과 배출구 단편의 유속 사이의 비율은 5m/s의 속도에서 1.82 값에 도달하기 위한 유속으로 증가한다.
다음의 설명은 본원 발명 막의 세가지 실시예를 제공하고자 한다.
본원 발명의 실시예 1
본 실시예는 분리층(5)을 형성하는데에도 사용될 수 있는 입자들로 된 현탁액의, 서포트(2) 내부에서의 침투에 해당한다.
0.5㎛ 크기의 티타늄 산화물 입자의 현탁액을 제조한다. 이러한 현탁액은 입자들을 서로 분리시키고, 침착(sedimentation)을 제거하는 코아텍스(COATEX)라 일컫는 특수한 제제를 사용하여 분산(deflocculate)시킨다. 어떠한 유기적 결합제도 매우 낮은 점성도를 수득하기 위하여 첨가되지 않는다.
외부 직경 10mm, 내부 직경 6mm, 길이 1200mm의 단일 채널 서포트가 사용된다. 이러한 다공성 서포트는 5㎛의 등가의 평균 공극 직경을 가지며, 앞서 대조로 사용되었던 다공성 서포트와 동일하다. 이후 이러한 서포트는 상기 설명한 침투 작업에 들어가게 된다. 사용되는 Tr, Ta, Tv 값은 도 7의 표에 주어져 있다. 세가지 각각의 Tr/Ta/Tv 값에 대하여, 두개의 서포트를 현탁액의 침투에 의하여 변형시키고, 건조시킨 이후에, 1100℃ 정도의 온도에서 하소(calcine)시킨다. 이렇게 변형된 서포트들은 세 가지 한 쌍의 Tr/Ta/Tv 값, 즉 예컨대, 10/10/40으로 정의된다.
각각의 열에 있는 제 1의 변형된 서포트를 상기 사용된 케이싱을 사용하여 물 투과성에 관하여 측정한다. 단일 속도(5m/s)가 이러한 측정에 사용된다.
제 2의 변형된 서포트는 0 mm, 300 mm, 500 mm, 700 mm 및 1178 mm의 길이로 얇은 단편(2 내지 3 mm 높이) 형태의 표본을 취하기 위하여 절단된다. 침착이 존재한다면, 이러한 단편들은 서포트의 내부면(4) 위의 침착의 두께 및 서포트 내부의 침투를 측정하는데 사용된다.
도 8에 있는 표는 단편의 유속 값을 제공한다.
단편들을 1 내지 4로 번호를 붙이는데, 1번은 침투 작업 동안의 서포트의 하단 부분에 해당한다. 상기 대조 막에 관한 본원 발명의 막에 대하여, 이러한 결과는 단편 당 유속이 단편 순서와의 관계에서 상당히 일정해졌음을 보여준다. 이러한 결과는 채널의 길이를 따라 존재하는 압력 기울기를 상쇄하는 단위 압력당 유동 밀도 기울기의 직접적인 결과이다.
서포트의 다공도 내부의 입자 침투의 측정은 0 mm, 300 mm, 700 mm, 1178 mm의 길이로 표본된 좁은 두께의 단편에서 이루어졌다. 이러한 좁은 두께의 단편들을 코팅 수지로 채워서, 단일 평면상에서 전자 스캐닝 현미경(electronic scanning microscope)으로 입자 침투를 관찰하기 위해 연마시켰다.
도 9의 표는 서포트에서의 입자 침투 및 층의 두께의 측정치를 제공한다. 이 표를 검토하면, 입자들은 효과적으로 내부면(4)으로부터 서포트의 다공도 내부로 침투되며, 침투 깊이는 실제로 현탁액과의 접촉 시간의 결과임을 확인할 수 있다. 앞서 지적한 바와 같이, 서포트의 한 지점에서의 접촉 시간은 이 지점의 높이에 따라 달라진다. 이런 결과는 침투 깊이가 접촉 시간과 유사하게 변화하며, 이에 의하여 침투 깊이 기울기가 수득되고 그리하여 투과수 유속의 균일성을 촉진시키는 다공도 기울기 및 단위 압력 당 유동 밀도 기울기가 수득된다는 것을 입증한다.
침투 깊이가 연장될 때, 입자들은 서포트 내부에서 더이상 전진(advance)할 수 없다. 서포트는 부분적으로 채워진 것으로 생각될 수 있다. 그러나 모세관 흡인(capillary aspiration)이 유지되기 때문에, 입자들은 서포트의 표면에 계속 도달하고, 침착을 형성한다. 이는 접촉 시간이 짧을 때의 침착에 해당하는 층의 두께 값이 0이고, 이후 실질적으로 접촉 시간이 길어지면서 양의 값(positive)을 가지게 되는 것에 의하여 알 수 있다. 침착은 막의 분리층(5)에 해당할 수 있다.
본원 발명의 실시예 2
본 실시예에서는, 침투 단계에 사용되는 무기 입자들을 분리층(5)을 형성하는데 사용할 수 없다. 이러한 경우, 본원 발명은 침착의 형성을 막는다.
외부 직경 10mm, 내부 직경 6mm, 길이 1200mm의 단일 채널 서포트가 사용된다. 이러한 다공성 서포트는 5㎛의 등가의 평균 공극 직경을 가지며, 이들은 앞서 대조로 사용된 다공성 서포트와 동일하다.
사용되는 무기 입자들은 1㎛의 평균 입자 직경을 가지는 티타늄 산화물 입자들이다. 이러한 직경은 직경 5mm의 알루미나 팔레트를 함유하는 병(jar) 안에서 강하게 연마한 후에 수득된다. 이러한 입자들을 코아텍스(COATEX)군의 첨가제를 사용하여 분산(deflocculate)시킨다. 현탁액은 유기적 결합제를 함유하지 않으며, 입자 농도는 50g/ℓ미만이다. 이러한 두가지 매개변수의 값은 매우 낮은 점성도를 수득하고자 한 것이다.
서포트는 도 10의 표에 정의된 실험적 침착 조건하에서 이러한 현탁액을 사용하는 입자 침투에 의하여 변형된다.
이러한 서포트(2) 내부에서의 일련의 입자 침투에서, 비움 비율(emptying rate)은, 막의 벽에서 전단응력(shearing stress)을 수득하고 그에 의하여 형성되었을 수 있는 침착을 부식시키기 위하여 현저하게 증가되었다. 10초, 5초, 및 3초의 세 비움 시간에서의 속도는 각각 0.117 m/s, 0.234 m/s, 0.39 m/s에 해당한다.
세 개의 서포트들은 각각 세 가지 한 쌍의 Tr/Ta/Tv로 만들어졌다. 이러한 변형된 서포트들을 1,100℃에서 하소(calcine)시키고, 이들 중 두 개를 동일하게 표본하여, 상기 실시예 1번과 같이 측정하였고, 세번째 서포트는 막으로 변형시키기 위하여 분리층(5)이 침착되도록 하였다.
도 11의 표는 이러한 변형된 서포트들에 대하여 측정된 유속값을 제공한다. 이 방법으로 수득된 유속값은 이전의 방법으로 수득한 유속값 보다는 덜 균일하지만, 대조 서포트의 유속 보다는 훨씬 더 좋은 값을 유지한다. 비움 비율은 유속의 균일성을 개선시키고, 그로써 중요한 매개변수를 나타낸다. 침투 깊이 및 침착 두께가 존재할 때, 상이한 침투 깊이 및 침착 두께를 이전의 방법을 사용하여 결정하였다.
도 12의 표는 수득된 결과를 제공한다. 이 표는 1㎛ 입자의 침투가 0.5㎛의 입자를 사용하는 이전의 실시예에서보다 규모가 작음을 보여준다. 변형된 서포트의 유형에 관계없이, 서포트의 하단부에서의 침투는 항상 상단부에서의 침투보다 더 크므로, 그에 의하여 다공도 기울기 및 균일한 유속의 수득을 촉진하는 단위 압력당 유동 밀도 기울기를 생성한다.
세 번째 변형된 서포트에서, 0.2㎛의 평균 공극 직경을 가지는 분리층이 침착되었다.
침착, 건조 및 소결 이후, 단편 당 서포트를 측정하는데 사용되는 케이싱(casing)으로 수득된 결과가 도 13에 주어져 있다. 측정하는 내내, 유속은 5 m/s였다. 이러한 변형된 서포트에서 관찰된 균일성은 막에서 발견된다. 이러한 결과는 막을 형성하는 침착이 매우 일반적이기 때문에 전형적이며, 이는 각각의 변형된 서포트 단편에 실질적으로 동일한 유체역학적 저항(hydraulic resistance) 또는 투과성을 추가하는 것에 해당한다.
본원 발명의 실시예 3
본 실시예에서는, 상이한 평균 직경의 두 가지 입자 분말이 사용된다. 이러한 두 가지 분말의 두 가지 현탁액은 채널의 표면위에 침착을 형성하게 하지 않으면서 서포트의 부분적 공극-채움을 증가시키기 위하여 차례로 서포트와 접촉된다. 더 큰 직경의 입자들이 먼저 사용된다.
실시예 2에 따라 첫번째 침투가 이루어졌다.
실시예 2로 제조된 외부 직경 10mm, 내부 직경 6mm, 그리고 길이 1200mm의 단일 채널 서포트가 사용된다. 그러나 채널의 표면위에 침착이 존재하지 않는 10/40/5 et 10/40/3 기준의 서포트만이 사용된다.
사용되는 두 번째 입자들은 0.1㎛의 평균 입자 크기를 가지는 티타늄 산화물 입자이다. 분말을 코아텍스(COATEX)군의 보조제를 사용하여 분산(deflocculate)시켰다. 현탁액은 유기적 결합제를 함유하지 않으며, 분말 농도는 20g/ℓ 미만이다. 이러한 두개의 매개변수 값은 매우 낮은 점성도를 수득하고자 한 것이다.
이러한 두번째 현탁액으로 수행된 실험적 침투 조건이 도 14의 표에 주어져있다. 이러한 조건들은 침착을 형성하지 않기 위한 실시예 2의 조건들과 동일하다. 실시예 1에서와 같이, 세 개의 서포트가 각각 세 가지 한 쌍의 Tr/Ta/Tv로 만들어진다. 이러한 변형된 서포트를 900℃에서 하소(calcine)시키고, 이후 동일한 표본으로 만들어, 상기 실시예 2에서와 같이 측정한다. 도 15의 표는 이러한 변형된 서포트에 대하여 측정된 유속값을 제공한다. 이전의 실시예와 이들을 구별하기 위하여, 각각의 변형된 서포트의 기준에 주석/O.A를 추가하였다. 이러한 유속값이 일련의 본원 발명의 실시예 중에서 가장 낮기 때문에, 큰 입자들로 부분적으로 채워진 공극 내부에 고운 분말의 침투는 단편의 유속에 주요한 영향을 미친다. 도 6의 표에 있는 대조값과 비교하여, 도 15의 표에 주어진 값은 약 3 또는 4배가 더 낮은데, 이는 매우 상이한 입자 크기의 두가지 분말을 사용하는 이중 침투의 효율을 입증한다.
실시예 2에서와 같이, 높은 비움 속도는 유속의 균일성을 촉진시킨다. 소결 이후에는 크기가 큰 입자들을 크기가 작은 입자들과 구별하는 것이 어렵기 때문에, 고운 분말의 침투는 측정할 수 없다. 그러나 서포트(2)의 내부면(4)에서 침착은 관찰되지 않았다.
세 번째 변형된 서포트에서, 침착은 분리층이 평균 공극 직경 0.2㎛으로 수득될 수 있도록 이루어졌다. 소결후, 이러한 새로운 막을 시험하였으며, 수득된 값은 도 16의 표에 주어져 있다. 각각의 막에 대한 단편의 유속값은 균일하다. 또한, 동일한 다공도의 막이 제조되는 실시예 1에서 수득된 단편의 속도 비율은 도 8의 표에 주어진 값과 비교하여 약 2의 비율로 상당히 낮음이 관찰된다. 이러한 비율은 하나의 동일한 막 층 그리고 미리 변형된 동일한 서포트에 대하여 매우 상이한 유속을 수득할 수 있게 하므로, 본원 발명의 추가적인 이점을 보여준다.
다공성 서포트는 분리층(5)이 침착되는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장되는 가변적인 부분적 공극-채움(c)을 가지며, 상기 부분적 공극-채움은 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장되는 주어진 일정한 두께(e)의 서포트(2) 부분(8)에서, 주입구(6)에서 최소 평균 다공도가 존재하고, 배출구(7)에서 최대 평균 다공도가 존재하는 평균 다공도 기울기를 생성하는 것을 특징으로 하고, 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서 주어진 방향으로 흐르는 유체에 대하여 적어도 하나의 유동 채널을 한정하는 다공성 서포트(2), 유체에 대하여 적어도 하나의 분리층으로 코팅되는 채널(3)을 한정하는 다공성 서포트(2)의 내부면(4)을 포함하는, 유체의 접선 여과용 막.

Claims (17)

  1. 주입구(6) 및 배출구(7)사이에서 주어진 방향(f)으로 흐르는 처리되는 유체에 대하여 적어도 하나의 유동 채널을 한정하는 다공성 서포트(porous support)(2), 처리되는 유체에 대하여 적어도 하나의 분리층(5)으로 코팅된 채널(3)을 한정하는 다공성 서포트(2)의 내부면(4)을 포함하고, 투과수(permeate)라 일컫는 분획은 상기 분리층(5) 및 상기 다공성 서포트(2)를 통과하는 유체의 접선 여과(tangential filtration)용 막에 있어서, 상기 서포트는 분리층(5)이 침착되는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장되는 가변적인 부분적 공극-채움(pore-filling)을 가지고, 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장되는 주어진 일정한 두께(e)의 서포트(2) 부분(8)에 있는 상기 부분적인 공극-채움은 처리되는 유체의 흐름 방향으로, 주입구(6)에서 최소 평균 다공도(porosity)가 존재하고, 배출구(7)에서 최대 평균 다공도가 존재하는 평균 다공도 기울기(gradient)를 생성하는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과(tangential filtration)용 막.
  2. 제 1항에 있어서, 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장되는 주어진 두께(e)의 서포트(2) 부분(8)에서의 상기 가변적인 부분적 공극-채움(c)은, 처리되는 유체의 흐름 방향으로, 주입구(6)에서 단위 압력당 최소 유동 밀도(flux density)가 존재하고 배출구(7)에서 단위 압력당 최대의 유동 밀도가 존재하는 단위 압력당 유동 밀도 기울기를 형성하는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 서포트(2)의 평균 다공도는 서포트(2)의 내부면(4)과 외부면(21) 사이에서, 처리되는 유체의 흐름 방향에 횡단 방향으로 상기 서포트의 내부에서 증가하는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분(8)의 가변적인 부분적 공극-채움(c)은 서포트(2)의 내부면(4)으로부터, 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 감소하는 깊이(p) 전체에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막.
  5. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분(8)의 가변적인 부분적 공극-채움(c)은 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 부분(8)의 평균 공극 직경의 증가로 인한 것임을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분(8)의 가변적인 부분적 공극-채움(c)은 서포트(2)의 내부면(4)으로부터, 평균 직경이 상기 서포트(2)의 평균 공극 직경(dp)보다 더 작은 무기 입자들(inorganic particles)의 침투에 의하여 수득되는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 무기 입자들의 침투는 소결이 수반되는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일정한 두께(e) 부분(8)은 상기 유동 채널(3)의 길이를 따라 실질적으로 일정한 투과수 유속(flow rate)을 수득하기 위하여, 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 실질적으로 연속적인 방식으로 증가하는 평균 다공도를 가지는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막.
  9. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일정한 두께(e) 부분(8)은 주입구(6) 및 배출구(7) 사이에서 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 평면(Pi)에서 증가하는 평균 다공도를 가지는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막.
  10. 다공성 주입구(6) 및 배출구(7)사이에서 주어진 방향(f)으로 흐르는 처리되는 유체에 대하여 적어도 하나의 유동 채널(3)을 한정(delimiting)하는 다공성 서포트(2), 처리되는 유체에 대하여 적어도 하나의 분리층(5)으로 코팅된 채널(3)을 한정하는 다공성 서포트(2)의 내부면(4)을 포함하는 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법에 있어서, 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 연장되는 주어진 일정한 두께(e) 부분(8)에서, 처리되는 유체의 흐름 방향으로, 주입구(6)에서 최소 평균 다공도가 존재하고, 배출구(7)에서 최대 평균 다공도가 존재하는 평균 다공도 기울기를 수득할 수 있도록, 채널(3)을 한정하는 다공성 서포트(2)의 내부면(4)으로부터 평균 직경이 상기 서포트의 평균 공극 직경(dp)보다 더 작은 무기 입자의 침투에 의하여 다공성 서포트(2)를 변형시키는 것으로 구성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 침투에 의하여 상기 다공성 서포트(2)를 변형시키는 것으로 구성되는 단계는 소결 단계가 수반되는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법.
  12. 제 10항 또는 11항에 있어서, 상기 부분(8)의 평균 다공도 기울기 값은, 상기 유동 채널(3)의 길이를 따라 실질적으로 일정한 투과수 유속을 수득하기 위해, 채널(3)에서 흐르는 처리되는 유체의 압력 기울기 값과 관계하여 선택되는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법.
  13. 제 10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무기 입자들의 평균 직경은 dp/100 과 dp/2 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법.
  14. 제 10항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침투는 상기 무기 입자들이 분리층(5)이 침착되는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터의 깊이(P) 전체에 걸쳐 부분(8)의 공극 내부로 침투하도록 이루어지며, 깊이(P)는 주입구(6)와 배출구(7) 사이에서 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 감소하는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    -주입구(6)에 해당하는 서포트의 하단부 말단 및 배출구(7)에 해당하는 서포트의 상단부 말단에 다공성 서포트를 수직으로 배열하고,
    -분산(deflocculate)된 무기 입자들의 현탁액으로 채널을 채우고,
    -상기 주입구(6)와 배출구(7) 사이, 즉 서포트(2)의 하단부 말단과 상단부 말단 사이에서 처리되는 유체의 흐름 방향(f)으로 감소하는 서포트(2)의 내부면(4)으로부터의 침투 깊이(penetration depth)(P)를 수득하기 위하여, 무기 물질들의 현탁물과 서포트의 내부면(4) 사이의 점진적으로 증가하는 접촉 시간을 수득할 목적으로 채널(3)을 점진적으로 비움으로써,
    상기 다공성 서포트(2)의 내부면(4)으로부터의 무기 입자들의 침투를 확보하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 주어진 일정한 두께(e) 부분(8)에서의 평균 다공도 기울기는 평균 직경(d 1 )이 dp/100과 dp/2 사이에 존재하는 제 1의 무기 입자들과 평균 직경(d 2 )이 d 1 /100과 d 1 /2 사이에 존재하는 제 2의 무기 입자들의 연속적인 침투에 의하여 수득되는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법.
  17. 제 10항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 침투와 동시에 유기 입자들(organic particles)이 상기 서포트의 내부면(4)에 침착되며, 이러한 침착이 소결된 후 분리층(5)을 생성하는 것을 특징으로 하는, 유체의 접선 여과용 막의 제조 방법.
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