KR20100016080A - 유체 여과 방법 - Google Patents

Abstract

유체 여과 방법이 개발되었다. 본 방법은 초기 여과 저항력을 조절함으로써 바람직한 프로세스 성능을 유지하면서 하나 이상의 프로세스 파라미터들(가령 최소 응고제 농도)의 바람직한 특정 설정을 적용하는 것을 목표로 한다. 이는 피드백 조절기(controller)에 의해 달성된다. 본 방법은 잘 수행되며, 변경되는 조건들에 대한 변경이 적절하고 충분히 빠른 속도로 달성된다는 사실이 발견되었다. 멤브레인 여과 시 본 발명을 인라인(in-line) 응고에 적용하는 것은 화학적 세정 단계 (chemical cleaning phase) 전의 최종 여과의 초기 저항력이 대략 3%(총 저항력의) 또는 9%(파울링(fouling)의)의 정확성 이내로 조절될 수 있다는 것을 보여줬다. 현재의 투여 전략에 비해, 상당한 양의 응고제 소비 감소가 달성될 수 있다.

Description

유체 여과 방법{Method for the filtration of a fluid}

본 발명은 유체 여과 방법에 관한 것이다. 본 방법은 상기 여과 시 여과 저항력 R(filter resistance R)을 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명은 일반적으로 여과 매체(filteration medium)를 사용한 유체들을 여과하는 방법에 관한 것이다. 이러한 여과기(filter)들을 세정(clean)하거나 그 본래의 성능을 회복시키기 위해, 일반적으로 특정 여과 매체를 위해 개발된 많은 종류의 세정(cleaning) 방법들이 사용 가능하다. 그러나, 명확한 설명을 위해, 본 발명에서는 역세척(backwashing) 및 화학적 세정과 같은, 그러나 여기에만 한정되지 않는 멤브레인 여과 관련 세정 방법들을 사용한, 유체들의 여과 및 멤브레인 여과에 관해 주로 기술했다.

멤브레인 여과 및 특히 마이크로여과(microfiltration) 또는 초여과(ultrafiltration) 등과 같은, 그러나 여기에만 한정되지 않는 여과 방법들은 음용 가능한 물 또는 처리된 물의 생산 또는 폐수 처리를 위해 일반적으로 적용되는 방법들이다. 그러나 (비가역적) 멤브레인 파울링(fouling)은 이 기술의 적용에 있어서의 한계이다. 멤브레인 표면상에 물질이 걸려 축적되면 에너지 소비 증가 및 정기적인 세정의 필요성으로 인해 운영 비용이 증가한다. 이러한 운영비를 줄이기 위해, 파울링(fouling) 거동(behaviour)을 조절할 필요가 있다. 파울링은 가역적 파울링과 비가역적 파울링으로 나뉠 수 있다. 가역적 파울링은 역세척(backwash) 또는 교차흐름(cross-flow) 운영 중의 수력학적 힘의 영향 하에서 쉽게 제거된다. 비가역적 파울링은 이러한 조건하에서 제거되지 않는다 (또는 매우 천천히 제거된다). 파울링의 가역성 여부는 공급수(feed water)의 물리화학적 특성들, 멤브레인 특성들 및 운영 조건들 간의 상호 작용에 좌우된다.

수처리에 있어서, 공급 스트림(feed stream)의 소스(source)는 다음과 같은, 그러나 여기에 한정되지 않는, 많은 원천들을 가질 수 있다.

-보어 홀 (bore hole) 워터

-지하수

-지상수 (호수, 강)

-바닷물 또는 염수

-공업 폐수 또는 도시 폐수

-모래 여과 역세척 수, 제자리세정(CIP, cleaning-in-place) 폐수 등과 같은 모든 종류의 반류(reject stream) 및/또는 블리드 (수성) 스트림들 등.

반면, 맥주, 와인, 주스 등과 같은 많은 그 외 액체들은 하나 이상의 단계를 거쳐 생산 또는 정화된다.

이러한 모든 공급 스트림 (feed stream)들은 여과기 표면(filter surface) 또는 매체를 가역적 또는 비가역적 방식으로 다소 오염시킬 수 있는 다른 성분들을 함유하고 있다. 이러한 오염 프로세스는 여과될 유체(fluid) 뿐만 아니라 여과 매체 자체의 특성들 (가령 구멍의 크기, 표면 전하 (surface charge), 또는 멤브레인의 경우 소수성(hydrophobicity))에 좌우된다. 또한, 상기 파울링 유형(fouling regime)은 보조의 여과제(auxiliary filter aid), 온도, pH, 세정 유형(cleansing regime) 등의 프로세스 조건에 좌우된다.

천연수(natural water)는 많은 다른 성분들을 함유할 수 있는데, 이로 인해 그 특징을 규정짓기가 어렵다. 그러나, 일반적으로 천연유기물질(NOM)에 의한 멤브레인의 (비가역적) 파울링은 pH의 감소, 전해질 농도의 증가, NOM 분자량의 증가, NOM 소수성의 증가 및 2가 양이온(가령 Ca^{2 +} )의 추가로 인해 악화되는 것으로 나타난다. 천연수들에서 보여지는 용액(solution) 화학성의 복잡성 때문에, NOM 특성들은 소스에 따라 높은 특정성을 띠며 주기적이면서도 장기적인 경향들을 나타낸다.

멤브레인 특성들에 있어서, 멤브레인이 거칠거나 소수성을 띠거나 또는 구멍의 크기가 입자 크기와 거의 같을 경우 비가역적 파울링이 증가(enhanced)된다는 사실이 관찰되었다. 다른 여과 매체들의 경우에도 특정 프로세스에 따른 여과 매체 특성들이 여과 매체의 파울링 거동에 비교할 만한 영향들을 미칠 것이다.

멤브레인으로부터 파울링을 제거하는 기존의 첨단 방법들이 존재한다. 이러한 방법들의 효과는 일예로, 경제적으로 이행 가능한 조건들 하에서 멤브레인 여과 작용이 지속되도록 비가역적 파울링에 대항하는 예비처리방식에 의해 증가된다. 초여과(ultrafiltration)를 위한 공급수 예비 처리의 옵션으로는 (예비-) 응 고(coagulation), 활성화된 탄소 (파우더 또는 과립) 투여(dosing) 또는 오존화(ozonation) 등이 있다. 예비 응고는 응고 투여 단계 및 그에 이어지는 기존의 부양(flotation) 또는 침전(sedimentation) 단계인, 두 개별 단계들을 포함한다. 그런 다음, 상청액이 여과 프로세스에 공급되기 위해 사용된다. 그러나 본 발명에서는 인라인(in-line) 응고가 사용되었는데, 이는 부양/침전 단계 또는 예비 여과 단계 없이 멤브레인 여과 전에 응고제를 적용하는 것이다. 그러나, 여과 프로세스에 따라 다른 프로세스 파라미터들이 선택될 수 있다.

인라인 응고 외에도 멤브레인 필터에서 오염을 제거하는 방법에는 다음과 같은 것들이 있다:

-여과될 액체(liquid) 자체, 다른 액체들 (가령 투과액) 또는 액체들과 가스들의 혼합물 등과 같은 모든 종류의 매체들과의 포워드 플러싱(forward flushing 또는 교차 흐름)

-역세척(backwashing);

-화학적으로 향상된 역세척(chemical enhanced backwash)

-제자리세정(CIP, cleaning-in-place)

-시스템의 이완(relaxation)

-모든 조합

-여과 프로세스 및 그 여과 매체에 따른 기타 등등

본 발명의 기술 내용에 있어서, 적용된 세정 방법은 중요하지 않으며 적용할 기능은 특정 파울링 종류에 특정되며 경험 있는 또는 숙련된 당업자에 의해 결정될 것이다.

본 발명에 따르면, 전문(preamble)에 기술된 방법은 청구항 1에 기술된 단계들을 포함한다. 본 방법들의 바람직한 실시 형태들은 종속항들에 언급되어 있다. 각 개별 청구항에 기술된 방법 단계들의 이점 및 선호도(preference)는 설명 및 실시 형태들을 통해 명백해질 것이다.

여과 프로세스에 따라, 다음과 같은 많은 프로세스 파라미터들이 정의되고 프로세스를 조절하는데 사용될 수 있다.

1. 응고제와 같은 여과 보조제(filter aid)의 투여

2. 온도 (점성), pH 등과 같은 공급(feed) 특성들의 변경

3. 표면 전하, 충전 밀도 (packing density) 등과 같은 여과 매체 특성들 의 변경

4. 생산 (플럭스: flux) 레벨

5. 생산 시간

6. 역세척(backflush) 레벨

7. 역세척(backflush) 시간

8. (화학적) 세정 시간 및 플럭스(flux) 레벨

9. 액체 및 가스의 (지속적 또는 간헐적) 속도와 같은 수력학적 조건들

10. 화학적 타입, 농도, 빈도(frequency), 시간, 온도, 파라미터들의 조 합들 등과 같은 (화학적) 세정 조건들

11. 두 개 이상의 상기 언급된 프로세스 파라미터들의 조합들

12. 두 개 이상의 상기 언급된 프로세스 파라미터들 및 특징적 필터 매체 치수들 (리넘버(renumber), 패닝 팩터(fanning-factor) 또는 그와 유사 한 것들)을 바탕으로 한 (선택적으로 치수가 없는) 모든 비율들의 조합

13. 기타

여과 시 저항력이 소정의 값들 사이에서 유지되는, 본 발명의 따른 방법에 의해 얻을 수 있는 이점은 비가역적 파울링의 정도가 낮게 유지되며 얻어진 모든 파울링은 적합한 세정 방법을 사용해 쉽게 제거될 수 있다는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 방법에 의하면, 응고제가 첨가됨으로써 결과적으로 저항력 값이 제한되고 파울링은 어느 정도까지 가역적으로 유지된다.

바람직한 실시 형태들은 종속항들에서 구체적으로 언급되고 있다. 그러나, 당업자는 이러한 실시 형태들을 용이하게 변경함으로써 대안들을 제공할 수 있으며, 이 모두 역시 본 발명의 일부에 해당된다.

다음에서 본 발명의 이점은 저항력을 감소시키기 위해 사용되는 응고제 사용을 통해 예증된다. 그러나, 응고제 농도를 조절 파라미터로서 사용하는 대신, 다음에서 설명할 여과 간격 (filteration interval)에서 저항력을 감소시키기에 적합한 다른 어떤 종류의 조절 파라미터 (또는 조절 파라미터들의 설정)라도 선택 가능하다. 상기 간격은, 어떤 조절 파라미터도 변경되지 않고 시간의 경과에 따라 여과 저항력 코스(course)가 이어지게 되는 타임 프레임으로 정의된다. 그러나, 만약 앞서 정의된 여과 간격에서 여과 저항력이 너무 많이 증가하면, 비가역적 파울링의 발생을 막기 위해 조절 값에 대한 중간 변경이 시행되거나, 극한 경우 여과 시퀀스가 일시 중단되고 일반적인 또는 심지어는 더 향상된 필터 세정이 수행될 수 있다. 그런 다음, 저항력이 다시 결정되고, 하나 이상의 파라미터들이 변경되고 새로운 설정(setting)들을 바탕으로 여과가 다시 시작된다.

일반적으로, 저항력은 각 여과 단계의 시작 시점에 측정된다. 저항력의 측정은 각 세정 사이클이 끝나는 시점, 즉 역세척 또는 화학적으로 향상된 역세척 후에 수행될 수 있는데, 이는 일반적으로 같은 시점이다. 더 일반적으로는, 저항력의 결정은 구별된 시작 및 끝 지점에서의 모든 여과 간격에서도 수행될 수 있는데, 그런 다음 이러한 값들은 기준 값 세트와 비교된다. 이러한 측정의 기초는, 응고제의 양 (또는 다른 조절 파라미터의 값)을 결정하는 것이다. 만약 여과 중에 저항력이 소정의 값까지 증가하면, 필터는 일반적으로 알려진 방법에 따라 가령 역세척이나 화학적 세정에 의해 깨끗이 세정된다. 최대 저항력 값의 선택은 필터의 기존의 알려진 거동(behaviour), 가령 비가역적 파울링이 획득되는 값을 바탕으로 결정될 수 있다.

응고제 ("여과 보조제(aid)"로 알려진)의 첨가에 관한 한, 본 발명은 인라인 응고 방법에 관한 것으로서, 멤브레인 여과로 액체의 여과를 개선하기 위한 것이다. 인라인 응고가 여과 프로세스의 수행에 있어서 어느 정도는 효과적이라는 것이 보여졌다. 가령, 파울링층의 수압 저항력(hydraulic resistance) 감소가 관찰될 수 있다. 이는, 더 투과력이 높은 케이크(cake)가 형성되거나 내부 멤브레인 표면이 오염물질(foulants)들로부터 더 잘 보호된다는 것을 의미한다. 또한, 수압 세정은 더 효과적이다. 마지막으로, 향상된 NOM과 혼탁성의 제거로 인해 투과성(permeate quality)이 더 좋아진다. 이는 잠재적으로 그 이후의 프로세스 단계들(가령 RO/NF)의 이행을 향상시키고 소독 부산물 전구물질들(disinfection by-product precusors)의 농축을 감소시킨다.

그러나, 첨단 기술에 사용되는 인라인 응고제의 적용에도 결점은 있다. 첫째, 화학물질의 소비 및 농축 스트림 처리 비용 증가에 따른 운영 비용이 증가한다. 둘째, 과다투여(overdosing)로 인한 투과물(permeate)에 남은 응고제 잔여물은 생산물의 질을 떨어뜨리고 가령 RO와 같은 하류 프로세스들에서 문제로 이어질 수 있다. 심지어 어떤 경우에는, 응고제의 투여가 멤브레인 여과의 성능에 부정적인 영향을 끼친다는 사실이 관찰되었다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 좋은 응고제 투여 전략을 제공하는 것이 목표인데, 이는 여과 프로세스가 좋은 성능을 보이는 때의 최소량을 첨가하는 것이다. 이것은, 바람직한 침전 결과가 얻어지는 농축액을 목표로 했던 기존의 최적 응고제 농축 방식과는 다른 것이다. 본 발명의 이점은, 기존의 최적 농축 방식에 비해, 소량 투여(underdosing)가 여전히 좋은 여과 특성들 및 NOM 제거라는 결과를 가져온다는 것이다. 이러한 관찰 결과는 최소량의 응고제 투여 방법에 대한 동기를 더욱 촉진한다.

종래 기술에서는 쟈 테스트(jar test) 또는 파일롯 플랜트 연구 (pilot plant study)에서 많은 농도들을 테스트해서 가장 적합한 것을 선택함으로써 최적의 기존 투여량 (convenional dose)을 적용하는 것이 일반적이다. 그러나, 상기 투여(dosing)가 물 조성의 정기적 및 장기적 경향들, 다른 운영 설정들의 변화 및 멤브레인 특성들의 지속적인 변화에 지속적으로 적응되지 못하면, 소량 투여(underdosing)나 과량 투여(overdosing)가 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 적응은 피드백 조절에 의해 이루어진다.

본 발명은 여과 저항력 값 측정; 측정된 여과 저항력 값을 소정의 일단의 여과 저항력 값들과의 비교 및 그에 상응하는 하나 이상의 프로세스 조절 파라미터들(응고제 투여 값과 같은, 그러나 여기에 한정되지 않는)의 설정; 및 상기 설정으로부터 조절 파라미터의 해당 값 결정 (가령 응고제 투여 값); 등의 단계들을 포함하는 조절 시스템에 관한 것이다.

인라인 응고의 일차적 목표는 여과 프로세스의 안정화이고, 향상된 NOM 제거에 의한 투과성의 개선이 2차적으로 중요한 것이다. 본 발명에서는 여과 시퀀스의 안정화만이 고려되었다. 따라서, 두 개의 집중적인 세정 단계들 (가령 멤브레인 여과에서의 화학적 세정 단계들) 사이에서 축적이 허용되는 파울링의 양은 특정 범위내로 유지되어야 한다.

조절 목표를 실현하기 위해서는 먼저 계량화가 이루어져야 한다. 저항력은 시스템내에 존재하는 파울링의 양을 측정하는데 좋은 수단이 되며 조절된 변수로서의 역할을 할 것이다. 저항력은 멤브레인 저항력 R_M과 누진적으로 증가하는 파울링 저항력 R_f의 합이다. 멤브레인 여과의 경우, 플럭스(flux) J에 대한 저항력, 트랜스멤브레인 압력 △P 및 점성 η에 다시의 법칙 (Darcy's Law)이 적용된다.

△P

RM + Rf = ── (1)

η

도 1은 두 화학적 세정 단계들 사이에서의 일련의 추후 여과(subsequent filteration)들 및 역세척들 중의 저항력을 도식하고 있다. 초기 저항력 R₀은 역세척의 끝점 또는 여과 단계의 시작점에서의 저항력이다. 여과 시퀀스 안정화의 목적은 화학적 세정 전에 최종 저항력을 조절하는 것이다.

원칙적으로, 조절된 변수에 가장 큰 영향력을 갖는 운영 변수가 조작 변수 (manipulated variable)로 선택되어야 한다. 응고제 농도와 여과 플럭스는 가역성에 가장 명백하게 영향을 주는 변수들이다. 응고제 농도가 선택되는 것은, 상기 농도에서 가역성이 변화에 가장 민감하기 때문이다. 또한, 여과 플럭스는 생산된 부피(volume)에 직접적으로 관여한다. 많은 경우에 있어서, 생산된 부피는 외부 수요 또는 경제적 고려사항들에 의해 결정되기 때문에, 여과 플럭스는 자유롭게 조작될 수 없다.

조절 구성(configuration)은 정보가 가용 측정치 (available measurement)에서 조작된 변수 (manipulated variable)로 흐르는 구조를 말한다. 응고제 투여 및 기타 운영 조건들 하에서의 물리화학적 공급수 특성들과 멤브레인 표면간의 상호 작용은 매우 복잡하다. 피드백 조절기가 선택되는 이유는 피드백은 그 거동이 정확하게 알려지지 않은 시스템을 다룰 수 있기 때문이다. 초기 저항력을 조절하기 위해 응고제 투여를 변경하는데(adapt) 피드백이 사용되는 조절 구성은 도 2에 도식하였다.

일반적으로, 피드백 조절기는 조절된 변수를 불변의 설정점(set point)으로 유지하기 위해 사용된다. 그러나, 조절 목표는, 최종 값이 수용 가능한 한, 파울링의 양을 균일하게 유지할 필요는 없도록 허용한다. 여과 시퀀스 곡선의 자연적인 형태(natural shape)를 보면, 추후 여과들에서 오염 물질의 축적이 나타남을 알 수 있다. 관찰된 저항력 궤도(trajectory)의 형태를 바탕으로, 단위 면적(V_F) 당 축적된 여과된 부피(volume)의 함수로서의 바람직한 초기 저항력 곡선은 다음과 같다:

R_{0 ,d}(V_F) = R_M + α_iV_F + R_r * (1 - e^{- VF / Veq}) (2)

화학적 세정 단계에 이어지는 첫번째 여과의 초기 저항력은 멤브레인 저항력 R_M인 것으로 추정된다. 이로써 궤도(trajectory)을 규정할 수 있는 세 개의 자유도(degrees of freedom)가 주어지게 된다. α_i는 최종 기울기, R_r은 지수함수적 상승의 증가(gain), 그리고 V_eq는 특성 부피(characteristic volume)이다. 이 결과로 나타나는 궤도는 직선적, 지수적(exponential) 또는 이들의 조합일 수 있다. 도 3에서는 두 가지 바람직한 초기 저항력 궤도들이 실선과 점선으로 도식되어 있다. 도 3에서의 원들은 추후 여과 단계들에서 측정된 초기 저항력 값들을 나타낸다. 도 3에서의 실선이 바람직한 궤도로 선택되면, ε는 측정된 초기 저항력과 바람직한 초기 저항력간의 차이를 나타내는데, 이것이 조절 오차(control error)이다. 여과 숫자(filtration number) F 를 이용해, 바람직한 초기 저항력 궤도 R_{0 , d}(V_F(n_F)), 측정된 초기 저항력 R₀(n_F) 및 조절 오차는 반응식 3에서 정의될 수 있다.

ε(η_F) = R₀(η_F) - R_{0 ,d} (V_F(η_F)) (3)

상기 조절기(controller)는 프로세스에서 얻어진 정보(조절 오차)가 조작된 변수를 변경시키기(adapt) 위해 어떻게 사용되는지 결정하는 알고리즘이다. 초기 여과 저항력을 위한 궤도가 추적되기 때문에, 응고제 농도는 초기 저항력이 측정되는 순간 여과 당 한 번씩 변경된다(adapt). 따라서, 불연속 PI-조절기가 사용되는데, 이는 다음 반응식에 의한 속도의 형태로 주어질 수 있다.

C(η_F + 1) = C(η_F) + K((1 + 1/η_I)ε(η_F) - ε(η_F -1)) (4)

여기에서, K는 조절기의 증가(gain)이고, η_r은 조절기 통합 간격 (integration interval)이다. 범위는 다음과 같다:

C_1b < C(η_F) < C_ub (5)

실시예

실험들은 도 4에 도식된 파일럿 플랜트 규모 여과 유닛(pilot plant scale filtration unit)에서 수행되었다. 각각 40m²의 여과 표면을 갖는 두 개의 Norit-XIGA^TM SXL-225 FSFC 모듈들이 사용되었다. 이 모듈들은 내부 직경이 0.8mm이고 유효 길이 (effective length)가 약 1.5m인 중공사 다공 (hollow fibre porpous) PES/PVP 멤브레인들로 구성된다. 내부 섬유의 부피는 약 16 ℓ이고, 시스템의 추가적인 무용 부피(dead volume)는 8 ℓ로 추정된다.

공급수는 트웬티 운하(Twente Canal)에서 가져온 것으로서, 너무 큰 입자가 시스템에 투입되는 것을 막기 위해 예비-여과(메쉬 사이즈(mesh size): 200㎛) 과정을 거쳤다. 공급수는 지속적으로 채워지고 잘 교반된 공급 탱크에서 완충(buffered)되었다.

여과 시퀀스들에 앞서 화학적 세정 과정(procedure)이 수행되었다. 이것은 100ppm의 NaOCl이 첨가된 pH 11의 NaOH 용액에 20분간 담그는 것으로 이루어졌다. 이어, pH 2인 HCl 용액에 20분간 담갔다.

상업적으로 이용 가능한 폴리-알루미나 응고제가 사용되었다. 더 정확한 투여를 위해 모액(stock solution)을 10 배로 희석하였다. 이것은 물과, 모액과 pH가 같은 염화수소산의 혼합으로 이루어졌다. 응고제의 농도는 투여 펌프상에서의 플로우 비율 조절(flow ratio control)에 의해 조절되었다. 여과 펌프 바로 직전에 혼합하였다.

오픈 루프 실험(open loop experiment)이 수행되었고, 그 결과는 도 5에 나타나 있다. 여과 플럭스 (J_F=75 1/m²h), 여과 부피 (V_F=0.025m³/m²), 역세척 플럭스 (J_B=250 1/m²h) 및 역세척 지속기간 (t_B=60s) 등은 모두 일정하게 유지되었다. 위의 그래프는 응고제의 농도에 있어서 일어난 단계 변화들을 나타내는 반면, 아래 그래프는 이러한 변화들이 초기 저항력들에 미치는 영향을 나타낸다. 응고제의 농도를 낮출수록 초기 저항력이 증가하고 응고제의 농도를 높일수록 초기 저항력은 감소하는데, 이러한 효과들은 몇 개의 여과 단계들에서 발생한다. 이것은 응고제 농도가 적합한 조절 변수라는 것을 확인시켜준다.

도 5를 더 상세히 살펴보면, 1.0 ppm 농도에서의 첫번째 81 여과 시, 저항력은 7.45X10¹¹m^-1에서 안정되는 것을 볼 수 있다. 0.5ppm에서의 추후 83 여과 기간 이후, 농도는 다시 1.0ppm까지 증가했다. 이것은 안정적인 9.60X10¹¹m^-1 저항력이라는 결과를 가져왔다. 이로부터 내릴 수 있는 결론은 농도를 감소시키는 효과는 반드시 농도를 증가시킴으로써 되돌릴 수 있는 것이 아니라는 것이다.

허용가능한 투입을 통해 시스템을 그 어떤 초기 상태에서 그 어떤 최종 상태로도 조정이 가능한 경우, 그 시스템은 조절가능하다고 일컫는다. 비가역적 파울링이 제거될 수 없으므로, 그 어떤 주어진 초기 상태에서도 그 어떤 상태로의 도달이 불가능하다. 조절가능성은 조절되어야 할 시스템에 있어서 중요한 특성이며, 이 특성의 부재는 조절기가 바람직한 궤도를 추적할 수 있도록 설정점 궤도가 주의깊게 선택되어야 한다는 중요한 결과를 가져온다. 실행불가능한 설정점을 부여하고자 시도한다면, 조절된 시스템은 불안정해질 수 있다.

도 5로부터, 응고제 농도가 0.5ppm 변할 때마다 저항력은 약 4X10¹¹m^-1 만큼 변한다는 사실을 추정할 수 있는데, 이는 응고제 농도가 증가할 때나 감소할 때나 마찬가지이다. 이러한 프로세스 증가(gain)을 바탕으로, 응고제 조절기의 적합한 증가(gain)은 약 1X10^-12ppm m이 되어야 한다. 변화의 대부분을 달성하는데 필요한 여과의 숫자는 약 20으로 추정된다. 응고제 농도의 증가에 대한 반응은 훨씬 더 빠르다 (약 5 여과). 이러한 숫자들을 바탕으로, 응고제 조절기의 통합 간격은 약 10 여과들과 같게 선택되어야 한다.

바람직한 초기 저항력 궤도 파라미터들을 선택하는 것은 원칙적으로 임의로 이루어진다. 따라서, 다양한 종류의 궤도들이 실현될 수 있는데, 이들은 특정 운영 목적들을 만족시키기 위해 선택될 수 있다. 그러나, 좋은 또는 최적의 궤도를 선택하는 것은 본 발명의 범주를 넘어서는 것이다. 조절가능성을 고려할 때, 측정된 이용가능한 궤도에 비해 바람직한 궤도가 실행 가능한 것으로 간주될 수 있도록 파라미터들이 선택되었다. 이것은 α_i=0m^-2, R_r=3X10¹²m^-1 및 V_eq=0.1m를 갖는 반응식 2에 의해 정의된다. 그 결과 곡선(curve)은 도 3에서 점선으로 나타난다.

상기 조절기는 파일럿 플랜트의 조절 소프트웨어에서 이행되었다. 그 성능은 조절을 여과 시퀀스들에 적용함으로써 평가된다. 여과 플럭스 (J_F=75 1/m²h), 여과 지속기간 (t_F=600 S), 역세척 플럭스 (J_B=250 1/m2h) 및 역세척 지속기간 (t_B = 60S)은 모두 일정하게 유지되었다. 응고제의 초기 농도는 0ppm으로 설정했다. 그 결과는 도 6에 나타나 있다. 위 그래프는 바람직한 저항력과 측정된 저항력을, 아래 그래프는 응고제 농도를 보여준다.

첫번째 시간 (6 여과)에서의 측정된 초기 저항력은 소정의/설정된 (바람직한) 초기 저항력보다 낮다. 이러한 경우, 조절기는 응고제 농도를 감소시켜야 하지만, 응고제 농도가 이미 그 최저 범위인 0ppm이므로, 그 수준으로 유지된다. 첫번째 시간 이후, 초기 저항력은 계속해서 증가하고 응고제 투여가 없는 여과는 불안정한 시퀀스로 이어진다는 것이 명백해진다. 증가하는 저항력을 보완하기 위해, 조절기는 초기 저항력이 감소하기 시작하는 약 6시간 이후까지 계속해서 응고제 투여량을 증가시킨다. 약 8시간 이후에는 초기 저항력이 그 설정점에 도달한다. 이 시점부터는, 응고제 농도가 소량으로 변화하기 시작하는데, 이는 초기 저항력의 작은 변화들을 대항하는데 사용된다.

도 6에 따르면, 조절기는 잘 수행되며 조절 파라미터들에 대한 변경이 필요 없다는 결론을 낼 수 있다.

조절기의 성능도 많은 (이 경우 40) 여과 시퀀스들 상에서 실험되었다. 서로 다른 여과 플럭스 및 여과된 양(부피) 값들이 적용되었다 (표 1 참조). 바람직한 초기 여과 저항력 궤도는 α_i=1.0X10¹¹m^-2, R_r=3X10¹²m^-1 및 V_eq=0.1m을 갖는 반응식 2에 의해 정의되었다. 역세척 플럭스 (J_F=250 ℓ/m²h) 및 역세척 지속기간(t_B=45s)은 일정하게 유지되었다. 5-15 NTU의 혼탁도(turbidity)를 갖는 표면수에 대해서는 일반적인 농도인 2ppm의 응고제가 사용된다. 이것이 초기 농도로 선택되었다. 그 결과는 도 7에 나타나 있다. 위 그래프는 측정된 초기 저항력과 바람직한 초기 저항력을, 중간 그래프는 조절 오차를, 그리고 아래 그래프는 응고제 투여량을 나타낸다.

초기의 높은 투여량으로 인해, 측정된 초기 저항력들은 바람직한 궤도보다 훨씬 아래에 있다는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 농도는 낮아진다. 세번째 화학적 세정 사이클에서 바람직한 궤도에 도달하게 되고 응고제 투여량은 일정한 상태를 유지하게 된다.

최종 여과 단계에서의 초기 저항력의 평균 조절 오차는 파울링 저항력의 약 9% 또는 총 저항력의 3%이다. 시퀀스들 초반에 관찰된 과량 및 운영 설정들의 변화들로 인해, 전체 궤도(trajectory)에 걸쳐 측정되는 평균 조절 오차는 더 크다 (20%와 7%).

화학적 세정 단계 이전의 최종 여과의 초기 저항력은 약 3% (총 저항력의) 또는 9% (파울링 저항력의)의 정확성 이내로 조절될 수 있다는 그 목적을 설계된 조절기가 달성할 수 있을 것으로 결론지어질 수 있다. 또한, 조절기는 운영 설정들의 변화들에 적응될 수 있는 것으로 나타났다. 현재의 응고제 투여 전략에 비해 응고제 소비가 상당히 줄어들 수 있다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 여과 간격 중에 저항력의 증가를 조절하기 위해 본 발명의 개념에 따른 그외 조절 파라미터들을 사용할 수도 있다. 멤브레인 여과 프로세스에서, 가령 저항력의 증가는 또한 플럭스를 낮춤으로써 제한될 수 있는데, 이로써 멤브레인 표면 상에 적층되는 파울링 성분의 양은 감소되지만, 이것은 여과 용량 또한 감소시킨다. 이는 특정 기간 동안 허용될 수 있으나, 여과 용량을 바람직한 수준으로 유지하기 위해 멤브레인 지역을 늘림으로써 보완하는 것도 가능하다.

도 1은 두 화학적 세정 단계들 사이에서의 일련의 추후 여과(subsequent filteration)들 및 역세척들 중의 저항력을 도식하고 있다.

도 2는 초기 저항력을 조절하기 위해 응고제 투여를 적응하는데에 피드백이 사용되는 조절 구성을 도식하고 있다.

도 3에서는 두 가지 바람직한 초기 저항력 곡선들이 실선과 점선으로 도식되어 있다.

도 4는 파일럿 플랜트 규모 여과 유닛(pilot plant scale filtration unit)을 도식하고 있다.

도 5는 오픈 루프 실험(open loop experiment)의 결과를 나타낸다.

도 6은 단기 여과(short filteration)의 장시퀀스(long sequence)에 대한 여과 조절기에서의 성능을 나타낸 것이다.

도 7은 일련의 화학적 세정 사이클에 대한 여과 조절기의 성능을 나타낸 것이다.

Claims (13)

1. 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법으로서,

   파울링 상태(status) 값을 측정하고;

   상기 측정된 파울링 상태 값을 일단의 소정의 파울링 상태 값 및 해당 프로세스 파라미터 값들과 비교하고; 그리고

   상기 일단의 값들로부터 상기 해당 프로세스 파라미터 값들 중에서 적어도 하나의 값을 결정하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 용액을 여과하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   소정의 여과 기간 중에, 예측된 파울링 지위의 소정의 증가를 실현하기 위해, 상기 여과에 앞서 상기 적어도 하나의 파라미터 값을 조작하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 여과 중에, 상기 적어도 하나의 파라미터 값을 조작하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   소정의 기간 중에 예측된 파울링 상태의 소정의 증가를 실현하기 위해, 상기 여과 중에 상기 적어도 하나의 파라미터 값을 조작하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 소정의 기간은 적어도 하나의 프로세스 파라미터의 조작으로 이어지는 두 개의 상기 세정들간의 시간 간격에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 소정의 기간은 상기 측정된 파울링 상태에 있어서 최대 증가에 도달하기까지의 시간으로 결정한 후, 적어도 하나의 프로세스 파라미터를 조작하고/하거나 상기 세정 작용을 시작하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 프로세스 파라미터는 응고제 투여, 여과 플럭스, 여과 시간, 역세척 시간, 교차 흐름 (cross-flow) 속도, 블리드 비율 (bleed ratio), 화학적 세정 간격, 세정제의 농도, 담금(soak) 시간, 세정제의 종류, 세정제의 조합 및 이완(relaxation) 시간 중 적어도 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 프로세스 파라미터들은 상기 프로세스 파라미터들의 둘 이상의 조합을모두 포함하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
9. 제 7항 및 제 8항에 있어서,

   상기 프로세스 파라미터들은 둘 이상의 상기 프로세스 파라미터들 및 특성 여과 매체 치수들을 바탕으로 한 (선택적으로 치수가 없는) 비율들에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    파울링 상태를 소정의 값으로 설정하기 위해, 여과될 유체에 첨가되는 응고제의 양을 조작하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

    첫 번째 단계에서는 유체가 여과되고 여기에서 파울링 상태가 측정되고 상기 파울링 상태를 소정의 값으로 유지하기 위해 적어도 하나의 프로세스 파라미터가 조작되고;

    두 번째 단계에서는 상기 프로세스 파라미터가 소정의 값에 도달하면 상기 여과에 대한 세정 단계를 수행하고; 그리고

    상기 첫 번째 및 두 번째 단계들을 번갈아 반복하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 프로세스 파라미터는 응고제 투여이고, 상기 응고제 투여의 소정의 값은 최대 값인 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.
13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 파울링 상태는 여과 저항력 값을 포함하는 것을 특징으로 하는, 여과 매체를 사용해 유체를 여과하는 방법.

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