KR20100092227A - 중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여과 작업 중지 후 배수를 효율적으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라 중공사막의 산기 세정시 충분한 힘을 갖는 공기 방울을 중공사막에 제공할 수 있는 중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 중공사막 모듈은 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내에 위치하는 다수 개의 중공사막들; 상기 다수 개의 중공사막들의 상단이 개방된 상태로 상기 모듈 케이스의 상부에 고정되도록 하기 위한 제1 포팅제; 및 상기 다수 개의 중공사막들의 하단이 폐쇄된 상태로 상기 모듈 케이스의 하부에 고정되도록 하기 위한 제2 포팅제를 포함하되, 상기 제2 포팅제에는 다수 개의 관통홀들이 형성되어 있으며, 상기 다수 개의 관통홀들은, 제1 홀 면적을 갖는 제1 그룹의 관통홀들; 및 제2 홀 면적을 갖는 제2 그룹의 관통홀들을 포함하되, 상기 제1 및 제2 홀 면적은 서로 다르다.

가압식, 중공사막

Description

중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템{Hollow Fiber Membrane Module and Filtering System Comprising The Same}

본 발명은 중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 여과 작업 중지 후 배수를 효율적으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라 중공사막의 산기 세정시 충분한 힘을 갖는 공기 방울을 중공사막에 제공할 수 있는 중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템에 관한 것이다.

가열이나 상 변화를 이용하는 분리 방법에 비하여 중공사막을 이용한 분리 방법은 많은 장점들이 있는데, 가장 큰 장점들 중 하나는 중공사막의 세공 크기에 따라 원하는 수질을 안정적으로 얻을 수 있으므로 공정의 신뢰도를 높일 수 있다는 점이다. 또한, 중공사막을 이용하면 가열 등의 조작이 필요 없기 때문에, 미생물 등을 사용하는 분리 공정에 중공사막이 사용될 경우 미생물이 열에 의해 영향을 받는 것을 방지할 수도 있다.

중공사막을 이용한 분리 방법 중 하나로는 중공사 형태의 막을 다발로 형성한 중공사막 모듈을 이용하는 방법이 있다. 전통적으로 중공사막 모듈은 무균수, 음용수, 초순수 제조 등 정밀 여과 분야에 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 하/폐 수처리, 정화조에서의 고액 분리, 산업폐수에서의 부유 물질(SS: Suspended Solid) 제거, 하천수의 여과, 공업용수의 여과, 및 수영장 물의 여과 등으로 그 응용 범위가 확대되고 있다.

이러한 중공사막 모듈의 하나로는, 처리하고자 하는 유체의 수조에 중공사막 모듈을 직접 침지시키고 중공사막 내부에 음압(negative pressure)을 가하여 유체만을 선택적으로 중공사 내부로 투과시킴으로써 불순물 또는 슬러지 등의 고형 성분을 분리하는 흡입식 중공사막 모듈이 있다. 흡입식 중공사막 모듈을 채택하여 여과장치를 제조하면 유체의 순환을 위한 설비가 필요 없어 시설비나 운전비의 절감을 가져올 수 있다. 그러나 단위시간에 얻을 수 있는 투과 유량이 제한적이라는 단점이 있다.

이에 반해, 처리하여야 할 유체를 중공사막의 외부로부터 내부로 가압 여과시키는 가압식 모듈의 경우에는 유체 순환을 위한 별도의 설비가 필요하기는 하지만 단위시간에 얻을 수 있는 투과 유량이 흡입식 모듈에 비해 상대적으로 많다는 장점이 있다.

한편, 가압식 모듈의 경우 가압 여과를 위해 중공사막 다발이 모듈 케이스 내에 존재하여야 한다. 따라서, 중공사막 다발의 하부를 모듈 케이스 내에 고정시키기 위한 고정부가 필요하다. 이 고정부에는 다수의 관통홀들이 형성되게 되는데, 이관통홀들은 중공사막 다발의 파울링(fouling) 방지를 위한 산기 세정시 공기가 지나갈 수 있는 통로를 제공하게 된다. 또한, 여과 작업이 중지된 후에 모듈 케이스 내에 존재하는 물이 이 관통홀들을 통해 배수된다.

그런데, 이 고정부에 형성된 관통홀들의 크기가 너무 크면 중공사막의 세정을 위하여 제공되는 공기방울의 힘이 충분히 크지 못하게 된다. 반면, 상기 관통홀들의 크기가 너무 작으면 모듈 케이스 내의 물을 배수하는데 비효율적이다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 이점은 여과 작업 중지 후 배수를 효율적으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라 중공사막의 산기 세정시 충분한 힘을 갖는 공기 방울을 중공사막에 제공할 수 있는 중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술된 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 학습될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 첨부된 도면은 물론이고 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.

위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내에 위치하는 다수 개의 중공사막들; 상기 다수 개의 중공사막들의 상단이 개방된 상태로 상기 모듈 케이스의 상부에 고정되도록 하기 위한 제1 포팅제; 및 상기 다수 개의 중공사막들의 하단이 폐쇄된 상태로 상기 모듈 케이스의 하부에 고정되도록 하기 위한 제2 포팅제를 포함하되, 상기 제2 포팅제에는 다수 개의 관통홀들이 형성되어 있으며, 상기 다수 개의 관통홀들은, 제1 홀 면적을 갖는 제1 그룹의 관통홀들; 및 제2 홀 면적을 갖는 제2 그룹의 관통홀들 을 포함하되, 상기 제1 및 제2 홀 면적은 서로 다른 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈이 제공된다.

본 발명의 다른 측면으로서, 상기 중공사막 모듈; 여과 처리되어야 할 원수를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 원수 공급 수단; 및 상기 중공사막의 세정을 위한 공기를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 공기 공급 수단을 포함하는 여과 시스템이 제공된다.

위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.

위와 같은 본 발명의 중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템에 의하면, 여과 작업이 중지된 후 모듈 케이스 내에 남아 있는 원수의 배수를 효율적으로 수행할 수 있다.

또한, 중공사막의 산기 세정시 충분한 힘을 갖는 공기 방울을 중공사막에 제공할 수 있어, 중공사막의 오염을 최대한 지연시킬 수 있고 결과적으로 여과 시스템의 유지 및 보수 비용을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모 두 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 중공사막 모듈 및 이를 포함한 여과 시스템의 일 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 모듈의 단면도이다.

본 발명의 중공사막 모듈(10)은 안에 중공이 형성되어 있어 외표면 측에서 내표면 측으로 여과수가 투과할 수 있는 다수 개의 중공사막들(11)을 포함한다. 상기 다수개의 중공사막들(11)은 길이 방향으로 가지런히 배열된 다발 형태를 갖는다.

각 중공사막(11)의 상단부는 제1 포팅제(12)에 의해 모듈 케이스(14) 내의 상측에 고정되어 있다. 상기 각 중공사막(11)의 상기 상단은 개방된 상태이다. 본 발명의 중공사막 모듈(10)은 다수 개의 중공사막들(11)이 포팅되어 있는 제1 포팅제(12)와 모듈 케이스(14)의 내면 사이에 실링제를 더 포함함으로써, 중공사막(11)을 투과하여 중공으로 유입되어 중공사막(11)의 개방된 말단을 통해 배출되는 여과수가 원수와 혼합되는 것을 방지할 수 있다.

상기 제1 포팅제(12)는 열경화성 수지, 예를 들어 에폭시 수지, 우레탄 수지, 실리콘 고무 등으로 이루어질 수 있다. 선택적으로, 이들 열경화성 수지에 실리카, 카본 블랙, 불화 카본 등의 충전재를 혼입시킴으로써 제1 포팅제(12)의 강도 향상 및 경화 수축 감소를 꾀할 수도 있다.

한편, 각 중공사막(11)의 하단부는 상기 제1 포팅제(12)와 동일한 또는 상이한 물질로 이루어진 제2 포팅제(13)에 의해 모듈 케이스(14) 내의 하측에 고정되어 있다. 각 중공사막(11)의 상기 하단은 상기 제2 포팅제(13) 내에 묻혀있기 때문에 유체가 상기 하단을 통해 각 중공사막(11)의 중공으로 유입될 수 없고 상기 중공으로부터 배출될 수도 없다.

여과 처리되어야 할 원수는 원수 유입구(15)를 통해 상기 모듈 케이스(14) 내로 유입된다. 모듈 케이스(14) 내로 유입된 원수는 펌프에 의해 가압되어 그 중 일부가 중공사막(11)을 투과하여 중공사막(11)의 중공으로 유입된다. 중공사막(11)의 중공으로 유입된 여과수는 제1 포팅제 측의 개방된 말단을 빠져나와 모듈 케이스(14)의 여과수 배출구(16)를 통해 외부로 배출되고, 여과수가 빠져나감으로 인해 고형 성분의 오염물질의 농도가 높아진 원수(이하, "농축수"라 칭함)는 농축수 배출구(17)를 통해 외부로 배출된다.

여과 작업이 수행되는 동안 또는 여과 작업이 중지된 후에 중공사막(11)의 세정을 위한 공기가 공기 유입구(18)를 통해 모듈 케이스(14) 내부로 유입된다. 공기 유입구(18)를 통해 모듈 케이스(14) 내부로 유입된 공기가 중공사막(11)에 전달될 수 있도록, 상기 제2 포팅제(13)에는 다수 개의 관통홀들(13a)이 형성되어 있다.

선택적으로, 여과 처리되어야 할 원수와 중공사막(11)의 세정을 위한 공기가 하나의 유입구(18)를 통해 모듈 케이스(14) 내부로 유입되도록 할 수 있다. 이 경우, 여과 처리되어야 할 원수 및 산기 세정을 위한 공기 모두가 제2 포팅제(13)에 형성된 다수 개의 관통홀들(13a)을 통과한다.

한편, 여과 작업이 종료된 후에 모듈 케이스(14) 내에 있던 원수는 제2 포팅 제(13)에 형성된 다수 개의 관통홀들(13a)을 통과하여 배수로(19)를 통해 모듈 케이스(14) 밖으로 배출된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 모듈(10)을 이용한 여과 시스템을 개략적으로 나타낸다.

여과 처리되어야 할 원수는 순환 탱크(20)를 거쳐 원수 공급 펌프(30)에 의해 배관을 타고 중공사막 모듈(10)로 압송된다. 원수 중 중공사막(11)을 투과한 여과수는 여과수 탱크(50)로 보내지고, 농축수는 다시 순환 탱크(20)로 보내진다.

여과 작업을 중지하고 중공사막의 역세정을 수행하기 위하여, 여과수 탱크(50) 내에 저장되어 있던 여과수가 역세정 펌프(60)에 의해 중공사막 모듈(10)로 보내진다. 또한, 공기 공급 수단(40)을 이용하여 공기 유입구(18)를 통해 가압식 중공사막 모듈(10) 내로 압축 공기를 주입함으로써 산기에 의한 중공사막(11)의 세정을 수행한다.

여과 작업 중에도 압축 공기가 모듈 케이스(14) 내로 주입될 수 있는데, 가압된 원수가 공기 공급 수단(40)으로 역류하지 않게 하기 위한 충분한 압력으로 공기를 모듈 케이스(14) 내로 제공하여야 한다.

한편, 위에서 언급한 바와 같이, 중공사막(11)의 하단이 포팅되어 있는 제2 포팅제(13)에는 다수의 관통홀들(13a)이 형성되어 있는데, 이 관통홀들(13a)은 중공사막(11)의 파울링(fouling) 방지를 위한 산기 세정시 공기가 지나갈 수 있는 통로를 제공함과 동시에 여과 작업이 중지된 후에 모듈 케이스(14) 내에 존재하는 물이 배수될 수 있는 통로를 제공한다. 그런데, 이 관통홀들(13a)의 크기가 너무 크 면 중공사막(11)의 세정을 위하여 제공되는 공기방울의 힘이 충분히 크지 못하게 되는 반면, 상기 관통홀들(13a)의 크기가 너무 작으면 모듈 케이스(14) 내의 물을 배수하는데 비효율적이다.

따라서, 본 발명에 의하면, 상기 제2 포팅제(13)에 형성된 다수 개의 관통홀들(13a)은, 제1 홀 면적을 갖는 제1 그룹의 관통홀들 및 제2 홀 면적을 갖는 제2 그룹의 관통홀들을 포함하되, 상기 제1 및 제2 홀 면적은 서로 다르다. 즉, 본 발명에 의하면, 서로 상반되는 배수와 산기세정의 효율을 절충할 수 있다.

한편, 제2 포팅제(13)에 형성되는 다수 개의 관통홀들(13a)의 직경은 3 mm 내지 25 mm인 것이 바람직하다. 상기 다수 개의 관통홀들(13a)이 3 mm보다 작은 직경을 갖는 경우 제조 공정상에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 원수를 배수하는 데에 부적합하다. 반대로, 상기 다수 개의 관통홀들(13a)이 25 mm보다 큰 직경을 갖는 경우 산기 세정시 공기방울의 힘이 매우 약할 뿐만 아니라, 관통홀들(13a)이 차지하는 단면적이 커 막이 제2 포팅제(13)에 균일하게 분포되는 것을 방해하여 여과 효율을 떨어뜨리게 된다.

또한, 제2 포팅제(13)에 형성되는 다수 개의 관통홀들(13a)의 홀 면적의 합은 상기 제2 포팅제(13)의 단면적의 3 내지 50%인 것이 바람직하다. 여기서 '제2 포팅제(13)의 단면적'이라 함은 상기 다수 개의 관통홀들(13a)이 형성되기 전의 제2 포팅제(13)의 단면적으로 의미하는 것이므로, 결과적으로 상기 다수 개의 관통홀들(13a)의 홀 면적을 모두 포함하는 개념이다.

만약 관통홀들(13a)의 홀 면적의 합이 제2 포팅제(13)의 단면적의 3% 미만이 면 중공사막(11)의 산기 세정을 위한 공기가 충분히 제공될 수 없어 중공사막(11)의 오염에 따른 피해가 커질 수 밖에 없을 뿐만 아니라, 원수를 배수하는데 있어 많은 시간이 지체된다는 문제점이 발생한다. 반대로, 관통홀들(13a)의 홀 면적의 합이 제2 포팅제(13)의 단면적의 50%를 초과하면, 상기 제2 포팅제(13)에 포팅될 중공사막(11)의 개수가 감소될 수 밖에 없어, 중공사막 모듈(10)의 부피 대비 여과 효율이 떨어진다는 문제점이 발생한다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 제2 포팅제(13)에 다수의 관통홀들이 형성되는 다양한 태양을 각각 예시한다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 그룹의 관통홀들은 제일 안 쪽의 제1 원을 따라 형성되고, 제2 그룹의 관통홀들은 제2 원을 따라 형성되며, 제3 그룹의 관통홀들은 제3 원을 따라 형성되되, 상기 제1 내지 제3 원들은 동일한 중심을 갖고, 상기 제2 원은 상기 제1 원의 외측 및 상기 제3 원의 내측에 위치할 수 있다.

도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제3 원의 외측에 위치하는 제4 동심원을 따라 제2 포팅제(13)에 제4 그룹의 관통홀들이 더 형성되어 있다. 또한, 상기 제1 및 제4그룹의 관통홀들은 서로 동일한 제1 홀 면적을 갖고, 제2 및 제3 그룹의 관통홀들도 서로 동일한 제2 홀 면적을 가지며, 상기 제1 홀 면적은 상기 제2 홀 면적보다 크다.

도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제3 그룹의 관통홀들은 서로 동일한 제1 홀 면적을 갖고, 상기 제2 그룹의 관통홀들은 제2 홀 면 적을 갖되, 상기 제1 홀 면적은 상기 제2 홀 면적보다 작다.

도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 제2 포팅제(13)의 중심에 하나의 중심 관통홀을 더 포함한다. 상기 중심 관통홀은 제1 홀 면적을 갖고, 상기 제1 그룹의 관통홀들은 서로 동일한 제2 홀 면적을 갖고, 상기 제2 그룹의 관통홀들은 서로 동일한 제3 홀 면적을 갖고, 상기 제3 그룹의 관통홀들은 서로 동일한 제4 홀 면적을 갖되, 제1 홀 면적보다 제2 홀 면적이 작고, 제2 홀 면적보다 제3 홀 면적이 작으며, 제3 홀 면적보다 제4 홀 면적이 더 작다.

본 발명의 제2 포팅제(13)에 다수의 관통홀들이 형성되는 그 밖의 다양한 태양들이 도 6 내지 도 8에 각각 예시되어 있으며, 이들 모두도 본 발명의 권리범위 안에 포함되는 것으로 간주되어야 함은 물론이다.

한편, 상기 제2 포팅제(13)에 형성되는 본 바명의 다수 개의 관통홀들(13a)은 원형, 다각형, 또는 슬릿 형상일 수 있다. 본 발명에서 "원형"이라 함은 타원형도 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "슬릿 형상"이라 함은 가늘고 긴 형상으로서 폭에 대한 길이의 비율이 1 이상인 것을 모두 포함한다. 슬릿 형상을 갖는 관통홀에 있어서 상기 폭은 그 크기가 일정하지 않을 수 있으나, 그 최대값이 관통홀의 길이를 넘지는 않는다.

첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.

도 1은 본 발명의 중공사막 모듈의 단면도이고,

도 2는 본 발명의 여과 시스템을 개략적으로 나타내고,

도 3 내지 도 8은 본 발명의 제2 포팅제에 다수의 관통홀들이 형성되는 다양한 태양을 각각 예시한다.

<도면의 부호에 대한 간략한 설명>

10 : 중공사막 모듈 11 : 중공사막

12 : 제1 포팅제 13 : 제2 포팅제

13a : 관통홀 14 : 모듈 케이스

15 : 원수 유입구 16 : 여과수 배출구

17 : 농축수 배출구 18 : 공기 유입구

19 : 배수로 20 : 순환 탱크

30 : 원수 공급 펌프 40 : 공기 공급 수단

50 : 여과수 탱크 60 : 역세정 펌프

Claims (11)

1. 모듈 케이스;

   상기 모듈 케이스 내에 위치하는 다수 개의 중공사막들;

   상기 다수 개의 중공사막들의 상단이 개방된 상태로 상기 모듈 케이스의 상부에 고정되도록 하기 위한 제1 포팅제; 및

   상기 다수 개의 중공사막들의 하단이 폐쇄된 상태로 상기 모듈 케이스의 하부에 고정되도록 하기 위한 제2 포팅제를 포함하되,

   상기 제2 포팅제에는 다수 개의 관통홀들이 형성되어 있으며,

   상기 다수 개의 관통홀들은,

   제1 홀 면적을 갖는 제1 그룹의 관통홀들; 및

   제2 홀 면적을 갖는 제2 그룹의 관통홀들을 포함하되,

   상기 제1 및 제2 홀 면적은 서로 다른 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수 개의 관통홀들의 홀 면적의 합은 상기 제2 포팅제의 단면적의 3 내지 50%인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 그룹의 관통홀들은 제1 원을 따라 형성되고,

   상기 제2 그룹의 관통홀들은 제2 원을 따라 형성되며,

   상기 제1 및 제2 원들은 동일한 중심을 갖고,

   상기 제1 원은 상기 제2 원의 내측에 위치하는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 다수 개의 관통홀들은, 상기 제1 및 제2 원과 동일한 중심을 갖고 상기 제2 원의 외측에 위치한 제3 원을 따라 형성된 제3 그룹의 관통홀들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제3 그룹의 관통홀들 각각은 상기 제1 홀 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제3 그룹의 관통홀들 각각은 상기 상기 제1 및 제2 홀 면적들과 다른 제3 홀 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수 개의 관통홀들은 원형인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수 개의 관통홀들은 다각형인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수 개의 관통홀들은 슬릿 형상인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 그룹의 관통홀들의 홀 직경은 3 내지 25 mm인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 중공사막 모듈;

    여과 처리되어야 할 원수를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 원수 공급 수단; 및

    상기 중공사막의 세정을 위한 공기를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 공기 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.

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