KR20110081800A - 살생물 유로형성체를 갖는 직교류 여과장치 - Google Patents
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Abstract
직교류 여과장치로서, 직교류 필터는 중심천공튜브 주위에 감긴 반투과성 멤브레인을 포함하는 나권형 필터(spiral wound filter)이다. 반투과성 멤브레인은 유로형성체와 멤브레인을 포함한다. 유로형성체는 유로형성체 내에 살생물제가 함유된 살생물 유로형성체이며, 유로형성체와 멤브레인의 생물부착(biofouling)을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 물여과장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 살생물유로형성체를 포함하는 직교류 물여과장치에 관한 것이다.
음료수를 생산하는 분야에서 즉, 정수 및 폐수 처리와 같은 수처리용으로 사용시, 분리 멤브레인이 종래의 모래 여과 및 응집 침강을 대체하고 있으며, 또한 수처리량을 개선하기 위해 사용되고 있다. 역삼투 여과 시스템(reverse osmosis filtration systems)은 일반적으로 수처리하되, 수량을 증가시키기 위한 가장 일반적인 멤브레인 시스템 중 하나이다.
역삼투가 물을 처리함에 있어 효과적인 기술이긴 하지만, 물로부터 용해된 입자들을 제거할 능력이 가격 상승을 불러온다. 방출수에 함유된 박테리아는 역삼투 시스템의 반투과성 멤브레인들(semi-permeable membranes)에 의해 포획된다. 박테리아는 통상적으로 매 30분 내지 60분마다 배로 증식하고, 그들의 성장은 지수적으로 급증한다. 예를 들어, 박테리아 단세포는 24시간 내에 1천 6백만 개로 증식한다. 박테리아의 폭발적인 증식은 멤브레인을 오염시켜서, 멤브레인을 통한 물의 흐름과 멤브레인의 여과 특성을 감소시킨다.
또한, 오염된 멤브레인은 더 높은 동작 압력을 요구하고, 결국 동작 비용을 증가시키는 한편 역삼투 공정들에 사용되는 필터 멤브레인들의 수명기간을 더 단축하게 된다. 그러한 오염된 멤브레인들을 정화하기 위해 여러 시도가 있었으나, 화학적 역삼투 멤브레인들의 정화는 역삼투 설비의 총 동작시간의 약 20%를 점유한다. 그에 의해 전체 공정효율이 급격히 감소하게 된다. 역삼투, 울트라 여과 및 마이크로 여과 멤브레인들에 대한 기본적인 오염지수들은 각각 통상적으로 약 30%, 80% 및 90%이다. 오염률은 멤브레인 기반 프로세스를 사용하는 수처리설비를 설계할 시에 고려해야할 중요한 요소들 중 하나이다.
오염된 멤브레인들은 정화하기 어려워서 여과수의 수질을 저감시킨다. 멤브레인상에서 박테리아가 증식된 결과로서, 젤라틴의 생체막이 멤브레인의 상류 표면상에 형성된다. 이 생체막은 멤브레인을 손상시키는 강한 화학적 산화물질을 사용하지 않고서는 제거하기가 아주 어렵다. 생체막은 정상 세정 및 살균 과정들로부터 박테리아를 보호하여 주므로 멤브레인을 횡단하여 통과하는 박테리아를 파괴시킨다. 또한, 박테리아 투과는 멤브레인의 손상을 초래할 수도 있다. 통상적으로, 박테리아는 48 내지 72시간 내에 멤브레인의 하류측에서 검출된다. 멤브레인의 하류측은 눈에 띄게 탈색되거나 멤브레인의 하류측상의 박테리아 이주와 같은 시간동안 검게 변한다. 그러한 박테리아 오염은 멤브레인을 더 손상시킬 수 있는 pH의 국부적인 극한들이 형성되게 할 수도 있다. 따라서, 종래의 반투과성 필터들은 혼자만으로는 초정수(즉, 무박테리아)를 제공하기 어렵다. 많은 경우에서 역삼투, 울트라 여과, 나노 여과 및 마이크로 여과 과정들은 필터 광택(polishing filters)을 통해야만 박테리아가 있는 물을 정수할 수 있다.
생체오염으로부터 손상되는 물여과 멤브레인의 문제점은 본 기술분야에서 공지되어 있다. 이러한 문제를 제거하기 위해 물에 염소와 항생제와 같은 소독제를 첨가하는 시도들이 있었다. 그러나 합성 폴리아미드 멤브레인들(composite polyamide membranes)과 같은 필터 멤브레인들은 멤브레인을 기재로 한 공정들에는 사용될 수 없는 강산화성물질 예를 들어, 염소에 대해 산화 손상이 아주 심하다. 또 다른 방안으로서 멤브레인 표면에 어떤 형상의 항균성 첨가제를 첨가하였었다. 예를 들어, 페틸(Patil)에게 허여된 미국특허 제6,640,915호는 각종 항균제들을 역삼투 울트라 여과, 나노 여과 및 마이크로 여과에 적합한 중합체 멤브레인에 투입하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 그러한 멤브레인들의 표면은 아주 복잡하고 첨가제 성분들에 민감하므로, 그러한 외부 화학물질들(예, 항균제들)의 투입은 멤브레인의 염소 제거성 및 투과성을 감소시킨다.
역삼투 필터들은 또한 통상적으로 "종단막힘(dead-end)" 여과 필터들 또는 "직교류(cross-flow)" 여과 필터들로 제조된다. 종단막힘 여과에 의하면, 모든 공급용액(즉, 여과될 물)은 필터 매체를 통과한다. 결과적으로, 모든 입자들과 용해된 용질들은 필터 매체 내에 또는 그 위에 보존된다. 이에 의해 필터 매체의 표면상에 필터 케이크(농축 분극(concentration polarization)를 증대시키게 되어, 종단막힘 필터의 전체 효율과 효과를 손상시키고 또한 필터 매체의 오염을 야기한다.
직교류 여과에서는, 공급 용액이 일정 압력(예, 공급 용액의 삼투압력보다 큰 압력)에서 필터 매체의 표면을 횡단하여 흐르도록 설계된다. 따라서, 공급 용액의 일부가 필터 매체를 통과하게 된다. 직교류 여과방법은 더 많은 고체 함유량을 갖는 공급 용액의 여과를 허용한다. 왜냐하면, 그러한 고체들은 종단막힘 여과 공정들에서와 같이 위에 침착되어 있는 표면의 반대되는 필터 매체의 표면을 횡단하면서 세척될 것이기 때문이다. 그러한 필터 매체를 가로지르는 공급 용액의 직교류는 직교류 여과 필터 매체가 종단막힘 필터보다 훨씬 더 오염에 나쁜 영향을 준다.
직교류 필터의 나권형(sprial wound) 설계의 특성으로 인하여, 그러한 필터들은 통상적으로 시스템을 통한 일방향의 흐름만을 허용하도록 설계된다. 그와 같이, 필터들의 나권형 설계는 그의 표면을 세탁하도록 물 또는 공기의 요동에 의한 역류를 허용하지 못한다. 누적된 물질들은 멤브레인 표면으로부터 제거될 수 없기 때문에, 그러한 직교류 필터 시스템들은 오염되기 쉽고 생산능력을 저하시킨다. 따라서, 역삼투 직교류 여과 필터와 같은 수 처리에서의 생체오염의 전술한 문제점들을 제거할 수 있는 수분리 장치의 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명은 물여과 시스템을 제공하되, 자체 물여과 시스템에 의해 야기되는 생체오염의 양을 감소시킬 수 있는 물여과 시스템을 제공한다. 역삼투, 울트라 여과, 나노 여과 및 마이크로 여과와 같은 물여과 시스템의 오염의 양을 줄이기 위해, 본 발명은 하나 이상의 넓은 스펙트럼(broad spectrum)의 살생물제들(biocidal agents)을 포함한다.
본 발명의 제1 양상에 의하면, 중심천공튜브와; 상기 중심천공튜브 주위에 나선식으로 감긴 반투과성 멤브레인을 포함하는 직교류 여과장치가 제공되며, 상기 반투과성 멤브레인은; 침투성 캐리어와, 상기 침투성 캐리어에 인접한 멤브레인, 및 상기 멤브레인에 인접하며 또한 적어도 하나의 살생물제를 포함하는 유로형성체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 양상에 의하면, 중심천공튜브와; 상기 중심천공튜브 주위에 감긴 적어도 하나의 투과성 캐리어; 상기 적어도 하나의 투과성 캐리어에 인접한 적어도 하나의 멤브레인; 및 상기 멤브레인에 인접한 적어도 하나의 유로형성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치가 제공된다.
본 발명의 제3 양상에 의하면, 살생물제를 포함하는 유로형성체를 제공하는 단계와; 직교류 여과장치의 멤브레인에 인접하여 상기 유로형성체를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과 멤브레인의 오염 억제 방법이 제공된다.
전술한 요약 뿐만아니라 본 발명의 양호한 실시예들의 하기 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 읽을 때 더 잘 이해될 수 있다. 본 발명을 설명할 목적으로 본 발명의 양호한 실시예들에 관한 도면들이 도시되었다. 그러나, 본 발명은 그러한 도시된 정밀 배치와 기구들에 의해 제한되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 살생물 유로형성체를 갖는 직교류 여과장치의 개략적 사시도;
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 살생물 유로형성체를 갖는 직교류 여과장치의 횡단면도;
도 3은 크게 확대된 도 1의 살생물 유로형성체의 사시도의 그래프;
도 4a는 본 발명의 실시예들에 적용가능한 종단 캡의 상면도;
도 4b는 도 4a의 종단 캡의 횡단측면도;
도 5a는 영양매체상에서 박테리아의 성장을 나타내는 도면으로서, 종래의 유로형성체의 일부의 사진;
도 5b는 영양매체상에서 크게 감소된 박테리아의 성장을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 실시예에 의한 살생물 유로형성체의 일부의 사진;
도 6a는 공급 용액의 흐름에 노출된 후의 박테리아 성장을 나타내는 도면으로서, 종래의 유로형성체의 일부의 사진;
도 6b는 공급 용액의 흐름에 노출된 후 크게 감소된 박테리아 성장을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 살생물 유로형성체의 일부의 사진;
도 7a는 6개월 사용 후의 박테리아 성장을 나타내는 도면으로서, 부분적으로 제거된 종래의 역삼투 필터의 일부의 그래프; 그리고
도 7b는 6개월 사용 후 유로형성체와 멤브레인 표면들 사이에서 크게 감소된 박테리아 성장을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 부분적으로 제거된 살생물 유로형성체를 갖는 역삼투 필터요소의 일부의 그래프이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 살생물 유로형성체를 갖는 직교류 여과장치의 개략적 사시도;
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 살생물 유로형성체를 갖는 직교류 여과장치의 횡단면도;
도 3은 크게 확대된 도 1의 살생물 유로형성체의 사시도의 그래프;
도 4a는 본 발명의 실시예들에 적용가능한 종단 캡의 상면도;
도 4b는 도 4a의 종단 캡의 횡단측면도;
도 5a는 영양매체상에서 박테리아의 성장을 나타내는 도면으로서, 종래의 유로형성체의 일부의 사진;
도 5b는 영양매체상에서 크게 감소된 박테리아의 성장을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 실시예에 의한 살생물 유로형성체의 일부의 사진;
도 6a는 공급 용액의 흐름에 노출된 후의 박테리아 성장을 나타내는 도면으로서, 종래의 유로형성체의 일부의 사진;
도 6b는 공급 용액의 흐름에 노출된 후 크게 감소된 박테리아 성장을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 살생물 유로형성체의 일부의 사진;
도 7a는 6개월 사용 후의 박테리아 성장을 나타내는 도면으로서, 부분적으로 제거된 종래의 역삼투 필터의 일부의 그래프; 그리고
도 7b는 6개월 사용 후 유로형성체와 멤브레인 표면들 사이에서 크게 감소된 박테리아 성장을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 부분적으로 제거된 살생물 유로형성체를 갖는 역삼투 필터요소의 일부의 그래프이다.
이 발명은 물여과장치의 멤브레인층의 생물부착(biofouling)량을 저감하는 직교류(cross-flow) 물여과장치를 제공한다. 이 발명의 물여과장치는 살생물제(a biocidal agent)를 지닌 살생물 유로형성체( biocidal feed spacer)를 포함하는 나권형 직교류 여과장치( spiral wound cross-flow filtration apparatus)이다. 이 물여과장치는, 예컨대, 역삼투 필터, 울트라여과 필터, 나노여과 필터, 마이크로여과 필터 등일 수 있다. 이러한 필터들은, 예컨대, 물을 정화하거나, 해수를 담수화하거나, 표면수 및 폐수를 여과하는데 사용된다. 여기서 사용되는 용어 살생물제("biocide", "biocidal", "biocidal agent")는 통상적이고 관습적인 의미이고, 살아있는 유기체를 죽이거나 그 성장을 막을 수 있는 어떤 화학물질을 포함한다. 이 용어는 세균발육저해제(biostatic(bacteriostatic) agents) 뿐만 아니라, 살충제 및 살균제를 포함하지만 이것들에 한정되지는 않는다.
이 발명의 한 실시예에서, 물여과장치는 도 1에 도시된 바와 같이 역삼투 직교류 필터(10)이다. 대안으로는, 이 직교류 물여과장치(10)는 울트라여과장치, 나노여과장치, 마이크로여과장치, 또는 적어도 하나의 멤브레인층과 적어도 하나의 살생물 유로형성체층(biocidal feed spacer layer)을 지닌 어떤 직교류 물여과장치라도 가능하다.
이 역삼투 직교류 필터(10)는 대략 원통형이다. 작동시에, 공급용액(즉, 처리될 물이나 유체)이 인입단(12)으로 들어와서 출구단(14)으로 나간다. 공급용액이 역삼투 필터(10)에 의해 여과되면서 투과액(16)과 농축액(18)으로 출구단(14)을 빠져나가는데, 이 투과액(16)은 여과수(즉, 묽은 용액)이고, 농축액(18)은 고농도 용액(즉,오염물 함유용액)이다.
이 역삼투 직교류 필터(10)는 천공된 중심튜브(20), 천공된 중심튜브(20)를 감싸는 반투과 멤브레인(21), 그리고 외피(28)로 구성된다. 양호하게는, 역삼투 필터(10)는 상기 천공된 중심튜브(20) 둘레에 나선형으로 감긴 상기 반투과 멤브레인(21)으로 구성된다. 그와 같이, 역교류 필터(10)는 다양한 층들의 반투과 멤브레인(21)이 상기 천공된 중심튜브(20) 주위에 나선형으로 감긴 나권형 필터로도 알려져 있다. 그러나, 이 발명의 범주내에서 상기 역교류 필터는 중공 화이버 구조, 플레이트 및 프레임 구조, 또는 비층상 구조와 같이 물여과 장치 분야의 기술에 흔히 알려진 다양한 구조들로 형성될 수도 있다.
상기 천공된 중심튜브(20)는 구멍들이 있는 중공 원통튜브로 구성되어 투과액(예컨대, 여과수)이 통과 할수 있게 한다. 이 천공된 중심튜브(20)는 길이가 약 1피트 내지 6피트이고, 내경이 약 1~6인치 인 것이 바람직하다. 이 천공된 중심튜브(20)는 직경이 약 1/16~5/16 인치 구멍들을 포함하고 이 구멍들은 스퀘어 피트당 약 80~120개의 구멍밀도를 지닌다. 이 천공된 중심튜브(20)는 금속, 중합체, 이들의 조합물 및 합성물로 구성될 수 있다. 바람직하게는 이 천공된 중심튜브(20)는 압출된 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 또는 Noryl®, 폴리페닐렌 옥사이드와 폴리스티렌의 혼합물로 만들어진다. 이 천공된 중심튜브(20)의 재료는 다양한 여과 어플리케이션들에 사용하도록 화학적으로 호환성이 있어야 하고 넌리칭(non-leaching)이어야 한다. 이 천공된 중심튜브(20)는 사용과 제작 중에 가해지는 필요한 구조적 부하, 예컨대, 기둥형 및 비틈형(columnar and torsional) 회전부하들과, 여과 공정들에 사용된 인가 압력들을 견딜수 있도록 구성되어야 한다.
상기 반투과 멤브레인(semi-permeable membrane)(21)은 투과캐리어층(22), 멤브레인층(24) 및 살생물 유로형성체층(26)을 포함한다. 이 반투과 멤브레인(21)은 상기 천공된 중심튜브(20) 둘레에 나선형으로 감겨 있다. 양호하게는 이 반투과 멤브레인(21)은 천공된 중심튜브(20) 둘레에 약 1~6번 감겨 있어, 직교류 필터(10)의 총 직경은 약 2 ½~ 18인치가 된다. 반투과 멤브레인(21)은 도 2에 도시된 바와 같이 접착제를 통해 상기 천공된 중심튜브(20)에 부착된다. 이와 같은, 접착제 부착은 당 분야의 기술에 알려져 있어, 이에 대한 상세한 설명은 이 발명의 완전한 이해를 위해 필요한 것은 아니다. 그러나, 일시적인 접착제 부착물은 미국특허 제 4,235,723 호에 개시되어 있고 그 설명을 본 명세서에 참조한다.
전형적으로, 멤브레인층(24)과 같은 멤브레인층들은 다양한 베이스 지지층들이 구비되어 있는 가교된 폴리아미드염 거부층(crosslinked polyamide salt rejecting layer)을 다양한 방식으로 포함한다. 이러한 멤브레인들은 당 분야의 기술에 알려져 있고, 이들의 구조, 기능 및 동작에 대한 상세한 설명은 이 발명의 완전한 이해를 위해 필요한 것은 아니다. 그러나, 이 발명에 적용 가능한 예시적인 멤브레인들이 미국특허 제 4,277,344 호; 제 4,520,044 호; 제 5,254,261 호; 및 제 5,576,057 호에 개시되어 있다. 미국특허 제 4,277,344 호; 제 4,520,044 호; 제 5,254,261 호; 및 제 5,576,057 호의 설명은 본 명세서에 참조한다.
투과캐리어층(22)은 멤브레인층(24)에 인접하여 형성되고 양호하게는 멤브레인층(24)들 사이에 형성되어 나권형 반투과 멤브레인(21)을 통해 상기 천공된 중심튜브(20)로 투과액을 운반하는 채널을 제공한다. 일시적인 투과캐리어층(22)은 에폭시 피막 또는 비피막 폴리에스터로 구성될 수 있고, 양호하게는 약 0.006~0.015인치의 두께를 갖는다.
유로형성체(26)("feed channel spacer"로도 알려져 있음)는 대략 3차원 구조층으로 되어 있어, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 고도의 다공성을 갖도록 구성되어 있다. 양호하게는, 유로형성체(26)는 중합체물, 금속, 합금, 조합물, 텍스타일 등과 같이 의도된 용도에 충분한 재료들로 형성될 수 있다. 유로형성체(26)에 적용 가능한 다양한 중합체들은, 예컨대, 폴리올레핀, 특히, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌, 아크릴섬유, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 셀룰로스아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 플루오로폴리머, 라텍스, 플라스티졸, 폴리아미드, 나일론, 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(PBT), 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 써모플라스틱 일래스토머(TPE), 및 써모플라스틱 우레탄을 포함할 수 있다. 유로형성체(26)는 두께가 약 0.020~0.050 인치이고, 양호하게는 0.026~0.034 인치로 되어 있어, 반투과 멤브레인(21)의 권선층들 사이에 공간을 형성한다. 유로형성체(26)에 의해 형성된 공간에 의해 2개의 인접한 반투과 멤브레인 시트들이 격리되고, 이로써 들어오는 공급용액인 멤브레인 표면에 연속한 난류흐름을 조장하면서 멤브레인(24)을 가로질러 흐르게 하고, 이 때문에 멤브레인 표면들이 청결하게 유지되면서 상기 멤브레인 표면들 부근에 분산된 즉, 일시적인 유체 흐름으로 인한 농도 분극화 현상(concentration polarization)이 제한된다. 공급용액의 비정상 즉 일시적 흐름이 상기 유로형성체(26)의 메시형상에 의해 부분적으로 촉진된다.
상기 유로형성체(26)는 살생물제 또는 하나 이상의 살생물제 조합체를 포함하도록 구성되어, 살생물 유로형성체(26)가 될 수 있다. 이 살생물제는 직교류 역삼투 필터(10)와 같이 물여과장치 내부의 생물부착량을 저감하거나 금지시킬 수 있는 어떤 제재라도 좋다. 이 발명에 이 실시예에 적용 가능한 예시적인 살생물제 기반 세제, 염료, 할로겐, 중금속 및 비금속, 페놀화합물, 4가 암모니아 화합물, 및 실레인 유도체(silane derivatives)를 포함할 수 있으나 여기에 제한되지 않는다. 양호하게는 상기 살생물제는 5-클로로-2-(2, 4-디클로로페녹시) 페놀(Triclosan으로도 알려짐)이다.
다양한 활성도의 다양한 살생물제가 이 발명에 적용될 수 있으며, 상기 살생물 유로형성체(26)는 사용된 특정 살생물제에 기초하여 생활성적으로 유효한 양(bioactively effective amount)의 살생물제로 구성된다. 여기에 사용된 용어 "생활성적으로 유효한 양"이란 살생물제 없는 유로형성체(26)에 비하여 물여과장치 내의 생물부착 즉 바이오필름의 형성을 저감하거나 금지하는데 필요한 유로형성체(26)에 결합되는 살생물제 양을 의미한다. 양호하게는 살생물 유로형성체(26)는 약 0.01%~10% 중량부 살생물제를 포함하고, 더 양호하게는 약 0.25%~약 0.5% 중량부 살생물제를 포함한다.
살생물 유로형성체(26)는 몰딩, 압출, 캐스팅 등과 같은 통상의 수단에 의해 형성될 수 있다. 양호하게는 살생물 유로형성체(26)는 압출공정을 통해 살생물제와 함께 혼합된 중합체 물질로 형성된다.
양호하게는 살생물 유로형성체(26)은 도 3에 도시된 바와 같이 메시형 그물망 틀(mesh-like netting framework)을 형성하도록 필라멘트들을 압출하기 위해 2조의 역회전 슬롯들을 지닌 압출다이를 포함하는 압출프로세스에 의해 형성된다. 메시형 그물망 틀을 제작하는 예시적인 압출프로세스는 미국특허 제 4,353,956 호에 개시되어 있고 그 설명이 본 명세서에 참고된다.
살생물 유로형성체(26)를 압출프로세스를 통해 제작함에 있어서, 초기에 마스터 배치(master batch)가 생산된다. 이 마스터 배치는 봉입된 캐리어 물질에 분산된 상기 살생물제의 농축 혼합물이다. 전형적으로 이 봉입된 캐리어 물질은 상기 유로형성체(26)를 형성하는 데에 사용된 물질과 동일한 물질이다. 상기 살생물제는 캐리어 물질을 녹인 다음 그 용해물과 살생물제를 혼합하여 균일 혼합물을 형성함으로써 상기 캐리어 물질 내부에 분산된다. 그 다음 상기 캐리어 물질이 냉각되고 프릴(prills)과 같은 입상형태로 절단된다. 이 마스터 배치는 수지와 혼합되고 이 수지로부터 상기 유로형성체가 압출되어 살생물 유로형성체(26)를 형성한다. 상기 수지에 부과되는 마스터 배치 물질의 양은 살생물 유로형성체(26)에 요구되는 살생물제의 농도에 좌우될 것이다. 그 결과, 살생물 유로형성체(26)에는 전체에 걸쳐 균질하게 살생물제가 함유된다. 또한, 살생물제가 함유되므로써 살생물제가 옮겨다니지 않게 되어 생물성장 억제가 더 오래 지속된다.
중합체 또는 비중합체 유로형성체(26)에 대하여 살생물제는 유로형성체(26)에 매립되고, 접착되고, 물리적 결합되고, 화학적 결합되고 그 안에 내포되고, 피막으로 혼합되고, 표면에 분배될 수 있다. 유로형성체(26)에 살생물제를 도포하는 이와 같은 방법들은 스프레이 코팅, 딥코팅, 컨파운딩, 침착 프로세스 등을 포함한다.
역삼투 필터의 멤브레인(24)은 역삼투 여과, 울트라 여과 및 마이크로 여과 분야에 흔히 알려져 있고 사용되는 통상적인 멤브레인일 수 있다. 이 발명에 적용가능한 예시적인 멤브레인은 폴리에스터 기반층, 폴리술폰층 및 폴리아미드층을 포함할 수 있다. 상기 폴리술폰층은 반투과 폴리술폰층이고 상기 폴리아미드층은 미소다공성 폴리아미드층이다. 이러한 멤브레인들(24)은 통상적인 캐스팅 조작에서 제작될 수 있다.
상술한 반투과 멤브레인(21)층들은 다음과 같은 순서로 적층될 수 있다: 도 1에 도시된 바와 같이, 바닥 유로형성체층(26), 멤브레인층(24), 투과캐리어층(22), 멤브레인층(24) 및 상부 유로형성체층(26). 이와 같이 투과캐리어층(22)는 멤브레인층들 사이에 샌드위치 된 다음 다시 유로형성체층(26)들에 의해 샌드위치 된다. 멤브레인층(24), 살생물 유로형성체층(26), 및 투과캐리어층(22)의 다양한 층들은, 예컨대 다양한 층들을 함께(유로형성체(26)을 제외하고) 접착함으로써 조립될 수 있다. 선택적으로 역삼투 필터(10)는 외피층(28)과 같은 최종 역삼투 필터(10)를 완성하는데 필요한 다른 층들을 포함할 수 있다. 그 다음에 멤브레인(24), 살생물 유로형성체(26) 및 투과캐리어층(22)의 조립된 층들이 양호하게는 도 1에 도시된 바와 같이 나선구조로 상기 천공된 중심튜브(20) 주위에 감긴다. 상기 반투과 멤브레인(21)과 외피층(28)의 나선형 층은 입구단(12)과 출구단(14) 양측에서 단부캡(30)으로 씌워진다(도 4a 및 도 4b에 도시됨). 단부캡(30)은 대략 원통형 몸체(32)와 평면형 단부(34)를 포함한다. 평면형 단부(34)는 상기 천공된 중심튜브(20)와 정렬된 중심구멍(36)을 포함한다. 상기 평면형 단부(34)는 다수의 구멍들(38)을 포함하고 있어 농축액(18)이 통과할 수 있게 한다.
보통 단부캡(30)은 반수축성(anti-telescoping) 캡/디바이스라고 한다. 캡(30)의 기능중 하나는 상기 나권형 반투과 멤브레인(21)이 공급용액 흐름 방향으로 바깥쪽으로 수축하지(telescoping) 않도록 하는 것이다. 들어오는 공급용액 흐름과 마주하는 입구단(12)의 단부캡(30)은 상기 요소와 내부용기 측벽 사이의 환형갭(도시안됨) 안으로 흐르지 않고 브라인측(즉, 입구단(12)) 유로형성체 시트들 안으로 상기 공급용액을 되돌리게 하는 기능을 한다. 이를 위해 구멍 없는 환형 링부분(40)이 상기 단부캡(30)을 둘러쌈으로써 공급용액이 상기 환형갭 안으로 흘러 들어오는 것을 방지한다.
작동시에, 공급용액(즉, 폐수, 기수(brackish water), 염수 등)이 상기 입구단(12)을 통해 공급되며, 처음에 상기 공급용액은 살생물 유로형성체(26)의 중첩층들에 의해 형성된 반투과 멤브레인(21)층들 사이에서 필터(10)를 통해 흐른다. 상기 공급용액은 그 삼투압 이상의 압력에서 필터를 통과하여 필터(10)의 멤브레인 층들을 통한 용매의 역삼투를 조장한다. 살생물 유로형성체층들(26)은 필터(10)를 통한 공급용액의 흐름 통로를 제공할뿐만 아니라 유로형성체(26) 구조물의 메시 형상으로 인하여 교란되고, 일시적인 즉 비정상적인 유체 흐름을 조장하는 역할을 한다. 유리하게도 유로형성체층(26)을 통해 공급용액이 비층상으로 흐름으로써 유로형성체(26)는 통과중인 공급용액과 접촉하는 표면적을 극대화시킬 수 있다. 즉, 비정상 흐름의 결과 유체 흐름의 소용돌이와 발산이 많아지고 유로형성체(26)와 접촉하는 표면적이 더 커지고, 결국 반생물부착(anti-biofouling) 능력이 촉진된다. 상기 공급용액이 살생물 유로형성체(26)를 통과하고 난 후에 상기 공급용액은 멤브레인(24)에 의해 여과된 다음 상기 투과캐리어(22)를 지나가고, 이 투과캐리어는 상기 여과수(투과액)를 상기 천공된 중심튜브(20)로 운반한다. 상기 투과액(16)은 출구단(14)에서 상기 천공된 중심튜브(20)를 통해 역삼투 필터(10)를 빠져 나가고, 상기 농축액(18)은 출구단(14)에서 유로형성체층(26)을 통해 살생물 유로형성체(26)를 빠져 나간다.
유리하게도 이 발명은 흐름이 일시적이거나 비정상인 동안에 공급용액이 살생물 유로형성체(26)에 노출되도록 한다. 멤브레인(24) 내부에 위치할 수 있는 살생물제 소스에 공급용액을 노출시키는 것에 비하여 살생물 유로형성체(26)에 의해 야기된 일시적인 비정상 흐름 동안에 공급용액을 살생물제 소스에 노출시킴으로써 살생물 유로형성체(26)는 종래의 유로형성체에 비하여 유로형성체(26)의 생물부착을 더 잘 막을 수 있게 된다. 더구나 살생물 유로형성체(26)은 그 위에 생체막 성장을 상당히 저감시킬 뿐만 아니라, 연속한 멤브레인(24) 표면들의 생체부착을 방지하기도 한다. 즉, 이 발명의 발명자들은 놀랍게도 살생물 유로형성체(26)가 인접한 살생물 유로형성체(26) 사이에 생체성장 금지구역을 제공한다는 것을 발견하였다. 다시 말해서, 멤브레인측(24)은 살생물 유로형성체(26)에 근접한 결과 생체성장이 감소되는 것으로 밝혀졌다. 이것은 멤브레인층의 생체부착을 방지하는 현재의 기술로서 멤브레인층(24) 자체 내부에 살생물제를 직접 제공할 필요없이 멤브레인층(24) 내부의 생물부착을 방지하는 방법을 제공하는 중요한 발견이다. 대안의 실시예로서 직교류 여과장치(100)가 도 2와 같이 구성될 수 있다. 역삼투 직교류 여과장치(10)와 유사하게 필터(100)는 천공된 중심 코어(120), 상기 천공된 중심 코어(120) 주위에 감긴 적어도 하나의 투과 캐리어층(122), 상기 투과 캐리어층(122)에 근접한 적어도 하나의 멤브레인층(124), 및 상기 멤브레인층(124)에 근접한 적어도 하나에 유로형성체(126)를 포함한다. 처음에 투과 캐리어층(122)이 상기 천공된 중심코어(120)의 종방향 부분을 따라 접착테이프(102)에 의해 상기 천공된 중심코어(120)에 연결된다. 전 실시예와는 반대로 이 실시예는 복수층의 반투과 멤브레인(121)이 서로 부착되어 반투과 멤브레인(121)의 길이를 연속하여 연장시킨다.
직교류 여과장치(100)는 유로형성체(26)와 유사하게 멤브레인(124)의 시트 사이에 적층된 유로형성체(126)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이 멤브레인(124)는 서로 포개어져 상부 멤브레인층(124a)과 하부 멤브레인층(124b)을 형성해서 유로형성체(126)를 감싼다. 양호하게는 유로형성체(126)는 멤브레인(124)의 절첩단(123) 부근에서 테이프 또는 접착제(125a)로 멤브레인(124)에 부착된다. 유리하게도 테이프 또는 접착제(125a)는 멤브레인 절첩단(123)을 강화시킨다. 봉입된 멤브레인(124)/ 유로형성체(126)는 투과캐리어(122)의 단부(122a)에서 서로 부착된 투과캐리어(122)의 연속한 시트들 사이에 적층된다. 양호하게는, 상부 멤브레인(124a)과 하부 멤브레인(124b)은 아교와 같은 접착제(125b)에 의해 각자의 투과 캐리어층에 부착된다.
전술한 반투과 멤브레인(121)은 이전 투과캐리어층(122)의 이전 부착지점에서 약간 떨어져 다음의 연속한 투과캐리어층(122)의 단부(122a)를 부착함으로써 연장된다. 그 다음에 조립된 반투과 멤브레인(121)은 상기 실시예에서 설명한 대로 천공된 중심코어(120) 둘레에 나선형으로 감긴다. 외피층(128)이 폴리프로필렌으로 형성되고 접착제로 부착된다. 외피층(128)은 전체 나권형 반투과 멤브레인(121) 둘레에 감긴다. 선택적인 최종 외피층(132)이 외피층(128) 둘레에 감길 수 있다. 상기 최종 외피층(130)은 에폭시 수지 또는 에폭시 수지에 포화된 유리섬유 조합체로 형성될 수 있다.
살생물 유로형성체를 갖는 직교류 필터에 대한 본 발명의 다음과 같은 구체적인 비한정 실시예들을 설명한다.
실시예 1
살생물 유로형성체를 압출공정에 의해 약 0.5 중량%의 트리클로산(triclosan)으로 혼합된 폴리프로필렌 염기성 수지를 압출하여 제조하였다. 그 다음, 살생물 유로형성체의 일부를 절단하여 영양배지(즉, 배양반) 위에 올려놓고 일반의 박테리아로 접종하였다. 트리콜로산 살생물제의 봉입을 제외하고 살생물 유로형성체의 것과 동일한 방식으로 제조된 유로형성체를 제어 시료로서 제공하였다. 제어 유로형성체의 일부를 영양배지 위에 올려놓고 일반 박테리아로 접종하였다. 도 5a는 2일과 5일 후 제어 유로형성체 상에서의 박테리아의 증식을 나타낸다. 도 2B는 2일과 5일 후 살생물 유로형성체 상에서의 박테리아의 증식을 나타낸다. 도 5a와 도 5b에 나타낸 바와 같이, 2일과 5일 후의 살생물 유로형성체 상에서의 박테리아 증식은 실질적으로 제어 유로형성체 상에서의 것보다 적었다.
실시예 2
실시예 1에서 사용된 바와 같은 동일한 살생물 유로형성체와 제어 유로형성체를 실험실 흐름 분석에서 사용하였다. 도 6a와 도 6b에 나타낸 바와 같이, 두 유로형성체를 한달 기간 동안 0.5 L/min의 유속으로 폐수공급용액의 흐름에 연결하였다. 도 6a와 도 6b에 나타낸 바와 같이, 살생물 유로형성체(도 6b) 상에서의 박테리아 증식은 제어 유로형성체(도 6a) 상에서의 것보다 실질적으로 적었다.
실시예 3
실시예 1에 대해 기술된 바와 같이 제조된 0.8mm 두께의 살생물 유로형성체를 갖는 역삼투 필터를 공지된 물여과 설비에서 평가한 결과 0.8mm 두께의 유로형성체를 갖는 종래의 역삼투 필터에 비교하여 높은 오염율을 갖고 있었다. 이 역삼투 필터들을 6개월의 기간 동안 물여과 설비시스템 내의 선행요소들(즉, 공급용액의 유량을 받기 위한 일련의 요소들 중 제1 요소)로서 배치하였다. 두 역삼투 필터들이 압력 강하와 생체박막 형성의 출현에 대해 평가되었다.
살생물 유로형성체를 구비한 역삼투 필터는 7.3psi의 필터를 횡단 통과하는 압력을 나타낸 반면, 종래의 역삼투 필터는 11psi의 압력강하를 나타내었다. 필터를 통과하는 압력강하의 증가는 역삼투 필터의 오염의 증가량과 직접 관련된다. 그 외에도, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 살생물 유로형성체들을 갖는 역삼투 필터(도 7b)는 유로형성체 위와 주위에서 그리고 멤브레인 표면들의 주변에서 종래의 역삼투 필터(도 7a)에 비해 실질적으로 적은 오염 침착을 나타내었다.
본 발명은 필터 부품들 위 또는 내에서의 생물학적 증식에 의해 유로형성체의 플러깅(plugging) 또는 오염을 방지 또는 억제하는 물여과장치를 위해 유리하게 제공된다. 예를 들어, 역삼투 필터에서 공급 채널의 플러깅은 역삼투 필터의 "텔레스코핑"(telescoping)을 야기할 수 있다. 텔레스코핑이라 함은 나선식으로 감긴 역삼투 필터에서 필터층들이 정렬된 제자리에서 통상적으로 공급용액의 흐름 방향으로 벗어나는 것을 말한다. 텔레스코핑이 발생하면 유로형성체가 역삼투 필터의 외부로 밀릴 수 있어 멤브레인의 외면에 손상을 줄수 있다. 유로형성체 채널들을 자유로 유지하면 공급 채널들(또는 유로형성체의 다공)을 통해 흐르는 물에 의해 야기되는 압력강하가 감소된다. 더우기, 살생물 유로형성체는 살생물 유로형성체 부근의 필터 멤브레인의 오염을 뚜렷하게 억제한다. 전체적으로, 본 발명은 물여과 시스템의 성능을 개선하고 또한 물여과 시스템의 전체 에너지 소비와 동작 비용을 감소시키는 한편, 필터의 유로형성체들과 멤브레인 층들을 더 청결하게 보호 및 유지 즉, 오염을 줄이는 것이 가능하다.
본 발명의 정신으로부터 이탈하지 않는 범위 내에서 여러 수정 변경이 가능하므로, 본 발명은 상술한 실시예들에 제한되지 않으며, 오직 청구범위에 의해서만 제한됨을 본 분야의 숙련자는 이해할 것이다.
Claims (17)
- 중심천공튜브와;
상기 중심천공튜브 주위에 나선형으로 감긴 반투과성 멤브레인을 포함하며;
상기 반투과성 멤브레인은;
침투성 캐리어와,
상기 침투성 캐리어에 인접한 멤브레인, 및
상기 멤브레인에 인접하며 또한 적어도 하나의 살생물제를 포함하는 유로형성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제1항에 있어서,
상기 유로형성체는 메시 구조(mesh configuration)를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제1항에 있어서,
상기 살생물제는 세제(detergent), 염료, 할로겐, 페놀성 화합물, 4가의 암모늄 화합물, 실란 유도체 및 5-클로로-2-(2, 4-디클로로페녹시)페놀로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제1항에 있어서,
상기 살생물제는 귀금속인 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제1항에 있어서,
상기 유로형성체는 약 0.01 내지 약 10 중량%의 살생물제를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제1항에 있어서,
상기 유로형성체는 약 0.25 내지 약 0.5 중량%의 살생물제를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제1항에 있어서,
상기 유로형성체는 상기 멤브레인의 생물부착(biofouling)을 억제하도록 살생물제의 생활성 유효량(bioactively effective amount)을 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제1항에 있어서,
상기 유로형성체는 살생물제로 함침되는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 중심천공튜브;
상기 중심천공튜브 주위에 감긴 적어도 하나의 투과성 캐리어;
상기 적어도 하나의 투과성 캐리어에 인접한 적어도 하나의 멤브레인; 및
상기 멤브레인에 인접한 적어도 하나의 유로형성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제9항에 있어서,
상기 유로형성체는 메시 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제9항에 있어서,
상기 살생물제는 세제, 염료, 할로겐, 페놀성 화합물, 4가의 암모늄 화합물, 실란 유도체 및 5-클로로-2-(2, 4-디클로로페녹시)페놀로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제9항에 있어서,
상기 살생물제는 귀금속인 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제9항에 있어서,
상기 유로형성체는 약 0.01 내지 약 10 중량%의 살생물제를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제9항에 있어서,
상기 유로형성체는 약 0.25 내지 약 0.5 중량%의 살생물제를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제9항에 있어서,
상기 유로형성체는 상기 적어도 하나의 멤브레인의 생물부착을 억제하도록 살생물제의 생활성 유효량(bioactively effective amount)을 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 제9항에 있어서,
상기 유로형성체는 살생물제로 함침되는 것을 특징으로 하는 직교류 여과장치. - 살생물제를 포함하는 유로형성체를 제공하는 단계와;
직교류 여과장치의 멤브레인에 인접하여 상기 유로형성체를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교류 여과 멤브레인의 오염 억제 방법.
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