KR20130064163A - 중공섬유 분리막 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코어, 상기 코어를 감싸는 중공섬유, 상기 중공섬유를 둘러싸는 케이지, 상기 중공섬유를 밀봉 고정하는 고정부를 포함하는 하우징, 상기 중공섬유의 내부로 통하는 유로를 형성하는 제1포트, 상기 중공섬유의 외벽면으로 통하는 유로를 형성하는 제2포트, 및 농축된 유체가 배출되는 제3포트를 포함하는 중공섬유 분리막 유닛이 연결장치로 연결된 구조를 가지는 중공섬유 분리막 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 중공섬유 분리막 모듈에 따르면, 분리막 모듈 내에 삽입된 타공된 코어와 중공섬유를 감싸는 케이지 및 중공섬유 유닛간의 포트를 적절한 크기의 삽입관을 장착하여 모듈 내 난류흐름을 형성하여 공급용액의 열전달과 물질전달을 촉진하고, 중공 내부로 별도의 유체를 공급하여 증기압차를 유도함으로써, 분리효율 및 투과측의 투과유량 증가를 도모할 수 있는 효과를 가진다.

Description

중공섬유 분리막 모듈{Membrane module of hollow fiber}

본 발명은 중공섬유를 이용한 분리막 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 분리막 모듈의 구조를 개선하여 유체의 흐름을 효과적으로 조절하여 분리 효율을 높일 수 있는 중공섬유 분리막 모듈에 관한 것이다.

소수성 분리막 모듈은 소수성을 지닌 고분자막 표면에서 유체에 용존되어 있는 기상 성분 혹은 혼합 유체 성분 중 휘발성이 강한 성분의 상변화가 일어나고, 분리막의 표면에 존재하는 미세 기공을 통해 기체나 증기가 투과하여 분리되는 원리를 이용하여, 기체물질이나 비휘발성 물질 또는 휘발성이 상대적으로 낮은 물질을 분리 제거하는 용존 기체분리, 탈염공정, 휘발성이 높은 유기물의 분리 농축하는 공정에 이용할 수 있다.

예를 들면, 정삼투 공정 중 유도 용액의 분리 및 농축, 유체의 탈기, 멤브레인 콘택터(membrane contactor) 등에 적용할 수 있다.

상기 소수성 분리막 모듈은 소수성 고분자 분리막을 이용하는데, 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 기상 또는 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 투과측에서 분리되는 것이다.

이러한 소수성 분리막 모듈은 공급 용액이 분리막을 통과하는 공급측과 분리대상 물질이 분리되는 투과측으로 구성된다. 이때, 공급온도, 공급유량 속도, 분리막 재질 등에 따른 기상 또는 액상의 투과 속도에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.

또한, 분리막 모듈 내에서 유속이 높으면, 격렬한 교반 효과가 형성되어 열전달과 물질전달을 촉진시킨다.

다음 도 5는 기존의 분리막 모듈을 나타낸 것으로, 전형적인 다발 형태의 중공섬유(20)와 유체의 공급 포트(30)와 배출 포트(40)를 포함하는 하우징(50)으로 구성되어 있다.

상기와 같은 구조의 모듈 즉, 'I'자형 타입은 개개의 중공섬유들이 비접촉하게 고정될 수 없고, 모듈 형태로 인해 유체와 막 표면 간에 직각 방향으로 공급액의 흐름을 유도할 수 없기 때문에, 통상적인 모듈 제조기술은 효율적인 성능을 발현하지 못한다.

이는 이론적으로 중공섬유와 이웃하는 중공섬유와 비접촉 관계에 있어야 유체의 막 접촉이 효율적이며, 최적의 막 면적을 위해 효율적인 최소의 막간 거리가 설정되어야 하기 때문이다. 또한 유체의 흐름이 막 표면과 직각방향으로 작용하여야 우수한 성능을 발현할 수 있다.

이러한 문제를 해소하기 위하여, 캐스(cath) 등은 공급유량의 선 속도를 향상시키기 위해 스페이서(spacer)를 이용하는 방법을 제시한 바 있으나[Journal of Membrane Science, 2004, 228, 5-16], 특수 설계인 관계로 큰 스케일 제작에 어려움이 있고, 평판형 또는 권선형 등의 다양한 형태의 분리막 모듈에 적용할 수 없다.

본 발명은 상기 소수성 고분자 분리막 모듈에서의 종래 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 개선된 모듈의 구조를 통해 유체의 흐름 및 흐름방향을 조절하여 우수한 성능을 발현하며, 분리 효율 및 투과측의 투과 유량 증가를 도모할 수 있는 중공섬유 분리막 모듈을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 중공섬유 분리막 모듈은 코어, 상기 코어를 감싸는 중공섬유, 상기 중공섬유를 둘러싸는 케이지, 상기 중공섬유를 밀봉 고정하는 고정부를 포함하는 하우징, 상기 중공섬유의 내부로 통하는 유로를 형성하는 제1포트, 상기 중공섬유의 외벽면으로 통하는 유로를 형성하는 제2포트, 및 농축된 유체가 배출되는 제3포트를 포함하는 2개의 중공섬유 분리막 유닛이 연결장치를 통하여 서로 연결된 구조를 가지는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코어 및 케이지는 그 표면이 타공된 구조를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 중공섬유는 날실 방향으로 배치된 중공사막, 및 상기 중공사막 사이에 씨실 방향으로 교대로 중공사막 외부를 감싸며 배치된 씨실 섬유를 포함하는 소수성 지지체인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 중공섬유 분리막 유닛을 연결하는 연결 장치는 중공섬유 유닛 간의 유로를 연결하는 삽입관, 상기 삽입관과 중공섬유 유닛의 밀봉을 위한 밀봉 부재, 및 상기 중공섬유의 내부로 제3의 유체 공급을 위한 제4포트를 포함할 수 있다.

상기 2개의 중공섬유 분리막 유닛에서, 하나의 중공섬유 분리막 유닛은 외부에서 내부로 유체의 흐름을 유도하고, 다른 하나의 중공섬유 분리막 유닛은 삽입관을 통해 유닛 내부에서 외부로 유체의 흐름을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2포트로부터 유입된 유체는 상기 코어를 둘러싸는 중공섬유와 이를 둘러싼 타공된 케이지를 통과하여 상기 중공섬유와 직각 방향으로 유도되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 중공섬유 분리막 모듈에 따르면, 분리막 모듈 내에 삽입된 타공된 코어와 중공섬유를 감싸는 케이지 및 중공섬유 유닛 간의 포트를 적절한 크기의 삽입관을 장착하여 모듈 내 난류 흐름을 형성하여 공급용액의 열전달과 물질전달을 촉진하고, 중공 내부로 별도의 유체를 공급하여 증기압차를 유도함으로써, 분리효율 및 투과측의 투과유량 증가를 도모할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 중공섬유 분리막 모듈의 단면 구조이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공섬유의 구조를 나타낸 것이고,
도 3은 중공섬유 분리막 유닛이 분리된 형태의 중공섬유 분리막 모듈의 단면 구조이고,
도 4는 본 발명의 중공섬유 분리막 모듈을 이용한 모듈 내 유체의 흐름을 나타낸 것이고,
도 5는 기존의 모듈 방식을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명은 중공섬유 분리막 모듈에 관한 것이다.

다음 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공섬유 분리막 모듈의 단면 구조를 나타낸 것으로, 이를 참조하면, 코어(1), 상기 코어를 감싸는 중공섬유(2), 상기 중공섬유(2)를 둘러싸는 케이지(3), 상기 중공섬유(2)를 밀봉 고정하는 고정부(4)를 포함하는 하우징(5), 상기 중공섬유(2)의 내부로 통하는 유로를 형성하는 제1포트(10), 상기 중공섬유(2)의 외벽면으로 통하는 유로를 형성하는 제2포트(12), 및 농축된 유체가 배출되는 제3포트(12')를 포함하는 2개의 중공섬유 분리막 유닛(6, 6')이 연결장치(9)를 통하여 서로 연결된 구조를 가진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코어(1) 및 중공섬유(2)를 둘러싸는 케이지(3)는 그 표면이 타공된 구조를 가지는 바람직하다. 상기 코어(1)와 케이지(3)의 표면이 타공된 구조를 가짐으로써 외부로부터 유입된 유체가 상기 코어(1)와 케이지(3)를 통과할 때, 유체의 흐름을 상기 중공섬유(2)에 대하여 직각 방향으로 흐를 수 있도록 유도하는 역할을 한다.

상기 '코어(1)와 케이지(3)의 표면이 타공된 구조를 가지는 것'은 코어(1)와 케이즈(3)의 표면에 유체가 흐를 수 있는 정도의 홈 또는 기공이 형성된 것을 의미하며, 상기 타공된 구조의 홈 또는 기공의 크기는 외부로부터 유입된 유체의 흐름 방향을 직각으로 조절할 수 있는 정도이면 충분하고, 그 크기가 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 사용되는 상기 케이지(3)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리테트라플루오르에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라스틱 재질; 또는 가공 가능한 금속 재질에서 선택되는 1종 이상의 재질로부터 제조될 수 있으나, 그 재질이 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 혼합 성분의 실제적인 분리를 담당하는 상기 중공섬유(2)는 종래 분리막 모듈에서 사용하던 것과 같은 중공사막이 아니라, 중공사막과 섬유 형태의 실이 교대로 직조된 구조를 가지는 중공섬유이다.

즉, 다음 도 2에서와 같이 상기 중공섬유는 날실 방향으로 배치된 중공사막(21), 및 상기 중공사막(21) 사이에 씨실 방향으로 교대로 중공사막 외부를 감싸며 배치된 씨실 섬유(22)를 포함하는 소수성 지지체인 것이 바람직하다. 즉, 상기 이웃하는 중공사막(21)이 서로 접촉되지 않도록 일정한 방향, 예를 들어 날실 방향으로 중공사막(21)을 배치시키고, 상기 중공사막(21)의 씨실 방향으로 상기 중공사막(21)을 교차시켜 그 외부를 완전히 감쌀 수 있도록 씨실 섬유(22)를 배치시킨 구조를 가진다.

본 발명에 따른 중공사막(21)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 통상의 재료들을 사용하여 제조된 것으로, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 씨실 섬유(22)는 통상의 섬유 재질의 실이면 충분하고, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니며, 상기 중공사막(21)의 사이에서 상기 중공사막(21)들이 서로 접촉되지 않도록 스페이서의 역할을 할 수 있는 것이면 된다.

다음 도 2에서와 같이 한 방향으로 배열된 중공사막(21) 사이를 씨실 섬유(22)가 교차하면서 상기 중공사막(22)의 외부를 완전히 감쌀 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 씨실 섬유의 직경이 다소 얇은 경우에는 상기 중공사막(22)을 감싼 후 씨실 섬유끼리 만나는 교차점에서 상기 씨실 섬유끼리 매듭을 지어 중공사막(22)의 접촉을 방지할 수 있다. 그러나, 충분한 직경을 가지는 씨실 섬유를 사용하는 경우, 중공사막 간의 충분한 스페이서로 작용할 수 있기 때문에 씨실 섬유를 매듭짓는 과정이 필요하지 않을 수도 있다.

다음 도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 중공섬유 분리막 모듈은 2개의 중공섬유 분리막 유닛(6, 6')이 연결장치(9)를 통하여 서로 연결된 구조를 가진다. 여기서, 상기 연결장치(9)는 중공섬유 유닛(6, 6') 간의 유로를 연결하는 삽입관(7), 상기 삽입관(7)과 중공섬유 유닛(6, 6')의 밀봉을 위한 밀봉부재(8), 및 상기 중공섬유(2)의 내부로 제3의 유체 공급을 위한 제4포트(13)를 포함할 수 있다.

상기 연결장치(9)에는 상기 중공섬유(2)의 내부로 제3의 유체 공급을 위한 제4포트(13)가 포함되어 있는데, 여기서 상기 제3의 유체라 함은 분리하고자 하는 혼합물에 포함되지 않거나, 또는 상기 혼합물에 포함된 성분이더라도 그 온도나 형태가 상이한 것을 의미한다. 상기 제3의 유체를 공급함으로써 투과측의 온도를 낮추어 증기압차를 극대화하여 투과유량 향상이 가능하다. 상기 제4포트(13)로 유입된 제3의 유체는 상기 중공섬유(2)의 내부로 공급되었다가, 다시 제1포트(10)를 통하여 배출된다.

본 발명에서 사용되는 상기 연결 장치(9), 제3의 유체 투입관인 제4포트(13)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리테트라플루오르에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라스틱 재질; 또는 가공 가능한 금속재질에서 선택되는 1종 이상의 재질로부터 제조될 수 있으나, 그 재질이 특별히 한정되는 것은 아니다.

다음 도 3은 상기 중공섬유 분리막 모듈이 분리된 상태의 중공섬유 유닛을 도시한 도면이다. 2개의 중공섬유 분리막 유닛(6, 6')이 연결장치(9)를 이용하여 연결된 구조를 가진다. 각 중공섬유 분리막 유닛(6, 6')은 중공섬유(2)가 씨실을 이용하여 직물 형태로 제조되어 코어(1)에 말아서 케이지(3)에 삽입된다. 상기 코어(1)를 감싸는 중공섬유(2) 다발과 이를 둘러싼 케이지(3)의 양 말단은 밀봉 고정부(4)에 의해 고정되며, 밀봉 고정부(4)의 외벽면이 노출된 상태로 이웃하는 중공섬유 유닛과 연결된다. 상기 연결된 중공섬유 분리막 모듈을 덮개(11)로 밀봉하고, 중공섬유 유닛(6, 6')간의 유로를 연결하는 삽입관(7)과 이를 밀봉하는 오링과 같은 밀봉 부재(8)을 포함한다.

코어(1)와 케이지(2)는 관형이고 하우징(5)과 동축상이며, 두 개의 중공섬유 유닛(6, 6')을 삽입관(7)을 통해 연결하고, 별도의 유체 유입이 가능한 연결장치(9)를 이용하여 두 중공섬유 유닛(6, 6')을 연결하여 완성한다.

본 발명에 따른 중공섬유 분리막 모듈은 상기 제1포트(10)에 의해서 진공원과 소통한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 중공섬유 분리막 모듈에서, 하나의 유닛(6)은 외부에서 내부로 유체의 흐름을 유도하고, 다른 하나의 유닛(6')은 삽입관(7)을 통해 유닛 내부에서 외부로 유체의 흐름을 유도할 수 있다.

다음 도 4는 유체의 흐름을 도시한 도면이다.

이를 참조하면, 유체의 흐름은 분리할 물질이 용해된 유체가 두 개의 유닛 중 제1유닛(6)의 제2포트(12)로 공급되어 중공섬유(2) 다발을 둘러싼 케이지(3)의 외부에서 내부로 통과하여 중공섬유(2)에 수직방향으로 도입되고, 케이지(3)의 외부에서 내부로 통과하고, 중공섬유(2)를 가로질러 코어(1)로 이동한다. 상기 코어(1)를 통과한 유체는 삽입관(7)을 통해 나머지 하나인 제2유닛(6')으로 이동하고, 상기 제2유닛(6')의 코어(1)를 통해 중공섬유(2)를 수직방향으로 가로 질러 제2포트(12')로 배출된다.

또한, 제1유닛(6)과 제2유닛(6')의 연결장치(9)에 구성된 상기 제4포트(13)로부터는 제3의 유체가 유입될 수 있으며, 상기 제4포트(13)로부터 유입된 제3의 유체는 제1유닛(6)과 제2유닛(6')의 중공섬유(2) 내부를 통해 제1유닛(6)과 제2유닛(6')의 제1포트(10)로 배출된다.

따라서, 본 발명에 따른 중공섬유 분리막 모듈은 중앙의 연결장치 내에 공급포트를 가진 모듈장치를 직접 접촉 막 증류, 진공 막 증류, 쓸기 막 증류, 탈기, 분리막 접촉(membrane contactor) 방식에 적용하여 분리대상 물질이 투과측에서 응축 분리되도록 할 수 있다.

소수성 분리막을 이용한 모듈 공정을 이용하여 투과 유량을 극대화하기 위해서는 공급측에서의 공급용액이 높은 증기압을 형성해야 하며, 일반적으로 증기압을 높게 하려면 공급용액의 온도를 높이고 유속을 증가시키고, 투과측의 온도를 낮게 유지하면 결과적으로 공급측과 투과측의 증기압차가 극대화되어 많은 투과유량을 확보할 수 있다. 또한, 분리막 모듈 내에서 유속이 높으면, 격렬한 교반 효과가 형성되어 열전달과 물질전달을 촉진시킨다.

본 발명에서는 케이지(3), 코어(1), 삽입관(8)을 도입하여 유속의 증가 및 유로의 난류 형성이 가능하며, 별도의 유체 투입관인 제4포트(13)을 도입하여 투과측의 온도를 낮추어 증기압차를 극대화하여 투과유량 향상이 가능하다.

이하에서, 본 발명에 따른 중공섬유 분리막 모듈의 제조 과정을 설명한다.

상기 상세히 언급한 바와 같이, 중공사막과 씨실 섬유가 교대로 직조된 형태의 소수성 중공섬유 다발은 타공된 코어에 감싸져 접착되고, 이들 중공섬유 다발을 양 단면이 기밀된 타공된 케이지를 이용하여 외부에서 감싸는 구조이다. 상기 중공섬유의 양 단면을 중공 내부가 개방되도록 밀봉 고정시킨다. 상기 밀봉 고정부의 외벽면이 노출된 상태로 중공섬유 제1유닛과 중공섬유 제2유닛이 연결장치에 의해 연결된다.

상기 연결장치는 중공섬유 유닛 간의 유로를 연결하는 삽입관이 있고, 상기 삽입관과 중공섬유 유닛 간의 연결은 오링과 같은 밀봉 부재를 이용한다. 상기 중공섬유 유닛은 원통형 구조의 하우징에 수용되며, 상기 하우징에는 중공섬유의 중공내부로 통하는 유로를 형성하는 제1포트와 중공섬유의 외벽면측으로 통하는 유로를 형성하는 제2포트, 및 농축된 유체가 배출되는 제3포트를 구비함과 더불어 하우징과 중공섬유 유닛간의 착탈이 자유로운 구성을 특징으로 한다.

본 발명은 개선된 모듈의 구조를 통해 유체의 흐름을 조절하여 우수한 성능을 발현할 수 있다.

1 : 코어
2 : 중공섬유
3 : 케이지
4 : 밀봉고정부
5 : 하우징
6, 6' : 중공섬유 분리막 유닛
7 : 삽입관
8 : 밀봉부재
9 : 연결장치
10 : 제1포트
11 : 덮개
12 : 제2포트
12': 제3포트
13 : 제4포트
21 : 중공사막
22 : 씨실 섬유

Claims (6)

1. 코어,
   상기 코어를 감싸는 중공섬유,
   상기 중공섬유를 둘러싸는 케이지,
   상기 중공섬유를 밀봉 고정하는 고정부를 포함하는 하우징,
   상기 중공섬유의 내부로 통하는 유로를 형성하는 제1포트,
   상기 중공섬유의 외벽면으로 통하는 유로를 형성하는 제2포트, 및
   농축된 유체가 배출되는 제3포트를 포함하는 2개의 중공섬유 분리막 유닛이 연결장치를 통해 서로 연결된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 중공섬유 분리막 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 코어 및 케이지는 그 표면이 타공된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 중공섬유 분리막 모듈.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 중공섬유는 날실 방향으로 배치된 중공사막, 및
   상기 중공사막 사이에 씨실 방향으로 중공사막 외부를 교대로 감싸며 배치된 씨실 섬유를 포함하는 소수성 지지체인 것을 특징으로 하는 중공섬유 분리막 모듈.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 중공섬유 분리막 유닛을 연결하는 연결 장치는
   중공섬유 유닛 간의 유로를 연결하는 삽입관,
   상기 삽입관과 중공섬유 유닛의 밀봉을 위한 밀봉 부재, 및
   상기 중공섬유의 내부로 제3의 유체 공급을 위한 제4포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공섬유 분리막 모듈.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 2개의 중공섬유 분리막 유닛에서,
   하나의 중공섬유 분리막 유닛은 외부에서 내부로 유체의 흐름을 유도하고, 다른 하나의 중공섬유 분리막 유닛은 삽입관을 통해 유닛 내부에서 외부로 유체의 흐름을 유도하는 것을 특징으로 하는 중공섬유 분리막 모듈.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2포트로부터 유입된 유체는 상기 코어를 둘러싸는 중공섬유와 이를 둘러싼 케이지를 통과하여 상기 중공섬유와 직각 방향으로 유도되는 것을 특징으로 하는 중공섬유 분리막 모듈.
   

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