KR20140009159A - 막 분리 모듈 - Google Patents

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KR20140009159A
KR20140009159A KR1020137010673A KR20137010673A KR20140009159A KR 20140009159 A KR20140009159 A KR 20140009159A KR 1020137010673 A KR1020137010673 A KR 1020137010673A KR 20137010673 A KR20137010673 A KR 20137010673A KR 20140009159 A KR20140009159 A KR 20140009159A
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separation module
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feed spacer
flexible waterproof
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필립 폴 뷰챔프
라마사미 티야가라잔
아누브하브 쿠마르
토드 알랜 앤더슨
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

공급 스페이서(404)를 이용하는 분리 모듈 및 그러한 분리 모듈을 형성하는 방법이 제공된다. 가요성 방수 재료(406)를 포함하는 가스켓이 공급 스페이서의 하나 이상의 엣지들의 적어도 일부분 상에 배치된다. 막 층(410)이 공급 스페이서의 제 1 표면 상에 배치된다. 투과물 캐리어(412)가 공급 스페이서에 대향하는 막 요소의 표면 상에 배치된다. 선택적으로, 추가적인 열경화성 접착제(408)가 이용된다.

Description

막 분리 모듈{MEMBRANE SEPARATION MODULE}
본원에 개시된 실시예들은 분리 모듈에 관한 것이고, 보다 특히 역삼투성(reverse osmosis), 정삼투성, 및 물리적 여과 모듈들에 관한 것이다. 물리적 여과는 마이크로, 울트라, 및 나노 여과 프로세스들을 포함할 수 있다.
막 모듈들은 유체를 용해되고 현탁된(suspended) 유기물 및 무기물 고체들과 분리하기 위해서 널리 이용된다. 이러한 목적을 위해서 이용되는 프로세스들은 역삼투성, 정삼투성, 및 물리적 여과를 포함할 수 있다. 역삼투성에서, 염분이 섞인(brackish) 또는 불순물이 섞인 물, 해수, 등과 같은(그러나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다) 공급 용액이 공급 물의 삼투압 보다 더 높은 압력으로 반-투과성 막을 통과하게 된다. 투과물(permeate), 예를 들어, 정화된 물이 반-투과성 막의 반대편에서 얻어진다.
정삼투성에서, 불순물이 섞인 물, 해수, 등과 같은(그러나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다) 공급 용액으로부터의 물이, 공급 용액과 인출(draw) 용액 사이의 삼투압 차이로 인해서, 반-투과성 막을 통해서 인출된다. 그에 따라, 인출 용액은 증가된 물의 백분율로 인해서 인출 화학물질 농도가 감소된 상태로 분리 모듈을 빠져나온다.
마지막으로, 마이크로-, 울트라- 및 나노-여과와 같은 물리적 여과의 경우에, 현탁된 고체들을 포함하는 공급 용액이 모듈의 투과물 채널들 내에 존재하는 것 보다 더 높은 압력으로 분리 모듈로 도입된다. 물은 분리 막의 기공들을 통해서 유동하고 그리고 투과물 채널을 통해서 분리 막을 빠져나간다.
역삼투성, 정삼투성 및 물리적 여과를 위한 전술한 프로세스들에서, 공급 채널들은 전형적으로 모듈의 기하학적 형태에 의해서 형성되고 그리고 보다 전형적으로, 공급 스페이서 재료들(feed spacer materials)의 엣지들에 배치된 접착제들에 의해서 형성된다. 이러한 방법에 의해서 형성된 채널들이 제시되어 있지만, 강건한(robust) 구현예가 아직 달성되지 못하고 있다. 예를 들어, 접착제가 막의 면(face)에 부착되고, RO 또는 FO의 경우에 그러한 면은 전형적으로 약 100 nm로 매우 얇다. 공급 채널이 투과물 채널의 압력 보다 높게 가압될 때, 막-접착제 조인트에서의 응력 집중이 발생되고 그리고 일반적으로 막의 파열부를 초래한다. 이어서, 막 내의 파열부는 정화(purification) 감소를 초래한다. 공급 압력이 응력 집중부에서 막을 즉각적으로 파열할 수 있을 만큼 충분히 크지 않은 다른 경우들에서, 취급, 압력 요동들(fluctuations) 또는 주기적인 사이클링이 막 파열에 대해서 유사하게 영향을 미칠 수 있다.
다른 경우들에서, 단부 캡들, 또는 단부 포팅(potting)이 모듈들의 단부들 상에 배치되어 공급 용액 유동 경로를 형성할 수 있다. 마지막으로, 층들의 화학적 결합(joining)을 또한 이용하여 공급 채널 내에 공급 용액 유동 경로를 형성할 수 있다. 그러나, 그러한 결합부들은 높은 압력의 공급에서 누출에 민감할 수 있을 것이다. 또한, 화학적 결합부들을 생산하는 것과 관련된 프로세스들은 고가이고 그리고 시간이 많이 소요될 것이다. 그러한 경우들에서, 유동 방향을 따른 각각의 공급 채널의 두께의 변동(variations)이 가능하지 않을 것이다. 화학적으로 결합된 엣지들이 또한 막 요소의 층에 대해서 손상을 유발할 수 있을 것이다. 또한, 화학적 결합부들은 투과물 캐리어(permeate carrier)의 층에 대해서 부가적인 강성(rigidity)을 제공하지 않을 것이다. 나선형으로 권취된(wound) 모듈들에서, 화학적으로 결합된 리프들(leaves)을 코어 주위로 롤링(roll)하는 것이 어려울 수 있을 것이다.
따라서, 종래 기술의 이러한 그리고 다른 단점들을 극복하는 공급 스페이서 가스켓 기술이 요구되고 있다.
공급 스페이서를 이용하는 분리 모듈 및 그러한 분리 모듈을 형성하는 방법이 제공된다. 가요성 방수 재료를 포함하는 가스켓이 공급 스페이서의 하나 이상의 엣지들의 적어도 일부분 상에 배치된다. 막 층이 공급 스페이서의 제 1 표면 상에 배치된다. 투과물 캐리어가 공급 스페이서에 대향하는 막 요소의 표면 상에 배치된다.
분리 모듈의 몇 가지 실시예들이 제공된다. 막 모듈은 투과물 캐리어의 적어도 하나의 층, 막 요소의 적어도 하나의 층, 및 공급 스페이서의 적어도 하나의 층을 포함한다. 막 모듈은 공급 스페이서의 적어도 하나의 층을 더 포함하고, 상기 공급 스페이서의 엣지들은 방수의 가요성 재료로 이루어진 하나 이상의 스트립들에 의해서 적어도 부분적으로 덮여진다. 밀봉부가 막 요소와 공급 스페이서 사이에 형성되고, 방수의 가요성 재료로 이루어진 하나 이상의 스트립들이 막 요소에 대해서 압축되어 밀봉부를 형성한다. 막 적층체(stack)를 중앙 코어 주위로 권취함으로써, 또는 적절한 프레임 및 플레이트 조립체를 이용하여 가요성 방수 재료를 막 요소에 대해서 압축함으로써, 가요성 방수 재료가 막 요소에 대해서 압축될 수 있을 것이다.
분리 모듈을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은 공급 스페이서를 제공하는 단계 및 공급 스페이서의 하나 이상의 엣지들의 적어도 일부를 가요성 방수 재료로 함침(impregnating)시키는 단계를 포함한다. 그러한 방법은 막 요소를 공급 스페이서의 일 측부(side) 상에 제공하는 단계, 및 투과물 캐리어를 막 요소의 반대쪽 측부 상에 제공하는 단계를 더 포함한다. 몇 가지 실시예들에서, 그러한 방법은 공급 스페이서, 막 요소, 및 투과물 캐리어를 코어 주위로 권취하는 단계를 더 포함한다. 가요성 방수 재료가 막 요소에 대해서 압축되어 공급 채널 내에서 밀봉부를 형성한다.
도 1은 실시예에 따른 재료들의 연속적인 층들을 도시한 도면,
도 2는 몇 가지 실시예들에 다른 방수 가스켓을 도시한 도면,
도 3은 일 실시예에 따른 분리 모듈의 막 적층체의 단면도,
도 4는 다른 실시예에 따른 분리 모듈의 막 적층체의 단면도,
도 5는 일 실시예에 따른 분리 모듈의 막 적층체를 도시한 도면,
도 6은 다른 실시예에 따른 분리 모듈의 막 적층체를 도시한 도면,
도 7은 또 다른 실시예에 따라서 분리 모듈의 막 적층체를 도시한 도면,
도 8은 여러 가지 실시예들에 따른 공급 스페이서의 길이에 대한 가스켓 두께의 프로파일 플롯(plot)을 도시한 도면.
이하에서는, 첨부 도면들을 참조하여 본원에서 제시된 여러 가지 실시예들을 설명할 것이다. 그러나, 이러한 구체적인 상세사항들의 일부 또는 전부가 없이도 이러한 실시예들이 실시될 수 있다는 것이 분명할 것이다. 다른 경우들에서, 실시예들에 대한 설명을 불필요하게 불명료하게 만드는 것을 방지하기 위해서, 주지의 프로세스 단계들 및 요소들에 대해서는 상세하게 설명하지 않았다. 이하의 예시적인 실시예들 및 그들의 양태들이 장치들, 방법들 및 시스템들과 함께 설명되고 묘사되어 있으며, 그러한 장치들, 방법들 및 시스템들은 설명을 위한 예들을 의미하는 것으로서 범위를 제한하는 것은 아니다.
본원에서 제시된 실시예들은 공급 스페이서 및 그러한 공급 스페이서를 채용한 분리 모듈을 설명한다. 특별한 실시예에 따라서, 분리 모듈은 역삼투성, 정삼투성 또는 물리적 여과 적용예들을 위해서 사용될 수 있다. 적용예들에 대한 예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 포함하는 설명들을 통해서 명료해질 것이다.
도 1은, 여러 가지 실시예들에 따라서, 역삼투성, 정삼투성 및 물리적 여과에 대해서 적용가능한 전형적인 나선형으로 권취된 분리 모듈(100) 내의 연속적인 재료들의 예를 도시한다. 이러한 분리 모듈은 공급 스페이서(104)의 하나 이상의 층들과 투과물 캐리어(106)의 하나 이상의 층들 사이에 배치된 막 요소(102)의 하나 이상의 층들을 포함한다. 막 요소(102), 공급 스페이서(104), 및 투과물 캐리어(106)의 층들이 중앙 코어(108) 주위로 권취된다. 중앙 코어(108)는 공급 용액, 투과물 및 잔여물(retentate)을 위한 독립된 채널들을 포함할 수 있을 것이다. 분리 모듈의 희망하는 기하학적 형태에 따라서, 연속된 층들이 임의 횟수로 반복될 수 있을 것이다.
역삼투성, 정삼투성, 및 물리적 여과를 위한 나선형으로 권취된 분리 모듈(100)의 기본적인 기능이 이하의 문단들에서 설명된다.
(역삼투성)
공급 용액이 공급 스페이서(104)를 통해서 고압으로, 일반적으로 염분이 섞인 물에 대해서 2-17 바아(30-250 PSI)로, 그리고 해수에 대해서 40-70 바아(600-1000 PSI)로 펌핑될 수 있을 것이다. 공급 용액의 압력으로 인해서, 공급 스페이서(104)를 통해서 유동하는 공급 용액이 막 요소(102) 내로 강제된다. 투과물, 예를 들어 정화된 물이 막 요소(102)를 통과할 것이고 그리고 투과물 캐리어(106) 내에서 수집될 수 있을 것이다. 투과물 캐리어(106)는 투과물을 투과물 배출 포트로 이송한다. 잔류물, 예를 들어, 염수(brine)는 막 요소(102)를 통과하지 못하고, 그리고 공급 스페이서(104) 내에서 유지된다. 공급 스페이서(104)는 잔류물을 잔류물 배출 포트로 이송한다.
(물리적 여과)
공급 용액이 공급 스페이서(104)를 통해서 고압으로 펌핑될 수 있다. 공급 용액의 압력으로 인해서, 공급 스페이서(104)를 통해서 유동하는 공급 용액이 막 요소(102) 내로 강제된다. 여과액(filtrate)이 막 요소(102)를 통과할 수 있고 그리고 투과물 캐리어(106) 내에 수집될 수 있을 것이다. 투과물 캐리어(106)는 여과액을 여과액 배출 포트로 이송한다. 불순한 공급 용액은 막 요소(102)를 통과하지 못하고, 그리고 공급 스페이서(104) 내에서 유지된다. 공급 스페이서(104)는 불순한 공급 용액을 불순한 공급물 배출 포트로 이송한다.
(정삼투성)
공급 용액이 공급 스페이서(104)를 통해서 펌핑될 수 있고, 그리고 적합한 인출 용액이 투과물 캐리어(106)를 통해서 펌핑될 수 있을 것이다. 막 요소(102)에 걸친 삼투압 구배로 인해서, 공급 스페이서(104) 내의 공급 용액으로부터 투과물 캐리어(106) 내의 인출 용액으로의 투과물의 순(net) 유동이 이루어진다. 투과물은 막 요소(102)를 통과할 수 있고 그리고 투과물 캐리어(106) 내에서 수집될 수 있을 것이다. 투과물 캐리어(106)는 투과물을 투과물 배출 포트로 이송한다.
이어서, 투과물이 역삼투성 또는 인출 용매 분리 기술들과 같은 제 2 분리 프로세스로 선택적으로 처리될 수 있을 것이다. 잔류물은 막 요소(102)를 통과하지 않고, 공급 스페이서(104) 내에서 유지된다. 공급 스페이서(104)는 잔류물을 잔류물 배출 포트로 이송한다.
도 2는, 몇 가지 실시예들에 따라서, 분리 모듈 내의 공급 스페이서 상으로 함침된 가요성 방수 가스켓들을 도시한다. 막 적층체(200)가 역삼투성, 정삼투성, 및 물리적 여과 프로세스들을 위한 몇 가지 상이한 분리 모듈 구성들에서 채용될 수 있을 것이다. 막 적층체(200)는 공급 스페이서(204)의 하나 이상의 층들과 투과물 캐리어(206)의 하나 이상의 층들 사이에 배치된 막 요소(202)의 하나 이상의 층들을 포함한다. 가요성 방수 가스켓(208)은, 원통형 분리 모듈의 축에 대해서 수직한 공급 스페이서의 측방향 엣지들 상에 배치된다. 바람직하게, 가요성 방수 가스켓(208)은, 막 적층체(200)의 조립에 앞서서, 공급 스페이서(204) 상으로 배치될 수 있을 것이다. 막 요소들(202), 공급 스페이서(204), 및 투과물 캐리어(206)의 층들이 중앙 코어(210) 주위로 권취된다. 막 요소들(202), 공급 스페이서(204), 및 투과물 캐리어(206)를 중앙 코어(210) 주위로 권취하는 것으로 인해서, 막 요소들(202)과 가요성 방수 가스켓(208) 사이에 압축에 의한 밀봉부가 형성된다. 그에 따라, 밀봉부는 공급 스페이서(204)에 인접한 막 요소들(202) 사이에 공급 용액 채널을 형성한다.
도 3은 일 실시예에 따른 예시적인 막 적층체의 단면도(300)를 도시한다. 막 적층체는 공급 스페이서(302)를 포함한다. 공급 스페이서(302)는 개방형 메시(open mesh) 구조물(304)을 포함한다. 개방형 메시 구조물(304)의 측방향 엣지들은 하나 이상의 가요성 방수 가스켓(306)으로 적어도 부분적으로 덮일 수 있을 것이다. 가요성 방수 가스켓(306)은 분리 모듈의 전형적인 동작 온도들(섭씨 5-6 도) 모다 낮은 유리 전이 온도를 가지는 고무질(rubbery) 재료로 제조될 수 있을 것이다. 가요성 방수 가스켓은 열가소성 재료들 및 열경화성 재료들(thermosets)을 포함하는 재료들로 제조될 수 있을 것이다. 예시적인 재료들에는, 비제한적으로, 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA) 코폴리머들(copolymers)과 같은 고온 용융 접착제들, 에틸렌-비닐아세테이트-말레익 무수물(anhydride), 에틸렌-아크릴레이트-말레익 무수물, 터폴리머들, 에틸렌 n-부틸 아크릴레이트, 에틸렌-아크릴산 및 에틸렌-에틸 아세테이트와 같은 에틸렌-아크릴레이트 코폴리머들; 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌, 폴리부틴-1, 폴리아미드들 및 폴리에스터들, 열가소성 폴리우레탄들 및 반응성 우레탄들과 같은 폴리우레탄들과 같은 폴리올레핀; 스틸렌-부타디엔-스틸렌, 스틸렌-이소프렌-스틸렌, 스틸렌-에틸렌/부틸렌-스틸렌, 스틸렌-에틸렌/프로필렌 블록 코폴리머들, 폴리카프로락톤, 폴리카보네이트들, 플루오로폴리머들, 실리콘 루버들(rubbers), 및 열가소성 엘라스토머들을 포함하는 스틸렌 블록 코폴리머들이 포함된다. 특히, 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)가 가요성 방수 가스켓들(306)을 형성하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 도 3에 도시된 실시예에서, 개방형 메시 구조물(304)의 측방향 엣지들이 하나 이상의 가요성 방수 가스켓(306)으로 완전히 덮일 수 있을 것이다.
가요성 방수 가스켓(306)은 임의의 적합한 기술을 이용하여 개방형 메시 구조물(304) 상에 배치될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 개방형 메시 구조물(304)이 EVA와 같은 고온 열가소성 재료로 함침된다. 이어서, 공급 스페이서(302)가 하나 이상의 막 요소들(308), 및 하나 이상의 투과물 캐리어들(310)로 적층되어, 분리 모듈을 위한 막 적층체를 형성한다. 막 요소들(308)에 대해서 가요성 방수 가스켓(306)을 압축하는 것은 공급 채널에 대한 밀봉부를 효과적으로 형성한다. 나선형으로 권취된 그리고 편평한 모듈 구성들에 대한 (도 5와 관련하여 설명된 실시예들과 같은) 몇 가지 실시예들에서, 공급 채널과 인가된 공급 용액 압력 사이의 압력 차이가 작다. 그러한 실시예들에서, 가요성 방수 가스켓(306)이 공급 채널을 용이하게 밀봉한다.
도 4는 일 실시예에 따른 예시적인 막 적층체의 단면도(400)를 도시한다. 막 적층체는 공급 스페이서(402)를 포함한다. 공급 스페이서(402)는 개방형 메시 구조물(404)을 포함한다. 개방형 메시 구조물(404)의 측방향 엣지는, 하나 이상의 가요성 방수 가스켓(406)으로 적어도 부분적으로 덮인다. 가요성 방수 가스켓(406)을 형성하는데 적합한 예시적인 재료들 및 기술들이 도 3과 관련하여 설명된다. 도 4의 막 적층체는 가요성 방수 가스켓(406)과 인접한 막 요소들(410) 사이에 도포된 접착제(408)를 더 포함한다. 접착제(408)가 가요성 방수 가스켓(406) 상에 그리고 가요성 방수 가스켓(406)의 외측 엣지들 주위에 도포되어 밀봉을 개선할 수 있을 것이다.
공급 채널과 인가된 공급 용액 압력 사이의 압력차가 큰, 나선형으로 권취되고 편평한 모듈 구성들에 대한 실시예들에서, 접착제(408)는 공급 스페이서(402)를 막 요소들(410)에 대해서 추가적으로 접합할 수 있을 것이다. 접착제(408)를 위한 적절한 재료들이 가요성 방수 가스켓(406)뿐만 아니라 막 요소(410)와도 접합부를 형성한다. 적합한 접착제의 하나의 예를 들면 열경화성 우레탄이 있다.
도 2, 3 및 4가 개방형 메시 구조물의 측방향 엣지들 상에 배치된 가요성 방수 가스켓들을 도시하고 있지만, 여러 가지 다른 실시예들에서, 가요성 방수 가스켓들이 또한 개방형 메시 구조물의 축방향 엣지들 상에, 특히 중앙 코어로부터의 축방향 말단부 상에 배치될 수 있을 것이다. 그러한 실시예들이 도 6 및 7과 관련하여 설명된다.
도 5는, 일 실시예에 따라서, 분리 모듈에서 사용하기 위한 막 적층체(500)를 도시한다. 막 적층체(500)는 나선형 유동 분리 모듈에서 이용하기에 적합할 수 있을 것이다. 막 적층체(500)는 공급 스페이서(504)의 하나 이상의 층들과 투과물 캐리어(506)의 하나 이상의 층들 사이에 배치된 막 요소(502)의 하나 이상의 층들을 포함한다. 가요성 방수 가스켓(508)이 원통형 분리 모듈의 축방향 단부들에서 공급 스페이서(504)의 측방향 엣지들 상에 배치된다. 막 적층체(500)는 역삼투성, 및 물리적 여과 프로세스들을 위한 몇 가지 상이한 분리 모듈 구성들에서 채용될 수 있을 것이다.
공급 용액은 나선형 유동 분리 모듈의 원주방향 엣지 상에 배치된 유입구로부터 중앙 코어(510) 내로 내측을 향해서 나선형으로 유동될 수 있을 것이다. 그 대신에, 공급 용액이 중앙 코어(510)로부터 나선형 유동 분리 모듈의 원주방향 엣지 상에 배치된 배출구 내로 외측을 향해서 나선형으로 유동될 수 있을 것이다. 공급 용액이 공급 스페이서(504)를 통해서 이동함에 따라, 막 요소(502)가 투과물을 회수한다. 투과물은 막 요소(502)를 가로질러 투과물 캐리어(506) 내로 유동한다. 이어서, 투과물은 투과물 캐리어(506)의 원주방향 엣지로부터 중앙 코어(510) 내로 내측을 향해 나선형으로 유동된다.
공급 스페이서(504) 상에 배치된 가요성 방수 가스켓(508)과 유사하게, 투과물 캐리어(506)가 또한 상부에 배치된 가요성 방수 가스켓(512)을 포함할 수 있을 것이다. 가요성 방수 가스켓(512)은 밀봉부를 형성할 수 있고, 그러한 밀봉부는 투과물 캐리어(506)에 인접한 막 요소들(502) 사이에 투과물 채널을 형성한다.
도 6은 일 실시예에 따라 분리 모듈에서 사용하기 위한 막 적층체(600)를 도시한다. 막 적층체(600)는 교차(cross) 투과물 유동 분리 모듈에서 사용하기에 적합할 수 있을 것이다. 막 적층체(600)는 공급 스페이서(604)의 하나 이상의 층들과 투과물 캐리어(606)의 하나 이상의 층들 사이에 배치된 막 요소(602)의 하나 이상의 층들을 포함한다. 공급 스페이서(604)는 원통형 분리 모듈의 축방향 단부들에서 공급 스페이서(604)의 측방향 엣지들 상에 배치된 가요성 방수 가스켓(608)을 더 포함한다. 막 적층체(600)는 역삼투성, 정삼투성, 및 물리적 여과 프로세스들을 위한 몇 가지 상이한 분리 모듈 구성들에서 채용될 수 있을 것이다.
공급 용액은 교차 투과물 유동 분리 모듈의 원주방향 엣지 상에 배치된 유입구로부터 중앙 코어(610) 내로 내측을 향해서 나선형으로 유동될 수 있을 것이다. 그 대신에, 공급 용액이 중앙 코어(610)로부터 교차 투과물 유동 분리 모듈의 원주방향 엣지 상에 배치된 배출구 내로 외측을 향해서 나선형으로 유동될 수 있을 것이다. 공급 용액이 공급 스페이서(604)를 통해서 이동함에 따라, 막 요소들(602)이 투과물을 회수한다. 투과물은 막 요소(602)를 가로질러 투과물 캐리어(606) 내로 유동한다. 이어서, 투과물은 투과물 캐리어(606)를 통해서 교차 투과물 유동 분리 모듈의 축방향 단부들을 향해서 축방향을 따라 외측으로 유동한다. 투과물은 일 단부 또는 양 단부들을 통해서 축방향을 따라 외측으로 유동할 수 있다. 하나의 실시예에서, 교차 투과물 유동 분리 모듈이 정삼투성 프로세스를 위해서 이용될 수 있을 것이다. 인출 용액이 투과물 캐리어(606)를 통해서 축방향으로 유동한다.
투과물 캐리어(606) 상에 배치된 가요성 방수 가스켓(612)은, 가요성 방수 가스켓(608)에 의해서 형성된 밀봉부와 유사한, 밀봉부를 형성할 수 있을 것이다. 가요성 방수 가스켓(612)은 투과물 캐리어(506)에 인접한 막 요소들(502) 사이에 투과물/인출 채널을 형성하고, 그리고 투과물/인출 용액의 유동을 교차 투과물 유동 분리 모듈을 통해서 축방향으로 지향시킨다.
도 6은 나선형 공급 유동, 및 축방향 투과물/인출 용액 유동을 가지는 교차 투과물 유동 분리 모듈을 도시한다. 그러나, 투과물/인출 용액 및 공급 용액의 유동 경로들이 반대가 될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 다시 말해서, 교차 투과물 유동 분리 모듈은 나선형 투과물/인출 용액 유동 및 축방향 공급 유동을 가질 수 있을 것이다. 그러한 실시예들에서, 공급 스페이서(604)의 상부에는, 가요성 방수 가스켓(612)과 유사하게, 가요성 방수 가스켓이 교차 투과물 유동 분리 모듈에 평행한 축방향 엣지들을 따라서 상부에 배치된다. 다른 한편으로, 투과물 캐리어(606)의 상부에는, 가요성 방수 가스켓(608)과 유사하게, 가요성 방수 가스켓이 교차 투과물 유동 분리 모듈의 측방향 엣지들을 따라서 상부에 배치될 수 있을 것이다.
도 7은 일 실시예에 따라 분리 모듈에서 사용하기 위한 막 적층체(700)를 도시한 도면이다. 막 적층체(700)는 역삼투성, 정삼투성, 및 물리적 여과 프로세스들을 위한 몇 가지 상이한 분리 모듈 구성들에서 채용될 수 있을 것이다. 막 적층체(700)는 공급 스페이서(704)의 하나 이상의 층들과 투과물 캐리어(706)의 하나 이상의 층들 사이에 배치된 막 요소(702)의 하나 이상의 층들을 포함한다. 공급 스페이서(704)는 공급 스페이서(704)의 말단 축방향 엣지 및 측방향 엣지들 상에 배치된 가요성 방수 가스켓(708)을 더 포함한다. 공급 스페이서(704)는 또한 원통형 분리 모듈의 축에 대해서 수직으로 배치된 가요성 방수 가스켓(710)을 포함한다. 가요성 방수 가스켓(710)은 공급 스페이서(704)의 측방향 엣지들 사이의 실질적으로 중간에 배치될 수 있을 것이다. 가요성 방수 가스켓(710)은 공급 스페이서(704)의 말단 축방향 엣지까지 연장하지 않는다. 가요성 방수 가스켓(708) 및 가요성 방수 가스켓(710)은 공급 용액 유동을 위한 U-형상의 공급 채널을 형성한다.
공급 용액은 중앙 코어(712)의 하나의 축방향 단부에서 유입구로부터 중앙 코어(712) 내로 유동할 수 있을 것이다. 공급 용액은 공급 스페이서(704) 내로 그리고 공급 스페이서(704)의 단부까지 나선형으로 외측으로 유동된다. 공급 용액은 가요성 방수 가스켓(710)의 말단 단부에서 모서리를 돌아 방향 전환하여(turn) 중앙 코어(712)로 나선형으로 내측으로 유동한다. 이어서, 공급 용액이 중앙 코어(712)의 대향하는 축방향 단부에서 배출구로부터 외측으로 배수된다(drain).
공급 용액이 공급 스페이서(704)를 통해서 유동함에 따라, 막 요소들(702)이 투과물을 회수한다. 투과물은 막 요소(702)를 가로질러 투과물 캐리어(706) 내로 유동한다. 이어서, 투과물이 투과물 캐리어(706)를 통해서 교차 투과물 유동 분리 모듈의 축방향 단부들을 향해서 축방향을 따라 외측으로 유동한다. 투과물이 하나의 축방향 단부, 또는 양 축방향 단부들을 통해서 외측으로 유동할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 분리 모듈이 정삼투성 프로세스를 위해서 이용될 수 있을 것이다. 인출 용액이 투과물 캐리어(706)를 통해서 축방향으로 유동한다.
투과물 캐리어(706) 상에 배치된 가요성 방수 가스켓들(712)이, 가요성 방수 가스켓(708)에 의해서 형성된 밀봉부와 유사한, 밀봉부를 형성할 수 있을 것이다. 가요성 방수 가스켓(712)은 투과물 캐리어(706)에 인접한 막 요소들(702) 사이에서 투과물/인출 채널을 형성하고, 그리고 분리 모듈을 통해서 축방향을 따라서 투과물/인출 용액의 유동을 지향시킨다.
도 6에 도시된 실시예와 유사하게, 투과물/인출 용액 및 공급 용액의 유동 경로들이 반대가 될 수 있을 것이다. 다시 말해서, 분리 모듈이 나선형 투과물/인출 용액 유동 및 축방향 공급 용액 유동을 가질 수 있을 것이다. 그러한 실시예들에서, 공급 스페이서(704)에는, 가요성 방수 가스켓(712)과 유사하게, 기저 및 말단 축방향 엣지들을 따라서 가요성 방수 가스켓이 배치될 수 있을 것이다. 다른 한편으로, 투과물 캐리어(606)의 상부에는 가요성 방수 가스켓들(708 및 710)과 유사한 가요성 방수 가스켓들의 구성이 배치될 수 있을 것이다.
일부 실시예들에서, 가요성 방수 가스켓들이 가변적인 높이의 공급 채널들을 허용할 수 있을 것이다. 가변적인 높이의 공급 채널들은, 공급 채널을 통한 압력 강하를 최소화하면서도, 반-투과성 막과 공급되는 물의 최적의 상호작용을 촉진할 수 있을 것이다.
도 8은, 여러 가지 실시예들에 따른, 공급 스페이서의 길이에 대한 가요성 방수 가스켓의 두께의 프로파일 플롯(800)을 도시한다. 나선형으로 권취된 구성들의 경우에, 공급 스페이서의 길이는 중앙 코어로부터 측정된 나선형 길이이다. 당업자가 명확하게 이해할 수 있는 바와 같이, 공급 유동의 방향이 두께 구배의 방향을 결정할 수 있을 것이다. 따라서, 공급 채널의 변동이 도 2, 3, 4, 5 및 6에 도시된 공급 유동 구성 실시예들 중의 임의의 실시예들에 대해서 맞춰질 수 있다.
프로파일(802)은 가요성 방수 가스켓의 두께가 공급 스페이서의 길이를 통해서 일정하다는 것을 나타내는 직선이다. 그에 따라, 공급되는 물이 유입구로부터 코어까지 유동할 때, 공급 채널의 높이가 변화되지 않고 유지된다.
프로파일(804)은 가요성 방수 가스켓의 두께의 선형적인 증가를 나타내는 직선이다. 두께는 모듈로부터의 잔여물 배출구 근처의 단부에서 가장 얇고, 그리고 공급 용액 유입구 근처의 단부에서 가장 두껍다. 다시 말해서, 공급되는 물이 공급 용액 유입구로부터 잔여물 배출구까지 가로지름에 따라서, 공급 채널의 높이가 선형적으로 감소된다.
프로파일(806)은, 공급 스페이서의 길이를 따라서 가요성 방수 가스켓의 두께가 단계적으로 증가되는 것을 나타내는 계단 타입 프로파일이다. 하나의 예시적인 구현예에서, 프로파일(806)은 막 적층체를 돌아 방향 전환할 때마다 상이한 높이를 가지는 공급 채널을 제공할 수 있을 것이다. 공급 용액이 축방향 유입구 포트를 통해서 도입되는 구현예들의 경우에, 막 적층체의 가장 외측의 방향 전환에 대한 공급 채널의 높이가 가장 높을 수 있을 것이고, 그리고 막 적층체의 가장 내측의 방향 전환에 대한 공급 채널의 높이가 가장 낮을 수 있을 것이다. 반면에, 공급 용액이 중앙 코어를 통해서 도입되는 구현예들의 경우에, 막 적층체의 가장 내측의 방향 전환에 대한 공급 채널의 높이가 가장 높을 수 있을 것이고, 그리고 막 적층체의 가장 외측의 방향 전환에 대한 공급 채널의 높이가 가장 낮을 수 있을 것이다.
프로파일(808)은, 공급 스페이서의 길이를 따라서 가요성 방수 가스켓의 두께가 비-선형적으로 그리고 점증적으로 증가되는 것을 나타내는 곡선이다. 하나의 예시적인 구현예에서, 프로파일(808)은 공급 스페이서의 미리 규정된 길이 이후에 실질적으로 편평해질 수 있을 것이다.
비제한적으로, 공급되는 물이 공급 채널을 통해서 유동 됨에 따라 그러한 공급되는 물이 정화되는 것에 기인한 공급 부피의 감소와 같은 인자들을 이용하여, 가요성 방수 가스켓의 두께 프로파일을 결정할 수 있을 것이다. 그러한 공급 부피의 감소는 일정한 높이의 공급 채널 내에서 공급 용액의 속도를 감소시킨다. 그에 따라, 공급되는 물을 가압하기 위해서 이용되는 펌프의 동작 매개변수들을 변화시키지 않고, 공급 용액 유입구로부터 잔여물 배출 포트까지, 요구되는 속도 구배를 기초로 두께 프로파일이 선택될 수 있을 것이다. 공급 용액 속도들을 유지하는 것은 또한 농도 분극(polarization)을 감소시킬 수 있을 것이고 그리고 막에 걸친 질량 운송을 유지할 수 있을 것이며, 그에 따라 나선형 공급 유동 RO 요소의 효율을 개선할 수 있을 것이다.
전술한 설명은 나선형으로 권취된 구성을 가지는 분리 모듈의 여러 가지 실시예들을 포함한다. 그러나, 이러한 실시예들의 교시 내용은 편평형 분리 모듈들에도 동일하게 적용될 수 있을 것이다. 특히, 도 6과 관련하여 설명된 실시예들은 편평형 구성의 분리 모듈에서 용이하게 실현될 수 있을 것이다. 편평형 분리 모듈들은 도 1과 관련하여 설명된 것과 유사한 막 적층체를 포함한다. 그러나, 그러한 막 적층체는, 중앙 코어 주위로 권취되지 않고, 프레임 또는 플레이트 조립체 상에 편평하게 놓인다. 가요성 방수 가스켓들을 막 요소들에 대해서 압축하여 공급 채널들을 효과적으로 밀봉하기 위해서, 플레이트들 및 프레임들의 여러 가지 배열들이 이용될 수 있을 것이다. 또한, 도 8과 관련하여 설명한 바와 같이, 가요성 방수 가스켓들이 공급 스페이서의 종방향 길이를 따라서 변화되는 두께를 가질 수 있을 것이다. 전형적으로, 분리 모듈들의 편평형 구성들은 공급 캐리어들에 연결된 공급 유입구 포트들 및 잔여물 배출 포트들, 그리고 투과물 캐리어들에 연결된 투과물 배출 포트들을 포함한다.
본원에서 제시된 실시예들과 관련하여 구체적인 구현예들 및 적용 분야들을 설명하였지만, 그러한 설명은 단지 설명을 위한 것이다. 당업자는 이러한 설명으로부터, 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서만 제한되는 변경들 및 변형들과 함께 그러한 실시예들이 실현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (17)

  1. 분리 모듈에 있어서,
    공급 스페이서와,
    상기 공급 스페이서의 하나 이상의 엣지의 적어도 일부분 상에 배치되고 가요성 방수 재료를 포함하는 가스켓과,
    상기 공급 스페이서의 제 1 표면 상에 배치된 막 층과,
    상기 공급 스페이서에 대향하는 막 요소의 표면 상에 배치되는 투과물 캐리어를 포함하는
    분리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스켓은 열가소성 폴리머를 포함하는
    분리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    코어 요소를 추가적으로 포함하고, 상기 공급 스페이서, 상기 막 요소 및 상기 투과물 캐리어는 상기 코어 요소 주위에 방사상으로 배치되는
    분리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 막 요소에 대한 상기 가스켓의 압축에 의해서 밀봉부가 형성되는
    분리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 방수 재료는 상기 공급 스페이서의 축방향 엣지 상에 적어도 부분적으로 배치되는
    분리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 방수 재료의 두께는 상기 공급 스페이서의 길이를 따라서 변화되는
    분리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스켓과 상기 막 요소 사이에 접착제 재료를 더 포함하는
    분리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 스페이서는 개방형 메시 구조물을 포함하는
    분리 모듈.
  9. 제 3 항에 따른 하나 이상의 분리 모듈을 포함하는
    역삼투성 시스템.
  10. 제 3 항에 따른 하나 이상의 분리 모듈을 포함하는
    정삼투성 시스템.
  11. 제 3 항에 따른 하나 이상의 분리 모듈을 포함하는
    물리적 여과 시스템.
  12. 분리 모듈을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    공급 스페이서를 제공하는 단계와,
    상기 공급 스페이서의 하나 이상의 엣지의 적어도 일부를 가요성 방수 재료로 함침시키는 단계와,
    막 요소를 상기 공급 스페이서 상에 배치하는 단계와,
    투과물 캐리어를 상기 공급 스페이서에 대향하는 상기 막 요소의 표면 상에 배치하는 단계를 포함하는
    분리 모듈 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 공급 스페이서, 상기 막 요소 및 상기 투과물 캐리어를 코어 주위에 방사상으로 권취하는 단계를 추가적으로 포함하는
    분리 모듈 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    밀봉부를 형성하기 위해서 상기 가요성 방수 재료를 압축하는 단계를 추가적으로 포함하는
    분리 모듈 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    제 2 막 요소를 상기 제 1 막 요소에 대향하는 상기 투과물 캐리어의 표면 상에 배치하는 단계를 추가적으로 포함하는
    분리 모듈 제조 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 가요성 방수 재료와 상기 막 요소 사이에 접착제를 도포하는 단계를 추가적으로 포함하는
    분리 모듈 제조 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 가요성 방수 재료와 상기 막 요소 사이에 열경화성 폴리머를 배치하는 단계를 추가적으로 포함하는
    분리 모듈 제조 방법.
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