KR20140082651A - 분리막, 분리막 엘리먼트 및 분리막의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
분리막은, 적어도 기재(基材) 및 분리 기능층을 가지는 분리막 본체와, 압축 탄성율이 0.1 GPa 이상 5.0 GPa 이하인 유로재가 상기 기재의 두께 방향에 있어서 단독으로 고착(固着)하고 있는 유로재를 포함한다.
Description
본 발명은, 액체, 기체 등의 유체에 포함되는 성분을 분리하기 위해 사용되는 분리막에 관한 것이다.
해수 및 함수(鹹水) 등에 포함되는 이온성 물질을 제거하기 위한 기술에 서는, 최근, 에너지 절약 및 자원 절약을 위한 프로세스로서 분리막 엘리먼트에 의한 분리법의 이용이 확대되고 있다. 분리막 엘리먼트에 의한 분리법에 사용되는 분리막은, 그 공경(孔徑)이나 분리 기능의 면에 따라, 정밀 여과막, 한외 여과막, 나노 여과막, 역삼투막, 정삼투막으로 분류된다. 이들 막은, 예를 들면, 해수, 함수 및 유해물을 포함한 물 등으로의 음료수의 제조, 공업용 초순수의 제조, 및 배수 처리 및 유가물(有價物)의 회수 등에 사용되고 있고, 목적으로 하는 분리 성분 및 분리 성능에 따라 구분하여 사용할 수 있다.
분리막 엘리먼트로서는 다양한 형태가 있지만, 분리막의 한쪽 면에 원수(原水)를 공급하고, 다른쪽 면으로부터 투과 유체를 얻는 점에서는 공통되고 있다. 분리막 엘리먼트는, 묶여진 다수의 분리막를 구비함으로써, 1개의 분리막 엘리먼트당의 막 면적이 커지도록, 즉 1개의 분리막 엘리먼트당 얻어지는 투과 유체의 양이 커지도록 형성되어 있다. 분리막 엘리먼트로서는, 용도나 목적에 맞추어, 스파이럴형, 중공사형, 플레이트·앤드·프레임 형, 회 전평막형, 평막집적형 등의 각종 형상이 제안되어 있다.
예를 들면, 역삼투 여과에는, 스파이럴형 분리막 엘리먼트가 널리 사용된다. 스파이럴형 분리막 엘리먼트는, 중심관과, 중심관의 주위에 권취된 적층체를 구비한다. 적층체는, 원수(즉, 피처리수)를 분리막 표면에 공급하는 공급측 유로재, 원수에 포함되는 성분을 분리하는 분리막, 및 분리막을 투과하고 공급측 유체로부터 분리된 투과측 유체를 중심관으로 인도하기 위한 투과측 유로재가 적층됨으로써 형성된다. 스파이럴형 분리막 엘리먼트는, 원수에 압력을 부여할 수 있으므로, 투과 유체를 많이 인출할 수 있는 점에서 바람직하게 사용되고 있다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트에서는, 일반적으로, 공급측 유체의 유로를 형성시키기 위하여, 공급측 유로재로서 주로 고분자제의 네트가 사용된다. 또한, 분리막으로서 적층형 분리막이 사용된다. 적층형 분리막은, 공급측으로부터 투과측에 적층된, 폴리아미드 등의 가교 고분자로 이루어지는 분리 기능층, 폴리술폰 등의 고분자로 이루어지는 다공성 수지층, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 고분자로 이루어지는 부직포를 구비하는 분리막이다. 또한, 투과측 유로재로서는, 분리막의 처짐을 방지하고, 또한 투과측의 유로를 형성할 목적으로, 공급측 유로재보다 간격이 작은 트리코(tricot)로 불리는 편물 부재가 사용된다.
최근, 조수(造水) 비용의 저감에 대한 요구가 고조되고 있어, 막 엘리먼트의 고성능화가 요구되고 있다. 예를 들면, 분리막 엘리먼트의 분리 성능의 향상, 및 단위 시간당의 투과 유체량의 증대를 위하여, 각각의 유로 부재 등의 분리막 엘리먼트 부재의 성능 향상이 제안되어 있다.
구체적으로는, 특허 문헌 1에서는, 투과측 유로재로서 요철형으로 부형(賦形)된 시트(sheet)상(狀)물을 구비하는 엘리먼트가 제안되어 있다. 특허 문헌 2에서는, 요철을 가지는 다공성 지지체와 분리 활성층을 구비하는 시트상 분리막를 구비함으로써, 네트 등의 공급측 유로재나 트리코 등의 투과측 유로재를 필요로 하지 않는 엘리먼트가 제안되어 있다.
그러나, 전술한 분리막 엘리먼트는, 성능 향상, 특히 장기간에 걸쳐 운전을 행했을 때의 안정 성능의 점에서는, 충분하다고는 할 수 없다.
이에, 본 발명은, 특히 높은 압력을 인가하여 분리막 엘리먼트를 운전했을 때의 분리 제거 성능을 안정화시킬 수 있는 분리막 및 분리막 엘리먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 분리막은, 적어도 기재(基材) 및 분리 기능층을 가지는 분리막 본체와, 압축 탄성율이 0.1 GPa 이상 5.0 GPa 이하인 유로재가 상기 기재의 두께 방향에 있어서 단독으로 고착(固着)하고 있는 유로재를 포함한다.
이 분리막은, 분리막 엘리먼트에 적용할 수 있다. 이 분리막 엘리먼트는, 집수관과, 상기 제1 방향이 상기 집수관의 길이 방향을 따르도록 배치되고, 또한 상기 집수관의 주위에 권취되어 있는 분리막을 구비한다.
본 발명에 의하여, 고효율이며, 또한 안정된 투과측 유로를 형성할 수 있고, 분리 성분의 제거 성능과 높은 투과 성능을 가지는 고성능, 고효율의 분리막 엘리먼트를 얻을 수 있다.
도 1은 분리막 리프(leaf)의 하나의 형태를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 분리막의 길이 방향(제2 방향)에 있어서 연속적으로 설치된 유로재를 구비하는 분리막을 나타낸 평면도이다.
도 3은 분리막의 길이 방향(제2 방향)에 있어서 불연속적으로 설치된 유로재를 구비하는 분리막을 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 분리막의 단면도이다.
도 5는 분리막 엘리먼트의 하나의 형태를 나타낸 전개 사시도이다.
도 6은 분리막의 횡면(橫面) 모식도이다.
도 7은 분리막 본체의 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 8은 분리막 엘리먼트의 제1 형태를 나타낸 일부 전개 사시도이다.
도 9는 분리막 엘리먼트의 제2 형태를 나타낸 일부 전개 사시도이다.
도 10은 분리막 엘리먼트의 제3 형태를 나타낸 일부 전개 사시도이다.
도 2는 분리막의 길이 방향(제2 방향)에 있어서 연속적으로 설치된 유로재를 구비하는 분리막을 나타낸 평면도이다.
도 3은 분리막의 길이 방향(제2 방향)에 있어서 불연속적으로 설치된 유로재를 구비하는 분리막을 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 분리막의 단면도이다.
도 5는 분리막 엘리먼트의 하나의 형태를 나타낸 전개 사시도이다.
도 6은 분리막의 횡면(橫面) 모식도이다.
도 7은 분리막 본체의 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 8은 분리막 엘리먼트의 제1 형태를 나타낸 일부 전개 사시도이다.
도 9는 분리막 엘리먼트의 제2 형태를 나타낸 일부 전개 사시도이다.
도 10은 분리막 엘리먼트의 제3 형태를 나타낸 일부 전개 사시도이다.
이하에서, 본 발명의 실시의 하나의 형태에 대하여, 상세하게 설명한다.
[1.분리막]
(1-1) 분리막의 개요
분리막은, 분리막 표면에 공급되는 유체 중의 성분을 분리하고, 분리막을 투과한 투과 유체를 얻을 수 있는 막이다. 분리막은, 분리막 본체와, 분리막 본체 상에 배치된 유로재를 구비한다.
이와 같은 분리막의 예로서, 본 발명의 분리막의 실시형태의 일례를 포함하는 분리막 리프의 분해 사시도를 도 1에 나타낸다. 도 1에 있어서, 분리막 리프(4)는, 분리막(1)과 분리막(7)을 포함하고, 분리막(1)의 공급측의 면(21)과 분리막(7)의 공급측의 면(71)이 대향하도록 배치된다. 분리막(1)은, 분리막 본체(2)와 투과측의 유로재(31)를 구비한다. 유로재(31)는, 투과측의 면(22) 상에, 유로를 형성하도록 설치되어 있다. 분리막(1)의 각 부의 상세한 것에 대해서는 후술한다. 분리막 본체(2)는, 공급측의 면(21)과 투과측의 면(22)을 구비한다. 또한 분리막(7)은, 공급측의 면(71)과 투과측의 면(72)을 구비한다.
본 명세서에 있어서, 분리막 본체의 「공급측의 면」이란, 분리막 본체의 2개의 면 중, 원수가 공급되는 측의 표면을 의미한다. 「투과측의 면」이란, 그 반대측의 면을 의미한다. 후술하는 바와 같이 분리막 본체가, 도 7에 나타낸 바와 같이, 기재(201) 및 분리 기능층(203)을 구비하는 경우에는, 일반적으로, 분리 기능층 측의 면이 공급측의 면(21)이며, 기재측의 면이 투과측의 면(22)이다.
도 7에 있어서, 분리막 본체(2)는, 기재(201), 다공성 지지층(202) 및 분리 기능층(203)의 적층체로서 기재되어 있다. 전술한 바와 같이, 분리 기능층(203)의 외측으로 개방된 면이 공급측의 면(21), 기재(201)의 외측으로 개방된 면이 투과측의 면(22)이다.
도면 중에 x축, y축, z축의 방향 축을 나타낸다. x축을 제1 방향, y축을 제2 방향으로 칭하는 경우가 있다. 도 1 등에 나타낸 바와 같이, 분리막 본체(2)는 직사각형이며, 제1 방향 및 제2 방향은, 분리막 본체(2)의 외연(外緣)에 대하여 평행이다. 제1 방향을 폭 방향으로 칭하며, 제2 방향을 길이 방향으로 칭하는 경우가 있다. 또한 도 1 중, 제1 방향(폭 방향)을 CD의 화살표로 나타내고, 제2 방향(길이 방향)을 MD의 화살표로 나타낸다.
(1-2) 분리막 본체
<개요>
분리막 본체로서는, 사용 방법, 목적 등에 따른 분리 성능을 가지는 막이 사용된다. 분리막 본체는, 단일층에 의해 형성되어 있어도 되고, 분리 기능층과 기재를 구비하는 복합막이라도 된다. 또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 복합막에 있어서는, 분리 기능층(203)과 기재(201)의 사이에, 다공성 지지층(202)이 형성되어 있어도 된다.
<분리 기능층>
분리 기능층의 두께는 구체적인 수치로 한정되지 않지만, 분리 성능과 투과 성능의 점에서 5 ㎚ 이상3000 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 특히 역삼투막, 정삼투막, 나노 여과막에서는 5 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.
분리 기능층의 두께는, 통상의 분리막의 막 두께 측정법에 준할 수 있다. 예를 들면, 분리막을 수지에 의해 포매(包埋)하고, 그것을 절단함으로써 초박절편을 제작하고, 얻어진 절편에 염색 등의 처리를 행한다. 그 후, 투과형 전자 현미경에 의해 관찰함으로써, 두께를 측정할 수 있다. 또한, 분리 기능층이 주름 구조를 가지는 경우, 다공성 지지층보다 위에 위치하는 주름 구조의 단면 길이 방향으로 50 ㎚ 간격으로 측정하고, 주름 수를 20개 측정하고, 그 평균으로부터 구할 수 있다.
분리 기능층은, 분리 기능 및 지지 기능의 양쪽 기능을 가지는 층일 수도 되고, 분리 기능만을 포함하고 있어도 된다. 그리고, 「분리 기능층」이란, 적어도 분리 기능을 구비하는 층을 지칭한다.
분리 기능층이 분리 기능 및 지지 기능의 양쪽 기능을 가지는 경우, 분리 기능층으로서는, 셀룰로오스, 폴리 불화 비닐리덴, 폴리에테르술폰, 또는 폴리술폰을 주성분으로서 함유하는 층이 바람직하게 적용된다.
그리고, 본 명세서에 있어서, 「X가 Y를 주성분으로서 함유하는」이란, X의 Y의 함유율이, 50 질량% 이상, 70 질량% 이상, 80 질량% 이상, 90 질량% 이상, 또는 95 질량% 이상인 것을 의미한다. 또한, Y에 해당하는 복수의 성분이 존재하는 경우에는, 이들 복수의 성분의 합계량이, 전술한 범위를 만족시키면 된다.
한편, 다공성 지지층에서 지지되는 분리 기능층으로서는, 공경 제어가 용이하고, 또한 내구성이 우수한 점에서 가교 고분자가 바람직하게 사용된다. 특히, 원수 중의 성분의 분리 성능이 우수한 점에서, 다관능 아민과 다관능산 할로겐화물을 중축합시켜서 이루어지는 폴리아미드 분리 기능층, 유기 무기 하이브리드 기능층 등이 바람직하게 사용된다. 이들 분리 기능층은, 다공성 지지층 상에서 모노머를 중축합함으로써 형성 가능하다.
예를 들면, 분리 기능층은, 폴리아미드를 주성분으로서 함유할 수 있다. 이와 같은 막은, 공지의 방법에 의하여, 다관능 아민과 다관능산 할로겐화물을 계면중축합함으로써 형성된다. 예를 들면, 다공성 지지층에 다관능 아민 수용액을 도포하고, 여분의 아민 수용액을 에어 나이프 등으로 제거하고, 그 후, 다관능산 할로겐화물을 함유하는 유기용매 용액을 도포함으로써, 폴리아미드 분리 기능층을 얻을 수 있다.
또한, 분리 기능층은, Si 원소 등을 가지는 유기-무기 하이브리드 구조를 가질 수도 있다. 유기 무기 하이브리드 구조를 가지는 분리 기능층은, 예를 들면, 이하의 화합물(A), 화합물(B)을 함유할 수 있다:
(A) 에틸렌성 불포화기를 가지는 반응성기 및 가수분해성기가 규소 원자에 직접 결합한 규소 화합물, 및
(B) 상기 화합물(A) 이외의 화합물로서 에틸렌성 불포화기를 가지는 화합물.
구체적으로는, 분리 기능층은, 화합물(A)의 가수분해성기의 축합물 및 화합물(A) 및/또는 화합물(B)의 에틸렌성 불포화기의 중합물을 함유할 수도 있다. 즉, 분리 기능층은,
·화합물(A)만이 축합 및/또는 중합함으로써 형성된 중합물,
·화합물(B)만이 중합되어 형성된 중합물, 및
·화합물(A)과 화합물(B)과의 공중합물
중 적어도 1종의 중합물을 함유할 수 있다. 그리고, 중합물에는 축합물이 포함된다. 또한, 화합물(A)과 화합물(B)과의 공중합체 내에서, 화합물(A)은 가수분해성기를 통하여 축합되어 있어도 된다.
하이브리드 구조는, 공지의 방법으로 형성 가능하다. 하이브리드 구조의 형성 방법의 일례는 다음과 같다. 화합물(A) 및 화합물(B)을 함유하는 반응액을 다공성 지지층에 도포한다. 여분의 반응액을 제거한 후, 가수분해성기를 축합시키기 위해서는, 가열 처리하면 된다. 화합물(A) 및 화합물(B)의 에틸렌성 불포화기의 중합 방법으로서는, 열처리, 전자파 조사, 전자선 조사, 플라즈마 조사를 행하면 된다. 중합 속도를 빠르게 할 목적으로 분리 기능층 형성 시에 중합 개시제, 중합 촉진제 등을 첨가할 수 있다.
그리고, 어느 분리 기능층에 대해서도, 사용 전에, 예를 들면, 알코올 함유 수용액, 알칼리 수용액에 의해 막의 표면을 친수화시킬 수도 있다.
<다공성 지지층>
다공성 지지층은, 분리 기능층을 지지하는 층이며, 다공성 수지층이라고도 칭할 수 있다.
다공성 지지층에 사용되는 재료나 그 형상은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 다공성 수지에 의해 기판 상에 형성될 수도 있다. 다공성 지지층으로서는, 폴리술폰, 아세트산 셀룰로오스, 폴리염화비닐, 에폭시 수지 또는 이들을 혼합하고, 적층한 것이 사용되고, 화학적, 기계적, 열적으로 안정성이 높고, 공경이 제어되기 쉬운 폴리술폰을 사용하는 것이 바람직하다.
다공성 지지층은, 분리막에 기계적 강도를 부여하고, 또한 이온 등의 분자 사이즈가 작은 성분에 대하여 분리막과 같은 분리 성능을 가지지 않는다. 다공성 지지층이 가지는 구멍의 사이즈 및 구멍의 분포는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 다공성 지지층은, 균일하고 미세한 구멍을 가질 수도 있고, 또는 분리 기능층이 형성되는 측의 표면으로부터 다른 한쪽 면에 걸쳐 직경이 서서히 커지는 공경의 분포를 가질 수도 있다. 또한, 어느 경우라도, 분리 기능층이 형성되는 측의 표면에서 원자간력 현미경 또는 전자 현미경 등을 사용하여 측정된 세공의 투영 면적 원 상당 직경은, 1 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 특히 계면 중합 반응성 및 분리 기능층의 유지성의 면에서, 다공성 지지층에 있어서 분리 기능층이 형성되는 측의 표면에서의 구멍은, 3 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하의 투영 면적 원 상당 직경을 가지는 것이 바람직하다.
다공성 지지층의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 분리막에 강도를 부여하기 위하는 등의 이유로, 20㎛ 이상 500㎛ 이하의 범위에 있는 것이 바람직하고, 30㎛ 이상 300㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
다공성 지지층의 형태는, 주사형 전자 현미경이나 투과형 전자 현미경, 원자간 현미경에 의해 관찰할 수 있다. 예를 들면, 주사형 전자 현미경으로 관찰한다면, 기재로부터 다공성 지지층을 박리한 후, 이것을 동결 할단법으로 절단하여 단면 관찰의 샘플로 한다. 이 샘플에 백금 또는 백금-팔라듐 또는 사염화루테늄, 바람직하게는 사염화루테늄을 얇게 코팅하고 3 kV∼6 kV의 가속 전압에서, 고분해능 전계 방사형 주사 전자 현미경(UHR-FE-SEM)으로 관찰한다. 고분해능 전계 방사형 주사 전자 현미경은, 히타치에서 제조한 S-900형 전자 현미경 등을 사용할 수 있다. 얻어진 전자 현미경 사진에 기초하여, 다공성 지지층의 막 두께, 표면의 투영 면적 원 상당 직경을 측정할 수 있다.
다공성 지지층의 두께, 공경은, 평균값이며, 다공성 지지층의 두께는, 단면 관찰에 의해 두께 방향에 대하여 직교하는 방향으로 20㎛ 간격으로 측정하고, 20점 측정의 평균값이다. 또한, 공경은, 200개의 구멍에 대하여 측정된, 각각의 투영 면적 원 상당 직경의 평균값이다.
다음으로, 다공성 지지층의 형성 방법에 대하여 설명한다. 다공성 지지층은, 예를 들면, 상기 폴리술폰의 N,N-디메틸포름 아미드(이후, DMF로 기재함) 용액을, 후술하는 기재, 예를 들면, 조밀하게 짠 폴리에스테르포 또는 부직포 상에 일정한 두께로 주입하고, 그것을 수중 습식 응고시킴으로써, 제조할 수 있다.
다공성 지지층은, "Office of saline Water Research and Development Progress Report" No.359(1968)"에 기재된 방법에 의해 형성할 수 있다. 그리고, 원하는 형태를 얻기 위하여, 폴리머 농도, 용매의 온도, 빈용매(poor solvent)는 조정 가능하다.
예를 들면, 소정량의 폴리술폰을 DMF에 용해하여, 소정 농도의 폴리술폰 수지 용액을 조제한다. 이어서, 이 폴리술폰 수지 용액을 폴리에스테르포 또는 부직포로 이루어지는 기재 상에 거의 일정한 두께로 도포한 후, 일정 시간 공기 중에서 표면의 용매를 제거한 후, 응고액 중 폴리술폰을 응고시킴으로써 얻을 수 있다.
<기재>
분리막 본체의 강도, 치수 안정성 등의 관점에서, 분리막 본체는 기재를 가질 수 있다. 기재로서는, 강도, 요철 형성능 및 유체 투과성의 면에서 섬유형 기재를 사용하는 것이 바람직하다.
기재로서는, 장섬유 부직포 및 단섬유 부직포 모두 바람직하게 사용할 수 있다. 특히, 장섬유 부직포는, 우수한 제막성을 가지므로, 고분자 중합체의 용액을 캐스팅(casting)했을 때, 그 용액이 과침투에 의해 뒤로 빠지는 것, 다공성 지지층이 박리되는 것, 또한 기재의 플러핑(fluffing) 등에 의해 막이 불균일화하는 것, 및 핀홀 등의 결점이 생기는 것을 억제할 수 있다. 또한, 기재가 열가소성 연속 필라멘트로 구성되는 장섬유 부직포로 이루어지는 것에 의해, 단섬유 부직포에 비해, 고분자 용액 캐스팅 시에 섬유의 플러핑에 의해 일어나는 불균일화 및 막 결점의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 분리막은, 연속 제막될 때, 제막 방향에 대하여 장력을 인가할 수 있으므로, 치수 안정성이 우수한 장섬유 부직포를 기재로서 사용하는 것이 바람직하다.
장섬유 부직포는, 성형성, 강도의 점에서, 다공성 지지층과는 반대측의 표층(表層)에서의 섬유가, 다공성 지지층 측의 표층의 섬유보다 세로 배향인 것이 바람직하다. 이와 같은 구조에 의하면, 강도를 유지함으로써 막의 찢김 등을 방지하는 높은 효과가 실현될 뿐만 아니라, 분리막에 요철을 부여할 때의, 다공성 지지층과 기재를 포함하는 적층체로서의 성형성도 향상되고, 분리막 표면의 요철 형상이 안정되므로, 바람직하다.
보다 구체적으로는, 장섬유 부직포의, 다공성 지지층과는 반대측의 표층에서의 섬유 배향도는, 0°이상 25°이하인 것이 바람직하고, 또한, 다공성 지지층측 표층에서의 섬유 배향도와의 배향도 차이가 10°이상 90°이하인 것이 바람직하다.
분리막의 제조 공정이나 엘리먼트의 제조 공정에 있어서는 가열하는 공정이 포함되지만, 가열에 의해 다공성 지지층 또는 분리 기능층이 수축하는 현상이 일어난다. 특히 연속 제막에 있어서 장력이 부여되어 있지 않은 폭 방향에 있어서, 수축은 현저하다. 수축함으로써, 치수 안정성 등에 문제가 생기므로, 기재는 열치수 변화율이 작은 것이 요구된다. 부직포에 있어서 다공성 지지층과는 반대측의 표층에서의 섬유 배향도와 다공성 지지층측 표층에서의 섬유 배향도와의 차이가 10°이상 90°이하이면, 열에 의한 폭 방향의 변화를 억제할 수도 있어 바람직하다.
여기서, 섬유 배향도란, 다공성 지지층을 구성하는 부직포 기재의 섬유의 방향을 나타내는 지표이다. 구체적으로는, 섬유 배향도란, 연속 제막을 행할 때의 제막 방향, 즉 부직포 기재의 길이 방향과 부직포 기재를 구성하는 섬유의 길이 방향 사이의 각도의 평균값이다. 즉, 섬유의 길이 방향이 제막 방향과 평행이면, 섬유 배향도는 0°이다. 또한, 섬유의 길이 방향이 제막 방향과 직각이면, 즉 부직포 기재의 폭 방향과 평행이면, 그 섬유의 배향도는 90°이다. 따라서, 섬유 배향도가 0°에 가까울수록 세로 배향이며, 90°에 가까울수록 가로 배향인 것을 나타낸다.
섬유 배향도는 다음과 같이 측정된다. 먼저, 부직포로부터 무작위로 소편(小片) 샘플 10개를 채취한다. 다음으로, 이 샘플의 표면을 주사형 전자 현미경으로 100∼1000 배로 촬영한다. 촬영상 중, 각 샘플당 10개의 섬유를 선택하여, 부직포의 길이 방향을 0°로 했을 때의, 섬유의 길이 방향의 각도를 측정한다. 여기서, 부직포의 길이 방향이란, 부직포 제조 시의 "Machine direction"를 지칭한다. 또한, 부직포의 길이 방향은, 다공성 지지층의 제막 방향 및 도면 중의 MD 방향과 일치한다. 도면 중의 CD 방향은, 부직포 제조 시의 "Cross direction"과 일치한다.
이와 같이 하여, 1개의 부직포당 합계 100개의 섬유에 대하여, 각도의 측정이 행해진다. 이와 같이 하여 측정된 100개의 섬유에 대하여, 길이 방향의 각도로부터 평균값을 산출한다. 얻어진 평균값의 소수점 이하 첫째 자리를 사사오입하여 얻어지는 값이, 섬유 배향도이다.
기재의 두께는, 기재와 다공성 지지층과의 두께의 합계는, 30㎛ 이상 300㎛ 이하의 범위 내, 또는 50㎛ 이상 250㎛ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
(1-3) 투과측 유로재
<개요>
분리막 본체의 투과측의 면에는, 압축 탄성율이 0.1 GPa 이상 5.0 GPa 이하의 유로재가, 투과측의 유로를 형성하도록 기재에 고착된다. 「투과측의 유로를 형성하도록 설치되는」이란, 분리막이 후술하는 분리막 엘리먼트에 도입되었을 때, 분리막 본체를 투과한 투과 유체가 집수관에 도달 가능하도록, 유로재가 형성되어 있는 것을 의미한다. 유로재의 구성의 자세한 것은 이하에 나타낸 바와 같다.
<압축 탄성율>
유로재의 압축 탄성율은, 0.1 GPa 이상 5.0 GPa 이하인 것이 바람직하다. 해수 담수화 용도에서는 고압에서의 운전이 행해진다. 고압 하에서는 유로재가 압밀화(壓密化)되어 투과측 유로가 좁아지므로, 유동 저항이 증가하여 조수량이 저하하기 쉽다. 유로재의 압축 탄성율이 0.1 GPa 이상이므로, 이와 같은 조수량의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 유로재의 압축 탄성율이 극단적으로 높으면, 분리막을 권취할 때 유로재가 파괴되기 쉽다. 이에 비해, 압축 탄성율이 5.0 GPa 이하이면, 가압 여과 시의 유로재 변형을 억제하여, 유로를 안정적으로 형성할 수 있다.
그리고, 유로재의 압축 탄성율은, 유로재가 탄성 변형되는 응력 범위 내에서의, 응력 변형 곡선의 직선부의 기울기로부터 구할 수 있다. 보다 구체적으로는, 후술하는 실시예에서의 측정 방법에 의해 측정된 결과가, 전술한 범위를 만족시키면 된다.
압축 탄성율을 측정하는 것 이외에도, 실제로 가압 여과를 행하여 유로재의 변형량이 후술하는 범위 내이면 되고, 원수의 온도가 25℃ 이하이며, 또한 압력 5.5 MPa 이하인 조건하에서 운전했을 때의, 유로재의 높이의 변형율이 40% 이하이면 해수 담수화 용도로 적용하기에 적합하다.
또한, 원수 온도 25℃ 이하에서, 또한 압력 2.5 MPa 이하에서 운전했을 때의, 상기 유로재의 높이의 변형율이 30% 이하이면 함수용 엘리먼트에 적용할 수 있다.
변형율은, (전술한 조건하에서 운전한 후의 유로재의 높이/운전 전의 유로재의 높이)×100으로 구해진다.
<강연도>
분리막에 유로재를 고착시키면 분리막 자체의 강성이 높아지지만, 강성이 지나치게 높아지면, 분리막 엘리먼트를 제작하기 위한 분리막의 권취성이 저하되어, 분리막이 권취되어 감에 따라 유로재가 파괴되거나 분리막의 기능층이 파괴되는 경우가 있다. 이 때문에, 유로재가 고착된 분리막의 강연도는 400 ㎜ 이하가 바람직하고, 350 ㎜ 이하가 더욱 바람직하며, 200 ㎜ 이하가 특히 바람직하다.
그리고, 강연도는 ISO 13934-11999에 따라 측정된다. 즉, 강연도는, 수평면과, 45°의 경사면을 가지는 수평대를 사용하여, 이하의 수순으로 측정된다. 먼저, 분리막으로부터 폭 25㎜의 절편을, 샘플로서 잘라낸다. 다음으로, 분리 기능층이 수평면에 대향하도록 샘플을 수평면 상에 배치하고, 또한 샘플의 일단을 경사면과 수평면과의 경계에 맞춘 상태에서, 샘플의 타단을 금속판으로 누른다. 또한, 샘플을 누르면서, 금속판을 경사면과 수평면과의 경계를 향해 살며시 슬라이드시킨다. 금속판의 이동에 수반하여, 샘플은 경사면과 수평면과의 경계로부터 밀려 나온다. 밀려나온 길이가 클수록 샘플의 휨은 커지게 된다. 샘플의 휨에 의해 샘플의 선단의 중앙 부분이 경사면에 접했을 때, 샘플이 밀려나온 길이(㎜)를 측정한다. 측정되는 길이가 분리막의 강연도이다.
<유로재의 구성 성분>
유로재(31)는, 분리막 본체(2)와는 상이한 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 상이한 재료란, 분리막 본체(2)에서 사용되는 재료와는 상이한 조성을 가지는 재료를 의미한다. 특히, 유로재(31)의 조성은, 분리막 본체(2) 중, 유로재(31)가 형성되어 있는 면의 조성과는 상이한 것이 바람직하고, 분리막 본체(2)를 형성하는 어느 층의 조성과도 상이한 것이 바람직하다.
유로재를 구성하는 재료로서는, 구체적인 물질로는 한정되지 않지만, 수지가 바람직하게 사용된다. 구체적으로는, 내약품성의 면에서, 에틸렌아세트산 비닐 공중합체 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀이나 폴리올레핀 공중합체 등이 바람직하다. 또한, 유로재의 재료로서, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로니트릴, 폴리염화 비닐, 폴리염화 비닐리덴, 폴리비닐 알코올, 에틸렌-비닐 알코올 공중합체, 폴리스티렌, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 스티렌-부타디엔-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아세탈, 폴리메틸메타크릴레이트, 메타크릴-스티렌 공중합체, 아세트산 셀룰로오스, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부타디엔테레프탈레이트나 불소 수지(삼불화 염화 에틸렌, 폴리 불화 비닐리덴, 사불화 에틸렌, 사불화 에틸렌-육불화 프로필렌 공중합, 사불화 에틸렌-퍼플루오로알콕시에틸렌 공중합, 사불화 에틸렌-에틸렌 공중합 등) 등의 폴리머도 선택할 수 있다. 그리고, 이들 재료는, 단독으로 또는 2 종류 이상으로 이루어지는 혼합물로서 사용된다. 특히, 열가소성 수지는 성형이 용이하므로, 균일한 형상의 유로재를 형성할 수 있다.
유로재의 재료로서 복합재도 적용 가능하다. 복합재로서, 모재로서 전술한 수지를 함유하고, 또한 충전재를 함유하는 재료를 예로 들 수 있다. 유로재의 압축 탄성율은, 모재에 다공질 무기물 등의 충전재를 첨가함으로써 높일 수 있다. 구체적으로는 규산 나트륨, 규산 칼슘, 규산 마그네슘 등의 알칼리 토류 금속의 규산염, 실리카, 알루미나, 산화 티탄 등의 금속 산화물, 탄산칼슘, 탄산마그네슘 등의 알칼리 토류 금속의 탄산염, 순규석, 규석분, 규조토, 규회석(wollastonite), 해포석(sepiolite), 아타풀자이트, 카올린, 클레이, 벤토나이트, 석고, 탈크 등을 충전재로서 사용할 수 있다. 그리고, 충전재의 첨가량은, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위 내이면 특별히 한정되지 않는다.
<유로재 형상 및 배치>
<<개요>>
종래 널리 사용되고 있는 트리코는 편직물이며, 입체적으로 교차한 실로 구성되어 있다. 즉, 트리코는, 2차원적으로 연속된 구조를 가지고 있다. 이와 같은 트리코가 유로재로서 적용된 경우, 유로의 높이는 트리코의 두께보다 작아진다. 즉, 트리코의 두께 전체를 유로의 높이로서 이용할 수는 없다.
이에 비해, 본 발명의 구성의 예로서, 도 1 등에 나타내는 유로재(31)는, 서로 중첩되지 않도록 배치되어 있다. 따라서, 본 실시형태의 유로재(31)의 높이(즉, 두께)는 전체가 유로의 홈의 높이로서 활용된다. 따라서, 본 실시형태의 유로재(31)가 적용된 경우, 유로재(31)의 높이와 동일한 두께를 가지는 트리코가 적용된 경우보다, 유로는 높아진다. 즉, 유로의 단면적이 보다 크게 되므로, 유동 저항은 보다 작아진다.
또한, 각 도면에 나타낸 형태에서는, 불연속인 복수의 유로재(31)가, 1개의 분리막 본체(2) 상에 고착되어 있다. 「불연속」이란, 복수의 유로재가, 간격을 두고 설치되어 있는 상태이다. 즉, 1개의 분리막 중의 유로재(31)를 분리막 본체(2)로부터 박리하면, 서로 분리된 복수의 유로재(31)를 얻을 수 있다. 이에 비해, 네트, 트리코 및 필름 등의 부재는, 분리막 본체(2)로부터 분리되어도, 연속된 일체의 형상을 나타낸다.
불연속인 복수의 유로재(31)가 설치되어 있으면, 분리막(1)은, 후술하는 분리막 엘리먼트(100)에 도입되었을 때, 압력 손실을 낮게 억제할 수 있다. 이와 같은 구성의 일례로서, 도 2에서는, 유로재(31)는 제1 방향(분리막의 길이 방향)에서만 불연속으로 형성되어 있고, 도 3에서는 제1 방향(분리막의 길이 방향) 및 제2 방향(분리막의 폭 방향)의 어디에 있어서도 불연속으로 형성되어 있다.
도 2 및 도 3에 있어서, 인접하는 유로재(31) 사이의 공간에, 투과측 유로(5)가 형성된다.
분리막은, 분리막 엘리먼트에 있어서, 제2 방향이 권취 방향과 일치하도록 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 분리막 엘리먼트에 있어서, 분리막은, 제1 방향(분리막의 폭 방향)이 집수관(6)의 길이 방향과 평행이며, 제2 방향(분리막의 길이 방향)이 집수관(6)의 길이 방향과 직교하도록 배치되는 것이 바람직하다.
유로재(31)는, 제1 방향에 있어서 불연속으로 설치되고, 또한 도 2 및 도 5에 나타내는 형태에서는, 제2 방향에 있어서, 분리막 본체(2)의 일단으로부터 타단까지 연속되도록 설치되는, 즉, 도 5와 같이 분리막 엘리먼트로 분리막이 도입되었을 때, 유로재(31)는, 권취 방향에서의 분리막(1)의 내측 단부로부터 외측 단부까지 연속되도록 배치된다. 권취 방향의 내측이란, 분리막에 있어서 집수관에 가까운 측이며, 권취 방향의 외측이란, 분리막에 있어서 집수관으로부터 먼 쪽이다.
도 5는, 집수관(6)의 주위에 분리막(1)을 권취한 분리막 엘리먼트(100)를 모식적으로 나타낸 설명도이다. 도 5에 있어서 분리막(1)은 분리막 리프의 편측(片側)의 면으로서 기재되어 있다. 도면 중, CD로 나타내는 화살표는, 집수관(6)의 길이 방향 및 분리막의 폭 방향을 나타낸다. 또한 MD로 나타내는 화살표는, 분리막의 길이 방향 및 집수관(6)에 권취되는 방향을 나타낸다.
유로재가 「제2 방향에 있어서 연속하는」이란, 도 2와 같이 유로재가 중단되지 않고 설치되어 있는 경우와, 도 3과 같이, 유로재가 중단되는 개소는 있지만, 유로재가 실질적으로 연속되어 있는 경우의 양쪽을 포함한다. 「실질적으로 연속하는」 형태란, 바람직하게는, 제2 방향에서의 유로재의 간격(e)(즉, 유로재에 있어서 중단되어 있는 부분의 길이)가 5 ㎜ 이하인 것을 만족시킨다. 특히, 간격(e)은, 1 ㎜ 이하를 만족시키는 것이 보다 바람직하고, 0.5 ㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 제2 방향에 있어서 배열된 일렬의 유로재의 선두에서 최후미까지 포함되는 간격(e)의 합계값이, 100 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 30 ㎜ 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 ㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 그리고, 도 2의 형태에서는, 간격(e)은 0(제로)이다.
도 2와 같이 유로재(31)가 중단되지 않고 설치되어 있는 경우, 가압 여과 시에 막 처짐이 억제된다. 막 처짐이란, 막이 유로에 처져서 유로를 좁히는 것을 말한다.
도 3에서는, 유로재(31)는, 제1 방향뿐만 아니라 제2 방향에 있어서도 불연속으로 설치되어 있다. 즉, 유로재(31)는, 길이 방향에 있어서 간격을 두고 설치되어 있다. 다만, 전술한 바와 같이, 유로재(31)가 제2 방향에 있어서 실질적으로 연속됨으로써, 막 처짐이 억제된다. 또한, 이와 같이, 2개의 방향에 있어서 불연속인 유로재(31)가 설치됨으로써, 유로재와 유체와의 접촉 면적이 작아지므로, 압력 손실이 작아진다. 이 형태는, 유로(5)가 분기점을 구비하는 구성이라고도 바꾸어 말할 수 있다. 즉, 도 3의 구성에 있어서, 투과 유체는, 유로(5)를 흐르면서, 유로재(31)에 의해 분리되고, 하류에서 합류할 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 2에서는, 유로재(31)가, 제2 방향에 있어서 분리막 본체(2)의 일단으로부터 타단까지 연속되도록 설치되어 있다. 또한, 도 3에서는 제2 방향에 있어서 유로재(31)는 복수의 부분으로 분할되어 있지만, 이들 복수의 부분이, 분리막 본체(2)의 일단으로부터 타단까지 배열되도록 설치되어 있다.
유로재가 「분리막 본체의 일단으로부터 타단까지 설치되어 있는」이란, 유로재가 분리막 본체(2)의 에지까지 설치되어 있는 형태와 에지 근방에 있어서 유로재가 설치되어 있지 않은 영역이 있는 형태의 양쪽 형태를 포함한다. 즉, 유로재는, 투과측의 유로를 형성할 수 있는 정도로, 제2 방향에 걸쳐 분포하고 있으면 되고, 분리막 본체에 있어서, 유로재가 설치되어 있지 않은 부분이 있어도 된다. 예를 들면, 투과측의 면에 있어서, 다른 분리막과의 접착된 부분(접촉 부분으로 바꾸어 말할 수 있음)에는, 유로재가 설치될 필요는 없다. 또한, 그 외의 사양 상 또는 제조 상의 이유에 의해, 분리막의 단부 등의 일부 개소에, 유로재가 배치되지 않는 영역이 형성되어 있어도 된다.
제1 방향에 있어서도, 유로재(31)는, 분리막 본체의 전체에 걸쳐 대략 균등하게 분포할 수 있다. 다만, 제2 방향에서의 분포와 마찬가지로, 투과측의 면에서의 다른 분리막과의 접착 부분에는, 유로재가 설치될 필요는 없다. 또한, 그 외의 사양 상 또는 제조 상의 이유에 의해, 분리막의 단부 등의 일부 개소에, 유로재가 배치되지 않는 영역이 형성되어 있어도 된다.
<<분리막 본체 및 유로재의 치수>>
도 2∼도 4에 있어서, a∼f 는 하기의 값을 지칭한다.
a: 분리막 본체(2)의 길이
b: 분리막 본체(2)의 폭 방향에서의 유로재(31)의 간격
c: 유로재의 높이(유로재(31)와 분리막 본체(2)의 투과측의 면(22)과의 고저차)
d: 유로재(31)의 폭
e: 분리막 본체(2)의 길이 방향에서의 상기 유로재의 간격
f: 유로재(31)의 길이
값 a, b, c, d, e, f의 측정에는, 예를 들면, 시판중인 형상 측정 시스템 또는 현미경 등을 사용할 수 있다. 각각의 값은, 1개의 분리막에 있어서 30개소 이상에서 측정을 행하고, 이들 값을 총계한 값을 측정 총개소의 수로 나눗셈하여 평균값을 산출함으로써, 구해진다. 이와 같이, 적어도 30개소에서의 측정 결과 얻어지는 각각의 값이, 이하에 기재하는 범위를 만족시키면 된다.
(분리막 본체의 길이(a))
길이(a)는, 제2 방향(분리막의 길이 방향)에 있어서의 분리막 본체(2)의 일단으로부터 타단까지의 거리이다. 이 거리가 일정하지 않을 경우, 1개의 분리막 본체(2)에 있어서 30개소 이상의 위치에서 이 거리를 측정하고, 평균값을 구함으로써 길이(a)를 얻을 수 있다.
(제1 방향에서의 유로재 간격(b))
제1 방향(분리막의 폭 방향)에 있어서 인접하는 유로재(31)의 간격(b)은, 유로(5)의 폭에 상당한다. 하나의 단면에 있어서 1개의 유로(5)의 폭이 일정하지 않은 경우, 즉 인접하는 2개의 유로재(31)의 측면이 평행이 아닌 경우에는, 하나의 단면 내에서, 1개의 유로(5)의 폭의 최대값과 최소값의 평균값을 측정하고, 그 평균값을 산출한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제2 방향과 수직인 단면에 있어서, 유로재(31)는 위가 가늘고 아래가 굵은 사다리꼴 형상을 나타내는 경우, 먼저, 인접하는 2개의 유로재(31)의 상부 사이의 거리와 하부 사이의 거리를 측정하여, 그 평균값을 산출한다. 임의의 30개소 이상의 단면에 있어서, 유로재(31)의 간격을 측정하여, 각각의 단면에 있어서 평균값을 산출한다. 그리고, 이와 같이 하여 얻어진 평균값의 산술 평균값을 산출함으로써, 간격(b)이 산출된다.
간격(b)이 커짐에 따라 압력 손실이 작아지지만, 막의 처짐이 생기기 쉽게 된다. 반대로 간격(b)이 작을수록 막의 처짐이 쉽게 생기지 않게 되지만, 압력 손실은 커지게 된다. 압력 손실을 고려하면, 간격(b)은 0.05 ㎜ 이상, 0.2 ㎜ 이상, 또는 0.3 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 막의 처짐을 억제하는 면에서는, 간격(b)은 5 ㎜ 이하, 3 ㎜ 이하, 2 ㎜ 이하, 또는 0.8 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
이들 상한 및 하한은 임의로 조합될 수 있다. 예를 들면, 간격(b)은, 0.2 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 이 범위 내에서는, 막의 처짐을 억제하면서 압력 손실을 작게 할 수 있다. 간격(b)은 보다 바람직하게는, 0.05 ㎜ 이상 3 ㎜ 이하이며, 0.2 ㎜ 이상 2 ㎜ 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.3 ㎜ 이상 0.8 ㎜ 이하이다.
(유로재의 높이(c))
높이(c)는, 유로재와 분리막 본체의 표면과의 고저차이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 높이(c)는, 제2 방향과 수직인 단면에서의, 유로재(31)의 가장 높은 부분과 분리막 본체의 투과측면의 높이의 차이이다. 즉, 높이에서는, 기재 중에 함침하고 있는 부분의 두께는 고려하지 않는다. 높이(c)는, 30개소 이상의 유로재(31)에 대하여 높이를 측정하고, 평균하여 얻어지는 값이다. 유로재의 높이(c)는, 동일한 평면 내에서의 유로재의 단면의 관찰에 의해 얻어질 수도 있고, 복수의 평면에서의 유로재의 단면의 관찰에 의해 얻어질 수도 있다.
높이(c)는, 엘리먼트의 사용 조건 및 목적 등에 따라 적절하게 선택할 수 있지만, 예를 들면, 이하와 같이 설정될 수도 있다.
높이(c)가 큰 것이 유동 저항은 작아진다. 따라서, 높이(c)는 0.03 ㎜ 이상, 0.05 ㎜ 이상 또는 0.1 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 한편, 높이(c)가 작은 것이, 1개의 엘리먼트 당 충전되는 막의 수가 많아진다. 따라서, 높이(c)는, 0.8 ㎜ 이하, 0.4 ㎜ 이하 또는 0.32 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 이들 상한 및 하한은 조합 가능하며, 예를 들면, 높이(c)는, 0.03 ㎜ 이상 0.8 ㎜ 이하(30㎛ 이상 800㎛이하)인 것이 바람직하고, 0.05 ㎜ 이상 0.4 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 0.1 ㎜ 이상 0.32 ㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 인접하는 2개의 유로재의 높이의 차이가 작은 것이 바람직하다. 높이의 차이가 크면 가압 여과시에 분리막의 불균일이 생기므로, 분리막에 결함이 발생하는 경우가 있다. 인접하는 2개의 유로재의 고저차는, 0.1 ㎜ 이하(100㎛ 이하)인 것이 바람직하고, 0.06 ㎜ 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.04 ㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
동일한 이유로, 분리막에 설치된 모든 유로재의 최대 고저차는 0.25 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 특히 바람직하게는 0.1 ㎜ 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.03 ㎜ 이하이다.
(유로재의 폭(d))
유로재(31)의 폭(d)은, 다음과 같이 측정된다. 먼저, 제1 방향(분리막의 폭 방향)과 수직인 1개의 단면에 있어서, 1개의 유로재(31)의 최대 폭과 최소 폭의 평균값을 산출한다. 즉, 도 4에 나타낸 바와 같은 상부가 가늘고 하부가 굵은 유로재(31)에 있어서는, 유로재 하부의 폭과 상부의 폭을 측정하고, 그 평균값을 산출한다. 이와 같은 평균값을 적어도 30개소의 단면에 있어서 산출하고, 그 산술 평균을 산출함으로써, 1개의 막당의 폭(d)을 산출할 수 있다.
유로재(31)의 폭(d)은, 바람직하게는 0.2 ㎜ 이상이며, 더욱 바람직하게는 0.3 ㎜ 이상이다. 폭(d)이 0.2 ㎜ 이상이므로, 분리막 엘리먼트의 운전시에 유로재(31)에 압력이 인가되어도, 유로재의 형상을 유지할 수 있어 투과측 유로가 안정적으로 형성된다. 폭(d)은, 바람직하게는 2 ㎜ 이하이며, 더욱 바람직하게는 1.5 ㎜ 이하이다. 폭(d)이 2 ㎜ 이하이면, 투과측의 유로를 충분히 확보할 수 있다.
유로재의 폭이 제2 방향에서의 유로재 간격(b)보다 넓으면, 유로재에 인가되는 압력을 분산시킬 수 있다.
유로재(31)는, 그 길이가 그 폭보다 커지도록 형성되어 있다.이와 같이 긴 유로재(31)는 「벽상물(壁狀物)」이라고도 한다.
(제2 방향에서의 유로재 간격(e))
제2 방향에서의 유로재(31)의 간격(e)은, 제2 방향(분리막의 길이 방향)에 있어서 인접하는 유로재(31) 사이의 최단 거리이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 유로재(31)가 제2 방향에 있어서 분리막 본체(2)의 일단으로부터 타단까지(분리막 엘리먼트 내에서는, 권취 방향의 내측 단부로부터 외측 단부까지) 연속하여 설치되어 있는 경우, 간격(e)은 0 ㎜이다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 유로재(31)가 제2 방향에 있어서 중단되어 있는 경우, 간격(e)은, 바람직하게는 5 ㎜ 이하이며, 보다 바람직하게는 1 ㎜ 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.5 ㎜ 이하이다. 간격(e)이 전술한 범위 내에서는, 막의 처짐이 생겨도 막에 대한 기계적 부하가 작고, 유로 폐색에 의한 압력 손실을 비교적 작게 할 수 있다. 그리고, 간격(e)의 하한은, 0 ㎜이다.
(유로재의 길이(f))
유로재(31)의 길이(f)는, 분리막 본체(2)의 길이 방향(즉 제2 방향)에 있어서의 유로재(31)의 길이이다. 길이(f)는, 1개의 분리막(1) 내에서, 30개 이상의 유로재(31)의 길이를 측정하고, 그 평균값을 산출함으로써 구해진다. 유로재의 길이(f)는, 분리막 본체의 길이(a) 이하이면 된다. 유로재의 길이(f)가 분리막 본체의 길이(a)와 동등할 때는, 유로재(31)가 분리막(1)의 권취 방향 내측 단부로부터 외측 단부로 연속하여 설치되어 있는 것을 나타낸다. 길이(f)는, 바람직하게는 10 ㎜ 이상이며, 더욱 바람직하게는 20 ㎜ 이상이다. 길이(f)가 10 ㎜ 이상이면, 압력 하에서도 유로가 확보된다.
(치수 a-f의 관계)
전술한 바와 같이, 본 실시형태의 유로재는, 종래의 트리코와 같은 연속 형상을 가지는 유로재에 비해 압력 손실을 작게 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 본 실시형태의 기술에 의하면, 압력 손실이 동등하더라도, 종래 기술보다 리프 길이를 크게 할 수 있다. 리프 길이를 크게 할 수 있으면, 리프수를 저감할 수 있다.
치수 a-f가 이하의 수식을 만족시키도록 설정됨으로써, 리프수를 특히 저감할 수 있다.
i) a2f2(b＋c)2(b＋d)×10-6/b3c3(e＋f)2≤1400 또한,
ii) 850≤a≤7000 또한,
iii) b≤2 또한,
iv) c≤0.5 또한,
v) 0.15≤df/(b＋d)(e＋f)≤0.85
이와 같이, 투과측에 유로재를 소정의 형태로 설치함으로써, 종래의 트리코와 같은 연속 형상을 가지는 유로재에 비해 압력 손실이 작아지므로, 리프 길이를 길게 할 수 있다. 따라서, 1개의 분리막 엘리먼트 당의 리프수를 저감하더라도, 분리 성능이 우수한 분리막 엘리먼트를 제공할 수 있다.
그리고, 상기 수식에 있어서, 길이의 단위는 ㎜가 채용될 수 있다.
(형상)
유로재의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 유로의 유동 저항을 적게 하고, 투과시켰을 때의 유로를 안정화시키는 형상이 선택될 수 있다. 이러한 점에서, 분리막의 면 방향에 대하여 수직인 어느 하나의 단면에 있어서, 유로재의 형상은, 직주형(直柱形)이나 사다리꼴 형상, 곡주형(曲柱形), 또는 이들이 조합될 수 있다.
유로재의 단면 형상이 사다리꼴인 경우, 윗변의 길이와 아랫변의 길이의 차이가 너무 크면, 작은 쪽에 접하는 막에서 가압 여과시의 막의 처짐이 생기기 쉽게 된다. 예를 들면, 유로재의 윗변이 아랫변보다 짧은 경우, 그 사이의 유로에 있어서는, 상부의 폭은 하부의 폭보다 넓다. 따라서, 위의 막이 아래를 향해 처지기 쉽다. 이에, 이와 같은 처짐을 억제하기 위하여, 유로재의 아랫변의 길이에 대한 윗변의 길이의 비율은 0.6 이상 1.4 이하인 것이 바람직하고, 0.8 이상 1.2 이하인 것이 더욱 바람직하다.
유로재의 형상은, 유동 저항을 저감하는 관점에서, 후술하는 분리막 면에 대하여 수직인 직주형인 것이 바람직하다. 또한, 유로재는, 높은 개소일수록 폭이 작아지도록 형성되어 있어도 되고, 반대로 높은 개소일수록 폭이 넓어지도록 형성되어 있어도 되며, 분리막 표면으로부터의 높이에 관계없이, 동일한 폭을 가지도록 형성되어 있어도 된다.
다만, 가압 여과시의 유로재의 찌그러짐이 현저하지 않은 범위 내에서는, 유로재의 단면에 있어서, 그 상변이 둥그스름하게 형성되어 있어도 된다.
유로재는 열가소성 수지로 형성 가능하다. 유로재가 열가소성 수지이면, 처리 온도 및 선택하는 열가소성 수지의 종류를 변경함으로써, 요구되는 분리 특성이나 투과 성능의 조건을 만족 가능하도록 유로재의 형상을 자유롭게 조정할 수 있다.
또한, 유로재의 분리막의 평면 방향에서의 형상은, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 전체적으로 직선형이라도 되고, 그 외의 형상으로서, 예를 들면, 곡선형, 톱니형, 파선형(波線形)이라도 된다. 또한, 이들 형상에 있어서, 유로재는 파선형(破線形)이나 도트형이라도 된다. 유동 저항을 저감하는 관점에서 도트형이나 파선형(破線形)이 바람직하지만, 유로재가 중간에서 끊어져서 가압 여과시의 막의 처짐이 발생하는 개소가 많아지므로, 용도에 따라 적절하게 설정하면 된다.
또한, 유로재의 분리막의 평면 방향에서의 형상이 직선형인 경우, 인접하는 유로재는, 서로 대략 평행하게 배치되어 있어도 된다. 「대략 평행하게 배치되는」이란, 예를 들면, 유로재가 분리막 상에서 교차하지 않을 것, 인접하는 2개의 유로재의 길이 방향이 이루는 각도가 0°이상 30°이하일 것, 상기 각도가 0°이상 15°이하일 것, 및 상기 각도가 0°이상 5°이하일 것 등을 포함한다.
또한, 유로재의 길이 방향과 집수관의 길이 방향이 이루는 각도는, 60°이상 120°이하인 것이 바람직하고, 75°이상 105°이하인 것이 보다 바람직하고, 85°이상 95°이하인 것이 더욱 바람직하다. 유로재의 길이 방향과 집수관의 길이 방향이 이루는 각도가 전술한 범위 내이면, 투과수가 양호한 효율로 집수관에 모여진다.
유로를 안정적으로 형성하기 위해서는, 분리막 엘리먼트에 있어서 분리막 본체가 가압되었을 때 분리막 본체의 처짐을 억제할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 분리막 본체와 유로재와의 접촉 면적이 큰 일, 즉 분리막 본체의 면적에 대한 유로재의 면적(분리막 본체의 막면에 대한 투영 면적)이 큰 것이 바람직하다. 한편, 압력 손실을 저감시키기 위해서는, 유로의 단면적이 넓은 것이 바람직하다. 유로의 단면은, 유로의 길이 방향에 대하여 수직인 분리막 본체와 유로재와의 접촉 면적을 크게 확보하면서, 또한 유로의 단면적을 넓게 확보하기 위해서는, 유로의 단면 형상은 오목 렌즈형인 것이 바람직하다. 또한, 유로재(31)는, 권취 방향과 수직인 방향에서의 단면 형상에 있어서, 폭에 변화가 없는 직주형이라도 된다. 또한, 분리막 성능에 영향을 주지 않는 범위 내이면, 권취 방향과 수직인 방향에서의 단면 형상에 있어서, 폭에 변화가 있는 사다리꼴 형상의 벽상물, 타원 기둥, 타원뿔, 사각뿔 또는 반구와 같은 형상이라도 된다.
유로재의 형상은, 도 1∼도 3에 나타내는 형상으로 한정되는 것은 아니다. 분리막 본체의 투과측의 면에, 예를 들면, 핫멜트법과 같이, 용융된 재료를 고착시킴으로써 유로재를 배치하는 경우에는, 처리 온도나 선택하는 핫멜트용 수지의 종류를 변경함으로써, 요구되는 분리 특성 및 투과 성능의 조건을 만족 가능하도록, 유로재의 형상을 자유롭게 조정할 수 있다.
도 1∼도 3에서는, 유로재(31)의 평면 형상은, 길이 방향에 있어서 직선형이다. 다만, 유로재(31)는, 분리막 본체(2)의 표면에 대하여 볼록하며, 또한 분리막 엘리먼트로서의 원하는 효과가 손상되지 않는 범위 내라면, 다른 형상으로 변경 가능하다. 즉, 유로재의 평면 방향에서의 형상은, 곡선형 및 파선형(波線形) 등이라도 된다. 또한, 1개의 분리막에 포함되는 복수의 유로재가, 폭 및 길이 중 적어도 한쪽이 서로 상이하도록 형성되어 있어도 된다.
(투영 면적비)
분리막의 투과측의 면에 대한 유로재의 투영 면적비는, 특히 투과측 유로의 유동 저항을 저감하고, 유로를 안정적으로 형성하는 점에서는, 0.03 이상 0.85 이하인 것이 바람직하고, 0.15 이상 0.85 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.2 이상 0.75 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.3 이상 0.6 이하인 것이 가장 바람직하다. 그리고, 투영 면적비란, 분리막을 5 cm×5 cm로 잘라내고, 분리막의 면 방향과 평행한 평면에 투영했을 때 얻어지는 유로재의 투영 면적을, 잘라낸 면적(25 cm2)으로 나눈 값이다. 또한, 이 값은, 전술한 식 v)에 기재된 df/(b＋d)(e＋f)로 나타낼 수도 있다.
(결점율)
분리막을 투과한 물은 투과측 유로(5)를 통과하여 집수관(6)에 모여진다. 분리막에 있어서, 집수관으로부터 먼 영역, 즉 권취 방향 외측의 단부 근방의 영역(도 5에서의 우측 단부에 가까운 영역)을 투과한 물은, 집수관(6)을 향하는 동안, 권취 방향에 있어서 보다 내측의 영역을 투과한 물과 합류하고, 집수관(6)을 향한다. 따라서, 투과측 유로에 있어서는, 집수관(6)으로부터 먼 쪽이, 존재하는 물의 양이 적다.
이 때문에, 권취 방향 외측의 단부 근방의 영역에 있어서, 투과측 유로재가 존재하지 않고, 그 영역에서의 유동 저항이 높아져도, 엘리먼트 전체의 조수량에 미치는 영향은 경미하다. 동일한 이유로, 권취 방향 외측의 단부 근방의 영역에 있어서, 유로재의 형성 정밀도가 낮고, 유로재를 형성하는 수지가 제1 방향(분리막의 폭 방향)에 있어서 연속하여 도포되어 있어도, 엘리먼트로서의 조수량에 미치는 영향은 작다. 이 영역에 있어서, 분리막 본체의 면 방향(x-y 평면)에 있어서, 간극없이 도포되어 있는 경우도 마찬가지이다.
따라서, 분리막 본체(2)의 권취 방향 외측의 단부로부터 투과측 유로재(31)의 권취 방향 외측의 단부까지의 거리, 즉 분리막 본체(2)의 권취 방향 외측 단부에 설치된 영역으로서, 투과측 유로가 형성되어 있지 않은 영역인, 영역(R3)의 제2 방향(분리막의 길이 방향)에 있어서의 길이(L3)가, 분리막 전체의 제2 방향에서의 길이 L1(전술한“a”에 상당함)에 대하여 차지하는 비율은, 0% 이상 30% 이하인 것이 바람직하고, 0% 이상 10% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0% 이상 3% 이하인 것이 특히 바람직하다. 이 비율을 결점율이라고 한다.
결점율은, 도 6에서는, (L3/L1)×100으로 표시된다.
그리고, 도 6에서는 설명의 편의상, 영역(R3)에 투과측 유로재가 설치되어 있지 않은 형태를 나타내고 있다. 다만, 영역(3)은, 폭 방향으로 연속인 투과측 유로재가 설치된 영역이라도 된다.
도 6은, 분리막 본체(2) 및 투과측 유로재(31)의 권취 방향 외측의 단부를, 투과측 유로재(31)의 길이 방향으로 절단한 단면도이다. 도 6에 있어서, 분리막 본체(2)에 투과측 유로재(31)가 고착하고, 분리막 본체(2)의 권취 방향 외측 단부의 바로 앞 부분까지 연장되어 있다. 그리고, 도 6에서는 설명의 편의상, 투과측 유로재(31)가 길이 방향으로 연속으로 설치되어 있는 형태를 나타내고 있지만, 투과측 유로재(31)로서 전술한 각종 형태가 적용되는 것은, 이미 설명한 바와 같다.
도면 중, 투과측 유로재가 설치되어 있는 영역을 R2, 투과측 유로재(31)가 설치되어 있지 않은 영역을 R3로 나타내고 있다. 또한 분리막 본체(2)의 MD 방향의 길이를 L1, 투과측 유로재(31)의 MD 방향의 길이(즉, 영역(R2)의 길이)를 L2, 투과측 유로재(31)가 존재하지 않는 영역(R3)의 MD 방향의 길이를 L3로 나타내고 있다. 여기서 MD 방향은, 분리막의 길이 방향 및 분리막의 권취 방향을 나타낸다.
[2. 분리막 엘리먼트]
(2-1) 개요
도 5에 나타낸 바와 같이, 분리막 엘리먼트(100)는, 집수관(6)과, 전술한 어느 하나의 구성을 구비하고, 집수관(6)의 주위에 권취된 분리막(1)을 구비한다.
(2-2) 분리막
<개요>
분리막(1)은, 집수관(6)의 주위에 권취되어 있고, 분리막의 폭 방향이 집수관(6)의 길이 방향을 따르도록 배치된다. 그 결과, 분리막(1)은, 길이 방향이 권취 방향을 따르도록 배치된다.
따라서, 벽상물인 유로재(31)는, 분리막(1)의 투과측의 면(22)에 있어서, 적어도 집수관(6)의 길이 방향으로 불연속형으로 배치된다. 즉, 유로(5)는, 권취 방향에 있어서 분리막의 외측 단부로부터 내측 단부까지 연속되도록 형성된다. 그 결과, 투과수가 중심 파이프에 도달하기 쉽고, 즉 유동 저항이 작아지므로, 큰 조수량을 얻을 수 있다.
「권취 방향의 내측」및 「권취 방향의 외측」은, 도 5에 나타낸 바와 같다. 즉, 「권취 방향의 내측 단부」및 「권취 방향의 외측 단부」는 각각 , 분리막(1)에 있어서 집수관(6)에 가까운 쪽의 단부, 및 먼 쪽의 단부에 해당한다.
전술한 바와 같이, 유로재는 분리막의 에지까지 도달하고 있지 않아도 되므로, 예를 들면, 권취 방향에서의 봉투형막의 외측 단부, 및 집수관 길이 방향에서의 봉투형막의 단부에서는, 유로재가 설치되어 있지 않아도 된다.
<막 리프 및 봉투형막>
도 1에 나타낸 바와 같이, 분리막은, 막 리프(4)(본 명세서에서, 간단히 「리프」라고 칭하는 경우가 있음)를 형성한다. 리프(4)에 있어서 분리막(1)은, 공급측의 면(21)이, 도시하지 않은 공급측 유로재를 사이에 두고 다른 분리막(7)의 공급측의 면(71)과 대향하도록, 배치된다. 분리막 리프(4)에 있어서, 서로 마주 보는 분리막의 공급측의 면의 사이에는 공급측 유로가 형성된다.
또한, 2장의 막 리프(4)가 중첩됨으로써, 분리막(1)과, 분리막(1)의 투과측의 면(22)에 대향하는 다른 막 리프의 분리막(7)이, 봉투형막을 형성한다. 봉투형막에 있어서, 서로 마주 보는 투과측의 면의 사이는, 투과수가 집수관(6)에 흐르도록, 분리막의 직사각형에 있어서, 권취 방향 내측의 한 변만 개방되고, 다른 3변에서는 봉지(封止)된다. 투과수는 이 봉투형막에 의해 원수로부터 격리된다.
봉지로서는, 접착제 또는 핫멜트 등에 의해 접착되어 있는 형태, 가열 또는 레이저 등에 의해 융착(融着)되어 있는 형태, 및 고무제 시트가 끼워져 있는 형태를 예로 들 수 있다. 접착에 의한 봉지는, 가장 간편하며 효과가 높으므로, 특히 바람직하다.
또한, 분리막의 공급측의 면에 있어서, 권취 방향에서의 내측 단부는, 접힘 또는 봉지에 의해 닫혀져 있다. 분리막의 공급측면이, 접혀져 있지 않고 봉지되어 있으면, 분리막의 단부에서의 휨이 쉽게 생기지 않는다. 접은 선 근방에서의 휨의 발생이 억제되는 것에 의해, 권취했을 때 분리막 사이에서의 공극의 발생 및 이 공극에 의한 리크(leak)의 발생이 억제된다.
이와 같이 하여 리크의 발생이 억제됨으로써, 봉투형막의 회수율이 향상된다. 봉투형막의 회수율은, 다음과 같이 구해진다. 즉, 수중 분리막 엘리먼트의 에어 리크 테스트(air leak test)를 행하여, 리크가 발생한 봉투형막의 개수를 카운트한다. 이 카운트 결과에 따라, (에어 리크가 발생한 봉투형막의 개수/평가에 제공한 봉투형막의 개수)의 비율을, 봉투형막의 회수율로서 산출한다.
구체적인 에어 리크 테스트의 방법은, 하기와 같다. 분리막 엘리먼트의 중심 파이프의 단부를 봉지하고, 다른 한쪽의 단부로부터 공기를 주입한다. 주입된 공기는 집수관의 구멍을 통과하여 분리막의 투과측에 도달하지만, 전술한 바와 같이 분리막의 접힘이 불충분하여 접은 선 근방에서 휨이 생겨 공극이 존재하면, 공기가 그 공극을 이동한다. 그 결과, 분리막의 공급측으로 공기가 이동하고, 분리막 엘리먼트의 단부(공급측)로부터 수중으로 공기가 도달한다. 이와 같이 에어 리크를 기포의 발생으로서 확인할 수 있다.
접음에 의해 분리막 리프를 형성하는 경우, 리프가 길수록(즉, 원래의 분리막이 길수록) 분리막을 접는 데 필요한 시간은 길다. 그러나, 분리막의 공급측면을, 접지않고 봉지함으로써, 리프가 길어도 제조 시간의 증대를 억제할 수 있다.
그리고, 분리막 리프 및 봉투형막에 있어서, 서로 대향하는 분리막(도 1에서의 분리막(1) 및 분리막(7))은, 동일한 구성을 구비할 수도 있고, 상이한 구성을 구비할 수도 있다. 즉, 분리막 엘리먼트에 있어서, 서로 마주 보는 2장의 투과측의 면 중, 적어도 한쪽에 전술한 투과측 유로재가 설치되어 있으면 되므로, 투과측 유로재를 구비하는 분리막과 구비하지 않는 분리막이 교대로 중첩되어 있어도 된다. 다만, 설명의 편의상, 분리막 엘리먼트 및 이에 대한 설명에 있어서는, 「분리막」은, 투과측 유로재를 구비하지 않는 분리막(예를 들면, 분리막 본체와 동일한 구성을 구비하는 막)을 포함한다.
투과측의 면에 있어서, 또는 공급측의 면에 있어서, 서로 대향하는 분리막은, 2장의 상이한 분리막이라도 되고, 1장의 막이 접혀진 것이라도 된다.
(2-3) 투과측 유로
전술한 바와 같이, 분리막(1)에는 투과측 유로재(31)를 구비하고 있다. 투과측 유로재(31)에 의해, 봉투형막의 내측, 즉 서로 마주 보는 분리막의 투과측의 면의 사이에는, 투과측 유로가 형성된다.
(2-4) 공급측 유로
(유로재)
분리막 엘리먼트(100)는, 서로 마주 보는 분리막의 공급측의 면의 사이에, 분리막(1)에 대한 투영 면적비가 0 초과 1 미만이 되는 유로재를 구비한다(도시하지 않음). 공급측 유로재의 투영 면적비는 0.03 이상 0.50 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.10 이상 0.40 이하, 특히 바람직하게는, 0.15 이상 0.35 이하이다. 투영 면적비가 0.03 이상 0.50 이하이면, 유동 저항이 비교적 작게 억제된다. 그리고, 투영 면적비는, 분리막과 공급측 유로재를 5 cm×5 cm로 잘라내고, 공급측 유로재를 분리막의 면 방향과 평행한 평면에 투영했을 때 얻어지는 투영 면적을 잘라낸 면적으로 나눈 값이다.
공급측 유로재의 높이는, 후술하는 바와 같이 각 성능의 밸런스나 운전 비용을 고려하면 0.5 ㎜ 초과 2.0 ㎜ 이하가 바람직하고, 0.6 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하가 더욱 바람직하다.
공급측 유로재의 형상은 특별히 한정되지 않고, 연속 형상을 가지고 있어도 되고, 불연속 형상을 가지고 있어도 된다. 연속 형상을 가지는 유로재로서는, 필름 및 네트와 같은 부재를 예로 들 수 있다. 여기서, 연속 형상이란, 실질적으로 유로재의 전체 범위에서 연속인 것을 의미한다. 연속 형상으로는, 조수량이 저하되는 등의 문제가 생기지 않을 정도로, 유로재의 일부가 불연속으로 되는 개소가 포함되어 있어도 된다. 또한, 「불연속」의 정의에 대해서는, 투과측의 유로재에 대하여 설명한 바와 같다. 그리고, 공급측 유로재의 재료는 특별히 한정되지 않고, 분리막과 동일 소재일 수도 있고 다른 소재일 수도 있다.
(요철 가공)
또한, 분리막의 공급측의 면에 공급측 유로재를 배치하는 대신, 엠보싱 성형, 수압 성형, 캘린더 가공과 같은 방법으로 분리막의 공급측에 고저차를 부여할 수 있다.
엠보싱 성형법으로서는, 예를 들면, 롤 엠보싱 가공 등이 있으며, 이것을 실시할 때의 압력이나 처리 온도는, 분리막의 융점에 따라 적절하게 결정할 수 있다. 예를 들면, 분리막이 에폭시 수지를 포함하는 다공성 지지층을 가지는 경우에는, 선압은 10 kg/cm 이상 60 kg/cm 이하인 것이 바람직하고, 가열 온도는 40℃ 이상 150℃ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 폴리술폰 등의 내열성 수지를 포함하는 다공성 지지층을 가지는 경우, 선압은 10 kg/cm 이상 70 kg/cm 이하인 것이 바람직하고 롤 가열 온도는 70℃ 이상 160℃ 이하인 것이 바람직하다. 롤 엠보싱 가공은 어느 경우에도 권취 속도 1 m/분 이상 20 m/분 이하인 것이 바람직하다.
엠보싱 가공을 행하는 경우, 롤의 무늬의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 유로의 유동 저항을 적게 하고, 또한 분리막 엘리먼트에 유체를 공급하고, 투과시켰을 때의 유로를 안정화시키는 것이 중요하다. 이러한 점에서, 표면 상부로부터 관찰한 형태는, 타원, 원, 타원, 사다리꼴, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 평행사변형, 마름모꼴, 부정형이 있으며, 입체적으로는 표면 상부로부터의 형태를 그대로 표면 방향으로 부형한 것, 넓히는 형태로 부형한 것, 좁히는 형태로 부형 한 것이 사용된다.
엠보싱 가공에 의해 부여할 수 있는 분리막의 공급측 표면의 고저차는, 분리 특성이나 물 투과 성능이 요구되는 조건을 만족시키도록 가압 열처리 조건을 변경함으로써 자유롭게 조정할 수 있다. 그러나, 분리막의 공급측 표면의 고저차가 지나치게 깊으면 유동 저항이 작아지지만, 엘리먼트화한 경우에 베셀(vessel)에 충전할 수 있는 막 리프 수가 적어진다. 고저차가 작으면 유로의 유동 저항이 커지고, 분리 특성이나 물 투과 성능이 저하된다. 이로 인해, 엘리먼트의 조수 능력이 저하되고, 조수량을 증가시키기 위한 운전 비용이 높아진다.
따라서, 전술한 각 성능의 밸런스나 운전 비용을 고려하면, 분리막에 있어서는, 분리막의 공급측 표면의 고저차는, 바람직하게는 0.5 ㎜ 초과 2.0 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 0.6 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
분리막의 공급측 표면의 고저차는, 전술한 분리막 투과측의 고저차의 경우와 동일한 방법으로 구할 수 있다.
홈 폭은 바람직하게는 0.2 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.5 ㎜ 이상 3 ㎜ 이하이다.
피치는, 홈 폭의 1/10 배 이상 50배 이하의 사이에서 적절하게 설계하면 된다. 홈 폭은 고저차가 존재하는 표면에서 침하하고 있는 부위를 말하며, 피치는, 고저차가 존재하는 표면에서의 높은 개소의 가장 높은 곳으로부터 근접하는 높은 개소의 가장 높은 개소까지의 수평 거리이다.
엠보싱 가공에 의해 볼록하게 되는 부분의 투영 면적비는, 공급측 유로재의 경우와 동일한 이유로, 0.03 이상 0.5 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.10 이상 0.40 이하, 특히 바람직하게는, 0.15 이상 0.35 이하이다.
분리막의 면에서의, 「고저차」는, 분리막 본체의 표면과 유로재의 정점과의 고저차(즉, 유로재의 높이)이며, 분리막 본체가 요철 가공되어 있는 경우에는, 오목부와 볼록부와의 고저차이다.
(2-5) 집수관
집수관(6)은, 그 중을 투과수가 흐르도록 구성되어 있으면 되고, 재질, 형상, 크기 등은 특별히 한정되지 않는다. 집수관(6)으로서는, 예를 들면, 복수의 구멍이 형성된 측면을 가지는 원통형 부재가 사용된다.
(2-6) 제1 형태
보다 구체적인 형태로서, 도 8∼도 10에, 제1∼제3 형태의 분리막 엘리먼트(100A, 100B, 100C)를 나타낸다. 도 8은, 제1 형태의 분리막 엘리먼트(100A)를 부분적으로 분해하여 나타내는 설명도이며, 집수관(6)의 주위에, 복수장의 분리막(1)이 권취되어 있다. 또한, 분리막 엘리먼트(100A)는, 전술한 구성에 더하여, 또한 이하의 구성을 구비한다.
즉, 분리막 엘리먼트(100A)는, 그 양단에 구멍이 형성된 단판(end plate)(92)을 양단(즉, 제1 단 및 제2 단)에 구비한다. 또한, 분리막 엘리먼트(100A)에 있어서, 권취된 분리막(이하, 「권취체」라고 함)의 외주면에는, 외장체(81)가 권취되어 있다.
그리고, 후술하는 구멍이 없는 단판(91)은 원수가 통과 가능한 구멍을 구비하고 있지 않은 것에 비해, 구멍이 형성된 단판(92)은, 원수를 통과시킬 수 있는 복수의 구멍을 구비한다.
또한, 분리막(1)은, 봉투형막(11)을 형성하고 있고, 봉투형 분리막(11)의 내측에는, 전술한 바와 같이 투과측 유로재(31)가 배치되어 있다. 봉투형막(11)의 사이에는, 공급측 유로재(32)가 배치되어 있다.
그리고, 편의상, 도 8∼도 10에서는, 투과측 유로재(31)는 도트 형상으로서 나타내지만, 전술한 바와 같이 투과측 유로재의 형상은, 이 형상으로 한정되지 않는다.
다음으로, 분리막 엘리먼트(100A)를 사용한 수처리에 대하여 설명한다. 분리막 엘리먼트(100A)의 제1 단으로부터 공급된 원수(101)는, 단판(92)의 구멍을 통하여, 공급측 유로에 유입된다. 이와 같이 하여, 분리막(1)의 공급측의 면에 접촉된 원수(101)는, 분리막(1)에 의해, 투과수(102)와 농축수(103)로 분리된다. 투과수(102)는, 투과측 유로를 거쳐, 집수관(6)에 유입된다. 집수관(6)을 통과한 투과수(102)는, 분리막 엘리먼트(100A)의 제2 단으로부터 분리막 엘리먼트(100A)의 밖으로 유출한다. 농축수(103)는, 공급측 유로를 통과하여, 제2 단에 설치된 단판(92)의 구멍으로부터 분리막 엘리먼트(100A)의 외부로 유출된다.
(2-7) 제2 형태
도 9를 참조하여, 본 실시형태의 분리막 엘리먼트(100B)에 대하여 설명한다. 그리고, 이미 설명한 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 그 설명을 생략한다.
분리막 엘리먼트(100B)는, 제1 단에 배치되면서, 구멍을 가지지 않는 단판(91)과, 제2 단에 배치되면서, 구멍을 가지는 단판(92)을 구비한다. 또한, 분리막 엘리먼트(100B)는, 권취된 분리막(1)의 가장 외면에 더욱 권취된 다공성 부재(82)를 구비한다.
다공성 부재(82)로서는, 원수를 통과시킬 수 있는 복수의 구멍을 가지는 부재가 사용된다. 다공성 부재(82)에 설치된 이들 구멍은, 원수의 공급구라고도 할 수 있다. 다공성 부재(82)는, 복수의 구멍을 가지고 있으면, 그 재질, 크기, 두께, 강성 등은, 특별히 한정되는 것은 아니다. 다공성 부재(82)로서, 비교적 작은 두께를 가지는 부재를 채용함으로써, 분리막 엘리먼트의 단위 체적 당의 막 면적을 증대시킬 수 있다.
다공성 부재(82)의 두께는, 예를 들면, 1 ㎜ 이하, 0.5 ㎜ 이하, 또는 0.2 ㎜ 이하이다. 또한, 다공성 부재(82)는, 권취체의 외주 형상을 따르도록 변형할 수 있는, 유연성 또는 가요성을 가지는 부재일 수도 있다. 보다 구체적으로는, 다공성 부재(82)로서 네트, 다공성 필름 등을 적용할 수 있다. 네트 및 다공성 필름은, 권취체를 내부에 수용 가능하도록 통형으로 형성되어 있어도 되고, 장척형(長尺形)이며, 권취체의 주위에 권취되어 있어도 된다.
[154]
다공성 부재(82)는, 분리막 엘리먼트(100B)의 외주면에 배치된다. 다공성 부재(82)가 이와 같이 설치됨으로써, 구멍이 분리막 엘리먼트(100B)의 외주면에 설치된다. 「외주면」이란, 특히, 분리막 엘리먼트(100B)의 외주면 전체 중, 전술한 제1 단의 면 및 제2 단의 면을 제외한 부분이라고도 할 수 있다. 본 실시형태에서는, 다공성 부재(82)는, 권취체의 외주면의 거의 전체를 덮도록 배치된다.
본 실시형태에 의하면, 분리막 엘리먼트(100B)의 외주면(권취체의 외주면)으로부터 원수가 공급된다. 따라서, 분리막 엘리먼트(100B)가 반복적으로 운전되어도, 또는 분리막 엘리먼트(100B)가 고압 조건하에서 운전되어도, 권취된 분리막(1) 등이 길이 방향으로 밀려나오는 것에 의한 권취체의 변형(이른바 텔레스코프(telescope))의 억제가 가능하다. 또한, 본 실시형태에서는, 원수가 압력 용기(도시하지 않음)와 분리막 엘리먼트의 사이의 간극으로부터 공급되므로, 원수의 이상(異常) 체류의 발생이 억제된다.
분리막 엘리먼트(100B)에 있어서는, 제1 단의 단판이 구멍이 없는 단판(91)이므로, 제1 단의 면으로부터는, 분리막 엘리먼트(100B) 내에 원수는 유입되지 않는다. 원수(101)는, 분리막(1)에 대하여, 분리막 엘리먼트(100B)의 외주면으로부터, 다공성 부재(82)를 통하여 공급된다. 이와 같이 하여 공급된 원수(101)는, 분리막에 의해 투과수(102)과 농축수(103)로 분리된다. 투과수(102)는, 집수관(6)을 통과하고, 분리막 엘리먼트(100B)의 제2 단으로부터 유출된다. 농축수(103)는, 제2 단의 구멍이 형성된 단판(92)의 구멍을 통과하고, 분리막 엘리먼트(100B)의 밖으로 유출된다.
(2-8) 제3 형태
도 10을 참조하여, 본 실시형태의 분리막 엘리먼트(100C)에 대하여 설명한다. 그리고, 이미 설명한 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 그 설명을 생략한다.
분리막 엘리먼트(100C)는, 제1 단 및 제2 단에 각각 배치되고, 구멍을 가지는 단판(92)을 구비하는 점 이외는, 제2 형태의 엘리먼트와 동일하다. 또한, 분리막 엘리먼트(100C)는, 분리막 엘리먼트(100B)와 마찬가지로, 다공성 부재(82)를 구비한다.
이 구성에 의하여, 본 실시형태에서는, 원수(101)는, 다공성 부재(82)의 구멍을 통과하여 분리막 엘리먼트(100C)의 외주면으로부터 권취체에 공급될 뿐만 아니라, 제1 단의 구멍이 형성된 단판(92)의 구멍을 통과하고, 분리막 엘리먼트(100C)의 제1 단으로부터 권취체에 공급된다. 투과수(102) 및 농축수(103)는, 제1 형태의 분리막 엘리먼트(100A)와 마찬가지로, 제2 단으로부터 분리막 엘리먼트(100C)의 외부로 배출된다.
분리막 엘리먼트(100C)의 일단(즉, 구멍을 가지는 단판(92))뿐만 아니라, 분리막 엘리먼트(100C)의 외주면으로부터도 권취체에 원수가 공급되므로, 권취체의 변형을 억제할 수 있다. 또한, 본 형태에 있어서도, 원수가 압력 용기와 분리막 엘리먼트의 사이의 간극으로부터 공급되므로, 이상 체류의 발생이 억제된다.
[3. 분리막 엘리먼트의 제조 방법]
분리막 엘리먼트의 제조 방법은, 분리막을 제조하는 공정을 포함한다. 또한, 분리막을 제조하는 공정은, 적어도 이하의 공정:
기재 및 분리 기능층을 가지는 분리막 본체를 준비하는 공정,
상기 분리막 본체와는 상이한 조성을 가지는 재료를, 열에 의해 연화하는 공정,
연화된 상기 재료를, 상기 분리막 본체의 기재측의 면에 배치함으로써, 투과측 유로재를 형성하는 공정, 및
상기 재료를 고화(固化)함으로써, 상기 분리막 본체 상에 상기 투과측 유로재를 고착시키는 공정
을 포함한다.
분리막 엘리먼트의 제조 방법에서의 각 공정에 대하여, 이하에서 설명한다.
(3-1) 분리막 본체의 제조
분리막 본체의 제조 방법에 대해서는 앞서 설명하였으나, 간단하게 정리하면 이하와 같다.
양용매(good solvent)에 수지를 용해하고, 얻어진 수지 용액을 기재에 캐스팅하고 순수 중에 침지하여 다공성 지지층과 기재를 복합시킨다. 그 후, 전술한 바와 같이, 다공성 지지층 상에 분리 기능층을 형성한다. 또한, 필요에 따라 분리 성능, 투과 성능을 높일 수 있도록, 염소, 산, 알칼리, 아질산 등의 화학 처리를 가하고, 또한 모노머 등을 세정하여 분리막 본체의 연속 시트를 제작한다.
그리고, 화학 처리 전 또는 후에, 엠보싱 등에 의해 분리막 본체에 요철을 형성할 수도 있다.
(3-2) 투과측 유로재의 배치
분리막의 제조 방법은, 분리막 본체의 투과측의 면에, 불연속 유로재를 설치하는 공정을 포함한다. 이 공정은, 분리막 제조의 어느 시점에서 행해져도 된다. 예를 들면, 유로재는, 기재 상에 다공성 지지층이 형성되기 전에 설치될 수도 있고, 다공성 지지층이 형성된 후에 분리 기능층이 형성되기 전에 설치될 수도 있고, 분리 기능층이 형성된 후, 전술한 화학 처리가 행해지기 전 또는 후에 행해져도 된다.
유로재를 배치하는 방법은, 예를 들면, 부드러운 재료를 분리막 상에 배치하는 공정과, 그것을 경화하는 공정을 포함한다. 구체적으로는, 유로재의 배치에는, 자외선 경화 수지, 화학 중합, 핫멜트, 건조 등이 이용된다. 특히, 핫멜트는 바람직하게 사용되고, 구체적으로는, 열에 의해 수지 등의 재료를 연화하는(즉, 열 용융) 공정, 연화한 재료를 분리막 상에 배치하는 공정, 이 재료를 냉각에 의해 경화함으로써 분리막 상에 고착시키는 공정을 포함한다.
유로재를 배치하는 방법으로서는, 예를 들면, 도포, 인쇄, 분무 등이 있다. 또한, 사용되는 기재로서는, 노즐형의 핫멜트 어플리케이터, 스프레이형 핫멜트 어플리케이터, 플랫 노즐형 핫멜트 어플리케이터, 롤 형 코터, 압출형 코터, 인쇄기, 분무기 등을 예로 들 수 있다.
(3-3) 공급측 유로의 형성
공급측 유로재가, 분리막 본체와 상이한 재료로 형성된 불연속 부재인 경우, 공급측 유로재의 형성에는, 투과측 유로재의 형성과 동일한 방법 및 타이밍을 적용할 수 있다.
또한, 엠보싱 성형, 수압 성형, 캘린더 가공과 같은 방법으로 분리막의 공급측에 고저차를 부여할 수도 있다.
엠보싱 성형법으로서는, 예를 들면, 롤 엠보싱 가공 등이 있으며, 이것을 실시할 때의 압력이나 처리 온도는, 분리막의 융점에 따라 적절하게 결정할 수 있다. 예를 들면, 분리막이 에폭시 수지를 포함하는 다공성 지지층을 가지는 경우에는, 선압은 10 kg/cm 이상 60 kg/cm 이하인 것이 바람직하고, 가열 온도는 40℃ 이상 150℃ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 폴리술폰 등의 내열성 수지를 포함하는 다공성 지지층을 가지는 경우, 선압은 10 kg/cm 이상 70 kg/cm 이하인 것이 바람직하고 롤 가열 온도는 70℃ 이상 160℃ 이하인 것이 바람직하다. 롤 엠보싱 가공은 어느 경우에도 권취 속도 1 m/분 이상 20 m/분 이하가 바람직하다.
엠보싱 가공을 행하는 경우, 롤의 무늬의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 유로의 압력 손실을 적게 하고, 또한 분리막 엘리먼트에 유체를 공급하고, 투과시켰을 때의 유로를 안정화시키는 것이 중요하다. 이러한 점에서, 표면 상부로부터 관찰한 형태는, 타원, 원, 타원, 사다리꼴, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 평행사변형, 마름모꼴, 부정형 등이 채용된다. 또한, 입체적으로는 높이가 높은 개소일수록 폭이 작아지도록 형성되어 있어도 되고, 반대로 높은 개소일수록 폭이 넓어지도록 형성되어 있어도 되고, 높이에 관계없이 동일한 폭으로 형성되어 있어도 된다.
엠보싱 가공에 의해 부여할 수 있는 분리막의 공급측 표면의 고저차는, 분리 특성이나 물 투과 성능가 요구되는 조건을 만족시키도록 가압 열처리 조건을 변경함으로써 자유롭게 조정할 수 있다.
그리고, 이상에서 설명한 바와 같이, 공급측 유로의 형성이, 공급측 유로재를 분리막 본체에 고착함으로써 행해지는 경우, 또는 막을 요철 가공함으로써 행해지는 경우에는, 이들 공급측 유로의 형성 공정이 분리막의 제조 방법에서의 하나의 공정으로 간주될 수도 있다.
공급측 유로가 네트 등의 연속적으로 형성된 부재인 경우에는, 분리막 본체에 투과측 유로재가 배치됨으로써 분리막이 제조된 후, 이 분리막과 공급측 유로재를 중첩하면 된다.
(3-4) 분리막 리프의 형성
분리막 리프는, 전술한 바와 같이, 공급측의 면이 내측을 향하도록 분리막을 접어서 형성될 수도 있고, 별개의 2장의 분리막을, 공급측의 면이 마주보도록 접합시킴으로써 형성될 수도 있다.
분리막 엘리먼트의 제조 방법은, 분리막의 권취 방향에서의 내측 단부를, 공급측의 면에 있어서 봉지하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 봉지하는 공정에 있어서는, 2장의 분리막을, 서로의 공급측의 면이 마주보도록 중첩한다. 또한, 중첩된 분리막의 권취 방향에서의 내측 단부, 즉 도 5에서의 좌측 단부를 봉지한다.
「봉지」하는 방법으로서는, 접착제 또는 핫멜트 등에 의한 접착, 가열 또는 레이저 등에 의한 융착, 및 고무제 시트를 사이에 넣는 방법을 들 수 있다. 접착에 의한 봉지는, 가장 간편하고 효과가 높으므로, 특히 바람직하다.
이 때, 중첩된 분리막의 내측에, 분리막과는 별도로 형성된 공급측 유로재를 배치할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 엠보싱 또는 수지 도포 등에 의해 분리막의 공급측의 면에 사전에 고저차를 설치함으로써, 공급측 유로재의 배치를 생략할 수도 있다.
공급측의 면의 봉지와 투과측의 면의 봉지(봉투형막의 형성)는, 어느 한쪽을 먼저 행할 수도 있고, 분리막을 중첩하면서, 공급측의 면의 봉지와 투과측의 면의 봉지를 함께 행할 수도 있다. 다만, 권취 시에서의 분리막에서의 주름의 발생을 억제하기 위해서는, 인접하는 분리막이 권취에 의해 길이 방향으로 어긋나는 것을 허용하도록, 폭 방향 단부에서의 접착제 또는 핫멜트의 고화 등, 즉 봉투형막을 형성하기 위한 고화 등을, 권취 종료 후에 완료시키는 것이 바람직하다.
(3-5) 봉투형막의 형성
1장의 분리막을 투과측면이 내측을 향하도록 접어서 접합시킴으로써, 또는 2장의 분리막을 투과측면이 내측을 향하도록 중합하여 접합시킴으로써, 봉투형막을 형성할 수 있다. 직사각형상의 봉투형막에 있어서는, 길이 방향의 일단만이 개구되도록, 다른 3변을 봉지한다. 봉지는, 접착제 또는 핫멜트 등에 의한 접착, 열 또는 레이저에 의한 융착 등에 의해 실행할 수 있다.
봉투형막의 형성에 사용되는 접착제는, 점도가 40P 이상 150P 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 또한 50P 이상 120P 이하가 더욱 바람직하다. 접착제 점도가 지나치게 높은 경우에는, 적층한 리프를 집수관에 권취할 때, 주름이 발생하기 쉽다. 주름은, 분리막 엘리먼트의 성능을 해치는 경우가 있다. 반대로, 접착제 점도가 지나치게 낮은 경우에는, 리프의 단부로부터 접착제가 유출되어 장치를 더럽히는 경우가 있다. 또한, 접착해야 할 부분 이외에 접착제가 부착되면, 분리막 엘리먼트의 성능이 손상되고, 또한 유출된 접착제의 처리 작업에 의해 작업 효율이 현저하게 저하된다.
접착제의 도포량은, 리프를 집수관에 권취한 후에, 접착제가 도포되는 부분의 폭이 10 ㎜ 이상 100 ㎜ 이하가 되는 양인 것이 바람직하다. 이로써, 분리막이 확실하게 접착되므로, 원수의 투과측으로의 유입이 억제된다. 또한, 분리막 엘리먼트의 유효 막 면적도 비교적 크게 확보할 수 있다.
접착제로서는 우레탄계 접착제가 바람직하고, 점도를 40P 이상 150P 이하의 범위로 하기 위해서는, 주제(主劑)의 이소시아네이트와 경화제의 폴리올을, 이소시아네이트/폴리올의 중량 비율이 1/5 이상 1 이하가 되도록 혼합한 것이 바람직하다. 접착제의 점도는, 사전에 주제, 경화제 단체(單體), 및 배합 비율을 규정한 혼합물의 점도를 B형 점도계(JIS K 6833)로 측정한 것이다.
(3-6) 분리막의 권취
분리막 엘리먼트의 제조에는, 종래의 엘리먼트 제작 장치를 사용할 수 있다. 또한, 엘리먼트 제작 방법으로서는, 참고 문헌(일본국 특소공 44-14216호 공보, 일본국 특공평 4-11928호 공보, 일본 특허출원 공개번호 평 11-226366호 공보)에 기재된 방법을 사용할 수 있다. 상세하게는 이하와 같다.
집수관의 주위에 분리막을 권취할 때에는, 분리막을, 리프가 닫혀딘 단부, 즉 봉투형막의 폐구(閉口) 부분이 집수관을 향하도록 배치한다. 이와 같은 배치로 집수관의 주위에 분리막을 권취함으로써, 분리막을 스파이럴형으로 권취한다.
집수관에 트리코나 기재와 같은 스페이서를 권취해 두면, 엘리먼트 권취 시에 집수관에 도포된 접착제가 유동하기 어렵고, 리크의 억제로 이어지며, 나아가서는 집수관 주변의 유로가 안정적으로 확보된다. 그리고, 스페이서는 집수관의 원주보다 길게 권취해 두면 된다.
(3-7) 그 외의 공정
분리막 엘리먼트의 제조 방법은, 전술한 바와 같이 형성된 분리막의 권취체의 외측에, 필름 및 필라멘트 등을 더욱 권취하는 공정을 포함할 수도 되고, 집수관의 길이 방향에서의 분리막의 끝을 가지런히 맞추어서 자르는 에지 컷, 단판을 장착하는 등의 새로운 공정을 포함할 수도 있다.
[4. 분리막 엘리먼트의 이용]
분리막 엘리먼트는, 나아가서는, 직렬로 또는 병렬로 접속하여 압력 용기에 수납됨으로써, 분리막 모듈로서 사용될 수도 있다.
또한, 상기 분리막 엘리먼트, 분리막 모듈은, 이들에 유체를 공급하는 펌프나, 이 유체를 전처리하는 장치 등과 조합하여, 유체 분리 장치를 구성할 수 있다. 이 분리 장치를 사용함으로써, 예를 들면, 원수를 음료수 등의 투과수와 막을 투과하지 않은 농축수로 분리하여, 목적에 맞는 물을 얻을 수 있다.
유체 분리 장치의 조작 압력은 높은 편이 제거율은 향상되지만, 운전에 필요한 에너지도 증가하는 점과, 또한, 분리막 엘리먼트의 공급 유로, 투과 유로의 유지성을 고려하면, 막 모듈에 피처리수를 투과할 때의 조작 압력은, 0.2 MPa 이상 5 MPa 이하인 것이 바람직하다. 원수 온도가 높아지면 염의 제거율이 저하되지만, 낮아짐에 따라 막 투과 유속도 감소하므로, 5℃ 이상 45℃ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 원수의 pH가 중성 영역인 경우, 원수가 해수 등의 염 농도가 높은 액체라도, 마그네슘 등의 스케일(scale)의 발생이 억제되고, 또한, 막의 열화도 억제된다.
분리막 엘리먼트에 의해 처리되는 유체는 특별히 한정되지 않지만, 수처리에 사용하는 경우, 원수로서는, 해수, 함수, 배수 등의 500 mg/L 이상 100 g/L 이하의 TDS(Total Dissolved Solids: 총용해 고형분)를 함유하는 액상 혼합물을 예로 들 수 있다. 일반적으로, TDS는 총용해 고형분량을 가리키고, 「질량÷체적」에 의해 표시되지만, 1 L를 1 kg으로 가정하고 「중량비」에 의해 표시되는 경우도 있다. 정의에 의하면, 0.45㎛의 필터로 여과한 용액을 39.5℃ 이상 40.5℃ 이하의 온도에서 증발시키고 잔류물의 무게로부터 산출할 수 있지만, 보다 간편하게는 실용 염분(S)으로부터 환산한다.
[실시예]
이하에서 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(분리막 투과측의 고저차)
키엔스사에서 제조한 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 5 cm×5 cm의 투과측의 측정 결과로부터 평균 고저차를 해석했다. 10㎛ 이상의 고저차가 있는 30개소를 측정하고, 각각의 높이의 값을 합계한 값을 측정 합계 개소의 수로 나눗셈하여 구하였다.
(투과측 유로재의 피치 및 간격)
주사형 전자 현미경(S-800)(히타치 제작소 제조)을 사용하여 30개의 임의의 유로재 단면을 500배로 사진 촬영하고, 분리막의 투과측에서의 유로재의 정점으로부터, 인접한 유로재의 정점까지의 수평 거리를 200개소에 대하여 측정하고, 그 평균값을 피치로서 산출하였다.
또한, 간격(b)에 대해서는, 피치를 측정한 사진에서, 전술한 방법으로 측정하였다.
(유로재의 투영 면적비)
유로재와 함께 분리막을 5 cm×5 cm로 잘라내고, 레이저 현미경(배율 10∼500 배 중에서 선택)을 사용하고, 스테이지를 이동시켜, 유로재의 전체 투영 면적을 측정하였다. 유로재를 분리막 투과측 또는 공급측으로부터 투영했을 때 얻어지는 투영 면적을 잘라낸 면적으로 나눈 값을 투영 면적비로 하였다.
(조수량)
분리막 또는 분리막 엘리먼트에 대하여, 원수로서 3.5 중량%의 식염, 운전 압력 5.5 MPa, 운전 온도 25℃, pH 6.5로 운전(회수율 15%)의 조건하에서 100시간 운전을 행하였다. 그 후, 동일한 조건에서, 10분간 운전을 행함으로써 투과수를 얻었다. 이 10분간의 운전으로 얻어진 투과수의 체적으로부터, 분리막의 단위 면적당, 또한 1일당 투수량(입방미터)을, 조수량(m3/일)으로서 나타낸다.
(탈염율(TDS 제거율))
조수량의 측정에서의 10분간의 운전에서 사용한 원수 및 샘플링한 투과수에 대하여, TDS 농도를 전도율 측정에 의해 구하고, 하기 식으로부터 TDS 제거율을 산출하였다.
TDS 제거율(%) = 100×{1-(투과수 중의 TDS 농도/원수 중의 TDS 농도)}.
(결점율)
모든 벽상물(투과측 유로재)에 대하여 막 리프 길이(L1)와, 막 리프 길이에 대하여 집수관으로부터 먼 곳의 단부로부터 벽상물이 존재하지 않는 거리 또는 일면에 도포되어 있는 거리(L3)를 측정하고, 결점율(%) = L3/L1×100의 식에 기초하여 산출한 후, 1개의 벽상물당 평균값을 구하였다. 이하에서, 얻어진 평균값을 「결점율」이라고 표기한다.
(압축 탄성율)
유로재를 직경(10) ㎜, 두께(25) ㎜의 원기둥형으로 용융 성형하고, 텐실론 만능 재료 시험기(RTF-2430)(A&D사 제조)를 사용하여 압축 속도 10 ㎜/분, 25℃ 하에서 압축 응력과 변형의 관계를 조사하여, 얻어진 곡선의 초기 기울기(slope)를 산출하였다. 이 초기 기울기가 압축 탄성율이다.
(붕소 제거율)
원수와 투과수 중의 붕소 농도를 ICP 발광 분석 장치(히타치 제작소 제조, P-4010)로 분석하고, 하기 식으로부터 구하였다.
붕소 제거율(%) = 100×{1-(투과수 중의 붕소 농도/원수 중의 붕소 농도)}
(강연도)
ISO 13934-1 1999에 따라, 수평면과 45°의 경사면을 가지는 수평대를 사용하여, 강연도를 측정하였다. 구체적으로는, 분리막을 25 ㎜ 폭으로 절단하여, 샘플을 얻었다. 절단 분리 기능층이 수평면에 대향하도록, 분리막의 샘플을 수평면 상에 배치하였다. 샘플의 일단을 경사면과 수평면과의 경계에 맞춘 상태에서, 샘플의 타단을 금속판으로 가압했다. 다음으로, 샘플을 가압하면서, 금속판을 경사면과 수평면과의 경계를 향해 살며시 슬라이드시켰다. 샘플의 선단의 중앙 부분이 경사면에 접했을 때의, 밀려나온 길이(㎜)를 측정하였다. 측정된 길이가 분리막의 강연도이다.
(실시예 1)
폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유로 이루어지는 부직포(실 직경: 1 데시텍스, 두께: 약 90㎛, 통기도: 1 cc/cm2/sec, 밀도 0.80 g/cm3) 상에 폴리술폰의 15.0 중량%의 DMF 용액을 180㎛의 두께로 실온(25℃)에서 캐스팅하고, 즉시 순수 중에 침지하여 5분간 방치하고, 80℃의 온수에서 1분간 침지함으로써 섬유 보강 폴리술폰 지지막으로 이루어지는 다공성 지지층(두께 130㎛)을 제작하였다.
그 후, 다공성 지지 막의 폴리술폰으로 이루어지는 층의 표면을 m-PDA의 3.8 중량% 수용액 중에 2분간 침지하고 나서, 수직 방향으로 천천히 끌어올렸다. 또한, 에어 노즐로부터 질소를 분출함으로써, 지지 막 표면으로부터 여분의 수용액을 제거하였다.
그 후, 트리메스산 클로라이드 0.175 중량%를 포함하는 n-데칸 용액을, 막의 표면이 완전하게 젖도록 도포하고 나서, 1분간 정치(靜置)했다. 그 후, 막으로부터 여분의 용액을 에어 블로우로 제거하고, 80℃의 열수로 세정하였다.
이어서, 투과측 유로재를 분리막 전체에 걸쳐 형성하였다. 즉, 백업 롤을 15℃로 온도 조절하면서, 그라비아 롤을 사용하여, 폴리프로필렌(상품명: F219DA, 압축 탄성율: 1.3 GPa)을, 분리막의 투과측의 면에 도포했다. 수지 온도는 220℃이며, 가공 속도는 3.0 m/분이었다. 그라비아 롤의 표면에 조각된 패턴은, 지그재그형의 직경 0.5 ㎜의 반구형의 도트이며, 도트의 피치는 1.0 ㎜였다.
얻어진 투과측 유로재의 형상은, 높이가 0.26 ㎜이며, 유로재 폭이 0.5 ㎜이며, 제1 방향 및 제2 방향에 있어서 인접하는 유로재의 간격이 0.4 ㎜이며, 피치가 0.9 ㎜이며, 분리막 본체에 대한 투영 면적비는 0.32였다.
여기서, 피치란, 투과측의 면에 있어서, 200개소에서 계측된, 분리막의 볼록부의 정점으로부터 근접하는 볼록부의 정점까지의 수평 거리의 평균값이다.
본 실시예에 있어서, 인접하는 유로재의 고저차는 30㎛ 이하이며, 분리막의 강연도는 100 ㎜였다.
분리막을 43 cm2로 잘라내고, 압력 용기에 넣고, 원수 3.5% 식염, 운전 압력 5.5 MPa, 운전 온도 25℃, pH 6.5로 운전(회수율 15%)한 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 0.72 m3/m2/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.6%였다. 표 1에 조건 및 평가 결과를 정리하여 나타내었다.
실시예 및 비교예의 조건 및 평가 결과를 표 1∼표 7에 나타내었다.
(실시예 2)
실시예 1에서 얻은 분리막을, 분리막 엘리먼트에서의 유효 면적이 37.0 m2로 접어서 재단 가공하고, 네트(두께: 0.7 ㎜, 피치: 5 ㎜×5 ㎜, 섬유 직경: 350㎛, 투영 면적비: 0.13)를 공급측 유로재로서, 폭 900㎜, 리프 길이 800㎜로 26장의 리프를 제작하였다.
이와 같이 하여 얻어진 리프를, ABS제 집수관(폭: 1,020 ㎜, 직경: 30 ㎜, 구멍 수 40개×직선형 1열)에 스파이럴형으로 권취하고, 외주에 또한 필름을 권취하였다. 테이프로 고정한 후에, 에지 컷, 단 판의 장착 및 필라멘트 와인딩을 행함으로써, 8인치 엘리먼트를 제작하였다. 그리고, 단판은 양쪽 모두 구멍이 형성된 단판이었다. 즉, 본 실시예에서는, 도 8에 나타내는 제1 형태의 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 원수 3.5% 식염, 운전 압력 5.5 MPa, 운전 온도 25℃, pH 6.5로 운전(회수율 15%)한 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 24.0 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율 90.6%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 3)
이하에서, 특별히 언급하지 않는 조건에 대해서는, 실시예 1과 동일하게 하여 분리막을 제작하였다.
슬릿 폭 0.5 ㎜, 피치 0.9 ㎜의 빗형심(comb-shped shim)을 장전한 어플리케이터를 사용하여, 백업 롤을 20℃로 온도 조절하면서, 분리막 본체의 투과측의 면에, 수지 온도 220℃, 가공 속도 3.0 m/분으로 직선형으로 수지를 도포함으로써, 투과측 유로재를 형성하였다. 사용한 수지는, 폴리프로필렌(상품명: F219DA, 압축 탄성율: 1.3 GPa)이었다. 그리고, 투과측 유로재를 도포하는 방향(즉, 투과측 유로재의 길이 방향)은, 분리막 본체의 길이 방향(즉, 기재인 부직포의 길이 방향)과 평행이었다.
형성된 투과측 유로재의 높이는 0.26 ㎜이며, 폭은 0.5 ㎜이며, 집수관 길이 방향과 이루는 각도는 90°이며, 제1 방향에서의 유로재 간격이 0.4 ㎜이며, 피치는 0.9 ㎜였다. 또한, 인접하는 유로재의 고저차는 30㎛ 이하이며, 분리막 본체에 대한 투과측 유로재의 투영 면적비는 0.55였다. 투과가 유로재의 결점율은 0%였다. 분리막의 강연도는 190 ㎜였다.
분리막을 43 cm2로 잘라내고, 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 0.72 m3/m2/day 및 99.63%이며, 붕소 제거율은 90.7%였다.
(실시예 4)
실시예 3에서 얻은 분리막을, 분리막의 길이 방향이 집수관의 길이 방향에 대하여 수직으로 되도록 배치하고, 실시예 2와 동일한 방법으로, 8인치 엘리먼트를 제작하였다.
이 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 23.3 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.6%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 5)
결점율을 12%로 한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이어서, 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 21.1 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.6%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 6)
결점율을 25%로 한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이어서, 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 19.5 m3/day 및 99.62%이며, 붕소 제거율은 90.4%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 7)
투과측 유로재의 높이를 0.32 ㎜로 한 점 이외는 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이어서, 분리막 엘리먼트의 유효 막 면적을 36 m2로 한 점 이외는 모두 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 23.3 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.6%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 8)
실시예 3에서 얻은 분리막을 사용하고, 공급측 유로재인 네트의 두께를 0.95 ㎜로 하고, 또한 분리막 엘리먼트의 유효 막 면적을 31 m2로 한 점 이외는 모두 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 19.0 m3/day 및 99.63%이며, 붕소 제거율은 90.5%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 9)
실시예 3에서 얻은 분리막을, 분리막 엘리먼트에서의 유효 면적이 0.5 m2로 되도록 접어서 재단 가공하고, 네트(두께: 510㎛, 피치: 2 ㎜×2 ㎜, 섬유 직경: 255㎛, 투영 면적비: 0.21)를 공급측 유로재로서, 폭 200㎜로 2장의 리프를 제작하였다.
그 후, ABS제 집수관(폭: 300 ㎜, 외경: 17 ㎜, 구멍 수 8개×직선형 2열)에 권취하면서 2장의 리프를 스파이럴형으로 권취한 분리막 엘리먼트를 제작하고, 외주에 필름을 권취하고, 테이프로 고정한 후에, 에지 컷, 단판 장착을 행하여, 2인치 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 0.156 m3/day 및 99.69%이며, 붕소 제거율은 90.9%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 10)
투과측 유로재의 높이를 0.11 ㎜로 하고, 또한 분리막 엘리먼트의 유효 막 면적을 0.56 m2으로 한 점 이외는 모두 실시예 9와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 0.170 m3/day 및 99.69%이며, 붕소 제거율은 90.9%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 11)
리프 수를 1장(리프 길이 1,600㎜)으로 하고, 분리막 엘리먼트의 유효 막 면적을 0.49 m2으로 한 점 이외는 모두 실시예 9와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 0.167 m3/day 및 99.69%이며, 붕소 제거율은 90.9%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 12)
실시예 3에서 얻은 분리막을, 분리막 엘리먼트에서의 유효 면적이 0.5 m2로 되도록 접어서 재단 가공하고, 네트(두께: 510㎛, 피치: 2 ㎜×2 ㎜, 섬유 직경: 255㎛, 투영 면적비: 0.21)를 공급측 유로재로서, 폭 200㎜의 6장의 리프를 제작하였다.
그 후, ABS제 집수관(폭: 300 ㎜, 외경: 17 ㎜, 구멍수 8개×직선형 2열)에 권취하면서 2장의 리프를 스파이럴형으로 권취한 분리막 엘리먼트를 제작하고, 외주에 필름을 권취하고, 테이프로 고정한 후에, 에지 컷, 단판 장착을 행하여, 3 인치 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 0.500 m3/day 및 99.69%이며, 붕소 제거율은 90.9%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 13)
투과측 유로재의 단면 형상을 반원형(폭: 0.5 ㎜)으로 한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 23.0 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.6%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 14)
기재를 폴리에스테르 장섬유 부직포(실 직경: 1 데시텍스, 두께: 약 90㎛, 통기도: 1.0 cc/cm2/sec, 다공성 지지층측 표층의 섬유 배향도: 40°, 다공성 지지층과는 반대측의 표층에서의 섬유 배향도: 20°, 밀도 0.80 g/cm3)로 한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 23.4 m3/day 및 99.70%이며, 붕소 제거율은 90.8%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 15)
기재로서 폴리에스테르 장섬유 부직포(실 직경: 1 데시텍스, 두께: 약 90㎛, 통기도: 1.0 cc/cm2/sec, 다공성 지지층측 표층의 섬유 배향도: 40°, 다공성 지지층과는 반대측의 표층에서의 섬유 배향도: 20°, 밀도 0.80 g/cm3)를 사용하고, 또한 폴리프로필렌에 대하여 탄산칼슘(와코 순약공업사 제조)을 25 wt%첨가한 점 이외는, 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 또한, 실시예 2와 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 분리막의 강연도는 210 ㎜였다. 투과측 유로재의 압축 탄성율은 1.5 GPa였다.
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분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 23.5 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.6%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 16)
투과측 유로재의 형성 조건에 대하여, 수지를 변성 올레핀계 핫멜트(PK-100S, 압축 탄성율: 0.11 GPa)로 하고, 수지 온도를 170℃, 가공 속도를 6.0 m/분으로 변경한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 분리막의 강연도는 110 ㎜였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 21.7 m3/day 및 99.62%이며, 붕소 제거율은 90.8%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 17)
투과측 유로재의 형성 조건에 대하여, 수지를 폴리올레핀계 핫멜트(상품명: PHC-9275, 압축 탄성율: 0.18 GPa)로 하고, 수지 온도를 180℃, 가공 속도를 11.0 m/분으로 변경한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 분리막의 강연도는 140 ㎜였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 21.8 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.6%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 18)
투과측 유로재의 형성 조건에 대하여, 폴리올레핀계 핫멜트에 대하여 규산 마그네슘(와코 순약공업사 제조)을 25 wt% 첨가한 점 이외는, 모두 실시예 17과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하고, 또한 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 분리막의 강연도는 150 ㎜였다. 투과측 유로재의 압축 탄성율은 0.25 GPa였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 22.0 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.6%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 19)
투과측 유로재의 형성 조건에 대하여, 수지를 폴리에틸렌 테레프탈레이트(상품명: PET200, 압축 탄성율: 2.9 GPa)로 하고, 수지 온도를 280℃, 가공 속도를 2.0 m/분으로 변경한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 분리막의 강연도는 250 ㎜였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 23.8 m3/day 및 99.60%이며, 붕소 제거율은 90.3%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 20)
투과측 유로재의 형성 조건에 대하여, 수지를 폴리스티렌(상품명: CR-2500, 압축 탄성율: 3.5 GPa)으로 하고, 수지 온도를 250℃, 가공 속도를 2.0 m/분으로 변경한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 분리막의 강연도는 290 ㎜였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 23.9 m3/day 및 99.59%이며, 붕소 제거율은 90.0%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 21)
투과측 유로재의 형성 조건에 대하여, 폴리스티렌에 대하여 탄산칼슘(와코 순약공업사 제조)을 25 wt% 첨가하고, 압축 탄성율을 4.0 GPa로 한 점 이외는 모두 실시예 20과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 그리고, 분리막의 강연도는 320 ㎜였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 24.0 m3/day 및 99.58%이며, 붕소 제거율은 90.0%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 22)
투과측 유로재의 형성 조건에 대하여, 폴리스티렌에 대하여 규산 마그네슘(와코 순약공업사 제조)을 50 wt% 첨가한 점 이외는 모두 실시예 20과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 투과측 유로재의 압축 탄성율은 4.2 GPa이며, 분리막의 강연도는 390 ㎜였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 24.0 m3/day 및 99.50%이며, 안정성은 89.7%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 23)
실시예 3에서 제작한 분리막을, 실시예 2와 동일하게, 집수관의 주위에 스파이럴형으로 권취함으로써, 권취체를 제작하였다. 권취체의 외주면을, 통형으로 연속 압출 성형된 네트(두께: 0.7 ㎜, 피치: 5 ㎜×5 ㎜, 섬유 직경: 350㎛, 투영 면적비: 0.13)로 피복하였다. 피복된 권취체의 양단의 에지 컷을 행한 후, 권취체의 일단에 구멍이 없는 단판(제1 단판(91)에 상당함)을 장착하고, 타단에 구멍이 형성된 단판(제2 단판(92)에 상당함)을 권취체에 장착하였다. 본 실시예의 분리막 엘리먼트는, 원수의 공급구를 분리막 엘리먼트의 외주면에만 구비하고 있으며, 도 9에 나타내는 제2 형태의 분리막 엘리먼트(100B)에 상당한다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 22.4 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.0%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(실시예 24)
권취체의 양단에 구멍이 형성된 단판(제2 단판(92)에 상당함)을 권취체에 장착하였다. 본 실시예의 분리막 엘리먼트는, 공급구를 분리막 엘리먼트의 외주면과 단부의 양쪽에 구비하고 있고, 도 10에 나타내는 제3 형태의 분리막 엘리먼트(100C)에 상당한다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 23.1 m3/day 및 99.61%이며, 붕소 제거율은 90.1%였다. 그리고, 가압 여과 전후의 유로재의 높이의 변형량은 40% 이하였다.
(비교예 1)
투과측에 배치하는 투과측 유로재로서, 연속 형상을 가지는 트리코(두께: 280㎛, 홈 폭: 400㎛, 이랑폭: 300㎛, 홈 깊이: 105㎛, 폴리에틸렌 테레프탈레이트제)를 사용한 점 이외는 모두 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 21.1 m3/day 및 99.67%이며, 붕소 제거율은 90.4%였다.
(비교예 2)
투과측 유로재를 형성하는 조건에 대하여, 수지를 에틸렌아세트산 비닐계 핫멜트(701A, 압축 탄성율: 0.04 GPa)로 하고, 수지 온도를 115℃, 가공 속도를 5.0 m/분으로 한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 그리고, 분리막의 강연도는 170 ㎜였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 9.7 m3/day 및 99.67%이며, 붕소 제거율은 90.3%였다.
(비교예 3)
투과측 유로재를 형성하는 조건에 대하여, 수지를 올레핀계 핫멜트(2705, 압축 탄성율: 0.08 GPa)로 하고, 수지 온도를 145℃, 가공 속도를 7.0 m/분으로 한 점 이외는 모두 실시예 3과 동일한 방법으로, 분리막을 제작하였다. 이 분리막을 사용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로, 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 그리고, 분리막의 강연도는 170 ㎜였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 전술한 조건에서 운전을 행하여 투과수를 얻은 바, 조수량 및 탈염율은, 각각 10.1 m3/day 및 99.61%이며, 안정성은 90.3%였다. 결과로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예의 분리막 및 분리막 엘리먼트는, 높은 조수 성능, 안정된 운전 성능, 우수한 제거 성능을 가지고 있다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
[표 4]
[표 5]
[표 6]
[표 7]
[산업상 이용가능성]
본 발명의 막엘리먼트는, 특히, 함수나 해수의 탈염에 바람직하게 사용할 수 있다.
1: 분리막
11: 봉투형막
2: 분리막 본체
21: 공급측의 면
22: 투과측의 면
201: 기재
202: 다공성 지지층
203: 분리 기능층
31: 투과측 유로재
32: 공급측 유로재
4: 분리막 리프
5: 투과측 유로
6: 집수관
7: 분리막
71: 공급측의 면
72: 투과측의 면
82: 다공성 부재
91: 단판(구멍 없음)
92: 단판(구멍 있음)
100: 분리막 엘리먼트
a: 분리막(리프) 길이
b: 투과측 유로재의 폭 방향 간격
c: 투과측 유로재의 고저차
d: 투과측 유로재의 폭
e: 투과측 유로재의 길이 방향의 간격
f: 투과측 유로재의 길이
R2: 분리막에 있어서 권취 방향 내측으로부터 외측으로 배열된 투과측 유로재의 선두에서 최후미까지를 포함하는 영역
R3: 분리막의 권취 방향 외측 단부에 있어서 투과측 유로재가 설치되어 있지 않은 영역
L1: 분리막 전체의 길이(상기 길이(a))
L2: 영역(R2)의 길이
L3: 영역(R3)의 길이
100: 분리막 엘리먼트
100A: 분리막 엘리먼트(제1 형태)
100B: 분리막 엘리먼트(제2 형태)
100C: 분리막 엘리먼트(제3형태)
101: 원수
102: 투과수
103: 농축수
11: 봉투형막
2: 분리막 본체
21: 공급측의 면
22: 투과측의 면
201: 기재
202: 다공성 지지층
203: 분리 기능층
31: 투과측 유로재
32: 공급측 유로재
4: 분리막 리프
5: 투과측 유로
6: 집수관
7: 분리막
71: 공급측의 면
72: 투과측의 면
82: 다공성 부재
91: 단판(구멍 없음)
92: 단판(구멍 있음)
100: 분리막 엘리먼트
a: 분리막(리프) 길이
b: 투과측 유로재의 폭 방향 간격
c: 투과측 유로재의 고저차
d: 투과측 유로재의 폭
e: 투과측 유로재의 길이 방향의 간격
f: 투과측 유로재의 길이
R2: 분리막에 있어서 권취 방향 내측으로부터 외측으로 배열된 투과측 유로재의 선두에서 최후미까지를 포함하는 영역
R3: 분리막의 권취 방향 외측 단부에 있어서 투과측 유로재가 설치되어 있지 않은 영역
L1: 분리막 전체의 길이(상기 길이(a))
L2: 영역(R2)의 길이
L3: 영역(R3)의 길이
100: 분리막 엘리먼트
100A: 분리막 엘리먼트(제1 형태)
100B: 분리막 엘리먼트(제2 형태)
100C: 분리막 엘리먼트(제3형태)
101: 원수
102: 투과수
103: 농축수
Claims (14)
- 분리막 본체와, 상기 분리막 본체 상에 고착된 유로재를 구비하는 분리막으로서,
상기 유로재의 압축 탄성율이 0.1 GPa 이상 5.0 GPa 이하인, 분리막. - 제1항에 있어서,
상기 분리막의 강연도(剛軟度)가 400 ㎜ 이하인, 분리막. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
원수(原水) 온도 25℃ 이하에서, 또한 압력 5.5 MPa 이하에서 운전했을 때의, 상기 유로재의 높이의 변형율이 40% 이하인, 분리막. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리막 본체는, 공급측의 면과 투과측의 면을 구비하고,
상기 유로재는, 상기 투과측의 면에 설치되는, 분리막. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로재는, 상기 분리막 기능층과는 상이한 재료로 형성되어 있는, 분리막. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로재와 상기 분리막 표면의 사이의 높이가 30㎛ 이상 800㎛ 이하인, 분리막. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로재가 제1 방향에 있어서 상기 분리막 본체 상에 불연속으로 설치되어 있는, 분리막. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로재는, 상기 제1 방향에 대하여 직교하는 방향에 있어서, 상기 분리막 본체의 일단으로부터 타단까지 연속형으로 설치되어 있는, 분리막. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
인접하는 유로재의 간격이 0.05 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하인, 분리막. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로재가 열가소성 수지로 형성되어 있는, 분리막. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리막 본체가, 기재(基材)와, 상기 기재 상에 설치된 다공성 지지층과, 상기 다공성 지지층 상에 설치된 분리 기능층을 구비하고
상기 기재가 장섬유 부직포인, 분리막. - 제11항에 있어서,
상기 장섬유 부직포의 상기 다공성 지지층과는 반대측의 표층(表層)에서의 섬유가, 상기 다공성 지지층 측의 표층의 섬유보다 세로 배향인, 분리막. - 집수관과, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 상기 분리막을 구비하고,
상기 분리막은, 상기 제1 방향이 상기 집수관의 길이 방향을 따르도록 배치되고, 또한 상기 집수관의 주위에 권취되어 있는, 분리막 엘리먼트. - 적어도 기재 및 분리 기능층을 가지는 분리막 본체를 준비하는 공정;
압축 탄성율이 0.1 GPa 이상 5.0 GPa 이하인 재료를 열에 의해 연화하는 공정;
연화된 상기 재료를, 상기 분리막 본체의 기재측의 면에 배치함으로써, 투과측 유로재를 형성하는 공정; 및
상기 재료를 고화(固化)함으로써, 상기 분리막 본체 상에 상기 투과측 유로재를 고착시키는 공정
을 포함하는 분리막의 제조 방법.
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