KR20140085444A

KR20140085444A - 해수 담수화 전처리용 분리막 및 해수 담수화 전처리 장치

Info

Publication number: KR20140085444A
Application number: KR1020147009232A
Authority: KR
Inventors: 히데키 가시하라; 사토시 야하기; 슈지 하하쿠라
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2014-07-07
Also published as: SG11201400896YA; ES2545805R1; ES2545805A2; WO2013051110A1; CN103874661B; CN103874661A

Abstract

높은 제거율로 TEP의 제거를 행하면서도, 높은 유속(flux)을 유지하여 압력을 올리는 일 없이 충분한 양의 원수(raw water)를 꾸준히 RO막에 공급할 수 있는 해수 담수화 전처리(seawater desalination pretreatment)용 분리막과 해수 담수화 전처리 장치 및 해수 담수화 방법을 제공한다. 역침수막을 이용한 해수 담수화의 전처리에 이용되는 해수 담수화 전처리용 분리막으로서, 일정 유속으로 여과를 행하면서, 초기 30분의 평균 막간 차압 P1과 120분 경과 이후 30분간의 평균 막간 차압 P2와의 사이에서 P2≤1.5×P1을 만족할 수 있는 유속의 최고값으로서 정의되는 표준 유속 A가 2m/d 이상임과 함께, 하기식으로 나타나는 당류 제거율 B 또는 입상 카본 제거율 C가 0.3 이상 바람직하게는 0.5 이상인 해수 담수화 전처리용 분리막이다.
당류 제거율 B＝(1－여과수 중의 당류량/원수 중의 당류량)
입상 카본 제거율 C＝(1－여과수 중의 POC/원수 중의 POC)
단 POC: 현탁체 유기 탄소량(전체 유기 탄소량과 용존 유기 탄소량과의 차)

Description

해수 담수화 전처리용 분리막 및 해수 담수화 전처리 장치{SEPARATION MEMBRANE FOR SALTWATER DESALINATION PRETREATMENT AND SALTWATER DESALINATION PRETREATMENT DEVICE}

본 발명은, 해수의 탁질(suspended substance)을 효과적으로 제거할 수 있는 해수 담수화 전처리(seawater desalination pretreatment)용 분리막, 해수 담수화 전처리 장치, 해수 담수화 장치 및 해수 담수화 방법에 관한 것이다.

해수의 담수화 처리 방법 중 하나로, 해수에 압력을 가하여 역침투막(RO막, Reverse Osmosis Membrane)으로 통과시킴으로써, 탈염(desalt)하여 담수를 얻는 방식이 있다. 이 역침투막은 0.1∼0.5㎚ 정도의 지름의 초미세공을 갖는 반투막으로, 물분자만을 선택적으로 투과시키고, 소금 등의 불순물은 투과하지 않는 성질을 갖고 있다.

그러나, 원수(raw water)인 해수에는, 조대(coarse)한 입자로 이루어지는 탁질을 포함하는 것도 많다. 그래서, 이 탁질에 의한 역침투막의 오염을 막기 위해, 일반적으로, 역침투막에 의한 처리 전에, 원수 중으로부터 탁질을 제거하는 전처리가 행해지고 있다.

이 전처리의 일 예로서, 모래 여과나, 역침투막의 구멍보다 큰 구멍을 갖는 막에 의한 여과, 예를 들면 정밀여과(microfiltration, MF)나 한외여과(ultrafiltration, UF) 및, 이들의 조합 등이 행해지고 있다(비특허문헌 1).

정밀여과란, 공경(pore diameter)이 100∼1000㎚ 정도인 정밀 여과막(MF막)에 원수를 통과시킴으로써 탁질을 제거하는 방법을 말하며, 또한, 한외여과란, 공경이 1∼100㎚ 정도인 한외여과막(UF막)에 원수를 통과시킴으로써 탁질을 제거하는 방법을 말한다.

비특허문헌 1: 후쿠오카 지구 수도 기업단 "담수화의 구조", [online], [평성 22년 6월 7일 검색], 인터넷 <URL: http://www.f-suiki.or.jp/seawater/facilities/mechanism.php>

그러나, 해수 중에는, 플랑크톤이나 미생물이 세포 외로 분비하는 TEP(transparent exopolymer particles: 투명 세포 외 고분자 입자)라고 불리는 점착성 물질이, 1∼수ppm 정도 존재하고 있다. TEP는 주성분이 당질이고, 폴리머 가교체에 물을 취입하여 100배의 체적으로 부풀어 오르는 입경이 1∼200㎛ 정도인 젤리 형상 입자이며, 본 발명자들은, 해수를 MF막이나 UF막으로 여과한 경우, 이 TEP가 막 표면에 점착하여 퍼져, MF막이나 UF막의 파울링(fouling; 눈막힘)을 발생시키는 것을 발견했다. 그리고, 파울링이 많아지는 것에 수반하여, 유속(flux)(단위 면적, 단위 시간당의 여과량)이 급속히 저하된다.

이 때문에, MF막이나 UF막에 의한 여과에 앞서, 1㎛ 이상의 평균 공경을 갖는 여과막(LF막)을 이용하여, 미리 TEP의 제거를 행하는 것 등을 본 발명자들은 검토하고 있지만, 이 LF막에 있어서도, 상기한 파울링의 발생에 수반하는 유속의 저하가 빠른 단계에서 발생되는 경우가 있어, 충분하다고는 말할 수 없다.

즉, 종래의 전처리에 있어서는, TEP의 제거율과 유속과의 사이에는 부(negative)의 상관 관계가 있어, 제거율을 증가시킨 경우에는, 보다 단시간에 파울링이 발생하여, 유속의 급속한 저하를 초래한다. 이 때문에, 유속의 저하에 맞추어 압력을 올림으로써, 유속을 일정하게 유지하고, RO막에 TEP가 제거된 원수를 꾸준히 공급하는 것이 행해지고 있다.

그러나, 압력이 오르면 막을 약품 등으로 세정할 필요가 있어 비용이 커지고, 파울링이 되면 세정해도 회복되지 않게 되어 막 교환이 필요해져 메인터넌스 비용이 커진다. 또한, 유속이 작아지면 많은 막 면적을 필요로 하여 설비 비용이 커진다. 그리고, 압력을 올리기 위해서는 보다 강력한 펌프가 필요해져, 여분의 설비 비용이 발생한다. 또한, 막의 내압성의 면에서도, 압력을 올리는 것에는 한도가 있다.

그래서, 본 발명은, 높은 제거율로 TEP의 제거를 행하면서도, 높은 유속을 유지하여, 압력을 크게 올리는 일 없이, 충분한 양의 원수를 꾸준히 RO막에 공급할 수 있는 해수 담수화 전처리용 분리막과 해수 담수화 전처리 장치 및 해수 담수화 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 종래의 전처리용 분리막은, 연통공을 갖는 다공질체를 이용하여, 그 공경에 의해 지름이 큰 TEP를 포착하고 있지만, 포착과 동시에 구멍이 봉지되어 파울링이 발생하여, 유속을 저하시키고 있는 것을 고려하여, TEP를 확실히 포착할 수 있는 막재를 찾아, 여러 가지의 실험과 검토를 행했다.

그 결과, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이, 이 막재로서 적합하다는 것을 알 수 있었다. 즉, PTFE는, 섬(island) 형상으로 분포하는 수지의 덩어리에 의해 형성된 큰 구멍과, 이 수지의 덩어리 간에 미세 섬유가 뒤얽힌 피브릴(fibril) 구조를 갖는 다공질체이기 때문에, 큰 공경에 의해 충분한 유속을 확보할 수 있는 한편, 공경이 TEP의 지름보다도 큰 경우라도, 뒤얽힌 미세 섬유에 의해 TEP의 포착을 행할 수 있다.

다음으로, 본 발명자들은, 유속의 확보에 관한 지표로서 이하에 나타내는 표준 유속 A를, 또한, TEP의 제거율에 관계하는 지표로서 이하에 나타내는 당류 제거율 B를 이용하여, 막재를 구체적인 수치에 의해 평가했다.

표준 유속 A는, 일정 유속으로 여과를 행하여, 초기 30분의 평균 막간 차압(average intermembrane differential pressure) P1과, 120분 경과 이후 30분간의 평균 막간 차압 P2와의 사이에서, P2≤1.5×P1을 만족할 수 있는 유속의 최고값을 가리킨다.

당류 제거율 B는, TEP가 당질을 주성분으로 하는 젤리 형상 입자인 점에서, TEP의 제거율에 관계하는 지표로서 이용하는 것으로, 하기식에 의해 구해진다.

당류 제거율 B＝(1―여과수 중의 당류량/원수 중의 당류량)

상기 당류 제거율 B의 계산에 있어서, 당류량은, 수중의 각 유기물마다 그 당류량을 정량 분석하고, 그것들을 총 합계함으로써 구해진다. 그러나, 수중의 유기물의 종류는 방대하기 때문에, 본 발명자들은, 보다 간편하게, 수중의 유기물을 한데 모아 측정하는 방법으로서, 수중의 유기물을 유기체 탄소의 총량(탄소량)으로서 측정하는 TOC(Total Organic Carbon: 전체 유기 탄소)에 착안했다.

그리고, TOC계를 이용하여, 원수 및 여과수에 대해서, TOC 및 DOC(Dissolved Organic Carbon: 용존 유기 탄소)를 측정하고, 양자의 차로서 POC(Particulate Organic Carbon: 현탁체 유기 탄소, 입상 카본)를 구하여, 얻어진 각 POC에 기초하여 하기식에 의해 구해진 입상 카본 제거율 C가, 상기 당류 제거율 B를 대신하여 TEP의 제거율에 관계하는 지표로서 유용한 것을 발견했다.

입상 카본 제거율 C＝(1―여과수 중의 POC/원수 중의 POC)

상기 각 지표에 대해, 여러 가지의 실험을 행하고, 검토한 결과, 표준 유속 A가 2m/d 이상이고, 또한 당류 제거율 B 또는 입상 카본 제거율 C가 0.3 이상, 바람직하게는 0.5 이상인 막재를 이용함으로써, 충분한 유속을 확보하면서, 높은 제거율로 TEP의 제거를 행할 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, m/d는, 단위막 면적(1㎡)당 1일(day)의 여과 유량(㎥)을 나타낸다.

상기 각 지표에 기초하여, 상기 PTFE에 대해 평가한 결과, 표준 유속 A에 대해서는, 종래의 막재에서는 1.5m/d 정도였던 것에 대하여, PTFE에서는 2m/d 이상으로, 수치적으로도 명확히 PTFE가 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 당류 제거율 B 및 입상 카본 제거율 C에 대해서도, PTFE의 경우, 종래의 막재에서는 얻을 수 없었던 0.4 이상의 제거율을 나타내고 있으며, 이러한 면에서도, PTFE가 수치적으로도 명확히 우수한 것을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 표준 유속 A가 2m/d 이상이고, 또한 당류 제거율 B 또는 입상 카본 제거율 C가 0.3 이상, 바람직하게는 0.5 이상인 막재를 이용함으로써, 충분한 유속을 확보하면서, 높은 제거율로 TEP의 제거를 행할 수 있다.

이상의 평가 결과는, PTFE막재에 한정되지 않고, 큰 구멍과 피브릴 구조를 갖는 다공질체이면, 동일한 평가 결과를 얻을 수 있다고 생각된다.

또한, 상기한 표준 유속 A와, 당류 제거율 B 또는 입상 카본 제거율 C를 곱한 값을 지표로 한 경우, 이 값이 2 이상이 되었을 때에는, 효과가 상승적(相乘的)으로 되어, 매우 우수한 전처리를 행할 수 있는 것을 알 수 있었다. PTFE는 이러한 값도 만족하고 있다. 상기의 값은, 5 이상이면 보다 바람직하고, 10 이상이면 더욱 바람직하다.

청구항 1∼18에 기재된 발명은, 이들의 지견에 기초하는 것이다. 즉, 청구항 1에 기재된 발명은, 역침투막을 이용한 해수 담수화의 전처리에 이용되는 해수 담수화 전처리용 분리막으로서, 일정 유속으로 여과를 행하여, 초기 30분의 평균 막간 차압 P1과, 120분 경과 이후 30분간의 평균 막간 차압 P2와의 사이에서, P2≤1.5×P1을 만족할 수 있는 유속의 최고값으로서 정의되는 표준 유속 A가, 2m/d 이상임과 함께, 하기식으로 나타나는 당류 제거율 B가, 0.3 이상인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막이다.

당류 제거율 B＝(1―여과수 중의 당류량/원수 중의 당류량)

그리고, 청구항 2에 기재된 발명은, 상기 당류 제거율 B가 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막이다.

또한, 청구항 10에 기재된 발명은, 역침투막을 이용한 해수 담수화의 전처리에 이용되는 해수 담수화 전처리용 분리막으로서, 일정 유속으로 여과를 행하여, 초기 30분의 평균 막간 차압 P1과, 120분 경과 이후 30분간의 평균 막간 차압 P2와의 사이에서, P2≤1.5×P1을 만족할 수 있는 유속의 최고값으로서 정의되는 표준 유속 A가, 2m/d 이상임과 함께, 하기식으로 나타나는 입상 카본 제거율 C가, 0.3 이상인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막이다.

입상 카본 제거율 C＝(1－여과수 중의 POC/원수 중의 POC)

단, POC: 현탁체 유기 탄소량(전체 유기 탄소량과 용존 유기 탄소량과의 차)

그리고, 청구항 11에 기재된 발명은, 상기 입상 카본 제거율 C가 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 청구항 10에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막이다.

또한, 청구항 3, 12에 기재된 발명은, 상기 해수 담수화 전처리용 분리막이, 폴리테트라플루오로에틸렌제인 것을 특징으로 하는 청구항 1, 10에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막이다. 　

다음으로, 청구항 4, 13에 기재된 발명은, 상기 해수 담수화 전처리용 분리막의 공경이, 1㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 청구항 1, 10에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막이다.

본 발명에 있어서는, 공경이 1㎛ 이상인 LF막을 이용하는 것이 바람직하다. 여기에서 막의 공경은 평균 공경으로 나타낸다. 평균 공경이란, 버블 포인트법(에어 플로우법)으로 구한 공경을 의미한다.

구체적으로는, 이 공경은, 이소프로필알코올을 이용하고 ASTM F316에 기초하여 측정된 IPA 버블 포인트값(압력)을 P(㎩), 액체의 표면 장력(dynes/㎝)을 γ, B를 모세관 정수로 했을 때, 다음의 식으로 나타나는 지름 d(㎛)를 의미한다. 또한, MF막, UF막 등의 평균 공경에 대해서도 동일하다.

d＝4Bγ/P

LF막은 1㎛ 이상의 평균 공경을 갖기 때문에, 단위막 면적당의 유량(유속)을 크게 할 수 있으며, 역으로 보면, 보다 작은 설비로 소망하는 처리량을 얻을 수 있다. LF막의 평균 공경이 작을수록, 보다 작은 입자의 제거가 가능해져, 전처리에 있어서의 탁질이나 TEP 등의 유기성 입자의 제거율은 향상된다. 한편, LF막의 평균 공경이 작을수록, 단위막 면적당의 유량(유속)은 작아진다. 따라서, 탁질이나 TEP 등의 유기성 입자의 소망하는 제거율 및 단위막 면적당의 유량(유속)을 고려하여 최적의 공경이 선택된다.

청구항 5, 14에 기재된 발명은, 상기 해수 담수화 전처리용 분리막이, 친수화 가공되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 청구항 1, 10에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막이다.

막이 PTFE막 등의 소수성(疏水性)의 재질로 이루어지는 고분자막(소수성 고분자막)인 경우, 일반적으로는, 피처리액과의 친화성을 향상시키기 위해, 예를 들면, PTFE막을 비닐 알코올 등의 친수화 화합물로 표면 가교하는 방법으로 친수화 가공이 시행된다.

그러나, 본원 발명자들은, 전처리용 분리막으로서 이용하는 경우에는, 친수성 재료를 막 표면에 가교·고정화하는 친수화 가공이 시행되어 있지 않음으로써, 높은 유속과 당류 제거율 혹은 입상 카본 제거율을 확보할 수 있는 것을 발견했다.

또한, 이러한 가공과는 상이하게, 피처리액을 투과시키기 전에, 막과 친수성 알코올을 접촉시켜, 막의 표면(구멍 내를 포함함)을 친수성 알코올로 덮는 방법으로의 친수화 처리는 이용하는 것이 바람직하다. 친수성 알코올로서는, 에탄올, 프로판올 등을 들 수 있으며, 특히 이소프로판올이 바람직하게 이용된다.

청구항 6, 15에 기재된 발명은, 청구항 1, 10에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막이 여과막으로서 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리 장치이다.

충분히 유기물을 제거할 수 있고, 게다가 유속의 저하를 충분히 억제할 수 있는 해수 담수화 전처리용 분리막을 이용하고 있기 때문에, 해수 담수화 장치에, 유기물을 제거한 충분한 양의 원수를 안정적으로 이송할 수 있다.

청구항 7, 16에 기재된 발명은, 청구항 1, 10에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막을 이용한 전처리 수단의 후에, 정밀여과막 또는 한외여과막을 이용한 전처리 수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 6, 15에 기재된 해수 담수화 전처리 장치이다.

보다 공경이 작은 정밀여과막 또는 한외여과막을 추가로 배치함으로써, 상기 해수 담수화 전처리용 분리막에 의해 제거된 유기물 이외의 미세한 탁질을 추가로 제거할 수 있는 우수한 여과 특성의 해수 담수화 전처리 장치를 제공할 수 있다.

청구항 8, 17에 기재된 발명은, 청구항 6, 15에 기재된 해수 담수화 전처리 장치와, 역침투막을 이용한 탈염 처리 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 장치이다.

우수한 여과 특성의 해수 담수화 전처리 장치를 이용함으로써, 충분히 유기물이 제거된 원수를 공급할 수 있기 때문에, 역침투막을 이용한 탈염 처리 장치로, 장시간에 걸쳐, 탈염 처리를 행한 경우라도, RO막에 파울링이 발생하는 것이 억제된 해수 담수화 장치를 제공할 수 있다.

청구항 9, 18에 기재된 발명은, 청구항 6, 15에 기재된 해수 담수화 전처리 장치를 이용하여 여과된 원수를, 역침투막법을 이용하여 탈염 처리하는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 방법이다.

충분히 유기물이 제거된 원수에 대하여 탈염 처리를 행하기 때문에, 장시간에 걸쳐, 탈염 처리를 행한 경우라도, RO막에 파울링이 발생하는 것이 억제된다.

본 발명에 의하면, 높은 제거율로 TEP의 제거를 행하면서도, 높은 유속을 유지하여, 압력을 올리는 일 없이, 충분한 양의 원수를 꾸준히 RO막에 공급할 수 있다.

도 1은 본 실시 형태의 분리막을 설명하는 도면이고, 도 1(a)는 분리막을 평면적으로 본 개략도, 도 1(b)는 결절부(joint portion)와 세섬유(fine fiber)의 구조에 의해 젤리 형상의 대상물 M을 보충하는 모습을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 분리막을 이용한 전처리 장치를 구비하는 해수 담수화 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 도면을 이용하여 본 발명을 실시 형태에 기초하여 설명한다.

1. 분리막

우선, 본 실시 형태의 해수 담수화 전처리용 분리막에 대해서 설명한다. 도 1은 본 실시 형태의 분리막을 설명하는 도면이다. 도 1(a)는 당해 분리막을 평면적으로 본 개략도이다.

본 실시 형태에 따른 분리막은, PTFE제의 다공막으로서, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 다수의 결절부(1)와, 결절부(1)끼리를 연결하는 굵기가 1㎛ 이하인 다수의 세섬유(피브릴)(3)로 구성되어 있으며, 각 결절부(1)의 사이에 다수의 세공(2)이 형성되어 있다.

도 1(b)는 결절부(1)와 세섬유(3)의 구조에 의해 젤리 형상의 대상물 M을 보충하는 모습을 나타내는 개략도이다. 세섬유(3)는, 평면 방향 및 두께 방향으로 불규칙하게 뒤얽힌 상태로 존재하고 있기 때문에, 세공(2)의 공경이 커도, 막의 두께 방향 전체를 통하여 당류를 주(主)성분으로 하는 젤리 형상의 카본을 확실히 포착할 수 있다. 젤리 형상의 카본을 제거함으로써, 원수 중의 전체 카본(TOC)이 감소하고, 그 중에서도 입상 카본(POC)이 감소한다. 이에 따라, 예를 들면, 5m/d와, 종래의 1.5m/d 정도의 분리막에 비하여 고유속을 유지하면서, 높은 제거율로 당류를 여과할 수 있다.

2. 유속의 측정

유속은, 일정 유속으로 여과를 행하고, 초기 30분의 평균 막간 차압 P1과, 120분 경과 이후 30분간의 평균 막간 차압 P2와의 사이에서, P2≤1.5×P1을 만족할 수 있는 유속의 최고값을 구하여, 표준 유속 A로 한다.

3. 제거율의 측정

다음으로, 제거율의 측정 방법에 대해서 설명한다. 제거율은, 일반적으로는 당류 제거율로 평가되지만, 측정의 간편함의 관점에서, 당류 제거율을 대신하여, 입상 카본 제거율로 평가할 수도 있다.

(1) 당류 제거율

당류 제거율은,

당류 제거율＝1－여과수 중의 당류량/원수 중의 당류량

으로 나타나며, 당분 분석에 의해 여과수 중의 당류량 및 원수 중의 당류량을 측정한다.

구체적으로는, 당 분석계, 예를 들면, 전기 화학 검출기를 구비하는 닛폰다이오넥스사 제조의 당 분석계 ICS-3000을 이용하여, 수중의 각종 당을 정량 분석하고, 그 총합을 ppm으로 나타낸다.

(2) 입상 카본 제거율

입상 카본 제거율은,

입상 카본 제거율＝1－여과수 중의 POC/원수 중의 POC

로 나타나며, 여과수 중 및 원수 중의 POC는, 이하의 순서로 산정된다.

Ⅰ. 시료(원수 및 여과수)의 TOC를 TOC계로 측정한다.

Ⅱ. 시료를 공경 0.1㎛의 필터로 여과한다(이에 따라, POC가 100％ 제거되어 여과수에는 DOC만이 남음).

Ⅲ. 여과수 중에 포함되는 DOC를 TOC계로 측정한다.

Ⅳ. 측정한 TOC와 DOC로부터

POC＝TOC－DOC

에 의해 POC를 산정한다.

전술에 있어서, TOC는, 원수 중에 존재하는 유기 화합물 중의 전체 탄소량(전체 유기 탄소, Total Organic Carbon)을 나타내고, DOC는, 여과수 중에 존재하는 유기 화합물 중의 탄소량(용존 유기 탄소, Dissolved Organic Carbon)을 나타내고, POC는, 제거된 입상 카본(현탁체 유기 탄소, Particulate Organic Carbon)을 나타낸다.

또한, TOC는, 연소 산화 비(非)분산 적외선 흡수 방식에 의해 측정된다. 구체적으로는, 백금 촉매를 사용하여 고온이고 고순도인 공기 또는 산소로 유기물을 연소시킨다. 연소로 발생한 이산화탄소 농도를 가스 분석계로 측정하여, TOC를 측정한다. TOC계로서는, 예를 들면 시마즈세이사쿠죠사 제조, TOC-Vc 시리즈를 이용한다.

4. 해수 담수화 장치

다음으로, 해수 담수화 장치에 대해서 설명한다. 도 2에 나타내는 해수 담수화 장치는, 전처리 장치(11)와 전처리한 해수를 탈염하는 탈염 장치(10)로 구성되어 있다. 도면 중의 화살표는 처리 대상인 물의 흐름을 나타내고, 전처리 장치(11)의 전단(前段)에는 펌프가 배치되어 있다.

(1) 전처리 장치

전처리 장치(11)는, 전술한 구성의 분리막을 구비하고 있다. 전술의 분리막만으로의 1단 여과로 구성해도 좋고, 또한, 전술한 구성의 분리막을 구비한 제1 전처리 장치와, UF막에 의한 한외여과나 MF막에 의한 정밀여과를 행하는 제2 전처리 장치와의 2단 여과로서 전처리 장치를 구성해도 좋다. 1단 여과라도 충분히 당류 제거의 효과가 있으며, 전처리 장치 전체의 막 면적을 적게할 수 있는 점에서 효과적이지만, 2단 여과로 함으로써 추가로 다른 제거 대상물을 포함한 여과의 정도를 향상시킬 수 있다.

(2) 탈염 장치

탈염 장치(10)는, 공경이 1∼2㎚ 정도인 역침투막을 구비하고 있다. 탈염 장치(10)는, 역침투막이 스파이럴형이나 튜뷸러형으로 구성된 것이라도 좋고, 중공사막(hollow fiber membrane)으로 구성된 것이라도 좋지만, 대량의 해수를 처리하기 위한 구조로 하는 것이 필요하다.

전술한 바와 같이 구성된 해수 담수화 장치는, 우선, 해수를 전처리 장치(11)로 전술한 분리막에 통과시킴으로써 전처리하여, 해수 중의 유기 탁질이나 무기 고형물을 여과하여 제거한다. 이어서, 전처리 장치(11)로 유기 탁질이나 무기 고형물을 제거한 해수를, 탈염 장치(10)에 통과시켜 탈염하고, 담수를 얻는다.

장기간의 운전에 의해, 전처리 장치(11)나 탈염 장치(10)의 능력이 저하된 바와 같은 경우에는, 역세정하여 능력을 되돌리고, 반복하여 해수의 탈염 처리에 사용할 수 있다.

본 발명의 분리막을 이용한 해수 담수화의 전처리 장치(11)는, 전술한 분리막을 통과시킴으로써, 해수 중의 유기 탁질이나 무기 고형물을 여과하여 제거한다. 이 때문에, 탈염 장치에서의 눈막힘을 효과적으로 막을 수 있고, 탈염 장치를 소형화할 수 있음과 함께, 탈염 비용을 저감할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 분리막을 이용한 전처리 장치를 실시예에 기초하여 설명한다.

(실시예 1)

본 실시예에서는, 입상 카본 제거율을 이용하여, 분리막의 평가를 행하고 있다.

1. 여과

해수를 원수로 하여 본 발명의 분리막을 구비한 친수 TT 방식의 전처리 장치를 이용하여 여과했다. 여기에서, 친수 TT 방식이란, 본 발명에 사용하는 피브릴 구조를 가진 막을 이용한 처리 방식을 명명한 것이며, 표면에 친수 폴리머를 가교 고정하여 친수화 가공한 막(PTFE제 LF막)을 「친수 TT막」이라고 부르고, TT는 TEP Trap의 머리 글자로부터 명명된 것이다. 후술하는 「소수 TT 방식」은, 친수화 가공을 시행하지 않는 소수성의 막을 이용한 경우(알코올에 의한 친수화 처리는 최초로 실시함)의 방식을 말한다.

(1) 중공사 모듈

피브릴 구조를 갖는 PTFE제의 중공사막(포어플론(POREFLON)(등록상표) 타입: TBW-2311-200)을 형성한 중공사막 모듈을 이용했다. 이 중공사막 모듈의 상세는 이하와 같다.

표준 유속: 10m/d

중공사막: 개수 360개

유효 길이 1000㎜

중공사 외경 2.3㎜

중공사 내경 1.1㎜

중공사막 두께 600㎛

공경 2.0㎛(평균의 입자 저지율 90％ 이상)

기공률 70

여기에서, 기공률＝100×{1－(중공사 수지 체적 cc)/(중공사 부피 체적 cc)}

중공사 수지 체적(hollow fiber resion volume)＝중공사 중량 g/PTFE 밀도

중공사 부피 체적(hollow fiber bulk volume)＝중공사 단면적 ㎠×길이 ㎝

(2) 여과 조건

압력: 50k㎩의 압력하에서 여과를 행했다.

2. 유속 및 제거율의 측정

(1) 측정 방법

Ⅰ. 유속의 측정

일정 시간에 메스실린더에 고이는 여과수량에 의해 유속을 측정했다.

Ⅱ. 입상 카본 제거율의 측정

연소 촉매 산화 방식의 TOC계(전체 유기체 탄소계), 시마즈세이사쿠죠사 제조, 타입 TOC-Vc를 이용하여 입상 카본 제거율을 측정했다. 또한, 참고로서 실리카, 알루미늄, 철에 대해서도 분석을 행했다.

(2) 측정 결과

Ⅰ. 유속

유속은, 10m/d였다.

Ⅱ. 제거율

측정 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1로부터, POC는 0.23ppm에서 0ppm으로 제거되어 있다, 즉, 입상 카본 제거율 1.0으로 제거되어 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 실리카, 알루미늄, 철에 대해서도 제거되어 있는 것이 확인되었다.

이상으로부터, 본 발명의 해수 담수화 전처리용 분리막을 이용하면, 유속을 높게 할 수 있고, 또한, 제거율도 높게 할 수 있는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

본 실시예에서는, 당류 제거율을 이용하여, 분리막의 평가를 행하고 있다.

1. 여과

시즈오카현 시즈오카시 연안의 해수를 원수로 하여 본 발명의 분리막을 구비한 친수 TT 방식 및 소수 TT 방식의 전처리 장치를 이용하여 여과했다. 또한, 비교를 위해 2㎛ 메쉬의 철망을 이용하여 여과했다. 이하의 측정 이외는 실시예 1과 동일하다.

2. 측정

(1) 당류 제거율의 측정

당분 분석에 의해 TOC 및 갈락토오스, 글루코오스에 대해서 제거율의 측정을 행했다. 구체적으로는 이하의 순서로 분석을 행했다.

a. 시료의 조정

시료 980mL(밀리리터)를 수회에 걸쳐 동결 건조를 행하고, 물을 이용하여 세정하여 정확히 100mL로 했다.

b. 가수분해

조정한 시료 1mL와 4㏖/L 트리플루오로아세트산 1mL를 혼합하고, 감압 봉관 후, 100℃에서 3시간 가열하여, 가수분해를 행했다.

실온까지 방랭 후, 원심 이배퍼레이터로 용제를 증류제거하고, 물 1mL를 정확히 더하여 초음파를 조사했다.

이 용액을, 이온 교환 수지 함유 필터 유닛(0.45㎛)에 넣고, 1분간 원심 분리(10000rpm)를 행하여, 시료 용액으로 했다.

c. 표준 용액 조정

아라비노오스, 글루코오스, 갈락토오스, 프룩토오스, 만노오스 및, 람노오스, 각각 10㎎에 물을 더하여 정확히 50mL로 했다. 이 용액 5mL를 정확히 취하고, 물을 더하여 정확히 50mL로 하여, 표준 용액으로 했다. 표준 용액을 물로 정확히 희석하여, 표준 용액 1(각 약 0.2㎍/mL), 표준 용액 2(각 약 1㎍/mL), 표준 용액 3(각 약 5㎍/mL)을 조정했다.

d. 측정 조건

당 분석계: 일본 다이오넥스 제조 ICS-3000

검출기: 전기 화학 검출기

칼럼: CarboPacPA10(4㎜I.D×250㎜)

칼럼 온도: 25℃ 부근 일정 온도

이동상 A: 10mmol/L 수산화 나트륨 용액

이동상 B: 200mmol/L 수산화 나트륨 용액

그라디언트(gradient) 조건은, 표 2에 나타낸다.

(2) 제거율의 측정 결과

표 3에 결과를 나타낸다.

표 3으로부터, 당류 제거율은, 이하와 같이 계산되어, 철망(metal mesh)에 비하여 갈락토오스 및 글루코오스가 잘 제거되어 있는 것을 알 수 있다.

당류 제거율 B＝(1－여과수 중의 당류량/원수 중의 당류량)

해수 중의 당류: 0.021＋0.031＝0.052ppm

친수 TT 여과액 중: 0.012＋0.022＝0.034ppm

소수 TT 여과액 중: 0.006＋0.012＝0.018ppm

따라서,

친수 TT의 당류 제거율 B＝(1－0.034/0.052)＝0.34

소수 TT의 당류 제거율 B＝(1－0.018/0.052)＝0.65

이와 같이, 본 발명에 의하면, 유기 탁질을 고효율로 제거할 수 있고, 탈염 장치의 눈막힘을 장기적으로 막을 수 있어, 비용을 저감할 수 있다. 또한, 친수 TT 방식에 비하여 소수 TT 방식에서는 그 효과가 큰 것을 알 수 있다.

이상 본 발명을 실시 형태에 기초하여 설명했지만, 본 발명은, 전술의 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명과 동일 및 균등의 범위 내에 있어서, 전술의 실시 형태에 대하여 여러 가지의 변경을 더하는 것이 가능하다.

1 : 결절부
2 : 세공
3 : 세섬유
10 : 탈염 장치
11 : 전처리 장치

Claims

역침투막을 이용한 해수 담수화의 전처리(seawater desalination pretreatment)에 이용되는 해수 담수화 전처리용 분리막으로서,
일정 유속(flux)으로 여과를 행하여, 초기 30분의 평균 막간 차압(average intermembrane differential pressure) P1과, 120분 경과 이후 30분간의 평균 막간 차압 P2와의 사이에서, P2≤1.5×P1을 만족할 수 있는 유속의 최고값으로서 정의되는 표준 유속 A가, 2m/d 이상임과 함께,
하기식으로 나타나는 당류 제거율 B가, 0.3 이상인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
당류 제거율 B＝(1－여과수 중의 당류량/원수(raw water) 중의 당류량)
제1항에 있어서,
상기 당류 제거율 B가 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
제1항에 있어서,
상기 해수 담수화 전처리용 분리막이, 폴리테트라플루오로에틸렌제인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
제1항에 있어서,
상기 해수 담수화 전처리용 분리막의 공경(pore diameter)이, 1㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
제1항에 있어서,
상기 해수 담수화 전처리용 분리막이, 친수화 가공되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
제1항에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막이 여과막으로서 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리 장치.
제6항에 있어서,
제1항에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막을 이용한 전처리 수단의 후에, 정밀여과막(microfiltration membrane) 또는 한외여과막(ultrafiltration membrane)을 이용한 전처리 수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리 장치.
제6항에 기재된 해수 담수화 전처리 장치와,
역침투막을 이용한 탈염 처리 장치
를 갖는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 장치.
제6항에 기재된 해수 담수화 전처리 장치를 이용하여 여과된 원수를,
역침투막법을 이용하여 탈염 처리하는 것
을 특징으로 하는 해수 담수화 방법.
역침투막을 이용한 해수 담수화의 전처리에 이용되는 해수 담수화 전처리용 분리막으로서,
일정 유속으로 여과를 행하여, 초기 30분의 평균 막간 차압 P1과, 120분 경과 이후 30분간의 평균 막간 차압 P2와의 사이에서, P2≤1.5×P1을 만족할 수 있는 유속의 최고값으로서 정의되는 표준 유속 A가, 2m/d 이상임과 함께,
하기식으로 나타나는 입상 카본 제거율 C가, 0.3 이상인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
입상 카본 제거율 C＝(1－여과수 중의 POC/원수 중의 POC)
단, POC: 현탁체 유기 탄소량(전체 유기 탄소량과 용존 유기 탄소량과의 차)
제10항에 있어서,
상기 입상 카본 제거율 C가 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
제10항에 있어서,
상기 해수 담수화 전처리용 분리막이, 폴리테트라플루오로에틸렌제인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
제10항에 있어서,
상기 해수 담수화 전처리용 분리막의 공경이, 1㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
제10항에 있어서,
상기 해수 담수화 전처리용 분리막이, 친수화 가공되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리용 분리막.
제10항에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막이 여과막으로서 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리 장치.
제15항에 있어서,
제10항에 기재된 해수 담수화 전처리용 분리막을 이용한 전처리 수단의 후에, 정밀여과막 또는 한외여과막을 이용한 전처리 수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 전처리 장치.
제15항에 기재된 해수 담수화 전처리 장치와,
역침투막을 이용한 탈염 처리 장치
를 갖는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 장치.
제15항에 기재된 해수 담수화 전처리 장치를 이용하여 여과된 원수를, 역침투막법을 이용하여 탈염 처리하는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 방법.