KR20140092307A - 나권형 멤브레인 요소 및 투과 캐리어 - Google Patents

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프라사나 라오 돈툴라
야틴 타얄리아
유펜 자얀트 바르와다
자야프라카쉬 산달라 라다크리쉬난
무랄리다르 파트남
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

나권형 멤브레인 요소용의 투과 캐리어는, 예를 들면 트리코 구조의 2개 또는 3개의 층을 갖는다. 2개의 외층, 또는 유일한 층은 멤브레인 시트가 투과 캐리어내의 투과 채널내로 이동하는 것에 잘 견딘다. 투과 캐리어 시트의 총 두께는 전형적인 트리코 투과 캐리어 시트의 두께와 유사할 수 있다. 투과 캐리어 시트는 그의 표면을 친수성으로 만들기 위하여 코팅될 수 있다. 코팅은, 예를 들면, 가교결합된 폴리비닐 알콜(PVA) 또는 폴리비닐 피롤리돈(PVP)일 수 있다. 나권형 요소에서, 투과 캐리어 시트는 중심 선관 주위에서 하나 이상의 층으로 랩핑될 수 있다. 투과 캐리어 시트내의 채널은 중심 선관의 종축에 대해 나선형으로 배향된다.

Description

나권형 멤브레인 요소 및 투과 캐리어{SPIRAL WOUND MEMBRANE ELEMENT AND PERMEATE CARRIER}
본 발명은 나권형 멤브레인 요소 및 모듈, 및 나권형 멤브레인 요소 및 모듈용의 투과 캐리어에 관한 것이다.
나권형 멤브레인 요소는 천공 중심 선관(perforated central tube)의 주위를 하나 이상의 멤브레인 리프(membrane leaves) 및 피드 스페이서 시트(feed spacer sheet)로 랩핑(wrapping)하여 만든다. 리프는 일반적으로 직사각형 형태의 2개의 멤브레인 시트사이에 위치된 투과 캐리어 시트(permeate carrier sheet)를 가지고 있다. 멤브레인 시트는 3개의 에지를 따라 함께 밀봉된다. 리프의 4개의 에지는 개방되어 있으며 중심 선관에 인접되어 있다. 투과 캐리어 시트의 하나 이상의 층도 또한 중심 선관의 주위에 랩핑되어 중심 선관내의 천공부상의 멤브레인 리프를 지지하고 리프의 에지와 중심 선관사이에 흐름 통로를 제공할 수 있다. 또한 투과액이라 지칭되는 처리수(product water)는 멤브레인 시트를 통과한 다음 투과 캐리어 시트를 통과하여 흘러서 중심 선관에 도달한다.
투과 캐리어 시트는 에폭시 또는 멜라민-코팅된 폴리에스테르 필라멘트로 편직한 트리코 직물(tricot fabric)일 수 있다. 트리코 직물은 다공성이며, 직물의 일측상에서 그루브(groove)에 의해 분리된, 멤브레인 리프가 붕괴되지 않게 하는 일련의 평행한 리지(parallel ridge)를 형성한다. 그루브는 중심 선관에 대해 직각으로 배향되어 투과액이 통과하는 것을 덜 방해하여 리프를 통하여 중심 선관에 대해 안쪽 방향으로 흐르게 한다. 예를 들면 펠트(felt) 물질 또는 또 다른 부직 물질 또는 달리는 다공성 시트 물질로 제조된 별개의 보강층 또는 배깅 방지층이 멤브레인 시트와 트리코 직물 사이에 위치되어 멤브레인 시트가 트리코의 그루브내에 압축되지 않도록 하는데 도움이 될 수 있다.
미국 특허 제 6,656,362 호에는 고압 나권형 멤브레인에 사용될 수 있는 투과 캐리어 시트 및 보강 시트에 대한 다양한 치수 및 물질이 개시되어 있다. 국제 공개번호 제 WO 03/101575 호에는 낮은 흐름 저항을 갖도록 계획된 투과 캐리어 물질이 개시되어 있다. 미국 특허 제 4,802,298 호 및 제 7,048,855 호에는 멤브레인 시트에 직접 결합된 투과 캐리어 물질이 개시되어 있다. 미국 특허 공개 제 2004/0195164 A1 호에는 (a) 중심 선관내의 천공부의 총 면적에 중심 선관 주위에 랩핑된 투과 캐리어의 하나의 층의 개구의 백분율을 곱한 값이 적어도 (b) 중심 선관의 내측 단면적에 못지 않은 나권형 멤브레인 요소가 기술되어 있다.
하기에서 상세하게 기술할 투과 캐리어는 2개 또는 3개의 층을 포함한다. 2개의 외층 또는 유일한 층들은 멤브레인 시트가 투과 캐리어내의 투과 채널내로 이동하는 것에 잘 견딘다. 투과 채널은 중심층내에 또는 외층의 내측상에, 또는 이들 모두에 위치될 수 있다. 모든 층들은 트리코 시트로부터 제조될 수 있다. 투과 채널이 멤브레인 시트에 의해 방해받지 않는다는 점에서, 채널은 투과 흐름에 덜 저항한다. 멤브레인 시트는 또한 더 높은 압력에 견디거나 덜 손상될 수 있는데, 그 이유는 그것이 투과 채널내로 신장되지 않기 때문이다. 투과 캐리어 시트의 총 두께는 대표적인 단일층 트리코 투과 캐리어 시트의 두께, 예를 들면 약 0.010 내지 0.012 인치와 유사할 수 있다.
하기에서 기술할 투과 캐리어 시트는 그의 표면을 친수성으로 만들기 위하여 코팅된다. 친수성 코팅은 투과 채널내의 물 흐름을 촉진한다. 코팅은, 예를 들면, 가교결합된 폴리비닐 알콜(PVA), 폴리비닐 피롤리돈(PVP) 또는 다른 화합물일 수 있다.
하기에서 기술할 투과 캐리어 시트는 중심 선관 주위에서 하나 이상의 층으로 랩핑된다. 투과 캐리어 시트내의 채널은 중심 선관의 종축에 대해 나선형으로 배향된다. 채널의 나선형 배향은 멤브레인 리프의 개방 에지에서의 투과 캐리어 시트내의 채널에서 중심 선관내의 천공부까지의 중심 선관의 길이를 따라 투과 흐름에 대한 저항을 감소시킨다.
투과 캐리어 시트는 나권형 멤브레인 요소 또는 모듈에서 사용될 수 있다. 특정의 하나 이상의 투과 캐리어 시트, 또는 그들의 특징이 동일한 나권형 멤브레인 요소 또는 모듈에서 조합으로 사용될 수 있다.
도 1 은 나권형 멤브레인 요소의 도해 투시도이다.
도 2 는 도 1 의 요소를 포함하는 나권형 멤브레인 모듈의 도해 투시도이다.
도 3 은 투과 캐리어 시트의 표층의 사진이다.
도 4 는 투과 캐리어 시트의 중간층의 사진이다.
도 5 는 투과 캐리어 시트의 바닥층의 사진이다.
도 6 은 나권형 멤브레인 요소의 중심 선관 주위에 랩핑된 투과 캐리어 시트의 측면도이다.
도 1 및 도 2 를 참조하여 보면, 나권형 멤브레인 요소(10)는 천공된 중심 선관(16)의 주위에 하나 이상의 멤브레인 리프(12) 및 피드 스페이서 시트(14)를 랩핑함으로써 형성된다. 멤브레인 리프(12)는 또한 엔벨로프라 지칭될 수도 있다. 피드 스페이서 시트(14)는 또한 염수(brine) 채널 스페이서라 지칭될 수도 있다. 중심 선관(16)은 또한 코어, 투과관 또는 처리수 수집관(produce water collection tube)이라 지칭될 수도 있다. 리프(12)는 투과 캐리어 시트(20)를 둘러싸고 있는 일반적으로 직사각형 형태의 2개의 멤브레인 시트(18)를 포함한다. 중심 선관(16)에 인접한 멤브레인 리프(12)의 에지는 개방되지만, 리프(12)의 다른 3개의 에지는, 예를 들면 접착제에 의해 밀봉된다.
멤브레인 시트(18)는 지지층 또는 배면층상에 주조된 분리층을 가질 수 있다. 분리층은, 예를 들면, 셀룰로즈 아세테이트, 폴리아미드, 멤브레인 필름 복합체 또는 분리막을 형성할 수 있는 다른 물질일 수 있다. 분리층은, 예를 들면, 역삼투, 나노여과 또는 한외여과 범위의 기공을 가질 수 있다. 투과액으로도 지칭되는 여과된 처리수는 멤브레인 시트를 통과하는 반면, 용해된 염 또는 현탁된 염 또는 다른 오염물의 통과는 그의 기공 크기에 따라 멤브레인 시트(18)에 의해 거부된다.
투과 캐리어(20)는 멤브레인 리프(12)의 에지에 인접한 개구를 통하여 중심 선관(16)내의 일렬로 늘어 선 작은 홀(22)과 유체 접촉한다. 제 1 멤브레인 리프(12)가 중심 선관(16)에 부착되기 전에 멤브레인 리프(12)내의 투과 캐리어(20) 물질과 동일하거나 동일하지 않을 수 있는 (도시되지 않은) 추가의 투과 캐리어 시트, 또는 제 1 멤브레인 리프(12)의 투과 캐리어(20)의 연장부가 하나 이상의 층으로 중심 선관(16)의 주위에 랩핑될 수 있다. 투과 캐리어(20)의 이러한 초기 랩은 멤브레인 리프(12)를 홀(22)상에 지지하고 물을 멤브레인 리프(12)에서 중심 선관(16)내의 홀(22)로 투과시키기 위한 통로를 제공한다. 홀(22)은 전형적으로는 약 0.125 인치(3.2 mm)의 직경을 가지며, 처리수를 중심 선관(16)의 내측으로 안내한다.
각각의 리프(12)는 또한 중심 선관(16)의 주위에 감겨져 있는 피드 스페이서 시트(14)에 의해 분리된다. 피드 스페이서(14)는 요소(10)의 양 단부와 유체 접촉하며, 멤브레인 시트(18)의 표면을 가로 지르는 공급 용액용의 도관으로서 작용한다. 공급물은 중심 선관(16)의 축(A)에 평행한 유입 단부(24)에서 농축 단부(26) 방향으로 흐른다.
도 2 를 참조하여 보면, 나권형 멤브레인 모듈(30)은 가압 용기(32)의 내측에 위치된 요소(10)를 갖는다. 가압 용기(32)는 일반적으로는 관상 바디(tubular body)(34), 입구 단부(inlet end)(36) 및 출구 단부(outlet end)(38)를 갖는다. 공급수는 가압 용기(32)의 (도시되지 않은) 입구를 통하여 유입된다. 공급수는 요소(10)의 피드 스페이서(14)를 통하여 이동한다. 농축되거나 거부된 물로도 지칭될 수 있는, 멤브레인 시트(18)를 통과하지 못하는 공급수의 일부분은 방류관(42)을 통하여 가압 용기(32)를 이탈한다. 처리수, 또는 투과액은 중심 선관(16)의 내측에서 수집된 다음, 전형적으로는 중심 선관(16)의 제 1 단부(52)에서 제 2 단부(54)의 방향으로 이동한다. 최종 요소 또는 유일한 요소(10)의 제 2 단부(54)는 밀봉될 수 있거나, 가압 용기(32)를 빠져 나갈 수 있거나, 또는 가압 용기를 빠져 나가는 피팅부(fitting)에 연결될 수 있다. 제 1 요소 또는 유일한 요소(10)의 제 1 단부(52)는 밀봉될 수 있거나, 가압 용기(32)를 빠져 나갈 수 있거나, 또는 가압 용기빠져 나가는 피팅부에 연결될 수 있다. 가압 용기(32)내에 다수개의 요소(10)가 존재하는 경우, 상류 요소(upstream element)(10)의 제 2 단부(54)는 전형적으로는 하류 요소(downstream element)의 제 1 단부(52)에 연결된다. 공급수는 가압 용기내의 다수개의 요소(10)의 피드 스페이서(14)를 통하여 연속적으로 흐른다. 주변 밀봉부는 공급수가 그의 피드 스페이서(14)를 통과하지 않고 요소(10)를 지나쳐 흐르는 것을 방지하기 위하여 요소(10)의 (도시되지 않은) 외부 랩과 가압 용기(32)의 내측 사이에 제공될 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5 는 투과 캐리어(20)의 상부층(60), 중간층(62) 및 하부층(64)을 나타낸 것이다. 중간층(62)은 임의적이다. 각각의 층(60, 62, 64)은 직포 시트이다. 층(60, 62, 64)은 트리코 직물로 직조된 코팅된 중합체성 필라멘트로 제조될 수 있다. 트리코 직물에서, 얀은 직물의 전면, 달리 말하면 어느 일측면상의 투과 채널(68)을 분리하는 일련의 평행한 양각 요부(raised wale)(66)를 생성하는 니트의 컬럼을 따라 수직 방향으로 지그재그로 나아간다. 소위 코스 사이드(course side)라 지칭될 수 있는 직물의 배면상에서, 양각 요부(66)에 수직 방향으로 리브가 형성되지만, 이러한 리브는 양각 요부(66)와 같이 선명하게 윤곽이 드러나지 않으며 양각 요부(66)와 같이 높이 솟아 있지도 않다.
도 3, 도 4 및 도 5 에서, 상부층(60)과 하부층(64)은 중간층(62)보다 더 얇을 수 있지만, 이들 3개의 층(60, 62, 64) 모두 양각 요부(66)를 갖는다. 층(60, 62, 64)들은 투과 캐리어(20)를 형성하도록 다층 형태로 위치된다. 상부층(60) 및 하부층(64)은 그들의 배면측이 투과 캐리어(20)의 외측에 위치하도록 투과 캐리어내에서 배향된다. 내층(62)은 상부층(60) 또는 하부층(64)중 어느 하나를 향하여 그의 배면측에 대해 배향될 수 있다. 모든 층(60, 62, 64)의 양각 요부(66)는 바람직하게는 투과 캐리어(20)의 평면에 대해 수직 방향으로 투과 캐리어(20)를 관통하는 라인이 층(60, 62, 64)의 양각 요부(66)를 관통할 수 있도록 다층 형태로 위치된다.
본 발명자들은 양각 요부과 접촉하는 리프(12)의 측면상에 새깅 또는 엠보싱된 단일층 트리코 투과 캐리어 멤브레인(18)이 특히 고압하에 작동하는 해수 용도에서 리프(12)의 다른 측면상에 있는 것 보다 더 좋다는 사실에 주목하여 왔다. 중심 선관(16)을 향한 투과 흐름으로부터 발생하는 압력 손실은 양각 요부들사이의 그루브의 높이의 세제곱 값에 따라 변한다. 그루브내로의 멤브레인 시트(18)의 새깅은 투과 흐름으로부터 발생하는 압력 손실을 증가시킨다. 그들의 코스 사이드가 멤브레인 시트(18)를 지지하도록 상부층(60) 및 하부층(64)을 배향시키면 새깅 및 압력 손실이 감소된다. 그러나, 층(60, 62, 64)들은 그들의 총 두께가 전형적인 단일층 투과 캐리어의 두께(예를 들면 약 0.010 내지 0.012 인치)와 거의 동일하고 또한 층(60, 62, 64)내의 그루브(68)의 총 깊이가 전형적인 단일층 투과 캐리어내의 그루브의 깊이와 거의 동일하도록 결합된다. 따라서, 본원에 기술된 투과 캐리어(20)는 인접한 멤브레인 시트(18)가 투과 채널(68)내로 새깅되는 것을 방지함으로써 중심 선관(16)을 향한 투과 흐름에 대한 압력 손실을 감소시킬 수 있다. 이는 멤브레인 시트(18)를 통한 순 운전 압력(net driving pressure)(NPD)을 상승시킴으로써, 투과액의 처리량 또는 수집 속도를 상승시킨다.
투과 캐리어(20)내의 필라멘트는 나일론, 폴리프로필렌 또는 폴리에스테르와 같은 유기 중합체로 만들 수 있다. 유기 중합체로 구성된 투과 캐리어는 통상적으로는 물에 젖지 않으며, 따라서 물이 그들 상에서 자발적으로 확산하지 않는다. 본원에 기술된 투과 캐리어(20)는 그를 친수성으로 만들어 투과 채널(68)내의 물의 흐름이 촉진되도록 코팅된다. 코팅은 중간 분자량의 가교결합된 폴리비닐 알콜(PVA), 폴리비닐 피롤리돈(PVP) 또는 다른 유사 화합물일 수 있다.
도 6 을 참조하여 보면, 투과 캐리어 물질(70)의 시트는 멤브레인 리프(12)가 중심 선관(16)에 부착되기 전에 중심 선관(16)의 주위에 랩핑된다. 투과 캐리어 물질(70)은 중심 선관을 1회 이상, 예를 들면 2 내지 4회 선회하여 초기 랩을 형성할 수 있다. 리프(12)로부터 방류된 투과액은 초기 랩을 관통하여 중심 선관내의 홀(22)에 도달한다.
전형적인 초기 랩에서, 투과 캐리어는 중심 선관의 중심 종축을 따라 하나의 지점 주위의 원을 따라 그의 양각 요부를 가진 중심 선관의 주위에 랩핑된다. 그러나, 트리코 직물은 물 흐름에 대한 그의 저항에 있어 이방성이다. 물은 직물의 평면에 대해 수직 방향으로는 용이하게 흐르지만, 직물의 평면내의 투과 채널을 따라 덜 용이하게 흐르며 직물의 평면내의 측면에 대해 수직 방향으로 훨씬 덜 용이하게 흐른다. 전형적인 초기 랩에 있어서, 중심 선관을 향하여 반경 방향으로 흐르는 투과액에 대한 저항은 낮을 수 있다. 그러나, 투과액의 적어도 일부는 중심 선관내의 홀 사이에서 리프로부터 방류되며, 중심 선관의 길이를 따라 축방향으로 이동하여 홀에 도달하여야 한다. 이러한 축방향에서의 투과 흐름에 대한 저항은 높다. 또한, 트리코가 20 내지 40% 범위의 공극률 값을 갖기 때문에, 홀 영역의 상당 부분이 트리코로 가려져 보이지 않는다.
축방향에서의 투과 흐름에 대한 저항을 감소시키기 위하여, 투과 캐리어 물질(70)을 그의 투과 채널(68)의 방향에 대해 일정한 각도로 절단하여 왔다. 예를 들면, 투과 캐리어 물질의 후단(trailing edge)(72)은 80도 이하 또는 70도 이하의 투과 채널(68)에 대한 각도(74)를 가질 수 있다. 각도(74)는 45도 이상 또는 60도 이상일 수 있다. 그 결과, 투과 채널(68)은 중심 선관(16)의 축(A)에 대해 나선형으로 배향된다. 도 6 에서, 요부(66) 및 투과 채널(68)의 깊이는 그들의 나선형 통로가 나타날 수 있도록 크게 확대되어 있다. 나선형 투과 채널(68)은 투과액이 중심 선관(16)을 향하여 내측으로 이동함에 따라 투과액이 중심 선관(16)의 길이를 따라 이동할 수 있도록 함으로써 중심 선관(16)내의 홀(22) 쪽으로의 투과액의 축방향 흐름에 대한 저항을 감소시킨다. 순 운전 압력이 동일한 양으로 상승함으로써 투과액의 처리량이 증가한다.
투과 캐리어 물질(70)은 그의 양측이 중심 선관(16)과 접촉하도록 감겨질 수 있다. 그러나, 홀(22)의 방해를 감소시키기 위하여 중심 선관(16)의 외부 표면과 접촉하는 투과 캐리어 물질(70)의 요부측을 갖는 것이 바람직하다. 더욱이, 투과 캐리어 물질(70)은 리프(12)내에 사용되는 전형적인 투과 캐리어보다 더 높은 투과도 또는 공극률을 갖도록 편직할 수 있는데, 그 이유는 투과 캐리어 물질(70)이 그만한 압력에 저항할 필요가 없기 때문이다.
나권형 요소(10)내에서의 처리량 또는 수집 속도는 멤브레인 전체에 인가되는 압력과 관련이 있다. 리프(12)내의 투과 채널(68)을 관통하여 리프(12)의 에지에서 중심 선관(16)의 홀(22) 쪽으로 투과액을 이동시키는데 필요한 압력은 멤브레인을 관통하는 투과액에 대한 순 운전 압력이 줄어드는 동일한 양만큼 감소한다. 다수개의 층(60, 62, 64)을 가진 하나 이상의 투과 캐리어(20); 투과 캐리어(20)상의 친수성 코팅; 및 나선형 투과 채널(86)을 갖는 중심 선관 주위의 랩을 사용함으로써, 순 운전 압력은 동일한 인가 압력에서 요소(10)당 더 많은 투과액 흐름을 고려하더라도 증가한다.
이러한 설명을 실례로 사용하여 최상의 양식을 포함한 본 발명을 개시하며, 또한 당업자들은 특정 장비 또는 시스템을 제조 및 이용하고 특정의 포함된 방법을 실시하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수도 있다. 본 발명의 특허받을 수 있는 범위는 특허청구범위로 한정되며, 당업자들이 알고 있는 다른 실례들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 실례들은 그들이 특허청구범위의 문헌적 표현과 다르지 않은 구조적 요소들을 갖고 있거나 또는 그들이 특허청구범위의 문헌적 표현과 경미한 차이를 가진 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우에는 특허청구범위내에 속하는 것으로 간주된다.

Claims (12)

  1. (a) 코스 측면(course side), 및 양각 요부(raised wale)를 가진 요부 측면(wale side)을 가진 트리코(tricot) 직물의 제 1 층; 및
    (b) 코스 측면, 및 양각 요부를 가진 요부 측면을 가진 트리코 직물의 제 2 층
    을 포함하되, 상기 제 1 층 및 제 2 층의 양각 요부 모두가 투과 캐리어(permeate carrier)의 내측을 향하여 배향된, 투과 캐리어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층과 제 2 층 사이에 위치되는, 양각 요부를 가진 트리코 직물의 제 3 층을 더 포함하는, 투과 캐리어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 양각 요부가 제 2 층의 양각 요부상에 위치되는, 투과 캐리어.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 층의 양각 요부가 제 1 층의 양각 요부와 제 2 층의 양각 요부 사이에 위치되는, 투과 캐리어.
  5. 제 1 항에 있어서,
    0.012 인치 이하의 두께를 갖는 투과 캐리어.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 제 2 층의 필라멘트들이 이들의 표면을 친수성으로 만들기 위하여 코팅된, 투과 캐리어.
  7. 중심 선관(central tube)의 주위에 랩핑된(wrapped) 제 1 항에 따른 투과 캐리어, 및
    중심 선관 주위의 제 2 투과 캐리어의 초기 랩
    을 포함하되, 상기 제 2 투과 캐리어가, 상기 중심 선관의 중심 종축에 대해 나선형으로 배향되는 투과 채널을 포함하는,
    멤브레인 리프(membrane leaf)를 갖는 나권형(spiral wound) 멤브레인 요소.
  8. 친수성 코팅을 포함하는 투과 캐리어 시트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 친수성 코팅이 가교결합된 폴리비닐 알콜 또는 폴리비닐 피롤리돈을 포함하는, 투과 캐리어 시트.
  10. (a) 중심 선관; 및
    (b) 상기 중심 선관의 주위에 랩핑된 투과 채널을 포함하는 투과 캐리어
    를 포함하되, 상기 투과 채널이 중심 선관의 중심 종축에 대해 나선형으로 배향되는, 나권형 멤브레인 요소.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 투과 캐리어가 트리코 시트를 포함하며,
    상기 투과 채널이 상기 트리코 시트의 인접한 요부들 사이의 공간에 의해 한정되는, 나권형 멤브레인 요소.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 투과 캐리어가 친수성 코팅으로 코팅된, 나권형 멤브레인 요소.
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