KR20140130429A - 분리막 엘리먼트 및 분리막 모듈 - Google Patents

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요시후미 오다카
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야스하루 와타나베
아쓰시 기타나카
세이코 간타니
히데아키 안도
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Abstract

우수한 분리막 기능을 가지는 분리막의 특성을 저해하지 않고, 투과 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 분리막 엘리먼트를 제공한다. 이 분리막 엘리먼트(1)는, 2장의 분리막(2, 2)를 서로 간극(5)을 두고 투과측을 대향시킨 쌍으로 하고, 상기 간극(5)의 둘레의 봉지부(封止部)(6)를 봉지하고, 상기 둘레의 봉지부(6)보다 내측의 분리막(2, 2) 사이가 적어도 2개 이상의 수지부(7)로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

분리막 엘리먼트 및 분리막 모듈{SEPARATION MEMBRANE ELEMENT AND SEPARATION MEMBRANE MODULE}
본 발명은, 음료수 제조, 정수 처리, 폐수 처리 등의 수처리(水處理) 분야, 식품 공업 분야에 바람직한 분리막 엘리먼트 및 분리막 모듈에 관한 것이다.
최근, 하수나 폐수의 정화에 사용되게 되고 있는 평막형나 중공사막(中空絲膜)형의 분리막은, 분리막을 배치한 분리막 엘리먼트나, 이 엘리먼트를 복수 배치한 분리막 모듈의 장치에서 물의 정화 처리에 사용되고 있다. 분리막 엘리먼트에 의한 분리법에 사용되는 분리막에는, 그 공경孔徑이나 분리 기능의 면에서, 정밀 여과막, 한외(限外) 여과막, 나노 여과막, 역삼투막, 정삼투막 등이 있고, 이들 막은, 예를 들면, 해수, 함수(鹹水), 유해물을 포함한 물 등으로부터 음료수를 얻는 경우나, 공업용 초순수(超純水)의 제조, 배수 처리, 유가물(有價物)의 회수 등에 사용되고 있고, 목적으로 하는 분리 성분 및 분리 성능에 따라 구분하여 사용할 수 있다.
또한, 막 분리 활성 슬러지법(MBR)은, 활성 슬러지조에서 분리막을 침지하고, 활성 슬러지와 처리수를 막에 의해 분리하는 처리 방법이다. MBR은, 공간을 절약할 수 있고, 양호한 수질을 얻을 수 있으므로, 일본 국내에서는 소규모 시설을 중심으로, 신설이 많은 해외에서는 10만 m3/day를 초과하는 대규모 시설에 도입이 진행되고 있다.
특허 문헌 1은, 케이싱 내에 적당한 간격으로 배치하고 피처리액 중에 침지시켜 사용하는 막 엘리먼트로서, 막 지지판의 표면을 덮어 여과막(분리막)을 설치하고, 막 지지판의 표면에 개구하고, 또한 투과액 흡인관(吸引管)에 연통되는 투과액 유로를 형성하는 것에 대하여 개시하고 있다. 특허 문헌 1에 기재된 분리막 엘리먼트에서는, 많은 평막 타입의 엘리먼트가 막 지지판에 분리막을 부착하여 구성되며, 또한 막 지지판에는 막투과수를 집수하기 위한 홈부가 형성되도록 고안되어 있다. 그러나, 막 지지판은, 두께가 크고, 중량도 무거운 것이 과제였다.
막 지지판이 없는 평막 엘리먼트 및 그 제조 방법으로서, 특허 문헌 2는, 2장의 평막의 둘레 단면(端面)이 수지 접착제로 봉지(封止)된 백형(bag type) 평막 엘리먼트를 제안하고 있다.
또한, 특허 문헌 3에는, 제1 여과 멤브레인(membrane), 열가소성 중합체로 이루어지는 제1 접착성 네트, 배액(排液) 직포, 열가소성 중합체의 제2 접착성 네트, 및 제2 여과 멤브레인을 구비한 필터 복합 재료가 기재되어 있다. 제1 및 제2 여과 멘브레인은, 배액 직포에, 제1 및 제2 접착성 네트에 의해 접착된다.
일본공개특허 평7-132214호 공보 일본공개특허 2000-117067호 공보 일본 특표 2011-519716호 공보
특허 문헌 1에 기재된 지지판의 양측에 분리막을 부착하는 형상의 분리막 엘리먼트의 경우, 지지판에는 통상 ABS 등의 수지가 사용된다. 막 분리 활성 슬러지법에 있어서는, 피처리액 중에 침지한 막 엘리먼트의 하부로부터 폭기(曝氣)를 행하고, 막 표면을 항상 세정 상태로 함으로써, 고형분 농도가 높은 활성 슬러지로부터 처리수를 얻는 것을 가능하게 하고 있다. 이와 같은 사용 환경에서는, 폭기에 의한 에너지를 막 엘리먼트가 받으므로, 막 엘리먼트에는 폭기의 에너지에 견딜 정도의 강성(剛性)이 요구된다. 이에 따라, 막 엘리먼트의 사이즈에 따라 다르지만, 지지판의 두께는 적어도 4 ㎜ 이상 정도가 필요하며, 이것이 막 엘리먼트, 막 모듈의 비용 상승의 요인이 되고 있다. 또한, 지지판의 두께가 있으므로, 막 엘리먼트를 복수 병렬로 배열시켜 막 모듈로 만들었을 때, 설치 면적당 막 면적(분리막의 충전율)이 낮아지는 문제가 있었다.
특허 문헌 2에서는, 여과 시에 서로 마주보는 분리막의 투과측의 면이 접촉하고 유동 저항이 커지고, 투과수량을 충분히 얻을 수 없고, 또한 막 분리 활성 슬러지법 운전 시의 폭기 에너지에 충분히 견딜 정도의 강도를 막 엘리먼트가 가지지 못하는 문제가 있었다.
또한, 특허 문헌 3의 기술에서는, 투과수가 배액 직포를 통과할 때의 유동 저항이 크기 때문에 투과수량을 충분히 얻을 수 없고, 또한 막 이외에도 접착성 네트나 배출 재료 등 많은 부재가 필요하고, 또한 생산 방법도 복잡하므로, 지지판을 제거한 구조로 하였지만, 막 엘리먼트의 비용를 충분히 저감시킬 수 없는 문제가 있었다.
MBR의 사용 환경에서는, 폭기에 의한 에너지를 막 엘리먼트가 받으므로, 막 엘리먼트나 막 모듈에는 적절한 강성과 함께 폭기 에너지로부터 회피하는 유연성을 가지고, 또한 비용를 가능한 한 저감시킨 막 모듈이 요구되지만, 이와 같은 막 엘리먼트 및 막 모듈은, 아직도 얻어지고 있지 않다.
본 발명은, 종래의 기술의 전술한 문제점을 해결하여, 투과수량을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 분리막 엘리먼트 및 분리막 모듈은 하기 구성을 구비하는 것을 특징으로 한다.
(1) 투과측의 면이 서로 대향하도록 배치된 2장의 분리막을 가지는 분리막 쌍과, 서로 대향하는 상기 투과측의 면의 양쪽에 접착하는 2개 이상의 수지부를 구비하고, 상기 분리막 쌍의 둘레부가 봉지(封止)되어 있는 것을 특징으로 하는 분리막 엘리먼트.
(2) 상기 분리막의 둘레부의 내측의 면적에 대한 수지부의 면적 비율이, 1% 이상 70% 이하인 (1)에 기재된 분리막 엘리먼트.
(3) 상기 분리막 쌍에 있어서의 상기 분리막의 간격이 50㎛ 이상 5000㎛ 이하인 (1) 또는 (2)에 기재된 분리막 엘리먼트.
(4) 상기 수지부가, 연화점(軟化点)이 80∼200 ℃인 열가소성 중합체로 형성되어 있는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 분리막 엘리먼트.
(5) 상기 수지부가 도트형, 선형, 격자형 중 어느 하나로 배치되는 것을 특징으로 한는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 분리막 엘리먼트.
(6) 상기 수지부가 선형으로 배치되고, 선형 부분이 줄무늬 강판(checkered steel plate)의 줄무늬로 형성되어 있는 것을 특징으로 한는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 분리막 엘리먼트.
(7) 상기 수지부의 줄무늬의 무늬선이 상기 분리막 쌍의 둘레부에 대하여 대략 평행 및 대략 수직인 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 (6)에 기재된 분리막 엘리먼트.
(8) 둘레부의 일부에 집수부를 설치하고, 상기 집수부에 있어서 둘레부의 내측에 형성된 집수 유로가 외부와 연통되는 것을 특징으로 한는 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 분리막 엘리먼트.
(9) (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 분리막 엘리먼트를 복수 평행하게 배열한 분리막 모듈로서, 인접하는 분리막 엘리먼트의 상기 집수부끼리 동일한 위치가 되지 않도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
본 발명에 의하여, 고효율로 또한 안정된 투과측 유로를 형성할 뿐만 아니라 단체(單體) 체적당 유효 막 면적을 증가시킬 수 있고, 높은 투과 성능과 높은 내구 성능을 가지는 고효율, 고성능, 고내구성의 분리막을 얻을 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1의 (a)는, 분리막 엘리먼트의 두께 중심으로 막 표면에 대하여 평행하게 절단했을 때의 단면도, 도 1의 (b)는 분리막 엘리먼트를 두께 방향으로 절단했을 때의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 3은 , 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1의 (a) 및 (b)에 상당하는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 6은 , 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 7은 , 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 8은 , 막 엘리먼트에 사용되는 집수구의 실시형태의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 9의 (a) 및 (b)는, 본 발명에서 사용하는 집수구의 실시형태의 일례를 나타낸 개요도이며, 도 9의 (a)는 평면도, 도 9의 (b)는 정면도이다.
도 10의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태의 일례를 나타낸 개요도이며, 도 10의 (c)는 도 10의 (a) 및 (b)에 기재된 분리막 엘리먼트를 교호적으로 배열한 형태를 위로부터 본 개요도이다.
도 11은, 본 발명의 분리막 엘리먼트를 포함하는 막 모듈을 사용한 수처리 장치의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 1의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 분리막 엘리먼트의 실시형태를 예시하는 단면도이며, 도 1의 (a)는 평면시(平面視)의 단면, 도 1의 (b)는 두께 방향의 단면을 모식적으로 설명하는 것이다. 마찬가지로 도 2∼3, 도 4의 (a), 도 5∼7은, 분리막 엘리먼트의 다른 실시형태의 평면시의 단면도, 도 4의 (b)는, 분리막 엘리먼트의 다른 실시형태의 두께 방향의 단면도이다.
도 1의 (a) 및 (b)∼도 7에 있어서, 부호 "1"은 분리막 엘리먼트, 부호 "2"는 분리막, 부호 "3"은 분리 기능층, 부호 "4"는 기재(基材), 부호 "5"는 분리막 사이의 간극(間隙), 부호 "6"은 둘레의 수지층에 의해 형성된 봉지부(封止部), 부호 "7"은 내측 수지부, 부호 "8"은 집수부, 부호 "9"는 집수구를 나타낸다.
본 발명의 분리막 엘리먼트(1)은, 2장의 분리막(2, 2)의 쌍으로 구성되며, 분리막(2, 2)은, 투과측이 서로 대향하고, 소정의 간극(5)를 두도록 배치된다. 이하, 분리막 엘리먼트를 단지 「엘리먼트」로 칭하는 경우가 있다. 간극(5)의 주위는 수지에 의해 봉지되어, 봉지부(6)를 구성한다. 또한, 둘레의 봉지부(6)보다 내측의 분리막(2, 2) 사이의 일부가, 2개 이상의 내측 수지부(7)에 의해 연결될 수 있다.
즉, 2장의 분리막(2, 2)은 소정의 간극을 확보하도록 형태된 수지부(7)에 의해 양쪽의 분리막(2, 2)이 접착된다. 분리막(2, 2)의 사이에 형성된 소정 간격(5)은 막을 투과한 물이 지나는 유로, 즉 집수 유로가 되고, 여기를 통과한 물은 집수부(8)(도 2∼7에 기재)에 집수되고, 여기로부터 외부로 인출된다. 분리막 엘리먼트의 주위(둘레부)는 접착 수지, 열 용착, 초음파 용착 등의 방법에 의해 봉지되어, 봉지부(6)를 구성한다. 둘레의 봉지부(6)의 일부에는 집수부(8)가 설치되고, 이 집수부(8)는 봉지되지 않는다.
여기서, 분리막의 투과측이 서로 대향한다는 것은 2장의 분리막의 투과측이 마주보도록 배치되는 것을 의미한다. 서로 마주 보는 2장의 분리막을, 「분리막 쌍」이라고 한다. 그리고, 쌍을 형성하는 분리막은, 분리 가능한 2장의 분리막이라도 되고, 접혀진 1장의 분리막이라도 된다. 대향하는 분리막의 투과측 면의 사이에는, 간극이 형성된다.
또한, 봉지부(6)는, 분리막의 둘레에, 간극(5)을 에워싸도록 배치된다. 봉지부(6)는, 분리막 쌍에 있어서 서로 마주 보는 2개의 투과측 면의 양쪽에 접착함으로써, 분리막 쌍에서의 분리막의 간극을 봉지한다. 이와 같이 하여, 백형(bag type) 막이 형성된다. 그리고, 봉지란, 접착, 압착, 용착, 융착, 접기 등에 의하여, 공급수가 백형 막의 내부에 직접적으로는 유입되지 않도록(즉, 공급수가 분리막을 투과하지 않고 유입되지 않도록) 하는 것이다. 또한 동시에, 분리막을 투과한 투과수가, 집수부(8)를 제외하고, 분리막 엘리먼트의 외부로 누출되지 않도록 하는 것이다.
수지부(7)에 의해 「분리막의 사이가 연결되는」 구성이란, 1개의 수지부(7)가, 1개의 분리막 쌍에 있어서, 한쪽 분리막(2)의 투과측 면 및 거기에 대향하는 다른쪽 분리막(2)의 투과측 면의 양쪽에 접착하는 구성을 지칭한다. 즉, 분리막 쌍에 있어서, 한쪽 분리막은 다른 쪽 분리막에, 수지를 통하여 고정된다.
또한 「내측」은, 분리막의 투과측 표면 중 둘레를 제외한 표면을 말한다. 특히, 분리막이 전술한 바와 같이 백형 막을 형성하고 있는 경우, 봉지 부분에 에워싸인 부분이 「내측」에 상당한다.
도 1은, 분리막(2)가, 분리 기능층(3)이 기재(4)에 적층한 형태를 예시하고, 기재(4)의 표면 중, 분리 기능층(3)과는 반대측의 표면이, 분리막(2)의 투과측이 된다. 그리고, 본 발명에 있어서 분리막(2)의 구성은 도시한 예로 한정되는 것은 아니다. 분리막은, 분리막 표면에 공급되는 유체 중의 성분을 분리하고, 분리막을 투과한 투과 유체를 얻는 것이면 한정되지 않는다. 분리막은, 예를 들면, 분리 기능층, 다공성 지지층, 기재를 구비할 수 있다.
본 실시형태에서는, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 적어도 2개의 수지부(7)가, 대향하는 2개의 투과측의 면의 양쪽에 접착하고 있으므로, 전술한 역압 세정을 행해도, 압력은 봉지부(6)에 집중되지 않고, 내측의 접착 부분(수지부(7))으로도 분산된다. 따라서, 분리막 사이의 박리의 발생이 억제되고, 공급측으로부터 투과측으로의 물의 리크(leak)가 쉽게 일어나지 않는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 각각의 수지부(7)가 비교적 높은 강성을 가질 수 있으므로, 분리막의 단위 면적당의 수지부(7)의 수, 수지부(7)의 면적 등의 구성 상의 자유도는 비교적 높다.
분리막의 기재 중에, 수지부(7)의 수지의 성분이 함침(含浸)하고 있어도 된다. 분리막의 투과측의 기재에 수지를 배치하고, 분리막의 분리 기능층 표면으로부터 가열하면, 분리막의 투과측으로부터 기능층 면을 향하여, 수지의 함침이 진행된다. 이와 같이 함침이 진행됨에 따라 수지와 기재와의 접착이 강고하게 된다. 이에 따라, 제조된 엘리먼트를 세정할 때, 약액에 의해 투과측으로부터 세정하여도 분리막 쌍의 사이가 쉽게 박리하지 않는다.
엘리먼트에 있어서, 분리막의 투과측에 소정의 간극(5)을 확보함으로써, 분리막을 투과한 투과수의 유동 저항을 작게 할 수 있다. 통상, 엘리먼트에 있어서 분리막의 투과측에 스페이서 등의 부재를 설치하지 않으면, 분리막의 투과측끼리 밀착되므로, 투과액의 유동 저항이 커지고, 그 결과 투과액의 수량(水量)이 저하된다. 본 발명의 분리막 엘리먼트는, 이와 같은 스페이서 등의 부재를 배치하지 않고, 분리막 사이에 간극을 확보하여 투과수의 유동 저항을 작게 한다.
분리막의 투과측의 간극(5)은, 50㎛ 이상 5000㎛ 이하의 범위인 것이 바람직하다. 분리막의 간극이, 5000㎛를 초과하면, 수처리(水處理) 운전중의 에어레이션(aeration) 조작에 의해 기포가 막 면에 격렬하게 충돌하혀 파손될 우려가 있다. 또한, 분리막의 간격이, 50㎛ 미만이면, 투과측의 내측의 공간이 좁아 투과액의 유동 저항이 커지고 투과액의 수량(水量)이 저하된다. 따라서, 본 발명의 구성에 따르면, 투과액의 유로를 안정적으로 확보할 수 있고, 약액에 의한 투과측의 세정도 가능하게 된다. 분리막의 간격은, 500㎛ 이상 3000㎛ 이하의 범위인 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 네트 등의 유로재를 투과측 내측에 끼워넣음으로써, 유로를 확보할 수 있다. 그러나, 네트 자체의 유동 저항이 존재하고, 유로 가공을 행한 부재를 끼워넣으므로, 분리막 엘리먼트 전체의 두께에 대한 유로 확보 효율이 좋지못하다. 또한, 약액에 의한 투과측으로부터의 세정에 의해서는, 분리막에 투과측으로부터 가해지는 압력에 의해, 분리막에서 형성된 백(bag)이 팽창하여, 분리막이 파손될 우려가 있다.
분리막(2)의 면적에 대한 수지부(7)의 면적 비율은, 작으면 약액에 의한 투과측으로부터의 세정에 의해 분리막이 박리될 우려가 있고, 또한, 커지면, 수지에 의해 유로를 방해하여 투과액의 수량(水量)이 저하된다. 그러므로, 내측 수지부(7)의 면적 비율은, 분리막(2)의 내측의 면적에 대한 비율이 1% 이상 70% 이하의 범위로 되도록 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 10% 이상 50% 이하의 범위이다.
다음으로, 본 발명에서의 수지부(7)의 평면 형상, 즉 수지부(7)를 분리막에 투영한 형상에 대하여 설명한다. 본 발명의 중요한 포인트는, 분리막(2)에 수지를 도포하여 수지부(7)를 형성함으로써, 수지가 접착 심지의 효과를 담당하여, 분리막(2) 및 분리막 엘리먼트에 적절한 유연성과 강성을 부여하는 것이다.
엘리먼트로서 원하는 효과가 손상되지 않는 범위이면, 수지부(7)를 막 표면의 상부로부터 관찰한 경우의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 1의 (a)의 평면시(平面視) 단면도에 있어서, 내측 수지부(7)의 단면 형상은, 타원형의 도트형이다. 내측 수지부(7)의 평면시 단면 형상은, 이 예로 한정되지 않으며, 원형, 다각형, 부정형 등의 도트형, 또는 직선, 곡선, 파선, 지그재그형, 격자 등의 선형으로 형성할 수 있다. 또한, 도트형 수지의 배치는 격자형, 지그재그형 등으로 할 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
예를 들면, 도 2에 나타낸 분리막 엘리먼트에서의 수지부는, 상하 방향을 향한 파선형으로 평행하게 배열시킨 선형의 수지부(7)를 형성한 예이다. 또한 도 3에 나타낸 분리막 엘리먼트에서의 수지부는, 각도 α만큼 경사진 파선형으로 평행하게 배열시킨 선형의 수지부(7)를 형성한 예이다.
도 4의 (a) 및 (b)에 나타낸 분리막 엘리먼트에서의 수지부는, 상하 방향을 향한 긴 선형의 수지부(7)와 좌우 방향을 향한 짧은 선형의 수지부(7)로 이루어지는 줄무늬 강판의 줄무늬의 형태를 한 수지(7)를 형성한 예이다. 도 5에 나타낸 분리막 엘리먼트에서의 수지부는, 각각의 수지부(7)의 길이를 대략 동일하게 하여, 수지부(7)의 연장 방향을 둘레의 봉지부(6)에 대하여 약 45°경사지게 한 형태를 가지는 줄무늬 강판의 줄무늬로 한 예이다. 도 6에 나타낸 분리막 엘리먼트에서의 수지부는, 상하 방향을 향한 선형의 3개의 수지부(7)와 좌우 방향을 향한 선형의 3개의 수지부(7)를 조합한 형태를 가지는 줄무늬 강판의 줄무늬로 한 예이다.
도 6에 나타낸 분리막 엘리먼트에서의 수지부는, 대략 원형의 수지부(7)를 상하 좌우로 나란히 배열시킨 예이다.
내측 수지부(7)의 형상을 조정함으로써, 요구되는 분리 특성이나 투과 성능의 조건을 만족시키도록, 엘리먼트를 설계할 수 있다.
또한, 예를 들면, 도 1의 (b)의 단면도에 있어서, 수지부(7)의 두께 방향 단면의 형상은, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 평행사변형, 사다리꼴, 삼각형 등으로 형성할 수 있다. 또한, 수지부의 측면(간극(5)에 면하는 면)은, 요면, 볼록면, 곡면, 평면 등의 각종 형상으로 변경 가능하다.
수지부(7)의 분리막으로의 투영상(投影像)은, 불연속인 것이 본 발명의 특징이다. 즉, 1장의 분리막에, 분리막의 평면 방향에 있어서, 2개 이상의 수지부가 간격을 두고 배치된다. 보다 구체적으로는, 분리막의 투과측 표면의 내측 부분에 있어서, 5 cm×5 cm당 1개 이상, 5개 이상, 또는 10개 이상의 수지부가 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 5 cm×5 cm당 100개 이하, 50개 이하, 또는 30개 이하의 수지부가 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 수지부(7)의 형상을 줄무늬 판형으로 하는 것이, 분리막 엘리먼트의 강성 및 내구성을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다.
줄무늬 판형이란, 마루용 자재 등에 일반적으로 사용되고 있는 열연 줄무늬 강판의 줄무늬를 나타낸다. 줄무늬 강판의 줄무늬는, 그 줄무늬의 개수, 길이, 각도, 그리고 인접하는 줄무늬의 피치 등, 그 형상은 다종 다양하다. 줄무늬 강판의 줄무늬의 최대 특징은, 줄무늬에 일련의 방향성(이방성)이 없는 점이다. 즉, 도 4(a)에 예시한, 상하 좌우, 각각의 인접하는 줄무늬가 서로 다른 방향(수평 및 수직 방향)으로 배열된 줄무늬이다. 줄무늬 강판을 그 표면에 가지는 바닥면은, 어느 방향에 대해서도 동등한 미끄럼방지 효과를 얻을 수 있다.
이와 같은 줄무늬 강판의 줄무늬의 형태를, 수지부(7)의 형상, 즉 분리막에 투영한 평면시의 수지부(7)의 형상에 응용한 경우, 접착 라인에 방향성이 없어져서, 막 엘리먼트의 강성을 더욱 높일 수 있다.
여기서, 「접착 라인」이란, 예를 들면, 도 2 및 3에 나타낸 파선형으로 배열된 수지부(7)과 같이, 엘리먼트 둘레의 봉지부(6)에 인접하는 임의의 수지부(7-1)를 기점(起点)으로 하고, 이 기점으로부터 대향하거나 또는 인접하는 다른 엘리먼트 둘레의 봉지부(6)에 인접하는 수지부(7-2)를 종점으로 했을 때, 기점으로부터 상하·좌우 및 임의의 각도 α의 위치 관계에 있는 종점에 도달하고, 기점으로부터 종점에 이르는 직선 상에 그 사이의 수지부가 정렬되도록 한 수지부(7)에 의해 형성되는 직선을 말한다. 그리고, 상기 「정렬」이란, 기점과 종점의 사이에 존재하는 수지부가 방향성을 가질 때, 기점-종점 사이의 모든 수지부의 연장 방향이, 기점으로부터 종점에 이르는 직선에 대하여 평행한 것을 말한다.
예를 들면, 도 2는, 수지부(7)를 직선형으로 형성하고 상하 좌우로 정렬 시켜 배치한 분리막 엘리먼트의 예이며, 수지부(7)의 형상(방향)이 동일하므로, 접착 라인에 방향성(이방성)이 있다. 한편, 도 5는, 직선형의 수지부(7)를 둘레의 봉지부(6)에 대해 ±45°경사지게 하여 배치한 줄무늬 강판의 줄무늬의 수지부(7)의 예이며, 수지부(7)의 형상(연장 방향)이 상이하므로, 접착 라인에 방향성(이방성)이 없다.
이와 같이, 수지부의 형상을 줄무늬 강판의 줄무늬로 한 경우, 접착 라인을 가지지 않고, 수지부의 배열에 방향성이 없다(즉, 등방성이다). 그러므로, 특히 폭기를 행하는 하폐수 처리 용도에 있어서 휨을 억제할 수 있으므로, 수지부의 형상을 줄무늬 강판의 줄무늬로 하는 것이 바람직하다.
줄무늬 강판의 줄무늬로서는, 예를 들면, 일방향으로 배열하는 짧은 돌조(突條) A의 군과, 돌조 A의 방향에 대하여 직교하는 방향으로 배열하는 짧은 돌조 B의 군으로 이루어지고, 돌조 A와 돌조 B를 교호적으로 배열한 줄무늬를 예시할 수 있다. 여기서 돌조 A 및 돌조 B는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 각각 분리막의 둘레의 봉지부(6)에 대하여, 대략 평행 및 대략 수직인 방향으로 배열할 수 있다. 또는 도 5에 나타낸 바와 같이, 돌조 A 및 돌조 B의 연장 방향을, 분리막의 둘레의 봉지부(6)에 대하여 경사지게 할 수도 있다. 도 5의 예는, 돌조 A 및 돌조 B의 연장 방향을, 분리막의 둘레의 봉지부(6)에 대하여 ±45°경사지게 하여 수지부(4)를 형성하였다. 그리고, 도 5의 예는, 돌조 A 및 돌조 B가 동일한 길이를 가진 예이다.
또한 돌조 A 및 돌조 B는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상하 좌우로 1개씩 교호적으로 배열해도 되고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 복수의 돌조 A 및 복수의 돌조 B를 상하 좌우로 교호적으로 배열해도 된다. 이와 같이, 상하 좌우, 각각의 인접하는 줄무늬의 방향 및 각도에 대하여, 주기, 배열 규칙성은 특별히 한정되지 않는다.
줄무늬의 방향에 대하여는, 막 둘레에 대하여 평행하게, 수직으로, 그리고, 45° 등 임의로 해도 되지만, 제작성의 관점에서, 막 둘레에 대하여 대략 평행 및 대략 수직인 방향인 것이 바람직하다. 줄무늬의 길이, 개수, 피치 간격은, 전술한 바와 같이, 분리막(2) 및 분리막 엘리먼트에 적절한 유연성과 강성을 부여하는 특성을 만족시키는 한, 특별히 한정되는 것은 아니다.
둘레의 봉지부(6) 및 내측 수지부(7)를 구성하는 성분으로서는 특별히 한정되지 않지만, 내약품성의 면에서, 에틸렌아세트산 비닐 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀이나 올레핀 공중합체 등이 바람직하고, 우레탄 수지, 에폭시 수지 등의 폴리머도 선택할 수 있다. 단, 열가소성 중합체이면 성형이 용이하므로, 수지의 형상을 균일하게 할 수 있다.
연화점이 높은 열가소성 중합체에 의해 봉지부(6), 수지부(7)를 구성하면, 분리막(2)에 수지를 접착시킬 때 분리 기능층(3)을 용해할 우려가 있으며, 한편, 연화 온도가 지나치게 낮으면 운전중에 분리막의 내측이 박리될 우려가 있다. 이 때문에, 봉지부(6), 수지부(7)를 구성하는 수지는, 연화점이 80℃∼200℃의 범위의 열가소성 중합체인 것이 바람직하다. 여기서 연화점이란, 수지가 연화하여 변형되기 시작하는 온도이며, 환구법(ring and ball method)에 의해 측정된다. 구체적인 방법으로서는, JIS K-2531, JIS K-2207/2425, JIS K6863-1994, ASTM D-36에 규정된 방법이 바람직하게 사용된다. 이들 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 측정된 연화점이, 전술한 범위 내에 포함되어 있으면 된다. 더욱 바람직하게는, JIS K6863-1994의 방법에 의해 측정된 연화점이, 전술한 범위 내에 포함되어 있으면 된다.
보다 구체적인 측정 방법의 일례는, 하기와 같다. 환 내경(內徑) 15.9 ㎜의 환 내에 시료를 충전하고, 냉방한다. 시료를 실리콘 오일 욕 중에 수평으로 유지하고, 시료의 중앙에 직경 9.53 ㎜이며 질량 3.5 g의 구리제의 볼을 위치시킨다. 욕 온을 매분 5℃의 비율로 상승시키면, 시료가 서서히 연화하여 환으로부터 흘러내리고, 시료 또는 볼이 환대(環臺)의 바닥판에 접촉되었을 때의 온도를 연화점으로서 측정한다. 그리고, 환대의 바닥판 상면과 환의 하면의 거리는 25.4 ㎜이며, 측정 분위기는 20±5 ℃, 습도 70±5 %이다.
분리막의 투과측의 둘레와 내측의 일부에 수지를 접착시키는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 처리 온도나 선택하는 수지의 종류를 변경함으로써, 요구되는 분리 특성이나 투과 성능의 조건을 만족 가능하도록 수지의 형상을 자유롭게 조정할 수 있다.
그리고, 수지층(6) 및 수지부(7)에는, 동일한 수지가 적용되어도 되고, 상이한 수지가 적용되어도 된다. 또한, 둘레의 봉지부(6)에서는 봉지가 목적이므로, 수지를 이용하지 않고 분리막을 직접 융착할 수도 있고, 외측으로부터 수지나 접착제로 포매(包埋)할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 분리막은, 평막형 분리막이며, 바람직하게는 부직포 베이스의 기재 상에 분리 기능층을 제막한 것이다.
분리막의 분리 기능층의 두께는, 얇으면 균열 등의 결함이 생겨, 여과 성능이 떨어지는 경우가 있고, 지나치게 두꺼우면 투수량이 저하되는 경우가 있으므로, 통상 0.001∼0.5 ㎜(1㎛∼500㎛), 바람직하게는 0.05∼0.2 ㎜(50㎛∼200㎛)의 범위에서 선정하는 것이 바람직하다.
분리 기능층로서는, 공경 제어, 내구성의 면에서, 가교 고분자로 구성되는 것이 바람직하다. 분리 대상으로 하는 성분의 분리 성능의 면에서, 다공성 지지층 상에 다관능성 아민과 다관능산 할로겐화물을 중축합시켜서 이루어지는 분리 기능층, 유기 무기 하이브리드 기능층 등이 바람직하다. 또한, 셀룰로오스 막, 폴리 불화 비닐리덴 막, 폴리에테르술폰 막, 폴리술폰 막과 같은 다공성 지지층으로서, 분리 기능과 지지체 기능의 양쪽을 가지는 막을 사용할 수도 있다. 즉, 분리 기능층과 다공성 지지층이, 단일 층으로 실현되어도 된다.
본 발명의 분리막 엘리먼트를 구성하는 분리막은, 바람직하게는 기재와 분리 기능층으로 이루어지고, 특히, 폴리 불화 비닐리덴계 수지로 이루어지는 분리 기능층이 형성된 분리막을 사용하면 된다. 여기서, 기재와 분리 기능층의 사이에는, 상기 분리 기능층을 구성하는 수지와 기재가 혼재하는 층이 개재되어 있는 것이 바람직하다. 기재 표면으로부터 내부로 폴리 불화 비닐리덴계 블렌딩 수지가 침입하는 것에 의해, 이른바 앵커 효과(anchor effect)에 의해 분리 기능층이 기재에 견고하게 정착되어, 분리 기능층이 기재로부터 박리하는 것을 방지할 수 있게 된다. 분리 기능층은, 기재에 대하여, 한쪽 면에 치우쳐 존재해도 되고, 또한, 양면에 존재해도 된다. 분리 기능층은, 기재에 대하여, 대칭 구조일 수도 있고, 비대칭 구조일 수도 있다. 또한, 분리 기능층이 기재에 대하여 양면에 존재하고 있는 경우에는, 양측의 분리 기능층이, 기재를 통하여 연속적이라도 되고, 불연속라도 된다.
분리 기능층과 기재에 의해 형성된 분리막에 있어서, 기재는, 분리 기능층을 지지하여 분리막에 강도를 부여하는 기능을 가진다. 기재를 구성하는 재질로서는, 유기 기재, 무기 기재 등, 특별히 한정되지 않지만, 경량화하기 쉬운 점에서, 유기 기재가 바람직하다. 유기 기재로서는, 셀룰로오스 섬유, 셀룰로오스 트리아세테이트 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유 등의 유기 섬유로 이루어지는 직편물이나 부직포를 예로 들 수 있다. 그 중에서도, 밀도 제어가 비교적 용이한 부직포가 특히 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 있어서 사용하는 분리막을 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 이 분리막은, 폴리 불화 비닐리덴계 수지 및 개공제 등을 포함하는 제막 원액을, 기재의 한쪽 표면 또는 양 표면에 부착시키고, 비용매(非溶媒)를 포함하는 응고액 중에서 응고시켜 분리 기능층을 형성함으로써 제조할 수 있다. 이 때, 기재의 표면에 제막 원액을 부착시키는 수단은, 제막 원액의 도포라도 되고, 또한, 기재를 제막 원액에 침지라도 된다. 기재에 제막 원액을 도포하는 경우에는, 기재의 한쪽 면에 도포해도 되고, 양면에 도포해도 된다. 기재와는 별도로 분리 기능층만을 형성한 후에 양층을 접합하는 방법이라도 된다.
그리고, 제막 원액을 응고시키는 데 있어서는, 기재 상의 분리 기능층 형성용 제막 원액 피막만을 응고액에 접촉시키는 것이라도 되고, 또한, 분리 기능층 형성용 제막 원액 피막을 기재마다 응고액에 침지하는 것이라도 된다. 분리 기능층 형성용 제막 원액 피막만을 응고액에 접촉시키기 위해서는, 예를 들면, 기재 상에 형성된 제막 원액 피막이 하측으로 오도록 하여 응고욕 표면과 접촉시키는 방법이나, 유리판, 금속판 등의 평활한 판 상에 기재를 접촉시키고, 응고욕이 기재 측으로 들어가지 않도록 접착하고, 제막 원액 피막을 가지는 기재를 판마다 응고욕에 침지하는 방법 등이 있다. 후자의 방법에서는, 기재를 판에 접착하고나서 제막 원액의 피막을 형성해도 되고, 기재에 제막 원액의 피막을 형성하고나서 판에 접착해도 된다.
그리고, 제막 원액에는, 상기한 폴리 불화 비닐리덴계 수지 외에, 필요에 따라 개공제나 이들을 용해하는 용매 등을 첨가해도 된다.
제막 원액에 다공질 형성을 촉진하는 작용을 가지는 개공제를 가하는 경우, 이 개공제는, 응고액에 의해 추출 가능한 것이면 되고, 응고액에 대한 용해성이 높은 것이 바람직하다. 예를 들면, 염화 칼슘, 탄산칼슘 등의 무기염을 사용할 수 있다. 또한, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등의 폴리옥시알킬렌류나, 폴리비닐알코올, 폴리비닐부티랄, 폴리아크릴산 등의 수용성 고분자나 글리세린을 사용할 수도 있다. 개공제는, 제막 원액에 사용하는 수지의 종류에 따라 임의로 선택할 수 있으며, 예를 들면, 폴리 불화 비닐리덴을 주성분으로 하는 수지를 사용하는 경우에는, 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 중합체가 바람직하고, 그 중에서도 중량 평균 분자량이 10,000 이상인 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 중합체를 사용하는 것이, 표면의 공경, 공경 분포 및 투수성의 밸런스를 유지하는 면에서 특히 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 개공제로서는, 폴리옥시알킬렌 구조, 또는 지방산 에스테르 구조 또는 수산기를 함유하고 있는 계면활성제를 사용할 수 있다. 계면활성제의 사용에 의해, 목적으로 하는 세공(細孔) 구조를 얻는 것이 용이하게 된다.
폴리옥시알킬렌 구조로서는, -(CH2CH2O)n-, -(CH2CH2(CH3)O)n-, -(CH2CH2CH2O)n-, -(CH2CH2CH2CH2O)n- 등을 예로 들 수 있지만, 특히 친수성의 관점에서, -(CH2CH2O)n- 이른바 폴리옥시에틸렌이 바람직하다.
지방산 에스테르 구조로서는, 장쇄(長鎖) 지방족 기를 가지는 지방산을 예로 들 수 있다. 장쇄 지방족 기로서는, 직쇄형, 분지형의 어느 것이라도 되지만, 지방산로서는, 스테아르산, 올레산, 라우르산, 팔미트산 등을 예로 들 수 있다. 또한, 유지 유래의 지방산 에스테르, 예를 들면, 우지(牛脂), 팜유, 야자유 등도 들 수 있다.
수산기를 가지는 계면활성제로서는, 에틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 글리세린, 소르비톨, 포도당, 수크로오스 등을 예로 들 수 있다.
본 발명에 있어서 개공제로서 사용하는 계면활성제는, 폴리옥시알킬렌 구조, 지방산 에스테르 구조, 수산기 중 2개 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
그 중에서도, 폴리옥시알킬렌 구조, 지방산 에스테르 구조 및 수산기를 모두 함유하고 있는 계면활성제가 특히 바람직하게 사용되고, 예를 들면, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르로서, 모노 스테아르산 폴리옥시 에틸렌 소르비탄, 폴리옥시 에틸렌 야자유 지방산 소르비탄, 모노 올레산 폴리옥시 에틸렌 소르비탄, 모노 라우르산 폴리옥시 에틸렌 소르비탄, 모노 팔미트산 폴리옥시 에틸렌 소르비탄, 폴리옥시 에틸렌 지방산 에스테르로서, 모노 스테아르산 폴리에틸렌 글리콜, 모노 올레산 폴리에틸렌 글리콜, 모노 라우르산 폴리에틸렌 글리콜을 들 수 있다. 이들 계면활성제는 특히 무기 미립자의 분산성을 양호하게 할 뿐만 아니라, 다공질층에 잔존 및 건조시켜도 투수성, 저지성이 저하하지 않는 특징을 겸비하므로, 바람직하다. 또한 이들 계면활성제는, 분리막 제조 후에 분리막에 도포하고 건조하여 사용할 수 있고, 투수성과 저지성의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 제막 원액 중에, 폴리 불화 비닐리덴계 수지, 다른 유기 수지 및 개공제 등을 용해시키기 위한 용매를 사용하는 경우, 그 용매로서는, N-메틸피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc), N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸술폭시드(DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 폴리 불화 비닐리덴계 수지에 대한 용해성이 높은 NMP, DMAc, DMF, DMSO를 바람직하게 사용할 수 있다.
제막 원액에는, 그 외에, 비용매를 첨가할 수도 있다. 비용매는, 폴리 불화 비닐리덴계 수지나 다른 유기 수지를 용해하지 않는 것으로서, 폴리 불화 비닐리덴계 수지 및 다른 유기 수지의 응고의 속도를 제어하여 세공의 크기를 제어하는 작용을 한다. 비용매로서는, 물이나, 메탄올, 에탄올 등의 알코올류를 사용할 수 있다. 그 중에서도 폐수 처리의 용이성이나 가격 면에서 물, 메탄올이 바람직하다. 또한 이들을 혼합한 것이라도 된다.
제막 원액의 조성에 있어서, 폴리 불화 비닐리덴계 수지는 5 중량%∼30 중량%, 개공제는 0.1 중량%∼15 중량%, 용매는 45 중량%∼94.8 중량%, 비용매는 0.1 중량%∼10 중량%의 범위 내인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 폴리 불화 비닐리덴계 수지는, 극단적으로 적으면 다공질층의 강도가 낮아지고, 지나치게 많으면 투수성이 저하되는 경우가 있으므로, 8 중량%∼20 중량%의 범위가 더욱 바람직하다. 개공제는, 지나치게 적으면 투수성이 저하되고, 지나치게 많으면 다공질층의 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, 극단적으로 많으면 폴리 불화 비닐리덴계 수지 중에 과잉으로 잔존하여 사용 중에 용출하여, 투과수의 수질이 악화되거나 투수성이 변동하는 경우가 있다. 따라서, 더욱 바람직한 범위는, 0.5 중량%∼10 중량%이다. 또한, 용매는, 지나치게 적으면 원액이 쉽게 겔화하고, 지나치게 많으면 다공질층의 강도가 저하된다. 용매는, 더욱 바람직하게는 60 중량%∼90 중량%의 범위이다. 또한, 비용매는, 지나치게 많으면 원액의 겔화가 쉽게 일어나고, 극단적으로 적으면 세공이나 마크로 보이드(void)의 크기를 제어하기 어려워진다. 따라서, 비용매는, 더욱 바람직하게는 0.5 중량%∼5 중량%이다.
한편, 응고욕으로서는, 비용매, 또는 비용매와 용매를 포함하는 혼합 용액을 사용할 수 있다. 제막 원액에도 비용매를 사용하는 경우, 응고욕에서의 비용매는, 응고욕 중 적어도 80 중량%로 하는 것이 바람직하다. 지나치게 적으면 폴리 불화 비닐리덴계 수지의 응고 속도가 늦어져서 세공 직경이 커진다. 응고욕에서의 비용매는, 더욱 바람직하게는, 85 중량%∼100 중량%의 범위이다. 한편, 제막 원액에 비용매를 사용하지 않는 경우, 제막 원액에도 비용매를 사용하는 경우보다, 응고욕에서의 비용매의 함유량을 적게 하는 것이 바람직하다. 응고욕에서의 비용매의 함유량은, 많아도 40 중량%로 하는 것이 바람직하다. 비용매가 많으면 폴리 불화 비닐리덴계 수지의 응고 속도가 빨라져 다공질층의 표면은 치밀하게 되어 투수성이 저하되는 경우가 있다. 비용매의 함유량은, 1 중량%∼40 중량%의 범위가 더욱 바람직하다. 응고욕 중의 비용매의 함유량을 조정함으로써, 다공질층 표면의 공경이나 마크로 보이드의 크기를 제어할 수 있다. 그리고, 응고욕의 온도는, 지나치게 높으면 응고 속도가 지나치게 빠르게 되고, 반대로, 지나치게 낮으면 응고 속도가 지나치게 늦어지므로, 통상, 15℃∼80℃의 범위에서 선정하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 20℃∼60℃의 범위이다.
또한, 본 발명의 분리막 엘리먼트는, 역삼투막, 나노 여과막, 한외 여과막, 정밀 여과막 중 어디에도 적용할 수 있다. 또한, 분리 대칭 물질의 크기에 따라 적당한 1종 이상의 막을 선택하고, 조합하면 되지만, 하폐수 처리용으로서는 한외 여과막, 정밀 여과막이 특히 바람직하다.
그리고, 본 발명의 분리막 엘리먼트를 사용하는 데 있어서는, 분리막 엘리먼트에 집수구(9)를 배치함으로써, 분리막에 의해 여과된 투과수가 수지부(7) 사이의 공간을 흐르고, 집수구(9)를 통하여 분리막 엘리먼트 외부로 나갈 수 있게 된다.
분리막 엘리먼트의 종류는, 평막형 엘리먼트, 스파이럴형 엘리먼트, 플리츠(pleats)형 엘리먼트 등 특별히 한정되지 않지만, 하배수 처리에서의 원수(原水)의 수질을 고려하여, 평판형 막 엘리먼트가 바람직하다.
분리막 엘리먼트(1)를 구성하는 집수부(8)는, 원하는 효과가 손상되지 않는 범위이면, 엘리먼트의 단부에 있어도 되고 내측에 있어도 되며, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 하폐수 처리 용도에 바람직하게 사용할 수 있는 분리막 엘리먼트의 형태의 일례로서는, 분리막 엘리먼트의 단부에 집수부(8)를 설치하고, 집수구(9)를 서포트하는 고정 지그(23)에 장착하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 분리막 엘리먼트는, 도 1의 (a) 및 (b)에 나타낸 분리막 엘리먼트(1)와, 도 8에 나타낸 고정 지그(23)를 집수구(9)로서 구비할 수도 있다. 고정 지그(23)는, 분리막 엘리먼트(1)의 둘레에 (분리막의 직사각형의 한 변을 따르도록), 분리막 엘리먼트(1)의 분리막(2)의 사이에 끼워지도록 배치된다. 고정 지그(23)에는 집수관(24)이 통하고 있고, 집수관(24)의 단부가 집수구(9)로서 기능한다. 투과수는 간극(5)으로부터 집수관(24)을 통하여, 분리막 엘리먼트(1)의 외부로 배출된다. 그리고, 전술한 바와 같이, 집수부(8)를 설치하는 위치는, 분리막 엘리먼트의 단부로 한정되는 것이 아니고, 내측의 영역이라도 된다.
도 7에, 분리막 엘리먼트(1)와 다른 형태의 집수구(9)를 함께 나타낸다. 또한 도 9에는, 이 집수구(9)의 평면도(a) 및 정면도(b)를 나타낸다.
도 9의 (a) 및 (b)는, 본 발명에서 사용하는 집수구의 실시형태의 일례이다. 집수구(9)는, 상부 및 하부의 중공 부재에 의해 구성되어 있다. 집수구(9)의 하부는 2개의 만곡면을 중공이 되도록 배치하고, 그 하방을 개방하고 상방을 대략 평면으로 닫고, 이 상방 평면의 대략 중앙에 개구부를 가지고, 이 개구부에 타원형의 통(상부 중공 부재)을 접속하여 구성되어 있다. 집수구(9)를 도 9의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같은 형상으로 함으로써, 분리막 엘리먼트(1)의 집수부(8)에 대한 장착에 의한 주름을 발생시키지 않고, 집수구(9)와 봉지부(6)를 봉지시키는 것이 가능하다. 봉지 방법로서는, 열 용착에 의한 방법, 접착제를 사용하는 방법 등을 고려할 수 있지만, 봉지 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다. 봉지를 더욱 확실하게 하기 위해, 열 용착과 접착제를 병용하는 방법 도 고려할 수 있다. 장착 부분의 형상으로서는, 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 분리막 엘리먼트(1)의 크기, 집수구(9)의 크기나 형상 등을 고려하여 적절한 것을 선정하면 된다.
다음으로, 이 분리막 엘리먼트(1)를 복수 개 묶어서 모듈화할 때의 실시형태를 나타낸다. 본 발명의 분리막 엘리먼트는 지지판을 없앤 엘리먼트이므로, 엘리먼트 전체의 두께를 얇게 할 수 있고, 막 모듈로서 설치 면적당 막 면적(분리막의 충전율)을 높일 수 있다. 그러나, 분리막 엘리먼트(1)에는, 집수구(9)가 장착되어 있다. 이 때문에, 막의 부분보다 오히려, 집수구을 어떻게 배치하고, 분리막 엘리먼트(1)의 충전율을 높이는 것이 과제로 된다. 이에, 본 발명의 분리막 모듈은, 근처에 있는 엘리먼트의 집수구가 간섭하지 않도록 배치시키는 것을 특징으로 한다.
도 10의 (a) 및 (b)에 2장의 분리막 엘리먼트를 나타낸다. 양쪽의 차이는, 집수구(9)의 장착 위치이며, (a)의 분리막 엘리먼트(1a)에서의 집수구(9)의 위치와, (b)의 분리막 엘리먼트(1b)에서의 집수구(9)의 위치를 상이하게 하고 있다. 집수구(9)의 설치 위치를 서로 다르게 하여 중첩되지 않도록 함으로써, 막 모듈(10)에 조립할 때, 인접하는 엘리먼트의 집수구끼리의 간섭(중첩되어 부피가 커지는 것)을 피할 수 있으므로, 엘리먼트끼리의 간격을 좁혀서 배치할 수 있게 된다. 분리막 엘리먼트(1a 및 1b)를 교호적으로 복수 장 배열한 분리막 모듈(10)을, 상부로부터 본 모식도를 도 10의 (c)에 나타낸다. 그리고, 도 10의 (a)∼(c)는 일례를 나타낸 것이며, 인접하는 집수구(9)가 간섭하지 않도록 배치할 수 있는 것이면, 이 구조로 한정하지 않는다.
여기서 도 10의 (a) 및 (b)에 기재한 분리막 엘리먼트(1a 및 1b)는, 직사각형의 평막형 분리막의 하나의 모서리를 취하여, 경사변(11)을 가지는 형상으로 하고, 이 경사변에 집수부 및 집수구(9)를 배치한 예이다. 이와 같이 경사변(11)을 설치하고, 경사변(11) 상에 집수구(9)를 배치함으로써, 집수구의 장착 장소의 위치 결정이 용이하게 되는 제작상의 장점 외에, 집수관을 막 엘리먼트의 가로 측에 설치하고, 이 집수관과 각각의 집수구를 튜브 등으로 접속하는 경우에, 집수구에 무리한 힘이 걸리지 않도록 하고, 집수구와 막 엘리먼트의 사이의 접착이 박리하거나 파괴되는 것을 방지하는 장점이 있다.
또한, 이 막 엘리먼트는 복수 개를 하우징 내에 수용한 구조의 막 모듈로 해서 사용할 수 있다. 또한 막 모듈은, 복수 개의 막 엘리먼트를 병렬로 배열하고 상태로 고정시킨 구조를 가진다. 이 막 모듈은, 폐수 등의 피처리액이 저류된 조(槽) 내에 침지되고, 막 여과에 사용할 수 있다. 이들 막 엘리먼트나 막 모듈에는, 분리막을 투과한 투과액을 집액하는 집액 수단이 부설되고, 액체 처리 장치로서 하폐수 처리 등에 사용할 수 있다.
이어서, 막 모듈의 사용 방법을 도 11에 예시한 하폐수 처리 장치에 기초하여 설명한다. 도 11에 있어서, 막 모듈(12)는 복수 개의 막 엘리먼트(13)가, 서로 평행하게, 또한 인접하는 막 엘리먼트(13)의 막 면 사이에 공간이 형성될 수 있도록 하우징 내에 수납되어 구성되어 있다. 이 막 모듈은, 막 침지수조(14)에 저장된 유기성 폐수 등의 피처리수에 침지하도록 하여 사용된다. 막 모듈(12)의 내부에는 수직 방향으로 장전된 복수의 막 엘리먼트(13), 그 아래쪽에 산기(散氣) 장치(15)가 설치되어 있다. 산기 장치(15)는 블로어(16)로부터의 기체를 분리막의 막 면에 공급한다. 또한, 막 모듈(12)보다 하류측에는 투과수(20)을 흡인하는 펌프(17)를 설치하고 있다.
이와 같이 구성된 하 폐수 처리 장치에 있어서, 폐수 등의 피처리액은, 펌프(17)의 흡인력에 의해 막 엘리먼트(13)의 분리막을 통과한다. 이 때, 피처리액 중에 포함되는 미생물 입자, 무기물 입자 등의 현탁 물질이 여과된다. 그리고, 분리막을 통과한 투과수는, 분리막의 투과측으로 흐르로 엘리먼트의 단부에 배치된 집수구을 통하여 피처리 수조의 외부에 펌프(17)를 통하여 인출된다. 한편, 여과와 병행하여 산기 장치(15)가 기포를 발생하고, 이 기포의 에어 리프트 작용에 의해 생기는, 막 엘리먼트의 막 면에 대하여 평행한 상승류가, 막 면에 퇴적된 여과물을 이탈시킨다.
물론, 피처리액로서는, 하 폐수로 한정되는 것이 아니라, 수처리 분야에서 정수 처리, 상수 처리, 배수 처리, 공업용수 제조 등에서 이용할 수 있고, 하천수, 호숫물, 늪의 물, 지하수, 해수, 하수, 배수 등을 피처리수로 할 수 있다.
[실시예]
실시예 및 비교예에서의 분리막의 투수량과 내측 수지부의 면적 비율, 투과측 간극, 내측 수지부의 평면 형상, 내측 수지부의 간격, 내측 수지부의 단면 형상은, 하기와 같이 측정하였다.
[엘리먼트의 투수량]
후술하는 방법으로 제조한 분리막을 12 cm×12 cm로 2장 잘라내고, 각각의 실시예, 비교예에 기재된 방법으로 분리막 엘리먼트를 제조하였다. 얻어진 분리막 엘리먼트에, 집수구가 부착된 고정 지그를 장착하고, 높이 20 cm, 폭 20 cm, 안길이 20 cm의 수조에 침지시키고, 수두(水頭) 높이 1 m로 증류수를 25℃에서, 5분간 예비 투과시킨 후, 이어서 증류수를 투과시키고 투과수를 5분간 채취함으로써 투수량을 측정한다.
[내측 수지부의 면적 비율]
수지부가 설치된 분리막 엘리먼트의 내측을 5 cm×5 cm로 잘라내고, 시판 중인 스캐너로 화상을 스캐닝하고, 이 화상을 명도차에 의해 2치화 처리하여, 평면 방향에서의 각각의 수지부의 면적을 측정하였다. 이 면적의 총계를, 막 표면에 대하여 수직인 방향으로부터 수지부를 투영할 때 얻어지는 투영 면적으로 간주하고, 이 투영 면적을 잘라낸 막의 면적(25 cm2)으로 나눈 값(비율, 면적%)을 산출하였다.
[투과측의 간극]
분리막 엘리먼트를 두께 방향으로 절단한 단면으로부터 2장의 분리막의 간격을 현미경(키엔스사 제조, 모델넘버: VHX-1100)으로 측정하였다.
[내측 수지부의 평면 형상]
수지부가 설치된 분리막 엘리먼트의 내측에 대하여, 시판 중인 스캐너로 화상을 스캐닝하고, 이 화상을 명도차에 의해 2치화 처리하여, 평면 방향에서의 각각의 수지부의 대략적인 형상을 육안 관찰에 의해 판단하였다. 각각의 수지부에 대해서는 수지부만(수지가 없는 부분을 포함하지 않음)의 최장 직경의 크기를 그 수지부의 장경, 장경 선의 중심에서의 수직선(수지가 없는 부분을 포함해도 됨)을 단경으로 하고, 그 평균값을 산출하였다. 그리고, 수지부의 장경, 단경의 평균값은 소수점 2째자리수를 사사오입하여 산출하였다.
[내측 수지부의 간격]
수지부가 설치된 분리막 엘리먼트의 내측에 대하여, 시판 중인 스캐너로 분리막의 표면에 대하여 수직인 방향으로부터 보았을 때의 화상을 스캐닝하고, 이 화상을 명도차에 의해 2치화 처리한 후, 각각의 수지부에 대하여 인접하는 다른 수지부와의 최단 거리를 측정하고, 그 평균값을 산출하였다. 그리고, 수지부의 간격의 평균값은 소수점 2자리수를 사사오입하여 산출하였다.
[내측 수지부의 단면 형상]
분리막 엘리먼트를 두께 방향으로 절단한 단면으로부터, 수지부의 단면의 대략적인 형상을 육안 관찰에 의해 판단하였다.
(실시예 1)
제막 원액용 수지 성분으로서 폴리 불화 비닐리덴(PVDF, 중량 평균 분자량 280,000)을 사용하였다. 또한, 개공제로서 폴리에틸렌 글리콜(PEG20,000, 중량 평균 분자량 20,000), 용매로서 N,N-디메틸포름아미드(DMF), 비용매로서 H2O를 각각 사용하였다. 이들을 95℃의 온도 하에서 충분히 교반하고, 하기 조성을 가지는 제막 원액을 제작하였다. 폴리 불화 비닐리덴(PVDF): 13.0 중량%, 폴리에틸렌 글리콜(PEG20,000): 5.5 중량%, N,N-디메틸포름아미드(DMF): 78.0 중량%, H2O: 3.5 중량%.
밀도 0.42 g/㎤, 폭 50 cm×길이 150 cm 사이즈의 직사각형 폴리에스테르 섬유제 부직포를 기재로서 사용하여, 상기 제막 원액을 30℃로 냉각한 후, 기재에 도포하고, 도포 후, 즉시 20℃의 순수 중에 5분간 침지하고, 또한 90℃의 열수에 2분간 침지하여 용매인 N,N-디메틸포름아미드 및 개공제인 폴리에틸렌 글리콜을 씻어 내었다. 그 후, 계면활성제(모노 올레산 폴리옥시 에틸렌 소르비탄)의 20 중량% 수용액에 30분간 침지한 후, 75℃의 열풍 건조기에 의해 30분간 건조하여 분리막을 제조하였다.
다음으로, 얻어진 분리막으로부터 12 cm× 12 cm로 2개의 절편을 잘라내었다. 이 중, 1장의 분리막의 투과측에, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지(TEX YEAR INDUSTRIES INC. 제조, 상품명: 703A, 연화점 96℃)를, 핫멜트 어플리케이터(산툴사 제조, 장치명: CF-03SS-S)를 사용하여, 수지 온도 120℃, 주행 속도 12 m/min로 도포했다. 이 때, 분리막의 외주 부분, 즉 둘레의 봉지부에는, 폭 5 ㎜, 높이 3 ㎜ 정도의 크기로 수지를 도포했다. 또한, 내측 영역에는, 도트 형상으로, 길이 4 ㎜, 폭 3 ㎜, 세로 간격 8 ㎜, 가로 간격 4 ㎜, 높이 1 ㎜ 정도의 크기로 되도록, 수지를 도포했다.
그 후, 분리막 상에 투과측의 면이 마주보도록 다른 1장의 분리막을 올리고, 이 분리막의 주변에, 스페이서로서 알루미늄판을 배치하였다. 이들 2장의 분리막과 스페이서를 함께, 두께 3 ㎜의 2장의 알루미늄판 사이에 끼우고, 85℃의 오븐 중에 30분간 정치하여 분리막의 투과측에 수지를 접착시켰다.
이와 같이 하여 얻어진 분리막 엘리먼트의 투과측의 간극은, 0.5 ㎜(500㎛)였다. 또한, 내측 수지부는 장경 8.0 ㎜, 단경 4.5 ㎜, 세로 간격 4.0 ㎜, 가로 간격 2.5 ㎜의 대략 타원형의 도트형이며, 그 면적 비율은 35%였다(도 1 참조). 그리고, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다.
또한, 단부에 집수구용의 고정 지그를 장착하고, 분리막의 투수 성능(투수량)을 측정한 바, 24.8×10-9 m3/m2/s/Pa였다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 2)
분리막의 투과측의 간극을 0.05 ㎜(50㎛)로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 높이와, 스페이서인 알루미늄판의 두께를 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 장경 8.0 ㎜, 단경 4.5 ㎜, 세로 간격 4.0 ㎜, 가로 간격 2.5 ㎜의 대략 타원형의 도트형이며, 그 면적 비율은 35%였다(도 1 참조). 그리고, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 24.6×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1보다 낮은 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 3)
분리막의 투과측의 간극을 2 ㎜(2000㎛)로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 높이와, 스페이서인 알루미늄판의 두께를 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 장경 8.0 ㎜, 단경 4.5 ㎜, 세로 간격 4.0 ㎜, 가로 간격 2.5 ㎜의 대략 타원형의 도트형이며, 그 면적 비율은 35%였다(도 1 참조). 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 25.8×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1과 거의 동등한 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 4)
분리막의 투과측의 간극을 5 ㎜(5000㎛)로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 높이와, 스페이서인 알루미늄판의 두께를 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 장경 8.0 ㎜, 단경 4.5 ㎜, 세로 간격 4.0 ㎜, 가로 간격 2.5 ㎜의 대략 타원형의 도트형이며, 그 면적 비율은 35%였다(도 1 참조). 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 25.5×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1과 거의 동등한 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 5)
내측 수지부의 면적 비율이 1%로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 도트 형상의 크기, 가로 간격 및 세로 간격을 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 장경 1.1 ㎜, 단경 1.1 ㎜, 세로 간격 9.4 ㎜, 가로 간격 8.3 ㎜의 대략 원형의 도트형이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 타원 형상이었다. 분리막의 투수 성능은 24.7×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1과 거의 동등한 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 6)
분리막의 투과측의 간극을 2 ㎜(2000㎛)으로 하고, 내측 수지부의 면적 비율이 5%로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 도트 형상의 크기, 가로 간격 및 세로 간격과, 스페이서인 알루미늄판의 두께를 변경한 점 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 장경 2.6 ㎜, 단경 1.8 ㎜, 가로 및 세로 간격 7.5 ㎜의 대략 타원형의 도트형이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 타원 형상이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 25.1×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 3과 거의 동등한 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 7)
분리막의 투과측의 간극을 2 ㎜(2000㎛)로 하고, 내측 수지부의 면적 비율이 20%로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 도트 형상의 크기, 가로 간격 및 세로 간격을 변경한 점 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 장경 5.1 ㎜, 단경 3.6 ㎜, 세로 간격 5.6 ㎜, 가로 간격 3.7 ㎜의 대략 타원형의 도트형이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 25.9×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 3과 거의 동등한 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 8)
분리막의 투과측의 간극을 2 ㎜(2000㎛)으로 하고, 내측 수지부의 면적 비율이 67%로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 도트 형상의 크기, 가로 간격 및 세로 간격을 변경한 점 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 장경 11.7 m, 단경 6.0 ㎜, 가로 및 세로 간격 0.7 ㎜의 대략 타원형의 도트형이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 24.0×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 3보다 낮은 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 9)
분리막의 투과측 내측의 수지의 형상은 스트라이프 형상이며, 내측 수지부의 면적 비율이 31%로 되도록 한 점 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 길이 99.7 ㎜, 폭 1.8 ㎜, 폭 방향의 간격 5.0 ㎜의 직선형이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 25.3×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 3과 거의 동등한 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 10)
분리막의 투과측 내측의 수지의 형상은 스트라이프 형상이며, 내측 수지부의 면적 비율이 57%로 되도록 한 점 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 길이 10.1 ㎜, 폭 3.7 ㎜, 폭 방향의 간격 3.5 ㎜의 직선형이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 24.1×10-9 m3/m2/s/Pa로 실시예 9보다 약간 낮은 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 11)
분리막의 투과측 내측의 수지의 형상은 줄무늬 강판의 줄무늬이며, 내측 수지부의 면적 비율이 10%로 되도록 한 점 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 길이 17.0 ㎜, 폭 1.7 ㎜, 간격 6.7 ㎜의 대략 직사각형의 줄무늬 강판의 줄무늬 모양이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 25.0×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 3과 거의 동등한 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 12)
분리막의 투과측 내측의 수지의 형상은 줄무늬 강판의 줄무늬이며, 내측 수지부의 면적 비율이 34%로 되도록 한 점 이외에는, 실시예 11과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 길이 6.8 ㎜, 폭 3.2 ㎜, 간격 1.6 ㎜의 대략 직사각형의 줄무늬 강판의 줄무늬 모양이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 24.8×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 11과 거의 동등한 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 13)
분리막의 투과측 내측의 수지의 형상은 줄무늬 강판의 줄무늬이며, 내측 수지부의 면적 비율이 59%로 되도록 한 점 이외에는, 실시예 11과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 길이 14.3 ㎜, 폭 3.2 ㎜, 간격 1.3 ㎜의 대략 직사각형의 줄무늬 강판의 줄무늬 모양이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 24.2×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 11보다 약간 낮은 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 14)
분리막의 투과측 내측의 수지의 형상은 격자 형상이며, 내측 수지부의 면적 비율이 34%로 되도록 한 점 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 내측 수지부는 장경 13.8 ㎜, 단경 7.5 ㎜, 간격 3.4 ㎜의 대략 #자형을 한 격자 도트형이었다. 또한, 내측 수지부의 단면 형상은 대략 직사각형상이었다. 분리막의 투수 성능은 24.5×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1보다 낮은 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 3에 나타내었다.
(비교예 1)
분리막의 투과측의 주위에만 수지를 도포한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가했다. 분리막의 투과측의 간극은 0.4 ㎜ 이하(400㎛ 이하)이며, 분리막의 투수 성능은 6.3×10-9 m3/m2/s/Pa로 실시예 1의 1/4 정도의 값이었다. 그리고, 수지부의 유무, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 3에 나타내었다.
(비교예 2) 분리막의 투과측의 주위에만 수지를 도포하고, 또한 유로용의 네트(두께: 700㎛, 피치: 5 ㎜×5 ㎜, 섬유 직경: 780㎛, 투영 면적 비율: 30%)를 끼워넣은 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가를 했다. 분리막 엘리먼트의 투수 성능은 16.2×10-9 m3/m2/s/Pa로 실시예 1의 3/5 정도의 값이었다. 그리고, 수지부의 유무, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 3에 나타내었다.
(실시예 15)
분리막의 투과측의 간극을 0.03 ㎜(30㎛)로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 높이와, 스페이서인 알루미늄판의 두께를 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 분리막의 투수 성능은 18.6×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1의 3/4 정도의 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 3에 나타내었다.
(실시예 16)
내측 수지부의 면적 비율이 77%로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 도트 형상의 크기, 가로 간격 및 세로 간격을 변경한 점 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 분리막의 투수 성능은 17.6×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1의 5/7 정도의 값이었다. 그리고, 수지부의 면적 비율, 투과측의 간극, 및 투수 성능의 결과를 표 3에 나타내었다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
[표 3]
Figure pct00003
(실시예 17)
분리막의 투과측의 내측 수지부와 둘레의 봉지부에 도포하는 수지를, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지(TEX YEAR INDUSTRIES INC. 제조, 상품명: 705AT, 연화점 82℃)로 변경하고, 도포하는 수지 온도를 100℃, 오븐의 온도를 70℃로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 얻어진 분리막 엘리먼트의 투수 성능은 24.7×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1과 거의 동등한 값이었다.
(실시예 18)
분리막의 투과측의 내측 수지부와 둘레의 봉지부에 도포하는 수지를, 변성 올레핀계 수지(도아합성사 제조, 상품명: EV165, 연화점 105℃)로 변경하고, 도포하는 수지 온도를 120℃, 오븐의 온도를 95℃로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 얻어진 분리막 엘리먼트의 투수 성능은 24.8×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1과 동등한 값이었다.
(실시예 19)
분리막의 투과측의 내측 수지부와 둘레의 봉지부에 도포하는 수지를, 열가소성 고무(아사히 화학 합성사 제조, 상품명: SGH2005G, 연화점 185℃)로 변경하고, 도포하는 수지 온도를 200℃, 오븐의 온도를 170℃로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 얻어진 분리막의 투수 성능은 24.8×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1과 동등한 값이었다.
(실시예 20, 비교예 5)
실시예 1, 실시예 2, 실시예 9, 실시예 12, 및 비교예 2에 기재된 분리막 엘리먼트를 MBR에 적용했을 때의 내구성을 평가했다.
분리막 엘리먼트는, 실시예 1과 비교예 2에 기재된 투수성 측정용과 동일한 구조이며, 50 cm×50 cm의 대략 사각형상으로 하였다. 시험 방법은, 이 분리막 엘리먼트를 10장씩 평행하게 묶어 분리막 모듈을 구성하고, 활성 슬러지조에 침지하고, 활성 슬러지 중에서 투수량 0.3 m/day, 하부로부터 15 L/min/엘리먼트의 폭기 부하를 부여하고, 약 3개월간 운전했다. 그리고, 폭기 부하량은, 운전 시의 에너지 비용으로 이어지므로, 통상은 필요 최소한이면 되고, 일반적으로는 20 L/min/엘리먼트 이하가 된다.
그 결과, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 9, 실시예 12의 분리막 엘리먼트를 사용한 분리막 모듈은, 약 3개월간의 시험 후에, 엘리먼트 파손도 없고, 실용적인 유연성과 강성을 가지고 있었다. 한편, 비교예 2의 분리막 엘리먼트를 사용한 분리막 모듈은, 운전으로부터 약 1개월 후에 엘리먼트 파손에 의한 탁질(濁質) 누출이 발생하고, 유연성과 강성이 불충분했다.
(참고예 1)
실시예 3과 실시예 12의 분리막 엘리먼트를 MBR 적용했을 때의 폭기에 대한 내구성을 비교했다.
분리막 엘리먼트는, 실시예 3과 실시예 12에 기재된 투수성 측정용과 동일한 구조이며, 50 cm×50 cm의 대략 사각형상으로 하였다. 시험 방법은, 이 분리막 엘리먼트를 10장씩 평행하게 묶어 분리막 모듈을 구성하고, 활성 슬러지조에 침지하고, 활성 슬러지 중에서 투수량 0.3 m/day, 하부로부터 40 L/min/엘리먼트의 폭기 부하를 부여하고, 약 3개월간 운전했다. 그리고, 폭기 부하 40 L/min/엘리먼트는 통상의 운전 조건의 약 2배이며, 종래에는 이와 같은 폭기 부하는 부여하지 않는다.
그 결과, 실시예 3의 분리막 엘리먼트의 분리막 표면에는 도트 접착 라인을 따라 얇은 주름을 관찰할 수 있었지만, 실시예 12의 분리막 엘리먼트의 분리막 표면에는 주름의 발생은 관찰할 수 없고, 수지부를 줄무늬 강판 모양으로 가공함으로써, 분리막 엘리먼트의 강성 및 내구성이 향상되는 것이 확인되었다.
(실시예 21)
분리막의 투과측의 간극을 5.5 ㎜(5500㎛)로 되도록, 에틸렌아세트산 비닐 공중합 수지를 도포하는 높이와, 스페이서인 알루미늄판의 두께를 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작 및 평가한 바, 분리막의 투수 성능은 25.1×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1과 거의 동등한 값이었다.
상기에서 얻어진 분리막 엘리먼트와 실시예 4의 분리막 엘리먼트에 대하여 실시예 20과 동일한 방법으로 분리막 모듈을 제작하고, 내구성을 평가했다. 상기에서 얻어진 분리막 엘리먼트에만, 분리막 표면의 주름이 발생하고 있었다. 이 분리막 엘리먼트는 파손도 없고, 탁질 누출도 관찰되지 않았지만, 주름을 발단(發端)으로 하여 장기 운전 시에는 파손을 초래할 우려가 있다.
(실시예 22, 비교예 7)
분리막의 투과측의 내측 수지부와 둘레의 봉지부에 도포하는 수지를, 올레핀계 수지(아사히 화학 합성사 제조, 상품명: AR1234, 연화점 73℃)로 변경하고, 도포하는 수지 온도를 90℃, 오븐의 온도를 60℃로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막 엘리먼트를 제작하였다. 얻어진 분리막의 투수 성능은 24.9×10-9 m3/m2/s/Pa이며, 실시예 1과 거의 동등한 값이었다.
상기에서 얻어진 분리막 엘리먼트와 실시예 15의 분리막 엘리먼트에 대하여 실시예 20과 동일한 방법으로 분리막 모듈을 제작하고, 참고예 1에 기재된 방법으로 내구성을 평가한 바, 상기에서 얻어진 분리막 엘리먼트에만, 내측의 수지 부분과 분리막 투과측의 박리가 확인되었다. 이 분리막 엘리먼트에는 탁질 누출은 관찰되지 않았지만, 장기 운전 시에는 분리막이 파손될 우려가 있다.
(실시예 23)
종래품으로서 ABS 수지제의 지지판을 가지는 분리막 엘리먼트(종래품)와, 본 발명의 구성을 가지는 분리막 엘리먼트(본 발명)와, 각각의 분리막 엘리먼트를 100장 배열하여 구성한 막 모듈을 제작하여 비교했다. 그 결과를 표 4에 나타내었다. 그리고, 사용하는 분리막의 종류 및 평면 사이즈(0.5 m×1.4 m)는 동일하게 하였다.
본 발명의 구성을 가지는 분리막 엘리먼트는, 도 7에 모식적으로 나타낸 형태를 가지고, 수지부가 직경 약 3.0 ㎜, 높이 약 2.5 ㎜의 원기둥형으로 형성되었다. 분리막의 둘레를 폭 약 20 ㎜의 봉지부로 봉지하고, 둘레의 일부에 폭 약 35 ㎜의 집수부를, 인접하는 분리막 엘리먼트 사이에서 중첩되지 않는 위치의 조합이 되도록 형성하였다. 이 집수부에 도 9의 (a) 및 (b)의 형상을 가지는 폴리에틸렌 수지제의 집수구를 삽입한 후, 봉지하였다.
본 발명의 구성을 가지는 분리막 모듈은 상기 분리막 엘리먼트의 단부에 관통공(직경 약 20 ㎜)을 형성하고, 인접하는 집수구가 중첩되지 않도록 배열하면서 관통공에 통과봉을 통과시켜 제작했다.
표 4의 결과로부터 밝혀진 바와 같이, 본 발명의 분리막 엘리먼트는, 종래의 분리막 엘리먼트에 비해, 엘리먼트의 두께가 절반이며, 엘리먼트의 중량이1/4로 되었다. 또한 막 모듈 전체로서의 중량은 1/4 이하가 되었다. 또한 분리막 엘리먼트의 다발을 지지하는 하우징은, 중량을 1/5 정도로 할 수 있게 되었다. 분리막 엘리먼트 중량을 저감시킴으로써, 하우징의 간소화가 도모되고 있다. 마지막으로 막의 충전율에 대하여 살펴보면, 본 발명의 분리막 모듈은, 종래의 분리막 모듈에 해, 막 충전율이 1.3배가 되었다. 이는 분리막 엘리먼트가 얇아진 것과 더불어, 집수구를 간섭하지 않도록 배치한 것에 기인한 것이다.
[표 4]
Figure pct00004
그리고, 분리막 모듈 내구성에 대해서는, 실제로 본 발명의 분리막 엘리먼트(지지판 엘리먼트)를 배치한 MBR용 시작(試作) 모듈을 수개월 운전한 결과로부터, 지지판 엘리먼트는 폭기의 에너지로부터 양호하게 회피할 수 있게 되어, 분리막 엘리먼트가 파손되는 경우는 없었다.
1: 분리막 엘리먼트 2: 분리막
3: 분리 기능층 4: 기재
5: 간극 6: 봉지부
7: 내측 수지부 8: 집수부
9: 집수구 11: 경사변
12: 분리막 모듈 13: 분리막 엘리먼트
14: 분리막 침지 수조 15: 산기 장치
16: 블로어 17: 흡인 펌프
18: 피처리수 입구 19: 피처리수 출구
20: 투과수 23: 고정 지그
24: 집수관

Claims (9)

  1. 투과측의 면이 서로 대향하도록 배치된 2장의 분리막을 가지는 분리막 쌍과, 서로 대향하는 상기 투과측의 면의 양쪽에 접착하는 2개 이상의 수지부를 구비하고, 상기 분리막 쌍의 둘레부가 봉지(封止)되어 있는, 분리막 엘리먼트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리막의 둘레부의 내측의 면적에 대한 수지부의 면적 비율이, 1% 이상 70% 이하인, 분리막 엘리먼트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분리막 쌍에 있어서의 상기 분리막의 간격이 50㎛ 이상 5000㎛ 이하인, 분리막 엘리먼트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지부가, 연화점(軟化点)이 80∼200 ℃인 열가소성 중합체로 형성되어 있는, 분리막 엘리먼트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지부가 도트형, 선형, 격자형 중 어느 하나로 배치되는, 분리막 엘리먼트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지부가 선형으로 배치되고, 선형 부분이 줄무늬 강판(checkered steel plate)의 줄무늬로 형성되어 있는, 분리막 엘리먼트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수지부의 줄무늬의 무늬선이 상기 분리막 쌍의 둘레부에 대하여 대략 평행 및 대략 수직인 방향으로 형성되어 있는, 분리막 엘리먼트.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 둘레부의 일부에 집수부(集水部)를 설치하고, 상기 집수부에 있어서 둘레부의 내측에 형성된 집수 유로(流路)가 외부와 연통되는, 분리막 엘리먼트.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 분리막 엘리먼트를 복수 평행하게 배열한 분리막 모듈로서,
    인접하는 분리막 엘리먼트의 상기 집수부끼리는 동일한 위치가 되지 않도록 배치되어 있는, 분리막 모듈.
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