KR20150004881A - 정화수를 얻는 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
장기간 안정적으로 물을 제조하는 성능을 발휘하고, 또한 정화수 중의 염 농도가 낮은 방법 및 막 모듈 그리고 정화수 제조 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 하는 것으로, 원수를 기체 투과막의 한쪽의 면을 따라서 흘리고, 기체 투과막을 투과한 수증기를 응축시켜, 정화수를 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
Description
본 발명은, 해수나 배수 등의 불순물을 포함하는(특히 유기염·무기염 등의 전해질, 그 밖의 용해 성분, 분산체 혹은 미소생물을 포함하여도 좋다) 물(이하, 원수(原水)라고 한다)로부터 불순물이 적은 물(이하, 정화수라고 한다)을 얻는 방법 및 막 모듈, 그리고 정화수 제조 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 기체 투과막을 이용하여 원수를 막 증류하여, 물을 제조하는 방법 및 막 모듈, 그리고 정화수 제조 장치에 관한 것이다.
종래, 원수에서 정화수를 얻는 방법으로서 역침투막법, 증류법, 막증류법이 알려져 있다.
역침투막법이란, 고압에서 염수를 역침투막으로 처리함으로써 정화수를 얻는 방법이다.
이 방법은 널리 사용되고 있지만, 고압 펌프가 필요하고, 정화수 중의 염 농도를 충분히 내리기 위해서는 다단의 장치가 필요하게 되는 경우가 있다는 점이 과제이다.
증류법이란, 원수를 가열하여, 증발시킨 수증기를 응축시킴으로써 물을 제조하는 방법이다. 증류법은, 비점 미만에서 물을 얻기가 어렵고, 장치가 대형인 등의 결점이 있다.
막증류법이란, 막을 사용하여, 원수로부터 수증기를 빼내어, 물로서 회수하는 방법이다. 이 막증류법에서는, 간단하게 염 농도가 낮은 정화수를 얻을 수 있다는 점이 이점이다. 막증류법은, 고압 펌프는 불필요하며, 태양열 에너지나 각종 기기·설비의 폐열을 이용하는 것이 가능하여, 에너지 절약형 방법으로서 최근 주목을 받고 있다.
막증류법의 구체예로서, 특허문헌 1에는 소수성 다공질막을 이용한 막증류법이 기재되어 있고, 특허문헌 2에는 반투막을 이용한 막증류법이 기재되어 있다.
특허문헌 1에 기재한 소수성 다공질막을 이용하는 방법은, 막의 세공 중에는 액체의 물이 투과하지 않고, 기체인 수증기만이 투과한다. 이에 따라, 투과한 기체만을 모아 냉각함으로써 정화수를 얻을 수 있다. 그러나, 예컨대 해수의 정수화에 사용한 경우, 해수 중에 포함되는 미소생물이나 그 밖의 분산체 혹은 용해되어 있는 유기물 등에 의해 막 표면이나 세공 내부가 오염되면, 막의 표면이나 세공 내부가 폐색된다. 또한, 그 오염에 의해, 막의 표면이나 세공 내부가 친수화되면, 액체인 물이 투과하게 되어, 해수가 막을 투과하여, 정화수 중의 염 농도가 올라가는 등의 문제가 예상된다.
특허문헌 2에 기재한 반투막을 사용하는 방법은, 막 속을 액체의 수분자가 투과하는 기능을 이용하여 막 증류를 행하는 방법이지만, 물을 흡수하는 중개 용액이 필요하다는 등의 점에서 장치가 복잡하게 된다. 또한, 해수의 정수화에 사용한 경우, 해수 중에 포함되는 미소생물이나 그 밖의 분산체 혹은 용해되어 있는 유기물 등에 의해 막 표면이나 막 내부가 오염되어, 막 성능이 시간에 경과함에 따라 변화될 우려도 있다.
본 발명에서는, 상기 종래 방법의 과제를 해결하여, 장기간 안정적으로 물을 제조하는 성능을 발휘하고, 더구나 정화수 중의 염 농도를 낮추는 방법 및 막 모듈 그리고 정화수 제조 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.
본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 거듭한 결과, 기체 투과막을 통해 물을 증류하면, 얻어지는 수중의 불순물 농도를 장기간에 걸쳐 낮게 유지할 수 있고, 여러 가지 오염에 대한 내구성이 높은 방법 및 막 모듈 그리고 정화수 제조 장치를 제공할 수 있다는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시켰다.
즉 본 발명은 다음과 같다.
(1) 원수를 기체 투과막의 한쪽의 면을 따라서 흘리고, 기체 투과막을 투과한 수증기를 응축시켜, 정화수를 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
(2) 기체 투과막의 다른 한쪽의 면을 따라서 공기를 흘리는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재한 방법.
(3) 냉각함으로써 수증기를 응축시키는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재한 방법.
(4) 기체 투과막의 수증기 투과 속도가 10 GPU 이상 1,000,000 GPU 이하인 상기 (1)~(3) 중 어느 것에 기재한 방법.
(5) 원수가 해수인 것을 특징으로 하는 상기 (1)~(4) 중 어느 것에 기재한 방법.
(6) 원수의 온도가 1℃ 이상 100℃ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1)~(5) 중 어느 것에 기재한 방법.
(7) 기체 투과막과, 냉각막과, 기체 투과막 및 냉각막을 수납하는 케이스를 구비하고, 케이스 내에, 기체 투과막과 케이스로 형성되는 제1 공간과, 기체 투과막과 냉각막으로 형성되는 제2 공간과, 냉각막과 케이스로 형성되는 제3 공간을 가지고, 제1 공간은, 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 가지며, 제2 공간은, 개구부를 적어도 1개 이상 가지고, 제3 공간은, 제3 공간에 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급구와, 제3 공간으로부터 냉각 매체를 배출하는 냉각 매체 배출구를 적어도 갖는 막 모듈에 있어서, 원수가 흐르는 방향과 냉각 매체가 흐르는 방향이 대향하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)~(6) 중 어느 것에 기재한 방법.
(8) 기체 투과막과, 냉각막을 구비하고, 원수가 기체 투과막의 한쪽의 면을 따라서 흐르는 막 모듈.
(9) 냉각 매체가 냉각막의 한쪽의 면을 따라서 흐르는 상기 (7)에 기재한 막 모듈.
(10) 원수가 흐르는 방향과 냉각 매체가 흐르는 방향이 대향하는 것을 특징으로 하는 상기 (8) 또는 (9)에 기재한 막 모듈.
(11) 기체 투과막 및 냉각막을 수납하는 케이스를 더욱 구비하고, 케이스 내에, 기체 투과막과 케이스로 형성되는 제1 공간과, 기체 투과막과 냉각막으로 형성되는 제2 공간과, 냉각막과 케이스로 형성되는 제3 공간을 가지고, 제1 공간은, 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 가지며, 제2 공간은, 개구부를 적어도 1개 이상 가지고, 제3 공간은, 제3 공간에 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급구와, 제3 공간으로부터 냉각 매체를 배출하는 냉각 매체 배출구를 적어도 갖는 것을 특징으로 하는 막 모듈.
(12) 제2 공간이 개구부를 2개 이상 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (8)에 기재한 막 모듈.
(13) 기체 투과막과 냉각막 사이에 스페이서를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (8) 또는 (9)에 기재한 막 모듈.
(14) 기체 투과막과 냉각막이 평막 플리츠형인 것을 특징으로 하는 상기 (8)~(10) 중 어느 것에 기재한 막 모듈.
(15) 제1 공간을 흐르는 원수의 방향과, 제3 공간을 흐르는 냉각 매체의 방향이 대향하도록, 원수 공급구, 원수 배출구, 냉각 매체 공급구, 냉각 매체 배출구가 배치되는 것을 특징으로 하는 상기 (8)~(11) 중 어느 것에 기재한 막 모듈.
(16) 기체 투과막 및 냉각막을 복수개 가지고, 제1 공간이, 인접하는 기체 투과막끼리 사이에 형성되고, 제2 공간이, 인접하는 기체 투과막과 냉각막 사이에 형성되고, 제3 공간이, 인접하는 냉각막끼리 사이에 형성되며, 제1 공간, 제2 공간, 제3 공간, 제2 공간의 순으로 반복하여 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 (8)~(12) 중 어느 것에 기재한 막 모듈.
(17) 상기 (8)~(13) 중 어느 것에 기재한 막 모듈과, 원수 공급 장치와, 냉각 매체 공급 장치를 가지고, 제1 공간의 원수 공급구가 원수 공급 장치에 접속되고, 제3 공간의 냉각 매체 공급구가 냉각 매체 공급 장치에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 정화수 제조 장치.
(18) 제2 공간의 개구부에 수증기의 응축 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 (17)에 기재한 정화수 제조 장치.
(19) 기체 투과막과, 기체 투과막을 수납하는 케이스를 구비한 막 모듈과, 수증기의 응축 수단을 갖는 정화수 제조 장치에 있어서, 막 모듈이, 케이스 내에, 기체 투과막과 케이스로 형성되는 제1 공간과, 기체 투과막과 케이스로 형성되는 제4 공간을 가지고, 제1 공간은, 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 가지며, 제4 공간은, 개구부를 적어도 1개 이상 갖는 막 모듈이며, 제4 공간의 개구부에, 수증기의 응축 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 정화수 제조 장치.
(20) 수증기의 응축 수단이 열교환기 또는 냉각기인 것을 특징으로 하는 상기 (18) 또는 (19)에 기재한 정화수 제조 장치.
(21) 원수의 온도를 제어하는 온도 제어부와, 원수의 유량을 제어하는 유량 제어부를 더욱 구비하는 상기 (17)~(20) 중 어느 것에 기재한 정화수 제조 장치.
본 발명의 방법에 따르면, 장기간 안정적으로 정화수를 제조할 수 있고, 더구나 불순물 농도가 낮은 정화수를 제조할 수 있다. 아울러, 본 발명의 막 모듈 및 정화수 제조 장치에 따르면, 내구성이 높고, 불순물 농도가 낮은 정화수를 안정적으로 제조할 수 있으며 또 간단하게 조작할 수 있는, 정화수 제조용의 막 모듈 및 정화수 제조 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 막 모듈의 일 실시형태를 갖춘 정화수 제조 장치의 개념도이다.
도 2는 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 3은 막 모듈에 삽입되는 플리츠 성형체의 일례를 도시하는 개념도이다.
도 4는 플리츠형 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 5는 도 4에서 도시하는 플리츠형 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 6은 막 모듈의 다른 일 실시형태의 개념도이다.
도 7은 막 모듈의 다른 일 실시형태의 개념도이다.
도 8은 중공사형 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 9는 정화수 제조 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 10은 중공사형 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 2는 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 3은 막 모듈에 삽입되는 플리츠 성형체의 일례를 도시하는 개념도이다.
도 4는 플리츠형 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 5는 도 4에서 도시하는 플리츠형 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 6은 막 모듈의 다른 일 실시형태의 개념도이다.
도 7은 막 모듈의 다른 일 실시형태의 개념도이다.
도 8은 중공사형 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
도 9는 정화수 제조 장치의 일 실시형태의 개념도이다.
도 10은 중공사형 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 단순히 「본 실시형태」라고 함)에 관해서, 필요에 따라서 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 이하의 본 실시형태는, 본 발명을 설명하기 위한 예시이며, 본 발명을 이하의 내용에 한정하는 취지가 아니다. 또한, 첨부 도면은 실시형태의 일례를 도시한 것이며, 이것에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 본 발명은 그 요지의 범위 내에서 적절히 변형하여 실시할 수 있다. 한편, 도면에서 상하좌우 등의 위치 관계는, 특별히 양해를 구하지 않는 한, 도면에 도시하는 위치 관계에 기초하는 것으로 하며, 도면의 치수 비율은 도시하는 비율에 한정되는 것이 아니다.
본 실시형태의 방법은, 원수를 기체 투과막의 한쪽의 면을 따라서 흘리고, 기체 투과막을 투과한 수증기를 응축시켜, 정화수를 얻는 방법이다.
〔원수, 정화수〕
본 실시형태에서의 원수란, 불순물을 포함하는 물로, 특히 유기염·무기염 등의 전해질, 그 밖의 용해 성분, 분산체 혹은 미소생물을 포함하여도 되는 물이다. 원수로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 해수, 하천수, 공업 배수, 생활 배수 등을 들 수 있다. 원수로서 해수가 적합하다.
본 실시형태에서의 정화수란, 원수를 처리한 물을 말하며, 기체 투과막을 투과한 수증기를 응축시킨 물을 말한다. 정화수는, 불순물의 농도가 낮은 물을 말하고, 불순물로서는, 유기염·무기염 등의 전해질, 그 밖의 용해 성분, 분산체 혹은 미소생물 등을 들 수 있다. 원수로서 해수를 이용했을 때, 정화수는 염 농도가 낮은 것이 바람직하다.
〔기체 투과막〕
본 실시형태에서의 기체 투과막이란, 수증기 등의 기체가 막을 형성하는 재료 중에 용해·확산됨으로써 투과하는 기구를 갖는 막이다. 이 기체 투과막을 이용함으로써, 액체인 물이나 원수 중의 염류, 비염류 등의 용해 성분, 분산체 및 미소생물 등은, 기체 투과막을 투과하지 않고, 수증기가 막에 용해·확산되어 투과하기 때문에, 매우 불순물이 적은 물을 얻을 수 있다. 아울러, 본 실시형태의 기체 투과막은, 실질적으로 관통된 구멍이 없는 막이며, 불순물에 의해 막 내부가 오염되는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 본 실시형태에서, 실질적으로 관통된 구멍이 없다는 것은, 매크로한 관통된 구멍이나 크누센류(Knudsen flow)를 보이는 미크로한 관통된 구멍이 실질적으로 없고, 막의 기체 투과에 관해서 기체의 용해 확산 기구가 지배적인 것을 의미한다. 이것을 질소 투과 속도에 대한 산소 투과 속도의 비로 표현하면, 산소 투과 속도/질소 투과 속도의 비가 1을 넘는 것을 의미한다. 질소(산소) 투과 속도란, 질소(혹은 산소)의 단위 시간에서의 투과량을 단위 면적·단위 압력 당으로 환산(예컨대, GPU=10-6 cm3(STP)/cm2/s/cmHg)한 값을 말한다.
소수성 미다공막을 사용하는 종래의 방법은, 막의 재료가 되는 분자와 비교하여, 매우 큰 공극(수 nm 이상)을, 기체가 물리적으로 통과하는 것을 이용하는 것으로, 본 발명의 기체 투과는 종래의 방법과 원리적으로 다르다. 즉, 특허문헌 1에 기재한 소수성 미다공막을 이용하는 방법에서는, 수증기가 미다공 중의 공극을 물리적으로 투과함으로써 원수로부터 물을 얻는 방법이지만, 본 실시형태의 방법은, 수증기가 기체 투과막을 용해·확산함으로써 원수로부터 물을 얻는 방법이다. 따라서, 본 실시형태의 방법에 따르면, 기체 투과막이 실질적으로 구멍을 갖고 있지 않으므로, 원수 중에 포함되는 불순물에 의한 막의 오염을 억제할 수 있다.
〔기체 투과막의 기체 투과 성능〕
본 실시형태에서의 기체 투과막 중의 수증기 투과는, 막의 원수 측과 그 대항 측에서의 수증기의 분압차가 구동력이 된다. 그 수증기 투과 속도는 하기 식으로 나타내어지며, 원수 측과 그 대항 측의 수증기의 차압인 ΔP와, 막 면적인 S에 의존한다.
F[10-6 Lcm3(STP)s-1]=J[GPU]×△P[cmHg]×S[cm2]
상기 식에서, J[GPU(10-6 cm3(STP)/cm2/s/cmHg)]는 기체 투과 속도라고 불리며, 기체 투과막의 기체 투과 성능을 나타내는 지표이다. 본 실시형태의 기체 투과막의 수증기 투과 속도는, 10~1000,000 GPU가 바람직하고, 100~1,000,000 GPU가 보다 바람직하고, 1,000~1,000,000 GPU가 보다 바람직하고, 5,000~1,000,000 GPU가 더욱 바람직하다. 수증기 투과 속도/질소 투과 속도의 비는 바람직하게는 5 이상, 보다 바람직하게는 10 이상이다. 또한, 통상 1,000,000 이하이다.
〔기체 투과막의 재료〕
본 실시형태에서의 기체 투과막으로서는, 유기계 기체 투과막이나 무기계 기체 투과막을 들 수 있고, 유기계 고분자의 기체 투과막이 바람직하다.
유기계 고분자의 기체 투과막으로서는, 소수성 고분자나 친수성 고분자를 이용한 기체 투과막을 들 수 있고, 소수성 고분자를 이용한 기체 투과막이 보다 바람직하다. 소수성 기체 투과막은, 액체인 물을 실질적으로 함유하지 않으면서 액체인 물을 투과시키지 않는다. 그 때문에, 물에 포함되는 유기염·무기염 등의 전해질이나, 그 밖의 용해 성분, 분산체 등에 의한 막 내부의 오염이 적고, 내구성이 향상된다. 본 실시형태에서, 소수성 고분자란, 흡수율이 0.5 질량% 이하인 것을 가리킨다. 흡수율은 0.1 질량% 이하가 바람직하고, 0.05 질량% 이하가 보다 바람직하고, 0.01 질량% 이하가 더욱 바람직하다. 한편, 소수성 무기 재료의 경우도 같은 흡수율이 바람직하다. 흡수율의 측정 방법은, ASTM D570에 따라서, 샘플을 23℃의 물에 24시간 침지한 조건으로 측정할 수 있다.
소수성 고분자의 기체 투과막으로서는, 예컨대, 불소 수지계의 기체 투과막, 폴리이미드계의 기체 투과막, 실리콘계의 기체 투과막, PIM(Polymers of intrinsic microporosity; 내재적 마이크로기공성 고분자)의 기체 투과막 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 수증기가 투과하는 속도가 빠르다고 하는 관점에서, 불소 수지계의 기체 투과막, 폴리이미드계의 기체 투과막, PIM의 기체 투과막이 보다 바람직하고, 불소 수지계의 기체 투과막, PIM의 기체 투과막이 특히 바람직하다.
〔불소 수지계 기체 투과막〕
불소 수지계 기체 투과막으로서는, 비정질의 함불소 중합체를 이용한 것이 바람직하다.
비정질의 함불소 중합체로서는, 예컨대, 함불소 지환 구조를 갖는 중합체 등을 들 수 있다.
함불소 지환 구조를 갖는 중합체를 얻기 위한 단량체로서는, 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)(PDD), 퍼플루오로(2-메틸-1,3-디옥솔), 퍼플루오로(2-에틸-2-프로필-1,3-디옥솔), 퍼플루오로(2,2-디메틸-4-메틸-1,3-디옥솔), 퍼플루오로디옥솔류, 트리플루오로메틸기, 펜타플루오로에틸기, 헵타플루오로프로필기 등의 불소 치환 알킬기를 갖는 퍼플루오로디옥솔 화합물류, 퍼플루오로(4-메틸-2-메틸렌-1,3-디옥솔란)(MMD), 퍼플루오로(2-메틸-1,4-디옥신) 등의 함불소 지환 구조를 갖는 단량체를 예시할 수 있다.
상기 단량체와 공중합체를 형성하는 다른 단량체로서는, 테트라플루오로에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로(메틸비닐에테르) 등을 들 수 있다. 주쇄에 함불소 지환 구조를 갖는 중합체도 이용할 수 있다. 이들의 단량체를 단독 또는 조합하여 중합하여, 기체 투과막으로서 사용되는 불소계 고분자 화합물을 얻을 수 있다.
시판 제품을 이용할 수도 있으며, 예컨대, 상품명 「테플론(등록상표) AF」(듀퐁사 제조), 상품명 「HYFLON AD」(아우지몬트사 제조) 등을 들 수 있다. 테플론(등록상표) AF로서는, 테플론(등록상표) AF1600 및 테플론(등록상표) AF2400을 예시할 수 있다.
또한, 기체 투과막의 표면의 물 접촉각으로서는, 90° 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 95° 이상, 더욱 바람직하게는 100° 이상이다.
무기계의 기체 투과막 재료로서는, 질화규소계, 탄소계 등의 기체 투과막을 들 수 있다.
〔기체 투과막의 지지층〕
본 실시형태에서의 기체 투과막은 지지층을 갖고 있는 것이 바람직하다. 기체 투과막은 박막일수록 기체 투과 속도가 향상되지만, 막의 기계적 강도는 저하한다. 따라서, 기체 투과막이 지지층을 갖춤으로써, 막의 기계적 강도가 향상되기 때문에 바람직하다.
지지층의 재질은, 막이 기체를 투과시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않고, 다양한 것을 이용할 수 있다. 예컨대, 직포, 부직포, 미다공막 등을 이용할 수 있다. 지지층으로서 이용되는 미다공막으로서는, 폴리이미드 미다공막, PVDF 미다공막, PTFE 미다공막, 폴리올레핀 미다공막, 한외여과막(UF막)으로서 사용되는 폴리술폰 미다공막이나 폴리에테르술폰 미다공막 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 폴리올레핀 미다공막, 한외여과막(UF막)이 공업적으로 쉽게 얻을 수 있다는 점에서 바람직하다.
막의 형상이 평막인 경우, 지지층 위에 기체 투과막이 형성된 형태를 들 수 있다. 중공사막인 경우, 지지층인 중공사막의 내측의 표면 또는 외측의 표면에 기체 투과막이 형성된 형태를 들 수 있다. 기체 투과막은, 도공에 의해 형성시키는 것이 일반적으로는 용이한 방법이며 바람직하다.
지지층을 갖는 막의 그 밖의 예로서는, 막 표면에 기체 투과 성능을 갖는 스킨층이 형성되도록 습식으로 제막한 비대상 구조의 막을 들 수 있다. 이 형태의 막으로서는, 폴리이미드 중공사가 예시된다. 무기계의 기체 투과막인 경우, 지지층인 세라믹막 위에 기체 투과막을 수열 합성으로 형성한 것이나, 화학 증착(CVD)에 의해 박막 형성한 것을 들 수 있다.
〔기체 투과막의 형상〕
기체 투과막은 평막형 혹은 중공사형인 것이 바람직하다.
기체 투과막이 평막형인 경우, 플리츠형, 플레이트앤드프레임형, 스파이럴형이 예시된다. 한편, 냉각막에 관해서도 평막형 혹은 중공사형으로 할 수 있으며, 평막형인 경우, 플리츠형(평막 플리츠형), 플레이트앤드프레임형, 스파이럴형으로 할 수 있다.
플리츠형(평막 플리츠형)이란, 도 4에 도시하는 것과 같이, 평막을 주름상자형으로 접음을 반복한 구조이다. 도 4는 모식도이며, 접는 부분에는 곡율이 있고, 곡율의 크기는 접는 압력에 따라 변화된다. 플리츠형을 제작하기 위해서는, 일반적으로는 플리츠기가 사용된다. 플리츠에는, 플리츠를 상자 형태로 겹친 상자형 구조와 원통 구조가 있다. 원통 구조에서는, 축의 둘레에 각 플리츠를 스파이럴형으로 감아 붙인 구조도 예시할 수 있다.
플레이트앤드프레임형은 막을 한장 한장 겹친 구조이다.
스파이럴형이란, 봉투형의 평막을 봉투의 입구를 축에 접속하여 감아 붙인 구조이다.
플리츠형이 막 카트리지를 작성하기 용이하여 바람직하다. 중공사인 경우는, 중공사의 안쪽에 원수를 흘리는 경우와 중공사의 바깥쪽에 원수를 흘리는 경우가 있다.
여기서, 막 카트리지란, 기체 투과막, 냉각막, 보강 프레임 등으로 이루어지고, 막 모듈 내에 장착되는 것이다.
본 실시형태의 방법에서는, 원수를 기체 투과막의 한쪽의 면을 따라서 흘리고, 수증기를 기체 투과막에 투과시키고 있다. 원수를 흘림으로써, 물의 증발 잠열을 원수의 현열로 공급할 수 있어, 수증기 발생량이나 온도, 수증기 분압의 제어가 가능하다.
흘리는 원수의 온도는 1℃ 이상 100℃ 이하로 설정할 수 있다. 보다 바람직하게는 50℃ 이상 100℃ 이하이다. 이 온도 범위로 함으로써 정화수를 효율적으로 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태의 방법에서는, 기체 투과막을 투과한 수증기를 응축시켜, 정화수를 제조한다. 수증기를 응축시키는 방법으로서, 냉각하거나 또는 가압하는 것을 들 수 있다.
본 실시형태의 방법에서는, 기체 투과막의 다른 한쪽의 면을 따라서 공기를 흘리는 것이 바람직하다. 원수가 흐르는 기체 투과막의 면과는 반대쪽인 기체 투과막의 다른 한쪽의 면을 따라서 공기를 흘림으로써, 보다 효율적으로 수증기를 투과시킬 수 있기 때문이다. 기체 투과막의 수증기 투과 속도는, 원수 측과 그 대항 측(이하, 정화수 측이라고 함)의 수증기의 분압차에 의존하기 때문에, 공기를 흘림으로써 정화수 측의 수증기의 분압을 저하시켜, 안정적이고 또 효율적으로 정화수를 제조할 수 있다.
한편, 원수가 흐르는 방향과 공기가 흐르는 방향은 동일 방향이라도 대향 방향이라도 좋다.
〔공기〕
본 실시형태에서, 공기의 온도, 압력, 조성은 특별히 한정되지 않는다.
〔온도〕
본 실시형태에서, 원수를 가열하기 위한 열원으로서는, 여러 가지 열원을 이용할 수 있지만, 에너지 절약의 관점에서는, 공장, 발전소, 열기관, 소각로 등의 배출열이나 태양열을 이용하는 것이 바람직하다.
〔막 모듈〕
이하, 본 실시형태의, 기체 투과막을 삽입하여 모듈화한 막 모듈에 관해서 설명한다. 한편, 본원에서 원수, 정수, 냉각 매체(냉각수가 바람직하지만, 냉각용 기체라도 좋다)의 각 유체는 통상은 용기에 넣어 사용하기 때문에 케이스를 갖는데, 해수 중에 침지하여 사용하는 경우 등은, 각 유체는 용기에 넣을 필요가 없어(넣어도 좋지만), 그 경우는 케이스는 필수가 아니며, 각 막에 대하여 해방된 유체와 접하여 사용하여도 된다. 이 경우, 막에 대하여 각 유체가 강제적으로 유동하는 것이 바람직하고(이 경우, 막이 정지하고 유체가 이동하여도 좋고, 유체가 정지하고 막이 이동하여도 좋고, 유체, 막 양쪽이 이동하여도 좋다), 그 때문에, 예를 들면, 막 근방에 교반기나 유체 분출기가 있더라도 좋다. 한편, 교반기나 유체 분출기는, 케이스를 갖는 막 모듈에서 채용할 수도 있다. 이하, 케이스를 갖는 경우를 전제로 하여 설명한다.
본 실시형태의 막 모듈은, 기체 투과막과, 냉각막과, 기체 투과막 및 냉각막을 수납하는 케이스를 구비하는 막 모듈이며, 케이스 내에, 기체 투과막과 케이스로 형성되는 제1 공간과, 기체 투과막과 냉각막으로 형성되는 제2 공간과, 냉각막과 케이스로 형성되는 제3 공간을 가지고, 제1 공간은, 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 가지며, 제2 공간은, 개구부를 적어도 1개 이상 가지고, 제3 공간은, 제3 공간에 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급구와, 제3 공간으로부터 냉각 매체를 배출하는 냉각 매체 배출구를 적어도 갖는다.
막 모듈의 제1 공간은, 기체 투과막과 케이스로 형성되며, 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 갖는다. 제1 공간에서는, 원수 공급구로부터 공급되는 원수는, 기체 투과막을 따라서 흐른 후에, 원수 배출구로부터 외부로 배출된다. 제1 공간은, 원수 공급구 및 원수 배출구를 복수개 갖고 있어도 좋고, 그 밖의 개구부를 갖고 있더라도 좋다.
막 모듈의 제2 공간은, 기체 투과막과 냉각막으로 형성되며, 개구부를 적어도 1개 이상 갖는다. 원수로부터 기체 투과막을 투과한 수증기는, 제2 공간에서 응축되어, 제2 공간이 갖는 개구부로부터 외부로 배출된다. 한편, 제2 공간에서, 수증기가 전부 응축될 필요는 없고, 일부의 수증기가 응축되지 않더라도 좋다. 또한, 제2 공간은, 기체 투과막과, 냉각막과, 케이스로 형성되어도 좋다.
또한, 제2 공간은 개구부를 2개 이상 갖고 있는 것이 바람직하다. 제2 공간이 개구부를 2개 이상 지님으로써, 기체 투과막의 면을 따라서 공기를 흘릴 수 있다. 이에 따라, 수증기가 기체 투과막을 효율적으로 투과할 수 있기 때문에 바람직하다.
또한, 기체 투과막과 냉각막 사이에 스페이서를 지님으로써, 기체 투과막과 냉각막의 강도를 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 적절한 스페이서를 선택함으로써, 기체 투과막과 냉각막 사이의 거리, 즉, 제2 공간의 형상이나 체적을 제어하여 형성할 수 있기 때문에 바람직하다.
막 모듈의 제3 공간은, 냉각막과 케이스로 형성되며, 제3 공간에 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급구와, 제3 공간으로부터 냉각 매체를 배출하는 냉각 매체 배출구를 적어도 갖는다. 제3 공간에서는, 냉각 매체 공급구로부터 공급되는 냉각 매체는, 냉각막을 따라서 흘러, 냉각 매체 배출구로부터 배출된다. 이때, 냉각막을 통해, 제2 공간에 존재하는 수증기를 냉각할 수 있다. 즉, 제2 공간의 수증기는, 냉각막에 접함으로써 응축되어 물로 된다. 제3 공간은, 냉각 매체 공급구 및 냉각 매체 배출구를 복수개 갖고 있어도 좋고, 그 밖의 개구부를 갖고 있어도 좋다.
본 실시형태의 막 모듈은, 제1 공간을 흐르는 원수의 방향과, 제3 공간을 흐르는 냉각 매체의 방향이 대향하도록, 원수 공급구, 원수 배출구, 냉각 매체 공급구, 냉각 매체 배출구가 배치되는 것이 바람직하다.
본 실시형태의 막 모듈은, 기체 투과막과 냉각막 사이의 거리가 매우 가까운 구조이기 때문에, 수증기의 응축을 효율적으로 행할 수 있고, 또한, 장치 전체를 소형화할 수 있다.
본 실시형태에서, 냉각막이란 기체 투과막을 투과한 수증기를 냉각하여 응축하는 기능을 갖는 막이다. 구체적으로는, 고분자막, 금속 박막, 무기 박막을 들 수 있다. 또한, 비공성(非孔性) 막인 것이 바람직하다.
본 실시형태에서, 스페이서란, 기체 투과막이나 냉각막의 각 막의 간격을 일정하게 유지하기 위해서 사용되는 것으로, 망, 부직포, 봉상체를 예시할 수 있다. 이들 중에서는 망이 바람직하다.
또한, 본 실시형태에서, 냉각 매체란, 냉각막을 통해 수증기를 냉각할 목적으로 사용되며, 물, 수용액, 유기 용제 등을 사용할 수 있다. 냉각 매체로서는, 정화수, 해수, 물이 바람직하다.
이어서, 본 실시형태의 정화수 제조 장치에 관해서 이하에 설명한다.
본 실시형태의 정화수 제조 장치는, 본 실시형태의 막 모듈과, 원수 공급 장치와, 냉각 매체 공급 장치를 지니고, 제1 공간의 원수 공급구가 원수 공급 장치에 접속되고, 제3 공간의 냉각 매체 공급구가 냉각 매체 공급 장치에 접속되어 있다.
원수 공급 장치에 의해, 막 모듈의 제1 공간의 원수 공급구에 원수가 공급되어, 원수 배출구로부터 원수가 배출된다. 원수는 순환하여 이용할 수도 있다. 순환하여 이용하는 경우, 원수 중의 불순물 농도가 높아지기 때문에, 적절하게 새로운 원수를 공급하면서 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각 매체 공급 장치에 의해, 막 모듈의 제3 공간의 냉각 매체 공급구에 냉각 매체가 공급되어, 냉각 매체 배출구로부터 냉각 매체가 배출된다. 냉각 매체는 순환하여 이용할 수도 있다. 순환하여 이용하는 경우, 온도를 일정하게 유지하면서 냉각 매체를 순환하는 것이 바람직하다.
또한, 제2 공간의 개구부에, 응축 수단이 접속되어 있음으로써, 보다 수증기가 응축되기 때문에 바람직하다. 응축 수단으로서는 열교환기, 냉각기, 가압기 등을 들 수 있다.
본 실시형태의 다른 정화수 제조 장치로서는, 기체 투과막과, 기체 투과막을 수납하는 케이스를 구비한 막 모듈과, 수증기의 응축 수단을 갖는 정화수 제조 장치에 있어서, 막 모듈이, 케이스 내에, 기체 투과막과 케이스로 형성되는 제1 공간과, 기체 투과막과 케이스로 형성되는 제4 공간을 가지고, 제1 공간은, 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 가지고, 제4 공간은, 개구부를 적어도 1개 이상 갖는 막 모듈이며, 제4 공간의 개구부에 수증기의 응축 수단이 접속된 정화수 제조 장치이다.
상기 정화수 제조 장치에서는, 냉각막으로 수증기를 응축하는 것이 아니라, 제4 공간에 접속된 응축 수단에 의해 수증기를 응축한다. 응축 수단으로서는 상술한 것을 들 수 있다.
상기 정화수 제조 장치에서, 제4 공간은 개구부를 2개 이상 갖는 것이 바람직하다. 개구부로부터 공기를 막 모듈의 제4 공간에 공급할 수 있고, 수증기가 기체 투과막을 효율적으로 투과할 수 있기 때문에 바람직하다. 그리고, 수증기를 포함하는 공기가, 별도의 개구부에 접속된 응축 수단에 의해서 응축되어, 정화수를 제조할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 정화수 제조 장치에서, 원수의 온도를 제어하는 온도 제어부와, 원수의 유량을 제어하는 유량 제어부를 더욱 구비하는 것이 바람직하다. 원수의 온도와 유량을 제어할 수 있음으로써, 물의 제조를 최적의 조건으로 행하기 위한 관리가 이루어지기 쉽다.
이하, 도면을 참조하면서 각 실시형태에 관해서 더욱 자세히 설명한다. 우선, 도 1을 참조하여 막 모듈 및 정화수 제조 장치의 실시형태에 관해서 설명한다. 도 1은 막 모듈을 중심으로 도시하는 정화수 제조 장치의 일 실시형태의 개념도이다. 막 모듈(1)은, 기체 투과막(2)과, 냉각막(3)과, 케이스(4)를 갖는다. 기체 투과막(2)과 냉각막(3)에 의해서, 케이스(4) 내에, 제1 공간(A)과, 제2 공간(B)과, 제3 공간(C)이 형성되어 있다.
제1 공간(A)은 케이스(4)와 기체 투과막(2)으로 형성되고, 제2 공간(B)은 기체 투과막(2)과 냉각막(3)과 케이스(4)로 형성되고, 제3 공간(C)은 냉각막(3)과 케이스(4)로 형성되어 있다. 그리고, 제1 공간(A)은 원수 공급구(41)와 원수 배출구(42)를 지니고, 제2 공간(B)은 개구부(43a, 43b)를 2개 지니고, 제3 공간(C)은 냉각 매체 공급구(44)와 냉각 매체 배출구(45)를 갖는다.
도 1에 도시하는 막 모듈(1)에서는, 원수가 막 모듈(1)에 공급되고(도 1의 F3 참조), 제1 공간(A)에서 기체 투과막(2)의 면을 따라서 흘러(도 1의 Fa 참조), 배출된다(도 1의 F4 참조). 그리고, 기체 투과막(2)에서 제2 공간(B)으로 투과한 수증기는, 냉각막(3)에 의해서 응축되고, 기체 투과막(2)과 냉각막(3) 사이를 지나(도 1의 Fb 참조), 막 모듈(1)로부터 배출된다(도 1의 F8 참조). 한편, 제2 공간(B)에는, 공기 공급 장치(103)로부터 공기가 공급되고(도 7의 F1 참조), 기체 투과막(2)을 투과한 수증기와 함께 응축 수단(7)에 공급되어, 응축된다. 이 공기의 흐름(도 7의 Fd 참조)은 원수의 흐름(도 7의 Fa 참조)에 대향한다.
또한, 제3 공간(C)에서는, 냉각 매체 공급구(44)로부터 냉각 매체가 공급되고(도 1의 F6 참조), 냉각막(3)을 따라서 흘러(도 1의 Fc 참조), 냉각 매체 배출구(45)로부터 배출된다(도 1의 F7 참조).
한편, 본 실시형태에서는, 기체 투과막(2)과 냉각막(3)의 간격을 일정하게 유지하기 위해서 스페이서(5)를 끼워넣는 식으로 배치하여, 형상 안정성을 높이도록 강구되어 있지만, 스페이서(5)를 생략할 수도 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 수증기를 효율적으로 배출하기 위해서, 제2 공간(B)에 공기를 공급하고 있지만, 공기의 공급을 생략할 수도 있다.
도 1의 형태에서는, 기체 투과막(2)과 냉각막(3)이 근접하고 있기 때문에, 기체 투과막(2)을 투과한 수증기를, 효율적으로 냉각막(3)으로 응축시킬 수 있으므로 바람직하다. 한편, 기체 투과막(2)과 냉각막(3) 사이에는 공기를 강제적으로 흘리더라도 좋다. 또한, 도 1의 막 모듈에서는, 원수가 흐르는 방향(도 1의 F3과 F4 참조)과, 냉각 매체가 흐르는 방향(도 1의 F6과 F7 참조)이 대향하고 있다.
또한, 도 1에 도시하는 정화수 제조 장치(100)는, 상술한 막 모듈(1)과, 원수 공급 장치(101)와, 냉각 매체 공급 장치(102)와, 공기 공급 장치(103)와, 응축 수단(7)을 갖는다. 막 모듈(1)의 제1 공간(A)의 원수 공급구(41)는 원수 공급 장치(101)에 접속되고, 제3 공간(C)의 냉각 매체 공급구(44)는 냉각 매체 공급 장치(102)에 접속되고, 제2 공간(B)의 한쪽의 개구부(43a)는 공기 공급 장치(103)에 접속되고, 다른 쪽의 개구부(43b)는 수증기의 응축 수단(7)에 접속되어 있다. 또한, 정화수 제조 장치(100)는, 원수의 온도를 제어하는 온도 제어부(104)와, 원수의 유량을 제어하는 유량 제어부(105)를 구비하고 있다.
도 2는 본 실시형태의 막 모듈의 다른 실시형태에 관한 개념도이다. 도 2의 막 모듈(1)은, 냉각막(3), 기체 투과막(2), 기체 투과막(2), 냉각막(3), 냉각막(3), 기체 투과막(2), 기체 투과막(2), 냉각막(3)의 순으로 적층된 막 모듈(1)이다. 기체 투과막(2) 및 냉각막(3)을 이 순서로 적층함으로써, 제1 공간(A), 제2 공간(B), 제3 공간(C), 제2 공간(B)의 순으로 반복하여 적층된 막 모듈(1)이 형성된다. 이 형태는, 플레이트앤드프레임형 막 모듈의 일부 또는 플리츠형 막 모듈의 일부이며, 기체 투과막의 표면적이 증대되기 때문에 바람직하다. 적층하는 개수는 3쌍 이상이라도 좋다.
도 2의 막 모듈(1)에서는, 기체 투과막(2)과 기체 투과막(2)에 의해 형성되는 공간에 있어서, 원수가 공급 및 배출된다(도 2의 F3와 F4 참조). 그리고, 냉각막(3)과 냉각막(3)에 의해 형성되는 공간에 있어서, 냉각 매체가 공급 및 배출되어(도 2의 F6과 F7), 기체 투과막(2)과 냉각막(3)에 의해 형성되는 공간에 있어서, 응축된 물을 얻을 수 있다(도 2의 F8 참조). 도 2의 막 모듈(1)에서도, 기체 투과막(2)과 냉각막(3)에 의해 형성되는 공간에 공기를 공급할 수 있다.
한편, 도 2에 도시하는 막 모듈(1)의 변형예로서, 예컨대, 도 2에 도시하는 동일한 막을 원통형으로 연결함으로써 중공사막형의 막 모듈로 할 수도 있다.
도 3은 도 1에 도시하는 막 모듈(1)에 삽입된 플리츠 성형체의 일례를 도시하는 개념도이다. 도 3에 도시하는 플리츠 성형체는, 스페이서(5), 기체 투과막(2), 스페이서(5), 냉각막(3), 스페이서(5)의 순으로 적층되고, 플리츠형으로 가공되어 제조된다. 스페이서(5)는, 각 막 사이의 거리를 일정하게 유지할 목적으로, 각 막 사이에 이용된다. 이 형태는, 한정된 공간에 큰 막 면적을 유지할 수 있기 때문에 용적 효율이 높아진다는 점에서 바람직하다.
도 4는 도 3의 플리츠 성형체를 이용한 막 모듈의 다른 실시형태이다. 여기서, 플리츠 성형체에 있어서, 플리츠의 접음선을 따른 방향을, 플리츠 성형체의 길이로 하고, 길이 방향과 직각인, 플리츠의 접음선에 직각인 방향을, 플리츠 성형체의 폭으로 하고, 길이 및 폭에 직각인 방향을, 플리츠 성형체의 높이로 한다.
도 4에 도시되는 막 모듈(1)에서는, 플리츠 성형체의 단면은, 기체 투과막(2)과 냉각막(3)의 제2 공간(B)을 제외하고, 양면 모두 밀봉되어 있다. 그리고, 도 4의 플리츠 성형체의 상면에, 폭 방향으로 뻗은 격벽부(6)가 설치되어 있다. 한편, 플리츠 성형체의 상면뿐만 아니라, 하면에도 격벽부(6)를 설치하여도 좋다.
원수 공급구(41)로부터 막 모듈(1)에 원수가 공급되면(도 4의 F6 참조), 플리츠 성형체의 접음선을 따라서, 길이 방향으로 향해 원수가 흘러, 원수 배출구(42)로부터 배출된다(도 4의 F7 참조). 한편, 냉각 매체 공급구로부터 냉각 매체가 공급되면, 플리츠 성형체의 접음선을 따라서, 길이 방향으로 향해 냉각 매체가 흘러, 냉각 매체 배출구로부터 배출된다. 공급된 원수는 수증기가 되어 기체 투과막(2)을 투과하고, 냉각막(3)에서 냉각되어 물로 되어, 기체 투과막(2)과 냉각막(3) 사이에서 배출된다. 막 모듈(1)이 격벽부(6)를 가지면, 원수 또는 냉각 매체가 기체 투과막(2)의 면을 따라서 흘러, 효율이 향상되기 때문에 바람직하다.
도 5는, 플리츠 성형체를 이용한 막 모듈(1)에 있어서의, 원수, 냉각 매체, 응축된 물의 흐름의 모식도이다. 원수는, F3으로부터 기체 투과막(2)의 면을 따라서 흘러(도 8의 Fa 참조), F4로부터 배출된다. 한편, F3, Fa, F4는, 도 5에서, 기체 투과막(2)보다 앞쪽에 있다. 한편, 냉각 매체는, F6으로부터 냉각막(3)의 면을 따라서 흘러(도 8의 Fc 참조), F7로부터 배출된다. 한편, F6, Fc, F7은, 도 5에서, 냉각막(3)보다 안쪽에 있다. 그리고, 기체 투과막(2)을 투과한 수증기는, 냉각막(3)에서 응축되어, F8로부터 배출된다. 도 5에 도시되는 막 모듈(1)에서는, 원수가 흐르는 방향(도 8의 Fa 참조)과, 냉각 매체가 흐르는 방향(도 8의 Fc 참조)이 반대 방향으로 되어 있다.
도 6은 본 실시형태의 막 모듈의 다른 일 실시형태의 개념도이다. 기체 투과막(2)에 의해서, 케이스(4) 내부가 제1 공간(A)과, 제4 공간(D)이 형성되고, 제4 공간(D)의 개구부(46a)의 하나와 응축 수단(7)이 접속되어 있다. 도 6의 막 모듈(1)에서는, 원수가 막 모듈(1)에 공급되어(도 6의 F3 참조), 제1 공간(A)에서 기체 투과막(2)의 면을 따라서 흘러 배출된다(도 6의 F4 참조). 그리고, 기체 투과막(2)에서 제4 공간(D)으로 투과한 수증기(도 6의 Fb 참조)는, 응축 수단(7)에 보내지고(도 6의 F8 참조), 응축 수단(7)에 의해서 응축되어(도 6의 F5 참조), 물이 제조된다. 도 6에서는, 응축 수단(7)이 제4 공간(D)의 개구부(46a)와 접속되어 있다.
도 7은 본 실시형태의 막 모듈의 일 실시형태의 다른 개념도이다. 이 실시형태에 따른 막 모듈(1)은, 도 6에 도시하는 막 모듈(1)의 변형예이며, 도 6에 도시하는 막 모듈(1)의 구성 요소에 더하여, 제4 공간(D)에 별도의 개구부(46b)를 가지며, 이 개구부(46b)로부터 공기가 공급되어(도 7의 F1 참조), 기체 투과막(2)을 투과한 수증기와 함께, 응축 수단(7)에 공급되어 응축된다. 도 7의 막 모듈(1)을 이용하면, 효율적으로 기체 투과막(2)으로부터 수증기를 투과시킬 수 있다. 도 7에 도시되는 막 모듈(1)을 이용하는 경우, 원수가 흐르는 방향(도 7의 Fa 참조)과 공기가 흐르는 방향(도 7의 Fd 참조)이, 기체 투과막(2)을 두고서 역방향(대향)이다.
도 8은 중공사형의 막 모듈의 일 실시형태의 개념도이다. 도 8에서는, 막 모듈(1)의 케이스(4) 내부가, 중공사형의 기체 투과막(2)의 외측과 내측으로 나뉜다. 기체 투과막(2)은 중공사의 외측 표면 또는 내측 표면에 형성되어 있다. 그리고, 중공사형의 기체 투과막(2)의 내측에 원수가 공급되어 배출된다. 또한, 그 반대로 중공사의 외측에 원수가 공급되어 배출되어도 좋다. 중공사형의 기체 투과막(2)으로부터 투과한 수증기는, 제4 공간(D)에 공급되는 공기와 함께 배출된다. 그리고, 응축 수단(7)에 의해서 수증기가 응축되어, 물이 제조된다. 한편, 도 7 및 도 8에서는, 응축 수단(7)으로서, 냉각기 대신에, 중공사형의 냉각막을 응축 수단(7)으로서 이용할 수도 있다.
실시예
〔실시예 1〕
외경 1 mm 내경 0.7 mm의 폴리에테르술폰 중공사 미다공막에 테플론(등록상표) AF-1600(Dupont사 제조)을 도공하여, 기체 투과막을 제작했다. 산소 투과 속도는 1,200 GPU, 산소 투과 속도/질소 투과 속도의 비=2.3, 수증기 투과 속도는 5,400 GPU였다. AF-1600막의 흡수율은 0.01% 이하이고, 물과의 접촉각은 104°였다. 흡수율은, ASTM570에 따라서, 샘플을 23℃의 물에 24시간 침지한 조건으로 측정했다. 물과의 접촉각은, 샘플의 표면에 탈이온수의 물방울을 얹어, 23℃에서 1분간 방치한 후, 접촉각 측정 장치(교와가이멘가가쿠 제조, CA-X150형 접촉각계)를 이용하여 측정했다. 중공사를 묶어 10 ㎡의 막 모듈(11)을 4개 제작하여, 합계 40 ㎡의 막 모듈(11)(도 10 참조)을 조립했다. 막 모듈(11)은, 중공사막으로 이루어지는 복수의 기체 투과막(2)과, 복수의 냉각막(3)과, 기체 투과막(2) 및 냉각막(3)을 수납하는 케이스(4)를 구비하고 있다.
이 막 모듈(11)을 이용하여, 도 9에 도시하는 정화수 제조 장치(100)로 실험을 했다. 도 9의 정화수 제조 장치(100)에서는, 공기 공급 장치(103)를 구동하여 막 모듈(11)에 F11로부터 공기를 공급하고, F12로부터 배출하여, 냉각기(16)로 수증기를 응축시킨다. 응축된 물은 F15로부터 배출되고, 공기는 F18로부터 배출된다. 또한, 원수 공급 장치(101)를 구동하여 F16으로부터 해수(원수의 일례)가 순환조(15)에 공급되고, 순환 펌프(14)를 경유하여, 해수가 가열기(13)로 가열된다. 그 후, F13을 통해 해수가 막 모듈(11)에 공급되고, F14로부터 배출된 해수는 다시 순환조(15)로 되돌아간다. 해수는 F17로부터 블로우다운할 수 있다. 한편, 정화수 제조 장치(100)는, 순환 펌프(14)를 구동 제어하여 해수의 유량을 제어하는 유량 제어부(104)와, 가열기(13)의 온도를 제어하여 해수의 온도를 제어하는 온도 제어부(105)를 구비하고 있다.
순환조(15)에 공급되는 해수는, 20℃에서, 3.2 L/min의 유량으로 하고, 가열기(13)의 전기 용량을 83 kW로 하여, 해수를 가열했다. 가열된 해수는, 막 모듈(11)의 원수 공급구에 있어서, 89℃에서, 43 L/min의 유량이며, 막 모듈(11)의 원수 배출구에 있어서, 69.2℃에서, 39.8 L/min의 유량이었다. 또한, F11로부터, 막 모듈(11)에 공급한 공기는 6.3 Nm3/min의 유량이었다.
상기한 운전 조건에 있어서, 도 9의 정화수 제조 장치(100)를 운전한 결과, 약 3 L/min의 물(정화수)을 얻을 수 있었다. 정수의 염 농도는 0.01 중량% 이하였다. 불순물 등에 의한 막의 오염은 없었다.
〔실시예 2〕
폴리올레핀계 미다공막에 테플론(등록상표) AF-1600을 도공하여, 기체 투과막을 제작했다, 산소 투과성은 1300 GPU, 산소 투과 속도/질소 투과 속도의 비=2.3, 수증기 투과 속도는 5,900 GPU였다. AF-1600막의 흡수율은 0.01% 이하이며, 물과의 접촉각은 104°였다. 흡수율은, ASTM570에 따라서, 샘플을 23℃의 물에 24시간 침지한 조건으로 측정했다. 물과의 접촉각은, 샘플의 표면에 탈이온수의 물방울을 얹어, 23℃에서 1분간 방치한 후, 접촉각 측정 장치(교와가이멘가가쿠 제조, CA-X150형 접촉각계)를 이용하여 측정했다. 500 데니어 10 메쉬의 평직망을 스페이서로 하고, 이 스페이서로 기체 투과막을 사이에 끼워 플리츠로 가공했다. 10 ㎡의 막 모듈을 4개 제작하여, 합계 40 ㎡의 정화수 제조 장치를 조립했다. 도 9의 막 모듈(11)(도 10 참조)을 도 7의 막 모듈(1)로 한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 조건으로 실시한 바, 약 3 L/min의 물(응축수)을 얻을 수 있었다. 정수의 염 농도는 0.01 중량% 이하였다.
본 발명은 해수로부터 정화수를 제조하는 것에 이용할 수 있다.
1: 막 모듈, 2: 기체 투과막, 3: 냉각막, 4: 케이스, 5: 스페이서, 6: 격벽부, 7: 응축 수단, 11: 막 모듈, 12: 기체 투과막, 13: 가열기, 14: 순환 펌프, 15: 순환조, 16: 냉각기, 41: 원수 공급구, 42: 원수 배출구, 43a, 43b, 46a, 46b: 개구부, 100: 정화수 제조 장치, 101: 원수 공급 장치, 103: 냉각 매체 공급 장치, 104: 유량 제어부, 105: 온도 제어부, A: 제1 공간, B: 제2 공간, C: 제3 공간, D: 제4 공간.
Claims (21)
- 원수를 기체 투과막의 한쪽의 면을 따라서 흘리고, 상기 기체 투과막을 투과한 수증기를 응축시켜, 정화수를 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기체 투과막의 다른 한쪽의 면을 따라서 공기를 흘리는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각함으로써 수증기를 응축시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 투과막의 수증기 투과 속도가 10 GPU 이상 1,000,000 GPU 이하인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 원수가 해수인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 원수의 온도가 1℃ 이상 100℃ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 투과막과, 냉각막과, 상기 기체 투과막 및 상기 냉각막을 수납하는 케이스를 구비하고,
상기 케이스 내에, 상기 기체 투과막과 상기 케이스로 형성되는 제1 공간과, 상기 기체 투과막과 상기 냉각막으로 형성되는 제2 공간과, 상기 냉각막과 상기 케이스로 형성되는 제3 공간을 가지고,
상기 제1 공간은, 상기 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 가지며,
상기 제2 공간은, 개구부를 적어도 1개 이상 가지고,
상기 제3 공간은, 상기 제3 공간에 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급구와, 상기 제3 공간으로부터 냉각 매체를 배출하는 냉각 매체 배출구를 적어도 갖는 막 모듈에서,
원수가 흐르는 방향과 냉각 매체가 흐르는 방향이 대향하는 것을 특징으로 하는 방법. - 기체 투과막과, 냉각막을 구비하고, 원수가 상기 기체 투과막의 한쪽의 면을 따라서 흐르는 막 모듈.
- 제8항에 있어서, 냉각 매체가 상기 냉각막의 한쪽의 면을 따라서 흐르는 막 모듈.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 원수가 흐르는 방향과 냉각 매체가 흐르는 방향이 대향하는 것을 특징으로 하는 막 모듈.
- 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 투과막 및 상기 냉각막을 수납하는 케이스를 더 구비하고,
상기 케이스 내에, 상기 기체 투과막과 상기 케이스로 형성되는 제1 공간과, 상기 기체 투과막과 상기 냉각막으로 형성되는 제2 공간과, 상기 냉각막과 상기 케이스로 형성되는 제3 공간을 가지고,
상기 제1 공간은, 상기 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 상기 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 가지며,
상기 제2 공간은, 개구부를 적어도 1개 이상 가지고,
상기 제3 공간은, 상기 제3 공간에 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급구와, 상기 제3 공간으로부터 냉각 매체를 배출하는 냉각 매체 배출구를 적어도 갖는 것을 특징으로 하는 막 모듈. - 제11항에 있어서, 상기 제2 공간이 상기 개구부를 2개 이상 갖는 것을 특징으로 하는 막 모듈.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 기체 투과막과 상기 냉각막과의 사이에 스페이서를 갖는 것을 특징으로 하는 막 모듈.
- 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 투과막과 상기 냉각막이 평막 플리츠형인 것을 특징으로 하는 막 모듈.
- 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 공간을 흐르는 원수의 방향과, 상기 제3 공간을 흐르는 냉각 매체의 방향이 대향하도록, 상기 원수 공급구, 상기 원수 배출구, 상기 냉각 매체 공급구, 상기 냉각 매체 배출구가 배치되는 것을 특징으로 하는 막 모듈.
- 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 투과막 및 상기 냉각막을 복수개 가지고,
상기 제1 공간이, 인접하는 상기 기체 투과막끼리 사이에 형성되고,
상기 제2 공간이, 인접하는 상기 기체 투과막과 상기 냉각막 사이에 형성되고,
상기 제3 공간이, 인접하는 상기 냉각막끼리 사이에 형성되고,
상기 제1 공간, 상기 제2 공간, 상기 제3 공간, 상기 제2 공간의 순으로 반복하여 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 막 모듈. - 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재한 막 모듈과, 원수 공급 장치와, 냉각 매체 공급 장치를 가지고,
상기 제1 공간의 상기 원수 공급구가, 상기 원수 공급 장치에 접속되고,
상기 제3 공간의 상기 냉각 매체 공급구가, 상기 냉각 매체 공급 장치에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 정화수 제조 장치. - 제17항에 있어서, 상기 제2 공간의 개구부에, 수증기의 응축 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 정화수 제조 장치.
- 기체 투과막과, 기체 투과막을 수납하는 케이스를 구비한 막 모듈과, 수증기의 응축 수단을 갖는 정화수 제조 장치에 있어서,
상기 막 모듈이, 상기 케이스 내에, 상기 기체 투과막과 상기 케이스로 형성되는 제1 공간과, 상기 기체 투과막과 상기 케이스로 형성되는 제4 공간을 가지고,
상기 제1 공간은, 상기 제1 공간에 원수를 공급하는 원수 공급구와, 상기 제1 공간으로부터 원수를 배출하는 원수 배출구를 적어도 가지며,
상기 제4 공간은, 개구부를 적어도 1개 이상 갖는 막 모듈이며,
상기 제4 공간의 개구부에, 수증기의 응축 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 정화수 제조 장치. - 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 수증기의 응축 수단이 열교환기 또는 냉각기인 것을 특징으로 하는 정화수 제조 장치.
- 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 원수의 온도를 제어하는 온도 제어부와, 원수의 유량을 제어하는 유량 제어부를 더 구비하는 정화수 제조 장치.
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