KR20150086122A - 정삼투 수처리 장치 - Google Patents
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Abstract
각 정삼투 분리막이 활성층과 지지층을 포함하는 복수 개의 정삼투 분리막,
서로 마주하는 두 개의 활성층 사이에 위치하는 제1 스페이서, 및 서로 마주하는 두 개의 지지층 사이에 위치하는 제2 스페이서를 포함하고, 상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 복수 개로 포함되어 상기 정삼투 분리막과 함께 스택 구조를 형성하고, 상기 복수 개의 제1 스페이서들은 처리수의 흐름을 형성하는 제1 유로를 형성하고, 상기 복수 개의 제2 스페이서들은 유도용액의 흐름을 형성하는 제2 유로를 형성하는 정삼투 수처리 장치에 관한 것이다.
서로 마주하는 두 개의 활성층 사이에 위치하는 제1 스페이서, 및 서로 마주하는 두 개의 지지층 사이에 위치하는 제2 스페이서를 포함하고, 상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 복수 개로 포함되어 상기 정삼투 분리막과 함께 스택 구조를 형성하고, 상기 복수 개의 제1 스페이서들은 처리수의 흐름을 형성하는 제1 유로를 형성하고, 상기 복수 개의 제2 스페이서들은 유도용액의 흐름을 형성하는 제2 유로를 형성하는 정삼투 수처리 장치에 관한 것이다.
Description
정삼투 수처리 장치에 관한 것이다.
정삼투 공정은 반투과성 멤브레인을 고농도와 저농도 용액 사이에 설치하여 저농도 용액의 용매가 고농도 용액으로 이동하여 농도 평형을 이루려고 하는 자연현상(삼투현상)을 이용한 것이다. 정삼투(FO)방식은 고압펌프에 의한 압력을 운전압력으로 이용하는 역삼투(RO)방식과 달리 높은 삼투압을 가진 유도용액(draw solution)이 운전압력을 만들어 내는 역할을 하기 때문에 에너지 비용을 감소시킬 수 있다.
이와 같은 정삼투 공정을 이용한 분리막 모듈을 구현하는데 있어서, 분리막에서 발생할 수 있는 농도 분극 현상(concentration polarization, CP)을 줄이는 것이 중요하고, 유체 저항의 발생 및 모듈 내 발생할 수 있는 압력을 줄이는 것 또한 중요하다. 이를 위하여 정삼투 수처리 장치의 유로를 적절하게 설계하는 것이 중요하다.
분리막에 요구되는 수투과도 특성 및 염역확산 특성을 동시에 만족할 수 있는 정삼투 수처리 장치를 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 각 정삼투 분리막이 활성층과 지지층을 포함하는 복수 개의 정삼투 분리막, 서로 마주하는 두 개의 활성층 사이에 위치하는 제1 스페이서, 및 서로 마주하는 두 개의 지지층 사이에 위치하는 제2 스페이서를 포함하고, 상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 복수 개로 포함되어 상기 정삼투 분리막과 함께 스택 구조를 형성하고, 상기 복수 개의 제1 스페이서들은 처리수의 흐름을 형성하는 제1 유로를 형성하고, 상기 복수 개의 제2 스페이서들은 유도용액의 흐름을 형성하는 제2 유로를 형성하는 정삼투 수처리 장치를 제공한다.
상기 정삼투 분리막은 물을 선택적으로 투과시켜 상기 제1 스페이서를 통과하는 처리수의 물을 상기 제2 스페이서를 통과하는 유도 용액 측으로 이동시킬 수 있다.
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로는 상기 복수 개의 정삼투 분리막 중 적어도 하나를 각각 관통하여 형성될 수 있다.
상기 제1 스페이서는 상기 처리수가 상기 제1 스페이서의 횡방향을 따라 이동할 수 있는 부분을 포함하고, 상기 제2 스페이서는 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서의 횡방향을 따라 이동할 수 있는 부분을 포함할 수 있다.
상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 각각 메쉬 부분을 포함할 수 있다.
상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 각각 상기 메쉬 부분을 정의하는 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 가스켓은 상기 처리수 및 상기 유도용액를 각각 통과시킬 수 있는 유입구를 가질 수 있다.
상기 유입구는 상기 가스켓의 말단에 위치하거나 상기 가스켓을 관통하여 위치할 수 있다.
상기 처리수가 상기 제1 스페이서의 횡방향을 따라 이동하는 방향과 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서의 횡방향을 따라 이동하는 방향이 동일할 수 있다.
상기 처리수가 상기 제1 스페이서의 횡방향을 따라 이동하는 방향과 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서의 횡방향을 따라 이동하는 방향이 상이할 수 있다.
상술한 정삼투 수처리 장치는 처리수가 공급되는 제1 공급부, 유도용액이 공급되는 제2 공급부, 상기 제1 공급부로부터 공급된 처리수가 복수 개의 제1 스페이서들을 통과하여 배출되는 제1 배출부, 및 상기 제2 공급부로부터 공급된 유도용액이 상기 복수 개의 제2 스페이서들을 통과하여 배출되는 제2 배출부를 더 포함하고, 상기 제1 공급부, 상기 복수 개의 제1 스페이서 및 상기 제1 배출부는 상기 처리수의 흐름을 형성하는 제1 유로를 형성하고, 상기 제2 공급부, 상기 복수 개의 제2 스페이서 및 상기 제2 배출부는 상기 유도용액의 흐름을 형성하는 제2 유로를 형성할 수 있다.
상기 제1 유로를 통과하는 처리수와 상기 제2 유로를 통과하는 유도용액은 유체적으로 격리될 수 있다.
상기 제1 유로는 상기 제1 공급부로부터 뻗어나와 상기 각 제1 스페이서로 분지되는 구조를 포함하고, 상기 제2 유로는 상기 제2 공급부로부터 뻗어나와 상기 각 제2 스페이서로 분지되는 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 유로는 상기 제1 공급부로부터 뻗어나와 상기 제1 스페이서들을 순차적으로 통과하는 구조를 포함하고, 상기 제2 유로는 상기 제2 공급부로부터 뻗어나와 상기 제2 스페이서들을 순차적으로 통과하는 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 배출부로 배출된 처리수는 상기 제1 공급부로부터 공급된 처리수보다 농도가 높을 수 있다.
상기 정삼투 분리막은 평판형(plate-and-frame type)일 수 있다.
설계가 용이할 뿐만 아니라, 분리막에 요구되는 수투과도 특성 및 염역확산 특성을 동시에 만족할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 정삼투 수처리 장치를 도시한 개략도이고,
도 2 내지 5는 각각 구체예들에 따른 정삼투 수처리 장치의 개략적인 단면도이고,
도 6 및 7은 각각 일 구현예에 따른 정삼투 수처리 장치에 적용된 유로를 예시적으로 보여주는 개략도이고,
도 8은 실시예 1 내지 3에 따른 정삼투 수처리 장치의 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고,
도 9는 실시예 4 내지 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고,
도 10 및 11은 실시예 1 내지 3에 따른 정삼투 수처리 장치의 막 면적을 고려한 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고,
도 12 및 13은 실시예 4 내지 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 막 면적을 고려한 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고,
도 14는 실시예 3, 실시예 6, 및 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치의 염 역확산도를 나타내는 그래프이고,
도 15는 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치의 유로에서 발생하는 압력을 나타내는 그래프이며,
도 16은 실시예 3에 따른 정삼투 수처리 장치의 유로에서 발생하는 압력을 나타내는 그래프이고,
도 17은 실시예 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 유로에서 발생하는 압력을 나타내는 그래프이다.
도 2 내지 5는 각각 구체예들에 따른 정삼투 수처리 장치의 개략적인 단면도이고,
도 6 및 7은 각각 일 구현예에 따른 정삼투 수처리 장치에 적용된 유로를 예시적으로 보여주는 개략도이고,
도 8은 실시예 1 내지 3에 따른 정삼투 수처리 장치의 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고,
도 9는 실시예 4 내지 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고,
도 10 및 11은 실시예 1 내지 3에 따른 정삼투 수처리 장치의 막 면적을 고려한 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고,
도 12 및 13은 실시예 4 내지 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 막 면적을 고려한 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고,
도 14는 실시예 3, 실시예 6, 및 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치의 염 역확산도를 나타내는 그래프이고,
도 15는 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치의 유로에서 발생하는 압력을 나타내는 그래프이며,
도 16은 실시예 3에 따른 정삼투 수처리 장치의 유로에서 발생하는 압력을 나타내는 그래프이고,
도 17은 실시예 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 유로에서 발생하는 압력을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하에서 "조합"이란 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
정삼투 수처리 장치는, 처리 대상인 처리수 중의 물을 삼투압을 이용하여 농도가 높은 유도 용액으로 정삼투 분리막을 통과하여 이동시키고, 상기 유도용액을 회수 시스템으로 이동시켜 용질을 분리해내고, 그 나머지를 처리된 결과인 배출수로서 얻는 매커니즘에 의해 작동된다.
이하 일 구현예에 따른 정삼투 수처리 장치에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 정삼투 수처리 장치를 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 정삼투 수처리 장치(100)는 각 정삼투 분리막(110)이 활성층(A)과 지지층(S)을 포함하는 복수 개의 정삼투 분리막(110), 서로 마주하는 두 개의 활성층(A) 사이에 위치하는 제1 스페이서(120a), 및 서로 마주하는 두 개의 지지층(S) 사이에 위치하는 제2 스페이서(120s)를 포함한다.
활성층(A)은 처리수에서 염을 분리하는 역할을 하며, 예컨대 폴리아미드, 가교결합된 폴리아미드, 폴리아미드-하이드라지드, 폴리(아미드-이미드), 폴리이미드, 폴리(알릴아민)하이드로클로라이드/폴리(소듐스티렌설포네이트)(PAH/PSS), 폴리벤즈이미다졸, 설폰화된 폴리(아릴렌에테르설폰) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
지지층(S)은 수압으로부터 분리층을 지지하는 역할을 하며, 예컨대 폴리술폰(polysulfone), 폴리에테르술폰, 및 폴리(에테르술폰케톤)으로부터 선택되는 폴리술폰계 고분자; 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 폴리메타크릴로니트릴로부터 선택되는 폴리(메트)아크릴로니트릴 고분자; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌으로부터 선택되는 폴리올레핀계 고분자; 폴리카보네이트; 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트로부터 선택되는 폴리알킬렌테레프탈레이트; 폴리이미드계 고분자; 폴리벤즈이미다졸계 고분자; 폴리벤즈티아졸계 고분자; 폴리벤족사졸계 고분자; 폴리에폭시계 고분자; 폴리페닐렌비닐렌계 고분자; 폴리아미드계 고분자; 셀룰로오스계 고분자; 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF); 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE); 폴리비닐클로라이드(PVC) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
예를 들어, 하나의 정삼투 분리막(110)은 예컨대 30 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위 내의 두께를 가질 수 있고, 그 중에서도 50 ㎛ 내지 150 ㎛ 범위 내의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 스페이서(120a) 및 제2 스페이서(120s)는 복수 개로 포함되어 정삼투 분리막(110)과 함께 스택 구조를 형성한다. 도 1에서 도시한 스택 구조는 일 예시일 뿐이며 외측에 추가로 정삼투 분리막 및/또는 스페이서를 더 포함할 수 있고, 이러한 스택 구조에 포함되는 정상투 분리막과 스페이서의 개수는 제한되지 않는다. 이 점은 후술하는 다른 구현예 및 구체예에서도 마찬가지이다.
정삼투 분리막(110)은 물을 선택적으로 투과시켜 제1 스페이서(120a)를 통과하는 처리수의 물을 제2 스페이서(120s)를 통과하는 유도 용액 측으로 이동시킬 수 있다.
제1 스페이서(120a)는 상기 처리수가 제1 스페이서(120a)의 횡방향을 따라 이동할 수 있는 부분을 포함하고, 제2 스페이서(120s)는 상기 유도용액이 제2 스페이서(120s)의 횡방향을 따라 이동할 수 있는 부분을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 스페이서(120a) 및 제2 스페이서(120s)는 각각 메쉬 부분(130a, 130s)을 포함할 수 있다. 상기 처리수는 메쉬 부분(130a)을 통해 제1 스페이서(120a)의 횡방향을 따라 이동할 수 있고 상기 유도용액은 메쉬 부분(130s)을 통해 제2 스페이서(120s)의 횡방향을 따라 이동할 수 있다. 도 1에서 메쉬 부분(130a, 130s)에 표시된 화살표는 상기 처리수 및 유도용액이 일 방향으로부터 다른 방향으로 이동하는 흐름을 예시적으로 나타낸 것이다. 제1 스페이서(120a)의 메쉬(130a)와 제2 스페이서(120s)의 메쉬(130s)는 수리역학적으로 서로 대칭 또는 비대칭일 수 있다.
유체의 흐름을 형성할 수 있는 것이라면, 메쉬(130a, 130s)의 형상과 크기는 제한되지 않는다. 예를 들어, 메쉬(130a, 130s)의 단위 홀(hole)은 원형, 삼각형, 사각형 또는 오각형 형상일 수 있고, 그 평균 직경은 약 1 mm 내지 10 mm일 수 있다. 메쉬(130a, 130s)는 폴리에스테르(Polyester), 폴리프로필렌(Polypropylene) 또는 이들의 조합의 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 스페이서(120a) 및 제2 스페이서(120s)의 두께는 서로 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 예를 들어, 제1 스페이서(120a)의 두께는 약 0.3 mm 내지 1.0 mm일 수 있고, 제2 스페이서(120s)의 두께는 약 0.5 mm 내지 1.5 mm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 스페이서(120a) 및 제2 스페이서(120s)는 각각 상술한 메쉬(130a, 130s) 부분을 정의하는 가스켓(140a, 140s)을 포함할 수 있다. 가스켓(140a, 140s)은 누수가 발생하지 않는 재질이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 천연 고무, 스티렌 부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 클로로퍼 고무(chloroper rubber) 또는 플루오린 고무(fluorine rubber) 등과 같은 고무 재료를 사용할 수 있다. 그 밖에도 실리콘이나 예컨대 테플론(TEFLON) 등과 같은 PTFE(poly tetrafluoro ethylene)를 함유할 수도 있으나, 이는 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
가스켓(140a, 140s)은 상기 처리수 및 상기 유도용액을 각각 통과시킬 수 있는 유입구(121a, 122a, 121s, 122s)를 가질 수 있다. 또한, 정삼투 분리막(110)은 상기 처리수 및 상기 유도용액을 인접하는 유입구(121a, 122a, 121s, 122s)로 전달하는 통로구(111)를 가질 수 있다. 도 1에 도시한 유입구(121a, 122a, 121s, 122s) 및 통로구(111)는 예시적으로 표현한 것이며, 이들의 개수 및 위치는 이에 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이 제1 스페이서(120a) 및 제2 스페이서(120s)는 복수 개로 포함되어 정삼투 분리막(110)과 함께 스택 구조를 형성하며, 여기서 복수 개의 제1 스페이서들(120a)은 처리수의 흐름을 형성하는 제1 유로를 형성하고, 복수 개의 제2 스페이서들(120s)은 유도용액의 흐름을 형성하는 제2 유로를 형성한다.
상기 제1 유로 및 제2 유로에 관해서는 도 2 내지 5를 참고하여 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 5는 구체예들에 따른 정삼투 수처리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 정삼투 수처리 장치(100)는 처리수가 공급되는 제1 공급부(150a), 유도용액이 공급되는 제2 공급부(160a), 제1 공급부(150a)로부터 공급된 처리수가 복수 개의 제1 스페이서들(120a)을 통과하여 배출되는 제1 배출부(150b), 및 제2 공급부(160a)로부터 공급된 유도용액이 복수 개의 제2 스페이서들(120s)을 통과하여 배출되는 제2 배출부(160b)를 더 포함한다. 여기서, 제1 공급부(150a), 복수 개의 제1 스페이서(120a) 및 제1 배출부(150b)는 상기 처리수의 흐름을 형성하는 제1 유로(170a)를 형성하고, 제2 공급부(160a), 복수 개의 제2 스페이서(120s) 및 제2 배출부(160b)는 상기 유도용액의 흐름을 형성하는 제2 유로(170s)를 형성한다. 제1 유로(170a)를 통과하는 처리수와 제2 유로(170b)를 통과하는 유도용액은 유체적으로 격리되어 각각의 흐름을 형성할 수 있다.
도 2 및 3을 참고하면, 제1 유로(170a)는 제1 공급부(150a)로부터 뻗어나와 각 제1 스페이서(120a)로 분지되는 구조를 포함하고, 제2 유로(170s)는 제2 공급부(160a)로부터 뻗어나와 거쳐 각 제2 스페이서(120s)로 분지되는 구조를 포함한다. 이와 같은 유로 배치 구조를 병렬식 구조라 칭한다.
상기 처리수는 가스켓(140a)의 유입구(141a)를 통하여 각 제1 스페이서(120a)로 분지된 후 제1 스페이서(120a)의 횡방향을 따라 흐르고, 상기 유도용액은 가스켓(140s)의 유입구(141s)를 통하여 각 제2 스페이서(120s)로 분지된 후 제2 스페이서(120s)의 횡방향을 따라 흐른다. 이 때 상기 처리수는 메쉬(130a)를 따라 이동하며, 그 과정에서 상기 처리수 내의 물은 정삼투 분리막(110)를 통과하여 상기 유도용액이 흐르는 제2 스페이서(120s) 측으로 이동하는 흐름(W)을 형성할 수 있다.
이와 같은 병렬식 구조에 따르면, 처리수는 각 유입구(141a)에서 실질적으로 동일한 값의 농도를 가질 수 있고 유도용액도 마찬가지로 각 유입구(141s)에서 실질적으로 동일한 값의 농도를 가질 수 있다.
도 2를 참고하면, 상기 처리수가 제1 스페이서(120a)의 횡방향을 따라 이동하는 방향과 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서(120s)의 횡방향을 따라 이동하는 방향이 동일하다. 이와 같은 유로 배치를 병류(co-current cross flow) 구조라 칭한다.
도 3을 참고하면, 상기 처리수가 제1 스페이서(120a)의 횡방향을 따라 이동하는 방향과 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서(120s)의 횡방향을 따라 이동하는 방향이 상이하다. 이와 같은 유로 배치를 향류(counter-current cross flow) 구조라 칭한다.
이어서 또 다른 구체예에 따른 정삼투 수처리 장치를 도 4 및 5를 참고하여 설명한다.
도 4 및 5를 참고하면, 제1 유로(170a)는 제1 공급부(150a)로부터 뻗어나와 제1 스페이서들(120a)을 순차적으로 통과하는 구조를 포함하고, 제2 유로(170s)는 제2 공급부(160a)로부터 뻗어나와 제2 스페이서들(120s)을 순차적으로 통과하는 구조를 포함한다. 이와 같은 유로 배치 구조를 직렬식 구조라 칭한다.
상기 처리수는 가스켓(140a)의 유입구(141a)를 통하여 어느 하나의 제1 스페이서(120a)로 유입된 후 제1 스페이서(120a)의 횡방향을 따라 흐르고, 상기 유도용액은 가스켓(140s)의 유입구(141s)를 통하여 어느 하나의 각 제2 스페이서(120s)로 유입된 후 제2 스페이서(120s)의 횡방향을 따라 흐른다. 이 때 상기 처리수는 메쉬(130a)를 따라 이동하며, 그 과정에서 상기 처리수 내의 물은 정삼투 분리막(110)를 통과하여 상기 유도용액이 흐르는 제2 스페이서(120s) 측으로 이동하는 흐름(W)을 형성할 수 있다.
상기 직렬식 구조에 따르면, 상기 처리수는 각 제1 스페이서(120a)를 순차적으로 통과하므로 상기 처리수는 각 유입구(141a)에서 상이한 값의 농도를 가질 수 있고, 상기 유도용액도 마찬가지로 각 유입구(141s)에서 상이한 값의 농도를 가질 수 있다.
도 4를 참고하면, 정삼투 수처리 장치(100)는 상기 처리수가 제1 스페이서(120a)의 횡방향을 따라 이동하는 방향과 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서(120s)의 횡방향을 따라 이동하는 방향이 동일한 병류 구조를 가진다.
도 5를 참고하면, 정삼투 수처리 장치(100)는 상기 처리수가 제1 스페이서(120a)의 횡방향을 따라 이동하는 방향과 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서(120s)의 횡방향을 따라 이동하는 방향이 상이한 향류 구조를 가진다.
도 2 내지 5에서, 제1 배출부(150b)로 배출된 상기 처리수는 제1 공급부(150a)로부터 공급된 처리수보다 실질적으로 높은 값의 농도를 가질 수 있다.
이하 다른 일 구현예에 따른 정삼투 수처리 장치에 관하여 도 6 및 7을 참고하여 설명한다.
도 6 및 7은 일 구현예에 따른 정삼투 수처리 장치에 적용된 유로를 예시적으로 보여주는 개략도이다.
도 6 및 7을 참고하면, 제1 유로(170a) 및 제2 유로(170s)는 복수 개의 정삼투 분리막(110) 중 적어도 하나를 각각 관통하여 형성될 수 있다. 또한 제1 유로(170a) 및 제2 유로(170s)는 복수 개의 제1 및 제2 스페이서(120a, 120s) 중 적어도 하나를 각각 관통하여 형성될 수 있다.
도 6를 참고하면, 제1 공급부(150a)로부터 공급된 처리수가 각 제1 스페이서(120a)로 유입되고, 제2 공급부(160a)로부터 공급된 유도용액은 각 제2 스페이서(120s)로 유입된다. 이 때, 상기 처리수는 유입구(123a)를 통해 유입되어 각 메쉬(130a)를 따라 반대편 유입구(123a′)를 향하여, 즉 화살표를 따라 횡방향으로 이동할 수 있고, 상기 유도용액은 유입구(123s)를 통해 각 메쉬(130s)를 따라 반대편 유입구(123s′)를 향하여, 즉 화살표를 따라 횡방향으로 이동할 수 있다.
도 7는 제1 공급부(150a)로부터 공급된 처리수가 제1 스페이서들(120a)을 순차적으로 통과하고, 제2 공급부(160a)로부터 공급된 유도용액이 제2 스페이서들(120s)을 순차적으로 통과하는 직렬식 구조를 나타낸다. 도 6의 병렬식 구조와 마찬가지로, 상기 처리수는 유입구(123a)를 통해 유입되어 각 메쉬(130a)를 따라 반대편 유입구(123a′)를 향하여, 즉 화살표를 따라 횡방향으로 이동할 수 있고, 상기 유도용액은 유입구(123s)를 통해 각 메쉬(130s)를 따라 반대편 유입구(123s′)를 향하여, 즉 화살표를 따라 횡방향으로 이동할 수 있다.
도 6 및 7에서, 각 유입구(123a, 123s, 123a′, 123s′)는 모두 제1 및 제2 스페이서(120a, 120s)를 관통하여 형성되어 있고, 각 통로구(111)는 모두 정삼투 분리막(110)을 관통하여 형성되어 있으나, 각 유입구 및 통로구의 개수나 배치 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 정삼투 수처리 장치(100)는 복수의 정삼투 분리막(110)과 복수의 스페이서(120a, 120s)를 포함하도록 정의되는 공간의 최외각에, 서로 대면하여 위치하는 2 개의 엔드플레이트(200)을 더 포함할 수 있다. 엔드플레이트(200)는 처리수 및 유도용액이 각각 유입 또는 유출되는 통로구(201)를 가질 수 있다.
상술한 정삼투 분리막은 평판형(plate-and-frame type)일 수 있다.
일 구현예에 따른 정삼투 분리막은 제1 스페이서와 제2 스페이서 상호간에 독립적인 설계가 가능하다. 이에 따라, 수처리 장치의 효율을 감소시키는 농도 분극 현상이나, 투과수(permeate)의 압력 감소 현상을 줄일 수 있다.
상술한 정삼투 수처리 장치는 예컨대 염수로부터 담수를 회수하거나, 폐수 정제 또는 오수 정화 등에 사용될 수 있다. 상기 정삼투 수처리 장치의 처리수는 예컨대 해수(sea water), 기수(brackish water) 또는 하수 처리 방류수일 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
정삼투
수처리 장치의 제작
실시예
1: 병렬식 구조를 가지는 평판형 스택
폴리설폰(polysulfone, PS) 다공성 지지체 위에 폴리아미드(polyamide, PA)를 코팅하여 PS/PA 박막 복합막(TFC)을 준비한다. 상기 폴리설폰 다공성 지지체에 함유된 폴리설폰의 함량은 용매(DMF) 100 중량%에 대하여 13 중량%으로 한다. 상기 폴리아미드 코팅용 조성물은 m-페닐렌 디아민(phenylene diamine, MPD) 3.4 중량%와 트리메조일클로라이드(trimesoyl chloride, TMC) 0.15 중량%를 계면 중합하여 제조한다. 상기 박막 복합막 하나의 막 면적은 100㎠이다.
한편, 채널의 디멘젼(dimension)이 100 mm x 100 mm x 0.7 mm인 메쉬 스페이서를 준비한다.
상기에서 준비된 박막 복합막 3장(총 막 면적: 300cm2)과 스페이서 4 장을 사용하여, 병렬식 유로 구성을 가지는 정삼투 수처리 장치를 제작한다. 온도가 20 ℃인 처리수 및 유도용액을 모듈 내에 병류식(co-current cross flow)으로 공급하였으며, 이 때 사용된 기어 펌프는 1050 mL/min로 펌핑(pumping)을 수행한다(크로스 플로우 속도(cross flow velocity)=25 cm/s). 처리수 및 유도용액의 수조 부피는 각각 15 L로 한다.
실시예
2: 병렬식 구조를 가지는 평판형 스택
박막 복합막을 5장 사용하여 총 막 면적을 500cm2로 하는 것, 처리수 및 유도용액의 수조 부피를 각각 25 L로 하는 것, 그리고 스페이서 6 장을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 정삼투 수처리 장치를 제작한다.
실시예
3: 병렬식 구조를 가지는 평판형 스택
박막 복합막을 7장 사용하여 총 막 면적을 700cm2로 하는 것, 처리수 및 유도용액의 수조 부피는 각각 35 L로 하는 것, 그리고 스페이서 8 장을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 정삼투 수처리 장치를 제작한다.
실시예
4: 직렬식 구조를 가지는 평판형 스택
유로 구성을 직렬식으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 정삼투 수처리 장치를 제작한다.
실시예
5: 직렬식 구조를 가지는 평판형 스택
유로 구성을 직렬식으로 하는 것을 제외하고는 실시예 2과 동일하게 하여 정삼투 수처리 장치를 제작한다.
실시예
6: 직렬식 구조를 가지는 평판형 스택
유로 구성을 직렬식으로 하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 하여 정삼투 수처리 장치를 제작한다.
비교예
1: 단일 셀 (
Single
Cell
)
막 면적을 20.02cm2로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 박막 복합막을 준비한다. 이어서, 채널의 디멘젼(dimension)이 77 mm x 26 mm x 3 mm이고, 메쉬를 가지지 않는 스페이서를 준비한다.
상기에서 준비된 박막 복합막(막 면적: 20.02cm2)과 스페이서를 사용하여, 정삼투 수처리 장치를 제작한다. 온도가 20 ℃인 처리수 및 유도용액을 모듈 내에 병류식(co-current cross flow)으로 공급하며, 이 때 사용된 기어 펌프는 1170 mL/min로 펌핑(pumping)을 수행한다(크로스 플로우 속도(cross flow velocity)=25 cm/s). 처리수 및 유도용액의 수조 부피는 각각 2 L로 한다.
평가 1:
수투과도
실시예 1 내지 6과 비교예 1에서, 복합막의 폴리설폰 층이 유도용액을 향하고, 폴리아미드 층이 처리수를 향하도록 배치한다(FO 모드). 유도용액(Draw Solution, DS)은 농도가 각각 0.5 M, 1.0 M 및 2.0 M인 염화나트륨(NaCl) 수용액을 사용하고, 처리수는 탈이온수(deionized water)를 사용한다.
복합막을 사이에 두고 처리수 쪽에서 유도용액 쪽으로 이동한 물의 양을 측정하여 수투과도를 평가한다. 유도용액 쪽으로 이동된 물의 양은 유도용액이 담긴 수조가 올려진 저울의 시간(30분)에 따른 변화량(L/m2·hr)을 측정하며, 데이터의 수집은 1분마다 수행된다. 그 결과를 도 8 내지 13을 참고하여 설명한다.
도 8은 실시예 1 내지 3에 따른 정삼투 수처리 장치의 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 9는 실시예 4 내지 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8 및 9를 참고하면, 실시예 1 내지 6에 따른 정삼투 수처리 장치는 수투과도가 총 막 면적이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
도 10 및 11은 실시예 1 내지 3에 따른 정삼투 수처리 장치의 막 면적을 고려한 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이고, 도 12 및 13은 실시예 4 내지 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 막 면적을 고려한 수투과도를 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치와 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 10 내지 13을 참고하면, 실시예 1 내지 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 면적을 고려하여 계산된 수투과도도 마찬가지로 비교예 1에 따른 단일 셀 모듈(11.5 LMH @ 0.5M NaCl, 18.6 LMH @ 1.0)과 비교하여 동등 내지는 더 향상된 결과를 나타냄을 알 수 있다. 이러한 경향은 병렬식 유로 구조인 실시예 1 내지 3, 그리고 직렬식 유로 구조인 실시예 4 내지 6에서 모두 확인할 수 있다.
평가 2: 염
역확산
실시예 3 및 6, 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치에서, 복합막의 폴리설폰 층이 유도용액을 향하고, 폴리아미드 층이 처리수를 향하도록 배치한다(FO 모드). 유도용액은 농도가 각각 0.5 M, 1.0 M 및 2.0 M인 염화나트륨(NaCl) 수용액을 사용하고, 처리수는 탈이온수(deionized water)를 사용한다.
정삼투 분리막을 통하여 유도용액으로부터 처리수로 이동한 염의 양을 측정함으로써 염 역확산도를 평가한다. 염의 이동량(g/m2·hr)은 1분 마다 전기 전도도를 측정함으로써 산출한 것이다. 상기 평가 결과를 도 14를 참고하여 설명한다.
도 14는 실시예 3 및 6, 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치의 염 역확산도를 나타내는 그래프이다.
도 14를 참고하면, 실시예 3 및 6에 따른 정삼투 수처리 장치는 비교예 1에 따른 단일 셀 모듈과 비교하여 더 높은 염 역확산이 발생하지만, 일반적으로 알려져 있는 정삼투(FO) 성능인 RSF 10 GMH 에 비해 그 값이 크지 않음을 알 수 있다. 직렬식 유로 구조인 실시예 3에서 이러한 현상이 좀 더 뚜렷한 이유는 용액 내 염이 분리막과 접촉하는 길이가 길어짐에 따라 분리막 활성층으로의 염 이동이 더 커지기 때문인 것으로 이해된다.
평가 3:
처리수
및 유도용액 유로의 압력 변화
실시예 3 및 6, 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치에서, 유속을 각각 500, 800, 1100 및 1400 mL/min로 하여 처리수 유입구 및 유도용액의 유입구에서 압력을 측정한다. 그 밖의 실험 조건은 평가 2와 동일하게 하였다. 그 결과를 도 15 내지 17을 참고하여 설명한다.
도 15 내지 17은 각각 비교예 1, 실시예 3 및 실시예 6에 따른 정삼투 수처리 장치의 유로에서 발생하는 압력을 나타내는 그래프이다.
도 15 내지 17을 참고하면, 실시예 3 및 6, 비교예 1에 따른 정삼투 수처리 장치에서 모두 처리수 유입구와 유도용액 유입구 간에 발생하는 압력 차는 일반적으로 알려져 있는 나권형 모듈의 압력 차에 비하여 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 이는 평판형 스택 구조에서 처리수 유로와 유도용액 유로가 서로 대칭적으로 구성됨에 따라 나권형 모듈과는 달리 양 유로 간에 발생하는 압력 차가 작아지기 때문인 것으로 이해된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 정삼투 수처리 장치
110: 정삼투 분리막
A: 활성층 S: 지지층
111: 통로구 W: 물의 흐름 방향
120a: 제1 스페이서 120s: 제2 스페이서
121a, 122a, 121s, 122s, 123a, 123s, 123a′, 123s′,141a, 141s: 유입구
130a, 130s: 메쉬 140a, 140s: 가스켓
150a: 제1 공급부 150b: 제1 배출부
160a: 제2 공급부 160b: 제2 배출부
170a: 제1 유로 170s: 제2 유로
200: 엔드플레이트 201: 통로구
A: 활성층 S: 지지층
111: 통로구 W: 물의 흐름 방향
120a: 제1 스페이서 120s: 제2 스페이서
121a, 122a, 121s, 122s, 123a, 123s, 123a′, 123s′,141a, 141s: 유입구
130a, 130s: 메쉬 140a, 140s: 가스켓
150a: 제1 공급부 150b: 제1 배출부
160a: 제2 공급부 160b: 제2 배출부
170a: 제1 유로 170s: 제2 유로
200: 엔드플레이트 201: 통로구
Claims (16)
- 각 정삼투 분리막이 활성층과 지지층을 포함하는 복수 개의 정삼투 분리막,
서로 마주하는 두 개의 활성층 사이에 위치하는 제1 스페이서, 및
서로 마주하는 두 개의 지지층 사이에 위치하는 제2 스페이서
를 포함하고,
상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 복수 개로 포함되어 상기 정삼투 분리막과 함께 스택 구조를 형성하고,
상기 복수 개의 제1 스페이서들은 처리수의 흐름을 형성하는 제1 유로를 형성하고, 상기 복수 개의 제2 스페이서들은 유도용액의 흐름을 형성하는 제2 유로를 형성하는
정삼투 수처리 장치. - 제1항에서,
상기 정삼투 분리막은 물을 선택적으로 투과시켜 상기 제1 스페이서를 통과하는 처리수의 물을 상기 제2 스페이서를 통과하는 유도 용액 측으로 이동시키는 정삼투 수처리 장치. - 제1항에서,
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로는 상기 복수 개의 정삼투 분리막 중 적어도 하나를 각각 관통하여 형성되는 정삼투 수처리 장치. - 제1항에서,
상기 제1 스페이서는 상기 처리수가 상기 제1 스페이서의 횡방향을 따라 이동할 수 있는 부분을 포함하고,
상기 제2 스페이서는 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서의 횡방향을 따라 이동할 수 있는 부분을 포함하는
정삼투 수처리 장치. - 제4항에서,
상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 각각 메쉬 부분을 포함하는 정삼투 수처리 장치. - 제5항에서,
상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 각각 상기 메쉬 부분을 정의하는 가스켓을 포함하는 정삼투 수처리 장치. - 제6항에서,
상기 가스켓은 상기 처리수 및 상기 유도용액를 각각 통과시킬 수 있는 유입구를 가지는 정삼투 수처리 장치. - 제7항에서,
상기 유입구는 상기 가스켓의 말단에 위치하거나 상기 가스켓을 관통하여 위치하는 정삼투 수처리 장치. - 제4항에서,
상기 처리수가 상기 제1 스페이서의 횡방향을 따라 이동하는 방향과 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서의 횡방향을 따라 이동하는 방향이 동일한 정삼투 수처리 장치. - 제4항에서,
상기 처리수가 상기 제1 스페이서의 횡방향을 따라 이동하는 방향과 상기 유도용액이 상기 제2 스페이서의 횡방향을 따라 이동하는 방향이 상이한 정삼투 수처리 장치. - 제1항에서,
처리수가 공급되는 제1 공급부,
유도용액이 공급되는 제2 공급부,
상기 제1 공급부로부터 공급된 처리수가 복수 개의 제1 스페이서들을 통과하여 배출되는 제1 배출부, 및
상기 제2 공급부로부터 공급된 유도용액이 상기 복수 개의 제2 스페이서들을 통과하여 배출되는 제2 배출부
를 더 포함하고,
상기 제1 공급부, 상기 복수 개의 제1 스페이서 및 상기 제1 배출부는 상기 처리수의 흐름을 형성하는 제1 유로를 형성하고,
상기 제2 공급부, 상기 복수 개의 제2 스페이서 및 상기 제2 배출부는 상기 유도용액의 흐름을 형성하는 제2 유로를 형성하는
정삼투 수처리 장치. - 제11항에서,
상기 제1 유로를 통과하는 처리수와 상기 제2 유로를 통과하는 유도용액은 유체적으로 격리되어 있는 정삼투 수처리 장치. - 제11항에서,
상기 제1 유로는 상기 제1 공급부로부터 뻗어나와 상기 각 제1 스페이서로 분지되는 구조를 포함하고,
상기 제2 유로는 상기 제2 공급부로부터 뻗어나와 상기 각 제2 스페이서로 분지되는 구조를 포함하는 정삼투 수처리 장치. - 제11항에서,
상기 제1 유로는 상기 제1 공급부로부터 뻗어나와 상기 제1 스페이서들을 순차적으로 통과하는 구조를 포함하고,
상기 제2 유로는 상기 제2 공급부로부터 뻗어나와 상기 제2 스페이서들을 순차적으로 통과하는 구조를 포함하는 정삼투 수처리 장치. - 제11항에서,
상기 제1 배출부로 배출된 처리수는 상기 제1 공급부로부터 공급된 처리수보다 농도가 높은 정삼투 수처리 장치. - 제1항에서,
상기 정삼투 분리막은 평판형(plate-and-frame type)인 정삼투 수처리 장치.
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