KR20150127927A - 하이브리드형 수처리 분리막 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드형 수처리 분리막 모듈로서, 구체적으로는 상하가 개구되어 있는 통 형태의 다공성 세라믹 분리막 모듈과 다공성 세라믹 분리막 모듈의 내부에 안착되어 결합되는 중공사막 모듈 또는 나노섬유 분리막 모듈과 상기 수처리 모듈들이 패키징 되어 내장되어 있고 수처리를 할 수 있도록 하는 수처리 모듈케이스로 구성되어 다공성 세라믹 분리막의 장점과 중공사막 또는 나노섬유 분리막의 장점이 복합적으로 융복합 되어 있는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 세라믹 분리막과 중공사막 또는 나노섬유 분리막의 장점을 결합하여 제공하는 것으로서 기체분리막, 의료형 분리막 또는 고도 수처리용 분리막 분야에 사용될 수 있는 고도 수처리용 분리막 모듈을 제공한다는 장점이 있다.

Description

하이브리드형 수처리 분리막 모듈{HYBRID TYPED WATER TREATMENT MEMBRANE MODULE}

본 발명은 하이브리드형 수처리 분리막 모듈로서, 구체적으로는 상하가 개구되어 있는 통 형태의 다공성 세라믹 분리막 모듈과 다공성 세라믹 분리막 모듈의 내부에 안착되어 결합되는 중공사막 모듈 또는 나노섬유 분리막 모듈과 상기 수처리 모듈들이 패키징 되어 내장되어 있고 수처리를 할 수 있도록 하는 수처리 모듈케이스로 구성되어 다공성 세라믹 분리막의 장점과 중공사막 또는 나노섬유 분리막의 장점이 복합적으로 융복합 되어 있는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈에 관한 것이다.

분리막이란 2개 이상의 성분 중에서 특정 성분만을 선택적으로 분리할 수 있는 경계층을 말하며, 분리막의 기공 크기나 구조 및 분리되는 입자 크기나 성질에 따라 나눠진다. 특정 성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리시키는 분리막의 용도는 매우 광범위하여 각종 형태로 제조되어 이용되어 오고 있다.

분리막 중 하나인 중공사막은 작은 모듈에서 많은 투과유량을 갖는 이점이 있어 각 분야에서 널리 사용되고 있으며, 산업폐수처리분야에서 생물학적 오폐수 처리 공정 중 폭기조에 중공사막 모듈을 침지 시켜 사용하는 경우 미생물의 침전도에 관계없이 처리수질을 항상 양호하게 유지할 수 있기 때문에 미생물 관리에 필요한 약품 및 유지관리비가 적게 소요되고, 폭기조에 미생물을 고농도로 유지할 수 있기 때문에 유입수의 농도변화에 대응하는 능력이 탁월하며, 중력침강을 이용하여 고액 분리시키는 침전조가 불필요하기 때문에 시설설치에 소요되는 부지면적이 적어지는 등 많은 장점이 있는 것으로 알려져 있다.

한편, 다공성 세라믹 분리막은 정밀여과공정에 많이 사용되고 있으며, 높은 열적 안정성과 열충격 저항에 강한 비산화물계나 복합산화물계의 재질을 채택하여 사용하고 있는데, 구체적으로는 알루미나 소재가 주류를 이루고 있으나, 탄화규소, 질화규소, 지르코니아, 타이타니아 소재도 많이 채택되고 있다.

세라믹 분리막은 고분자 분리막에 비해 고온에서의 열적 안정성이 좋고, 유기용매, 산 또는 염기 등 화학적 안정성이 우수하며 높은 내부식성을 가지고 있으며 사용수명이 3~10년이 될 정도로 장기간 사용이 가능하다는 장점이 있다. 또한 고분자 분리막에 비해 튜브형태, 다채널 형태, 하니컴 형태, 기둥 형태 등 다양한 형태로 제조가 가능하며 높은 기계적 강도를 갖고 있기 때문에 고압에서 조업이 가능하고 고투과율 및 고분리효율 운용이 가능하다는 장점이 있다. 특히 미생물 및 세균으로부터 오염 방지가 가능하다. 다만, 제조가격이 고가이고 취성이 높아 깨지기 쉬우며 모듈 작업시 고온에서의 열팽창률 차이로 균열이 발생하기 때문에 배관 및 밀봉이 어렵다는 단점이 있었다.

또한, 고분자 분리막의 경우에는 일반적인 수처리 공정에서 처리공정 후 수중에 용해되어 있거나 산에 의해 용해되어 이온상태로 존재하는 Fe, Mn 등이 고분자 분리막 내부에 침적되어 생물부착(biofouling) 현상을 유발한다는 문제점을 가지고 있었다.

따라서 전술한 여러 종류의 분리막을 함께 결합시켜 각 분리막의 장점을 결합하여 분리막의 효율 및 기능성을 높인 하이브리드 형태의 분리막 모듈의 필요성이 증대되었다.

이러한 필요성에 따라 한국등록특허 0877635호에서는 원수를 여과하는 침지형 폐수처리장치에 사용되며 중공사막을 기본 여과모듈로 하되 2개의 여과모듈이 결합되어 있는 형태의 복합 분리막 모듈을 이용한 폐수처리장치에 대해 이미 제안한 바 있으나 이는 단순히 중공사막과 접착제의 경계부의 취약한 내구성 문제로 인해 원수가 일부 여과되지 않은 채로 혼입되어 여과수의 수질이 악화되는 문제점을 해결하기 위한 것일 뿐 서로 다른 이종의 분리막을 결합시켜 하이브리드 형태를 제안한 것은 아니라는 한계점이 있었다.

또한, 한국특허등록 제1158834호에서는 전기방사로 제조되는 나노섬유를 이용한 중공사막에 대해 개시한 바 있으나, 구체적으로 서로 다른 종류의 분리막을 결합시켜 분리효율 및 수처리 효율을 높이도록 하지는 못하였다는 한계점이 존재하였다.

한국특허등록 제10-0877635호(2008.12.30.등록) 한국특허등록 제10-1158834호(2012.06.15.등록)

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점과 한계점을 극복하기 위해 안출한 것으로서,

본 발명은 서로 다른 이종 형태의 분리막을 채택하여 서로 결합시킴으로써 각 분리막의 장점을 채택하여 수처리 효율을 높이고 분리효과를 극대화할 수 있는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈을 제공함에 목적이 있다.

본 발명에 의한 하이브리드형 수처리 분리막 모듈은, 내부가 비어 있으며 내부에 다른 종류의 분리막 결합 모듈이 내장되는 케이스 본체와 케이스 본체의 일측에 형성되어 수처리용 물이 유입되는 유입구와 케이스 본체의 타측에 형성되어 처리된 물이 외부로 유출되도록 하는 유출구로 구성되는 분리막 모듈 케이스; 상하가 개구되어 있는 통 형태의 다공성 세라믹 분리막과 상기 다공성 세라믹 분리막 모듈의 내부에 안착되어 결합되며, 다수 개의 중공사가 집합되어 다채널 형태로 구성되는 중공사 분리막으로 구성되는 하이브리드 분리막 모듈; 상기 하이브리드 분리막 모듈의 결합을 고정 지지하며, 고정 결합된 분리막 모듈의 상하부에 각각 덮어 씌워지게 형성되어 내부를 밀봉시켜주는 포팅부; 및 상기 분리막 모듈 케이스의 상하부에 각각 씌워져 결합되는 모듈결합용 캡;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 하이브리드형 수처리 분리막 모듈은, 내부가 비어 있으며 내부에 다른 종류의 분리막 결합 모듈이 내장되는 케이스 본체와 케이스 본체의 일측에 형성되어 수처리용 물이 유입되는 유입구와 케이스 본체의 타측에 형성되어 처리된 물이 외부로 유출되도록 하는 유출구로 구성되는 분리막 모듈 케이스; 상하가 개구되어 있는 통 형태의 다공성 세라믹 분리막과 상기 다공성 세라믹 분리막 모듈의 내부에 안착되어 결합되며, 나노섬유층이 부착되어 형성되어 있는 나노섬유 분리막으로 구성되는 하이브리드 분리막 모듈; 상기 하이브리드 분리막 모듈의 결합을 고정 지지하며, 고정 결합된 분리막 모듈의 상하부에 각각 덮어 씌워지게 형성되어 내부를 밀봉시켜주는 포팅부; 및 상기 분리막 모듈 케이스의 상하부에 각각 씌워져 결합되는 모듈결합용 캡;을 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

이때, 상기 나노섬유 분리막은 부직포의 상부면에 나노섬유층을 형성시킨 후 상기 세라믹 분리막의 내부에 안착될 수 있는 형태로 조성된 것이 바람직하다.

또는 상기 나노섬유 분리막은 상기 세라믹 분리막의 내부에 안착될 수 있는 형태로 조성된 지지체와 상기 지지체의 표면에 나노섬유가 부착되어 형성된 나노섬유층으로 구성되는 것도 좋다.

한편, 상기 나노섬유층은 상기 부직포 위에 나노섬유를 합지 또는 직접방사를 통해 형성시킬 수 있다. 이때 직접방사는 전기방사가 채택되어 사용되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 구성요소 중 상기 중공사막과 나노섬유의 재질은 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리이미드, 이소프탈산, 폴리벤즈이미다졸 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명은 세라믹 분리막과 중공사막 또는 나노섬유 분리막의 장점을 결합하여 제공하는 것으로서 기체분리막, 의료형 분리막 또는 고도 수처리용 분리막 분야에 사용될 수 있는 고도 수처리용 분리막 모듈을 제공한다는 장점이 있다.

특히, 본 발명은 세라믹 분리막과 나노섬유 분리막의 결합된 형태의 하이브리드형 수처리 분리막 모듈을 구성하는 경우에는 초미세 입자까지도 제거가 가능하여 고도 수처리 등에 사용될 수 있는 하이브리드형 분리막 모듈을 제공한다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 분리막 모듈의 상하 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 분리막 모듈의 결합구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구성요소 중 하나인 나노섬유 분리막의 구성을 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 분리막 모듈의 상하 단면을 도시한 것이며, 도 2는 본 발명에 의한 분리막 모듈의 결합구성을 도시한 것이다.

도 1과 도 2에서는 중공사막과 다공성 세라믹 분리막이 결합되어 있는 형태의 하이브리드형 수처리 분리막 모듈의 일실시예를 도시하였다.

분리막 모듈 케이스(100)는 세라믹 분리막(210)과 중공사막(220)이 결합되어 구성되는 하이브리드 분리막 모듈(200)을 내장하는 케이스 본체(110), 케이스 본체(110)의 일측에 형성되어 수처리용 물이 케이스 본체 내부로 유입되도록 하는 유입구(120)와 하이브리드 분리막 모듈(200)을 통해 수처리된 물이 케이스 본체(110) 외부로 유출되도록 하는 케이스 본체의 타측에 형성된 유출구(130)로 구성된다.

세라믹 분리막(210)은 속이 비어 있는 원통 형태로 형성되어 있고, 다수개의 파이프 형태의 중공사가 다수 개가 고정되어 구성된 중공사막(220)이 세라믹 분리막(210)의 내부에 비어있는 공간에 삽입된 후 끼워지는 형태로 하이브리드 분리막 모듈(200)을 구성하게 된다.

이때 사용되는 세라믹 분리막(210)은 다공성으로서 표면에 형성된 미세구멍의 크기는 그 용도에 따라 나노 미터부터 마이크로 미터 단위의 크기까지 다양하게 형성시킬 수 있다. 일반적으로는 미세구멍의 크기에 따라 여과 정도가 달라지는데 정밀여과는 구멍의 크기가 0.1~10㎛, 한외여과는 구멍의 크기가 10~100㎚, 나노여과는 1~10㎚, 역삼투여과는 크기가 1㎚ 이하인 경우를 말한다.

정밀여과는 탁도를 조절하고 각종 박테리아를 제거할 수 있는 정도이며, 한외여과는 고분자량의 유기물이나 각종 바이러스를 제거할 수 있는 정도이다. 나노여과는 각종 다가 이온과 저분자량의 유기물을 충분히 제거할 수 있으며, 역삼투여과는 1가이온들을 제거하여 최종적으로 순수한 물만을 통과시켜 처리할 수 있다. 일반적으로는, 상하수처리 및 담수와 하수의 재이용을 위한 전처리에는 정밀여과와 한외여과가 주로 채택되며, 담수와 하수의 재이용 처리에 부문에는 나노여과와 역삼투여과가 주로 채택된다.

따라서 본 발명에 의한 하이브리드형 수처리 분리막 모듈은 그 사용목적 및 용도에 따라 세라믹 분리막의 미세구멍의 크기도 각각 다른 것을 선택적으로 사용할 수 있으나, 본 하이브리드형 수처리 분리막 모듈의 경우에는 수처리 효율의 극대화를 추구한다는 측면에서 고도의 정수 처리를 하기 위해서는 1~100㎚ 정도의 크기를 미세구멍이 형성되어 있는 세라믹 분리막을 사용하는 것이 바람직하다.

세라믹 분리막(210)의 내부에 비어있는 공간에는 다수 개의 중공사가 다발로 묶여져 모듈화 되어 있는 중공사 분리막(230)이 삽입되어 결합된다. 따라서, 하이브리드형 수처리 분리막 모듈로 제공할 때에는 세라믹 분리막과 중공사막이 일체적으로 결합되어 하이브리드 분리막 모듈(200)을 구성하게 되고, 결합 모듈의 상하부에 세라믹 분리막과 중공사막이 일체적으로 고정되어 밀봉되도록 상부와 하부에 각각 포팅부(300)를 형성시켜 세라믹 분리막(210)과 중공사막(220)의 결합이 지지 고정될 수 있도록 하여야 한다. 이때 중공사에 채택되어 사용되는 재질로는 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS) 등 범용적으로 사용되는 합성수지 폴리머는 모두 재료로 채택되어 사용될 수 있다.

이후, 포팅부(300)까지 형성시켜 하이브리드형 분리막 모듈 형태로 만든 후에 분리막 모듈 케이스(100)의 상부와 하부에 각각 결합되어 모듈을 밀봉시키는 모듈결합용 캡(400)을 각각 끼워 결합시킴으로써 본 발명에 의한 하이브리드형 수처리 분리막 모듈을 형성시키게 된다.

도 3은 본 발명의 또 다른 구성요소 중 하나인 나노섬유 분리막의 구성을 도시한 것이다.

본 발명에 의한 하이브리드형 수처리 분리막 모듈은 원통 형태로 형성된 세라믹 분리막의 내부 비어 있는 공간에 역시 원통 형태로 구성되어 있는 나노섬유 분리막 모듈을 삽입하여 끼워 고정함으로써 형성된다.

이때 사용되는 나노섬유 분리막(230)은 부직포 위에 나노섬유층을 합지 또는 직접 방사를 통해 형성시키는데, 형태 가공을 통해 일정한 형태로 형성시킬 수 없는 경우에는 본 도에서는 구체적으로 도시되지는 않았지만 부직포의 내부에 일정한 형태를 유지하도록 지지해주는 지지체를 채택하여 사용할 수도 있다.

한편, 지지체를 사용하는 경우에는 지지체의 표면에 전기방사 등을 통해 직접 나노섬유를 부착시켜 이를 통해 나노섬유 분리막을 사용할 수도 있다.

100 : 분리막 모듈 케이스
110 : 케이스 본체 120 : 유입구
130 : 유출구
200 : 하이브리드 분리막 모듈
210 : 세라믹 분리막
220 : 중공사막
230 : 나노섬유 분리막
300 : 포팅부
400 : 모듈결합용 캡

Claims (6)

1. 내부가 비어 있으며 내부에 다른 종류의 분리막 결합 모듈이 내장되는 케이스 본체와 케이스 본체의 일측에 형성되어 수처리용 물이 유입되는 유입구와 케이스 본체의 타측에 형성되어 처리된 물이 외부로 유출되도록 하는 유출구로 구성되는 분리막 모듈 케이스;
   상하가 개구되어 있는 통 형태의 다공성 세라믹 분리막과 상기 다공성 세라믹 분리막 모듈의 내부에 안착되어 결합되며, 다수 개의 중공사가 집합되어 다채널 형태로 구성되는 중공사막으로 구성되는 하이브리드 분리막 모듈;
   상기 하이브리드 분리막 모듈의 결합을 고정 지지하며, 고정 결합된 분리막 모듈의 상하부에 각각 덮어 씌워지게 형성되어 내부를 밀봉시켜주는 포팅부; 및
   상기 분리막 모듈 케이스의 상하부에 각각 씌워져 결합되는 모듈결합용 캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈.
   
2. 내부가 비어 있으며 내부에 다른 종류의 분리막 결합 모듈이 내장되는 케이스 본체와 케이스 본체의 일측에 형성되어 수처리용 물이 유입되는 유입구와 케이스 본체의 타측에 형성되어 처리된 물이 외부로 유출되도록 하는 유출구로 구성되는 분리막 모듈 케이스;
   상하가 개구되어 있는 통 형태의 다공성 세라믹 분리막과 상기 다공성 세라믹 분리막 모듈의 내부에 안착되어 결합되며, 나노섬유층이 부착되어 형성되어 있는 나노섬유 분리막으로 구성되는 하이브리드 분리막 모듈;
   상기 하이브리드 분리막 모듈의 결합을 고정 지지하며, 고정 결합된 분리막 모듈의 상하부에 각각 덮어 씌워지게 형성되어 내부를 밀봉시켜주는 포팅부; 및
   상기 분리막 모듈 케이스의 상하부에 각각 씌워져 결합되는 모듈결합용 캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 나노섬유 분리막은 부직포의 상부면에 나노섬유층을 형성시킨 후 상기 세라믹 분리막의 내부에 안착될 수 있는 형태로 조성된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 나노섬유 분리막은 상기 세라믹 분리막의 내부에 안착될 수 있는 형태로 조성된 지지체와 상기 지지체의 표면에 나노섬유가 부착되어 형성된 나노섬유층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈
   
5. 청구항 3에 있어서,
   부직포 위에 나노섬유를 합지 또는 직접방사를 통해 나노섬유층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈
   
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중공사막과 나노섬유의 재질은 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리이미드, 이소프탈산, 폴리벤즈이미다졸 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 수처리 분리막 모듈
   
   
   

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