KR20160081930A - 막 여과 모듈 - Google Patents

Abstract

여과 반응기에서 사용하도록 구성된 막 여과 모듈로서, 이 모듈은 반응기 내에서 공급 유체의 여과를 수행하도록 구성된 중공 섬유 막; 및 이 중공 섬유 막의 오염을 감소시키기 위해 중공 섬유 막의 표면 상에 전단 응력을 발생시키기 위해 중공 섬유 막을 진동시키도록 구성된 진동 메커니즘을 포함한다.

Description

막 여과 모듈{A MEMBRANE FILTRATION MODULE}

본 발명은 막 여과 모듈, 특히 오염(fouling)이 제어되는 중공 섬유 막(hollow fibre membrane)을 사용하는 막 여과 모듈에 관한 것이다.

2 가지 유체를 분리하기 위해 사용될 수 있는 막은 박막형 구조이다. 여과 모듈에서, 이것은 일부의 입자 또는 화학물질의 통과를 허용하지만 다른 것의 통과는 허용하지 않는 선택적 차단벽의 작용을 한다. 막 여과 중에, 공급수 내의 오염물은 투과물이 막을 통과할 때 막의 표면 상에 축적되고, 이것은 막 여과 저항의 증대를 초래한다. 이것은 막 오염이라고 불려지고, 막 생물반응기(MBR)을 설계할 때의 주요 고려 요인이다.

표면 유체역학적 전단 응력은 막 표면으로부터 오염물을 제거할 수 있고, 그 결과 막 오염의 문제를 완화시킬 수 있다. 표면 전단 응력은 막과 인접하는 유체 사이의 상대 이동에 의해 발생될 수 있다. 현재, 호기성 MBR(AMBR)에서 이러한 목적을 위해 공기 주입법이 광범위하게 사용된다. 유사하게, 바이오가스 주입법은 막 오염물을 제거하기 위해 혐기성 MBR(AnMBR)에서 사용된다. 그러나, 공기 또는 바이오가스 주입법에 의한 플럭스 개선은 제한될 수 있고(Xia 등. 2013), 그 에너지 소비는 총 비용의 70%에 달할 수 있다(Judd 2006; Drews 2010). 또한, 바이오가스의 생산이 불안정할 수 있고, 반응기 내에서 유체 내의 바이오가스 농도의 증가는 혐기성 처리율을 감소시킬 수 있고, 따라서 에너지 회수를 위한 바이오가스의 생산을 감소시킬 수 있으므로 AnMBR을 위한 바이오가스 주입법은 중대한 작동 상의 문제를 제기한다.

본 발명은 고효율 및 저비용의 침지식 중공 섬유 막 여과를 가능하게 하는 진동-교반식(VS) 막 모듈 시스템을 포함한다. 이 막 여과 시스템 또는 모듈은 반응기 내에서 사용하도록 구성되고, 그 내부에 일련의 중공 섬유 막 모듈을 수용한다. 이 모듈은 다양한 진동수 및 진폭으로 횡방향 진동을 받을 수 있도록 진동 메커니즘을 포함한다. 중공 섬유의 다발의 두 단부는 이 모듈에 고정되고, 이 모듈은 중공 섬유의 길이의 주위에 4 개의 측면을 포함할 수 있다. 4 개의 측면 중 3 개는 막으로의 반응기 유체의 자유로운 통과를 허용하도록 완전히 개방된 상태로 유지되는 것이 바람직하고, 하나는 잔류 발생 및 교반용으로 설계된 특수 패널을 갖는다. 이 패널은 진동 시에 막 표면 상의 오염을 감소시키는 난류를 유발하고, 또한 순환을 향상시키고, 반응기 내부의 정체 영역의 축적을 방지하기 위해 반응기 유체를 교반한다. 시험적 연구 결과 본 시스템에 의해 중공 섬유 막의 오염이 감소되었고, 성능도 패널 없이 단순히 중공 섬유를 진동시키는 것보다 우수하였다. 본 연구 결과는 또한 반응기의 내부에 추가의 교반기를 제공하지 않고도 혼합액을 현탁된 상태로 유지시키는 정도로 진동 패널이 반응기 유체를 진동시켰음을 보여주었다.

제 1 예시적인 양태에 따르면, 여과 반응기에서 사용하도록 구성된 막 여과 모듈이 제공되고, 이 모듈은 반응기 내에서 공급 유체의 여과를 수행하도록 구성된 중공 섬유 막; 및 이 중공 섬유 막의 오염을 감소시키기 위해 중공 섬유 막의 표면 상에 전단 응력을 발생시키기 위해 중공 섬유 막을 진동시키도록 구성된 진동 메커니즘을 포함한다.

상기 막 여과 모듈은 상기 중공 섬유 막에 평행하게 제공되는 패널을 더 포함할 수 있고, 상기 패널은 상기 중공 섬유 막의 오염을 감소시키기 위해 상기 공급 유체 내에 난류를 발생시키기 위해 진동 메커니즘에 의해 진동되도록 구성된다.

상기 패널은, 반응기로부터 교반 장치가 제거되도록, 상기 공급 유체를 균질화하기 위한 난류를 발생시키기 위해 상기 진동 메커니즘에 의해 진동되도록 구성될 수 있다.

상기 패널은 상기 패널의 2 개의 양측 연부의 각각에 돌출된 행어 플레이트를 포함할 수 있고, 각각의 행어 플레이트는 상기 패널을 상기 진동 메커니즘 및 상기 중공 섬유 막의 단부에 연결하도록 구성된다.

이 패널은 오염 제어를 위해 중공 섬유 막으로부터 5 cm의 거리에 있을 수 있다.

진동 메커니즘은 패널에 횡방향 진동을 발생시키도록 구성될 수 있다.

진동 메커니즘은 중공 섬유 막에 횡방향 진동을 발생시키도록 구성될 수 있다.

진동 메커니즘은 외부의 진동 구동부에 의해 발생되는 진동을 막 여과 모듈로 전달하도록 구성된 진동 바를 포함할 수 있다.

상기 막 여과 모듈 내에서 상기 중공 섬유 막의 섬유의 양 단부는 상기 섬유에 이완이 제공되도록 상기 섬유의 실제 길이 미만으로 이격된 거리에 배치될 수 있다.

반응기는 혐기성 막 생물반응기 및 호기성 막 생물반응기 중 하나일 수 있다.

제 2 예시적인 양태에 따르면, 막 여과 방법이 제공되고, 상기 방법은 중공 섬유 막의 오염을 감소시키기 위해 상기 중공 섬유 막의 표면 상에 전단 응력이 발생되도록 상기 중공 섬유 막에 공급 유체를 통과시키면서 반응기 내에서 상기 중공 섬유 막을 진동시키는 단계를 포함한다.

상기 중공 섬유 막의 오염은 상기 중공 섬유 막에 공급 유체를 통과시키면서 상기 중공 섬유 막에 평행하게 제공되는 패널을 진동시킴으로써 더 감소될 수 있다.

본 방법은 상기 패널을 진동시킴으로써 상기 반응기로부터 교반 장치를 제거하도록 상기 공급 유체를 균질화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

패널은 횡방향 진동으로 진동될 수 있다.

중공 섬유 막은 횡방향 진동으로 진동될 수 있다.

본 발명이 완전히 이해될 수 있도록, 그리고 용이하게 실시될 수 있도록, 이하에서 본 발명의 비제한 실시예에 의해 단지 예시적인 실시형태를 설명하고, 이 설명은 첨부한 예시적 도면을 참조한다.

도 1은 실험적 여과 셋업의 본 발명의 막 여과 모듈의 예시적 실시형태의 개략도이다.
도 2는 도 1의 막 여과 모듈의 사진이다.
도 3은 도 2의 막 여과 모듈의 중공 섬유 막을 고정하는 단부 홀더 플레이트의 개략도이다.
도 4는 도 2의 막 여과 모듈의 물 용기의 개략도이다.
도 5는 도 2의 막 여과 모듈의 진동 메커니즘의 진동 바의 개략도이다.
도 6은 도 2의 막 여과 모듈의 패널의 개략도이다.
도 7은 도 2의 막 여과 모듈의 중공 섬유 막의 섬유 이완의 개략도이다.
도 8은 종방향 진동되는 상이한 길이의 섬유를 사용하는 실험적 막 여과 모듈의 오염율의 그래프이다.
도 9a는 18 cm 장섬유에 대해 벤토나이트 현탁액 중에서 상이한 진동 진폭에서 횡방향 진동 및 종방향 진동 하에서 실험적 막 여과 모듈의 오염율의 그래프이다.
도 9b는 18 cm 장섬유에 대해 효모 현탁액 중에서 상이한 진동 진폭에서 횡방향 진동 및 종방향 진동 하에서 실험적 막 여과 모듈의 오염율의 그래프이다.
도 10a는 벤토나이트 현탁액 중에서 상이한 진동 진폭에서 긴장된 섬유 및 이완된 섬유를 사용하는 실험적 막 여과 모듈의 오염율의 그래프이다.
도 10b는 효모 현탁액 중에서 상이한 진동 진폭에서 긴장된 섬유 및 이완된 섬유를 사용하는 실험적 막 여과 모듈의 오염율의 그래프이다.
도 11은 16cm 장섬유에 대해 효모 현탁액 중에서 상이한 진동 진폭에서 횡방향 진동 및 종방향 진동 하에서 실험적 막 여과 모듈의 오염율의 그래프이다.
도 12는 오염율에 미치는 섬유 충전 밀도의 효과를 연구하기 위해 실시된 실험에서 사용된 상이한 섬유 배치를 갖는 단부 홀더 플레이트의 개략도이다.
도 13은 상이한 충전 밀도의 섬유를 사용하는 실험적 막 여과 모듈의 오염율의 그래프이다.
도 14는 효모 현탁액 중에서 진동 패널을 구비한 상태와 구비하지 않은 상태에서 상이한 연속 진동 조건 하의 실험적 막 여과 모듈의 TMP의 그래프이다.
도 15는 4 g/L의 혼합주 내에서 내에서 진동 패널을 구비한 상태와 구비하지 않은 상태에서 상이한 연속 진동 조건 하의 실험적 막 여과 모듈의 TMP의 그래프이다.
도 16은 8 g/L의 혼합주 내에서 내에서 진동 패널을 구비한 상태와 구비하지 않은 상태에서 상이한 연속 진동 조건 하의 실험적 막 여과 모듈의 TMP의 그래프이다.
도 17은 효모 현탁액 중에서 진동 패널을 구비한 상태와 구비하지 않은 상태에서 상이한 진동 경감 조건 하의 실험적 막 여과 모듈의 TMP의 그래프이다.
도 18은 4 g/L의 혼합주 내에서 내에서 진동 패널을 구비한 상태와 구비하지 않은 상태에서 상이한 진동 경감 조건 하의 실험적 막 여과 모듈의 TMP의 그래프이다.
도 19는 8 g/L의 혼합주 내에서 내에서 진동 패널을 구비한 상태와 구비하지 않은 상태에서 상이한 진동 경감 조건 하의 실험적 막 여과 모듈의 TMP의 그래프이다.

본 발명의 예시적 실시형태는 도 1 내지 도 19를 참조하여 설명된다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 막 여과 모듈(10)은 중공 섬유의 다발 또는 타래를 포함하는 여과 막(20) 및 이 중공 섬유 막(20)을 진동시키는 진동 메커니즘(40)을 포함한다. 또한 바람직하게 모듈(10)은 막(20)에 인접하여 진동되도록 구성된 패널(30)을 포함한다. 사용 시에, 이 모듈(10)은 중공 섬유 막(20)에 의해 여과될 공급 현탁액과 같은 공급 유체(60)를 수용하는 반응기 또는 탱크(50)의 내부에 설치된다.

바람직한 실시형태에서, 중공 섬유(20)의 다발의 각각의 단부(24)는 단부 홀더 플레이트(22)에 부착된다. 각각의 단부 홀더 플레이트(22)는 그 중앙에 중공 섬유(20)의 당부(24)를 고정시킨다. 도 2에 도시된 실험적 모듈(10)에서, 중공 섬유의 단부(24)는 아랄다이트 에폭시로 단부 홀더 플레이트(22)에 접착되었다. 중공 섬유 단부(24)들은 단부 홀더 플레이트(22) 상에서 규칙적으로 이격되는 것이 바람직하다. 단부 홀더 플레이트(22)를 진동 메커니즘(40) 및 패널(30)에 고정시킬 수 있는 추가의 구멍(25)이 각각의 단부 홀더 플레이트(22)의 양쪽 연부에 인접하여 제공될 수 있다. 막(20) 내에서 중공 섬유의 타래는 고액 선택 분리 공정, 더 일반적으로는 다양한 분리 공정에서 사용되는 유형일 수 있다. 바람직하게, 이 타래는 통상적으로 사용된 물로부터 현탁액 중의 대형 입자를 제거하기 위한 정밀여과 공정 또는 한외여과 공정에서 사용하도록 특별히 적응되어 있다. 중공 섬유 막(20)을 위해, 섬유는 고밀도로 또는 저밀도로 충전될 수 있다. 고밀도로 충전된 섬유의 경우에, 플럭스 경쟁이 존재하고, 이것은 투과물 유동을 반대로 감소시킨다. 저밀도로 충전된 섬유의 경우에, 불충분한 공간이 존재하고, 이것은 투과물 유동을 또한 감소시킨다. 막(20)의 진동은 종방향으로(즉, 섬유의 길이를 따라) 또는 횡방향으로(즉, 섬유의 길이에 수직으로) 실시될 수 있다.

여과 모듈(10)의 유효성을 확인하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이 정사각형의 평면 구조를 가질 수 있는 단부 홀더 플레이트(22)의 예시적인 실험적 실시형태에서, 이 단부 홀더 플레이트(22)를 도 4에 도시된 물 용기(70)에 고정시킬 수 있는 장착 구멍(28)이 단부 홀더 플레이트(22)의 각각의 모서리에 제공되어 있다. 이 단부 홀더 플레이트(22)를 물 용기(70)에 연결하는 경우에 O링(도시되지 않음)이 사용될 수 있다. 물 용기(70)는 중공 섬유 막(20)으로부터의 물이나 이 막(20)에 의해 여과된 투과물을 수집하도록 구성된다. 너트 및 볼트와 같은 공지된 수단에 의해 각각의 단부 홀더 플레이트(22)의 장착 구멍(28)과 고정하기 위한 부착 구멍(78)이 물 용기(70) 상에 제공될 수 있고, 동시에 물 용기(70)에 패널(30)을 고정하기 위한 추가의 구멍(75)이 제공될 수 있다. 이 물 용기(70)는 전량 여과가 발생되도록 막(20)으로부터의 투과수를 배출시키기 위한 튜브와 끼워맞춤될 수 있는 배수 구멍(79)을 구비하는 것이 바람직하다.

진동 메커니즘(40)은 다양한 진폭 및 진동수의 횡방향 진동을 구동하도록 제공된다. 진동 메커니즘(40)은 도 5에 도시된 바와 같이 C자형 홀더 또는 진동 바(42)를 포함하는 것이 바람직하다. 진동 바(42)는 반응기(50)의 외부에 제공되는 진동 구동 장치에 연결되도록 구성된 중심 쇼울더(44)를 갖는다. 쇼울더(44)의 각각의 단부는, 진동 바(45)가 막(20)에 진동을 전달할 수 있도록, 막(20)의 홀더 플레이트(22)에 부착되도록 구성되는 돌출된 행어 이어(hanger ear; 46)를 갖는다. 그러기 위해, 너트 및 볼트와 같은 공지된 수단에 의해 단부 홀더 플레이트(22)의 대응하는 구멍(25)에 고정되기 위한 구멍(45)이 각각의 행어 이어(46) 상에 제공되어 있고, 또한 진동 구동 장치(도시되지 않음)와 모듈(10) 사이에 외부 연결을 위한 구멍(49)이 쇼울더(44) 상의 중심에 제공된다.

막(20)의 진동 중에, 막(20)과 공급 유체(60) 사이의 상대 운동에 의해 전단 응력이 막(20)의 표면 상에서 발생되고, 이러한 전단 응력은 농도 분극을 감소시킬 수 있고, 막 표면 상의 오염의 침착을 제거할 수 있다. 운동이 기계적으로 제어될 때, 막(20)의 표면 상에서 발생되는 전단 응력은 공기 또는 바이오가스 주입법에 의해 발생되는 것보다 높은 규모(충분한 진동수 및 진폭을 구비함)일 수 있다. 횡방향 진동 시에, 막 표면 상의 전단을 증가시키는 와류가 발생될 수 있다. 동시에, 가스 주입법에서 반응기 내부의 전체 유체(Li 등, 2013)와 대조적으로 막 표면에 인접한 경계층의 내부의 유체만이 진동을 위해 동원되므로 진동에 따른 작동 에너지 소비는 가스 주입법보다 훨씬 작을 수 있다.

진동 패널(30)이 제공되는 경우에, 이 패널(30)은 직선의 평면 형태를 갖고, 다수의 구멍(33)이 관통된 구조적인 망 요소를 포함하는 것이 바람직하다 이 다수의 구멍(33)은 규칙적인 격자형 패턴의 정사각형 구멍(33)으로 패널(30)에 제공되는 것이 바람직하다. 이 패널(30)은 도 6에 도시된 바와 같이 격자 패널(30)로 지칭될 수도 있다. 도 6에 도시된 패널(30)의 예시적인 실험적 실시형태에서, 패널(30)은 29 cm x 17 cm의 크기, 총 19 x 11 개 또는 209 개의 정사각형 구멍을 구비하고, 각각의 구멍은 1 cm x 1 cm의 크기를 갖고, 이웃하는 구멍들 사이의 간격은 0.5 cm이다. 패널(30)에 제공되는 구멍(33)은 중실 패널을 사용하는 것에 비해 공급 현탁액(60)의 비산을 감소시킨다.

패널(30)의 양 연부의 각각에는 바람직하게 돌출된 행어 플레이트(32)가 제공된다. 각각의 행어 플레이트(32)는 여과 막(20)이 고정되는 단부 홀더 플레이트(22)의 각각에 부착되도록 구성되고, 그 결과 중공 섬유 막(20)에 인접하여 그리고 이 중공 섬유 막(20)에 평행하게 패널(30)이 제공되도록 패널(30)에 중공 섬유(20)의 다발을 연결한다. 따라서, 너트 및 볼트와 같은 공지된 수단에 의해 단부 홀더 플레이트(22)의 대응하는 구멍(25)에 고정되기 위한 구멍(35)이 각각의 행어 플레이트(32) 상에 제공될 수 있다.

패널(30)의 행어 플레이트(32)가 막(20)을 고정하는 단부 홀더 플레이트(22)에 부착되는 경우에, 패널(30)은 중공 섬유(20)의 다발의 길이를 따라 일측면에만 제공되고, 막(20)의 다른 모든 측면은, 반응기 유체(60)가 여과를 위해 막(20)에 도달할 수 있는 개방된 통로를 가지도록, 폐색되지 않은 상태로 남겨둔다. 바람직하게, 패널(30)은 막(20)으로부터 약 5 cm의 거리에 제공되지만, 이 패널은 막(20) 상에서 오염 제어 효과를 가지기 위해 모듈(10)의 규모 및 크기에 따라 막(20)으로부터 0 내지 100 cm의 범위에 설치될 수 있는 것으로 생각된다.

패널(30)의 각각의 행어 플레이트(32)는, 예를 들면, 패널(30)의 행어 플레이트(32) 내의 구멍(35) 및 진동 바(42)의 각각의 행어 이어(46) 상에 제공된 구멍(45)을 통해, 진동 메커니즘의 C자형 홀더 또는 진동 바(42)의 행어 이어(46)에 고정되도록 구성된다. 이러한 방식으로, 진동 메커니즘(40)은 여과 막(20) 및 패널(30)의 양자 모두에 진동을 동시에 전달할 수 있다. 또한, 패널(30)의 행어 플레이트(32) 내의 구멍(35)은 물 용기(70)의 구멍(75)에 패널(30)을 고정하기 위해서도 사용될 수 있다.

이 패널(30)은 진동의 방향에 대해 수직으로 정렬되는 것이 바람직하다. 진동 시에, 패널(30)은 막 오염을 감소시킴으로써 막(20)의 높은 여과 플럭스를 유지시킬 수 있는 진동 디바이스 뿐만 아니라 공급 현탁액(60)을 균질화하기 위해 반응기(50)의 내부의 혼합액 또는 유체(60)를 현탁시킬 수 있는 교반 디바이스의 양자 모두의 역할을 한다.

이 패널(30)은 모듈(10)의 내부의 중공 섬유 막(20)의 오염을 감소시킬 뿐만 아니라 반응기 유체를 교반 및 혼합시키도록 난류를 발생시키도록 특별히 설계되고, 단부 홀더 플레이트(22)는 패널(30)에 대한 중공 섬유(20)의 위치를 고정한다. 이 패널(30)의 패턴은 독특하고, 패널(30)과 막 다발(20) 사이의 거리는, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 여과 막(20)이 가장 최적의 방식으로 패널(30)에 의해 발생된 난류로부터 이익을 얻도록 양적으로 결정된다.

따라서, 막 여과 모듈(10)의 진동은 난류를 유발하여, 막 표면 상의 오염을 감소시키고, 또한 막 다발(20)의 인접부와 반응기(50)의 내부에서 정체 영역의 축적을 방지하고, 순환을 개선하기 위해 반응기 유체(60)를 교반한다. 본 발명에서, 관련된 설비와 함께 공기 또는 바이오가스 버블링의 사용이 완전히 제거될 수 있다.

막 여과 모듈(10)의 다양한 부품(20, 30, 40)의 재료는 강성이어야 하고, 어떤 유해한 생성물도 발생시키지 않고 장기간 반응기 환경에 견딜 수 있어야 한다. 예를 들면, 진동 바(42)용으로 표준 강이 사용될 수 있다.

실험 연구

막 여과 모듈(10)의 유효성을 조사 및 확인하기 위해, 도 2에 도시된 모듈(10)의 실험적 실시형태를 포함하는 도 1에 도시된 바와 같은 실험 셋업이 사용되었다.

이하에서 더 상세히 설명된 실험 연구로부터, 횡방향 진동 하에서 더 긴 이완된 중공 섬유 막(20)으로 여과를 수행한 경우에 중공 섬유 막(20)의 오염이 감소되었음이 밝혀졌다. 또한 진동 패널(30)은 공급 현탁액을 현탁된 상태로 유지하도록 오염을 감소시키고, 반응기 유체(60)를 교반시키고, 유체(60)를 순환하도록 구동시키므로 추가 교반 장치가 요구되지 않는다는 것이 밝혀졌다.

실험적 막 모듈 구성

이하에서 실행되고 설명되는 모든 실험용으로 사용된 도 1에 도시된 바와 같은 실험 셋업에서, 막 다발(20)은 대부분의 실험에서 사용되는 간격인 5 mm의 간격을 갖는 일련의 5 x 5 PAN 중공 섬유 막(20)으로 이루어졌다. 섬유(20)의 길이는 18 cm였고, 1%의 작은 정도의 이완을 구비하고, 여기서 99% L은 섬유의 양단부가 긴장된 섬유의 길이(L)의 99%의 길이를 형성하도록 모듈(10) 내에 위치되는 막을 말한다. 따라서, 이완은 섬유(20)의 실제의 총 길이에 걸쳐 모듈(10) 내의 섬유의 양 단부의 거리로서 정의된다(Wicaksana 등 2006). 수행된 실험에서, 최대 2%의 이완이 시험되었다.

이 중공 섬유 막(20)은 수평으로 위치되었고, 단부 홀더 플레이트(22)에 아랄다이트 에폭시로 접착되었고, 투과물을 수집하기 위한 물 용기(70)에 고정되었다. 물 용기(70)의 양측면은 배출 측에 연결되었다. 도 6을 참조하여 위에서 설명된 패널(30)의 실험적 실시형태는 중공 섬유 막(20)의 하측으로 약 5 cm에 부착되어 위치되었다.

이 실험 셋업에서, 막 여과 모듈(10)은 600 mm (L) x 500 mm (W) x 600 mm (H)의 치수를 갖는 탱크 또는 반응기(50) 내에 설치되었다. 브러시리스 DC 모터(BXM 6200-A, Oriental Motor Co., Ltd)(48)가 정현곡선형으로 횡방향으로 이동되도록 상하로(수직으로) 그리드 패널(30)과 중공 섬유 막(20)을 진동시키는 크랭크 운동 메커니즘을 구비하는 진동 메커니즘(40)을 통해 패널(30)에 연결되었다. 이 중공 섬유 막(20) 및 패널(30)이 진동 셋업(40)에 대해 수평으로 위치되어 있었으므로 이러한 수직 이동에 의해 중공 섬유 막(20)의 횡방향 진동이 얻어졌다.

수행된 실험에서, 진동 진폭은 5 mm 내지 28 mm의 범위였고, 진동 진동수는 0 내지 10 Hz로 조절되었다. 투과물 여과는 전용의 여과 소프트웨어를 포함하는 데이터 로깅 시스템(80), 투과물 펌프(82), 압력 센서(84) 및 디지털 천칭(86), 뿐만 아니라 유량을 제어하기 위해 투과물 펌프(82)에 선행하는 밸브(88)에 의해 제어되었다. 투과물 유량은 데이터 로깅 시스템(80)에 의해 제어되었고, 실험은 일정한 투과물 플럭스의 작업으로 실시되었고, 압력 값은 압력 센서(84)에 의해 기록되었다.

실험적 막 및 사용된 공급 현탁액

실험에서 사용된 중공 섬유 막은 Singapore Ultrapure Pte. Ltd.에 의해 제조된 것이었다. 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 정밀여과 막이었다. 1 mm의 내경/1.6 mm의 외경 및 0.1 m공칭 공극 크기를 갖는 중공 섬유 막이 사용되었다. 섬유의 순수한 물의 투과도는 2.04 L/m² h kPa이었다.

4 가지 공급 현탁액이 실험에서 사용되었다.

i. 4 g/L의 벤토나이트(Sigma-Aldrich Singapore로부터 입수됨) 현탁액,

ii. 4 g/L의 효모 현탁액(LevureSeche de Boulanger로부터 구입됨),

iii. 4 g/L의 혼합액(Ulu Pandan Water Reclamation Plant, Singapore로부터 수집됨) 및

iv. 8 g/L의 혼합액(Ulu Pandan Water Reclamation Plant, Singapore로부터 수집됨).

벤토나이트, 효모 및 혼합액의 평균 입자 직경은 각각 5.83 m, 4.95 m 및 52.51 m이었다.

벤토나이트 현탁액의 여과 후에, 중공 섬유 막은 20 분 동안 20 mL/분의 유량의 밀리-큐 물(Milli-Q water)로 역류세정되었다.

효모 현탁액에서 여과 후에, 중공 섬유 막은 15 분 동안 1% 효소 세제 용액에 침지되고, 밀리-큐 물로 헹굼되고, 다음에 동일한 밀리-큐 물로 역류세정되었다.

혼합액 현탁액에서의 여과 후에, 중공 섬유 막은 0.2% 소듐 하이포클로라이트로 침지되었고, 2 시간 동안 0.2% 시트르산으로 침지되었고, 동일한 밀리-큐 물의 역류세정 작업 프로시저가 수행되었다.

세척 후의 물 투과도의 측정은 막의 투과도가 회복될 수 있으므로 막이 재사용될 수 있다는 것을 시사하였다.

막 여과 특성의 평가

수행된 실험 연구에서, 막 성능을 평가하기 위한 주요 여과 파라미터로서 막관통 압력(TMP) 값 및 평균 오염율(dTMP/dt)이 사용되었다.

하나의 연구에서 그리드 패널(30) 없이 수행된 실험의 결과를 보여주는 도 8 내지 도 13을 참조하면, 막(20) 내의 상이한 길이의 섬유 커튼 사이 또는 상이한 길이의 중공 섬유 사이의 오염율이 종방향 진동 하에서 조사되었다. 종방향 진동을 달성하기 위해 진동 바(42)는 수직 배향을 형성하도록 90° 회전되었다. 20 cm의 길이를 갖는 것과 40 cm의 길이를 갖는 것의 2 개의 섬유 커튼이 4 g/L의 벤토나이트 현탁액 중에서 6 내지 10 Hz의 진동수로 종방향으로 진동되었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 20 cm의 섬유는 6 Hz에서 95.4 kPa/시 및 10 Hz에서 15.8 kPa/시의 오염율을 유발하였고, 40 cm 섬유는 각각 26.6 kPa/시 및 3.8 kPa/시의 오염율을 유발하였다. 이것은, 더 긴 섬유는 추가의 횡방향 이동을 유발할 가능성이 있고, 따라서 막 오염을 감소시키므로, 침지식 막 시스템에서 더 긴 섬유가 진동에 의해 더 양호하게 기능한다는 것을 확인해 준다.

다른 연구는 종방향 및 횡방향 진동 성능을 비교하였다. 일관된 비교를 위해, 막(20) 내의 긴장된 섬유의 수평 배향 및 수직 배향의 중심 위치가 동일하게 유지되었고, 25 LMH의 일정한 투과물 플럭스와 함께 1 Hz의 동일한 진동수가 사용되었다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 4 g/L의 벤토나이트 현탁액 중에서 20 mm의 종방향 진동 진폭에서, 오염율은 24.2 kPa/시였고, 횡방향 진동에서는 불과 8 kPa/시의 오염율이 존재하였고, 진동 진폭을 28 mm까지 더 증대시켰을 경우에, 종방향 진동 및 횡방향 진동의 각각에서 21.8 kPa/시의 오염율 및 4.2 kPa/시의 오염율이 존재하였다. 도 9b에서 볼 수 있는 바와 같이, 4 g/L의 효모 현탁액에서 유사한 결과가 또한 발견되었다. 이와 같은 1 Hz의 작은 진동수에서 상당한 개선이 종방향 진동에 비교하여 횡방향 진동에 의해 이미 달성되었다. 이것은 실제 산업의 적용을 위한 상당한 에너지 비용을 감소시킨다.

(도 7을 참조하여 위에서 논의된 바와 같이) 이 막 여과 모듈(10)의 여과 능력에 미치는 막 섬유의 긴장 또는 경직의 효과가 또한 연구되었다. 4 g/L의 벤토나이트 현탁액 중의 24 mm의 진동 진폭 및 30 LMH의 일정한 플럭스에서, 긴장되거나 경직된 섬유에 의해 15.2 kPa/시의 오염율이 유발되었고, 섬유(20)의 1%의 이완으로 오염율은 10.2 kPa/시까지 감소되었고, 더욱이 도 10a에 도시된 바와 같이 섬유(20)의 2%의 이완으로 7.8 kPa/시까지 감소되었다. 4 g/L의 효모 현탁액 에서, 25 LMH의 일정한 플럭스 율에서, 긴장된 18 cm 장섬유(20)에 의해 19.8 kPa/시의 오염율이 유발되었고, 도 10b에서 도시된 바와 같이, 20 mm의 진동 진폭 하에서 1%의 이완된 섬유(20)로 불과 16.2 kPa/시의 오염율이 존재하였다. 다른 진폭도 또한 조사되었고, 도 10a 및 도 10b에서 볼 수 있는 바와 같이 유사한 경향이 관찰되었다. 이들 모든 값으로부터, 횡방향 진동에서 1% 내지 2%의 작은 섬유 이완에 의해 약간의 추가의 개선이 달성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 횡방향 진동 하에서 작은 정도의 섬유 이완에 의해 더 많은 막 오염이 감소될 수 있으므로 에너지가 절약된다.

도 11에는 종방향 진동과 횡방향 진동을 비교하는 추가의 실험의 결과가 도시되어 있고, 여기서 1%의 이완 섬유로 종방향 진동 및 횡방향 진동으로 1 내지 3 Hz의 작은 진동수가 25 LMH의 일정한 투과물 플럭스 및 16 mm의 진동 진폭에서 4 g/L의 효모 현탁액 중에서 실행되었다. 동일한 이완된 섬유의 경우에, 2 Hz의 진동 진동수로, 종방향 진동에서 53.6 kPa/시의 오염율이 존재하였고, 횡방향 진동에서 훨씬 더 작은 36.1 kPa/시의 오염율이 존재하였다. 3 Hz의 더 높은 진동 진동수에서, 종방향 진동과 횡방향 진동의 각각에서 39.4 kPa/시 및 16 kPa/시의 오염율이 존재하였다. 이 결과는 이완된 섬유로의 횡방향 진동이 침지식 중공 섬유 막 여과에서 적합하다는 것을 더 확인해 준다.

막 섬유의 충전 밀도의 효과를 연구하기 위한 실험이 수행되었다. 도 12는 충전 밀도 실험에서 사용되는 섬유의 4 가지 섬유 배 치를 도시한다. 막(20) 당 5x5, 6x6, 7x7 및 8x8 다발의 섬유 배치에서, 각각 14%, 20%, 28% 및 36%의 충전 밀도가 얻어졌다. 도 13에서는 4 g/L의 효모 현탁액 중에서 횡방향 진동으로 (5x5, 6x6, 7x7 및 8x8 다발의 섬유 배치를 이용하는) 14%, 20%, 28% 및 36%의 상이한 충전 밀도를 갖는 1% 이완 막(20)의 상이한 진동 진폭에 대한 오염율을 볼 수 있다. 20 mm의 진동 진폭, 2 Hz의 진동 진동수 및 25 LMH의 일정한 플럭스의 경우, 충전 밀도가 14%로부터 20%까지 증대되는 경우에 오염율은 16.5 kPa/시로부터 24.2 kPa/시로 증대되었다. 충전 밀도가 28%까지 증대되는 경우에 오염율은 37.6kPa/시까지 더욱 증대되었다. 그러나, 충전 밀도가 36%까지 더욱 증대된 경우에 오염율은 18.2 kPa/시로 하락하였다. 유사한 경향이 24 내지 28 mm의 진동 진폭의 경우에도 발견되었다. 이러한 하락은 진동을 이용한 여과를 수행하는 경우에 투과물의 유량을 향상시키고 에너지 소비를 감소시키는 최적의 섬유 충전 밀도가 존재함을 나타낸다.

도 14 내지 도 19는 상이한 현탁에 대해 그리드 패널(30)을 진동시킨 상태에서 그리고 진동시키지 않은 상태에서 수행된 실험의 결과를 도시한다. 이들 실험에서 사용된 막 모듈(20)은 14%의 충전 밀도 및 1% 섬유 이완을 갖는 동일한 5x5 섬유 패턴으로 충전되었고, 막(20)은 횡방향으로 진동되었다. 도 14 내지 도 16에 도시된 결과는 연속 진동으로 수행된 실험 결과이고, 도 17 내지 도 19는 진동 경감된 상태에서, 즉 1 분간의 진동 후 1 분간의 진동 정지의 교대 사이클 하에서 수행된 실험 결과를 도시한다.

도 14는 25 LMH의 일정한 투과물 플럭스에서, 4 g/L의 효모 현탁액 중에서, 그리드 패널(30)을 진동시킨 상태 및 진동시키지 않은 상태에서 막(20)의 연속 진동으로 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값을 도시한다. 이 진동 진폭은 16 mm였고, 진동 진동수는 2 Hz였다. 이 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값은 진동없는 110 분의 막 여과에서 23.8 kPa로부터 89 kPa로 증대되었다. 막(20)만의 횡방향 진동의 경우에, TMP는 235 분의 여과에서 96.6 kPa까지 증대되었다. 막(20)과 그리드 패널(30)의 양자 모두의 진동의 경우에, TMP는 325 분의 여과에서 79 kPa까지 증대되었다. 이 결과로부터, 그리드 패널(30)을 진동시키는 여과를 수행함으로써 효모 현탁액 중에서 막 오염이 추가로 감소될 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.

도 15는 4 g/L의 혼합액 현탁액 중에서, 그리드 패널(30)을 구비하는 그리고 구비하지 않는 막(20)의 연속 진동의 경우에 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값을 도시한다. 25 LMH의 일정한 투과물 플럭스에서 진동 진폭은 16 mm였고, 진동 진동수는 1 Hz 였다. 이 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값은 진동없는 80 분의 막 여과에서 15 kPa로부터 38.7 kPa로 증대되었다. 막(20)만의 횡방향 진동의 경우에, TMP는 420 분의 여과에서 29.7 kPa까지 증대되었다. 막(20)과 그리드 패널(30)의 양자 모두의 진동의 경우에, TMP는 375 분의 여과에서 17.9 kPa까지 증대되었다. 관찰될 수 있는 바와 같이, 그리드 패널(30)을 진동시킨 상태에서 여과를 수행하는 경우에, TMP는 혼합액 현탁액 중의 8 시간의 여과의 경우에 거의 일정하게 유지되었다.

도 16는 더 고농도의 현탁액 중에서, 즉 8 g/L의 혼합액 현탁액 중에서, 그리드 패널(30)을 진동시키는 그리고 진동시키지 않는 막(20)의 연속 진동의 경우에 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값을 도시한다. 25 LMH의 일정한 투과물 플럭스에서 진동 진폭은 16 mm였고, 진동 진동수는 1 Hz 였다. 이 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값은 진동없는 90 분의 여과에서 15 kPa로부터 40 kPa로 증대되었다. 막(20)만의 횡방향 진동의 경우에, TMP는 540 분의 여과에서 22.6 kPa까지 증대되었다. 막(20)과 그리드 패널(30)의 양자 모두의 진동의 경우에, TMP는 540 분의 여과에서 16.9 kPa까지 증대되었다. 그리드 패널(30)를 진동시키는 여과를 수행하는 경우에, 더 고농도의 혼합액 중에서 9 시간의 여과 동안에 매우 제한된 TMP의 증대가 존재한다는 결론을 얻을 수 있다.

도 17은 4 g/L의 효모 현탁액 중에서, 그리드 패널(30)을 진동시키는 그리고 진동시키지 않는 막(20)의 진동 경감의 경우에 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값을 도시한다. 위에서 언급된 바와 같이, 진동 경감은 진동 경감(진동 없음)과 진동의 연속적인 교대를 말하고, 수행된 실험에서 진동 및 진동 경감의 시간은 각각 1 분이었다. 25 LMH의 일정한 투과물 플럭스에서 진동 진폭은 16 mm였고, 진동 진동수는 2 Hz 였다. 이 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값은 진동없는 110 분의 여과에서 23.8 kPa로부터 89 kPa로 증대되었다. 막(20)만의 횡방향 진동 경감의 경우에, TMP는 65 분의 여과에서 59.8 kPa까지 증대되었다. 막(20)과 그리드 패널(30)의 양자 모두의 진동 경감의 경우에, TMP는 195 분의 여과에서 79.1 kPa까지 증대되었다. 진동 경감을 이용하는 여과를 수행하는 경우에, 막 여과는 효모 현탁액 중에서의 그리드 패널(30)의 진동 경감에 의해서도 개선될 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.

도 18은 4 g/L의 혼합액 현탁액 중에서, 진동하는 그리드 패널(30)을 구비하는 그리고 구비하지 않는 막(20)의 진동 경감의 경우에 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값을 도시한다. 진동 및 경감의 시간은 양자 모두 1 분이었다. 25 LMH의 일정한 투과물 플럭스에서 진동 진폭은 16 mm였고, 진동 진동수는 1 Hz 였다. 이 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값은 진동없는 80 분의 막 여과에서 15 kPa로부터 38.7 kPa로 증대되었다. 막(20)만의 진동 경감의 경우에, TMP는 555 분의 여과에서 26.2 kPa까지 증대되었다. 막(20)과 그리드 패널(30)의 양자 모두의 진동 경감의 경우에, TMP는 525 분의 여과에서 17.8 kPa까지 증대되었다. 이것은, 진동 경감을 사용하면, 진동하는 그리드 패널(30)이 실제 혼합액의 침지식 중공 섬유 막의 오염을 감소시킬 수 있다는 것을 나타낸다.

도 19는 또한 더욱 고농도, 즉 8 g/L의 혼합액 현탁액 중에서, 진동하는 그리드 패널(30)을 구비하는 그리고 구비하지 않는 막(20)의 진동 경감의 경우에 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값을 도시한다. 진동 및 경감의 시간은 양자 모두 1 분이었다. 25 LMH의 일정한 투과물 플럭스에서 진동 진폭은 16 mm였고, 진동 진동수는 1 Hz 였다. 이 침지식 중공 섬유 막(20)의 TMP 값은 진동없는 90 분의 여과에서 15 kPa로부터 40 kPa로 증대되었다. 막(20)만의 진동 경감의 경우에, TMP는 540 분의 여과에서 28.1 kPa까지 증대되었다. 막(20)과 그리드 패널(30)의 양자 모두의 진동 경감의 경우에, TMP는 540 분의 여과에서 21.5 kPa까지 증대되었다. 따라서 더 고농도의 혼합액 중에서 진동 경감 상태에서도 그리드 패널(30)을 사용하면 추가의 개선이 관찰되었다.

요약하면, TMP 값은 중공 섬유 막 여과의 경우에 VS 막 여과 모듈(10)을 사용하면 모두가 더 작아진다. 진동 그리드 패널(30)이 없이 수행되는 여과의 TMP 값에 비해, 진동하는 그리드 패널(30)을 사용하는 여과를 수행하는 경우에 이 TMP 값은 모두가 더 작아지는 것으로 관찰되었다. 이것은 진동하는 그리드 패널(30)은 침지식 중공 섬유 막(20)의 여과 성능을 향상시키는 효과를 갖는다는 것을 시사하거나 보여주는 것이다. 또한, 그리드 패널(30)의 운동에 의해 공급 현탁액(60)은 양호하게 혼합되고, 균질의 현탁액을 제조하기 위해 추가의 교반 장치는 불필요하다. 더욱이, 혼합액에서 TMP 값은 그리드 패널(30)의 1 Hz의 작은 진동 진동수를 이용하는 약 9 시간의 여과 동안에 매우 낮게 유지되었다. 따라서 오염 제어용으로 위에서 설명된 진동식 막 여과 모듈(10)을 사용하면 공기 또는 바이오가스 주입법을 사용하지 않고도 MBR의 오염의 문제를 제거할 수 있다. 이것은 실제의 산업적 적용에서 VS 막 모듈(10)의 중요성을 확인해 준다.

위에서 설명된 막 여과 모듈(10)의 전형적인 용도는 (i) 혐기성 막 생물반응기에서, 공기가 불필요하므로 교반 및 횡방향 진동의 양자 모두를 발생시키고, 중공 섬유 막(20) 및 그리드 패널(30)의 진동에 의해 자기-혼합이 얻어지고, (ii) 호기성 막 생물반응기에서, 공기 주입을 추가함으로써 박테리아를 산소처리하고, (iii) 슬러지의 탈수하는 것이다. 본 발명은 특히 현탁액의 정밀여과를 위한 비교적 대형 반응기에 관한 것으로서, 콤팩트한 구성의 단순성과 효율로부터 이익을 얻는다. 본 발명에서, 막(20)이 최적의 조건 하에서 작동되므로 막 여과를 위해 요구되는 에너지가 감소될 수 있다. 또한, 패널(30)을 왕복 운동시킴으로써 반응기 유체(60)의 교반이 유발되고, 따라서 공기 또는 바이오가스 주입법의 사용을 완전히 제거할 수 있다. 패널(30)과 중공 섬유 막의 다발(20) 사이의 구성이 특별히 결정된 분리 거리에 의해 특별히 제어되므로 패널(30)에 의해 발생되는 난류는 최적의 방식으로 막 여과의 오염 제어를 향상시킨다.

이상의 설명에서 본 발명의 예시적인 실시형태가 설명되었으나, 본 기술분야의 당업자는 본 발명으로부터 벗어나지 않는 한 설계, 구조 및/또는 작용의 세부에서 많은 변경이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 패널 상의 격자 패턴 내에 정사각형의 구멍을 가질 수 있는 것으로 설명되었으나, 패널 상에 육방조밀 패턴으로 제공되는 원형의 구멍과 같은 다른 구멍의 구성이 생각될 수 있다.

참고문헌

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Claims (15)

1. 여과 반응기 내에서 사용하도록 구성된 막 여과 모듈로서, 상기 모듈은,
   상기 반응기 내에서 공급 유체의 여과를 수행하도록 구성된 중공 섬유 막(hollow fibre membrane); 및
   상기 중공 섬유 막의 오염(fouling)을 감소시키기 위해 상기 중공 섬유 막의 표면 상에 전단 응력을 발생시키기 위해 상기 중공 섬유 막을 진동시키도록 구성된 진동 메커니즘을 포함하는, 막 여과 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 막 여과 모듈은 상기 중공 섬유 막에 평행하게 제공되는 패널을 더 포함하고, 상기 패널은 상기 중공 섬유 막의 오염을 감소시키기 위해 상기 공급 유체 내에 난류를 발생시키기 위해 진동 메커니즘에 의해 진동되도록 구성되는, 막 여과 모듈.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 패널은, 상기 반응기로부터 교반 장치가 제거되도록, 상기 공급 유체를 균질화하기 위한 난류를 발생시키기 위해 상기 진동 메커니즘에 의해 진동되도록 구성되는, 막 여과 모듈.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 패널(30)은 상기 패널의 2 개의 양측 연부의 각각에 돌출된 행어 플레이트(hanger plate)를 포함하고, 각각의 행어 플레이트는 상기 패널을 상기 진동 메커니즘 및 상기 중공 섬유 막의 단부에 연결하도록 구성되는, 막 여과 모듈.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 패널은 오염 제어를 위해 상기 중공 섬유 막으로부터 0 내지 100 cm의 거리에 있는, 막 여과 모듈.
6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 진동 메커니즘은 상기 패널 내에 횡방향 진동을 발생시키도록 구성되는, 막 여과 모듈.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 진동 메커니즘은 상기 중공 섬유 막 내에 횡방향 진동을 발생시키도록 구성되는, 막 여과 모듈.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 진동 메커니즘은 외부의 진동 구동부에 의해 발생되는 진동을 상기 막 여과 모듈로 전달하도록 구성된 진동 바를 포함하는, 막 여과 모듈.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 막 여과 모듈 내에서 상기 중공 섬유 막의 섬유의 양 단부는, 상기 섬유에 이완(looseness)이 제공되도록 상기 섬유의 실제 길이 미만으로 이격된 거리에 배치되는, 막 여과 모듈.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기는 혐기성 막 생물반응기 및 호기성 막 생물반응기 중 하나인, 막 여과 모듈.
11. 막 여과 방법으로서, 상기 방법은,
    중공 섬유 막의 오염을 감소시키기 위해 상기 중공 섬유 막의 표면 상에 전단 응력이 발생되도록 상기 중공 섬유 막에 공급 유체를 통과시키면서 반응기 내에서 상기 중공 섬유 막을 진동시키는 단계를 포함하는, 막 여과 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 중공 섬유 막의 오염은 상기 중공 섬유 막에 공급 유체를 통과시키면서 상기 중공 섬유 막에 평행하게 제공되는 패널을 진동시킴으로써 더 감소되는, 막 여과 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 막 여과 방법은 상기 패널을 진동시킴으로써 상기 반응기로부터 교반 장치를 제거하도록 상기 공급 유체를 균질화시키는 단계를 더 포함하는, 막 여과 방법.
14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 패널은 횡방향 진동으로 진동되는, 막 여과 방법.
15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공 섬유 막은 횡방향 진동으로 진동되는, 막 여과 방법.

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