KR20170038646A - 역삼투압 필터 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것으로서, 필라멘트들의 제1세트와 제2세트가 교차되는 종단점 영역에서 비대칭 직경을 구비함으로써, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 낮추면서 소용돌이 흐름을 발달시켜 농도 분극을 완화할 수 있는 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것이다.

Description

역삼투압 필터 모듈{REVERSE OSMOSIS FILTER MODULE FOR WATER TREATMENT}
본 명세서는 2015년 9월 30일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2015-0137812호의 출원일 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것으로서, 필라멘트들의 제1세트와 제2세트가 교차되는 종단점 영역에서 비대칭 직경을 구비함으로써, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 낮추면서 소용돌이 흐름을 발달시켜 농도 분극을 완화할 수 있는 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈에 관한 것이다.
전 세계적으로 지구온난화에 따른 물 부족 현상이 심화되고 있는 가운데 대체 수자원 확보기술인 물 정화 기술이 주목을 받고 있다.
따라서, 해수담수화, 물의 재이용 등 대체 수자원을 활용한 차세대 수도사업의 핵심기술인 역삼투막(Reverse osmosis membrane)을 이용한 수처리 공정이 물 산업 시장을 주도할 것으로 예상되고 있다.
이러한 역삼투막에 의한 역삼투막 투과수는 순수한 물 내지 한없이 순수한 물에 가까운 물이 되어 의료용의 무균수나 인구 투석용 정제수, 혹은 전자 산업의 반도체의 제조용 물 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
여기서, 역삼투란 농도차가 있는 두 용액을 반투막으로 분리하고 일정 시간이 지나면 농도가 낮은 용액이 농도가 높은 쪽으로 이동하면서 일정한 수위차를 발생시키는데 이를 삼투 현상이라고 한다. 아울러 이 과정에서 발생하는 수위의 차이를 역삼투압이라고 한다. 이 원리를 이용해 물 분자만 반투막을 통과시켜 물을 정화하는 장치를 역삼투압 설비라고 하며, 여기에 들어가는 반투막이 역삼투압 필터 모듈이다.
이러한 역삼투압 필터 모듈은 중앙 튜브, 공급 스페이서(Feed spacer), 역삼투막(RO membrane), 트리코트 여과수로 등을 포함하여 구성된다.
이 중, 공급 스페이서는 원수가 유입되는 통로 역할을 수행한다. 원수가 공급 스페이서를 통하여 유입되는 경우에 공급 스페이서에 의한 흐름 방해로 차압이 발생하게 되며 이는 에너지 비용의 증가로 귀결되기 때문에, 이러한 차압은 낮을수록 역삼투압 필터 모듈의 효율을 증가시키게 된다.
한편, 수투과 플럭스에 의해 필연적으로 역삼투막 근처에서는 농도 분극 현상이 발생하게 되며 이러한 현상이 심해질수록 역삼투막 근처에서 삼투압이 높아져 수투과율이 저하되게 된다.
이와 관련하여, 차압의 발생을 감소시키며 농도 분극 현상을 완화시킴으로써 역삼투압 필터 모듈의 효율을 증가시킬 수 있는 공급 스페이서가 필요한 실정이다.
한국 등록 특허 제10-0976074호
본 발명의 목적은, 필라멘트들의 제1세트와 제2세트가 교차되는 종단점 영역에서 비대칭 직경을 구비함으로써, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 낮추면서 소용돌이 흐름을 발달시켜 농도 분극을 완화할 수 있는 개선된 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 역삼투압 필터 모듈은 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 개구를 포함하는 튜브; 상기 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 상기 튜브 둘레로 권취되는 하나 이상의 역삼투막; 및 상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 튜브 둘레로 권취되는 공급 스페이서;를 포함하고, 상기 공급 스페이서는, 서로 평행한 필라멘트들의 제1세트 및 서로 평행한 필라멘트들의 제2세트가 서로 교차된 상태로 구성되며, 상기 제1세트와 상기 제2세트가 교차되는 종단점 영역에서 상기 제1세트 중 어느 하나 이상 또는 상기 제2세트 중 어느 하나 이상은 외측면의 일부 영역이 외부를 향해 돌출되는 비대칭 직경을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 종단점 영역은, 상기 공급 스페이서의 격자 길이를 기준으로 0.2 내지 0.4 비율일 수 있다.
바람직하게는, 상기 종단점 영역에서, 상기 세선화(thinning) 파라미터는 1.2 이상, 더욱 바람직하게는 상기 세선화 파라미터는 1.3 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 비대칭 직경은, 원수의 흐름 방향에 대하여 필라멘트들의 일측이 외부를 향해 돌출되고 타측은 그대로 유지될 수 있다.
본 발명에 따르면, 필라멘트들의 제1세트와 제2세트가 교차되는 종단점 영역에서 비대칭 직경을 구비하도록 설계함으로써, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 낮출 수 있고, 또한 소용돌이 흐름을 발달시켜 농도 분극을 완화할 수 있게 된다.
또한 상술된 효과로 인하여 역삼투압 필터 모듈의 효율을 보다 증가시킬 수 있다는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)의 사시도이며,
도 2(a), (b) 및 (c)는 역삼투압 필터 모듈에서 사용되는 종래의 공급 스페이서의 개략도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)에서 사용되는 공급 스페이서의 사시도이며,
도 4(a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)에서 사용되는 공급 스페이서의 정면 및 측단면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투압 필터 모듈의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
<역삼투압 필터 모듈>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)의 사시도이며, 도 2(a), (b) 및 (c)는 역삼투압 필터 모듈에서 사용되는 종래의 공급 스페이서의 개략도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)에서 사용되는 공급 스페이서의 사시도이며, 도 4(a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)에서 사용되는 공급 스페이서의 정면 및 측단면도이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)을 구체적으로 설명하기로 한다.
역삼투압 멤브레인 모듈(100)은 실제적으로 공급되는 물을 역삼투압 원리를 이용하여 정화하는 역할을 수행하는 멤브레인 분리 장치의 구성 요소이다.
도 1을 참조하면, 이러한 역삼투압 멤브레인 모듈(100)은 역삼투막(10), 공급 스페이서(20), 트리코트 여과수로(30) 및 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 개구(도시 안됨)를 포함하는 튜브(40)를 포함할 수 있다. 또한 도면에 도시되지는 않지만, 한 쌍의 텔레스코핑 방지 장치(anti-telescoping device)를 더 포함할 수 있으나 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
하나 이상의 역삼투막(10)은 삼투 현상을 이용하여 물에 포함된 이물질을 여과시키는 동시에, 정제수가 효과적으로 흘러가도록 유로의 역할을 수행한다.
이러한 하나 이상의 역삼투막(10)은 튜브(40)로부터 외측 방향으로 연장되고 튜브(40) 둘레로 권취되게 된다.
공급 스페이서(20)는 외부로부터 원수가 유입되는 통로를 형성하며, 하나의 역삼투막(10)과 다른 하나의 역삼투막(10)의 사이의 간격을 유지시키는 역할을 수행한다. 이를 위해, 공급 스페이서(20)는 하나 이상의 역삼투막(10)과 상측 및 하측에서 접촉하며 하나 이상의 역삼투막(10)과 마찬가지로 튜브(40) 둘레로 권취되도록 구성된다.
여기서, 공급 스페이서(20)의 재질은 특별히 한정하지 않지만, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화 비닐(Polyvinyl chloride), 폴리에스테르(Polyester) 및 폴리프로필렌(Polypropylene) 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
한편 공급 스페이서(20)의 구체적인 구성은 후술하기로 한다.
트리코트 여과수로(30)는 일반적으로 직물 형태의 구조를 가지며, 역삼투막(10)을 통해 정제된 물이 흘러나갈 수 있는 공간을 만들어 주는 유로 역할을 수행하게 된다.
이때, 트리코트 여과수로(30)의 직물 조직 라인은 역삼투압 멤브레인 모듈(100)의 작동시 발생하는 수압을 견디면서 라인 사이로 물이 막히지 않고 적정 수량의 물을 이동시켜야 하기에 트리코트 여과수로(30)는 수압을 견디기에 충분한 강도를 가지도록 구성됨을 유의한다.
튜브(40)는 수처리용 역삼투압 필터 모듈(100)의 중심에 위치하며, 여과된 물이 유입되어 배출되는 통로 역할을 수행한다.
이를 위해, 튜브(40)의 외측에는 여과된 물이 유입되도록 소정 크기의 공극(혹은 개구)이 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 공극은 여과된 물이 보다 효율적으로 유입될 수 있도록 하나 이상 형성되는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 공급 스페이서(20)는 평행한 필라멘트들의 제1세트(21)와 평행한 필라멘트들의 제2세트(22)가 교차된 상태로 구성되며, 이때, 제1세트(21)와 제2세트(22)가 교차되는 종단점 근처 교차 부근에서 제1세트(21) 중 어느 하나 이상 및/또는 제2세트(22) 중 어느 하나 이상이 비대칭 직경을 구비할 수 있다.
종래의 공급 스페이서(20a, 20b, 20c)를 살펴보면, 평행한 2개 세트의 필라멘트들이 교차하는 점에서 필라멘트들의 직경 변화없이 그대로 유지되거나(도 2(a) 참고), 평행한 2개 세트의 필라멘트들이 교차하는 점에서 필라멘트들의 직경이 얇아지거나(도 2(b) 참고), 그리고 평행한 2개 세트의 필라멘트들이 교차하는 점에서 필라멘트들의 직경이 두꺼워지도록 구성됨을 알 수 있다(도 2(c) 참고). 또한 이러한 필라멘트들의 직경은 그 단면을 기준으로 대칭적으로 증가하거나 감소하도록 구성됨을 알 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 공급 스페이서(20)는 종단점 영역에서 필라멘트들의 제1세트(21) 및/또는 제2세트(22)의 외측 부분만이 외부를 향해 돌출된 형태로 구성되게 되며, 보다 구체적으로 필라멘트들의 외측의 일부 영역만이 외부를 향해 돌출되고 돌출된 부분의 타측에 해당하는 부분은 그대로 유지되게 되어, 유로의 단면적은 증가시키면서도 필라멘트들의 비대칭 단면 형상을 구축할 수 있게 된다(도 4(a) 및 도 (b) 참고).
이때, 종단점 영역(L2)은 공급 스페이서(20)의 격자 길이(L1)를 기준으로 0.2 내지 0.4 비율일 수 있다. 이러한 이유는 0.2 보다 작을 경우 소용돌이 흐름을 충분히 발생시키기 어려우며, 0.4를 초과하는 경우 단면적이 감소하여 차압이 증가하기 때문이다.
또한 종단점 영역(L2)에서 제1세트(21) 및/또는 제2세트(22)의 세선화(thinning) 파라미터는 1.2 이상, 보다 바람직하게는 1.3 이상일 수 있다.
이러한 이유는 굵은 부분의 크기가 고정된 상태에서 세선화 파라미터가 가능한 클수록 유로 단면적이 증가하여 차압이 감소하며 소용돌이 흐름 생성 정도에는 큰 영향을 미치지 않기 때문이다.
여기서, 세선화 파라미터라 함은, 제1세트(21) 및/또는 제2세트(22)의 필라멘트들의 두께에 있어서 가는 부분(W1)에 대한 종단점 영역(L2)에서의 비대칭 부분(W2)의 두께 비율을 의미함을 유의한다.
한편, 도면에서는 제1세트(21) 및 제2세트(22)가 모두 비대칭 직경을 구비하는 것으로 도시하였으나, 둘 중 하나 이상만 그 단면이 비대칭 직경을 구비할 수도 있음을 유의한다.
이러한 구성으로 인하여, 본 발명에 따른 공급 스페이서(20)의 경우에는 필라멘트들의 제1세트(21)와 제2세트(22)가 교차되는 종단점 영역(L2)에서 제1세트(21) 및 제2세트(22) 중 어느 하나 이상이 비대칭 직경을 구비하도록 설계함으로써, 유로의 단면적을 증가시켜 차압을 낮출 수 있고, 또한 소용돌이 흐름을 발달시켜 농도 분극을 완화할 수 있게 된다.
<실험예>
역삼투압 필터 모듈에서 사용되는 종래의 공급 스페이서들(도 2(a), (b) 및 (c))과 본 발명의 일 실시예에 따른 공급 스페이서(20)를 이용하여 차압(△P[Pa]), 흐름 방향 평균 와도(Vorticity) 및 리커버리(Recovery) 성능을 비교하였다.
이를 위해, 상술된 4개의 제품에 대하여, 기타 다른 조건을 동일하게 유지하고 단지 공급 스페이서들만 교체한 상태로 상술된 차압, 흐름 방향 평균 및 리커버리 성능을 비교하였고, 이 결과를 표 1에 기재하였다. 아래는 실험 영역에 대한 설명이다.
* 가로 × 세로 × 높이(두께) : 7.75mm × 15.5mm × 0.66mm
* 입구 속도 : 0.3m/s
차압(△P[Pa]) 흐름방향 평균 와도(Vorticity) Recovery(%)
비교예1 1,238 1,531 6,75
비교예2 1,071 1,340 6.35
비교예3 986 1,380 6.73
실시예 958 1,399 6.85
상술된 바와 같이, 비교예 1은 교차점에서 필라멘트들의 직경 변화없이 그대로 유지되는 공급 스페이서를 사용한 경우이고, 비교예 2는 교차점에서 필라멘트들의 직경이 얇아지도록 구성된 공급 스페이서를 사용한 경우이고, 비교예 3은 교차점에서 필라멘트들의 직경이 두꺼워지도록 구성된 공급 스페이서를 사용한 경우이고, 그리고 실시예는 교차점에서 필라멘트들의 직경이 비대칭적으로 일부만 두꺼워지도록 구성된 본 발명에 따른 공급 스페이서(20)를 사용한 경우이다.
표 1을 참고하면, (a) 비교예 1은 차압이 1,238Pa이고, 흐름 방향 평균 와도는 1,531을 나타내며, (b) 비교예 2는 차압이 1,071Pa이고, 흐름 방향 평균 와도는 1,340을 나타내며, (c) 비교예 3은 차압이 986Pa이고, 흐름 방향 평균 와도는 1,380을 나타내며, 그리고 (d) 실시예는 차압이 958Pa이고, 흐름 방향 평균 와도는 1,399를 나타냄을 알 수 있다.
이때, 차압이 낮을수록 유동 측면에서 유리한 구조라는 점을 고려하면, 본 발명에 따른 공급 스페이서(20)를 사용한 실시예가 가장 차압이 낮아 유동 흐름이 원활하고 유로 확보에 유리한 것으로 확인되었다.
또한 소용돌이의 발생 정도가 클수록 농도 분극 현상이 완화된다는 점을 고려하면, 본 발명에 따른 공급 스페이서(20)를 사용한 실시예가 상당히 높은 수준의 소용돌이를 발생시키는 것으로 확인되어 역삼투막 근처의 염의 이동이 원활해지는 것으로 확인되었다.
다시 표 1을 참고하면, (a) 비교예 1은 리커버리가 6.75%, (b) 비교예 2는 리커버리가 6.35%, (c) 비교예 3은 리커버리가 6.73%, 그리고 (d) 실시예는 리커버리가 6.85%임을 알 수 있다.
결과적으로, 이를 토대로 판단하면, 본 발명에 따른 공급 스페이서(20)는 동일한 최대 및 최소 직경을 가지는 필라멘트들(혹은 스트랜드)의 형상 변경을 통하여 차압을 최소화하고 소용돌이의 발생 정도를 증가시켜 리커버리 성능이 향상됨을 알 수 있다.
100 : 역삼투압 필터 모듈
10 : 역삼투막
20 : 공급 스페이서
21 : 제1세트 22 : 제2세트
30 : 트리코트 여과수로
40 : 튜브

Claims (5)

  1. 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 개구를 포함하는 튜브;
    상기 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 상기 튜브 둘레로 권취되는 하나 이상의 역삼투막; 및
    상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 튜브 둘레로 권취되는 공급 스페이서;를 포함하고,
    상기 공급 스페이서는, 서로 평행한 필라멘트들의 제1세트 및 서로 평행한 필라멘트들의 제2세트가 서로 교차된 상태로 구성되며,
    상기 제1세트와 상기 제2세트가 교차되는 종단점 영역에서 상기 제1세트 중 어느 하나 이상 또는 상기 제2세트 중 어느 하나 이상은 외측면의 일부 영역이 외부를 향해 돌출되는 비대칭 직경을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    역삼투압 필터 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 종단점 영역은,
    상기 공급 스페이서의 격자 길이를 기준으로 0.2 내지 0.4 비율인 것을 특징으로 하는, 역삼투압 필터 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 종단점 영역에서,
    세선화(thinning) 파라미터는 1.2 내지 1.4 범위를 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 역삼투압 필터 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 세선화 파라미터는 1.2 이상인 것을 특징으로 하는,
    역삼투압 필터 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비대칭 직경은,
    원수의 흐름 방향에 대하여 필라멘트들의 일측이 외부를 향해 돌출되고 타측은 그대로 유지되는 것을 특징으로 하는,
    역삼투압 필터 모듈.
KR1020160094188A 2015-09-30 2016-07-25 역삼투압 필터 모듈 KR102046685B1 (ko)

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