KR20180080575A - 가압식 중공사막 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직경이 큰 지그핀을 중공사막 모듈의 하단 고정부의 중심부에 배치시킴으로써 역세 효율을 향상시킨 가압식 중공사막 모듈에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 폭기 공정에 의한 물리적 세정을 효과를 높이고 중공사막의 오염을 줄이고, 이러한 가압식 중공사막 모듈을 채용한 정수처리장치의 유지 및 보수 비용을 최소화할 수 있다.

Description

가압식 중공사막 모듈{HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE USING POSITIVE PRESSURE}

본 발명은 가압식 중공사막 모듈(hollow-fiber membrane module)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어 폭기를 위한 핀의 위치가 전체 면적 중 중심부 50% 이내에 배치하여 에어 유입이 모듈의 가운데에서 바깥 쪽으로 흐르게 하여 역세 효율을 향상시킨 가압식 중공사막 모듈에 관한 것이다.

유체 처리를 위한 분리 방법으로는 가열이나 상변화를 이용하는 분리 방법, 및 여과막을 이용하는 분리 방법 등이 있다. 여과막을 이용하는 분리 방법은 여과막의 세공 크기에 따라 원하는 수질을 안정적으로 얻을 수 있으므로 공정의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있고, 또한, 여과막을 이용하면 가열 등의 조작이 필요 없기 때문에 가열 등에 의해 영향을 받을 수 있는 미생물을 사용하는 분리 공정에 널리 이용될 수 있다는 장점이 있다. 여과막을 이용한 분리 방법 중 하나로는 중공사 형태의 막을 다발로 형성한 중공사막 모듈을 이용하는 방법이 있다. 전통적으로 중공사막 모듈은 무균수, 음용수, 초순수 제조 등 정밀 여과 분야에 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 하/폐수처리, 정화조에서의 고액 분리, 산업폐수에서의 부유 물질(SS: Suspended Solid) 제거, 하천수의 여과, 공업용수의 여과, 및 수영장 물의 여과 등으로 그 응용 범위가 확대되고 있다.

중공사막 모듈은 구동방식에 따라 침지식 모듈과 가압식 모듈로 분류될 수 있다. 침지식 모듈은 처리하고자 하는 유체 내에 침지된 상태에서 여과 작업을 수행한다. 구체적으로, 중공사막 내부에 음압(negative pressure)이 가해짐으로써 유체만이 선택적으로 중공사막 내부(중공)로 투과되고, 그 결과, 유체에 함유되어 있는 불순물 또는 슬러지 등의 오염물질이 여과수로부터 분리된다. 침지식 모듈은 유체의 순환을 위한 설비를 요구하지 않아 시설비나 운전비의 절감을 가져올 수 있는 장점이 있는 반면, 단위시간에 얻을 수 있는 투과 유량이 제한적이라는 단점이 있다.

이에 반해, 처리하여야 할 유체를 중공사막의 외부로부터 내부로 가압 여과시키는 가압식 모듈의 경우에는 유체 순환을 위한 별도의 설비가 필요하기는 하지만 단위시간에 얻을 수 있는 투과 유량이 흡입식 모듈에 비해 상대적으로 많다는 장점이 있다.

국내 특허공개 제2014-0114149호는 모듈의 내부에 중공을 갖는 원통형상체로서, 그 외주연에 적어도 하나 이상의 역세공이 규칙적 또는 불규칙적으로 관통 형성되는 에어존과 하나 이상의 역세공이 규칙적 또는 불규칙적으로 관통형성 되는 워터존을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중앙 배플 및 이를 포함하는 중공사막 모듈을 개시하고 있다. 그러나 이러한 중공사막 모듈은 모듈 제작 시 중앙에 원통형의 기구가 새롭게 장착되면서 모듈 제작 공정이 복잡해지고 장기간 운전 할 때 오염물질이 점착되는 문제가 발생될 수 있다.

한편, 종래의 가압식 막모듈 정수장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 여과부재인 중공사막이 배치되는 모듈 케이스(10)의 상부단에 상기 중공사막을 통과하면서 여과된 생산수가 배출되는 배출구를 갖는 상부캡(20)을 구비하고, 상기 모듈 케이스(10)의 하부단에는 상기 중공사막에 부착된 이물질을 제거하기 위한 역세척 시 에어가 공급되는 에어공급구를 구비하는 하부캡(30)을 구비함으로써, 상기 모듈 케이스의 내부로 가압공급된 원수는 공급압력에 의해 중공사막을 통과하면서 여과된 후 상부캡의 배출구를 통해 배출되어 집수되는 구조를 갖는다. 이러한 종래의 가압식 중공사막 모듈 정수 장치에서 하부캡의 에어공급구는 도 2에 도시된 바와 같이, 하부캡에 전체적으로 동심원상으로 배열되어 있다. 그러나 이러한 종래의 중공사막 모듈에서는 중공사막 표면에 오염물질이 점착되어 수투과성의 저하를 초래하고, 필요 이상으로 기포를 발생시켜 정수처리장치의 운전 효율을 저하시키는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 중공사막의 투과 성능의 저하를 억제시켜 효율적인 막 분리 방법을 실시함으로써 정수처리장치의 운전 효율의 저하를 방지할 수 있는 가압식 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 중공사막 모듈의 지그 위치를 하부 전체 면적대비 모듈 중심부에 위치하게 함으로써 폭기 공정에서 공기의 흐름을 모듈의 중심으로 집중시켜 오염물질을 중공사막 내부에서 밖으로 밀어내는 효과를 줄 수 있어 오염물질의 제거에 탁월한 효과를 나타내어, 역세 효율을 개선할 수 있는 가압식 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.

또한 본 발명에 의하면 가압식 중공사 분리막 모듈의 역세 효과를 극대화함으로써 중공사막 정수장치의 유지관리성을 높이고 전체적인 에너지 사용량을 감소시켜 정수장치의 운영 비용을 절감할 수 있는 정수장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은

원수 유입구 및 여과수 배출구를 갖는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내에 위치하는 복합 중공사막 다발; 상기 복합 중공사막 다발의 일단이 포팅되어 있으며 상기 모듈 케이스 내면에 접착 고정되어 있는 제1 고정부; 및 상기 복합 중공사막 다발의 타단이 포팅되어 있으며 상기 모듈 케이스 내면에 접착 고정되어 있는 제2 고정부를 포함하되, 상기 제2 고정부에는 다수 개의 지그핀이 형성되고, 이러한 다수 개의 지그핀은 상기 모듈 케이스 단면적의 1/2 면적 이내의 중공사막 모듈의 중심부에 형성되고, 상기 한 개의 지그핀의 단면적은 제2 고정부 단면적의 8 내지 16% 범위 내인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈에 관한 것이다.

상기 다수 개의 지그핀들의 홀 면적의 합은 상기 제2 고정부의 횡단면적의 5 내지 30%의 범위 내이다.

상기 지그핀들은 복수의 열로 형성되며, 제1 지그핀은 제1 사각형을 따라서 형성되고, 제2 지그핀은 제2 사각형을 따라서 형성되며, 제1 사각형과 제2 사각형은 동일한 중심을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 양상은 본 발명의 가압식 중공사막 모듈; 여과 처리되어야 할 원수를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 원수 공급 수단; 및 상기 중공사막의 세정을 위한 공기를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 공기 공급 수단을 포함하는 것을 정수처리장치에 관한 것이다.

본 발명의 가압식 중공사막 모듈은 폭기 공정에서 기포가 중공사막 모듈의 중심부에 집중되기 때문에 역세 효율을 높일 수 있고, 이는 운전 시 차압 상승률을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 충분한 압력의 기포를 중공사막에 집중적으로 제공하여, 중공사막의 부착물을 효과적으로 제거하여, 중공사막의 투과 성능의 저하를 효과적으로 억제하고, 역세 세정 회수와 시간을 줄여 정수처리장치의 운전 효율의 저하도 억제하고, 정수처리장치의 유지 및 보수 비용을 최소화할 수 있다.

도 1은 일반적인 가압식 중공사 분리막 모듈의 개략사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 가압식 분리막 모듈 장치의 하단부 지그핀 구조의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 가압식 중공사막 모듈의 하부 고정 부재에 설치된 지그핀의 배치를 나타낸 개략단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 중공사막 모듈 및 이를 포함한 정수처리장치의 일 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 중공사막 모듈은 안에 중공이 형성되어 있어 외표면 측에서 내표면 측으로 여과수가 투과할 수 있는 다수 개의 중공사막들을 포함한다. 상기 다수개의 중공사막들은 길이 방향으로 가지런히 배열된 다발 형태를 갖는다. 본 발명의 가압식 중공사막 모듈은 원수 유입구 및 여과수 배출구를 갖는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내에 위치하는 복합 중공사막 다발; 상기 복합 중공사막 다발의 일단이 포팅되어 있으며 상기 모듈 케이스 내면에 접착 고정되어 있는 제1 고정부; 및 상기 복합 중공사막 다발의 타단이 포팅되어 있으며 상기 모듈 케이스 내면에 접착 고정되어 있는 제2 고정부를 포함한다. 또한 상기 제2 고정부에는 다수 개의 지그핀이 형성되고, 이러한 다수 개의 지그핀은 상기 모듈 케이스 단면적의 1/2 면적 이내의 중공사막 모듈의 중심부에 형성되고, 상기 한 개의 지그핀의 단면적은 제2 고정부 단면적의 8 내지 16% 범위 내이다.

상기 지그핀은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 원반 형상의 제2 고정부의 반경 방향 중심을 중심으로 하는 방사선 상에 반경 방향 중심 사이의 거리가 일정하게 이격되도록 배치되어 있다. 상기 모듈 케이스(10)의 내주 원의 반경을 R₁이라 하고, 제2 고정부의 지그핀이 형성된 원반 형상 부재의 반경을 R₂라로 할 때, R₁/R₂는 2 내지 3의 범위 내이다. R₁/R₂가 2 미만이면, 역세 공정에서 모듈 내부에 난류가 생성되어 오염원의 이동이 균일하지 못해 오염이 가속화 되는 문제가 발생할 수 있고, 반대로 R₁/R₂가 3을 초과하면 핀이 너무 중앙으로 몰려 모듈의 가장 바깥 부분에서 오염원이 축적되어 바깥으로 배출되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

한 개의 지그핀의 단면적이 제2 고정부의 횡단면적의 8% 미만이면 지그핀이 제2 고정부에 균일하게 분포되는 것을 방해하여 여과 효율을 떨어뜨릴 수 있고, 반대로 16%를 초과하면 역세 유량의 원활한 이동을 방해하여 세정효율을 떨어뜨릴 수 있다.

이와 같이 지그핀을 기존 중공사막 모듈의 하부 전체 대신에 모듈 중심부에 위치하게 함으로써 폭기 공정에서 공기의 흐름을 중심으로 집중시켜, 오염물질을 중공사막 내부에서 외측으로 밀어내는 효과가 있어 오염물질의 제거에 탁월한 효과를 나타낼 수 있다.

제2 고정부(30)는 원반 형상의 부재를 갖고, 이러한 원반 형상의 부재에는 폭기 공정 시 기포가 통과하는 다수의 지그핀(110)들이 배치된다. 여과 작업이 수행되는 동안 또는 여과 작업이 중지된 후에 중공사막의 세정을 위한 공기가 상기 지그핀(110)을 통해서 모듈 케이스(10)의 내부로 제공된다. 지그핀(110)은 상기 원반 형상의 부재를 모듈 케이스의 길이 방향(수직 방향)으로 관통하는 관통공으로 형성되어 있다. 중공사막이 오염된 경우에는 여과수의 흐름 방향으로 공기를 흐르게 하여 공기를 이용하여 중공사막의 표면을 털어내는 폭기 세정 공정(Air Scouring Process)이 실시되는데, 본 발명의 가압식 중공사막 모듈에서는 지그핀(110)이 중공사막 모듈의 중심에 집중되기 때문에 역세 효율을 높이고, 이로 인해 운전 시 차압 상승률을 감소시킬 수 있다.

상기 지그핀(110)의 홀 직경은 5 내지 30 mm의 범위 내이다. 지그핀의 홀 직경이 너무 작으면 폭기 공정 진행하지 않을 경우 지그핀(110)의 막힘을 초래할 수 있다. 이와 반대로 지그핀(110)의 홀면적이 너무 크면, 공기의 유속이 저하되어 기포에 의한 오염물질 제거 효과가 부족해질 수 있다.

본 발명에서 지그핀들(110)은 원형, 타원형, 다각형, 또는 슬릿형 등 임의의 형상일 수 있다. 상기 다수 개의 지그핀들(110)의 홀 면적의 합은 상기 제2 고정부의 단면적의 5 내지 30%인 것이 바람직하다. 지그핀(110)의 홀 면적의 합이 제2 고정부의 단면적의 14% 미만이면 중공사막의 폭기 공정을 위한 공기가 충분히 제공될 수 없어 중공사막의 오염에 따른 피해가 커질 수 밖에 없을 뿐만 아니라, 원수를 배수하는데 있어 많은 시간이 지체되는 문제점이 발생한다. 반대로, 지그핀 (110)의 홀 면적의 합이 제2 고정부의 단면적의 30%를 초과하면, 상기 제2 고정부에 고정될 중공사막의 개수가 감소될 수 밖에 없어, 중공사막 모듈(10)의 부피 대비 여과 효율이 떨어진다는 문제점이 발생한다.

지그핀들(110)은 복수의 열로 형성되며, 제1 지그핀은 제1 사각형을 따라서 형성되고, 제2 지그핀은 제2 사각형을 따라서 형성되고, 제1 사각형과 제2 사각형은 동일한 중심을 가질 수 있다.

다른 예에서, 상기 지그핀들은 복수의 열로 형성되며, 제1 지그핀은 제1 원을 따라서 형성되고, 제2 지그핀은 제2 원을 따라서 형성되고, 제1 사각형과 제2 사각형은 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 양상은 본 발명의 가압식 중공사막 모듈; 여과 처리되어야 할 원수를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 원수 공급 수단; 및 상기 중공사막의 세정을 위한 공기를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 공기 공급 수단을 포함하는 것을 정수처리장치에 관한 것이다.

이러한 정수장치에서 여과 작업을 중지하고 중공사막의 역세정을 수행할 때에는, 여과수 탱크 내에 저장되어 있던 여과수가 역세정 펌프에 의해 중공사막 모듈로 보내진다. 또한, 공기 공급 수단에 의하여 공기 유입구를 통해 가압식 중공사막 모듈 내로 압축 공기를 주입함으로써 폭기에 의한 중공사막의 세정을 수행한다. 여과 작업 중에도 압축 공기가 모듈 케이스 내로 주입될 수 있는데, 가압된 원수가 공기 공급 수단으로 역류하지 않게 하기 위한 충분한 압력으로 공기를 모듈 케이스 내로 제공한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명의 효과를 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되지는 않는다.

실시예

실시예 1: 중공사막 모듈의 제조

소정 간격으로 평행하게 위치한 제1 고정부 및 제2 고정부, 제1 고정부와 제2 고정부 사이에서 수직방향으로 배열되는 중공사막 및 중공사막을 감싸도록 설치되고, 중공사막 모듈의 하부 고정부에 도 3의 지그핀이 형성된 가압식 중공사막 모듈을 제조하였다. 이 때 각각의 지그핀의 직경은 10 mm이고, R₁/R₂는 2로 제작하였다.

비교예 1: 중공사막 모듈의 제조

중공사막 모듈의 제2 고정부의 지그핀의 배치를 도 2와 같이 구성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 형태의 가압식 중공사막 모듈을 제조하였다.

시험예 : 중공사막 모듈의 성능평가

가압식 중공사막 모듈 1개와 역세수라인, 지그핀기라인, 배출수라인을 연결하여 가압식 분리막 모듈 장치를 구성하였다. 상기 가압식 분리막 모듈을 통해 유입되는 역세수량 및 지그핀 기량은 전동밸브와 펌프를 통하여 조절하였다. 실시예 1 및 비교예 1의 중공사막 모듈에 대해 운전플럭스와 역세시간을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

	전체 하부면적에서 핀 면적		하부중심에서 1/2면적내
	mm2	%	mm2	하부면적대비%
비교예 1	3456	12%	804	36%
실시예 1	1257	4%	1257	100%

	모듈 성능
	운전플럭스(LMH)	역세시간(sec)
비교예 1	80	60
실시예 1	80	50

상기 표 1의 결과를 통해서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 의하면 에어 유입이 모듈의 중심에서 외측으로 흘러 역세 효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예에 대하여 구체적으로 설명하였으나, 이는 단지 예시를 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10: 모듈 케이스
110: 지그핀

Claims (7)

1. 원수 유입구 및 여과수 배출구를 갖는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내에 위치하는 복합 중공사막 다발; 상기 복합 중공사막 다발의 일단이 포팅되어 있으며 상기 모듈 케이스 내면에 접착 고정되어 있는 제1 고정부; 및 상기 복합 중공사막 다발의 타단이 포팅되어 있으며 상기 모듈 케이스 내면에 접착 고정되어 있는 제2 고정부를 포함하되,
   상기 제2 고정부에는 다수 개의 지그핀이 형성되고, 이러한 다수 개의 지그핀은 상기 모듈 케이스 단면적의 1/2 면적 이내의 중공사막 모듈의 중심부에 형성되고, 상기 한 개의 지그핀의 단면적은 제2 고정부 단면적의 8 내지 16% 범위 내인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다수 개의 지그핀들의 홀 면적의 합은 상기 제2 고정부의 단면적의 5 내지 30%인 것을 특징으로 하는 가압식 중공사막 모듈.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 지그핀들은 복수의 열로 형성되며, 제1 지그핀은 제1 사각형을 따라서 형성되고, 제2 지그핀은 제2 사각형을 따라서 형성되고, 제1 사각형과 제2 사각형은 동일한 중심을 갖는 것을 특징으로 하는 가압식 중공사막 모듈.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 지그핀들은 복수의 열로 형성되며, 제1 지그핀은 제1 원을 따라서 형성되고, 제2 지그핀은 제2 원을 따라서 형성되고, 제1 사각형과 제2 사각형은 동일한 중심을 갖는 것을 특징으로 하는 가압식 중공사막 모듈.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 지그핀은 원형, 타원형, 또는 다각형 형상인 것을 특징으로 하는 가압식 중공사막 모듈.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 지그핀의 홀 직경은 5 내지 30 mm인 것을 특징으로 하는 가압식 중공사막 모듈.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 가압식 중공사막 모듈; 여과 처리되어야 할 원수를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 원수 공급 수단; 및 상기 중공사막의 세정을 위한 공기를 상기 중공사막 모듈에 공급하기 위한 공기 공급 수단을 포함하는 것을 정수처리장치.

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