KR20180114820A - 파울링이 저감된 중공사막 모듈, 제조방법 및 그 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파울링이 저감된 중공사막 모듈, 제조방법 및 그 용도에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 중공사막 모듈 내부에 그 표면에 구멍이 뚫린 관을 삽입하는 단계를 포함하는 파울링이 저감된 중공사막 모듈의 제조방법, 상기 방법으로 제조된 파울링이 저감된 중공사막 모듈 및 그 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따른 파울링이 저감된 중공사막 모듈의 제조방법은 흐르는 유체가 국부적인 압력변화를 겪을 때 미세한 크기의 공기방울이 형성되었다가 터지는 현상을 이용하여, 공기방울이 터질 때 발생하는 전단응력 (shear stress)과 강한 난류 (turbulence)가 파울링을 억제하며, 여과 장비의 운전을 멈추지 않고도 운전과 동시에 파울링을 저감하기 때문에 여과수의 유속 (permeate flux)을 지속적으로 높게 유지할 수 있을 뿐 아니라, 기존 중공사막 여과 방식으로는 처리하기 어려웠던 고농도의 원수도 여과할 수 있는 중공사막 모듈을 제조할 수 있다.

Description

파울링이 저감된 중공사막 모듈, 제조방법 및 그 용도{Antifouling Hollow fiber membrane module, Method for preparing the same and Uses thereof}

본 발명은 파울링이 저감된 중공사막 모듈, 제조방법 및 그 용도에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 중공사막 모듈 내부에 그 표면에 구멍이 뚫린 관을 삽입하는 단계를 포함하는 파울링이 저감된 중공사막 모듈의 제조방법, 상기 방법으로 제조된 파울링이 저감된 중공사막 모듈 및 그 용도에 관한 것이다.

고분자 분리막은 최근 들어 그 기술의 진보와 함께 다양한 분야로의 확대가 이루어지고 있으며 특히 환경의 중요성이 대두되면서 수처리 분야에서 그 수요가 증가되고 있다. 중공사막 모듈은 표면에 무수히 많은 작은 기공이 뚫려 있고 가운데 공간이 비어있는 가는 섬유인 중공사(hollow fiber)를 분리막으로 이용하는 여과 처리 장치로서, 여러 가지 물질이 혼합되어 있는 다성분 액체로부터 기공 크기보다 큰 물질을 배제하고, 기공 크기보다 작은 특정 물질만을 선택적으로 통과시켜 효과적으로 회수하는 장치이다. 이와 같은 중공사막 모듈은 무균수, 음용수 제조 등의 한외여과나 혈액 투석등의 정밀여과분야 및 하수처리장에서의 2차, 3차 처리나, 정화조에 있어서의 고액 분리 등에서 널리 이용되고 있다.

중공사막 여과장치를 장시간 운전하면 내부의 중공사 분리막이 오염되는데, 이러한 분리막 오염 현상은 반응조 내 활성슬러지 및 기타 분리막 오염 물질들이 막표면이나 공극 내에 축적되어 유효 막표면적을 저감시키고, 이로 인해 처리수의 수량이 감소하거나 분리막의 차압을 상승시키는 문제를 야기한다. 이러한 막오염은 피할 수 없는 부분으로 최근 막 표면 및 내부오염으로 인해 성능이 저하되는 것을 방지하기 위해 오염을 저감시킬 수 있는 기술에 관한 연구가 많이 진행되어왔다.

대표적으로 역세공정을 통하여 여과수를 막내부로 주입하는 방법이 있으며, 이 때 모듈하부에서 폭기를 통해 막을 흔들어줌으로써 오염물질을 막 표면으로부터 탈리시킨다. 하지만 시간이 지날수록 막 표면에 케이크(cake) 층이 형성되어 역세척 효율이 점차 감소하게 된다. 또한 막오염 물질은 흡착능력이 강해서 막표면에서 쉽게 제거되지 않는다. 특히 분리막의 기공사이즈와 비슷한 크기의 오염물질은 기공을 막기 때문에 역세공정만으로는 쉽게 제거되지 않는다. 따라서, 분리막을 운영하는 정수장에서는 여과 시 연속공기폭기, 공기주입량 증대의 방법 등을 통해 막 표면의 오염물질을 제거하려고 노력하고 있지만, 이들은 전력을 과량 소모한다는 단점이 존재한다. 이에 의해 분리막 공정의 운영 및 유지 시 경제적인 손실이 큰 실정이다(10-2012-0110801).

또한, 막에 진동하는 모듈 (vibrator)을 부착하여 막을 물리적으로 진동시키는 방법, 초음파발생기 (sonicator)를 이용하여 유체에 진동을 만드는 방법 등이 시도된 바 있다. 이들은 구현하기 위해 여과 장비 이외에 부가적인 장치를 설치해야 하는 단점이 있다(10-2013-0143193).

상기와 같은 연구 흐름에 따라 본 발명자들도 보다 효과적으로 파울링이 저감된 중공사막 모듈을 개발하기 위하여 연구를 계속하던 중, 중공사막 내부에 표면에 미세한 구멍이 뚫린 관을 삽입할 경우, 관을 통해 흐르는 원수가 오리피스 표면의 미세한 구멍을 통해 난류 제트(turbulent jet) 상태로 분사되어, 조건에 따라서는 수력학적 공동현상까지도 동반하게 되고, 이로 인해, 충격파, 전단응력 및 난류가 발생하여 파울링을 제거한다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

본 배경기술 부분에 기재된 상기 정보는 오직 본 발명의 배경에 대한 이해를 향상시키기 위한 것이며, 이에 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 있어 이미 알려진 선행기술을 형성하는 정보를 포함하지 않을 수 있다.

본 발명의 목적은 파울링이 저감된 중공사막 모듈 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중공사막 모듈 내부에 그 표면에 30도 내지 60도 각도로 구멍이 뚫린 관을 삽입하는 단계를 포함하는 파울링이 저감된 중공사막 모듈의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 그 표면에 30도 내지 60도 각도로 구멍이 뚫린 관이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 파울링이 저감된 중공사막 모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 파울링이 저감된 중공사막 모듈의 제조방법은 원수를 막 표면에 직분사하여 발생하는 전단응력 (shear stress)과 강한 난류 (turbulence)가 파울링을 억제하며, 여과 장비의 운전을 멈추지 않고도 운전과 동시에 파울링을 저감하기 때문에 여과수의 유속 (permeate flux)을 지속적으로 높게 유지할 수 있을 뿐 아니라, 기존 중공사막 여과 방식으로는 처리하기 어려웠던 고농도의 원수도 여과할 수 있는 중공사막 모듈을 제조할 수 있다.

또한, 상기 제조방법으로 제조된 중공사막 모듈은 획기적으로 감소된 파울링 효과 때문에, 중공사막 모듈이 적용될 수 있는 다양한 분야, 예를 들어, 기체/기체 분리 작업(혼합가스 분리, 순화, 유해가스 제거, 탈취 및 용제가스 회수), 기체/액체 분리 작업(탈기, 흡기, 유해가스 제거, 탈취 및 인공(혈액가스교환정화), 액체/고체 분리 작업(액체 필터(정수, 하수) 및 생물이용정화) 및 액체/액체 분리 작업(초순수, 인공투석(혈액정화)) 등에 이용할 수 있어 유용하다.

도 1의 (A)는 구멍이 뚫린 관을 통해 원수(feed)를 난류 제트로 분사하여 막 표면에 닿는 모습을 나타낸 개념도이고, (B)는 오리피스의 표면 구멍을 통해 난류 제트로 분사되는 원수를 관찰한 결과이다...
도 2는 미세조류를 원수로 여과를 진행했을 때 정상상태에서의 여과 유량 비교 (대조군: Control-1, 실험군1: HC 40, 실험군2: HC 80)한 결과이다.
도 3은 여과-역세정 (40분-3분) 운영을 3 주기로 반복한 후의 초기 여과 유량 회복율 비교한 결과이다.
도 4는 각도별 세척 면적을 나타낸 개념도이다.
도 5는 실제 표면에 뚫린 구멍의 각도에 따른 세척 면적을 촬영한 결과이다.
도 6은 중공사막 모듈에서 표면에 뚫리는 각도별 실험 결과를 측정한 그래프이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명에서는 중공사막 모듈에 추가적인 설비(펌프나 진동발생장치 등)의 구성없이 파울링을 저감할 수 있는지 확인하고자 하였다.

본 발명에서는 중공사막 내부에 그 표면에 미세한 구멍이 뚫린 관을 삽입하여 중공사막 모듈을 제조하였다(도 1). 그 결과, 수력학적 공동현상에 의해 중공사막의 파울링이 저감되는 것을 확인하였다.

즉, 본 발명의 일 실시예에서는, PVDF 재질 0.2 um의 기공 크기를 가지는 microfiltration (MF) 막으로 모듈 내 막 충전율(packing density)은 0.3 (30%) 인 중공사막 모듈(길이: 0.37m, 지름: 2인치) 내부에, 전체 길이 20cm, 구멍은 지름 0.3 mm으로 총 40개 또는 80개가 뚫린 관을 삽입한, 중공사막 모듈을 제조한 다음, 오픈 폰드에서 배양된 미세조류 농도 (0.5 g/L) 기준으로 정상상태 (Steady-state)에서의 여과수 유량을 관찰하여, 대조군 대비, 실험군의 유량이 획기적으로 증가하는 것을 확인하였다.

즉, 대조군과 실험군 1(40개 구멍)은 운전 시 3.5 L/min으로 원수를 넣어주었으며, 막 표면에서의 선속도는 0.02 m/s로 유지하였다. 40개의 구멍이 뚫린 관을 적용한 실험군 1의 경우, 미세기공을 통해 원수가 토출될 때의 유체 속력은 20 m/s 인 것을 확인하였고, 이 때 수력학적 공동현상이 일어났는지를 판단하는 caviation number를 계산해보면 0.5로, 1 이하의 값을 가지며 이를 통해 공동현상이 일어난 것을 확인하였다. 80개의 구멍이 뚫린 관을 적용한 실험군 2의 경우, 운전 시 7 L/min으로 원수의 유량을 두 배 늘려 넣어주었으며 막 표면에서의 선속도는 0.04 m/s 였다. 원수가 미세기공을 통해 막 표면으로 토출될 때의 유체 속력은 똑같이 20 m/s 로, 실험군이 대조군에 비해 유량이 획기적으로 증가한 것을 확인할 수 있었다(도 2).

또한 본 발명의 다른 실시예에서는 난류제트를 이용한 파울링 저감은 (1) 막 표면에서의 유체속도, (2) 유효 면적(covering area, effiective area under the influence of the jet)에 의해 결정되고, 난류 제트의 분사각도가 직각(90°)에서 0°에 가까워질수록 유효 면적이 넓어질 것으로 예상할 수 있지만, 유체가 막 표면까지 닿기 위해 가야 하는 거리가 길어지기 때문에 유체의 속도는 줄어들게 되는데, 파울링 저감이 유체 속도와 유효면적에 대한 함수로 결정이 되므로, 무엇이 더 유효하게 영향을 줄지 실험한 결과, 특정 각도에서 직각으로 분사된 난류제트 보다 효과적으로 파울링을 저감할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다(도 4 내지 도 6).

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 중공사막 모듈 내부에 그 표면에 30도 내지 60도 각도로 구멍이 뚫린 관을 삽입하는 단계를 포함하는 파울링이 저감된 중공사막 모듈의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 용어 “난류 제트(Turbulent jet)”는 한 유체가 다른 유체로 침투하는 형태의 흐름을 의미하며, 막 모듈 안은 원수(Feed)가 이미 꽉 차서 흐르고 있는 와중에, 오리피스 구멍을 통해서 원수가 난류 제트로 분사되는 것을 의미한다. 막 표면에 유체를 직분사하기 때문에 그 자체만으로도 이미 강한 전단응력을 일으켜 막 표면에서 파울링을 저감하는 효과를 나타내게 된다.

본 발명에서 용어 “수력학적 공동현상”은 흐르는 유체가 국부적인 압력변화를 겪을 때 미세한 크기의 공기방울이 형성되었다가 터지는 현상으로, 공기방울이 터질 때, 전단응력 (shear stress)과 강한 난류 (turbulence)가 발생하는 것을 의미한다.

본 발명의 도 1에 개시된 바와 같이, 본 발명에서는 원통 형태의 막 모듈 내에 직경이 작고 표면에 여러 개의 미세한 구멍이 뚫린 원통 형태의 관 하나가 더 들어가 ‘원통 안의 원통’ (cylinder in cylinder) 구조를 이루고 있다. 원수는 이 미세한 구멍들을 통해 매우 빠른 유속으로 막 표면에 골고루 분사된다. 국부적으로 빠르고 강한 유체 흐름을 만들어 막 표면에서 난류가 형성된다. 유체 내에서 다른 흐름과 섞이는 새로운 흐름을 난류 제트 (turbulent jet) 라고 하는데, 난류 제트는 분사되면서 수력학적 공동현상을 동반하게 된다. 이 때문에, 제트가 표면에 직분사되며 만들어내는 전단응력에 더하여 수력학적 공동현상에서 발생되는 충격파 (shock wave), 전단응력 및 난류가 파울링을 털어낸다.

본 발명에 따르면, 난류 제트를 형성하기 위하여, 압력을 가해 관 표면의 구멍을 통해 유체를 빠르게 분사하면, 수력학적 공동현상이 수반되게 된다. 수력학적 공동현상이 발생하지 않더라도, 난류 제트에 의해 파울링을 저감시킬 수 있으나, 수력학적 공동현상이 수반되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 수력학적 공동현상을 판단하는 기준은 기존에 알려진 방법이는 아무 방법이나 사용가능하나, 바람직하게는 하기 식 1에 의해 판단할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

수식 1:

여기서 CN은 캐비테이션 수(cavitation number)를 의미하고, ΔPsms 오리피스 안쪽과 바깥쪽의 압력 차이(trans-orifice pressure(Pa or Kg/m/s²)을 의미하며, ρ는 원수의 밀도(kg/m³, 1000 for water at 20℃)를 의미하고, v는 오리피스를 통해 분사되는 원수의 속도(m/s)를 의미한다.

본 발명에 있어서, 수력학적 공동현상은 상기 캐비테이션 수가 2.5 이하 일 때 발생하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 값이 낮을수록 수력학적 공동현상이 활발하게 일어난다는 것은 당업자에게 자명한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 수력학적 공동현상을 활발하게 일으키기 위해서는 캐비테이션 수를 감소시키는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 ΔP는 감소시키고, v는 증가시키는 것이 가장 바람직하며, 만일 이가 불가능할 경우, ΔP와 v를 모두 증가시킬 경우, 분모 항이 제곱으로 증가하여, 캐비테이션 수를 감소 시킬 수 있다.

본 발명에서, ΔP와 v는 원수가 들어가는 관의 직경 대비 오리피스 표면에 뚫린 구멍의 합 (오프닝 비율, Opening ratio)에 반비례한다. 즉, 오프닝 비율이 작을수록 압력차는 커지고, 유체의 분사속력도 증가하는 것이며, 오프닝 비율이 작아질수록 분자와 분모 두 항이 동시에 커지기는 하지만, 분모 항이 제곱승으로 증가하기 때문에 전반적으로 캐비테이션 수가 감소되어, 수력학적 공동현상을 수반할 수 있다.

기존 상용화된 모듈에서는 원수가 흐를 때 층류 (laminar flow)로 느리게 흐르기 때문에 유체에 의한 직·간접적인 파울링 저감을 기대할 수 없다. 파울링 저감을 위한 종래의 다른 기술에서는 추가적인 설비(펌프나 진동발생장치 등)를 구성해야만 사용할 수 있다. 반면 본 발명은 관을 하나 더하는 것만으로 구현하기 때문에 설비가 간단하고 운영시 필요한 추가적인 전력소모가 적으며, 유지 및 보수비용도 거의 들지 않는 장점이 있는 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 관의 길이는 중공사막 모듈의 길이 대비 0.001~1배인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 관이 중공사막 모듈 길이의 0.001배일 경우에는 관은 판형으로 변경되나, 이때에도 중공사막 모듈의 길이가 충분히 짧을 경우, 원수 주입 시 발생하는 수력학적 공동현상에 의해 파울링을 저감할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

본 발명에 있어서, 상기 관은 오프닝 비율 값이 0.0001 내지 0.9인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서 용어 “오프닝 비율(opening ratio)”은 관에서 원수가 주입되는 직경 대비 관 표면에 뚫린 구멍의 합의 비율을 의미한다. 오프닝 비율 값이 작을수록 관 밖과 안의 압력차는 커지고, 표면에 뚫린 구멍에서 방출되는 원수의 속도는 증가하게 되므로, 캐비테이션 수가 증가하여 수력학적 공동현상을 수반하게 되어, 더 높은 효율로 파울링을 저감할 수 있다. 오프닝 비율 값이 0.9 이상일 경우에는 수력학적 공동현상이 수반되지 않아, 파울링 저감 효과가 떨어지게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 파울링 저감은 관에 뚫린 구멍을 통해 원수가 중공사막 표면으로 난류 제트로 분사되어, 중공사막 표면에 전단응력을 발생하여 나타나는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 파울링 저감은 중공사막 표면에 추가적으로 수력학적 공동현상을 일으키고, 이에 따른 충격파, 전단응력 및 난류로 인해 발생하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 추가적으로 발생하는 수력학적 공동현상은 관의 구멍에서 분사되는 난류 제트의 유속이 증가할 경우, 발생하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서, 상기 파울링 저감은 중공사막 표면과 관 사이의 거리가 가까울수록, 전단응력 및 수력학적 공동현상에 의해 수반되는 효과가 증가하여 효율이 높아지게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 관은 하나 이상 삽입되는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 각도는 표면에 구멍이 뚫린 관에서 난류가 분사되는 구멍의 각도를 의미하며, 0도 내지 90도 내의 어느 각도이든 상관없으나, 바람직하게는 30도 내지 60도이고, 가장 바람직하게는 45도 인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 PVDF 재질 0.2 um의 기공 크기를 가지는 microfiltration (MF) 막으로 모듈 내 막 충전율(packing density)은 0.3 (30%) 인 중공사막 모듈(길이: 0.37m, 지름: 2인치) 내부에, 전체 길이 20cm, 구멍은 지름 0.3 mm으로 총 40개 또는 80개가 뚫린 관을 삽입한, 중공사막 모듈을 제조한 다음, 오픈 폰드에서 배양된 미세조류 농도 (0.5 g/L) 기준으로 정상상태 (Steady-state)에서의 여과수 유량을 관찰하되, 장기 운전에 얼마나 유리한지를 40분 운전 후, 역세정을 실시한 다음 유량을 측정하여 확인하였다.

즉, 실험군(80개 구멍 함유 오리피스)과 대조군 모두 원수의 유량을 4.6 L/min으로 넣어주었으며, 막 표면에서의 선속도는 0.4 m/s 로 설정하였다. 막 표면으로 원수를 토출하는 유체 속력은 14 m/s 였다. 대조군의 경우 역세정을 후 여과를 다시 시작할 때마다 초기 여과 유량이 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 이는 역세정을 통해서도 파울링이 충분히 제거되지 않았기 때문이다. 반면 실험군의 경우 역세정을 하고 나면 가장 초기의 여과 유량을 회복하는 것을 확인할 수 있었다(도 3).

따라서, 본 발명은 다른 관점에서, 그 표면에 30도 내지 60도 각도로 구멍이 뚫린 관이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 파울링이 저감된 중공사막 모듈에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 관의 길이는 중공사막 모듈의 길이 대비 0.001~1배인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 관이 중공사막 모듈의 길의 0.001배일 경우에는 관이 판형으로 변경되나, 이때에도 중공사막 모듈의 길이가 충분히 짧을 경우, 원수 주입 시 발생하는 수력학적 공동현상에 의해 파울링을 저감할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

본 발명에 있어서, 상기 관은 오프닝 비율 값이 0.0001 내지 0.9인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서 용어 “오프닝 비율(opening ratio)”은 관에서 원수가 주입되는 직경 대비 관 표면에 뚫린 구멍의 합의 비율을 의미한다. 오프닝 비율 값이 작을수록 관 밖과 안의 압력차는 커지고, 표면에 뚫린 구멍에서 방출되는 원수의 속도는 증가하게 되므로, 캐비테이션 수가 증가하여 수력학적 공동현상을 수반하게 되어, 더 높은 효율로 파울링을 저감할 수 있다. 오프닝 비율 값이 0.9 이상일 경우에는 수력학적 공동현상이 수반되지 않아, 파울링 저감 효과가 떨어지게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 파울링 저감은 관에 뚫린 구멍을 통해 원수가 중공사막 표면으로 난류 제트로 분사되어, 중공사막 표면에 전단응력을 발생하여 나타나는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 파울링 저감은 중공사막 표면에 추가적으로 수력학적 공동현상을 일으키고, 이에 따른 충격파, 전단응력 및 난류로 인해 발생하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 추가적으로 발생하는 수력학적 공동현상은 관의 구멍에서 분사되는 난류 제트의 유속이 증가할 경우, 발생하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서, 상기 파울링 저감은 중공사막 표면과 관 사이의 거리가 가까울수록, 전단응력 및 수력학적 공동현상에 의해 수반되는 효과가 증가하여 효율이 높아지게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 관은 하나 이상 삽입되는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 각도는 표면에 구멍이 뚫린 관에서 난류가 분사되는 구멍의 각도를 의미하며, 0도 내지 90도 내의 어느 각도이든 상관없으나, 바람직하게는 30도 내지 60도이고, 가장 바람직하게는 45도 인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 또한, 파울링이 저감된 중공사막 모듈의 용도에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 중공사막 모듈은 중공사막을 활용한 혼합물의 분리작업에는 모두 이용될 수 있으며, 이에 한정되지 않으나, 기체/기체 분리 작업(혼합가스 분리, 순화, 유해가스 제거, 탈취 및 용제가스 회수), 기체/액체 분리 작업(탈기, 흡기, 유해가스 제거, 탈취 및 인공(혈액가스교환정화), 액체/고체 분리 작업(액체 필터(정수, 하수) 및 생물이용정화) 및 액체/액체 분리 작업(초순수, 인공투석(혈액정화)) 등에 이용되는 것을 특징으로 할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 중공사막 모듈에서 중공사막의 재질이 폴리에틸렌일 경우, 본 발명의 중공사막 모듈은 입자 지름 0.03~10μm, 공공율 50-70%가 주체인 정밀 여과 필터로서 수돗물 정화, 고농도 배수의 고액분리 용도로 이용될 수 있다.

본 발명의 중공사막 모듈에서 중공사막의 재질이 삼초산 셀룰로오스일 경우, 본 발명의 중공사막 모듈은 고압/고플럭스 사양의 탈염분에 유용하여, 해수 담수화에 이용될 수 있다.

본 발명의 중공사막 모듈에서 중공사막의 재질이 초산셀룰로오스일 경우, 본 발명의 중공사막 모듈은 친수성이 높고, 단백질 흡착이 작은 특징을 지니게 되어, 수처리 등에 이용될 수 있다.

본 발명의 중공사막 모듈에서 중공사막의 재질이 셀룰로오스, 폴리아크릴로니트릴, 프롤리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐알콜 공중합체, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에스테르계 폴리머 아로이 및 방향족 폴리아미드로 구성된 군에서 선택될 경우, 본 발명의 중공사막 모듈은 혈액 투석에 이용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1. 파울링 저감 중공사막 모듈 제작

PVDF 재질 0.2 um의 기공 크기를 가지는 microfiltration (MF) 막으로 모듈 내 막 충전율(packing density)은 0.3 (30%) 인 중공사막 모듈(길이: 0.37m, 지름: 2인치) 내부에, 전체 길이 20cm, 구멍은 지름 0.3 mm으로 총 40개 또는 80개가 뚫린 관을 삽입한, 중공사막 모듈을 제작하였다.

실시예 2. 파울링 저감 중공사막 모듈의 여과수 유량 향상 효과 학인

실시예 1에서 제작한 중공사막 모듈을 실험군 1(40개 구멍), 실험군 2(80개 구멍) 및 대조군(오리피스 없음)으로 구분하여, 오픈 폰드에서 배양한 미세조류 농도(0.5g/L)의 여과성능을 확인하였다.

대조군과 실험군1은 운전 시 3.5 L/min으로 원수를 넣어주었으며, 막 표면에서의 선속도는 0.02 m/s로 유지하였다. 40개의 구멍이 뚫린 관을 적용한 실험군 1의 경우 미세기공을 통해 원수가 토출될 때의 유체 속력은 20 m/s 였다. 이 때 수력학적 공동현상이 일어났는지를 판단하는 caviation number를 계산해보면 0.5로, 1 이하의 값을 가지며 이를 통해 공동현상이 일어나는 것을 확인하였으며, 80개의 구멍이 뚫린 관을 적용한 실험군 2의 경우, 운전 시 7 L/min으로 원수의 유량을 두 배 늘려 넣어주었으며 막 표면에서의 선속도는 0.04 m/s 였다. 원수가 미세기공을 통해 막 표면으로 토출될 때의 유체 속력은 똑같이 20 m/s 인 것을 확인하였다.

도 2에 개시된 바와 같이, 대조군의 여과수 유량 변화율은 30분 후 36 LMH (유량을 나타내는 단위로, 1 제곱미터의 막에서 시간당 뽑아낼 수 있는 여과수의 양)까지 떨어지는 반면, 실험군의 경우 64 LMH인 것을 확인하였다. 펌프가 원수를 밀어주는 유량은 동일한데, 실험군에서는 오리피스를 거치면서 난류를 형성한 원수가 막 표면에 파울링이 생기는 것을 늦춘 것이다. 1L의 여과수를 만들어내기 위해 들어간 전력을 비교하면 대조군의 경우 9.4 Wh/L이고, 실험군은 6.2 Wh/L로, 약 30%정도 전력 저감 효과가 있는 것을 확인하였다.

한편, 실험군 2의 경우 실험군 1에 비해 관 표면에 미세기공이 두 배 많았기 때문에 제트 속도를 똑같이 20 m/s로 유지하기 위해 원수 유량을 두 배로 늘렸다. 이에 전력 소모는 대조군과 비슷하게 9.2 Wh/L 정도였으나, 여과유량이 2.5배 증가하여 같은 양의 미세조류를 여과하기 위해 여과장비를 운전해야 하는 시간이 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다.

실시예 3. 파울링 저감 중공사막 모듈의 장기운전 시 성능 확인

실시예 1에서 제작한 80개 구멍의 오리피스를 포함하는 중공사막 모듈을 실험군으로 하고, 대조군(오리피스 없음)을 설정한 다음, 장기운전 시 성능을 오픈 폰드에서 배양한 미세조류 농도(0.5g/L)의 여과능을 40분 운전, 역세정, 3회 반복 사이클을 통해 확인하였다.

실험군과 대조군 모두 원수의 유량을 4.6 L/min으로 넣어주었으며, 막 표면에서의 선속도는 0.4 m/s 였다. 실험군에서 막 표면으로 원수를 토출하는 유체 속력은 14 m/s 인 것을 확인하였다.

도 3에 개시된 바와 같이, 대조군의 경우 역세정을 후 여과를 다시 시작할 때마다 초기 여과 유량이 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 이는 역세정을 통해서도 파울링이 충분히 제거되지 않았기 때문이다. 반면 실험군의 경우 역세정을 하고 나면 가장 초기의 여과 유량을 회복하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 애초에 파울링이 많이 쌓이지 않아 같은 시간 동안 역세정을 진행하였을 때 충분히 파울링을 제거한 것으로 볼 수 있다. 그래프 내에 있는 숫자는 해당 주기 내에서의 평균 여과 유량을 나타낸 것으로, 대조군에서는 첫 주기에 55 LMH였던 평균유량이 46 LMH까지 감소했으나, 실험군에서는 평균 여과유량이 73 LMH로 안정적으로 유지되는 것을 확인하였으며, 이를 통해 장기적인 막 관리에서도 실험군이 유리한 것을 확인하였다.

실시예 4. 분사각도별 파울링 제거 효과 확인

막 표면을 골고루 덮은 파울링을 제트가 얼마나 제거할 수 있는지 확인하기 위해, 먼저, 0.5g/L의 미세조류 500mL를 0.022 m²의 막 면적을 가지는 평막에 dead-end 방식으로 음압 (0.9 bar)을 걸어 여과하였으며, 그 결과 고형분이 적층되어 균일한 두께의 파울링을 발생시켰다. 파울링에 노즐로 증류수를 분사하여 파울링을 얼마나 제거하는지 관찰하였다. 구멍이 하나 뚫린 노즐을 사용하였고, 구멍의 직경은 0.3 mm, 구멍과 막 표면까지의 직선거리는 1cm, 유체의 토출속력은 41 m/s로 고정하였다. 따라서 오직 각도만이 파울링을 제거하는 데 영향을 주는 변수였다.

직각으로 분사하는 케이스를 대조군으로 잡아 점차 각도를 줄여 30°까지 실험하였다. 각도가 30° 이하일 경우 유효면적이 대조군보다 더 작아지기 시작하므로 실험대상에서 제외하였다. 실험 결과 구멍의 각도가 45°일 때 대조군 대비 1.44배 넓은 면적에서 파울링을 제거할 수 있음을 확인하였다(도 5).

실시예 5. 분사각도에 따른 중공사막 모듈에서 파울링 저감 효과 확인

실시예 1에 개시된 방법으로 표면에 45도 각도로 구멍이 뚫린 관(개수는 실시예 1과 같음)을 삽입한 중공사막 모듈을 제작하였다. 실험 조건은 미세조류 농도 10g/L로, 중공사막으로 여과하기에는 매우 높은 농도이다. 운전 시 7 LPM으로 원수를 공급하고 막간 차압은 1 bar 로 유지하였다. 구멍이 없는 대조군은 30분 후 정상 상태에서 18 LMH로 비교적 낮은 여과수 처리속도를 보여주었다. 구멍 40개를 삽입관 표면에 90도로 뚫은 관(실시예 1에서 제작)을 삽입하고 운전하였을 때 정상상태에서의 여과수 유량은 40 LMH로, 약 2배 이상 증가하였다. 여기서 구멍 40개를 삽입관 표면에 45도 전방으로 뚫은 관을 삽입하고 운전하였을 때는 여과수 유량이 더욱 증가하여 58 LMH인 것을 확인하였다.

즉, 대조군과 비교하면 3배가량 증가된 셈이다. 같은 난류제트를 분사하더라도 그 난류제트가 막에 닿는 영역이 더욱 넓어지므로 효과가 증대된 것으로 분석할 수 있다(도 6).

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (10)

1. 중공사막 모듈 내부에 그 표면에 30도 내지 60도 각도로 구멍이 뚫린 관을 삽입하는 단계를 포함하는 파울링이 저감된 중공사막 모듈의 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 각도는 45도 인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈의 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 관의 오프닝 비율 값이 0.0001 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈의 제조 방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 파울링 저감은 관에 뚫린 구멍을 통해 원수가 중공사막 표면으로 난류 제트로 분사되어, 중공사막 표면에 전단응력을 발생하여 나타나는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈의 제조 방법.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 파울링 저감은 중공사막 표면에 추가적으로 수력학적 공동현상을 일으키고, 이에 따른 충격파, 전단응력 및 난류로 인해 발생하는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈의 제조 방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 관이 하나 이상인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈의 제조 방법.
   
7. 그 표면에 30도 내지 60도 각도로 구멍이 뚫린 관이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 파울링이 저감된 중공사막 모듈.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 각도는 45도 인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
   
9. 제7항에 있어서, 관의 오프닝 비율 값이 0.0001 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
   
10. 제7항에 있어서, 관이 하나 이상인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.

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