KR20180115711A - 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈 및 평막형 분리막 모듈의 운전 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 분리막의 투과측의 면이 서로 대향하도록 배치되고, 내측에 유로재가 설치되어 분리막쌍이 형성된 평막형 분리막 엘리먼트이며, 적어도 일방향에서의 굽힘 탄성률이 100 내지 1000MPa, 최대 굽힘 응력이 1 내지 15MPa를 만족하는 고탄성 영역의 면적이, 상기 분리막쌍의 여과 영역의 면적 중 10％ 이상인 평막형 분리막 엘리먼트에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 음료수 제조, 정수 처리, 폐수 처리 등의 수처리 분야, 식품 공업 분야에 적합한 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈 및 평막형 분리막 모듈의 운전 방법에 관한 것이다.
최근 몇년간 평막상이나 중공사막상의 분리막은, 수처리 분야 및 식품 공업 분야에 사용되게 되었다. 예를 들어, 분리막을 배치한 막 엘리먼트 및 이 막 엘리먼트를 복수 배치한 막 모듈이 수정화 처리 장치에 사용되고 있다. 분리막에는, 그의 구멍 직경이나 분리 기능의 관점에서, 정밀 여과막, 한외 여과막, 나노 여과막, 역침투막, 정침투막 등이 있다. 이들 막은, 예를 들어 해수, 한수 또는 유해물을 포함한 물 등으로의 음료수의 정제, 공업용 초순수의 제조, 배수 처리 및 유가물의 회수 등에 사용되고 있다. 상기한 막은, 목적으로 하는 분리 성분 및 분리 성능에 따라 구분지어 사용되어 있다.
막 분리 활성 오니법(MBR: Membrane Bioreactor)은, 활성 오니조에 분리막을 침지하고, 활성 오니와 처리수를 막으로 분리하는 처리 방법이다. MBR은, 공간 절약적이며, 양호한 수질이 얻어지기 때문에, 국내에서는 소규모의 시설을 중심으로, 새로운 시설이 많은 해외에서는 10만m3/d를 초과하는 대규모의 시설에 도입이 진행되고 있다.
막 분리 활성 오니법에서는, 분리막 모듈을 사용하여 여과를 계속하면, 막 표면에 피처리수 중에 포함되는 현탁 성분이 퇴적됨으로써 투과수량이 저하되기 때문에, 투과수량을 유지하기 위해서는 막간 차압을 높여갈 필요가 있다.
그 때문에, 분리막 모듈의 통상 운전시에는, 분리막 모듈 하방에 설치된 산기관으로부터 가압 공기를 보내고, 막 표면의 흐름을 어지럽힘으로써, 퇴적물을 박리시키고 있다.
그러나, 산기 블로어의 소비 에너지가 높다는 것이 막 분리 활성 오니법의 과제이며, 산기량을 적게 해도 막 표면을 세정할 수 있는 분리막 엘리먼트 및 분리막 모듈이 요구되고 있다.
종래의 평막형 분리막 엘리먼트는, 여과막의 지지재나 프레임은 강직한 경우가 많아， 산기관으로부터 기포를 산기시켜도 여과막의 진동은 거의 발생하지 않고, 막면에 부착된 현탁물을 박리시키는 작용은 산기 기포에 의해 막면에 발생하는 전단 응력만이 된다.
그래서, 특허문헌 1에는, 유로재로서 폴리에틸렌제의 네트를 사용함으로써 평막 엘리먼트 전체를 가요성으로 하고, 또한 전체 두께를 1 내지 6mm로 얇게 함으로써, 기포와의 접촉 등에 의해 평막 엘리먼트의 흔들림을 발생시킴으로써, 여과막 표면으로의 현탁물의 박리 촉진을 행하여, 산기량을 저감하는 방법이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 막 엘리먼트가 유연한 시트상이며, 표면에 에폭시 수지 등으로 복수의 볼록 형상체를 설치함으로써, 요동을 촉진하는 방법이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 막의 투과측의 면에 복수의 수지부를 구비하는 구성으로 함으로써, 분리막 엘리먼트의 두께를 저감함으로써 적당한 강성과 유연성을 부여한 분리막 엘리먼트가 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1 내지 3에 기재된 방법에 의해, 막 엘리먼트에 요동을 발생시킴으로써 여과막 표면의 현탁물의 박리 속도를 증가시킬 수는 있지만, 요동에 의한 막면 세정 효과는 불충분하며, 산기 에너지의 한층 더한 저감에는 요동 효과를 더욱 촉진시킬 필요가 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 막 엘리먼트의 두께를 저감하기 때문에 내구성의 저하가 염려되며, 장기간 운전을 행했을 때에 분리막 엘리먼트 및 분리막 표면이 고장나, 성능 저하가 발생할 가능성이 높아진다.
특허문헌 2에 기재된 방법에서는, 분리막 표면에 볼록 형상물을 형성하기 때문에, 유효한 막 면적이 저하되어버린다.
본 발명은, 막 분리 활성 오니법에서의 산기에 의한 소비 에너지를 저감하기 위해, 산기에 의한 평막형 분리막 엘리먼트의 요동성을 증가시킴과 함께, 내구성을 향상시키고, 요동성이 증가해도 장기간 안정적으로 운전하는 것이 가능한 평막형 분리막 엘리먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해, 이하에 설명하는 구성을 포함한다.
즉, 본 발명은 하기 <1> 내지 <22>에 관한 것이다.
<1> 분리막의 투과측의 면이 서로 대향하도록 배치되고, 내측에 유로재가 설치되어 분리막쌍이 형성된 평막형 분리막 엘리먼트이며, 적어도 일방향에서의 굽힘 탄성률이 100 내지 1000MPa, 최대 굽힘 응력이 1 내지 15MPa를 만족하는 고탄성 영역의 면적이, 상기 분리막쌍의 여과 영역의 면적 중 10％ 이상인, 평막형 분리막 엘리먼트.
<2> 상기 유로재의 적어도 일부가 복수의 수지부이며, 상기 수지부가 상기 분리막쌍의 투과측의 면의 양쪽에 고착된, <1>에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<3> 상기 고탄성 영역에서의 상기 수지부의 인장 탄성률이 50 내지 1000MPa인, <2>에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<4> 상기 고탄성 영역에서의 상기 수지부가 간격을 두고 배치되어 있는, <2> 또는 <3>에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<5> 상기 수지부의 긴 직경이 10mm 이상인, <2> 내지 <4> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<6> 상기 수지부의 짧은 직경이 1 내지 20mm인, <2> 내지 <5> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<7> 상기 고탄성 영역에서의 상기 수지부가 적어도 일방향에 있어서, 상기 고탄성 영역의 일단부에서 타단부까지 연속적으로 설치되어 있는, <2> 내지 <6> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<8> 상기 수지부의 상기 분리막쌍의 여과 영역에 대한 투영 면적비가 15 내지 80％인, <2> 내지 <7> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<9> 상기 고탄성 영역에서의 임의의 점을 통과하는 모든 직선 상에 적어도 상기 수지부의 일부가 존재하는, <2> 내지 <8> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<10> 상기 분리막이 직사각형이며, 상기 고탄성 영역의 임의의 점을 통과하는 상기 분리막쌍의 짧은 변 방향의 직선 상의 적어도 일부에 상기 수지부가 존재하는, <2> 내지 <9> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<11> 상기 분리막쌍의 한 변의 길이가 300 내지 2000mm인, <1> 내지 <10> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<12> 상기 분리막쌍의 긴 변 방향의 한 변의 길이를 L1, 굽힘 탄성률을 E1, 상기 분리막의 짧은 변 방향의 길이를 L2, 굽힘 탄성률을 E2라 하면, 0.75×E1×L2/L1≤E2≤1.25×E1×L2/L1을 만족하는, <1> 내지 <11> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<13> 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수가 상기 분리막의 순수 투과 계수의 0.02배 이상인, <1> 내지 <12> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트.
<14> 하우징 프레임 내에, 평막형 분리막 엘리먼트 복수매를 수평 방향으로 간극을 두고 상하 방향으로 평행하게 배열하고, 상기 평막형 분리막 엘리먼트는 주연부 중 어느 것에서 고정되고, 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 하중 0.1N을 가했을 때의 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량이 0.5 내지 3.0mm인, 엘리먼트 유닛.
<15> 하우징 프레임 내에, <1> 내지 <13> 중 어느 하나에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트 복수매를 수평 방향으로 간극을 두고 상하 방향으로 평행하게 배열하고, 상기 평막형 분리막 엘리먼트는 주연부 중 어느 것에서 고정되고, 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 하중 0.1N을 가했을 때의 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량이 0.5 내지 3.0mm인, 엘리먼트 유닛.
<16> 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간격이 2 내지 10mm로 설치되는, <14> 또는 <15>에 기재된 엘리먼트 유닛.
<17> 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 하중 0.1N을 가했을 때의 최대 휨량이, 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간격보다도 작은 것을 만족하는, <14> 내지 <16> 중 어느 하나에 기재된 엘리먼트 유닛.
<18> <14> 내지 <17> 중 어느 하나에 기재된 엘리먼트 유닛의 하방에 산기 수단을 구비하고 있는, 평막형 분리막 모듈.
<19> 상기 평막형 분리막 엘리먼트 중 적어도 2개소가 고정되어 이루어지는, <18>에 기재된 평막형 분리막 모듈.
<20> <18> 또는 <19>에 기재된 평막형 분리막 모듈을 사용하여, 상기 평막형 분리막 엘리먼트가 0.2 내지 0.5mN/m의 진동 에너지로 진동하도록 운전하는, 평막형 분리막 모듈의 운전 방법.
<21> 상기 산기 수단으로부터 산기되는 기포의 평균 상승 속도가 0.5 내지 6.0m/min인, <20>에 기재된 평막형 분리막 모듈의 운전 방법.
<22> 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간극을 통과하는 부피 0.5mm3 이상의 산기 기포의 구 부피 상당 직경을 B(mm), 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간격을 C(mm)라 하면, 운전 중에, 기포가 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간격을 통과할 때에 B/C>0.6을 만족하는 비율의 평균값이 50 내지 90％인, <20> 또는 <21>에 기재된 평막형 분리막 모듈의 운전 방법.
본 발명에 따르면, 막 분리 활성 오니법에서의 산기에 의한 소비 에너지를 저감하기 위해, 산기에 의한 평막형 분리막 엘리먼트의 요동성을 증가시킴과 함께, 내구성을 향상시키고, 요동성이 증가해도 장기간 안정적으로 운전하는 것이 가능한 평막형 분리막 엘리먼트를 제공할 수 있다.
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)는 평막형 분리막 엘리먼트의 두께 중심으로 막 표면과 평행하게 절단했을 때의 단면도이고, 도 1의 (b)는 평막형 분리막 엘리먼트를 두께 방향으로 절단했을 때의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 집수 노즐의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 관통 구멍의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 평막형 분리막 모듈을 구성하는 엘리먼트 유닛의 실시 형태의 일례를 모식적으로 도시하는 정면도이다.
도 12는, 본 발명의 평막형 분리막 모듈을 구성하는 엘리먼트 유닛의 실시 형태의 일례를 모식적으로 도시하는 정면도이다.
도 13는, 본 발명의 평막형 분리막 모듈을 구성하는 엘리먼트 유닛의 실시 형태의 일례를 모식적으로 도시하는 정면도이다.
도 14는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트를 포함하는 막 모듈을 사용한 수처리 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (a)에 상당하는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 집수 노즐의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트의 관통 구멍의 실시 형태의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 평막형 분리막 모듈을 구성하는 엘리먼트 유닛의 실시 형태의 일례를 모식적으로 도시하는 정면도이다.
도 12는, 본 발명의 평막형 분리막 모듈을 구성하는 엘리먼트 유닛의 실시 형태의 일례를 모식적으로 도시하는 정면도이다.
도 13는, 본 발명의 평막형 분리막 모듈을 구성하는 엘리먼트 유닛의 실시 형태의 일례를 모식적으로 도시하는 정면도이다.
도 14는, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트를 포함하는 막 모듈을 사용한 수처리 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
1. 분리막
본 발명에 있어서, 분리막은 평막상의 분리막이며, 바람직하게는 부직포 베이스의 기재 상에 분리 기능층을 형성한 것이다.
<기재>
분리 기능층과 기재로 형성된 분리막에 있어서, 기재는 분리 기능층을 지지하여 분리막에 강도를 부여하는 기능을 갖는다.
기재로서는, 강도 및 유로재 형성능 및 유체 투과성의 면에서 섬유상 기재를 사용하는 것이 바람직하다. 기재로서는, 장섬유 부직포 및 단섬유 부직포를 모두 바람직하게 사용할 수 있다.
특히, 장섬유 부직포는 우수한 제막성을 갖기 때문에, 고분자 중합체의 용액을 유연했을 때에 그의 용액이 과침투에 의해 이면이 배어나는 것, 분리 기능층이 박리되는 것, 나아가 기재의 보풀일기 등에 의해 막이 불균일화되는 것, 및 핀 홀 등의 결점이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 기재가 열가소성 연속 필라멘트로부터 구성되는 장섬유 부직포를 포함함으로써, 단섬유 부직포에 비해 고분자 용액 유연시에 섬유의 보풀일기에 의해 일어나는 막의 불균일화 및 막 결점의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 분리막은, 연속 제막될 때에 제막 방향에 대하여 장력이 가해지기 때문에, 치수 안정성이 우수한 장섬유 부직포를 기재로서 사용하는 것이 바람직하다.
기재를 구성하는 재질로서는 유기 물질, 무기 물질 등을 들 수 있으며, 특별히 한정되지 않지만, 경량화하기 쉽다는 점에서 유기 물질이 바람직하다. 유기 물질로서는, 셀룰로오스 섬유, 셀룰로오스트리아세테이트 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌섬유, 폴리에틸렌 섬유 등을 들 수 있다.
부직포는, 밀용착부와 조용착부와 비용착부를 갖는 것이 바람직하다. 부직포가 밀용착부와 조용착부와 비용착부를 가짐으로써, 부직포의 섬유간의 표면 개공부에 유로재로서의 수지부가 함침되어 접착력이 향상된다.
부직포의 밀용착률은 5 내지 50％인 것이 바람직하다. 부직포의 밀용착률을5 내지 50％로 함으로써, 부직포의 섬유간의 표면 개공부가 수지의 고정에 적합한양이 되고, 또한 부직포의 보형성도 높아져 반송시에도 부직포의 형상이 무너지기 어려워진다.
밀용착률이란, 부직포의 면적에 대한 밀용착부가 차지하는 면적의 비율이다.
밀용착부란 복수의 섬유가 열 융착된 영역이며, 밀용착부의 크기는 부직포를 구성하는 섬유 직경과 상이하다. 예를 들어, 부직포의 표면을 전자 현미경 등으로 관찰하여, 부직포를 구성하는 섬유의 평균 직경보다도 큰 폭을 갖는 부분이 용착부가 되고, 평균 섬유 직경의 1.8배 미만이면 조용착부, 1.8배 이상이 밀용착부가 된다.
또한, 평균 섬유 직경이란, 부직포를 구성하고, 다른 섬유와 용착되지 않은 임의의 섬유 50개에 대하여 측정한 직경의 평균값을 말한다.
기재의 밀용착률은, 50mm×50mm로 커트한 기재 표면을 디지털 스캐너(Canon제 CanoScan N676U)로 스캔하고, 얻어진 디지털 화상을 화상 해석 소프트웨어(ImageJ)로 해석하여, 얻어진 화상에 대하여 밀용착률(％)=100×(밀용착부/잘라냄 면적)으로서 산출한다. 이 조작을 50회 반복하여, 그의 평균값을 밀용착률로 할 수 있다.
조용착부에서의 섬유간의 공극인 표면 개공률은, 밀용착률과 마찬가지의 이유로부터 25 내지 60％가 바람직하다. 표면 개공률은, 50mm×50mm로 커트한 기재 표면을 디지털 스캐너(Canon제 CanoScan N676U)로 스캔하고, 얻어진 디지털 화상을 화상 해석 소프트웨어(ImageJ)로 해석하여, 얻어진 화상에 대하여 표면 개공률(％)=100×(표면 개공부/잘라냄 면적)으로서 산출한다. 이 조작을 50회 반복하여, 그의 평균값을 표면 개공률로 할 수 있다.
비용착부란, 부직포 섬유가 용착되지 않은 영역이다. 비용착부에서의 섬유간의 공극인 표면 개공률은, 밀용착률과 마찬가지의 이유로부터 15 내지 70％가 바람직하다. 또한, 돌기물이 직선 상에 배치되는 경우에는, 부직포와 접하는 돌기물의 면적 20％ 이상이 표면 개공부에 배치되는 것이 바람직하다.
밀용착부의 폭이 지나치게 넓으면 돌기물을 함침할 수 없는 영역이 넓어진다는 점에서, 밀용착부의 폭은 2mm 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1mm 이하이다.
마찬가지의 이유로부터, 피치는 1 내지 50mm로 적절히 설계하면 된다. 피치란, 어떤 밀용착부의 무게 중심 위치와, 이 밀용착부에 인접하는 다른 밀용착부의 무게 중심 위치의 수평 거리이다.
비용착부에서는 돌기물의 함침이 진행되고, 밀용착부에서는 함침이 진행되지 않기 때문에, 돌기물이 부직포에 함침된 층과 함침되지 않은 영역으로 나뉜다. 돌기물을 부직포에 용융 수지를 도포하여 고화시켜 제조할 때에는, 이들 2개의 영역의 열수축 거동이 상이하기 때문에, 균일하게 함침한 경우에 발생하는 막이 컬링되는 품질 저하가 일어나기 어려운 경향이 있다.
밀용착부는 규칙적으로 존재함으로써 부직포의 강성 불균일이 적어지고, 반송시의 주름이나 찢어짐 등을 억제할 수 있다. 부직포에 마련된 복수의 밀용착부가 모양을 형성하고, 길이 방향으로 마찬가지로 배열되어 있는 영역이 있는 경우는, 복수의 밀용착부가 형성하는 모양을 "무늬"라 칭하는 경우도 있다. 무늬는 격자상이나 지그재그상, 혹은 그의 조합이 더욱 바람직하다.
밀용착부의 무늬의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 돌기물이 고착된 면의 표면 상부로부터 관찰한 형태로는, 타원, 원, 장원, 사다리꼴, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 평행사변형, 마름모형 등을 들 수 있다.
부직포를 용착하는 방법으로서는, 레이저 조사나 열 롤, 캘린더 가공 등 종래 공지된 방법을 채용할 수 있다. 열 롤로 용착시키는 경우에는, 제조시에 안정적으로 밀용착부를 형성할 수 있다는 점에서 엠보스 가공이 바람직하다.
엠보스 가공이란, 부직포를 엠보스 롤을 사용하여 열 프레스 처리하는 것이며, 통상적으로는 표면이 평활한 롤과 엠보스 무늬를 갖는 열 롤의 2개의 롤에 의해 프레스된다. 프레스시의 선압으로서는 1 내지 50kg/cm인 것이 바람직하고, 선압이 지나치게 낮은 경우에는 충분한 강도를 부여할 수 없으며, 선압이 지나치게 높은 경우에는 부직포를 구성하는 섬유가 필름화되어버려, 돌기물이 부직포로 함침되기 어려워지는 경향이 있다.
엠보스 가공은 부직포의 편면, 양면 중 어디에도 실시해도 되지만, 편면의 경우에는 고저차가 존재하는 면측이 다른 한쪽의 면측보다도 밀용착률이 낮아지는 경향이 있기 때문에, 돌기물을 함침시키는 점에 대해서는 적합하다. 단, 양면에 실시한 편이 밀용착부가 두께 방향으로 대조적으로 존재하게 되기 때문에 강성이 높아지고, 안정적으로 반송시키는 점에 관해서는 우수하다.
기재의 두께는, 지나치게 얇으면 분리막으로서의 강도를 유지하기 어려워지고, 또한 극단적으로 두꺼우면 투수량이 저하됨과 함께, 평막형 분리막 엘리먼트의 두께가 두꺼워짐으로써 평막형 분리막 모듈의 총 막 면적이 저하되어버리기 때문에, 50 내지 1000㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 것은, 70 내지 500㎛의 범위이다.
기재의 밀도는 0.7g/cm3 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.6g/cm3 이하이다.
기재의 밀도가 이 범위이면, 다공질 수지층을 형성하는 수지를 수용하여, 기재와 다공질 수지층의 적당한 복합층을 형성하는 데 적합함과 함께, 분리막의 기재면에 유로재로서의 수지를 형성할 때에, 수지가 함침되기 쉬워짐으로써 접착력을 확보할 수 있다.
그러나, 극단적으로 저밀도가 되면 분리막으로서의 강도가 저하됨과 함께, 유로재로서의 수지가 함침 과다가 됨으로써 분리막 성능을 저하시키기 때문에, 0.3g/cm3 이상인 것이 바람직하다.
여기에서 말하는 밀도란 외관 밀도이며, 기재의 면적, 두께와 중량으로부터 구할 수 있다.
기재의 외관 밀도는, 50mm×50mm로 커트한 기재 50매의 샘플의 건조 중량 및 두께를 계측하고, 이들의 평균값을 산출하여, 중량을 두께와 기재의 면적으로 나눔으로써 산출할 수 있다.
<분리 기능층>
분리 기능층의 재료로서는, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리불화비닐리덴 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에테르이미드 수지 등을 사용할 수 있다.
분리 기능층은 이들 수지만으로 형성되어도 되고, 이들 수지를 주성분으로 하는 수지로 형성되어도 된다. 여기서 주성분이란, 50중량％ 이상 함유하는 것을 말하며, 60중량％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 이들 중에서도 용액에 의한 제막이 용이하고, 물리적 내구성이나 내약품성도 우수한 폴리염화비닐 수지, 폴리불화비닐리덴 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지가 바람직하고, 특히 폴리불화비닐리덴 수지 또는 이것을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
분리 기능층의 두께는, 통상적으로는 1 내지 500㎛의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 내지 200㎛의 범위이다. 분리 기능층이 지나치게 얇으면 기재가 노출되고, 현탁 물질이 기재에 부착되어 여과압이 상승하거나, 세정해도 여과 성능이 충분히 회복되지 않거나 하는 경우가 있다. 또한, 분리 기능층이 지나치게 두꺼우면 투수량이 저하되는 경우가 있다.
분리 기능층을 구성하는 수지의 일부는 기재의 적어도 표층부에 들어가, 그의 적어도 표층부에서 기재와의 복합층을 형성하고 있다. 기재 표면으로부터 내부에 폴리불화비닐리덴계 블렌드 수지가 들어감으로써, 소위 앵커 효과에 의해 분리 기능층이 기재에 견고하게 정착되어, 분리 기능층이 기재로부터 박리되는 것을 방지할 수 있게 된다. 분리 기능층은, 분리 기능층의 두께 방향에서 대칭 구조여도, 비대칭 구조여도 상관없다.
<분리막의 제조 방법>
이어서, 본 발명에서 사용하는 분리막을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.이 분리막은, 폴리불화비닐리덴계 수지 및 개공재 등을 포함하는 제막 원액을 기재의 한쪽 표면에 부착시키고, 비용매를 포함하는 응고액 중에서 응고시켜 분리 기능층을 형성함으로써 제조할 수 있다. 기재와는 별도로 분리 기능층만을 형성한 후에 양자를 접합해도 된다.
그리고, 제막 원액을 응고시킬 때에는, 기재 상의 분리 기능층 형성용 제막 원액 피막만을 응고액에 접촉시키는 것이어도 되고, 또한 분리 기능층 형성용 제막 원액 피막을 기재마다 응고액에 침지하는 것이어도 된다.
분리 기능층 형성용 제막 원액 피막만을 응고액에 접촉시키기 위해서는, 예를 들어 기재 상에 형성된 제막 원액 피막이 하측에 오도록 하여 응고욕 표면과 접촉시키는 방법이나, 유리판, 금속판 등의 평활한 판 상에 기재를 접촉시켜, 응고욕이 기재측으로 돌아 들어가지 않도록 부착하여, 제막 원액 피막을 갖는 기재를 판마다 응고욕에 침지하는 방법 등이 있다.
후자의 방법에서는, 기재를 판에 부착한 후 제막 원액의 피막을 형성해도 상관없고, 기재에 제막 원액의 피막을 형성한 후 판에 부착해도 상관없다.
그리고, 제막 원액에는, 상기한 폴리불화비닐리덴계 수지 이외에 필요에 따라 개공재나 이들을 용해하는 용매 등을 첨가해도 된다.
제막 원액에 다공질 형성을 촉진하는 작용을 갖는 개공제를 가하는 경우, 이 개공제는 응고액에 의해 추출 가능한 것이면 되고, 응고액으로의 용해성이 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 염화칼슘, 탄산칼슘 등의 무기염을 사용할 수 있다. 또한, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등의 폴리옥시알킬렌류나, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐부티랄, 폴리아크릴산 등의 수용성 고분자나 글리세린을 사용할 수도 있다.
개공제는, 제막 원액에 사용하는 수지의 종류에 따라 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들어 폴리불화비닐리덴을 주성분으로 하는 수지를 사용하는 경우에는, 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 중합체가 바람직하고, 그 중에서도 중량 평균 분자량이 10,000 이상인 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 중합체를 사용하는 것이 표면의 구멍 직경, 구멍 직경 분포 및 투수성의 균형을 맞춤에 있어서 특히 바람직하다.
또한, 제막 원액 중에 폴리불화비닐리덴계 수지, 다른 유기 수지 및 개공제 등을 용해시키기 위한 용매를 사용하는 경우, 그의 용매로서는 N-메틸피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc), N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸술폭시드(DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤 등을 사용할 수 있다. 이들 중에서도, 폴리불화비닐리덴계 수지에 대한 용해성이 높은 NMP, DMAc, DMF, DMSO를 바람직하게 사용할 수 있다.
제막 원액에는, 그 밖에 비용매를 첨가할 수도 있다. 비용매는, 폴리불화비닐리덴계 수지나 다른 유기 수지를 용해하지 않는 것이며, 폴리불화비닐리덴계 수지 및 다른 유기 수지의 응고 속도를 제어하여 세공의 크기를 제어하도록 작용한다.
비용매로서는, 물이나, 메탄올, 에탄올 등의 알코올류를 사용할 수 있다. 이들 중에서도, 폐수 처리의 용이함이나 가격의 면에서 물, 에탄올이 바람직하다. 또한, 이들의 혼합물이어도 된다.
제막 원액의 조성에 있어서, 폴리불화비닐리덴계 수지의 함유량은 5 내지 30중량％, 개공제의 함유량은 0.1 내지 15중량％, 용매의 함유량은 45 내지 94.8중량％, 비용매의 함유량은 0.1 내지 10중량％의 범위 내인 것이 바람직하다.
이 중에서도 폴리불화비닐리덴계 수지의 함유량은, 극단적으로 적으면 다공질층의 강도가 낮아지고, 지나치게 많으면 투수성이 저하되는 경우가 있기 때문에, 8 내지 20중량％의 범위가 보다 바람직하다.
개공제는 지나치게 적으면 투수성이 저하되고, 지나치게 많으면 다공질층의 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, 극단적으로 많으면 폴리불화비닐리덴계 수지 중에 과잉으로 잔존하여 사용 중에 용출되고, 투과수의 수질이 악화되거나, 투수성을 변동시키거나 하는 경우가 있다. 따라서, 개공제의 함유량의 보다 바람직한 범위는 0.5 내지 10중량％이다.
또한, 용매는 지나치게 적으면 원액이 겔화되기 쉬워지고, 지나치게 많으면 다공질층의 강도가 저하된다. 용매의 함유량은, 보다 바람직하게는 60 내지 90중량％의 범위이다.
또한, 비용매는 너무 많으면 원액의 겔화가 일어나기 쉬워지고, 극단적으로 적으면 세공이나 매크로 보이드의 크기의 제어가 어려워진다. 따라서, 비용매의 함유량은 보다 바람직하게는 0.5 내지 5중량％이다.
한편, 응고욕으로서는, 비용매 또는 비용매와 용매를 포함하는 혼합 용액을 사용할 수 있다. 제막 원액에도 비용매를 사용하는 경우, 응고욕에서의 비용매의 함유량은 응고욕의 적어도 80중량％로 하는 것이 바람직하다. 지나치게 적으면 폴리불화비닐리덴계 수지의 응고 속도가 느려져 세공 직경이 커지거나 한다. 응고욕에서의 비용매의 함유량은, 보다 바람직하게는 85 내지 100중량％의 범위이다.
한편, 제막 원액에 비용매를 사용하지 않는 경우, 제막 원액에도 비용매를 사용하는 경우보다도 응고욕에서의 비용매의 함유량을 적게 하는 것이 바람직하다. 응고욕에서의 비용매의 함유량은, 많아도 40중량％로 하는 것이 바람직하다. 비용매가 많으면, 폴리불화비닐리덴계 수지의 응고 속도가 빨라져 다공질층의 표면은 치밀해지고 투수성이 저하되는 경우가 있다. 비용매의 함유량은, 보다 바람직하게는 1 내지 40중량％의 범위가 바람직하다. 응고액 중의 비용매의 함유량을 조정함으로써, 다공질층 표면의 구멍 직경이나 매크로 보이드의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 응고욕의 온도는 너무 높으면 응고 속도가 지나치게 빨라지고, 반대로 너무 낮으면 응고 속도가 지나치게 늦어지기 때문에, 통상 15 내지 80℃의 범위에서 선정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 20 내지 60℃의 범위이다.
또한, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트는, 역침투막, 나노 여과막, 한외 여과막, 정밀 여과막 중 어느 것에도 적용할 수 있다. 또한, 분리 대상 물질의 크기에 따라 적당한 1종 이상의 막을 선택, 조합하면 되지만, 하폐수 처리용으로서는 특히 한외 여과막, 정밀 여과막이 바람직하다.
2. 평막형 분리막 엘리먼트
본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트는, 분리막의 투과측의 면이 서로 대향하도록 배치되고, 그의 내측에 유로재로서의 돌기물이 설치되어 분리막쌍이 형성되고, 또한 투과수 집수부가 마련되어 구성된다. 또한, 분리막쌍의 주연부 중 적어도 일부가 밀봉되어 있어도 된다.
여기서, 「분리막의 투과측의 면이 서로 대향하는」이란, 2매의 분리막의 투과측이 대향하도록 배치되는 것을 의미한다. 대향하는 2매의 분리막을, 「분리막쌍」이라 부른다.
또한, 대향하는 2매의 분리막은 분리 가능한 2매의 분리막이어도 되고, 절첩된 1매의 분리막이어도 된다.
분리막쌍에는 소정의 간격을 확보하도록 유로재가 설치되며, 막을 투과한 물이 통과하는 유로가 확보된다. 여기를 통과한 물은 투과수 집수부에 집수되어, 이곳으로부터 외부로 취출된다.
분리막쌍의 주연부의 밀봉부는, 접착 수지, 열 용착, 초음파 용착 등의 방법에 의해 밀봉되어, 밀봉부를 구성한다. 주연의 밀봉부의 일부에는 투과수 집수부가 마련되며, 이 투과수 집수부는 밀봉되지 않는다.
또한, 밀봉부는 분리막쌍의 주연에 배치된다. 밀봉부는, 분리막쌍의 대향하는 2개의 투과측면의 양쪽에 접착함으로써, 분리막쌍에서의 분리막의 간극을 밀봉한다. 이와 같이 하여 주머니상막이 형성된다.
또한, 밀봉이란, 접착, 압착, 용착, 융착, 절첩 등에 의해 공급수가 주머니상막의 내부에 직접적으로는 유입되지 않도록(즉, 공급수가 분리막을 투과하지 않고 유입되지 않도록) 하는 것이다. 또한, 동시에, 분리막을 투과한 투과수가, 투과수 집수부를 제외하고 평막형 분리막 엘리먼트의 외부로 누설되지 않도록 하는 것이다.
또한, 「내측」이란, 대향하는 분리막의 투과측의 면 사이, 즉 분리막의 투과측 표면 중 주연을 제외한 표면을 말한다. 특히, 분리막이 상술한 바와 같이 주머니상막을 형성하고 있는 경우, 밀봉 부분으로 둘러싸인 부분이 「내측」에 상당하고, 이 영역이 실질적으로 여과를 행하는 영역이 된다.
투과측 유로재로서는, 통수성이 있는 시트상 부재(예를 들어, 부직포, 직포, 네트 등), 분리막의 투과측의 면에 형성된 복수의 수지부(돌기물), 또는 수지부(돌기물)를 갖는 시트를 사용할 수 있다. 이들 중에서도, 분리막을 투과한 투과수의 유동 저항의 관점에서, 복수의 수지부(돌기물) 또는 수지부(돌기물)를 갖는 시트를 사용하는 것이 바람직하다.
평막형 분리막 엘리먼트에 있어서 분리막의 투과측에 소정의 간극을 확보함으로써, 분리막을 투과한 투과수의 유동 저항을 작게 할 수 있다.
분리막의 투과측의 간격은, 50 내지 5000㎛의 범위가 바람직하다. 분리막의 간격이 5000㎛를 초과하면, 평막형 분리막 엘리먼트의 두께가 커지고, 평막형 분리막 모듈에 설치할 수 있는 평막형 분리막 엘리먼트의 매수가 적어, 총 막 면적이 작아져버린다. 또한, 분리막의 간격이 50㎛ 미만이면, 투과측의 내측의 공간이 좁고 투과액의 유동 저항이 커져 투과액의 수량이 저하되어버린다. 분리막의 간격은, 더욱 바람직하게는 500 내지 3000㎛의 범위이다.
본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트에 있어서는, 분리막쌍의 내측에 설치되는 유로재의 적어도 일부가 복수의 수지부(돌기물)로 형성되어 있어도 된다. 복수의 수지부(돌기물)는, 대향하는 2개의 투과측의 면의 양쪽에 고착되어 있다.
이에 의해, 역압 세정을 행해도 압력은 밀봉부에 집중하지 않고, 내측의 접착 부분(수지부)으로도 분산된다. 따라서, 분리막간의 박리의 발생이 억제되어, 공급측으로부터 투과측으로의 물의 누설이 일어나기 어렵다는 효과가 얻어진다.
또한, 개개의 수지부(돌기물)가 비교적 높은 강성을 가질 수 있기 때문에, 수지부(돌기물)의 배치를 설계함으로써, 평막형 분리막 엘리먼트의 강성을 적절히 설정할 수 있다.
분리막의 기재 중에, 수지부(돌기물)의 수지의 성분이 함침되어 있어도 된다. 분리막의 투과측의 기재에 수지를 배치하고, 분리막의 분리 기능층 표면으로부터 가열하면, 분리막의 투과측으로부터 기능층면을 향해 수지의 함침이 진행된다. 이와 같이 함침이 진행됨에 따라, 수지부(돌기물)와 기재의 접착이 견고해진다. 이 때문에 제조된 엘리먼트를 세정할 때, 약액에 의해 투과측으로부터 세정해도 분리막쌍의 사이가 박리되기 어려워진다.
수지부(돌기물)의 함침 깊이는, 깊을수록 수지부와 분리막 기재의 접착 강도가 증가하기 때문에 바람직하다. 단, 수지부의 함침 깊이가 지나치게 깊으면 기재의 공극률이 저하되기 때문에, 분리막의 투수 성능에 영향을 미치고, 투수량이 저하되어버린다. 그 때문에, 기재로의 함침 깊이는, 분리막의 기재 두께에 대하여 3분의 2 이하인 것이 바람직하다.
따라서, 수지부의 함침 깊이는 1㎛ 이상 333㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10㎛ 이상 200㎛ 이하이다.
수지부와 분리막 기재의 접착 강도는, 100N/ｍ 이상인 것이 바람직하다. 수지부와 분리막 기재의 접착 강도가 100N/ｍ 이상임으로써, 상술한 역압 세정을 행해도 분리막간의 박리가 억제됨과 함께, 평막형 분리막 엘리먼트를 평막형 분리막 모듈에 세팅하고, 산기에 의해 막면을 세정하면서 운전을 행했을 때에도, 장기간에 있어서 평막형 분리막 엘리먼트가 파손되는 일 없이 안정적으로 운전을 행할 수 있다.
또한, 수지부와 분리막 기재의 접착 강도란, 분리막의 투과측의 양면에 유로재가 고착된 폭 15mm×75mm의 분리막쌍을 제작하고, 길이 방향 75mm 중, 중앙의 15mm 이외의 부분에서 유로재와 막면을 박리시키고, 대향하는 각각의 막을 U자형으로 절곡하고, 절곡한 부분을 상하로 파지하도록 인장 시험기(A&D사제, 상품명: 텐실론 RTG-1210)에 세팅하여, 25℃, 65％ 상대 습도에서 매분 2mm의 속도로 인장 시험을 행했을 때에, 상하의 막의 편면에서 막과 유로재가 박리되었을 때의 인장력을 계측하고, 동일한 수준의 분리막쌍에 대하여 10회 측정을 행한 평균값을 말한다.
본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트는, 분리막쌍의 여과 영역 중 10％ 이상의 면적에서, 적어도 일방향에서의 굽힘 탄성률이 100 내지 1000MPa, 적어도 일방향에서의 최대 굽힘 응력이 1 내지 15MPa이다.
「적어도 일방향에서의 굽힘 탄성률이 100 내지 1000MPa, 적어도 일방향에서의 최대 굽힘 응력이 1 내지 15MPa인 영역」을 고탄성 영역이라 부른다.
「분리막쌍의 여과 영역 중 10％ 이상의 면적에서」란, 평막형 분리막 엘리먼트를 소정의 크기로 절단하고, 각각의 샘플에서의 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력을 측정했을 때에, 상술한 범위 내를 만족하는 샘플의 합계 면적이 막면 전체의 면적의 10％ 이상인 것을 의미하고, 바람직하게는 50％ 이상, 더욱 바람직하게는 90％ 이상이며, 보다 바람직하게는 100％이다.
상술한 범위를 만족하는 면적의 비율은, 분리막쌍의 여과 영역 중, 연속된 영역의 면적 비율이며, 불연속인 영역 면적의 합으로서 나타낼 수는 없다.
또한, 상술한 범위를 만족하는 여과 영역은, 적어도 분리막쌍의 긴 변 방향 단부 부근에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상술한 범위를 만족하는 여과 영역이 적어도 분리막쌍의 긴 변 방향 단부 부근에 형성되어 있음으로써, 평막형 분리막 엘리먼트를 사용하여 운전했을 때에 요동을 증가시킬 수 있음과 함께, 내구성을 증가시킬 수 있기 때문에 바람직하다.
여기서, 「여과 영역」이란, 예를 들어 분리막쌍의 주연부가 밀봉되어 있는 경우, 주연 밀봉부의 실질적으로 분리막으로서의 기능을 갖지 않는 부분을 제외한 내측의 영역을 말하며, 분리막쌍과 수지부(돌기물)가 혼재되어 있는 영역이다.
적어도 일방향에서의 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력이 상술한 범위 내이면, 평막형 분리막 엘리먼트의 진동을 크게 할 수 있기 때문에, 평막형 분리막 엘리먼트를 침지 수조 내에서 산기 운전을 행했을 때에 막면에 부착되는 현탁물을 효율적으로 박리할 수 있기 때문에 바람직하다.
굽힘 탄성률, 보다 바람직하게는 300 내지 700MPa이며, 더욱 바람직하게는 400 내지 600MPa이다.
또한, 최대 굽힘 응력은, 보다 바람직하게는 3 내지 12MPa이며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10MPa이다.
최대 굽힘 응력이 1MPa보다도 작으면, 평막형 분리막 엘리먼트의 강성이 저하되고, 침지 수조 내에서 산기 운전을 행했을 때에 평막형 분리막 엘리먼트의 진동이 반복되면, 평막형 분리막 엘리먼트 및 분리막의 파손이 발생할 가능성이 높아진다.
또한, 굽힘 탄성률이 1000MPa보다 크거나, 혹은 최대 굽힘 응력이 15MPa보다 커지면, 평막형 분리막 엘리먼트의 진동이 발생하기 어려워진다.
여기서, 굽힘 탄성률이란, 굽힘 강도 시험에서 2개의 지지점에 시험편을 수평으로 적재하고, 중앙 상부로부터 쐐기로 굽힘 하중을 부여했을 때의 굽힘 응력을 말한다.
최대 굽힘 응력이란, 굽힘 강도 시험을 행했을 때에 얻어지는 응력-왜곡 선도에서 응력값이 최대가 된 시점의 응력을 말한다.
굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력은, 평막형 분리막 엘리먼트를 소정의 크기로 절단하고, 분리막쌍(분리막 2매의 내측에 수지부가 설치되어 있음)의 3점 굽힘 시험을 행함으로써 측정할 수 있다.
굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력은, ASTM D790에 규정되는 방법에 의해 측정할 수 있다. 구체적으로는, 폭 48mm×길이 80mm의 분리막쌍(분리막 2매의 내측에 유로재)을 제작하고, 분리막쌍의 양단에 토대를 50mm의 간격을 두고 길이 80mm의 방향으로 세팅한다. 그리고, 압축 시험기(텐실론 RTG-1210, A&D사제)를 사용하여, 매분 1.3mm로 압자 지그(반경 5mm)에 의해 막 엘리먼트의 중앙부를 압축한다. 이때에 얻어진 변위와 하중의 관계로부터, 후술하는 계산식에 의해 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력을 산출할 수 있다.
수지부의 인장 탄성률은, 10 내지 2000MPa인 것이 바람직하다. 수지부의 인장 탄성률이 이 범위이면, 평막형 분리막 엘리먼트에 적당한 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력을 부여할 수 있다.
수지부의 인장 탄성률이 이 범위보다도 작으면, 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력이 작아져버리고, 이 범위보다도 크면, 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력이 지나치게 크기 때문에 바람직하지 않다.
수지부의 인장 탄성률은 보다 바람직하게는 50 내지 1000MPa이며, 더욱 바람직하게는 80 내지 500MPa이다.
여기서, 수지부의 인장 탄성률은, JIS K7161에 규정되는 방법에 의해 측정할 수 있다.
수지부(돌기물)를 구성하는 성분으로서는, 상기 인장 탄성률을 만족하는 범위이면 특별히 한정되지 않지만, 에틸렌아세트산비닐 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀이나 올레핀 중합체 등이 바람직하고, 우레탄 수지, 에폭시 수지 등의 중합체나 엘라스토머도 선택할 수 있다. 단, 열가소성 중합체이면 성형이 용이하기 때문에, 수지의 형상을 균일하게 할 수 있다.
이들 수지는 단독으로 사용되고 있어도 되고, 복수의 수지의 혼합물이어도 된다.
수지의 연화점은, 80 내지 200℃인 것이 바람직하다. 여기서, 연화점이란, 수지가 연화 변형되기 시작하는 온도이며, 환구법(ring and ball method)에 의해 측정된다.
구체적인 방법으로서는, JIS K-2531, JIS K-2207/2425, JIS K6863-1994, ASTM D-36에 규정되는 방법이 적합하게 사용된다. 이들 방법 중, 어느 하나의 방법으로 측정된 연화점에서 상술한 범위 내에 포함되어 있으면 된다. 보다 바람직하게는, JIS K6863-1994의 방법으로 측정된 연화점이 상술한 범위 내에 포함되어 있으면 된다.
분리막쌍의 여과 영역의 면적에 대한 수지부(돌기물)의 면적 비율(투영 면적비)은, 작으면 약액에 의한 투과측으로부터의 세정으로 분리막이 박리될 우려가 있음과 함께, 분리막쌍의 강성을 확보하기 어려워진다. 한편, 커지면, 분리막쌍의 강성을 확보하기 쉬워지지만, 수지부에 의해 유로를 저해하여 투과액의 수량이 저하된다.
그 때문에, 분리막쌍의 여과 영역의 면적에 대한 수지부의 투영 면적비는, 10 내지 90％의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 15 내지 80％이며, 더욱 바람직하게는 20 내지 50％이다.
또한, 해당 투영 면적비는, 현미경(S-800)(키엔스사제)을 사용하여 30개의 임의인 유로재 단면을 10배로 사진 촬영하고, 얻어진 디지털 화상을 화상 해석 소프트웨어(ImageJ)로 해석하여, 2치화함으로써 측정할 수 있다.
수지부(돌기물)의 두께 방향 단면의 형상은, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 평행사변형, 사다리꼴, 삼각형 등으로 형성할 수 있다. 또한, 수지부(돌기물)의 측면은, 오목면, 볼록면, 곡면, 평면 등의 다양한 형상으로 변경 가능하다.
이어서, 본 발명에서의 수지부(돌기물)의 평면 형상, 즉 수지부(돌기물)를 분리막에 투영한 형상에 대하여 설명한다. 본 발명이 중요한 포인트는, 분리막에 수지를 도포하여 수지부(돌기물)를 형성함으로써, 수지가 평막형 분리막 엘리먼트에 적당한 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력을 부여하는 것이다. 따라서, 평막형 분리막 엘리먼트로서 원하는 효과가 손상되지 않는 범위이면, 수지부(돌기물)를 막 표면 상부로부터 관찰한 경우의 형상은 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 도 1의 단면도에서 수지부(돌기물)의 단면 형상은 원형이며, 도 2 내지 도 6의 단면도에서는 직사각형이다. 수지부(돌기물)의 단면 형상은 이 예로 한정되지 않으며, 타원형, 다각형, 부정형 등으로 형성할 수 있다.
분리막쌍의 평면 형상은 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로 대략 직사각형의 분리막이 사용된다.
수지부(돌기물)의 배치 패턴은, 도 1과 같이 원 형상의 도트가 간헐적으로 배치되어 있는 배치 패턴, 도 2와 같이 직사각 형상의 수지가 분리막쌍의 밀봉부를 제외한 일단부에서 타단부까지 연속적으로 형성되어 있는 배치, 도 3 내지 도 6과 같이 직사각 형상의 수지가 일정한 간격을 두고 간헐적으로 형성되어 있는 배치 등, 특별히 한정되지 않지만, 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력을 적절한 범위로 하기 위해서는, 적어도 일방향에서 그 방향과는 수직인 방향에서 수지부가 존재하지 않는 개소가 없는 배치가 바람직하다.
특히 분리막쌍이 직사각형인 경우, 분리막쌍의 임의의 점을 통과하는 짧은 변 방향의 직선 상의 적어도 일부에 수지부가 존재하는 것이 바람직하다.
나아가, 분리막쌍의 임의의 점을 통과하는 모든 직선 상에 적어도 수지부의 일부가 존재하면, 모든 방향에 대하여 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력을 크게 할 수 있기 때문에 바람직하다.
또한, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트에 있어서는, 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력이 상술한 범위를 만족하는 영역이 분리막쌍의 여과 영역 중 10％ 이상 존재하면 되지만, 예를 들어 도 7과 같이, 직사각형의 분리막쌍에서 상부 10％의 면적만, 모든 세로 방향 위치에서 가로 방향의 적어도 일부에 수지부가 배치되어 있음으로써, 상부 10％의 영역에서 상술한 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력의 범위를 만족하고, 그의 하부 90％의 영역에서는, 세로 방향으로 수지부가 일정한 간격을 두고 배치되어 있는 구조이며, 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력이 상술한 범위 외여도 된다.
또한, 도 8과 같이 상부 10％의 영역에만 스트라이프상으로 수지가 형성되고, 그 밖에 90％의 영역에서는 도트 형상으로 형성되어 있어도 된다.
단, 평막형 분리막 엘리먼트의 진동 및 강도의 면에서, 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력이 상술한 범위 내를 만족하는 여과 영역이 많을수록 바람직하며, 보다 바람직하게는 50％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 90％ 이상이고, 특히 바람직하게는 100％이다.
굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력이 상술한 범위를 만족하는 여과 영역이 클수록, 평막형 분리막 엘리먼트를 운전했을 때에도 평막형 분리막 엘리먼트가 파손되는 일 없이 장시간 안정적으로 운전하는 것이 가능해진다.
수지부(돌기물)의 분리막으로의 투영상은, 적어도 일방향에서 간헐적이다. 즉, 1매의 분리막에, 분리막의 평면 방향에서 2개 이상의 수지부(돌기물)가 간격을 두고 배치된다.
수지부(돌기물)의 배치 패턴은, 후술하는 집수 노즐로의 분리막 투과수의 유로를 확보하여 압력 손실을 작게 하는 점에 있어서는, 세로 방향 및 가로 방향의 양쪽이 간헐적으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 수지부가 세로 방향 및 가로 방향의 양쪽에서 간헐적으로 형성되어 있음으로써, 투과수의 유로를 확보할 수 있으며, 압력 손실을 낮게 억제할 수 있다.
이 점에 있어서, 분리막의 순수 투과 계수에 대한 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수의 비율((평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수)/(분리막의 순수 투과 계수))은, 0.02 이상인 것이 바람직하다.
평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수가 분리막의 순수 투과 계수의 0.02배 이상임으로써, 평막형 분리막 엘리먼트를 평막형 분리막 모듈에 세팅하고, 운전을 행했을 때에도 충분한 여과 유량을 확보할 수 있다.
평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수가 분리막의 순수 투과 계수의 0.02배보다 작으면, 운전을 행했을 때의 여과 유량이 작아져버려, 보다 높은 압력을 가하여 운전을 행할 필요가 있다.
또한, 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수는, 평막형 분리막 엘리먼트를 수조 내에 침지시키도록 설치하고, 역침투막 투과수를 25℃에서 수두(水頭) 높이 1m로 30분간 흡인 여과한 후, 이어서 투과수를 1분간 채취하고, 투과수의 중량을 측정 시간, 투과수의 밀도, 압력, 막 면적으로 나눔으로써 구해진다.
한편, 분리막쌍의 강성을 확보하는 점에 있어서는, 수지부(돌기부)는 세로 방향으로 연속적으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 분리막쌍의 강성과 투과수의 압력 손실의 밸런스에 의해 수지부(돌기물)의 배치 패턴이 결정되는 것이 바람직하다.
수지부(돌기물)의 짧은 직경은, 1 내지 20mm인 것이 바람직하다.
수지부(돌기물)의 짧은 직경이란, 현미경(S-800)(키엔스사제)을 사용하여 30개의 임의의 유로재 단면을 10배로 사진 촬영하고, 얻어진 디지털 화상을 화상 해석 소프트웨어(ImageJ)로 해석하고, 2치화하여, 최소 길이를 산출함으로써 측정한 값이다.
수지부(돌기물)의 짧은 직경이 1mm보다도 작아지면, 평막형 분리막 엘리먼트로서 원하는 두께를 확보하도록 형성하는 것이 어려워짐과 함께, 분리막쌍의 강성을 확보하기 어려워진다. 또한, 수지부(돌기물)의 짧은 직경이 20mm보다도 커지면, 투과수의 유로가 작아져버리기 때문에, 투과수 유로의 압력 손실이 높아지고, 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수가 저하되어버린다.
수지부(돌기물)의 긴 직경은, 2mm 이상인 것이 바람직하다.
수지부(돌기물)의 긴 직경이란, 현미경(S-800)(키엔스사제)을 사용하여 30개의 임의의 유로재 단면을 10배로 사진 촬영하고, 얻어진 디지털 화상을 화상 해석 소프트웨어(ImageJ)로 해석하고, 2치화하여, 최대 길이를 산출함으로써 측정한 값이다. 단, 긴 직경이 50mm 이상인 경우에는, 현미경을 사용하지 않고 노기스나 자 등으로 계측할 수 있다.
수지부(돌기물)의 긴 직경이 2mm보다도 작으면, 평막형 분리막 엘리먼트로서 원하는 두께를 확보하도록 형성하는 것이 어려워짐과 함께 분리막쌍의 강성을 확보하기 어려워진다. 보다 바람직하게는 10mm 이상이며, 더욱 바람직하게는 15mm 이상이다. 또한, 긴 직경은 분리막의 길이와 동등 이하이면 되고, 특별히 상한은 없지만, 바람직하게는 100mm 이하이다. 긴 직경이 100mm 이하임으로써 투과수의 유로를 확보하기 쉽고, 투과수 유로의 압력 손실을 억제할 수 있다.
분리막쌍이 직사각형인 경우, 분리막쌍의 긴 변 방향이 수지부(돌기물)의 긴 변 방향이어도, 분리막쌍의 짧은 변 방향이 수지부(돌기물)의 긴 변 방향이어도 된다.
인접하는 수지부(돌기물)의 분리막쌍의 짧은 변 방향의 간격은, 짧으면 분리막쌍의 짧은 변 방향의 강성을 증가시킬 수 있지만, 분리막 투과수의 유로가 작아져버려, 압력 손실이 높아져버린다. 한편, 수지부(돌기물)의 분리막쌍의 짧은 변 방향의 간격이 길면, 투과수의 유로가 커지고, 압력 손실을 낮출 수 있지만, 분리막쌍의 짧은 변 방향의 강성이 저하됨과 함께, 수지부의 투영 면적비가 저하되어버린다.
이상의 관점에서, 수지부(돌기물)의 분리막쌍의 짧은 변 방향의 간격은 1mm 이상 30mm 이하인 것이 바람직하다.
인접하는 수지부(돌기물)의 분리막쌍의 긴 변 방향의 간격은, 짧으면 분리막쌍의 긴 변 방향의 강성을 증가시킬 수 있지만, 분리막 투과수의 유로가 작아져버려, 압력 손실이 높아져버린다. 한편, 수지부(돌기물)의 분리막쌍의 긴 변 방향의 간격이 길면, 투과수의 유로는 커지고, 압력 손실을 낮출 수 있지만, 분리막쌍의 긴 변 방향의 강성이 저하됨과 함께, 수지부의 투영 면적비가 저하되어버린다.
이상의 관점에서, 수지부(돌기물)의 분리막쌍의 긴 변 방향의 간격은 30mm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5mm 이상 20mm 이하이고, 더욱 바람직하게는 8mm 이상 15mm 이하이다.
이어서, 분리막을 투과한 투과수가 집수되는 투과수 집수부 및 노즐에 대하여 설명하지만, 본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트에서의 투과수 집수부 및 집수 노즐은, 투과수를 집수관까지 연결 가능한 구조이면 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시 형태의 일례로서, 집수 노즐 및 투과수 집수부는 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 분리막 주연의 밀봉부의 일부에 투과수 집수부가 형성되며, 이 투과수 집수부에 집수 노즐이 배치된다. 투과수 집수부는 밀봉되어 있지 않고, 집수 노즐을 설치한 후, 밀봉된다.
집수 노즐은, 집수 유로와 평막형 분리막 엘리먼트의 외부를 연통한다. 집수 노즐의 설치에 필요한 폭 등은, 설치하는 집수 노즐의 크기나 평막형 분리막 엘리먼트의 크기 등으로부터 종합적으로 판단하여 정하면 되지만, 통상은 집수 노즐의 통 형상부의 직경으로서 0.3 내지 3cm 정도이다. 집수 노즐은, 평막형 분리막 엘리먼트로부터 투과수를 취출하는 목적이 달성되는 것이면 특별히 구조, 재질 등 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 수지제의 노즐을 사용할 수 있다.
집수 노즐이 설치되는 위치는, 도 9에 도시한 바와 같이 평막형 분리막 엘리먼트의 측면의 밀봉부의 일부에 설치되어도 되고, 도 10에 도시한 바와 같이 평막형 분리막 엘리먼트의 상부의 밀봉부의 일부에 설치되어도 된다. 또한, 집수 노즐이 1개소 뿐만 아니라, 밀봉부의 복수의 위치에 설치되어 있어도 된다.
집수 노즐은, 상부 및 하부의 중공 부재에 의해 구성되어 있다. 집수 노즐의 하부는 2매의 만곡면을 중공이 되도록 배치하고, 그의 하방을 개방하여 상방을 대략 평면으로 폐쇄함과 함께, 이 상방의 평면의 대략 중앙에 개구를 갖고, 이 개구에 단면 형상이 원형 또는 타원상인 통상부(상부 중공 부재)를 접속하여 구성되어 있다.
집수 노즐의 밀봉 방법으로서는, 열 용착에 의한 방법, 접착제를 사용하는 방법 등이 생각되지만, 밀봉 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다. 밀봉을 보다 확실한 것으로 하기 위해, 열 용착과 접착제를 병용하는 방법도 생각된다.
설치 부분의 형상으로서는, 특별히 형상은 한정되는 것은 아니지만, 평막형 분리막 엘리먼트의 크기, 집수 노즐의 크기나 형상 등으로부터 적절한 것을 선정하면 된다.
분리막이 대략 직사각형인 경우, 분리막쌍의 일방향의 길이는 300mm 이상 2000mm 이하인 것이 바람직하다. 분리막쌍의 일방향의 길이가 이 범위 내이면, 평막형 분리막 엘리먼트를 평막형 분리막 모듈에 세팅하고, 운전을 행했을 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 요동을 적정한 범위 내로 할 수 있다.
분리막쌍의 일방향의 길이가 300mm보다 작으면, 평막형 분리막 엘리먼트의 요동이 작아지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 분리막쌍의 일방향의 길이가2000mm보다 크면, 평막형 분리막 엘리먼트의 요동이 지나치게 커지기 때문에, 인접하는 막면끼리의 접촉이 발생할 가능성이 있어, 막간 거리를 넓힐 필요가 있다. 막간 거리를 넓히면, 평막형 분리막 모듈에 충전 가능한 막 엘리먼트의 수가 적어져버린다.
분리막이 대략 직사각형인 경우, 분리막쌍의 긴 변 방향의 길이를 L1, 긴 변 방향의 굽힘 탄성률을 E1, 짧은 변 방향의 길이를 L2, 짧은 변 방향의 굽힘 탄성률을 E2라 하면, 0.75×E1×L2/L1≤E2≤1.25×E1×L2/L1을 만족하는 것이 바람직하다.
분리막의 길이와 굽힘 탄성률의 관계가 이 관계식을 만족하는 범위 내에 있는 경우, 평막형 분리막 엘리먼트가 일방향 뿐만 아니라, 복수의 방향으로 요동하기 때문에 바람직하다.
또한, 0.9×E1×L2/L1≤E2≤1.1×E1×L2/L1을 만족하는 것이 보다 바람직하다.
3. 엘리먼트 유닛
엘리먼트 유닛은, 하우징 프레임의 내측에 가요성을 갖는 평막형 분리막 엘리먼트 복수매를 수평 방향으로 간극을 두고 평행하게 배열함으로써 구성되어 있다.
「평막형 분리막 엘리먼트를 평행하게 배열하는」이란, 평막형 분리막 엘리먼트를 수직으로 배치하고, 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 분리막면이 서로 마주보도록 배치되는 것이다.
평막형 분리막 엘리먼트는 그의 주연부 중 어느 것에서 고정되어 있다.
「평막형 분리막 엘리먼트가 주연부 중 어느 것에서 고정되어 있는」이란, 평막형 분리막 엘리먼트의 밀봉부의 일부와 하우징 프레임이 직접적으로 또는 간접적으로 연결되어 있으며, 평막형 분리막 엘리먼트와 하우징 프레임이 일체로 되어 있는 것을 나타낸다.
평막형 분리막 엘리먼트의 밀봉부와 하우징 프레임을 연결시키는 방법으로서, 예를 들어 하우징 프레임에 평막형 분리막 엘리먼트의 폭과 동일한 크기의 홈을 형성하고, 평막형 분리막 엘리먼트를 직접적으로 하우징 프레임에 고정하는 방법이 있다.
또한, 그 밖의 방법으로서, 평막형 분리막 엘리먼트의 밀봉부에 관통 구멍을 배치하고, 샤프트가 각각의 관통 구멍을 관통함으로써 연결되어 일체로서 묶여, 평막형 분리막 엘리먼트에서의 관통 구멍의 각각의 사이이며, 평막형 분리막 엘리먼트의 수평 방향의 좌우 양측에 스페이서를 배치하고, 평막형 분리막 엘리먼트와 스페이서를 밀착시킴으로써, 평막형 분리막 엘리먼트는 4 모서리의 위치에서 수평 방향으로 이동하지 않도록 고정하고, 평막형 분리막 엘리먼트와 스페이서를 관통시킨 샤프트를 하우징 프레임에 고정함으로써, 평막형 분리막 엘리먼트를 간접적으로 하우징 프레임에 고정하는 방법이 있다.
평막형 분리막 모듈의 엘리먼트 유닛 내에 고정된 평막형 분리막 엘리먼트에, 하중 0.1N을 가했을 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량이 0.5 내지 3.0mm의 범위이면, 평막형 분리막 엘리먼트의 고정 방법은 특별히 한정되지 않는다.
도 11 내지 13은 본 발명의 엘리먼트 유닛의 실시 형태를 예시하는 정면도이다.
도 11의 예에서는, 각각의 평막형 분리막 엘리먼트가 면 방향에서의 외측 4 모서리의 위치에서 고정되어 있다. 평막형 분리막 엘리먼트의 면 방향에서의 외측의 4 모서리이며, 밀봉부의 위치에 관통 구멍이 배치되고, 샤프트가 각각의 관통 구멍을 관통시킴으로써 연결되어 일체로서 묶여 있다.
평막형 분리막 엘리먼트에서의 관통 구멍의 각각의 사이이며, 평막형 분리막 엘리먼트의 수평 방향의 좌우 양측에는 스페이서가 배치되어 있고, 평막형 분리막 엘리먼트와 스페이서가 밀착되어 있음으로써, 평막형 분리막 엘리먼트는 4코너의 위치에서 수평 방향으로 이동하지 않도록 고정되어 있다.
또한, 스페이서를 관통하는 샤프트의 양단부가 고정구에 의해 하우징 프레임에 고정되어, 샤프트가 움직이지 않도록 고정되는 것이 바람직하다. 즉, 고정구가 하우징 프레임에 고정되어 있으며, 샤프트의 양단부를 고정구에 고정함으로써, 샤프트가 하우징 프레임에 고정되는 것이 바람직하다.
각각의 샤프트의 사이의 거리는, 각각의 관통 구멍의 거리와 동등한 것이 바람직하다.
샤프트간의 거리가 관통 구멍간의 거리보다도 크면, 평막형 분리막 엘리먼트가 요동했을 때에 관통 구멍의 주위로 작용하는 부하가 커져, 평막형 분리막 엘리먼트가 파손될 가능성이 있다. 또한, 샤프트간의 거리가 관통 구멍간의 거리보다도 작으면, 평막형 분리막 엘리먼트가 구부러진 상태로 유지되기 때문에, 평막형 분리막 엘리먼트로의 국소적인 부하가 발생하여, 평막형 분리막 엘리먼트가 파손될 가능성이 있다.
또한, 평막형 분리막 엘리먼트의 각각의 관통 구멍은 막면 방향으로 이동하지 않도록 고정되어 있는 것이 바람직하다. 이것은, 예를 들어 관통 구멍에 샤프트가 밀접하고 있거나, 스페이서의 일부가 관통 구멍과 샤프트의 사이에 충전되어 있음으로써 달성할 수 있다.
관통 구멍이 막면 방향으로 이동할 수 있는 구조이면, 평막형 분리막 엘리먼트가 요동할 때에 관통 구멍과 샤프트가 충돌하여, 평막형 분리막 엘리먼트가 파손될 가능성이 있다.
도 12의 예에서는, 평막형 분리막 엘리먼트의 면 방향에서 외측의 4 모서리와 긴 변 방향의 2변의 중점에 관통 구멍이 배치되고, 샤프트가 각각의 관통 구멍과 스페이서를 관통시킴으로써 연결되어 일체로서 묶여 있다.
도 13의 예에서는, 평막형 분리막 엘리먼트의 면 방향에서 외측의 4 모서리와 긴 변 방향의 2변을 3등분한 각 점에 관통 구멍이 배치되고, 샤프트가 각각의 관통 구멍과 스페이서를 관통시킴으로써 연결되어 일체로서 묶여 있다.
평막형 분리막 엘리먼트에서의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 하중 0.1N을 가했을 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량은 0.5 내지 3.0mm이며, 바람직하게는 1.0 내지 2.5mm이다.
여기서, 「평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량」이란, 평막형 분리막 엘리먼트의 막 면 상에 추를 올렸을 때의 막의 휨량의 최댓값을 말한다.
해당 최대 휨량은, 1매의 평막형 분리막 엘리먼트의 관통 구멍 각각에 샤프트를 관통시키고, 관통 구멍의 위치에 스페이서를 배치함으로써, 평막형 분리막 엘리먼트와 스페이서가 밀착하고, 평막형 분리막 엘리먼트가 각각의 샤프트와 수직이 되는 위치에서 스페이서를 고정구에 의해 샤프트에 고정하고, 평막형 분리막 엘리먼트와 스페이서를 관통하는 샤프트의 양단부를 고정구에 의해 하우징 프레임에 고정하고, 하우징 프레임을 막면이 바닥면과 평행해지도록 설치하고, 하우징 프레임 내에 고정된 평막형 분리막 엘리먼트의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 10g의 추를 올려, 평막형 분리막 엘리먼트의 휨량을 평막형 분리막 엘리먼트의 측면으로부터 관찰함으로써 측정할 수 있다.
하중 0.1N을 가했을 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량이 상기한 범위이면, 산기에 의한 평막형 분리막 엘리먼트의 진동을 크게 할 수 있기 때문에, 막면에 부착되는 현탁물을 효율적으로 박리할 수 있다.
상기 최대 휨량이 0.5mm보다도 작으면, 평막형 분리막 엘리먼트의 강성이 높고, 평막형 분리막 엘리먼트의 진동이 작아진다. 또한, 상기 최대 휨량이 3.0mm보다도 크면, 평막형 분리막 엘리먼트의 유연성이 높아지기 때문에, 평막형 분리막 엘리먼트의 진동 파장이 감소하여, 평막형 분리막 엘리먼트의 진동이 작아진다.
인접하는 평막형 분리막 엘리먼트간에는, 피처리수 및 공기의 유로를 확보하기 위해 스페이서가 설치되어 있다. 스페이서는 판상 또는 환상으로 형성되며, 그의 평면에서 본 형상은 원 형상의 이외에 사각상, 타원상, 마름모 형상 등, 임의의 형상을 선택할 수 있다. 또한, 각 형상에 대하여 샤프트를 통과시키기 위한 관통 구멍이 뚫려 있다.
스페이서를 구성하는 재질은, 적어도 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트와 맞닿는 면이 ISO 7169-1에 따라 측정한 듀로미터 경도(타입 A)가 20도 이상 95도 이하인 재질, 혹은 ISO 2039-1에 따라 측정한 로크웰 경도(스케일 R)가 50도 이상 130도 이하의 플라스틱재인 것이 바람직하다. 하부 스페이서 및 상부 스페이서는, 보다 바람직하게는 듀로미터 경도(타입 A)가 20도 이상 95도 이하의 재질이면 된다.
ISO 7169-1에 따라 측정한 듀로미터 경도(타입 A)가 20도 이상 95도 이하인 재질로서는, 예를 들어 그러한 듀로미터 경도(타입 A)를 갖는 우레탄, 니트릴, 클로로프렌, 에틸렌, 부틸, 불소, 실리콘, 저탄성 고무 등의 각종 고무 재료를 들 수 있다.
또한, ISO 2039-1에 따라 측정한 로크웰 경도(스케일 R)가 50도 이상 130도 이하인 플라스틱재로서는, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트 등의 범용 플라스틱이나, 나일론, 폴리아세탈, ABS, 폴리불화비닐리덴, 사불화에틸렌 수지 등의 범용 엔지니어링 플라스틱을 들 수 있다.
스페이서에 의해 유지되는 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트간의 간격은, 2 내지 10mm인 것이 바람직하다.
스페이서에 의해 유지되는 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트간의 간격이 2mm보다 작으면, 운전했을 때에 피처리액 중에 포함되는 오니 플록 등의 고형물이 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트간에 막혀, 처리 능력이 저하되어버릴 가능성이 있다. 또한, 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트간의 간격이 10mm보다 크면, 엘리먼트 유닛에 세팅할 수 있는 평막형 분리막 엘리먼트의 매수가 적어져버리기 때문에, 바람직하지 않다.
평막형 분리막 엘리먼트에 있어서의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 하중 0.1N을 가했을 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량이, 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 간격의 절반보다도 작은 것이 바람직하다. 상기 최대 휨량이 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 간격의 절반보다도 크면, 산기에 의한 평막형 분리막 엘리먼트의 진동에 의해 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 막면끼리가 접촉하여, 유효 여과 면적이 저하되어버릴 가능성이 있다.
하우징 프레임의 재질은, 스테인리스, 알루미늄 등의 각종 금속, PVC 수지나 ABS 수지 등의 각종 열가소성 수지, 또한 폴리우레탄 수지나 에폭시 수지 등의 각종 열경화성 수지 등 임의로 선택 가능하지만, 내식성 및 강성이 높은 스테인리스재가 적합하게 사용된다.
샤프트의 재질은, 스테인리스, 알루미늄 등의 각종 금속, PVC 수지나 ABS 수지 등의 각종 열가소성 수지, 또한 폴리우레탄 수지나 에폭시 수지 등의 각종 열경화성 수지 등 임의로 선택 가능하지만, 내식성 및 강성이 높은 스테인리스재가 적합하게 사용된다. 또한 연결의 기능을 달성할 수 있는 것이면, 중실 샤프트 및 중공 샤프트 중 어느 샤프트를 사용해도 상관없다. 또한, 샤프트의 단면 형상에 대하여 환 형상으로 한정되지 않으며, 타원, 대략 사각 형상 등 임의 형상이어도 상관없다.
4. 평막형 분리막 모듈
평막형 분리막 모듈은, 엘리먼트 유닛, 에어레이션 블록 및 집수관에 의해 구성되어 있다. 엘리먼트 유닛의 하방에는 에어레이션 블록이 배치되어 있다. 에어레이션 블록은, 블로어에 연결되어 있는 산기 장치를 포함한다. 막 침지조 내의 피처리수 중에 가라앉은 평막형 분리막 모듈의 엘리먼트 유닛을 향해 하방의 에어레이션 블록으로부터 공기가 분출된다.
평막형 분리막 모듈의 사용 방법을 도 14에 예시한 하폐수 처리 장치에 기초하여 설명한다. 도 14에 있어서, 평막형 분리막 모듈은 복수매의 평막형 분리막 엘리먼트가 서로 평행하면서도, 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 막면간에 공간이 형성되도록 하우징 내에 수용되어 구성되어 있다. 평막형 분리막 모듈은, 분리막 침지 수조에 축적된 유기성 폐수 등의 피처리수에 침지하도록 하여 사용된다. 평막형 분리막 모듈의 내부에는 연직 방향으로 장전된 복수매의 평막형 분리막 엘리먼트, 그의 하방에 산기 수단으로서 산기 장치가 설치되어 있다. 산기 장치는 블로어로부터의 기체를 분리막의 막면에 공급한다. 또한, 평막형 분리막 모듈보다도 하류측에는 투과수를 흡인하는 펌프를 설치하고 있다.
산기 장치로서는, 일반적으로 산기관이 사용된다. 산기관의 구조는 공기를 공급할 수 있으면 특별히 한정되지 않지만, 주관에 1 내지 10mm 직경 정도의 산기 구멍을 다수 형성한 것이나, 주관의 둘레에 탄성체를 권취하고, 탄성체에 슬릿을 다수 형성하고, 공기압으로 탄성체가 팽창함으로써 슬릿으로부터 미세한 기포가 다수 발생할 수 있도록 한 것 등이 바람직하게 사용된다.
산기관의 형상을 처리조의 크기에 따라, 혹은 분리막 모듈의 크기에 따라 형성하는 것이 바람직하며, 산기관의 형상은 일자상이어도 되고, U자상이어도 되고, 구불구불한 형상이어도 된다.
산기관의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 스테인리스 등의 금속류, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌 고무(ABS 수지), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화비닐 등의 수지, 섬유 강화 수지(FRP) 등의 복합 재료 등을 바람직하게 사용할 수 있다.
이와 같이 구성된 하폐수 처리 장치에 있어서, 폐수 등의 피처리액은 펌프의 흡인력에 의해 평막형 분리막 엘리먼트의 분리막을 통과한다. 이때, 피처리액 중에 포함되는 미생물 입자, 무기물 입자 등의 현탁 물질이 여과된다. 그리고, 분리막을 통과한 투과수는 분리막의 투과측에 흘러들어, 평막형 분리막 엘리먼트의 단부에 배치되는 집수 노즐을 통해 분리막 침지 수조의 외부에 펌프를 통해 취출된다. 한편, 여과와 병행하여 산기 장치가 기포를 발생하고, 기포에 의해 발생하는 평막형 분리막 엘리먼트의 막면에 평행한 흐름이, 막면에 퇴적된 현탁물을 박리시킨다.
인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 간극을 통과하는 산기 기포의 구 부피 상당 직경(이하, 간단히 「기포 직경」이라 하는 경우가 있음)과 그 때의 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 간격(이하, 간단히 「인접하는 막간의 간격」이라 하는 경가 있음)은, (기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)의 값이 클수록 기포에 의한 막면 전단 응력은 높아진다. 이것은, 이 값이 클수록 기포에 의해 밀어내지는 피여과액이 많아짐과 함께, 기포와 막면의 접촉 시간이 길어져, 흐름이 어지럽혀지기 쉽기 때문이다. 따라서, 산기되는 기포 직경이 동일하면, 인접하는 막간의 거리가 작을수록 막면 전단 응력이 높아지고, 막면의 세정력이 높아진다.
본 발명의 평막형 분리막 엘리먼트는, 상술한 바와 같이 평막형 분리막 엘리먼트가 진동한다. 평막형 분리막 엘리먼트가 진동하면, 인접하는 막간의 간격이 변동되고, 스페이서에 의해 유지된 간격에 대하여 커지는 경우와 작아지는 경우를 반복한다.
인접하는 막간의 간격이 커지면 (기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)의 값이 작아지기 때문에, 막면 전단 응력은 작아진다. 한편, 인접하는 막간의 간격이 작아지면 (기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)의 값이 커지기 때문에, 막면 전단 응력은 커지지만, 인접하는 막간의 간격이 커짐에 따른 막면 전단 응력의 저하분보다도, 인접하는 막간의 간격이 작아짐에 따른 막면 전단 응력의 증가분 쪽이 크기 때문에, 평막형 분리막 엘리먼트가 진동하면, 막면 전단 응력은 증가하여 바람직하다.
본 발명의 평막형 분리막 모듈의 운전 방법에 있어서는, 막면에 퇴적되는 현탁물을 박리시키는 관점에서 부피 0.5mm3 이상의 산기 기포에 대하여 운전 중에 (기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)>0.6을 만족하는 비율이 50 내지 90％인 것이 바람직하다.
「(기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)>0.6을 만족하는 비율」에 대하여 이하에 설명한다.
막간의 간격은, 하나의 기포가 막간의 간격을 통과할 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 요동에 의해, 장소, 시간에 따라 변동된다. 이 때의 각 시각에서의 (기포 직경)과 (인접하는 막간의 간격)을 화상 해석에 의해 산출하고, (기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)의 분포를 계산한다.
부피 0.5mm3 이상의 관찰된 모든 산기 기포에 대하여, (기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)>0.6을 만족하는 데이터수의 전체 데이터수에 대한 비율을 계산하고, 이들의 평균값을 「(기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)>0.6을 만족하는 비율」이라 한다.
이 비율이 50％보다 작으면, 큰 전단 응력을 갖는 기포의 비율이 적기 때문에 막면의 세정 효과가 작아져버린다. 또한, 90％보다 큰 경우에는, 기포의 직경이 극단적으로 큰 경우나 인접하는 막간의 간격이 극단적으로 작은 경우이며, 기포의 직경이 극단적으로 크면, 산기되는 기포의 수가 적어져버림과 함께, 용존 산소 효율이 저하되어버리기 때문에, 활성 오니의 성상이 악화되어버리는 것이 염려된다.
한편, 인접하는 막간의 간격이 극단적으로 작으면 평막형 분리막 엘리먼트의 진동이 작아져버리기 때문에, 충분한 세정성의 증가 효과가 얻어지지 않는다.
본 발명의 평막형 분리막 모듈의 운전 방법에 있어서는, 엘리먼트 유닛의 하방에 산기관을 설치한 평막형 분리막 모듈에, 하방으로부터 산기를 행하면서 운전을 행했을 때의 평막형 분리막 엘리먼트에 발생하는 요동은, 진동 에너지가 0.2 내지 0.5mN/m가 되도록 운전할 필요가 있다. 여기서, 평막형 분리막 엘리먼트의 각 개소가 갖는 진동 에너지 중에서 최대가 되는 값을, 이 평막형 분리막 엘리먼트의 진동 에너지로 한다.
진동 에너지가 이 범위 내이면, 진동에 의한 막면의 세정성과 안정 운전성을 양립하여 운전하는 것이 가능하다.
진동 에너지가 0.2mN/m보다도 작으면, 진동에 의한 세정 효과가 작기 때문에 산기 유량을 작게 할 수 없다. 한편, 진동 에너지가 0.5mN/m보다도 크면, 진동이 지나치게 커지기 때문에 평막형 막 엘리먼트끼리의 접촉이 발생할 가능성이 있으며, 장기간의 안정적인 운전을 행할 수 없다.
평막형 분리막 엘리먼트의 요동은 단진동이 아니기 때문에, 합일된 기포가 평막형 분리막 엘리먼트간을 상승할 때 등, 일시적으로 진동 에너지는 0.2 내지 0.5mN/m의 범위를 벗어나는 경우가 있다. 하방으로부터 산기를 실시할 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 진동 에너지에 대하여 이 진동 에너지의 범위 내에 있는 시간이 산기 시간의 75％ 이상을 만족하면, 진동에 의한 막면의 세정성과 안정 운전성을 양립하여 운전하는 것이 가능하기 때문에, 보다 바람직하다.
진동 에너지는, 평막형 분리막 엘리먼트의 중량, 진폭, 진동수, 막 면적에 의해 산출되며, 진폭 및 진동수는 평막형 분리막 엘리먼트의 강성, 산기 조건, 평막형 분리막 엘리먼트의 크기, 평막형 분리막 엘리먼트의 고정 방법, 피처리수의 점도, 침지조의 형태 등에 따라 결정된다.
구체적으로는, 우선 평막형 분리막 모듈의 운전을 행하고 있을 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 모습을, 평막형 분리막 엘리먼트의 측면으로부터 평막형 분리막 엘리먼트의 높이 방향으로 10등분한 각 위치에서 고속 카메라로 10초간 촬영하고, 이어서 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 높이 방향 10개소분에 대하여 촬영한다.
그리고, 평막형 분리막 엘리먼트의 위치 변동으로부터 진폭 및 진동수를 산출하고, 평막형 분리막 엘리먼트의 중량, 진폭, 진동수, 막 면적으로부터 진동 에너지를 계산한다.
산기 기포가, 인접하는 막간의 간격을 통과할 때의 기포의 평균 상승 속도는 0.5 내지 6.0m/min인 것이 바람직하다.
기포의 평균 상승 속도는, 산기 장치로부터 산기되는 기포의 풍량과 막간의 간격, 막 폭에 따라 결정된다.
기포의 평균 상승 속도가 0.5m/min보다도 작으면, 산기 유량이 극단적으로 작거나 막간의 간격이 극단적으로 큰 경우이며, 충분한 막면 세정 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 기포의 평균 상승 속도가 6.0m/min보다도 크면, 산기 유량이 극단적으로 크거나 막간의 간격이 극단적으로 작은 경우이며, 산기 유량이 극단적으로 크면 산기 에너지가 커지기 때문에, 운전 비용이 높아져 바람직하지 않다.
또한, 막간의 간격이 극단적으로 작으면, 평막형 분리막 엘리먼트의 요동이 작아지기 때문에 바람직하지 않다.
보다 바람직하게는, 기포의 평균 상승 속도는 1.0 내지 3.0m/min이다.
기포의 평균 상승 속도에 대해서도 상기와 마찬가지로, 운전을 행하고 있을 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 측면으로부터 고속 카메라로 촬영하고, 촬영된 화상을 해석함으로써 산출할 수 있다.
운전을 행할 때의 피처리액의 점도는 100mPa·s 이하인 것이 바람직하다. 피처리액의 점도가 100mPa·s보다 크면 점도가 높아짐으로써, 평막형 분리막 엘리먼트의 요동성이 저감되어, 원하는 효과가 얻어지지 않는 경우가 있다.
실시예
이하에 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 의해 아무런 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
제막 원액용의 수지 성분으로서 폴리불화비닐리덴(PVDF, 중량 평균 분자량 28만)을 사용하였다. 또한, 개공제로서 폴리에틸렌글리콜(PEG 20,000, 중량 평균 분자량 20,000), 용매로서 N,N-디메틸포름아미드(DMF), 비용매로서 H2O를 각각 사용하였다. 이들을 95℃의 온도하에서 충분히 교반하여, 다음의 조성을 갖는 제막 원액을 제작하였다.
폴리불화비닐리덴(PVDF): 13.0중량％
폴리에틸렌글리콜(PEG 20,000): 5.5중량％
N,N-디메틸포름아미드(DMF): 78.0중량％
H2O: 3.5중량％
기재로서 외관 밀도 0.6g/cm3, 밀용착률 25％의 50cm 폭×150cm 길이의 직사각형의 폴리에스테르 섬유성 엠보스 가공 부직포를 사용하여, 상기 제막 원액을 30℃로 냉각한 후, 기재에 도포하고, 도포 후, 즉시 20℃의 순수 중에 5분간 침지하고, 90℃의 열수에 2분간 더 침지하여 용매인 N,N-디메틸포름아미드 및 개공제인 폴리에틸렌글리콜을 씻어버렸다.
그 후, 계면활성제(모노올레산폴리옥시에틸렌소르비탄)의 20중량％ 수용액에 30분간 침지한 후, 75℃의 열풍 건조기로 30분간 건조하여 분리막을 제조하였다.
이어서, 얻어진 분리막을 길이 800mm, 폭 480mm로 2매 잘라내었다. 이 중 1매의 분리막의 투과측의 면에 폴리프로필렌 수지(이데미쯔 고산사제, 상품명: L-MODU S901)룰 로봇 디스펜서(무사시 엔지니어링사제, 상품명: 샷 마스터 400ΩX)를 사용하여, 수지 온도 150℃에서 도 2와 같이 도포하였다. 도포한 수지의 크기 및 패턴은 길이 760mm, 폭 4mm의 수지가 폭 방향으로 간격 6mm를 두고 45개 설치되어 있었다. 수지의 높이는 1mm였다.
한편, 다른 1매의 분리막의 외주 부분, 즉 주연의 밀봉부에는 폭 5mm, 높이 1mm로 집수 노즐 설치 위치를 제외하고 둘러싸도록 수지를 도포하였다.
그 후, 분리막 상에 투과측의 면이 마주보도록 다른 1매의 분리막을 올리고, 이 분리막의 주변에 스페이서로서 알루미늄판을 설치하였다. 이들 2매의 분리막과 스페이서를 모두 두께 3mm의 2매의 두께 조정용판 사이에 끼우고, 95℃의 오븐 중에 5분간 정치하여 분리막의 투과 측면끼리를 접착시켰다.
또한, 도 10과 같이, 평막형 분리막 엘리먼트의 주연부 측면의 상부에 집수 노즐을 설치하고, 4 모서리에 관통 구멍을 뚫어, 평막형 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
평막형 분리막 모듈은 본 평막형 분리막 엘리먼트를 수조 내에 10매 평행하게 설치하고, 4 모서리의 관통 구멍에 각각 샤프트를 통과시켜, 4 모서리에 고정하고, 두께 6mm의 스페이서에 의해 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 간격을 유지하고, 또한 하방에 산기관을 설치하여 제작하였다.
그리고, 평막형 분리막 엘리먼트 1매당 10L/min이 되도록 산기 풍량을 조정하여, 운전을 행하였다.
(실시예 2)
분리막의 투과측에 설치한 수지를 에틸렌아세트산비닐 공중합 수지(TEX YEAR INDUSTRIES INC.제, 상품명: 703A)로 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 3)
분리막의 투과측에 설치한 수지를 폴리프로필렌 수지(이데미쯔 고산사제, 상품명: L-MODU S400)로 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 4)
분리막의 투과측에 설치한 수지를 고결정성 폴리프로필렌 수지(MFR 1000g/10분, 융점 161℃) 60중량％와 저결정성 폴리프로필렌 수지(이데미쯔 고산사제, 상품명: L-MODU S400) 40중량％를 포함하는 조성물 펠릿으로 변경하고, 수지 온도 205℃에서 도포하고, 165℃의 오븐 중에 5분간 정치한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 5 내지 7)
분리막의 투과측에 설치한 수지의 간격을 하기 표에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 8 내지 10)
분리막의 투과측에 설치한 수지의 짧은 직경을 하기 표에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 11 내지 14)
분리막의 투과측에 설치한 수지의 배치 패턴을 도 3 내지 6에 도시한 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 15)
분리막의 투과측에 설치한 수지의 배치 패턴을 도 1에 도시한 바와 같이 변경하고, 분리막의 투과측에 설치한 수지를 폴리프로필렌 수지(이데미쯔 고산사제, 상품명: L-MODU S901)로 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 16)
수지의 직경 및 간격을 하기 표에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 15과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 17)
분리막의 투과측에 설치한 수지의 배치 패턴을 도 7에 도시한 바와 같이 변경하고, 수지의 긴 직경 및 간격을 하기 표에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 15과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 18)
분리막의 투과측에 설치한 수지의 배치 패턴을 도 8에 도시한 바와 같이 변경하고, 수지의 긴 직경 및 간격을 하기 표에 나타낸 바와 같이 변경하고, 상부는 실시예 1과 마찬가지로, 하부는 실시예 15와 마찬가지로 도포하고, 그 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 19, 20)
평막형 분리막 엘리먼트의 크기를 하기 표에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 21)
평막형 분리막 엘리먼트의 크기를 하기 표에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 15와 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 22)
평막형 분리막 엘리먼트의 집수 노즐 설치 위치를 도 10에 도시한 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 23, 24)
평막형 분리막 엘리먼트의 고정 방법을 도 12, 13에 도시한 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 15와 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 25)
스페이서의 두께를 4mm로 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(실시예 26)
분리막의 투과측에 수지를 직접 형성하는 것이 아니라, 부직포(밀도 0.5g/cm3, 두께 50㎛의 폴리에스테르 섬유)의 양면에 도 2에 도시한 바와 같이 실시예 1과 마찬가지로 수지를 도포하고, 수지를 형성한 부직포를 2매의 분리막의 내측에 배치하고, 두께 3mm의 2매의 두께판 사이에 끼우고, 95℃의 오븐 중에 5분간 정치하여 분리막의 투과측에 수지를 접착시켰다.
그 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(비교예 1)
분리막의 투과측에 설치한 수지의 배치 패턴을 도 1에 도시한 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 엘리먼트 유닛, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(비교예 2)
유로재로서 분리막의 투과측에 수지를 배치하는 것이 아니라, 네트(폴리에틸렌, 두께 1mm, 피치 6mm×6mm)를 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(비교예 3)
유로재로서 분리막의 투과측에 수지를 배치하는 것이 아니라, 트리코트(폴리에틸렌테레프탈레이트, 두께 1mm)를 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(비교예 4)
유로재로서 분리막의 투과측에 수지를 배치하는 것이 아니라, 다공성 필름(폴리에틸렌테레프탈레이트, 두께 1mm)을 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(비교예 5)
유로재로서 분리막의 투과측에 수지를 배치하는 것이 아니라, 지지판(ABS, 두께 6mm)을 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평막형 분리막 엘리먼트, 평막형 분리막 모듈을 제작하였다.
(분리막과 유로재의 접착 강도)
상기 실시예 및 비교예에서, 분리막의 투과측의 양면에 유로재가 고착된 폭 15mm×75mm의 분리막쌍을 제작하고, 길이 방향 75mm 중, 중앙의 15mm 이외의 부분에서 유로재와 막면을 박리시키고, 대향하는 각각의 막을 U자형에 절곡하고, 절곡된 부분을 상하로 파지하도록 인장 시험기(A&D사제, 상품명: 텐실론 RTG-1210)에 세팅하였다. 25℃, 65％ 상대 습도에서, 매분 2mm의 속도로 인장 시험을 행하였다. 상하의 막의 편면에서, 막과 유로재가 박리되었을 때의 인장력을 계측하고, 동일한 수준의 분리막쌍에 대하여 10회 측정을 행한 평균값을 접착 강도로 하였다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
(유로재의 긴 직경, 짧은 직경 및 간격)
상기 실시예 및 비교예에서, 현미경(S-800)(키엔스사제)을 사용하여 30개의 임의의 유로재 단면을 20배로 사진 촬영하고, 얻어진 디지털 화상을 화상 해석 소프트웨어(ImageJ)로 해석하여, 2치화함으로써 최대 직경 및 최소 직경을 산출하였다. 얻어진 30개의 평균값을 유로재의 긴 직경 및 짧은 직경으로 하였다. 또한, 마찬가지의 화상으로부터, 유로재의 간격을 분리막쌍의 긴 변 방향 및 짧은 변 방향 각각에 대하여 30개소 해석을 행하고, 평균값을 각각 긴 변 방향의 간격 및 짧은 변 방향이 간격으로 하였다. 또한, 50mm 이상의 크기인 경우에는, 현미경을 사용하지 않고 자로 계측하였다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
(유로재의 투영 면적비)
상기 실시예 및 비교예에서, 현미경(S-800)(키엔스사제)을 사용하여 30개의 임의의 유로재 단면을 10배로 사진 촬영하고, 얻어진 디지털 화상을 화상 해석 소프트웨어(ImageJ)로 해석하여, 2치화함으로써 막면의 여과 영역에 차지하는 수지의 비율을 투영 면적비로 하였다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
(굽힘 탄성률, 최대 굽힘 응력 및 면적률)
상기 실시예 및 비교예에서, 폭 48mm×길이 80mm의 분리막쌍(분리막 2매의 내측에 유로재)을 제작하고, 분리막쌍의 양단에 토대를 50mm의 간격을 두고 길이 80mm의 방향으로 세팅하였다. 그리고, 압축 시험기(텐실론 RTG-1210, A&D사제)를 사용하여, 매분 1.3mm로 압자 지그(반경 5mm)에 의해 막 엘리먼트의 중앙부를 압축해갔다. 이때에 얻어진 변위와 하중의 관계로부터, 다음 식에 의해 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력을 산출하였다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
여기서, F는 굽힘 하중, L은 지지점간 거리, b는 시험편 폭, h는 시험편 두께, s는 휨량, σ는 굽힘 응력, ε는 굽힘 왜곡, E는 굽힘 탄성률이다. 최대 굽힘 응력은 σ의 최댓값이다.
굽힘 탄성률은, (3) 식을 사용하여, (1) 식으로 표시되는 굽힘 왜곡이 0.25와 0.5일 때의 ΔF와 Δs로부터 산출하였다.
또한, 분리막쌍의 면적 전체에 대하여, 상술한 굽힘 탄성률 및 최대 굽힘 응력의 측정을 실시하고, 굽힘 탄성률이 100 내지 1000MPa 및 최대 굽힘 응력 1 내지 15MPa를 만족하는 영역의 비율을 산출하여, 면적률로서 나타내었다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
(분리막의 순수 투과 계수와 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수의 비)
상기 실시예 및 비교예에서 분리막을 직경 50mm의 원형으로 잘라내고, 원통형의 여과 홀더(애드반텍 도요제, 울트라 홀더 UHP-43K)에 세팅하고, 역침투막 투과수를 25℃에서 압력 10kPa로 5분간 예비 투과시킨 후, 이어서 투과시켜 투과수를 3분간 채취하고, 하기 식에 의해 분리막의 순수 투과 계수를 산출하였다.
(순수 투과 계수)=(투과수의 중량)/(측정 시간)/(압력)/(막 면적)/(투과수의 밀도)
또한, 상기 실시예 및 비교예에서, 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수의 측정은 평막형 분리막 엘리먼트를 수조 내에 침지시키도록 설치하고, 역침투막 투과수를 25℃에서 수두 높이 1m로 30분간 흡인 여과한 후, 이어서 투과수를 1분간 채취하고, 하기 식에 의해 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수를 산출하였다.
(순수 투과 계수)=(투과수의 중량)/(측정 시간)/(압력)/(막 면적)/(투과수의 밀도)
그리고, 분리막의 순수 투과 계수와 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수의 비를 하기 식에 의해 산출하였다.
(분리막의 순수 투과 계수와 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수의 비)=(평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수)/(분리막의 순수 투과 계수)
또한, 동일한 수준의 분리막 및 평막형 분리막 엘리먼트에 대하여 각각 3회 측정을 행하고, 그의 평균값을 분리막의 순수 투과 계수와 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수의 비로 하였다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
(평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량)
상기 실시예 및 비교예에서, 1매의 평막형 분리막 엘리먼트의 관통 구멍 각각에 샤프트를 관통시키고, 관통 구멍의 위치에 스페이서를 배치함으로써, 평막형 분리막 엘리먼트와 스페이서가 밀착되고, 평막형 분리막 엘리먼트가 각각의 샤프트와 수직이 되는 위치에서 스페이서를 고정구에 의해 샤프트에 고정하고, 평막형 분리막 엘리먼트와 스페이서를 관통하는 샤프트의 양단부를 고정구에 의해 하우징 프레임에 고정하였다.
그리고, 하우징 프레임을 막면이 바닥면과 평행해지도록 설치하고, 하우징 프레임 내에 고정된 평막형 분리막 엘리먼트의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 10g의 추를 올려, 평막형 분리막 엘리먼트의 휨량을 평막형 분리막 엘리먼트의 측면으로부터 관찰하여 측정하였다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
((기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)>0.6의 비율, 진동 에너지)
기포 직경, 인접하는 막간의 간격 및 진동 에너지는 이하의 순서로 계측, 산출하였다.
우선, 평막형 분리막 모듈의 운전을 행하고 있을 때의 평막형 분리막 엘리먼트의 모습을, 평막형 분리막 엘리먼트의 측면으로부터 평막형 분리막 엘리먼트의 높이 방향으로 10등분한 각 위치에서, 고속 카메라로 10초간, 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트 10개소분에 대하여 촬영하였다.
기포 직경에 관하여 얻어진 화상을 해석하고, 인접하는 평막형 분리막 엘리먼트의 사이를 흐르는 기포의 구 부피 상당 직경의 분포를 산출하였다. 또한, 마찬가지로 평막형 분리막 엘리먼트의 위치 변동을 화상 해석에 의해 산출하고, 인접하는 2매의 평막형 분리막 엘리먼트의 위치 변동으로부터, 인접하는 2매의 막간 거리의 변동을 산출하였다.
그리고, (기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)을 산출하고, 그 값이 0.6을 초과하고 있는 데이터수의 전체 데이터수에 대한 비율을 (기포 직경)/(인접하는 막간의 간격)>0.6을 만족하는 비율로 하였다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
진동 에너지에 관해서는, 상술한 평막형 분리막 엘리먼트의 위치 변동으로부터 진폭 및 진동수를 산출하고, 분리막의 진폭과 진동수 및 평막형 분리막 엘리먼트의 중량부터 다음 식에 의해 계산하였다.
여기서, I는 진동 에너지, m은 평막형 분리막 엘리먼트의 중량, A는 평막형 분리막 엘리먼트의 진폭, f는 평막형 분리막 엘리먼트의 진동수, S는 평막형 분리막 엘리먼트의 면적, n은 계측한 높이 위치의 수이다.
[수학식 4]
(차압 상승 속도)
상기 실시예 및 비교예에서, 평막형 분리막 엘리먼트 10매를 함유하는 평막형 분리막 모듈을 활성 오니조 내에 침지시키고, 투과 유속 0.5m/d로 운전을 행했을 때에 막간 차압을 경시적으로 관찰하여, 10일간 운전을 행했을 때의 1일당의 평균 차압 상승 속도를 산출하였다. 결과를 하기 표에 나타낸다.
또한, 상기 표 중 PP란 폴리프로필렌을 나타내고, EVA란 에틸렌아세트산비닐 공중합체를 나타내고, PET란 폴리에틸렌테레프탈레이트를 나타내고, ABS란 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체를 나타낸다.
본 발명을 상세하게 특정한 실시 양태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 본 출원은 2016년 2월 29일 출원의 일본 특허 출원(특원2016-036911) 및 2016년 7월 28일 출원의 일본 특허 출원(특원2016-148401)에 기초한 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.
1: 평막형 분리막 엘리먼트
2: 분리막
3: 분리 기능층
4: 기재
5: 간극
6: 밀봉부
7: 수지부
8: 투과수 집수부
9: 집수 노즐
10: 관통 구멍
11: 집수 튜브
12: 집수관
13: 고정구
14: 하우징 프레임
15: 평막형 분리막 모듈
16: 평막형 분리막 엘리먼트
17: 분리막 침지 수조
18: 산기관
19: 블로어
20: 흡인 펌프
21: 피처리수 입구
22: 피처리수 출구
23: 투과수
2: 분리막
3: 분리 기능층
4: 기재
5: 간극
6: 밀봉부
7: 수지부
8: 투과수 집수부
9: 집수 노즐
10: 관통 구멍
11: 집수 튜브
12: 집수관
13: 고정구
14: 하우징 프레임
15: 평막형 분리막 모듈
16: 평막형 분리막 엘리먼트
17: 분리막 침지 수조
18: 산기관
19: 블로어
20: 흡인 펌프
21: 피처리수 입구
22: 피처리수 출구
23: 투과수
Claims (22)
- 분리막의 투과측의 면이 서로 대향하도록 배치되고,
내측에 유로재가 설치되어 분리막쌍이 형성된 평막형 분리막 엘리먼트이며,
적어도 일방향에서의 굽힘 탄성률이 100 내지 1000MPa, 최대 굽힘 응력이 1 내지 15MPa를 만족하는 고탄성 영역의 면적이, 상기 분리막쌍의 여과 영역의 면적 중 10％ 이상인, 평막형 분리막 엘리먼트. - 제1항에 있어서, 상기 유로재의 적어도 일부가 복수의 수지부이며, 상기 수지부가 상기 분리막쌍의 투과측의 면의 양쪽에 고착된, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제2항에 있어서, 상기 고탄성 영역에서의 상기 수지부의 인장 탄성률이 50 내지 1000MPa인, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 고탄성 영역에서의 상기 수지부가 간격을 두고 배치되어 있는, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지부의 긴 직경이 10mm 이상인, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지부의 짧은 직경이 1 내지 20mm인, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고탄성 영역에서의 상기 수지부가 적어도 일방향에 있어서, 상기 고탄성 영역의 일단부에서 타단부까지 연속적으로 설치되어 있는, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지부의 상기 분리막쌍의 여과 영역에 대한 투영 면적비가 15 내지 80％인, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고탄성 영역에서의 임의의 점을 통과하는 모든 직선 상에 적어도 상기 수지부의 일부가 존재하는, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리막이 직사각형이며, 상기 고탄성 영역의 임의의 점을 통과하는 상기 분리막쌍의 짧은 변 방향의 직선 상의 적어도 일부에 상기 수지부가 존재하는, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리막쌍의 한 변의 길이가 300 내지 2000mm인, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리막쌍의 긴 변 방향의 한 변의 길이를 L1, 굽힘 탄성률을 E1, 상기 분리막의 짧은 변 방향의 길이를 L2, 굽힘 탄성률을 E2라 하면, 0.75×E1×L2/L1≤E2≤1.25×E1×L2/L1을 만족하는, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 순수 투과 계수가 상기 분리막의 순수 투과 계수의 0.02배 이상인, 평막형 분리막 엘리먼트.
- 하우징 프레임 내에, 평막형 분리막 엘리먼트 복수매를 수평 방향으로 간극을 두고 상하 방향으로 평행하게 배열하고, 상기 평막형 분리막 엘리먼트는 주연부 중 어느 것에서 고정되고, 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 하중 0.1N을 가했을 때의 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량이 0.5 내지 3.0mm인, 엘리먼트 유닛.
- 하우징 프레임 내에, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 평막형 분리막 엘리먼트 복수매를 수평 방향으로 간극을 두고 상하 방향으로 평행하게 배열하고, 상기 평막형 분리막 엘리먼트는 주연부 중 어느 것에서 고정되고, 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 하중 0.1N을 가했을 때의 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 최대 휨량이 0.5 내지 3.0mm인, 엘리먼트 유닛.
- 제14항 또는 제15항에 있어서, 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간격이 2 내지 10mm로 설치되는, 엘리먼트 유닛.
- 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 각 고정부로부터 가장 떨어진 막면에 하중 0.1N을 가했을 때의 최대 휨량이, 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간격보다도 작은 것을 만족하는, 엘리먼트 유닛.
- 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 엘리먼트 유닛의 하방에 산기 수단을 구비하고 있는, 평막형 분리막 모듈.
- 제18항에 있어서, 상기 평막형 분리막 엘리먼트 중 적어도 2개소가 고정되어 이루어지는, 평막형 분리막 모듈.
- 제18항 또는 제19항에 기재된 평막형 분리막 모듈을 사용하여, 상기 평막형 분리막 엘리먼트가 0.2 내지 0.5mN/m의 진동 에너지로 진동하도록 운전하는, 평막형 분리막 모듈의 운전 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 산기 수단으로부터 산기되는 기포의 평균 상승 속도가 0.5 내지 6.0m/min인, 평막형 분리막 모듈의 운전 방법.
- 제20항 또는 제21항에 있어서, 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간극을 통과하는 부피 0.5mm3 이상의 산기 기포의 구 부피 상당 직경을 B(mm), 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간격을 C(mm)라 하면, 운전 중에, 기포가 인접하는 상기 평막형 분리막 엘리먼트의 간격을 통과할 때에 B/C>0.6을 만족하는 비율의 평균값이 50 내지 90％인, 평막형 분리막 모듈의 운전 방법.
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