KR20210055294A - 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중 내에서 물 분자보다 작은 미세기포를 발생시켜, 미세기포와 결합된 화학약품을 통해 멤브레인의 세정효율을 높인 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치 및 방법{membrane washing device and methods using for micro bubble}

본 발명은 멤브레인 세정장치 및 방법에 관한 것으로 상세하게는 수중 내에서 물 분자보다 작은 미세기포를 발생시켜, 미세기포와 결합된 화학약품을 통해 멤브레인의 세정효율을 높인 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치 및 방법에 관한 것이다.

멤브레인(membrane)은 액체 또는 기체의 특정성분을 선별적으로 통과시켜 혼합물을 분리할 수 있는 액체막 또는 고체막으로 필터역할을 하며, 오염된 물의 정수, 오·폐수 정화, 바닷물의 담수화 또는 식품·의약품·화학공업·섬유·발전분야 등에 광범위하게 적용된다.

이러한 멤브레인을 이용하는 기술의 일예로는 특허문헌 1내지 3이 있다.

특허문헌 1은 여과된 원수의 염도를 낮춰 생활용수, 공업용수, 양식장용 물, 농업용수, 소방용수 또는 식수로 사용할 수 있도록 설치된 1차 멤브레인 필터 및 2차 생활용수 저장조와 2차 멤브레인 필터 및 3차 식수 저장조를 포함하는 해수 담수화 설비에 있어서, 1차 원수 저장조로부터 유입되는 염 지하수 또는 해수의 칼슘 이온, 철 이온이 산화되기 전에 나트륨 이온으로 치환하여 해수 담수화 시스템에 스케일 생성 및 부식을 방지토록 하는 폴리인산나트륨 용해 필터; 및 폴리인산나트륨 용해 필터의 출수구와 연결되어 이물질을 여과할 수 있도록 설치된 제1 디스크 필터, 제2 디스크 필터, 제3 디스크 필터로 이루어진 해수 담수화 전처리 시스템과; 해수 담수화 전처리 시스템은, 폴리인산나트륨 용해 필터를 교체 및 세척시 시스템의 운전 중지가 없도록 폴리인산나트륨 용해 필터의 입수구와 연결된 배관라인과 일단이 연결되고 타단은 염 지하수 또는 해수를 우회시킬 수 있도록 된 우회 배관라인과 연결된 대유량 필터와; 대유량 필터는 대유량 플리티드 방식으로 설계하며, 내부에는 폴리인산나트륨이 충진되어 칼슘 이온과 철 이온이 나트륨 이온으로 치환되도록 하고, 폴리프로필렌 소재를 사용하여 25마이크론 이상의 이물질을 90중량%이상 여과할 수 있도록 하며, 내구성과 내식성이 우수한 FRP소재를 사용하여 시간당 최대 50ton/h을 여과할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 해수 담수화 설비이고,

특허문헌 2는 복수의 수납공간을 구비한 프레임; 수납공간에 탈착가능하도록 장착되는 제어부; 및 수납공간에 탈착가능하도록 장착되며 제어부의 제어에 따라 원수를 처리하는 수처리부;를 포함하되, 수처리부는, 수납공간들 중 제1 수납공간에 장착되는 제1 수처리부; 수납공간들 중 제2 수납공간에 장착되는 제2 수처리부; 및 수납공간들 중 제3 수납공간에 장착되는 제3 수처리부;를 포함하고, 제1 수처리부는 MF(마이크로 필터), NF(나노 필터) 및 UF(울트라 필터) 중 적어도 하나의 방식을 용하여 제어부의 제어에 따라 유입되는 원수를 처리하는 제1 멤브레인부를 포함하고, 제어부 아래에 위치하며, 제2 수처리부는 RO 필터 방식을 사용하여 제1 수처리부를 거쳐 유입되는 원수를 처리하는 제2 멤브레인부를 포함하고, 제1 수처리부 아래에 위치하며, 제3 수처리부는 자외선 조사 방식을 사용하여 제2 수처리부를 거쳐 유입되는 원수를 처리하는 후처리부를 포함하고, 제2 수처리부 아래에 위치하고, 제1 수처리부의 제1 멤브레인부와 제2 수처리부의 제2 멤브레인부 사이에서 원수의 이송을 가능하게 하는 펌프가 존재하며, 펌프는 제2 수처리부에 구비되는 정수 처리 장치이고,

특허문헌 3은 공급수가 유입되는 공급수유입부가 구비되고, 유입된 공급수로부터 제1 여과수를 제조하는 정밀여과조; 제1 여과수가 유입되는 여과수유입부가 구비되고, 유입된 제1 여과수를 저장하는 제1 처리수조; 제1 처리수조에 저장된 제1 여과수가 유입되는 제1 유입부가 구비되고, 유입된 제1 여과수로부터 제2여과수 및 제1 농축수를 제조하는 제1 역삼투조; 제1 농축수가 유입되는 제2 유입부가 구비되고, 유입된 제1 농축수로부터 제3 여과수 및 제2 농축수를 제조하는 해수역삼투조; 제2 농축수가 유입되는 제3 유입부가 구비되고, 제2 농축수로부터 제1 혼합수를 조하는 제1 농축조; 제2 여과수가 유입되는 제4 유입부가 구비되고, 유입된 제2 여과수가 저장되는 제2 처리수조; 제2 처리수조의 제2 여과수가 유입되는 제5 유입부를 구비하여 유입된 제2 여과수로부터 제4 여과수 및 제3 농축수를 제조하며, 제조된 제3 농축수를 제1 농축조로 이송하는 제1 농축조 이송부가 구비되는 막증발조; 및 제1 농축조에서 제조된 제1 혼합수가 공급되며, 열원공급부에 의해 공급된 열원과 제1 혼합수를 접촉하여, 열교환에 의해 가열된 제1 가열혼합수를 막증발조에 공급하는 열교환부를 포함하고, 제2 처리수조는 막증발조에서 제조된 제4 여과수가 유입되는 제6 유입부를 구비하고, 제2 처리수조에 저장된 제4 여과수는 제7 유입부를 구비하는 제3 처리 수조로 유입되며, 유입된 제4여과수로부터 제1 처리수가 생성되어 배출부를 통해 배출되고, 제3 처리수조에서 생성된 제1 처리수가 유입되는 제8 유입부, 제2 처리수를 제3 처리수조로 유입시키는 제9 유입부, 및 제4 농축수를 제1 처리수조로 이송하는 제3 이송부가 구비되고, 유입된 제1 처리수로부터 제2 처리수 및 제4 농축수를 제조하는 제2 역삼투조;를 포함하며, 열원공급부의 열원은, 350℃ 이하의 연소가스 또는 제강 직접수인 수처리 장치이다.

이러한 멤브레인은 상기한 바와 같이, 필터 기능을 하는 것으로 장시간 사용할 경우 오염되어 여과기능이 상실하게 되며 수시로 세척을 해야한다.

종래의 멤브레인 청소와 관련된 기술은 다양한 것이 있고 그 예로 특허문헌 4 및 5가 있다.

특허문헌 4는 세정 챔버 내에 바이오-파울링이 생성된 멤브레인 필터를 위치시키는 단계; 및 세정 챔버 내에 초임계 유체를 유입시켜 멤브레인 필터에 생성된 바이오-파울링과 미생물을 제거하는 단계를 포함하되, 초임계 유체는 멤브레인 필와 접촉한 후 오염물 회수챔버 내로 연속적으로 유입되는 멤브레인 필터 세정방법이고,

특허문헌 5는 멤브레인 하부에 설치된 산기장치를 통해 산기하여 멤브레인을 세정하는 멤브레인 세정방법이며, 산기는 제1산기 공정-정지 공정-제2산기 공정의 순으로 반복하고, 제1산기 공정과 정지 공정의 시간 비는 72: 1 내지 1,000: 1이며, 제1산기 공정과 제2산기 공정의 유속비는 1: 1.1 내지 1: 10 이고, 멤브레인 세정방법은 24 시간 가동시 총 산기 정지시간이 1 내지 60 분인 멤브레인 세정방법이다.

그러나 이와 같은 방법으로 멤브레인을 세정 기술은 세정 효과가 떨어져 멤브레인의 필터 효과가 낮아지는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1845674호 대한민국 등록특허 제10-1901960호 대한민국 등록특허 제10-1648296호 대한민국 등록특허 제10-1122250호 대한민국 등록특허 제10-1715994호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 수중 내에서 물 분자보다 작은 미세기포를 발생시켜, 미세기포와 결합된 화학약품을 통해 멤브레인의 세정효율을 높인 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치 및 방법를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치는 제어밸브가 설치된 원수유입라인에 연결된 하나 이상의 멤브레인을 구비한 수 처리 시설에 설치되어 멤브레인을 세정하는 멤브레인 세정장치에 있어서, 세정수가 저장된 세정탱크; 상기 멤브레인을 통과한 물을 수요처로 공급하는 배수지탱크에 연결된 배수지라인에 병렬 연결되어 선택적으로 상기 세정탱크에 물을 공급하는 라인으로 제어밸브가 설치된 세정수유입라인; 상기 세정탱크의 세정수를 멤브레인에 연결된 원수유입라인으로 공급하는 라인으로 제어밸브가 설치된 세정수라인; 상기 세정수라인을 통과하는 세정수에 공기를 공급하여 세정수 중에 기포를 발생시키는 버블생성장치; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 세정수라인의 버블생성장치 후단에는 과잉공기분리탱크가 더 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정 방법은 세장장치를 이용한 멤브레인 세정 운전방법에 있어서, 배수지탱크의 수위를 감지하는 단계; 배수지탱크의 수위가 설정된 고수위에 도달한 것으로 감지되면 배수지라인을 차단하고 세정수유입라인을 개방하여 세정수탱크에 세정수를 공급하는 단계; 세정탱크의 수위를 감지하는 단계; 세정탱크의 수위가 설정된 고수위에 도달한 것으로 감지되면 원수유입라인과 세정수유입라인을 차단하고 세정수라인을 개방한 후, 버블생성장치를 작동시켜 공기방울이 포함된 세정수가 멤브레인을 통과하게 하는 세정단계; 세정탱크의 수위를 감지하는 단계; 세정탱크의 수위가 설정된 저수위에 도달한 것으로 감지되면 버블생성장치를 정지시키고, 원수유입라인을 개방하고, 세정수라인을 차단하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치 및 방법은 수중 내에서 물 분자보다 작은 미세기포를 발생시켜, 미세기포와 결합된 화학약품을 통해 멤브레인의 세정효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치를 적용한 반염수 역삼투(BWRO) 시스템의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정 방법의 흐름도

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 마이크로버블이 이물질을 부상시켜 이물질을 모다 쉽게 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 제어밸브(V1)가 설치된 원수유입라인(Lo)에 연결된 하나 이상의 멤브레인(100)을 구비한 수 처리 시설에 설치되어 멤브레인을 세정하는 멤브레인 세정장치에 있어서, 세정수가 저장된 세정탱크(10); 상기 멤브레인을 통과한 물을 수요처로 공급하는 배수지탱크에 연결된 배수지라인(Lc)에 병렬 연결되어 선택적으로 상기 세정탱크에 물을 공급하는 라인으로 제어밸브(V3)가 설치된 세정수유입라인(Li); 상기 세정탱크의 세정수를 멤브레인에 연결된 원수유입라인으로 공급하는 라인으로 제어밸브(V4)가 설치된 세정수라인(Lw); 상기 세정수라인을 통과하는 세정수에 공기를 공급하여 세정수 중에 기포를 발생시키는 버블생성장치(20); 를 포함한다.

본 발명은 통상의 RO(Reverse Osmosis) 시스템에 사용되는 기술로, 도 1에 도시한 바와 같이 다수의 멤브레인(100))이 직렬 또는 병렬로 연경되어 있고, 각각의 멤브레인의 입구에는 원수유입라인(Lo)가 연결되고 이 원수유입라인에는 각각 제어밸브(V1A, V1B)가 설치되어 처리 대상이 되는 원수가 각각의 멤브레인으로 공급된다.

멤브레인의 출구 측에는 처리된 처리수가 후속되는 수요처로 공급하기 위한 수단이 설치되어 있다. 즉, 멤브레인에 의해 수처리된 처리수를 집수하여 저장할 수 있는 배수지탱크가 구비되어 있고, 이 배수지탱크의 물은 수요처로 분재하여 공급된다.

이에 따라 멤브레인의 출구에는 배수지탱크에 연결된 배수지라인(Lc)이 연결되어 있으며, 이 배수지라인과 병렬로 상기 세정수유입라인(Li)이 연결되어 있다.

물론, 배수지라인(Lc)과 세정수유입라인(Li) 각각에는 제어밸브(V2, V3)가 각각 설치되어 멤브레인으로부터 배출되는 물이 흐르는 방향이 제어될 수 있다.

본 발명의 세정 장치는 상기 원수유입라인(Lo)과 배수지라인(Lc) 사이에 설치되어 세정액을 포함하는 세정수를 멤브레인에 선택적으로 공급함에 의해 멤브레인의 세정하며, 멤브레인의 세정 시기는 배수지탱크에 처리수가 충만한 상태가 될 수 있다.

상기 세정탱크(10)는 세정수가 저장되는 탱크로 멤브레인에 의해 여과된 물과 세정액이 혼합되어 있으며, 세정라인(Lw)에 의해 원수유입라인(Lo)과 배수지라인(Lc) 사이에 연결되어 있다.

상기 세정탱크(10)의 일측에는 수위감지센서(미도시)가 설치되어 있어 세정탱크에 저장되는 세정수의 수위를 감지할 수 있으며, 출구측에는 석션제어밸브(suction control valve)가 설치되어 배출되는 세정수를 제어할 수 있다.

상기 버블생성장치(20)는 세정탱크로부터 배출되는 세정수 중에 마이크로버블(micro bubble)을 공급하기 위한 것으로, 공기방울을 생성하는 다양한 장치 중 어느 하나를 선택하여 구성할 수 있다.

상기 버블생성장치(20)의 일측에는 장치에 공급되는 공기의 양을 감지하여 공기의 양을 제어하기 위한 에어플로미터(21)가 더 설치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 세정수라인(Lw)에는 유량계(FM), 압력계(PG), 온도계(CG)를 더 설치하여 세정수의 공급량, 세정라인상의 유압, 온도 등을 감지할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 세정 장치는 상기 세정수라인(Lw)의 버블생성장치(20) 후단에는 과잉공기분리탱크(30)가 더 설치되는 것이 바람직하다.

상기 버블발생장치(20)에 의해 세정수 중에 마이크로버블을 공급하는 과정에서 과도한 공기가 공급될 수 있고, 이렇게 과하게 공급된 공기가 멤브레인에 공급될 경우 세정 효율이 떨어질 수 있음에 따라 상기 공기분리탱크(30)를 설치하여 과도한 공기를 배출시키는 것이다.

즉, 상기 공기분리탱크는 과하게 공급되어 세정수 중에 녹아 있지 않고 부상하는 공기를 배출시키기 위한 것으로, 탱크의 일측에 과잉공기배출밸브(31)를 설치하여 공기분리탱크로 유입된 세정수로부터 배출되어 위로 부상하는 공기를 배출시키는 것이다.

상기 버블발생장치(20)에 공급되는 공기는 도 2에 도시한 바와 같이, 담수화 시설 등과 같은 수처리 시설의 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis)에서 사용되는 압축기로부터 생성된 공기를 공급받을 수 있으며, 이렇게 공급되는 공기의 양을 계측할 수 있도록 에어플로미터(21)가 구비되어 있다.

이하 상기와 같이 구성된 세장장치를 이용한 멤브레인 세정 운전방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 멤브레인 세정 운전방법은 도3에 도시한 바와 같이, 배수지탱크의 수위를 감지하는 단계; 배수지탱크의 수위가 설정된 고수위에 도달한 것으로 감지되면 배수지라인을 차단하고 세정수유입라인을 개방하여 세정수탱크에 세정수를 공급하는 단계; 세정탱크의 수위를 감지하는 단계; 세정탱크의 수위가 설정된 고수위에 도달한 것으로 감지되면 원수유입라인과 세정수유입라인을 차단하고 세정수라인을 개방한 후, 버블생성장치를 작동시켜 공기방울이 포함된 세정수가 멤브레인을 통과하게 하는 세정단계; 세정탱크의 수위를 감지하는 단계; 세정탱크의 수위가 설정된 저수위에 도달한 것으로 감지되면 버블생성장치를 정지시키고, 원수유입라인을 개방하고, 세정수라인을 차단하는 단계;로 이루어진다.

즉, 통상의 RO 시스템은 소정 시간 운전 후, 멤브레인 세정 과정을 수행하여야 하며, 본 발명의 경우 수요처에 공급하기 위한 처리수가 저장되는 배수지탱크의 수위에 따라 제어될 수 있다.

즉, 배수지탱크에 처리수를 채우는 과정도안 멤브레인에는 많은 이물질이 쌓일 수 있고, 배수지탱크에 채워진 처리수를 수요처에 공급하는 동안에는 RO시스템이 정지된 상태를 유지하고 있음에 따라 이 시간동안 멤브레인 세정 과정이 수행되게 할 수 있다.

상기한 바와 같이 멤브레인 세정 운전 방법은 RO시스템이 정지된 상태에서 이루어지며, 세정 운전 고정에서 멤브레인을 통과한 처리수가 배수지탱크로 이동하는 것을 방지하기 위해 배수지라인(Lc)에 설치된 제어밸브(V2)는 닫고, 세정수유입라인(Li)에 설치된 제어밸브(V3)는 개방한다.

물론 이때 원수유입라인(Lo)에 설치된 밸브들(V1A, V1B)은 개방하여 원수가 멤브레인을 통과 하면서 여과되게 하고, 여과된 물이 세정수유입라인을 통해 세정탱크에 공급되는 것을 감지하여 세정탱크의 수위가 고수위(세정수의 양이 세정에 필요한 양이 되는 수위)에 도달하면 원수유입라인(Lo)에 설치된 밸브들(V1A, V1B)과, 세정수유입라인(Li)의 제어밸브(V3)를 닫고, 세정수라인(Lw)에 설치된 밸브(V4)를 개방한다.

물론, 세정라인(Lw)은 밸브(V1A, V1B)와 멤브레인 사이의 라인에 연결되어 세정수가 멤브레인으로 흐르게 된다.

이 상태에서 버블생성장치(20)를 작동시킴에 의해 공기방울이 포함된 세정수가 멤브레인을 통과하면서 세정이 이루어지는 것이다.

이때에는 각각의 멤브레인에 설치된 드레인라인(Ld)에 설치된 밸브들을 개방하여 멤브레인을 세정한 세정수가 외부로 배출되게 한다.

세정이 종료여부는 세정탱크의 수위를 감지함에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 세정탱크에 저장되는 세정수는 멤브레인을 최적으로 세정하는 데 필요한 양이고, 이 세정수가 소비된 양을 감지함에 의해 멤브레인의 세정 종료를 확인할 수 있기 때문에 세정탱크의 수위가 설정된 저수위에 도달하면 세정이 종료되는 것이다.

세정이 종료되면 버블생성장치를 정지시키고, 원수유입라인을 개방하고, 세정수라인을 차단한 후 정상적인 RO 운전이 이루어질 수 있다.

10: 세정탱크
20: 버블생성장치
21: 에어플로미터
30: 과잉공기분리탱크
31: 과잉공기배출밸브
100: 멤브레인

Claims (3)

1. 제어밸브(V1)가 설치된 원수유입라인(Lo)에 연결된 하나 이상의 멤브레인(100)을 구비한 수 처리 시설에 설치되어 멤브레인을 세정하는 멤브레인 세정장치에 있어서,
   세정수가 저장된 세정탱크(10);
   상기 멤브레인을 통과한 물을 수요처로 공급하는 배수지탱크에 연결된 배수지라인(Lc)에 병렬 연결되어 선택적으로 상기 세정탱크에 물을 공급하는 라인으로 제어밸브(V3)가 설치된 세정수유입라인(Li);
   상기 세정탱크의 세정수를 멤브레인에 연결된 원수유입라인으로 공급하는 라인으로 제어밸브(V4)가 설치된 세정수라인(Lw);
   상기 세정수라인을 통과하는 세정수에 공기를 공급하여 세정수 중에 기포를 발생시키는 버블생성장치(20); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 세정수라인의 버블생성장치(20) 후단에는 과잉공기분리탱크(30)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정장치.
3. 제1항 또는 제2항의 세장장치를 이용한 멤브레인 세정 운전방법에 있어서,
   배수지탱크의 수위를 감지하는 단계;
   배수지탱크의 수위가 설정된 고수위에 도달한 것으로 감지되면 배수지라인을 차단하고 세정수유입라인을 개방하여 세정수탱크에 세정수를 공급하는 단계;
   세정탱크의 수위를 감지하는 단계;
   세정탱크의 수위가 설정된 고수위에 도달한 것으로 감지되면 원수유입라인과 세정수유입라인을 차단하고 세정수라인을 개방한 후, 버블생성장치를 작동시켜 공기방울이 포함된 세정수가 멤브레인을 통과하게 하는 세정단계;
   세정탱크의 수위를 감지하는 단계;
   세정탱크의 수위가 설정된 저수위에 도달한 것으로 감지되면 버블생성장치를 정지시키고, 원수유입라인을 개방하고, 세정수라인을 차단하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 멤브레인 세정 방법.

Images