KR20230042300A - 교차 흐름 여과의 가변 속도 패턴 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 고정된 채널 높이에서 공급액 스페이서의 기하 형상을 변화시킴으로써 교차 흐름 여과 요소의 공급 채널 내의 흐름 특성을 변경할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

Description

교차 흐름 여과의 가변 속도 패턴

본 발명은 유체 성분, 구체적으로 교차 흐름 멤브레인 요소(cross-flow membrane element)와 나선형으로-권취된 멤브레인 요소(spiral-wound membrane element)를 분리시키는 데 사용되는 멤브레인 시스템에 관한 것이다.

교차 흐름 여과에서 공급액 유체는 필터를 통해 흐르고 타 단부에서 방출되는 반면, 유체의 일부 부분은 유체 흐름 방향과 평행한 멤브레인 표면을 통한 여과에 의해 제거된다. 플레이트와 프레임, 카세트, 중공 섬유 또는 나선형 권취식 시스템을 포함하여 다양한 형태의 교차 흐름 여과가 존재한다. 플레이트와 프레임, 카세트 및 나선형으로-권취된 여과 모듈은 인접한 여과 멤브레인 층 사이에 간격을 제공하는 적층된 멤브레인 층에 종종 의존하며, 본 발명은 이러한 시스템에 적용될 수 있다.

나선형 권취식 멤브레인 여과 요소는 이 기술 분야에 알려져 있고, 멤브레인을 통과하여 중심 튜브로 가는 유체를 중심 튜브의 축에 대해 길이 방향으로 제거하기 위한 경로를 생성하는 다공성 투과액 캐리어(porous permeate carrier)에 밀봉되거나 다공성 투과액 캐리어 주위에 밀봉된 멤브레인 시트(membrane sheet)를 갖는 적층된 구조를 포함하지만, 이 적층된 구조는 중심 튜브 주위를 나선형으로 감싸고, 요소를 통해 유체의 축 방향 흐름을 허용하기 위해 다공성 공급액 스페이서(porous feed spacer)를 사용하여 중심 튜브로부터 이격된다. 전통적으로, 공급액 스페이서는 공급수의 흐름이 나선형으로 권취된 요소로 들어가서 공급수의 일부 부분이 멤브레인을 통과하게 하고, 제거 물(reject water)이 중심 튜브에 평행하고 요소 구조에 대해 축 방향으로 요소를 빠져나가게 하는 데 사용될 수 있다.

나선형 권취식 요소의 설계 개선은 미국 특허 6,632,357(Barger 등), 미국 특허 7,311,831(Bradford 등), 및 호주 특허(2014223490) 및 일본 특허(6499089)(발명의 명칭: "Improved Spiral Wound Element Construction", 발명자: Herrington 등)(이 문헌에서 공급액 스페이서는 멤브레인의 내측 또는 외측 표면에 직접 인쇄, 증착 또는 엠보싱 처리된 아일랜드 또는 돌출부로 대체됨)에 개시되어 있다. 미국 특허 출원 PCT/WO2018190937A1(발명의 명칭: "Graded spacers for filtration wound elements", 발명자: Roderick 등)은 나선형 권취식 요소에서 공급액 흐름 특성을 변경하는 데 사용되는, 높이에 따라 점차 변하는 스페이서 특징부(height graded spacer feature)의 사용을 설명한다.

본 발명의 실시예는 고정된 채널 높이에서 공급액 스페이서의 기하 형상을 변화시킴으로써 교차 흐름 여과 요소의 공급 채널 내의 흐름 특성을 변경할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

도 1은 나선형 권취식 멤브레인 요소의 분해도이다.
도 2는 부분적으로 조립된 나선형 권취식 멤브레인 요소의 분해도이다.
도 3은 출구에서 교차 흐름 면적의 약 20%를 폐색하면서 공급액 입구로부터 농축액 출구로 가면서 폭이 균일하게 증가하는 인쇄된 흐름 제어 스페이서를 갖는, 감기 전의 나선형 권취식 요소의 도면이다.
도 4는 출구에서 교차 흐름 면적의 약 50%를 폐색하면서 공급액 입구로부터 농축액 출구로 가면서 폭이 균일하게 증가하는 인쇄된 흐름 제어 스페이서를 갖는, 감기 전의 나선형 권취식 요소의 도면이다.
도 5는 출구에서 교차 흐름 면적의 대략 20%를 폐색하면서 공급액 입구로부터 농축액 출구로 가면서 폭이 계단식 방식으로 증가하는 인쇄된 흐름 제어 스페이서를 갖는, 감기 전의 나선형 권취식 요소의 도면이다.
도 6은 공급액 입구로부터 농축액 출구로 가면서 개수가 증가하는 라인으로 구성된 인쇄된 흐름 제어 스페이서를 갖는, 감기 전의 나선형 권취식 요소의 도면이다.
도 7은 균일하게 분포된 공급액 스페이서 특징부를 더 포함하는, 공급액 입구로부터 농축액 출구로 가면서 폭이 균일하게 증가하는 인쇄된 흐름 제어 스페이서를 갖는, 감기 전의 나선형 권취식 요소의 도면이다.
도 8은 공급액 입구로부터 농축액 출구로 가면서 크기가 증가하는 원형 간격 특징부의 어레이를 포함하는 인쇄된 흐름 제어 스페이서의 어레이를 갖는, 감기 전의 나선형 권취식 요소의 도면이다.
도 9는 공급액 입구로부터 농축액 출구로 가면서 크기가 증가하고 또한 원위 단부로부터 중심 튜브로 가면서 크기가 증가하는 원형 간격 특징부의 어레이를 포함하는 인쇄된 흐름 제어 스페이서의 어레이를 갖는, 감기 전의 나선형 권취식 요소의 도면이다.

나선형 권취식 여과 요소의 공급액 스페이서는 공급액 유체가 흐르는 채널을 유지하는 데 필요하지만, 스페이서 설계는 국지적 흐름 속도, 난류, 정체 구역 및 기타 유체 흐름 조건에도 영향을 미친다. 압출된 메시 공급액 스페이서는 생산 공정에 통합하는 것이 쉽기 때문에 전통적으로 멤브레인을 제조하는 데 사용되어 왔지만 설계 특성상 많은 유체역학적 특성이 스페이서의 두께에 따라 달라진다. 인쇄된 공급액 스페이서는 두께와 기하 형상을 독립적으로 변화시켜 나선형 권취식 멤브레인 요소 구성에서 발견되는 특정 응용 또는 특정 문제에 맞게 조정될 수 있는 광범위한 구성을 생성할 수 있기 때문에 종래의 압출되거나 직조된 메시 스페이서를 사용하여 획득될 수 없는 고유한 설계 특성을 허용한다.

교차 흐름 여과는 특성상 공급액 유체의 일부 부분이 필터를 통과하여 여과액의 일부가 되는 것에 의존하여 공급액 유체가 필터를 통과할 때 공급액 유체의 양이 지속적으로 감소하는 상황을 생성한다. 생성된 여과액의 양이 많을수록 필터를 통해 흐르는 공급액/농축액의 양이 적어진다. 유체가 요소를 통해 흐를 때 유체의 일부가 멤브레인을 통해 흐른다. 간단히 모델링하면 멤브레인을 통한 일정한 유량(flux)은 공급액 용액이 요소를 통해 흐를 때 공급액 용액의 점차 감소하는 흐름을 생성한다. 실제로 통과하는 유체의 양은 국지적 흐름 조건과 용질 또는 현탁 물질의 국지적 농도뿐만 아니라 국지적 압력에 따라 달라지고, 국지적 압력은 또한 국지적으로 요소의 투과액 측으로부터의 임의의 배압에 따라 달라진다.

나선형 권취식 요소 및 적층 필터와 같은 많은 교차 흐름 여과 시스템은 공급액 유체가 흐르는 멤브레인 물질의 평행한 편평한 시트에 의존한다. 공급 채널이 고정된 부피를 차지하는 이러한 시스템에서, 여과액 스트림으로의 공급액 유체의 손실은 공급액 입구로부터 농축액 출구로 흐르는 유체 스트림이 필터의 길이를 따라 교차 흐름 속도가 감소하는 상황을 생성한다. 교차 흐름 속도뿐만 아니라 필터 기하 형상과 공급액 스페이서를 포함하여 필터의 유체역학적 조건은 유체 전단, 경계층 두께 및 농도 분극화와 같은 유체 흐름의 몇 가지 중요한 특성에 영향을 미쳐, 멤브레인 유량, 마찰 압력 손실, 생물학적 오염 및 스케일링을 포함하여 필터 성능 특성에 영향을 미친다. 따라서, 고정된 필터 기하 형상과 공급액 스페이서를 갖는 시스템의 경우, 변하는 교차 흐름 속도는 시스템 전체에 걸쳐 이러한 특성의 변화를 유도하여 성능을 제한할 수 있다.

이를 설명하는 하나의 접근 방식은 시스템의 기하 형상을 변화시키는 것이다. 공급액 공간의 다른 양태를 동일하게 유지하면서 교차 흐름 방향으로 공급액 스페이서 높이를 줄임으로써 보다 일정한 공급액 속도를 달성할 수 있다. 이러한 시스템은 PCT 특허 출원 WO2018190937A1(발명의 명칭: GRADED SPACERS IN SPIRAL WOUND ELEMENTS)에 설명되어 있다. 교차 흐름 속도를 제어하는 다른 접근 방식은 공급액 공간 내에서 동일한 기하 형상을 유지하지만 공급액 공간 내에서 평균 속도를 변화시키는 방식으로 멤브레인 시트를 서로 분리시키는 역할을 하는 공급액 스페이서를 변경하는 것이다. 본 발명은 요소 내의 다양한 지역에서 흐름 특성을 변경하기 위해 공간 밀도가 변하는 공급액 스페이서를 사용함으로써 공급 채널 내의 흐름 속도를 제어할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

사용된 공급액 간격 특징부는 둥근 도트, 타원형, 둥근 단부를 갖는 막대, 렌티큘러 형태, 늘어진 다각형, 선 또는 기타 기하 형상을 포함하여 다수의 형상 중 임의의 형상일 수 있다. 공급액 간격 특징부의 형상과, 유체가 공급액 간격 특징부의 외측 주위를 횡단해야 한다는 사실로 인해, 유체 흐름 속도는 공급액 간격 특징부들 사이의 영역에서 국지적으로 변하지만 공급액 간격 특징부의 크기와 패턴이 균일한 경우 벌크 유체 속도는 멤브레인을 통해 흐르는 여과액에 의해 야기되는 유체 부피의 감소에 의해서만 영향을 받는다. 그 결과 입구로부터 요소의 제거 스트림으로 가면서 유체 부피와 그에 따라 유체 속도가 순 감소한다.

본 발명의 실시예에서, 공급액 간격 특징부는 요소 내의 공급액/농축액 흐름의 유체 경로를 따라 크기, 개수 또는 형상이 변하여 평균 흐름 속도가 하나의 구역으로부터 그 다음 구역으로 변할 수 있게 한다. 공급액 간격 특징부는 물이 흐르는 단면적의 일부를 차지하고, 이 단면적을 변화시키는 것에 의해 벌크 흐름 속도는 요소를 통과하는 여과액에 의해 야기된 속도 변화와 독립적으로 변화될 수 있다. 예를 들어, 공급액 간격 특징부는 유체 흐름 속도가 요소를 통해 흐르는 유체 흐름의 길이 전체에 걸쳐 일정하게 유지되도록 흐름 경로의 단면적이 멤브레인을 통해 여과액 스트림으로 흐르는 물의 부피에 비례하는 방식으로 증가하도록 공급액 입구로부터 요소의 제거 단부로 가면서 일정한 높이를 유지하면서 크기가 증가될 수 있다.

유체 분리 시스템 및 요소에서 공급액 용액으로부터 제거된 투과액의 백분율은 회수율이라고 불리고, 이 값은 응용에 따라 시스템마다 그리고 요소마다 변한다. 시스템 회수율은 매우 높을 수 있고, 예를 들어, 액체 배출 제로 시스템의 경우 100%에 근접한다. 그러나, 교차 흐름 여과에서 개별 요소 회수율은 일반적으로 상당히 낮다. 일부 역삼투 물 여과 응용에서 50% 이상만큼 높은 회수율이 달성된다. 예를 들어, 많은 역삼투 물 여과 요소는 20%와 같은 낮은 값에서 요소당 최대 회수율을 명시하고, 실제로 요소는 요소당 훨씬 더 낮은 회수율, 예를 들어, 10% 내지 15% 범위를 생성할 수 있다. 회수율의 한계는 일반적으로 교차 흐름에 남아 있는 물질이 문제가 되는 유체 농도 수준에 의해 설정된다. 이러한 농도가 충분히 높아지면 침전 및 스케일 형성, 겔층 형성, 케이킹(caking) 또는 높은 삼투압과 같은 문제가 여과 공정을 방해한다. 또한, 흐름 속도가 감소함에 따라 요소 내의 혼합 및 확산 특성이 변하여 일반적으로 멤브레인 유량에 해로운 영향을 미친다. 이러한 문제는 농도가 증가하더라도 투과액이 제거됨에 따라 공급 스트림의 유체 흐름이 느려진다는 사실에 의해 종종 악화된다.

평균 흐름 속도를 변화시키는 방식으로 공급액 간격 특징부의 기하 형상을 변경시킴으로써 농도 변화의 해로운 영향 중 일부를 상쇄할 수 있다. 예를 들어, 15% 회수율로 동작하는 요소에서 공급액 간격 특징부의 개수, 크기 또는 형상이 요소 출구에서 공급액 공간의 15% 이상을 차지하도록 증가하면, 평균 교차 흐름 속도는 요소 전체에 걸쳐 거의 일정하게 유지될 수 있다. 공급액 공간을 더 많이 차지하도록 간격 특징부를 변경하면 공급액 공간 내의 평균 흐름 속도가 실제로 요소에 걸쳐 증가하는 요소가 생성될 수 있다. 공급액 간격 특징부의 개수, 크기 또는 형상을 증가시키는 것의 하나의 단점은 이것이 멤브레인 표면의 일부를 폐색하여 멤브레인 시트의 활성 표면적을 감소시킨다는 것이다. 많은 경우 변경된 흐름 특성에 의해 제공되는 이점은 고정된 공급액 스페이서를 갖는 종래의 요소보다 멤브레인 유량, 총 투과액 흐름 또는 감소된 오염 또는 스케일링 면에서 여전히 더 나은 요소 성능을 생성한다. 특정 응용에서 성능을 최적화하기 위해 내부 흐름을 맞춤화할 수 있는 여과 요소를 제조하는 능력이 또한 유리하다.

도 1은, 종래의 나선형 권취식 멤브레인 요소(100)의 중요한 요소를 보여주는, 감기 전의 종래의 나선형 권취식 멤브레인 요소의 개략도이다. 투과액 수집 튜브(12)는 수집 튜브(12)에 구멍(14)을 갖고, 수집 튜브에서 투과액 캐리어(22)로부터 투과액 유체가 수집된다. 제조 시, 멤브레인 시트(36)는 중심선(30)에서 접히고, 한 면 상에 예를 들어, 폴리설폰인 비활성 다공성 지지체 층(28), 및 다른 면 상에 지지체 층에 결합되거나 주조된 활성 중합체 멤브레인 층(24)으로 구성된 단일 연속 시트이다. 조립된 요소에서 활성 중합체 멤브레인 표면(24)은 공급액 스페이서 메시(26)에 인접하고, 비활성 지지체 층(28)은 투과액 캐리어(22)에 인접한다. 공급액 용액(16)은 활성 중합체 멤브레인 표면(24) 사이로 들어가고, 공급액 스페이서 메시(26)의 열린 공간을 통해 흐른다. 공급액 용액(16)이 공급액 스페이서 메시(26)를 통해 흐를 때, 멤브레인에 의해 배제되는 입자, 이온 또는 화학종은 활성 중합체 멤브레인 표면(24)에서 제거되고, 투과액 유체의 분자, 예를 들어, 물 분자는 활성 중합체 멤브레인 표면(24)을 통과하여 다공성 투과액 캐리어(22)로 들어간다. 공급액 용액(16)이 활성 중합체 멤브레인 표면(24)을 따라 통과함에 따라, 멤브레인에 의해 배제되는 물질의 농도는 벌크 공급액 용액(16)에서 투과액 유체의 손실로 인해 증가하고, 이 농축된 유체는 제거 용액(18)으로서 활성 중합체 멤브레인 시트(24)의 제거 단부를 빠져나간다. 투과액 캐리어(22) 내의 투과액 유체는 투과액 캐리어(22)의 원위 단부(34)로부터 중심 튜브(12) 방향으로 흐르고, 여기서 투과액 유체는 중심 튜브 입구 구멍(14)을 통해 중심 튜브(12)로 들어가고, 투과액 용액(20)으로서 중심 튜브(12)를 빠져나간다. 투과액 유체가 공급액 용액(16)으로 오염되는 것을 방지하기 위해, 비활성 중합체 멤브레인 층(28)은 투과액 캐리어(22)를 통해 접착 라인(32)을 따라 접착제로 밀봉되어 밀봉된 멤브레인 외피(membrane envelope)를 생성하여, 투과액 용액(20)의 유일한 출구 경로는 중심 튜브(12)를 통하는 것뿐이다. 전형적으로, 접착 라인(32)의 폭은 감는 공정 동안 접착제가 압축된 후 1 내지 3"이다.

부분적으로 조립된 나선형 권취식 멤브레인 요소(200)는 도 2에 도시되어 있다. 멤브레인 외피(40)는 도 1과 관련하여 기술된 바와 같이 멤브레인 시트(36)를 포함하고, 이 멤브레인 시트는 투과액 캐리어(22)가 멤브레인 시트의 접힌 부분 사이에 배치된 상태로 일 단부에서 접히고 적절한 접착제로 에지를 따라 밀봉된다. 수집 튜브에 이웃한 멤브레인 시트의 경계는 "단부"라고 지칭될 수 있으며, 이 단부의 반대쪽 경계도 마찬가지일 수 있다. 멤브레인 시트의 다른 두 경계는 "에지"라고 할 수 있다. 한번 감긴 멤브레인 요소의 종래의 설계에 있어서, 공급액 스페이서 메시(26)는 공급액 유체(16)의 흐름이 멤브레인 외피(40) 층 사이를 흐르며 멤브레인 시트의 모든 활성 중합체 표면(24)을 공급액 유체에 노출시키도록 외피(40)에 인접하게 배치된다. 투과액 또는 생성물 유체는 멤브레인 외피(40) 내측의 투과액 캐리어(22)로 수집되고, 중심 튜브(12)로 나선형으로 진행되고, 중심 튜브에서 생성물 또는 투과액 유체가 수집되는 한편, 제거 스트림(18)은 요소를 빠져나간다. 단일의 나선형 권취식 요소는 단일 멤브레인 외피와 공급액 스페이서 층을 포함할 수 있고, 또는 요소를 형성하도록 함께 적층 및 감긴 다수의 멤브레인 외피 및 공급액 스페이서 층을 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예는 나선형 권취식 요소의 단일 엽(leaf)이 풀려 멤브레인 외피가 중심 튜브(12)로부터 연장되어 있는 것을 도시하는 도 3에 묘사되어 있다. 멤브레인 외피의 활성 표면(24)의 절반에는 일련의 스페이서 특징부(42)가 인쇄되거나 증착되어 있고, 이 스페이서 특징부는 높이가 고정되어 있지만 공급액 입구(16)로부터 농축액 출구(18)로 가면서 폭이 연속적으로 증가한다. 스페이서 높이가 고정되어 있으므로 스페이서 폭이 증가하면 유체가 흐르는 단면적이 점차 감소한다. 단면적이 감소하는 것으로 인해 멤브레인 표면을 통과하는 공급액 흐름 스트림으로부터 투과액이 제거되더라도 평균 흐름 속도는 보다 일정하게 유지된다. 도 3의 경우에, 스페이서 특징부(42)는 공급액 입구에서는 단면적의 약 4%를 폐색하고, 농축액 출구에서는 단면적의 약 24%를 폐색한다. 이 구성을 사용하고 20% 회수율로 동작하는 나선형 권취식 멤브레인 모듈은 요소 전체에 걸쳐 거의 일정한 평균 교차 흐름 속도를 유지할 것이다.

도 4는 나선형 권취식 요소의 단일의 엽이 풀려 공급액 입구(16)로부터 농축액 출구(18)로 가면서 폭이 연속적으로 증가하는 멤브레인 외피의 활성 표면(24) 상에 인쇄되거나 증착된 스페이서 특징부(44)를 사용하지만, 이 경우에 스페이서는 출구에서의 단면적이 훨씬 더 많은 부분(50%)을 차지하는 예시적인 실시예를 도시한다. 이러한 구성은 50% 회수율로 요소의 균일한 평균 흐름 속도를 제공한다. 더 낮은 회수율에서 교차 흐름 속도는 공급액로부터 농축액으로 가면서 증가하는 반면, 더 높은 회수율에서 교차 흐름 속도는 감소하지만 균일한 공급액 스페이서가 있는 요소에서만큼 감소하지는 않는다.

도 5에 도시된 예시적인 실시예는 공급액 스페이서 특징부(46)가 균일하게 증가하는 것이 아니라 공급액 입구(16)로부터 농축액 출구(18)로 가면서 폭이 계단식 방식으로 증가하는 변형예를 묘사한다. 이 도면은 3개의 다른 폭을 묘사하지만, 동일한 방식으로 임의의 수의 서로 다른 폭을 사용하여 이산 증분으로 단면 흐름 면적을 줄일 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 스페이서 특징부의 면적은 특징부 형상을 변경하는 것이 아니라 입구로부터 출구로 가면서 특징부의 개수를 증가시킴으로써 증가된다. 도 6에 도시된 예시적인 실시예는 초기에 더 적은 개수의 스페이서 특징부(48)가 공급액 입구(16) 부근의 멤브레인 외피의 활성 표면(24) 상에 인쇄되거나 침착된 것을 묘사한다. 스페이서 특징부(48)의 개수는 중심 구획에서 두 배가 되고, 농축액 출구(18) 부근에서 다시 두 배가 된다. 이러한 방식으로 특징부의 개수가 증가하면 입구로부터 출구로 가면서 교차 흐름 면적이 줄어든다. 이 묘사에서 면적 감소는 선형이 아니라 지수적이지만, 특징부의 개수를 증가시키는 원리는 선형일 수 있고, 또는 평균 단면적을 적절히 증가시키거나 감소시키는 임의의 다른 수식을 따를 수 있다. 선분에 더하여 원형, 타원형, 다각형, 눈물방울 또는 기타 복잡한 형상과 같은 다른 형상을 유사한 방식으로 사용할 수 있으며, 요소의 다양한 구역의 흐름에 맞게 조정하기 위해 입구로부터 출구로 가면서 개수가 변할 수 있다.

횡단면 흐름 면적을 변경하기 위해 크기, 형상 또는 개수가 변하는 공급액 간격 특징부는 이러한 특징부가 흐름 채널의 높이를 유지하는 데 필요한 경우 멤브레인 외피(40)의 활성 표면(24) 상에 인쇄되거나 증착된 추가의 균일하게 분포된 공급액 간격 특징부와 결합될 수 있다. 도 7에 묘사된 실시예는 공급액 입구(16)로부터 농축액 출구(18)로 가면서 폭(42)이 증가하는 간격 특징부와 함께 균일하게 이격된 원형 스페이서 특징부(50)의 어레이를 도시한다.

도 3 내지 도 5는 요소의 입구로부터 출구로 가면서 연속적인 간격 특징부를 묘사하지만, 공급액/농축액 흐름 채널 내에서 흐름 특성을 변경하기 위해 특징부의 이산 어레이를 또한 사용하여 공급액 공간을 유지하면서 크기가 변할 수 있다. 도 8의 예시적인 실시예는 공급액 입구(16)로부터 농축액 출구(18)로 가면서 크기가 증가하는 멤브레인 외피의 활성 표면(24) 상에 인쇄되거나 침착된 원형 특징부(52)의 어레이를 갖는다. 이 도면에서 특징부의 크기는 3개의 다른 증분으로 증가하지만 크기 증가는 임의의 수의 증분으로 발생할 수 있고, 예를 들어, 입구로부터 출구로 가면서 각각의 연속적인 행이 이전 행보다 더 크도록 발생할 수 있다. 이산 특징부의 경우, 유체가 특징부 사이를 흘러 특징부들 사이의 빈 공간으로 들어갈 때 국지적으로 흐름 속도가 변한다. 그러나, 평균 단면적과 이에 따른 흐름 속도는 설명된 바와 같이 특징부 크기를 변경함으로써 여전히 조작될 수 있다. 이 도면에서 특징부(52)의 크기는 3개의 다른 증분으로 증가하지만, 크기 증가는 임의의 수의 증분으로 발생할 수 있고, 예를 들어, 2개만큼 적은 증분으로부터 각 연속 행이 이전 행보다 큰 구현예처럼 많은 증분으로 발생할 수 있다.

다공성 투과액 캐리어(22) 내의 배압은 또한 일부 응용에서 멤브레인 외피 내의 국지적 투과액에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 상황에서 전형적으로, 멤브레인 시트를 통한 유량은 투과액이 이동하는 거리 및 이에 따라 투과액 캐리어 내의 흐름 저항이 이 위치에서 가장 낮기 때문에 중심 튜브(12) 부근에서 더 높을 것이다. 공급액 입구(16)로부터 요소의 원위 단부에 있고 중심 튜브(12)에 가장 가까운 코너에서 역삼투 멤브레인 요소에서 스케일 축적이 발생하는 것이 일반적이다. 이는 공급액으로부터 농축액 출구(18)를 향하는 요소의 원위 단부가 가장 높은 농도와 가장 낮은 속도를 갖는 유체를 포함하기 때문에 발생하고, 중심 튜브 부근의 구역이 중심 튜브로부터 더 먼 구역에 비해 더 높은 유량을 갖기 때문에 중심 튜브 부근에서 발생한다. 이러한 경우 흐름을 집중시키기 위해 공급 방향을 따라 교차 흐름 속도를 증가시키는 것뿐만 아니라 중심 수집 튜브에 가까워질수록 더 높은 속도를 갖는 것이 유리할 수 있다. 이 구성의 예시적인 실시예는 공급액 입구(16)로부터 농축액 출구(18)로 가면서 크기가 증가하는 원형 간격 특징부(52)와, 또한 중심 튜브(12)에 가까워질수록 크기가 증가하는 간격 특징부(54)를 모두 포함하는 도 9에 도시되어 있다. 이 도면에서 특징부(52)의 크기는 3개의 다른 증분으로 증가하는 반면, 특징부(54)는 2개의 다른 증분으로 증가하지만, 크기 증가는 임의의 수의 증분으로 발생할 수 있고, 예를 들어, 2개만큼 적은 증분으로부터 각 연속 행의 각 치수가 이전 행보다 큰 구현예처럼 많은 증분으로 발생할 수 있다.

대부분의 응용에서, 단면적의 평균 감소는 사용 시 요소의 원하는 회수율과 상관 관계가 있어서 유체가 요소를 통해 흐를 때 평균 흐름 속도를 일정하게 유지하고, 예를 들어, 15% 회수율로 동작하도록 설계된 요소는 입구로부터 출구로 가면서 선형으로 15%만큼 감소된 평균 단면적의 흐름 영역을 가질 수 있다. 다른 응용은 흐름 속도가 선형으로 변하지만 회수율과 직접 상관 관계가 없도록 설계된 스페이서 그라데이션(spacer gradation)을 사용할 수 있고, 그리하여 요소의 출구에서의 흐름은 예를 들어 공급액 입구보다 10% 더 빠르거나 단지 5% 더 느리고, 여기서 이러한 흐름 속도의 변화는 요소 성능에 유리하다. 다른 실시예에서, 단면적의 변화는 어느 치수로 진행되건 비선형일 수 있고, 예를 들어, 단면적은 요소 길이의 3/4까지 거의 일정하게 유지된 다음, 거기서부터 요소 단부까지 선형적으로 또는 심지어 지수적으로 증가할 수 있다. 또한 공급 채널 내 단면적과 흐름 속도에 대한 추가 제어를 얻기 위해 특징부의 높이를 변경하는 것과 함께 스페이서 특징부의 커버리지 영역을 변경하는 것을 동시에 사용할 수 있다.

본 발명은 다양한 예시적인 실시예와 관련하여 설명되었다. 위의 설명은 단지 본 발명의 원리를 응용하는 일례일 뿐, 본 발명의 범위는 본 명세서에 비추어 청구범위에 의해 결정되는 것으로 이해된다. 본 발명의 다른 변형 및 수정은 당업자에게는 명백할 것이다.

Claims (12)

1. 적층된 구성물에 사용하기 위한 멤브레인 시트로서, 상기 멤브레인 시트는 선택적 유체 분리를 제공하도록 구성된 활성 표면을 갖고, 상기 멤브레인 시트는 그 위에 배치된 공급액 간격 특징부를 갖고, 상기 공급액 간격 특징부에 의해 점유되는 상기 멤브레인의 부분은 상기 멤브레인 시트의 제1 단부로부터 상기 멤브레인 시트의 반대쪽 단부로 가면서 변하거나, 상기 멤브레인 시트의 제1 에지로부터 상기 멤브레인 시트의 제2 에지로 가면서 변하거나, 또는 이 둘 모두에 해당하는, 멤브레인 시트.
2. 제1항에 있어서, 상기 공급액 간격 특징부에 의해 점유되는 상기 멤브레인의 부분은 상기 멤브레인 시트의 제1 단부로부터 상기 멤브레인 시트의 반대쪽 단부로 가면서 변하는, 멤브레인 시트.
3. 제1항에 있어서, 상기 공급액 간격 특징부에 의해 점유되는 상기 멤브레인의 부분은 상기 멤브레인 시트의 제1 에지로부터 상기 멤브레인 시트의 제2 에지로 가면서 변하는, 멤브레인 시트.
4. 제1항에 있어서, 각각의 공급액 간격 특징부는 상기 멤브레인 시트의 에지로부터 에지로 가면서 유체 흐름에 제공되는 단면을 갖고, 상기 멤브레인 시트 상에 배치된 공급액 간격 특징부의 개수는 상기 제1 에지로부터 제2 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제2 구역에서보다 상기 제1 에지로부터 제1 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제1 구역에서 더 큰, 멤브레인 시트.
5. 제1항에 있어서, 각각의 공급액 간격 특징부는 상기 멤브레인 시트의 에지로부터 에지로 가면서 유체 흐름에 제공되는 단면을 갖고, 상기 멤브레인 시트 상에 배치된 공급액 간격 특징부의 단면은 (a) 상기 제1 에지로부터 제2 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제2 구역에서보다 상기 제1 에지로부터 제1 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제1 구역에서 더 크고; 또는 (b) 상기 제1 단부로부터 제2 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제4 구역에서보다 상기 제1 단부로부터 제1 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제3 구역에서 더 크고; 또는 (c) 이 둘 모두에 해당하는, 멤브레인 시트.
6. 제1항에 있어서, 각각의 공급액 간격 특징부는 임의의 다른 공급액 간격 특징부와 교차하지 않는 형상에 의해 정의되고, 상기 멤브레인 시트의 면적당 공급액 간격 특징부의 평균 개수는 (a) 상기 제1 에지로부터 제2 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제2 구역에서보다 상기 제1 에지로부터 제1 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제1 구역에서 더 크고; 또는 (b) 상기 제1 단부로부터 제2 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제4 구역에서보다 상기 제1 단부로부터 제1 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제3 구역에서 더 크고; 또는 (c) 이 둘 다에 해당하는, 멤브레인 시트.
7. 제1항에 있어서, 각각의 공급액 간격 특징부는 임의의 다른 공급액 간격 특징부와 교차하지 않고 전체 크기를 갖는 형상에 의해 정의되고, 상기 공급액 간격 특징부의 평균 전체 크기는 (a) 상기 제1 에지로부터 제2 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제2 구역에서보다 상기 제1 에지로부터 제1 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제1 구역에서 더 크고; 또는 (b) 상기 제1 단부로부터 제2 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제4 구역에서보다 상기 제1 단부로부터 제1 거리에 있는 상기 멤브레인 시트의 제3 구역에서 더 크고; 또는 (c) 이 둘 다에 해당하는, 멤브레인 시트.
8. 제3항에 있어서, 각각의 공급액 간격 특징부는 상기 멤브레인 시트의 제1 에지 부근에서부터 상기 멤브레인 시트의 제2 에지 부근으로 연장되고, 상기 멤브레인 시트의 제2 에지 부근보다 상기 멤브레인 시트의 제1 에지 부근에서 더 큰 폭을 갖는, 멤브레인 시트.
9. 제8항에 있어서, 상기 공급액 간격 특징부는 상기 제1 에지에 평행하게 측정된 거리만큼 분리되고, 상기 거리는 상기 멤브레인 시트의 제2 단부 부근의 구역에서보다 상기 멤브레인 시트의 제1 단부 부근의 구역에서 더 큰, 멤브레인 시트.
10. 나선형 권취식 멤브레인 요소에 사용하기 위한 적층된 구성물로서,
    (a) 투과액 캐리어; 및
    (b) 제1항의 멤브레인 시트
    를 포함하고;
    (c) 상기 멤브레인 시트는 활성 표면의 반대쪽 상기 멤브레인 시트의 표면이 상기 투과액 캐리어와 접촉하도록 배치된, 적층된 구성물.
11. 나선형 권취식 요소로서, 수집 튜브 및 제10항의 적층된 구성물을 포함하고, 상기 적층된 구성물은 상기 투과액 캐리어가 상기 수집 튜브와 유체 연통하도록 상기 수집 튜브 주위에 나선형으로 권취된, 나선형 권취식 요소.
12. 수처리 방법으로서,
    제10항의 나선형 권취식 요소를 제공하는 단계;
    공급수가 멤브레인 시트의 활성 표면과 접촉하도록 상기 나선형 권취식 요소에 공급수를 공급하는 단계; 및
    상기 수집 튜브로부터 처리수를 수집하는 단계
    를 포함하는, 수처리 방법.

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