KR20230099743A - 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치에 관한 것으로, 분리막과, 상기 분리막의 일측면에 접하는 다공성의 제1 다공성 전도체와, 상기 분리막의 타측에 인접하게 또는 접하는 다공성의 제2 다공성 전도체와, 상기 제1 다공성 전도체와 상기 제2 다공성 전도체에 직류 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함하며; 상기 전원 공급부로부터 인가되는 직류 전원에 의해 상기 제1 다공성 도전체 및 상기 제2 다공성 도전체로부터 마이크로 버블이 발생하고, 상기 마이크로 버블이 상기 분리막에 흡착된 막오염 물질을 물리적으로 제거하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 세라믹 막과 같은 분리막의 표면에 흡착된 막 오염 물질을, 적은 전력 사용으로 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치{WATER TREATMENT APPARATUS WITH REDUCTION FUCTION OF MEMBRANE FOULING}

본 발명은 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세라믹 막과 같은 분리막에서 발생하는 막오염 현상을 효과적으로 저감할 수 있는 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치에 관한 것이다.

최근 수질오염 및 물부족에 대비한 정수 또는 폐수처리, 해수담수화와 같은 수처리 분야에서는 다양한 막 구조를 활용한 폐수 처리, 해수 담수화 기술이 개발되고 있다.

분리막을 이용한 수처리 기술, 예를 들어 세라믹 막을 이용한 정밀 여과 공정에서는 장기 운전시 유기물이나 미세입자 등 원수에 포함되어 있는 오염 물질이 분리막에 흡착되고, 이러한 오염 물질의 응집에 의해 케이크 층이 형성되어, 분리막의 공극을 채우는 막오염이 발생하기 된다.

이와 같은 막오염 현상은 분리막의 공극을 막아 막투과 속도를 감소시키고, 결과적으로 분리막을 이용한 수처리 성능을 저해시키기는 원인으로 작용하게 된다.

이와 같은 분리막에서 발생하는 막오염 현상을 제거하기 위해, 분리막의 표면 개질을 통해 전도성층을 분리막의 표면에 형성하고, 직류 전원을 인가하여 전기화학적인 방법으로 유기물을 제거하는 방법이 제안된 바 있다.

그러나, 분리막의 표면 개질을 통해 형성된 전도성층의 경우, 부도체인 분리막에 전도성의 코팅층을 형성하는 점에서, 높은 전압을 인가하여야 원하는 막오염 저감 성능을 얻을 수 있어, 실제 수처리 장치에 적용하기는 현실적이지 못한 문제점이 있다.

또한, 분리막의 표면에 전도성층의 형성되어 있어, 분리막과 전도성층이 일체로 이루어져, 전도성층의 손상시 분리막도 함께 교체하여야 하는 단점이 있다. 일 예로, 세라믹 막의 경우, 재사용이 가능하고, 수명이 긴 장점에 있음에도 불구하고, 전도성층의 손상시 세라믹 막 자체도 교체하게 되어, 막 수명과 재사용 부분에서 적합하지 않은 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 세라믹 막과 같은 분리막의 표면에 흡착된 막 오염 물질을, 적은 전력 사용으로 효과적으로 제거할 수 있는 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치에 있어서, 분리막과, 상기 분리막의 일측면에 접하는 다공성의 제1 다공성 전도체와, 상기 분리막의 타측에 인접하게 또는 접하는 다공성의 제2 다공성 전도체와, 상기 제1 다공성 전도체와 상기 제2 다공성 전도체에 직류 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함하며; 상기 전원 공급부로부터 인가되는 직류 전원에 의해 상기 제1 다공성 도전체 및 상기 제2 다공성 도전체로부터 마이크로 버블이 발생하고, 상기 마이크로 버블이 상기 분리막에 흡착된 막오염 물질을 물리적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 분리막은 세라믹 막을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제1 다공성 전도체 및 상기 제2 다공성 전도체는 다공성의 니켈 폼(Nickel Foam)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전원 공급부로부터 인가되는 직류 전원에 의해 상기 제1 다공성 도전체 및 상기 제2 다공성 도전체 사이에서 생성되는 산화제에 의해 원수 내 또는 상기 분리막에 흡착된 유기물이 산화되어 제거될 수 있다.

상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면, 세라믹 막과 같은 분리막의 표면에 흡착된 막 오염 물질을, 적은 전력 사용으로 효과적으로 제거할 수 있는 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치의 막오염 저감 구조를 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치의 구성의 예를 나타낸 도면이고,
도 3은 도 2의 수처리 장치의 분리막 모듈의 구조의 예를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수처리 장치를 이용한 막 오염 저감의 효과를 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치(300)의 막오염 저감 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 수처리 장치(300)는 분리막(110), 제1 다공성 전도체(121), 제2 다공성 전도체(122) 및 전원 공급부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 분리막(110)은 다수의 공극이 형성되어, 공극을 통과하는 원수로부터 오염 물질을 여과한다. 본 발명의 실시예에서는 수처리 장치(300)가 정밀 여과 공정에 적용되는 것을 예로 하며, 분리막(110)이 정밀 여과 공정에 사용되는 세라믹 막인 것을 예로 한다. 여기서, 분리막(110)의 종류에 본 발명의 기술적 사상이 국한되지 않음은 물론이다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 다공성 전도체(121)의 일측면에 접하며, 원수가 통과 가능하게 다공성 재질로 마련되는 것을 예로 한다. 그리고, 제1 다공성 전도체(121)는 전기 저항이 상대적으로 낮은 도전성 재질로 마련되는 것을 예로 한다.

본 발명의 실시예에서는 제1 다공성 전도체(121)가 다공성의 니켈 폼(Nickel Foam)으로 구성되는 것을 예로 한다. 니켈 폼의 경우 90% 정도의 공극을 형성하여 원수의 수투과에 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라, 전기 저항이 낮아 상대적으로 낮은 전압의 인가에도 전기 활성도가 높은 장점이 있어 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 제2 다공성 전도체(122)는 분리막(110)의 타측 표면, 즉 분리막(110)을 기준으로 제1 다공성 전도체(121)의 반대측에 배치된다. 여기서, 제2 다공성 전도체(122)는 분리막(110)의 타측 표면에 접하거나, 일정 간격으로 이격된 상태로 인접하게 배치될 수 있다.

제1 다공성 전도체(121)와 마찬가지로, 제2 다공성 전도체(122) 또한 다공성의 니켈 폼(Nickel Foam)으로 구성되는 것을 예로 한다.

여기서, 본 발명의 실시예에서는 원수의 흐름을 기준으로, 제2 다공성 전도체(122), 분리막(110), 제1 다공성 전도체(121)의 순으로 배치되는 것을 예로 한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급부(130)는 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122)에 직류 전원을 인가한다. 여기서, 전원 공급부(130)로부터 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122)로 직류 전원이 인가되면, 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122)가 원수를 전기적으로 활성화시켜, 제1 다공성 전도체(121) 및 제2 다공성 전도체(122) 인근에서 마이크로 버블이 발생하게 된다.

이와 같이 발생한 마이크로 버블이 분리막(110)에 흡착되어 있는 막오염 물질, 예를 들어, 유기물이나 미세 입자 등에 충돌하여 물리적으로 이를 제거하게 된다.

또한, 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122)에 전원 공급부(130)로부터 직류 전원이 인가되면, 원수 내의 이온성 물질로부터 산화제가 생성되는데, 이와 같이 생성된 산화제가 원수 내, 또는 분리막(110)에 흡착된 유기물을 직접 산화시켜 이를 제거하게 된다.

상기와 같이, 분리막(110)을 기준으로 양측에 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122)를 배치시켜 전원을 인가함으로써, 종래에 분리막(110)의 표면 개질을 통해 전도성층을 형성하였던 구조와 대비할 때, 보다 낮은 전압으로도 높은 막오염 제거 성능을 제공하게 된다.

또한, 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122)가 분리막(110)으로부터 쉽게 분리 가능하여, 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122)의 손상에 따른 교체시 분리막(110)을 함께 교체하여야 하는 문제점이 해소 가능하게 되어, 분리막(110)의 수명을 보장할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치(300)의 구성의 예를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 수처리 장치(300)의 분리막 모듈(100)의 구조의 예를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 수처리 장치(300)는 정밀 여과 방식이 적용된 예를 나타내고 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 수처리 장치(300)는 분리막 모듈(100)을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 분리막 모듈(100)로는 원수 탱크(311) 내의 원수가 유입되고, 생산수와 배출수가 각각 배출된다. 여기서, 분리막 모듈(100)로부터 생산된 생산수는 생산수 탱크로 유동하여 저장된다. 그리고, 배출수는 추가적인 처리 공정으로 유동하거나, 원수 탱크(311)로 회수될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 원수 탱크(311)와 분리막 모듈(100) 사이에 원수의 유동을 위한 원수 펌프(320)가 설치될 수 있다. 그리고, 분리막 모듈(100)의 전단과 후단 측에는 각각 압력 게이지(331,332)가 설치될 수 있으며, 배출수의 배출 라인에는 압력 밸브(340)와 플로우 미터(350)가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 분리막 모듈(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈 본체(140), 그리고 앞서 설명한 분리막(110), 제1 다공성 전도체(121) 및 제2 다공성 전도체(122)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 모듈 본체(140)는 내부에 분리막(110), 제1 다공성 전도체(121), 제2 다공성 전도체(122)를 수용 지지한다. 도 3에서는 모듈 본체(140) 내부에서 분리막(110), 제1 다공성 전도체(121), 제2 다공성 전도체(122)가 서로 이격된 상태로 도시하고 있으나, 상호 접한 상태로 배치될 수 있다.

모듈 본체(140)에는 원수가 유입되는 유입구(141), 분리막(110)을 거친 생산수가 배출되는 생산수 배출구(142), 그리고, 처리된 배출수가 배출되는 배출수 배출구(143)가 형성될 수 있다.

상기와 같은 구성에 따라, 크로스 플로우(Cross flow) 방식을 통해, 원수로부터 부유물질, 콜로이드, 세균, 조류 등의 물질이 분리막(110)을 통해 여과 가능하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수처리 장치(300)를 이용한 막 오염 저감의 효과를 실험한 결과를 나타낸 그래프이다. 실험 조건으로 원수를 약 200분간 여과시키면서 워터 플럭스(Water flux)를 측정하게 되면, 200분 경과 후에 워터 플럭스가 감소함을 확인할 수 있다.

그리고, 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122)로 7V의 전압을 인가하게 되면, 마이크로 버블에 의해 캐소드 측과 애노드 측, 즉 제1 다공성 전도체(121)와 제2 다공성 전도체(122) 측 모두에서 워터 플럭스가 회복되는 것을 확인할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 직류 전원의 인가를 통해 생성되는 산화제의 화학적 처리와, 마이크로 버블에 의한 물리적인 처리로, 막 오염이 효과적으로 저감됨을 확인할 수 있다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

100 : 분리막 모듈 110 : 분리막
121 : 제1 다공성 전도체 122 : 제2 다공성 전도체
130 : 전원 공급부 140 : 모듈 본체
141 : 유입구 142 : 생산수 배출구
143 : 배출수 배출구 300 : 수처리 장치
311 : 원수 탱크 320 : 원수 펌프
331, 332 : 압력 게이지 340 : 압력 밸브
350 : 플로우 미터

Claims (4)

1. 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치에 있어서,
   분리막과,
   상기 분리막의 일측면에 접하는 다공성의 제1 다공성 전도체와,
   상기 분리막의 타측에 인접하게 또는 접하는 다공성의 제2 다공성 전도체와,
   상기 제1 다공성 전도체와 상기 제2 다공성 전도체에 직류 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함하며;
   상기 전원 공급부로부터 인가되는 직류 전원에 의해 상기 제1 다공성 도전체 및 상기 제2 다공성 도전체로부터 마이크로 버블이 발생하고, 상기 마이크로 버블이 상기 분리막에 흡착된 막오염 물질을 물리적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분리막은 세라믹 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 다공성 전도체 및 상기 제2 다공성 전도체는 다공성의 니켈 폼(Nickel Foam)을 포함하는 것을 특징으로 하는 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전원 공급부로부터 인가되는 직류 전원에 의해 상기 제1 다공성 도전체 및 상기 제2 다공성 도전체 사이에서 생성되는 산화제에 의해 원수 내 또는 상기 분리막에 흡착된 유기물이 산화되어 제거되는 것을 특징으로 하는 막오염 저감 기능을 갖는 수처리 장치.

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