KR20230148414A

KR20230148414A - 농축 장치

Info

Publication number: KR20230148414A
Application number: KR1020237031578A
Authority: KR
Inventors: 다이키 고노; 요지 아베; 다카히토 나카오; 쇼헤이 고다
Original assignee: 도요보 엠씨 가부시키가이샤
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2022-02-21
Publication date: 2023-10-24
Also published as: WO2022181541A1; EP4299164A1; US20240123406A1; TW202302209A; JPWO2022181541A1

Abstract

본 발명의 농축 장치는, 반투막에 의해 격리되는 제1 유로와 제2 유로를 갖는 막 모듈을 구비하고, 상기 막 모듈은, 내부에 상기 반투막이 배치된 U자관과, 제1 유로 입구 접속부 및 제1 유로 출구 접속부와, 제2 유로 입구 접속부 및 제2 유로 출구 접속부를 갖고, 상기 농축 장치는, 대상액을 소정 압력으로 상기 제1 유로 입구 접속부로부터 상기 제1 유로로 도입하고, 상기 반투막에 의해 상기 대상액을 농축액과 투과액으로 분리하여, 당해 투과액을 제2 유로에 투과시키고, 또한 당해 농축액을 상기 제1 유로 출구 접속부로부터 유출시킴과 함께, 대상액을 상기 소정 압력보다도 낮은 압력으로 상기 제2 유로 입구 접속부로부터 상기 제2 유로로 도입하고, 상기 투과액과 합류시켜 희석된 희석액을, 상기 제2 유로 출구 접속부로부터 유출시키는 도입 수단을 갖는다.

Description

농축 장치

본 발명은, 처리 대상인 대상액을 농축시키는 농축 장치에 관한 것이다.

반투막을 통해 대상액으로부터 투과액(주로 물)을 투과시켜, 대상액을 농축하는 기술이 있다(예를 들어, 특허문헌 1).

국제 공개 공보 WO2018/136077

근년, 좁은 스페이스에도 설치할 수 있어, 효율적으로 대상액을 농축하는 장치가 요구되고 있다.

본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위해, 예의 연구한 결과, 마침내 본 발명을 완성하는 데 이르렀다. 본 발명은, 이하의 구성이다.

〔1〕 반투막에 의해 격리되는 제1 유로와 제2 유로를 갖는 막 모듈을 구비한 농축 장치이며, 상기 막 모듈은, 내부에 상기 반투막이 배치된 U자관과, 상기 제1 유로의 입구 및 출구인 제1 유로 입구 접속부 및 제1 유로 출구 접속부와, 상기 제2 유로의 입구 및 출구인 제2 유로 입구 접속부 및 제2 유로 출구 접속부를 갖고, 상기 농축 장치는, 대상액을 소정 압력으로 상기 제1 유로 입구 접속부로부터 상기 제1 유로로 도입하고, 상기 반투막에 의해 상기 대상액을 농축액과 투과액으로 분리하여, 당해 투과액을 제2 유로에 투과시키고, 또한 당해 농축액을 상기 제1 유로 출구 접속부로부터 유출시킴과 함께, 대상액을 상기 소정 압력보다도 낮은 압력으로 상기 제2 유로 입구 접속부로부터 상기 제2 유로로 도입하고, 상기 투과액과 합류시켜 희석된 희석액을, 상기 제2 유로 출구 접속부로부터 유출시키는, 액 도입 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 농축 장치.

〔2〕 상기 반투막은 중공사막이고, 당해 중공사막은 상기 U자관 내부에 U자 형상으로 충전되어 있고, 상기 U자관의 양단에 중공사막 지지부를 구비하고, 당해 중공사막 지지부에 의해, 상기 중공사막은 중공사 단부가 개구된 상태로 액밀하게 상기 U자관에 고정되고, 상기 제1 유로 입구 접속부 및 상기 제1 유로 출구 접속부는, 상기 제1 유로인 상기 중공사막의 막외 경로에 연통하고, 또한 상기 제2 유로 입구 접속부 및 상기 제2 유로 출구 접속부는, 상기 제2 유로인 상기 중공사막의 막내 경로에 연통하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 〔1〕에 기재된 농축 장치.

〔3〕 상기 U자관과 상기 중공사막 지지부의 접촉면은 초벌 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 〔2〕에 기재된 농축 장치.

〔4〕 상기 막 모듈을 복수 구비하고, 제n번째의 막 모듈의 제1 유로 출구 접속부와 제n+1번째의 막 모듈의 제1 유로 입구 접속부가 접속되고, 제n+1번째의 막 모듈의 제2 유로 출구 접속부와 제n번째의 막 모듈의 제2 유로 입구 접속부가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 〔1〕 내지 〔3〕의 어느 하나의 농축 장치.

본 발명의 농축 장치는, 상기 구성에 의해, U자관을 갖는 막 모듈을 구비하고 있기 때문에, 좁은 스페이스에도 설치할 수 있어, 효율적으로 대상액을 농축할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 막 모듈의 외관의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 관한 막 모듈의 단면의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 관한 막 모듈의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 관한 막 모듈의 내부에 있어서의 중공사막 지지부의 일례를 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명에 관한 농축 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 관한 농축 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 관한 막 모듈을 복수 연결한 농축 장치의 일례를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에 있어서는, 동일하거나 또는 공통되는 부분에 대하여 도면 중 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 반복하지 않는다. 또한, 이하에 복수의 실시 형태가 존재하는 경우는, 특별히 기재가 있는 경우를 제외하고, 각각의 실시 형태의 특징 부분을 적절히 조합하는 것은, 당초부터 예정되어 있다.

도 1은, 본 실시 형태의 막 모듈인 중공사막 모듈(100)의 외관의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2는, 중공사막 모듈(100)의 내부의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 1, 2에 나타낸 바와 같이, 중공사막 모듈(100)은, U자관(110)과 반투막인 중공사막(120)을 갖고 있다.

U자관(110)은 U자 형상의 구조를 한 관이고, 내부에 중공사막(120)이 배치되어 있다. U자관(110)은 U자 형상으로 관이 만곡된 구조이고, 굽힘 반지름, 관 직경, 길이, 재질 등은, 설치 스페이스, 내구성, 대상액의 성분이나 처리량에 따라 적절히 설계할 수 있다. 중공사막(120)은, 형상이 중공사 형상인 역침투막, 정침투막, 나노 여과막 등의 반투막을 사용할 수 있다. 중공사막(120)의 내압, 막 구멍 직경, 막 두께, 막 재질은, 대상액에 따라 적절히 선정하면 된다. 중공사막 모듈(100)은, 중공사막(120)에 의해, 막외 경로(제1 유로)와 막내 경로(제2 유로)로 격리된다.

또한, 중공사막 모듈(100)은 중공사막 지지부(130)를 갖고 있다. 중공사막 지지부(130)는, U자관(110)의 양단에 배치된다. 중공사막 지지부(130)에 의해, 중공사막(120)의 양 말단은, 중공사의 단부가 개구된 상태로 U자관(110)의 내측에 액밀해지도록 고정된다. 중공사막 지시부(13)는, 한정되지는 않지만 수지 등으로 형성하면 되고, 그 재료는, 대상액이나 내압에 따라 선정할 수 있다.

둘레측부 접속부(제1 유로 입구 접속부 및 제1 유로 출구 접속부)(111)는, U자관(110)에 설치된 부품이고, 중공사막 모듈(100)의 외부로부터 대상액을 도입하여 중공사막(120)의 막외 경로에 접촉시켜, 중공사막 모듈(100)의 외부로 유출시키기 위한 개구된 포트이다. 중공사막 모듈(100)은, 둘레측부 접속부(111)를, 대상액의 입구 및 출구에 상당하는 적어도 2개 갖고 있고, 중공사막(120)의 막외 경로에 대하여 연통하도록 구성되어 있다. 단부 접속부(제2 유로 입구 접속부 및 제2 유로 출구 접속부)(112)는, U자관(110)에 설치된 부품이고, 중공사막 모듈(100)의 외부로부터 대상액을 도입하여 중공사막(120)의 막내 경로(제2 유로)에 접촉시켜, 중공사막 모듈(100)의 외부로 유출시키기 위한 개구된 포트이다. 중공사막 모듈(100)은, 단부 접속부(112)를, 대상액의 입구 및 출구에 상당하는 적어도 2개 갖고, 중공사막(120)의 막내 경로에 대하여 연통하도록 구성되어 있다. 둘레측부 접속부(111) 및 단부 접속부(112)의 접속 종류는, 튜브 조인트식, 나사 삽입식 등이 있지만, 적절히 선정하면 된다. 또한, 둘레측부 접속부(111) 및 단부 접속부(112)의 재료도 적절히 선정하면 된다.

도 3은 본 실시 형태의 중공사막 모듈(100)의 베리에이션을 3개 나타내는 도면이다. 각각, 도 1의 구조에 대하여, 둘레측부 접속부(111)의 개구 방향이 다른 구조이다. 또한, 도 3은 중공사막 모듈(100)의 구조의 베리에이션예이고, 이 이외의 구조여도 되고, 설치 스페이스에 따라 적절한 둘레측부 접속부(111)의 개구 방향을 선택할 수 있다. 또한, 도 1 내지 3에 나타내는 중공사막 모듈은, 둘레측부 접속부(111)로서 입구와 출구를 하나씩 구비한 구조를 나타내고 있지만, 복수 구비하고 있어도 된다.

도 4는, 본 실시 형태의 중공사막 모듈(120)의 내부의 일례이고, 중공사막 지지부(130)를 확대한 도면이다. U자관(110)의 내측에는, 중공사막 지지부(130)와의 접촉면이 초벌 가공되는 초벌 가공부(113)를 갖고 있는 것이 바람직하다. 초벌 가공에 의해, 중공사막 지지부(130)가 U자관(110)에 걸쳐 양자의 밀착성이 더 높아져, 액밀성이 더 높아짐과 함께, 고압 운전 시의 중공사막 지지부(130)의 탈리를 억제할 수 있기 때문이다. 초벌 가공은, 줄 가공이나 나사 가공 등을 이용할 수 있고, 접촉 면적을 증가시키거나 홈을 형성하거나 하면 된다.

도 5는 중공사막 모듈(100)을 구비한 본 실시 형태의 농축 장치(200)의 일례를 나타내는 도면이다. 농축 장치(200)는, 펌프(210 및 220)를 구비하고 있다. 농축 장치(200)는, 펌프(210)를 사용하여, 대상액을 소정 압력으로 둘레측부 접속부(111)의 한쪽인 입구측(도 5에서는, 하부의 둘레측부 접속부(111))으로부터 중공사막 모듈(100) 내의 막외 경로로 유입시키고, 둘레측부 접속부(111)의 다른 쪽인 출구측(도 5에서는, 상부의 둘레측부 접속부(111))으로부터 유출시킨다. 또한, 펌프(220)를 사용하여, 대상액을 상기 소정 압력보다도 낮은 압력으로 단부 접속부(112)의 한쪽인 입구측(도 5에서는, 상부의 단부 접속부(112))으로부터 중공사막 모듈(100) 내의 막내 경로에 유입시키고, 단부 접속부(112)의 다른 쪽인 출구측(도 5에서는, 하부의 단부 접속부(112))으로부터 유출시킨다. 또한, 농축 장치(200)는, 밸브(230 및 240)를 구비하고 있어도 된다. 농축 장치(200)는, 대상액을 막외 경로와 막내 경로에 도입하는 각각의 압력은, 펌프(210 및 220)의 구동 제어, 밸브(230 및 240)의 개방도의 제어에 의해 조정한다. 즉, 농축 장치(200)에 있어서, 펌프(210 및 220) 및/또는 밸브(230 및 240)가, 중공사막 모듈(100)로 대상액을 도입하는 액 도입 수단으로서 작용한다. 소정 압력은 적절히 설정할 수 있다.

상기한 바와 같이 입구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 막외 경로로 대상액을 소정 압력으로 도입하고, 입구측의 단부 접속부(112)로부터 막내 경로로 대상액을 소정 압력보다도 낮은 압력으로 도입함으로써, 도입액은 다음과 같이 된다. 막외 경로에 도입된 대상액은, 중공사막(120)에 의해 막을 투과하는 투과액과 투과하지 않는 농축액으로 분리되고, 이 농축액은, 출구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 유출된다. 한편, 상기 분리된 투과액은, 입구측의 단부 접속부(112)로부터 중공사막 모듈(100) 내의 막내 경로로 도입된 대상액과 합류하여, 출구측의 단부 접속부(112)로부터 희석액으로서 유출된다. 이 때문에, 출구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 유출되는 농축액은, 입구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 도입된 대상액보다도 농축되어 있고, 출구측의 단부 접속부(112)로부터 유출되는 희석액은, 입구측의 단부 접속부(112)로부터 도입된 대상액보다도 희석되어 있다. 입구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 도입하는 대상액과, 입구측의 단부 접속부(112)로부터 도입하는 대상액에서, 농도가 다르게 되어 있어도 된다.

또한, 농축 장치(200)에, 펌프(210)의 흡인측에 마중물 포트(250)를 부대시켜도 된다. 마중물 포트(250)는 펌프(210) 내부의 에어를 제거하여, 에어 혼입에 의한 토출량 저하를 억제하는 기기이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 마중물 포트(250)는, 펌프(210)보다도 높은 위치에 배치시켜, 대상액을 중공사막 모듈(100)에 도입하기 전에, 마중물 포트(250)로부터의 액을 펌프(210)에 흡입시킴으로써, 펌프(210) 내의에어를 배제할 수 있다. 마중물 포트(250)와 대상액의 유로는 밸브(260)에 의해 전환된다. 또한, 펌프(210)의 토출측에 어큐뮬레이터(270)를 설치해도 된다. 어큐뮬레이터(270)는 펌프(210)의 맥동을 억제하여, 유량·압력 변동을 억제하면서 대상액을 중공사막 모듈(100)로 공급 보조하는 기기이다. 도시하지 않지만, 마중물 포트(250) 및/또는 어큐뮬레이터(270)는, 펌프(220)에 대해서도 필요에 따라 부대할 수 있다.

또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 밸브(230)에 압력 조절기(280)를 부대시켜도 된다. 압력 조절기(280)는, 일정한 압력으로 조정하는 배관 기기이고, 추가함으로써 밸브(230)의 개방도 조정만인 것 보다도 소정 압력의 조정이 용이해져, 압력 변동이 억제되어 안정되는 이점이 있다. 압력 조절기(280)로서는, 내부에 포함되는 스프링의 강도나 스프링 압입의 조정 등에 의해 압력 조정하는 압력 릴리프 밸브(배압 밸브)나, 소정의 개구 직경에 따라 배압을 가하는 오리피스 등을 사용할 수 있다. 도시하지 않지만, 압력 조절기(280)는, 밸브(240) 앞에 부대시켜도 된다. 또한, 도시하지 않지만, 출구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 유출된 농축액을 펌프(210)로 도입하고, 출구측의 단부 접속부(112)로부터 유출된 희석액을 펌프(220)로 도입하여, 대상액을 순환시켜도 된다.

도 6은 중공사막 모듈(100)을 사용한 별도의 농축 장치(300)의 일례를 나타내는 도면이다. 농축 장치(300)는, 펌프(310), 밸브(320 및 330)를 구비하고 있다. 농축 장치(300)는, 펌프(310)를 사용하여, 대상액을 소정 압력으로 둘레측부 접속부(111)의 한쪽인 입구측(도 6에서는, 하부의 둘레측부 접속부(111))으로부터 중공사막 모듈(100) 내의 막외 경로에 유입시키고, 둘레측부 접속부(111)의 다른 쪽인 출구측(도 6에서는, 상부의 둘레측부 접속부(111))으로부터 유출시킨다. 또한, 밸브(320 및 330)를 사용하여, 출구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 유출된 농축액의 일부를 상기 소정 압력보다도 낮은 압력으로 단부 접속부(112)의 한쪽인 입구측(도 56에서는, 상부의 단부 접속부(112))으로부터 중공사막 모듈(100) 내의 막내 경로로 유입시키고, 단부 접속부(112)의 다른 쪽인 출구측(도 6에서는, 하부의 단부 접속부(112))으로부터 유출시킨다. 농축 장치(300)에 있어서, 펌프(310)와 밸브(230 및 240)가, 중공사막 모듈(100)로 대상액을 도입하는 액 도입 수단으로서 작용한다. 소정 압력은 적절히 설정할 수 있다.

농축 장치(300)는, 출구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 대상액이 농축된 농축액을 유출하고, 출구측의 단부 접속부(112)로부터 대상액이 희석된 희석액을 유출한다. 농축액의 회수량과 입구측의 단부 접속부(112)로 도입하는 농축액의 유입량의 비율은 밸브(320 및 330)로 조정한다.

농축 장치(300)에 있어서도, 마중물 포트(340), 어큐뮬레이터(360), 압력 조절기(370)를 필요에 따라 부대시킬 수도 있다. 또한, 출구측의 둘레측부 접속부(111)로부터 유출된 농축액을 펌프(310)로 도입하여, 대상액을 순환시켜도 된다.

도 7은 본 실시 형태의 중공사막 모듈(100)을 5개(100a, 100b, 100c, 100d, 100e) 연결한 농축 장치(400)의 일례를 나타내는 도면이고, 연결된 중공사막 모듈 부분만을 나타내고 있다. 제1 중공사막 모듈(100a)의 출구측의 둘레측부 접속부(111a)는, 제2 중공사막 모듈(100b)의 입구측의 둘레측부 접속부(111b)에 접속된다. 또한, 제2 중공사막 모듈(100b)의 출구측의 단부 접속부(112b)는, 제1 중공사막 모듈(100a)의 입구측의 단부 접속부(112a)에 접속되어 있다.

도 7에 나타내는 농축 장치(400)에서는, 중공사막 모듈(100)을 5개 연결한 것을 예시하고 있지만, 중공사막 모듈(100)을 연결하는 수는 한정하지 않는다. 또한, 도 7에서는, 중공사막 모듈(100)을 수직 방향으로 연결하여 배치시키고 있지만, 수평 방향으로 연결하여 배치시켜도 되고, 이것들을 조합해도 된다. 또한, 둘레측부 접속부(111)의 개구의 방향이 다른 중공사막 모듈을 조합하여 사용해도 된다. 이와 같이, 중공사막 모듈(100)을 연결하는 수나 배치 상태, 또한 사용하는 중공사막 모듈의 둘레측부 접속부(111)의 개구의 방향은, 자유롭게 조합할 수 있다. 그 때문에, 농축 장치(400)를 설치하는 스페이스에 적합화할 수 있다. 또한, 도 7에 있어서, 농축 장치(400)의 펌프나 밸브 등 다른 구성은, 농축 장치(200)의 배치를 적용하고 있지만, 농축 장치(300)를 적용해도 된다.

또한, 농축 장치(200, 300, 400)에 있어서, 전환 밸브나 조인트 등의 배관 기기, 유량계, 압력계, 온도계 등의 계기류는 적절히 설치하면 된다. 또한, 각 압력, 유량, 온도 등의 조작 조건은, 대상액의 농축도나 처리량에 따라 설정하면 된다.

이상 설명한 본 발명에 관한 중공사막 모듈 및 농축 장치를 채용함으로써, 대상액의 농축을, 역침투막법(RO법)보다도 효율적으로 행할 수 있다. 또한, U자관(110)의 형상상, 모듈의 긴 변 방향의 치수가, 직선형의 스트레이트관에 대하여 절반 정도가 되기 때문에, 농축 장치로서 공간 절약이 되는 이점이 있다. 둘레측부 접속부(111) 및 단부 접속부(112)가, 도 1, 2에 나타낸 바와 같이 개구되어 있으면, 도 7에 나타낸 바와 같은 중공사막 모듈(100)이 연결된 농축 장치에 있어서, 둘레측부 접속부(111), 단부 접속부(112) 각각의 접속 배관의 분리 등의 메인터넌스를 하기 쉽다.

금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명에는 없고 특허 청구의 범위에 의해 나타나고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

100: 중공사막 모듈
110, 100a, 110b, 110c, 110d: U자관
111: 둘레측부 접속부(제1 유로 입구 접속부, 제1 유로 출구 접속부)
112: 단부 접속부(제2 유로 입구 접속부, 제2 유로 출구 접속부)
113: 초벌 가공부
120: 중공사막
130: 중공사막 지지부
200, 300, 400: 농축 장치
210, 220, 310: 펌프(도입 수단)
230, 240, 320, 330: 밸브(도입 수단)
250, 340: 마중물 포트
260, 350: 밸브
270, 360: 어큐뮬레이터
280, 370: 압력 조절기

Claims

반투막에 의해 격리되는 제1 유로와 제2 유로를 갖는 막 모듈을 구비한 농축 장치이며,
상기 막 모듈은, 내부에 상기 반투막이 배치된 U자관과, 상기 제1 유로의 입구 및 출구인 제1 유로 입구 접속부 및 제1 유로 출구 접속부와, 상기 제2 유로의 입구 및 출구인 제2 유로 입구 접속부 및 제2 유로 출구 접속부를 갖고,
상기 농축 장치는, 대상액을 소정 압력으로 상기 제1 유로 입구 접속부로부터 상기 제1 유로로 도입하고, 상기 반투막에 의해 상기 대상액을 농축액과 투과액으로 분리하여, 당해 투과액을 제2 유로에 투과시키고, 또한 당해 농축액을 상기 제1 유로 출구 접속부로부터 유출시킴과 함께, 대상액을 상기 소정 압력보다도 낮은 압력으로 상기 제2 유로 입구 접속부로부터 상기 제2 유로로 도입하고, 상기 투과액과 합류시켜 희석된 희석액을, 상기 제2 유로 출구 접속부로부터 유출시키는, 액 도입 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 농축 장치.
제1항에 있어서, 상기 반투막은 중공사막이고, 당해 중공사막은 상기 U자관내부에 U자 형상으로 충전되어 있고,
상기 U자관의 양단에 중공사막 지지부를 구비하고, 당해 중공사막 지지부에 의해, 상기 중공사막은 중공사 단부가 개구된 상태로 액밀하게 상기 U자관에 고정되고,
상기 제1 유로 입구 접속부 및 상기 제1 유로 출구 접속부는, 상기 제1 유로인 상기 중공사막의 막외 경로에 연통하고, 또한 상기 제2 유로 입구 접속부 및 상기 제2 유로 출구 접속부는, 상기 제2 유로인 상기 중공사막의 막내 경로에 연통하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 농축 장치.
제2항에 있어서, 상기 U자관과 상기 중공사막 지지부의 접촉면은 초벌 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 농축 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막 모듈을 복수 구비하고,
제n번째의 막 모듈의 제1 유로 출구 접속부와 제n+1번째의 막 모듈의 제1 유로 입구 접속부가 접속되고,
제n+1번째의 막 모듈의 제2 유로 출구 접속부와 제n번째의 막 모듈의 제2 유로 입구 접속부가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 농축 장치.