KR950007918B1 - 삼투 압성 증류방법 및 이를 위한 반투 장벽 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
[발명의 명칭]
삼투 압성 증류방법 및 이를 위한 반투 장벽
[도면의 간단한 설명]
본 발명을 도면과 관련하여 추가로 설명할 것이다.
제1도는 크누첸의 확산 및 포아즈이유 유동 안정하상을 그래프로 도시한 것이고,
제2도 및 3도는 각기 막 증류 및 삼투성 증류법에 대한 온도 프로파일을 도시한 것이다.
[발명의 상세한 설명]
[기술 분야]
본 발명은 삼투성 증류에 의한 액체의 농축 및 이에 적합한 소수성 다공질 장벽 또는 막에 관한 것이다.
[배경 기술]
막 증류는 막을 통하여 용액으로부터 휘발성 물질들을 증발시킨 다음 농축시키는 방식이다. 막 증류에서 두 가지 액체들은 폴리비닐리딘 디플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(테플론) 또는 폴리프로필렌과 같은 소수성(비습윤성) 막의 맞은 편에서 접촉한다. 막 증류의 구동력은 두 용액 사이의(즉, 막의양면 사이의) 온도 차로부터 도출한 증기압 기울기이다. 물은 막의 고온 면상의 용액-막 경계면에서 증발하여 막을 가로질러 막의 저온면으로 이동한다. 공정에 따라서 수증기압은 막의 저온면에 도달하면서 농축되거나 소멸된다. 증발열을 제공하기 위하여 증발표면에 열을 계속해서 공급해야 한다. 그 역은 응축 표면에 적용된다.
상기에서 지적한 바와 같이, 막 증류의 구동력은 상이한 온도에서 두 용액으로부터 생기는 증기압의 차이다. 증기압의 차는 하기의 아토안(Antoℓne)식에 의해 수득한다:
[수학식 1]
상기식에서. h=수증기압(mmHg), T=액체 온도(℃).
막 기공 크기가 침투하는 분자의 평균 자유 분자 행로 보다 작을 경우, 분자 상호간에 충돌하는 것보다 더욱 빈번하게 분자들이 기공벽과 충돌하는 것으로 추정하는 것이 합리적이다. 이것은 증기 플럭스에 대한 식이 하기와 같이 제공되는 크누첸(Knudsen)의 유동(flow) 시스템으로 입증된다 :
[수학식 2]
상기식에서, N=증기 플럭스(g·mol/㎡/s), γ=막 기공 반경(O), ε=막 다공도(O), R=만유기체상수(J/mol/k), T=평균 온도(K), M=증기 분자량(kg/g·mol), △P=막 투과 압려 강하(Pa), ℓ =막 기공길이(m).
막을 가로지르는 증기 플럭스는 막 두께에 반비례하므로 보다 얇은 막을 사용하는 것이 유리하다. 그러나 열교환 특성 및 이에 따른 막을 가로지르는 유효 온도 기울기는 두께에 따라 다양하다. 막을 통과하는 열 유동 형태에 대해 고려해야할 사항은 두가지이다. 즉, (ℓ) 막의 한쪽면으로부터 용매가 증발되어 다른 쪽에서 농축되는 열 유동(kjoule/㎡/sec)인 Qc 및 (ℓℓ) 열 교환제로서 작용하는 막을 통과하는 손실로 인한 열흐름인 QL이다.
막의 열 효율을 하기와 같이 표기한다.
[수학식 3]
Qc는 N에 비례하며 “ℓ”에 반비례하고, QL는 “ℓ”에 반비례한다.
크누센 플럭스 증류의 경우, 효율은 주어진 벽 온도 차,
△Tw =T2w - T1w (제2도 참조)
를 위한 막의 두께와는 독립적이다.
막 기공 크기가 침투하는 분자의 평균 자유 행로보다 훨씬 큰 경우, 분자들은 기공 벽과 충돌하는 것보다 더욱 빈번하게 분자 상호간에 충돌하며, 이동현상도 상기하다 이것은 유체내의 전단응력으로부터 유동을 수반하는 압력 강하가 일어난다는 점성 유동의 이론에 기초하는 포아즈이유(Poℓseuℓlle)의 유동 시스템으로서 언급된다. 포아즈이유 유동에 의한 증기 플럭스에 대한 방정식이 하기로써 제공된다 :
[수학식 4]
상기식에서, n=증기 점도, P1, P0=증류 전후의 증기압, 및 N, γ, R 및 T는 상기에서 정의한 바와 같다. 또한, 막 특성 CP는 막 기하의 함수이다.
[수학식 5]
또한, 효율은 주어진 벽 온도 차에 있어서 막 두께와는 독립적이다.
따라서 상기 두 경우에 있어서, 증기 플럭스 N은 주어진 막물질 및 구조에 의존하며, T2w-T1w값은
-양면의 전단속도
-막의 전도계수
에 의하여 T1 및 T2에 관련한다.
상기 두 경우에 있어서, 두께의 감소는 전도계수를 증가시키므로, △T=T2 -T1과 비교할 경우, △TW의 상대치는 감소하게 된다.
이로 인해, 막 증류는 얇은 막과 관련된 허용되지 않는 열손실 및 두꺼운 막의 낮은 막 계수와 관련된 허용되지 않는 낮은 플럭스 사이에서 막 두께를 선택할 때 취사선택이 요구되는 방식이다.
[발명의 기술]
본 발명의 목적은 막 증류에 관련된 문제들을 실질적으로 극복하는 장벽 또는 막을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 삼투성 증류법 및 이를 위한 수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 소수성 다공질 장벽을 통하여 증기 상태의 용매를 저삼투압 용액으로부터 고삼투압 용액으로 이동시킴을 특징으로 하여, 회석용액을 농축시키는 방법 및 이를 위한 수단을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 삼투성 증류법으로써 저삼투압 희석용액을 농축시키기에 적합한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적이 본 발명에 대한 하기의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 특정 양태에 따라서, 50마이크론 미만(바람직하게는 20마이크론 미만, 더욱 바람직하게는 10마이크론 미만)의 두께, 플럭스가 장벽 표면적의 50% 이상인 최소 다공도 및 가공 반경(크누첸) 또는 기공반경의 제곱(포아즈이유)에 비례하는 기공 크기를 지니는 고열 전도성 물질의 반투 매트릭스를 함유함을 특징으로 하는, 삼투압성 증류법에 의한 용액의 농축에 적합한, 소수성 반투 장벽이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 저삼투압을 지니는 유체를 농축시키기 위하여 장벽에 인접한 두 유체들 사이의 삼투압 차를 농축 구동력으로서 지니는, 상기에서 언급한 형태의 소수성 반투 확산 장벽을 이용하는 삼투성 증류법에 의해 저삼투압의 희석 용액을 농축시키는 데에 적합한 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 제2유체의 삼투압이 제1유체의 삼투압보다 높은 경우, 제1유체를 상기에서 언급한 형태의 반투 장벽의 한쪽면과 접촉시키고, 동시에 제2유체를 막의 반대면괴 접촉시킴으로써 제1유체의 용매가 제2유체로 향하는 삼투압 기울기의 영향하에 증기 상태에서 반투 장벽을 가로질러 이동됨을 특징으로 하여 제1유체를 농축시키는 삼투성 증류법이 제공된다.
막 증류는 용액으로부터 휘발성 물질들을 증발시키고 연속적으로 응축시키는 방식이다. 증발 및 응축 표면들은 미세다공성 막에 의해 분리되어 서로 밀접하게 근접한다. 두 액체 표면의 분리는 증기 및 기체만이 막 기공을 통해 투과하는 것을 필요로 한다. 증기가 막을 가로질로 수송되기 위한 구동력은 막의 두 면 사이의 온도 차이다.
본 발명의 방법 또는 시스템은 삼투성 증류는 막 증류와는 다르다. 삼투성 증류를 위한 구동력은 막의 양쪽면에 위치한 액체들 사이의 삼투압 차와 관련된 증기압 차이다.
본 발명을 수행하기 위한 가장 적합한 방식
삼투성 증류의 구동력은 하기 방정식으로 나타낸 바와 같이, 삼투압 차 π2-π1과 관련된 증기압 차이다 :
[수학식 6]
액체 내부의 삼투압이 증가할수록 액체 표면의 부분압력은 감소한다. 막의 증발면에서 온도는 응축면의 온도보다 낮다. 다시 말하면 온도분포는 역행적이다.
온도 분포가 역행적이며, 막이 열교환기로 작용하기 때문에, 열전달은 막 증류에서와는 반대 방향이다.
상기 경우에서 온도 분포를 제3도에 나타내었다. 막의 열효율은 하기와 같이 나타낸다 :
[수학식 7]
크누첸 및 포아즈이유 플럭스 막의 경우, ℓ이 감소하면 효율은 증가한다.
상기 막 증류법으로써, 효율을 1보다 크게 할 수 있는데, 이는 구동력이 사실상의 열원이 아니기 때문에 가능하다.
삼투성 증류의 경우에는, 교환은 전혀 필요치 않다 : 막의 두께를 감소시킬수록 플럭스 및 효율이 증가한다. 증가된 전도도로 인한 △Tw의 감소는 온도 프로파일의 수평화를 제공한다.
온도 기울기가 막을 가로질러 존재하는 삼투성 증류에서, 온도 기울기는 반대 방향의 삼투압 기울기에 의해 보조된다. 이는 고온 부위의 용액에 비하여 높은 용질 농도를 지닌 용액으로써 막을 저온 부위에 접촉시킴으로써 성취된다. 농축 용액의 삼투압은 이의 상부 증기압을 강하시키도록 작용하여 온도차에 따른 압력 기울기를 개선시킨다.
삼투성 증류의 구동력은 막 증류에 비하여 매우 작은 온도 차일 수 있다. 막 증류의 경우에서 50℃의 온도 차가 지배적인데 반하여, 삼투성 증류에서는 수 도의 온도 차가 통상적이다. 그러므로, 삼투성 증류에서 구동력은 막 증류에서의 구동력에 약 %정도일 수도 있다.
크누첸의 유동 시스템으로써 플럭스는 막 기공 반경에 비례한다. 그러나, 포아즈이유의 유동 시스템으로써 플럭스는 반경 제곱에 비례한다-즉, 반경은 두배로 하면 플럭스는 4배로 증가한다.
따라서 허용 공 크기의 제한(즉, 고플럭스 증기는 통과시키나 액체의 통과는 방지함)을 슈머버 하이트(Schmerber Height)로 불리우는 계수로써 수득하는 삼투성 증류용 고플럭스막의 개발이 가능하다.
0.1마이크론의 기공 크기를 1mm로 증가시키면, 반경면에서 104배의 증가를 수득하며, 막저항으로 환산(포아즈이유 유동 방정식을 위하여)하면, 막 저항의 변화폭은 108이 된다. 또한, 두께 17마이크론의 막을 10마이크론의 막과 비교할 때의 함수는 7이다. 이 경우에서, 투과성의 비는 7×108이다. 구동력을 50배 작게 하여도, 상기 막을 통과하는 플럭스는 막 종류를 사용할 때에 비하여 삼투성 증류를 사용할 때 훨씬 높게 다양하게 나타날 것이다.
막 증류에서 이상적인 막은 저전도성 물질의 사용을 필요로 하는, 열손실을 최소화한 막이다. 이와는 대조적으로, 삼투성 증류에서는 열유등을 촉진시켜야 하므로 고전도성 물질을 필요로 한다.
삼투성 증류를 위한 막은 직물 산업에서 통상적인 방식, 예를 들어, 제직, 편성, 도칸(Docan) 스펀바운드(Spunbound)방식, 플라스마(plasma)망상 세공 등의 방식을 포함하여, 비교적 개방적인 기공 구조를 제공하는 방식으로써 제조한다. 또한, 부직방식, 예를 들어, 제지 산업의 건식 부직 방식 및 습식 부직 방식을 사용할 수 있다. 기공 크기는 증기만 통과시키고 액체는 기공을 통하여 통과시키지 않는 필요조건과 양립할 수 있으며 실행가능한 한 클 수 있다. 밀리미터 분획의 기공크기(예 : 0.5mm)가 관찰된다.
막은 열전달을 촉진시키는 고전도성 섬유, 예를 들어, 스테인레스 강 또는 구리로 이루어진다. 바람직하게는, 장벽 또는 막의 직물은 약 10마이크론 정도로 가능한 한 얇게 할 것이다. 또한, 장벽의 직물은 완전하게 소수성이어야 한다. 금속선으로 제조한 장벽의 경우에서, 금속선은 제직에 앞서 테플론에 침적시켜 피복시킨다.
또한, 막 또는 장벽은 기체, 예를 들어, 대기에 대한 측면 특수성을 지닌다.
본 발명의 삼투성 증류 장벽은 매우 높은 플럭스를 지니며 다양한 분야, 예를 들어, 과즙, 우유 및 커피의 농축 및 해수로부터 음료수를 수득하는 데에 적용가능하다.
하기는 삼투성 증류에 대한 일반적인 특성들을 요약한 것이다.
다공성 : 크누첸 및 포아즈이유의 유동 막을 위하여 플럭스는 막 다공성에 비례적인 것이다. 최소한 50%의 다공성이 요구되지만, 열전달을 위한 충분한 양의 물질을 필요로 한다. 삼투성 증류막의 다공성은 막 증류에서 사용된 막의 다공성보다 작을 수도 있다.
두께 : 가능한 한 얇은 막이 요구된다.
기공 크기 : 플럭스는 기공 반경(크누첸) 또는 기공 반경의 제곱(포아즈이유)에 비례한다. 이상적으로, 막길이 및 슈머버하이트(출입수압은 물의 높이로 나타낸다)와 양립가능한 가능한한 큰 기공이 요구된다.
소수성 : 막 물질은 망상의 플루오로 또는 클로로 불소화된 중합체, 포화 입체특이성의 폴리올레핀 또는 그외 가능한 한 낮은 수분을 및 가능한 한 높은 수접촉도를 지닌 중합체중에서 선택된다.
열전도도 : 특정 전도도는 가능한 한 높아야 한다.
기계적 저항 : 막을 통한 압력 강하의 부재로 인하여, 기계적 저항은 최소 두께와 양립가능한 막에서의 실제적으로 필요한 응집에 의해서만 제한된다.
기하 : 전단 속도는 중요하지 않으며 (온도 편극화의 부재로 인하여), 기하는 유니트의 표면적/용적 비에 의해서만 지시받는다.
삼투성 증류의 막 증류에 대한 비교는 편의를 위해 하기의 표(1)에 약술하였다.
[표 1]
상기에서 실시예 및 바람직한 양태와 관련하여 발명을 설명하였지만, 본 발명을 이의 정신 및 본질적인 특성에서 벗어나지 않고서 다른 형태로 사용하거나 다른 방식으로 실시할 수도 있을 것이다. 따라서, 상기 기술은 모든 면을 고려하여, 제한하지 않고 예시한 것이며, 동일한 의미 및 범위내에서 어떠한 변화도 이에 포함될 수 있다.
Claims (9)
- 두께가 50마이크론 미만이고 최소 다공도가 장벽 표면적의 50%이며 플럭스(flux)가 기공 반경(크누첸) 또는 기공 반경의 제곱(포아즈이유)에 비례하도록 하는 기공 크기를 지니며, 사용시, 열이 삼투성 증류를 촉진시키기 위해 매트릭스 물질을 가로질러 유동할 수 있도록 열전도성이 높은 소수성 물질로 주로 이루어진 반투성 매트릭스를 포함함을 특징으로 하는, 삼투성 증류법에 의해 용액을 농축시키기 위한 소수성 반투 장벽.
- 제 1항 있어서, 매트릭스가 소수성 물질로 피복된 망상 구조의 고전도성 섬유표면을 포함하는 반투 장벽.
- 제2항에 있어서, 망상 구조가 구리 또는 스테인레스 강, 또는 기타 열전도성 금속의 가는 가닥을 함유하는 반투 장벽.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 두께가 10마이크론 미만인 반투 장벽.
- 저삼투압을 지니는 유체를 농축시키기 위해 장벽에 인접한 두 유체들 사이의 삼투압 차를 농축 구동력으로서 갖는 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에서 언급한 형태의 소수성 반투 확산 장벽을 이용하는 삼투성 증류법에 의해 저삼투압의 희석 용액을 농축시키는 데에 적합한 시스템.
- 제1유체를 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에서 언급한 형태의 반투 장벽의 한쪽면과 접촉시키는 동시에 제 2유체를 막의 반대면과 접촉(이때, 제2유체의 삼투압이 제1유체의 삼투압보다 높음으로써 제1유체의 용매는 삼투압 경사의 영향하에 증기 상태에서 반투 장벽을 가로질러 제1유체를 농축시키는 제2유체로 이동된다)시킴으로써, 제1유체를 농축시키는 삼투성 증류법.
- 제6항에 있어서, 희석된 제2유체를 연속적으로 역삼투 처리시킴으로써, 용매를 분리시키고 재순환에 적합한 제2유체를 농축시키는 방법.
- 제6항 또는 제7항에 있어서, 과즙, 우유 또는 커피를 농축시키거나 해수로부터 음료수를 회수하기 위한 방법.
- 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 두께가 20마이크론 미만인 반투 장벽.
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