KR950007919B1 - 고회수 나선 권선형 막 여과장치 - Google Patents

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Description

고회수 나선 권선형 막 여과장치

제1도 외부실린더형 압력하우징내에 장치되어 있는 본 발명의 나선 권선형 RFP 막장치를 나타낸 절개 사시도.

제2도 다공질관에 권선되어 본 발명의 나선권선형 RFP 장치를 형성하는 전형적인 충구조의 투시도.

제3도 제1도의 라인 3-3을 따르는 RFP 장치의 급송부 측면의 확대도.

제4도 제1도의 라인 4-4를 따른 RFP 장치의 투과부측면의 벽감부(recessed protion)를 나타낸 확대횡단면도.

제4a도 제4도에서 4a로 표시된 부분의 확대도(부품사이의 위치관계를 나타냄).

제5도 제1도의 라인 5-5를 따르는 RFP 장치의 투과부측면의 비벽감부(non-recessed portion)의 확대횡단면도.

제5a도 : 제5도에서 5a로 표시된 부분의 확대도(부품 사이의 위치관계를 나타냄).

제6도 및 제7도 : 종래장치와 본 발명의 RFP 막장치를 각각 나타낸 도식도.

제6a도 및 제7a도 : 제6도의 라인 6a-6a와 제7도의 라인 7a-7a를 각각 따르는 나선형장치의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 막장치(membrane element) 2 : 압력용기(pressure vessel)

3 :다공성 코어튜브(porous core tube) 4 : 튜브플러그(tube plug)

5 : 다공성 판(porous plate) 9a 및 9b : 엔드컵(end cup)

14:생성운반섬유(product carrier fabric)

15 : 막판(membrane sheet)

본 발명은 소외여과(ultrafiltration) 미량 여과 및 역삼투공정에 사용되어 난류 또는 촙층상 유체역학흐름 상태를 유지하면서 고 변환율을 얻을 수 있는 나선 권선형의 향상된 막 분리장치 및 그 사용방법 특히, 방사상급송통로(이하 RFP라 칭함)를 포함하여 종래장치보다 고변환율을 제공하는 나선권선형 막장치(spiral wound membrane element device)에 관한 것이다.

소외여과, 미량여과 및 역삼투공정에 대한 나선형 막장치는 오래전 부터 유체혼합물의 성분을 분리하는 적절한 장치로 알려져 왔다. 종래공정에 있어서, 가압유체혼합물을 막표면에 접촉하도록 하면 화학포텐샬차 이에 의해서 유체혼합물의 하나 또는 그 이상의 성분이 막을 관통하게 되는데, 이때 막을 관통하는 매스이동속도의 변화에 의해서 분리공정이 달성된다.

종래에 알려진 가장 통상적인 난선형막장치는, 유체급송혼합물이 실린더형 막장치의 단부로 유입되어 장치의 종축(축상 급송통로, 이하 AFP라칭함)을 따라, 평형한 막표면 사이에서, 나선형 권선을 가로질러 이동되도록 설계된다.

분리공정이 막-유체접면에서 일어나므로 보다 농축된 급송류(feed stream)(1), 및 막장벽층(membrane barrier layer)을 관통하는 유체인 투과류(permeate stream) (2)가 형성된다.

투과류는 두막의 투과측면(permeate side)에 의해서 한정되는 분리시일채널내에서 나선방사상 방향으로 이동하여 다공질 중앙 코어튜브에 도달 수집된 다음 코어튜브의 한쪽 또는 양단부를 통해 방출된다(U.S.특허 제4,235,723, 3,367,504, 3,504,796, 3,493,496, 3,417,870호 참조) . 나선권선형 막은 반드시 급송류에 대한 흐름 통로 또는 채널을 포함하는데, 상기 통로는 막판(membrane sheet)에 의해서 밀폐되어 있고 작용 막장벽층이 상기 흐름 통로와 접해있다. 막판의 단지 한측면 상에서 하나의 장벽층을 포함하는 비등방성막의 경우에 있어서, 막판은 서로 접하고 급송흐름통로내에서 난류를 촉진하는 스페이서(spacer)에 의해서 분리된 장벽층을 포함하는 것이 통상적이다.

막은, 농축류의 배출구 및 급송류의 유입구를 제공하는 방식으로 접착제 또는 열시일재에 의해서 에지시일(edge-sealed)된다. (급송류가 막을 관통하는 경우 농축류가 되므로 막장치내의 류(stream)는 급송-농축류임). 종래의 나선형장치의 변환율(conversion) (투과부피대 급송부피의 비)는 장치의 길이에 의해서 좌우된다. (역삼투에 의한 탈염 Ulrich Merten, 1966, Chapter 5 참조)

통상, 유니트 변환율이 상업공정에서 요구하는 값보다 횔씬 저조한 값을 나타내므로 다수의 나선형장치를 사용하여 적절한 변환율을 얻는다.

예를들면, 종래역삼투시스템은, 75%변환율로 작동되기 위하여, 압력용기의 2-1배열로 18개 포함하여 12미터의 급송-농축류 통로 길이를 형성하여야 한다.(즉, 제 1스테이지는 두개의 평형한 열의 각각에, 일렬로, 여섯개의 나선형장치를 포함하고, 제2스테이지는 하나의 열에, 일렬로, 여섯개의 나선형장치를 포함한다) 나선형장치를 일렬로 배열하는데 필요한 조건은 급송수의 파울링 포텐셜 (fouling potential)에 좌우되므로, 상기 방법이 엄격한 예비처리 없이 도시(muicipal), 우물(we11), 및 표면-물 급수에 가장 널리 사용된다. 고 변환율 및 75,000-100,000GPD(gallons per day) 이하의 투과류를 요구하는 탈염 시스템에 있어서, 12미터 급속-농축류 통로길이를 갖는 배열을 유지하기 위해서는 작은 직경장치(8인치이하)를 사용해야한다.

그러나, 고 변환율을 얻기위한 상기 방법은 (a) 증가된 플로우(floor)공간 요구, (b) 증가된 막 모듀울비용(갈론당 1센트), (c) 증가된 공정 및 압력용기비용, 및 (d) 배열방법에 의한 장치확장의 가중된 복잡성등의 문제점이 있다. 만약, 장치흐름 통로를 기준축(AFP)으로부터 방사상 방향(RFP)으로 변환시키는 것이 가능하다면, 흐름통로는 소망의 변환율 또는 그보다 더 향상된 값으로 변경될 수 있으므로 모듀울 변환율은 길이보다는 직경에 의해서 좌우된다.

그러나, 실제로 방사상 흐름 통로를 설계하는 것은 매우 어려운 과제인데, 이는 투과채널내에 수집되는 투과류가 모듀울(module)로 방출되기전에 1-2미터 이상 이동할 수 없고 또한, 과잉백압(excess back pressure)에 투과운반 섬유(pre meate carrier fabric)내에서 발생되어 장치의 효율성을 감소시키기 때문이다.

상기 문제점에 기인하여, 하나 또는 그 이방의 매우 긴 막외피 (envelope)를 포함하는 미국특허 No., 3,933,646의 흐름통로 고안의 원리를 적절하게 이용할 수가 없다.

상기외피는, 내부에서, 투과류가 코어튜브에 들어가 모듀울로 방출되기전에 길이방향으로 이동되도록 구성 된다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고 변환율(즉, 30%-90% 이상까지)에서 작동되면서 난류 또는 촙층상 흐름상태를 유지할 수 있는 나선 권선형 막장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적은 급송-농축류 통로를 중앙코어튜브에서 방사상(RFP) 바람직하게는 외부로 나선화되도록 설계함과 동시에 막장치의 한쪽 또는 양개구측면예지를 통해 투과류가 수집되도록 하므로써 달성된다.

상기 후자특징은 장치의 측상길이보다 작고 급속-농축류통로에 무관한 최대투과류통로를 제공하게 된다.

각각의 막시이트와 투과유체사이의 고압력시일은 접착제 (또는 열적시일)에 의해서 생성물 운반섬유를 시일링 하면서 투과류 운반 섬유의 에지로부터 막 및 스페이서재에 벽감을 형성시킴으로써 달성된다.

또한, 본 발명의 나선권선형 장치는 소외여과(ultrafiltration(“UF”)), 미량여과(microfiltration(“MF”)) 또는 역삼투(reverse osmosis(“RO”)) 응용에 대한 상업적으로 사용되는 장치변환율에서 작동되기 위하여, 일련의 스테이징을 필요로 하지 않는다. 따라서, 3000-75,000GPD인 작은 역삼투 시스템은 큰 직경장치(8-12인치 또는 그 이상)에 의해서 형성될 수 있다.

시스템설계는 모듀울 식 즉, 장치가 적절한 배열을 유지할 필요 없이 유니트 베이스상에 추가될 수 있다.

보다 작은 시스템 (3000GPD이하)은 장치길이 및/또는 직경을 감소시킴으로써 형성된다.

한편, 역삼투, 소외여과 및 소량여과용 나선권선형 막장치를 제조하는 기술은 이미 널리 알려져 있는 것이다.

막판, 다공성 섬유 또는 플라스틱판 또는 웨브사이에 번갈아 포함되는 평평한 판막은 중앙다공성 코어튜브에 통상의 접착수단에 의해 접착되어 있고 상기튜브둘레에 잠기어진다.

막사이의 다공성판은 근본적으로 유체를 이송하고, 난류를 형성하고(브라인 스페이서(brine spacer)의 경우등) 그리고 흐름채널의 붕괴를 방지한다.

여기서 제한없이 사용되는 “스페이서” 및 “스페이서 핀”은 막여과 기술 특히 역삼투분야에 알려진 통상의 다공성판 재(porous sheet material)에 한정하려고 한다.

종래에 사용된 상기 스패이서 판은 통상적으로 섬유 또는 플라스틱 조성이지만, 그러나 조립에 의해서 상기 기능을 나선권선형 막장치에 수행할 수 있는 내구성의 어떠한 평면형 판재료도 스패이서 항의 범주에 속하는 것으로 간주된다.

주로, 막판(membrane leaf)의 급송-농축측면(즉, 작동장벽 막 표면 또는 “스킨”을 갖는 측면) 상에 급송(RO의 경우에 있어서 소금물) 스패이서가 있고 그리고 맞서는 즉 투과 측면상에 투과이송에 대한 편직물 판 스패이서 (knitted fabric sheet spacer)가 있다.

상기 기술분야에 널리 알려진 접착제 및 세멘트 또는 열적 시일링과 같은 다른 시일링 장치를 사용하는 경우, 막 및 스패이서의 다양한 판은 막을 단단한 실린더에 감기 바로전에 흐름통로를 형성하기 위하여 아교접착된다.

임의의 엔드-컵(end-cup), 및 다른 하우징 부품이 상기 실린더에 아교접착되고 그리고 모든 시일재가 경화된 후에, 나선형 막장치가, 여과목적인 경우, 장치에 연결 또는 삽입될 수 있다.

역삼투응용에 있어서, 엔드-컵을 갖는 장치는 고압력여과(4-100 기압)에 대한 압력용기튜브내에 통상 삽입된다.

통상, 소정흐름 배열에 따라, 하나의 다공질코어튜브 둘레에 감겨진 다수의 반복 막외피(5-15) 및 스패이서를 갖는다.

급송에 대한 매우 긴 흐름 통로를 제공할 수 있는 RFP 장치에 있어서의 공지의 나선형과는 달리, 바람직한 것은, 하나 또는 두개의 막 외피가 사용되어 보다 효율적인 기능를 얻는 것이다.

또한, 고변환율을 달성하기 위하여 일렬로 스테이지가 형성되어야 만하는 통상의 나선권선형 막장치와는 달리, RFP 장치는 하나의 막장치에 의해서 소망의 변환율을 달성하므로 전용량이 추가 장치를 통한 평형 흐름에 의해서 증가되도록 설계될 수 있다. 이하도면을 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제 1도는 실린더형 RO압력용기(2) 내에 위치되는 본 발명의 전형적인 역삼투나선권선형막장치(1)의 절개도이다.

막장치(1)는, 다양한 급송, 농축 및 투과노즐에 대한 포오트(port)가 형성된 단부판(2a) 및 (2b)를 갖는, 압력용기(2)내에서 시일링되고 그리고 링 크램프(10a) 및 (l0b)에 의해서 적절한 위치에서 유지된다.

“0”링 시일(6)(6a), (6b), (6c), (6d), (6e) 및 (6f)는, 막장치 또는 그것의 다양한 노즐이 막장치(10, 압력용기(2), 그것의 단부란(2a) 및 (2b)의 포오트(port)에 연결되는 중심점에서, 실선으로 진하게 칠해진 직사각형으로 도시되어 있다.

RFP막장치(1)의 중심부에 다공성코어튜브(3)가 장치되는데, 막판(15) 및 스패이서가 상기 튜브둘레에 나선상으로 감겨져 있다.

제1도에 있어서, 다공성 코어튜브(3)는 막장치(1)의 생성단부(product end)에서 튜브플러그(4) (접착플러그)를 포함하여 다공성판(5)의 생성단부에서 급송류와 투과류의 혼합을 방지하는데, 상기 다공성판(5)은 생성물이 투과노즐(11)을 통하여 압력용기(2)를 떠나도록하는 콘딧으로서의 기능을 한다.

막장치 (1)의 양측면에서는 저점도성 접착제(7a) 및 (7b)로 포트화되어지는데, 상기 접착제는 막 및 스패이서 단부를 시일링하고 막 및 스패이서를 임의의 앤드 컵(9a) 및 (9b)에 접착시킨다. 엔드 컵(9a) 및 (9b)의 위치에서 막장치(1)는 동일한 치수의 아교컵 (glue cup)으로 시일링될 수 있다.

제1도에 도시된 생성-측면 앤드 컵(9b)은 실린더형상을 갖고 “0”-링 시일(6b)을 포함하여 농축류가 다공성판(5) 내로 누출되는 현상을 방지한다.

막장치(1)의 보다 충분한 캡슐화를 위하여, 생성 엔드 컵(9b)의 길이는 6인치정도 그리고 급송측면 엔드컵(9a)의 경우는 3인치 정도가 바람직하다.

막장치 (1)의 양단부는 엔드 컵 (9a) 및 (9b) 형태로 각각 포트 처리되는데, 보통 생성단부가 먼저 포트처리(pot)되고 그 다음날 급송단부가 처리된다.

캡슘공정중에 막장치는 질소 기권하의 압력실에 위치되어 기포 및 기공이 없는 시일링효과를 얻을 수 있다.

막장치(1) 생성단부에서(제 1도 참조), 막장치는 단단한 다공성판(5)에 접해있는데, 이 판은 투과유체(생성물)를 생성물 운반섬유(product carrier fabric)(14)로부터 배출노즐(11)을 통해 이송하도록 하는 기능를 갖는다.

급송-농축채널에 사용되는 스패이서는 제1도에 나타나있지 않다. 농축급송류는 제1도에 도시된 바와같이, 나선방사성판 흐름통로의 비시일링단부(unsealed end)에서, 막장치의 외부로 흘러 개구 원주형실(8) 내로 흐르게되는데, 상기실은 실린더형 장치(1)와 실린더형 압력용기(2) 사이의 공간에 으해서 한정된다.

급송 엔드 컵(9)a)에 포함된 개구는 농축류가 원주형실(8)의 외부를 통하여 급송노즐(12)에 접한 개구공간 내로 유입된 다음 농축노즐(13)를 통해 압력용기(2)로부터 방출되도록 되어있다.

예시목적으로, 도면에는 RFP 장치(1)의 단지한쪽단부에 투과배출구를 갖는 막장치를 나타냈지만 투과배출구가 약간의 설계 변경으로 양단부에 설치될 수 있다.

이중투과 포오트를 달성하기 위하여 제1도의 투과측면에 이용된 시일링기술이 제2의 투과노즐(11)과 함께 맞서는 측면에서 반복될 수 있다. 농축노즐(13)을 다른 위치로 재배치시키는 것은 단순한 설계상의 문제에 지나지 않는다. 제2도는 생성운반 섬유(14), 급송 스패이서, 및 두 개의 막판(15)을 포함하는 본 발명의 RFP 나선 권선형 막의 전형적인 층배열을 나타낸 도식도이다.

생성물 운반섬유(14)는 한정된 투과흐름통로를 따라 생성유체(통상, 물)를 이동시킬 수 있는 전형적인 면직물 (knit fabric) 이다.

막관(15) 및 급송스패이서 재는 생성운반 섬유(14)의 폭에 대해 폭상으로 벽감(recess)을 형성한다. 효과적인 시일을 형성하기 위한 바람직한 벽감은 생성측면사에서 4인치정도 그리고 급송측면상에서 1인치 정도, 적어도 0.5인치정도는 되어야한다.

제3도에 도시된 바와 같이, 급송측면 엔드 컵(9)은 몰딩된 육각 구조이고 중앙개구를 포함하여 코어튜브(3)를 수용한다.

제4도 및 제4a도는 제1도의 장치(1)의 확대횡단면도 및 장치의 포트화된 섬유의 더욱 확대된 것을 각각 나타낸다.

제4도에 있어서, 외부링은 생성측면 엔드 컵 (9b)과 맞물리는 압력용기(2)이다.

접착제(7b)는, 제2도에 도시된 바와 같이, 장치의 생성단부로 확장하는 막층구조의 하나의 판 즉, 나선형포트운반섬유(14)(나선형태인 실선으로 표시되어 있음)에 엔드 컵(9b)을 수압시일링한다.

제4a도의 추가확대도에 있어서, 양측면상에 얇은 투과필름을 갖는 투과운반섬유가 접착제(7a)로 포트화 된다. 생성운반 섬유(14)는 접착튜브플러그(4)를 갖는 다공성코어튜브(3)로부터, 엔드 컵(9b)에 이를 연결하는, 접착층까지 나선화된다.

제5도 및 제5a도는 제1도의 라인 5-5를 따른 막장치(1)의 비 벽감부(non-recessed)를 나타낸다.

제5도 있어서, 실선나선라인은 막판(15)을 나타내고 그들 사이의 공간은 급송-농축 및 투과흐름채널을 나타낸다(스패지서 및 접착제(7a)는 생략되어 있음). 제5a도에 있어서, 빗금친 부분은 막판사이의 스패이서를 난타낸다(접착제(7a)는 생략되어 있음)

제6도는 종래의 통상 나선장치를 나타낸 도식도로서, 이는 급송-농축 및 투과류의 흐름방향을 보다 명확히 나타내기 위하여 확대된 풀린상태(unwound)를 도시한 것이다.

제6a도는 제6도의 라인 6a-6a을 따르는 나선형장치를 나타낸 것이다. 채널 a 및 c는 급송-농축채널이고 b는 투과채널이다.

막장의 장벽층(스킨(skin)) 측면은 채널 a 및 b 내에서 서로 접해있고 투과채널 b는 막쌍의 맞서는 (투과) 측면에 의해 한정된다.

급송류는 개구막 채널 a 및 c의 한쪽단부로 축상유도되는데, 이때 급송류의 일부는 막스킨을 투과하여 인접투과채널 b로 들어가고 그리고 나머지 급송류(농축류)는 막채널의 맞서는 측단부를 통해 배출된다.

투과류는 급송류와 직각으로 놓여있는 코어튜브의 내부로 향해 흐르게 되고 그리고 하부로 나선운동하여 궁극적으로 다공성코어 튜브를 통해 나선권선부를 따라 장치의 외부로 방출된다.

기술한 바와 같이, 흐름통로를 제공하기 위하여, 막 및 스패이서 판은 제6 및 6a도의 진한부분으로 표시된 지정위치에서 시일링된다.

따라서, 투과채널 b는 모든 측면에서 시일링되는데 단지 다공성 코어튜브의 개구만은 제외된다.

제6a도에 도시된 투과 및 급송-농축채널 사이의 코어튜브에서의 시일은 그 위치에서 혼합현상을 근본적으로 방지 한다.

제7도는 본 발명의 신규한 RFP 장치의 바람직한 실시예를 나타낸다. 급송류는 다공성튜브로 들어가 직각상태 즉, 외부나선형 막채널 b 내로 분산된다. (화살표 참조)

제7a도는 라인 7a-7a를 따르는 제7도의 나선장치를 나타낸 것이다.

상기 도면은 RFP 장치의 정확한 형상을 나타내지 않고 또한 스케일을 의도적으로 변형하여 막채널 내의 다양한 유체의 유동 현상을 보다 명확하게 나타낸 것이다.

농축류는 막채널의 총길이를 통과한 후에 나선권선형의 외부에지에서 막채널(b)을 떠나게 된다.

도시된 바와 같이, 급송농축채널 b은 양측면에지에서 시일링 되고(제7a도 참조) 한편, 막의 투과측면상의 투과채널(채널 a 및 c로 표시되어 있음)은 한쪽측면에서, 다공성코어튜브(제7a도 참조), 및 나선막판의 말단에지(제7도 내지 제7a도 참조)에서 시일링된다.

제7a도에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 막이 코어튜브에서 시일링되므로 인해 튜과류의 급송-농축류의 측면혼합이 방지된다. RFP 나선형인 막의 길이가 투과측면으로부터의 배압등의 작동조건에 한정되지않으므로, 흐름통로는 짧아지거가 길어질 수 있으므로 흐름통로를 조절하여 급송류의 소정변환율 또는 농도를 얻을 수 있다.

따라서, 흐름통로의 면적 및 유체흐름형태(층상 또는 난류)가 투과류의 투과막 통로를 결정하게 된다. 투과류가 실린더장치의 한쪽 또는 양쪽측면부에서 급송농축흐름에 대해 직각으로 나선상을 떠나게되므로, 해로운 배압이 발생되지 않는다.

급송류가 급송농축흐름 통로를 따라 이동하면서 그것의 일부가 막을 통해 투과되어 급송류의 부피가 점차적으로 감소되는 경우, 고정된 크기를 갖는 채널에 있어서의 급송속도가 줄고 하부투과 효율이 감소된다.

매우 긴 급송통로(RFP)를 제공할 수 있는 본 발명은 상기현상이 더욱 가중된다.

RFP 장치의 설계변경으로 인하여 상기 급송속도변화를 감소시키거나 또는 실질적으로 없애버릴수 있다.

상기 설계변경요소로는(1) 점차적으로 막사이의 거리를 줄이므로서 하부 흐름통로를 제한하여 유체속도를 증가시키는 테이퍼(taper) 스패이서의 이용 또는 (2) 나선통로를 따라 중앙에 매우 인접한 에지를 시일링하므로서 흐름통로의 폭을 테이퍼하는 방식등이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 RFP에 의해서 원래제공되는 새로운 선택조건을 사용하여 단일장치에 내부 스테이지(stage)를 형성시킬 수 있다.

따라서, 다른길이(코어로부터 방사상으로 측정됨)를 갖는 둘 또는 셋 또는 그 이상의 막외피가 하나의 코어튜브에 감겨져 다수의 스테이지를 형성하고 급송류부피가 그것의 나선통로를 따라 감소 되게된다. (실시예3 및 4참조)

또한 다양한 다른 변형조건이 있을 수 있다.

본 발명의 방사상나선 급송통로는 산업표준나선 모듀울에 대한 전형적인 축흐름 방향의 길이보다 휠씬 긴순흐름통로를 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명은 투과부피 또는 양에 있어서의 감소없이 보다 우수한 흐름 변화율을 얻을 수 있다.

그러나, 상기 신규의 흐름통로 설계는 급송류와 박막외피외부에 위치되는 투과류 사이의 고압시일을 필요로 하지만, 표준 나선모듀울 흐름 형상에 있어서는 이를 필요로 하지 않는다.

한편, 상기 압력시일은 접착제 및 양립연결표면을 사용하여 형성될 수 있다.

연결표면은 시일링 접착제와 양립해야할 뿐만 아니라 생성물 운반자(Product water carrier)에 대한 차단물로서 작용하여 배출투과류에 대한 통로를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 가장 소망스러운 것은 수압투과필름을, 생성단부에서의 생성(투과)운반섬유상에, 얇은층으로 코팅하여 적절한 결합(bonding)을 달성하여 장치의 생성단부를 시일링 하는 것이다.

상기 코팅 또는 필름, 바람직하게 폴리마필름 또는 금속 포일(foil)이 조심스럽게 적용되어 편물 투과섬유 내로의 근본적인 투과현상을 방지하여 섬유를 통한 생성물의 이동특히, 역삼수현상을 방지할 수 있다.

또한, 상기공정은 균일한 비 다공성(non-porous) 폴리우레탄을 생성단부에 위치되는 섬유의 표면에 코팅 함으로써 달성될 수 있다.

폴리마코팅은 소정조성 및 두께를 갖는데, 이러한 조건은, 섬유가 나선막장치내에서 견고한 실린더로 롤링되는 경우, 섬유표면에 균일하게 접착될 수 있도록 조절된다. 코팅 또는 필름의 길이는 편직물 둘레에 평형평면 유체시일을 형성하도록 충분히 길어야 한다(보통, 3-12인치정도 바람직하게는 6-10인치)

본 발명의 RFP 나선장치의 생성(투과) 단부에서 효과적인 시일을 얻기위하여 통상 필요한 것은 막 및 급송스패이서재에 벽감을 생성하여 단지 투과섬유만이 장치의 단부까지 확장하도록 하는 것이다.

따라서, 투과콘딧으로서 기능을 하는 편직물 만을 RFP 장치의 생성단부에서 볼 수 있다.

편리하게, “생성물”(product)이라는 용어는, 여기서, 역삼투탈염장치의 투과물과 동일하게 사용한다.

막분리공정의 몇몇 형태에 있어서, 급송농축류가 실제생성물이 되고 투과류가 패기 또는 재순환류가 된다. 게다가, 투과 및 급송 농축류가 모두 생성류로 간주되는 경우도 있는데, 이 경우는 양자가 모두 분리공정후에 사용된다는, 의미에서 본 것이다.

상기 분리공정에는 페인트고체(농축물)와 투과물이 모두 페인트 세척(painting-rinsing) 공정에 재사용되는 전기 코팅페인트의 소의 여과등이 포함된다.

UF, RO, MF 및 개스 여과에 대한 막은 이미 널리 알려져 있다. 하나 또는 두개의 장벽층(스킨)을 갖는 비등방성(비대칭성) 및 등방성막은 양자모두 평형한 판형태로 제조되어 UF. RO, MF 및 개스 여과에 사용되고 있다. (미국 특허 제3,615,024, 3,597,393호 및 3,567,632호 참조)

막(membrane)은 엷은 층으로된 중합체 또는 공중합체 또는 대전(charged) 또는 비 대전되 얇은 장벽코팅 또는 필름이 두꺼운 기지필름(다공성 또는 비다공성(확산성))위에 형성된 복합조직(composite structure) 이다 .

상기막에 적절한 중합체(polymer)로는 고안정 소수성재가 해당되는데, 이러한 재료에는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리술폰, 개질아크릴공중합체, 폴리염화에테르 및 통상의 UF, MF 및 개스여과 응용에 사용되는 것으로 부터, 아세테이트 셀롤로우스 및 다양한 폴리아민까지 포함된다(미국 특허 제4,319,035 ; 4,277,344 ; 3,951.825 ; 4,039,440 , 3,615,024).

소외여과 및 미량여과등의 저압응용(2-10기압)에 있어서, 나선권선형막장치는 적절한 부품을 포함하여 여과장치에 연결되는 카트리지(chatridge) 또는 압력용기에 선택적으로 영구히 고정될 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예 1]

투과측면에 대해 8인치 높이에서 3밀리두께의 플라스틱 코팅으로 커버된 28인치×40인치의 편직물판을 포함하는 하나의 급송채널(2개의 막)장치를 롤링하여 6인치 직경의 막장치를 준비한다. 코팅 섬유층의 에지는 저점성 점착제로 시일링되어 포팅접착제(potting adhesive)를 차단하여 투과물 콘딧을 시일링하지 못하도록 한다.

코팅부의 길이는 섬유에 대해 230인치의 길이를 커버할 수 있도록 준비된다.

롤링공정중에 접착제에 의해서 막장치의 단부가 시일링되도록 하는 것이 필요하다.

240인치×33인치의 평평한 판형구조인 폴리 슬폰기지를 갖는 합성막의 두개의 판은 절단되고 장치위에 위치되어 각각, 1 및 4인치의 섬유재의 에지로부터 급송 및 투과측면에 벽감을 형성한다. 40인치 다공성 코어튜브는 롤링기계에 장치되고 일렬로 배열된다음 양측면 테이프(tape)를 갖는 코팅섬유에 접착된다.

280인치×33인치 폴리프로필렌 브라인(polypropylene brine) 스패이서 판재가 두개의 판상막사이에 위치되는데, 그것의 에지는 두개의 막판과 일렬로 배열된다 막접착제는 두개의 막의 전주위에 균일하게 분산되어 시일외피를 형성하게 된다.

4개의 판이 코어튜브둘레로 롤링되어 나선형장치를 형성하게된다. 다음날, 장치의 투과/코팅섬유단부는 지점도 접착제에 의해서 플라스틱 엔드컵으로 포트화된다. 포트화된 단부는 80psi질소기권하에서 건조되어 기포 및 기공이 없도록 한다.

장치의 급송/비 코팅층측면은 급송코어튜브가 1-1.5인치 노출되어 접착되지않도록 포트화된다.

또한, 급송측면은 질소 기권하에서 포트화된다.

장치의 투과측면의 1인치는 톱으로 마무리 가공되어 투과채널를 개구시키게 된다. (즉, 편직물은 노출시킴)

장치는 다공성 유지판에 의해서 지지되는 투과측면을 갖는 압력 용기내에 위치시킨 후에 다음조건하 즉, 급송압력은 270psi, 회수율은 48%, 급송용액농도 3100ppm NaCl, 온도는 25℃에서 시험한다. 장치는 급송유입구와 투과구사이의 5psi차압에 의해 99%제거율(rejection)로 494GPD(gallon per day)를 생산하게 된다.

[실시예 2]

2.5인치 직경장치가 15인치 폭×20인치길이의 코팅투과 섬유를 갖는 17인치 코어튜브를 사용하여 준비된다.

코팅재가 투과에지의 상 및 하부의 6인치 높이 및 8인치 길이에 대해 코팅된다.

12인치 폭×8인치 길이의 비편물 기지(non-Iwoven substate)를 갖는 2개의 셀롤로우스막판은 섬유재의 양측면에 위치되어 투과에지로 부터 2인치를 그리고 급송에지에 대해서는 1.5인치 벽감을 제공하게 된다.

상업적인 막접착제 막을 4개의 측면 모두에서 섬유재에 결합하기 위하여 사용된다.

12인치폭×20인치길이의 브라인 스패이서 네팅은 막의 상부에 위치되어 막판과 동일한 벽감 크기를 제공하게 된다. 4개의 판은 코어튜브상으로 롤링되어 나선형장치를 형성하게 된다. 다음날, 장치의 투과측면은 30psi 질소기권하의 저점도 접착제 내에서 포트화된다.

다음날, 급송측면은 동일한 방법으로 저점도 접착제를 사용하여 포트화되는데, 이때 코어튜브가 0.5-1인치 노출되어 접착되지 않도록 해야한다.

다음에, 투과 포팅부는 1인치정도 가공되어 코팅 투과채널섬유를 개구하게 된다.

상기 장치는 430psi, 3000총용해 고체(TDS) NaCl급송, 1%회수율, 및 25℃에서 시험되어 92.6%제거율(rejection)로 13.7GFD의 플럭스(flux)를 제공한다.

[실시예]

실시예 1과 동일한 절차에 의해서 준비된 37인치길이 및 8.5인치 직경의 막장치가 2개의 판으로 구성되는데, 판의 길이는 각각 12미터와 6미터이다.

2개의 판은 나선장치로 롤링된 다음 포트화된다.

따라서, 여섯개의 개스용기의 통상적인 브라인 스테이지 2-1배열과 동일한 급송브라인 통로(feed brine path)길이 및 경계층을 갖는 구조로된다.

상기 장치는 75% 회수율에서 작동될 수 있는데, 이때, 97.5% 제거율, 270psi 급송압, 25^oc 및 2000ppm NaCl급송물에서 23,000FGPD를 제공하게 된다.

[실시예 4]

18, 12 및 6미터판을 포함하는 12인치 직경×60인치 길이의 막장치가 실시예 1과 동일한 절차로 준비된다. 세개의 판이 나선형장치로 롤링된 다음 포트화된다. 따라서, 여섯개의 압력용기를 갖는 통상적인 브라인 스테이지(brine stage) 3-2-1 배열과 동일한 급송브라인 통로 길이를 갖는 구조로 된다.

상기 장치는 90%회수율에서 사용될 수 있는데, 420psi 급송압력, 25℃ 및 2000ppm NaCl 급송물에서 작동되어 98.0% 제거율로 23,000GPD를 제공하게 된다.

[실시예 5]

막장치는 두개의 다른 길이를 갖는 막판으로 구성된 실시예 2의 막장치와 같은 절차에 따라 형성된다. 막장치판은 폴리술폰기지상에 폴리아미드 계면혼합물로 구성된다.

상기 장치는 다음 조건하 즉, 270psi 급송압, 2100ppm NaCl 급송용액, 25℃ 및 54% 회수율에서 시험되었다.

상기 장치는 NaCl의 96 4% 제거율로 9GFD의 플럭스를 제공하게 된다.

Claims (24)

1. 하나 또는 그 이상의 판막 및 스패이서판이 중앙다공성코어 튜브 둘레에 견고하게 권선되어 급송-농축 혼합물 및 투과 유체에 대한 별개의 흐름 채널을 부여하고 시일재(seal)에 의해서 급송-농축 및 투과유체의 상호혼합을 방지하도록 되어 고압하에서 유체 급송존합물을 적절하게 여과하는 실린더형 나선 권선형의 막 여과장치에 있어서, 적어도 한쌍의 막판이, 한쪽단부에서, 중앙다공성 코어튜브에 접착되고, 나선형으로 외부둘레에 권선되고, 그리고 중앙 다공성 코어튜브에서의 채널개구와 나선막판의 비 시일링 종단부에서의 다른 개구와의 사이로 확장하는 적어도 하나의 방사상 급송 농축 흐름채널을 한정하도록 시일링되고, 상기급송 농축 채널이 급송혼합물을 이동시키고 급송농축채널로부터 농축물을 배출시키는 별개의 콘딧장치에 연결되고, 막판의 투과측면상의 공간이 적어도 하나의 투과채널을 한정하여 상기 투파채널의 적어도 하나의 비시일링 축단부로 부터 투과물을 방출하도록 시일링되고, 그리고 상기 투과채널이 상기 투과물을 수집하는 콘딧장치에 연결되도록 구성됨을 특징으로하는 막여과장치(membrane filtration device).
2. 제1항에 있어서, 각각의 방사성 급송-농축흐름 채널 및 축상 투과채널이 접착제로 시일링됨을 특징으로 하는 막여과장치.
3. 제1항에 있어서, 방사상 급송-농축 흐름 채널이 다공성 스패이서판을 포함하고 그리고 투과채널이 다공성 섬유판을 포함하는 것을 특징으로 하는 막여과장치.
4. 제1항에 있어서, 막이 역삼투막인 것을 특징으로 하는 막여과장치.
5. 제1항에 있어서, 막이 소외여과막인 것을 특징으로 하는 막여과장치.
6. 제1항에 있어서, 막이 미량여과막인 것을 특징으로 하는 막여과장치.
7. 제1항에 있어서, 스패이서판이 적어도 한쪽 에지에 얇은 층상의 수압투과 플라스틱필름(hydraulically impervious plastic film)를 갖는 편물 투과섬유로 형성됨을 특징으로 하는 막여과장치.
8. 제1항에 있어서, 생성운반장치(carrier)를 제외하고 막판 및 모든 스페이서가 각 생성단부에서 장치의 단부로 부터 적어도 1인치정도의 벽감을 형성함을 특징으로 하는 막여과장치.
9. 제1항에 있어서, 실린더형 막장치의 적어도 하나의 측면에지가 축단부로부터 적어도 1인치정도의 거리를 갖도록 저점도 접착제로 포트화됨을 특징으로 하는 막여과장치.
10. 하나 또는 그 이상의 판막 및 스패이서판이 중앙다공성 코어 튜브둘레에 견고하게 권선되어 급송-농축혼합물 및 투과유체에 대한 별개의 흐름 채널을 부여하고 시일재(seal)에 의해서 급송-농축물과 투과유체와의 상호혼합을 방지하도록 되어 고압하에서 유체급송 혼합물을 적절하게 여과하는 실린더 나선권선형의 막여과장치에 있어서, 다공성 스패이서판에 의해서 분리되는 적어도 한쌍의 막판이 실린더형 다공성코어튜브에 종방향으로 접착되고, 외부둘레를 나선형으로 권선되고, 그리고 다공성 코어튜브와 나선형막판의 단부에지에서의 막판사이를 확장하는 급송-농축흐름채널을 한정하기 위하여 양측면 에지에서는 시일링되지만 나선형권선의 단부에지에서는 시일링되지 않도록 되어있고, 상기급송-농축 흐름채널의 급송혼합물을 급송농축흐름 채널로 이송하고 이로부터 농축물을 방출하는 별개의 콘딧장치에 연결되고, 상기막판의 투과측면에서 적어도 하나의 측 에지를 제외하고 막의 투과측면의 모든 에지를 시일링하여 장치로부터 투과물을 배출하기 위한 투과채널을 한정하고, 그리고 상기 투과채널이 상기투과류를 수집하는 콘딧장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 막여과장치.
11. 제10항에 있어서, 방사상 급송-농축 및 축 투과흐름채널이 접착제로 시일링 되는 것을 특징으로 하는 막여과장치.
12. 제10항에 있어서, 방사상 급송-농축흐름채널의 다공성 스페이서판을 포함하고 그리고 투과흐름채널이 다공성 편직물판을 포함하는 것을 특징으로 하는 막여과장치.
13. 제10항에 있어서, 막이 역삼투막인 것을 특징으로 하는 막여과장치.
14. 제10항에 있어서, 막이 소외여과막인 것을 특징으로 하는 막여과장치.
15. 제10항에 있어서, 막이 미량여과막인 것을 특징으로 하는 막여과장치.
16. 제10항에 있어서, 스패이서판이 양측면에 얇은층의 프라스틱 필름을 갖는 편물투과섬유로 형성되어 막장치의 투과측면에서 견고한 수압시일을 제공하도록 구성됨을 특징으로 하는 막여과장치.
17. 제10항에 있어서, 생성캐리어섬유를 제외하고 막판 및 모든 스패이서가 투과채널의 개방측면단부로부터 적어도 1인치정도의 벽감을 형성하는 것을 특징으로 하는 막여과장치.
18. 제10항에 있어서, 장치의 적어도 하나의 측면에지가 플라스틱 엔드 컵형태로 접착제에 의해서 포트화됨을 특징으로 하는 막여과장치.
19. 하나또는 그 이상의 판막 및 스페이서판이 중심코어 튜브둘레에 견고하게 권선되고, 그리고 급송-농축류 및 투과류(장치 내부에서 생성됨)에 대한 별개의 흐름통로 및 별개의 배출포오트(port)를 제공하기 위하여 시일링되어 고압하에서 공급되는 유체급송 혼합물을 적절하게 여과하는 실린더 나선권선형의 막여과장치에 있어서, 다공성 편직물판의 양측면이, 접착제에 의해서 포트화되는 위치에서, 양립접착성(adhesive compatible)을 갖는 수압투과폴리마 필름으로 얇게 쒸워지거나 또는 코팅됨을 특징으로 하는 막여과장치.
20. 제19항에 있어서, 폴리마필름이 다공성 편직물판을 근본적으로 관통되지않도록 구성됨을 특징으로 하는 막여과장치.
21. 용해소금을 포함하는 유체혼합물의 여과방법에 있어서, 막판이 역삼투막으로 형성되는 제1항의 막여과장치에 의해서 상기혼합물이 여과되는 것을 특징으로 하는 여과방법.
22. 소금기 있는 또는 해수흔합물을 탈염하는 방법에 있어서, 막판이 역삼투막으로 형성되는 제1항의 막여과장치에 의해 상기혼합물이 여과되는 것을 특징으로 하는 여과방법.
23. 유체혼합물의 큰 용해 또는 현탁분자에서 물과 용해염분(salt)을 분리하는 방법에 있어서, 막판이 소외여과막으로 형성된 제1항의 막여과장치에 의해서 상기 유체 혼합물이 여과됨을 특징으로 하는 분리방법.
24. 큰 용해 또는 현탁분자를 포함하는 유체혼합물에서 큰용해 분자 또는 미립자를 분리하는 방법에 의해서, 막판이 미량여과 막으로 형성되는 제1항의 막여과장치에 의해서 상기 유체혼합물이 여과되는 것을 특징으로 하는 분리방법.

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