WO2019078604A1 - 3층 구조의 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투막 필터 모듈 - Google Patents

3층 구조의 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투막 필터 모듈 Download PDF

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osmosis membrane
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supply
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이아영
김대헌
김범주
신정규
이필
민경훈
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a feed spacer, and more particularly, to a three-layer structure in which a set of feed spacers is formed in a three-layer structure so that the set contacting with the reverse osmosis membrane conveys raw water to the center of the feed spacer structure, Layer filter having a three-layer structure and a reverse osmosis membrane filter module including the same, which can reduce the polarization of the reverse osmosis filter module and minimize pressure loss.
  • the reverse osmosis membrane permeated by this reverse osmosis membrane has been used in a variety of fields such as sterile water for medical use, purified water for population dialysis, or water for the production of semiconductors in the electronic industry, since it becomes pure water or nearly pure water.
  • the two solutions having the difference in reverse osmosis concentration are separated into semi-permeable membranes, and after a certain time, the solution having a low concentration moves to the higher concentration side to generate a constant water level difference, which is called osmotic phenomenon.
  • the difference in water level that occurs during this process is called reverse osmosis.
  • Such a reverse osmosis filter module comprises a center tube, a feed spacer, an RO membrane, a tricot filtration furnace, and the like.
  • the supply spacers serve as passages through which the raw water flows.
  • the generation of the differential pressure due to the flow disturbance by the supply spacer results in an increase in the energy cost, so that the lower the differential pressure, the higher the efficiency of the reverse osmosis filter module.
  • concentration polarization occurs near the reverse osmosis membrane due to the water permeation flux. As the phenomenon becomes worse, the osmotic pressure near the reverse osmosis membrane increases and the water permeability decreases.
  • a three-layer supply spacer includes a first set in which a plurality of warp strands are positioned in parallel; A second set provided to intersect the first set, the second set comprising a plurality of parallel warp yarns; And a third set positioned parallel to the direction of the yarn and consisting of a plurality of parallel warp yarns, and wherein the third set includes a first set, a second set, As shown in FIG.
  • the feed spacers are characterized by a strand per inch (SPI) of 5 to 9 per unit length.
  • SPI strand per inch
  • the distance between the intersections of the first and second sets is characterized by 3,800 ⁇ to 12,000 ⁇ .
  • the angle between the first and second sets is between 50 ° and 90 °.
  • the warp yarns are characterized by a diameter between 167 and 300 m.
  • the supply spacers are characterized by a thickness of 500 ⁇ to 900 ⁇ .
  • the reverse osmosis filter module comprises: a tube including an opening for receiving permeate therethrough; And one or more reverse osmosis membranes extending outwardly from the tubes and wound around the tubes, wherein the spacers contact the one or more reverse osmosis membranes and are wound around the tubes.
  • the spacers are formed in first to third sets, the first and second sets are in contact with the one or more reverse osmosis membranes, and the third set is not in contact with the one or more reverse osmosis membranes .
  • the supply spacer is composed of a layer not in contact with the layer directly contacting the reverse osmosis membrane, thereby concentrating the turbulent flow of the raw water at the center of the spacer structure, thereby minimizing the pressure loss.
  • a turbulent object is locally generated only in the layer directly contacting with the reverse osmosis membrane, and a laminar flow velocity gradient occurs at the center of the spacer structure to reduce the polarization phenomenon .
  • FIG. 1 is a perspective view of a reverse osmosis filter module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 (a) is a plan view of a supply spacer having a three-layer structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a three-layer supply spacer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a plan view of a three-layer supply spacer having an SPI of 9 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a plan view of a three-layer structure having an SPI of 7 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 (a) is a plan view of a supply spacer having a three-layer structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 (b) is a cross- Sectional view of the reverse osmosis filter module in which the reverse osmosis membrane is located.
  • 3 is a cross-sectional view of a three-layer supply spacer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a plan view of a three-layer supply spacer having an SPI of 9 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a plan view of a three-layer structure having an SPI of 7 according to an embodiment of the present invention
  • the feed spacer according to the present invention may be composed of a first set 10, a second set 20 and a third set 30 in which a plurality of warp stands Stand are arranged in parallel.
  • the first set 10 may have one or more warp yarns arranged in parallel, wherein the warp yarns may be positioned obliquely to the yarn direction.
  • the second set 20 may be positioned to intersect the first set 10. Also, the second set 20 may be positioned opposite to the first set 10 so that the first set 10 and the second set 20 may be provided in a lattice shape.
  • first set 10 may be positioned at an angle 10 ° to 80 ° from the flow direction of the raw water
  • second set 20 may be positioned at a slope of 100 ° to 170 ° from the flow direction of the raw water .
  • angle a between the first set 10 and the second set 20 can be formed to be 50 to 90 degrees.
  • the warp of the second set 20 is positioned at an angle of 110 to 150 from the flow direction of the raw water .
  • the angle between the first set 10 and the second set 20 is 50 °
  • the warp constituting the first set 10 is formed by inclining 60 ° from the flow direction of the raw water, 20 can be positioned at an angle of 110 from the flow direction of the raw water.
  • the flow path may be formed by a warp constituting each set, and may mean an empty space between the reverse osmosis membrane and each set, which are located at the upper and lower portions of the supply spacers.
  • the third set 30 is positioned parallel to the flow direction of the raw water and can be located at the top of the first set 10 and the second set 20 or in the three sets. That is, one of the first set 10 side and the second set 20 side. More specifically, when the set stacking order is that the second set 20 is placed on top of the first set 10, the third set 30 is positioned on one side of the second set 20, . And, when the set stacking order is that the first set 10 is placed on top of the second set 20, the third set 30 can be placed on top of the first set 10.
  • the supply spacers are not in contact with the set which is in direct contact with the reverse osmosis membrane It can be configured as a non-set. More specifically, the third set 30 is not in direct contact with the reverse osmosis membrane. The first set 10 and the second set 20 are in contact with the reverse osmosis membrane.
  • the first set 10 and the second set 20 may be in contact with the reverse osmosis membrane to support the feed spacer structure and may be configured to periodically convect the interfacial flow of the raw water between the reverse osmosis membrane and the feed spacer structure have. That is, the feed spacer according to the present invention conveys the interfacial flow of the raw water to the third set 30 and the third set 30 generates the flow velocity gradient of the interfacial flow to reduce the polarization phenomenon Effect can occur.
  • the third set 30 may be provided at any one of the intersections of the first set 10 and the second set 20, or the positions between 1/5 and 4/5 between the intersections and the intersections.
  • the supply spacers according to the present invention can be produced by the fusing method.
  • the first set 10, the second set 20 and the third set 30 may be extruded in the joined state or the first set 10 and the third set 30 or the second set 20, Three sets 30 may be extruded in the state of being joined, and then the second or first set may be laminated and bonded.
  • the third set 30 when the third set 30 is positioned on one side of the second set 20, the third set 30 positioned at the uppermost position is parallel to the raw water flow direction, It can play a role of separating.
  • the first set 10 in direct contact with the reverse osmosis membrane convects the raw water interface flow to the second set 20, and the third set 30 conveys the raw water in half to the second set 20
  • a convection phenomenon occurs periodically near the interface of the reverse osmosis membrane, so that the pressure loss of the supply spacer according to the present invention can be minimized.
  • the distance between the warp yarns forming the first to third sets 10, 20 and 30 according to the present invention may be 4 mm to 12 mm. If the gap between the warps is less than 4 mm, the cross-sectional area of the flow path increases and the gap between the warps of each layer decreases, thereby causing turbulent flow of the raw water more than necessary, resulting in an increase in pressure loss. If the distance between the warp yarns is more than 12 mm, a gap between the warp yarns increases and a portion where the upward / downward flow of the raw water does not occur may occur, so that a laminar flow velocity gradient may not occur.
  • the first to third sets 10, 20 and 30 according to the present invention can be provided with the warp yarns forming each set of 167 ⁇ to 300 ⁇ and therefore the thickness of the supply spacers is 500 ⁇ to 900 ⁇ .
  • the diameter of the warp constituting the supply spacer according to the present invention can be provided to be narrower than the diameter of the warp constituting the conventional supply spacer because the diameter of the warp is narrowed so that the area of the warp contacting with the fluid supplied to the supply spacer is reduced So that the pressure loss of the fluid due to the friction can be reduced.
  • the warp diameter is less than 167 ⁇ and the feed spacer thickness is less than 500 ⁇ , there is a problem that the feed spacer structure can not be supported. If the diameter of the warp yarn is more than 300 mu m and the thickness of the supply spacer is more than 900 mu m, the area of contact with the raw water to be supplied increases, thereby increasing the resistance and increasing the pressure loss of the supply spacer.
  • the diameter of the warp yarn according to the present invention is smaller than the diameter of the warp yarn constituting the conventional supply spacer, the void fraction of the channel through which the raw water can flow and the effective membrane area can be ensured It is possible to improve not only the differential pressure but also the physical properties of the produced water.
  • the feed spacers according to the present invention may have a strand per inch (SPI) of 5 to 9 per unit length.
  • the distance L between the intersections formed by the intersection of the first set 10 and the second set 20 may be 3,800 ⁇ to 12,000 ⁇ .
  • the number of warps (SPI) per unit length may mean the number of warp yarns corresponding to one side of the channel per inch. That is, it may mean the number of warp yarns between the intersections formed by the first set 10, the second set 20, and the third set 30.
  • the cross-sectional area of the flow path may decrease and the laminar flow velocity gradient may not occur in the central portion of the supply spacer.
  • the distance between the intersections is less than 3,800 ⁇ , the cross-sectional area of the flow path increases and the flow of the raw water actively occurs in the up-down direction, thereby increasing the pressure loss.
  • the reverse osmosis filter module is a component of a membrane separation device that performs the function of purifying water that is actually supplied using the reverse osmosis principle.
  • the reverse osmosis filter module may include a reverse osmosis membrane 200, a feed spacer 100, a tricot filtrate furnace 300, and a tube 400 including an opening to receive permeate along its length.
  • a pair of telescoping prevention devices (not shown) may be further included, but a detailed description thereof will be omitted.
  • the at least one reverse osmosis membrane (200) performs osmosis to filter the foreign substances contained in the water and to perform the function of flowing the purified water effectively.
  • These one or more reverse osmosis membranes extend outwardly from the tube and are wound around the tube.
  • the supply spacers 100 may be provided with the supply spacers 100 according to the present invention described above. More specifically, the supply spacers 100 may be provided in a three-layer structure wherein three layers of the warp yarns constituting the supply spacers 100 are stacked, Quot; may mean a form in which a set of layers is formed and three sets are laminated.
  • the supply spacers 100 are provided in a three-layer structure, so that the supply spacers 100 can be divided into a set contacting the reverse osmosis membrane 200 and a set not contacting the reverse osmosis membrane 200.
  • the first and second sets may be in contact with one or more reverse osmosis membranes (200), and the third set may be in non-contact with one or more reverse osmosis membranes (200).
  • the set contacting with the reverse osmosis membrane 200 may convect the flow direction of the raw water supplied to the reverse osmosis filter module to the center of the supply spacer 100, that is, the set not in contact with the reverse osmosis membrane 200.
  • a laminar flow velocity gradient occurs in a portion where the set that is not in contact with the reverse osmosis membrane 200 is generated, and a turbulent convection occurs locally only in a set portion contacting the reverse osmosis membrane 200, And the pressure loss can be reduced to further increase the efficiency of the reverse osmosis filter module.
  • the supply spacer 100 forms a passage through which raw water flows from the outside and maintains a gap between one reverse osmosis membrane 200 and another reverse osmosis membrane 200.
  • the supply spacer 100 is configured to be in contact with one or more reverse osmosis membranes 200 at the upper and lower sides thereof and to be wound around the tube similarly to the at least one reverse osmosis membrane 200.
  • the material of the supply spacer 100 is not particularly limited, but is preferably composed of any one of polyethylene, polyvinyl chloride, polyester, and polypropylene.
  • the tricot filtration furnace 300 generally has a fabric-like structure and serves as a channel for making purified water flow through the reverse osmosis membrane 200.
  • the tricot filtration furnace 300 generally has a fabric-like structure and serves as a channel for making purified water flow through the reverse osmosis membrane 10.
  • the tube 400 is located at the center of the reverse osmosis filter module and serves as a passage through which the filtered water flows.
  • a space (or an opening) having a predetermined size is formed on the outer side of the tube 400 so that the filtered water flows in.
  • the pores are formed more than one so that the filtered water can be introduced more efficiently.
  • Conventional supply spacers have only a first set and a second set in a two-layer structure.
  • Layered structure of SPI 9 a distance between intersections of 3889 ⁇ m, and an angle formed by the flow direction of the flow path and the first and second sets is 90 °.
  • SPI 7 and the distance between the intersections are 5000 ⁇ m
  • the angle formed between the flow direction of the flow path and the first and second sets is 90 DEG.
  • Embodiments 1 to 4 are the supply spacers of the three-layer structure according to the present invention, and Embodiments 1 to 3 are structures in which the third set is located in the middle between the first set and the second set. And SPI 9, 7 and 5 in a three-layer structure in which the angle between the flow direction of the flow path and the first and second sets is 50 °, 55 ° and 90 °.
  • the fourth embodiment is a structure in which the third set is located at the top of the supply spacers. SPI 9 and the flow path direction and the first and second sets form an angle of 90 °.
  • Example 1 the differential pressure (Pa / ⁇ ⁇ ) of the feed spacers per length was 0.02051 as compared with Comparative Example 1, which was lower than that of Comparative Example 1 0.0456, and thus the total pressure of the feed spacers was reduced by 55% That is, it can be seen that the pressure generated between the raw water and the supply spacer is reduced as compared with the two-layer structure in the three-layer structure.

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Abstract

본 발명은 공급 스페이서에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 공급 스페이서를 구성하는 세트를 3층 구조로 형성함으로써, 역삼투막과 접촉하는 세트가 공급 스페이서 구조의 중앙으로 원수를 대류시키고 중앙에서는 층류성 유속 구배가 발생하여 역삼투압 필터 모듈의 분극현상을 감소시키고, 압력손실을 최소화할 수 있는 3층 구조의 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투막 필터 모듈에 관한 것이다.

Description

3층 구조의 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투막 필터 모듈
본 명세서는 2017년 10월 20일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2017-0136495호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 공급 스페이서에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 공급 스페이서를 구성하는 세트를 3층 구조로 형성함으로써, 역삼투막과 접촉하는 세트가 공급 스페이서 구조의 중앙으로 원수를 대류시키고 중앙에서는 층류성 유속 구배가 발생하여 역삼투압 필터 모듈의 분극현상을 감소시키고, 압력손실을 최소화할 수 있는 3층 구조의 공급 스페이서 및 이를 포함하는 역삼투막 필터 모듈에 관한 것이다.
전 세계적으로 지구온난화에 따른 물 부족 현상이 심화되고 있는 가운데 대체 수자원 확보기술인 물 정화 기술이 주목을 받고 있다.
따라서, 해수담수화, 물의 재이용 등 대체 수자원을 활용한 차세대 수도사업의 핵심기술인 역삼투막(Reverse osmosis membrane)을 이용한 수처리 공정이 물 산업 시장을 주도할 것으로 예상되고 있다.
이러한 역삼투막에 의한 역삼투막 투과수는 순수한 물 내지 한없이 순수한 물에 가까운 물이 되어 의료용의 무균수나 인구 투석용 정제수, 혹은 전자 산업의 반도체의 제조용 물 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
여기서, 역삼투란 농도차가 있는 두 용액을 반투막으로 분리하고 일정 시간이 지나면 농도가 낮은 용액이 농도가 높은 쪽으로 이동하면서 일정한 수위차를 발생시키는데 이를 삼투 현상이라고 한다. 아울러 이 과정에서 발생하는 수위의 차이를 역삼투압이라고 한다. 이 원리를 이용해 물 분자만 반투막을 통과시켜 물을 정화하는 장치를 역삼투압 설비라고 하며, 여기에 들어가는 반투막이 역삼투압 필터 모듈이다.
이러한 역삼투압 필터 모듈은 중앙 튜브, 공급 스페이서(Feed spacer), 역삼투막(RO membrane), 트리코트 여과수로 등을 포함하여 구성된다.
이 중, 공급 스페이서는 원수가 유입되는 통로 역할을 수행한다. 원수가 공급 스페이서를 통하여 유입되는 경우에 공급 스페이서에 의한 흐름 방해로 차압이 발생하게 되면 이는 에너지 비용의 증가로 귀결되기 때문에, 이러한 차압은 낮을수록 역삼투압 필터 모듈의 효율을 증가시키게 된다.
한편, 수투과 플럭스에 의해 필연적으로 역삼투막 근처에서는 농도 분극 현상이 발생하게 되며 이러한 현상이 심해질수록 역삼투막 근처에서 삼투압이 높아져 수투과율이 저하되게 된다.
이와 관련하여, 차압의 발생을 감소시키며 농도 분극 현상을 완화시킴으로써 역삼투압 필터 모듈의 효율을 증가시킬 수 있는 공급 스페이서가 필요한 실정이다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 역삼투막과 직접 접촉되는 층과 접촉되지 않는 층으로 구성됨으로써, 유체의 압력손실을 야기하는 날실의 두께가 감소된 3층 구조의 공급 스페이서 구조를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 원수가 스페이서 구조의 중앙으로 대류함으로써, 역삼투막과 직접 접촉되는 층에서만 국소적으로 난류성 대류가 발생하고 스페이서 구조 중앙에서는 층류성 유속 구배가 발생하여 분극현상을 감소시키는 3층 구조의 공급 스페이서 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3층 구조의 공급 스페이서는 복수개의 날실(Strand)이 평행하게 위치되는 제1 세트; 상기 제1 세트와 교차되어 제공되고, 복수개의 평행한 날실로 구성되는 제2 세트; 및 원수 방향과 평행하게 위치되고, 복수개의 평행한 날실로 구성되는 제3 세트;를 포함하고, 상기 제3 세트는, 상기 제1 및 제2 세트 사이 혹은 상기 제1 및 제2 세트 중 어느 하나의 일측에 위치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공급 스페이서는, 단위 길이당 날실의 수(Strand per inch, SPI)는 5 내지 9인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 세트의 교점간의 거리는, 3,800㎛ 내지 12,000㎛인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 세트 사이 각도는, 50°내지 90°인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 날실은, 직경이 167㎛ 내지 300㎛인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공급 스페이서는, 두께가 500㎛ 내지 900㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3층 구조의 공급 스페이서를 포함하는 역삼투압 필터 모듈
일 실시예에 있어서, 상기 역삼투압 필터 모듈은 길이 방향을 따라 투과액으르 수용하는 개구를 포함하는 튜브; 및 상기 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 상기 튜브 둘레로 권취되는 하나 이상의 역삼투막;을 포함하고, 상기 스페이서는, 상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 튜브 둘레로 권취되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 스페이서는, 제1 내지 제3 세트로 형성되고, 상기 제1 및 제2 세트는 상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 제3 세트는 상기 하나 이상의 역삼투막과 비접촉하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 공급 스페이서는 역삼투막과 직접 접촉되는 층과 접촉되지 않는 층으로 구성됨으로써, 원수의 난류 유동을 스페이서 구조의 중앙으로 집중시켜 압력손실을 최소화하는 효과가 발생하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 원수가 스페이서 구조의 중앙으로 대류함으로써, 역삼투막과 직접 접촉되는 층에서만 국소적으로 난류성 대료가 발생하고 스페이서 구조 중앙에서는 층류성 유속 구배가 발생하여 분극현상을 감소시키는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 역삼투압 필터 모듈의 사시도이다.
도 2(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3층 구조의 공급 스페이서의 평면도이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3층 구조의 공급 스페이서의 일측 및 타측에 역삼투막이 위치된 역삼투압 필터 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3층 구조의 공급 스페이서의 단면도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SPI가 9인 3층 구조의 공급 스페이서의 평면도이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SPI가 7인 3층 구조의 공급 스페이서의 평면도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<공급 스페이서>
*도 2(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3층 구조의 공급 스페이서의 평면도이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3층 구조의 공급 스페이서의 일측 및 타측에 역삼투막이 위치된 역삼투압 필터 모듈의 단면도이다. 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3층 구조의 공급 스페이서의 단면도이다. 도 4(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SPI가 9인 3층 구조의 공급 스페이서의 평면도이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SPI가 7인 3층 구조의 공급 스페이서의 평면도이다. 본 발명에 따른 공급 스페이서는 복수개의 날실(Stand)이 평행하게 위치되는 제1 세트(10), 제2 세트(20) 및 제3 세트(30)로 구성될 수 있다.
제1 세트(10)는 하나 이상, 복수개의 날실이 평행하게 위치될 수 있는데, 여기서 날실은 원수 방향과 경사지게 위치될 수 있다. 그리고, 제2 세트(20)는 제1 세트(10)와 교차되게 위치될 수 있다. 또한, 제2 세트(20)는 제1 세트(10)와 기울기 방향이 반대로 위치되어 제1 세트(10) 및 제2 세트(20)는 격자 모양으로 제공될 수 있다.
아울러, 제1 세트(10)는 원수의 흐름 방향으로부터 10°내지 80°각도(a)로 위치될 수 있고, 제2 세트(20)는 원수의 흐름 방향으로부터 100°내지 170°기울기로 위치될 수 있다. 그리고, 제1 세트(10)와 제2 세트(20) 사이 각도(a)는 50°내지 90°로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 세트(10)를 구성하는 날실이 원수의 흐름 방향으로부터 60°기울어져 형성되면, 제2 세트(20)의 날실은 원수의 흐름 방향으로부터 110°내지 150°기울어져 위치될 수 있다.
즉, 제1 세트(10)와 제2 세트(20) 사이 각도가 50°일 때, 제1 세트(10)를 구성하는 날실이 원수의 흐름 방향으로부터 60°기울어져 형성되면, 제2 세트(20)의 날실은 원수의 흐름 방향으로부터 110°기울어져 위치될 수 있다.
이때, 제1 세트(10)와 제2 세트(20) 사이 각도가 50°미만인 경우, 후술되는 제3 세트(30)와의 간격이 작아짐으로써, 날실에 의해 형성되는 유로의 단면적이 감소하고 공급 스페이서 중앙 부분에서 층류성 유속 구배가 발생하지 않아 분극 현상이 증가하는 문제점이 발생할 수 있고, 90°초과일 경우, 제3 세트(30)와의 간격이 커짐으로써, 유로 단면적이 증가하여 원수의 유동이 상하 방향으로 활발하게 일어나 압력 손실이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 여기서, 유로는 각 세트를 구성하는 날실에 의해 형성되는 것으로 공급 스페이서의 상부 및 하부에 위치되는 역삼투막과 각 세트 사이의 빈 공간을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 제3 세트(30)는 원수의 흐름 방향과 평행하게 위치되고, 제1 세트(10) 및 제2 세트(20) 사이 혹은 3개의 세트 중 가장 위에 위치될 수 있다. 즉, 제1 세트(10) 일측 및 제2 세트(20) 일측 중 어느 하나의 위치에 놓일 수 있다. 좀 더 상세하게는, 세트 적층 순서가 제1 세트(10) 상부에 제2 세트(20)가 위치될 경우, 제3 세트(30)는 제2 세트(20)의 일측, 즉, 상부에 위치될 수 있다. 그리고, 세트 적층 순서가 제2 세트(20) 상부에 제1 세트(10)가 위치될 경우, 제1 세트(10) 상부에 제3 세트(30)가 위치될 수 있다.
우선, 도 1(b)를 참고하면, 제3 세트(30)가 제1 세트(10) 일측 및 제2 세트(20) 타측에 위치될 경우, 공급 스페이서는 역삼투막과 직접 접촉되는 세트와 접촉되지 않는 세트로 구성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 제3 세트(30)는 역삼투막과 직접 접촉되지 않고. 제1 세트(10)와 제2 세트(20)는 역삼투막과 접촉되는 구조이다.
제1 세트(10) 및 제2 세트(20)는 역삼투막과 접촉되어 공급 스페이서 구조를 지지하는 역할을 할 수 있고, 역삼투막과의 사이 원수의 계면 유동을 주기적으로 공급 스페이서 구조의 중앙으로 대류 시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 공급 스페이서는 원수의 계면 유동을 제3 세트(30)로 대류시켜 제3 세트(30)는 계면 유동의 층류성 유속 구배(Flow Velocity Gradient)를 발생시켜 분극 현상을 감소시키는 효과가 발생할 수 있다.
아울러, 제3 세트(30)는 제1 세트(10)와 제2 세트(20)의 교차점 혹은 교차점과 교차점 사이 1/5 내지 4/5 지점 중 어느 하나의 위치에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 공급 스페이서는 융착법에 의해 제조될 수 있다. 제1 세트(10), 제2 세트(20) 및 제3 세트(30)가 접합된 상태로 압출되거나, 제1 세트(10)와 제3 세트(30) 혹은 제2 세트(20)와 제3 세트(30)가 접합된 상태로 압출된 후, 제2 혹은 제1 세트가 적층 및 접합되는 방법으로 제조될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참고하면, 제3 세트(30)가 제2 세트(20)의 일측에 위치될 경우, 가장 위에 위치되는 제3 세트(30)는 원수 흐름 방향과 평행함으로 유동을 반으로 분리하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 역삼투막과 직접 접촉되는 제1 세트(10)는 원수 계면 유동을 제2 세트(20)로 대류시키고, 제3 세트(30)는 원수를 반으로 분리하여 제2 세트(20)로 대류시켜 역삼투막 계면 근처에서 대류현상이 주기적으로 발생하여 본 발명에 따른 공급 스페이서의 압력 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 내지 제3 세트(10, 20, 30)를 형성하는 날실 간의 간격은 4㎜ 내지 12㎜일 수 있다. 여기서, 날실 간의 간격이 4㎜ 미만일 경우, 유로 단면적이 증가하고 각 층의 날실 사이 간격이 감소하여 원수의 난류 유동이 필요이상으로 발생하여 압력 손실이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 그리고, 날실 간의 간격이 12㎜ 초과일 경우, 날실간의 간격이 증가하고 원수의 상하 유동이 발생하지 않는 구간이 발생하여 층류성 유속 구배가 발생하지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 내지 제3 세트(10, 20, 30)는 각 세트를 형성하는 날실의 직경이 167㎛ 내지 300㎛로 제공될 수 있고, 따라서, 공급 스페이서의 두께는 500㎛ 내지 900㎛인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 공급 스페이서를 구성하는 날실의 직경은 종래의 공급 스페이서를 구성하는 날실의 직경보다 좁게 제공될 수 있는데, 날실의 직경이 좁아짐으로써 공급 스페이서에 공급되는 유체와 접촉되는 날실의 면적이 감소하여 마찰에 의한 유체의 압력손실이 감소될 수 있는 효과가 발생할 수 있다.
날실의 직경이 167㎛ 미만이고, 공급 스페이서 두께가 500㎛ 미만인 경우, 공급 스페이서 구조를 지지할 수 없는 문제점이 발생할 수 있습니다. 그리고, 날실의 직경이 300㎛ 초과이고, 공급 스페이서 두께가 900㎛ 초과일 경우, 공급되는 원수와 접촉되는 면적이 증가하여 저항력이 증가하고 공급 스페이서의 압력 손실이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 날실의 직경은 종래 공급 스페이서를 구성하는 날실의 직경보다 감소됨으로써, 원수가 유동될 수 있는 채널의 공극률(Void Fraction)과 실효 역삼투막 면적(Effective Membrane Area)을 확보할 수 있어 차압 개선뿐만 아니라 생산수의 물성 향상에 효과가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 공급 스페이서는 단위 길이당 날실의 수(Strand per inch, SPI)가 5 내지 9일 수 있다. 다시 말해, 제1 세트(10)와 제2 세트(20)가 교차하여 형성되는 교차점 간의 거리(L)가 3,800㎛ 내지 12,000㎛일 수 있다. 여기서, 단위 길이당 날실의 수(SPI)는 인치당 유로의 한 변에 해당하는 날실의 수를 의미할 수 있다. 즉, 제1 세트(10)와 제2 세트(20) 및 제3 세트(30)가 교차하여 형성하는 교점 사이 날실의 수를 의미할 수 있다.
SPI가 5 미만, 교차점 간의 거리가 12,000㎛초과일 경우, 유로의 단면적이 감소하고 공급 스페이서 중앙 부분에서 층류성 유속 구배가 발생하지 않아 분극 현상이 증가하는 문제점이 발생할 수 있고, SPI가 9초과, 교차점 간의 거리가 3,800㎛미만일 경우, 유로의 단면적이 증가하고 원수의 유동이 상하 방향으로 활발하게 일어나 압력 손실이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.
<역삼투압 필터 모듈>
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 역삼투압 필터 모듈의 사시도이다. 역삼투압 필터 모듈은 실제적으로 공급되는 물을 역삼투압 원리를 이용하여 정화하는 역할을 수행하는 멤브레인 분리 장치의 구성 요소이다. 역삼투압 필터 모듈은 역삼투막(200), 공급 스페이서(100), 트리코트 여과수로(300) 및 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 개구를 포함하는 튜브(400)를 포함할 수 있다. 또한, 한 쌍의 텔레스코핑 방지 장치(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있으나 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
하나 이상의 역삼투막(200)은 삼투 현상을 이용하여 물에 포함된 이물질을 여과시키는 동시에 정제수가 효과적으로 흘러가도록 유로의 역할을 수행한다. 이러한 하나 이상의 역삼투막은 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 튜브 둘레로 권취되게 된다.
공급 스페이서(100)는 상술된 본 발명에 따른 공급 스페이서(100)가 제공될 수 있다. 좀 더 상세하게, 공급 스페이서(100)는 3층 구조로 제공될 수 있는데, 여기서 3층이란 공급 스페이서(100)를 구성하는 날실이 3개가 적층된 구조로, 복수개의 날실이 평행으로 위치되어 한 층의 세트를 구성하고 3개의 세트가 적층되는 형태를 의미할 수 있다.
공급 스페이서(100)는 3층 구조로 제공됨으로써, 역삼투막(200)과 접촉되는 세트와 역삼투막(200)과 접촉되지 않는 세트로 구분될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 세트는 하나 이상의 역삼투막(200)과 접촉될 수 있고, 제3 세트는 하나 이상의 역삼투막(200)과 비접촉될 수 있다. 역삼투막(200)과 접촉되는 세트는 역삼투압 필터 모듈에 공급되는 원수의 유동 방향을 공급 스페이서(100)의 중앙, 즉 역삼투막(200)과 접촉되지 않는 세트로 대류시킬 수 있다. 따라서, 역삼투막(200)과 접촉되지 않는 세트가 위치된 부분에서는 층류성 유속 구배가 발생하고, 역삼투막(200)과 접촉되는 세트 부분에서만 국소적으로 난류성 대류가 발생하여 공급 스페이서(100)의 분극 현상을 감소시키고, 압력 손실을 감소시켜 역삼투압 필터 모듈의 효율을 보다 증가시킬 수 있다.
공급 스페이서(100)는 외부로부터 원수가 유입되는 통로를 형성하며, 하나의 역삼투막(200)과 다른 하나의 역삼투막(200)의 사이의 간격을 유지시키는 역할을 수행한다. 이를 위해, 공급 스페이서(100)는 하나 이상의 역삼투막(200)과 상측 및 하측에서 접촉하며 하나 이상의 역삼투막(200)과 마찬가지로 튜브 둘레로 권취되도록 구성된다.
여기서, 공급 스페이서(100)의 재질은 특별히 한정하지 않지만, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화 비닐(Polyvinyl chloride), 폴리에스테르(Polyseter) 및 폴리프로필렌(Polypropylene) 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
트리코트 여과수로(300)는 일반적으로 직물 형태의 구조를 가지며, 역삼투막(200)을 통해 정제된 물이 흘러나갈 수 있는 공간을 만들어 주는 유로 역할을 수행하게 된다.
이때, 트리코트 여과수로(300)는 일반적으로 직물 형태의 구조를 가지며, 역삼투막(10)을 통해 정제된 물이 흘러나갈 수 있는 공간을 만들어 주는 유로 역할을 수행하게 된다.
튜브(400)는 역삼투압 필터 모듈의 중심에 위치하며, 여과된 물이 유입되어 배출되는 통로 역할을 수행한다.
이를 위해, 튜브(400)의 외측에는 여과된 물이 유입되도록 소정 크기의 공극(혹은 개구)이 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 공극은 여과된 물이 보다 효율적으로 유입될 수 있도록 하나 이상 형성되는 것이 바람직하다.
<비교예>
종래 공급 스페이서는 2층 구조로 제1 세트와 제2 세트만으로 이루어졌다. 비교예 1은 SPI 9, 교차점 사이 거리는 3889㎛ 및 유로 흐름방향과 제1 및 제2 세트가 이루는 각도는 90°인 2층 구조의 공급 스페이서이고, 비교예 2는 SPI 7, 교차점 사이 거리는 5000㎛ 및 유로 흐름방향과 제1 및 제2 세트가 이루는 각도는 90°인 2층 구조의 공급 스페이서이다.
<실시예>
실시예 1 내지 4는 본 발명에 따른 3층 구조의 공급 스페이서로, 실시예 1 내지 3은 제3 세트가 제1 세트와 제2 세트 사이 중간(Middle)에 위치한 구조이다. 유로 흐름방향과 제1 및 제2 세트가 이루는 각도가 50°, 55°및 90°인 3층 구조에 SPI 9, 7 및 5로 변경한 공급 스페이서이다. 실시예 4는 제3 세트가 공급 스페이서 가장 상위에 위치하는 구조이다. SPI 9 및 유로 흐름방향과 제1 및 제2 세트가 이루는 각도가 90°로 형성된 공급 스페이서이다.
특성 △P/길이(Pa/㎛) Recovery/길이 Cross_L(㎛) △P
구조 및 날실수 흐름방향 각도
실시예 1 9SPI 50 0.01442 7.81.E-05 6507 68% 감소
55 0.0156 7.75.E-05 5955 67% 감소
90 0.02051 7.77.E-05 3889 55% 감소
실시예 2 7SPI 50 0.01107 7.91.E-05 8366 76% 감소
55 0.01140 7.95.E-05 7657 75% 감소
90 0.01504 7.88.E-05 5000 67% 감소
실시예 3 5SPI 50 0.00856 8.04.E-05 111712 81% 감소
55 0.00878 8.06.E-05 10720 81% 감소
90 0.0109 8.10.E-05 7000 76% 감소
실시예 4 9SPI 90 0.0280 7.73.E-05 3889 39% 감소
비교예 1 9SPI 90 0.0456 7.90.E-05 3889 Reference
비교예 2 7SPI 90 0.0335 7.90.E-05 5000 27% 감소
실시예 1은 비교예 1과 비교하여 길이 당 공급 스페이서의 차압(Pa/㎛)이 0.02051로 비교예 1 0.0456보다 감소하였고, 따라서 공급 스페이서 전체 압력이 비교예 1 대비 55% 감소하였다. 즉, 3층 구조는 2층 구조와 비교하여 원수와 공급 스페이서 사이 발생하는 압력이 감소하는 것을 알 수 있다.
그리고, SPI가 동일하고 흐름방향 각도가 감소할수록 길이당 차압이 감소하고 공급 스페이서 전체의 차압 감소가 증가하는 것을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 복수개의 날실(Strand)이 평행하게 위치되는 제1 세트;
    상기 제1 세트와 교차되어 제공되고, 복수개의 평행한 날실로 구성되는 제2 세트; 및
    원수 방향과 평행하게 위치되고, 복수개의 평행한 날실로 구성되는 제3 세트;를 포함하고,
    상기 제3 세트는,
    상기 제1 및 제2 세트 사이 혹은 상기 제1 및 제2 세트 중 어느 하나의 일측에 위치되는 것을 특징으로 하는,
    3층 구조의 공급 스페이서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급 스페이서는,
    단위 길이당 날실의 수(Strand per inch, SPI)는 5 내지 9인 것을 특징으로 하는, 3층 구조의 공급 스페이서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 세트의 교점간의 거리는,
    3,800㎛ 내지 12,000㎛인 것을 특징으로 하는, 3층 구조의 공급 스페이서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 세트가 이루는 각도는,
    50°내지 90°인 것을 특징으로 하는, 3층 구조의 공급 스페이서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 날실은,
    직경이 167㎛ 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는, 3층 구조의 공급 스페이서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공급 스페이서는,
    두께가 500㎛ 내지 900㎛인 것을 특징으로 하는, 3층 구조의 공급 스페이서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 3층 구조의 공급 스페이서를 포함하는,
    역삼투압 필터 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 역삼투압 필터 모듈은,
    길이 방향을 따라 투과액으르 수용하는 개구를 포함하는 튜브; 및
    상기 튜브로부터 외측 방향으로 연장되고 상기 튜브 둘레로 권취되는 하나 이상의 역삼투막;를 포함하고,
    상기 스페이서는,
    상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 튜브 둘레로 권취되는 것을 특징으로 하는, 역삼투압 필터 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    제1 내지 제3 세트로 형성되고, 상기 제1 및 제2 세트는 상기 하나 이상의 역삼투막과 접촉하며, 상기 제3 세트는 상기 하나 이상의 역삼투막과 비접촉하는 것을 특징으로 하는, 역삼투압 필터 모듈.
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