KR20160080010A - 가압식 중공사막 모듈 - Google Patents

Abstract

중공사막을 통과한 투과수가 상기 중공사막의 중공을 따라 흐를 때 내표면과의 마찰로 인해 야기되는 압력 손실을 최소화함으로써 상대적으로 낮은 여과압력(TMP)으로 가동될 수 있을 뿐만 아니라 중공사막의 파울링 방지를 위한 산기세정이 효율적으로 수행될 수 있는 4 포트의 일반적 모듈 형태를 갖는 가압식 중공사막 모듈이 개시된다. 본 발명의 가압식 중공사막 모듈은 중공사막의 양단을 통해 투과수를 집수하고, 여과 작업이 수행되는 여과 공간으로 산기세정을 위한 공기를 균일하게 공급한다.

Description

가압식 중공사막 모듈{Pressurized-type Hollow Fiber Membrane Module}

본 발명은 가압식 중공사막 모듈에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 중공사막을 통과한 투과수가 상기 중공사막의 중공을 따라 흐를 때 내표면과의 마찰로 인해 야기되는 압력 손실을 최소화함으로써 상대적으로 낮은 여과압력(Trans-Memebrane Pressure: TMP)으로 가동될 수 있을 뿐만 아니라 중공사막의 파울링 방지를 위한 산기세정이 효율적으로 수행될 수 있는 4 포트의 일반적 모듈 형태를 갖는 가압식 중공사막 모듈에 관한 것이다.

유체처리를 위한 분리 방법으로는 가열이나 상변화를 이용하는 분리 방법, 및 여과막을 이용하는 분리 방법 등이 있다. 여과막을 이용하는 분리 방법은 여과막의 세공 크기에 따라 원하는 수질을 안정적으로 얻을 수 있으므로 공정의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있고, 또한, 여과막을 이용하면 가열 등의 조작이 필요 없기 때문에 가열 등에 의해 영향을 받을 수 있는 미생물을 사용하는 분리 공정에 널리 이용될 수 있다는 장점이 있다.

여과막을 이용한 분리 방법 중 하나로는 중공사 형태의 막을 다발로 형성한 중공사막 모듈을 이용하는 방법이 있다. 전통적으로 중공사막 모듈은 무균수, 음용수, 초순수 제조 등 정밀 여과 분야에 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 하/폐수처리, 정화조에서의 고액 분리, 산업폐수에서의 부유 물질(SS: Suspended Solid) 제거, 하천수의 여과, 공업용수의 여과, 및 수영장 물의 여과 등으로 그 응용 범위가 확대되고 있다.

중공사막 모듈은 구동방식에 따라 침지식(submerged-type) 모듈과 가압식(pressurized-type) 모듈로 분류될 수 있다.

침지식 모듈은 처리하고자 하는 유체 내에 침지된 상태에서 여과 작업을 수행한다. 구체적으로, 중공사막 내부에 음압(negative pressure)이 가해짐으로써 유체만이 선택적으로 중공사막 내부(중공)로 투과되고, 그 결과, 유체에 함유되어 있는 불순물 또는 슬러지 등의 오염물질이 투과수로부터 분리된다. 침지식 모듈은 유체의 순환을 위한 설비를 요구하지 않아 시설비나 운전비의 절감을 가져올 수 있는 장점이 있는 반면, 단위시간에 얻을 수 있는 투과 유량이 제한적이라는 단점이 있다.

이에 반해, 처리하여야 할 유체를 중공사막의 외부로부터 내부로 가압 여과시키는 가압식 중공사막 모듈의 경우에는 유체 순환을 위한 별도의 설비가 필요하기는 하지만 단위시간에 얻을 수 있는 투과 유량이 흡입식 모듈에 비해 상대적으로 많다는 장점이 있다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 통상적인 가압식 중공사막 모듈을 설명한다.

도 1에 예시된 바와 같이, 통상의 가압식 중공사막 모듈(10)은 길이방향이 지면(G)에 수직이 되도록 배치되는 케이스(11) 및 그 안의 중공사막들(미도시)을 포함한다. 상기 중공사막들은 상기 케이스(11)의 길이방향에 평행하도록 배열된다.

상기 케이스(11)는 처리되어야 할 원수(feed water)를 받아들이는 제1 유입포트(IL1), 상기 중공사막을 통과한 투과수(filtrate)가 배출되는 제1 배출포트(OL1), 상기 중공사막의 산기 세정을 위한 에어를 받아들이는 제2 유입포트(IL2), 및 상기 케이스(11) 내의 오버플로우 및/또는 에어를 배출하기 위한 제2 배출포트(OL2)를 갖는다.

여과를 위한 원동력(driving force)을 제공하는 펌프(P1)에 의해 원수가 가압되며, 가압된 원수 중에서 순수한 물만이 상기 중공사막을 통과하여 상기 제1 배출포트(OL1)를 통해 상기 가압식 중공사막 모듈(10)로부터 배출된다.

통상적으로, 가압식 중공사막 모듈(10)은 중공사막의 일단을 통해서만 투과수를 집수하여 상기 제1 배출포트(OL1)를 통해 배출한다. 따라서, 상기 중공사막의 타단을 통과한 투과수는 상기 중공사막의 전체 길이에 가까운 거리를 중공사막의 중공을 따라 흘러야 한다. 그러나, 투과수가 중공을 흐를 때 중공사막 내표면과의 마찰로 인해 압력 손실이 야기된다. 이러한 압력 손실은 여과압력(Trans-Memebrane Pressure: TMP)의 상승을 초래한다. 단위체적당 막면적을 증가시키기 위하여 중공사막의 길이를 증가시킬 경우, 이러한 여과압력의 상승을 피할 수 없다.

투과수가 중공사막의 중공을 흐를 때 중공사막 내표면과의 마찰로 인해 야기되는 압력 손실을 최소화하기 위하여, 중공사막의 양단을 통해 투과수를 집수하는 가압식 중공사막 모듈이 고려될 수도 있다.

그러나, 4 포트의 일반적 모듈 형태를 유지시키면서, 그리고 효율적 산기세정을 가능하게 하면서, 중공사막의 양단을 통해 투과수를 집수하는 것은 불가능하다는 것이 기존의 공통된 인식이었다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 가압식 중공사막 모듈에 관한 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중공사막을 통과한 투과수가 상기 중공사막의 중공을 따라 흐를 때 내표면과의 마찰로 인해 야기되는 압력 손실을 최소화함으로써 상대적으로 낮은 여과압력(TMP)으로 가동될 수 있을 뿐만 아니라 중공사막의 파울링 방지를 위한 산기세정이 효율적으로 수행될 수 있는 4 포트의 일반적 모듈 형태를 갖는 가압식 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술될 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 학습되어질 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 첨부된 도면은 물론이고 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.

본 발명의 일 측면으로서, 제1 및 제2 개방단들을 갖는 튜브형 바디 및 상기 제1 및 제2 개방단들에 각각 체결된 제1 및 제2 캡들을 포함하는 케이스; 및 상기 케이스의 내부 공간을 제1 공간, 제2 공간, 및 상기 제1 및 제2 공간들 사이의 여과 공간으로 나누는 제1 및 제2 고정부들을 포함하는 가압식 중공사막 모듈로서, 상기 튜브형 바디의 상기 제2 개방단 부분은 외벽 및 내벽을 포함하는 이중벽 구조를 가지고, 상기 제2 캡은 상기 외벽에 체결되어 있고, 상기 제2 고정부는 상기 내벽의 내주면에 부착되어 있고, 상기 가압식 중공사막 모듈은, 상기 내벽의 말단부에 배치됨으로써 상기 제2 공간을 집수 공간 및 산기 공간으로 나누는 내부 캡(inner cap); 상기 제1 공간 및 집수 공간과 유체연통하도록, 개방된 양단들이 상기 제1 및 제2 고정부들에 각각 포팅되어 있는 중공사막; 및 상기 제1 공간을 상기 집수 공간과 유체연통시키는 중앙관(central tube)을 더 포함하며, 상기 외벽과 내벽 사이의 갭은 상기 산기 공간의 일부를 구성하고, 상기 내벽에는 상기 갭을 상기 여과 공간과 유체연통시키기 위한 적어도 하나의 홀이 형성되어 있는, 가압식 중공사막 모듈이 제공된다.

상기 중앙관의 단면의 내접원은 1 내지 5 cm의 직경을 가질 수 있다.

상기 내벽과 상기 내부 캡은 서로 분리 불가능하도록 일체형(integral type) 구조 또는 분리 가능한 구조를 가질 수 있다.

상기 케이스는, 상기 제1 공간으로부터 투과수를 배출하기 위한 제1 배출포트; 상기 여과 공간으로부터 오버플로우 또는 공기를 배출하기 위한 제2 배출포트; 상기 여과 공간으로 원수를 공급하기 위한 제1 유입포트; 및 상기 산기 공간으로 공기를 공급하기 위한 제2 유입 포트를 포함할 수 있다.

위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 가압식 중공사막 모듈은 중공사막의 양단을 통해 투과수를 집수함으로써 투과수가 상기 중공사막의 중공을 따라 흐르는 거리를 최소화할 수 있고, 그 결과, 투과수와 내표면 사이의 마찰로 인해 야기되는 압력 손실이 최소화되어 상대적으로 낮은 여과압력(TMP)으로 가동될 수 있다.

또한, 본 발명의 가압식 중공사막 모듈은 4 포트의 일반적 모듈 형태를 가지기 때문에, 별도의 배관을 설치할 필요없이 기존의 배관 설비에 그대로 장착될 수 있으며, 이미 설치되어 있는 가압식 중공사막 모듈을 본 발명의 가압식 중공사막 모듈로 용이하게 교체할 수 있다.

또한, 본 발명의 가압식 중공사막 모듈에서 중공사막의 파울링 방지를 위한 산기세정이 효율적으로 수행될 수 있다.

첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 통상의 가압식 중공사막 모듈을 개략적으로 보여주고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압식 중공사막 모듈의 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다. 다만, 아래에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 예시적 목적으로 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략된다.

도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압식 중공사막 모듈(1000)은 케이스(1100), 제1 고정부(1200), 및 제2 고정부(1300)를 포함한다.

상기 케이스(1100)는 제1 및 제2 개방단들을 갖는 튜브형 바디(1110), 상기 제1 개방단에 체결된 제1 캡(1120), 및 상기 제2 개방단에 체결된 제2 캡(1130)을 포함한다.

상기 제1 및 제2 고정부들(1200, 1300)은 상기 케이스(1100)의 내부 공간을 제1 공간(S1), 제2 공간(S2), 및 상기 제1 및 제2 공간들(S1, S2) 사이의 여과 공간(FS)으로 나눈다. 상기 제1 및 제2 고정부들(1200, 1300)은 폴리우레탄 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등과 같은 폴리머로 형성될 수 있으며, 상기 케이스(1100)의 내주면에 수밀하게(watertightly) 부착되어 있다.

본 발명에 의하면, 상기 튜브형 바디(1110)의 상기 제2 개방단 부분은 외벽(1111) 및 내벽(1112)을 포함하는 이중벽 구조를 갖는다. 상기 외벽(1111)과 내벽(1112)은, 별개로 형성된 후 조립되거나, 또는 일체로 형성될 수 있다. 다만, 생산성 및 내구성 측면에서, 상기 외벽(1111)과 내벽(1112)은 일체로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 캡(1130)은 상기 외벽(1111)에 체결되어 있고, 상기 제2 고정부(1300)는 상기 내벽(1112)의 내주면에 수밀하게 부착되어 있다.

도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 가압식 중공사막 모듈(1000)은 내부 캡(inner cap)(1400), 중공사막(1500), 및 중앙관(1600)을 더 포함한다.

상기 내부 캡(1400)은 상기 내벽(1112)의 말단부에 배치되어 상기 내벽(1112)에 의해 형성된 개방단을 폐쇄하며 상기 제2 공간(S2)을 집수 공간(WS) 및 산기 공간(AS)으로 나눈다. 상기 집수 공간(WS)은 상기 내벽(1111), 제2 고정부(1300), 및 내부 캡(1400)에 의해 정의된다. 상기 산기 공간(AS)은 상기 외벽(1111), 내벽(1112), 제2 캡(1130), 및 내부 캡(1400)에 의해 정의된다.

상기 중공사막(1500)은 그 양단들이 상기 제1 및 제2 고정부들(1200, 1300)에 각각 포팅되어 있어 상기 제1 공간(S1) 및 집수 공간(WS)과 유체연통한다. 따라서, 상기 중공사막(1500)을 통과한 투과수(permeate)는 상기 제1 공간(S1) 또는 집수 공간(WS)으로 흘러들어간다.

본 발명의 중공사막(1500)의 제조에 사용될 수 있는 고분자는 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 및 폴리에스테리이미드 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 중공사막(1500)은 단일막 형태 또는 복합막 형태일 수 있다. 상기 중공사막(1500)이 복합막 형태일 경우, 상기 중공사막(1500)은 튜브형 브레이드 및 그 표면상에 코팅된 고분자 박막을 포함할 수 있다. 상기 튜브형 브레이드는 폴리에스테르 또는 나일론으로 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 내벽(1112)과 내부 캡(1400)은 서로 분리 불가능하도록 일체형(integral type) 구조를 갖는다. 그러나, 상기 내벽(1112)과 내부 캡(1400)은 별개로 형성된 후 분리 가능하게 조립될 수도 있다.

상기 제1 캡(1120)이 상기 튜브형 바디(1110)의 제1 개방단 부분에 분리 가능하게 체결되고, 상기 제2 캡(1130)이 상기 외벽(1111)에 분리 가능하게 체결되며, 상기 내부 캡(1400)이 상기 내벽(1112)에 분리 가능하게 체결될 경우, 특정 중공사막(1500)이 손상되어도 그 중공사막(1500)의 양단들을 폐쇄시킴으로써(예를 들어, patching 또는 soldering을 통해) 모듈(1000)의 수명을 연장시킬 수 있다는 장점이 있다. 즉, 다수의 중공사막들(1500) 중 어느 하나만이 손상되더라도 모듈(1000) 전체가 폐기되어야 하는 상황을 피할 수 있다.

상기 중앙관(1600)은 상기 제1 공간(S1)을 상기 집수 공간(WS)과 유체연통시킨다. 상기 중앙관(1600)의 단면의 내접원이 1 내지 5 cm의 직경을 가질 수 있다.

상기 제1 공간(S1)보다 상기 집수 공간(WS)과 더 가까운 상기 중공사막(1500) 부분을 통과한 투과수는 상기 중공사막(1500)의 전체 길이의 1/2 이하의 길이만 상기 중공사막(1500)의 중공을 따라 흘러 상기 집수 공간(WS)에 모이고, 이어서 상기 중공보다 훨씬 큰 유로(flow path)를 제공하는 상기 중앙관(1600)을 통해 상기 제1 공간(S1)으로 이동한다.

반면, 상기 집수 공간(WS)보다 상기 제1 공간(S1)과 더 가까운 상기 중공사막(1500) 부분을 통과한 투과수는 상기 중공사막(1500)의 전체 길이의 1/2 이하의 길이만 상기 중공사막(1500)의 중공을 따라 흘러 상기 제1 공간(S1)에 바로 이동한다.

따라서, 본 발명의 가압식 중공사막 모듈(1000)은 중공사막(1500)의 양단을 통해 투과수를 집수함으로써 투과수가 상기 중공사막(1500)의 중공을 따라 흐르는 거리를 최소화할 수 있고, 그 결과, 투과수와 중공사막(1500) 내표면 사이의 마찰로 인해 야기되는 압력 손실이 최소화되어 상대적으로 낮은 여과압력(TMP)으로 가동될 수 있다.

한편, 상기 외벽(1111)과 내벽(1112) 사이의 갭(G)은 상기 산기 공간(AS)의 일부를 구성하고, 상기 내벽(1112)에는 상기 갭(G)을 상기 여과 공간(FS)과 유체연통시키기 위한 적어도 하나의 홀(H)이 형성되어 있다.

따라서, 상기 산기 공간(AS)으로 유입된 공기가 상기 갭(G) 및 상기 홀(들)(H)을 순차적으로 통과한 후 상기 여과 공간(FS)으로 공급됨으로써 상기 중공사막(1500)의 산기 세정이 수행될 수 있다. 상기 홀들(H)이 상기 내벽의 둘레를 따라 균일하게 분포되도록 함으로써 산기 세정이 균일하게 그리고 효율적으로 수행될 수 있다.

한편, 본 발명의 케이스(1100)는, 상기 제1 공간(S1)으로부터 투과수를 배출하기 위한 제1 배출포트(OL1), 상기 여과 공간(FS)으로부터 오버플로우 또는 공기를 배출하기 위한 제2 배출포트(OL2), 상기 여과 공간(FS)으로 원수를 공급하기 위한 제1 유입포트(IL1), 및 상기 산기 공간(AS)으로 공기를 공급하기 위한 제2 유입 포트(IL2)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 배출포트(OL1)는 상기 제1 캡(1120)에 제공되어 있고, 상기 제2 배출포트(OL2) 및 제1 유입포트(IL1)는 상기 튜브형 바디(1110)에 제공되어 있으며, 상기 제2 유입 포트(IL2)는 상기 제2 캡(1130)에 제공되어 있다.

상기 제2 유입 포트(IL2)는 여과 작업이 중단된 상태에서 상기 여과 공간(FS) 내의 농축된 원수를 드레인하기 위한 통로의 기능을 수행할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 가압식 중공사막 모듈(1000)은 4 포트의 일반적 모듈 형태를 가지기 때문에, 별도의 배관을 설치할 필요없이 기존의 배관 설비에 그대로 장착될 수 있으며, 이미 설치되어 있는 가압식 중공사막 모듈을 본 발명의 가압식 중공사막 모듈(1000)로 용이하게 교체할 수 있다.

1000: 가압식 중공사막 모듈 1100: 케이스
1110: 튜브형 바디 1111: 외벽
1112: 내벽 1120, 1130: 제1 및 제2 캡
1200, 1300: 제1 및 제2 고정부 1400: 내부 캡
1500: 중공사막 1600: 중앙관

Claims (4)

1. 가압식 중공사막 모듈에 있어서,
   제1 및 제2 개방단들을 갖는 튜브형 바디 및 상기 제1 및 제2 개방단들에 각각 체결된 제1 및 제2 캡들을 포함하는 케이스; 및
   상기 케이스의 내부 공간을 제1 공간, 제2 공간, 및 상기 제1 및 제2 공간들 사이의 여과 공간으로 나누는 제1 및 제2 고정부들을 포함하되,
   상기 튜브형 바디의 상기 제2 개방단 부분은 외벽 및 내벽을 포함하는 이중벽 구조를 가지고,
   상기 제2 캡은 상기 외벽에 체결되어 있고,
   상기 제2 고정부는 상기 내벽의 내주면에 부착되어 있고,
   상기 가압식 중공사막 모듈은,
   상기 내벽의 말단부에 배치됨으로써 상기 제2 공간을 집수 공간 및 산기 공간으로 나누는 내부 캡(inner cap);
   상기 제1 공간 및 집수 공간과 유체연통하도록, 개방된 양단들이 상기 제1 및 제2 고정부들에 각각 포팅되어 있는 중공사막; 및
   상기 제1 공간을 상기 집수 공간과 유체연통시키는 중앙관(central tube)을 더 포함하며,
   상기 외벽과 내벽 사이의 갭은 상기 산기 공간의 일부를 구성하고,
   상기 내벽에는 상기 갭을 상기 여과 공간과 유체연통시키기 위한 적어도 하나의 홀이 형성되어 있는,
   가압식 중공사막 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중앙관의 단면의 내접원은 1 내지 5 cm의 직경을 갖는,
   가압식 중공사막 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 내벽과 상기 내부 캡은 서로 분리 불가능한 일체형(integral type) 구조 또는 분리 가능한 구조를 갖는,
   가압식 중공사막 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 케이스는,
   상기 제1 공간으로부터 투과수를 배출하기 위한 제1 배출포트;
   상기 여과 공간으로부터 오버플로우 또는 공기를 배출하기 위한 제2 배출포트;
   상기 여과 공간으로 원수를 공급하기 위한 제1 유입포트; 및
   상기 산기 공간으로 공기를 공급하기 위한 제2 유입 포트를 포함하는,
   가압식 중공사막 모듈.

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