KR101179351B1 - 중공사막 모듈과 그 제조 방법 및 중공사막 모듈 조립체와 이를 사용한 현탁수의 정화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 중공사막 모듈은, 통형상의 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스에 수납된 다수개의 중공사막의 묶음과, 원료 유체가 상기 중공사막 내에 통과할 수 있도록 상기 묶음의 양측 단부를 상기 모듈 케이스 내에 고정하는 접착 고정부와, 상기 접착 고정부의 양 외측 단부면 사이를 상기 중공사막보다 상당 직경이 큰 관에 의해 통과 가능하게 접속하는 투과 유체 연통부와, 상기 접착 고정부의 한쪽에서 원료 유체를 상기 모듈 케이스 내에 공급할 수 있는 원료 유체 분배 공급부를 구비하고, 원료 유체 분배 공급부는, 중공사막의 간극에 형성되어 원료 유체를 중공사막의 길이 방향을 따라 공급할 수 있는 원료 유체 도입 구멍을 복수개 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

중공사막 모듈과 그 제조 방법 및 중공사막 모듈 조립체와 이를 사용한 현탁수의 정화 방법{HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE, PROCESS FOR MANUFACTURING THE SAME, HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE ASSEMBLY AND METHOD OF PURIFYING SUSPENDED WATER WITH USE THEREOF}

본 발명은, 여러 분야에 사용할 수 있지만, 특히 하천수, 호소수, 복류수 등의 제탁(除濁)과 같은 수처리 분야에 적합한 외압식 중공사막 모듈 등에 관한 것이다. 더 나아가서는, 중공사막의 투과에 기여하는 유효 길이가 증대되고, 막 면적의 유효 이용률이 향상되며, 더 나아가서는 단위 용적당 투과성능이 향상된 중공사막 모듈과 그 제조 방법, 중공사막 모듈 조립체 및 상기 중공사막 모듈 조립체를 사용한 현탁수의 정화 방법에 관한 것이다.

중공사막 모듈은, 단위 용적당 막 면적을 크게 확보할 수 있기 때문에, 다수의 유체 처리 분야, 예컨대 역침투막에 의한 함수(鹹水)나 해수의 탈염, 초순수의 1차 순수 처리, 나노 필터에 의한 농약이나 다당류 등의 저분자 유기물의 제거, 한외 여과막에 의한 효소의 농축?탈염, 주사용수의 제조, 전착(電着) 도료의 회수, 초순수의 최종 여과, 폐수 처리, 하천수?호소수?복류수의 제탁, 정밀 여과막에 의한 약품 정제, 제균, 제탁, 가스 분리막에 의한 산소 분리, 질소 분리, 수소 분 리, 탄산가스 분리 등에 적용되어 있다.

최근, 하천수, 복류수 등을 정수(淨水)로서 사용할 때에 응집 침전?모래 여과를 대체하는 제탁 방법으로서의 적용이 확대되어, 신규?고성능의 중공사막이나 중공사막 모듈의 제안이 이루어져 있다.

지금까지는, 중공사막을 통해 원료수를 가압하고, 투과수를 얻는 외압식의 중공사막 모듈로서는, 모듈의 하부에 위치하는 중공사막과 모듈 하우징을 액밀하게 구분하는 접착 고정부에 중공부가 밀봉되며, 접착 고정부에 복수의 원료수 도입 구멍을 형성하고, 이 구멍으로부터 중공사막에 대하여 평행하게 원료수를 공급하며, 투과수는 모듈 상부의 중공사막 단부면의 중공사막 개구로부터 채수(採水)하고, 현탁 물질을 포함하는 농축수를 모듈 위쪽 측면의 농축수 배출 노즐로부터 배출하는 구조가 주류였다.(특허문헌 1, 2 참조)

이러한 외압식 중공사막 모듈 조립체의 구조예를 도 17에 도시한다. 도 17에서는, 다수개(여기서는 간단하게 하기 위해 3개로 생략)의 중공사막(105)이 모듈 케이스(104)에 수납되고, 케이스의 위쪽에서는 접착 고정부(106)에 의해 중공사막과 모듈 케이스가 액밀하게 접착 고정되며, 중공사막의 말단은 개방되어 통액 가능하게 되어 있다. 그리고, 투과수가 캡(101) 안에 모이고, 더 나아가서는 투과수 채취구(112)로부터 위쪽으로 채수된다.

한편, 케이스 아래쪽에서는, 중공사막은, 접착 고정부(107)에 의해 모듈 케이스에 액밀하게 접착 고정되고, 중공사막의 말단은 폐색되어 있다. 또한, 아래쪽 접착 고정부(107)에는, 원료수, 압축 에어, 원료수와 압축 에어의 혼합류 중 어느 하나를 공급할 수 있는 원료수 도입 구멍(108)이 복수개 개구되어 있다. 여기서, 통상의 여과시에서의 액의 흐름을 설명하면, 원료수는 아래쪽의 캡(103)에 형성된 원료수 공급구(110)로부터 원료수 도입 구멍(108)을 경유하여 모듈 케이스 내에 들어가고, 원료수의 대부분은 중공사막(105)을 투과하여 투과수가 되며, 위쪽의 중공사막 개구로부터 위쪽의 캡(101)을 경유하여 투과수로서 투과수 채취구(112)로부터 채수된다. 또한, 원료수의 일부는 농축수가 되어, 위쪽 측면의 농축수 배출 노즐(111)로부터 배출된다. 이 때, 원료수의 수질에 따라서, 농축수를 연속하여 배출하지 않고, 플러싱, 역세척, 에어레이션 플러싱과 같은 물리 세정시에만 배출하는 방법도 채용할 수 있다.

이러한 구조의 중공사막 모듈은, 막의 성능 평가나 여과 안정성의 조사를 목적으로 한 미니어처의 모듈이면, 유효막 길이가 1 m 정도인 것을 사용하는 경우가 있다.

또한, 실제 대규모의 물의 제탁 처리에 사용하는 경우에는, 통상적으로, 막 모듈이 배치되는 배치 랙의 설치 면적을 삭감하거나, 단위 용적당 중공사막 면적을 증대할 목적으로, 중공사막의 유효 길이를 2 m 정도로 길게 하고 있지만, 예전에는 중공사막의 투과성능이 낮았기 때문에, 이와 같은 유효 길이라도 투과수측의 중공부 압력 손실이 경미하여 실용상 문제없이 사용되고 있었다.

그런데, 최근, 정수용의 막 여과 모듈 적용예의 증가와 함께, 중공사막의 투과성능의 향상이 진행되어, 모듈 상부의 중공사막 개구로부터만 투과수를 채수한다. 소위 편측(片側) 집수 모듈에서는 중공사막 본래의 투과성능을 얻을 수 없는 경우도 여기저기서 볼 수 있게 되었다.

이 때문에, 중공사막의 유효 이용률을 향상시키는 것을 목적으로, 한쪽에서 다른쪽으로 투과수가 왕래할 수 있는 연통부를 갖는 모듈 구조로 함으로써, 중공사막 모듈의 양측 단부로부터 투과수를 채수할 수 있는 구조로 하는 것이 알려져 있다(예컨대 특허문헌 3～6 참조). 특허문헌 3의 도 4, 도 5, 도 9에서는 하부의 공기 도입 구멍(19)으로부터 압축 에어를 도입하고, 중공사막을 진동시킨다는 기재가 있다.

그러나, 이러한 도입 구조에서는, 압축 에어와 같은 비교적 저점성의 유체를 균일하게 그리고 비교적 저손실로 분배하는 것은 가능하지만, 현탁 물질을 함유한 물과 같은 점성의 유체가 되면, 필요한 공급에 수반되는 압력 손실이 극단적으로 커지고, 중공사막 모듈 내로의 공급만으로 100 KPa 이상이 필요하게 된다. 이것은 통상 원료수의 공급 압력에 필요한 50-100 KPa와 같은 정도 이상의 공급 압력이기 때문에, 에어만의 도입 구멍을 갖는 구조를 그대로 물의 경우에 적용하는 것은 비현실적이다.

또한, 그 제조 방법은, 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같이, 모듈 케이스 외측 둘레에 복수의 구멍을 개구하고, 구멍이 개구된 칸막이판과 중공사막 묶음을 통합하여 모듈 케이스에 수납하며, 또한 구멍이 개구된 칸막이판의 구멍부와 모듈 케이스의 구멍부를 대향시킨 후에, 가요성 튜브를 포함하는 볼트로 고정하여 접착 고정을 행하고, 또한 가요성을 지는 튜브를 포함하는 볼트를 분리한다고 하는, 대단히 번잡한 조립 작업이 필수이며, 하천수의 막 여과 처리와 같이 저렴하게 투과 수를 얻는 용도로는 적용이 곤란하다.

특허문헌 5에는 특허문헌 3, 4와 유사한 구조가 나타나 있지만, 이것은 단면에서 본 에어 도입 구멍을 중심축으로부터 대칭으로 그리고 균등한 간격으로 개구하지 않으면, 공기 내지 물의 공급이 균일해지지 않고, 대칭으로 그리고 균등한 간격으로 배치하기 위해서는, 문헌 4와 마찬가지로 번잡한 조립 작업이 필수가 된다.

또한, 특허문헌 6에는 한쪽의 접착 고정부 외측 단부면의 대략 중앙에서 천공된 원료수의 공급원 관부에 상당하는 부위로부터 원료수를 그대로 다수의 원료수 도입 구멍이 중공사막에 대하여 수직으로 공급할 수 있도록 다른쪽 접착 고정부까지 연결된 구조가 개시되어 있지만, 이 구조에서는 원료수가 중공사막 묶음의 중심부로부터 외측에 수직으로 공급되기 때문에, 현탁 성분이 중심측의 중공사막과 중공사막 사이에 축적되고, 그 결과 묶음 외측 둘레부에는 원료수가 잘 공급되지 않게 된다는 결점을 갖는다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성 제07-171354호 공보

특허문헌 2: 일본 특허 공개 평성 제09-220446호 공보

특허문헌 3: 일본 실용 공개 소화 제63-111901호 공보

특허문헌 4: 일본 특허 공개 소화 제64-090005호 공보

특허문헌 5: 일본 실용 공개 평성 제03-119424호 공보

특허문헌 6: 일본 특허 공고 소화 제53-035860호 공보

본 발명은, 중공사막의 길이 방향에서의 유효 이용률이 향상되어 단위막 면적당 투과수량이 안정되고, 또한 압력 손실이 작아 저에너지로 채수할 수 있으며, 또한 제조가 간단하고 적은 제조공정으로 용이하게 제작할 수 있는 중공사막 모듈, 및 이를 이용한 중공사막 모듈 조립체를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명에 의하면, 고투과성능막을 적용함으로써, 현저한 효과를 더 얻을 수 있다.

본 발명자 등은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 이하의 중공사막 모듈 구조로 함으로써, 과제를 해결하기에 이르렀다. 즉, 본 발명은 이하와 같다.

(1) 통형상의 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스에 수납된 다수개의 중공사막의 묶음과, 원료 유체가 상기 중공사막 내에 통과할 수 있도록 상기 묶음의 양측 단부를 상기 모듈 케이스 내에 고정하는 접착 고정부와, 상기 접착 고정부의 양 외측 단부면 사이를 상기 중공사막보다 상당 직경이 큰 관에 의해 통과 가능하게 접속하는 투과 유체 연통부와, 상기 접착 고정부의 한쪽에서 원료 유체를 상기 모듈 케이스 내에 공급할 수 있는 원료 유체 분배 공급부를 포함하고, 원료 유체 분배 공급부는, 상기 한쪽 접착 고정부의 외측 단부면의 중앙으로부터 상기 모듈 케이스의 길이 방향으로 천공된 하나의 공급원 관부와, 공급된 원료 유체를 중공사막 모듈의 단면 방향으로 균일하게 분배하기 위한 원료 유체 공급 분기부를 구비하며, 중공사막의 간극에 형성되어 원료 유체를 중공사막의 길이 방향을 따라 공급할 수 있는 원료 유체 도입 구멍을 복수개 갖는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.

(2) 상기 원료 유체 분배 공급부는, 상기 공급원 관부에 계속해서 상기 공급원 관부로부터 상기 길이 방향을 따라 나아가는 전방각이 예각을 이루어 형성된 복수의 원료 유체 공급 분기부를 포함한 것을 특징으로 하는 (1)에 기재한 중공사막 모듈.

(3) 상기 원료 유체 분배 공급부는, 상기 원료 유체 공급 분기부로부터 계속해서 상기 접착 고정부의 내측 단부면까지 형성된 원료 유체 도입 구멍을 포함하고, 이 복수의 원료 유체 공급 분기부에서의 단면적이, 상기 원료수의 순류 방향을 따라 커지는 것을 특징으로 하는 (2)에 기재한 중공사막 모듈.

(4) 상기 원료 유체 공급 분기부는, 상기 길이 방향으로 대략 평행한 판형의 공극이고, 상기 원료 유체 분배 공급부는 복수의 상기 원료 유체 공급 분기부가 상기 공급원 관부를 대략 중심축으로 하여 방사형으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, (2) 또는 (3)에 기재한 중공사막 모듈.

(5) 상기 복수의 원료 유체 공급 분기부는, 3 내지 9의 범위로 상기 공급원 관부로부터 분기되어 있는 것을 특징으로 하는, (2) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재한 중공사막 모듈.

(6) 상기 원료 유체 도입 구멍이 상기 원료 유체 공급 분기부마다 복수 형성되어 있고, 이 복수의 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경의 합계가, 상기 복수의 원료 유체 공급 분기부의 최대 상당 직경보다 작은 것을 특징으로 하는, (2) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재한 중공사막 모듈.

(7) 상기 원료 유체 분기부를 중심으로부터 외측 방향으로 1/2 반경에서 중심측과 외측으로 구분했을 때에, 외측 구분에 형성된 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경의 합계가, 중심측 구분에 형성된 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경의 합계보다 큰 것을 특징으로 하는, (2) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재한 중공사막 모듈.

(8) 상기 복수의 원료 유체 도입 구멍이 등간격으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 (2) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재한 중공사막 모듈.

(9) 상기 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경이 상기 모듈 케이스의 외측 둘레에 근접함에 따라 커지는 것을 특징으로 하는 (2) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재한 중공사막 모듈.

(10) 상기 투과 유체 연통부는, 상기 중공사막 묶음 내에 포함된 하나 이상의 연통관인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재한 중공사막 모듈.

(11) 상기 연통관이 1개 내지 4개인 것을 특징으로 하는 (10)에 기재한 중공사막 모듈.

(12) 상기한 모듈 케이스는, 비교적 큰 내측 단면적을 갖는 제1 부분과 비교적 작은 내측 단면적을 갖는 제2 부분으로 이루어지는 이형(異形) 이중관이고, 상기 제1 부분에는, 상기 중공사막의 묶음이 수납되며, 상기 제2 부분에는, 상기 투과 유체 연통부가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재한 중공사막 모듈.

(13) 상기 접착 고정부의 내측 단부면이, 이 접착 고정부의 형성에 이용된 접착제의 내측 단부면과 실질적으로 동일면인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 기재한 중공사막 모듈.

(14) 중공사막 모듈을 구성하는 부재에 영향을 미치지 않는 물, 열수, 또는 유기 용매에 용이하게 용해 또는 흡액 분산될 수 있는 소재를 이용하여 원료 유체 분배 공급부 중 적어도 일부를 성형하고, 성형한 원료 유체 분배 공급부의 내측 단부면을 상기 접착 고정부보다 내측에 배치한 후에, 이 원료 유체 분배 공급부와, 중공사막, 투과 유체 연통부와 모듈 케이스를 접착 고정한 후에, 상기 물, 열수, 유기 용매 중 어느 하나에 의해 상기 원료 유체 분배 공급부 중 적어도 일부를 용해 또는 흡액 분산시킴으로써, 상기 원료 유체 분배 공급부를 형성하는 것을 특징으로 하는 (13)에 기재한 중공사막 모듈의 제조 방법.

(15) (1) 내지 (13) 중 어느 하나에 기재한 중공사막 모듈의 상기 원료 유체 분배 공급부가 구비된 접착 고정부 외측 단부면의 외측에는, ⅰ) 원료 유체 공급구를 구비한 컵 형상을 이루고, ⅱ) 상기 컵 형상의 내측에 투과 유체 유지 공간을 갖는 제1 캡이 상기 컵 형상의 둘레 가장자리에서 액밀하게 고정되며, a) 다른쪽 접착 고정부 외측 단부면의 외측에는 투과 유체 채수구를 구비하여 컵 형상을 이루고, b) 상기 컵 형상의 내측에 투과 유체 유지 공간을 갖는 제2 캡이 상기 컵 형상의 둘레 가장자리에서 액밀하게 고정되어 있으며, ⅲ) 또한 상기 제1 캡은, 상기 원료 유체 공급구로부터 액밀하게 연속하여 상기 투과 유체 유지 공간 내에 돌출된 노즐을 구비하고, ⅳ) 상기 노즐은 상기 공급원 관부에 액밀하게 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈 조립체.

(16) 원료 유체가 물이고, 그 탁도와 TOC(Total Organic Carbon)와의 곱이 10,000도×㎎/리터 이내이며, 탁도가 100도 이하, TOC가 100 ㎎/리터 이하인 물을 원수로 하고, (1)의 중공사막 모듈을 사용하여 여과수를 얻는 것을 특징으로 하는 현탁수의 정화 방법.

또한, 본원 중에서 원료 유체(수) 공급구, 원료 유체(수) 분배 공급부, 원료 유체(수) 공급원관, 원료 유체(수) 공급 분기부, 원료 유체(수) 도입 구멍, 농축수 배출구 등의 기능을 부여한 명칭에 의해 설명하고 있지만, 이것은 본 발명의 내용의 이해를 높이기 위해 사용하고 있는 것이고, 각각이 그 기능에 한정된 명칭이 아니다.

본 발명의 중공사막 모듈은, 중공사막과 평행하게 원료수를 공급, 여과하기 때문에, 안정적인 여과 운전이 가능하고, 물리 세정시의 현탁 성분의 배출성이 우수하다. 또한, 양측으로부터 투과수를 채취할 수 있기 때문에, 중공사막의 유효 이용률이 향상되고, 단위막 면적당의 투과수를 저에너지로 안정적으로 채수할 수 있게 된다. 이것은, 고투과성능의 막을 적용하면 현저한 성능을 얻을 수 있다. 또한, 종래 정도 성능의 막을 적용하여도, 운전시의 압력 손실이 낮은 범위에 머물고, 비교적 작은 운전 압력으로 운전할 수 있다. 또한, 원료수 분배 공급부의 모듈 케이스 내에의 배치 결정을 간단하고 정확하게 할 수 있는 등, 간편한 제조공정으로 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 현재 외압 중공사막 여과에 의한 정수 처리에서 주류인, 아래쪽에서 원료수를 공급하고 위쪽에서 투과수를 채수하며, 위쪽 측면으로부터 농축수를 배출하는 중공사막 모듈이 부착되어 있는 막 여과 설비에, 본 발명의 중공사막 모듈을 그대로 부착 가능하게 할 수 있다.

도 1은 중공사막 모듈 조립체의 단면 구조예를 도시한 모식 단면도이다.

도 2의 (1)은 전방각의 설명도, (2)는 중공사막 모듈의 A-A' 단면도이다.

도 3은 중공 부재예를 모식적으로 도시한 (1) 평면도, (2) C-C' 단면도, (3) 정면도, (4) D-D' 단면도, (5) 저면도이다.

도 4는 공중 부재의 다른 예를 모식적으로 도시한 (1) 평면도, (2) 정면도, (3) F-F' 단면도, (4) 저면도이다.

도 5는 제1 캡 예를 모식적으로 도시한 (1) 평면도, (2) 정면도, (3) G-G' 단면도, (4) 저면도이다.

도 6은 제1 캡의 다른 예를 모식적으로 도시한 (1) 평면도, (2) 정면도, (3) H-H' 단면도, (4) 저면도이다.

도 7은 중공사막 모듈 조립체를 이용한 통상 여과시에서의 액의 흐름을 도시한 모식도이다.

도 8은 중공사막 모듈 조립체를 이용한 역류 세정시에서의 액의 흐름을 도시한 모식도이다.

도 9는 역류 세정시에 원료수 공급구(43)로부터 배출하는 경우의 액의 흐름을 도시하는 모식도이다.

도 10은 중공사막 모듈 조립체를 이용한 에어레이션 역세척시의 액의 흐름을 도시한 모식도이다.

도 11은 모듈 케이스로서 이형 이중관을 이용한 경우의, 통상 여과시의 액의 흐름을 도시한 모식도이다.

도 12는 접착 단부면과 내측 단부면과의 높이를 맞출 수 있는 제조 방법을 설명하기 위한 일련의 도면이다.

도 13은 실험예 1～4에서 사용한 시험 부재의 모식도이다.

도 14는 실험예 7에서 사용한 부재(80)의 모식도이다.

도 15는 실시예 1과 비교예 1의 여과 안정성 시험 결과를 도시한 그래프이다.

도 16은 비교예 1에서 사용한 중공 형상물의 모식단면도이다.

도 17은 종래의 비교 모듈 조립체의 구조를 나타낸 모식단면도이다.

도 18은 실시예 3과 비교예 2의 여과 안정성 시험 결과를 도시한 그래프이다.

도 19는 실험예 4와 비교예 3의 여과 안정성 시험 결과를 도시한 그래프이다.

도 20은 실험예 8에서 사용한 부재(130)의 모식도이다.

도 21은 이형 이중관의 일례를 나타낸 단면도이다.

도 22는 이형 이중관의 일례를 나타낸 단면도이다.

도 23은 이형 이중관의 일례를 나타낸 단면도이다.

도 24는 이형 이중관의 일례를 나타낸 단면도이다.

도 25는 이형 이중관의 일례를 나타낸 단면도이다.

도 26은 원료수 공급 분기부의 내측 단면적 확대 상황과 원료수 도입 구멍을 설명한 모식도이다. 도면 중, (1) 평면도, (2) 정면도, (3) J-J' 단면도, (4) K-K' 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 중공사막 모듈 조립체

10: 제2 캡

11: 플랜지

12: 컵

13: 투과수 채취구

14: 캡 내부 공간

15: O-링

20: 중공사막 모듈

21: 모듈 케이스

22: 농축수 또는 에어 배출구

23: 모듈내 공간

24: 중공사막

25: 연통관

26: 접착 고정부(위쪽)

27: 접착 고정부(아래쪽)

28: 접착 단부면

29: 외측 단부면

30: 테이퍼면

31, 31': 내측 단부면 또는 중공판의 상면

32, 32': 원료수 도입 구멍

33: 원료수 공급 분기부

34: 공급원 관부가 되는 공간

35: 파이프부

36: 저면

37, 38: 중공판

39: 센터링용 리브

40: 플랜지

40': 하단

41: 컵

42: 공급원 관부에 접합되는 돌출부

43: 원료수 공급구

44: 투과수 유지실

45: 원환부

46: O-링 홈

48, 48': 파이프

50: 제1 캡

51, 52: 캡 체결 지그

60: 마개 부재

70: 시험 부재

71: 엔드 캡

72: 파이프

73: 원형 구멍

74: T자형부

80: 부재

81: 외측 원환형 공간

82, 83: 원료수 도입판

84, 86: 원료수 도입로

85: 접착 고정부

87: 파이프부

88: 원료수 공급구

90: 중공형상물

100: 비교 모듈 조립체

101, 103: 제2 캡

102: 비교 모듈 케이스

104: 모듈 케이스

105: 중공사막

106, 107: 접착 고정부

108: 원료수 도입 구멍

110: 원료수 공급구

111: 농축수 또는 에어 배출구

112: 투과수 채취구

120, 121: 캡 체결 지그

130: 부재

131: 원료수 도입로

132: 캡 체결 지그

133: 접착 고정부

134: 플랜지부

135: 원료수 공급구

141: 중공사막이 들어가는 제1 부분

142: 투과수 연통부가 되는 제2 부분

이하, 본 발명을 실시하는 데에 있어서 가장 바람직한 형태에 대해서, 도면을 사용하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 중공사막 모듈 조립체를 종으로 배치하고, 원료수 또는 압축 에어를 아래쪽에서 공급하는 형태를 예로 이용한다. 따라서, 통상의 막 처리시에서의 원료수의 순류 방향으로서는 아래로부터 상향이 된다. 그러나, 중공사막 모듈 조립체를 횡배치로 하거나, 또는 비스듬히 배치하여 사용하여도 좋은 것은 물론이다. 또한, 여기서는, 용기 내에 다수의 중공사막을 장전하고 막 양단부를 접착제로 고정하여 통액 가능한 상태로 한 것을 중공사막 모듈이라 칭하고, 중공사막 모듈의 양단부에, 추가로 투과수를 유지?채수하거나 또는 원료수를 공급하기 위한 캡을 부착한 상태의 것을 중공사막 모듈 조 립체라 칭한다.

이하에서는, 투과수 연통부로서 모듈 내의 직관을 적용한 경우의 외압식 중공사막 모듈의 예를 이용하여 모듈 구조를 설명한다. 이와 같은 중공사막 모듈의 조립체의 구조예의 단면도를 도 1에 도시한다(알기 쉽게 하기 위해, 일부의 선을 생략하고 있음).

중공사막 모듈(20)에는, 상하면이 개방된 통형상이며 그 측면 상부에 횡방향의 농축수 또는 에어 배출구(22)[이후, 배출구(22)로 칭함]를 갖는 모듈 케이스(21)를 이용하고 있다. 모듈 케이스(21)는, 전형적으로는 직경이 30 ㎜～800 ㎜이고, 길이가 300 ㎜～3000 ㎜의 범위에서 선택되는 것이 바람직하고, 재질로서는 폴리4불화에틸렌, 4불화에틸렌-6불화프로필렌 공중합체수지, 에틸렌-4불화에틸렌 공중합체수지, 폴리불화비닐리덴 등의 불소수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐 등의 폴리올레핀, 폴리염화비닐, ABS(아크릴로니트릴부타디엔스티렌)수지, AS(아크릴로니트릴스티렌)수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌에테르 등의 각종 고분자 화합물이나, 스테인리스강, 알루미늄합금 등의 금속류를 사용할 수 있다. 또한, 모듈 케이스(21)의 농축수 배출구(22)를 갖는 부분은, 별도 성형하여 그 외의 파이프형 부분과 조합하는 경우도 있기 때문에, 농축수 배출구(22)를 갖는 부분을 특별히 헤드부라고 하는 경우가 있다.

모듈 케이스 내에는 다수개의 중공사막(24)(도면에서는 간단하게 하기 위해 하나만을 도시)의 묶음이 수납된다. 여기서 말하는 중공사막은, 유체 처리에 사용할 수 있으면 특별히 한정되지 않지만, 소재로서는, 예컨대 폴리아크릴로니트릴, 폴리술폰, 폴리에테르케톤류, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리불화비닐리덴, 셀룰로오스류, 폴리비닐알코올, 폴리아미드, 폴리이미드, 술폰화폴리페닐렌에테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리4-메틸펜텐, 폴리오르가노실록산, 폴리4불화에틸렌, 에틸렌-4불화에틸렌 공중합체 등의 단독 또는 혼합 더 나아가서는 복합화한 것을 들 수 있다. 또한, 막의 종류로서는, 분획 분자량이 1,000～500,000 돌턴인 한외 여과막, 구멍 직경이 0.01 ㎛～1 ㎛인 정밀 여과막을 들 수 있다. 또한, 중공사막의 형상으로서는, 내경이 50 ㎛～3000 ㎛이고 내/외경비가 0.3～0.8인 범위의 막을 사용할 수 있다.

이 중공사막 묶음의 양측 단부는, 중공사막 내에 통액 가능한 상태를 유지하면서, 모듈 케이스 내에서 접착 고정부(26, 27)에 의해 고정되어 있다. 또한, 접착 고정부(26, 27)는 모듈 내외를 액밀하게 분리하고 있다. 접착 고정에는 접착제를 이용하면 좋고, 이용할 수 있는 접착제의 종류는, 모듈 케이스와 중공사막이나 후술하는 연통관이나 원료수 분배 공급부의 재질을 고려하여 적절하게 선택하면 좋다. 접착제는 예컨대 에폭시수지, 우레탄수지, 실리콘 등의 열경화성의 고분자 재료를 이용할 수 있다. 접착 고정 방법으로서는, 원심 접착법 등의 공지의 방법을 이용할 수 있다. 접착제의 경화 수축이나 강도가 개선되는 경우도 있기 때문에, 상기 접착제 중에 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상물, 카본블랙, 알루미나, 실리카 등의 미분체를 더 함유시켜도 좋다.

중공사막 모듈(20)은, 접착 고정부(26, 27)의 양 외측 단부면 사이를 통액 가능하게 접속하는 투과수 연통부를 구비한다. 이 투과수 연통부는 상기한 중공사 막(24)보다 상당 직경이 크고 유로 저항이 작은 관이다. 이러한 투과수 연통부를 구비함으로써, 중공사막의 길이가 예컨대 2 m 정도로 긴 경우여도, 원료수 공급구에 비교적 가까운 부분으로부터 막(膜) 투과한 투과수가 투과수 연통부를 통해 낮은 압력 손실로 채수할 수 있도록 되기 때문에, 막 이용률이 현저히 향상된다. 또한, 상당 직경은, 원료수 또는 압축 에어가 흐르는 유로 내측 둘레의 윤변(wetted perimeter) 길이로부터 유체 역학에 기초하여 산출하면 좋지만, 만약을 위해 이하에 산출 방법을 기재한다.

여기서 말하는 상당 직경을 De라 하면, 투과수 연통부의 내측 단면적(S)의 4배를 그 내측 주위 변 길이(내측 단면에서 유체가 접하는 길이)(L)로 나눈 것이고, 식으로 나타내면,

De=4×S/L이 된다.

투과수 연통부로서는, 직관을 모듈 내에 배치하는 방법이나, 모듈 케이스 자체를 이형 이중관으로 하는 방법 등을 들 수 있다. 전자의 예를 도 1에 도시한다. 이 예에서는, 중공사막(24)과 평행하게 되도록 중공사막(24)과 같은 묶음에 포함시켜, 중공사막(24)보다 상당 직경이 크고 투과수를 아래쪽에서 위쪽으로 연통시키는 직관의 연통관(25)을 이용하고 있다. 이러한 연통관은 하나 이상 이용하면 좋고, 중공사막 모듈의 막 이용 효율을 올릴 수 있는 범위에서 적절하게 개수를 정하면 좋다. 이 경우, 연통관(25)은 위쪽 접착 고정부(26) 및 아래쪽 접착 고정부(27)의 어느 측에서도, 중공사막(24)과 마찬가지로 내부에 통액 가능하게 개구된 상태로, 모듈 케이스 내부에 접착 고정되어 있고, 투과수 등이 위쪽에서 아래쪽, 아래쪽에 서 위쪽으로 용이하게 통액 가능하게 되어 있다.

이러한 연통관으로서는, 압출 성형한 고분자 재료제의 것을 적합하게 사용할 수 있다. 사용 가능한 고분자 재료를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐 등의 폴리올레핀, 폴리염화비닐, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌에테르, ABS수지, AS수지 등을 사용할 수 있다. 직관을 사용하는 경우, 그 단면 형상은 원형, 타원형, 반원형, 방추형(紡錘形) 등 어느 것이어도 좋지만, 상당 직경이 중공사막보다 크고 유로 저항이 작을 필요가 있다.

또한, 모듈 케이스 자체를 이형 이중관으로 하는 방법으로서는, 모듈 케이스를, 비교적 큰 내측 단면적을 갖는 제1 부분과 비교적 작은 내측 단면적을 갖는 제2 부분으로 이루어지는 이형 이중관으로 하고, 제1 부분에는 중공사막의 묶음을 수납하며, 제2 부분에는 투과수 연통부를 설치하는 방법을 들 수 있다. 이형 이중관으로서는, 예컨대 전체 형상이 원통이고, 그 길이 방향에 수직을 이루는 단면에서 원의 일부 고리의 양단을 직선으로 연결하여 반원통형 단면형(도 21 참조)의 단면과 그 외의 단면으로 구분되도록, 원통의 내부 체적이 길이 방향으로 평행한 평판에서 둘로 분리되어 있는 것이 예시되어 있다. 이 경우, 반원통형 단면 부분을 연통부로 하고, 그 외의 부분을 중공사막의 수납에 이용한다. 이러한 중공사막 모듈은, 이형 이중 노즐로부터 압출 성형한 이형 이중관과 그 구분된 내부 공간에 대응하여 이중 구조로 되어 있는 헤드부를 접합하는 방법에 의해 제작할 수 있다. 또한, 압출 성형한 이형 이중관의 위쪽 측면 주위의 일부에 개구를 형성하고, 측면 개구부를 덮도록 노즐 장착 조인트를 설치하는 방법도 가능하다. 이 방법으로는, 일본 특허 제3713343호 공보에 기재된 방법을 채용할 수 있다. 이형 이중관을 이용하는 경우의 투과수 연통부의 재질은 모듈 케이스와 동일 재료가 된다. 투과수 연통부의 단면 형상으로서는, 상기 이외에 타원형, 반원형, 방추형 등을 사용할 수 있으며, 설치 지점은 1지점이어도 좋고 2지점 이상이어도 좋다. 앞에서 거론한 형상 및 그 이외의 형상의 이형 이중관의 예를 도 21～25에 단면도로 보여준다.

중공사막 모듈의 한쪽의 접착 고정부는, 그 내부에, 원료수를 모듈 케이스 내에 공급할 수 있는 원료수 분배 공급부를 구비하고 있다. 원료수 분배 공급부는 원료수 공급구로부터 공급되는 원료수를 중공사막에 대하여 평행하고 균등하게, 과대한 압력 손실을 수반하지 않고서 분배 공급할 수 있는 것이고, 투과수(중공사막의 아래쪽 부분으로부터 막 투과하여 모듈의 아래쪽 단부면 외측에 설치된 투과수 순환 공간으로부터 연통관을 통해 투과수 채취구를 향하는 투과수)로부터 액밀하게 분리하여, 원료수를 중공사막 모듈 내의 중공사막 주위에 공급하는 기능을 갖는다. 또한, 원료수 분배 공급부는, 원료수와 압축 에어의 혼합 흐름이나 압축 에어만의 공급에도 사용된다. 또한, 역류 세정, 에어레이션 등의 물리 세정 배수의 배출이나 드레인 배출에도 사용된다. 이 때, 후술하는 바와 같은 특정한 구조를 가짐으로써 낮은 압력 손실로 원료수를 공급할 수 있고, 또한 비교적 간단한 제조공정으로 중공사막 모듈을 제조하는 것이 가능하게 된다.

원료수 분배 공급부가 구비하는 특정한 구조에 대해서 도 1(도 3)을 이용하여 설명한다. 원료수 분배 공급부는, 원료수 등을 공급하는 공급원 관부(34), 공급된 원료수 등을 중공사막 모듈의 단면 방향으로 균일하게 분배하기 위한 원료수 공급 분기부(33), 분배된 원료수 등을 모듈 내에서 중공사막의 외측에 도입하는 원료수 도입 구멍(32)으로 이루어진다.

우선, 공급원 관부(34)는, 원료수 분배 공급부가 설치된 측의 접착 고정부(27)의 외측 단부면(29)에 있어서, 그 대략 중앙으로부터 모듈 케이스의 길이 방향으로 대략 평행하게 천공된 하나의 통형상의 공극이다. 또한, 여기서 대략 중앙 또는 대략 평행으로 되어 있는 것은, 기하학적으로 엄밀한 중앙이나 평행일 필요는 없고, 요구되는 기능을 발휘할 수 있는 범위 내에서 중앙이나 평행이면 되는 것을 의미한다. 이하, 대략을 붙인 다른 용어에 관해서도 마찬가지이다. 이 공급원 관부에는, 뒤에서 설명하는 제1 캡의 노즐을, O-링 시일 등의 시일 수단을 이용하여 액밀하게 결합한다.

참고로, 모듈의 외측 둘레부에 복수의 공급원 관부를 설치하여, 모듈 단면의 중심 방향으로 원료수를 공급하는 방법에서는, 뒤에 기재하는 실험예 7에서도 알 수 있는 바와 같이, 원료수인 액체, 에어레이션 세정에 사용하는 압축 에어, 이들의 혼상류와 같은 점성이 상이한 유체를 공급해야 하는 경우에, 어느 유체라도 균등하게 그리고 압력 손실이 작은 범위 내에서 공급할 수 있도록 하는 것은 곤란하다. 그러나, 하나의 공급원 관부(34)를 설치함으로써, 원료수 등을 비교적 낮은 압력 손실로 모듈 내에 공급하는 것이 가능하게 된다. 또한, 공급원 관부(34)의 외측 단부면(29)에서의 위치는, 반드시 중앙이 아니어도 좋고 외측 둘레에 가까운 부분에도 가능하지만, 원료수를 모듈 내에 보다 치우침이 없이 그리고 균일하게 분배하기 위해서는, 가능한 한 중앙에 가까운 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 중 앙에 배치함으로써, 후술하는 제1 캡을 모듈의 외측 단부면(29)에 결합하는 것도 용이해진다.

다음에, 공급원 관부(34)에 계속해서 마련되어 있는 원료수 공급 분기부(33)에 대해서 설명한다. 원료수 공급 분기부(33)는, 공급원 관부(34)로부터 모듈의 길이 방향을 따라 진행한 경우의 전방각이 예각을 이루는 면(30)을 갖고 있고, 모듈의 길이 방향으로 대략 평행한 판형을 이루는 공극이다. 이러한 공극을 마련함으로써, 원료수를 모듈 단면 방향으로 균일하게 분배하는 것이 가능하게 된다. 또한, 여기서 말하는 전방각이란, 도 2의 (1)에 기재한 바와 같이, 어느 진행 방향으로부터 분기점에서 분기된 경우에, 분기점을 중심으로 하여 진행 방향과 분기 방향이 형성하는 각도 중, 분기점으로부터 진행 방향 전방측을 기준선으로 하여 분기 방향이 이루는 각도를 말한다. 원료수 공급 분기부(33)는, 도 1에서, 단면이 로트 형상인 원료수 분배 공급부의 일부로서 도시되어 있다.

원료수 공급 분기부는, 상기의 예각을 이루는 면을 갖는 편이, 공급원 관측(중심측)으로부터 외측 둘레측을 향함에 따라 모듈 길이 방향의 공극이 축소되어, 원료수 등이 모듈의 중심축으로부터 외측 둘레 방향으로 균등하게 공급하는 것이 가능하게 되기 때문에 바람직하다. 그 결과, 상기 복수의 원료수 공급 분기부를 합한 경우의, 모듈의 길이 방향에 대한 단면적은, 원료수의 순류 방향을 따라 커진다. 또한, 판형 공극의 두께를 모듈 중심으로부터 외측 둘레를 향해 변화시키도록 하여도 좋다. 원료수 공급 분기부에서의 상기 예각의 각도는, 중공사막 또는 중공사막 모듈의 투수 능력에도 따르지만, 이하에 설명하는 원료수 도입 구멍의 구멍 직경, 형상 등을 감안하여 적절하게 선택하면 좋다.

여기서, 원료수 공급 분기부의 단면적의 확대 상황을 도 26을 이용하여 설명한다. 도 26의 (2)의 J-J' 단면에서의 단면적 S1을 나타낸 것이, 도 26의 (3)이고, K-K' 단면에서의 단면적 S2를 나타낸 것이 도 26의 (4)이다. 도 26으로부터 알 수 있는 바와 같이 원료수의 공급측에 가까운 K-K' 단면으로부터 순류 방향에 있는 J-J' 단면으로 감에 따라 단면적이 S2로부터 S1로 커지는 것을 알 수 있다.

원료수 공급 분기부(33)는 공급원 관부(34)를 대략 중심축으로 하여 방사형으로 복수 마련하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 3～9개로 하는 것이, 원료수나 에어의 분배 균일성과, 모듈 제작의 용이성 및 모듈에 충전 가능한 중공사막 개수 등의 밸런스의 관점에서 바람직하다. 보다 바람직하게는 4～6개이다. 복수의 원료수 공급 분기부 사이의 각도는, 모두 등각도로 분기되어도 좋지만, 예컨대 투과수 연통부를 부착한 부분은 분기 각도를 크게 하는 등, 약간의 차이를 갖게 하여도 좋다. 또한, 중공사막은 원료수 공급 분기부 사이에 배치된다[도 2의 (2) 참조]. 또한, 연통관으로서 모듈 케이스 내에 직관을 이용하는 경우는, 연통관도 원료수 공급 분기부 사이에 배치된다. 원료수 공급 분기부(33)의 구성 방법은 후술한다.

다음에, 원료수 공급 분기부(33)로부터 계속해서 접착 고정부(27)의 내측 단부면(31)까지, 원료수 도입 구멍(32)이 형성되어 있다. 이 원료수 도입 구멍(32)으로부터 원료수가 모듈 내부(23)에 공급된다. 원료수 도입 구멍(32)은, 원료수 공급 분기부(33)의 내측 단부면(31) 전체에 형성되어 있어도 좋지만, 원료수 공급 분기부의 제작을 용이하게 하는 관점과 원료수의 분배를 균일하게 하는 관점에서, 복수 구멍의 집합으로 하는 것이 바람직하다. 복수 구멍으로 하는 경우, 복수의 원료수 도입 구멍의 상당 직경의 합계가, 복수의 원료수 공급 분기부의 모듈 길이 방향에 대한 상당 직경보다 작아진다. 여기서, 원료수 공급 분기부의 상당 직경의 산출 방법을 도 26의 (3)에서 설명하면, 원료수 공급 분기부의 상당 직경 De(a)는 단면적 S1의 4배를 내측 주위 변 길이(L1)(굵은선부)로 나눈 것이고,

De(a)=4×S1/L1이 된다.

또한, n개의 방향으로 분기된 원료수 공급 분기부 중 하나의 분기부마다, 상이한 단면을 갖고, 상이한 윤변 길이를 갖는 m개의 원료수 도입 구멍: d1, d2, d3, …dm이 형성되어 있을 때, 각각의 원료수 도입 구멍의 개구 단면적을 s1, s2, s3, …sm, 윤변 길이를 a1, a2, a3, …am으로 하면, 각 구멍의 상당 직경을 합계한 값 De(b)는, De=n×4×{(s1/a1)+(s2/a2)+(s3/a3)+…+(sm/am)}이 된다.

구체적으로, 도 26의 (1)로 설명하면, 4방향으로 분기된 원료수 공급 분기부 중 하나의 분기부에, d1, d2, d3의 3종류의 구멍을 각각 1지점씩 합계 3지점 형성하는 경우에는, d1, d2, d3 각각의 개구 단면적을 s1, s2, s3, 윤변 길이를 a1, a2, a3으로 했을 때, 전부 12개인 각 구멍의 상당 직경을 합계한 값 De(b)는,

De(b)=4×4×{(s1/a1)+(s2/a2)+(s3/a3)}이 된다.

각 구멍의 형상은 원형, 타원형, 반원형, 사각형 등 어느 것이어도 좋지만, 제작을 용이하게 하는 관점에서 원형으로 하는 것이 바람직하다. 원료수 도입 구멍의 구멍 직경은, 공급 수량이나 구멍수에도 따로지만 5 ㎜～12 ㎜의 범위가 바람직한 범위이다. 또한, 구멍 직경은, 모듈의 길이 방향에 직각을 이루는 단면에서, 모듈의 중심으로부터 외측 둘레측으로 향함에 따라서 원료수 도입 구멍의 상당 직경이 커지도록 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 원료수 등을 보다 균등하게 모듈 내에 도입할 수 있기 때문에 적합하다. 이 경우, 원료수 분배의 균일성을 확보한 채, 상기한 예각을 보다 직각에 가까운 각도로 설정할 수 있게 되고, 그 결과 접착 고정부(27)의 모듈 길이 방향의 필요 길이를 단축할 수 있다. 여기서, 모듈의 중심으로부터 외측 둘레측을 향함에 따라 원료수 도입 구멍의 상당 직경이 커진다는 것은, 도입 구멍의 구멍 직경 자체를 외측으로 이동함에 따라 순차적으로 커지도록 배치하여도 좋고, 또한 중심으로부터 외측 둘레에 걸쳐 2 내지 3 지점으로 구분하여, 각각의 구분 부위마다 내측 단면적이 상이한 복수의 구멍을 형성하고, 중심측으로부터 외측 둘레측으로 구분된 부위마다의 상당 직경 내지 단면적의 총합을 크게 하는 방법이어도 좋다. 또한, 원료 유체 분기부를 중심으로부터 외측 방향으로 1/2 반경에서 중심측과 외측으로 구분했을 때에, 외측 구분에 형성된 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경의 합계가, 중심측 구분에 형성된 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경의 합계보다 크게 하여도 좋다.

또한, 구멍 끼리의 간격은 등간격이어도 좋고, 구멍의 위치에 따라 상이하게 하여도 좋지만, 외측 둘레측의 구멍 직경을 크게 하는 경우는, 구성을 간단화하는 관점에서 등간격으로 하는 것이 바람직하다. 반대로, 구멍 직경을 일정하게 하여 간격을 외측 둘레로 갈수록 짧게 하도록 하여도 좋다. 또한, 원료수 도입 구멍의 내측 단부면(31)에서의 배치는, 각각의 원료수 공급 분기부에 대하여, 일직선으로 나열되어 있어도 좋고, 지그재그로 배치되어 좋다. 또한, 2열 이상이 나열되어 있 어도 좋다. 또한, 이 도입 구멍은 원료수 공급 분기부의 내측 단부면에 대하여 수직하게 개구되어도 좋고, 비스듬한 방향으로 개구시켜도 좋다.

여기서, 도 1의 중공사막 모듈의 A-A' 단면으로부터 아래쪽(화살표 방향)을 본 도면을 도 2의 (2)에 도시한다. 원통형의 모듈 케이스(21) 내에, 4개의 원료수 공급 분기부가, 서로 간의 각도를 90˚로 설정한 십자형으로 배치되고, 그 모듈 내측 단부면(31)의 표면에는 복수의 원료수 도입 구멍(32)이, 각 원료수 공급 분기부에 대하여 일렬로 배치되어 있다. 또한, 원료수 도입 구멍의 상당 직경은, 모듈 단면의 중심으로부터 외측 둘레측을 향함에 따라 커져 있다.

또한, 4개의 원료수 공급 분기부 사이에는, 다수개의 중공사막(24)과 연통관(25)이 배치되어 있다. 즉, 원료수 도입 구멍은 중공사막 간의 간극에 형성되어 있는 것을 알 수 있고, 연통관이 포함되어 있는 경우는, 연통관 간의 간극이기도 한 것을 알 수 있다. 이와 같이 모듈 단면에서, 원료수를 공급하는 원료수 도입 구멍(32)과, 중공사막(24) 및 연통관(25)이 적절하게 분리되어 배치된 구조로 되어 있다. 또한, 도 1의 단면은 도 2의 (2)에서의 B-B' 단면에서 본 상태에 상당한다.

상기와 같은 구조를 갖는 중공사 모듈은, 원료수 또는 압축 에어를 균등하게 그리고 낮은 압력 손실로 공급할 수 있다. 이것은, 원료수 도입 구멍에 이르기까지의 공간을 가능한 한 크게 확보하고, 공급 손실을 증대시키지 않으면서 원료수를 공급하며, 원료수 도입 구멍에서 소정 구멍 직경으로 좁히고, 약간의 압력 손실을 부여함으로써 모듈 내에 균등하게 공급할 수 있는 것에 의한다. 또한, 원료수 또는 압축 에어의 원료수 도입 구멍으로부터 모듈 내부로의 공급 흐름은, 중공사막의 길이 방향에 대하여 대략 평행인 것이, 중공사막으로의 수류 등에 의한 부하를 줄일 수 있기 때문에 적합하다. 또한, 여기서 말하는 대략 평행이란, 중공사막에 대하여 45도 미만의 각도로 원료수 또는 압축 에어가 분배 공급되는 것을 의미한다.

중공사막 모듈은, 그 양단의 단부면 외측에, 소정 캡을 액밀하게 부착함으로써 중공사막 모듈 조립체가 된다. 중공사막 모듈의 원료수 분배 공급부가 설치되어 있는 측의 외측 단부면에는, 원료수 공급구를 구비한 컵 형상을 이루고, 그 컵 형상의 내측에는 투과수 유지 공간을 갖는 제1 캡이 부착된다. 도 1에서는, 중공사막 모듈(20)의 하단에 위치하고 있는 캡(50)이 제1 캡에 해당한다. 이 캡(50)은, 중공사막 모듈의 하부 단부면(29)을 덮을 뿐만 아니라, 오목한 곡면을 갖는 컵(41)을 주체로 하고, 이것에 하부 단부면(29)과 접하는 컵(41)의 둘레 단부면에 O-링(25) 및 이를 위한 홈이 마련되어 액밀하게 결합되고 있다.

또한, 컵(41)의 중앙 하부에는 원료수 공급구(43)가 개구되어 있고, 원료수 공급구(43)로부터 액밀하게 연속하는 노즐(42)이, 컵(41)의 내측 공간에 돌출되어, 중공사막 모듈의 공급원 관부(34)에 액밀하게 결합되어 있다. 또한, 컵(41)과 노즐(42)과 하부 단부면(29)에 둘러싸인 컵(41)의 내측 공간은, 투과수 유지실(44)이 된다. 이러한 캡을 부착함으로써, 원료수를 압력 손실이 적게 모듈 내에 공급할 수 있고, 또한 중공사막의 이용 효율을 높게 유지하는 것이 가능하게 된다.

제1 캡의 구체예를 도 5에 도시한다. 도 5의 (1)은 평면도, (2)는 정면도, (3)은 G-G' 단면도, (4)는 저면도이다. 도 5의 캡은, 중앙이 움푹 파인 얕은 컵형 또는 깊은 접시형(간단히 컵형이라고 함)을 이루는 원반(41)을 구비하고, 원반(41) 의 외측 둘레 전체에는 두꺼운 원환부(45)가 마련되며, 원환부의 둘레 가장자리에는, 캡을 모듈의 외측 단부면에 액밀하게 고정하기 위한 O-링을 유지하는 홈(46)이 주회(周回)하여 마련되어 있다. 또한, 원반(41)의 중앙에는 비교적 짧은 파이프(48)가, 그 단부 외측 둘레에 플랜지(40)를 갖고서, 원반(41)의 볼록면측에 설치되어 원료수 공급구(43)를 형성하고 있다. 또한, 원반(41)의 내측인 오목면측에는 노즐(42)이 돌출되고, 원료수 공급구(43)는 노즐 선단까지 액밀하게 연속하고 있다. 또한, 원반(41)의 오목면 내의 공간은, 중공사막 모듈 조립체를 구성한 경우에, 중공사막 모듈의 외측 단부면 사이에 투과수 유지실을 형성한다.

또한, 도 6에 다른 형상의 제1 캡의 예를 도시하였다. 이 캡에서는, 원료수 공급구를 형성하는 파이프(48')의 길이가 도 5의 예보다 길게 되어 있고, 파이프의 하단(40') 근방의 외측 둘레에는, 플랜지가 아니라 미끄럼 방지의 홈이 형성되어 있다. 제1 캡의 기능으로서는, 원료수 공급구로부터 노즐을 통해 중공사막 모듈의 공급원 관부에 액밀하게 원료수를 공급할 수 있는 것과, 중공사막 모듈의 하측 단부면 사이에 액밀하게 투과수 유지실을 형성할 수 있다는 두 가지 점이 있으며, 이 두 가지 점이 충족된다면 도 5나 도 6의 형상에 한정되지 않는다.

제2 캡의 예로서는, 도 1에서 중공사막 모듈(20)의 상측 단부면에 O-링(15)을 통해 결합되어 있는 캡(10)이 해당한다. 이 캡(10)은, 플랜지(11)를 외측 둘레 단에 갖는 투과수 채취구(13)를 캡 중앙에 가지며, 투과수 채취구(13)는 캡 내부 공간(14)에 연결되어 있다.

제1 또는 제2 캡의 외측 둘레단과 중공사막 모듈의 외측 단부면의 액밀 결합 이나, 제1 캡의 노즐과 중공사막 모듈의 공급원 관부와의 액밀 결합은, 상기와 같은 O-링에 의한 것이어도 좋지만, 패킹에 의한 시일 방식이나, 접착제를 도포하여 접착하는 방식이어도 좋다. 도 1의 예에서는, 금속제의 캡 체결 지그(52)에 의해 제1 캡이 중공사막 모듈의 하부 단부면(29)에 분리 가능하게 고정되고, 또한 동일한 지그(51)에 의해 제2 캡이 모듈의 상부 단부면에 분리 가능하게 고정되어 있다.

이들 캡은, 스테인리스강이나 알루미늄합금 등의 금속제이어도 좋고, 고분자 재료에 의한 것이어도 좋다. 금속, 예컨대 스테인리스강으로 제작하는 경우에는, 절삭 가공에 의한 제작이어도 좋지만, 주조, 특히 로스트왁스나 MIM 등의 정밀도가 높은 주조 방법에 의해 제작하는 것이 부품 정밀도를 향상할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 고분자 재료의 경우에는, 부품 정밀도를 확보하기 위해 사출 성형법에 의해 제작하는 것이 바람직하다. 고분자 재료로서 사용 가능한 소재의 예를 들자면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐 등의 폴리올레핀, 폴리염화비닐, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌에테르, ABS수지, AS수지 등을 들 수 있다.

이들 캡은, 원료수의 공급이나 투과수의 채취 또는 투과수 유지실을 형성하기 위해서 뿐만 아니라, 상기 원료수 분배 공급부와 마찬가지로, 압축 에어나 압축 에어를 혼입한 원료수의 공급시, 역류 세정이나 에어레이션 등의 물리 세정시, 더 나아가서는 드레인 배수시에도 사용된다. 제1 캡의 원료수 공급구나 제2 캡의 투과수 채취구에는, 막 분리 장치의 배관과 접속 가능한 조인트, 예컨대 도 5의 플랜지나 도 6의 하단(40') 근방의 홈이 마련되어 있는 것이 바람직하다.

다음에, 도 1의 중공사막 모듈 조립체를 이용한 통상의 여과시에서의 액의 흐름을 도 7을 이용하여 설명한다. 우선 원료수는, 하부의 제1 캡(50)의 원료수 공급구(43)로부터 노즐(42), 공급원 관부(34), 원료수 공급 분기부(33), 원료수 도입 구멍(32)을 통과하여, 모듈 내에서 중공사막(24) 주위의 공간(23)에 공급된다. 공급된 원료수는, 중공사막(24)의 외표면으로부터 내표면측으로 투과하여 투과수가 되어, 중공사막(24)의 상하 양방향에 개구된 중공사막 중공부 개구로부터 상하의 캡 내 공간(14, 44)에 각각 이동한다. 여기서, 비교적 위쪽의 중공사막 부분으로부터 채수된 투과수는, 위쪽의 제2 캡(10)을 통해 그대로 투과수 채취구(13)로부터 채수되지만, 아래쪽의 개구로부터 캡(50) 내에 이동한 투과수는, 투과수 유지실(44)에 일단 유지되고, 연통관(25)의 아래쪽 개구로부터 연통관을 통해 위쪽의 캡(10)의 내부 공간에 이동하여 채수된다. 또한, 원료수로부터 투과수가 제거된 농축수나 원료수 중에 혼재하는 에어는, 모듈 상부 측면의 배출구(22)로부터 배출된다.

이상에 의해, 투과수가 중공사막(24)의 양측으로부터 채수되기 때문에, 중공사막의 내표면측의 투과수 흐름에 의한 압력 손실이 평준화되고, 중공사막 모듈 내에 있어서 아래쪽 절반의 중공사막의 여과에 대한 기여율이 높아지며, 결과적으로, 막 면적당의 처리 유량이 막의 모듈내 위치에 대하여 평탄화된다. 이 결과, 필요 이상으로 여과 압력을 높일 필요가 없어지고, 가압에 사용하는 원료수 송액 펌프의 송액 압력을 저감하는 것이 가능해지기 때문에, 투과수의 소정 채수량당의 소비 전력이 저감된다.

마찬가지로 도 1의 중공사막 모듈 조립체를 이용한 경우의, 역류 세정시에서의 액의 흐름을 도 8을 이용하여 설명한다. 채수된 투과수의 일부를 위쪽 캡(10)의 투과수 채취구(13)로부터 공급한다. 그렇게 하면 공급수의 일부는 그대로 위쪽에 개구된 중공사막(24)의 중공부 개구로부터 역류 세정수로서 공급되지만, 잔부는 연통관(25)을 경유하여 아래쪽의 투과수 유지실(44)을 통해, 중공사막(24)의 하측 개구로부터 역류 세정수로 중공사막 내에 공급된다. 이것에 의해 중공사막의 중공부의 압력 분포가 평탄화되고, 중공사막 아래쪽에서의 역류 세정의 효과가 높아진다. 역류 세정시의 세정 배수는, 위쪽 측면의 농축수 배출구(22)로부터 배출하여도 좋고, 도 9에 도시하는 바와 같이, 중공사막 아래쪽으로의 연통관을 통한 투과수의 순환 공급을 유지하면서 원료수 공급구(43)으로부터만 배출하도록 하여도 좋다. 또는, 이들 양방으로부터 배수하여도 좋다.

플러싱 시에는, 원료수를 아래쪽의 원료수 공급구(43)로부터 원료수 분배 공급부를 통해 모듈내 공간(23)에 공급하고, 그 대부분을 농축수 배출 노즐(22)로부터 배출함으로써, 중공사막(24)의 외표면이나 중공사막 간의 간극에 퇴적한 현탁 물질을, 고유속의 물의 흐름에 의해 모듈내로부터 배출한다. 에어레이션 플러싱에서는, 아래쪽의 원료수 공급구(43)로부터 모듈내 공간(23)에 압축 에어 등의 압축성 기체를 혼합한 원료수를 도입하고, 에어레이션에 의해 중공사막(24)을 요동시키면서, 현탁 물질과 함께 농축수 배출 노즐(22)로부터 배출한다.

도 1의 중공사막 모듈 조립체를 이용한 경우의, 에어레이션 역세척시의 액의 흐름을 도 10에 도시한다. 위쪽의 투과수 채취구(13)로부터 투과수를 공급하여 역 세척하고, 아래쪽의 원료수 공급구(43)로부터 압축 에어를 공급하며, 역세척에 사용된 물과 압축 에어를 농축수 배출 노즐(22)로부터 배출한다. 이 때, 역세척에 사용되는 투과수는 중공사막(24)의 내표면측에 압력을 가하지만, 연통관(25)을 통해 중공사막(24)의 상하 양측 단부면 개구로부터 가압되기 때문에 내표면의 가압 압력이 막의 위쪽 아래쪽에 상관없이 균등해지고, 에어레이션 역세척의 효과가 높아진다.

다음에, 투과수 연통부가, 이형 이중관인 모듈 케이스를 사용함으로써 형성되는 경우에 대해서 도 11을 이용하여 설명한다. 도 1의 경우에서는 하나 이상의 직관을 연통관(25)으로서 사용하였지만, 도 11의 중공사막 모듈은, 도 1에서 연통관으로서 사용한 직관 대신에, 이형 이중관인 모듈 케이스를 사용하여, 그 이형부의 개구 단면적이 작은 부분을 투과수 연통부(이후, 이형 연통부라고 함)로서 사용하고 있다. 그 이외는, 도 1의 중공사막 모듈과 구조는 거의 동일하다.

여기서 말하는 이형 이중관이란, 관의 길이 방향에 직각을 이루는 단면 형상이, 도 1의 모듈 케이스와 같은 한겹의 원형이 아니라, 한겹의 관의 내부를 벽에 의해 구획한 구조나, 또는 2개 이상의 관의 외측이 접하고 있는 구조 등에 의해, 단면이 2개의 부분으로 미리 나뉘어져 있는 관을 말한다. 이 이형 이중관은 이형 연통부를 복수 구비하고 있어도 좋지만, 1개로도 충분히 기능을 발휘할 수 있기 때문에, 압출 성형시의 성형성을 고려하면 1개로 하는 것이 바람직하다. 중공사막과 이형 연통부는, 위쪽의 접착 고정부와 아래쪽의 접착 고정부의 어느 측에서도 개구되어 있고, 투과수가 위쪽에서 아래쪽, 아래쪽에서 위쪽으로 통액 가능하다.

아래쪽의 접착 고정부 내에는 원료수 분배 공급부가 거의 매설된 상태로 접착 고정되어 있고, 원료수 분배 공급부의 원료수 공급원 관부와 아래쪽의 제1 캡이 액밀하게 접합되어 있다. 이 액밀 접합은, 도 1의 경우와 마찬가지로 O-링 등의 시일 부재를 통한 시일 방법이어도 상관없고, 접착제를 도포하여 접착한 것이어도 좋다. 도 11에서는, O-링에 의한 액밀 시일을 이용한 예가 도시되어 있다. 또한, 상하의 캡은 클램프를 이용하여 중공사막 모듈에 고정되어 있다.

여기서, 이형 이중관을 이용한 중공사막 모듈 조립체에 의한 통상 여과시의 액의 흐름을, 도 11을 따라 설명한다. 원료수는, 아래쪽의 제1 캡을 통해 모듈 내에 공급된다. 공급된 원료수는, 중공사막의 외표면으로부터 내표면측으로 투과되고, 투과수가 되어, 중공사막의 상하 양방향에 개구된 중공사막 개구로부터 상하의 캡 내 공간으로 이동한다. 여기서, 위쪽에서 채수된 투과수는 제2 캡을 통해 채수되지만, 아래쪽의 캡 내 공간(투과수 유지실)으로 이동한 투과수는, 이형 연통부의 아래쪽 개구로부터 위쪽 개구로 이동하여, 위쪽의 캡으로부터 채수된다. 이하, 역류 세정, 에어레이션 플러싱, 에어레이션 역세척도 도 1과 투과수 연통부가 상이할 뿐 물의 흐름은 유사하기 때문에 설명은 생략한다.

또한, 도 11의 중공사막 모듈 구조예에서, 측면으로부터 배출하는 농축수 노즐을 포함하는 농축수 유지실은 O-링을 통해 이형 이중관의 외측 파이프 측면에 시일되어 있다. 구체적으로는 일본 특허 제3713343호 공보에 기재한 방법을 사용할 수 있지만, 모듈 케이스를 제작할 때에 이 부위를 사전에 용접 또는 접착에 의해 액밀하게 시일 고정한 것을 이용하여도 좋고, 또는 농축수 유지실을 포함하여 연통 부로 하도록 파이프를 접합한 것을 사용하여도 좋다.

다음에, 중공사막 모듈의 제조 방법을, 원료수 분배 공급부의 제작 방법을 중심으로 설명한다. 그 외의 점은, 종래의 중공사막 모듈과 같은 제조 방법을 이용하면 좋다. 우선, 도 3에 도시하는 바와 같은 중공의 부재를 준비한다. 도 3의 (1)은, 중공 부재의 평면도, (2)는 C-C' 단면도, (3)는 정면도, (4)는 D-D' 단면도, (5)는 저면도이다. 부재는, 공급원 관부가 되는 파이프부(35)와, 파이프부(35)를 중심축으로 하여 방사형으로, 그리고 서로 직각을 이루도록 십자로 설치된 4개의 중공판(37, 38)(원료수 공급 분기부가 됨)과, 중공판의 상면을 따라 각 일렬로 형성된 복수의 구멍(32)(원료수 도입 구멍이 됨)을 구비하고 있다. 또한, 중공판(37, 38)의 하단에는 모듈 케이스 내에서 위치 정렬(센터링)하기 위한 리브(39)가 설치되어 있고, 또한 중공판의 내부 공극의 하면(30)은, 중심축에 대하여 각도 θ의 예각을 이룬 테이퍼면으로 되어 있다. 특별히 도시하지 않지만, E-E' 단면은 사각형이고, 리브(39)의 선단(외측 둘레측)에 가까운 단면일수록 세로 길이가 짧아진다. 또한, 파이프부(35)의 하단은, 접착 고정시에 접착제가 내부에 들어가지 않도록 면(36)으로 봉쇄되어 있다. 또한, 다른 중공 부재의 예를 도 4에 도시한다. 이 부재에서는, 상면에 형성된 구멍(32')(원료수 도입 구멍이 됨)의 수가 도 3의 예보다 많고, 또한 보다 중심에 가까운 위치까지 구멍이 형성되어 있다.

이들 중공 부재의 재질로서는, 스테인리스강, 알루미늄합금 등의 금속제이어도 상관없지만, 부재의 생산성이나 비용 등의 관점에서, 고분자 재료로 이루어진 것이 바람직하다. 구체적으로 사용할 수 있는 소재를 예시하면, 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리부텐 등의 폴리올레핀, 폴리염화비닐, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌에테르, AS수지, ABS수지 등을 들 수 있다. 이 중공 부재가 고분자 재료로 이루어진 것일 때에는, 사출 성형으로 제작되는 성형품을 이용하는 것이, 원료수 도입 구멍의 상당 직경의 치수 정밀도나 O-링에 의한 시일 정밀도를 높인다고 하는 점에서 바람직하다. 이 때, 접착제와의 접착 강도를 늘릴 목적으로, 중공 부재 중 접착제에 의해 접착되는 표면 부분에 요철 가공을 실시하는 것이 바람직하다.

이들 중공 부재를 이용하여 원료수 분배 공급부를 형성하기 위해서는, 모듈 케이스 내에 다수개의 중공사막의 묶음과 필요에 따라 연통관을 삽입하고, 모듈 케이스의 하단이 되는 측에 중공 부재를 방향을 맞춰 더 삽입하며, 이 상태에서 모듈 케이스의 양측 단부로부터 접착제를 충전하여 고화시킨다. 이 때, 양단부 중 중공 부재를 삽입한 측에서는, 중공 부재의 구멍(32)이 막히지 않도록 접착제량을 약간 적게 조정하여 충전한다. 접착제가 고화되었다면, 양측 단부를 모듈 길이 방향의 적절한 위치에서, 모듈 길이 방향에 대하여 직각인 면으로 절단하여 중공사막의 중공부, 연통관 및 파이프부(35)를 개구시켜 원료수 분배 공급부의 공급원 관부로 한다. 이것으로서 중공사막 모듈을 얻을 수 있다.

또한, 이 제조 방법에 의하면, 중공 부재의 상부 평면(31)은 중공사막 모듈의 접착 고정부(27)의 내측 단부면(31)이 되지만, 고화한 접착제가 형성하는 내측 단부면(28)과는 상이한 높이의 면이 된다.

한편, 중공 부재의 상부 평면(31)과 접착제의 내측 단부면(28)을 동일한 높 이로 맞추는 것도, 이하의 제2 방법으로서 들 수 있다. 이 방법에서는 상부 평면(31)과 접착제의 내측 단부면(28)이 동일면이 되기 때문에, 무용 공간이 없어진다고 하는 이점이 있다. 이들 2면의 높이를 맞출 수 있는 제조 방법을 도 12를 이용하여 다음에 설명한다.

접착제의 내측 단부면(28)과 내측 단부면(31)을 동일한 높이로 맞추기 위해서는, 예컨대 이하와 같이 하면 좋다. 우선, 중공사막 모듈 조립체를 구성하는 부재에 영향을 부여하지 않는 물?열수?유기 용매 등의 액체를 준비하고, 이들에 의해 용이하게 용해 또는 흡액 분산될 수 있는 소재를 이용하여 원료수 도입 구멍을 일시적으로 막기 위한 마개 부재(60)를 성형한다. 그리고, 도 12의 (1)에 도시한 상기와 같은 중공 부재의 원료수 도입 구멍이 되는 구멍에, 도 12의 (2)에 도시하는 바와 같이, 성형한 마개 부재를 삽입하여 일시적으로 막은 상태로 한다. 이 때, 중공 부재의 상면으로부터 돌출된 마개 부재의 높이가 접착 고정부가 되는 면보다 돌출하도록 삽입한다.

이 상태의 중공 부재를, 중공사막 및 필요에 따라 연통관과 함께 모듈 케이스(21) 내의 소정 위치에 수납하고, 도 12의 (3)에 도시한 바와 같이, 중공 부재가 접착제(27)에 전부 매설되지만, 마개 부재(60)의 상부는 매설되지 않도록 접착제(27)를 충전?고화하여 접착 고정을 행한다. 내측 단부면의 접착제가 굳어진 후에, 절단선을 따라 모듈 케이스의 단부를 절단하고, 중공 부재의 하부를 개구하며, 중공사막이나 연통관을 개구한다. 여기서 마개 부재(60)의 상부가 매설되지 않도록 접착 고정부의 내측 단부면을 만드는 하나의 방법으로서, 이하에 일례를 든다.

하부 헤더를 상부 헤더와 같은 배출구(22)가 부착된 모듈 케이스를 이용하여, 마개 부재(60)가 배출구(22)보다 내측이 되도록 배치한 후에, 원심 접착을 행하고, 액상의 열경화성수지의 불필요분을 배출구(22)로부터 제거하면서 접착 고정함으로써, 마개 부재(60)가 매설되지 않도록 제작할 수 있다.

다음에, 도 12의 (4)에 도시한 바와 같이, 중공사막 모듈에 하측 캡(50)을 부착한다. 또한, 상측 캡도 마찬가지로 부착하여 중공사막 모듈 조립체를 만든다. 그리고, 도 12의 (5)에 도시한 바와 같이, 상기에서 준비한 물?열수?유기 용매 등의 액체(43)를, 하측 캡의 원료수 공급구로부터 모듈 내에 공급하면, 원료수 도입 구멍을 막고 있던 마개 부재가 용해 또는 흡액 분산되어 소멸된다. 이 방법에 의하면 접착제의 내측 단부면과 접착 고정부의 내측 단부면 사이의 단차가 생기지 않기 때문에, 무용 공간도 생기지 않는 양호한 중공사막 모듈 또는 그 조립체를 얻을 수 있다.

그 외의 중공사막 모듈 조립체 구성 부재에 용해 등의 영향을 부여하지 않고, 물, 열수나 유기 용매 등의 액체로 용해 또는 흡액 분산되는 소재의 예를 들면, 전분, 초산셀룰로오스, 에틸셀룰로오스 등의 다당류나 셀룰로오스류, 및 그 혼합물, 나트륨이나 칼륨의 탄산염, 탄산수소염, 인산염, 초산염 등을 들 수 있다. 다당류나 셀룰로오스류로 중공 부재를 형성하기 위해서는, 카르복시셀룰로오스 등 바인더가 되는 것을 혼입하여 형성하는 것이 바람직하고, 탄산염 등을 사용하는 경우에는, 염을 가열 용해하여 주형에 유입시키는 방법, 습윤 상태로 가압 고화한 후 건조 고화하는 방법이 바람직하다.

또한, 이들 소재를 사용하여 마개 부재를 형성하는 것뿐만 아니라, 중공 부재 중, 원료수 공급원 관부가 되는 파이프 부분만 금속 또는 고분자 재료로 형성하고, 원료수 공급 분기부를 용해 가능한 소재에 의해 형성한 후, 조립하여 원료수 분배 공급부로 하여도 좋다. 또한, 원료수 분배 공급부를 형성하기 위한 중공 부재 전체를 이들 소재로 형성하여도 좋고, 또한 마개 부재를 미리 삽입한 중공 부재를 형성하도록 하여도 좋다. 어느 것이어도 상기한 방법에 의해 압력 손실이 작은 적합한 중공사막 모듈을 얻을 수 있다.

본 발명에서 사용하는 원료 유체는 물로 하는 것이 바람직하고, 이 원료수의 탁도와 TOC(Total Organic Carbon)와의 곱이 100,000도×㎎/리터 이내이며, 탁도가 100도 이하, TOC가 100 ㎎/리터 이하인 것이 바람직하다.

실시예

다음에, 실험예, 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 설명한다. 또한, 종래 사용되고 있는 중공사막 모듈 조립체와의 성능 비교는, 원료수 공급 펌프 및 역세척수 공급 펌프가 독립되어 있고, 원료수 탱크, 투과수 탱크(역세척수 탱크를 겸함)는 공통인, 다계열 평가 장치를 사용하여 행했다. 또한, 이 평가 장치는, 각 계열의 원료수 공급 펌프를 인버터에 의한 제어로 하고, 소비전력을 모니터링할 수 있는 것이다. 또한, 원료수는 실시예 4, 비교예 3을 제외하고, 하천 표류수를 사용하였다(실시예 4와 비교예 3은 모델액을 사용한 폐쇄계에서의 평가이다).

원료수 중의 탁도와 TOC는 이하의 방법에 의해 측정하였다.

탁도: 측정 장치는, 시마즈 제작소제의 UV-160A, 50 ㎜ 셀을 사용하고, JIS K0 1019.2에 준거하여 측정하였다(50도 이상의 경우는 증류수로 희석하여 측정하였다).

TOC: 측정 장치는, 시마즈 제작소제의 TOC-5000A를 사용하고, JIS K0101 20.1에 준거하여 측정하였다.

[실험예 1]

우선, 원료수 도입 구멍의 적절한 구멍 직경이나 구멍의 위치, 수에 대해서 실험하였다. 도 13의 (1)에 도시하는 바와 같이, 측면에 5 ㎜의 원형 구멍(73)을 10 ㎜ 간격으로 6개, 1열로 개구한 JIS K6742에서 나타내는 호칭 직경 20 ㎜(외경 26 ㎜, 근사 내경 20 ㎜)의 폴리염화비닐제 파이프(72)를 준비하고, 그 한쪽에는 엔드 캡(71)을 부착하며, 다른쪽에는 T자형부(74)를 부착한 시험 부재를 준비하였다. T자형부의 직각의 분기에는 압력계를 부착하고, 다른 분기에는 물 또는 압축 에어가 공급될 수 있도록 조인트를 부착하였다(이하, 이러한 구성의 것을 통합하여 공급관으로 칭함). 이 공급관을 사용하여, 대기압 하에서 27[L/분]의 물을 공급했을 때, 각 구멍으로부터의 물의 배출은 균일하였다. 이 때, 27[L/분]의 물을 공급하기 위해서는 압력계에서의 물의 공급 압력을 19[KPa] 필요로 하였다. 다음에, 동일한 공급관을 사용하여 수중 약 30 ㎝ 하에서 압력 200[KPa]의 압축 에어를 1.2[N㎥/Hr] 공급했을 때, 모든 구멍으로부터 균일하게 에어가 배출되었다.

[실험예 2]

측면에 5.5 ㎜, 6.0 ㎜, 6.5 ㎜, 7.0 ㎜의 원형 구멍이 15 ㎜ 간격으로 개구되어 있는 것 이외는 실험예 1과 같은, 도 13의 (2)에 도시하는 바와 같은 호칭 직 경 20 ㎜의 폴리염화비닐관을 준비하여 공급관으로 하였다. 다음에, 대기압 하에서 27[L/분]의 물을 공급했을 때, 각 구멍으로부터 물의 배출은 균일하였다. 이 때, 27[L/분]의 물을 공급하기 위해서는 압력계에서의 물의 공급 압력을 17[KPa] 필요로 하였다. 다음에 동일한 공급관을 사용하여 수중 약 30 ㎝ 하에서 압력 200[KPa]의 압축 에어를 1.2[N㎥/Hr] 공급했을 때, 모든 구멍으로부터 균일하게 에어가 배출되었다.

[실험예 3]

원형 구멍의 구멍 직경, 개구 간격은 실험예 1과 동일하고, 파이프 직경만 호칭 직경 13 ㎜(외경 18 ㎜, 근사 내경 13 ㎜)로 한 도 13의 (3)에 도시하는 바와 같은 공급관을 준비하였다. 실험예 1과 마찬가지로 물, 압축 에어를 공급했을 때, 물은 균일하게 공급되고, 필요 공급 압력은 25[KPa]였지만, 에어 공급의 경우, T자형부로부터 가장 먼 구멍으로부터는 에어가 때때로 배출되지 않는 경우도 있었다.

[실험예 4]

원형 구멍의 구멍 직경, 개구 간격은 실험예 2와 동일하고, 파이프 직경만 호칭 직경 13 ㎜로 한 도 13의 (4)에 도시하는 바와 같은 공급관을 준비하였다. 실험예 1과 마찬가지로 물, 압축 에어를 공급했을 때, 물은 균일하게 공급되고, 필요 공급 압력은 23[KPa]이었지만, 에어 공급의 경우, T자형부로부터 가장 먼 구멍으로부터는 에어가 때때로 배출되지 않는 경우도 있었다.

[실험예 5]

도 3에 도시한 중공 부재에서 바닥면(36)이 개방되어 있는 것 이외는 유사한 중공 부재(폴리염화비닐제)를 제작하고, 파이프부(35)에 T자형부를 부착하며, 또한 T자형부에 압력계와 물 또는 압축 에어가 공급될 수 있도록 조인트를 부착하였다. 이 중공 부재는, 파이프부(35)의 내경이 26 ㎜인 직관이고, 또한 4개의 중공판은 십자형으로 조합되며, 각각의 중공판의 상면(31)에는, 중심측으로부터 각각 5.5 ㎜, 6.0 ㎜, 6.5 ㎜, 7.0 ㎜의 원형인 구멍(32)이 15 ㎜ 간격으로 개구되어 있다. 또한, 중공판 내부의 중공 부분은, E-E' 단면에서 직사각형이고, 그 상당 직경과 개구 단면적은, 가장 중심축에 가까운 부분의 직사각형 단면에서 약 20 ㎜, 610 ㎟ 이며, 가장 중심축으로부터 먼 말단에서 약 13 ㎜, 200 ㎟이다.

이 중공 부재를 사용하여, 대기압 하에서 5[㎥/Hr]의 물을 공급했을 때 모든 구멍으로부터 균일하게 물이 배출되었다. 이 때, 5.0[㎥/Hr]의 물을 공급하기 위해서는 압력계에서의 물의 공급 압력을 4[KPa] 필요로 하였다. 다음에 동일한 중공 부재를 사용하여, 수중 약 50 ㎝ 하에서, 압력 200[KPa]의 압축 에어를 7[N㎡/Hr] 공급했을 때, 모든 구멍으로부터 균일하게 에어가 배출되었다. 또한, 압축 에어 유량을 5[N㎥/Hr], 3[N㎥/Hr]로 줄여도 마찬가지로 균일하게 에어가 배출되었다.

[실험예 6]

파이프부 하면이 개구되어 있는 것 이외는 도 4에 도시한 것과 같은 중공 부재(폴리염화비닐제)를 제작하고, 그 파이프부에 T자형부를 부착하며, 압력계와 물 또는 압축 에어가 공급될 수 있도록 조인트를 부착하였다. 이 중공 부재의 파이프 부는 내경이 26 ㎜인 직관이고, 또한 중공판은 십자형이며, 각각의 중공판의 상면(31')에는 5 ㎜의 원형 구멍(32)이 10 ㎜ 간격으로 6개 개구되어 있고, 또한 이 중공판의 내부는, 도 3의 부재와 마찬가지로 E-E' 방향의 단면이 직사각형의 공극으로 되어 있으며, 그 상당 직경과 개구 단면적은 각각, 중심측에서 약 22 ㎜, 600 ㎟이고, 외측 둘레측 말단에서 약 13 ㎜, 200 ㎟이다.

이 원료수 분배 공급부를 사용하여, 대기압 하에서 4.8[㎥/Hr]의 물을 공급했을 때 모든 구멍으로부터 균일하게 물이 배출되었다. 이 때, 4.8[㎥/Hr]의 물을 공급하기 위해서는 압력계에서의 물의 공급 압력을 3[KPa] 필요로 하였다. 다음에 동일한 원료수 분배 공급부를 사용하여, 수중 약 50 ㎝ 하에서, 압력 200[KPa]의 압축 에어를 5[N㎡/Hr] 공급했을 때, 모든 구멍으로부터 균일하게 에어가 배출되었다. 또한, 압축 에어 유량을 3[N㎥/Hr]으로 줄여도 마찬가지로 균일하게 에어가 배출되었다.

[실험예 7]

일본 실용 공개 소화 제63-111901호 공보의 도 5에 도시된 것과 유사한 에어 도입 구조를 갖는다, 도 14에 도시한 바와 같은 부재(80)를 준비하였다. 여기서, 일본 실용 공개 소화 제63-111901에서는 에어 도입 구조이지만, 이것을 원료수 및 에어 도입 부재로서 이용하였다. 부재(80)는, 서로 직각으로 조합된 4개의 원료수 도입판(82, 83)과, 원료수 도입판 내에서 서로 직각을 이루도록 형성된 파이프형의 공극인 원료수 도입로(84, 86)와, 원료수 도입로에 파이프부(87)로부터 원료수를 통액하는 슬릿을 확보하기 위한 외측 원환(81)을 갖는다. 파이프부(87)에 T자형부 를 부착하고, 또한 T자형부에 압력계와 물 또는 압축 에어가 공급될 수 있는 조인트를 부착하였다. 이 부재(80)는, 외측 원환(81)의 내부 직경이 149 ㎜이고, 슬릿 폭은 3 ㎜이다. 또한, 원료수 도입로의 직경은 8 ㎜이다.

또한, 원래는 접착 고정부(85)의 하부에는 투과수를 유지하는 유지실이 있어야 하지만, 이 실험예에서는 불필요하기 때문에, 생략한 부재로 하였다.

이 부재를 사용하여, 대기압 하에서 3.3[㎥/Hr]의 물을 공급했을 때, 4개의 도입 구멍으로부터 균등하게 물이 배출되었다. 이 때, 3.3[㎥/Hr]의 물을 공급하기 위해 72[KPa]의 공급 압력을 필요로 하는 것을 알았다. 실험예 5, 6과 마찬가지로 5[㎥/Hr] 전후의 물이 배출되도록 하기 위해서는, 150～165[KPa] 정도로 과대한 공급 압력이 필요하다고 예상되고, 그 이상의 물 공급 실험을 중지하였다. 또한, 실험예 5, 6과 같은 정도의 공급 압력인 4[KPa]로 했을 때의 공급 유량은 0.8[㎥/Hr]이고, 4지점 중 1지점은 물이 배출되지 않는 상황이었다. 또한, 동일한 부재를 사용하여 수중 약 50 ㎝ 하에서, 압력 200[KPa]의 압축 에어를 5[N㎡/Hr] 공급했을 때, 모든 구멍으로부터 균일하게 에어가 배출되었다. 또한, 압축 에어 유량을 3[N㎥/Hr]로 줄여도 마찬가지로 균일하게 에어가 배출되었다.

[실험예 8]

일본 실용 공개 평성 제03-119424호 공보의 도 2, 도 3에 도시된 것과 유사한 에어 도입 구조를 갖는, 도 20에 도시한 바와 같은 부재(130)를 준비하였다. 여기서, 일본 실용 공개 평성 제03-119424호에서는 에어 도입 구조이지만, 이것을 원료수 및 에어 도입 부재로서 이용하였다. 부재(130)는 접착 고정부(133) 내에 중심으로부터 직경 96 ㎜의 원주 상에 직경 10.5 ㎜의 구멍이 120도 간격으로 6 지점 형성되고, 아래쪽 단부면에는 제2 캡을 O-링을 통해 캡 체결 지그(132)에 의하여 체결하고 있다. 제2 캡 단부에 있는 플랜지부(134)에 플랜지 구비 T자형부를 부착하고, 또한 T자형부에 압력계와 물 또는 압축 에어가 공급될 수 있는 조인트를 부착하였다. 여기서, 물 또는 압축 에어는 플랜지부(134)로부터 원료수 공급구를 통해 제2 캡 내에 공급되고, 원료수 도입로(131)를 경유하여 모듈 내에 이른다.

또한, 원래는, 접착 고정부(133) 내에는 투과수를 유지하는 유지실이 있어야 하지만, 이 실험예에서는 불필요하기 때문에, 생략한 부재로 하였다.

이 부재를 사용하여, 대기압 하에서, 4.8[㎥/Hr]의 물을 공급했을 때, 6개의 도입 구멍으로부터 균일하게 물이 배출되고, 그 때에 공급에 필요한 압력은 5[kPa]로 실험예 5, 6과 마찬가지로 낮은 공급 압력이 확보되었다. 다음에 동일 부재(130)를 사용하여, 수중 50 ㎝ 하에서, 압력 200[kPa]의 압축 에어를 7[N㎥/Hr] 공급했을 때, 모든 구멍으로부터 에어가 배출되었지만 때때로 배출되지 않는 구멍을 볼 수 있었다. 또한, 압축 에어 유량을 5[N㎥/Hr]로 줄였을 때, 에어가 배출되지 않는 구멍의 발생 상황이 현저해지고, 3[N㎥/Hr]까지 줄이면, 에어가 전혀 배출되지 않는 구멍이 생겼다.

[실시예 1]

WO 02/070115호 공보의 실시예 3에 기재된 중공사 정밀 여과막을 6000개 준비하고, 양단의 개구를 밀봉하여 묶음으로 하였다. 또한, 외경이 22 ㎜이고 근사 내경이 16 ㎜이며 중공사막과 길이가 동일한, 양측이 밀봉된 폴리염화비닐제 파이 프 2개를 준비하였다. 이 파이프는 연통관으로서 이용한다. 이들 중공사막 묶음과 파이프 2개를 통합하여, 외경이 165 ㎜이고 근사 내경이 153 ㎜인 원통제 파이프로 이루어지는 모듈 케이스에 수납하였다. 이 모듈 케이스는 ABS 수지제의 것이다. 다음에, 모듈 케이스의 한쪽 단부 부근에 도 3에 도시하고, 실험예 5에서 사용한 것과 동일한 중공 부재를 삽입하며, 다른쪽 단부는 그대로 두고, 양측 단부에 원심주형을 위한 접합 지그를 부착하였다.

다음에, 원심주형을 행하고, 한쪽에서는 중공사막과 파이프와 중공 부재와 모듈 케이스를, 다른쪽에서는 중공사막과 파이프와 모듈 케이스를, 이액성(二液性) 우레탄수지를 충전하여 접착 고정하였다. 이 때, 중공 부재의 상면의 구멍이 수지로 막히지 않도록 충전 수지량을 조정하였다. 수지가 충분히 경화된 후에, 양측의 접합 지그를 분리하고, 양측 단부를 적절한 위치에서 절단하여, 한쪽에서는, 중공사막의 중공부, 연통관, 원료수 분배 공급부의 공급원 관부가 개구되어 있는 단부면을, 다른쪽에서는 중공사막의 중공부와 연통관이 개구되어 있는 단부면을 노출시켜, 중공사막 모듈을 얻었다. 전자(前者)의 단부면에는, 도 5에 도시된 것과 유사한 제1 캡을 O-링을 통해 부착하고, 또한 금속제의 캡 체결 지그를 장착하여 너트 체결함으로써, 모듈 단부면과 캡과의 액밀 시일을 행하였다. 또한, 후자의 단부면에는 도 1에 도시한 캡(10)과 같은 제2 캡을 O-링을 통해 부착하고, 마찬가지로 금속제의 캡 체결 지그를 이용하여 너트 체결함으로써 액밀 시일을 행하였다. 이것으로 중공사막 모듈 조립체를 얻을 수 있었다.

이 중공사막 모듈 조립체는, 모듈 케이스 내의 중공사막의 충전율(연통관의 외경 기준 단면적을 제외한 파이프내 단면적에 대한 중공사막의 외경 기준 단면적의 비율)은 40%이고, 외표면 기준의 막 면적이 46 ㎡, 유효막 길이가 2 m이다. 이 중공사막 모듈의 물투과성능을, 이온 교환수를 공칭 분획 분자량 6,000 돌턴의 한외 여과막 모듈에 투과시킨 물을 원료수로서 이용하여, 측정하였다. 그 결과를 표 1에 기재하였다.

다음에, 이 중공사막 모듈 조립체를 평가 장치에 부착하고, 탁도가 0.4-3.1도이며, 평균 탁도 1.2도, TOC가 0.32 ㎎/L～1.65 ㎎/L이고 평균 0.55 ㎎/L인 하천 표류수를 원료수로 하여 여과 안정성을 평가하였다. 우선, 설정 채수량을 2.2 m/일{설정 채수량(m/일)은 여과 유량(㎥/일)을 막 외표면적(㎡)으로 나눈 값}로 29분 여과한 후, 에어레이션 역세척을 60초간 행하였다. 역세척의 유량은 설정 여과수 채수량과 동일한 2.2 m/일(막 외표면적 기준), 모듈 아래쪽의 원료수 분배 공급부로부터의 에어량은 5 N㎥/Hr로 하였다. 이 사이클을 계속했을 때, 10일 이상, 약 40 KPa라는 낮은 막간 차압으로 안정적인 운전 결과를 얻을 수 있었다. 10일간 이상 안정 여과가 가능했기 때문에, 설정 채수량 및 역세척시의 유량을 2.7 m/일로 늘리고, 이어서 사이클을 계속한 바, 막간 차압은 50-60 KPa로 증가하였으나, 다시 10일 이상 안정적인 운전이 가능하였다. 그 후 일단 평가를 중단하고, 설정 채수량과 역세척시의 유량을 2.7 m/일로 한 채로 평가를 재개했지만, 계속해서, 막간 차압 50-60 KPa로 10일 이상의 안정 운전이 가능하였다. 결과를 도 15에 도시하였다.

[실시예 2]

WO 02/070115호 공보의 실시예 3에 기재된 중공사 정밀 여과막 6000개를 묶고, 양측의 중공부 개구를 밀봉하였다. 다음에, 외경이 165 ㎜이고 근사 내경이 153 ㎜인 원통 형태이며, 내부에, 길이 방향에 직각을 이루는 단면이 긴 직경이 56 ㎜이고 짧은 직경이 11 ㎜인 방추형 개구를 갖는 투과수 연통부를 구비한, 폴리염화비닐제의 이형 이중관을 준비하였다. 이 이중관의 양측 단부 외측 둘레에는 6.5S의 페룰 조인트가 설치되어 있다. 이 이중관에 중공사막 묶음을 통합하여 수납하였다. 이 이형 이중관의 한쪽 단부의 헤드부 측면에는, 측면 외부로부터 중공사막이 수납된 공간으로 이어지는 직경 6 ㎜의 구멍이 120개 개구되어 있다. 또한, 다른쪽 단부에 실험예 6에서 이용한 것과 동일한 중공 부재를 삽입하고, 양측 단부에 원심주형을 위한 접합 지그를 부착하였다.

다음에, 원심주형에 의해, 한쪽 단부에서는 중공사막과 모듈 케이스를, 다른쪽 단부에서는 중공사막과 모듈 케이스와 중공 부재를, 각각 이액성 우레탄수지를 충전하여 고화시킴으로써, 접착 고정하였다. 수지가 충분히 경화된 후에, 양측의 접합 지그를 분리하고, 양측 단부를 적절한 위치에서 절단하며, 한쪽에서는, 중공사막의 중공부, 투과수 연통부, 공급원 관부가 개구되어 있는 단부면을, 다른쪽에서는 중공사막의 중공부와 투과수 연통부가 개구되어 있는 단부면을 노출시켜, 중공사막 모듈을 얻었다. 이 중공사막 모듈의 한쪽 단부에는 도 6에 도시하는 제1 캡을, O-링을 통해 부착하여 클램프 고정함으로써, 모듈 단부면과 캡과의 액밀 시일을 행하였다. 또한, 다른쪽 단부면에는 도 1에 도시하는 캡(10)과 유사한 캡을 O-링을 통해 부착하고, 마찬가지로 클램프 고정하였다. 또한, 이와는 달리, 도 11 에 도시하는 농축수 배출 노즐을 포함하는 농축수 유지실(12)을, O-링을 통해 고정함으로써 중공사막 모듈 조립체를 얻었다.

이 중공사막 모듈 조립체는, 중공사막의 충전율(투과수 연통부의 외경 기준 단면적을 제외한 파이프내 단면적에 대한 중공사막의 외경 기준 단면적의 비율)은 40%이고, 외표면 기준의 막 면적이 46 ㎡, 유효막 길이가 2 m이다. 또한, 방추형인 투과수 연통부의 내측 단면적은 약 400 ㎟이다. 이온 교환수를 공칭 분획 분자량 6,000 돌턴의 한외 여과막 모듈을 통해 얻은 투과수를 원료수로서 이용하여, 이 중공사막 모듈의 물투과성능을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 기재한다.

[실시예 3]

WO 07/043553호 공보 실시예 2에 기재된 중공사 정밀 여과막을 5800개 준비하고, 양단의 개구를 밀봉하여 묶음으로 하였다. 중공사 정밀 여과막의 종류와 막의 내/외경과 충전 개수가 상이한 것 이외는 실시예 1과 동일 구조의 중공사막 모듈을 제작하고, 한쪽에는 제1 캡을, 다른쪽에는 제2 캡을 부착하여, 중공사막 모듈 조립체를 얻었다.

이 중공사막 모듈 조립체는, 모듈 케이스 내의 중공사막의 충전율이 40%이고 외표면 기준의 막 면적이 46 ㎡, 유효막 길이가 2 m이다. 이 중공사막 모듈의 물투과성능을, 이온 교환수를 공칭 분획 분자량 6,000 돌턴의 한외 여과막 모듈에 투과시킨 물을 원료수로서 이용하여, 측정하였다. 그 결과를 표 1에 기재하였다.

다음에, 이 중공사막 모듈 조립체를 평가 장치에 부착하고, 탁도가 0.5-9.7도이며, 평균 탁도 1.5도, TOC가 0.35 ㎎/L-1.83 ㎎/L, 평균 0.58 ㎎/L인 하천수를 원료수로 하는 여과 안정성을 평가하였다. 우선, 설정 채수량을 2.7 m/일{설정 채수량(m/일)은 여과 유량(㎥/일)을 막 외표면적(㎡)으로 나눈 값}로 29분 여과한 후, 에어레이션 역세척을 60초간 행하였다. 역세척의 유량은 설정 여과수 채수량과 동일한 2.7 m/일(막 외표면적 기준), 모듈 아래쪽의 원료수 분배 공급부로부터의 에어량은 5 N㎥/Hr로 하였다. 이 사이클을 계속했을 때, 20일간, 약 50 Kpa라는 낮은 막간 차압으로 안정적인 운전 결과를 얻을 수 있었다. 20일간의 안정 여과가 가능했기 때문에, 설정 채수량 및 역세척시의 유량을 3.3 m/일로 늘리고, 이어서 사이클을 계속한 바, 막간 차압은 60-70 KPa로 증가하였으나, 다시 20일 이상 안정적인 운전이 가능했다. 그 결과를 도 18에 도시하였다.

[실시예 4]

WO 07/043553호 공보 실시예 2에 기재된 중공사 정밀 여과막을 1700개 준비하고, 양단의 개구를 밀봉하여 묶음으로 하였다. 또한, 외경이 18 ㎜이고 근사 내경이 13 ㎜이며 중공사막과 길이가 동일한, 양단이 밀봉된 폴리염화비닐제 파이프를 하나 준비하였다. 이 파이프는 연통관으로서 이용한다. 이들 중공사막 묶음과 파이프 하나를 통합하여, 외경이 89 ㎜이고 근사 내경이 83 ㎜인 원통제 파이프로 이루어지는 모듈 케이스에 수납하였다. 이 모듈 케이스는 폴리염화비닐제이다. 다음에, 모듈 케이스의 한쪽 단부 부근에(실시예 1, 3과는 크기는 상이하지만) 도 3에 도시하고, 실험예 5에서 사용한 것과 동일한 중공 부재를 삽입하며, 다른쪽 단부는 그대로 두고, 양측 단부에 원심주형을 위한 접합 지그를 부착하였다.

다음에, 원심주형을 행하고, 한쪽에서는 중공사막과 파이프와 중공 부재와 모듈 케이스를, 다른쪽에서는 중공사막과 파이프와 모듈 케이스를, 이액성 우레탄수지를 충전하여 접착 고정하였다. 이 때, 중공 부재의 원료수 도입 구멍에는 시판되는 지점토와 에틸셀룰로오스를 등량(체적비) 혼합한 것을 원기둥형으로 성형하고, 이 도입 구멍에 삽입한 상태로 접착 고정하였다.

수지가 충분히 경화된 후에, 양측의 접합 지그를 분리하고, 양측 단부를 적절한 위치에서 절단하며, 한쪽에서는 중공사막의 중공부, 연통관, 원료수 분배 공급부의 공급원 관부가 개구되어 있는 단부면을, 다른쪽에서는 중공사막의 중공부와 연통관이 개구되어 있는 단부면을 노출시켜 중공사막 모듈를 얻을 수 있었다. 전자의 단부면에는, 도 5에 도시한 것과 같은 제1 캡을 O-링을 통해 부착하고, 또한 금속제의 캡 체결 지그를 장착하여 너트 체결함으로써, 모듈 단부면과 캡과의 액밀 시일을 행하였다. 또한, 후자의 단부면에는 도 1에 도시한 캡(10)과 같은 제2 캡을 O-링을 통해 부착하고, 마찬가지로 금속제의 캡 체결 지그를 이용하여 너트 체결함으로써 액밀 시일을 행하였다. 이 중공사막 모듈 조립체의 농축수 배출 노즐로부터 50 질량% 에탄올 수용액을 충전한 채 밤새 방치함으로써, 원료수 분배 공급부의 도입 구멍을 막은 지점토와 에틸셀룰로오스의 혼합 성형물 중 에틸셀룰로오스 성분을 용해시켰다. 밤새 방치한 후에 제1 캡측으로부터의 이온 교환수를 압력 100 KPa로 역세척하고, 잔류하고 있는 지점토 성분을 분산, 배출함으로써, 원료수 공급원관으로부터 공급 분기부를 경유하여 도입 구멍에 이르는 원료수의 공급 경로가 확보되었다.

이 중공사막 모듈 조립체는, 모듈 케이스 내의 중공사막의 충전율(연통관의 외경 기준 단면적을 제외한 파이프내 단면적에 대한 중공사막의 외경 기준 단면적의 비율)은 40%이고, 외표면 기준의 막 면적이 13 ㎡, 유효막 길이가 2m이다. 이 중공사막 모듈의 물투과성능을, 이온 교환수를 공칭 분획 분자량 6,000 돌턴의 한외 여과막 모듈에 투과시킨 물을 원료수로서 이용하여, 측정하였다. 그 결과를 표 1에 기재하였다.

다음에, 이 중공사막 모듈 조립체를 실험실용 평가 장치(여과수 탱크의 오버 플로분과 역세척 등의 물리 세정 배수를 원료수 탱크에 복귀시키는 폐쇄계 평가 장치)에 부착하고, 원료수로서, 모델액(휴민산, 벤토나이트의 혼합 용액{조제시, 휴민산 농도: TOC로서, 100 ㎎/리터, 벤토나이트 농도: 탁도로서, 100도})을 이용하였다. 또한, 중공사막 묶음 내에 탁도 성분이나 TOC 성분이 포착되고, 원료수 중의 탁도, TOC 농도가 저하되기 때문에, 정기적으로 원료수 탱크 탁도와 TOC를 측정하며, 각각 초기값의 70%를 하회했을 때에 휴민산 성분 및/또는 벤토나이트를 추가하여 평가하였다. 설정 채수량을 2.8 m/일로 9분 여과한 후, 에어레이션 역세척을 60초간 행하였다. 역세척의 유량은 설정 채수량과 동일한 2.8 m/일, 모듈 아래쪽의 원료수 분배 공급부로부터의 에어 유량은 1.5 N㎥/Hr로 하였다. 이 사이클을 계속했을 때, 40 kpa～60 kpa의 막간 차압으로 안정 운전이 가능하였다. 그 결과를 도 19에 도시하였다.

[비교예 1]

중공사 정밀 여과막의 충전 개수를 6300개로 하고, 한쪽은, 고화 후에 단부를 적절한 위치에서 절단한 경우에 중공부가 절단면에서 개구되지 않도록 하기 위 해 중공사막의 중공부에 대한 밀봉을 하지 않은 상태로 이용한 것, 중공 부재 대신에 도 16에 도시하는 외경 11 ㎜의 폴리에틸렌제의 중공 형상물 24개를 중공사막 묶음 내에 배치하여 접착 고화를 행한 것, 연통부를 설치하지 않은 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 접착 고정 처리까지를 행하였다. 다른쪽은 중공사막의 중공부를 밀봉 처리한 후, 접합 지그를 부착하였다.

다음에, 원심주형에 의해, 모듈 한쪽 측단부에서는 중공사막과 모듈 케이스와 중공 형상물을, 다른쪽 단부에서는 중공사막과 모듈 케이스를, 이액성 우레탄수지를 충전하여 고화함으로써 접착 고정하였다. 이 때, 중공형상물의 선단 부근이 수지에 매설되지 않도록 수지의 충전량을 조정하였다. 수지가 충분히 경화된 후에, 양측의 접합 지그를 분리하고, 양측 단부를 적절한 위치에서 절단하여 개구면을 노출시키며, 또한 한쪽 단부로부터 24개의 중공 형상물을 제거하였다. 이렇게 하여, 한쪽 단부에서는 중공사막의 중공부, 원료수 공급을 위한 24개의 원료수 또는 에어 도입구가 개구된 단부면을, 다른쪽에서는 중공사막의 중공부가 개구된 단부면을 얻어, 비교 모듈로 하였다. 이 비교 모듈의 양측 단부면 각각에, 도 1에 도시하는 제2 캡(10)과 같은 캡을 O-링을 통해 부착하고, 실시예 1과 마찬가지로 너트 체결하였다. 비교 모듈 조립체를 얻었다.

이 비교 모듈 조립체는, 투과수를 중공사막의 한쪽에서만 채수하는 것이다. 중공사막의 충전율은 40%였다. 이온 교환수를 분획 분자량 6,000 돌턴의 한외 여과막 모듈로 여과한 물을 원료수로서 이용하고, 이 비교 모듈 조립체를 이용하여 투과성능을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 기재한다.

얻어진 비교 모듈 조립체를 실시예 1과 동일한 평가 장치에 부착하고, 동시 병렬로 여과 안정성을 시험하였다. 우선, 설정 채수량을 2.2 m/일{설정 채수량(m/일)은 여과 유량(㎥/일)을 막 외표면적(㎡)으로 나눈 값}로 29분 여과한 후, 에어레이션 역세척을 60초간 행했다. 역세척의 유량은 설정 여과수 채수량과 동일한 2.2 m/일(막 외표면적 기준), 모듈 하부의 원료수 및 에어의 도입구로부터의 에어량은 5 N㎥/Hr로 하였다. 이 사이클을 계속한 바, 10일 이상, 안정적으로 운전이 가능했지만, 막간 차압은 약 80 KPa로 실시예 1의 2배의 차압을 필요로 하였다. 막간 차압이 약 80 KPa로 높기는 하지만, 안정적인 운전 결과를 얻을 수 있었기 때문에, 설정 채수량 및 역세척시의 유량을 2.7 m/일로 늘려 재차 사이클을 계속했을 때, 10일 이상 안정적인 운전이 가능했지만, 막간 차압은 80-100 KPa로 실시예 1의 경우에 비해 1.6배의 막간 차압을 필요로 하였다.

일단 평가를 중단하고, 설정 채수량과 역세척시의 유량을 2.7 m/일로 한 채로 평가를 재개하였다. 계속해서, 10일 이상의 안정적인 운전이 가능했지만, 막간 차압은 중단 전과 마찬가지로 70-90 KPa로, 실시예 1의 경우의 1.6배 정도의 막간 차압을 필요로 하였다. 결과를 도 15에 도시한다.

또한, 설정 채수량을 2.2 m/D로 했을 때의 비교예 1의 전력 소비량을 100으로 하면, 실시예 1에서는 59이고, 또한 설정 채수량을 2.7 m/D로 했을 때에는, 비교예 1의 전력 소비량을 100으로 하면, 실시예 1에서는 71이었다. 따라서, 각각의 설정 채수량일 때에, 실시예 1에서는 종래의 59% 또는 71%의 소비전력으로 거의 동일량의 투과수를 채수할 수 있게 된다.

[비교예 2]

직경 2 ㎜인 다수의 원형 구멍이 천공된 외경이 32 ㎜, 근사 내경이 25 ㎜이며 길이가 2 m인 폴리염화비닐제 관의 한쪽을 밀봉한 것을 하나 준비하였다. 이 파이프는 원료수 공급관으로서 이용한다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로, 외경이 22 ㎜이고 근사 내경이 16 ㎜이며 중공사막과 길이가 동일한, 양측이 밀봉된 폴리염화비닐제 파이프 2개를 준비하였다. 이 파이프는 연통관으로서 이용한다. 상기 3개의 파이프와 실시예 3에 사용한, WO 07/043553호 공보 실시예 2에 기재된 중공사 정밀 여과막을 5600개 준비하고, 양단의 개구를 밀봉하여 묶음으로 한 것을 통합하여 실시예 1, 3과 동일하게 중공사막 모듈을 제작하였다. 이 때, 외경 32 ㎜의 원료수 공급관으로서 이용하는 파이프에 대해서는, 모듈 케이스의 중심에 배치하여 제작하고 있다. 이상에 의해 얻어진 중공사막 모듈의 원료수 공급관이 개구되어 있는 측 단부면에는 제1 캡을, 후자의 원료수 공급관이 밀봉되어 있는 측 단부면에는 제2 캡을 각각 O-링을 통해 부착하고, 각각을 금속제의 캡 체결 지그에 의해 체결하였다. 이상에 의해, 본 비교예의 중공사막 모듈 조립체를 얻었다.

이 비교 모듈 조립체는, 투과수를 중공사막의 양측으로부터 채수하지만, 원료수는 그 원료수 공급관으로부터, 중공사막 묶음 길이 방향 전체에 걸쳐 개구된 무수한 구멍에 의해, 묶음 중심으로부터 묶음 외측 둘레로 중공사막 및 중공사막 묶음에 대하여 수직으로 공급하는 것이다.

중공사막의 충전율은 41%였다. 실시예 3과 마찬가지로 이온 교환수를 분획 분자량 6,000 돌턴의 한외 여과막 모듈에 투과시킨 물을 원료수로서 이용하여 물투 과성능을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 기재하였다.

다음에, 실시예 3과 동일한 평가 장치에 부착하고, 동시 병렬로 여과 안정성을 시험하였다. 우선, 설정 채수량을 2.7 m/일{설정 채수량(m/일)은 여과 유량(㎥/일)을 막 외표면적(㎡)으로 나눈 값}로 29분 여과한 후, 에어레이션 역세척을 60초간 행하였다. 역세척의 유량은 설정 여과수 채수량과 동일한 2.7 m/일(막 외표면적 기준), 모듈 하부의 원료수 및 에어의 도입구로부터의 에어량은 5 N㎥/Hr로 하였다. 이 사이클을 계속했을 때, 평가 5일째까지는 막간 차압 55 KPa에서 안정될 것으로 보였지만, 그대로 막간 차압이 계속 상승하고, 20일 경과 후에는 110 KPa까지로 되었기 때문에 실시예 3으로 행한, 설정 채수량 3.3 m/일의 평가를 중지하였다. 이 비교 중공사막 모듈을 해체하여, 중공사막 묶음 내의 탁질 성분의 축적 상황을 확인했을 때, 중공사막 묶음의 묶음 외측 둘레부에서는 그다지 탁질 성분의 축적은 확인되지 않고, 반대로 원료수 공급측인 묶음 중심 부근에서는, 빽빽하게 탁질 성분이 퇴적되어 있었다.

[비교예 3]

중공사 정밀 여과막의 충전 개수를 1800개로 하고, 한쪽은, 고화 후에 단부를 적절한 위치에서 절단한 경우에 중공부가 절단면에 개구되지 않도록 하기 위해 중공사막의 중공부에 대한 밀봉을 하지 않은 상태에서 이용한 것, 중공 부재 대신에 도 16에 도시하는 외경 11 ㎜의 폴리에틸렌제의 중공형상물 5개를 중공사막 묶음 내에 배치하여 접착 고화를 행한 것, 연통부를 설치하지 않은 것 이외는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 접착 고정 처리까지를 행하였다. 다른쪽은 중공사막의 중 공부를 밀봉 처리한 후, 접합 지그를 부착하였다.

다음에, 원심주형에 의해, 모듈 한쪽 단부에서는 중공사막과 모듈 케이스와 중공형상물을, 다른쪽 단부에서는 중공사막과 모듈 케이스를, 이액성 우레탄수지를 충전하여 고화함으로써 접착 고정하였다. 이 때, 중공형상물의 선단 부근이 수지에 매설되지 않도록 수지의 충전량을 조정하였다. 수지가 충분히 경화된 후에, 양측의 접합 지그를 분리하고, 양측 단부를 적절한 위치에서 절단하여 개구면을 노출시키며, 또한 한쪽 단부로부터 5개의 중공형상물을 제거하였다. 이렇게 하여, 한쪽 단부에는 중공사막의 중공부, 원료수 공급을 위한 5개의 원료수 또는 에어 도입구가 개구된 단부면을, 다른쪽에서는 중공사막의 중공부가 개구된 단부면을 얻어, 비교 모듈로 하였다. 이 비교 모듈의 양측 단부면 각각에, 도 1에 도시하는 제2 캡(10)과 같은 캡을 O-링을 통해 부착하고, 실시예 4와 마찬가지로 너트 체결하여, 비교 모듈 조립체를 얻었다.

이 비교 모듈 조립체는, 투과수를 중공사막의 한쪽에서만 채수하는 것이다. 중공사막의 충전율은 41%였다. 이온 교환수를 분획 분자량 6,000 돌턴의 한외 여과 모듈로 여과한 물을 원료수로서 이용하고, 이 비교 모듈 조립체를 이용하여 투과성능을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 기재한다.

다음에 이 비교 중공사막 모듈 조립체를 실험실용 평가 장치에 실시예 4의 중공사막 모듈 조립체와 동시에 병렬로 부착하고, 여과의 안정성 평가 운전을 행했을 때, 60 kPa～100 kPa의 막간 차압으로 안정 운전이 가능하였다. 이것은, 실시예 4의 경우에 비해 대개 1.5배 높은 막간 차압으로 여과 운전이 행해진 것을 도시 한다.

(단위)	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1	비교예2	비교예3
막간 차압 KPa	24.0	25.0	22.0	24.0	27.0	24.0	25.0
순수 Flux ㎥/Hr Mo 25℃	8.8	8.9	12.8	3.3	6.4	13.0	2.0
환산 순수 Flux ㎥/Hr Mo 100KPa 25℃	36.7	35.2	58.2	14.0	24.1	54.2	7.9

본 발명의 중공사막 모듈 및 그 조립체는 여러 분야에 사용할 수 있지만, 특히 하천수, 호소수, 복류수 등의 제탁과 같은 수처리 분야에 적합하게 이용된다.

Claims (24)

1. 통형상의 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스에 수납된 다수개의 중공사막의 묶음과, 원료 유체가 상기 중공사막 내에 통과할 수 있도록 상기 묶음의 양측 단부를 상기 모듈 케이스 내에 고정하는 접착 고정부와, 상기 접착 고정부의 양 외측 단부면 사이를 상기 중공사막보다 상당 직경이 큰 관에 의해 통과 가능하게 접속하는 투과 유체 연통부와, 상기 접착 고정부의 한쪽에서 원료 유체를 상기 모듈 케이스 내에 공급할 수 있는 원료 유체 분배 공급부를 포함하고,

   원료 유체 분배 공급부는, 상기 한쪽 접착 고정부의 외측 단부면의 중앙으로부터 상기 모듈 케이스의 길이 방향으로 천공된 하나의 공급원 관부와, 공급된 원료 유체를 중공사막 모듈의 단면 방향으로 균일하게 분배하기 위한 복수의 원료 유체 공급 분기부를 구비하며, 중공사막의 간극에 형성되어 원료 유체를 중공사막의 길이 방향을 따라 공급할 수 있는 원료 유체 도입 구멍을 복수개 갖고,

   상기 원료 유체 공급 분기부는 상기 공급원 관부에 계속해서 상기 공급원 관부로부터 상기 길이 방향을 따라 나아가는 전방각이 예각을 이루어 형성된 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 원료 유체 분배 공급부는, 상기 원료 유체 공급 분기부로부터 계속해서 상기 접착 고정부의 내측 단부면까지 형성된 원료 유체 도입 구멍을 포함하고, 상기 복수의 원료 유체 공급 분기부에서의 단면적이, 원료수의 순류(順流) 방향을 따라 커지는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
4. 제3항에 있어서, 상기 원료 유체 공급 분기부는, 상기 길이 방향으로 평행한 판형의 공극이고, 상기 원료 유체 분배 공급부는 복수의 상기 원료 유체 공급 분기부가 상기 공급원 관부를 중심축으로 하여 방사형으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
5. 제3항에 있어서, 상기 복수의 원료 유체 공급 분기부는, 3 내지 9의 범위로 상기 공급원 관부로부터 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
6. 제3항에 있어서, 상기 원료 유체 도입 구멍은 상기 원료 유체 공급 분기부마다 복수 형성되어 있고, 상기 복수의 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경의 합계가, 상기 복수의 원료 유체 공급 분기부의 최대 상당 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
7. 제3항에 있어서, 상기 원료 유체 공급 분기부를 중심으로부터 외측 방향으로 1/2 반경에서 중심측과 외측으로 구분했을 때에, 외측 구분에 형성된 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경의 합계가, 중심측 구분에 형성된 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경의 합계보다 큰 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
8. 제3항에 있어서, 상기 복수의 원료 유체 도입 구멍이 등간격으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
9. 제3항에 있어서, 상기 원료 유체 도입 구멍의 상당 직경이 상기 모듈 케이스의 외측 둘레에 근접함에 따라 커지는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 투과 유체 연통부는, 상기 중공사막 묶음 내에 포함된 하나 이상의 연통관인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
11. 제10항에 있어서, 상기 연통관은 1개 내지 4개인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
12. 제1항에 있어서, 상기 모듈 케이스는, 비교적 큰 내측 단면적을 갖는 제1 부분과 비교적 작은 내측 단면적을 갖는 제2 부분으로 이루어지는 이형(異形) 이중관이며, 상기 제1 부분에는, 상기 중공사막의 묶음이 수납되고, 상기 제2 부분에는, 상기 투과 유체 연통부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
13. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 접착 고정부의 내측 단부면은, 상기 접착 고정부의 형성에 이용된 접착제의 내측 단부면과 동일면인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
14. 제13항의 중공사막 모듈의 제조 방법으로서, 중공사막 모듈을 구성하는 부재에 영향을 미치지 않는 물, 열수, 또는 유기 용매에 용이하게 용해 또는 흡액 분산될 수 있는 소재를 이용하여 원료 유체 분배 공급부 중 적어도 일부를 성형하고, 성형한 원료 유체 분배 공급부의 내측 단부면을 상기 접착 고정부보다 내측에 배치한 후에, 상기 원료 유체 분배 공급부와, 중공사막, 투과 유체 연통부와 모듈 케이스를 접착 고정한 후에, 상기 물, 열수, 유기 용매 중 어느 하나에 의해 상기 원료 유체 분배 공급부 중 적어도 일부를 용해 또는 흡액 분산시킴으로써, 상기 원료 유체 분배 공급부를 형성하는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈의 제조 방법.
15. 제1항 또는 제3항에 기재된 중공사막 모듈의 상기 원료 유체 분배 공급부가 포함된 접착 고정부 외측 단부면의 외측에는, ⅰ) 원료 유체 공급구를 구비한 컵 형상을 이루고, ⅱ) 상기 컵 형상의 내측에 투과 유체 유지 공간을 갖는 제1 캡이 상기 컵 형상의 둘레 가장자리에서 액밀하게 고정되며, a) 다른쪽의 접착 고정부 외측 단부면의 외측에는 투과 유체 채수구를 구비하여 컵 형상을 이루고, b) 상기 컵 형상의 내측에 투과 유체 유지 공간을 갖는 제2 캡이 상기 컵 형상의 둘레 가장자리에서 액밀하게 고정되어 있으며, ⅲ) 상기 제1 캡은, 상기 원료 유체 공급구로부터 액밀하게 연속하여 상기 투과 유체 유지 공간 내에 돌출된 노즐을 포함하고, ⅳ) 상기 노즐은 상기 공급원 관부에 액밀하게 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈 조립체.
16. 원료 유체가 물이고, 그 탁도와 TOC(Total Organic Carbon)와의 곱이 10,000도×㎎/리터 이내이며, 탁도가 100도 이하, TOC가 100 ㎎/리터 이하인 물을 원수로 하고, 청구항 1의 중공사막 모듈을 사용하여 여과수를 얻는 것을 특징으로 하는 현탁수의 정화 방법.
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