KR101923711B1 - 원심펌프의 회전체에 의해 분리막의 파울링이 저감된 여과모듈 및 이를 이용한 분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심펌프의 회전체에 의해 분리막의 파울링이 저감된 여과모듈 및 이를 이용한 분리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고형물질을 함유하는 원수 내의 고형물질를 걸러내어 깨끗한 처리수로 정화하기 위한 여과모듈에 원심펌프를 직접 결합함으로써, 원심펌프의 회전체가 원수를 여과모듈 내에 순환시켜줌과 동시에 분리과정에서 고형물질이 분리막을 막아버리는 파울링 문제를 해결하여 여과성능을 향상시켜주는 원심펌프의 회전체에 의해 분리막의 파울링이 저감된 여과모듈 및 이를 이용한 분리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 여과모듈은 유입펌프로 사용가능한 원심펌프를 통해 별도의 전동모터를 추가하지 않고, 원심펌프만으로 원수를 여과모듈 내에 순환시켜줌과 동시에 분리막 표면에서의 전단력을 효과적으로 증가시킬 수 있는 여과모듈에 관한 것으로, 유입펌프인 원심펌프의 회전체 바로 앞에 분리막이 설치되게 함으로써 회전체에 의해 분리막 표면에서의 전단력이 효과적으로 향상되도록 하고, 분리막의 중심에 원수의 유입구를 배치함으로써 회전체에 의해 원수가 효과적으로 흡입·순환되어 막간 차압이 발생하도록 하며, 따라서 오직 원심펌프만으로 원수의 순환과 전단력 향상을 동시에 달성할 수 있는 효과가 있으며 분리막의 파울링을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

Description

원심펌프의 회전체에 의해 분리막의 파울링이 저감된 여과모듈 및 이를 이용한 분리방법{FILTRATION MODULE FOR REDUCING FOULING OF MEMBRANE BY ROTATING DISK OF CENTRIFUGAL PUMP AND METHOD USING THE SAME}

본 발명은 원심펌프의 회전체에 의해 분리막의 파울링이 저감된 여과모듈 및 이를 이용한 분리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고형물질을 함유하는 원수 내의 고형물질를 걸러내어 깨끗한 처리수로 정화하기 위한 여과모듈에 원심펌프를 직접 결합함으로써, 원심펌프의 회전체가 원수를 여과모듈 내에 순환시켜줌과 동시에 분리과정에서 고형물질이 분리막을 막아버리는 파울링 문제를 해결하여 여과성능을 향상시켜주는 원심펌프의 회전체에 의해 분리막의 파울링이 저감된 여과모듈 및 이를 이용한 분리방법에 관한 것이다.

물은 인간의 모든 경제, 사회, 문화 활동에 없어서는 안 될 중요한 자원이다. 그러나 인구의 증가 및 급속한 산업화에 의한 물의 소비량 증대와 환경오염에 따른 수질 오염으로 인하여 물부족 사태는 매년 심각해지고 있는 실정이다.

수온의 온도가 상승하는 여름철에는 저수지, 호수, 어장, 근해 바다 또는 흐르는 물까지도 녹조 또는 적조가 발생하고 있다. 이러한 녹조 또는 적조는 호수 또는 바다 양식장의 물고기는 물론 수생식물까지도 사멸시켜 생태환경 파괴는 물론 심한 악취까지 유발시키고 있다.

일반적으로 녹조현상은 부영양화된 호수나 유속이 느린 하천에서 부유성의 조류(식물 플랑크톤)가 대량 증식하여 수면에 집적하게 되고 물의 색을 현저하게 녹색으로 변화시킴으로써 발생된다. 이러한 녹조현상의 원인은 독소를 발생시키는 남조류에 의해 수생식물에 악영향을 주는 것으로 알려져 있다. 예를 들면 독소에 의한 인체 및 가축에의 영향, 생태계 파괴로 인한 생태학적인 문제, 산소결핍으로 인한 물고기 및 각종 수중생물 폐사 등의 심각한 문제를 야기한다.

또한, 적조현상은 "식물 플랑크톤이 대량으로 증식하여 바닷물의 색깔이 붉게 변하는 현상을 말하는 것인데, 적조를 일으키는 생물은 편모조류나 규조류가 대부분이지만 유글레나 또는 원생동물로 분류되는 섬모충류가 원인이 되는 경우도 종종 있는 것으로 알려져 있다. 적조현상은 최근 우리나라에서도 남해연안과 서해, 동해 남부연안에 걸쳐 널리 나타나고 있다. 적조원인 생물도 규조류 중심에서 편모조류 중심으로 옮겨가고 있으며, 적조 발생의 농도도 점점 고밀도화되어 가고 있는 추세로 이로 인하여 적조의 피해도 해마다 증가하고 있다.

최근 이러한 녹,적조 현상은 광역화, 독성화, 장기화의 특성을 띠며 발생하고 있어, 이를 해결하기 위한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.

분리막 여과는 고형물질을 함유하는 원수 내의 고형물질을 다공질 분리막에 의해 걸러내어 다공질 분리막을 통과한 원수를 깨끗한 처리수로 배출시키는 액상-고상 분리기술인데, 이 모듈의 가장 큰 문제는 분리과정에서 고형물질이 분리막 표면이나 기공 내부에 점착되어 기공의 크기를 감소시키거나 막아버림으로써 분리막의 고체-액체 분리 능력을 급격히 저하시키는 것이다. 이러한 고형물질에 의한 분리막 오염 문제를 해결하기 위하여 제안된 여러 가지 방법 중 가장 효과적인 방법은 분리막 표면에서의 전단력(shear stress)을 증가시키는 것이다.

널리 사용되고 있는 순환 여과방식(Cross-flow filtration)은 유입펌프를 통해 원수를 분리막에 순환시켜줌으로써 분리막 여과기술의 원동력인 막간 차압(Trans-membrane pressure)을 제공하면서 동시에 분리막 표면에 지나가는 유체의 흐름을 통해 전단력을 증가시킬 수 있으나, 이로 인한 분리막 오염 저감 효과는 미비하다. 분리막 표면에 회전체와 이를 회전시킬 별도의 전동모터를 추가로 설치하여 전단력을 현저히 증가시킬 수 있다. 이 방식을 통해 분리막 표면에서의 고형물질의 축적인 파울링(Fouling) 현상을 현저히 감소시키고 여과성능을 효과적으로 증가시킬 수 있으나, 유입펌프의 구동 외에 회전체의 전동모터을 추가로 설치해야 한다.

이에, 본 발명자들은 고형물질에 의한 분리막 파울링 저감 효과가 우수한 여과모듈을 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 원심펌프의 회전체 바로 앞에 분리막을 설치함으로써 유입펌프로 사용 가능한 원심펌프를 통해 별도의 전동모터를 추가하지 않고, 원심펌프만으로 원수를 여과모듈 내에 순환시켜줌과 동시에 분리막 표면에서의 전단력을 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 따라서 분리막의 파울링을 효과적으로 저감시킬 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 고형물질에 의한 분리막 파울링 저감 효과가 우수한 여과모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 여과모듈을 이용하여 유입수의 고형물질을 분리하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 여과모듈의 하부 중심부에 구비된 유입수 공급수단(A); 여과모듈의 상부에 구비된 농축 고형물질 배출수단(B); 여과모듈의 하부 끝단부에 구비된 여과된 처리수 배출수단(C); 회전식 디스크(10)와 회전축(20)을 포함하는 원심펌프의 회전체; 및 상기 회전식 디스크와 평행한 방향으로 여과모듈의 하부 양단부에 구비되어 유입수에 함유된 고형물질을 여과시키는 분리막(30)을 포함하고, 원심펌프의 회전체에 의한 전단력 증가를 통해 상기 분리막의 파울링을 저감시킬 수 있는 여과모듈을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 여과 모듈을 이용한 고액 분리방법을 제공한다.

본 발명에 따른 여과모듈은 유입펌프로 사용가능한 원심펌프를 통해 별도의 전동모터를 추가하지 않고, 원심펌프만으로 원수를 여과모듈 내에 순환시켜줌과 동시에 분리막 표면에서의 전단력을 효과적으로 증가시킬 수 있는 여과모듈에 관한 것으로, 유입펌프인 원심펌프의 회전체 바로 앞에 분리막이 설치되게 함으로써 회전체에 의해 분리막 표면에서의 전단력이 효과적으로 향상되도록 하고, 분리막의 중심에 원수의 유입구를 배치함으로써 회전체에 의해 원수가 효과적으로 흡입·순환되어 막간 차압이 발생하도록 하며, 따라서 오직 원심펌프만으로 원수의 순환과 전단력 향상을 동시에 달성할 수 있는 효과가 있으며 분리막의 파울링을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심펌프의 회전체를 이용한 여과모듈을 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 여과모듈을 이용하여 원심펌프의 운전세기에 따른 여과속도를 비교한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 여과모듈을 이용하여 원심펌프의 운전세기에 따른 파울링 저항값을 비교한 결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체적인 예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명에서는 분리막 표면에서 고형물질의 축적으로 발생되는 파울링(Fouling) 현상을 현저히 감소시키기 위하여, 유입펌프의 구동 외에 회전체와 이를 회전시킬 별도의 전동모터를 추가로 설치하지 않고, 원심펌프만으로 원수를 여과모듈 내에 순환시켜줌과 동시에 분리막 표면에서의 전단력을 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 원심펌프의 회전체 바로 앞에 분리막이 설치되게 함으로써 회전체에 의해 분리막 표면에서의 전단력이 효과적으로 향상되도록 하고, 분리막의 중심에 원수의 유입구를 배치함으로써 회전체에 의해 원수가 효과적으로 흡입·순환되어 막간 차압이 발생하도록 하며, 따라서 오직 원심펌프만으로 원수의 순환과 전단력을 동시에 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서 여과모듈의 하부 중심부에 구비된 유입수 공급수단(A); 여과모듈의 상부에 구비된 농축 고형물질 배출수단(B); 여과모듈의 하부 끝단부에 구비된 여과된 처리수 배출수단(C); 회전식 디스크(10)와 회전축(20)을 포함하는 원심펌프의 회전체; 및 상기 회전식 디스크와 평행한 방향으로 여과모듈의 하부 양단부에 구비되어 유입수에 함유된 고형물질을 여과시키는 분리막(30)을 포함하고, 원심펌프의 회전체에 의한 전단력 증가를 통해 상기 분리막의 파울링을 저감시킬 수 있는 여과모듈에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심펌프의 회전체를 이용한 여과모듈을 도식화한 것으로, 원수가 유입되는 유입수 공급수단(A), 농축된 고형물질이 배출되는 고형물질 배출수단(B), 여과된 처리수가 배출되는 처리수 배출수단(C)을 포함하고, 원심펌프의 회전체로 회전식 디스크(10)와 회전축(20)이 여과모듈의 중심부에 위치하고 있으며, 회전식 디스크와 일정한 간격, 즉 평행한 방향으로 유입수가 공급되는 중심부를 제외한 하부 양단부에 여과막(30)이 구비되어 있다.

보다 구체적으로, 원심펌프의 회전체에 분리막을 설치할 수 있는 여과모듈을 장착하였으며, 회전체의 회전을 통해 여과모듈의 하부 중심부에서 원수가 유입되고(A) 상부 가장자리로 빠져나가며 순환되고(B), 여과모듈의 하부에 장착된 분리막을 통해 처리수가 빠져나가며(C), 이때, 회전체에 의해 형성된 분리막 표면에서의 고전단력 흐름을 통해 파울링을 효과적으로 저감하여 여과속도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 분리막(30)은 정밀여과막(MF; Microfiltration Membrane), 한외여과막(UF; Ultrafiltration membrane), 나노여과막(NF; Nanofiltration Membrane) 또는 역삼투막(RO; Reverse Osmosis Membrane)이 바람직하고, 정밀여과막 또는 한외여과막인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 회전식 디스크(10)는 임펠러인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 임펠러는 다수 개의 베인(날개)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다른 관점에서, 상기 여과모듈을 이용한 고액 분리방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 원심펌프의 회전체가 유입수를 여과모듈 내에 순환시키는 단계 및 분리막 표면에 전단력을 증가시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서 원심펌프의 운전세기는 적용하는 원심펌프의 최대소비전력에 따라 0~100%로 운전세기를 조절할 수 있다. 다만, 운전세기가 너무 약한 경우에는 여과 속도가 느려 유입수를 처리하는 데 오랜 시간이 걸리고, 운전세기가 일정 세기 이상이면 파울링에 큰 변화가 없다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 원심펌프의 운전세기에 따른 여과속도 비교

본 실시예에서는 오픈 폰드에서 배양된 미세조류 농도(0.5 g/L) 기준으로 정상 상태(steady-state)에서의 여과속도를 원심펌프의 운전세기에 따라 관찰하였고, 실험에 사용된 분리막은 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 재질 0.2 um의 기공 크기를 가지는 microfiltration(MF) 막과 PES(Polyethersulfone) 재질 150 kDa의 기공 크기를 가지는 ultrafiltration(UF) 막을 사용하였다.

원심펌프에 Inverter를 달아서 펌프의 운전세기를 0~100% 사이로 조절할 수 있고, 이에 따라 원심펌프에 공급되는 전력량과 원심펌프의 회전체의 회전속도가 달라지면서 원심펌프에 의해 여과모듈에 유입/배출되는 원수의 순환 유량과 분리막이 받는 운전압력(TMP)가 달라지고, 운전세기를 동일하게 유지할 시 원수의 순환 유량과 TMP도 동일하게 유지되었다. 다만, 운전세기가 최소 50%는 되어야 원수의 순환이 시작되었고, 운전세기를 50%에서 100%로 증가시키면 원수의 순환 유량이 8 L/min에서 17 L/min으로, TMP는 24 kPa에서 97 kPa로 증가하였다. 미세조류 여과 실험에서는 원심펌프의 운전세기를 5가지 조건(50%, 67%, 83%, 92%, 100%)으로 운전하였다.

그 결과, 원심펌프의 운전세기가 50% 이상에서 원수 순환이 시작되었으므로 분리막 여과 운전 역시 이때 시작되어 처리수가 나오기 시작했다. 도 2에 도시된 바와 같이, 최소 운전세기인 50%에서 여과속도는 100 L/m²/h (분리막 1m² 당 운전시간 1시간 당 처리수 유량)이며, 운전세기가 증가할수록 여과속도가 증가하였는데, 최소 운전세기인 50%에 비해 100% 일 때 여과속도가 MF는 650%, UF는 760% 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2: 원심펌프의 운전세기에 따른 파울링 저항값 비교

본 실시예에서는 오픈 폰드에서 배양된 미세조류 농도(0.5 g/L) 기준으로 정상 상태(steady-state)에서 분리막 표면에서의 파울링을 정량평가하였으며, 실험 조건은 실시예 1와 동일하게 수행하였다.

도 3에 도시된 바와 같이, 운전세기가 50%에서 83%로 증가하면서 MF의 파울링은 48.6% 감소하였고 UF의 파울링은 80.8% 감소하였다. 또한, 회전체의 회전속도가 증가함에 따라 분리막 표면에서의 전단력 향상과 동시에 여과모듈 내 순환되는 원수의 유량이 증가하면서 분리막이 받는 운전압력(Transmembrane pressure, TMP)이 증가하는데, TMP는 분리막 여과 운전의 근본적인 구동력으로 TMP가 증가할수록 여과속도가 증가한다. 결과적으로, 운전세기가 증가함에 따라 회전체의 회전속도가 증가하는데, 이로 인해 분리막 표면에서의 전단력이 향상되어 파울링이 감소하고 동시에 여과모듈 내 원수의 순환유량이 증가하여 TMP가 증가하였고, 이 두가지 효과 때문에 운전세기 50%에서 83% 구간에서 여과속도가 급격하게 향상되는 것을 확인하였다.

한편, 운전세기 83%부터 100%까지는 파울링에 큰 변화가 없는데, TMP가 증가할수록 파울링 생성속도 역시 증가하여 이 구간에서는 회전체에 의한 파울링 제거속도와 TMP 증가에 의한 파울링 생성속도가 비슷해지기 때문으로 사료된다. 따라서 운전세기 83%에서 100% 구간에서는 50%에서 83% 구간과는 달리 파울링 감소 효과는 없이 TMP 증가 효과에 의해서만 여과속도가 증가하였고, 50%에서 83% 구간보다 증가 속도가 둔해지는 것을 알 수 있었다.

따라서, MF와 UF 모두 원심펌프의 운전세기가 증가함에 따라, 즉, 원심펌프의 회전체의 회전속도가 증가함에 따라, 50%에서 83%까지는 TMP 증가와 파울링 저감 효과의 향상으로 인해, 83%에서 100%까지는 TMP 증가 효과만의 향상으로 인해 여과속도가 향상되었고, 83% 이상으로 운전세기를 증가시키는 것은 여과속도 향상이 둔해지므로 원심펌프의 운전세기가 83% 일때 가장 효율적일 것으로 판단된다.

또한, 원수와 처리수의 미세조류 농도는 UV-Vis spectrophotometer를 이용해 Optical density(OD) 682nm로 측정한 결과, 원수(Feed)의 OD 682mn는 1.4이고, 처리수의 OD 682nm는 PVDF 0.2um의 경우 0.010, PES 150kDa의 경우 0.001인 것으로 나타났다. 따라서 PVDF 0.2um와 PES 150kDa의 제거율은 각각 99.3%, 99.9%로, 두 분리막 모두 원수에 함유된 미세조류를 99% 이상 제거한 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

100 : 여과모듈
10 : 회전식 디스크(Rotational disk)
20 : 회전축(Rotational shaft)
30 : 분리막(Membrane)
A : 유입수 공급수단
B : 부유물질 배출수단
C : 처리수 배출수단

Claims (5)

1. 여과모듈(100)의 하부 중심부에 구비된 유입수 공급수단(A);
   여과모듈(100)의 상부에 구비된 농축 고형물질 배출수단(B);
   여과모듈(100)의 하부 끝단부에 구비된 여과된 처리수 배출수단(C);
   회전식 디스크(10)와 회전축(20)을 포함하는 원심펌프의 회전체; 및
   상기 회전식 디스크와 평행한 방향으로 여과모듈의 하부 양단부에 구비되어 유입수에 함유된 고형물질을 여과시키는 분리막(30)을 포함하고,
   상기 원심펌프의 회전체에 여과모듈이 직접 결합되어 있어,
   상기 원심펌프의 회전체의 회전을 통해 상기 유입수 공급수단(A)으로 원수가 유입되고, 상기 농축 고형물질 배출수단(B)으로 빠져나가면서 원수를 상기 여과모듈(100) 내에 순환시키고, 상기 처리수 배출수단(C)으로 처리수가 빠져나가며,
   원심펌프의 회전체에 의한 전단력 증가를 통해 상기 분리막(30)의 파울링을 저감시킬 수 있는 여과모듈.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 분리막(30)은 정밀여과막(MF; Microfiltration Membrane), 한외여과막(UF; Ultrafiltration membrane), 나노여과막(NF; Nanofiltration Membrane) 또는 역삼투막(RO; Reverse Osmosis Membrane)인 것을 특징으로 하는 여과모듈.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 회전식 디스크(10)는 임펠러인 것을 특징으로 하는 여과모듈.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 여과모듈을 이용한 고액 분리방법.
   
5. 제4항에 있어서, 원심펌프의 회전체가 유입수를 여과모듈 내에 순환시키는 단계 및 분리막 표면에 전단력을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고액 분리방법.

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