KR101465698B1 - 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나권형 수처리 필터에 관한 것으로 보다 상세하게는 나권형 수처리 필터에 있어서, 천공된 침투수 수집튜브; 상기 침투수 수집튜브 주위에 침투성 스페이서, 멤브레인 및 전도성 공급 스페이서로 이루어진 반투과성 멤브레인이 복수개의 나선형으로 감겨 형성되되, 상기 전도성 공급 스페이서에 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 나권형 수처리 필터를 제공한다.

Description

전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터 {Spiral wound water-treatment filter including conductive spacer}

본 발명은 전도성 공급 스페이서를 포함하는 나권형 수처리 필터에 관한 것으로 보다 상세하게는 수처리를 함에 있어서, 멤브레인층 및 공급 스페이서층 등을 포함하여 나권형으로 제조되는 나권형 수처리 필터에 관한 것이다.

전 세계적으로 지구온난화에 따른 물 부족 현상이 심화되고 있는 가운데 대체 수자원 확보기술인 물정화기술이 주목을 받고 있다.

따라서, 해수담수화, 물의 재이용 등 대체수원을 활용한 차세대 수도사업의 핵심기술인 역삼투막을 이용한 수처리 공정이 물산업 시장을 주도할 것으로 예상된다.

종래 역삼투막의 개념은 1950년대 말 처음 제시되었는 데, 1960년에 UCLA의 연구진들이 초산 셀룰로오스를 이용하여 최초의 비대칭성 역삼투막을 발명한 바가 있다. 이러한 초산 셀룰로오스를 이용한 역삼투막은 제조비용이 저렴한 반면, 성능 및 내구성이 떨어지는 단점이 있었기 때문에, 다른 소재를 통해 역삼투막을 개발하려는 노력이 계속되어 왔다.

한편, 근래 들어서 역삼투막을 이용한 기술이 보편화되고 있기는 하지만 높은 에너지 소비와 막 오염 등의 문제가 있으며 이를 해결하기 위한 기술개발도 점점 한계점에 다다르고 있는 실정이다.

역삼투를 이용하여 물을 정화처리하는 것은 효과적인 기술이긴 하지만, 물로부터 용해된 입자들을 제거할 능력이 가격 상승을 불러오기도 하며, 방출수에 함유된 미생물은 역삼투 시스템의 반투과성 멤브레인에 의해 포획되어 방출되지 않는 문제점이 있다. 미생물은 통상적으로 매 30분 내지 60분마다 배로 증식하고, 이들의 성장은 지수적으로 급증한다. 미생물의 이러한 폭발적인 증식은 멤브레인을 오염시켜서, 멤브레인을 통한 물의 흐름과 멤브레인의 여과 특성을 감소시키고, 정화 유량속도를 현저하게 감소시키게 하는 원인이 된다.

또한, 오염된 멤브레인은 더 높은 동작 압력을 요구하고, 결국 동작 비용을 증가시키는 한편 역삼투 공정들에 사용되는 멤브레인들의 수명을 더 단축하게 된다. 이러한 오염된 멤브레인을 정화하기 위해서 여러 시도가 있었으나, 화학적 역삼투막의 정화는 역삼투 설비의 총 동작시간의 약 20%를 차지하게 되어 전체 공정효율은 급격히 감소하게 된다. 또한, 오염된 멤브레인들은 정화하기 어려워서 여과수의 수질을 저감시킨다. 멤브레인상에서 미생물이 증식된 결과로서, 젤(gel)형태의 생물막이 멤브레인의 상류 표면상에 형성된다. 상기 생물막은 멤브레인을 손상시키는 강한 화학적 산화물질을 사용하지 않고서는 제거하기가 힘들다. 상기 생물막은 정상 세정 및 살균 과정들로부터 미생물을 보호하여 주므로 멤브레인을 횡단하여 통과하는 미생물을 파괴시킨다. 또한, 미생물 투과는 멤브레인의 손상을 초래할 수도 있다. 통상적으로, 미생물은 48 내지 72시간 내에 멤브레인의 하류측에서 검출된다. 멤브레인의 하류측은 눈에 띄게 탈색되어 오염된다. 이러한 미생물에 의한 막오염은 멤브레인을 더 손상시키게 되는 원인이 되기도 한다.

미생물에 의한 막오염으로부터 손상되는 물 여과 멤브레인의 문제점을 제거하기 위해 물에 염소와 항생제와 같은 소독제를 첨가하는 시도가 있다. 그러나 이러한 소독제를 첨가하는 경우 합성 고분자 물질을 이용하여 제조되는 멤브레인은 강산화물질 예를 들어, 염소에 대해 산화 손상이 아주 심하다. 따라서, 아주 묽게 하여 사용하거나 짧은 시간동안에 사용해야만 한다.

또 다른 방안으로서 멤브레인 표면에 어떤 형상의 항균성 첨가제를 첨가하는 방법이 있다. 즉, 항균제들을 역삼투 여과, 나노 여과, 울트라 여과 및 마이크로 여과에 적합한 중합체 멤브레인에 투입하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 멤브레인의 표면은 아주 복잡하고 첨가제 성분들에 민감하므로, 화학물질의 투입은 멤브레인의 염소 제거성 및 투과성을 감소시킬 수 있다.

공급용액(즉, 여과될 물)은 필터를 통과하는 데, 결과적으로, 모든 입자들과 용해된 용질들은 필터 매체 내에 또는 그 위에 보존된다. 이에 의해 필터 매체의 표면상에 농도 분극(concentration polarization)을 증대시키게 되어 필터의 오염을 야기한다. 측면 여과 방식에서는 공급 용액이 일정 압력(예, 공급 용액의 삼투압력보다 큰 압력)에서 필터 매체의 표면을 횡단하여 흐르도록 설계된다. 따라서, 공급 용액의 일부가 필터 매체를 통과하게 된다.

측면 여과방법은 많은 고체 함유량을 갖는 공급용액의 여과를 할 수 있는 데, 이는 고체가 침착되어 있는 표면의 반대되는 필터의 표면에 횡단하면서 세척될 수 있다. 이러한 필터를 가로지르는 공급 용액의 측면여과는 측면 여과 필터가 오염이 발생하는 데 나쁜 영향을 준다.

측면여과 필터의 나권형(sprial wound) 설계의 특성으로 인하여, 그러한 필터들은 통상적으로 시스템을 통한 일방향의 흐름만을 허용하도록 설계되었다. 그와 같이, 필터들의 나권형 설계는 그의 표면을 세탁하도록 물 또는 공기의 요동에 의한 역류를 허용하지 못한다. 누적된 물질들은 멤브레인 표면으로부터 제거될 수 없기 때문에, 그러한 측면여과 필터 시스템들은 오염되기 쉽고 생산능력을 저하시킨다. 이에 따라, 역삼투 측면 여과 필터와 같은 수 처리막은 미생물부착 등의 오염을 제거할 수 있는 공정이 추가적으로 필요하였다.

따라서, 미생물부착 등의 오염이 발생하는 것을 방지하거나 최소화하여 오염을 제거하는 공정을 최소화 할 수 있는 수처리 필터의 기술개발이 요구되었다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 공급 스페이서에 미생물에 의한 막 오염현상을 방지할 수 있는 수처리 필터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 오랜 시간 사용하더라도 유량의 감소가 적은 수처리 필터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 수처리 필터에 미생물에 의한 막 오염이 형성되었을 때, 전도성 공급 스페이서에 전류를 인가하여 필터를 세정할 수 있는 수처리 필터를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 나권형 수처리 필터에 있어서, 천공된 침투수 수집튜브; 상기 침투수 수집튜브 주위에 침투성 스페이서, 멤브레인 및 공급 스페이서로 이루어진 반투과성 멤브레인이 복수개의 나선형으로 감겨 형성되되, 상기 공급 스페이서에 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 공급 스페이서가 메시 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 공급 스페이서가 전류를 통하게 하기 위해 전도성 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 전도성 고분자 물질가 폴리에틸렌, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터를 제공한다.

또한 본 발명의 상기 공급 스페이서는 전류를 통하게 하기 위해 고분자 물질에 전도성 금속 물질이 포함되거나 외부에 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 도포가 코팅, 딥코팅, 컴파운딩, 침착 프로세스 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 전도성 금속 물질이 리튬, 바륨, 칼슘, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 니켈, 주석, 구리, 은, 백금 및 금 등으로 이루어진 금속 중에서 1이상 포함되거나 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 침투성 스페이서는 전도성 고분자 물질이거나, 또는 전류를 통하게 하기 위해 고분자 물질에 전도성 금속 물질이 포함되는 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터를 제공한다.

본 발명에 따른 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터는 공급 스페이서에 전류가 통하게 함으로써 공급 스페이서에 미생물에 의한 막 오염 현상이 방지되어 오랜 시간 사용하더라도 생물부착이 확연히 줄어드는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터는 전류를 인가하기 전과 비교하여 15 ~ 30%의 유량 회복현상이 나타나는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 필터에 전압을 인가한 후 시간에 따른 미생물의 탈착을 관찰한 것이다.
도 4는 필터에 전압값을 달리하여 전압을 인가한 후 유량 흐름의 차이를 관찰한 것이다.
도 5 내지 도 7은 실시예 1 내지 실시예 3에서 유량흐름 변화를 나타낸 것이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 발명은 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터에 관한 것으로, 천공된 침투수 수집튜브; 상기 침투수 수집튜브 주위에 침투성 스페이서, 멤브레인 및 공급 스페이서를 포함하여 이루어진 반투과성 멤브레인이 복수개 나선형으로 감겨 형성되되, 상기 공급 스페이서에 전류가 공급되는 것을 특징으로 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터의 개략도를 나타낸 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터(100)는 전체적으로 원통형으로 이루어져 있으며, 수처리를 실시하는 경우에 처리될 물 또는 유체는 입구부(131)로 들어와서 출구부(132)으로 나가게 된다. 공급용액이 수처리 필터(100)에 의해 여과되면서 투과액(10)과 농축액(20)으로 출구부(132)를 빠져나가는데, 이 투과액(10)은 여과수(즉, 묽은 용액)이고, 농축액(20)은 고농도용액(즉, 오염물 함유용액)이다.

상기 나권형 수처리 필터(100)는 천공된 침투수 수집튜브(120), 천공된 침투수 수집튜브(120)를 감싸는 반투과 멤브레인(110) 및 외피(28)로 구성될 수 있다. 바람직하게는 상기 나권형 수처리 필터(100)는 상기 천공된 침투수 수집튜브(120) 둘레에 나선형으로 감긴 상기 반투과 멤브레인(110)으로 구성될 수 있다. 상기 나권형 수처리 필터(100)는 다양한 층들의 반투과 멤브레인(110)이 상기 천공된 침투수 수집튜브(120) 주위에 나선형으로 감긴 나권형 필터로 알려져 있다.

본 발명에 따른 나권형 수처리 필터의 작동을 살펴보면 다음과 같다.

공급용액(즉, 폐수, 오염수, 염수 등)이 상기 입구부(131)를 통해 공급되는 데, 상기 공급용액은 전도성 공급 스페이서의 중첩된 층에 의해 형성된 반투과 멤브레인(110)층들 사이에서 흐를 수 있게 된다. 상기 공급용액은 삼투압 이상의 압력에서 필터를 통과하여 필터(100)의 멤브레인 층들을 통한 용매의 역삼투를 조장한다. 전도성 공급 스페이서층(113)은 필터(100)를 통한 공급용액의 흐름 통로를 제공하게 된다. 상기 전도성 공급 스페이서층(113)을 통해 공급용액이 비층상으로 흐름으로써 전도성 공급 스페이서는 통과중인 공급용액과 접촉하는 표면적을 극대화시킬 수 있다. 상기 공급용액은 전도성 공급 스페이서를 통과하고 난 후에 멤브레인층(112)에 의해 여과된 다음 상기 침투성 스페이서(111)를 지나가고, 상기 침투성 스페이서는 상기 여과수(투과액)를 상기 천공된 침투수 수집튜브(120)로 운반한다. 상기 투과액(10)은 출구부(132)에서 상기 천공된 침투수 수집튜브(120)를 통해 역삼투 필터(100)를 빠져 나가고, 상기 농축액(20)은 출구부(132)에서 전도성 공급 스페이서층(113)을 통해 빠져 나가게 된다.

먼저, 반투과 멤브레인(semi-permeable membrane)을 살펴보면, 상기 반투과 멤브레인(110)은 침투성 스페이서(111), 멤브레인층(112) 및 전도성 공급 스페이서층(113)으로 구성될 수 있다. 상기 반투과 멤브레인(110)층들은 다음과 같은 순서로 적층될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 반투과 멤브레인(110)은 침투성 스페이서(111), 멤브레인층(112), 전도성 공급 스페이서층(113) 및 멤브레인층(112)으로 적층될 수 있다.

이와 같이 침투성 스페이서(111)가 적층된 다음 멤브레인층(112)이 적층되고, 상기 멤브레인층이 적층된 다음 전도성 공급 스페이서층(113)이 적층되고, 상기 공급스페이서층 상부에 다시 멤브레인층(112)이 적층될 수 있다. 침투성 스페이서(111), 멤브레인층(112) 및 전도성 공급 스페이서층(113)의 다양한 층들은, 예컨대 다양한 층들을 함께 접착함으로써 조립될 수 있다.

상기 반투과 멤브레인(110)은 천공된 침투수 수집튜브(120) 둘레에 나선형으로 감겨 형성될 수 있는 데, 바람직하게는 상기 반투과 멤브레인(110)은 천공된 침투수 수집튜브(120) 둘레에 약 1~6회 감겨 있으며, 나권형 수처리 필터(100)의 총 직경은 약 5 ~ 50㎝가 될 수 있다. 반투과 멤브레인(110)은 접착제 등을 통해 상기 천공된 침투수 수집튜브(120)에 부착된다. 이와 같은, 접착제 부착은 당해 기술분야의 흔히 알려져 있어 이에 대한 자세한 기술은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 전도성 공급 스페이서층(113)은 원수가 통과하는 통로를 만들어 주는 역할을 하는 것으로 3차원 구조층으로 형성되어 있다. 또한, 고도의 다공성을 갖도록 구성되어 있다. 상기 전도성 공급 스페이서층은 고분자 물질, 금속, 합금, 조합물, 텍스타일 등과 같이 의도된 용도에 충분한 재료들로 형성될 수 있는 데, 상기 전도성 공급 스페이서층(113)은 전류가 통할 수 있도록 하는 것이 특징이다.

전도성 공급 스페이서에 전류가 통하게 함으로써 전도성 공급 스페이서에 미생물에 의한 막오염 현상이 방지되어 오랜 시간 사용하더라도 생물부착이 확연히 줄어들며 전류를 인가하기 전과 비교하여 15 ~ 30%의 유량 회복현상이 나타난다.

전도성 공급 스페이서층(113)에 전류를 통하게 하는 방법은 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들면 전도성 공급 스페이서층(113) 자체에만 전류를 통하게 하거나, 또는 침투성 스페이서와 전도성 공급 스페이서에 전압을 인가하여 전도성 공급 스페이서층에 전류가 통하도록 할 수도 있다. 침투성 스페이서와 전도성 공급 스페이서에 전압을 인가하는 경우에는 침투성 스페이서 또한 전도성 물질이어야 할 것이다.

본 발명은 상기 전도성 공급 스페이서에 전류가 흐를 수 있도록 전위차 발생물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 데, 상기 전도성 공급 스페이서에 적용 가능한 고분자 물질은 전도성 고분자 물질인 것이 바람직하다. 상기 전도성 고분자 물질은 폴리에틸렌, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 등으로 이루어진 군에서 1이상 선택하는 것이 진 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 고분자 물질에 금속 등의 전도성 물질이 포함되어 있거나, 외부에 도포(코팅)되어 형성될 수도 있다.

바람직한 고분자 물질로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴섬유, 아크릴로니트릴부타디엔 스티렌(ABS), 셀룰로스아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 플루오로폴리머, 라텍스, 플라스티졸, 폴리아미드, 나일론, 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(PBT), 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 써모플라스틱 일래스토머(TPE), 및 써모플라스틱 우레탄 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 금속 물질로는 리튬, 바륨, 칼슘, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 니켈, 주석, 구리, 은, 백금 및 금 등으로 이루어진 금속 중에서 1이상 포함되거나 이들의 합금일 수 있다.

상기 전도성 공급 스페이서에 포함되는 금속물질은 물리적 결합 또는 화학적 결합으로 이루어질 수 있다. 예를 들면 스페이서 내부에 존재하거나, 피막으로 혼합되거나, 표면에 분배되어 도포될 수 있다. 전도성 공급 스페이서에 금속물질을 도포하는 방법들은 스프레이 코팅, 딥코팅, 컴파운딩, 침착 프로세스 등을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전도성 공급 스페이서층(113)은 두께가 약 0.5~1.3 mm인 것이 바람직한 데, 상기 두께로 형성됨으로 반투과 멤브레인(110)의 권선층들 사이에 공간을 형성한다. 전도성 공급 스페이서층(113)에 의해 형성된 공간에 의해 2개의 인접한 반투과 멤브레인 시트들이 격리되고, 이로써 들어오는 공급용액인 멤브레인 표면에 연속한 난류흐름을 조장하면서 멤브레인층(112)을 가로질러 흐르게 하고, 이 때문에 멤브레인 표면들이 청결하게 유지되면서 상기 멤브레인 표면들 부근에 분산된 즉, 일시적인 유체 흐름으로 인한 농도 분극화 현상(concentration polarization)이 제한된다.

상기 전도성 공급 스페이서층(113)은 메시 형상으로 이루어지는 것이 바람직한 데, 공급용액의 비정상 즉 일시적 흐름이 상기 전도성 공급 스페이서층(113)의 메시형상에 의해 부분적으로 촉진될 수 있다.

상기 전도성 공급 스페이서층(113)은 몰딩, 압출, 캐스팅 등과 같은 통상의 수단에 의해 형성될 수 있다.

바람직하게는 전도성 공급 스페이서층은 메시형 그물망을 형성하도록 필라멘트들을 압출하기 위해 압출다이를 포함하는 압출프로세스에 의해 형성될 수 있다.

또한, 멤브레인층(112)은 다양한 베이스 지지층들로 구비될 수 있다. 이러한 멤브레인은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있고, 이들의 구조, 기능 및 동작에 대한 상세한 설명은 본 발명의 이해를 위해 필요한 것은 아니므로 자세한 기술은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 멤브레인층(112)은 역삼투 여과, 나노 여과, 울트라 여과 및 마이크로 여과 분야에 흔히 알려져 있고 사용되는 통상적인 멤브레인일 수 있다. 본 발명에 적용가능한 예시적인 멤브레인층은 폴리에스테르 기반층, 폴리술폰층 및 폴리아미드층을 포함할 수 있다. 상기 폴리술폰층은 반투과 폴리술폰층이고 상기 폴리아미드층은 미소다공성 폴리아미드층이다. 이러한 멤브레인층(112)은 당해 기술분야의 통상적인 기술로 제조될 수 있다.

또한, 상기 침투성 스페이서(111)는 멤브레인층(112)에 인접하여 형성되는 데, 바람직하게는 멤브레인층(112)들 사이에 형성되어 반투과 멤브레인(110)을 통해 상기 천공된 침투수 수집튜브(120)로 투과액을 운반하는 통로를 제공한다. 상기 침투성 스페이서(111)는 에폭시 피막 또는 비피막 폴리에스테르로 구성될 수 있고, 약 0.1~1.0mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

상기 침투성 스페이서(111)는 에폭시 피막 또는 비피막 폴리에스테르로 구성될 수 있으나, 침투성 스페이서(111)에 전압을 인가하여 전도성 공급 스페이서층(113)에 전류를 흐르게 하는 경우에는 전도성 물질을 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기에서 설명한 전도성 공급 스페이서와 동일한 물질로 제조될 수 있다.

즉, 상기 침투성 스페이서는 전도성 고분자 물질이거나, 또는 전류를 통하게 하기 위해 고분자 물질에 전도성 금속 물질이 포함되거나 외부에 도포되어 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 나권형 수처리 필터에 있어서, 천공된 침투수 수집튜브(120)에 대하여 살펴보면, 상기 천공된 침투수 수집튜브는 복수개의 구멍이 형성된 중공 원통형의 튜브로 구성되어 투과액(예컨대, 여과수)이 통과할 수 있게 한다. 상기 천공된 침투수 수집튜브(120)는 길이가 약 30 ~ 180㎝이며, 내경은 약 2~15㎝인 것이 바람직하다. 또한, 상기 천공된 침투수 수집튜브(120)는 직경이 약 1~8mm 구멍을 포함하고 있으며, 이 구멍들은 단위 ㎡당 약 800~1200개의 구멍밀도를 가질 수 있다. 상기 천공된 침투수 수집튜브(120)는 금속, 고분자 물질, 이들의 조합물 또는 합성물로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 나권형 수처리 필터(100)는 외피층(140)을 포함할 수 있는 데, 상기 외피층은 최종 수처리 필터(100)를 완성하는데 필요한 다른 층들을 포함할 수 있다. 상기에서 설명한 멤브레인층(112), 전도성 공급 스페이서 및 침투성 스페이서(111)의 조립된 층들이 나선구조로 상기 천공된 침투수 수집튜브(120) 주위에 감긴다. 상기 반투과 멤브레인(110)과 외피층(140)의 나선형 층은 입구부(131)과 출구부(132) 양측에서 단부캡(133)으로 씌워질 수 있다.

일반적으로 단부캡(133)은 반수축성(anti-telescoping) 캡/디바이스라고 한다. 상기 단부캡(133)의 기능 중 하나는 상기 나권형 반투과 멤브레인(110)이 공급용액 흐름 방향으로 바깥쪽으로 수축하지 않도록 하는 것이다. 들어오는 공급용액 흐름과 마주하는 입구부(131)의 단부캡(133)은 상기 요소와 내부용기 측벽 사이의 환형갭 안으로 흐르지 않고 입구부(131) 전도성 공급 스페이서층(113)의 시트 안으로 상기 공급용액을 되돌리게 하는 기능을 한다.

바람직하게 본 발명은 흐름이 일시적이거나 비정상인 동안에 공급용액이 전도성 공급 스페이서에 노출되도록 한다. 전류가 통하고 있는 전도성 공급 스페이서는 표면에 생물막 성장을 상당히 저감시킬 뿐만 아니라, 연속한 멤브레인층(112) 표면들의 미생물부착을 방지하기도 한다.

이것은 멤브레인층의 미생물부착을 방지하는 현재의 기술로서 멤브레인층(112) 내부에 생물부착을 방지하는 방법을 제공하는 중요한 기술이다. 상기 나권형 수처리 필터(100)는 천공된 침투수 수집튜브(120), 상기 천공된 침투수 수집튜브(120) 주위에 감긴 적어도 하나의 침투성 스페이서(122), 상기 침투성 스페이서(122)에 근접한 적어도 하나의 멤브레인층(124) 및 상기 멤브레인층(124)에 근접한 적어도 하나의 전도성 공급 스페이서(126)를 포함할 수 있다. 상기 침투성 스페이서층(122)이 상기 천공된 침투수 수집튜브(120)의 종방향 부분을 따라 연결될 수 있다.

상기 외피층(140)은 예를 들면 폴리프로필렌으로 형성될 수 있으며, 상기 외피층이 형성된 후에 접착제를 이용하여 부착할 수 있다. 상기 외피층(140)은 전체 나권형 반투과 멤브레인(110) 둘레에 감길 수 있으며, 선택적으로 최종 외피층이 외피층 둘레에 감길 수 있다. 상기 최종 외피층은 에폭시수지 또는 에폭시 수지에 포화된 유리섬유 조합체로 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 상기 전도성 공급 스페이서에 전류가 통하게 함으로써 전도성 공급 스페이서에 미생물에 의한 막 오염 현상이 방지되어 오랜 시간 사용하더라도 생물부착이 확연히 줄어들며 전류를 인가하기 전과 비교하여 15 ~ 30%의 유량 회복현상이 나타난다. 이는 수처리 필터에 1mg/L의 염소로 세정하는 경우에 약 6%의 유량증가가 일어나는 것과 비교하면 월등히 유량 증가 효과가 있음을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

나권형 수처리막 제조

수처리 필터(100)을 제조하였는 데, 반투과 멤브레인(110)은 침투성 스페이서(111), 멤브레인층(112), 전도성 공급 스페이서층(113) 및 멤브레인층(112)으로 적층하여 제조하였다. 즉, 침투성 스페이서(111)가 적층된 다음 멤브레인층(112)을 적층하고, 상기 멤브레인층이 적층된 다음 전도성 공급 스페이서층(113)이 적층하고, 상기 공급스페이서층 상부에 다시 멤브레인층(112)이 적층하였으며, 접착함으로써 반투과 멤브레인(110)을 제조하였다.

상기 반투과 멤브레인(110)은 천공된 침투수 수집튜브(120) 둘레에 나선형으로 감아서 형성하였다. 나권형 수처리 필터(100)의 총 직경은 약 15㎝가 되도록 제조하였다.

생물막 제어 실험

상기에서 제시한 전도성 공급 스페이서에 48시간동안 생물막을 형성한 후, 전압을 인가하여 전류를 흐르게 하였다.

전도성 공급 스페이서에 48시간동안 생물막을 형성한 후, +1V 전압 또는 -1V 전압을 인가하여 시간에 따른 미생물의 탈착을 관찰하였다.

도 3은 필터에 전압을 인가한 후 시간에 따른 미생물의 탈착을 관찰한 것이다.

도 3을 살펴보면, 전압을 인가하는 시간이 많을수록 생물막을 제어하는 것이 효과적임을 확인할 수 있다.

전압 세기에 따른 유량흐름 실험

상기에서 제시한 전도성 공급 스페이서에 48시간동안 생물막을 형성한 후, 전압의 크기에 따른 미생물 탈착을 관찰하였다.

도 4는 필터에 전압값을 달리하여 전압을 인가한 후 유량 흐름의 차이를 관찰한 것이다.

도 4를 살펴보면, 전압값이 높을수록 유량흐름이 높아짐을 알 수 있는 바, 전압값이 높을수록 생물막 제거에 효과적임을 확인할 수 있다.

수처리 후 유량흐름 관찰 실험

상기에서 제조된 나권형 수처리막을 준비하여 공급용액이 수처리 필터(100)에 의해 여과되면서 투과액과 농축액으로 출구부에서 통과되도록 하였는 데, 24시간이 지난 후에 전압을 인가하여 전류를 흐르게 하였다.

나권형 수처리막 3개를 준비하여 각각 수처리를 실시하면서, 24시간 지난 후에 전압을 1V로 하여 10분동안 전류를 흐르도록 하였다.(실시예 1)

또한, 수처리를 실시하여 24시간이 지난 후에 전압을 -1V로 하여 30분동안 전류를 흐르도록 하였다. (실시예 2)

또한, 수처리를 실시하여 24시간이 지난 후에 전압을 1V로 하여 30분동안 전류를 흐르도록 하였다. (실시예 3)

도 5 내지 도 7은 실시예 1 내지 실시예 3에서 유량흐름 변화를 나타낸 것이다.

실시예 1을 살펴보면 수처리를 실시한 24시간 이후에 1V로 하여 10분동안 전류를 흐르게 한 경우 일시적으로 약 15%의 유량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2의 경우 약 30%의 유량증가를, 실시예 3의 경우 약 25%의 유량증가를 확인할 수 있었다.

이를 바탕으로 살펴볼 때, 전도성 공급 스페이서층에 전류를 인가하였을 경우에 유량흐름이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이로 인해 전도성 공급 스페이서층에 미생물에 의한 막 오염 현상을 제거하는 효과가 있음을 알 수 있다.

이는 수처리 필터에 1mg/L의 염소로 5분간 세정하는 경우에 약 6%의 유량증가가 일어나는 것과 비교하면 월등한 유량증가 효과가 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

10 : 투과액 20 : 농축액
100 : 나권형 수처리 필터 110 : 반투과 멤브레인
111 : 침투성 스페이서 112 : 멤브레인층
113 : 전도성 공급 스페이서층 120 : 천공된 침투수 수집튜브
131 : 입구부 132 : 출구부
133 : 단부캡 140 : 외피층

Claims (8)

1. 나권형 수처리 필터에 있어서,
   천공된 침투수 수집튜브;
   상기 침투수 수집튜브 주위에 침투성 스페이서, 멤브레인 및 전도성 공급 스페이서를 포함하여 이루어진 반투과성 멤브레인이 복수개의 나선형으로 감겨 형성되되,
   상기 전도성 공급 스페이서에 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전도성 공급 스페이서는 메시 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 전도성 공급 스페이서는 전류를 통하게 하기 위해 전도성 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 전도성 고분자 물질은 폴리에틸렌, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 전도성 공급 스페이서는 전류를 통하게 하기 위해 전도성 금속 물질을 전도성 공급 스페이서를 이루는 고분자 물질에 포함하거나 또는 외부에 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 도포는 코팅, 딥코팅, 컴파운딩, 침착 프로세스 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 전도성 금속 물질은 리튬, 바륨, 칼슘, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 니켈, 주석, 구리, 은, 백금 및 금으로 이루어진 금속 중에서 1이상 포함되거나 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터.
   
8. 제1항에 있어서
   상기 침투성 스페이서는 전도성 고분자 물질이거나, 또는 전류를 통하게 하기 위해 고분자 물질에 전도성 금속 물질이 포함되는 것을 특징으로 하는 전도성 스페이서를 포함한 나권형 수처리 필터.

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