KR101981041B1 - 유체 분리막 및 이를 포함하는 유체 분리 장치 - Google Patents
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Abstract
유체 분리관 및 이를 포함하는 유체 분리 장치가 제공된다. 유체 분리막은 복수의 표면 요철 및 복수의 내부 기공을 포함하되, 두께 방향으로 일측 표면과 타측 표면을 관통하는 완전한 개방로를 구비하지 않는다. 유체 분리 장치는 복수의 표면 요철 및 복수의 내부 기공을 포함하되, 두께 방향으로 일측 표면과 타측 표면을 관통하는 완전한 개방로를 구비하지 않는 튜브 형상의 유체 분리막, 및 유체 분리막의 내부에 배치된 이격재를 포함한다.
Description
본 발명은 유체 분리막 및 이를 포함하는 유체 분리 장치에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 관심의 대상이 되는 지구 온난화는 이산화탄소와 메탄가스 등에 의한 온실효과가 큰 역할을 하고 있다. 이러한 온난화는 생태계를 교란시킬 뿐만 아니라 인간의 사회생활에 커다란 영향을 미치고 있어서 온실가스의 대기 중 방출을 줄이고자 하는 노력이 여러 방면에서 진행되고 있다.
이산화탄소는 최근 온실가스로 가장 주목을 받는 것 중 하나이다. 이산화탄소는 하수처리장, 폐수처리장 및 매립장 등에서는 폐기물 연소 시에 생성되는 것 외에도 화력 발전소 또는 제철소 등에서 다량 생성될 수 있다. 따라서, 폐가스 중에서 이산화탄소만을 분리하여 제거하는 기술이 연구되고 있다. 이산화탄소 이외에도, 수소 연료에 대한 관심이 증폭되면서, 수소 가스를 분리하는 기술도 많은 관심의 대상이 되고 있다. 또한, 순수하게 분리된 산소나 질소 등도 다양한 분야에 활용이 가능하기 때문에 그 분리 방법에 대한 연구가 지속되고 있다. 향후, 특정 기체나 액체의 활용 기술이 발전함에 따라, 더욱 다양한 유체에 대한 분리 기술이 필요할 것으로 전망된다.
특정 유체의 분리는 단순히 분리 이론을 정립하는 것만으로는 산업계에서 활용하기 어렵다. 일 예로, 이산화탄소 분리 기술은 흡수법, 흡착법, 심냉법 또는 막분리법 등이 오래 전부터 제시되어 왔지만, 막대한 에너지가 필요하다거나, 부작용이 있다든지, 대형화가 어렵다는 등의 현실적인 이유로 현재까지 상용화된 예는 극히 미미한 수준이다.
그나마, 막분리법이 다른 방법에 비해 상대적으로 저에너지를 사용하기 때문에, 상용화에 적합하다는 평가가 있다. 막분리법에서 지금까지 연구되고 있는 방향은 주로 분리막의 분리 효율을 높이는 데에 있다. 실험실 내에서 90% 이상의 분리 효율을 나타낼 수 있는 작은 사이즈(예컨대 1인치X1인치)의 분리막을 개발하는 것이 1차 목표이다. 대형화 및 상용화는 그 다음 과제로 여겨지고 있다.
실험실 내에서 90% 이상의 분리 효율을 얻어내기 위하여, 많은 연구자들은 분리막의 두께를 보다 얇게 만들고, 분리막 내외부의 압력 차이를 보다 높게 설정하고자 한다. 그러나, 두께가 얇고, 압력이 높을수록 분리막의 내구성이 취약해진다. 따라서, 일부의 연구자들은 위와 같은 조건에서도 내구성을 갖춘 분리막의 재질에 대한 연구도 병행한다.
그러나, 위와 같이 실험실 수준에서 고효율 분리막을 개발하였다 하더라도, 이를 상용화하는 것은 별개의 문제이다. 우선, 박막의 분리막은 대량으로 생산하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 고가의 원재료를 사용하여야 하므로 생산 비용도 크게 증가한다. 또한, 박막의 분리막을 대형화된 장비에 적용하려면 수 많은 분리막을 조립하여야 하므로, 조립 시간 및 조립 비용이 증가한다. 또한, 고효율을 위해 높은 압력을 사용하므로 처리비용이 증가한다. 이론적으로 분리가 가능하더라도 생산 및 처리 비용 등이 과도하면, 현실적인 상용화는 불가능하다.
따라서, 낮은 처리 비용을 가지면서도 비용 대비 우수한 분리 효율을 갖고, 상업적인 규모로 적용가능한 유체 분리 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분리 효율이 개선된 유체 분리막을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 분리 효율이 개선된 유체 분리 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리관 유체 분리막은 복수의 표면 요철 및 복수의 내부 기공을 포함하되, 두께 방향으로 일측 표면과 타측 표면을 관통하는 완전한 개방로를 구비하지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치는 복수의 표면 요철 및 복수의 내부 기공을 포함하되, 두께 방향으로 일측 표면과 타측 표면을 관통하는 완전한 개방로를 구비하지 않는 튜브 형상의 유체 분리막, 및 상기 유체 분리막의 내부에 배치된 이격재를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유체 분리막 및 유체 분리 장치에 의하면, 유체 분리막이 표면 요철 및 내부 기공을 포함하므로, 분리 효율이 개선되면서도 기계적으로 두껍고 튼튼하면서도 얇은 막의 효과를 낼 수 있다. 따라서, 제조 및 취급이 용이하고, 대형화가 가능하여, 상업적인 규모로 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막의 사시도이다.
도 5는 도 4의 V-V'선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 유체 분리막과 그 내부에 삽입된 이격재가 삽입된 형상을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 이격재의 평면도이다.
도 8은 도 6의 VIII-VIII'선을 따라 자른 단면도이다.
도 9는 유체 분리막에 이격재를 삽입하는 과정을 보여주는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막의 사시도이다.
도 5는 도 4의 V-V'선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 유체 분리막과 그 내부에 삽입된 이격재가 삽입된 형상을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 이격재의 평면도이다.
도 8은 도 6의 VIII-VIII'선을 따라 자른 단면도이다.
도 9는 유체 분리막에 이격재를 삽입하는 과정을 보여주는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 유체 분리 장치(1)는 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 분리하는 데에 사용되는 장치이다.
유체는 기체나 액체일 수 있다. 유체 혼합물(MF)은 서로 다른 복수의 유체를 포함한다. 예를 들어, 유체 혼합물(MF)은 화력발전소나 공장의 배기가스, 자동차 배기가스, 부생 가스, 폐기물 매립가스, 폐수 등일 수 있다.
복수의 기체는 상호 균일하게 완전히 혼합될 수도 있지만, 그에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 유체 혼합물이 배치된 공간 내에서 특정 부위에는 제1 유체만 존재하고, 다른 특정 부위에는 제2 유체만 존재할 수도 있다. 또한, 특정 부위에서의 제1 유체의 함량이 다른 특정 부위에서의 제1 유체의 함량보다 클 수도 있다.
특정 유체의 분리는 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 완전히 분리하는 것 뿐만 아니라, 입력된(제공된) 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체의 함량이 높아진 유체 혼합물(F1, F2)을 출력(생성)해내는 것을 포함한다. 입력되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 그 함량비가 3:1인 경우를 예로 하여 설명하면, 출력되는 유체(MF1, MF2)가 100% 이산화탄소인 경우 또는 출력되는 유체 혼합물(MF1, MF2)의 질소와 이산화탄소 함량비가 3:1보다 작은 경우에는 이산화탄소의 분리가 이루어진 것으로 해석된다. 출력되는 유체(MF1, MF2)가 100% 질소이거나 출력되는 유체 혼합물(MF1, MF2)의 질소와 이산화탄소 함량비가 3:1보다 큰 경우에는 질소의 분리가 이루어진 것으로 해석된다. 아울러, 특정 유체의 함량이 높아진 정도가 클수록 특정 유체 분리의 효율이 높은 것으로 해석된다.
분리되는 유체의 예로는 상술한 이산화탄소나 질소 이외에도 다양할 수 있다. 예를 들어, 아세톤, 암모니아, 아르곤, 벤젠, 부탄(n-C4H10), 이황화탄소(CS2), 일산화탄소, 에탄, 에틸렌, 헬륨, 헥산(n-C6H14), 수소, 황화수소, 메탄, 메탄올, 일산화질소, 이산화질소, 아산화질소(N2O), 옥탄, 산소, 펜탄, 프로판, 이산화황, 톨루엔, 수증기 등이 분리되는 대상 유체가 될 수 있으나, 그에 제한되는 것은 아니다.
유체 분리 장치(1)는 챔버(20) 및 챔버(20) 내부에 배치된 유체 분리막(10)을 포함한다.
유체 분리막(10)은 튜브 형상으로 이루어질 수 있다. 유체 분리막(10)의 내부(10s1)와 유체 분리막(10)의 외부(10s2)는 유체 분리막(10)을 기준으로 물리적으로 분리되어 있다. 즉, 유체 분리막(10)을 기준으로 공간이 분할된다. 적어도 일부의 유체는 유체 분리막(10)을 통과하여 유체 분리막(10)의 내외부(10s1, 10s2)를 소통할 수 있고, 이것이 특정 유체 분리에 이용된다.
챔버(20)는 제한된 공간을 제공한다. 챔버(20) 내부의 공간은 챔버(20) 외부의 공간과 물리적으로 구분된다. 챔버(20)는 내부에 공급되는 유체의 이동을 공간적으로 제한한다. 또한, 챔버(20)는 그 내부의 온도, 압력, 습도 등과 같은 다양한 공정 변수를 챔버(20) 외부와 상이하게 독립적으로 제어하도록 할 수 있다. 챔버(20)의 제한된 공간은 반드시 밀폐된 공간만을 의미하지는 않으며, 외부와 소통하는 개방 공간을 포함할 수 있다.
예를 들어, 챔버(20)는 적어도 3개의 유체 출입구(21, 22, 25)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 챔버(20)는 유체 투입구(25), 제1 유체 배출구(21), 및 제2 유체 배출구(22)를 포함한다.
제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)는 유체 혼합물 또는 유체(F1, F2)가 챔버 외부로 배출(출력)되는 통로가 된다. 유체 분리막(10)의 내부 공간은 제1 유체 배출구(21)와 공간적으로 연결되거나, 제1 유체 배출구(21)를 통과하여 일단(10E1)이 챔버(20)의 외부로 노출된다. 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(10)의 내부 공간과 연결되지 않는다.
유체 투입구(25)는 유체 혼합물(MF)이 챔버(20) 내부로 투입(입력)되는 통로가 된다. 일 실시예에서, 유체 투입구(25)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유체 분리막(10)의 내부 공간과 연결되지 않는다. 이 경우, 유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 챔버(20) 내부이자 유체 분리막(10)의 외부(10s2)로 투입된다. 챔버(20) 내부에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리막(10)을 통해 유체 분리막(10)의 내부(10s1)로 이동한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('MF1' 참조)되고, 유체 분리막(10) 외부(10s2)에 잔류한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('MF2' 참조)될 수 있다. 유체 투입구(25)를 통해 제공되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 유체 분리막(10)을 통한 이산화탄소의 이동도가 질소보다 높을 경우, 유체 분리막(10) 외부(10s2)는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지면서 질소의 농도는 상대적으로 높아지고, 유체 분리막(10) 내부(10s1)는 이산화탄소의 농도가 높아지면서 질소의 농도는 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 제2 유체 배출구(22)에서는 상대적으로 질소의 함량이 높은 유체 혼합물(MF2)이 배출되고, 제1 유체 배출구(21)에서는 상대적으로 이산화탄소의 함량이 높은 유체 혼합물(MF1)이 배출될 수 있다.
도 1에서는 유체 분리막(10)과 제1 유체 배출구(21)에 공간적인 연결을 위해 유체 분리막(10)의 일단(10E1)이 개방된 경우가 예시되어 있지만, 공간적인 연결이 반드시 일단(10E1)에서 이루어질 필요는 없고, 유체 분리막(10)의 단부가 아닌 길이 방향 중간 부분에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기한 유체 분리막(10)의 중간 부분에 개구가 형성될 것이며, 일단(10E1)은 폐쇄되어도 무방하다.
또한, 도 1에서는, 유체 분리막(10)의 타단(10E2)이 챔버(20) 내부에 배치되고 폐쇄되어 있는 경우가 예시되어 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 챔버(20)가 복수 개의 제1 유체 배출구(21)를 포함하는 경우, 유체 분리막(10)의 타단(10E2)은 개방될 수도 있다. 개방된 타단(10E2)은 다른 유체 배출구와 공간적으로 연결되거나, 그 유체 배출구를 통과하여 챔버(20)의 외부로 노출될 수 있다.
제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)를 통해 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)들은 각각 특정 성분들의 농도가 상대적으로 높아진 상태에 있게 되다. 제1 유체 배출구(21) 또는 제2 유체 배출구(22)에서 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)을 상기한 유체 분리 장치(1)에 다시 투입하거나, 다른 유체 분리 장치에 투입하는 것을 1회 이상 반복하면, 특정 성분의 농도를 더욱 높일 수 있다. 제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)에서 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)은 선택적으로 폐기되거나 탱크 등에 저장될 수 있고, 필요에 따라 다른 다양한 분야에 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(2)는 유체 혼합물(MF)이 유체 분리막(11)의 내부(11s1)로 투입되는 점에서 도 1의 실시예와 상이하다.
유체 분리막(11) 제1 유체 배출구(21)와 공간적으로 연결되거나, 제1 유체 배출구(21)를 통과하여 일단(11E1)이 챔버(20)의 외부로 노출되고, 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(11)과 공간적으로 연결되지 않는 점은 도 1의 실시예와 동일하다. 다만, 본 실시예의 경우, 유체 분리막(11)은 유체 투입구(25)와 공간적으로 연결되거나, 유체 투입구(25)를 통과하여 타단(11E2)이 챔버(20)의 외부로 노출될 수 있다.
유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 유체 분리막(11) 내부(11s1)로 투입된다. 유체 분리막(11) 내부(11s1)에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리막(11)을 통해 유체 분리막(11)의 외부(11s2)로 이동한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('MF2' 참조)되고, 유체 분리막(11) 내부(11s1)에 잔류한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('MF1' 참조)될 수 있다. 유체 투입구(25)를 통해 제공되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 유체 분리막(11)을 통한 이산화탄소의 이동도가 질소보다 높을 경우, 유체 분리막(11) 내부(11s1)는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지면서 질소의 농도는 상대적으로 높아지고, 유체 분리막(11) 외부(11s2)는 이산화탄소의 농도가 높아지면서 질소의 농도는 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 제1 유체 배출구(21)에서는 상대적으로 질소의 함량이 높은 유체 혼합물이 배출되고, 제2 유체 배출구(22)에서는 상대적으로 이산화탄소의 함량이 높은 유체 혼합물이 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(3)는 유체 분리막(12)이 판상형으로 형성된 점이 도 1의 실시예와 다른 점이다.
판상형의 유체 분리막(12)은 챔버(20) 내부를 막아 공간을 분리한다. 본 실시예의 경우, 유체 분리막(12)의 일측이 도 1의 유체 분리막(10)의 외부 공간에 대응되고, 유체 분리막(12)의 타측이 도 1의 유체 분리막(10) 내부 공간에 대응된다. 유체 투입구(25)과 제1 유체 배출구(21)는 유체 분리막(12)의 일측에 형성되고, 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(12)의 타측에 형성된다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 유체 분리막(12)이 챔버(20)의 내부 공간을 완전히 분할하지 않고, 대신 모듈화되어 제공될 수도 있다. 상기 모듈은 챔버(20) 내부에 배치되고, 해당 모듈 내에서 유체 분리막(12)이 공간을 분할하는 구조를 가질 수 있다. 상기 모듈은 외곽 공간을 한정하고 밀폐하는 최외곽 커버를 포함할 수 있고, 이 경우 챔버(20)는 생략될 수도 있다.
상술한 도 1 내지 도 3의 실시예에서, 유체 분리막(10, 11, 12)은 챔버(20) 내에 복수개가 배치될 수 있다. 튜브형 유체 분리막(10, 11)의 경우 복수의 유체 분리막(10, 11)이 인접 배치될 수 있다. 판상형 유체 분리막(12)의 경우, 복수의 유체 분리막(12)이 소정 간격을 가지며 나란하게 배치되어 챔버(20) 내부의 공간을 복수로 구분하거나, 복수의 유체 분리막(12)이 적층된 형태로 모듈화되어 제공될 수도 있다.
이하, 상술한 유체 분리막에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막의 사시도이다. 도 4는 튜브형 유체 분리막을 예시한다. 도 5는 도 4의 V-V'선을 따라 자른 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 튜브형 유체 분리막(100)은 일 방향(Z)으로 연장된 형상을 가질 수 있다. 유체 분리막(100)은 챔버 내부에서 길이 방향으로 연장된 상태로 배치될 수도 있지만, 1회 이상 절곡되어 배치될 수도 있다.
유체 분리막(100)의 연장 방향(Z)에 수직으로 자른 단면은 폐곡선을 이룬다. 유체 분리막(100)의 단면은 원형에 비해 찌그러진 형상을 갖는다. 유체 분리막(100)의 예시적인 단면 형상은 타원형이다. 타원과 원의 외주가 동일하다고 가정할 때, 타원은 원에 비해 차지하는 공간이 작다. 따라서, 동일한 공간 내에 원보다 타원이 더 많이 배치될 수 있다. 유체의 이동은 유체 분리막(100)을 통해 유체 분리막(100)의 두께 방향으로 이루어지므로, 유체가 유체 분리막(100) 표면에 노출되는 면적이 넓을 수록 유체의 이동량은 증가하게 된다. 유체 분리막(100)의 외주가 동일하다면 단면 형상이 원형이든 타원형이든 동일한 표면적을 갖기 때문에 유체의 이동량은 이론적으로 동일하다. 다만, 유체 분리막(100)의 단면 형상이 타원형이면 동일한 공간 내에 더 많은 수가 배치될 수 있으므로, 전체 표면적은 증가할 수 있다. 또한, 동수의 유체 분리막(100)을 적용하더라도, 동일한 공간 내에서 타원형의 경우가 원형의 경우에 비해 더 큰 외주, 다시 말하면 더 넓은 표면적을 가질 수 있다. 따라서, 타원형이 원형에 비해 공간 대비 유체 이동 효율은 더 큰 것으로 이해할 수 있다.
유체 분리막(100)의 단면 형상은 타원 이외에도 직사각형 또는 모서리가 둥근 직사각형 형상이나 일 방향이 길이가 상대적으로 긴 폐곡선 형상일 수 있다. 이 경우에도 원형에 비해 공간 대비 유체 이동 효율이 개선될 수 있다. 아울러, 유체 분리막(100)은 주름진 형상을 가질 수도 있다. 유체 분리막(100)이 주름진 형상을 가지면, 유체 분리막(100)은 제공된 공간 대비 더욱 넓은 표면적을 가질 수 있다.
이하의 실시예에서, 유체 분리관의 단면 형상은 타원형인 것을 예로 하여 설명하기로 한다. 또한, 단면 형상의 폭이 가장 큰 방향을 제1 방향(장경 방향, X)으로 정의하고, 그에 수직한 방향을 제2 방향(Y)으로 정의한다. 도 4를 참조하면, 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭(W1)은 제2 방향(Y)의 폭(W2)보다 크다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭(W1)은 이론적으로 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2π 보다 크고, 단면 외주 길이의 1/2이하이다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭(W1)이 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2π인 경우는 유체 분리막(100) 단면이 원인 경우이고, 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭(W1)이 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2인 경우는 유체 분리막(100)의 내벽이 실질적으로 밀착된 경우에 해당된다. 일 실시예에서, 유체 분리막(100) 제1 방향(X)의 폭(W1)과 유체 분리막(100) 단면 외주 길이의 비는 1/4 내지 49/100의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 비율이 1/4 이상이 되어야 공간 대비 실효적인 유체 이동 효율이 개선될 수 있다. 상기 비율이 49/100 이하로 유지하는 것이 유체 분리막(100)의 내벽이 완전히 밀착되어 유체 분리막(100)의 내부(100s1)가 폐쇄되는 것을 방지하는 데에 도움을 준다.
유체 분리막(100)의 단면을 원형으로 조정하였을 때의 유체 분리막(100)의 외경은 60mm 내지 300mm인 것이 바람직하다. 상기 외경이 60mm보다 작으면 유체 분리막(100)의 두께 대비 내경이 지나치게 작아지게 되어 유체 이동 효율이 작아질 수 있다. 한편, 유체 분리막(100)의 외경이 너무 크면, 공간 대비 유체에 노출되는 유체 분리막(100)의 표면적이 감소하여 유체 이동 효율이 작아진다.
유체 분리막(100)은 특정 유체의 소통을 허용한다. 유체 분리막(100)은 특정 유체를 유체 분리막(100)의 일측과 타측의 양 방향으로 소통시킬 수 있다. 특정 유체는 유체 분리막(100)의 표면에 용해, 흡수 또는 흡착되어 매질(110) 내부를 이동함으로써 소통될 수도 있고, 화학적인 결합과 분해를 통해 유체 분리막(100)을 통과할 수도 있을 것이다. 유체는 크누센 확산(Knudsen diffusion), 분자 확산(molecular diffusion), 표면 확산(surface diffusion), 초미세기공 확산(super micropore diffusion) 등과 같은 확산 방식이나, 여과, 삼투 등의 방식으로 이동할 수 있다.
특정 유체가 유체 분리막(100)을 통과하기 위한 에너지는 이에 제한되는 것은 아니지만, 유체 분리막(100) 일측과 타측(튜브 형상에서는 내외부)의 압력이나 유체의 농도 차이, 유체들이 갖는 운동 에너지, 유체와 유체 분리막(100) 사이에 상호 작용하는 물리적, 화학적 에너지 등에 의해 제공될 수 있다.
유체 분리막(100)은 셀롤로스 아세테이트, 폴리술폰, 실리콘 고무 등과 같은 고분자 물질이나 실리카계 세라믹스, 실리카계 유리, 알루미나계 세라믹스, 스텐레스 다공체, 티탄 다공체, 은 다공체 등의 무기 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 유체 분리막(100)을 구성하는 물질의 선택에는 혼합 유체의 종류와 분리하고자 하는 대상 및 유체의 선택도 뿐만 아니라, 제조 방법의 용이성, 대량 생산 가능성, 내구성 등이 함께 고려될 수 있다. 일반적으로 고분자 물질은 무기 물질보다 상대적으로 제조가 간편하다. 예를 들어 실리콘 고무의 경우, 압출 방식으로 원하는 형상을 만들기 쉽고, 대량 생산 또한 용이하다. 실리콘 고무는 그 종류 및 제조 방식에 따라 상이하긴 하지만, 이산화탄소와 질소의 선택비가 대략 3:1 이상이고, 5:1 이상인 것도 제조하기가 어렵지 않아서, 이산화탄소와 질소의 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 데에 용이하게 사용될 수 있다.
유체 분리막(100)은 플렉시블한 물질로 이루어질 수 있다. 유체 분리막(100)의 구성 물질이 플렉시블하면, 구부리기가 쉬워서 다양한 형상으로 설치하기 용이하다. 또한, 유체 분리막(100)은 신축성과 탄성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 튜브 형상의 유체 분리막(100)이 신축성과 탄성이 있으면, 유체 분리막(100) 내부에 이격재(도 6의 '150')를 삽입하였을 때, 이격재의 폭 방향으로 잘 늘어나고, 복원력에 의해 이격재의 유동을 억제할 수 있다. 실리콘 고무는 위와 같은 특성들을 모두 갖고 있어, 우수한 유체 분리막(100) 재료가 될 수 있다.
본 명세서에서, 유체 분리막(100)의 두께는 일측 표면으로부터 타측 표면 사이의 거리로 정의된다. 유체 분리막(100)에 표면 요철(112, 113)이 형성된 경우에도, 유체 분리막(100)의 두께는 표면을 지나는 가상의 평면이 기준이 되어 측정된다.
유체 분리막(100)의 두께(d1, d2)는 외주를 따라 균일할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 유체 분리막(100)의 두께(d1, d2)는 대체로 제1 방향(X)을 따라 전반적으로 균일('d1' 참조)하다가 제1 방향(X)의 양 끝단에서 상대적으로 작은 각도로 꺾이는 부분(101F)에서 그 두께(d2)가 상대적으로 더 크거나 작을 수 있다.
유체 분리막(100)은 외주를 따라서 일체형으로 이루어질 수 있다. 여기서, 일체형이라 함은, 복수의 분리막을 접합하여 튜브 형태로 이루어지거나, 하나의 분리막을 말아서 양단을 접합하여 튜브 형태로 이루어진 것이 아니고, 외주를 따라서 접합된 부분 없이 전체가 하나로 이루어진 경우를 의미한다. 압출 등의 방법으로 처음부터 튜브 형상으로 만들어진 경우가 일체형으로 형성된 예이다.
유체 분리막(100)의 평균 두께는 유체 분리막(100)의 제조 방식과 연관이 있다. 상술한 바와 같이, 유체 분리막(100)은 대량 생산이 용이한 압출 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 고무와 같은 고분자 물질은 압출 방식에 의해 튜브 형태로 제조될 때, 0.05mm 이상의 평균 두께를 가져야 용이한 제조가 가능하며, 상업적인 대량 생산도 할 수 있다. 한편, 유체 분리막(100)의 평균 두께가 두꺼울수록 유체의 이동 거리가 길어져 분리 효율이 떨어진다. 유체 분리막(100)의 평균 두께가 2mm를 초과하면 저에너지를 사용하는 유체 분리 장치에서 유체 이동도가 급격히 저하될 뿐만 아니라, 공간 대비 유체 분리막(100)의 표면에 유체를 접촉시키는 면적도 감소하여 유체 분리 효율이 저하됨이 확인되었다. 따라서, 유체 분리막(100)의 평균 두께는 0.05mm 내지 2mm의 범위 내에서 선택되는 것이 바람직하다.
유체 분리막(100)은 복수의 표면 요철(112, 113) 및 복수의 내부 기공(114)을 포함한다.
내부 기공(114)은 유체 분리막(100)의 내부 전체에 걸쳐 분포할 수 있다. 내부 기공(114)은 폐쇄된 기공일 수 있다. 내부 기공(114)은 구형 또는 구형의 일부, 타원형 또는 타원형의 일부의 형상이나, 무정형의 랜덤한 형상을 가질 수 있다.
내부 기공(114)이 유체 분리막(110)의 표면에 근접하게 배치되면, 그에 의해 유체 분리막(110)의 표면이 돌출된다. 이처럼, 유체 분리막(110)의 표면으로부터 돌출된 부분은 표면 철부(113)로 지칭된다. 한편, 내부 기공(114)이 유체 분리막(110)의 표면에 접하거나 그에 인접하여 형성될 경우, 폐쇄 기공을 이루지 못하고 개방된 기공을 형성하며, 그에 따라 유체 분리막(110)의 표면이 함몰된다. 이처럼, 유체 분리막(110)의 표면으로부터 돌출된 부분은 표면 요부(112)로 지칭된다. 표면 요철(112, 113)은 유체 분리막(100)의 일면과 타면에 모두 형성될 수 있다.
유체 분리막(100) 표면에서 표면 철부(113)의 배치 밀도는 표면 요부(112)의 배치 밀도보다 클 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
내부 기공(114)의 크기(최대 폭)는 유체 분리막(100)의 두께보다 작을 수 있다. 내부 기공(114)은 발포제에 의해 형성될 수 있다. 발포제에 의해 형성되는 내부 기공(114)의 크기는 0.1um 내지 1mm일 수 있다. 내부 기공(114)의 크기가 0.1um 이상이면, 실효적인 표면적 증가 및 두께 감소 효과를 얻을 수 있다. 내부 기공(114)의 크기가 1mm 이하인 것이 두께 방향의 통로 형성을 방지하는 데에 유리하다. 표면 요부(112)의 폭과 깊이는 내부 기공(114)의 크기보다 작거나 같을 수 있다.
표면 요철(112, 113)과 내부 기공(114)의 존재에도 불구하고, 유체 분리막(100)은 두께 방향으로 일측 표면과 타측 표면을 관통하는 완전한 개방로를 구비하지 않을 수 있다. 즉, 표면 요부(112)와 내부 기공(114)이 두께 방향으로 중첩되어 배치될 수 있지만, 표면 요부(112)의 공간과 내부 기공(114)은 유체 분리막(100)을 구성하는 매질(110)에 의해 둘러싸여 있어서, 다른 공간들끼리 연결되지 않는다. 이 경우, 유체 분리막(100) 전체 표면에서 유체 이동을 위한 실효적인 영역은 두께 방향으로 직접적인 통로를 포함하지 않으므로, 유체 분리막(100)의 매질(110)을 통해서만 유체의 이동이 이루어지게 된다.
유체 분리막(100)을 통한 유체의 분리효율 또는 이동도는 대체로 유체 분리막(100)의 접촉 면적에 비례하고, 유체 분리막(100)의 두께에 반비례한다. 유체 분리막(100)이 표면 요철(112, 113)을 포함하면, 유체와 유체 분리막(100) 간 접촉 면적이 증가하므로, 유체의 분리효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 표면 요철(112, 113) 및/또는 내부 기공(114)을 통과하는 경로는 실질적으로 더 얇은 두께의 유체 분리막(100)의 매질(110)을 통과하는 경로이다. 따라서, 유체가 유체 분리막(100) 매질(110)을 통과하는 실제 두께가 감소하므로, 유체 분리효율이 증가할 수 있다.
한편, 표면 요철(112, 113)과 내부 기공(114)에 의해 전반적인 유체의 매질(110) 통과 두께가 감소함에도 불구하고, 전체 유체 분리막(100)의 평균 두께는 그보다 큰 수준으로 유지할 수 있다. 이것은 유체 분리막(100)의 강도에 긍정적인 영향을 미친다. 다시 말하면, 기계적으로 두껍고 튼튼하면서도 얇은 막의 효과를 낼 수 있다. 따라서, 제조 및 취급이 용이하고, 대형화가 가능하여, 상업적인 규모로 적용할 수 있다.
내부 기공(114)이 차지하는 체적은 유체 분리막(100)의 전체 체적의 0.1 내지 20%일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1 내지 10%일 수 있다. 내부 기공(114)이 차지하는 체적이 0.1% 이상, 바람직하게는 1% 이상인 것이 실효적인 표면적 향상 및 얇은 막 효과를 나타내는 데에 유리하다. 내부 기공(114)이 너무 크거나 뭉쳐져서 두께 방향으로의 원치 않는 직접적인 통로가 형성되는 것을 방지하기 위해서는 내부 기공(114)이 차지하는 체적은 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
이하, 상기한 바와 같은 유체 분리막(100)의 제조 방법에 대해 설명한다. 먼저, 액상의 유체 분리막 물질, 예컨대 액상의 실리콘 고무와 발포제의 혼합물을 준비한다. 발포제는 예를 들어, 4, 4'-옥시비스(벤젠술포닐 하이드라지드)[4, 4'-Oxybis (benzenesulfonyl hydrazide](OBSH), 4-메틸벤젠 술폰 하이드라지드[4-Methylbenzene sulfonhydrazide](TSH), 아조디카르본아미드[Azodicarbonamide] 또는 p-톨루엔설포닐 세미카르바지드[Ptoluenesulfonyl Semicarbazide](PTSS) 등이 적용될 수 있다. 유체 분리막(100) 물질과 발포제의 함량비는 0.1% 내지 20%일 수 있다.
이어서, 압출 등의 방법으로 분리막을 1차 성형한 후, 발포 공정을 수행함으로써, 표면 요철(112, 113)과 내부 기공(114)을 형성한다.
상기와 같은 공정을 거침에 따라 유체 분리막(100)은 매질(110)의 기본 물질 이외에 잔류 발포제 성분을 더 포함할 수 있다. 잔류 발포제 성분은 최초 유체 분리막 재료에 혼합되어 있다가 발포 공정을 통해 발포를 시켜 표면 요철(112, 113)이나 내부 기공(114)을 형성하고 남은 잔류물이거나, 발포 반응이 이루어지지 않아 초기 상태로 그대로 남아 있는 발포제 성분일 수 있다.
챔버의 내부에는 복수의 유체 분리막(100)이 배치될 수 있다. 각 유체 분리막(100)은 제2 방향(Y)을 따라 상호 근접하여 배치될 수 있다. 근접 배치된 유체 분리막(100)의 장경 방향은 상호 실질적으로 평행할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 방향(Y)으로 이웃하는 유체 분리막(100)의 간격은 유체 분리막(100)의 두께 이상이고, 유체 분리막(100)의 최대폭(W1) 이하일 수 있다. 예컨대, 이웃하는 유체 분리막(100)의 간격은 0.1mm 내지 500mm의 범위를 가질 수 있다. 이웃하는 유체 분리막(100)의 간격이 0.1mm 이상 확보되면, 이웃하는 유체 분리막(100) 사이에 상호 밀착됨으로써, 유체가 소통하는 유체 분리막(100)의 실효적인 표면적이 감소하는 것이 방지될 수 있다. 이웃하는 유체 분리막(100)의 간격을 500mm 이하로 함으로써, 챔버의 한정된 공간 내에서 유체가 유체 분리막(100)의 표면에 접하는 면적을 충분하게 늘릴 수 있다.
복수의 유체 분리막(100)은 제2 방향(Y)을 따라 하나의 열을 이룰 수 있다. 또한, 챔버 내부에는 유체 분리막(100) 열이 행 방향으로 복수개 배치되는 것도 가능하다.
유체 분리 장치는 상술한 유체 분리막(100) 외에, 유체 분리막(100) 내에 삽입된 이격재를 더 포함할 수 있다.
도 6은 유체 분리막과 그 내부에 삽입된 이격재가 삽입된 형상을 나타내는 사시도이다. 도 7은 도 6의 이격재의 평면도이다. 도 8은 도 6의 VIII-VIII'선을 따라 자른 단면도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 튜브 형상의 유체 분리막(100)의 내부(100s1)에는 이격재(150)가 배치될 수 있다. 이격재(150)는 유체 분리막(100) 내부(100s1)에 배치되어 유체 분리막(100)의 내벽이 밀착되어 폐쇄되는 것을 방지한다.
이격재(150)는 유체 분리막(100)과 동일한 길이를 가져 유체 분리막(100)의 연장 방향 전체에 걸쳐 배치될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고, 이격재(150)가 유체 분리막(100)의 일부분, 예컨대 중앙부에 배치되고, 유체 분리막(100)의 일 단부 또는 양 단부 부근에는 배치되지 않을 수도 있다. 또한, 길이 방향으로 복수의 이격재(150)가 배치될 수도 있다. 복수의 이격재(150)는 상호 이격되어 배치될 수도 있다.
이격재(150)의 폭(W3) 방향은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)에 대응되고, 이격재(150)의 두께 방향은 유체 분리막(100)의 제2 방향(Y)에 대응될 수 있다. 이격재(150)의 폭(W3)은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경(=W1-2*d2)보다 작거나 같다. 이격재(150)의 폭(W3)이 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경과 동일하거나 그에 근접할수록, 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 이격재(150)의 유동이 억제되고, 폭(W3) 방향으로 이격재(150)가 배치되지 않은 공간에서 유체 분리막(100)의 내벽이 밀착되는 정도를 줄일 수 있다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경의 0.5배 이상이면, 이격재(150)의 유동과 유체 분리막(100)의 내벽의 밀착 방지에 관한 유의미한 효과가 있는 것으로 확인된다. 이러한 관점에서, 이격재(150)의 폭(W3)은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경의 0.5 내지 1배의 범위를 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이격재(150)는 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 길이 방향으로 1회 이상 구부러지거나 접힌 구조로 배치될 수 있다. 예를 들어, 이격재(150)를 펼쳤을 때의 최대 폭이 유체 분리막(100)의 최대 폭(W1)보다 클 경우, 이격재(150)는 길이 방향으로 1회 이상 구부러지거나 접혀야 유체 분리막(100) 내부(100s1)로 삽입될 수 있다. 다만, 이 경우에도 본 명세서에서는 이격재(150)의 폭(W3)은 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 구부러지거나 접힌 상태의 제1 방향(X)의 폭으로 정의하기로 한다.
이격재(150)는 두께 방향(제2 방향)으로 유체가 소통할 수 있는 복수의 개구(152)를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 이격재(150)는 그물망 형상을 가질 수 있다. 복수의 개구(152)는 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 유체가 머무르거나 이동할 수 있는 공간을 제공한다.
이격재(150)는 길이 방향(Z)으로 유체 이동 통로(154)를 제공할 수 있다. 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 길이 방향(Z)으로의 유체 이동 통로(154)는 분리된 유체를 유체 분리막(100)의 일단으로 전달하기 위해 필요하다. 만약, 유체 분리막(100)의 내외부(100s1, 100s2)간 압력차이 등에 의해 유체 분리막(100)이 이격재(150)에 완전히 밀착되는 경우, 이격재(150)에 두께 방향으로의 개구(152)만 존재한다면, 유체는 이격재(150)의 개구(152) 내부에 갖히게 되어 유체 분리막(100)의 일단으로 전달되기 어렵다. 이를 방지하기 위해, 이격재(150)는 길이 방향(Z)으로의 유체 이동 통로(154)를 제공하는 구성을 포함할 수 있다. 상기 구성의 예로서, 꼬인 그물망 구조의 이격재(150)가 적용될 수 있다.
꼬인 그물망 구조는, 도 7의 확대도에 예시된 바와 같이, 그물을 구성하는 일 방향의 실(150a)들과 타 방향의 실(150b)들이 서로 교차할 때, 아래로 교차와 위로 교차를 반복하여 이루어진 구성이다. 따라서, 유체 분리막(100)의 내표면이 이격재(150)에 밀착되더라도, 실들(150a, 150b)의 교차 영역에 틈이 유지될 수 있다. 이러한 틈이 길이 방향(Z)의 유체 이동 통로(154)를 제공할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이격재(150)는 폭(W3) 방향(제1 방향)으로도 유체 이동 통로를 제공할 수 있다. 도 7의 꼬인 그물망 구조는 실들(150a, 150b)의 교차 영역에 틈이 유지되므로, 길이 방향(Z)의 유체 이동 통로(154) 뿐만 아니라, 폭(W3) 방향의 유체 이동 통로도 제공할 수 있다.
이격재(150)는 합성 수지, 나일론, 폴리 에스테르 등의 고분자 물질이나, 금속 재질로 이루어질 수 있다.
도 9는 유체 분리막에 이격재를 삽입하는 과정을 보여주는 사시도이다. 유체 분리막(100)이 처음부터 타원형의 단면을 갖는 경우, 이격재(150)의 폭(W3) 방향을 유체 분리막(100) 내경의 장경 방향으로 맞춘 후 이격재(150)를 삽입할 수 있다.
그러나, 도 9에 도시된 것처럼, 원형의 단면을 갖는 유체 분리막(100)이 제공될 수도 있다. 플렉시블한 재질로 압출 공정을 통해 제공된 튜브들은 다른 외력이 작용하지 않는 한, 원형의 단면을 유지한다. 이와 같은 경우에는 유체 분리막(100)의 내경보다 큰 폭을 갖는 이격재(150)를 준비하고, 이격재(200)를 유체 분리막(100) 내부에 삽입함으로써, 유체 분리막(100)에 찌그러진 단면 형상을 부여할 수 있다. 이격재(150)가 유체 분리막(100)보다 강도가 높은 물질로 이루어지고, 이격재(150)의 폭 방향의 휨 강도가 찌그러진 유체 분리막(100)의 복원력보다 크다면, 삽입된 이격재(150)는 폭(W3) 방향 변형없이 형상이 유지되고, 유체 분리막(100)은 그에 상응하도록 늘어나면서 찌그러진 단면 형상을 갖게 된다.
유체 분리막(100)에서 이격재(150)의 폭(W3) 방향 단부에 위치하는 부분은 다른 부위보다 상대적으로 더 많은 압력을 받고, 더 많이 늘어날 수 있다. 따라서, 원형 단면의 유체 분리막(100)의 두께가 균일하더라도, 이격재(150) 삽입 후의 유체 분리막(100)의 해당 부위의 두께는 상대적으로 작을 수 있다. 즉, 유체 분리막(100)의 두께는 제1 방향을 따라 전반적으로 균일하다가 제1 방향의 양 끝단에서 상대적으로 작은 각도로 꺾이는 부분에서 그 두께가 상대적으로 작아질 수 있다.
이격재(150)의 폭(W3)은 원형의 유체 분리막(100) 내경보다 크다. 이격재(150)의 폭(W3)이 원형의 유체 분리막(100) 내경의 π/2배 이하인 것이 유체 분리막(100)의 과도한 스트레스에 따른 손상을 방지하는 데에 유리하다. 그러나, 유체 분리막(100)의 신축성과 강도가 충분하다면, 이격재(150)의 폭(W3)이 원형의 유체 분리막(100) 내경의 π/2배를 초과하는 것도 가능하다. 예를 들어, 유체 분리막(100)의 두께가 25mm 내지 100mm인 실리콘 고무의 경우, 신축성과 강도가 충분히 우수하여 보다 다양한 폭의 이격재(150)에 적용할 수 있다. 아울러, 상기 범위 내의 유체 분리막(100)은 질소 대비 이산화탄소의 선택비가 우수하여, 질소와 이산화탄소 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 장치에의 적합하게 적용될 수 있다.
도면으로 도시하지는 않았지만, 판상형 유체 분리막이 여러 장 겹치도록 적층된 경우에도, 유체 분리막들 사이에 상술한 이격재(150)가 삽입될 수 있음은 물론이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(300)는 챔버(200), 챔버(200) 내부에 배치된 유체 분리막(100), 유체 분리막(100) 내부에 삽입된 이격재(150), 챔버(200)의 일측에 배치된 유체 투입구(251), 챔버(200)의 타측에 배치된 제1 유체 배출구(211) 및 제2 유체 배출구(211) 이외에도, 챔버(200) 외부에 배치된 유체 혼합물 제공 탱크(250), 제1 유체 저장 탱크(210), 제2 유체 저장 탱크(220), 및 복수의 펌프(231, 232, 233)를 더 포함한다.
유체 혼합물 제공 탱크(250)는 유체 혼합물을 저장하고, 이를 챔버(200) 내부로 제공한다. 유체 혼합물 제공 탱크(250)는 제1 유체 이동관(252)을 통해 유체 투입구(251)와 연결된다. 제1 유체 이동관(252)에는 제1 펌프(231)가 설치되어 있다.
제1 유체 저장 탱크(210)는 유체 분리막(100)으로 유입된 유체를 저장하는 역할을 한다. 제1 유체 저장 탱크(210)는 제2 유체 이동관(212)을 통해 유체 분리막(150)의 내부와 공간적으로 연결된다. 제2 유체 이동관(212)에는 제2 펌프(232)가 설치된다.
도 10의 실시예에서는 챔버(200)에 2개의 제1 유체 배출구(211)가 마련되어 있고, 양단이 개방된 유체 분리막(100)이 1회 절곡된 경우가 예시되어 있다. 제2 유체 이동관(212)은 챔버(200) 부근에서 2개의 분지관으로 분지하고, 제2 유체 이동관(212)의 각 분지관은 각 제1 유체 배출구(211)에 삽입된다. 유체 분리막의 일단과 타단은 각각 제2 유체 이동관(212)의 서로 다른 분지관에 결합된다.
제2 유체 저장 탱크(220)는 유체 분리막(100)의 외부이자 챔버(200) 내부에 잔류된 유체를 저장하는 역할을 한다. 제2 유체 저장 탱크(220)는 제3 유체 이동관(222)을 통해 제2 유체 배출구(221)와 연결된다. 제3 유체 이동관(222)에는 제3 펌프(233)가 설치될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제2 유체 배출구(221)는 유체 투입구(251)에 비해 상부에 배치된다. 이 경우, 혼합 유체의 흐름이 아래에서 위쪽을 향하게 된다.
제1 펌프(231)는 챔버(200) 내부로 투입되는 유체 혼합물의 압력을 높이는 역할을 한다. 챔버(200) 내부의 압력을 높이게 되면 유체 분리막(100) 내외부에 압력 차이가 발생하여 유체 분리막(100)을 통해 유체의 흐름이 촉진된다. 그러나, 너무 높은 압력을 가하게 되면, 공정 비용이 증가할 뿐만 아니라, 유체의 이동 속도가 과도하게 빨라져 유체가 유체 분리막(100)을 통과하는 양이 오히려 줄어들 수도 있다. 이와 같은 점들을 고려할 때, 제1 펌프(231)에 의해 챔버(200) 내부로 가해지는 적합한 유체 압력은 0 내지 4kgf/cm2이다.
제2 펌프(232)는 유체 분리막(100) 내부에 음압이 걸리도록 하여 유체 분리막(100) 내외부 압력차를 유지하는 한편, 유체 분리막에 존재하는 유체를 제1 유체 저장 탱크(210)로 효율적으로 배출시키는 역할을 한다. 유체 분리막(100)에 존재하는 유체를 신속하게 배출하면, 공정 속도가 증가할 뿐만 아니라, 유체 분리막(100) 내부에서의 특정 유체의 농도를 낮게 유지할 수 있다. 유체 분리막(100) 내부에서 특정 유체의 농도를 낮게 유지하는 것은 확산이나 삼투압 등에 의한 유체 이동 효율을 높이는 데에 유리하다. 제2 펌프(232)에 의해 가해지는 압력은 0 내지 -1kgf/cm2의 수준이 적당하다.
유체 분리막(100) 내외부의 압력차는 0.5kgf/cm2 정도만 되더라도 상업적으로 이용가능한 분리 효율을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제1 펌프(231)에 의한 압력을 0.5kg/cm2로 하고, 제2 펌프(232)에 의한 음압을 -0.5kg/cm2 정도로 유지하면, 상업적으로 이용가능한 분리 효율을 얻을 수 있다. 유체 분리막(100) 내외부의 압력차가 더 커지면 분리 효율이 증가할 수는 있지만, 고에너지 사용에 따른 처리 비용 증가가 수반될 수 있다. 처리비용을 감안하여 상업적으로 이용가능하면서 효과적인 분리가 가능한 유체 분리막(100) 내외부 압력차는 0.5kgf/cm2 내지 2kgf/cm2의 범위에서 유지될 수 있다.
제3 펌프(233)는 챔버(200) 내부에 잔류하는 유체를 외부로 신속하게 배출시키는 역할을 한다. 챔버(200) 내부에 혼합된 유체 혼합물에서 유체 분리막(100)을 통한 특정 유체의 이동이 이루어지면, 잔류 유체 혼합물에는 특정 유체의 농도가 낮아지게 된다. 그 상태로 챔버(200) 내부에 장시간 방치되면 유체 분리막으로의 분리 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 유체 분리막(100) 내부에서 챔버(200) 내부로 특정 유체가 다시 이동할 가능성도 높아진다. 잔류 유체를 적절한 시기에 신속 배출하는 것은 공정 효율에 많은 영향을 끼친다. 따라서, 제3 펌프(233)에서 0 내지 2kgf/cm2 수준의 압력을 가하면, 잔류 유체가 적절하게 배출될 수 있다. 다만, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며, 제3 펌프(233)는 생략되거나, 밸브로 대체될 수도 있다.
유체 분리 장치(300)의 제1 유체 배출구(211)나 제2 유체 배출구(221)를 통해 분리되는 유체가 저장의 대상이 아니라면 해당 저장 탱크는 생략될 수도 있다. 예를 들어, 질소와 이산화탄소의 혼합 가스 중 이산화탄소를 분리해내는 것이 목적이고, 유체 분리막(100)으로서 이산화탄소에 대한 선택비가 높은 물질을 사용한 경우라면, 제1 유체 배출구(211)를 통해 전달되는 이산화탄소 함량이 높은 유체는 제1 유체 저장 탱크(210)에 저장하지만, 제2 유체 배출구(221)를 통해 전달되는 질소 함량이 높은 유체는 굴뚝 등을 통해 외부로 배출시킬 수 있다. 이 경우, 제2 유체 저장 탱크(220)가 생략 가능함은 물론이다.
유체의 분리 공정시, 챔버(200) 내부의 온도는 0 내지 60℃의 범위로 유지될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 챔버(200) 내부의 온도는 20 내지 40℃의 범위로 유지된다. 이와 같이 상대적으로 낮은 온도의 공정 조건은 비용을 절감하면서도, 챔버(200) 내부와 유체 분리막(100)의 내구성을 유지하고, 내부 유체의 불필요한 반응을 억제하는 데에 도움을 줄 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 유체 분리 장치
10: 유체 분리막
20: 챔버
21: 제1 유체 배출구
22: 제2 유체 배출구
23: 유체 투입구
10: 유체 분리막
20: 챔버
21: 제1 유체 배출구
22: 제2 유체 배출구
23: 유체 투입구
Claims (14)
- 질소와 이산화탄소를 포함하는 유체 혼합물로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 유체 분리막으로서, 실리콘 고무를 포함하여 이루어지고, 복수의 표면 요철 및 복수의 내부 기공을 포함하되,
상기 각 내부 기공은 상기 실리콘 고무에 의해 둘러싸여 있는 폐쇄된 기공이고,
상기 유체 분리막은 두께 방향으로 일측 표면과 타측 표면을 관통하는 완전한 개방로를 구비하지 않는 유체 분리막. - 제1 항에 있어서,
상기 내부 기공이 차지하는 체적은 상기 유체 분리막 전체 체적의 0.1 내지 20%인 유체 분리막. - 제1 항에 있어서,
상기 표면 요철은 표면 요부 및 표면 철부를 포함하되,
상기 표면 철부의 배치 밀도는 상기 표면 요부의 배치 밀도보다 큰 유체 분리막. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 유체 분리막은 잔류 발포제 성분을 더 포함하는 유체 분리막. - 질소와 이산화탄소를 포함하는 유체 혼합물로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 유체 분리막으로서, 실리콘 고무를 포함하여 이루어지고 복수의 표면 요철 및 복수의 내부 기공을 포함하되, 상기 각 내부 기공은 상기 실리콘 고무에 의해 둘러싸여 있는 폐쇄된 기공이고,
두께 방향으로 일측 표면과 타측 표면을 관통하는 완전한 개방로를 구비하지 않는 튜브 형상의 유체 분리막; 및
상기 유체 분리막의 내부에 배치된 이격재를 포함하는 유체 분리 장치. - 제6 항에 있어서,
상기 유체 분리막은 일 방향으로 연장되고, 단면 형상이 제1 방향의 폭이 제2 방향의 폭보다 큰 폐곡선 형상을 갖되, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상호 직교하는 방향으로서, 각각 상기 유체 분리막의 연장 방향에 대해 수직한 방향이고,
상기 이격재는 폭 방향이 상기 제1 방향에 대응되도록 상기 유체 분리막의 내부에 배치되는 유체 분리 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 내부 기공이 차지하는 체적은 상기 유체 분리막 전체 체적의 0.1 내지 20%인 유체 분리 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 표면 요철은 표면 요부 및 표면 철부를 포함하되,
상기 표면 철부의 배치 밀도는 상기 표면 요부의 배치 밀도보다 큰 유체 분리 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 유체 분리막의 단면 형상은 타원인 유체 분리 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 제1 방향의 폭은 상기 유체 분리막 단면 외주 길이의 1/4 내지 49/100인 유체 분리 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 이격재의 폭은 상기 유체 분리막의 상기 제1 방향 내경의 0.5 내지 1배인 유체 분리 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 이격재는 상기 제2 방향으로 유체가 소통할 수 있는 복수의 개구를 포함하는 유체 분리 장치. - 제13 항에 있어서,
상기 이격재는 꼬인 그물망 구조를 갖는 유체 분리 장치.
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