KR20240144211A

KR20240144211A - 통합 투과 채널 멤브레인 구조

Info

Publication number: KR20240144211A
Application number: KR1020247027199A
Authority: KR
Inventors: 피터 아르츠; 울리히 브뤼스; 호프 스테판 반
Original assignee: 블루 풋 멤브레인스 엔브이
Priority date: 2022-01-31
Filing date: 2023-01-31
Publication date: 2024-10-02
Also published as: CN118679005A; AU2023211860A1; JP2025503796A; WO2023144409A1; EP4472758A1

Abstract

본 발명은 모노필라멘트 실(18)에 의해 함께 묶여 있고 서로 이격된 상부 및 하부 표면(9, 10)을 갖는 3D 스페이서 직물(7)을 포함하는 여과 멤브레인 엔빌로프(3)로서, 상기 3D 스페이서 직물은 두 개의 멤브레인 층(8, 17) 사이에 개재되어 있고, 투과 채널(12)을 형성하며, 상기 멤브레인 층은 상기 3D 스페이서 직물의 상기 상부 및 하부 직물 표면에 각각 캐스팅되고, 상기 상부 및 하부 직물 표면이 상기 멤브레인 층에 적어도 부분적으로 매립됨으로써, 상부 및 하부 고정 섹션(13, 14)을 형성하고, 상기 고정 섹션은 100 미크론의 최소 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 여과 멤브레인 엔빌로프(3)에 관한 것이다.

Description

통합 투과 채널 멤브레인 구조

본 발명은 수처리, 특히 수처리 및 폐수 정화에 사용되는 여과 멤브레인 엔빌로프에 관한 것이다.

통합 투과 채널(integrated permeate channel: IPC) 멤브레인은 지난 몇 년 동안 폐수 정화를 위한 멤브레인 생물 반응기에서 사용되었다. 3D 직조 직물로 구성된 IPC 멤브레인은 EP1807184에 설명되어 있다.

그러나 현재 시장에 알려진 솔루션의 문제점은 다중 층이 여과 및 역세척 모드에서 사용할 때 박리되는 경향이 있다는 것이다. 이는 분명히 막의 수명에 부정적인 영향을 미친다. 또한, 직조 또는 편직 직물 기재 상에 캐스팅되는 현재 공지된 멤브레인은 압축되기 쉽다.

여과 및 역세척 모드 모두에서 조립 및 최종 사용 적용 동안 강성을 유지하고 박리되지 않으며 양호한 압축 저항을 갖는 개선된 기계적 특성을 갖는 여과 멤브레인 엔빌로프에 대한 당업계의 요구가 여전히 존재한다.

멤브레인 층에 스페이서 직물이 매립된 IPC 멤브레인은 Doyen et al., 2009(Desalination, vol 250, no 3), EP1625885 및 WO2021110716에도 개시되어 있다. WO20120981130은 또한 IPC 멤브레인에 관한 것이다. 멤브레인의 기계적 특성은 상기 멤브레인의 층을 최적화함으로써 개선된다. 위 문서 중 어느 것도 특정 두께의 최적화된 멤브레인 층과 관련이 없다.

본 발명은 위에서 언급한 문제점과 단점 중 적어도 일부를 해결하는 것을 목표로 한다. 본 발명의 목적은 이러한 단점을 제거하는 미세 조정된 두께 사양을 갖는 여과 멤브레인 엔빌로프를 제공하는 것이다.

본 발명 및 그 실시예는 위에서 언급한 단점 중 하나 이상에 대한 해결책을 제공하는 역할을 한다. 이를 위해, 본 발명은 청구항 1에 따른 여과 멤브레인 엔빌로프에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 모노필라멘트 실에 의해 함께 묶여 있고 서로 이격되어 있는 상부 표면과 하부 표면을 갖는 3D 스페이서 직물을 포함하고, 상기 3D 스페이서 직물은 두 개의 멤브레인 층 사이에 개재되고, 투과 채널을 형성하는 여과 멤브레인 엔빌로프를 제공하며, 상기 멤브레인 층은 상기 3D 스페이서 직물의 상기 상부 및 하부 직물 표면에 각각 캐스팅되고, 상기 상부 및 하부 직물 표면은 상기 멤브레인 층에 적어도 부분적으로 매립되어 상부 및 하부 고정 섹션을 형성하며, 상기 고정 섹션의 최소 두께는 100 미크론이다.

후자의 고정 섹션은 고압에 노출될 때 박리 또는 벗겨짐이 방지될 정도로 멤브레인 엔빌로프의 다양한 요소들의 우수한 고정을 허용한다는 것이 밝혀졌다. 전반적으로 엔빌로프는 광범위하게 사용한 후에도 기계적 특성을 유지할 수 있다.

멤브레인 엔빌로프의 바람직한 실시예가 청구항 2 내지 11 중 어느 하나에 나타나 있다.

제2 측면에서, 본 발명은 청구항 12에 따른 물 여과 모듈에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 명세서에 설명된 물 여과 모듈은 평면형 멤브레인 엔빌로프의 어레이를 포함한다.

제3 측면에서, 본 발명은 청구항 13에 따른 용도에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모듈의 평면도(도 1a) 및 측면도(도 1b)를 도시한다. 도 1c는 두 개의 멤브레인 층 사이에 개재된 투과 채널로 구성된 본 발명에 따른 멤브레인 엔빌로프의 세부 사항을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 여과 멤브레인 엔빌로프의 단면의 개략도를 나타낸다. 도 2b는 실제 멤브레인의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 3D 멤브레인 엔빌로프의 제조에 사용되는 3D 스페이서 직물의 단면에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 멤브레인 엔빌로프의 박리 또는 벗겨짐을 결정하기 위한 장비를 보여준다.

본 발명은 폐수 정화용 여과 멤브레인 엔빌로프에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 평면형 멤브레인 엔빌로프의 어레이를 포함하는 여과 모듈 및 상기 여과 멤브레인 엔빌로프 또는 여과 모듈의 사용 방법에 관한 것이다.

달리 정의하지 않는 한, 기술적, 과학적 용어를 포함하여 본 발명을 개시하는 데 사용된 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 추가 안내를 통해, 본 발명의 교시를 더 잘 이해하기 위해 용어 정의를 포함시킨다.

본 명세서에 사용된 다음 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다:

본 명세서에 사용된 다음 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다: 본 명세서에 사용된 단수형("a", "an" 및 "the")은 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 단수 및 복수 대상을 모두 의미한다. 예를 들어, "구획"은 하나 이상의 구획을 의미한다.

본 명세서에서 파라미터, 양, 시간적 지속 시간 등과 같은 측정 가능한 값을 지칭하면서 사용되는 "약"은 +/- 20% 이하, 바람직하게는 +/-10% 이하, 더욱 바람직하게는 +/-5% 이하, 더욱 바람직하게는 +/-1% 이하, 더욱 바람직하게는 +/-0.1% 이하의 변형을 포함하며, 그러한 변형은 본 개시된 발명에 있어 수행하기에 적절한 범위 내에서 특정 값으로부터의 변형을 포함하는 것을 의도한다. 그러나, 수식어 "약"이 지칭하는 값 자체도 구체적으로 개시되는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에 사용된 "포함한다", "포함하는", "포함하다" 및 "포함되는"은 "구비하다", "구비하는", "구비하다" 또는 "함유한다", "함유하는", "함유하다"와 동의어이며, 포괄적이거나 다음에 오는 내용의 존재를 지정하는 개방형 용어이고, 본 기술분야에 알려져 있거나 여기에 개시된 추가적인, 언급되지 않은 성분, 특징, 요소, 부재, 단계의 존재를 배제하거나 제외시키지 않는다.

또한, 명세서 및 청구범위에서 제1, 제2, 제3 등의 용어는 유사한 요소를 구별하기 위해 사용된 것이며, 특별히 명시하지 않는 한 반드시 순차적 또는 시간적 순서를 설명하기 위해 사용된 것은 아니다. 이렇게 사용된 용어는 적절한 상황 하에서 상호 교환 가능하며, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예는 본 명세서에 기술되거나 예시된 것과 다른 순서로 동작할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

끝점에 의한 수치범위의 기재는 그 범위 내에 포함된 모든 숫자와 분수뿐만 아니라 언급된 끝점이 포함된다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서 및 명세서 전체에서 "중량%", "중량 퍼센트", "%wt" 또는 "wt%"라는 표현은 제제의 전체 중량을 기준으로 각 성분의 상대적 중량을 의미한다.

일 그룹의 멤버들 중에서 하나 이상 또는 적어도 하나의 멤버(들)과 같은 용어 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"는 그 자체로 분명하지만, 추가 예시를 통해 이 용어는 특히 상기 멤버들 중 임의의 어느 하나 또는 상기 멤버들 중 임의의 둘 이상, 예를 들어, 상기 멤버들 중 ≥3, ≥4, ≥5, ≥6 또는 ≥7 등, 및 모든 멤버들에 대한 언급을 포함한다.

달리 정의하지 않는 한, 기술적, 과학적 용어를 포함하여 본 발명을 개시하는 데 사용된 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 추가 안내를 통해, 본 발명의 교시를 더 잘 이해하기 위해 설명에 사용된 용어에 대한 정의가 포함되었다. 본 명세서에 사용된 용어 또는 정의는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된 것이다.

본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는 해당 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구의 등장은 반드시 모두 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니지만 그럴 수도 있다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 본 개시 내용으로부터 당업자에게 명백할 수 있듯이 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 일부 실시예는 다른 실시예에 포함된 일부 특징을 포함하지만 다른 특징은 포함하지 않고, 반면 당업자가 이해하는 바와 같이, 서로 다른 실시예의 특징들의 조합은 본 발명의 범위 내에 있고 다른 실시예를 형성하는 것을 의미한다. 예를 들어, 다음의 청구범위에서, 청구된 실시예들 중 임의의 것이 임의의 조합으로 사용될 수 있다.

본 명세서에 사용된 "고정 섹션(anchorage section)"은 상기 직물 상에 캐스팅된 폴리머에 매립된 직물의 부분으로 정의된다.

본 명세서에 사용된 "여과층"은 상기 직물 위에 캐스팅된 멤브레인 층의 부분으로서, 상기 직물 안으로 나오지 않고 대신 고정 섹션의 위에 존재하는 부분으로 정의된다. 일반적으로 여과층은 침전된 폴리머에 의해 형성된 상부 층의 특정 다공도로 정의되며, 일반적으로 기공 크기는 10nm 내지 1 미크론이다. 결과적으로, 상기 여과층은 물의 여과를 허용할 수 있다.

제1 측면에서, 본 발명은 이 모노필라멘트 실에 의해 서로 묶여 있고 서로 이격되어 있는 상부 표면과 하부 표면을 갖는 3D 스페이서 직물을 포함하는 여과 멤브레인 엔빌로프에 관한 것이며, 상기 3D 스페이서 직물은 두 개의 멤브레인 층 사이에 개재되어 투과 채널을 형성하며, 상기 멤브레인 층은 상기 3D 스페이서 직물의 상기 상부 및 하부 직물 표면에 각각 캐스팅되고, 상기 상부 및 하부 직물 표면은 상기 멤브레인 층에 적어도 부분적으로 매립되어 상부 및 하부 고정 섹션을 형성하며, 상기 고정 섹션은 100 미크론, 더욱 바람직하게는 150 미크론, 200, 250, 300 미크론의 최소 두께를 가진다. 바람직한 실시예에서, 상기 고정 섹션은 100 내지 600 미크론, 바람직하게는 100 내지 450 미크론, 더 바람직하게는 100 내지 400 미크론, 더 바람직하게는 100 내지 350 미크론, 더 바람직하게는 100 내지 300 미크론, 바람직하게는 100 내지 250 미크론, 더 바람직하게는 100 내지 200 미크론, 더 바람직하게는 100 내지 150 미크론의 최소 두께를 갖는다.

다른 실시예에서, 상기 고정 섹션의 총 두께는 100 내지 600 미크론, 150 내지 600 미크론, 200 내지 600 미크론, 250 내지 600 미크론, 300 내지 600 미크론, 350 내지 600 미크론, 400 내지 600 미크론, 450 내지 600 미크론, 500 내지 600 미크론, 바람직하게는 550 내지 600 미크론이다.

고정 섹션의 두께가 주사 전자 현미경과 같은 당업계에 공지된 많은 방법에 의해 측정될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 실시예에서, 상기 두께는 엔빌로프의 다수 지점에서 상기 고정 섹션의 두께를 측정함으로써 결정된 평균값이다. 이러한 별개의 지점에서의 절대 두께는 직물의 극단 필라멘트, 루프 또는 실과 상기 직물에 매립된 폴리머의 종료점 사이의 거리에 의해 정의되며, 상기 종료점 이후에는 직물에 폴리머가 없다.

고정 섹션은 상부 또는 하부 멤브레인 층에 매립된 3D 스페이서 직물 섹션으로 정의된다. 작동 활동 및 역세척 중에 발생하는 고압을 견딜 수 있을 정도로 멤브레인 엔빌로프를 충분히 견고하게 만들기 위해서는 고정 섹션이 있는 멤브레인 엔빌로프가 최소의 두께를 가져야 한다는 것이 관찰되었다. 이 경우 박리 또는 벗겨짐은 관찰되지 않는다. 더욱이, 발명자들은 본 발명의 멤브레인 엔빌로프가 침수 조건 하에서 작동될 때 그 길이 또는 두께가 팽창하거나 확장되지 않는다는 것을 관찰하였다.

바람직하게는, 여과층은 상기 엔빌로프의 외측을 향하는 방향으로 각각의 고정 섹션으로부터 연장되고, 상기 여과층의 최소 두께는 50 미크론, 바람직하게는 50 내지 800 미크론, 더욱 바람직하게는 50 내지 700 미크론, 더욱 바람직하게는 50 내지 600 미크론, 더 바람직하게는 50 내지 500 미크론, 더 바람직하게는 50 내지 400 미크론, 더 바람직하게는 50 내지 300 미크론, 더 바람직하게는 50 내지 200 미크론, 더 바람직하게는 50 내지 100 미크론이다. 대안적으로, 여과층의 최소 두께는 400 내지 500 미크론이다. 실시예에서, 여과층의 두께는 3D 스페이서 직물의 하부 표면과 상부 표면에서 동일하다. 바람직한 실시예에서, 여과층의 상기 두께는 다를 수 있다. 예를 들어, 상부 표면은 3D 스페이서 직물의 하부 표면보다 더 두꺼운 여과층을 가질 수 있다. 대안적으로, 하부 표면은 3D 스페이서 직물의 상부 표면보다 더 두꺼운 여과층을 가질 수 있다.

실시예에서, 각각의 멤브레인 층의 최소 총 두께는 150 미크론, 더욱 바람직하게는 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350 또는 1400 미크론이다. 다른 또는 추가 실시예에서, 각 멤브레인 층의 총 두께는 150 내지 1400 미크론, 바람직하게는 150 내지 1300 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 1200 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 1100 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 1000 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 900 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 850 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 800 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 700 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 600 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 550 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 500 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 450 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 400 미크론, 더 바람직하게는 100 내지 350 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 300 미크론, 더 바람직하게는 150 내지 250 미크론일 것이다. 다른 실시예에서, 상기 멤브레인 층의 총 두께는 150 내지 1400 미크론, 200 내지 1400 미크론, 250 내지 1400 미크론, 300 내지 1400 미크론, 350 내지 1400 미크론, 400 내지 1400 미크론, 450 내지 1400 미크론, 500 내지 1400 미크론, 550 내지 1400 미크론, 600 내지 1400 미크론, 650 내지 1400 미크론, 700 내지 1400 미크론, 750 내지 1400 미크론, 800 내지 1400 미크론, 850 내지 1400 미크론 1400 미크론, 900 내지 1400 미크론, 100 내지 1400 미크론, 1100 내지 1400 미크론, 1200 내지 1400미크론, 또는 1300 내지 1400 미크론일 것이다.

실시예에서, 3D 스페이서 직물은 세로 날실(warp thread) 및 날실 위 및 아래를 통해 위입되어 삽입되는 가로 씨실(weft thread)를 갖는다. 상기 날실은 평면으로 정렬되고 고정 섹션 및 멤브레인 층의 윤곽을 그리는 것이 바람직하다. 여과층은 바람직하게는 날실의 평면으로부터 여과 멤브레인 엔빌로프의 외부로 연장되는 구역으로 표시되는 반면, 투과 채널까지 날실의 평면을 포함하는 구역은 고정 섹션이었다. 다른 바람직한 실시예에서, 날실 위를 가로지르는 씨실은 고정 섹션에 속한다.

여과층 두께와 고정 섹션 두께 사이의 비율은 1:10 내지 3:1, 바람직하게는 1:9 내지 3:1, 1:8 내지 3:1, 1:7 내지 3:1, 1:6 내지 3:1, 1:5 내지 3:1, 1:4 내지 3:1, 1:3 내지 3:1, 1:2 내지 3:1, 1:1 내지 3:1이다.

실시예에서, 여과층의 두께와 고정 섹션의 두께 사이의 비율은 1:10 내지 3:1, 1:10 내지 2:1, 1:10 내지 1:1이다.

바람직하게는, 여과 멤브레인 엔빌로프의 총 두께는 1.8 내지 6mm, 바람직하게는 1.8 내지 5.5mm 또는 1.8 내지 5mm, 바람직하게는 1.8 내지 4.5mm, 바람직하게는 1.8 내지 4mm, 바람직하게는 1.8 내지 3.5mm, 바람직하게는 1.8 내지 3mm, 바람직하게는 1.8 내지 2.5mm, 바람직하게는 1.8 내지 2mm이다.

실시예에서, 전체 여과 멤브레인 엔빌로프의 총 두께는 1.9 내지 6mm, 2 내지 6mm, 2.5 내지 6mm, 3 내지 6mm, 3.5 내지 6mm, 4 내지 6mm이고, 4.5 내지 6mm, 5 내지 6mm, 5.5 내지 6mm이다.

위에서 정의한 고정 섹션의 두께와 멤브레인 및 여과층의 두께는 멤브레인 엔빌로프의 뛰어난 특성을 보장한다. 상기 멤브레인 엔빌로프는 견고하고 압축 및 평탄도에 대한 저항력이 높으며 수중 조건에서 작동할 때 길이나 너비가 확장되지 않다. 또한, 2bar의 압력을 가했을 때 스페이서 직물과 멤브레인 층의 벗겨짐 또는 박리율은 10% 미만이며, 바람직하게는 벗겨짐 또는 박리율은 5% 미만, 바람직하게는 벗겨짐 또는 박리율은 1% 미만, 심지어는 0%이다. 벗겨짐 또는 박리 비율은 3D 스페이서 직물에서 벗겨지는 멤브레인 층 표면의 양으로 이해된다.

일 실시예에서, 멤브레인 엔빌로프의 압축율은 0.5bar, 바람직하게는 0.1bar, 더 바람직하게는 0.2bar, 더 바람직하게는 0.3bar, 더 바람직하게는 0.4bar, 더 바람직하게는 0.5bar, 더 바람직하게는 0.6bar, 더 바람직하게는 0.7bar, 더 바람직하게는 0.8bar, 더 바람직하게는 0.9bar, 더 바람직하게는 1bar, 더 바람직하게는 2bar의 정압을 받을 때 5% 미만이다.

일 실시예에서, 멤브레인 엔빌로프는 최대 0.5bar의 정압을 받을 때 5% 미만, 바람직하게는 4% 미만, 더 바람직하게는 3% 미만을 보인다.

여과 멤브레인 엔빌로프에 존재하는 3D 스페이서 직물은 투과 채널을 형성한다. 이 투과 채널은 여과 멤브레인 엔빌로프의 평행한 두 멤브레인 층 사이에서 액체 추출을 위한 자유 공간이다.

실시예에서, 상기 멤브레인 엔빌로프의 투과 채널은 1 내지 4 mm, 더 바람직하게는 1.5 내지 3 mm, 더 바람직하게는 1.8 내지 2.8 mm의 채널 두께를 갖는다. 위의 조건이 존재할 경우, 모듈 작동 중 투과 채널 내의 압력 강하는 무시할 수 있다.

투과 채널은 상기 3D 스페이서 직물에 의해 형성된 개방 공간을 포함한다. 멤브레인 엔빌로프를 통한 최적의 흐름 분포를 보장하기 위해, 상기 투과 채널에서의 개방 공간의 비율은 80 내지 99%, 더욱 바람직하게는 85 내지 99%, 더욱 바람직하게는 90 내지 99%이다.

바람직하게는, 3D 스페이서 직물은 편물, 직조 또는 부직포 유형이다. 바람직한 실시예에서, 3D 스페이서 직물은 직조 구조를 갖는다. 실시예에서, 3D 스페이서 직물은 바람직하게는 폴리에스테르, 나일론, 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다. 직조 공정에서 세로 또는 종방향 날실은 프레임이나 직기에 장력을 가해 고정된 상태로 유지되는 반면 가로 씨실은 날실을 통해 위입되어 날실 위와 아래로 삽입된다.

멤브레인 엔빌로프는 사전 정의된 거리에서 모노필라멘트 실에 의해 이격된 상부 및 하부 표면 패브릭을 포함하는 3D 스페이서 직물을 제공하고 후속적으로 다수의 영역이 상기 멤브레인 층에 매립되도록 상기 상부 및 상기 하부 표면 직물에 멤브레인 층을 도포함으로써 생성될 수 있다. 멤브레인 층을 도포하는 단계는 바람직하게는 캐스트 재료를 이용한 캐스팅 단계 및 상기 캐스트 재료의 응고를 통해 직물이 매립되는 멤브레인 층을 형성하는 단계를 포함한다. 이 공정은 폴리머와 용매(폴리머 용액)을 지지층 위에 캐스팅한 다음 비용매가 포함된 응고조에 담그는 "침지 침전(immersion precipitation)"으로 알려져 있다. 용매와 비용매 교환으로 인해 침전이 발생한다.

본 명세서에 개시된 멤브레인의 바람직한 실시예에서, 상기 캐스팅 단계 동안 폴리머 용액이 상기 3D 스페이서 직물의 상부 및 하부 면에 도포되어 멤브레인의 상부 및 하부 표면을 형성한다. 보다 구체적으로, 상기 폴리머는 캐스팅 헤드를 포함하는 캐스팅 모듈에 의한 주입 공정에 의해 도포된다. 캐스팅 공정 전 또는 도중에 직물의 두께 및/또는 테이퍼링의 변화를 측정하고 3D 직물과 캐스팅 헤드 사이의 거리를 상기 측정에 기초하여 조정한다.

여과 멤브레인 제조에 사용되는 3D 직물은 표면의 균일성이 부족하며 일반적으로 두께와 거칠기가 다양한다. 직조 공정의 결과는 종종 테이퍼형 직물이 된다. 3D 스페이서 직물의 두께 변화를 실시간으로 측정하고 이에 따라 캐스팅 헤드를 조정하면 표면 전체에 걸쳐 균일한 캐스팅 층을 갖는 멤브레인이 생성되는 것을 발견하였다.

바람직하게는, 3D 스페이서 직물의 두께는 상기 패브릭이 캐스팅 모듈에서 하강하기 전에 길이 전체에 걸쳐 측정된다. 상기 측정값은 3D 스페이서 직물과 캐스팅 헤드 사이의 거리를 조정하는 데 사용된다. 상기 거리를 조정함으로써, 두께의 변화 및/또는 직물의 테이퍼링을 고려하여 멤브레인 전체에 걸쳐 균일한 캐스팅 층이 달성된다.

실시예에서, 상기 캐스팅 공정은 수직으로 위치되고 캐스팅 동안 침전조에서 하강하는 직물에 대해 수행된다. 침전조는 바람직하게는 물을 함유한다.

상기 캐스팅 공정은 일단계 공정 또는 다단계 공정일 수 있으며, 여기서 폴리머가 재료 위에 캐스팅되어 침전된 후 제2 캐스팅 또는 코팅이 발생한다.

멤브레인 층은 응고 과정에서 치밀화된다. 사용된 캐스팅 공정으로 인해 멤브레인 층의 다공도가 3D 직물에서 폴리머가 침투하는 방향으로 점차 증가한다. 결과적으로, 멤브레인 층은 두 개의 섹션, 즉 상대적으로 미세하거나 작은 기공 크기를 갖는 여과층과 상대적으로 큰 기공 크기를 갖는 고정 섹션으로 구성된다. 여과층은 바람직하게는 10 nm 내지 1 미크론 크기의 기공을 갖는 반면, 고정 섹션의 기공 크기는 거대공극을 가질 것이다.

캐스팅 재료는 HPC, CMC, PVP, PVPP, PVA, PVAc, PEO, TiO2, HfO2, Al2O3, ZrO2, Zr3(PO4)4, Y2O3, SiO2, 페로브스카이트 산화물 재료 및 SiC로 이루어진 군에서 선택된 친수성 필러 재료; PVC, C-PVC, PSf, PESU, PPS, PU, PVDF, PI, PAN 및 이들의 접목된 변형으로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 결합제 물질; 및 NMP, DMF, DMSO 또는 DMAC 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 용매를 포함한다. 무용제 공정(solvent-free process)도 고려할 수 있다. 다른 생산 방법도 당업계에 공지되어 적용될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

실시예에서, 캐스트 멤브레인 층을 갖는 생성된 직물의 두께는 상기 직물이 욕조에서 제거된 후 다시 측정된다.

발명자들은 놀랍게도 캐스팅 공정 동안 스페이서 직물의 편차가 고려되는 멤브레인 엔빌로프는 예를 들어 앵커링 섹션, 여과층, 투과 채널과 같은 층의 두께를 제어하고 그리고 IPC 멤브레인에 있어서 압축, 박리에 대한 저항성과 같은 최적의 기계적 특성을 보장하고, 침수 조건에서 작동할 때 길이나 너비가 늘어나지 않는다는 것을 발견하였다. 종래기술의 멤브레인은 본 발명의 멤브레인의 뛰어난 기계적 특성을 갖지 않으며, 층의 두께와 상기 층 사이의 비율은 종래기술의 멤브레인에 대해 알려져 있지 않다. 더욱이, 종래기술의 멤브레인은 다른 제조 방법에 의해 얻어지며 따라서 여기에 개시된 멤브레인의 특성을 달성할 수 없다.

바람직하게는 멤브레인 엔빌로프는 평면형이다. 멤브레인 엔빌로프는 멤브레인 층을 통과하지 않고 투과 채널로부터 또는 투과 채널로의 직접적인 유체 이동을 방지하도록 배열된 평면형 멤브레인 엔빌로프의 주변에 있는 밀봉재, 및 투과 채널과 유체 연결되는 입구/출구 포트 연결부를 추가로 포함할 수 있고, 주변에 적어도 하나의 에지를 제공한다. 각각의 멤브레인 엔빌로프는 U자형 캡으로 덮인 단부 부분을 가질 수 있으며, 상기 캡은 금속 캡, 바람직하게는 스테인레스강 캡이다.

제2 측면에서, 본 발명은 위에서 설명한 임의의 실시예에 따른 평면형 멤브레인 엔빌로프의 어레이를 포함하는 물 여과 모듈에 관한 것이다.

제3 측면에서, 본 발명은 물 및/또는 폐수와 같은 유체의 정화 및/또는 여과를 위한 상기 설명에 따른 멤브레인 엔빌로프 또는 여과 모듈의 용도에 관한 것이다. 멤브레인 엔빌로프 또는 여과 모듈은 지표수 또는 폐수의 여과 및/또는 정화에 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이러한 적용에 제한되지 않는다는 것은 명백하다. 본 발명에 따른 멤브레인 엔빌로프 또는 여과 모듈은 모든 종류의 액체 공급원을 처리하는 데 적용될 수 있다.

바람직하게는, 멤브레인 엔빌로프 또는 물 여과 모듈은 역세척 막횡단 압력이 300 mbar 이상의 작동 시 사용된다. 멤브레인 엔빌로프의 특성으로 인해 멤브레인 또는 모듈은 백플러싱, 백 펄스 또는 역세척을 통해 청소하는 데 특히 유용하다. 일 실시예에서, 상기 여과 모듈은 20 mbar 이상, 더 바람직하게는 30 mbar 이상, 더 바람직하게는 40 mbar 이상, 더 바람직하게는 50 mbar 이상, 더 바람직하게는 60 mbar 이상, 더 바람직하게는 70 mbar 이상, 더 바람직하게는 80 mbar 이상, 더 바람직하게는 90 mbar 이상, 더 바람직하게는 100 mbar 이상, 더 바람직하게는 200 mbar 이상, 더 바람직하게는 300 mbar 이상, 더 바람직하게는 400 mbar 이상, 500 mbar 이상, 최소 1 bar, 최소 2 bar의 압력에서 역세척될 수 있다. 이러한 고압 백 펄스는 역세척의 기계적 세척 효율을 잃지 않으면서 가능하다. 이 작업 동안, 멤브레인, 더 구체적으로 존재하는 기공은 물에서 걸러진 잔해로부터 청소된다. 이는 또한 화학적으로 강화된 역세척을 포함할 수 있으며, 여기서 기공은 전체 멤브레인 엔빌로프에 대한 화학물질의 체적 흐름에 의해 화학적으로 세척된다. 어떤 작업이든 최적의 균일한 흐름이 필요하다.

본 명세서에 기술된 바와 같은 멤브레인 엔빌로프 또는 물 여과 모듈은 미세여과, 초여과, MBR, 투과증발, 막 증류, 지지된 액체막 및/또는 퍼트랙션(pertraction)에 사용될 수 있다.

유리하게도, 본 발명의 멤브레인 엔빌로프는 침수될 때 길이 또는 폭이 늘어나지 않는 것으로 결정되었다. 멤브레인 층에 매립된 3D 스페이서 직물과 모노필라멘트 실을 갖춘 멤브레인 엔빌로프의 구조는 멤브레인 엔빌로프가 액체에 잠겨도 팽창 없이 모양과 치수를 유지하도록 보장한다. 이를 통해 멤브레인 안정화를 위한 추가 수단(예: 빗 모양의 구조물 등)을 사용하지 않고도 정수 필터링 작업 중에 멤브레인 엔빌로프가 제자리를 유지할 수 있다.

이제 본 발명은 비제한적 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도면의 상세한 설명

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모듈(1)의 평면도(도 1a) 및 측면도(도 1b)를 도시한다. 모듈(1)은 직사각형 강성 홀더(2)를 포함하고, 그 홀더(2) 내에는 여러 개의 평면형 멤브레인 엔빌로프(3)가 장착되어 있고 나란히 서로 이격되어 배치되어 있다. 멤브레인 엔빌로프(3)의 상단 및 하단 부분에 캡(4)이 제공되어 멤브레인의 강성과 위치를 보장한다. 예를 들어, 상기 모듈은 65 내지 107개의 멤브레인 엔빌로프를 포함할 수 있다. 모듈(1)에는 물의 유입 및 배출을 조절하는 매니폴드(5, 6)가 제공된다. 엔빌로프는 투과 채널을 형성하는 3D 스페이서 직물로 구성된다. 3D 스페이서 직물은 양쪽에서 3D 스페이서 직물을 덮는 멤브레인 층(8, 17)으로 라이닝되어 있다. 엔빌로프(3)의 단면의 개략도가 도 1c에 도시되어 있다. 3D 스페이서 직물(7)에 의해 형성된 투과 채널은 80 내지 99%의 개방 공간을 가지며, 이는 3D 스페이서 직물의 특성에 의해 형성된다. 유리하게는, 멤브레인 엔빌로프의 스페이서 직물 부분의 두께는 1.5 내지 3mm이다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 여과 멤브레인 엔빌로프의 단면의 개략도를 도시한다. 멤브레인 엔빌로프(3)는 멤브레인 층(8, 17)을 갖는 3D 스페이서 직물(7)의 상부(9) 및 하부(10) 표면을 캐스팅함으로써 획득된다. 여과 멤브레인 엔빌로프의 평행한 두 멤브레인 층 사이에는 액체 추출을 위한 투과 채널(12)이 형성된다. 3D 스페이서 직물은 씨실(11) 및 날실(18)과 같은 모노필라멘트 실(11, 18)로 제조된다. 3D 스페이서 직물은 멤브레인 층의 다수의 영역(15)에 매립되어 3D 스페이서 직물의 상부 표면에 상부 고정 섹션(13)을 형성하고 3D 스페이서 직물의 하부 표면에 하부 고정 섹션(14)을 형성한다. 여과층(16)은 상기 여과 멤브레인 엔빌로프의 외측을 향하는 방향으로 각각의 고정 섹션으로부터 연장된다.

도 2b는 실제 멤브레인의 단면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다. 씨실 평면은 고정 섹션과 여과층을 나타낸다. 눈금 막대는 4mm를 나타낸다.

도 2c는 본 발명에 따른 3D 멤브레인 엔빌로프의 제조에 사용되는 3D 스페이서 직물의 단면에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.

도 3은 멤브레인 엔빌로프 벗겨짐 또는 박리를 결정하기 위한 장비다. In은 공기 밸브, a는 압력계, b는 배수 밸브, c는 공기 압력 조절기, d는 압력 게이지, e는 오일 용기, f는 클레이브(clave), g는 멤브레인 테스트 셀, off는 감압 밸브이다.

예시

이제 다음 예시를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명은 주어진 예시나 도면에 제시된 실시예에 결코 제한되지 않는다.

예시 1: 여과 멤브레인 엔빌로프의 압력에 대한 저항성

여과 멤브레인 엔빌로프는 역세척 모드를 모방하여 내부에서 외부로 2bar의 공기 압력을 받는다. 서로 다른 멤브레인 층을 가지는 세 가지 유형의 여과 멤브레인 엔빌로프가 사용된다. 셋업은 다음과 같다:

- 멤브레인(1)은 두께가 150 미크론 미만인 멤브레인 층(얇은 멤브레인 층)과 두께가 100 미크론 미만인 고정 섹션을 가지며,

- 멤브레인(2)은 두께가 1400 미크론을 초과하는 멤브레인 층(두꺼운 멤브레인 층)과 두께가 600 미크론을 초과하는 고정 섹션을 가지며,

- 멤브레인(3)은 두께가 150 내지 1400 미크론인 멤브레인 층(본 발명의 멤브레인 층) 및 두께가 100 내지 600 미크론인 고정 섹션을 갖는 본 발명에 따른 멤브레인이다.

2bar의 공기압에서 스페이서 직물과 멤브레인 층의 벗겨짐 또는 박리를 측정하였다.

결과: 벗겨짐 또는 박리 비율은 멤브레인 층의 두께에 반비례한다. 두꺼운 멤브레인 층과 본 발명에 따른 멤브레인 층을 갖는 멤브레인(2 및 3)은 박리되지 않고, 반면, 얇은 멤브레인 층을 갖는 멤브레인(1)은 박리된다. 멤브레인(2)에서는 벗겨짐 또는 박리가 방지되지만, 1400 미크론 이상의 두꺼운 멤브레인 층은 비용 효율적이지 않고, 반면, 본 발명의 멤브레인은 견고한 고정 섹션과 벗겨짐 또는 박리를 방지하기에 충분한 멤브레인 층을 보장하면서 동시에 경제적이다.

예시 2: 여과 멤브레인 엔빌로프의 압축 시험

여과 멤브레인 제작용 시편은 흡입 모드 여과를 모방하여 0 내지 2bar 범위의 일정한 정압(예: 0.5 내지 1bar)을 받는다. 셋업은 다음과 같다.

- 150 내지 1400 미크론 두께의 멤브레인 층(본 발명의 멤브레인 층) 및 100 내지 600 미크론 두께의 고정 섹션을 갖는 본 발명에 따른 여과 멤브레인 엔빌로프,

- 본 발명에 따른 여과 멤브레인 엔빌로프를 제조하는 데 사용되는 3D 직조 직물,

- 종래기술의 여과 멤브레인,

- 여과 멤브레인 제조에 사용되는 종래기술의 편직물.

시편의 압축률이 결정된다.

결과: 여과 멤브레인 엔빌로프와 이를 제조하는 데 사용된 3D 직조 직물은 종래기술의 멤브레인과 종래기술의 편직물보다 훨씬 낮은 압축률을 나타낸다.

예시 3: 여과 멤브레인 엔빌로프 층의 두께 결정

주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 여과 멤브레인 엔빌로프 층의 두께를 측정하였다. 멤브레인 샘플을 6x20mm 크기로 절단하고 전도성 백금(Pt) 층으로 코팅하여 샘플 상단과 측면의 대전을 방지했다.

2차(SE) 및/또는 후방 산란 전자(BSE)를 사용하여 FEI Quanta FEG 현미경으로 전자 현미경 사진을 기록했다. SE 전자를 사용하면 주로 표면 구조가 표시되는 반면, BSE 전자를 사용하면 기록에서는 주로 다양한 재료의 (전자) 밀도 차이가 표시된다. 이는 밀도가 높거나 무거운 원소의 농도가 높은 영역이 가장 밝게 나타나고 밀도가 낮은 물질이 있는 영역은 어둡게 표시된다는 것을 의미한다.

샘플은 측면도가 위쪽을 향하도록 배열되었다. 4개의 서로 다른 샘플에서 13X 배율로 4개의 사진을 촬영했다.

SEM 현미경 사진에서, 날실의 절단 부분이 멤브레인 구조 밖으로 튀어나온 둥근 물체로 단면에서 보였고, 설계에 의해 한 평면에 배열되어 있다(도 2b). 날실의 직경은 150 μm이었다. 날실의 평면은 고정 섹션과 여과층을 묘사한다. 여과층은 날실 평면에서 여과 멤브레인 엔빌로프의 외부까지 연장되는 구역인 반면, 투과 채널까지 날실 평면을 포함하는 구역은 고정 섹션이었다.

각 층의 두께는 사용된 배율(도 2b)을 기준으로 각 현미경 사진에 대해 한 번씩 측정되었으며 4개 샘플의 평균이 결정되었다.

예시 4: 투과 채널의 열린 공간 비율 결정

투과 채널의 다공도는 투과 채널 1cm³당 개방 공간의 비율을 결정하여 평가되었다.

멤브레인 엔빌로프를 그 가운데를 절단하였으며, 여과층을 아래로 하고 절단된 모노필라멘트 실이 위로 향하게 배치하였다.

1x1cm 크기의 프레임을 샘플 위에 놓고 실체 현미경(Zeiss Stemi 2000-C)으로 검사하였다. 그런 다음 튀어나온 모노필라멘트 실의 수를 결정하였다. 모노필라멘트 실이 차지하는 부피는 실의 수와 직경(150um)을 기준으로 결정하고 투과 채널의 전체 부피에서 뺐다. 그런 다음 그 차이를 바탕으로 개방 공간의 비율을 계산하였다.

투과 채널 두께가 2mm이고 1cm²당 168개의 실이 계산된 멤브레인 엔빌로프에 대해 다음이 계산되었다.

a) 하나의 모노필라멘트 실의 부피 = 3.14 x (0.0075cm)² x 0.2cm = 0.0000353 cm³

b) 모노필라멘트 실의 총 부피 = 168 x 0.0000353 = 0.0059cm³

c) 투과 채널의 총 부피 = 1cm x 1cm x 0.2cm = 0.2cm³

d) 개방 공간의 비율 = (0.2cm³ - 0.0059cm³)/0.2cm³ x 100% = 97%

예시 5: 압축 결정

압축 테스트는 ISO 표준 ISO 5084를 사용하여 수행되었다. 상기 압축은 Twing Albert Frank 인장 시험기 타입 81828을 사용하여 25°C 및 65% 상대 습도에서 측정되었다.

3D 스페이서 직물 조각을 직경 20mm의 디스크로 절단하였다.

3D 스페이서 직물의 각 샘플에는 0에서 1.5bar까지 강도가 점차 증가하는 일련의 압력이 가해졌다(표 1). 매번 30초 동안 압력을 가했다. 디스크의 두께는 각 시험 전에 결정되었으며 각 압축 시험 후에 다시 측정되었다.

압축 시험 종료 시 평균 두께를 원래 두께와 비교하고 압축률을 다음 공식을 사용하여 백분율로 표시했다.

압축률(%) = (두께_F=0 - 두께_F=x)/두께_F=0 x 100%

평균 압축 측정의 예가 표 1에 나와 있다. 시험은 동일한 타입의 3D 스페이서 직물의 5개 독립 샘플에 대해 수행되었으며 평균이 계산되었다. 표 1에서 분석된 3D 스페이서 직물의 경우, 1.5bar에서의 평균 압축률은 3% 미만이다.

표 1. 평균 압축률 측정

예시 6: 멤브레인 엔빌로프 벗겨짐 또는 박리의 확인

벗겨짐 또는 박리 시험은 도 3과 같이 가압 매체 점성 오일(50cSt)과 멤브레인 테스트 셀의 바닥에 여과층이 장착된 멤브레인 모듈을 포함하는 장비에서 수행되었다.

장비의 작업 흐름은 다음과 같다.

1: 밸브(in)를 통해 공기를 유입시켜 오일 용기에 압력을 가했다.

2: 압력계(a)를 이용하여 공기의 공급압력을 측정하였다.

3: 오일 용기(e)의 압력은 압력 게이지(d)에 의해 수행되었다.

4: 밸브(f)를 열 때, 멤브레인 테스트 셀이 있는 멤브레인 모듈(g)에 압력이 방출되었다.

5: 레귤레이터(c)를 사용하여 공기압을 0.1bar/5초로 0에서 4bar까지 점진적으로 증가시켰다.

6: 최대 압력에 도달하면, 멤브레인이 지지체에서 밀리거나 벗겨지거나 멤브레인에 파열이 형성되어 밸브(출구)를 통해 모든 오일이 방출된다.

7: 멤브레인이 터지는 압력이 기록되었다.

8: 테스트 후, 시스템은 밸브(off)를 통해 감압되고; "in" 밸브와 오일 용기 사이에 축적된 오일은 밸브(b)에 의해 배출되었다.

1: 모듈
2: 홀더
3: 멤브레인 엔빌로프
4: 캡
5,6: 매니폴드
7: 3D 스페이서 직물
8, 17: 멤브레인 층
9: 3D 스페이서 직물의 상부 표면
10: 3D 스페이서 직물의 하부 표면
11: 모노필라멘트 씨실
12: 투과 채널
13 : 상부 고정 섹션
14 : 하부 고정 섹션
15 : 모노필라멘트 실 매립 영역
16: 여과층
18: 모노필라멘트 날실

Claims

모노필라멘트 실(18)에 의해 함께 묶여 있고 서로 이격된 상부 및 하부 표면(9, 10)을 갖는 3D 스페이서 직물(7)을 포함하는 여과 멤브레인 엔빌로프(3)로서, 상기 3D 스페이서 직물은 두 개의 멤브레인 층(8, 17) 사이에 개재되어 있고, 투과 채널(12)을 형성하며, 상기 멤브레인 층이 상기 3D 스페이서 직물의 상기 상부 및 하부 직물 표면에 각각 캐스팅되어 있고, 상기 상부 및 하부 직물 표면이 상기 멤브레인 층에 적어도 부분적으로 매립됨으로써, 상부 및 하부 고정 섹션(13, 14)을 형성하고, 상기 고정 섹션은 100 미크론의 최소 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 여과 멤브레인 엔빌로프(3).
제1항에 있어서, 여과층(16)은 각각의 고정 섹션(13, 14)로부터 상기 엔빌로프의 외측을 향하는 방향으로 연장되고, 상기 여과층의 최소 두께는 50 미크론인 것을 특징으로 하는 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 고정 섹션(13, 14)으로부터 연장되는 여과층(16)이 50 내지 800 미크론인, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 여과층(16)의 두께와 상기 고정 섹션의 두께 사이의 비가 1:10 내지 3:1인, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 멤브레인 층(8, 17)은 150 미크론의 최소 총 두께를 갖는, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과 채널(12)은 1.5 내지 3mm의 채널 두께를 갖는, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 멤브레인 엔빌로프의 총 두께가 1.8 내지 6 mm인 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔빌로프는 0.5bar의 정압 하에서 5% 미만의 압축률을 나타내는, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔빌로프가 2bar의 압력을 받을 때 스페이서 직물 및 멤브레인 층의 벗겨짐 또는 박리율이 10% 미만인, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과 채널은 상기 3D 스페이서 직물에 의해 형성된 개방 공간을 포함하는, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제10항에 있어서, 상기 투과 채널의 개방 공간의 비율은 80% 내지 99%인, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3D 스페이서 직물은 직물, 부직포 또는 편물인, 여과 멤브레인 엔빌로프.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 평면형 여과 멤브레인 엔빌로프의 어레이를 포함하는 물 여과 모듈.
물 여과 및/또는 폐수 정화를 위한 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 여과 멤브레인 엔빌로프 또는 물 여과 모듈의 용도.