KR100349317B1 - Tubular Membrane Module Having Self-Rotating Rod Equipped Propeller - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자체 회전봉 장착형 프로펠러를 지니는 관형 분리막 모듈에 관한 것으로서, 공급액의 성상, 관형막(14)의 재질이나 형태에 구애되지 않고 적절한 관경을 가진 관형막(14)을 이용하여 투과율의 저하 없이 분리 및 투과 기능을 수행하는 시스템에 있어서: 내부에 관형막(14)을 수용한 상태로 하부몸체(11), 중간몸체(12), 상부몸체(13)가 일체로 결합되고, 유입구(11a)로 공급되는 용액(공급액)을 투과수와 농축수로 분리하는 본체; 그리고 상기 관형막(14)과 동일 중심선 상에 회전 가능하게 장착되고, 상기 하부몸체(11) 내부에 수용되는 프로펠러(16)와 연결되는 회전봉(15)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, 기존의 관형 분리막에서 해결하지 못한 농도 분극 및 용질층에 의한 투과유속의 감소와 투과수질의 감소를 해결하여 분리막의 세척 주기 및 사용 수명을 연장할 수 있으며 보다 폭넓은 용도에 적용하는 것이 가능하다.The present invention relates to a tubular membrane module having a self-rotating rod-mounted propeller, and is separated without deterioration in permeability by using a tubular membrane (14) having an appropriate diameter without regard to the properties of the feed solution and the material or form of the tubular membrane (14). And a system for performing the permeation function: the lower body 11, the intermediate body 12, and the upper body 13 are integrally coupled with the tubular membrane 14 accommodated therein, and are connected to the inlet 11a. A main body separating the supplied solution (feed solution) into permeate and concentrated water; And a rotating rod 15 rotatably mounted on the same center line as the tubular membrane 14 and connected to the propeller 16 accommodated in the lower body 11. It is possible to extend the washing cycle and service life of the membrane by solving the decrease in permeation flux and decrease in permeation rate due to the concentration polarization and solute layer, which are not solved in the tubular membrane.
Description
본 발명은 자체 회전봉 장착형 프로펠러를 지니는 관형 분리막 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역삼투·한외여과·정밀여과 등에 관계없이 관형막을 이용하여 용질을 배제하거나, 여러 가지 거대 분자나 콜로이드성 물질을 제거하거나 또는 분자량별, 크기별로 분획(Fractionation)하고자 할 때 분리막 표면 근처에 형성되는 농도분극(Concentration Polarization)과 분리막 표면에 퇴적되는 용질층(Cake Layer) 및 분리막 내부에 형성되는 막오염(Membrane Fouling)을 저감시켜 투과수의 감소량을 최소화하고 분리막의 수명을 최대화할 수 있는 자체 회전봉 장착형 프로펠러를 지니는 관형 분리막 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a tubular membrane module having a self-rotating rod-mounted propeller, and more specifically, to remove solutes or remove various macromolecules or colloidal substances by using a tubular membrane regardless of reverse osmosis, ultrafiltration, or microfiltration. Concentration polarization formed near the membrane surface, solute layer deposited on the membrane surface, and membrane fouling formed inside the membrane when fractionation by molecular weight or size is desired. The present invention relates to a tubular membrane module having a self-propelled rod-mounted propeller capable of minimizing the reduction of permeated water and maximizing the life of the membrane.
막을 이용한 분리, 정제 및 분획은 산업 전반에 걸쳐 오늘날 광범위하게 이루어지고 있다. 막은 용액 또는 혼합물을 적은 에너지로 효과적으로 분리할 수 있으며 분리 후 제 3의 폐기물을 발생시키지 않고 간단한 조작에 의해 쉽게 원하는 목적을 달성할 수 있는 잇점을 지닌다.Separation, purification and fractionation using membranes is widely done today throughout the industry. Membranes have the advantage of being able to effectively separate solutions or mixtures with low energy and easily achieve the desired purpose by simple operation without generating third waste after separation.
그러나 일반적으로 분리막을 이용하여 용액에 존재하는 입자성 물질이나 용질을 분리하고자 할 때 용액 내에 존재하는 배제 입자들은 확산 속도가 매우 작기 때문에 막의 중심부와 표면 사이의 농도 구배가 크더라도 쉽게 역확산이 일어나지 않아 막의 표면 근처에서 용질의 농도가 증가되는 농도 분극 현상이 발생하거나 이들 농도 분극층이 진행, 분리막 표면에서 용질 연속상으로 상전이가 발생하여 용질층이 형성되기도 하며, 작은 용질 입자는 큰 기공의 벽에 흡착되기도 하고 기공과 비슷한 크기의 입자에 의해 기공이 차폐되기도 하는 분리막 오염 현상이 발생하기도 한다.In general, however, when the separation membrane is used to separate particulate matter or solutes, the exclusion particles present in the solution have a very small diffusion rate, so that the back diffusion easily occurs even when the concentration gradient between the center and the surface of the membrane is large. As a result, concentration polarization phenomenon occurs in which the concentration of the solute increases near the surface of the membrane, or these concentration polarization layers progress, and phase transition occurs in the solute continuous phase on the surface of the separation membrane, so that the solute layer is formed. Membrane contamination may occur due to adsorption on the pores and the pores being blocked by particles of similar size to the pores.
따라서 이러한 현상들에 의해 운전 시간이 지남에 따라 분리막 투과유속은 급격하게 저하된다. 투과유속의 감소로 경제성을 상실할 경우 일반적으로 장치를 정지시킨 후 스폰지 볼 등으로 용질층을 제거하거나 화학 약품을 이용하여 세정하거나 세정 효과를 상실할 경우 새로운 막으로 교체한다.Therefore, the permeation rate of the membrane is drastically lowered as the operation time passes by these phenomena. If the economy is lost due to a decrease in the permeate flow rate, the device is usually stopped, and the solute layer is removed with a sponge ball or the like, cleaned with chemicals, or replaced with a new membrane when the cleaning effect is lost.
이러한 막의 단점을 보완하기 위한 모듈의 개발로서, 미국 특허 5628909에서는 공급액을 관형막 내부로 유입시키는 경우 나사 모양의 봉을 관형막 내부에 삽입하거나 외부로 공급액을 공급하는 경우 하우징 내부에 나사식 홈을 만들어 와류를 형성시킴으로서 투과 저항층을 감소시켜 투과유속 감소를 줄였다. 그러나 이러한 형태의 와류 형성장치는 내부 삽입봉이 고정되어 단순히 수동적 와류 형성 장치에 불과하다.As a development of a module to compensate for such a disadvantage of the membrane, U.S. Patent 5628909 discloses that when a feed liquid is introduced into the tubular membrane, a screw-shaped rod is inserted into the tubular membrane or a screw groove is provided inside the housing when the feed liquid is supplied to the outside. By forming the vortex, the permeation resistance layer was reduced to reduce the permeation flux. However, the vortex forming apparatus of this type is merely a passive vortex forming apparatus because the internal insertion rod is fixed.
보다 적극적인 형태의 와류 형성 시스템으로 테일러 와류를 형성시키기 위하여 분리막에 모터를 장착, 막을 회전시키고 막외부로 공급액을 공급시켜 막내부로 투과시키는 방법이 있다. 그러나 이 방법의 경우 공급액 또는 농축수가 투과수 측으로 혼입되지 않도록 하기 위한 차폐가 어렵고 이로 인해 운전압력에 제한을 받는다. 또한 모터를 장착함으로써 추가적인 에너지 비용이 소요된다.In order to form a Taylor vortex in a more aggressive type of vortex forming system, there is a method in which a motor is attached to the separator, the membrane is rotated, and the feed liquid is supplied to the outside of the membrane to permeate the membrane. However, this method is difficult to shield the feed or concentrated water from entering the permeate side, which is limited by the operating pressure. In addition, mounting a motor requires additional energy costs.
그러므로 공급액 또는 농축액의 혼입을 차폐시키기 위하여 관형막을 고정시키고 장치를 단순화하고 모터의 구동력을 배제한 상태에서 공급액의 흐름 힘, 또는농축액의 유출 힘에 의해 회전할 수 있는 구성을 관형막 내부에 장착하여 테일러 와류를 발생시키거나 난류를 형성시키거나 또는 직접적인 방법으로 막 내부에 형성된 용질층 및 농도 분극을 제거하여 투과수의 높은 유량을 보유하면서 장시간 운전이 가능하도록 하는 새로운 방식의 관형 막모듈이 필요하다.Therefore, Taylor can be installed inside the tubular membrane by rotating the tubular membrane in order to shield the incorporation of the feed liquid or the concentrate liquid, and simplifying the device and rotating by the flow force of the feed liquid or the outflow force of the concentrate liquid without the driving force of the motor. There is a need for a new type of tubular membrane module that generates vortices, creates turbulence, or eliminates solute layers and concentration polarization formed within the membrane in a direct manner, allowing long-term operation while maintaining a high flow rate of permeate.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 막오염과 용질층의 형성, 농도 분극 현상을 제거하여 막의 수명을 연장시키고 또한 막의 세정 시간을 최소화하여 배제율의 감소 없이 투과수량을 최대화할 수 있는 자체 회전봉 장착형 프로펠러를 지니는 관형 분리막 모듈을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, to remove membrane fouling, solute layer formation, concentration polarization phenomenon to extend the life of the membrane and also to minimize the cleaning time of the membrane to maximize the amount of permeate without reducing the rejection rate To provide a tubular membrane module having a self-rotating rod-mounted propeller that can be.
도 1은 본 발명에 따른 관형 분리막 모듈을 도식적으로 나타내는 구성도,1 is a schematic view showing a tubular membrane module according to the present invention,
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 분리막 모듈에 적용되는 회전봉의 다양한 형태를 나타내는 구성도,2a to 2f is a configuration diagram showing various forms of the rotating rod applied to the membrane module of the present invention,
도 3은 도 1의 분리막 모듈을 장착하여 투과 성능을 실험하기 위한 분리막 시스템을 도식적으로 나타내는 구성도,3 is a schematic diagram showing a membrane system for testing the permeation performance by mounting the membrane module of FIG.
도 4는 효모가 함유된 수용액으로부터 효모를 분리할 때 회전수에 따른 투과유속을 운전 시간에 대하여 나타내는 그래프.4 is a graph showing the permeation flux with respect to the running time when the yeast is separated from the aqueous solution containing the yeast.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 분리막 모듈 11 : 하부몸체10: membrane module 11: the lower body
11a : 유입구 11b : 제1 토출구11a: inlet 11b: first outlet
12 : 중간몸체 12a : 제2 토출구12: intermediate body 12a: second discharge port
13 : 상부몸체 13a : 제3 토출구13: upper body 13a: third discharge port
14 : 관형막 15 : 회전봉14 tubular membrane 15 rotating rod
16 : 프로펠러 20 : 저장조16: propeller 20: reservoir
30 : 펌프 V1∼V7 : 밸브30: pump V1-V7: valve
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 공급액의 성상, 관형막(14)의 재질이나 형태에 구애되지 않고 적절한 관경을 가진 관형막(14)을 이용하여 투과율의 저하 없이 분리 및 투과 기능을 수행하는 시스템에 있어서: 내부에 관형막(14)을 수용한 상태로 하부몸체(11), 중간몸체(12), 상부몸체(13)가 일체로 결합되고, 유입구(11a)로 공급되는 용액(공급액)을 투과수와 농축수로 분리하는 본체; 그리고 상기 관형막(14)과 동일한 중심선 상에서 상기 관형막(14)내의 전장에 걸쳐 뻗어서양단이 상기 본체의 상단 및 하단에 회전 가능하게 장착되고, 상기 하부몸체(11) 내부에 수용되는 프로펠러(16)와 연결되는 회전봉(15)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve this object, the present invention is a system for performing separation and permeation functions without deterioration of the permeability by using a tubular membrane 14 having a suitable diameter without regard to the properties of the feed solution and the material or form of the tubular membrane 14. In the state: the lower body 11, the intermediate body 12, the upper body 13 is integrally combined with the tubular membrane 14 accommodated therein, and the solution (feed liquid) supplied to the inlet 11a is A main body separating the permeate and the concentrated water; And a propeller 16 which extends over the entire length of the tubular membrane 14 on the same centerline as the tubular membrane 14 so that both ends are rotatably mounted on the upper and lower ends of the main body and are accommodated in the lower body 11. It characterized in that it comprises a rotating rod 15 connected to).
이때 상기 하부몸체(11)는 공급액의 가변속 유동을 유도하여 프로펠러(16)의 회전력을 확보하도록 유입구(11a)의 반대측에 제1 토출구(11b)를 구비한다.At this time, the lower body 11 is provided with a first discharge port (11b) on the opposite side of the inlet (11a) to induce a variable speed flow of the feed liquid to secure the rotational force of the propeller (16).
또한 상기 회전봉(15)은 관형막(14) 내부에서 테일러 와류를 형성하기 위해 그 직경(ri)과 관형막(14)과의 틈새(d)에 대한 비율 d/ri가 0.2 내지 0.8 범위로 되거나 틈새(d)가 1 mm 이상으로 형성된다.In addition, the rotating rod 15 has a ratio d / r i of the diameter r i and the gap d between the tubular membrane 14 to form a vortex in the tubular membrane 14 in a range of 0.2 to 0.8. Or the gap d is formed to be 1 mm or more.
또한 상기 회전봉(15)은 관형막(14) 내부에서 공급액의 흐름을 보다 효과적으로 교란하기 위해 나선형으로 부착되는 장애부재(15b∼15f)를 추가로 구비한다.In addition, the rotating rod 15 further includes a barrier member 15b to 15f that is helically attached to disturb the flow of the feed liquid more effectively in the tubular membrane 14.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 관형 분리막 모듈을 도식적으로 나타내는 구성도가 도시된다.1 is a schematic view showing a tubular membrane module according to the present invention.
본 발명은 공급액의 성상, 관형막(14)의 재질이나 형태에 구애되지 않고 적절한 관경을 가진 관형막(14)을 이용하여 투과율의 저하 없이 분리 및 투과 기능을 수행하는 시스템에 관련된다.The present invention relates to a system for performing separation and permeation functions without deterioration of the permeability using a tubular membrane 14 having an appropriate diameter without regard to the properties of the feed solution and the material or form of the tubular membrane 14.
본 발명은 관형막을 사용하여 넓은 범위의 분자량을 갖는 고분자 물질이나, 분자량이 다른 단백질들이 혼합되어 있는 경우, 또는 두 성분 이상의 용질이 혼합되어 있는 경우 한외여과막이나 정밀여과막을 이용하여 이들 혼합물을 일정 범위의 분자량별로, 혹은 성분별로, 또는 분자 크기별로 분획하거나, 역삼투막을 이용함에 있어서 염 및 이온을 제거하거나 콜로이드, 단백질, 기름 에멀젼 등 입자성 물질을 한외여과막 또는 정밀여과막으로 제거하는 공정 등, 관형막을 사용함에 있어서 막 표면 근방에서 농도 분극층을 형성하거나 용질층을 형성할 수 있는 공정에서 이들 투과수 저항층을 제한하는 것을 목적으로 한다.The present invention uses a tubular membrane to a wide range of high molecular weight material, when proteins of different molecular weights are mixed, or when two or more components of a solute are mixed, an ultrafiltration membrane or a microfiltration membrane is used for a certain range. To remove the salts and ions or to remove particulate matter such as colloids, proteins and oil emulsions by ultrafiltration membranes or microfiltration membranes. In use, the present invention aims to limit these permeate resistant layers in a process capable of forming a concentration polarization layer or a solute layer near the membrane surface.
본 발명에 따른 본체는 내부에 관형막(14)을 수용한 상태로 하부몸체(11), 중간몸체(12), 상부몸체(13)가 일체로 결합되고, 유입구(11a)로 공급되는 용액(공급액)을 투과수와 농축수로 분리하는 기능을 수행한다. 하부몸체(11)의 일측에 설치되는 유입구(11a)는 공급액이 통과되고, 중간몸체(12)의 측면에 설치되는 제2 토출구(12a)는 관형막(14)을 통과한 투과수가 통과되고, 상부몸체(13)의 측면에 설치되는 제3 토출구(13a)는 관형막(14)을 지나친 농축수가 통과된다.In the main body according to the present invention, the lower body 11, the middle body 12, and the upper body 13 are integrally coupled with the tubular membrane 14 accommodated therein, and the solution supplied to the inlet 11a ( Feed liquid) is separated into permeate and concentrated water. The feed liquid is passed through the inlet port 11a provided on one side of the lower body 11, and the permeate water passing through the tubular membrane 14 passes through the second discharge port 12a installed on the side surface of the intermediate body 12. The third discharge port 13a provided on the side of the upper body 13 passes through the concentrated water passing through the tubular membrane 14.
이때 상기 하부몸체(11)는 공급액의 가변속 유동을 유도하여 프로펠러(16)의 회전력을 확보하도록 유입구(11a)의 반대측에 제1 토출구(11b)를 구비한다. 유입구(11a)로 들어온 공급액의 일부는 관형막(14) 측으로 이동하지 않고 프로펠러(16)를 회전시키고 제1 토출구(11b)로 배출된다. 프로펠러(16)의 가변속을 유도하는 방법은 후술하는 도 3의 설명을 참조한다.At this time, the lower body 11 is provided with a first discharge port (11b) on the opposite side of the inlet (11a) to induce a variable speed flow of the feed liquid to secure the rotational force of the propeller (16). A part of the feed liquid entering the inlet port 11a rotates the propeller 16 and is discharged to the first outlet port 11b without moving to the tubular membrane 14 side. The method of deriving the variable speed of the propeller 16 refers to the description of FIG. 3 to be described later.
또, 본 발명에 따르면 상기 하부몸체(11) 내부에 수용되는 프로펠러(16)와 연결되는 회전봉(15)이 상기 관형막(14)과 동일 중심선 상에 회전 가능하게 장착된다. 회전봉(15)은 내마모성 및 내화학성이 우수한 소재를 사용하여 성형하고 회전시 마찰 저항력이 작으면서 유동이 없도록 장착한다. 프로펠러(16)는 유입구(11a)에서 제1 토출구(11b)로 직선 유동하는 공급액에 의해 회전력을 받기 쉬운 형태로 성형한다.In addition, according to the present invention, the rotary rod 15 connected to the propeller 16 accommodated in the lower body 11 is rotatably mounted on the same center line as the tubular membrane 14. Rotating rod 15 is formed using a material having excellent wear resistance and chemical resistance, and is mounted so that there is no flow while the friction resistance is small during rotation. The propeller 16 is molded into a shape that is easily subject to rotational force by a feed liquid that flows linearly from the inlet port 11a to the first outlet port 11b.
이와 같이 관형막(14) 내부에 프로펠러(16) 및 회전봉(15)을 삽입하면 공급액의 유동력 또는 농축수의 유출력에 의해 회전봉(15)이 회전하게 하여 관형막(14)의 표면에 형성된 용질층 및 농도 분극층이 제거되고 높은 배제율 및 투과수량을유지할 수 있다.As such, when the propeller 16 and the rotary rod 15 are inserted into the tubular membrane 14, the rotary rod 15 is rotated by the flow force of the feed liquid or the flow output of the concentrated water, thereby forming the surface of the tubular membrane 14. The solute layer and the concentration polarization layer can be removed to maintain a high rejection rate and permeate amount.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 분리막 모듈에 적용되는 회전봉의 다양한 형태를 나타내는 구성도이고, 도 3은 도 1의 분리막 모듈을 장착하여 투과 성능을 실험하기 위한 분리막 시스템을 도식적으로 나타내는 구성도이다.Figure 2a to 2f is a configuration diagram showing the various forms of the rotating rod applied to the membrane module of the present invention, Figure 3 is a schematic diagram showing a membrane system for testing the permeation performance by mounting the membrane module of Figure 1 .
도 2를 참조하면, 본 발명의 회전봉(15)은 관형막(14) 내부에서 공급액의 흐름을 보다 효과적으로 교란하기 위해 나선형으로 부착되는 장애부재(15b∼15f)를 추가로 구비한다. 좀더 구체적으로 도 2a는 테일러 와류를 형성하는 구성이고 도 2b 및 도 2c는 직접 투과 저항층 제거하는 구성이고, 도 2d 내지 도 2f는 불규칙 난류 흐름 유도하는 구성이다.Referring to FIG. 2, the rotating rod 15 of the present invention further includes obstacle members 15b to 15f that are helically attached to disturb the flow of the feed liquid more effectively inside the tubular membrane 14. More specifically, FIG. 2A is a configuration for forming a Taylor vortex, FIGS. 2B and 2C are configurations for directly removing a resistive layer, and FIGS. 2D to 2F are configurations for inducing irregular turbulent flow.
직접적으로 투과 저항층을 제거하기 위한 도 2b 및 도 2c의 회전봉(15)은 활성층인 막표면에 직접 접촉할 경우에도 활성층에 손상을 미치지 않을 정도의 부드러운 털이나 스폰지 등을 사용하여 5 내지 50 mm 의 일정한 간격(pitch)을 유지하면서 감는다. 불규칙적인 흐름을 유도하기 위한 도 2d 내지 도 2f의 난류형성 회전봉(15)은 적당한 두께의 강철 혹은 이의 효과를 대체할 수 있는 가느다란 봉재를 감거나 여러 형태의 선재를 감는다. 또는 회전봉(15)의 직경이 큰 경우 나사 형태의 홈을 형성하는 것도 가능하다.The rotating rods 15 of FIGS. 2b and 2c for directly removing the permeation resistance layer are 5 to 50 mm using soft hairs or sponges that do not damage the active layer even when directly contacting the active membrane surface. Winding while maintaining a constant pitch of. The turbulence-forming rotating rod 15 of FIGS. 2D-2F to induce an irregular flow winds a steel rod of a suitable thickness or a thin rod that can replace the effect thereof or a variety of wire rods. Alternatively, when the diameter of the rotating rod 15 is large, it is also possible to form a groove in the form of a screw.
도 3은 연속식 분리막 시스템으로서, 부호 31의 도관으로 유입된 공급액은 저장조(20)에 수집되고 펌프(30)의 작동으로 V1 밸브 및 V6 밸브에 이른다. 여기서 공급액이란 분리 또는 분획하고자 하는 용액을 말한다. V6 밸브는 3방향 밸브로서 부호 32의 도관 또는 부호 34의 도관 중 하나로 유로를 형성하기 때문에 시스템을 두 가지 패턴으로 작동시킬 수 있다.3 is a continuous membrane system in which feed liquid entering the conduit 31 is collected in the reservoir 20 and reaches the V1 and V6 valves by operation of the pump 30. The feed liquid herein refers to a solution to be separated or fractionated. The V6 valve is a three-way valve that forms a flow path in either a 32 conduit or a 34 conduit, allowing the system to operate in two different patterns.
첫 번째 운전모드에서, 부호 32의 도관으로 유로가 형성되면 공급액의 일부는 프로펠러(16)를 회전시키고 V3 밸브를 통하여 저장조(20)로 복귀하고 공급액의 일부는 관형막(14)에 도달한다. 그러므로 관형막(14)에 제공되는 공정상 필요한 만큼의 유량 외에 프로펠러(16)를 구동하기 위한 유량이 추가적으로 고려되어야 한다. 관형막(14)에서 부호 35의 도관으로 유도되는 투과수는 다른 공정에 사용되도록 보내지고, V2 밸브를 거쳐 부호 37의 도관으로 유도되는 농축수는 저장조(20)로 복귀하여 재순환된다.In the first mode of operation, when a flow path is formed with a conduit of reference sign 32, a portion of the feed liquid rotates the propeller 16 and returns to the reservoir 20 through the V3 valve and a portion of the feed liquid reaches the tubular membrane 14. Therefore, in addition to the flow rate required for the process provided to the tubular membrane 14, the flow rate for driving the propeller 16 should be additionally considered. The permeate that is led to the conduit at sign 35 in the tubular membrane 14 is sent for use in another process, and the concentrated water that is led to the conduit at sign 37 via the V2 valve is returned to the reservoir 20 and recycled.
이때 부호 36의 도관에 있는 V3 밸브의 개도를 변경함에 따라 프로펠러(16)의 속도가 조절되고, 부호 33의 도관에 있는 V1 밸브의 개도를 이용하여 바이패스 유량을 변경함에 따라 프로펠러(16)의 운전압이 조절된다.At this time, the speed of the propeller 16 is adjusted by changing the opening degree of the V3 valve in the conduit of reference 36, and the bypass flow rate is changed by using the opening degree of the V1 valve in the conduit of 33. The operating pressure is adjusted.
테일러 와류를 형성시키기 위한 회전봉(15)은 직경이 1 mm 이상의 스테인레스 스틸 316으로서 이때 테일러 와류는 회전봉의 직경, 회전봉의 직경과 관형막 내경과의 비, 축방향 유속, 공급액의 점도 등에 의존하며 다음 식으로 표현된다.The rotating rod 15 for forming the Taylor vortex is stainless steel 316 with a diameter of 1 mm or more, wherein the Taylor vortex depends on the diameter of the rotating rod, the ratio of the diameter of the rotating rod to the tubular membrane inner diameter, the axial flow rate, the viscosity of the feed liquid, and the like. Expressed as
여기서 ν는 동점도(Kinetic Viscosity), d 는 동심원통 사이의 간격,는 관형막 내부 회전봉의 직경을 나타낸다.Where ν is Kinetic Viscosity, d is the spacing between concentric cylinders, Represents the diameter of the rotating rod inside the tubular membrane.
일반적으로가 증가할수록 테일러 와류가 형성되기 시작하는 테일러 수값이 증가한다.가 1보다 매우 작은 경우 테일러 수가 약 400 이상에서 난류가 형성되는 것으로 알려져 있으며 본 발명에서도 이 범위를 충족한다.Generally As is increased, the Taylor number value at which Taylor vortex starts to form increases. When is less than 1 is known to form turbulence at Taylor number of about 400 or more, and the present invention also meets this range.
이때 본 발명에 따르면 상기 회전봉(15)은 관형막(14) 내부에서 테일러 와류를 형성하기 위해 그 직경(ri)과 관형막(14)과의 틈새(d)에 대한 비율가 0.2 내지 0.8 범위로 되거나 틈새(d)가 1 mm 이상으로 형성된다. 이 범위보다 작으면 관형막(14)이 손상될 우려가 높고 이 범위보다 크면 회전봉(15)의 직경이 줄어들어 좌굴이나 굽힘 등 강도 약화를 초래할 수 있다.In this case, according to the present invention, the rotating rod 15 has a ratio with respect to the gap d between the diameter r i and the tubular membrane 14 to form a vortex in the tubular membrane 14. Is in the range of 0.2 to 0.8, or the gap d is formed to be 1 mm or more. If it is smaller than this range, there is a high possibility that the tubular membrane 14 may be damaged, and if it is larger than this range, the diameter of the rotating rod 15 may be reduced, resulting in weakening of strength such as buckling or bending.
도 3에서, 미설명 부호 FI1은 프로펠러 회전조(18)에 유입되는 유량을 측정하기 위한 유량계이고, 부호 FI2 및 FI3은 각각 관형막(14)에서 농축된 농축수 유량 및 투과수 유량을 측정하기 위한 유량계이고, 부호 PG1 및 PG2는 관형막(14) 내에서의 압력차를 측정하기 위해 각각 관형막(14) 입구 및 출구부에 설치되는 압력계이다.In FIG. 3, reference numeral FI1 denotes a flowmeter for measuring the flow rate flowing into the propeller rotating tank 18, and reference numerals FI2 and FI3 denote the concentrated water flow rate and the permeate flow rate respectively concentrated in the tubular membrane 14. And PG1 and PG2 are pressure gauges provided at the inlet and outlet portions of the tubular membrane 14, respectively, to measure the pressure difference in the tubular membrane 14.
두 번째 운전모드에서, V6 밸브의 변환에 따라 부호 34의 도관 측으로 유로가 형성되는 경우 상부몸체(13)에 유입되어 관형막(14)을 통과한 공급액의 일부는 하부몸체(11)에서 농축액이 되어 프로펠러(16)를 회전시킨 후 부호 36의 도관을 통하여 저장조(20)에 복귀된다. 첫 번째 운전모드에 비하여 프로펠러(16)의 회전 효율은 약간 저하된다.In the second mode of operation, when a flow path is formed to the conduit side of the sign 34 according to the change of the V6 valve, a part of the feed liquid flowing into the upper body 13 and passing through the tubular membrane 14 is concentrated in the lower body 11. After rotating the propeller 16 is returned to the reservoir 20 through the conduit of 36. Compared to the first mode of operation, the rotational efficiency of the propeller 16 is slightly lowered.
상술한 바와 같은 본 발명은 효모, 단백질, 전분 또는 덱스트란 등을 함유한용액을 관형막(14) 상에서 분리 제거하거나 분획하고자 할 때, 하부몸체(11)로 유입되는 공급액의 유입 압력 또는 관형막(14)에 유입된 공급액의 농축으로 형성되는 농축액에 의해 프로펠러(16)를 회전시키고, 프로펠러(16)의 회전에 의해 이에 연결된 회전봉(15)이 회전하게 함으로써 회전봉(15)과 관형막(14) 사이에서 테일러 와류가 형성된다. 테일러 와류에 의해 관형막(14) 표면에 형성되는 용질층을 제거 혹은 감소시킬 수 있는데, 회전봉(15)에 여러 형태의 장애부재(15b∼15f)를 설치하면 관형막(14) 내부를 흐르는 공급액의 흐름이 방해를 받아 난류가 형성되어 관형막(14) 표면의 농도 분극층을 제거하는데 유리하다. 이에 따라 관형막(14) 표면 혹은 근처에 형성된 용질층이나 농도 분극층에 의해 투과수가 점차 감소되는 현상을 방지할 수 있게 된다.In the present invention as described above, when a solution containing yeast, protein, starch or dextran is to be removed or fractionated on the tubular membrane 14, the inlet pressure or tubular membrane of the feed liquid flowing into the lower body 11 is desired. The propeller 16 is rotated by the concentrated liquid formed by the concentration of the feed liquid introduced into the 14, and the rotating rod 15 connected thereto is rotated by the rotation of the propeller 16 to rotate the rotating rod 15 and the tubular membrane 14. Taylor vortex is formed between It is possible to remove or reduce the solute layer formed on the surface of the tubular membrane 14 by the Taylor vortex. When various types of obstacle members 15b to 15f are provided on the rotating rod 15, the feed liquid flowing inside the tubular membrane 14 Flow is disturbed and turbulence is formed, which is advantageous for removing the concentration polarization layer on the surface of the tubular membrane 14. Accordingly, the phenomenon in which the permeate is gradually reduced by the solute layer or the concentration polarization layer formed on or near the tubular membrane 14 can be prevented.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 좀 더 상세하게 설명하는 바, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
<실시예 1><Example 1>
분리막 모듈(10)의 관형막(14)에 테일러 와류 형성을 위한 회전봉(15)을 삽입한 다음 도 3의 시스템을 구성하고 사카로마이세스 세르비지에(Saccharomyces serevisiae) 효모 0.2 중량 % 수용액을 사용하여 효모의 투과유속 및 배제율을 측정하였다. 이때 사용한 관형막(14)은 스테인레스 스틸로 이루어진 미국 Mott사에서 제조한 막으로 막의 길이는 400 mm, 내경은 9.05 mm이며 유효 막면적은 114 ㎠이고 공칭 기공 크기는 0.2 ㎛ 이다. 회전봉(15)은 5 mm 직경을 가지며 재질은 스테인레스 스틸 316이다. 운전압력 1.0 기압, 공급액 유입 유량 0.5 LPM, 회전봉의회전수 400 rpm에서 1시간 동안의 운전 결과를 표 1에 나타내었다. 회전봉(15)의 회전수는 타코메터(Tachometer)를 이용하여 측정하였고, 효모의 배제율은 CCD 카메라가 장착된 영상 분석기(Image analyzer)를 이용하여 측정하였다.Insert the rotating rod 15 for Taylor vortex formation in the tubular membrane 14 of the membrane module 10 and then configure the system of FIG. 3 and use 0.2 wt% aqueous solution of Saccharomyces serevisiae yeast. Permeation flux and rejection rate of yeast were measured. The tubular membrane 14 used was a membrane manufactured by Mott Co., Ltd., made of stainless steel, with a membrane length of 400 mm, an inner diameter of 9.05 mm, an effective membrane area of 114 cm 2, and a nominal pore size of 0.2 μm. The rotating rod 15 has a 5 mm diameter and is made of stainless steel 316. Table 1 shows the results of the operation for 1 hour at the operating pressure of 1.0 atm, the feed flow rate of 0.5 LPM, and the rotational speed of 400 rpm. The rotation speed of the rotating rod 15 was measured using a tachometer, and the rejection rate of the yeast was measured using an image analyzer equipped with a CCD camera.
측정결과 투과 유속은 운전시간이 경과함에 따라 감소하는 형태를 보였으나 그 감소 정도가 <비교 실시예 1> 에 나타낸 바와 같이 회전봉(15)이 존재하지 않는 경우와 비교할 때 그다지 크지 않았다. 또한 효모의 배제율을 측정한 결과 어느 경우에나 모두 100% 배제되었는데 이것은 효모의 입자 크기가 막의 기공 크기와 비교하여 매우 크기 때문이다.As a result of the measurement, the permeation flux decreased as the operation time elapsed, but the decrease was not so large as compared with the case where the rotating rod 15 does not exist as shown in <Comparative Example 1>. In addition, the result of measuring the rejection rate of the yeast was 100% excluded in all cases, because the particle size of the yeast is very large compared to the pore size of the membrane.
<실시예 2><Example 2>
관형막(14)에 용질층 및 농도 분극층을 직접 제거할 수 있는 도 2b 및 도 2c 형태의 회전봉(15)을 삽입한 후 도 3의 분리막 시스템에 장착하고 <실시예 1>의 방법으로 실험하였다. 회전봉은 4 mm 직경을 갖는 스테인레스 스틸 316에 50 mm의 간격(pitch)을 두고 두꺼운 스폰지 또는 부드러운 솔을 감아서 부착하였다. 이때 관형막(15)은 <실시예 1>과 동일한 것을 사용한다.Insert the rotary rod 15 of FIGS. 2B and 2C to directly remove the solute layer and the concentration polarization layer in the tubular membrane 14, and then mounted in the membrane system of FIG. 3 and experimented with the method of <Example 1>. It was. The rotating rod was attached to a stainless steel 316 having a 4 mm diameter by winding a thick sponge or soft brush at a pitch of 50 mm. At this time, the tubular membrane 15 uses the same thing as <Example 1>.
<실시예 3><Example 3>
관형막(14)에 불규칙 난류 흐름을 유도하기 위해 도 2d의 회전봉(15)을 삽입한 후 도 3의 분리막 시스템에 장착하고 <실시예 1>의 방법으로 실험하였다. 회전봉(15)은 4 mm 직경을 갖는 스테인레스 스틸 316을 사용하고, 여기에 5 mm의 간격(pitch)을 갖도록 방해부재(15d)를 부착하였다. 이때 관형막(14)은 <실시예 1>과 동일한 것을 사용한다.In order to induce an irregular turbulent flow into the tubular membrane 14, the rotary rod 15 of FIG. 2D was inserted and then mounted in the separator system of FIG. 3 and tested in the method of <Example 1>. The rotating rod 15 uses stainless steel 316 having a diameter of 4 mm, and attached an obstruction member 15d to have a pitch of 5 mm. At this time, the tubular membrane 14 uses the same thing as <Example 1>.
<비교 실시예>Comparative Example
회전봉(15)이 장착되지 않은 관형막(14)을 도 3의 분리막 시스템에 설치한 후 효모 0.2 중량 % 수용액에 대해 <실시예 1>의 방법으로 실험한 결과를 표 1, 표 2 및 표 3에 비교하여 나타낸다. 이상의 실시예들에서 나타난 결과를 비교할 때 도 2b 및 도 2c 형태의 장애부재를 지닌 회전봉(15)을 장착한 <실시예 2>의 경우가 장착하지 않은 경우보다 최대 177%의 증가율을 나타낸 반면 도 2d 내지 도 2f와 같은 불규칙 난류 흐름 유도용 회전봉(15)을 장착한 <실시예 3>의 경우가 이보다 낮은 77.8%의 증가율을 나타내었다. 그러나 <실시예 3>의 경우에도 종래의 관형막 시스템보다 우수함을 알 수 있다.After installing the tubular membrane 14 not equipped with the rotating rod 15 in the membrane system of FIG. 3, the results of the experiment of <Example 1> with respect to the 0.2 wt% aqueous solution of yeast were shown in Tables 1, 2, and 3 It shows in comparison with. When comparing the results shown in the above embodiments, the case of <Example 2> equipped with the rotating rod 15 having the obstacle member of FIG. 2B and FIG. In the case of <Example 3> equipped with a rotating rod 15 for inducing irregular turbulent flow as shown in 2d to 2f, the increase rate was 77.8%. However, in the case of <Example 3>, it can be seen that it is superior to the conventional tubular membrane system.
도 4는 효모가 함유된 수용액으로부터 효모를 분리할 때 회전수에 따른 투과유속을 운전 시간에 대하여 나타내는 그래프가 도시된다.Figure 4 is a graph showing the permeation flux with respect to the running time when the yeast is separated from the aqueous solution containing yeast with respect to the running time.
관형막(14)에 도 2a의 테일러 와류 형성용 회전봉(15)을 삽입한 후 도 3의 분리막 시스템을 구성한 다음 효모 0.1 중량 % 수용액을 투입한 상태에서 회전봉(15)의 회전수를 각각 300, 500, 800, 1000 rpm으로 변화시키면서 <실시예 1>의 방법으로 실험하였다. 그 결과는 도 4에 나타내는 바와 같으며 여기서는 용액의 투과 유속,는 순수 투과 유속을 나타낸다. 삽입된 회전봉(15)의 내경은 5 mm로 하고,는 0.18로 한다. 도시하는 바와 같이 회전봉(15)의 회전속도를 증가시킴에 따라 투과유속 증가율(/)이 커지나 이에 따른 동력소모도 증가하므로 대체로 800∼1000 rpm 범위가 적절하다.After inserting the vortex vortex forming rotary rod 15 of FIG. 2a into the tubular membrane 14, the separator system of FIG. 3 was formed, and then the rotation speed of the rotary rod 15 was set to 300, respectively, in a 0.1 wt% aqueous solution of yeast. It experimented by the method of <Example 1>, changing at 500, 800, 1000 rpm. The result is as shown in FIG. 4, where Is the permeation flux of the solution, Represents the pure permeate flow rate. The inner diameter of the inserted rotating rod 15 is 5 mm, Is 0.18. As shown, as the rotation speed of the rotating rod 15 is increased, Of ) Increases, but power consumption increases, so the 800-1000 rpm range is generally appropriate.
이와 같이 본 발명에 의하면 관형 분리막을 이용한 공정에서 일반적으로 발생하는 농도 분극(Concentration Polarization) 및 분리막 오염(Membrane Fouling) 등 투과 저항층을 현저히 감소시킴으로써 분리막의 세척 주기 및 새 분리막으로의 교환 주기를 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라 투과수의 수질을 감소시키지 않으면서 투과수의 양을 극대화할 수 있다. 본 발명에 의한 회전봉 삽입 관형막 모듈은 회전봉의 형태에 따라 테일러 와류(Taylor Vortex) 형성방식, 불규칙 난류 형성방식 및 투과 저항층의 직접적 제거방식으로 사용할 수 있다.As described above, according to the present invention, the permeation resistance layer such as concentration polarization and membrane fouling, which are generally generated in the process using the tubular membrane, is significantly reduced, thereby extending the cleaning cycle and the replacement cycle of the membrane. Not only that, but also the amount of permeate can be maximized without reducing the quality of the permeate. The rotary rod insertion tubular membrane module according to the present invention can be used as a Taylor Vortex formation method, an irregular turbulence formation method and a direct removal method of the permeation resistance layer according to the shape of the rotation rod.
일반적인 난류 형성 분리막 모듈과는 달리 본 방법은 분리막으로 공급되는 유체의 힘 또는 분리막을 벗어나는 농축액(Concentrate)의 힘으로 분리막 모듈에 설치된 프로펠러를 회전시키므로 농축액 또는 공급액의 투과수 부분으로의 유입을 용이하게 차단할 수 있을 뿐 아니라, 회전봉을 회전시키기 위한 추가적인 장치나에너지가 요구되지 않고 다양한 형태의 회전봉을 삽입할 수 있으므로 기존의 분리막 회전 여과기에 비해 저에너지 장치이면서도 설치비용이 추가로 요구되지 않는 장점을 지닌다.Unlike the general turbulence forming membrane module, the method rotates the propeller installed in the membrane module with the force of the fluid supplied to the membrane or the force of the concentrate leaving the membrane, thereby facilitating the inflow of the concentrate or feed liquid into the permeate portion. In addition to blocking, it is possible to insert various types of rotating rods without additional equipment or energy for rotating the rotating rods, and thus, there is an advantage that a low energy device and an additional installation cost are not required as compared to a conventional membrane rotating filter.
본 발명의 구성 및 작용에 의한 분리막 모듈은 관형 형태의 분리막을 사용할 경우 기존의 관형 분리막에서 해결하지 못한 농도 분극 및 용질층에 의한 투과유속의 감소와 투과수질의 감소를 해결하여 분리막의 세척 주기 및 사용 수명을 연장할 수 있으며 보다 폭넓은 용도에 적용하는 것이 가능하다.Separation membrane module according to the configuration and operation of the present invention solves the reduction in permeation flux and the permeate flow rate by the concentration polarization and the solute layer, which is not solved in the conventional tubular separation membrane when the tubular membrane is used, and the washing cycle of the membrane and It can extend the service life and can be applied to a wider range of applications.
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