KR101744615B1 - 복합 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하고, 결정화를 통해 상기 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 결정생성촉매 필터부; 및 상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수를 여과하도록 상기 결정생성촉매 필터부의 하류측에 형성되고, 이온 교환을 통해 상기 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 이온교환수지 필터부를 포함하는 복합 필터를 제공한다.
Description
본 발명은 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 복합 필터에 관한 것이다.
물의 경도(water hardness)란 물에 들어있는 칼슘 이온과 마그네슘 이온의 양을 이들에 대응하는 탄산칼슘(칼슘 카보네이트, CaCO3)의 양(단위 mg/l)으로 환산하여 수치화한 것을 의미한다. 물의 경도는 물의 맛에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 일정한 수치를 기준으로 물의 경도가 기준보다 높으면 경수, 기준보다 낮으면 연수로 분류된다. 세계보건기구(WHO)의 가이드라인에서는 경수와 연수의 기준을 더욱 세분화하여 분류한다.
경도성 물질은 상온보다 높거나 낮은 온도에서 반응하여 스케일을 형성하게 된다. 스케일(예를 들어 CaCO3)이란 물에 잔류하는 미네랄 성분이 수분의 증발 후 뭉치면서 생기는 물질을 가리킨다. 냉장고나 정수기와 같은 워터 시스템의 출구에 생성된 스케일은 소비자에게 워터 시스템의 고장 또는 성능 저하로 인식되기 때문에 스케일의 생성을 방지하는 것이 필요하다.
또한 세탁기나 식기세척기와 같은 워터 클리닝 시스템에서 경도성 물질은 세제의 음이온과 결합하여 세척력의 저하를 유발하고 비용해성 세제 때를 생성하기 때문에 고경도의 물에서 경도성 물질을 제거하여 물의 경도를 낮추는 것이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 이온교환수지와 결정생성촉매를 포함하여 물에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거할 수 있는 복합 필터를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 이온교환수지의 단점과 결정생성촉매의 단점을 상호 보완하여 효과적으로 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거할 수 있는 복합 필터를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 이온교환수지와 결정생성촉매의 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질 제거 성능을 향상시킬 수 있는 유로 구조를 갖는 복합 필터를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 유량과 여과 성능과의 관계를 고려하여 결정생성촉매의 성능을 향상시킬 수 있는 복합 필터를 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 복합 필터는, 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하고, 결정화를 통해 상기 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 결정생성촉매 필터부; 및 상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수를 여과하도록 상기 결정생성촉매 필터부의 하류측에 형성되고, 이온 교환을 통해 상기 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 이온교환수지 필터부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 포함하고, 상기 결정생성촉매는, 상기 원수에 존재하는 칼슘 양이온과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하거나 상기 원수에 존재하는 마그네슘 양이온과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하여, 상기 경도성 물질 또는 상기 스케일 유발 물질을 결정화시키도록 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 포함하고, 상기 결정생성촉매는, 음전하를 띄는 고분자로 이루어지는 담체; 및 상기 담체의 결정화 사이트에 존재하며, 칼슘과 마그네슘 중 적어도 하나를 포함하는 결정 시드를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 결정생성촉매 필터부는 아래에서부터 위로 원수가 차오르는 형태의 유로 구조를 갖고, 상기 이온교환수지 필터부는 위에서 아래로 원수가 떨어지는 형태의 유로 구조를 가질 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 복합 필터는, 상기 결정생성촉매 필터부와 상기 이온교환수지 필터부를 수용하도록 형성되는 하우징; 및 상기 하우징의 내주면을 마주보도록 배치되고, 원수에 존재하는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거하도록 이루어지는 프리 필터부를 포함하고, 상기 결정생성촉매 필터부는, 상기 프리 필터부를 통과한 원수가 유입되도록 형성되고, 상기 프리 필터부와의 경계를 형성하는 제1케이스; 및 상기 제1케이스의 내부에 투입되는 다수의 결정생성촉매를 포함하며, 상기 이온교환수지 필터부는, 상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수가 유입되도록 형성되고, 상기 결정생성촉매 필터부와의 경계를 형성하는 제2케이스; 및 상기 제2케이스의 내부에 투입되는 다수의 이온교환수지를 포함할 수 있다.
상기 제1케이스의 내벽면에는 나선형의 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 제1케이스의 내벽면에는 복수의 돌출부가 형성되고, 상기 복수의 돌출부는 상기 결정생성촉매 필터부에 원수가 차오르는 방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있다.
상기 결정생성촉매 필터부의 하단은 상기 하우징의 내측 바닥면으로부터 이격되어, 상기 복합 필터는 상기 프리 필터부를 통과한 원수가 상기 결정생성촉매 필터부의 유로 구조로 차오르도록 형성될 수 있다.
상기 결정생성촉매 필터부의 상단과 상기 이온교환수지 필터부의 상단은 상기 하우징의 내측 상단면으로부터 이격되어, 상기 복합 필터는 상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수가 상기 이온교환수지 필터부의 유로 구조로 떨어지도록 형성될 수 있다.
상기 복합 필터는 상기 제1케이스의 외벽면과 상기 제2케이스의 외벽면 사이에 형성되는 출수 유로를 포함하고, 상기 이온교환수지 필터부의 하단은 상기 하우징의 내측 바닥면으로부터 이격되어 상기 복합 필터는 상기 이온교환수지 필터부를 통과한 원수가 상기 출수 유로를 통해 배출되도록 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 복합 필터는, 상기 결정생성촉매 필터부와 상기 이온교환수지 필터부를 수용하도록 형성되는 하우징; 및 상기 하우징의 내주면을 마주보도록 배치되고, 원수에 존재하는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거하도록 이루어지는 프리 필터부를 포함하고, 상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 갖는 제1블럭으로 이루어지고, 상기 이온교환수지 필터부는 다수의 이온교환수지를 갖는 제2블럭으로 이루어질 수 있다.
상기 제1블럭과 상기 제2블럭 중 어느 하나는 다른 하나를 감싸도록 형성되고, 상기 복합 필터의 유로 구조는, 원수가 상기 제1블럭과 상기 제2블럭에 의해 순차적으로 여과되도록 이루어질 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 결정생성촉매가 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질의 결정화를 촉진하고, 이온교환수지가 경도성 물질 또는 스케일 유발과 이온 교환을 하도록 이루어지므로, 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 물의 경도를 낮출 수 있다.
결정생성촉매는 이온교환수지에 비해 월등히 수명이 길다는 장점을 갖지만, 이온교환수지에 비해 반응 속도가 느리고 물에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 완전히 제거할 수 없다는 단점을 갖는다. 그러나 본 발명의 이온교환수지는 결정생성촉매의 하류측에 배치되어 결정생성촉매에서 미처 여과되지 않는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하므로, 결정생성촉매의 단점을 보완할 수 있다.
이온교환수지는 결정생성촉매에 비해 반응 속도가 빠르다는 장점을 갖지만, 결정생성촉매에 비해 짧은 수명으로 인해 재생을 필요로 한다는 단점을 갖는다. 그러나 본 발명의 결정생성촉매는 이온교환수지의 상류측에 배치되어 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하므로, 이온교환수지에 인가되는 부하를 저하시킬 수 있으며 빈번한 재생을 필요로 한다는 단점을 보완할 수 있다.
결정생성촉매는 이온교환수지의 단점을 보완하고, 이온교환수지는 결정생성촉매의 단점을 보완하므로, 상기 결정생성촉매와 상기 이온교환수지를 갖는 본 발명의 복합 필터는 결정생성촉매와 이온교환수지의 장점만을 가질 수 있다.
또한 본 발명은, 결정생성촉매와 이온교환수지의 장점을 극대화할 수 있는 유로 구조를 제안하였다.
본 발명은 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질이 결정생성촉매에 의해 결정화되고 난 후, 상기 결정생성촉매로부터 자연적으로 분리될 수 있는 구조를 갖는다. 결정이 자연적으로 분리되는 구조에 의해 결정생성촉매는 다른 반응에 다시 참여할 수 있게 되므로, 복합 필터 전체의 성능이 향상됨을 물론 결정생성촉매는 재생 없이 계속해서 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 여과할 수 있다.
본 발명은 이온교환수지가 안정적으로 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 흡착할 수 있는 유로 구조를 갖는다. 안정적인 흡착을 통해 이온교환수지는 결정생성촉매에서 여과되지 못한 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 대부분 제거할 수 있다.
또한 본 발명은, 돌출부를 이용하여 난류를 형성함으로써 복합 필터와 직렬로 연결될 다른 필터의 적정 유량 범위에서 결정생성촉매도 충분한 여과 성능을 가질 수 있는 구성을 제안하였다. 결정생성촉매가 최적 성능을 발휘하는 적정 유량은 상기 다른 필터와 다르지만, 다른 필터의 적정 유량 범위에서 결정생성촉매가 충분한 여과 성능을 가지도록 보완 구조를 제안함에 따라 상기 다른 필터와 본 발명의 복합 필터를 포함하는 여과 시스템 전체의 여과 성능이 향상될 수 있다. 또한 상기 보완 구조는 여과 시스템의 소형화 및 단순화 경향을 벗어나지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예를 보인 복합 필터의 단면도다.
도 2는 결정생성촉매의 매커니즘을 보인 개념도다.
도 3a는 이온교환수지의 매커니즘을 보인 개념도다.
도 3b는 이온교환수지의 재생을 보인 개념도다.
도 4는 결정생성촉매와 이온교환수지를 실험적으로 비교한 그래프다.
도 5는 본 발명의 제2실시예를 보인 복합 필터의 단면도다.
도 6은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터를 직렬로 연결하여 2단의 여과 시스템을 구성한 개념도다.
도 7은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터를 직렬로 연결하여 2단의 여과 시스템을 구성한 다른 개념도다.
도 8은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터들을 직렬로 연결하여 3단의 여과 시스템을 구성한 개념도다.
도 9는 본 발명의 복합 필터와 기타 필터들을 직렬로 연결하여 3단의 여과 시스템을 구성한 다른 개념도다.
도 2는 결정생성촉매의 매커니즘을 보인 개념도다.
도 3a는 이온교환수지의 매커니즘을 보인 개념도다.
도 3b는 이온교환수지의 재생을 보인 개념도다.
도 4는 결정생성촉매와 이온교환수지를 실험적으로 비교한 그래프다.
도 5는 본 발명의 제2실시예를 보인 복합 필터의 단면도다.
도 6은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터를 직렬로 연결하여 2단의 여과 시스템을 구성한 개념도다.
도 7은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터를 직렬로 연결하여 2단의 여과 시스템을 구성한 다른 개념도다.
도 8은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터들을 직렬로 연결하여 3단의 여과 시스템을 구성한 개념도다.
도 9는 본 발명의 복합 필터와 기타 필터들을 직렬로 연결하여 3단의 여과 시스템을 구성한 다른 개념도다.
이하, 본 발명에 관련된 복합 필터에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예를 보인 복합 필터(100)의 단면도다.
프리 필터부(110)는 원수에 존재하는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거하도록 이루어진다. 프리 필터부(110)는 결정생성촉매 필터부(120)의 상류측에 배치된다. 상류측과 하류측이라는 것은 물의 흐름을 기준으로 하는 상대적인 위치의 개념이다. 물이 프리 필터부(110)를 먼저 통과하고 이어서 결정생성촉매 필터부(120)를 통과하는 경우에는, 프리 필터부(110)가 결정생성촉매 필터부(120)의 상류측에 형성된다고 설명할 수 있다. 도 1에서는 프리 필터부(110)가 결정생성촉매 필터부(120)의 상류측에 형성되는 것을 보이고 있다.
프리 필터부(110)는 침전필터, 정전흡착필터 및 카본 블럭 필터로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 일부를 포함할 수 있다. 상기 필터들은 부직포를 포함할 수 있으며, 입수 부직포 필터로 명명될 수 있다. 프리 필터부(110)가 어떤 필터를 포함하느냐에 따라 프리 필터부(110)의 매커니즘이나 프리 필터부(110)에서 여과되는 이물질의 종류가 달라질 수 있다.
프리 필터부(110)는 속이 빈 원통 또는 속이 빈 다각 기둥으로 형성된다. 프리 필터부(110)의 속이 비어있는 부분을 중공부로 명명할 수 있다. 중공부는 결정생성촉매 필터부(120)와 이온교환수지 필터부(130)를 수용하는 영역이다.
프리 필터부(110)는 외주면과 내주면을 갖는다. 외주면은 하우징(150)을 내주면을 마주보는 면을 가리킨다. 내주면은 중공부에 배치되는 결정생성촉매 필터부(120)를 마주보는 면을 가리킨다. 프리 필터부(110)는 위에서 아래 방향으로 유동하는 원수를 여과하도록 이루어진다. 도 1의 화살표는 원수의 흐름을 표시한 것이다. 원수는 프리 필터부(110)를 통과하는 과정에서 1차적으로 여과된다.
결정생성촉매 필터부(120)는 프리 필터부(110)의 하류측에 형성된다. 도 1은 결정생성촉매 필터부(120)가 프리 필터부(110)의 하류측에 형성되는 구성을 보이고 있다.
결정생성촉매 필터부(120)는 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하도록 이루어진다. 결정생성촉매 필터부(120)는 결정화를 통해 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어진다.
결정생성촉매 필터부(120)는 제1케이스(121), 다수의 결정생성촉매(122) 및 돌출부(123)를 포함한다.
제1케이스(121)는 프리 필터부(110)를 통과한 원수가 유입되도록 형성된다. 도 1을 참조하면 위에서 아래 방향으로 프리 필터부(110)를 통과한 원수가 제1케이스(121)의 아래에서부터 상기 제1케이스(121)의 내부로 유입되는 것을 확인할 수 있다.
제1케이스(121)는 중공부를 구비하며, 횡단면은 환형으로 형성될 수 있다. 제1케이스(121)의 횡단면이 환형이라는 것은, 제1케이스(121)가 중공부를 제외한 영역에 환형의 내부 공간을 갖는다는 것을 의미한다. 환형의 내부 공간은 다수의 결정생성촉매(122)가 충전되는 곳이다. 다만 제1케이스(121)의 형상이 반드시 이에 한정되어야만 하는 것은 아니다. 제1케이스(121)는 프리 필터부(110)에 의해 감싸이도록 배치될 수 있으나, 이 또한 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1케이스(121)는 프리 필터부(110)와의 경계를 형성한다. 제1케이스(121)의 외주면은 프리 필터부(110)의 내주면을 마주보도록 배치된다. 원수는 도 1을 기준으로 위에서 아래 방향으로 프리 필터부(110)를 통과하지만, 부분적으로 좌우로 유동할 수 있다. 그러나 제1케이스(121)에 의해 형성되는 경계에 의해 프리 필터부(110)를 통과하는 원수가 결정생성촉매 필터부(120)의 측면으로 유입되지는 않는다. 프리 필터부(110)의 외주면에는 하우징(150)이 배치되어 있고, 프리 필터부(110)의 내주면에는 제1케이스(121)가 배치되어 있으므로, 원수는 프리 필터부(110)를 통과하는 과정에서 정해진 유로로만 유동될 수 있다. 예를 들어 프리 필터부(110)에서 여과된 원수는 제1케이스(121)의 외벽면을 타고 흘러내릴 수 있다. 따라서 하우징(150)의 내주면과 제1케이스(121)의 서로 조합되어 전체적으로 위에서 아래 방향으로 흐르는 원수의 흐름을 형성하도록 이루어진다.
제1케이스(121)의 내부에는 다수의 결정생성촉매(122)가 투입(또는 충전)된다. 결정생성촉매(122)는 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하도록 이루어진다. 그리고 결정생성촉매(122)는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질의 결정화를 통해 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어진다. 결정생성촉매(122)의 매커니즘은 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 후술한다.
결정생성촉매 필터부(120)는 아래에서부터 위로 원수가 차오르는 형태의 유로 구조를 갖는다. 구체적으로 결정생성촉매 필터부(120)의 하단은 하우징(150)의 내측 바닥면으로부터 이격되어 상기 프리 필터부(110)를 통과한 원수가 상기 결정생성촉매 필터부(120)의 유로 구조로 차오르도록 형성된다. 결정생성촉매(122)는 상기 유로 구조에 차오르는 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어진다.
결정생성촉매(122)의 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질 제거 성능을 향상시키기 위해서는, 결정생성촉매(122)가 존재하는 공간에 물이 차오르면서 여과가 이루어져야 한다. 결정생성촉매(122)가 존재하는 공간이란 원수가 통과하는 유로 구조를 가리키며, 도 1에서 제1케이스(121)의 내부 공간을 의미한다. 또한 물이 차오르는 유동을 상향유동(up-flow)라고 한다.
촉매란 화학반응을 촉진하거나 억제하는 역할을 하는 물질을 가리키며, 촉매는 반응 후에 생성물에 혼합되지 않고 원래대로 남게 된다. 본 발명의 결정생성촉매(122)도 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질의 결정 생성을 촉진하나, 반응 후에 생성물에 혼합되지 않고 원래대로 남게 된다. 결정 생성 촉진에 의해 생성된 결정이 결정생성촉매(122)로부터 분리되어야, 결정생성촉매(122)가 다른 반응에 관여할 수 있게 된다. 따라서 결정생성촉매(122)의 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질 제거 성능을 향상시키기 위해서는, 결정생성촉매(122)로부터 신속하게 결정을 분리시키는 것이 필요하다.
결정생성촉매 필터부(120)가 아래에서부터 위로 원수가 차오르는 형태의 유로 구조를 가지면, 상기 유로 구조에 차오르는 원수가 결정생성촉매(122)에 부력을 제공하게 된다. 이 부력에 의해 결정생성촉매(122)의 유동은 활발해지게 되고, 이에 따라 결정생성촉매(122)로부터 결정이 분리될 수 있다. 결정생성촉매 필터부(120)가 아래에서부터 위로 원수가 차오르는 형태의 유로 구조를 가지면, 별도의 외력을 가하지 않고도 원수에 의해 제공되는 부력을 이용하여 자연스럽게 결정생성촉매(122)로부터 결정이 분리될 수 있다는 장점을 갖는다.
만약 본 발명과 달리 결정생성촉매 필터부(120)가 위에서 아래로 원수가 떨어지는 형태의 유로 구조를 갖는다면, 별도의 외력을 가해야만 결정생성촉매(122)로부터 결정을 분리하는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 형태의 유동을 상기 상향유동과 구분하여 하향유동(down-flow)이라 한다.
제1케이스(121)의 내벽면은 다수의 결정생성촉매(122)를 감싼다. 다수의 결정생성촉매(122)는 결정생성촉매 필터부(120)의 내벽면으로 둘러싸인 내부 공간에 충전된다. 내벽면에는 돌출부(123)가 형성된다.
복합 필터(100)는 결정생성촉매 필터부(120)뿐만 아니라 프리 필터부(110)와 이온교환수지 필터부(130)를 포함하며, 도 6 내지 도 9에서 설명할 바와 같이 여러 추가적인 필터와 직렬로 연결되어 여과 시스템을 형성할 수 있다. 여과 시스템의 성능은 상기 여과 시스템을 형성하는 개개의 필터에 의해 결정된다. 그리고 개개의 필터의 성능은 원수의 유량에 의해 영향을 받으므로, 여과 시스템의 성능을 전체적으로 향상시키기 위해서는 개개의 필터를 통과하는 원수의 유량을 적정 범위로 유지해야 한다.
결정생성촉매 필터부(120)를 제외한 일반적인 필터는 유량이 증가할수록 여과 성능도 증가하다가 다시 감소하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 프리 필터부(110)에 사용될 수 있는 각종 필터들도 마찬가지이다. 그러나 결정생성촉매(122)를 포함하는 결정생성촉매 필터부(120)는 일반적인 필터와 달리 유량이 증가할수록 여과 성능이 감소하다가 증가하는 경향을 보인다. 이것은 결정생성촉매(122)가 원수의 활발한 유동에 영향을 받아 결정과 분리되어야만 다시 결정 생성을 촉진하는 반응에 참여할 수 있기 때문이다. 따라서 여과 시스템의 성능을 전체적으로 향상시키기 위해서는 다음과 같은 두 가지 방안을 고려해 볼 수 있다.
(1) 첫 번째는 각 필터별로 유량이 달리 설정되도록 여과 시스템을 구성하여 개개의 필터마다 적정 유량을 공급하는 방안이다. 이 방안은 개개의 필터마다 최상의 여과 성능을 발휘하게 할 수 있으므로, 여과 시스템의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 그러나 각 필터별로 유량을 달리 설정하기 위해서는 필터와 필터 사이에 유량을 조절하는 별도의 장치가 필요하다. 이것은 공간 활용 및 위생 등을 이유로 여과 시스템이 소형화 및 단순화되는 경향에 맞지 않는다.
(2) 두 번째는 여과 시스템의 유량을 어느 일부에 필터에 적합한 유량의 범위로 설정하되, 다른 필터도 상기 설정된 유량의 범위 내에서 충분한 여과 성능을 발휘할 수 있도록 보완하는 것이다. 두 번째 방안은 첫 번째 방법에 비해 여과 시스템의 성능을 향상시키는 효과는 떨어질 수 있으나, 필터와 필터 사이에 유량을 조절하는 별도의 장치가 필요하지 않으므로, 여과 시스템의 소형화 및 단순화에 기여할 수 있다.
본 발명에서는 여과 시스템의 소형화 및 단순화 경향에 따라 두 번째 방안을 채택하였다. 복합 필터(100)는 결정생성촉매(122)뿐만 아니라 프리 필터부(110)와 이온교환수지 필터부(130)도 포함하고, 나아가 복합 필터(100)는 다른 필터들과 결합되어 여과 시스템을 형성할 수도 있다. 따라서 만약 상기 프리 필터부(110)와 상기 다른 필터들의 성능을 상기 결정생성촉매(122)의 적정 유량에 맞춰 보완해야 한다면, 결정생성촉매(122)를 제외한 다른 필터들 각각에 대하여 보완 구조를 고려해야 하므로 과제의 해결이 복잡해진다.
반대로 결정생성촉매(122)를 다른 필터들의 적정 유량에 맞춰 보완한다면, 결정생성촉매(122)의 보완만으로 여과 시스템 전체의 여과 성능을 향상시킬 수 있으므로 과제의 해결이 더욱 단순해진다. 단순한 방법으로 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 프리 필터부(110)의 적정 유량 범위에서 결정생성촉매(122)의 여과 성능을 보완하는 방안으로, 제1케이스(121)의 내벽면에 형성되는 돌출부(123)를 채택하였다.
앞서 설명한 바와 같이 결정생성촉매(122)는 유량이 증가할수록 여과 성능이 감소하다가 증가하는 경향을 갖는다. 따라서, 결정생성촉매(122)만을 고려한다면 여과 성능의 향상이 포화될 때까지 유량을 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나 일반적이 필터는 유량이 증가할수록 여과 성능이 증가하다가 감소하는 경향을 가지며, 결정생성촉매(122)의 최적 유량보다 상대적으로 작은 유량 범위에서 높은 여과 성능을 갖는다.
제1케이스(121)의 내벽면에 형성되는 돌출부(123)는 상대적으로 작은 범위의 유량에서 결정생성촉매(122)의 여과 성능을 향상시킬 수 있도록 이루어진다. 돌출부(123)는 원수의 입자와 충돌하여 원수의 흐름에 난류를 일으킨다. 복합 필터(100)를 통과하는 유량은 비록 결정생성촉매(122)의 최적 유량보다 작을지라도, 난류에 의해 결정생성촉매(122)로부터 결정의 분리가 이루어질 수 있다. 그리고 결정과 분리된 결정생성촉매(122)는 다른 반응에 다시 참여할 수 있게 된다. 따라서 제1케이스(121)의 내벽면에 형성되는 돌출부(123)는 난류의 형성을 통해 상대적으로 작은 유량 범위에서도 결정생성촉매(122)의 여과 성능을 향상시킬 수 있다.
돌출부(123)는 제1케이스(121)의 내벽면을 따라 나선형으로 형성될 수 있다. 돌출부(123)가 나선형으로 형성되면, 원수가 나선형으로 형성된 돌출부(123)를 만나면서 난류를 형성할 수 있다.
또한 돌출부(123)는 복수로 구비될 수 있으며, 복수의 돌출부(123)는 결정생성촉매 필터부(120)에 원수가 차오르는 방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있다. 그리고 서로 이격되게 배치된 돌출부(123)에 의해 원수는 난류를 형성할 수 있다.
이온교환수지 필터부(130)는 결정생성촉매 필터부(120)를 통과한 원수를 여과하도록 상기 결정생성촉매 필터부(120)의 하류측에 형성된다. 이온교환수지 필터부(130)는 이온 교환을 통해 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어진다.
본 발명에서 결정생성촉매 필터부(120)와 이온교환수지 필터부(130)의 배치 순서는 매우 중요한 의미를 갖는다. 배치 순서란 원수가 어떤 필터부를 먼저 통과하고 어떤 필터부를 그 다음에 통과하느냐와 관련된다.
결정생성촉매(122)의 결정화 과정에는 충분한 시간이 필요하다. 따라서 결정생성촉매(122)는 초기 반응 속도가 이온교환수지(132)에 비해 느리다는 단점을 갖는다. 결정생성촉매(122)와 이온교환수지(132)의 반응 속도 비교는 도 4에서 확인할 수 있다. 그리고 결정생성촉매(122)는 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 100% 제거하기 어렵다는 단점을 갖는다.
반면 결정생성촉매(122)는 결정화 반응에 참여하고 난 후 다시 다른 결정화 반응에 참여할 수 있다. 이것은 촉매의 특성으로부터 기인한다. 따라서 결정생성촉매(122)는 이온교환수지(132)에 비해 매우 긴 수명을 갖는다.
반대로 이온교환수지(132)는 이온 교환만으로 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거한다. 따라서 이온교환수지(132)는 초기 반응 속도가 매우 빠르다는 장점을 갖는다. 또한 이온교환수지(132)는 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 100%에 가깝게 제거할 수 있다는 장점을 갖는다.
반면 이온교환수지(132)는 교환되어야 할 이온의 소모로 인해 짧은 수명과 재생을 필요로 한다는 단점을 갖는다. 재생을 하지 않는 한 이온교환수지(132)는 어느 순간 더 이상 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거할 수 없게 된다. 그리고 이온교환수지(132)는 재생이 반복됨에 따라 점차 재생 효율이 저하된다는 단점도 갖는다.
본 발명에서는 이러한 결정생성촉매(122)와 이온교환수지(132)의 장단점을 고려하여, 결정생성촉매 필터부(120)가 이온교환수지 필터부(130)의 상류측에 배치되고, 이온교환수지 필터부(130)가 결정생성촉매 필터부(120)의 하류측에 배치된다.
결정생성촉매 필터부(120)가 이온교환수지 필터부(130)의 상류측에 배치되면, 결정생성촉매(122)가 이온교환수지(132)에 앞서 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 먼저 제거할 수 있다. 이에 따라 이온교환수지(132)에 가해지는 부하가 줄어들게 된다. 여기서 말하는 부하란, 이온교환수지(132)가 제거해야할 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질의 양을 의미한다. 이온교환수지(132)는 이온 교환이라는 매커니즘을 통해 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하므로, 이온교환수지(132)에 가해지는 부하가 줄어들게 된다. 이온교환수지(132)에 가해지는 부하가 줄어들게 되면 이온교환수지(132)의 수명과 재생주기가 연장될 수 있다. 따라서 결정생성촉매 필터부(120)가 이온교환수지 필터부(130)의 상류측에 배치되면, 결정생성촉매(122)가 이온교환수지(132)의 단점을 보완할 수 있다.
만약 본 발명과 달리, 이온교환수지 필터부(130)가 결정생성촉매 필터부(120)의 상류측에 배치되면, 이온교환수지(132)에 가해지는 부하가 전혀 줄어들지 않게 된다. 따라서 이온교환수지(132)의 수명 및 재생 주기의 연장 효과도 기대할 수 없다.
이온교환수지 필터부(130)가 결정생성촉매 필터부(120)의 하류측에 배치되면, 결정생성촉매(122)에 의해 미처 제거되지 못한 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 이온교환수지(132)가 마저 제거할 수 있다. 결정생성촉매(122)는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질를 100% 제거하지는 못하기 때문에 결정생성촉매(122)만으로는 물의 경도를 낮추는데 한계가 있다. 그러나 결정생성촉매(122)에 의해 제거되지 못한 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 이온교환수지(132)가 마저 제거한다면, 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질이 100%에 가깝게 제거될 수 있다. 따라서 이온교환수지 필터부(130)가 결정생성촉매 필터부(120)의 하류측에 배치되면, 이온교환수지(132)가 결정생성촉매(122)의 단점을 보완할 수 있다.
만약 본 발명과 달리 결정생성촉매 필터부(120)가 이온교환수지 필터부(130)의 하류측에 배치되면, 이온교환수지(132)의 재생을 필요로 하는 시점 전까지는 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질이 100%에 가깝게 제거될 수 있을 것이다. 그러나 이온교환수지(132)의 재생을 필요로 하는 시점 이후로는 결정생성촉매(122)가 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 100%에 가깝게 제거할 수 없게 된다.
이온교환수지 필터부(130)는 제2케이스(131) 및 다수의 이온교환수지(132)를 포함한다.
제2케이스(131)는 결정생성촉매 필터부(120)를 통과한 원수가 유입되도록 형성된다. 제2케이스(131)는 결정생성촉매 필터부(120)와의 경계를 형성한다. 제2케이스(131)는 실질적으로 속이 빈 원기둥 또는 다각기둥 형태로 형성될 수 있다. 제2케이스(131)의 내부에는 다수의 이온교환수지(132)가 투입된다. 이온교환수지(132)의 매커니즘에 대하여는 도 3a와 도 3b를 참조하여 후술한다.
제2케이스(131)의 제1케이스(121)의 중공부에 배치될 수 있다. 다만, 유로 구조의 순서만 프리 필터부(110), 결정생성촉매 필터부(120), 이온교환수지 필터부(130)로 구성되고, 결정생성촉매(122)와 이온교환수지(132)가 서로 구분되는 영역에 배치된다면, 제1케이스(121)와 제2케이스(131)의 구조와 배치는 반드시 도 1에 도시된 것에 한정되지 않는다.
이온교환수지 필터부(130)는 결정생성촉매 필터부(120)와 다른 유로 구조를 갖는다. 이온교환수지 필터부(130)의 안정적인 흡착 구간을 유지하기 위해서 이온교환수지(132)의 유동을 가급적 억제하는 것이 바람직하다. 만약 이온교환수지 필터부(130)가 결정생성촉매 필터부(120)와 마찬가지로 상향유동의 유로 구조를 갖는다면, 원수에 의해 제공되는 부력에 의해 이온교환수지(132)의 유동을 억제하기 어렵다. 따라서 본 발명의 이온교환수지 필터부(130)는 위에서 아래로 원수가 떨어지도록 형성되는 유로 구조를 갖는다. 위에서 아래로 원수가 떨어지는 유동은 하향유동(down-flow)에 해당한다.
도 1을 참조하면 결정생성촉매 필터부(120)의 상단과 이온교환수지 필터부(130)의 상단은 하우징의 내측 상단면으로부터 이격되어 있다. 이에 따라 결정생성촉매 필터부(120)를 통과한 원수는 이온교환수지 필터부(130)의 유로 구조로 떨어질 수 있다. 이온교환수지 필터부(130)가 이러한 유로 구조를 갖는다면, 제2케이스(131)의 내부에 충전되어 있는 이온교환수지(132)의 유동을 억제할 수 있으므로, 이온교환수지 필터부(130)는 안정적인 흡착 구간을 유지할 수 있다.
제1케이스(121)의 외벽면과 제2케이스(131)의 외벽면은 서로 이격되어 있을 수 있다. 제1케이스(121)의 외벽면과 제2케이스(131)의 외벽면 사이에 출수 유로(160)가 형성된다. 출수 유로(160)는 하우징(150)의 출수부(152)로 연결된다.
도 1을 참조하면, 이온교환수지 필터부(130)의 하단은 하우징(150)의 내측 바닥면으로부터 이격된다. 이에 따라 복합 필터(100)는 이온교환수지 필터부(130)를 통과한 원수가 출수 유로(160)를 통해 배출되도록 이루어진다.
복합 필터(100)는 프리 필터부(110), 결정생성촉매 필터부(120) 및 이온교환수지 필터부(130)를 수용하도록 이루어지는 하우징(150)을 포함한다. 하우징(150)에는 입수부(151)와 출수부(152)가 형성될 수 있다. 입수부(151)는 프리 필터부(110)로 물을 공급하도록 형성된다. 출수부(152)는 프리 필터부(110), 결정생성촉매 필터부(120), 이온교환수지 필터부(130) 및 출수 유로(160)를 순차적으로 통과한 물을 복합 필터(100)의 외부로 배출하도록 형성된다.
프리 필터부(110)가 하우징(150)의 내부에 배치되고 남은 공간에 결정생성촉매(122)와 이온교환수지(132)가 각각 투입될 수 있다. 결정생성촉매 필터부(120)와 이온교환수지 필터부(130)는 블럭으로 이루어지는 것이 아니라 각각 다수의 결정생성촉매(122)와 다수의 이온교환수지(132)가 집합되어 형성된다. 따라서 하우징(150)의 남은 공간에 결정생성촉매(122)와 이온교환수지(132)가 투입되면 프리 필터부(110)와 단일 필터를 형성할 수 있고, 복합 필터(100)의 크기를 소형화할 수 있다. 다만 결정생성촉매(122)와 이온교환수지(132)는 서로 구분되는 공간에 투입되어야 하고, 프리 필터부(110), 결정생성촉매 필터부(120), 이온교환수지 필터부(130) 순의 유로 구조를 갖도록 배치되어야 한다.
복합 필터(100)는 출수 부직포 필터(140)를 포함한다. 출수 부직포 필터(140)는 이온교환수지 필터부(130)의 출수 유로(160)에 배치된다. 출수 부직포 필터(140)는 이온교환수지 필터부(130)의 제2케이스(131)를 감싸도록 형성될 수 있으며, 출수 유로(160)를 통해 배출되는 원수로부터 잔여 이물질을 제거할 수 있다. 결정생성촉매(122)에 의해 생성된 결정들도 출수 부직포 필터(140)에 의해 여과될 수 있다.
프리 필터부(110), 결정생성촉매 필터부(120) 및 이온교환수지 필터부(130)는 서로 손쉽게 결합 또는 분리되도록 각각 단위 모듈로 형성될 수 있다. 단위 모듈의 결정생성촉매 필터부(120)는 다른 단위 모듈인 프리 필터부(110)의 중공부에 삽입되고 결정생성촉매 필터부(120)는 또 다른 단위 모듈인 이온교환수지 필터부(130)에 삽입되어, 프리 필터부(110), 결정생성촉매 필터부(120) 및 이온교환수지 필터부(130)의 결합이 이루어질 수 있다.
이하에서는 결정생성촉매(122)가 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하는 매커니즘에 대하여 설명한다.
도 2는 결정생성촉매(122)의 매커니즘을 보인 개념도다.
결정생성촉매(122)는 담체(122a)(catalyst support, carrier, 또는 supporting material)와 결정 시드(122c)를 포함한다.
담체(122a)는 음전하를 띄는 고분자로 이루어진다. 칼슘 양이온(10), 마그네슘 양이온(20)과 같은 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질은 양전하를 띈다. 따라서 담체(122a)가 음전하를 띄는 고분자로 이루어진다면 정전기적 인력에 의해 담체(122a)가 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 끌어당길 수 있다. 음전하는 띄는 고분자는 예를 들어 폴리아크릴레이트(polyacrylate)를 포함한다.
담체(122a)의 표면에는 여러 결정화 사이트(122b)가 형성된다. 결정화 사이트(122b)는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질의 결정화가 이루어지는 공간을 가리킨다. 결정화 사이트(122b)에는 결정 시드(122c)가 존재한다.
결정 시드(122c)는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 결정으로 만드는 무기 소재다. 결정 시드(122c)는 칼슘과 마그네슘 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어 결정 시드(122c)는 탄산칼슘(칼슘 카보네이트, CaCO3) 결정과 탄산마그네슘(마그네슘 카보네이트, MgCO3) 결정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
칼슘 양이온(10)이나 마그네슘 양이온(20)과 같이 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질은 결정생성촉매(122)에 접근하면 정전기적 인력에 의해 담체(122a)의 결정화 사이트(122b)에 모인다. 결정화 사이트(122b)에는 결정 시드(122c)가 존재하며, 결정 시드(122c)에 의해 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질은 결정화된다. 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질의 결정화 반응식은 화학식 1과 화학식 2로 나타내어질 수 있다. MEDIA는 결정생성촉매(122)를 가리킨다.
[화학식 1]
Ca2 + + HCO3 - + MEDIA -> CaCO3(결정) + CO2 + H2O + MEDIA
[화학식 2]
Mg2 + + HCO3 - + MEDIA -> MgCO3(결정)+ CO2 + H2O + MEDIA
결정생성촉매(122)는 화학식 1과 같이 원수에 존재하는 칼슘 양이온(Ca2 +)과 중탄산 음이온(HCO3 -)의 반응을 촉진한다. 또한 결정생성촉매(122)는 화학식 2와 같이 원수에 존재하는 마그네슘 양이온(Mg2 +)과 중탄산 음이온(HCO3 -)의 반응을 촉진한다. 결정생성촉매(122)는 화학식 1 반응과 화학식 2 반응의 촉진을 통해 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질의 결정화에 기여한다.
원수의 활발한 유동에 의해 결정(30)은 결정화 사이트(122b)에서 분리될 수 있다. 결정생성촉매(122)로부터 분리된 결정(30)은 도 1에서 설명하였던 출수 부직포 필터(140)에 의해 기계적으로 여과될 수 있다.
이하에서는 이온교환수지(132)의 매커니즘과 재생에 관하여 설명한다.
도 3a는 이온교환수지(132)의 매커니즘을 보인 개념도다.
이온교환수지(132)는 나트륨 양이온(Na+)과 작용기(SO3 -)를 갖는다. 이온교환수지(132)의 작용기(SO3 -)에 결합되어 있는 나트륨 양이온과 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질(칼슘 양이온 또는 마그네슘 양이온) 사이에는 선택도(또는 친화도) 차이가 존재하므로, 화학적 이온 교환이 발생할 수 있다. 작용기에 대한 칼슘 양이온의 친화도는 작용기에 있는 나트륨 양이온보다 크기 때문에, 작용기에 있는 나트륨 양이온은 작용기로부터 분리되고, 대신 칼슘 양이온이 작용기와 결합하게 된다. 마그네슘 양이온도 칼슘 양이온과 동일한 원리로 작용기와 결합하게 된다. 이러한 이온 교환 과정에 의해 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질이 제거될 수 있으며, 원수의 경도는 낮아질 수 있다.
이온교환수지(132)는 화학적 이온 교환에 의해 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하므로, 초기 반응 속도가 매우 빠르다는 장점을 갖는다. 그리고 이온교환수지(132)에 나트륨 양이온과 작용기가 존재하는 한 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질은 계속해서 제거될 수 있다.
그러나 이온교환수지(132)에 존재하는 나트륨 양이온과 작용기의 양은 한정적이다. 따라서 이온교환수지(132)가 화학적 이온 교환 작용을 반복할수록 이온 교환 성능은 점차 떨어지게 되고, 이온교환수지(132)의 성능을 회복하기 위해서는 재생을 하여야 한다.
도 3b는 이온교환수지(132)의 재생을 보인 개념도다.
이온교환수지(132)를 재생하기 위해서는, 소금물(염을 포함하는 액체)에 이온교환수지(132)를 노출시킨다. 소금물에는 과량의 나트륨 양이온이 존재하기 때문에 나트륨 양이온과 칼슘 양이온 사이에는 농도 차이가 존재하고, 나트륨 양이온과 마그네슘 양이온 사이에도 농도 차이가 존재한다. 소금물에 존재하는 과량의 나트륨 양이온들이 재생 대상 이온교환수지(132)를 만나게 되면, 농도 차이에 의해 작용기에 결합된 칼슘 양이온 또는 마그네슘 양이온을 작용기로부터 탈착시키고 나트륨 양이온이 작용기에 결합된다.
이온교환수지(132)는 재생에 의해 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질의 제거 성능을 회복할 수 있다. 다만, 재생의 반복에 따라 재생의 효율은 점차 감소한다. 그로 인해 이온교환수지(132)의 재생 주기가 짧아지게 되고, 이온 교환 성능의 회복 효과도 낮아지게 된다.
그러나 본 발명은 이러한 이온교환수지(132)의 단점을 결정생성촉매(122, 도 2 및 도 2 참조)로 보완하였음을 이미 설명하였다.
도 4는 결정생성촉매(122)와 이온교환수지(132)를 실험적으로 비교한 그래프다.
그래프의 가로축은 시간(분)이고, 세로축은 경도 저하율(water hardness reduction, %)을 가리킨다. 경도 저하율은 곧 원수로부터 경도성 물질과 스케일 유발 물질을 제거하는 여과 성능을 의미한다.
먼저 이온교환수지(132)의 그래프를 참조하면, 이온교환수지(132)는 초기부터 급격한 높은 여과 성능을 보인다. 이온교환수지(132)에 노출된 원수의 경도는 짧은 시간 내에 낮아지기 때문에, 이온교환수지(132)는 매우 빠른 초기 반응 속도를 가짐을 알 수 있다. 또한 이온교환수지(132)의 경도 저하율은 거의 100%에 육박하기 때문에, 이온교환수지(132)가 매우 우수한 여과 성능을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 실험 결과를 살펴보면 이온교환수지(132)의 수명은 작동시간이 약 200분에 이르기 전에 끝난다. 이온교환수지(132)의 수명은 실험 조건에 따라 달라질 수 있으나, 실험 조건이 변경되더라도 이온교환수지(132)의 수명이 결정생성촉매(122)의 수명보다 짧다는 것은 변함이 없다. 따라서 이온교환수지(132)를 계속 사용하기 위해서는 반드시 재생이라는 과정을 거쳐야 한다.
이에 반해 결정생성촉매(122)의 그래프를 참조하면, 결정생성촉매(122)는 여과 성능은 이온교환수지(132)에 비해 느리게 증가한다. 이것은 결정생성촉매(122)가 이온교환수지(132)에 비해 느린 반응 속도를 가진다는 것을 의미한다. 그러나 결정생성촉매(122)의 여과 성능은 이온교환수지(132)와 달리 시간이 증가할수록 계속해서 완만하게 증가한다. 이것은 결정생성촉매(122)의 수명이 이온교환수지(132)에 비해 매우 길다는 것을 의미하며, 이온교환수지(132)와 달리 빈번한 재생을 필요로 하지 않는다는 것을 의미한다.
결정생성촉매(122)가 이온교환수지(132)에 비해 월등히 긴 수명을 갖는 것은 매커니즘의 차이로부터 비롯된다. 이온교환수지(132)가 이온 간의 교환을 통해 원수로부터 경도성 물질이나 스케일 유발 물질을 제거하기 때문에, 시간이 지날수록 교환 가능한 이온의 수는 감소한다. 이에 반해 결정생성촉매(122)는 생성된 결정이 결정생성촉매로부터 분리되고 나면, 다시 결정을 생성하는 다른 반응에 참여할 수 있기 때문에 이온교환수지(132)보다 월등하게 긴 수명을 가질 수 있는 것이다.
본 발명의 복합 필터는 결정생성촉매(122)를 이용하여 재생을 필요로 하는 이온교환수지(132)의 단점을 보완하고, 이온교환수지(132)를 이용하여 초기 반응 속도가 느린 결정생성촉매(122)의 단점을 보완한다. 특히 이온교환수지(132)의 재생 주기가 길어짐에 따라 본 발명은 재생으로 인한 물 낭비나 환경 오염, 재생 효율의 감소 등의 문제를 해결할 수 있는 장점을 갖는다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예를 보인 복합 필터(200)의 단면도다.
하우징(250)의 일측에 입수부(251)가 형성되고, 프리 필터부(110)는 입수부(251)로부터 원수를 공급받는다. 프리 필터부(110)는 원수에 존재하는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거하도록 이루어진다. 프리 필터부(110)는 외주면에서 내주면 방향으로 유동하는 원수로부터 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거할 수 있다.
프리 필터부(110)는 중공부를 구비한다. 프리 필터부(110)의 중공부에는 결정생성촉매 필터부(220)가 배치될 수 있다. 결정생성촉매 필터부(220)는 다수의 결정생성촉매(122, 도 2 참조)를 갖는 블럭(220)으로 이루어질 수 있다. 결정생성촉매를 갖는 블럭(200)은 이온교환수지 필터부(230)의 블럭과 구분하기 위해 제1블럭(220)으로 명명될 수 있다. 제1블럭(220)과 결정생성촉매 필터부(220)는 실질적으로 동일한 것이므로 제1블럭(220)의 도면부호는 결정생성촉매 필터부(220)의 도면부호와 동일하게 220을 부여하였다.
제1블럭(220)은 외주면에서 내주면 방향으로 유동하는 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어진다. 제1블럭(220)은 다수의 결정생성촉매를 가지므로 제1블럭(220)의 매커니즘은 앞서 설명한 결정생성촉매의 매커니즘과 동일하다. 결정은 결정생성촉매를 전단 방향(shear direction)으로 통과하는 원수에 의해 결정생성촉매로부터 분리될 수 있다.
제1블럭(220)은 중공부를 구비한다. 제1블럭(220)의 중공부에는 이온교환수지 필터부(230)가 배치될 수 있다. 이온교환수지 필터부(230)는 다수의 이온교환수지(132, 도 3a 및 도 3b 참조)를 갖는 블럭(230)으로 이루어질 수 있다. 이 블럭(230)은 제1블럭(220)과 구분하기 위해 제2블럭(230)으로 명명될 수 있다. 제2블럭(230)과 이온교환수지 필터부(230)는 실질적으로 동일한 것이므로 제1블럭(230)의 도면부호는 결정생성촉매 필터부(230)의 도면부호와 동일하게 230을 부여하였다.
제2블럭(230)은 외주면에서 내주면 방향으로 유동하는 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어진다. 제2블럭(230)은 다수의 이온교환수지(132)를 가지므로 제2블럭(230)의 매커니즘은 앞서 설명한 이온교환수지(132)의 매커니즘과 동일하다.
결정생성촉매 필터부(220)가 제1블럭(220)으로 이루어지고, 이온교환수지 필터부(230)가 제2블럭(230)으로 이루어짐에 따라 복합 필터(200)의 소재 집적도가 향상될 수 있다. 또한 이온교환수지(132)의 재생이 필요한 경우에는 제2블럭(230)만을 분리하여 재생한 후 다시 제1블럭(220)의 중공부에 삽입하면 된다. 따라서 블럭 구조는 재생의 편의성을 향상시킬 수 있다.
제2블럭(230)은 중공부를 구비한다. 제2블럭(230)의 중공부에는 출수 유로(260)가 배치될 수 있으며 출수 유로(260)는 제2블럭(230)으로부터 원수를 공급받는다. 그리고 출수 유로(260)는 출수부(252)에 연결되는 유로를 형성한다. 제1블럭(220)과 제2블럭(230)을 순차적으로 통과하면서 여과된 원수는 출수 유로(260)와 출수부(252)를 통해 하우징(250)의 외부로 배출될 수 있다.
다만, 소재 집적도를 향상시키기 위한 블럭 구조가 반드시 도 5의 구조에 한정되는 것은 아니다. 입수부(251)와 출수부(252)의 위치에 따라 제1블럭(220)과 제2블럭(230) 중 어느 하나가 다른 하나를 감싸도록 형성될 수 있다. 예를 들어 도 5와 달리 제2블럭(230)이 제1블럭(220)을 감싸도록 형성되는 구조도 가능하다. 다만 복합 필터의 유로 구조는, 원수가 상기 제1블럭(220)과 상기 제2블럭(230)에 의해 순차적으로 여과되도록 이루어져야 한다.
이하에서는 본 발명의 복합 필터(100 또는 200)를 다른 필터와 직렬로 연결하여 여과 시스템을 구성한 여러 변형례에 대하여 설명한다. 복합 필터(100 또는 200)가 단일의 필터로 이루어진다면, 여과 시스템은 여러 개의 필터들의 집합으로 형성된다.
도 6은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터를 직렬로 연결하여 2단의 여과 시스템을 구성한 개념도다.
여과 시스템은 두 필터를 2단으로 연결하여 형성된다. 상류측에는 본 발명의 복합 필터(100 또는 200)가 배치되고, 하류측에는 UF필터(300)(Ultrafiltration)가 배치된다. UF필터(300)는 압력차를 추진력으로 물을 여과하며, 기공과 용질의 크기 차이에 의해 물로부터 특정 물질을 분리한다. 복합 필터(100 또는 200)와 UF필터(300)는 직렬로 연결된다.
복합 필터(100 또는 200)의 프리 필터부(110 또는 210, 도 1 및 도 5 참조)에서는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나가 제거된다. 복합 필터(100 또는 200)의 결정생성촉매 필터부(120 또는 220, 도 1 및 도 5 참조)에서는 결정화라는 매커니즘에 의해 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질이 제거된다. 복합 필터(100 또는 200)의 이온교환수지 필터부(130 또는 230, 도 1 및 도 5 참조)와 이온 교환이라는 매커니즘에 의해 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질이 제거된다. UF필터(300)는 복합 필터(100 또는 200)에서 여과된 물로부터 탁질, 콜로이드, 단백질, 미생물학적 오염균과 거대 유기분자를 제거할 수 있다.
도 7은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터를 직렬로 연결하여 2단의 여과 시스템을 구성한 다른 개념도다.
여과 시스템은 두 개의 필터를 2단으로 연결하여 형성된다. 상류측에는 본 발명의 복합 필터(100 또는 200)가 배치되고, 하류측에서는 UF필터부(300)와 포스트 카본 블럭 필터부(400)를 갖는 복합 필터(300, 400)가 배치된다. 상류측의 복합 필터(100 또는 200)와 하류측의 복합 필터(300, 400)를 서로 구분하기 위해, 상류측의 복합 필터(100 또는 200)를 제1 복합 필터(100 또는 200)로 명명하고 하류측의 복합 필터(300, 400)를 제2 복합 필터(300, 400)로 명명할 수 있다.
제2 복합 필터(300, 400)는 UF필터부(300)와 포스트 카본 블럭 필터부(400)를 하나의 하우징(미도시) 내에 구비한다. 제2 복합 필터(300, 400)의 포스트 카본 블럭 필터부(400)는 여과 시스템에서 번식할 수 있는 박테리아 등을 마지막으로 한번 더 걸러준다. 나머지 필터 또는 필터부에 대한 설명은 앞서 설명한 것으로 갈음한다.
도 8은 본 발명의 복합 필터와 기타 필터들을 직렬로 연결하여 3단의 여과 시스템을 구성한 개념도다.
여과 시스템은 세 개의 필터를 3단으로 연결하여 형성된다. 상류측에는 본 발명의 복합 필터(100 또는 200)가 배치되고, 중류측에는 UF필터(300)가 배치되며, 하류측에는 카본 블럭 필터(400)가 배치된다. 복합 필터(100 또는 200), UF필터(300) 및 카본 블럭 필터(400)는 직렬로 연결된다.
도 7에서 설명하였던 제2 복합 필터(300 또는 400)가 하나의 하우징(미도시) 내에 UF필터부(300)와 포스트 카본 블럭 필터부(400)를 갖는 것과 달리, 도 8의 여과 시스템은 UF필터(300)와 카본 블럭 필터(400)를 각각 다른 하우징(미도시) 내에 구비한다는 점에서 차이가 있다.
도 9는 본 발명의 복합 필터와 기타 필터들을 직렬로 연결하여 3단의 여과 시스템을 구성한 다른 개념도다.
상류측에는 카본 블럭 필터, 중류측에는 UF 필터가 배치되며, 하류측에는 복합 필터(100 또는 200)가 배치된다. 도 9의 여과 시스템은 도 8의 여과 시스템과 필터의 배치 순서만 다를 뿐 나머지 구성은 동일하다. 여과 시스템을 형성하는 필터들의 순서는 필요에 따라 설계 변경될 수 있다.
이상에서 설명된 복합 필터는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (22)
- 원수에 존재하는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거하도록 이루어지는 프리 필터부;
상기 프리 필터부를 통과한 원수를 여과하도록 상기 프리 필터부의 하류측에 형성되며, 상기 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하고, 결정화를 통해 상기 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 결정생성촉매 필터부; 및
상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수를 여과하도록 상기 결정생성촉매 필터부의 하류측에 형성되고, 이온 교환을 통해 상기 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 이온교환수지 필터부를 포함하고,
상기 결정생성촉매 필터부는 아래에서부터 위로 원수가 차오르는 형태의 유로 구조를 갖고,
상기 이온교환수지 필터부는 위에서 아래로 원수가 떨어지는 형태의 유로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제1항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 포함하고,
상기 결정생성촉매는, 상기 원수에 존재하는 칼슘 양이온과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하거나 상기 원수에 존재하는 마그네슘 양이온과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하여, 상기 경도성 물질 또는 상기 스케일 유발 물질을 결정화시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제1항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 포함하고,
상기 결정생성촉매는,
음전하를 띄는 고분자로 이루어지는 담체; 및
상기 담체의 결정화 사이트에 존재하며, 칼슘과 마그네슘 중 적어도 하나를 포함하는 결정 시드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복합 필터는,
상기 결정생성촉매 필터부와 상기 이온교환수지 필터부를 수용하도록 형성되는 하우징; 및
상기 하우징의 내주면을 마주보도록 배치되고, 원수에 존재하는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거하도록 이루어지는 프리 필터부를 포함하고,
상기 결정생성촉매 필터부는,
상기 프리 필터부를 통과한 원수가 유입되도록 형성되고, 상기 프리 필터부와의 경계를 형성하는 제1케이스; 및
상기 제1케이스의 내부에 투입되는 다수의 결정생성촉매를 포함하며,
상기 이온교환수지 필터부는,
상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수가 유입되도록 형성되고, 상기 결정생성촉매 필터부와의 경계를 형성하는 제2케이스; 및
상기 제2케이스의 내부에 투입되는 다수의 이온교환수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제5항에 있어서,
상기 제1케이스의 내벽면에는 나선형의 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제5항에 있어서,
상기 제1케이스의 내벽면에는 복수의 돌출부가 형성되고,
상기 복수의 돌출부는 상기 결정생성촉매 필터부에 원수가 차오르는 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제5항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부의 하단은 상기 하우징의 내측 바닥면으로부터 이격되어 상기 프리 필터부를 통과한 원수가 상기 결정생성촉매 필터부의 유로 구조로 차오르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제5항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부의 상단과 상기 이온교환수지 필터부의 상단은 상기 하우징의 내측 상단면으로부터 이격되어, 상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수가 상기 이온교환수지 필터부의 유로 구조로 떨어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복합 필터는,
상기 결정생성촉매 필터부와 상기 이온교환수지 필터부를 수용하도록 형성되는 하우징; 및
상기 하우징의 내주면을 마주보도록 배치되는 상기 프리 필터부를 포함하고,
상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 갖는 제1블럭으로 이루어지고,
상기 이온교환수지 필터부는 다수의 이온교환수지를 갖는 제2블럭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제11항에 있어서,
상기 제1블럭과 상기 제2블럭 중 어느 하나는 다른 하나를 감싸도록 형성되고,
상기 복합 필터의 유로 구조는, 원수가 상기 제1블럭과 상기 제2블럭에 의해 순차적으로 여과되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 원수에 존재하는 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하고, 결정화를 통해 상기 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 결정생성촉매 필터부;
상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수를 여과하도록 상기 결정생성촉매 필터부의 하류측에 형성되고, 이온 교환을 통해 상기 원수로부터 경도성 물질 또는 스케일 유발 물질을 제거하도록 이루어지는 이온교환수지 필터부;
상기 결정생성촉매 필터부와 상기 이온교환수지 필터부를 수용하도록 형성되는 하우징; 및
상기 하우징의 내주면을 마주보도록 배치되고, 원수에 존재하는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거하도록 이루어지는 프리 필터부를 포함하고,
상기 결정생성촉매 필터부는,
상기 프리 필터부를 통과한 원수가 유입되도록 형성되고, 상기 프리 필터부와의 경계를 형성하는 제1케이스; 및
상기 제1케이스의 내부에 투입되는 다수의 결정생성촉매를 포함하며,
상기 이온교환수지 필터부는,
상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수가 유입되도록 형성되고, 상기 결정생성촉매 필터부와의 경계를 형성하는 제2케이스; 및
상기 제2케이스의 내부에 투입되는 다수의 이온교환수지를 포함하며,
상기 제1케이스의 외벽면과 상기 제2케이스의 외벽면 사이에는 출수 유로가 형성되고,
상기 이온교환수지 필터부의 하단은 상기 하우징의 내측 바닥면으로부터 이격되어 상기 이온교환수지 필터부를 통과한 원수가 상기 출수 유로를 통해 배출되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제13항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 포함하고,
상기 결정생성촉매는, 상기 원수에 존재하는 칼슘 양이온과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하거나 상기 원수에 존재하는 마그네슘 양이온과 중탄산 음이온의 반응을 촉진하여, 상기 경도성 물질 또는 상기 스케일 유발 물질을 결정화시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제13항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 포함하고,
상기 결정생성촉매는,
음전하를 띄는 고분자로 이루어지는 담체; 및
상기 담체의 결정화 사이트에 존재하며, 칼슘과 마그네슘 중 적어도 하나를 포함하는 결정 시드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제13항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부는 아래에서부터 위로 원수가 차오르는 형태의 유로 구조를 갖고,
상기 이온교환수지 필터부는 위에서 아래로 원수가 떨어지는 형태의 유로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제13항에 있어서,
상기 제1케이스의 내벽면에는 나선형의 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제13항에 있어서,
상기 제1케이스의 내벽면에는 복수의 돌출부가 형성되고,
상기 복수의 돌출부는 상기 결정생성촉매 필터부에 원수가 차오르는 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제13항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부의 하단은 상기 하우징의 내측 바닥면으로부터 이격되어 상기 프리 필터부를 통과한 원수가 상기 결정생성촉매 필터부의 유로 구조로 차오르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제13항에 있어서,
상기 결정생성촉매 필터부의 상단과 상기 이온교환수지 필터부의 상단은 상기 하우징의 내측 상단면으로부터 이격되어, 상기 결정생성촉매 필터부를 통과한 원수가 상기 이온교환수지 필터부의 유로 구조로 떨어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제13항에 있어서,
상기 복합 필터는,
상기 결정생성촉매 필터부와 상기 이온교환수지 필터부를 수용하도록 형성되는 하우징; 및
상기 하우징의 내주면을 마주보도록 배치되고, 원수에 존재하는 입자성 물질, 유기물질 및 잔류염소 중 적어도 하나를 제거하도록 이루어지는 프리 필터부를 포함하고,
상기 결정생성촉매 필터부는 다수의 결정생성촉매를 갖는 제1블럭으로 이루어지고,
상기 이온교환수지 필터부는 다수의 이온교환수지를 갖는 제2블럭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 필터. - 제21항에 있어서,
상기 제1블럭과 상기 제2블럭 중 어느 하나는 다른 하나를 감싸도록 형성되고,
상기 복합 필터의 유로 구조는, 원수가 상기 제1블럭과 상기 제2블럭에 의해 순차적으로 여과되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 필터.
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