KR101753453B1 - 중공사막 여과장치 및 그의 여과막 손상 감지방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법은 막모듈 및 상기 막모듈에 연결되어 유체를 이송하는 배관이 구비된 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법이며, 상기 중공사막 여과장치를 이용하여 막여과 공정을 진행하는 단계; 상기 중공사막 여과장치의 검진 공진주파수를 측정하는 단계; 상기 측정된 공진 주파수 값과 미리 설정된 기준 값을 비교하여 막모듈의 손상 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 중공사막 여과장치 및 그의 여과막 손상 감지방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 비부착 센서를 이용하여 여과막의 손상 여부를 용이하게 파악함과 함께 손상 감지의 정확성을 향상시킬 수 있는 중공사막 여과장치 및 그의 여과막 손상 감지방법에 관한 것이다.
상수원의 오염이 심각해짐으로 인해 정수수질에 대한 관심이 높아지고 고도의 정수처리에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라, 기존의 정수처리시설에 대한 보완이나 새로운 여과장치 및 여과공정의 도입이 시도되고 있다. 그러나, 기존의 정수시설의 보완이나 새로운 고도정수처리시설을 도입하기 위해서는 부지확보, 비용 등 여러 가지 어려움이 뒤따른다. 최근, 안정된 수질뿐만 아니라 운전 및 유지관리가 용이한 막여과를 이용한 고도정수처리공정이 제시되고 있다.
또한 분리막을 이용한 막여과 수처리시스템에서 공급원수에 포함하고 있는 인체나 환경에 해로운 물질과 크립토스포리디움, 지아디아와 같은 병원생 미생물의 누출에 대한 risk를 미연에 방지하기 위하여 여과수의 탁도, 또는 입자계소 모니터링과 같은 간접적(on-line Indirect Integrity Test)인 막의 손상 검지방법이 일반적으로 널리 적용되어 사용하고 있다.
막여과 수처리방법은 선택적 투과기능을 갖는 여과막(membrane)(대표적으로 중공사막)을 이용하여 원수 내의 오염물질을 분리하는 방법으로서, 원수 내에 포함되어 있는 일정 크기 이상의 현탁물질을 확실하게 제거할 수 있는 장점이 있다. 한편, 여과막의 표면에 오염물질이나 고형물 등에 의한 부착층이 생겨 막여과 성능이 저하될 수 있는데, 이 경우 물 역세척, 공기 역세척 등의 물리세척이나 약품을 이용하여 분해, 용해시키는 화학세척을 통해 여과막을 세척함으로써 막여과 성능을 복구할 수 있다.
이와 같은 막여과 성능의 저하를 방지하기 위해서는 막여과 손상 여부를 즉각 감지하고 대처하는 것이 중요하다. 종래 기술에 있어서 막여과 공정에서의 여과막 손상 감지기술을 살펴보면 다음과 같다.
'Journal of AWWA , Desalination , membrane Science'에 개재된 논문에 의하면 여과막의 손상 감지방법으로 1차측과 2차측이 기체와 액체인 조건에서 1차측에 공기를 주입하는 방법이 개시되어 있으며, 일본공개특허공보 제2000-342936호, 제2001-269551호 및 제2007-245060호에는 중공섬유로된 막모듈의 1차측과 2차측을 기체 및 액체로 유지하여 1차측 또는 2차측에 공기를 주입하는 방법을 적용하여 여과막의 손상을 검지하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 위 논문 및 선행특허들은 막모듈의 1차측 및 2차측을 기체-액체 또는 액체-기체 상태로 적용한 조건 하에서 여과막의 손상을 감지한다. 이와 같은 조건 하에서, 가압공기가 압력차에 의해 기체 상태쪽에서 액체 상태쪽으로 이동하게 되는데, 이 경우 밀도와 공기압 분압 등에 의한 저항이 발생하여 공기압의 변화율이 크지 않다. 이에 따라, 여과막에 손상이 있더라도 공기압의 변화가 작기 때문에 여과막 손상을 정확하게 판단하기에 어려움이 있다. 또한, 막여과가 진행됨에 따라 총 여과저항값이 높아지면서 측정감도가 저하되는 문제점이 있다. 또한 그 감도가 낮으며, 정량화되어 있지 않아 막 손상에 대한 확인이 오판으로 작용할 가능성이 높다. 이에 따라 막여과 수처리시스템에서는 수시, 또는 정기적인 막의 손상 및 파단에 유/무를 확인하는 직접적(off-line Direct Integrity Test)인 압력유지시험방법을 간접법과 병행하여 적용하고 있다.
이와 같은 종래 기술의 단점을 해결한 것으로서, 1차측과 2차측을 모두 기체 상태로 유지함으로써 공기압의 변화율을 극대화한 기술이 제시된 바 있다. 그러나, 이 기술 역시 종래의 제반 기술들과 마찬가지로 공기압 변화율을 바탕으로 막여과 손상 여부를 판단함에 따라, 손상 감지의 정확성에 있어 다소 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.
또한 이를 보안하기 위해 발명된 기술로는 압전체를 이용하여 여과막 손상 여부를 용이하게 파악함과 동시에 손상 감지의 정확성을 향상시킬 수 있는 여과막 손상 감지방법을 개발했다. 하지만 압전체를 이용한 막손상 감지 방법 또한 막 모듈당 센서를 부착해야 하는 단점이 있기 때문에 실증 플렌트에 적용하였을 경우 압전체 부착 및 센서 비용이 필요 이상으로 들 수 있을 뿐만 아니라 막모듈 교체시 압전체의 정확한 예측을 위해 막모듈만의 교체가 아닌 모듈에 부착된 압전체 또한 교체하여 한다는 단점이 있다.
또한 기존에는 하나 이상의 막모듈에 대하여 간접법이나 직접법으로 테스트한 뒤, 이상이 있는 계열이나 유닛에 대해 다시 하나의 모듈마다 직접법으로 측정해야하기 때문에 이중 측정으로 인한 시간 및 비용이 소모되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 여과막의 손상 여부를 용이하게 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 손상 감지의 정확성을 향상시킬 수 있는 중공사막 여과장치 및 여과막 손상 감지방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이중적으로 테스트하는데 소모된 시험시간, 비용과 노동 등에 대한 문제점을 극복할 수 있는 중공사막 여과장치 및 여과막 손상 감지방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비부착센서를 적용하여 막 모듈당 센서를 부착하지 않으므로 막모듈 교체시 센서를 교체할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있는 중공사막 여과장치 및 여과막 손상 감지방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법에 관한 것이다. 상기 방법은 막모듈 및 상기 막모듈에 연결되어 유체를 이송하는 배관이 구비된 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법이며, 상기 중공사막 여과장치를 이용하여 막여과 공정을 진행하는 단계; 상기 중공사막 여과장치의 검진 공진주파수를 측정하는 단계; 상기 측정된 공진 주파수 값과 미리 설정된 기준 값을 비교하여 막모듈의 손상 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
구체예에서, 상기 검진 공진주파수를 측정하는 단계는, 상기 중공사막 여과장치에 유체를 주입하는 과정; 상기 유체 주입에 따른 기계적 진동이 비부착 센서에 의해 전기적 신호로 변환되는 과정; 및 상기 전기적 신호로부터 기준 공진주파수 또는 검진 공진주파수를 측정하는 과정을 포함하고, 상기 비부착 센서는 상기 중공사막 여과장치에 이격되어 설치된다.
상기 막모듈은, 복수의 여과막 및 상기 복수의 여과막을 수용하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징 표면에 비부착 센서가 이격되어 형성되며, 상기 여과막은 원수가 유입되는 제1면과 처리수가 배출되는 제2면을 포함하고, 상기 제1면 또는 상기 제2면에 유체를 주입하여 검진 공진주파수를 측정할 수 있다.
한 구체예에서는 상기 비부착 센서는 상기 배관 표면에 이격되어 형성될 수 있다.
다른 구체예에서는 상기 비부착 센서는 상기 막모듈 및 상기 배관 표면에 각각 이격되어 형성될 수 있다.
상기 비부착 센서는 압전 물질을 포함할 수 있다. 상기 압전 물질은 PZT(Lead Zirconate Titanate)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 중공사막 여과장치에 관한 것이다. 상기 장치는 복수의 여과막 및 상기 복수의 여과막을 수용하는 하우징을 포함하는 막모듈; 및 상기 막모듈에 연결되어 유체를 이송하는 배관을 포함하고, 상기 중공사막 여과장치에는 비부착 센서가 이격되어 형성되고, 상기 비부착 센서는 중공사막 여과장치의 검진 공진주파수를 측정하여 막모듈의 손상 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 여과막의 손상 여부를 용이하게 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 손상 감지의 정확성을 향상시킬 수 있고, 기존 이중적으로 테스트하는데 소모된 시험시간, 비용과 노동 등에 대한 문제점을 극복할 수 있으며, 막 모듈당 센서를 부착하지 않으므로 막모듈 교체시 센서를 교체할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있는 중공사막 여과장치 및 여과막 손상 감지방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 하나의 구체예에 따른 중공사막 여과장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 중공사막 여과장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 중공사막 여과장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 중공사막 여과장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 중공사막 여과장치의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 하나의 구체예에 따른 중공사막 여과장치의 개략도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 여과장치는 막모듈(10) 및 상기 막모듈에 연결되어 유체를 이송하는 배관(21, 22)을 포함한다.
상기 막모듈(10) 은 복수의 여과막(12) 및 상기 복수의 여과막을 수용하는 하우징(11)을 포함한다.
상기 여과막은 정수처리 및 해수담수화처리 등의 제반 수처리에 사용되는 정밀여과막(microfiltration), 한외여과막(ultrafiltration) 등을 포함하며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 구체예에서 상기 여과막은 중공사 형태를 가질 수 있다.
막모듈은 여과막의 표면을 기준으로 원수가 유입되는 제1면과 처리수가 배출되는 제2면을 포함한다. 예를 들면 여과막 외부는 제1면이 형성되고, 여과막 내부는 제2면이 형성될 수 있다. 막모듈의 일단은 원수조와 연결되고, 다른 일단은 처리수조와 연결될 수 있다. 이 경우, 원수조의 원수는 원수공급배관을 통해 막모듈의 제1면으로 공급되며, 제1면에 공급된 원수는 여과막에 의해 여과되어 원수 내의 오염물질은 여과막 걸러지고 처리수는 여과막을 투과하여 여과막 내부 공간인 제2면으로 공급된다. 제2면으로부터 배출되는 처리수는 처리수 배출 배관(22) 을 통해 최종적으로 처리수조로 배출된다.
한편, 본 발명의 목적인 여과막 손상 감지를 위해 제1면 또는 제2면에는 일정 압력의 유체, 예를 들면, 기체(일 실시예로, 공기) 또는 액체(일 실시예로, 물)가 공급될 수 있으며, 공급되는 유체의 압력을 측정하기 위한 공압계, 수압계가 구비될 수 있다. 이 때, 기체와 액체는 각각 기체주입수단, 액체주입수단으로부터 공급될 수 있다. 기체가 공급되는 경우 별도의 제1 및 제2 기체공급배관이 구비될 수 있다. 액체가 공급되는 경우 제1면은 원수조가 액체주입수단일 수 있고 제2면은 처리수조가 액체주입수단일 수 있다. 또한, 원수조, 처리수 이외에 별도의 액체주입수단이 구비되어 제1면과 제2면에 각각 액체를 주입할 수도 있다.
상기 하우징(11) 표면에는 비부착 센서(S)가 이격되어 형성되어 있으며, 공진주파수를 측정하여 막모듈의 손상 여부를 판단할 수 있다. 다른 구체예에서는, 상기 비부착 센서(S) 가 도 2에 도시된 바와 같이 배관 표면에 형성될 수 있다. 또 다른 구체예에서는 상기 비부착 센서(S) 가 도 3에 도시된 바와 같이 하이징 및 배관 표면에 모두 형성될 수 있다.
상기 비부착 센서(S)는 측정 대상에 부착되지 않고 이격 형성되어 있으며, 공진주파수 측정수단과 측정된 값을 기준 값과 비교하여 손상여부를 판단할 수 있는 제어수단을 포함한다.
이러한 상기 비부착 센서(S)는 기계적 진동을 전기적 신호로 변환하는 역할을 하고, 공진주파수 측정수단은 전기적 신호를 분석하여 공진주파수를 측정한다. 이 때, 막모듈 및 배관의 기계적 진동은 제1면 또는 제2면으로의 일정 압력의 유체, 즉, 기체 또는 액체의 공급에 의해 발생된다.
상기 비부착 센서는 압전 특성(piezoelectric effect)을 갖는 제반 압전물질이 이용될 수 있으며, 일 실시예로 압전 고분자 필름의 양면에 각각 제 1 전극(+), 제 2 전극(-)이 구비된 형태로 압전체를 구성할 수 있다. 상기 비부착 센서로는 PZT (Lead Zirconate Titanate)를 소자로 하여 통상의 방법으로 제작될 수 있다.
상기 공진주파수 측정수단은 비부착 센서로부터 전달되는 전기적 신호를 분석하여 공진주파수를 측정하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 비부착 센서는 막모듈 또는 배관 표면에 설치되어 있으며, 막모듈의 내부에 일정 압력의 기체 또는 액체가 공급되어 막모듈 및 배관에 기계적 진동이 발생되면 비부착 센서는 기계적 진동을 전기적 신호를 변환하는데, 공진주파수 측정수단은 해당 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정함으로써 궁극적으로, 비부착 센서의 전기적 신호를 통해 막모듈 및 배관의 공진주파수를 측정하는 것이다.
이처럼 막모듈 및 배관의 공진주파수를 측정하는 이유는, 정상 상태의 막모듈및 배관의 공진주파수(기준 공진주파수)와 손상된 상태의 막모듈 및 배관의 공진주파수(검진 공진주파수)를 비교함으로써 특정 막모듈의 손상 여부를 판단하기 위함이다.
따라서, 복수의 막모듈 및 배관을 대상으로 여과막의 손상 여부를 판단하고자 하면, 해당 복수의 막모듈 및 배관 각각의 기준 공진주파수가 미리 측정되어야 하며, 이와 같이 각각의 막모듈 및 배관 기준 공진주파수가 측정된 상태에서 추후 각각의 막모듈 및 배관의 공진주파수를 측정하고 이를 기준 공진주파수와 비교함으로써 해당 각각의 막모듈 및 배관의 손상 여부를 감지할 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 기준 공진주파수의 확보, 검진 공진주파수와 기준 공진주파수의 비교 및 손상 여부 판단 등의 역할을 제어수단이 수행한다. 즉, 제어수단은 복수의 막모듈 및 배관의 정상 상태의 공진주파수 즉, 기준 주파수를 저장한 상태에서, 공진주파수 측정수단을 통해 측정된 특정 막모듈 및 배관의 검진 공진주파수를 전달받아 해당 막모듈 및 배관의 검진 공진주파수와 기 저장된 기준 공진주파수를 비교함으로써 해당 막모듈 및 배관의 손상 여부를 판단하는 역할을 한다.
본 발명의 다른 관점은 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법에 관한 것이다.
상기 방법은 앞서 설명한 중공사막 여과장치를 이용하여 막여과 공정을 진행한 후, 중공사막 여과장치의 검진 공진주파수를 측정하는 단계; 상기 측정된 공진 주파수 값과 미리 설정된 기준 값을 비교하여 막모듈의 손상 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
여기서, 막여과 공정이란 막모듈을 이용하여 원수를 처리수로 처리하는 것을 일컬으며, 막여과 공정이 완료된 상태의 막여과 장치란 막모듈의 제1면 및 제2면에 원수 및 처리수가 존재하지 않는 상태 즉, 막모듈이 빈 공간을 유지하는 상태를 일컫는다.
이와 같은 상태에서 정상 상태의 막모듈 및 배관에 대한 기준 공진주파수를 측정한다. 구체적으로, 막모듈의 내부에 일정 압력의 기체 또는 액체를 공급한다. 일정 압력의 기체 또는 액체는 막모듈 및 배관의 제1면 또는 제2면에 공급될 수 있다. 또한, 막모듈 및 배관의 내부에 공급되는 기체 또는 액체의 압력은 일정 상태로 유지되는 것이 바람직하며, 구체적으로 제1면에 공급된 기체 또는 액체가 제2면으로 확산되는 시점의 임계 압력 또는 제2면에 공급된 기체 또는 액체가 제1면으로 확산되는 시점의 임계 압력으로 유지되는 것이 바람직하다. 이와 같이 임계 압력을 적용하는 이유는, 막모듈 및 배관의 여과막 손상 여부를 확인하기 위한 것으로서 여과막이 손상된 경우에는 임계 압력으로 공급된 기체 또는 액체가 여과막 손상으로 인해 임계 압력 이하로 급격히 떨어지게 되며 이 때, 그에 상응하는 기계적 진동을 발생시키기 때문이다. 물론, 장치적 구성 및 기타 조건에 부응하기 위해 임계 압력을 벗어나는 범위 하의 압력을 적용할 수도 있다.
정상 상태의 막모듈 및 배관 내부에 일정 압력의 기체 또는 액체를 공급하면, 그에 상응하는 기계적 진동이 발생되며 해당 기계적 진동은 막모듈 및 배관에 설치된 비부착 센서 신호로 변환되어 공진주파수 측정수단에 전달된다. 공진주파수 측정수단은 전달된 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정하고, 측정된 공진주파수는 정상 상태의 막모듈 및 배관에 대한 공진주파수 즉, 기준 공진주파수로서 제어수단에 저장된다. 막모듈 및 배관이 복수개 구비되는 경우, 각각의 막모듈 및 배관에 대한 기준 공진주파수 측정 과정이 적용된다. 한편, 기준 공진주파수 측정과정은 막여과 공정 전에 진행할 수도 있다.
이와 같이 기준 공진주파수가 측정된 상태에서, 기준 공진주파수가 측정된 조건과 동일한 조건을 적용하여 각각의 막모듈 및 배관에 대한 검진 공진주파수를 측정한다. 즉, 막여과 공정이 완료된 상태의 막여과 장치를 준비하고, 각각의 막모듈및 배관 내부에 일정 압력의 기체 또는 액체를 공급하고 이 때의 기계적 진동을 비부착 센서를 통해 전기적 신호를 변환하며, 공진주파수 측정수단을 이용하여 변환된 전기적 신호로부터 공진주파수를 측정한다. 이 때, 막모듈 및 배관 내부에 가압된 기체 또는 액체의 압력은 기준 공진주파수 측정시와 동일하며, 일 실시예로 임계 압력에 해당될 수 있다.
측정된 각각의 막모듈 및 배관의 검진 공진주파수는 제어수단에 전달되며, 제어수단은 기 저장된 기준 공진주파수와 검진 공진주파수를 비교하고, 일치 여부를 확인하여 검진 공진주파수에 해당되는 막모듈 및 배관의 손상 여부를 판단한다. 막모듈 및 배관의 여과막이 손상된 경우, 막모듈 및 배관 내부에 일정 압력으로 주입된 기체 또는 액체의 압력이 감소됨에 따라, 막모듈 및 배관의 기계적 진동 역시 정상 상태의 기계적 진동과는 상이한 형태를 나타내고, 그에 상응하는 공진주파수 역시 기준 공진주파수와 다르게 나타난다.
본 발명의 여과막 손상 감지방법은 침지식막 및 가압식막에 상관없이 막여과 단계 중 수백가닥의 막 중 한가닥이라도 끊어지면 막여과 저항이 감소하므로 이 미세한 부분까지 비부착 센서를 막모듈 및 배관에 설치하여 정말하게 On-line 상태로 막의 여과공정에 영향을 미치지 않고 손상여부를 확인할 수 있다.
Claims (13)
- 막모듈 및 상기 막모듈에 연결되어 유체를 이송하는 배관이 구비된 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법이며,
상기 중공사막 여과장치를 이용하여 막여과 공정을 진행하는 단계;
상기 중공사막 여과장치의 검진 공진주파수를 측정하는 단계;
상기 측정된 공진 주파수 값과 미리 설정된 기준 값을 비교하여 막모듈의 손상 여부를 판단하는 단계;
를 포함하며,
상기 검진 공진주파수를 측정하는 단계는,
상기 중공사막 여과장치에 유체를 주입하는 과정;
상기 유체 주입에 따른 기계적 진동이 비부착 센서에 의해 전기적 신호로 변환되는 과정; 및
상기 전기적 신호로부터 기준 공진주파수 또는 검진 공진주파수를 측정하는 과정을 포함하고,
상기 막모듈은, 복수의 여과막 및 상기 복수의 여과막을 수용하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징 표면에 비부착 센서가 이격되어 형성되며, 상기 여과막은 원수가 유입되는 제1면과 처리수가 배출되는 제2면을 포함하고,
상기 제1면 또는 상기 제2면에 유체를 주입하여 검진 공진주파수를 측정하며,
상기 비부착 센서는 상기 하우징 및 상기 배관 표면에 각각 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 비부착 센서는 상기 막모듈에 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법.
- 제1항에 있어서, 상기 비부착 센서는 압전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법.
- 제6항에 있어서, 압전 물질은 PZT(Lead Zirconate Titanate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 여과장치의 여과막 손상 감지방법.
- 복수의 여과막 및 상기 복수의 여과막을 수용하는 하우징을 포함하는 막모듈; 및
상기 막모듈에 연결되어 유체를 이송하는 배관을 포함하는 중공사막 여과장치이고,
상기 하우징 및 상기 배관의 표면에는 비부착 센서가 각각 이격되어 형성되고,
상기 비부착 센서는 중공사막 여과장치의 검진 공진주파수를 측정하여 막모듈의 손상 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 중공사막 여과장치.
- 삭제
- 삭제
- 제8항에 있어서, 상기 비부착 센서는 상기 막모듈 및 상기 배관 표면에 각각 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막 여과장치.
- 제8항에 있어서, 상기 비부착 센서는 압전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 여과장치.
- 제12항에 있어서, 압전 물질은 PZT(Lead Zirconate Titanate)를 특징으로 하는 중공사막 여과장치.
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