KR20040106486A - 개선된 공급 스페이서를 포함하는 나선형 권취 부재 - Google Patents

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KR20040106486A KR10-2004-7017879A KR20047017879A KR20040106486A KR 20040106486 A KR20040106486 A KR 20040106486A KR 20047017879 A KR20047017879 A KR 20047017879A KR 20040106486 A KR20040106486 A KR 20040106486A
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Abstract

본 발명은 개선된 공급 스페이서, 당해 공급 스페이서를 포함하는 나선형 권취 부재, 여과 시스템 및 이의 제조방법 및 사용방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 양태에서는 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 다수의 개구를 갖는 중심 수거용 튜브, 내부에서 외부 방향으로 연장되고 튜브 둘레로 권취된 하나 이상의 여과용 엔벨롭, 및 하나 이상의 여과용 엔벨롭의 외부 표면과 평면상 접촉되어 있는, 수거용 튜브 둘레로 권취된 하나 이상의 공급 스페이서 시트를 갖는 개선된 나선형 권취 부재가 포함된다. 공급 스페이서 시트는 실질적으로 평행한 필라멘트 제1 세트를 실질적으로 평행한 필라멘트 제2 세트와 교차된 상태로 포함하여 예각이 70° 미만인 다수의 평행사변형을 형성하고 예각을 양분하는 선이 중심 수거용 튜브의 축과 거의 평행하도록 배향되며, 스트랜드 세선화 파라미터가 1.3을 초과하는 네트이다.

Description

개선된 공급 스페이서를 포함하는 나선형 권취 부재{Spiral wound element with improved feed spacer}
본 발명은 개선된 공급 스페이서, 당해 공급 스페이서를 포함하는 나선형 권취 부재 및 이의 제조방법 및 사용방법에 관한 것이다.
압력 구동형 막 분리 공정으로 광범위한 천연 화학종 및 이온성 화학종을 유체로부터 제거할 수 있다. 막은 기공 크기가 감소하는 순서로, 몇 가지 종류로 분류된다: 마이크로여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF) 및 역삼투(RO). 마이크로여과는 입자 크기가 0.1μ을 초과하는 현탁 입자의 분리에 사용된다. 한외여과는 일반적으로 분자량이 5000달톤을 초과하는 용해된 분자를 분리한다. 나노여과 막은 적어도 일부 염을 통과시키지만, 통상적으로 분자량이 약 200달톤을 초과하는 유기 화합물의 보유율이 높다. 역삼투 막은 거의 모든 화학종의 보유율이 높다.
막의 특성을 부여하는 대체 수단은 이의 형성방법에 의한 것이다. MF 및 UF 막은 매우 다양한 기술에 의해 제조할 수 있으며, 상업적으로 중요한 방법으로는 에칭, 소결, 연신에 의한 부분 파쇄 및 상 역전이 포함된다. NF 및 RO 막은 일반적으로 상 역전 또는 계면 중합에 의해 제조한다. 계면 중합으로 다공성 지지체에 높은 선택률로 부착된 차별적인 매우 얇은 층을 갖는 복합 구조를 수득할 수 있으며, 이는 NF 및 RO 막을 생성하는 단연 독점적인 공정이다. 계면 중합은 본원에서전체적으로 참조로 인용되는 미국 특허 제6337018호에 기재된 바와 같은 매우 다양한 단량체를 사용하여 수행할 수 있다.
NF 및 RO 막은 해수(海水) 또는 기수(汽水)의 탈염, 초순수(ultrapure water)의 제조, 탈색, 폐수 처리 및 식품용 액체 농축과 같은 용도에 가장 일반적으로 사용된다. 거의 대부분의 NF 및 RO 적용에 있어서 결정적 인자는 막이 작은 용질 분자에 대한 높은 거부율을 달성하는 한편, 높은 플럭스(flux)를 유지한다는 점이다.
나선형 권취 부재는 RO 및 NF 막에 대한 가장 일반적인 형태이다. 고전적인 나선형 권취 부재 디자인이 도 1에 나타나 있다. "공급"액은 공급 스페이서 시트를 통하여 축방향으로 유동하여 "농축물"로서 반대 말단부에서 배출된다. "투과액"은 가압하에 막 엔벨롭(envelop)을 통과하여 투과액 캐리어 시트에 의해 투과액 수거용 튜브로 향한다. 대체적인 형태(중공 섬유, 플레이트와 프레임, 관형 모듈)와 비교하여, 나선형 권취 부재는 종종 저비용, 저극성 및 부재 전방에 걸친 낮은 압력 강하의 유리한 조합을 갖는다.
부재의 성능은 최적 부재 디자인으로 추가로 강화시킬 수 있다. 예를 들면, 부재의 엔벨롭 수 및 이의 길이를 효율성을 최적화시키도록 동시에 변화시킬 수 있다. 동일한 부재 직경에 대하여, 부재의 엔벨롭 수를 증가시키면, 보다 많은 엔벨롭은 보다 불활성인 말단 영역을 의미하므로, 덜 활성인 영역이 수득된다. 그러나, 엔벨롭 길이(수거용 튜브의 축으로부터 직각 방향으로 측정됨)를 증가시키면 보다 긴 투과액 캐리어 시트 내에서 압력 강하가 커져서, 작동하는 동안 부재 유동을 감소시킬 수도 있다(투과액 캐리어 시트 내의 압력 강하가 증가되면, 플럭스 - 막 면적 단위당 유량이 적어진다). 주어진 조건 설정에 대하여, 유량을 최대화시키도록 엔벨롭 길이와 막 엔벨롭 수 사이의 최적의 트레이드-오프(trade-off)를 이룰 수 있다. 동일한 트레이드-오프는 또한 엔벨롭 수가 더 많고 개별적인 엔벨롭 길이가 더 짧은 부재 디자인에 대해 최대화된 용질 거부율에 영향을 미친다. 예상 작동 조건을 포함하는 몇 가지 파라미터를 알고 있다는 가정하에, 필요 부재 직경, 막 엔벨롭의 활성 폭 및 부재 재료(공급 스페이서, 투과액 캐리어 및 막)의 두께 및 유량과 거부율 사이의 트레이드-오프 영향을 예견하고 최적화시킬 수 있다.
나선형 권취 부재는 통상적으로 작동을 위한 원통형 가압 용기의 내부에 위치한다. 예외가 있기는 하지만, 나선형 권취 부재 및 이를 포함한 용기의 제조업자는 몇 가지 표준 치수에 집중하였다. 공칭 직경 50㎜, 60㎜, 100㎜ 및 200㎜가 RO/NF 부재에 가장 일반적이다. 직경이 60㎜인 부재는 일반적으로 약간 연장된 투과액 수거용 튜브의 말단부로부터 축을 따라 측정하여 길이 약 350㎜, 530㎜ 또는 1m로 입수 가능하다. 직경이 100㎜ 또는 200㎜인 부재는 통상적으로 길이 1m로만 입수 가능하다. 관은 일련의 이들 부재 전체 수를 유지시키기 위하여 제조된 것이다. 이러한 표준 부재 길이에 대한 한가지 이유는 공업적으로 폭이 약 1m인 막이 일반적으로 제조되었고, 기술된 길이는 이러한 막을 효율적으로 사용할 수 있도록 하기 때문이다. 투과액 캐리어 및 공급 스페이서 시트는 또한 미터 폭 롤로부터 효율적으로 절단할 수도 있다. 나선형 권취 부재의 축방향 치수를 1m의 전체 분획으로 지정하면 개별적인 막 엔벨롭의 길이를 재료에 의해 구속되지 않도록 할 수있다.
상업용 RO 및 NF 용도에 있어서, 대형 여과 시스템은 통상적으로 각각 4 내지 7개의 부재를 함유하는 가압 관에 분포시킨, 10,000개 이상의 부재로 구성될 수 있다. 가압 관은 가압 공급 용액을 투입하고 농축물 및 투과액을 제거하는 입구를 갖는다. 공급물은 일련의 부재 각각을 통하여 축방향으로 유동한다. 상이한 부재의 투과액 수거용 튜브를 연결시켜, 관 속의 하나의 긴 부재를 생성하는 작용을 한다. 각각의 가압 관은 다른 관과 일렬로 또는 평행하게 추가로 조합하여 여과 시스템을 생성한다. 여과 시스템은 농축물이 재가압되어 관을 통하여 수 회 통과하도록 하는 재순환형으로 또는 용액이 시스템의 어떠한 부분을 통해서라도 1회만 통과하는 "1회성" 형태로 작동시킬 수 있다. 대형 "단일 통과" 여과 시스템은 통상적으로 몇 개의 상부스트림 관으로부터의 농축물이 더 작은 수의 하부스트림 관으로 공급되는 감쇠 디자인으로 배열된다. 이러한 시스템은 교류가 많은 높은 회수율을 달성할 수 있지만, 또한 긴 연속적 공급 통로 및 높은 압력 강하를 특징으로 한다. 시스템 디자인은 부스터 펌프, 투과액 여압 및 캐스케이딩 단계를 포함하는 다양한 기타의 선택물을 혼입시켜 추가로 복잡하게 될 수 있다. 적합한 시스템 디자인은 목적하는 회수 및 투과액 품질이 달성되도록 할 수 있으며, 다수의 유효한 선택물은 문헌에 기재되고 설명되어 있다[참고: Marcel Mulder, "Basic Principles of Membrane Technology", Chapter 8, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, (1991)].
RO 및 NF 나선형 권취 부재의 분리 효율성은 막에 걸친 압력 및 농도 구배에의해 결정된다. 용매(가장 빈번하게는 물)의 플럭스(막의 단위 면적당 용량 유동)는 일반적으로 네트 구동압에 비례한다. 네트 구동압은 [공급물과 투과액 부가압 차이 - 막에 걸친 삼투압 차이]로 정의된다. 용매 플럭스는 높은 용질 농도 및 낮은 막횡단 압력에 대해 내려간다. 반대로, 용질 분자는 일반적으로 확산을 기본으로 하여 RO 및 NF 막을 통과하고, 이러한 공정은 농도 구배에 의해 이상적으로 구동되며, 압력 구배에 의해서는 실질적으로 영향받지 않는다. 그 결과, 투과액 중에서 제대로 탈락된 용질의 농도는 네트 구동압에 반비례한다.
부재의 네트 구동압은 나선형 권취 부재의 유체 입구와 배출 말단부 사이의 압력 강하에 의해 영향받을 수 있다. 작동시, 가압하의 공급 용액은 나선형 권취 부재의 입구 말단부에 가하고, 이는 원통형 부재를 통하여 축방향으로 유동한다. 수득한 압력 강하는 부재를 통하여 유동하는 공급물 용적 및 이러한 유동에 대한 공급 스페이서 시트의 저항에 좌우된다. 이러한 압력 강하는 네트 구동압보다 덜하다(통상적으로 훨씬 작다). 1m 길이의 RO/NF 부재에 걸친 통상적인 압력 강하는 공급물이 채널에서 15㎝/sec의 표면 속도를 갖는 경우, 25kPa일 것이다. 표면 속도는 용량 유동을 빈 채널의 단면적으로 나눈 값으로 정의될 수 있다. 막이 35㎡(380ft2)인 표준의 시판중인 필름텍(FilmTec)200㎜ 직경(8in) 부재의 경우, 15㎝/sec는 공급액의 200㎥/일에 상응한다. 압력 강하는 유량과 거의 선형이다.
관 등의 일련의 부재에서, 일련의 제1 부재는 플럭스의 불균일한 분포를 발생시키는 하부스트림 말단부에서의 압력보다 높은 네트 구동압으로 작동한다. 이러한 차이에 대한 한가지 원인은 공급 농도가 보다 큰 삼투압을 발생시키는 연속적인 부재를 증가시킨다는 사실이다. 이러한 작용은 일련의 부재의 압력 강하에 의해 증가된다(그리고 때로는 희미해진다). 막의 이러한 불균질한 이용과 관련된 몇 가지 문제들이 존재한다. 납 부재의 경우, 높은 플럭스는 오염 및 스케일링으로 인해 부재 수명을 실질적으로 단축시킬 수 있다. 높은 플럭스는 또한 농도 양극화를 촉진시키고, 양극화는 막의 유효 거부율을 감소시킨다. 트레일링 부재의 낮은 플럭스 또한 바람직하지 않은데, 이는 감소된 생산성 뿐만 아니라, 낮은 플럭스는 투과액 중의 더 높은 용질 농도를 의미하기 때문이다.
압력 강하는 더 큰 에너지 투입을 요하는 더 높은 전체 압력을 필요로 하도록 하고 더 높은 비용의 장치(펌프, 파이핑, 관 등)를 요하도록 할 수 있다. 압력 강하를 감소시키기 위하여, 공급액을 두 방향으로 반만 유동하도록 관의 중간에 입구를 갖는 몇가지 관을 제조한다. 또 다른 방법으로, 이러한 문제는 관 사이에 부스터 펌프를 사용하거나, 납 부재의 투과액 가압에 의해 대처할 수 있다. 어떠한 경우든, 이러한 처치법은 더욱 복잡하게 하고 비용을 증가시킨다.
이상적으로, 압력 강하 문제는 근원인 공급 스페이서 시트에서 대처될 것이다. 불행하게도, 최적 공급 스페이서 시트의 선택은 공급 스페이서 시트의 몇 가지 주요 측면이 이의 구조로부터 예상하기에 어려우므로, 복잡한 작업일 수 있다. 이상적인 공급 스페이서는 부재에 걸친 낮은 압력 강하를 유지하기 위해 공급류에 대한 저항이 낮은 외에도, 또한 다른 특성을 지닐 것이다. 공급 스페이서의 제1 목적은 두 막 시트를 분리하여, 공급액을 전면에 걸쳐 유동하도록 하는 것이다.이를 위하여, 이상적인 투과액 스페이서 시트("스페이서", "네트" 또는 "스페이서 시트"라고도 함)는 막과의 접촉점 밀도가 높아서 막 엔벨롭의 네스팅(nesting)을 피한다. 네스팅은 인접 엔벨롭의 접촉점이 회전 동안 상쇄되고 두 엔벨롭의 변형이 스페이서의 유효 용적을 감소시키는 경우 발생한다. 이상적으로, 스페이서는 얇아서 주어진 직경의 부재로 팩킹될 수 있는 막 영역의 양을 크게 감소시키지 않도록하고, 실질적인 혼합을 촉진시켜 막의 표면의 용질 양극화가 작아지고, 접촉한 막의 차별적인 층을 손상시키지 않도록 평활한 표면을 가질 것이며, 물론 제조하고 사용하기에 저렴할 것이다.
최적 공급 스페이서의 설계는 경쟁적인 우려의 균형을 맞추는 것이다. 예를 들면, 스페이서의 두께는 증가시키면 압력 강하가 덜하지만 부재의 활성 막 면적을 최대화시키려는 소망과 대립한다. 또 다른 중요한 대립은 부재 내의 양극화 온도를 감소시키려는 소망으로 인한 것이다. 농도 양극화는 벌크 상태보다 막 표면에서의 용질 농도가 더 높아서 발생하는 현상이다. 이는 막 선택률이 원인이다. 작업 동안, 공급액 중의 용질은 공급물의 대류성 이동에 의해 막 표면으로 연속적으로 구동된다. 혼합 공정의 부재시, 거부된 용질은 확산에 의해 표면으로부터 제거되어야 한다. 축방향 유동에 대한 연결 경쟁 물질 전달 공정은 막 표면의 용질 농도를 채널 길이 아래로 증가시킨다. 당해 작용은 큰 용질 분자, 높은 투과액 플럭스 및 축방향의 낮은 공급 속도에 특히 중요하다. 막 표면의 증가된 농도는 물의 감소된 투과(삼투압, 스케일링, 겔 형성 또는 오염으로 인한 것)와 용질 분자의 증가된 통과(보다 큰 유효 농도로 인한 것)를 발생시킨다. 공급 스페이서의 한 가지목적은 국소화된 난류 영역을 발생시켜 양극화의 축적을 파괴하는 것이다. 불행하게도, 막 표면의 혼합에 필요한 에너지는 항상 부재를 통한 에너지 소산의 원인이 된다(압력 강하).
추가로 압력 강하와 관련하여, 공급 스페이서의 두 가지 주요 특성은 이의 두께(채널의 높이) 및 이의 공극률이다. 스페이서를 통하여 유동하는 액체 용적이 일정하게 유지되는 경우, 이중 한 특성이 증가하면 일반적으로 압력 강하를 감소시키는 원인이 된다. 도 2에 나타낸 바와 같은 유동 방향을 따라 배항된 "네트형" 스페이서의 압력 강하는 추가로 문헌[참고: Da costa, Fane, & Wiley, J. Membrane Science, 87, 79-88 (1994)]에 특징지어져 있으며, 여기서, 공식은 몇 가지 특성, 두께, 공극률, 메쉬 크기, 필라멘트 직경 및 필라멘트 사이의 각도에 대한 이의 의존성을 인지한다. 이들 파라미터 사이의 상호 관계가 인지되며, 일정한 공극률에 대해서는 상기 논문에서는 트레이딩 메쉬 크기 및 유체역학적 각도의 영향이 설명되어 있다(유체역학적 각도는 채널 축에 면한 두 필라멘트 사이에서 형성된 각으로 당해 문헌에 정의되어 있다). 유동, 두께 및 공극률이 일정하게 유지되는 경우, 유체역학적 각도가 감소하여 유동 채널 아래로 약간의 압력 강하가 발생한다고 밝혀졌다. 동시에, 보다 낮은 유체역학적 각도(동일한 공극률에서의)는 물질 이동 계수에 의해 파라미터화된, 보다 큰 메쉬 크기 및 혼합의 큰 감소를 발생시킨다.
스페이서 내의 물질 이동 및 압력 강하는 여전히 지나치게 복잡하여 제1 원리로부터 정확하게 계산해 낼 수 없지만, 최적 공급 스페이서 형태를 분석적으로 또는 경험적 연구로 예측하려는 몇 가지 시도가 있어 왔다. 두 필라멘트 교차 각도 및 공급류에 대한 이의 배향은 공개된 문헌에서 당연한 주목을 받은 두 개의 관련 영역으로서, 둘 다 압력 강하 및 양극화에 영향을 미친다.
문헌[참고: Da Costa, Fane, Fell & Franken, J. Memb, Science, 62, 275-291 (1991)]에는, 상이한 배향의 공급 스페이서 시트가 한외여과 막을 통하여 덱스트란을 여과하는 동안 시험되었다. 연구에서는 몇 가지의 상업용 공급 스페이서가 사용되었지만, 추가의 형태가 채널의 배향을 변화시키거나 공극률을 증가시키기 위한 교차 스트랜드를 제거시켜 수득되었다. 최소 작동 비용은 유체역학적 각도가 80°인 공급 스페이서로 수득된다고 밝혀졌다. 제2 연구[참고: Da Costa, Fane, & Wiley, (1994)]는 기하 특성에 따르는 이러한 스페이서를 보다 상세히 특성화하고 에너지 소산의 상이한 근원에 대해 설명되는 압력 강하에 대한 반경험적 모델을 개발하였다. 압력 강하와 물질 이동 사이의 트레이드 오프가 상술되어 있으며, 모델은 최적 네트 형태를 예측하는 데 사용되었다. 예측을 통해 이전의 실험 결과를 확인할 뿐만 아니라, 상이한 유동 조건하의 한외여과에 대한 최적 각도 및 공극률 범위를 상세히 설명하였다. 낮은 교차 유동 속도에서 네트형 스페이서는 낮은 공극률(0.4)과 50 내지 120°의 유체역학적 각도가 조합된 것이어야 한다고 결론지어졌다. 위의 문헌과 동일한 저자에 의한 세 번째 연구[참고: Da Costa & Fane, Ind. Eng. Chem. Res., 33, 1845-1851, (1994)]로부터는 유동에 직각으로 위치한 필라멘트의 크기 및 위치가 물질 이동에 특히 중요하다고 밝혀졌다. 시험한 조건하에 UF 부재가 보다 우수한 혼합을 갖고 직각 필라멘트로 구성된 스페이서가 배향되어 필라멘트 중의 하나의 세트가 유동 방향에 직각이 되는 경우, 필라멘트 2세트모두가 채널 축에 대하여 45°로 배향되는 경우와 비교하여 보다 많은 유동을 생성할 것이라고 결론지어졌다.
문헌[참고: Polyakov & Karelin, J. Membrane Science, 75, 205-211, (1992)]에는 상이한 공급 스페이서 세트를 역삼투 복합 막으로부터 염화나트륨의 여과에 대하여 검사하였다. 저자는 필라멘트와 공급류 방향 사이의 각도에 좌우되는 양극화 모델을 도입하였다. 필라멘트 사이의 영역이 발달 난류에 상응하고, 필라멘트에 의한 막의 주기적 차단이 양극화 감쇠의 영역의 원인이 된다고 가정되었다. 상업적 RO 부재에 사용되는 것과 유사한 두 개를 포함하는 상이한 스페이서에 대한 검사를 기본으로 하여, 최상의 형태가 유동 방향에 대해 63.5°의 필라멘트 각도를 가짐이 밝혀졌다. 이러한 횡행 각도는 이전에 정의한 바와 같이, 127°의 유체역학적 각도에 상응한다.
문헌[참고: Zimmerer & Korttke, Desalination, 104, 129-134, (1996)]에는 상이한 각도에서 2층의 그리드 로드(grid rod)를 적층시켜 형성된 2평면 스페이서를 통한 유동 시험이 기재되어 있다. 유동 가시화 기술을 사용하여, 유동 유형의 두 극단의 특징을 짓고 이를 두 파라미터, 횡방향 각 및 무치수 메쉬 크기에 관련시킨다. (무치수 메쉬 크기는 필라멘트 직경에 의해 나누어진 메쉬 크기로 정의되어 있다.) 채널 유동은 각도가 작고 메쉬 크기가 짧은 경우 우세하여 불량한 혼합을 초래하는 것으로 밝혀졌다. "코르크스크류(corkscrew) 유동"은 다른 극단에서 우세하여 인접 스트림 통로 사이의 불량한 물질 이동을 발생시켰다. 문헌에는 두 개의 도메인이 각도 및 무치수 파장에 대한 적합한 선택에 의해 중복되어 막 표면의 균질한 사용을 발생시키는 "완전한 혼합"을 가능하게 할 수 있다고 제안되어 있다. 이러한 혼합 기준을 기본으로 한 바람직한 스페이서는 유체역학적 각도가 120°이고 무치수 메쉬 크기가 5.5였다.
도레이 인더스트리즈(Toray Industries)의 JP 제99235520호에는 중복 필라멘트 2세트를 교차시켜 유체역학적 각도를 30 내지 80°로 하여 형성된 웹으로부터 제작된 부재가 기재되어 있다. 실시예에는 유체역학적 각도가 66°이고 네트 두께가 0.7㎜이고, 스트랜드 사이의 직각 간격이 2.7㎜인 네트형 스페이서를 기본으로 하였다. 25℃의 물을 네트를 통하여 15㎝/s로 통과시키는 경우, 46kPa/m의 압력 구배가 수득되었다. 관련된 도레이 출원인 일본 공개특허공보 제00042378호에는 동일한 실시예가 사용되었고 유량이 15㎝/s인 경우 압력 강하가 10 내지 20kPa이고 유량이 25㎝/s인 경우 30 내지 40kPa인 부재가 기재되어 있다.
도레이 인더스트리즈의 유럽 특허공보 제1029583호에는 유체역학적 각도가 더 큰 스페이서를 목적으로 한다. 부재는 유체역학적 각도가 58 내지 90°인 교차된 필라멘트 네트를 사용하여 형성되었다. 실시예에는 66°에서 일본 공개특허공보 제99235520호에 기재된 것과 동일하여 25℃ 및 15㎝/s에서 작동되는 경우 압력 구배가 46kPa/m인 것으로 나타나 있다. 당해 문헌에는 또한 57.4° 및 75.0°의 유체역학적 각도를 갖는 네트로 제조된 유사한 부재에 대한 작동 데이터가 제시되어 있다. 측정된 압력 강하에는 차이가 없지만, 유체역학적 각도가 57.4°인 이상적인 범위를 벗어난 부재는 낮은 염 거부율 및 낮은 플럭스를 나타내었다.
니토 덴코(Nitto Denko)의 JP 제05168869호에는 공급물 유동 방향과 평행한필라멘트 1세트와 80° 미만의 각도에서 유동 방향과 교차하는 필라멘트의 다른 세트를 갖는 네트를 사용하여 제작된 부재가 기재되어 있다. 보다 바람직하게는, 이러한 각도는 20 내지 50°이다. 제공된 실시예에서는 횡행 각도가 25° 및 40°인 0.35㎜ 두께의 네트가 사용된다. 두 스페이서 중의 더 나은 것은 공급물 유량 15㎝/sec에 대해 압력 손실이 76kPa/m인 것으로 나타났다. 기재된 스페이서는 비대칭이라는 특정 단점이 있어서, 2장의 둘러싼 막 시트 각각은 상이한 유체역학적 환경을 알 수 있도록 한다. 또한, 유럽 특허공보 제1029583호에서 지적한 바와 같이, 이러한 스페이서는 현 기술분야와 비교하는 경우, 진보된 네트 제조 기술을 요한다.
상업용 NF 및 RO 부재에 대한 공급 스페이서는 몇 가지의 소스를 특징으로 하여 왔다[예를 들면, 다음 참고: G. Schock, A. Miquel, "Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules, Desalination, 64, 339 (1987); S.V. Polyakov and F.N. Karelin, "Turbulence promoter geometry: its influence on salt rejection and pressure losses of a composite-membrane spiral wound module" J. Memb. Sci., 75, 205, (1992)]. 이들은 평균 두께가 0.5 내지 2㎜이고, 필라멘트 사이의 직각 간격이 1 내지 4㎜이고, 공극률이 약 0.9이고, 유체역학적 각도가 90°인 네트형 공급 스페이서로 제조된다. 네트는 유동 방향을 이 각도로 양분하여, 횡행 각도 45°를 발생시킨다. 짐머러(Zimmerer)의 논문에서는, 90° 이외의 몇 개의 유체역학적 각도를 사용한, 퇴적된 그리드 로드로부터의 스페이서 부문의 제작을 통하여 상이한 형태가 연구되었다. 다 코스타(Da Costa)의 논문에서는, 다양한 상이한 형태를 갖는 네트를 통과한 유동은 배출 네팅을 회전시키거나 개질시켜 시험되었다. 도레이의 특허원에서는 다양한 유체역학적 각도를 갖는 웹을 사용하였다. 몇 개의 특허(미국 특허 제4022692호, 미국 특허 제4861487호 및 미국 특허 제4902417호)에는 또한 유동 방향에 평행으로 배향된 필라멘트 1세트를 갖는, 압력 강하, 비대칭 네트가 기재되어 있다. 이러한 연구에도 불구하고, RO/NF 부재에 대한 네트의 상업적 제조는 관습적이고 합법적인 가공 문제에 의해 부여된 제한으로, 여전히 표준 90° 네팅 및 45°횡행 각도가 매우 우세하다.
RO 및 NF 부재에 대한 공급 스페이서는 미국 특허 제3067084호에 기재된 것과 유사한 공정에 의해 일반적으로 형성된다. 당해 공정은 필라멘트 2세트를 동시에 압출시켜 시작하여 관형 2평면상 네트를 형성한다. 당해 공정에서, 두 동심 다이가 사용되고, 이들은 원형 패턴으로 배열된 다수의 오리피스를 갖는다. 하나의 다이는 압출 동안 다른 다이에 대하여 회전하여 필라멘트 1세트를 다른 필라멘트에 교차하도록 한다. 가열된 중합체 필라멘트는 여전히 연질일 때 다이 면에서 또는 다이에서 배출된 직후에 서로 접촉하고 결합하도록 한다. 부분적으로 유착된 필라멘트 2세트를 포함한 수득한 관형 네트는 이어서 당겨져서 팽창 맨드럴 위로 스프레딩한다. 이는 필라멘트 2세트를 추가로 일체화시키고, 튜브의 직경을 증가시켜 최종 용도 요건을 만족시키고, 단위 면적을 기본으로 한 네트의 중량 및 비용을 감소시킨다.
또 다른 방법으로, 관형 네트가 미국 특허 제3700521호에 기재된 것과 유사한 공정에 의해 부재에 대해 제조되었다. 이 경우, 제1 다이는 다시 위와 같은 원형으로 배열된 다수의 개구를 통하여 중합체 필라멘트를 압출시킨다. 그러나, 이 방법에서는, 제2 다이가 주기적으로 한 번에 전체 필라멘트를 압출시키며, 필라멘트는 연속적인 원형이다. 압출 공정으로 원형 필라멘트가 다른 필라멘트와 접촉하게 되며, 여기서 함께 융합된다. 제1 다이의 개구가 원형 대신 직선으로 배열된, 이 공정의 변형 공정은 평평한 네트를 직접 압출시키도록 수정될 수 있다.
관형 네팅 구조는 어떠한 축을 따라서라도 슬릿팅(slitting)되어 평평한 네트를 형성할 수 있으며, 여기서 교차 필라멘트는 평행사변형의 2차원적 정렬을 이룬다. 슬릿팅이 필라멘트 1세트와 평행인 경우, 스페이서의 한 면 위에 교차 스트랜드를 갖는 비대칭 네트가 형성된다. 필라멘트 2세트에 대한 직경 및 메쉬 크기가 동일한 경우, 평행사변형은 사실상 다이아몬드이고, 대칭 네트는 라인에 평행한 관형 네트를 다이아몬드의 반대 코너의 교차점을 통하여 슬릿팅하여 달성될 수 있다. 중간 경우가 역시 존재하며, 슬릿팅 컷트는 수득한 평평한 네트에 대한 기계 방향을 결정한다. 이러한 네트가 권취되는 경우, "기계 방향"은 롤의 축 방향에 직각(직교)이다.
대칭 네트의 특징적인 각도는 기계 방향에 가장 개방된 각도로서 정의된다. 이러한 특징적인 각도는 위에 기재한 바와 같은 압출 공정으로 조절할 수 있지만, 실질적인 한계가 존재한다. 미국 특허 제3067084호에 기재된 것과 유사한 방법은 네트가 다이로부터 떨어지는 속도를 증가시키고/거나 두 다이 사이의 상대적 회전 속도를 감소시켜 합당한 범위에 걸친 특징적인 각도를 감소시키도록 한다. 그러나, 다른 극단에서, 불안정성이 교차점에서의 근사 필라멘트의 기하 및 맨드럴에근접하는 지지되지 않은 필라멘트의 더 긴 길이 때문에 큰 특징적 각도가 발생된다. 미국 특허 제3700521호를 기초로 한 콘웨드(Conwed) 방법에서는, 특징적인 각도는 원칙적으로 제1 다이를 제2 다이에 대하여 회전시켜 변화시킬 수 있다. 이는 큰 특징적 각도에서 유사하게 어려운 경향이 있다. 그러나, 콘웨드 방법은 압출 방향에 직각(90°)인 교차 스트랜드를 갖는 압출 네트에 대하여 일반적으로 사용된다.
스트랜드 세선화(thinning) 및 더 큰 특징적 각도의 조합은 수득하기에 보다더 어렵다. 가교점 사이의 필라멘트의 연신 또는 넥킹(necking)인, 스트랜드 세선화는 제조 동안 네트 위에 위치한 장력으로 인한 것일 수 있다. 일부 스트랜드 세선화는 RO/NF 공급 스페이서에 사용되는 상업용 네트에서 종종 볼 수 있다. 그러나, 위에서 기재한 공정에서는, 기계 장력은 통상적으로 특징적 각도를 감소시키는 경향이 있는 방향이다. 위의 공정에 의한 네트의 횡방향 배향을 유도하는 데 대한 고유의 곤란성은 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제4152479호에 기재되어 있다.
작은 분자가 낮은 부가압에서 공급액으로부터 제거되는 RO 및 NF 적용에 대해 특히, 압력 강하가 매우 낮은 공급 스페이서 시트를 갖는 것이 필요하다. 동시에, 이 공급 스페이서가 작은 스트랜드 간격을 지녀서 인접 층의 네스팅이 최소화되고 양극화가 허용되는 수준으로 잔존할 필요가 있다. 추가로, 이러한 공급 스페이서는 제조하고 사용하기에 경제적일 필요가 있을 것이다. 가장 효율적으로 사용하기 위해서는 공급 스페이서의 "기계 방향"이 투과액 수거용 튜브의 측에 대하여 직각이고, 이로부터 이의 제조 동안 네트의 바람직한 배향에 대해 구속력이 부여될필요가 있다. 본 발명의 한 가지 목적은 매우 낮은 압력 강하, 작은 스트랜드 간격 및 허용 가능한 양극화를 특징으로 하는 경제적인 공급 스페이서와 함께, 이를 포함하는 나선형 권취 부재를 제공하는 것이다.
본 발명은 개선된 공급 스페이서 시트를 포함한 나선형 권취 막 부재 및 이의 제조방법 및 사용방법에 관한 것이다. 본 발명의 부재의 공급 스페이서는 시판중인 디자인과 일치하게, 실질적으로 상호 평행한 필라멘트 제1 세트를 실질적으로 상호 평행한 필라멘트 제2 세트와 교차된 상태로 갖는 네트를 포함한다. 본 발명의 개선된 공급 스페이서는 교차점 사이의 영역에서 필라멘트를 협소화시킴을 특징으로 하는 고도의 스트랜드 세선화를 갖는다. 인접한 교차점 사이의 영역에 대한 스트랜드 세선화 측정치는 유효 필라멘트 두께를 상응하는 최소 필라멘트 폭(네트의 평면상)으로 나누어 계산한다.
하나의 양태에서, 본 발명의 나선형 권취 부재는 스트랜드 세선화 파라미터가 1.6 초과, 보다 바람직하게는 1.8 초과임을 특징으로 하는 공급 스페이서를 갖는다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 나선형 권취 부재의 공급 스페이서는 작은 유체역학적 각도(<70°)와 큰 스트랜드 세선화 파라미터(>1.3)를 모두 특징으로 한다. 보다 바람직하게는, 유체역학적 각도는 60° 미만이고, 스트랜드 세선화 파라미터는 1.35를 초과한다. 유체역학적 각도가 55° 미만이고 스트랜드 세선화 파라미터가 1.4를 초과하는 것이 보다더 바람직하다. 신규한 공급 스페이서의 기계 방향이 유동 방향에 거의 직교하는 것이 또한 바람직하다. 신규한 공급 스페이서가제작된 부재로 포함되어 저압에서 높은 플럭스를 수득함으로써 낮은 압력 강하 이점이 최상으로 실현되는 것이 추가로 바람직하다.
또 다른 양태에서는 예를 들면, 보조 펌프에 의해 가해진 압력에 첨가 없이 2.5m 초과, 심지어 9m 초과의 축방향(즉, 투과액 튜브와 평행)의 길이를 갖는 유효 연속 공급 통로(즉, 일련의 한 부재에서 다음 부재로의 축 방향의 유효 연속 공급 스페이서 시트)를 갖고 일렬로 위치한 다수의 나선형 권취 부재를 포함하는 여과 시스템이 제공된다. 여과 시스템이 감쇠 디자인을 갖는 경우, 이러한 공급 스페이서 시트의 연속 길이는 몇 개의 부재, 관 및 단계에 걸쳐 연장할 수 있다.
본 발명은 특정한 양태, 도면 및 본 명세서에 제공된 설명에 한정되지 않는다. 당해 기술분야의 숙련가는 본 발명이 광범위하게 적용될 수 있으며, 구체적으로 기재된 이외의 양태에서 사용될 수 있음을 인지할 것이다.
본 발명의 이점 및 이의 바람직한 양태는 본 발명의 상세한 설명 및 아래에 설명하는 함께 첨부한 도면을 참고로 하여 보다 잘 이해할 수 있을 것이다. 이 부분 내에서, 유사 참조 번호는 유사 부재를 말한다.
도 1은 나선형 권취 부재의 부분적으로 절단한 투시도이다. 당해 부재는 중심 투과액 수거용 튜브 둘레로 여과용 엔벨롭 및 공급 스페이서 시트를 교대로 랩핑(wrapping)시켜 형성된다. 여과용 엔벨롭은 2장의 막 시트 사이에 샌드위치된 투과액 캐리어 시트를 포함한다.
도 2는 실질적으로 상호 평행한 필라멘트의 두 교차 세트를 갖는 "네트형" 공급 스페이서 시트 일부의 투시도이다. 필라멘트는 스페이서 시트 두께가 필라멘트의 통상적인 직경의 2배 이하가 되도록 교차점에서 상당히 중복되게 나타나 있다.
도 3은 스트랜드 세선화 및 몇 개의 기하 관계를 나타내는 본 발명의 공급 스페이서 시트 일부의 투시도이다.
나선형 권취 부재는 다수의 RO 또는 NF 막을 작은 용적으로 포함시킨 우세한 디자인이다. 나선형 권취 부재의 제작은 다른 문헌[참고: 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제5,538,642호 및 제5,681,467호]에 보다 상세히 기재되어 있다. 고전적인 나선형 권취 부재 디자인을 표 1에 나타낸다. 이러한 부재는 하나 이상의 막 엔벨롭(2)과 공급 스페이서 시트(4)를 중심 투과액 수거용 튜브(6) 둘레로 랩핑시켜 형성한다. 엔벨롭(2)은 투과액 캐리어 시트(10)를 둘러싼 2장의 일반적 직사각형 막 시트(8)를 포함한다. 이러한 "샌드위치" 구조는 일반적으로 세 개의 가장자리(14), (16) 및 (18)를 따라 접착제(12)로 함께 고정시키지만, 세 개의 엔벨롭 가장자리를 밀봉하기 위하여 몇 개의 다른 수단이 존재한다. 엔벨롭(2)의 네 번째 가장자리(20)는 투과액 수거용 튜브(6)와 인접하여 투과액 캐리어 시트(10)가 투과액 수거용 튜브(6)의 개구(22)와 유체 접촉하도록 한다. 각각의 엔벨롭(2)은 역시 수거용 튜브(6) 둘레로 권취된 공급 스페이서 시트(4)에 의해 분리된다. 공급 스페이서(4)는 부재의 양 말단부(24) 및 (26)과 유체 접촉되고, 막(8)의 전방 표면(28)을 가로질러 공급액에 대한 도관으로서 작용한다. 공급류(30)의 방향은 입구 말단부(24)로부터 농축물 말단부(26) 방향이고, 이러한 방향은 중심 투과액 수거용 튜브(6)의 축(32)과 평행하다.
본 발명의 공급 스페이서 시트(4)는 부직 중합체 네트이다. 도 3(및 2)에 나타낸 바와 같이, 이는 실질적으로 평행한 필라멘트 제1 세트(34)를 한 각도(38) 및 (40)로 실질적으로 평행한 필라멘트 제2 세트(36)과 교차시켜 형성된다. 필라멘트 2세트는 교차점(42)에서 서로 부착된다. 실질적으로 상호 평행한 필라멘트 두 교차 세트는 메쉬 크기(46) 및 (48)를 이들의 면 길이가 한정하는, 유사한 평행사변형(44)(도 3에 점선으로 나타냄)의 2차원 정렬을 이룬다. 필라멘트 2세트가 서로 직각인 경우를 제외하고는, 평행사변형은 예각(38) 및 둔각(40)을 모두 갖는다. 본 발명에서, 예각(38)은 유동 방향(30)에 평행으로 늘려진 선(50)에 의해 대략적으로 양분된다. 이어서, 필라멘트가 유동 방향(30)을 교차하는 각도는 이의 횡행 각도(52) 및 (54)라고 한다.
본 발명의 네트는 바람직하게는 연속적 공정으로 제조하고 공급 스페이서 시트의 일반적으로 직사각형인 시트로 절단한다. 교차 필라멘트의 연속 네트를 제조하는 데 사용되는 통상적인 방법은 미국 특허 제3700521호, 미국 특허 제3957565호 및 미국 특허 제3067084호에 기재되어 있다. 필라멘트의 교차 및 접합은 각각의 중합체 필라멘트를 압출시킨 후 또는 필라멘트 형성 공정과 동시에 수행할 수 있다. 제조시 자연적 변동으로 인하여, 네트의 각각의 평행사변형(44)은 동일할 것으로 예상되지 않으나, 통상적인 평행사변형에 대한 각도(38) 및 (40) 및 메쉬 크기(46) 및 (48)는 측정 각도, 거리 및 네트의 넓은 영역에 걸친 스트랜드 계수에 의해 측정될 수 있다.
본 발명의 네트에 대하여 통상적인 평행사변형(44)은 70° 미만의 예각(38)및 110°이상의 상응하는 둔각(40)을 갖는다. 네트에 대한 유체역학적 각도(56)는 유동 방향(30)에 대하여 개방된 두 필라멘트(34) 및 (36) 사이의 각도로서 정의된다. 본 발명에서, 유체역학적 각도(56)는 통상적인 평행사변형(44)에 대한 예각(38)과 동일해야 한다. 이러한 연신된 평행사변형(44)은 네트를 유체역학적 각도(56) 및 횡행 각도(52) 및 (54)가 낮아서 최소 내유동성을 일으키도록 배향한다.
필라멘트의 직경은 네트의 또 다른 특징이다. 직경은 실질적으로 상호 평행한 필라멘트(34) 및 (36) 2세트에 대해 상이할 수 있고, 각각의 필라멘트 세트에 대한 통상적인 직경은 중합체 밀도 및 각각의 필라멘트 세트로 압출된 중합체 질량으로부터 가장 정확하게 수득할 수 있다. 다음, 1세트에 대한 통상적인 직경 Di를 아래의 수학식을 사용하여 계산한다.
πLiDi 2/4 = Mi/ρ
[여기서, Li는 이러한 유형의 필라멘트의 총 길이이고, Mi는 필라멘트로 압출되는 중합체의 질량이며, ρ는 중합체 밀도이다]
압출 파라미터를 모르는 경우, 각각의 스트랜드를 분리하고 두 가지 유형을 포함하는 중합체 질량을 측정한 후 동일한 수학식을 사용할 수 있다. 통상적인 직경은 또한 웹의 가시적 검사로부터 계산할 수도 있다. 본 발명에서, 통상적인 필라멘트 직경은 바람직하게는 0.15 내지 0.6㎜이다. 또한 바람직하게는, 직경은 실질적으로 상호 평행한 필라멘트(34) 및 (36) 2세트에 대해 동일하여 직면한 막 시트(8)의 표면(28)에서 유사하게 혼합할 수 있도록 한다.
네트에 대한 또 다른 특징적 파라미터는 이의 두께이다. 네트의 두께는 두 평평한 표면 사이의 네트의 작은 부분을 가압하고 평평한 표면 사이의 거리를 측정하여 측정할 수 있다. 다음, 네트 두께는 20개 이상의 개별적 영역의 측정에 의해 결정된, 평균(등차중항) 두께로서 정의된다. 네트의 두께는 통상적인 필라멘트 두께의 2배 미만일 수 있는데, 이는 스트랜드가 교차점(42)에서 변형될 수 있기 때문에, 이러한 변형은 통상적인 압출 공정(도 2에 가장 잘 나타냄)에 대해 통상적이다. 실질적으로 상호 평행한 필라멘트 2세트가 통상적인 동일한 직경을 갖는 경우, 각각의 세트의 유효 두께는 총 두께의 반이다. 필라멘트 2세트가 통상적인 상이한 직경을 갖는 경우, 각각의 세트에 대한 유효 두께는 두 상이한 유효 필라멘트 두께의 합이 총 네트 두께 이하로 추가되도록 이의 통상적인 직경에 비례하는 것으로 정의된다.
본 발명에서 사용되는 네트의 두께는 바람직하게는 0.25 내지 1㎜이다. 두께가 감소하면 압력 강하가 더 커지고, 보다 오염되는 경향이 있으며, 부재 내의 불균일한 유동 경향성이 커진다. 네트의 두께가 증가하면 부재로 팩킹될 수 있는 막의 활성 면적이 감소한다. 네트 두께가 증가하면 또한 주어진 용량 유량에 대하여 채널을 통하여 이동하는 유체의 표면 속도가 감소하며, 이는 양극화를 불량하게 한다.
메쉬 크기(46) 및 (48)는 필라멘트 교차점 사이의 거리로서, 통상적인 평행사변형(44)에 대한 면 길이에 상응한다. 매우 연관된 측정법은 필라멘트 1세트 사이의 직각 거리로 정의되는, 스트랜드 간격(58) 및 (60)이다. 바람직한 네트는 필라멘트 양 세트에 대한 스트랜드 간격 값이 1 내지 5㎜이다. 공급 스페이서(4)의 스트랜드 간격(58) 및 (60)이 증가하는 경우, 부재 롤링 동안의 인접한 엔벨롭(2)의 네스팅은 문제가 되며, 이는 압력 강하를 증가시킨다. 추가로, 낮은 스트랜드 간격 및 낮은 메쉬 크기는 보다 빈번한 난류 영역을 발생시키는 양극화를 개선시킨다고 생각된다. 다른 극단에서, 스트랜드 간격 및 메쉬 크기가 지나치게 작은 경우, 압력 강하가 증가하고, 네트는 제조하기 보다 어렵다. 스트랜드 간격이 필라멘트 양 세트에 대해 반드시 동일할 필요는 없지만, 동일한 것이 바람직한데, 이는 직면한 막 시트(8)의 전방 표면(28)에서의 혼합이 유사한 것이 바람직하기 때문이다.
공극률로 유체 흐름에 대해 유효한 빈 공간의 용적을 네트에 의해 분리된 두 표면(28) 사이의 총 용적과 비교한다. 교차 로드로 형성된 네트에 대하여, 통상적인 평행사변형(44) 등의 단위 셀과 관련된 중합체 용적은 위에서 기재된 파라미터로부터 수학적으로 계산될 수 있다. 이 용적을 단위 셀과 관련된 총 용적으로 나누면 네트에 대한 계산된 중합체 비율이 수득된다. 필라멘트가 교차점(42)에서 동일한 일부 용적을 공유하는 네트에 대하여, 중합체 비율은 용적 치환법을 사용하여 직접 계산하여 보다 정확하게 측정할 수 있다. 어느 쪽 경우에서도, 공극률은 간단하게 [1 - 중합체 비율]이다. 본 발명의 네트는 바람직하게는 공극률이 0.8 초과, 보다 바람직하게는 0.9 초과여서 낮은 압력 강하를 유지하도록 한다.
본 발명의 주요 측면은 네트가 스트랜드 세선화의 평가 가능한 양을 갖는다는 것이다. 스트랜드 세선화는 교차점(42) 사이의 영역에서의 필라멘트의 협소화이다. 인접한 교차점 사이의 영역에 대한 스트랜드 세선화의 측정은 이전에 정의한 바와 같은 유효한 필라멘트 두께를 상기 영역에 대한 네트의 평면상의 상응하는 최소 필라멘트 폭(62) 및 (64)으로 나누어 획득한다. 다음, 각각의 필라멘트 세트에 대한 스트랜드 세선화 파라미터는 세트로부터의 20개 이상의 필라멘트 부문에 대한 측정된 최소 폭(62) 및 (64)을 제1 평균화(등차중항)시킨 후에 수득된 상응하는 지수로서 유사하게 정의된다. 네트에 대한 스트랜드 세선화 파라미터는 실질적으로 상호 평행한 필라멘트(34) 및 (36) 각각의 세트에 대한 스트랜드 세선화 파라미터의 평균이다. 본 발명의 네트는 바람직하게는 평균 스트랜드 세선화 파라미터가 1.3을 초과한다(1.35, 1.4, 1.6 및 심지어 1.8).
앞서 주목한 바와 같이, 부재는 어느 정도의 스트랜드 세선화를 갖는 네트를 사용하여 미리 제작되었다. 바람직한 네트가 본 명세서에서 나타낸 매우 높은 스트랜드 세선화 파라미터(>1/8)를 갖고, 나선형 권취 부재에 매우 연신된 네트를 사용하는 것은 이전에 예상하지 못했던 것이라고 드러난다는 사실이 실시예로부터 명백할 것이다. 그러나, 이는 특히 중요한 것으로 고려되는 작은 유체역학적 각도(56) 및 스트랜드 세선화의 조합이다. 스트랜드 세선화는 높은 공극률을 작은 각도 및 작은 스트랜드 간격을 모두 갖는 네트에 대해 유지하도록 한다. 그 결과는 네스팅 및 높은 양극화를 모두 피하는 낮은 압력 강하를 갖는 부재이다.
정의된 스트랜드 세선화 파라미터가 필라멘트(34) 및 (36) 사이의 교차점(42)에서의 변형도를 또한 포함시킨다는 것 또한 지적되어야 한다. 비중복 접선 실린더의 네트는 단일화의 스트랜드 세선화 파라미터를 갖는다. 교차점(42)의 변형은 공극률을 감소시키고 압력 강하를 증가시키는 작용을 하므로, 감소된 스트랜드 세선화 파라미터로서 반영된다. 1 미만의 스트랜드 세선화 파라미터가 가능하다. 교차점(42)에서의 변형은 몇 개의 수단에 의해 발생할 수 있지만, 연신되어 높은 스트랜드 세선화 파라미터를 달성하는 네트는 일반적으로 또한 변형을 증가시켜 더 가느다란 네트를 발생시킬 것이다. 결과적으로, 높은 스트랜드 세선화 파라미터는 이의 중심에서 필라멘트를 연신시키도록 최적화된 공정을 제한하고, 교차점(42)에서의 변형을 피한다.
본 발명의 또 다른 주요 측면은 부재에 사용되는 경우의 네트의 기계 방향의 배향에 관한 것이다. 본 발명의 네트는 시트가 절단되는 평평하고, 연속적인 네트의 긴 치수에 상응하는 기계 방향을 갖는다. 네트가 관형 압출물을 스플릿팅하여 형성되는 경우, 기계 방향은 스플릿팅 절단면에 평행하다. 기계 방향은 이의 제조 동안 연속적으로 권취될 수 있는 평평한 네트의 배향을 정의한다. 이러한 롤의 축 치수는 기계 방향에 직각이다. 표준 부재 길이 중의 하나에 상응하는 축 치수를 갖는 네트는 부재가 최소 스크랩으로 제작되도록 한다. 이의 기계 방향이 투과액 수거용 튜브(6)에 직각이 되도록 네트를 배향시키면 필요한 엔벨롭 길이를 변화시키는 가요성이 발생한다. 본 발명의 부재는 바람직하게는 이러한 배향의 네트로 제작된다.
본 발명의 나선형 권취 부재에서, 유체역학적 각도(56)는 70° 미만, 보다 바람직하게는 60° 미만, 가장 바람직하게는 55° 미만이다. 네트는 유체역학적 각도(56)가 유동 방향에 의해 대략적으로 양분되도록 배향된다. "대략적으로 양분됨"이란, 유체역학적 각도(56)의 양분선이 투과액 수거용 튜브(6)에 10°이내로 평행함을 의미한다. 이러한 방법으로, 필라멘트 양 세트(34) 및 (36)는 부재를 통한 공급류(30)의 방향과 거의 동일한 횡행 각도(52) 및 (54)를 형성한다. 필라멘트 직경 및 스트랜드 간격에 대하여 또한 주목되는 바와 같이, 수득한 대칭은 막(8)의 두 직면한 시트가 유사한 양극화를 갖고 막 영역의 균일한 이용을 가능하게 한다. 이러한 기재내용에 대하여, 대칭 공급 스페이서는 필라멘트 양 세트가 거의 동일한 스트랜드 간격(58) 및 (60), 통상적인 직경 및 횡행 각도(52) 및 (54)를 갖는 것이다.
본 발명의 부재를 제작하는 데 사용되는 공급 스페이서(4)는 매우 낮은 압력 구배를 갖는 것으로 나타났다. 다 코스타의 문헌(1991)에 기재된 것과 유사한 유동 셀을 사용하여, 낮은 유체역학적 각도(56) 및 높은 스트랜드 세선화를 갖는 네트는 15㎝/sec에서 7.1kPa/m를 나타내었다. 0.05 및 0.25㎝/sec에서는 각각 2.1 및 12.5kPa/m였다. 동일한 물질로부터 제작된 필름텍4040 부재(직경 100㎜ 및 길이 1m)는 15㎝/sec에서 약 6.1kPa/m를 나타내었다. 이러한 값은 JP 제99235520호 및 JP 제05168869호에서 낮은 압력 강하 스페이서를 갖도록 제조된 부재에 대한 값 및 통상적인 상업용 스페이서 물질로 제조된 부재에 대한 값과 유리하게 비교된다. 이러한 실질적으로 개선된 압력 강하는 높은 공극 용적과 낮은 유체역학적 각도(56)의 결과로, 후자는 형성 및 점성 드래그로부터 덜 내성임이 설명 가능하다.
본 발명의 부재를 사용하는 여과 시스템에 대한 낮은 제작 및 작동 비용 외에도, 청구된 부재에 대한 양극화는 매우 허용 가능한 것으로 나타난다. 실시예는신규한 공급 스페이서 시트를 갖는 부재를 함유하는 시스템이 표준 공급 물질로 제작된 부재와 비교하여 개선된 유동 및 염 통과율을 가질 수 있음을 나타낼 것이다. 본 발명의 공급 스페이서는 가해진 압력이 낮고 몇 개의 부재가 일렬로 존재하는 경우 특히 유리하다. 예를 들면, 부재가 일렬로 위치하여 축방향(즉, 투과액 튜브에 평행)의 길이를 갖는 유효 연속 공급 통로(즉, 일련의 한 부재에서 다음 부재로의 축 방향의 유효 연속 공급 스페이서 시트)를 생성하는 여과 시스템에서, 본 공급 스페이서는 유효 길이 2.5m 초과, 심지어는 9m 초과를 허용하여 예를 들면, 보조 펌프에 의해 가해진 압력에 증가 없이 사용되도록 한다. 여과 시스템이 감쇠 디자인을 갖는 경우, 공급 스페이서 시트의 이러한 연속 길이는 몇 개의 부재, 관 및 단계를 통하여 연장할 수 있다.
스페이서 디자인을 목적으로 하는 물질 이동의 예측은 복잡하고 현재의 컴퓨터 능력의 한계에 이른다. 크게는, 통과율의 개선은 낮은 압력 강하로 수득되는 높은 플럭스와 관련하여 이해될 수 있다. 그러나, 문헌에는 더 낮은 유체역학적 각도(56)가 실질적으로 양극화를 불량하게 하는 것으로 예상된다고 제안되어 있다. 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 낮은 유체역학적 각도(56)에도 불구하고 이러한 스페이서로 관찰되는 유리한 혼합에 대한 설명이 제안될 수 있다. 한 가지 설명은 막 전방 표면(28)과 직접 접촉함으로 인한 고여 있는 영역을 부유된 연신 필라멘트로 피한다는 것이다. 이는 혼합이 막의 표면에 부착된 로드에 대해서보다 부유된 로드에 대해 덜 유효하다고 제안하는 이전의 실험 결과와 대조적이지만[참고: Feron, Desalination, 84, 1991, 137-152], 당해 연구는 역학적으로 상이할 수있는 훨씬 큰 구조로 수행되었다(필라멘트와 채널 둘 다). 대체적 설명은 스트랜드 세선화가 높은 공극 용적을 유지하는 한편, 근접한 스트랜드 간격(58) 및 (60)으로 인하여 양극화를 발달시키는 데 있어서 보다 빈번한 방해를 허용한다는 것이다.
바람직한 네트 배향을 사용한 낮은 유체역학적 각도(56)를 달성하기 위하여, 네트의 기계 방향이 평행사변형(44)의 큰 각도(둔각)(40)를 분할할 것이 요구된다. 작은 유체역학적 각도(56)는 네트의 큰 특징적 각도에 상응한다. RO 부재에 대한 연속 네트를 제조하는 데 일반적으로 사용된 이전의 방법은 기계 방향에 대한 큰 특징적 각도 및 작은 메쉬 크기(46) 및 (48)의 목적하는 조합을 달성하는 이의 능력으로 제한된다. 짐머러의 논문에서, 넓은 각도 범위는 적층 로드를 사용한 실제 스페이서를 모의하여 수득되었다. 작은 유체역학적 각도(56)는 보다 통상적인 방법에 의해 형성된 네트의 회전에 의해 다 코스타의 논문에서 시험하였다. 큰 특징적 각도(110° 초과, 70° 미만의 유체역학적 각도에 상응)는 2평면 공급 스페이서를 제조하는 데 현재 사용되는 방법에 의하여 문제시된다.
바람직한 배향으로 제조된 네트에 대한 추가의 문제는 높은 공극 용적, 낮은 유체역학적 각도(56) 및 기밀한 스트랜드 간격(58) 및 (60)을 동시에 유지하는 것이다. 해결책은 스트랜드 세선화이지만, 기계 방향으로 연장시켜 형성될 수 있는 세선화는 일반적으로 작은 유체역학적 각도(56) 및 기계 방향의 바람직한 배향의 조합과 양립될 수 없다. 네트를 연신시키는 힘은 또한 이러한 각도를 증가시키는 경향이 있다. 이러한 작업의 예는 네트를 형성 후, 기계 방향에 직각으로 연신시켜 스트랜드 세선화를 유도하는 네트 제조방법을 사용하여 형성되었다. 당해 공정은 추가의 단계를 요하지만, 부재가 각도, 스트랜드 간격, 네트 배향 및 공극 용적의 목적하는 조합으로 형성되도록 하는 네트를 경제적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 영역을 제한하려는 것은 아니지만, 본 발명을 다음 비제한적 실시예로 추가로 설명한다.
실시예 I
공급 스페이서를 아래에 기재된 공정에 따라 제조하였다: 당해 기술분야에 통상적인 바와 같이, 필라멘트 2세트를 교차시키는 동시에 두 개의 동심 역회전 다이로부터 압출시켜 관형 네트를 형성하였다. 관형 구조를 맨드럴 위로 끌어당기고 수욕에서 급냉시켰다. 슬릿팅 후, 수득한 평평한 네트는 폭이 48.3㎝, 스트랜드 간격이 2.12㎜, 평균 네트 두께가 0.94㎜, 특징적 각도가 85°였다. 슬릿팅은 특징적 각도를 양분하는 선에 거의 평행한 네트에 대한 기계 방향을 한정하였다.
나선형 권취 부재에 대한 공급 스페이서를 형성하는 통상적인 방법과 달리, 텐터링(tentering) 단계를 공정에 추가하였다. 평평한 네트를 가열하고, 기계 방향과 직각으로 연신하였다. 이러한 텐터링은 100℉에서 수행되었다. (텐터링은 미국 특허 제4152479호에 기재된 바와 같이 넓은 온도 범위에 걸쳐 수행될 수 있다. 낮은 온도는 높은 스트랜드 세선화를 가능하게 하는 한편, 네트는 균질하게 연신됨이 밝혀졌다.) 수득한 평평한 네트는 폭이 125.7㎝이고, 스트랜드 간격이3.28㎝이고, 특징적 각도가 129.3°이며, 스트랜드 세선화 파라미터가 2.38이었다. 표 I에 텐터링 후에 측정한 이들 및 다른 기하학적 특성을 기재하였다.
길이가 914㎜이고 폭이 127㎜이며 채널 깊이가 1.27㎜인 평평한 셀에 막, 공급 스페이서 시트 및 적합한 심(shim)을 가중시켜 채널의 빈 공간을 충전시켰다. 위에 기재한 공급 스페이서를 유동 방향이 기계 방향과 직각이 되도록 배향시켜, 유체역학적 각도 50.7°를 수득하였다. 25°의 물을 셀을 통하여 유동시키는 한편, 5% 미만의 회수율을 유지하였다. 공급 스페이서 시트에 걸친 압력 강하를 표면 공급 속도의 함수로서 측정하였다. 결과를 비교 실시예 I의 결과와 함께 그래프 1에 나타낸다.
비교 실시예 I
통상적인 방법에 따라 2평면 공급 스페이서를 형성하였다. 이러한 방법은 동심 다이를 통한 필라멘트 2세트를 압출시키고, 필라멘트 2세트를 교차시켜 관형 네트를 형성하고, 네트를 확장 맨드럴 위로 당기고, 관형 네트를 스플릿팅하여 평평한 네트를 형성하는 공정을 포함하였다. 당해 방법은 실시예 I에서와 같은 직각 텐터링 단계를 포함하지 않았다. 이렇게 수득한 네트는 스트랜드 간격이 2.95㎜이고, 네트 두께가 0.71㎜이고, 특징적 각도가 90°이며, 스트랜드 세선화 파라미터가 1.38이었다. 네트 물질의 다른 기하학적 특성을 표 II에 나타낸다. 네트를 평평한 셀 위에서 배향시켜 횡행 각도가 45°가 되도록 하였다. 압력 강하를 표면 속도의 함수로서 측정하였고, 결과를 역시 그래프 1에 나타낸다.
그래프 1
실시예 II 및 III
실시예 I에 기재된 바와 유사한 공정을 사용하여 두 개의 다른 거의 대칭인 공급 스페이서를 제작하였다. 텐터링 전후에 두 네트에 대하여 측정된 기하학적 특성을 표 I에 나타낸다. 텐터링 공정에서는 폭 비를 기본으로 하여, 각각 2배 이상으로 연신하였다. 표 I에는 또한 25℃의 물을 15㎝/sec에서 평평한 셀 단위를 통하여 유동시키는 경우 측정된 압력 구배가 기재되어 있다. 이들 측정치에서, 공급 스페이서 시트의 기계 방향은 유동 방향에 직각으로 배향되어 47.5° 및 60°의 유체역학적 각도를 발생시킨다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3
텐터링 전의 스페이서 시트 폭(㎝) 48.3 48.3 53.3
텐터링 전의 스트랜드 간격(㎜) 2.12 2.12 2.07
텐터링 전의 평균 네트 두께(㎜) 0.94 0.84 0.81
텐터링 전의 특징적 각도(°) 85.0 82.0 80.0
텐터링 후의 스페이서 시트 폭(㎝) 110.5 125.7 114.3
텐터링 후의 스트랜드 간격(㎜) 3.28 3.28 2.82
텐터링 후의 평균 네트 두께(㎜) 0.87 0.80 0.72
텐터링 후의 특징적 각도(°) 129.3 132.5 120.0
텐터링 후의 공극률(무치수) 0.939 0.926 0.908
텐터링 후의 통상적인 필라멘트 직경(㎜) 0.33 0.35 0.35
텐터링 후의 평균 최소 필라멘트 직경(㎜) 0.18 0.20 0.19
텐터링 후의 스트랜드 세선화 파라미터(무치수) 2.38 1.99 1.85
평평한 셀 속의 네트의 유체역학적 각도(°) 50.7 47.5 60.0
15㎝/sec(kPa/m)에서 측정된 네트에 대한 압력 구배 7.11 8.37 10.53
비교 실시예 II 내지 IV
비교 실시예 II 및 III은 필름텍NF270-400 부재의 가공에 사용되는 공급 스페이서를 기본으로 하였다. 비교 실시예 IV는 델스타 테크놀로지스, 인코포레이티드(Delstar Technologies, Inc.)에서 제조한 상업용 2평면 네트(P2809 Halar Plastinet)를 기본으로 하였다. 세 개의 거의 대칭인 네트의 기하학적 특성을 측정하였고, 그 값을 표 II에 기재한다. 실시예 IV의 네트와 실시예 I 내지 III의 네트 사이의 원칙적 차이는 스트랜드 세선화임이 주목될 수 있다. 세 개의 네트를 실시예 I에 기재된 바와 같이 15㎝/sec의 물 유량으로 시험하고, 표 II의 측정된 압력 구배가 표 I의 값과 비교하여 큰 것으로 나타난다.
비교 실시예 V
필라멘트 2세트를 교차시키는 동시에 두 동심 다이로부터 압출시켜 2평면 네트를 제조하였다. 비교 실시예 I과는 대조적으로, 두 압출 다이 사이의 상대적 회전 속도를 감소시켜 더 작은 특징적 각도를 수득하였다. 이러한 변화를 제외하고는, 네트 성형방법은 동일하였다. 이러한 차이로부터 더 작은 특징적 각도 및 감소된 스트랜드 세선화 파라미터가 수득되었다. 압력 강하는 이 물질을 유동 방향에 평행한 기계 방향으로 평평한 셀 위에서 배향시킨 후에 이에 대하여 측정하였다. 이러한 방법으로, 작은 특징적 각도가 작은 유체역학적 각도에 상응하였다. 25℃에서 측정된 기하학적 측정치 및 압력 구배의 결과를 표 II에 기록하였다. 압력 구배는 표 I의 값과 비교하여 컸다.
비교실시예 1 비교실시예 2 비교실시예 3 비교실시예 4 비교실시예 5
스트랜드 간격(㎜) 2.95 2.94 2.91 2.62 2.77
평균 네트 두께(㎜) 0.71 0.70 0.74 0.78 0.79
특징적 각도(°) 90.0 90.0 90.0 90.0 46.0
공극률(무치수) 0.903 0.907 0.907 0.851 0.840
통상적인 필라멘트 직경(㎜) 0.36 0.35 0.36 0.44 0.47
평균 최소 필라멘트 직경(㎜) 0.26 0.28 0.27 0.41 0.42
스트랜드 세선화 파라미터(무치수) 1.38 1.26 1.36 0.95 0.94
평평한 셀의 유체역학적 각도 (°) 90.0 90.0 90.0 90.0 46.0
네트에 대한 압력 구배(kPa/m) 22.3 19.0 17.0 27.1 18.0
실시예 IV, 실시예 V 및 비교 실시예 VI
4개의 필름텍NF270-4040 나선형 권취 부재를 비교 실시예 II 및 III에서와 유사하게 표준 공급 스페이서 시트를 사용하여 가공하였다. 상업용 NF270-4040 부재는 대략적으로 길이가 1m이고 직경이 100㎜이며, 활성 막 면적 7.0㎡을 함유한다. 동일한 디자인의 8개의 추가 부재를 상이한 공급 스페이서 시트를 사용하여 제작하였다. 4개는 실시예 I의 공급 스페이서를 함유하고, 4개는 실시예 II의 공급 스페이서를 함유하였다. 각각의 경우, 네트의 기계 방향은 중심 수거용 튜브에 직각이었다.
부재를 단일 부재 관으로 가중시키고, 압력 강하를 표면 공급 속도의 함수로서 측정하였다. 공급액은 물만을 함유하고, 25℃에서의 부재의 플럭스를 350kPa 부가압으로 68ℓ/㎡/hr을 평균내었다. 투과액 흐름을 압력 강하 측정 동안 차단하여 부재에 걸친 일정한 공급 속도를 유지하였다. 그래프 2는 25℃에서의 세 가지 부재 유형 각각에 대해 측정된 평균 압력 구배를 나타낸다. 실시예 IV 및 V는 실시예 I 및 II의 공급 스페이서로 각각 제작된 부재에 상응한다.
그래프 2
실시예 VI 및 비교 실시예 VII
실시예 II 및 비교 실시예 I의 공급 스페이서를 길이 914㎜의 평평한 셀 위의 NaCl 100ppm의 존재하에 수행하였다. 평평한 셀의 공급 스페이서의 배향은 위에서 기재한 바와 동일하였다. 필름텍NF90 막을 사용하여, 시스템을 140kPa 및표면 공급 속도 32㎝/sec에서 작동시키는 경우의 수행 성능(플럭스, 염 통과율 및 압력 강하)을 기록하였다. 이 데이터를 표 III에 제공하며, 이는 신규한 네트가 통상적인 물질과 바람직하게 비교됨을 나타낸다.
네트 형태 압력 구배(kPa/m) 투과액 흐름(ℓ/min) 투과액 농도(ppm)
실시예 I 18.1 0.0292 6.26
비교 실시예 I 79.9 0.0221 6.81
실시예 VII 및 비교 실시예 VIII
실시예 I의 공급 스페이서를 사용한, 실시예 IV로부터의 4개의 나선형 권취 부재를 가중시키고, NaCl 100ppm으로 연속적으로 수행하였다. 제1 부재에 대한 유입구에서의 부가압은 344kPa이고, 농축물 유량은 39ℓ/min로 설정하였다. 이어서, 비교 실시예 VI의 4개의 NF270-4040 부재를 동일한 부가압 및 농축물 유량으로 시험하였다. 신규한 공급 스페이서로 가공된 부재에 대한 표 IV의 결과는 압력 강하, 유동 및 염 통과율에 대한 바람직한 값을 나타낸다. 기록된 압력 강하는 모든 4개의 일련의 부재로 인한 합산한 값이었다.
부재 유형 압력 강하(kPa) 투과액 흐름(ℓ/min) 염 통과율(%)
표준 NF270-4040 106.8 13 14
실시예 I의 공급 스페이서로 제조된 부재 33.6 15 11

Claims (10)

  1. 축의 경계를 결정하고 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 다수의 개구를 갖는 중심 수거용 튜브,
    2장의 막 시트 및 당해 막 시트 사이에 샌드위치된 투과액 캐리어 시트(수거용 튜브의 개구와 직접 유체 교환)를 포함하는, 내부에서 외부 방향으로 연장되고 튜브 둘레로 권취된 하나 이상의 여과용 엔벨롭(envelop) 및
    하나 이상의 여과용 엔벨롭의 외부 표면과 평면상 접촉되어 있는, 수거용 튜브 둘레로 권취된 하나 이상의 공급 스페이서 시트를 포함하는 나선형 권취 부재로서,
    공급 스페이서 시트가, 실질적으로 평행한 필라멘트 제1 세트를 실질적으로 평행한 필라멘트 제2 세트와 교차된 상태로 포함하여 예각이 70° 미만인 다수의 평행사변형을 형성하고, 네트가, 예각을 양분하는 선이 중심 수거용 튜브의 축과 거의 평행하도록 배향되며, 네트의 스트랜드 세선화(thinning) 파라미터가 1.3을 초과함을 특징으로 하는, 개선된 나선형 권취 부재.
  2. 제1항에 있어서, 공급 스페이서 시트의 평균 두께가 1㎜ 미만이고, 필라멘트 제1 세트와 필라멘트 제2 세트의 스트랜드 간격이 1 내지 5㎜인 나선형 권취 부재.
  3. 제2항에 있어서, 평행사변형의 예각이 60° 미만이고, 네트의 스트랜드 세선화 파라미터가 1.35를 초과하는 나선형 권취 부재.
  4. 제3항에 있어서, 평행사변형의 예각이 55° 미만이고, 네트의 스트랜드 세선화 파라미터가 1.4를 초과하는 나선형 권취 부재.
  5. 제3항에 있어서, 네트의 기계 방향이 수거용 튜브의 축과 거의 직교하는 나선형 권취 부재.
  6. 제1항에 있어서, 축 방향으로의 압력 구배가 0.15m/s의 표면 속도로 작동되는 경우, 10kPa/m 미만인 나선형 권취 부재.
  7. 제1항에 있어서, 순수(pure water) 공급물 및 350kPa(51.0psi)의 네트 구동압을 사용하여 25℃에서 작동되는 경우, 평균 플럭스가 40ℓ/㎡/hr 이상인 나선형 권취 부재.
  8. 제7항에 있어서, 순수 공급물 및 350kPa(51.0psi)의 네트 구동압을 사용하여 25℃에서 작동되는 경우, 평균 플럭스가 65ℓ/㎡/hr 이상인 나선형 권취 부재.
  9. 길이 방향을 따라 투과액을 수용하는 다수의 개구를 갖는 중심 수거용 튜브,
    2장의 막 시트 및 당해 막 시트 사이에 샌드위치된 투과액 캐리어 시트(수거용 튜브의 개구와 직접 유체 교환)를 포함하는, 내부에서 외부 방향으로 연장되고 튜브 둘레로 권취된 하나 이상의 여과용 엔벨롭 및
    하나 이상의 여과용 엔벨롭의 외부 표면과 평면상 접촉되어 있는, 수거용 튜브 둘레로 권취된 하나 이상의 공급 스페이서 시트를 포함하는 개선된 나선형 권취 부재로서,
    공급 스페이서 시트가, 실질적으로 평행한 필라멘트 제1 세트를 실질적으로 평행한 필라멘트 제2 세트와 교차된 상태로 포함하여 다수의 평행사변형을 형성하고, 네트의 스트랜드 세선화 파라미터가 1.6을 초과함을 특징으로 하는, 개선된 나선형 권취 부재.
  10. 제9항에 있어서, 네트의 스트랜드 세선화 파라미터가 1.8을 초과하는 나선형 권취 부재.
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