KR880000173B1 - 유체 처리장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

유체 처리장치

제1도는 본 발명의 첫번째 실예에 의한 유체 처리장치 또는 일부를 절개한 여과기의 사시도.

제2도는 제1도에서 도시한 여과기의 측면도.

제3도는 제1도에서 도시한 여과기의 평면판의 평면도.

제4도는 제1도에서 도시한 여과기중 하나의 여과막의 분해사시도.

제5도는 본 발명의 원리에 따라 축조된 직교류 여과기의 개략도.

제6도는 공급재료의 유동이 정상상태에 있는 여과기의 개략도.

제7도는 한쌍의 압축성 여과막이 한쌍의 스페이서 지지판 사이에 비치되어 있는 것을 부분적으로 확대한 단면도.

제8도는 사용하기 전의 여과기의 두개의 여과막 변부에 가스켓 밀봉을 나타내주는 여과기의 부분적인 단면 개략도.

제9도는 공급재료 유동이 정상상태에 있는 것으로서, 제8도와 같은 여과기의 부분적인 단면 개략도.

제10도는 유동통로에 형성된 방해물을 나타낸 개략도.

제11도는 방해물의 이동을 나타내는 제10도와 유사한 개략도.

제12도는 본 발명의 두번째실예에 따른 직교류 여과기의 횡단면도.

제13도는 제12도에 나타낸 여과기를 부분적으로 절취한 사시도.

제14도는 제12도, 제13도 여과기의 여과막 외피를 그린 단면도.

제15도는 본 발명의 더 구체적인 설명에 따른 단면의 개략도.

제16도는 본 발명의 또 다른 구체적인 실예에 따른 단면의 개략도 이다.

본 발명은 공급재료중 미리 선택한 성분의 농도를 변화시키기 위한 장치에 관한 것인데, 이 장치는 또한 유체상으로부터 미세입자들을 제거하는데도 이용할 수 있지만 이러한 용도에만 사용되는 것은 아니다.

좀더 쉽게 이용하기 위하여, 본 발명의 명세서에서는 재료중에서 성분이나 입자는 통과시키면서 그의 나머지 부분은 통과시키지 못하는 장벽을 통하여 공급재료를 이동시키므로써 공급재료로 부터 미리 선택한 성분이나 입자를 제거하는 직교류 보존법이나 여과법에 관하여 기술할 것이다.

그러나 이러한 용도에만 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다. 또한 똑같은 방법으로 미리 선택한 입자를 장벽을 통하여 공급재료에 첨가시키는 역상황에도 이용할 수 있다는 것을 이해하게 될 것이다.

유체상에 존재하는 미세입자들(예를 들면, 분자, 클로이드질, 입자 및 소적(小滴)들)은 존재하는 입자의 양에 따라서 여러가지 방법으로 제거될 수 있다.

농도가 낮을 경우에 사용되는 가장 보편적인 방법은 심부 여과법(depth filtration)이고 또 다른 방법으로는 표면여과 즉 핵기공막(Nucleopere membrane)을 이용한 것과 같은 표면여과법을 사용하는데, 이때 사용되는 막은 표면체 기구(surface sieving mechanism)에 의하여 입자들을 효과적으로 제거할 수 있다. 다른 형태의 표면막들도 사용할 수 있는데, 이 막들은 다공성 지지층에 의하여 지지되는 활성표면 표피에 의하여 좌우된다.

입자성 여과법을 이용할때, 이러한 막들은 핵기공막과 유사하게 작용한다.

남아있는 입자들의 농도가 높을때, 심부 및 내장(耐張) 표면 장벽들은 여과하는데 필수적인 효과를 주는 압력 강하로 고체상의 축적이 빨리 증가되기 때문에 흡인력이 상당히 감소된다.

미세입자들의 체류면적을 확장시키므로써 이러한 문제점을 해결할 수 있는데, 이때 사용되는 방법은 직교류 보존법(cross-flow retention)이다. 직교류 보존법에서는 표면막이 사용되며, 남은 입자들의 축적된 층은 장벽표면에 인접한 상류로 흐르는 유체에 유제전단장(fluid shear field)을 적용시키므로써 최소로 할 수 있다.

본 발명에 따라서, 용액이 정상 상태에서 침투액과 보존액으로 효과적으로 분리되도록 작동하는 것이 가능하며, 정상 상태에서는 입자들이 활동하지 않으므로 장벽표면에 더 이상 축적되지 않는다. 또한 본 장치는 배치방식(batch mode)으로 작동할 수 있는데, 이 경우에 공급용액의 농도는 점차적으로 증가된다. 비록 이러한 방식이 생산량을 한 방울로 한다고 하더라도 이 한방울은 모든 입자들이 장벽위에 또한 장벽안에 모아지는 내장방식(dead-end mode)에서 발생하는 것보다는 훨씬 적게 발생한다.

일반적으로, 한의여과, 투석 및 전기투석법에서 사용되는 각각의 막에 있어서, 그 막의 투과율은 일반적으로 존재하는 보존입자들의 층(즉 농축층 또는 긍극적으로 겔층)에 따라서 제한된다. 본 발명에 의하면 막의 표면으로 부터 겔상이나 케이상을 제거하는데 적층 흐름을 이용하는 것이 바람직하다.

층흐름을 이용할 경우에 이것은 처리하고자 하는 유체의 주어진 농도와 주어진 막에 대하여 유량, 전단속도 및 여과기의 유동통로의 길이등과 관련된다.

1970년 Blatt et al에 의하여 발표된 "Membrane Science and Technology"에 의하면 이 관계는 층흐름의 상태에 관한 것이고 겔상의 편극된 상태에(즉 증가된 압력이 유량을 증가시키지 못할때)대한 것이다.

이 관계는 다음에 주어진 바와 같다.

J∝(γ/L)^0.33∝(U_B)^0.33(h_C)^-0.33(L)^-0.33

여기서 J는 여과막의 주어진 영역에 대향 유량이고,

U_B는 유량의 속도,

h_C는 여과기 유동통로의 두께나 높이이고,

L은 여과기 유동통로의 길이이고,

γ는 전단속도이다.

전단속도는 인접한 여과막 사이에 있는 유체의 접선속도(υ)와 여과막의 유동통로나 수로(channel)의 높이에 대한 비로 표현된다.

즉,

여과막이 작용하는데 대한 제한요인이 여과막의 다공성이라기 보다는 겔층일때, 유량은 이 비율에 의하여 전단속도와 관계가 되는데 이것은 수로의 높이나 두께를 감소시키는 작용이 전단속도와 유량을 상당히 증가시킨다는 것을 의미한다.

일반적으로, 직교류 보존법의 경우에, 공급재순환에 필요한 에너지는 가장 큰 직접적인 작동비용 요인이 된다. hc가 1㎜인 종래의 장치에 있어서, 소비되는 에너지는 설치된 여과막의 평방미터당 1㎾이다.

튜우브의 직경이 1㎝인 관형장치(tubular system)의 경우에, 필요한 에너지 비용은 더 많다.

따라서 직교류모세관 보존장치나 여과장치와 유동통로의 높이가 상당히 낮아진(예를 들면약 50-100 미크론 정도로 감소된) 한외여과장치를 개발할 필요가 있다. 단지 이러한 크기로된 높이의 유동통로를 이용하므로써 여과막의 평방미터당 필요한 양수량은 유동통로의 높이에 비례하여 감소되며 수로높이가 2배 높으면 필요한 양수량도 2배 이상이다.

본 발명에 의하여 공급재료중에서 미리 선택된 성분(들)의 농도를 변화시키기 위하여 다음과 같이 이루어진 장치를 발명하였다.

(a) 기압을 일정하게 유지한 공급재료를 장치속에 넣기 위한 유입수단,

(b) 처리한 공급재료를 장치로 부터 제거하기 위한 배출수단,

(c) 유입수단과 배출수단 사이에 있는 하나 이상의 공급재료의 유동통로들,

(d) 이미 선택된 성분(들)을 통과시키는데 사용하고 공급재료를 유도하는 제1표면부로 구성되는 하나 이상의 장벽들 및

(e) 각 장벽의 대향 표면과 연결시키기 위한 전달 수단.

이 장치에서 각 유동통로의 경계는 상기 하나이상의 여과막에 의하여 부분적으로 이루어지며, 이 여과막을 통과하는 공급재료에 의하여 통로가 탄성적으로 확장되도록 적용되며, 또한 이 장치는 공급재료가 미리 정해진 작동압력으로 하나 이상의 유동통로를 통하여 흐를때 그 내부에서 상기 공급 재료의 층흐름을 유지시키기 위해 하나 이상의 유동통로의 탄성확장부의 범위를 제한하도록 적용된 제한수단으로이루어진다. 가급적이면 미리 겔상태가 된 극성화된 조건하에서 장치가 작동되도록 유동통로의 두께를 정하여서 증가된 압력이 유량을 증가시키지 않도록 하는것이 좋다.

비록 본 발명에 의한 장치에 본 명세서에서 참조로한 과거의 투석법을 위하여 개발된 몇가지 성분들을 이용한다 할지라도 본 발명에 의한 장치가 과거의 투석법과는 상당히 다른 한외여과법과 직교류여과법에 적절하며 과거의 투석 장치가 여기에서 기술한 한외여과법이나 높은 압력하에서의 직교류 여과법에 사용하기가 적절하지 않다는 것을 인정하게 될 것이다.

예를 들면, 다음에 기술한 바와 같은 차이점들이 있다 :

(ⅰ) 투석은 두 종류의 유체를 위하여 2개의 유입구와 2개의 배출구로 이루어진 장치에 의한 4가지 벡터 시스템으로 이루어진다. 하나의 유입구와 배출구는 투석하고자는 하는 물질을 위한 것이며, 또다른 유입구와 배출구는 투석하고자 하는 물질에 대하여 역류로 흐르는 유체를 투석하기 위한 것이다.

그 반면에 직교류 여과법은 한종류의 유체를 위한 세개의 벡터 시스템이 있는데, 여기에는 처리될 공급재료를 위한 단 한개의 유입구가 있고 농축액과 보존액을 위한 배출구와 여과액 또는 침투액을 위한 또다른 배출구로 이루어져 있다.

(ⅱ) 투석은 투석하고자 하는 물질을 희석하므로써 이루어지는데 반하여 직교류여과는 처리하고자 하는 물질이 남아있는 입자들을 농축시키므로써 이루어진다.

(ⅲ) 투석은 10KPa 이하의 압력에서 진행되지만 직교류 여과는 100KPa의 압력에서 진행된다.

(ⅳ) 투석은 전달막의 압력변화를 최소로 하는 낮은 유동속도로 저수유량막들(low water flux membranes)을 사용한다. 직교류여과는 전달막의 압력변화를 크게 하면서 고도로 침투될 수 있는 막(유동속도는 50l/시간)인 고수 유량막들(high water flux membranes)을 사용한다.

(ⅴ) 투석법에는 정상적인 대기압에서 수로높이나 두께가 약 150 미크론이고 막의 두께가 각각 40 미크론인 한쌍의 막을 사용하는 반면에, 직교류 여과장치에서는 정상적인 대기압상태에서 수로 높이가 0(즉 막이 접해 있는 상태)이고 막의 두께가 각각 120-200 미크론인 한쌍의 막을 사용하는데 전달막의 압력변화가 100KPa인 경우에 수로의 높이나 두께는 약 50 미크론이다.

본 명세서에서 사용한 것으로서, "장벽"이라는 용어는 높은 유량의 반투막, 셍체여과기 및 압축성과 탄력성이 있고, 압축성과 탄력성이 있는 받침이나. 지지체에 고정시킬 수 있는 여과기들을 포함한다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 제1도와 제2도에 도시된 바와같이, 공급재료 (12)중에 미리 선택한 조성물(11)의 농도를 변화시키기 위한 바람직한 장치(10)에는 이 조성물(11)이 통과할 수 있는 다수의 장벽들(13)로 이루어져 있다.

제1도의 우측면에 있는 유입수단과 매니포울드 수단(17)(manifold, 제2도 참조)은 공급재료과 각 장벽(13)의 첫번째 표면과 접촉하도록 하는데 적용된다.

전달수단(14)은 통과한 성분(11)을 수용하는 각 여과막(13)의 반대표면과 연결시키기 위하여 사용하는 것이며, 또한 장치(10)으로 부터 통과된 성분(11)을 제거하기 위한 것이다. 배출수단과 매니포울드(15)수단은 장치(10)으로 부터 처리된 공급재료(12)를 제거하기 위한 것이다.

이 경우에, 장벽(13)으로 형성된 공급재료(12)를 위한 유동통로들의 경계들은 그것을 통하여 공급재료를 통과시키므로써 최소한 일부만이라도 탄성적으로 확장되도록 한다.

평면판(16)의 형태로된 제한수단들은 공급재료(12)가 미리 결정된 작동압력에서 통하여 흐를때이 공급재료의 층흐름을 유지시키기 위하여 유동의 탄성적인 확장의 정도를 제한하기 위한 것이다. 상기 제한 수단은 두개의 결합장벽의 대향표면과 접촉하도록 배열된 메시(mesh)로된 하나의 표면을 포함하며, 상기 메시표면은 공급재료가 미리 결정된 작동압력으로 수로를 통해 흐를때 미리 결정된 거리로 유동통로를 형성하도록 결합 장벽의 제1표면의 분리를 제한한다.

제4도에서 도시한 바와같이, 각 여과기는 제1평면판(16), 제1장벽이나 여과막(13), 가스켓(18), 제2장벽이나 여과막(13a) 및 제2평면판(16a)으로 이루어져 있다.

평면판(16, 16a)는 여과막(13, 3a)에 의하여 형성된 여과기백(filter bag)의 주변을 밀봉시키도록 여과기를 조립할때 작동하는 주변 밀폐용 쇼울더(19)를 갖고 있다. 또한 한개의 평면판(16)은 밀폐된 형태로 다른 평면판 (16a)과 결합되도록 확장된 쇼울더(19)를 제공할 수 있다.

제5도와 제6도에서 도시한 바와같이, 스페이서지지대 또는 평면판(16, 16a, 16b, 16c)은 인접한 판사이에 위치한 한쌍의 압축자벽이나 여과막(13, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e)들이 서로 일정한 간격을 유지하면서 적층을 (stack)을 이루도록 배열되어 있다. 평면판은 각 장벽의 대향표면과 인접하게 배치되어 있으며, 각 평면판은 상기 각 장벽의 대향표면과 인접하는 다수의 원추형 스터드(29)를 포함한다. 각 장벽은 그것들 사이에 형성된 개방용적부(20)가있는 각 평면판의표면에 형성되어 있는 다수의 원추형스터드(29)에 의하여 지지되며 또한 각 평면판으로 부터 일정한 간격을 유지한다. 또한 각 평면판의 양면에 원추형 스터드를 형성시킬 수도 있다. 각 평면판으로 부터 돌출한 원추형 스터드는 그의 첨단부를 포함하며, 각 원추형 스터드는 유동통로(22, 23, 24)가 확장될때 그 첨단부가 상기 압축장벽이나 여과막들이 대향표면과 접촉되어서 유동통로를 통해 공급재료가 흐를때 적층흐름을 위해 미리 결정된 두께로 상기 두개의 압축장벽이나 여과막의 제1표면의 분리를 제한한다 여기에서 상기 첨단부는 상기 장벽의 제1표면을 관통하지 않으면서 대향면의 적어도 일부분으로 파고들어감을 특징으로 한다. 공급재료 용액(12)을 농축액 또는 보존액(25)과 침투물인 여과액(11)으로 분리시키는 얇은 수로(22, 23, 24)를 형성하기 위해 공급재료로 부터 만들어지는 전달 장벽 또는 전달막의 높은 압력 영향하에서 압축된 각쌍의 장벽사이로 공급재료 용액(12)이 주입된다.

제7도를 설명하면, 서로 대향하는 한쌍의 스페이서 지지판인 평면판(27, 28)에는 평면판 사이에 위치하고 있는 한쌍의 여과막(30, 31)을 지지하는 그 표면상에 다수의 원추형 스터드(29)가 장치되어 있다. 본 장치에서 사용된 장벽들은 압축성과 탄력성이 있으며 또한 본 장치의 경우에는 여러층으로 된 비등방성 한외 여과막들을 사용한다. 또한 압축할 수 있으며 탄성적인 받침으로 이루어진 생체 여과기, 여과기 또는 여과막을 사용할 수 있다. 서로 연결되어 있을대 스터드(29)사이에서 형성된 개방용적부(32)는 낮은 압력의 여과액이나 침투액통로(33)를 형성한다. 압력이 가해지지 않는 상태에서 장벽(30, 31)은 표면이 서로 접촉되어 유동통로와 두께가 0이 되는 것이 정상적이다. (제5도 참조)

그러나 압력을 가한 공급재료를 유출시키므로써 야기되는 전달막의 높은 압력때문에 각 여과막(30, 31)은 압축성 여과막이나 장벽(30, 31)의 대향되는 표면사이에 있는 여러가지 높은 "h"로 된 엷은 수로나 유동통로(34)를 만드는 원추형 스터드(29)에 탄성적으로 압축된다. 직교류여과나 한의여과로 처리하고자 하는 공급재료는 여과막을 통과하는 여과액이나 침투액(33)과 농축액이나 보존액(36)으로 분리된다.

각각의 유동통로인 수로(34)를 따라 압력이 높은 유입수단쪽(제7도의 왼쪽참조)에서 부터 압력이 낮은 배출수단쪽(제7도의 오른쪽 참조)으로 가면서 압력이 떨어질 것이므로 유동통로의 두께는 유입구부터 배출구까지 일정할 수 없을 것이다. 낮은 배출압력이 여과막의 배출구를 압축시키는 것보다 높은 유입압력이 여과막의 유입구를 더 압축시키기 때문에 그 두께는 차차 약간 적어진다.

대향되는 스페이스 판들 사이의 거리(보통 약 250 미크론)는 "H"로 주어지고 여과막이나 여과기의 두께는 "e"(제5도 참조)로 주어졌다. 여과막의 두께가 약 40 미크론인 투석장치에 있어서, 여과막 사이의 수로높이는 실질적으로 일정하게 유지되며 여과막이 두께에 따라 미리 결정된다. 통상적인 투석장치에서 H>2e인 반면에 직교류 한외여과 장치에서는 H<2e이다.

정상유동 상태에서 유동통로의 바람직한 두께는, 비겔성편광 조건하에서 탄성확장이 높은 유량으로 오랜 기간 동안 적층흐름을 유지시키도록 해준다. 앞에서 기술하였으므로 명백히 알게 되었지만, 수로의 높이나 유동통로의 두께는 주어진 유동속도에 대한 전단속도를 변화시킨다. 전단속도가 유동통로의 두께에 역비례하기 때문에 유동통로의 두께가 감소되면 전단속도가 증가되며 또한 유량이 증가하게 될 것이다.

비록 공급재료에 있어서의 변화가 유동통로 두께를 보편적으로 선택되지 않는 지수로 지정할 수 있다. 할지라도, 유동통로의 두께는 80 미크론 또는 어떤 경우에는 100 미크론을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 어떤 경우에는 이 두께의 범위를 우선적으로 50-100 미크론, 40-60 미크론 및 10-25 미크론으로 정한다. 상기의 제한 수단은 100 미크론 이하의 최대 유동통로 두께를 생성시키도록 적용된나.

본 발명에 의한 장치에서 사용된 압축성이 있고 유량이 큰 바람직한 여과막은 오스트레일리아 특허명세서 제505, 494호 기술된 여과막이다. 이 명세서에는 해중합된 (depolymerised) 물질과 중합된 물질의 혼합물과 각층이 분자체(molecular screen)로써 작용하는 여러개의 층으로 구성된 것으로서 눈금이 표시되어 있는 기공(graduated porosity)이 있는 고침투성 비등방성막에 대하여 기술되어 있고, 또한 이 막은 여과막의 상단부로 부터 저부까지 인접층의 분자량감소에 대한 변화가 연속함수로 된 정확한 분자량의 감소를 갖는다.

본 발명의 또다른 형태에 있어서 장벽들을 그것의 가로축을 통해 압축성이 있는 첫번째 부분과 가로축의 압축성이 상당히 적은 두번째 부분이 혼합되어서 구성되어 있으며, 앞에서 언급한 제한수단은 유동통로의 확대범위가 제한되었을때 장벽의 첫번째 부분과 연결하는데 사용된다. 또한 유동통로의 적어도 일부분은 각 장벽의 두번째 부분에 의하여 구성된다.

가스켓수단(18)은 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같이 압축성 다포질이나 밀폐된 셀(cell)형태로된 발포 물질로 만드는 것이 좋으며, 주어진 압력하에서는 약 1㎜에서 부터 약 15 미크론까지 압축될 수 있다. 압축된 상태에서 발포물질내의 셀은 밀봉할 표면과 접촉된 다수의 개방셀 스페이스를 형성하지 못하게 한다. 사실상, 각 개방셀의 구조는 비교적 적은 공간에 많은수의 반응실이 존재하는 조그마한 감압반응실(decompression chamber)로써 작용하며, 약 100KPa(또는 약 15p.s.i)의 압력(즉, 전달막 압력차)하에서 작용하는 여과기나 한외여과장치에서 손실되는 압력에 대한 효과적인 밀봉제로써 작용한다. 이때 사용되는 100KPa의 압력은 투석장치에서 존재하는 10KPa의 압력(또는 p.s.i)보다 적은 압력차이와 대립된다.

상기에 언급된 바와 같이 유입수단과 배출수단 둘레 부위에 인접한 평명판(16)과 함께 유체수밀 밀봉을 제공하도록 적용된 셀의 구조를 포함하는 한쌍의 여과막 또는 한외여과막(13) 사이에 수로를 형성하도록, 일정한 압력하에서 처리될 유체를 공급하기 위하여 제공되는 한가지 수단은, 헤그스트롬등에 허여된 미국특허 제3, 837, 496호와 3, 841, 491호에 기술된 유형의 방사성 유체확산 디스크 또는 버튼(button)(40)을 유입구 및 배출구가 일치한 쌍을 이룬 여과막 또는 한외여과막 사이에서 사용한 것이다. 그러나 다수의 이러한 확산버튼(40)설치에 대한 필요성은 계의 다짐도(Compactness)에 나쁜 영향을 주며, 공급재료에 대하여 불필요한 유동제한을 가하게 되고, 본 발명에 다른 장치에 존재하는 매우 높은 작동압력 상태하에서는 스페이서 지지판인 평면판(16)과 여과막 또는 한외여과막(13)사이에 밀봉부를 형성하도록 버튼의 양측면에 동심원적으로 환상의 압측성 밀봉가스켓(폴리프로필렌 발포물질)을 제공할 필요가 있게 된다.

스페이서 지지판인 평면판(16)의 활성표면(42)(여기에서 통로는 여과액이나 침투액(11)을 모아서 분리시키기 위하여 만든것)은 예를 들어 부각(embossing)과 스탬핑(stamping)기술을 사용하는 투석장치 기술에 적용할 수 있는 종래 기술방법에 따라 여러가지 방법으로 형성될 수 있다.

이러한 것에 관하여, 밀러씨등에 허여된 미국특허 제4, 154, 792호에 기술된 평면판(16)의 표면구조를 참조하였는데, 이 특허명세서에서 기술된 평면판 표면의 여과막은 상당히 많은 수의 긴밀히 인접배치된 원추형 스터드(29) 또는 돌출부로 되어 있다. 본 발명에 의하여 제조된 장치를 보다 구체적으로 설명하면, 홈이 파여진 형태나 수로 형태로된 평면판의 매니포울드의 구조는 Riede에게 허여된 미국특허 제4, 051, 041호에서 기술된 형태를 이용할 수 있는데, 특히 여과액이나 침투액을 모으기 위하여 스페이서 평면판(16)의 활성표면으로부터 본 장치의 침투액 배출구(11)까지 이러한 형태를 이용할 수 있다. 또한 인접한 여과막을 지지하고 정제한 유체를 투석하기 위한 통로를 만들기 위하여 설계된 면적부재(spacing member)의 표면구조에 관하여는 Alwall씨 등에 허여된 미국특허 제3, 411, 630호를 참고하였다.

본 발명은, 종래 장치에 비해 상당히 적은(종래 장치는 설치된 막의 평방미터당 1Kw의 에너지를 소비함)에너지 즉, 약50-150w/㎡의 유입에너지를 필요로하는 여과장치를 위한 바람직한 형태의 기저부(basis)를 장치하였다.

본 발명에 따른 바람직한 형태의 처리장치를 사용하면 전단 속도가 매우 높아진다. 이 결과로써 주어진 유출량에 대한 비유량(specific flux)이 증가되므로 겔상이 아닌 극성화된 상태하에서 높은 유량으로 여과장치를 작동시키는 것이 가능하게 된다. 이러한 것은 분자 선택성을 최대로 하며 장벽이나 여과막의 세척을 용이하게 할 수 있도록 하는 점에서 중요하다.

본 발명의 바람직한 형태에 의하여 제조된 처리장치의 장점은(에너지 절약과는 별도로) 비교적 적은 체적내에 함유되어 있는 여과기의 표면적이 매우 넓다는 것이다. 일반적으로 말하자면, 단위체적당 여과막은 주어진 면적내에 종래의 한외여과장치나 직교류 여과장치에 함유할 수 있는 것보다 약 10배 이상을 포함할 수 있다.

또한 수로 형성하는 여과막 자체의 변형사용은 본 발명의 바람직한 형태에 의한 여과장치에 매우 높은 안정성을 얻을 수 있다. 예를 들면, 수로의 높이나 유동통로의 두께(hc)가 감소되는 경우에 수로단면의 표면적이 감소되는데, 이는 특정 여과장치 전반에 걸친 압력의 강하를 의미하며 또한 유입구 압력의 증가는 결과적으로 수로높이나 유동통로의 두께(hc)를 증가시키는 경향이 있음을 의미한다. 그러므로 본 장치의 세척을 용이하게 하는 자동안정성이나 자동플러시(autoflush) 효과가 있다.

다시 말하면, 유동통로인 수로(34)가 제10도에 도시한 바와 같이 방해를 즉, 케이크(50)에 의하여 막히면, 수로의 표면적은 감소될 것이며 이것의 압력은 증가될 것이다. 그러므로 제11도에 도시한 바와같이 수로(34)를 팽창 개방시켜서 여과기를 막고 있는 방해물 즉, 케이크(50)를 제거한다. 자세히 설명하면, 수로내의 방해물 때문에 수로내의 공급재료가 미리 결정된 작동압력을 초과할 때, 방해물이 수로로 부터 제거되어 수로가 적층흐름 두께를 회복할때까지, 방해물의 위치에서 일시적이고 반복적으로 유동통로를 확장시켜서 상기 수로를 통하여 방해물을 전진시킨다. 자기안정성 효과로써 알려진 이러한 특징은 본 발명의 바람직한 형태에 의한 여과장치의 자기세척 능력의 관점에서 볼 때 매우 중요하다.

본 발명에 의한 장치에 부착되어 있는 여과막에 의하여 본 장치는 직교류 한외여과를 하도록 적용될 수 있다. 여과막이 생체여과기나 여과기로 교체되었을 때, 본 장치는 다음(1), (2)의 개별적인 두가지 효과를 가진 직교류 여과에 적합한다.

(1) 높은 전단속도로 여과케이크를 항상 제거하는것

(2) 관형의 핀치(pinch)효과

액체배지내에 밀도가 다른 입자상 재료가 함유되어 있는 어떤 용액을 두가지 방법으로 분리할 수 있다. 입자상 재료가 액체상보다 더 무거운 경우와 공급재료 용액(농축액)을 상향, 즉 실질적으로 수로에서 수직방향으로 흐르도록 한 경우, 입자성 재료는 수로의 중심부에 농축되는 경향이 있는데 이러한 이유로 입자형 재료에 의해 야기되는 여과기의 막힘이 없이 침투액을 제거할 수 있다.

반면에, 입자상 재료가 액체보다 가벼울때 공급재료의 농축액이 하향으로 흐를 경우에는 입자상 재료가 수로의 중심부에서 덩어리로 뭉쳐지는 경향이 있으므로 입자형 물질에 의하여 여과기가 막히지 않고도 침투액을 제거할 수 있다.

제1도-제7도에서 도시한 카아트리지 또는 여과장치와 오스트레일리아 특허 제505, 494호에 제조방법과 성질이 기술된 비등방성 나이론 한외여과막을 사용하여 오스트레일리아의 시드니에서 한외여과법으로 수도물을 정제하였다.

카아트리지를 통하여 수도물 공급재료가 12시간 동안 재순환되는 동안 감소되는 유량을 검출하였다.

맨처음 받침압력은 88kpa이었는데, 4시간 후에 이 압력은 100kpa로 증가되었으며, 이때의 압력이 이 방법에서의 권장최소 압력이 된다. 직교류 속도는 186L/HR이고 온도는 약 30℃이었다. 유입구의 압력이 88kpa일때 안정한 유량은 64L/SQ.M.HR. 이었으며 카아트리지 전반에 걸친 압력강하는 20kpa이었다. 100kpa에서 안정한 유량은74.3L/SQ.M.HR. 이었으며 실험중 마지막 8시간 동안은 더 이상의 감소가 나타나지 않았다. 카아트리지에 대한 유량대 압력관계는 이 실험이 예비-겔상으로 극성화된 조건하에서 실시되었음을 나타냈다. 총 건성고체의 함량이 공급재료에 대해서는 0.19 G/L이고 침투액에 대해서는 0.08 G/L인 것은 공급재료에 대하여는 0.19 G/L, 침투액에 대하여는 0.08 G/L의 총 고체함량을 폐기함을 의미하며, 이 실험을 위하여 60%의 총 고체함량을 폐기하도록 하였다.

침투액을 화학적으로 분석하여 보면, 이 침투액은 평균 2.5PPM의 실리콘, 12.9PPM의 칼슘, 5.0PPM의 마그네슘 및 측정이 불가능한 철, 망간 또는 구리를 함유하고 있다. 또한 이 침투액에 대한 경도는 탄산칼슘의 당량과 같이 5.3 MG/L이며 용해된 고체 전체는 15.2μG/L이었다.

다름에 주어진 표는 여과막의 면적과 침투액의 부피에 기초를 둔 한외여과실험에 소요되는 전력과 에너지를 나타냈다.

앞에서 기술한 데이타는 여과막의 단위 면적당 비교적 낮은 전력 소비량을 나타낼 뿐만 아니라 정제수의 단위 체적당 필요한 전력 소비량도 낮게 나타난다.

본 발명에 의한 장치의 또다른 국면은 침해투석 장치에 적용하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 바람직한 형태에 따르는 여과모들의 특이한 배열은 자장을 이르키는 전극으로써 두개의 금속판으로 된 평형판의 적층조립체를 두개의 평현판 끝에 있는 매니포울드로 결합시키는 것이다.

이 경우에 있어서, 만일 분리된 양이온과 음이온이 두개의 금속판 사이에 위치하면, 여과 모들은 전기투석 장치와 같이 사용할 수 있다.

만일 하전된 여과막 하나의 중성 여과막 하나가 두 판사이에 존재한다면, 본 장치를 역방향 전기투서장치나 운송감손장치(tansport depletion unit)로써 사용할 수 있다.

본 발명의 두번째 실예는 제12도-제14도에 도시하였다. 이 실예에서, 본 장치는 유입수단(61)과 배출수단(62)을 포함하는 주된 몸체부분(60)으로 이루어져 있는데, 주된 몸체부분(60)은 그 내부가 여러개의 여과막 외피(63)로 이루어져 있으며, 각 외피(63)에는 제1차 여과막이나 장벽과 각 그리드(grid, 66)에 의하여 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 제2차 여과막이나 장벽으로 이루어져 있다.

배열되어 있는 장벽(64), (65)의 주변은 제13도에 도시되어 있는 바와같이 매니포울드(67)에 돌출되어 있는한 측면을 제어하고는 제14도에서 도시한 바와같이 모두 밀폐되어 있다.

매니포울드(67)은 이 장치에 있어서 전달 수단을 구성하며, 외막(63)사이에 있는 공간은 제13도에 부호(68)로 표시 되어 있는 아릴다이트(aryldite)와 같은 밀봉물질에 의하여 밀폐되어 있다.

유체가 일정 압력하에서 몸체부분(60)으로 들어가면 대향되는 여과막(64)와 (65)의 접촉면은 본 발명의 첫번째 실예에서 기술된 방법으로 분리된다. 선택된 성분재료는 장벽(64, 65)을 통과하여, 그리드(66)에 의하여 두개의 장벽(64, 65)사이에 있는 유동수로를 통과한 다음, 외막(63)의 개방된 끝(68)을 통과하여 매니포울드(67)까지 전달된다. (제13도 참조)

제15도에 본 발명을 더 구체적으로 설명하였는데 여기에서는 여과막이나 장벽(70과 71)이 유동통로(76)에 의하여 규정된 배열을 이루어 집합체를 형성한 돌출부(74와 75)를 갖고 있다. 이 방법에서, 장벽(70과 71)사이에 있는 유동통로는 받침판(72와 73)에 의하여 그것이 탄성확장이 제한되는 여려개의 평행한 유동통로들로 나뉘어진다.

제16도에 본 발명의 또다른 구체적인 실예를 들었는데, 여기에서는 외막(80)과(81)이 나선모양으로 되어있다. 각각의 외막(80과 81)은 제12도-제14도에서 도시한 외막(63)과 유사하며, 이 외막들은 배출수단(82)를 갖고 있다. 또한 외막조립체는 유입 수단과 배출수단을 포함하는 하우징내에 위치하도록 되어 있다.

앞에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 범위가 직교류 여과법이나 보존법에만 제한되어 있는 것은 아니다. 예를 들어 제1도-제7도와 관련되어 기술한 본 발명의 바람직한 형태는 앞에서 기술한 방향과 역 방향으로 수송구와 장벽(돌)을 통하여 공급재료에 바람직한 종류를 삽입하는데도 사용할 수 있다. 이러한 실예의 하나로 혈액(공급재료)에 산소(바람직한 종류)를 삽입하는데에 사용할 수 있다. 이 경우에 혈액의 다른 모든 성분은 유동통로에 체류되는 반면에 산소만이 재빨리 이 통로를 가로질러 흐를 수 있는 장벽들을 선택하여야 한다.

Claims (14)

1. 기압을 일정하게 유지시킨 공급재료를 본 장치 속에 넣기 위한 유입수단, 처리한 공급재료를 장치로부터 제거하기 위한 배출수단, 시이트 재료로된 한쌍의 배열된 장벽에 의해 형성된 것으로써 상기의 미리 선택한 성분(들)이 통과할 수 있는, 유입수단과 배출 수단사이의 공급재료 유동통로, 각 장벽의 대향 표면과의 연결로 상기의 미리 선택한 성분(들)을 전달하기 위한 전달수단 및, 공급재료가 미리 결정된 작동입력으로 유동통로를 통해 흐를때 유동통로 내에서 상기 공급재료의 적층흐름을 유지시키기 위하여 유동통로의 확장범위를 제한하고 장벽을 지지하기 위한 단단한 제한 수단으로 구성되며, 각 장벽은 공급재료가 유동되지 않을 때 다른 장벽의 제1표면부와 접촉하는 제1표면부를 포함하고, 유동통로는 기압을 일정하게 유지시킨 공급재료가 유입수단으로 부터 상기 유동통로를 통해서 공급될 때 상기 제1표면부가 서로 떨어져서 분리됨에 의하여 확장되는 공급재료중에서 미리 선택한 성분(들)의 농도를 변화시키기 위한 유체처리 장치에 있어서, 상기 장벽들이 압축성이고, 기압을 일정하게 유지시킨 공급재료가 통과할 때 상기 장벽들이 상기의 단단한 제한수단에 대하여 압축됨에 따라 유동통로가 탄성적으로 확장됨을 특징으로 하는 유체처리 장치.
2. 제1항에 있어서, 유동 통로의 압력 손실을 방지하기 위하여 상기 배열된 장벽의 주변을 밀봉시키는 수단을 더욱 포함함을 특징으로 하는 유체처리 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기의 배열된 장벽을 밀봉시키기 위한 수단은 두개의 일렬로 배열된 장벽 주변부 사이에 위치한 압축된 가스켓 수단을 포함함을 특징으로 하는 유체처리 장치.
4. 제3항에 있어서, 가스켓 수단은 발포물질 내의 셀이 밀봉할 표면과 접촉하는 다수의 개방셀 스페이스를 형성하지 못하도록, 주어진 압력하에서 압축되는 압축성 다포질이나 밀폐된 셀 반포 물질에 의해 제공됨을 특징으로 하는 유체처리 장치.
5. 제1항에 내지 3항중 어느 하나에 있어서, 장벽의 배열이 적층을 이루고 있고, 상기의 제한 수단은 상기 두개의 결합장벽의 대향 표면과 접촉하도록 배열된 메시로된 하나의 표면을 포함하며, 상기의 메시 표면은 공급재료가 미리 결정된 작동 압력으로 수로를 통해 흐르때 미리 결정된 거리로 유동통로를 형성하도록 결합 장벽의 제1표면의 분리를 제한함을 특징으로 하는 유체처리 장치.
6. 제1항내지 3항중 어느 하나에 있어서, 제한 수단은 상기 각 장벽의 대향 표면과 인접하게 배치된 평면판으로 구성되며, 상기 각 평면판은 상기 각 장벽의 대향 표면과 인접하는 다수의 원추형 스터드를 포함함을 특징으로 하는 유체처리 장치.
7. 제6항에 있어서, 장벽과 평면판의 적층 배열을 포함하여, 각 평면판의 양면에 원추형 스터드를 형성시킴을 특징으로 하는 유체처리 장치.
8. 제1항내지 3항중 어느 하나에 있어서, 각 장벽은 그의 가로축 전체에 걸쳐서 압축할 수 있음을 특징으로 하는 유체처리 장치.
9. 제1항내지 3항중 어느 하나에 있어서, 그 장벽은 가로축 전체에 걸쳐서 압축할 수 있는 첫번째 부분과 가로축 전체에 걸쳐서 상당히 압축성이 적은 두번째 부분과의 복합물로 구성되어 있으며, 상기 제한 수단은 유동통로의 확장범위를 제한할 때 상기 장벽의 첫번째 부분과 접촉하도록 적용됨을 특징으로 하는 유체처리 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 유동통로의 적어도 일부분은 각 장벽의 두번째 부분에 의해 구성됨을 특징으로 하는 유체처리 장치.
11. 제1항내지 3항중 어느 하나에 있어서, 상기 제한수단은 100 미크론 이하의 최대 유동통로 두께를 생성시키도록 적용됨을 특징으로 하는 유체처리 장치.
12. 제1항내지 3항중 어느 하나에 있어서, 유동통로 내의 방해물 때문에 유동통로내의 공급재료가 미리 결정된 작동 압력을 초과할때, 방해물이 유동통로로 부터 제거되어 유동통로가 적층흐름 두께를 회복할 때 까지, 방해물의 위치에서 일시적이고 반복적으로 유동통로를 확장시켜서 상기 유동통로를 통하여 방해물을 전진시킬 수 있도록, 상기 제한 수단과 압축성 장벽이 배열되어 있음을 특징으로 하는 유체처리 장치.
13. 제1항내지 3항중에 어느 하나에 있어서, 상기 제한 수단은 각 장벽의 대향면에 위치한 각각의 평면판으로 부터 돌출한 원추형 스터드의 첨단부를 포함하고, 각 원추형 스터드는 상기 유동통로가 확장될 때 그 첨단부가 상기 장벽의 대향표면과 접촉되어서 유동통로를 통해 공급재료가 흐를때 적층흐름을 위해 미리 결정된 두께로 상기 두개의 장벽의 제1표면의 분리를 제한하도록 배열됨을 특징으로 하는 유체처리 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기의 첨단부는 상기 장벽의 제1표면을 관통하지 않으면서 장벽의 대향면의 적어도 일부분으로 파고들어감을 특징으로 하는 유체처리 장치.

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