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KR102203817B1 - 접촉막 공정을 위한 세라믹 중공사 모듈 - Google Patents

접촉막 공정을 위한 세라믹 중공사 모듈 Download PDF

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KR102203817B1
KR102203817B1 KR1020180162272A KR20180162272A KR102203817B1 KR 102203817 B1 KR102203817 B1 KR 102203817B1 KR 1020180162272 A KR1020180162272 A KR 1020180162272A KR 20180162272 A KR20180162272 A KR 20180162272A KR 102203817 B1 KR102203817 B1 KR 102203817B1
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ceramic hollow
fluid
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membrane
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Abstract

본 발명은 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 세라믹 중공사막들을 친수성 금속 메쉬에 배열시킨 후 말아서 포팅함으로써 세라믹 중공사막의 파손을 방지할 수 있고, 하우징 내부 공간에 균등하게 배치할 수 있으며, 쉘 사이드 분산 주입 유닛 및 루멘 사이드 분산 주입 유닛에 연통공간을 형성함으로써, 세라믹 중공사 접촉막 모듈 내에 유체의 압력을 분배하여, 분리막 젖음 현상 없이 물질전달 효율을 유지하면서 안정적인 운전이 가능한 효과가 있다.

Description

접촉막 공정을 위한 세라믹 중공사 모듈{Ceramic hollow fiber membrane module for membrane contactor process}
본 발명은 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리막 젖음 현상 없이 물질전달 효율을 유지하면서 안정적인 운전이 가능하도록 한 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 관한 것이다.
접촉분리막 기술은 분리막을 통하여 흡수제와 기체를 접촉시켜 하나 이상의 성분을 선택적으로 분리하는 공정이며, 액체 흡수(높은 선택도)와 막 분리(모듈성 및 소형화)의 장점을 결합한 하이브리드 기술이다. 접촉분리막은 1960년도 Schaffer에 의해 식품, 의약 등의 수처리용으로 개념이 도입되었으며, 1980년대 Qi와 Cussler에 의해 CO2 분리를 위해 활용된 이후로 기체 분리 분야에서 활발한 연구가 수행되어 오고 있다. 현재 접촉분리막은 액액 추출, 기체 흡수 및 탈거, 고밀도 가스 추출, 이성질체 분리, 발효 및 효소 변형, 단백질 추출, 제약 분야, 폐수 처리, 금속 이온 회수, 반도체 공정, 삼투 증류법 등 다양한 응용 분야에 적용되어 개발되고 있다. 맥주 생산 라인에서 CO2와 O2를 제거하고, 보일러의 수명을 늘리기 위하여 용수에서 CO2를 탈거하는 시스템, 반도체 산업에서 초순수 제조 등에 상용화된 접촉분리막 공정이 가동되고 있다. 최근에는 천연가스, 산업 공정, 화석연료의 연소 과정에서 발생하는 CO2, H2S, SO2 등의 산성 가스를 저감하기 위한 접촉분리막 기술 개발이 주목받고 있다. 특히, CO2는 지구온난화의 주범으로 지목되어, 전 세계적으로 CO2 포집 기술 연구가 많이 수행되고 있다. 따라서 최근 접촉분리막 연구는 대부분 CO2를 포집하기 위한 기술 개발에 초점이 맞춰져있다.
CO2를 포함한 산성 가스를 저감하기 위한 기술로는 충전탑, 분무탑, 기포탑 등의 흡수 공정이 상용화되어 있다. 흡수 공정은 상압과 낮은 기체 농도에서도 높은 산성 가스 제거 효율을 달성할 수 있으며, 비교적 안정적인 운전이 가능하기 때문에 많은 개발이 이루어져 왔다. 이러한 액체 흡수제를 기반으로 한 산성 가스 포집 공정은 비교적 효율이 높은 기술이지만, 몇 가지 중대한 제한사항을 가지고 있는데, 구체적으로 흡수제 재생에 필요한 에너지 소비가 과다하고, 큰 장치 규모로 인해 넓은 부지를 필요로 하며, 장비 부식, 용매 손실, 범람, 거품, 편류, 비말동반 등의 문제가 발생할 수 있다는 것이다. 반면에 접촉분리막 공정은 이와 같은 기존 흡수 공정의 단점들을 극복할 수 있는 유망한 대안으로 꼽히고 있다.
접촉분리막에서 막은 분리를 위한 선택성을 제공하는 대신에 기상과 액상을 분리하고, 물질 전달을 위한 유효 접촉 면적을 증가시키는 역할을 한다. 흡수제에 의한 높은 선택도 제공과 동시에 단위 부피당 높은 접촉면적을 통해 장치 크기를 줄일 수 있다는 큰 장점을 가진다. 또한, 기상과 액상은 독립적으로 제어가 가능하고, 범람, 거품 등의 운전상 문제없이 기체 유속을 늘릴 수 있기 때문에 동일 부피에서 장치의 처리 용량 증가가 가능하다. 또한, 단위 모듈의 개수 조절을 통해 접촉 면적을 쉽게 제어 가능하고, 시스템 예측이 비교적 수월하기 때문에 공정 격상(scale up)에 유리하다. 막 접촉기는 기존의 흡수 공정에 비해 약 30배의 유효 접촉 면적을 제공하는 것으로 알려져 있으며, 흡수 단위공정의 크기를 10배까지 줄일 수 있다고 보고되고 있다.
분리막 모듈은 평판형, 나권형, 관형, 중공사형 등이 있으나, 중공사막은 다른 제형에 비해 단위 부피당 막면적을 극대화할 수 있고 컴팩트한 모듈 구성이 가능하기 때문에 최근 가장 주목을 받고 있다.
종래 중공사막 모듈은 도 1에 나타낸 바와 같이, 중공사막(10)을 수용하는 하우징(100), 쉘 사이드(Shell side) 유체 주입부(110a, 110b), 루멘 사이드(Lumen side) 유체 주입부(120a, 120b), 포팅부(400)를 포함한다.
그런데, 종래 중공사막 모듈 내의 접촉분리막에서는 막 저항이 존재하였는데, 특히 기본 단위 모듈을 이용한 장기 운전 시, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 쉘 사이드(Shell side) 주입부에서 압력이 걸리기 때문에 파과 압력(breakthrough pressure) 이상으로 압력이 올라가서 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 분리막에 흡수제에 의한 젖음 현상이 발생하였다. 분리막이 흡수제에 의해 젖었을 때 물질전달 저항은 급격하게 증가한다. 또한, 종래의 일반적인 중공사막 모듈에서는 중공사 다발을 일렬로 평행하게 포팅하는데, 이때 대부분의 경우에는 분리막 사이 간격이 불균일한 분포를 갖게 된다. 따라서 모듈의 쉘 사이드(shell side)에 심한 유체 편류 및 바이패스 현상이 발생하여 물질전달 특성 감소를 야기할 수 있다. 이는 실험실 규모에서는 잘 나타나지 않지만, 대형 공정 설계 시 심각한 문제를 야기할 수 있다. 또한, 세라믹 중공사막은 깨지기 쉽기 때문에 포팅시에 파손되어 제조가 어려운 문제가 있었다. 또한, 분리막 기공과 모듈화에 사용된 씰링 물질이 흡수제에 의해 손상될 수 있으며, 모듈 수명에 따른 교체 비용이 추가적으로 발생한다. 그리고 중공사막의 작은 내경으로 유체가 흐르면서 발생하는 압력 강하 증가 현상은 공정 운전비용을 상승시킨다. 이와 같은 단점들은 접촉분리막의 상용화에 큰 걸림돌으로 작용하고 있으며, 산업 현장 적용에 많은 제약을 초래해왔다.
따라서, 접촉분리막에서 유체 흐름에 따라서 기상과 액상보다 막 저항에 의해 전체 성능이 좌우될 수 있다. 이는 접촉분리막 공정 설계 시, 분리막과 흡수제의 구조 및 특성뿐만 아니라 유체 흐름을 제어한 모듈 구조를 고려가 중요함을 나타낸다. 이에, 중공사막의 규칙적인 배열, 충진률, 유체의 흐름 방향 등이 중요한 요소로 고려된 모듈 디자인 개발이 주요한 이슈로 떠오르고 있다.
1. 대한민국 특허출원번호 제10-2014-0161849호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 세라믹 중공사막의 파손을 방지할 수 있고, 하우징 내부 공간에 균등하게 배치할 수 있으며, 제1 유체 및 제2 유체가 각각 쉘 사이드 분산 주입 유닛 및 루멘 사이드 분산 주입 유닛을 통해 골고루 주입되어 분리막 젖음 현상 없이 높은 물질전달 효율을 유지하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수 개의 세라믹 중공사막으로 이루어진 중공사막 다발, 상기 중공사막 다발 내의 각각의 중공사막을 둘러싸는 친수성 금속 메쉬(mesh), 상기 친수성 금속 메쉬로 둘러싸인 세라믹 중공사막 다발이 수용되고, 양단부에 제1 유체가 이동가능한 복수 개의 관통홀이 각각 형성되는 원통형의 하우징, 상기 하우징의 일단부에 결합되며 제2 유체가 중공사막의 루멘 사이드(Lumen side)로 출입되는 출입구가 형성되고, 상기 루멘사이드 출입구와 중공사막 간에 연통공간이 형성되는 루멘 사이드 분산 주입 유닛, 및 상기 원통형 하우징의 일단부에 외주면의 주위를 둘러싸며, 상기 하우징의 관통홀과 연통되도록 연통공간이 형성되고, 일측에는 제1 유체가 쉘 사이드(shell side)로 출입되는 출입구가 형성된 쉘 사이드 분산 주입 유닛을 포함하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 친수성 금속 메쉬로 둘러싸인 세라믹 중공사막 다발은 상기 세라믹 중공사막을 친수성 금속 메쉬에 일렬로 정렬한 후 말아서 형성될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 중공사막 다발은 하우징 내 세라믹 중공사막 충진률이 10~60%가 되도록 형성될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 친수성 금속 메쉬는 친수성 스테인레스 메쉬일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 제1 유체와 제2 유체가 교차 흐름(cross-flow) 방식으로 접촉할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 유체는 흡수제를 포함하는 액체이고, 상기 제2 유체는 흡착대상을 포함하는 기체일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 유체는 CO2를 흡수하는 아민계 용액이고, 상기 제2 유체는 CO2와 N2를 포함하는 기체일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 유체 주입시 유체가 쉘 사이드 분산 주입 유닛 내의 연통 공간을 통해 하우징의 둘레를 둘러싸면서 퍼져 나가 압력이 골고루 분산된 상태로 관통홀을 통해 주입되어 중공사막과 접촉할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 단위 모듈의 연결을 위해 연결부를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 액상과 기상의 압력 차이를 조절하기 위하여 보조 펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 세라믹 중공사막들을 친수성 금속 메쉬에 배열시킨 후 말아서 포팅함으로써 세라믹 중공사막의 파손을 방지할 수 있고, 하우징 내부 공간에 균등하게 배치할 수 있으며, 쉘 사이드 분산 주입 유닛 및 루멘 사이드 분산 주입 유닛에 연통 공간을 형성시킴으로써, 세라믹 중공사 접촉막 모듈 내에 유체의 압력을 분배하여, 분리막 젖음 현상 없이 물질전달 효율을 유지하면서 안정적인 운전이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 전체적인 구조를 나타내는 개념도이다.
도 2는 종래 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, (a) 쉘 사이드 주입부에서의 유체의 흐름과, (b) 흡수제에 의한 젖음 현상을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 전체적인 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 사진이다.
도 5는 기존 세라믹 중공사막 포팅의 문제점과, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 친수성 금속 메쉬를 이용하여 형성된 세라믹 중공사막 다발의 형성 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 친수성 금속 메쉬를 이용하여 형성된 세라믹 중공사막 다발을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 쉘 사이드 분산 주입 유닛에서 유체의 흐름을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 쉘 사이드 분산 주입 유닛의 단면도에서 유체의 흐름을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 루멘 사이드 분산 주입 유닛에서 유체의 흐름을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 연결부를 나타내는 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 단위 모듈이 여러 개 연결된 모습을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 운전방법을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 보조 펌프가 구비된 도면이다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 전체적인 구조를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 사진이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 상기 중공사막 다발이 수용되는 하우징(100), 쉘 사이드 분산 주입 유닛(102) 및 루멘 사이드 분산 주입 유닛(200)을 포함한다.
상기 하우징(100)은 원통형의 큰 관 형상으로, 내부에 중공 형상인 하우징공간부가 형성되어, 복수의 중공사막(10)이 하우징 공간부에 수용된다.
여기서 중공사막(10)은 미세한 기공이 형성되는 표면과 중공을 갖는 관 형상으로 형성되는 분리막이며, 이때, 상기 중공사막(10)은 세라믹 중공사막이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 친수성 금속 메쉬를 이용하여 형성된 세라믹 중공사막 다발을 나타낸다.
상기 중공사막(10) 다발의 양단부는 합성수지가 경화되어 형성되는 포팅부(400)에 의하여 고정된다. 액상의 합성수지는 중공사막들 사이의 공극을 메우게 된다. 이때, 일반적으로 중공사막(10) 다발을 형성하는 과정에서 도 5에 나타낸 바와 같이, 세라믹 중공사막(10)이 꼬여 들어간 경우에는 포팅부(400) 형성시 세라믹 중공사막이 깨지는 현상이 발생하며, 분리막 사이 간격이 불균일한 분포를 갖게 됨으로써, 모듈의 쉘 사이드(shell side)에 심한 유체 편류 및 바이패스 현상이 발생하여 물질전달 특성 감소를 야기할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 세라믹 중공사막(10)을 친수성 금속 메쉬(mesh)(500)에 일렬로 정렬한 후 말아서 중공사막(10) 다발을 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 친수성 금속 메쉬(500)는 중공사막(10)을 감싼 형태로 형성되어 포팅부(400) 형성시 중공사막이 깨지는 것을 방지하고, 중공사막 간에 적절한 간격을 유지함으로서, 기/액 물질전달을 할 수 있는 공간을 확보하며, 모듈 포팅시 접착제가 중공사막 사이로 들어가 씰링될 수 있는 공간을 확보하며, 쉘 사이드의 편류 현상을 방지할 수 있다.
이때, 상기 친수성 금속 메쉬는 당업계에서 일반적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 친수성 스테인레스 메쉬를 사용하였다.
상기 중공사막(10) 다발은 하우징 내 세라믹 중공사막 충진률이 10~60%가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 만일 충진률이 60%를 초과하면, 모듈 제작시 씰링제가 중공사막 간의 사이로 주입이 잘 되지 않기 때문에 씰링이 제대로 되지 않고 새는 문제가 있다.
상기 하우징(100)의 양단부에는 유체가 이동가능한 복수 개의 관통홀(101)이 형성되어 있다. 상기 관통홀(101)이 형성된 영역에는 쉘 사이드 분산 주입 유닛(102)이 설치된다.
상기 쉘 사이드 분산 주입 유닛(102)은 상기 하우징의 관통홀(101)이 형성된 영역을 포함하여 원통형 하우징의 일단부에 외주면의 주위를 둘러싸며, 상기 하우징의 관통홀과 연통되도록 연통공간이 형성되고, 일측에는 유체가 출입되는 출입구(110a, 110b)가 형성된다.
상기 하우징(100)의 상부 및 하부의 쉘 사이드 분산 주입 유닛(102)에 형성된 유체 출입구(110a, 110b)에 있어서, 제1 출입구(110a)로 주입된 유체는 제2 출입구(110b)로 배출되고, 반대로 제2 출입구(110b)로 주입된 유체는 제1 출입구(110a)로 배출되게 된다. 상기 유체는 흡착 대상을 포함하는 기체이거나, 흡수제를 포함하는 액체일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 액상 흡수제와 기체가 효율적으로 만나 물질전달 특성을 향상시키기 위한 목적으로, 교차 흐름(Cross-flow) 방식을 적용한 것에 특징이 있다. 기존의 접촉막 모듈은 분리막을 사이에 두고 기상과 액상이 향류 또는 병류로 평행하게 만나는 평행 흐름(Longitudinal-flow) 방식을 사용하였으나, 본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 사용되는 교차 흐름 방식은 기상과 액상이 수평이 아닌 수직 또는 특정한 각도를 갖고 접촉할 수 있도록 유도되는 방식이다. 이러한 교차 흐름 방식은 모듈의 쉘 사이드(shell side)의 바이패스(bypass)를 최소화하고, 분리막 표면을 때리는 방향으로 유체의 흐름이 형성될 수 있기 때문에 물질전달 특성을 향상시킬 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 쉘 사이드 분산 주입 유닛에서 유체의 흐름을 나타낸다.
도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 상기 쉘 사이드 분산 주입 유닛(102)의 출입구(110a, 110b)로 주입된 유체는 직접적으로 중공사 접촉막에 접하는 것이 아니라 하우징을 둘러싸는 연통 공간을 통해 하우징의 둘레를 둘러싸면서 퍼져나가면서 하우징에 형성된 복수개의 관통홀(101a)을 통해 하우징 내부의 중공사 접촉막으로 주입된다. 따라서, 유체 주입시 압력이 골고루 분산되어 주입되며, 교차 흐름 방식으로 주입되어 분리막 젖음 현상 없이 높은 물질전달 효율을 유지하면서 안정적인 운전이 가능하다.
상기 중공사 접촉막과 접촉한 유체는 중공사 접촉막의 길이방향대로 이동하여 하우징의 말단에 형성된 복수개의 관통홀(101b)을 통해 하우징 외부로 빠져나온다. 본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 1단으로 사용할 수 있고, 2단으로 연결도 가능하다. 만일 상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈이 2단으로 연결된 경우에도, 동일한 원리로 하우징의 외부로 빠져나온 유체는 연결부를 통해 이동하여 다음 모듈의 하우징 일단에 형성된 관통홀(101c)을 통해 하우징 내부의 중공사 접촉막으로 주입되고, 중공사 접촉막의 길이방향대로 이동하여 하우징 말단에 형성된 복수개의 관통홀(101d)을 통해 하우징 외부로 빠져나온다.
상기 루멘 사이드 분산 주입 유닛(200)은 상기 하우징(100)의 상부 및 하부에 결합될 수 있으며, 일측에는 유체가 중공사막의 루멘 사이드(Lumen side)로 출입되는 출입구(120a, 120b)가 형성되고, 상기 루멘사이드 출입구(120a, 120b)와 중공사막 간에 연통공간이 형성되어 있다.
상기 루멘 사이드 분산 주입 유닛(200)에 형성된 유체 출입구(120a, 120b)에 있어서, 제1 출입구(120a)로 주입된 유체는 제2 출입구(120b)로 배출되고, 반대로 제2 출입구(120b)로 주입된 유체는 제1 출입구(120a)로 배출되게 된다. 상기 유체는 흡착 대상을 포함하는 기체이거나, 흡수제를 포함하는 액체일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 만일, 쉘 사이드 분산 주입 유닛(102)에 형성된 유체 출입구(110a, 110b)에 흡수제를 포함하는 액체가 주입되는 경우, 루멘 사이드 분산 주입 유닛(200)에 형성된 유체 출입구(120a, 120b)에는 흡착 대상을 포함하는 기체가 주입되고, 만일, 쉘 사이드 분산 주입 유닛(102)에 형성된 유체 출입구(110a, 110b)에 흡착 대상을 포함하는 기체가 주입되는 경우에는 루멘 사이드 분산 주입 유닛(200)에 형성된 유체 출입구(120a, 120b)에는 흡수제를 포함하는 액체가 주입될 수 있다.
바람직하게는, 쉘 사이드 분산 주입 유닛(102)에 형성된 유체 출입구(110a, 110b)에 흡수제를 포함하는 액체가 주입되고, 루멘 사이드 분산 주입 유닛(200)에 형성된 유체 출입구(120a, 120b)에는 흡착 대상을 포함하는 기체가 주입될 수 있다. 이때, 상기 흡착 대상을 포함하는 기체로는 CO2 및 N2를 포함하는 기체일 수 있으며, 상기 흡수제를 포함하는 액체는 CO2를 흡수할 수 있는 아민계 용액을 사용할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 루멘 사이드 분산 주입 유닛에서 유체의 흐름을 나타낸다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 루멘 사이드 분산 주입 유닛(200) 또한 연통 공간을 형성하고 있으므로, 상기 루멘 사이드 분산 주입 유닛(200)의 출입구(210a, 210b)로 주입된 유체는 직접적으로 중공사막에 접하는 것이 아니라 연통 공간을 채우면서 이동하므로 압력이 골고루 분산되어 주입될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 상기 세라믹 중공사막은 고분자 중공사막과 달리 길이를 늘리면 깨지기 쉬우므로, 대면적화를 위해서는 단위 모듈의 효율적인 연결이 중요하다. 이에 본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 단위 모듈을 연결하기 위한 연결부(600, 601)를 더 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 연결부를 나타내는 사진이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 루멘 사이드 연결부(601) 및 쉘 사이드 연결부(600)를 통하여 연결할 수 있으며, 상기 루멘 사이드 연결부(601) 및 쉘 사이드 연결부(600) 또한 연통 공간을 형성하고 있으므로, 이동하는 유체는 연통 공간을 채우면서 이동하므로 모듈 내의 압력이 골고루 분산되게 된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 단위 모듈이 여러 개 연결된 모습을 나타내는 도면이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 연결부(600, 601)를 이용하여 여러 단으로 연결하여 길이를 조절할 수 있다.
또한, 상기 중공사 접촉막 모듈이 연결되어 길이가 증가하게 되면, 후단의 모듈에서는 농도 분극 현상에 의하여 성능이 감소할 수 있다. 이에, 상기 쉘 사이드 연결부(600)의 일측에는 유체 출입구(602)가 형성될 수 있다. 상기 연결부의 유체 출입구(602)에서 새로운 유체를 분산하여 공급해주면 이러한 농도 분극 현상을 최소화할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 운전방법을 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 도 12에 나타낸 바와 같이, 기/액 흐름에 따른 8가지 운전 방법이 모두 가능하며, 목적에 맞는 운전 조건을 선택하여 운전을 수행할 수 있다.
이때, 액상과 기상의 압력 균형을 맞추는 것이 중요한데, 만일 액상의 압력이 최소침투압력 이상이 되면 도 2에 나타낸 바와 같이 분리막 기공이 액상으로 젖는 현상이 발생하여 접촉막 성능이 현저하게 감소하게 된다. 또한, 기상의 압력이 높게 되면 기상이 액상으로 넘어가 액상에 기포가 생성될 수 있다.
따라서, 접촉막 공정에서 액상과 기상의 압력 차(ΔP)를 조절하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로는 액상의 압력을 기상보다 약간 높게 유지하며, 상기 액상과 기상의 압력 차(ΔP)를 일정하게 조절하기 위하여, 본 발명에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 추가로 보조 펌프를 구비할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 보조 펌프가 구비된 도면이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 보조 펌프(700) 높이에 따라 액상의 높이 조절이 가능하며, 이를 통해 액상과 기상의 압력 차(ΔP)의 조절이 가능하다.
본 발명에 따르면, 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 있어서, 세라믹 중공사막들을 친수성 금속 메쉬에 배열시킨 후 말아서 포팅함으로써 세라믹 중공사막의 파손을 방지할 수 있고, 하우징 내부 공간에 균등하게 배치할 수 있으며, 쉘 사이드 분산 주입 유닛 및 루멘 사이드 분산 주입 유닛에 연통공간을 형성함으로써, 세라믹 중공사 접촉막 모듈 내에 유체의 압력을 분배하여, 분리막 젖음 현상 없이 물질전달 효율을 유지하면서 안정적인 운전이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 중공사막
100: 하우징
101, 101a, 101b, 101c, 101d: 하우징의 관통홀
102: 쉘 사이드 분산 주입 유닛
110a, 110b: 쉘 사이드 분산 유닛의 유체 출입구
200: 루멘 사이드 분산 주입 유닛
120a, 120b: 루멘 사이드 분산 주입 유닛의 유체 출입구
400: 포팅부
500: 친수성 금속 메쉬
600: 쉘 사이드 연결부
601: 루멘 사이드 연결부
602: 연결부의 유체 출입구
700: 보조 펌프

Claims (10)

  1. 복수 개의 세라믹 중공사막으로 이루어진 중공사막 다발;
    상기 중공사막 다발 내의 각각의 중공사막을 둘러싸는, 편류 방지용 친수성 금속 메쉬(mesh);
    상기 친수성 금속 메쉬로 둘러싸인 세라믹 중공사막 다발이 수용되고, 양단부에 제1 유체가 이동가능한 복수 개의 관통홀이 각각 형성되는 원통형의 하우징;
    상기 하우징의 일단부에 결합되며 제2 유체가 중공사막의 루멘 사이드(Lumen side)로 출입되는 출입구가 형성되고, 루멘사이드 유체 출입구와 중공사막 간에 연통공간이 형성되는 루멘 사이드 분산 주입 유닛; 및
    상기 원통형의 하우징 일단부에 외주면의 주위를 둘러싸며, 상기 하우징의 관통홀과 연통되도록 연통공간이 형성되고, 일측에는 제1 유체가 쉘 사이드(shell side)로 출입되는 출입구가 형성된 쉘 사이드 분산 주입 유닛을 포함하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 금속 메쉬로 둘러싸인 세라믹 중공사막 다발은 상기 세라믹 중공사막을 친수성 금속 메쉬에 일렬로 정렬한 후 말아서 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 다발은 하우징 내 세라믹 중공사막 충진률이 10~60 체적%가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 금속 메쉬는 친수성 스테인레스 메쉬인 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 제1 유체와 제2 유체가 교차 흐름(cross-flow) 방식으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체는 흡수제를 포함하는 액체이고, 상기 제2 유체는 흡착대상을 포함하는 기체인 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체는 CO2를 흡수하는 아민계 용액이고, 상기 제2 유체는 CO2와 N2를 포함하는 기체인 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 유체 주입시 유체가 쉘 사이드 분산 주입 유닛 내의 연통 공간을 통해 하우징의 둘레를 둘러싸면서 퍼져 나가 압력이 골고루 분산된 상태로 관통홀을 통해 주입되어 중공사막과 접촉하는 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 단위 모듈의 연결을 위해 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
  10. 제1항에 있어서
    상기 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 액상과 기상의 압력 차를 조절하기 위하여 보조 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈.
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