KR101692053B1 - Membrane distillation- crystallization system and method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막증류-결정화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 막증류-결정화 시스템 및 방법은 염이 포함된 원수를 일정 온도로 가열한 후 소수성 다공성 중공사 모듈의 일측에 공급하고 증기화된 물을 반대측에 진공을 가하여 제거하며 제거된 물은 컨덴서를 이용하여 생산수로 회수한다. 소수성 다공성 중공사 모듈을 통과하는 동안 물이 제거되어 염의 농도가 높아진 높은 온도의 원수를 결정화 탱크의 상부에 설치된 낮은 온도의 원수라인과 열교환을 통해 염의 결정화를 유도하고, 결정화된 염을 결정화 탱크 하부로 회수한다. 이와 같은 방법을 이용하여 해수담수화에 적용할 경우, 순수한 물과 소금을 얻을 수 있으며, 원자력 폐수에 적용할 경우 처리되어야 하는 방사성 염의 양을 최소화 할 수 있다.The present invention relates to a membrane distillation-crystallization system and method.
The membrane distillation-crystallization system and method of the present invention is characterized in that the raw water containing the salt is heated to a certain temperature and then supplied to one side of the hydrophobic porous hollow fiber module, the vaporized water is removed by applying vacuum to the opposite side, To be recovered as production water. The water is removed while the hydrophobic porous hollow fiber module is passed through and the raw water having a high concentration of salt is induced to crystallize the salt through heat exchange with a low temperature raw water line installed in the upper part of the crystallization tank, . When applied to seawater desalination using this method, pure water and salt can be obtained, and the amount of radioactive salt to be treated when applied to nuclear waste water can be minimized.

Description

막증류-결정화 시스템 및 방법{MEMBRANE DISTILLATION- CRYSTALLIZATION SYSTEM AND METHOD}[0001] MEMBRANE DISTILLATION - CRYSTALLIZATION SYSTEM AND METHOD [0002]

본 발명은 낮은 농도의 각종 염을 포함하는 수용액을 소수성 다공성 중공사막 모듈을 이용하여 일정온도에서 물만을 중공사의 세공을 통해 증류하여 중공사 모듈을 통과한 수용액의 염 농도를 증가시키는 막증류 공정과 농도가 증가된 수용액의 온도를 낮추어 염을 결정화시켜 회수하는 결정화 공정을 동시에 수행하여 막증류 공정을 통해 고순도의 물을 회수하고 결정화 공정을 통해 염을 회수하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a membrane distillation process in which an aqueous solution containing various salts at a low concentration is distilled by using a hydrophobic porous hollow fiber membrane module at a predetermined temperature through hollow pores to increase the salt concentration of an aqueous solution passed through the hollow fiber module The present invention relates to a system and a method for recovering highly pure water through a membrane distillation process and recovering a salt through a crystallization process by simultaneously performing a crystallization process in which a salt is crystallized by reducing the temperature of an aqueous solution with an increased concentration.

수용액 중의 염을 농축하거나 해수담수화 등에는 주로 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 방법이 주로 사용되고 있다. Reverse osmosis (RO) methods are mainly used for concentrating salts in aqueous solutions or for desalination of seawater.

역삼투막은 기공이 거의 없는 막의 종류로 이온 단위의 물질을 제거하기에 적합하기 때문에 이 분야에 주로 응용되고 있다. Reverse osmosis membranes are a kind of membranes with little porosity and are mainly applied in this field because they are suitable for removing ionic substances.

하지만 역삼투법은 삼투압 이상의 압력을 가해야 하기 때문에 에너지 소모량이 높다. However, the reverse osmosis method requires higher pressure than the osmotic pressure, so the energy consumption is high.

또한, 원수의 염 농도가 낮을 경우에는 삼투압이 낮아 비교적 낮은 압력에서 운전이 가능하지만, 여과가 진행됨에 따라 원수의 염 농도가 증가함에 따라 점점 더 높은 운전압력이 요구되며, 투과되는 물의 양 또한 염 농도 증가에 따라 급격히 감소하는 단점이 있다.In addition, when the salt concentration of the raw water is low, the osmotic pressure is low and the operation can be performed at a relatively low pressure. However, as the salt concentration of the raw water increases as the filtration proceeds, a higher operating pressure is required, There is a disadvantage that it rapidly decreases as the concentration increases.

막증류(Membrane Distillation, MD)는 1964년 findley가 이론을 처음 소개하였다. Membrane Distillation (MD) was first introduced by findley in 1964.

막 증류는 소수성 다공성 분리막을 사용하여 일정 온도로 가열된 염을 포함하는 수용액을 분리막의 한쪽으로 공급하면, 해당 온도에서 물의 증기압에 의해 발생된 수증기가 다공성 분리막의 세공을 통하여 반대쪽인 투과측으로 이동하게 되며, 대부분의 염들은 온도 증가에도 증기압이 거의 없기 때문에 순수한 물을 투과측에서 얻을 수 있다. Membrane distillation is performed by supplying an aqueous solution containing a salt heated to a predetermined temperature to a membrane by using a hydrophobic porous membrane, and the water vapor generated by the vapor pressure of water at the corresponding temperature is moved to the opposite side through the pores of the porous membrane Since most salts have little vapor pressure even with increasing temperature, pure water can be obtained from the permeate side.

또한 MD는 증발에 의해 운전되기 때문에 별도의 압력을 필요로 하지 않으며, RO에 비해 염 제거율이 상당히 좋은 편이다. In addition, since the MD is operated by evaporation, no additional pressure is required, and the salt removal rate is much better than that of RO.

또, 휘발성이 거의 없는 이온성분인 경우 제거율이 매우 뛰어나고, 최근 상기 RO 공정에서 문제가 되고 있는 보론(boron)에 대한 제거율도 매우 좋은 것으로 알려져 있다. Also, it is known that the ion removal rate is very excellent in the case of an ion component having little volatility, and the removal rate of boron, which is a problem in the RO process recently, is also very good.

또한, RO와 비교하여 가장 큰 장점은 물의 투과도가 원수의 농도에 그렇게 큰 영향을 받지 않는다는 것이다. In addition, the greatest advantage compared with RO is that the permeability of water is not so affected by the concentration of the raw water.

어느 정도 영향을 받지만, RO에 비해서는 미미한 수준에 불과하기 때문에 다양한 농도의 원수에서도 유사한 양의 물 투과도를 얻을 수 있다.It is affected to a certain degree, but it is only a small level compared with RO, so that a similar amount of water permeability can be obtained even in raw water of various concentrations.

막증류는 처음 소개되었을 때 개념상으로 매우 매력적이었기 때문에 담수화 기술로 사용하려는 시도를 포함하여 다양한 연구가 진행되었지만, 당시에는 생산효율이 RO막에 비해 더 낮았기 때문에 생산성의 문제로 인해 상용화되기 어려운 단점이 있었다. Membrane distillation was very attractive in terms of concept when it was first introduced, and various studies including attempts to use it as a desalination technology have been carried out. However, since the production efficiency was lower than that of the RO membrane at that time, There were disadvantages.

생산성이 낮은 이유는 당시 소수성 다공성 분리막을 생산하는 기술력이 부족했던 점을 꼽을 수 있다. The low productivity is due to the lack of technology to produce hydrophobic porous membranes at the time.

1980년대 이르러 막 소재 기술이 발전함에 따라 막증류 기술이 경쟁력을 갖는 기반이 마련되었으며, 현재에는 다양한 막 소재와 방법이 적용되어 막증류 기술의 발전이 이루어지고 있다.As the membrane material technology developed in the 1980s, membrane distillation technology was established as a competitive basis. Now, various membrane materials and methods are applied to develop membrane distillation technology.

막증류와 관련된 기술을 살펴보면, "제철 폐수 재이용을 위한 처리방법 및 처리 시스템"(한국 등록특허공보 제10-2015-1502675호, 특허문헌 1)에는 제철 폐수가 pH조정부에 유입되어 상기 폐수의 pH를 낮추는 단계; pH조정부에서 토출된 폐수가 막여과부로 유입되어 여과되는 단계; 막여과부를 통해 여과된 폐수가 RO 여과부로 유입되어 최종 공정수 생성 단계; RO 여과부에 의해 농축수가 농축수처리부로 유입되고, RO 생산수는 재이용을 위해 배출되는 단계; 및 농축수처리부로 유입된 농축수는 막증류 방식으로 증발처리에 의해 증발된 수증기는 다시 상기 RO 여과부의 생산수와 합류시키는 공정이 공개되어 있다.In the case of a technique related to membrane distillation, "a treatment method and a treatment system for the recycling of steel wastewater" (Korean Patent Registration No. 10-2015-1502675, Patent Document 1) discloses that the steel wastewater flows into the pH- ; the wastewater discharged from the pH adjusting unit flows into the membrane filtration unit and is filtered; The filtered wastewater flows into the RO filtration section through the membrane filtration section to produce a final process water; The concentrated water is introduced into the concentrated water treatment section by the RO filtration section and the RO produced water is discharged for reuse; And the concentrated water flowing into the concentrated water treatment unit has a process of combining the water vapor evaporated by the evaporation process with the production water of the RO filtration unit.

또, "정삼투-막증류 하이브리드 담수화방법"(한국 공개특허공보 제10-2014-0065156호, 특허문헌 2)에는 정삼투 방식을 이용하여 해수에 포함된 담수 일부를 유도용액으로 이동하여, 상기 해수의 농도가 높아진 농축수와 상기 유도용액에 상기 담수가 혼합된 혼합용액을 생성하는 정삼투단계; 상기 혼합용액에서 상기 유도용액을 분리하여, 상기 담수를 회수하는 유도용액 분리단계; 상기 농축수에 열을 가하는 농축수 가열단계; 및 상기 농축수를 막증류처리하여, 상기 농축수 내의 담수를 회수하는 막증류단계;로 이루어진 구성이 공개되어 있다.In addition, the "seawater-membrane distillation hybrid desalination method" (Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0065156, Patent Document 2) discloses a method in which a part of fresh water contained in seawater is transferred to an inductive solution using a forward osmosis method, A pure osmotic step of producing concentrated water having a high concentration of seawater and a mixed solution in which the fresh water is mixed with the induction solution; An inducing solution separation step of separating the inducing solution from the mixed solution and recovering the fresh water; A concentrated water heating step of applying heat to the concentrated water; And a membrane distillation step of subjecting the concentrated water to a membrane distillation treatment to recover fresh water in the concentrated water.

특허문헌 1 및 특허문헌 2에 나타나 있는 바와 같이 종래의 막증류 처리 공정은 정삼투, 역삼투를 주된 공정으로 하는 공정상에서 발생하는 농축수의 마무리 증류 처리 공정에 주로 사용되어 왔다.As shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, the conventional membrane distillation treatment process has been mainly used in a finishing distillation treatment process of concentrated water generated in a process of mainly osmosis and reverse osmosis.

이는 막증류를 위한 분리막에 수막이 발생하거나 이물질로 인한 폐색 현상 때문에 기인한 것으로 이러한 문제점을 해소하기 위해 "공기를 이용한 친수방지 기능을 가지는 막증류 공정에 의한 담수생산장치"(한국 등록특허공보 제10-1388475호, 특허문헌 3)에는 공기를 이용하여 정기적으로 막증류 모듈의 분리막을 건조시켜 담수 생산 능력을 높일 수 있도록 하였다.This is due to the occurrence of a water film in the membrane for membrane distillation or clogging due to foreign substances. In order to solve this problem, a " device for producing fresh water by a membrane distillation process with hydrophilic function using air " 10-1388475, and Patent Document 3), the separation membrane of the membrane distillation module is periodically dried using air to enhance the fresh water production capacity.

상기 특허문헌 3에서 막증류 후 발생한 농축수는 그대로 폐기 처리되었다.
In Patent Document 3, concentrated water generated after membrane distillation was discarded as it is.

KR 10-1502675 (2015.03.09)KR 10-1502675 (2015.03.09) KR 10-2014-0065156 (2014.05.29)KR 10-2014-0065156 (2014.05.29) KR 10-1388475 (2014.04.17)KR 10-1388475 (April 4, 2014)

본 발명의 막증류-결정화 시스템 및 방법은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 염을 포함하는 원수를 일정한 온도까지 가열하여 막증류를 통해 물을 증류, 제거하여 해당 염의 포화농도 근처까지 포화시킨 후 염을 포함하는 차가운 원수를 이용하여 염을 결정화하여 회수하는 결정화를 통해 고순도의 물과 염을 회수하는 것이다.The membrane distillation-crystallization system and method of the present invention is intended to solve the problems caused by the conventional art as described above. The distillation-crystallization system and method of the present invention are characterized by heating raw water containing a salt to a predetermined temperature, distilling and removing water through membrane distillation, And then recovering high purity water and salt through crystallization by recovering the salt by using cold raw water containing salt.

또, 막증류를 위해 공급되는 원수가 막증류 후 가열된 상태로 배출되는 농축수와 열교환이 이루어지도록 함으로써 결정화를 위한 냉각 에너지와, 막증류를 위한 가열 에너지를 동시에 활용할 수 있도록 함으로써 가열 및 냉각 효율이 모두 만족될 수 있게 하려는 것이다.In addition, since raw water supplied for membrane distillation is subjected to heat exchange with concentrated water discharged in a heated state after membrane distillation, cooling energy for crystallization and heating energy for membrane distillation can be used at the same time, To be satisfied.

더불어, 결정화기 내부에서 결정화되고 남은 수분을 예열 후 막증류탱크로 공급하여 막증류탱크에서의 가열이 원할히 이루어져 시간당 처리 효율을 높일 수 있게 하려는 것이다.In addition, the water remaining after crystallization inside the crystallizer is supplied to the membrane distillation tank after preheating, so that heating in the membrane distillation tank can be performed smoothly, thereby improving treatment efficiency per hour.

또, 스크류형 배출기가 결정화기 내부에 설치되어 결정화된 염의 배출이 원할히 이루어지도록 하려는 것이다.In addition, a screw-type discharger is installed inside the crystallizer so as to smoothly discharge the crystallized salt.

아울러, 분리막 모듈은 칸막이와 홀이 타공된 유로제어튜브가 설치되도록 함으로써 막증류 효율이 가일층 높아질 수 있게 하려는 것이다.
In addition, the membrane module is provided with a partition plate and a flow control tube with holes formed therein, so that the membrane distillation efficiency can be further enhanced.

본 발명의 막증류-결정화 시스템은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 일측으로 원수가 유입되어 내부에 저장되며, 벽면에 히터(11)가 설치되어 내부에 저장된 원수를 가열하고, 타측에 가열된 원수가 배출되는 배출관(12)이 연결되어 있는 막증류탱크(10)와; 소수성 재질의 다공성 고분자 재질로 이루어져 있으며, 중공 형태로 이루어진 다수의 중공사(21)와, 상기 중공사(21)를 감싸 설치된 모듈하우징(22)으로 이루어져 있되, 상기 모듈하우징(22)에는 중공사(21) 내부 공간인 튜브사이드(21a)와 연통된 튜브사이드유입구(21b) 및 튜브사이드배출구(21c)가 형성되어 있고, 중공사(21) 외부 공간인 쉘사이드(22a)와 연결된 쉘사이드유입구(22b) 및 쉘사이드배출구(22c)가 형성되어 있으며, 상기 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나는 상기 배출관(12)과 연결되어 가열된 원수가 선택된 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나를 통해 유입된 후 중공사 세공을 통해 증기화되면서 농도가 높아진 채 이동하여 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 선택된 어느 하나를 통해 배출되도록 이루어진 분리막모듈(20)과; 상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 선택된 어느 하나와 배관 연결되어 있으며, 증기상태의 수증기를 냉각시켜 생산수를 배출하는 컨덴서(30)와; 상기 컨덴서(30) 일측에 배관 연결되어 증기상태의 수증기가 분리막모듈(20)로부터 원할히 배출되어 컨덴서(30)에 전달될 수 있도록 하는 진공펌프(40)와; 상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 어느 하나와 연결된 농축수공급관(51a)이 상부 일측에 연결되어 고온의 농축수가 내부로 유입되고, 하부에 결정화에 의해 형성된 결정이 배출되는 결정배출구(51b)가 형성되어 있는 결정화하우징(51)과, 일측 공급부(52a)는 상기 결정화하우징(51) 외부로부터 상기 막증류탱크(10) 내부의 가열된 원수보다 온도가 낮은 온수가 공급되고, 중간부(52b)는 상기 결정화하우징(51) 내측 상부에 설치되어 상기 농축수공급관(51a)으로부터 유입된 고온의 농축수와 열교환되어 고온의 농축수 온도를 낮춰 결정화시켜 결정을 형성시키며, 타측 배출부(52c)는 상기 결정화하우징(51) 외부로 배출되도록 이루어진 열교환관(52)으로 구성된 결정화기(50)와; 일측이 상기 열교환관(52)의 배출부(52c)와 솔레노이드밸브(61)에 의해 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화기(50) 내부로 열교환관(52)을 통해 공급된 원수를 솔레노이드밸브(61)의 제어에 의해 선택적으로 배출하거나, 상기 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어진 제1순환관(60)과; 일측이 상기 결정화하우징(51) 상측에 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화하우징(51) 내부에서 결정화된 염을 제외한 나머지 염을 포함하는 수용액을 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어져 있는 제2순환관(70);을 포함하여 구성된다.The membrane distillation-crystallization system of the present invention is characterized in that raw water is introduced into one side and stored therein, and a heater (11) is installed on the wall to heat the raw water stored therein, A membrane distillation tank 10 to which a discharge pipe 12 through which raw water is discharged is connected; The module housing 22 is made of a porous polymeric material made of a hydrophobic material and includes a plurality of hollow fibers 21 in a hollow form and a module housing 22 enclosing the hollow fibers 21. A tube side inlet 21b and a tube side outlet 21c communicating with the tube side 21a which is an inner space of the hollow shell 21 are formed and the shell side inlet 22a connected to the shell side 22a, Side inlet 22b and the tube-side inlet 21b are connected to the outlet tube 12 so that the heated raw water is supplied to the selected shell side inlet 22b and the shell side outlet 22c, (22b) and the tube side inlet (21b), and is vaporized through the hollow fiber pores to move while being increased in concentration, so that either one of the tube side outlet (21c) and the shell side outlet (22c) The separation membrane module (20) made to be discharged through the; A condenser 30 connected to the selected one of the tube side outlet 21c and the shell side outlet 22c for cooling steam in the steam state to discharge the produced water; A vacuum pump 40 connected to one side of the condenser 30 to discharge water vapor in a vapor state from the separation membrane module 20 to the condenser 30; A concentrated water supply pipe (51a) connected to one of the tube side outlet (21c) and the shell side outlet (22c) is connected to one side of the upper portion to allow high-temperature concentrated water to flow therein, and crystals formed by crystallization are discharged to the lower portion The crystallization housing 51 in which the crystal outlet port 51b is formed and the one side supply section 52a are supplied with hot water having a temperature lower than that of the heated raw water in the film distillation tank 10 from the outside of the crystallization housing 51 And the middle part 52b are installed in the upper part of the inside of the crystallization housing 51 to exchange heat with the high-temperature concentrated water introduced from the concentrated water supply pipe 51a to lower the high-temperature concentrated water temperature to crystallize to form crystals, A crystallizer (50) composed of a heat exchange tube (52) configured to be discharged to the outside of the crystallization housing (51); One side of which is connected to the discharge section 52c of the heat exchange tube 52 by a solenoid valve 61 and the other side of which is connected to the membrane distillation tank 10 to be connected to the heat exchanger tube 52 A first circulation pipe 60 for selectively discharging the raw water supplied through the solenoid valve 61 to the membrane distillation tank 10; One side of which is connected to the upper side of the crystallization housing 51 and the other side of which is connected to the membrane distillation tank 10 so that an aqueous solution containing the salt other than the crystallized salt in the crystallization housing 51 is introduced into the membrane distillation tank And a second circulation pipe (70) configured to supply the first circulation pipe (10).

이때, 상기 막증류탱크(10) 내부에는 원수의 레벨을 측정하는 레벨센서(13)가 설치되어 있으며, 상기 레벨센서(13)와 상기 솔레노이드밸브(61)와 연결되어 막증류탱크(10) 내부의 원수 레벨에 따라 솔레노이드밸브(61)의 개폐 방향을 조절하는 컨트롤장치(80)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.A level sensor 13 for measuring the level of the raw water is provided in the membrane distillation tank 10 and connected to the level sensor 13 and the solenoid valve 61, And a controller 80 for controlling the opening and closing direction of the solenoid valve 61 according to the level of the raw water.

또, 상기 제2순환관(70)에는 내부 수용액을 가열하는 보조히터(71)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.The second circulation pipe (70) is further provided with an auxiliary heater (71) for heating the internal aqueous solution.

더불어, 상기 분리막모듈(20)은, 상기 모듈하우징(22)의 양단에 각각 설치되어 있고, 내부공간(23a)이 상기 튜브사이드(21a)와 연통되고 쉘사이드(22a)와 차단되도록 격벽(23b)이 형성되어 있는 두 개의 캡(23)과; 상기 두 캡(23)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(22) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부는 상기 쉘사이드유입구(22b)와 연결되어 있고, 타측 단부는 상기 쉘사이드배출구(22c)와 연결되어 있으며, 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(24a)가 설치되어 있고, 칸막이(24a)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(24b)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(22b) 측 홀(24b)로부터 액체가 쉘사이드(22a)로 이동하고, 쉘사이드배출구(22c) 측 홀(24b)을 통해 쉘사이드(22a) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(22c)로 이동하도록 이루어진 유로제어튜브(240);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the separator module 20 is installed at both ends of the module housing 22 so that the inner space 23a communicates with the tube side 21a, and the partition 23b Two caps 23 on which a cap is formed; A middle portion of the shell 23 is inserted through the two caps 23 so as to be positioned inside the module housing 22 and has one end connected to the shell side inlet 22b and the other end connected to the shell side outlet And a plurality of holes 24b are formed on the outer circumferential surfaces on both sides with respect to the partition 24a so that the shells 24a, The liquid moves from the hole 24b on the side of the side inlet 22b to the shell side 22a and the liquid on the side of the shell side 22a flows into the shell through the hole 24b on the side of the shell side outlet 22c, And a flow control tube (240) configured to move to the side outlet (22c).

본 발명의 막증류-결정화 방법은, 원수를 상기 막증류탱크(10)로 공급하여 히터(11)를 작동시켜 내부 원수를 60∼90℃로 가열하는 원수가열단계와; 가열된 원수를 상기 분리막모듈(20)의 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 선택된 어느 하나로 공급하고, 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 원수가 미공급되는 곳에는 진공을 가하여 농도가 원수보다 높아진 농축수와 수증기를 막증류 방식으로 분리하는 막증류분리단계와; 상기 분리막모듈(20)에서 분리된 수증기는 상기 컨덴서(30)를 통해 냉각시킨 후 배출하는 생산수배출단계와; 상기 분리막모듈(20)에서 분리된 농축수는 상기 결정화기(50)로 공급하고, 상기 열교환관(52)에는 농축수 온도보다 낮은 원수를 공급하여 열교환을 통해 농축수를 결정화시켜 배출하는 결정화단계와; 상기 열교환관(52)의 배출부(52c)로 배출된 원수를 제1순환관(60)을 통해 상기 막증류탱크(10)로 공급하는 제1순환단계와; 상기 제2순환관(70)을 통해 결정화하우징(51) 내부의 수용액을 막증류탱크(10)로 공급하는 제2순환단계;를 포함하여 구성된다.
The membrane distillation-crystallization method of the present invention comprises: a raw water heating step of supplying raw water to the membrane distillation tank (10) and operating the heater (11) to heat the internal raw water to 60 to 90 캜; The heated raw water is supplied to the selected one of the shell side 22a and the tube side 21a of the separation membrane module 20 and a vacuum is supplied to the place where the raw water among the shell side 22a and the tube side 21a is not supplied A membrane distillation separation step of separating the concentrated water and the water vapor whose concentration is higher than the raw water by a membrane distillation method; A production water discharging step of cooling the water vapor separated from the separation membrane module 20 through the condenser 30 and discharging the water vapor; The concentrated water separated from the separation membrane module 20 is supplied to the crystallizer 50 and the raw water lower than the concentration water temperature is supplied to the heat exchange tube 52 to crystallize and discharge the concentrated water through heat exchange Wow; A first circulation step of supplying the raw water discharged to the discharge part 52c of the heat exchange pipe 52 to the membrane distillation tank 10 through the first circulation pipe 60; And a second circulation step of supplying an aqueous solution in the crystallization housing (51) to the membrane distillation tank (10) through the second circulation pipe (70).

본 발명에 의해, 막증류를 통해 가열된 온도에서 염을 포함하는 원수의 물을 증류하여 해당 염의 포화농도 근처까지 포화시키는 막증류와 염을 포함하는 차가운 원수를 이용하여 염을 결정화하여 회수하는 결정화를 통해 고순도의 물과 염을 동시에 회수할 수 있게 된다.According to the present invention, there is provided a process for separating and purifying a salt by crystallizing a salt using cold distillation and salt-containing cold distillation which distills water of raw water including salt at a heated temperature through the distillation to saturate to a saturated concentration near the saturated salt, So that high purity water and salt can be simultaneously recovered.

또, 100℃ 이하의 온도를 사용하기 때문에 에너지 소비가 절감되어 경제적인 공정이 구성된다.In addition, since a temperature of 100 ° C or less is used, energy consumption is reduced and an economical process is constituted.

또, 막증류를 위해 공급되는 원수가 막증류 후 가열된 상태로 배출되는 농축수와 열교환이 이루어지도록 함으로써 결정화를 위한 냉각 에너지와, 막증류를 위한 가열 에너지를 열교환을 이용해 활용할 수 있도록 함으로써 가열 및 냉각 효율이 모두 만족될 수 있게 된다.In addition, the raw water supplied for the membrane distillation is subjected to heat exchange with concentrated water discharged in a heated state after the distillation of membranes, so that the cooling energy for crystallization and the heating energy for membrane distillation can be utilized by heat exchange, All the cooling efficiency can be satisfied.

더불어, 결정화기 내부에서 결정화되고 남은 수용액을 예열 후 막증류탱크로 공급하여 막증류탱크에서의 가열이 원할히 이루어져 시간당 처리 효율을 높일 수 있게 된다.In addition, the aqueous solution crystallized inside the crystallizer is supplied to the membrane distillation tank after preheating, so that heating in the membrane distillation tank can be performed easily, thereby improving treatment efficiency per hour.

또, 스크류형 배출기가 결정화기 내부에 설치되어 결정화된 염의 배출이 원할히 이루어지게 된다.In addition, the screw type discharger is installed inside the crystallizer, and the crystallized salt is discharged smoothly.

아울러, 분리막 모듈은 칸막이와 홀이 타공된 유로제어튜브가 설치되도록 함으로써 막증류 효율이 가일층 높아진다.
In addition, since the separation membrane module is provided with a partition and a flow control tube in which a hole is formed, the film distillation efficiency is further enhanced.

도 1은 본 발명의 막증류-결정화 시스템을 나타낸 공정도.
도 2는 본 발명에서 분리막 모듈의 일 실시예를 나타낸 부분절단 사시도.1 is a process diagram showing a membrane distillation-crystallization system of the present invention.
2 is a partially cutaway perspective view showing one embodiment of a separation membrane module in the present invention.

막증류는 기본적으로 증류법의 하나이기 때문에, 공급된 열에 의해 물이 제거되면, 원수의 염 농도가 증가하게 된다. Since membrane distillation is basically one of the distillation methods, when the water is removed by the supplied heat, the salt concentration of the raw water is increased.

원수로부터 막증류가 운전되는 온도에서 염이 포화되기 직전까지 물을 제거한 후 거의 포화된 원수를 냉각하면 염의 포화농도가 낮아져 염이 결정화되어 석출되게 된다. At the temperature where the membrane distillation operation is performed from the raw water, the water is removed until the salt is saturated, and when the nearly saturated raw water is cooled, the saturation concentration of the salt is lowered and the salt is crystallized and precipitated.

이처럼 막증류와 결정화가 하나의 공정으로 이루어지게 되면, 막증류로부터 순수한 물을 생산할 수 있으며, 결정화를 통해 수분을 포함하는 거의 고체상태의 염을 얻을 수 있게 된다. When the membrane distillation and crystallization are performed in a single process, pure water can be produced from the membrane distillation, and crystallization can obtain a nearly solid state salt containing water.

막증류-결정화 공정이 해수담수화에 적용되는 경우, 해수로부터 순수한 물과 더불어 소금을 얻을 수 있다.If the membrane distillation-crystallization process is applied to seawater desalination, it is possible to obtain salt with pure water from seawater.

또한, 막증류-결정화 공정이 원자력 폐수 분야에 적용될 경우, 원자력 폐수 내의 물을 제거함과 동시에 Cs 등 방사성 물질을 거의 고체상태로 얻을 수 있기 때문에 원자력 폐기물의 양을 획기적으로 저감할 수 있다.
In addition, when the membrane distillation-crystallization process is applied to the field of nuclear wastewater, the amount of nuclear waste can be drastically reduced because the water in the nuclear waste water can be removed and the radioactive material such as Cs can be obtained in a substantially solid state.

이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명의 막증류-결정화 시스템 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, the membrane distillation-crystallization system and method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 막증류-결정화 시스템은 크게 막증류탱크(10), 분리막모듈(20), 컨덴서(30), 진공펌프(40), 결정화기(50), 제1순환관(60), 제2순환관(70)을 포함하여 구성되어 있다.
The membrane distillation-crystallization system of the present invention mainly comprises a membrane distillation tank 10, a separation membrane module 20, a condenser 30, a vacuum pump 40, a crystallizer 50, a first circulation pipe 60, And a circulation pipe (70).

막증류탱크(10)는 도 1의 제1순환관(60)이나 원수저장탱크(1)와 연결된 배관을 통해 외부로부터 원수가 유입되어 내부에 저장된다.The membrane distillation tank 10 is filled with raw water from the outside through a pipe connected to the first circulation pipe 60 or the raw water storage tank 1 of Fig.

막증류탱크(10) 벽면에는 도 1에 도시된 것처럼 히터(11)가 설치되어 내부에 저장된 원수를 가열하도록 이루어져 있다.A heater 11 is installed on the wall surface of the membrane distillation tank 10 to heat the raw water stored therein.

아울러, 하부에는 가열된 원수가 배출되는 배출관(12)이 연결되어 배출되도록 이루어져 있다.In addition, a discharge pipe (12) through which the heated raw water is discharged is connected to the lower portion and discharged.

막증류탱크(10) 내부에는 도 1에 도시된 바와 같이 원수의 레벨을 측정하는 레벨센서(13)가 설치될 수 있으며, 내부 온도를 측정하는 미표기된 온도센서가 설치될 수 있다.
As shown in FIG. 1, a level sensor 13 for measuring the level of raw water may be installed in the membrane distillation tank 10, and an unrepresented temperature sensor for measuring the internal temperature may be installed.

분리막모듈(20)은 다수의 중공사(21)와, 모듈하우징(22)으로 구성되어 있다.The membrane module 20 comprises a plurality of hollow fibers 21 and a module housing 22.

중공사(21)는 소수성 재질의 다공성 고분자로 이루어져 있으며, 중공 형상을 취한다.The hollow fiber 21 is made of a porous polymer made of a hydrophobic material and has a hollow shape.

소수성 고분자로는 PP, PE, PVDF, PTFE 등 다양한 재질이 사용될 수 있다.As the hydrophobic polymer, various materials such as PP, PE, PVDF, and PTFE can be used.

모듈하우징(22)은 상기 중공사(21)를 감싸 설치된 모듈하우징(22)으로 이루어져 있다.The module housing (22) comprises a module housing (22) wrapped around the hollow fiber (21).

이때, 상기 모듈하우징(22)에는 중공사(21) 내부 공간인 튜브사이드(21a)와 연통된 튜브사이드유입구(21b) 및 튜브사이드배출구(21c)가 형성되어 있고, 중공사(21) 외부 공간인 쉘사이드(22a)와 연결된 쉘사이드유입구(22b) 및 쉘사이드배출구(22c)가 형성되어 있다.The module housing 22 is formed with a tube side inlet 21b and a tube side outlet 21c communicating with the tube side 21a which is an internal space of the hollow fiber yarn 21, A shell side inlet 22b and a shell side outlet 22c connected to the in-shell side 22a are formed.

이때, 상기 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나는 상기 배출관(12)과 연결되어 가열된 원수가 선택된 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나를 통해 유입되도록 이루어져 있다.At this time, the selected one of the shell side inlet 22b and the tube side inlet 21b is connected to the discharge tube 12 so that the heated raw water is supplied to the selected one of the shell side inlet 22b and the tube side inlet 21b It is made to flow through one.

유입된 가열 원수는 내부에서 중공사 세공을 통해 물이 증기화되어 농도가 높아진 농축수와 수증기가 각각 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a)로 분리되어 하나는 튜브사이드배출구(21c)를 통해 배출되고, 다른 하나는 쉘사이드배출구(22c)를 통해 배출된다.The introduced heated water is separated into the shell side 22a and the tube side 21a, and the concentrated water and the water vapor, whose concentration is increased by vaporization of water through the hollow fiber pores, are separated from each other through the tube side outlet 21c And the other is discharged through the shell side outlet 22c.

즉, 분리막모듈(20)은 해당 온도에서 물의 증기압에 의해 수증기가 발생되어 공급된 사이드가 아닌 다른 사이드로 빠져나가게 되며 이는 진공 발생에 의해 보다 용이하게 이루어지게 된다.
That is, steam is generated by the steam pressure of the water at the temperature of the separation membrane module 20, and the separation membrane module 20 escapes to a side other than the side where it is supplied.

분리막모듈(20)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 캡(23)과, 유로제어튜브(24a)가 더 구비될 수 있다.The separator module 20 may further include a cap 23 and a flow control tube 24a as shown in FIG.

캡(23)은 상기 모듈하우징(22)의 양단에 각각 설치되어 있고, 내부공간(23a)이 상기 튜브사이드(21a)와 연통되고 쉘사이드(22a)와 차단되도록 격벽(23b)이 형성되어 있다.The caps 23 are provided at both ends of the module housing 22 and partition walls 23b are formed so that the inner space 23a communicates with the tube side 21a and is intercepted from the shell side 22a .

유로제어튜브(24a)는 상기 두 캡(23)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(22) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부는 상기 쉘사이드유입구(22b)와 연결되어 있고, 타측 단부는 상기 쉘사이드배출구(22c)와 연결되어 있으며, 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(24a)가 설치되어 있고, 칸막이(24a)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(24b)이 형성되어 있다.The flow control tube 24a is installed such that an intermediate portion of the flow control tube 24a penetrates through the two caps 23 and is located inside the module housing 22. One end of the flow control tube 24a is connected to the shell side inlet 22b, And a partition 24a is provided on the inner side of the middle portion and a plurality of holes 24a are formed on the outer circumferential surfaces of both sides with respect to the partition 24a, 24b are formed.

이를 통해 쉘사이드유입구(22b) 측 홀(24b)로부터 유체가 쉘사이드(22a)로 이동하고, 쉘사이드배출구(22c) 측 홀(24b)을 통해 쉘사이드(22a) 측의 유체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(22c)로 이동하게 된다.The fluid moves from the shell side inlet 22b side hole 24b to the shell side side shell 22a and the fluid on the shell side 22a side flows into the shell side through the hole 24b on the side of the shell side outlet port 22c And then moved to the shell side outlet 22c.

이로 인해 쉘사이드유입구(22b)로 유입된 액체가 다이랙트로 쉘사이드배출구(22c)로 배출되지 못하게 된다.This prevents the liquid introduced into the shell side inlet 22b from being discharged to the shell side outlet 22c by the die rack.

아울러, 칸막이(24a)를 기준으로 양측 외주면에는 다수 개의 홀(24b)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(22b) 측 홀(24b)로부터 액체가 쉘사이드(22a)로 이동하고, 쉘사이드배출구(22c) 측 홀(24b)을 통해 쉘사이드(22a) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(22c)로 이동하도록 이루어져 있다.A plurality of holes 24b are formed on the outer circumferential surfaces on both sides with respect to the partition 24a so that the liquid moves from the shell side inlet 22b side hole 24b to the shell side 22a and the shell side outlet 22c The liquid on the side of the shell side 22a flows into the shell side outlet 22c through the side-side hole 24b.

즉, 칸막이(24a) 및 홀(24b)이 형성된 유로제어튜브(24)가 설치됨으로써 모듈하우징(22) 내부의 쉘사이드에서 크로스 플로우(cross flow)가 형성됨에 따라 혼합 효과가 더욱 증대되어 막증류 분리 효과가 우수하게 된다.
That is, since the cross flow is formed at the shell side inside the module housing 22 by providing the flow control tube 24 formed with the partition 24a and the hole 24b, the mixing effect is further increased, The separation effect is excellent.

컨덴서(30)는 사용수가 냉각되기 위한 공지의 냉각기로 이루어질 수 있으며, 상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 선택된 어느 하나와 배관 연결되어 있으며, 냉각을 통해 생산수를 생산하게 된다.The condenser 30 may be a known cooler for cooling the use water, and may be connected to the tube side outlet 21c and the shell side outlet 22c to produce water through cooling. do.

또, 진공펌프(40)는 상기 컨덴서(30) 일측에 배관 연결되어 분리막모듈(20)로부터 발생되는 수증기를 효과적으로 컨덴서로 이동시키게 된다.
In addition, the vacuum pump 40 is connected to one side of the condenser 30 to effectively transfer the steam generated from the separation membrane module 20 to the condenser.

결정화기(50)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 결정화하우징(51)과 열교환관(52)을 포함하여 구성된다.The crystallizer 50 comprises a crystallization housing 51 and a heat exchange tube 52 as shown in Fig.

결정화하우징(51)은 상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 어느 하나와 연결된 농축수공급관(51a)이 상부 일측에 연결되어 고온의 농축수가 내부로 유입되고, 하부에 결정화에 의해 형성된 결정이 배출되는 결정배출구(51b)가 형성되어 있다.In the crystallization housing 51, a concentrated water supply pipe 51a connected to one of the tube side discharge port 21c and the shell side discharge port 22c is connected to one side of the upper side to allow high-temperature concentrated water to flow therein, And a crystal outlet 51b through which the crystal formed by the crystal is discharged.

열교환관(52)은 일측 공급부(52a)는 상기 결정화하우징(51) 외부로부터 상기 막증류탱크(10) 내부의 가열된 원수보다 온도가 낮은 온수가 공급되고, 중간부(52b)는 상기 결정화하우징(51) 내측 상부에 설치되어 상기 농축수공급관(51a)으로부터 유입된 고온의 농축수와 열교환되어 고온의 농축수 온도를 낮춰 결정화시켜 결정을 형성시키며, 타측 배출부(52c)는 상기 결정화하우징(51) 외부로 배출되도록 이루어져 있다.In the heat exchange tube 52, the hot water having a temperature lower than that of the heated raw water in the film distillation tank 10 is supplied from the outside of the crystallization housing 51 to the one side supply portion 52a, And the other outlet 52c is connected to the crystallization housing (not shown). The other outlet 52c is connected to the crystallization housing (not shown) 51).

결정화하우징(51)은 도시된 바와 같이 결정배출구(51b) 인접 내주면이 원통 형상을 취하며, 상기 결정화하우징(51)에는 모터(53a)에 의해 작동하는 스크류형 배출기(53)가 설치되어 결정의 원할한 배출이 이루어지도록 구성될 수 있다.
As shown in the figure, the inner surface of the crystallizing housing 51 adjacent to the crystal outlet 51b has a cylindrical shape, and a screw-type ejector 53 operated by a motor 53a is installed in the crystallization housing 51, It can be configured so that exhausting is performed as desired.

제1순환관(60)는 일측이 상기 열교환관(52)의 배출부(52c)와 솔레노이드밸브(61)에 의해 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있다.One side of the first circulation pipe 60 is connected to the discharge portion 52c of the heat exchange pipe 52 by a solenoid valve 61 and the other side is connected to the membrane distillation tank 10.

이러한 구성은 결정화기(50) 내부로 열교환관(52)을 통해 공급된 원수를 솔레노이드밸브(61)의 제어에 의해 선택적으로 도 1에 도시된 원수공급관(62)을 통해 원수저장탱크(1)로 이동시켜 저장하도록 하거나 직접 상기 막증류탱크(10)로 공급하게 된다.This configuration is such that the raw water supplied through the heat exchange pipe 52 into the crystallizer 50 is selectively supplied to the raw water storage tank 1 through the raw water supply pipe 62 shown in FIG. 1 under the control of the solenoid valve 61, Or directly supplied to the membrane distillation tank 10.

이때, 원수저장탱크At this time,

막증류탱크(10)로 공급할 때는 미표기된 펌프의 작동에 의해 이루어지게 된다.And is supplied to the membrane distillation tank 10 by the operation of an unrepresented pump.

제2순환관(70)은 일측이 상기 결정화하우징(51) 상측에 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화하우징(51) 내부의 수분을 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어져 있다.The second circulation pipe 70 is connected at one side to the upper side of the crystallization housing 51 and the other side is connected to the membrane distillation tank 10 so that the moisture inside the crystallization housing 51 flows into the membrane distillation tank 10, As shown in FIG.

이때 역시 미표기된 펌프의 작동에 의해 이루어지게 된다.At this time, the operation of the unrepresented pump is also performed.

아울러, 제2순환관(70)에는 도시된 바와 같이 내부 수분을 가열하는 보조히터(71)가 설치될 수 있다.
In addition, the second circulation pipe (70) may be provided with an auxiliary heater (71) for heating internal water as shown in the figure.

아울러, 상기와 같은 구성에 컨트롤장치(80)가 더 구비될 수 있다.In addition, a control device 80 may be further provided in the above-described configuration.

컨트롤장치(80)는 기본적으로 상기 레벨센서(13)와 상기 솔레노이드밸브(61)와 연결되어 막증류탱크(10) 내부의 원수 레벨에 따라 솔레노이드밸브(61)의 개폐 방향을 조절할 수 있다.The control device 80 is basically connected to the level sensor 13 and the solenoid valve 61 to adjust the opening and closing direction of the solenoid valve 61 according to the level of the raw water in the membrane distillation tank 10.

더 나아가 히터(11), 모터(53a), 온도센서, 보조히터(71) 등과 전기적으로 연결되어 솔레노이드밸브(61) 개폐 외에 히터(11), 모터(53a), 보조히터(71) 등의 작동도 제어하도록 구성될 수 있다.
The motor 53a, the temperature sensor, the auxiliary heater 71 and the like so as to operate the heater 11, the motor 53a, the auxiliary heater 71, etc. in addition to opening and closing the solenoid valve 61 May also be configured to control.

이하에서는 막증류-결정화 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, the membrane distillation-crystallization method will be described in detail.

1. 원수가열단계1. raw water heating step

원수를 상기 막증류탱크(10)로 공급하여 히터(11)를 작동시켜 내부 원수를 60∼90℃로 가열한다.
The raw water is supplied to the membrane distillation tank 10 and the heater 11 is operated to heat the internal raw water to 60 to 90 占 폚.

2. 막증류분리단계2. Membrane Distillation Separation Step

가열된 원수를 상기 분리막모듈(20)의 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 선택된 어느 하나로 공급하고, 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 원수가 미공급되는 곳에는 진공을 가하여 농도가 원수보다 높아진 농축수와 수증기를 막증류 방식으로 분리한다.The heated raw water is supplied to the selected one of the shell side 22a and the tube side 21a of the separation membrane module 20 and a vacuum is supplied to the place where the raw water among the shell side 22a and the tube side 21a is not supplied The concentrated water and the water vapor whose concentration is higher than the raw water are separated by the membrane distillation method.

즉, 가열된 원수로부터 물을 증발시키고 염 농도를 증가시키게 되는 것이다.That is, it evaporates water from the heated raw water and increases the salt concentration.

도면에서는 원수가 분리막모듈(20)의 쉘사이드(22a)로 공급되는 것이 도시되어 있으나, 튜브사이드(21a)로 유입되도록 구성될 수도 있다.Although raw water is shown to be supplied to the shell side 22a of the separation membrane module 20, it may be configured to be introduced into the tube side 21a.

이때, 반대편의 사이드에는 진공이 가해지게 되는데, 진공을 가할 때 진공 효율을 높이기 위해 공기 또는 질소를 일부 주입할 수도 있다.At this time, a vacuum is applied to the opposite side, and air or nitrogen may be partially injected to increase the vacuum efficiency when the vacuum is applied.

이때, 진공 압력은 절대압으로 650 ~ 750 torr 정도가 유지됨이 바람직하다.
At this time, the vacuum pressure is preferably maintained at about 650 to 750 torr with absolute pressure.

3. 생산수배출단계3. Production water discharge stage

상기 분리막모듈(20)에서 분리된 수증기는 상기 컨덴서(30)를 통해 냉각시켜 생산수로 배출한다.The water vapor separated from the separation membrane module (20) is cooled through the condenser (30) and discharged to the production water.

컨덴서는 내부 온도가 0℃ 정도로 유지되도록 하여 수증기를 액상화하여 생산수로 회수할 수 있게 된다.
The internal temperature of the condenser is maintained at about 0 ° C so that the water vapor can be liquefied and recovered as production water.

4. 결정화단계4. Crystallization step

상기 분리막모듈(20)에서 분리된 농축수는 해당 온도에서 염의 포화점 근처에 도달하게 되는데, 상기 결정화기(50)로 공급하고, 상기 열교환관(52)에는 농축수 온도보다 낮은 원수를 공급하여 열교환을 통해 농축수를 결정화시켜 배출한다.The concentrated water separated from the separation membrane module 20 reaches the vicinity of the saturation point of the salt at the corresponding temperature and is supplied to the crystallizer 50 and raw water lower than the concentration water temperature is supplied to the heat exchange tube 52 The concentrated water is crystallized and discharged through heat exchange.

즉, 열교환을 통한 온도 하강에 따라 용해 포화점이 낮아져 결정화가 발생하게 되는 것을 이용한 것이다.That is, the crystallization occurs due to the lowering of the solubility saturation point in accordance with the temperature lowering through heat exchange.

이를 위해 열교환관(52)은 공급부(52a)가 내부 온도 30℃ 내외의 온도로 이루어지도록 하여 염의 결정화가 이루어지도록 한다.For this purpose, the heat exchange tube 52 causes the supply part 52a to have an internal temperature of about 30 ° C to crystallize the salt.

결정화가 이루어진 염들은 자유 낙하하게 되어 스크류형 배출기(53)를 통해 외부로 배출되어 활용하게 된다.
The crystallized salts are freely dropped and discharged to the outside through the screw type ejector 53 to be utilized.

5. 제1순환단계5. First circulation phase

상기 열교환관(52)의 배출부(52c)로 배출된 원수를 제1순환관(60)을 통해 상기 막증류탱크(10)로 공급한다.The raw water discharged to the discharge portion 52c of the heat exchange pipe 52 is supplied to the membrane distillation tank 10 through the first circulation pipe 60.

이때, 솔레노이드밸브(61)의 작동에 의해 막증류탱크(10) 내 수량이 부족할 경우 제1순환관(60)을 통해 고온의 농축수와의 열교환을 거쳐 예열된 원수가 막증류탱크(10)로 우선 공급되도록 하고, 막증류탱크(10) 내 수량이 부족하지 않은 경우 솔레노이드밸브(61)의 작동에 의해 원수저장탱크(1)로 공급하도록 함이 바람직하다.
At this time, when the amount of water in the membrane distillation tank 10 is insufficient due to the operation of the solenoid valve 61, the raw water preheated through the first circulation pipe 60 through heat exchange with high-temperature concentrated water is supplied to the membrane distillation tank 10, It is preferable to supply the raw water to the raw water storage tank 1 by the operation of the solenoid valve 61 when the quantity in the membrane distillation tank 10 is not insufficient.

6. 제2순환단계6. Second circulation phase

상기 제2순환관(70)을 통해 결정화하우징(51) 내부의 수용액을 막증류탱크(10)로 공급한다.The aqueous solution in the crystallization housing 51 is supplied to the membrane distillation tank 10 through the second circulation pipe 70.

결정화하우징(51) 내부의 수용액 즉, 채 결정화되지 못한 농축수는 염이 일부 제거되었지만 여전히 높은 염 농도를 유지하기 때문에 보조히터(71)을 통해 막증류탱크(10)로 공급하여 남아 있는 염을 제거하도록 재순환시킨다.The aqueous solution inside the crystallization housing 51, that is, the undiluted concentrated water, is supplied to the membrane distillation tank 10 through the auxiliary heater 71 because the salt is partially removed but still maintains a high salt concentration, Recycle to remove.

이에 따라 별도의 다른 공정 없이 원수 중의 염 농도를 최대로 낮출 수 있게 되는 것이다.
Accordingly, it is possible to maximize the salt concentration in the raw water without any other process.

이상과 같은 구성은 막증류를 통해 일정한 온도에서 염을 포함하는 원수의 물을 증류하여 해당 염의 포화농도 근처까지 포화시킨 후 염을 포함하는 차가운 원수를 이용하여 염을 결정화하여 회수하는 결정화를 통해 고순도의 물과 염을 동시에 회수할 수 있게 된다.In the above-mentioned structure, the distilled water of the raw water containing the salt is distilled at a certain temperature through the membrane distillation to saturate to near the saturation concentration of the salt, and the salt is crystallized using the cold raw water containing the salt, Water and salt can be simultaneously recovered.

특히, 막증류를 위해 공급되는 원수가 막증류 후 가열된 상태로 배출되는 농축수와 열교환이 이루어지도록 함으로써 결정화를 위한 냉각 에너지와, 막증류를 위한 가열 에너지를 동시에 활용할 수 있도록 함으로써 가열 및 냉각 효율이 모두 만족될 수 있게 된다.Particularly, since raw water supplied for membrane distillation is subjected to heat exchange with concentrated water discharged in a heated state after membrane distillation, cooling energy for crystallization and heating energy for membrane distillation can be utilized at the same time, All of which can be satisfied.

더 나아가, 결정화기 내부에서 결정화되고 남은 예열된 수용액을 예열 후 막증류탱크로 공급하여 막증류탱크에서의 가열이 원할히 이루어져 시간당 처리 효율을 높일 수 있게 된다.Furthermore, the preheated aqueous solution crystallized inside the crystallizer is supplied to the membrane distillation tank after preheating, so that heating in the membrane distillation tank can be performed easily, thereby improving treatment efficiency per hour.

아울러, 분리막 모듈은 칸막이와 홀이 타공된 유로제어튜브가 설치되도록 함으로써 막증류 효율이 가일층 높아질 수 있게 된다.
In addition, since the separation membrane module is provided with a partition plate and a flow control tube having holes formed therein, the membrane distillation efficiency can be further enhanced.

<실험예 1> NaOH 농축 및 회수EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 NaOH Concentration and Recovery

도 1과 같은 구조를 갖는 막증류-결정화 시스템을 준비하였으며, 원수로는 NaOH 30wt% 수용액을 사용하였다.A membrane distillation-crystallization system having the structure as shown in Fig. 1 was prepared, and a 30 wt% aqueous solution of NaOH was used as raw water.

막증류 온도는 80℃, 원수 온도는 25℃를 사용하였다.The membrane distillation temperature was 80 캜 and the raw water temperature was 25 캜.

컨덴서(30)에서 회수된 물의 질량, 결정화하우징(51)의 배출구에서 회수된 염화나트륨 결정의 질량을 각각 측정하여 표 1에 나타냈다.
The mass of the water recovered in the condenser 30 and the mass of the sodium chloride crystals recovered at the outlet of the crystallization housing 51 were measured and shown in Table 1, respectively.

항목Item 질량(Kg/Hr)Mass (Kg / Hr) 온도(℃)Temperature (℃) 컨덴서 회수 물 질량Condenser recovery mass 5.95.9 결정화기 회수 염화나트륨 질량Crystallizer recovery Sodium chloride mass 0.90.9 원수enemy 1010 2525 막증류 온도Membrane distillation temperature 8080

25℃, 30wt% NaOH 수용액을 막증류-결정화 시스템을 이용하여 시험한 결과, 컨덴서로부터 99.99%의 순수한 물을 5.9 kg/hr, 결정화탱크 하단으로부터 0.9kg/hr의 NaOH를 얻을 수 있었다.
A 30% by weight NaOH aqueous solution at 25 캜 was tested using a membrane distillation-crystallization system. As a result, pure water of 99.99% from the condenser was obtained at a rate of 5.9 kg / hr and 0.9 kg / hr of NaOH was obtained from the bottom of the crystallization tank.

1 : 원수저장탱크 10 : 막증류탱크
11 : 히터 12 : 배출관
13 : 레벨센서 20 : 분리막모듈
21 : 중공사 21a : 튜브사이드
21b : 튜브사이드유입구 21c : 튜브사이드배출구
22 : 모듈하우징 22a : 쉘사이드
22b : 쉘사이드유입구 22c : 쉘사이드배출구
23 : 캡 23a : 내부공간
23b : 격벽 24 : 유로제어튜브
24a : 칸막이 24b : 홀
30 : 컨덴서 40 : 진공펌프
50 : 결정화기 51 : 결정화하우징
51a : 농축수공급관 51b: 결정배출구
52 : 열교환관 52a : 공급부
52b : 중간부 52c : 배출부
53 : 배출기 53a : 모터
60 : 제1순환관 61 : 솔레노이드밸브
62 : 원수회수관 70 : 제2순환관
71 : 보조히터 80 : 컨트롤장치1: raw water storage tank 10: membrane distillation tank
11: heater 12: discharge pipe
13: level sensor 20: separator module
21: hollow fiber 21a: tube side
21b: tube side inlet 21c: tube side outlet
22: Module housing 22a: Shell side
22b: Shell side inlet 22c: Shell side outlet
23: cap 23a: inner space
23b: partition wall 24: flow control tube
24a: partition 24b: hole
30: condenser 40: vacuum pump
50: Crystallizer 51: Crystallization housing
51a: a concentrated water supply pipe 51b: a crystal outlet
52: heat exchange tube 52a:
52b: intermediate portion 52c:
53: Ejector 53a: Motor
60: first circulation pipe 61: solenoid valve
62: raw water recovery pipe 70: second circulation pipe
71: auxiliary heater 80: control device

Claims (5)

막증류-결정화 시스템에 있어서,
일측으로 원수가 유입되어 내부에 저장되며, 벽면에 히터(11)가 설치되어 내부에 저장된 원수를 가열하고, 타측에 가열된 원수가 배출되는 배출관(12)이 연결되어 있는 막증류탱크(10)와;
소수성 재질의 다공성 고분자 재질로 이루어져 있으며, 중공 형태로 이루어진 다수의 중공사(21)와, 상기 중공사(21)를 감싸 설치된 모듈하우징(22)으로 이루어져 있되, 상기 모듈하우징(22)에는 중공사(21) 내부 공간인 튜브사이드(21a)와 연통된 튜브사이드유입구(21b) 및 튜브사이드배출구(21c)가 형성되어 있고, 중공사(21) 외부 공간인 쉘사이드(22a)와 연결된 쉘사이드유입구(22b) 및 쉘사이드배출구(22c)가 형성되어 있으며, 상기 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나는 상기 배출관(12)과 연결되어 가열된 원수가 선택된 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나를 통해 유입된 후 중공사 세공을 통해 증기화되면서 농도가 높아진 농축수와 수증기가 각각 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c)를 통해 배출되도록 이루어진 분리막모듈(20)과;
상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 선택된 어느 하나와 배관 연결되어 있으며, 증기상태의 수증기를 냉각시켜 생산수를 생산하는 컨덴서(30)와;
상기 컨덴서(30) 일측에 배관 연결되어 분리막모듈(20)로부터 발생된 수증기를 컨덴서(30)로 전달하는 진공펌프(40)와;
상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 어느 하나와 연결된 농축수공급관(51a)이 상부 일측에 연결되어 고온의 농축수가 내부로 유입되고, 하부에 결정화에 의해 형성된 결정이 배출되는 결정배출구(51b)가 형성되어 있는 결정화하우징(51)과, 일측 공급부(52a)는 상기 결정화하우징(51) 외부로부터 상기 막증류탱크(10)의 원수보다 온도가 낮은 원수가 공급되고, 중간부(52b)는 상기 결정화하우징(51) 내측 상부에 설치되어 상기 농축수공급관(51a)으로부터 유입된 고온의 농축수와 열교환되어 고온의 농축수 온도를 낮춰 결정화시켜 결정을 형성시키며, 타측 배출부(52c)는 상기 결정화하우징(51) 외부로 배출되도록 이루어진 열교환관(52)으로 구성된 결정화기(50)와;
일측이 상기 열교환관(52)의 배출부(52c)와 솔레노이드밸브(61)에 의해 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화기(50) 내부로 열교환관(52)을 통해 공급된 원수를 솔레노이드밸브(61)의 제어에 의해 선택적으로 배출하거나, 상기 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어진 제1순환관(60)과;
일측이 상기 결정화하우징(51) 상측에 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화하우징(51) 내부의 수용액을 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어져 있는 제2순환관(70);을 포함하여 구성된,
막증류-결정화 시스템.
In a membrane distillation-crystallization system,
A membrane distillation tank 10 in which raw water flows into one side and is stored inside and a heater 11 is installed on a wall surface to heat raw water stored inside and connected to a discharge pipe 12 through which heated raw water is discharged to the other side, Wow;
The module housing 22 is made of a porous polymeric material made of a hydrophobic material and includes a plurality of hollow fibers 21 in a hollow form and a module housing 22 enclosing the hollow fibers 21. A tube side inlet 21b and a tube side outlet 21c communicating with the tube side 21a which is an inner space of the hollow shell 21 are formed and the shell side inlet 22a connected to the shell side 22a, Side inlet 22b and the tube-side inlet 21b are connected to the outlet tube 12 so that the heated raw water is supplied to the selected shell side inlet 22b and the shell side outlet 22c, The condensed water and the water vapor, which are vaporized through the hollow fiber pores and flow through the selected one of the tube side inlet 21b and the tube side inlet 21b, are discharged through the tube side outlet 21c and the shell side outlet 22c, through A separation membrane module (20) adapted to be discharged;
A condenser 30 connected to a selected one of the tube side outlet 21c and the shell side outlet 22c for producing water by cooling steam in the steam state;
A vacuum pump 40 connected to one side of the condenser 30 to transfer the steam generated from the separation membrane module 20 to the condenser 30;
A concentrated water supply pipe (51a) connected to one of the tube side outlet (21c) and the shell side outlet (22c) is connected to one side of the upper portion to allow high-temperature concentrated water to flow therein, and crystals formed by crystallization are discharged to the lower portion The crystallization housing 51 in which the crystal outlet port 51b is formed and the raw water supply source 52a are supplied with raw water whose temperature is lower than the raw water of the film distillation tank 10 from the outside of the crystallization housing 51, (52b) is installed in the upper part of the inside of the crystallization housing (51) to exchange heat with high-temperature concentrated water introduced from the concentrated water supply pipe (51a) to lower the high-temperature concentrated water temperature to crystallize to form crystals, 52c) comprises a crystallizer (50) composed of a heat exchange tube (52) configured to be discharged outside the crystallization housing (51);
One side of which is connected to the discharge section 52c of the heat exchange tube 52 by a solenoid valve 61 and the other side of which is connected to the membrane distillation tank 10 to be connected to the heat exchanger tube 52 A first circulation pipe 60 for selectively discharging the raw water supplied through the solenoid valve 61 to the membrane distillation tank 10;
And the other side is connected to the membrane distillation tank 10 to supply the aqueous solution inside the crystallization housing 51 to the membrane distillation tank 10, A tube (70)
Membrane distillation-crystallization system.
제 1항에 있어서,
상기 막증류탱크(10) 내부에는 원수의 레벨을 측정하는 레벨센서(13)가 설치되어 있으며,
상기 레벨센서(13)와 상기 솔레노이드밸브(61)와 연결되어 막증류탱크(10) 내부의 원수 레벨에 따라 솔레노이드밸브(61)의 개폐 방향을 조절하는 컨트롤장치(80)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는,
막증류-결정화 시스템.
The method according to claim 1,
In the membrane distillation tank 10, a level sensor 13 for measuring the level of raw water is provided,
A control device 80 connected to the level sensor 13 and the solenoid valve 61 for controlling the opening and closing direction of the solenoid valve 61 according to the level of the raw water in the membrane distillation tank 10 Features,
Membrane distillation-crystallization system.
제 2항에 있어서,
상기 제2순환관(70)에는 내부 수분을 가열하는 보조히터(71)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는,
막증류-결정화 시스템.
3. The method of claim 2,
And the second circulation pipe (70) is provided with an auxiliary heater (71) for heating the inside water.
Membrane distillation-crystallization system.
제 3항에 있어서,
상기 분리막모듈(20)은,
상기 모듈하우징(22)의 양단에 각각 설치되어 있고, 내부공간(23a)이 상기 튜브사이드(21a)와 연통되고 쉘사이드(22a)와 차단되도록 격벽(23b)이 형성되어 있는 두 개의 캡(23)과;
상기 두 캡(23)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(22) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부는 상기 쉘사이드유입구(22b)와 연결되어 있고, 타측 단부는 상기 쉘사이드배출구(22c)와 연결되어 있으며, 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(24a)가 설치되어 있고, 칸막이(24a)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(24b)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(22b) 측 홀(24b)로부터 액체가 쉘사이드(22a)로 이동하고, 쉘사이드배출구(22c) 측 홀(24b)을 통해 쉘사이드(22a) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(22c)로 이동하도록 이루어진 유로제어튜브(24a);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는,
막증류-결정화 시스템.
The method of claim 3,
The separation membrane module (20)
Two caps 23 (23a, 23b) are provided at both ends of the module housing 22, and an inner space 23a communicates with the tube side 21a and a partition 23b is formed to be isolated from the shell side 22a. )and;
A middle portion of the shell 23 is inserted through the two caps 23 so as to be positioned inside the module housing 22 and has one end connected to the shell side inlet 22b and the other end connected to the shell side outlet And a plurality of holes 24b are formed on the outer circumferential surfaces on both sides with respect to the partition 24a so that the shells 24a, The liquid moves from the hole 24b on the side of the side inlet 22b to the shell side 22a and the liquid on the side of the shell side 22a flows into the shell through the hole 24b on the side of the shell side outlet 22c, And a flow control tube (24a) configured to move to the side discharge port (22c).
Membrane distillation-crystallization system.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 막증류-결정화 시스템을 이용한 막증류-결정화 방법에 있어서,
원수를 상기 막증류탱크(10)로 공급하여 히터(11)를 작동시켜 내부 원수를 60∼90℃로 가열하는 원수가열단계와;
가열된 원수를 상기 분리막모듈(20)의 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 선택된 어느 하나로 공급하고, 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 원수가 미공급되는 곳에는 진공을 가하여 농도가 원수보다 높아진 농축수와 농도가 원수보다 낮아진 사용수를 막증류 방식으로 분리하는 막증류분리단계와;
상기 분리막모듈(20)에서 분리된 수증기는 상기 컨덴서(30)를 통해 냉각시킨 후 배출하는 생산수배출단계와;
상기 분리막모듈(20)에서 분리된 농축수는 상기 결정화기(50)로 공급하고, 상기 열교환관(52)에는 농축수 온도보다 낮은 원수를 공급하여 열교환을 통해 농축수를 결정화시켜 배출하는 결정화단계와;
상기 열교환관(52)의 배출부(52c)로 배출된 원수를 제1순환관(60)을 통해 상기 막증류탱크(10)로 공급하는 제1순환단계와;
상기 제2순환관(70)을 통해 결정화하우징(51) 내부의 수용액을 막증류탱크(10)로 공급하는 제2순환단계;를 포함하여 구성된,
막증류-결정화 방법.A membrane distillation-crystallization method using the membrane distillation-crystallization system according to any one of claims 1 to 4,
A raw water heating step of supplying raw water to the membrane distillation tank 10 and operating the heater 11 to heat the internal raw water to 60 to 90 캜;
The heated raw water is supplied to the selected one of the shell side 22a and the tube side 21a of the separation membrane module 20 and a vacuum is supplied to the place where the raw water among the shell side 22a and the tube side 21a is not supplied A membrane distillation separation step of separating the concentrated water having a concentration higher than the raw water and the used water having a concentration lower than the raw water by a membrane distillation system;
A production water discharging step of cooling the water vapor separated from the separation membrane module 20 through the condenser 30 and discharging the water vapor;
The concentrated water separated from the separation membrane module 20 is supplied to the crystallizer 50 and the raw water lower than the concentration water temperature is supplied to the heat exchange tube 52 to crystallize and discharge the concentrated water through heat exchange Wow;
A first circulation step of supplying the raw water discharged to the discharge part 52c of the heat exchange pipe 52 to the membrane distillation tank 10 through the first circulation pipe 60;
And a second circulation step of supplying an aqueous solution inside the crystallization housing (51) to the membrane distillation tank (10) through the second circulation pipe (70)
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