KR101870350B1

KR101870350B1 - 다단 침지식 막증류 수처리 장치 및 이를 이용한 유가자원 회수방법

Info

Publication number: KR101870350B1
Application number: KR1020170036694A
Authority: KR
Inventors: 이상호; 최용준; 손진식; 신용현; 최지혁
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-06-22

Abstract

본 발명은 다단 침지식 막증류 수처리 장치 및 이를 이용한 유가자원 회수방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치는, 다단으로 이루어지며 각각 내부에 원수가 저장되고 상기 저장된 원수가 최전단의 제1단부터 최후단의 제n단까지 순차적으로 흐르도록 구성된 다단의 원수조; 상기 다단의 원수조마다 내부의 원수에 각각 침지되어 상기 원수의 일부를 증기로 배출하는 다단의 MD모듈부; 상기 다단의 원수조마다 내부의 원수에 각각 침지되어 전단의 MD모듈부로부터 공급되는 증기와의 열교환을 통해 상기 다단의 원수조마다 원수의 온도를 각각 기설정된 온도로 유지하도록 하는 다단의 열교환부; 고온증기를 발생시켜 상기 제1단의 열교환부로 공급하는 증기발생부; 상기 제n단의 원수조로부터 원수를 공급받아 상기 원수 내에 포함된 결정을 추출하는 결정화장치; 상기 제n단의 원수조로부터 상기 결정화장치로 공급되는 원수의 탁도를 검출하는 탁도검출부; 및 상기 탁도검출부에서 검출된 탁도가 기설정된 기준치이면 상기 원수 내에 포함된 결정을 추출하도록 상기 결정화장치의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

다단 침지식 막증류 수처리 장치 및 이를 이용한 유가자원 회수방법{Multistage immersion type membrane distillation water treatment apparatus and a resource recovery method using the same}

본 발명은 막증류 수처리 장치에 관한 것으로서, 특히 연속으로 설치된 다단의 원수조의 원수에 각각 막증류모듈부와 열교환부를 침지시키고 전단의 막증류모듈부에서 배출되는 증기를 후단의 열교환부에서의 열교환에 이용함으로써 원수의 가열에 필요한 열에너지를 획기적으로 감소시키고 원수에 포함된 유가자원을 회수하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치 및 이를 이용한 유가자원 회수방법에 관한 것이다.

2009년 세계경제포럼 '수자원 이니셔티브 보고서'는 물의 수요가 1950년부터 1990년까지 인구증가율을 크게 넘어선 3배나 증가했고, 글로벌 경제성장과 더불어 앞으로 35년 안에 지금보다 2배가 증가할 것으로 전망했다. 또한, 최근 수소가스와 바이오 에탄올 등 대체 에너지 생산이 활발해지면서 이에 따른 물 사용량도 크게 늘어날 것으로 예상된다.

최근에 이러한 물 부족 현상을 해결하고자 하,폐수 재사용에 관한 연구가 많이 진행되고 있으나 실제 재사용률은 매우 낮은 편이며 처리수질의 신뢰성 문제로 인하여 재이용수의 대부분이 하,폐수 처리장의 청소용수, 냉각용수, 희석용수 등으로 사용되고 있는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 기술이 현장에 적용되고 있다. 일례로 막증류(Membrane Distillation:MD) 기술은 소수성 표면을 가지는 다공성의 분리막을 이용하여 원수로부터 순수한 증기상태로 물을 분리하는 수처리공정 기술이다.

막증류법에 의해 처리되는 원수는 분리막의 한쪽 면과 접촉하게 되지만 분리막 표면의 높은 소수성 때문에 발생된 표면장력으로 인해 원수가 분리막의 기공안으로 투과되지 않는다. 이로 인해 물은 투과하지 못하고 증기만 분리막을 통과하게 하여 증기로부터 담수를 만들게 된다.

막증류 공정에서 물질전달이 발생하는 이유는 분리막을 경계로 높은 온도의 원수와 낮은 온도의 여과수 사이에 형성되는 온도차이 때문이며, 이러한 온도차이로 인해 형성되는 물의 증기압 차이는 액체상태의 물이 수증기 상태로 전환되면서 원수로부터 여과수쪽으로 이동하게 만드는 구동력이 된다.

막증류법은 이러한 구동력인 증기압 구배를 발생시키기 위해 여과수 측에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류법(Direct Contact Membrane Distillation: DCMD), 공기 간극형 막증류법(Air Gap Membrane Distillation: AGMD), 스윕가스 흐름형 막증류법(Sweep Gas Membrane Distillation: SGMD), 진공 막증류법(Vacuum Membrane Distillation:VMD)의 4가지 방식으로 구분할 수 있다.

이러한 막증류법은 상변화를 통해 대상 원수를 처리하는 기술로서 비휘발성 오염물질의 제거율이 100%에 가깝고 역삼투법에 비해 낮은 압력으로 운전되며, 막오염에 대한 저항성이 크기 때문에 전처리 장치 및 설비를 간소화할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 이와 같은 장점에도 불구하고 막증류 기술의 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해 원수를 일정온도 이상으로(보통 60~80℃) 가열하기 위해 많은 에너지가 필요하다. 또한, 막증류 모듈을 통과한 증기를 다시 응축하는데도 에너지가 소비된다는 단점이 있다.

또한, 종래에 소개된 기술은 고농도 염(유가자원)이 포함된 하폐수에서 오염물질을 제거하여 고품질의 담수를 생산하는데 어려움이 있으며, 특히 고농도로 포함된 유가자원은 회수되지 못하기 때문에 재활용되지 못하고, 주로 화학적 처리방법을 통해 슬러지 형태로 처리된다. 이를 위해 화학약품의 사용량이 많고 다량의 슬러지 처리 비용이 발생하는 문제점이 있다.

이에, 해당 기술분야에서는 막증류 공정에서 에너지 효율을 향상시킬 수 있고 막증류 공정에서 원수에 포함된 유가자원을 효율적으로 회수할 수 있도록 하는 기술개발이 요구되어 오고 있다.

대한민국 공개특허공보 제2014-0101589호 대한민국 등록특허공보 제1556915호 대한민국 등록특허공보 제1605535호

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연속적으로 설치된 다단의 원수조마다 각각 MD모듈부와 열교환부를 침지하여 전단의 MD모듈부에서 배출되는 증기를 후단의 열교환에 이용하여 원수의 가열 및 증기의 응축에 필요한 열에너지를 획기적으로 감소시킬 수 있는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 다단의 원수조마다 침지된 다단의 열교환부에서의 열교환을 통해 각 단의 원조소의 원수온도를 각각 일정하게 유지하도록 하도록 함으로써 각 단의 MD모듈부에서 원수를 증기로 변환할 수 있도록 하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.

또한, 본 발명은 다단의 막증류 수처리 과정에서 원수에 포함된 오염물질 및 고농도 염을 제거하여 고품질의 담수를 생산하면서 원수의 순환과정에서 원수에 포함된 유가자원을 회수할 수 있도록 하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치는, 다단으로 이루어지며 각각 내부에 원수가 저장되고 상기 저장된 원수가 최전단의 제1단부터 최후단의 제n단까지 순차적으로 흐르도록 구성된 다단의 원수조; 상기 다단의 원수조마다 내부의 원수에 각각 침지되어 상기 원수의 일부를 증기로 배출하는 다단의 MD모듈부; 상기 다단의 원수조마다 내부의 원수에 각각 침지되어 전단의 MD모듈부로부터 공급되는 증기와의 열교환을 통해 상기 다단의 원수조마다 원수의 온도를 각각 기설정된 온도로 유지하도록 하는 다단의 열교환부; 고온증기를 발생시켜 상기 제1단의 열교환부로 공급하는 증기발생부; 상기 제n단의 원수조로부터 원수를 공급받아 상기 원수 내에 포함된 결정을 추출하는 결정화장치; 상기 제n단의 원수조로부터 상기 결정화장치로 공급되는 원수의 탁도를 검출하는 탁도검출부; 및 상기 탁도검출부에서 검출된 탁도가 기설정된 기준치이면 상기 원수 내에 포함된 결정을 추출하도록 상기 결정화장치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 증기발생부는 상기 제1단의 원수조 내부의 원수의 온도보다 높은 온도의 증기를 상기 제1단의 열교환부로 공급한다.

상기 제1단의 열교환부에서 열교환되어 배출되는 증기는 상기 증기발생부로 회수된다.

삭제

상기 다단 침지식 막증류 수처리 장치는, 상기 MD모듈부는 진공타입의 막증류분리막을 포함하고 상기 다단의 MD모듈부마다 내부의 증기가 발생되는 영역에 진공압력을 각각 발생시키는 진공펌프를 더 포함한다.

상기 다단 침지식 막증류 수처리 장치는, 상기 제1단의 원수조에 저장된 원수의 온도를 검출하는 온도검출부; 및 상기 온도검출부에서 검출된 원수의 온도에 따라 상기 증기발생부에서 발생되는 증기의 온도를 제어하는 증기온도제어부를 더 포함한다.

상기 다단 침지식 막증류 수처리 장치는, 상기 다단의 원수조마다 내부에 각각 설치되어 연속적으로 또는 기설정된 주기에 따라 각각 폭기하는 다단의 폭기부를 더 포함한다.

상기 다단의 원수조는 원수공급라인을 통해 순차적으로 연결되어 상기 제1단부터 제n단까지 원수가 상기 원수공급라인을 통해 흐르고 상기 제n단의 원수조는 상기 결정화장치로 원수를 공급한다.

상기 다단 침지식 막증류 수처리 장치는, 상기 제n단의 MD모듈부로부터 공급되는 증기를 열교환을 통해 응축시켜 배출하는 응축부; 및 상기 응축부에서의 열교환을 위해 저온의 원수를 상기 응축부를 통해 상기 제1단의 원수조로 공급하는 원수공급부를 더 포함한다.

여기서, 상기 제1단을 제외한 제2단 내지 제n단의 열교환부에서 각각 열교환되어 배출되는 증기 및 상기 응축부에서 배출되는 증기를 저장하는 여과수조에 더 포함한다.

상기 결정화장치는 상기 결정이 추출된 원수를 상기 제1단 내지 제n단의 원수조 중 선택적으로 공급한다.

이때, 상기 결정화장치는, 상기 제n단의 MD모듈부를 통과한 원수를 공급받아 저장하는 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되어 상기 공급받은 원수에 포함되어 있는 기설정된 유가자원의 결정을 필터링하여 분리하는 필터부; 기설정된 진동수를 갖는 초음파를 발생하는 초음파발생부; 및 상기 하우징의 일측에 부착되어 상기 초음파발생부에서 발생한 초음파에 의해 상기 하우징에 진동을 발생시키는 적어도 하나의 초음파진동자를 포함한다.

상기 제어부는 상기 탁도검출부에서 검출된 원수의 탁도가 상기 기준치가 되면 상기 초음파발생부를 동작시켜 상기 초음파진동자에 의해 상기 하우징에 진동을 발생시키고 상기 필터부에 진동을 전달하도록 하여 상기 필터부에 부착된 상기 유가자원의 결정을 상기 필터부로부터 분리하도록 한다.

상기 다단 침지식 막증류 수처리 장치는, 상기 하우징에 공급되는 원수에 포함된 유가자원의 결정을 회전시키는 교반기를 더 포함한다.

상기 다단 침지식 막증류 수처리 장치에서 상기 결정화장치는, 상기 하우징으로부터 외부로 배출되는 상기 유가자원 결정의 입도를 분석하는 입도분석부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 입도분석부에서 분석된 유가자원 결정의 입도를 이용하여 상기 초음파발생부의 진동수를 조정하도록 하는 제어신호를 상기 초음파발생부로 전송한다.

상기 다단 침지식 막증류 수처리 장치에서 상기 결정화장치는, 상기 하우징 내부의 압력을 검출하는 압력계를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 압력계에서 검출된 하우징 내부의 압력이 기설정된 한계압력에 도달하면 상기 결정화장치를 동작시켜 상기 필터부에 부착된 유가자원 결정을 분리하여 제거하도록 한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법은, 다단의 원수조마다 원수에 각각 침지되어 상기 원수의 일부를 증기로 배출하는 다단의 MD모듈부와, 전단의 MD모듈부로부터 공급된 증기와의 열교환을 통해 상기 다단의 원수조마다 원수의 온도를 기설정된 온도로 유지하도록 하는 다단의 열교환부를 포함하는 막증류 수처리 장치에서의 유가자원 회수방법에 있어서, 원수공급부에서 최전단인 제1단의 원수조로 원수를 공급하는 제1단계; 증기발생부에서 고온증기를 상기 제1단의 열교환부로 공급하는 제2단계; 상기 제1단의 열교환부에서 상기 공급된 고온증기와의 열교환을 통해 상기 제1단의 원수조 내 상기 제1단의 MD모듈부에서 원수의 일부를 증기로 변환한 후 상기 변환된 증기를 후단(제2단)의 열교환부로 공급하는 제3단계; 상기 제3단계를 상기 제2단의 원수조부터 최후단인 제n단의 원수조까지 순차적으로 반복하는 제4단계; 상기 제n단의 원수조에서 원수를 결정화장치로 공급하는 제5단계; 탁도검출부에서 상기 제n단의 원수조로부터 상기 결정화장치로 공급되는 원수의 탁도를 검출하는 제6단계; 제어부에서 상기 탁도검출부에서 검출된 원수의 탁도가 기설정된 기준치가 되면 상기 결정화장치로 동작신호를 전송하는 제7단계; 및 상기 동작신호에 의해 상기 결정화장치가 상기 제n단의 원수조로부터 공급받은 원수 내에 포함된 결정을 추출하는 제8단계를 포함한다.

상기 제1단을 제외한 제2단 내지 제n단의 열교환부에서 각각 열교환되어 배출되는 증기 및 상기 응축부에서 배출되는 증기를 여과수조에 저장한다.

상기 증기발생부는 상기 제1단의 원수조 내부의 원수의 온도보다 높은 온도의 증기를 상기 제1단의 열교환부로 공급한다.

상기 유가자원 회수방법은, 상기 제1단계 이후에, 온도검출부에서 상기 제1단의 원수조의 원수의 온도를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 원수의 온도를 이용하여 증기온도제어부에서 상기 증기발생부에서 발생되는 증기의 온도를 제어하는 단계를 더 포함한다.

상기 유가자원 회수방법에서, 상기 제8단계는, 상기 제어부로부터의 동작신호에 의해 초음파발생부가 기설정된 진동수를 갖는 초음파를 발생시키는 단계; 상기 제n단의 원수조로부터 원수를 공급받아 저장하는 하우징의 일부에 부착된 초음파진동자에서 상기 발생된 초음파에 의해 상기 하우징에 진동을 발생시키는 단계; 및 상기 진동에 의해 상기 하우징의 내부에 설치된 필터부가 진동하여 상기 필터부에 부착된 유가자원의 결정을 상기 필터부로부터 분리하여 추출하는 단계를 포함한다.

상기 유가자원 회수방법은, 상기 유가자원의 결정을 필터부로부터 분리하여 추출하는 단계 이후에, 입도분석부에서 상기 필터부에 의해 추출된 유가자원 결정의 입도를 분석하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 입도분석부에서 분석된 유가자원 결정의 입도를 이용하여 상기 초음파발생부의 진동수를 조정하도록 하는 제어신호를 상기 초음파발생부로 전송한다.

상기 유가자원 회수방법은, 상기 제6단계 이후에, 전기전도도계에서 상기 제n단의 원수조로부터 상기 결정화장치로 공급되는 원수의 전기전도도를 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 검출된 탁도 및 전기전도도가 기설정된 각각의 기준치에 도달하면 상기 결정화장치로 동작신호를 전송한다.

본 발명에 의하면 MD모듈부를 원수조에 침지시켜 직렬로 다단으로 연결하여 각 단에서 발생되는 증기가 갖는 잠열에너지를 다음 단의 원수를 가열하는데 사용하고, 마지막 원수조에서 발생한 증기는 최전단의 원수조에 유입되는 원수를 가열하는데 사용함으로써 기존 장치에 비해 열효율을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 원수조의 원수가 일정한 온도로 유지되기 때문에 높은 온도의 증기를 생산할 수 있고 잠열에너지를 재활용하기 때문에 에너지 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 전기에너지만으로 본 발명의 막증류 수처리 장치를 구동하기 때문에 장치의 구성이 간단하고 유지보수가 용이하다.

또한, 본 발명에 의하면 다단의 원수조 내부에 폭기장치를 침지시켜 연속적으로 또는 기설정된 주기에 따라 폭기를 통해 MD모듈부의 막오염 발생을 저감할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 기존에 폐기물로 여겨졌던 원수 내의 유가자원을 회수하여 재사용할 수 있어 자원확보가 가능하고, 종래에 유가자원 회수를 위한 약품사용량 및 슬러지 배출량을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법을 보인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 결정화장치의 동작과정을 설명한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 각 단의 원수조에서의 원수의 TDS 및 회수율에 대한 실험 예시도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결 합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치(100)는 다단의 원수조(101), 다단의 막증류모듈부(102), 다단의 열교환부(103), 증기발생부(104), 응축부(105), 원수공급부(106), 탁도검출부(111), 결정화장치(113) 및 제어부(115)를 포함하여 구성된다.

원수조(101)는 n개가 직렬로 연속 배치되어 다단(multi-stage)으로 구성되며 각각 내부에 원수를 저장한다. 각 단의 원수조(101)마다 원수를 다양한 방식으로 공급할 수 있다. 예컨대, 후술하는 원수공급부(106)에서 각 단의 원수조(101)로 각각 원수를 공급하거나 또는 원수공급부(106)에서 최전단인 제1단의 원수조(101a)에만 원수를 공급하고 제1단의 원수조(101b)부터 최후단인 제n단의 원수조(101n)까지는 원수공급라인(114)를 통해 원수를 공급하도록 할 수도 있다.

이를 위해 각 단의 원수조(101a~101n) 간에는 원수공급라인(114)이 연결되어 제1단의 원수조(101a)로부터 각 단의 원수조(101a~101n)에 원수가 순차적으로 공급되도록 한다. 또한, 최후단인 제n단의 원수조(101n)에서도 원수공급라인(114)을 통해 후술하는 결정화장치(113)로 원수가 공급되고, 이러한 결정화장치(113)에서 배출되는 원수는 다시 각 단의 원수조(101a~101n)로 선택적으로 공급된다.

최후단인 제n단의 원수조(101n)에서는 원수가 기설정된 시간에 외부로 배출되도록 한다. 이는 원수가 제1단에서 제n단까지 각 원수조를 통해 흐르면서 원수에서 증기를 발생하는 동안 원수에 이물질이 쌓이거나 원수의 농도가 높아지면 원수를 외부로 내보도록 하는 것이다.

막증류(Membrane Distillation: MD)모듈부(102)도 다단(multi-stage)으로 구성된다. 구체적으로 각 단의 MD모듈부(102)는 각 단의 원수조(101)의 원수 내에 각각 침지되도록 설치된다. 이들 각 단의 MD모듈부(102)는 공급되는 원수의 일부를 증기로 각각 배출하여 다음 단(바로 후단)의 열교환부(103)로 공급되도록 한다.

즉, 최전단인 제1단의 MD모듈부(102a)에서 배출된 증기는 다음 단인 제2단의 열교환부(103b)로 공급되며 제2단의 MD모듈부(102b)에서 배출된 증기는 그 다음 단인 제3단의 열교환부(103c)로 공급되는 것이다. 이러한 과정을 반복하여 제i단의 MD모듈부(102)에서 배출된 증기는 그 다음 단인 제i+1단의 열교환부(103)로 공급되는 것이다.

최후단인 제n단의 MD모듈부(102n)에서 배출된 증기는 후술하는 응축부(105)로 공급되어 응축된다. 이는 최후단(제n단)의 MD모듈부(102n)의 입장에서는 그 후단에 증기를 배출할 열교환부가 없으므로 응축부(105)로 증기를 배출하도록 하여 응축부(105)에서 열교환을 통해 증기를 응축시키도록 한다. 이와 같이 응축된 증기는 여과수가 되어 여과수조(107)로 공급된다.

이러한 각 MD모듈부(102)는 내부의 분리막을 기준으로 원수영역과 증기영역으로 구분되며 원수가 원수영역의 원수가 분리막의 한쪽 면과 접촉할 때 분리막 표면의 높은 소수성 때문에 발생된 표면 장력으로 인해 원수가 분리막의 기공 안으로 투과되지 않고 증기만 분리막을 통과하게 하여 증기영역으로 증기를 모으게 된다. 이러한 증기는 이후 담수로 만들게 된다.

이와 같이 MD모듈부(102)에서는 내부의 분리막을 경계로 높은 온도의 원수와 낮은 온도의 증기 사이에 형성되는 온도의 차이로 인해 액체상태의 물이 증기상태로 전환되면서 원수로부터 여과수(담수)쪽으로 이동하게 되는 것이다.

열교환부(103)도 다단으로 구성되며 각 단의 원수조(101)의 원수 내에 침지되도록 설치된다. 상기한 바와 같이 이들 각 단의 열교환부(103)는 바로 전단의 MD모듈부(102)로부터 배출되는 증기를 공급받는다. 이때, 각 단의 원수조(101) 내의 원수를 이러한 증기와의 열교환을 통해 고온으로 변환하도록 한다. 이를 통해 각 단의 원수조(101) 내의 원수는 기설정된 온도로 유지하도록 한다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 전단의 MD모듈부(102)에서 배출되는 증기를 후단의 열교환부(103)로 공급하기 때문에 후단의 열교환부(103)에서 열교환에 필요한 열에너지를 공급하기 위한 별도의 열원장치가 필요 없게 되어 에너지 사용량을 줄일 수 있도록 한다. 이처럼 전단에서 배출된 증기는 후단으로 공급되는 과정은 최전단인 제1단부터 최후단인 제n단까지 순차적으로 계속해서 수행된다.

증기발생부(104)는 고온증기를 발생시켜 최전단인 제1단의 열교환부(103a)로 공급한다. 이는 최전단인 제1단의 열교환부(103)의 입장에서는 전단의 MD모듈부가 없기 때문에 증기를 공급받을 수 없으므로 증기발생부(104)에서 고온의 증기를 최전단인 제1단의 열교환부(103a)로 공급하도록 하기 위한 것이다.

이러한 고온의 증기는 제1단의 열교환부(103a)에서 원수와의 열교환에 이용된다. 즉, 원수를 고온으로 유지해야 MD모듈부에서 원수를 증기로 변환할 수 있는데 원수공급부(106)로부터 공급되는 원수는 상대적으로 저온이므로, 이를 고온으로 변환하기 위해서는 열교환부에서 고온의 증기와 원수 간의 열교환이 이루어져야 한다. 이러한 열교환을 위해 증기발생부(104)는 고온의 증기를 열교환부(103a)로 공급하도록 하는 것이다.

이때, 증기발생부(104)는 제1단의 원수조(101a) 내부의 원수의 온도보다 높은 온도의 증기를 제1단의 열교환부(103a)로 공급하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 증기와 원수 간의 열교환을 통해 원수의 온도를 높이기 위해서는 증기의 온도가 원수의 온도보다 높아야 하기 때문이다.

이후, 제1단의 열교환부(103a)에서 열교환된 후 배출되는 증기는 다시 증기발생부(104)로 회수된다. 따라서, 증기발생부(104)에서 제1단의 열교환부(103a)로 공급되는 고온의 증기는 원수와의 열교환 이후에는 상대적으로 저온의 증기로 배출되는데, 이러한 배출증기는 다시 증기발생부(104)로 공급되고 증기발생부(104)는 다시 증기를 가열하여 기설정된 온도로 증기를 만들어 제1단의 열교환부(103a)로 공급하도록 함으로써 제1단의 열교환부(103a)에 공급되는 증기는 일정한 온도의 고온증기가 되도록 한다.

응축부(105)는 최후단인 제n단의 MD모듈부(102n)로부터 공급되는 증기를 열교환을 통해 응축시켜 여과수조(107)로 배출하도록 한다. 이러한 열교환을 위하여 응축부(105)는 저온의 원수를 원수공급부(106)로부터 공급받는다. 이에 제n단의 MD모듈부(102n)으로부터 공급되는 증기는 응축부(105)에서 원수공급부(106)로부터 공급되는 저온의 원수와의 열교환이 이루어져서 응축된 후 여과수조(107)로 배출되는 것이다.

원수공급부(106)는 응축부(105)를 통해 최전단인 제1단의 원수조(101a)로 저온의 원수를 공급한다. 즉, 제1단의 원수조(101a)로 저온의 원수를 공급할 때 상기한 바와 같이 응축부(105)를 통해 공급함으로써 응축부(105)에서 증기의 응축가 이루어지도록 하는 것이다.

이와 같이 원수공급부(106)는 제1단의 원수조(101a)로 원수를 공급하지만, 다른 실시 예에서 상술한 바와 같이 각 단의 원수조(101a~101n)마다 각각 원수를 공급할 수도 있다. 이때, 원수공급부(106)는 펌프(미도시)를 이용하여 원수조(101)로 원수를 공급할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 다단의 원수조(101) 내부의 원수에 다단의 MD모듈부(102) 및 다단의 열교환부(103)를 침지시켜 원수와 증기를 반복해서 이동 및 순환시킴으로써 여과수를 계속 생성하도록 한다.

특히, 이 경우 각 단의 MD모듈부(102)에서 배출되는 증기로부터 바로 담수를 만들어내는 것이 아니라 각 단의 MD모듈부(102)에서 배출되는 증기를 후단의 열교환부(103)에서의 열교환에 이용하도록 하고 최전단의 열교환부의 경우에는 증기발생부(104)에서 고온의 증기를 공급하도록 하여 열교환이 이루어지도록 함으로써 각 단의 열교환부((103)에서 열교환에 필요한 열에너지를 공급하기 위한 별도의 열원장치가 필요 없게 되고 열에너지 사용량을 현저히 줄일 수 있는 장점을 제공할 수 있는 것이다.

본 발명에서, 상기한 바와 같이 제1단의 열교환부(103a)에서 열교환되어 배출되는 증기는 다시 증기발생부(104)로 회수되지만, 나머지 제2단 내지 제n단의 열교환부(102b~102n)에서 열교환되어 배출되는 증기는 여과수조(107)로 공급된다.

여과수조(107)는 이와 같이 증기를 공급받아 저장하게 된다. 또한, 이러한 여과수조(107)는 최후단인 제n단의 MD모듈부(102n)에서 배출되는 증기도 공급받아 저장한다. 여기서 제n단의 MD모듈부(102n)에서 배출되는 증기는 응축부(105)를 거쳐 여과수조(107)로 공급되는데, 응축부(105)는 이러한 증기가 원수공급부(106)에서 공급되는 저온의 원수와의 열교환을 통해 응축되어 여과수조(107)로 공급된다.

결정화장치(113)는 원수공급라인(114)를 통해 제n단의 원수조(101n)로부터 원수를 공급받아 원수 내에 포함되어 있는 특정물질(유가자원)의 결정을 추출하여 분리하다. 분리된 결정은 외부로 배출시키고 결정이 추출된 이후의 원수는 다시 각 단의 원수조(101a~101n)로 선택적으로 공급하도록 한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 결정화장치(113)는 하우징(1131), 필터부(1132), 초음파발생부(1133) 및 초음파진동자(1134)를 포함하여 구성된다.

하우징(1131)은 내부에 일정한 공간을 가지며 제n단의 원수조(101n)를 통과한 원수를 공급받아 내부공간 내에 저장한다.

필터부(1132)는 하우징(1131)의 내부에 복수 개 설치되며 공급받은 원수에 포함되어 있는 기설정된 유가자원의 결정을 필터링하여 분리한다. 필터부(1132)는 예컨대, 카트리지 필터(cartridge filter)를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 원수가 공급 및 회수를 통해 순환하는 과정에서 일부가 증기로 배출됨에 따라 원수의 양이 줄어들기 때문에 원수 내에 포함되어 있는 기설정된 유가자원은 과포화되어 결정을 형성하게 되는데, 필터부(1132)는 이와 같이 유가자원의 결정을 필터링하여 분리하도록 하는 것이다.

즉, 유가자원의 결정은 필터부(1132)에 의해 걸러지고 원수만 필터부(1132)를 통과하여 다시 각 단의 원수조(101a~101n) 중 적어도 하나에 선택적으로 공급된다. 어느 원수조에 공급할지는 원수의 농도에 따라 결정함이 바람직하다. 예컨대, 필터부(1132)를 통과한 원수의 농도와 동일하거나 유사한 원수의 농도를 갖는 원수조로 공급하는 것이 바람직하다. 여기서 원수의 농도는 원수조의 TDS(mg/L) 값으로 결정할 수 있다. 이는 결정화장치(131)에서 배출되는 원수의 TDS 값이 각 단의 원수조의 TDS 값과 유사한 원수조로 공급하는 것이 바람직하다.

이때, 본 실시 예에서 유가자원의 결정이 필터부(1132)에 의해 걸러질 때 그 결정이 필터부(1132)의 표면에 부착되는데, 본 발명에서는 이러한 유가자원의 결정을 필터부(1132)의 표면으로부터 분리하기 위해 필터부(1132)를 진동시키도록 한다. 이를 위하여 본 발명에서 초음파발생부(1133)는 기설정된 진동수를 갖는 초음파를 발생시켜 하우징(1131)의 일측에 부착된 초음파진동자(1134)로 전달하고 초음파진동자(1134)는 초음파발생부(1133)에서 발생한 초음파에 의해 하우징(1131)에 진동을 발생시킨다.

이와 같이 하우징(1131)에 발생한 진동은 내부의 원수를 통해 필터부(1132)로 전달되어 필터부(1132)가 진동하게 된다. 이에, 필터부(1132)가 진동함에 따라 필터부(1132)의 표면에 부착된 유가자원의 결정이 필터부(1132)로부터 분리되어 추출되는 것이다. 이후, 유가자원의 결정이 분리된 원수는 원수조(101a~101n)로 선택적으로 다시 회수되고 분리된 유가자원 결정은 외부로 배출된다.

본 발명의 다른 실시 예에서 결정화장치(113)는 하우징(1131)의 내부에 교반기(1138)를 더 포함하여 하우징(1131) 내부에 잔류된 유가자원의 결정들을 회전시켜 그 결정의 크기가 커지도록 하여 원심력에 의해 하우징(1131)의 하부로 모이도록 할 수 있다. 이에 하우징(1131)은 콘 형상을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 하우징(1131)은 초음파진동자(1134)에 의해 진동이 필터부(1132)로 잘 전달될 수 있도록 스테인리스(stainless) 재질로 제조됨이 바람직하다.

또한, 다른 실시 예에서 결정화장치(113)는 하우징(1131)으로부터 외부로 배출되는 유가자원 결정의 입도를 분석하는 입도분석부(1135)를 더 포함할 수 있고, 이때 제어부(115)는 입도분석부(1135)에서 분석된 유가자원 결정의 입도를 이용하여 초음파발생부(1133)의 초음파 진동수를 조정하도록 하기 위한 제어신호를 초음파발생부(1133)로 전송하도록 한다.

이는 유가자원 결정의 입도가 작을수록 더 높은 진동수의 초음파를 발생시키도록 하여 유가자원 결정의 회수를 더 양호하게 하기 위한 것이다. 뿐만 아니라 제어부(115)는 입도분석부(1135)에서 분석된 유가자원 결정의 입도 분석결과에 따라서 유가자원 결정의 회수시기를 판단하여 하우징(1131)의 하부에 설치된 배출밸브(1136)의 개폐를 조절하여 유가자원을 회수하도록 한다.

탁도검출부(111)는 최후단인 제n단의 원수조(101n)로부터 결정화장치(113)로 공급되는 원수의 탁도를 지속적으로 검출한다. 이처럼 검출된 원수의 탁도는 결정화장치(113)에서 유가자원의 결정이 발생하는 시점을 판단하는데 이용된다. 즉, 원수에 유가자원의 결정이 발생하는 시점이 되면 원수의 탁도가 기설정된 특정 값으로 검출된다.

예컨대, 원수 내에서 고농도의 염(유가자원)의 결정이 발생하는 시점에 탁도가 흐려져 탁도검출부(111)에 일정한 값이 검출된다. 따라서, 탁도검출부(111)에서 일정한 값의 탁도가 검출되면 원수에 유가자원의 결정이 발생한다는 것이므로 결정화장치(113)에서 필터부(1132)에 진동을 가하여 유가자원의 결정이 필터부(1132)에 부착되는 것을 방지하도록 하여 그 결정을 원수로부터 분리하여 추출하도록 하는 것이다.

제어부(115)는 탁도검출부(111)에서 검출된 원수의 탁도가 기설정된 기준치가 되었는지를 판단하고, 기준치에 되면 원수에 유가자원의 결정이 발생하는 것으로 판단하여 결정화장치(113)의 초음파발생부(1133)로 동작신호를 출력한다. 이로써 초음파발생부(1133)에서 초음파를 발생시켜 초음파진동자(1134)로 초음파를 전달하여 하우징(1131)에 진동을 가하도록 한다. 진동은 원수를 통해 필터부(1132)로 전달되어 필터부(1132)가 진동하여 필터부(1132)에 부착되는 유가자원의 결정이 분리되도록 하는 것이다.

다른 실시 예에서 제어부(115)는 하우징(1131) 내부의 압력을 측정하는 압력계(1137)에서 검출된 압력 값을 이용하여 하우징(1131) 내부의 압력이 기설정된 한계압력에 도달하면 결정화장치(113)의 필터부(1132)를 세정하도록 한다.

이러한 필터부(1132)의 세정은 필터부(1132)의 표면에 부착된 유가자원의 결정을 분리하기 위한 것으로서 상기한 바와 같이 초음파발생부(1133)를 동작시켜 필터부(1132)에 진동을 가하는 방식으로 구현될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치(100)는 전기전도도계(112)를 더 포함할 수도 있다. 전기전도도계(112)는 제n단의 원수조(101n)로부터 결정화장치(113)로 공급되는 원수의 전기전도도를 검출한다. 이때, 제어부(115)는 탁도검출부(111)에서 검출된 원수의 탁도 및 전기전도도계(112)에서 검출된 원수의 전기전도도가 기설정된 각각의 기준치에 도달하면 원수에 유가자원의 결정이 발생하기 시작한 것으로 판단하여 유가자원의 결정을 결정화장치(113)에서 분리할 수 있도록 결정화장치(113)의 동작을 제어하도록 한다.

이와 같이 원수의 전기전도도를 더 이용하여 유가자원의 결정이 발생하는 시점을 더 정확하게 판단함으로써 결정화장치(113)의 동작시점을 정확하게 판단할 수 있도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치(100)는 제1단의 원수조(101a)에 저장된 원수의 온도를 검출하는 온도검출부(109)와, 온도검출부(109)에서 검출된 온도를 이용하여 증기발생부(104)를 제어하는 증기온도제어부(110)를 더 포함할 수 있다. 또한, 이러한 다단 침지식 막증류 수처리 장치(100)는 선택적으로 진공펌프(116) 또는 폭기부(108)를 더 포함할 수도 있다.

온도검출부(109)는 제1단의 원수조(101a)에 저장된 원수의 온도를 실시간으로 검출하고, 그 검출된 온도를 증기온도제어부(110)로 전달한다. 그러면 증기온도제어부(110)는 검출된 온도에 따라 제1단의 원수조(101a)의 온도가 기설정된 온도가 되도록 증기발생부(104)의 동작을 제어한다.

예를 들어, 제1단의 원수조(101a)의 온도가 기설정된 기준온도보다 낮으면 증기발생부(104)에서 더 높은 온도의 증기를 발생하여 공급하도록 증기발생부(104)를 제어하고 반대로 기준온도보다 높으면 더 낮은 온도의 증기를 발생하여 공급하도록 증기발생부(104)를 제어한다. 이는 제1단의 원수조(101a)에 저장된 원수의 온도가 기설정된 온도를 일정하게 유지하도록 하기 위한 것이다.

진공펌프(116)는 MD모듈부(102)의 내부에 증기가 발생하는 영역으로 진공압을 각각 발생시킨다. 본 발명에 따른 MD모듈부(102)는 다양한 타입의 막증류분리막을 포함할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 실시 예에서는 진공타입의 막증류분리막을 포함함이 바람직하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 원수를 증기로 배출 가능하다면 공지된 다른 타입의 막증류분리막도 적용이 가능하다.

일례로, 진공막증류(Vacuum Membrane Distillation:VMD) 모듈를 구현하기 위해 진공펌프(116)를 이용하여 각 단마다 MD모듈부(102)의 증기영역에 진공압력을 발생시키도록 한다.

본 실시 예에서 각 단의 원수조(101)에 원수가 공급된 후 진공펌프(116)에 의해 각 단의 MD모듈부(102)의 증기발생 영역은 증기압보다 낮은 진공압을 유지하도록 한다. 이때, 각 단의 MD모듈부(102)에서 발생되는 증기의 발생량과 온도는 하기 수학식 1 내지 4를 통해 예측하여 각 단의 증기압력을 조절할 수 있다. 먼저, 수학식 1 내지 3을 연계하여 MD모듈부(102)에서의 단위면적(1㎡)당, 단위시간(1hr)당 생산유량(㎥)인 물투과 플럭스(Jw)와 증기의 온도(Tm)를 구할 수 있다.

이때, Jw는 물투과플럭스, AB는 MD모듈부에서의 물투과 계수, Pv는 증기압, Tm은 MD모듈부의 막모듈 표면에서의 원수의 온도=증기의 온도, Cm은 MD모듈부의 막모듈 표면에서의 염농도, P0는 진공압이다.

이때, k는 물질전달계수, ln은 자연로그, Cb는 원수의 염농도이다.

이때, △Hv는 물의 증발잠열, hw는 열전달계수, Tb는 원수의 온도이다.

여기서, 원수의 증기압은 수학식 4를 통해 계산할 수 있다. 이로써 진공압인 P0를 조정하면 증기의 생산량과 온도를 조절할 수 있게 된다.

폭기부(108)는 각 단의 원수조(101)마다 그 내부의 원수에 침지되도록 설치되며 연속적으로 또는 기설정된 주기에 따라 폭기하도록 한다. 이러한 폭기를 통해 MD모듈부(102)의 막모듈에 부착된 오염물질 등을 제거하도록 한다. 예컨대, 이러한 폭기부(108)는 원수 내에 공기방울을 발생시켜 공기방울에 의해 막모듈에 부착된 오염물질을 제거하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 방법을 보이는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 방법은 다단의 원수조(101a~101n)마다 원수가 각각 저장되어 있고, 각 단의 원수조(101a~101n)의 원수 내에 다단의 MD모듈부(102a~102n) 및 다단의 열교환부(103a~103n)가 각각 침지되어 있는 다단 침지식 막증류 수처리 장치에서 구현된다.

원수공급부(106)는 제1단의 원수조(101a)로 저온의 원수를 공급하고(S101), 증기발생부(104)는 제1단의 열교환부(103a)로 고온의 증기를 공급한다(S103). 열교환부(103a)에서는 상기와 같이 공급된 고온의 증기와 저온인 원수 간에 상호 열교환이 이루어지고(S105), 이러한 열교환에 의해 제1단의 원수조(101a) 내 원수의 온도가 기설정된 고온으로 유지하도록 한다. 제1단의 열교환부(103a)에서 열교환된 후 증기는 다시 증기발생부(104)로 회수된다.

계속해서, 최전단인 제1단의 MD모듈부(102a)는 고온의 원수에서 일부는 증기로 변환하여(S107), 후단인 제2단의 열교환부(103b)로 공급한다(S109). 이에, 제2단의 열교환부(103b)에서는 공급된 증기와 제2단의 원수조(101b) 내의 원수와의 열교환을 수행한다(S111). 이러한 열교환에 의해 원수가 고온으로 변환된다.

이러한 S107 내지 S111 과정을 제2단부터 최후단인 제n단까지 연속으로 수행한다(S113). 즉, 전단의 MD모듈부(102)에서 후단의 열교환부(103)로 고온의 증기를 공급하고 후단의 열교환부(103)에서는 공급된 증기와 원수 간의 열교환이 이루어지며, 이러한 과정은 계속해서 최후단인 제n단까지 계속 진행되는 것이다.

이와 같이 S107 내지 S111 단계를 순차적으로 계속 수행하여 최후단인 제n단의 열교환부(103n)에서 열교환이 이루어지면(S115), 제n단의 원수조(101n)의 원수는 원수공급라인(114)를 통해 결정화장치(113)로 공급된다(S117). 이때, 탁도검출부(111)에서 제n단의 원수조(101n)로부터 결정화장치(113)로 공급되는 원수의 탁도를 검출한다(S119).

이어, 제어부(115)에서 탁도검출부(111)에서 검출된 원수의 탁도와 기설정된 기준치를 비교하여 검출된 탁도가 기준치인지를 판단하여(S121), 기준치가 되면 원수에 유가자원의 결정화가 이루어지는 것으로 판단하여 원수에 발생된 유가자원의 결정을 회수하기 위해 결정화장치(113)로 동작신호를 출력한다(S123).

그러면, 이러한 동작신호에 의해 결정화장치(113)가 공급받은 원수 내에 포함된 유가자원의 결정을 분리하여 추출한다(S125). 이는 원수가 순환하는 과정에서 유가자원이 농축되어 결정화를 이루는 시점을 원수에서 검출된 탁도를 이용하여 판단하고, 결정화 시점이라고 판단하면 결정화장치(113)를 동작시켜 원수로부터 유가자원의 결정을 필터링하여 분리하도록 하는 것이다.

이와 같이 유가자원 결정이 분리된 원수가 각 단의 원수조(101a~101n)로 다시 공급되어(S227), 상기 과정들이 반복된다. 이러한 원수의 순환과정에서 일부가 증기로 배출되므로 원수의 양이 감소하는 경우 일정한 시점에 원수를 외부로부터 원수탱크(111)로 보충하도록 한다.

또한, 도면에 도시하지 않았으나, 본 발명의 다른 실시 예에서 원수의 탁도를 검출하는 단계 이후, 전기전도도계(112)에서 제n단의 원수조(101n)에서 결정화장치(113)로 공급되는 원수의 전기전도도를 추가로 검출할 수도 있고, 이 경우 제어부(115)는 검출된 탁도 및 전기전도도가 기설정된 각각의 기준치에 도달하면 결정화장치(113)의 동작을 제어하여 유가자원의 결정을 회수하도록 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 결정화장치의 동작과정을 설명하는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 결정화장치는 제어부(115)로부터 동작신호가 수신되는지를 판단하여(S201), 동작신호가 수신되면 그 동작신호에 의해 초음파발생부(1133)가 동작하여 기설정된 진동수를 갖는 초음파를 발생시킨다(S203).

이러한 초음파는 결정화장치(113)의 하우징(1131)의 외부표면 일부에 부착된 적어도 하나의 초음파진동자(1134)에게 전달되어(S205), 하우징(1131)에 진동을 발생시킨다(S307).

이러한 진동은 하우징(1131)의 내부의 원수를 통해 하우징(1131) 내부의 필터부(1132)에 전달되어 필터부(1132)가 진동하여(S209), 필터부(1132)에 부착된 유가자원의 결정을 필터부(1132)로부터 분리하여 추출한다(S211). 이때, 유가자원의 결정이 분리된 원수는 원수탱크(111)로 회수된다.

도면에는 도시하지 않았으나, 필터부(1132)로부터 유가자원 결정을 추출하는 단계 이후에, 입도분석부(1135)에서 필터부(1132)에 의해 추출된 유가자원 결정의 입도를 분석하는 단계를 더 포함하며, 이때 제어부(115)는 입도분석부(1135)에서 분석된 유가자원 결정의 입도를 이용하여 초음파발생부(1133)의 진동수를 조정하도록 하는 제어신호를 초음파발생부(1133)로 전송하도록 한다.

또한, 제어부(115)는 분석된 입도에 따라 유가자원 결정의 회수시기를 판단하여 배출밸브(1136)의 개폐를 통해 유가자원을 회수하도록 할 수 있다. 또한, 제어부(115)는 하우징(1131)의 내부 압력을 검출하는 압력계(1137)의 압력 검출 값이 기설정된 한계압력 값에 도달하면 결정화장치(113)를 동작시켜 필터부(1132)를 세정하도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치 및 방법에서는 전단의 MD모듈부에서 배출되는 증기를 후단의 열교환부로 공급하여 전단의 증기를 후단의 열교환에 이용하도록 하며, 최후단의 MD모듈부에서 배출되는 증기의 일부를 증기압축부에서 압축하여 고온의 증기로 변환하여 최전단의 열교환부로 공급하여 최전단에서의 열교환에 이용하도록 함으로써 전단의 증기를 재활용하기 때문에 기존 장치에 비해 에너지 사용량을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 원수와의 열교환을 위한 별도의 열에너지 공급원이 필요하지 않기 때문에 장치의 구현비용이 적으며 시스템이 간단하여 유지보수도 용이하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법에서는 원수가 다단의 원수조를 순환하는 과정에서 원수 내에 유가자원의 결정이 발생하면 결정화장치에서 이러한 유가자원 결정을 필터링하여 고가의 유가자원을 회수할 수 있기 때문에 기존에 폐기물로 여겨졌던 하폐수에 포함된 유가자원을 회수하여 재사용할 수 있어 자원확보가 가능하고, 종래에 유가자원 회수를 위한 약품사용량 및 슬러지 배출량을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다단의 원수조에서 각 단의 원수조 내 원수의 TDS 값을 예측하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

상술한 바와 같이 결정화장치(131)에서 배출되는 원수는 제1단 내지 제n단의 원수조 중 선택된 원수조로 공급된다. 바람직하게는 결정화장치(131)에서 배출된 원수의 농도와 동일 또는 가장 유사한 원수의 농도를 갖는 원수조로 공급된다. 이는 결정화장치(131)에서 배출되는 원수를 재활용하되, 각 단의 원수조 내의 원수와 동일 또는 가장 비슷한 농도의 원수와 혼합하기 위한 것이다. 이러한 원수의 순환은 농도가 기설정된 값 이상에 도달할 때까지 원수를 재활용하기 위한 것이며, 순환되는 원수의 농도가 설정된 값에 도달하면 외부로 배출하게 된다.

도 4를 참조하면, 제1단의 원수조(101a)에서 제n단의 원수조(101n)까지 원수공급라인(114)를 통해 순차적으로 원수가 공급된다. 이때, 제1단의 원수조(101a)로 최초 공급되는 원수의 TDS 값을 TDS(0)라 하고 이는 설정값이다. 그리고 제1단의 원수조(101a) 내지 제n단의 원수조(101n)에서 각각 원수의 일부를 증기로 배출한 후 각 원수의 TDS 값은 각각 TDS(1), TDS(2), TDS(3),..., TDS(n)이라 하고, 각 단의 원수조(101a~101n)에서의 회수율(Recovery:Rec)을 Rec(1), Rec(2), Rec(3),..., Rec(n)이라 하면, 각 단의 원수조(101a~101n)에서의 TDS 값은 하기 수학식 5와 같이 계산된다.

여기서, 각 단에서의 회수율(Rec)은 '각 단의 원수조에서의 생산유량/각 단의 원수조로 유입되는 원수유량)×100'으로 계산되며, 각 단마다 생산하고자 하는 생산유량에 따라 회수율을 조정할 수 있다. 구체적으로 상기 수학식 1 내지 4를 통해 계산된 물투과 플럭스에 각 단의 원수조에 침지된 MD모듈부의 막면적을 곱하면 각 단에서의 생산유량을 계산할 수 있으며, 각 단에 유입된 원수유량은 설정값이므로 원수유량과 생산량을 통해 회수율을 결정할 수 있다.

하기 표 1은 본 발명의 실험 예에 따라 7개의 원수조에서의 원수의 TDS 및 전체 회수율을 나타낸 결과이다.

원수조	유입TDS	회수율(Rec)	농축계수	농축 후 TDS	원수조 내 TDS	전체회수율
1	35,000	20 %	1.25	43,750	42,000	20.0 %
2	42,000	20 %	1.25	52,500	54,400	36.0 %
3	50,400	20 %	1.25	63,000	60,480	48.8 %
4	60,480	20 %	1.25	75,600	72,576	59.0 %
5	72,576	20 %	1.25	90,720	87,091	67.2 %
6	87,091	20 %	1.25	108,864	104,509	73.8 %
7	104,509	20 %	1.25	130,636	125,411	79.0 %

이러한 과정을 통해 각 단의 원수조마다 원수조 내 원수의 TDS를 예측함으로써 결정화장치(131)에서 배출되는 원수의 TDS와 비교하여 가장 비슷한 TDS 값을 갖는 원수조로 배출할 수 있도록 한다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

101,101a~101n : 원수조 102,102a~102n : 막증류(MD)모듈부
103,103a~103n : 열교환부 104 : 증기발생부
105 : 응축부 106 : 원수공급부
107 : 여과수조 108,108a~108n : 폭기부
109 : 온도검출부 110 : 증기온도제어부
111 : 탁도검출부 112 : 전기전도도계
113 : 결정화장치 114 : 원수공급라인
115 : 제어부 116 : 진공펌프
1131 : 하우징 1132 : 필터부
1133 : 초음파발생부 1134 : 초음파진동자
1135 : 입자분석부 1136 : 배출밸브
1137 : 압력계 116 : 진공펌프

Claims

다단으로 이루어지며 각각 내부에 원수가 저장되고 상기 저장된 원수가 최전단의 제1단부터 최후단의 제n단(n≥2,정수)까지 순차적으로 흐르도록 구성된 다단의 원수조;
상기 다단의 원수조마다 내부의 원수에 각각 침지되어 상기 원수의 일부를 증기로 배출하는 다단의 MD모듈부;
상기 다단의 원수조마다 내부의 원수에 각각 침지되어 전단의 MD모듈부로부터 공급되는 증기와의 열교환을 통해 상기 다단의 원수조마다 원수의 온도를 각각 기설정된 온도로 유지하도록 하는 다단의 열교환부;
고온증기를 발생시켜 상기 제1단의 열교환부로 공급하는 증기발생부;
상기 제n단의 원수조로부터 원수를 공급받아 상기 원수 내에 포함된 결정을 추출하는 결정화장치;
상기 제n단의 원수조로부터 상기 결정화장치로 공급되는 원수의 탁도를 검출하는 탁도검출부; 및
상기 탁도검출부에서 검출된 탁도가 기설정된 기준치이면 상기 원수 내에 포함된 결정을 추출하도록 상기 결정화장치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 증기발생부는 상기 제1단의 원수조 내부의 원수의 온도보다 높은 온도의 증기를 상기 제1단의 열교환부로 공급하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1단의 열교환부에서 열교환되어 배출되는 증기는 상기 증기발생부로 회수되는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 MD모듈부는 진공타입의 막증류분리막을 포함하고 상기 다단의 MD모듈부마다 내부의 증기가 발생되는 영역에 진공압력을 각각 발생시키는 진공펌프를 더 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1단의 원수조에 저장된 원수의 온도를 검출하는 온도검출부; 및
상기 온도검출부에서 검출된 원수의 온도에 따라 상기 증기발생부에서 발생되는 증기의 온도를 제어하는 증기온도제어부를 더 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 다단의 원수조마다 내부에 각각 설치되어 연속적으로 또는 기설정된 주기에 따라 각각 폭기하는 다단의 폭기부를 더 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 다단의 원수조는 원수공급라인을 통해 순차적으로 연결되어 상기 제1단부터 제n단까지 원수가 상기 원수공급라인을 통해 흐르고 상기 제n단의 원수조는 상기 결정화장치로 원수를 공급하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제n단의 MD모듈부로부터 공급되는 증기를 열교환을 통해 응축시켜 배출하는 응축부; 및
상기 응축부에서의 열교환을 위해 저온의 원수를 상기 응축부를 통해 상기 제1단의 원수조로 공급하는 원수공급부를 더 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1단을 제외한 제2단 내지 제n단의 열교환부에서 각각 열교환되어 배출되는 증기 및 상기 응축부에서 배출되는 증기를 저장하는 여과수조에 더 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 결정화장치는 상기 결정이 추출된 원수를 상기 제1단 내지 제n단의 원수조 중 선택적으로 공급하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 결정화장치는,
상기 제n단의 MD모듈부를 통과한 원수를 공급받아 저장하는 하우징;
상기 하우징 내부에 설치되어 상기 공급받은 원수에 포함되어 있는 기설정된 유가자원의 결정을 필터링하여 분리하는 필터부;
기설정된 진동수를 갖는 초음파를 발생하는 초음파발생부; 및
상기 하우징의 일측에 부착되어 상기 초음파발생부에서 발생한 초음파에 의해 상기 하우징에 진동을 발생시키는 적어도 하나의 초음파진동자를 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제11항에 있어서,
상기 제어부는 상기 탁도검출부에서 검출된 원수의 탁도가 상기 기준치가 되면 상기 초음파발생부를 동작시켜 상기 초음파진동자에 의해 상기 하우징에 진동을 발생시키고 상기 필터부에 진동을 전달하도록 하여 상기 필터부에 부착된 상기 유가자원의 결정을 상기 필터부로부터 분리하도록 하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제11항에 있어서,
상기 하우징에 공급되는 원수에 포함된 유가자원의 결정을 회전시키는 교반기를 더 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제11항에 있어서, 상기 결정화장치는,
상기 하우징으로부터 외부로 배출되는 상기 유가자원 결정의 입도를 분석하는 입도분석부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 입도분석부에서 분석된 유가자원 결정의 입도를 이용하여 상기 초음파발생부의 진동수를 조정하도록 하는 제어신호를 상기 초음파발생부로 전송하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
제11항에 있어서, 상기 결정화장치는,
상기 하우징 내부의 압력을 검출하는 압력계를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 압력계에서 검출된 하우징 내부의 압력이 기설정된 한계압력에 도달하면 상기 결정화장치를 동작시켜 상기 필터부에 부착된 유가자원 결정을 분리하여 제거하도록 하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치.
다단의 원수조마다 원수에 각각 침지되어 상기 원수의 일부를 증기로 배출하는 다단의 MD모듈부와, 전단의 MD모듈부로부터 공급된 증기와의 열교환을 통해 상기 다단의 원수조마다 원수의 온도를 기설정된 온도로 유지하도록 하는 다단의 열교환부를 포함하는 막증류 수처리 장치에서의 유가자원 회수방법에 있어서,
원수공급부에서 최전단인 제1단의 원수조로 원수를 공급하는 제1단계;
증기발생부에서 고온증기를 상기 제1단의 열교환부로 공급하는 제2단계;
상기 제1단의 열교환부에서 상기 공급된 고온증기와의 열교환을 통해 상기 제1단의 원수조 내 상기 제1단의 MD모듈부에서 원수의 일부를 증기로 변환한 후 상기 변환된 증기를 후단(제2단)의 열교환부로 공급하는 제3단계;
상기 제3단계를 상기 제2단의 원수조부터 최후단인 제n단(n≥3,정수)의 원수조까지 순차적으로 반복하는 제4단계;
상기 제n단의 원수조에서 원수를 결정화장치로 공급하는 제5단계;
탁도검출부에서 상기 제n단의 원수조로부터 상기 결정화장치로 공급되는 원수의 탁도를 검출하는 제6단계;
제어부에서 상기 탁도검출부에서 검출된 원수의 탁도가 기설정된 기준치가 되면 상기 결정화장치로 동작신호를 전송하는 제7단계; 및
상기 동작신호에 의해 상기 결정화장치가 상기 제n단의 원수조로부터 공급받은 원수 내에 포함된 결정을 추출하는 제8단계를 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법.
제16항에 있어서,
상기 제1단의 열교환부에서 열교환되어 배출되는 증기는 상기 증기발생부로 회수되는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법.
제16항에 있어서,
상기 제1단을 제외한 제2단 내지 제n단의 열교환부에서 각각 열교환되어 배출되는 증기 및 응축부에서 배출되는 증기를 여과수조에 저장하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법.
제16항에 있어서,
상기 증기발생부는 상기 제1단의 원수조 내부의 원수의 온도보다 높은 온도의 증기를 상기 제1단의 열교환부로 공급하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법.
제16항에 있어서, 상기 제1단계 이후에,
온도검출부에서 상기 제1단의 원수조의 원수의 온도를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 원수의 온도를 이용하여 증기온도제어부에서 상기 증기발생부에서 발생되는 증기의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법.
제16항에 있어서, 상기 제8단계는,
상기 제어부로부터의 동작신호에 의해 초음파발생부가 기설정된 진동수를 갖는 초음파를 발생시키는 단계;
상기 제n단의 원수조로부터 원수를 공급받아 저장하는 하우징의 일부에 부착된 초음파진동자에서 상기 발생된 초음파에 의해 상기 하우징에 진동을 발생시키는 단계; 및
상기 진동에 의해 상기 하우징의 내부에 설치된 필터부가 진동하여 상기 필터부에 부착된 유가자원의 결정을 상기 필터부로부터 분리하여 추출하는 단계를 포함하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법.
제21항에 있어서,
상기 유가자원의 결정을 필터부로부터 분리하여 추출하는 단계 이후에,
입도분석부에서 상기 필터부에 의해 추출된 유가자원 결정의 입도를 분석하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 입도분석부에서 분석된 유가자원 결정의 입도를 이용하여 상기 초음파발생부의 진동수를 조정하도록 하는 제어신호를 상기 초음파발생부로 전송하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법.
제16항에 있어서, 상기 제6단계 이후에,
전기전도도계에서 상기 제n단의 원수조로부터 상기 결정화장치로 공급되는 원수의 전기전도도를 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 검출된 탁도 및 전기전도도가 기설정된 각각의 기준치에 도달하면 상기 결정화장치로 동작신호를 전송하는 다단 침지식 막증류 수처리 장치를 이용한 유가자원 회수방법.