KR101936159B1 - Seawater desalination system using air gap membrane distillation (agmd) module of hollow fiber type, and method for the same - Google Patents
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Abstract
공기간극형 막증류(AGMD) 모듈의 소수성 분리막과 냉각부재를 다단으로 설치하고 선택적으로 운영함으로써 담수 생산량을 용이하게 조절할 수 있으며, 최적화된 운전조건을 통해 공정의 안정성을 확보할 수 있고, 또한, 태양열, 지열, 신재생 에너지열, 산업폐열 등을 활용하여 비교적 낮은 유입수 온도 조건에서 담수를 생산함으로써, 기존의 해수담수화 공정에 주로 사용되고 있는 다단증발법, 역삼투 공정의 운영비용 및 전력비용을 감소시킬 수 있으며, 또한, 전처리 공정을 포함한 역삼투 공정에 비해서 단독 공정으로 담수를 생산할 수 있기 때문에 해수담수화 시스템이 차지하는 면적을 최소화할 수 있고, 또한, 기존의 진공식 막증류 시스템에 비해 AGMD 모듈에 직접적인 감압을 하지 않기 때문에 장기간 운전 시 소수성 분리막의 막젖음 현상을 감소시킴으로써 담수 수질을 개선할 수 있고, 연속식 운전의 한계를 극복하고 열효율을 극대화하여 비교적 안정적이고 연속적으로 성능을 확보할 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법이 제공된다.It is possible to easily adjust the production volume of fresh water by selectively installing the multi-stage hydrophobic separation membrane and the cooling member of the air gap type membrane distillation (AGMD) module, to ensure the stability of the process through optimized operation conditions, By producing fresh water at relatively low influent water temperature conditions using solar, geothermal, renewable energy heat, and industrial waste heat, the operation cost and power cost of the multi-stage evaporation method and the reverse osmosis process which are mainly used in the existing seawater desalination process are reduced In addition, it is possible to minimize the area occupied by the seawater desalination system because the fresh water can be produced by a single process compared with the reverse osmosis process including the pretreatment process, and the AGMD module Since the direct decompression is not performed, the membrane wetting phenomenon of the hydrophobic separation membrane is reduced A seawater desalination system using the air gap type membrane distillation module capable of improving the fresh water quality with the use of the seawater and capable of securing relatively stable and continuous performance by overcoming the limit of the continuous operation and maximizing the thermal efficiency is provided do.
Description
본 발명은 해수담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 해수를 담수화시키는 막증류(Membrane Distillation: MD) 공정으로서, 중공사형(Hollow Fiber) 소수성 분리막(Hydrophobic Membrane)을 구비한 공기간극형 막증류(Air Gap Membrane Distillation: "AGMD") 모듈을 이용하여 해수를 담수화시키는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a seawater desalination system, and more particularly, to a membrane distillation (MD) process for desalinating seawater, which comprises air hollow membrane distillation with a hollow fiber hydrophobic membrane The present invention relates to a system and method for desalinating seawater using an air gap membrane distillation ("AGMD") module.
최근, 급변하는 기후 변화로 인해서 수많은 나라에서 물부족 현상이 가속화되고 있고, 또한, 지속되는 인구증가에 따라 산업과 농업에서 사용되는 용수량이 증대되고 있다. 예를 들면, 지구상의 물자원 중에서 1.7%는 빙하 상태, 0.8%만이 담수 상태로 존재하고 있으며, 대부분의 물은 바다에 분포되어 있다. 이러한 물부족 현상을 해결하기 위해, 전세계적으로 해수를 담수화시키는 해수담수화 공정에 대한 기술 개발이 활발히 연구되고 있는 실정이다.In recent years, rapidly changing climate changes have accelerated water shortages in many countries, and the water used in industry and agriculture is increasing as the population continues to grow. For example, 1.7% of the world's water resources are in glacial conditions, only 0.8% are in fresh water, and most of the water is distributed in the ocean. In order to solve this water scarcity phenomenon, the development of a seawater desalination process for desalinating seawater worldwide has been actively researched.
이러한 해수담수화 공정은 열을 이용한 상변화를 이용하는 열 공정 및 분리막을 이용한 막분리(Membrane Separation) 공정으로 분류된다. 예를 들면, 상변화와 관련된 열 공정은 다단증류법(Multi Stage Flash: MSF), 다단효용증발법(Multi Effect Distillation: MED) 등이 주로 사용되고 있으며, 또한, 막분리 공정은 역삼투(Reverse Osmosis: RO) 공정이 가장 많이 사용되고 있다. 구체적으로, 상변화를 이용한 다단증발법(MSF)은 100℃ 이상의 온도로 해수를 가열하여 증발된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 방식으로서, 대용량이고 시공 실적이 많으며 생산수 순도가 높다는 장점은 있으나, 에너지 소비가 크다는 단점이 있다.This seawater desalination process is classified into a thermal process using a phase change using heat and a membrane separation process using a separation membrane. For example, a multi-stage distillation (MSF) process and a multi-effect distillation (MED) process are mainly used for the thermal process related to the phase change, and the membrane separation process is a reverse osmosis process. RO) process is the most widely used. Concretely, the multi-stage evaporation method (MSF) using phase change is a method of producing fresh water by condensing vaporized steam by heating seawater at a temperature of 100 ° C or higher, which is advantageous in that it has a large capacity, , And the energy consumption is large.
따라서 최근에는 잠열로 인한 에너지 손실이 큰 열에너지 기반의 해수담수화 공정보다는 막분리를 이용하여 담수를 얻어내는 방법이 많이 이용되고 있다. 이러한 막분리를 이용한 해수담수화 공정은 역삼투 공정이 가장 상용화되어 있으며, 많은 부분이 이미 개발되어 있다. 하지만 이러한 역삼투 공정은 전처리 후에 고압펌프를 이용하여 유입수에 삼투압 이상의 압력을 가하여 담수를 얻어 내는 공정으로서, 고압펌프에 의한 소비동력이 크고, 공정 특성상 담수 회수율이 40~50%로 낮고, 친수성막을 사용해야 하기 때문에 부유입자 및 유기물에 의해 막이 쉽게 오염된다는 문제점이 있다.Therefore, recently, a method of obtaining fresh water using membrane separation rather than a thermal energy-based seawater desalination process which has a large energy loss due to latent heat is widely used. The reverse osmosis process is the most commercialized and many parts of the seawater desalination process using this membrane separation have already been developed. However, this reverse osmosis process is a process to obtain fresh water by applying a pressure higher than osmotic pressure to inflow water by using a high pressure pump after pre-treatment. It has high consumption power by high-pressure pump, low water recovery rate of 40-50% There is a problem that the membrane is easily contaminated by suspended particles and organic matter.
한편, 막증류(Membrane Distillation: MD) 공정은 전술한 열 공정과 막분리 공정을 결합함으로써 각각의 단점을 보완한 공정으로서, 열에너지를 사용한다는 점에서 전술한 다단증류법(MSF)과 같은 상분리 공정과 크게 다르지 않지만, 소수성 분리막(Hydrophobic Membrane) 양쪽의 증기압 압력 차이에 의한 분리(Separation)가 일어난다는 관점에서 보면, 액체의 온도를 끓는점까지 올리지 않아도 된다는 장점을 가지고 있다. 따라서 이러한 막증류법(MD)은 50~80℃ 범위의 비교적 낮은 온도에서 운전이 가능하며, 이것은 태양열, 지열, 재생에너지, 산업폐열 등 다양한 열원의 사용이 가능하다는 것을 의미한다.Meanwhile, the membrane distillation (MD) process is a process complementing each of the disadvantages by combining the above-described thermal process and membrane separation process. In the process of using the thermal energy, a phase separation process such as the multi-stage distillation process (MSF) Although not so different from the viewpoint of separating by the difference in vapor pressure between both sides of the hydrophobic membrane, it is advantageous that the temperature of the liquid does not need to be raised to the boiling point. Therefore, this membrane distillation (MD) can be operated at relatively low temperatures ranging from 50 to 80 ° C, which means that various heat sources such as solar heat, geothermal, renewable energy, and industrial waste heat can be used.
다시 말하면, 이러한 막증류 공정은 50∼80℃ 사이의 뜨거운 해수와 상온의 유입수 사이에 발생하는 증기압의 차이를 구동력으로 하여 소수성 분리막을 증기가 투과하여 담수를 얻어내는 공정으로서, 이때, 해수를 끓는점 이상으로 열을 가해야 하지만, 전처리를 필요로 하지 않고 운전할 수 있기 때문에 부지면적을 줄일 수 있고, 기존의 다른 해수담수화 공정들에 비해 낮은 에너지로 운전된다. 또한, 소수성 분리막을 이용하기 때문에 유기물질과 부유입자에 의한 막오염 현상이 적게 발생한다는 장점이 있다.In other words, this membrane distillation process is a process for obtaining fresh water by passing steam through a hydrophobic separation membrane using a difference in vapor pressure generated between hot seawater and normal-temperature influent between 50 and 80 ° C as a driving force. At this time, However, since it is possible to operate without pretreatment, it is possible to reduce the site area and operate with lower energy than other conventional seawater desalination processes. In addition, since the hydrophobic separation membrane is used, there is an advantage that the membrane contamination phenomenon due to organic substances and suspended particles is less.
특히, 이러한 막증류 공정은 폐열, 태양열과 같은 대체에너지가 사용가능한 경우, 기존의 가압식 분리막 공정에 비하여 운전에 사용되는 에너지가 적고, 거의 100%에 가까운 염 제거율을 가진다. 또한, 이러한 막증류 공정은 고농도의 유입수가 막증류 공정에 들어가더라도 투과플럭스의 감소 및 염제거 효율의 변화가 거의 없으며, 기존의 다단증류법(MSF)보다 열에너지가 적게 소비되고, 분리막과 공정수간의 화학반응이 적다는 장점이 있다.In particular, such a membrane distillation process has less energy used in operation and a salt removal rate close to 100% when alternative energy such as waste heat and solar heat is available, compared with the conventional pressurized separation membrane process. In addition, this membrane distillation process has almost no decrease in permeation flux and salt removal efficiency even when a high concentration of influent water enters the membrane distillation process, less heat energy is consumed than the conventional multi-stage distillation method (MSF) It has the advantage of less chemical reaction.
도 1은 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2a 내지 도 2d는 각각 도 1에 도시된 막증류 모듈의 4가지 유형을 예시하는 도면으로서, 막 투과부 쪽의 구성 형태에 따라 4가지로 구분된다.FIG. 1 is a view showing a seawater desalination system using a general membrane distillation module, and FIGS. 2A to 2D are views illustrating four types of membrane distillation modules shown in FIG. 1, respectively, There are four types.
도 1을 참조하면, 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템은, 히터(10), 유입수조(20), 유입수 순환펌프(30), 냉각수 순환펌프(40), 막증류 모듈(50), 생산수조(60) 및 온도제어수조(70)를 포함하며, 이때, 상기 막증류 모듈(50)은, 도 2a 내지 도 2d에 각각 도시된 바와 같이, DCMD 모듈(51), SCMD 모듈(52), VMD 모듈(53) 및 AGMD 모듈(54)로 구분할 수 있다.1, a conventional seawater desalination system using a membrane distillation module includes a
히터(10)에 의해 가열된 해수 유입수가 유입수조(20)를 통해 분리막 모듈인 막증류 모듈(50)의 공급측으로 유입되고, 상기 막증류 모듈(50)의 분리막 표면의 미세 기공(세공)을 통해 분리대상물질이 증기로 상변환되어 세공 안으로 확산 및 투과된다. 이때, 냉각수 순환펌프(40)에 의해 생산수조(60)에 차가운 냉수가 순환되면서 상기 투과된 증기가 접촉하여 응축 분리된다.The inflow water of seawater heated by the
도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이, 통상적인 막증류(MD) 공정은, 분리막의 투과되는 측면의 증기압을 낮추는 방식에 따라 크게 4가지로 구분할 수 있는데, 직접접촉형 막증류(Direct Contact Membrane Distillation: DCMD) 공정, 비활성기체 순환형 막증류(Sweep Gas Membrane Distillation: SGMD) 공정, 진공형 막증류(Vacuum Membrane Distillation: VMD) 공정 및 공기간극형 막증류(Air Gap Membrane Distillation: AGMD) 공정이 있다. 이러한 4가지 유형의 막증류 공정들은 모두 분리막의 한쪽 면에 고온의 유입수를 순환시키는 것은 동일하지만, 투과되는 측면의 증기압을 낮추는 방식이 각각 상이하다는 차이점이 있다.As shown in FIGS. 2A to 2D, a typical membrane distillation (MD) process can be roughly classified into four types according to a method of lowering the vapor pressure on the side of the membrane to be permeated. The direct contact membrane Distillation (DCMD) process, an inert gas circulation type swirl gas membrane distillation (SGMD) process, a vacuum type membrane distillation (VMD) process, and an air gap membrane distillation (AGMD) have. All of these four types of membrane distillation processes differ in that the method of circulating high-temperature influent on one side of the membrane is the same, but the method of lowering the vapor pressure of the side to be permeated is different.
구체적으로, 직접접촉형 막증류(DCMD) 공정은, 도 2a에 도시된 바와 같이, 분리막의 투과되는 측면에 차가운 용매를 순환시켜 직접적인 온도차에 의해 증기압을 발생시키는 방식이다. 이러한 직접접촉형 막증류(DCMD) 공정은 실험실 규모의 장치를 용이하게 제작할 수 있고, 운전이 간편하기 때문에 많은 연구기관에서 활용하여 연구하고 있다. 이러한 직접접촉형 막증류(DCMD) 공정은 투과된 증기가 차가운 물에 의해 응축되어 담수를 생산하기 때문에 별도의 응축조를 필요로 하지 않지만, 유입수의 열손실이 크고, 차가운 용매와 담수가 혼합되기 때문에 차가운 용매는 순수를 사용해야 하며, 또한, 수질이 낮은 용매를 사용할 경우, 추가적인 분리 공정이 필요하여 많은 부지를 차지하게 된다.Specifically, in the direct contact type membrane distillation (DCMD) process, as shown in FIG. 2A, a cold solvent is circulated through a side of a separation membrane to generate a vapor pressure by a direct temperature difference. This Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) process is being used in many research institutes because it can easily manufacture laboratory scale devices and is easy to operate. This direct contact type membrane distillation (DCMD) process does not require a separate condensation tank because the permeated steam is condensed by cold water to produce fresh water, but the heat loss of the influent water is large and the cold solvent and fresh water are mixed Therefore, the cold solvent must use pure water, and when using a low-quality solvent, additional separation process is required and occupies lots of sites.
비활성기체 순환형 막증류(SGMD) 공정은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 투과되는 측면에 차가운 비활성기체(Sweep Gas)를 순환시켜 구동하는 공정으로서, 분리막을 통해 투과된 증기가 비활성기체와 함께 이동하여 응축조에서 담수를 생산하는 방식이다. 이러한 비활성기체 순환형 막증류법(SGMD)은 별도의 비활성기체를 필요로 하고, 추가적인 응축조 설계 등 시스템이 복잡하고 운영이 어렵다는 단점을 가지고 있다.As shown in FIG. 2B, the inert gas circulation type membrane distillation (SGMD) process is a process of circulating a cool inert gas (sweep gas) through the side to be permeated, in which the vapor permeated through the separation membrane flows together with the inert gas And the fresh water is produced from the condensation tank. This inert gas recirculation membrane distillation (SGMD) requires a separate inert gas and has the disadvantage that the system is complicated and difficult to operate, such as additional condensation tank design.
진공형 막증류(VMD) 공정은, 도 2c에 도시된 바와 같이, 투과되는 측면에 직접적으로 진공을 걸어 발생된 증기 이동을 촉진시키는 방식으로서, 전술한 다른 공정들이 차가운 용매에 의해 온도차에 의한 직접적인 증기압 발생으로 담수를 얻는 것과 달리 이러한 진공형 막증류법은 50~80℃ 범위의 유입수에서 발생한 증기를 감압으로 인해 담수를 얻는 방식이다. 따라서 이러한 진공형 막증류(VMD) 공정은 차가운 용매와 직접적인 접촉이 없기 때문에 유입수의 열손실이 적고 증기압에 의해 발생된 증기가 분리막을 통해 투과되는 속도를 촉진시킴으로써 성능이 가장 높다는 장점이 있다. 하지만, 분리막에 직접적인 압력을 주기 때문에 장기간 운전 시, 막 젖음 현상이 발생할 가능성이 매우 높으며, 담수 수질이 악화될 우려가 있다.As shown in FIG. 2C, the vacuum type film distillation (VMD) process is a method of promoting the vapor movement generated by directly applying a vacuum to the side to be permeated, as shown in FIG. 2C. Unlike obtaining fresh water by generating steam pressure, this vacuum type membrane distillation method is a method in which fresh water is obtained by decompression of steam generated from inflow water in the range of 50 to 80 ° C. Therefore, this vacuum type membrane distillation (VMD) process has the advantage that the heat loss of the inflow water is small because there is no direct contact with the cold solvent, and the performance is promoted by promoting the permeation rate of the vapor generated by the vapor pressure through the separator. However, since direct pressure is applied to the membrane, there is a high possibility that membrane wetting occurs during long-term operation, and the quality of fresh water may deteriorate.
또한, 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은, 도 2d에 도시된 바와 같이, 투과되는 측면에 15~25℃의 공기간극(Air Gap)을 두어 증기압을 낮추는 방식으로서, 투과된 증기는 분리막 모듈의 냉각판에 맺혀 응축되어 담수를 생산하게 된다. 따라서 이러한 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은 유입수의 열손실이 적다는 장점이 있다. 이러한 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은 냉각판의 온도 유지를 위해 차가운 용매를 별도로 순환시키게 되는데, 이때 생산된 담수와 혼합되지 않기 때문에 직접접촉형 막증류 공정과 달리 5~20℃의 해수를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 다른 막증류 공정에 비해 성능이 낮다는 단점이 있다.In the air gap type membrane distillation (AGMD) process, as shown in FIG. 2D, an air gap of 15 to 25 ° C. is placed on the side to be permeated to lower the vapor pressure, And is condensed to produce fresh water. Therefore, this air gap type membrane distillation (AGMD) process has an advantage that the heat loss of influent water is small. In this air gap type membrane distillation (AGMD) process, the cold solvent is circulated separately to maintain the temperature of the cooling plate. Since it is not mixed with the produced fresh water, unlike the direct contact type membrane distillation process, It can be used directly, but it has a disadvantage that its performance is lower than other membrane distillation processes.
이와 같이, 각각의 막증류(MD) 공정마다 각각의 장단점이 있으며, 이를 실제 해수담수화 기술로 적용하기 위해서는 다양한 개발이 필요한 시점이며, 특히, 공기간극형 막증류(AGMD) 공정의 경우, 성능을 개선할 필요성이 있는 실정이다.As described above, there are advantages and disadvantages of each membrane distillation (MD) process. It is necessary to develop various seawater desalination technologies. Particularly, in the case of the air gap type membrane distillation (AGMD) There is a need to improve.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈의 소수성 분리막과 냉각부재를 다단으로 설치하고 선택적으로 운영함으로써 담수 생산량을 용이하게 조절할 수 있고, 최적화된 운전조건을 통해 공정의 안정성을 확보할 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an air gap type membrane distillation (AGMD) module in which a plurality of hydrophobic separation membranes and cooling members are installed and selectively operated, The present invention is to provide a seawater desalination system using the air gap type membrane distillation module and a method for securing the stability of the process through the operation conditions.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 태양열, 지열, 신재생 에너지열, 산업폐열 등을 활용하여 비교적 낮은 유입수 온도 조건에서 담수를 생산할 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a seawater desalination system using an air gap type membrane distillation module capable of producing fresh water at relatively low influent water temperature by utilizing solar heat, geothermal heat, renewable energy heat, industrial waste heat, Method.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공기간극형 막증류 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈을 제공함으로써, 공기간극층을 일정하게 유지하고 집적도를 높일 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a hollow-type AGMD module applicable to an air gap type membrane distillation system, and to provide an air gap type membrane distillation module capable of maintaining a constant air gap layer and increasing the degree of integration Seawater desalination system and method therefor.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 소수성 막젖음 현상을 감소시켜 담수 수질을 개선할 수 있고, 연속식 운전의 한계를 극복하고 열효율을 극대화하여 비교적 안정적이고 연속적으로 성능을 확보할 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.It is another object of the present invention to provide an air filtering apparatus capable of improving the quality of fresh water by reducing hydrophobic film wetting phenomenon and overcoming limitations of continuous operation and maximizing thermal efficiency, A seawater desalination system using a gap type membrane distillation module and a method therefor.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템은, 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 있어서, 폐열을 공급하는 폐열 공급부; 해수 유입수가 소정 범위의 온도를 유지하도록 상기 폐열 공급부로부터 공급되는 폐열을 통해 가열하는 가열용 열교환기; 상기 가열용 열교환기가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기에 의해 가열된 해수 유입수가 저장되며, 상기 해수 유입수의 온도를 조절 및 제어하여 공급하는 유입수조; AGMD 모듈 케이스, 소수성 분리막, 공기간극층 및 냉각부재로 이루어지고, 상기 유입수조에서 공급되는 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 응축시켜 담수를 생산하는 AGMD 모듈; 상기 AGMD 모듈의 전단에 설치되고, 상기 유입수조로부터 공급되는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막을 공급하도록 순환시키는 유입수 순환펌프; 상기 AGMD 모듈의 후단에 설치되고, 상기 AGMD 모듈 내의 공기간극층의 온도를 유지하기 위한 냉각수를 상기 AGMD 모듈 내부의 냉각부재를 통과하도록 순환시키는 냉각수 순환펌프; 상기 AGMD 모듈 및 냉각수 순환펌프 사이에 설치되고, 상기 AGMD 모듈의 냉각부재를 통과하여 감온된 냉각수가 소정 범위의 온도를 유지할 수 있도록 냉각시키는 냉각용 열교환기; 및 상기 AGMD 모듈에서 생산된 담수를 수집하는 생산수조를 포함하되, 상기 AGMD 모듈은, 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막; 상기 소수성 분리막의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극이 형성된 공기간극층; 상기 공기간극층의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재; 및 상기 소수성 분리막 및 상기 냉각부재가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스를 포함하며, 상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막 및 냉각부재는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스 내에 각각 다단으로 설치되고 선택적으로 운영되며, 상기 다단으로 설치되는 소수성 분리막 간의 간격은 1~4㎜의 범위이고, 상기 소수성 분리막과 응축을 위한 냉각부재와의 간격은 상기 소수성 분리막 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성되며; 상기 AGMD 모듈 케이스는 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조로 보내기 위한 담수 배출포트가 하부에 형성되고, 상기 생산수조는 상기 AGMD 모듈에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집하는 것을 특징으로 한다.As a means for achieving the above technical object, the seawater desalination system using the air gap type membrane distillation module according to the present invention is characterized in that in a seawater desalination system using an air gap type membrane distillation (AGMD) module, A supply section; A heating heat exchanger for heating the seawater inflow water through waste heat supplied from the waste heat supply unit so as to maintain a predetermined range of temperatures; An inflow water tank in which the heating heat exchanger is installed, the inflow water tank stores inflow water heated by the heating heat exchanger, and regulates and controls the temperature of the inflow water; An AGMD module composed of an AGMD module case, a hydrophobic separation membrane, an air gap layer and a cooling member, separating and condensing only steam from seawater inflow water supplied from the inflow water tank to produce fresh water; An inflow water circulation pump installed upstream of the AGMD module and circulating the seawater inflow water supplied from the inflow water tank to supply the hydrophobic separation membrane of the AGMD module; A cooling water circulation pump installed at a downstream end of the AGMD module and circulating cooling water for maintaining the temperature of the air gap layer in the AGMD module to pass through a cooling member inside the AGMD module; A cooling heat exchanger installed between the AGMD module and the cooling water circulation pump for cooling the cooling water passed through the cooling member of the AGMD module to maintain the temperature of the predetermined range; And a production water tank for collecting fresh water produced in the AGMD module, wherein the AGMD module is a hydrophobic and porous separation membrane having a hydrophobic separation membrane for separating and permeating only steam from the seawater influent water; An air gap layer formed on a side of the hydrophobic separator to be permeated, the air gap layer having an air gap to maintain a predetermined range of temperature and lower a vapor pressure; A cooling member for maintaining the temperature of the air gap layer and passing cooling water for condensing the vapor permeated through the hydrophobic separation membrane; And an AGMD module case in which the hydrophobic separation membrane and the cooling member are mounted in multi-stages, wherein the hydrophobic separation membrane and the cooling member of the AGMD module are installed in multiple stages in the AGMD module case so as to control the production of fresh water, , The interval between the hydrophobic separation membranes installed at the multi-stages is in the range of 1 to 4 mm, the spacing between the hydrophobic separation membrane and the cooling member for condensation is in the range of 1 to 4 mm, The AGMD module case has a fresh water discharge port formed at a lower portion thereof for collecting the condensed steam and sending it to the production water tank. The production water tank collects the fresh water produced by the AGMD module, The AGMD module is installed at a lower position than the AGMD module so as to minimize the amount of water used, and the fresh water is collected by a natural descent method.
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여기서, 상기 소수성 분리막은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성되고, 상기 소수성 분리막은 관형, 중공사형 또는 모세관형의 분리막 구조로 다단으로 설치되며, 상기 소수성 분리막에 형성되는 세공의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다.Here, the hydrophobic separation membrane may be formed of a polymer such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), or polytetrafluoroethylene (PTFE) The hydrophobic separation membrane is installed in a multi-stage structure of a tubular, hollow or capillary membrane type, and the size of pores formed in the hydrophobic separation membrane is preferably in the range of 0.2 to 1.0 μm.
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여기서, 상기 냉각부재는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판일 수 있고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 AGMD 모듈 내의 소수성 분리막과의 온도차를 발생시켜 증기압 차이를 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시키는 것을 특징으로 한다.Here, the cooling member may be a cooling pipe or a cooling plate without pores, and the cooling pipe or the cooling plate may generate a temperature difference with the hydrophobic separation membrane in the AGMD module to allow cooling water to pass therethrough to generate a difference in vapor pressure .
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여기서, 상기 폐열 공급부에서 공급하는 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열, 신재생에너지열 또는 해수열원 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The waste heat supplied from the waste heat supply unit may include at least one of geothermal heat, industrial waste heat, solar heat, renewable energy heat, and seawater heat source.
여기서, 상기 유입수조는 해수 유입수를 50~80℃의 범위로 가열 및 유지하기 위해, 상기 폐열을 재활용할 수 있는 가열용 열교환기가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기에 의해 가열되어 상기 AGMD 모듈 내부의 소수성 분리막으로 이동하는 해수 유입수의 온도가 유지되도록 제어할 수 있다.Here, the inflow water tank is provided with a heat exchanger for heating, which can recycle the waste heat, to heat and maintain seawater inflow water in a range of 50 to 80 ° C, and is heated by the heat exchanger for heating, The temperature of the seawater inflow water moving to the hydrophobic separating membrane of the membrane can be controlled to be maintained.
여기서, 상기 냉각수 순환펌프는 5~20℃의 범위의 해수 또는 수돗물인 냉각수를 상기 AGMD 모듈의 냉각부재에 공급하여 상기 AGMD 모듈 내의 공기간극층의 온도가 15~25℃의 범위로 유지되도록 제어할 수 있다.Here, the cooling water circulation pump supplies the cooling water of the AGMD module to the cooling member of the AGMD module so that the temperature of the air gap layer in the AGMD module is maintained in the range of 15 to 25 ° C .
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한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 중공사형 공기간극형 막증류 모듈은, 해수담수화 시스템에 적용되는 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈에 있어서, 표면이 소수성이고 다공성인 중공사형 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 중공사형 소수성 분리막; 상기 중공사형 소수성 분리막의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극이 형성된 공기간극층; 상기 공기간극층의 온도를 유지시키며, 상기 중공사형 소수성 분리막을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재; 및 상기 중공사형 소수성 분리막 및 상기 냉각부재가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스를 포함하되, 상기 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스 내에 각각 다단으로 설치되고 선택적으로 운영되는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an air gap type membrane distillation (AGMD) module for use in a seawater desalination system, wherein the surface of the hollow air gap type membrane distillation module is hydrophobic A porous hollow separator membrane, comprising: a hollow-type hydrophobic separation membrane separating and passing only steam from the seawater influent water; An air gap layer formed on a side of the hollow-type hydrophobic separation membrane to be permeated, the air gap layer having an air gap to maintain a predetermined range of temperature and lower a vapor pressure; A cooling member for maintaining the temperature of the air gap layer and passing cooling water for condensing the vapor permeated through the hollow fiber type hydrophobic separation membrane; And an AGMD module case in which the hollow fiber type hydrophobic separation membrane and the cooling member are mounted in multiple stages, wherein the hollow fiber type hydrophobic separation membrane and the cooling member are installed in multiple stages in the AGMD module case so as to control the fresh water production, .
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 방법은, 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 방법에 있어서, a) 폐열을 이용하는 가열용 열교환기에 의해 해수 유입수를 가열하여 유입수조에 저장하는 단계; b) 유입수 순환펌프를 사용하여 상기 유입수조에 저장된 해수 유입수를 순환시키는 단계; c) 상기 순환되는 해수 유입수를 AGMD 모듈 케이스, 소수성 분리막, 공기간극층 및 냉각부재로 이루어진 AGMD 모듈을 통과시키는 단계; d) 냉각수가 상기 AGMD 모듈의 냉각부재를 통과하도록 냉각수 순환펌프를 사용하여 순환시키는 단계; e) 상기 AGMD 모듈을 통과하는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막과 냉각부재 간의 온도 차이에 따라 증기압 차이를 발생하고, 상기 소수성 분리막 표면에서 증기를 형성하면서 상기 소수성 분리막의 세공으로 증기가 투과되는 단계; f) 상기 투과된 증기가 상기 AGMD 모듈 케이스 내부에 배치된 냉각부재에 의해 응축되면서 담수를 생산하는 단계; 및 g) 상기 생산된 담수를 생산수조로 이동시켜 수집하는 단계를 포함하되, 상기 c) 단계의 AGMD 모듈은, 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막; 상기 소수성 분리막의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극이 형성된 공기간극층; 상기 공기간극층의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재; 및 상기 소수성 분리막 및 상기 냉각부재가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스를 포함하며, 상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막 및 냉각부재는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스 내에 각각 다단으로 설치되고 선택적으로 운영되며, 상기 다단으로 설치되는 소수성 분리막 간의 간격은 1~4㎜의 범위이고, 상기 소수성 분리막과 응축을 위한 냉각부재와의 간격은 상기 소수성 분리막(152) 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성되며; 상기 AGMD 모듈 케이스는 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조로 보내기 위한 담수 배출포트가 하부에 형성되고, 상기 생산수조는 상기 AGMD 모듈에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집하는 것을 특징으로 한다.In another aspect of the present invention, there is provided a seawater desalination method using an air gap type membrane distillation module according to the present invention, the method comprising: a) a desalination method using an air gap type membrane distillation (AGMD) Heating the seawater inflow water by a heat exchanger for heating using waste heat and storing the seawater inflow water in an inflow water tank; b) circulating the seawater inflow water stored in the inflow water tank using an inflow circulation pump; c) passing the circulating seawater influent through an AGMD module consisting of an AGMD module case, a hydrophobic separation membrane, an air gap layer and a cooling member; d) circulating cooling water through a cooling member of the AGMD module using a cooling water circulation pump; e) Seawater influent passing through the AGMD module generates a vapor pressure difference according to a temperature difference between the hydrophobic separation membrane and the cooling member of the AGMD module, and steam is transmitted to the pores of the hydrophobic separation membrane while forming steam on the surface of the hydrophobic separation membrane step; f) the permeated vapor is condensed by a cooling member disposed inside the AGMD module case to produce fresh water; And g) moving the produced fresh water to a production water tank and collecting the AGMD module, wherein the AGMD module in the step c) is a hydrophobic and porous separation membrane having a hydrophobic separation membrane for separating and permeating only steam from the seawater inflow water ; An air gap layer formed on a side of the hydrophobic separator to be permeated, the air gap layer having an air gap to maintain a predetermined range of temperature and lower a vapor pressure; A cooling member for maintaining the temperature of the air gap layer and passing cooling water for condensing the vapor permeated through the hydrophobic separation membrane; And an AGMD module case in which the hydrophobic separation membrane and the cooling member are mounted in multi-stages, wherein the hydrophobic separation membrane and the cooling member of the AGMD module are installed in multiple stages in the AGMD module case so as to control the production of fresh water, The distance between the hydrophobic separation membranes and the cooling member for condensation is in the range of 1 to 4 mm, which is the same as the distance between the hydrophobic separation membranes 152 / RTI > The AGMD module case has a fresh water discharge port formed at a lower portion thereof for collecting the condensed steam and sending it to the production water tank. The production water tank collects the fresh water produced by the AGMD module, The AGMD module is installed at a lower position than the AGMD module so as to minimize the amount of water used, and the fresh water is collected by a natural descent method.
본 발명에 따르면, 사용자의 요구에 대응하여 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈의 소수성 분리막과 냉각부재를 다단으로 설치하고 선택적으로 운영함으로써 담수 생산량을 용이하게 조절할 수 있으며, 최적화된 운전조건을 통해 공정의 안정성을 확보할 수 있다.According to the present invention, the desiccant separation membrane and the cooling member of the air gap type membrane distillation (AGMD) module can be installed in multiple stages in accordance with the user's demand and selectively operated, thereby making it possible to easily adjust the fresh water production amount. The stability of the process can be secured.
본 발명에 따르면, 태양열, 지열, 신재생 에너지열, 산업폐열 등을 활용하여 비교적 낮은 유입수 온도 조건에서 담수를 생산함으로써, 기존의 해수담수화 공정에 주로 사용되고 있는 다단증발법, 역삼투 공정의 운영비용 및 전력비용을 감소시킬 수 있다.According to the present invention, by producing fresh water at a relatively low influent water temperature by utilizing solar heat, geothermal heat, renewable energy heat, and industrial waste heat, it is possible to improve the operation cost of the multi- And power costs.
본 발명에 따르면, 공기간극형 막증류 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈을 제공함으로써, 공기간극층을 일정하게 유지하고 집적도를 높일 수 있다.According to the present invention, it is possible to maintain the air gap layer constant and to increase the degree of integration by providing the hollow-type AGMD module applied to the air gap type membrane distillation system.
본 발명에 따르면, 전처리 공정을 포함한 역삼투 공정에 비해서 단독 공정으로 담수를 생산할 수 있기 때문에 해수담수화 시스템이 차지하는 면적을 최소화할 수 있다.According to the present invention, since the fresh water can be produced by a single process as compared with the reverse osmosis process including the pretreatment process, the area occupied by the seawater desalination system can be minimized.
본 발명에 따르면, 기존의 진공식 막증류 시스템에 비해 AGMD 모듈에 직접적인 감압을 하지 않기 때문에 장기간 운전 시 소수성 분리막의 막젖음 현상을 감소시킴으로써 담수 수질을 개선할 수 있고, 연속식 운전의 한계를 극복하고 열효율을 극대화하여 비교적 안정적이고 연속적으로 성능을 확보할 수 있다.According to the present invention, since the decompression is not directly applied to the AGMD module compared with the conventional vacuum membrane distillation system, it is possible to improve the fresh water quality by reducing the film wettability of the hydrophobic separation membrane during the long-term operation, And the heat efficiency is maximized, so that the performance can be ensured relatively stably and continuously.
도 1은 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 도 1에 도시된 막증류 모듈의 4가지 유형을 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈의 모식도이다.
도 6은 도 5에 도시된 중공사형 AGMD 모듈에서 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재를 예시하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재가 AGMD 모듈 케이스 내에 다단으로 탑재되는 것을 예시하는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 AGMD 모듈 케이스 하부에 생산담수 배출포트가 형성된 것을 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법을 나타내는 동작흐름도이다.1 is a view of a seawater desalination system using a conventional membrane distillation module.
Figures 2a-d are diagrams illustrating four types of membrane distillation modules shown in Figure 1, respectively.
3 is a configuration diagram of a seawater desalination system using an AGMD module according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a seawater desalination system using an AGMD module according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic view of a hollow-type AGMD module applied to a seawater desalination system using an AGMD module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view illustrating a hollow-type hydrophobic separation membrane and a cooling member in the hollow-type AGMD module shown in FIG.
7 is a view illustrating that the hollow fiber type hydrophobic separation membrane and the cooling member shown in Fig. 6 are mounted in multiple stages in the AGMD module case.
8 is a view illustrating a production fresh water discharge port formed in the lower portion of the AGMD module case shown in FIG.
FIG. 9 is a flowchart illustrating an operation of a desalination method using an AGMD module according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.
[AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)][Seawater desalination system using AGMD module (100)]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈의 모식도이다.FIG. 3 is a configuration diagram of a seawater desalination system using an AGMD module according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a diagram illustrating a seawater desalination system using an AGMD module according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic view of a hollow-type AGMD module applied to a seawater desalination system using an AGMD module according to an embodiment. FIG.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)은, 공기간극형 막증류(Air Gap Membrane Distillation: AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 시스템으로서, 폐열 공급부(110), 가열용 열교환기(120), 유입수조(130), 유입수 순환펌프(140), AGMD 모듈(150), 냉각수 순환펌프(160), 냉각용 열교환기(170) 및 생산수조(180)를 포함하며, 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 온도제어수조(190) 및 데이터 로깅 시스템(200)을 포함할 수 있다.3 and 4, a
폐열 공급부(110)는 폐열(Waste Heat)을 공급한다. 이때, 상기 폐열 공급부(110)에서 공급하는 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열, 신재생에너지열 또는 해수열원일 수 있다.The waste
가열용 열교환기(120)는 해수 유입수가 소정 범위의 온도를 유지하도록 상기 폐열 공급부(110)로부터 공급되는 폐열을 통해 가열한다. 즉, 상기 유입수조(130) 내에 설치된 가열용 열교환기(120)를 이용하여 폐열 또는 신재생에너지 열원을 재활용하여 유입수의 온도를 유지시킨다. 이때, 상기 해수 유입수의 운전온도는 50~80℃의 범위인 것이 바람직하다.The
유입수조(130)는 상기 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열된 해수 유입수가 저장되며, 상기 해수 유입수의 온도를 조절 및 제어하여 공급한다. 예를 들면, 상기 유입수조(130)는 해수 유입수를 50~80℃의 범위로 가열 및 유지하기 위해, 상기 폐열을 재활용할 수 있는 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열되어 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 소수성 분리막(152)으로 이동하는 해수 유입수의 온도가 유지되도록 제어할 수 있다.The
AGMD 모듈(150)은 AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)로 이루어지고, 상기 유입수조(130)에서 공급되는 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 응축시켜 담수를 생산한다. 즉, 상기 AGMD 모듈(150)은 액체 상태의 해수를 투과시키지 않고 기화된 유도용질을 투과시키기 위한 것으로서, 담수 생산을 위해 해수 유입수에서 증기만을 분리한다. 이때, 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치된다.The
구체적으로, 상기 AGMD 모듈(150)은, 도 5에 도시된 바와 같이, AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)를 포함한다.5, the
상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)은 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시킨다. 예를 들면, 상기 소수성 분리막(152)은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성되며, 또한, 상기 소수성 분리막(152)은 관형, 중공사형 또는 모세관형(Capillary)의 분리막 구조로 다단으로 설치되며, 상기 소수성 분리막(152)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 AGMD 모듈(150) 내의 소수성 분리막(152) 세공 크기가 0.1㎛ 이하일 경우, 상기 소수성 분리막(140)의 성능이 저하되고, 1.0㎛ 이상일 경우 증기뿐만 아니라 유체가 통과하게 되어 상기 소수성 분리막(152)이 젖는 현상이 발생하게 된다. 또한, 상기 다단으로 설치되는 소수성 분리막(152) 간의 간격은 1~4㎜의 범위이고, 상기 소수성 분리막(152)과 응축을 위한 냉각부재(154)와의 간격은 상기 소수성 분리막(152) 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성된다.The
상기 AGMD 모듈(150)의 공기간극층(153)은 상기 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된다.The air gap layer 153 of the
상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)는 상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막(152)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시킨다. 예를 들면, 상기 냉각부재(154)는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판일 수 있고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 AGMD 모듈(150) 내의 소수성 분리막(152)과의 온도차를 발생시켜 증기압을 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시킨다.The cooling
상기 AGMD 모듈(150)의 AGMD 모듈 케이스(151)는 상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되며, 상기 소수성 분리막(152)을 통해 발생된 증기를 응축시켜 담수를 생산한다. 즉, 상기 소수성 분리막(152)을 통해 발생된 증기를 응축시켜 담수를 생산한다. 이때, 상기 AGMD 모듈 케이스(151)는, 후술하는 도 8에 도시된 바와 같이, 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조(180)로 보내기 위한 담수 배출포트(155)가 하부에 형성될 수 있다. 또한, 상기 응축조 역할을 하는 AGMD 모듈 케이스(151)는 상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)를 고정할 수 있도록 설계되며, 상기 유입수조(130), 생산수조(180) 및 냉각수 순환펌프(160)와 연결될 수 있다.The
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 유입수 순환펌프(140)는 상기 AGMD 모듈(150)의 전단에 설치되고, 상기 유입수조(130)로부터 공급되는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)을 공급하도록 순환시킨다.3 and 4, the inflow
냉각수 순환펌프(160)는 상기 AGMD 모듈(150)의 후단에 설치되고, 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도를 유지하기 위한 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 냉각부재(154)를 통과하도록 순환시킨다. 예를 들면, 상기 냉각수 순환펌프(160)는 5~20℃의 범위의 해수 또는 수돗물인 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)에 공급하여 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도가 15~25℃의 범위로 유지되도록 제어할 수 있다.The cooling
냉각용 열교환기(170)는 상기 AGMD 모듈(150) 및 냉각수 순환펌프(160) 사이에 설치되고, 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)를 통과하여 감온된 냉각수가 소정 범위의 온도를 유지할 수 있도록 냉각시킨다. 이때, 사용되는 냉각수는 상기 냉각용 열교환기(170)를 사용하지 않고 5~20℃의 범위인 해수 또는 수돗물을 사용하여 공급할 수도 있다.The
생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에서 생산된 담수를 수집한다. 이때, 상기 생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈(150)보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집할 수 있다. 이때, 상기 생산수조(180)를 상기 AGMD 모듈(150)보다 낮게 설치가 어려울 경우, 별도의 순환펌프를 연결하여 생산수를 수집할 수도 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)은, 생산수조(180)에 저장된 담수를 소정의 온도로 유지하고 원하는 용도로 사용하기 위해서 도 4에 도시된 바와 같이, 온도제어수조(190) 및 데이터 로깅 시스템(200)을 사용하여 제어할 수 있는데, 구체적인 설명은 생략한다.The
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)에 적용되는 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈(150)의 기본 원리는 전술한 직접접촉형 막증류(DCMD) 모듈과 같이 소수성 분리막을 통과한 수증기를 응축시키는 방식으로서, 차가운 생산수와 소수성 분리막(152) 사이에 형성된 얇은 공기간극층(Air Gap: 153)은 상기 소수성 분리막(152)의 세공(Pore)을 통해 통과한 증기를 운반 및 열전달을 하는 매개체 역할을 한다. 이때, 생산수와 공기간극층(153) 사이에는 열전도가 높은 AGMD 케이스(151)에 의해 분리되어 있다. 또한, 차가운 생산수와 해수 유입수가 직접 접촉하지 않기 때문에 열손실이 작으며, 전술한 불활성기체 막증류(SGMD) 모듈과 같이 별도의 가스포집 장치가 필요하지 않다. 이에 따라 소수성 분리막(152)을 통과한 증기는 공기간극층(153)을 따라 응축조 역할을 하는 AGMD 케이스(151)에서 응축되어 담수를 생산하게 되며, 이러한 AGMD 모듈(150)은 해수담수화에 매우 적합하다.5, the basic principle of the air gap type membrane distillation (AGMD)
이때, 상기 소수성 분리막(Hydrophobic Membrane: 152)은 높은 기계적인 강도와 고온에 대한 내구성 및 내화학성이 우수하여 여러 분야에서 많이 사용된다. 또한, 상기 소수성 분리막(152)의 미세 기공(세공) 입구에서의 물젖음 현상을 줄임으로써 증기가 세공을 통하여 투과되어 투과플럭스를 높일 수 있다. 이에 반해 친수성 분리막(Hydrophilic Membrane)은 전술한 소수성 재질의 막에 비하여 장시간 운전시에 막오염 현상이 낮아서 투과 플럭스 감소율이 낮다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈(150)에 적용되는 소수성 분리막(152)의 경우, 평판형 소수성 분리막 또는 중공사형 소수성 분리막일 수 있지만, 중공사형 소수성 분리막인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)은 하나의 원통형 셀 튜브(shell tube) 속에 아주 가느다란 수 천 개의 중공사(Hollow Fiber)를 모아놓은 형태로서, 공급수는 중공사 내부를 통과하며 흐르고, 투과수는 상기 중공사의 외부에서 모아지는 형상으로 구현되거나, 또는, 이와 반대되는 형식으로 공급수가 중공사의 외부를 통과하면서 흐르고, 투과수는 중공사의 내부에서 모아지는 형상으로 구현될 수도 있다.At this time, the hydrophobic membrane (152) has high mechanical strength, durability against high temperature, and chemical resistance and is widely used in various fields. In addition, by reducing the phenomenon of wetted water at the inlet of the fine pores of the
따라서 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)은 실제 해수담수화 플랜트에 적용할 수 있도록 전술한 4사지 유형의 막증류법 중에 열효율이 가장 좋고, 비교적 안정적으로 장기간 운영가능한 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈(150)을 사용하고, 이때, 후술하는 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 상기 AGMD 모듈(150)을 중공사형 AGMD 모듈로 구현할 수 있다.Therefore, the
따라서 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템은, 종래 기술에 따른 시스템의 단점을 해결함과 동시에 최적화된 운전조건을 제시하고, 독립적이고 차별화된 시스템을 구성함으로써 공정의 안정성을 확보하며 연속적인 운전을 수행할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 경우, 50∼80℃의 폐열과 5∼20℃의 해수열원을 이용하여 가열용 열교환기를 통해 열원을 재활용함으로써 경제적으로 담수를 생산할 수 있다.Therefore, the seawater desalination system using the AGMD module according to the embodiment of the present invention solves the disadvantages of the conventional system, suggests optimized operating conditions, and configures an independent and differentiated system to secure process stability And continuous operation can be performed. For example, in the case of the seawater desalination system using the AGMD module of the present invention, fresh water can be economically produced by recycling the heat source through the heat exchanger for heating using the waste heat of 50 to 80 ° C and the seawater heat source of 5 to 20 ° C .
또한, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 경우, 압력으로 구동하는 역삼투 공정과 달리 고농도의 유입수에도 영향을 받지 않으며, 전처리 공정 없이 담수 생산이 가능하므로 해수담수화 시스템이 차지하는 부지 면적도 작다는 장점이 있다.Also, in the case of the seawater desalination system using the AGMD module according to the embodiment of the present invention, unlike the reverse osmosis process driven by pressure, the seawater desalination system is not affected by high-concentration influent water, The site area is also small.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 경우, 종래의 기술에 따른 진공식 막증류 시스템과 달리, 진공펌프를 사용하지 않기 때문에 해수담수화 시스템의 구성이 콤팩트하고, 전력사용량이 적으며, 소수성 분리막에 직접적인 진공압을 가하지 않기 때문에 막젖음 현상이 비교적 적게 발생할 수 있다.In the case of the seawater desalination system using the AGMD module according to the embodiment of the present invention, since the vacuum pump is not used unlike the conventional quasi-membrane distillation system, the structure of the seawater desalination system is compact, And the hydrophilic membrane is not directly subjected to vacuum pressure, so that the membrane wetting phenomenon can be relatively small.
[중공사형 AGMD 모듈(150)][Hollow Molded Type AGMD Module (150)]
도 6은 도 5에 도시된 중공사형 AGMD 모듈에서 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재를 예시하는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재가 AGMD 모듈 케이스 내에 다단으로 탑재되는 것을 예시하는 도면이며, 도 8은 도 7에 도시된 AGMD 모듈 케이스 하부에 생산담수 배출포트가 형성된 것을 예시하는 도면이다.6 is a view illustrating a hollow-type hydrophobic separator and a cooling member in the hollow-type AGMD module shown in Fig. 5, Fig. 7 is a cross-sectional view of the hollow- 8 is a view illustrating the production fresh water discharge port formed in the lower portion of the AGMD module case shown in FIG.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈(150)은, 해수담수화 시스템에 적용되는 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈로서, 중공사형 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 AGMD 모듈 케이스(151)를 포함한다.6 through 8, a hollow fiber
중공사형 소수성 분리막(152)은, 도 7의 a)에 도시된 바와 같이, 표면이 소수성이고 다공성인 중공사형(Hollow Fiber) 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시킨다.The hollow fiber type
또한, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성되며, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다. 예를 들면, 공기간극층(153)의 폭이 너무 좁게 될 경우, 상기 중공사형 소수성 분리막(152) 간의 일부가 결합되어 유효 막면적을 줄이게 되므로 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화 시스템의 성능을 저하시킬 수 있으며, 상기 공기간극층(153)의 폭이 길어질 경우, 동일한 AGMD 모듈 케이스(151)에 삽입되는 상기 중공사형 소수성 분리막(152)의 수량이 줄어들게 됨에 따라 동일한 AGMD 모듈 케이스(151)당 생산되는 담수량이 줄어들게 된다. 또한, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)의 세공 크기가 0.1㎛ 이하일 경우, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)의 성능이 저하되고, 1.0㎛ 이상일 경우, 증기뿐만 아니라 유입수가 통과하게 되어 상기 중공사형 소수성 분리막(152)이 젖는 현상이 발생하게 된다. 또한, 상기 다단으로 설치되는 중공사형 소수성 분리막(152) 간의 간격은 최대의 성능을 나타내도록 1~4㎜의 범위이고, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)과 응축을 위한 냉각부재(154)와의 간격은 상기 중공사형 소수성 분리막(152) 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성된다.The hollow fiber type
공기간극층(153)은 상기 중공사형 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된다.The air gap layer 153 is formed on the side of the hollow fiber type
냉각부재(154)는, 도 7의 b)에 도시된 바와 같이, 상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시킨다. 여기서, 상기 냉각부재(154)는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판이고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 중공사형 소수성 분리막(152)과의 온도차를 발생시켜 증기압을 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시키게 된다. 이때, 상기 냉각부재(154)는 세공이 없는 형태를 사용해야 하며, 상기 공기간극층(153)의 온도를 신속하게 유지 또는 제어하기 위해서 열전도가 높고 다양한 냉매를 활용하기 위해 부식성이 없어야 하며, 상기 냉각부재(154)의 간격은 최대의 성능을 나타내기 위해 최대한 좁은 간격으로 구성하는 것이 바람직하다.The cooling
AGMD 모듈 케이스(151)는, 도 7의 a)에 도시된 중공사형 소수성 분리막(152) 및 도 7의 b)에 도시된 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되어 응축조 역할을 하며, 이때, 상기 중공사형 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치된다. 또한, 상기 AGMD 모듈 케이스(151)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조(180)로 보내기 위한 담수 배출포트(155)가 하부에 형성되어 있다.The
[AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법][Seawater desalination method using AGMD module]
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 중공사형 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법을 나타내는 동작흐름도이다.FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of desalination of seawater using a hollow-type AGMD module according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 중공사형 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법은, 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 방법으로서, 먼저, 폐열을 이용하는 가열용 열교환기(120)에 의해 해수 유입수를 가열하여 유입수조(130)에 저장한다(S110). 여기서, 상기 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열, 신재생에너지열 또는 해수열원 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 유입수조(130)는 해수 유입수를 50~80℃의 범위로 가열 및 유지하기 위해, 상기 폐열을 재활용할 수 있는 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열되어 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 소수성 분리막(152)으로 이동하는 해수 유입수의 온도가 유지되도록 제어할 수 있다.Referring to FIG. 9, a method of desalination of seawater using a hollow-type AGMD module according to an embodiment of the present invention is a method of seawater desalination using an air gap type membrane distillation (AGMD) module. First, 120 to heat the seawater inflow water and store it in the inflow water tank 130 (S110). Here, the waste heat may include at least one of geothermal heat, industrial waste heat, solar heat, renewable energy heat, or a seawater heat source. The
다음으로, 유입수 순환펌프(140)를 사용하여 상기 유입수조(130)에 저장된 해수 유입수를 순환시킨다(S120). 이때, 상기 유입수 순환펌프(140)를 통해 순환되는 유량은 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 소수성 분리막(152)의 분리막 제원을 고려하여 레이놀즈 방정식에 따라 유체의 흐름이 층류인 조건의 범위를 산정하여 순환시키는 것이 바람직하다. 또한, 소수성 분리막(152) 내부에 압력이 걸리지 않은 조건이 바람직하다.Next, the
다음으로, 상기 순환되는 해수 유입수를 AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)로 이루어진 AGMD 모듈(150)을 통과시킨다(S130).Next, the circulated seawater inflow water is passed through the
구체적으로, 상기 AGMD 모듈(150)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막(152); 상기 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된 공기간극층(153); 상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막(152)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재(154); 및 상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스(151)를 포함한다. 이때, 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치된다.5, the
또한, 상기 소수성 분리막(152)은 관형, 중공사형 또는 모세관형(Capillary)의 분리막 구조로 다단으로 설치되며, 상기 소수성 분리막(152)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉각부재(154)는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판이고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 AGMD 모듈(150) 내의 소수성 분리막(152)과의 온도차를 발생시켜 증기압을 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시킨다.The
다음으로, 냉각수가 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)를 통과하도록 냉각수 순환펌프(160)를 사용하여 순환시킨다(S140). 이때, 사용되는 냉각수는 별도의 냉각장치를 사용하지 않고 5~20℃의 범위인 해수 또는 수돗물을 사용하여 공급할 수도 있다. 여기서, 상기 냉각수 순환펌프(160)는 5~20℃의 범위의 해수 또는 수돗물인 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)에 공급하여 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도가 15~25℃의 범위로 유지되도록 제어할 수 있다.Next, the cooling water is circulated through the cooling
다음으로, 상기 AGMD 모듈(150)을 통과하는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)과 냉각부재(154) 간의 온도 차이에 따라 증기압 차이를 발생하고, 상기 소수성 분리막(152) 표면에서 증기를 형성하면서 상기 소수성 분리막(152)의 세공(Pore)으로 증기가 투과된다(S150). 이때, 유입수의 온도조건에 따라 투과되는 증기의 양이 다르며, 온도가 증가할수록 높은 성능을 확보할 수 있다.The seawater influent passing through the
다음으로, 상기 투과된 증기가 상기 AGMD 모듈 케이스(151) 내부에 배치된 냉각부재(154)에 의해 응축되면서 담수를 생산한다(S160). 이때, 상기 냉각부재(154)는 세공이 없는 냉각관 또는 냉각판일 수 있고, 상기 냉각부재(154)에 흐르는 냉각수의 온도가 낮을수록 높은 성능을 확보할 수 있다.Next, the permeated steam is condensed by the cooling
다음으로, 상기 생산된 담수를 생산수조(180)로 이동시켜 수집한다(S170). 여기서, 상기 단계의 생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈(150)보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집할 수 있다. 만일, 상기 생산수조(180)를 상기 AGMD 모듈(150)보다 평행하거나 높은 위치에 설치해야 할 경우, 별도의 수집펌프가 필요하다.Next, the produced fresh water is moved to the
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 폐열과 신재생에너지 열원을 재활용하여 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 통해 담수를 생산함으로써 기존의 압력으로 구동하는 역삼투 공정에 비해 높은 전력비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 전처리 공정을 포함한 역삼투 공정에 비해 단독공정으로 담수를 생산할 수 있기 때문에 해수담수화 시스템이 차지하는 면적을 최소화할 수 있고, 이에 따라 동일한 부지면적 대비 많은 담수량을 생산할 수 있다. 또한, 기존의 진공식 막증류 시스템과 달리, 진공펌프를 사용하지 않기 때문에 해수담수화 시스템의 구성이 콤팩트하고, 전력사용량이 적게 소모되며, 소수성 분리막에 직접적인 진공압을 가하지 않기 때문에 막젖음 현상이 비교적 적게 발생할 수 있다.As a result, according to the embodiment of the present invention, it is possible to reduce the high power cost compared to the reverse osmosis process driven by the conventional pressure by producing the fresh water through the seawater desalination system using the AGMD module by recycling the waste heat and the renewable energy heat source have. In addition, since the fresh water can be produced by a single process compared with the reverse osmosis process including the pretreatment process, the area occupied by the seawater desalination system can be minimized, and thus, a large amount of fresh water can be produced compared to the same site area. In addition, unlike the conventional vacuum membrane distillation system, since the vacuum pump is not used, the structure of the seawater desalination system is compact, the power consumption is low, and since the vacuum pressure is not directly applied to the hydrophobic separator, Can occur.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
100: AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템
110: 폐열 공급부
120: 가열용 열교환기
130: 유입수조
140: 유입수 순환펌프
150: AGMD 모듈
151: AGMD 모듈 케이스
152: 소수성 분리막
153: 공기간극(Air Gap)
154: 냉각부재(냉각관 또는 냉각판)
155: 생산담수 배출포트
160: 냉각수 순환펌프
170: 냉각용 열교환기
180: 생산수조100: Seawater desalination system using AGMD module
110: waste heat supply part
120: Heat exchanger for heating
130: Inflow water tank
140: Influent circulation pump
150: AGMD module
151: AGMD module case
152: hydrophobic membrane
153: Air gap
154: cooling member (cooling tube or cooling plate)
155: Production fresh water discharge port
160: Cooling water circulation pump
170: cooling heat exchanger
180: production tank
Claims (15)
폐열(Waste Heat)을 공급하는 폐열 공급부(110);
해수 유입수가 소정 범위의 온도를 유지하도록 상기 폐열 공급부(110)로부터 공급되는 폐열을 통해 가열하는 가열용 열교환기(120);
상기 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열된 해수 유입수가 저장되며, 상기 해수 유입수의 온도를 조절 및 제어하여 공급하는 유입수조(130);
AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)로 이루어지고, 상기 유입수조(130)에서 공급되는 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 응축시켜 담수를 생산하는 AGMD 모듈(150);
상기 AGMD 모듈(150)의 전단에 설치되고, 상기 유입수조(130)로부터 공급되는 해수 유입수를 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)으로 공급하도록 순환시키는 유입수 순환펌프(140);
상기 AGMD 모듈(150)의 후단에 설치되고, 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도를 유지하기 위한 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 냉각부재(154)를 통과하도록 순환시키는 냉각수 순환펌프(160);
상기 AGMD 모듈(150) 및 냉각수 순환펌프(160) 사이에 설치되고, 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)를 통과하여 감온된 냉각수가 소정 범위의 온도를 유지할 수 있도록 냉각시키는 냉각용 열교환기(170); 및
상기 AGMD 모듈에서 생산된 담수를 수집하는 생산수조(180)를 포함하되,
상기 AGMD 모듈(150)은, 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막(152); 상기 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된 공기간극층(153); 상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막(152)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재(154); 및 상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스(151)를 포함하며;
상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치되고 선택적으로 운영되며; 상기 다단으로 설치되는 소수성 분리막(152) 간의 간격은 1~4㎜의 범위이고, 상기 소수성 분리막(152)과 응축을 위한 냉각부재(154)와의 간격은 상기 소수성 분리막(152) 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성되며; 상기 AGMD 모듈 케이스(151)는 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조(180)로 보내기 위한 담수 배출포트(155)가 하부에 형성되고, 상기 생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈(150)의 담수 배출포트(155)보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템.In a seawater desalination system using an air gap membrane distillation (AGMD) module,
A waste heat supply unit 110 for supplying waste heat;
A heating heat exchanger (120) for heating the seawater inflow water through waste heat supplied from the waste heat supply unit (110) so as to maintain a predetermined temperature range;
An inflow water tank 130 in which the heating heat exchanger 120 is installed and the inflow water heated by the heating heat exchanger 120 is stored and the temperature of the inflow water is controlled and controlled;
The AGMD module case 151, the hydrophobic separating membrane 152, the air gap layer 153 and the cooling member 154. The separator 151 separates and condenses only the steam from the inflow water from the inflow water tank 130 to produce fresh water An AGMD module 150;
An inflow water circulation pump 140 installed at a front end of the AGMD module 150 to circulate seawater inflow water supplied from the inflow water tank 130 to the hydrophobic separation membrane 152 of the AGMD module 150;
The AGMD module 150 is installed at a rear end of the AGMD module 150 and circulates cooling water for maintaining the temperature of the air gap layer 153 in the AGMD module 150 through the cooling member 154 in the AGMD module 150 A circulation pump 160 for circulating the cooling water;
The AGMD module 150 is installed between the AGMD module 150 and the cooling water circulation pump 160 and performs cooling heat exchange for cooling the cooling water passed through the cooling member 154 of the AGMD module 150 to maintain a predetermined temperature range (170); And
A production water tank 180 for collecting fresh water produced in the AGMD module,
The AGMD module 150 is a hydrophobic and porous separation membrane having a hydrophobic separation membrane 152 separating and passing only steam from the seawater influent water. An air gap layer 153 formed on the side of the hydrophobic separation membrane 152 to be permeated and having an air gap to maintain a predetermined range of temperature to lower the vapor pressure; A cooling member 154 for maintaining the temperature of the air gap layer 153 and passing cooling water for condensing the vapor permeated through the hydrophobic separation membrane 152; And an AGMD module case (151) on which the hydrophobic separation membrane (152) and the cooling member (154) are mounted in multiple stages;
The hydrophobic separation membrane 152 and the cooling member 154 of the AGMD module are installed in multiple stages and selectively operated in the AGMD module case 151 so as to control the fresh water production amount, respectively; The gap between the hydrophobic separation membranes 152 and the hydrophobic separation membranes 152 for condensation is in the range of 1 to 4 mm and the gap between the hydrophobic separation membranes 152 and the cooling member 154 for condensation is equal to the gap between the hydrophobic separation membranes 152 1 to 4 mm; The AGMD module case 151 is formed with a fresh water discharge port 155 at a lower portion thereof for collecting the condensed steam and sending it to the production water tank 180. The production water tank 180 is connected to the AGMD module case 151 by the AGMD module 150 The fresh water is collected at a lower position than the fresh water discharge port 155 of the AGMD module 150 so as to minimize the power consumption without using a separate power source, Seawater desalination system using air gap type membrane distillation module.
상기 소수성 분리막(152)은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성되며, 상기 소수성 분리막(152)은 관형, 중공사형 또는 모세관형(Capillary)의 분리막 구조로 다단으로 설치되며, 상기 소수성 분리막(152)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템.The method according to claim 1,
The hydrophobic separation membrane 152 is formed of a polymer such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) And the hydrophobic separation membrane 152 is installed in a multi-stage structure with a separator structure of a tubular, hollow or capillary type. The size of the pores formed in the hydrophobic separation membrane 152 is 0.2 to 1.0 μm Wherein the seawater desalination system comprises an air gap type membrane distillation module.
상기 냉각부재(154)는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판이고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 AGMD 모듈(150) 내의 소수성 분리막(152)과의 온도차를 발생시켜 증기압 차이를 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시키는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. The method according to claim 1,
The cooling member 154 is a cooling pipe or a cooling plate without pores and the cooling pipe or the cooling plate generates a temperature difference with the hydrophobic separation membrane 152 in the AGMD module 150 to generate a vapor pressure difference Wherein the cooling water is passed through the air separation membrane module.
상기 폐열 공급부(110)에서 공급하는 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열 또는 해수열원 중 어느 하나 이상을 포함하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템.The method according to claim 1,
The waste heat supplied from the waste heat supply unit 110 includes at least one of geothermal, industrial waste heat, solar heat, and a seawater heat source.
상기 유입수조(130)는 해수 유입수를 50~80℃의 범위로 가열 및 유지하기 위해, 상기 폐열을 재활용할 수 있는 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열되어 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 소수성 분리막(152)으로 이동하는 해수 유입수의 온도가 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템.11. The method of claim 10,
The inflow water tank 130 is internally provided with a heating heat exchanger 120 capable of recycling the waste heat to heat and maintain seawater inflow water in a range of 50 to 80 ° C, And controls the temperature of the seawater inflow water flowing to the hydrophobic separation membrane 152 inside the AGMD module 150 to be maintained. The seawater desalination system using the air gap type membrane distillation module according to claim 1,
상기 냉각수 순환펌프(160)는 5~20℃의 범위의 해수 또는 수돗물인 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)에 공급하여 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도가 15~25℃의 범위로 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템.The method according to claim 1,
The cooling water circulation pump 160 supplies the cooling water of the AGMD module 150 to the cooling member 154 of the AGMD module 150 to cool the water in the air gap layer 153 of the AGMD module 150 And the temperature is controlled to be maintained in the range of 15 to 25 ° C.
a) 폐열을 이용하는 가열용 열교환기(120)에 의해 해수 유입수를 가열하여 유입수조(130)에 저장하는 단계;
b) 유입수 순환펌프(140)를 사용하여 상기 유입수조(130)에 저장된 해수 유입수를 순환시키는 단계;
c) 상기 순환되는 해수 유입수를 AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)로 이루어진 AGMD 모듈(150)을 통과시키는 단계;
d) 냉각수가 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)를 통과하도록 냉각수 순환펌프(160)를 사용하여 순환시키는 단계;
e) 상기 AGMD 모듈(150)을 통과하는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)과 냉각부재(154) 간의 온도 차이에 따라 증기압 차이를 발생하고, 상기 소수성 분리막(152) 표면에서 증기를 형성하면서 상기 소수성 분리막(152)의 세공(Pore)으로 증기가 투과되는 단계;
f) 상기 투과된 증기가 상기 AGMD 모듈 케이스(151) 내부에 배치된 냉각부재(154)에 의해 응축되면서 담수를 생산하는 단계; 및
g) 상기 생산된 담수를 생산수조(180)로 이동시켜 수집하는 단계를 포함하되,
상기 c) 단계의 AGMD 모듈(150)은, 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막(152); 상기 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된 공기간극층(153); 상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막(152)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재(154); 및 상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스(151)를 포함하며,
상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치되며, 상기 다단으로 설치되는 소수성 분리막(152) 간의 간격은 1~4㎜의 범위이고, 상기 소수성 분리막(152)과 응축을 위한 냉각부재(154)와의 간격은 상기 소수성 분리막(152) 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성되며; 상기 AGMD 모듈 케이스(151)는 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조(180)로 보내기 위한 담수 배출포트(155)가 하부에 형성되고, 상기 생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈(150)의 담수 배출포트(155)보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 방법.
A method of seawater desalination using an air gap type membrane distillation (AGMD) module,
a) heating seawater inflow water by a heating heat exchanger (120) using waste heat and storing it in an inflow water tank (130);
b) circulating the seawater inflow water stored in the inflow water tank (130) using the inflow water circulation pump (140);
c) passing the circulating seawater influent through an AGMD module 150 comprising an AGMD module case 151, a hydrophobic separation membrane 152, an air gap layer 153 and a cooling member 154;
d) circulating cooling water through the cooling member (154) of the AGMD module (150) using a cooling water circulation pump (160);
e) Seawater influent passing through the AGMD module 150 generates a vapor pressure difference according to a temperature difference between the hydrophobic separation membrane 152 and the cooling member 154 of the AGMD module 150, The steam is permeated into the pores of the hydrophobic separation membrane 152 while forming steam in the hydrophobic separation membrane 152;
f) condensing the permeated vapor by a cooling member (154) disposed inside the AGMD module case (151) to produce fresh water; And
g) moving the produced fresh water to the production water tank 180,
The AGMD module 150 in the step c) is a hydrophobic and porous separation membrane having a hydrophobic surface and separating and permeating only steam from the seawater influent water. An air gap layer 153 formed on the side of the hydrophobic separation membrane 152 to be permeated and having an air gap to maintain a predetermined range of temperature to lower the vapor pressure; A cooling member 154 for maintaining the temperature of the air gap layer 153 and passing cooling water for condensing the vapor permeated through the hydrophobic separation membrane 152; And an AGMD module case (151) in which the hydrophobic separation membrane (152) and the cooling member (154) are mounted in multiple stages,
The hydrophobic separation membrane 152 and the cooling member 154 of the AGMD module 150 are installed in multiple stages in the AGMD module case 151 so as to control the amount of fresh water produced. The distance between the hydrophobic separation membrane 152 and the cooling member 154 for condensation is in the range of 1 to 4 mm, the same as the gap between the hydrophobic separation membranes 152; The AGMD module case 151 is formed with a fresh water discharge port 155 at a lower portion thereof for collecting the condensed steam and sending it to the production water tank 180. The production water tank 180 is connected to the AGMD module case 151 by the AGMD module 150 The fresh water is collected at a lower position than the fresh water discharge port 155 of the AGMD module 150 so as to minimize the power consumption without using a separate power source, Seawater desalination method using air gap type membrane distillation module.
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