KR20130017933A - 유도용액의 일부가 정삼투 분리기로 직접 재공급되는 막증류 방식의 정삼투 담수화 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 막증류 방식을 이용한 담수 분리기 및 상기 담수 분리기를 포함하는 정삼투 담수화 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 담수 분리기 및 이를 포함하는 담수화 장치의 효율을 높이도록 담수 분리기에 공급되는 희석 유도용액 중 일부만을 가스와 담수로 분리하고 다른 일부는 정삼투 분리기로 직접 공급함으로써 에너지 효율을 높이는 담수화 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 막증류 방식을 이용한 담수 분리기 및 상기 담수 분리기를 포함하는 정삼투 담수화 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 담수 분리기 및 이를 포함하는 담수화 장치의 효율을 높이도록 담수 분리기에 공급되는 희석 유도용액 중 일부만을 가스와 담수로 분리하고 다른 일부는 정삼투 분리기로 직접 공급함으로써 에너지 효율을 높이는 담수화 장치에 관한 것이다.
원수로부터 오염 물질을 걸러내고 순수한 물질인 담수를 생성하는 다양한 공정이 연구되어 왔다. 특히, 원수가 해수인 경우 상기 공정을 수행하는 장치는 해수 담수화 장치로 지칭되며, Cl 및 Na 뿐만 아니라 다수의 무기 염류가 제거되는 공정이 이루어진다.
담수화 장치는 증발법, 역삼투법(RO; Reverse Osmosis), 결정법, 전기투석법, 정삼투법(FO; Forward Osmosis) 등을 활용하여 왔다. 다만, 정삼투법의 경우 대량의 해수 담수화가 아닌 소량의 비상 용수 생성기(emergency water generator) 정도에서 극히 제한적으로 사용되어왔다.
최근 정삼투 방식에 대한 연구가 활발한데, 이와 관련된 특허로서 US 7,560,029, US 7,566,402 등을 들 수 있다. 상기 문헌들에 기재된 종래의 정삼투법에 의한 해수 담수화 분리기(100)의 개략도를 도 1에서 도시한다.
서로 다른 농도의 용액이 선택적 투과성을 갖는 막(membrane)(110)을 사이에 두고 분리되어 있을 때, 저농도 쪽의 물이 농도의 평형을 유지하기 위해 막을 통과하여 고농도 쪽으로 이동하는 물리현상을 삼투라고 하며, 이렇게 고농도 쪽으로 상대적으로 많은 양의 물이 이동하여 발생되는 압력을 삼투압이라 한다.
정삼투는 저농도 수용액으로부터 물을 분리하기 위해 반투막을 이용하는 삼투공정이지만, 분리를 위한 구동력은 수압을 이용하는 역삼투 공정과 달리 삼투압 구배(osmotic pressure gradient)이다. 정삼투 공정에서는 공급수에 포함된 물만 막을 통과하는 순흐름(net flow)을 유도하기 위해 공급수에 비해 상대적으로 고농도의 용액(약 5~10배)인 유도용액(draw solution)을 사용한다.
유도용액을 사용하여 막(110) 사이에서 삼투현상이 발생해 해수 내의 물만이 고농도의 유도용액 쪽으로 투과된다. 해수는 브라인(brine)이 되어 배출되고 유도용액은 희석되어 별도의 유도용액 분리기(120)를 통과한다. 유도용액 분리기(120)에서는 희석된 유도용액으로부터 담수와 유도용질을 분리하고 분리된 유도용질은 다시 재농축시켜 정삼투공정으로 공급하게 된다. 이와 같은 공정은 시스템 내에서 반복되어 담수를 연속적으로 생산할 수 있게 된다.
일반적으로, 해수 담수화 장치는 투입되는 에너지 또는 투입되는 화학 약품 대비 담수 생산량이 문제된다. 특히, 정삼투 방식 담수화 장치의 경우 유도용액의 회수율이 해수 담수화 장치의 효율 문제와 직결된다.
US 2009/0297431 특허의 경우, 유도용액의 회수율을 높이기 위한 방법을 제안한다. 상기 방법은 MSF(Multiple-stage Flash Distillation; 다단 플래쉬 방식) 또는 MED(Multi-Effect Distillation; 다중 효용 방식)을 도입하여 유도용액을 회수하게 되는데, 이 경우 바람직한 회수율을 이루기 위해서는 많은 수의 챔버를 사용하여야 하여 실재 적용이 어렵고 설치 비용이 고가이며 별도의 압력 조절이 필요하여 공정이 까다롭고 투입 에너지가 높다는 단점이 존재한다.
이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 특허로서, 본 발명자에 의한 등록번호 제1020316호 등록특허를 들 수 있다(도 2 참조).
등록특허 제1020316호의 경우, 정삼투 분리기(100)에서 담수 분리기(1000)로 희석 유도용액이 공급되면, 담수 분리기(1000)는 희석 유도용액을 가스와 담수로 분리하여 담수화하며, 그 후에는 분리된 가스와 담수를 재농축시켜 농축 유도용액을 만들어 정삼투 분리기(100)에 재공급하여야 한다. 즉, 유도용액의 분리 및 재농축 과정이 반복되게 되는데, 이 과정에서 불필요한 에너지가 투입될 수 있다.
또한, 고상 암모늄의 제거를 위해 가열 부재를 별도로 채택하는데, 이 과정에서도 불필요한 에너지가 투입되어 효율이 감소된다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 착안된 것으로, 유도용액의 회수율을 높여서 담수화 장치의 효율을 증가시키고자 한다. 즉, 유도용액의 분리/재농축 효율을 개선하고자 한다.
특히, 등록특허 제1020316호의 경우 정삼투 분리기의 특성상 유도용액의 분리 및 재농축 과정이 반복되어 발생하는 불필요한 에너지 투입 및 고상 암모늄 제거를 위해 필요한 에너지 투입을 방지함으로써 담수화 장치의 효율을 증가시키고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하게 위해, 본 발명의 일 실시예는, 희석 유도용액의 일부가 유입되며, 상기 유입된 희석 유도용액으로부터 가스와 담수가 분리되는 제 1 멤브레인 컨택터; 상기 분리된 가스가 유입되어 그 내부에 유동하는 유체에 녹을 수 있는 제 2 멤브레인 컨택터; 및 상기 제 1 멤브레인 컨택터 및 상기 제 2 멤브레인 컨택터와 연동하는 진공 펌프를 포함하는 담수 분리기로서, 상기 희석 유도용액의 다른 일부는 상기 제 2 멤브레인 컨택터에서 상기 가스가 녹은 유체와 혼합되는 것을 특징으로 하는, 담수 분리기를 제공한다.
또한, 상기 담수 분리기는 상기 희석 유도용액의 상기 다른 일부가 상기 제 2 멤브레인 컨택터에서 상기 가스가 녹은 유체와 혼합되는 재공급 탱크를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 담수 분리기는 상기 희석 유도용액이 공급되는 버퍼 탱크; 및 상기 버퍼 탱크로부터 상기 희석 유도용액의 상기 일부를 공급받고, 이를 상기 제 1 멤브레인 컨택터에 공급하는 희석 유도용액 챔버를 포함하며, 상기 버퍼 탱크는 상기 희석 유도용액의 상기 다른 일부를 상기 재공급 탱크에 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 멤브레인 컨택터에서 분리된 상기 가스 중 증기(vapor)는 응축기를 통과하여 증기 응축수(water vapor)로서 상기 희석 유도용액 챔버에 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 멤브레인 컨택터로부터 상기 가스가 녹은 유체를 공급받으며, 상기 재공급 탱크와 유체 소통하는 농도 제어 탱크를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 제 1 멤브레인 컨택터에서 분리된 상기 가스 중 고형 용질이 수집되는 고형 용질 캡쳐 탱크를 더 포함하고, 상기 고형 용질 캡쳐 탱크에서 수집된 상기 고형 용질은 상기 농도 제어 탱크로 유동하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 희석 유도용액의 상기 일부는 상기 희석 유도용액 챔버에 유입되고 상기 다른 일부는 상기 농도 제어 탱크를 거쳐 상기 재공급 탱크에 공급되는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 멤브레인 컨택터는, 상기 제 1 및 제 2 멤브레인 컨택터 내부에 위치하여 유체가 유동할 수 있으며, 다수의 개구부를 포함하는 분배 튜브; 및 다수의 중공 섬유 카트리지를 포함하여 상기 분배 튜브를 둘러싸는 카트리지를 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 과제를 해결하게 위해, 본 발명의 일 실시예는, 막을 포함하는 정삼투 분리기; 및 상기 정삼투 분리기와 유체 소통하는 담수 분리기를 포함하는 담수화 장치로서, 상기 정삼투 분리기에서는, 정삼투에 의해, 상기 막의 일측에는 원수가 유입되어 브라인으로 유출될 수 있고, 막의 타측에는 농축 유도용액이 유입되어 희석 유도용액이 유출될 수 있으며, 상기 담수 분리기는, 상기 희석 유도용액이 공급되는 버퍼 탱크; 상기 버퍼 탱크로부터 상기 희석 유도용액의 일부가 유입되는 희석 유도용액 챔버; 상기 희석 유도용액 챔버로부터 상기 희석 유도용액이 유입되며, 상기 유입된 희석 유도용액으로부터 가스와 담수가 분리되는 제 1 멤브레인 컨택터; 상기 분리된 가스가 유입되어 그 내부에 유동하는 유체에 녹아 상기 농축 유도용액을 형성할 수 있는 제 2 멤브레인 컨택터; 상기 제 2 멤브레인 컨택터로부터 상기 농축 유도용액을 공급받는 재공급 탱크; 및 상기 제 1 멤브레인 컨택터 및 상기 제 2 멤브레인 컨택터와 연동하는 진공 펌프를 포함하며, 상기 버퍼 탱크에 공급된 상기 희석 유도용액 중 다른 일부는 상기 재공급 탱크에 공급되는 것을 특징으로 하는, 담수화 장치를 제공한다.
또한, 상기 유도용액은 NH4HCO3(l)이며, 그리고 상기 가스는 NH3(g) 및 CO2(g)를 포함하는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 희석 유도용액 챔버로 공급되는 상기 일부의 희석 유도용액은 상기 담수 분리기에 공급되는 상기 희석 유도용액 전체의 10 내지 40%인 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 제 1 멤브레인 컨택터에서 분리된 상기 가스 중 증기는 응축기를 통과하여 증기 응축수로서 상기 희석 유도용액 챔버에 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 담수 분리기는, 상기 제 2 멤브레인 컨택터와 유체 소통하는 농도 제어 탱크; 및 상기 제 1 멤브레인 컨택터에서 분리된 상기 가스 중 고형 용질이 수집되는 고형 용질 캡쳐 탱크를 더 포함하며, 상기 농도 제어 탱크에는, 상기 버퍼 탱크에 공급된 상기 희석 유도용액 중 상기 다른 일부의 희석 유도용액, 상기 고형 용질 캡쳐 탱크에 수집된 고형 용질, 및 상기 제 2 멤브레인 컨택터에서 형성된 상기 농축 유도용액 중 어느 하나 이상이 유입되며, 그리고 상기 농도 제어 탱크에서 기 설정된 농도로 제어된 유도용액이 상기 재공급 탱크를 통해 상기 정삼투 분리기의 막의 타측에 유입되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 해결 수단에 의해, 본 발명은 유도용액의 회수율이 높고 담수화 정도가 증진되어 적은 에너지로도 많은 양의 담수 생산이 가능하며 투입되는 유도용액이 적어서 고효율의 담수화 공정을 이룩할 수 있다.
이를 통해 적은 설비 투자 및 적은 유지 운영비로서 높은 담수 생산량을 이룰 수 있다.
도 1은 종래의 정삼투 담수화 기기를 도시하는 개략도이다.
도 2는 종래의 정삼투 담수화 기기의 다른 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 기기를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 멤브레인 컨택터를 도시하는 사시도로서, 부분 단면도로서 도시된다.
도 2는 종래의 정삼투 담수화 기기의 다른 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 기기를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 멤브레인 컨택터를 도시하는 사시도로서, 부분 단면도로서 도시된다.
본 명세서의 도면들에서는 각각의 배관, 탱크, 챔버 등에 위치할 수 있는 밸브, 압력계, 온도계 등의 도시를 생략한다. 이러한 밸브, 압력계, 온도계 등은 종래 기술에 따른 것을 사용할 수 있으며, 사용자의 선택에 따라 적절한 위치에 사용될 수 있음은 물론이다.
또한, 후술하는 바와 같이, 정삼투 분리기(100) 없이 담수 분리기(1000)만으로 이루어지는 것도 가능하다.
정삼투 분리기(100)의 막의 일측에 유입될 수 있는 원수는 해수(seawater), 기수(brackish water), 오수(wastewater), 오염수(contaminated water) 또는 다른 용액(solution)일 수 있다.
도 2를 참조하여 종래기술 중 하나인 등록특허 제1020316호에 따른 담수화 장치를 설명한다.
담수화 장치는 정삼투 분리기(100)와 담수 분리기(1000)를 포함한다. 정삼투 분리기(100)는 막(110)을 포함하는데, 도 1에서 설명한 바와 같이 막의 일측에서는 원수가 유입되고 브라인이 유출되며, 막의 타측에서는 농축 유도용액이 유입되고 희석 유도용액이 유출된다.
정삼투 분리기(100)로부터 유출된 희석 유도용액은 버퍼 챔버(200)를 통해 히터(310)가 부가된 희석 유도용액 챔버(300)에 유입된다. 히터(310)에 의해 유도용액 내의 가스가 분리될 수 있는 최적 조건의 온도가 유지된다.
희석 유도용액은 필터(320)를 거쳐 멤브레인 컨택터(400; 400a, 400b)에 유입되며, 이를 위해 상기 배관에는 피드 펌프(360)가 위치한다. 멤브레인 컨택터(400)에서는 유입된 유도용액에서 가스가 분리된다.
분리된 가스는 응축기(453a, 453b, 454a, 454b)를 통과하면서 증기가 별도로 분리되고, 증기가 분리되고 남은 가스는 진공 펌프(450; 450a, 450b)에 의해 멤브레인 컨택터(600)로 유입된다. 응축기(453a, 453b, 454a, 454b)는 별도의 냉각기(750)에 연결된 냉각수 순환 배관(753a, 753b, 754a, 754b)을 통해 연결되어 최적의 온도가 유지된다.
멤브레인 컨택터(600)에는 멤브레인 컨택터(400)로부터 분리된 가스가 유입되며, 멤브레인 컨택터(400)의 역과정이 진행되어 유입된 물에 가스가 녹아 농축 유도용액을 재생산한다. 농축 유도용액은 다시 농축 유도용액 챔버(700)로 유입되며, 그 일부는 피드 펌프(750)에 의해 멤브레인 컨택터(600)에 유입된다.
농축 유도용액 챔버(700)는 저장 챔버(800)에 연결되며 별도 배관(520)을 통해 담수가 유입되어 유도용액의 농도를 제어할 수 있다. 이와 같이 바람직한 농도의 농축 유도용액은 피드 펌프(860)에 의해 다시 정삼투 분리기(100)에 유입되어 정삼투 담수화 공정이 반복된다.
이와 같은 종래 기술에서는, 희석 유도용액이 담수 분리기(1000)에 투입되고 농축 유도용액이 정삼투 분리기(100)에 재투입되어야만 한다. 따라서 멤브레인 컨택터(400)에서는 공급된 희석 유도용액을 전부를 가스와 담수로 분리하는 반응이 진행되며, 멤브레인 컨택터(600)에서는 그 역반응이 진행된다.
즉, 멤브레인 컨택터(400)에서는 유도용액을 가스와 담수로 분리하고, 다시 멤브레인 컨택터(600)에서는 그 역반응으로 유도용액으로 만들기 때문에 에너지가 불필요하게 이중으로 소비되는 문제점이 발생한다.
도 3을 참조하여 본 발명에 의한 방법 및 장치를 보다 상세히 설명한다. 도 2에 도시된 종래기술과 비교하여 동일한 구성요소에 동일한 도면부호가 기재되며, 동일한 구성요소 및 원리는 본 실시예에서는 설명을 생략한다.
본 발명의 주된 사상은 정삼투 분리기(100)에서 담수 분리기(1000)로 공급된 희석 유도용액 중 일부만 가스와 담수로 분리하고, 다른 일부는 그대로 정삼투 분리기(100)로 되돌리는 것이다.
이러한 방식은, 정삼투 분리 방식의 특성상 농축 유도용액이 다시 막으로 유입되어야 한다는 점에서 기인한다. 즉, 정삼투 분리기(100)에서 담수 분리기(1000)로 공급된 모든 희석 유도용액을 가스와 담수로 분리하면, 담수 생산 이후 결국 정삼투 분리기(100)에서 필요로 하는 농도의 농축 유도용액을 제조하는 과정에서 다시 가스를 녹여야 하기 때문에 에너지가 이중으로 낭비되기 때문이다. 이러한 에너지 낭비는 담수 분리기 및/또는 정삼투 분리기의 처리 효율을 낮추는 원인이 된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 담수 분리기(1000)에 공급된 희석 유도용액 중 일부만이 희석 유도용액 챔버(440)로 공급되며(펌프(P2) 이용), 다른 일부는 농도 제어 탱크(850)를 거쳐(펌프(P1) 이용) 재공급 탱크(350)에 공급되어 정삼투 분리기(100)로 공급된다.
희석 유도용액 챔버(440)에 공급된 일부의 희석 유도용액은 멤브레인 컨택터(400)를 통해 가스와 담수가 분리된다(펌프(P3) 이용). 담수는 담수 탱크(500)에 저장된다.
운전 조건에 따라 가스에는 증기(vapor)가 포함될 수 있다. 증기 생성율이 증가함은 그 반대로 담수 생성량이 감소함을 의미한다. 따라서 증기가 증기 응축수(water vapor)로서 다시 멤브레인 컨택터(400)를 통과하게 함으로써 다양한 운전조건에서도 효과적인 담수 생성율을 이룰 수 있다.
이를 위해, 가스가 응축기(453)를 통과함으로써 가스에 포함된 증기는 응축기(453)에서 응축되어 증기 응축수가 되며, 이는 다시 희석 유도용액 챔버(440)에 재공급되어 멤브레인 컨택터(400)에서 분리 과정이 이루어진다(펌프(P4) 이용).
제조자 또는 사용자의 선택에 따라 응축기(453)와 담수 탱크(500) 사이에는 추가의 멤브레인 컨택터(미도시)가 더 위치할 수 있어서, 운전 조건에 따라 최적의 담수 생성율을 이룰 수도 있다.
증기 외의 가스(예를 들어, NH3(g)와 CO2(g))는 진공 펌프(VP)를 통해 멤브레인 컨택터(600)로 공급된다.
전술한 응축기(453) 등을 이용함으로써 가스 중의 증기를 대부분 제거할 수 있으나, 그럼에도 불구하고 증기 일부가 남는 경우가 있다. 이 과정에서 주변 온도가 감소되면 고형 용질이 생성될 수 있다. 예를 들어, 가스 중에 NH3(g), CO2(g)와 함께 증기가 일부 남은 경우 주변 온도가 약 60℃ 이하로 감소되면 고상 암모늄이 생성된다.
이러한 고형 용질은 배관을 막거나 멤브레인을 손상시킬 수 있어서 제거가 반드시 필요하다. 현재, 이러한 고형 용질의 제거를 위해 많은 에너지를 투입하여 주변 온도가 기 설정된 소정의 온도 이상이 되도록 유지하는 실정이다. 전술한 도 2의 종래 기술에서도 별도의 가열 부재가 채택되고 있다.
따라서, 많은 에너지 투입 없이 고상 암모늄과 같은 고형 용질을 수집하도록 고형 용질 캡쳐 탱크(650)가 멤브레인 컨택터(600) 전단에 위치하는 것이 바람직하다.
가열 부재 대신 채택되는 고형 용질 캡쳐 탱크(650)에 의해 에너지 소비를 감소시킬 수 있으며, 이렇게 수집된 고형 용질을 수용액 형태로 농도 제어 탱크(850)에 공급함으로써(펌프(P6)이용) 정삼투 분리기(100)에 투입되는 농축 유도용액의 농도 제어에 사용할 수도 있다.
멤브레인 컨택터(600)에는 가스와 담수가 공급되며, 멤브레인 컨택터(400)에서의 역반응이 이루어져 유도용액이 생성되며, 피드백 배관을 통해 농축 유도용액 챔버(700)에서 바람직한 농도의 농축 유도용액이 생성된다(펌프(P5, P7)이용).
농축 유도용액 챔버(700)에서 생성된 농축 유도용액은 농도 제어 탱크(850)에 공급되며(펌프(P8)이용), 전술한 가스/담수가 분리되지 않은 희석 유도용액 및 고형 용질 캡쳐 탱크(650)로부터의 고형 용질과 함께 합쳐져서 바람직한 농도로 제어된다.
이렇게 제어된 농축 유도용액은 재공급 탱크(350)를 통해(펌프(P9)이용) 최종적으로 정삼투 분리기(100)에 재공급된다.
도 4를 참조하여 멤브레인 컨택터(400) 및 분리 과정을 상세히 설명한다.
본 도면은 멤브레인 컨택터(400)의 일 실시예인 중공형 타입(hollow type)만을 도시하고 설명하나, 이에 제한됨 없이 플랫 타입(flat type)의 적용도 가능함은 물론이다. 즉, 하기 설명하는 바와 같은 기능을 갖는 멤브레인 컨택터는, 어떠한 형식도 채택 가능함을 유의한다.
본 발명의 실시예들에 사용되는 다른 멤브레인 컨택터(600)에 동일한 구성이 적용될 수 있다. 특히, 멤브레인 컨택터(600)는 멤브레인 컨택터(400)의 반응의 역과정이 이루어지며, 이에 관한 자세한 설명은 생략한다. 또한, 가스가 분리되는 멤브레인 컨택터(400)와 가스가 녹는 멤브레인 컨택터(600)는 그 구분을 위해 각각 제 1 멤브레인 컨택터 및 제 2 멤브레인 컨택터로 지칭될 수 있음에 유의한다.
멤브레인 컨택터(400)는 하우징(410), 유도용액이 유입되는 유입구(411), 가스가 배출된 후 담수가 유출되는 유출구(412), 가스가 배출되는 가스 배출구(413, 414)를 포함한다.
하우징(410) 내부에는 분배 튜브(distribution tube)(430)와 이를 둘러싸는 카트리지(420)가 내장된다.
분배 튜브(430)에는 멤브레인이 소수성막이므로 액체는 통과하지 않고 가스만 통과할 수 있는 다수의 개구부(431)가 위치한다. 분배 튜브(430)에는 유입구(411)로부터 유입된 유도용액이 유입되어 유동할 수 있으며, 헨리의 법칙(Henry's law)에 의해 유도용액으로부터 분리된 가스 또는 증기가 분배 튜브(430)로부터 개구부(431)를 통해 카트리지(420)로 유입되고 이후 가스 배출구(413, 414)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
카트리지(420)는 다수의 중공 섬유 멤브레인(hollow fiber membrane)(421)로 이루어진다.
보다 상세하게 본 과정을 설명하면, 진공 펌프(450)(도 2~4 참조)에 의해 카트리지(420)에 진공이 형성될 수 있다. 이러한 환경에서 유입구(411)를 통해 유입된 유도용액이 분배 튜브(430)를 통과하게 되면 헨리의 법칙에 의해 유도용액으로부터 가스가 분리된다. 분리된 가스는 유도용액 외측으로 나오게 되어 개구부(431) 및 중공 섬유 멤브레인(421)을 통과하게 되며 결과적으로 가스 배출구(413, 414)를 통해 멤브레인 컨택터(400) 외부로 배출된다.
유도용액으로부터 가스가 배출되어 유도용액 내의 가스 농도가 현저히 낮아지게 되며, 온도 및/또는 진공도를 이용하여 용존 가스의 부분압을 조절함으로써 유도용액 내에 존재하는 거의 모든 가스를 분리시켜 유도용액을 담수화시킬 수 있다.
담수는 유출구(412)를 통해 외부로 배출된다.
본 발명의 일 실시예에서, 유도용액으로 NH4HCO3(l)가 사용될 수 있다. 다만, 다른 어떠한 용액도 유도용액으로 사용 가능함을 강조해 둔다.
유도용액으로 NH4HCO3(l)가 사용되는 경우, 멤브레인 컨택터(400)에서 NH4HCO3(l) 용액으로부터 NH3(g)와 CO2(g)가 가스 형태로 분리된다. 여기에서, NH4HCO3이 NH3, CO2, H2O로 분리되는 적합한 온도는 약 30 내지 60℃이다. 즉, 기상에서는 역으로 약 60℃ 이하가 되면 고상 암모늄이 발생하기 시작한다.
고상 암모늄의 발생은 유도용액의 회수율을 감소시킬 뿐만 아니라 배관을 막고 멤브레인에 큰 손상을 줄 수 있다. 따라서, 이를 방지하고자 본 발명은 고형 용질 캡쳐 탱크(650)를 채택하였음은 전술한 바와 같다.
그 역반응을 고려한 같은 원리로서, 냉각기(750)에 의해 냉각되는 농축 유도용액 챔버(700)의 온도는 약 5 내지 20℃인 것이 바람직하다.
또한, 전술한 바와 같이 본 발명의 주된 사상은 정삼투 분리기(100)에서 담수 분리기(1000)로 공급된 희석 유도용액 중 일부만 가스와 담수로 분리하고, 다른 일부는 그대로 정삼투 분리기(100)로 되돌리는 것이다.
여기에서, 얼마 만큼의 유도용액을 정삼투 분리기(100)로 되돌리는지가 문제되는데, 이는 정삼투 분리기(100)의 성능에 따라 상이할 수 있다. 또한, 너무 많은 양을 정삼투 분리기(100)로 되돌리는 경우 담수 생산량이 줄어들어 전체 시스템 효율이 감소하고, 너무 적은 양을 되돌리는 경우 막증류 분리 시스템의 처리량이 증가하는 문제가 있기에, 적절한 비율에 대한 확인이 필요하다. 본 발명자는, 다수의 실험 결과, 가스와 담수로 분리되는 일부의 희석 유도용액은 전체의 10 내지 40%인 것이 시스템 효율에 있어서 가장 바람직함을 확인하였다.
도 3에서 제 1 멤브레인 컨택터(400a, 400b, 400c)는 3개 도시되고, 제 2 멤브레인 컨택터(600)는 1개 도시되나 그 개수에 제한이 있는 것은 아니다.
또한, 다수의 멤브레인 컨택터의 연결 방식은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬이 혼합된 어떠한 형태도 가능하다.
또한, 멤브레인 용량 등을 고려하여 진공 펌프를 1개만을 사용하거나 또는 2개 이상을 사용할 수 있기에, 그 개수에 제한됨이 없음을 주의한다.
또한, 전술한 바와 같이 응축기(453) 하단에 추가의 멤브레인 컨택터(미도시)를 위치시켜 담수화 정도를 높일 수 있다.
이상의 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
100: 정삼투 분리기
110: 막
120: 유도용액 분리기
200: 버퍼 탱크
300, 440: 희석 유도용액 챔버
310: 히터
320: 필터
350: 재공급 탱크
400, 600: 멤브레인 컨택터
453, 454: 응축기
360, 760, 860, P1~P8: 피드 펌프
410: 하우징
411: 유입구
412: 유출구
413: 가스 배출구
420: 카트리지
421: 중공 섬유 멤브레인
430: 분배 튜브
431: 개구부
450, VP: 진공 펌프
500: 담수 탱크
510, 520: 배관
650: 고형 용질 캡쳐 탱크
700: 농축 유도용액 챔버
750: 냉각기
751, 753, 754: 냉각수 순환 배관
800: 저장 탱크
850: 농도 제어부
1000: 담수 분리기
110: 막
120: 유도용액 분리기
200: 버퍼 탱크
300, 440: 희석 유도용액 챔버
310: 히터
320: 필터
350: 재공급 탱크
400, 600: 멤브레인 컨택터
453, 454: 응축기
360, 760, 860, P1~P8: 피드 펌프
410: 하우징
411: 유입구
412: 유출구
413: 가스 배출구
420: 카트리지
421: 중공 섬유 멤브레인
430: 분배 튜브
431: 개구부
450, VP: 진공 펌프
500: 담수 탱크
510, 520: 배관
650: 고형 용질 캡쳐 탱크
700: 농축 유도용액 챔버
750: 냉각기
751, 753, 754: 냉각수 순환 배관
800: 저장 탱크
850: 농도 제어부
1000: 담수 분리기
Claims (14)
- 희석 유도용액의 일부가 유입되며, 상기 유입된 희석 유도용액으로부터 가스와 담수가 분리되는 제 1 멤브레인 컨택터;
상기 분리된 가스가 유입되어 그 내부에 유동하는 유체에 녹을 수 있는 제 2 멤브레인 컨택터;
상기 제 1 멤브레인 컨택터 및 상기 제 2 멤브레인 컨택터와 연동하는 진공 펌프를 포함하는 담수 분리기로서,
상기 제 2 멤브레인 컨택터의 상기 가스가 녹은 유체와 상기 희석 유도용액의 다른 일부가 혼합되는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 희석 유도용액의 상기 다른 일부가 상기 제 2 멤브레인 컨택터에서 상기 가스가 녹은 유체와 혼합되는 재공급 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 희석 유도용액이 공급되는 버퍼 탱크; 및
상기 버퍼 탱크로부터 상기 희석 유도용액의 상기 일부를 공급받고, 이를 상기 제 1 멤브레인 컨택터에 공급하는 희석 유도용액 챔버를 포함하며,
상기 버퍼 탱크는 상기 희석 유도용액의 상기 다른 일부를 상기 재공급 탱크에 공급하는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 멤브레인 컨택터에서 분리된 상기 가스 중 증기(vapor)는 응축기를 통과하여 증기 응축수(water vapor)로서 상기 희석 유도용액 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 멤브레인 컨택터로부터 상기 가스가 녹은 유체를 공급받으며, 상기 재공급 탱크와 유체 소통하는 농도 제어 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 멤브레인 컨택터에서 분리된 상기 가스 중 고형 용질이 수집되는 고형 용질 캡쳐 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 고형 용질 캡쳐 탱크에서 수집된 상기 고형 용질은 상기 농도 제어 탱크로 유동하는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 제 5 항에 있어서,
상기 희석 유도용액의 상기 일부는 상기 희석 유도용액 챔버에 유입되고 상기 희석 유도용액의 상기 다른 일부는 상기 농도 제어 탱크를 거쳐 상기 재공급 탱크에 공급되는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 멤브레인 컨택터는,
상기 제 1 및 제 2 멤브레인 컨택터 내부에 위치하여 유체가 유동할 수 있으며, 다수의 개구부를 포함하는 분배 튜브; 및
다수의 중공 섬유 카트리지를 포함하여 상기 분배 튜브를 둘러싸는 카트리지
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
담수 분리기.
- 막을 포함하는 정삼투 분리기; 및
상기 정삼투 분리기와 유체 소통하는 담수 분리기
를 포함하는 담수화 장치로서,
상기 정삼투 분리기에서는, 정삼투에 의해, 상기 막의 일측에는 원수가 유입되어 브라인으로 유출될 수 있고, 막의 타측에는 농축 유도용액이 유입되어 희석 유도용액이 유출될 수 있으며,
상기 담수 분리기는,
상기 희석 유도용액이 공급되는 버퍼 탱크;
상기 버퍼 탱크로부터 상기 희석 유도용액의 일부가 유입되는 희석 유도용액 챔버;
상기 희석 유도용액 챔버로부터 상기 희석 유도용액이 유입되며, 상기 유입된 희석 유도용액으로부터 가스와 담수가 분리되는 제 1 멤브레인 컨택터;
상기 분리된 가스가 유입되어 그 내부에 유동하는 유체에 녹아 상기 농축 유도용액을 형성할 수 있는 제 2 멤브레인 컨택터;
상기 제 2 멤브레인 컨택터로부터 상기 농축 유도용액을 공급받는 재공급 탱크; 및
상기 제 1 멤브레인 컨택터 및 상기 제 2 멤브레인 컨택터와 연동하는 진공 펌프를 포함하며,
상기 버퍼 탱크에 공급된 상기 희석 유도용액 중 다른 일부는 상기 재공급 탱크에 공급되는 것을 특징으로 하는,
담수화 장치.
- 제 10 항에 있어서,
상기 유도용액은 NH4HCO3(l)이며, 그리고 상기 가스는 NH3(g) 및 CO2(g)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
담수화 장치.
- 제 11 항에 있어서,
상기 희석 유도용액 챔버로 공급되는 상기 일부의 희석 유도용액은 상기 담수 분리기에 공급되는 상기 희석 유도용액 전체의 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는,
담수화 장치.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 멤브레인 컨택터에서 분리된 상기 가스 중 증기는 응축기를 통과하여 증기 응축수로서 상기 희석 유도용액 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는,
담수화 장치.
- 제 13 항에 있어서,
상기 담수 분리기는,
상기 제 2 멤브레인 컨택터와 유체 소통하는 농도 제어 탱크; 및
상기 제 1 멤브레인 컨택터에서 분리된 상기 가스 중 고형 용질이 수집되는 고형 용질 캡쳐 탱크를 더 포함하며,
상기 농도 제어 탱크에는, 상기 버퍼 탱크에 공급된 상기 희석 유도용액 중 상기 다른 일부의 희석 유도용액, 상기 고형 용질 캡쳐 탱크에 수집된 고형 용질, 및 상기 제 2 멤브레인 컨택터에서 형성된 상기 농축 유도용액 중 어느 하나 이상이 유입되며, 그리고
상기 농도 제어 탱크에서 기 설정된 농도로 제어된 유도용액이 상기 재공급 탱크를 통해 상기 정삼투 분리기의 막의 타측에 유입되는 것을 특징으로 하는,
담수화 장치.
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KR1020110080677A KR101298724B1 (ko) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | 유도용액의 일부가 정삼투 분리기로 직접 재공급되는 막증류 방식의 정삼투 담수화 장치 |
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WO (1) | WO2013025012A1 (ko) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20140108387A (ko) * | 2013-02-25 | 2014-09-11 | 한경대학교 산학협력단 | 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법 |
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