KR20150008348A - 하이브리드 해수 담수화 시스템 - Google Patents

하이브리드 해수 담수화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흐름전극 이용 축전식 탈염 시스템을 기존의 해수 담수화 시스템과 연계함으로써 에너지 소비량을 최소화시킬 수 있는 해수 담수화 시스템을 제공하고자 한다. 이를 위하여 본 발명은 흐름전극을 구비한 축전식 탈염 장치로 구현되며 35,000∼70,000 mg/L 염농도의 염수를 받아 10,000 mg/L 이하 염농도의 염수로 담수화시켜 제공하는 제 1 담수화 장치; 및 제 1 담수화 장치와 직렬로 연결되며 제 1 담수화 장치로부터 제공되는 염수를 500 mg/L 이하의 염농도로 담수화시키는 제 2 담수화 장치를 포함한 구성으로 이루어진다. 본 발명의 다른 특징으로는 35,000∼70,000 mg/L 염농도의 염수를 받아 25,000∼ 60,000 mg/L 염농도의 염수로 담수화시키는 제 1 담수화 장치; 및 제 1 담수화 장치와 직렬로 연결되며 흐름전극을 구비한 축전식 탈염장치로 구현되어지되 제 1 담수화 장치로부터 제공되는 염수를 500 mg/L 이하 염농도의 염수로 담수화시키는 제 2 담수화 장치를 포함한 구성으로 이루어진다.

Description

하이브리드 해수 담수화 시스템{Hybrid seawater desalination systems}
본 발명은 하이브리드 해수 담수화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흐름전극 축전식 탈염 시스템을 기존의 해수 담수화 시스템과 연계함으로써 에너지 소비량을 최소화시킬 수 있는 하이브리드 해수 담수화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 최근 전 세계적으로 물부족 문제가 심화되고 있다. 물속의 염분 농도에 따라서 물은 크게 담수(염분 500mg/L 이하)와 기수(염분 500~17,000mg/L) 및 해수(염분 35,000mg/L 이상)의 세 가지로 나눌 수 있다. 지구상 물의 약 97%가 해수이고 나머지 담수 중에서도 인간이 사용할 수 있는 양은 많지 않다. 기상 이변과 사막화 및 수자원 오염 등으로 인하여 물부족은 더욱더 심해져 2015년에는 전 세계 인구의 약 38%가 물부족의 영향을 받을 것으로 전망된다.
전술한 바와 같이 물부족 현상을 해결하기 위해서 강변 여과수나 지하수의 이용 및 인공강우 등의 방법이 대두되고 있으나 근본적인 문제를 해결하기 위해 무한 자원인 해수를 담수화하는 방법이 가장 현실적인 방법으로 부각되고 있다.
한편, 전술한 바와 같이 해수를 담수화하는 수처리 기술로는 크게 증발증류나 역삼투막 분리와 같은 물리적 처리방법, 생물분해 또는 화학적 산화 및 침전과 같은 생화학적 처리방법, 전기투석 또는 이온교환 등과 같은 전기화학적 처리방법으로 분류할 수 있다. 특히, 현재 상업적으로 주로 이용하고 있는 담수화 기술로 증발법과 막분리법과 이온교환 방법을 들 수 있다.
전술한 바와 같은 같이 해수를 담수화하는 수처리 기술 중 증발법은 원리 및 장치가 단순하고 고순도의 담수를 얻을 수 있는 장점은 있으나 에너지 비용이 너무 높다는 문제가 있다.
그리고, 전술한 바와 같은 해수를 담수화하는 수처리 기술 중 막분리법에 해당하는 역삼투(Reverse Osmosis : RO)는 삼투압보다 높은 압력을 가할 때 용액으로부터 순수한 용매가 반투막을 통해 빠져나오는 현상을 의미하며, 이러한 역삼투 현상을 이용하면 염수 등의 수용액에서 순수한 물을 얻을 수 있다는 원리를 이용하여 염수(해수, 기수)를 담수화시킨다.
전술한 역삼투 방식 담수화 장치를 이용하여 염수로부터 순수한 물을 얻기 위해서는 보통 고압펌프를 가동하여 표준 염수 삼투압인 25bar보다 더 높은 압력, 일반적으로 42∼60bar 정도의 압력을 역삼투 필터에 가해 주어야 한다. 특히, 이러한 고압펌프의 소비동력은 역삼투 방식의 담수화 비용 중 약 60% 이상을 차지하고 있다. 이렇듯 역삼투막 분리법도 논문(B. van Limpt, "Performance relations in Capacitive Deionization systems", Ph.D. Dissertation, Wageningen University, 2010.)에서 개시된 바와 같이 염의 농도가 높아짐에 따라 에너지 소비량이 증가한다는 문제점이 있다. 또한, 역삼투막의 주기적인 교체 비용도 크다는 문제점이 있다.
한편, 최근 새로운 수처리 기술로 축전식 탈염기술(Capacitive Deionization, CDI)이 연구되고 있다. 축전식 탈염기술은 기존의 전기흡착기술의 일종이다. 전극에 전위를 인가했을 때 전극 계면에 형성되는 전기이중층에서의 흡착 반응을 이용하여 이온성 물질을 제거하는 기술이다.
전술한 바와 같은 CDI 전극은 비표면적이 넓은 활성 탄소 전극을 사용하고 있으며, 약 1.4V의 직류전원을 인가하면 물속에 용존되어 있는 양이온은 음전극의 탄소표면에 흡착되고 음이온은 양전극의 탄소표면에 흡착되어 제거되는 기술로 전기 투석과는 근본적으로 다른 새로운 탈염 기술이다. 전극 표면에 포화 흡착을 하게 되면 더 이상 이온을 흡착할 수 없어 재생을 하게 되며, 이때 전극을 단락시키거나 역전위를 인가하여 이온을 탈착시킨다.
그러나, 전술한 바와 같은 CDI 기술도 다공성 고정 전극의 흡착 용량 제한으로 인해 기수의 담수화에만 활용되는 한계성이 있다. 따라서, 에너지 소비량을 최적화하기 위해 해수담수화와 기수담수화를 일체로 결합하는 시스템이 요구되고 있다.
또한, 앞서 기술한 문제점을 해결하고 비용 효율성 및 에너지 효율을 높이기 위해 기존의 상업화된 역삼투법 및 증발법에 최근에 고효율 무방류의 수처리 기술로 연구되고 있는 FCDi 및 FDFO 등을 연계한 공정 구성을 통해 에너지 효율을 높이고자 하고 있다. 이에 더하여 풍력이나 태양열 및 지열 등의 신재생에너지를 해수담수화 플랜트에 연계하는 기술이 요구되고 있다.
1. 대한민국 공개특허 제2010-0089311호(2010.08.12.자 공개) 2. 대한민국 공개특허 제2012-0015964호(2012.02.22.자 공개)
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연속 공정을 통해 손쉽게 대용량화를 이룰 수 있는 흐름전극를 통해 높은 에너지 효율을 갖는 하이브리드 해수 담수화 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 기술의 다른 목적은 에너지 효율을 최적화할 수 있는 고농축 무방류 해수 담수화 공정을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 살펴보면 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 하이브리드 해수 담수화 시스템은 2개 이상의 담수화 장치가 직렬로 연결된 염수 담수화 시스템으로, 제 1 담수화 장치는 흐름전극을 구비한 축전식 탈염장치로 구현되고, 35,000∼70,000 mg/L 염농도의 염수를 받아 10,000 mg/L 이하 염농도의 염수로 담수화시켜 제공하며, 제 2 담수화 장치는 제 1 담수화 장치로부터 제공되는 염수를 500 mg/L 이하의 염농도로 담수화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은 35,000∼70,000 mg/L 염농도의 염수를 받아 25,000∼60,000 mg/L 염농도의 염수로 담수화시키는 제 1 담수화 장치; 및 제 1 담수화 장치와 직렬로 연결되어 흐름전극을 구비한 축전식 탈염장치로 구현되어지되 제 1 담수화 장치로부터 제공되는 염수를 500 mg/L 이하 염농도의 염수로 담수화시키는 제 2 담수화 장치를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 흐름전극은 내부의 유로를 통해 양극활물질이 유동하는 흐름양극; 흐름양극과 일정거리 이격되어 음극활물질이 유동하는 흐름음극; 및 상기 흐름양극과 흐름음극 사이에서 유동하는 전해질의 구성으로 이루어질 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 상기 흐름양극은 양극집전체; 상기 양극집전체와 일정 간격으로 이격되어 구성되는 양극분리막; 상기 양극집전체와 상기 양극분리막 사이에 형성된 양극유로; 및 상기 양극유로를 흐르는 양극활물질의 구성으로 이루어질 수 있다.
또한, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 상기 흐름음극은 음극집전체; 상기 음극집전체와 일정 간격으로 이격되어 구성되는 음극분리막; 상기 음극집전체와 상기 음극분리막 사이에 형성된 음극유로; 및 상기 음극유로를 흐르는 음극활물질의 구성으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 구성에서 상기 전해질은 상기 양극분리막과 음극분리막 사이에 형성된 유로를 흐르는 구성으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 상기 양극분리막은 미세공 절연 분리막 또는 양이온교환전도막일 수 있다. 그리고, 음극분리막은 미세공 절연 분리막 또는 음이온교환전도막일 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 구성에서 상기 양극활물질과 음극활물질은 상기 전해질과 혼합된 슬러리상의 유동하는 활물질일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 구성에서 상기 양극활물질과 음극활물질은 동일 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 양극활물질과 음극활물질은 마이크로 캡슐화된 구성으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 상기 분리막은 미세한 구멍이 형성된 미세공 절연 분리막으로 이루어질 수 있다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 구성에서 상기 흐름전극은 2차전지 또는 전기이중층 캐패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor)으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 양극활물질과 음극활물질의 전극활물질은 활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 탄소나노튜브의 다공성 탄소와 흑연분말 및 금속산화물 분말 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명의 구성에서 전해질은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3 의 수용성 전해질과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)의 유기성 전해질 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발며에 따른 구성에서 전해질은 고체상 또는 정지상인 구성으로 이루어질 수 있다.
아울러, 본 발명은 해수 농축을 위해 다음과 같은 연속공정을 제안한다. 전처리를 통해 염수 및 담수의 불순물인 부유물 및 유기물을 제거하고, 1차적으로 FCDi와 FDFO를 통해 저농축 염수(7%)를 제조한다. 저농축 염수는 MD와 HP를 거쳐 2차 고농축 염수(20%)를 생산하고, Cr을 통해 유용한 자원들이 회수된다. 여기서, FCDi 해수 농축 역량을 FDFO가 보완해 주거나 아니면 FDFO가 고농축수를 MD 후단에 추가적으로 공급함으로써 MD에 가해지는 에너지 소모량을 감소시킨다든지, 등의 세부공정간 상호 보완성을 가지고 시스템을 구성하여 염수 농축 극화와 스마트그리드를 통해 공급되는 에너지 소모량을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 결정화(Cr) 설비는 용액 속에 녹아있는 결정성분을 결정화시키기 위해 열을 이용하여 용매를 증발시켜야 하는데, 이때 대량으로 에너지를 소비하게 된다. 이 에너지를 절감하기 위해서는 HP의 폐기에너지의 재이용과 풍력과 같은 신재생 에너지를 이용한다.
본 발명의 기술에 따르면 저에너지 소모의 흐름전극 이용 축전식 탈염 시스템을 다른 기존의 담수화 시스템의 전단 또는 후단에 연계함으로써 담수화 시스템의 전체적인 에너지 효율을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 기존의 축전식 탈염 시스템은 집전체에 코팅된 고정상 활물질 전극을 사용하기 때문에 용량이 제한되는데 비하여, 본 발명에 의한 흐름전극 이용 축전식 탈염 시스템은 집전체와 분리된 수십 nm에서 수십 ㎛크기의 미세 전극 활물질이 전해질과 혼합된 슬러리 상태로 연속 유동함으로써 손쉽게 대용량화를 이룰 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 다양한 염농도를 지닌 해수, 기수 및 폐수의 담수화가 가능하다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 흐름전극의 구성도.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 따라 전극활물질을 포함하는 마이크로캡슐의 단면도.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 따른 흐름전극 이용 축전식 탈염장치의 구성도.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 따라 제 1 스테이지로서 흐름전극을 이용한 흐름전극 이용 축전식 탈염장치로 한 하이브리드 해수담수화 시스템의 구성도.
도 5 는 본 발명의 실시 예에 따라 제 2 스테이지로서 흐름전극을 이용한 흐름전극 이용 축전식 탈염 기반 하이브리드 해수담수화 시스템의 구성도.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따라 FCDi, MD, HP/Cr이 직렬 연결된 해수 농축 시스템의 구성도.
도 7 은 도 6 에서 FCDi에 FDFO가 추가로 병렬 연결된 해수 농축 시스템의 구성도.
도 8 은 도 6 에서 FCDi와 MD의 직렬 연결 부분에 FDFO가 추가로 병렬 연결된 해수 농축 시스템의 구성도.
도 9 는 도 6 에서 FCDi에 FDFO가 추가로 연결된 해수 농축 시스템의 구성도.
전술한 본 발명에 따른 기술의 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통해 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, 본 발명에 따른 해수담수화 시스템에 사용되는 흐름전극에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예에 따르면 본 발명을 구성하는 흐름전극은 유동하는 양극활물질을 포함하는 흐름양극, 유동하는 음극활물질을 포함하는 흐름음극 및 유동하는 전해질을 포함한다. 양극활물질과 음극활물질 및 전해질은 흐름전극 예를 들어, 전지 또는 축전지 등에 사용되어 오던 것 어느 것이나 다 사용될 수 있으며, 당해 기술분야의 통상의 전문가가 사용 목적 및 환경에 따라 적절하게 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예에서 양극활물질 및 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다. 양극활물질과 음극활물질 등의 전극활물질은 다공성 탄소(활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤 및 탄소나노튜브 등), 흑연분말 및 금속산화물 분말 등이 사용될 수 있으며, 전해질과 혼합되어 유동화된 상태로 사용될 수 있다.
한편, 전해질은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3 등의 수용성 전해질과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질을 포함한다. 본발명의 실시 예에서 전극활물질만 유동하고 전해질은 고체상 또는 정지상 전해질일 수 있다.
그리고, 흐름양극은 양극집전체, 양극분리막, 양극집전체와 양극분리막 사이에 형성된 양극 유로 및 양극 유로를 흐르는 양극활물질을 포함하고, 흐름음극은 음극집전체, 음극분리막, 음극집전체와 음극분리막 사이에 형성된 음극 유로 및 음극 유로를 흐르는 음극활물질을 포함한다. 전해질은 양극분리막 및 음극분리막 사이에 형성된 유로를 흐른다.
또한, 전극집전체 및 전극분리막은 종래 흐름전극(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
전술한 양극 유로 및 음극 유로의 폭은 종래 흐름전극에서 전극집전체와 분리막 사이의 간격 또는 그 이하로 형성할 수 있다. 종래에는 전극활물질이 고정되어 있어 충방전에 필요한 활물질의 용량을 확보하고자 할 때에는 흐름전극의 크기가 커지는 문제점이 있어 활물질이 충진되는 전극집전체와 분리막 사이의 간격에 제한이 있다. 그러나, 본 발명에 따르면 전극활물질을 지속적으로 공급할 수 있으므로, 이러한 제한 없이 사용 목적이나 사용되는 활물질 및 전해질 등에 따라 자유롭게 설계 변경할 수 있다. 유로의 폭과 높이는 수십 ㎛에서 수㎜ 크기로 사용될 수 있다.
그리고, 전해질 유로의 폭도 마찬가지로 전해질이 지속적으로 공급될 수 있으므로, 흐름전극의 크기로 인한 제한 없이 적절하게 설계 변경할 수 있다. 다만, 충방전 효율을 높이기 위하여 전해질과 활물질의 속도를 달리하거나 활물질 유로의 폭과 전해질 유로의 폭의 비에 제한을 둘 수도 있다.
전술한 양극분리막은 미세공 절연 분리막이거나 양이온교환(전도)막이고, 음극분리막은 미세공 절연 분리막이거나 음이온 교환(전도)막일 수 있다. 양극분리막 및 음극분리막은 전기물리적 분리를 위해 설치되는 것으로, 미세공 절연 분리막(separator)은 이온 이동만이 가능하고, 이온교환(전도)막은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있다. 또한, 양극활물질 또는 음극활물질은 전해질과 혼합된 슬러리상의 활물질이다.
이하, 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명한다. 도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 흐름전극의 구성도이다.
도 1 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 기술을 구성하는 흐름전극(1)은 양극집전체(11), 양극분리막(13), 양극집전체(11)와 양극분리막(13) 사이에 형성된 양극유로(14)를 흐르는 양극활물질(12)로 이루어지는 흐름양극(10); 음극집전체(21), 음극분리막(23), 음극집전체(21)와 음극분리막(23) 사이에 형성된 음극유로(24)를 흐르는 음극활물질(22)로 이루어지는 흐름음극(20); 및 양극분리막(13)과 음극분리막(23) 사이에 형성된 전해질 유로(34)를 흐르는 전해질(30)로 구성된다. 이러한 흐름전극(1)은 단위셀로서 2개 이상 연속해서 설치되어 사용될 수 있으며, 전극활물질과 전해질을 동시에 연속적으로 유동화시킬 수 있다.
도 2 를 참조로 하면 전극활물질을 캡슐막(이온막 : 50)을 통해 마이크로캡슐화하여 전해질과 전극활물질의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 구체적으로, 두 전극활물질과 전해질 흐름통로 사이에 양이온 분리막(주로 전해질 액체의 유통을 막고 양이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막)과 음이온 분리막(음이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막)을 사용한다. 그러나, 각각의 선택적 이온막으로 캡슐화된 전극활물질(도 2)을 사용하면 양극 사이에 이온전도 치밀막들을 사용할 필요가 없고, 이온만이 아닌 전해질 유통이 가능한 미세공 절연분리막을 사용하면 전해질과 각각의 캡슐화된 전극활물질 입자와의 접촉면적이 증대된다.
전술한 구성에서 마이크로캡슐 전극은 중심이 되는 코어와 바깥을 둘러싸는 셀로 구성되며, 셀 물질은 전해질에 존재하는 이온을 교환시킬 수 있는 특성을 갖고 있다. 실시 예에 따르면, 셀 물질은 양이온을 교환할 수 있는 술폰산기(SO3 －), 카르복실기(COO－), 인산기(PO4 －) 등이 존재하는 고분자 막과 음이온을 교환할 수 있는 1,2,3,4급 암모늄기가 붙어있는 고분자 막을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같은 마이크로캡슐은 고상법 또는 액상법으로 만들 수 있으며, 특히 액상법에는 코어/셀 구조는 계면활성제를 이용하는 에멀전법, 셀로 사용되는 물질을 단량체에서 중합하여 제조하는 중합법, 코어와 셀을 개별적으로 혹은 동시에 분사하거나 압출시켜 제조하는 방법으로 마이크로캡슐 전극을 만들 수 있다. 마이크로캡슐화된 전극은 개별 알갱이가 하나 혹은 수개가 뭉쳐서 셀이 둘러싸게 되므로 전체 알갱이가 뭉쳐 한개 벌크화된 전극보다 단위 무게당 혹은 부피당 차지하는 전극 면적이 크다는 장점이 있다.
다음으로, 도 3 을 참조로 하면, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(100)는 단위셀인 흐름전극(1), 양극활물질(12)에 전해질(30)을 혼합하여 슬러리상으로 제조한 양극활물질을 공급하는 양극활물질 공급탱크(2a)와 공급펌프(41), 음극활물질(22)에 전해질(30)을 혼합하여 슬러리상으로 제조한 음극활물질을 공급하는 음극활물질 공급탱크(2b)와 공급펌프(42); 전해질(30)을 공급하는 전해질 공급탱크(5)와 공급펌프(43), 상기 흐름전극(1)로 직류전원을 공급하는 전원공급장치(7); 전원공급장치(7)로부터 발생한 전위차를 조절하는 절환스위치(9), 전위가 인가된 흐름전극(1)를 통과하면서 이온흡착(충전)된 양극활물질이 저장되는 양극활물질 저장탱크(3), 이온흡착(충전)된 음극활물질이 저장되는 음극활물질 저장탱크(4) 및 탈이온화된 전해질 저장탱크(6)로 구성된다.
전술한 바와 같은 구성에서 에너지 저장 장치(100)의 작용은 다음과 같다. 먼저, 흐름전극(1)에 직류전원 공급장치(7)로부터 발생한 전위차, 예를 들어 0.5~2.0v 범위의 전위차를 절환스위치(9)를 통해 인가하면서, 슬러리상의 양극활물질(12), 음극활물질(22) 및 전해질(30)을 동시에 흐름전극(1)에 연속적으로 통과시킨다.
그리고, 전술한 바와 같은 구성에서 양극활물질(12) 및 음극활물질(22)은 사전에 전해질(30)과 혼합되어 양극활물질 공급탱크(2a), 음극활물질 공급탱크(2b) 및 전해질 공급탱크(5)로부터 공급펌프(41, 42, 43)에 의해 흐름전극(1)에 공급된다. 이때, 사용되는 양극활물질(12) 및 음극활물질(22)이 동일한 경우 공급탱크(2a, 2b)로 각각 설치할 필요없이 하나의 공급탱크(2)만으로도 가능하다.
전술한 보와 같이 양극활물질(12), 음극활물질(22) 및 전해질(30)을 전위가 인가된 흐름전극(1)을 통과하도록 흘려 보내면(실선방향), 통과하면서 이온흡착(충전)된 전극활물질(12, 22)과 이온이 제거된 전해질(30)은 각각 저장탱크(3, 4, 6)에 저장된다. 저장탱크(3, 4, 6)는 전기적 절연상태의 저장용기인 것이 바람직하다.
그리고, 기존 고정상 활물질 전극의 경우에는 전극활물질에 이온이 충전되면 더 이상의 충전이 불가능하므로 대용량화를 위해서는 전극을 대면적화하거나 여러 개의 전극을 스택화하여야 하므로 장치 제조나 운전비용이 크게 증가하는 문제점이 있는 반면, 본 발명에 따른 기술에 의하면 활물질을 지속적으로 공급하고 이온흡착된 활물질은 따로 설치된 저장탱크에 저장할 수 있으므로 손쉽게 대용량화가 가능하다. 또한, 흐름전극(1)을 필요에 따라 더 설치할 수 있어 보다 용이하게 다양한 용량에 적합한 스케일업이 가능하다.
한편, 각각의 저장탱크에 저장된 전극활물질에 이온흡착(충전)된 전력을 출력하는 방법은 이온흡착(충전) 과정과는 반대로 직류전원공급장치(7)를 끄고, 절환스위치(9)를 변환하여 저항장치(8)에 연결함과 동시에 흐름전극(1)를 통해 저장탱크(3, 4, 6)에 저장된 양극활물질과 음극활물질 및 전해질을 역으로 흘려보내면(점선방향) 흐름전극(1)를 통과하면서 이온탈착(방전)이 진행된다.
전술한 바와 같이 장시간 연속적으로 충전과 방전을 동시에 수행할 필요가 있는 경우 흐름전극(1)을 2 이상 추가하여 장치를 구성할 수 있다. 이중 일부는 충전장치로, 나머지는 방전장치로 사용될 수 있으며, 이 경우 양극활물질(12)과 음극활물질(22)의 저장탱크(3, 4)를 따로 설치할 필요 없이 추가되어 방전용 흐름전극(1)에서 이온탈착(방전)된 전극활물질들이 저장탱크를 거치지 않고 바로 공급탱크(2a, 2b)로 리사이클링 된다.
특히, 따로 설치되는 방전용 흐름전극(1)는 전극활물질의 오염방지와 역전위(polarity reverse) 인가에 의한 저장이온의 급속 탈착 및 전해질 농축을 위해 이온전도 특성을 갖는 분리막으로 구성되거나 마이크로캡슐화된 전극활물질을 사용한다.
본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)는 축전식 탈염 수처리 기술에 적용할 수 있다. 예를 들어, 해수 또는 산업 폐수를 전해질 공급탱크(5)를 통해 전위차가 발생된 흐름전극(1)를 통과시키면, 탈염(탈이온화)되어 전해질 저장탱크(6)에 저장되므로 해수의 담수화 및 산업 폐수의 정화가 이루어질 수 있다. 따라서, 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능하며, 대용량화가 가능하다는 장점이 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 흐름전극 이용 축전식 탈염 기반 하이브리드 해수담수화 시스템에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 담수화 시스템은 복수의 담수화 장치가 직렬로 연결된 하이브리드 해수 담수화 시스템에 있어서, 복수의 담수화 장치 중 적어도 하나가 흐름전극을 구비한 축전식 탈염 장치인 것을 특징으로 한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제 1 담수화 장치를 흐름전극을 구비한 축전식 탈염 장치로 구현한 흐름전극 이용 축전식 탈염 기반 하이브리드 해수담수화 시스템의 구성도이다.
도 4 를 참조하면, 본 발명에 따른 담수화 장치는 35,000∼70,000 mg/L 염농도의 염수를 받아 10,000 mg/L 이하 염농도의 염수로 담수화시켜 제공하는 제 1 담수화 장치 및 제 1 담수화 장치와 직렬로 연결되며 제 1 담수화 장치로부터 제공되는 염수를 500 mg/L 이하의 염농도로 담수화시키는 제 2 담수화 장치를 포함한 구성으로 이루어진진다. 즉, 공급되는 고농도 염수 내의 염 대부분을 제 1 담수화 장치를 통해 제거하고, 그 다음 단계로 제 2 담수화 장치를 통해 목적하는 담수를 생산한다.
한편, 제 2 담수화 장치는 흐름전극 이용 축전식 탈염법, 역삼투법, 전기투석법, 축전식 탈염법, 막증류법 및 정삼투법 중에서 어느 하나 이상을 선택한 담수화 장치가 될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
도 5 는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 제 2 담수화 장치를 흐름전극을 구비한 축전식 탈염 장치로 구현한 흐름전극 이용 축전식 탈염 기반 하이브리드 해수담수화 시스템의 구성도이다.
도 5 를 참조 하면, 본 발명에 따른 담수화 장치는 35,000∼70,000 mg/L 염농도의 염수를 받아 25,000∼60,000 mg/L 염농도의 염수로 담수화시키는 제 1 담수화 장치, 및 제 1 담수화 장치와 직렬로 연결되며, 흐름전극을 구비한 축전식 탈염 장치로 구현되고, 제 1 담수화 장치로부터 제공되는 염수를 500 mg/L 이하 염농도의 염수로 담수화시키는 제2 담수화 장치를 포함한 구성으로 이루어진다. 즉, 에너지 소비량의 최적화를 위해 제 1 담수화 장치에서 고농도 염수 내 약간의 염을 제거하고, 그 다음 단계로 제 2 담수화 장치에 의하여 목적하는 담수를 생산한다.
전술한 바와 같은 구성에서 제 1 담수화 장치는 흐름전극 이용 축전식 탈염법, 역삼투법, 전기투석법, 축전식 탈염법, 막증류법, 정삼투법 중에서 어느 하나 이상을 선택한 담수화 장치가 될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따라 FCDi, MD, HP/Cr이 직렬 연결된 해수 농축 시스템의 구성도, 도 7 은 도 6 에서 FCDi에 FDFO가 추가로 병렬 연결된 해수 농축 시스템의 구성도, 도 8 은 도 6 에서 FCDi와 MD의 직렬 연결 부분에 FDFO가 추가로 병렬 연결된 해수 농축 시스템의 구성도, 도 9 는 도 6 에서 FCDi에 FDFO가 추가로 연결된 해수 농축 시스템의 구성도이다.
도 6 내지 도 9 를 참조하면, 본 발명은 해수 농축을 위해 다음과 같은 연속공정을 제안한다. 전처리를 통해 염수 및 담수의 불순물인 부유물 및 유기물을 제거하고, 1차적으로 FCDi와 FDFO를 통해 저농축 염수(7%)를 제조한다. 저농축 염수는 MD와 HP를 거쳐 2차 고농축 염수(20%)를 생산하고, Cr을 통해 유용한 자원들이 회수된다. 여기서, FCDi 해수 농축 역량을 FDFO가 보완해 준다던지 아니면 FDFO가 고농축수를 MD 후단에 추가적으로 공급함으로써 MD에 가해지는 에너지 소모량을 감소시킨다던지 등의 세부공정간 상호 보완성을 가지고 시스템을 구성하여 염수 농축 극대화와 스마트그리드를 통해 공급되는 에너지 소모량을 최소화 할 수 있다.
또한, 결정화(Cr) 설비는 용액속에 녹아있는 결정성분을 결정화시키기 위해 열을 이용하여 용매를 증발시켜야 하는데, 이때 대량으로 에너지를 소비하게 된다. 이 에너지를 절감하기 위해서는 HP의 폐기에너지의 재이용과 풍력과 같은 신재생 에너지를 이용한다.
이상에서와 같이 설명한 본 발명에 따른 기술은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
1. 흐름전극 2. 활물질 공급탱크
3. 양극활물질 저장탱크 4. 음극활물질 저장탱크
5. 전해질 공급탱크 6. 전해질 저장탱크
7. 전원공급장치 8. 저항장치
9. 절환스위치 10. 흐름양극
11. 양극집전체 12. 양극활물질
13. 양극분리막 14. 양극유로
20. 흐름음극 21. 음극집전체
22. 음극활물질 23. 음극분리막
24. 음극유로 30. 전해질
34. 전해질 유로 41, 42, 43. 공급펌프
50. 캡슐막(이온막)

Claims (16)

  1. 흐름전극을 구비한 축전식 탈염장치로 구현되어지되 35,000∼70,000 mg/L 염농도의 염수를 받아 10,000 mg/L 이하 염농도의 염수로 담수화시켜 제공하는 제 1 담수화 장치; 및
    상기 제1 담수화 장치와 직렬로 연결되며 상기 제1 담수화 장치로부터 제공되는 염수를 500 mg/L 이하의 염농도로 담수화시키는 제 2 담수화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  2. 35,000∼70,000 mg/L 염농도의 염수를 받아 25,000∼ 60,000 mg/L 염농도의 염수로 담수화시키는 제 1 담수화 장치; 및
    상기 제 1 담수화 장치와 직렬로 연결되며 흐름전극을 구비한 축전식 탈염장치로 구현되어지되 상기 제 1 담수화 장치로부터 제공되는 염수를 500 mg/L 이하 염농도의 염수로 담수화시키는 제 2 담수화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 에 있어서, 상기 흐름전극은 내부의 유로를 통해 양극활물질이 유동하는 흐름양극;
    상기 흐름양극과 일정거리 이격되어 음극활물질이 유동하는 흐름음극; 및
    상기 흐름양극과 흐름음극 사이에서 유동하는 전해질의 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 흐름양극은 양극집전체;
    상기 양극집전체와 일정 간격으로 이격되어 구성되는 양극분리막;
    상기 양극집전체와 상기 양극분리막 사이에 형성된 양극유로; 및
    상기 양극유로를 흐르는 양극활물질의 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 흐름음극은 음극집전체;
    상기 음극집전체와 일정 간격으로 이격되어 구성되는 음극분리막;
    상기 음극집전체와 상기 음극분리막 사이에 형성된 음극유로; 및
    상기 음극유로를 흐르는 음극활물질의 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 전해질은 상기 양극분리막과 음극분리막 사이에 형성된 유로를 흐르는 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 양극분리막은 미세공 절연 분리막 또는 양이온교환전도막인 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 음극분리막은 미세공 절연 분리막 또는 음이온교환전도막인 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 양극활물질과 음극활물질은 상기 전해질과 혼합된 슬러리상의 유동하는 활물질인 것을 특징으로 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 양극활물질과 음극활물질은 동일 물질인 것을 특징으로 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 분리막은 미세한 구멍이 형성된 미세공 절연 분리막인 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  12. 제 3 항에 있어서, 상기 양극활물질과 음극활물질은 마이크로 캡슐화된 것을 특징으로 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  13. 제 3 항에 있어서, 상기 흐름전극은 2차전지 또는 전기이중층 캐패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor)인 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  14. 제 3 항에 있어서, 상기 양극활물질과 음극활물질의 전극활물질은 활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 탄소나노튜브의 다공성 탄소와 흑연분말 및 금속산화물 분말 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  15. 제 3 항에 있어서, 상기 전해질은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3 의 수용성 전해질과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)의 유기성 전해질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
  16. 제 3 항에 있어서, 상기 전해질은 고체상 또는 정지상인 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 담수화 시스템.
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