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KR101229482B1 - Apparatus and method for hybrid desalination - Google Patents

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KR101229482B1
KR101229482B1 KR1020120076175A KR20120076175A KR101229482B1 KR 101229482 B1 KR101229482 B1 KR 101229482B1 KR 1020120076175 A KR1020120076175 A KR 1020120076175A KR 20120076175 A KR20120076175 A KR 20120076175A KR 101229482 B1 KR101229482 B1 KR 101229482B1
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김유창
이공훈
김영
오동욱
박인섭
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한국기계연구원
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Abstract

본 기재의 해수 담수화 장치는, 고회수율형 나노여과막(nanofiltration membrane)을 포함하고, 전처리된 해수(海水)를 유입하여 제1 농축수(concentrate)와 제1 투과수로 분리하여 배출하는 제1 막분리 모듈(membrane module); 정삼투막(forward osmosis membrane)을 포함하고, 상기 제1 막분리 모듈의 후단에 연결되며, 상기 정삼투막으로 분리되는 서로 다른 영역으로 상기 제1 투과수와 유도용액을 각각 유입하여 제2 농축수(concentrate)와 희석유도용액(diluted draw solution)으로 분리하여 배출하는 제2 막분리 모듈; 상기 제2 막분리 모듈의 후단에 연결되어 상기 희석유도용액을 유입하고, 역삼투막을 포함하여 상기 희석유도용액을 농축유도용액(concentrated draw solution)으로 배출하고 담수(fresh water)를 회수하는 제3 막분리 모듈을 포함한다. 그리고 상기 제3 막분리 모듈은 상기 제2 막분리 모듈에 연결되어 상기 농축유도용액을 상기 제2 막분리 모듈에 상기 유도용액으로 공급한다.The seawater desalination apparatus of the present disclosure includes a high-recovery type nanofiltration membrane, and includes a first membrane for introducing pretreated seawater into a first concentrated water and a first permeate, and then discharging the membrane. Membrane module; A forward osmosis membrane, which is connected to the rear end of the first membrane separation module, and the first permeate and the induction solution are respectively introduced into different regions separated by the forward osmosis membrane to concentrate the second. A second membrane separation module for separating and discharging into water and a diluted draw solution; A third membrane connected to a rear end of the second membrane separation module to introduce the dilution-inducing solution, including a reverse osmosis membrane, and discharging the dilution-inducing solution as a concentrated draw solution and recovering fresh water. It includes a separation module. The third membrane separation module is connected to the second membrane separation module to supply the concentrated induction solution to the second membrane separation module as the induction solution.

Figure R1020120076175
Figure R1020120076175

Description

하이브리드형 해수 담수화 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HYBRID DESALINATION}Hybrid seawater desalination device and method {APPARATUS AND METHOD FOR HYBRID DESALINATION}

본 발명은 해수를 담수화하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노여과막, 정삼투막, 역삼투막을 이용한 하이브리드형 담수화 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for desalination of seawater, and more particularly, to a hybrid desalination apparatus and method using a nanofiltration membrane, an forward osmosis membrane, and a reverse osmosis membrane.

지구 상에는 많은 양의 물이 존재하지만 인간이 안전하게 먹을 수 있는 물은 부족한 실정이다. 이러한 이유 등으로 인해 해수를 담수화하는 기술이 개발되고 있다.There is a large amount of water on earth but there is not enough water for humans to eat safely. For these reasons, techniques for desalination of seawater have been developed.

해수로부터 담수를 획득하기 위해서는 해수에 용존되어 있거나 부유되어 있는 성분들 중 용수 및 음용수 기준에 부적합한 성분을 제거하는 공정이 요구된다. 해수를 담수화하는 방법으로는 역삼투법 및 전기투석법, 원수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법, 냉동법, 태양열이용법 등이 있다. 그 중에서 주로 사용되는 담수화 방법은 역삼투법과 전기 투석법이다.In order to obtain fresh water from seawater, a process of removing components that are insoluble or suspended in seawater, which is incompatible with water and drinking water standards, is required. Desalination of seawater includes reverse osmosis and electrodialysis, evaporation of desalting raw water into steam, freezing, and solar heat. The desalination methods mainly used are reverse osmosis and electrodialysis.

역삼투법을 이용한 담수화 장치는, 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제되고 순수한 물은 통과되는 역삼투막에 의해 해수 중에 용해되어 있는 이온성 물질을 제거하는 구조를 갖는다.The desalination apparatus using the reverse osmosis method has a structure in which ionic substances dissolved in water are almost eliminated, and pure water passes through the reverse osmosis membrane to remove ionic substances dissolved in seawater.

이와 같은 원수로부터 이온성 물질과 순수한 물을 분리시키기 위해서는 삼투압 이상의 높은 압력을 필요로 하는데, 이 압력을 역삼투압이라고 하며, 해수 담수화의 경우 대략 50 ~ 70 바아(bar) 정도의 높은 압력을 필요로 한다. 이러한 역삼투압을 제공하기 위해 역삼투법을 이용한 담수화 장치에는 원수를 가압하는 원수공급수단(고압펌프 등)이 설치된다.In order to separate ionic substances and pure water from such raw water, a high pressure of osmotic pressure or more is required. This pressure is called reverse osmosis. In the case of seawater desalination, a pressure of about 50 to 70 bar is required. do. In order to provide such reverse osmosis, a desalination apparatus using reverse osmosis is provided with raw water supply means (high pressure pump, etc.) for pressurizing raw water.

일반적으로 상기와 같은 원수공급수단으로 많은 전력을 소모하는 고압펌프를 사용하기 때문에 해수의 담수화에 상당한 에너지가 소모되는 단점이 있었다.In general, since the high-pressure pump that consumes a lot of power as the raw water supply means as described above, there is a disadvantage in that considerable energy is consumed for desalination of seawater.

최근에는 역삼투 방식도 에너지 소비가 크기 때문에 고압펌프 등을 사용하지 않고 순수한 삼투현상만을 이용해서 해수에서 담수를 얻어내는 정삼투 방식이 개발되었다. 이 정삼투 방식의 경우 해수보다 아주 고농도의 유도용액(예, 고농도의 중탄산 암모늄(NH4HCO3) 용액)을 사용하여 해수의 물을 삼투현상에 의해 추출하는 방식으로, 이 방식의 경우 희석된 유도용액에서 담수를 얻기 위해 추가로 열에너지가 소비된다는 단점이 있다. 폐열을 사용하는 경우를 제외하고는 일반적인 역삼투식 담수화 방식에 비해 에너지 소비가 더 큰 방식으로 알려져 있다. (중탄산 암모늄 용액의 경우, 가열해주면 암모니아와 이산화탄소 기체로 분리가 되며, 재사용 또한 용이하지 않은 것으로 알려져 있다.)Recently, the reverse osmosis method has a high energy consumption, and thus, an forward osmosis method has been developed in which fresh water is obtained from seawater using pure osmosis without using a high pressure pump. In the case of the forward osmosis method, the water of seawater is extracted by osmosis using a very high concentration of induction solution (e.g., a high concentration of ammonium bicarbonate (NH 4 HCO 3 ) solution). There is a disadvantage that additional heat energy is consumed to obtain fresh water from the induction solution. Except in the case of using waste heat, energy consumption is known to be higher than that of general reverse osmosis desalination. (In the case of ammonium bicarbonate solution, it is known that it is separated into ammonia and carbon dioxide gas when heated.

즉, 어떤 방식의 담수화 장치든 적은 에너지 소비 특성을 유지하면서 해수에 대한 담수의 회수율을 높이는 노력이 필요하다.In other words, any type of desalination apparatus requires efforts to increase the recovery rate of freshwater to seawater while maintaining low energy consumption characteristics.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 나노여과막, 정삼투막, 역삼투막의 조합을 통하여 에너지 소비를 과다하게 증가시키지 않으면서도 해수에 대한 담수의 회수율을 향상시킬 수 있는 하이브리드형 담수화 방법과 이를 구현하는 하이브리드형 담수화 장치를 제공하고자 한다.Based on the technical background as described above, the present invention provides a hybrid desalination method that can improve the recovery rate of fresh water for seawater without excessively increasing energy consumption through a combination of nanofiltration membrane, forward osmosis membrane, and reverse osmosis membrane. It is intended to provide a hybrid desalination apparatus that implements this.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 해수 담수화 장치는, 고회수율형 나노여과막(nanofiltration membrane)을 포함하고, 전처리된 해수(海水)를 유입하여 제1 농축수(concentrate)와 제1 투과수로 분리하여 배출하는 제1 막분리 모듈(membrane module); 정삼투막(forward osmosis membrane)을 포함하고, 상기 제1 막분리 모듈의 후단에 연결되며, 상기 정삼투막으로 분리되는 서로 다른 영역으로 상기 제1 투과수와 상기 제1 투과수보다 농도가 아주 높은 유도용액을 각각 유입하여 제2 농축수(concentrate)와 희석유도용액(diluted draw solution)으로 분리하여 배출하는 제2 막분리 모듈; 상기 제2 막분리 모듈의 후단에 연결되어 상기의 희석유도용액을 유입하고, 역삼투막을 포함하여 상기 희석유도용액에서 담수(fresh water)를 얻고 농축유도용액(concentrated draw solution)을 배출하는 제3 막분리 모듈을 포함한다. The hybrid seawater desalination apparatus according to an embodiment of the present invention includes a high-recovery type nanofiltration membrane, and includes pretreated seawater and a first concentrated water and a first permeate passage. A first membrane module for separating and discharging; A forward osmosis membrane, which is connected to the rear end of the first membrane separation module, is separated from the forward osmosis membrane, and is different in concentration from the first permeate and the first permeate. A second membrane separation module for introducing a high draw solution into each of the second concentrated water and separating it into a concentrated draw solution and a diluted draw solution; A third membrane connected to a rear end of the second membrane separation module to introduce the dilution inducing solution, and obtain fresh water from the dilution inducing solution, including a reverse osmosis membrane, and discharge the concentrated draw solution. It includes a separation module.

그리고 상기 제3 막분리 모듈은 상기 제2 막분리 모듈에 연결되어 상기 농축유도용액을 상기 제2 막분리 모듈에 상기 유도용액으로 공급한다.The third membrane separation module is connected to the second membrane separation module to supply the concentrated induction solution to the second membrane separation module as the induction solution.

상기 제2 막분리 모듈은 상기 정삼투막으로 분리되는 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 제1 막분리 모듈의 후단에 연결되어 상기 제1 투과수를 유입하며, 상기 제2 영역은 상기 제3 막분리 모듈에 연결되어 상기 제3 막분리 모듈로부터 배출되는 상기 농축유도용액을 유입할 수 있다.The second membrane separation module includes a first region and a second region separated by the forward osmosis membrane, and the first region is connected to a rear end of the first membrane separation module to introduce the first permeate, The second region may be connected to the third membrane separation module to introduce the concentrated induction solution discharged from the third membrane separation module.

상기 제1 막분리 모듈은 상기 고회수율형 나노여과막으로 분리되는 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역으로 상기 전처리된 해수를 유입하고, 상기 제2 영역으로부터 상기 제1 투과수를 배출하며, 상기 제1 영역으로부터 상기 제1 농축수를 배출하도록 구성될 수 있다.The first membrane separation module includes a first region and a second region separated by the high-recovery type nanofiltration membrane, the pretreated seawater is introduced into the first region, and the first permeated water is discharged from the second region. Discharging and discharging the first concentrated water from the first region.

상기 제3 막분리 모듈은 상기 역삼투막으로 분리되는 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역으로 상기 희석유도용액을 유입하고, 상기 제2 영역으로부터 상기 담수를 배출하며, 상기 제1 영역으로부터 상기 농축유도용액을 배출하도록 구성될 수 있다.The third membrane separation module includes a first region and a second region separated by the reverse osmosis membrane, the dilution inducing solution is introduced into the first region, and the fresh water is discharged from the second region. It can be configured to discharge the concentrated solution from the zone.

상기 제2 막분리 모듈과 상기 제3 막분리 모듈 사이에는 희석유도용액 저장부가 연결되어 상기 희석유도용액을 저장할 수 있다.A dilution induction solution storage unit may be connected between the second membrane separation module and the third membrane separation module to store the dilution induction solution.

상기 제1 막분리 모듈의 전단에는 해수용 가압펌프가 연결되어 상기 해수를 공급 및 가압할 수 있다.A seawater pressure pump is connected to the front end of the first membrane separation module to supply and pressurize the seawater.

상기 제2 막분리 모듈과 상기 제3 막분리 모듈 사이에는 희석유도용액 가압펌프가 연결되어 상기 희석유도용액을 상기 제3 막분리 모듈로 공급할 수 있다.A dilution induction solution pressure pump may be connected between the second membrane separation module and the third membrane separation module to supply the dilution induction solution to the third membrane separation module.

상기 제3 막분리 모듈과 상기 제2 막분리 모듈 사이에는 유도용액 저장부가 연결되어 상기 농축유도용액을 저장할 수 있다.An induction solution storage unit may be connected between the third membrane separation module and the second membrane separation module to store the concentrated induction solution.

본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 방법은, 해수를 유입하여 고회수율형 나노여과막을 통해 상기 해수 중의 용매와 이온성 물질의 일부가 투과하도록 하여 상기 해수를 제1 농축수와 제1 투과수로 분리하여 배출하는 고회수율형 나노여과막 분리단계; 정삼투막을 사이에 두고 상기 제1 투과수와 유도용액을 위치시켜 상기 용매가 상기 정삼투막을 투과하도록 하여 제2 농축수와 희석유도용액으로 분리하여 배출하는 정삼투막 분리단계; 및 상기 희석유도용액을 유입하여 역삼투막을 통해 상기 용매가 투과하도록 하여 농축유도용액을 배출하고 담수를 회수하는 역삼투막 분리단계를 포함한다.In the seawater desalination method according to an embodiment of the present invention, the seawater is introduced into the first concentrated water and the first permeated water by allowing a portion of the solvent and the ionic material in the seawater to pass through the high-recovery type nanofiltration membrane. Separation step of high-recovery type nanofiltration membrane separated and discharged into; A forward osmosis membrane separation step of disposing the first permeate water and an induction solution with the forward osmosis membrane interposed therebetween to allow the solvent to pass through the forward osmosis membrane and to separate and discharge the second concentrated water and the dilute induction solution; And a reverse osmosis membrane separation step of introducing the dilution-inducing solution to allow the solvent to pass through the reverse osmosis membrane to discharge the concentrated induction solution and recover fresh water.

본 실시예의 정삼투식 해수 담수화 방법은, 상기 정삼투막 분리단계에서 배출되는 희석유도용액을 희석유도용액 저장부에 저장하는 단계; 및 상기 저장된 희석유도용액을 희석유도용액 가압펌프를 통해 상기 역삼투막의 일측으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.The forward osmosis seawater desalination method of this embodiment comprises the steps of: storing the dilution induction solution discharged from the forward osmosis membrane separation step in a dilution induction solution storage unit; And supplying the stored dilution induction solution to one side of the reverse osmosis membrane through the dilution induction solution pressurizing pump.

본 실시예의 정삼투식 해수 담수화 방법은, 상기 역삼투막 분리단계에서 배출되는 농축유도용액을 유도용액 저장부에 공급하는 단계; 및 상기 유도용액 저장부의 유도용액을 상기 정삼투막의 일측으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.The forward osmosis seawater desalination method of the present embodiment comprises the steps of: supplying a concentrated induction solution discharged from the reverse osmosis membrane separation step to the induction solution storage; And supplying an induction solution of the induction solution storage unit to one side of the forward osmosis membrane.

상기한 바와 같은 본 발명의 정삼투식 담수화 장치에 의하면, 고회수율형 나노여과막, 정삼투막, 역삼투막의 조합을 통하여 에너지 소비를 과다하게 증가시키지 않으면서도 해수에 대한 담수의 회수율을 향상시킬 수 있다.According to the forward osmosis desalination apparatus of the present invention as described above, it is possible to improve the recovery rate of fresh water to seawater without excessively increasing energy consumption through the combination of high-recovery type nanofiltration membrane, forward osmosis membrane, and reverse osmosis membrane.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정삼투식 해수 담수화 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing an apparatus for forward osmosis seawater desalination according to a first embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정삼투식 해수 담수화 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing an apparatus for forward osmosis seawater desalination according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 해수 담수화 장치(100)는 고회수율형 나노여과막(115)을 포함하는 제1 막분리 모듈(110)과 정삼투막(125)을 포함하는 제2 막분리 모듈(120) 및 역삼투막(145)을 포함하는 제3 막분리 모듈(140)을 포함한다. 제2 막분리 모듈(120)은 상기 제1 막분리 모듈(110)의 후단에 연결되고, 제3 막분리 모듈(140)은 상기 제2 막분리 모듈(120)의 후단에 연결된다.Referring to FIG. 1, the seawater desalination apparatus 100 according to the present embodiment includes a first membrane separation module 110 including a high recovery type nanofiltration membrane 115 and a second membrane including an forward osmosis membrane 125. And a third membrane separation module 140 including a separation module 120 and a reverse osmosis membrane 145. The second membrane separation module 120 is connected to the rear end of the first membrane separation module 110, and the third membrane separation module 140 is connected to the rear end of the second membrane separation module 120.

여기서, '고회수율형' 나노여과막이라고 하면 배제율은 최대한 낮추고 상대적으로 회수율을 최대한 높인 나노여과막을 의미한다. 즉, 막의 구조는 크게 활성층과 지지층으로 구분되는데, 활성층은 분리 기능을 하고 지지층은 고압에서 상기 막이 강도를 갖도록 한다. 이 때, 상기 활성층에 사용되는 재료의 종류와 조성을 조정하여, 물을 많이 얻는 것, 즉 회수율을 높이는 것에 초점을 맞출 것인지, 얻고자 하는 물의 수질, 즉 배제율에 초점을 맞출 것인지를 결정할 수 있다. 따라서 나노여과막을 구성하는 활성층 재료의 종류와 조성을 조정하여 배제율을 낮추고 회수율을 높여 고회수율형 나노여과막을 제작할 수 있다.Here, the term “high recovery type” nanofiltration membrane refers to a nanofiltration membrane having a low rejection rate and a relatively high recovery rate. That is, the structure of the membrane is largely divided into an active layer and a support layer, the active layer is a separation function and the support layer to make the membrane has a strength at high pressure. At this time, by adjusting the type and composition of the material used in the active layer, it is possible to determine whether to focus on obtaining a lot of water, that is, to increase the recovery rate, or to focus on the water quality of the water to be obtained, that is, the rejection rate. . Therefore, by adjusting the type and composition of the active layer material constituting the nanofiltration membrane, it is possible to manufacture a high recovery type nanofiltration membrane by lowering the rejection rate and increasing the recovery rate.

상기 제2 막분리 모듈(120)과 제3 막분리 모듈(140) 사이에는 희석유도용액 저장부(130)와 희석유도용액 가압펌프(135)가 위치한다. 상기 희석유도용액 저장부(130)는 상기 제2 막분리 모듈(120)의 후단에 연결되면서 상기 희석유도용액 가압펌프(135)를 통해 상기 제3 막분리 모듈(140)과 연결된다.Between the second membrane separation module 120 and the third membrane separation module 140, the dilution induction solution storage unit 130 and the dilution induction solution pressure pump 135 are positioned. The dilution induction solution storage unit 130 is connected to the third membrane separation module 140 through the dilution induction solution pressure pump 135 while being connected to the rear end of the second membrane separation module 120.

상기 제3 막분리 모듈(140)은 다시 유도용액 저장부(150)에 연결되고, 상기 유도용액 저장부(150)는 상기 제2 막분리 모듈(120)에 연결된다. 상기 유도용액 저장부(150)는 유도용액으로 황산 마그네슘(MgSO4)과 염화 마그네슘(MgCl2)이 혼합된 용액을 저장한다. 상기 유도용액은 황산 마그네슘과 염화 마그네슘을 물에 녹여서 혼합한다. 초기에 설정된 유도용액의 농도만큼 황산 마그네슘과 염화 마그네슘을 물에 녹인 후, 저장 시 농도를 균일하게 유지할 수 있도록 교반기로 상기 혼합액을 교반시킬 수 있다. 상기 교반기는 유도용액 저장부(150) 내에 구비될 수도 있다.The third membrane separation module 140 is connected to the induction solution storage unit 150 again, and the induction solution storage unit 150 is connected to the second membrane separation module 120. The induction solution storage unit 150 stores a solution in which magnesium sulfate (MgSO 4 ) and magnesium chloride (MgCl 2 ) are mixed as an induction solution. The induction solution is mixed by dissolving magnesium sulfate and magnesium chloride in water. After dissolving magnesium sulfate and magnesium chloride in water as much as the concentration of the initially induced solution, the mixed solution may be stirred with a stirrer to maintain the concentration uniformly during storage. The stirrer may be provided in the induction solution storage 150.

제1 막분리 모듈(110)의 전단에는 해수용 가압펌프(105)가 연결되어 전처리된 해수를 상기 제1 막분리 모듈(110)에 공급한다. 상기 해수용 가압펌프(105)를 이용하여 전처리된 해수를 유입하는 단계에서 공지의 전처리 과정을 거칠 수 있다. 전처리는 취수한 해수에서 이온성 물질 외에 부유하는 입자성 물질과 유기물을 제거하는 단계로 전통적으로는 응집침전-모래여과-카트리지 여과를 사용하지만, 최근에는 막여과를 전처리로 사용하여 응집침전-막여과(마이크로 여과 또는 한외 여과)를 사용하기도 한다.The front end of the first membrane separation module 110 is connected to the pressurized water pump 105 for supplying the pretreated seawater to the first membrane separation module 110. In the step of introducing the pre-treated seawater using the seawater pressure pump 105 may be a known pretreatment process. Pretreatment is the step of removing suspended particulate matter and organic matter from the collected seawater, traditionally using coagulation sedimentation-sand filtration-cartridge filtration, but recently using coagulation sedimentation-membrane Filtration (microfiltration or ultrafiltration) may also be used.

제1 막분리 모듈(110)은 상기 고회수율형 나노여과막(115)으로 분리되는 제1 영역(110a)과 제2 영역(110b)을 포함한다. 일반적으로 막(membrane)은 제조 시 회수율을 높이면 배제율이 낮아지고, 반대로 배제율을 높이면 회수율이 낮아지게 되는데, 본 실시예에서의 나노여과막(115)은 회수율은 높고 배제율은 낮은 고회수율형 나노여과막을 사용한다. 상기 제1 영역(110a)으로 상기 해수를 유입하면, 해수 중에 포함된 용매(물)와 이온성 물질 중 일부가 상기 고회수율형 나노여과막(115)을 투과하여 제2 영역(110b)으로 이동하게 된다. 용매(물)와 이온성 물질 중 일부가 투과하고 제1 영역(110a)에 남은 잔류물은 이온성 물질의 농도가 높아진 상태로 제1 농축수(concentrate)가 되어 제1 농축수 라인(112)을 통해 배출되며, 제2 영역(110b)으로 이동한 농도가 낮아진 해수는 제1 투과수가 되어 배출된다.The first membrane separation module 110 includes a first region 110a and a second region 110b separated by the high yield type nanofiltration membrane 115. In general, the membrane (membrane) to increase the recovery rate in manufacturing, the rejection rate is lowered, on the contrary, if the exclusion rate is increased, the recovery rate is lower, the nanofiltration membrane 115 in the present embodiment is a high recovery type with a high recovery rate and low exclusion rate Nanofiltration membranes are used. When the seawater is introduced into the first region 110a, some of the solvent (water) and the ionic material included in the seawater pass through the high-recovery type nanofiltration membrane 115 to move to the second region 110b. do. Some of the solvent (water) and the ionic material pass through, and the residue remaining in the first region 110a becomes the first concentrated water in a state where the concentration of the ionic material is increased, so that the first concentrated water line 112 The seawater is discharged through the second area 110b, and the seawater having a lower concentration is discharged as the first permeate.

일반적으로 역삼투막과 나노여과막을 둘 다 이온성 물질을 제거할 수 있는 막이지만, 역삼투막의 경우는 1가 이온(Na+, Cl- 등)과 2가 이온(Mg2 +, SO4 2 - 등)을 포함하는 거의 모든 이온성 물질을 분리하는데 반해 나노여과막은 2가 이온에 대한 분리성은 높지만 1가 이온에 대한 분리성은 아주 낮은 막이다. 또한, 나노여과막의 경우에도 종류가 다양하여 회수율은 높지만 배제율이 낮은 고회수율형 나노여과막과 회수율은 낮지만 배제율은 높은 고배제율형 나노여과막이 있어서 사용 목적에 따라 선택적으로 적용할 수 있다.But generally a film that can remove both ionic materials for reverse osmosis membrane and the nano-filtration membrane, in the case of reverse osmosis membrane is a monovalent ions (Na +, Cl -, etc.) and divalent ions (Mg 2 +, SO 4 2 - , etc.) On the other hand, nanofiltration membranes have high separation ability for divalent ions but very low separation ability for monovalent ions. In addition, in the case of nanofiltration membranes, there are various kinds of high recovery type nanofiltration membranes having high recovery rate but low exclusion rate and low exclusion rate but high exclusion rate, which can be selectively applied according to the purpose of use.

제2 막분리 모듈(120)은 상기 정삼투막(125)으로 분리되는 제1 영역(120a)과 제2 영역(120b)을 포함한다. 상기 제1 영역(120a)은 상기 제1 막분리 모듈(110)의 후단에 연결되어 상기 제1 막분리 모듈(110)의 제2 영역(110b)으로부터 배출되는 제1 투과수를 유입하며, 상기 제2 영역(110b)은 유도용액 저장부(150)에 연결되어 농축유도용액(concentrated draw solution)을 유입한다. 상기 유도용액 저장부(150)는 상기 제3 막분리 모듈(140)의 후단에 연결되며, 결과적으로 상기 제2 막분리 모듈(120)의 제2 영역(120b)은 유도용액 저장부(150)를 통하여 제3 막분리 모듈(140)과 연결된다.The second membrane separation module 120 includes a first region 120a and a second region 120b separated by the forward osmosis membrane 125. The first region 120a is connected to a rear end of the first membrane separation module 110 to introduce first permeate discharged from the second region 110b of the first membrane separation module 110. The second region 110b is connected to the induction solution storage unit 150 to introduce a concentrated draw solution. The induction solution storage unit 150 is connected to the rear end of the third membrane separation module 140. As a result, the second area 120b of the second membrane separation module 120 is the induction solution storage unit 150. It is connected to the third membrane separation module 140 through.

정삼투막은 역삼투막이나 나노여과막과는 달리 압력차에 기반을 둔 공정에 사용하는 것이 아니라 농도차에 기반을 둔 공정에 사용 가능한 막이기 때문에 막의 두께가 역삼투막과 나노여과막에 비해 상당히 얇은 것이 특징이다. 즉, 압력차를 이용하지 않기 때문에 막의 지지층의 두께가 아주 얇으며, 따라서 압력차에 의해 물이 이동하는 것이 아니라 농도차에 의해 고농도 유도용액이 물을 끌어당기게 된다.Unlike reverse osmosis membranes and nanofiltration membranes, forward osmosis membranes are not used for pressure-based processes but can be used for concentration-based processes, so the thickness of the membrane is considerably thinner than that of reverse osmosis and nanofiltration membranes. In other words, since the pressure difference is not used, the thickness of the support layer of the membrane is very thin, so that the water does not move due to the pressure difference, but the high concentration induction solution attracts the water due to the concentration difference.

상기 제2 막분리 모듈(120)의 제1 영역(120a)으로 유입된 제1 투과수는 상기 제2 영역(120b)으로 유입된 농축유도용액보다 삼투압(osmotic pressure)이 낮기 때문에 상기 제1 투과수에 포함된 용매(물)가 상기 정삼투막(125)을 투과하여 제2 영역(120b)으로 이동하면서 상기 농축유도용액을 희석시킨다. 이렇게 희석된 희석유도용액(diluted draw solution)은 제2 영역(120b)으로부터 배출되어 희석유도용액 저장부(130)에 저장된다.The first permeation water introduced into the first region 120a of the second membrane separation module 120 has lower osmotic pressure than the concentrated induction solution introduced into the second region 120b. The solvent (water) contained in the water passes through the forward osmosis membrane 125 and moves to the second region 120b to dilute the concentrated induction solution. The diluted draw solution diluted in this way is discharged from the second area 120b and stored in the diluted draw solution storage unit 130.

상기한 바와 같이 제1 막분리 모듈(110)을 거치면서 유입되는 해수는 농도가 낮아진 상태의 제1 투과수로 제2 막분리 모듈(120)로 유입되고, 이 경우 고농도의 해수가 직접 상기 제2 막분리 모듈(120)로 유입되어 정삼투 현상에 의해 용매(물)가 이동하는 양보다 더 많은 양의 용매(물)를 이동시킬 수 있다. 즉, 정삼투막(125)을 사이에 두고 위치하는 원수(原水)와 유도용액의 삼투압 차이가 동일하더라도 상기 원수의 농도가 높을 때에는 막의 지지층에서 발생하는 내부농도 분극현상 때문에 용매(물)의 이동량이 적어지기 때문에, 본 실시예에서와 같이 정삼투막(125)의 일측으로 유입되는 공급수(제1 투과수)의 농도를 고회수율형 나노여과막을 통해 낮춰줌에 따라 용매(물)의 이동량을 증가시킬 수 있고, 결과적으로 해수 담수화 장치(100)의 회수율을 향상시킬 수 있다. 고회수율형 나노여과막의 기능은 정삼투막으로 들어가는 공급수의 농도를 2가 이온들을 제거함으로써 농도를 낮추어주어 정삼투막에서의 처리효율을 높이기 위함이다. 또한 나노여과막에서는 1가 이온의 일부도 제거된다. 단, 전체적인 공정의 회수율을 높이기 위해 고배제율형 나노여과막보다는 고회수율형 나노여과막을 사용한다. '배제율'은 장치에 유입되는 원수(해수)와 생산수(담수) 농도의 차(差)와 원수(해수) 농도의 비(比)로 정의되며, '회수율'은 장치에 유입되는 해수의 양에 대해 회수하는 담수의 양의 비(比)로 정의될 수 있다.As described above, the seawater introduced while passing through the first membrane separation module 110 is introduced into the second membrane separation module 120 as the first permeated water having a lower concentration, in which case the high concentration of seawater is directly 2 is introduced into the membrane separation module 120 may move a greater amount of solvent (water) than the amount of the solvent (water) is moved by the forward osmosis phenomenon. That is, even if the osmotic pressure difference between the raw water and the induction solution positioned between the forward osmosis membrane 125 is the same, when the concentration of the raw water is high, the amount of movement of the solvent (water) due to the internal concentration polarization phenomenon occurring in the support layer of the membrane. Since this decreases, as the present embodiment lowers the concentration of the feed water (first permeate) flowing into one side of the forward osmosis membrane 125 through the high recovery type nanofiltration membrane, the amount of movement of the solvent (water) It can be increased, and as a result, the recovery rate of the seawater desalination apparatus 100 can be improved. The function of the high-recovery type nanofiltration membrane is to reduce the concentration of feed water entering the forward osmosis membrane by removing divalent ions, thereby increasing the treatment efficiency in the forward osmosis membrane. In addition, some of the monovalent ions are removed from the nanofiltration membrane. However, in order to increase the recovery rate of the overall process, a high recovery type nanofiltration membrane is used rather than a high exclusion type nanofiltration membrane. The 'exclusion rate' is defined as the ratio between the difference between the concentration of raw water (sea water) and the production water (fresh water) and the concentration of raw water (sea water) entering the device, and the 'recovery rate' is the It can be defined as the ratio of the amount of fresh water recovered with respect to the amount.

제3 막분리 모듈(140)은 상기 역삼투막(145)으로 분리되는 제1 영역(140a)과 제2 영역(140b)을 포함한다. 역삼투막(145)은 사용하는 유도용액이 2가 이온으로 구성되어 있을 뿐만 아니라 희석된 유도용액이 유입되기 때문에 역삼투막으로 처리가 가능하다. 상기 제1 영역(140a)은 희석유도용액 가압펌프(135)와 연결되어 상기 제2 막분리 모듈(120)의 제2 영역(120b)으로부터 배출되는 희석유도용액을 유입한다. 희석유도용액이 유입되면 용매(물)가 역삼투막(145)을 투과하여 제2 영역(140b)으로 이동하게 된다. 용매(물)가 투과하고 제1 영역(140a)에 남은 잔류물은 농도가 높아진 상태로 농축유도용액이 되어 배출되며, 제2 영역(140b)으로 이동한 용매(물)는 담수(fresh water)가 되어 회수될 수 있다. 농축유도용액은 상기 제3 막분리 모듈(140)의 제1 영역(140a)에 연결된 유도용액 저장부(150)로 공급된다. 상기 역삼투막(145)으로 저압형 역삼투막을 적용할 수 있다.The third membrane separation module 140 includes a first region 140a and a second region 140b separated by the reverse osmosis membrane 145. The reverse osmosis membrane 145 may be treated with a reverse osmosis membrane because the induction solution used is composed of divalent ions, as well as a dilute induction solution is introduced. The first region 140a is connected to the dilution induction solution pressure pump 135 to introduce a dilution induction solution discharged from the second region 120b of the second membrane separation module 120. When the dilution-inducing solution flows in, the solvent (water) passes through the reverse osmosis membrane 145 and moves to the second region 140b. The solvent (water) penetrates and the residue remaining in the first region 140a becomes a concentrated induction solution at a high concentration, and the solvent (water) moved to the second region 140b is fresh water. Can be recovered. The concentrated induction solution is supplied to the induction solution storage unit 150 connected to the first region 140a of the third membrane separation module 140. As the reverse osmosis membrane 145, a low pressure reverse osmosis membrane may be applied.

<정삼투식 해수 담수화 방법><Forward Osmosis Seawater Desalination>

이하에서는 도 1에 도시된 해수 담수화 장치를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a seawater desalination method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the seawater desalination apparatus shown in FIG. 1.

먼저, 전처리된 해수를 유입하여 고회수율형 나노여과막(115)을 통해 상기 해수 중의 용매(물)와 이온성 물질의 일부가 투과하도록 하여 상기 해수를 제1 농축수와 제1 투과수로 분리하여 배출한다(고회수율형 나노여과막 분리단계).First, the pretreated seawater is introduced to allow a portion of the solvent (water) and the ionic material in the seawater to permeate through the high recovery type nanofiltration membrane 115 to separate the seawater into the first concentrated water and the first permeated water. (High recovery type nanofiltration membrane separation step).

다음으로, 정삼투막(125)을 사이에 두고 상기 제1 투과수와 유도용액을 위치시켜 상기 투과수 중 용매(물)가 상기 정삼투막(125)을 투과하도록 하여 제2 농축수와 희석유도용액으로 분리하여 배출한다(정삼투막 분리단계).Next, the first permeated water and the induction solution are positioned with the forward osmosis membrane 125 interposed therebetween so that the solvent (water) in the permeate water permeates the forward osmosis membrane 125 to dilute with the second concentrated water. Separate and discharge with induction solution (Epth Osmosis membrane separation step).

다음으로, 상기 희석유도용액을 유입하여 역삼투막(145)을 통해 상기 용매(물)가 투과하도록 하여 농축유도용액을 배출하고 담수를 회수한다(역삼투막 분리단계).Next, the dilution induction solution is introduced to allow the solvent (water) to pass through the reverse osmosis membrane 145 to discharge the concentrated induction solution and recover fresh water (reverse osmosis membrane separation step).

본 실시예에 따른 정삼투식 해수 담수화 방법에 따르면, 상기 정삼투막 분리단계에서 배출되는 희석유도용액을 희석유도용액 저장부(130)에 저장하고, 상기 저장된 희석유도용액을 희석유도용액 가압펌프(135)를 통해 상기 역삼투막(145)의 일측으로 공급할 수 있다.According to the forward osmosis seawater desalination method according to the present embodiment, the dilute induction solution discharged from the forward osmosis membrane separation step is stored in the dilution induction solution storage unit 130, and the stored dilution induction solution pressurized pump ( 135 may be supplied to one side of the reverse osmosis membrane 145.

한편, 본 실시예에 따른 해수 담수화 방법에 따르면, 상기 역삼투막 분리단계에서 배출되는 농축유도용액을 유도용액 저장부(150)에 공급하여, 상기 유도용액을 상기 정삼투막(125)의 일측으로 공급하여 정삼투 현상을 유발하게 한다. 따라서 유도용액은 정삼투막(125) 일측을 통과하면서 희석이 되고 역삼투막(145)의 일측을 통과하면서 다시 농축이 되어 재사용하게 된다. 상기 역삼투막(145)으로 저압형 역삼투막을 적용할 수 있다.On the other hand, according to the seawater desalination method according to the present embodiment, by supplying the concentrated induction solution discharged in the reverse osmosis membrane separation step to the induction solution storage unit 150, the induction solution to one side of the forward osmosis membrane (125) To cause forward osmosis. Therefore, the induction solution is diluted while passing through one side of the forward osmosis membrane 125 and is concentrated again while passing through one side of the reverse osmosis membrane 145 to be reused. As the reverse osmosis membrane 145, a low pressure reverse osmosis membrane may be applied.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

100 : 해수 담수화 장치 105 : 해수용 가압펌프
110 : 제1 막분리 모듈 112 : 제1 농축수 라인
115 : 고회수율형 나노여과막 120 : 제2 막분리 모듈
125 : 정삼투막 130 : 희석유도용액 저장부
135 : 희석유도용액 가압펌프 140 : 제3 막분리 모듈
145 : 역삼투막 150 : 유도용액 저장부100: seawater desalination device 105: pressurized pump for seawater
110: first membrane separation module 112: first concentrated water line
115: high recovery type nanofiltration membrane 120: second membrane separation module
125: forward osmosis membrane 130: dilution induction solution storage unit
135: dilution induction solution pressure pump 140: the third membrane separation module
145: reverse osmosis membrane 150: induction solution storage

Claims (7)

고회수율형 나노여과막(nanofiltration membrane)을 포함하고, 전처리된 해수(海水)를 유입하여 제1 농축수(concentrate)와 제1 투과수로 분리하여 배출하는 제1 막분리 모듈(membrane module);
정삼투막(forward osmosis membrane)을 포함하고, 상기 제1 막분리 모듈의 후단에 연결되며, 상기 정삼투막으로 분리되는 서로 다른 영역으로 상기 제1 투과수와 유도용액을 각각 유입하여 제2 농축수(concentrate)와 희석유도용액(diluted draw solution)으로 분리하여 배출하는 제2 막분리 모듈;
상기 제2 막분리 모듈의 후단에 연결되어 상기 희석유도용액을 유입하고, 역삼투막을 포함하여 상기 희석유도용액을 농축유도용액(concentrated draw solution)으로 배출하고 담수(fresh water)를 회수하는 제3 막분리 모듈
을 포함하고,
상기 제3 막분리 모듈은 상기 제2 막분리 모듈에 연결되어 상기 농축유도용액을 상기 제2 막분리 모듈에 상기 유도용액으로 공급하는 하이브리드형 해수 담수화 장치.A first membrane separation module (membrane module) including a high yield-type nanofiltration membrane and injecting pre-treated sea water into a first concentrated water and a first permeate;
A forward osmosis membrane, which is connected to the rear end of the first membrane separation module, and the first permeate and the induction solution are respectively introduced into different regions separated by the forward osmosis membrane to concentrate the second. A second membrane separation module for separating and discharging into water and a diluted draw solution;
A third membrane connected to a rear end of the second membrane separation module to introduce the dilution-inducing solution, including a reverse osmosis membrane, and discharging the dilution-inducing solution as a concentrated draw solution and recovering fresh water. Separation module
Including,
And the third membrane separation module is connected to the second membrane separation module to supply the concentrated induction solution to the second membrane separation module as the induction solution. 제 1 항에 있어서,
상기 제2 막분리 모듈은 상기 정삼투막으로 분리되는 제1 영역과 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역은 상기 제1 막분리 모듈의 후단에 연결되어 상기 제1 투과수를 유입하며, 상기 제2 영역은 상기 제3 막분리 모듈에 연결되어 상기 제3 막분리 모듈로부터 배출되는 상기 농축유도용액을 유입하는 하이브리드형 해수 담수화 장치.The method of claim 1,
The second membrane separation module includes a first region and a second region separated by the forward osmosis membrane,
The first region is connected to a rear end of the first membrane separation module to introduce the first permeate, and the second region is connected to the third membrane separation module and is concentrated from the third membrane separation module. Hybrid seawater desalination device for introducing an induction solution. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 막분리 모듈은 상기 고회수율형 나노여과막으로 분리되는 제1 영역과 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역으로 상기 해수를 유입하고, 상기 제2 영역으로부터 상기 제1 투과수를 배출하며, 상기 제1 영역으로부터 상기 제1 농축수를 배출하도록 구성된 하이브리드형 해수 담수화 장치.The method of claim 1,
The first membrane separation module includes a first region and a second region separated by the high recovery type nanofiltration membrane,
Hybrid seawater desalination apparatus configured to introduce the seawater into the first region, to discharge the first permeate from the second region, and to discharge the first concentrated water from the first region. 제 1 항에 있어서,
상기 제3 막분리 모듈은 상기 역삼투막으로 분리되는 제1 영역과 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역으로 상기 희석유도용액을 유입하고, 상기 제2 영역으로부터 상기 담수를 배출하며, 상기 제1 영역으로부터 상기 농축유도용액을 배출하도록 구성된 하이브리드형 해수 담수화 장치.The method of claim 1,
The third membrane separation module includes a first region and a second region separated by the reverse osmosis membrane,
Hybrid seawater desalination apparatus configured to introduce the dilution-inducing solution into the first region, to discharge the freshwater from the second region, and to discharge the concentrated induction solution from the first region. 해수를 유입하여 나노여과막을 통해 상기 해수 중의 용매와 이온성 물질의 일부가 투과하도록 하여 상기 해수를 제1 농축수와 제1 투과수로 분리하여 배출하는 제1 나노여과막 분리단계;
정삼투막을 사이에 두고 상기 제1 투과수와 유도용액을 위치시켜 상기 용매가 상기 정삼투막을 투과하도록 하여 제2 농축수와 희석유도용액으로 분리하여 배출하는 정삼투막 분리단계; 및
상기 희석유도용액을 유입하여 역삼투막을 통해 상기 용매가 투과하도록 하여 농축유도용액을 배출하고 담수를 회수하는 역삼투막 분리단계
를 포함하는 해수 담수화 방법.A first nanofiltration membrane separation step of introducing seawater to allow a portion of the solvent and the ionic material in the seawater to permeate through the nanofiltration membrane to separate and discharge the seawater into first concentrated water and first permeated water;
A forward osmosis membrane separation step of disposing the first permeate water and an induction solution with the forward osmosis membrane interposed therebetween to allow the solvent to pass through the forward osmosis membrane and to separate and discharge the second concentrated water and the dilute induction solution; And
Reverse osmosis membrane separation step of introducing the dilute induction solution to allow the solvent to permeate through the reverse osmosis membrane to discharge the concentrated induction solution and recover fresh water
Seawater desalination method comprising a. 제 5 항에 있어서,
상기 정삼투막 분리단계에서 배출되는 희석유도용액을 희석유도용액 저장부에 저장하는 단계; 및
상기 저장된 희석유도용액을 희석유도용액용 가압펌프를 통해 상기 역삼투막의 일측으로 공급하는 단계를 더 포함하는 해수 담수화 방법.The method of claim 5, wherein
Storing the dilution induction solution discharged from the forward osmosis membrane separation step in a dilution induction solution storage unit; And
The seawater desalination method further comprising the step of supplying the stored dilution induction solution to one side of the reverse osmosis membrane through a dilution induction solution pressure pump. 제 5 항에 있어서,
상기 역삼투막 분리단계에서 배출되는 농축유도용액을 유도용액 저장부에 공급하는 단계;
상기 유도용액 저장부에 저장된 유도용액을 상기 정삼투막의 일측으로 공급하는 단계를 더 포함하는 해수 담수화 방법.The method of claim 5, wherein
Supplying a concentrated induction solution discharged from the reverse osmosis membrane separation unit to an induction solution storage unit;
Seawater desalination method further comprising the step of supplying the induction solution stored in the induction solution storage to one side of the forward osmosis membrane.
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