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KR101903771B1 - 에너지 효율이 높은 담수화 방법 및 담수화 장치 - Google Patents

에너지 효율이 높은 담수화 방법 및 담수화 장치 Download PDF

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KR101903771B1
KR101903771B1 KR1020170060681A KR20170060681A KR101903771B1 KR 101903771 B1 KR101903771 B1 KR 101903771B1 KR 1020170060681 A KR1020170060681 A KR 1020170060681A KR 20170060681 A KR20170060681 A KR 20170060681A KR 101903771 B1 KR101903771 B1 KR 101903771B1
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KR
South Korea
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reverse osmosis
temperature
induction
induction solution
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이경모
김성민
양대륙
박기호
김도연
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롯데케미칼 주식회사
고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 에너지 효율이 높은 담수화 방법 및 담수화 장치에 관한 것이다. 본 발명의 담수화 방법은 유도 용질(draw solute)을 포함하는 유도 용액(draw solution)의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 유도 용액을 얻는 제1 승온 단계; 정삼투 반응기의 염수 공간에는 염수(saline water)를 공급하고 삼투 유도 용액 공간에 상기 승온된 유도 용액을 공급하고, 삼투압을 이용해 상기 염수를 여과하여 정삼투 농축수와 유도 용액이 혼합된 여과수를 각각 배출하는 정삼투 단계; 상기 유도 용액이 혼합된 여과수를 상온으로 냉각해 상기 유도 용질의 적어도 일부를 석출하여 유도 용질이 분리된 여과수를 얻는 단계; 상기 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 여과수를 얻는 제2 승온 단계; 및 상기 승온된 여과수를 역삼투 반응기에 공급하고, 역삼투를 통해 농축하여 역삼투 농축수 및 담수를 각각 배출하는 역삼투 단계를 포함하며, 이에 따르면, 높은 에너지 효율로 염수를 담수화할 수 있다.

Description

에너지 효율이 높은 담수화 방법 및 담수화 장치{Energy-efficient method of desalination and desalination apparatus}
본 발명은 담수화 방법 및 담수화 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 담수화 공정의 효율을 높이기 위해 정삼투 공정, 냉각 공정 및 역삼투 공정을 하이브리드하고, 이러한 하이브리드 공정의 에너지 효율을 높인 담수화 공정 및 담수화 장치에 관한 것이다
전세계적으로 인구의 증가가 계속되고 지구상의 담수 자원은 한정되어 있기 때문에 인류가 사용하기 위한 담수를 효율적으로 확보하기 위한 노력이 계속해서 진행되고 있다. 지구상의 물 중 97% 이상은 해수의 형태로 존재하기 때문에 물 부족 현상을 해결하기 위한 근본적인 방법으로, 해수에 녹아있는 용질을 분리하는 해수담수화 기술이 연구되고 있다.
해수로부터 담수를 획득하기 위해서는 해수에 용존되어 있거나 부유하는 성분들을 용수 및 음용수 기준에 적합하도록 제거해야 한다. 해수를 담수화하기 위한 일반적인 공정으로는 증발법, 막분리법, 전기 투석법, 냉동법 등이 알려져 있으며 가장 널리 적용되고 있는 기술은 증발법과 막 분리법이다.
증발법에는 다단 플래쉬법(multiple stage flash, MSF), 다단 효용 증발법(multiple effect evaporization, MEE) 등이 주로 사용되며 비교적 일찍부터 널리 사용되고 있는 공정이다. 그러나 에너지 소모량이 많고 고온 운전에 의한 부식이 크며 생산설비 면적 및 초기 투자비가 많이 들어 주로 에너지가 풍부한 중동지역에서 대규모 해수담수화 설비에 사용되며, 에너지 사용량과 설비투자비 및 유지비가 많이 드는 문제점이 있다.
한편, 막분리법은 역삼투법과 정삼투법으로 나눌 수 있다.
역삼투법은 해수에 함유되어 있는 성분을 역삼투막을 이용해 이온성 물질과 순수한 물을 분리시키는 방법이며, 이와 같이 해수로부터 이온성 물질과 순수한 물을 분리시키기 위해서는 삼투압 이상의 높은 압력을 필요로 하는데 이때의 압력을 역삼투압이라 한다. 일반적으로 고압펌프를 사용하기 때문에 해수의 담수화에 상당한 에너지가 소모되는 단점이 있으며, 대규모 담수화 처리 방법인 경우 초기 투자비가 많이 소요되고, 유기 또는 무기물에 의한 파울링(fouling) 방지를 위해 전처리에 상당한 주의가 필요한 문제가 있다.
고압펌프 등을 사용하지 않고 순수한 삼투현상에 의해서만 해수에서 물을 분리하는 정삼투법이 개발되었으나, 정삼투법에서는 해수보다 고농도의 삼투 유도 용질이 포함된 삼투 유도 용액이 사용되기 때문에 정삼투막을 통해 이동된 물에 의해서 희석된 삼투 유도 용액에서 삼투 유도 용질을 분리하는데 어려움이 있다.
최근에는, 정삼투, 결정화, 및 역삼투 공정을 하이브리드하여 해수를 담수화하는 공정이 개발되었으며, 이러한 공정은 단일 역삼투 공정에서 나타나는 막 오염과 같은 문제점을 해소할 수 있고, 유도 용질의 적절한 선정을 통해 역삼투 공정보다 더 낮은 에너지 요구량을 얻는 장점이 있다. 그러나 이러한 하이브리드 공정에서는 유도 용질의 결정화가 10℃ 이하의 저온에서 진행되기 때문에 냉각기가 반드시 필요하며, 이러한 냉각기는 에너지 효율이 낮기 때문에 하이브리드 공정에서 소모되는 에너지의 상당 부분이 냉각기에서 소모된다. 또한, 대규모 플랜트를 구성하기 위해서는 매우 큰 냉각기가 필요하므로 이에 따른 장치 구성의 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 에너지 효율이 매우 높은 염수의 담수화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 담수화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 유도 용질(draw solute)을 포함하는 유도 용액(draw solution)의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 유도 용액을 얻는 제1 승온 단계;
정삼투 반응기의 염수 공간에는 염수(saline water)를 공급하고 삼투 유도 용액 공간에 상기 승온된 유도 용액을 공급하고, 삼투압을 이용해 상기 염수를 여과하여 정삼투 농축수와 유도 용액이 혼합된 여과수를 각각 배출하는 정삼투 단계;
상기 유도 용액이 혼합된 여과수를 상온으로 냉각해 상기 유도 용질의 적어도 일부를 석출하여 유도 용질이 분리된 여과수를 얻는 단계;
상기 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 여과수를 얻는 제2 승온 단계; 및
상기 승온된 여과수를 역삼투 반응기에 공급하고, 역삼투를 통해 농축하여 역삼투 농축수 및 담수를 각각 배출하는 역삼투 단계를 포함하는 담수화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 반투막에 의해 삼투 유도 용액 공간 및 염수 공간으로 구분되고, 일 측에 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제1 투입구 및 상기 염수 공간에 연결된 제1 배출구를 포함하고, 타 측에 상기 염수 공간에 연결된 제2 투입구 및 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제2 배출구를 포함하는 정삼투 반응기;
유도 용액의 온도를 높이는 제1 승온기를 포함하며, 상기 제1 투입구와 연결되어 승온된 유도 용액을 상기 제1 투입구에 공급하는 유도 용액 공급 장치;
일 측이, 상기 정삼투 반응기의 타 측과 연결되고, 상기 정삼투 반응기의 제2 배출구에서 배출되는 유도 용액이 혼합된 여과수를 냉각하여 상기 여과수에 포함된 유도 용질의 적어도 일부를 석출 및 분리하는 냉각 장치;
일 측이, 상기 냉각 장치의 타 측과 연결되고, 상기 냉각 장치에서 전달되는 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 높이는 제2 승온기; 및
역삼투막에 의해 역삼투 유도 용액 공간 및 담수 공간으로 구분되고, 상기 역삼투 유도 용액 공간의 일 측이 상기 제2 승온기의 타 측과 연결되어 상기 제2 승온기에서 전달되는 승온된 여과수를 역삼투압에 의해 담수화하고, 상기 담수 공간에서 담수를 배출하는 제3 배출구 및 상기 역삼투 유도 용액 공간에서 역삼투 농축수를 배출하는 제4 배출구를 포함하는 역삼투 반응기를 포함하는 담수화 장치를 제공한다.
본 발명의 담수화 방법 및 장치는 종래의 담수화 공정에 비해 에너지 효율이 매우 높은 효과를 갖는다. 유도 용액을 10℃ 이하의 온도로 낮추는 냉각기가 필요 하지 않기 때문에 높은 에너지 효율로 염수의 담수화가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 담수화 장치를 도시한 것이다.
도 2는 온도에 따른 유도 용질(아디프산, 벤즈아마이드 및 퓨로산)의 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 염수의 농도에 따른 정삼투 공정에서의 막 투과유속을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 7은 Matlab 프로그램을 이용하여 본 발명의 일 구현예인 담수화 공정을 시뮬레이션하고 에너지 소모량을 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 담수화 방법은 유도 용질(draw solute)을 포함하는 유도 용액(draw solution)의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 유도 용액을 얻는 제1 승온 단계; 정삼투 반응기의 염수 공간에는 염수(saline water)를 공급하고 삼투 유도 용액 공간에 상기 승온된 유도 용액을 공급하고, 삼투압을 이용해 상기 염수를 여과하여 정삼투 농축수와 유도 용액이 혼합된 여과수를 각각 배출하는 정삼투 단계; 상기 유도 용액이 혼합된 여과수를 상온으로 냉각해 상기 유도 용질의 적어도 일부를 석출하여 유도 용질이 분리된 여과수를 얻는 단계; 상기 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 여과수를 얻는 제2 승온 단계; 및 상기 승온된 여과수를 역삼투 반응기에 공급하고, 역삼투를 통해 농축하여 역삼투 농축수 및 담수를 각각 배출하는 역삼투 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 담수화 장치는 반투막에 의해 삼투 유도 용액 공간 및 염수 공간으로 구분되고, 일 측에 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제1 투입구 및 상기 염수 공간에 연결된 제1 배출구를 포함하고, 타 측에 상기 염수 공간에 연결된 제2 투입구 및 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제2 배출구를 포함하는 정삼투 반응기; 유도 용액의 온도를 높이는 제1 승온기를 포함하며, 상기 제1 투입구와 연결되어 승온된 유도 용액을 상기 제1 투입구에 공급하는 유도 용액 공급 장치; 일 측이, 상기 정삼투 반응기의 타 측과 연결되고, 상기 정삼투 반응기의 제2 배출구에서 배출되는 유도 용액이 혼합된 여과수를 냉각하여 상기 여과수에 포함된 유도 용질의 적어도 일부를 석출 및 분리하는 냉각 장치; 일 측이, 상기 냉각 장치의 타 측과 연결되고, 상기 냉각 장치에서 전달되는 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 높이는 제2 승온기; 및 역삼투막에 의해 역삼투 유도 용액 공간 및 담수 공간으로 구분되고, 상기 역삼투 유도 용액 공간의 일 측이 상기 제2 승온기의 타 측과 연결되어 상기 제2 승온기에서 전달되는 승온된 여과수를 역삼투압에 의해 담수화하고, 상기 담수 공간에서 담수를 배출하는 제3 배출구 및 상기 역삼투 유도 용액 공간에서 역삼투 농축수를 배출하는 제4 배출구를 포함하는 역삼투 반응기를 포함한다.
본 발명에서, 제1, 제2, 제3, 제4 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 담수화 방법 및 담수화 장치를 상세하게 설명한다.
담수화(desalination) 공정은 염분이 섞인 물, 즉 염수(saline water)로부터 염분을 제거하여 음용수 등으로 사용 가능한 담수(fresh water)를 생산하는 공정이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 담수화 방법은, 유도 용질(draw solute)을 포함하는 유도 용액(draw solution)의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 유도 용액을 얻는 제1 승온 단계를 수행한다.
상기 유도 용액을 50 내지 80℃의 온도로 승온한 이후, 정삼투 반응기의 염수 공간에는 염수(saline water)를 공급하고 삼투 유도 용액 공간에 상기 승온된 유도 용액을 공급하고, 삼투압을 이용해 상기 염수를 여과하여 정삼투 농축수와 유도 용액이 혼합된 여과수를 각각 배출하는 정삼투 공정을 수행할 수 있다.
종래의 정삼투 공정, 냉각 공정 및 삼투 공정을 하이브리드한 염수의 담수화 공정에서는, 유도 용질의 석출이 이루어지는 냉각 공정이 10℃ 이하의 저온에서 진행되기 때문에 냉각기가 반드시 필요하며, 이러한 냉각기는 에너지 효율이 매우 낮아 냉각기에서 상당 부분의 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
그러나 본 발명의 일 구현예에 따른 담수화 방법은, 상기 유도 용액의 온도를 상당부분 높여 용해도 및 이에 따른 농도가 매우 높은 상태에서 삼투압 공정을 진행함으로써 이후 석출 공정에서 상기 유도 용액의 온도를 상온으로만 낮추더라도 유도 용질의 대부분이 석출되어 유도 용액의 농도를 낮출 수 있는 효과가 있다. 따라서, 상기 담수화 방법은 종래와 달리 유도 용액의 온도를 10℃ 이하의 저온으로 낮추는 냉각기가 필요하지 않기 때문에 높은 에너지 효율로 염수의 담수화가 가능한 장점이 있다.
상기 제1 승온 단계에 의해 승온된 유도 용액의 온도는 50 내지 80℃, 60 내지 70℃, 또는 65 내지 70℃일 수 있으며, 상기 유도 용액은 염수와의 큰 삼투압 차이를 얻기 위하여 상술한 온도범위에서 포화된 상태이거나 포화에 가까운 상태인 것이 바람직하다. 상기 유도 용액을 승온시키기 위한 열원으로 타 공정에서 발생하는 폐열(waste heat)을 사용할 수 있으며, 상기 폐열은 유도 용액의 온도를 50 내지 80℃로 용이하게 승온시킬 수 있는 열원에 해당한다. 통상적으로 폐열은 에너지를 생산하기에는 부족한 열원이므로 이를 본 발명의 담수화 방법에 사용함으로써 에너지 소모량을 최소화할 수 있다.
본 발명의 담수화 방법에 있어서, 담수화의 대상이 되는 염수는 염분을 포함하는 일반적인 염수, 해수(sea water), 기수(brackish water) 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 그뿐만 아니라 그대로는 사용이 힘든 오염된 물(waste water) 등일 수 있다.
정삼투(Forward Osmosis) 공정은 담수화 대상이 되는 용액보다 고농도로 용질을 포함하는 삼투 유도 용액을 사용하여 삼투압의 차이에 의해 담수화 대상이 되는 용액의 물이 삼투 유도 용액 쪽으로 자연스럽게 이동하고, 이후 희석된 삼투 유도 용액에서 용질을 분리하여 담수만을 수득한다. 정삼투 공정은 염수와 삼투 유도 용액 사이의 삼투압의 차이를 이용한 공정이므로 공정을 수행하는데 고압 펌프가 필요하지 않아 에너지가 적게 드는 장점이 있다.
상기 정삼투 공정이 진행됨에 따라 염수의 물이 반투막을 통해 삼투 유도 용액 공간으로 투과하여 상기 염수는 유입시보다 염분이 더 농축될 수 있으며, 상기 정삼투 공정에 의해 농축된 용액을 '정삼투 농축수'라 한다.
상기 정삼투 공정을 수행한 유도 용액은 염수에 포함된 물이 투과되었으므로 초기보다 농도가 낮아진 상태이며, 정삼투 공정에 의해 농도가 낮아진 유도 용액을 '유도 용액이 혼합된 여과수'라 한다. 상기 유도 용액이 혼합된 여과수는 석출 공정 및 삼투압 공정으로 전달되고, 이러한 공정이 진행됨에 따라 유도 용질이 물로부터 분리되어 최종적으로 담수를 생산할 수 있다.
또한, 상기 정삼투 공정의 공정 수행 온도는 상기 제1 승온 단계에 의해 승온된 유도 용액의 온도에 따라 50 내지 80℃, 60 내지 70℃, 또는 65 내지 70℃일 수 있으나, 정삼투 공정의 세부적인 조건에 따라 온도를 다르게 설정할 수 있으므로 이에 제한되는 것은 아니다.
효율적인 정삼투 공정을 위해서는 유도 용질의 선택이 중요한데, 상기 유도 용질은 물에 대한 용해도가 높아 염수보다 고삼투압을 유도할 수 있어야 한다. 특히, 염수와 유도 용질의 삼투압의 차이는 크면 클수록 바람직하다. 또한, 본 발명의 담수화 방법에 따르면 정삼투 공정을 수행한 후 후속하여 쿨링 타워에 의한 석출 공정에 의해 유도 용질을 분리하는데, 이때 희석된 유도 용액으로부터 상기 유도 용질의 분리가 용이해야 한다. 본 발명의 담수화 방법에 따르면, 상기 정삼투 공정은 승온된 유도 용액에 온도에 따라 대략 50 내지 80℃에서 이루어지며, 상기 쿨링 타워에 의한 석출 공정은 유도 용액을 상온으로 냉각하여 유도 용질을 석출시키므로, 상기 정삼투 공정과 상기 석출 공정의 공정 수행 온도에서 용해도 및 삼투압 차이를 이용한다. 따라서, 상기 유도 용질의 조건으로는 정삼투 공정의 공정 수행 온도에서는 용해도 및 삼투압이 크면 클수록 좋으며, 후속하는 석출 공정에서의 공정 수행 온도에서는 용해도 및 삼투압이 낮을수록 좋다. 또한 산업상 이용 가능성을 위해서는 구하기 쉽고 인체에 무해하며 경제성이 있어야 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기와 같은 조건을 모두 충족하는 유도 용질로 예를 들어, 아디프산(adipic acid, C6H10O4), 벤즈아마이드(benzamide, C7H7NO), 퓨로산(2-furoic acid, C5H4O3), 및 피멜산(pimelic acid, C7H12O4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 그러나 본 발명의 제조 방법에 있어서 유도 용질이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 예시한 물질 외에도 본 발명에서 요구하는 유도 용질의 조건을 만족시키는 물질이라면 사용할 수 있다.
상기와 같은 조건을 만족하는 유도 용질을 포함하는 유도 용액을 이용하여 정삼투 공정을 수행한다. 상기 염수를 담수화하는 방법의 경우, 유도 용질의 종류에 따라 농도를 적절히 조절할 수 있으나 염수와의 큰 삼투압 차이를 얻기 위하여 바람직하게는, 유도 용액의 포화 농도에 가까운 농도로 하는 것이 유리하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 정삼투 공정 이후, 상기 정삼투 반응기에서 배출되는 유도 용액이 혼합된 여과수는 열교환기에 의해 열에너지가 회수될 수 있다. 상기 유도 용액이 혼합된 여과수는 제1 승온 공정에 의해 승온된 유도 용액과 염수의 정삼투 공정을 통해 얻은 것으로, 상기 유도 용액이 혼합된 여과수는 정삼투 공정을 수행한 후에도 일정부분 열에너지를 갖고 있다. 따라서, 상기 유도 용액이 혼합된 여과수가 쿨링 타워로 전달되어 상온으로 냉각되기 전에, 상기 유도 용액이 혼합된 여과수의 열에너지를 열교환기에 의해 회수할 수 있다.
또한, 상기 정삼투 반응기에 공급되는 염수는 통상적으로 상온 또는 상온 이하의 온도를 갖고 있으므로, 이를 정삼투 반응기에 공급하기 전에 열교환기를 통과시킴으로써 상기 유도 용액이 혼합된 여과수로부터 열에너지를 회수할 수 있다. 또한, 열교환기를 통해 승온된 염수로 인해 정삼투 공정에서 공정 진행 온도를 높게 유지할 수 있으며, 나아가, 유도 용액을 승온하기 위한 제1 승온 공정에서 열에너지 사용량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 정삼투 반응기에서 배출된 유도 용액이 혼합된 여과수는 쿨링 타워를 통해 상온으로 냉각되어 유도 용질의 적어도 일부를 석출된다. 이러한 석출 공정으로 인해, 유도 용질이 분리된 여과수를 얻을 수 있다.
상기 쿨링 타워를 이용한 석출 공정은 상기 유도 용액이 혼합된 여과수의 온도를 상온으로 낮추는 과정에서 유도 용질의 온도에 따른 용해도 차이에 의해 상기 유도 용액으로부터 유도 용질을 석출함으로써 물과 유도 용질을 분리하는 공정이다.
종래의 정삼투 공정, 냉각 공정 및 역삼투 공정을 하이브리드한 담수화 공정은 유도 용질의 석출이 이루어지는 냉각 공정이 10℃ 이하의 저온에서 진행되기 때문에 유도 용액의 온도를 10℃ 이하로 낮추는 냉각기가 반드시 필요하며, 이러한 냉각기에서 상당 부분의 에너지가 소모되는 문제점이 있다. 그러나 본 발명의 담수화 공정은 상기 유도 용액이 혼합된 여과수의 온도를 상온으로만 낮추더라도 유도 용질의 대부분이 석출되어 유도 용액의 농도를 낮출 수 있으므로 높은 에너지 효율로 염수의 담수화가 가능한 장점이 있다.
상기 석출은 15 내지 35℃, 또는 20 내지 30℃의 온도에서 수행됨으로써 종래의 담수화 방법과 달리 유도 용액의 온도를 10℃ 이하로 낮추는 냉각기를 사용하지 않더라도 대부분의 유도 용질을 석출하여 유도 용액의 농도를 낮출 수 있다.
상기 쿨링 타워를 통해 상기 유도 용액이 혼합된 여과수에 포함된 유도 용질을 석출시킴으로 인해 유도 용액은 슬러리 형태로 존재하게 되며 이를 고체상의 유도 용질과 액체상의 상기 유도 용질이 분리된 여과수로 분리하기 위해서는 고액 분리기가 필요하다. 상기 고액 분리기는 액체 습식 사이클론 등과 같은 저에너지 원심분급기를 사용할 수 있지만, 이에 한정하지 않고 통상적으로 고체와 액체를 분리하는 용도로 사용되는 고액 분리기를 이용할 수 있다. 상기 고액 분리기기를 통해 분리된 액체상인 상기 유도 용질이 분리된 여과수의 농도는 상기 쿨링 타워를 통해 낮아진 온도의 포화 용해도이다.
상기 석출 공정 이후, 상기 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 높여 승온된 여과수를 얻는 제2 승온 공정을 수행한다. 상기 제2 승온 공정에 의해 승온된 여과수의 온도는 50 내지 80℃, 60 내지 70℃, 또는 65 내지 70℃일 수 있으며, 상기 유도 용질이 분리된 여과수를 승온시켜 유도 용질의 용해도를 상승시킴으로 인해 추후 공정인 역삼투막 공정에서 유도 용질의 석출에 의한 스케일 형성을 방지할 수 있다.
상기 유도 용질이 분리된 여과수를 승온시키기 위한 열원으로 타 공정에서 발생하는 폐열(waste heat)을 사용할 수 있으며, 상기 폐열은 상기 여과수의 온도를 50 내지 80℃로 용이하게 승온시킬 수 있는 열원에 해당한다. 통상적으로 폐열은 에너지를 생산하기에는 부족한 열원이므로 이를 본 발명의 담수화 방법에 사용함으로써 에너지 소모량을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 승온 공정 이후, 상기 승온된 여과수에 대해 역삼투(Reverse Osmosis) 공정을 수행한다. 이러한 역삼투 공정을 통해 상기 승온된 여과수는 농축되어 역삼투 반응기로부터 역삼투 농축수 및 담수를 각각 배출한다.
상기 역삼투 공정에서 용질과 순수한 물을 분리시키기 위해서는 유도 용액의 삼투압 이상의 높은 압력을 필요로 하는데 이때의 압력을 역삼투압이라 한다. 일반적인 경우, 해수의 담수화를 위해 역삼투 공정을 수행하는 경우 대략 50 내지 60 atm 정도의 높은 압력을 필요로 한다. 따라서, 해수를 상기와 같은 압력으로 공급하기 위한 고압펌프가 사용되기 때문에 약 4 내지 8 kWh/m3의 상당한 에너지가 요구된다.
그러나 본 발명에 따르면, 상기 승온된 여과수는 앞서 설명한 바와 같이 정삼투 공정 및 석출 공정을 통해 유도 용질이 용해되어 있는 농도가 낮아졌으므로(즉, 삼투압이 낮아졌으므로) 역삼투 공정에 필요한 압력이 낮아지게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 역삼투 공정을 실시하는데 있어서, 약 15 내지 약 40atm의 압력을 필요로 한다. 예를 들어, 유도 용질로 아디프산 및/또는 벤즈아미드를 사용하는 경우 역삼투 압력이 대략 15 내지 20atm일 수 있으며, 유도 용질로 퓨로산을 사용하는 경우 역삼투 압력이 대략 20 내지 40atm일 수 있다. 이를 통해 종래의 역삼투 공정에 필요한 압력 이하에서 운전이 가능하고 따라서 필요로 하는 에너지도 현저히 낮출 수 있게 된다.
또한, 상기 역삼투 공정의 공정 수행 온도는 승온된 여과수의 온도에 따라 온도는 50 내지 80℃, 60 내지 70℃, 또는 65 내지 70℃일 수 있으나, 역삼투 공정의 세부적인 조건에 따라 온도를 다르게 설정할 수 있으므로 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 역삼투 공정 이후, 상기 역삼투 반응기에서 배출되는 담수는 열교환기에 의해 열에너지가 회수될 수 있다. 상기 담수는 제2 승온 공정에 의해 승온된 여과수의 역삼투 공정을 통해 얻은 것으로, 상기 담수는 역삼투 공정을 수행한 후에도 일정부분 열에너지를 갖고 있다. 따라서, 상기 담수의 열에너지를 열교환기에 의해 회수할 수 있다.
또한, 상기 쿨링 타워에서 배출되는 유도 용질이 분리된 여과수는 쿨링 타워에서의 냉각에 의해 상온의 온도를 갖고 있으므로, 이를 역삼투 반응기에 공급하기 전에 열교환기를 통과시킴으로써 상기 담수로부터 열에너지를 회수할 수 있다. 또한, 열교환기를 통해 승온된 유도 용질이 분리된 여과수로 인해 역삼투 공정에서 공정 진행 온도를 높게 유지할 수 있으며, 나아가, 유도 용질이 분리된 여과수를 승온하기 위한 제2 승온 공정에서 열에너지 사용량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 역삼투 공정 이후, 상기 정삼투 반응기에서 배출되는 정삼투 농축수는 열교환기에 의해 열에너지가 회수될 수 있으며, 상기 역삼투 반응기에서 배출되는 역삼투 농축수는 상기 열교환기를 통과함으로써 상기 정삼투 농축수로부터 열에너지를 회수할 수 있다. 상기 정삼투 농축수는 제1 승온 공정에 의해 승온된 유도 용액과 염수의 정삼투 공정을 통해 얻은 것으로, 상기 정삼투 농축수는 정삼투 공정을 수행한 후에도 일정부분 열에너지를 갖고 있다. 따라서, 상기 정삼투 농축수의 열에너지를 열교환기에 의해 회수할 수 있다.
또한, 상기 역삼투 농축수는 정삼투 공정에서의 유도 용액으로 재사용할 수 있으므로, 상기 역삼투 농축수가 열교환기를 통해 정삼투 농축수의 열에너지를 회수함으로 인하여 정삼투 공정 및 제1 승온 공정에서 사용되는 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 역삼투 농축수는 상기 쿨링 타워 및/또는 고액 분리기에서 배출되는 석출된 유도 용질과 하나의 흐름으로 합쳐져 정삼투 반응기의 유도 용질로 공급될 수 있으므로, 상기 역삼투 농축수 및 유도 용질은 믹서를 통해 하나의 흐름으로 합쳐진 후 상기 열교환기에서 정삼투 농축수의 열에너지를 회수할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기와 같이 제1 승온 공정, 정삼투 공정, 석출 공정, 제2 승온 공정 및 역삼투 공정의 공정이 결합된 하이브리드 공정으로 해수 담수화를 수행하고, 제1승온 공정 및 제2승온 공정에서 타공정에서 회수한 폐열을 이용하는 경우, 담수 1m3을 생산하는데0.6 내지 2.0kWh의 에너지를 필요로 한다. 이는 종래의 유도 용액의 온도를 10℃ 이하로 낮추는 냉각기를 포함하는 하이브리드 담수화 공정에서 소비되는 에너지인 약 2.4 내지 약 3kWh/m3의 보다 현저히 적은 것으로, 본 발명의 담수화 방법에 따르면 적은 에너지로 담수의 효율적인 생산이 가능하다.
한편, 본 발명의 일 측면은 담수화 장치를 제공한다.
본 발명의 담수화 장치는 반투막에 의해 삼투 유도 용액 공간 및 염수 공간으로 구분되고, 일 측에 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제1 투입구 및 상기 염수 공간에 연결된 제1 배출구를 포함하고, 타 측에 상기 염수 공간에 연결된 제2 투입구 및 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제2 배출구를 포함하는 정삼투 반응기;
유도 용액의 온도를 높이는 제1 승온기를 포함하며, 상기 제1 투입구와 연결되어 승온된 유도 용액을 상기 제1 투입구에 공급하는 유도 용액 공급 장치; 일 측이, 상기 정삼투 반응기의 타 측과 연결되고, 상기 정삼투 반응기의 제2 배출구에서 배출되는 유도 용액이 혼합된 여과수를 냉각하여 상기 여과수에 포함된 유도 용질의 적어도 일부를 석출 및 분리하는 냉각 장치; 일 측이, 상기 냉각 장치의 타 측과 연결되고, 상기 냉각 장치에서 전달되는 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 높이는 제2 승온기; 및 역삼투막에 의해 역삼투 유도 용액 공간 및 담수 공간으로 구분되고, 상기 역삼투 유도 용액 공간의 일 측이 상기 제2 승온기의 타 측과 연결되어 상기 제2 승온기에서 전달되는 승온된 여과수를 역삼투압에 의해 담수화하고, 상기 담수 공간에서 담수를 배출하는 제3 배출구 및 상기 역삼투 유도 용액 공간에서 역삼투 농축수를 배출하는 제4 배출구를 포함하는 역삼투 반응기를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 담수화 장치를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 담수화 장치는 정삼투 반응기(100), 상기 정삼투 반응기의 일 측과 연결된 유도 용액 공급 장치(200), 상기 정삼투 반응기의 타 측과 연결된 냉각 장치(300), 상기 냉각 장치와 연결된 제2 승온기(400), 및 상기 제2 승온기와 연결된 역삼투 반응기(500)를 포함한다.
상기 정삼투 반응기(100)는 반투막(10)에 의해 삼투 유도 용액 공간(20) 및 염수 공간(30)으로 구분되어 있고, 일 측에 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제1 투입구(21) 및 상기 염수 공간에 연결된 제1 배출구(32)를 포함하고, 타 측에 상기 염수 공간에 연결된 제2 투입구(31) 및 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제2배출구(22)를 포함한다.
삼투 유도 용액 공간(20)에는 제1투입구(21)를 통하여 유도 용질을 포함하는 유도 용액이 유입되고, 염수 공간(30)에는 제2 투입구(31)를 통하여 해수 등의 담수화 대상이 되는 염수가 유입되게 된다. 상기 유도 용질로는 예를 들어, 아디프산(adipic acid, C6H10O4), 벤즈아마이드(benzamide, C7H7NO), 퓨로산(2-furoic acid, C5H4O3), 및 피멜산(pimelic acid, C7H12O4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유도 용질에 대한 조건 및 보다 구체적인 설명은 상기 담수화 방법에서 앞서 설명한 바와 같다.
상기 유도 용질을 포함하며 정삼투 공정에 유입되는 염수보다 높은 삼투압을 갖는 유도 용액을 이용하여 정삼투 반응기(100)에서 정삼투 공정을 수행한다. 이러한 정삼투 공정을 수행하여 상기 염수를 여과한 후 상기 염수 공간(30)에 연결된 제1 배출구(32)를 통해 농축수가 배출되고, 상기 삼투 유도 용액 공간(20)에 연결된 제2 배출구(22)를 통해 유도 용액이 혼합된 여과수가 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 정삼투 반응기(100)는 약 온도는 50 내지 80℃, 60 내지 70℃, 또는 65 내지 70℃의 온도에서 공정을 수행할 수 있으나, 상기 담수화 방법에서 설명한 바와 공정의 세부적인 조건에 따라 온도를 다르게 설정할 수 있으므로 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 정삼투 반응기(100)의 공정 온도를 상승시키기 위해서는, 상기 정삼투 반응기의 제1 투입구(21)에 의해 투입되는 유도 용액의 온도를 높임으로써 이루어질 수 있다. 상기 유도 용액의 온도를 높이기 위해 유도 용액 공급 장치(200)에 포함된 제1 승온기(130)가 본 발명의 담수화 장치에 포함되며, 상기 제1 승온기가 포함된 유도 용액 공급 장치는 상기 정삼투 반응기의 제1 투입구와 연결된다. 또한, 상기 제1 승온기에 의해 유도 용액의 온도를 50 내지 80℃, 60 내지 70℃, 또는 65 내지 70℃로 높일 수 있으며, 상기 유도 용액은 염수와의 큰 삼투압 차이를 얻기 위하여 상술한 온도범위에서 포화된 상태이거나 포화에 가까운 상태인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 장치는, 상기 정삼투 반응기(100)의 제2 배출구(22)에서 배출된 유도 용액이 혼합된 여과수를 냉각하는 냉각 장치(300)를 포함하며, 상기 냉각 장치는 상기 유도 용액을 상온으로 냉각하는 쿨링 타워(120)를 포함한다. 상기 냉각 장치는 일 측이 정삼투 반응기의 타 측과 연결되어 상기 제2 배출구를 통해 유도 용액을 전달받을 수 있고, 전달된 유도 용액을 쿨링 타워로 상온으로 냉각하여 유도 용액에 포함된 유도 용질의 적어도 일부를 석출시키고, 석출된 유도 용질을 분리하는 석출 공정이 진행된다.
상기 냉각 장치(300)에서 이루어지는 석출 공정은, 상기 제2 배출구(22)를 통해 전달받은 유도 용액이 혼합된 여과수의 온도를 상온으로 낮추는 과정에서 유도 용질의 온도에 따른 용해도 차이에 의해 상기 유도 용액이 혼합된 여과수로부터 유도 용질을 석출함으로써 물과 유도 용질을 분리하는 공정이다. 이때 상기 유도 용질의 종류 및 쿨링 타워(120)의 냉각 온도에 따라서 상기 유도 용질의 적어도 일부 내지 대부분이 석출 및 분리될 수 있다.
상기 쿨링 타워(120)는 상기 유도 용액을 상온으로 냉각시킬 수 있으며, 예를 들어, 15 내지 35℃, 또는 20 내지 30℃의 온도로 상기 유도 용액이 혼합된 여과수를 냉각시켜 유도 용질을 석출하는 석출 공정이 진행될 수 있다. 상기 석출 공정을 수행함에 따라 상기 유도 용질의 적어도 일부 또는 대부분을 석출 및 분리함으로써 상기 여과수의 농도는 석출된 유도 용질만큼 낮아지게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각 장치(300)는 석출된 고체상의 유도 용질과 액체상의 유도 용액을 분리하는 고액 분리기(110)를 더 포함할 수 있다. 또한, 석출 공정에서 석출된 유도 용질은 냉각 장치로부터 배출된 후 상기 정삼투 반응기(100)의 제1 투입구(21)로 전달될 수 있다. 석출된 유도 용질이 정삼투 반응기로 전달하여 정삼투 반응기로 유입되는 유도 용액으로 재사용할 수 있으며, 유도 용액이 순환됨으로 인해 담수화 공정의 효율을 더욱 높일 수 있다.
상기 냉각 장치(300)에 의한 석출 및 분리 공정으로 인하여 농도가 낮아진 상기 여과수는 제2 승온기(400)로 전달된다. 상기 제2 승온기는 일 측이 상기 냉각 장치의 타 측과 연결된 것으로, 상기 냉각 장치에서 전달되는 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 높이게 된다. 예를 들어, 상기 제2 승온기는 상기 여과수의 온도를 50 내지 80℃, 60 내지 70℃, 또는 65 내지 70℃로 높일 수 있다.
상기 제2 승온기(400)에 의해 승온된 여과수는 역삼투 반응기(500)로 전달된다. 이에 따라, 승온된 여과수가 공급된 역삼투 반응기는 약 온도는 50 내지 80℃, 60 내지 70℃, 또는 65 내지 70℃의 온도에서 공정을 수행할 수 있다. 상기 담수화 방법에서 설명한 바와 공정의 세부적인 조건에 따라 온도를 다르게 설정할 수 있으므로 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 역삼투 반응기(500)는 역삼투막(40)에 의해 역삼투 유도 용액 공간(50) 및 담수 공간(60)으로 구분되어 있고, 역삼투 유도 용액 공간의 일 측이, 제2 승온기(400)의 타 측과 연결되어 제2 승온기에서 전달되는 승온된 여과수를 역삼투압에 의해 담수화하고, 상기 담수 공간에서 담수를 배출하는 제3 배출구(61) 및 상기 역삼투 유도 용액 공간에서 역삼투 농축수를 배출하는 제4 배출구(51)를 포함한다.
일반적인 경우, 해수의 담수화를 위해 역삼투 공정을 수행하는 경우 대략 50 내지 60atm 정도의 높은 압력을 필요로 한다. 그러나 본 발명에 따르면, 상기 유도 용액은 앞서 설명한 바와 같이 정삼투 반응기(100) 및 냉각 장치(300)의 2단계 반응을 거치면서 농도가 낮아졌으므로 역삼투 공정에 필요한 압력이 낮아지게 된다. 따라서, 상기 역삼투 공정을 실시하는데 있어서, 역삼투 반응기(500)는 약 15 내지 약 40atm의 압력을 필요로 한다. 이를 통해 종래의 역삼투 공정에 필요한 압력 이하에서 운전이 가능하고 따라서 필요로 하는 에너지도 현저히 낮출 수 있게 된다. 또한, 상기 유도 용액을 적절한 역삼투압으로 역삼투 반응기에 공급하기 위한 고압 펌프(64)를 더 포함할 수 있으며, 펌프 에너지를 회수하기 위한 압력 교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 장치는, 상기 유도 용액 공급 장치(200)에 포함된 제1 승온기(130)에 의해 유도 용액의 온도를 상당부분 높여 용해도가 매우 높은 상태에서 삼투압 반응기에 투입함으로써 이후 상기 냉각 장치(300)를 이용한 석출 공정에서 상기 유도 용액의 온도를 상온으로만 낮추더라도 유도 용질의 대부분이 석출되어 유도 용액의 농도를 낮출 수 있는 효과가 있다. 따라서, 상기 담수화 장치는 종래의 하이브리드 담수화 장치와 유도 용액의 온도를 10℃ 이하로 낮추는 냉각기가 필요하지 않기 때문에 높은 에너지 효율로 염수의 담수화가 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 담수화 장치는, 상기 정삼투 반응기(100)와 상기 냉각 장치(300) 사이에 위치하고, 상기 정삼투 반응기의 제2 배출구(22)에서 배출되는 유도 용액이 혼합된 여과수의 열에너지를 회수하는 제1 열교환기(70)를 더 포함할 수 있다. 상기 정삼투 반응기에서 배출되는 여과수는 제1 승온기(130)에 의해 승온된 유도 용액이 정삼투 공정을 수행한 후 얻은 것으로 일정부분 열에너지를 갖고 있다. 따라서, 상기 제1열교환기를 이용해 상기 정삼투 반응기의 제2 배출구에서 배출되는 여과수로부터 열에너지를 회수할 수 있다.
또한, 상기 제1 열교환기(70)에는 통상적으로 상온 또는 상온 이하의 온도를 갖는 염수를 통과시킴으로써 상기 유도 용액이 혼합된 여과수로부터 열에너지를 회수할 수 있다. 상기 제1 열교환기에 의해 회수된 열에너지를 이용해 상기 염수의 온도를 높임으로써 정삼투 공정에서 공정 진행 온도를 높게 유지할 수 있으며, 나아가, 유도 용액을 승온하기 위한 제1 승온기(130)의 열에너지 사용량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 담수화 장치는, 상기 역삼투 반응기(500)의 제3 배출구(61)와 연결되고, 상기 제3 배출구에서 배출되는 담수의 열에너지를 회수하는 제2 열교환기(80)를 더 포함할 수 있다. 상기 역삼투 반응기에서 배출되는 담수는 제2 승온기(400)에 의해 승온된 여과수가 역삼투 공정을 수행한 후 얻은 것으로 일정부분 열에너지를 갖고 있다. 따라서, 상기 제2 열교환기를 이용해 상기 역삼투 반응기에서 배출되는 담수로부터 열에너지를 회수할 수 있다.
또한, 상기 제2 열교환기(80)에는 상기 냉각 장치(300)에 포함된 쿨링 타워(120)로 인해 상온으로 냉각된 유도 용액(유도 용질이 분리된 여과수)을 통과시킴으로써 상기 담수로부터 열에너지를 회수할 수 있다. 상기 제2 열교환기에 의해 회수된 열에너지를 이용해 상기 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 높여 역삼투 공정에서 공정 진행 온도를 높게 유지할 수 있으며, 나아가, 상기 여과수를 승온하기 위한 제2 승온기(400)의 열에너지 사용량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 담수화 장치는, 상기 정삼투 반응기(100)에서 제1 배출구(32)와 연결되며, 상기 제1배출구로부터 배출되는 정삼투 농축수로부터 열에너지를 회수하는 제3 열교환기(90)를 더 포함할 수 있다. 상기 정삼투 반응기에서 배출되는 정삼투 농축수는 제1 승온기(130)에 의해 승온된 유도 용액과 염수가 정삼투 공정을 수행한 후 얻은 것으로 일정부분 열에너지를 갖고 있다. 따라서, 상기 제3 열교환기를 이용해 상기 정삼투 농축수로부터 열에너지를 회수할 수 있다.
또한, 상기 역삼투 반응기(500)의 제4 배출구(51)에서 배출된 역삼투 농축수는 정삼투 반응기(100)의 제1 투입구(21)로 재투입하여 유도 용액으로 사용할 수 있으므로, 상기 역삼투 농축수가 제3 열교환기(90)를 통해 정삼투 농축수의 열에너지를 회수함으로 인하여 정삼투 공정 및 제1 승온 공정에서 사용되는 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 역삼투 반응기에서 배출되는 농축수는 상기 냉각 장치(300)에서 배출되는 석출된 유도 용질과 하나의 흐름으로 합쳐져 정삼투 반응기의 유도 용질로 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 역삼투 농축수 및 유도 용질은 믹서를 통해 하나의 흐름으로 합쳐진 후 상기 제3 열교환기에서 정삼투 농축수의 열에너지를 회수할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 장치는, 상기와 같이 제1 승온기(130)를 포함하는 유도 용액 공급 장치(200), 정삼투 반응기(100), 쿨링 타워(120)를 포함하는 냉각 장치(300), 제2 승온기(400) 및 역삼투 반응기(500)가 결합되어 있으므로 이를 통해 염수를 담수화하고, 제1 승온기 및 제2 승온기에서는 타공정에서 회수한 폐열을 이용하는 경우, 담수 1m3을 생산하는데 0.6 내지 2.0kWh의 에너지를 필요로 한다. 이는 종래의 유도 용액의 온도를 10℃ 이하로 낮추는 냉각기를 포함하는 하이브리드 담수화 공정에서 소비되는 에너지인 약 2.4 내지 약 3kWh/m3 보다 현저히 적은 것으로, 본 발명의 담수화 방법에 따르면 적은 에너지로 담수의 효율적인 생산이 가능하다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 온도에 따른 유도 용질의 용해도
도 2는 온도에 따른 유도 용질(아디프산, 벤즈아마이드 및 퓨로산)의 용해도를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 상기 유도 용질은 40℃ 이상의 온도에서 용해도가 급격히 변함을 확인했다. 이로 인해, 유도 용액의 온도를 40℃ 이상으로 높인 후 상온(15~35℃)으로 냉각하는 경우 유도 용액으로부터 유도 용질이 다량으로 석출된다는 것을 확인했다.
2. 염수의 농도에 따른 막 투과유속
아디프산, 벤즈아마이드 및 퓨로산의 유도 용질로 각각 70℃ 포화 용해도의 농도를 갖는 유도 용질을 제조한 후, 염수의 농도에 따른 정삼투 공정에서의 막 투과유속을 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타냈다. 도 3을 참조하면, 염수의 농도가 바닷물의 농도(대략 3.5중량%; 0.6M)인 경우 막 투과유속은 5 내지 38 L/m2/hr를 나타냄을 확인했다.
3. Matlab 프로그램을 이용하여 해수 담수화 공정의 시뮬레이션한 결과
도 4 내지 7은 Matlab 프로그램을 이용하여 본 발명의 일 구현예인 담수화 공정을 시뮬레이션하고 에너지 소모량을 계산한 결과를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 4 내지 6에서는 타 공정에서 회수한 폐열을 제1 승온 단계(제1 승온기) 및 제2 승온 단계(제2 승온기)에 활용하는 경우, 역삼투 공정의 담수 회수율에 따른 에너지 소모량과 역삼투 공정의 요구 압력의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참고하면, 약 70%의 역삼투 공정의 담수 회수율을 가정하는 경우 아디프산은 약 25bar의 압력이 요구되며 총 에너지는 약 1.3kWh/m3이 필요함을 확인했다. 도 5를 참고하면, 약 70%의 역삼투 공정의 담수 회수율을 가정하는 경우 벤즈아마이드는 약 16bar의 압력이 요구되며 총 에너지는 약 0.8 kWh/m3이 필요함을 확인했다. 또한, 도 6을 참고하면, 약 65%의 역삼투 공정의 담수 회수율을 가정하는 경우 퓨로산은 약 40bar의 압력이 요구되며 총 에너지는 약 2 kWh/m3이 필요함을 확인했다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수 담수화 공정의 에너지는 유도 용질의 종류에 따라 다르지만 담수 1m3를 생산하는데 약 0.6 내지 2.0 kWh의 에너지가 소모된다는 것을 확인했다.
한편, 도 7은 제1 승온 단계(제1 승온기) 및 제2 승온 단계(제2 승온기)에 활용한 폐열의 에너지를 equivalent work 개념을 도입해 전기에너지로 환산한 경우, 유도 용질의 종류에 따른 담수화 공정의 에너지 소모량을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참고하면, 유도 용질로 벤즈아마이드를 사용했을 때 담수 1m3를 생산하기 위해서 에너지가 약 1.58kWh 소모되며, 이는 일반적인 역삼투 공정 및 기존 하이브리드(정삼투-냉각-역삼투 공정) 담수화 공정과 비교했을 때 더 낮은 에너지 소모량을 나타냄을 확인했다.
10: 반투막
20: 삼투 유도 용액 공간
21: 제1 투입구
22: 제2 배출구
30: 염수 공간
31: 제2 투입구
32: 제1 배출구
40: 역삼투막
50: 역삼투 유도 용액 공간
51: 제4 배출구
60: 담수 공간
61: 제3 배출구
63: 이송 펌프
64: 고압 펌프
65: 유도 용액 저장조
66: 염수 저장조
70: 제1 열교환기
80: 제2 열교환기
90: 제3 열교환기
100: 정삼투 반응기
110: 고액 분리기
120: 쿨링 타워
130: 제1 승온기
200: 유도 용액 공급 장치
300: 냉각 장치
400: 제2 승온기
500: 역삼투 반응기

Claims (15)

  1. 유도 용질(draw solute)을 포함하는 유도 용액(draw solution)의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 유도 용액을 얻는 제1 승온 단계;
    정삼투 반응기의 염수 공간에는 염수(saline water)를 공급하고 삼투 유도 용액 공간에 상기 승온된 유도 용액을 공급하고, 삼투압을 이용해 상기 염수를 여과하여 정삼투 농축수와 유도 용액이 혼합된 여과수를 각각 배출하는 정삼투 단계;
    상기 유도 용액이 혼합된 여과수를 상온으로 냉각해 상기 유도 용질의 적어도 일부를 석출하여 유도 용질이 분리된 여과수를 얻는 단계;
    상기 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 50 내지 80℃로 높여 승온된 여과수를 얻는 제2 승온 단계;
    상기 승온된 여과수를 역삼투 반응기에 공급하고, 역삼투를 통해 농축하여 역삼투 농축수 및 담수를 각각 배출하는 역삼투 단계; 및
    상기 정삼투 반응기에서 배출된 정삼투 농축수는 열교환기에서 상기 역삼투 농축수와 열교환하여 상기 정삼투 농축수의 열에너지를 회수하는 단계를 포함하는 담수화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유도 용질은 아디프산(C6H10O4), 벤즈아마이드(C7H7NO), 퓨로산(C5H4O3), 및 피멜산(C7H12O4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 담수화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정삼투 단계 이후, 상기 유도 용액이 혼합된 여과수는 열교환기에서 상기 염수와 열교환하여 상기 유도 용액이 혼합된 여과수의 열에너지를 회수하는 단계를 더 포함하는 담수화 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 역삼투 단계 이후, 상기 담수는 열교환기에서 상기 유도 용질이 분리된 여과수와 열교환하여 상기 담수의 열에너지를 회수하는 단계를 더 포함하는 담수화 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 역삼투 단계는 15 내지 40atm의 압력에서 수행되는 담수화 방법.
  7. 반투막에 의해 삼투 유도 용액 공간 및 염수 공간으로 구분되고, 일 측에 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제1 투입구 및 상기 염수 공간에 연결된 제1 배출구를 포함하고, 타 측에 상기 염수 공간에 연결된 제2 투입구 및 상기 삼투 유도 용액 공간에 연결된 제2 배출구를 포함하는 정삼투 반응기;
    유도 용액의 온도를 높이는 제1 승온기를 포함하며, 상기 제1 투입구와 연결되어 승온된 유도 용액을 상기 제1 투입구에 공급하는 유도 용액 공급 장치;
    일 측이, 상기 정삼투 반응기의 타 측과 연결되고, 상기 정삼투 반응기의 제2 배출구에서 배출되는 유도 용액이 혼합된 여과수를 냉각하여 상기 여과수에 포함된 유도 용질의 적어도 일부를 석출 및 분리하는 냉각 장치;
    일 측이, 상기 냉각 장치의 타 측과 연결되고, 상기 냉각 장치에서 전달되는 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 높이는 제2 승온기;
    역삼투막에 의해 역삼투 유도 용액 공간 및 담수 공간으로 구분되고, 상기 역삼투 유도 용액 공간의 일 측이 상기 제2 승온기의 타 측과 연결되어 상기 제2 승온기에서 전달되는 승온된 여과수를 역삼투압에 의해 담수화하고, 상기 담수 공간에서 담수를 배출하는 제3 배출구 및 상기 역삼투 유도 용액 공간에서 역삼투 농축수를 배출하는 제4 배출구를 포함하는 역삼투 반응기; 및
    상기 정삼투 반응기의 제1 배출구와 연결되며, 상기 제1 배출구로부터 배출되는 정삼투 농축수로부터 열에너지를 회수하는 제3 열교환기를 포함하고,
    상기 제3 열교환기는 상기 역삼투 반응기의 제4 배출구와 연결되고, 회수된 열에너지를 이용해 상기 제4 배출구에서 배출되는 역삼투 농축수의 온도를 높이는 것인 담수화 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유도 용액 공급 장치는 유도 용액 저장조 및 이송 펌프를 더 포함하는 담수화 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 냉각 장치는 고액 분리기를 더 포함하는 담수화 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 정삼투 반응기와 상기 냉각 장치 사이에 위치하고, 상기 정삼투 반응기의 제2 배출구에서 배출되는 상기 유도 용액이 혼합된 여과수의 열에너지를 회수하는 제1 열교환기를 더 포함하는 담수화 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 열교환기는 상기 정삼투 반응기의 제2 투입구와 연결되고, 회수된 열에너지를 이용해 상기 제2 투입구로 전달되는 염수의 온도를 높이는 것인 담수화 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 역삼투 반응기의 제3 배출구와 연결되고, 상기 제3 배출구에서 배출되는 담수의 열에너지를 회수하는 제2 열교환기를 더 포함하는 담수화 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 열교환기는 상기 냉각 장치와 제2 승온기 사이에 위치하고, 회수된 열에너지를 이용해 상기 냉각 장치에서 배출되는 상기 유도 용질이 분리된 여과수의 온도를 높이는 것인 담수화 장치.
  14. 삭제
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