KR102543734B1

KR102543734B1 - 농축 해수 자원화 담수처리장치

Info

Publication number: KR102543734B1
Application number: KR1020210078094A
Authority: KR
Inventors: 김영식; 정성우; 김남혁; 김서해
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2021-06-16
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2041-06-16
Also published as: KR20220168399A; WO2022265241A1

Abstract

본 발명은 농축 해수 자원화 담수처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 기반의 나트륨 이온 전도성 전해질막을 이용한 농축 해수 자원화 담수처리장치에 관한 것이다.

Description

농축 해수 자원화 담수처리장치{DESALTING APPARATUS FOR RESOURCE RECOVERY FROM SEAWATER CONCENTRATE}

해수 담수화 설비에는 반투막을 사이에 두고 삼투압보다 높은 역삼투압을 해수에 가함으로서 담수를 추출하는 역삼투 방식이나, 두 전극 사이에 교대로 배치된 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 해수를 흘려보냄으로서 해수 중의 이온을 분리 제거하는 전기분해 방식이 주로 이용되고 있다.

그러나, 해수 담수화 설비, 특히 역삼투 방식의 경우에는 공정 상 고농도의 RO(reverse osmosis) 농축 해수가 발생되며, 이러한 농축 해수를 해양으로 방류하여 처리하는 경우 방류 지점의 해양에 심각한 환경오염을 발생시킨다.

따라서, 해수 담수화 공정에서 발생되는 다량의 농축 해수는 환경 규제 대상이 되며, 이에 따라 별도로 처리 하거나 폐기하여야 하며, 별도의 처리 또는 폐기 절차에 따른 비용이 발생된다.

이에, 해수 담수화 공정에서 발생되는 농축 해수를 폐기하지 않고 염분(Na⁺, Cl^-)를 추출하여 자원으로 활용할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

ZLD(Zero Liquid Dischrge) 방식 및 여타 농축수 처리 기술은 고체 형태의 염으로 배출하기에, 배출물이 나온다는 문제가 여전히 존재한다. 이를 해결하기 위해서는 기준치 이상의 배출물 생성을 막고, 농축 해수로부터 자원을 추출하는 기술이 요구된다.

ZLD 방식의 경우, 농축을 반복하여 고형화된 염을 생성하여 폐기 또는 금속 자원을 활용하고 있으나, 이러한 방식을 통하여 얻을 수 있는 자원은 고체 형태의 염으로 제한되며, 또한 자원 수득률이 낮아 경제성 부족한 문제점이 있다.

따라서, 추출 자원의 범위를 확대하고자 해수 담수화 공정에서 발생되는 농축 해수로부터 직접적으로 자원(염)을 추출하기 위한 기술이 요구된다.

대한민국 등록특허 제10-0840511호(20006.06.15.)

본 발명은 해수의 담수화 과정에서 발생되는 농축 해수를 처리하기 위한 농축 해수 자원화 담수처리장치를 제공하기 위함이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 농축 해수 처리장치는 양극; 상기 양극과 대향하여 배치되는 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 음이온 교환막; 및 상기 음이온 교환막과 상기 음극 사이에 배치되는 나트륨 이온 전도성 전해질막을 포함한다.

상기 나트륨 이온 전도성 전해질막은 나시콘(NASICON)(Na_1+xZr₂Si₂P_3-xO₁₂(0≤x≤3))형 고체전해질 또는 나트륨 베타 알루미나(Na beta alumina(Na-β-Al₂O₃)) 고체전해질일 수 있다.

상기 농축 해수 자원화 담수처리장치는 상기 양극과 상기 음이온 교환막에 의하여 형성되는 양극 격실; 상기 음이온 교환막과 상기 나트륨 이온 전도성 전해질막에 의하여 형성되는 농축 해수 격실; 및 상기 나트륨 이온 전도성 전해질막과 상기 음극에 의하여 형성되는 음극 격실을 포함할 수 있다.

상기 양극 격실에 농축 NaCl를 포함하는 수용액이 유입되는 것일 수 있다.

상기 음극 격실에 수산화나트륨(NaOH)이 주입되는 것일 수 있다,

상기 농축 해수 자원화 담수처리장치는 담수화 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 담수화 장치는 역삼투 방식, 다중효율 증발법 또는 다단증발법을 이용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 해수담수화 농축 해수를 처리함에 있어 낮은 에너지를 소모하며, 농축 해수를 포함한 배출물 없이 자원을 생성할 수 있다.

또한, 나트륨 이온 전도성 전해질막을 이용함으로써, 스케일(scale) 석출이 발생되지 않으며, 순도 높은 NaOH를 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축 해수 자원화 담수처리장치의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 농축 해수 자원화 담수처리장치의 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축 해수 자원화 담수처리장치의 탈염 평가 결과를 도시한 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.

청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 농축 해수 자원화 담수처리장치를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축 해수 자원화 담수처리장치의 구성도를 도시한 것이며,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 농축 해수 자원화 담수처리장치의 구성도를 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 농축 해수 자원화 담수처리장치(100)는 양극(110); 양극(110)과 대향하여 배치되는 음극(120); 양극(110)과 음극(120) 사이에 배치되는 음이온 교환막(130); 음이온 교환막(130)과 음극(120) 사이에 배치되는 나트륨 이온 전도성 전해질막(140)을 포함한다.

농축 해수 자원화 담수처리장치(100)는 해수를 담수화 처리한 후, 생성되는 염분(NaCl)의 농도가 높아진 해수의 농축 해수(농축수)를 탈염하는 장치이다.

농축 해수 자원화 담수처리장치(100)는 전기분해 장치일 수 있으며, 보다 상세하게는 양극(110)과 음극(120) 사이에 음이온 교환막(AEM)(130)과 나트륨 이온 전도성 전해질막(140)을 구비하는 전기투석(ED) 장치일 수 있다.

농축 해수 자원화 담수처리장치(100)는 양극(110)과 음이온 교환막(130)에 의하여 형성되는 양극 격실(150); 음이온 교환막(130)과 나트륨 이온 전도성 전해질막(140)에 의하여 형성되는 농축 해수 격실(160); 나트륨 이온 전도성 전해질막(140)과 음극(120)에 의하여 형성되는 음극 격실(170)을 포함한다.

양극(110)은 산화극(Anode)이며, 농축 해수 내 염소 이온(Cl^-)으로부터 염소 기체(Cl₂)를 방출한다.

음극(120)은 환원극(Cathode)이며, 농축 해수 내 나트륨 이온(Na⁺)을 음극 격실(170)로 이동시킨다.

양극(110)과 음극(120)은 전기적으로 연결되는 것일 수 있다.

양극(110)은 금속 플레이트(metal plate), 금속 폼(metal foam), 금속 메쉬(metal mesh), 직조 형태의 금속 와이어(metal wire), 카본 클로스(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게 양극(110)은 Ti 기판 상에 금속산화물이 코팅된 것일 수 있으며, 상기 금속 산화물은 루테늄(Ru) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물 또는 탄탈럼(Ta) 산화물일 수 있다.

음극(120)은 금속 플레이트(metal plate), 금속 폼(metal foam), 금속 메쉬(metal mesh), 직조 형태의 금속 와이어(metal wire), 카본 클로스(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게 음극(120)은 스테인리스강 다공체 상에 전이금속이 코팅된 것일 수 있으며, 상기 다공체는 타공판, 메쉬(Mesh) 또는 익스펜디드 메탈 메쉬일 수 있으며, 상기 전이금속은 Ni, Fe, Co 또는 Mo일 수 있다.

음이온 교환막(Anion exchange membrane; AEM)(130)은 농축 해수 음이온인 염소 이온(Cl^-)만을 통과시키며, 양이온(Na⁺)은 통과시키지 않으며, 내산성(acid resisting properties)이 우수한 재료일 수 있다.

나트륨 이온 전도성 전해질막(140)은 세라믹 기반의 나트륨 이온(Na⁺) 전도성의 고체전해질일 수 있으며, 농축 해수 내 양이온인 나트륨 이온(Na⁺)만을 통과시키며, 음이온(Cl^-)은 통과시키지 않는다. 나트륨 이온 전도성 전해질막(140)은 나시콘(NASICON)(Na_1+xZr₂Si₂P_3-xO₁₂(0≤x≤3))형 고체전해질 또는 나트륨 베타 알루미나(Na beta alumina(Na-β-Al₂O₃)) 고체전해질일 수 있다.

양극 격실(150)은 하기 반응식 1에 따른 화학반응이 발생되며, 양극(110)에서 염소(Cl₂) 기체를 발생시킨다.

[반응식 1]

2Cl^- → Cl₂ + 2e^-

양극 격실(150)은 담수화 장치(200)로부터 농축 해수가 유입되며, 유입된 농축 해수를 재배출하는 것일 수 있다. 양극 격실(150)에 유입되는 농축 해수는 pH 2 내지 4일 수 있으며, 보다 구체적으로는 해수 농축 해수 자원화 담수처리장치(100)의 구동 초기에 양극 격실(150)은 농축 NaCl을 포함한 수용액이 유입되는 것일 수 있으며, 상기 농축 NaCl을 포함한 수용액은 농축 해수, pH 2 내지 4의 농축 해수 또는 pH 2 내지 4의 NaCl을 포함한 수용액일 수 있다.

양극 격실(150)은 순환부(151)를 더 포함하며, 양극 격실(150)에서 배출되는 농축 NaCl 수용액은 순환부(151)를 통하여 양극 격실(150)로 재유입되는 것일 수 있다.

양극 격실(150)은 수용액 유입구(152)을 포함하는 것일 수 있으며, 수용액 유입구(152)를 통하여 외부 또는 해수담수와 장치(200)로부터 농축 NaCl을 포함한 수용액이 유입되는 것일 수 있으며, 상기 농축 NaCl을 포함한 수용액은 농축 해수, pH 2 내지 4의 농축 해수 또는 pH 2 내지 4의 NaCl을 포함한 수용액일 수 있다.

농축 해수 격실(160)은 담수화 장치(200)로부터 유입된 해수의 농축 해수를 하기 반응식 2에 따라 나트륨 이온(Na⁺)과 염소 이온(Cl^-)으로 분리시켜 농축 해수 내 염분의 농도를 낮춘다. 이에 따라서, 농축 해수 격실(160)에서 농축 해수는 희석되어 다시 희석수(dilution water)로 배출되며, 희석수는 해수와 같은 수준의 염분의 농도를 가지는 것일 수 있다.

[반응식 2]

NaCl → Na⁺ + Cl^-

농축 해수 격실(160)은 담수화 장치(200)로부터 농축 해수가 유입되며, 유입된 농축 해수에서의 염소 이온(Cl^-)은 음이온 교환막(130)을 통과하여 양극(110)으로 이동하며, 나트륨 이온(Na⁺)은 나트륨 이온 전도성 전해질막(140)을 통과하여 음극(120)으로 이동한다.

농축 해수 격실(160)에서 탈염 처리되는 농축 해수는 희석수로서 희석수 배출구(161)를 통하여 외부로 배출되는 것일 수 있으며, 희석수 배출구(161)로부터 분기된 이송부(300)를 통하여 담수화 장치(200)로 다시 유입되는 것일 수 있다.

음극 격실(170)은 수산화나트륨(NaOH)이 주입되며, 보다 구체적으로는 32% 수산화나트륨(NaOH)가 주입되는 것일 수 있다.

음극 격실(170)은 하기 반응식 3에 따른 화학반응이 발생되며, 음극(120)에서의 수소(H₂) 기체와 수산화나트륨이 발생된다.

[반응식 3]

2H₂O + 2e^- → H₂+ 2OH^-

음극 격실(170)은 농축 해수 격실(160)로부터 전달받은 나트륨 이온(Na⁺)을 통하여 수산화 이온(OH^-)을 생성하며, 이는 NaOH 투입구(171)를 통하여 음극 격실(170)로 유입되는 수산화나트륨(NaOH)의 수산화 농도를 높이는 것이다. 따라서, 음극 격실(170)을 유입되는 수산화나트륨(NaOH) 보다 농도가 높은 고농도 수산화나트륨(NaOH)을 NaOH 배출구(172)를 통하여 음극 격실(170)로 외부로 배출시킨다.

농축 해수 자원화 담수처리장치(100)는 담수화 장치(200)를 더 포함하며, 담수화 장치(200)는 해수를 담수화 처리한 후, 생성되는 염분(NaCl)의 농도가 높아진 해수의 농축 해수(농축수)를 배출하는 것이며 상기 농축 해수를 양극 격실(150) 및/또는 농축 해수 격실(160)에 유입하는 것일 수 있다. 담수화 장치(200)는 역삼투(Reverse osmosis; RO) 방식, 다중효율 증발법(Multiple-effect distillation; MED) 또는 다단증발법(Multi-stage flash distillation; MSF)하는 것일 수 있다.

담수화 장치(200)는 해수 유입구(210)를 통하여 해수가 유입되며, 담수화 장치(200) 내에서 담수화 처리된 담수는 담수 배출구(220)를 통하여 외부로 배출하는 것일 수 있다.

담수화 장치(200)에서 해수를 담수화 처리한 후, 생성되는 염분(NaCl)의 농도가 높아진 해수의 농축 해수(농축수)는 농축 해수 배출구(230)를 통하여 농축 해수 자원화 담수처리장치(100)에 유입되는 것이며, 보다 구체적으로는, 농축 해수 배출구(230)로부터 분기되는 제1 농축 해수 배출구(230a)를 통하여 농축 해수가 농축 해수 격실(160)로 유입되고, 농축 해수 배출구(230)로부터 분기되는 제2 농축 해수 배출구(230b)를 통하여 농축 해수가 양극 격실(150)로 유입되는 것일 수 있다. 제2 농축 해수 배출구(230b)는 수용액 유입구(152)에 합류되는 것일 수 있으며, 이에 따라, 제2 농축 해수 배출구(230b)를 유입되는 농축 해수는 수용액 유입구(152)를 통하여 양극 격실(150)에 유입되는 것일 수 있다.

농축 해수 자원화 담수처리장치(100)는 농축 해수 격실(160)로부터 배출되는 해수를 담수화 장치(200)로 이송시키는 이송부(300)를 더 포함할 수 있다.

이송부(300)는 농축 해수 자원화 담수처리장치(100)의 농축 해수 격실(160)로부터 배출되는 해수를 담수화 장치(200)로 유입시킨다. 이송부(300)의 일단은 희석수 배출구(161)로부터 분기되는 것이며, 이송부(300)의 타단은 담수화 장치(200)와 연동된다.

이송부(300)는 농축 해수 격실(160)로부터 해수를 담수화 장치(200)로 이송시키기 위한 펌프를 더 포함할 수 있다.

이상, 이하 실시예를 통하여 본 발명을 설명하고자 한다.

실험예.

본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 나시콘 전해질막이 적용된 농축 해수 자원화 담수처리장치(“NASICON Applied ED”)(실시예)와 도 1의 농축 해수 자원화 담수처리장치에서 나시콘 전해질막이 아닌 일반적인 양이온교환막(CEM)을 적용한 처리장치(“ED”)(비교예) 각각에 대하여 100 mA 정전류 충전 조건에서의 탈염시 전압(에너지)을 측정하여 도 3에 도시하였으며, 담수 생산량 및 소모 에너지를 하기 표 1에 정리하였다.

	실시예 (NASICON Applied ED)	비교예 (ED)
담수 생산량(mL)	200	155
소모 에너지(Wh)	7.92	10.04
생산량 당 에너지(Wh/L0	39.6	64.7

도 3 및 표 1을 참조하면, 농축 해수 자원화 담수처리장치에서 나시콘을 이용함으로써, 농도차에 따른 이온의 확산을 방지하고, 농도차에 의한 역삼투 현상을 방지함으로써, 담수 생산량을 증가시키고, 저항의 감소에 따른 전압(에너지)을 감소시키는 것을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.

본 명세서에 개시된 다양한 실시 예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다.

일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다.

본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 농축 해수 자원화 담수처리장치
200 : 담수화 장치
300 : 이송부

Claims

양극;
상기 양극과 대향하여 배치되는 음극;
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 음이온 교환막;
상기 음이온 교환막과 상기 음극 사이에 배치되는 나트륨 이온 전도성 전해질막;
상기 양극과 상기 음이온 교환막에 의하여 형성되는 양극 격실;
상기 음이온 교환막과 상기 나트륨 이온 전도성 전해질막에 의하여 형성되는 농축 해수 격실;
상기 나트륨 이온 전도성 전해질막과 상기 음극에 의하여 형성되는 음극 격실;
해수를 담수화 처리하여 염분(NaCl)의 농도가 높아진 농축 해수를 상기 농축 해수 격실로 배출하는 담수화 장치; 및
상기 농축 해수 격실에서 배출되는 희석수를 상기 담수화 장치로 이송시키는 이송부를 포함하며,
상기 양극 격실에 농축 NaCl를 포함하는 수용액이 유입되는 것이며,
상기 음극 격실에 수산화나트륨(NaOH)이 주입되는 것인,
농축 해수 자원화 담수처리장치.
제1항에 있어서,
상기 나트륨 이온 전도성 전해질막은
나시콘(NASICON)(Na_1+xZr₂Si₂P_3-xO₁₂(0≤x≤3))형 고체전해질 또는 나트륨 베타 알루미나(Na beta alumina(Na-β-Al₂O₃)) 고체전해질인 것인,
농축 해수 자원화 담수처리장치.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 담수화 장치는 역삼투 방식, 다중효율 증발법 또는 다단증발법을 이용하는 것인,
농축 해수 자원화 담수처리장치.