KR101632685B1 - Hybrid system for accomplishing selectively electrodialysis reversal and reverse electrodialysis - Google Patents

Hybrid system for accomplishing selectively electrodialysis reversal and reverse electrodialysis Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 시스템에서 시스템 구성요소의 제어를 통하여 전기투석(EDR) 공정과 역전기투석(RED) 공정을 선택적으로 수행할 수 있는 하이브리드 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 본 발명에 따른 탈염 및 염분차 발전을 함께 수행하는 하이브리드 시스템은 전기투석 및 역전기투석 공정이 수행되는 하이브리드 셀과, 상기 하이브리드 셀을 전기투석 운전 모드 또는 역전기투석 운전 모드로 설정하는 제어부와, 상기 하이브리드 셀에 전력을 공급하는 전원부를 포함하며, 상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 상기 전원부에 연결되고, 상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 외부 저항에 연결되는 것을 특징으로 한다.It is an object of the present invention to provide a hybrid system capable of selectively performing an electrodialysis (EDR) process and a reverse electrodialysis (RED) process through control of system components in a single system. A hybrid system for performing desalination and salinity differential generation according to the present invention comprises a hybrid cell in which electrodialysis and reverse electrodialysis are performed, a controller for setting the hybrid cell in an electrodialysis operation mode or a reverse electrodialysis operation mode, Wherein the hybrid cell is connected to the power supply unit when the control unit is set to the electrodialysis operation mode and the hybrid cell is connected to the power supply unit when the control unit is set to the reverse electrodialysis operation mode, And the like.

Description

탈염 및 염분차 발전을 선택적으로 수행하는 하이브리드 시스템{HYBRID SYSTEM FOR ACCOMPLISHING SELECTIVELY ELECTRODIALYSIS REVERSAL AND REVERSE ELECTRODIALYSIS}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a hybrid system that selectively performs desalination and salinity generation. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 탈염 및 염분차 발전을 선택적으로 수행하는 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기투석(EDR)에 의한 탈염과 역전기투석(RED)에 의한 염분차 발전을 서로 전환하면서 하나의 시스템으로 구현하는 것과 관련된다.
The present invention relates to a hybrid system for selectively performing desalination and salinity generation, and more particularly, to a hybrid system for selectively desalting and salting out electricity by converting desalting by electrodialysis (EDR) and salinity generation by reverse electrodialysis (RED) . ≪ / RTI >

전기투석장치(Eletrodialysis Reversal: EDR)는 양전극과 음전극 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막을 교차로 배열하여 전기적 힘에 의해 용액 내 이온을 분리하는 장치를 말한다. 전기투석장치는 이온을 제거하거나 농축할 수 있어서 해수의 담수화, 폐수 재이용, 도금 폐수 등에서 유가금속 회수 및 특정 염의 농축 및 탈염에 주로 사용되고 있으며 순수의 제조, 주스의 신맛을 조정하거나 당류 및 아미노산을 정제하는 데에도 사용되고 있다.Electrodialysis Reversal (EDR) refers to a device that separates ions in a solution by arranging a cation exchange membrane and anion exchange membrane alternately between positive and negative electrodes and by electrical force. The electrodialysis device can remove or concentrate ions, and is mainly used for seawater desalination, wastewater reuse, plating wastewater, and recovery of valuable metals and concentration and desalination of a specific salt. It is used for purifying pure water, adjusting the sour taste of juice, It is also used to

한편, 전기투석을 역행하여 전기 에너지를 발생시키는 것을 역전기투석(Reverse Eletrodialysis: RED)이라고 한다. 역전기투석은 농도가 다른 두 유체, 예를 들면 해수와 담수의 혼합 과정에서 발생한 염도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하는 것이다. 이렇게 해수와 담수의 농도 차이를 이용하는 에너지 회수 기술은 1975년 이스라엘의 Sidney Loeb 교수에 의하여 처음 제안된 삼투압 방식과 역전기투석(RED) 방식으로 대별할 수 있는데, 현재 노르웨이의 수력 풍력 발전 회사인 Statkraft사와 네덜란드의 지속가능수력기술센터(Wetsus)에서 각각의 연구가 진행되고 있다.On the other hand, reversing electrodialysis to generate electrical energy is called Reverse Electrodialysis (RED). Reverse electrodialysis is the recovery of the salinity difference energy generated in the mixing process of two fluids with different concentrations, for example, seawater and fresh water, in the form of electric energy. This energy recovery technique using the difference of the concentration of seawater and fresh water can be divided into the osmotic method and the reverse electrodialysis (RED) method originally proposed by Prof. Sidney Loeb of Israel in 1975. Currently, statkraft (WETSUS) and the Center for Sustainable Hydropower Technology in the Netherlands.

다양한 연구보고서와 논문 등이 새로운 신재생 에너지원으로서 역전기투석(RED)을 이용한 염분차발전 시스템을 언급하고 있지만, 역전기투석(RED) 시스템은 초기 투자비용이 높다는 문제점이 지적되고 있으며, 폐수 처리와 같은 수처리 시설에서 탈염 설비로서 전기투석(EDR)이 다양하게 사용되고 있음에도 불구하고 이를 이용한 에너지발전장치(RED)로의 전환 기술은 아직까지 보고된 바 없다.
Various research reports and papers refer to a salinity generation system using reverse electrodialysis (RED) as a new renewable energy source. However, it is pointed out that the retrograde electrodialysis (RED) system has a high initial investment cost, (EDR) is being used as a desalination facility in a water treatment facility such as a sewage treatment plant. However, there has not been reported a technology for converting an EDR into an energy generation system (RED).

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단일 시스템에서 시스템 구성요소의 제어를 통하여 전기투석(Eletrodialysis Reversal, EDR) 공정과 역전기투석(Reverse Eletrodialysis, RED) 공정을 선택적으로 수행할 수 있는 하이브리드 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an electrodialysis system and an electrodialysis system capable of selectively performing an electrodialysis (EDR) process and a reverse electrodialysis (RED) And to provide a hybrid system that can be implemented.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention which are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the invention may be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탈염 및 염분차 발전을 함께 수행하는 하이브리드 시스템은 전기투석 및 역전기투석 공정이 수행되는 하이브리드 셀과, 상기 하이브리드 셀을 전기투석 운전 모드 또는 역전기투석 운전 모드로 설정하는 제어부와, 상기 하이브리드 셀에 전력을 공급하는 전원부를 포함하며, 상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 상기 전원부에 연결되고, 상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 외부 저항에 연결되는 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, a hybrid system for carrying out desalination and salinity differential generation according to the present invention comprises a hybrid cell in which an electrodialysis and a reverse electrodialysis process are performed, and a hybrid cell in an electrodialysis operation mode or a reverse electrodialysis operation mode Wherein the hybrid cell is connected to the power source when the control unit is set to the electrodialysis operation mode and the hybrid cell is set to the reverse electrodialysis operation mode when the control unit is set to the electrodialysis operation mode, The hybrid cell is connected to an external resistor.

상기 하이브리드 셀은 상기 전원부 및 상기 외부 저항과 연결되어 전위차를 발생시키는 전극과, 상기 전극 사이에 개재되는 각각 적어도 하나 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막과, 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 개재되는 스페이서와, 상기 전극과 상기 양이온 교환막 사이와, 상기 전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 충전되는 전극 용액을 포함할 수 있다.The hybrid cell includes an electrode connected to the power source unit and the external resistor to generate a potential difference, at least one cation exchange membrane and an anion exchange membrane interposed between the electrodes, a spacer interposed between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane, , An electrode solution filled between the electrode and the cation exchange membrane, and a space between the electrode and the anion exchange membrane.

또한 상기 하이브리드 셀은 상기 하이브리드 셀로부터 염수 저장부 및 기수 저장부까지 연결되는 제1 유로와, 상기 하이브리드 셀로부터 농축 염수 저장부까지 연결되는 제2 유로와, 상기 하이브리드 셀로부터 담수 저장부까지 연결되는 제3 유로를 포함하며, 상기 제어부가 전기투석 모드로 설정되면, 상기 제1 유로를 통하여 유체가 상기 하이브리드 셀로 공급되고, 상기 제2 유로와 상기 제3 유로를 통하여는 유체가 상기 하이브리드 셀로부터 각각 배출되며, 상기 제어부가 역전기투석 모드로 설정되면, 상기 제1 유로를 통하여 유체가 상기 하이브리드 셀로부터 배출되고, 상기 제2 유로와 상기 제3 유로를 통하여 각각 유체가 상기 하이브리드 셀로 공급된다.The hybrid cell may further include a first flow path connected from the hybrid cell to the brine storage and the nose reservoir, a second flow path extending from the hybrid cell to the concentrated brine reservoir, and a second flow path extending from the hybrid cell to the fresh water storage Wherein when the control unit is set to the electrodialysis mode, fluid is supplied to the hybrid cell through the first flow path, and fluid is supplied from the hybrid cell through the second flow path and the third flow path, Fluid is discharged from the hybrid cell through the first flow path, and fluid is supplied to the hybrid cell through the second flow path and the third flow path, respectively, when the control section is set to the reverse electrodialysis mode.

상기 외부 저항은 가변 저항이며, 상기 하이브리드 셀과 같은 저항값을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전극 용액은 교체가 가능하며, 상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는 상기 전극 용액은 완충 용액이고, 상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는 상기 전극 용액은 레독스-커플 용액(redox-couple solution)이다.It is preferable that the external resistor is a variable resistor and has the same resistance value as the hybrid cell. When the control unit is set to the electrodialysis operation mode, the electrode solution is a buffer solution. When the control unit is set to the reverse electrodialysis operation mode, the electrode solution is mixed with redox-couple Solution (redox-couple solution).

상기 하이브리드 셀의 효율성 증가를 위하여 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막은 반복되어 위치하고 있다. 상기 제어부는 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 전원부에서 상기 하이브리드 셀로의 전압 인가 극성을 1시간에 2~4 회의 주기로 바꾸어 주어 전극에 부착되어 있는 이온을 제거해 준다. 또한, 상기 하이브리드 셀은 단일 모듈로 구성되어 있어서 유지 보수 시 교체가 가능하다.
The cation exchange membrane and the anion exchange membrane are repeatedly positioned to increase the efficiency of the hybrid cell. When the mode is set to the electrodialysis operation mode, the controller changes the voltage application polarity from the power source unit to the hybrid cell to 2 to 4 times per hour to remove ions attached to the electrodes. Further, the hybrid cell is composed of a single module, and can be replaced during maintenance.

상기와 같은 본 발명에 의하면 전기투석(EDR) 공정을 통해 담수를 생산하고, 생산한 담수를 저장 후 이를 필요에 따라 역전기투석(RED) 공정을 통해 에너지를 생산할 수 있다. 따라서, 기존의 전기투석(EDR) 시스템을 이용하여 초기 투자 비용이 낮은 역전기투석(RED) 시스템을 구축할 수 있다.According to the present invention, fresh water is produced through an electrodialysis (EDR) process, and the produced fresh water is stored, and energy can be produced through a reverse electrodialysis (RED) process if necessary. Therefore, a reverse electrodialysis (RED) system with low initial investment cost can be constructed using the existing electrodialysis (EDR) system.

또한, 전기투석 시스템과 역전기투석 시스템을 단일 시스템으로 구성함으로써 도서지역 및 선박 등의 담수 확보가 어려운 환경에서 효과적으로 담수 확보가 가능함과 동시에 전력 수요의 증가 시 비축된 농축 염수 및 담수를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 효과가 있다.In addition, by constructing the electrodialysis system and the reverse electrodialysis system as a single system, it is possible to effectively secure desalination in an environment where it is difficult to acquire fresh water from the island and the ship, and at the same time, Can be produced.

또한, 본 발명의 시스템을 소형화하여 휴대용으로 제작 시에 군사용 조난 키트로도 활용될 수 있다.
In addition, the system of the present invention can be miniaturized and used as a military distress kit when manufactured in a portable manner.

도 1은 본 발명에 따른 전기투석 및 역전기투석 하이브리드 시스템의 전기투석(EDR) 운전 모드에서의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전기투석 및 역전기투석 하이브리드 시스템의 역전기투석(RED) 운전 모드에서의 구성도이다.
1 is a configuration diagram in an electrodialysis (EDR) operation mode of an electrodialysis and reverse electrodialysis hybrid system according to the present invention,
2 is a configuration diagram of an electrodialysis and reverse electrodialysis hybrid system according to the present invention in a reverse electrodialysis (RED) operation mode.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 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.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It can be easily carried out. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 전기투석 및 역전기투석 하이브리드 시스템에서 전기투석(EDR) 운전 모드를 설명하는 도면이고, 도 2는 역전기투석(RED) 운전 모드를 설명하는 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 시스템의 구성과 동작을 상세히 설명한다.FIG. 1 is a view for explaining an electrodialysis (EDR) operation mode in an electrodialysis and reverse electrodialysis hybrid system according to the present invention, and FIG. 2 is a view for explaining a reverse electrodialysis (RED) operation mode. The configuration and operation of the hybrid system according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.

본 발명에 의한 하이브리드 시스템은 전기투석(EDR) 및 역전기투석(RED) 공정이 수행되는 하이브리드 셀(300)과, 하이브리드 셀(300)을 전기투석 운전 모드 또는 역전기투석 운전 모드로 설정하는 제어부(200)와, 하이브리드 셀(300)에 전력을 공급하는 전원부(100)를 포함한다.The hybrid system according to the present invention includes a hybrid cell 300 in which electrodialysis (EDR) and reverse electrodialysis (RED) processes are performed, a controller 300 for setting the hybrid cell 300 in an electrodialysis operation mode or a reverse electrodialysis operation mode, And a power supply unit 100 for supplying power to the hybrid cell 300. [

하이브리드 셀(300)은 전원부(100) 및 외부 저항(400)과 연결되어 전위차를 발생시키는 전극(330)과, 전극(330) 사이에 개재되는 각각 적어도 하나 이상의 양이온 교환막(310) 및 음이온 교환막(320)과, 전극(330)과 양이온 교환막(310)과 음이온 교환막(320) 사이에 개재되는 스페이서(도시하지 않음) 및 전극(330)와 양이온 교환막(310) 또는 전극(330)과 음이온 교환막(320) 사이의 공간(331)에 흐르는 전극 용액(340)을 포함한다. The hybrid cell 300 includes an electrode 330 connected to the power source unit 100 and the external resistor 400 to generate a potential difference and at least one cation exchange membrane 310 and an anion exchange membrane (Not shown), an electrode 330, a cation exchange membrane 310 or an electrode 330 and an anion exchange membrane (not shown) interposed between the electrode 330 and the cation exchange membrane 310 and the anion exchange membrane 320 And the electrode solution 340 flowing in the space 331 between the electrodes 331 and 320.

양이온 교환막과 음이온 교환막은 반복되어 위치하고, 전극과 막 사이에 전류가 통하도록 물을 통과시키는데 이 물을 전극 용액(340)이라 하며 이 사이의 공간을 전극실(331)이라 한다. 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는, 전극 용액은 완충 용액(예 : Na2SO4 등)으로 할 수 있다.The cation exchange membrane and the anion exchange membrane are repeatedly positioned so that the water is passed through the electrode and the membrane so that a current flows between the electrode and the membrane. This water is called an electrode solution 340, and the space between these is referred to as an electrode chamber 331. When the control unit is set to the electrodialysis operation mode, the electrode solution may be a buffer solution (e.g. Na 2 SO 4 ).

도 1을 참조하여 전기투석(EDR) 공정에 대하여 설명한다. 도 1를 참조하면, 제어부(200)가 전기투석(EDR) 운전 모드로 설정된 경우 제2 스위치(102)는 열리고 제1 스위치(101)는 닫히면서 하이브리드 셀(300)은 전원부(100)에 연결된다. 전원부(100)로부터 양 전극(330)에 전기가 인가되면 양 전극(330) 간에 기전력의 차이가 생기게 되므로 하이브리드 셀(300) 내부의 용액에서는 이온이 이동하게 된다. 한편, 이동중인 음이온은 양극으로 이동중에 음이온 교환막(320)을 통과하나 양이온 교환막(310)을 통과하지 못하고 반대로 양이온은 음극으로 이동중에 양이온 교환막(310)을 통과하나 음이온 교환막(320)을 통과하지 못하므로 이온이 제거되는 부분과 이온이 농축되는 부분이 생기며 이를 각각 희석실(350)과 농축실(360)이라 한다. 따라서 전기투석(EDR) 운전 시 전원부(100)을 통해 셀(300)에 전기를 인가함으로써 탈염을 통한 담수 생산이 가능하게 된다.The electrodialysis (EDR) process will be described with reference to FIG. 1, when the control unit 200 is set to the EDR operation mode, the second switch 102 is opened and the first switch 101 is closed so that the hybrid cell 300 is connected to the power source unit 100 do. When electric power is applied to both electrodes 330 from the power source unit 100, a difference in electromotive force is generated between the electrodes 330, so that the ions move in the solution in the hybrid cell 300. On the other hand, the moving negative ions pass through the anion exchange membrane 320 during the movement to the anode but do not pass through the cation exchange membrane 310. Conversely, the positive ions pass through the cation exchange membrane 310 during the movement to the cathode but do not pass through the anion exchange membrane 320 And a portion where ions are removed and a portion where ions are concentrated are formed, which are referred to as a dilution chamber 350 and a concentration chamber 360, respectively. Therefore, fresh water can be produced by desalination by applying electricity to the cell 300 through the power supply unit 100 during the EDR operation.

다음은, 본 발명의 하이브리드 셀(300)을 통과하는 유체의 흐름을 설명한다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 시스템은 하이브리드 셀(300)로부터 염수 저장부 및 기수 저장부까지 연결되는 제1 유로(610), 하이브리드 셀(300)로부터 농축 염수 저장부까지 연결되는 제2 유로(620), 및 하이브리드 셀(300)로부터 담수 저장부까지 연결되는 제3 유로(630)를 포함한다.The following describes the flow of fluid through the hybrid cell 300 of the present invention. 1 and 2, the system of the present invention includes a first flow path 610 connected from the hybrid cell 300 to the brine storage and the nose storage, and a second flow path 610 connected from the hybrid cell 300 to the concentrated brine storage A second flow path 620, and a third flow path 630 connected from the hybrid cell 300 to the fresh water storage.

도 1에서 보는 바와 같이, 제어부가 전기투석 모드로 설정되면, 제1 유로(610)를 통하여 유체(해수)가 하이브리드 셀(300)로 공급되고, 하이브리드 셀에서 탈염 공정을 거친 후, 농축 염수는 제2 유로(620)를 통하여, 희석수(담수)는 제3 유로(630)를 통하여 하이브리드 셀(300)로부터 각각 배출된다. 또한, 제2 유로(620)와 제3 유로(630)에는 저장부(520,530)의 선단에 펌프(212,213)와 평행하게 바이패스 관로가 위치하여 저장 시 추가적인 에너지 사용 없이도 생성된 농축 염수 및 담수의 저장이 가능하다.1, when the control unit is set to the electrodialysis mode, fluid (sea water) is supplied to the hybrid cell 300 through the first flow path 610, and after the desalination process is performed in the hybrid cell, (Fresh water) is discharged from the hybrid cell 300 through the third flow path 630 through the second flow path 620, respectively. The second channel 620 and the third channel 630 are provided with a bypass line parallel to the pumps 212 and 213 at the ends of the storage units 520 and 530 so that concentrated brine and fresh water Storage is possible.

위와 같은 전기투석(EDR) 공정을 통해 생산된 농축 염수는 농축 염수 저장부(520)에 담수는 담수 저장부(530) 저장되며, 저장된 농축염수와 담수는 역전기투석(RED) 공정으로 전환 시 발전에 필요한 원수로 사용된다.The concentrated brine produced through the electrodialysis (EDR) process is stored in the concentrated saline solution storage unit 520 and the stored concentrated saline solution and fresh water are converted into the reverse electrodialysis (RED) process It is used as raw water necessary for power generation.

하지만 이러한 전기투석장치의 문제점은 이온교환막의 오염에 있으며 이러한 오염 현상은 장치의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 막의 수명을 단축시킨다. 즉, 농축실(360)에 인접한 막 면의 경우에 희석실(350)로부터 이동한 이온들로 인해 그 농도는 최대가 된다. 이로 인해 농축실 막 면의 농도는 포화용액에 이르며 특히 이동한 칼슘이온(Ca2+)과 마그네슘이온(Mg2+)에 의해 수산화물이 형성되어 막 면 및 음극에 스케일이 발생한다. However, the problem of such an electrodialysis device is contamination of the ion exchange membrane, and this contamination not only lowers the efficiency of the apparatus but also shortens the lifetime of the membrane. That is, in the case of the membrane surface adjacent to the concentration chamber 360, the concentration thereof becomes maximum due to the ions migrated from the dilution chamber 350. As a result, the concentration of the surface of the concentrating chamber reaches a saturated solution, and hydroxides are formed by the migrated calcium ions (Ca 2+) and magnesium ions (Mg 2+), resulting in scale on the membrane surface and the cathode surface.

이러한 현상은 이온의 이동을 저하시킬 뿐만 아나라 막저항을 증가시켜 열을 발생시키고 전류 효율을 감소시키므로 장치의 효율을 저하시키는 주요 원인으로 대두되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는, 전원부에서 하이브리드 셀(300)로의 전압 인가 극성을 1 시간에 2~4회의 주기로 바꾸어 준다.This phenomenon not only lowers the ion movement but also increases the film resistance, which generates heat and reduces the current efficiency, thus leading to a deterioration of the efficiency of the device. In order to solve such a problem, in the present invention, when the control unit is set to the electrodialysis operation mode, the voltage application polarity from the power source unit to the hybrid cell 300 is changed to a cycle of 2 to 4 times per hour.

다음은 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 시스템의 역전기투석(RED) 공정에 대하여 설명한다. 역전기투석(RED) 시스템은 전기투석(EDR) 시스템과 비교하여 구성상 큰 차이가 없으므로 시스템 구성 요소의 제어를 통하여 두 시스템을 결합한 하이브리드 시스템의 개발이 가능하다.The following is a description of the reverse electrodialysis (RED) process of the system according to the present invention with reference to FIG. Since the reverse electrodialysis (RED) system is not much different from the EDR system, it is possible to develop a hybrid system combining the two systems through control of system components.

제어부가 역전기투석(RED) 모드로 설정되면 제1 스위치는 열리게 되어 하이브리드 셀(300)은 전원부와 연결이 끊어지고, 제2 스위치는 닫히게 되어 하이브리드 셀(300)의 전극은 외부 저항(400)과 연결되게 된다. 외부 저항(400)은 가변 저항으로서 하이브리드 셀(300)과 같은 저항값을 갖는 것을 인가하여 시스템의 출력을 최대로 증가시킬 수 있다. When the control unit is set to the reverse electrodialysis (RED) mode, the first switch is opened so that the hybrid cell 300 is disconnected from the power source unit, and the second switch is closed, so that the electrode of the hybrid cell 300 is connected to the external resistor 400, Lt; / RTI > The external resistor 400 can be increased to maximize the output of the system by applying a resistance having the same resistance value as that of the hybrid cell 300 as a variable resistor.

전극 용액은 전기투석(EDR) 운전 시에는 전극의 부식을 방지하기 위한 용도로 사용되며, 역전기투석(RED) 운전 시 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하기 위한 용도로 사용된다. 전극 용액은 운전조건에 따라 교체하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 전기투석(EDR) 운전 시에는 전류 효율을 높이면서 전극의 부식을 방지할 수 있는 완충 용액 (예: Na2SO4 등)을 사용하거나, 역전기투석(RED) 운전 시에는 출력 효율을 높이기 위한 레독스-커플 용액(redox-couple solution (예: Fe2+/Fe3+ 등))을 사용하는 것이 바람직하다. 전극 용액은 전기투석(EDR) 및 역전기투석(RED) 운전 전환 시 전극부에서 교체가 가능하며, 낮은 출력 범위에서는 전극 용액의 교체 없이 운전이 가능하다.The electrode solution is used to prevent corrosion of the electrode during EDR operation and is used to convert chemical energy into electrical energy during reverse electrodialysis (RED) operation. The electrode solution can be used in accordance with the operating conditions. For example, buffer solution (eg, Na 2 SO 4 ) that can prevent corrosion of the electrode while increasing the current efficiency is used in the EDR operation, It is preferable to use a redox-couple solution (for example, Fe 2+ / Fe 3+ ) to increase the efficiency. The electrode solution can be replaced at the electrode part when the electrodialysis (EDR) and the reverse electrodialysis (RED) operation are switched, and the electrode solution can be operated without replacing the electrode solution at a low output range.

하이브리드 셀(300)에서 유체의 유입 및 출입은 도 2에서 보는 바와 같이, 전기투석(EDR) 운전 모드에서와는 반대로 제2 유로(620)와 제3 유로(630)를 통하여 각각 유체가 하이브리드 셀(300)로 공급되고 제1 유로(610)를 통하여 유체가 하이브리드 셀(300)로부터 배출된다. 저장되어 있던 농축 염수 및 담수는 역전기투석(RED)에 의한 발전 시 유입수로 사용이 가능하여 펌프(212,213)에 연결된 각각 분기된 관을 통해 하이브리드 셀(300) 내부로 흘러 들어가며, 발전 후 발생되는 유출수는 혼합하여 제1 유로를 통하여 기수 저장부에 보관되어 전기투석(EDR) 운전 시 재사용이 가능하다.As shown in FIG. 2, the fluid flows into the hybrid cell 300 through the second flow path 620 and the third flow path 630, as opposed to the EDR mode, And the fluid is discharged from the hybrid cell 300 through the first flow path 610. The stored concentrated brine and fresh water can be used as influent water during power generation by reverse electrodialysis (RED) and flow into the hybrid cell (300) through branched pipes connected to the pumps (212, 213) The effluents are mixed and stored in the nacelle reservoir through the first flow path and reusable during electrodialysis (EDR) operation.

담수 저장부는 외부의 우수 회수 장치와 연결하여 강우량이 집중되는 하절기에는 추가적인 담수 확보가 가능하며, 하절기의 전력 수요 증가 시에는 확보된 담수를 역전기투석(RED) 운전을 위한 담수 공급원으로 사용할 수가 있다.The fresh water reservoir can be connected to an external stormwater collection system to provide additional fresh water in the summer when rainfall is concentrated. In case of increase in power demand during the summer season, the secured freshwater can be used as a fresh water supply source for reverse electrodialysis (RED) operation .

염수 및 기수 저장부의 선단에 쓰리웨이 밸브(3-way valve)(201)가 설치되어 전기투석(EDR) 운전 시에는 염수 저장탱크로 연결되고 역전기투석(RED) 운전 시에는 기수 저장탱크로 연결이 가능하다.A three-way valve (201) is installed at the tip of the brine and nose reservoir to connect to the salt water storage tank during EDR operation and to the nose reservoir tank during reverse electrodialysis (RED) operation. This is possible.

본 발명의 시스템에는, 조정 벨브(201,202,203), 펌프(211,212,213) 및 스위치(101,102) 등을 조절할 수 있는 제어부(200) (Control Device)가 위치하고 있으며 전기투석(EDR) 및 역전기투석(RED)의 운전 변환에 따라 각 구성 요소를 일괄적으로 제어한다. 또한, 본 발명의 시스템은, 중앙 제어장치(도시하지 않음)가 위치하여 전원부, 가변저항, 스위치, 조정 벨브 및 펌프의 운전을 제어할 수 있으며, 전기투석(EDR) 운전 시에는 전류, 전압 및 유출 유입수의 농도 및 온도의 측정가능하고, 역전기투석(RED) 운전 시에는 전력 및 유출 유입수의 농도 및 온도를 측정하여 이를 자동 제어할 수가 있다. 또한, 하이브리드 셀(300)은 단일 모듈로 구성되어 있어서 유지 보수 시 교체가 가능하다.In the system of the present invention, a control unit 200 (Control Device) capable of adjusting the control valves 201, 202 and 203, the pumps 211, 212 and 213 and the switches 101 and 102 and the like are disposed, and the electrodialysis (EDR) Each component is controlled collectively according to the operation conversion. In addition, the system of the present invention is capable of controlling the operation of a power source, a variable resistor, a switch, a control valve and a pump by a central control device (not shown) The concentration and temperature of the effluent influent can be measured and the concentration and temperature of the power and influent influent can be measured and controlled automatically during the reverse electrodialysis (RED) operation. In addition, the hybrid cell 300 is composed of a single module and can be replaced during maintenance.

한편, 본 발명의 일 실시예로서 셀을 비롯하여 기타 장치를 소형화 하여 휴대용으로 제작할 수 있다. 이러한 휴대용 장치는 작전 중 고립된 병사들의 군사용 키트로 활용될 수 있고, 또는 난민 지역의 구호 용품으로도 활용될 수 있다.Meanwhile, as an embodiment of the present invention, other devices such as a cell can be miniaturized and manufactured for portable use. These portable devices can be utilized as military kits for isolated soldiers during operations, or as relief goods in refugee areas.

이상에서 설명한 본 발명은, 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.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. The present invention is not limited to the drawings.

100 : 전원부 101 : 제1 스위치
102 : 제2 스위치 200 : 제어부
201 : 제1 조정 밸브(쓰리웨이 밸브) 202 : 제2 조정 밸브
203 : 제3 조정 밸브 211 : 제1 펌프
212 : 제2 펌프 213 : 제3 펌프
300 : 하이브리드 셀 310 : 양이온 교환막
320 : 음이온 교환막 330 : 전극
331 : 전극실 340 : 전극 용액
350 : 희석실 360 : 농축실
400 : 외부 저항 500 : 염수 저장부
510 : 기수 저장부 520 : 농축 염수 저장부
530 : 담수 저장부 610 : 제1 유로
620 : 제2 유로 630 : 제3 유로
100: power supply unit 101: first switch
102: second switch 200:
201: first adjustment valve (three way valve) 202: second adjustment valve
203: third adjustment valve 211: first pump
212: second pump 213: third pump
300: Hybrid cell 310: Cation exchange membrane
320: anion exchange membrane 330: electrode
331: electrode chamber 340: electrode solution
350: Dilution chamber 360: Concentration chamber
400: external resistance 500: brine storage part
510: nose store 520: concentrated brine store
530: fresh water storage section 610: first flow path
620: Second Euro 630: Third Euro

Claims (8)

탈염 및 염분차 발전을 선택적으로 수행하는 하이브리드 시스템에 있어서,
전기투석 및 역전기투석 공정이 선택적으로 수행되는 하이브리드 셀과,
상기 하이브리드 셀을 전기투석 운전 모드 또는 역전기투석 운전 모드로 설정하는 제어부와,
상기 하이브리드 셀에 전력을 공급하는 전원부를
포함하며,
상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 상기 전원부에 연결되고, 상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 외부 저항에 연결되고,
상기 하이브리드 셀로부터 염수 저장부 및 기수 저장부까지 연결되는 제1 유로와,
상기 하이브리드 셀로부터 농축 염수 저장부까지 연결되는 제2 유로와,
상기 하이브리드 셀로부터 담수 저장부까지 연결되는 제3 유로를
더 포함하며,
상기 제어부가 전기투석 모드로 설정되면 상기 제1 유로를 통하여 유체가 상기 하이브리드 셀로 공급되고, 상기 제2 유로와 상기 제3 유로를 통하여는 유체가 상기 하이브리드 셀로부터 각각 배출되고,
상기 제어부가 역전기투석 모드로 설정되면 상기 제1 유로를 통하여 유체가 상기 하이브리드 셀로부터 배출되고, 상기 제2 유로와 상기 제3 유로를 통하여 각각 유체가 상기 하이브리드 셀로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
In a hybrid system for selectively performing desalination and salinity generation,
A hybrid cell in which an electrodialysis and a reverse electrodialysis process are selectively performed,
A controller for setting the hybrid cell to an electrodialysis operation mode or a reverse electrodialysis operation mode;
A power supply unit for supplying power to the hybrid cell;
≪ / RTI &
Wherein the hybrid cell is connected to the power source when the controller is set to the electrodialysis operation mode and the hybrid cell is connected to the external resistor when the controller is set to the reverse electrodialysis operation mode,
A first flow path from the hybrid cell to the brine storage and the nose storage,
A second flow path connected from the hybrid cell to the concentrated brine storage section,
And a third flow path connected from the hybrid cell to the fresh water storage unit
Further,
Wherein when the controller is set to the electrodialysis mode, fluid is supplied to the hybrid cell through the first flow path, and fluid is discharged from the hybrid cell through the second flow path and the third flow path, respectively,
Wherein when the control unit is set to the reverse electrodialysis mode, fluid is discharged from the hybrid cell through the first flow path, and each fluid is supplied to the hybrid cell through the second flow path and the third flow path. .
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 셀은
상기 전원부 및 상기 외부 저항과 연결되어 전위차를 발생시키는 전극과,
상기 전극 사이에 개재되는 각각 적어도 하나 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막과,
상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 개재되는 스페이서와,
상기 전극과 상기 양이온 교환막 사이와, 상기 전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에는 전극 용액을
포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
The method according to claim 1,
The hybrid cell
An electrode connected to the power supply unit and the external resistor to generate a potential difference,
At least one cation exchange membrane and an anion exchange membrane interposed between the electrodes,
A spacer interposed between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane,
An electrode solution is formed in the space between the electrode and the cation exchange membrane and between the electrode and the anion exchange membrane
The hybrid system.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 외부 저항은 가변 저항이며, 상기 하이브리드 셀과 같은 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the external resistor is a variable resistor and has the same resistance value as the hybrid cell.
제 2 항에 있어서,
상기 전극 용액은 교체가 가능하며,
상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는 상기 전극 용액은 완충 용액이고,
상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는 상기 전극 용액은 레독스-커플 용액(redox-couple solution)인
것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
3. The method of claim 2,
The electrode solution is replaceable,
When the control unit is set to the electrodialysis operation mode, the electrode solution is a buffer solution,
When the control unit is set to the reverse electrodialysis operation mode, the electrode solution is a redox-couple solution
And the hybrid system.
제 2 항에 있어서,
상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막은 반복되어 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the cation exchange membrane and the anion exchange membrane are repeatedly located.
제 6 항에 있어서,
상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 전원부에서 상기 하이브리드 셀로의 전압 인가 극성을 1 시간에 2~4회의 주기로 바꾸어 주는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
The method according to claim 6,
And when the control unit is set to the electrodialysis operation mode, changes the polarity of voltage application from the power supply unit to the hybrid cell to 2 to 4 times per hour.
제 7 항에 있어서,
상기 하이브리드 셀은 단일 모듈로 구성되어 있어서 유지 보수 시 교체가 가능한 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
8. The method of claim 7,
Wherein the hybrid cell comprises a single module and is replaceable during maintenance.
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