KR100840511B1 - 해수나 해양 심층수의 탈염장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수나 해양 심층수의 탈염장치(脫鹽裝置)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수나 해양 심층수에 함유된 염분을 전기적인 인력에 의해서 염분을 추출하여 탈염하는 장치에 관한 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 해수나 해양 심층수를 염추출실(1) 내부에 설치된 탈염실(2)로 공급하면서 탈염실(2) 외부에 설치된 양극(5)과 음극(6)에 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하여 탈염실(2)에 전기장(電氣場; Electric field)을 형성하면, 전기영동(電氣泳動)에 의해서 양이온은 음극(6) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되며, 음이온은 양극(5) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되면서 탈염실(2)의 염분은 탈염처리 된다.

본 발명의 탈염장치는 종래기술의 이온교환막을 사용한 전기투석, 역삼투 여과, 증발·응축법, 냉동법, 태양열 이용법 등에 의한 탈염에 비해서 운전비 및 시설비가 저렴하기 때문에 해수나 해양 심층수의 담수화에 널리 이용될 것으로 기대된다.

해수, 해양 심층수, 탈염장치, 전기투석, 역삼투 여과, 전기영동, 전기장

Description

해수나 해양 심층수의 탈염장치{Desalter of seawater or deep sea water}

도 1은 1단 탈염실로된 탈염장치도

도 2는 다단 탈염실로된 탈염장치의 정면도

도 3은 다단 탈염실로된 탈염장치의 상면도

1; 염추출실 2; 탈염실

3; 격막(膈膜) 4; 격막 서포터(supporter)

5; 양극 6; 음극

7; 송풍기 8; 산기관

9; 해수 저장조 10; 해수 이송펌프

BIS; 보메도 비중 지시제어기(Baume's hydrometer indicating switch)

ECIS; 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)

ⓢ; 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)

본 발명은 해수나 해양 심층수의 탈염장치(脫鹽裝置)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수나 해양 심층수에 함유된 염분을 전기적인 인력에 의해서 염분을 추출(抽出)하여 탈염하는 장치에 관한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 해수나 해양 심층수의 담수화는 역삼투막법, 이온교환막에 의한 전기투석, 해수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법(다단 플래시증발법, 다중효용증발법, 증기 압축법), 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있으나, 주로 증발법과 역삼투법이 사용되고, 기수담수화(汽水淡水化)에는 역삼투법과 전기투석법이 주로 사용되고 있다.

역삼투막에 의한 해수나 해양 심층수의 담수화의 경우 해수의 삼투압 25atm의 2∼3배의 압력으로 운전해야 하므로 높은 동력비와 막 교체비용이 높은 문제점이 있으며, 증발응축법, 냉동법의 경우도 높은 에너지(Energy) 비용이 소요되는 문제점이 있다.

양극실과 음극실 사이에 양이온교환 격막과 음이온교환 격막으로 분리된 탈염실로 해수를 공급하면서 양극과 음극에 정류기로부터 직류전기를 인가하여 전기분해에 의해서 탈염하는 전기화학반응 메커니즘(Mechanism)을 고려하면 다음과 같다.

양극반응;

2Cl^- → Cl_{2 ( aq )} + 2e^-, E = 1.3961V ……………………………………………(1)

음극반응;

2Na⁺ + 2H₂O + 2e^- → 2NaOH + H_{2 (g)}↑ E = -0.8285V ………………………(2)

총괄반응;

2NaCl + 2H₂O → Cl_{2 ( aq )} + 2NaOH + H_{2 (g)}↑ E = 2.2246V ……………………(3)

양극실 용액반응;

Cl_{2 ( aq )} + H₂O → HClO + HCl ……………………………………………………(4)

과전압이 인가되었을 때 부반응;

HClO + H₂O → HClO₂ + 2H⁺ + 2e^- ……………………………………………(5)

HClO₂ + H₂O → HClO₃ + 2H⁺ + 2e^- …………………………………………(6)

2HClO + 2H⁺ + 2e^- → Cl_{2 (g)}↑ + 2H₂O ………………………………………(7)

ClO₃ ^- + 2H⁺ + e^- → ClO_{2 (g)}↑ + H₂O …………………………………………(8)

상술한 전기분해반응에 의해서 해수나 해양 심층수로부터 염분을 제거하였을 때는 염분의 제거율은 우수하나 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 양극실과 음극실을 음이온교환 격막과 양이온교환 격막으로 분리된 상태에서 직류전기를 인가하였을 때 양극실에서는 Cl^-이온이 음이온교환 격막을 통과하여 HClOx와 같은 전해산화수와 Cl_2(g)가 생성되며, 음극실에서는 Na⁺이온이 양이온교환 격막을 통과하면서 물(H₂O)과 반응하여 NaOH와 수소(H₂)를 발생한다.

다시 말해서 해수나 해양 심층수에 함유된 NaCl을 양극실과 음극실로 음이온교환 격막과 양이온교환 격막으로 분리된 상태에서 직류전기를 인가하여 NaCl을 HClOx, HCl, Cl_2(g)와 NaOH, H₂O 등으로 전기분해가 되면서 탈염이 된다.

해수나 해양 심층수 중에 함유된 NaCl 1kg-mole을 상기에서와 같이 전기분해에 의해서 제거할 때 필요한 전류는 1 파라데이(Faraday; 26.8KAh/kg-eq)의 전류를 인가해야 한다.

구체적으로 말해서 NaCl 1킬로 그람 물(kg-mol)인 58.5kg을 전기분해에 의해서 탈염하는데 이론적으로 필요한 전류는 26,800암페어(Ampere)의 전류를 인가해야 하며, 인가전압은 반응식 (3)의 이론분해전압 2.2246V와 양극과전압, 음극과전압, 용액의 오움(Ohm) 저항, 도체의 오움 저항 등을 고려하면 5Volt 이상의 전압을 인가해야 하므로 전력소모량이 크다.

전술한 바와 같이 전기분해에 의한 탈염방법은 전력소모량이 많은 단점이 있다.

둘째, 높은 전류를 인가하기 위해서는 전극 판의 면적, 이온교환막의 면적, 정류기의 용량 및 기타 장치 용량이 커지기 때문에 시설비도 높다.

셋째, 탈염효율을 향상하기 위해서 인가전압을 높일 때에는 양극실에서 반응식(5)∼(8)의 부반응이 일어나면서 Cl_{2 (g)}, ClO_{2 (g)} 등의 가스가 발생하여 악취가 발생할 수 있다.

전기분해에 의한 탈염은 상술한 문제점 때문에 거의 이용되지 않고 있으며, 이와 같은 문제점을 보완하기 위해서 양극과 음극 사이에 양이온교환 격막과 음이온교환 격막을 교호적(交互的)으로 다단(多段)을 설치한 전기투석장치(電氣透析裝置)에 의해서 탈염처리하는 방법을 이용하고 있으나, 다음과 같은 문제점이 있다.

① 양단의 양극실과 음극실에서는 전기분해에 의해서 탈염이 일어나면서 양극과 음극 간의 거리가 멀기 때문에 높은 전압을 인가해야 하므로 전력소모량이 전기분해에 비해서는 적으나 역삼투막에 비해서 동력비가 높은 문제점이 있다.

② 탈염이 진행되어 염 농도가 떨어지면 액 저항이 커지게 되므로 고도로 탈염을 할 수 없다.

③ 장치의 구조가 복잡하여 장치비용이 높다.

본 발명에서는 상술한 전기분해 및 전기투석장치에 의한 염분의 탈염에서 문제점을 해결하기 위해서 염추출실 내부에 양극과 음극을 설치하고, 양극과 음극 사이에 격막으로 격리된 탈염실에 해수나 해양 심층수를 공급하면서 정류기로부터 직류전기를 인가하여 탈염실에 전기장을 형성하여 전기영동에 의해 염추출실로 염분을 추출하여 탈염하는 장치(이하 "전기추출에 의한 탈염장치"라 칭함)에 의해서 탈염하는 장치를 제시한다.

본 발명에서 해수나 해양 심층수의 비중을 나타내는 보메도 비중계(Baume's hydrometer)의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메도 비중계를 액체에 띄웠을 때의 눈금의 수치로 나타낸 것으로, 물의 비중보다 무거운 중액용(重液用)의 무거운 보메도(중보메도)와 물의 비중보다 가벼운 경액용(輕液用)의 가벼운 보메도(경보메도)가 있으며, 이 중에서 중액용은 순수(純水)를 0°Be로 하고, 15% 식염수를 15°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 가지며, 경액용은 10% 식염수를 0°Be로 하고, 순수(純水)를 10°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 매기고 있으며, 보메도(°Be)는 해수의 경우 염 농도(wt%)와 근사(近似)하기 때문에 농도를 표시하는 척도로도 널리 사용되고 있다.

보메도(°Be)와 액체의 비중(d)과의 관계는 다음과 같다.

액체의 비중이 물의 비중보다 무거운 중보메도의 경우

d = 144.3/(144.3-°Be) …………………………………………………………(9)

액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우

d = 144.3/(134.3+°Be) …………………………………………………………(10)

전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch; ECIS)에서 측정되는 전기전도율(Electric conductivity)은 수용액이 전기를 전도하는 정도를 나타내는 지표로서 수중의 염류농도를 나타내는 기준으로 단위는 수용액의 전기저항률의 역수에 상당하는 ㎳/㎝(Siemens/meter)이며, 전기전도도(EC)와 수중의 총가용성염(TSS)과의 관계는 다음 식(11)과 같다.

　TSS(ppm)=640 X EC(㎳/㎝) …………………………………………………(11)

그리고 이중의 염분농도(NaCl ppm)는 전기전도율(EC)과의 관계는 다음 식(12)에 의해서 간단히 추정할 수 있다.

염분농도(NaCl ppm) = 552×EC(㎳/㎝)-200 …………………………………(12)

전기전도도 값은 국제단위계인 ㎳/m(millisimenss/meter), 또는 ㎲/㎝(microsiemens/centimeter) 단위로 표기하며, ㎳/m = 10㎲/㎝(또는 10μmhos/㎝) 이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 해수나 해양 심층수를 전기분해가 전혀 일어나지 않으면서 전기적인 인력에 의해서 추출제거하는 탈염방법에 의해서 전력소모량이 적으면서 고도로 탈염할 수 있는 탈염장치를 제공하는 데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해수나 해양 심층수를 탈염실로 공급하면서 탈염실 양측의 양극과 음극에 정류기로부터 직류전기를 인가하여 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 탈염실의 염분을 염추출실로 추출하여 탈염처리를 함으로써 전기분해가 전혀 일어나지 않기 때문에 전류의 흐름이 거의 없으면서 양극과 음극 사이의 거리가 짧기 때문에 인가 전압이 낮아 전력소모량이 적으면서 탈염효율이 높은 탈염장치로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명에서 해수나 해양 심층수의 탈염장치는 전기투석장치에 의한 염분의 탈염에서 문제점을 해결하기 위해서 염추출실(1) 내부에 양극(5)과 음극(6)을 설치하고, 양극(5)과 음극(6) 사이에 격막(3)으로 격리된 탈염실(2)에 해수나 해양 심층수를 공급하면서 정류기로부터 직류전기를 인가하여 탈염실(2)에 전기장(電氣場)을 형성하여 전기영동에 의해 염추출실로 염분을 추출하여 탈염하는 "전기추출에 의한 탈염장치"에 의해서 탈염하는 탈염장치로, 이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 "1단 탈염실(2)로 된 탈염장치도"로 염추출실(1) 내부에 설치된 양극(5)과 음극(6) 사이에 격막(3)으로 격리된 탈염실(2)로 구성된 "전기추출에 의한 탈염장치"에 의해서 해수나 해양 심층수를 탈염처리(脫鹽處理)하여 담수화(淡水化)하는 경우, 염추출실(1)에 용수(또는 해수)를 공급하고, 해수 저장조(9)에 유입된 해수나 해양 심층수를 해수 이송펌프(10)로 탈염실(2)에 공급하여 해수 저장조(9)로 순환하면서, 송풍기(7)로부터 대기 중의 공기를 산기관(8)을 통해서 폭기하고, 정류기로부터 3∼10볼트(Volt)의 직류전기를 인가(印加)하여 전기장(電氣場; Electric field)을 형성하면 전기영동(電氣泳動; Electrophoresis)에 의해서 탈염실(2) 해수나 해양 심층수에 함유된 양이온(Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺ …등)은 음극(6) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되며, 음이온(Cl^-, Br^-, NO₃ ^-, SO₄ ^2-, HCO₃ ^-, CO₃ ^2-, HPO₄ ^2-, PO₄ ^3- …등)은 양극(5) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되면서 농축된 농축염수는 보메도 비중 지시제어기(BIS; Baume's hydrometer indicating switch)의 보메도 비중이 12∼20°Be가 되면 솔레노이드 밸브(ⓢ; Solenoid valve)를 작동하여 농축된 농축염수는 소금제조공정으로 배출하고, 탈염실(2) 내의 해수 중에서 염분이 제거되어 해수 라인의 전기전도율지시제어기(ECIS; Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝범위로 탈염된 탈염수는 솔레노이드 밸브(ⓢ)를 작동하여 탈염수를 배출한다.

탈염처리하고자 하는 해수나 해양 심층수의 용량이 큰 경우는 도 2 "다단 탈염실로된 탈염장치의 정면도" 및 도 3" 다단 탈염실로된 탈염장치의 상면도"에서와 같이 염추출실(1) 내에 양극(5)과 음극(6)을 교호적(交互的)으로 다수를 설치하고, 이들의 양극(5)과 음극(6) 사이에는 격막(3)으로 분리된 다수의 탈염실(2)로 구성된 탈염장치를 이용하며, 이때도 용수(또는 해수나 해양 심층수)를 염추출실(1)로 공급하고, 해수 저장조(9)의 해수나 해양 심층수를 해수 이송펌프(10)에 의해서 각 탈염실(2)에 공급하여 해수 저장조(9)로 반송하면서, 송풍기(7)로부터 대기 중의 공기를 산기관(8)을 통해서 폭기하고, 정류기로부터 3∼10볼트의 직류전기를 인가하여 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 탈염실(2)의 해수나 해양 심층수에 함유된 양이온은 음극(6) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되며, 음이온은 양극(5) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되면서 농축된 농축염수는 보메도 비중 지시제어기(BIS)의 보메도 비중이 12∼20°Be가 되면 솔레노이드 밸브(ⓢ)를 작동하여 농축된 농축염수는 소금제조공정으로 배출하고, 탈염실(2) 내의 해수나 해양 심층수 중에서 염분이 제거되어 해수 라인의 전기전도율지시제어기(ECIS)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝범위로 탈염된 탈염수는 솔레노이드 밸브(ⓢ)를 작동하여 탈염수를 배출한다.

상술한 해수나 해양 심층수 중의 염분이 "전기추출에 의한 탈염장치"에 의해서 탈염되는 전기화학적 반응메커니즘(Reaction mechanism)을 검토하면 다음과 같다.

해수나 해양 심층수 중에 함유되어 있는 염류 중에서 NaCl 경우는 해수나 해양 심층수 중에서 가수분해반응에 의해서 Na⁺과 Cl^-이온으로 다음 반응식 (13)과 같이 해리(解離)된다.

NaCl ―H₂O→ Na⁺ + Cl^- …………………………………………………(13)

정류기로부터 양극(5)과 음극(6)에 직류전기를 인가하여 탈염실(2) 내부에 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 탈염실(2) 해수나 해양 심층수에 함유된 Na⁺이온과 같은 양이온은 음극(6) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되며, Cl^-이온과 같은 음이온은 양극(5) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되면서 탈염실(2)의 해수로부터 염(NaCl, KCl, CaSO₄, CaCO₃, MgCl₂, MgSO₄, MgBr₂, SrSO₄ …등)이 제거(탈염) 하게 되며, NaCl의 경우 반응 메커니즘을 검토하면 다음과 같다.

Na⁺ ―― 격막 ―→ Na⁺ …………………………………………………………(14)

Cl^- ―― 격막 ―→ Cl^- …………………………………………………………(15)

염추출실(1)로 이동한 Na⁺이온과 Cl^-이온은 원래의 NaCl상태로 인사이투(in situ) 반응이 일어나게 된다.

Na⁺ + Cl^- ―H₂O→ NaCl …………………………………………………………(16)

그리고 양극(5)과 음극(6) 측에서는 다음과 같은 부반응(副反應)이 일어나면 악취발생과 전력소모량이 증가할 우려가 있기 때문에 송풍기(Air blower; 7)로부터 대기 중의 공기를 산기관(Diffuser; 8)을 통해서 폭기하여 다음과 같은 부반응(副反應)을 최대한 억제되도록 한다.

2Cl^- → Cl_{2 ( aq )} + 2e^- ……………………………………………………………(17)

Cl_{2 ( aq )} → Cl_{2 (g)}↑ ………………………………………………………………(18)

Cl_{2 ( aq )} + H₂O → HClO_{( aq )} + HCl …………………………………………………(19)

2HClO_{( aq )} + 2H⁺ + 2e^- → Cl_{2 (g)}↑ + 2H₂O ……………………………………(20)

2H₂O + 2e^- → 2OH^- + H_{2 (g)}↑ ……………………………………………………(21)

이때 송풍기(7)로부터 산기관(8)을 통해서 공급하는 공기의 공급량은 폭기강도(Intensity of aeration)가 1.2∼2.0공기(㎥)/조 용적(㎥)이 되도록 한다.

본 발명의 특징은 전기분해(電氣分解)나 전기투석(電氣透析)에 의한 탈염방법에 비해서 염분(NaCl 등)이 분해반응에 의한 탈염이 전혀 일어나지 않고, 탈염실(2)의 해수나 해양 심층수에 함유되어 있는 염분을 정류기로부터 양극(5)과 음극(6)에 직류전기를 인가하여 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 양이온(Na⁺ 등)은 양극(5) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동되고, 음이온(Cl^- 등)은 양극(5) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하여 원래의 염의 상태로 인사이투(in situ) 반응이 일어나 추출제거되기 때문에 염의 분해에 의한 전류가 소비되지 않기 때문에 전력소모가 적은 특징이 있다.

그리고 양극(5)과 음극(6)의 거리가 일정하며, 어느 특정부분이 가깝게 존재하지 않기 때문에 전술한 반응식 (17)에서 (21)과 같은 부반응이 일어날 우려가 적으면서, 전극 판에서 균일한 전류밀도(電流密度)를 유지할 수 있기 때문에 탈염처리 효율이 높은 특징이 있다.

염추출실(1)과 탈염실(2)의 재질은 내염성 스테인리스강, 티타늄(Titanium)을 사용하던가 카본 스틸(Carbon steel)에 에폭시(Epoxy) 코팅(Coating)이나 라이닝(Lining)을 하던가, 유리섬유강화플라스틱(FRP; Fiber glass reinforced plastic)을 라이닝 한다.

음극판(6)의 재질은 수소발생과전압(水素發生過電壓))이 높은 재질인 스틸 판에 레이니 니켈(Raney nickel)을 라이닝(Lining)한 것이나 내염성 스테인리스강, 티타늄(Titanium)판을 사용하며, 양극(5) 판은 내식성이 우수하면서 산소 및 염소발생과전압(鹽素發生過電壓)이 높은 재질인 티타늄판에 TiO₂-RuO₂를 소부(燒付) 코팅(Coating)한 디에스에이(DSA; Dimensionally Stable Anode) 전극을 사용한다.

해수나 해양 심층수 중에 함유되어 있는 1가 염(NaCl, KCl, KBr 등)과 다가염(多價鹽, MgCl₂, MgSO₄, CaSO₄, FeCl₂, FeCl₃, SrSO₄ …등)을 모두 제거하여 해수를 담수화(淡水化)하는 경우에는 음극(5) 쪽의 격막(3)은 모든 양이온을 투과하는 양이온교환 격막을 사용하고, 양극(5) 쪽의 격막(3)은 모든 음이온을 투과하는 음이온교환 격막을 사용한다.

또는, 격막(3)을 양극(5) 쪽과 음극(6) 쪽의 격막(3)을 동일하게 석면(石綿), 나일론(Nylon), 폴리플루오로올레핀(Polyfluoroolefin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리오레핀(Polyolefin), 폴리테트라플루오로에틸렌(ＰＴＦＥ; Polytetrafluoroethylene), 폴리에스텔(Polyester), 폴리불화비닐리덴(poly vinylindene fluoride), 헥사플루오르프로필렌(Hexafluoropropylene), 테트라플루오르에틸렌(TFE; Tetrafluoroethylene) 중에서 한 종류의 막을 사용할 수도 있다.

2가 이상의 미네랄성분이 다량 함유한 미네랄 수를 생산하는 경우에는, 해수나 해양 심층수 중에 함유되어 있는 염류 중에서 다가의 양이온인 미네랄성분은 제거하지 않고, 1가 양이온만 탈염처리하여 제거하는 경우에는, 격막(3)을 양극(5) 쪽의 격막은 1가 음이온만 선택적으로 투과하는 1가 음이온선택교환 격막을 사용하고, 음극(6) 쪽의 격막은 1가 양이온만 선택적으로 투과하는 1가 양이온선택교환 격막을 사용한다.

해수나 해양 심층수에 함유된 1가 양이온(Na⁺, K⁺)과 황산 이온(SO₄ ^2-)을 제거한 미네랄 수를 생산하는 경우에는, 격막(3)을 양극(5) 쪽의 격막은 모든 음이온을 투과하는 음이온교환 격막을 사용하고, 음극(6) 쪽의 격막은 1가 양이온만 선택적으로 교환하는 격막을 사용한다.

이때 해수나 해양 심층수 중에 황산 이온(SO₄ ^2-)은 물에 용해도가 낮은 CaSO₄로 존재하던 것이 황산 이온이 제거되면서 칼슘 이온(Ca²⁺)은 다음과 같은 (22)의 반응에 의해서 용해도가 높은 염화칼슘(CaCl₂)의 형태로 존재하게 되어, 칼슘함량이 높은 미네랄 수가 생성된다.

CaSO₄ + MgCl₂ → CaCl₂ + MgSO₄ ………………………………………………(22)

본 발명에서 사용하는 1가 양이온선택교환 격막은 2가 이상 다가(多價) 의 양이온투과는 억제하면서 1가 양이온만을 선택적으로 투과하는 교환 막으로, 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene)계의 주 사슬(主鎖: Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO₃ ^-를 고정하고 있는 부하전막(負荷電膜)에 측쇄(側鎖: side chain)와 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 또는 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine) 등의 그래프트 폴리머(Graft polymer)나 주 사슬이 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐 피리딘으로 된 측쇄가 폴리스티렌인 그래프트 폴리머로 막 표면을 수식(修飾)처리된 이온교환막으로, 그래프트 폴리머의 주 사슬이 양이온교환 격막의 주 사슬 또는 측쇄와 동일한 분자구조를 하고 있는 것이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리염화비닐(Polyvinylchlorde), 폴리스티렌(polystyrene) 등에 부전하 R-SO₃ ^-를 고정한 양이온교환 격막으로 구성된 고분자분자구조를 가진 주 사슬 혹은 측쇄(側鎖)에 1가 양이온만 투과능(透過能)을 가지는 분자구조인 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine), 폴리비닐 아민(Polyethyleneamine) 또는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 막과 같은 1가 양이온선택교환 격막을 사용할 수 있으며, 특히, 폴리스티렌-디비닐벤젠계의 폴리스티렌-그래프트-에틸렌 이민이 가장 바람직하게 사용할 수 있다.

그리고 1가 음이온선택교환 격막은 1가 양이온선택교환 격막과는 반대로 1가 음이온만 선택적으로 교환할 수 있는 막으로는 기재(基材)의 폴리머 사슬(Polymer chain)에 １급으로부터 ３급의 아민(Amine)이나 암모늄기를 막에 고정하여 아미노화(Amination)하여 양이온을 도입한 정하전막(正荷電膜)의 표면에 1가 음이온을 선택적으로 투과하도록 막 표면을 수식(修飾)처리한 막으로, 이온교환기가 지방족 탄화수소(脂肪族炭化水素)에 의해서 가교(架橋) 되어 있어 막표면부(膜表面部)에는 양이온교환기를 가지는 고분자물질의 박층(薄層)이 형성되고 있는 음이온교환 격막으로, 교환기의 도입 모노머(Monomer; 單位體)에 지방족 탄화수소로 가교와 동시에 4급화를 실시한 것이 좋으며, 양이온교환기를 가지는 고분자물질로서는 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질 및 선상고분자전해질(線狀高分子電解質)이나 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등으로, 구체적으로 리그닌설폰산염(Ligninsulfonate)과 같은 설폰산염(Sulfonate), 고급 알코올 인산에스테르와 같은 인산에스테르염 등에서 분자량 500 이상의 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질, 메타 아크릴산(methacrylic acid), 스틸렌설폰산(Styrene sulfonic acid)과 같은 카르본산기(-COOH)나 설폰산기(-SO₃H)를 가지는 단량체(單量體) 유닛(Unit)을 다수개(多數個) 포함한 선상고분자 전해질, 양이온교환기를 포함한 페놀류와 알데히드류를 축합(縮合)시킨 것과 같은 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등으로 1가 음이온만을 선택적으로 교환하는 막을 사용한다.

모든 양이온을 투과하는 양이온교환 격막은 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene)계의 주사슬(主鎖; Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO₃ ^-를 고정하고 있는 부하전막(負荷電膜)으로 막 표면에 1가 양이온만을 선택적으로 투과시키기 위해 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine)과 같은 양이온성 고분자 전해질을 박층상(薄層狀)으로 부착(Coating) 또는 결합하여 수식(修飾)처리를 하지 않은 양이온교환 격막을 사용한다.

그리고 모든 음이온을 투과하는 음이온교환 격막은 기재의 폴리머 사슬(Polymer chain)에 １급으로부터 ３급의 아민(Amine)이나 암모늄기를 막에 고정하여 아미노화(Amination)하여 양이온을 도입한 정하전막(正荷電膜)의 표면에 1가 음이온을 선택적으로 투과하도록 막 표면을 수식(修飾)처리하지 않은 막을 사용한다.

격막 서포터(4)는 격막(3) 외부에 1∼10㎜ 두께의 비스코스레이온(Viscose rayon)이나 나이론 등의 합성수지의 부직포(不織布) 위에 내염성 스테인리스강이나 티타늄의 다공판(多孔板)이나 격자판(格子板)으로 지지고정시킨다.

[실시 예1]

도 1∼도 3과 같은 탈염장치의 사양이, 탈염실 용량은 0.1㎥(25㎜×1,000㎜×4,000㎜), 염추출실의 용량 3.6㎥(750㎜×1,200㎜×4,000㎜), 양극은 1,000㎜×1,200㎜ 티타늄판에 TiO₂ - RuO₂를 소부 코팅한 DSA전극을 3매, 음극은 1,000㎜×1,200㎜ 티타늄판 전극을 3매, 양극 쪽의 격막과 음극 쪽의 격막의 재질 및 크기가 동일한 폴리에스테르 3㎜ 두께의 3,600㎜×1,000㎜ 크기의 격막을 사용한 1단 탈염실에 염분 함량이 3.45wt%인 해수 1톤/hr을 공급하면서 정류기로부터 직류전압 3∼10Volt를 인가하여 인가되는 전류(電流)와 염분제거율을 측정한 결과는 다음 표 1의 내용과 같았다.

표1 해수 탈염처리 시험 성적표

인가전압(Volt)	3	5	8	10
인가전류(Ampere)	32.2	43.1	16.5	28.1
처리된 해수 중의 염분의 농도(wt%)	1.62	0.83	0.28	0.07
염분제거율(%)	53.04	75.94	91.88	97.97

(참고사항: 염분함량이 3.45wt%인 해수 1Ton/hr을 0.1wt%까지 전기 분해에 의한 탈염처리를 하기 위한 이론 인가전류는 15,347A이다.)

상술한 표 1의 내용에서 보는 봐와 같이 본 발명의 "전기추출에 의한 탈염장치"에 의한 해수의 탈염이 종래의 전기투석에 의한 탈염보다 탈염효율이 향상되면서 전력소비량이 적은 것을 알 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 해수나 해양 심층수의 탈염하여 담수화나 미네랄 수를 생산하는 경우에 종래에 적용하던 전기분해나 전기투석의 방법에 비해서 운전비(전력비)가 적게 소비되면서 탈염효율이 높기 때문에 해수의 탈염에 널리 이용될 것으로 기대한다.

Claims (5)

1. 염추출실(1) 내부에 설치된 양극(5)과 음극(6) 사이에 음극(5) 쪽의 격막(3)은 모든 양이온을 투과하는 양이온교환 격막을 사용하고, 양극(5) 쪽의 격막(3)은 모든 음이온을 투과하는 음이온교환 격막을 사용하여 격리된 탈염실(2)로 구성된 전기추출에 의한 탈염장치의 염추출실(1)에 용수 또는 해수를 공급하고, 해수 저장조(9)에 유입된 해수나 해양 심층수를 해수 이송펌프(10)로 탈염실(2)에 공급하여 해수 저장조(9)로 순환하면서, 송풍기(7)로부터 대기 중의 공기를 산기관(8)을 통해서 폭기하고, 정류기로부터 3∼10볼트(Volt)의 직류전기를 인가(印加)하여 탈염실(2) 해수에 함유된 양이온은 음극(6) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되고, 음이온은 양극(5) 쪽의 격막(3)을 투과하여 염추출실(1)로 이동하게 되면서 농축된 농축염수는 보메도 비중 지시제어기(Baume's hydrometer indicating switch)의 보메도 비중이 12∼20°Be가 되면 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)를 작동하여 농축된 농축염수는 소금제조공정으로 배출하고, 탈염실(2) 내의 해수나 해양 심층수 중에서 염분이 제거되어 해수 라인의 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝범위로 탈염된 탈염수는 솔레노이드 밸브를 작동하여 탈염수를 배출하는 장치에 의해서 해수나 해양 심층수를 탈염하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 격막(3)을 양극(5) 쪽과 음극(6) 쪽의 격막 모두를 동일하게 석면(石綿), 나일론(Nylon), 폴리플루오로올레핀(Polyfluoroolefin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리오레핀(Polyolefin), 폴리테트라플루오로에틸렌(ＰＴＦＥ; Polytetrafluoroethylene), 폴리에스텔(Polyester), 폴리불화비닐리덴(poly vinylindene fluoride), 헥사플루오르프로필렌(Hexafluoropropylene), 테트라플루오르에틸렌(TFE; Tetrafluoroethylene) 중에서 한 종류의 막을 사용하여 해수나 해양 심층수를 탈염하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항 중에 있어서, 상기 염추출실(1) 내에 양극(5)과 음극(6)을 교호적(交互的)으로 다수를 설치하고, 이들의 양극(5)과 음극(6) 사이에는 격막(3)으로 분리된 다수의 탈염실(2)로 구성된 탈염장치로 해수나 해양 심층수를 탈염하는 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 격막(3)을 양극(5) 쪽의 격막은 1가 음이온선택교환 격막을 사용하고, 음극(6) 쪽의 격막은 1가 양이온선택교환 격막을 사용하여 해수나 해양 심층수를 탈염하는 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 격막(3)을 양극(5) 쪽의 격막은 모든 음이온을 투과하는 음이온교환 격막을 사용하고, 음극(6) 쪽의 격막은 1가 양이온만 선택적으로 교환하는 1가 양이온만 선택적으로 투과하는 격막을 사용하여 해수나 해양 심층수를 탈염하는 장치.

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