KR101051345B1 - 2단 역삼투 담수화 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 유입수가 통과되는 유입관과, 상기 유입수를 공급받아 담수 처리하는 1차 역삼투 모듈과, 상기 1차 역삼투 모듈에서 처리된 1차 처리수가 통과되는 1차 처리관과, 1차 처리수를 공급받아 담수 처리하는 2차 역삼투 모듈과, 상기 2차 역삼투 모듈에서 처리된 2차 처리수가 통과되는 2차 처리관과, 상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈에서 처리되지 않도록 분기되는 분리수가 통과하는 분리관과, 분리수가 혼합되어 최종 처리된 생산수가 통과되는 생산관과, 상기 역삼투 모듈 또는 배관을 통과하는 유체의 흐름을 제어하는 제어부를 포함하는 2단 역삼투막 담수화 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 2단 역삼투 담수화 장치 및 방법에 의하면, 유체 내의 특정물질의 농도를 측정하면서 역삼투 처리되는 유량을 조절함으로써, 특정물질의 농도가 일정하게 유지되는 담수를 생산할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 역삼투 담수화 장치 및 방법, 구체적으로는 2단의 역삼투 처리를 거쳐 특정물질의 농도를 조절하는 역삼투 담수화 장치 및 방법에 관한 것이다.
해수 담수화 기술은 국내외의 물 수요를 해결하고 대체수자원 확보기술을 제공함과 동시에 해외시장을 개척하며 고부가가치의 창출이 가능한 대표적인 기술분야이다. 해수담수화 시장은 현재 300만 톤/일 규모이며 2015년에는 620만 톤/일 규모로 성장할 것으로 전망되고 있다. 또한 해수 담수화 기술은 국내외 물 부족 지역에 대한 대체 수자원 제공의 해결책이 되고 있으며, 특히 환경문제의 논란이 야기되고 있는 댐 공사를 통한 수자원 확보 방안을 대체함으로써 비용을 절감하고 환경적 문제를 개선할 수 있기 때문에 향후에도 그 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
해수 담수화 방법으로는 증발법과 역삼투법을 들 수 있다. 역삼투법은 증발법에 비하여 단위 부피의 물을 생산하기 위한 에너지 필요량이 상대적으로 작기 때문에 최근에는 역삼투법이 널리 사용되고 있다. 역삼투법은 해수나 기수에 함유되어 있는 성분을 고분자 분리막(역삼투막)을 이용하여 생산수(또는 처리수)와 농축수로 분리시키며, 생산수는 성분농도를 희석하여 용수 및 음용수로 활용하고 농축수는 다시 바다로 배출하게 된다.
이와 같은 역삼투법을 이용한 해수 담수화에 있어서 현장 실시에 장애요인으로 작용하는 것 중의 하나는 보론(Boron, 붕소)의 제거율에 관한 문제이다. 보론은 해수 내에 평균적으로 약 5~7 mg/L의 농도로 존재하고 있는데, 보론을 다량 섭취하는 경우 인체에 여러 가지 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 보론의 급성중독증상으로는 조울증, 경련, 신장퇴화, 고환위축 등의 증세가 있고, 만성중독증상으로는 위장관 자극, 식욕부진, 구토, 멀미 등의 증세가 있다.
관련하여 전 세계적으로 식수 내의 보론의 허용기준치는 0.3~1 mg/L이하로 규정되어 있다. 일반적으로 역삼투막은 NaCl에 대한 배제율은 99.9% 이상으로 높은데 반하여 보론의 제거율은 80~90%로 비교적 낮기 때문에 역삼투막으로 처리한 물에는 보론이 높은 농도로 존재할 가능성이 있다.
이를 극복하기 위해 보론의 효과적인 제거를 위해서 통상적으로 역삼투 공정을 2단으로 구성하여 운영을 할 수 있다. 즉, 1단의 역삼투 공정에서 80~90 %의 효율로 처리되는 보론을 2단으로 처리하여 보론 농도의 수준을 처리수질 기준 이하로 유지하고자 하는 것이다.
그러나 이러한 방법도 해수에 포함된 보론의 농도와 온도, 역삼투 공정의 운영기간에 따라 역삼투 공정에서의 보론 제거율이 변동하기 때문에 처리수의 보론 농도가 일정하지 않은 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 2단의 역삼투압 처리에 있어서, 유체 내의 특정물질의 농도를 측정하면서 역삼투 처리되는 유량을 조절함으로써, 특정물질의 농도가 일정 범위 내에서 유지되도록 담수를 생산하는 역삼투 담수화 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 유입관으로부터 유입수를 공급받아 담수 처리하는 1차 역삼투 모듈과, 상기 1차 역삼투 모듈에서 처리된 1차 처리수를 공급받아 담수 처리하는 2차 역삼투 모듈과, 상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈에서 처리되지 않도록 분기되는 분리수가 통과하는 분리관과, 분리수가 혼합되어 최종 처리된 생산수가 통과되는 생산관과, 상기 역삼투 모듈 또는 배관을 통과하는 유체의 흐름을 제어하는 제어부를 포함하는 2단 역삼투막 담수화 장치를 제공한다.
상기 제어부는 생산수의 특정물질의 농도를 측정하여 이를 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 일정 범위 내에서 유지되도록 유체의 유량을 제어할 수 있다.
상기 특정물질은 보론을 포함하고 상기 보론의 농도는 0.3 내지 1.0 mg/L를 기준으로 조절할 수 있다.
상기 분리관은 유입수 중 일부가 상기 1차 역삼투 모듈을 우회하도록 형성되거나 또는 1차 처리수 중 일부가 2차 역삼투 모듈을 우회하도록 형성되고, 상기 제어부는 분리수의 유량의 비율을 제어할 수 있다.
상기 2단 역삼투 담수화 장치는, 상기 유입관에 마련되어 유입수의 특성을 측정하는 유입수 센서 및 상기 생산관에 마련되어 생산수의 특성을 측정하는 생산수 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 유입수 센서 및 생산수 센서에 의한 측정 결과를 토대로 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
측정되는 유입수의 특성 및 생산수의 특성은 유체의 전도도와 온도와 pH와 유량 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제어부는 상기 특성에 대한 측정 결과를 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 계산하여 이를 토대로 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 측정된 전도도를 이용하여 총 이온농도를 계산하고, 측정된 유량을 이용하여 회수율을 계산하고, 상기 총 이온농도 및 유량을 이용하여 역삼투막 통과속도를 계산하고, 상기 총 이온농도와 상기 회수율과 상기 역삼투막 통과속도와 측정된 온도를 토대로 특정물질의 농도를 계산할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 1차 역삼투 모듈 및 2차 역삼투 모듈의 특성에 따라 미리 계산된 상수를 사용하여 특정물질의 농도를 계산하고, 계산된 특정물질의 농도가 처리수질 기준을 만족하는지 판단할 수 있다.
상기 2단 역삼투 담수화 장치는, 상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈로 공급되는 유체의 유량을 측정하는 역삼투수 센서 및 분리수의 유량을 측정하는 분리수 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 역삼투수 센서 및 분리수 센서에 의한 측정 결과를 토대로 상기 역삼투 모듈로 공급되는 유체의 유량과 상기 분리관으로 공급되는 분리수의 유량 비율을 조절할 수 있다.
역삼투수의 유량을 조절하는 펌프 또는 분리수의 유량을 조절하는 분리수 펌프를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 역삼투수 펌프 또는 상기 분리수 펌프를 조절하여 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 유입수를 공급받아 1차 역삼투 모듈에서 담수 처리되는 단계와, 상기 1차 역삼투 모듈에서 처리된 1차 처리수를 공급받아 2차 역삼투 모듈에서 담수 처리되는 단계와, 유입수가 상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈에서 처리되지 않도록 분리수로 분기되는 단계와, 분리수가 혼합되어 최종 처리된 생산수가 통과되는 단계와, 상기 역삼투 모듈 또는 분기 과정에서의 유체의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는 2단 역삼투 담수화 방법을 제공한다.
상기 유체 흐름 제어 단계는, 생산수의 특정물질의 농도를 측정하는 단계와, 측정된 농도를 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 일정 범위 내에서 유지되도록 유체의 유량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 농도 측정 단계는 보론의 농도를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 유량 제어 단계는 상기 보론의 농도를 0.3 내지 1.0 mg/L를 기준으로 조절할 수 있다.
상기 유량 제어 단계는 분리수의 유량의 비율을 제어함으로써 생산수의 농도가 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
상기 유체 흐름 제어 단계는, 유입수의 특성 및 생산수의 특성을 측정하는 단계와, 측정된 특성을 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 계산하는 단계와, 계산된 특정물질의 농도가 처리수질 기준을 만족하는지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 특성을 측정하는 단계는, 유입수 및 생산수의 전도도와 온도와 pH와 유량 중 하나 이상을 측정하는 단계와, 상기 1차 역삼투 모듈 및 2차 역삼투 모듈의 특성에 따라 미리 계산된 상수를 사용하여 특정물질의 농도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유체 흐름 제어 단계는, 상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈로 공급되는 역삼투수의 유량 및 분리수의 유량을 측정하는 단계를 더 포함하고, 상기 유체 흐름 제어 단계는 측정된 유량을 토대로 상기 역삼투 모듈로 공급되는 유량과 분리수의 유량 비율을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 2단 역삼투 담수화 장치 및 방법에 의하면, 유체 내의 특정물질의 농도를 측정하면서 역삼투 처리되는 유량을 조절함으로써, 특정물질의 농도가 처리수질 기준을 만족시키며 일정하게 유지되는 담수를 생산할 수 있게 된다.
또한 해수 담수화 공정에서 보론의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 유입수의 일부를 분리하여 1단 처리하고 2단 처리된 처리수를 혼합함으로써, 2단 역삼투 공정에 적용되는 부하를 감소시킴으로써 설계 모듈 감소 및 생산량 증가 등의 효과를 얻을 수 있다.
나아가 생산수의 보론 농도를 일정하게 유지하기 위하여 분리수와 처리수의 농도를 생산수의 보론 농도와 연계하여 조절함으로써, 담수와 공정을 안정적으로 운영할 수 있고 운영효율을 최대화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 방법의 흐름을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 제어 방법의 흐름을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 방법의 흐름을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 제어 방법의 흐름을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 역삼투 담수화 장치 및 방법은, 2단의 역삼투 담수화에 있어서, 담수화되는 유체 내의 특정물질의 농도를 측정하면서 역삼투 처리되는 유량을 조절함으로써, 특정물질의 농도가 일정하게 유지되도록 담수를 생산하도록 할 수 있다. 여기서 측정이라 함은, 물리적 또는 화학적인 의미에서 어떠한 값을 실제로 측정한다는 의미 이외에도 계산에 의해 어떠한 값을 도출한다는 의미를 포함하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 장치는, 유입수가 통과되는 유입관(1)과, 유입수를 공급받아 담수 처리하는 1차 역삼투 모듈(11)과, 1차 역삼투 모듈(11)에서 처리된 1차 처리수가 통과되는 1차 처리관(2)과, 1차 처리수를 공급받아 담수 처리하는 2차 역삼투 모듈(12)과, 2차 역삼투 모듈(12)에서 처리된 2차 처리수가 통과되는 2차 처리관(3)과, 1차 처리수 중 일부가 2차 역삼투 모듈(12)에서 처리되지 않도록 분기되어 2차 역삼투 모듈(12)을 우회하는 분리수가 통과하는 분리관(4)과, 분리수가 혼합되어 최종 처리된 생산수가 통과되는 생산관(5)을 포함할 수 있다.
2단 역삼투 담수화 장치는, 유입관(1)에 마련되어 유입수의 특성을 측정하는 유입수 센서(23) 및 생산관(5)에 마련되어 생산수의 특성을 측정하는 생산수 센서(24)를 포함할 수 있다. 또한 2차 역삼투 모듈(12)로 공급되는 역삼투수의 유량을 측정하는 역삼투수 센서(22) 및 분리관(4)으로 공급되는 분리수의 유량을 측정하는 분리수 센서(21)를 포함할 수 있다. 나아가 역삼투수의 유량을 조절하는 역삼투수 펌프(28) 또는 분리수의 유량을 조절하는 분리수 펌프(27)를 포함할 수 있다. 1차 역삼투 모듈(11) 및 2차 역삼투 모듈(12)에 농축된 농축수는 배출관(6)을 통해 배출된다. 본 실시예와 달리 펌프(27, 28)는 밸브로 대체될 수도 있다.
담수화 대상이 되는 유입수는 해수 또는 기수가 될 수 있다. 농도 조절의 대상이 되는 특정물질은 보론(B)이 될 수 있으며, 염소(Cl) 또는 황(S) 등 다른 다양한 물질이 될 수도 있다. 보론의 농도는 국제 기준에 따라 0.3 내지 1.0 mg/L를 처리수질 기준으로 하여 조절될 수 있다.
제어부(14)는 역삼투 모듈 또는 배관을 통과하는 유체의 흐름을 제어한다. 생산수의 특정물질의 농도를 측정하여 이를 토대로 생산수의 특정물질의 농도가 일정하게 유지되도록 또는 특정값 이하가 되도록 유체의 유량을 제어할 수 있다. 유입수와 생산수의 특성에 대한 측정 결과를 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 계산하고 계산된 농도가 처리수질 기준을 만족하는지 판단할 수 있다.
유입수 센서(23) 및 생산수 센서(24)에 의해 측정되는 유입수의 특성 및 생산수의 특성은 유체의 전도도와 온도와 pH와 유량 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특정물질의 농도를 측정된 유입수 및 생산수의 전도도와 온도와 pH와 유량 등의 특성을 이용하여 계산할 수 있다. 측정된 전도도를 이용하여 총 이온농도를 계산하고, 측정된 유량을 이용하여 회수율을 계산하고, 총 이온농도 및 유량을 이용하여 역삼투막 통과속도를 계산하고, 총 이온농도와 회수율과 역삼투막 통과속도와 측정된 온도를 토대로 하여 농도를 계산할 수 있다. 1차 역삼투 모듈(11) 및 2차 역삼투 모듈(12)의 특성에 따라 미리 계산된 상수를 사용하여 특정물질의 농도를 계산할 수 있다.
역삼투수 센서(22) 및 분리수 센서(21)에 의한 유량 측정 결과를 토대로, 2차 역삼투 모듈(12)로 공급되는 역삼투수의 유량과 분리관(4)으로 공급되는 분리수의 유량 비율을 조절함으로써 생산수의 농도를 제어할 수 있다. 역삼투수 펌프(28) 또는 분리수 펌프(27)를 조절하여 역삼투수와 분리수의 유량 비율을 조절하며 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 예를 들어, 보론의 농도에 대한 처리수질 범위가 0.5 ~ 1.0 mg/L 이라고 한다. 생산수의 측정된 보론의 농도가 1.0 mg/L 이상이 되면, 펌프(27, 28)를 조절하여 역삼투수의 유량을 증가시키고 분리수의 유량을 감소시킬 수 있다. 또한 측정된 보론의 농도가 0.5 mg/L 이하가 되면 반대로 분리수의 유량을 상대적으로 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 장치의 구성을 도시하는 개략도이다. 본 실시예에 있어서, 도 1에서와 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 장치에서는 제1 실시예에서와 달리, 분리관(4)은 유입수 중 일부가 1차 역삼투 모듈(11)에서 처리되지 않도록 분기되어 우회하는 분리수가 통과하도록 형성될 수 있다. 또한 분리수의 유량을 측정하는 분리수 센서(21)와 분리수의 유량을 조절하는 분리수 펌프(27)가 구비될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 담수화 장치를 사용하여 수행되는 2단 역삼투 담수화 방법에 대하여 살펴본다. 이하에서 여기서 각 단계의 도면부호는 편의상의 명칭일 뿐이며, 각 단계가 이루어지는 순서를 규정하는 것은 아니며 각 단계는 이와 관계 없이 순차적으로 또는 병렬적으로 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 방법의 흐름을 나타내는 순서도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 제어 방법의 흐름을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른2단 역삼투 담수화 방법은, 유입수를 공급받아 1차 역삼투 모듈(11)에서 담수 처리되는 단계(S41)와, 1차 역삼투 모듈(11)에서 처리된 1차 처리수를 공급받아 2차 역삼투 모듈(12)에서 담수 처리되는 단계(S42)와, 유입수가 1차 역삼투 모듈(11) 또는 2차 역삼투 모듈(12)에서 처리되지 않도록 분리수로 분기되는 단계(S43)와, 분리수가 혼합되어 최종 처리된 생산수가 통과되는 단계(S44)와, 제어부(14)에서 역삼투 모듈 또는 분기 과정에서의 유체의 흐름을 제어하는 단계(S45)를 포함할 수 있다.
유체의 흐름을 제어하는 단계(S45)에서는, 생산수의 특정물질의 농도를 측정하여 이를 토대로 생산수의 특정물질의 농도가 일정하게 유지되도록 또는 특정값 이하가 되도록 유체의 유량을 제어할 수 있다. 유입수 및 생산수의 전도도와 온도와 pH와 유량 중 하나 이상의 특성을 측정(S45a)하고, 특성에 대한 측정 결과를 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 계산(S45b)할 수 있다. 나아가 계산된 특정물질의 농도가 처리수질 기준을 만족하여 미리 지정된 범위 내에 들어오는지 판단(S45c)하여 유체의 유량을 조절할 수 있다.
또한 유체의 흐름을 제어하는 단계(S45)에서는, 1차 역삼투 모듈(11) 또는 2차 역삼투 모듈(12)로 공급되는 역삼투수의 유량 및 분리관(4)으로 공급되는 분리수의 유량을 측정(S45d)하고, 측정된 유량을 토대로 역삼투수의 유량과 분리수의 유량 비율을 조절(S45e)함으로써, 생산수의 농도를 조절할 수 있다.
이하에서는 예시적으로 유체의 특성에 대한 측정 결과를 토대로 보론의 농도를 계산(S45b)하는 방법에 대하여 구체적으로 기술한다. 여기서 "처리수"라 함은 "생산수"를 의미할 수 있다.
우선 수학식 1로부터 용액의 전도도를 측정함과 동시에 용액의 농도를 간접적으로 측정할 수 있다. 여기서 C는 용액의 총 이온농도이며, CD는 용액의 전도도이다.
회수율 R은 유입수량 대한 처리수량의 비율 즉, 처리수량을 유입수량으로 나눈 값이므로, 수학식 2와 같이 유입수의 유량 측정값과 처리수의 유량 측정값을 이용하여 구한다.
또한 이온의 역삼투막 통과속도 J를 산출한다. 역삼투막 통과속도 J는 아래의 수학식 3에 의하여 구할 수 있다. 여기서, Qp는 처리수의 유량이며, Cp는 처리수의 총 이온농도이고, A는 역삼투막의 막면적이다.
총 이온의 이온투과도와 농도 간에는 비례관계에 있으며, 이 비례관계의 비례게수는 아래의 수학식 4와 같은 관계를 가진다.
예비실험 단계에서는, 유입수에 대한 전도도 CDf와, 온도 Tf, pH 및 유량 Qf를 센서에 의해 측정하고, 처리수에 대한 전도도 CDp와, 온도 Tp, pH 및 유량 Qp를 센서에 의해 측정한다. 상기한 수학식 1의 T와 CD에 각각 CDf와 Tf,를 대입하여 유입수의 총 이온농도 Cf를 구하고, CDp와 Tp를 수학식 1의 T와 CD에 대입하여 처리수의 총 이온농도 Cp를 구한다. 아울러 수학식 2을 사용하여 처리수의 회수율 R을 구하고, 수학식 3을 사용하여 이온의 역삼투막 통과속도 J를 구한 후, 상기 수학식 4에 의해 총 이온농도에 대한 비례상수 B0를 계산한다.
한편, 서로 다른 화학적 구조를 가지는 보릭산(Boric acid)과 보레이트(Borate) 상대적인 농도는 아래의 수학식 5 및 수학식 6과 같은 수학적 관계를 가지고 있으므로, 용액의 pH와 온도를 알고 있으면, 해당 용액의 보릭산(Boric acid)과 보레이트(Borate) 상대적인 농도를 계산할 수 있다.
상기 수학식 5 및 6에서 Ka1는 보릭산(Boric acid)과 보레이트(Borate) 간의 평형상수이며, [H2BO3 -]는 보레이트의 농도이고, [H3BO3]는 보릭산의 농도이며, [H+]는 수소 이온 활성도를 나타낸다. 상기 농도와 이온 활성도 및 염소이온농도인 S의 단위는 ML-3이다. 또한, 상기 수학식 2 및 3에서 T는 온도(단위는 K)이다.
예비실험 단계에서, pH가 7인 상태에서 유입수에 보론을 투여하면 유입수에는 보릭산만 존재하는 상태가 되며, 이 때 전도도, 온도, pH 및 유량을 통해 구해진 유입수의 총 이온농도 Cf와 처리수의 총 이온농도 Cp는 결국 보릭산의 이온농도 Cf, Boric acid 및 Cp , Boric acid가 된다. 이렇게 구해진 유입수에서의 보릭산 이온농도 Cf , Boric acid 와 처리수에서의 보릭산 이온농도 Cp, Boric acid를 각각 수학식 5에 대입하여 보릭산에 대한 비례상수 B1을 구한다. 즉, 아래의 수학식 7에 의하여 보릭산의 비례상수 B1을 구하게 되는 것이다.
또한 예비실험 단계에서, pH가 11인 상태에서 유입수에 보론을 투여하면 유입수에는 보레이트만 존재하는 상태가 되며, 이 때 전도도, 온도, pH 및 유량을 통해 구해진 유입수의 총 이온농도 Cf와 처리수의 총 이온농도 Cp는 결국 보레이트의 이온농도 Cf, Borate 및 Cp, Borate가 된다. 이렇게 구해진 유입수에서의 보레이트 이온농도 Cf, Borate 와 처리수에서의 보레이트 이온농도 Cp, Borate를 각각 수학식 5에 대입하여 보레이트에 대한 비례상수 B2을 구한다. 즉, 아래의 수학식 8에 의하여 보레이트의 비례상수 B2를 구하게 되는 것이다.
상기 수학식 7 및 수학식 8에서 J, R 및 Tp는 각각 앞서 설명한 역삼투막 통과속도(J), 처리수의 회수율(R) 및 처리수의 온도(Tp)이다.
예비실험에서 최종적으로, 보릭산의 비례상수와 총 이온농도에 대한 비례상수 B0간의 비율 f1 및 보레이트의 비례상수와 총 이온농도에 대한 비례상수 B0간의 비율 f2를 아래의 수학식 9 및 수학식 10에 의하여 계산한다. 예비실험에 의해 미리 계산된 상수인 f1 및 f2는 후에 담수화 장치를 가동하는 과정에서 농도를 계산하는데 있어 사용하게 된다.
실제 담수화 장치를 가동할 때는, 유입수의 전도도 CDf, real와, 온도 Tf, real과, pH 및 유량 Qf, real, 그리고 처리수에 대한 전도도 CDp, real와, 온도 Tp, real과 pH 및 유량 Qp, real를 실시간으로 측정한다.
측정값을 이용하여 수학식 1에 의해 유입수의 총 이온농도 Cf, real와 처리수의 총 이온농도 Cp, real를 구하며, 수학식 2에 의해 처리수의 회수율 R을 구하고, 수학식 3에 의해 이온의 역삼투막 통과속도 J를 구하여, 상기 수학식 4에 의해 총 이온농도에 대한 비례상수 B0, real를 계산한다.
후속하여 계산된 B0, real와 예비실험에서 구해진 f1와 f2를 이용하여 수학식 7 및 8에 따라 B1, real와 B2, real를 산출한다.
또한 유입수의 총 이온농도 Cf, real와 유입수의 온도 Tf, real를 수학식 6의 Cf와 Tfl에 대입하여 보릭산과 보레이트 간의 평형상수 Ka1를 산출하고, 최종적으로 아래의 수학식 11에 의해 처리수에서 보론의 농도 Cp, boron을 계산한다.
본 발명의 실시예에 따른 2단 역삼투 담수화 장치 및 방법에 의하면, 2단의 역삼투압 처리에 있어서 역삼투 처리되는 유량을 조절하여 특정물질의 농도가 처리수질 기준을 만족시키며 일정 범위 내에서 유지되는 담수를 생산할 수 있게 된다.
또한 해수 담수화 공정에서 보론의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 유입수의 일부를 분리하여 2단 처리된 처리수를 혼합함으로써, 2단 역삼투 공정에 적용되는 부하를 감소시킴으로써 설계 모듈 감소 및 생산량 증가 등의 효과를 얻을 수 있다.
나아가 생산수의 보론 농도를 일정하게 유지하기 위하여 분리수와 처리수의 농도를 생산수의 보론 농도와 연계하여 조절함으로써, 담수와 공정을 안정적으로 운영할 수 있고 운영효율을 최대화할 수 있는 장점이 있다.
이상 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합 또는 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이 외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것은 명백하다.
1: 유입관 2: 1차 처리관
3: 2차 처리관 4: 분리관
5: 생산관 6: 배출관
11: 1차 역삼투 모듈 12: 2차 역삼투 모듈
14: 제어부
21: 분리수 센서 22: 역삼투수 센서
23: 유입수 센서 24: 생산수 센서
27: 분리수 펌프 28: 역삼투수 펌프
3: 2차 처리관 4: 분리관
5: 생산관 6: 배출관
11: 1차 역삼투 모듈 12: 2차 역삼투 모듈
14: 제어부
21: 분리수 센서 22: 역삼투수 센서
23: 유입수 센서 24: 생산수 센서
27: 분리수 펌프 28: 역삼투수 펌프
Claims (17)
- 유입관으로부터 유입수를 공급받아 담수 처리하는 1차 역삼투 모듈과,
상기 1차 역삼투 모듈에서 처리된 1차 처리수를 공급받아 담수 처리하는 2차 역삼투 모듈과,
상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈에서 처리되지 않도록 분기되는 분리수가 통과하는 분리관과,
분리수가 혼합되어 최종 처리된 생산수가 통과되는 생산관과,
생산수의 특정물질의 농도를 계산하여 이를 토대로 생산수의 특정물질의 농도가 일정 범위 내에서 유지되도록 상기 역삼투 모듈 또는 배관을 통과하는 유체의 흐름을 제어하는 제어부를
포함하는 2단 역삼투막 담수화 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 특정물질은 보론을 포함하고 상기 보론의 농도는 0.3 내지 1.0 mg/L를 기준으로 조절하는 2단 역삼투 담수화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 분리관은 유입수 중 일부가 상기 1차 역삼투 모듈을 우회하도록 형성되거나 또는 1차 처리수 중 일부가 2차 역삼투 모듈을 우회하도록 형성되고, 상기 제어부는 분리수의 유량의 비율을 제어하는 2단 역삼투 담수화 장치.
- 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유입관에 마련되어 유입수의 특성을 측정하는 유입수 센서 및 상기 생산관에 마련되어 생산수의 특성을 측정하는 생산수 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 유입수 센서 및 생산수 센서에 의한 측정 결과를 이용하여 특정물질의 농도를 계산하고 이를 토대로 유체의 흐름을 제어하는
2단 역삼투 담수화 장치.
- 제5항에 있어서,
측정되는 유입수의 특성 및 생산수의 특성은 유체의 전도도와 온도와 pH와 유량 중 하나 이상을 포함하고,
상기 제어부는 상기 특성에 대한 측정 결과를 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 계산하여 이를 토대로 유체의 흐름을 제어하는
2단 역삼투 담수화 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 제어부는,
측정된 전도도를 이용하여 총 이온농도를 계산하고,
측정된 유량을 이용하여 회수율을 계산하고,
상기 총 이온농도 및 유량을 이용하여 역삼투막 통과속도를 계산하고,
상기 총 이온농도와 상기 회수율과 상기 역삼투막 통과속도와 측정된 온도를 토대로 특정물질의 농도를 계산하는
2단 역삼투 담수화 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 1차 역삼투 모듈 및 2차 역삼투 모듈의 특성에 따라 미리 계산된 상수를 사용하여 특정물질의 농도를 계산하고,
계산된 특정물질의 농도가 처리수질 기준을 만족하는지 판단하는
2단 역삼투 담수화 장치.
- 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈로 공급되는 역삼투수의 유량을 측정하는 역삼투수 센서 및 분리수의 유량을 측정하는 분리수 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 역삼투수 센서 및 분리수 센서에 의한 측정 결과를 이용하여 특정물질의 농도를 계산하고 이를 토대로 역삼투수의 유량과 분리수의 유량 비율을 조절하는
2단 역삼투 담수화 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 역삼투수의 유량을 조절하는 역삼투수 펌프 또는 분리수의 유량을 조절하는 분리수 펌프를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 역삼투수 펌프 또는 상기 분리수 펌프를 조절하여 유체의 흐름을 제어하는
2단 역삼투 담수화 장치.
- 유입수를 공급받아 1차 역삼투 모듈에서 담수 처리되는 단계와,
상기 1차 역삼투 모듈에서 처리된 1차 처리수를 공급받아 2차 역삼투 모듈에서 담수 처리되는 단계와,
유입수가 상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈에서 처리되지 않도록 분리수로 분기되는 단계와,
분리수가 혼합되어 최종 처리된 생산수가 통과되는 단계와,
제어부에서 상기 역삼투 모듈 또는 분기 과정에서의 유체의 흐름을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 유체 흐름 제어 단계는,
생산수의 특정물질의 농도를 계산하는 단계와,
계산된 농도를 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 일정 범위 내에서 유지되도록 유체의 유량을 제어하는 단계를 포함하는
2단 역삼투 담수화 방법.
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 농도 계산 단계는 보론의 농도를 계산하는 단계를 포함하고,
상기 유량 제어 단계는 상기 보론의 농도를 0.3 내지 1.0 mg/L를 기준으로 조절하는
2단 역삼투 담수화 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 유량 제어 단계는 분리수의 유량의 비율을 제어함으로써 생산수의 농도가 일정하게 유지되도록 하는
2단 역삼투 담수화 방법.
- 제11항, 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체 흐름 제어 단계는,
유입수의 특성 및 생산수의 특성을 측정하는 단계와,
측정된 특성을 토대로 생산수의 특정물질의 농도를 계산하는 단계와,
계산된 특정물질의 농도가 처리수질 기준을 만족하는지 판단하는 단계를
포함하는 2단 역삼투 담수화 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 특성을 측정하는 단계는,
유입수 및 생산수의 전도도와 온도와 pH와 유량 중 하나 이상을 측정하는 단계와,
상기 1차 역삼투 모듈 및 2차 역삼투 모듈의 특성에 따라 미리 계산된 상수를 사용하여 특정물질의 농도를 계산하는 단계를
포함하는 2단 역삼투 담수화 방법.
- 제11항, 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체 흐름 제어 단계는,
상기 1차 역삼투 모듈 또는 2차 역삼투 모듈로 공급되는 역삼투수의 유량 및 분리수의 유량을 측정하는 단계를 더 포함하고,
상기 유체 흐름 제어 단계는 측정된 유량을 이용하여 생산수의 특정물질의 농도를 계산하고 이를 토대로 역삼투수의 유량과 분리수의 유량 비율을 조절하는 단계를 포함하는
2단 역삼투 담수화 방법.
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