KR101054302B1 - 삼투압을 이용한 무동력 여과장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 삼투압을 유발시키고 유발된 삼투압을 에너지원으로 사용하여 순수 유체를 분리함으로써 별도의 에너지 공급 없이 여과 공정을 수행할 수 있는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치는 삼투 시스템과 여과 시스템으로 이루어지며, 상기 삼투 시스템은 삼투 매질을 사이에 둔 불순물 유체 공급조와 삼투압 유발유체 저장조로 구성되며, 상기 여과 시스템은 여과 매질을 사이에 둔 삼투압 유발유체 저장조와 순수 유체 저장조로 구성되며, 상기 삼투 시스템의 삼투압 발생에 의해, 상기 삼투압 유발유체 저장조에 불순물 유체 내의 순수 유체가 유입됨과 함께 상기 삼투압 유발유체 저장조에 삼투압이 인가되며, 상기 삼투압 유발유체 저장조에 인가된 삼투압이 상기 삼투압 유발유체 저장조 내의 유체에 작용하여, 상기 여과 매질에 의한 여과 과정이 진행되는 것을 특징으로 한다.

Description

삼투압을 이용한 무동력 여과장치 및 방법{Apparatus and method for filtration using osmotic pressure}
본 발명은 삼투압을 이용한 무동력 여과장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 삼투압을 유발시키고 유발된 삼투압을 에너지원으로 사용하여 순수 유체를 분리함으로써 별도의 에너지 공급 없이 여과 공정을 수행할 수 있는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치 및 방법에 관한 것이다.
불순물을 포함한 유체로부터 순수 유체를 분리하는 방법으로 증발법, 흡착법, 여과법, 전기분해 공정, 중력 분리법 등이 널리 활용되고 있다. 이 중, 역삼투막을 이용한 여과법이 가장 활발하게 사용되고 있으며, 증발법 또한 제거율이 높아 사용 빈도가 높다. 최근에는 정삼투막을 이용한 여과법, 아쿠아포린(aqua-porin) 또는 탄소나노튜브(nano-carbon tube)를 이용한 여과법, 막증류 공정(membrane distillation)에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
그러나, 이러한 종래의 순수 유체 분리방법은 에너지가 지속적으로 요구된다는 문제점이 있다. 에너지 사용을 저감하기 위해 공정 개선, 막 개발, 약품 투입 등의 방법이 제시되고 있으나, 에너지 사용에 대한 근본적인 해결책으로는 미흡하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 삼투압을 유발시키고 유발된 삼투압을 에너지원으로 사용하여 순수 유체를 분리함으로써 별도의 에너지 공급 없이 여과 공정을 수행할 수 있는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치는 삼투 시스템과 여과 시스템으로 이루어지며, 상기 삼투 시스템은 삼투 매질을 사이에 둔 불순물 유체 공급조와 삼투압 유발유체 저장조로 구성되며, 상기 여과 시스템은 여과 매질을 사이에 둔 삼투압 유발유체 저장조와 순수 유체 저장조로 구성되며, 상기 삼투 시스템의 삼투압 발생에 의해, 상기 삼투압 유발유체 저장조에 불순물 유체 내의 순수 유체가 유입됨과 함께 상기 삼투압 유발유체 저장조에 삼투압이 인가되며, 상기 삼투압 유발유체 저장조에 인가된 삼투압이 상기 삼투압 유발유체 저장조 내의 유체에 작용하여, 상기 여과 매질에 의한 여과 과정이 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기 삼투압 유발유체의 불순물 농도는 상기 불순물 유체의 불순물 농도보다 높으며, 상기 불순물 유체는 오염물을 포함하는 액체 또는 유해 분자를 포함하는 기체일 수 있다.
상기 삼투 매질은 삼투압을 유발시키는 매질로 이루어지며, 상기 여과 매질은 상기 삼투 매질보다 투과성이 높을 수 있다. 상기 불순물 유체가 유해 분자를 포함하는 기체인 경우, 상기 삼투 매질은 복수의 기공을 구비하며, 상기 기공은 상기 유해 분자의 크기보다 작아야 한다.
본 발명에 따른 삼투압을 이용한 여과방법은 한정된 부피를 갖는 삼투압 유발유체 저장조 내에 삼투압 유발유체가 구비되고, 상기 삼투압 유발유체 저장조의 양단에 각각 삼투 매질과 여과 매질이 구비되며, 상기 삼투 매질의 일측에 불순물 유체 저장조가 구비되는 여과장치를 통한 삼투압을 이용한 여과방법에 있어서, 상기 삼투 매질을 매개로 불순물 유체와 삼투압 유발유체 사이에 삼투압이 발생되는 단계와, 상기 삼투압 발생에 의해 불순물 유체 내의 순수 유체가 상기 삼투압 유발유체 저장조 내에 유입됨과 함께 상기 삼투압 유발유체 저장조 내에 삼투압이 인가되는 단계 및 상기 삼투압 유발유체 저장조 내의 유체에 삼투압이 인가되어 상기 여과 매질에 의한 여과 과정이 진행되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
삼투 시스템과 여과 시스템이 순차적으로 배치된 상태에서, 삼투 시스템에 의해 발생된 삼투압이 여과 시스템에 인가되도록 함으로써 여과 과정시 별도의 동력이 요구되지 않은 채 여과 과정을 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치의 구성도.
본 발명은 삼투 시스템을 통해 삼투압을 유발시키고, 발생된 삼투압을 에너지원으로 이용하여 순수 유체를 분리함에 특징이 있다. 삼투압을 유도하고 해당 삼투압이 여과 공정의 에너지원으로 사용됨에 따라, 여과 공정을 위한 별도의 동력이 요구되지 않는다. 이와 같은 본 발명의 여과 장치는 하폐수와 같은 액체뿐만 아니라 기체 내의 특정 분자를 분리하는 공정에도 적용이 가능하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치는 불순물 유체 공급조(110), 삼투 매질(140), 삼투압 유발유체 저장조(120), 여과 매질(150) 및 순수 유체 배출조(130)의 조합으로 이루어진다.
상기 불순물 유체 공급조(110), 삼투 매질(140) 및 삼투압 유발유체 저장조(120)는 삼투 시스템을 이룬다. 또한, 상기 삼투압 유발유체 저장조(120), 여과 매질(150) 및 순수 유체 배출조(130)는 여과 시스템을 이룬다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 불순물 유체 공급조라는 별도의 수단 없이 불순물 유체 자체가 상기 삼투 매질에 접할 수 있다. 이 경우, 상기 불순물 유체는 대기, 바닷물 등이 될 수 있다. 또한, 상기 순수 유체 배출조 역시 선택적으로 구비될 수 있다.
상기 불순물 유체 공급조(110)와 삼투압 유발유체 저장조(120) 사이에 삼투 매질(140)이 구비되어 불순물 유체와 삼투압 유발유체 사이에 삼투압이 유발되는 구조를 이룬다. 상기 삼투 매질(140)을 통한 삼투압 유발이 이루어지기 위해 삼투압 유발유체의 농도(DP)가 상기 불순물 유체의 농도(DI)보다 높아야 하며(DP>DI), 삼투압 유발유체의 농도(DP)가 상기 불순물 유체의 농도(DI)보다 높음에 따라 상기 삼투압 유발유체에 삼투압이 인가된다.
한편, 상기 삼투 매질(140)은 삼투압 유발과 함께 불순물 유체 내에 포함되어 있는 불순물을 걸러내는 역할을 한다. 이에 따라, 불순물 유체 내의 불순물은 삼투 매질(140)에 의해 걸러지고, 불순물 유체 내의 순수 유체는 삼투압에 의해 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)로 이동된다.
상기 삼투 시스템(불순물 유체 공급조(110), 삼투 매질(140) 및 삼투압 유발유체 저장조(120))에 의해 삼투압이 발생됨과 함께 불순물 유체의 순수 유체가 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)에 유입되면, 상기 여과 시스템(삼투압 유발유체 저장조(120), 여과 매질(150) 및 순수 유체 배출조(130))에 의한 여과 과정이 진행된다. 이를 위해 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)는 한정된 부피를 갖는 공간으로 전제된다.
상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내에 삼투압이 작용함과 함께 순수 유체가 유입되면, 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)가 한정된 부피를 갖음에 따라 상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내의 유체에 삼투압이 인가된다. 상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내에 작용된 삼투압은 나아가 상기 여과 매질(150)에 작용되며, 상기 여과 매질(150)에 압력이 작용함에 따라 상기 여과 매질에 의한 여과 과정이 가능하게 되고 이를 통해 순수 유체를 걸러낼 수 있게 된다.
이 때, 상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내에 순수 유체가 유입됨으로 인해 삼투압 유발유체의 불순물 농도가 일시적으로 저하될 수 있으나, 삼투압 유발유체 저장조(120)가 한정된 부피를 갖고 인가된 삼투압에 의해 유체가 즉각 순수 유체 배출조(130)로 유출됨과 함께 상기 여과 매질(150)에 의해 순수 유체만이 유출됨에 따라, 상기 삼투압 유발유체의 불순물 농도는 항상 일정하게 유지된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치는 액체 또는 기체 여과에 모두 적용 가능하다. 액체에 적용하는 경우, 상기 불순물 유체는 하폐수 등의 오염 액체가 될 수 있으며, 상기 삼투압 유발유체는 오염 액체보다 상대적으로 높은 불순물 농도를 갖는 액체 예를 들어, NaCl 수용액 등이 될 수 있다. 또한, 상기 삼투 매질(140)로는 삼투막이 사용될 수 있으며, 상기 여과 매질(150)은 상기 삼투 매질(140)보다 투과성이 높은 여과막으로 구성될 수 있다.
한편, 기체에 적용하는 경우, 본 발명에 따른 삼투압을 이용한 무동력 여과장치는 오염 기체 내의 특정 분자를 여과하는 용도로 사용된다. 구체적으로, SF6와 같은 유해 가스를 걸러내기 위한 목적으로 사용될 수 있으며, 이를 위해 삼투 매질(140)은 삼투압 유발과 함께 특정 분자를 여과하는 특성을 구비해야 한다. 이 경우, 삼투 매질(140)은 복수의 기공을 구비하며 해당 기공은 특정 분자(예를 들어, SF6)의 크기보다 작아야 한다. 또한, 삼투압 유발유체로는 오염 기체보다 불순물 농도가 높은 기체가 사용된다.
110 : 불순물 유체 공급조
120 : 삼투압 유발유체 저장조
130 : 순수 유체 배출조
140 : 삼투 매질
150 : 여과 매질

Claims (17)

  1. 삼투압 유발유체를 저장하는 삼투압 유발유체 저장조(120);
    상기 삼투압 유발유체 저장조(120)의 일단에 구비된 삼투 매질(140);
    상기 삼투압 유발유체 저장조(120)의 다른 일단에 구비된 여과 매질(150);
    상기 삼투 매질(140)은 불순물 유체와 접하며, 상기 삼투압 유발유체는 상기 불순물 유체의 불순물 농도보다 높으며,
    상기 삼투 매질(140)을 매개로 상기 삼투압 유발유체와 불순물 유체 사이에 삼투압이 발생되며, 삼투압 발생에 의해, 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)에 불순물 유체 내의 순수 유체가 유입됨과 함께 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)에 삼투압이 인가되며,
    상기 삼투압 유발유체 저장조(120)에 인가된 삼투압이 상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내의 유체에 작용하여, 상기 여과 매질(150)에 의한 여과 과정이 진행되는 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 불순물 유체는 오염물을 포함하는 액체 또는 유해 분자를 포함하는 기체인 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 삼투 매질(140)은 삼투압을 유발시키는 매질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 여과 매질(150)은 상기 삼투 매질(140)보다 투과성이 높은 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 불순물 유체가 유해 분자를 포함하는 기체인 경우,
    상기 삼투 매질(140)은 복수의 기공을 구비하며, 상기 기공은 상기 유해 분자의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  6. 삼투 시스템과 여과 시스템으로 이루어지며,
    상기 삼투 시스템은 삼투 매질(140)을 사이에 둔 불순물 유체 공급조(110)와 삼투압 유발유체 저장조(120)로 구성되며, 상기 여과 시스템은 여과 매질(150)을 사이에 둔 삼투압 유발유체 저장조(120)와 순수 유체 배출조(130)로 구성되며,
    상기 삼투 시스템의 삼투압 발생에 의해, 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)에 불순물 유체 내의 순수 유체가 유입됨과 함께 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)에 삼투압이 인가되며,
    상기 삼투압 유발유체 저장조(120)에 인가된 삼투압이 상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내의 유체에 작용하여, 상기 여과 매질(150)에 의한 여과 과정이 진행되는 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 삼투압 유발유체의 불순물 농도는 상기 불순물 유체의 불순물 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 불순물 유체는 오염물을 포함하는 액체 또는 유해 분자를 포함하는 기체인 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 삼투 매질(140)은 삼투압을 유발시키는 매질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 여과 매질(150)은 상기 삼투 매질(140)보다 투과성이 높은 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 불순물 유체가 유해 분자를 포함하는 기체인 경우,
    상기 삼투 매질(140)은 복수의 기공을 구비하며, 상기 기공은 상기 유해 분자의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과장치.
  12. 한정된 부피를 갖는 삼투압 유발유체 저장조(120) 내에 삼투압 유발유체가 구비되고, 상기 삼투압 유발유체 저장조(120)의 양단에 각각 삼투 매질(140)과 여과 매질(150)이 구비되며, 상기 삼투 매질(140)의 일측에 불순물 유체 공급조(110)가 구비되는 여과장치를 통한 삼투압을 이용한 여과방법에 있어서,
    상기 삼투 매질(140)을 매개로 불순물 유체와 삼투압 유발유체 사이에 삼투압이 발생되는 단계;
    상기 삼투압 발생에 의해 불순물 유체 내의 순수 유체가 상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내에 유입됨과 함께 상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내에 삼투압이 인가되는 단계; 및
    상기 삼투압 유발유체 저장조(120) 내의 유체에 삼투압이 인가되어 상기 여과 매질(150)에 의한 여과 과정이 진행되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 여과방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 삼투압 유발유체의 불순물 농도는 상기 불순물 유체의 불순물 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 불순물 유체는 오염물을 포함하는 액체 또는 유해 분자를 포함하는 기체인 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 삼투 매질(140)은 삼투압을 유발시키는 매질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 여과 매질(150)은 상기 삼투 매질(140)보다 투과성이 높은 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 불순물 유체가 유해 분자를 포함하는 기체인 경우,
    상기 삼투 매질(140)은 복수의 기공을 구비하며, 상기 기공은 상기 유해 분자의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 삼투압을 이용한 무동력 여과방법.
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