KR101094732B1 - 전기흡착식 수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응기의 스택모듈에 유로의 흐름이 서로 반대인 두 개의 유로가 형성된 전기흡착식 수처리장치에 관한 것이다. 개시발명은 단위 셀이 적층되어 형성되는 스택모듈을 포함하는 전기흡착식 수처리장치에 있어서, 스택모듈에는 원수가 서로 반대방향으로 흐르도록 된 메인유로와 보조유로가 형성된다. 따라서, 수중 무기이온의 농도가 높은 기수 및 해수 등을 처리하는 과정 중 스택모듈에서 원수의 전기분해가 일어나는 것을 방지할 수 있고, 재생공정 시에도 재생효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

전기흡착식 수처리장치{Electrosorptive Water Treatment Apparatus}

본 발명은 전기흡착식 수처리장치에 관한 것으로, 특히 반응기의 스택모듈에 원수의 흐름이 서로 반대인 두 개의 유로가 형성된 전기흡착식 수처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 수중 무기이온을 제거하는 방법에는 응집법, 이온교환수지법, 역삼투막법, 전기투석, 증발 응축법, 전기영동 등 다양한 방법이 있다. 그러나, 이들 방법은 처리장치의 복잡성 및 에너지 소비량이 많고 2차 오염원수질의 발생 문제 등 운전 및 유지관리에 있어서 어려움이 많다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 전기화학적 흡·탈착 원리를 이용한 수처리 방법이 개발되어 사용되고 있다. 이 방법은 무기이온 농도가 낮은 원수의 처리에는 일부 적용되고 있으나, 고농도 무기이온을 가지고 있는 기수(汽水, brackish water)나 해수(海水, sea water)를 처리하는데에는 기술적으로 많은 문제점을 가지고 있다.

종래에 고농도 무기이온이 함유된 원수을 처리하기 위한 전기흡착식 수처리장치가 도 1에 도시되어 있다.

종래기술에 따른 전기흡착식 수처리장치는, 원수 저장탱크(10), 스택모듈(20), 및 처리수 저장탱크(30)를 포함하여 이루어진다. 스택모듈(20)들은 다단으로 연결되어 있으며, 각 스택모듈(20)에는 원수를 한 방향으로만 흐르도록 하는 하나의 유로(w)만이 형성되며, 각 스택모듈(20)에 형성된 유로들은 서로 연결된다.

이와 같이 구성된 종래기술에 따른 전기흡착식 수처리장치에 의하면, 원수 저장탱크(10)로부터 공급되는 원수은 다단의 스택모듈(20)에 형성된 유로를 따라 흐르면서 각 스택모듈(20)에서 무기이온들이 제거된 후 처리수 저장탱크(30)로 이송된다.

그러나, 상기와 같은 구성과 작용을 갖는 종래의 전기흡착식 수처리장치에 의하면, 원수 저장탱크로부터 가장 가까이에 있는 전단의 스택모듈부터 수중 무기이온의 처리가 진행되어 포화가 이루어지면 다음 스택모듈에서 순차적으로 무기이온의 처리가 이루어진다.

이와 같이 탈염반응이 이루어지게 되면, 초기에는 전단의 스택모듈을 제외한 나머지 스택모듈들에서 무기이온의 농도가 과도하게 낮아져 흡착반응이 아닌 전기화학적 산화환원반응 즉, 원수의 전기분해가 일어나게 된다. 원수의 전기분해가 진행되면 과도한 에너지 소비가 발생하게 되고 탈염반응기의 효율이 크게 떨어지게 된다.

또한, 탈염반응기 스택모듈의 재생공정에서도 전단의 스택모듈의 재생 폐액이 다음 단의 재생수로 이용되어 스택모듈의 완전 재생이 어렵고 재생시간이 많이 소요되는등 여러 가지 문제점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 수중 무기이온의 농도가 높은 기수 및 해수 등을 처리하는 과정 중 스택모듈에서 원수의 전기분해가 일어나는 것을 방지하고, 재생공정 시에도 재생효율을 향상시킬 수 있는 전기흡착식 수처리장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명 전기흡착식 수처리장치는, 단위 셀이 적층되어 형성되는 스택모듈을 포함하는 전기흡착식 수처리장치에 있어서, 스택모듈에는 원수가 서로 반대방향으로 흐르도록 된 메인유로와 보조유로가 형성된다.

상기 스택모듈은 복수 개가 구비되어 상,하방향으로 연결되거나 옆으로 나란히 연결된다.

상기 스택모듈의 메인유로측에는 전기전도도값을 측정하는 전기전도도계가 설치되고, 전기전도도계는 제어기와 연결된다.

상기 각 스택모듈에는 전원공급장치가 각각 연결되어 전압을 인가한다.

상기 제어기에는 유량조절용 펌프가 전기적으로 연결되어, 보조유로를 통한 원수의 흐름을 제어한다.

상기 메인유로는 스택모듈의 일측을 따라 흐르고 보조유로는 메인유로의 타측을 따라 흐르도록 할 수 있다.

상기 메인유로와 보조유로는 일측 및 타측을 따라 번갈아가면서 흐르면서 각 스택모듈에 구비된 단위 셀의 스페이스에서 교차하도록 구성할 수도 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 전기흡착식 수처리장치에 의하면, 수중 고농도의 무기이온을 함유한 원수를 처리하기 위해서 스택모듈의 유로를 유체의 방향이 서로 반대인 이중 유로로 구성하고 각 스택모듈별로 전원공급장치를 구비함으로써, 후단에 위치된 스택모듈들에서 원수의 전기분해반응이 일어나는 현상을 방지하여 수처리 효율을 크게 증대시킬 수 있고, 재생 공정 시에도 재생효율을 크게 증대시킬 수 있다.

또한, 수중 고농도 무기이온을 함유하고 있는 원수로부터 담수를 생산하는데 있어서 현재 널리 이용되고 있는 기존의 증발법이나 역삼투막법과 비교하여 에너지 소비량 등이 현저히 낮아 고효율 저비용으로 담수를 생산할 수 있도 있다.

또한, 보조유로를 따라 흐르는 원수가 다시 원수 저장탱크로 유입되도록 이루어짐으로써, 전기흡착식 수처리장치의 무기이온 처리 부하를 크게 경감하는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기흡착식 수처리장치를 나타낸 개략도이다.

본 발명에 따른 전기흡착식 수처리장치는, 원수 저장탱크(100), 스택모듈(200), 처리수 저장탱크(300), 전기 전도도계(400), 제어기(500)를 포함한다.

상기 원수 저장탱크(100)는 기수나 해수로부터 공급되는 물(이하, ‘원수’라한다)을 저장한 후 스택모듈(200)로 공급해준다.

상기 처리수 저장탱크(300)는 스택모듈(200)을 통과하면서 원수에 포함된 무기이온이 제거된 정수된 원수을 공급받아 저장한다.

상기 스택모듈(200)은 원수에 포함된 무기이온을 흡착 분리하는 것으로, 직렬로 즉 상,하로 복수 개가 연결되며 무기이온의 농도에 따라 그 수가 조정될 수 있다. 스택모듈(200)의 연결형태는 병렬로 즉, 옆으로 나란히 연결될 수도 있다.

스택모듈(200)의 내부는 하나 또는 복수 개의 전기화학적 단위 셀로 구성된다. 이러한 스택모듈(200)에는 서로 반대 방향으로 흐르는 두 개의 유로(P1)(P2), 즉 메인유로(P1)와 보조유로(P2)가 형성된다.

상기 전기 전도도계(400)는 메인유로(P1) 상에 설치되어 메인유로(P1)를 따 라 흐르는 원수의 전도도값을 측정하여 제어기(500)로 전달해준다.

상기 제어기(500)는 전기 전도도계(400)로부터 전송되는 원수의 전도도값의 신호를 입력받은 후 미리 입력된 내부명령에 따라 유량조절용 펌프(600)에 명령신호를 보내 메인유로(P1)의 유량대비 0~50%의 범위 내에서 최적의 유량이 보조유로(P2)를 따라 흐르도록 제어한다.

도 3은 도 2의 각 스택모듈에 전원공급장치가 연결된 모습을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 전기흡착식 수처리장치는, 전원공급장치(700)를 더 포함한다.

상기 전원공급장치(700)는 각 스택모듈(200) 별로 구비되어 원수 저장탱크(100)로부터 공급되는 공급수의 무기이온농도, 유량 등에 따라 각 스택모듈(200)에 전압을 인가할 수 있도록 구성된다. 이 때, 전원공급장치(700)는 하나만 구비되어 다수의 스택모듈(200)에 전압을 인가하게 구성할 수도 있다.

도 4는 도 2의 각 스택모듈을 구성하는 셀의 단면도이다.

상기 스택모듈(200)을 구성하는 단위 셀(210)은, 흡착전극(211)(212), 이온 교환막(213)(214), 스페이서(215), 및 집전체(216)(217)로 구성된다.

상기 흡착전극(211)(212)은 직접적으로 수중의 음이온을 흡착 분리하는 음이온 탄소전극(211)과, 양이온을 흡착 분리하는 양이온 탄소전극(212)으로 구성된다.

상기 이온 교환막(213)(214)은 수중의 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막(213)과, 양이온을 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막(214)으로 구성된다. 음이온 교환막(213)은 음이온 탄소전극(211)에 접하고, 양이온 교환막(214)은 양이온 탄소전극(212)에 접한다.

상기 스페이서(215)는 원수의 유로를 형성하는 것으로, 망의 형태로 형성되며 가스켓(미도시)으로 둘러싸여 외부와의 원수의 유출입을 방지한다.

상기 집전체(216)(217)는 상기 전원공급장치(700)로부터 공급되는 직류전압을 인가받아 각 탄소전극(211)(212)에 전압을 인가해주는 것으로, 각 탄소전극(211)(212)과 면접촉됨으로써 탄소전극(211)(212) 전체에 고르게 1~3V의 직류전압을 인가해준다.

도 5는 도 2의 스택모듈에 유로가 형성된 일 예를 보인 단면도이고, 도 6은 도 2의 스택모듈에 유로가 형성된 다른 예를 보인 단면도이다.

상기 각 스택모듈(200)에는 서로 반대방향으로 흐르는 메인유로(P1)와 보조유로(P2)가 형성된다. 도 5에서와 같이 메인유로(P1)를 스택모듈(200)의 일측을 따라 흐르도록 하고 보조유로(P2)를 메인유로(P1)의 타측을 따라 흐르도록 구성할 수 있다. 또한, 도 6에서와 같이 메인유로(P1)와 보조유로(P2)를 단위 셀(210)의 스페이서(215)를 기준으로 스택모듈(200)의 일측과 타측을 번갈아 가면서 흐르도록 구성하고, 스페이서(215)에서 서로 교차되도록 구성할 수 있다.

이하에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기흡착식 수처리장치의 작용을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 고농도의 무기이온을 함유한 원수는 원수 저장탱크(100)로부터 원수 이송펌프(미도시)에 의해 메인유로(P1)를 따라 흐르게 되고, 그 과정에서 단위 셀(210)의 각 탄소전극(211)(212)에 무기이온이 흡착 분리된다. 이 과정에서 각 단위 셀(210)의 집전체(216)(217)에는 전원공급장치(700)로부터 1~3V의 전압이 인가되고, 집전체(216)(217)에 인가된 전압은 이와 면접촉되는 각 탄소전극(211)(212)으로 인가된다.

원수 저장탱크(100)로부터 공급되는 원수는 각 스택모듈(200)의 일측에 형성된 메인유로(P1)를 따라 흐르면서 각 스택모듈(200)을 구성하는 단위 셀(210)의 스페이서(215)로 보내지고, 원수에 포함된 무기이온 중 음이온은 음이온 교환막(213)을 통해 음이온 탄소전극(211)에 흡착되고, 양이온은 양이온 교환막(214)을 통해 양이온 탄소전극(212)에 흡착된다. 각 스택모듈(200)을 통과하면서 처리된 원수는 처리수 저장탱크(300)에 저장된다.

상기와 같이 메인유로(P1)를 따라 원수가 유입되어 수처리되는 과정에서 메인유로(P1) 상에 설치된 전기 전도도계(400)에서 전기 전도도값이 측정되고 그 값이 제어기(500)로 전송된다. 제어기로 전송된 전기 전도도값이 미리 입력된 값과 다를 경우, 유량조절용 펌프(600)가 작동하여 보조유로(P2)를 통해 메인유로(P1)와 반대방향으로 원수를 이송함으로써 전기 전도도값이 일정하게 유지되도록 조정하게 된다. 이 때, 보조유로(P2)를 통해 흐르는 유량은 메인유로(P1)를 통해 흐르는 유 량의 체적대비 0~50%을 차지한다.

보조유로(P2)를 통해 이송되는 원수는 원수 저장탱크(100)로부터 공급된 후 스택모듈(200)을 거쳐 다시 원수 저장탱크(100)로 보내진다. 이처럼 보조유로를 따라 흐르는 원수가 다시 원수 저장탱크(100)로 유입됨으로써 본 발명 전기흡착식 수처리장치의 무기이온 처리 부하를 크게 경감하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 메인유로(P1)와 보조유로(P2)의 경로는 도 5에서와 같이 직렬로 연결 즉, 양 유로(P1)(P2)가 개별적으로 흐르도록 형성할 수도 있고, 도 6에서와 같이 병렬로 연결 즉, 스페이서(215)를 통해 양 유로(P1)(P2)가 교차되게 형성할 수도 있다.

도 5에서와 같이 두 유로(P1)(P2)가 직렬로 연결된 경우에는 보조 유로(P2)가 각 스택모듈(200)의 타측을 따라 흐르면서 원수를 보충하게 되고, 도 6에서와 같이 두 유로(P1)(P2)가 병렬로 연결된 경우에는 보조 유로(P2)가 단위 셀(210)의 스페이서(215)를 기준으로 스택모듈(200)의 일측 및 타측을 따라 번갈아 흐르면서 흘러 원수를 보충하게 된다. 보조유로(P2)를 통해 공급되는 원수의 무기이온 처리과정은 메인유로(P1)를 통해 공급되는 원수의 무기이온 처리과정과 동일하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 기재된 범주내에서 변경할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전기흡착식 수처리장치를 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기흡착식 수처리장치를 나타낸 개략도.

도 3은 도 2의 각 스택모듈에 전원공급장치가 연결된 모습을 나타낸 도면.

도 4는 도 2의 각 스택모듈을 구성하는 셀의 단면도.

도 5는 도 2의 스택모듈에 유로가 형성된 일 예를 보인 단면도.

도 6은 도 2의 스택모듈에 유로가 형성된 다른 예를 보인 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 원수 저장탱크 200 : 스택모듈

210 : 단위 셀 211 : 음이온 탄소전극

212 : 양이온 탄소전극 213 : 양이온 교환막

214 : 음이온 교환막 215 : 스페이서

216 : 가스켓 217, 218 : 집전체

300 : 처리수 저장탱크 400 : 전기 전도도계

500 : 제어기 600 : 유량 조절용 펌프

700 : 전원공급장치

Claims (7)

1. 단위 셀이 적층되어 형성되는 스택모듈을 포함하는 전기흡착식 수처리장치에 있어서,

   상기 스택모듈에는 원수가 서로 반대방향으로 흐르도록 된 메인유로와 보조유로가 형성된 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스택모듈은 복수 개가 구비되어 상,하방향으로 연결되거나 옆으로 나란히 연결되는 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 스택모듈의 메인유로측에 설치되어 전기전도도값을 측정하는 전기전도도계와, 상기 전기전도도계와 연결된 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 각 스택모듈에 각각 전압을 인가하는 전원공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제어기와 전기적으로 연결되어, 상기 보조유로를 통한 원수의 흐름을 제어하는 유량조절용 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 메인유로는 상기 스택모듈의 일측을 따라 흐르고 상기 보조유로는 상기 메인유로의 타측을 따라 흐르는 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 메인유로와 보조유로는 일측 및 타측을 따라 번갈아가면서 흐르면서 상기 각 스택모듈에 구비된 상기 단위 셀의 스페이스에서 교차하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전기흡착식 수처리장치.

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