KR101179489B1 - 정삼투 현상을 이용한 저에너지형 수처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정삼투 현상을 이용한 저에너지형 수처리 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 수처리 시스템은 종래 정수, 하수, 폐수처리등을 포함한 모든 수처리 공정에서 오염된 막을 세척하기 위하여 펌프를 이용하여 강산, 강염기성 물질의 세척용액을 막여과 방향과 반대방향으로 공급하는 화학적 및 물리적 역세(逆洗)공정 대신에, 정삼투 현상을 이용하여 막분리 공정을 수행함으로써, 전체 수처리공정 상, 역세공정시 소모되는 20% 수준의 에너지를 절감할 수 있다. 또한, 본 발명은 환경친화적이고 막의 내구성 및 내화학성 등의 막 특성을 유지하면서, 에너지 소모량이 적은 저비용, 저에너지형의 수처리 시스템을 제공함으로써, 전체적인 공정수행시, 생산비용 및 유지비용을 절감할 수 있다.

수처리 시스템, 역세공정, 정삼투막, 정삼투막 모듈

Description

정삼투 현상을 이용한 저에너지형 수처리 시스템{LOW-ENERGY SYSTEM FOR PURIFYING WASTE WATER USING FORWARD OSMOSIS}

본 발명은 정삼투 현상을 이용한 저에너지형 수처리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래 펌프를 사용하여 오염된 막을 세척하는 역세공정 대신에, 원수와 상기 원수보다 고농도의 화학처리수를 막에 접촉시켜, 원수에서 화학처리수로 물이 유입되는 정삼투 현상을 이용하여 막분리 공정을 수행함으로써, 환경친화적이고 저에너지형 수처리 시스템에 관한 것이다.

물과 에너지는 인류의 생존을 좌우하는 중요한 자원으로서, 유엔보고서에 따르면 2025년에는 78억 인구의 38%, 2050년에는 94억 인구의 42%가 물 부족으로 고통을 겪을 것으로 전망하고 있다.

또한, 세계 경제가 당면한 문제는 물 부족뿐만 아니라, 에너지 부족으로, 화석 연료의 고갈에 따른 고유가뿐만 아니라 화석원료 사용으로 인한 지구온난화, 그에 따른 탄소 배출권 제한에 이르기까지 에너지 문제해소가 국가경쟁력이 되고 있다. 이에, 물 부족해소와 더불어 에너지 문제를 해소할 수 있는 신재생에너지 기술개발에 국가간 경쟁이 치열하다.

현재 담수 생산방법은 열원을 이용해 해수를 가열하고 발생한 증기를 응축시켜 담수를 얻는 다단증발법, 해수에 높은 압력을 가해 삼투현상(Osmosis)을 역으로 이용하여 해수를 반투막(Semi-permeable Membrane)을 통과시켜 담수를 생산하는 역삼투법(Reverse Osmosis), 다단증발법과 비슷하지만 중간 규모의 설비에 적합한 다단효용증발법 등으로 크게 분류된다.

상기 다단증발법은 태양열을 이용하여 염수를 가열하고 챔버 안에 공기를 주입하고 온도를 100℃이하, 약 80℃ 정도로 가열하여, 해수가 끓게 되면, 물은 증기로 기화되고 냉각 코일로 통과시켜 압축하면 담수를 얻는 방식이다. 이때, 남겨진 농축된 소금 용액은 공장으로 보내져 소금으로 이용될 수 있으나, 상기 방법은 대부분 60～100℃의 높은 온도와 에너지가 요구된다.

역삼투법은 현재 해수담수화 방식 중에서 50%를 차지하고 있으며, 2015년에는 전체의 61%를 차지할 것으로 예상되고 있다. 그러나, 역삼투법은 담수화 설비에 의해 생산된 물의 비용이 1,000갤런 당 최소 2달러 이상으로, 일반 수처리 설비에서의 비용보다 2 배에 달하고 있으며 상기 비용의 대부분은 에너지 비용이라 할 수 있다. 또한, 역삼투법은 해수에서 약 35～50%의 담수를 회수하며, 나머지는 염수 농축액으로 얻어지는데, 해안의 경우 다시 염수 농축액이 바다로 버려진다. 이럴 경우 육지에서 근처 음용수에 문제를 일으킬 수 있다.

그러나 전 세계적인 식수난으로 인해 해수로부터 음용수를 만들어 내는 탈염기술이 주목받고 있는 상황에서도, 대부분의 식수 부족 국가는 비용이 상대적으로 많이 들기 때문에 전형적인 탈염기술인 역삼투압법을 이용할 수 없다.

따라서 최근 저에너지형의 수처리 기술로서, 깨끗한 물에 대한 수요 및 저렴하면서도 지속가능한 에너지를 모두 충족시킬 수 있는 삼투(osmosis)가 대두되고 있다. 즉, 정 삼투압 현상을 이용한 해수담수화(forward osmosis desalination) 기술은 종래 역삼투압을 이용한 담수화 기술이 고압을 이용하여 해수가 반투막을 통과하도록 하여 소금을 걸러내는 반면, 반투막에서 물의 자연스러운 확산을 활용한 정 삼투압(forward osmosis)법을 이용하여, 오염된 물로부터 순수한 물과 농축된 염을 포함한 용액으로 분리하고, 얻어진 염은 저온처리를 통해 쉽게 제거하는 것이다. 즉, 막 한 쪽에는 소금물이 있고, 다른 한 쪽의 담수는 암모니아 및 이산화탄소를 첨가하여 고농도의 용액으로 만들어 멤브레인 막을 이용하여 걸러내는 것이다. 이때, 소금물보다 농도가 10배나 높기 때문에 물은 해수에서 담수로 흐르게 된다. 상기 담수를 58℃로 가열하여 이산화탄소와 암모니아를 증발시키면 순수한 담수만 얻을 수 있다. 이러한 정 삼투압(forward osmosis)법을 이용한 경우는 역삼투법을 이용한 경우보다 에너지 소비율이 1/10으로 감소한다고 보고하고 있다.

이외에도 종래의 수처리막은 오염된 원수로부터 정제된 생산수를 얻는 동안 파울링이라 불리는 막오염 현상을 불가피하게 경험하게 된다. 이러한 막오염 현상은 대개 원수속의 오염원이 막표면에 흡착하여 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 막 표면의 오염은 여과시 작용하는 압력를 상승시키고 생산수량을 점차 감소시켜 막여과 공정에 심각한 악영향을 주게 된다.

이러한 공정중 막오염 현상을 방지하기 위해 통상의 수처리 운전은 역세공정을 삽입하여 막표면에 흡착된 오염물을 제거하게 되는데 이때, 역세공정은 산, 염기성 물질을 포함한 수용액을 막여과 방향과 반대방향으로 공급하고 산, 염기성 물질에 의해 표면에 부착된 오염원을 부식, 제거하게 된다. 그러나 상기의 NaOCl등의 강산 또는 강염기성 물질에 의한 역세척은 막의 내화학성을 크게 약화시켜 장기적인 관점에서 막의 내구성을 훼손하며, 이러한 역세공정은 세척용액을 막여과 방향과 반대방향으로 공급할 때 필연적으로 펌프가 사용된다. 이 과정은 전체 수처리공정의 20% 에너지가 소모된다는 보고가 있다. 따라서, 종래의 수처리 기술은 화학 약품이 많이 들어가고, 다량의 에너지가 투입된다. 따라서, 환경친화적이고 에너지 소모량이 적은 저비용, 저에너지의 새로운 수처리 기술이 요구된다.

이에, 본 발명자들은 저에너지형의 수처리 기술을 확립하고자 노력한 결과, 종래의 다양한 막분리 공정 상 역세공정에 정삼투법으로 응용하여 에너지 소모를 최소화함으로써, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 종래 수처리 시스템 내 수행되는 역세공정 대신에, 정삼투 현상을 이용하여 막분리공정을 수행하는 저에너지형 수처리 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수처리 시스템에 적용되는 정삼투막 모듈을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원수탱크, 전처리조, 수처리조 및 정수탱크를 거쳐 수행되는 수처리 시스템에 있어서, 상기 수처리조의 배출구와 연결되는 일정 지점에 정삼투막 모듈이 설치되고, 상기 정삼투막 모듈에서 발생되는 정삼투에 의해 수처리조내 분리막의 오염물질이 분리제거되는 수처리 시스템을 제공한다.

본 발명의 수처리 시스템에 있어서, 정삼투막 모듈은 원수와 상기 원수보다 고농도의 화학처리수가 정삼투막에 접촉되도록 설계되며, 더욱 구체적으로는 상기 정삼투막 모듈이 정삼투막을 통해 원수에서부터 화학처리수로 물이 진행되어 수처리조에 유입되도록 설계되어 정삼투를 이용하여 수처리조내 분리막을 세척한다.

본 발명의 수처리 시스템에 사용되는 정삼투막은 관형, 판형 또는 나권형의 막일 수 있다.

이때, 본 발명의 수처리 시스템은 정삼투를 연속적으로 유지하기 위하여, 상기 정삼투막 모듈의 일방에 세정제함유 화학처리수가 연속적으로 자동공급제어되도록 처리수유입구가 설치된다.

또한, 상기 정삼투막 모듈의 원수가 연속적으로 자동공급제어되도록 원수탱크로부터 연결된 원수유입밸브로부터 제공된다.

본 발명의 수처리 시스템은 정수 또는 하수 및 폐수처리 등의 수처리시스템에서 펌프를 이용한 역세공정이 수행되는 전 수처리 시스템에 적용할 수 있다. 이에, 본 발명에서 사용되는 수처리조 내의 분리막은 정밀여과막, 한외여과막 및 역삼투막으로부터 선택되는 단일 막 또는 이들의 혼합 막이 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 수처리 시스템에 적용가능한 정삼투 모듈을 제공한다.

바람직한 제1실시형태로는 용기 본체 및 상기 용기 본체 내부에 적어도 하나이상의 관형의 막에 의하여 용기 본체 내부의 공간이 분리되되, 상기 관형의 막에 의해 분리된 용기 본체의 중앙부에 세정제함유 화학처리수가 유입되고, 상기 용기 중앙부를 제외한 용기외곽부에 원수가 유입되어 상기 세정제함유 화학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈을 제공한다.

바람직한 제2실시형태로는 용기 본체 및 상기 용기 본체 내부에 적어도 하나의 판형의 막에 의하여 용기 본체 내부의 공간이 적어도 하나 이상으로 분리되되, 상기 판형의 막에 의해 분리된 용기 본체 하단부에 원수가 유입되고, 용기 본체 상단부에 세정제함유 화학처리수가 유입되어 상기 세정제함유 화학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈을 제공한다.

바람직한 제3실시형태로는 용기 본체 및 상기 용기 본체 내부에 나권형 막에 의하여 용기 본체 내부의 공간이 분리되되, 상기 나권형 막에 세정제함유 화학처리수가 유입되고, 상기 나권형 막을 제외한 유로에 원수가 유입되어, 상기 세정제함유 화 학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈을 제공한다.

본 발명의 제1실시형태 내지 제3실시형태에 사용되는 막은 셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 아세틸화메셀로스, 폴리아크릴니트릴 및 술폰화된 폴리술폰으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 소재를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 디아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 부틸레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 셀룰로오스계 소재를 사용하는 것이다.

이때, 본 발명의 제1실시형태에서 관형의 막은 1 내지 50 mm 외경을 가지는 막이 적어도 하나 이상이 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 제2실시형태의 판형의 막은 10 내지 200㎛ 두께가 바람직하며, 제2실시형태의 나권형의 막은 상기 나권형 막 사이에 이격된 간극이 1 내지 5mm로 유지된 것이 바람직하다.

본 발명에 따라, 정삼투 현상을 이용하여 오염된 막 표면에 흡착된 오염물을 분리함으로써, 종래 정수, 하수, 폐수처리 등을 포함한 모든 수처리 공정에서 수행되는 역세공정을 대체 수행할 수 있으므로, 전체 수처리공정에서 역세공정시 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 종래 역세공정에 정삼투를 이용하여 막분리공정을 수행함으로써, 환경친화적이고 막의 내구성 및 내화학성 등의 막 특성을 유지하면서, 에너지 소모량이 적은 저비용, 저에너지형의 수처리 시스템을 제공함으로써, 생산비용 및 유지 비용을 절감할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 수처리 시스템을 모식적으로 도시한 것으로서, 원수탱크(1), 전처리조(2), 수처리조(3) 및 정수탱크(4)를 거쳐 수행되는 수처리 시스템에 있어서, 상기 수처리조(3)의 배출구와 연결되는 어느 지점에 정삼투막 모듈(5)이 설치되고, 상기 정삼투막 모듈(5)에서 발생되는 정삼투 현상에 의해 수처리조(3)내 분리막 표면의 오염물질이 분리제거되는 수처리 시스템을 제공한다.

본 발명의 수처리 시스템을 상세히 설명하면, 원수탱크(1)로부터 공급된 전처리조(2)를 거쳐, 부유물이 제거되거나, 특히 하수 또는 폐수의 부유물이 여과되는 여과조, 상기 여과조에서 부유물이 제거된 후, 원수가 화학적 처리에 의해 이취 또는 유독성분이 제거될 수 있다.

이외, 전처리조(2)에는 협잡물 제거 설비, 응집제 주입 설비, 응집 침전 설비, 응집 모래 여과 설비, 응집 침전 모래 여과 설비, 염소 주입 설비, 에어레이션 설비, 부상 분리 설비, 생물 처리 설비, 분말 활성탄 설비, 오존 발생 설비, 입상 활성탄 설비 중 어느 하나 또는 2개 이상으로 구성될 수 있다.

또한, 원수의 살균목적을 위해, UV 조사, 오존 주입 처리, 과산화수소 주입, 광촉매 도포 중 어느 하나 또는 2개 이상으로 이루어지는 원수 살균 설비를 더 구비할 수 있다.

상기 전처리조(2)에서 배출된 처리수는 수처리조(3)에 유입되어 미세한 부유물 등 을 2차적으로 제거하거나, 물에 용존해 있는 중금속 등의 제거를 위한 공정이 수행된다. 이때, 수처리조(3)에 채용되는 분리막은 정밀여과막, 한외여과막 및 역삼투막으로부터 선택되는 단일 막 또는 이들의 혼합 막을 조합하여 적용한다.

구체적인 분리막의 예시로는 정수처리공정에 주로 활용되는 것으로서, 미세한 부유물 제거목적으로 정밀여과막을 채용할 수 있으며, 정밀여과막은 병렬 형태로 나열되고 자동제어장치를 통하여 자동적으로 원수의 유입과 처리수의 배출이 가능하도록 구성되며 또한 각각의 정밀여과막은 연속적으로 개폐가 가능하고 1번막이 가동하였을 때 2번막이 폐쇄되도록 설계된다. 이때, 세척된 부유물은 부유물 집진탱크에 포집되며 부유물이 제거된 액체는 다시 화학처리탱크에서 나오는 유체와 함께 정밀여과 공정으로 이송되도록 한다. 상기 정밀여과막의 분리공정을 거친 이후, 물에 용존해 있는 중금속 등을 제거하기 위하여 역삼투막이 장착된 역삼투 공정을 더 수행할 수 있다.

또한, MBR(Membrane Bio-Reactor)을 이용한 하폐수고도처리장치에는 한외여과(ultra filtration) 분리막을 통해 처리수내 부유물질 및 병원성 미생물을 고액 분리하고, 각 반응조의 부유 미생물 농도는 막분리반응조로부터 안정화조로의 슬러지 반송 및 무산소조에서 혐기조로의 내부 순환을 통해 유지시키며, 배출되는 잉여슬러지를 침지식 한외여과 분리막을 이용하여 고농도로 농축처리함으로써, 슬러지발생부피를 줄일 수 있다.

일반적으로 식수용 정수정제분야 또는 하폐수정제분야에 따라 적절한 분리막을 선택채용할 수 있으며, 본 발명의 수처리조에는 이러한 분리막을 모두 포괄할 수 있 다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 수처리에 적용되는 분리막은 정밀여과막, 한외여과막 및 역삼투막으로부터 선택되는 단일 막 또는 이들의 혼합 막을 사용한다.

상기 분리막을 통한 정수공정이 수행되는 수처리조(3) 후단에, 정밀 여과막, 한외 여과막, 나노 여과막, 역삼투막, pH조정 설비, 입상 활성탄 설비, 오존주입 설비, UV 조사 설비, 에어레이션 설비 중 어느 하나 또는 2개 이상으로 이루어지는 후처리설비가 추가로 설치될 수 있다.

이후, 분리막으로 이루어진 수처리조(3)로부터 배출되는 정수측에는 UV 조사, 오존 주입 처리, 과산화수소 주입, 광촉매 도포 중 어느 하나 또는 2개 이상으로 이루어지는 여과수 살균 처리 설비가 구비될 수 있다.

본 발명의 수처리 시스템에서는 수처리 공정이 주기적 또는 연속적으로 진행됨에 따라, 수처리조내 분리막 표면에 흡착된 오염물질이 누적되어 유량이 줄어들고, 분리성능이 저하됨에 따라, 상기 막표면의 오염물질에 의한 파울링문제를 해소하기 위하여, 통상 주기적으로 세정공정이 수행된다.

종래 세정공정은 역세공정, 차아염소산나트륨(NaOCl)을 이용한 유지세정, 공기방울세정 등이 있다. 상기 역세공정은 생산된 여과수를 여과의 반대 방향으로 공급하여 막 외표면의 퇴적물을 제거하는 것으로 보통 14분 운전에 한번씩 약 30초간 주기적으로 수행된다. 역세공정의 유속은 여과유속의 약 1.5배 가량이고 최대 역세압력은 0.5 bar 정도이다. 역세수로는 생산된 여과수의 일부를 역세수조에 자동으로 채워 이용하며, 차아염소산나트륨을 역세정수에 첨가하여 세정 효과를 높이기도 한다.

또한, 막 유지세정은 공기세정과 주기적인 역세정에도 발생되는 막 유기물에 의한 막 파울링 문제를 해소하기 위하여 주기적으로 약품을 이용하여 일정시간 동안 막분리 반응조 내에서 역세정하는 것을 말한다. 사용하는 약품은 막분리 표면에 증식한 미생물을 제거하기 위하여 주로 차아염소산나트륨을 사용하며, 막분리 반응조 내에 침지식 한외여과 분리막을 침지시킨 상태로 약품을 여과방향과 역으로 주입한다. 막 회복세정은 더 이상 여과 성능을 유지할 수 없을 만큼 오염이 상당히 진행된 분리막을 고농도의 약품으로 추출 세정하는 것을 말하며, 이 경우 막을 막분리반응조 내부 또는 외부에서 약품 용액에 침지시켜 세척하게 된다. 사용약품은 오염물의 성질에 따라 선택하게 되며, 시행빈도는 원수 수질에 영향을 받을 수 있으나 통상적으로 1년에 1 내지 2회 정도면 충분하다. 이때, 역세척 펌프가 필연적으로 사용되는데, 전체공정의 20%에 해당되는 에너지가 소모된다.

이에, 본 발명의 수처리 시스템은 정삼투 현상을 역세공정에 활용하는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 1의 본 발명의 수처리 시스템에 있어서, 정삼투막 모듈(5)은 원수와 상기 원수보다 고농도의 화학처리수가 정삼투막(53)에 접촉되도록 설계되는 것이다. 이때, 화학처리수는 차아염소산 나트륨 등의 산화제, 알칼리 세제나 산 세정제인 계면 활성제, 염산이나 황산 등의 무기산 또는 옥살산, 구연산 등의 유기산을 함유한다.

상기 정삼투막 모듈(5)은 정삼투막에 접촉된 원수와 상기 원수보다 고농도의 화학처리수간의 농도차이에 의하여, 저농도인 원수에서부터 고농도인 화학처리수로 물 이 진행되도록 설계되는 것이다.

이에, 수시간 또는 수회의 연속적인 정수공정 수행중 또는 종료시점에, 수처리조(3) 내의 막표면에 흡착된 오염물질 분리제거 및 파울링 해소를 위하여, 정수가 정수탱크(4)로 유입하는 것을 제어하는 밸브(31)를 잠근 후, 수처리조(3)와 정삼투 모듈(5)과 연결된 밸브(52)를 개구하여 수행한다.

도 1의 수처리 시스템에서 예시된 정삼투 모듈(5)은 막(53)에 의해 공간이 분할되고, 막에 의해 분할된 용기 하단부(54)에 원수가 공급된다. 이때, 원수의 공급량은 원수탱크(1)로부터 연결된 밸브의 개폐여부에 따라, 조절될 수 있다.

또한, 막(53)에 의해 분할된 정삼투막 모듈의 상단부(55)에는 세정제가 함유된 화학처리수가 유입되도록 설계함으로써, 원수와 화학처리수간의 농도차이에 의해 삼투압이 발생한다. 즉, 원수와 화학처리수간의 농도차이는 저농도인 원수의 자연스러운 확산을 활용한 정 삼투(forward osmosis) 현상을 유도하며, 상기 정 삼투로 인해 저농도인 원수에서부터 고농도인 화학처리수로 물이 진행되고 상기 물이 정삼투 모듈(5)과 연결된 밸브(52)를 통해 수처리조(3)에 유입된다. 이때, 정삼투(forward osmosis)에 의하여, 수처리조(3) 내 분리막의 오염물질이 분리됨에 따라, 종래의 펌프사용없이 정삼투를 이용하여 수처리조내 분리막을 세척하는 것이다.

본 발명의 수처리 시스템은 정삼투압조건을 연속적으로 유지하기 위하여, 세정제함유 화학처리수가 연속적으로 자동공급제어되도록 밸브가 부착된 별도의 처리수유입구가 설치될 수 있다. 정삼투막 모듈에 따라 세정제함유 화학처리수가 채워지는 위치가 달라질 수 있으나, 도 2 내지 도 4에 제시된 본 발명의 바람직한 제1실시형태, 제2실시형태 및 제3실시형태의 정삼투 모듈의 경우, 정삼투막 모듈의 상단부에 세정제함유 화학처리수가 연속적으로 자동공급제어되도록 밸브(56a, 56b, 56c)가 부착된 별도의 처리수유입구(57a, 57b, 57c)가 설치된다. 이때, 공급량은 생산수량의 1.5배가 유지되도록 한다.

또한 상기 정삼투막 모듈에 있어서, 원수의 공급량은 원수탱크(1)로부터 연속적으로 자동공급제어되도록 원수유입밸브(51)에 의해 제공된다.

도 1에는 본 발명의 정삼투막 모듈(5)에 사용되는 정삼투막은 판형의 막 형태가 예시되어 있으나, 관형 또는 나권형의 막이 사용될 수 있다.

본 발명은 정삼투 현상을 이용한 수처리 시스템에 적용할 수 있는 바람직한 실시형태의 정삼투막 모듈을 제공한다.

도 2는 본 발명의 제1실시형태의 정삼투막 모듈을 모식적으로 도시한 것으로서, 용기 본체(60) 및 상기 용기 본체 내부에 적어도 하나이상의 관형의 막(53)에 의하여 용기 본체 내부의 공간이 분리되되, 상기 관형의 막에 의해 분리된 용기 본체의 중앙부에 세정제함유 화학처리수가 유입되고, 상기 용기 중앙부를 제외한 용기외곽부(54)에 원수가 유입되어 상기 세정제함유 화학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈을 제공한다.

상기 화학처리수는 차아염소산 나트륨 등의 산화제, 알칼리 세제나 산 세정제인 계면 활성제, 염산이나 황산 등의 무기산 또는 옥살산, 구연산 등의 유기산을 함유한다.

이때, 원수보다 상대적으로 고농도로 유지하는 세정제함유 화학처리수의 농도가 시 행공정상에도 유지되어 정삼투압이 발생될 수 있도록 용기 본체외곽에 세정제함유 화학처리수가 연속적으로 자동공급제어되도록 밸브(56a)가 부착된 처리수유입구(57a)가 설치된다.

본 발명의 제1실시형태의 정삼투막 모듈에 있어서, 관형의 정삼투막은 그 공극 직경이 0.0001 내지 0.01㎛을 가지는 것이 바람직하며, 0.0001㎛미만으로 작으면, 삼투압발생이 미미하고, 0.01㎛를 초과하면, 고농도의 화학처리수가 원수쪽으로 확산되는 문제가 있다.

또한, 본 발명의 제1실시형태의 정삼투막 모듈은 용기 본체 내부에 단수 또는 복수개의 관형 정삼투막이 설치될 수 있으며, 중앙부에 한정되지 않고, 용기 본체 내부에 일정간격으로 이격되어 설치될 수 있다. 이때, 관형 정삼투막에 세정제함유 화학처리수가 공급되고, 용기 본체내에서 관형 정삼투막에 의한 공간을 제외한 공간에 원수가 공급되도록 한다.

도 3는 본 발명의 제2실시형태의 정삼투막 모듈을 도시한 것으로서, 용기 본체(60) 및 상기 용기 본체 내부에 적어도 하나의 판형의 막(53b)에 의하여 용기 본체 내부의 공간이 적어도 하나 이상으로 분리되되, 상기 판형의 막(53b)에 의해 분리된 용기 본체 하단부(54)에 원수가 유입되고, 용기 본체 상단부에 세정제함유 화학처리수(55)가 유입되어 상기 세정제함유 화학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈을 제공한다.

이때, 상기 제2실시형태의 정삼투막 모듈에 있어서, 판형의 정삼투막은 높은 유량을 위해 가급적 막 두께는 얇아야 한다. 바람직한 막의 두께로는 10 내지 200㎛이 며, 상기 막 두께가 200㎛를 초과하면, 확산되는 물의 양이 적어 바람직하지 않다.

또한, 본 발명의 제2실시형태의 정삼투막 모듈에 사용되는 판형의 정삼투막은 적어도 하나 또는 2개 이상의 막이 좌우 교호배열될 수 있다.

나아가, 본 발명의 제2실시형태의 정삼투막 모듈은 세정제함유 화학처리수의 농도를 지속적으로 유지하기 위하여, 세정제함유 화학처리수가 충진된 용기 본체 상단부(55)에 해당되는 용기 본체외곽에 밸브(56b)가 부착된 처리수유입구(57b)가 별도 설치된다.

나아가, 도 4는 본 발명의 제3실시형태의 정삼투막 모듈을 도시한 것으로서, 용기 본체(60) 및 상기 용기 본체 내부에 막 지지체(61)에 권취된 나권형 막(53c)에 의하여 용기 본체 내부의 공간이 분리되되, 상기 나권형 막(53c)에 세정제함유 화학처리수가 유입되고, 상기 나권형 막을 제외한 유로에 원수가 유입되어, 상기 세정제함유 화학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈을 제공한다.

본 발명에 있어서, 나권형 정삼투막을 채용한 정삼투막 모듈은 막 사이를 이격시키면서 나선형으로 배열하여 분리막 사이에 나선형 유로를 형성함으로써, 막 사이를 이격시키면서 나선형으로 배열하여 패킹 밀도(packing density)를 높일 수 있다.

이때, 상기 나권형의 막 사이에 이격된 간극이 1 내지 5mm이 바람직하며, 상기 간극이 1mm 미만이면, 막간의 간격이 너무 근접하여 나선형 유로에서 물의 흐름이 원활하지 않아 흡입에 문제가 있고, 상기 간극이 5mm를 초과하면, 정삼투압 발생효과가 감소된다.

본 발명의 정삼투막 모듈에 있어서, 각각의 막은 물의 부력과 삼투압을 견딜 수 있는 내구성이 있어야 하며, 막의 순수투과속도는 10 내지 100L/㎡ㆍhrㆍbar이고, 막은 0.0001 내지 0.01 ㎛의 기공크기를 충족하는 것이어야 한다.

또한, 본 발명의 정삼투막은 셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 아세틸화메셀로스, 폴리아크릴니트릴 및 술폰화된 폴리술폰으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 소재를 사용하는 것이다. 더욱 바람직하게는 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 디아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 부틸레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 셀룰로오스계 소재를 사용하는 것이다.

상기에서 살펴본 바와 같이,

첫째, 본 발명은 종래 막분리공정에 있어서 역세공정이 수행되는 모든 수처리 공정에 적용가능한 정삼투 현상을 이용한 저에너지형 수처리 시스템을 제공하였다.

둘째, 본 발명의 수처리 시스템은 종래 정수, 하수, 폐수처리등을 포함한 모든 수처리 공정에서 오염된 막을 세척하기 위하여 펌프를 이용하여 강산, 강염기성 물질의 세척용액을 막여과 방향과 반대방향으로 공급하는 화학적 및 물리적 역세공정 대신에, 정삼투 현상을 이용하여 막분리 공정을 수행함으로써, 전체 수처리공정의 에너지를 절감함에 따라, 날로 엄격해지고 있는 고도정수처리, 용수처리공정을 포함한 차세대 고효율 분리공정산업에 유용하게 활용할 수 있다.

셋째, 본 발명은 수처리 시스템에 적용하기에 바람직한 관형, 판형 또는 나권형의 막을 구비한 정삼투막 모듈을 제공하였다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명의 수처리 시스템의 구성도이고,

도 2는 본 발명의 제1실시형태의 정삼투막 모듈을 모식적으로 도시한 것이고,

도 3은 본 발명의 제2실시형태의 정삼투막 모듈을 모식적으로 도시한 것이고,

도 4는 본 발명의 제3실시형태의 정삼투막 모듈을 모식적으로 도시한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 원수탱크 2: 전처리조

3: 수처리조 4: 정수탱크

5: 정삼투막 모듈 31: 정수유입밸브

51: 원수유입밸브 52: 밸브

53, 53b, 53c: 정삼투막 54: 원수

55: 화학처리수 56a, 56b, 56c: 자동공급제어밸브

57a, 57b, 57c: 처리수유입구 60: 용기 본체

61: 막 지지체

Claims (15)

1. 원수탱크, 전처리조, 수처리조 및 정수탱크를 거쳐 수행되는 수처리 시스템에 있어서,

   상기 수처리조의 배출구와 연결되는 일정 지점에 정삼투막 모듈이 설치되고, 상기 정삼투막 모듈에서 발생되는 정삼투 현상에 의해 수처리조 내 분리막 표면의 오염물질이 분리제거되도록 이루어지는 수처리 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 정삼투막 모듈이 원수와 상기 원수보다 상대적으로 높은 농도의 세정제함유 화학처리수가 정삼투막에 접촉되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 상기 수처리 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 정삼투막 모듈이 막을 통해 원수에서 세정제함유 화학처리수로 물이 진행되어 수처리조에 유입되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 상기 수처리 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 정삼투막이 관형, 판형 또는 나권형인 것을 특징으로 하는 상기 수처리 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 정삼투막 모듈의 일방에 세정제함유 화학처리수가 연속적으 로 자동공급제어되도록 처리수유입구가 설치되는 것을 특징으로 하는 상기 수처리 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 정삼투막 모듈의 원수가 연속적으로 자동공급이 제어되도록 원수탱크로부터 연결된 원수유입밸브로부터 제공되는 것을 특징으로 하는 상기 수처리 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 수처리조 내 분리막이 정밀여과막, 한외여과막 및 역삼투막으로부터 선택되는 단일 막 또는 이들의 혼합 막인 것을 특징으로 하는 상기 수처리 시스템.
8. 용기 본체 및

   상기 용기 본체 내부에 적어도 하나이상의 관형의 막에 의하여 용기 본체 내부의 공간이 분리되되,

   상기 관형의 막에 의해 분리된 용기 본체의 중앙부에 세정제함유 화학처리수가 유입되고, 상기 용기 중앙부를 제외한 용기외곽부에 원수가 유입되어 상기 세정제함유 화학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈.
9. 용기 본체 및

   상기 용기 본체 내부에 적어도 하나의 판형의 막에 의하여 용기 본체 내부의 공간 이 적어도 하나 이상으로 분리되되,

   상기 판형의 막에 의해 분리된 용기 본체 하단부에 원수가 유입되고, 용기 본체 상단부에 세정제함유 화학처리수가 유입되어 상기 세정제함유 화학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈.
10. 용기 본체 및

    상기 용기 본체 내부에 나권형 막에 의하여 용기 본체 내부의 공간이 분리되되,

    상기 나권형 막에 세정제함유 화학처리수가 유입되고, 상기 나권형 막을 제외한 유로에 원수가 유입되어, 상기 세정제함유 화학처리수와 원수간의 농도차로 인해 삼투압이 형성되는 정삼투막 모듈.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막이 셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 아세틸화메셀로스, 폴리아크릴니트릴 및 술폰화된 폴리술폰으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 정삼투막 모듈.
12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막이 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 디아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 부틸레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 셀룰로오스계 소재인 것을 특징으로 하는 상기 정삼투막 모듈.
13. 제8항에 있어서, 상기 관형의 막이 1 내지 50mm 외경을 가지는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 상기 정삼투막 모듈.
14. 제9항에 있어서, 상기 판형의 막이 10 내지 200㎛ 두께인 것을 특징으로 하는 상기 정삼투막 모듈.
15. 제10항에 있어서, 상기 나권형의 막 사이에 이격된 간극이 1 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 상기 정삼투막 모듈.

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