KR101299735B1 - Ｃｄｉ를 이용한 상수처리방법 및 이의 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CDI 처리조를 포함하여 상수처리 과정에서 제거되지 않는 이온성 물질을 효과적으로 제거하는 것과 동시에, CDI 공정시 전기적 탈착과정에서 발생하는 에너지를 축전 및 외부로부터의 에너지 유입을 최소화할 수 있는 전기공급장치를 포함하는 상수처지장치 및 이를 이용한 방법을 제공할 수 있다.

Description

ＣＤＩ를 이용한 상수처리방법 및 이의 장치{Capacitive deionization method for drinking water treatment}

본 발명은 CDI(Capacitive deionization)를 포함한 상수처리방법 및 이의 장치에 관한 것으로, 구체적으로 원수중에 포함되어 있는 입자성 및 이온성 물질의 효율적인 처리, 활성탄을 이용한 미량오염물질의 제거를 유도하고 활성탄의 재생과 동시에 전기의 자가공급이 가능한 상수처리방법 및 이의 장치에 관한 것이다.

상수처리공정은 이온성 오염물질을 처리하는 공정이 설치되어 있지 않아 최근 유입원수의 오염도가 날로 심각해짐에 따라 원수에 포함된 중금속, 질산성 질소와 이온성 오염물질의 농도가 지속적으로 증가하고 있다. 또한 상수원수의 수원에 따라 경도유발물질이 과량 포함되어 있는 경우도 발생하고 있다. 이러한 이온성 오염물질들이 포함된 물을 사람이 장기간 음용했 을 때, 인체에 치명적인 영향을 나타낼 수 있다. 또한 경도 물질이 포함된 보일러 수와 같은 경우 경수는 보일러나 열교환기에 스케일을 발생시켜 열교환기의 효율을 크게 저하시킬수 있고, 전자산업과 같이 사용수의 순도에 큰 영향을 받는 산업에 이온물질을 완전 제거는 제품의 성능을 결정하는 중요한 요인으로 작용한다.

현재 유입수중에 포함되어 있는 이온성 물질을 제거하는 방법으로 이온교환수지를 이용한 이온교환법이 사용되고 있다. 이 방법은 대부분의 이온성 물질을 효과적으로 처리할수 있지만, 이온교환 수지를 재생하는 과정에서 과량의 산이나 염기성 같은 약품이 사용되고 이로 인해 다량의 폐액이 발생한다. 다른 이온성 물질 제거 방법으로 가장 많이 사용되고 있는 것이 역삼투막을 이용한 여과공정이며, 역삼투막 기술은 여과과정에서 막의 파울링(fouling)으로 인한 처리 효율의 감소와 주기적으로 분리막을 교체해주어야 하며, 또한 과량의 전기에너지를 사용하는 단점이 있다. 또한 미량 오염물질의 제거에 활성탄 흡착이 최선의 방법으로 인식되고 있다.

최근 에너지 수급의 불안과 석유가격의 상승으로 국가의 기간시설인 하폐수처리장 및 정수처리장에서 사용하는 에너지를 절감하고 처리 과정중 발생하는 폐기물을 이용 재생가능하는 에너지 생산함으로 처리과정에 필요로 하는 에너지를 대체하는 것에 관심이 날로 증가하고 있다.

따라서 종래 막여과 상수처리 공정이 가지고 있는 장점을 극대화하고 기존 이온교환수지와 역삼투막공정 같은 기존의 이온제거 기술들의 문제점인 과다한 약품 사용과 고에너지 비용을 해결할 수 있는 이온물질 제거공정과 외부로부터 에너지 유입을 최소한으로 줄일 수 있는 공정의 도입이 요구되고 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해소하고자 창안된 것으로, CDI를 포함하여 상수처리 과정에서 제거되지 않는 이온성 물질을 효과적으로 제거하는 것과 동시에, CDI 운전시 전기적 탈착과정에서 발생하는 에너지의 축전 및 태양광을 이용해 에너지의 자가공급이 가능하도록 구성하여 외부로부터의 에너지 유입을 최소화할 수 있는 전기공급장치를 포함하는 상수처리장치 및 이를 이용한 방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 따른 상수처리장치는 스크린한 원수를 응집제와 혼합하여 응집하는 혼화응집조, 상기 혼화응집조를 거친 원수를 여과처리하는 막분리조, 막분리조 후단의 CDI 처리조, CDI 처리조 후단의 활성탄 흡착조 및 전기공급장치를 포함한다.

이때, 상기 전기공급장치는 태양광 집진부, 집진된 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 발전부 및 충전부를 포함한다.

특히, 본 발명에서는 CDI 처리조에서 흡착공정을 통해 이온성 물질을 제거한 후, 탈착시 발생되는 전기를 상기 전기공급장치의 충전부에 축전할 수 있으며, 이렇게 축전된 전기는 시스템 상에 필요한 전기를 공급하게 된다.

또한, 상기 전기공급장치는 활성탄 흡착조에서 활성탄에 전기를 인가하는 것을 특징으로 한다. 이는 유기성 미량오염물질의 경우에 활성탄에 흡착되어 제거되고, 사용한 활성탄은 일반적으로 재생시설로로 보내져 재생처리한 다음 다시 상수 처리장으로 가져와 활성탄 접촉제에 넣어 사용하는데 비하여, 본 발명에서는 전기적으로 재생하는 것을 특징으로 한다. 전기적 재생은 일정한 전기가 활성탄에 인가되면 활성탄 표면에서 산화물질(라디칼)이 전기적으로 생성되어 이를 이용하여 활성탄 표면에 흡착되어 있는 유기물을 제거하는 것으로, 본 발명에서 CDI 처리조와 더불어 활성탄접촉조도 전기공급장치, 구체적인 일예로 태양광 집진부, 집진된 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 발전부 및 충전부를 포함하는 전기공급장치의 전기를 이용하여 활성탄의 이동없이 현장에서의 In-Situ 재생이 가능한 것을 특징으로 한다.

상기 막분리조는 미세여과(MF)막, 한외여과(UF)막 또는 나노여과(NF) 막 중에서 선택되는 분리막을 포함하며, 이에 한정되지 않는다.

본 발명에서 CDI 처리조는 서로 이격되며 교번하여 적층 배치된 적어도 하나의 음전극 및 양전극을 구비하여 이온 물질을 흡착할 수 있는 축전 탈이온화 스택을 포함한다.

본 발명에서 활성탄 접촉조는 8~30 메쉬(mesh)의 입도를 갖는 활성탄을 포함한다.

본 발명은 또 다른 일 구현예로, 원수를 스크린하는 단계; 원수를 혼화응집조를 거친 후 막분리조에서 모래여과 혹은 침지식 또는 가압식 막 중에서 선택되는 어느 하나에 의해 여과처리하는 단계; 여과된 원수를 CDI 조에서 축전식 탈염 처리하여 이온성 물질을 제거하는 단계; 및 이온성 물질이 제거된 원수를 활성탄 접촉조를 통해 미량오염물질을 흡착 제거하는 단계;를 포함하는 상수처리방법을 제공한다.

본 발명에 따른 상수처리장치는 이온성 오염물질 제거에 대한 신뢰성을 보장할 수 있고, 효율을 극대화시킬 수 있으며, CDI의 전기적 탈착과정에서 발생하는 에너지를 축전함과 동시에 외부 태양과집전장치를 통해 CDI 공정 및 활성탄의 재생에 필요한 에너지를 자가공급할 수 있어 외부에서 공급되는 전기의 양을 최소화할 수 있어 에너지효율을 극대화 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 상수처리장치의 일예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예에 의해 경도물질 제거성능 측정 결과를 나타낸 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 상수처리장치를 이용한 상수 처리 방법을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 상수처리장치의 일예를 나타낸 것으로서, 원수를 스크린한 다음, 이를 혼화 응집조(1)로 이송한다. 상기 혼화응집조(1)는 PACl, Alum등의 응집제를 혼합하여 상수 내 미세 오염물질 또는 콜로이드 물질의 연속적인 급속 혼화를 유도하여 플록(floc)이 형성되도록 하며, 이를 걸러 제거한다.

상기 혼화응집조(1)의 후단에 설치된 막분리조(2)는 응집처리공정이 완료된 원수를 분리막을 통과시켜 배출시키는 것으로, 상기 분리막은 정밀여과(MF)막, 한외여과(UF)막, 나노여과(NF)막 중에서 선택되어 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 형태적으로는 침지식 혹은 가압식 어느 것이든 적용가능한다. 또한, 분리막으로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에테술폰/술폰화 폴리에테르술폰(PES/SPES)의 복합막의 중공사형인 것을 사용하는 것도 바람직하다.

본 발명에서 CDI 처리조(3)는 상기 막분리조(2)의 후단에 설치된다. CDI 처리조(3)는 서로 이격되며 교번하여 적층 배치된 적어도 하나의 음전극 및 양전극을 구비하여 이온 물질을 흡착할 수 있는 축전 탈이온화 스택을 포함하는 것으로서, 축전 탈 이온화 방식(Capacitive deionization)을 이용한 것이다. 상기 축전 탈 이온화 방식은 종래의 흡착, 이온교환기구에 전기적인 구동력이 부가된 기술로 탄소체의 높은 전기 전도도와 흡착 용량을 이용하고 단순 전위 역전에 의한 탈착 및 전극 흡착제의 재생이 용이한 특징을 갖는다. 또한, 다공성의 탄소전극을 스택(stack) 형태로 구성함으로써 수중에 포함되는 이온 상태의 염을 제거하는 기술로서 이온교환, 역삼투, 전기투석 및 증발법에 비해 오염이 적으며 에너지 소요가 훨씬 낮은 장점이 있다.

상기 축전 탈 이온화 스택은 원수에 포함된 음이온 및 양이온이 축전 탈 이온화 스택을 구성하고 있는 친수성의 다공성 탄소 전극 층 사이를 통과할 때, 다공성 탄소 전극에 약 1.0 ~ 2.0 V의 미량의 전압을 인가함으로써 상기 수중에 포함되는 용존 무기이온과 탄소 전극 간의 전기적 특성을 이용하여 매질 속의 무기성 이온 성분을 흡착 제거한다.

예를 들면, 두 탄소 전극 사이의 정전기력에 의해 양전극(Anode)에는 Cl^- 와 같은 음이온이 흡착되고, 음전극(Cathode)에는 Na⁺ 와 같은 양이온이 이동하여 서로 대전을 이루어 원수 내의 이온성 오염물질을 효과적으로 제거하게 된다.

또한, 상기 양전극과 음전극에 대전되어 흡착된 이온 성분들은 수중의 이온 성분을 제거하는 흡착 동작이 이루어진 후에는 전류 인가를 하지 않거나 역전류를 인가하여 전극에 흡착되어 있던 이온 성분을 매질과 함께 배출하도록 하는 것이다.

상기 축전 탈 이온화 스택의 또 다른 구현예로 복수의 전극들이 서로 이격되어 배치되며, (+) 전원이 인가되는 친수성으로 개질되는 복수의 양전극과 이 복수의 양전극들 사이 사이에 배치되며 -전원이 인가되는 친수성으로 개질되는 음전극들로 구성되어 상기 전극이 복수로 적층 구성되어 양전압과 음전압이 교대로 전극에 인가되면서 상기 복합 전처리 장치를 이용하여 여과되는 여과수 중의 인체에 유해한 양이온과 음이온이 더욱 효율적으로 전극 표면에 흡착 및 탈착되게 함으로서 음용수로 사용되는 간이 상수도의 상수를 효율적으로 정화할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 취수된 물이 막여과 공정을 통해 부유물질이 제거되면 CDI 처리조로 유입되고 유입된 물은 (+)와 (-) 전극로 인가된 전극사이를 흐르게 되어 (+) 전하를 띠는 이온은 (-) 전극으로, (+) 전하를 띠는 이온은 (-) 전극이 이동하게 되어 전극에 도포된 활물질 위에 흡착되어 제거된다. 활물질이 더 이상 흡착할 수 없는 상태가 되면, 탈착과정을 통해 흡착된 이온을 제거하게 되는데 이온제거 과정에서 (+)를 띠고 있던 전극은 (-)로, (-) 전극은 (+)로 전기인가장치를 통해 전류의 흐름을 바꾸어 주면 (+) 전하를 띠는 이온은 바뀐 전극의 전하로 말미암아 반발력을 갖게 되고 이로 인해 활물질로 부터 탈리되게 된다. 같은 방법으로 (-) 전하를 띤 이온들도 전극으로 탈리된다. 탈리되는 과정에서 일정량의 전류가 발생되어 충전지에 충전이 되고 전기공급장치인 태양광 집전장치에 계속적으로 발생하는 전류가 충전된다.

본 발명에서 활성탄 흡착조(4)는 CDI 처리조(3)의 후단에 설치된다. 활성탄 흡착조(4)는 앞선 공정에서 제거되지 않는 맛 냄새 원인물질, 합성세제, 페놀류, 트리할로메탄과 그 전구체, 또는 기타 유기물질을 제거하기 위한 것으로 활성탄을 포함하며, 상기 활성탄은 8~30 메쉬(mesh)의 입도를 갖는 것을 특징으로 하며, 상기 범위를 벗어나면 흡착성능이 저하될 수 있다. 활성탄 접촉조에서 활성탄은 다양한 크기의 공극이 서로 연결된 그물망 구조를 가지며 넓은 표면적으로 피흡착제가 물리화학적으로 결합함으로써 흡착이 이루어지도록 한다.

본 발명에서는 유기성 미량오염물질이 활성탄에 흡착되어 제거됨에 있어서, 사용된 활성탄을 재생시설로 보내 재생하는 종래 기술과 달리 전기적 재생을 통해 활성탄의 이동없이 직접 재생할 수 있는 것을 특징으로 한다. 이때, 전기적 재생은 일정한 전기가 활성탄에 인가될 경우 활성탄 표면에서 산화물질(라디칼)이 전기적으로 생성되어 이것을 이용하여 활성탄 표면에 흡착되어 있는 유기물을 제거하는 것을 말한다.

본 발명에서 전기공급장치(5)는 태양광을 집진할 수 있는 태양광 집진부, 집진된 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 발전부 및 충전부를 포함하는 태양광 집전장치인 것을 특징으로 하며, 시스템 상 구동을 위한 전기를 하거나 발생되는 전기를 충전하는 역할을 하게 된다. 상기 전기공급장치(5)는 전기인가장치(6)을 통하여 CDI 처리조(3) 또는 활성탄 접촉조(6)에 전기를 인가한다.

본 발명에서는 원수를 스크린 한 후, 혼화응집조(1), 막분리조(2), CDI 처리조(3) 및 활성탄 접촉조(4)의 순으로 처리된 원수를 용수로 공급함으로써 상수처리 효율을 저에너지를 이용하여 극대화시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 장치를 이용하여, 원수를 스크린하는 단계; 원수를 혼화응집조(1)를 거친 후 막분리조(2)에서 모래여과 혹은 침지식 또는 가압식 막 중에서 선택되는 어느 하나에 의해 여과처리하는 단계; 여과된 원수를 CDI 처리조(3)에서 축전식 탈염 처리하여 이온성 물질을 제거하는 단계; 및 이온성 물질이 제거된 원수를 활성탄 접촉조(4)를 통해 미량오염물질을 흡착 제거하는 단계;를 포함하여 상수처리하는 방법을 제공한다.

(실시예)

경도물질이 포함된 여과수를 본 발명에 따른 장치를 이용하여 CDI에 인가되는 전류의 양과 경도물질의 제거효율을 경도물질의 부하량에 따라 측정하였다. 측정 결과 경도물질의 제거효율은 부하량이 4mg/min에 도달할 때까지 100%를 유지하였으며 이에 비해 인가되는 전류의 증가는 부하량의 증가에 비해 낮은 것을 확인 할 수 있었다.

1 : 혼화 응집조 2 : 막분리조
3 : CDI 처리조 4 : 활성탄 접촉조
5: 전기공급장치 6 : 전기인가장치

Claims (8)

1. 스크린한 원수를 응집제와 혼합하여 응집하는 혼화응집조, 상기 혼화응집조를 거친 원수를 여과처리하는 막분리조, 막분리조 후단에 다공성 탄소전극 스택으로 이루어진 CDI 처리조, CDI 처리조 후단에 전기를 인가받아 현장에서 전기화학적으로 재생 가능한 활성탄 흡착조 및 CDI 처리조에서 전기를 회수하여 충전하는 전기공급장치를 포함하는 상수처리장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전기공급장치는 태양광 집진부, 집진된 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 발전부 및 충전부를 포함하는 상수처리장치.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 막분리조는 미세여과(MF)막, 한외여과(UF)막 또는 나노여과(NF) 막 중에서 선택되는 분리막을 포함하는 상수처리장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 CDI 처리조는 서로 이격되며 교번하여 적층 배치된 적어도 하나의 음전극 및 양전극을 구비하여 이온 물질을 흡착할 수 있는 축전 탈이온화 스택을 포함하는 상수처리장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 활성탄 접촉조는 8~30 메쉬의 입도를 갖는 활성탄을 포함하는 상수처리장치.
   
8. 원수를 스크린하는 단계;
   원수를 혼화응집조를 거친 후 막분리조에서 모래여과 혹은 침지식 또는 가압식 막 중에서 선택되는 어느 하나에 의해 여과처리하는 단계;
   여과된 원수를 CDI 처리조에서 축전식 탈염 처리하여 이온성 물질을 제거하는 단계;
   이온성 물질이 제거된 원수를 활성탄 접촉조를 통해 미량오염물질을 흡착 제거하는 단계; 및
   CDI 처리조에서 발생하는 전기를 인가받아 현장에서 전기화학적으로 활성탄을 재생하는 단계;를 포함하는 상수처리방법.

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