KR101319411B1 - Ｆｏ/ｒｏ 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법로서, 2차 처리된 유입 하수가 하수공급라인을 통해 공급되는 침지조와, 상기 침지조에 공급된 유입 하수와의 농도차로 인하여 유도용액으로서 공급되는 고농도의 해수가 희석되도록 상기 침지조에 설치되는 제 1 정삼투 막모듈과, 상기 희석된 해수가 공급되어 여과수와 농축수로 분리하여 배출하는 역삼투 막모듈과, 상기 역삼투 막모듈에 상기 희석된 해수를 공급하는 저압펌프와, 상기 제 1 정삼투 막모듈에 발생되는 파울링을 저감하는 파울링 저감수단과, 역삼투 막모듈에서 농축된 농축수가 유도용액으로 공급되고 제 1 정삼투 막모듈이 침지되어 있는 침지조의 2차 처리된 하수가 유입되어 농축수가 희석되는 제 2 정삼투 막모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면, 정삼투와 역삼투의 하이브리드 해수담수화 장치 및 방법으로서, 침지식 정삼투에 의해 하수와 유도용액으로서의 해수의 농도차에 의하여 무동력으로 고농도의 해수를 희석함으로서, 저압의 역삼투 공정의 운전이 가능하므로, 해수담수화공정에서 가장 에너지의 소비가 많은 역삼투 공정의 전력비를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

Description

ＦＯ/ＲＯ 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법{Forward Osmosis/Reverse Osmosis Hybrid seawater Desalination apparatus and method}
본 발명은 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차 처리된 하수와 해수의 농도차에 의하여 무동력으로 하수 중의 순수한 물이 고농도의 해수쪽으로 이동하여 TDS(total dissolved solids(전용(全溶) 함유 농도)의 양이 줄어들어 희석됨에 의해 저압 역삼투 공정의 운전이 가능하여, 해수담수화공정에서 가장 에너지의 소비가 많은 역삼투 공정의 전력비를 현저하게 줄일 수 있는 동시에, 역삼투 공정에서 발생된 농축수를 다시 정삼투 공정을 거쳐 희석하여 재사용 함으로써 해수의 회수율도 향상시키는 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 담수화는 수중에 용해되어 있는 염분 또는 수중에 용해되어 있으나 증발되지 않는 물질의 총량, 즉 용존고형물을 제거하여 용수를 생산하는 것이다.
물 1L당 용존고형물의 농도에 따라 약 10,000-50,000mg/l의 물을 해수라하고, 1,000-10,000mg/l의 물을 담수라 한다.
해수의 담수화 (seawater desalination)공정은 크게 증발법(wet oxidation), 전기투석 (electro-dialysis, ED), 그리고 역삼투 막분리 공정 (reverse osmosis, RO) 등으로 분류할 수 있다. 열원을 이용하는 증발법은 유체의 흐름 양상에 따라 다단증발법(multi-stage flash, MSF)과 다중효용법 (multi-effect distillation, MED)으로 나뉜다. 역삼투 막분리 공정은 일가 (예, Na+,K+,Cl??, Br??, 등.) 및
이가 (예, Mg2+,Ca2+,SO4 2-,등)의 이온들까지 거를 수 있는 역삼투막을 메인 공정으로 이용하게 된다. 초기에는 해수담수화 플랜트 건설 시 대량 생산이 가능한 MED공법으로 많이 설계 되었지만, 최근에는 에너지가 적게 소비되고 조작이 용이하고 환경친화적인 역삼투 공정이 많이 선택 되고 있다. 다시 말하면, 분리막 가격이 고가이더라도 그 투자비와 공정 운전 및 막 교체비용을 포함하는 운영비가 기타 다른 공정에 비해 경쟁할 수 있을 정도의 경제성이 있었기에 가능해진 것이다. 현재는, MSF 또는 MED 와 RO 를 혼용하여 담수를 생산하는 혼성 (hybrid) 공정이 적용되는 경우도 있다.
향후 담수화 기술로서, 역삼투법은 그 담수 생산단가의 절감에 집중될 것이나 염수의 삼투압을 극복하고 그 이상의 압력을 적용해야만 담수를 생산할 수 있을 것이다. 예컨대, 해수의 경우에는 25기압 이상의 삼투압을 가지는데, 역삼투막에서의 압력손실 등을 고려할 때 최소 40기압 이상으로 운전해야 하는 바, 이에 따른 고가의 고압펌프의 설치 및 전력사용에 따라 생산단가의 증가를 초래하게 된다.
따라서 지속적인 역삼투 해수담수화 연구로 인하여 저전력 고압펌프 및 고성능 저가 역삼투막이 개발되고 있지만, 이러한 기술개발에도 불구하고 최저 전력사용이 한계에 다다르고 있으므로 장기적으로 운영측면에서 볼 때 경제적이지 못한 면이 있다.
이와 같은 역삼투 기술과 대별되어 최근 관심을 받고 있는 담수화 기술이 하기의 특허문헌 1에 대표적으로 개시된 정삼투(Forward Osmosis, FO) 기술이다.
정삼투 기술은 정삼투막 사이에 염수와 해당 염수보다 삼투압이 같거나 큰 용액, 즉 정삼투 유도용액(draw solution)과의 삼투압 차이만큼 농도의 평형을 유지하기 위하여 염수 중의 순수가 반투과막을 통과하여 담수를 회수하는 것이다.
이러한 정삼투 담수기술의 경우, 담수의 회수가 삼투압차에 의하여 자연적으로 발생하여 무동력으로 담수를 생산할 수 있다. 하지만, 담수를 포함한 유도용액으로부터 담수만을 회수하기 위해서는 에너지가 필요한데, 유도용질의 특성에 따라 소요되는 에너지가 다양하며, 심지어 역삼투에 소요되는 에너지 소비량보다 클 수도 있다. 또한, 정삼투공정에서 물의 투과가 진행됨에 따라 막의 표면에 용질이 농축되어 발생하는 농도분극현상과 막 내부에서 발생하는 내부농도분극에 의하여 효율이 크게 저하되는 현상이 나타난다. 즉, 정삼투 기술이 널리 사용되지 못한 주요한 원인은 유도용액을 저에너지로 회수할 수 있는 효율적인 회수장치의 부재와 정삼투 막 내부의 내부농도 분극현상을 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 구조의 막이 부재했기 때문이었다.
따라서 정삼투 기술의 핵심은 유도용질이 회수에 소요되는 에너지의 최소화에 달려있다고 할 수 있는 바, 향후의 담수화 기술의 생산단가 절감을 지속적으로 실현하기 위한 정삼투 담수기술은 적정 유도용액의 선정, 적용 농도 및 효율적인 유도용질의 회수기술과 정삼투용 전용막과 적용가능한 모듈 개발이 필수적이다.
이에 따라, 하기의 특허문헌 1은 내경이 3mm 이상인 관형 정삼투막을 적용하여 관내 흐름조건을 난류상태로 하여 정삼투막의 농도분극으로 인한 유량감소를 최소화하고, 관형 정삼투막의 내부 관로로 흐르는 상대적으로 고삼투압의 고분자 폴리머 용액을 유도용액으로 사용하여, 이 유도용액과 유입염수와의 삼투압(Osmotic pressure)차에 의해 염수 중의 순수를 정삼투막을 통과하게 하고, 순수와 희석된 유도용액은 나노필터로 압송시킨 후, 유도용질은 회수하여 연속 순환하고, 나노필터를 통과한 여과수를 생산함으로써 역삼투 대비 최소 60% 이상 에너지를 절감할 수 있는 정삼투 막모듈과, 정삼투 막모듈을 이용한 정삼투 담수화 장치 및 방법을 개시하고 있다.
(특허문헌 1) : 한국등록특허 제10-1011403호(2011.01.28 공고)
(특허문헌 2) : 한국등록특허 제10-0990168호(2010.10.29 공고)
(특허문헌 3) : 한국등록특허 제10-1068239호(2011.09.21 공고)
본 발명은 상기와 달리 새로운 개념으로 안출된 것으로, 정삼투 공정에서 희석된 해수를 이용하여 저압 역삼투 공정 운전이 가능해지므로, 해수담수화공정에서 가장 에너지의 소비가 많은 역삼투 공정의 전력비를 현저하게 줄일 수 있는 동시에, 역삼투 공정에서 희석된 농축수의 회수율도 향상시키는 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 정삼투 막모듈에서 원수는 2차 처리된 하수를 사용하고 유도용액으로 해수를 사용하며, 이때 정삼투 막에서 발생되는 파울링을 저에너지로 저감할 수 있는 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법을 사용하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치는 2차 처리된 유입 하수가 하수공급라인을 통해 공급되는 침지조와, 상기 침지조에 공급된 유입 하수와의 농도차로 인하여 유도용액으로서 공급되는 고농도의 해수가 희석되도록 상기 침지조에 설치되는 제 1 정삼투 막모듈과, 상기 희석된 해수가 공급되어 여과수와 농축수로 분리하여 배출하는 역삼투 막모듈과, 상기 역삼투 막모듈에 상기 희석된 해수를 공급하는 저압펌프와, 상기 제 1 정삼투 막모듈에 발생되는 파울링을 저감하는 파울링 저감수단을 포함한다.
제 1 정삼투 막모듈은 침지식 중공사막인 것이 바람직하다.
파울링 저감수단은 침지조 하부에서 에어 버블을 분사하는 노즐을 사용할 수 있다.
본 발명은 침지조의 2차 처리된 하수가 유입하수로 공급되고, 역삼투 막모듈로부터 배출되는 농축수가 유도용액으로 공급되어, 농도차에 의해 고농도의 농축수가 제 1 정삼투 공정을 통과한 유도용액과 같은 농도로 희석되어 역삼투 막모듈로 순환시키는 제 2 정삼투 막모듈을 더 포함할 수 있다.
이때, 희석된 농축수는 저압펌프에 의해 역삼투 막모듈로 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명의 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 방법은 침지조에 2차 처리된 유입 하수를 공급하는 하수공급공정과, 상기 침지조내에 설치된 제 1 정삼투 막모듈에 유도용액으로 해수를 공급하여, 상기 유입하수와 해수와의 농도차에 의해 상기 공급된 고농도의 해수가 희석되는 제 1 정삼투 공정과, 상기 희석된 해수를 저압으로 역삼투 막모듈로 공급하여 농축수와 배출수로 분리하는 역삼투 공정을 포함한다.
제 1 정삼투 공정에서는 침지조하부에서 제 1 정삼투 막모듈에 대해 에어버블을 분사하는 파울링 저감공정을 포함할 수 있다.
또한, 역삼투 막모듈의 농축수가 유도용액으로 공급되고, 침지조의 하수가 유입 하수로 공급되어 농도차에 의해 고농도의 농축수가 제 1 정삼투 공정을 통과한 유도용액과 같은 농도로 희석되는 제 2 정삼투 공정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 침지식에 의한 2차 처리된 하수와 해수의 농도차에 의하여 무동력으로 하수 중의 순수한 물이 해수쪽으로 이동하여 고농도의 해수가 희석이 되며, 희석된 해수는 일반해수보다 TDS의 양이 줄어들기 때문에, 고압이 아닌 저압으로 역삼투 공정의 운전이 가능하므로, 해수담수화공정에서 가장 에너지의 소비가 많은 역삼투 공정의 전력비를 일반적인 3-4 kwh에서 1 kwh로 줄일 수 있는 동시에, 또한 침지조 하부에서 분사되는 에어버블에 의해 침지식 중공사 정삼투막에서 발생되는 파울링을 저감하는 효과를 가진다. 또한, 역삼투 공정에서 농축된 농축수를 다시 다른 정삼투 공정에 유도용액으로 유입하고 기존 사용하는 2차 처리된 하수를 원수로 사용하여 농축수를 다시 희석하여 순환시켜 회수율을 높이는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 3은 도 2 장치의 작동을 나타내는 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치는 유입 하수(2)가 하수공급라인(4)을 통해 침지조(10)에 공급된다. 또한, 침지조(10)에는 고농도의 해수(6)가 유도용액으로서 해수공급라인(8)을 통해 공급되고, 중공사막의 제 1 정삼투 막모듈(20)이 하수(2)에 침지되어 설치된다. 그 결과, 침지조(10)에 공급된 유입 하수(2)와 유도용액으로서 공급되는 해수(6)와의 농도차로 인하여, 유입 하수(2)의 순수한 물이 해수(6)쪽으로 무동력으로 이동하게 됨에 따라, 고농도의 해수(6)가 희석된 해수(Diluted Seawater)(12)가 되며, 순수한 물이 이동된 유입 하수는 하수배출라인(14)을 통해 배출된다.
이때, 침지조(10)에 설치되는 제 1 정삼투 막모듈(20)에서는 파울링(fouling)이 발생하게 되므로, 침지조(10) 하부에는 파울링을 저감시키고자 에어버블(air bubble)을 분사하는 노즐(도시하지 않음)을 설치할 수 있다.
한편, 희석된 해수(12)는 저압펌프(30)를 이용하여 역삼투 막모듈(40), 특히 저압 역삼투 막모듈(Low Pressure Reverse Osmosis : LPRO)로 공급되어 여과수(permeate)와 농축수(brine)로 분리되며, 여과수는 여과수 배출라인(16)을 통해, 농축수는 농축수 배출라인(18)을 통해 각각 배출된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치는 하수배출라인(14)을 통해 배출되는 침지조(10)의 하수가 공급되고, 역삼투 막모듈(40)로부터 농축수 배출라인(18)을 통해 배출되는 농축수가 유도용액으로 공급되어, 농도차에 의해 고농도 농축수가 희석되는 제 2 정삼투 막모듈(50)을 더 포함하는 구성이외에는 도 1의 실시예의 구성과 동일하므로, 동일한 구성에 대한 설명은 편의상 생략한다.
제 2 정삼투 막모듈(50)에서 희석된 농축수(22)는 제 1 정삼투 막모듈에서 희석된 해수와 같은 농도이므로 저압펌프(30)에 의해 합류시켜 함께 역삼투 막모듈(40)로 공급될 수 있으며, 이에 의해 여과수의 회수율을 증대할 수 있는 효과를 가진다.
또한 제 2 정삼투 막모듈(50)에서 고농도의 농축수로 순수한 물이 이동된 침지조(10)의 하수는 재차 하수공급라인(4)으로 순환시켜 유입 원수(2)와 함께 침지조(10)로 공급될 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치의 도 3의 공정도를 통해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 침지조(10)에 유입 하수(2)를 하수공급라인(4)을 통해 공급하는 하수공급공정(S10)을 실행한다.
이어서, 유입 하수(2)와 해수(6)와의 농도차에 의해 고농도의 해수가 희석되는 제 1 정삼투 공정(S20)으로서, 침지조(10)내에 설치된 제 1 정삼투 막모듈(20)에 유도용액으로 고농도의 해수(6)를 해수공급라인(8)을 통해 공급한다.
이러한 제 1 정삼투 공정(S20)에서, 침지조(10) 하부에 설치된 노즐(도시하지 않음)을 통해 제 1 정삼투 막모듈(20)에 대해 에어버블을 분사함으로서, 제 1 정삼투 막모듈(20)에 발생되는 파울링을 저감하는 파울링 저감공정(S25)를 포함한다.
이어서, 정삼투 공정(S20)을 통해 희석된 해수(12)를 저압으로 농축수와 여과수로 분리한 후, 여과수는 여과수 배출라인(16)을 통해 배출하고 농축수는 농축수 배출라인(18)을 통해 배출하고자, 저압펌프(30)를 이용하여 역삼투 막모듈(40)로 공급하는 역삼투 공정(S30)을 실행한다.
다음으로, 역삼투 막모듈(40)로부터 농축수 배출라인(18)을 통해 배출되는 농축수가 유도용액으로 공급되고, 침지조(10)의 하수가 유입 하수로 공급되어 농도차에 의해 고농도의 농축수가 희석되는 제 2 정삼투 공정(S40)을 실행하며, 희석된 농축수(22)는 다시 저압펌프(30)를 이용하여 희석된 해수(12)와 함께 역삼투 막모듈(40)로 공급하고, 순수한 물이 농축수로 제 2 정삼투 막모듈 내의 하수는 재차 하수공급라인(4)으로 순환시켜 유입 원수(2)와 함께 침지조(10)로 공급된다.
이상과 같이 본 발명은 정삼투와 역삼투의 하이브리드 해수담수화 장치 및 방법으로서, 침지식 정삼투에 의해 하수와 유도용액으로서의 해수의 농도차에 의하여 무동력으로 고농도의 해수를 희석함으로서, 저압의 역삼투 공정의 운전이 가능하므로, 해수담수화공정에서 가장 에너지의 소비가 많은 역삼투 공정의 전력비를 줄일 수 있고 역삼투 공정에서 생산된 농축수를 다시 정삼투 공정을 거치면서 순환시켜 전체 공정의 회수율을 높일수 있다.
이상 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 명세서에 개시 된 기초 사상에 따르는 최상의 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.
2 : 유입 하수 4 : 하수공급라인
6 : 고농도의 해수 8 : 해수공급라인
10 : 침지조 12 : 희석된 해수
14 : 하수배출라인 16 : 여과수 배출라인
18 : 농축수 배출라인 20 : 제 1 정삼투 막모듈
22 : 희석된 농축수 30 : 저압펌프
40 : 역삼투 막모듈 50 : 제 2 정삼투 막모듈

Claims (8)

  1. FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치로서,
    2차 처리된 유입 하수가 하수공급라인을 통해 공급되는 침지조와,
    상기 침지조에 공급된 유입 하수와의 농도차로 인하여 유도용액으로서 공급되는 고농도의 해수가 희석되도록 상기 침지조에 설치되는 제 1 정삼투 막모듈과,
    상기 희석된 해수가 공급되어 여과수와 농축수로 분리하여 배출하는 역삼투 막모듈과,
    상기 역삼투 막모듈에 상기 희석된 해수를 공급하는 저압펌프와,
    상기 제 1 정삼투 막모듈에 발생되는 파울링을 저감하는 파울링 저감수단을 포함하는
    FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 정삼투 막모듈은 침지식 중공사막인 것을 특징으로 하는
    FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 파울링 저감수단은 상기 침지조 하부에서 에어 버블을 분사하는 노즐인 것을 특징으로 하는
    FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 침지조의 2차 처리된 하수가 유입 하수로 공급되고, 상기 역삼투 막모듈로부터 배출되는 농축수가 유도용액으로 공급되어, 농도차에 의해 고농도의 농축수가 제 1 정삼투 공정을 통과한 유도용액과 같은 농도로 희석되어 상기 역삼투 막모듈로 순환시키는 제 2 정삼투 막모듈을 더 포함하는
    FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 희석된 농축수는 상기 저압펌프에 의해 상기 역삼투 막모듈로 공급되는
    FO/RO 하이브리드 해수 담수화 장치.
  6. FO/RO 하이브리드 해수 담수화 방법에 있어서,
    침지조에 2차 처리된 유입 하수를 공급하는 하수공급공정과,
    상기 침지조내에 설치된 제 1 정삼투 막모듈에 유도용액으로 해수를 공급하여, 상기 유입하수와 해수와의 농도차에 의해 상기 공급된 고농도의 해수가 희석되는 제 1 정삼투 공정과,
    상기 희석된 해수를 저압으로 역삼투 막모듈로 공급하여 농축수와 배출수로 분리하는 역삼투 공정을 포함하는
    FO/RO 하이브리드 해수 담수화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 정삼투 공정에서는 상기 침지조하부에서 상기 제 1 정삼투 막모듈에 대해 에어버블을 분사하는 파울링 저감공정을 포함하는
    FO/RO 하이브리드 해수 담수화 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 역삼투 막모듈의 농축수가 유도용액으로 공급되고, 상기 침지조의 하수가 유입 하수로 공급되어 농도차에 의해 고농도의 농축수가 제 1 정삼투 공정을 공과한 유도용액과 같은 농도로 희석되는 제 2 정삼투 공정을 더 포함하는
    FO/RO 하이브리드 해수 담수화 방법.
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