KR101333308B1 - 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수로부터 자원을 고효율 적으로 회수하기 위해 해수 용존 원소를 농축하는 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 이용한 해수 용존 원소 농축장치에 관한 것이다.
이를 위해, 상기 해수가 유입되는 해수유입구와 상기 유입된 해수에서 농축된 해수가 유출되는 해수유출구가 형성된 챔버와 상기 챔버 내부에서 상기 유입구로 유입된 해수를 동결 농축시키는 냉각수단을 포함한 동결 농축기와 상기 해수를 여과하는 여과기와 상기 동결 농축기를 포함하여 이루어진다.

Description

해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치 {Seawater-dissolved element freezing concentrator and apparatus for the concentration of seawater-dissolved element having the same}

본 발명은 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 해수로부터 자원을 고효율적으로 회수하기 위해서 해수 용존 원소를 농축하는 해수 용존 원소 농축장치 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치에 관한 것이다.

해수로부터 고효율적으로 자원을 회수하기 위해서는, 해수 중에 유리이온(free ion), 이온쌍(ion pair) 및 착이온(complx ion) 등의 형태로 존재하는 원소들의 농축 공정이 요구된다.

해수 농축 방법에는 진공증발(vacuum evaporation), 전기투석(electrodialysis), 역삼투압(reverse osmosis), 동결 농축(freezing-concentration)방법 등으로 구분된다.

이와 같은 농축 방법들은 담수화 공정에서 진공증발법이나 역삼투압법의 대안으로 제안되고 있으며 폐수처리, 식수정화, 식료품 관련 등 다양하게 응용되고 있다.

그러나, 이런 농축 방법들은 반복적인 운전으로 인한 에너지 소비가 크며, 전기 투석법 및 역삼투압법은 고가의 여과수단을 거쳐야하므로 비용부담이 크다.

또한, 운전중에 부식, 스케일링, 등이 발생하므로 운전에 많은 주의가 요구되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 에너지 소비량이 적으며, 경제적으로도 비용부담이 적은 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치를 제공하는 것이다.

아울러, 공정중에 부식, 스케일링 등이 발생하지 않으며 운전이 용이한 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치는 해수가 유입되는 해수유입구와 해수가 유출되는 해수유출구가 형성된 챔버와 상기 챔버 내부에서 해수를 동결 농축시키는 냉각수단을 포함하여 이루어진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 냉각수단은 상기 챔버 내부에 구비되어 해수와 열교환 가능하게 접촉하는 냉매관과 상기 냉매관으로 냉매를 순환 공급하는 냉매공급부를 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 냉매관은 나선형으로 수직 배치된 것 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 냉매공급부는 상기 냉매관으로 일정온도의 냉매를 공급하도록 온도 조절이 가능한 것을 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 챔버에는 상기 냉매관의 양단부가 연결되는 냉매 유입구와 냉매유출구가 형성되어있고, 상기 냉매유입구와 상기 냉매유출구는 상기 냉매공급부와 열결되는 것을 더 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치는 해수를 여과하는 여과기와 상기 여과기에서 전달되는 해수로부터 용존 원소를 농축하는 해수 용존 동결 농축기를 포함하여 이루어진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 여과기는 해수의 부유물 및 불순물을 제거하는 멤브레인을 구비되며, 상기 멤브레인의 기공은 0.5㎛ 내지 1.0㎛ 인 것을 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 해수 용존 원소 동결 농축기에서 농축된 해수를 저장하는 저장조를 더 포함한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 반복적인 운전을 요구하지 않으므로 에너지 소비량이 적으며, 고가의 여과수단을 요구하지 않기 때문에 경제적으로도 비용부담이 적은 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 의하면, 단순화된 구성과 작동으로 공정 과정에서 운전중에 부식, 스케일링, 등이 발생하지 않으며 운전이 용이한 해수 용존 원소 동결 농축기 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 동결 농축기의 구성을 보여주는 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 농축장치의 구성 및 작용을 보여주는 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 농축장치의 작용 과정를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 농축장치의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 동결 농축기(100)의 전체 구성을 보여주는 도면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 농축장치(200)의 구성을 보여주는 도면, 도 3은 해수 용존 원소 농축장치(200)를 통하여 해수 용존 원소 농축하는 과정을 보여주는 도면, 도 4는 해수 용존 원소 농축장치(200)를 통하여 농축된 원소의 농축도를 보여주는 도면이다.

도면들을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 동결 농축기(100)는 챔버(110), 냉각수단(130)을 포함하여 이루어진다.

상기 챔버(110)의 크기와 형상은 크게 제한받지 아니하며, 본 발명의 실시예에서 바람직하게는 원형의 형상, 실내에서 이동할 수 있는 크기로 제작된다.

상기 챔버(110)의 내부는 해수를 수용하는 수용부(115)로 형성된다.

또한, 상기 챔버(110)는 급격한 온도변화에 견딜 수 있는 재질을 사용할 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 상기 챔버(110)의 내부를 육안으로 확인 가능하며, 내부에서 온도를 유지할 수 있도록 내열유리를 사용한다.

또한, 상기 챔버(110)의 상부에는 해수가 유입되는 해수유입구(111a)가 형성되어 있고, 상기 챔버(110)하부에는 상기 해수유입구(111a)에서 유입된 해수가 상기 챔버(110) 내부에서 농축된 해수 용존 원소가 유출되도록 해수유출구(111b)가 형성된다.

또한, 상기 해수유출구(111b)에는 농축된 해수가 외부로 유출되는 것을 허용 또는 차단하는 밸브(v) 등의 개폐수단이 더 구비되며, 개폐수단으로는 크게 제한받지 아니한다.

상기 냉각수단(130)은 상기 챔버(110) 내부에 배치된 냉매관(131)과, 상기 냉매관(131)으로 냉매를 순환 공급하는 냉매공급부(133)로 이루어진다.

상기 냉매관(131)은 상기 수용부(115)에 저장된 해수와의 접촉면적을 극대화하기 위해 챔버(110) 내부에서 나선형으로 수직 배치되는 것이 바람직하다.

상기 냉매공급부(133)는 온도조절이 가능하며, 상기 냉매공급부(133)에서 제어된 일정온도의 냉매가 상기 냉매관(131)으로 순환 공급한다.

또한, 상기 냉매관(131)의 양단부가 연결되는 냉매유입구(113a)와 냉매유출구(113b)가 상기 챔버(110)의 상부면에 형성되어 있으며, 이를 통해 상기 챔버(110) 내부에 배치된 냉매관(131)과 상기 냉매공급부(133)가 연결된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 동결 농축기(100)를 통한 농축 과정을 설명한다.

해수가 상기 챔버(110) 상부에 형성된 해수유입구(111a)를 통하여 상기 챔버(110) 내부로 유입된다.

상기 챔버(110) 내부로 수용된 해수는 상기 냉매관(131)과 접촉한다.

상기 냉매공급부(133)에서 온도를 제어하며 상기 냉매공급부(133)에 연결된 상기 냉매관(131)으로 냉매를 공급하여 상기 챔버(110) 내부에서 해수의 동결이 이루어진다.

통상 해수 얼음은 -1.9℃부터 형성이 되며, 해수 용존 원소는 해수 얼음이 형성되는 온도보다 상당히 낮은 온도에서 화합물 형태로 침전된다.

-8.2℃에서 Na₂SO₄·10H₂O, -22℃에서 CaSO₄·2H₂O, -22.9℃에서 NaCl·2H₂O, -36℃에서 KCl 및 MgCl₂·12H₂O, -54℃에서 CaCl₂·6H₂O 등의 형태로 침전된다.

즉, 온도에 따라 침전되는 원소가 다르므로 농축되는 원소는 상기 냉매공급부(133)에서 제어되는 온도에 의해서 결정된다.

따라서, 상기 냉매공급부(133)에서 설정된 온도에 따라 상기 냉매관(131)과 접촉되는 영역부터 해수가 동결되고, 동결되지 않는 해수 용존 원소는 상기 냉매관(131)에서 멀어지는 영역으로 밀려나면서 농축되며, 상기 챔버(110)의 하부에 형성된 상기 해수유출구(111b)를 통해 침전하여 분리된다.

도 2은 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 농축장치(200)의 구성 및 추출과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 농축장치(200)는 여과기(210), 해수 용존 원소 동결 농축기(100)를 포함하여 이루어진다.

상기 여과기(210) 내부에는, 부유물 및 불순물이 제거되도록 멤브레인(212)이 구비된다.

또한, 상기 멤브레인(212)의 기공 크기는 특별한 제한은 없으나 기공이 0.5㎛ 미만일 경우에 해수에 포함되어 있는 부유물, 불순물 및 이물질을 제거하는데 있어 유리하나 시간이 지체되고, 기공이 1.0㎛를 초과할 경우엔 해수에 포함되어 있는 부유물, 불순물 및 이물질을 제거하는데 있어 불리하나 빠르게 여과할 수 있는 장점이 있다.

즉, 상기 멤브레인(212)의 기공은 0.5㎛ 내지 1.0㎛를 가진 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 해수 용존 원소 동결 농축기(100)는, 상기 여과기(210) 주변에 설치하여 상기 여과기(210)에서 여과된 해수가 상기 해수 용존 원소 동결 농축기(100)로 이송되며, 여기서 상기 해수 용존 원소 동결 농축기(100)는, 앞서 도시된 본 발명의 실시예에 상술한 바와 같은 해수 용존 원소 동결 농축기(100)와 동일하므로 이에 관한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 해수 용존 원소 동결 농축기(100)에서 농축된 해수를 저장하는 저장조(230)가 더 구비된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해수 용존 원소 농축장치(200)를 이용하여 해수 용존 원소 농축 과정을 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 해수를 상기 여과기(210)로 이송하고, 상기 여과기(210) 내부에 구비된 멤브레인(212)을 거쳐 해수에 포함된 부유물 및 불순물을 제거하며 여과한다.(S1000)

상기 여과기(210)를 거친 해수를 상기 해수 용존 원소 동결 농축기(100)로 이송하여 상기 챔버(110) 내부의 수용부(115)에 수용한다.(S2000)

상기 냉매공급부(133)에서 사용자가 농축하고자하는 해수 용존 원소에 따른 적합한 온도를 제어한다.(S3000)

상기 수용부(115)에 저장된 해수를 동결한다.(S4000)

여기서, 사용자가 원하는 동결되지 않은 농축된 해수 용존 원소를 분리한다.(S5000)

상기 챔버(110) 내부에서 침전하여 분리된 농축된 해수 용존 원소를 상기 저장조(230)로 저장한다.(S6000)

이와 같이, 상기와 같은 방법으로 추출하고자 하는 해수 용존 원소를 온도에 따라 분리할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 용존 물질 농축추출장치(200)는 다음과 같은 효과가 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 용존 물질 농축추출장치(200)에 의해 추출된 용존 물질의 농도 변화를 나타낸 도면이다.

농축도(concenteration degree)는 농축 전(Vb), 농축 후(Va)의 해수 부피 변화를 이용하는 아래의 수학식 1을 이용하여 계산하였다.

(수학식 1) 농축도(concenteration degree) = (1-Va/Vb)×100

도 4에 도시된 바와 같이, 농축도 96 및 99에서 해수 용존 마그네슘(Mg²⁺) 농도값 및 칼슘(Ca²⁺) 이온의 농도(concentration (ppm))가 5배 및 7배 증가하는 효과를 보여준다.

아울러, 해수 용존 리튬(LI⁺)의 경우에는 농축도 99에서 10배의 농축 효과를 나타내었다.

또한, 반복적인 운전을 요구하지 않으므로 에너지 소비량이 적으며, 고가의 여과수단을 거치지 않기 때문에 경제적으로도 비용부담이 적은 효과가 있다.

또한, 단순화된 구성과 작동으로 공정과정에서 부식, 스케일링 등이 발생하지 않으며, 간단한 온도조절로서 운전이 용이한 우수한 효과가 있다.

이상에서, 본 발명에 따른 해수 용존 원소 동결 농축기(100) 및 이를 갖는 해수 용존 원소 농축장치(200)는 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 진술한 실시예 외에도 여과기(210)와 농축기(100)의 형태가 다양하게 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

100 : 해수 용존 원소 동결 농축기 110 : 챔버
111a : 해수유입구 111b : 해수유출구
113a : 냉매유입구 113b : 냉매유출구
115 : 수용부 130 : 냉각수단
131 : 냉매관 133 : 냉매공급부
200 : 해수 용존 원소 농축장치 210 : 여과기
212 : 멤브레인 230 : 저장조
v : 밸브

Claims (8)

1. 해수가 유입되는 해수유입구와, 해수가 유출되는 해수유출구가 형성된 챔버; 및
   상기 챔버 내부에서 해수를 동결 농축시키는 냉각수단;을 포함하고,
   상기 냉각수단은 상기 챔버 내부에 나선형으로 수직 배치되며 해수와 열교환 가능하게 접촉하는 냉매관;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 해수 용존 원소 동결 농축기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각수단은 상기 냉매관으로 냉매를 순환 공급하는 냉매공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 용존 원소 동결 농축기.
   
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 냉매공급부는 상기 냉매관으로 일정온도의 냉매를 공급하도록 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 해수 용존 원소 동결 농축기.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 챔버에는 상기 냉매관의 양단부가 연결되는 냉매 유입구와 냉매유출구가 형성되어있고, 상기 냉매유입구와 상기 냉매유출구는 상기 냉매공급부와 연결되는 것을 특징으로 하는 해수 용존 원소 동결 농축기.
   
6. 해수 용존 원소 농축장치에 있어서,
   상기 해수를 여과하는 여과기;
   상기 여과기에서 전달되는 해수로부터 용존 원소를 농축하는 해수 용존 동결 농축기를 포함하되;
   상기 해수 용존 원소 동결 농축기는 제 1 항 및 제 2 항, 청구항 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 한 항의 해수 용존 원소 동결 농축기인 것을 특징으로 하는 해수 용존 원소 농축장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 여과기는, 해수의 부유물 및 불순물을 제거하는 멤브레인을 구비하며, 상기 멤브레인의 기공은 0.5㎛ 내지 1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 해수 용존 원소농축장치.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 해수 용존 원소 동결 농축기에서 농축된 해수를 저장하는 저장조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 용존 원소 농축장치.

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