KR101335444B1 - 막증류 공정과 분말활성탄 주입을 이용한 담수생산장치 및 이를 이용한 담수생산방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해수담수화 공정에 적용되는 막증류 (Membrane distillation) 공정에서 발생하는 막오염을 제어하기 위한 분말활성탄(Powdered Activated Carbon; PAC) 주입 설비를 이용한 담수생산 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 막증류 공정에 적용되는 소수성 막의 특성상 막오염이 쉽게 진행되는 문제를 해결하고자 분말활성탄을 주입하여 막오염을 제어하여 막증류 공정에서 담수생산을 안정적으로 확보할 수 있는 특징을 가진 담수생산 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

막증류 공정과 분말활성탄 주입을 이용한 담수생산장치 및 이를 이용한 담수생산방법{Device and Method for Desalination}
본 발명은 해수담수화 공정에 적용되는 막증류 (Membrane distillation) 공정에서 발생하는 막오염을 제어하기 위하여 분말활성탄(Powdered Activated Carbon; PAC)을 주입하여 막오염 저감과 동시에 담수를 생산하는 담수생산장치 및 담수생산방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 막증류 공정에 적용되는 소수성 막의 특성상 막오염이 쉽게 진행되는 문제를 해결하고자 분말활성탄을 주입하여 막오염을 제어하여 막증류 공정에서 담수생산을 안정적으로 확보할 수 있는 특징을 가진 막증류 공정과 분말활성탄 자동주입 시설을 이용한 담수생산장치 및 이를 이용한 담수생산방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 막증류 공정에서 발생하는 막오염을 제어하기 위하여 분말활성탄 주입설비를 이용하여 효율적이고 안정적으로 담수를 생산할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
막증류 공정(Membrane distillation)은 해수담수화에 널리 사용되고 있는 역삼투공정과는 달리 소수성 고분자 합성 분리막을 이용한다. 대한민국 등록특허 제10-956765호에는 이러한 막증류 공정에 사용되는 막증류 모듈의 일예가 개시되어 있다.
도 1에는 종래의 막증류 모듈(20)의 구성에 대한 개략도가 도시되어 있고, 도 2에는 막증류 모듈(20)을 이용한 종래의 담수생산 장치의 구성에 대한 개략도가 도시되어 있다. 약 60-90℃가 되는 수용액(해수)이 소수성막(막증류 막)을 거치면 액상의 비휘발성 용매는 막표면에서 반발되고 막기공에서 일어나는 증기상만이 기공을 투과하여 막투과부에서 곧바로 응축된다. 이와 같은 막증류 공정에서의 추진 구동력은 온도차이며, 온도차와 함께 증기압의 차이가 수반되어 상분리를 촉진시킨다. 즉, 막증류 공정에서는, 일반적인 가열에 의한 증류(distillation)보다 낮은 온도와 역삼투(reverse osmosis)보다 낮은 압력의 운전 조건을 이용하는 것이다. 따라서 이와 같은 막증류 공정에 의하면, 열병합 발전소나 모든 화학공정에서 발생하는 폐열을 이용하여 폐수 처리나, 보일러(boiler) 공급액의 탈염 등을 효과적으로 수행할 수 있다. 특히 일조량이 많은 도서지역에서는 태양열을 이용한 막증류 고정에 의해 해수담수화가 가능하다. 막증류 공정에서는 다공성의 소수성 막(membrane)을 사용해야 하는데, 이러한 소수성 막의 소재로는 PTFE, PP, PVDF 등을 사용할 수 있다.
종래의 막증류 공정에 적용되는 소수성 막은 막소재의 특성상 막오염이 쉽게 발생하는 문제가 발생하였으며, 그로 인하여 실제 현장에서는 막증류 공정이 활발하게 적용되지 못하는 원인을 제공하였다.
따라서 막증류 공정이 정상적으로 진행되도록 하기 위해서는, 막오염을 최소화하기 위한 방법이 모색되어야 하는데, 종래의 기술수준에서는, 막증류 공정의 특성상 막소재를 소수성 막보다 막오염 진행속도가 느린 친수성 막으로 교체가 어렵기 때문에 아직까지 효과적인 방법이 제시되지 않고 있다.
대한민국 등록특허 제10-956765호(2010. 05. 12. 공고) 참조.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 해수담수화 공정에 적용되는 막증류 공정에 이용되고 있는 소수성 막의 오염을 제어하기 위하여, 분말활성탄 주입설비와 자동제어 장치를 도입함으로써, 막오염을 최소화하여 막증류 공정을 통해서 안정적인 담수생산을 제공할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 해수주입시설, 분말활성탄 주입장치, 막증류 모듈과 막증류 모듈의 압력과 유량을 실시간으로 계측하여 막오염 상태를 실시간으로 파악하여 분말활성탄의 주입농도를 결정함으로써, 막증류 장치에 적용된 소수성 막의 오염을 최대한 제어하여 안정적인 담수생산 효과를 얻을 수 있는 기술이 제공된다.
구체적으로 본 발명에서는 유입되는 해수를 저장하는 해수 저장조와; 상기 해수 저장조(1)로부터 공급된 해수에 분말활성탄을 혼합하는 혼화 반응조와; 막증류 공정이 이루어지도록 분말활성탄이 혼합된 해수를 가열하는 가열장치와; 소수성 막증류 막을 구비하고 있어 상기 가열장치를 거쳐 공급되는 해수로부터 상기 막증류 막에서의 막증류에 의해 담수를 생산하는 막증류 모듈을 포함하여 구성되어, 상기 분말활성탄에 의해 오염물질을 흡착하여 제거함으로써 막증류 막의 오염을 억제하면서 담수를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산 장치가 제공된다.
이러한 본 발명에 따른 담수생산 장치에는, 분말활성탄 공급라인을 통해서 상기 혼화 반응조에 분말활성탄을 공급하기 위하여 분말활성탄을 저장하는 분말활성탄 저장조가 더 구비되고; 상기 분말활성탄 공급라인에는 분말활성탄의 주입량을 조절할 수 있는 분말활성탄 주입펌프가 구비될 수도 있으며, 더 나아가, 상기 막증류 모듈에서 생산되어 배출되는 생산수의 압력을 측정하는 압력계와; 상기 막증류 모듈로부터 배출되는 생산수의 유량을 측정할 수 있는 유량계와; 상기 압력계에 의해 측정된 압력 또는 상기 유량계에 측정된 유량에 의해 상기 분말활성탄 주입펌프의 작동을 제어하는 주입제어장치가 더 구비될 수도 있다.
또한 위와 같은 본 발명에 따른 담수생산 장치에서, 상기 혼화 반응조에는 해수와 분말활성탄을 교반하여 혼합하는 교반기가 더 구비될 수도 있으며, 상기 막증류 모듈에서 생산되어 배출되는 생산수를 저장하는 생산수 저장조와; 상기 생산수 저장조에 수집된 생산수를 다시 막증류 모듈로 순환시키는 순환라인이 더 구비될 수도 있다.
아울러, 본 발명에서는 위와 같은 장치를 이용하여 담수를 생산하는 방법이 제공된다.
해수담수화를 위한 종래의 막증류 공정에 적용되는 소수성 막은, 해수에 포함된 유기물 및 무기물로 인하여 쉽게 막오염 현상이 발생하게 되고, 그에 따라 담수공정의 가동이 진행될수록 막표면에 압력 상승과 플럭스(Flux)가 감소하여 담수 생산효과를 저하시키는 문제를 일으켰다.
그러나 본 발명에서는, 분말활성탄 자동주입 및 제어 기술을 막증류 공정에 적용하여, 분말활성탄에 의해 막오염을 유발하는 오염물질들을 흡착하여 제거함으로서, 막증류 공정에 적용되는 소수성 막의 막오염을 지연시키게 되고, 그에 따라 담수가 안정적으로 생산되는 효과가 발휘된다.
특히, 본 발명에서는 막증류 공정에서 발생하는 압력과 유량을 모니터링하여, 분말활성탄의 주입량을 제어함으로써, 최적의 담수생산 조건을 조성하게 되어, 담수생산효율을 더욱 향상시키게 되는 효과가 발휘된다.
도 1은 종래의 막증류 모듈의 구성에 대한 개략도이다.
도 2는 막증류 모듈을 이용한 종래의 담수생산 장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따라 분말활성탄을 주입하면서 진행하는 막증류 공정에 의해 담수를 생산하는 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 담수생산 방법에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 담수생산 장치의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 담수생산 장치의 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 3에는 본 발명의 제1실시예에 따라 분말활성탄을 주입하면서 진행하는 막증류 공정에 의해 담수를 생산하는 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 따른 담수생산 방법에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다.
구체적으로 도면에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 담수생산 장치는, 막증류 공정을 진행하되, 분말활성탄을 자동적으로 주입하는 구성을 구비하고 있어, 막증류 공정에서 소수성 막의 오염이 발생하게 되면, 분말활성탄을 막증류 모듈에 주입함으로써, 막의 오염을 줄여서 담수 생산이 원활하게 이루어지도록 하는 구성을 가지고 있다.
도면에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 담수생산 장치는, 유입되는 해수를 저장하는 해수 저장조(1)와, 상기 해수 저장조(1)로부터 공급된 해수에 분말활성탄을 혼합하는 혼화 반응조(2)와, 막증류 공정이 이루어지도록 분말활성탄이 혼합된 해수를 가열하는 가열장치(3)와, 소수성 막증류 막을 구비하고 있어 상기 가열장치(3)를 거쳐 공급되는 해수로부터 상기 막증류 막에서의 막증류에 의해 담수를 생산하는 막증류 모듈(20)을 포함하여 구성된다.
상기 혼화 반응조(2)에는, 해수와 분말활성탄이 효과적으로 혼합될 수 있도록 교반기(4)가 더 구비될 수 있다. 가열장치(3)는 혼화 반응조(2)로부터 막증류 모듈(20)로 공급되는 막증류 공급라인(200)에 구비됨으로써 분말활성탄이 포함되어 있는 해수를 가열할 수도 있지만, 도면에 도시된 것처럼, 상기 혼화 반응조(2)를 직접 가열하도록 설치됨으로써, 해수가 분말활성탄이 혼합되는 과정에서 가열이 이루어지도록 할 수도 있다. 이와 같이 혼화 반응조(2)의 직접 가열 구성에 의하면, 가열장치(3)가 혼화 반응조(2)와 일체화될 수 있어, 장치의 구성이 간소화되는 효과가 발휘된다.
한편, 상기 혼화 반응조(2)에 분말활성탄을 원활하게 공급하기 위하여 분말활성탄을 저장하게 되는 분말활성탄 저장조(10)가 더 구비되어, 분말활성탄 공급라인(101)을 통해서 상기 분말활성탄 저장조(10)로부터 상기 혼화 반응조(2)로 분말활성탄이 공급될 수도 있다. 이 때, 상기 분말활성탄 공급라인(101)에는 분말활성탄의 주입량을 조절할 수 있는 분말활성탄 주입펌프(11)가 구비될 수 있다.
상기 혼화 반응조(2)에 담겨져서 분말활성탄이 혼입된 해수는 막증류 공급라인(200)을 통해서 막증류 모듈(20)로 공급된다. 상기 막증류 공급라인(200)에는 분말활성탄이 혼입된 해수를 막증류 모듈(20)로 공급하는 것을 제어하는 해수 주입펌프(5)가 구비될 수 있다.
상기 막증류 모듈(20)에는 소수성 막으로 이루어진 막증류 막이 구비되어 있어, 해수가 공급되면 통상적인 막증류 과정에 의해 담수만이 막증류 막을 통과하게 되고, 농축수는 유출구(22)를 통해서 배출된다. 생산된 담수 즉, 생산수는 생산수 라인(310)을 통해서 생산수 저장조(31)로 수집될 수 있다. 도면에서 부재번호 21은 분말활성탄이 혼입된 해수가 막증류 모듈(20)로 유입되는 유입구(21)이다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 담수생산 장치 및 이를 이용한 담수생산 방법에서는, 막증류 모듈(20)에 구비된 막증류 막이 오염된 것을 판정되는 경우, 분말활성탄을 막증류 모듈(20)에 공급하게 된다. 구체적으로, 분말활성탄 주입펌프(11)를 개방하여 상기 분말활성탄 공급라인(101)을 통해 상기 분말활성탄 저장조(10)로부터 상기 혼화 반응조(2)로 분말활성탄을 공급하게 된다. 혼화 반응조(2)에서는 해수와 분말활성탄이 교반되어 혼합되며, 이렇게 분말활성탄과 혼합된 해수는 상기 가열장치(3)를 거치면서 가열됨으로써, 막증류에 필요한 에너지를 공급받은 상태로 막증류 모듈(20)로 공급된다. 막증류 모듈(20)에서는 해수의 막증류 공정이 진행되는데, 이와 같이 해수에는 분말활성탄이 혼입되어 있으므로, 해수에 혼입된 분말활성탄은 막증류 막의 오염을 유발하는 오염물질과 막증류에서 제거되지 않는 휘발성 오염물질들을 흡착하게 된다. 오염물질을 흡착한 분말활성탄은, 막증류 막을 통과하지 못한 농축수와 함께, 유출구(22)를 통해서 막증류 모듈(20)의 외부로 배출된다.
이와 같이, 본 발명에서는, 막증류 막의 오염을 유발하게 되는 오염물질들과 막증류 공정에서 제거하지 못하는 휘발성 오염물질들이 분말활성탄에 의해 제거되는 것이다. 따라서 그만큼 막증류 막의 오염이 방지되거나 적어도 지연될 뿐만 아니라, 막오염으로 인한 막증류 효율 저하를 방지할 수 있게 되어 원활하고 안정적인 담수생산이 가능하게 되는 효과가 발휘된다.
도 5에는 본 발명의 제2실시예에 따른 담수를 생산하는 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있는데, 도 5에 도시된 제2실시예에서는 분말활성탄의 공급을 자동적으로 제어하는 구성이 더 구비되어 있다. 즉, 앞서 도 3과 관련하여 살펴본 제1실시예에 따른 담수생산 장치의 구성에 더하여, 막증류 모듈(20)로부터의 생산수 압력을 측정하는 압력계(13)와, 상기 막증류 모듈(20)로부터 배출되는 생산수의 유량을 측정할 수 있는 유량계(14)가 더 구비되어 있는 것이다. 또한, 도 5에 도시된 제2실시예에는 주입제어장치(12)가 더 구비되어, 상기 분말활성탄 공급라인(101)에 구비되어 분말활성탄의 주입량을 조절하게 되는 분말활성탄 주입펌프(11)를 상기 주입제어장치(12)의 신호에 의해 제어하게 된다. 상기 주입제어장치(12)는 컴퓨터로 구성될 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제2실시예에 따른 담수생산 장치 및 이를 이용한 담수생산 방법에서는, 압력계(13)와 유량계(14)를 이용하여 막증류 모듈(20) 내부의 압력 또는 생산되는 생산수의 압력, 그리고 상기 막증류 모듈(20)로부터 배출되는 생산수의 유량을 각각 모니터링하여, 상기 주입제어장치(12)에서는 모니터링 결과에 따라 정상적인 담수 생산 상태인지의 여부를 판단하게 된다. 예를 들어, 막증류 모듈(20)의 내부 압력이나 생산수의 압력이 정상 상태의 압력 이하일 경우에는 막오염이 일어난 것으로 판단할 수도 있으며, 생산수의 유량이 정상 상태의 값 이하일 경우에 막오염이 일어난 것으로 판단할 수도 있다. 물론 유량과 압력을 동시에 고려하여 막오염 여부를 판단할 수도 있다. 이와 같이 압력과 유량의 모니터링을 통해서 막증류 모듈(20)에 설치된 소수성의 막증류 막이 오염된 것으로 판단되는 경우, 상기 주입제어장치(12)는 상기 분말활성탄 공급라인(101)에 구비된 분말활성탄 주입펌프(11)를 제어하여, 분말활성탄이 상기 혼화 반응조(2)로 공급되도록 한다. 분말활성탄이 혼화 반응조(2)로 공급된 이후의 작동과 구성, 그리고 그에 따른 기타 효과는 앞서 설명한 제1실시예의 경우와 동일하므로 이에 대한 반복설명은 생략한다.
이와 같은 제2실시예에 의한 구성에서는 분말활성탄의 공급 등의 작동을 자동적으로 제어할 수 있게 되므로, 그 만큼 더욱 효율적으로 담수를 생산할 수 있게 된다.
도 6에는 본 발명의 제3실시예에 따라 분말활성탄을 주입하면서 진행하는 막증류 공정에 의해 담수를 생산하는 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도 6에 도시된 것처럼, 필요에 따라서는 생산수 저장조(31)로 수집된 생산수를 다시 막증류 모듈(20)로 순환시키는 구성이 본 발명에 더 구비될 수 있다. 도 6에서 부재번호 30은, 생산수 저장조(31)로부터 막증류 모듈(20)로 생산수를 순환시키는 순환라인(320)에 설치되는 순환펌프(30)이다. 이 경우에는 상기 순환라인(320)에도 압력을 측정할 수 있는 압력계(13)가 더 구비될 수 있다. 상기 생산수의 순환라인(320)에 구비된 압력계(13)에 의한 측정결과는 상기 주입제어장치(12)로 제공되어, 정상적인 담수 생산 상태인지의 여부 판단 및 상기 분말활성탄 공급라인(101)에서의 분말활성탄 공급 제어 등의 자료로 활용된다.
도 6에 도시된 제3실시예의 구성에 의해, 생산수를 순환시키게 되면, 담수의 순도가 더욱 높아지는 효과가 발휘된다. 도 6에 도시된 제3실시예에서, 기타 구성, 작용 및 효과는 제1실시예 및 제2실시예와 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
1 : 해수 저장조
2 : 혼화 반응조
3 : 가열장치
4 : 교반기
10 : 분말활성탄 저장조
13 : 압력계
14 : 유량계
20 : 막증류 모듈
31 : 생산수 저장조

Claims (8)

  1. 유입되는 해수를 저장하는 해수 저장조(1)와;
    상기 해수 저장조(1)로부터 공급된 해수에 분말활성탄을 혼합하는 혼화 반응조(2)와;
    막증류 공정이 이루어지도록 분말활성탄이 혼합된 해수를 가열하는 가열장치(3)와;
    소수성 막증류 막을 구비하고 있어 상기 가열장치(3)를 거쳐 공급되는 해수로부터 상기 막증류 막에서의 막증류에 의해 담수를 생산하는 막증류 모듈(20)과;
    분말활성탄 공급라인(101)을 통해서 상기 혼화 반응조(2)에 분말활성탄을 공급하기 위하여 분말활성탄을 저장하는 분말활성탄 저장조(10)와;
    분말활성탄의 주입량을 조절할 수 있도록 상기 분말활성탄 공급라인(101)에 구비되어 있는 분말활성탄 주입펌프(11)와;
    상기 막증류 모듈(20)에서 생산되어 배출되는 생산수의 압력을 측정하는 압력계(13)와;
    상기 막증류 모듈(20)로부터 배출되는 생산수의 유량을 측정할 수 있는 유량계(14)와;
    상기 압력계(13)에 의해 측정된 압력 또는 상기 유량계(14)에 측정된 유량에 의해 상기 분말활성탄 주입펌프(11)의 작동을 제어하는 주입제어장치(12);를 포함하여 구성되어,
    상기 분말활성탄에 의해 오염물질을 흡착하여 제거함으로써 막증류 막의 오염을 억제하면서 담수를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼화 반응조(2)에는 해수와 분말활성탄을 교반하여 혼합하는 교반기(4)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 막증류 모듈(20)에서 생산되어 배출되는 생산수를 저장하는 생산수 저장조(31)와;
    상기 생산수 저장조(31)에 수집된 생산수를 다시 막증류 모듈(20)로 순환시키는 순환라인(320)이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산 장치.
  6. 분말활성탄 저장조(10)로부터 분말활성탄 공급라인(101)을 통해 공급된 분말활성탄과 외부로부터 공급된 해수를 해수 저장조(1)에서 혼합하는 단계;
    막증류 공정이 이루어지도록 분말활성탄이 혼합된 해수를 가열장치(3)로 가열하는 단계; 및
    소수성 막증류 막을 구비하고 있어 상기 막증류 막에서의 막증류에 의해 담수를 생산하는 막증류 모듈(20)에, 상기 분말활성탄이 혼합되고 가열된 해수를 공급하여 막증류에 의해 담수를 생산하는 단계를 포함하여 구성되어,
    상기 막증류 모듈(20)에서 생산되어 배출되는 생산수의 압력을 압력계(13)로 측정하거나 또는 상기 막증류 모듈(20)에서 생산되어 배출되는 생산수의 유량을 유량계(14)로 측정하여, 혼화 반응조(2)로 공급되어 해수와 혼합되는 분말활성탄의 양을 조절하면서, 상기 분말활성탄에 의해 오염물질을 흡착하여 제거함으로써 막증류 막의 오염을 억제하면서 담수를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 막증류 모듈(20)에서 생산되어 배출되는 생산수를 다시 막증류 모듈(20)로 공급하여 순환시키는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산 방법.
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