KR101340450B1 - 해수의 흐름을 이용한 담수화 장치 및 담수화 방법 - Google Patents

해수의 흐름을 이용한 담수화 장치 및 담수화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수가 공급되고, 상기 해수의 이온이 흡착 제거된 물이 배출되는 도관; 상기 도관 내부의 양 측면에 구비되며, 각각 양전압 및 음전압이 발생되는 전극부; 및 상기 도관에 공급된 해수의 흐름에 대해 수직 방향으로 자기장을 인가하는 자석부를 포함하며, 해수의 공급으로 발생하는 운동 기전력에 의해 상기 전극부에 전위차가 발생하여 해수의 이온이 상기 전극부에 흡착되어 제거되는 담수화 장치 및 폐회로를 구성하는 양 전극부가 설치된 도관에 해수를 공급하고, 상기 도관에 상기 해수의 흐름에 대해 수직 방향으로 자기장을 인가하여 운동 기전력을 발생시키는 운동 기전력 발생 단계; 및 상기 운동 기전력에 의해 상기 양 전극부에 전위차가 발생하면서 해수의 이온이 상기 양 전극부에 흡착되어 제거되는 이온 흡착 제거 단계를 포함하며, 상기 운동 기전력 발생 단계 및 이온 흡착 제거 단계를 동시에 수행하는 담수화 방법을 제공한다.
본 발명의 담수화 장치 및 방법을 사용하여, 전기 흡착식 담수화와 유도 전력에 의한 발전을 동시에 수행함으로써, 에너지 소비량을 줄이고, 유지보수를 간편하게 할 수 있으며, 별도의 화학약품이 요구되지 않아 친환경적으로 담수화할 수 있다.

Description

해수의 흐름을 이용한 담수화 장치 및 담수화 방법{Apparatus and method for desalination using a stream of sea water}
본 발명은 해수의 흐름을 이용한 담수화 장치 및 담수화 방법에 관한 것이다.
담수화는 지역의 특성과 여건에 따라 다양한 방법이 연구되고 있으며, 종래에는 증발법이나 역삼투막법이 이용되었다. 그러나, 증발법은 막대한 에너지 소모량 때문에 석유 등 에너지 자원이 풍부한 중동 등지에서만 주로 이용되었으며, 역삼투막법 역시 에너지 소모량이 많은 고압펌프를 사용해야 하고, 유지관리 기술개발이 여전히 필요한 실정이다. 따라서 상기 단점을 보완하는 저비용 저에너지의 새로운 담수화 기술을 개발하고자 세계 여러 나라에서 새로운 연구들이 진행 중에 있다.
전기 흡착식 담수화 기술(CDI : Capacitive Deionization)은 커패시터의 원리를 이용한 축전식 탈염 기술로 전극전위의 조절로 용존 이온을 제거하는 방법으로서, 현재 개발 중인 다른 기술에 비해 에너지 소비량이 적고, 역삼투막법과 달리 화학약품에 의한 세정이 필요 없어 2차 오염이 없는 환경 친화적인 기술이다. 또한 유지보수가 간편하다는 장점이 있어 차세대 담수화 기술로 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나 전기 흡착식 담수화 기술 기술은 전극 전위에 별도의 전기에너지를 외부에서 인가해야만 담수가 가능하다는 문제가 있다.
본 발명의 한 측면은 전극부 및 자석부를 구비하는 도관을 이용하여, 자기장 내의 해수의 흐름으로 발생하는 운동 기전력을 전기 흡착식 담수화 기술에 공급하여 담수화와 발전을 동시에 수행할 수 있는 담수화 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 측면은 전극부 및 자석부를 구비하는 도관을 이용하여, 자기장 내의 해수의 흐름으로 발생하는 운동 기전력을 전기 흡착식 담수화 기술에 공급하여 담수화와 발전을 동시에 수행할 수 있는 담수화 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 해수가 공급되고, 상기 해수의 이온이 흡착 제거된 물이 배출되는 도관; 상기 도관 내부의 양 측면에 구비되며, 각각 양전압 및 음전압이 인가되는 전극부; 및 상기 도관에 공급된 해수의 흐름에 대해 수직 방향으로 자기장을 인가하는 자석부를 포함하며, 해수의 공급으로 발생하는 운동 기전력에 의해 상기 전극부에 전위차가 발생하면서 해수의 이온이 상기 전극부에 흡착되어 제거되는 담수화 장치가 제공된다.
상기 도관 및 전극부가 복수로 적층되어 직렬로 연결된 케스케이드 구조일 수 있다.
상기 담수화 장치는 상기 도관에서 배출되는 담수화된 물의 이온 농도 또는 상기 전극부의 전압을 측정하여 상기 도관에 공급되는 해수의 유속을 조절하는 제어부를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 폐회로를 구성하는 양 전극부가 설치된 도관에 해수를 공급하고, 상기 도관에 상기 해수의 흐름에 대해 수직 방향으로 자기장을 인가하여 운동 기전력을 발생시키는 운동 기전력 발생 단계; 및 상기 운동 기전력에 의해 양 전극부에 전위차가 발생하면서 해수의 이온이 상기 양 전극부에 흡착되어 제거되는 이온 흡착 제거 단계를 포함하며, 상기 운동 기전력 발생 단계 및 이온 흡착 제거 단계를 동시에 수행하는 담수화 방법이 제공된다.
상기 담수화 방법은 상기 도관 및 전극부가 복수개 적층되어, 상기 운동 기전력 발생 단계 및 이온 흡착 제거 단계를 동시에 계속적으로 수행하는 것일 수 있다.
상기 담수화 방법은 상기 이온 흡착 제거 단계에서 해수의 이온 농도 또는 상기 전극부의 전압을 측정하여 상기 도관에 공급되는 해수의 유속을 조절하는 제어단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 담수화 장치 및 방법을 사용하여, 전기 흡착식 담수화와 유도 전력에 의한 발전을 동시에 수행함으로써, 에너지 소비량을 줄이고, 유지보수를 간편하게 할 수 있으며, 별도의 화학약품이 요구되지 않아 친환경적으로 담수화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 담수화 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 전기 흡착식 담수화(CDI) 공정 및 운동 기전력의 발생 원리를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 계단식으로 배치된 본 발명의 담수화 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 실시예의 담수화 장치의 단면도 및 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 실시예의 담수화 장치를 이용한 실험 장치 구성도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 실시예의 담수화 장치를 이용한 실험 장치를 전기적 등가회로로 도시한 것이다.
도 7은 실시예의 담수화 장치를 이용한 실험 장치의 충방전 경향을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 담수화 장치를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 전기 흡착식 담수화(CDI) 공정 및 운동 기전력의 발생 원리를 개략적으로 도시한 것이며, 도 3은 계단식으로 배치된 본 발명의 담수화 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 도 4는 실시예의 담수화 장치의 단면도 및 평면도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 5는 실시예의 담수화 장치를 이용한 실험 장치 구성도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 6은 실시예의 담수화 장치를 이용한 실험 장치를 전기적 등가회로로 도시한 것이며, 도 7은 실시예의 담수화 장치를 이용한 실험 장치의 충방전 경향을 개략적으로 도시한 것이다. 상기 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 해수의 흐름을 이용한 담수화 장치 및 담수화 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전극부 및 자석부를 구비하는 도관에 해수를 흐르게 함으로써, 자기장에 의해 양 전극에 운동 기전력이 발생되면서, 해수의 이온을 상기 양 전극에 흡착시켜 제거할 수 있다. 본 발명의 담수화 장치 및 방법을 사용함으로써, 담수화에 소비되는 에너지를 줄이면서, 친환경적으로 담수화할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 해수(201)가 공급되고, 상기 해수의 이온이 흡착 제거된 물(202)이 배출되는 도관(101); 상기 도관(101) 내부의 양 측면에 구비되며, 각각 양전압 및 음전압이 발생되는 전극부(102, 102’); 및 상기 도관(101)에 공급된 해수(201)의 흐름에 대해 수직 방향으로 자기장을 인가하는 자석부(103, 103’)를 포함하며, 해수(201)의 공급으로 발생하는 운동 기전력에 의해 상기 전극부(102, 102’)에 전위차가 발생하면서 해수(201)의 이온이 상기 전극부(102, 102’)에 흡착되어 제거되는 담수화 장치가 제공된다.
본 발명의 담수화 장치는 도 2에 도시된 전기 흡착식 담수화(CDI) 공정 및 운동 기전력을 이용한 것이다. 전기 흡착식 담수화(CDI)공정은 양 전극부(102, 102’)에 양전압 및 음전압이 발생하면서 해수(201)의 양전하(Na+)와 음전하(Cl-)를 각각 음전극 및 양전극에 흡착시킴으로써 해수(201)를 담수화하는 방법이다. 전기 흡착식 담수화 공정은 이온 제거 효율이 높으며, 에너지 소모량이 적으며, 공정 과정이 간단하고 경제적이라는 장점이 있다.
상기 도관(101)에 해수(201)가 공급되면 상기 도관(101)에 인가되는 자기장에 의해 운동 기전력이 발생한다. 운동기전력이란 자기장 내에서 움직이는 도체에서 발생하는 기전력을 말하는 것으로서, 운동기전력의 크기(e)는 아래의 식과 같이 표현될 수 있다.
e=Blv
(B: 자속밀도, l: 도체의 길이, v: 도체의 운동속도)
상기 운동 기전력에 의해 상기 도관(101) 내부의 양 측면의 전극부(102, 102’)에는 양전압 및 음전압이 발생되면서 해수(201) 내부에 존재하는 양이온 및 음이온이 상기 전극부(102, 102’)에 흡착되어 제거된다. 상기 자석부(103, 103’)는 전기 흡착식 담수화에 필요한 운동 기전력을 최대로 발생시키기 위해, 자기장이 상기 해수(201)의 흐름에 대해 수직 방향으로 인가되도록 구비될 수 있다.
상기 운동 기전력의 크기는 자기장 속의 해수의 운동속도 및 자속밀도에 비례한다. 따라서, 해수(201)의 유속이 빠를수록 더 큰 운동 기전력이 발생하여 전기 흡착식 담수화에 의한 이온 제거 효율이 높아지게 된다. 상기 해수(201)의 유속, 즉 해수(201)의 공급속도는 특별히 제한하지 않으며, 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 제어할 수 있는 범위일 수 있다.
상기 담수화 장치는 도 3과 같이, 상기 도관(101) 및 전극부(102, 102’) 가 복수로 적층되어 직렬로 연결된 케스케이드 구조일 수 있다. 이와 같은 구조로 상기 담수화 장치를 사용하는 경우, 이온을 흡착 제거하는 전극부(102, 102’)의 면적이 넓어져 담수화 효율이 상승할 수 있다. 또한, 적층된 각 도관(101)에서 운동 기전력이 발생하므로 운동 기전력을 높일 수 있다.
상기 담수화 장치는 상기 도관(101)에서 배출되는 담수화된 물의 이온 농도 또는 전극부의 전압을 측정하여 상기 도관(101)에 공급되는 해수(201)의 유속을 조절하는 제어부를 추가로 구비할 수 있다. 상기 제어부는 특별히 제한하지 않으며, 전기 흡착식 담수화 기술에 사용되는 통상적인 제어부를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부는 해수(201)의 이온 농도를 측정하는 전도계 또는 전극부의 전압을 측정하는 전압계를 포함하여, 해수(201)의 유속을 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 폐회로를 구성하는 양 전극부가 설치된 도관(101)에 해수(201)를 공급하고, 상기 도관(101)에 상기 해수(201)의 흐름에 대해 수직 방향으로 자기장을 인가하여 운동 기전력을 발생시키는 운동 기전력 발생 단계; 및 상기 운동 기전력에 의해 상기 양 전극부(102, 102’)에 전위차가 발생하면서 해수(201)의 이온이 상기 양 전극부(102, 102’)에 흡착되어 제거되는 이온 흡착 제거 단계를 포함하며, 상기 운동 기전력 발생 단계 및 이온 흡착 제거 단계를 동시에 수행하는 담수화 방법이 제공된다.
상기 운동 기전력 발생 단계에서, 폐회로를 구성하는 양 전극부가 설치된 도관(101)에 해수(201)가 공급됨에 따라 자기장에 의해 운동 기전력이 발생하게 된다. 상기 운동 기전력의 크기는 자기장 속의 도체의 운동속도 및 자속밀도에 비례한다.
상기 이온 흡착 제거 단계에서는 상기 운동 기전력 발생 단계에서 발생된 운동 기전력에 의해 상기 양 전극부(102, 102’)에 전위차가 발생하면서 해수(201) 내부에 존재하는 양이온 및 음이온이 양 전극부(102, 102’)에 흡착되어 제거된다. 본 발명의 담수화 방법은 상기 도관에 해수를 공급함으로써, 상기 운동 기전력 발생 단계 및 이온 흡착 제거 단계를 동시에 수행할 수 있다.
상기 담수화 방법은 상기 도관(101) 및 전극부가 복수개 적층되어, 상기 운동 기전력 발생 단계 및 이온 흡착 제거 단계를 동시에 계속적으로 수행하는 것일 수 있다. 이와 같은 구조로 상기 담수화 방법을 수행하는 경우, 이온을 흡착 제거하는 전극부(102, 102’)의 면적이 넓어져 담수화 효율이 상승할 수 있다. 또한, 적층된 각 도관(101)에서 운동 기전력이 발생하므로 운동 기전력을 높일 수 있다.
상기 담수화 방법은 상기 이온 흡착 제거 단계에서 해수(201)의 이온 농도 또는 상기 전극부의 전압을 측정하여 상기 도관(101)에 공급되는 해수(201)의 유속을 조절하는 제어단계를 더 포함하여, 일정 수준 이상의 이온 제거 효율을 유지할 수 있다. 상기 제어단계는 특별히 제한하지 않으며, 전기 흡착식 담수화 방법에 사용되는 통상적인 제어방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 해수(201)의 이온 농도를 측정하는 전도계 또는 전극부의 전압을 측정하는 전압계를 사용하여 해수(201)의 유속을 제어할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
가로 25㎝, 세로 50㎝, 높이 0.5㎜의 도관을 포함하며, 상기 도관의 양 측면으로 가로 10㎝, 세로 50㎝, 높이 0.5㎜의 전극부를 구비하는 가로 45㎝, 세로 50㎝, 높이 8.5㎜의 사각형 관을 제작한 후, 상기 사각형 관의 도관 상하면에 가로 25㎝, 세로 50㎝, 높이 10㎜인 N극 및 S극의 네오듐자석을 부착하여, 도 4에 도시된 것과 같은 본 발명의 담수화 장치를 제작하였다.
상기 담수화 장치에 해수를 공급하는 해수 공급관 및 상기 담수화 장치로부터 해수를 배출하는 해수 배출관을 연결하였다. 상기 해수 공급관 및 해수 배출관의 직경은 8㎜였다. 상기 해수 공급관은 용량 5l의 해수 저장조에 연결되어, 해수 저장조로부터 담수화 장치로 해수가 공급될 수 있도록 하였으며, 상기 해수의 공급 및 차단은 해수 공급관에 설치된 밸브에 의해 조절되도록 하였다. 또한, 해수의 흐름이 담수화 장치에 공급되는 것을 고려하여, 상기 담수화 장치에 펌프를 연결하여 해수가 공급되도록 하였으며, 상기 담수화 장치에 해수가 공급 및 배출됨에 따라 운동 기전력이 발생하는지를 확인하기 위해 상기 담수화 장치의 전극부에 외부 저항(3㏀)을 연결하여, 도 5와 같이 본 발명의 담수화 장치를 이용한 실험 장치를 구성하였다.
상기 담수화 장치를 이용한 실험장치에 대한 전기적 등가회로를 도 6에 도시하였다. 도 6의 스위치는 해수 공급관에 설치된 밸브에 해당하고, 커패시터는 전극부에 해당하며, 배터리는 자석 사이에 해수가 공급될 때 전극부 사이에서 발생하는 기전력에 해당한다.
상기 담수화 장치를 이용한 실험장치에 해수를 공급한 후, 전압계를 이용하여 상기 실험장치에 발생하는 운동 기전력을 측정하여, 상기 실험장치의 충방전 경향을 도 7에 도시하였다. 상기 실험장치에 해수가 공급되면 운동 기전력이 발생하여 상기 담수화 장치의 양 전극부에서 해수의 양이온, 음이온이 분리되면서 충전이 되고(충전싸이클), 해수의 공급이 차단되면 전극부가 방전되어 전기를 공급하게 되는 것(방전싸이클)을 확인하였다. 이와 같은 실험 결과로부터, 상기 담수화 장치에 해수를 공급하여 운동 기전력이 발생함을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
101: 도관
102(102’): 전극부
103(103’): 자석부
201: 해수
202: 담수(해수의 이온이 흡착 제거된 물)

Claims (6)

  1. 해수가 공급되고, 상기 해수의 이온이 흡착 제거된 물이 배출되는 도관;
    상기 도관 내부의 양 측면에 구비되며, 각각 양전압 및 음전압이 발생되는 전극부; 및
    상기 도관에 공급된 해수의 흐름에 대해 수직 방향으로 자기장을 인가하는 자석부
    를 포함하며, 해수의 공급으로 발생하는 운동 기전력에 의해 상기 전극부에 전위차가 발생하면서 해수의 이온이 상기 전극부에 흡착되어 제거되는 담수화 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 도관 및 전극부가 복수로 적층되어 직렬로 연결된 케스케이드 구조의 담수화 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 도관에서 배출되는 담수화된 물의 이온 농도 또는 상기 전극부의 전압을 측정하여 상기 도관에 공급되는 해수의 유속을 조절하는 제어부를 추가로 구비하는 담수화 장치.
  4. 폐회로를 구성하는 양 전극부가 설치된 도관에 해수를 공급하고, 상기 도관에 상기 해수의 흐름에 대해 수직 방향으로 자기장을 인가하여 운동 기전력을 발생시키는 운동 기전력 발생 단계; 및
    상기 운동 기전력에 의해 양 전극부에 전위차가 발생하면서 해수의 이온이 상기 양 전극부에 흡착되어 제거되는 이온 흡착 제거 단계
    를 포함하며, 상기 운동 기전력 발생 단계 및 이온 흡착 제거 단계를 동시에 수행하는 담수화 방법.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 도관 및 전극부가 복수개 적층되어, 상기 운동 기전력 발생 단계 및 이온 흡착 제거 단계를 동시에 계속적으로 수행하는 담수화 방법.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 이온 흡착 제거 단계에서 해수의 이온 농도 또는 상기 전극부의 전압을 측정하여 상기 도관에 공급되는 해수의 유속을 조절하는 제어단계를 더 포함하는 담수화 방법.
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