KR101348235B1 - 삼투압 측정 장치 및 이를 이용한 삼투압 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 삼투압 측정 장치 및 이를 이용한 삼투압 측정방법을 제공하는 데 있다. 이를 위하여 본 발명은 유도용액이 유입되는 유입구 및 유도용액이 유출되는 유출구를 포함하는 유도용액부, 유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부 및 상기 유도용액부와 유입수부가 접하는 경계면에 구비되는 압력지연삼투용 막을 포함하는 압력지연삼투용 셀; 상기 유도용액부의 유입구와 연결되는 유도용액공급부; 상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 공기압축률 측정관; 상기 공기압축률 측정관에 연결되어 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하는 압력센서; 및 상기 유입수부의 유입구와 연결되어 유입수를 공급하는 유입수공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투압 측정 장치 및 이를 이용한 삼투압 측정방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 적은 양의 유도용액을 사용하여 삼투압을 발생시킬 수 있는 반 연속식 공정에 공기압축률 측정관을 설치하여, 압력지연삼투로 인하여 압축된 공기층의 압축률로 발생한 삼투압을 측정할 수 있다. 나아가 본 발명에 따른 장치를 압력지연삼투용 막의 성능평가 및 압력지연삼투막 교체주기 측정에 응용하여 사용할 수 있다.
Description
본 발명은 삼투압 측정 장치 및 이를 이용한 삼투압 측정방법에 관한 것이다.
물은 투과시키지만 물에 용해되어 있는 용질(이온 및 분자)은 거의 투과시키지 않는 성질을 가진 반투과성 막을 고농도 용액과 저농도 용액 사이에 설치하면 저농도 용액의 용매가 고농도 용액으로 이동하여 농도평형을 이루려 하는 자연현상이 발생하며 이를 "삼투작용" 또는 "삼투현상"이라고 한다. 삼투현상은 1867년 독일의 화학자 M. 트라우베가 발견하였고, 삼투현상에 의해 발생하는 삼투압은 1877년 페퍼가 처음으로 측정하였다.
삼투현상에는 유량의 흐름방향에 따라 정삼투(FO, Foward osmosis), 역삼투(RO, Reverse Osmosis) 및 압력지연삼투(PRO, Pressure retarded osmosis)로 구분할 수 있다. 정삼투는 반투과성 막에서 저농도용액이 고농도용액으로 이동하여 농도평형을 이루는 현상이고, 역삼투는 삼투압보다 높은 압력을 가할 때, 용액으로부터 순수한 용매가 반투막을 통해 빠져나오는 현상이다. 이 방법을 이용하면 바닷물 등의 수용액에서 순수한 물을 얻을 수 있는데, 이를 이용한 여러 가지 정수 장치가 개발되어 있으며 선박과 중동 지방에서 사용되고 있다
정삼투 공정은 역삼투 공정을 이용한 해수담수화 기술에 비해 매우 경제적이라는 장점이 있는데, 반투과성 막 즉, 물은 통과시키지만 용질(이온성 물질 및 분자)은 거의 통과시키지 않는 반투과성 막을 사용하여 해수를 담수로 만들게 된다. 특히, 정삼투 공정에서는, 고압펌프에 의한 수리학적 압력을 운전압력으로 사용하는 대신에, 높은 삼투압을 가진 용액을 유도용액(draw solution)으로 사용하기 때문에, 해수담수화를 위하여 소모되는 에너지를 공급하기 위한 비용 즉, 에너지 비용을 역삼투 공정에 비하여 더 감소시킬 수 있다. 정삼투 공정에서 사용되는 유도용액(draw solution)은 고농도의 용액으로서 높은 삼투압을 가지고 있어 정삼투 공정의 운전압력을 만들어 내는 역할을 한다. 이러한 유도용액은 드로우 솔류션(draw solution), 오스모틱 에이전트(osmotic agent), 오스모틱 미디어(osmotic media), 드라이빙 솔류션(driving solution), 오스모틱 엔진(osmotic engine), 샘플 솔류션(sample solution) 등의 다양한 용어로 명칭되고 있다.
압력지연삼투공정은 두 액상의 농도 차에 의해 발생하는 삼투압을 이용하는 기술이다. 물만 선택적으로 투과시키는 반투막을 사이에 두고 한쪽에는 저농도 염을 포함한 유입수를, 다른 한쪽에는 고농도 염을 포함하는 유도용액 (Draw solution)을 흘려주면 반투막 사이에 존재하는 염 농도 차이에 의해 삼투압이 발생하고 이러한 삼투압에 의해서 저농도의 물이 고농도의 유도용액으로 투과되는 원리이다.
압력지연삼투 공정은 정삼투 공법의 기본 원리와 맥락을 같이하고 있는데, 저농도의 공급용액(feed solution)과 고농도의 유도용액 사이에 반투과성 막을 설치하는 구성을 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 이러한 압력지연삼투공정은 물 생산에 목적이 있는 정삼투 공정이나 역삼투 공정과 달리, 전력생산에 주된 목적이 있다. 이와 같이, 삼투현상을 이용하여 전력을 생산하는 압력지연삼투 공정은, 무한한 자원인 해수를 전력 생산에 이용하기 때문에 안정적이고 경제적인 신 대체 에너지 생산기술로 주목받고 있다. 일반적으로 압력지연삼투 공정에서는 해수를 유도용액으로 사용하게 되며 강물을 공급용액으로 사용하게 되는데, 원천자원인 해수와 강물에 대한 변화 요소가 적기 때문에, 다른 대체 에너지 생산 기술보다 안정적인 전력생산이 가능한 친환경 기술이라고 할 수 있다. 그러나 막을 통한 삼투공정이 수행될수록 막의 성능은 감소되며, 이에 따라 발전소의 성능도 감소될 수 있다.
따라서 이러한 압력지연삼투 공정은 사용되는 반투막의 특성에 따라 삼투압이 크게 달라지므로, 사용되는 막의 특성을 평가하는 것이 중요하다. 막의 특성을 평가하기 위하여 연속적인 공정의 장치가 주로 이용되고 있다(도 2 참조).
일례로 하기 도 2과 같은 구성의 연속적인 공정(continuous process)으로 막의 성능평가를 수행하면, 유도용액으로 사용되는 염화나트륨수용액의 소모가 많으며 막의 면적이 넓기 때문에 막내 채널링 현상으로 정확한 데이터를 얻기 어렵고, 유입수의 유량을 측정하여 이를 통해 삼투압을 측정하여야 한다. 또한 유도용액과 유입수의 변화량, 삼투압의 변화, 전도도의 변화 등 데이터를 수집하는 것이 복잡하다는 문제점이 있다.
이에 본 발명의 발명자들은 일정부피의 공기압축률 측정관을 구비하여 압력지연삼투로 인하여 압축된 공기층의 압축률로 발생한 삼투압을 측정하면 미량의 유도용액을 사용하면서 유량변화 측정하여 삼투압을 계산하는 단계 없이 삼투압을 측정할 수 있고, 이를 막의 성능측정에 적용할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 삼투압 측정 장치 및 이를 이용한 삼투압 측정 방법을 제공하는 데 있다.
이를 위하여 본 발명은
유도용액이 유입되는 유입구 및 유도용액이 유출되는 유출구를 포함하는 유도용액부, 유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부 및 상기 유도용액부와 유입수부가 접하는 경계면에 구비되는 압력지연삼투용 막을 포함하는 압력지연삼투용 셀;
상기 유도용액부의 유입구와 연결되는 유도용액공급부;
상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 공기압축률 측정관;
상기 공기압축률 측정관에 연결되어 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하는 압력센서; 및
상기 유입수부의 유입구와 연결되어 유입수를 공급하는 유입수공급부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투압 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
압력지연삼투용 셀의 중앙에 압력지연삼투용 막을 장착하는 단계(단계 1);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 유도용액을 공급하는 단계(단계 2);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유입수부로 유입수를 공급하여 압력지연삼투를 수행하는 단계(단계 3); 및
압력지연삼투로 인하여 유도용액부 상부의 공기압축률 측정관에서 압축된 공기층을 통해 삼투압을 측정하는 단계(단계 4);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기의 장치를 이용한 삼투압 측정방법을 제공한다.
본 발명은 반 연속식 공정에 공기압축률 측정관을 반연속식 삼투압 측정장치에 구비함으로써, 압력지연삼투로 인하여 압축된 공기층의 압축률을 통해 발생한 삼투압을 측정할 수 있다. 이에 따라 유량 변화를 통해 삼투압을 측정하는 과정 및 이에 사용되는 장치가 생략될 수 있다. 또한, 적은 양의 유도용액을 사용하여 삼투압을 측정할 수 있고, 적은 막 면적을 사용하여 막 표면에서 발생하는 채널링 현상을 최소화시킬 수 있으며 이를 통해 압력지연삼투 공정을 효율적으로 수행할 수 있다. 나아가 본 발명에 따른 장치를 압력지연삼투용 막의 성능평가 및 압력지연삼투막 교체주기 측정에 응용하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 삼투압 측정 장치를 나타낸 공정도이고;
도 2는 연속식 압력지연삼투막의 성능평가 장치를 나타낸 공정도이고;
도 3은 본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능평가 장치에서의 농도별 유도용액에 따른 삼투압 발생정도에 관한 그래프이고;
도 4는 본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능평가 장치에서의 삼투압 발생현상 재현성테스트의 결과그래프이다.
도 2는 연속식 압력지연삼투막의 성능평가 장치를 나타낸 공정도이고;
도 3은 본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능평가 장치에서의 농도별 유도용액에 따른 삼투압 발생정도에 관한 그래프이고;
도 4는 본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능평가 장치에서의 삼투압 발생현상 재현성테스트의 결과그래프이다.
본 발명의 목적은 적은 양의 유도용액을 사용하여 삼투압을 발생시킬 수 있는 삼투압 측정장치 및 이를 이용한 삼투압 측정방법을 제공하는 데 있다. 이를 위하여 본 발명에서는 공기압축률 측정관을 구비하는 삼투압 측정장치를 제공하며, 이를 통해 압력지연삼투로 인하여 압축된 공기층의 압축률로 발생한 삼투압을 측정할 수 있다.
이때, 본 발명의 삼투압 측정장치는
유도용액(1)이 유입되는 유입구 및 유도용액(1)이 유출되는 유출구를 포함하는 유도용액부(5), 유입수(10)가 유입되는 유입구 및 유입수(10)가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부(6) 및 상기 유도용액부와 유입수부가 접하는 경계면에 구비되는 압력지연삼투용 막(7)을 포함하는 압력지연삼투용 셀(4);
상기 유도용액부(5)의 유입구와 연결되는 유도용액공급부;
상기 유도용액부(5)의 유출구와 연결되는 공기압축률 측정관(13);
상기 공기압축률 측정관(13)에 연결되어 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하는 압력센서(14); 및
상기 유입수부(6)의 유입구와 연결되어 유입수(10)를 공급하는 유입수공급부;를 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 삼투압 측정 장치를 구성요소별로 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 삼투압 측정 장치의 일예를 나타낸 공정도로, 이를 참조하여 본 발명을 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 삼투압 측정 장치는 유도용액(1)이 유입되는 유입구 및 유도용액(1)이 유출되는 유출구를 포함하는 유도용액부(5), 유입수(10)가 유입되는 유입구 및 유입수(10)가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부(6) 및 상기 유도용액부(5)와 유입수부(6)가 접하는 경계면에 구비되는 압력지연삼투용 막(7)을 포함하는 압력지연삼투용 셀(4)을 포함한다.
상기 압력지연삼투용 셀(4)에서, 유도용액부(5)의 유입구를 통해 유도용액(1)이 공급되고, 유입수부(6)의 유입구를 통해 유입수(10)가 공급될 수 있다. 일정량의 유도용액이 유도용액부에 공급된 후 유입수가 유입수부로 공급되면, 물은 통과시키지만 용질(이온성 물질 및 분자)은 거의 통과시키지 않는 반투과성 막인 압력지연삼투용 막(7)을 경계로 유입수와 유도용액의 농도차이로 인하여 유입수가 유입수부(6)에서 유도용액부(5)로 유입되는 삼투현상이 발생한다.
이때, 상기 유도용액(1)은 염(salt), 고농도의 액체 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 장치는 삼투압을 평가하기 위한 장치로 유입수부로부터 유도용액부로 압력지연삼투가 발생할 수 있도록 유입수와 농도차이가 있는 고농도의 액체를 사용할 수 있다. 이때, 고농도의 액체는 유입수보다 농도가 높은 용액을 사용하며 특별히 제한되지 않는다.
상기 유입수(10)는 증류수 또는 저농도의 액체를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 장치는 삼투압을 측정하기 위한 장치로 유입수와 유도용액의 농도차이를 통해 압력지연삼투가 발생하므로, 불순물이 포함되지 않은 증류수 또는 저농도의 액체를 유입수로 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 저농도의 액체는 유도용액보다 농도가 낮은 용액을 사용하며 특별히 제한되지 않는다.
유도용액(1)은 상기 압력지연삼투용 셀(4)의 유도용액부(5)에 구비된 유입구를 통해서 공급될 수 있다. 유도용액공급부로부터 유도용액(1)이 유도용액부(5)로 공급되기 위하여, 상기 유도용액공급부에 연결되어 유도용액(1)을 공급하는 펌프(2) 및 공급되는 유도용액의 유량을 조절하기 위한 밸브(3)가 더 포함되는 것이 바람직하다. 상기 펌프(2)는 유도용액(1)이 유도용액부(5)로 공급되기 위한 구동력을 제공하고, 상기 밸브(3)는 유도용액부(5)의 유입구에 설치되어 유도용액(1)의 유입 유량을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 본 발명은 상기 유입수부(6)의 유입구와 연결되어 유입수(10)를 공급하는 유입수공급부를 포함한다. 이때, 상기 유입수공급부는 유입수(10)를 공급하는 펌프(9) 및 공급되는 유입수의 유량을 확인하기 위한 유량계(8)가 더 포함되는 것이 바람직하다. 상기 펌프(8)는 유입수(10)가 유입수공급부에서 유입수부(6)로 공급되기 위한 구동력을 제공할 수 있다. 또한, 삼투압을 측정함에 있어서 시간에 따른 삼투압 변화를 측정하는 경우 유입수가 유입수부에 일정한 유량으로 공급되어야 하므로, 상기 유량계(8)를 통하여 유입수의 공급유량을 확인하여 일정한 유량으로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 유입수부의 유출구와 연결되어 압력지연삼투 후 유입수를 유입수공급부로 재순환시키는 재순환부 및 상기 재순환부에 유입수의 전해질 농도를 측정하는 도전율계(11)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 재순환부를 통하여 유입수가 압력지연삼투 후 유입수공급부로 재순환되므로 유입수가 추가적으로 공급되지 않아도 일정량의 유입수를 사용하여 압력지연삼투가 지속적으로 수행될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 유도용액부(5)는 유도용액이 일정량만 공급되고, 유입수부(6)에서는 유입수가 공급된 후 재순환부를 통해 압력지연삼투 후의 유입수가 유입수공급부로 재순환되므로 단식과 연속식이 결합된 반연속식으로 장치가 설계되어, 기존의 연속식 공정(도 2 참조)을 이용한 장치에서보다 유도용액사용량이 감소하여 경제적이고 효율적으로 삼투압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 압력지연삼투용 셀에서 압력지연삼투가 수행됨에 따라 압력지연삼투용 막 표면에 미세한 구멍이 발생할 수 있으며, 이로 인하여 유도용액부로부터 유입수부로 유체가 흐르는 채널링(channeling) 현상이 나타날 수 있다. 이러한 채널링현상을 검출하기 위하여 상기 재순환부에 유입수의 전해질 농도를 측정하는 도전율계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 도전율계로 전해질의 농도나 유입수에 포함된 불순물 함유량을 측정하여 채널링현상의 발생 여부를 검출할 수 있어, 이를 통해 삼투압의 신뢰도를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 삼투압 측정장치는 상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 공기압축률 측정관(13) 및 상기 공기압축률 측정관에서 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하는 압력센서(14)를 포함한다.
종래의 방식에 따르면, 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하기 위하여 압력지연삼투가 충분히 발생하여 정상상태가 되었을 때 감소한 유입수의 양 또는 증가한 유도용액의 양을 측정하여 압력지연삼투용 막에서의 면적당 유입수 유량인 플럭스(flux)를 구하고 이를 통해 플럭스와 비례하는 압력지연삼투압을 측정할 수 있었다. 그러나 상기 방식에 따르면 압력지연삼투를 측정하기 위해 유입수 및 유도용액의 유량 변화를 측정하고 이를 통해 삼투압을 구하는 과정이 수행되어야 한다는 문제점이 있다.
반면, 본 발명에 따른 장치는 압력지연삼투용 막에서 압력지연삼투가 발생하여 유입수부로부터 유도용액부로 유입수가 유입되면, 상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 일정부피의 공기압축률 측정관(13)의 공기가 압축된다. 이때, 상기 공기압축률 측정관에서 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 압력센서를 통해 측정할 수 있다. 더욱 상세하게는, 유도용액부(5)의 유출구에 공기압축률 측정관(13)을 설치하여, 상기 공기압축률 측정관에서의 공기층이 압축됨에 따라 증가하는 압력을 상기 측정관에 연결된 압력센서(14)를 통해 측정할 수 있어 유입수(10) 및 유도용액(1)의 유량변화를 측정하는 장치없이 압력지연삼투압이 측정될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 공기압축률 측정관(13)의 부피는 1 cc 내지 2 cc인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 삼투압 측정 장치는 1 LMH(1 L/m2·h) 이하의 저유량에 적합한 장치로, 실험실 규모(lab scale)로 구현된다. 상기 공기압축률 측정관의 부피가 1 cc 미만인 경우 압축되는 공기층의 부피가 작아 측정된 삼투압의 신뢰도가 저하될 수 있다는 문제점이 있고, 2 cc를 초과하는 경우 장치 규모에 비해 공기압축률 측정관의 부피가 필요 이상으로 증가하여 삼투압을 통한 공기압축률이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 본 발명은
압력지연삼투용 셀의 중앙에 압력지연삼투용 막을 장착하는 단계(단계 1);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 유도용액을 공급하는 단계(단계 2);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유입수부로 유입수를 공급하여 압력지연삼투를 수행하는 단계(단계 3); 및
압력지연삼투로 인하여 유도용액부의 공기압축률 측정관에서 공기층이 압축되며 발생하는 삼투압을 측정하는 단계(단계 4);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기의 장치를 이용한 삼투압 측정방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 삼투압 측정방법에 있어서, 상기 단계 1은 압력지연삼투용 셀의 내부에 압력지연삼투용 막을 장착하는 단계이다. 상기 압력지연삼투용 막은 압력지연삼투용 셀의 유도용액부와 유입수부의 경계면 중 일부분에 작은 면적으로 장착되어, 막에 발생할 수 있는 채널링 현상을 최소화시켜 압력지연삼투의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 삼투압 측정방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 유도용액을 공급하는 단계이다. 상기 유도용액은 유도용액부에 일정량 공급되므로, 기존의 연속식 공정(도 2 참조)을 통한 장치에 비해 유도용액의 사용량이 감소하여 경제적이고 효율적으로 삼투압을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 삼투압 측정방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유입수부로 유입수를 공급하여 압력지연삼투를 수행하는 단계이다. 저농도의 유입수가 압력지연삼투용 막을 통해 유도용액부로 이동함으로써 압력지연삼투가 발생한다.
이때, 상기 유입수부의 유출구에 재순환부를 설치하여 유입수가 압력지연삼투 후 유입수공급부로 재순환되어 유입수가 추가적으로 공급되지 않아도 일정량의 유입수를 사용하여 압력지연삼투를 지속적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 삼투압 측정방법에 있어서, 상기 단계 4는 압력지연삼투로 인하여 유도용액부의 공기압축률 측정관에서 압축된 공기층을 통해 삼투압을 측정하는 단계이다. 유도용액부의 용액부피가 증가함에 따라 발생한 삼투압으로 인하여 공기압축률 측정관 내부의 공기층이 압축되고, 이를 공기압축률 측정관에 설치된 압력센서를 이용하여 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능평가 장치는
유도용액이 유입되는 유입구 및 유도용액이 유출되는 유출구를 포함하는 유도용액부, 유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부 및 상기 유도용액부와 유입수부가 접하는 경계면에 구비되는 압력지연삼투용 막을 포함하는 압력지연삼투용 셀;
상기 유도용액부의 유입구와 연결되는 유도용액공급부;
상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 공기압축률 측정관;
상기 공기압축률 측정관에 연결되어 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하는 압력센서; 및
상기 유입수부의 유입구와 연결되어 유입수를 공급하는 유입수공급부;
를 포함한다.
이하, 본 발명을 각 구성요소별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능평가 장치는 유도용액(1)이 유입되는 유입구 및 유도용액(1)이 유출되는 유출구를 포함하는 유도용액부(5), 유입수(10)가 유입되는 유입구 및 유입수(10)가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부(6) 및 상기 유도용액부(5)와 유입수부(6)가 접하는 경계면에 구비되는 압력지연삼투용 막(7)을 포함하는 압력지연삼투용 셀(4)을 포함한다.
상기 압력지연삼투용 셀(4)에서, 유도용액부(5)의 유입구를 통해 유도용액(1)이 공급되고, 유입수부(6)의 유입구를 통해 유입수(10)가 공급될 수 있다. 일정량의 유도용액이 유도용액부에 공급된 후 유입수가 유입수부로 공급되면, 물은 통과시키지만 용질(이온성 물질 및 분자)은 거의 통과시키지 않는 반투과성 막인 압력지연삼투용 막(7)을 경계로 유입수와 유도용액의 농도차이로 인하여 유입수가 유입수부(6)에서 유도용액부(5)로 유입되는 삼투현상이 발생한다.
상기 유도용액(1)은 염(salt), 고농도의 액체 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 장치는 압력지연삼투용 막의 성능을 평가하기 위한 장치로 유입수부(6)로부터 유도용액부(5)로 압력지연삼투가 발생할 수 있도록 유입수와 농도차이가 있는 용액을 사용할 수 있다.
상기 유입수(10)는 증류수를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 장치는 압력지연삼투용 막의 성능을 평가하기 위한 장치로 유입수로 증류수를 사용하여 유입수와 유도용액의 농도차이를 통해 압력지연삼투가 발생하므로, 불순물이 포함되지 않은 증류수를 유입수로 사용하는 것이 바람직하다.
유도용액(1)은 상기 압력지연삼투용 셀(4)의 유도용액부(5)에 구비된 유입구를 통해서 공급될 수 있다. 유도용액공급부로부터 유도용액(1)이 유도용액부(5)로 공급되기 위하여, 상기 유도용액공급부에 연결되어 유도용액(1)을 공급하는 펌프(2) 및 공급되는 유도용액의 유량을 조절하기 위한 밸브(3)가 더 포함되는 것이 바람직하다. 상기 펌프(2)는 유도용액(1)이 유도용액부(5)로 공급되기 위한 구동력을 제공하고, 상기 밸브(3)는 유도용액부(5)의 유입구에 설치되어 유도용액(1)의 유입 유량을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 본 발명은 상기 유입수부(6)의 유입구와 연결되어 유입수(10)를 공급하는 유입수공급부를 포함한다. 이때, 상기 유입수공급부는 유입수(10)를 공급하는 펌프(9) 및 공급되는 유입수의 유량을 확인하기 위한 유량계(8)가 더 포함되는 것이 바람직하다. 상기 펌프(8)는 유입수(10)가 유입수공급부에서 유입수부(6)로 공급되기 위한 구동력을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치를 사용하여 압력지연삼투막의 성능을 평가함에 있어서 시간에 따른 삼투압 변화를 측정하는 경우 유입수가 유입수부에 일정한 유량으로 공급되어야 하므로, 상기 유량계를 통하여 유입수의 공급유량을 확인하여 일정한 유량으로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 유입수부의 유출구와 연결되어 압력지연삼투 후 유입수를 유입수공급부로 재순환시키는 재순환부 및 상기 재순환부에 유입수의 전해질 농도를 측정하는 도전율계(11)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 재순환부를 통하여 유입수가 압력지연삼투 후 유입수공급부로 재순환되므로 유입수가 추가적으로 공급되지 않아도 일정량의 유입수를 사용하여 압력지연삼투가 지속적으로 수행될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 유도용액부(5)는 유도용액이 일정량만 공급되고, 유입수부(6)에서는 유입수가 공급된 후 재순환부를 통해 압력지연삼투 후의 유입수가 유입수공급부로 재순환되므로 단식과 연속식이 결합된 반연속식으로 장치가 설계되어, 기존의 연속식 공정(도 2 참조)을 이용한 장치에서보다 유도용액사용량이 감소하여 경제적이고 효율적으로 삼투압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 압력지연삼투용 셀에서 압력지연삼투가 수행됨에 따라 압력지연삼투용 막 표면에 미세한 구멍이 발생할 수 있으며, 이로 인하여 유도용액부로부터 유입수부로 유체가 흐르는 채널링(channeling) 현상이 나타날 수 있다. 이러한 채널링현상을 검출하기 위하여 상기 재순환부에 유입수의 전해질 농도를 측정하는 도전율계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 도전율계로 전해질의 농도나 유입수에 포함된 불순물 함유량을 측정하여 채널링현상의 발생여부를 검출할 수 있어, 이를 통해 삼투압의 신뢰도를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 삼투압 측정장치는 상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 공기압축률 측정관(13) 및 상기 공기압축률 측정관에서 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하는 압력센서(14)를 포함한다.
종래의 방식에 따르면, 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하기 위하여 압력지연삼투가 충분히 발생하여 정상상태가 되었을 때 감소한 유입수의 양 또는 증가한 유도용액의 양을 측정하여 압력지연삼투용 막에서의 면적당 유입수 유량인 플럭스(flux)를 구하고 이를 통해 플럭스와 비례하는 압력지연삼투압을 측정할 수 있었다. 그러나 상기 방식에 따르면 압력지연삼투를 측정하기 위해 유입수 및 유도용액의 유량 변화를 측정하고 이를 통해 삼투압을 구하는 과정이 수행되어야 한다는 문제점이 있다.
반면, 본 발명에 따른 장치는 압력지연삼투용 막에서 압력지연삼투가 발생하여 유입수부로부터 유도용액부로 유입수가 유입되면, 상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 일정부피의 공기압축률 측정관(13)의 공기가 압축된다. 이때, 상기 공기압축률 측정관에서 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 압력센서를 통해 측정할 수 있다. 더욱 상세하게는, 유도용액부(5)의 유출구에 공기압축률 측정관(13)을 설치하여, 상기 공기압축률 측정관에서의 공기층이 압축됨에 따라 증가하는 압력을 상기 측정관에 연결된 압력센서(14)를 통해 측정할 수 있어 유입수(10) 및 유도용액(1)의 유량변화를 측정하는 장치없이 압력지연삼투압이 측정될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 공기압축률 측정관의 부피는 1 cc 내지 2 cc인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 압력지연삼투용 막의 성능평가 장치는 1 LMH(1 L/m2·h) 이하의 저유량에 적합한 장치로, 실험실 규모(lab scale)로 구현된다. 상기 공기압축률 측정관의 부피가 1 cc 미만인 경우 압축되는 공기층의 부피가 작아 측정된 삼투압의 신뢰도가 저하될 수 있다는 문제점이 있고, 2 cc를 초과하는 경우 장치 규모에 비해 공기압축률 측정관의 부피가 필요 이상으로 증가하여 삼투압을 통한 공기압축률이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 본 발명은
압력지연삼투용 셀의 중앙에 압력지연삼투용 막을 장착하는 단계(단계 1);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 유도용액을 공급하는 단계(단계 2);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유입수부로 유입수를 공급하여 압력지연삼투를 수행하는 단계(단계 3);
압력지연삼투로 인하여 유도용액부의 공기압축률 측정관에서 압축된 공기층을 통해 삼투압을 측정하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 측정된 삼투압을 이용하여 압력지연삼투막의 성능을 평가하는 단계(단계 5);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기의 장치를 이용한 압력지연삼투막의 성능평가 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능 평가 방법에 있어서, 상기 단계 1은 압력지연삼투용 셀의 내부에 압력지연삼투용 막을 장착하는 단계이다. 상기 압력지연삼투용 막은 압력지연삼투용 셀의 유도용액부와 유입수부의 경계면 중 일부분에 작은 면적으로 장착되어, 막에 발생할 수 있는 채널링 현상을 최소화시켜 압력지연삼투의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능 평가 방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 유도용액을 공급하는 단계이다. 상기 유도용액은 유도용액부에 일정량 공급되므로, 기존의 연속식 공정(도 2 참조)을 통한 장치에 비해 경제적이고 효율적으로 막 성능을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능 평가 방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유입수부로 유입수를 공급하여 압력지연삼투를 수행하는 단계이다. 저농도의 유입수가 압력지연삼투용 막을 통해 유도용액부로 이동함으로써 압력지연삼투가 발생한다.
이때, 상기 유입수부의 유출구에 재순환부를 설치하여 유입수가 압력지연삼투 후 유입수공급부로 재순환되어 유입수가 추가적으로 공급되지 않아도 일정량의 유입수를 사용하여 압력지연삼투를 지속적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능 평가 방법에 있어서, 상기 단계 4는 압력지연삼투로 인하여 유도용액부의 공기압축률 측정관에서 압축된 공기층을 통해 삼투압을 측정하는 단계이다. 유도용액부의 용액부피가 증가함에 따라 공기압축률 측정관 내부의 공기층이 압축되고, 공기의 압축률을 통해 발생된 삼투압을 압력센서를 이용하여 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능 평가 방법에 있어서, 상기 단계 5는 상기 단계 4에서 측정된 삼투압을 이용하여 압력지연삼투막의 성능을 평가하는 단계이다. 압력지연삼투를 통해 발생한 삼투압을 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산할 수 있는데, 이때 사용되는 압력지연삼투용 막의 특성에 따라 삼투압이 크게 달라지므로, 사용되는 삼투막의 성능을 평가하는 것이 중요하다. 본 발명에 따른 장치를 이용하여 삼투막을 통해 발생하는 삼투압을 측정함으로써 상기 발생한 삼투압을 통해 수행할 수 있는 일의 양, 정상상태의 삼투압에 도달하는 시간 및 유도용액의 농도에 따른 삼투압 변화 등을 측정하여 삼투막의 성능을 평가할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해서 구체적으로 설명한다. 단 하기 실시예들은 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 압력지연삼투막의 성능 평가 장치의 설치
투명 폴리카보네이트(polycarbonate) 재질로 지름 3.5 cm 크기의 유입수부와 유도용액부가 구비된 압력지연삼투용 셀을 제작하되, 유도용액부는 높은 압력과 염에 견딜수 있도록 SUS 308 재질을 사용하였다. 이후 상기 셀 내부의 유도용액부와 유입수부의 경계면에 0.0009 ㎡의 막을 설치하였다. 공기압축률 측정관은 내경의 부피가 1.6 cc가 되도록 제조되어 유도용액부의 유출구에 설치되었고, 공기압축률 측정관의 끝부분에는 압력센서를 설치하였다. 유입수부의 유입구와 유입수공급원 사이에 유입수를 공급할 수 있도록 펌프 및 유량계를 연결하였고, 유입수부의 유출구로 삼투공정 후의 유입수가 유입수공급원으로 배출되도록 재순환부를 설치하였다.
<실험예 1> 압력지연삼투막의 성능 평가 1
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능평가를 위한 반연속식 장치를 사용하여 압력지연삼투막의 성능을 평가하기 위하여, 실시예 1의 장치에 1.5, 3.5, 5.5, 7.5 중량%의 염화나트륨 수용액을 18 cc를 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 공급한 후, 증류수를 100 cc/min의 유량으로 유입수부에 공급하여 순환시키며 60 분간 삼투압을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 따르면, 저농도의 유도용액을 사용할수록 발생하는 삼투압이 정상상태에 도달하는데 걸리는 시간이 길고, 삼투압이 낮다. 또한, 유도용액의 농도가 증가할수록 삼투압이 정상상태에 도달하는데 걸리는 시간 및 정상상태에 도달한 최종 삼투압이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 장치를 사용하면 유도용액의 농도가 7.5 중량%이하에서 압력지연삼투용 막의 성능을 평가할 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 2> 압력지연삼투막의 성능 평가 2
본 발명에 따른 압력지연삼투막의 성능평가를 위한 반연속식 장치를 사용하여 압력지연삼투막의 성능을 평가하기 위하여, 실시예 1의 장치에 3.5 중량%의 염화나트륨 수용액을 18 cc를 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 공급한 후, 증류수를 100 cc/min의 유량으로 유입수부에 공급하여 순환시키며 50 분간 삼투압을 측정하는 것을 10 회 반복하여 재현성테스트를 진행하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 따르면, 50분간의 삼투압 측정을 반복함에 따라 삼투압이 최종 정상상태에 도달하는 데 걸리는 시간이 반복회수에 따라 약 15분 가량 짧아지고, 최종 정상상태에 도달한 삼투압도 5 bar 정도 상승하는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 장치를 사용하면 압력지연삼투공정의 반복회차에 따른 삼투막의 성능저하도를 확인할 수 있음을 알 수 있다.
1: 유도용액
2: 펌프
3: 밸브
4: 압력지연삼투용 셀
5: 유도용액부
6: 유입수부
7: 압력지연삼투용 막
8: 유량계
9: 펌프
10: 유입수
11: 도전율계
12: 밸브
13: 공기압축률 측정관
14: 압력센서
15: 밸브
2: 펌프
3: 밸브
4: 압력지연삼투용 셀
5: 유도용액부
6: 유입수부
7: 압력지연삼투용 막
8: 유량계
9: 펌프
10: 유입수
11: 도전율계
12: 밸브
13: 공기압축률 측정관
14: 압력센서
15: 밸브
Claims (10)
- 유도용액이 유입되는 유입구 및 유도용액이 유출되는 유출구를 포함하는 유도용액부, 유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부 및 상기 유도용액부와 유입수부가 접하는 경계면에 구비되는 압력지연삼투용 막을 포함하는 압력지연삼투용 셀;
상기 유도용액부의 유입구와 연결되는 유도용액공급부;
상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 공기압축률 측정관;
상기 공기압축률 측정관에 연결되어 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하는 압력센서;
상기 유입수부의 유입구와 연결되어 유입수를 공급하는 유입수공급부;
상기 유입수부의 유출구와 연결되어 압력지연삼투 후 유입수를 유입수공급부로 재순환시키는 재순환부; 및
상기 재순환부에 유입수의 전해질 농도를 측정하는 도전율계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투압 측정 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 유도용액공급부는 유도용액을 공급하는 펌프 및 공급되는 유도용액의 유량을 조절하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투압 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유입수공급부는 유입수를 공급하는 펌프 및 공급되는 유입수의 유량을 확인하기 위한 유량계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투압 측정장치.
- 압력지연삼투용 셀의 중앙에 압력지연삼투용 막을 장착하는 단계(단계 1);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 유도용액을 공급하는 단계(단계 2);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유입수부로 유입수를 공급하여 압력지연삼투를 수행하는 단계(단계 3); 및
압력지연삼투로 인하여 유도용액부의 공기압축률 측정관에서 압축된 공기층을 통해 삼투압을 측정하는 단계(단계 4);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 항의 장치를 이용한 삼투압 측정방법.
- 유도용액이 유입되는 유입구 및 유도용액이 유출되는 유출구를 포함하는 유도용액부, 유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부 및 상기 유도용액부와 유입수부가 접하는 경계면에 구비되는 압력지연삼투용 막을 포함하는 압력지연삼투용 셀;
상기 유도용액부의 유입구와 연결되는 유도용액공급부;
상기 유도용액부의 유출구와 연결되는 공기압축률 측정관;
상기 공기압축률 측정관에 연결되어 압력지연삼투를 통해 발생한 압력을 측정하는 압력센서;
상기 유입수부의 유입구와 연결되어 유입수를 공급하는 유입수공급부;
상기 유입수부의 유출구와 연결되어 압력지연삼투 후 유입수를 유입수공급부로 재순환시키는 재순환부; 및
상기 재순환부에 유입수의 전해질 농도를 측정하는 도전율계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투막의 성능평가 장치.
- 삭제
- 제 6 항에 있어서,
상기 유도용액공급부는 유도용액을 공급하는 펌프 및 공급되는 유도용액의 유량을 조절하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투막의 성능평가 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 유입수공급부는 유입수를 공급하는 펌프 및 공급되는 유입수의 유량을 확인하기 위한 유량계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투막의 성능평가 장치.
- 압력지연삼투용 셀의 중앙에 압력지연삼투용 막을 장착하는 단계(단계 1);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유도용액부로 유도용액을 공급하는 단계(단계 2);
상기 압력지연삼투용 막이 장착된 압력지연삼투용 셀의 유입수부로 유입수를 공급하여 압력지연삼투를 수행하는 단계(단계 3);
압력지연삼투로 인하여 유도용액부의 공기압축률 측정관에서 공기층이 압축되며 발생하는 삼투압을 측정하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 측정된 삼투압을 이용하여 압력지연삼투막의 성능을 평가하는 단계(단계 5);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 6 항의 장치를 이용한 압력지연삼투막의 성능평가 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120107195A KR101348235B1 (ko) | 2012-09-26 | 2012-09-26 | 삼투압 측정 장치 및 이를 이용한 삼투압 측정방법 |
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| KR101348235B1 true KR101348235B1 (ko) | 2014-01-08 |
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2012
- 2012-09-26 KR KR1020120107195A patent/KR101348235B1/ko active IP Right Grant
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