KR101372901B1 - 압력 지연 삼투를 위해 사용되는 멤브레인 상에서 유지를수행하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

압력 지연 삼투를 위해 사용되는 멤브레인 상에서 유지를수행하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

멤브레인 상의 유지를 수행하기 위한 방법 및 시스템은 반투성 특성들을 가지며, 압력 지연 삼투(PRO) 내에서 사용되며, 멤브레인은 고압의 제 1 측 및 더 낮은 압력의 제 2 측을 가진다. 시간 제어가능한 제 1 밸브 또는 펌프(31; 41; 51; 61; 71; 81; 91)가 멤브레인(13')의 저압 측의 입구(12)와 멤브레인의 고압 측의 입구(11) 사이에서 연결되며, 제 1 밸브 또는 펌프는 제 2 종의 물의 플러그를 멤브레인의 제 1 측으로 선택적으로 전달시키도록 작동 가능하여 그곳에서 제 1 종의 물(SW) 내의 용해된 물질의 농도를 낮추고, 이에 의해 제 2 종의 물(SW)의 플러그(21)의 상류에 제 1 종의 물(SW)의 고압 공급으로 제 1 측 상에 가압된 멤브레인 의 제 1 측으로부터 제 2 측까지 PRO 압력 역류 작용을 제 2 종의 물(FW)로 생성시킨다.
멤브레인, 압력 지연 삼투

Description

반투성의 특성을 가지는 멤브레인 상에서 유지를 수행하기 위한 방법 및 시스템{A METHOD AND A SYSTEM FOR PERFORMING MAINTENANCE ON A MEMBRANE HAVING SEMI-PERMEABLE PROPERTIES}
본 발명은 압력 지연 삼투(PRO)에 기초한 정상 작동을 위하여 반투성의 특성들을 가지는 멤브레인 상의 유지를 수행하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이며, 첨부된 청구항 제 1 항 및 제 11 항의 전제부에서 지시된 바와 같이, 멤브레인은 고압의 제 1 측 및 더 낮은 압력의 제 2 측을 가지며, 멤브레인의 정상 PRO 작동시 멤브레인은 용해된 물질의 제 1 농도를 가지는 제 1 종의 물의 고압의 공급을 받도록 멤브레인의 제 1 측 상에 구성되고, 용해된 물질의 더 낮은 제 2 농도를 가지는 제 2 종의 물의 저압 공급을 받도록 제 2 측 상에 구성된다.
압력 지연 삼투의 사용을 통하여 전력을 제공하기 위한 방법 및 장치뿐 아니라 이러한 멤브레인도 노르웨이 특허 제314575호에서 개시된다. 개시된 멤브레인은 비-다공성의 물질의 얇은 층, 소위 확산 스킨, 및 다공성 층을 가진다. 상기 특허의 참조는 이 명세서 내의 상기 특허의 상세한 설명의 포함을 의미한다.
종래 기술 분야의 정상 PRO 작동 동안, 즉, 이러한 장치가 전력을 제공할 때, 멤브레인의 제 1 측이 바닷물의 고압 공급을 받도록 구성되며, 대응적으로 멤브레인의 제 2 측이 민물의 저압 공급을 받도록 구성된다.
압력 지연 삼투 발전소는 반대로 작동하는 역삼투 탈염(desalination) 발전소와 유사하다. 그러나, PRO 발전소는 소비 전력 대신에 민물로부터 전력을 생성하는 것이 가능할 것이다. 여과된 민물이 이것의 저압 측으로부터 멤브레인으로 들어가고, 예를 들어, 70-90%인, 민물의 높은 퍼센트가 멤브레인의 고압 측 상에서 가압된 바닷물 안으로 멤브레인을 가로질러 삼투에 의해 전달되며, 이것은 바람직하게는 고압 측을 향해 안내되는 확산 스킨을 가질 수도 있다. 삼투 공정은 고압수의 체적유량(volumetric flow)를 증가시키고, 이러한 발전소에서 중요한 에너지 전달이다. 이것은 높은 물의 플럭스(flux) 및 높은 염저류(salt retention)를 가진 멤브레인을 요구한다. 비록 더 높은 성능이 고려될 수도 있지만, 일반적인 멤브레인 성능은 멤브레인 표면 영역의 평방 미터 당 적어도 4W이어야만 한다. 염수(salt water)가 바닷물 또는 식염수(saline water)의 다른 자원으로부터 펌핑되고, 멤브레인에 대한 가압 및 공급 전에 여과된다. 잠재적인 고려사항은 특정한 경우에 상이한 물질을 포함하는 용질에 의해 소금을 대체시킬 수 있다. 멤브레인을 포함하는 모듈에서, 바닷물이 멤브레인을 통해 들어오는 민물에 의해 희석되며, 바닷물의 체적 공급(volumetric feed)은 일반적으로 민물의 체적 공급의 대략 두배이다.
노르웨이 특허에서 개시된 바와 같이, 멤브레인 모듈로부터의 결과적인 기수(brackish water)가 두 개의 유동들 내에서 분리되며, 기수의 대략 1/3은 전력을 생성하기 위하여 터빈으로 들어가며, 대략 2/3는 압력 교환기를 통해 출구로 되돌아오고, 이에 의해 압력 교환기로 바닷물의 공급의 가압에 기여시키도록 한다. 바람직하게는, 바닷물의 압력은 11-15 바아의 범위 내이며, 수력발전소 내의 워터 헤드(water head)의 100-150 미터와 동등하며, 이것은 공급된 민물의 초당 입방 미터 당 1MW의 범위 내의 전력 생성을 의미한다.
공급된 바닷물 및 민물의 어떠 전처리(pretreatment)가 기계적인 필터링 사용을 통하여 수행되어야만 한다. 그러나, 비록 기계적 필터링이 대부분의 경우에 효과적일 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 떨어져 여과되지 않는 입자들 및 미생물들이 존재하고, 이것은 저압 측으로부터 멤브레인 안으로 통과한다. 만약 어떤 유지가 멤브레인을 청소하기 위하여 수행되는 것이 아니라면, 멤브레인의 성능은 시간을 초과할수록 감소될 것이며, 따라서 발전소의 성능도 감소될 것이다.
유지를 수행하기 위한 일 방법은, 청소를 위해 멤브레인을 제거시키고, 멤브레인을 제거시킨 후에 이후의 작동을 위하여 멤브레인들을 재설치하거나, 또는 다른 멤브레인들이 청소될 때, 대체 멤브레인을 설치하는 것일 것이다. 그러나, 발전소는 정지 시간(down time) 및 감소된 캐퍼시티의 최소량을 가지며, 그리고 특히 제거, 청소 및 재설치를 수행하기 위한 유지 스탭의 최소량을 가지며 가능한 정도까지 연속적인 베이시스(basis) 상에 전력을 제공해야만 한다. 또한 청소를 위한 다수의 멤브레인들의 물리적인 제거는 매우 시간이 걸리며, 다수의 멤브레인 모듈의 입구 및 출구 차단 밸브들을 요구할 것이라는 점이 이해될 것이다. 그러나, 만약 소수의 모듈들이 이러한 물리적 제거 및 재설치를 통하여 한번에 유지/청소하는 상태에 놓인다면, 이것은 모듈들의 0.25% -1%가 매일 제거되고 재설치되는 것을 의미할 수 있으며, 만약 유지가 하루 종일 일어난다면 발전소는 0.25-1%만큼 감소된 캐퍼시티를 가질 것이다. 청소와 같은 더욱 빈번한 측정들이, 원위치에서 일어나야만 하며, 모듈마다 이러한 측정들의 빈도에 종속하여, 몇초 및 몇분 이상이 걸리지 않아야 한다. 본 발명은 일반적으로 효과적이고 간단한 방법으로 가능하게 만들어지도록 이러한 더욱 빈번한 측정들을 제공하는 것이다. 주요한 유지 또는 모듈의 세척/청소가 6 내지 24 개월마다 보다 더 자주 일어나야할 필요는 없어야 한다는 것이 이해될 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 시간 낭비, 기술적으로 복잡하고 비싼 유지를 방지하고, 대신에 이러한 유지를 수행하기 위한 매우 효율적인 방법 및 시스템을 제공하며, 이것은 최소의 스탭(staff), 최소의 시간, 및 멤브레인의 제거/재설치가 없는 것을 요구할 것이다. 또한 본 발명은 유지의 원격 제어를 위해 제공되는 목적을 가진다.
본 발명에 대하여, 예를 들어 멤브레인의 고압 측 상의 스킨의 사용은 바람직하게는 일반적인 용어인 "반투성의 물질"로 정의된다.
대부분의 발전소들은 일반적으로 시간의 규정점(specific point)에서 요구되는 것보다 많은 전력 출력을 제공한다는 사실의 관점에서, 5-10%의 일시적인 전력 손실이 중대하지 않을 것이며, 이것은 이러한 발전소에서 요구된 복수 개의 멤브레인들(또는 멤브레인 모듈들)이, 멤브레인들 상에서 연속적으로, 또는 멤브레인들 상에서 그룹으로서 청소 작용을 수행함에 의하여 유지, 즉 청소 상태에 놓일 수 있음을 의미한다.
본 방법에 따라서, 방법은 멤브레인의 제 1 측 상에 제 2 종의 물의 플러그(plug)/부재(entity)를 도입함으로 인해 멤브레인의 정상 작동을 일시적으로 중단하여, 그곳에서 물의 용해된 물질(dissolved substance)의 농도를 변경시키도록 하는 단계, 및 제 2 종의 물의 플러그/부재 위로 제 1 측 상의 제 1 종의 물의 고압을 가함으로써 멤브레인의 제 1 측으로부터 제 2 측까지 제 2 종의 물로 역류 기능을 생성하는 단계를 포함한다.
방법의 추가적인 구체예들이 첨부된 도면을 참조하여 발명의 상세한 설명뿐 아니라 첨부된 종속항 제 2 항 내지 제 10 항으로부터 나타날 것이다.
본 발명에 따라, 시스템은 멤브레인의 저압 측으로의 입구와 멤브레인의 고압 측으로의 입구(11) 사이에 연결된 시간 제어가능한 제 1 밸브 또는 펌프를 포함하되, 제 1 밸브 또는 펌프는 제 2 종의 물의 플러그/부재를 멤브레인의 제 1 측으로 선택적으로 전달시키도록 작동가능하여, 그곳에서 물 내의 용해된 물질의 농도를 변경시키고, 이에 의해 제 2 종의 물의 플러그/부재 위로 가해진 제 1 종의 물의 고압에 의해 제 1 측 상에서 가압된 멤브레인의 제 1 측으로부터 제 2측까지 제 2 종의 물로 역류 기능을 생성시키는 것을 특징으로 한다.
이것은 PRO 압력 보조된 역류 기능이, PRO 공정 때문에 이미 존재하고, 제 1 종의 물을 위한 수압 유동 라인 내에서 멤브레인 모듈의 상류 또는 하류 중 어느 한 곳에서부터 공급될 수 있는 제 1 종의 물의 고압에 의한 제 1 측 상에 가압된 멤브레인의 제 1 측으로부터 제 2 측까지의 제 2 종의 물의 사용에 의해 제공된다는 것을 의미한다. 즉, 멤브레인의 제 1 측 상에서 이용 가능한 이미 존재하는 압력이 사용된다. 따라서, 수압이 역류 작용을 위해 특히 생성되지는 않는다.
시스템의 추가적인 구체예들이 첨부된 도면을 참조하여 발명의 상세한 설명뿐 아니라 첨부된 종속항 제 12 항 내지 제 21 항으로부터 나타날 것이다.
역류 시스템과 관련되어, 살균제를 사용하는 선택이 있으며, 비록 다른 약품들이 사용될 수 있지만, 살균제는 청구항 제 22 항에서 정의된 바와 같이 염소 용액이다.
본 발명은 이제 본 발명의 구체예들을 한정하지는 않지만, 대안을 표시하는 첨부된 도면들을 참조하여 추가적으로 개시될 것이다.
도 1a는 노르웨이 특허 제314575호의 종래 기술의 PRO 발전소 구조물을 도시한다.
도 1b는 지표면 아래 또는 바다 속의 PRO 발전소의 형태로 다른 종래 기술 구조물을 도시한다.
도 2a는 발전소에 기초한 PRO 내의 멤브레인 역류에 관한 어떤 기본적인 고려사항을 도시하며, 도 2b-2d는 PRO, 역류, 및 향상된 역류를 위하여 각각 물의 플럭스들 및 소금 농도 프로파일들의 다소 개략적인 실시예들이다.
도 3은 표면 PRO 발전소 설치상에 적용되는 PRO 압력 역류 구체예를 도시한다.
도 4는 삼투성의 향상된 PRO 압력 역류 구체예를 도시한다.
도 5는 압력이 없는 민물 주입과 함께 PRO 압력 역류를 도시한다.
도 6a 및 도 7은 교체된 PRO, 펌프의 보조를 이용한 도 6a의 구체예, 및 밸브 작동을 사용하는 도 7의 구체예를 이용한 역류 구체예들을 도시한다.
도 6b는 도 1b 상에 도시되고 또한 도 11에 개시된 바와 같이 지표면 아래의 PRO 발전소 설치상에 적용되는 PRO 압력 역류 구체예를 도시하며, 도 6a의 표면 PRO 발전소 설치 구체예에 대한 대안을 나타낸다.
도 8 및 도 9는 삼투성의 향상된 PRO 압력 역류 구체예들, 펌프 보조를 가지는 도 8의 구체예, 및 밸브 작동을 사용하는 도 9의 구체예를 도시한다.
도 10은 도 3-9의 각각의 도면들에서 도시된 펌프들 및 밸브들의 작동의 원격 제어를 도시한 간략화된 블럭 다이어그램이다.
도 11은 도 1b 상에 개략적으로 도시된 연속적인 지표면 아래의 PRO 발전기의 실질적인 구체예를 도시한다.
본 발명의 이하의 명세서 및 첨부된 도면들을 참조하여, 이하의 약어들이 다양한 물의 플럭스들을 위하여 사용될 것이다:
SW= 제 1 종의 물(a first type of water), 예를 들어, 바닷물
FW= 제 2 종의 물(a second type of water)
FB= 제 2 종의 물의 블리드(bleed of a second type of water), 예를 들어 민물 블리드
BW= 기수(brackish water)
PRO= 압력 지연 삼투(pressure retarded osmosis)
DA= 살균제(disinfecting agent)
SW side= 제 1 측
FW side= 제 2 측
도 1a는 가압된 SW 입구(11) 및 FW 입구(12)를 가지는 노르웨이 특허 제 314575호에서 개시된 일반적인 종래 기술인 PRO 발전소를 도시한다. 일반적으로, 종래 기술의 SW 압력은 멤브레인 모듈로의 입구에서 약 12 바아 전후이며, FW 압력은 0.5 바아보다 작으며, 이것은 이러한 실시예에서 BW 압력이 멤브레인 모듈로의 입구에서의 SW 압력보다 더 낮은 0.5 바아보다 작다는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 압력 수치들은 단지 일반적인 실시예들일 뿐이며, 추가적으로 개시되는 본 발명의 범위에 한정되도록 어떠한 방법으로 고려되어야만 하는 것은 아니다. 하나 이상의 멤브레인들(13')은 멤브레인 모듈 또는 멤브레인 리그(rig)(13)에서 존재한다. PRO 발전소의 실질적인 구체예에서, 복수 개의 이러한 모듈들 또는 리그들이 사용될 것이라는 점이 이해될 것이다. PRO 공정 때문에, 모듈의 고압 측 상의 출구(14)는 12 바아보다 다소 낮은 예를 들어, 0.5 바아보다 낮은 압력에서 BW를 전달할 것이며, 또한 도입부에서 언급된 일반적인 실시예에서 대략 BW의 2/3는 압력 교환기(16)를 통과하여 BW 출구(15)로 지나갈 것이며, 압력 교환기(16)는 SW 입구(11) 쪽으로 압력 적용을 공급한다. BW의 나머지 1/3은 터빈(17)을 통해 BW 출구(18)를 향해 지나갈 것이다. 낮은 압력 출구(19)를 통과하는 멤브레인 모듈로부터의 FB는 일반적으로 본 실시예에서 0.5 바아보다 작고, FW 압력의 약간 아래인 압력을 가질 것이다.
도 1b는 도 1a의 구체예의 변형을 도시한다. 도 1b는 도 11와 관련하여 더 도시되고 개시된 것으로서, 지표면 아래 또는 바닷속의 PRO 발전소를 도시한다. 발전소의 잠수가 압력 교환기(16)의 설치를 불필요하게 만듦에 따라, 도 1a에 도시된 바와 같은 압력 교환기(16)가 더 이상 존재하지 않는다는 점이 주목된다. 지표면 아래 또는 수중의 발전소에서, 고압 상태인 FW가 터빈(17')을 거쳐 배향되며, 이것은 이것의 상류에서 멤브레인 리그(13)의 FW 측 상에 위치되고, 이어서 멤브레인 리그(13)의 FW 측에 직접적으로 위치된다.
다음의 도면들에서, 터빈(17)이 단순한 이유때문에 도시되지 않았는데, 이는 터빈이 역류(backwash) 작용의 부분을 형성하지 않기 때문이다. 그러나, 이것은 존재하는 것으로 고려되어야만 한다. 비록 단지 하나의 멤브레인 모듈이 도시되었지만, 두개 이상의 모듈들 또는 리그들이 존재할 수도 있다는 점이 이해될 것이다. 비록 바람직하게는 각각의 압력 교환기에 연결된 복수 개의 모듈들이 존재할 것이지만, 단일의 압력 교환기가 일 모듈 상에서 작동될 수도 있다. 이는 바람직하게는 복수 개의 모듈들이 동시에 PRO 압력 역류 상태에 놓인다는 것을 의미한다.
도 2a는 본 발명의 기본 개념을 도시한다. FW의 플러그(21)가 SW 유동 안으로 주입되었고, FW가 멤브레인을 통해 멤브레인의 저압 측(즉, 멤브레인 모듈의 저압 측)으로 이동하는 시간 동안, 삼투과정이 멈출 것이다. 따라서, FW가 고압의 SW에 의해 가압될 것이며, 이는 일반적인 멤브레인 여과작용에서의 역류와 같이 멤브레인을 통과하여, 멤브레인의 저압 측 상의 압력보다 더 높은 압력을 가진다. 만약 염수(salt water) 또는 SW가 화살표(22)에 의해 표시된 바와 같이 멤브레인의 일반적인 저압 측 상에 존재하고 있었다면, 반대 플럭스이 증가될 수 있지만, SW가 먼저 멤브레인 구조물 안으로 확산되고 침투하여야 할 것이라는 것이 이해될 것이다.
이하에서 개시된 모든 대안들은 역류를 달성하기 위한 하나 또는 두개의 효과들을 이용한다: 멤브레인 모듈(13)의 완전한 길이 또는 섹션 내의 FW의 주입 및 이에 의한 삼투성의 추진력(osmotic driving force)의 국부적인 제거. SW 라인 내의 압력이 PRO 발전소 내에서 유지되는데, 이는 PRO 공정이 발전소의 다른 모듈들/리그들 내에서 계속되기 때문이다. 이러한 압력은 PRO와 비교하여 반대 방향으로 멤브레인을 통과하는 물의 플럭스을 강제할 것이며, 이에 의해 도 2a 상에 개시된 바와 같이 국부적으로 멤브레인에 역류를 가한다. 반대 플럭스은 멤브레인의 SW 측 안으로 물을 공급하는 대신에, 물을 배수할 것이다. 따라서, 역류된 모듈들/리그들로부터의 상당한 기수량이 일시적으로 떨어질 것이다. 만약, FW가 SW 측으로 주입될 때, SW가 위치에서 멤브레인의 FW 측으로 주입된다면, 물이 멤브레인의 SW 측으로부터 FW 측까지 흐르도록 하는 삼투압이 존재할 것이다. SW 파이프 내의 PRO 압력에 의해 생성되는 반대 플럭스(backwards flux) 이외에, 결과적인(삼투성의) 플럭스이 나타날 것이며, 이에 의해 총 역류 플럭스을 증가시킨다. 소금이 멤브레인 안으로 확산해야만 하기 때문에, 삼투압은 작동하는데 어떤 시간이 필요할 것이다. 이러한 확산은 RPO 동안 모듈을 통과하는 유동 시간으로서 대략 동일한 시간인, 약 일분을 필요로 한다. 도면을 참조하여 설명되는 예시적인 구체예들만이 결고 진보적인 사상에 속하는 것으로 고려되는 것은 아니지만, 단지 어떻게 본 발명이 수행되는 상태로 될 수 있는지를 설명하기 위하여 포함된다.
PRO 공정에서, 4-30 바아의 정상 압력이 SW 피드-인(feed-in, 11) 내에서 존재할 수 있으며, FW 피드-인(12) 내에서 1 바아보다 작은, 바람직하게는 0.5 바아보다 작은 압력이 존재할 수 있다. 바람직하게는 고압이 더욱 제한된 범위 8-16 바아 내에서 존재할 것이며, 실험에서 압력이 0-20 바아가 될 것이지만, 일반적으로 는 12 바아일 것이다. BW 및 FB 출구(14, 19)에서의 압력은 바람직하게는 각각의 SW 및 FW 입구(11, 12) 아래에서 0.5 바아보다 작다. 이러한 압력 레벨들이 여전히 PRO 작동시 유지되는 모듈들/리그들에 의해 유지될 수 있다. PRO 발전소 내의 국부적인 역류가 밸브들, 펌프들, 및 전력 손실의 최소량을 가지도록 달성되어야만 하며, 하기 기재로부터 본 발명이 매우 효율적이고 간단한 역류 작용을 제공하는 것이 이해될 것이다.
역류가 전체의 모듈에서 발생할지 아니면 한번에 이것의 길이의 하나의 섹션에서만 발생하는 것인지는 모듈의 실제 구조물 및/또는 발전소의 구조물 및 작동에 기초하여 동시에 결정되어야만 할 것이다. 유사하게는, 작동 조건들 및 발전소 구조물은 역류가 몇몇 모듈들에서 동시에 수행되는지, 단지 한번에 하나의 모듈/리그에서만 수행되는지, 또는 다수의 모듈들/리그들에서 동시에 수행될지를 표시할 것이다.
도 2b는 PRO를 도시하고, 화살표(23)는 삼투성의 물의 플럭스을 표시하고, CS는 멤브레인(13')에 대하여 모듈(13) 내의 소금 농도를 표시하며, 여기서 13''은 확산 스킨을 표시하며, 13'''은 다공성 구조물을 표시한다. 다공성 구조물이 층을 이루고 있는지 아니면 다른 구성으로 이루어져 있는지 간에, 본 발명의 원리를 이해함에 있어서 사용된 구조물의 종속 물질은 현재 전후 관계에 있어서 중요하지 않다.
도 2c는 역류를 도시하며, 참조 번호 "24"는 발전소 내의 PRO에 의해 생성되는 수압에 의해 움직이는 역류 플럭스을 표시한다.
도 2d는 향상된 역류를 도시하며, 참조번호 "25"는 발전소 내의 PRO 및 추가적인 국부적 삼투에 의해 생성되는 수압에 의해 움직이는 역류 플럭스을 표시한다 .
더욱 상세한 실시예들이 도 3-9를 참조하여 이제 설명된다.
도 3은 본 발명의 가장 단순한 버전(version)이다. 참조 번호 "31"은 주어진 시간 간격 내에서 멤브레인의 SW 측 안으로 주어진 상당량의 FW를 "주입"하는 내장된 체크밸브(no-return valve)를 갖는 고압 체적 펌프(예를 들어, 피스톤 펌프들과 같음)을 나타낸다. 수압은 PRO 작동 중에 SW 피드 라인(feed line)(11)에 의해 이 측에서 유지된다. 펌프(31)의 에너지가 터빈 내에서 회복된다.(마이너스 효율 손실)
따라서, 도 3의 구체예에서, 모듈(13')의 멤브레인의 제 1 측 또는 FW 측 상에서 FW 플러그가 펌프(31)에 의해 도입되고, 그곳에서 SW 내의 용해된 물질의 농도(사실상, 염분(salinity))를 변경시켜, 이에 의해 PRO 압력 역류 작용이 FW의 플러그를 가압시키도록 제 1 측 상에 SW의 고압을 사용함으로써 멤브레인의 제 1 측(SW 측)으로부터 제 2 측(FW 측)까지 FW를 갖도록 생성된다. 또한, 이런 기본 원리는 도 4-9의 구체예들에서 유효하다.
도 4는 삼투성의 향상된 PRO 압력 역류의 원리를 도시한다. 펌프(41)는 도 3의 펌프(31)와 동일한 작용을 갖는다. 그러나, 동시에 펌프가 작동되고, 밸브가 모듈(13) 내의 멤브레인(13')의 FW 측으로 SW를 주입시키기 위해 작동되며, 이것은 도 2d에 도시된 바와 같이, 삼투성의 추진력 및 PRO 압력 역류에 대한 플럭스을 증가시킴으로써 역류 작용을 향상시킨다.
도 5는 압력이 없는 민물 주입을 갖는 PRO 압력 역류를 도시한다.
이러한 구체예에서, 밸브(54) 및 밸브(55)는 SW 및 BW를 각각 차단한다. 밸브(56)의 연속적인 열림은 모듈(13) 내의 멤브레인(13')의 SW 측 상의 압력을 해제시키고, FW가 열린 밸브(51)를 통해 멤브레인(13')의 이러한 측(SW 측)으로 흐르도록 한다. 밸브들(51 및 56)이 연속적으로 닫히고, 밸브들(54 및 55)이 열릴 때, 역류 작용이 생성될 것이다. 점선에 의해 도시된 바와 같이, 임의로 SW가 삼투성의 플럭스을 증가시키도록 SW 피드-인 파이프로부터 FW 입구까지 추가 밸브(57)에 의해 멤브레인의 FW 측으로 안내될 수 있다. 그러나, 이러한 후자의 선택은 요구된 밸브들의 수, 발전소 복잡성(plant complexity) 및 비용을 증가시킬 것이다.
도 6a는 멤브레인(13')의 SW 측에 대한 FW의 플러그를 제공하기 위하여 펌프(61)를 사용하여, 교체된 PRO 압력에 의한 역류를 도시한다.
펌프(61)는 바람직하게는 충분한 펌프 작용력을 가진 저압 펌프이며, 압력 교환기(16)의 상류의 SW 피드 라인(11) 내의 압력을 압도하고, 따라서 교환기(16)에 대한 액체 공급 중에 SW를 FW의 플러그로 대체시켜, 이에 의해 FW를 멤브레인(13')의 SW 측으로 주입시킨다. 작용이, 단지 저압 형태의 펌프(61)가 요구되고 발전소 내의 전력 손실이 더 작다는 것을 제외하고는 도 3의 구체예와 매우 유사하다.
도 7은 도 6a의 펌프(61) 대신에 한쌍의 밸브들(71 및 74)로부터의 도움을 사용하여, 교체된 PRO 압력에 의한 역류를 도시한다.
밸브(74)는 압력 교환기(16)에 대한 SW 피드-인을 차단시키고, 밸브(71)를 개방으로 인하여 FW가 압력 교환기로 안내된다. 만약 그렇지 않으면 원리가 도 6의 것과 유사하다. 연속적으로, FW의 플러그가 SW 측으로 도입된 후에, 밸브(71)가 닫힐 것이고, 밸브(74)가 열릴 것이다.
도 6a의 구체예의 지표면 아래의 변형인 도 6b는 역류 작용에 관하여 도 6a의 구체예에 비슷한 작용을 가진다. 그러나, 도 1b 및 도 11에 대하여 논의된 바와 같이 터빈(17')이 이것의 상류의 멤브레인(13')의 FW 측 상에 위치된다는 점이 주목된다.
또한, 도 6b는 멤브레인(13)의 SW 측에 대한 FW의 플러그를 제공하기 위하여 펌프(61)를 사용하여, 존재하는 PRO 압력에 의한 역류를 제공한다. 펌프(61)는 바람직하게는 충분한 펌프 작용력을 가지는 저압 펌프이고, 멤브레인의 상류의 SW 피드 라인(11) 내의 압력을 압도하고, 따라서 멤브레인(13')의 고압 측에 대한 액체 공급 중에 SW를 FW의 플러그로 대체시키고, 이에 의해 FW를 멤브레인(13')의 SW 측으로 주입시킨다. 따라서 작용이 도 6a의 구체예와 매우 유사하나, 사실상 압력 교환기(16)를 불필요하게 만드는 지표면 아래의 설치가 존재한다는 점에서 차이가 있으며, 또한 단지 저압형 펌프(61)가 요구되고 발전소 내의 전력 손실이 더 작다는 점을 제외하고는 도 3의 구체예와 비슷하다.
도 8 및 도 9의 구체예들은 모두 삼투성의 향상된 PRO 압력 역류에 관한 것이다.
도 8에서, 구체예가 멤브레인(13')의 SW 측에 대한 FW의 플러그의 주입에 관하여 작동하는 펌프이다. 따라서, 멤브레인(13')의 SW 측에 대한 FW의 주입이 도 6에 개시된 펌프(61)의 형태와 같은 저압 펌프(81)에 의해 달성된다. 펌프(81)가 작동될 때, 밸브(84)가 SW를 멤브레인(13')의 FW 측으로 안내하도록 작동할 것이며, 이것은 도 2d에 개시된 바와 같이 PRO 압력 역류에 삼투성의 추진력 및 플럭스을 증가시킴으로써 역류를 향상시킨다.
도 9 구체예에서, 도 8의 펌프(81)가 두개의 밸브들(91 및 94)에 의해 대체된다. 따라서, 멤브레인(13')의 SW 측에 대한 FW의 주입이 도 7의 구체예처럼 달성된다. 밸브(94)가 닫히고 밸브(91)가 열려, 압력 교환기의 입구로, 그리고 연속적으로 멤브레인(13')의 SW 측으로 FW의 플러그를 도입하도록 한다. 동시에, 밸브(95)가 멤브레인(13')의 FW 측으로 SW를 안내하며, 도 8의 구체예와 같이, PRO 압력 역류에 삼투 추진력 및 플럭스을 증가시킨다. 이어서, FW의 플러그가 SW 측으로 도입된 후에, 밸브들(91 및 95)이 닫힐 것이고, 밸브(94)가 열릴 것이다.
따라서, 멤브레인의 SW 측 상에 주입된 FW의 플러그는, 고압의 SW가 연속적으로 FW 플러그를 멤브레인의 SW 측으로부터 FW 측까지 강제로 밀어내기 위해 존재한다는 점을 요구할 것이라는 점이 이해될 것이다.
도 3 내지 도 9에서, 밸브(32, 42, 52, 62, 72, 82 및 92)가 각각 개시되었으며, 이것의 작용은 살균제를 FW의 플러그 안으로 주입하는 것이며, 이는 후자가 멤브레인의 SW 측으로 주입될 때이다.
도 3 내지 도 9에서, 또한 밸브(33, 43, 53, 63, 73, 83 및 93)이 개시되며, 이것의 작용은 살균제(DA)를 FW 안으로 주입시키는 것이며, 멤브레인(13')의 SW 측으로 FW의 플러그를 주입시키기 소정의 시간 전에 DA를 저압 측, 즉 FW 측으로부터의 멤브레인(13')에 들어가도록 한다. 이러한 살균 작용의 이점은 DA가 멤브레인(13') 안으로 움직일 것이고, 확산 스킨(13'')에 의해 정지될 것이라는 점이며, 그리고 역류가 멤브레인(13')의 SW 측으로부터 FW 측까지 움직이는 FW와 함께 시작될 때, 멤브레인(13') 내에 위치된 박테리아 및 다른 원하지 않은 마이크로 유기물들이 DA와 함께 밖으로 배출될 것이라는 점이다.
멤브레인(13')의 SW 측, 즉 확산 스킨의 SW 측에 제공된 DA는 단지 이것의 표면상의 박테리아 및 다른 원하지 않은 마이크로 유기물들을 처리할 것이다. 따라서, DA가, 필요하다고 간주될 때 멤브레인(13')의 어느 한 측 또는 단지 하나에 적용될 수 있다. 비록 다른 약품들이 사용될 수도 있지만, DA는 바람직하게는 염소 용액이다.
도 10은 유지 프로그램에 따라 자동으로 작동될 수도 있고, 조작자(미도시)에 의해 수동 제어를 가능하게 하는 오버라이팅 수단(102)을 가질 수도 있는 제어 및 프로세싱 유닛(101)을 도시한다. 바람직하게는 디스플레이(103)가 조작자로 하여금 어떻게 역류 작용이 발전소 내에서 진행되는지를 모니터하도록 제공된다. 유닛(101)은, 요구된 대로 펌프들 및 밸브들의 작용을 제어하기 위하여, 즉 요구된 대로 밸브들의 개폐 및 펌프들의 시작과 정지를 제어하기 위하여 출력장치들을 가진다. 유닛(101)은 바람직하게는 적절한 소프트웨어 및/또는 펌웨어에 의해 제어되는 마이크로프로세서 또는 PC 구조물을 가질 수 있다.
도 11은 연속적으로 작동하는 지표면 아래의 PRO 발전소를 도시한다. FW 공급(111)이 FW 공급(113) 예를 들어, 강(river)으로부터 터빈(112)(도 1b 및 도 6b의 터빈(17')과 유사)에 제공된다. 모듈 리그(114)(멤브레인 리그(13)와 유사)가 터빈(112)으로부터의 출구에 연결된 FW 측 상에 있고, 모듈 리그(114)로부터의 FW 블리드 FB(115)가 SW 저장소(116) 예를 들어, 바다로 안내된다. SW 공급(117)이 멤브레인 리그(114)의 고압 측으로 들어오고, 라인(118)을 통해 다시 저장소(116)로 공급되는 BW처럼 멤브레인 리그(114)를 나간다.
비록 단지 하나의 모듈 리그(114)가 도 11 상에 및 다른 도면들 상에 도시되었지만, 복수 개의 또는 심지어 실질적으로 복수 개의 멤브레인 모듈들(13; 114)이 일반적으로 PRO 발전소의 작동 내에 포함될 것이라는 점이 이해될 것이다.
더욱이, 도 5, 6a, 7, 8 및 9에 관련되어 개시된 것처럼 역류 작용의 원리들은 터빈이 멤브레인 리그의 FW 상류 측 상에 대신 위치되어, 이에 따라 역류 작용이 지표면 설치상에서보다 오히려 지표면 아래 설치상에서 일어날 것을 의미하는 경우에 그럼에도 불구하고 잘 적용될 것이 이해될 것이다.

Claims (26)

  1. 압력 지연 삼투(pressure retarded osmosis, PRO)에 기초한 정상 작동을 위한 반투성 특성들을 가지는 멤브레인(13')에 대한 유지를 수행하는 방법 (상기 멤브레인(membrane)은 제 1 측 및 제 2 측을 가지며, 멤브레인의 정상 PRO 작동 후에 멤브레인이 멤브레인의 제 1 측 상에서 더 높은 제 1 압력에서 용해된 물질의 제 1 농도를 가지는 제 1 종의 물을 받도록 구성되며, 상기 제 2 측 상에서 더 낮은 제 2 압력에서 물질의 더 낮은 제 2 농도를 가지는 제 2 종의 물을 받도록 구성되며, 정상 PRO 작동 동안 물은 멤브레인을 통과하여 제 2 측으로부터 제 1 측까지 유동한다)에 있어서,
    멤브레인(13')의 제 1 측 상에 제 2 종의 물(FW)의 체적(volume)을 도입함으로써 멤브레인의 정상 작동을 일시적으로 중단시켜, 그곳에서 물의 용해된 물질(dissolved substance)의 농도를 변경시키는 단계, 및
    제 2 종의 물(FW)의 체적으로 제 1 측의 고압을 가함으로써 멤브레인(13')의 제 1 측으로부터 제 2 측까지 역류(backwash) 기능을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 방법은
    a) 멤브레인의 제 1 측으로부터의 출구가 멤브레인의 제 2 측으로부터의 출구에만 연결된 상태로, 상기 제 2 종의 물의 체적을 상기 제 1 측으로 도입하기 전에 제 1 측까지 제 1 종의 물의 공급을 일시적으로 차단하는 단계,
    b) 멤브레인의 제 1 측에 제 2 종의 물의 상기 공급을 차단하고, 상기 출구들 사이의 연결을 차단하는 단계, 및
    c) 상기 단계 a)에서 상기 제 1 측에 공급된 상기 제 2 종의 물의 체적의 상류로 상기 제 1 종의 물을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 종의 물의 공급이 일시적으로 차단될 때, 상기 제 2 종의 물의 체적이 상기 제 1 측에 제공되며,
    멤브레인의 제 1 측에 대한 제 2 종의 물의 체적이 연속적으로 차단되고, 제 1 종의 물의 공급이 회복되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 종의 물의 체적이 제 1 종의 물의 유동 안으로 상기 제 1 측에 일시적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    제 1 측에 대한 제 2 종의 물의 공급은 제 1 종의 물의 고압을 초과하는 압력을 가지며, 상기 공급은 고압 공급 펌프로부터의 작동에 의해 보조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은
    향상된 역류 기능을 생성하도록, 멤브레인의 제 2 측 상에서 제 1 종의 물의 유동을 제 2 종의 물의 유동 안으로 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 2 측으로 전달되는 제 1 종의 물의 유동은 상기 제 2 압력과 동일하거나 더 크지만 상기 제 1 고압보다는 낮은 전달 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은
    멤브레인의 정상 PRO 작동 동안 제 2 종의 물 안으로 살균제(disinfecting agent)를 주입시켜, 정상 PRO 작동의 중단을 위하여 제 2 종의 물의 체적을 상기 멤브레인의 제 1 측으로 도입하기 소정의 시간 전에, 살균제가 제 2 측으로부터 멤브레인에 들어가도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은
    제 2 종의 물의 체적이 멤브레인의 상기 제 1 측으로 전달될 때, 살균제를 제 2 종의 물의 체적 안으로 주입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    용해된 물질의 상기 농도는 염분에 관한 것이며, 제 1 종의 물은 바닷물이고, 제 2 종의 상기 물은 민물인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 압력 지연 삼투(PRO)에 기초한 정상 작동을 위한 반투성 특성들을 가지는 멤브레인에 대한 유지를 수행하고, 이에 의해 상기 정상 작동을 일시적으로 중단시키기 위한 장치 (상기 멤브레인은 제 1 측 및 제 2 측을 가지며, 멤브레인의 정상 PRO 작동 후에 상기 멤브레인이 멤브레인의 제 1 측 상에서 더 높은 제 1 압력에서 용해된 물질의 제 1 농도를 가지는 제 1 종의 물의 공급을 받도록 구성되며, 상기 제 2 측 상에서 더 낮은 제 2 압력에서 용해된 물질의 더 낮은 제 2 농도를 가지는 제 2 종의 물의 저압 공급을 받도록 구성되고, 정상 PRO 작동 동안 물은 멤브레인을 통과하여 제 2 측으로부터 제 1 측까지 유동한다))에 있어서,
    멤브레인(13')의 제 2 측으로의 입구(12)와 멤브레인(13')의 상기 제 1 측으로의 입구(11) 사이에 연결된 시간 제어가능한 제 1 밸브 또는 펌프(31; 41; 51; 61; 71; 81; 91)를 포함하되,
    상기 제 1 밸브 또는 펌프는 제 2 종의 물(FW)의 체적(21)을 멤브레인의 제 1 측으로 전달 또는 차단시키도록 작동가능하여, 그곳에서 물의 용해된 물질의 농도를 변경시키고, 이에 의해 제 2 종의 물(FW)의 체적으로 제공된 제 1 종의 물(SW)의 고압에 의해 상기 제 1 측 상에서 가압된, 멤브레인의 제 1 측으로부터 제 2 측까지의 제 2 종의 물(FW)로 역류 기능을 생성시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제어가능한 제 2 밸브(54)가 제 1 밸브 또는 펌프(51)로부터 제 1 측까지의 출구의 상류에서 제 1 종의 물(SW)의 공급 입구(11)에 연결되며, 제어가능한 제 3 밸브(55)가 상기 제 1 측으로부터의 출구(14)에 연결되며, 제어가능한 제 4 밸브(56)는 제 3 밸브(55)의 상류에서 제 1 측으로부터의 출구(14)에 연결된 입구, 및 제 2 측으로부터의, 개방된 종단 출구(19)에 연결된 출구를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 1 작동 상태에서 상기 제 2 밸브 및 제 3 밸브(54; 55)가 닫히도록 하고, 상기 제 1 밸브 및 제 4 밸브(51; 56)가 열리도록 하며,
    제 2 상태에서 제 1 밸브 및 제 4 밸브(51; 56)가 닫히도록 하고, 제 2 밸브 및 제 3 밸브(54; 55)가 열리도록 하여, 이에 의해 역류 기능에 영향을 미치도록 하는 수단들이 제공되고 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브(71, 91)가 멤브레인(13')의 제 1 측으로의 입구에 직접적으로 또는 압력 교환기(16)의 입구를 통과하여 연결되고,
    제어 가능한 제 2 밸브(74; 94)가 멤브레인(13')의 제 1 측으로의 입구의 상류에서 직접적으로 또는 압력 교환기(16)를 통과하여 연결되며,
    상기 제 1 밸브(71; 91)가, 제 2 밸브(74; 94)와 멤브레인(13')의 사이 또는 제 2 밸브(74; 94)와 압력 교환기(16)의 입구 사이의 위치 중 한 위치에서 제 1 종의 물(SW)을 위한 전달 파이프에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 펌프(31; 41; 61; 81)가 제 1 종의 물(SW)의 유동 안으로 상기 제 1 측까지 제 2 종의 물(FW)의 체적을 일시적으로 전달시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 10 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 펌프(31; 41; 61; 81)로부터의 작동에 의해 보조되는 제 1 측에 대한 제 2 종의 물(FW)의 공급은, 제 1 종의 물의 고압을 초과하는 물공급의 출력 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 장치는,
    상기 제 1 측으로의 입구와 멤브레인(13')의 제 2 측으로의 입구(12) 사이에 연결된 제어가능한 제 3 밸브(44; 84; 95)를 더 포함하되,
    상기 제 3 밸브는 멤브레인의 제 2 측 상에서 제 1 종의 물(SW)의 체적을 제 2 종(FW)의 물의 유동 안으로 도입하여, 향상된 역류 기능을 생성하도록 제어가능한 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제어가능한 제 3 밸브(44; 84; 95)에 의해 제 2 측으로 전달되는 제 1 종(SW)의 물의 유동 또는 체적을 상기 저압과 동일하거나 또는 상기 저압보다 크지만 상기 고압보다는 낮은 전달 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 장치는,
    멤브레인(13')의 저압 측의 상류에서 제 2 종의 물(FW) 안으로 살균제(DA)를 제어가능하게 주입시키도록 구성되어, 멤브레인의 제 1 측으로 제 2 종의 물(FW)의 체적을 도입하여 정상 작동을 중단시키고 역류 기능을 시작하기 전의 멤브레인의 상기 정상 PRO 작동 동안의 소정의 시간 동안 살균제를 저압 측으로부터 멤브레인(13')으로 들어가도록 하는 살균성의 인젝터 수단(33; 43; 53; 63; 73; 83; 93)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 10 항에 있어서, 상기 장치는
    제 2 종의 물(FW)의 체적 안으로 살균제(DA)를 제어가능하게 주입시키도록 구성된 살균성의 인젝터 수단(32; 42; 52; 62; 72; 82; 92)(이것이 제 1 측으로 전달되어 역류 기능을 시작할 때 주입된다)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 10 항에 있어서,
    용해된 물질의 농도는 염분에 관한 것이며, 제 1 종의 물은 바닷물(SW)이고, 제 2 종의 물은 민물(FW)인 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 살균제(DA)는 염소 용액(chlorine solution)인 것을 특징으로 하는 장치.
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