KR101389450B1

KR101389450B1 - 담수화 장치 및 이를 이용한 담수화 방법

Info

Publication number: KR101389450B1
Application number: KR1020130094407A
Authority: KR
Inventors: 박필양; 이재봉; 윤석원; 김기형; 김규일
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2014-04-25
Also published as: WO2015020419A1; SA515370013B1

Abstract

본 발명은 담수화 장치 및 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 담수화 장치는 원수가 유입되는 원수유입부가 구비되고, 상기 유입된 원수로부터 공급수를 생성하는 전처리유닛; 상기 공급수가 유입되는 제1 유입부가 구비되고, 상기 유입된 공급수로부터 제1 여과수 및 제1 농축수를 분리하는 제1 나노여과유닛; 상기 제1 여과수가 유입되는 제2 유입부 및 처리수를 배출하는 배출부가 구비되고, 상기 유입된 제1 여과수로부터 처리수를 생성하는 전기흡착식 탈염유닛; 상기 제1 유입부에 구비되어 상기 공급수에 유입압력을 인가하는 제1 가압펌프; 상기 전기흡착식 탈염유닛과 전기적으로 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부; 상기 제1 유입부, 제2 유입부 및 배출부에 각각 구비되어 TDS 농도를 측정하는 제1, 제2 및 제3 측정부; 상기 제1 유입부에 구비되는 제1 유로변경부, 상기 제2 유입부에 차례로 구비되는 제2 및 제3 유로변경부, 및 상기 배출부에 구비되는 제4 유로변경부; 및 상기 제1 가압펌프, 전원공급부, 제1 내지 제3 측정부, 및 제1 내지 제4 유로변경부와 전기적으로 연결되어 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 유로변경부는 상기 제어부와 전기적으로 연결되며, 상기 제어부는 원하는 처리수의 TDS 농도값이 설정되고, 상기 제1 내지 제3 측정부로부터 얻은 TDS 농도값을 수용하며, 상기 제어부는 상기 제1 측정부의 TDS 농도값에 따라 상기 제1 가압펌프를 제어하여 상기 공급수에 인가되는 유입압력을 제어하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 10,000 ppm을 초과하는 경우, 상기 제1 내지 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 제1 나노여과유닛으로 재유입하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500~10,000 ppm의 범위인 경우, 상기 전원공급부를 제어하여 상기 전기흡착식 탈염유닛에 인가되는 전압을 제어하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500 ppm 미만인 경우, 상기 제3 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 전기흡착식 탈염 유닛을 거치지 않고 상기 배출부로 유입하고, 그리고 상기 제3 측정부의 TDS 농도값이 상기 설정된 TDS 농도값을 초과하는 경우, 상기 제2 유로변경부 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 처리수를 상기 전기흡착식 탈염유닛으로 재유입하는 것을 특징으로 한다.

Description

담수화 장치 및 이를 이용한 담수화 방법 {DESALINATION APPARATUS AND DESALINATING METHOD THEREOF}

본 발명은 담수화 장치 및 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 원수에 포함된 입자성 물질 및 무기성 물질을 제거하는 전처리단계 이후 나노여과 및 전기흡착식 탈염하여 기존 담수화 장치보다 전처리 비용 절감효과가 우수하고, 담수생산 회수율이 우수하면서 에너지 소비량을 절감할 수 있으며, 원하는 수질의 담수를 용이하게 생산할 수 있는 담수화 장치 및 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다.

최근 지구 온난화에 따른 기후변화와 인구증가 및 산업화에 따른 수질환경오염문제로 전 세계적으로 물 부족 현상이 증가하고 있다. 이러한 물 부족 문제를 해결하기 위해서 과거부터 다양한 방법의 담수화 기술이 개발되어 이용되고 있고 현재도 담수생산 비용을 저감하기 위한 기술개발이 활발히 진행 중에 있다.

일반적으로 해수는 약 20,000~50,000 ppm(mg/ℓ)의 총용존 고형물 농도를 가질 수 있다. 이들 용존 고형물은 다양한 일가, 이가, 다원자가, 다가 염 또는 화학종을 포함하며, 이중 염화나트륨이 전체 고형물의 약 75 중량%를 차지한다.

한편, 일반적으로 음용수는 500ppm 이하의 총용존 고형물(Total Dissolved Solids, TDS) 농도를 가진다.

염수를 담수화시키는 종래의 기술로는 증발법, 역삼투법(Reverse Osmosis, RO) 등과 같은 물리적 처리법과 전기흡착식 탈염법(Capacitive deionization, CDI), 전기투석과 같은 전기화학적 처리법으로 구분할 수 있다. 또한 공정상 상기 담수화 방법들을 단일 공정으로 사용하는 것 이외에 물리적 공정과 전기화학적 처리방법을 결합한 하이브리드형 담수화 장치 및 방법도 존재한다.

상기 증발법은 원리 및 장치가 단순하고 고순도의 담수를 얻을 수 있는 장점이 있으나 에너지 비용이 많이 소요된다. 역삼투법(RO)은 삼투압보다 높은 압력을 가할 때 용액으로부터 순수한 물을 얻을 수 있다는 원리를 이용하여 염수를 담수화시킨다. 그러나 역삼투법 담수화 장치는 염수를 담수화시키기 위해서는 보통 고압의 펌프를 이용하여 염수의 삼투압 보다 높은 압력을 역삼투막에 가해 주어야 한다. 따라서 고압펌프의 높은 소비전력으로 인해 에너지 비용이 높고 또한 수중의 탁도성분 및 유기물에 매우 취약한 역삼투막을 보호하기 위한 전처리가 매우 까다롭고 장치로 유입되는 원수에 비해 생산되는 담수 회수율이 매우 낮아 현재까지 담수생산 비용이 높은 것이 사실이다.

전기화학적 처리방법 중 전기흡착식 탈염법은 현재 저에너지소비형 담수화 기술로 평가되고 있지만, 소규모로 적용되고 있을 뿐 아직 대용량 규모로 상용화되지 않고 있다. 이와 같이 대용량 상용화가 미뤄지고 있는 이유는 대용량화, 유로, 처리수질 품질 등에 있어서 미흡한 면을 보이고 있으며 또한 고농도의 염수를 처리하기에는 현재까지 기술 개발이 이루어지지 않고 있기 때문이다.

이러한 단일 공정의 문제점을 극복하기 위해서 증발법과 역삼투법, 역삼투법과 전기흡착식 탈염법을 결합한 다양한 하이브리드 담수화 공정이 개발되어 있지만 현재까지 에너지 소비량이 여전히 높고, 전처리 비용이 많이 들고, 회수율이 낮은 등 담수생산 비용이 여전히 높은 문제점이 존재하고 있다.

본 발명의 목적은 기존 담수화 장치보다 에너지 소비량이 적고, 경제적이며, 담수생산 회수율이 우수한 담수화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전처리 비용의 절감효과가 우수한 담수화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 원하는 수질의 담수를 용이하게 생산할 수 있는 담수화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 소규모 시설에서도 담수 생산이 가능한 담수화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 소형화된 시설에서 다양한 농도의 담수 생산이 가능한 담수화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 담수화 장치를 이용한 담수화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 관점은 담수화 장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 담수화 장치는 원수가 유입되는 원수유입부가 구비되고, 상기 유입된 원수로부터 공급수를 생성하는 전처리유닛; 상기 공급수가 유입되는 제1 유입부가 구비되고, 상기 유입된 공급수로부터 제1 여과수 및 제1 농축수를 분리하는 제1 나노여과유닛; 상기 제1 여과수가 유입되는 제2 유입부 및 처리수를 배출하는 배출부가 구비되고, 상기 유입된 제1 여과수로부터 처리수를 생성하는 전기흡착식 탈염유닛; 상기 제1 유입부에 구비되어 상기 공급수에 유입압력을 인가하는 제1 가압펌프; 상기 전기흡착식 탈염유닛과 전기적으로 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부; 상기 제1 유입부, 제2 유입부 및 배출부에 각각 구비되어 TDS 농도를 측정하는 제1, 제2 및 제3 측정부; 상기 제1 유입부에 구비되는 제1 유로변경부, 상기 제2 유입부에 차례로 구비되는 제2 및 제3 유로변경부, 및 상기 배출부에 구비되는 제4 유로변경부; 및 상기 제1 가압펌프, 전원공급부, 제1 내지 제3 측정부, 및 제1 내지 제4 유로변경부와 전기적으로 연결되어 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 유로변경부는 상기 제어부와 전기적으로 연결되며, 상기 제어부는 원하는 처리수의 TDS 농도값이 설정되고, 상기 제1 내지 제3 측정부로부터 얻은 TDS 농도값을 수용하며, 상기 제어부는 상기 제1 측정부의 TDS 농도값에 따라 상기 제1 가압펌프를 제어하여 상기 공급수에 인가되는 유입압력을 제어하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 10,000 ppm을 초과하는 경우, 상기 제1 내지 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 제1 나노여과유닛으로 재유입하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500~10,000 ppm의 범위인 경우, 상기 전원공급부를 제어하여 상기 전기흡착식 탈염유닛에 인가되는 전압을 제어하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500 ppm 미만인 경우, 상기 제3 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 전기흡착식 탈염유닛을 거치지 않고 상기 배출부로 유입하고, 그리고 상기 제3 측정부의 TDS 농도값이 상기 설정된 TDS 농도값을 초과하는 경우, 상기 제2 유로변경부 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 처리수를 상기 전기흡착식 탈염유닛으로 재유입하는 것을 특징으로 한다.

한 구체예에서 상기 담수화 장치는 제2 나노여과유닛을 더 구비하여 상기 제1 농축수를 상기 제2 나노여과유닛으로 유입하여 제2 여과수 및 제2 농축수로 분리하고, 상기 제2 나노여과유닛은 상기 제1 농축수가 유입되는 제3 유입부 및 상기 제1 유입부와 연결되어 상기 분리된 제2 여과수를 이송하는 이송부가 구비되며, 상기 제3 유입부에는 상기 제1 농축수에 유입압력을 인가하는 제2 가압펌프가 구비되고, 그리고 상기 제2 가압펌프는 상기 제어부에 전기적으로 연결되어 제어되는 것을 특징으로 한다.

한 구체예에서 상기 공급수의 유입압력은 10~60 kgf/㎠인 것을 특징으로 한다.

한 구체예에서 상기 전기흡착식 탈염유닛에 인가되는 전압값은 0.2~2V인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 관점은 상기 담수화 장치를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 담수화 방법은 원수로부터 공급수를 생성하는 단계; 상기 공급수로부터 제1 여과수 및 제1 농축수를 분리하는 단계; 및 상기 제1 여과수로부터 처리수를 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 제1 측정부의 TDS 농도값에 따라 상기 제1 가압펌프를 제어하여 상기 공급수에 인가되는 유입압력을 제어하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 10,000 ppm을 초과하는 경우, 상기 제1 내지 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 제1 나노여과유닛으로 재유입하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500~10,000 ppm의 범위인 경우, 상기 전원공급부를 제어하여 상기 전기흡착식 탈염유닛에 인가되는 전압을 제어하고, 상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500 ppm 미만인 경우, 상기 제3 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 전기흡착식 탈염유닛을 거치지 않고 상기 배출부로 유입하고, 그리고 상기 제3 측정부의 TDS 농도값이 상기 설정된 TDS 농도값을 초과하는 경우, 상기 제2 유로변경부 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 처리수를 상기 전기흡착식 탈염유닛으로 재유입하는 것을 특징으로 한다.

한 구체예에서 상기 담수화 방법은 원수유입부로부터 원수를 공급하여 전처리유닛에서 상기 원수의 입자성 물질 및 유기성 물질을 제거하여 공급수를 생성하는 단계; 상기 공급수를 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 상기 제1 나노여과유닛에 유입하여 제1 여과수 및 제1 농축수로 분리하는 단계; 및 상기 제1 여과수를 0.2~2V의 전압이 인가되는 전기흡착식 탈염유닛에 이송하여 처리수를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 구체예에서 상기 담수화 방법은 상기 제1 농축수를 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 제2 나노여과유닛에 유입하여 제2 여과수 및 제2 농축수로 분리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 담수화 장치는 기존 담수화 장치보다 담수생산 회수율이 우수하고, 전처리 비용 절감효과가 우수하고, 소규모 시설에서도 담수 생산이 가능하며, 원하는 다양한 농도의 담수 생산이 가능할 수 있으며, 담수 생산시 에너지 소비량을 크게 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 담수화 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 담수화 장치를 나타낸다.

본 발명의 하나의 관점은 담수화 장치에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 담수화 장치(1000)를 나타낸다. 상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 담수화 장치(1000)는 원수가 유입되는 원수유입부(100)가 구비되고, 상기 유입된 원수로부터 공급수를 생성하는 전처리유닛(20); 상기 공급수가 유입되는 제1 유입부(102)가 구비되고, 상기 유입된 공급수로부터 제1 여과수 및 제1 농축수를 분리하는 제1 나노여과유닛(30); 상기 제1 여과수가 유입되는 제2 유입부(104) 및 처리수를 배출하는 배출부(200)가 구비되고, 상기 유입된 제1 여과수로부터 처리수를 생성하는 전기흡착식 탈염유닛(40); 상기 제1 유입부(102)에 구비되어 상기 공급수에 유입압력을 인가하는 제1 가압펌프(300); 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)과 전기적으로 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부(50); 상기 제1 유입부(102), 제2 유입부(104) 및 배출부(200)에 각각 구비되어 TDS 농도를 측정하는 제1, 제2 및 제3 측정부(400a, 400b, 400c); 상기 제1 유입부(102)에 구비되는 제1 유로변경부(500a), 상기 제2 유입부(104)에 차례로 구비되는 제2 및 제3 유로변경부(500b, 500c), 및 상기 배출부(200)에 구비되는 제4 유로변경부(500d); 및 상기 제1 가압펌프(300), 전원공급부(50), 제1 내지 제3 측정부(400a, 400b, 400c), 및 제1 내지 제4 유로변경부(500a, 500b, 500c, 500d)와 전기적으로 연결되어 제어하는 제어부(60);를 포함할 수 있다.

상기 원수유입부(100)는 원수가 유입될 수 있다. 본 발명에서 상기 원수는 해수(Seawater), 하수처리수, 빗물 또는 지하수일 수 있다.

상기 전처리유닛(20)은 상기 유입된 원수의 입자성 물질 및 유기성 물질을 제거하여 담수 회수율을 더욱 증가시키고, 담수 생성에 필요한 시간을 절감하는 목적으로 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 전처리유닛(20)은 유입된 상기 원수의 입자성 물질 및 유기성 물질을 제거하여 공급수를 생성할 수 있다.

상기 전처리유닛(20)은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 한 구체예에서 상기 전처리유닛(20)으로는 샌드 필터(sand filter), 층상 필터, 마이크로필터, 역류 마이크로필터, 침전 탱크 및 에어레이터 장치 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기와 같은 종류의 전처리유닛(20)을 사용시 상기 원수의 입자성 물질 및 유기성 물질을 용이하게 제거하여 후술할 나노여과 및 전기흡착 탈염시 여과시간 및 에너지를 절감할 수 있다.

한 구체예에서, 상기 전처리유닛(20)은 상기 유입된 원수에서 제거된 입자성 물질 및 유기성 물질을 포함하는 농축수를 외부로 배출하는 방류부(210)를 구비할 수 있다.

상기 제1 나노여과유닛(30)은 상기 공급수로부터 상기 공급수의 TDS(Total Dissolved Solids, 총용존고형물) 농도를 저감한 제1 여과수, 및 상기 제1 여과수에서 제거된 오염물질을 포함하는 제1 농축수를 분리하기 위해 포함될 수 있다.

상기 제1 나노여과유닛(30)은 통상적인 것을 사용할 수 있으며, 한 구체예에서 상기 제1 나노여과유닛(30)은 상기 전처리유닛(20)에서 생성된 공급수가 유입되는 제1 유입부(102)가 구비될 수 있다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 한 구체예에서 상기 제1 나노여과유닛(30)은 상기 방류부(210)와 연결되어 상기 제1 농축수를 배출할 수 있는 제1 연결부(110)를 구비할 수 있다.

상기 전기흡착식 탈염유닛(40)은 상기 제1 여과수에 포함된 TDS 농도를 저감하여 처리수를 생성하기 위해 포함될 수 있다.

상기 전기흡착식 탈염유닛(40)은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 이온교환 멤브레인 및 활성탄소 전극을 이용한 축전식 탈염(CDI, Capacitive Deionization)장치를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 축전식 탈염장치(CDI)를 사용시 낮은 전압에서 작동이 가능하며, 에너지 소비량이 다른 탈염장치에 비해 낮을 수 있다.

한 구체예에서 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)은 상기 제1 여과수가 유입되는 제2 유입부(104) 및 최종처리수를 배출하는 배출부(200)가 구비될 수 있다.

상기 제1 가압펌프(300)는 상기 제1 유입부(102)에 구비되어 상기 전처리유닛(20)에서 생성된 공급수에 유입압력을 인가할 수 있다. 한 구체예에서 상기 공급수에 10~60 kgf/㎠의 유입압력을 인가하여 상기 제1 나노여과유닛(30)에 유입할 수 있다. 한 구체예에서 상기 유입압력은 가변적으로 제어될 수 있다. 상기 범위에서 에너지가 많이 소비되지 않으면서 상기 공급수로부터 신속하게 제1 여과수 및 제1 농축수가 분리되어 후술할 전기흡착 탈염장치(40)에서 전력이 많이 소비되지 않으면서 용이하게 원하는 TDS 농도의 처리수를 생성할 수 있다.

상기 전원공급부(50)는 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)에 전기적으로 연결되어 전압을 인가하는 목적으로 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 전원공급부(50)는 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)에 0.2~2V의 전압을 인가할 수 있다. 한 구체예에서 상기 전압을 가변적으로 인가할 수 있다. 상기 범위에서 적은 전력소비량으로 용이하게 상기 제1 여과수의 TDS을 저감하여 신속하게 상기 처리수를 생성할 수 있다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 제1 유입부(102), 제2 유입부(104) 및 배출부(200)에는 각각 TDS 농도값을 측정하는 제1, 제2 및 제3 측정부(400a, 400b, 400c)가 구비될 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 측정부(400a, 400b, 400c)를 포함시 요구되는 처리수의 수질조건을 용이하게 조절할 수 있으며, 긴급한 수질제어가 요구되는 상황에서도 신속하게 대응하여 제어가 가능할 수 있다.

상기 제어부(60)는 원하는 처리수의 TDS 농도값이 입력될 수 있다. 예를 들면, 500 ppm 이하의 TDS 농도값을 입력할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 300 ppm 내지 500 ppm의 TDS 농도값을 입력할 수 있다. 또한, 상기 제1 내지 제3 측정부(400a, 400b, 400c)로부터 얻은 TDS 농도값을 수용할 수 있다. 또한, 상기 제어부(60)는 상기 수용된 상기 TDS 농도값 정보를 이용하여, 기설정된 상기 처리수의 TDS 농도값을 만족시키기 위해 상기 제1 가압펌프(300), 전원공급부(50), 제1 내지 제3 측정부(400a, 400b, 400c), 및 제1 내지 제4 유로변경부(500a, 500b, 500c, 500d)와 전기적으로 연결되어 제어할 수 있다.

한 구체예에서 상기 제어부(60)는 상기 제1 측정부(400a)의 TDS 농도값에 따라, 상기 제1 가압펌프(300)를 제어하여 상기 공급수의 유입압력을 제어할 수 있다. 상기와 같이 공급수의 유입압력을 제어시 상기 제1 나노여과유닛(30)의 손상을 방지할 수 있다.

한 구체예에서 상기 제2 측정부(400b)의 TDS 농도값이 10,000 ppm을 초과하는 범위인 경우, 상기 제어부(60)에서 상기 제1 내지 제4 유로변경부(500a, 500b, 500c, 500d)를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 제1 나노여과유닛(30)으로 재유입하여 추가적으로 상기 제1 여과수의 TDS 농도를 저감시킬 수 있다. 한 구체예에서 상기 제2 측정부(400b)의 TDS 농도값이 10,000.1 ppm~40,000 ppm인 경우에 상기와 같이 제어하여 재유입할 수 있다. 상기와 같은 조건으로 제어하여 전기흡착식 탈염유닛(40)으로 이송시 전력소모를 최소화하며, 처리수 생성시간을 단축할 수 있다. 만일 상기 제2 측정부(400b)에서 측정된 상기 제1 여과수의 TDS 농도값이 10,000 ppm을 초과시 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)에 그대로 유입하게 되면 처리수의 생성시간이 길어지고 높은 전압인가에 따라 전력소모가 지나치게 증가할 뿐만 아니라, 장기적으로는 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)의 손상을 초래할 수 있다.

또한 상기 제2 측정부(400b)의 TDS 농도값이 500~10,000 ppm의 범위인 경우, 상기 제어부(60)에서 상기 전원공급부(50)를 제어하여 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.

상기 제2 측정부(400b)의 TDS 농도값이 500 ppm 미만으로 측정되는 경우, 상기 제3 및 제4 유로변경부(500c, 500d)를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 배출부(200)로 우회유입하고, 그리고 상기 제3 측정부(400c)의 TDS 농도값이 상기 제어부(60)에 설정된 TDS 농도값을 초과하는 경우, 상기 제2 유로변경부(500b) 및 제4 유로변경부(500d)를 제어하여 상기 처리수를 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)으로 재유입하여 추가적으로 TDS 농도를 저감시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 담수화 장치(1000)를 도시한다. 상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 구체예에서 상기 담수화 장치(1000)는 제2 나노여과유닛(32)을 더 구비할 수 있다.

상기 제2 나노여과유닛(32)은 상기 제1 나노여과유닛(30)에서 분리된 상기 제1 농축수를 이용하여 원수에 대한 담수 생산율을 더욱 향상시키기 위해 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 제1 농축수를 상기 제2 나노여과유닛(32)으로 유입하여 제2 여과수 및 제2 농축수로 분리할 수 있다.

한 구체예에서 상기 제2 나노여과유닛(32)은 상기 제1 농축수가 유입되는 제3 유입부(106) 및 상기 제1 유입부(102)와 연결되어 상기 분리된 제2 여과수를 이송하는 이송부(130)가 구비될 수 있으며, 상기 제3 유입부(106)에는 상기 제1 농축수에 유입압력을 인가하는 제2 가압펌프(310)가 구비될 수 있다.

상기 제2 가압펌프(310)는 상기 제어부(60)와 전기적으로 연결되어 제어되며, 상기 제1 나노여과유닛(30)에서 생성된 상기 제1 농축수에 유입압력을 인가하기 위하여 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 제1 농축수는 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 상기 제2 나노여과유닛(32)에 유입될 수 있다. 이때, 상기 유입압력은 가변적으로 제어될 수 있다. 상기 조건으로 유입시 에너지가 많이 소비되지 않으면서 신속하게 나노여과되어 상기 제2 여과수 및 제2 농축수로 분리할 수 있다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 제2 나노여과유닛(32)은 상기 방류부(210)와 연결되어 상기 제2 여과수 생성 과정에서 제거된 TDS를 포함하는 제2 농축수를 배출할 수 있는 제2 연결부(120)를 구비할 수 있다.

따라서, 상기 제2 나노여과유닛(32)에서 분리된 상기 제2 여과수는 상기 이송부(130)를 통해 상기 제1 유입부(102)로 이송되며, 상기 제2 농축수는 상기 제2 연결부(120)를 통하여 상기 방류부(210)로 이송되어 외부로 배출될 수 있다.

본 발명의 다른 관점은 상기 담수화 장치(1000)를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다. 상기 담수화 방법은 공급수 생성단계; 제1 여과수 및 제1 농축수 분리단계; 및 처리수 생성단계;를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 한 구체예에서 상기 담수화 방법은 원수유입부(100)로부터 원수를 공급하여 전처리유닛(20)에서 상기 원수의 입자성 물질 및 유기성 물질을 제거하여 공급수를 생성하는 단계; 상기 공급수를 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 상기 제1 나노여과유닛(30)에 유입하여 제1 여과수 및 제1 농축수로 분리하는 단계; 및 상기 제1 여과수를 0.2~2V의 전압이 인가되는 전기흡착식 탈염유닛(40)에 이송하여 처리수를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 공급수 생성단계는 상기 전처리유닛(20)에서 상기 원수의 입자성 물질 및 유기성 물질을 제거하여 공급수를 생성하는 단계이다. 상기 공급수 생성단계를 포함시 상기 제1 나노여과유닛(30) 및 전기흡착식 탈염유닛(40)에서 소비되는 에너지를 절약하고 처리수 생성시간을 단축할 수 있다.

상기 제1 여과수 및 제1 농축수 분리단계는 제1 가압펌프(300)에 의해 상기 공급수를 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 상기 제1 나노여과유닛(30)에 유입하여 상기 제1 여과수 및 제1 농축수로 분리하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 유입압력은 가변적으로 인가될 수 있다. 상기 유입압력 조건에서 신속하게 상기 공급수를 여과하여 상기 제1 여과수 및 제1 농축수를 분리할 수 있다. 상기 단계를 포함시 에너지를 절약하고 처리수 생성시간을 단축할 수 있다.

상기 도 1을 참조하면, 한 구체예에서 상기 제1 농축수는 제1 연결부(110)를 통하여 상기 방류부(210)로 이송되어 외부로 배출될 수 있다.

상기 처리수 생성단계는 상기 제1 여과수를 0.2~2V의 전압이 인가되는 전기흡착식 탈염유닛(40)에 이송하여 상기 제1 여과수의 TDS 농도를 저감하여 처리수를 생성하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 전압은 가변적으로 인가될 수 있다. 상기 조건에서 처리수 생성에 필요한 에너지 및 시간을 절약할 수 있다.

상기 제어부(60)는 상기 제1 측정부(400a)의 TDS 농도값에 따라 상기 제1 가압펌프(300)를 제어하여 상기 공급수의 유입압력을 제어하고, 상기 제2 측정부(400b)의 TDS 농도값이 10,000 ppm을 초과하는 경우, 상기 제1 내지 제4 유로변경부(500a, 500b, 500c, 500d)를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 제1 나노여과유닛(30)으로 재유입하고, 상기 제2 측정부(400b)의 TDS 농도값이 500~10,000 ppm의 범위인 경우, 상기 전원공급부(50)를 제어하여 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)에 인가되는 전압을 제어하고, 상기 제2 측정부(400b)의 TDS 농도값이 500 ppm 미만인 경우, 상기 제3 및 제4 유로변경부(500c, 500d)를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 배출부(200)로 우회유입하고, 그리고 상기 제3 측정부(400c)의 TDS 농도값이 상기 설정된 TDS 농도값을 초과하는 경우, 상기 제2 유로변경부(500b) 및 제4 유로변경부(500d)를 제어하여 상기 처리수를 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)으로 재유입하여 TDS 농도를 저감할 수 있다.

한 구체예에서 상기 담수화 방법은 제2 여과수 및 제2 농축수 분리단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 단계는 상기 제1 농축수를 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 제2 나노여과유닛(32)에 유입하여 제2 여과수 및 제2 농축수로 분리하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 유입압력은 가변적으로 인가될 수 있다. 상기 유입압력 조건에서 에너지 소비량을 최소화 하면서 상기 제1 농축수를 신속하게 상기 제2 여과수 및 제2 농축수로 분리할 수 있다. 상기 단계를 포함시 원수에 대한 담수 생산율을 더욱 향상시키면서 원하는 처리수의 TDS 농도를 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 전술한 담수화 방법 이외에도 본 발명에서는 상기 제1 내지 제3 측정부(400a, 400b, 400c)에서 측정된 TDS 농도값을 이용하여 상기 제어부(60)에서 상기 제1 내지 제4 유로변경부(500a, 500b, 500c, 500d)를 제어하여 상기 처리수를 재유입 또는 우회유입하여 원하는 TDS 값을 갖는 처리수를 생성할 수 있다. 한 구체예에서 원하는 처리수의 TDS 농도값이 500 ppm을 초과하는 경우, 전술한 방법으로 생성되어 상기 제2 유입부(104)에 유입된 상기 제1 여과수를 상기 제어부(60)에서 상기 제3 및 제4 유로변경부(500c, 500d)를 제어하여 상기 배출부(200)로 우회유입하여 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)을 거치지 않고 상기 배출부(200)를 통해 배출할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예 및 비교예 : 담수화 장치 제조

실시예 및 비교예에 대하여 상기 도 1과 같은 담수화 장치(1000)를 제조하였다. 이때, 전처리 유닛(20)은 유효입경 0.4mm의 여과사(濾過砂)를 충진한 샌드필터를 이용하였다. 제1 나노여과유닛(30)은 폴리아미드(polyamide)소재의 나노여과막을 사용하였다. 전기흡착식 탈염유닛(40)으로는 이온교환 멤브레인 및 활성탄소 전극을 이용한 축전식 탈염(CDI)유닛을 사용하였다.

실험예 : 해수처리

TDS 농도가 약 38,000 ppm인 해수를 상기 담수화 장치를 사용하여 여과하였다. 제어부(60)에 원하는 처리수의 TDS 농도값을 450ppm으로 설정하고, 상기 실시예 및 비교예의 담수화 장치(1000)에 상기 해수를 원수유입부(100)를 통해 공급하여 상기 전처리유닛(20)에서 상기 원수의 입자성 물질 및 유기성 물질을 제거하여 공급수를 생성하였다.

제어부(60)에 의해 제1 가압펌프(300)를 제어하여 상기 생성된 공급수를 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 상기 제1 나노여과유닛(30)에 유입하여 TDS 농도를 저감한 제1 여과수 및 상기 제1 여과수로부터 제거된 오염물질을 포함하는 제1 농축수로 분리하였다.

상기 제1 농축수는 제1 연결부(110)로 이송하여 상기 방류부(210)를 통해 외부로 배출하였고, 상기 제1 여과수는 제2 유입부(104)로 이송한 다음, 제2 측정부(400b)에서 상기 제1 여과수의 TDS 농도값을 측정하였다. 이때 상기 제1 여과수의 TDS 농도값은 12,355 ppm으로 측정되었다.

이때, 상기 실시예의 담수화 장치(1000)에서는 상기 제어부(60)에서 제1 내지 제4 유로변경부(500a, 500b, 500c, 500d)를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 제1 나노여과유닛(30)으로 재유입하여 TDS 농도를 다시 저감한 다음, 전기흡착식 탈염유닛(40)으로 유입하여 상기 제어부(60)에서 전원공급부(50)를 제어하여 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)에 전압을 0.2~2.0V로 인가하면서 TDS 농도를 저감하여 처리수를 생성하였다.

상기 처리수를 상기 배출부(200)에 유입한 다음, 제3 측정부(400c)에서 TDS 농도값을 측정한 결과, 850 ppm으로 측정되었다. 이때, 상기 제어부(60)에서 상기 제2 유로변경부 및 제4 유로변경부(500b, 500d)를 제어하여 상기 처리수를 상기 전기흡착식 탈염유닛(40)으로 재유입하여 상기와 같은 방법으로 TDS 농도를 더 저감하였다.

비교예

상기 제1 여과수를 그대로 전기흡착식 탈염유닛(40)에 유입하고 상기 제어부(60)에서 전원공급부(50)를 제어하여 전기흡착식 탈염유닛(40)에 전압을 0.2~2.0V로 인가하면서 TDS 농도를 저감한 것을 제외하고 실시예와 동일한 방법으로 처리수를 생성하였다.

상기 실시예 및 비교예의 담수화 장치(1000) 운전시의 총 에너지 소비량을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	에너지소비량(Wh/L)
실시예	3.4
비교예	5.2

상기 표 1을 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 담수화 장치(1000)는 비교예의 담수화 장치(1000)보다 에너지소비량이 현저히 낮음을 알 수 있었다.

20: 전처리유닛 30: 제1 나노여과유닛
32: 제2 나노여과유닛 40: 전기흡착식 탈염유닛
50: 전원공급부 60: 제어부
100: 원수유입부 102: 제1 유입부
104: 제2 유입부 106: 제3 유입부
110: 제1 연결부 120: 제2 연결부
130: 이송부 200: 배출부
210: 방류부 300: 제1 가압펌프
310: 제2 가압펌프
400a, 400b, 400c: 제1, 제2, 제3 측정부
500a, 500b, 500c, 500d: 제1, 제2, 제3, 제4 유로변경부
1000: 담수화 장치

Claims

원수가 유입되는 원수유입부가 구비되고, 상기 유입된 원수로부터 공급수를 생성하는 전처리유닛;
상기 공급수가 유입되는 제1 유입부가 구비되고, 상기 유입된 공급수로부터 제1 여과수 및 제1 농축수를 분리하는 제1 나노여과유닛;
상기 제1 여과수가 유입되는 제2 유입부 및 처리수를 배출하는 배출부가 구비되고, 상기 유입된 제1 여과수로부터 처리수를 생성하는 전기흡착식 탈염유닛;
상기 제1 유입부에 구비되어 상기 공급수에 유입압력을 인가하는 제1 가압펌프;
상기 전기흡착식 탈염유닛과 전기적으로 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부;
상기 제1 유입부, 제2 유입부 및 배출부에 각각 구비되어 TDS 농도를 측정하는 제1, 제2 및 제3 측정부;
상기 제1 유입부에 구비되는 제1 유로변경부, 상기 제2 유입부에 차례로 구비되는 제2 및 제3 유로변경부, 및 상기 배출부에 구비되는 제4 유로변경부; 및
상기 제1 가압펌프, 전원공급부, 제1 내지 제3 측정부, 및 제1 내지 제4 유로변경부와 전기적으로 연결되어 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 제1 내지 제4 유로변경부는 상기 제어부와 전기적으로 연결되며,
상기 제어부는 원하는 처리수의 TDS 농도값이 설정되고, 상기 제1 내지 제3 측정부로부터 얻은 TDS 농도값을 수용하며,
상기 제어부는 상기 제1 측정부의 TDS 농도값에 따라 상기 제1 가압펌프를 제어하여 상기 공급수에 인가되는 유입압력을 제어하고,
상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 10,000 ppm을 초과하는 경우, 상기 제1 내지 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 제1 나노여과유닛으로 재유입하고,
상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500~10,000 ppm의 범위인 경우, 상기 전원공급부를 제어하여 상기 전기흡착식 탈염유닛에 인가되는 전압을 제어하고,
상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500 ppm 미만인 경우, 상기 제3 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 전기흡착식 탈염유닛을 거치지 않고 상기 배출부로 유입하고, 그리고
상기 제3 측정부의 TDS 농도값이 상기 설정된 TDS 농도값을 초과하는 경우, 상기 제2 유로변경부 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 처리수를 상기 전기흡착식 탈염유닛으로 재유입하는 것을 특징으로 하는 담수화 장치.
제1항에 있어서, 제2 나노여과유닛을 더 구비하여 상기 제1 농축수를 상기 제2 나노여과유닛으로 유입하여 제2 여과수 및 제2 농축수로 분리하고,
상기 제2 나노여과유닛은 상기 제1 농축수가 유입되는 제3 유입부 및 상기 제1 유입부와 연결되어 상기 분리된 제2 여과수를 이송하는 이송부가 구비되며,
상기 제3 유입부에는 상기 제1 농축수에 유입압력을 인가하는 제2 가압펌프가 구비되고, 그리고
상기 제2 가압펌프는 상기 제어부에 전기적으로 연결되어 제어되는 것을 특징으로 하는 담수화 장치.
제1항에 있어서, 상기 공급수의 유입압력은 10~60 kgf/㎠인 것을 특징으로 하는 담수화 장치.
제1항에 있어서, 상기 전기흡착식 탈염유닛에 인가되는 전압값은 0.2~2V인 것을 특징으로 하는 담수화 장치.
제1항의 담수화 장치를 이용한 담수화 방법에 있어서,
원수로부터 공급수를 생성하는 단계;
상기 공급수로부터 제1 여과수 및 제1 농축수를 분리하는 단계; 및
상기 제1 여과수로부터 처리수를 생성하는 단계;를 포함하며,
상기 제어부는 상기 제1 측정부의 TDS 농도값에 따라 상기 제1 가압펌프를 제어하여 상기 공급수에 인가되는 유입압력을 제어하고,
상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 10,000 ppm을 초과하는 경우, 상기 제1 내지 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 제1 나노여과유닛으로 재유입하고,
상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500~10,000 ppm의 범위인 경우, 상기 전원공급부를 제어하여 상기 전기흡착식 탈염유닛에 인가되는 전압을 제어하고,
상기 제2 측정부의 TDS 농도값이 500 ppm 미만인 경우, 상기 제3 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 제1 여과수를 상기 전기흡착식 탈염유닛을 거치지 않고 상기 배출부로 유입하고, 그리고
상기 제3 측정부의 TDS 농도값이 상기 설정된 TDS 농도값을 초과하는 경우, 상기 제2 유로변경부 및 제4 유로변경부를 제어하여 상기 처리수를 상기 전기흡착식 탈염유닛으로 재유입하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
제5항에 있어서, 상기 담수화 방법은
원수유입부로부터 원수를 공급하여 전처리유닛에서 상기 원수의 입자성 물질 및 유기성 물질을 제거하여 공급수를 생성하는 단계;
상기 공급수를 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 상기 제1 나노여과유닛에 유입하여 제1 여과수 및 제1 농축수로 분리하는 단계; 및
상기 제1 여과수를 0.2~2V의 전압이 인가되는 전기흡착식 탈염유닛에 이송하여 처리수를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
제5항에 있어서, 상기 담수화 방법은
상기 제1 농축수를 10~60 kgf/㎠의 유입압력으로 제2 나노여과유닛에 유입하여 제2 여과수 및 제2 농축수로 분리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.