KR101406037B1 - 공기를 이용한 친수방지 기능을 가지는 막증류 공정에 의한 담수생산방법 - Google Patents

공기를 이용한 친수방지 기능을 가지는 막증류 공정에 의한 담수생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수담수화 및 정수처리 공정에 적용되는 막증류 공정에서 운전시 막모듈 세공사이에 발생하는 수막현상으로 인하여 막증류 모듈에 구비된 막증류 막이 친수화되어 막증류 공정의 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위하여 친수방지(De-wetting)를 위한 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 막증류 모듈 운전시 공기를 이용하여 정기적으로 막증류 모듈에 구비되 막증류 막을 건조시킴으로써 효과적으로 막증류 공정을 이용하여 담수를 생산할 수 있는, 공기를 이용한 친수방지 기능을 가지는 막증류 공정에서 의한 담수생산방법에 관한 것이다.

Description

공기를 이용한 친수방지 기능을 가지는 막증류 공정에 의한 담수생산방법{Method for Desalination using De-wetting}
본 발명은 해수담수화 및 정수처리 공정에 적용되는 막증류(Membrane distillation) 공정에서 운전시 막증류 모듈에 구비된 소수성 막의 세공 사이에 발생하는 수막현상으로 인하여 막증류 모듈의 소수성 막이 친수화되어 막증류 공정의 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있는, 막증류용 소수성 막의 친수방지(De-wetting)기능을 가지는 담수생산장치를 이용한 담수생산방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 막증류 모듈의 운전시 공기를 이용하여 정기적으로 막증류 모듈의 소수성 막을 건조시켜 친수로 인한 수막형성을 방지함으로써 ,효과적으로 막증류 공정을 이용하여 담수를 생산할 수 있는, 공기를 이용한 친수방지 기능을 가지는 막증류 공정을 이용한 담수생산방법에 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 의한 해수담수화의 실용화에 장애가 되는 것은, 막증류 모듈의 운전이 진행되면서 막증류 모듈에 구비된 막증류 막의 세공에 수막이 발생하여 친수화되는 현상이 발생하게 되고, 그에 따라 담수화 효율이 급격하게 떨어지게 되는 것이다. 도 3에는 종래의 막증류 공정에서 막증류 막의 수막 현상에 의하여 담수생산량이 줄어드는 상태를 보여주는 개략적인 그래프도가 도시되어 있다.
따라서 막증류 공정의 효과적인 운전을 위해서는 막증류 모듈에 구비된 막증류 막의 친수화 현상을 방지하는 기술이 개발되어야 하는데, 아직까지 효과적인 방법이 제시되지 않고 있는 실정이다.
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 공정의 운전시 막증류 모듈에 구비된 막증류 막에서 발생하는 친수화 현상 즉, 수막형성 현상을 방지하기 위함으로써, 막증류 모듈에 구비된 막(membrane)의 소수성을 지속적으로 유지시킴으로써 막증류 모듈의 장시간 운전이 가능하게 하여 막증류 공정을 통해서 안정적으로 담수를 생산할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 해수 저장조에 저장되어 있던 해수를 혼화 반응조로 공급받아 가열장치에 의해 가열하는 단계; 및소수성 막증류 막을 구비하고 있어 상기 막증류 막에서의 막증류에 의해 담수를 생산하는 막증류 모듈에, 상기 가열된 해수를 공급하여 막증류에 의해 담수를 생산하는 단계를 포함하여 구성되어 있되; 상기 막증류 막에 수막현상이 발생하게 되면 건조공기 저장조에 저장되어 있던 건조공기를 건조공기 공급라인을 통해서 상기 막증류 모듈로 공급하여 수막현상을 제거하여 지속적으로 담수를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법이 제공된다.
위와 같은 본 발명의 담수생산방법에서는, 상기 막증류 모듈에서 생산되어 배출되는 생산수를 생산수 저장조에 저장하여 수집하는 단계; 및 상기 생산수 저장조에 수집된 생산수를 순환라인으로 보내어 다시 막증류 모듈로 순환시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
특히, 본 발명의 담수생산방법을 수행함에 있어서, 상기 막증류 모듈에서 생산되어 배출되는 생산수의 압력을 측정하는 압력계와; 상기 압력계에 의해 측정된 압력에 의해 건조공기 주입량과 시기를 결정하여 상기 주입펌프의 작동을 제어하는 주입제어장치를 더 구비할 수 있으며, 이 경우, 상기 막증류 모듈로부터 배출되는 생산수의 유량을 측정할 수 있는 유량계가 더 구비되며, 상기 주입제어장치는, 상기 유량계에 측정된 유량에 의해 건조공기 주입량과 시기를 결정하여 상기 주입펌프의 작동을 제어하게 될 수 있다.
종래 기술에서는 막증류 공정이 진행됨에 따라 막증류 모듈에 구비된 막증류 막의 표면 및 세공에 수막이 형성되면서 증기와 함께 해수가 통과하게 되어 담수 생산 효율이 저하되는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 공기를 이용하여 막증류 막의 표면을 건조시켜 수막 현상이 발생하지 않도록 하여 장기간 막증류 공정을 수행하더라도 담수의 생산 능력의 저하가 발생하지 않게 되어, 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하게 된다.
도 1은 종래의 막증류 모듈의 구성에 대한 개략도이다.
도 2는 막증류 모듈을 이용한 종래의 담수생산 장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 3은 종래의 막증류 공정에서 막증류 막에 발생하는 수막 현상에 의하여 담수생산량이 줄어드는 상태를 보여주는 개략적인 그래프도이다.
도 4는 막증류 모듈에 공기를 공급하여 막증류 막을 건조시키면서 막증류 공정을 진행하여 담수를 생산하는 본 발명의 제1실시예를 적용하기 위한 담수생산장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 담수생산 방법에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예를 적용하기 위한 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 4에는 본 발명의 제1실시예에 따라 막증류 모듈에 구비된 막증류 막의 건조를 위한 공기 즉, 건조공기를 공급하면서 막증류 공정에 의해 담수를 생산하는 방법을 적용하기 위한 담수생산장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명에 따른 담수생산방법에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다.
구체적으로 도면에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 담수생산방법을 적용하기 위한 담수생산장치는, 막증류 공정을 진행하되, 건조공기 저장조(10)로부터 막증류 모듈(20)로 건조공기(막증류 막을 건조시키기 위한 공기)가 공급되는 구성을 가지고 있다.
도면에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 담수생산장치는, 유입되는 해수를 저장하는 해수 저장조(1)와, 상기 해수 저장조(1)로부터 공급된 해수를 혼합하는 혼화 반응조(2)와, 막증류 공정이 이루어지도록 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.
또한 본 발명에 따른 담수생산장치는, 막증류 막의 건조를 위한 공기(건조공기를 저장해두는 건조공기 저장조(10)가 구비되어 있고, 건조공기 저장조(10)로부터 막증류 모듈(20)에는 건조 공기를 공급하는 건조공기 공급라인이 연결되어 있다. 상기 건조공기 공급라인에는 건조 공기의 공급량을 조절할 수 있는 주입펌프(11)가 구비될 수 있다.
상기 혼화 반응조(2)에는 교반기(4)가 더 구비될 수 있다. 가열장치(3)는 혼화 반응조(2)로부터 막증류 모듈(20)로 공급되는 막증류 공급라인(200)에 구비됨으로써 해수를 가열할 수도 있지만, 도면에 도시된 것처럼, 상기 혼화 반응조(2)를 직접 가열하도록 설치됨으로써, 해수의 교반이 이루어지는 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.
상기 혼화 반응조(2)에 담겨져 있던 해수는 막증류 공급라인(200)을 통해서 막증류 모듈(20)로 공급된다. 상기 막증류 공급라인(200)에는 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 해수가 막증류 모듈(20)로 유입되는 유입구(21)이다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 담수생산 장치 및 이를 이용한 담수생산 방법에서는, 혼화 반응조(2)에서 교반작업이 완료된 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, 막증류 막을 통과하지 못한 농축수는 유출구(22)를 통해서 막증류 모듈(20)의 외부로 배출된다.
한편, 본 발명에서는 이와 같이 막증류 모듈(20)에서 막증류 공정이 진행되는 과정에서, 막증류 막의 세공 사이에 수막현상이 발생하고, 그로 인하여 막증류 막이 친수화되어 막증류 공정의 효율이 떨어지게 되면, 건조공기 저장조(10)로부터 막증류 모듈(20)로 건조공기가 공급된다. 건조공기가 막증류 모듈(20)로 공급되면, 막증류 막에서는 건조공기로 인하여 수막이 제거되며, 그에 따라 막증류 막의 소수성을 지속적으로 유지시킬 수 있고, 막증류 모듈(20)의 장시간 운전이 가능하게 된다.
본 발명에서는 건고공기의 공급량을 자동적으로 제어하는 구성이 더 구비되어 있다. 즉, 본 발명에는 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 있다. 또한, 공기주입량 제어장치(12)가 더 구비되어, 건조공기 저장조(10)와 막증류 모듈(20) 사이를 연결하는 건조공기 공급라인에 설치된 주입펌프(11)를 공기주입량 제어장치(12)의 신호에 의해 제어함으로써 건조공기 주입량을 제거하게 된다. 상기 공기주입량 제어장치(12)는 컴퓨터로 구성될 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 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 공기주입량 제어장치(12)에서는 모니터링 결과에 따라 정상적인 담수 생산 상태인지의 여부를 판단하게 된다. 예를 들어, 막증류 모듈(20)의 내부 압력이나 생산수의 압력과 유량을 측정하여, 막증류 막에서의 수막현상이 발생하였는지를 판단하는 것이다. 예를 들어, 생산수의 압력이 정상 상태의 압력 이하일 경우에는 수막현상이 일어난 것으로 판단할 수도 있으며, 생산수의 유량이 정상 상태의 값 이하일 경우에 수막현상이 일어난 것으로 판단할 수도 있다. 물론 유량과 압력을 동시에 고려하여 수막현상 발생 여부를 판단할 수도 있다. 이와 같이 압력과 유량의 모니터링을 통해서 막증류 모듈(20)에 설치된 소수성의 막증류 막에 수막현상이 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 제어장치(12)는 상기 주입펌프(11)를 제어하여, 건조공기가 건조공기 저장조(10)로부터 막증류 모듈(20)로 공급되도록 하며, 그에 따라 해수담수화 공정에 적용되는 막증류 공정에서 운전시 발생하는 수막이 제거되며, 정상적인 막증류 작동이 진행된다.
이러한 본 발명에 따른 장치의 작동은, 가동 개시후 30분 운전수행; 5초간 정지; 60초간 배수; 30초간 건조를 위한 공기 주입 및 순환; 5초간 정지의 과정을 계속 반복하는 형태로 이루어질 수도 있다.
도 6에는 본 발명의 제2실시예에 따른 담수를 생산하는 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있는데, 도 6에 도시된 제2실시예에서는 생산수를 다시 막증류 모듈로 순환시키는 구성이 더 구비되어 있다.
즉, 본 발명의 담수생산장치에서는, 필요에 따라 생산수 저장조(31)로 수집된 생산수를 다시 막증류 모듈(20)로 순환시키는 구성이 더 구비될 수 있는 것이다. 도 6에서 부재번호 30은, 생산수 저장조(31)로부터 막증류 모듈(20)로 생산수를 순환시키는 순환라인에 설치되는 순환펌프(30)이다. 이 경우에는 상기 순환라인에도 압력을 측정할 수 있는 압력계(13)가 더 구비될 수 있다. 상기 생산수의 순환라인에 구비된 압력계(13)에 의한 측정결과는 상기 제어장치(12)로 제공되어, 정상적인 담수 생산 상태인지의 여부 판단 등의 자료로 활용된다. 이와 같이 생산수를 순환시키게 되면, 담수의 순도가 더욱 높아지는 효과가 발휘된다. 도 6에 도시된 제2실시예에서, 기타 구성, 작용 및 효과는 제1실시예와 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
1 : 해수 저장조
2 : 혼화 반응조
3 : 가열장치
4 : 교반기
5 : 주입펌프
10 : 건조공기 저장조
11 : 주입펌프
12 : 제어장치
13 : 압력계
14 : 유량계
20 : 막증류 모듈
30 : 순환펌프
31 : 생산수 저장조

Claims (9)

  1. 해수 저장조(1)에 저장되어 있던 해수를 혼화 반응조(2)로 공급받아 가열장치(3)에 의해 가열하는 단계; 및
    소수성 막증류 막을 구비하고 있어 상기 막증류 막에서의 막증류에 의해 담수를 생산하는 막증류 모듈(20)에, 상기 가열된 해수를 공급하여 막증류에 의해 담수를 생산하는 단계를 포함하여 구성되어 있되;
    상기 막증류 막에 수막현상이 발생하게 되면 건조공기 저장조(10)에 저장되어 있던 건조공기를 건조공기 공급라인을 통해서 상기 막증류 모듈(20)로 공급하여 수막현상을 제거하여 지속적으로 담수를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
  2. 해수 저장조(1)에 저장되어 있던 해수를 혼화 반응조(2)로 공급받아 가열장치(3)에 의해 가열하는 단계;
    소수성 막증류 막을 구비하고 있어 상기 막증류 막에서의 막증류에 의해 담수를 생산하는 막증류 모듈(20)에, 상기 가열된 해수를 공급하여 막증류에 의해 담수를 생산하는 단계;
    상기 막증류 모듈(20)에서 생산되어 배출되는 생산수를 생산수 저장조(31)에 저장하여 수집하는 단계; 및
    상기 생산수 저장조(31)에 수집된 생산수를 순환라인(320)로 보내어 다시 막증류 모듈(20)로 순환시키는 단계를 포함하여 구성되어 있되;
    상기 막증류 막에 수막현상이 발생하게 되면 건조공기 저장조(10)에 저장되어 있던 건조공기를 건조공기 공급라인을 통해서 상기 막증류 모듈(20)로 공급하여 수막현상을 제거하여 지속적으로 담수를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
  3. 제1항에 있어서,
    건조공기 저장조(10)와 막증류 모듈(20) 사이를 연결하는 건조공기 공급라인에는 주입펌프(11)를 설치하여 상기 주입펌프(11)에 의해 건조공기 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 막증류 모듈(20)에서 생산되어 배출되는 생산수의 압력을 측정하는 압력계(13)를 통해서 생산수의 압력을 측정하고,
    측정된 압력을 전송받는 주입제어장치(12)에 의해 건조공기 주입량과 시기를 결정하여 상기 주입펌프(11)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 막증류 모듈(20)로부터 배출되는 생산수의 유량을 측정할 수 있는 유량계(14)를 설치하여, 생산수의 유량을 측정하고,
    상기 유량계(14)로 측정된 유량을 전송받는 주입제어장치(12)에 의해 건조공기 주입량과 시기를 결정하여 상기 주입펌프(11)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
  6. 제2항에 있어서,
    건조공기 저장조(10)와 막증류 모듈(20) 사이를 연결하는 건조공기 공급라인에는 주입펌프(11)를 설치하여 상기 주입펌프(11)에 의해 건조공기 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 막증류 모듈(20)에서 생산되어 배출되는 생산수의 압력을 측정하는 압력계(13)를 통해서 생산수의 압력을 측정하고,
    측정된 압력을 전송받는 주입제어장치(12)에 의해 건조공기 주입량과 시기를 결정하여 상기 주입펌프(11)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 막증류 모듈(20)로부터 배출되는 생산수의 유량을 측정할 수 있는 유량계(14)를 설치하여, 생산수의 유량을 측정하고,
    상기 유량계(14)로 측정된 유량을 전송받는 주입제어장치(12)에 의해 건조공기 주입량과 시기를 결정하여 상기 주입펌프(11)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 생산수의 순환라인(320)에는 압력을 측정할 수 있는 압력계(13)를 더 설치하여, 상기 생산수의 순환라인에 구비된 압력계(13)에 의한 측정결과를 상기 제어장치(12)로 제공하며;
    상기 제어장치(12)는, 유량계(14)에 의해 측정된 생산수의 유량과 압력계(13)에 의해 측정된 생산수의 압력을 동시에 고려하여 수막현상 발생 여부를 판단하여 건조공기 주입량과 시기를 결정함으로써 상기 주입펌프(11)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 막증류에 의한 담수생산방법.
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