KR101407403B1

KR101407403B1 - 막 증류용 분리막 모듈 장치

Info

Publication number: KR101407403B1
Application number: KR1020120010907A
Authority: KR
Inventors: 정성필; 이석헌
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2014-06-17
Also published as: KR20130089494A; US20130199976A1

Abstract

본 발명은 막 증류용 분리막 모듈 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 유입수측, 분리막 및 처리수측으로 구성된 분리막 모듈 장치에 있어서, 상기 유입수측 내에 발열체가 장착된 막 증류용 분리막 모듈 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 경우에 따라서, 분리막 주변으로 열의 확산 효율을 향상시키기 위해 상기 발열체에 접하도록 열확산체를 추가로 장착할 수 있다.

Description

막 증류용 분리막 모듈 장치{Membrane Distillation Module}

본 발명은 수처리 방법 중 막 증류 방법을 이용하는 분리막 모듈 장치에 관한 것이다.

막 증류법(Membrane Distillation)은 소수성 고분자 분리막의 표면에서 상변화가 일어나고, 분리막의 표면 미세기공을 통해 증기가 투과하여 응축, 분리되는 공정으로서, 비휘발성 물질이나 휘발성이 상대적으로 낮은 물질을 분리 제거하는 탈염 공정에 이용되거나, 수용액 중에 휘발성이 높은 유기물을 분리하는데도 이용할 수 있다.

막 증류에 대한 개념이 1940년에 제안된 이래, 현재에 이르기까지 막 증류에 대한 연구는 주로 미국, 유럽, 일본, 호주 중심으로 진행되어 왔다. 최근에 막 증류 분리 공정을 종래의 증발 또는 역삼투압막을 이용한 분리공정과 대체하려는 움직임이 활발하다.

현재, 순수제조나 담수화 공정으로 사용되고 있는 증발법과 역삼투압법은 에너지가 많이 소요되는데, 특히 역삼투압법은 오염과 파울링의 문제로 인하여 사용 전에, 여러 단계의 전처리 과정을 거치므로 운전 관리상의 어려

움뿐만 아니라, 높은 압력에서 운전되므로 펌프동력원인 전기에너지가 많이 사용되어 관리비용이 많이 소요되는 문제가 있다.

반면에, 막 증류(membrane distillation)는 다공성 막을 사용하면서 한외여과법과 역삼투압법에 비해 낮은 압력에서 운전되며 증기압 분압차에 의해 분리가 이루어진다. 또한, 상기 막 증류 분리법을 이용하면, 염과 같은 비휘발성 물질을 분리ㆍ제거하는데 있어서 전통적인 증류법이 가지는 비말 동반이 없고 높은 압력으로 운전되는 여과기 또는 분리막을 사용하지 않아도 된다.

이러한 막 증류 분리공정의 장점으로 인하여, 막 증류법을 이용한 담수화(탈염화) 처리공정은 저비용의 유틸리티와 분리장치의 내구성이 우수하므로 전 세계적으로 음용수 생산에 있어 경쟁력있는 방법 중의 하나로 부상하고 있다.

막 증류법은 소수성 고분자 분리막을 이용하는데, 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 투과측에서 응축, 분리되는 것이다.

이러한 막 증류법은 유입용액이 분리막을 통과하는 유입수측과 분리대상 물질이 응축 및 분리되는 처리수측으로 구성된 분리막 모듈을 통해 수행된다.

하지만, 막 증류법은 상기와 같은 장점에도 불구하고, 유입수측과 처리수측 사이의 증기압차를 유발하기 위하여 열 에너지를 필연적으로 사용할 수 밖에 없기 때문에, 전체 운전 비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 것이 열 에너지의 확보이며, 이로 인한 에너지 비용 부담으로 인해 다른 수처리 방법에 비해 비용적으로 불리한 점이 있어 왔다.

또한, 막 증류 공정에서는 유입수와 처리수의 온도차를 일정하게 유지시켜 지속적으로 증기압차를 유지시키는 것이 중요하며, 따라서 막증류용 분리막 모듈 내부에 온도를 효과적으로 전달하는 것이 막 증류 공정의 수처리 성능에 큰 영향을 미친다.

따라서, 막 증류 공정에서 열 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 비용을 절감할 수 있고, 분리막 모듈 내부에 열에너지가 효과적으로 전달되어 수처리 성능을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.

일본 공개 특허 제1995-000768호

본 발명은 막 증류 모듈 장치의 유입수측에 유입되는 유입수가 상기 모듈 장치 외부에서 가열되어, 상기 가열된 유입수가 모듈 외부에서 모듈로 이송되는 과정에서 열손실이 발생하는 것을 방지하고, 모듈 내의 유입수측의 유입수에 열공급이 효율적이고 고르게 이루어지도록 하여 열 에너지 비용을 절감하고, 처리수의 수득율을 높이는데 그 목적이 있다.

본 발명은 막 증류용 분리막 모듈 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 유입수측, 분리막 및 처리수측으로 구성된 분리막 모듈 장치에 있어서, 상기 유입수측 내에 발열체가 장착된 막 증류용 분리막 모듈 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 경우에 따라서, 분리막 주변으로 열의 확산 효율을 향상시키기 위해 상기 발열체에 접하도록 열확산체를 추가로 장착할 수 있다.

본 발명에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치는 그 형태가 특별히 정해진 것은 아니며, 예를 들면 침지식의 형태, 가압식의 형태든 어떠한 형태라도 무방하다. 또한, 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치는 어떠한 방식의 막 증류용 분리막 모듈 장치에도 적용이 가능하며, 예를 들면 Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) 방식, Air Gap Membrane Distillation (AGMD) 방식, Vacuum Membrane Distillation (VMD) 방식, Sweep Gas Membrane Distillation (SGMD) 방식 등에 적용될 수 있다.

본 발명에서 상기 유입수측은 막 증류용 분리막 모듈 장치의 구성 중 외부로부터 유입된 원수가 통과하는 부분으로, 외부에서 유입된 원수는 본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치의 유입수측을 통과하는 과정 중에 원수 내에 존재하는 증기가 유입수측과 처리수측 간의 증기압차에 의해 상기 분리막을 통과하여 처리수측으로 이동하게 된다.

본 발명에서 상기 원수는 순수(pure water)를 분리할 필요가 있는 것이라면 어떠한 것이라도 무방하며, 예를 들면 오폐수, 해수 등일 수 있다. 본 발명에서 모듈 내 유입수측의 원수는 유입수측과 처리수측 사이에 증기압차를 유발하기 위하여 처리수측의 처리수에 비해 상대적으로 온도가 높다. 상기 유입수측과 처리수측 사이의 온도차는 특별히 한정되는 것은 아니나, 에너지 효율 및 순수 수득율을 고려할 때 600 ℃ 이하인 것이 바람직할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 분리막을 통한 증기의 투과량을 높이기 위해서 유입수측의 온도는 가능한 한 높은 것이 유리할 수 있다. 이는 유입수측의 유입수 온도가 높아질수록 증기압이 증가하게 되고, 결과적으로 분리막을 통한 증기 투과의 원동력인 유입수측과 처리수측 간의 증기압차가 커지기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치에 있어서, 유입수측의 유입수(원수)의 흐름은 정수량을 향상시키기 위해 반복적으로 일정 시간 동안 정지할 수 있다. 유입수측의 흐름을 정지시켜 충분한 정수량을 얻은 다음에는 모듈 장치내의 잔류 원수는 모듈 장치 외부로 배출하고, 모듈 장치 내의 유입수측으로 새로운 원수를 공급하게 되며, 다시 유입수측의 흐름을 정지시키고 상기와 같은 과정을 반복적으로 진행할 수 있다.

또한, 연속식으로 원수를 유입하면서 농축된 잔류 원수(농축수)를 일정 유량으로 배출할 수 있으며, 운전 후 일정 시간이 지나거나 농축수의 농도가 일정 농도 이상으로 증가하는 경우 농축수를 배출하는 방식으로 상기 막 증류용 분리막 모듈 장치를 이용한 막 증류 공정을 운영할 수 있다.

본 발명에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치는 상기와 같이 유입수측의 흐름을 계속적으로 유지하는 것이 아니라, 일정 시간 간격으로 유입수가 흐를 수 있도록 하므로, 기존의 막 증류용 모듈 장치에 비해 유입수측의 흐름에 사용되는 펌프 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치에 있어서, 상기 발열체는 발생되는 열을 효과적으로 유입수측의 분리막 주변으로 전달하기 위하여 모듈 내의 유입수측의 일 영역에 장착되는 것이 특징이다. 즉, 기존의 막 증류(membrane distillation) 기술의 경우, 외부에서 이미 가열된 원수를 분리막 모듈로 유입하는 과정에서 열 손실(heat loss)이 발생하여 에너지 효율이 저하된 반면에, 본 발명의 경우 원수를 외부에서 미리 가열하지 않고, 분리막 모듈 장치 내의 유입수 측의 일 영역에 위치한 상기 발열체에 의해 직접적으로 원수에 열을 전달하여 외부로 손실 되는 열을 최소화할 수 있다. 또한, 유입수측의 공간을 좁게하여 열을 막 주변에 국부적으로 공급하여 가열함으로써, 기존의 유입수측 전체 공간의 유입수에 소비되는 열 에너지에 비해 에너지 소비를 줄일 수 있다.

상기 발열체는 특별히 정해진 것은 아니며, 외부로부터 전기를 공급하였을 때 높은 고유 저항 값을 가지고 있어 열을 발생시키는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다. 또한, 상기 발열체의 종류로는 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 금속계 발열체 및 비금속계 발열체 모두 가능하다. 상기 금속계 발열체는 순금속 발열체 및 합금 발열체가 있으며, 상기 순금속 발열체는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 플라티늄(Pt) 등으로 이루어진 것들이 있고, 상기 합금 발열체는 니크롬(Ni-Cr), 철크롬(Fe-Cr) 또는 Fe-Cr-Al 등으로 이루어진 것들이 있다. 상기 비금속계 발열체로는 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴 실리사이드(MoSi₂), 란탄크로마이트(LaCrO₂), 그라파이트(graphite) 또는 지르코니아(ZrO₂) 등으로 이루어진 것들이 있다. 또한, 상기 발열체로는 금속계 발열체 및 비금속계 발열체 이외에도 세라믹, 탄산바륨 등으로 이루어진 발열체들도 가능하다.

또한, 상기 발열체는 면상, 선상 등 어떠한 형태라도 가능하며, 특히 유입수측의 분리막 부근 전체에 효율적이고 고르게 열 공급이 될 수 있는 것이라면 어떠한 형태의 발열체라도 가능하다. 또한, 분리막 주변의 유입수부 및 처리수부의 부피 또한 조건에 따라 다양하게 적용될 수 있다.

본 발명은 경우에 따라서 상기 유입수측의 유입수 수용공간을 처리수측의 처리수 수용공간 보다 적게 하여 모듈 내에 유입된 유입수가 보다 신속하게 가열될 수 있도록 할 수 있다. 본 발명에서 유입수측의 유입수 수용 공간의 부피 대비 처리수측의 처리수 수용 공간의 부피 비는 특별히 정해진 것은 아니나, 1 : 1.01 내지 100 인 것이 바람직할 수 있다. 이는 유입수 수용 공간의 부피 대비 처리수 수용 공간의 부피 비가 1 : 1.01 미만일 경우에는 부피 비가 1 : 1 일 때에 비해 유입수측의 원수의 가열 시간 단축 효과가 미비하며, 유입수 수용 공간의 부피 대비 처리수 수용 공간의 부피 비가 1 : 100 을 초과할 경우에는, 유입수의 수용 공간의 부피 비율이 지나치게 작아 본 발명에서 목적하는 정수량 달성에 이르지 못하는 문제가 있기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치는 상기 발열체에 의해 공급되는 열을 모듈내의 유입수로 고르게 확산시키는 역할을 하는 열확산체가 추가로 장착될 수 있다. 본 발명에서 상기 열확산체는 발열체로부터 공급되는 열을 모듈 내의 유입수 전체에 고르고 효과적으로 전달될 수 있도록 넓은 표면적을 가지면서 열전도성이 우수한 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 열확산체의 소재로는 철, 구리, 알루미늄 등과 같은 금속 소재를 사용하거나, 탄소나노튜브(carbon nano tube), 그래핀(graphene) 또는 플러렌(fullerene) 소재 등 열전도성이 우수한 소재라면 어떠한 소재를 사용하여도 무방하다. 또한, 본 발명의 열확산체의 형태는 모듈 내에서 유동하는 유입수 전체에 걸쳐 열 확산을 효과적으로 고르게 할 수 있는 형태라면 어떠한 형태라도 가능하며, 예를 들면 솜, 그물망 또는 벌집 구조 형태 등과 같이 넓은 비표면적을 가지면서 유입수의 유동에 어느 정도 저항으로 작용하여 모듈 내의 유입수의 체류시간을 좀 더 늘려 모듈 내의 유입수 전체에 걸쳐 고르게 열 공급이 될 수 있도록 하는 형태일 수 있다. 이렇게 될 경우, 공급되는 열 에너지 대비 모듈 내의 유입수에 보다 집중적이고도 효율적인 열 공급 및 온도 상승 효과를 가져올 수 있다.

상기 열확산체는 본 발명의 모듈 장치 내에서 장착되는 위치가 특별히 정해진 것은 아니나, 발열체로부터 공급되는 열의 전달율을 최대로 높이기 위하여 상기 발열체에 밀착하여 위치하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 열확산체는 상기 발열체와 동일 소재일 수 있으며, 상기 발열체와 분리되지 않는 형태로 가공될 수도 있다.

본 발명의 막 증류용 분리막 모듈 장치에 있어서, 상기 분리막은 소수성 고분자 분리막인 것이 바람직하다. 상기 분리막으로 소수성 고분자 분리막을 이용하는 이유는 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 처리수측에서 응축, 분리되도록 하기 위함이다.

상기 소수성 고분자 분리막은 수처리 막으로서 소수성을 가지는 고분자라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며, 예를 들면 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리설폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리에테르이미드(Polyether lmide, PEI), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 또는 폴리아마이드(Polyamide, PA) 중에서 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 막 증류 용 분리막 모듈 장치에 있어서, 상기 처리수측은 분리막을 통과한 증기가 응축 및 분리되는 영역으로서 분리막을 통해 원수로부터 분리된 순수인 처리수가 수집되고 통과한다. 본 발명에서 모듈 내의 처리수측의 처리수는 유입수에 비해 상대적으로 온도가 낮은 것이 특징이다.

본 발명에 의하면 막 증류 모듈 장치 내의 유입수측에 발열체를 구비하고 있어 직접적으로 유입수측의 막 주변 공간의 유입수에 열을 공급할 수 있으므로, 종래와 같이 모듈 장치 외부에서 가열된 유입수가 모듈로 이송되는 과정에서 발생하는 열 손실을 방지할 수 있고, 종래와 같이 유입수측의 막 주변 공간 이외의 나머지 공간까지 열에너지가 소모되는 것보다 에너지 소비를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 종래와 같이 유입수를 계속적으로 순환시키지 않고 일정 시간 간격으로 모듈 장치 내에 체류 하도록 하여, 모듈 내의 발열체로부터 발생하는 열 에너지를 충분히 모듈 내 유입수에 전달할 수 있어 정수량을 향상 시킬 수 있으며, 원수 순환 펌프의 가동을 최소화할 수 있어 투입되는 펌프 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 모듈 내에 발열체 이외에 열전달 비표면적이 넓고 열전도율이 높은 소재로 이루어진 열확산체를 추가로 구비할 수 있어, 유입수측의 유입수에 열공급이 효율적으로 이루어지고, 또한 모듈 내의 유입수의 전체에 걸쳐 열 공급이 고르게 이루어지도록 할 수 있으므로, 소모되는 열 에너지 대비 처리수의 수득율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치를 포함하는 막 증류 시스템 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 막 증류 시스템에서 원수 공급 펌프를 포함하지 않는 막 증류 시스템 구조를 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치를 포함하는 막 증류 시스템 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 막 증류 시스템에서 원수 공급 펌프를 포함하지 않는 막 증류 시스템 구조를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 하지만, 하기 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치를 포함하는 막 증류 시스템 구조를 나타낸 것으로, 도 1에 의하면 본 발명에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치(100)는 유입수측(110), 처리수측(120) 및 분리막(130)으로 구성되어 있다.

상기 유입수측(110)의 일 영역에는 면상 발열체(140)가 장착되어 있으며, 상기 면상 발열체(140)는 외부 전원(141)으로부터 전기 에너지를 공급 받아 열을 발생 시킨다.

상기 유입수측(110)은 외부로부터 유입된 원수가 막 증류용 분리막 모듈 장치(100) 내에서 체류하는 영역으로, 외부에서 유입된 원수는 상기 유입수측(110)에 체류하는 중에 원수 내에 존재하는 증기가 유입수측(110)과 처리수측(120) 간의 증기압차에 의해 상기 분리막(130)을 통과하여 처리수측(120)으로 이동하게 된다.

유입수측(110)에 유입되어 체류하는 분리막(130) 주변 공간의 원수는 상기 면상 발열체(120)에서 발생되는 열 에너지를 공급 받아 가열되며, 이로 인해 유입수측(110)의 원수에 포함되어 있는 순수가 증기화 되고, 유입수측(110)의 증기압이 상승하게 된다.

도 1을 통해 본 발명의 운전과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 원수 저장 탱크(150)에 저장되어 있는 원수는 원수 순환 펌프(151)에 의해 본 발명의 분리막 모듈 장치(100)의 유입수측(110)으로 유입된다. 도 1과 같이 원수 순환 펌프(151)를 사용하는 경우는 상기 유입수측(110)이 유입된 원수로 가득 채워지면 원수의 유입을 차단하거나 연속으로 순환시킬 수 있다. 다음으로, 상기 유입수측(110)을 채우고 있는 원수는 유입수측(110)의 일 영역에 장착되어 있는 면상 발열체(140)로부터 발생되는 열 에너지를 공급 받아 가열되고, 이로써 원수 내에 포함되어 있는 순수가 증기화되어 유입수측(110)의 증기압이 상승한다. 한편, 분리막 모듈 장치(100) 내의 처리수측(120)은 처리수가 계속적으로 순환하며 통과하는 영역으로, 상기 처리수는 처리수 저장 탱크(160)로부터 처리수 순환 펌프(161)에 의해 분리막 모듈 장치(100)로 흐르게 되며, 그 과정 중에 상기 처리수는 냉각 장치(162)에 의해 냉각되어 분리막 모듈 장치(100)의 처리수측(120)으로 유입된다. 상기 처리수는 계속 순환하게 되며, 처리수 저장 탱크(160)에 저장되어 있는 처리수 중 일부는 순수로서 외부로 배출된다. 상기 유입수측(110)과 처리수측(120) 사이의 온도차로 인해 증기압차가 발생하며, 유입수측(110)과 처리수측(120) 간의 증기압차로 인해 유입수측(110)의 원수에 포함되어 있는 순수의 증기(vapor)는 분리막(130)을 통해 처리수측(120)으로 이동하게 되고, 처리수측(120)으로 이동한 증기는 처리수측(120)의 낮은 온도에 의해 응축되어 순수로 된다. 여기서, 상기 분리막(130)은 소수성을 가지므로, 유입수측(110)의 증기화된 순수 이외의 액상의 잔류물들은 분리막(130)을 통과하지 못한다.

한편, 유입수측(110)에 체류 중인 원수로부터 충분한 정수가 이루어지면, 상기 유입수측(110)의 잔류 원수를 분리막 모듈 장치(100) 외부로 배출하고, 다시 원수 순환 펌프(151)를 가동하여 원수 저장 탱크(150)로부터 새로운 원수를 유입수측(110)으로 공급하며, 상기와 같은 과정을 반복한다. 계속적으로 운전할 경우, 상기 원수 저장 탱크(150)에 새로운 원수를 투입하여 원수 저장 탱크(150) 내부의 농도를 조절할 수 있으며, 원수 저장 탱크(150)내의 농도가 충분히 증가하는 경우, 원수 저장 탱크(150)로부터 원수 농축액을 제거하고 새로운 원수를 공급할 수도 있다.

도 2는 도 1의 막 증류 시스템에서 원수 공급 펌프를 포함하지 않는 막 증류 시스템 구조를 나타낸 것으로, 정수가 진행됨에 따라 유입수측(110)의 농도가 높아지는 경우, 밸브(170)를 열어 유입수측(110)에 체류 중인 잔류 원수를 모듈 장치 외부로 배출하고, 중력에 의하여 원수 저장 탱크(150)로부터 새로운 원수를 유입수측(110)으로 지속적으로 유입시킬 수 있다. 이 경우, 원수 공급 펌프에 투입되는 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치의 구조를 나타낸 것으로, 도 2에 의하면 본 발명에 따른 막 증류용 분리막 모듈 장치(200)는 유입수측(210), 처리수측(220) 및 분리막(230)으로 구성되어 있다.

상기 유입수측(210)의 일 영역에는 면상 발열체(240)가 장착되어 있으며, 상기 면상 발열체(240)는 외부 전원(241)으로부터 전기 에너지를 공급 받아 열을 발생 시킨다.

또한, 상기 면상 발열체(240)에는 열전도성이 우수한 그물망 구조의 열확산체(242)가 밀착하여 위치하고 있다.

유입수측(210)에 유입되어 체류하는 분리막(230) 주변 공간의 원수는 상기 면상 발열체(120)에서 발생되는 열 에너지를 상기 열 전도성이 우수하고 비표면적이 넓은 열확산체(242)를 통해 유입수측(210) 내 원수의 전체에 걸쳐 고르게 효율적으로 공급 받아 가열되며, 이로 인해 유입수측(210)의 원수에 포함되어 있는 순수가 보다 고르게 증기화 되고, 유입수측(210)의 증기압이 상승하게 된다.

도 3을 통해 본 발명의 운전과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 원수 저장 탱크(250)에 저장되어 있는 원수는 원수 순환 펌프(251)에 의해 본 발명의 분리막 모듈 장치(200)의 유입수측(210)으로 유입되며, 상기 유입수측(210)이 유입된 원수로 가득 채워지면 원수의 유입을 차단하거나 연속으로 순환시킬 수 있다. 상기 원수 순환 펌프(251)는 경우에 따라 설치하지 않을 수 있다. 다음으로, 상기 유입수측(210)을 채우고 있는 원수는 유입수측(210)의 일 영역에 장착되어 있는 면상 발열체(240)로부터 발생되는 열 에너지를 열확산체(242)를 통해 공급 받아 가열되고, 이로써 원수 내에 포함되어 있는 순수가 증기화되어 유입수측(210)의 증기압이 상승한다. 한편, 분리막 모듈 장치(200) 내의 처리수측(220)은 처리수가 계속적으로 순환하며 통과하는 영역으로, 상기 처리수는 처리수 저장 탱크(260)로부터 처리수 순환 펌프(261)에 의해 분리막 모듈 장치(200)로 흐르게 되며, 그 과정 중에 상기 처리수는 냉각 장치(262)에 의해 냉각되어 분리막 모듈 장치(200)의 처리수측(220)으로 유입된다. 상기 처리수는 계속적으로 순환하게 되며, 처리수 저장 탱크(260)에 저장되어 있는 처리수 중 일부는 순수로서 외부로 배출된다. 상기 유입수측(210)과 처리수측(220) 사이의 온도차로 인해 증기압차가 발생하며, 유입수측(210)과 처리수측(220) 간의 증기압차로 인해 유입수측(210)의 원수에 포함되어 있는 순수의 증기(vapor)는 분리막(230)을 통해 처리수측(220)으로 이동하게 되고, 처리수측(220)으로 이동한 증기는 처리수측(220)의 낮은 온도에 의해 응축되어 순수로 된다. 상기 분리막(230)은 소수성을 가지므로, 유입수측(210)의 증기화된 순수 이외의 액상의 잔류물들은 분리막(230)을 통과하지 못한다.

한편, 유입수측(210)에 체류 중인 원수로부터 충분한 정수가 이루어지면, 상기 유입수측(210)의 잔류 원수를 분리막 모듈 장치(200) 외부로 배출하고, 다시 원수 순환 펌프(251)를 가동하여 원수 저장 탱크(250)로부터 새로운 원수를 유입수측(210)으로 공급하며, 상기와 같은 과정을 반복한다.

계속적으로 운전할 경우, 상기 원수 저장 탱크(250)에 새로운 원수를 투입하여 원수 저장 탱크(250) 내부의 농도를 조절할 수 있으며, 원수 저장 탱크(250)내의 농도가 충분히 증가하는 경우, 원수 저장 탱크(250)로부터 원수 농축액을 제거하고 새로운 원수를 공급할 수도 있다.

도 4는 도 3의 막 증류 시스템에서 원수 공급 펌프를 포함하지 않는 막 증류 시스템 구조를 나타낸 것으로, 정수가 진행됨에 따라 유입수측(210)의 농도가 높아지는 경우, 밸브(270)를 열어 유입수측(210)에 체류 중인 잔류 원수를 모듈 장치 외부로 배출하고, 중력에 의하여 원수 저장 탱크(250)로부터 새로운 원수를 유입수측(210)으로 지속적으로 유입시킬 수 있다. 이 경우, 원수 공급 펌프에 투입되는 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100, 200 : 분리막 모듈 장치 110, 210 : 유입수측
120, 220 : 처리수측 130, 230 : 분리막
140, 240 : 면상 발열체 141, 241 : 외부 전원
242 : 열확산체 150, 250 : 원수 저장 탱크
151, 251 : 원수 순환 펌프 160, 260 : 처리수 저장 탱크
161, 261 : 처리수 순환 펌프 162, 262 : 냉각 장치
170, 270 : 밸브

Claims

유입수측, 분리막 및 처리수측으로 구성된 분리막 모듈 장치에 있어서, 상기 유입수측 내에 발열체가 장착되고, 상기 발열체에 접하도록 열확산체가 장착되며;
상기 발열체의 열을 분리막 주변부에 국부적으로 공급하여 가열하도록 유입수측의 발열체가 차지하는 공간을 제외한 유입수 수용공간의 부피가 처리수측 수용공간의 부피 보다 작게 형성되고, 상기 발열체에 접하는 열확산체가 분리막의 주변부에 근접하게 위치하는 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 1항에 있어서,
상기 발열체는 금속계 발열체 또는 비금속계 발열체로 이루어진 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 2항에 있어서,
상기 금속계 발열체는 순금속 발열체 또는 합금 발열체인 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 3항에 있어서,
상기 순금속 발열체는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 플라티늄(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 3항에 있어서,
상기 합금 발열체는 니크롬(Ni-Cr), 철크롬(Fe-Cr) 및 Fe-Cr-Al으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 2항에 있어서,
상기 비금속계 발열체는 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴 실리사이드(MoSi₂), 란탄크로마이트(LaCrO₂), 그라파이트(graphite) 및 지르코니아(ZrO₂)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 1항에 있어서,
상기 발열체는 세라믹 또는 탄산바륨으로 이루어진 막 증류용 분리막 모듈 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 열확산체는 금속 소재로 이루어진 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 1항에 있어서,
상기 열확산체는 탄소나노튜브(carbon nano tube), 그래핀(graphene) 및 플러렌(fullerene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 소재로 이루어진 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 1항에 있어서,
상기 분리막 모듈 장치는 침지식 형태 또는 가압식 형태인 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 1항에 있어서,
상기 유입수측과 처리수측 사이의 온도차는 600 ℃ 이하인 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 1항에 있어서,
상기 분리막은 소수성 고분자 분리막인 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 13항에 있어서,
상기 소수성 고분자 분리막은 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리설폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리에테르이미드(Polyether lmide, PEI), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 및 폴리아마이드(Polyamide, PA) 로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 이루어진 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 1항에 있어서,
상기 유입수측의 유입수 수용 공간의 부피 대비 상기 처리수측의 처리수 수용 공간의 부피 비는 1 : 1.01 내지 100 인 것을 특징으로 하는 막 증류용 분리막 모듈 장치.
제 1항에 있어서,
상기 유입수측은 유입수의 흐름을 반복적으로 일정 시간 동안 정지시키는 것을 특징으로 하는 막 증류용 분리막 모듈 장치.