KR101444884B1

KR101444884B1 - 솔라셀과 교반기가 결합된 막 증류 수 처리 장치

Info

Publication number: KR101444884B1
Application number: KR1020130088252A
Authority: KR
Inventors: 정성필; 이석헌; 조을생; 노태호; 강상인; 정우현
Original assignee: 한국환경정책평가연구원; 한국과학기술연구원
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2014-09-26

Abstract

본 발명은 막 증류 수 처리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막 증류 유닛; 상기 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 열을 유입수측의 원수로 전달하는 태양열 진공관; 상기 처리수측의 내부 일 영역에 위치하는 교반기; 상기 교반기에 전원을 공급하는 태양광발전모듈; 및 상기 막 증류 유닛을 둘러싸는 부체(floating body, 浮體)를 포함하는 막 증류 수 처리 장치에 관한 것이다.

Description

솔라셀과 교반기가 결합된 막 증류 수 처리 장치{Water Treatment Apparatus using Membrane Distillation Method}

본 발명은 수 처리 기술 중 막 증류 기술을 이용하는 수 처리 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 1960년에 제안된 이래, 현재에 이르기까지 막 증류에 대한 연구는 주로 미국, 유럽, 일본, 호주 중심으로 진행되어 왔다. 최근에 막 증류 분리 공정을 종래의 증발 또는 역삼투막을 이용한 분리공정과 대체하려는 움직임이 활발하다.

현재, 순수제조나 담수화 공정으로 사용되고 있는 증발법과 역삼투법은 에너지가 많이 소요되는데, 특히 역삼투법은 오염과 파울링의 문제로 인하여 사용 전에, 여러 단계의 전처리 과정을 거치므로 운전 관리상의 어려움뿐만 아니라, 높은 압력에서 운전되므로 펌프동력원인 전기에너지가 많이 사용되어 관리비용이 많이 소요되는 문제가 있다.

반면에, 막 증류(membrane distillation)는 다공성 막을 사용하면서 한외여과법과 역삼투법에 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 경쟁력 있는 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 상변환 되어 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 수밖에 없기 때문에, 전체 운전비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 것이 열 에너지의 확보이며, 이로 인한 에너지 비용 부담으로 인해 다른 수 처리 방법에 비해 비용적으로 불리한 점이 있어 왔다.

일반적으로 막 증류 공정에서 원수를 가열하는 열 에너지원으로는 전기에너지나 화석에너지를 사용하여 왔으며, 에너지 비용이 많이 드는 문제도 있지만, 외부에서 원수를 가열한 후 막 증류 모듈의 유입수측으로 가열된 원수를 이송하는 과정에서 열 손실이 발생하는 문제도 있다.

또한, 막 증류 모듈의 처리수를 순환 및 냉각하기 위해 별도의 펌프 및 냉각장치를 사용하여야 하며, 이에 따른 에너지 비용이 소요된다.

따라서, 막 증류 공정에서 고비용의 전기에너지나 화석에너지 사용을 대체하여 열 에너지를 확보하는 것과, 열 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 비용을 절감함과 동시에 유입수의 가열과 처리수의 냉각을 지속적으로 가능하게 함으로써 수 처리 성능을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 막 증류 공정 중 유입 원수를 가열함에 있어, 고비용의 전기에너지 또는 화석에너지의 사용을 대체하여 열 에너지를 확보하고, 열 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 비용을 절감할 수 있는 막 증류 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 고비용의 전기에너지 또는 화석에너지의 사용 없이 처리수측 분리막 주변의 냉각효율을 높일 수 있는 막 증류 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 막 증류 수 처리 장치는 상기 유입수측의 일 영역에 원수가 자동으로 유입되도록 하는 원수 유입공이 형성될 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 원수 유입공에는 전처리 필터가 결합되어 유입 원수의 오염물질들을 1차적으로 걸러낼 수도 있다.

본 발명에서 상기 태양열 진공관은 특별히 그 종류가 제한적인 것은 아니나, 구조적으로는 이중진공 유리관형 태양열 진공관이 바람직할 수 있으며, 열 전달 방식 측면에서는 히트파이프식 태양열 진공관이 바람직할 수 있다.

본 발명에서 상기 태양열 진공관의 일 영역에는 태양열의 집열 효율을 향상시키기 위해 반사판이 결합될 수 있다. 상기 반사판은 특별히 그 형상이 제한적인 것은 아니며, 본 발명의 막 증류 수 처리 장치의 형태 및 구조에 따라 적절한 형상의 반사판을 사용할 수 있다. 예를 들면, 평판 또는 곡면 형상의 반사판일 수 있다.

본 발명의 막 증류 수 처리 장치에 있어서, 상기 교반기는 특별히 제한적인 것은 아니나, 프로펠러형 교반기 또는 마그네틱 교반기일 수 있으며, 상기 교반기에 전원을 공급하는 태양광발전모듈은 태양전지 패널(Solar Cell panel), 배터리(Battery), 충방전 컨트롤러(Charge Controller) 및 인버터(Inverter)를 포함할 수 있다. 상기 태양전지 패널(Solar Cell panel)은 무기물 태양전지패널, 염료감응 태양전지패널 또는 유기물 태양전지패널일 수 있다.

본 발명의 막 증류 수 처리 장치에 있어서, 상기 처리수측의 일 영역에는 경우에 따라 처리수 유출관이 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 처리수 유출관의 말단에는 처리수 저장탱크가 연결될 수 있다.

본 발명의 막 증류 수 처리 장치는 막 증류 유닛을 둘러싸는 부체(floating body, 浮體)를 포함하고 있어, 원수 수원지의 원수 상에 띄우는 형태로 사용된다.

본 발명에 의하면, 막 증류 수 처리 장치의 유입수측에 유입되는 원수를 막 증류 유닛의 외부에서 가열하는 것이 아니라, 막 증류 유닛의 유입수측 내부에서 직접 가열함으로써, 열 손실을 최소화할 수 있으며, 유입수측의 유입 원수를 가열함에 있어 기존의 고비용의 전기에너지 또는 화석에너지를 사용하지 않고 태양열 에너지를 이용함으로써, 유입 원수의 가열에 소요되는 에너지 비용을 현저히 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 막 증류 수 처리 장치는 원수 상에 떠있는 구조로 인해, 원수의 수면 아래로 잠겨 있는 처리수측의 처리수를 냉각함에 있어 차가운 원수를 냉각 매체로 이용함으로써, 기존과 같이 별도의 냉각 장치를 사용할 필요가 없으며, 이에 따라 처리수의 냉각에 소요되는 에너지 비용도 현저히 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 막 증류 수 처리 장치는 태양광 모듈에서 얻어지는 전기에너지를 이용해 처리수측에 설치되어 있는 교반기를 가동함으로써 처리수측에 강제대류를 형성하여 처리수측 분리막 주변의 냉각효율을 높일 수 있으며, 결과적으로 유입수측과 처리수측의 온도차 간격을 더 크게 유지할 수 있으므로, 막 증류 수 처리 장치의 막 투과속도(Flux)를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수 처리 장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수 처리 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수 처리 장치의 사용 예를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

발명은 막 증류 수 처리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막 증류 유닛; 상기 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 열을 유입수측의 원수로 전달하는 태양열 진공관; 상기 처리수측의 내부 일 영역에 위치하는 교반기; 상기 교반기에 전원을 공급하는 태양광발전모듈; 및 상기 막 증류 유닛을 둘러싸는 부체(floating body, 浮體)를 포함하는 막 증류 수 처리 장치에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 막 증류 유닛은 형태가 특별히 제한되는 것은 아니며, 유입수측이 분리막을 경계로 상부에 위치하고, 처리수측이 분리막을 경계로 하부에 위치하는 구조라면 어떠한 구조라도 무방하다. 예를 들면, 직육면체 형상, 원기둥 형상, 팔각 기둥 형상 등일 수 있다.

본 발명에서 상기 유입수측은 막 증류 유닛의 구성 중 외부로부터 원수가 유입되는 부분으로, 외부에서 유입된 원수는 유입수측과 처리수측 간의 증기압차에 의해 원수 내에 존재하는 증기가 상기 분리막을 통과하여 처리수측으로 이동하게 된다. 상기 유입수측과 처리수측 간의 증기압차는 온도차에 의해 발생하며, 유입수측 내의 원수의 온도가 처리수측 공간 및 처리수의 온도 보다 상대적으로 높은 것이 특징이다. 상기 유입수측과 처리수측 간의 온도차는 특별히 한정적인 것은 아니며, 온도차가 클수록 유입수측과 처리수측 간의 증기압차가 커지므로, 처리수의 플럭스(flux)가 증가한다. 유입수측과 처리수측 간의 온도차는 20 내지 60℃가 바람직하며, 보다 바람직하게는 35 내지 45℃일 수 있다. 이는 유입수측과 처리수측 간의 온도차가 20℃ 미만일 경우에는 유입수측과 처리수측 간의 증기압차가 지나치게 작아 처리수의 플럭스가 극히 미비하고, 온도차가 60℃를 초과하는 경우에는 유입 원수를 가열하는데 필요한 에너지 소모가 지나치게 많아, 투입 에너지 대비 처리수 생산 효율이 낮아지며, 특히 본 발명과 같이 태양열을 이용하여 유입원수를 가열하는 경우에는 요구되는 태양열 에너지량이 많아 가열 시간이 지나치게 오래 걸리며, 평균 일조시간이 짧거나 평균 일사량이 적은 지역에서는 수 처리 성능의 구현이 어려울 수 있기 때문이다.

본 발명에서 상기 원수는 순수(pure water)를 분리할 필요가 있는 것이라면 어떠한 것이라도 무방하며, 예를 들면 오염된 지표수 및 지하수, 해수 등일 수 있다.

또한, 본 발명의 막 증류 유닛에 있어서, 유입수측의 유입 원수의 공급방법은 특별히 제한적인 것은 아니며, 예를 들면, 사용자가 직접 오염 원수를 상기 유입수측에 주기적으로 붓는 방법으로 공급할 수도 있다. 하지만, 본 발명의 막 증류 수 처리 장치는 오염 원수 위에 띄우는 방식을 취하고 있으므로, 사용자가 원수를 주기적으로 붓는 방식은 상황에 따라 곤란하거나 번거로울 수 있다. 따라서, 본 발명의 막 증류 유닛은 유입수측의 원수 공급이 자동적으로 이루어지는 것이 가장 바람직하며, 이를 위해서 본 발명의 막 증류 유닛의 유입수측의 일 영역에는 본 발명의 막 증류 수 처리 장치를 오염 원수의 수면에 띄웠을 때, 외부의 오염 원수가 자동으로 유입수측으로 유입되도록 원수 유입공을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 원수 유입공에는 유입수측에 유입되는 오염 원수에 포함되어 있는 부피가 큰 오염 물질들을 1차적으로 전처리할 수 있는 전처리 필터가 결합될 수 있다. 상기 전처리 필터는 특별히 종류가 제한적인 것은 아니며, 예를 들면 메쉬 형태의 망일 수 있다. 상기 전처리 필터를 원수 유입공에 결합할 경우, 오염 원수의 오염 물질들을 1차적으로 전처리할 수 있어, 막 증류 유닛 내의 분리막의 오염 부담을 줄일 수 있으며, 결과적으로 분리막의 수명을 증가시킬 수 있어 분리막 교체에 따른 관리 비용을 절감할 수 있다.

본 발명의 상기 막 증류 유닛에 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 수 처리 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 상기 막 증류 유닛에 있어서, 상기 처리수측은 분리막을 통과한 증기가 응축 및 분리되는 영역으로서 분리막을 통해 원수로부터 분리된 순수인 처리수가 수집되고 통과한다. 상기 처리수측 내의 처리수는 유입수측의 원수에 비해 상대적으로 온도가 낮은 것이 특징이다.

본 발명에 따른 막 증류 수 처리 장치에 있어서, 상기 태양열 진공관은 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 유입수측의 원수로 전달하는 것으로서, 특별히 종류가 제한되는 것은 아니다. 상기 태양열 진공관은 일반적으로 관 내부가 진공 상태로 되어 있고, 관 내부에는 집열판이 위치하고 있어 외부의 태양열을 집열하게 되고, 집열된 태양열은 진공 상태의 환경에서 태양열 진공관 외부와 단열되어 태양열 집열 효율을 극대화할 수 있다. 상기 태양열 진공관의 구조에 따른 종류로는 단일진공 유리관형, 이중진공 유리관형이 있으며, 본 발명에서는 이중진공 유리관형이 바람직하다. 상기 이중진공 유리관형은 내부 유리관과 외부 유리관 사이를 진공 처리하여 단일진공 유리관형 보다 열 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.

본 발명에 있어서, 상기 태양열 진공관은 열 전달 방식에 의한 분류에 있어 특별히 그 종류가 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 열매체 순환튜브가 삽입되어 있는 수관식 태양열 진공관 또는 히트파이프식 태양열 진공관을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 히트파이프식 태양열 진공관이 바람직할 수 있다. 본 발명의 태양열 진공관은 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 유입수측의 원수로 전달하기 때문에 외부에서 가열시킨 물을 유입수측으로 이동시키는 수관식 태양열 진공관을 사용하는 것보다 유입수측의 분리막 주위로 열에너지만 이동시켜 분리막 주위 물만 가열 시킬 수 있는 히트파이프식 태양열 진공관이 보다 효율적으로 에너지 활용이 가능하기 때문이다. 본 발명의 상기 히트파이프식 태양열 진공관은 진공으로 밀봉된 유리관 내부에, 선택흡수표면 처리된 흡수판과 작동유체로 채워진 히트파이프가 결합된 구조로 되어 있으며, 상기 흡수판에 집열된 태양열은 열 전도성이 매우 높은 상기 히트파이프에 의해 표적 부위로 열에너지를 전달하게 된다.

본 발명에서 태양열 진공관의 형상과 크기는 특별히 제한적인 것은 아니며, 본 발명의 막 증류 수 처리 장치의 외형 구조에 따라 적절한 형상 및 크기의 태양열 진공관을 사용할 수 있다. 일반적으로 사용되는 태양열 진공관의 형상은 봉 형상이다.

본 발명에서는 태양열을 표적 부위에 전달하는 태양열 진공관의 말단 부위가 상기 막 증류 유닛의 유입수측의 일 영역을 관통하여 유입수측의 원수에 접촉하는 것이 특징이며, 사용되는 태양열 진공관의 개수는 특별히 한정적인 것은 아니며, 기후 환경 등 사용 지역의 사정에 따라 적절한 개수의 태양열 진공관을 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 태양열 진공관은 열 전도의 방향성을 가지는 것이 특징인데, 태양열을 표적 부위에 전달하는 태양열 진공관의 말단 부위가 중력 반대 방향 쪽으로 기울어진 상태로 유입수측의 일 영역을 관통하는 것이 바람직하며, 적어도 수평 상태를 유지해야 열 전도성을 띤다. 이는 태양열 진공관내의 열 전달 매체가 기화되었을 때 중력 반대 방향으로 이동하는 성질에 기인한 것이다.

본 발명에서 상기 태양열 진공관이 막 증류 유닛의 유입수측에 관통되는 영역은 상기 원수 유입공과 겹치지 않아야 하며, 유입수측에서 원수 유입공이 위치하는 높이보다 같거나 낮은 것이 바람직하다. 이는 상기 유입수측에서 원수 유입공이 위치하는 높이까지 외부의 원수가 유입되어 유입수측 내에서의 원수의 수면이 원수 유입공의 높이와 같은 높이를 이루게 되므로, 유입수측 내의 원수에 상기 태양열 진공관의 태양열 전달 말단 부위가 접촉하여 태양열을 원수에 전달할 수 있도록 하기 위함이다.

본 발명에서 상기 부체(floating body, 浮體)는 상기 태양열 진공관의 밑에 부착되고 막 증류 유닛을 둘러싸는 것으로서, 본 발명의 막 증류 수 처리 장치를 원수에 띄우는 기능을 하며, 상기 부체의 부착 높이를 조절함으로써, 본 발명의 막 증류 수 처리 장치가 물에 잠기는 정도를 조절할 수 있다. 본 발명에 상기 부체의 부착 높이는 특별히 제한적인 것은 아니나, 원수 유입공의 높이와 같거나 높은 것이 바람직하다. 이는 부체의 부착 높이가 원수 유입공의 높이 보다 낮을 경우에는 본 발명의 막 증류 수 처리 장치의 원수 유입공이 원수의 수면 위로 노출되기 때문에 원수가 유입수측으로 자동으로 유입되지 않기 때문이다. 하지만, 상기 부체의 결합 위치는 막 증류 유닛의 유입수측에 형성되어 있는 원수 유입공에서 원수의 유입이 자동적으로 이루어지는데 장애가 되지 않는다면 어떠한 위치라도 무방하다.

상기 부체의 재질은 특별히 정해진 것은 없으며, 수면 상에 띄우기 위해 통상적으로 사용되는 것이라면 어떠한 재질이라도 무방하다.

본 발명에서 상기 부체의 일 영역에는 반사판이 결합될 수 있다. 상기 반사판은 태양광을 상기 태양열 진공관 쪽으로 모아 주는 기능을 하는 것으로, 특별히 위치가 한정적인 것은 아니나, 상기 부체가 물과 맞닿는 부분의 반대편인 안쪽에 위치하는 것이 태양광의 집광에 유리할 수 있다. 반사판의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 알루미늄 재질일 수 있다. 또한, 상기 반사판의 형상은 특별히 제한적인 것은 아니며, 어떠한 형상을 사용하여도 무방하다. 예를 들면, 평판 또는 곡면 형상일 수 있다.

본 발명에서 상기 처리수측의 내부면의 일 영역에는 교반기가 결합될 수 있다. 상기 교반기는 가열된 원수내의 증기(vapor)가 분리막을 통과하여 응축된 처리수를 강제대류시킴으로써 처리수측의 분리막 주위의 상승된 온도를 낮추는 역할을 한다. 상기 교반기의 형태와 종류는 제한적인 것은 아니며, 물의 대류를 발생시키는 것이라면 어떤 것이라도 무방하다. 예를 들면, 프로펠러형 교반기, 교반자(stirring bar) 등이 사용 될 수 있다. 또한, 상기 처리수측 하부에는 처리수가 들어오지 않는 별도의 공간이 구비되어 있어 교반기의 모터 또는 마그네틱 교반기(magnetic stirrer)등이 위치할 수 있다. 상기 교반기의 소재는 한정되지 않으나, 처리수에 직접 닿는 부분(예를 들면 프로펠러나 교반자 등)의 소재는 인체에 무해한 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 교반기는 태양광발전모듈을 통해 발생한 전기에너지를 전원으로 사용하며, 상기 태양광발전모듈은 태양전지 패널(Solar Cell panel), 배터리(Battery), 충방전 컨트롤러(Charge Controller) 및 인버터(Inverter)를 포함 할 수 있다. 하지만 상기 태양광발전모듈은 상기 구성 요소를 항상 모두 포함해야 하는 것은 아니며, 필요에 따라 다른 구성요소를 배제하고 태양전지 패널을 직접 교반기와 연결하여 태양광이 있는 시간에만 가동하도록 하는 것 또한 가능하다.

상기 막 증류 유닛 중 유입수측은 원수의 수면 위로 노출되어 있고, 상기 유입수측 내의 유입 원수는 태양열 진공관을 통해 집열된 태양열을 전달받아 가열된다. 반면, 상기 막 증류 유닛 중 처리수측은 원수의 수면 아래로 잠겨 있어 처리수측 내의 처리수는 차가운 원수에 의해 냉각되며, 추가적으로 가열된 원수로부터 발생된 증기가 분리막을 통과해 응축되어 처리수측의 막 주변의 온도를 높이는 것을 방지하기 위하여 처리수측 내부에 교반기를 설치함으로써 처리수의 대류를 유도한다. 따라서, 상기 막 증류 유닛의 유입수측과 처리수측 사이에 온도차에 의한 증기압차가 발생하고, 상기 유입수측 및 처리수측 사이에 위치한 소수성 분리막을 통해 가열된 원수 내의 증기(vapor)만 선택적으로 처리수측 쪽으로 이동하게 되며, 처리수측으로 이동한 증기(vapor)는 차가운 처리수에 의해 응축되어 순수(pure water)가 된다.

본 발명에 따른 막 증류 수 처리 장치에 있어서, 상기 막 증류 유닛은 수 처리 초기에는 처리수측에 처리수가 없어 Air gap 형태의 막 증류 방식(AGMD)을 취하다가 수 처리가 진행 될수록 처리수가 생성되어 Direct contact 형식의 막 증류 방식(DCMD)을 취하게 된다. DCMD는 분리막과 처리수가 직접 닿아 분리막을 통과한 증기(vapor)가 바로 응축되므로 냉각효율이 AGMD보다 더 좋기 때문에 막 투과속도(flux)를 높일 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 상기 처리수측의 일 영역에 형성되어 있는 처리수 유출관은 설치위치가 한정되지 않으나, 분리막과 가장 가까운 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 처리수 유출관이 분리막과 가까운 위치에 형성될수록 DCMD를 유지하기 용이하기 때문이다. 또한, 상기 처리수 유출관의 말단에는 처리수 저장탱크가 연결되어 있어 막 증류 유닛의 분리와 같은 별도의 과정 없이 처리수를 손쉽게 획득할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 통해 설명하면 다음과 같다. 상기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수 처리 장치의 사시도를 나타낸 것이다. 도 1에 의하면, 본 발명에 따른 막 증류 수 처리 장치는 중앙의 막 증류 유닛(100), 상기 막 증류 유닛(100)의 측면을 각각 관통하며 결합되어 있는 7개의 태양열 진공관(200), 상기 태양열 진공관의 밑에 부착되어 있는 반사판(600)이 결합된 부체(500) 및 태양광 패널(310)로 이루어져 있다. 상기 반사판(600)에 의해 상기 태양열 진공관(200)의 집광 효율을 향상 시킬 수 있어 태양열 진공관(200)의 집열 효율을 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수 처리 장치의 단면도를 나타낸 것으로, 도 2를 통해 본 발명의 구조 및 운전과정을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수 처리 장치 중 막 증류 유닛(100)은 상부의 유입수측(110) 및 하부의 처리수측(120) 사이에 막 증류용 분리막(130)이 위치하고 있다. 상기 막 증류 수 처리 장치는 원수 수원지의 원수 상에 띄우는 형태로 사용되며, 상기 막 증류 유닛(100) 중 유입수측(110)의 일부는 원수의 수면 위로 노출되어 있고 일부는 수면 아래에 잠겨 있으며, 수면 아래에 잠겨있는 유입수측(110) 일영역에는 원수 유입공(111)이 형성 되어 있어 상기 원수 유입공(111)을 통해 외부의 원수가 유입수측(110)내로 유입된다.

상기 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)의 주변에 태양열 진공관(200)이 결합되어 있으며, 상기 태양열 진공관(200)은 말단이 상기 유입수측(110)의 측면을 관통하도록 결합되어 있어, 상기 태양열 진공관(200)을 통해 집열된 태양열 에너지를 유입수측(110) 내의 원수에 전달하여 유입 원수를 가열하게 된다. 도 2에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 진공관(200)은 유입수측(110) 쪽 방향으로 중력 반대 방향으로 기울어져 있어, 상기 태양열 진공관(200)의 태양열 전달 효율을 향상시킨다. 상기 막 증류 유닛(100)은 부체(500)로 둘려싸여 있으며, 상기 부체(500)는 태양열 진공관(200)의 아래와 옆면을 감싸 상기 태양열 진공관(200)이 물에 직접 접촉되지 않도록 한다.

상기 막 증류 유닛(100)의 처리수측(120)은 원수의 수면 아래로 잠겨 있어 처리수측(120) 내의 처리수는 차가운 원수에 의해 냉각된다. 또한, 상기 처리수측(120)에는 처리수의 대류를 형성시킬 수 있는 교반기(400)가 설치되어 있으며, 보다 자세하게는 직접적으로 처리수의 대류를 유도하는 교반기 프로펠러(420)는 처리수측 내부에, 상기 교반기 프로펠러(420)에 동력을 전달하는 교반기 모터(410)는 상기 처리수측(120) 하부에 형성되어 있는 교반기 수납부(430)에 위치하고 있어 상기 처리수측(120) 내의 처리수의 냉각 효율을 향상시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 교반기(400)는 전원을 태양광발전모듈(300)로부터 얻으며, 막 증류 유닛의 일 영역에 결합되어 있는 태양광 패널(310)에서 집광하여 발생시킨 전기를 배터리(320)에 저장하여 전선(330)을 통하여 교반기 모터(410)로 전원을 공급하는 과정을 거친다.

이로써, 상기 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)과 처리수측(120) 사이에 온도차에 의한 증기압차가 발생하고, 상기 유입수측(110) 및 처리수측(120) 사이에 위치한 소수성 분리막(130)을 통해 가열된 원수 내의 증기(vapor)만 선택적으로 처리수측(120) 쪽으로 이동하게 되며, 처리수측(120)으로 이동한 증기(vapor)는 응축되어 순수(pure water)가 된다. 상기 응축된 순수는 상기 처리수측(120)의 일 영역에 형성되어 있는 처리수 유출관(121)을 통해 외부로 유출되며, 상기 처리수 유출관은 분리막과 가까운 곳에 위치해 있어 가능한한 처리수와 분리막을 직접 접촉 할 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수 처리 장치의 사용 예를 나타낸 것으로, 도 2에 도시한 본 발명의 일 실시예인 막 증류 수 처리 장치를 저수지, 강, 바다 등 원수 수원지에 띄워 사용하는 사용 예를 도시한 것이다.

도 3에 의하면 상기 원수 수원지에 띄워져 있는 막 증류 유닛(100)의 처리수측(120) 일 영역에 연결된 처리수 유출관(121)의 말단에는 외부에 설치된 처리수 탱크(122)가 연결되어 있어 손쉽게 처리수를 각종 용수로 사용할 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 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 : 막 증류 유닛 110 : 유입수측
111 : 원수 유입공 120 : 처리수측
121 : 처리수 유출관 122 : 처리수 탱크
130 : 분리막 200 : 태양열 진공관
300 : 태양광발전모듈 310 : 태양광 패널
320 : 배터리 330 : 전선
400 : 교반기 410 : 교반기 모터
420 : 교반기 프로펠러 430 : 교반기 수납부
500 : 부체(floating body) 600 : 반사판

Claims

분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막 증류 유닛;
상기 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 열을 유입수측의 원수로 전달하는 태양열 진공관;
상기 처리수측의 내부 일 영역에 위치하는 교반기;
상기 교반기에 전원을 공급하는 태양광발전모듈; 및
상기 막 증류 유닛을 둘러싸는 부체(floating body, 浮體)를 포함하는 막 증류 수 처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 유입수측의 일 영역에 원수가 자동으로 유입되도록 하는 원수 유입공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.
제 2항에 있어서,
상기 원수 유입공에 전처리 필터가 결합되는 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 태양열 진공관은 이중진공 유리관형 태양열 진공관인 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 태양열 진공관은 히트파이프식 태양열 진공관인 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 교반기는 프로펠러형 교반기 또는 마그네틱 교반기인 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 태양광발전모듈은 태양전지 패널(Solar Cell panel), 배터리(Battery), 충방전 컨트롤러(Charge Controller) 및 인버터(Inverter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.
제 7항에 있어서,
상기 태양전지 패널(Solar Cell panel)은 무기물 태양전지패널, 염료감응 태양전지패널 및 유기물 태양전지패널로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 처리수측의 일 영역에 처리수 유출관이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.
제 9항에 있어서,
상기 처리수 유출관의 말단에 처리수 저장탱크가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 막 증류 수 처리 장치.