KR101454314B1 - 정삼투식 해수담수화 공정의 정삼투유도용액 회수방법 - Google Patents

정삼투식 해수담수화 공정의 정삼투유도용액 회수방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정삼투식 해수담수화 공정의 정삼투유도용액의 회수방법에 관한 것오, 본 발명의 실시예에 따른 회수방법은, 정삼투유도용액컨테이너, 해수컨테이너 및 상기 정삼투유도용액컨테이너와 상기 해수컨테이너 사이에 위치한 삼투막을 포함하는 삼투압반응기가 있고, 상기 정삼투유도용액컨테이너에 탄산수소암모늄을 포함하는 정삼투유도용액을 공급하고, 상기 해수컨테이너에 해수를 공급하는 준비단계, 상기 해수의 물 분자가 상기 삼투막을 통과하여 상기 정삼투유도용액이 희석된 혼합용액을 생성하는 정삼투반응단계, 상기 정삼투반응단계를 거친 상기 혼합용액을 가열한 후 증류하여 담수를 분리하고 상기 담수를 배출하는 담수화단계 및 상기 담수화단계에서 발생한 암모니아기체, 이산화탄소기체를 물에 용해하여 정삼투유도용액을 회수하는 회수단계를 포함하고, 상기 회수단계에서, 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비가 일정하게 제어되어 상기 암모니아기체는 상기 물에 먼저 용해되어 암모니아수를 생성하고 상기 암모니아수는 상기 이산화탄소기체와 접촉하여 상기 이산화탄소기체의 용해도를 향상시키는 방법에 의한다.

Description

정삼투식 해수담수화 공정의 정삼투유도용액 회수방법{DRAW SOLUTION RECOVERING METHOD FOR FORWARD OSMOSIS SYSTEM}
본 발명은 정삼투식 해수담수화 공정의 정삼투유도용액의 회수방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정삼투식 해수담수화 공정에 있어, 해수보다 고농도의 유도용액으로 탄산수소암모늄을 이용하고, 정삼투식 해수담수화 공정 과정 중 열에 의해 발생한 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 제어하여 효과적으로 물에 재용해시킴으로써 유도용액을 효율적으로 회수할 수 있으며 이를 통해 정삼투 해수담수화 공정에서의 소비 에너지를 최소화하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 물부족 문제가 심화되고 있다. 지구상 물의 약 97%가 해수이고 나머지 담수중에서도 인간이 사용할 수 있는 양은 많지 않다. 또한 기상이변과 사막화, 수자원 오염 등으로 인하여 물부족은 더욱 더 심해져 2015년에는 전 세계 인구의 약 38%가 물 부족의 영향을 받을 것으로 전망된다. 이러한 물 부족 현상을 해결하기 위하여 해수담수화는 무한한 수자원인 바닷물을 담수로 이용할 수 있다는 측면에서 물 부족 문제를 해결하는 강력한 대안으로 간주되고 있다.
현재 해수담수화 기술로는 다단증발법, 역삼투법(Reverse Osmosis, RO), 전기적 흡착기술(Capacitive Deionization, CD), 정삼투법(Forward Osmosis, FO), 막증발법(Membrane Distillation, MD) 등의 기술이 연구가 진행중이다.
이 중, 정삼투법은 해수와 해수보다 삼투압이 높은 용액(유도용액)이 반투막을 사이에 두고 해수 중의 물을 유도용액으로 삼투압을 이용하여 담수를 확보하는 기술로, 에너지 소비율이 0.5kWh/m3 이하로 역삼투법 대비 에너지 효율이 우수하고, 담수 회수율이 80% 이상에 달하여 효율성이 우수하여, 앞으로 지속적인 발전이 이루어질 기술분야이다. 정삼투법은 특히, 유도용액이 높은 삼투압을 유도하기 위한 유도물질에 대해 고도의 기술이 필요하며, 유도물질을 선정하기 위한 조건으로 높은 삼투압을 낼 수 있도록 물에 대한 용해도가 높아야하고 저에너지를 이용하여 물과 유도물질을 분리할 수 있어야 한다. 또한 분리시 유도물질의 회수율이 높아야 유도물질을 재사용하여 경제성을 높일 수 있다. 최근에는 염화나트륨, 염화칼슘, 염화마그네슘, 질산칼륨, 글루코스 등 다양한 종류의 유도물질들이 제안되고 있다.
종래의 정삼투법은 담수를 생산하기 위해 유도용액을 몰농도가 높고 휘발성이 강한 유도용액을 사용하여 정삼투 모듈에서 해수에 포함된 담수를 포집한 다음에 열을 가하여 유도용액과 담수를 분리하는 과정을 거쳤으나, 유도용액의 회수율이 낮아서 담수의 활용도가 낮았으며, 유도용액을 회수하기 위하여 가열 또는 가압을 해야 하기 때문에 에너지 소비가 크다는 기술적인 단점을 가지고 있었다.
따라서, 정삼투 공정의 효율을 높이고 에너지 소비를 감소시키기 위하여 효율적인 유도용액의 회수 방법의 개발의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 정삼투식 해수담수화 공정를 수행함에 있어 삼투압이 높은 유도용액으로 탄산수소암모늄을 포함하는 용액을 사용함으로써 공정 중에 탄산수소암모늄이 암모니아기체와 이산화탄소기체로 분해되는데, 이를 다시 유도용액으로 회수하기 위하여 각 기체의 물에 대한 용해도를 향상시킬 수 있는 정삼투식 해수담수화 공정에서 정삼투유도용액의 회수방법을 제공함에 목적이 있다.
또한, 초기 투입되는 탄산수소암모늄의 농도를 조절하여 해수와 삼투압을 일정 값으로 유지하여 유도용액을 약 50% 희석시키고, 각 단계에서 유량비를 조절함으로써, 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 제어하어 이산화탄소기체의 용해도를 높일 수 있어 유도용액의 회수율이 높이면서도 소비 에너지를 현저하게 감소시킬 수 있는 정삼투유도용액의 회수방법을 제공함에 목적이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 정삼투식 해수담수화 공정단계에서 담수화 후에 농축된 유도용액을 회수시, 암모니아기체와 이산화탄소기체는 외부의 물이 아닌 공정 중에 발생한 혼합용액을 이용하여 공정의 단순화를 가져오고, 추가 에너지 소모를 방지할 수 있는 정삼투유도용액의 회수방법을 제공함에 목적이 있다.
아울러, 정삼투식 해수담수화 공정 중 담수화시 정삼투유도용액과 물의 혼합용액을 3개의 가열기로 이루어진 히터를 통해 열교환을 함으로써 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 제어할 뿐만 아니라, 담수화의 효율을 높일 수 있는 정삼투식 해수담수화 공정 방법을 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 정삼투식 해수담수화 공정에서의정삼투유도용액 회수방법은 정삼투유도용액컨테이너, 해수컨테이너 및 상기 정삼투유도용액컨테이너와 상기 해수컨테이너 사이에 위치한 삼투막을 포함하는 삼투압반응기가 있고, 상기 정삼투유도용액컨테이너에 탄산수소암모늄을 포함하는 정삼투유도용액을 공급하고, 상기 해수컨테이너에 해수를 공급하는 준비단계, 상기 해수의 물 분자가 상기 삼투막을 통과하여 상기 정삼투유도용액이 희석된 혼합용액을 생성하는 정삼투반응단계, 상기 정삼투반응단계를 거친 상기 혼합용액을 가열한 후 증류하여 담수를 분리하고 상기 담수를 배출하는 담수화단계; 및 상기 담수화단계에서 발생한 암모니아기체, 이산화탄소기체를 물에 용해하여 정삼투유도용액을 회수하는 회수단계;를 포함하고, 상기 회수단계에서, 상기 암모니아기체는 상기 물에 먼저 용해되어 암모니아수를 생성하고 상기 암모니아수는 상기 이산화탄소기체와 접촉하여 상기 이산화탄소기체의 용해도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상기 탄산수소암모늄은 1.5 내지 3몰농도이고, 상기 정삼투반응단계에서 삼투압은 55 내지 75bar이며, 상기 정삼투반응단계에서 상기 혼합용액은 0.7 내지 1.8몰농도인 것이 바람직하다.
상기 담수화단계에서 상기 물은 상기 혼합용액인 것이 바람직한 실시예이다. 또한, 상기 담수화단계에서 상기 가열은 제 1가열기, 제 2가열기 및 제 3가열기가 연속으로 연결되어 있는 히터에 의해 이루어지며, 상기 혼합용액의 상기 담수화단계 및 상기 회수단계에서의 유량 질량비는 1:0.4 내지 1:0.6인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 암모니아기체와 상기 이산화탄소기체의 부피비는 1:0.75 내지 1:0.89인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 유도용액으로 탄산수소암모늄을 포함하는 용액을 사용함에 있어 해수담수화 공정 중 분해된 암모니아기체가 먼저 물에 용해되어 암모니아수의 염기성에 의해 이산화탄소기체와 접촉을 용이하게 하여 이산화탄소기체를 물에 효과적으로 용해시켜 유도용액을 높은 효율로 회수할 수 있는 정삼투유도용액의 회수방법을 제공할 수 있다.
또한, 탄산수소암모늄의 농도, 유도용액과 물이 혼합된 혼합용액의 유량비, 특히, 분해된 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 제어함으로써, 이산화탄소기체의 용해도를 현저하게 높여 유도용액의 회수율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이산화탄소기체의 재용해를 위하여 추가적인 가열, 가압 공정이 불필요하여 소비 에너지를 감소시킬 수 있는 정삼투유도용액의 회수방법을 제공할 수 있다.
더불어, 유도용액을 회수하기 위해 암모니아기체와 이산화탄소기체를 용해하는 용액으로 해수담수화 공정시 발생하는 혼합용액을 사용할 수 있도록 설계함으로써 외부에서 물을 추가로 공급하지 않아도 되어 추가 에너지 소모를 방지할 수 있으며 경제적인 정삼투유도용액의 회수방법을 제공할 수 있다.
마지막으로, 해수담수화 공정시 열교환기로 3개의 가열기가 연결된 히터를 사용하여 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 효과적으로 조절하고, 이를 통해 유도용액의 회수율 및 담수화 효율을 현저하게 높일 수 있는 정삼투유도용액의 회수방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 정삼투식 해수담수화 공정의 정삼투유도용액의 회수방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 삼투압반응기 내의 해수와 유도용액 간의 정삼투반응을 설명하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 정삼투식 해수담수화 공정 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 암모니아기체 대비 이산화탄소기체의 부피비에 따른 용해되지 않은 이산화탄소기체의 비율을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 의한 정삼투식 해수담수화 공정에서 유도용액의 회수방법에 대하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명의 정삼투식 해수담수와 공정의 정삼투유도용액의 회수방법은 준비단계(S10), 정삼투반응단계(S20), 담수화단계(S30) 및 회수단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
준비단계(S10)은 삼투압반응기(10)에 해수와 유도용액을 공급하여 정삼투반응을 하기 위한 준비단계이다. 삼투압반응기(10)는 정삼투유도용액컨테이너(12), 해수컨테이너(11) 및 정삼투유도용액컨테이너(12)와 해수컨테이너(11) 사이에 위치한 삼투막(13)으로 구성된다. 삼투막(13)은 선택적 투과성질을 가지고 있어, 고농도용액에 포함된 물분자가 저농도용액으로 삼투막(13)을 투과하여 이동한다. 정삼투유도용액컨테이너(12)의 한쪽에는 유도용액 공급연결부가 연통되어 있으며, 다른 한쪽에는 유도용액을 배출하는 유도용액 배출연결부가 연통되어 있다. 유도용액 배출연결부에는 후술하는 가열부(20)와 연통되어 있다. 해수컨테이너(11)에는 해수공급 연결부가 연통되어 상기 해수공급 연결부를 통해서 해수가 공급되고, 해수 공급을 위해 연통된 해수공급 연결부에는 해수를 저장하는 해수 저장부가 연통되어 있을 수 있다. 또한 해수공급 연결부가 연통된 다른 한 쪽에는 해수 배출연결부가 연통되어 있다.
유도용액은 유도용액 공급연결부를 통해 정삼투유도용액컨테이너(12)로 공급되고, 해수는 해수 공급연결부를 통해 해수컨테이너(11)로 공급되며, 유도용액과 해수는 삼투막을 경계로 한다.
유도용액은 탄산수소암모늄((NH4)HCO3)를 포함한 용액이며, 정삼투반응을 유도하기 위한 것으로, 해수보다 고농도여야 하며 탄산수소암모늄은 1.5 내지 3몰농도인 것이 바람직하다. 이에 대해서는 후술하는 정삼투반응단계(S20)에서 설명한다.
정삼투반응단계(S20)는 상기 준비단계(S10)에서 정삼투유도용액컨테이너(12)와 해수컨테이너(11)에 각각 공급된 유도용액과 해수가 정삼투반응이 일어나는 단계이다.
즉, 삼투압반응기(10)에 공급된 유도용액과 해수는 선택적 투과의 성질을 가지는 삼투막을 통해 물분자가 이동한다. 유도용액은 해수보다 고농도이므로, 해수에 포함된 물분자가 삼투막을 투과하여 정삼투유도용액컨테이너(12) 쪽으로 이동하고 유도용액은 물에 의해 희석되어 혼합용액을 생성한다. 해수는 물분자가 유도용액 쪽으로 이동하여 함수(鹹水, brine)가 되며, 함수는 해수 배출연결부를 통해 배출된다.
유도용액은 상기에서 설명한 바와 같이, 유도용질로 탄산수소암모늄을 포함하고 있으며 1.5 내지 3몰농도인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 1.8 내지 2.5몰농도인 것이 효과적이다. 탄산수소암모늄이 1.5몰농도 미만인 경우에는 해수의 물 분자를 충분한 삼투반응을 일으키지 못하여 해수 내 물 분자의 삼투막을 투과하는 정도가 낮아 담수 회수율이 현저히 떨어지며, 3몰농도를 초과하는 경우에는 본 발명에서의 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 유지할 수 없으며 유도용질의 농도가 높아 순수한 담수를 얻기 어려워 이를 식용으로 사용하는데 문제가 있다.
탄산수소암모늄이 상기 범위의 몰농도를 가질 때, 일반적인 해수와 정삼투반응에 의하여 삼투압이 발생되는데, 이 경우 삼투압은 55 내지 75bar, 더 바람직하게는 62 내지 70bar이다. 상기 범위의 삼투압 하에서, 유도용액은 해수 내의 물 분자에 의해서 약 50%정도 희석되며, 희석된 유도용액인 혼합용액은 탄산수소암모늄이 0.7 내지 1.8몰농도, 더 바람직하게는 0.8 내지 1.5몰농도인 것이 효과적이다.
정삼투유도용액컨테이너(12)에 초기에 투입되는 탄산수소암모늄의 몰농도는 추후 해수담수화 공정에서 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 결정하는 주요 요소 중 하나이다.
희석된 유도용액, 즉 혼합용액은 정삼투유도용액컨테이너(12)에 연통된 유도용액 배출연결부를 통해서 가열부(20)로 배출된다.
담수화단계(S30)는 혼합용액으로부터 담수를 추출해내는 과정으로, 크게 가열단계(S31)와 증류단계(S32)로 이루어진다. 가열단계(S31)와 증류단계(S32) 각 단계에서 모두 담수가 배출된다.
가열단계(S31)는 가열부(20)에서 이루어지며, 가열부(20)는 제 1가열기(21), 제 2가열기(22) 및 제 3가열기(23)가 연속으로 연결되어 있는 히터로 구성되는 것이 바람직하다. 제 1가열기(21), 제 2가열기(22) 및 제 3가열기(23)는 열교환기 장치로 고온의 유체 사이에서 열의 이동이 실시되면서 혼합용액의 가열을 목적으로 한다. 가열기의 열전달면적이 클수록 열전달 정도도 커지며, 제 1가열기(21)의 열전달면적은 100 내지 500m2, 제 2가열기(22)의 열전달면적은 150 내지 650m2, 제 3가열기(23)의 열전달면적은 10 내지 100m2인 것이 바람직하며, 각 가열기의 유체 방향은 무관하나 혼합용액의 진행방향과 반대 방향인 것이 효과적이다. 정삼투식 해수담수화 공정시, 혼합용액을 가열함에 있어 서로 열전달정도를 달리할 수 있는 가열기를 3개 연속으로 배열하여 가열함으로써 담수화의 효율을 높일 수 있다. 이는 오랜 연구 끝에 다음 단계인 증류단계(S32)의 증류 조건과 맞물릴 때 우수한 담수화 효과를 구현해 낼 수 있음을 밝혀낸 것이다.
가열부(20)에서 가열에 의해 혼합용액으로부터 담수가 분리되며 이는 각 가열기에 연통되어 있는 담수 배출연결부를 통해 담수가 배출된다.
증류단계(S32)는 가열단계(S31)를 거친 혼합용액을 증류부(30)에서 증류하여 최종적으로 혼합용액으로부터 담수를 분리해내는 과정이다. 증류부(30)는 증류탑을 이용하며 가열단계(S32)를 거친 혼합용액은 증류탑의 상부에 공급되어, 하부로 담수가 배출되는 형태이다. 증류탑은 10 내지 15개, 바람직하게는 13개의 트레이(tray)로 이루어지는 것이 효과적이며, 압력은 1.01 내지 1.02bar, 바람직하게는 1.015bar가 효과적이며, 환류비(reflux ratio)는 5.0 내지 15mol%인 것이 효과적이다. 트레이가 10개 미만인 경우에는 담수의 순수도도 현저히 떨어지며, 15개를 초과하는 경우에는 비경제적이다. 환류비 또한 상기 범위 내에 있을 때, 순수한 담수의 생성이 가능하고 이를 통해 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 이를 유지하기 위하여 증류부(30)에서 바로 담수로 배출하지 않고 담수 배출연결부에 리보일러(reboiler)(40)의 구성을 추가하는 것이 더욱 바람직하고, 리보일러(40)를 통해 가열시킴으로써 담수를 더욱 정제하여 순수도를 확보하여 담수로써 배출하도록 한다.
담수화단계(S30)를 거쳐 혼합용액에서 순수한 담수가 가열부(20)와 증류부(30)에서 각각의 담수 배출부를 통해서 배출되고, 혼합용액에서 담수가 제거되어 더욱 농축된 혼합용액은 증류탑 상부에 연통되어 있는 혼합용액 배출연결부를 통해서 혼합부(50)로 이동하게 된다.
회수단계(S40)는 담수화단계(S30)를 거쳐 담수를 분리하여 배출하여 더욱 농축된 혼합용액에서 분해된 암모니아기체, 이산화탄소기체 및 물을 혼합하여 재사용가능한 정삼투유도용액을 회수하는 단계이다. 가열단계(S31)와 증류단계(S32)에서 혼합용액이 열에 의해 가열되기때문에 탄산수소암모늄이 포함된 혼합용액에서 암모니아기체와 이산화탄소기체가 발생하게 되고, 상기 암모니아기체와 이산화탄소기체가 혼합부로 이동하게 된다. 암모니아기체는 물에 대한 용해도가 상온에서 18mol/L를 넘어 물에 재용해시키기 용이하나, 이산화탄소기체는 0.05mol/L에도 미치지 않는 용해도를 가지는 기체여서 물에 재용해시키는 것이 쉽지 않다. 높은 용해도를 가지는 암모니아기체가 이산화탄소기체보다 먼저 물에 용해되어 암모니아수의 염기성에 의해 이산화탄소기체와의 접촉이 용이해져 이산화탄소기체를 효과적으로 용해시킬 수 있다.
이와 같이 이산화탄소기체의 용해도를 현저히 증가시킬 수 있는 것은, 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 조절함으로써 이산화탄소기체의 용해도는 극대화된다. 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 제어하기 위해서, 상기에서 설명한 바와 같이, 초기 투입 탄산수소암모늄의 몰농도를 1.5 내지 3몰농도로 하여 삼투압 및 혼합용액의 몰농도를 조절하고, 3개의 가열기가 연결된 히터를 통해 담수화를 거치게 되는 것이다.
또한, 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비 제어를 위한 또 하나의 주요 요소는 담수화단계(S30)와 회수단계(S40)의 유량비 조절이다. 유량비 조절은 화학적 평형에 의해서 암모니아기체와 이산화탄소기체의 용해도를 모두 증가시킬 수 있다. 담수화단계(S30) 및 회수단계(S40)에서의 유량 질량비는 1:04 내지 1:0.6인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 1:0.45 내지 1:0.55, 더욱 바람직하게는 1:0.50인 것이 가장 효과적이다. 상기와 같은 범위의 유량 질량비일 때, 공급되는 혼합용액, 암모니아기체, 이산화탄소기체, 물의 양에 의해 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 일정하게 제어가능하다.
본 발명에서 혼합부(50)에서 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피는 1:0.75 내지 1:0.89인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1:0.81 내지 1:0.87인 것이 효과적이다. 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비가 1:0.75 미만인 경우에는 암모니아기체가 모두 용해되지 않고 기체 상태의 암모니아가 다수 존재하여 초기에 투입한 탄산수소암모늄이 포함된 유도용액과 동일한 농도를 재현하기 어렵고, 부피비가 1:0.89을 초과하는 경우에는 용해된 암모니아기체의 양이 적어 pH가 작아 이산화탄소기체와의 접촉이 어려워지고 이에 따라 이산화탄소의 용해도를 증가시키기 어렵다.
도 4 에서는 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비에 따른, 용해되지 않은 이산화탄소기체의 비율을 그래프로 표시하였다. 암모니아기체와 이산화탄소가기체가 일정 부피비 이하에서는 용해되지 않은 이산화탄소기체가 없이 완전하게 용해될 수 있음을 확인할 수 있다. 30℃에서는 약 1:0.89 의 부피비를 초과할 때부터 용해되지 않은 이산화탄소기체가 발생하며 용해되지 않은 이산화탄소의 비율은 급격하게 증가하여, 초기 농도와 동일한 유도용액을 회수하기 어렵다. 이는 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비가 1:0.89일 때 임계적 의의가 있음을 의미한다.
본 발명은 정삼투식 해수담수화 공정 내에서 유도용액의 몰농도 및 각 단계에서의 조건을 최적화함으로써, 암모니아기체와 이산화탄소기체의 부피비를 조절하여 가열 또는 가압과 같은 추가적인 공정부가없이 암모니아기체와 이산화탄소기체를 용이하게 용해시키고, 이를 통해 효과적으로 동일한 몰농도의 유도용액을 회수할 수 있다. 가열이나 가압과 같은 추가 공정이 불필요하여 소모 에너지를 최소화할 수 있으며, 공정이 단순해지고 담수화 효율이 증가된다.
회수단계(S40)에서 암모니아기체와 이산화탄소기체를 재용해시키는 물은 담수화단계(S30)에서의 혼합용액을 사용한다. 즉, 가열단계(S31)에서 혼합용액의 일부를 3개의 가열기에 각각 연통되어 있는 혼합용액 배출연결부를 통해서 이동시킨다. 해수담수화 공정 내에서 발생한 혼합용액을 유도용액을 회수하기 위한 용매로 사용하여, 외부에서 추가로 물을 제공할 필요가 없어 경제적이며 추가적인 에너지 소모를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 : 삼투압반응기
11 : 해수컨테이너
12 : 정삼투유도용액컨테이너
13 : 삼투막
20 : 가열부
21 : 제 1가열기
22 : 제 2 가열기
23 : 제 3 가열기
30 : 증류부
40 : 리보일러(reboiler)
50 : 혼합부

Claims (7)

  1. 정삼투식 해수담수화 공정의 정삼투유도용액을 회수하는 방법에 있어서,
    정삼투유도용액컨테이너, 해수컨테이너 및 상기 정삼투유도용액컨테이너와 상기 해수컨테이너 사이에 위치한 삼투막을 포함하는 삼투압반응기가 있고, 상기 정삼투유도용액컨테이너에 탄산수소암모늄을 포함하는 정삼투유도용액을 공급하고, 상기 해수컨테이너에 해수를 공급하는 준비단계;
    상기 해수의 물 분자가 상기 삼투막을 통과하여 상기 정삼투유도용액이 희석된 혼합용액을 생성하는 정삼투반응단계;
    상기 정삼투반응단계를 거친 상기 혼합용액을 열전달 정도가 서로 다른 제1 가열기, 제2 가열기 및 제3 가열기가 연속으로 배열되어 있는 히터에 의해 가열한 후 증류하여 담수를 분리하고 상기 담수를 배출하는 담수화단계; 및
    상기 담수화단계에서 발생한 암모니아기체, 이산화탄소기체를 물에 용해하여 정삼투유도용액을 회수하는 회수단계;를 포함하고,
    상기 회수단계에서, 상기 암모니아기체는 상기 물에 먼저 용해되어 암모니아수를 생성하고 상기 암모니아수는 상기 이산화탄소기체와 접촉하여 상기 이산화탄소기체의 용해도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 정삼투유도용액의 회수방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄산수소암모늄은 1.5 내지 3몰농도인 것을 특징으로 하는 정삼투유도용액의 회수방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 정삼투반응단계에서 상기 혼합용액은 0.7 내지 1.8몰농도인 것을 특징으로 하는 정삼투유도용액의 회수방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 회수단계에서 상기 물은 상기 혼합용액인 것을 특징으로 하는 정삼투유도용액의 회수방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회수단계에서 상기 물은 상기 혼합용액이고,
    상기 혼합용액의 상기 담수화단계 및 상기 회수단계에서의 유량 질량비는 1:0.4 내지 1:0.6인 것을 특징으로 하는 정삼투유도용액의 회수방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 암모니아기체와 상기 이산화탄소기체의 부피비는 1:0.75 내지 1:0.89인 것을 특징으로 하는 정삼투유도용액의 회수방법.
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