KR101489855B1 - 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 본 발명의 삼투에너지 회수 혹은 생산이 가능한 해수담수화 시스템은 제 1 유입수를 여과하여 담수를 생산하는 제 1 반투과막 설비;
유입되는 제 1 용액에 압력을 가하여 상기 제 1 반투과막 설비에 상기 제 1 유입수로서 공급하는 가압펌프;
상기 제 1 반투과막 설비로 부터의 농축수의 압력을 상기 제 1 용액에 전달하여 제 1 반투과막 여과에 필요한 압력을 일정 충당하는 제 1 압력 교환 장치;
상기 제 1 압력 교환 장치를 통해 상기 농축수의 압력을 전달받은 상기 제 1 용액을 더 가압하여 상기 제 1 반투과막 설비에 공급하는 압력 전달 수단;
상기 제 1 반투과막 설비의 농축수보다 낮은 염도의 제 2 용액이 제 2 유입수로서 유입되고, 상기 농축수가 삼투 유도 용액으로 유입되어, 상기 농축수와 제 2 유입수와의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 삼투 에너지 발생에 따라 상기 제 2 용액에서 상기 농축수 방향으로 용매의 흐름이 발생하게 되고, 상기 농축수의 농도가 희석되고 체적이 증가하고 삼투에너지를 포함하는 제 2 반투과막 유출수를 발생시키는 제 2 반투과막 설비; 및 상기 유출수의 발생에너지 또는 압력을 상기 제 1 용액에 전달하는 제 2 압력 교환 장치를 포함한다.
유입되는 제 1 용액에 압력을 가하여 상기 제 1 반투과막 설비에 상기 제 1 유입수로서 공급하는 가압펌프;
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Description
본 발명은 해수 담수화 혹은 고염도수의 담수처리 공정에서 에너지를 생산하고 회수하는 기술 분야에 관한 것으로, 분리막 사이의 농도가 다른 두 용액의 삼투압을 이용하여 에너지를 회수할 수 있는 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
현재 먹는 물 혹은 산업용수가 부족해지는 국가가 늘어나면서 해수담수화의 중요성이 증대되고 있다. 최근 해수담수화 공정기술은 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)을 적용한 공정을 중심으로 증가하고 있으나, 역삼투를 위해서 소모되는 에너지가 높은 편이므로, 에너지 소모량을 줄이기 위한 혁신적인 기술이 요구된다.
이에 정삼투(forward osmosis) 기술을 해수담수화 공정에 접목하여 에너지 소모량을 절감하기 위한 방법이 개발되고 있다.(이하, 특허문헌 1 및 2 참조). 일반적인 정삼투(forward osmosis) 기술에서는 이론적으로 에너지의 소모량을 획기적으로 절감할 수 있으나, 정삼투막을 통한 삼투흐름을 발생시키기 위한 인위적으로 적용되는 유도용액(Draw solution)의 회수 기술 등이 아직까지 미비한 문제점이 있다.
최근에는 인위적으로 가공되어 적용되는 유도용액 대신에 기존의 해수나 고염도수를 정삼투 유도용액으로 적용하고, 하수처리수와 같은 저염도수(Brackish water)를 원수로 하는 정삼투 해수담수화 공정기술이 개발되고 있다.
이러한 정삼투 공정기술 중에서는 삼투막 사이의 두 용액의 농도차에 의해 발생된 삼투압을 이용하여 에너지를 회수하거나 생산할 수 있는 압력지연삼투(PRO : pressure retarded osmosis) 공정 기술이 주목을 받고 있으나, 현재 PRO 공정기술의 상업화를 위해서는 최대 에너지 회수 혹은 생성을 위한 최적화된 시스템 개발이 요구되고 있다.
삼투 프로세스의 구동력은 반투과막에 마주하는 두 개의 용액사이의 삼투 압력 차이이며, 용액의 삼투 압력은 반트 호프(Van't Hoff) 관계에 의해 계산된다.
π = v.c.R.T.
여기서, v는 용질의 담수화 동안 발생된 다수의 이온이고, θ는 삼투 계수이고, c는 모든 용질의 농도(moles/l), R은 보편 기체 상수(univeral gas constant)(0.083145 1.bar/moles.K), 및 T는 절대 온도(K)이다.
삼투압 차이에 의해 반투과막을 통과하는 유수량(water flux)는 다음 식(McCutcheon and Elimelech, 2007)으로서 주어진다.
Jw = A(πD,b － πF,b)
여기서, Jw는 반투과막을 통과하는 유수량이고, A는 반투과막의 퓨어 워터(pure water) 투과성능 계수이고, πD,b 및 πF,b은 각각 추출 및 공급 시의 벌크 삼투압이다.
PRO는 두 개의 수용액의 염도 차이에 대한 혼합의 깁스 자유 에너지(Gibbs free erengy)를 이용하여 에너지(파워)를 발생하거나 회수하도록 사용된다.(Sandler, S. I., 1999, Chemical Engineering Thermodynamics, 3rded.;Wiley).
－ΔGmix = RT{[∑xiln(
ixi)]M －θA[∑xiln(
ixi)]A－θB[∑xiln(
ixi)]B}
여기서, xi 는 용액내의 시약(species) 
의 몰 부분이고, R은 기체 상수이고, T는 온도이며, 
는 시약의 활동도 계수이다.
PRO 시스템에 있어서, 일정한 유체압이 고염도 수용액에 가해지며, 저염도 수용액으로부터 계속해서 물이 침투하는 반면, 두 용액의 삼투압 차이는 인가된 유체 압력보다 더 높다. 고염도 수용액의 압력은 용액의 체적 플럭스가 증가하는 동안의 혼합의 깁스 자유 에너지로 부터 추가 에너지로 전환된다.
Yip 및 Elimelch(2012)에 의하면, 일정한 압력 PRO 프로세스에서 가장 높이 추출할 수 있는 작업은 해수 및 강물이 추출 및 공급 용액으로 각각 사용될 때, 0.75 kWh/m3이다. 그러므로 수확된 혼합의 깁스 자유 에너지의 압력 및 체적을 고려하면, 프로세스를 위한 에너지를 발생하거나 압력을 회수하는데 사용될 수 있을 것이다.
PRO 공정을 통한 삼투에너지를 실제 전력으로 생산하기 위해서 보통 수차 터빈을 이용하여 수용액의 압력 및 체적 플럭스를 전력(동력)으로 전환할 수 있다. 이 때 최신 펠톤(Pelton) 터빈이 92% 효율로 이를 수 있다 하더라도 평균 효율은 일반적으로 90% 정도 수준이다.
하지만 PRO 공정으로부터 발생되는 삼투에너지를 그대로 회수하여 기존의 해수담수화 공정에 적용할 수 있는 기술을 개발한다면 에너지 회수 효율을 극대화 할 수 있다.
역삼투 해수담수화 공정에서는 역삼투막(RO막) 농축수의 압력을 해수 원수로 전달하여 회수할 수 있는 압력교환장치가 적용 된다. 이 기술을 통해 역삼투 해수담수화 공정의 해수 원수의 역삼투막으로 유입되는 가압을 위한 소모에너지를 절감할 수 있으며, 압력교환장치를 통해 최대 97%의 효율로 역삼투막 농축수의 압력을 해수 원수로 전달할 수 있다.
이러한 압력교환장치를 활용한 압력 회수 및 전달 기술은 압력지연삼투 공정(PRO막여과 공정)을 접목한 해수담수화 복합 공정에 유용하게 적용할 수 있다. 즉, 발생된 삼투에너지를 기존의 수차터빈을 통해 전력으로 생산하는 방식보다는 압력교환장치를 이용하여 그대로 해수 원수에 전달함으로서 에너지 회수 효율을 더욱 향상 시킬 수 있고, 공정 설비 또한 간소화 할 수 있기 때문이다.
(특허문헌 1) PCT/US02/02740호(2002.02.01. 출원)(WO02/060825; 2002.08.08 Bulletin 2002/32))
(특허문헌 2) PCT/ES11/070218호(2011.03.29. 출원)(WO11/144778; 2011.11.24 Bulletin 2011/47)
본 발명의 목적은 역삼투 해수담수화 공정에 압력지연삼투(PRO, Pressure Retarded Osmosis) 공정 기술을 접목하여, 압력지연삼투막(PRO막)을 통해 발생된 삼투에너지를 동력으로 생산하거나 해수담수화 공정으로 회수하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르는 삼투 에너지 회수가 가능한 담수 시스템은 제 1 유입수를 여과하여 담수를 생산하는 제 1 반투과막 설비; 유입되는 제 1 용액에 압력을 가하여 상기 제 1 반투과막 설비에 상기 제 1 유입수로서 공급하는 가압펌프; 상기 제 1 반투과막 설비로 부터의 제 1 농축수의 압력을 상기 제 1 용액에 전달하여 제 1 반투과막 여과에 필요한 압력을 일정 충당하는 제 1 압력 교환 장치; 상기 제 1 압력 교환 장치를 통해 상기 제 1 농축수의 압력을 전달받은 상기 제 1 용액을 더 가압하여 상기 제 1 반투과막 설비에 공급하는 압력 전달 수단; 상기 제 1 반투과막 설비의 농축수보다 낮은 염도의 제 2 용액이 제 2 유입수로서 유입되고, 상기 농축수가 삼투 유도 용액으로 유입되어, 상기 농축수와 제 2 유입수와의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 삼투 에너지 발생에 따라 상기 제 2 용액에서 상기 농축수 방향으로 용매의 흐름이 발생하게 되고, 상기 농축수의 농도가 희석되고 체적이 증가하고 삼투에너지를 포함하는 제 2 반투과막 유출수를 발생시키는 제 2 반투과막 설비; 및 상기 유출수의 발생에너지 또는 압력을 상기 제 1 용액에 전달하는 제 2 압력 교환 장치를 포함하되, 상기 가압펌프는 상기 제 2 압력교환장치를 통해 압력 혹은 에너지를 전달 받은 상기 제 1 용액을 제 1 반투과성막으로 유입시켜 저압으로 담수 생산을 가능하게 하고, 상기 제 1 압력 교환 장치 및 압력 전달 수단은 상기 제 2 압력교환장치를 통해 압력 혹은 에너지를 전달 받은 상기 제 1 용액을 일부 분기하여 상기 농축수로부터 압력을 더 전달받을 수 있도록 하여, 상기 농축수의 압력과 삼투에너지를 전달 받은 상기 제 1 용액을 일정 부분 가압하여 상기 제 1 반투과성막으로 유입시켜 담수 생산을 가능하게 한다.
상기 제 1 용액을 일부 분기하는 제 1 분리 장치와, 상기 제 1 분리 장치를 통해 분리된 어느 하나의 용액 흐름이 역삼투 해수담수화 공정의 시작 시에 상기 제 1 반투과성막으로 유입시켜 담수를 생산할 수 있도록 가압할 수 있는 시동용 가압펌프를 더 포함하되, 상기 나머지 하나의 용액 흐름이 상기 제 1 압력 교환 장치에 유입되어 상기 제 1 농축수로부터 압력을 전달 받고 제 1 반투과성막으로 유입시키거나 상기 제 1 반투과성막으로 유입되는 용액과 혼합시켜 담수를 생산할 수 있다.
상기 제 1 농축수가 상기 압력 전달 수단을 통해 상기 제 1 용액에 일부 압력을 전달하고, 나머지 압력을 상기 제 2 반투과막 설비에 유입되는 흐름에 이용하는 제 2 분리 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 나머지 압력을 상기 제 2 반투과막으로 유입시켜 상기 제 2 용액과의 농도차에 의한 삼투압을 발생시키는 부스터 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 용액이 상기 제 2 반투과막 설비로 유입되기 전에 상기 제 2 용액을 막여과 혹은 여재여과를 통해 전처리하는 설비를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 반투과막 설비를 통해 발생된 삼투에너지를 포함하는 상기 제 2 농축수를 이용하여 에너지를 발생하도록 동력 혹은 전력으로 변환하거나 발생시키는 에너지 발생 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 발생 장치는 수차 터빈 혹은 펠톤 터빈인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 용액은 해수 또는 고염도 수용액인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제 2 용액은 하수 처리수, 표면수, 지표수, 하천수 또는 저농도 염수인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 반투과막은 역삼투막을 포함할 수 있다.
상기 제 2 반투과막은 정삼투막, PRO막, NF막 또는 중공사 파이버 또는 나선형 권선이 형성된 막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 삼투에너지 회수가 가능한 담수화 시스템의 담수화 방법으로서, 상기 제 2 반투과막 설비에서 상기 제 1 반투과막 설비의 농축수가 삼투 유도 용액으로서 유입되고, 상기 농축수보다 낮은 염도의 제 2 용액이 유입수로서 상기 농축수의 주입 방향과 반대 방향으로 유입되어, 상기 농축수와 유입수와의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 제 2 용액의 용매가 희석되어 상기 제 1 압력 교환 장치에 공급되어 상기 발생된 삼투에너지를 상기 제 1 반투과막 설비에 전달하거나 교환하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 압력지연삼투(PRO) 혹은 정삼투 공정기술을 역삼투 해수담수화 공정에 접목하여 압력지연삼투 혹은 정삼투 공정으로부터 발생된 삼투에너지를 회수하여 역삼투 해수담수화 공정에 적용함으로써, 기존의 역삼투 해수담수화 공정에서의 역삼투 반투과성막을 여과시키기 위한 가압장치의 에너지 소모량을 절감할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 압력지연삼투(PRO) 혹은 정삼투를 통해 발생되는 삼투에너지를 가지는 희석 농축수의 일부를 펠톤 터빈 등과 같은 에너지 발생 장치에 유입시켜 에너지를 생성할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램이다.
도 2는 도 1 실시예의 물질 균형의 상세 예시 다이어그램이다.
도 3은 도 2 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램이다.
도 5은 도 4 실시예의 물질 균형의 상세 예시 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램이다.
도 7은 도 6 실시예의 물질 균형의 상세 예시 다이어그램이다.
도 8은 도 7 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
도 2는 도 1 실시예의 물질 균형의 상세 예시 다이어그램이다.
도 3은 도 2 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램이다.
도 5은 도 4 실시예의 물질 균형의 상세 예시 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램이다.
도 7은 도 6 실시예의 물질 균형의 상세 예시 다이어그램이다.
도 8은 도 7 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
본 발명은 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 3개의 실시예로서 도 1 내지 도 8에 도시되어 설명되며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 병기하여 사용하였다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램을 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 담수화 시스템은 유입 해수(2)가 유입되는 제 1 압력 교환 장치(36)와, 상기 제 1 압력 교환 장치(36)를 통과하면서 압력을 전달받은 유입 해수(57)가 제 1 분기액(56)과 제 2 분기액(70)으로 분기되고, 제 2 분기액(70)이 유입되는 가압펌프(48)와, 상기 가압펌프(48)를 통과한 제 2 분기액(70)이 제 1 유입수(10)로서 유입되는 제 1 반투과막 설비(11)와, 상기 제 1 반투과막 설비(11)로부터 배출되는 제 1 농축수(14)를 상기 제 2 압력 교환 장치(17)로 보내어 제 1 분기액(56)에 압력을 전달하게 되고 이 후 제 2 압력 교환 장치(17)를 통해 압력을 전달받은 제 1 분기액(46)의 압력을 증가시켜서 상기 제 1 유입수(10)에 합류시키는 부스터 펌프(19)와, 상기 제 1 반투과막 설비(11)의 제 1 농축수(14)보다 낮은 염도의 제 2 유입수(29)가 유입되고, 상기 제 1 농축수(14)가 삼투 유도 용액(24)으로 유입되어, 상기 삼투 유도 용액(24)과 제 2 유입수(29)와의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 제 2 유입수(29)의 용매가 제 2 반투과막을 통해 상기 삼투 유도 용액(24)으로 여과되어 유입되고 상기 삼투 유도 용액(24)은 희석되고 유량이 증가하며 삼투에너지를 포함하는 제 2 농축수(32)로서 배출되되, 제 2 농축수(32)가 제 1 압력 교환 장치(36)을 통해 상기 유입 해수(2)에 압력을 전달하는 제 2 반투과막 설비(25)를 포함한다.
압력을 전달받은 유입 해수(57)는 제 1 분기액(56)과 제 2 분기액(70)으로 분기되고, 분기된 제 2 분기액(70)은 가압펌프(48)를 통해 제 1 반투과막 설비(11)로 유입되며, 제 1 분기액(56)은 상기 설명한대로 제 1 농축수(14)로부터 제 2 압력 교환 장치(17)를 통해 압력을 전달받고 가압펌프(48) 이후의 유입수(10)와 혼합되어 제 1 반투과막 설비(11)로 유입된다.
본 발명에 있어서, 유입 해수(2)는 고염도 수용액이고, 원수(27)는 하수 처리수, 표면수, 지표수, 하천수 또는 저농도 염수일 수 있다.
삭제
또한 제 1 반투과막은 나노 필터 또는 역삼투막을 포함하고, 제 2 반투과막은 정삼투막, PRO막, NF막 또는 중공 파이버 또는 나선형 권선이 형성된 막을 포함할 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수 시스템의 프로세스를 설명하면 다음과 같다.
예를 들어 1bar의 사전처리된 제 1 용액, 예컨데 유입 해수(2) 100 m3/h가 담수원(1)으로부터 제 1 압력 교환 장치(36)에 공급되어 소정의 레벨, 예컨대 29.8bar의 압력으로 증가될 수 있다.
제 1 압력 교환 장치(36)를 통해 압력을 전달받은 유입 해수(57)는 두 개의 분기액(56)(70)으로 분리될 수 있다. 제 1 분기액(56)은 제 2 압력 교환 장치(17)에 유입되어 29.8bar 보다 상대적으로 높은 레벨, 예컨대 58bar의 압력으로 증가될 수 있다.
제 2 압력 교환 장치(17)를 통과하면서 압력을 전달받은 제 1 분기액(46)은 압력 조절 장치, 예를 들어 부스터 펌프(19)에 공급되어 역삼투 해수담수화에 적합한 압력, 즉 60bar의 압력으로 더 증가될 수 있다.
제 2 분기액(70)은 압력 조절 장치, 예를 들어 가압펌프(48)에 공급되어 압력이 증가될 수 있고, 가압펌프(48)를 통과하면서 압력이 증가된 제 1 유입수(10)는 제 1 반투과막 설비(11)로 유입되어 담수화 프로세스를 실행할 수 있으며, 제 1 반투과막 설비(11)는 예를 들어 담수화용 반투과막을 포함하는 역삼투의 SWRO 설비일 수 있다.
이와 같이 본 발명 담수화 시스템은 부스터 펌프(19)를 통과하면서 압력이 증가된 흐름(47)이, 가압펌프(48)를 통과하면서 압력이 증가된 제 1 유입수(10)와 혼합되어, 제 1 반투과막 설비(11)에 공급될 수 있으므로, 가압펌프(48)의 소모전력을 줄일 수 있다.
제 1 반투과막 설비(11)를 통과한 1bar의 투과 또는 생산수(12)는 예를 들어 저염도로서 휴대용 음료, 관개, 또는 산업 용도와 같은 다른 용도를 위한 생산수 저장 설비(13)에 공급될 수 있다. 제 1 반투과막 설비(11)로부터 농축되어 배출되는 59bar의 제 1 농축수(14)는 다시 제 2 압력 교환 장치(17)에 유입될 수 있다.
제 2 압력 교환 장치(17)로 공급되는 제 1 농축수(14)는 제 1 분기액(56)에 압력을 전달하게 되며, 제 1 분기액(56)에 압력을 더하여 제 2 압력교환 장치(17) 이후의 흐름(46)의 압력은 58bar 정도로 증가된다. 이 후 제 2 압력 교환 장치(17)를 통해 압력을 제 1 분기액(56)에 전해준 농축수(21)는 압력지연삼투(PRO)막 설비의 삼투 유도 용액으로서 적합한 압력까지 증가되도록 부스터 펌프(23)에 유입될 수 있다.
부스터 펌프(23)를 통과한 흐름은 고염도 및 고압, 예를 들어 31bar의 삼투 유도 용액(24)으로서 제 2 반투과막 설비(25)에 공급되어 삼투 에너지를 발생할 수 있다.
하수 처리원(26)으로 부터의 제 2 용액, 예를 들어 1차 처리된 폐수, 2차 처리된 폐수, 3차 처리된 폐수, 염수, 지표수 및 표면수와 같은 1bar의 하수 처리수(27)는 수질, 압력 및 체적 흐름율 등이 소망 레벨로 조절되도록 가압펌프가 설비된 설비(28)에 공급될 수 있다. 이때 설비(28)는 소망하는 질과 양에 따라 필터 프로세스를 적절히 사용하여 압력 및 체적 흐름율을 다르게 조절할 수 있다.
제 2 반투과막 설비(25)에는 하수 처리수(27)가 설비(28)를 통과하면서 5bar로 압력이 조절된 제 2 유입수(29)가 공급되고, 또한 제 1 반투과막 설비(11)의 제 1 농축수(14)가 부스터 펌프(23)를 통과하여 고염도 및 고압의 삼투 유도 용액(24)이 공급됨에 따라, 즉 삼투 유도 용액(24)보다 낮은 염도의 하수 처리수(27)의 유입수(29)가 상기 삼투 유도 용액(24)의 주입 방향과 반대 방향으로 유입되어, 상기 삼투 유도 용액(24)과 하수 처리수(27)의 유입수(29)와의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 하수 처리수(27)의 용매가 제 2 반투과막을 통해 여과되어 상기 삼투 유도 용액(24)은 희석되고 30.7bar의 제 2 농축수(32)로 배출되어 제 1 압력 교환 장치(36)에 공급되며, 유입 해수(2)에 삼투 에너지 혹은 삼투압을 전달한다. 이후 제 1 반투과막 설비(11)에 전달될 수 있고, 그 결과 담수화 프로세스의 에너지 소비를 낮출 수 있다.
또한 제 2 유입수(29)는 제 2 반투과막 설비(25)내의 제 2 반투과막을 통해 수분 함량의 일부를 잃어버림에 따라 농축된 0.5bar의 흐름(30)으로서 추출되어 다른 프로세스에의 처리를 위한 저장 또는 전달 설비(31)에 공급될 수 있다.
제 1 압력 교환 장치(36)를 통해 압력이 1bar로 감소된 흐름(54)은 다른 처리 또는 유입 프로세스를 위한 설비(55)에 공급될 수 있다.
이와 같이 제 2 반투과막 설비(25)의 분리막은 반투과성 정삼투막으로서 삼투압에 의해 염도가 낮은 용액의 순수한 물(용매)이 염도가 높은 용액으로 흘러들어가며, 이때 염도가 낮은 용액의 용질 및 이온 성분은 반투과성 막의 특성에 의해 걸러지게 되므로, 염도가 높은 쪽의 용액은 삼투에너지를 전달받게 된다. 이에 따라 기존의 담수 RO(Reverse Osmosis) 공정에서 발생되는 농축수를 PRO 분리막에 유입시키고 이 농축수 보다 염도가 낮은 용액을 PRO 분리막 반대방향으로 주입하면, PRO 분리막 사이로 염도가 높은 용액(RO 농축수 등)과 염도가 낮은 용액(하수처리수 등)이 존재하고 되고, 이때, 염도차에 의한 삼투압의 삼투 에너지가 발생되게 된다.
도 2는 도 1 제 1 실시예의 물질 균형(mass balance)의 상세 다이어그램을 나타내는 것으로, 각 흐름들의 염도, 체적 흐름율, 및 압력 사양을 포함하고 있다. 물질 균형 계산은 고염도의 사전 처리된 유입 해수(2)의 100m3/h 체적 흐름율, 제 1 반투과막 설비(11)와 같은 제 1 반투과막 프로세스의 50% 회수 효율 및 제 2 반투과막 설비(25)와 같은 제 2 반투과막 프로세스로 부터의 100% 체적 흐름율 증가에 의거한다.
도 3은 도 2 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램으로, 삼투막 프로세스는 제 2 반투과막 설비(25)와 같은 제 2 반투과막 프로세스를 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램을 나타내고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 담수화 시스템은 유입 해수(2)를 두 개의 흐름(43)(44)으로 분리하는 제 1 분리 장치(3)와, 상기 제 1 분리 장치(3)를 통해 분리된 어느 하나의 흐름(43)이 담수화 프로세스의 개시 흐름으로 제 1 반투과막 설비(11)에 유입되는 유입수(10)에 혼합되도록 공급하는 시동용 시동 펌프(49)를 더 포함하되, 상기 나머지 하나의 흐름(44)은 제 1 압력 교환 장치(36)에 유입되는 구성 이외에는 도 1 실시예의 구성과 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4의 실시예에 있어서, 사전처리된 유입 해수(2)가 담수원(1)으로부터 제 1 분리 장치(3)에 유입되고, 제 1 분리 장치(3)는 유입 해수(2)를 두 개의 흐름(43)(44)으로 분리한다.
흐름(43)은 시동 펌프(49)에 공급되어, 압력이 증가된 흐름(69)로서 가압펌프(48)를 통과한 유입수(10)에 혼합되는 구성이다.
이와 같이 도 4의 실시예는 유입 해수(2)의 일부를 시동 펌프(49)를 통해 유입수(10)에 추가하여, 담수화용 반투과막, 예를 들어 역삼투의 제 1 반투과막 설비(11)에 공급되므로, 가압펌프(48)의 소모전력을 줄일 수 있다.
도 5는 도 4 실시예의 물질 균형의 상세 예시 다이어그램으로서, 각 흐름들의 염도, 체적 흐름율, 및 압력 사양을 포함하고 있다. 물질 균형 계산은 도 2의 실시예와 마찬가지로, 고염도의 사전 처리된 해수(2)의 100m3/h 체적 흐름율, 제 1 반투과막 설비(11)와 같은 제 1 반투과막 프로세스의 50% 회수 효율 및 제 2 반투과막 설비(25)와 같은 제 2 반투과막 프로세스로부터의 70% 체적 흐름율 증가에 의거한다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 담수화 시스템은 유입 해수(2)를 제 1 용액(4)과 제 2 용액(5)으로 분리하는 제 1 분리 장치(3)와, 상기 제 1 분리 장치(3)를 통해 분리된 제 2 용액(5)을 다시 제 3 용액(7)과 제 4 용액(8)으로 분리하되, 제 3 용액(7)은 담수화 프로세스의 개시 흐름으로 가압펌프(48)에 공급되고, 제 4 용액(8)은 제 2 압력 교환 장치(17)로 공급되어 압력이 증가되는 제 2 분리 장치(6)를 더 포함하며, 제 1 분리 장치(3)를 통해 분리된 제 1 용액(4)은 제 1 압력 교환 장치(36)에 유입될 수 있다.
또한, 도 6 실시예의 담수화 시스템은 제 2 반투과막 설비(25)를 통해 희석 농축되어 배출되는 제 2 농축수(32)를 제 5 용액(34)과 제 6 용액(35)으로 분리하되, 제 6 용액(35)을 제 1 압력 교환 장치(36)로 공급하는 제 3 분리 장치(33)와, 상기 제 3 분리 장치(33)를 통해 분리된 제 5 용액(34)이 유입되어, 제 2 반투과막 설비(25)에서 발생된 삼투 에너지의 일부를 이용하여 에너지를 발생하는 에너지 발생 장치(40)를 더 포함할 수 있다.
이때, 에너지 발생 장치(40)로서 폴톤 터빈과 같은 하이드로 터빈이 바람직하다.
더구나, 제 1 반투과막 설비(11)를 통해 배출되는 제 1 농축수(14)를 제 7 용액(16)과 제 8 용액(22)으로 분리하되, 분리된 제 7 용액(16)이 제 2 압력 교환 장치(17)로 공급되고, 제 8 용액(22)은 부스터 펌프(23)에 공급되는 제 4 분리 장치(15)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 도 6의 실시예는 사전 처리된 유입 해수(2)가 담수원(1)으로부터 제 1 분리 장치(3)에 유입되고, 제 1 분리 장치(3)는 유입 해수(2)를 제 1 용액(4)과 제 2 용액(5)으로 분리한다.
삭제
제 2 용액(5)은 제 2 분리 장치(6)로 공급되어, 제 2 분리 장치(6)를 통해 다시 제 3 용액(7)과 제 4 용액(8)으로 분리되며, 제 3 용액(7)은 점선으로 도시된 바와 같이 담수화 프로세스를 위한 개시 흐름으로 가압펌프(48)에 공급되며, 가압펌프(48)를 통과한 흐름을 제 1 유입수(10)로서 제 1 반투과막 설비(11)에 공급한 후에는 폐쇄될 수 있다. 또한 제 4 용액(8)은 제 2 압력 교환 장치(17)로 유입될 수 있다.
또한 제 2 반투과막 설비(25)를 통해 배출되는 제 2 농축수(32)는 제 2 반투과막 설비(25)에서 발생된 삼투 에너지를 가지며, 제 3 분리 장치(33)를 통해 제 5 용액(34)과 제 6 용액(35)으로 분리되고, 제 6 용액(35)이 유입 해수(2)의 일부인 제 1 용액(4)에 삼투 에너지가 전달되도록 제 1 압력 교환 장치(36)로 공급되므로, 담수화 프로세스의 에너지 소비를 낮출 수 있고, 또한 흐름(34)을 통해 삼투 에너지의 일부가 폴톤 터빈과 같은 하이드로 터빈의 에너지 발생 장치(40)에 전달되어 에너지를 생성할 수 있다. 에너지 발생 장치설비(40)를 통해 배출되는 흐름(41)은 다른 프로세스에의 처리 또는 유입를 위해 설비(42)에 공급될 수 있다.
한편, 역삼투의 제 1 반투과막 설비(11)를 통해 배출되는 제 1 농축수(14)는 제 4 분리 장치(15)를 통해 제 7 용액(16)과 제 8 용액(22)으로 분리되어, 제 7 용액(16)은 제 2 압력 교환 장치(17)로 공급되고, 제 8 용액(22)은 제 2 압력 교환 장치(17)를 통과하면서 압력이 감소된 제 7 용액(21)이 부스터 펌프(23)에 공급되어 압력지연삼투에 적합한 압력으로 가압되고, 부스터 펌프(23)에서 제 7 용액(21)과 혼합되어 압력 균등화를 행할 수 있다. 이를 위해 부스터 펌프(23) 이외에 워터 제트 추출기를 사용할 수 있다.
도 7는 도 6 제 3 실시예의 물질 균형(mass balance)의 상세 예시 다이어그램을 나타내는 것으로, 각 흐름들의 염도, 체적 흐름율, 및 압력 사양을 포함하고 있다. 물질 균형 계산은 고염도의 사전 처리된 유입 해수(2)의 100m3/h 체적 흐름율, 제 1 반투과막 설비(11)와 같은 제 1 반투과막 프로세스의 50% 회수 효율 및 제 2 반투과막 설비(25)와 같은 제 2 반투과막 프로세스로 부터의 70% 체적 흐름율 증가에 의거한다.
도 8은 도 6 및 도 7 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램으로, 삼투막 프로세스는 제 2 반투과막 설비(25)와 같은 제 2 반투과막 프로세스를 나타내고 있고, 도 3과 유사하므로 설명의 편의상 그 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명의 바람직한 실시예들로서 단지 발명 원리의 적용을 예시하는 것에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
2 : 유입 해수 11 : 제 1 반투과막 설비
17 : 제 2 압력 교환 장치 19 : 부스터 펌프
23 : 부스터 펌프 25 : 제 2 반투과막 설비
27 : 원수 33 : 제 3 분리 장치
36 : 제 1 압력 교환 장치 40 : 에너지 발생 장치
48 : 가압펌프 49 : 시동 펌프
17 : 제 2 압력 교환 장치 19 : 부스터 펌프
23 : 부스터 펌프 25 : 제 2 반투과막 설비
27 : 원수 33 : 제 3 분리 장치
36 : 제 1 압력 교환 장치 40 : 에너지 발생 장치
48 : 가압펌프 49 : 시동 펌프
Claims (12)
- 외부로부터 공급되고 염분이 함유된 유입 해수의 압력을 조절하는 제 1 압력 교환 장치;
상기 제 1 압력 교환 장치에서 압력이 조절된 상기 유입 해수는 제 1 분기액과 제 2 분기액으로 분기되고, 상기 제 1 분기액의 압력을 조절하는 제 2 압력 교환 장치;
상기 제 2 분기액을 가압하는 가압펌프;
상기 제 2 압력 교환 장치에 의해 압력이 조절된 상기 제 1 분기액과 상기 가압펌프에서 가압된 상기 제 2 분기액이 혼합된 제 1 유입수를 공급받고, 상기 제 1 유입수를 여과하여 담수를 생산하고, 여과 후 남은 제 1 농축수를 배출하는 제 1 반투과막 설비; 및
상기 제 1 농축수보다 염도가 낮은 제 2 유입수를 공급받고, 상기 제 1 농축수를 삼투 유도 용액으로서 공급받고, 상기 제 2 유입수와 상기 제 1 농축수의 농도차에 의한 삼투 에너지가 발생되어 상기 제 2 유입수가 여과되면서 담수가 생산되고, 여과 후 남은 제 2 농축수를 배출하는 제 2 반투과막 설비를 포함하되,
상기 가압펌프는 상기 제 2 분기액을 가압한 후 상기 제 1 반투과막 설비로 유입시키고,
상기 제 1 압력 교환 장치는 상기 제 2 농축수의 압력을 상기 유입 해수로 전달하고,
상기 제 2 압력 교환 장치는 상기 제 1 농축수의 압력을 상기 제 1 분기액으로 전달하는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유입 해수를 두 개의 흐름으로 분기하는 제 1 분리 장치와,
담수화 공정의 시작 시에 상기 제 1 분리 장치를 통해 분리된 흐름 중 어느 하나를 가압하는 시동 펌프를 더 포함하되,
상기 제 1 분리 장치를 통해 분리된 흐름 중 다른 하나가 상기 제 1 분기액과 상기 제 2 분기액으로 분기되고, 상기 제 1 분기액은 상기 제 2 압력 교환 장치로 유입되고, 상기 제 2 분기액은 상기 가압펌프로 유입되는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 외부로부터 공급되고 염분이 함유된 유입 해수를 제 1 용액과 제 2 용액으로 분리하는 제 1 분리 장치;
상기 제 1 용액의 압력을 조절하는 제 1 압력 교환 장치;
상기 제 2 용액을 제 3 용액과 제 4 용액으로 분리하는 제 2 분리 장치;
상기 제 3 용액과 상기 제 1 압력 교환 장치에 의해 압력이 조절된 제 1 용액을 전달받아서 가압하는 가압펌프;
상기 제 4 용액의 압력을 조절하는 제 2 압력 교환 장치;
상기 제 2 압력 교환 장치에 의해 압력이 조절된 상기 제 4 용액과 상기 가압펌프에서 가압된 용액이 혼합된 제 1 유입수를 공급받고, 상기 제 1 유입수를 여과하여 담수를 생산하고, 여과 후 남은 제 1 농축수를 배출하는 제 1 반투과막 설비;
상기 제 2 압력 교환 장치의 후측에 연결되고, 상기 제 1 농축수보다 염도가 낮은 제 2 유입수를 공급받아서 여과하여 담수를 생산하고, 여과 후 남은 제 2 농축수를 배출하는 제 2 반투과막 설비;
상기 제 2 농축수를 제 5 용액과 제 6 용액으로 분리하는 제 3 분리 장치;
상기 제 1 농축수를 제 7 용액과 제 8 용액으로 분리하는 제 4 분리 장치를 포함하고,
상기 제 2 압력 교환 장치에서 배출되는 제 7 용액과 상기 제 8 용액이 삼투 유도 용액으로서 상기 제 2 반투과막 설비로 전달되어 상기 제 2 유입수가 여과되고,
상기 제 7 용액의 압력이 상기 제 2 압력 교환 장치에서 상기 제 4 용액에 전달되고, 상기 제 6 용액의 압력이 상기 제 1 압력 교환 장치에서 상기 제 1 용액에 전달되는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 압력 교환 장치를 거치면서 상기 제 4 용액에 압력을 전달하고 배출되는 제 7 용액과 상기 제 8 용액을 혼합하여 가압한 후 상기 제 2 반투과막 설비로 전달하는 부스터 펌프를 더 포함하는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 유입수가 상기 제 2 반투과막 설비로 유입되기 전에 상기 제 2 유입수를 막여과 혹은 여재여과를 통해 전처리하는 설비를 더 포함하는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 반투과막 설비로부터 상기 제 5 용액을 공급받고, 공급받은 상기 제 5 용액을 이용하여 동력 혹은 전력으로 변환시키거나 발생시키는 에너지 발생 장치를 더 포함하는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
상기 에너지 발생 장치는 수차 터빈 혹은 펠톤 터빈인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 유입수는 하수 처리수, 표면수, 지표수, 하천수 또는 저농도 염수인 것을 특징으로 하는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반투과막 설비는 역삼투막을 포함하는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 반투과막 설비는 정삼투막, PRO막, NF막 및 중공사 파이버 또는 나선형 권선이 형성된 막 중 어느 하나를 포함하는
삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 청구항 제 1 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 기재된 삼투에너지 회수가 가능한 담수화 시스템의 담수화 방법으로서,
상기 제 2 반투과막 설비에서 상기 제 1 농축수가 삼투 유도 용액으로서 유입되고, 상기 제 1 농축수보다 낮은 염도의 제 2 유입수가 상기 삼투 유도 용액의 주입 방향과 반대 방향으로 유입되어, 상기 삼투 유도 용액과 상기 제 2 유입수와의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 제 2 농축수가 상기 제 1 압력 교환 장치에 공급되어 상기 발생된 삼투에너지를 상기 제 1 반투과막 설비에 전달하거나 교환하는 것을 포함하는
삼투에너지 회수가 가능한 담수화 방법.
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