KR101519566B1

KR101519566B1 - 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치 및 이의 운전방법

Info

Publication number: KR101519566B1
Application number: KR1020130165703A
Authority: KR
Inventors: 김수한
Original assignee: 부경대학교 산학협력단
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2033-12-27

Abstract

본 발명은 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 순환펌프를 막모듈의 전단부에 배치하고, 운전 시 순환펌프를 먼저 가동하여 원수를 순환시킨 이후, 고압펌프를 농축수의 농도에 따라 선택적으로 가동 또는 정지시켜 농축수를 순환시킴으로서, 초기 유속이 확보된 상태에서 농축수의 잔여 압력에 의해 농축수가 순환되어 고압펌프의 가동 유량을 감소시킬 수 있음에 따라 역삼투공정에 사용되는 에너지를 절감할 수 있도록 하며, 또한, 막모듈의 후단부에 생산수 저장실린더를 배치시킨 후, 농축수의 농도가 최대 농도에 도달하면 농축수를 순환시키지 않고 배출하는 동시에, 상기 저장실린더에 저장된 생산수가 막모듈 내 농축수와의 삼투압차에 의해 삼투 역세가 발생되도록 함으로서, 상기 삼투 역세에 의해 역삼투막이 주기적이고 효율적으로 세정되어 파울링 현상을 감소시킬 수 있도록 하고, 아울러, 상기와 같은 구조 및 운전방법으로 인해 막모듈을 1 ~ 3개만 사용하더라도 여과효율이 우수할 뿐만 아니라, 2개 이상의 막모듈 사용 시, 각각의 농축비율에 상관없이 전체적인 농축수의 농도에 따라 고압펌프의 회전수를 조정하여 동일한 막여과 플럭스를 유지할 수 있음에 따라 생산수의 수질을 개선할 수 있도록 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치 및 이의 운전방법에 관한 것이다.

Description

저에너지 및 저파울링 역삼투 장치 및 이의 운전방법{LOW ENERGY AND LOW FOULING REVERSE OSMOSIS APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}

본 발명은 농축수를 순환시켜 역삼투 공정을 수행함으로서 역삼투공정에 사용되는 에너지를 절감할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 삼투 역세를 적용하여 주기적으로 역삼투막을 세정함으로서 파울링 현상을 감소시킬 수 있도록 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치 및 이의 운전방법에 관한 것이다.

물과 에너지는 인류의 생존을 좌우하는 중요한 자원으로서, 2011년도에 발행된 유엔미래보고서에 따르면 2025년에는 78억 인구의 38%, 2050년에는 94억 인구의 42%가 물부족으로 고통을 겪을 것으로 전망하고 있다.

따라서, 물부족 문제를 해결하기 위한 수단으로 해수를 담수화하는 방법이 다양하게 연구 및 개발되고 있으며, 현재 담수 생산방법은 열원을 이용해 해수를 가열하고 발생한 증기를 응축시켜 담수를 얻는 다단증발법, 해수에 높은 압력을 가해 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)을 통과시켜 담수를 생산하는 역삼투법(Reverse Osmosis), 다단증발법과 비슷하지만 중간 규모의 설비에 적합한 다단효용증발법 등으로 크게 분류된다.

그 중에서도 역삼투법은 현재 해수담수화 방식 중에서 50%를 차지하고 있으며, 2015년에는 전체의 61%를 차지할 것으로 예상되고 있다.

그러나, 역삼투법은 담수화 설비를 운전하기 위한 에너지 소모 및 그에 따른 운전비용이 높아, 생산된 물의 비용이 1,000리터 당 1달러 이상으로, 일반 수처리 설비에서의 비용보다 2배에 달하고 있는 실정이다.

또한, 상기와 같은 역삼투법에 사용되는 역삼투막은 원수로부터 생산수를 얻는 동안 파울링(Fouling)이라 불리는 막오염 현상(염분과 같은 입자성 물질의 잔류 및 부착 또는 조류의 증식 등으로 인해 역삼투막이 오염되는 현상)이 불가피하게 발생하게 되며, 이러한 막 표면의 오염은 여과시 작용하는 압력를 상승시키고 생산수량을 점차 감소시킬 뿐만 아니라 수질을 악화시키는 원인이 된다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 특허문헌 1에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 원수의 취수, 상기 취수된 원수의 전처리, 상기 전처리된 원수를 역삼투막을 이용하여 막여과를 행하고 및 막여과된 생산수를 후처리하는 공정을 포함하는 역삼투막을 이용한 수처리 시스템에 있어서, 상기 역삼투막(400)의 역세척을 위하여 상기 역삼투막(400)의 후단에 별도의 역세척 수조(450)를 설치하고, 상기 역삼투막(400)에 역세수를 공급하기 위하여 역삼투막(400)과 상기 역세척 수조(460) 사이에 펌프가 구비된, 역세척이 가능한 역삼투 수처리 시스템을 제안하였다.

하지만, 상기 특허문헌 1뿐만 아니라 일반적인 역삼투 장치의 경우, 벳셀(vessel) 내에 역삼투막 설치된 막모듈 6 ~ 8개가 직렬로 연결되어 구성되며, 상기와 같이 직렬로 연결된 막모듈의 전단부에서 고압펌프를 이용하여 원수를 공급할 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 전단부는 과도한 압력과 낮은 삼투압이 발생하며 후단부로 갈수록 부족한 압력과 높은 삼투압이 발생하게 된다.

즉, 전단부와 후단부의 삼투압이 각각 달라 막모듈 위치에 따른 세정효과가 달라지게 되는데, 특히, 파울링이 심한 전단부에서 압력이 높고 삼투압이 가장 낮음에 따라 역세로 인한 세정효과가 극히 미비하게 되는 문제점이 있었다.

아울러, 상기와 같은 직렬연결 구조는 전단부의 농축수가 후단부의 원수가 됨에 따라 후단부에서는 원수의 이온 농도가 증가하게 되는데, 상술한 바와 같이 후단부에서 오히려 원수의 공급 압력이 낮아짐에 따라 생산수의 이온 농도가 높아져 생산수의 수질을 악화시키는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위하여, 비특허문헌 1에서는 고압펌프(HP, high pressure pump)를 이용하여 원수를 역삼투막으로 공급한 후, 역삼투막을 거친 농축수를 순환펌프(CP, circulation pump)를 이용하여 재순환시키면서 역삼투 공정을 수행함으로서, 상기 순환펌프로 인해 고압펌프로부터 발생한 에너지를 회수하여 재사용함에 따라 에너지 소모를 감소시킬 뿐만 아니라 막모듈의 전단부와 후단부의 압력차 및 삼투압차를 해소할 수 있도록 하는 기술을 제안하였다.

하지만, 상기 비특허문헌 1의 경우, 순환펌프가 막모듈의 후단부 아래 농축수 배관에 설치됨에 따라 운전 시 필수적으로 저유량을 이송하기에 적합한 고압펌프를 먼저 가동해야하며, 이로 인해 초기 직교류 속도(crossflow velocity)가 낮은 상태 즉, 유속이 확보되지 않은 상태로 운전됨에 따라 농도분극(concentration polarization)이 심화되는 등의 불안 요소가 존재하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같이 유속이 확보되지 않음에 따라 목표한 농축수 순환율을 달성하기 위해 순환펌프와 고압펌프의 회전수를 동시에 조절해야 하는 운전의 복잡성이 존재하게 된다.

게다가, 고압펌프를 끄지 않고 지속적으로 가동시킨 상태에서 미리 가압된 원수 챔버를 이용해 원수와 농축수를 교환함에 따라 막의 세정효과를 전혀 기대할 수 없어 파울링 정도가 심해지는 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0054243호 "역세척이 가능한 역삼투 수처리 시스템"

비특허문헌 1 : Industrial and Brackish Water Treatment with Closed Circuit Reverse Osmosis [Richard L. Stover, Ph.D., Desalination and Water Treatment v51 (2013) 1124-1130]

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 순환펌프를 막모듈의 전단부에 배치하고, 운전 시 순환펌프를 먼저 가동하여 원수를 순환시킨 이후, 고압펌프를 농축수의 농도에 따라 선택적으로 가동 또는 정지시켜 농축수를 순환시킴으로서, 초기 유속이 확보된 상태에서 농축수의 잔여 압력에 의해 농축수가 순환되어 고압펌프의 가동 유량을 기존 운전방법 대비 감소시킬 수 있음에 따라 역삼투공정에 사용되는 에너지를 절감할 수 있도록 함을 과제로 한다.

또한, 막모듈의 후단부에 생산수 저장실린더를 배치시킨 후, 농축수의 농도가 최대 농도에 도달하면 농축수를 순환시키지 않고 배출하는 동시에, 상기 저장실린더에 저장된 생산수가 막모듈 내 농축수와의 삼투압차에 의해 삼투 역세(osmosis backwash)가 발생되도록 함으로서, 상기 삼투 역세에 의해 역삼투막이 주기적이고 효율적으로 세정되어 파울링 현상을 감소시킬 수 있도록 함을 다른 과제로 한다.

아울러, 상기와 같은 구조 및 운전방법으로 인해 막모듈을 1 ~ 3개만 사용하더라도 여과효율이 우수할 뿐만 아니라, 2개 이상의 막모듈 사용 시, 각각의 농축비율에 상관없이 전체적인 농축수의 농도에 따라 고압펌프의 회전수를 조정하여 동일한 막여과 플럭스(flux)를 유지할 수 있음에 따라 생산수의 수질을 개선할 수 있도록 함을 또 다른 과제로 한다.

본 발명은 막모듈(10), 순환펌프(20) 및 고압펌프(30)를 포함하여 구성되는 역삼투 장치에 있어서,

상기 순환펌프(20)가 막모듈(10)의 전단에 배치되며,

상기 막모듈(10)의 후단부에 생산수 저장실린더(50)가 구비되는 것을 특징으로 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치를 과제의 해결 수단으로 한다.

구체적으로 상기 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치는,

벳셀(11) 내에 역삼투막(12)이 구비된 막모듈(10);

원수 공급배관(P1)을 매개로 상기 막모듈(10) 전단부에 배치되어 막모듈(10) 측으로 원수를 공급하는 순환펌프(20) 및 고압펌프(30);

제 1 농축수 순환배관(P2)을 매개로 상기 막모듈(10)과 연통하여 상기 막모듈부(10) 측에서 생성된 농축수를 일시 저장하되, 상기 저장된 농축수를 제 2 농축수 순환배관(P3)을 통해 상기 원수 공급배관(P1) 측으로 순환되도록 하거나 또는 농축수 배출배관(P4)을 통해 배출되도록 하기 위해 농축수를 일시 저장하는 농축수 저장용기(40); 및

상기 막모듈(10)의 후단부에 배치되는 것으로, 생산수가 삼투 역세를 위해 상기 막모듈(10) 측에 역으로 공급될 수 있도록 생산수를 저장하는 생산수 저장실린더(50);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이를 위해, 상기 농축수 배출배관(P4)의 일단에는 제 1 밸브(V1)가 구비되며, 상기 제 2 농축수 순환배관(P3)의 일단에는 제 2 밸브(V2)가 구비된다.

한편, 본 발명은 상기와 같이 구성되는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치의 운전방법에 있어서,

역삼투 장치에 원수를 공급하여 충진 및 순환시키는 단계(S100);

상기 S100 단계를 거쳐 원수의 순환이 확인되면, 원수를 추가로 공급하고 역삼투막을 이용하여 농축수 및 생산수로 분리한 후 분리된 농축수는 순환시키고, 생산수는 별도로 저장하는 단계(S200); 및

상기 S200 단계를 거친 후 농축수의 농도가 기설정된 농도에 도달하면, 농축수를 배출시키고, 상기 저장된 생산수를 이용하여 삼투 역세를 수행하는 단계(S300);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치의 운전방법을 과제의 다른 해결 수단으로 한다.

구체적으로 상기 S100 단계는,

농축수 배출배관(P4)의 제 1 밸브(V1)를 폐쇄시키는 단계(S101);

제 2 농축수 순환배관(P3)의 제 2 밸브(V2)를 개방시키는 단계(S102); 및

순환펌프(20)를 가동시켜 원수를 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 공급하는 단계(S103);를 거쳐,

상기 원수가 원수 공급배관(P1), 막모듈(10), 제 1 농축수 순환배관(P2), 농축수 저장용기(40), 제 2 농축수 순환배관(P3)을 거쳐 다시 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 충진 및 순환되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 S200 단계는,

고압펌프(30)를 가동시켜 원수를 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 추가로 공급하는 단계(S201)를 거쳐,

상기 공급된 원수가 막모듈(10)을 통해 농축수와 생산수로 분리되되,

상기 분리된 농축수는 제 1 농축수 순환배관(P2), 농축수 저장용기(40), 제 2 농축수 순환배관(P3)을 거쳐 다시 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 순환되고,

상기 분리된 생산수는 생산수 저장실린더(50) 측으로 공급되어 저장 및 배출되도록 하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 S300 단계는,

농축수 배출배관(P4)의 제 1 밸브(V1)를 개방시키는 단계(S301);

제 2 농축수 순환배관(P3)의 제 2 밸브(V2)를 폐쇄시키는 단계(S302); 및

고압펌프(30)를 끄거나 그 회전수를 조절하여 상기 생산수 저장실린더(50)에 저장된 생산수가 막모듈(10) 측에 역방향으로 공급되도록 하는 단계(S303);를 거쳐,

상기 농축수는 농축수 배출배관(P4)을 통해 배출되며,

상기 막모듈(10) 측에 역으로 공급된 생산수는 막모듈(10) 내의 농축수와의 농도차이로 인해 삼투 역세가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 순환펌프를 막모듈의 전단부에 배치하고, 운전 시 순환펌프를 먼저 가동하여 원수를 순환시킨 이후, 고압펌프를 농축수의 농도에 따라 선택적으로 가동 또는 정지시켜 농축수를 순환시킴으로서, 초기 유속이 확보된 상태에서 농축수의 잔여 압력에 의해 농축수가 순환되어 고압펌프의 가동 유량을 기존 운전방법 대비 감소시킬 수 있음에 따라 역삼투공정에 사용되는 에너지를 절감할 수 있도록 하며, 또한 생산수 저장실린더에 저장된 생산수가 막모듈 내 농축수와의 삼투압차에 의해 삼투 역세가 발생되도록 함으로서, 상기 삼투 역세에 의해 역삼투막이 주기적이고 효율적으로 세정되어 파울링 현상을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기와 같은 구조 및 운전방법으로 인해 막모듈을 1 ~ 3개만 사용하더라도 여과효율이 우수하며, 2개 이상의 막모듈 사용 시, 각각의 농축비율에 상관없이 전체적인 농축수의 농도에 따라 고압펌프의 회전수를 조정하여 동일한 막여과 플럭스를 유지할 수 있음에 따라 생산수의 수질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 특허문헌 1에 따른 역삼투 장치를 나타낸 도면
도 2는 특허문헌 1에 따른 막모듈의 압력차 및 삼투압차를 나타낸 개략도
도 3은 비특허문헌 1에 따른 역삼투 장치를 나타낸 개념도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 장치를 나타낸 개략도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 장치의 운전방법을 나타낸 흐름도
도 6 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 장치의 운전방법을 나타낸 개략도
도 9는 본 발명에 따른 S200 단계 및 S300 단계의 반복에 따른 압력변화를 나타낸 그래프

상기의 효과를 달성하기 위한 본 발명은 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 각 도면 및 상세한 설명에서 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용과 그리고 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 간략히 하거나 생략하였다.

이하, 각 도면을 참조하여 본 발명에 따른 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치의 구성을 먼저 설명한 후, 이의 운전방법을 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 장치를 나타낸 개략도로서, 본 발명은 막모듈(10), 순환펌프(20) 및 인버터에 의한 회전수 조절이 가능한 고압펌프(30)를 포함하여 구성되는 역삼투 장치에 있어서, 상기 순환펌프(20)가 막모듈(10)의 전단에 배치되며, 상기 막모듈(10)의 후단부에 생산수 저장실린더(50)가 구비되는 것을 특징으로 하며, 좀 더 구체적으로는 막모듈(10), 순환펌프(20) 및 고압펌프(30), 농축수 저장용기(40) 및 생산수 저장실린더(50)를 포함하여 구성된다.

상기 막모듈(10)은, 공급되는 원수(예를 들면, 해수)를 역삼투법으로 처리하여 농축수와 생산수(예를 들면, 담수)로 분리하는 수단으로서, 벳셀(11) 내에 역삼투막(12)이 구비된다.

여기서 상기 벳셀(11) 및 역삼투막(12)은 이미 공지된 구성요소로서 그 상세한 설명은 생략하며, 이미 공지된 다양한 종류의 벳셀 및 역삼투막을 적용할 수 있다. 또한, 원하는 생산수량을 맞추기 위해서 벳셀(11)의 개수를 늘려 병렬로 배열할 수 있다.

상기 순환펌프(20) 및 고압펌프(30)는, 원수 또는 농축수를 막모듈(10) 측으로 공급하는 동력원으로서, 순환펌프(20)는 농축수를 순환시키는 용도 및 농축수가 순환되면서 발생한 수두 손실을 회복(즉, 손실된 압력을 다시 승압)시키는 데 사용되고, 고압펌프는 일정한 유량을 순환펌프의 유입부에 보내는 데 사용된다.

또한, 상기 고압펌프(30)의 유량은 목표 생산수량과 동일해야 하고, 압력은 인버터를 이용한 회전수 조작을 통해 목표 생산수량을 맞추기 위해 조절 가능해야 한다.

이때, 상기 각 펌프의 유량 및 압력이 상기 범위를 벗어날 경우, 본 발명에 따른 초기 유속이 확보 및 농축수의 순환기능이 제대로 구현되지 않을 우려가 있지만, 상기 유량 및 압력 범위는 펌프의 종류, 사양 및 역삼투 장치의 적용대상, 크기 등에 따라 가변적일 수 있으므로 상기 범위로 한정하지는 않는다.

이때, 상기 순환펌프(20) 및 고압펌프(30)는 원수 공급배관(P1)을 매개로 막모듈(10) 전단부에 배치되며, 원수의 공급방향을 기준으로 고압펌프(30), 순환펌프(20) 및 막모듈(10) 순으로 배치된다.

즉, 본 발명은 순환펌프(20)가 막모듈(10)의 전단에 배치되는 구성에 특징이 있으며, 이의 운전방법 및 그에 따른 효과는 후술하기로 한다.

상기 농축수 저장용기(40)는, 제 1 농축수 순환배관(P2)을 매개로 상기 막모듈(10)과 연통하여 상기 막모듈(10) 측에서 생성된 농축수를 일시 저장하며, 통상의 압력용기를 적용한다.

즉, 상기 농축수 저장용기(40)는 농축수 배출배관(P4)에 구비된 제 1 밸브(V1) 또는 제 2 농축수 순환배관(P3)에 구비된 제 2 밸브(V2)의 선택적인 동작에 따라, 농축수를 제 2 농축수 순환배관(P3)을 통해 상기 원수 공급배관(P1) 측으로 순환되도록 하거나 또는 농축수 배출배관(P4)을 통해 배출되도록 하기 위해 상기 농축수를 일시 저장한다.

상기 생산수 저장실린더(50)는 상기 막모듈(10)의 후단부에 배치되어 생산수가 삼투 역세를 위해 상기 막모듈(10) 측에 역으로 공급될 수 있도록 생산수를 저장하는 수단이다.

즉, 본 발명은 순환펌프(20) 이외에 생산수 저장실린더(50)를 추가로 구성함으로서, 농축수의 순환 기능 이외에 상기 생산수 저장실린더(50)에 저장된 생산수가 막모듈(10) 측에 역으로 공급되어 막모듈(10) 내의 농축수와의 농도차이로 인해 삼투 역세가 이루어지도록 하는 구성에 또 다른 특징이 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 장치의 운전방법을 나타낸 흐름도이고, 도 6 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 장치의 운전방법을 나타낸 개략도이며, 도 9는 본 발명에 따른 S200 단계 및 S300 단계의 반복에 따른 압력변화를 나타낸 그래프로서, 본 발명은 크게 원수 순환단계(S100), 농축수 순환 및 생산수 저장단계(S200), 농축수 배출 및 삼투 역세 단계(S300)로 구성된다.

상기 S100 단계는, 역삼투 장치에 원수를 공급하여 충진 및 순환시키는 단계로서, 도 6(미표시된 구성요소는 작동하지 않는 것을 의미함.)에 도시된 바와 같이, 농축수 배출배관(P4)의 제 1 밸브(V1)를 폐쇄시키고(S101), 제 2 농축수 순환배관(P3)의 제 2 밸브(V2)를 개방시킨 후(S102), 순환펌프(20)를 가동(이때, 고압펌프(30)는 꺼진 상태)시켜 원수를 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 공급하게 된다(S103).

즉, 상기와 같은 운전방법에 의해 상기 원수가 원수 공급배관(P1), 막모듈(10), 제 1 농축수 순환배관(P2), 농축수 저장용기(40), 제 2 농축수 순환배관(P3)을 거쳐 다시 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 충진 및 순환되며, 상기 각 장치 및 배관에는 원수가 1차 적으로 충진되어 순환되는 상태가 된다.

상기 S200 단계는, 상기 S100 단계를 거쳐 원수의 순환이 확인되면, 원수를 추가로 공급하고 역삼투막을 이용하여 농축수 및 생산수로 분리한 후 분리된 농축수는 순환시키고, 생산수는 별도로 저장하는 단계로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 고압펌프(30)를 가동시켜 원수를 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 추가로 공급한다(S201).

즉, 상기와 같은 운전방법에 의해 상기 공급된 원수가 막모듈(10)를 통해 농축수와 생산수로 분리되되, 상기 분리된 농축수는 제 1 농축수 순환배관(P2), 농축수 저장용기(40), 제 2 농축수 순환배관(P3)을 거쳐 다시 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 순환되고, 상기 분리된 생산수는 생산수 저장실린더(50) 측으로 공급되어 저장 또는 배출된다.

한편, 상기 생산수의 배출 시 S100 단계에서 1차 충진된 원수 이외에 추가로 공급되는 원수만큼 생산수가 생성 및 배출되며, 농축수는 1차 충진된 원수만큼 계속 순환하게 된다.

상기 S300 단계는, 상기 S200 단계를 거친 후 농축수의 농도가 기설정된 농도에 도달하면, 농축수를 배출시키고, 상기 저장된 생산수를 이용하여 삼투 역세를 수행하는 단계로서, 도 8(미표시된 구성요소는 작동하지 않는 것을 의미함.)에 도시된 바와 같이, 농축수 배출배관(P4)의 제 1 밸브(V1)를 개방시키고(S301), 제 2 농축수 순환배관(P3)의 제 2 밸브(V2)를 폐쇄시킨 후(S302), 고압펌프(30)를 끄거나 그 회전수를 조절하여 상기 생산수 저장실린더(50)에 저장된 생산수가 막모듈(10) 측에 역방향으로 공급되도록 한다(S303).

즉, 상기와 같은 운전방법에 의해 상기 농축수는 농축수 배출배관(P4)을 통해 배출되며, 상기 생산수 저장실린더(50)로부터 막모듈(10) 측에 역으로 공급된 생산수는 막모듈(10) 내의 농축수와의 농도차이로 인해 삼투 역세가 이루어진다.

아울러, 본 발명은 상기 S100 단계 이후 S200 단계 및 S300 단계를 반복하여 역삼투 공정을 수행하게 되는데, 구체적으로 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이, S200 단계를 거치면서 농축수의 농도가 기설정된 농도에 도달하면 S300 단계를 거치는데, S300 단계에서 농축수를 배출하고 고압펌프(30)를 끄거나 그 회전수를 조절하여 막모듈(10)의 역삼투막(11)을 삼투역세하게 되며, 농출수가 배출됨에 따라 농축수의 농도가 원수와 동일해질 경우, 상기 S200 단계를 거치게 된다.

이때, 농축수의 기 설정된 농도는 목표 농축률에 의해 결정되고, 목표 농축률은 원수의 종류 및 장치의 적용대상, 크기 등에 따라 가변적일 수 있으므로 특별히 한정하지는 않는다.

아울러, 고압펌프(30)의 회전수를 조절한다는 것은 회전수의 최소화를 의미하며, 상기 최소화는 고압펌프(30)의 종류 및 장치의 적용대상, 크기 등에 따라 가변적일 수 있으므로 이 또한 특별히 한정하지는 않는다.

즉, 본 발명은 순환펌프(20)를 막모듈(10)의 전단부에 배치하고, 운전 시 순환펌프(20)를 먼저 가동하여 원수를 순환시킨 이후, 고압펌프(30)를 농축수의 농도에 따라 선택적으로 가동 또는 정지시켜 농축수를 순환시킴으로서, 초기 유속이 확보된 상태에서 농축수의 잔여 압력에 의해 농축수가 순환되어 고압펌프(30)의 가동 유량을 기존 기술 대비 감소시켜, 이로 인해 역삼투 공정에 사용되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.

또한, 막모듈(10)의 후단부에 생산수 저장실린더(50)를 배치시킨 후, 농축수의 농도가 최대 농도에 도달하면 농축수를 순환시키지 않고 배출하는 동시에, 상기 저장실린더(50)에 저장된 생산수가 농축수와의 삼투압차에 의해 삼투 역세가 발생되도록 함으로서, 상기 삼투 역세에 의해 역삼투막이 주기적이고 효율적으로 세정되어 파울링 현상을 감소시킬 수 있게 된다.

아울러, 상기와 같은 구조 및 운전방법으로 인해 막모듈(10)을 1 ~ 3개만 사용하더라도 여과효율이 우수할 뿐만 아니라, 2개 이상의 막모듈(10) 사용 시, 각각의 농축비율에 상관없이 고압펌프(30)의 회전수를 조정하여 동일한 막여과 플럭스를 유지할 수 있음에 따라 생산수의 수질을 개선할 수 있게 된다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : 막모듈 11 : 벳셀
12 : 역삼투막 20 : 순환펌프
30 : 고압펌프 40 : 농축수 저장용기
50 : 생산수 저장실린더 P1 : 원수 공급배관
P2 : 제 1 농축수 순환배관 P3 : 제 2 농축수 순환배관
P4 : 농축수 배출배관 V1 : 제 1 밸브
V2 : 제 2 밸브

Claims

역삼투 장치에 있어서,
벳셀(11) 내에 역삼투막(12)이 구비된 막모듈(10);
원수 공급배관(P1)을 매개로 상기 막모듈(10) 전단부에 배치되어 막모듈(10) 측으로 원수를 공급하는 순환펌프(20) 및 고압펌프(30);
제 1 농축수 순환배관(P2)을 매개로 상기 막모듈(10)과 연통하여 상기 막모듈(10) 측에서 생성된 농축수를 일시 저장하되, 상기 저장된 농축수를 제 2 농축수 순환배관(P3)을 통해 상기 원수 공급배관(P1) 측으로 순환되도록 하거나 또는 농축수 배출배관(P4)을 통해 배출되도록 하기 위해 농축수를 일시 저장하는 농축수 저장용기(40); 및
상기 막모듈(10)의 후단부에 배치되는 것으로, 생산수가 삼투 역세를 위해 상기 막모듈(10) 측에 역으로 공급될 수 있도록 생산수를 저장하는 생산수 저장실린더(50);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 농축수 배출배관(P4)의 일단에는 제 1 밸브(V1)가 구비되며,
상기 제 2 농축수 순환배관(P3)의 일단에는 제 2 밸브(V2)가 구비되는 것을 특징으로 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치.
제 1항 또는 제 3항에 따른 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치의 운전방법에 있어서,
역삼투 장치에 원수를 공급하여 충진 및 순환시키는 단계(S100);
상기 S100 단계를 거쳐 원수의 순환이 확인되면, 원수를 추가로 공급하고 역삼투막을 이용하여 농축수 및 생산수로 분리한 후 분리된 농축수는 순환시키고, 생산수는 별도로 저장하는 단계(S200); 및
상기 S200 단계를 거친 후 농축수의 농도가 기설정된 농도에 도달하면, 농축수를 배출시키고, 상기 저장된 생산수를 이용하여 삼투 역세를 수행하는 단계(S300);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치의 운전방법.
제 4항에 있어서,
상기 S100 단계는,
농축수 배출배관(P4)의 제 1 밸브(V1)를 폐쇄시키는 단계(S101);
제 2 농축수 순환배관(P3)의 제 2 밸브(V2)를 개방시키는 단계(S102); 및
순환펌프(20)를 가동시켜 원수를 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 공급하는 단계(S103);를 거쳐,
상기 원수가 원수 공급배관(P1), 막모듈(10), 제 1 농축수 순환배관(P2), 농축수 저장용기(40), 제 2 농축수 순환배관(P3)을 거쳐 다시 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 충진 및 순환되도록 하는 것을 특징으로 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치의 운전방법.
제 4항에 있어서,
상기 S200 단계는,
고압펌프(30)를 가동시켜 원수를 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 추가로 공급하는 단계(S201)를 거쳐,
상기 공급된 원수가 막모듈(10)을 통해 농축수와 생산수로 분리되되,
상기 분리된 농축수는 제 1 농축수 순환배관(P2), 농축수 저장용기(40), 제 2 농축수 순환배관(P3)을 거쳐 다시 원수 공급배관(P1)을 통해 막모듈(10) 측으로 순환되고,
상기 분리된 생산수는 생산수 저장실린더(50) 측으로 공급되어 저장 및 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치의 운전방법.
제 4항에 있어서,
상기 S300 단계는,
농축수 배출배관(P4)의 제 1 밸브(V1)를 개방시키는 단계(S301);
제 2 농축수 순환배관(P3)의 제 2 밸브(V2)를 폐쇄시키는 단계(S302); 및
고압펌프(30)를 끄거나 그 회전수를 조절하여 상기 생산수 저장실린더(50)에 저장된 생산수가 막모듈(10) 측에 역방향으로 공급되도록 하는 단계(S303);를 거쳐,
상기 농축수는 농축수 배출배관(P4)을 통해 배출되며,
상기 막모듈(10) 측에 역으로 공급된 생산수는 막모듈(10) 내의 농축수와의 농도차이로 인해 삼투 역세가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 저에너지 및 저파울링 역삼투 장치의 운전방법.