KR101526299B1 - Plant-foward osmosis hybrid desalination system and method - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method and a system of plant-forward osmosis hybrid desalination and, more specifically, a method and a system of plant-forward osmosis hybrid desalination, which are allowed to introduce a switchable polarity solution as a draw solution wherein the property of the switchable polarity solution can be changed into hydrophilic property or hydrophobic property if carbon dioxide is provided or not and accordingly design an optimal process, thereby improving efficiency of collecting the draw solution or manufacturing fresh water and reducing operation expenditure (OPEX) including energy consumption.

Description

플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템 및 방법{PLANT-FOWARD OSMOSIS HYBRID DESALINATION SYSTEM AND METHOD}PLANT-FOWARD OSMOSIS HYBRID DESALINATION SYSTEM AND METHOD <br> <br> <br> Patents - stay tuned to the technology PLANT-FOWARD OSMOSIS HYBRID DESALINATION SYSTEM AND METHOD

본 발명은 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플랜트(화력발전소, 산업 플랜트, 연료전지 등)로부터 열 에너지 및 이산화탄소(CO2)를 공급받아 공정 효율 및 이산화탄소 포집 효율이 향상된 하이브리드 정삼투 시스템에 관한 것이다.The present invention is a plant-forward osmosis hybrid desalination system and to a method, and more particularly plants from the (thermal power stations, industrial plants, fuel cell, etc.) when supplied to the heat and carbon dioxide (CO 2) the process efficiency and the carbon dioxide capture efficiency To an improved hybrid positive osmosis system.

지구상의 물의 약 97%는 해수로서 물의 양에 있어서는 절대 다수를 차지하고 있으나, 생활용수나 산업용수로 이용하기에는 염도가 너무 높아 활용에 많은 제한이 있다. 물부족이 갈수록 심화되어 가고 있는 현 상황에서 부족한 지표수를 보충하기 위해 "해수의 담수화 기술(Desalination)"이 각광받고 있다.About 97% of the earth's water is seawater, which is the largest in the amount of water, but its salinity is too high to be used for domestic water or industrial water. "Desalination" of seawater has been attracting attention in order to compensate for the lack of surface water in the current situation where the water shortage is getting worse.

담수화란, 염분이 있는 해수 등을 음용수나 기타 용도로 사용할 수 있는 담수로 전환하기 위해 염분을 적정량 제거하는 일련의 탈염공정이다. 물에 용해되어 있는 염분의 농도에 따라 담수(fresh water), 기수(brackish water) 및 해수(sea water)로 구분된다.Desalination is a series of desalination processes that remove an adequate amount of salt to convert salty seawater into fresh water for drinking and other purposes. It is divided into fresh water, brackish water and sea water according to the concentration of salt dissolved in water.

해수는 많은 종류의 염분을 상당량 포함하고 있어, 음용수로 사용하기 위해서는 앞서 언급한 바와 같이 일정 수준 이상으로 염분을 제거해야만 하며, 이러한 해수 담수화 방법으로는 막증류(MD) 공정이나 역삼투막(RO) 등이 제시된 바 있으며, 최근에는 별도의 염이 포함된 유도 용액(draw solution)과 해수를 삼투막을 사이에 두고 접촉시켜 담수와 희석된 유도 용액을 배출하는 정삼투(Forward Osmosis) 기술이 에너지 소비량이 적어 주목받고 있다.Since the seawater contains a large amount of salty water, it is necessary to remove the salt to a certain level or more as described above in order to use it as a drinking water. Such seawater desalination methods include a membrane distillation (MD) process and a reverse osmosis membrane Recently, a Forward Osmosis technique, in which fresh water and a diluted induction solution are brought into contact with a draw solution containing seawater through an osmotic membrane, It is attracting attention.

한편 화력발전소, 산업플랜트, 연료전지 등의 플랜트 설비에서 배출되는 배가스는 지구 온난화 및 대기 변화에 영향을 미치는 다량의 이산화탄소를 함유하고 있어 환경에 악영향을 미친다. 따라서 화석 연료를 에너지원으로 사용하는 플랜트에서 배출되는 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 제거하기 위하여 여러 가지 방법들이 제시되어 왔다.On the other hand, exhaust gases emitted from plant facilities such as thermal power plants, industrial plants, and fuel cells contain a large amount of carbon dioxide, which affects global warming and atmospheric change, adversely affecting the environment. Accordingly, various methods have been proposed to remove the carbon dioxide contained in the exhaust gas discharged from a plant using fossil fuel as an energy source.

플랜트 설비에서 배출되는 배가스에서 이산화탄소를 분리하는 방법에 대해 종래 기술로는 대한민국 공개특허 제10-2009-0038623호("암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치 및 이를 이용한 이산화탄소 회수방법", 2009.04.21. 공개)가 있다. 본 문헌에는 암모니아수를 이용하여 연도가스 내 이산화탄소를 회수하는 방법이 제시되어 있으며, 연료전지의 캐소드에 연도가스를 배타적으로 공급하고, 애노드에서 배출되는 가스 내 이산화탄소는 별도로 격리하는 방법이 제시되어 있다. 그러나 이는, 이산화탄소 분리기를 플랜트에 별도로 설치해야 하는 문제점이 있어 플랜트 발전 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 초기 설치 비용 상승을 유발하는 문제점이 있었다.As a conventional technique for separating carbon dioxide from exhaust gas discharged from a plant facility, Korean Patent Laid-Open No. 10-2009-0038623 ("Carbon dioxide recovery apparatus using ammonia water and carbon dioxide recovery method using same", published on April 21, 2009) . This document discloses a method of recovering carbon dioxide in a flue gas using ammonia water. A method of exclusively supplying flue gas to the cathode of the fuel cell and separately isolating carbon dioxide in the gas discharged from the anode is disclosed. However, there is a problem that the carbon dioxide separator needs to be separately installed in the plant, which not only lowers the plant power generation efficiency but also causes an increase in the initial installation cost.

이에 본 출원인은 대한민국 등록특허 제10-1174281호("배가스를 이용한 정삼투식 담수 및 CO2 포집 연계 시스템", 2012.08.09. 공개)를 통해 플랜트에서 배출되는 배가스로부터 이산화탄소를 포집하여 이를 정삼투 설비와 하이브리드화 하는 기술을 제시한 바 있으며, 더욱 상세하게는 플랜트로부터 열에너지를 공급받아 유도용액을 분리하는 분리부와, 플랜트의 배가스로부터 이사화탄소를 포집하여 유도용액을 농축하는 이산화탄소 포집부를 포함하는 정삼투 하이브리드 시스템을 제시한 바 있다. 그러나 본 기술은 열분해 내지 휘발성 물질인 암모니아계 유도 용질(상세하게는 중탄산암모늄)에 제한적으로 적용 가능하며, 외부로부터 물을 추가적으로 공급받아야 하는 문제가 있었다.Accordingly, the applicant of the present invention collects carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the plant through the Korea Patent No. 10-1174281 ("Fresh water and fresh water capture system using flue gas, And more particularly, to a method of hybridization, which comprises a separation unit for separating an induction solution by receiving thermal energy from a plant, a purification unit including a carbon dioxide capture unit for collecting carbon dioxide from the exhaust gas of the plant, Hybrid system has been proposed. However, this technology is limited to pyrolysis or volatile ammonia-based induced solute (specifically, ammonium bicarbonate), and water has to be additionally supplied from the outside.

그 외에도, 본 출원인은 대한민국 등록특허 제10-1352521호("정삼투식 담수 복합시스템", 2014.01.10. 공개)를 통해 상기 등록특허 제10-1174281호에서 제시하고 있는 시스템에, 플랜트로부터 이산화탄소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지장치를 더 포함하는 시스템을 제시한 바 있다.In addition, the applicant of the present invention has proposed a system in which the system proposed in Korean Patent No. 10-1352521 ("Freshwater Sampling System ", published on Apr. 10, 2014) And a fuel cell device that receives power and produces electric power.

한편, 대한민국 등록특허 제10-1245264호("정삼투방식의 염수-담수화방법을 포함하는 이산화탄소 포집방법 및 정삼투-이산화탄소 포집 하이브리드 시스템", 2013.03.13. 공개)에서는 유도용액 분리부가 50~80℃ 범위로 가열되는 이산화탄소 분리부와, 89~99℃ 범위로 가열되는 담수 분리부로 구분되어 구비되는 플랜트-정삼투 하이브리드 시스템이 제시된 바 있다.On the other hand, in Korean Patent No. 10-1245264 ("Carbon dioxide capture method including positive salt water-desalination method and positive osmosis-carbon dioxide capture hybrid system", published on March 23, 2013) And a fresh water separating unit heated to a temperature ranging from 89 to 99 ° C. The plant-positive osmosis hybrid system has been proposed.

그러나, 위에서 언급한 선행기술들은 모두 열분해 및 휘발성 물질인 중탄산암모늄 등의 유도 용질을 사용하고 있어 희석된 중탄산암모늄 용액으로부터 물을 분리하고 유도 용질을 회수할 때 가열 공정의 제어가 용이하지 않고, 고체염의 생성으로 배관이 막히는 문제가 있어 배관 온도 제어 또한 어렵다는 문제가 있으며, 에너지 소비량이 높다는 단점이 있어, 더욱 효율적으로 플랜트와 정삼투 공정을 연계하는 하이브리드 시스템의 개발이 요구되는 실정이다.However, all of the above-mentioned prior arts use pyrolysis and volatile substances such as ammonium bicarbonate as an inducing solute. Therefore, when water is separated from the diluted ammonium bicarbonate solution and the induction solute is recovered, the control of the heating process is not easy, There is a problem that piping is clogged due to the generation of salt, so that it is difficult to control the temperature of the piping, and there is a disadvantage that the energy consumption is high. Therefore, it is required to develop a hybrid system that links the plant and the forward osmosis process more efficiently.

대한민국 공개특허 제10-2009-0038623호("암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치 및 이를 이용한 이산화탄소 회수방법", 2009.04.21. 공개)Korean Patent Laid-Open No. 10-2009-0038623 ("Carbon dioxide recovery apparatus using ammonia water and carbon dioxide recovery method using the same", published on April 21, 2009) 대한민국 등록특허 제10-1174281호("배가스를 이용한 정삼투식 담수 및 CO2 포집 연계 시스템", 2012.08.09. 공개)Korean Patent No. 10-1174281 ("Freshwater and CO2 capture link system using flue gas", disclosed on Aug. 9, 2012) 대한민국 등록특허 제10-1352521호("정삼투식 담수 복합시스템", 2014.01.10. 공개)Korean Registered Patent No. 10-1352521 ("Freshwater Sampling System", published on Apr. 10, 2014) 대한민국 등록특허 제10-1245264호("정삼투방식의 염수-담수화방법을 포함하는 이산화탄소 포집방법 및 정삼투-이산화탄소 포집 하이브리드 시스템", 2013.03.13. 공개)Korean Patent No. 10-1245264 ("Carbon dioxide capture method including positive osmosis brine-desalination method and positive osmosis-carbon dioxide capture hybrid system", published on Mar. 13, 2013)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 이산화탄소의 공급 여부에 따라 친수성/소수성으로 성질이 변화하는 가변극성용액(Switchable Polarity Solution)을 유도 용액으로 도입하고 이에 최적화된 공정을 설계하여, 담수 효율이나 유도 용액의 회수 효율이 향상되고, 에너지 소비량을 비롯한 운전 비용(OPEX)를 절감할 수 있는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템 및 이에 따른 담수화 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method of introducing a switchable polarity solution, which is hydrophilic / hydrophobic depending on whether carbon dioxide is supplied, The present invention is to provide a plant-positive osmosis hybrid desalination system and a desalination method by which the efficiency of fresh water or induction solution can be improved and the operation cost (OPEX) including energy consumption can be reduced.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 플랜트(10)로부터 이산화탄소가 함유된 배가스와 열 에너지를 공급받아 해수를 정삼투(Forward Osmosis) 방식으로 담수화하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템에 있어서, 상기 플랜트(10)로부터 상기 배가스를 공급받아 유도용액(draw solution)에 접촉시켜, 상기 유도용액의 극성을 친수성(hydrophilic)으로 전환시키는 이산화탄소 접촉부(20); 상기 이산화탄소 접촉부(20)로부터 친수성으로 전환된 유도용액을 정삼투막(31)의 일 측으로 공급받고, 타 측으로 해수를 공급받아 농축된 해수와 희석된 유도용액을 배출하는 정삼투 유닛(30); 상기 플랜트(10)로부터 공급되는 열 에너지를 이용하여 상기 정삼투 유닛(30)으로부터 공급되는 상기 희석된 유도용액 내 이산화탄소를 분리함으로써, 상기 유도용액의 극성을 소수성(hydrophobic)으로 전환시켜 상기 유도용액과 물을 액체-액체 상 분리하는 이산화탄소 분리부(40); 및 소수성으로 전환되어 상 분리된 유도용액을 추출하여 상기 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하고, 최종 생산수를 배출하는 유도용액 회수부(50);를 포함하며, 상기 유도용액은 이산화탄소의 공급 여부에 따라 친수성/소수성으로 성질이 변화하는 가변극성용액(Switchable Polarity Solution)인 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned object, according to an embodiment of the present invention, there is provided a plant-positive osmosis hybrid system comprising a flue gas containing carbon dioxide from a plant 10 and desalination of seawater by a forward osmosis A desalination system, comprising: a carbon dioxide contact portion (20) for supplying the exhaust gas from the plant (10) and contacting the solution with a draw solution to convert the polarity of the induction solution into hydrophilic; A positive osmotic unit 30 for supplying the induction solution converted from the carbon dioxide contact portion 20 to the one side of the osmosis membrane 31 and supplying seawater to the other side and discharging the concentrated seawater and the diluted induction solution; By converting the polarity of the inductive solution to hydrophobic by separating the carbon dioxide in the diluted inductive solution supplied from the positive osmotic unit 30 using the thermal energy supplied from the plant 10, And a carbon dioxide separation unit 40 for liquid-liquid phase separation of water. And an induction solution recovery unit (50) for extracting the phase-separated induction solution converted into a hydrophobic state, supplying the extracted solution to the carbon dioxide contact unit (20), and discharging final production water, wherein the induction solution And is a switchable pollution solution that changes its properties according to hydrophilicity / hydrophobicity. The present invention provides a plant-positive osmosis hybrid desalination system.

이때, 상기 가변극성용액은 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)에 제3아민(Tertiary amine, NR3)이 첨가된 용액일 수 있으며, 상기 제3아민은 제3아미노알코올(Tertiary amino alcohols)인 것이 바람직하고, 상기 제3아미노알코올은 디메틸에탄올아민(2-(dimethylamino)ethanol) 및 N-메틸디에탄올아민(N-methyldiethanolamine)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 더욱 바람직하다.At this time, the variable polarity solution may be a solution in which a tertiary amine (NR 3 ) is added to tetrahydrofuran, and the tertiary amine is preferably tertiary amino alcohols , And the third amino alcohol is at least one or more selected from the group consisting of dimethyl ethanolamine and N-methyldiethanolamine.

상기 플랜트(10)로부터 공급되는 열 에너지를 이용하여 스팀을 생성한 후, 이를 상기 이산화탄소 분리부(40)에 공급하는 배열회수 스팀발생장치(HRSG);를 더 포함할 수 있다.(HRSG) that generates steam using the heat energy supplied from the plant 10 and supplies the generated steam to the carbon dioxide separation unit 40.

또한, 상기 유도용액 회수부(50)는, 상기 소수성으로 전환되어 상 분리된 유도용액을 1차적으로 분리하는 액체 분리기(51); 및 잔여 유도용액을 2차적으로 분리하여 최종 생산수를 배출하는 막 분리기(52);를 포함할 수 있으며, 상기 막 분리기(52)는 역삼투 유닛인 것이 바람직하다.The induction solution recovery unit 50 may further include a liquid separator 51 for primarily separating the induction solution that has been converted into the hydrophobic property and phase separated; And a membrane separator 52 for secondarily separating the residual inducing solution and discharging the final produced water, and the membrane separator 52 is preferably a reverse osmosis unit.

상기 플랜트(10)에서 배출된 배가스가 상기 이산화탄소 접촉부(20)로 공급되기 이전에, 상기 배가스 및 별도의 수소(H2)가 연료전지(61)에 공급되어, 전력을 생산하고 혼합가스를 배출하는 연료전지부(60)를 더 포함하며, 상기 연료전지(61)는 상기 배가스 내 이산화탄소가 탄산 이온으로 전환되는 캐소드 전극과, 상기 탄산 이온과 별도로 공급된 수소가 반응하여 전력을 생산하고 상기 혼합가스를 배출하는 애노드 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하며, 상기 연료전지(61)는 용융탄산염 연료전지(MCFC)이고, 상기 연료전지부(60)는, 상기 혼합가스 내의 열 에너지를 이용하여 스팀을 생성한 후, 이를 상기 이산화탄소 분리부(40)에 공급하는 배열회수 스팀발생장치(HRSG)를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.Before the exhaust gas discharged from the plant 10 is supplied to the carbon dioxide contact portion 20, the exhaust gas and another hydrogen (H 2 ) are supplied to the fuel cell 61 to generate electric power and to discharge the mixed gas Wherein the fuel cell (61) comprises a cathode electrode in which carbon dioxide in the exhaust gas is converted into carbonate ion, and hydrogen supplied separately from the carbonate ion to produce electric power, The fuel cell 61 is a molten carbonate fuel cell (MCFC), and the fuel cell unit 60 uses the thermal energy in the mixed gas. (HRSG) for generating steam and supplying it to the carbon dioxide separation unit 40. The steam generator (HRSG)

또한, 상기 연료전지부(60)는, 상기 혼합가스 내 이산화탄소를 추출하여 상기 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하는 기액 분리기(62)를 더 포함할 수 있으며, 상기 연료전지부(60)는, 상기 기액 분리기(62) 상류 측에 구비되어 상기 혼합가스 내 이산화탄소와 물을 제외한 물질을 제거하기 위한 촉매 산화기(63)를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
The fuel cell unit 60 may further include a gas-liquid separator 62 for extracting carbon dioxide from the mixed gas and supplying the carbon dioxide to the carbon dioxide contacting unit 20, And a catalytic oxidizer (63) provided upstream of the gas-liquid separator (62) for removing substances other than carbon dioxide and water in the mixed gas.

한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 플랜트(10)로부터 이산화탄소가 함유된 배가스와 열 에너지를 공급받아 해수를 정삼투(Forward Osmosis) 방식으로 담수화하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법에 있어서, 이산화탄소 접촉부(20)를 통해, 상기 플랜트(10)로부터 상기 배가스를 공급받아 유도용액에 접촉시켜, 상기 유도용액의 극성을 친수성으로 전환시킨 후 이를 정삼투 유닛(30)의 정삼투막(31) 일 측에 에 공급하는 이산화탄소 포집단계(S10); 상기 정삼투막(31) 타 측에 해수를 공급하여 상기 정삼투 유닛(30)을 통해 농축된 해수와 희석된 유도용액을 배출하는 정삼투 단계(S20); 이산화탄소 분리부(40)를 통해, 상기 플랜트(10)로부터 공급되는 열 에너지를 이용하여 상기 정삼투 유닛(30)에서 배출되는 희석된 유도용액에서 이산화탄소를 분리함으로써, 상기 유도용액의 극성을 소수성으로 전환시켜 상기 유도용액과 물을 액체-액체 상 분리하는 이산화탄소 분리단계(S30); 및 유도용액 회수부(50)를 통해, 소수성으로 전환되어 상 분리된 유도용액을 추출하여 상기 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하고, 최종 생산수를 배출하는 유도용액 회수단계(S40);를 포함하며, 상기 유도용액은 이산화탄소의 공급 여부에 따라 친수성/소수성으로 성질이 변화하는 가변극성용액(Switchable Polarity Solution)인 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for desalination of seawater by a forward osmosis method, comprising: supplying an exhaust gas containing carbon dioxide from a plant (10) In the osmotic hybrid desalination method, the flue gas is supplied from the plant (10) through the carbon dioxide contact portion (20) and brought into contact with the induction solution to convert the polarity of the induction solution into hydrophilic, A carbon dioxide collecting step (S10) of supplying the carbon dioxide to one side of the regular osmosis membrane (31); A positive osmosis step (S20) of supplying seawater to the other side of the osmosis membrane (31) to discharge the concentrated seawater and the diluted induction solution through the osmosis unit (30); By separating the carbon dioxide from the diluted induction solution discharged from the osmosis unit 30 by using the thermal energy supplied from the plant 10 through the carbon dioxide separation unit 40, the polarity of the induction solution is made hydrophobic A carbon dioxide separation step (S30) of converting the inductive solution and water into liquid-liquid phase by conversion; And an induction solution recovery step (S40) for extracting the phase-separated induction solution converted into a hydrophobic state through the induction solution recovery part (50), supplying the extracted solution to the carbon dioxide contact part (20) , And the induction solution is a switchable pollution solution which is changed in hydrophilicity / hydrophobicity depending on whether carbon dioxide is supplied or not.

이때, 상기 유도용액 회수단계(S40)는, 액체 분리기(51)를 통해, 상기 소수성으로 전환되어 상 분리된 유도용액을 1차적으로 분리하는 1차 회수단계(S41); 및 역삼투 유닛으로 이루어진 막 분리기(52)를 통해, 잔여 유도용액을 2차적으로 분리하여 최종 생산수를 배출하는 2차 회수단계(S42);를 포함할 수 있다.At this time, the derivatized solution recovery step (S40) includes a first recovery step (S41) for primarily separating the phase-separated induction solution converted into the hydrophobic state through the liquid separator (51); And a second recovery step (S42) of separating the residual induction solution through a membrane separator (52) composed of a reverse osmosis unit and discharging the final product water.

또한, 상기 이산화탄소 포집단계(S10) 이전에, 연료전지(61)에 상기 배가스 및 별도의 수소(H2)가 공급되어 전력을 생산하고 혼합가스를 배출하는 연료전지 경유단계(S1);를 더 포함할 수 있으며, 상기 연료전지 경유단계(S1) 이후, 상기 이산화탄소 포집단계(S10) 이전에, 상기 혼합가스로부터 이산화탄소와 물을 제외한 물질을 제거하기 위한 촉매 산화단계(S2); 및 촉매 산화된 혼합가스 내 이산화탄소를 기-액 분리 과정을 통해 추출하여 상기 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하는 기액 분리단계(S3);을 더 포함하는 것이 바람직하다.The fuel cell passing step S 1 is a fuel cell passing step S 1 in which the exhaust gas and the additional hydrogen (H 2 ) are supplied to the fuel cell 61 to generate electric power and discharge the mixed gas before the carbon dioxide capture step S 10 (S2) for removing substances other than carbon dioxide and water from the mixed gas after the fuel cell passing step (S1) and before the carbon dioxide collecting step (S10); And a gas-liquid separating step (S3) of extracting carbon dioxide in the catalytically-oxidized gas mixture through a gas-liquid separation process and supplying the extracted gas to the carbon dioxide contacting part (20).

또, 상기 가변극성용액은 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)에 제3아민(Tertiary amine, NR3)이 첨가된 용액인 것이 바람직하다.It is preferable that the variable polarity solution is a solution in which tertiary amine (NR 3 ) is added to tetrahydrofuran.

상술한 바와 같은 본 발명의 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템 및 방법은, 이산화탄소의 공급 여부에 따라 친수성/소수성으로 성질이 변화하는 가변극성용액(Switchable Polarity Solution)을 유도 용액으로 하는 정삼투 시스템에, 플랜트 설비를 최적화된 공정으로 통합하여, 담수 공정 및 유도 용액 회수 공정의 효율이 현저히 향상되고, 에너지 소비량을 비롯하여 공정 운전 비용이 절감되며, 플랜트의 배가스 내 이산화탄소를 활용 및 포집할 수 있어 친환경적이고 경제적이라는 효과가 있다.As described above, the plant-fixed osmosis hybrid desalination system and method of the present invention can be applied to a positive osmosis system in which a switching polarity solution whose properties change depending on whether carbon dioxide is supplied or not is hydrophilic / hydrophobic, By integrating plant facilities into optimized processes, it is possible to significantly improve the efficiency of the desalination process and inductive solution recovery process, reduce energy consumption, process operation cost, and capture and utilize carbon dioxide in the flue gas of the plant. .

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템의 공정 설계도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템의 공정 설계도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템의 공정 설계도이다.
도 4는 본 발명의 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법의 공정 흐름도(flowchart)이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 사용되는 유도용액의 기본 원리를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 사용되는 유도용액의 적합성을 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a process schematic diagram of a plant-fixed osmosis hybrid desalination system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a process schematic diagram of a plant-fixed osmosis hybrid desalination system according to a second embodiment of the present invention.
3 is a process schematic diagram of a plant-fixed osmosis hybrid desalination system according to a third embodiment of the present invention.
4 is a process flow diagram of the plant-fixed osmosis hybrid desalination method of the present invention.
5 is a schematic diagram showing the basic principle of an induction solution used in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the results of experiments on the suitability of an inductive solution used according to a preferred embodiment of the present invention.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Prior to the description, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical concept of the present invention.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is &quot; on &quot; another member, this includes not only when the member is in contact with another member, but also when there is another member between the two members.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including" an element, it is understood that it may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms "first "," second ", and the like are intended to distinguish one element from another, and the scope of the right should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
In each step, the identification code is used for convenience of explanation, and the identification code does not describe the order of the steps, and each step may be performed differently from the stated order unless clearly specified in the context. have. That is, each of the steps may be performed in the same order as described, or may be performed substantially concurrently or in the reverse order.

본 발명은 먼저, 플랜트(10)로부터 이산화탄소가 함유된 배가스와 열 에너지를 공급받아 해수를 정삼투(FO) 방식으로 담수화하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템을 제공한다. 본 발명의 시스템은 플랜트(10)를 비롯하여 이산화탄소 접촉부(20), 정삼투 유닛(30), 이산화탄소 분리부(40) 및 유도용액 회수부(50)를 포함하여 구성되며, 이때 유도용액으로 이산화탄소 공급 여부에 따라 친수성과 소수성으로 성질이 변화하는 가변극성용액(Switchable Polarity Solution, 이하 "SPS"라 한다.)을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템의 공정 설계도가 도 1 내지 도 3에 도시되어 있으며, 본 발명의 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법의 공정 흐름도가 도 4에 도시되어 있다.The present invention provides a plant-positive osmosis hybrid desalination system for receiving seawater from a plant (10) and desalting the seawater in a FO method by receiving thermal energy from a flue gas containing carbon dioxide. The system of the present invention comprises a plant 10, a carbon dioxide contact unit 20, a normal osmosis unit 30, a carbon dioxide separation unit 40 and an inductive solution recovery unit 50, (Hereinafter referred to as " SPS ") in which the properties change depending on the presence or absence of hydrophobicity and hydrophobicity. 1 to 3, a process flow diagram of the plant-forward osmosis hybrid desalination system of the present invention is shown in Fig. 4 Respectively.

본 발명의 핵심적인 기술적 특징은, ① 종래 일반적으로 정삼투 공정에서 사용되어 왔던 열분해/휘발성 물질인 중탄산암모늄(NH4HCO3) 등의 물질 대신 SPS로 유도용액을 대체하여 온도 제어를 비롯한 공정의 전반적인 제어가 용이하면서도, 투입되는 에너지 등을 절약하여 공정 운전 비용(OPEX)를 절감할 수 있다는 점과, ② 화력 발전소나 연료전지 등의 플랜트 설비와 연계하고 이로부터 이산화탄소 및 열에너지를 최적화된 공정을 통해 포집 및 회수하여 정삼투 공정에 공급하도록 함으로써, 정삼투 공정이 연속적으로 원활하게 이루어질 수 있도록 함과 동시에 이산화탄소 배출량을 저감시킬 수 있어 친환경적이라는 점이다.The key technical features of the present invention are as follows: (1) Instead of a substance such as ammonium bicarbonate (NH4HCO3) which is a pyrolysis / volatile substance which has conventionally been used in a normal osmosis process, an induction solution is replaced by SPS, (OPEX) can be saved by saving the energy that is easily and costly. ② In connection with plant facilities such as thermal power plants and fuel cells, CO2 and heat energy can be collected and optimized through this process. So that it is possible to smoothly perform the continuous osmosis process and to reduce the amount of carbon dioxide emissions, thereby being eco-friendly.

본 명세서 전체에서 사용되는 "플랜트"란 용어는 화력 발전소나 산업 플랜트 등의 설비를 포괄하는 개념이며, 나아가 연료전지 발전소 등의 기타 발전소 설비까지 포함하는 개념이다.The term "plant" used throughout the present specification is a concept encompassing facilities such as thermal power plants and industrial plants, and further includes other power plant facilities such as fuel cell power plants.

플랜트(10)에서 배출되는 배가스는 통상 4~12 wt%의 이산화탄소를 함유한다. 이로부터 이산화탄소를 제거하지 않고 배출하게 되면 지구 온난화 현상의 원인이 되며, 이와 관련된 규제들이 세계 각지에서 점차 강화되고 있는 실정이다.The exhaust gas discharged from the plant 10 usually contains 4 to 12 wt% of carbon dioxide. If it is discharged without removing carbon dioxide, it becomes a cause of global warming phenomenon, and related regulations are being strengthened all over the world.

플랜트(10)로부터 배출되는 배가스가 바로 본 발명의 시스템에 공급될 수도 있으나, 시스템 설비의 고장을 방지하고 일정 수준 이상의 수명을 보장하기 위하여 배출되는 배가스를 전처리하여 투입할 수도 있다.The exhaust gas discharged from the plant 10 may be directly supplied to the system of the present invention. However, the discharged exhaust gas may be pretreated in order to prevent failure of the system equipment and ensure a certain level of service life.

이산화탄소 접촉부(20)에서는 플랜트(10)로부터 배출되는 배가스를 공급받아 유도용액(draw solution)에 접촉시켜 유도용액의 극성을 친수성(hydrophilic)으로 전환시키는 역할을 수행하여, 이로써 이산화탄소 포집단계(S10)가 진행된다.The carbon dioxide contacting portion 20 serves to convert the polarity of the induction solution into a hydrophilic state by contacting the exhaust gas discharged from the plant 10 with a draw solution to thereby collect the carbon dioxide, .

유도용액이란, 정삼투 공정에서 핵심적인 역할을 수행하는 요소 중 하나로서, 담수화의 대상이 되는 해수 등의 원수(raw water)보다 염 농도가 높아 원수로부터 담수를 유도(draw)하는 역할을 하는 매체이며, 추후 희석된 유도용액으로부터 최종 생산수를 배출하고 농축된 유도 용액을 회수하여 다시 공정에 투입하는 것이 일반적이다. 이러한 유도용액의 성능, 더욱 상세하게는 농도제어의 용이성, 구입의 용이성, 회수 및 담수와의 분리 용이성 등의 성능을 향상시키는 것이 정삼투 기술 개발의 핵심적인 키(key)라고 할 수 있다.The induction solution is one of the factors that plays a key role in the cleansing process. It is a medium that plays a role of drawing fresh water from raw water because the salt concentration is higher than that of raw water such as seawater, , It is common to discharge the final product water from the diluted induction solution, collect the concentrated induction solution, and put it into the process again. Improving the performance of such an inducing solution, more specifically, ease of concentration control, ease of purchase, recovery and ease of separation from fresh water is a key key to the development of the cleansing technology.

본 발명은 유도용액으로 이산화탄소의 공급 여부에 따라 친수성/소수성으로 성질이 변화하는 가변극성용액(Switchable Polarity Solution) 즉, SPS 물질을 사용한다. 더욱 상세하게는 이산화탄소를 접촉시켰을 때에는 친수성으로 성질이 변화하여 정삼투 설비에 투입되어 농도 차에 따른 삼투압을 발생시켜 원수로부터 담수를 끌어내는 역할을 수행하고, 추후에 이산화탄소를 분리시켰을 때에는 소수성으로 성질이 변화하여, 정삼투 설비에서 배출되는 희석된 SPS로부터 액-액 상 분리를 통해 용이하게 SPS를 회수하게 된다.The present invention uses a Switchable Polarity Solution (SPS), which varies in hydrophilicity / hydrophobicity depending on whether carbon dioxide is supplied as an inducing solution. More specifically, when carbon dioxide is brought into contact with the water, the water is changed into hydrophilic property to be injected into the osmosis unit to generate osmotic pressure according to the concentration difference, thereby to draw fresh water from the raw water. When the carbon dioxide is separated in the future, The SPS is easily recovered through the liquid-liquid phase separation from the diluted SPS discharged from the forward osmosis facility.

이러한 성질을 갖는 다양한 형태의 가변극성용액(SPS)가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuram, THF)에 제3아민(Tertiary amine, NR3)가 첨가된 용액을 사용하는 것이 바람직하다.Although various types of variable polarity solutions (SPS) having such properties can be used, it is preferable to use a solution in which a tertiary amine (NR 3 ) is added to tetrahydrofuran (THF) .

도 5를 참고할 때, 극성이 강해 물과 잘 섞여 있는 유기 용매인 THF가 물과 균일하게 혼합되어 있는 상태에서 가변극성 첨가제(Switchable additive)를 넣고 이산화탄소를 주입하여 용액의 이온성(ionic strength)을 변화시켜 염이 함유된 물 부분과 THF 부분으로 상 분리가 되는 것을 원리를 이용한다.Referring to FIG. 5, in a state where THF, an organic solvent having high polarity and well mixed with water, is uniformly mixed with water, a switchable additive is added and carbon dioxide is injected to adjust the ionic strength of the solution And the phase is separated into a salt-containing water portion and a THF portion.

더욱 상세하게는, 전혀 이온성을 보이지 않는 용액에 이산화탄소를 주입하게 되면 전해부(charged species)가 형성되어 높은 이온성을 갖게 되고, 이후 질소나 공기를 주입하거나 가열에 의해 이산화탄소를 제거하게 되면 다시 낮은 상태의 이온성으로 회복하게 된다. 이때의 반응식은 하기의 화학식 1과 같다.More specifically, when carbon dioxide is injected into a solution which does not exhibit ionicity at all, a charged species is formed to have a high ionic property. After the injection of nitrogen or air or the removal of carbon dioxide by heating, And recovered to a low-state ionic property. The reaction formula at this time is shown in the following chemical formula (1).

Figure 112014049643230-pat00001
Figure 112014049643230-pat00001

본 발명은 이때 가변극성 첨가제로 제3아민을 사용한다. 아민(amine)은 특별히 이산화탄소 포집에 매우 효과적인 것으로 알려져 있다. 이때, 제1아민과 제2아민의 경우에는 이산화탄소와 반응하여 카바메이트(carbamate)를 생성시키기 때문에 가열이나 질소/공기 주입에 의해 이온성을 변환시키기 어려워 효율이 떨어지는 반면, 제3아민은 수소결합 제공능력(hydrogen bond-donating ability)가 없어 이온성을 변환시키기가 상대적으로 용이하게 높은 효율로 회수가 가능하므로 가장 효과적인 첨가제로 활용할 수 있다.The present invention uses a tertiary amine as the variable polarity additive. Amines are known to be particularly effective at capturing carbon dioxide. At this time, in the case of the first amine and the second amine, since the carbamate is formed by reaction with carbon dioxide, it is difficult to convert the ionic property by heating or nitrogen / air injection, It can be used as an effective additive because it can recover the ionic property relatively easily and efficiently with no hydrogen bond-donating ability.

다양한 형태의 제3아민이 첨가제로 채택될 수 있으나, 바람직하게는 제3아미노알콜(Tertiary amino alcohols)을 사용하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 디메틸에탄올아민(2-(dimethylamino)ethanol) 및 N-메틸디에탄올아민(N-methyldiethanolamine)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상을 사용하는 것이 좋다. 이는 이산화탄소가 주입될 때 상기의 화합물들은 트리알킬암모늄하이드로젠카보네이트(Trialkylammonium hydrogen carbonate) 염을 형성시켜 높은 이온성을 보이고, 질소나 공기를 주입하거나 가열을 하게 되면 최초의 낮은 이온성 상태로 효율적으로 회복시킬 수 있기 때문이다.Various types of tertiary amines may be employed as the additive, but it is preferred to use tertiary amino alcohols, more preferably dimethylamino ethanol (2- (dimethylamino) ethanol) and N- At least one selected from the group consisting of N-methyldiethanolamine is preferably used. When the carbon dioxide is injected, the compounds form a trialkylammonium hydrogen carbonate salt and show high ionicity. When the nitrogen or the air is injected or heated, the compounds are efficiently converted into the first low ionic state Because it can restore it.

이와 관련한 실험 데이터가 도 6에 도시되어 있다. 25℃의 1:1의 부피비로 제3아미노알콜과 물이 섞여 있는 용액에 이산화탄소를 주입하였을 때, 20분 만에 0 mS/Cm에서 약 22 mS/cm (TDS 13,200 ~ 16,400 ppm)까지 전도도(conductivity)가 상승하고, 85℃의 용액에 질소를 스파징(sparging) 했을 때에는, 20분 후 3 mS/Cm 이하로 떨어지는 결과를 보이는 것을 확인할 수 있다. (약 1 mS/cm = 600~700 ppm) 이로써, 해당 용액이 정삼투 공정에서 유도용액 회수 효율에 획기적인 효과를 가져올 수 있음을 확인할 수 있다.
Experimental data relating to this is shown in Fig. When carbon dioxide is injected into a solution of a mixture of tertiary amino alcohol and water at a volume ratio of 1: 1 at 25 ° C, the conductivity (from about 0 mS / cm to about 22 mS / cm (TDS 13,200 to 16,400 ppm) conductivity was increased and sparging of nitrogen into the solution at 85 ° C resulted in a drop of less than 3 mS / Cm after 20 minutes. (About 1 mS / cm = 600-700 ppm). Thus, it can be confirmed that the solution has a remarkable effect on the efficiency of recovery of the inductive solution in the forward osmosis process.

이산화탄소 접촉부(20)에서 친수성으로 전환된 유도용액은 정삼투 유닛(30)에 구비된 정삼투막(31) 일 측 영역으로 공급되고, 원수인 해수가 타 측 영역으로 공급되어 정삼투 단계(S20)가 수행된다. 이때 정삼투 유닛(30)을 구성하는 정삼투막(31)의 종류나 물성, 정삼투 유닛(30)의 설비 크기나 운전 조건은 필요에 따라 적절한 것으로 조절할 수 있다.The inductive solution converted into hydrophilic in the carbon dioxide contact portion 20 is supplied to one side region of the osmosis membrane 31 provided in the osmosis unit 30, and seawater as raw water is supplied to the other region, ) Is performed. At this time, the type and physical properties of the osmosis membrane 31 constituting the osmosis unit 30, the size and operating conditions of the osmosis unit 30 can be adjusted as necessary.

정삼투 유닛(30)에서 정삼투 단계(S20)가 수행되면서 해수는 농축되어 배출되고, 유도용액은 해수로부터 흡수되는 담수로 인해 희석된다. 희석된 유도용액은 후단의 이산화탄소 분리부(40)로 이송되어 이산화탄소 분리단계(S30)가 수행된다.The seawater is concentrated and discharged while the forward osmosis step (S20) is performed in the osmosis unit (30), and the inducing solution is diluted by the fresh water absorbed from the seawater. The diluted induction solution is transferred to the carbon dioxide separation unit 40 at the downstream stage, and the carbon dioxide separation step S30 is performed.

이산화탄소 분리부(40)는 희석된 유도용액에서 기체 상태의 이산화탄소를 분리하고, 이로써 극성이 소수성으로 전환된 액체상태의 유도용액과 물을 액체 간 상 분리되도록 하는 역할을 수행한다. 이때 열을 가하거나, 공기나 질소를 공급하여 이산화탄소를 분리할 수 있는데, 열을 가하는 경우 별도의 열 에너지를 공급할 수도 있으나, 플랜트(10)에서 발생되는 폐열이나 배가스 내 열을 회수하여 재활용하는 것이 바람직하다. 또한, 플랜트(10)로부터 공급되는 열 에너지를 직접 공급하는 것이 아닌 간접 공급할 때에는 스팀을 생성하여 이산화탄소 분리부(40)에 공급하는 배열회수 스팀발생장치(HRSG)를 공정에 더 포함할 수 있다.The carbon dioxide separation unit 40 separates the gaseous carbon dioxide from the diluted induction solution, thereby performing the function of separating the liquid induction solution and the water in the liquid state in which the polarity is converted into the hydrophobic state. At this time, heat can be applied, or air or nitrogen can be supplied to separate carbon dioxide. In the case where heat is applied, separate heat energy can be supplied. However, waste heat generated in the plant 10 and heat in the exhaust gas are recovered and recycled desirable. In addition, when indirectly supplying the thermal energy supplied from the plant 10 but not indirectly, it may further include an arrangement recovery steam generator (HRSG) for generating steam and supplying it to the carbon dioxide separation unit 40.

분리된 기체 상태의 이산화탄소는 이산화탄소 접촉부(20)에 공급될 수도 있으나 별도로 저장하여 처리하는 것이 바람직하며, 분리된 액체 부분은 후단의 유도용액 회수부(50)로 이송되어 유도용액 회수단계(S40)를 수행하게 된다.The separated gaseous carbon dioxide may be supplied to the carbon dioxide contact portion 20 but may be separately stored and processed. The separated liquid portion is transferred to the induction solution recovery portion 50 at the subsequent stage, .

유도용액 회수부(50)는 소수성으로 전환되어 액체-액체 상 분리가 되어 있는 것으로부터 유도용액을 회수하여 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하고, 최종 생산수를 배출하는 역할을 수행한다.The induction solution recovery unit 50 converts the hydrophobic solution to liquid-liquid phase separation, collects the induction solution, supplies the recovered solution to the carbon dioxide contact unit 20, and discharges the final production water.

유도용액 회수단계(S40)는 액체 분리기(51)를 이용하여 1차적으로 2상 액체 중 유도용액 부분을 기계적인 방법으로 추출 및 분리하는 1차 회수단계(S41)와, 막 분리기(52)를 이용하여 2차적으로 물 속에 남아있는 유도용액을 막(membrane)을 통해 분리 및 제거하여 최종 생산수를 배출하는 2차 회수단계(S42)의 형태로 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 막 분리기(52)는 다양한 형태의 막 분리 장치가 채택될 수 있으나, 바람직하게는 최종 생산수의 요구되는 정수 정도를 감안하였을 때, 역삼투(Reverse Osmosis) 유닛을 사용하는 것이 좋다.The derivatized solution recovery step S40 includes a primary collection step S41 for primarily extracting and separating the inductive solution portion in the two-phase liquid by using the liquid separator 51, (S42) of separating and removing the inducing solution remaining in the water by using a membrane and discharging the final product water. At this time, various types of membrane separation devices may be employed as the membrane separator 52, but it is preferable to use a reverse osmosis unit, considering the required degree of the final production water.

유도용액 회수부(50)를 통해 회수된 소수성의 유도용액은 이산화탄소 접촉부(20)로 회수되어 다시 이산화탄소 포집단계(S10)를 수행하게 되어 전체적인 공정 싸이클이 완성된다.
The hydrophobic inductive solution recovered through the induction solution recovery unit 50 is recovered by the carbon dioxide contact unit 20 and performs the carbon dioxide capture step S10 to complete the entire process cycle.

이하 본 발명의 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템 및 방법에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Hereinafter, embodiments of the plant-positive osmosis hybrid desalination system and method of the present invention will be described. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. shall.

<제1 실시예. 플랜트 연계형 시스템>&Lt; Embodiment 1 > Plant-linked systems>

본 발명의 제1 실시예에 따른 담수화 시스템의 공정 설계도가 도 1에 도시되어 있다. 가장 기본적인 컨셉을 갖추고 있는 실시예로서, 플랜트로부터 배가스를 공급받는 이산화탄소 접촉부(20)와, 정삼투 유닛(30)과, 이산화탄소 분리부(40)와, 액체 분리기(51) 및 막 분리기(52)로 구성된 유도용액 회수부(50)와, 플랜트로부터 열 에너지를 회수하여 이산화탄소 분리부(40)에 공급하는 폐열회수 스팀발생장치로 구성되어 있다.
A process flow diagram of a desalination system according to a first embodiment of the present invention is shown in Fig. The carbon dioxide contacting portion 20 supplied with the flue gas from the plant, the osmosis unit 30, the carbon dioxide separating portion 40, the liquid separator 51, and the membrane separator 52, which are the most basic concept, And a waste heat recovery steam generator for recovering heat energy from the plant and supplying it to the carbon dioxide separation unit 40. [

<제2 실시예. 플랜트-연료전지 연계형 시스템>&Lt; Embodiment 2 > Plant - Fuel Cell Linkage System>

본 발명의 제2 실시예에 따른 담수화 시스템의 공정 설계도가 도 2에 도시되어 있다. 본 실시예는 제1 실시예에 연료전지 시스템이 추가로 병합된 형태의 실시예이다. 연료전지부(60)는 플랜트 설비와 정삼투 설비의 중간 스트림(stream)에 구비되는 설비로서, 플랜트(10)로부터 배출되는 배가스를 공급받아 전력을 생산한 후 배가스를 배출하여 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하고, 이로부터 배출되는 폐열은 역시 배열회수 스팀발생장치를 통해 회수하여 이산화탄소 분리부(40)에 공급하는 형태로 시스템에 병합된다.A process flow diagram of a desalination system according to a second embodiment of the present invention is shown in FIG. The present embodiment is an embodiment in which the fuel cell system is further incorporated into the first embodiment. The fuel cell unit 60 is provided in an intermediate stream of a plant facility and a forward osmosis facility. The fuel cell unit 60 is supplied with the flue gas discharged from the plant 10 to produce electric power, discharges the flue gas, And the waste heat discharged therefrom is also recovered through the batch recovery steam generator and supplied to the carbon dioxide separation unit 40. In the system,

더욱 상세하게는, 캐소드(Cathod) 전극과 애노드(Anode) 전극이 구비된 연료전지(61)가 포함되어 있어, 플랜트(10)에서 배출되는 배가스 내 이산화탄소가 캐소드 전극에서 탄산 이온(CO3 2 -)으로 전환되고, 전환된 탄산 이온과 별도의 수소(H2)와 같은 연료를 공급받아 애노드 전극에서 전력을 생산한 뒤, 혼합가스를 배출하여 후단으로 이송하여 연료전지 경유단계(S1)를 수행하게 된다.More specifically, a fuel cell 61 having a cathode electrode and an anode electrode is included, so that carbon dioxide in the exhaust gas discharged from the plant 10 is separated from carbonate ions (CO 3 2 - ), And a fuel such as hydrogen (H 2 ) other than the converted carbonate ion is supplied to generate power at the anode electrode, and then the mixed gas is discharged to the downstream end to perform the fuel cell passing step S 1 .

연료전지부(60)를 추가로 병합함으로써, 별도의 전력도 생산할 수 있어 전체적인 공정 효율이 향상되며 더욱 친환경적이다.By additionally combining the fuel cell unit 60, additional power can be produced, thereby improving the overall process efficiency and being more environmentally friendly.

도 2에서, Stream 1은 연료전지(61)에서 배출되는 혼합가스의 흐름이며, 물(H20) 46 wt%, 이산화탄소 41 wt%, 수소 4 wt%, 일산화탄소 8 wt%, 메탄가스(CH4) 0.4 wt% 및 기타 0.6 wt%의 조성을 갖게 된다. 따라서, 혼합 가스 중 이산화탄소를 추출하여 후단의 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하도록 하기 위하여 기액 분리기(62)를 통한 기액 분리단계(S3)가 요구된다.2, Stream 1 is a flow of the mixed gas discharged from the fuel cell 61 and is composed of 46 wt% of water (H 2 O), 41 wt% of carbon dioxide, 4 wt% of hydrogen, 8 wt% of carbon monoxide, 4 ) 0.4 wt% and other 0.6 wt%. Therefore, in order to extract carbon dioxide from the mixed gas and supply it to the carbon dioxide contacting portion 20 at the downstream end, a gas-liquid separating step (S3) through the gas-liquid separator 62 is required.

이때 기액 분리단계(S3)를 수행하기 이전에, 이산화탄소와 물을 제외한 기타 연료 물질들을 제거하기 위한 전처리 과정으로, 촉매 산화기(63)를 통한 촉매 산화단계(S2)를 수행하는 것이 추후의 기액 분리단계(S3)를 좀 더 효과적으로 진행하기 위하여 바람직하다.In this case, before carrying out the gas-liquid separation step (S3), it is preferable to carry out a catalytic oxidation step (S2) through a catalytic oxidizer (63) as a pretreatment process for removing other fuel materials except for carbon dioxide and water, It is preferable to proceed the separation step S3 more effectively.

도 2에서 Stream 2는 촉매 산화기(63)를 거치면서 물과 이산화탄소를 제외한 기타 연료 물질들이 제거된 흐름으로, 물 32 wt%, 이산화탄소 67 wt%, 기타 1 wt%의 조성을 갖게 되며, Stream 3은 기액 분리기(62)를 거치면서 이산화탄소만이 추출되어 이산화탄소 98 wt% 이상의 조성을 갖게 된다. 이때 필요에 따라 일부 이산화탄소를 별도로 분리하여 저장한 후, 잔여 이산화탄소만을 이산화탄소 접촉부(20)에 공급할 수도 있다.
In FIG. 2, Stream 2 has a composition of 32 wt% of water, 67 wt% of carbon dioxide and 1 wt% of other materials, except for water and other fuel materials except carbon dioxide while passing through the catalytic oxidizer 63. Stream 3 Liquid separator 62, the carbon dioxide is extracted to have a composition of 98 wt% or more of carbon dioxide. At this time, if necessary, some carbon dioxide may be separately stored and stored, and then only the remaining carbon dioxide may be supplied to the carbon dioxide contact portion 20.

<제3 실시예. 플랜트-연료전지 연계형 리싸이클 시스템>&Lt; Third Embodiment. Plant - Fuel cell-linked recycling system>

본 발명의 제3 실시예에 따른 담수화 시스템의 공정 설계도가 도 3에 도시되어 있다. 본 실시예는 제2 실시예에서 별도로 촉매 산화기(63)를 두지 않고 연료 물질이 함유된 상태로 후단의 이산화탄소 접촉부(20)까지 공급되도록 하여, 추후 이산화탄소 접촉부(20)에서 배출되는 가스의 일부를 리싸이클(recycle) 하여 연료전지(61)에 공급하는 형태이며, 배출되는 가스의 일부는 또한 다른 시스템의 연료전지로 공급할 수도 있다.A process flow diagram of a desalination system according to a third embodiment of the present invention is shown in Fig. In this embodiment, in the second embodiment, the catalytic oxidizer 63 is not provided and the fuel material is supplied to the carbon dioxide contacting portion 20 at the downstream end in a state containing the fuel material, so that a part of the gas discharged from the carbon dioxide contacting portion 20 Is recycled and supplied to the fuel cell 61. A part of the discharged gas may also be supplied to the fuel cell of another system.

도 3에서 Stream 4는 연료전지(61)에서 배출되는 혼합가스의 흐름으로, 물 46 wt%, 이산화탄소 41 wt%, 수소 4 wt%, 일산화탄소 8 wt%, 메탄가스 0.4 wt% 및 기타 0.6 wt%의 조성을 가지며, Stream 5는 촉매 산화 없이 바로 기액 분리를 실시하여 이산화탄소 접촉부(20)에 공급되는 흐름으로, 이산화탄소 76 wt%, 수소 7 wt%, 일산화탄소 15 wt%, 메탄가스 1 wt% 및 기타 1wt%의 조성을 갖는다.3, Stream 4 is a mixed gas stream discharged from the fuel cell 61 and contains 46 wt% of water, 41 wt% of carbon dioxide, 4 wt% of hydrogen, 8 wt% of carbon monoxide, 0.4 wt% of methane gas, Stream 5 is a stream supplied to the carbon dioxide contacting portion 20 by performing gas-liquid separation directly without catalytic oxidation and containing 76 wt% of carbon dioxide, 7 wt% of hydrogen, 15 wt% of carbon monoxide, 1 wt% of methane gas, and 1 wt% %.

이를 통해 이산화탄소 접촉부(20)에는 잔여 연료 물질이 함유된 상태로 배가스가 공급되어 이산화탄소를 제외한 연료 물질들이 이산화탄소 접촉부(20)에서 배출된다. 도 3에서 Stream 6은 이러한 흐름으로, 일산화탄소, 수소, 메탄가스 등의 연료 물질을 함유하고 있다.As a result, the exhaust gas is supplied to the carbon dioxide contacting portion 20 in a state in which the residual fuel material is contained, and the fuel materials except for the carbon dioxide are discharged from the carbon dioxide contacting portion 20. In Fig. 3, stream 6 contains fuel materials such as carbon monoxide, hydrogen, and methane gas in this flow.

이로써, 별도에 촉매 산화 없이 잔여 연료 가스를 재활용할 수 있어 공정 운전 효율이나 에너지 효율이 향상된다.
As a result, residual fuel gas can be recycled without catalytic oxidation, thereby improving process operation efficiency and energy efficiency.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific embodiment and description, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention as claimed in the claims. And such modifications are within the scope of protection of the present invention.

10 : 플랜트
20 : 이산화탄소 접촉부
30 : 정삼투 유닛
31 : 정삼투막
40 : 이산화탄소 분리부
50 : 유도용액 회수부
51 : 액체 분리기
52 : 막 분리기
60 : 연료전지부
61 : 연료전지
62 : 기액 분리기
63 : 촉매 산화기
10: Plant
20: Carbon dioxide contact
30: osmosis unit
31: The osmosis membrane
40: carbon dioxide separation unit
50: induction solution recovery unit
51: liquid separator
52: membrane separator
60: Fuel cell section
61: Fuel cell
62: gas-liquid separator
63: Catalytic Oxidizer

Claims (13)

플랜트(10)로부터 이산화탄소가 함유된 배가스와 열 에너지를 공급받아 해수를 정삼투(Forward Osmosis) 방식으로 담수화하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템에 있어서,
상기 플랜트(10)로부터 상기 배가스를 공급받아 유도용액(draw solution)에 접촉시켜, 상기 유도용액의 극성을 친수성(hydrophilic)으로 전환시키는 이산화탄소 접촉부(20);
상기 이산화탄소 접촉부(20)로부터 친수성으로 전환된 유도용액을 정삼투막(31)의 일 측으로 공급받고, 타 측으로 해수를 공급받아 농축된 해수와 희석된 유도용액을 배출하는 정삼투 유닛(30);
상기 플랜트(10)로부터 공급되는 열 에너지를 이용하여 상기 정삼투 유닛(30)으로부터 공급되는 상기 희석된 유도용액 내 이산화탄소를 분리함으로써, 상기 유도용액의 극성을 소수성(hydrophobic)으로 전환시켜 상기 유도용액과 물을 액체-액체 상 분리하는 이산화탄소 분리부(40); 및
소수성으로 전환되어 상 분리된 유도용액을 추출하여 상기 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하고, 최종 생산수를 배출하는 유도용액 회수부(50);
를 포함하며,
상기 유도용액은 이산화탄소의 공급 여부에 따라 친수성/소수성으로 성질이 변화하는 가변극성용액(Switchable Polarity Solution)인 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
A plant-septum hybrid desalination system for receiving seawater from a plant (10) and desalination of seawater by a forward osmosis method,
A carbon dioxide contact portion 20 for supplying the exhaust gas from the plant 10 and contacting the solution with a draw solution to convert the polarity of the inductive solution to a hydrophilic state;
A positive osmotic unit 30 for supplying the induction solution converted from the carbon dioxide contact portion 20 to the one side of the osmosis membrane 31 and supplying seawater to the other side and discharging the concentrated seawater and the diluted induction solution;
By converting the polarity of the inductive solution to hydrophobic by separating the carbon dioxide in the diluted inductive solution supplied from the positive osmotic unit 30 using the thermal energy supplied from the plant 10, And a carbon dioxide separation unit 40 for liquid-liquid phase separation of water. And
An induction solution recovery unit 50 for extracting the phase-separated induction solution converted into a hydrophobic state, supplying the extracted solution to the carbon dioxide contact unit 20, and discharging final production water;
/ RTI &gt;
Wherein the induction solution is a Switchable Polarity Solution which is changed in hydrophilicity / hydrophobicity depending on whether carbon dioxide is supplied or not.
제1항에 있어서,
상기 가변극성용액은 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)에 제3아민(Tertiary amine, NR3)이 첨가된 용액인 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the variable-polarity solution is a solution in which a tertiary amine (NR 3 ) is added to tetrahydrofuran.
제2항에 있어서,
상기 제3아민은 제3아미노알코올(Tertiary amino alcohols)인 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the tertiary amine is a tertiary amino alcohol (Tertiary amino alcohols).
제3항에 있어서,
상기 제3아미노알코올은 디메틸에탄올아민(2-(dimethylamino)ethanol) 및 N-메틸디에탄올아민(N-methyldiethanolamine)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the third amino alcohol is at least one selected from the group consisting of dimethyl ethanolamine and N-methyldiethanolamine.
제1항에 있어서,
상기 유도용액 회수부(50)는,
상기 소수성으로 전환되어 상 분리된 유도용액을 1차적으로 분리하는 액체 분리기(51); 및
역삼투 유닛을 통해 잔여 유도용액을 2차적으로 분리하여 최종 생산수를 배출하는 막 분리기(52);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
The method according to claim 1,
The induced solution recovery unit (50)
A liquid separator (51) for primarily separating the phase-separated induction solution converted into the hydrophobic property; And
A membrane separator (52) for secondarily separating the residual inducing solution through the reverse osmosis unit and discharging the final product water;
Wherein the plant-to-osmosis hybrid desalination system comprises:
제1항에 있어서,
상기 플랜트(10)에서 배출된 배가스가 상기 이산화탄소 접촉부(20)로 공급되기 이전에, 상기 배가스 및 별도의 수소(H2)가 연료전지(61)에 공급되어, 전력을 생산하고 혼합가스를 배출하는 연료전지부(60)를 더 포함하며,
상기 연료전지(61)는 상기 배가스 내 이산화탄소가 탄산 이온으로 전환되는 캐소드 전극과, 상기 탄산 이온과 별도로 공급된 수소가 반응하여 전력을 생산하고 상기 혼합가스를 배출하는 애노드 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
The method according to claim 1,
Before the exhaust gas discharged from the plant 10 is supplied to the carbon dioxide contact portion 20, the exhaust gas and another hydrogen (H 2 ) are supplied to the fuel cell 61 to generate electric power and to discharge the mixed gas And a fuel cell unit (60)
The fuel cell 61 includes a cathode electrode in which carbon dioxide in the exhaust gas is converted into carbonate ion and an anode electrode that generates electricity by reacting with hydrogen supplied separately from the carbonate ion and discharges the mixed gas Plant - a positive osmosis hybrid desalination system.
제6항에 있어서,
상기 연료전지부(60)는, 상기 혼합가스 내의 열 에너지를 이용하여 스팀을 생성한 후, 이를 상기 이산화탄소 분리부(40)에 공급하는 배열회수 스팀발생장치(HRSG)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
The method according to claim 6,
The fuel cell unit 60 further includes an arrangement recovery steam generator (HRSG) that generates steam using thermal energy in the mixed gas and supplies the generated steam to the carbon dioxide separation unit 40 Plant - a positive osmosis hybrid desalination system.
제6항에 있어서,
상기 연료전지부(60)는, 상기 혼합가스 내 이산화탄소를 추출하여 상기 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하는 기액 분리기(62)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
The method according to claim 6,
Further comprising a gas-liquid separator (62) for extracting carbon dioxide in the mixed gas and supplying the extracted carbon dioxide to the carbon dioxide contacting part (20).
제8항에 있어서,
상기 연료전지부(60)는, 상기 기액 분리기(62) 상류 측에 구비되어 상기 혼합가스 내 이산화탄소와 물을 제외한 물질을 제거하기 위한 촉매 산화기(63)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 시스템.
9. The method of claim 8,
The fuel cell unit (60) further includes a catalytic oxidizer (63) provided on the upstream side of the gas-liquid separator (62) for removing substances other than carbon dioxide and water in the mixed gas. A positive osmosis hybrid desalination system.
플랜트(10)로부터 이산화탄소가 함유된 배가스와 열 에너지를 공급받아 해수를 정삼투(Forward Osmosis) 방식으로 담수화하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법에 있어서,
이산화탄소 접촉부(20)를 통해, 상기 플랜트(10)로부터 상기 배가스를 공급받아 유도용액에 접촉시켜, 상기 유도용액의 극성을 친수성으로 전환시킨 후 이를 정삼투 유닛(30)의 정삼투막(31) 일 측에 에 공급하는 이산화탄소 포집단계(S10);
상기 정삼투막(31) 타 측에 해수를 공급하여 상기 정삼투 유닛(30)을 통해 농축된 해수와 희석된 유도용액을 배출하는 정삼투 단계(S20);
이산화탄소 분리부(40)를 통해, 상기 플랜트(10)로부터 공급되는 열 에너지를 이용하여 상기 정삼투 유닛(30)에서 배출되는 희석된 유도용액에서 이산화탄소를 분리함으로써, 상기 유도용액의 극성을 소수성으로 전환시켜 상기 유도용액과 물을 액체-액체 상 분리하는 이산화탄소 분리단계(S30); 및
유도용액 회수부(50)를 통해, 소수성으로 전환되어 상 분리된 유도용액을 추출하여 상기 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하고, 최종 생산수를 배출하는 유도용액 회수단계(S40);
를 포함하며,
상기 유도용액은 이산화탄소의 공급 여부에 따라 친수성/소수성으로 성질이 변화하는 가변극성용액(Switchable Polarity Solution)인 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법.
A plant-desalination hybrid desalination method for desalination of seawater by a forward osmosis method by receiving thermal energy from an exhaust gas containing carbon dioxide from a plant (10)
Permeable membrane 31 of the positive osmosis unit 30 after converting the polarity of the inductive solution into hydrophilic by supplying the exhaust gas from the plant 10 through the carbon dioxide contacting part 20 and bringing the exhaust gas into contact with the induction solution, A carbon dioxide collecting step (S10) of supplying carbon dioxide to one side;
A positive osmosis step (S20) of supplying seawater to the other side of the osmosis membrane (31) to discharge the concentrated seawater and the diluted induction solution through the osmosis unit (30);
By separating the carbon dioxide from the diluted induction solution discharged from the osmosis unit 30 by using the thermal energy supplied from the plant 10 through the carbon dioxide separation unit 40, the polarity of the induction solution is made hydrophobic A carbon dioxide separation step (S30) of converting the inductive solution and water into liquid-liquid phase by conversion; And
An induction solution recovery step (S40) for extracting the phase-separated induction solution converted into a hydrophobic state through the induction solution recovery unit (50), supplying the extracted solution to the carbon dioxide contact unit (20), and discharging final production water;
/ RTI &gt;
Wherein the induction solution is a Switchable Polarity Solution which is changed in hydrophilicity / hydrophobicity according to whether carbon dioxide is supplied or not.
제10항에 있어서,
상기 유도용액 회수단계(S40)는,
액체 분리기(51)를 통해, 상기 소수성으로 전환되어 상 분리된 유도용액을 1차적으로 분리하는 1차 회수단계(S41); 및
역삼투 유닛으로 이루어진 막 분리기(52)를 통해, 잔여 유도용액을 2차적으로 분리하여 최종 생산수를 배출하는 2차 회수단계(S42);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법.
11. The method of claim 10,
The induced solution recovery step (S40)
A primary collection step (S41) for primarily separating the phase-separated induction solution converted into the hydrophobic state through the liquid separator (51); And
A second recovery step (S42) of separating the remaining induction solution through a membrane separator (52) composed of a reverse osmosis unit to discharge the final product water;
Wherein the plant-to-osmotic hybrid desalination method comprises:
제10항에 있어서,
상기 이산화탄소 포집단계(S10) 이전에,
연료전지(61)에 상기 배가스 및 별도의 수소(H2)가 공급되어 전력을 생산하고 혼합가스를 배출하는 연료전지 경유단계(S1);
를 더 포함하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법.
11. The method of claim 10,
Before the carbon dioxide capture step (S10)
It is that the exhaust gas and a separate hydrogen (H 2) to the fuel cell 61 is supplied to generate electricity via a fuel cell and for discharging a mixture gas phase (S1);
Further comprising the steps of:
제12항에 있어서,
상기 연료전지 경유단계(S1) 이후, 상기 이산화탄소 포집단계(S10) 이전에,
상기 혼합가스로부터 이산화탄소와 물을 제외한 물질을 제거하기 위한 촉매 산화단계(S2); 및
촉매 산화된 혼합가스 내 이산화탄소를 기-액 분리 과정을 통해 추출하여 상기 이산화탄소 접촉부(20)에 공급하는 기액 분리단계(S3);
을 더 포함하는 플랜트-정삼투 하이브리드 담수화 방법.
13. The method of claim 12,
After the fuel cell passing step (S1), before the carbon dioxide capture step (S10)
A catalytic oxidation step (S2) for removing substances other than carbon dioxide and water from the mixed gas; And
A gas-liquid separation step (S3) of extracting carbon dioxide in a catalytically oxidized gas mixture through a gas-liquid separation process and supplying the carbon dioxide to the carbon dioxide contact part (20);
Further comprising the steps of:
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