KR101535719B1 - 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법 - Google Patents

하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역삼투 공정 및 압력지연삼투 공정을 이용한 에너지 저감형 하이브리드 해수담수화 장치 및 방법에 관한 것으로, 해수 및 유입수가 공급되는 전단 정삼투부(120) 및 상기 전단 정삼투부(120)에서 희석되어 배출되는 제 1 희석해수의 유량으로써 전력을 생산하는 전단 발전부(140)를 포함하는 전단 압력지연삼투모듈(100); 및 상기 전단 발전부(140)에서 배출되는 제 1 희석해수가 공급되는 역삼투부(200);을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수담수화 장치에 관한 것이다.

Description

하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법{A hybrid assembly and method for desalination}
본 발명은 역삼투 공정 및 압력지연삼투 공정을 이용한 에너지 저감형 하이브리드 해수담수화 장치 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로 높은 에너지를 사용하는 역삼투 공정과 전력 생산이 가능한 압력지연삼투 공정을 결합하여, 압력지연삼투 공정에서 생산된 전력이 역삼투 공정에 공급되도록 하여 에너지 효율을 극대화하고, 정삼투 공정에서 희석된 해수를 역삼투 공정에 공급하여 역삼투 공정에 사용되는 압력을 낮춰 에너지 사용을 낮추고, 유입수로 하수처리수를 이용하여 하수처리수를 재활용하면서 해수를 담수화하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
세계는 점점 물부족의 시대로 접어들고 있으며, 이를 해결하기 위하여 해수 담수화, 하수의 재이용 등 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 해수담수화는 물부족 문제를 해결하기 위한 수단으로 많은 연구가 진행되고 있다.
해수담수화 기술로 증발 공정, 역삼투 공정, 막증발 공정, 전기투석 공정 등 다양한 기술이 존재하지만, 대규모 플랜트에서는 증발 공정과 역삼투 공정이 사용되고 있으며, 현재는 역삼투 공정이 효율이 높아 대표적인 해수담수화 기술로 연구되고 있다.
해수담수화를 통한 담수 생산은 근본적으로 일반정수처리를 통해 정수를 생산하는 것보다 비용이 많이 들고 에너지 소비가 많아 그 적용에 한계가 있다.
역삼투 공정은 해수에 해수의 삼투압보다 높은 압력을 가하여 담수를 생산하는 기술로 고압 펌프가 필수이며, 펌프를 운용하는 과정에서 많은 에너지가 소모된다.
에너지 소비량을 저감시키기 위해 고성능 막이 개발되고, 파울링 저감 기술을 적용하고 있지만, 여전히 높은 에너지 소비량이 문제된다. 따라서, 에너지 소비량을 낮추는 것이 역삼투 공정에서의 주된 과제라 할 수 있다.
압력지연삼투 공정은 삼투작용에 의해 발생한 유량을 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 방식으로, 압력지연삼투 공정 단독으로는 공정 효율을 달성하기 어려운 실정인 바, 삼투압이 높은 해수 또는 역삼투 공정에서 발생되는 농축수가 압력지연삼투 공정에 이용될 수 있다.
한편, 대한민국 등록특허 10-1067422에서는 역삼투 공정과 압력지연삼투 공정을 결합한 하이브리드 발전시스템이 개시된다. 역삼투 공정에서 담수를 생산하고 남은 농축수를 압력지연삼투 공정에 이용하여 전력을 생산하는 시스템으로, 전력 생산 및 담수화를 하나의 공정으로 진행할 수 있는 시스템을 개시하고 있다.
그러나, 여전히 역삼투 공정에서 고압력에 필요한 높은 에너지 소비량에 대한 문제점이 남아 있다.
또한, 압력지연삼투 공정에서 전력을 생산하더라도 역삼투 공정에서의 높은 에너지 소비량 때문에 에너지 효율을 극대화할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에서는 해수 외에 다른 종류의 물을 이용할 수 있는 기술을 개시하고 있지 않다.
(특허문헌 1) KR10-1067422 B
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 역삼투 공정을 압력지연삼투 공정과 연계시켜 에너지 소비량을 저감시킬 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
또한, 역삼투 공정과 압력지연삼투 공정을 결합한 해수담수화 공정 자체에서 에너지 효율을 극대화할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
또한, 해수 외에 다른 종류의 물을 이용하여 해수담수화 공정에서 담수화 효율을 증대시킬 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 해수담수화 장치 및 방법은, 해수 및 유입수가 공급되는 전단 정삼투부(120) 및 상기 전단 정삼투부(120)에서 희석되어 배출되는 제 1 희석해수의 유량으로써 전력을 생산하는 전단 발전부(140)를 포함하는 전단 압력지연삼투모듈(100); 및 상기 전단 발전부(140)에서 배출되는 상기 제 1 희석해수가 공급되는 역삼투부(200);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 역삼투부(200)에서 농축되어 배출된 농축해수가 공급되는 후단 정삼투부(320) 및 상기 후단 정삼투부(320)에서 희석되어 배출되는 제 2 희석해수의 유량으로써 전력을 생산하는 후단 발전부(340)를 포함하는 후단 압력지연삼투모듈(300)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전단 정삼투부(120)에서 농축되어 배출되는 제 1 농축유입수가 상기 후단 정삼투부(320)로 공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 역삼투부(200)에서 생성된 담수가 유입수로서 상기 전단 정삼투부(120) 또는 상기 후단 정삼투부(320)에 공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전단 또는 후단 발전부(140, 340)에서 생산된 전력이 상기 역삼투부(200)에 공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전단 또는 후단 발전부(140, 340)는 터빈을 작동시켜 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 유입수는 하수처리수 또는 재이용수인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 하이브리드 해수담수화 방법으로서, (a) 상기 해수 및 상기 유입수가 상기 전단 정삼투부(120)에 공급되는 단계; (b) 상기 전단 정삼투부(120)에서 삼투작용으로 상기 제 1 희석해수가 생성되는 단계; (c) 상기 제 1 희석해수의 유량으로써 상기 전단 발전부(140)에서 전력을 생산하는 단계; (d) 상기 전단 발전부(140)에서 배출되는 상기 제 1 희석해수가 상기 역삼투부(200)에 공급되는 단계; 및 (e) 상기 역삼투부(200)에서 역삼투작용으로 담수 및 농축해수를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (f) 상기 역삼투부(200)에서 역삼투작용으로 생성된 상기 농축해수가 상기 후단 정삼투부(320)로 공급되는 단계; (g) 상기 후단 정삼투부(320)에서 삼투작용으로 제 2 희석해수가 생성되는 단계; 및 (h) 상기 후단 정삼투부(320)에서 배출되는 상기 제 2 희석해수의 유량으로써 상기 후단 발전부(340)에서 전력을 생산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (i) 상기 전단 정삼투부(120)에서 배출된 제 1 농축유입수가 상기 후단 정삼투부(320)로 공급되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (j) 상기 역삼투부(200)에서 생성된 담수가 상기 전단 정삼투부(120) 또는 상기 후단 정삼투부(320)에 공급되는 단계; 및 (k) 상기 전단 발전부(140) 또는 상기 후단 발전부(340)에서 생산된 전력이 상기 역삼투부(200)에 공급되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 과제 해결 수단으로, 전단 압력지연삼투모듈에 의해 공급되는 희석된 해수로 인하여 역삼투부에서 사용되는 에너지 소비량을 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, 전단 및 후단 압력지연삼투모듈에서 생산된 전력이 역삼투부로 공급되므로서 해수담수화 공정에서 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 압력지연삼투모듈에 유입되는 유입수로 하수처리수 또는 재이용수를 이용하여 본 발명에 따른 해수담수화를 통하여 하수처리수 등의 이용도를 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 해수 담수화 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 해수 담수화 장치의 공정 흐름도이다.
도면을 참조하여 본 발명인 하이브리드 해수 담수화 장치 및 방법을 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 "유입수"란, 전단 또는 후단 정삼투부에서 정삼투 멤브레인(membrane)을 사이에 두고 삼투작용을 야기하는 고농도 유도용액의 맞은 편에 유입되는 저농도 물을 지칭한다.
본 발명에 따른 "제 1 농축유입수"란, 전단 정삼투부에 공급된 유입수 중 삼투작용으로 유도용액 쪽으로 물이 이동하고 남은 농축된 유입수를 지칭한다.
본 발명에 따른 "제 2 농축유입수"란, 후단 정삼투부에 공급된 제 1 농축유입수 중 삼투작용으로 유도용액 쪽으로 물이 이동하고 남은 농축된 유입수를 지칭한다.
본 발명에 따른 "제 1 희석해수"란, 전단 정삼투부에 공급된 유도용액인 해수에, 삼투작용으로 인하여 유입수 중 정삼투 멤브레인을 통과한 물이 포함되어 희석된 해수를 지칭한다.
본 발명에 따른 "농축해수"란, 역삼투부에 공급된 제 1 희석해수에 압력을 가하여 역삼투작용으로 담수를 생성하고 남은 농축된 해수를 지칭한다.
본 발명에 따른 "제 2 희석해수"란, 후단 정삼투부에 공급된 유동용액인 농축해수에, 삼투작용으로 인하여 제 2 농축유입수 중 정삼투 멤브레인을 통과한 물이 포함되어 희석된 해수를 지칭한다.
1. 하이브리드 해수 담수화 장치 설명
도 1를 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 해수 담수화 장치를 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 하이브리드 해수담수화 장치는 전단 정삼투부(120) 및 전단 발전부(140)를 포함하는 전단 압력지연삼투모듈(100), 역삼투부(200)를 포함한다.
전단 정삼투부(120)에는 유도용액으로서 해수가 공급되며, 정삼투 멤브레인을 사이에 두고 맞은 편에는 유입수가 공급된다. 해수는 유입수보다 염도가 높아 삼투압이 유입수보다 높다. 따라서, 삼투작용으로 유입수에서의 담수가 정삼투 멤브레인을 통과하여 유도용액인 해수 쪽으로 이동하여 제 1 희석해수가 생성된다.
전단 정삼투부(120)에서 삼투작용으로 증가된 유량의 제 1 희석해수는 전단 발전부(140)로 공급되며, 제 1 희석해수의 유량으로써 전단 발전부(140)에서 전력을 생산한다. 즉, 제 1 희석해수의 유량으로써 전력 생산 수단인 터빈 등을 작동시켜 전력을 생산한다.
전단 압력지연삼투모듈(100)은 전단 정삼투부(120) 및 전단 발전부(140)를 포함한다. 전단 발전부(140)에서 전력을 생산하기 위해서는 일정 소요 압력이 필요함으로, 정삼투부(120)에 작용하는 압력은 삼투압에서 전단 발전부(140)에 필요한 압력을 감한 압력이다. 후술할 후단 압력지연삼투모듈(300)도 마찬가지이다.
전단 발전부(140)에서 배출된 제 1 희석해수는 역삼투부(200)로 공급된다. 일정량의 담수가 포함되어 있는 제 1 희석해수는 해수의 염도보다 낮고, 이에 따라 역삼투부(200)에서는 해수에 가하는 고압보다 낮은 압력을 가하게 되며, 이에 따라 소비되는 에너지량도 낮아지게 된다.
역삼투부(200)에 공급된 제 1 희석해수에는 압력이 가해지며, 이에 따라 역삼투작용으로 해수에 포함된 담수 중 일부는 역삼투 멤브레인을 통과하여 담수가 되며, 역삼투 멤브레인을 통과하지 못한 제 1 희석해수는 농축해수가 된다.
본 발명에 따른 하이브리드 해수담수화 장치는 후단 정삼투부(320) 및 후단 발전부(340)를 포함하는 후단 압력지연삼투모듈(300)을 더 포함한다.
역삼투부(200)에서 생성된 농축해수는 유도용액으로서 후단 정삼투부(320)로 공급된다. 후단 정삼투부(320)에는 전단 정삼투부(120)에 공급되는 유입수에 상당하는 유입수가 공급될 수 있다.
또한, 후단 정삼투부(320)에 공급되는 물은 전단 정삼투부(120)에서 배출된 제 1 농축유입수일 수 있다. 농축해수의 염도는 제 1 농축유입수 염도보다 높기때문에 삼투작용으로 제 1 농축유입수에 포함되어 있는 일부 담수가 정삼투 멤브레인을 통과하여 농축해수 쪽으로 이동한다.
일부 담수가 이동된 후 남은 농축된 제 2 농축유입수는 제 1 농축유입수보다 더 농축되어 배출된다. 배출된 제 2 농축유입수는 2차 처리되어 재이용되거나 바다로 배출된다. 이에 따라, 유입수가 하수처리수이거나 재이용수인 경우에는 하수처리수 등에 포함된 담수를 담수화 과정을 통해 재사용할 수 있어 하수처리수 또는 재이용수의 이용도를 증대시킬 수 있다.
후단 정삼투부(320)에서 배출된 제 2 희석해수는 후단 발전부(340)에 공급되어 전력을 생산하는데 이용된다. 전력 생산 공정은 전단 발전부(120)와 동일하다.
후단 발전부(340)에서 배출된 제 2 희석해수는 바다 등으로 배출된다.
본 발명에 따른 하이브리드 해수담수화 장치에서 전력 생산에 집중하고자 하는 경우, 역삼투부(200)에서 생성된 담수가 전단 정삼투부(120) 또는 후단 정삼투부(320)에 유입수로서 공급될 수 있다. 전, 후단 발전부(140, 340)를 가동시키기 위해서는 많은 유량이 필요하다. 이에 따라, 외부에서 유입되는 유입수 또는 제 1 농축유입수의 유량과 더불어 역삼투부(200)에서 생성된 담수의 유량를 전, 후단 정삼투부(120, 320)에 공급하여 전력 생산에 집중할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 해수담수화 장치에서 담수의 생산에 집중하고자 하는 경우, 전, 후단 발전부(140, 340)에서 생산된 전력은 역삼투부(200)에서 압력을 가하는 에너지로 사용될 수 있다. 역삼투부(200)에 높은 압력을 가할 필요가 있는 경우 많은 에너지가 필요하기 때문에 외부에서 공급되는 에너지뿐만 아니라 전, 후단 발전부(140,340)에서 생산된 전력을 역삼투부(200)로 공급하여 담수의 생산량을 증가시킬 수 있다.
2. 하이브리드 해수 담수화 공정 설명
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 해수 담수화 공정을 자세히 설명한다.
유도용액인 해수 및 유입수가 전단 정삼투부(120)에 공급된다. 전단 정삼투부(120)에서 삼투작용으로 희석된 제 1 희석해수가 배출되어 전단 발전부(140)로 공급되며, 전단 발전부(140)에서는 증가된 유량의 제 1 희석해수로써 터빈 등을 돌려 전력을 생산한다.
전단 발전부(140)에서 배출되는 제 1 희석해수는 역삼투부(200)에 공급된다. 역삼투부(200)에 공급된 제 1 희석해수에 삼투압 이상의 압력을 가하여 역삼투 멤브레인을 통과한 담수를 생성하고, 역삼투 멤브레인을 통과하지 못한 농축해수는 배출되어 후단 정삼투부(320)에 공급된다.
한편, 전단 정삼투부(120)에서 배출된 제 1 농축유입수는 후단 정삼부투(320)에 유입수로서 공급된다.
또한, 역삼투부(200)에서 생성된 담수는 유입수로서 전단 정삼투부(120) 또는 후단 정삼투부(320)에 공급될 수 있다.
후단 정삼투부(320)에서는 공급된 농축해수와 농축해수보다 염도가 낮은 제 1 농축유입수 관계에서 삼투작용으로 담수가 제 1 농축유입수에서 농축해수 쪽으로 이동하여 제 2 희석해수가 생성된다. 후단 정삼투부(320)에서 배출된 제 2 희석해수는 후단 발전부(340)에 공급되고, 후단 발전부(340)는 공급된 증가된 유량으로써 전력을 생산한다.
전단 또는 후단 발전부(140, 340)에서 생산된 전력은 역삼투부(200)에 공급되어 역삼투부(200)에서 역삼투작용에 필요한 에너지로 사용될 수 있다.
후단 정삼투부(320)로 유입수로서 공급된 제 1 농축유입수는 정삼투작용으로 담수가 농축해수 쪽으로 빠져 나가 더욱 농축된 제 2 농축유입수가 되며, 후단 정삼투부(320)에서 배출된 제 2 농축유입수는 2차 처리과정 등을 거치게 된다.
후단 발전부(340)에 배출된 제 2 희석해수는 바다 등으로 배출된다.
100: 전단 압력지연삼투모듈
120: 전단 정삼투부
140: 전단 발전부
200: 역삼투부
300: 후단 압력지연삼투모듈
320: 후단 정삼투부
340: 후단 발전부

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 해수 및 유입수가 공급되는 전단 정삼투부(120) 및 상기 전단 정삼투부(120)에서 희석되어 배출되는 제 1 희석해수의 유량으로써 전력을 생산하는 전단 발전부(140)를 포함하는 전단 압력지연삼투모듈(100); 및
    상기 전단 발전부(140)에서 배출되는 상기 제 1 희석해수가 공급되는 역삼투부(200); 및
    상기 역삼투부(200)에서 농축되어 배출된 농축해수가 공급되는 후단 정삼투부(320) 및 상기 후단 정삼투부(320)에서 희석되어 배출되는 제 2 희석해수의 유량으로써 전력을 생산하는 후단 발전부(340)를 포함하는 후단 압력지연삼투모듈(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전단 정삼투부(120)에서 농축되어 배출되는 제 1 농축유입수가 상기 후단 정삼투부(320)로 공급되는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 역삼투부(200)에서 생성된 담수가 유입수로서 상기 전단 정삼투부(120) 또는 상기 후단 정삼투부(320)에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 전단 또는 후단 발전부(140, 340)에서 생산된 전력이 상기 역삼투부(200)에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 장치.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전단 또는 후단 발전부(140, 340)는 터빈을 작동시켜 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 장치.
  7. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입수는 하수처리수 또는 재이용수인 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 장치.
  8. 삭제
  9. (a) 해수 및 유입수가 전단 정삼투부(120)에 공급되는 단계;
    (b) 상기 전단 정삼투부(120)에서 삼투작용으로 제 1 희석해수가 생성되는 단계;
    (c) 상기 제 1 희석해수의 유량으로써 전단 발전부(140)에서 전력을 생산하는 단계;
    (d) 상기 전단 발전부(140)에서 배출되는 상기 제 1 희석해수가 역삼투부(200)에 공급되는 단계;
    (e) 상기 역삼투부(200)에서 역삼투작용으로 담수 및 농축해수를 생성하는 단계;
    (f) 상기 역삼투부(200)에서 역삼투작용으로 생성된 상기 농축해수가 후단 정삼투부(320)로 공급되는 단계;
    (g) 상기 후단 정삼투부(320)에서 삼투작용으로 제 2 희석해수가 생성되는 단계; 및
    (h) 상기 후단 정삼투부(320)에서 배출되는 상기 제 2 희석해수의 유량으로써 후단 발전부(340)에서 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    (i) 상기 전단 정삼투부(120)에서 배출된 제 1 농축유입수가 상기 후단 정삼투부(320)로 공급되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    (j) 상기 역삼투부(200)에서 생성된 담수가 상기 전단 정삼투부(120) 또는 상기 후단 정삼투부(320)에 공급되는 단계; 및
    (k) 상기 전단 발전부(140) 또는 상기 후단 발전부(340)에서 생산된 전력이 상기 역삼투부(200)에 공급되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 해수담수화 방법.
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