KR101556915B1 - Vmd 모듈을 이용한 해수 담수화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수개의 VMD(Vacuum Membrane Distillation) 모듈을 직렬연결로 사용하여, 각각의 모듈로부터 고온해수를 증기로 배출한 후 이를 냉각시켜 담수로 배출하되, 각 모듈에서 사용되어 배출되는 고온해수는 각각의 증기로 재가열한 후, 이를 연결되는 다른 모듈에 공급하여 순환반복되는 구조를 가지도록 함과 동시에, 복수개의 VMD가 상호간 병렬연결되도록 하여, 해수 담수화의 효율을 상승시킨 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치에 관한 것이다.

Description

VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치{Freshwater Apparatus of Seawater using Vacuum Membrane Distillation Module}

본 발명은 VMD(Vacuum Membrane Distillation) 모듈을 이용하여 해수를 순환반복시켜며 담수화하는 담수화장치에 관한 것이다.

인구의 증가에 따른 산업과 농업에서의 사용용수의 필요량이 늘어나고 국지적인 이상기후로 인해, 많은 나라에서의 물 부족 현상은 가속화 되고 있다. 조사에 따르면, 지구상의 96.5%의 물은 바다에 분포되어 있으며, 1.7%는 빙하의 상태로 존재해 있고 나머지인 0.8%만이 담수로 존재하는 것으로 나타나 있으며, 이러한 물 부족 현상을 극복하기 위해, 해수를 담수화 시키는 해수담수화 공정이 대두되고 있는 실정이다.

해수담수화 공정의 담수화 방법은 열에너지에 의한 상 분리를 통해 담수화하는 방법과 농도차이에 의한 막 분리 방법 두 가지로 나눌 수 있다.

각각의 대표적인 해수담수화 공정으로는 다단증류법(Multi stage flash, MSF)과 역삼투압공정(Reverse osmosis, RO)이 존재하며, 근래에 들어서는 잠열로 인한 에너지 손실이 큰 열에너지 기반의 담수화 공정보다는 막 분리를 이용하여 담수를 얻어내는 방법이 연구되고 있다.

막 분리를 이용한 해수담수화 공정은 위에서 언급한 역삼투압공정(RO), 열에너지 기반의 증류법의 특성과 막 분리법의 특성이 혼합된 막 증류법(Membrane distillation, MD), 정삼투압 공정(Forward osmosis, FO)의 방법 등이 있으며, 이 중 역삼투압 공정이 가장 상용화 되어있으며, 가장 많은 부분이 개발되어 있다. 하지만 역삼투압 공정의 단점으로는 분리를 위해 삼투압보다 큰 고압이 필요하며, 이를 위해 에너지 수준이 높은 전기에너지를 사용한다는 것이다. 이에 따라 역삼투압이 아닌 삼투압을 이용하는 정삼투압 공정이 고안되었다.

해수담수화를 위한 정삼투압 공정은 해수와 해수보다 높은 농도의 유도용액 사이의 농도차이에 의해 운용되며, 해수의 물이 유도용액(draw solution)으로 흘러 해수의 농도는 높아지고 유도용액의 농도는 낮아지게된다. 이 낮은 농도의 유도용액은 또다시 분리과정을 거쳐 유도용액과 담수로 나눠진다. 따라서 정삼투압 공정은 2개의 부분공정으로 이루어져 있으며, 해수와 유도용액이 만나는 공정을 막 공정(membrane process)이라 하며, 유도용액과 담수를 생산하는 공정을 유도용액 회수공정(draw solution recovery system)이라고 한다.

유도용액 회수공정으로 사용되는 방법은 주로 다단증류법, 역삼투압공정, 증류탑을 사용하는 방법과 더불어, VMD(vacuum membrane distillation, VMD)을 사용한 방법이 있다.

막 증류법은 열에너지를 사용한다는 점에서 다단증류법이나, 증류탑을 사용하는 공정과 다르지 않지만, 증기압의 압력 차이에 의한 분리가 일어난다는 관점에서 보았을 때, 액체의 온도를 끓는점까지 올리지 않아도 된다는 장점이 있다. 이것은 곧 낮은 온도에서 조업이 가능하다는 것을 의미하며, 태양, 지열, 재생에너지 등 다양한 열원의 사용이 가능하다는 것을 의미한다.

이에, 이러한 VMD를 이용한 해수 담수화장치의 다양한 개발이 필요한 시점이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 복수개의 VMD 모듈을 직렬하여, 각각의 모듈에서 증기를 배출토록 한 후, 이를 냉각기를 통해 응축시켜 담수화하는 것이되, 모듈 상호간을 연결시켜, 전단 모듈에서 사용한 고온해수를 그대로 후단의 모듈에서 사용하도록 함과 동시에, 각각의 모듈에서 배출한 증기를 이용해, 증기배출에 사용되고 남은 고온해수를 재가열하여, 연결된 또 다른 모듈의 고온해수로 공급하는 순환을 반복시키고, 각각의 모듈을 병렬연결함으로써, 해수담수화의 효율상승을 도모하도록 한 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시 예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 유입되는 고온해수의 일부를 증기로 배출하는 제 1, 2 VMD(Vacuum Membrane Distillation) 모듈부; 상기 제 1, 2 VMD 모듈부(10, 30)에서 사용된 후 배출되는 고온해수가, 각각 배출되는 증기로 재가열되도록 하는 제 1, 2 열교환부(20, 40); 상기 제 1, 2 열교환부(20, 40)를 거친 증기를 저온해수와 열교환시켜 담수로 배출하는 냉각부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 복수개의 VMD 및 이를 병렬연결하는 구조를 채택하여, 해수 담수화의 효율을 상승시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 각 VMD 모듈에서 발생되는 증기를 바로 응축하여 담수화하지 않고, 증기열을 각 모듈에서 배출되는 고온해수의 재가열 열원으로 재사용하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 VMD 모듈에서 배출되는 증기로 재가열된 고온해수는, 복수개의 VMD를 순환반복함으로써, 해수 담수화의 효율이 증가되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치를 나타낸 일실시예의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치를 나타낸 또 다르 실시예의 구성도.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이러한 본 발명에 따른 일실시예를 살펴보면, 유입되는 고온해수의 일부를 증기로 배출하는 제 1, 2 VMD(Vacuum Membrane Distillation) 모듈부; 상기 제 1, 2 VMD 모듈부(10, 30)에서 사용된 후 배출되는 고온해수가, 각각 배출되는 증기로 재가열되도록 하는 제 1, 2 열교환부(20, 40); 상기 제 1, 2 열교환부(20, 40)를 거친 증기를 저온해수와 열교환시켜 담수로 배출하는 냉각부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 VMD 모듈부(30)에 공급되는 고온해수는 상기 제 1 열교환부(20)를 거친 제 1 VMD 모듈부(10)의 고온해수가 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 열교환부(40)를 거친 고온해수는 제 1 VMD 모듈부(10)로 재유입되는 순환을 반복하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 열교환부(40)를 거친 고온해수는 열원공급부(50)를 통해 열원을 공급받아 재가열되어 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1, 2 VMD 모듈부(10, 30) 및 제 1, 2 열교환부(20, 40)는 다수개가 병렬연결되는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치를 상세히 설명하도록 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치는 제 1, 2 VMD(Vacuum Membrane Distillation) 모듈부, 제 1, 2 열교환부(Heat Exchanger, (20, 40)), 냉각부(Condenser)를 포함한다.

상기 제 1, 2 VMD 모듈부(10, 30)는 펌프를 통해 내부가 진공상태에 가까운 압력을 유지하여, 고온해수가 내부를 길이방향으로 유동하면서 그 일부가 증기 형태로 배출되도록 것이다. 이러한 VMD(Vacuum Membrane Distillation)는 내부에 다수의 멤브레인 가닥이 일체로 형성되어, 각 멤브레인 가닥 내부로 고온해수가 유입된 후, 반투과망 형태를 가지는 상기 멤브레인 가닥 외부에 증기상태로 배출되는 것이다.

본 발명에서는 이러한 VMD 모듈부를 제 1 VMD 모듈부(10)와 제 2 VMD 모듈부(30) 2개를 직렬로 연결하여 사용한다.

즉, 상기 제 1 VMD 모듈부(10) 일단으로 고온해수가 유입되면, 유입된 고온해수 중 일부가 증기(Steam) 형태로 배출되면서, 이와 동시에 사용되고 남은 고온해수는 직렬로 연결된 제 2 VMD 모듈부(30)에 재공급되어지고, 제 2 VMD 모듈부(30)에서는 제 1 VMD 모듈부(10)와 마찬가지로, 유입된 고온해수 중 일부를 증기로 배출하면서 사용하고난 나머지 고온해수를 다시 제 1 VMD 모듈부(10)에 순환시킴으로써, 고온후해수가 제 1, 2 VMD 모듈부(10, 30)를 순환 반복하는 형태가 되도록 하는 것이다.

더불어, VMD 모듈부는 사전설정온도(ex: 70℃)에서 증기가 발생하는 것이기에, 최초 제 1 VMD 모듈부(10)에 유입되는 해수 및 제 2 VMD 모듈부(30)에서 배출되어 제 1 VMD 모듈부(10)로 유입되는 고온해수의 경우, 별도의 열원공급부(50)를 거치도록 하여, 열원(ex: 태양열, 보일러 등)을 공급받아 가열될 수 있도록 한다.

상기 제 1, 2 열교환부(20, 40)는 전술된 제 1, 2 VMD 모듈부(10, 30)의 후단에 각각 연결설치되는 것으로, 제 1열교환부는 제 1 VMD 모듈부(10)의 후단에 연결되고, 제 2 열교환부(40)는 제 2 VMD 모듈부(30)의 후단에 각각 연결되도록 한다.

상기 제 1열교환부의 경우, 제 1 VMD 모듈부(10)에서 증기배출되고 남은 고온해수를, 제 2 VMD 모듈부(30)에 공급하기 전, 제 1 VMD 모듈부(10)에서 배출한 고온증기(스팀)과 열교환시켜, 제 1 VMD 모듈부(10)에서 배출되어 제 2 VMD 모듈부(30)에 고급되는 고온해수의 온도가 상승될 수 있도록 하는 것이다.

즉, 상기 제 1열교환부는 제 1 VMD 모듈부(10)에서 사용된 후 배출되면서 온도가 떨어진 고온해수가, 증기를 통해 온도가 상승되도록 하는 것이다.

물론, 후술될 냉각기로 유입되어 응축됨으로써 담수화될 고온증기의 온도를, 제 1 VMD 모듈부(10)에서 사용하고 남아 배출되는 고온해수의 재가열에 사용하는 것으로, 이는 결국, 고온증기를 냉각시키기 위한 후술될 콘덴서의 용량을 줄일 수 있음과 동시에, 제 2 VMD 모듈부(30)에 공급되어 재사용되는 고온해수의 온도를 높히는 용도로 사용이 가능하여, 재사용되는 고온해수를 가열하는데 별도의 가열수단(ex: 히터, 보일러 등)이 생략되어지는 효과를 가지게 되는 것이다.

상기 제 2 열교환부(40)의 경우에도, 제 1열교환부와 마찬가지의 작동을 하게 되는데, 제 2 VMD 모듈부(30)에서 배출된 증기 및 증기배출 후 남은 고온해수 상호간을 연교환시켜, 제 2 VMD 모듈부(30)에서 사용되어져 온도가 어느정도 낮아져 배출되는 고온해수가, 제 2 VMD 모듈부(30)의 고온증기를 통해 일정온도 다시 상승되도록 하는 것이다.

물론, 제 2 열교환부(40)를 거치며 제 2 VMD 모듈부(30)의 고온증기와 열교환되며 온도가 상승된 고온해수는, 전단에 위치된 제 1 VMD 모듈부(10)에 재공급되어지는 것이다.

상기 냉각부는 전술된 제 1 VMD 모듈 및 제 2 VMD 모듈부(30) 각각에서 배출되어, 제 1 열교환부(20)와 제 2 열교환부(40)를 각각 거친 고온증기가 유입되는 곳으로, 이러한 고온증기를 저온해수(Cold Sea Water)와 열교환시켜, 진공압력(Vacuum)을 배출함과 동시에 담수(Fresh Water)를 배출하는 곳이다.

더불어, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 상호간 직렬로 연결되어 있는 제 1, 2 VMD 모듈을 각각 병렬로 연결하여 사용함으로써, 해수 담수화 효율을 증대시킬 수 있음이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

10: 제 1 VMD 모듈부
20: 제 1 열교환부
30: 제 2 VMD 모듈부
40: 제 2 열교환부
50: 열원공급부

Claims (5)

1. 유입되는 고온해수의 일부를 증기로 배출하는 제 1, 2 VMD(Vacuum Membrane Distillation) 모듈부;
   상기 제 1, 2 VMD 모듈부(10, 30)에서 사용된 후 배출되는 고온해수가, 각각 배출되는 증기로 재가열되도록 하는 제 1, 2 열교환부(20, 40);
   상기 제 1, 2 열교환부(20, 40)를 거친 증기를 저온해수와 열교환시켜 담수로 배출하는 냉각부;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2 VMD 모듈부(30)에 공급되는 고온해수는
   상기 제 1 열교환부(20)를 거친 제 1 VMD 모듈부(10)의 고온해수가 사용되는 것을 특징으로 하는 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2 열교환부(40)를 거친 고온해수는
   제 1 VMD 모듈부(10)로 재유입되는 순환을 반복하는 것을 특징으로 하는 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2 열교환부(40)를 거친 고온해수는
   열원공급부(50)를 통해 열원을 공급받아 재가열되어 사용되는 것을 특징으로 하는 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1, 2 VMD 모듈부(10, 30) 및 제 1, 2 열교환부(20, 40)는
   다수개가 병렬연결되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 VMD 모듈을 이용한 해수 담수화장치.
   

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