KR101576804B1 - 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법 - Google Patents

다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법 Download PDF

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아리야프라타마 리오
이석헌
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Abstract

본 발명은 냉각수 유로와 중공사막 사이의 거리를 최소화하여 공기층에 의한 물질전달저항을 최소화함과 함께 냉각수 유로의 설계를 최적화하여 단위 막면적당 수증기응결량을 극대화할 수 있는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치는 막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로와, 상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로 및 상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법{Hollow fiber module with multiple cooling channels for air gap membrane distillation and apparatus and method for air gap membrane distillation using the same}
본 발명은 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각수 유로와 중공사막 사이의 거리를 최소화하여 공기층에 의한 물질전달저항을 최소화함과 함께 냉각수 유로의 설계를 최적화하여 단위 막면적당 수증기응결량을 극대화할 수 있는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법에 관한 것이다.
세계적으로 많은 지역에서 심각한 물 부족이 일어나고 있기에 지속 가능한 수자원 확보 및 수처리 기술이 절실한 상황이다. 막증류법(membrane distillation)은 이러한 문제를 해결하는 새로운 수단으로 각광받고 있다.
막증류법은 소수성 막을 이용하여 기체 상태의 수증기만을 투과시키는 막분리 공정이며, 물의 유입측과 유출측 사이에 온도 차이를 두고 이에 의해 발생되는 증기압 차이를 수증기가 통과하는데 필요한 구동력으로 사용한다. 막증류법의 이점은 기존의 역삼투공정에서와 같은 높은 압력이 필요하지 않으며, 증발법에서와 같은 고온의 동작온도가 필요하지 않다는 것이다.
막증류법은 다양한 분야에서 응용되고 있는데, 그 중 담수화 분야에서 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 직접접촉 막증류법(DCMD, direct contact membrane distillation), 공기층 막증류법(AGMD, air-gap membrane distillation), 진공 막증류법(VMD, vacuum membrane distillation) , 포집가스 막증류법(SGMD, sweep gas membrane distillation) 및 삼투 막증류법(OMD, osmotic membrane distillation) 등이 일반적으로 담수화 분야에 적용되고 있다. 이 중, 직접접촉 막증류법(DCMD)은 막 표면에서 수증기의 이동 및 포집이 동시에 되어 높은 생산수량을 얻을 수 있으며, 설비 및 운전이 간단한 이점이 있어 가장 널리 이용되고 있다.
그러나, 직접접촉 막증류법(DCMD)은 유입수와 냉각수가 막과 직접 접촉하기 때문에 높은 열 손실이 발생한다는 단점이 있다. 이러한 열 손실을 줄이기 위해 구상된 공기층 막증류법(AGMD)은 냉각수가 막과 직접 접촉하지 않고 공기층을 두어 막을 통과한 수증기가 냉각판을 통해 응축하여 수증기를 포집하는 방식으로 공기층이 단열재 역할을 하며 열 손실을 방지할 수 있는 방식이다.
한편, 공기층 막증류법(AGMD)은 구성이 컴팩트하고 열효율이 높은 장점이 있으나, 단위 막면적당 수증기응결량이 상대적으로 낮다는 단점이 있다. 이는 막 표면과 냉각판(condensing plate) 사이에 정체되어 있는 공기층 때문이며, 이러한 정체된 공기는 수증기 이동에 있어서 큰 물질전달저항을 발생시키기 때문이다.
미국공개특허 제2011-198287호는 외측 벽체에 중공사막을 구비되고 내측에 냉각수 채널(coolant channel)이 구비되는 구조를 제시하고 있는데, 중공사막의 내측과 냉각수 채널 사이에서만 응결이 발생됨에 따라 단위 막면적당 수증기응결량이 적고 열효율이 떨어지는 문제점이 있다.
미국공개특허 제2011-198287호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 냉각수 유로와 중공사막 사이의 거리를 최소화하여 공기층에 의한 물질전달저항을 최소화함과 함께 냉각수 유로의 설계를 최적화하여 단위 막면적당 수증기응결량을 극대화할 수 있는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치는 막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로와, 상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로 및 상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 내부 냉각수유로는 수직관 형태로 상기 모듈 케이스의 중심부에 구비되며, 상기 외부 냉각수유로는 판형 관 형태로 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면의 전면 상에 구비되며, 상기 매개 냉각수유로는 모듈 케이스의 수평 방향으로 배치됨과 함께 수직 방향으로 이격되어 반복, 구비된다. 또한, 상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로는 동심원 형태로 배치될 수 있다.
상기 모듈 케이스의 하단부에 냉각수유입구가 구비되고, 상기 모듈 케이스의 상단부에 냉각수배출구가 구비되어 상기 냉각수유로들 내에서 이동되는 냉각수는 상향류의 흐름으로 유도되며, 막증류 공정의 처리대상인 원수는 상기 중공사막의 상단부로 공급되어 하향류의 흐름으로 유도된다.
상기 모듈 케이스의 내부 공간은 공기로 채워진다. 또한, 상기 중공사막은 미세기공이 구비된 소수성고분자 재질로 이루어진 분리막이다.
본 발명에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치는 원수와 냉각수의 온도차를 이용하는 막증류 공정을 통해 원수로부터 투과수를 분리하는 중공사막 모듈; 냉각수를 저장하는 냉각수탱크; 냉각수를 원수보다 낮은 온도로 냉각시켜 상기 중공사막 모듈의 냉각수유로에 공급하는 냉각장치; 막증류 공정의 처리대상인 원수를 저장하는 원수탱크; 상기 원수탱크로부터 공급되는 원수를 냉각수보다 높은 온도로 가열하여 상기 중공사막 모듈 내에 구비되는 중공사막에 공급하는 원수가열장치; 및 상기 중공사막 모듈의 막증류 공정에 의해 생산된 투과수를 저장하는 투과수 저장탱크를 포함하여 이루어지며, 상기 중공사막 모듈은, 막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로와, 상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치는 원수와 냉각수의 온도차를 이용하는 막증류 공정을 통해 원수로부터 투과수를 분리하는 중공사막 모듈; 막증류 공정의 처리대상임과 함께 막증류 공정의 냉각수 역할을 하는 원수를 저장하며, 원수를 냉각수 용도로 상기 중공사막 모듈의 냉각수유입구로 공급하는 원수탱크; 상기 중공사막 모듈의 냉각수배출구를 통해 배출되는 냉각수(원수)를 가열하며, 가열된 원수를 상기 중공사막 모듈의 내부에 구비되는 중공사막에 공급하는 원수가열장치; 및 상기 중공사막 모듈의 막증류 공정에 의해 생산된 투과수를 저장하는 투과수 저장탱크를 포함하여 이루어지며, 상기 중공사막 모듈은, 막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로와, 상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 구성되는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 방법은 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 방법에 있어서, 상기 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈은, 막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로와, 상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로 및 상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 이루어지며, 상기 냉각수유로들을 따라 냉각수가 상향류로 이동됨과 함께 상기 중공사막에 하향류로 원수가 공급되면, 원수와 냉각수의 온도차에 의해 증기압의 차이가 유발되어, 중공사막 내부를 흐르는 원수의 물 성분이 수증기로 증발되어 냉각수유로의 표면에 접촉하여 응결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
중공사막 모듈을 구성함에 있어서, 공기에 의한 물질전달저항을 낮춤으로써 중공사막의 단위면적당 수증기투과량을 증가시킬 수 있다. 또한, 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면의 전면 상에 외부 냉각수유로가 구비되고, 외부 냉각수유로의 내측 공간에 중공사막이 구비되는 구조임에 따라, 중공사막에 대한 단열효과를 극대화하여 열손실을 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈의 사시도.
도 2는 도 1의 A-A`선에 따른 단면도.
도 3은 도 1의 평면도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치의 구성도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치의 구성도.
본 발명은 막증류 공정을 수행하는 중공사막 모듈을 설계함에 있어서, 동심원 형태로 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 구비시키고, 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 매개 냉각수유로로 연결시킴과 함께 냉각수유로들 사이의 공기층(air gap) 공간에 중공사막을 배치시키는 구조를 제시한다. 이와 같은 구조를 통해, 중공사막과 냉각수유로 사이의 거리를 최소화할 수 있어 공기층에 의한 물질전달저항을 저감시킬 수 있다. 또한, 중공사막의 모든 표면을 통해 수증기가 배출되고, 중공사막의 모든 방향에 냉각수유로가 구비되는 구조임에 따라 중공사막의 단위면적당 수증기응결량을 최대화할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈 그리고 이를 이용한 막증류 장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 중공사막 모듈(10)은 먼저, 모듈 케이스(110)를 구비한다. 상기 모듈 케이스(110)는 외부 환경과 격리된 공간을 제공하며, 해당 공간 내에서 막증류 공정이 진행된다. 또한, 상기 모듈 케이스(110)의 내부 공간은 공기(air)로 채워지며, 상기 모듈 케이스(110)는 일 실시예로 원통 형태로 구성될 수 있다.
상기 모듈 케이스(110)의 일측에는 내부 냉각수유로(120)와 외부 냉각수유로(130)가 구비된다. 상기 내부 냉각수유로(120)는 모듈 케이스(110) 내부의 중심부에 구비되고, 상기 외부 냉각수유로(130)는 상기 모듈 케이스(110)의 내측면 또는 외측면 상에 구비된다. 상기 내부 냉각수유로(120)는 수직관 형태로 상기 모듈 케이스(110)의 중심부에 구비되며, 상기 외부 냉각수유로(130)는 판형 관 형태로 모듈 케이스(110)의 내측면 또는 외측면의 전면 상에 구비된다. 또한, 상기 외부 냉각수유로(130)는 복수의 단위 원형관이 모듈 케이스(110)의 내측면 또는 외측면 상에 일정 간격을 두고 구비되는 형태로 구성될 수도 있다. 상기 모듈 케이스(110)가 원통 형태로 구성되는 경우, 상기 내부 냉각수유로(120)와 외부 냉각수유로(130)는 동심원 형태로 배치된다.
상기 모듈 케이스(110)의 내측에는 모듈 케이스(110)의 수평 방향으로 배치되는 복수의 매개 냉각수유로(140)가 수직 방향으로 이격되어 구비되며, 각각의 매개 냉각수유로(140)는 특정 높이의 내부 냉각수유로(120)와 외부 냉각수유로(130)를 공간적으로 연결시키는 역할을 한다. 이에 따라, 외부 냉각수유로(130)를 통해 냉각수가 유입되면 매개 냉각수유로(140)를 거쳐 내부 냉각수유로(120)로 이동이 가능하다.
수증기 응결효율을 향상시키기 위해 상기 내부 냉각수유로(120), 외부 냉각수유로(130) 및 매개 냉각수유로(140)는 열전도율이 우수한 재료로 이루어지는 것이 바람직하며, 일 실시예로 스테인리스스틸(stainless steel), 알루미늄 등의 재질로 구성될 수 있다.
한편, 상기 모듈 케이스(110)의 내부 공간에는 상술한 냉각수유로들 이외에 복수의 중공사막(150)이 구비되며, 각각의 중공사막(150)은 상기 내부 냉각수유로(120), 외부 냉각수유로(130) 및 매개 냉각수유로(140)에 이격된 채로 구비된다. 달리 표현하여, 상기 내부 냉각수유로(120), 외부 냉각수유로(130) 및 매개 냉각수유로(140) 사이의 빈 공간에 상기 복수의 중공사막(150)이 구비된다고 할 수 있다.
상기 중공사막(150)은 미세기공이 구비된 소수성고분자 재질로 이루어진 분리막으로서, 폴리에틸렌계(PE, polyethylene), 폴리프로필렌계(PP, polypropylene), 폴리카보네이트계(PC, polycarbonante), 폴리이미드계(polyimide), 폴리이써이미드계(PEI, polyether imide), 폴리설폰계(PSf, polysulfone), 폴리이서설폰계(PES, polyether sulfone), 폴리비닐리덴디플로라이드계(PVDF, polyvinyledene difluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌계(PTFE, polytetrafluoroethyelene) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10)의 구조를 정리하면, 원통형의 모듈 케이스(110)의 내측과 외측에 내부 냉각수유로(120)와 외부 냉각수유로(130)가 구비되고, 내부 냉각수유로(120)와 외부 냉각수유로(130)는 매개 냉각수유로(140)에 의해 공간적으로 연결되며, 냉각수유로들 사이의 공간에는 복수의 중공사막(150)이 이격되어 배치되며, 모듈 케이스(110) 내부 공간은 공기로 채워지는 구조를 갖는다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈에 의한 막증류 공정을 설명하면 다음과 같다.
모듈 케이스(110) 일측에 구비된 냉각수유입구(111)를 통해 외부 냉각수유로(130)로 냉각수가 공급되면, 모든 냉각수유로(내부 냉각수유로(120), 외부 냉각수유로(130) 및 매개 냉각수유로(140))가 공간적으로 연결되어 있음에 따라 유입된 냉각수는 매개 냉각수유로(140) 및 내부 냉각수유로(120)로 이동되며, 모듈 케이스(110) 다른 일측에 구비된 냉각수배출구(112)를 통해 배출된다. 이 때, 냉각수의 흐름은 상향류로 유도되며, 이를 위해 냉각수유입구(111)는 모듈 케이스(110)의 하단부에 구비되고 냉각수배출구(112)는 모듈 케이스(110)의 상단부에 구비된다. 후술하는 원수의 흐름은 하향류로 유도된다. 상술한 바와 같은 냉각수의 흐름은 막증류 공정이 진행되는 과정에서 지속적으로 이루어진다.
상술한 바와 같은 냉각수의 흐름이 지속되는 과정에서, 중공사막(150)의 상단부를 통해 원수가 유입되어 중공사막(150)의 하단부를 통해 원수가 배출된다. 원수가 중공사막(150) 내부를 하향류로 통과함에 있어서, 원수의 온도가 냉각수유로(내부 냉각수유로(120), 외부 냉각수유로(130) 및 매개 냉각수유로(140))를 흐르는 냉각수의 온도보다 높음에 따라, 원수와 냉각수 사이의 온도차에 의해 증기압의 차이가 유발되고, 증기압의 차이에 의해 중공사막(150) 내부를 흐르는 원수의 물 성분은 수증기로 증발되며, 증발된 수증기는 중공사막(150) 표면의 기공을 통해 배출된다. 이어, 중공사막(150) 표면의 기공을 통해 배출된 수증기는 냉각수유로의 표면에 접촉하여 응결된다.
냉각수유로의 표면에 접촉하여 응결된 응결수 즉, 중공사막(150)의 투과수는 모듈 케이스(110)의 하부 공간으로 중력 낙하되며, 모듈 케이스(110)의 일측에 구비된 투과수배출구(113)를 통해 외부로 배출된다.
이와 같은 막증류 과정이 진행됨에 있어서, 냉각수유로(내부 냉각수유로(120), 외부 냉각수유로(130) 및 매개 냉각수유로(140))가 상술한 바와 같은 구조를 이루고, 냉각수유로들 사이의 공간에 중공사막(150)이 배치됨에 따라, 중공사막(150)과 냉각수유로 사이의 거리가 최소화되며, 이에 의해 공기에 의한 물질전달저항을 낮출 수 있게 되어 중공사막(150)의 단위면적당 수증기투과량을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 모듈 케이스(110)의 내측면 또는 외측면의 전면 상에 외부 냉각수유로(130)가 구비되고, 외부 냉각수유로(130)의 내측 공간에 중공사막(150)이 구비되는 구조임에 따라, 중공사막(150)에 대한 단열효과를 극대화할 수 있으며, 이를 통해 열손실이 최소화되어 막증류 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치는 냉각수탱크(410), 냉각장치(420), 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10), 원수탱크(430), 원수가열장치(440) 및 투과수 저장탱크(450)를 포함하여 구성된다.
상기 냉각수탱크(410)는 냉각수를 저장하며, 상기 냉각장치(420)는 상기 냉각수탱크(410)에 저장된 냉각수를 원수보다 낮은 온도로 냉각시켜 상기 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈에 공급하는 역할을 한다. 상기 냉각장치(420)에 의해 조절되는 냉각수의 온도는 막증류 공정이 가능한 범위에서 설정되며, 원수의 온도 및 막증류 생산속도 등에 따라 선택적으로 설정될 수 있다.
상기 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10)은 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10)의 구성과 동일하다.
상기 원수탱크(430)는 막증류 공정의 처리대상인 원수를 저장하며, 상기 원수가열장치(440)는 상기 원수탱크(430)로부터 공급되는 원수를 냉각수보다 높은 온도로 가열하여 상기 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈에 공급하는 역할을 한다. 상기 원수가열장치(440)에 의해 조절되는 원수의 온도는 막증류 공정이 가능한 범위에서 설정되며, 냉각수의 온도 및 막증류 생산속도 등에 따라 선택적으로 설정될 수 있다. 또한, 투과수 저장탱크(450)는 상기 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈에 의해 생산된 투과수를 저장하는 역할을 한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
냉각수탱크(410)에 저장된 냉각수가 냉각장치(420)에 공급되면, 상기 냉각장치(420)에 의해 냉각수가 일정 온도로 냉각되며 냉각된 냉각수는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10)의 냉각수유입구(111)로 공급된다.
냉각수유입구(111)로 공급된 냉각수는 중공사막 모듈(10)의 외부 냉각수유로(130), 매개 냉각수유로(140) 및 내부 냉각수유로(120)를 따라 상향류로 이동되며, 중공사막 모듈(10)의 일측에 구비된 냉각수배출구(112)를 통해 배출되어 상기 냉각수탱크(410)에 저장된다. 냉각수탱크(410)의 냉각수는 상기의 과정을 거쳐 반복, 순환된다.
중공사막 모듈(10)의 냉각수유로에 냉각수가 공급되는 과정에서, 중공사막 모듈의 중공사막(150)에는 원수가 공급된다. 구체적으로, 원수탱크(430)의 원수는 원수가열장치(440)에 의해 가열되어 중공사막(150)의 상단부로 공급된다.
중공사막(150)의 상단부로 공급되어 중공사막(150) 내부를 하향류로 통과하는 원수의 온도가 냉각수유로(내부 냉각수유로(120), 외부 냉각수유로(130) 및 매개 냉각수유로(140))를 흐르는 냉각수의 온도보다 높음에 따라, 원수와 냉각수 사이의 온도차에 의해 증기압의 차이가 유발되고, 증기압의 차이에 의해 중공사막(150) 내부를 흐르는 원수의 물 성분은 수증기로 증발되며, 증발된 수증기는 중공사막(150) 표면의 기공을 통해 배출된다. 이어, 중공사막(150) 표면의 기공을 통해 배출된 수증기는 냉각수유로의 표면에 접촉하여 응결된다.
냉각수유로의 표면에 접촉하여 응결된 응결수 즉, 중공사막(150)의 투과수는 모듈 케이스(110)의 하부 공간으로 중력 낙하되며, 모듈 케이스(110)의 일측에 구비된 투과수 배출구를 통해 배출되어 상기 투과수 저장탱크(450)에 저장된다. 한편, 중공사막(150)의 하단부를 통해 배출되는 농축수는 원수탱크(430)로 이동되거나 별도의 처리시설에 저장된다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치에 대해 설명하기로 한다. 본 발명의 제 2 실시예는 별도의 냉각수 및 냉각 관련 장치를 이용하지 않고 원수 자체를 냉각수로 이용함을 특징으로 한다. 이에 따라, 제 1 실시예에 구비되는 냉각수탱크 및 냉각장치가 제 2 실시예에서는 요구되지 않는다.
구체적으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치는 도 5에 도시한 바와 같이 원수탱크(510), 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10), 원수가열장치(520), 투과수 저장탱크(530) 및 농축수 저장탱크(540)를 포함하여 구성된다.
상기 원수탱크(510)는 막증류 공정의 처리대상인 원수를 저장한다. 상기 원수탱크(510) 내에 저장되는 원수는 막증류 공정의 처리대상임과 함께 막증류 공정의 냉각수 역할을 수행한다.
상기 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10)은 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10)의 구성과 동일하며, 투과수 저장탱크(530)는 제 1 실시예의 투과수 저장탱크(530)와 동일한 역할을 한다.
상기 원수가열장치(520)는 상기 중공사막 모듈(10)의 냉각수배출구(112)를 통해 배출되는 냉각수(원수)를 가열하며, 가열된 원수는 중공사막(150)의 상단부에 공급된다. 상기 농축수 저장탱크(540)는 중공사막(150)의 하단부를 통해 배출되는 농축수를 저장하는 역할을 한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
원수탱크(510)에 저장된 원수가 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈(10)의 냉각수유입구(111)로 공급되면, 원수는 중공사막 모듈(10)의 외부 냉각수유로(130), 매개 냉각수유로(140) 및 내부 냉각수유로(120)를 따라 상향류로 이동되며, 중공사막 모듈(10)의 일측에 구비된 냉각수배출구(112)를 통해 배출되어 상기 원수가열장치(520)로 이동된다. 원수는 중공사막 모듈(10)의 냉각수유로로 지속적으로 공급되며, 냉각수유로 내에서 이동되는 원수는 냉각수 역할을 한다.
냉각수유로를 거쳐 냉각수배출구(112)를 통해 배출된 원수는 원수가열장치(520)로 이동되어 가열되며, 가열된 원수는 중공사막(150)의 상단부로 공급된다. 즉, 냉각수유로로 공급됨과 함께 중공사막(150)의 상단부에는 가열된 원수가 공급된다.
중공사막(150)의 상단부로 공급되어 중공사막(150) 내부를 하향류로 통과하는 원수의 온도가 냉각수유로(내부 냉각수유로(120), 외부 냉각수유로(130) 및 매개 냉각수유로(140))를 흐르는 원수의 온도보다 높음에 따라, 온도차에 의해 증기압의 차이가 유발되고, 증기압의 차이에 의해 중공사막(150) 내부를 흐르는 원수의 물 성분은 수증기로 증발되며, 증발된 수증기는 중공사막(150) 표면의 기공을 통해 배출된다. 이어, 중공사막(150) 표면의 기공을 통해 배출된 수증기는 냉각수유로의 표면에 접촉하여 응결된다.
냉각수유로의 표면에 접촉하여 응결된 응결수 즉, 중공사막(150)의 투과수는 모듈 케이스(110)의 하부 공간으로 중력 낙하되며, 모듈 케이스(110)의 일측에 구비된 투과수 배출구를 통해 배출되어 상기 투과수 저장탱크(530)에 저장된다. 한편, 중공사막(150)의 하단부를 통해 배출되는 농축수는 농축수 저장탱크(540)로 이동된다.
10 : 중공사막 모듈 110 : 모듈 케이스
111 : 냉각수유입구 112 : 냉각수배출구
113 : 투과수배출구 120 : 내부 냉각수유로
130 : 외부 냉각수유로 140 : 매개 냉각수유로
150 : 중공사막 모듈

Claims (12)

  1. 막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로;
    상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로;
    상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로; 및
    상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 냉각수유로는 수직관 형태로 상기 모듈 케이스의 중심부에 구비되며, 상기 외부 냉각수유로는 판형 관 형태로 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면의 전면 상에 구비되며, 상기 매개 냉각수유로는 모듈 케이스의 수평 방향으로 배치됨과 함께 수직 방향으로 이격되어 반복, 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로는 동심원 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 케이스의 하단부에 냉각수유입구가 구비되고, 상기 모듈 케이스의 상단부에 냉각수배출구가 구비되어 상기 냉각수유로들 내에서 이동되는 냉각수는 상향류의 흐름으로 유도되며,
    막증류 공정의 처리대상인 원수는 상기 중공사막의 상단부로 공급되어 하향류의 흐름으로 유도되는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 케이스의 내부 공간은 공기로 채워지는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 중공사막은 미세기공이 구비된 소수성고분자 재질로 이루어진 분리막인 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈.
  7. 원수와 냉각수의 온도차를 이용하는 막증류 공정을 통해 원수로부터 투과수를 분리하는 중공사막 모듈;
    냉각수를 저장하는 냉각수탱크;
    냉각수를 원수보다 낮은 온도로 냉각시켜 상기 중공사막 모듈의 냉각수유로에 공급하는 냉각장치;
    막증류 공정의 처리대상인 원수를 저장하는 원수탱크;
    상기 원수탱크로부터 공급되는 원수를 냉각수보다 높은 온도로 가열하여 상기 중공사막 모듈 내에 구비되는 중공사막에 공급하는 원수가열장치; 및
    상기 중공사막 모듈의 막증류 공정에 의해 생산된 투과수를 저장하는 투과수 저장탱크를 포함하여 이루어지며,
    상기 중공사막 모듈은,
    막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스와,
    상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로와,
    상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로와,
    상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 내부 냉각수유로는 수직관 형태로 상기 모듈 케이스의 중심부에 구비되며, 상기 외부 냉각수유로는 판형 관 형태로 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면의 전면 상에 구비되며, 상기 매개 냉각수유로는 모듈 케이스의 수평 방향으로 배치됨과 함께 수직 방향으로 이격되어 반복, 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 모듈 케이스의 하단부에 냉각수유입구가 구비되고, 상기 모듈 케이스의 상단부에 냉각수배출구가 구비되어 상기 냉각수유로들 내에서 이동되는 냉각수는 상향류의 흐름으로 유도되며,
    막증류 공정의 처리대상인 원수는 상기 중공사막의 상단부로 공급되어 하향류의 흐름으로 유도되는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치.
  10. 원수와 냉각수의 온도차를 이용하는 막증류 공정을 통해 원수로부터 투과수를 분리하는 중공사막 모듈;
    막증류 공정의 처리대상임과 함께 막증류 공정의 냉각수 역할을 하는 원수를 저장하며, 원수를 냉각수 용도로 상기 중공사막 모듈의 냉각수유입구로 공급하는 원수탱크;
    상기 중공사막 모듈의 냉각수배출구를 통해 배출되는 냉각수(원수)를 가열하며, 가열된 원수를 상기 중공사막 모듈의 내부에 구비되는 중공사막에 공급하는 원수가열장치; 및
    상기 중공사막 모듈의 막증류 공정에 의해 생산된 투과수를 저장하는 투과수 저장탱크를 포함하여 이루어지며,
    상기 중공사막 모듈은,
    막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스와,
    상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로와,
    상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로와,
    상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 장치.
  11. 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 방법에 있어서,
    상기 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈은, 막증류 공정의 진행 공간을 제공하는 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내부의 중심부에 구비된 내부 냉각수유로와, 상기 모듈 케이스의 내측면 또는 외측면 상에 구비된 외부 냉각수유로와, 상기 내부 냉각수유로와 외부 냉각수유로를 공간적으로 연결하는 매개 냉각수유로 및 상기 모듈 케이스 내부에 구비되며, 상기 냉각수유로들과 이격되어 배치되는 복수의 중공사막을 포함하여 이루어지며,
    상기 냉각수유로들을 따라 냉각수가 상향류로 이동됨과 함께 상기 중공사막에 하향류로 원수가 공급되면, 원수와 냉각수의 온도차에 의해 증기압의 차이가 유발되어, 중공사막 내부를 흐르는 원수의 물 성분이 수증기로 증발되어 냉각수유로의 표면에 접촉하여 응결되는 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 냉각수유로들을 따라 이동되는 냉각수는 원수이고, 상기 중공사막에 공급되는 원수는 냉각수보다 높은 온도로 가열된 원수인 것을 특징으로 하는 다중 냉각수유로가 구비된 중공사막 모듈을 이용한 막증류 방법.
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