KR101605535B1

KR101605535B1 - 응축장치가 결합된 막 증류 수처리 장치

Info

Publication number: KR101605535B1
Application number: KR1020130088253A
Authority: KR
Inventors: 정성필; 이석헌; 조을생; 노태호; 강상인; 정우현
Original assignee: 한국환경정책평가연구원; 한국과학기술연구원
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2016-04-01
Also published as: KR20150012576A

Abstract

본 발명은 막 증류 수처리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막증류 유닛; 상기 유입수측의 내부의 일 영역에 위치하고, 상기 유입수측 내의 원수가 일부 유입될 수 있도록 원수 유입공이 형성되어 있는 증발 용기; 상기 증발 용기의 일영역과 상기 처리수측의 일 영역에 연결되고, 상기 증발 용기로부터 발생하는 증기가 응축되는 응축관; 상기 유입수측을 덮는 투과체; 상기 증발 용기의 일영역이 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 열을 증발 용기 내의 원수로 전달하는 태양열 진공관; 및 상기 막증류 유닛을 둘러싸는 부체를 포함하는 막 증류 수처리 장치에 관한 것이다.

Description

응축장치가 결합된 막 증류 수처리 장치{Water Treatment Apparatus using Membrane Distillation Method}

본 발명은 수 처리 기술 중 막 증류 기술을 이용하는 수 처리 장치에 관한 것이다.

막 증류법(Membrane Distillation)은 소수성 고분자 분리막의 표면에서 상변화가 일어나고, 분리막의 표면 미세기공을 통해 증기가 투과하여 응축, 분리되는 공정으로서, 비휘발성 물질이나 휘발성이 상대적으로 낮은 물질을 분리 제거하는 탈염 공정에 이용되거나, 수용액 중에 휘발성이 높은 유기물을 분리하는데도 이용할 수 있다.

막 증류에 대한 개념이 1940년에 제안된 이래, 현재에 이르기까지 막 증류에 대한 연구는 주로 미국, 유럽, 일본, 호주 중심으로 진행되어 왔다. 최근에 막 증류 분리 공정을 종래의 증발 또는 역삼투압막을 이용한 분리공정과 대체하려는 움직임이 활발하다.

현재, 순수제조나 담수화 공정으로 사용되고 있는 증발법과 역삼투압법은 에너지가 많이 소요되는데, 특히 역삼투압법은 오염과 파울링의 문제로 인하여 사용 전에, 여러 단계의 전처리 과정을 거치므로 운전 관리상의 어려움뿐만 아니라, 높은 압력에서 운전되므로 펌프동력원인 전기에너지가 많이 사용되어 관리비용이 많이 소요되는 문제가 있다.

반면에, 막 증류(membrane distillation)는 다공성 막을 사용하면서 한외여과법과 역삼투압법에 비해 낮은 압력에서 운전되며 증기압 분압차에 의해 분리가 이루어진다. 또한, 상기 막 증류 분리법을 이용하면, 염과 같은 비휘발성 물질을 분리ㆍ제거하는데 있어서 전통적인 증류법이 가지는 비말 동반이 없고 높은 압력으로 운전되는 여과기 또는 분리막을 사용하지 않아도 된다.

이러한 막 증류 분리공정의 장점으로 인하여, 막 증류법을 이용한 담수화(탈염화) 처리공정은 저비용의 유틸리티와 분리장치의 내구성이 우수하므로 전 세계적으로 음용수 생산에 있어 경쟁력있는 방법 중의 하나로 부상하고 있다.

막 증류법은 소수성 고분자 분리막을 이용하는데, 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 투과측에서 응축, 분리되는 것이다.

이러한 막 증류법은 유입용액이 분리막을 통과하는 유입수측과 분리대상 물질이 응축 및 분리되는 처리수측으로 구성된 분리막 모듈을 통해 수행된다.

하지만, 막 증류법은 상기와 같은 장점에도 불구하고, 유입수측과 처리수측 사이의 증기압차를 유발하기 위하여 열 에너지를 필연적으로 사용할 수밖에 없기 때문에, 전체 운전비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 것이 열 에너지의 확보이며, 이로 인한 에너지 비용 부담으로 인해 다른 수 처리 방법에 비해 비용 적으로 불리한 점이 있어 왔다.

일반적으로 막 증류 공정에서 원수를 가열하는 열 에너지원으로는 전기에너지나 화석에너지를 사용하여 왔으며, 에너지 비용이 많이 드는 문제도 있지만, 외부에서 원수를 가열한 후 막 증류 모듈의 유입수측으로 가열된 원수를 이송하는 과정에서 열 손실이 발생하는 문제도 있다.

또한, 막 증류 모듈의 처리수측을 통해 순환하는 처리수를 냉각시키기 위해서 별도의 냉각장치가 필요하며, 상기 처리수를 순환시키기 위해 별도의 펌핑장치가 필요하므로 이 경우에도 별도의 에너지 비용이 소요된다.

따라서, 막 증류 공정에서 고비용의 전기에너지나 화석에너지 사용을 대체하여 열 에너지를 확보하는 것과, 열 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 비용을 절감함과 동시에 유입수의 가열과 처리수의 냉각을 지속적으로 가능하게 함으로써 수 처리 성능을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 막 증류 공정 중 유입 원수를 가열함에 있어, 고비용의 전기에너지 또는 화석에너지의 사용을 대체하여 열 에너지를 확보하고, 열 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 비용을 절감할 수 있는 막 증류 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 처리수를 냉각함에 있어 별도의 냉각 장치 및 에너지 소모가 필요 없는 막 증류 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 처리수측의 냉각 효율을 높여 막 증류 장치의 막 투과 속도(flux)를 향상 시키는데 그 목적이 있다.

본 발명에서 상기 유입수측은 외부로의 열 손실을 최소화하기 위하여 단열 소재로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에서 상기 증발 용기는 증발 용기 내 유입 원수에 대한 가열 효율을 극대화하고, 외부로의 열손실을 최소화하기 위하여 단열 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 증발 용기는 유입수측의 원수가 증발 용기로 유입된 후 상기 증발 용기로부터 원수가 유입수측으로 빠져나가지 않도록 하기 위하여 상기 증발 용기의 원수 유입공에 체크밸브가 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에서 상기 응축관은 상기 유입수측 내의 일영역에 위치한 증발 용기로부터 발생하는 증기를 응축하고, 응축된 응축수를 처리수측으로 공급하는 관으로서, 특히 처리수측에 공급되는 응축수의 유속을 높이기 위하여, 벤츄리 효과(venturi effect)를 이용하여 증발 용기에 연결되는 끝단의 내경 보다 처리수측에 연결되는 끝단의 내경이 좁은 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에서 상기 태양열 진공관은 특별히 그 종류가 제한적인 것은 아니나, 구조적으로는 이중진공 유리관형 태양열 진공관이 바람직할 수 있으며, 열 전달 방식 측면에서는 히트파이프식 태양열 진공관이 바람직할 수 있다.

본 발명에서 상기 막 증류 유닛의 처리수측은 처리수측의 냉각 효율을 향상시키고, 상기 응축관으로부터 흘러 들어오는 응축수의 흐름에 의해 분리막 주변부에 cross flow 형성이 잘 되도록 하기 위하여, 상기 분리막의 처리수측을 향하는 면과 접하는 처리측의 공간부가 좁게 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 처리수측은 응축관이 결합되는 부위를 제외한 나머지 끝단이 위로 올라 있는 것이 바람직하다. 이는 좁은 공간부에 체류하는 미량의 처리수를 냉각하므로, 신속하게 좁은 공간부의 처리수를 냉각할 수 있으며, 상기 좁은 공간부의 응축관이 결합되는 부위를 제외한 나머지 끝단이 위로 올라 있어 상기 좁은 공간부에 처리수가 가득찰 수 있으며, 이로써 분리막과 차가운 처리수가 직접 접촉하는 직접 접촉(Direct Contact) 방식의 막 증류 수처리 장치를 구현할 수 있다. 직접 접촉 막 증류(Direct Contact Membrane Distillation) 방식의 경우, 분리막을 통과한 증기(vapor)의 응축 및 처리수의 순환이 거의 동시에 신속하게 일어나므로, 막 증류 방식 중에서도 가장 막 투과 속도(Flux)가 높은 것이 특징이다.

본 발명의 막 증류 수처리 장치는 막증류 유닛을 둘러싸는 부체(floating body, 浮體)를 포함하고 있어, 원수 수원지의 원수 상에 띄우는 형태로 사용되며, 상기 막 증류 유닛 중 유입수측은 상당 부분이 원수의 수면 위로 노출되어 있고, 상기 유입수측내의 원수는 유입수측을 덮고 있는 투과체를 통해 태양열의 온실효과에 의해 가열 된다. 또한, 상기 막 증류 유닛 중 처리수측은 원수의 수면 아래로 잠겨 있어 처리수측 내의 처리수는 외부의 차가운 원수에 의해 냉각된다. 이로써, 상기 막 증류 유닛의 유입수측과 처리수측 사이에 온도차에 의한 증기압차가 발생하고, 상기 유입수측 및 처리수측 사이에 위치한 소수성 분리막을 통해 가열된 원수 내의 증기(vapor)만 선택적으로 처리수측 쪽으로 이동하게 되며, 처리수측으로 이동한 증기(vapor)는 응축되어 처리수, 즉 순수(pure water)가 된다.

본 발명에 의하면, 막 증류 수처리 장치의 유입수측에 유입되는 원수를 막 증류 유닛의 외부에서 가열하는 것이 아니라, 막 증류 유닛의 유입수측 내부에서 직접 가열함으로써, 열 손실을 최소화할 수 있으며, 유입수측의 유입 원수를 가열함에 있어 기존의 고비용의 전기에너지 또는 화석에너지를 사용하지 않고 태양열 에너지를 이용함으로써, 유입 원수의 가열에 소요되는 에너지 비용을 현저히 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 막 증류 수처리 장치는 원수 상에 떠있는 구조로 인해, 원수의 수면 아래로 잠겨 있는 처리수측의 처리수를 냉각함에 있어 차가운 원수를 냉각 매체로 이용함으로써, 기존과 같이 별도의 냉각 장치를 사용할 필요가 없으며, 이에 따라 처리수의 냉각에 소요되는 에너지 비용도 현저히 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 증발 용기로부터 발생하는 증기를 별도로 응축하여 응축수를 얻고, 상기 응축수를 이용하여 막 증류 유닛의 처리수측의 막 주변에 cross flow를 형성함으로써 처리수측의 냉각 효율을 향상 시킬 수 있으며, 결과적으로 막 증류 수처리 장치의 막 투과 속도를 향상 시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 단면도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 막 증류 수처리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막증류 유닛; 상기 유입수측의 내부의 일영역에 위치하고, 상기 유입수측 내의 원수가 일부 유입될 수 있도록 원수 유입공이 형성되어 있는 증발 용기; 상기 증발 용기의 일영역과 상기 처리수측의 일 영역에 연결되고, 상기 증발 용기로부터 발생하는 증기가 응축되는 응축관; 상기 유입수측을 덮는 투과체; 상기 증발 용기의 일영역이 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 열을 증발 용기 내의 원수로 전달하는 태양열 진공관; 및 상기 막증류 유닛을 둘러싸는 부체를 포함하는 막 증류 수처리 장치에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 막증류 유닛은 형태가 특별히 제한되는 것은 아니며, 유입수측이 분리막을 경계로 상부에 위치하고, 처리수측이 분리막을 경계로 하부에 위치하는 구조라면 어떠한 형태라도 무방하다. 예를 들면, 직육면체 형상, 원기둥 형상, 팔각 기둥 형상 등일 수 있다.

본 발명에서 상기 유입수측은 막증류 유닛의 구성 중 외부로부터 원수가 유입되는 부분으로, 외부에서 유입된 원수는 유입수측과 처리수측 간의 증기압차에 의해 원수 내에 존재하는 증기가 상기 분리막을 통과하여 처리수측으로 이동하게 된다. 상기 유입수측과 처리수측 간의 증기압차는 온도차에 의해 발생하며, 유입수측 내의 원수의 온도가 처리수측 공간 및 처리수의 온도 보다 상대적으로 높은 것이 특징이다. 상기 유입수측과 처리수측 간의 온도차는 특별히 한정적인 것은 아니며, 온도차가 클수록 유입수측과 처리수측 간의 증기압차가 커지므로, 막 투과 속도(flux)가 증가한다. 유입수측과 처리수측 간의 온도차는 20 내지 60℃가 바람직하며, 보다 바람직하게는 35 내지 45℃일 수 있다. 이는 유입수측과 처리수측 간의 온도차가 20℃ 미만일 경우에는 유입수측과 처리수측 간의 증기압차가 지나치게 작아 처리수의 플럭스가 극히 미비하고, 온도차가 60℃를 초과하는 경우에는 유입 원수를 가열하는데 필요한 에너지 소모가 지나치게 많아, 투입 에너지 대비 처리수 생산 효율이 낮아지며, 특히 본 발명과 같이 태양열을 이용하여 유입원수를 가열하는 경우에는 요구되는 태양열 에너지량이 많아 가열 시간이 지나치게 오래 걸리며, 평균 일조시간이 짧거나 평균 일사량이 적은 지역에서는 수처리 성능의 구현이 어려울 수 있기 때문이다.

본 발명에서 상기 원수는 순수(pure water)를 분리할 필요가 있는 것이라면 어떠한 것이라도 무방하며, 예를 들면 오염된 지표수, 오염된 지하수 등일 수 있다.

또한, 본 발명의 막증류 유닛에 있어서, 유입수측의 유입 원수의 공급방법은 특별히 제한적인 것은 아니며, 예를 들면, 사용자가 직접 오염 원수를 상기 유입수측에 주기적으로 붓는 방법으로 공급할 수 있다.

본 발명에서 상기 막 증류 유닛의 유입수측은 특별히 소재가 제한적인 것은 아니나, 외부로의 열 손실을 최소화하기 위해서 단열 소재로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 막 증류 유닛의 유입수측은 상부의 개방부가 투과체에 의해 덮이는 구조로 되어 있어, 태양열 온실 효과에 의해 상기 유입수측 내의 원수의 가열 효율을 높일 수 있다. 상기 투과체의 소재는 태양광을 통과시킬 수 있는 투명한 소재라면 특별히 그 종류가 제한적인 것은 아니며, 예를 들면 폴리카보네이트(polycarbonate)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 상기 막 증류 유닛에 있어서, 상기 분리막은 소수성 고분자 분리막인 것이 바람직하다. 상기 분리막으로 소수성 고분자 분리막을 이용하는 이유는 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 처리수측에서 응축, 분리되도록 하기 위함이다. 상기 소수성 고분자 분리막은 수처리 막으로서 소수성을 가지는 고분자라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며, 예를 들면 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리설폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리에테르이미드(Polyether lmide, PEI), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 또는 폴리아마이드(Polyamide, PA) 중에서 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 상기 막 증류 유닛에 있어서, 상기 처리수측은 분리막을 통과한 증기가 응축 및 분리되는 영역으로서 분리막을 통해 원수로부터 분리된 순수인 처리수가 수집된다. 상기 처리수측 내의 처리수는 유입수측의 원수에 비해 상대적으로 온도가 낮은 것이 특징이다. 상기 처리수측에 수집된 처리수는 수거하여 식수, 생활 용수 등 각종 용수로 이용할 수 있으며, 처리수측으로부터 처리수를 수거하는 방법은 특별히 정해진 것은 없으며, 예를 들면 상기 막 증류 유닛으로부터 직접 처리수측을 분리하여 수거할 수도 있고, 외부의 물 탱크와 연결된 별도의 관을 상기 처리수측의 일영역에 연결하여 수거할 수도 있다.

본 발명에 따른 막 증류 수처리 장치에 있어서, 상기 유입수측의 내부의 일영역에는 증발 용기가 위치하며, 상기 증발 용기는 유입수측 내의 원수가 일부 유입될 수 있도록 원수 유입공이 형성되어 있는 것이 특징이다. 본 발명에서 상기 증발 용기는 유입수측 내의 원수 중 일부를 수용하여 집중적으로 가열 및 증발시키는 공간을 제공한다. 상기 증발 용기는 증발 용기 내의 유입 원수에 대한 가열 효율을 높이고, 외부로의 열 손실을 최소화하기 위해 단열 소재로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 증발 용기의 원수 유입공은 상기 증발 용기로 유입된 유입수측 내의 원수가 다시 유입수측으로 빠져 나가지 않도록 하기 위하여 체크밸브가 결합된 것일 수 있다. 상기 체크 밸브는 유체를 한쪽 방향으로만 흐르게 하고 반대 방향으로는 흐르지 못하도록 하는 밸브라면 어떠한 종류의 밸브라도 무방하다.

본 발명에서 상기 증발 용기의 일영역에는 태양열 진공관이 관통되도록 결합되어 있어, 태양열을 집열한 후 열을 상기 증발 용기 내의 원수로 전달하여 증발 용기 내의 원수를 집중적으로 가열한다. 본 발명에서 상기 태양열 진공관은 특별히 종류가 제한되는 것은 아니다. 상기 태양열 진공관은 일반적으로 관 내부가 진공 상태로 되어 있고, 관 내부에는 집열판이 위치하고 있어 외부의 태양열을 집열하게 되고, 집열된 태양열은 진공 상태의 환경에서 태양열 진공관 외부와 단열되어 태양열 집열 효율을 극대화할 수 있다. 상기 태양열 진공관의 구조에 따른 종류로는 단일진공 유리관형, 이중진공 유리관형이 있으며, 본 발명에서는 이중진공 유리관형이 바람직하다. 상기 이중진공 유리관형은 내부 유리관과 외부 유리관 사이를 진공 처리하여 단일진공 유리관형 보다 열손실을 최소화할 수 있기 때문이다.

본 발명에 있어서, 상기 태양열 진공관은 열 전달 방식에 의한 분류에 있어 특별히 그 종류가 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 열매체 순환튜브가 삽입되어 있는 수관식 태양열 진공관 또는 히트파이프식 태양열 진공관을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 히트파이프식 태양열 진공관이 바람직할 수 있다. 본 발명의 태양열 진공관은 증발 용기의 일영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 증발 용기 내의 원수로 열을 전달하기 때문에 외부에서 가열시킨 물을 증발 용기로 이동시키는 수관식 태양열 진공관을 사용하는 것보다 증발 용기 내의 원수로 열에너지만 이동시켜 가열 시킬 수 있는 히트파이프식 태양열 진공관이 보다 효율적으로 에너지 활용이 가능하기 때문이다. 본 발명의 상기 히트파이프식 태양열 진공관은 진공으로 밀봉된 유리관 내부에, 선택흡수표면 처리된 흡수판과 작동유체로 채워진 히트파이프가 결합된 구조로 되어 있으며, 상기 흡수판에 집열된 태양열은 열 전도성이 매우 높은 상기 히트파이프에 의해 표적 부위로 열에너지를 전달하게 된다.

본 발명에서 태양열 진공관의 형상과 크기는 특별히 제한적인 것은 아니며, 본 발명의 막증류 수처리 장치의 외형 구조에 따라 적절한 형상 및 크기의 태양열 진공관을 사용할 수 있다. 일반적으로 사용되는 태양열 진공관의 형상은 봉 형상 이다.

본 발명에서는 태양열을 표적 부위에 전달하는 태양열 진공관의 말단 부위가 상기 증발 용기의 일 영역을 관통하여 증발 용기 내의 원수에 접촉하는 것이 특징이며, 사용되는 태양열 진공관의 개수는 특별히 한정적인 것은 아니며, 기후 환경 등 사용 지역의 사정에 따라 적절한 개수의 태양열 진공관을 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 태양열 진공관은 열 전도의 방향성을 가지는 것이 특징인데, 태양열을 표적 부위에 전달하는 태양열 진공관의 말단 부위가 중력 반대 방향 쪽으로 기울어진 상태로 유입수측의 일 영역을 관통하는 것이 바람직하며, 적어도 수평 상태를 유지해야 열 전도성을 띤다. 이는 태양열 진공관내의 열 전달 매체가 기화되었을 때 중력 반대 방향으로 이동하는 성질에 기인한 것이다.

본 발명에서 상기 응축관은 증발 용기의 일 영역과 처리수측의 일 영역에 연결되도록 결합되고, 상기 증발 용기 내의 원수가 가열되어 발생하는 증기가 통과하게 된다. 상기 증발 용기로부터 발생한 증기(vapor)는 상기 응축관을 지나면서 응축되어 응축수로 되며, 응축된 응축수는 응축관을 통해 처리수측으로 흘러들어 간다. 상기 응축관은 증발 용기로부터 공급된 증기의 응축 효율을 높이기 위하여 일부가 원수 수원지의 수면 아래로 잠기는 형태로 결합되는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 응축관을 통해 처리수측의 막 주변에에 공급되는 응축수의 흐름을 이용하여 처리수측의 막 주변에 cross flow를 형성하고, 이를 통해 처리수측의 냉각 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하므로, 상기 처리수측에 공급되는 응축수의 유속이 높을수록 처리수측의 냉각 효율을 더욱 더 높일 수 있다. 따라서, 본 발명의 응축관은 처리수측에 공급되는 응축수의 유속을 높이기 위하여, 벤츄리 효과(venturi effect)를 이용하여 증발 용기에 연결되는 끝단의 내경 보다 처리수측에 연결되는 끝단의 내경이 좁은 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에서 상기 부체(floating body, 浮體)는 본 발명의 막증류 수처리 장치를 원수의 수면 상에 띄우는 기능을 한다. 상기 부체는 특별히 결합 위치나 형태가 정해진 것은 아니며, 예를 들면 상기 태양열 진공관의 밑에 부착되어 막 증류 유닛을 둘러싸는 형태로 결합될 수 있다. 본 발명은 상기 부체의 결합 높이를 조절함으로써, 본 발명의 막증류 수처리 장치가 물에 잠기는 정도를 조절할 수 있다. 본 발명에 상기 부체의 부착 높이는 특별히 제한적인 것은 아니나, 막 증류 유닛의 분리막이 위치하는 높이에 맞춰 부착하는 것이 가장 바람직하나, 분리막이 위치하는 높이에 맞춰 상기 부체를 부착할 수 없는 경우에는 가능하면 유입수측이 원수 수원지의 수면 아래로 덜 잠기도록 상기 부체를 부착하는 것이 바람직하다. 이는 부체의 부착 높이가 막 증류 유닛의 분리막이 위치하는 높이 보다 훨씬 높을 경우에는 막 증류 유닛의 유입수측의 상당 부분이 원수 수원지 수면 아래로 잠기게 되므로, 상기 유입수측 내의 원수의 가열 효율이 지나치게 떨어질 수 있기 때문이다.

상기 부체의 재질은 특별히 정해진 것은 없으며, 수면 상에 띄우기 위해 통상적으로 사용되는 것이라면 어떠한 재질이라도 무방하다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 통해 설명하면 다음과 같다. 상기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 사시도를 나타낸 것이다. 도 1에 의하면, 본 발명에 따른 막 증류 수처리 장치는 중앙의 막 증류 유닛(100), 상기 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)의 일영역에 위치하는 증발 용기(400)의 측면을 각각 관통하며 결합되어 있는 5개의 태양열 진공관(200), 상기 태양열 진공관(200)의 밑에 부착되고, 막 증류 유닛(100)을 둘러싸며 결합된 부체(300)로 이루어져 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 단면도를 나타낸 것으로, 도 2를 통해 본 발명의 구조를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치 중 막 증류 유닛(100)은 상부의 유입수측(110) 및 하부의 처리수측(120) 사이에 막 증류용 분리막(130)이 위치하고 있으며, 상기 유입수측(110)의 상부는 투과체(600)로 덮여져 있다. 상기 유입수측(110)은 일영역에 증발 용기(400)가 형성되어 있으며, 상기 증발 용기(400)의 일영역에는 유입수측(110) 내의 원수 중 일부가 자동으로 증발 용기(400)로 유입될 수 있도록 원수 유입공(410)이 형성되어 있고, 상기 원수 유입공(410)에는 상기 증발 용기(400) 내로 유입된 원수가 다시 유입수측(110)으로 빠져나가지 않도록 하기 위하여 체크 밸브(420)가 결합되어 있다. 또한, 상기 증발 용기(400)에는 5개의 태양열 진공관(200)이 관통되도록 결합되어 있어, 상기 태양열 진공관(200)에 의해 수집된 태양열이 상기 증발 용기(400) 내의 원수로 전달되고, 이로써 증발 용기(400) 내의 원수가 가열된다.

상기 증발 용기(400) 내의 원수가 가열되면 증기가 발생하며, 발생한 증기는 상기 증발 용기(400)에 연결되어 있는 응축관(500)을 통해 이동한다. 상기 응축관(500)의 일부분은 차가운 원수 수원지의 수면 아래에 잠겨 있으므로, 응축관(500) 내의 증기는 응축관(500)을 따라 이동하는 도중 응축되어 응축수를 형성한다. 상기 응축관(500)의 다른 쪽 끝단은 처리수측(120)의 일영역에 연결되어 있으며, 특히 상기 응축관(500)의 처리수측(120)과 결합되는 끝단은 내경이 끝단으로 갈수록 좁게 형성되어 있어, 응축관(500) 내의 응축수는 유속이 상승한 상태로 처리수측(120)에 공급된다. 상기와 같이 응축수가 유속이 상승한 상태로 처리수측(120)에 공급되면, 분리막(130)의 처리수측(120) 방향으로 향하는 면의 주변부에 cross flow가 형성되어, 분리막(130) 주변부의 냉각 효율을 높일 수 있고, 분리막(130)을 투과하여 넘어온 증기의 응축이 보다 신속하게 일어날 수 있으므로, 결과적으로 막 증류 수처리 장치의 막 투과 속도(flux)를 높일 수 있다.

또한, 도 2에 나타난 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 처리수측(120)은 외부의 원수가 자유롭게 유동할 수 있는 원수유동채널(121)이 형성되어 있어, 상기 처리수측(120) 내의 처리수의 냉각 효율을 향상 시킬 수 있으며, 특히 본 발명의 실시예에 따른 처리수측(120)은 분리막(130)과 접한 공간부는 좁게 형성되어 있고, 응축관(500)이 연결되지 않는 다른 끝단이 위로 올라 있는 것이 특징인데, 이로써 좁은 공간부에 체류하는 미량의 처리수를 냉각하므로, 신속하게 좁은 공간부의 처리수를 냉각할 수 있으며, 상기 좁은 공간부의 일측 끝단이 위로 올라 있으므로, 상기 좁은 공간부에 처리수가 가득찰 수 있어, 분리막(130)과 차가운 처리수가 직접 접촉하는 직접 접촉(Direct Contact) 방식의 막 증류 수처리 장치를 구현할 수 있다. 직접 접촉 막 증류(Direct Contact Membrane Distillation) 방식의 경우, 분리막을 통과한 증기(vapor)의 응축 및 처리수의 순환이 거의 동시에 신속하게 일어나므로, 막 증류 방식 중에서도 가장 플럭스(Flux)가 높은 것이 특징이다.

도 2에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치는 막증류 유닛(100)을 둘러싸는 부체(300)를 포함하고 있어, 원수 수원지의 원수 상에 띄우는 형태로 사용되며, 상기 막 증류 유닛(100) 중 유입수측(110)은 원수의 수면 위로 노출되어 있고, 유입수측(110)내의 원수는 유입수측(110)을 덮고 있는 투과체(600)에 의해 태양열 온실 효과에 의해서 가열 된다. 또한, 상기 막 증류 유닛(100) 중 처리수측(120)은 원수의 수면 아래로 잠겨 있어 처리수측(120) 내의 처리수는 차가운 원수에 의해 냉각된다. 이로써, 상기 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)과 처리수측(120) 사이에 온도차에 의한 증기압차가 발생하고, 상기 유입수측(110) 및 처리수측(120) 사이에 위치한 소수성 분리막(130)을 통해 가열된 원수 내의 증기(vapor)만 선택적으로 처리수측(120) 쪽으로 이동하게 되며, 처리수측(120)으로 이동한 증기(vapor)는 외부의 차가운 원수에 의해 냉각 및 응축되어 순수(pure water)가 된다. 특히, 상기 유입수측(110)의 일영역에는 증발 용기(400)가 위치하고 있어, 유입수측(110)의 원수 중 일부가 증발 용기(400) 내로 유입되면, 증발 용기(400)에 결합되어 있는 5개의 태양열 진공관(200)에 의해 증발 용기(400) 내의 원수가 집중적으로 가열되고, 가열된 증발 용기(400) 내의 원수로부터 발생된 증기는 응축관(500)을 통과하면서 응축되어 응축수를 형성한다. 상기 응축관(500) 내에 형성된 응축수는 응축관(500)의 다른 끝단이 연결되어 있는 처리수측(120)으로 공급되며, 특히 상기 응축관(500)의 처리수측(120)과 연결되어 있는 끝단은 점점 내경이 줄어드는 벤츄리 관 형상을 하고 있어, 처리수측(120)에 공급되는 응축수의 유속은 빨라지며, 응축수의 유속이 빨라짐에 따라 처리수측(120)에 cross flow를 형성할 수 있어 처리수측(120)의 분리막(130) 주변부의 냉각 효율이 높아지고, 분리막(130)을 통과한 증기의 신속한 응축이 가능해져 막 투과 속도(flux)를 향상시킬 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 막 증류 유닛 110 : 유입수측
120 : 처리수측 120 : 원수유동채널
130 : 분리막 200 : 태양열 진공관
300 : 부체(floating body) 400 : 증발 용기
410 : 원수 유입공 420 : 체크밸브
500 : 응축관 600 : 투과체

Claims

분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막증류 유닛;
상기 유입수측의 내부의 일영역에 위치하고, 상기 유입수측 내의 원수가 일부 유입될 수 있도록 원수 유입공이 형성되어 있는 증발 용기;
상기 증발 용기의 일영역과 상기 처리수측의 분리막과 원수유동채널 사이 일 영역에 연결되고, 상기 증발 용기로부터 발생하는 증기가 응축되는 응축관;
상기 유입수측을 덮는 태양열 투과체;
상기 증발 용기의 일영역이 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 열을 증발 용기 내의 원수로 전달하는 태양열 진공관; 및
상기 막증류 유닛을 둘러싸는 부체를 포함하며,
상기 응축관은 벤츄리 효과(venturi effect)를 이용하여 처리수측에 공급되는 응축수의 유속을 높이기 위하여 증발 용기에 연결되는 끝단의 내경보다 처리수측에 연결되는 끝단의 내경이 좁은 구조를 가지며,
상기 막증류 유닛의 처리수측은 원수유동채널에 의해 형성된 분리막과 접한 공간부와, 응축관 타측의 분리막보다 위로 올라온 구조를 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 유입수측은 단열 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 증발 용기는 단열 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 증발 용기의 원수 유입공에 체크밸브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 태양열 진공관은 이중진공 유리관형 태양열 진공관인 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 태양열 진공관은 히트파이프식 태양열 진공관인 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.