KR101609795B1 - 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 제어하는 해수담수화-발전 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
해수담수화-발전을 위해서 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 적용하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 내부 및 외부 농도분극과 막오염물질로 인한 케익층을 고려하여 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 특성에 따라 고농도 유도용액 펌프를 가변 제어함으로써 해수담수화-발전 시스템의 효율을 지속적으로 유지할 수 있고, 또한, 외부 농도분극계수 및 내부 농도분극계수를 고려한 압력지연삼투 공정의 최대전력밀도가 외부 농도분극계수 및 내부 농도분극계수를 고려하지 않은 설정전력밀도보다 작은 경우, 압력지연삼투막 모듈의 세정이 필요한 것으로 판단하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 표면 및 고농도 유도용매 펌프의 막오염물질을 정기적으로 세정함으로써 압력지연삼투막 모듈이 막오염 물질에 의한 감소된 유효삼투압을 회복할 수 있는, 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템 및 그 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 해수담수화-발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 해수담수화를 위해서 역삼투막 모듈(Reverse Osmosis Module)을 적용하고 삼투발전을 위해서 압력지연삼투막 모듈(Pressure Retarded Osmosis Module)을 적용하는 해수담수화-발전 시스템(Seawater desalination and Power generation system)에 있어서, 압력지연삼투 공정의 제어 또는 세정을 위해 다채널 압력지연삼투 평가장치(Multi-channel Pressure Retarded Osmosis Evaluating Device)를 이용하는 해수담수화-발전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 해수(Seawater)와 담수(Fresh Water) 사이의 염도 차이로부터 상당량의 많은 에너지를 얻어 발전(Power Generation)할 수 있는데, 이론적으로 톤당 0.8㎾ 이상 에너지를 추출할 수 있고, 이것은 280m 이상의 댐(Dam)에서 물이 떨어질 때 발생되는 에너지양과 유사하다.
이러한 염도 차이에 의한 에너지 발전기술의 제한요소는 담수를 지속적으로 공급하는데 있으며, 이론적으로 전 지구적으로 강물이 바다로 유입한다고 가정하면, 약 2 테라와트(Terawatt)를 생성할 수 있고, 이중에서 980 기가와트(Gigawatt) 정도를 이용할 수 있으며, 또한, 폐수를 바다로 방류한다고 가정하면, 약 18 기가와트 정도의 염도 차이에 의한 발전이 가능한 것으로 알려져 있다.
이에 따라 현재 전세계적으로 수력발전으로부터 약 800 기가와트 정도의 전력이 생산된다고 볼 때, 염도 차이에 의한 에너지는 무궁무진한 에너지원으로 볼 수 있다. 대표적인 염도 차이에 의한 에너지(Salinity-gradient energy) 발전기술은 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis; PRO) 공정과 역 전기투석(Reverse Electro Dialysis: RED) 공정이 있다.
특히, 이러한 압력지연삼투 공정은 염분 농도가 서로 다른 두 용액(Solution)의 염분 농도 차이를 이용한 발전이라고 할 수 있고, 저농도의 유입수와 고농도의 유도용액 사이에 반투과 분리막(멤브레인)을 배치함으로써 깨끗한 물과 전력을 함께 얻을 수 있는 정삼투 공정(Forward osmosis: FO)의 기본 원리와 유사하다.
구체적으로, 이러한 압력지연삼투 공정의 경우, 저농도 용액으로는 담수(Fresh water)가 이용되고, 고농도 용액으로는 해수(Sea water)가 이용된다. 전처리 과정을 거친 저농도 용액은 삼투압 차이에 의해 반투과 분리막을 통하여 고농도 용액으로 투과되며, 이에 대응하여 증가한 유량이 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 생산할 수 있다. 즉, 압력지연삼투 공정은 두 용액간의 농도 차이에 의해 발생한 삼투압이 수압 형태로 바뀌고, 이러한 수압이 터빈을 회전시켜 에너지를 얻는 것이다.
따라서 이러한 압력지연삼투 공정은 다른 전력생산 대체 에너지원보다 원천자원인 해수와 강물에 대한 변화 요소가 적기 때문에 안정적인 친환경 기술이라고 할 수 있다.
한편, 통상적인 막 분리의 기본개념은 선택적 투과가 가능하여 물질을 분리하는 것으로, 예를 들면, 한외여과(Ultra-filtration: UF), 정밀여과(Micro- filtration: MF) 등과 같은 압력에 의한 공정에 있어서, 용질 내의 용매의 일부가 막을 통과하지만 대부분의 용매는 용액 속에 존재하게 된다. 이러한 경우, 분리막 표면에서 용매가 쌓이게 되고, 이에 따라 용매의 농도는 점진적으로 증가하며, 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산하려는 성질 때문에 오히려 막 표면 반대 방향으로 확산이 일어나게 된다. 궁극적으로 분리막 표면 방향의 대류속도는 분리막 표면 반대 방향의 확산플럭스와 투과된 용매가 서로 물질수지식(Mass Balance Equation)이 성립하여 막 표면 경계층(Boundary layer)에서 농도구배가 생긴다.
또한, 분자량이 큰 고분자물질의 경우, 막 표면에서 높은 농도를 유지함과 동시에 수많은 고분자 물질로 이루어진 겔층(Gel Layer)이 막 표면에 형성되는데, 이러한 겔층은 분자량의 크기, 모양, 화학적인 구조나 결합력에 따라 다르게 나타나며, 용액 농도와는 무관하다.
또한, 막을 통과하는 유속(Flow Rate)은 전술한 겔층(Gel layer)을 형성하는 농도와 같아질 때까지 압력과 함께 농도가 증가하며, 이때, 압력이 그 이상 증가하더라도 막 표면의 농도는 더 이상 증가하지 않는다. 이에 따라 층은 점점 더 두꺼워져서 치밀해지고, 유속(Flow Rate)을 결정하는 주요한 인자가 되고 있다.
한편, 역삼투막(Reverse Osmosis: RO) 공정에 사용되는 분리막(멤브레인)은 전형적으로 얇은 활성층과 다공성의 지지층으로 구성된 비대칭의 구조이기 때문에 외부 농도분극은 활성층에서 발생하고, 내부 농도분극은 다공성의 지지층에서 발생한다.
압력지연삼투(PRO) 공정에 사용되는 분리막에서, 활성층은 유도용액(Draw solution)에 인접하도록 형성되고, 다공성의 지지층은 유입수(Feed solution)와 접촉하도록 형성된다(도 6 참조). 이러한 분리막 형상은 유도용액 측에서 인가되는 수리학적 압력을 확실하게 유지하기 위해서 필요하다.
한편, 농도분극(Concentration polarization)은 발생하는 위치에 따라 크게 외부 농도분극(External concentration polarization)과 내부 농도분극(Internal concentration polarization)으로 구분할 수 있다.
외부 농도분극은 분리막 활성층(Dense Layer)과 유입수 또는 유도용액에서 발생하는 현상으로서, 분리막의 설치 위치에 따라 상기 활성층을 유도용액과 접촉시키고 다공성의 지지층(Porous Support Layer)을 유입수와 접촉시킨 희석 외부 농도분극(Dilutive external concentration polarization), 및 상기 활성층을 유입수와 접촉시키고 상기 다공성의 지지층을 유도용액과 접촉시킨 농축 외부 농도분극(Concentrative external concentration polarization)으로 구분할 수 있다. 이때, 상기 압력지연삼투(PRO) 공정은 분리막의 배치 특성상 희석 외부 농도분극이 발생하게 된다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 희석 외부 농도분극이란 농축 외부 농도분극 현상과 비슷하지만, 농축 외부 농도분극은 투과플럭스에 의해 유입수와 접촉하고 있는 분리막 표면의 용질의 농도가 증가하여 유입수의 삼투압이 증가하는 현상이고, 반면에 희석 외부 농도분극은 유도용액과 활성층 사이에서 발생하는 현상으로 분리막을 통과한 투과플럭스에 의해 활성층 표면의 유도용액의 농도가 낮아져서 분리막 전단 및 후단의 삼투압이 감소하는 현상을 말한다.
한편, 내부 농도분극(Internal Concentration Polarization)은 다공성의 지지층과 유입수 또는 유도용액에서 발생하는 현상으로서, 분리막의 설치 위치에 따라 농축 내부 농도분극 및 희석 내부 농도분극으로 구분할 수 있다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 농축 내부 농도분극은 활성층을 유도용액과 접촉시키고 다공성의 지지층을 유입수와 접촉하도록 위치시킴으로써 확산에 의해 유입수가 다공성 지지층으로 유입된 후에 분리막의 전단 및 후단의 삼투압 차이에 의해 투과플럭스가 발생하게 된다. 이때, 용매는 분리막을 투과하지만 용질은 투과되지 못함으로써 다공성 지지층 내부의 용질의 농도는 지속적으로 증가하게 되어 분리막 전단 및 후단의 유효 삼투압의 차이가 감소하여 투과플럭스가 감소하게 된다.
또한, 저농도 측의 용매의 입자성 물질 및 유기성 물질 등 막오염 물질에 의해서 형성된 케익층으로 분리막의 여과저항이 추가로 생기는 CEOP(Cake Enhanced Osmotic Pressure) 현상으로 추가적인 여과 저항층이 형성되어 압력지연삼투의 고농도 측 용매의 농도로 계산되는 최대전력밀도를 생산하는 고농도 용매측 수리학적 압력의 변화가 발생하며, 결국, 상기 외부 농도분극과 내부 농도분극 이외에 막오염으로 인한 플럭스 및 전력밀도가 운전시간에 따라 지속적으로 변화하게 된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템을 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템은, 유입수 저장조(110), 고압펌프(120), 부스터펌프(130), 역삼투막 모듈(140), 최종처리수 저장조(150), 제1 에너지 회수장치(160), 저농도 유입수 저장조(170), 저농도 유입수 배관(171), 고농도 유도용매 펌프(180), 고농도 유도용매 유입배관(181), 압력지연삼투막 모듈(190), 투과수 저장조(220), 제2 에너지 회수장치(230) 및 배출수 저장조(240)를 포함한다.
이러한 압력지연삼투 공정에서 전술한 외부 농도분극 및 내부 농도분극뿐만 아니라 막오염으로 인한 상기 CEOP측의 막 저항값을 고려하지 않은 상태에서 압력지연삼투 분리막(190)의 고농도 용매측의 농도의 절반 값 또는 고정된 운전압력으로 일정하게 운전함으로써, 실제 압력지연삼투 공정에 의한 에너지 절감효과가 상쇄되고, 오히려 압력을 초과하여 사용하는 문제를 발생시킴으로써 공정이 효율적으로 운영되지 못하고 있는 실정이다.
이에 따라, 다양한 조합의 압력지연삼투 공정을 설계 및 운영할 때, 농도분극 및 막오염 현상을 고려하여, 도면부호 A로 도시된 바와 같이, 고농도 유도용매 펌프(180)를 제어하는 기법이 필요하고, 또한, 실제 막 오염이 발생한 경우, 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막에서 활성층 및 지지층 양단의 농도분극 현상을 저감시킬 수 있는 압력지연삼투 공정 특성에 맞는 세정 기술이 필요한 실정이다.
다시 말하면, 종래의 기술에 따른 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템에 따르면, 압력지연삼투 공정에서 내부 농도분극 및 외부 농도분극과 막오염물질에 따라 추가적인 삼투압 저항을 야기하는 CEOP에 기인하여 물질전달의 구동압력으로 작용하는 유효 삼투압이 운전 시간에 따라 감소하게 되고(도 7 참조), 이로 인해 압력지연삼투 공정에서 생산 가능한 전력밀도가 감소함으로써 전체 해수담수화-발전 시스템 효율을 떨어뜨린다는 문제점이 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 해수담수화-발전을 위해서 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 적용하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 내부 및 외부 농도분극과 막오염물질로 인한 케익층을 고려하여 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 특성에 따라 고농도 유도용액 펌프를 가변 제어할 수 있는, 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 다채널 압력지연삼투 평가장치에서 측정된 데이터를 기반으로 외부 농도분극계수 및 내부 농도분극계수를 고려한 압력지연삼투 공정의 최대전력밀도가 외부 농도분극계수 및 내부 농도분극계수를 고려하지 않은 설정전력밀도보다 작은 경우, 압력지연삼투막 모듈의 세정이 필요한 것으로 판단하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 표면 및 고농도 유도용매 펌프의 막오염물질을 정기적으로 세정함으로써 압력지연삼투막 모듈이 막오염 물질에 의한 감소된 유효삼투압을 회복할 수 있는, 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템은, 해수담수화를 위해 역삼투막 모듈을 적용하고 발전을 위해 압력지연삼투막 모듈을 적용하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 저농도 유입수로 사용되는 지표수 또는 하수방류수가 저장된 저농도 유입수 저장조; 역삼투막 모듈에서 배출되는 역삼투 농축수가 압력지연삼투막으로 유입되도록 고농도 유도용매 유입배관과 연결되는 압력지연삼투막 모듈; 상기 압력지연삼투막 모듈 전단의 고농도 유도용매 유입배관의 일측 및 상기 저농도 유입수 저장조와 연결된 저농도 유입수 배관 일측에 연결된 각각의 샘플링 배관을 통해 연속적으로 시료를 채취하여, 상기 압력지연삼투막 모듈의 압력별 플럭스 및 막오염을 평가하는 다채널로 압력지연삼투를 평가하는 다채널 압력지연삼투 평가장치; 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치에서 평가된 데이터, 상기 고농도 유도용매 유입배관과 상기 저농도 유입수 배관으로부터 각각 채취된 시료의 유입 유량과 TDS(총 용존고형물)의 농도 데이터를 기반으로 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하여 최대전력밀도를 계산하여 상기 압력지연삼투막 모듈을 제어하는 압력지연삼투 공정제어 유닛; 및 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛에서 산출한 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 산출하여 상기 고농도 유도용매 유입배관 상에 설치된 고농도 유도용매 펌프를 피드백 제어하고, 상기 최대전력밀도가 설정전력밀도 이하로 유지될 경우, 상기 고농도 유도용매 펌프 및 상기 압력지연삼투막 모듈 분리막의 물리적 세정을 수행하도록 결정하는 세정 의사결정 제어부를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치는 3개의 셀로 구성되고, 각 셀마다 상기 고농도 유도용매 농도의 삼투압을 기준으로 운전압력을 3등분하여 각각 다른 운전압력으로 상기 고농도 유도용매 및 상기 저농도 유입수를 실험적으로 평가할 수 있다.
여기서, 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛은 수치해석 연산을 통해 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려한 전력밀도를 계산하고, 전력밀도함수 곡선을 작성하여 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 산출하며, 상기 압력지연삼투막 모듈 전단의 상기 고농도 유도용매 유입배관 상에 설치된 고농도 유도용매 펌프의 운전압력을 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛은, 상기 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS 및 유량을 측정한 데이터 및 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치에서 산출된 압력별 플럭스 및 막오염에 대한 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부로부터 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS 및 유량을 측정한 데이터 및 상기 압력별 플럭스 및 막오염에 대한 데이터를 전달받아, 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려한 전력밀도를 계산하고, 상기 압력지연삼투막 모듈의 운전압력, 전력밀도 및 시스템 에너지를 결정하는 모델예측 제어부; 및 상기 모델 예측 제어부의 수치해석 결과에 따라 운전압력의 오차를 계산하고, 상기 계산된 운전압력의 오차에 따라 피드백 연산하여 상기 모델 예측 제어부로 입력하여 보정하는 피드백 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 피드백 제어부는, 상기 모델 예측 제어부의 제2 수치해석 연산부에서 연산된 운전 압력의 오차를 계산하는 운전압력 오차 계산부; 및 상기 계산된 운전압력의 오차에 따라 피드백 연산하여 상기 모델 예측 제어부의 모델 입력부로 입력하는 피드백 연산부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 세정 의사결정 제어부는, 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치 및 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛에서 최종적으로 산출된 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 피드백 제어하여 상기 산출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은지 판단하는 전력밀도 오차 계산부; 및 상기 산출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은 경우, 상기 역삼투막 모듈의 최종처리수를 세정수로 하여 상기 압력지연삼투막 모듈의 활성층과 지지층을 물리적으로 세정하도록 결정하고, 상기 세정수의 유속은 정상적인 상기 압력지연삼투막 모듈의 운전조건에서 상기 고농도 유도용매의 유속을 기준으로 그 이상의 유속으로 세정하도록 결정하는 세정여부 결정 및 세정펌프 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 역삼투막 모듈로부터 공급되는 역삼투 농축수는 상기 고농도 유도용매 펌프의 물리적 세정을 수행하고, 상기 역삼투막 모듈의 최종처리수는 분리막 세정수 라인을 통해 공급되어 상기 압력지연삼투막 모듈의 분리막을 세정하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법은, 해수담수화를 위해 역삼투막 모듈을 적용하고 발전을 위해 압력지연삼투막 모듈을 적용하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법에 있어서, a) 샘플링 배관을 통해 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS 및 유량을 측정하는 단계; b) 다채널 압력지연삼투 평가장치가 압력별 플럭스 및 막오염을 평가하는 단계; c) 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하지 않은 플럭스 및 전력밀도를 계산하여 설정전력밀도로 설정하는 단계; d) 압력지연삼투막 모듈 분리막의 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 산출하는 단계; e) 상기 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하여 운전압력별 전력밀도 곡선을 작성하고, 상기 운전압력별 전력밀도 곡선으로부터 수치해석 모델에 따라 최대전력밀도 및 운전압력을 도출하는 단계; f) 상기 운전압력 조건의 최대전력밀도를 기준으로 전체 시스템의 에너지 소모량을 계산하는 단계; 및 g) 상기 도출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은 경우, 상기 압력지연삼투막 모듈의 분리막 및 고농도 유도용매 펌프를 물리적으로 세정하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법은, h) 상기 도출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작지 않은 경우, 고농도 유도용액 펌프의 펌프 제어값으로 활용하고, 상기 압력지연삼투막 모듈의 운전압력을 제어하여 삼투발전을 수행하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 b) 단계의 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치는 3개의 셀로 구성되고, 각 셀마다 상기 고농도 유도용매 농도의 삼투압을 기준으로 운전압력을 3등분하여 각각 다른 운전압력으로 상기 고농도 유도용매 및 상기 저농도 유입수를 실험적으로 평가할 수 있다.
여기서, 상기 c) 단계의 플럭스는 
로 주어지고, 여기서, 
는 분리막의 물 여과계수를 나타내고, 
는 반사계수를 나타내며, 
는 분리막의 삼투압 차이를 나타내고, 
는 운전압력을 나타내며, 상기 c) 단계의 전력밀도(
)는 
로 주어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 d) 단계의 플럭스는 희석 외부 농도분극과 농축 내부 농도분극을 모두 고려하여 실제 분리막의 투과플럭스(
)로서,
여기서, 상기 e) 단계의 수치해석 모델에 의해 산출된 전력밀도 곡선은 이차함수 식으로 나타내고, 이러한 수치해석에 의해 전력밀도가 최대가 되는 지점에서는 접선의 기울기가 "0"이 되는 해 값을 최대전력밀도로 하고, 상기 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 상기 수치해석 모델에 의하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 g) 단계에서 역삼투막 모듈로부터 공급되는 역삼투 농축수가 상기 고농도 유도용매 펌프의 물리적 세정을 수행하고, 상기 역삼투막 모듈의 최종처리수가 분리막 세정수 라인을 통해 공급되어 상기 압력지연삼투막 모듈의 분리막을 세정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 해수담수화-발전을 위해서 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 적용하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 내부 및 외부 농도분극과 막오염물질로 인한 케익층을 고려하여 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 특성에 따라 고농도 유도용액 펌프를 가변 제어함으로써 해수담수화-발전 시스템의 효율을 지속적으로 유지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다채널 압력지연삼투 평가장치에서 측정된 데이터를 기반으로 외부 농도분극계수 및 내부 농도분극계수를 고려한 압력지연삼투 공정의 최대전력밀도가 외부 농도분극계수 및 내부 농도분극계수를 고려하지 않은 설정전력밀도보다 작은 경우, 압력지연삼투막 모듈의 세정이 필요한 것으로 판단하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 표면 및 고농도 유도용매 펌프의 막오염물질을 정기적으로 세정함으로써 압력지연삼투막 모듈이 막오염 물질에 의한 감소된 유효삼투압을 회복할 수 있다. 이에 따라 압력지연삼투 모듈의 분리막 내부 및 외부 농도분극과 CEOP 현상 등의 막오염 특성을 고려하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 및 고농도 유도용매 펌프를 각각 세정함으로써 압력지연삼투 공정의 성능을 지속적으로 유지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 해양환경에 큰 문제점을 발생시킬 수 있는 역삼투 공정의 역삼투 농축수로부터 에너지를 얻고 해수와 비슷한 농도로 배출되기 때문에 별도의 농축수 처리시설을 설치할 필요 없이 바로 바다로 배출시킬 수 있는 친환경적 해수담수화 시스템으로 운영할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템을 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투 공정제어 유닛 및 세정 의사결정 제어부를 구체적으로 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법의 동작흐름도이다.
도 6은 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 입자성물질 및 유기성물질에 의한 내부 농도분극과 외부 농도분극으로 압력지연삼투막 모듈의 지지층에 케익층이 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 물질전달에 따른 압력지연삼투 공정의 내부 농도분극과 외부 농도분극으로 유효삼투압이 감소하는 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 획득된 데이터에 따라 수치해석 연산을 수행하는 압력지연삼투 공정제어 유닛이 프로그램으로 구현된 것을 나타내는 화면이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투 공정의 고농도 유도용매측에 작용된 압력과 전력밀도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투막 모듈의 분리막을 대상으로 막오염 특성을 고려한 물리적 세정 효과를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투 공정제어 유닛 및 세정 의사결정 제어부를 구체적으로 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법의 동작흐름도이다.
도 6은 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 입자성물질 및 유기성물질에 의한 내부 농도분극과 외부 농도분극으로 압력지연삼투막 모듈의 지지층에 케익층이 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 물질전달에 따른 압력지연삼투 공정의 내부 농도분극과 외부 농도분극으로 유효삼투압이 감소하는 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 획득된 데이터에 따라 수치해석 연산을 수행하는 압력지연삼투 공정제어 유닛이 프로그램으로 구현된 것을 나타내는 화면이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투 공정의 고농도 유도용매측에 작용된 압력과 전력밀도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투막 모듈의 분리막을 대상으로 막오염 특성을 고려한 물리적 세정 효과를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템]
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템은, 해수담수화를 위한 역삼투막 모듈(140)과 발전을 위한 압력지연삼투막 모듈(190)이 조합된 해수담수화-발전 시스템에서 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)를 이용한 모델-기반 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막 및 고농도 유도용매 펌프(180)를 제어 및 세정하게 된다.
통상적인 압력지연삼투 공정에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 저농도 측의 용매와 고농도 측의 용매가 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막을 투과할 때, 분리막 표면을 경계로 하여 내부 농도분극과 외부 농도분극 현상이 발생하며, 동시에 저농도 측의 용매의 입자성 물질 및 유기성 물질 등 막오염 물질에 의해서 CEOP(Cake Enhanced Osmotic Pressure) 현상으로 추가적인 여과 저항층이 형성되어 압력지연삼투의 고농도 측 용매의 농도로 계산되는 최대전력밀도를 생산하는 고농도 용매측 수리학적 압력의 변화가 생기게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템의 경우, 다수의 셀(Cell)로 이루어진 다채널(Multi-channel) 방식의 압력지연삼투 평가장치(300)를 이용하여 이론값이 아닌 실험 측정값에 근거한 수리학적 압력을 계산하여 설정 모델 값과 비교하고, 허용오차 범위 이내일 경우, 고농도 유도용액의 유도용매측 펌프 제어값으로 활용하고, 이때, 생산 가능한 플럭스 및 전력밀도를 계산하여 전체 해수담수화-발전 시스템의 에너지 절감량을 산출함으로써 전체 해수담수화-발전 시스템의 공정지수로 활용할 수 있다.
또한, 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)에 의해 도출된 공정지수가 설정 모델 값과 허용오차 범위를 벗어날 경우, 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막을 물리적으로 세정하여 분리막 표면의 오염물질을 제거한다.
구체적으로, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 전단에 설치된 고농도 유도용매 유입배관(181)의 일측 및 저농도 유입 배관(171)의 일측에 각각 연결된 샘플링 배관을 통해 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)가 시료를 채취하고, 고농도 유도용매측의 압력을 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)의 셀(310, 320, 330)마다 각각 달리 하여 각 셀(310, 320, 330)의 플럭스를 측정하고, 이를 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)의 내부 수치해석모델의 입력값으로 처리함으로써 압력지연삼투 공정의 최대전력밀도를 유지하는 고농도 유도용매 펌프(180)의 운전압력을 산출할 수 있고, 이에 따라 해수담수화-발전 시스템의 효율을 지속적으로 유지할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템의 구체적인 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투 공정제어 유닛 및 세정 의사결정 제어부를 구체적으로 나타내는 구성도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템은, 해수담수화(Seawater desalination)를 위해 역삼투막 모듈(Reverse Osmosis module)을 적용하고 발전(Power Generation)을 위해 압력지연삼투막 모듈(Pressure Retarded Osmosis module)을 적용하는 해수담수화-발전 시스템으로서, 크게 역삼투막 모듈(140)에 의해 해수담수화를 수행하고, 압력지연삼투막 모듈(190)에 의해 삼투발전을 수행한다.
구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템은, 유입수(해수) 저장조(110), 고압펌프(120), 부스터펌프(130), 역삼투막 모듈(140), 최종처리수 저장조(150), 제1 에너지 회수장치(160), 저농도 유입수 저장조(170), 저농도 유입수 배관(171), 고농도 유도용매 펌프(180), 고농도 유도용매 유입배관(181), 압력지연삼투막 모듈(190), 분리막 세정수 라인(210), 투과수 저장조(220), 제2 에너지 회수장치(230), 배출수 저장조(240), 다채널 압력지연삼투 평가장치(300), 압력지연삼투 공정제어 유닛(400) 및 세정 의사결정 제어부(500)를 포함한다. 또한, 도 4를 참조하면, 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)은 데이터 수집부(410), 모델예측 제어부(420) 및 피드백 제어부(430)를 포함하며, 상기 모델예측 제어부(420)는 모델 입력부(421), 제1 수치해석 연산부(422), 제2 수치해석 연산부(423) 및 모델 출력부(424)를 포함하고, 상기 피드백 제어부(430)는 운전압력 오차 계산부(431) 및 피드백 연산부(432)를 포함한다. 또한, 상기 세정 의사결정 제어부(500)는 전력밀도 오차 계산부(510) 및 세정여부 결정 및 세정펌프 제어부(520)를 포함하며, 이때, 상기 세정 의사결정 제어부(500)는 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400) 내에 구현될 수도 있다.
역삼투막 모듈(140)을 기준으로 하여 전단에 고압 펌프(120)와 역삼투 농축수의 에너지를 회수하는 제1 에너지 회수장치(160) 및 부스터펌프(130)가 기본적으로 구성되고, 또한, 압력지연삼투막 모듈(190)을 기준으로 지표수 또는 하수방류수인 저농도 유입수가 공급되는 저농도 유입수 배관(171)이 연결되며, 상기 역삼투막 모듈(140)의 역삼투 농축수가 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 고농도 유도용매 유입배관(181) 상에 고농도 유도용매 펌프(180)가 구성되고, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막의 농축수는 제2 에너지 회수장치(230)를 거쳐 에너지를 재회수하는 구조로 되어 있다.
특히, 상기 고농도 유도용매 유입배관(181) 상에 설치되어 있는 고농도 유도용매 펌프(180)는 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)와 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)을 통해 산출한 최대전력밀도를 얻을 수 있는 운전압력을 산출하여 제어될 수 있다.
이때, 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)와 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)을 통해 산출한 최대전력밀도를 유지하는 운전압력이 설정 운전압력보다 작을 경우, 예를 들면, 15% 이하일 경우, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막의 막오염이 가속화되고 있는 것으로 판단하고, 역삼투막 모듈(140)의 최종처리수로 분리막 세정수 라인(210)을 따라 물리적 세정을 실시하도록 구성된다.
이때, 유입수 저장조(110)에 저장된 유입수, 예를 들면, 해수는 고압펌프(120)를 통해 역삼투막 모듈(140)에 공급되고, 상기 역삼투막 모듈(140)에 의해 담수 처리되어 최종처리수 저장조(150)에 저장된다.
역삼투막 모듈(140)은 유입수 저장조(110)에 저장된 유입수(해수)에 대해 해수담수화 처리를 수행한다. 즉, 상기 역삼투막 모듈(140)을 통해 유입수(해수)가 최종처리수인 담수로 처리된다.
배출수 저장조(240)는 압력지연삼투막 모듈(190)의 방류수를 회수하여 배출한다. 이때, 역삼투 농축수가 유입해수 범위의 농도를 갖기 때문에 별도의 농축수 처리 없이 바다로 방류될 수 있다.
저농도 유입수 저장조(170)는 저농도 유입수로 사용되는 지표수 또는 하수방류수가 저장된다.
압력지연삼투막 모듈(190)은 역삼투막 모듈(140)에서 배출되는 역삼투 농축수가 압력지연삼투막으로 유입되도록 고농도 유도용매 유입배관(181)과 연결된다.
다채널 압력지연삼투 평가장치(300)는 상기 압력지연삼투막 모듈(190) 전단의 고농도 유도용매 유입배관(181)의 일측 및 상기 저농도 유입수 저장조(170)와 연결된 저농도 유입수 배관(171) 일측에 연결된 각각의 샘플링 배관을 통해 연속적으로 시료를 채취하여, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 압력별 플럭스 및 막오염을 평가하는 다채널로 압력지연삼투를 평가한다. 이때, 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)는 3개의 셀(310, 320, 330)로 구성되고, 각 셀(310, 320, 330)마다 상기 고농도 유도용매 농도의 삼투압을 기준으로 운전압력을 3등분하여 각각 다른 운전압력으로 플럭스와 막오염을 실험적으로 측정하여 평가할 수 있다. 예를 들면, 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)는 각각 다른 평가 셀(310, 320, 330)의 분리막으로 구성되고, 3대 펌프로 구동압력을 10 bar, 20 bar 및 30 bar로 각각 다르게 구동하여 평가 셀(310, 320, 330)에 운전압력을 가할 수 있다.
압력지연삼투 공정제어 유닛(400)은 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)에서 평가된 데이터, 상기 고농도 유도용매 유입배관(181)과 상기 저농도 유입수 배관(171)으로부터 각각 채취된 시료의 유입 유량과 TDS(총 용존고형물)의 농도 데이터를 기반으로 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하여 최대전력밀도를 계산하여 상기 압력지연삼투막 모듈(190)을 제어한다. 여기서, 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)은 수치해석 연산을 통해 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려한 전력밀도를 계산하고, 전력밀도함수 곡선을 작성하여 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 산출하며, 상기 압력지연삼투막 모듈(190) 전단의 상기 고농도 유도용매 유입배관(181) 상에 설치된 고농도 유도용매 펌프(180)의 운전압력을 피드백 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)의 데이터 수집부(410)는 상기 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS(총 용존고형물) 및 유량을 측정한 데이터 및 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)에서 산출된 압력별 플럭스 및 막오염에 대한 데이터를 수집한다. 즉, 상기 데이터 수집부(410)는 저농도 유입 배관(171)에 연결된 샘플링 배관 및 고농도 유도용매 배관(181)에 연결된 샘플링 배관에 각각 설치된 총용존 고형물(TDS) 및 유량계를 통해 유입된 저농도 유입수 및 고농도 유도용매의 TDS 및 유량에 대한 데이터, 및 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)에서 평가된 운전압력별 플럭스를 데이터로 수집한다. 여기서, 상기 저농도 유입수는 지표수 또는 하수방류수일 수 있다.
상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)의 모델예측 제어부(420)는 상기 데이터 수집부(410)로부터 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS(총 용존고형물) 및 유량을 측정한 데이터 및 상기 압력별 플럭스 및 막오염에 대한 데이터를 전달받아, 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려한 전력밀도를 계산하고, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 운전압력, 전력밀도 및 시스템 에너지를 결정한다. 즉, 상기 데이터 수집부(410)에서 수집된 데이터는 상기 모델예측 제어부(420)의 모델 예측부(421)에 입력되고, 상기 모델예측 제어부(420)의 제1 및 제2 수치해석 연산부(422, 423)를 통해 2차에 걸친 수치해석 연산을 통해 최종적으로 측정된 플럭스를 기반으로 모델로 계산한 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려한 전력밀도를 계산하여 전체 해수담수화-발전 시스템의 에너지 효율을 평가하게 된다. 또한, 상기 모델예측 제어부(420)의 모델 출력부(424)는 최대전력밀도를 얻을 수 있는 최대운전압력을 계산하여 설정운전압력과 비교하여 상기 압력지연삼투막 모듈(190) 전단의 고농도 유도용매 유입배관(181)에 설치된 고농도 유도용매 펌프(180)의 운전압력을 피드백 제어한다.
상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)의 피드백 제어부(430)는 상기 모델 예측 제어부(420)의 수치해석 결과에 따라 운전압력의 오차를 계산하고, 상기 계산된 운전압력의 오차에 따라 피드백 연산하여 상기 모델 예측 제어부(420)로 입력하여 보정한다. 구체적으로, 상기 피드백 제어부(430)는, 상기 모델 예측 제어부(420)의 제2 수치해석 연산부(423)에서 연산된 운전 압력의 오차를 계산하는 운전압력 오차 계산부(431); 및 상기 계산된 운전압력의 오차에 따라 피드백 연산하여 상기 모델 예측 제어부의 모델 입력부로 입력하는 피드백 연산부(432)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 세정 의사결정 제어부(500)는 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)에서 산출한 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 산출하여 상기 고농도 유도용매 유입배관(181) 상에 설치된 고농도 유도용매 펌프(180)를 피드백 제어하고, 상기 최대전력밀도가 설정전력밀도 이하로 유지될 경우, 상기 고농도 유도용매 펌프(180) 및 상기 압력지연삼투막 모듈(190) 분리막의 물리적 세정을 수행하도록 결정한다.
구체적으로, 상기 세정 의사결정 제어부(500)의 전력밀도 오차 계산부(510)는 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300) 및 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)에서 최종적으로 산출된 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 피드백 제어하여 상기 산출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은지 판단한다. 또한, 상기 세정 의사결정 제어부(500)의 세정여부 결정 및 세정펌프 제어부(520)는 상기 산출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은 경우, 상기 역삼투막 모듈(140)의 최종처리수를 세정수로 하여 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 활성층과 지지층을 물리적으로 세정하도록 결정하고, 상기 세정수의 유속은 정상적인 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 운전조건에서 상기 고농도 유도용매의 유속을 기준으로 그 이상의 유속으로 세정하도록 결정할 수 있다. 이때, 상기 역삼투막 모듈(140)로부터 공급되는 역삼투 농축수는 상기 고농도 유도용매 펌프(180)의 물리적 세정을 수행하고, 상기 역삼투막 모듈(140)의 최종처리수는 분리막 세정수 라인(210)을 통해 공급되어 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막을 세정할 수 있다.
[다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법]
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법의 동작흐름도로서, 다채널 압력지연삼투 평가장치(300) 및 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)을 통해 압력지연삼투 공정을 제어하는 것을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법은, 먼저, 고농도 유도용매 유입배관(181)에 연결된 샘플링 배관과 저농도 유입 배관(171)에 연결된 샘플링 배관을 통해 고농도 유도용매와 저농도 유입수의 TDS(총 용존용량) 및 유량을 각각 측정한다(S101). 여기서, TDS 및 유량은 별도로 설치되는 계측기(도시되지 않음)를 통해 측정될 수 있다.
다음으로, 상기 샘플링 배관에 연결된 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)가 상기 고농도 유도용매와 저농도 유입수의 TDS(총 용존용량) 및 유량에 따라 압력별 플럭스 및 막오염을 평가한다(S102). 여기서, 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)는 다수의 셀, 예를 들면, 3개의 셀(310, 320, 330)로 구성되고, 각 셀(310, 320, 330)마다 상기 고농도 유도용매 농도의 삼투압을 기준으로 운전압력을 3등분하여 각각 다른 운전압력으로 상기 고농도 유도용매 및 상기 저농도 유입수를 실험적으로 평가할 수 있다.
다음으로, 하기 수학식 1 및 수학식 2에 따라 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하지 않은 플럭스 및 전력밀도를 계산하여 설정전력밀도로 설정한다(S103). 즉, 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS와 유량을 데이터로 하여 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 플럭스와 전력밀도를 계산할 수 있다.
수학식 1은 압력지연삼투 기술의 플럭스를 계산하는 기본 식을 의미하고, 수학식 2는 압력지연삼투 기술에 의한 전력밀도를 계산하는 수학식이다. 즉, 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하지 않은 플럭스(
: Water flux)는 다음과 같이 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
여기서, 
는 분리막의 물 여과계수(Permeability constant)를 나타내고, 
는 반사계수(Reflection coefficient)를 나타내며, 
는 분리막의 삼투압 차이(Osmotic pressure differential across the membrane)를 나타내고, 
는 운전압력(Applied pressure)을 나타낸다.
상기 플럭스(
)에 의해 전력밀도(
)는 다음과 같은 수학식 2와 같이 주어지면, 상기 전력밀도(
)의 단위는 
이다
구체적으로, 압력지연삼투 공정의 경우에도 분리막에서 농도분극 현상이 발생하는데, 이때, 활성층에서는 희석 외부 농도분극 현상이 일어나고, 지지층에서는 농축 내부 농도분극 현상이 일어난다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 희석 외부 농도분극이란 고농도 유도용매와 활성층(Dense Layer) 사이에서 발생하는 현상으로, 분리막을 통과한 투과플럭스에 의해 활성층 표면의 고농도 유도용매의 농도가 낮아짐으로써 분리막의 전단 및 후단의 삼투압이 감소하는 현상을 말한다. 여기서, 도 6은 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 입자성물질 및 유기성물질에 의한 내부 농도분극과 외부 농도분극으로 압력지연삼투막 모듈의 지지층에 케익층이 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
또한, 상기 농축 내부 농도분극은 다공성의 지지층(Porous Support Layer)을 저농도 유입수와 접촉시킨 경우로서, 확산에 의해 저농도 유입수가 다공성의 지지층으로 유입된 후에 분리막의 전단 및 후단의 삼투압 차이에 의해 투과플럭스가 발생하게 된다. 예를 들면, 용매는 분리막을 투과하지만 용질은 투과되지 못하여 다공성의 지지층 내부의 용질의 농도가 지속적으로 증가하게 되어, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 분리막의 전단 및 후단의 유효 삼투압 차이가 감소함으로써 투과플럭스가 감소하게 된다. 여기서, 도 7은 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 물질전달에 따른 압력지연삼투 공정의 내부 농도분극과 외부 농도분극으로 유효삼투압이 감소하는 것을 나타내는 도면이다.
다음으로, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 산출한다(S104).
다음으로, 하기 수학식 3 및 수학식 4에 따라 상기 산출된 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하여 운전압력별 전력밀도 곡선을 작성한다(S105). 즉, 희석 외부 농도분극과 농축 내부 농도분극을 모두 고려한 실제 분리막의 플럭스(
)는 다음과 같은 수학식 3으로 주어질 수 있다.
여기서, 
는 압력지연 삼투막 모듈 분리막의 물 여과계수(Permeability constant)를 나타내고, 
는 분리막 표면에서의 유도용액 삼투압을 나타내며, 
는 분리막 전체의 유도용액 삼투압을 나타내고, 
는 염 여과계수(Salt permeability coefficient)를 나타내고, 
는 물질전달계수(Mass transfer coefficient)를 나타내며, 
는 용질 비저항(Solute resistivity)을 나타내고, 
는 벌크 삼투압(Bulk osmotic pressure)을 나타내고, 
는 운전압력을 나타낸다.
전술한 희석 외부 농도분극과 농축 내부 농도분극을 모두 고려하여 실제 분리막의 투과플럭스(
)를 고려한 전력밀도(
)는 다음과 같은 수학식 4와 같이 주어진다.
전술한 수학식 3은 희석 외부 농도분극과 농축 내부 농도분극을 모두 고려하여 실제 분리막의 투과플럭스를 계산하는 수학식이고, 수학식 4는 전술한 수학식 2에서 실제 압력지연삼투막 모듈(190) 분리막의 투과플럭스를 계산하는 수학식 3을 결합함으로써, 최종적으로 내부 및 외부 농도분극을 고려한 실제 전력밀도를 계산할 수 있는 수학식이다.
본 발명의 수학식 3의 투과플럭스(Jw)는 등호의 좌측과 우측이 동일한 것이다. 투과플럭스(Jw)는 하나의 변수로 정리할 수 없는 것이다. 투과플럭스(Jw)는 실험값으로 얻어지는 것으로, 측정된 데이터를 이용하여 수학식 3에서 용질 비저항으로서 내부오염지수와 관련된
와, 물질전달계수로서 외부오염지수와 관련된 
를 수치해석으로 구한다. 즉, 단순 연산에 의해 계산하는 것이 아닌 모델에 의한 수치해석으로 구하는 것이다. 결국, 오염도를 고려하지 않은 투과플럭스(Jw)를 계산하는 것은 의미가 없기 때문에 본 발명에서는 수칙해석 알고리즘을 이용하여 
와 
를 계산하고, 이를 모니터링하며, 이를 고려하여 수학식 4로부터 전력밀도를 산출하게 된다.
본 발명의 수학식 3의 투과플럭스(Jw)는 등호의 좌측과 우측이 동일한 것이다. 투과플럭스(Jw)는 하나의 변수로 정리할 수 없는 것이다. 투과플럭스(Jw)는 실험값으로 얻어지는 것으로, 측정된 데이터를 이용하여 수학식 3에서 용질 비저항으로서 내부오염지수와 관련된
다음으로, 내부 수치해석 모델에 따라 상기 운전압력별 전력밀도 곡선으로부터 최대운전압력 및 최대전력밀도를 도출한다(S106). 여기서, 후술할 도 9a에 도시된 바와 같이, 상기 수치해석 모델에 의해 산출된 전력밀도 곡선은 이차함수 식으로 나타내고, 이러한 수치해석에 의해 전력밀도가 최대가 되는 지점에서는 접선의 기울기가 "0"이 되는 해 값을 최대전력밀도로 하고, 상기 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 상기 수치해석 모델에 의하여 산출할 수 있다.
이러한 방법을 적용하는 이유는, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 실제 압력지연삼투 분리막에서 내부 농도분극 및 외부 농도분극 현상이 발생하더라도 운전 시간이 지남에 따라 분리막의 지지층 외부에서 입자성 물질 또는 유기물에 의한 케익층이 형성되고, 이와 같이 형성된 케익층은 유효삼투압을 감소시키는 CEOP(Cake Enhanced Osmotic Pressure) 현상이 발생하기 때문에 운전에 따라 최대전력밀도가 막오염에 따라 가변적으로 변하기 때문이다.
다음으로, 상기 내부 수치해석 모델로 결정된 운전압력 조건의 최대전력밀도를 기준으로 해수담수화-발전 시스템의 에너지 소모량을 계산한다(S107). 즉, 전술한 수치해석 모델에 의한 최대전력밀도를 기준으로 역삼투막 모듈과 압력지연삼투막 모듈이 조합된 해수담수화-발전 시스템의 총 에너지 소비량을 계산하고, 이를 비교하여 최대전력밀도를 유지하도록 하는 상기 수치해석 모델에서 산출된 운전압력을 피드백 제어하게 된다.
다음으로, 상기 도출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은지 판단하고(S108), 상기 도출된 최대전력밀도가 상기 설정전력밀도보다 작지 않은 경우, 고농도 유도용액 펌프의 펌프 제어값으로 활용하고 압력지연삼투막 모듈의 운전압력을 제어하여 삼투발전을 수행한다(S109).
다음으로, 상기 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은 경우, 상기 고농도 유도용매 펌프(180) 및 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막을 물리적으로 세정한다(S110). 구체적으로, 상기 역삼투막 모듈(140)로부터 공급되는 역삼투 농축수가 상기 고농도 유도용매 펌프(180)의 물리적 세정을 수행하고, 상기 역삼투막 모듈(140)의 최종처리수가 분리막 세정수 라인(210)을 통해 공급되어 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막을 세정하게 된다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 획득된 데이터에 따라 수치해석 연산을 수행하는 압력지연삼투 공정제어 유닛이 프로그램으로 구현된 것을 나타내는 화면이고, 도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투 공정의 고농도 유도용매측에 작용된 압력과 전력밀도의 관계를 나타내는 도면이며, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투막 모듈의 분리막을 대상으로 막오염 특성을 고려한 물리적 세정 효과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템은, 도 8에 도시된 바와 같이, 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)를 이용하여 획득된 데이터에 따라 수치해석 연산을 수행하는 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)이 프로그램으로 구현된 것을 나타낸다.
또한, 도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 압력지연삼투 공정의 고농도 유도용매측에 작용된 운전압력별 전력밀도를 나타내고, 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템에서 유도용액 유속과 유입수 유속의 관계를 나타낸다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템은, 도 10에 도시된 바와 같이, 압력지연삼투막 모듈의 분리막을 대상으로 막오염 특성을 고려하여 효과적으로 물리적 세정을 수행할 수 있는 것을 나타낸다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 해수담수화-발전을 위해서 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 적용하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 내부 및 외부 농도분극과 막오염물질로 인한 케익층을 고려하여 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 특성에 따라 고농도 유도용액 펌프를 가변 제어함으로써 해수담수화-발전 시스템의 효율을 지속적으로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 다채널 압력지연삼투 평가장치에서 측정된 데이터를 기반으로 외부 농도분극계수 및 내부 농도분극계수를 고려한 압력지연삼투 공정의 최대전력밀도가 외부 농도분극계수 및 내부 농도분극계수를 고려하지 않은 설정전력밀도보다 작은 경우, 압력지연삼투막 모듈의 세정이 필요한 것으로 판단하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 표면 및 고농도 유도용매 펌프의 막오염물질을 정기적으로 세정함으로써 압력지연삼투막 모듈이 막오염 물질에 의한 감소된 유효삼투압을 회복할 수 있다. 이에 따라 압력지연삼투 모듈의 분리막 내부 및 외부 농도분극과 CEOP 현상 등의 막오염 특성을 고려하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막 및 고농도 유도용매 펌프를 각각 세정함으로써 압력지연삼투 공정의 성능을 지속적으로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 해양환경에 큰 문제점을 발생시킬 수 있는 역삼투 공정의 역삼투 농축수로부터 에너지를 얻고 해수와 비슷한 농도로 배출되기 때문에 별도의 농축수 처리시설을 설치할 필요 없이 바로 바다로 배출시킬 수 있는 친환경적 해수담수화 시스템으로 운영할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 유입수(해수) 저장조
120: 고압펌프
130: 부스터펌프
140: 역삼투막 모듈
150: 최종처리수 저장조
160: 제1 에너지 회수장치
170: 저농도 유입수 저장조
171: 저농도 유입수 배관
180: 고농도 유도용매 펌프
181: 고농도 유도용매 유입배관
190: 압력지연삼투막 모듈
210: 분리막 세정수 라인
220: 투과수 저장조
230: 제2 에너지 회수장치
240: 배출수 저장조
300: 다채널 압력지연삼투 평가장치
400: 압력지연삼투 공정제어 유닛
410: 데이터 수집부
420: 모델예측 제어부
430: 피드백 제어부
421: 모델 입력부
422: 제1 수치해석 연산부
423: 제2 수치해석 연산부
424: 모델 출력부
431: 운전압력 오차 계산부
432: 피드백 연산부
500: 세정 의사결정 제어부
510: 전력밀도 오차 계산부
520: 세정여부 결정 및 세정펌프 제어부
120: 고압펌프
130: 부스터펌프
140: 역삼투막 모듈
150: 최종처리수 저장조
160: 제1 에너지 회수장치
170: 저농도 유입수 저장조
171: 저농도 유입수 배관
180: 고농도 유도용매 펌프
181: 고농도 유도용매 유입배관
190: 압력지연삼투막 모듈
210: 분리막 세정수 라인
220: 투과수 저장조
230: 제2 에너지 회수장치
240: 배출수 저장조
300: 다채널 압력지연삼투 평가장치
400: 압력지연삼투 공정제어 유닛
410: 데이터 수집부
420: 모델예측 제어부
430: 피드백 제어부
421: 모델 입력부
422: 제1 수치해석 연산부
423: 제2 수치해석 연산부
424: 모델 출력부
431: 운전압력 오차 계산부
432: 피드백 연산부
500: 세정 의사결정 제어부
510: 전력밀도 오차 계산부
520: 세정여부 결정 및 세정펌프 제어부
Claims (14)
- 해수담수화(Seawater desalination)를 위해 역삼투막 모듈(Reverse Osmosis module)을 적용하고 발전(Power Generation)을 위해 압력지연삼투막 모듈(Pressure Retarded Osmosis module)을 적용하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서,
저농도 유입수로 사용되는 지표수 또는 하수방류수가 저장된 저농도 유입수 저장조(170);
역삼투막 모듈(140)에서 배출되는 역삼투 농축수가 압력지연삼투막으로 유입되도록 고농도 유도용매 유입배관(181)과 연결되는 압력지연삼투막 모듈(190);
상기 압력지연삼투막 모듈(190) 전단의 고농도 유도용매 유입배관(181)의 일측 및 상기 저농도 유입수 저장조(170)와 연결된 저농도 유입수 배관(171) 일측에 연결된 각각의 샘플링 배관을 통해 연속적으로 시료를 채취하여, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 압력별 플럭스 및 막오염을 평가하는 다채널로 압력지연삼투를 평가하는 다채널 압력지연삼투 평가장치(300);
상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)에서 평가된 데이터, 상기 고농도 유도용매 유입배관(181)과 상기 저농도 유입수 배관(171)으로부터 각각 채취된 시료의 유입 유량과 TDS(총 용존고형물)의 농도 데이터를 기반으로 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하여 최대전력밀도를 계산하여 상기 압력지연삼투막 모듈(190)을 제어하는 압력지연삼투 공정제어 유닛(400); 및
상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)에서 산출한 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 산출하여 상기 고농도 유도용매 유입배관(181) 상에 설치된 고농도 유도용매 펌프(180)를 피드백 제어하고, 상기 최대전력밀도가 설정전력밀도 이하로 유지될 경우, 상기 고농도 유도용매 펌프(180) 및 상기 압력지연삼투막 모듈(190) 분리막의 물리적 세정을 수행하도록 결정하는 세정 의사결정 제어부(500)
를 포함하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)는 3개의 셀(310, 320, 330)로 구성되고, 각 셀(310, 320, 330)마다 상기 고농도 유도용매 농도의 삼투압을 기준으로 운전압력을 3등분하여 각각 다른 운전압력으로 상기 고농도 유도용매 및 상기 저농도 유입수를 실험적으로 평가하는 것을 특징으로 하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)은 수치해석 연산을 통해 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려한 전력밀도를 계산하고, 전력밀도함수 곡선을 작성하여 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 산출하며, 상기 압력지연삼투막 모듈(190) 전단의 상기 고농도 유도용매 유입배관(181) 상에 설치된 고농도 유도용매 펌프(180)의 운전압력을 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템. - 제3항에 있어서, 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)은,
상기 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS(총 용존고형물) 및 유량을 측정한 데이터 및 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)에서 산출된 압력별 플럭스 및 막오염에 대한 데이터를 수집하는 데이터 수집부(410);
상기 데이터 수집부(410)로부터 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS(총 용존고형물) 및 유량을 측정한 데이터 및 상기 압력별 플럭스 및 막오염에 대한 데이터를 전달받아, 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려한 전력밀도를 계산하고, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 운전압력, 전력밀도 및 시스템 에너지를 결정하는 모델예측 제어부(420); 및
상기 모델 예측 제어부(420)의 수치해석 결과에 따라 운전압력의 오차를 계산하고, 상기 계산된 운전압력의 오차에 따라 피드백 연산하여 상기 모델 예측 제어부(420)로 입력하여 보정하는 피드백 제어부(430)
를 포함하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템. - 제4항에 있어서, 상기 피드백 제어부(430)는,
상기 모델 예측 제어부(420)의 제2 수치해석 연산부(423)에서 연산된 운전 압력의 오차를 계산하는 운전압력 오차 계산부(431); 및
상기 운전압력 오차 계산부(431)에서 계산된 운전압력의 오차에 따라 피드백 연산하여 상기 모델 예측 제어부(420)의 모델 입력부(421)로 입력하는 피드백 연산부(432)
를 포함하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 세정 의사결정 제어부(500)는,
상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300) 및 상기 압력지연삼투 공정제어 유닛(400)에서 최종적으로 산출된 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 피드백 제어하여 상기 산출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은지 판단하는 전력밀도 오차 계산부(510); 및
상기 산출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은 경우, 상기 역삼투막 모듈(140)의 최종처리수를 세정수로 하여 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 활성층과 지지층을 물리적으로 세정하도록 결정하고, 상기 세정수의 유속은 정상적인 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 운전조건에서 상기 고농도 유도용매의 유속을 기준으로 그 이상의 유속으로 세정하도록 결정하는 세정여부 결정 및 세정펌프 제어부(520)
를 포함하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 역삼투막 모듈(140)로부터 공급되는 역삼투 농축수는 상기 고농도 유도용매 펌프(180)의 물리적 세정을 수행하고, 상기 역삼투막 모듈(140)의 최종처리수는 분리막 세정수 라인(210)을 통해 공급되어 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막을 세정하는 것을 특징으로 하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 해수담수화-발전 시스템. - 해수담수화를 위해 역삼투막 모듈을 적용하고 발전을 위해 압력지연삼투막 모듈을 적용하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법에 있어서,
a) 샘플링 배관을 통해 고농도 유도용매와 저농도 유입수 각각의 TDS 및 유량을 측정하는 단계;
b) 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)가 압력별 플럭스 및 막오염을 평가하는 단계;
c) 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하지 않은 플럭스 및 전력밀도를 계산하여 설정전력밀도로 설정하는 단계;
d) 압력지연삼투막 모듈(190) 분리막의 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 산출하는 단계;
e) 상기 내부 농도분극계수 및 외부 농도분극계수를 고려하여 운전압력별 전력밀도 곡선을 작성하고, 상기 운전압력별 전력밀도 곡선으로부터 수치해석 모델에 따라 최대전력밀도 및 운전압력을 도출하는 단계;
f) 상기 운전압력 조건의 최대전력밀도를 기준으로 전체 시스템의 에너지 소모량을 계산하는 단계; 및
g) 상기 도출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작은 경우, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막 및 고농도 유도용매 펌프(180)를 물리적으로 세정하는 단계
를 포함하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법. - 제8항에 있어서,
h) 상기 도출된 최대전력밀도가 설정전력밀도보다 작지 않은 경우, 고농도 유도용액 펌프의 펌프 제어값으로 활용하고, 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 운전압력을 제어하여 삼투발전을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 b) 단계의 상기 다채널 압력지연삼투 평가장치(300)는 3개의 셀(310, 320, 330)로 구성되고, 각 셀(310, 320, 330)마다 상기 고농도 유도용매 농도의 삼투압을 기준으로 운전압력을 3등분하여 각각 다른 운전압력으로 상기 고농도 유도용매 및 상기 저농도 유입수를 실험적으로 평가하는 것을 특징으로 하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 c) 단계의 플럭스는로 주어지고, 여기서,
는 분리막의 물 여과계수를 나타내고,
는 반사계수를 나타내며,
는 분리막의 삼투압 차이를 나타내고,
는 운전압력을 나타내며, 상기 c) 단계의 전력밀도(
)는
로 주어지는 것을 특징으로 하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 d) 단계의 플럭스는 희석 외부 농도분극과 농축 내부 농도분극을 모두 고려하여 실제 분리막의 투과플럭스()로서,
로 주어지고,
여기서,는 압력지연 삼투막 모듈 분리막의 물 여과계수를 나타내고,
는 분리막 표면에서의 유도용액 삼투압을 나타내며,
는 분리막 전체의 유도용액 삼투압을 나타내고,
는 염 여과계수를 나타내고,
는 물질전달계수를 나타내며,
는 용질 비저항을 나타내고,
는 벌크 삼투압을 나타내고,
는 운전압력을 나타내며, 상기 d) 단계의 플럭스(
)를 고려한 전력밀도(
)는,
로 주어지는 것을 특징으로 하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 e) 단계의 수치해석 모델에 의해 산출된 전력밀도 곡선은 이차함수 식으로 나타내고, 이러한 수치해석에 의해 전력밀도가 최대가 되는 지점에서는 접선의 기울기가 "0"이 되는 해 값을 최대전력밀도로 하고, 상기 최대전력밀도를 유지하는 운전압력을 상기 수치해석 모델에 의하여 산출하는 것을 특징으로 하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 g) 단계에서 역삼투막 모듈(140)로부터 공급되는 역삼투 농축수가 상기 고농도 유도용매 펌프(180)의 물리적 세정을 수행하고, 상기 역삼투막 모듈(140)의 최종처리수가 분리막 세정수 라인(210)을 통해 공급되어 상기 압력지연삼투막 모듈(190)의 분리막을 세정하는 것을 특징으로 하는 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 압력지연삼투막 모듈의 분리막과 유도용매 펌프를 세정하는 방법.
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| KR1020140069357A KR101609795B1 (ko) | 2014-06-09 | 2014-06-09 | 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 제어하는 해수담수화-발전 시스템 및 그 방법 |
Publications (2)
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| KR1020140069357A KR101609795B1 (ko) | 2014-06-09 | 2014-06-09 | 다채널 압력지연삼투 평가장치를 이용하여 분리막과 유도용매 펌프를 제어하는 해수담수화-발전 시스템 및 그 방법 |
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| KR101268936B1 (ko) | 2010-12-24 | 2013-05-30 | 한국건설기술연구원 | 정삼투와 압력지연삼투와 막증류 공정을 이용한 해수로부터의 용수 및 에너지 생산장치 및 방법 |
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2014
- 2014-06-09 KR KR1020140069357A patent/KR101609795B1/ko active IP Right Grant
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| US11502323B1 (en) | 2022-05-09 | 2022-11-15 | Rahul S Nana | Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof |
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| US11611099B1 (en) | 2022-05-09 | 2023-03-21 | Rahul S Nana | Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof |
| US11699803B1 (en) | 2022-05-09 | 2023-07-11 | Rahul S Nana | Reverse electrodialysis cell with heat pump |
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| KR20150140999A (ko) | 2015-12-17 |
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