KR101612440B1 - 초고속 고액분리 시스템을 구비하는 기수 담수화 장치 - Google Patents

초고속 고액분리 시스템을 구비하는 기수 담수화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고속 고액분리 시스템을 구비하는 기수 담수화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매전극을 구비하는 초고속 고액분리 시스템, 전처리 필터 및 역삼투압필터(Reverse Osmosis Filer)을 구비하는 기수 담수화 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 기수 담수화 장치는 역삼투 장치에 유입되는 기수를 초고속 고액분리 시스템을 이용하여 부유물질을 신속히 제거하므로, 역삼투막의 수명이 길어지고, 담수화의 속도가 빨라지므로, 다량의 기수를 효율적으로 담수화하는 것에 유용하다.

Description

초고속 고액분리 시스템을 구비하는 기수 담수화 장치{Brackish Water Desalination Device Using High Speed Liquid-Solid Separation System}
본 발명은 초고속 고액분리 시스템을 구비하는 기수 담수화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매전극을 구비하는 초고속 고액분리 시스템, 전처리 필터 및 역삼투압필터(Reverse Osmosis Filer)을 구비하는 기수 담수화 장치에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 인구 증가와 산업화의 결과로 1인당 물 소비량이 급격히 증가하고 있으며 경제개발협력기구(OECD)는 현재 중동, 동남아시아 및 북아프리카 지역을 중심으로 28개국 3억 4천만명이 물 부족으로 인한 심각한 피해를 받고 있다고 언급하였다. 이에 따라 수자원을 확보하려는 각국의 노력이 전개되고 있으며 20세기는 블랙골드(석유)의 시대에서 21세기는 블루골드(물)의 시대가 될 것이라는 전망이 나오고 있다.
지구상의 존재하는 물 중 97%가 바닷물이며 담수의 양은 3%이다. 하지만 빙하나 다른 형태로 존재하는 담수를 뺀, 현실적으로 이용 가능한 강이나 호수의 양은 0.0067%에 불과하다. 무한에 가까운 방대한 양과 기상조건의 관계없이 다량의 수자원 확보가 가능한 해수담수화 산업을 실용화 한다면 부족한 물 문제에 대응할 수 있는 방안이 될 것이다.
이러한 담수화 기술은 최근 물 부족현상을 해결할 수 있는 중요한 해결수단으로 떠오르고 있으며, 지구상의 물이 97%가 해수인 만큼 무궁무진한 수자원으로서의 이용가치가 크다고 볼 수 있다. 담수화 기술은 물에서 염분 및 유해한 물질을 제거하는 공정으로 해수(Seawater)와 기수(Brackish)에서 담수(Freshwater)로 변환 시키는 것으로 이해할 수 있다.
원수는 총 용존 고형물(Total Dissolved Solids)에 따라 분류되며 이것은 물속에 용해되지 않고 떠있는 물질을 의미한다. 해수는 15,000-50,000mg/l, 기수는 1,500-15,000mg/l, 담수는 500-3,000mg/l, 순수는 500이하mg/l로 정의된다. 기수는 해수와 강물이 섞이는 지점에 존재하는 물로 해수와 담수의 성질을 동시에 가지고 있으며, 염도가 낮아 적은 비용만으로도 담수화가 가능하다는 장점을 가진다. 따라서 해수보다는 용존 고형물이 적은 기수가 막분리 공정에 좀 더 효율적으로 사용될 수 있다.
이러한 담수화공정은 크게 증발법과 막분리법으로 구별된다.
증발법의 기본원리는 물을 끓여서 증발된 물을 추출하여 염분과 분리하는 것으로 MSF(Multi-stage Flash Distillation, 다단플래쉬) 방식과 MED(Multiple-Effect Distillation, 다중효용) 방식이 있다. MSF 방식은 1950년에 개발되어 현재 대용량 담수화 장치에 가장 널리 사용되는 담수화 기술이다. MSF 방식의 장점으로는 단순한 운영관리, 높은 신뢰성, 오랜 시공실적, 최소한의 전처리공정 요구, 양질의 생산수, 플랜트 규모의 대형화 등이 있으며 단점으로는 스팀을 발전 등으로 이용하지 않으면 많은 운영비가 소요되며, MED 방식의 비해 높은 전력요구량, 다량의 냉각수 필요, 해수의 경우에만 건설 실적을 보유하고 있다. 다만 이러한 증발법은 에너지를 이용하여 물을 증발시켜 분리하므로 막분리법에 비하여 다량의 에너지가 소모되는 단점을 가지고 있다.
막분리법은 일반적으로 역삼투압법을 의미한다. 이러한 역삼투압법은 압력에너지를 이용하여 해수를 특수한 막에 통과시킴으로써 담수만을 분리해내는 공법으로 이온성 물질이 거의 배제된 순수한 물을 얻을 수 있다. 여기서 말하는 삼투압이란 농도가 다른 용액간의 평형을 이루려고 하는 현상을 의미한다. 역삼투압법은 해수나 기수 모두에서 효율적으로 사용이 가능하며 증발식에 비해 적은 에너지 필요하고, 낮은 공사단가 등의 장점을 가지지만, 전처리 공정의 역할이 매우 중요하며 증발식보다 생산수의 순도가 떨어지고 공정이 복잡하다는 단점이 있다. 특히 미세한 기공을 가지는 역삼투막의 특성상 많은 양의 부유물질이 유입되는 경우 막의 효율이 감소하여 전체적인 담수의 생산량저하를 가져오게 된다.
대한민국 등록특허 제1446205호에서는 담수화를 진행하기 전, 2가 음이온 또는 양이온을 선택적으로 제거하는 전처리법에 관하여 기재하고 있다. 이 발명에서는 스케일 형성의 원인이 되는 2가이온을 나노 분리막으로 제거하여 저압으로 해수담수화 공정을 수행할 수 있지만, 스케일의 또 다른 원인인 부유물이 나노분리막의 손상을 가져오게 되는 단점을 가진다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 초고속 고액분리 시스템과 전처리 필터, 역삼투압 필터를 구비하는 기수 담수화 장치를 완성하였으며, 상기 기수 담수화 장치를 이용하여 기수 담수화 실험을 수행한 결과, 기존의 기수 담수화 장치에 비하여 담수의 생산속도가 빠르며, 역삼투막의 수명도 길어진다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 초고속 고액분리 시스템을 구비하는 기수 담수화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 기수 담수화 장치를 이용한 기수 담수화 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 기수를 전기적으로 처리하여, 응집 및 부유를 유발시키고, 미세버블 함유 부유물과 처리수를 분리하는 초고속 고액분리 시스템(76); (b) 상기 (a)단계에서 배출되는 처리수를 부유물과 염분함유수로 2차 분리하는 전처리 필터; 및 (c) 상기 염분 함유수를 염분농축수와 담수로 분리하는 역삼투압 장치;를 구비하는 기수 담수화 장치에 있어서,
상기 초고속 고액분리 시스템(76)은 (A) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(11); 상기 상측반응조(11)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(4); 상기 상측반응조(11)의 상단부분과 결합되는 상부캡(10); 상기 상부캡(10)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(1); 상기 상측반응조(11) 내부에 설치되는 내부관(2); 상기 내부관(2)의 안쪽에 설치되는 제1촉매모듈(3); 상기 제1촉매모듈(3) 하단에 장착되는 사이클론(5); 상기 상측반응조(11) 하단부분과 연결되는 하측반응조(12); 상기 하측반응조(12) 내부에 설치되는 제2촉매모듈(8); 상기 하측반응조(12)의 중단면을 관통하여 결합된 제2배출로(7); 및 상기 하측반응조(12)의 하단에 결합되는 하부캡(13)을 구비하는 복합모듈;
(B) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(15); 상기 상측반응조(15)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(16); 상기 상측반응조(15)의 상단부분과 결합되는 상부캡(21); 상기 상부캡(21)의 하단면을 관통하여 연결되는 배출로(14); 상기 상측반응조(15) 하단부분과 연결되는 하측반응조(22); 상기 하측반응조(22)의 안쪽에 설치되는 상부촉매모듈(18) 및 하부촉매모듈(19); 및 상기 하측반응조(22)의 하단에 결합되는 하부캡(23)을 구비하는 고농도모듈;
(C) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(100); 상기 상측반응조(100)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(93); 상기 상측반응조(100)의 상단부분과 결합되는 상부캡(98); 상기 상부캡(98)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(91); 상기 상측반응조(100) 내부에 설치되는 내부관(92); 상기 내부관(92)의 일측과 연결되는 제2배출로(99); 상기 내부관(92) 하단에 설치되는 원뿔형 미세버블가이드(95); 상기 상측반응조(100) 하단부분과 연결되는 하측반응조(101); 상기 하측반응조(101) 내부에 설치되는 촉매모듈(96); 및 상기 하측반응조(101)의 하단에 결합되는 하부캡(102)을 구비하는 이중관모듈;
(D) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(110); 상기 상측반응조(110)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(105); 상기 상측반응조(110)의 상단부분과 결합되는 상부캡(103); 상기 상부캡(103)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(104); 상기 상측반응조(110)의 하단부분과 연결되는 하측반응조(111); 상기 하측반응조(111) 내부에 설치되는 촉매모듈(108); 상기 하측반응조(111)의 중단면을 관통하여 결합된 제2배출로(107); 및 상기 하측반응조(111)의 하단에 결합되는 하부캡(112)을 구비하는 저농도모듈; 및
(E) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(119); 상기 상측반응조(119)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(115); 상기 상측반응조(119)의 상단부분과 결합되는 상부캡(113); 상기 상부캡(113)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(114); 상기 상측반응조(119)의 하단부분과 연결되는 하측반응조(120); 상기 하측반응조(120)의 중단면을 관통하여 결합된 제2배출로(117); 및 상기 하측반응조(120)의 하단에 결합되는 하부캡(121);을 구비하는 분리모듈로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 기수를 초고속 고액분리 시스템(76)에서 전기적으로 처리하여 응집 및 부유를 유발시키고, 미세버블 함유 부유물과 처리수를 분리하는 단계; (b) 전처리 필터를 이용하여 처리수의 부유물을 2차로 제거하는 단계; 및 (c) 역삼투압 장치를 이용하여 염분농축수와 담수를 분리하는 단계를 포함하는, 상기 기수 담수화 장치를 이용한 기수 담수화 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 기수 담수화 장치는 역삼투 장치에 유입되는 염분 함유수를 초고속 고액분리 시스템을 이용하여 부유물질을 신속히 제거하므로, 역삼투막의 수명이 길어지고, 담수화의 속도가 빨라지므로, 다량의 기수를 효율적으로 담수화하는 것에 유용하다.
도 1은 기수 담수화 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 미세버블발생장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 미세버블혼합장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 2단 촉매형 초고속 고액분리장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 1단 촉매형 초고속 고액분리장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 촉매모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명에서는 초고속 부상분리 시스템을 구비하는 기수담수화 장치를 사용하여 기수 담수화 실험을 수행하였다. 그 결과 기존의 기수 담수화 장치에 비하여 역삼투막의 수명이 길어지며, 담수화의 속도 역시 빨라지는 효과가 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 기수를 전기적으로 처리하여, 응집 및 부유를 유발시키고, 미세버블 함유 부유물과 처리수를 분리하는 초고속 고액분리 시스템(76); (b) 상기 (a)단계에서 배출되는 처리수를 부유물과 염분함유수로 2차 분리하는 전처리 필터; 및 (c) 상기 염분 함유수를 염분농축수와 담수로 분리하는 역삼투압 장치;를 구비하는 기수 담수화 장치에 있어서,
상기 초고속 고액분리 시스템(76)은 (A) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(11); 상기 상측반응조(11)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(4); 상기 상측반응조(11)의 상단부분과 결합되는 상부캡(10); 상기 상부캡(10)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(1); 상기 상측반응조(11) 내부에 설치되는 내부관(2); 상기 내부관(2)의 안쪽에 설치되는 제1촉매모듈(3); 상기 제1촉매모듈(3) 하단에 장착되는 사이클론(5); 상기 상측반응조(11) 하단부분과 연결되는 하측반응조(12); 상기 하측반응조(12) 내부에 설치되는 제2촉매모듈(8); 상기 하측반응조(12)의 중단면을 관통하여 결합된 제2배출로(7); 및 상기 하측반응조(12)의 하단에 결합되는 하부캡(13)을 구비하는 복합모듈;
(B) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(15); 상기 상측반응조(15)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(16); 상기 상측반응조(15)의 상단부분과 결합되는 상부캡(21); 상기 상부캡(21)의 하단면을 관통하여 연결되는 배출로(14); 상기 상측반응조(15) 하단부분과 연결되는 하측반응조(22); 상기 하측반응조(22)의 안쪽에 설치되는 상부촉매모듈(18) 및 하부촉매모듈(19); 및 상기 하측반응조(22)의 하단에 결합되는 하부캡(23)을 구비하는 고농도모듈;
(C) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(100); 상기 상측반응조(100)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(93); 상기 상측반응조(100)의 상단부분과 결합되는 상부캡(98); 상기 상부캡(98)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(91); 상기 상측반응조(100) 내부에 설치되는 내부관(92); 상기 내부관(92)의 일측과 연결되는 제2배출로(99); 상기 내부관(92) 하단에 설치되는 원뿔형 미세버블가이드(95); 상기 상측반응조(100) 하단부분과 연결되는 하측반응조(101); 상기 하측반응조(101) 내부에 설치되는 촉매모듈(96); 및 상기 하측반응조(101)의 하단에 결합되는 하부캡(102)을 구비하는 이중관모듈;
(D) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(110); 상기 상측반응조(110)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(105); 상기 상측반응조(110)의 상단부분과 결합되는 상부캡(103); 상기 상부캡(103)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(104); 상기 상측반응조(110)의 하단부분과 연결되는 하측반응조(111); 상기 하측반응조(111) 내부에 설치되는 촉매모듈(108); 상기 하측반응조(111)의 중단면을 관통하여 결합된 제2배출로(107); 및 상기 하측반응조(111)의 하단에 결합되는 하부캡(112)을 구비하는 저농도모듈; 및
(E) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(119); 상기 상측반응조(119)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(115); 상기 상측반응조(119)의 상단부분과 결합되는 상부캡(113); 상기 상부캡(113)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(114); 상기 상측반응조(119)의 하단부분과 연결되는 하측반응조(120); 상기 하측반응조(120)의 중단면을 관통하여 결합된 제2배출로(117); 및 상기 하측반응조(120)의 하단에 결합되는 하부캡(121);을 구비하는 분리모듈로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, (i) 기수의 고형물을 1차적으로 제거하는 고형물 제거장치(71); (ii) 상기 고형물 제거장치에서 처리된 기수에 미세버블을 생성하는 미세버블발생장치(72); 및 (iii) 상기 미세버블이 발생된 기수에 응집제를 혼합하여 초고속 고액 분리 시스템으로 공급하는 미세버블혼합장치(73)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 고형물 제거장치(71)는 사이클론, 하이드로사이클론, 멀티사이클론 및 필터 중 선택되는 하나 이상의 장치를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 복합모듈의 상기 사이클론(5)은 처리모듈에 유입되는 유량의 속도 조절 및 유입되는 유체에서 밀도가 작은 물질들은 위로 올려 보내고, 밀도가 높은 물질들은 아래로 보낸다. 이러한 과정을 통해 상기 처리모듈 내부에 장착된 내부관(2)과 상기 하측반응조(12)에 처리될 부유물이 분배가 되어, 각 부분에서 전기적 응집과 부유가 일어나, 상기 처리모듈 내부에 균등한 밀도로 부유물이 분포될 수 있게 한다
본 발명에 있어서, 상기 미세버블발생장치(72)는 (ⅰ) 유체가 유입되는 유입로(53); (ⅱ) 상기 유입로(53)의 타측과 연결되는 펌프몸체(51); (ⅲ) 상기 유입로(53)의 상부와 연결되는 기체흡입구(60); (ⅳ) 상기 펌프몸체(51)의 중심을 관통하여 회전하도록 설치되는 회전축(61); (ⅴ) 상기 회전축(61)의 일측과 결합되는 임펠러(52); (ⅵ) 상기 회전축(61)의 타측과 결합되는 모터(미도시); (ⅶ) 상기 펌프몸체(51)의 왼쪽 상단에 결합되는 버블자켓(54); (viii) 상기 버블자켓(54)의 상단 안쪽면에 결합되는 배플(56) 및 상기 버블자켓(54)과 상단에 연결되는 에어밴트(59); (ix) 상기 버블자켓(54)의 하단 안쪽면에 결합되는 에어댐퍼(58); (x) 상기 버블자켓(54)의 중심을 관통하여 연결되는 토출관(55); 및 (xi) 상기 버블자켓(54)의 일측과 연결되는 배출구(57)의 구성을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 미세버블혼합장치(73)는 (ⅰ) 유체와 응집제가 함께 유입되는 유입로(41); (ⅱ) 상기 유입로(41)의 상단과 결합되는, 응집제가 유입되는 약품유입구(32); (ⅲ) 상기 유입로(41)의 일측과 연결되는, 유체가 유입되는 유체유입구(31); (ⅳ) 상기 유입로(41)와 타측과 연결되는, 유입된 유체와 응집제가 혼합되는 혼합조(34); (v) 1개 내지 8개의 촉매모듈(40)을 포함하는 전기 반응조(41); 및 (vi) 상기 혼합조(34)의 하단부에 설치되는 혼합수단(37)의 구성을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다..
본 발명에 있어서, 상기 미세버블혼합장치(73)는 1개 내지 8개의 촉매모듈(40)을 포함하는 전기 반응조(41)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다
상기 미세버블혼합장치(73)는 상기 혼합조(34) 안쪽면의 일측과 타측에 각각 5개씩 결합되어 있는 미세버블이 포함된 유체와 응집제가 혼합되는 것을 돕는 용도의 배플(Baffle)(33); 상기 혼합조(34)의 하단부 중심을 관통하여 회전하도록 설치되는 회전축(42); 상기 회전축(42)의 타측과 결합되는, 상기 혼합조(34) 바깥에 위치하는 모터(38); 상기 전기반응조(39)의 상측에 결합되는 커버(35); 및 상기 전기반응조(39)의 타측과 결합되는 배출구(36)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 상기 모터(38)는 300rpm 내지 1200rpm으로 운전하는 것이 바람직하다.
상기 유입로(31)에 유입되는 유체와 응집제의 비율은 10:1 내지 5000:1의 범위인 것이 바람직하며, 상기 응집제는 폴리알루미늄클로라이드(PAC), 황산제2철, 황산알루미늄, 염화알루미늄 및 염화제2철의 무기염으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 응집제를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 응집제는 원액 대비 5 ppm 내지 50 ppm으로 혼합되어 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 전기전도도를 높이기 위해, 상기 응집제는 염화칼륨, 염화칼슘, 염화나트륨, 염화마그네슘, 염화철로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 염화합물을 추가하여, 응집제에 대한 염화합물의 농도가 0.1wt% 내지 5.0wt%가 되도록 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 초고속 고액분리 시스템(76)은 상기 상측반응조(11, 15, 100, 110, 119)의 하부와 상기 하측반응조(12, 22, 101, 111, 120)의 상부에 결합되는 유니온(6, 17, 94, 106, 116) 및 상기 하부캡(13, 23, 102, 112, 121)의 하단면을 관통하여 연결되는, 내부 청소 용도의 드레인(9, 20, 97, 109, 118)을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하며, 상기 상측반응조(11, 15, 100, 110, 119)의 하부와 상기 하측반응조(12, 22, 101, 111, 120)의 상부에 결합되는 유니온(6, 17, 94, 106, 116) 및 상기 하부캡(13, 23, 102, 112, 121)의 하단면을 관통하여 연결되는, 내부 청소 용도의 드레인(9, 20, 97, 109, 118)을 추가로 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상측반응조(11, 15, 100, 110 119)와 상기 하측반응조(12, 22, 101, 111, 120)의 내부는 관통되어 연결되어 있고, 외부는 상기 유니온(6, 17, 94, 106, 116)에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초고속 고액분리 시스템(76)은 기수 담수화 장치에서 직렬 또는 병렬 연결로 1개 내지 100개를 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 처리수의 용량에 따라 100개 이상도 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 촉매모듈(3, 8, 18, 19, 96, 108, 40)은 (ⅰ) 백금(Pt), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬이 도금된 납(Pb), 탄소(C)로 구성된 불용성 금속 그룹에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 제작되며, 전자가 공급되는, 두께 0.5~2mm의 촉매판(131); (ⅱ) 상기 촉매판(131)을 고정하며, 전기를 공급하는 분리가이드(132); (ⅲ) 상기 분리가이드(132)에 전원을 공급하며, 탈부착이 가능한 분리판(134); (ⅳ) 상기 분리가이드(132)와 연결되어 촉매판(131)에 전기를 공급하는 제1접촉단자(135); 및 (ⅴ) 상기 분리판(134)과 연결되어 분리가이드(132)에 전기를 공급하는 제2접촉단자(133)의 구성을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 촉매판(131)은 백금(Pt), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬이 도금된 납(Pb), 탄소(C)로 구성된 불용성 금속 그룹에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 제작되는 것이 바람직하다. 상기 촉매판을 불용성 금속으로 사용하였을 때, 전극의 산화 또는 환원으로 인한 손상이 없고, 알루미늄이온은 응집제를 통해 공급할 수 있어, 전극의 교체 없이 연속적으로 부유물을 제거할 수 있다. 상기 촉매판(131)의 두께는 0.5 mm 내지 2 mm 일 수 있다. 두께가 0.5 mm 이하인 경우, 전극이 빠른 유체의 흐름 등에 의해 손상될 수 있으며, 2 mm 이상으로 적용할 경우, 공정 효율 대비 운영 비용이 높아질 수 있다. 공정 조건에 따라 0.5 mm 내지 2 mm의 두께의 범위에서 전극을 제작하여 운영가능하다.
또한 상기 촉매모듈(3, 8, 18, 19, 96, 108, 40)을 통해 유체에 공급되는 전압과 전류는 작업환경과 유입되는 하수처리장 방류수의 농도에 따라 적절하게 선택 가능하지만, 바람직하게는 전압은 2V 내지 50V이며, 전류는 0.1A 내지 10.0A로 사용할 수 있다. 이 범위보다 낮은 전압과 전류를 공급하는 경우, 부유물과 응집제가 잘 응집이 되지 않을 수 있으며, 이 범위보다 높은 전압과 전류를 공급하는 경우 내부에서 부유물 및 응집제 등이 전극 주위에서 탈 수 있어 회수 과정에 문제가 생길 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 미세버블혼합장치(73)에 중력 또는 압력을 이용하여 응집제를 공급하는 공급수단(75)을 추가로 구비하는 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 상기 공급수단(75)은 펌프일 수 있다.
본 발명의 용어 ‘기수’는 해수와 담수가 만나는 지점에 형성되는 것으로 해수에 비하여 염분과 부유물이 적어 적은 비용으로 담수화하기 용이한 물을 말한다. 상기 기수는 바다와 강이 만나는 지점에 형성되는 것이 일반적이지만, 간척지, 방파제 내부, 사구 또는 해안 용출수 등에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 구성 (b)는 상기 (a)단계에서 배출되는 처리수를 부유물과 염분함유수로 2차 분리하는 전처리 필터인 것을 특징으로 할수 있다. 이때 전처리 필터는 미세한 부유물을 분리 가능한 필터는 제한 없이 사용가능하지만 바람직하게는 중공사막 필터(UF-Filter) 또는 마이크로필터일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에서, (a) 기수를 초고속 고액분리 시스템(76)에서 전기적으로 처리하여 응집 및 부유를 유발시키고, 미세버블 함유 부유물과 처리수를 분리하는 단계; (b) 전처리 필터를 이용하여 처리수의 부유물을 2차로 제거하는 단계; 및 (c) 역삼투압 장치를 이용하여 염분농축수와 담수를 분리하는 단계를 포함하는, 상기 기수 담수화 장치를 이용한 기수 담수화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계 이전; (i) 고형물 제거장치(71)를 통해 기수의 고형물을 제거하는 단계; (ii) 미세버블발생장치(72)를 통해 기수에 미세버블을 생성하는 단계; 및 (iii) 미세버블혼합장치(73)에서 상기 미세버블 함유 기수와 응집제를 혼합하여 초고속 고액분리 시스템으로 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (i) 고형물 제거장치(77)를 통해 기수의 고형물을 제거하는 단계는 전기적으로 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기(a) 단계는 상기 기수를 초고속 고액분리 시스템(76)에서 체류에 의한 부유물 부상을 통해 부유물을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 (a)단계에서 분리된 부유물을 필터링하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기수 담수화 방법을 이용한 기수 담수화 과정은 다음과 같다. 상기 고형물 제거장치(71)를 통해 고형물이 제거된 기수가 미세버블발생장치(72)의 모터에 의해 유입로(53)에 유입되고, 상기 장치 내부에 장착된 임펠러(52)의 회전에 의해 유입수가 펌프몸체(51)에서 고속으로 회전되어, 기체흡입구(60)에서 공급되는 공기와 함께 혼합되며 마이크로버블이 발생한다. 그리고, 버블이 발생된 유입수는 버블자켓(54) 내부로 유입되어, 버블자켓(54)에서의 공기의 내부 압력 1 kg/cm2 내지 4kg/cm2 과 에어댐퍼(58)와 배플(Baffle)(56)의 구조를 통하여 마이크로버블이 생성된 유입수와 공기가 고속으로 회전하면서 혼합되어 유입수에 미세버블이 생성된다.
상기 과정을 통해 미세버블이 함유된 처리수는 유체유입구(31)를 통하여 미세버블혼합장치(73)에 유입되고, 미세버블혼합장치(73)의 혼합조(34)에서 상기 혼합수단(37)를 통해 응집제와 혼합된다. 추가적으로 미세버블혼합장치(73) 내부에 장착된 촉매모듈(40)을 통해 전기가 공급될 수 있으며, 응집제와 혼합된 유입수에 전기적 응집이 일어날 수 있다.
상기 과정을 통해 응집제와 혼합된 처리수가 초고속 고액분리 시스템(76)에 유입되면서, 초고속 고액분리 시스템(76) 내부에 장착된 촉매모듈(8)을 통해 처리수에서 전기적 응집과 부유가 일어나며, 부유물이 응집된 물질이 처리모듈 상층으로 떠오르게 되며, 초고속 고액분리 시스템(76) 내로 흘러오는 계속되는 처리수 유입으로 오버플로우(Overflow)되어, 초고속 고액분리 시스템(76)의 상부캡(10)에 부유물이 응집된 오염수가 저장되며, 부유물 등의 응집물질이 제거된 염분을 함유하는 물은 초고속 고액분리 시스템(76)의 하측반응조(12)에 설치된 제2배출로(7)를 통해 배출된다.
저장된 오염수가 제1배출로(1)를 통해 배출된 뒤, 분리수단(77)으로 이송되게 된다. 이송된 오염수는 상기 분리수단(77)을 통해 부유물이 포함된 오염물질들과 물로 분리된다.
제 2배출로를 통해 배출된 염분을 함유하는 물은 전처리 필터에 의하여 한번 더 분리되며 이후 역삼투압 장치를 이용하여 담수와 염분농축수로 분리된다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
1: 제1배출로 2: 내부관
3: 제1촉매모듈 4: 유입로
5: 사이클론 6: 유니온
7: 제2배출로 8: 제2촉매모듈
9: 드레인 10: 상부캡
11: 상측반응조 12: 하측반응조
13: 하부캡 14: 배출로
15: 상측반응조 16: 유입로
17: 유니온 18: 상부촉매모듈
19: 하부촉매모듈 20: 드레인
21: 상부캡 22: 하측반응조
23: 하부캡 31: 유체유입구
32: 약품유입구 33: 배플
34: 혼합조 35: 커버
36: 배출로 37: 혼합수단
38: 모터 39: 전기반응조
40: 촉매모듈 41: 유입로
42: 회전축 51: 펌프몸체
52: 임펠러 53: 유입로
54: 버블자켓 55: 토출관
56: 배플 57: 배출구
58: 에어댐퍼 59: 에어밴트
60: 기체흡입구 61:회전축
71: 고형물 제거장치 72: 미세버블발생장치
73: 미세버블혼합장치 74: 약품조
75: 공급수단 76: 초고속 고액분리 시스템
77: 분리수단 91: 제1배출로
92: 내부관 93: 유입로
94: 유니온 95: 미세버블가이드
96: 촉매모듈 97: 드레인
98: 상부캡 99: 제2배출로
100: 상측반응조 101: 하측반응조
102: 하부캡 103: 상부캡
104: 제1배출로 105: 유입로
106: 유니온 107: 제2배출로
108: 촉매모듈 109: 드레인
110: 상측반응조 111: 하측반응조
112: 하부캡 113: 상부캡
114: 제1배출로 115: 유입로
116: 유니온 117: 제2배출로
118: 드레인 119: 상측반응조
120: 하측반응조 121: 하부캡
131: 촉매판 132: 분리가이드
133: 제2접촉단자 134: 분리판
135: 제1접촉단자

Claims (13)

  1. (a) 기수를 전기적으로 처리하여, 응집 및 부유를 유발시키고, 미세버블 함유 부유물과 처리수를 분리하는 초고속 고액분리 시스템(76);
    (b) 상기 (a)단계에서 배출되는 처리수를 부유물과 염분함유수로 2차 분리하는 전처리 필터; 및
    (c) 상기 염분 함유수를 염분농축수와 담수로 분리하는 역삼투압 장치;를 구비하는 기수 담수화 장치에 있어서,
    상기 초고속 고액분리 시스템(76)은
    (A)　유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(11);
    상기 상측반응조(11)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(4);
    상기 상측반응조(11)의 상단부분과 결합되는 상부캡(10);
    상기 상부캡(10)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(1);
    상기 상측반응조(11) 내부에 설치되는 내부관(2);
    상기 내부관(2)의 안쪽에 설치되는 제1촉매모듈(3);
    상기 제1촉매모듈(3) 하단에 장착되는 사이클론(5);
    상기 상측반응조(11) 하단부분과 연결되는 하측반응조(12);
    상기 하측반응조(12) 내부에 설치되는 제2촉매모듈(8);
    상기 하측반응조(12)의 중단면을 관통하여 결합된 제2배출로(7); 및
    상기 하측반응조(12)의 하단에 결합되는 하부캡(13)을 구비하는 복합모듈;
    (B) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(15);
    상기 상측반응조(15)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(16);
    상기 상측반응조(15)의 상단부분과 결합되는 상부캡(21);
    상기 상부캡(21)의 하단면을 관통하여 연결되는 배출로(14);
    상기 상측반응조(15) 하단부분과 연결되는 하측반응조(22);
    상기 하측반응조(22)의 안쪽에 설치되는 상부촉매모듈(18) 및 하부촉매모듈(19); 및
    상기 하측반응조(22)의 하단에 결합되는 하부캡(23)을 구비하는 고농도모듈;
    (C) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(100);
    상기 상측반응조(100)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(93);
    상기 상측반응조(100)의 상단부분과 결합되는 상부캡(98);
    상기 상부캡(98)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(91);
    상기 상측반응조(100) 내부에 설치되는 내부관(92);
    상기 내부관(92)의 일측과 연결되는 제2배출로(99);
    상기 내부관(92) 하단에 설치되는 원뿔형 미세버블가이드(95);
    상기 상측반응조(100) 하단부분과 연결되는 하측반응조(101);
    상기 하측반응조(101) 내부에 설치되는 촉매모듈(96); 및
    상기 하측반응조(101)의 하단에 결합되는 하부캡(102)을 구비하는 이중관모듈; 및
    (D) 유입된 유체의 물질이 부유되어 분리되는 상측반응조(110);
    상기 상측반응조(110)의 중단부분과 연결되며, 유체가 유입되는 유입로(105);
    상기 상측반응조(110)의 상단부분과 결합되는 상부캡(103);
    상기 상부캡(103)의 하단면을 관통하여 연결되는 제1배출로(104);
    상기 상측반응조(110)의 하단부분과 연결되는 하측반응조(111);
    상기 하측반응조(111) 내부에 설치되는 촉매모듈(108);
    상기 하측반응조(111)의 중단면을 관통하여 결합된 제2배출로(107); 및
    상기 하측반응조(111)의 하단에 결합되는 하부캡(112)을 구비하는 저농도모듈;
    로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치이며,
    상기 촉매모듈(3, 8, 18, 19, 96, 108)은
    (ⅰ) 백금(Pt), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬이 도금된 납(Pb), 탄소(C)로 구성된 불용성 금속 그룹에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 제작되며, 전자가 공급되는, 두께 0.5~2mm의 촉매판(131);
    (ⅱ) 상기 촉매판(131)을 고정하며, 전기를 공급하는 분리가이드(132);
    (ⅲ) 상기 분리가이드(132)에 전원을 공급하며, 탈부착이 가능한 분리판(134);
    (ⅳ) 상기 분리가이드(132)와 연결되어 촉매판(131)에 전기를 공급하는 제1접촉단자(135); 및
    (ⅴ) 상기 분리판(134)과 연결되어 분리가이드(132)에 전기를 공급하는 제2접촉단자(133);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치.

  2. 제1항에 있어서,
    (i) 기수의 고형물을 1차적으로 제거하는 고형물 제거장치(71);
    (ii) 상기 고형물 제거장치에서 처리된 유입수에 미세버블을 생성하는 미세버블발생장치(72); 및
    (iii) 상기 미세버블이 발생된 유입수에 응집제를 혼합하여 초고속 고액 분리 시스템으로 공급하는 미세버블혼합장치(73);
    를 추가로 포함하는 것으로 특징으로 하는 기수 담수화 장치.

  3. 제2항에 있어서, 상기 고형물 제거장치(71)는 사이클론, 하이드로사이클론, 멀티사이클론 및 필터 중 선택된 하나 이상의 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치.

  4. 제2항에 있어서, 상기 미세버블발생장치(72)는 다음의 구성을 구비하는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치:
    (ⅰ) 유체가 유입되는 유입로(53);
    (ⅱ) 상기 유입로(53)의 타측과 연결되는 펌프몸체(51);
    (ⅲ) 상기 유입로(53)의 상부와 연결되는 기체흡입구(60);
    (ⅳ) 상기 펌프몸체(51)의 중심을 관통하여 회전하도록 설치되는 회전축(61);
    (ⅴ) 상기 회전축(61)의 일측과 결합되는 임펠러(52);
    (ⅵ) 상기 회전축(61)의 타측과 결합되는 모터(미도시);
    (ⅶ) 상기 펌프몸체(51)의 왼쪽 상단에 결합되는 버블자켓(54);
    (viii) 상기 버블자켓(54)의 상단 안쪽면에 결합되는 배플(56) 및 상기 버블자켓(54)과 상단에 연결되는 에어밴트(59);
    (ix) 상기 버블자켓(54)의 하단 안쪽면에 결합되는 에어댐퍼(58);
    (x) 상기 버블자켓(54)의 중심을 관통하여 연결되는 토출관(55); 및
    (xi) 상기 버블자켓(54)의 일측과 연결되는 배출구(57).

  5. 제2항에 있어서, 미세버블혼합장치(73)는 다음의 구성을 구비하는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치:
    (ⅰ) 유체와 응집제가 함께 유입되는 유입로(41);
    (ⅱ) 상기 유입로(41)의 상단과 결합되는, 응집제가 유입되는 약품유입구(32);
    (ⅲ) 상기 유입로(41)의 일측과 연결되는, 유체가 유입되는 유체유입구(31);
    (ⅳ) 상기 유입로(41)와 타측과 연결되는, 유입된 유체와 응집제가 혼합되는 혼합조(34);
    (v) 1개 내지 8개의 촉매모듈(40)을 포함하는 전기 반응조(39); 및
    (vi) 상기 혼합조(34)의 하단부에 설치되는 혼합수단(37).

  6. 제5항에 있어서, 상기 미세버블혼합장치(73)는 상기 혼합조(34) 안쪽면의 일측과 타측에 각각 5개씩 결합되어 있는 미세버블이 포함된 유체와 응집제가 혼합되는 것을 돕는 용도의 배플(Baffle)(33); 상기 혼합조(34)의 하단부 중심을 관통하여 회전하도록 설치되는 회전축(42); 상기 회전축(42)의 타측과 결합되는, 상기 혼합조(34) 바깥에 위치하는 모터(38); 상기 전기반응조(39)의 상측에 결합되는 커버(35); 및 상기 전기반응조(39)의 타측과 결합되는 배출구(36)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치.

  7. 제1항에 있어서, 상기 초고속 고액분리 시스템(76)은 상기 상측반응조(11, 15, 100, 110, 119)의 하부와 상기 하측반응조(12, 22, 101, 111, 120)의 상부에 결합되는 유니온(6, 17, 94, 106, 116) 및 상기 하부캡(13, 23, 102, 112, 121)의 하단면을 관통하여 연결되는, 내부 청소 용도의 드레인(9, 20, 97, 109, 118)을 추가로 구비하는 기수 담수화 장치.

  8. 제7항에 있어서, 상기 상측반응조(11, 15, 100, 110 119)와 상기 하측반응조(12, 22, 101, 111, 120)의 내부는 관통되어 연결되어 있고, 외부는 상기 유니온(6, 17, 94, 106, 116)에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 장치.
  9. 삭제
  10. 다음 단계를 포함하는, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 기수담수화 장치를 이용하는 기수 담수화 방법:
    (a) 기수를 초고속 고액분리 시스템(76)에서 전기적으로 처리하여 응집 및 부유를 유발시키고, 미세버블 함유 부유물과 처리수를 분리하는 단계;
    (b) 전처리 필터를 이용하여 처리수의 부유물을 2차로 제거하는 단계; 및
    (c) 역삼투압 장치를 이용하여 염분농축수와 담수를 분리하는 단계.

  11. 제 10항에 있어서 상기 (a) 단계이전;
    (i) 고형물 제거장치(77)를 통해 기수의 고형물을 제거하는 단계;
    (ii) 미세버블발생장치(72)를 통해 기수에 미세버블을 생성하는 단계; 및
    (iii) 미세버블혼합장치(74)에서 상기 미세버블 함유 기수와 응집제를 혼합하여 초고속 고액분리 시스템으로 공급하는 단계;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 방법.

  12. 제11항에 있어서, 상기 (iii)단계는 전기적으로 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 방법.

  13. 제10항에 있어서, 상기 (a)단계는 상기 기수를 초고속 고액분리 시스템(76)에서 체류에 의한 부유물 부상을 통해 부유물을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기수 담수화 방법.
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CN108033631A (zh) * 2017-11-30 2018-05-15 广州漓源环保技术有限公司 一种含高盐分羧甲基纤维素钠废水处理工艺

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