KR101626210B1 - 담수 및 에너지 생산 장치 - Google Patents
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Abstract
담수 및 에너지 생산 장치가 개시된다. 담수 및 에너지 생산 장치는 제1유로와 제2유로가 분리막에 의해 구획되고, 상기 제1유로를 흐르는 해수에서 발생한 증기가 상기 분리막을 통과하여 상기 제2유로측으로 분리되는 막증류 모듈; 상기 제1유로에서 유출된 고농도 해수가 흐르는 유도 유로와 고농도 해수보다 낮은 농도의 담수가 흐르는 공급 유로가 반투과막으로 구획되고, 삼투압 차에 의해 담수가 상기 반투과막을 통과하여 상기 유도 유로 측으로 투과되는 압력지연삼투 모듈; 및 상기 유도 유로의 유출단에 인접하며, 상기 유도 유로에서 유출되는 고농도 해수의 수압에 의해 회전하는 터빈을 포함하되, 상기 제2유로측으로 분리된 증기는 응축되어 담수를 생산한다.
Description
본 발명은 담수 및 에너지 생산 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 막증류 모듈과 압력지연 삼투 모듈을 이용하여 담수 또는 초순수를 생산하고, 동시에 에너지를 생산할 수 있는 장치에 관한 것이다.
전 세계적인 인구 증가와 산업의 발달로 인한 오염의 확산으로 2025년이 되면 거의 모든 국가들이 용수 부족을 겪게 되며 그 중 절반의 국가들은 물자원 확보의 심각한 위기를 맞을 것으로 예상된다. 최근의 지구온난화와 맞물린 이상기후현상은 수자원 확보의 불확실성을 더욱 가중시키고 있다. 따라서 기후변화에 대비한 지속적이고 안정적인 물 공급을 위해 수자원 관리의 패러다임이 급격히 변하고 잇는데 특히 미국, 호수, 싱가포르, 유럽 등의 주요 선진국들은 심각한 지역적, 시간적 물 공급의 불균형문제를 해결하고자 다양한 수자원의 개발과 통합을 시도하고 있으며, 구체적으로 물의 재이용 및 해수담수화를 통해 지속가능한 수자원 확보를 위해 노력하고 있다.
또한, 전 세계적으로 급증하는 에너지 수요와 화석연료의 단점을 극복하기 위해, 지속가능하고 환경 친화적인 대체에너지 자원의 개발이 시급한 실정이다. 태양열, 풍력, 지열, 소수력, 파력, 바이오 메스 등의 신에너지 자원이 관심을 받거나 이미 개발 단계에 있으며, 신재생에너지는 전체 에너지 소비량의 약 8%를 차지하고 있다.
염도차 발전은 물을 이용한 대체 에너지 기술 중의 하나로, 화석 연료를 대체할 강점들을 갖고 있다. 우선 계절이나 날씨의 영향을 많이 받는 태양열, 풍력 등의 발전 방식과 달리 날씨에 의존하지 않고 일정한 에너지 생산이 가능하다. 또한 무한한 해수자원을 이용하므로 고갈될 염려 없이 연속 생산이 가능하며, 이산화탄소의 배출이 없는 무공해 공정이라는 장점이 있다.
염도차 발전의 하나로, 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis, PRO) 방식은 두 용액 간의 농도차에 의해 발생한 삼투압이 수압의 형태로 바뀌어 이 수압이 터빈을 회전시켜 에너지를 얻는다. PRO 방식은 해수와 유입수의 농도차이가 구동에너지이기 때문에, 두 용액의 농도차가 클수록 많은 에너지를 생산할 수 있다.
본 발명에서는, 위의 문제점을 인식하여 인류가 수자원을 지속적으로 확보할 수 있고, 동시에 무공해 청정 에너지를 지속적으로 생산할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.
본 발명은 PRO 방식을 이용하여 많은 에너지를 생산할 수 있는 담수 및 에너지 생산 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 담수 또는 초순수와 에너지를 동시에 생산할 수 있는 담수 및 에너지 생산 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 담수 및 에너지 생산 장치는 제1유로와 제2유로가 분리막에 의해 구획되고, 상기 제1유로를 흐르는 해수에서 발생한 증기가 상기 분리막을 통과하여 상기 제2유로측으로 분리되는 막증류 모듈; 상기 제1유로에서 유출된 고농도 해수가 흐르는 유도 유로와 고농도 해수보다 낮은 농도의 담수가 흐르는 공급 유로가 반투과막으로 구획되고, 삼투압 차에 의해 담수가 상기 반투과막을 통과하여 상기 유도 유로 측으로 투과되는 압력지연삼투 모듈; 및 상기 유도 유로의 유출단에 인접하며, 상기 유도 유로에서 유출되는 고농도 해수의 수압에 의해 회전하는 터빈을 포함하되, 상기 제2유로측으로 분리된 증기는 응축되어 담수를 생산한다.
또한, 상기 막증류 모듈은 복수 개 제공되고, 다수의 상기 막증류 모듈들이 포함된 복수의 그룹들로 구분되며, 동일 그룹에 속한 상기 막증류 모듈들은 상기 제1유로들이 서로 병렬 연결되고, 인접한 그룹에 속한 상기 막증류 모듈들의 상기 제1유로들과 직렬 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1유로에서 배출된 해수를 상기 제1유로의 유입구 측으로 회수하는 회수 라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회수 라인에 설치되며, 회수되는 해수를 가열하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2유로의 유출단과 연결되며, 상기 제2유로에서 유출되는 담수가 흐르는 담수 유출 라인; 및 상기 담수 유출 라인과 연결되며 담수가 통과하는 탈염 유로와, 상기 탈염 유로를 흐르는 담수에 함유된 이온들을 분리하는 전극들을 갖는 CDI 전극 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 복수의 막증류 모듈로부터 고농도 해수를 생산할 수 있고, 해수를 보다 높은 농도로 농축시킬 수 있으므로, 유입수와의 농도차를 크게 하여 에너지 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 해수를 막증류 모듈들에 재순환시킴으로서, 해수를 고농도로 농축시킬 수 있다.또한, 본 발명에 의하면, 해수로부터 고농도 해수를 생산하는 과정에서 담수를 생산할 수 있고, 생산된 담수로부터 초순수를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초순수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 DCMD 방식의 막증류 모듈이 적용된 초순수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 VMD 방식의 막증류 모듈이 적용된 초순수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 담수 및 에너지 생산 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 일 실시예에 따른 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 2는 DCMD 방식의 막증류 모듈이 적용된 초순수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 VMD 방식의 막증류 모듈이 적용된 초순수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 담수 및 에너지 생산 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 일 실시예에 따른 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초순수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 초순수 생산 시스템(10)은 원수로부터 초순수(ULTRAPURE WATER)를 생산한다. 원수는 지하수, 수도수, 해수, 기수(brackish water), 중수, 산업 폐수 등일 수 있다. 본 실시예에서는 해수를 이용하여 초순수를 생산하는 것을 예를 들어 설명한다.
초순수 생산 시스템(10)은 담수 생산 유닛(100)과 초순수 생산 유닛(200)을 포함한다. 순수 생산 유닛(100)은 해수로부터 담수(FRESH WATER)를 생산하고, 초순수 생산 유닛(200)은 담수로부터 초순수를 생산한다.
담수 생산 유닛(100)은 원수 공급 라인(111), 열교환기(112), 막증류 모듈(120), 원수 유출 라인(131), 유체 공급 라인(132), 유체 유출 라인(133), 그리고 순환 펌프(113, 134, 135)들을 포함한다.
원수 공급 라인(111)은 막증류 모듈(120)의 제1라인(121) 유입구와 연결되며, 해수를 공급한다. 원수 공급 라인(111)에는 순환 펌프(113)와 열교환기(112)가 순차적으로 설치된다. 순환 펌프(113)는 해수를 막증류 모듈 측으로 송액한다. 열교환기(112)는 해수를 가열한다.
막증류 모듈(120)은 해수로부터 담수를 분리한다. 막증류 모듈(120)은 제1유로(121), 제2유로(122), 그리고 분리막(123)을 가진다.
제1유로(121)는 유입단이 원수 공급 라인(111)과 연결되고 유출단이 원수 유출 라인(131)과 연결된다. 제1유로(121)에는 해수가 흐른다. 제2유로(122)는 유입단이 유체 공급 라인(132)과 연결되고, 유출단이 유체 유출 라인(133)과 연결된다. 제2유로(122)에는 유체가 흐르며, 유체는 담수가 제공될 수 있다. 일 실시예에 의하면, 해수와 담수는 반대 방향으로 흐를 수 있다. 또는, 다른 실시예에 의하면, 해수와 담수는 동일한 방향으로 흐를 수 있다.
분리막(123)은 소수성의 다공성 막(porous hydrophobic membrane)으로, 제1유로(121)와 제2유(122)로를 구획한다. 분리막(123)은 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), PP(폴리프로필렌), PVDF(폴리비닐리덴플로우라이드), PE(폴리에틸렌) 등과 같은 고분자 막을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 분리막(123)은 단일막으로 제공될 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 분리막(123)은 소수성 막 및 친수성막이 적층된(stacked) 다층막으로 제공될 수 있다. 분리막(123)은 재질, 종류, 구성형태에 제한을 받지 않는다.
해수가 제1유로(121)를 따라 흐르는 과정에서 분리막(123)의 표면에는 공기층이 형성되고, 증기(vapor)만이 분리막(123)의 기공을 통과하여 제2유로(122)측으로 분리된다. 증기는 응축되어 담수에 혼합된다.
막증류 모듈(120)은 평판형 막 모듈(plate & frame module), 중공사형 모듈(hollow fiber module), 관형 막 모듈(tubular membrane module), 와권형 막 모듈(spiral wound membrane module) 중 어느 하나로 제공될 수 있다. 평판형 막 모듈은 유로가 평판형 분리막으로 구분된다. 중공사형 모듈은 하나의 원통형 셀 튜브(shell tube) 속에 아주 가느다란 복수 개의 종공형(hollow fiber) 분리막이 제공된다. 관형 막 모듈은 관(tube) 모양의 분리막이 2개의 내·외부 원통형 챔버 사이에 위치한다. 와권형 막 모듈은 평판지(flat sheet) 모양의 분리막이 간격기(spacer)를 싸서 둘둘 말리고, 가운데에 구멍이 난 집수관이 만들어지는 형상의 모듈이다.
원수 유출 라인(131)은 제1유로(121)의 유출단과 연결된다. 막증류 유닛(120)에서 증기의 분리로 농도가 높아진 고농도 해수는 원수 유출 라인(131)을 통해 배출된다.
유체 공급 라인(132)은 제2유로(122)의 유입단과 연결되며, 유체를 제2유로(122)에 공급한다. 유체 공급 라인(132)에는 순환 펌프(134)가 설치된다. 순환 펌프(134)는 담수를 송액한다.
유체 유출 라인(133)은 제2유로(122)의 유출단과 연결된다. 제2유로(122)에서 증기가 응축된 담수는 유체 유출 라인(133)을 따라 흐른다. 유체 유출 라인(133)에는 순환 펌프(135)가 설치된다. 순환 펌프(135)는 담수를 송액한다.
초순수 생산 유닛(200)은 유체 공급 라인(210), 축전식 탈염(Capacitive deionization, CDI) 전극 모듈(220, 230), 초순수 유출 라인(241, 242), 그리고 배출 라인(251, 252)를 포함한다.
유체 공급 라인(210)은 유체 유출 라인(133)과 연결되며, 담수가 흐른다. 유체 공급 라인(210)은 제1공급 라인(211)과 제2공급 라인(212)을 포함한다. 제1공급 라인(211)과 제2공급 라인(212)은 삼방 밸브(three-way valve, 213)와 연결된다. 담수는 삼방 밸브(213)의 제어로 제1공급 라인(211) 또는 제2공급 라인(212)으로 공급된다.
유체 공급 라인(210)에는 CDI 전극 모듈(220, 230)이 제공된다. CDI 전극 모듈(220, 230)은 담수에 함유된 이온들을 분리한다. CDI 전극 모듈(220, 230)은 탈염 유로(221, 231)와 전극(222, 223, 232, 233)들을 포함한다. 탈염 유로(221, 231)는 유체 공급 라인(211, 212)과 연결되며, 담수가 흐르는 유로를 제공한다. 전극(222, 223, 232, 233)은 탈염 유로(221, 231)를 사이에 두고 나란하게 배치된다. 전극(222, 223, 232, 233)은 비표면적이 넓은 활성탄소전극이 사용된다. 전극(222, 223, 232, 233)들 사이에는 양이온 교환막(미도시)과 음이온 교환막(미도시)이 제공될 수 있다. 양이온 교환막은 음극으로 양이온을 선택적으로 통과시키고, 음이온 교환막은 양극으로 음이온을 선택적으로 통과시킨다. 전극(222, 223, 232, 233)들에 전위가 인가되면 유체에 용존되어 있는 양이온은 음전극의 탄소표면에 흡착되고, 음이온은 양전극의 탄소표면에 흡착되어 초순수가 생성된다. CDI 전극 모듈(220, 230)은 전위를 인가했을 때 전극표면의 전기이중층에서 전기적인 인력에 의한 이온들의 흡착 반응을 이용하기 때문에 낮은 전위(약 1~2V의 직류전원)에서 작동가능하며, 에너지 소비량이 다른 분리 공정에 비해 월등히 낮아 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 전극 표면에 이온들이 포화흡착되면 더 이상 이온을 흡착할 수 없어 재생단계을 거치게 된다. 이때 전극(222, 223, 232, 233)을 단락시키거나 역 전위를 인가한다. 재생과정을 통해 활성탄소 전극(222, 223, 232, 233)에 흡착된 이온들이 탈착된다.
실시예에 의하면, CDI 전극 모듈(220, 230)은 제1공급 라인(211)과 제2공급 라인(212) 각각에 제공된다. 어느 하나의 CDI 전극 모듈(220)에서 이온들이 흡착되는 흡착 단계가 진행되는 동안, 다른 하나의 CDI 전극 모듈(230)에서는 재생 단계가 진행될 수 있다. 때문에 초순수 생산 공정은 연속적으로 진행될 수 있다.
초순수 유출 라인(241, 242)은 CDI 전극 모듈(220, 230)의 탈염 유로(221, 231)와 연결된다. 초순수 유출 라인(241, 242)은 초순수를 저장 탱크(미도시)로 공급하는 유로를 제공한다.
배출 라인(251, 252)은 초순수 유출 라인(241, 242)으로부터 분기된다. 배출 라인(251, 252)은 CDI 전극 모듈(220, 230)의 재생 단계에서 배출되는 유체를 외부로 배출한다.
상술한 실시예에서 막증류 모듈(220, 230)은 담수를 공급하여 분리막과 직접 접촉하는 DCMD(direct contact membrane distillation) 방식을 예를 들어 설명하였다. 이와 달리, 막증류 모듈(220, 230)은 AGMD(air gap membrane distillation) 방식, VMD(vacuum membrane distillation) 방식, SGMD (sweep gas membrane distillation) 방식, and MGMD (material gap membrane distillation) 방식이 제공될 수 있다.
도 2는 DCMD 방식의 막증류 모듈이 적용된 초순수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 막증류 모듈(120)의 제2유로(122)에는 유체 공급 라인(132)을 통해 공기(air)가 공급된다. 유체 유출 라인(133)에는 응축기(136)가 설치되며, 응축기(136)는 진공 펌프(137)와 연결된다.
제1유로(121)로부터 분리막(123)의 기공을 통과하여 제2유로(122)측으로 분리된 증기는 공기와 혼합된다. 진공 펌프(137)의 압력에 의해 증기가 포함된 공기는 유체 유출 라인(133)을 따라 응축기(136)에 공급된다. 증기는 응축기(136)에서 담수로 응축된다. 담수는 유체 공급 라인(210)을 통해 CDI 전극 모듈(220, 230)에 공급된다.
다른 예에 의하면, 위 막증류 모듈(120)은 AGMD 방식 또는 MGMD 방식으로 제공될 수 있다.
도 3은 VMD 방식의 막증류 모듈이 적용된 초순수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 막증류 모듈(120)의 제2유로 유입단(122a)은 막히고, 유출단(122b)은 유체 유출 라인(133)과 연결된다. 유체 유출 라인(133)에는 응축기(136)가 설치되며, 응축기(136)는 진공 펌프(137)와 연결된다. 진공 펌프(137)의 진공압은 유체 유출 라인(133)을 통해 제2유로(122)에 전달되며, 제1유로(121)측으로부터 증기가 분리막(123)을 통과하여 제2유로(122)로 분리된다. 증기는 유체 유출 라인(133)을 통해 응축기(136)로 공급되어 담수로 응축된다. 담수는 유체 공급 라인(210)을 통해 CDI 전극 모듈(220, 230)에 공급된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 담수 및 에너지 생산 장치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 담수 및 에너지 생산 장치(1000)는 해수를 고농도 처리하고, 고농도 해수와 유입수의 농도차에 의해 발생한 삼투압이 수압의 형태로 바뀌고, 이 수압을 이용하여 에너지를 얻는다. 그리고 해수를 고농도 처리하는 과정에서 담수를 생산하고, 생산된 담수로부터 초순수를 생산할 수 있다. 담수 및 에너지 생산 장치(1000)는 고농도 해수 생산 유닛(1100)과 에너지 생산 유닛(1200)을 포함한다. 고농도 해수 생산 유닛(1100)은 해수로부터 담수를 분리하여 고농도 해수와 담수를 생산하고, 에너지 생산 유닛(1200)은 고농도 해수와 유입수의 농도차에 의해 발생한 삼투압을 수압을 형태로 바꾸고, 이 수압을 이용하여 에너지를 얻는다.
고농도 해수 생산 유닛(1100)은 해수 공급 라인(1111), 순환 펌프(1112), 제1열 교환기(1113), 막증류 모듈(1120), 유출 라인(1131), 응축기(1132), 진공 펌프(1133), 고농도 해수 유출 라인(1134), 제2열 교환기(1135), 버퍼 탱크(1136), 회수 라인(1137), 순환 펌프(1138), 그리고 제3열 교환기(1139)를 포함한다.
해수 공급 라인(1111)은 일단이 막증류 모듈(1120)의 제1유로(1121)와 연결되고, 해수를 공급한다. 해수 공급 라인(1111)에는 순환 펌프(1112)와 제1열 교환기(1113)가 제공된다. 순환 펌프(1112)는 해수를 제1유로(1121)로 송액하는 압력을 인가하고, 제1열 교환기(1113)는 해수를 가열한다.
막증류 모듈(1120)은 해수로부터 담수를 분리하여 고농도 해수를 생산한다. 막증류 모듈(1120)은 상술한 DCMD 방식, AGMD 방식, VMD 방식, SGMD 방식, 그리고 MGMD 방식 중 하나가 제공될 수 있다. 실시예에 의하면, 막증류 모듈(1120)은 VMD 방식이 제공된다. 막증류 모듈(1120)은 제1유로(1121)와 제2유로(1122)가 분리막(1123)에 의해 구획된다. 제1유로(1121)에는 가열된 해수가 흐른다. 분리막(1123)의 경계면에서 해수로부터 수분이 증발하고, 발생된 수증기는 분압 차이에 의해 분리막(1123)을 통과하여 제2유로(1122)측으로 분리된다.
막증류 모듈(1120)은 복수 개 제공되며, 모두 동일한 구성을 갖는다. 막증류 모듈(1120)들은 복수의 그룹(a, b,…n)으로 구분될 수 있다. 동일 그룹(a, b,…n)에는 복수 개의 막증류 모듈(1120)이 포함되며, 각 그룹(a, b,…n)에 포함된 막증류 모듈(1120)의 개수는 동일하다. 실시예에 의하면, 막증류 모듈(1120)은 제1그룹(a), 제2그룹(b),…, 그리고 제n그룹(n)을 가진다. n은 자연수이다.
제1그룹(a)에 속한 막증류 모듈(1120a)들은 제1유로들의 유입구가 해수 공급 라인(1111)에 의해 병렬 연결된다.
제1그룹(a)에 속한 막증류 모듈(1120a)들은 제1유로들의 유출구가 연결 라인(1124a)들을 통해 제2그룹(b)에 속한 막증류 모듈(1120b)들의 제1유로 유입구와 일대일 연결된다. 그리고, 제2그룹(b)에 속한 막증류 모듈(1120b)들은 제1유로들의 유출구가 연결 라인(1124b)들을 통해 제3그룹(미도시)에 속한 막증류 모듈들의 제1유로 유입구와 일대일 연결된다.
이러한 방식으로 제n-1그룹(미도시)에 속한 막증류 모듈들은 제1유로들의 유출구가 연결 라인(1124n)들을 통해 제n그룹(n)에 속한 막증류 모듈(1120n)들의 제1유로 유입구와 일대일 연결된다.
상술한 구조에 의해, 각 그룹(a, b,…n)에 속한 막증류 모듈(1120a,…, 1120n)들의 제1유로들은 전방 및/또는 후방에 위치하는 그룹에 속한 막증류 모듈들의 제1유로와 직렬 연결된다.
해수는 직렬 연결된 막증류 모듈(1120a,…, 1120n)들의 제1유로(1121)를 순차적으로 통과하는 과정에서, 담수를 제2유로(1122)측으로 빼앗기며 농도가 점차 증가한다.
동일 그룹에 속한 막증류 모듈(1120)들은 유출 라인(1131)에 의해 제2유로(1122)들이 병렬 연결된다. 유출 라인(1131)은 그룹(a, b,…n)들 각각에 제공된다. 유출 라인(1131)에는 응축기(1132)와 진공 펌프(1133)가 제공된다. 제2유로(1122)측으로 분리된 수증기는 진공 펌프(1133)의 구동으로 유출 라인(1131)을 통해 유출된다. 유출되는 수증기는 응축기(1132)에서 응축되어 담수가 된다.
제n그룹(n)에 속한 막증류 모듈(1120n)들은 제1유로의 유출구가 고농도 해수 유출 라인(1134)에 의해 병렬 연결된다. 제n그룹(n)에 속한 막증류 모듈(1120n)들의 제1유로에서 유출된 고농도 해수는 고농도 해수 유출 라인(1134)에서 모아진다.
고농도 해수 유출 라인(1134)에는 제2열 교환기(1135)와 버퍼 탱크(1136)가 설치된다. 제2열 교환기(1135)는 고농도 해수를 냉각하고, 버퍼 탱크(1136)는 냉각된 고농도 해수를 일시적으로 저장한다.
제1열 교환기(1113)와 막증류 모듈(1120)들 사이 구간에서 해수 공급 라인(1111)에는, 그리고 막증류 모듈(1120)들과 제2열 교환기(1135) 사이 구간에서 고농도 해수 유출 라인(1134)에는 삼방 밸브(three-way valve, 1141, 1142)가 각각 설치된다. 회수 라인(1137)은 일단이 제1삼방 밸브(1141)와 연결되고, 타단이 제2삼방 밸브(1142)와 연결된다. 회수 라인(1137)에는 순환 펌프(1138)와 열 교환기(1139)가 설치된다. 순환 펌프(1138)는 고농도 해수 유출 라인(1134)으로부터 해수 공급 라인(1111)측으로 고농도 해수를 순환시킨다. 열 교환기(1139)는 회수 라인(1137)을 통해 공급되는 고농도 해수를 가열한다.
제1 및 제2삼방 밸브(1141, 1142)의 개폐 조절로, 제n그룹(n)의 막증류 모듈(1120n)들에서 유출된 고농도 해수는 회수 라인(1137)을 통해 회수된 후 제1그룹(a)의 막증류 모듈(1120a)들로 유입된다. 해수는 직렬 연결된 막증류 모듈(1120a,…, 1120n)들을 순차적으로 통과하며 농도가 짙어가는 농축과정과, 회수 라인(1137)을 통한 막증류 모듈(1120a,…, 1120n)로의 재순환 과정이 순차적으로 반복되면서 점점 짙은 농도로 농축된다. 이러한 과정을 통해 고농도 해수를 얻을 수 있다.
에너지 생산 유닛(1200)은 고농도 해수 공급 라인(1211), 순환 펌프(1212), 고압 펌프(1213), 압력지연삼투 모듈(Pressure Retarded Osmosis, PRO, 1220), 해수 유출 라인(1231), 터빈(1232), 담수 공급 라인(1233), 담수 유출 라인(1234), 압력 교환 라인(1235), 순환 펌프(1236), 압력 교환기(1237)을 포함한다.
고농도 해수 공급 라인(1211)은 버퍼 탱크(1136)와 압력지연삼투 모듈(1220)의 유도 유로(1221)를 연결하며, 고농도 해수를 공급한다. 고농도 해수 공급 라인(1211)에는 순환 펌프(1212)와 고압 펌프(1213)가 제공된다. 순환 펌프(1212)는 압력지연삼투 모듈 (1220)측으로 고농도 해수를 순환시키고, 고압 펌프(1213)는 고농도 해수 공급 라인(1211)을 통해 공급되는 고농도 해수를 고압으로 만든다.
압력지연삼투 모듈(1220)은 유도 유로(1221), 공급 유로(1222), 그리고 반투과막(1223)을 가진다. 유도 유로(1221)는 고농도 해수 공급 라인(1211)과 해수 유출 라인(1231)과 연결되며, 고압 및 고농도 해수가 흐른다. 공급 유로(1222)는 담수 공급 라인(1233)과 담수 유출 라인(1234)과 연결되며, 담수가 흐른다. 반투과막(1223)은 유도 유로(1221)와 공급 유로(1222)를 구획한다. 공급 유로(1222)를 흐르는 담수는 고압 및 고농도 해수와의 농도차에 의해 반투과막(1223)을 통과하여 유도 유로(1221)측으로 투과된다.. 압력지연삼투 모듈(1220)은 해수와 담수의 농도차가 클수록 유도 유로 측으로 투과되는 담수의 유량이 증가한다. 본 발명에서는 해수가 막증류 모듈(1120a,…, 1120n)을 재순환하며 고농도로 농축되어 담수와의 농도차가 크며, 이로 인해 유도 유로로 투과되는 담수의 유량이 증가한다. 담수의 투과로 유도 유로(1221)를 흐르는 고압 및 고농도 해수의 유량이 증가한다
해수 유출 라인(1231)은 유도 유로(1221)와 연결되며, 유량이 증가한 고압 및 고농도 해수가 흐른다. 해수 유출 라인(1231)에는 터빈(1232)이 제공된다. 유량이 증가한 고압 및 고농도 해수는 터빈(1232)을 회전시켜 에너지를 생산한다. 상술한 바와 같이, 유도 유로(1221) 측으로 투과되는 담수의 유량 증가로, 터빈(1232)을 회전시킬 수 있는 구동력이 증가하여 에너지 생산 효율이 향상된다.
압력 교환 라인(1235)은 일단이 압력지연삼투 모듈(1220)과 터빈(1232) 사이구간에서 해수 유출 라인(1231)과 연결되고, 타단이 터빈(1232)의 후방에서 해수 유출 라인(1231)과 연결된다. 해수 유출 라인(1231)을 통해 흐르는 고압 및 고농도 해수는 일부가 압력 교환 라인(1235)으로 유입된다.
압력 교환기(1237)는 고농도 해수 공급 라인(1211)을 흐르는 고농도 해수와 압력 교환 라인(1235)을 흐르는 고압 및 고농도 해수 간에 압력을 교환한다. 압력 교환 라인(1235)을 흐르는 고압의 해수 압력이 고농도 해수 공급 라인(1211)을 흐르는 해수에 전달된다. 압력 교환 라인(1235)을 흐르는 해수는 압력 교환으로 압력이 낮아진 후, 해수 유출 라인(1231)으로 다시 유입된다. 고농도 해수 공급 라인(1211)을 흐르는 고농도 해수는 압력 교환으로 압력이 상승하고, 고압 및 고농도 해수로 유도 유로(1221)에 공급된다. 이와 같이, 압력 교환 라인(1235)을 흐르는 해수와 해수 공급 라인(1211)을 흐르는 해수간의 압력 교환으로 유도 유로(1221)에는 항상 고압 및 고농도 해수가 공급될 수 있다. 때문에 고압 펌프(1213)는 고농도 해수가 고압 및 고농도 해수로 압력이 증가된 후, 계속적인 구동이 요구되지 않는다. 이는 고압 펌프(1213)의 구동으로 인한 에너지 소비를 절감한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 담수 및 에너지 생산 장치(1000a)는 고농도 해수 생산 유닛(1100)과 에너지 생산 유닛(1200), 그리고 초순수 생산 유닛(1300)을 포함한다. 고농도 해수 생산 유닛(1100)과 에너지 생산 유닛(1200)은 도 4와 동일한 구조로 제공되므로, 상세한 설명은 생략한다.
초순수 생산 유닛(1300)은 해수 생산 유닛(1100)에서 생산된 담수를 이용하여 초순수를 생산한다. 초순수 생산 유닛(1300)은 막증류 모듈(1120)의 그룹(a, b,…, n)들 각각에 연결되며, 각 그룹(a, b,…, n)들에서 생산된 담수로부터 초순수를 생산한다. 이하에서는 제1그룹(a)의 막증류 모듈(1120a)과 연결된 초순수 생산 유닛(1300)을 예를 들어 설명한다.
초순수 생산 유닛(1300)은 담수 공급 라인(1311), CDI 전극 모듈(1320, 1330), 초순수 유출 라인(1312, 1313), 그리고 배출 라인(1315, 1316)을 포함한다.
담수 공급 라인(1311)은 고농도 해수 생산 유닛(1100)의 응축기(1132)와 연결되며, 응축기(1132)에서 응축된 담수가 흐른다.
CDI 전극 모듈(1320, 1330)은 담수 공급 라인(1311)과 연결된다. CDI 전극 모듈(1320, 1330)은 도 1의 CDI 전극 모듈과 동일하게 제공되므로 상세한 설명은 생략한다. 담수는 CDI 전극 모듈(1320, 1330)의 유로를 통과하는 동안 이온들이 제거되어 초순수 상태가 된다. 초순수는 초순수 유출 라인(1312, 1313)을 통해 저장 탱크(미도시)로 공급된다. 한편, CDI 전극 모듈(1320, 1330)의 재생 단계에서, 담수는 배출 라인(1315, 1316)을 통해 외부로 배출된다.
상술한 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치는 해수를 이용하여 에너지 발전 뿐만 아니라, 에너지 생산 과정에서 발생한 담수로부터 초순수를 생산할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초순수 생산 유닛을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 담수 및 에너지 생산 장치(2000)는 초순수 생산 유닛(2100)과 에너지 생산 유닛(2200)을 포함한다. 초순수 생산 유닛(2100)은 도 1 내지 도 3 중 어느 하나의 초순수 생산 시스템이 제공될 수 있다. 에너지 생산 유닛(2200)은 도 4 또는 도 5의 에너지 생산 장치가 제공될 수 있다.
일 예에 의하여, 담수 및 에너지 생산 장치(2000)는 도 1의 초순수 생산 장치와 도 4의 담수 및 에너지 생산 장치가 결합된 구성을 예를 들어 설명한다.
도 7을 참조하면, 초순수 생산 유닛(2100)의 원수 유출 라인(131)과 에너지 생산 유닛(2200)의 해수 공급 라인(1111)은 서로 연결되며, 막증류 모듈(120)의 제1라인(121)에서 유출된 고농도 해수는 해수 공급 라인(1111)으로 공급된다.
상술한 담수 및 에너지 생산 장치는 초순수 생산 유닛(2100)에서 초순수를 생산하는 과정에서 발생한 고농도 해수를 에너지 생산 유닛(2200)에 공급하여 담수와 에너지를 생산한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 초순수 생산 시스템 100: 담수 생산 유닛
200: 초순수 생산 유닛 111: 원수 공급 라인
112: 열교환기 20: 막증류 모듈
131: 원수 유출 라인 132: 유체 공급 라인
133: 유체 유출 라인 113, 134, 134: 순환 펌프
1100: 고농도 해수 생산 유닛 1111: 해수 공급 라인
1112: 순환 펌프 1113: 제1열 교환기
1120: 막증류 모듈 1131: 유출 라인
1132: 응축기 1133: 진공펌프
1134: 고농도 해수 유출 라인 1135: 제2열 교환기
1136: 버퍼 탱크 1137: 회수 라인
1138: 순환 펌프 1139: 제3열 교환기
1200: 에너지 생산 유닛 1211: 고농도 해수 공급 라인
1212: 순환 펌프 1213: 고압 펌프
1220: 압력지연삼투 모듈 1231: 해수 유출 라인
1232: 터빈 1233: 담수 공급 라인
1234: 담수 유출 라인 1235: 압력 교환 라인
1236: 순환 펌프 1237: 압력 교환기
200: 초순수 생산 유닛 111: 원수 공급 라인
112: 열교환기 20: 막증류 모듈
131: 원수 유출 라인 132: 유체 공급 라인
133: 유체 유출 라인 113, 134, 134: 순환 펌프
1100: 고농도 해수 생산 유닛 1111: 해수 공급 라인
1112: 순환 펌프 1113: 제1열 교환기
1120: 막증류 모듈 1131: 유출 라인
1132: 응축기 1133: 진공펌프
1134: 고농도 해수 유출 라인 1135: 제2열 교환기
1136: 버퍼 탱크 1137: 회수 라인
1138: 순환 펌프 1139: 제3열 교환기
1200: 에너지 생산 유닛 1211: 고농도 해수 공급 라인
1212: 순환 펌프 1213: 고압 펌프
1220: 압력지연삼투 모듈 1231: 해수 유출 라인
1232: 터빈 1233: 담수 공급 라인
1234: 담수 유출 라인 1235: 압력 교환 라인
1236: 순환 펌프 1237: 압력 교환기
Claims (5)
- 제1유로와 제2유로가 분리막에 의해 구획되고, 상기 제1유로를 흐르는 해수에서 발생한 증기가 증기압차에 의해 상기 분리막을 통과하여 상기 제2유로측으로 분리되는 막증류 모듈;
상기 제1유로에서 유출된 고농도 해수가 흐르는 유도 유로와 고농도 해수보다 낮은 농도의 담수가 흐르는 공급 유로가 반투과막으로 구획되고, 삼투압 차에 의해 담수가 상기 반투과막을 통과하여 상기 유도 유로 측으로 투과되는 압력지연삼투 모듈;
상기 유도 유로의 유출단에 인접하며, 상기 유도 유로에서 유출되는 고농도 해수의 수압에 의해 회전하는 터빈; 및
상기 제1유로에서 배출되는 해수를 상기 제1유로의 유입구 측으로 회수하는 회수 라인을 포함하며,
상기 제2유로측으로 분리된 증기는 응축되어 담수를 생산하고,
상기 제1유로에서 배출된 해수는 상기 회수 라인을 통해 상기 제1유로의 유입구 측으로 회수되는 과정을 거치면서 농도가 점차 높아지는 담수 및 에너지 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 막증류 모듈은 복수 개 제공되고, 다수의 상기 막증류 모듈들이 포함된 복수의 그룹들로 구분되며,
동일 그룹에 속한 상기 막증류 모듈들은 상기 제1유로들이 서로 병렬 연결되고, 인접한 그룹에 속한 상기 막증류 모듈들의 상기 제1유로들과 직렬 연결되며,
상기 해수는 직렬 연결된 상기 제1유로들을 순차적으로 통과하며 점차 농축되는 담수 및 에너지 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1유로에서 유출된 상기 고농도 해수를 상기 유도 유로에 공급하는 고농도 해수 공급 라인;
상기 고농도 해수 공급 라인에 설치되며, 상기 고농도 해수의 압력을 증가시키는 압력 펌프;
상기 유도 유로에서 유출된 고압 및 고농도 해수를 상기 터빈에 공급하는 해수 유출 라인; 및
상기 해수 유출 라인에서 분기되고 상기 고압 및 고농도 해수의 일부가 흐르는 압력 교환 라인을 더 포함하며,
상기 압력 교환 라인을 흐르는 상기 고압 및 고농도 해수와 상기 고농도 해수 공급 라인을 흐르는 상기 고농도 해수 간에 압력 교환이 이루어지는 담수 및 에너지 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 회수 라인에 설치되며, 회수되는 해수를 가열하는 열교환기를 더 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2유로의 유출단과 연결되며, 상기 제2유로에서 유출되는 담수가 흐르는 담수 유출 라인; 및
상기 담수 유출 라인과 연결되며 담수가 통과하는 탈염 유로와, 상기 탈염 유로를 흐르는 담수에 함유된 이온들을 분리하는 전극들을 갖는 CDI 전극 모듈을 포함하는 담수 및 에너지 생산 장치.
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| KR1020140116413A KR101626210B1 (ko) | 2014-09-02 | 2014-09-02 | 담수 및 에너지 생산 장치 |
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- 2014-09-02 KR KR1020140116413A patent/KR101626210B1/ko active IP Right Grant
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