KR101641869B1 - 해수 미네랄 분리 및 농축 장치 - Google Patents

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Abstract

해양 심층수 또는 용암 해수와 같이 체내 흡수가 용이하고 높은 용존 미네랄을 갖는 해수로부터 미네랄을 효과적으로 분리하여 회수할 수 있는 미네랄 분리 및 농축 장치가 개시된다. 본 발명은 나트륨염을 제공하기 위한 나트륨염 용액 공급기; 해수로부터 RO 배척된 칼슘염, 나트륨염 및 마그네슘염을 포함하는 미네랄 농축수와 상기 용액 공급기로부터의 나트륨염 용액을 유입하여 염화칼슘 및 황산나트륨이 풍부한 용액을 각각 배출 스트림으로 제공하는 전기투석 복분해기; 상기 전기투석 복분해기로부터 배출된 염화칼슘 스트림 및 황산나트륨 스트림을 혼합하여 황산칼슘을 침전시키기 위한 침전조; 및 상기 침전조의 상등액을 유입하여 염화칼슘 용액을 분리하기 위한 전기투석 담수화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미네랄 분리 농축 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 해수에 포함된 다양하고 체내 흡수가 용이한 미네랄을 고농도로 분리 회수할 수 있게 되고, 이를 적절히 배합함으로써 인체에 적합한 미네랄 워터의 제조가 가능하게 된다.

Description

해수 미네랄 분리 및 농축 장치{Apparatus for Separation And Concentration of Sea-water Minerals}
본 발명은 해수의 미네랄 분리 및 농축 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해양 심층수 또는 용암 해수와 같이 체내 흡수가 용이하고 높은 용존 미네랄을 갖는 해수로부터 미네랄을 효과적으로 분리하여 회수할 수 있는 미네랄 분리 및 농축 장치에 관한 것이다.
최근 해양 심층수를 포함하는 다양한 해수를 담수화하는 기술과 이로부터 미네랄 워터를 제조하는 기술이 많이 개발되고 있다.
해양 심층수에 포함된 미네랄 성분은 수용성이므로 체내 흡수가 용이한 장점을 갖는다. 따라서 해양 심층수에 포함된 미네랄 성분은 잘못된 식이습관, 환경오염 등으로 인해 미네랄 밸런스가 무너진 현대인에게 매우 유용한 미네랄 공급원이 될 수 있다. 그러나 해수에는 상당량의 염분(NaCl)이 포함되어 있어 이를 제거하는 담수화 과정에서 유용한 미네랄 성분인 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등이 함께 제거되는 문제가 있다.
해수의 담수화 방법으로는 증발법, 역삼투막법, 전기투석법 등이 일반적으로 알려져 있다. 증발법은 해수를 가열하여 용매인 물을 증발시키고 미네랄 성분을 수거하는 원리를 이용하는 것이며, 역삼투막법(Reverse Osmosis)은 순수한 물만 통과시키는 막(반투막)을 이용하여 해수 중에 용해된 이온성 물질을 여과하는 방법이며, 전기투석법은 음이온막과 양이온막을 교대로 배치한 후, 음이온막과 양이온막의 양단에 위치한 전극에 전압을 인가하여 양이온 및 음이온을 제거하여 담수를 얻는 방법이다. 그러나, 이들 담수화 방법을 사용할 경우에는, 해수에 포함된 각종 미네랄 성분을 효율적으로 분리하기 어려우므로, 미네랄 성분의 회수율이 낮은 단점이 있다.
세계 담수화 시장에서는 기계적 방식의 일종인 역삼투압법(RO : Reverse Osmosis)에 의한 해수 처리 방식이 점차 확장 적용되어가는 추세이다.
미국은 1972년 처음으로 미국 콜롬비아대 로엘 교수가 카리브해의 샌트크로이섬에서 수심 870m로부터 하루 약 360톤의 해양심층수를 끌어올려 식물 플랑크톤의 배양과 굴사육 실험 등을 통해 해양심층수가 생물 생산에 효과가 있다는 것을 실증하였고, 그 이후 본격적으로 발전하여 이를 계기로 연구단지가 1974년 하와이 자연에너지 연구소(NELH)가 탄생하였다. 또한, 하와이섬에서 인공용승실험시설을 건설하여 해양온도차 발전, 양식 등 다양한 이용기술도 개발되었다.
한편, 노르웨이 피요르드 해역의 표층수는 융설수 및 육수의 영향을 받고 있으며, 저층해수는 연간 수온이 7~8도, 염분 농도는 3~4%로 안정되어 있고, 또한 병원균(비브리오 균 등)이 적으며 영양염이 풍부하여 해양심층수와 동일한 특성을 보유하고 있어 그 특성을 활용하여 수산분야에 이용하려는 연구가 진행되고 있다. 주요 연구로는 피요르드 해양생물자원 증강을 목적으로 하는 이용기술연구 개발이 진행 중에 있으며, 그 중 대구, 연어, 송어, 거대 광어 등의 안정 사육과 사육 효율화를 위하여 많은 개발이 진행 중에 있다.
또한, 일본의 경우 전국에 약 16개소의 해양심층수 특성화 단지가 설치되어 있고, 1985년부터 과학기술청에 아쿠아 마린 계획인 해양심층수 자원의 유효이용기술에 관한 연구가 시작되어 모델 해역으로서 코치현의 무로토 해역이 지정되어, 그 뒤로 1987년 취수장치 건설착수(해양과학기술센터 설치)되어 1989년 코치현 해양심층수 연구소가 발족되었고, 그로부터 지속적으로 기초연구가 진행되어 해양심층수를 다목적으로 사용하는 시스템 등이 개발되고, 동시에 여러 가지 종류의 상품이 사업화됨과 동시에 계속적인 연구개발이 진행 중이다.
한편, 국내의 경우 제주도 동부 지역에 존재하는 막대한 양의 용암해수(염지하수)가 존재하고 있는데, 이를 산업적으로 활용하기 위한 기초연구가 수행되어 다양한 상품 소재로 활용 가능하다는 것이 제시되었으나, 그 후 산업화를 위한 후속조치가 활성화되지 않고 있는 실정이다.
따라서, 용암 해수를 담수화하는 과정에서 미네랄을 분리 회수하여 인체에 적합한 미네랄 밸런스를 유지하는 음용수 등 다목적으로 사용할 수 있는 미네랄 분리 농축 기술에 대한 요구가 있다.
특허출원 10-2008-0076259 특허출원 10-2008-0065438 특허출원 10-2009-0112890
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 해수의 담수화 과정에서 배척되는 미네랄을 분리 회수하여 인체에 적합한 미네랄 워터의 제조 과정 등에 다목적으로 사용 가능한 미네랄 분리 및 농축 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 나트륨염을 제공하기 위한 나트륨염 용액 공급기; 해수로부터 RO 배척된 칼슘염, 나트륨염 및 마그네슘염을 포함하는 미네랄 농축수와 상기 용액 공급기로부터의 나트륨염 용액을 유입하여 염화칼슘 및 황산나트륨이 풍부한 용액을 각각 배출 스트림으로 제공하는 전기투석 복분해기; 상기 전기투석 복분해기로부터 배출된 염화칼슘 스트림 및 황산나트륨 스트림을 혼합하여 황산칼슘을 침전시키기 위한 침전조; 및 상기 침전조의 상등액을 유입하여 1가 이온염과 2가 이온염을 분리하기 위한 전기투석 담수화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미네랄 분리 농축 장치를 제공한다.
본 발명에서 상기 전기투석 복분해기는 복수의 분리된 막으로 이루어진 구조를 가지며, 상기 막구조는 바람직하게는 1가 음이온 교환막, 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 반복 단위로 하는 것이 좋다. 이 때, 상기 나트륨염은 2종의 상이한 나트륨염의 혼합물인 것이 바람직하다. 또한, 상기 나트륨염은 상기 전기투석 복분해기의 1가 음이온 교환막과 음이온 교환막 사이로 유입되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 나트륨염은 염화나트륨 및 황산나트륨을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 해수 담수화 과정에서 배척되는 다양한 미네랄을 고농도로 분리 회수 가능하게 된다. 이에 따라 해양 심층수나 용암 해수에 포함된 체내 흡수가 용이한 미네랄을 각각 분리하여 회수된 미네랄을 적절히 배합하여 인체에 적합한 미네랄 워터의 제조가 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 일측면에 따르면, 미네랄의 분리 회수를 위한 용액 스트림을 제공하기 위한 막구조를 단순화함으로써 종래 전기투석 장치에 소요되는 막구조를 단순화하여 저비용이고 유지 보수 비용의 소모가 적은 미네랄 분리 농축 장치의 제조가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미네랄 분리 농축 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 EDM의 막구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미네랄 분리 농축 장치(200)를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 EDM의 막구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미네랄 분리 농축 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 미네랄 분리 농축 장치(200)는 NaCl 공급원(220), 전기투석 복분해기(Electro-dialysis Metathesis; EDM; 240), 칼슘염 침전조(260) 및 전기투석 담수화기(Electro-dialysis desalination; ED2; 280)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 미네랄 분리 농축 장치(200)로는 해수 처리 과정의 결과물 예컨대 역삼투압기(Reverse Osmosis; RO; 100)로부터 농축수(rejected sea-water)가 공급될 수 있다. 상기 농축수 스트림(I1)은 해수에 용해된 칼슘, 나트륨, 마그네슘염들을 포함하며, 그 농도는 예컨대 제주 용암해수 처리의 경우 70,000ppm에 달할 수 있다.
따로 설명하지는 않지만, 상기 RO를 통과하여 여과된 처리수는 통상 미네랄 함량이 50ppm 이하의 음용 가능한 생산수로 제공될 수 있으며, 이와 별도로 상기 생산수는 본 발명에 따라 분리된 미네랄과 혼합되어 밸런스 된 음용수로 제공될 수도 있다.
본 발명에서 상기 농축수 스트림(I1)은 EDM(240)으로 공급된다. 또한, 상기 농축수 스트림 외에 NaCl 공급원(220)으로부터 NaCl 용액 스트림(I2)이 상기 EDM(240)으로 유입된다.
상기 EDM은 복수의 이온 교환막을 포함하여 구성되며, 유입되는 농축수 스트림(I1)으로부터 칼슘과 같은 미네랄 이온뿐만 아니라 음이온을 분리한다. 본 발명에서 상기 EDM은 이온 분리막에 의한 이온 치환을 통해 보다 용해도가 높은 염의 스트림을 생성한다. 상온 부근에서 각 염의 용해도는 CaCl2 > Na2SO4 > NaCl > CaSO4의 순으로 알려져 있으며, 본 발명에서 상기 EDM은 Na2SO4 및 CaCl2의 농축 스트림을 생성할 수 있다. 본 발명에서 EDM의 막구조 및 바람직한 실시예는 따로 후술한다.
상기 EDM(240)에서 막분리된 양이온 및 음이온을 포함하는 일련의 농축수 스트림(O1, O2)이 침전조(260)로 유입된다. 유입된 염들, 예컨대 CaCl2 및 Na2SO4 스트림은 상기 침전조(260)에서 반응하여 CaSO4로 석출된다.
상기 EDM에서 이온 교환의 결과로 희석된 스트림, 예컨대 NaCl 공급 스트림(I2)의 결과물로서의 희석 NaCl 스트림(O3)은 증발기(400)와 같은 별도의 장치로 유입될 수 있다. 상기 증발기(400)는 고온 가열 등 통상의 방식으로 물을 증발시켜 그 결과물로 NaCl을 생성할 수 있다.
상기 침전조(260)에서 CaSO4 석출 반응의 결과, 상기 침전조(260)의 상등액에는 NaCl이 풍부한 상태로 된다. NaCl의 회수를 위해 상기 침전조(260)의 상등액 스트림(O5)은 ED2(280)로 유입된다. 상기 ED2는 1가 이온 또는 2가 이온을 선택적으로 교환하는 이온 분리막을 구비한다. 이에 따라, 상기 ED2는 유입된 스트림으로부터 1가 이온이 풍부한 스트림(O6)과 2가 이온이 풍부한 스트림(O7)을 생성한다. 상기 ED2의 농축 스트림(O6)의 경우 NaCl의 농도가 20%에 달하는 스트림의 생성이 가능하다.
상기 ED2의 NaCl 농축 스트림(O6)은 NaCl 회수를 위해 증발기(400)로 유입된다. 한편, 상기 ED2의 다른 스트림(O7)은 2가 이온의 회수를 위해 별도의 회수 장치, 예컨대 마그네슘 회수 장치(300)로 유입된다. 상기 스트림(O7)은 2가 이온 중 상대적으로 Mg이 풍부한 상태이다. 따라서, 상기 회수 장치(300)에서는 NaOH 등에 의한 pH 조절에 의해 MgSO4 등의 마그네슘염의 회수가 가능하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 미네랄 분리 농축 장치(200)는 RO 농축 스트림(I1)으로부터 Ca, Na 및 Mg를 분리 및 농축하여 각 미네랄염을 선별적으로 회수하도록 한다. 이하에서는 본 발명의 미네랄 분리 농축 장치(200)를 구성하는 EDM의 막구조를 중심으로 본 발명을 보다 상술한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 EDM의 막구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 EDM은 두 개의 전극(242, 244) 사이에서 음이온 교환막(A) 및 양이온 교환막(C)이 순차 배열된 구조를 갖는다. 도시된 바와 같이, 상기 EDM에서 막배열은 "A/C/A/C"를 기본 단위로 하여 이 배열이 반복된 구조일 수 있다.
NaCl 공급원으로부터의 NaCl 스트림(I2)이 음이온 교환막(A)과 양이온 교환막(C) 사이에 공급된다. 공급된 NaCl 중 Na+이온은 좌측의 양이온 교환막을 통과하고 Cl- 이온은 우측의 음이온 교환막을 통과한다. 한편, RO(100)에서 배척된 농축수 스트림(I1)은 다른 음이온 교환막(A)과 양이온 교환막(C) 사이에 공급된다.
공급된 스트림에서 SO4 2 - 와 같은 음이온은 좌측 음이온 교환막(A)을 통과하고 Ca2 +와 같은 양이온은 우측의 양이온 교환막(C)을 통과한다. 그 결과, 이온 교환막을 통과한 이온들은 인접한 이온막 사이에서 각각 Na2SO4와 CaCl2가 풍부한 스트림(O1, O2)을 생성한다. 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 생성된 Na2SO4 및 CaCl2 스트림(O1, O2)은 침전조(260)로 유입되며, 침전조에서 CaSO4로 석출된다.
한편, 공급된 NaCl은 이온 교환에 의해 희석되며, 희석된 스트림(O3)이 전술한 바와 같은 증발기(400)로 유입될 수 있다.
또한, 상기 EDM을 통과하여 희석된 농축수 스트림(O4)은 다시 RO(100)로 피드백 될 수 있다.
물론, 본 발명에서 전술한 희석 스트림(O3)와 농축수 스트림(O4)의 회수 및 피드백 여부는 해당 스트림 내의 이온 농도에 따라 당업자가 적절히 선택할 수 있는 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미네랄 분리 농축 장치(200)를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면에 도시된 구성 중 RO(100), 마그네슘 회수 장치(300) 및 증발기(400)는 도 1을 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 여기서는 설명을 생략한다.
본 실시예에서 미네랄 분리 농축 장치(200)는 NaCl+Na2SO4 공급원(210) EDM(230), 침전조(250) 및 ED2(270)으로 구성되어 있다.
본 발명의 미네랄 분리 농축 장치(200)를 구성하는 각 요소의 기능 및 작용은 도 1을 참조하여 설명한 NaCl 공급원(220), EDM(240), 침전조(260) 및 ED2(280)와 유사하다. 다만, 본 실시예에서는 나트륨염 공급원으로서 NaCl을 대신하여, NaCl과 Na2SO4과 같은 혼합염이 제공된다. 이에 따라, 공급된 스트림을 처리하기 위한 EDM 막구조 및 배열, 그리고 EDM을 통과한 스트림의 염성분이 달라지게 된다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 EDM은 두 개의 전극(242, 244) 사이에서 1가 음이온 교환막(A'), 음이온 교환막(A) 및 양이온 교환막(C)이 순차 배열된 구조를 갖는다. 도시된 바와 같이, 상기 EDM에서 막배열은 "A'/A/C"를 기본 단위로 하여, 이 배열이 적절히 반복된 구조를 가질 수 있다.
NaCl+Na2SO4 공급원으로부터의 용액 스트림(I2)이 1가 음이온 교환막(A')과 음이온 교환막(A) 사이에 공급된다. 이 때, 상기 공급원의 용액 스트림에는 소량의 HCl이 첨가될 수 있다.
공급된 용액 중 Cl-이온은 좌측의 1가 음이온 교환막을 통과한다. 한편, RO(100)에서 배척된 농축수 스트림(I1)이 음이온 교환막(A)과 양이온 교환막(C) 사이에 공급된다. 공급된 스트림에서 SO4 2 -와 같은 음이온은 좌측 음이온 교환막(A)을 통과하고 Ca2 +와 같은 양이온은 우측의 양이온 교환막(C)을 통과한다.
그 결과, NaCl+Na2SO4 스트림(I2)은 1가 음이온 교환막(A') 및 음이온 교환막(A)을 통과하면서 Na2SO4가 풍부한 스트림(O2')을 형성한다. 한편, 양이온 교환막(C)과 1가 음이온 교환막(A') 사이에는 CaCl2가 풍부한 스트림이 형성된다(O1').
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 두 스트림(O1', O2')은 침전조(250)에서 혼합되어 CaSO4가 석출될 수 있다.
도 1 및 2와 관련하여 설명된 바와 같이, 상기 EDM(230)를 통과하여 희석된 농축수 스트림(O4)은 다시 RO(100)로 피드백 될 수 있다.
또한, 상기 침전조(250)의 상등액 스트림(O5)는 NaCl 회수를 위해 ED2(270)로 회수될 수 있고, 마그네슘 회수 장치(300)는 ED2의 다른 스트림을 이용하여 마그네슘을 회수할 수 있게 된다.
앞서 설명한 실시예와 비교할 때, 본 실시예의 미네랄 분리 농축 장치(200)는 이온의 분리를 위한 EDM의 막구조를 단순화할 수 있게 된다는 장점을 갖는다.
이상 상술한 본 발명에 따르면, RO로부터 배척된 농축수로부터 다양한 미네랄을 분리 회수할 수 있게 된다. 이와 같이 분리된 미네랄은 인체에 가장 적합한 음용수의 제조를 위한 Ca : Mg의 비율의 조정을 위해 사용될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 전술한 실시예는 본 발명을 예시하는 것이고 본 발명을 제한하는 것은 것이다.
100 RO 200 미네랄 분리 농축 장치
210, 220 공급기 230, 240 EDM
242, 244 전극 250, 260 침전조
270, 280 ED2 300 마그네슘 회수 장치
400 증발기

Claims (5)

  1. 나트륨염을 제공하기 위한 나트륨염 용액 공급기;
    해수로부터 RO 배척된 칼슘염, 나트륨염 및 마그네슘염을 포함하는 미네랄 농축수와 상기 용액 공급기로부터의 나트륨염 용액을 유입하여 염화칼슘 및 황산나트륨이 풍부한 용액을 각각 배출 스트림으로 제공하는 전기투석 복분해기;
    상기 전기투석 복분해기로부터 배출된 염화칼슘 스트림 및 황산나트륨 스트림을 혼합하여 황산칼슘을 침전시키기 위한 침전조; 및
    상기 침전조의 상등액을 유입하여 1가 이온염과 2가 이온염을 분리하기 위한 전기투석 담수화기를 포함하고,
    상기 전기투석 복분해기는,
    복수의 분리된 막으로 이루어진 구조를 가지며, 상기 막구조는 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 반복 단위로 하고, 제1 음이온 교환막, 제1 양이온 교환막, 제2 음이온 교환막 및 제2 양이온 교환막을 포함하고,
    상기 나트륨염 용액 공급기로부터의 나트륨염은 상기 제1 음이온 교환막 및 상기 제1 양이온 교환막 사이에 공급되고, 상기 RO 배척된 미네랄 농축수는 상기 제2 음이온 교환막과 상기 제2 양이온 교환막 사이에 공급되어 인접한 이온막 사이에서 Na2SO4 및 CaCl2 스트림을 생성하는 것을 특징으로 하는 미네랄 분리 농축 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나트륨염은 2종의 상이한 나트륨염의 혼합물인 것으로 특징으로 하는 미네랄 분리 농축 장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 나트륨염은 염화나트륨 및 황산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 미네랄 분리 농축 장치.

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