KR101664516B1 - 처리수의 재석회화에 있어서 해수로부터 격리된 이산화탄소를 사용하는 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

탈염 시스템에서 재석회화를 위한 개량 방법이 개시되어 있다. 본방법에 따르면, 이산소탄소 가스(CO₂)를 가스 전달막을 통해 탈염 공정의 해수 또는 농축물(염수)로부터 격리한다. 이후 이 이산소탄소 가스(CO₂)를 가용성 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)의 생산에 사용한다. 이 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)은 얻어지는 처리수에 경도와 알칼리성을 부가한다.

Description

처리수의 재석회화에 있어서 해수로부터 격리된 이산화탄소를 사용하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR USING CARBON DIOXIDE SEQUESTERED FROM SEAWATER IN THE REMINERALIZATION OF PROCESS WATER}

본발명은 탈염 공정에서 처리수의 재석회화에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본발명은 막 공정, 열 공정 또는 기타 대체 공정을 사용하여 재조된 탈염수를 재석회화하기 위해, 해수, 또는 염수라 불리는 농축물로부터 격리된 이산화탄소를 사용하는 것에 관한 것이다.

공지의 탈염 시스템은 역삼투압(RO) 필터, 또는 열 에너지 또는 전류를 사용하여 해수로부터 순수(H₂O)를 제조한다. 그러나, 탈염화된 물 자체는 인체 소비용으로 부적합하고, 파이프라인이나 배관과 같은 분배 시스템에 매우 부식성이다. 이는 순수한 처리수는 대기 중 이산화탄소의 용해에 의해 낮은 pH를 가지고 주요 미네랄이 결여되어 있기 때문이다. 따라서, 공지의 탈염 시스템은 후처리 또는 재석회화 공정을 요한다. 이 처리 미네랄에서, 칼슘 및 탄산염 같은 것을 탈염수에 다시 부가한다. 이 재석회화 단계는 맛을 부가하고 탈염수의 부식 효과를 감소시킨다.

공지의 재석회화 공정은 가스 이산화탄소(CO₂)와 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 또는 탄산칼슘(CaCO₃)을 부가한다. 이들은 물(H₂O)과 반응하여 수용성 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)을 형성한다. 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)은 pH를 상승시키고 물에 알카리성과 경도를 부가한다. 그 결과 맛이 좋고 부식성이 덜한 물이 얻어진다. 현재의 재석회화 기술은 상업적 공급자나 석탄 연료의 현장 연소를 통해 가스상 이산화탄소(CO₂)를 전달한다. 그러나, 시판되는 이산화탄소(CO2) 공급물은 비싸서 얻어지는 물의 갤런(gallon) 당 단가를 상당히 증가시킬 수 있다. 석탄 연료의 현장 연소도 유해한 온실 가스의 발생으로 인해 좋은 대안이 아니다.

따라서, 이산화탄소(CO₂)의 외부적 공급을 필요로 하지 않는 재석회화 공정에 대한 필요성이 본업계에 있다. 또한, 더욱 비용상 효과적이고 환경에 유해하지 않은 재석회화 공정에 대한 필요성이 본업계에 있다. 본발명은 이러한 필요성들을 충족시키는 것을 목적으로 한다.

발명의 요약

따라서, 본발명의 목적 중 하나는 이산화탄소(CO₂)의 외부적 공급을 필요로 하지 않는 재석회화 공정을 가능하게 하는 것이다.

본발명의 또다른 목적은 화석 연료를 연소할 필요 없이 처리수를 재석회화하는 것이다.

본발명의 또다른 목적은 재석회화에 사용하는 이산화탄소를 해수 또는 해수탈염 공정으로부터의 폐기물 스트림으로부터 격리하는 탈염 시스템을 제공하는 것이다.

본발명의 또다른 목적은 탈염 공정에 사용되는 막의 크기와 무기 오염물을 감소시키는 것이다.

상기에서 본발명을 다소 광범위하게 개괄하였고, 하기의 본발명의 상세한 설명에 의해 본발명에 관한 중요한 특징에 대한 이해를 도와서 본업계에 대한 본발명의 공헌을 더욱 완벽히 이해할 수 있다. 본발명의 청구 대상인 본발명의 부가적인 들징들을 이하에 기술한다. 본업계의 숙련자는 본발명의 목적과 동일한 목적을 수행하기 위해 기타 구조를 변경 또는 설계하기 위한 기초로서, 본명세서에 개시된 개념과 특정의 구체예를 용이하게 이용할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 또한, 그러한 동등한 구성은 첨부된 청구범위에 규정된 본발명의 범위를 벗어나지 않는다는 것을 본업계의 숙련자는 이해할 수 있다.

본발명은 바람직하게는 역삼투(RO) 침투물인 탈염 시스템에서의 재석회화의 개량 방법에 관한 것이다. 본방법에 따르면, 이산소탄소 가스(CO₂)를 가스 전달막을 통해 탈염 공정의 해수 또는 농축물로부터 격리한다. 이후 이 이산소탄소 가스(CO₂)를 가용성 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)의 생산에 사용한다. 이 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)은 탈염수에 경도와 알칼리성을 부가하여 음용수를 얻는다. 본발명의 여러 상세사항과 그 관계는 아래에 보다 상세히 설명한다.

본발명의 특성과 목적에 대한 이해를 돕기 위해 첨부된 도면과 관련하여 다음 상세한 설명을 참조하여야 하는데, 여기서:
도 1은 본발명의 재석회화 시스템을 예시하는 처리도이다.
도 2는 또다른 본발명의 재석회화 시스템을 예시하는 처리도이다.
도 3는 또다른 본발명의 재석회화 시스템을 예시하는 처리도이다.
도 4는 또다른 본발명의 재석회화 시스템을 예시하는 처리도이다.
도 5는 또다른 본발명의 재석회화 시스템을 예시하는 처리도이다.
도 6는 또다른 본발명의 재석회화 시스템을 예시하는 처리도이다.
도 7는 염수로부터 이산화탄소(CO₂)를 격리하는 또다른 본발명의 구체예를 예시하는 처리도이다.
도 8는 염수로부터 이산화탄소(CO₂)를 격리하는 또다른 본발명의 구체예를 예시하는 처리도이다.
도 9는 염수로부터 이산화탄소(CO₂)를 격리하는 또다른 본발명의 구체예를 예시하는 처리도이다.
도 10는 염수로부터 이산화탄소(CO₂)를 격리하는 또다른 본발명의 구체예를 예시하는 처리도이다.
도면 전반에 걸쳐, 동일한 도면부호는 동일한 부분을 지칭한다.

도 1을 참조하여, 수 탈염 시스템(20)의 기본적인 구성요소와 함께, 본발명의 방법의 구체예를 도시한다. 이 탈염 시스템은 해수에 대한 상류 입구(24)와 역삼투(RO) 침투물에 대한 하류 출구(26)를 포함하는 종래의 역삼투 필터(22)를 포함한다.

본발명은 소수성 가스 전달 장치를 추가로 포함한다. 적합한 가스 전달 장치는 노쓰 캐롤라이나(North Carolina) 소재의 Membranna Corportation of Charlotte사로부터 상표 Liqui-Cel® 로서 시판된다. 본업계의 숙련자는 본발명을 고려한 후 기타 다른 적합한 가스 전달 장치를 이해할 수 있다. 이상적으로는, 전달 장치(28)은 두 개의 흐름 채널(34 및 36)을 갖는 하우징(32)을 포함한다. 그러나, 본업계의 숙련자는 병류(co-current) 채널 또한 사용할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 이들 흐름 채널(34 및 36)은 하나 이상의 막(38)에 의해 분리된다. 막(38)은 CO₂ 가스의 전달만을 허용하기에 충분한 크기의 세공을 포함한다. 막의 각 흐름 채널은 상류와 하류 단부 모두를 갖는다. 즉, 제 1 흐름 채널(34)는 상류 단부(42)와 하류 단부(44)를 갖는다. 유사하게, 제 2 흐름 채널(36)은 상류 단부(46)와 하류 단부(48)를 갖는다. 도 1에서 명백한 바와 같이, 바다로부터 얻어질 수 있는 해수를 제 1 흐름 채널(34)의 상류 단부(42)에 공급한다. 제 2 흐름 채널(36)은 RO 필터(22)의 출력부에 연결된다. 따라서, 제 2 흐름 채널(36)의 상류 단부(46)에는 RO 침투물이 공급된다.

바람직한 방법에 따르면, 황산(H₂SO₄)을 해수에 부가한다. pH를 낮추기 위해 다른 산도 적용가능하다. 도 1의 구체예에 나타낸 바와 같이, 제 1 흐름 채널(34)의 상류 단부(42)에 산을 부가한다. 산의 부가로 산성화된 해수 용액이 생성된다. 본발명은 또한 염수 용액과 관련하여서도 사용될 수 있는데, 이 경우 산의 부가로 산성화된 염수 용액을 생성한다. 해수 내의 중탄산염(HCO₃ ^-)은 이후 황산(H₂SO₄)와 반응하여 이산화탄소(CO₂) 가스를 생성한다. 이 반응은 다음 반응식 1에 따라 수행된다:

H₂SO₄ + HCO₃ ^- → CO₂ 반응식 1

반응식 1에 따라 생성된 가스 이산화탄소(CO₂)는 이후 해수 내로 유입된다. 해수 및 유입된 이산화탄소는 이후 제 1 흐름 채널(34)을 통과하고 막(38)에 접한다. 유입된 이산화탄소 가스가 흐름 채널(34)을 통과하면서 막(38)의 세공을 통과하고, 이에 의해 제 1 흐름 채널(34)로부터 제 2 흐름 채널(36)로 통과한다. 가스 이산화탄소(CO₂)는 이후 RO 침투물 내에 용해되어 제 2 흐름 채널(36)을 통과한다. 이에 따라 얻어지는 RO 침투물의 알칼리성은 이상적으로는 리터당 50 내지 70 밀리그램보다 더 큰 수준까지 증가한다.

다음 단계에서, 제 2 흐름 채널(36)의 하류 단부(48)에 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 부가한다. 격리된 이산화탄소(CO₂)는 탈염수 내에 용해되고 이후 부가된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하여 다음 반응식에 따라 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)을 생성한다:

Ca(OH)₂ + CO₂ → Ca(HCO₃)₂ 반응식 2

얻어진 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)을 이후 RO 침투물로 보내어 혼합한다. 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)은 필요한 경도와 알칼리성을 부가하여 물(H₂O)을 음용가능하면서 비-부식성으로 만든다. 이상적으로는, RO 침투물의 알칼리성 농도는 리터당 50 내지 70 밀리그램 이상이어야만 한다.

본발명의 다양한 변형 구체예를 이하에 기술한다. 도 2를 참조하여, 본출원인은 침투물의 pH를 증가시키면 막(38)을 통한 이산화탄소(CO₂)의 전달율을 증가시킨다는 것을 발견하였다. 따라서, 본 구체예에서, 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 제 2 흐름 채널(36)의 상류 단부(46)에 부가함으로써 침투물의 pH를 증가시키고 막(38)을 통한 전달율 증가를 촉진시킨다. 도 3에 도시된 시스템은 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 대신에 수산화나트륨(NaOH)를사용하여 pH를 증가시킨다는 점을 제외하고 모든 면에서 도 2의 시스템과 동일하다.

도 4에 도시된 시스템은 두 개의 RO 트레인(22a와 22b)을 포함한다. 이 시스템에서, 제 1 트레인(22a)은 고 pH RO 침투물(즉, 7.0 내지 8.0 pH)을 생성하고 제 2 트레인(22b)은 저 pH 침투물(즉, 4.5 내지 6.0 pH)을 생성한다. 저 pH 해수와 제 1 트레인(22a)으로부터의 고 pH RO 침투물은 이후 가스 전달 어셈블리(28)을 통과하는데, 여기서 이산화탄소(CO₂)는 제 1 및 제 2 흐름 채널(34 및 36)을 통과한다. 이 방법은 제 2 RO 필터(22b)의 출력을 재석회화하기 위한 석회 필터(52)를 추가로 포함한다. 석회는 재석회화 수단으로서 공지되어 있고 본 시스템에 의해 제공되는 재석회화를 보충하기 위해 사용될 수 있다.

도 5와 6은 본 시스템의 추가적인 예를 설명하는데, 여기서 석회 필터를 통해 추가적인 재석회화를 수행한다. 즉, 도 5에서, 석회 필터(52)를 제 2 흐름 채널(36)의 하류 단부(48)에 배치시킨다. 도 6에서, 석회 필터(52)를 RO 필터(22)의 출력에 포함된다. 또한, 도 6에서 침투물의 pH는 석회 필터(52)를 통과하기 이전에 낮춰진다.

도 7-10은 본발명의 또다른 변형예를 예시한다. 이들 변형예에서, 이산화탄소(CO₂)를 해수와 반대로 농축 염수로부터 격리한다. 말하자면, 개시된 각 구체예에서, 제 1 흐름 채널(34)의 입구를 RO 필터(22)의 염수 출구와 연결시킨다. 제 1 구체예에서와 같이, 황산(H₂SO₄)을 부가하여 상기 반응식 1에 따라 이산화탄소(CO₂)을 생성한다. 그렇지만, 도 7-10에 도시된 구체예의 경우, 반응에 필요한 중탄산염(HCO₃ ^-)이 염수 농축물(22) 내에서는 발견되지만 해수에서는 발견되지 않는다.

도 7의 구체예에서, 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 제 2 흐름 채널(36)의 상류측에 부가함으로써 침투물의 pH를 증가시키고, 이에 따라 가스 전달막을 통한 이산화탄소(CO₂)의 전달율을 증가시킨다. 도 8의 구체예는 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 대신 수산화나트륨(NaOH)을 사용한다는 것을 제외하고 도 7의 구체예와 모든면에서 동일하다. 도 9의 구체예에서, 제 2 흐름 채널의 하류에서 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 투입이 이루어진다. 마지막으로, 도 10의 구체예에서, 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 투입 대신에 석회 필터(52)를 사용한다.

본 명세서는 상기한 상세한 설명뿐만 아니라, 첨부된 청구범위에 포함된 내용도 포함한다. 비록 본발명은 어느 정도 구체적인 바람직한 형태로 기술되어 있지만, 이러한 바람직한 형태에 관한 본 기술내용은 단지 예시적인 것일 뿐 본발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 상세한 구성과 부품의 조합과 배치에 있어서 수많은 변경이 행해질 수 있음을 이해할 수 있다.

Claims (5)

1. 해수 탈염 플랜트에서 처리수를 재석회화하는 방법에 있어서, 이 방법은 다음 단계:
   제1 해수를 상류 입구와 역삼투(RO) 침투물에 대한 하류 출구를 포함하는 역삼투(RO) 필터(22a)를 제공하는 단계;
   가스 전달막을 제공하는 단계, 여기서 이 막은 제 1 및 제 2 흐름 채널을 포함하고, 각 흐름 채널은 상류와 하류 단부를 갖고, 제 1 흐름 채널에 제2 해수를 공급하고 제 2 흐름 채널에 제1 RO 침투물을 공급하며;
   제2 해수의 상류 단부에 황산(H₂SO₄)을 부가하여 산성화된 해수 용액을 생성함으로써 황산(H₂SO₄)이 해수 내에 존재하는 중탄산염(HCO₃-)과 반응하여 다음 식에 따라 이산화탄소(CO₂) 가스를 생성하는 단계:
   H₂SO₄ + HCO₃ ^- CO₂ 반응식 1;
   상기 가스 전달막을 통해 이산화탄소(CO₂) 가스를 통과시킴으로써, 이산화탄소(CO₂) 가스를 제 1 흐름 채널로부터 제 2 흐름 채널로 격리시키는 단계;
   상기 가스 전달막을 통과한 제 2 흐름 채널의 제1 RO 침투물은 역삼투(RO) 필터(22a)를 통과한 제2 RO 침투물에 혼합하는 단계;
   상기 가스 전달막을 통과한 제 1 흐름 채널의 해수를 역삼투(RO) 필터(22b)로 투입하는 단계;
   상기 역삼투(RO) 필터(22b)를 통과한 제3 RO 침투물에 황산(H₂SO₄)을 부가하여 pH를 낮춘 이후, 석회필터(52)를 통과하는 단계; 및
   상기 석회필터(52)를 통과하여 재석회화된 제3 RO 침투물을 상기 제2 RO 침투물에 혼합하는 단계;를 포함하는 방법.
   
2. 해수 탈염 플랜트에서 처리수를 재석회화하는 방법에 있어서, 이 방법은 다음 단계:
   제1 해수를 상류 입구와 침투물에 대한 하류 출구를 포함하는 제1 필터(22a)를 제공하는 단계;
   가스 전달막을 제공하는 단계, 여기서 이 막은 제 1 및 제 2 흐름 채널을 포함하고, 각 흐름 채널은 상류와 하류 단부를 갖고, 제 1 흐름 채널에 제 2 해수를 공급하고 제 2 흐름 채널에 침투물을 공급하며;
   제2 해수의 상류 단부에 산을 부가하여 산성화된 해수 용액을 생성함으로써 황산(H₂SO₄)이 해수 내에 존재하는 중탄산염(HCO₃-)과 반응하여 이산화탄소(CO₂) 가스를 생성하는 단계:
   상기 가스 전달막을 통해 이산화탄소(CO₂) 가스를 통과시킴으로써, 이산화탄소(CO₂) 가스를 제 1 흐름 채널로부터 제 2 흐름 채널로 격리시키는 단계;
   상기 가스 전달막을 통과한 제 2 흐름 채널의 침투물은 필터(22a)를 통과한 제2 침투물에 혼합하는 단계;
   상기 가스 전달막을 통과한 제 1 흐름 채널의 해수를 필터(22b)로 투입하는 단계;
   상기 필터(22b)를 통과한 제3 침투물에 황산(H₂SO₄)을 부가하여 pH를 낮춘 이후, 석회필터(52)를 통과하는 단계; 및
   상기 석회필터(52)를 통과하여 재석회화된 제3 침투물을 상기 제2 침투물에 혼합하는 단계;를 포함하는 방법.
   
3. 제 2항에 있어서, 제2 해수의 상류 단부에 부가되는 산이 황산이고, 이산화탄소(CO₂) 가스는 다음 반응식:
   H₂SO₄ + HCO₃ ^- → CO₂ 반응식 1
   에 따라 생성되는 방법.
   
4. 삭제
5. 제 2항에 있어서, 필터는 역삼투 필터인 방법.

Images