KR101672224B1 - 탄산염 제조 및 이산화탄소의 저감을 위한 해수담수화 시스템 - Google Patents

탄산염 제조 및 이산화탄소의 저감을 위한 해수담수화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄산염 제조 및 이산화탄소의 저감을 위한 해수담수화 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 해수담수화 시스템은 해수담수화 공정으로부터 발생한 농축염수 내의 용존 금속이온을 이산화탄소와 반응시킴으로써 간단하고 경제적으로 탄산염을 생성하고 이산화탄소를 저감하며, 농축염수와 배출수의 염도차를 이용하여 전력을 생성하는 효과가 있다.

Description

탄산염 제조 및 이산화탄소의 저감을 위한 해수담수화 시스템{Desalinatation system of sea water for producing carbonate and removing carbon dioxide}
본 발명은 탄산염 제조 및 이산화탄소의 저감을 위한 해수담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 해수담수화 공정에서 발생한 농축염수 내의 용존 금속이온을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염광물을 생성하고, 이산화탄소를 저감하며, 농축염수와 배출수의 염도차를 이용하여 전력을 생성하는 시스템에 관한 것이다.
통상, 대기 환경에는 다양한 화학 물질들이 존재하며, 이들은 정상적인 환경과 농도하에서는 생태적 환경에 문제를 일으키지는 않는다. 그러나 산업화가 계속 진행되고 있는 곳과 같이, 모든 종류의 산업 기계와 운송기기들의 사용으로 점점 더 과도하게 화학물질이 배출되고 있다. 더 중요한 사실은, 모든 종류의 화학 물질들을 과도하게 배출하는 것은 결국 대기 오염을 일으킨다. 대기 오염 물질들은 인간, 동물, 및 식물의 건강에 대한 직접적인 피해를 주며, 산성비와 지구 온난화와 같은 환경 문제를 일으킨다. 소위 "온실 가스"는 지구의 온도를 증가시키는데 이바지 하는 대기 가스들을 의미하며, 지구 온도의 상승은 현재 가장 중요한 환경적 문제이며, 여기서 이산화탄소(CO2)는 지구 온난화에 가장 큰 영향을 미치고 있다.
이에 따라, CO2를 적게 배출하는 제품 공정, 생산공정과 연소 시스템 등의 CO2 발생을 줄이기 위한 연소 시스템, 기술 개발, 발생된 CO2를 포집 및 저장시키기 위한 기술 개발이 활발하게 집중적으로 진행되어왔다. 최근에는 CO2를 유용한 자원으로 보는 인식의 전환이 이루어짐에 따라 CO2의 포집과 활용에 대한 연구가 활발하게 진행되기 시작하였다. 이 중 탄산염 광물화는 탄산염 침전 반응을 이용하는 것으로 Ca2+ 등의 양이온이 존재하는 수용액에 CO2를 주입하여 탄산이온을 생성시키고 탄산염을 침전물로 회수하는 반응이다. 그러나, 탄소배출권 거래 시장은 세계 경제의 상황에 따라 매우 민감하게 반응하기 때문에, 이로부터의 안정적인 수익을 얻기는 어렵다. 게다가 최근 2000년대 말부터 시작된 세계 금융 위기로 인하여 탄소배출권 시장의 기능이 마비 되었다. 따라서 경제성 확보를 위하여 CO2를 활용하여 경제적 가치가 높은 탄산염으로 생성시키는 공정의 개발방법이 수익성 확보의 관건이 될 것으로 판단된다.
사회생활용수, 농업용수 및 산업용수가 더욱 더 필요하지만, 세계 도처에서 물을 구하지 못하는 곳은 여전히 많다. 해수는 염분을 함유하고 있기 때문에 이용할 수 없는데, 현존하는 염분제거 방법들은 처리 속도가 느리고 어려우며 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 많은 에너지를 필요로 한다. 또한, 일반적으로 해수담수화 공정에서는 필연적으로 많은 양의 농축수가 발생하게 되는데, 이의 배출로 인한 인근 해양 생태계에의 영향에 대한 우려가 야기되고 있다.
10-2011-0110252
본 발명자들은 해수담수화 공정을 이용한 탄산염 제조 및 이산화탄소의 저감 방법에 대해 탐색하던 중, 해수담수화 공정으로부터 발생한 농축염수 내의 용존 금속이온을 이산화탄소와 반응시킬 경우, 탄산염을 생성할 뿐 아니라 이산화탄소를 저감하고, 농축염수와 배출수의 염도차를 이용하여 전력을 생성하는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 해수담수화 공정 중 농축염수 내의 용존 금속이온을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염광물을 생성하고 이산화탄소를 저감하며, 농축염수와 배출수의 염도차를 이용하여 전력을 생성하는, 해수담수화 시스템를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 탄산염 생성장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 이산화탄소 제거장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 전력 생성장치를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,
본 발명은
(1) 농축염수로부터 금속이온을 분리하는 단계; 및
(2) 상기 분리된 금속이온을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 생성하는 단계;를 포함하는, 해수담수화 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 탄산염 생성장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 이산화탄소 제거장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 전력 생성장치를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 해수담수화 시스템은 해수담수화 공정으로부터 발생한 농축염수 내의 용존 금속이온을 이산화탄소와 반응시킴으로써 간단하고 경제적으로 탄산염을 생성하고 이산화탄소를 저감하며, 농축염수와 배출수의 염도차를 이용하여 전력을 생성하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 해수담수화 시스템의 예시적인 공정을 도시한 도면이다.
도 2는 농축염수로부터 금속이온 분리 및 추출 공정을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시형태를 제시한다. 그러나 하기의 실시 형태는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시 형태에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 (1) 농축염수로부터 금속이온을 분리하는 단계; 및 (2) 상기 분리된 금속이온을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 생성하는 단계;를 포함하는, 해수담수화 시스템을 제공한다.
본 발명은 다목적의 해수담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 해수로부터 얻은 농축염수 내의 용존 금속이온을 분리한 후 이를 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 생성하고 이산화탄소를 저감하며, 농축염수와 배출수의 염도차를 이용하여 전력을 생성하는, 해수담수화 시스템에 관한 것이다.
상기 (1) 단계는 농축염수로부터 용존 금속이온을 분리하는 단계이다.
상기 농축염수는 해수담수화 공정 중 해수로부터 얻는 것이 바람직하다. 보통, 자연해수 중에는 불순물, 부유물 또는 이물질 등이 존재한다. 해수담수화 공정으로부터 발생한 농축염수로부터 용존 금속이온을 분리하기 위해서는 해수내의 불순물 등을 먼저 제거해야 한다. 이 때, 막(membrane) 등을 이용할 수 있으며, 자연해수를 0.05 ~ 5.0 ㎛의 평균 기공크기를 갖는 막을 통해 여과시킴으로써 해수내 불순물 등을 제거할 수 있다. 상기 막의 종류로는 마이크로필터, 울트라필터 등을 사용할 수 있다. 상기 마이크로필터는 기공크기가 0.2 ㎛ 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 기공크기가 0.2 ㎛를 초과하는 경우, 해수 내 존재하는 큰 부유물질은 거를 수 있으나, 크기가 작은 부유물질이나 미생물을 제거하기에 어려울 수 있다. 상기 울트라필터는 기공크기가 0.1 ㎛ 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 기공크기가 0.1 ㎛를 초과하는 경우, 수중 내 크기가 작은 미생물을 제거하기 어려울 수 있다.
상기 해수 담수화 공정에서는 생산되는 탈염수와 동등한 양 이상으로 많은 양의 농축염수가 발생하게 된다. 상기 농축염수는 여과된 해수를 증발시키거나, 해수용 역삼투막을 통과시켜 얻을 수 있다. 상기 해수용 역삼투막은 염배제율이 최소 99% 이상의 제거효율을 보이는 막으로, 모듈의 형태는 일반적으로 막면적의 집적도가 높은 와권형(Spiral Wound Type) 막을 사용할 수 있다. 생성된 탈염수는 식수로 사용될 수 있으며, 상기 농축염수는 1 ~ 50 중량%의 염분 농도를 포함할 수 있고, 바람직하게는 6 중량%의 염분 농도를 포함할 수 있다.
해수담수화 공정 중 자연해수로 부터 얻은 농축염수는 다양한 금속이온을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 1가 내지 3가의 금속이온을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는 Li+, Na+, K+, Rb+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Al3+등의 금속 양이온을 포함할 수 있다. 상기 금속이온은 킬레이트 반응, 막(membrane), 침전법 또는 전기흡착 등의 방법에 의해 농축염수로부터 분리될 수 있다.
상기 농축염수에 포함된 다양한 산화수의 금속이온을 이산화탄소 저감을 위한 탄산염광물화에 적합하도록 분리하는 방법은, 예를 들면 1가의 알칼리금속은 이온교환막을 이용하여 기타 2가 및 3가 금속이온과 분리될 수 있다. 이때, 2가 알칼리토금속은 pH를 이용한 침전법에 의하여 3가 금속이온과 분리할 수 있다. 상기 산화수별로 분리된 금속이온은 그 종류에 따라 흡착제를 이용한 물리적 흡착, 킬레이트제를 이용한 화학적 결합 또는 pH의 미세 조절을 통한 수산화물 또는 중탄산수산화물, 유기/고분자물질을 이용한 흡수/흡착/결합에 의하여 분리될 수 있다. 이러한 방법으로 분리된 금속이온들은 이산화탄소와 반응하여 침전된 탄산염광물을 생성하고, 그 순도가 높게 얻을 수 있어 농축염수와 같은 폐기물과 온실가스인 이산화탄소를 이용하여 경제성을 확보할 수 있다. 상기 농축염수로부터 금속 양이온을 분리함으로써 음이온이 저감되어 반응성을 높였기 때문에 반응이 빠르며 금속 양이온과 결합하는 이산화탄소의 양은 크게 증가하게 된다.
상기 (2) 단계는 농축염수로부터 분리된 금속이온을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 생성하는 단계이다.
본 발명에 따른 탄산염 생성 및 이산화탄소의 저감은 해수담수화 공정 중 발생한 농축염수에 포함된 다양한 금속이온을 결정화시키는 과정 속에서 이루어지기 때문에 저 비용 및 간단한 설비로 가능하며 또한 각종 탄산염을 얻을 수 있으므로 매우 효율적이다.
상기 이산화탄소는 지구온난화, 이상기후, 및 대기오염 등을 일으키는 물질로, 가정 및 산업 시설에서 배출된 것일 수 있으며, 본 발명에서는 해수담수화 공정으로부터 배출된 것일 수 있다.
상기 탄산염은 해수담수화 공정 중 발생한 농축염수에 포함된 금속이온 및 이산화탄소가 반응하여 생성된 모든 물질을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Rb2CO3, MgCO3, CaCO3, SrCO3, BaCO3, Al2(CO3)3 등일 수 있으며, Li2CO3, MgCO3, 또는 CaCO3인 것이 바람직하다.
또한, 상기 해수담수화 시스템은 상기 금속이온이 분리된 농축염수와 배출수의 염도차를 이용하여 전력을 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 해수의 담수화 공정에서 발생한 농축염수는 일반 배출수에 비해 염도 차이가 상당하게 된다. 상기 배출수라 함은 일반 가정이나 산업에서 사용하고 버려지는 물로, 특정 오염물질은 다량 포함하지 않으며, 예를 들어 세정 용수 등의 용도로 사용되고 배출되는 물을 의미하는 것으로, 본 발명에서는 해수의 담수화공정에서 사용된 후 바다로 버려지는 물일 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 금속이온이 분리된 농축염수와 배출수의 염도 차이, 즉 삼투압 차이를 이용하여 전기를 발생시킬 수 있다. 또한, 이 때, 발생되는 전력을 해수담수화 시스템에 재활용함으로써 결과적으로 저에너지를 이용하여 담수를 생산할 수 있다.
상기 전력 생성 후, 농축염수에 존재하는 염분의 농도가 4 중량% 미만인 경우 농축염수는 해양으로 배출될 수 있다. 상기 염분의 농도는 자연해수의 염분 농도 수준으로 해양 생태계를 보전할 수 있다. 또한, 농축염수에 존재하는 염분의 농도가 4 중량% 이상인 경우 농축염수는 상기 (2) 단계로 재이송되어, 재이송된 농축염수로부터 금속이온을 분리하는 단계를 재수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 탄산염 생성장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 이산화탄소 제거장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 해수담수화 시스템을 포함하는, 전력 생성장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 탄산염 생성장치를 이용하여 제조된 탄산염을 제공한다.
도 1은 본 발명의 해수담수화 시스템의 예시적인 공정을 도시한 도면이고, 도 2는 농축염수로부터 금속이온 분리 및 추출 공정을 도시한 도면으로, 해수의 담수화 공정 중 발생한 농축염수로부터 이온교환막막 및 침전법 등을 이용하여 금속이온을 분리한다. 이 후, 상기 분리된 금속이온을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 생성한다. 한편 해수담수화 공정 중 발생한 이산화탄소는 탄산염으로 변환되어 저감된다. 이 후, 금속이온이 분리된 농축염수는 배출수와 염도차를 이용하여 염도차 발전에 의해 전기를 생산하고, 이 때 발생한 전기를 해수 담수화 시스템에 재활용함으로써, 본 발명은 저에너지를 이용하여 해수로부터 식수를 제조할 수 있도록 한다.

Claims (14)

  1. (1) 농축염수로부터 i) 1가 분리용 이온교환막에 의해 1가 금속 양이온을 선택적으로 분리하는 단계; ii) 상기 1가 금속 양이온이 분리된 농축염수로부터 침전법에 의해 2가 금속 양이온을 선택적으로 분리하는 단계; 및 iii) 잔류하는 3가 금속 양이온을 분리하는 단계;
    (2) 상기 분리된 1가 내지 3가 금속 양이온을 이산화탄소와 각각 반응시켜 탄산염을 생성하는 단계; 및
    (3) 상기 금속 양이온이 분리된 농축염수와 탈염된 해양 배출수의 염도차를 이용하여 전력을 생성하는 단계;를 포함하는, 해수담수화 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 농축염수는 해수로부터 얻은 것을 특징으로 하는, 해수담수화 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 해수는 평균 기공크기 0.05 ~ 5.0㎛의 멤브레인으로 여과된 것을 특징으로 하는, 해수담수화 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 농축염수는 염분의 농도가 6 중량%인 것을 특징으로 하는, 해수담수화 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소는 해수담수화 공정로부터 배출된 것을 특징으로 하는, 해수담수화 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 탄산염은 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Rb2CO3, MgCO3, CaCO3, SrCO3, BaCO3, 및 Al2(CO3)3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 해수담수화 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 생성 후의 농축염수에 존재하는 염분의 농도가 (a) 4 중량% 미만인 경우 농축염수는 해양으로 배출되고, (b) 4 중량% 이상인 경우 농축염수는 금속이온을 분리하는 단계로 재이송되는 것을 특징으로 하는 것인, 해수담수화 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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