KR101708921B1 - 역삼투형 조수기에서 생산되는 청수의 pH를 제어하는 장치 - Google Patents

역삼투형 조수기에서 생산되는 청수의 pH를 제어하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박, 해양플랜트 등의 해상 구조물에 적용될 수 있는 역삼투형 조수기의 pH 제어 기술에 관한 것으로서, 구체적으로 수산화나트륨 탱크, 탄산염광물 필터, pH 센서 등을 포함함으로써 해수로부터 생산된 청수의 pH를 제어할 수 있는 장치에 관한 것이다.

Description

역삼투형 조수기에서 생산되는 청수의 pH를 제어하는 장치{An apparatus for controlling pH of fresh water produced by fresh water generator using reverse osmosis}
본 발명은 선박, 해양플랜트 등의 해상 구조물에 적용될 수 있는 역삼투형 조수기의 pH 제어 기술에 관한 것으로서, 구체적으로 수산화나트륨 탱크, 탄산염광물 필터, pH 센서 등을 포함함으로써 해수로부터 생산된 청수의 pH를 제어할 수 있는 장치에 관한 것이다.
선박, 해양플랜트 등의 해상 구조물에는 선원 또는 기술자들이 생활하거나 각종 장비들을 운용하기 위해 청수(fresh water)가 필수적으로 공급되어야 하며, 이러한 청수를 청수 탱크에서 저장 후 경수화 장치 및 살균기를 거쳐서 선원 또는 기술자들에게 위생수 및 음용수로서 공급하는 시스템을 음용수 공급 시스템(potable water system)이라 한다.
대표적인 음용수 공급 시스템(potable water system)으로서 온음용수 공급 시스템(hot potable water system)을 들 수 있는데, 여기에 온수기(calorifier)가 여기에 포함되며, 온수기는 일반적으로 전기 히터(heater)가 적용된다. 경우에 따라서는 증기(steam)을 이용하는 경우도 있지만, 관리의 용이성 및 위생적인 측면에서 전기 히터가 주로 적용되고 있다.
한편, 이러한 음용수로서 활용될 수 있는 청수는 조수기(fresh water generator)에서 생산될 수 있는데, 조수기의 종류에는 해수를 취수하여 열원에 의해 증기화하여 응축시켜서 청수를 생산하는 증발식 조수기, 반투막에 삼투압을 역으로 가하여 식음용수용 청수(수질: 500ppm 이하) 및 기기용수(수질: 10ppm 이하)를 생산하는 역삼투형(reverse osmosis type, RO type) 조수기 등이 있다.
특히, 역삼투형 조수기의 원리인 역삼투압 방식은 비교적 시스템이 단순하며 대용량의 조수기에도 적용될 수 있다는 장점이 있기 때문에, 상기 역삼투형 조수기는 다수의 선원 또는 기술자들을 필요로 하는 해양 구조물에 주로 사용된다.
도 1은 이러한 역삼투 방식을 사용하는 종래의 역삼투형 조수기에서 청수가 생성되는 과정을 나타낸 것이다.
먼저, 해양(1)에서 공급되는 해수는 각종 여과 등을 수행하는 전처리 장치(2)를 거치게 되고, 전처리된 해수는 펌프(3)를 통해 삼투막이 포함된 역삼투 처리부(4)로 공급된다. 역삼투 처리부(4)에서는 해수가 역삼투됨으로써 청수가 생산되고, 농축된 해수는 다시 해양(1)으로 배출된다. 이렇게 생성된 청수는 청수 가압펌프(5)를 통해 청수 탱크(7)로 공급된다.
그런데, 역삼투형 조수기에서 해수가 삼투막(osmosis membrane)을 통과하여 청수가 생산되는 과정에서는, 청수의 pH가 산성에 가깝게 낮아지며, 총 용존성 고형물질(Total Dissolved Solids)도 1 ~ 3 ppm의 매우 낮은 수치로 떨어지게 된다.
따라서, 평균적으로 약 20년 이상의 생애주기(life cycle)가 요구되는 해양 구조물에서 이와 같은 역삼투형 조수기를 통해 생산되는 청수를 사용할 경우, 청수의 낮은 pH(산성) 특성으로 인해 각종 시설 및 장비가 부식될 수 있다는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 역삼투를 통해 생산된 청수가 탄산염광물로 이루어진 필터(6)를 통과하도록 하여 pH를 높이거나, 조수기 또는 해양 구조물의 부품 및 설비를 내식성 물질로 구성하였다.
그러나 생산된 청수의 pH를 높이는 데 필요한 탄산염광물 필터는 부피 또는 용량이 크기 때문에 제한된 공간을 갖는 해양 구조물에서 사용하는 것은 공간 활용 측면에서 비효율적이며 지속적인 유지, 관리 및 보수가 필요하다는 문제점이 있고, 산 등에 대한 내식성을 갖는 물질은 비용이 비싸다는 문제점이 있다.
따라서, 생산된 청수의 pH를 효과적이면서도 효율적으로 제어하는 기술이 요구되었다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박, 해양플랜트 등의 해상 구조물에 적용되는 역삼투형 조수기에 있어서, 수산화나트륨 탱크처럼 간단하고도 부피가 작은 설비를 통해 해수로부터 생산된 청수의 pH를 높이고, 측정된 pH를 기초로 수산화나트륨의 공급량을 조절함으로써 pH를 효율적이고 효과적으로 조절하고자 한다.
또한, 청수의 pH를 정확하게 측정하기 위해, 탄산염광물 필터를 제공함으로써 총 용존성 고형물질의 농도를 적정 수준으로 증가시키고자 한다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 역삼투형(reverse osmosis type) 조수기의 pH 제어 장치를 제공하며 구체적으로는, 해수(sea water)를 역삼투(reverse osmosis)하여 청수(fresh water)를 생산하는 역삼투 처리부(4), 생산된 청수를 청수 탱크(7)로 공급하는 청수 가압펌프(booster pump)(5), 상기 청수 가압펌프(5)로부터 공급된 청수를 저장하는 청수 탱크(7) 및 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수에 수산화나트륨(NaOH)을 공급하는 수산화나트륨 탱크(18)를 포함하는 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 제공한다.
또한, 상기 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 수산화나트륨을 주입하는 라인(c)에 설치되는 수산화나트륨 밸브(17), 수산화나트륨이 주입된 청수의 일부를 공급받는 탄산염광물 필터(20), 상기 탄산염광물 필터(20)를 통과한 청수의 pH를 측정하는 pH 센서(21) 및 제어부(19)를 더 포함하여, 상기 pH 센서(21)에 측정된 pH가 설정 범위를 초과하거나 미달하면 상기 제어부(19)가 상기 수산화나트륨 밸브(17)를 제어하여 상기 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 공급되는 수산화나트륨의 양을 각각 감소시키거나 증가시키도록 할 수 있다.
또는, 상기 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 수산화나트륨을 주입하는 수산화나트륨 펌프(25), 수산화나트륨이 주입된 청수의 일부를 공급받는 탄산염광물 필터(20), 상기 탄산염광물 필터(20)를 통과한 청수의 pH를 측정하는 pH 센서(21) 및 제어부(19)를 더 포함하여, 상기 pH 센서(21)에 측정된 pH가 설정 범위를 초과하거나 미달하면 상기 제어부(19)가 상기 수산화나트륨 펌프(25)를 제어하여 상기 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 공급되는 수산화나트륨의 양을 각각 감소시키거나 증가시키도록 할 수 있다.
한편, 상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 전기전도도(conductivity)를 측정하는 전도도 센서(11), 상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 청수를 공급하는 라인(a)과 상기 역삼투 처리부(4)로 청수를 재공급하는 라인(b)을 연결하는 3방(three-way) 밸브(13) 및 TDS(Total Dissolved Solids) 제어부(12)를 더 포함할 수 있는데, 이로써 상기 전도도 센서(11)에 측정된 값이 설정 값을 초과하면 상기 TDS 제어부(12)가 상기 3방 밸브(13)를 제어하여 상기 3방 밸브(13)를 통해 상기 역삼투 처리부(4)로 재공급되는 청수의 양을 증가시키도록 할 수 있다.
본 발명의 pH 제어 장치는, 상기 탄산염광물 필터(20)로 공급되는 청수의 전기전도도를 측정하는 전도도 센서(11), 상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 청수를 공급하는 라인(a)과 상기 역삼투 처리부(4)로 청수를 재공급하는 라인(b)을 연결하는 3방(three-way) 밸브(13) 및 TDS 제어부(12)를 더 포함하여, 상기 전도도 센서(11)에 측정된 값이 설정 값을 초과하면 상기 TDS 제어부(12)가 상기 3방 밸브(13)를 제어하여 상기 3방 밸브(13)를 통해 상기 역삼투 처리부(4)로 재공급되는 청수의 양을 증가시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 탄산염광물 필터(20)를 통과한 청수의 전기전도도를 측정하는 시료 전도도 센서(22), 상기 탄산염광물 필터(20)로부터 상기 청수 탱크(7)로 청수를 공급하는 라인(d)과 상기 역삼투 처리부(4)로 청수를 재공급하는 라인(e)을 연결하는 시료 3방 밸브(24) 및 시료 제어부(23)를 더 포함하여, 상기 시료 전도도 센서(22)에 측정된 값이 설정 값을 초과하면 상기 시료 제어부(23)가 상기 시료 3방 밸브(24)를 제어하여 상기 시료 3방 밸브(24)를 통해 상기 역삼투 처리부(4)로 재공급되는 청수의 양을 증가시킬 수 있다.
그리고, 상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 유량을 측정하는 유량 센서(8), 상기 역삼투 처리부(4)에서 농축된 해수를 외부로 배출하는 라인(f)에 설치되는 해수 밸브(10) 및 유량 제어부(9)를 더 포함하여, 상기 유량 센서(8)에 측정된 값이 설정 범위를 초과하거나 미달하면 상기 유량 제어부(9)가 상기 해수 밸브(10)를 제어하여 상기 해수 밸브(10)를 통해 외부로 배출되는 농축된 해수의 양을 각각 증가시키거나 감소시키도록 구성될 수도 있다.
이러한 본 발명의 pH 제어 장치는 상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 압력을 측정하는 압력 센서(14) 및 청수 제어부(15)를 더 포함하여, 상기 압력 센서(14)에 측정된 값이 설정 범위를 초과하거나 미달하면 상기 청수 제어부(15)가 상기 청수 가압펌프(5)를 제어하여 상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 양을 각각 감소시키거나 증가시키도록 할 수 있다.
이때 상기 탄산염광물 필터(20)는, 방해석(calcite) 필터 또는 백운석(dolomite) 필터인 것이 바람직하다.
또한, 상기 수산화나트륨이 주입된 청수를 교반하는 혼합기(16)를 더 포함하도록 구성될 수 있으며, 상기 역삼투 처리부(4)가 제 1 역삼투 처리부(4a) 및 제 2 역삼투 처리부(4b)로 이루어지도록 구성될 수도 있다.
또한 본 발명은 다른 실시예에 따라, 위와 같은 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 포함하는 선박을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박, 해양플랜트 등의 해상 구조물에 적용될 수 있는 역삼투형 조수기의 pH 제어에 있어서, 해수의 역삼투를 통해 생산된 청수의 pH가 간단하고 부피가 작은 설비인 수산화나트륨 탱크로부터 공급되는 수산화나트륨을 통해 높아지는 효과가 있으며, pH 센서 및 제어부 등을 포함하는 구성을 통해 청수의 측정된 pH를 기초로 수산화나트륨의 공급량을 조절함으로써 pH가 효율적, 효과적으로 조절된다는 장점이 있다.
또한, 탄산염광물 필터를 구성하여 청수 내 총 용존성 고형물질의 농도를 청수의 pH 측정에 적정한 수준으로 증가시킴으로써, pH가 보다 정확하게 측정될 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 역삼투(reverse osmosis) 방식을 사용하는 종래의 역삼투형 조수기에서 청수가 생성되는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 수산화나트륨 펌프(25)를 포함하는 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치에 포함된 pH 센서(21)의 내부 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도도 센서(11), 3방 밸브(13) 및 TDS 제어부(12)를 더 포함하는 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 전도도 센서(22), 시료 3방 밸브(24) 및 시료 제어부(23)을 포함하는 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투형(reverse osmosis type) 조수기의 pH 제어 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치는 도 2와 같이 역삼투 처리부(4), 청수 가압펌프(5), 청수 탱크(7) 및 수산화나트륨 탱크(18) 등을 포함한다.
해양(1)에서 취수된 해수는 펌프(3)에 의해서 역삼투 처리부(4)로 보내지는데, 그 전에 해수에 포함된 각종 침전물 등의 고형물질이 제거되거나 화학약품에 의해 화학적으로 처리될 수 있는 전처리 장치(2)를 거칠 수 있다. 전처리 장치(2)에는 여과기, 스트레이너(strainer), 화학약품 탱크 등이 포함됨으로써 이와 같은 단계가 수행될 수 있다.
전처리 장치(2)를 거친 해수는 펌프(3)에 의해 삼투막(osmosis membrane)이 포함된 역삼투 처리부(4)로 공급되고, 역삼투 처리부(4)에서 해수는 삼투압 이상의 압력(약 60 barg 이상)을 받아 삼투막을 통과함으로써 청수로 변환된다. 이렇게 생산된 청수는 청수 가압펌프(booster pump)(5)에 의해 청수 탱크(7)로 공급되고, 청수 탱크(7)에서는 이러한 청수를 공급받아 저장한다.
한편, 역삼투 처리부(4)에서 청수를 생산하는데 사용되어 농축된 해수는 배출 라인(f)을 통해 다시 해양(1) 등의 외부로 배출되는데, 이때 역삼투 처리부(4)로부터 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 유량을 측정하는 유량 센서(8), 역삼투 처리부(4)에서 농축된 해수를 해양(1) 등의 외부로 배출하는 라인(f)에 설치된 해수 밸브(10) 및 유량 제어부(9)를 더 포함함으로써, 생산되는 청수의 유량을 조절할 수 있다.
즉, 유량 제어부(9)가 유량 센서(8)에 측정되는 값을 기초로 해수 밸브(10)를 제어할 수 있는데, 유량 센서(8)에 측정되는 값이 설정된 범위를 초과하면 생산되는 청수의 유량이 과도함을 의미하는 것이므로 해수 밸브(10)를 더 열어 외부로 배출되는 해수의 유량을 증가시킴으로써 역삼투 처리부(4) 내의 해수 및 청수에 가해지는 압력을 감소시키고, 유량 센서(8)에 측정되는 값이 설정된 범위에 미달하면 생산되는 청수의 유량이 부족함을 의미하는 것이므로 해수 밸브(10)를 더 닫아 외부로 배출되는 해수의 유량을 감소시킴으로써 역삼투 처리부(4) 내의 해수 및 청수에 가해지는 압력을 증가시키는 방식으로 제어가 이루어진다.
한편, 역삼투 처리부(4)는 제 1 역삼투 처리부(4a) 및 제 2 역삼투 처리부(4b)로 구성되어 해수를 두 차례에 걸쳐 역삼투시킴으로써 보다 순도가 높은 청수를 생산할 수 있는데, 이 경우 해수 밸브(10)는 제 1 역삼투 처리부(4a)와 연결되는 제 1 해수 밸브(10a) 및 제 2 역삼투 처리부(4b)와 연결되는 제 2 해수 밸브(10b)로 구성될 수 있다.
청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 유량은, 역삼투 처리부(4)로부터 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 압력을 측정하는 압력 센서(14) 및 청수 제어부(15)를 더 포함함으로써 조절될 수 있다.
즉, 청수 제어부(15)가 압력 센서(14)에 측정되는 값을 기초로 청수 가압펌프(5)를 제어할 수 있는데, 압력 센서(14)에 측정되는 값이 설정된 범위를 초과하면 생산되는 청수의 유량이 증가하여 압력이 높아졌음을 의미하는 것이므로, 청수 가압펌프(5)의 모터를 가속하여 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 유량을 증가시키는 방식으로 제어가 이루어진다.
또한, 압력 센서(14)에 측정되는 값이 설정된 범위에 미달하는 경우에는 생산되는 청수의 유량이 감소하여 압력이 낮아졌음을 의미하는 것이므로, 청수 가압펌프(5)의 모터를 감속하여 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 유량을 감소시킨다.
앞서 서술한 바와 같이, 역삼투형 조수기에서 생산되는 청수의 pH는 산성에 가깝게 낮아진다. 따라서, 역삼투 처리부(4)로부터 청수 탱크(7)로 공급되는 청수에 수산화나트륨(NaOH)을 공급함으로써 pH를 조절할 수 있다. 이와 같은 수산화나트륨은 수산화나트륨 탱크(18)로부터 공급된다.
또한, 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 수산화나트륨을 주입하는 라인(c)에 설치되는 수산화나트륨 밸브(17), 수산화나트륨이 주입된 청수의 pH를 측정하는 pH 센서(21) 및 제어부(19)를 더 포함함으로써, 수산화나트륨이 청수의 pH를 일정 수준으로 유지시키는데 필요한 수준으로만 주입되도록 조절할 수 있다.
즉, 제어부(19)가 pH 센서(21)에 측정되는 값을 기초로 수산화나트륨 밸브(17)를 제어할 수 있는데, pH 센서(21)에 측정되는 값이 설정된 범위를 초과하면 수산화나트륨이 과도하게 주입되어 pH가 적정 수준보다 높아졌음을 의미하는 것이므로 수산화나트륨 밸브(17)를 더 닫아 청수로 공급되는 수산화나트륨의 양을 감소시키고, pH 센서(21)에 측정되는 값이 설정된 범위에 미달하면 수산화나트륨의 주입량이 부족하여 pH가 적정 수준보다 낮음을 의미하는 것이므로 수산화나트륨 밸브(17)를 더 열어 청수로 공급되는 수산화나트륨의 양을 증가시키는 방식으로 제어가 이루어진다.
이때, pH의 설정 범위는 pH 7.0 ~ 7.5의 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 혼합기(16)를 더 포함하여 청수 및 청수에 주입된 수산화나트륨을 교반하도록 구성할 수도 있다.
상기 라인(c)에 설치되는 수산화나트륨 밸브(17) 대신에, 도 3과 같이 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 수산화나트륨을 주입하는 수산화나트륨 펌프(25)가 포함될 수 있는데, 제어부(19)가 수산화나트륨 펌프(25)의 모터의 회전수(RPM)을 제어함으로써 위와 유사한 방식으로 pH의 조절이 이루어진다.
즉, pH 센서(21)에 측정된 pH가 설정 범위를 초과하거나 미달하면, 제어부(19)가 수산화나트륨 펌프(25)를 제어하여, 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 공급되는 수산화나트륨의 양을 각각 감소시키거나 증가시킨다.
한편, 상기 pH 센서(21)는 도 4와 같이, 일면이 개방되어 청수가 유입되는 측정 챔버(83), 상기 측정 챔버(83) 내부에 위치하는 측정 전극(81), 내부에 전해액(electrolyte)이 포함된 기준 챔버(84), 기준 챔버(84) 내부에 위치하는 기준 전극(82), 측정 전극(81)과 기준 전극(82)을 연결하는 도선(90), 기준 챔버(84)의 일면에 형성되어 기준 챔버(84)의 내부 및 외부에 노출되는 염다리(salt bridge)(85) 및 측정 전극(81)과 기준 전극(82)의 전위차를 측정하는 센서부(86)를 포함하는 구조로 이루어진다.
측정 챔버(83)는 내부에 측정 전극(81)이 위치할 수 있는 공간이 형성된 구성으로서, 일면이 개방되어 청수 등 pH가 측정될 시료가 유입될 수 있는 구조인 것이 바람직하다. 이때 측정 전극(81)으로서 은/염화은(Ag/AgCl) 전극 또는 감홍(Hg/HgCl) 전극 등이 사용될 수 있다.
기준 챔버(84)는 전해액(electrolyte)이 포함된 내부가 외부로부터 밀폐된 구조를 갖는 구성으로서, 기준 챔버(84) 내부에 기준 전극(82)이 상기 전해액과 접촉하도록 위치한다. 이때 기준 전극(82)로서 은/염화은(Ag/AgCl) 전극 등이 사용될 수 있으며, 전해액으로서 염화칼륨(KCl) 용액 등이 사용될 수 있다.
이러한 기준 챔버(84)의 일면에는 염다리(85)가 기준 챔버(84)의 내부 및 외부에 노출되도록 형성됨으로써, 내부의 전해액과 외부의 청수 등의 시료가 염다리(85)를 통해 전기화학적으로 접촉(electrochemical communication)할 수 있다.
도선(90)은 측정 전극(81)과 지시 전극(82)을 전기적으로 연결하며, 센서부(86)는 일종의 전압계로서 측정 전극(81)과 기준 전극(82)의 전위차를 측정하는 역할을 한다.
한편, 측정 챔버(83)의 개방된 면을 수소이온 선택성 막(89)으로 구성함으로써 측정 챔버(83)가 외부로부터 밀폐되도록 할 수 있는데, 이때 밀폐된 측정 챔버(83) 내부에 염산(HCl) 수용액 등의 전해액을 채움으로써 청수 등의 시료와 측정 전극(81)이 상기 수소이온 선택성 막(89) 및 전해액을 통해 전기화학적으로 접촉할 수 있다. 이와 같은 구성들을 통해 pH를 측정하는 원리는 다음과 같다.
수소 이온(H+)이 포함된 청수가 측정 챔버(83) 내부로 유입되어 측정 전극(81)과 접촉하거나 수소이온 선택성 막(89) 및 전해액을 통해 전기화학적으로 접촉하면, 반응성의 차이에 의해 전위차가 발생하기 때문에, 상기 도선(90)을 통해 측정 전극(81)과 기준 전극(82) 간에 전자가 이동하여 전류가 흐르게 된다. 이때 상기 전위차에 의해 발생하는 전압은 센서부(86)에서 측정되는 것으로서, 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112015071686299-pat00001
(1)
기준 전극의 전위(Eref)는 기준 전극(82)과 전해액 계면에서 발생하는 기준 전극 계면 전위(Er)와 염다리(85)와 접촉하여 발생하는 접촉 전위(Ej)로 구성된다. 이를 수식적으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112015071686299-pat00002
(2)
그러나, 통상 상기 전해액으로서 염다리(85)와의 전위차이가 없는 용액을 선택하므로, Ej = 0으로 가정할 수 있다. 따라서 식 (2)를 식 (1)에 대입하면 다음과 같다.
Figure 112015071686299-pat00003
(3)
측정 전극 전위(ES)는 수소 이온의 농도에 따라 다음과 같은 관계식을 갖게 된다.
Figure 112015071686299-pat00004
(4)
여기서 R, T, F,
Figure 112015071686299-pat00005
및
Figure 112015071686299-pat00006
는 각각 기체상수(1.987 cal/℃·mol), 절대온도(K), 패러데이 상수(96487 C/mol) 및 수소이온 선택성 막(89) 내면의 수소이온의 활동도와 수소이온 선택성 막(89) 외면의 수소이온의 활동도이다. 수소이온의 활동도는 수소이온의 농도에 정비례하는 관계를 가지고 있어 다음의 식 (5)와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015071686299-pat00007
(5)
여기서 γ와 [H+]는 각각 비례상수와 수소이온의 농도(mol/ℓ)이다. 그런데 측정 전극(81) 내에 있는 전해액의 농도는 일정하므로 식 (4)는 다시 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015071686299-pat00008
(6)
이와 같은 식들을 종합하면 기전력(EMF)은 다음의 식 (7)과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015071686299-pat00009
(7)
즉, 기전력(EMF)의 크기는 수소 이온의 농도([H+])에 비례하기 때문에 기전력에 의해 발생하는 전압을 통해 pH를 측정할 수 있으며, 이와 같은 pH 센서(21)는 센서부(86)에서 측정된 전압 값을 pH 값으로 환산하는 변환부(87) 및 변환된 pH 값을 표시하는 디스플레이부(88)를 더 포함할 수도 있다.
그런데, 이러한 pH 센서(21)가 청수의 pH를 정상적으로 측정하기 위해서는, 청수에 포함된 총 용존성 고형물질(Total Dissolved Solids, TDS)의 농도가 최소 약 10 ppm 이상이어야 하며, 이에 따라 두 전극을 흐르는 전기의 양이 pH 값을 읽을 수 있을 정도가 되어야 한다.
그러나, 앞서 서술한 바와 같이 역삼투를 통해 생산된 청수는 총 용존성 고형물질이 1 ~ 3 ppm의 매우 낮은 수치로 떨어진다는 문제점이 있으므로, 청수의 pH를 측정하기 전에 청수가 탄산염광물 필터(20)를 통과하도록 함으로써 총 용존성 고형물질의 농도를 약 10 ppm 수준으로 높일 수 있다.
즉, 수산화나트륨이 주입된 청수의 일부를 시료로서 분리하여 탄산염광물 필터(20)에 공급함으로써 청수가 탄산염광물 필터(20)를 통과하도록 한 다음, 상기 탄산염 광물 필터(20)를 통과하여 총 용존성 고형물질의 농도가 높아진 청수의 pH를 pH 센서(21)를 이용해 측정할 수 있다.
이와 같은 탄산염광물 필터(20)는 종래의 역삼투형 조수기에서 청수의 pH를 높이기 위해 사용하던 대용량의 탄산염광물 필터와 달리, 총 용존성 고형물질의 농도를 pH 측정이 가능한 수준(약 10 ppm)으로 증가시키기 위한 소용량의 탄산염광물 필터이기 때문에, 해양 구조물 내의 공간 활용 측면에서 효율적이며, 유지, 관리 및 보수 측면에서 상대적으로 편리하다.
또한, 상기 탄산염광물 필터(20)는 방해석(calcite) 필터 또는 백운석(dolomite) 필터인 것이 바람직하다.
본 발명의 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치는 역삼투 처리부(4)로부터 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 전기전도도(conductivity)를 측정하는 전도도 센서(11), 역삼투 처리부(4)로부터 청수 탱크(7)로 청수를 공급하는 라인(a)과 역삼투 처리부(4)로 청수를 재공급하는 라인(b)을 연결하는 3방(three-way) 밸브(13) 및 TDS(Total Dissolved Solids, 총 용존성 고형물질) 제어부(12)를 더 포함함으로써, 청수 탱크(7)로 공급되는 청수 내에 포함된 고형물질의 농도를 조절하는 것이 가능하다.
즉, 용존성 고형물질의 농도가 높을수록 전기전도도가 높아지는 것을 이용하여, TDS 제어부(12)가 전도도 센서(11)에 측정되는 값을 기초로 3방 밸브(13)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 전도도 센서(11)에 측정되는 값이 설정된 값을 초과하면 생산되는 청수에 포함된 고형물질의 농도가 과도하게 높음을 의미하는 것이므로, 3방 밸브(13)를 더 열어 역삼투 처리부(4)로 재공급되어 다시 역삼투 되는 청수의 유량을 증가시키는 방식으로 총 용존성 고형물질 농도의 제어가 이루어진다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도도 센서(11), 3방 밸브(13) 및 TDS 제어부(12)를 더 포함하여 총 용존성 고형물질 농도의 제어가 이루어지는 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
앞선 도 2의 역삼투 처리부(4)로부터 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 전기전도도를 측정하는 전도도 센서(11)와 달리, 본 발명의 전도도 센서는 도 5에 나타난 바와 같이 수산화나트륨이 주입된 후 탄산염광물 필터로 공급되는 청수의 전기전도도를 측정하도록 구성될 수도 있다.
이와 같은 구성을 통해 수산화나트륨의 공급으로 발생하는 청수 내 고형물질 농도의 변화가 반영됨으로써, 보다 정확하고 효율적인 총 용존성 고형물질 농도의 제어가 수행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 전도도 센서(22), 시료 3방 밸브(24) 및 시료 제어부(23)을 포함하는 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
앞서 서술한 바와 같이, 수산화나트륨이 공급된 청수의 일부는 시료로서 탄산염광물 필터(20)를 통과한 뒤 pH 센서(21)에 의해 pH가 측정된다. pH가 측정된 후 상기 청수 시료는 다시 청수 탱크(7)로 공급되는데, 탄산염광물 필터(20)를 통과하면서 용존성 고형물질의 농도가 과도하게 높아진 경우 이러한 청수를 바로 청수 탱크(7)로 공급하는 것은 바람직하지 않다.
따라서, 탄산염광물 필터(20)를 통과한 청수의 전기전도도를 측정하는 시료 전도도 센서(22), 탄산염광물 필터(20)로부터 청수 탱크(7)로 청수를 공급하는 라인(d)과 역삼투 처리부(4)로 청수를 재공급하는 라인(e)을 연결하는 시료 3방 밸브(24) 및 시료 제어부(23)를 더 포함함으로써 이와 같은 문제를 해결할 수 있다.
즉, 시료 제어부(23)가 시료 전도도 센서(22)에 측정되는 값을 기초로 시료 3방 밸브(24)를 제어할 수 있는데, 시료 전도도 센서(22)에 측정되는 값이 설정된 값을 초과하면 청수 시료에 포함된 고형물질의 농도가 과도하게 높음을 의미하는 것이므로, 시료 3방 밸브(24)를 더 열어 역삼투 처리부(4)로 재공급되는 청수의 유량을 증가시키는 방식으로 이러한 문제를 해결할 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명의 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치는 선박, 해양플랜트 등의 모든 해상 구조물에 적용될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
1: 해양 2: 전처리 장치
3: 펌프 4: 역삼투 처리부
4a: 제 1 역삼투 처리부 4b: 제 2 역삼투 처리부
5: 청수 가압펌프 6: 대용량 탄산염광물 필터
7: 청수 탱크 8: 유량 센서
9: 유량 제어부 10: 해수 밸브
10a: 제 1 해수 밸브 10b: 제 2 해수 밸브
11: 전도도 센서 12: TDS 제어부
13: 3방 밸브 14: 압력 센서
15: 청수 제어부 16: 혼합기
17: 수산화나트륨 밸브 18: 수산화나트륨 탱크
19: 제어부 20: 탄산염광물 필터
21: pH 센서 22: 시료 전도도 센서
23: 시료 제어부 24: 시료 3방 밸브
25: 수산화나트륨 펌프 81: 측정 전극
82: 기준 전극 83: 측정 챔버
84: 기준 챔버 85: 염다리
86: 센서부 87: 변환부
88: 디스플레이부

Claims (12)

  1. 해수(sea water)를 역삼투(reverse osmosis)하여 청수(fresh water)를 생산하는 역삼투 처리부(4);
    생산된 청수를 청수 탱크(7)로 공급하는 청수 가압펌프(booster pump)(5);
    상기 청수 가압펌프(5)로부터 공급된 청수를 저장하는 청수 탱크(7); 및
    상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수에 수산화나트륨(NaOH)을 공급하는 수산화나트륨 탱크(18);
    수산화나트륨이 주입된 청수의 일부를 공급받아 청수에 포함된 총 용존성 고형물질(TDS)의 농도를 향상시키는 탄산염광물 필터(20); 및
    상기 탄산염광물 필터(20)를 통과한 청수의 pH를 측정하는 pH 센서(21);를 포함하되,
    상기 pH 센서(21)는,
    일면이 개방되어 청수가 유입되는 측정 챔버(83);
    상기 측정 챔버(83) 내부에 위치하는 측정 전극(81);
    내부에 전해액(electrolyte)이 포함된 기준 챔버(84);
    기준 챔버(84) 내부에 위치하는 기준 전극(82);
    측정 전극(81)과 기준 전극(82)을 연결하는 도선(90);
    기준 챔버(84)의 일면에 형성되어 기준 챔버(84)의 내부 및 외부에 노출되는 염다리(salt bridge)(85); 및
    측정 전극(81)과 기준 전극(82)의 전위차를 측정하는 센서부(86);를 포함하는, 역삼투형(reverse osmosis type) 조수기의 pH 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 수산화나트륨을 주입하는 라인(c)에 설치되는 수산화나트륨 밸브(17); 및
    제어부(19);를 더 포함하며,
    상기 pH 센서(21)에 측정된 pH가 설정 범위를 초과하거나 미달하면, 상기 제어부(19)가 상기 수산화나트륨 밸브(17)를 제어하여, 상기 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 공급되는 수산화나트륨의 양을 각각 감소시키거나 증가시키는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 수산화나트륨을 주입하는 수산화나트륨 펌프(25); 및
    제어부(19);를 더 포함하며,
    상기 pH 센서(21)에 측정된 pH가 설정 범위를 초과하거나 미달하면, 상기 제어부(19)가 상기 수산화나트륨 펌프(25)를 제어하여, 상기 수산화나트륨 탱크(18)로부터 청수로 공급되는 수산화나트륨의 양을 각각 감소시키거나 증가시키는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 전기전도도(conductivity)를 측정하는 전도도 센서(11);
    상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 청수를 공급하는 라인(a)과, 상기 역삼투 처리부(4)로 청수를 재공급하는 라인(b)을 연결하는 3방(three-way) 밸브(13); 및
    TDS(Total Dissolved Solids) 제어부(12);를 더 포함하며,
    상기 전도도 센서(11)에 측정된 값이 설정 값을 초과하면, 상기 TDS 제어부(12)가 상기 3방 밸브(13)를 제어하여, 상기 3방 밸브(13)를 통해 상기 역삼투 처리부(4)로 재공급되는 청수의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 탄산염광물 필터(20)로 공급되는 청수의 전기전도도를 측정하는 전도도 센서(11);
    상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 청수를 공급하는 라인(a)과, 상기 역삼투 처리부(4)로 청수를 재공급하는 라인(b)을 연결하는 3방(three-way) 밸브(13); 및
    TDS 제어부(12);를 더 포함하며,
    상기 전도도 센서(11)에 측정된 값이 설정 값을 초과하면, 상기 TDS 제어부(12)가 상기 3방 밸브(13)를 제어하여, 상기 3방 밸브(13)를 통해 상기 역삼투 처리부(4)로 재공급되는 청수의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 탄산염광물 필터(20)를 통과한 청수의 전기전도도를 측정하는 시료 전도도 센서(22);
    상기 탄산염광물 필터(20)로부터 상기 청수 탱크(7)로 청수를 공급하는 라인(d)과, 상기 역삼투 처리부(4)로 청수를 재공급하는 라인(e)을 연결하는 시료 3방 밸브(24); 및
    시료 제어부(23);를 더 포함하며,
    상기 시료 전도도 센서(22)에 측정된 값이 설정 값을 초과하면, 상기 시료 제어부(23)가 상기 시료 3방 밸브(24)를 제어하여, 상기 시료 3방 밸브(24)를 통해 상기 역삼투 처리부(4)로 재공급되는 청수의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 유량을 측정하는 유량 센서(8);
    상기 역삼투 처리부(4)에서 농축된 해수를 외부로 배출하는 라인(f)에 설치되는 해수 밸브(10); 및
    유량 제어부(9);를 더 포함하며,
    상기 유량 센서(8)에 측정된 값이 설정 범위를 초과하거나 미달하면, 상기 유량 제어부(9)가 상기 해수 밸브(10)를 제어하여, 상기 해수 밸브(10)를 통해 외부로 배출되는 농축된 해수의 양을 각각 증가시키거나 감소시키는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 압력을 측정하는 압력 센서(14); 및
    청수 제어부(15);를 더 포함하며,
    상기 압력 센서(14)에 측정된 값이 설정 범위를 초과하거나 미달하면, 상기 청수 제어부(15)가 상기 청수 가압펌프(5)를 제어하여, 상기 역삼투 처리부(4)로부터 상기 청수 탱크(7)로 공급되는 청수의 양을 각각 감소시키거나 증가시키는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 탄산염광물 필터(20)는,
    방해석(calcite) 필터 또는 백운석(dolomite) 필터인 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 수산화나트륨이 주입된 청수를 교반하는 혼합기(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 역삼투 처리부(4)는,
    제 1 역삼투 처리부(4a) 및 제 2 역삼투 처리부(4b)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 기재된 역삼투형 조수기의 pH 제어 장치를 포함하는, 선박.
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