KR101726393B1 - 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템 및 그 세정 방법 - Google Patents
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Abstract
역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 압력지연삼투용 반투과막을 통해 증가한 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하는 압력지연삼투 유닛의 장기운전 중에 발생하는 막오염 현상으로 인해 반투과막의 성능이 감소한 경우, 농도차에 의한 자연적인 삼투 현상을 이용하여 압력지연삼투용 반투과막을 세정함으로써 성능을 회복할 수 있고, 또한, 압력지연삼투 공정의 운전 성능을 향상시키고 공정의 안정성을 확보할 수 있는, 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템 및 그 세정 방법이 제공되다.
Description
본 발명은 압력지연삼투용 반투과막의 세정에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 압력지연삼투용 반투과막을 세정할 수 있도록 농도차에 의한 자연적인 삼투 현상을 이용하는, 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템 및 그 세정 방법에 관한 것이다.
전세계적으로 급증하는 에너지 수요와 화석연료의 단점을 극복하기 위해, 지속가능하고 환경 친화적이며 경제적인 대체 에너지 개발이 시급한 실정이다. 이러한 대체 에너지 기술 중의 하나로서, 염도차를 이용하여 삼투압을 이용하는 염도차 발전은 기존의 태양열, 풍력 등의 에너지와 달리 날씨, 계절의 영향을 받지 않는다. 또한, 이러한 염도차 발전은 무한한 해수자원을 이용하므로 고갈될 염려가 없는 무한한 해수자원을 이용하여 연속 생산이 가능하며, 이산화탄소의 배출이 없는 무공해 공정이라는 장점이 있다.
구체적으로, 이러한 염도차 발전은 해수(Seawater)와 담수(Fresh Water) 사이의 염도 차이로부터 상당량의 많은 에너지를 얻어 발전할 수 있는데, 이론적으로 톤당 0.8㎾ 이상의 에너지를 추출할 수 있고, 이것은 280m 이상의 댐에서 물이 떨어질 때 발생되는 에너지양과 유사하다. 이러한 염도차 발전의 제한요소는 담수를 지속적으로 공급하는데 있으며, 이론적으로 전 지구적으로 강물이 바다로 유입한다고 가정하면, 약 2테라와트(Terawatt)를 생성할 수 있고, 이 중에서 980기가와트(Gigawatt) 정도를 이용할 수 있으며, 또한, 폐수를 바다로 방류한다고 가정하면, 약 18기가와트 정도의 염도 차이에 의한 발전이 가능한 것으로 알려져 있다.
이에 따라 현재 전세계적으로 수력발전으로부터 약 800기가와트 정도의 전력이 생산된다고 볼 때, 이러한 염도차 발전에 의한 에너지는 무궁무진한 에너지원으로 볼 수 있다. 대표적인 염도차 발전 공정으로서, 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis; PRO) 공정 및 역 전기투석(Reverse Electro Dialysis: RED) 공정이 있다.
특히, 압력지연삼투(PRO) 공정은 염분 농도가 서로 다른 두 용액(Solution)의 염분 농도 차이를 이용한 발전이라고 할 수 있고, 저농도의 유입수와 고농도의 유도용액 사이에 반투과막인 분리막을 배치함으로써 깨끗한 물과 전력을 함께 얻을 수 있는 정삼투 공정(Forward Osmosis: FO)의 기본 원리와 유사하다.
구체적으로, 이러한 압력지연삼투(PRO) 공정의 경우, 저농도 용액으로는 담수(Fresh water)가 이용되고, 고농도 용액으로는 해수(Sea water)가 이용된다. 이때, 전처리 과정을 거친 저농도 용액은 삼투압 차이에 의해 반투과막을 통하여 고농도 용액으로 투과되며, 이에 대응하여 증가한 유량이 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 생산할 수 있다. 즉, 압력지연삼투(PRO) 공정은 두 용액간의 농도 차이에 의해 발생한 삼투압이 수압 형태로 바뀌고, 이러한 수압이 터빈을 회전시켜 에너지를 얻을 수 있다.
따라서 압력지연삼투(PRO) 공정은 다른 전력생산 대체 에너지원보다 원천자원인 해수와 강물에 대한 변화요소가 적기 때문에 안정적인 친환경 기술이라고 할 수 있다.
또한, 역삼투(Reverse Osmosis: RO) 공정은 기존의 증류식 해수담수화 공정에 비해 비교적 낮은 에너지로 수자원을 확보할 수 있기 때문에 각광받는 해수담수화 공정으로 급성장하고 있다. 현재까지 이러한 역삼투(RO) 공정 기술은 거의 최대치에 다다랐으며, 이를 극복하고 추가적인 운전에너지를 낮추기 위해 압력지연삼투(PRO) 공정을 역삼투(RO) 공정에 조합하는 방법 등이 연구되고 있다.
한편, 압력지연삼투(PRO) 공정에서, 반투과막인 분리막의 성능 변화요인으로서, 분리막의 노화 현상 및 분리막의 오염 현상이 있다.
예를 들면, 분리막의 노화 현상은 분리막 자체의 형질이 변화하는 비가역적인 분리막 성능 변화에 해당하고, 또한, 분리막의 오염(Membrane fouling) 현상은 분리막의 표면과 내부에 오염물질이 부착되어 퇴적되는 것에 의해 분리막의 겉보기 성능 변화에 해당한다. 이러한 압력지연삼투(PRO) 공정은 깨끗한 재생 가능한 에너지를 생산할 수 있는 반면에, 막 파울링(Membrane fouling) 현상이 분리막의 성능을 감소시킨다는 문제점이 있다. 이에 따라, 통상적으로 분리막 오염에 의한 분리막의 성능 변화는 세정(Cleaning)을 통해 분리막의 성능을 회복하게 된다.
예를 들면, 정삼투 공정(FO)에서 가역적으로 일어나는 유기물 파울링은 화학적 세정 방법을 사용하지 않고 물리적 세정 중에서 플러싱 세정만으로도 98%의 투과플럭스 회복을 나타낼 수 있다. 또한, 정삼투(FO) 공정과 역삼투(RO) 공정을 비교하면, 분리막의 플럭스 감소 비율이 유사한 경우에도, 정삼투(FO) 공정이 플럭스 회복률이 더 뛰어난 것으로 알려져 있다. 이것은 정삼투(FO) 공정에서 분리막의 표면에 가해지는 압력이 역삼투(RO) 공정에 비해 더 낮고, 상기 분리막의 표면에 흡착되는 유기물이 강한 힘에 의해 압축된 역삼투(RO) 공정보다 쉽게 분리막의 표면으로부터 분리할 수 있기 때문이다.
한편, 압력지연삼투(PRO) 공정의 경우, 파울링된 막은 투과도(Water Permeability)가 떨어져서 플럭스(Flux)가 낮아지며, 또한, 생산 가능한 전력밀도(Power Density)도 떨어지게 된다. 예를 들면, 파울링된 막은 파울링되기 전보다 플럭스가 46%까지 감소하고, 투과도가 39%까지 감소함으로써 전력생산량이 떨어지게 되고, 이에 따라 전력밀도가 26%까지 떨어지게 된다는 문제점이 있다.
이러한 압력지연삼투(PRO) 공정은 삼투 세정(Osmotic Backwahing: OB)을 통해 분리막의 회복이 충분히 가능하며, 특히, 지지층 세공(Porous support layer)에 쌓이는 오염물질(Foulants)까지 제거할 수 있다면 전력밀도가 46%까지 회복되는 것으로 예상되고 있다.
다시 말하면, 분리막의 파울링은 분리막 성능의 효율에 미치는 영향이 크므로 빈번한 세정이 필요하며, 이러한 분리막의 지속적인 성능을 유지하기 위해서는 화학적 세정(Chemical Cleaning)이 필수적이다. 이러한 화학적 세정의 경우, 보다 높은 농도를 사용할수록 분리막의 플럭스 회복률이 좋아진다. 하지만, 높은 농도를 사용한다고 해도 세정 효과에 영향을 미치지 않는 경우가 있다. 예를 들면, 유기물질과 반응을 일으키지 않는 화학물질을 사용하여 세정하는 경우 효과를 볼 수 없기 때문이다.
또한, 분리막 층에 흡수되거나 비가역적으로 파울링된 경우, 분리막의 오염을 제거할 수 없게 된다. 예를 들면, 빈번한 화학적 세정은 분리막의 성능 회복률을 향상시킬 수 있지만, 분리막을 영구 손상시킴에 따라 부가적인 비용을 발생시키기 때문에 전술한 화학적 세정을 대체할 수 있는 압력지연삼투용 반투과막의 세정 방법이 필요한 실정이다.
한편, 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-987294호에는 "고압 막여과공정의 삼투 역세정 방법 및 이를 이용하는 고압 막여과장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 고압 막여과공정에 사용될 수 있는 삼투 역세정 방법의 단점을 해결함과 동시에 비가역적 막오염이 덜 진행된 상태인 가역적 막오염 상태에서 삼투 역세정 방법을 수행함으로써 고압막의 수명을 연장하고, 누적생산수량을 극대화하며, 화학약품사용 등을 절약하기 위한 것이다.
또한, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1268936호에는 "정삼투와 압력지연삼투와 막증류 공정을 이용한 해수로부터의 용수 및 에너지 생산장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 정삼투 공정, 압력지연삼투 공정 및 막증류 공정이 조합된 용수 및 에너지 생산장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 정삼투 공정, 압력지연삼투 공정 및 막증류 공정이 조합된 용수 및 에너지 생산장치는, 정삼투 공정이 진행되는 정삼투유닛(10), 압력지연삼투 공정이 진행되는 압력지연삼투 유닛(20) 및 막증류 공정이 진행되는 막증류 유닛(30)을 포함하여 구성된다.
정삼투 유닛(10)은 정삼투막(17)이 내장되어 있는 정삼투 모듈(11)이 구비되며, 상기 정삼투 모듈(11)은 공급용액으로서 해수가 상기 정삼투 모듈(11)로 유입되도록 하는 해수유입관(12); 유도용액 저장조(16)로부터 상기 정삼투 모듈(11)로 유도용액이 공급되도록 하는 유도용액 공급관(13); 상기 정삼투 모듈(11)에서 발생하는 해수농축액이 상기 정삼투 모듈(11)로부터 유출되도록 하는 해수농축액 유출관(14); 및 정삼투막을 통과한 여과수가 유도용액에 섞여서 상기 정삼투 모듈(11)로부터 배출되도록 하는 유도용액 혼합액 배출관(15)이 연결되어 있다.
상기 유도용액 혼합액 배출관(15)은 분기관으로 만들어져서, 분기된 제1 분기관(35)은 막증류 유닛(30)의 막증류 모듈(31)과 연결되며, 분기된 제2 분기관(36)은 유도용액 저장조(16)와 연결된다.
압력지연삼투 유닛(20)은, 압력지연삼투용 반투과막(27)을 구비한 압력지연삼투 모듈(21); 담수가 상기 압력지연삼투 모듈(21)로 유입되도록 하는 담수 유입관(22); 상기 압력지연삼투 모듈(21)로부터 담수가 유출되는 담수 유출관(23); 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈(21)로부터 배출되는 농축액 유출관(24); 상기 농축액 유출관(24)과 연결되어 압력지연을 조절할 수 있도록 하는 압력지연 밸브(25); 및 상기 농축액 유출관(24)에 설치되어 있으며 압력지연삼투 모듈(21)로부터 발생된 압력을 이용하여 터빈을 가동하여 에너지를 발생시키는 공지의 전력발생장치(26)를 포함한다.
특히, 정삼투 유닛(10)에 구비된 해수 농축액 유출관(14)이 상기 압력지연삼투 모듈(11)에 연결되어 있기 때문에, 상기 해수 농축액 유출관(14)을 통해서 정삼투 모듈(11)로부터 배출되는 해수농축액(정삼투 공정의 결과로 만들어지는 해수농축액)이 압력지연삼투 공정의 유도용액으로서, 상기 압력지연삼투 모듈(11)로 유입되는 구조를 가지고 있다.
막증류 유닛(30)은 소수성 분리막을 구비하고 있기 때문에 막증류 공정이 이루어지는 막증류 모듈(31); 막증류 공정에 의해 생성되는 막증류 응축수가 배출되는 응축수 배출관(32); 및 막증류 공정에 의해 생산된 생산수, 즉, 담수를 배출하는 생산수 배출관(33)을 포함한다.
특히, 상기 유도용액 혼합액 배출관(15)으로 분기된 제1 분기관(35)이 상기 막증류 모듈(31)에 연결되어 있으며, 상기 응축수 배출관(32)은 상기 정삼투 유닛(10)의 유도용액 저장조(16)와 연결되어 있다. 여기서, 도면번호 34는 막증류 공정에 의해 생산된 생산수를 저장하기 위하여 필요에 따라 설치할 수 있는 생산수 저장조를 나타낸다.
종래의 기술에 따른 정삼투 공정, 압력지연삼투 공정 및 막증류 공정이 조합된 용수 및 에너지 생산장치에 따르면, 정삼투 공정과 압력지연삼투 공정과 막증류 공정의 세 가지 공정을 융합하여 용수 및 에너지를 생산함으로써, 해수 담수화 및 유도용액의 회수를 위하여 소모되는 에너지를 줄이고 담수를 효율적으로 생산할 수 있다.
하지만, 전술한 종래의 기술에 따른 고압 막여과공정의 삼투 역세정 방법 및 이를 이용하는 고압 막여과장치의 경우, 주로 고압 막여과 공정에서의 세정 방법만 제시하고 있을 뿐이며, 또한, 전술한 종래의 기술에 따른 정삼투와 압력지연삼투와 막증류 공정을 이용한 해수로부터의 용수 및 에너지 생산장치 및 방법의 경우, 단지 압력지연삼투의 운전 방법만 개시되어 있고, 압력지연삼투 공정의 반투과막 세정 방법에 대해서 개시되어 있지 않다.
이에 따라 압력지연삼투 공정이 상용화되기 위해여 분리막 세정 방법에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다. 즉, 종래의 기술에 따르면, 압력지연삼투 공정에 대한 보편화된 분리막 세정 가이드라인을 제시하지 못하고 있는 바, 저압 또는 고압을 사용하여 구동으로 하는 통상적인 막여과 공정과 달리 압력지연삼투 공정의 운전 특성상 무기물질뿐만 아니라 유기물에 의한 분리막 오염 시, 이에 대응할 수 있는 보편화된 분리막 세정 방법이 제시되지 않고 있는 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 농도차에 의한 자연적인 삼투 현상을 이용하여 압력지연삼투용 반투과막을 세정함으로써 성능을 회복할 수 있는, 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템 및 그 세정 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 압력지연삼투 유닛의 장기운전 시 압력지연삼투용 반투과막의 성능을 유지함으로써 하여 압력지연삼투 공정의 운전 성능을 향상시키고 공정의 안정성을 확보할 수 있는, 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템 및 그 세정 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템은, 역삼투(RO) 유닛과 압력지연삼투(PRO) 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서, 역삼투막 모듈 및 역삼투용 고압막을 구비하며, 해수를 공급수로 하여 상기 역삼투막 모듈을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축액을 배출하는 역삼투 유닛; 상기 역삼투막 모듈을 통해 생산된 담수를 저장하는 생산수조; 상기 역삼투막 모듈을 통해 배출되는 해수 농축액을 저장하는 농축수조; 압력지연삼투 모듈, 압력지연삼투용 반투과막 및 전력발생장치를 구비하며, 에너지 생산 모드(Energy Generation Mode)에서 상기 농축수조에 저장된 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 생산수조에 저장된 담수를 공급수로 하여, 상기 압력지연삼투 모듈과 전력발생장치를 통해 전력을 생산하는 압력지연삼투 유닛; 상기 압력지연삼투 모듈의 전단 또는 후단에 각각 설치되어 상기 담수 및 해수 농축수의 관로 방향을 절환시키는 제1 내지 제4 방향전환 밸브; 및 상기 압력지연삼투 모듈의 후단에 각각 설치되어 상기 담수 및 해수 농축수의 관로를 개폐하는 제1 및 제2 개폐 밸브를 포함하되, 상기 에너지 생산 모드에서 반투과막 세정 모드(Membrane Cleaning Mode)로 절환되면, 상기 압력지연삼투 모듈을 오프시키고, 상기 제1 내지 제4 방향전환 밸브 및 상기 제1 및 제2 개폐 밸브를 각각 절환시킨 상태에서, 상기 압력지연삼투 유닛은 상기 압력지연삼투용 반투과막을 농도차에 의한 자연적인 삼투 현상을 이용하여 세정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압력지연삼투 유닛은, CTA(Cellulose Triacetate) 재질의 압력지연삼투용 반투과막이 내장되고, 상기 농축수조에 저장된 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 생산수조에 저장된 담수를 공급수로 하여, 압력지연삼투 공정을 수행하는 압력지연삼투 모듈; 상기 생산수조에 저장된 담수가 상기 압력지연삼투 모듈로 유입되도록 연결된 담수 유입관; 상기 농축수조에 저장된 해수 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈로 유입되도록 연결된 농축액 유입관; 상기 압력지연삼투 모듈로부터 담수가 유출되도록 연결된 담수 유출관; 상기 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈로부터 배출되도록 연결된 농축액 유출관; 압력지연을 조절하도록 상기 농축액 유출관과 연결된 압력지연 밸브; 및 상기 농축액 유출관에 설치되며, 상기 압력지연삼투 모듈로부터 발생된 압력을 용하여 터빈을 가동하여 에너지를 발생시키는 전력발생장치를 포함하되, 상기 압력지연삼투용 반투과막 및 상기 압력지연 밸브에 의해 0~30bar의 압력으로 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 방향전환 밸브는 상기 담수 유입관에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈 및 상기 농축액 유출관 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제2 방향전환 밸브는 상기 농축액 유출관에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈 및 상기 담수 유입관 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제3 방향전환 밸브는 상기 제2 방향전환 밸브의 후단 및 상기 농축수조 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 농축액 유출관 및 상기 농축수조 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제4 방향전환 밸브는 상기 담수 유출관에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈 및 상기 농축수조 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제1 개폐 밸브는 상기 생산수조 및 상기 압력지연삼투 모듈 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 개방되도록 온(On)으로 스위칭되고; 그리고 상기 제2 개폐 밸브는 상기 농축수조 및 상기 압력지연삼투 모듈 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 폐쇄되도록 오프(Off)로 스위칭되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압력지연삼투 유닛은, 상기 반투과막 세정 모드에 따라 가역적 막오염 상태에서 주 1회 이상의 주기로 상기 역삼투 유닛에서 배출되는 해수 농축액을 세정수로 하여 상기 압력지연삼투용 반투과막을 세정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 세정수는 상기 압력지연삼투용 반투과막에 압력이 걸리지 않은 0 bar로 상기 압력지연삼투 모듈로 유입될 수 있다.
여기서, 상기 세정수는 상기 역삼투막 모듈의 고압 막여과 공정에 의해 생성되어 상기 농축수조에 저장된 해수 농축액이고, 상기 세정수의 농도는 20,000~100,000 ㎎/L인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 압력지연삼투용 반투과막은 반투과막 세정 모드에서 5~20분 동안 세정이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압력지연삼투용 반투과막을 삼투 세정하기 위한 세정수와 담수의 순환되는 유량비는 1:0.5, 1:1 또는 1:2 중에서 선택될 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법은, 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법에 있어서, a) 역삼투 유닛의 역삼투 막 모듈 및 압력지연삼투 유닛의 압력지연삼투 모듈을 온(On)시키고, 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합한 해수담수화-발전 시스템을 에너지 생산 모드로 운전하는 단계; b) 상기 압력지연삼투 모듈 내에 설치된 압력지연삼투용 반투과막을 세정할 것인지 여부를 확인하는 단계; c) 상기 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합한 해수담수화-발전 시스템이 반투과막 세정 모드로 절환되도록 상기 압력지연삼투 모듈을 오프(Off)시키는 단계; d) 상기 반투과막 세정 모드에 따른 상기 압력지연삼투 유닛의 제1 내지 제4 방향전환 밸브와 제1 및 제2 개폐 밸브를 절환시키는 단계; e) 상기 역삼투막 모듈에서 발생하는 농축액인 세정수를 상기 압력지연삼투 모듈로 유입하는 단계; 및 f) 상기 압력지연삼투 모듈 내에서 농도차에 따른 자연적인 삼투를 이용하여 상기 압력지연삼투용 반투과막을 세정하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법은, g) 상기 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 완료되었는지 확인하여, 상기 제1 내지 제4 방향전환 밸브와 상기 제1 및 제2 개폐 밸브를 다시 절환하여 에너지 생산 모드로 복귀시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템에서 반투과막을 통해 증가한 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하는 압력지연삼투 유닛의 장기운전 중에 발생하는 막오염 현상으로 인해 반투과막의 성능이 감소한 경우, 농도차에 의한 자연적인 삼투 현상을 이용하여 압력지연삼투 반투과막을 세정함으로써 성능을 회복할 수 있다.
본 발명에 따르면, 압력지연삼투 유닛의 장기운전 시 압력지연삼투용 반투과막의 성능을 유지함으로써 압력지연삼투 공정의 운전 성능을 향상시키고 공정의 안정성을 확보할 수 있고, 이에 따라 전력생산을 극대화함으로써 유지관리 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 정삼투 공정, 압력지연삼투 공정 및 막증류 공정이 조합된 용수 및 에너지 생산장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 에너지 생산 모드를 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 반투과막 세정 모드를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법의 동작흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 반투과막 세정 및 물리적 세정에 대한 성능 회복도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 유도용액 농도에 따른 세정 효율을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 담수와 농축액의 순환 유량비율에 따른 세정 효율을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 에너지 생산 모드를 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 반투과막 세정 모드를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법의 동작흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 반투과막 세정 및 물리적 세정에 대한 성능 회복도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 유도용액 농도에 따른 세정 효율을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 담수와 농축액의 순환 유량비율에 따른 세정 효율을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템]
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 에너지 생산 모드를 예시하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 반투과막 세정 모드를 예시하는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템은, 역삼투(RO) 유닛과 압력지연삼투(PRO) 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템으로서, 역삼투 유닛(100), 압력지연삼투 유닛(200), 생산수조(310), 농축수조(320), 역삼투 유닛 제어부(340), 압력지연삼투 유닛 제어부(350), 제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440), 제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)를 포함한다.
역삼투 유닛(100)은 역삼투막 모듈(110), 해수 유입관(120), 담수 배출관(130), 농축액 배출관(140), 고압펌프(150) 및 역삼투용 고압막(160)을 포함한다. 즉, 상기 역삼투 유닛(100)은 역삼투막 모듈(110) 및 역삼투용 고압막(160)을 구비하며, 해수를 공급수로 하여 상기 역삼투막 모듈(110)을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축액을 배출한다.
압력지연삼투 유닛(200)은 압력지연삼투 모듈(210), 담수 유입관(220), 농축액 유입관(230), 담수 유출관(240), 농축액 유출관(250), 압력지연 밸브(260), 담수 순환펌프(270), 제1 농축액 순환펌프(280a), 제2 농축액 순환펌프(280b) 및 전력발생장치(290)를 포함한다. 즉, 상기 압력지연삼투 유닛(200)은 압력지연삼투 모듈(210), 압력지연삼투용 반투과막(300) 및 전력발생장치(290)를 구비하며, 에너지 생산 모드(Energy Generation Mode)에서 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 생산수조(310)에 저장된 담수를 공급수로 하여, 상기 압력지연삼투 모듈(210)과 전력발생장치(290)를 통해 전력을 생산한다.
생산수조(310)는 상기 역삼투막 모듈(110)을 통해 생산된 담수를 저장한다.
농축수조(320)는 상기 역삼투막 모듈(110)을 통해 배출되는 해수 농축액을 저장한다.
역삼투 유닛 제어부(340)는 상기 역삼투 유닛(100)의 역삼투막 모듈(110)의 구동을 제어하고, 압력지연삼투 유닛 제어부(350)는 상기 압력지연삼투 유닛(200)의 압력지연삼투 모듈(210)의 구동을 제어한다.
제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440)는 상기 압력지연삼투 유닛(200)의 전단 또는 후단에 각각 설치되어 상기 담수 및 해수 농축수의 관로 방향을 절환시킨다.
제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)는 상기 압력지연삼투 유닛(200)의 후단에 각각 설치되어 상기 담수 및 해수 농축수의 관로를 개폐한다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 역삼투 유닛(100)에 구비된 해수 농축액 유출관(140)이 상기 압력지연삼투 모듈(210)에 연결되어 있기 때문에, 상기 농축액 유출관(140)을 통해서 상기 역삼투막 모듈(110)로부터 배출되는 해수 농축액(역삼투 공정의 결과로 만들어지는 해수 농축액)이 압력지연삼투 공정의 유도용액 및 세정수로서 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되는 구조를 가지고 있다.
구체적으로, 상기 압력지연삼투 유닛(200)의 압력지연삼투 모듈(210)은 CTA(Cellulose Triacetate) 재질의 압력지연삼투용 반투과막(300)이 내장되고, 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 생산수조(310)에 저장된 담수를 공급수로 하여, 압력지연삼투 공정을 수행한다.
담수 유입관(220)은 상기 생산수조(310)에 저장된 담수가 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되도록 연결된다.
농축액 유입관(230)은 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되도록 연결된다.
담수 유출관(240)은 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 담수가 유출되도록 연결된다.
농축액 유출관(250)은 상기 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 배출되도록 연결된다.
압력지연 밸브(260)는 압력지연을 조절하도록 상기 농축액 유출관(250)과 연결된다.
전력발생장치(290)는 상기 농축액 유출관(250)에 설치되며, 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 발생된 압력을 용하여 터빈을 가동하여 에너지를 발생시킨다. 이에 따라 상기 압력지연삼투용 반투과막(300) 및 상기 압력지연 밸브(260)에 의해 0~30bar의 압력으로 상기 전력발생장치(290)가 전력을 생산할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에서 에너지 생산 모드에서 반투과막 세정 모드로 절환되면, 비가역적 막오염의 전단계인 가역적 막오염 상태에서, 역삼투막 모듈(110)에서 발생하는 해수 농축수를 세정수로 사용하며, 이때, 상기 세정수는 가동압력 없이 상기 압력지연삼투 모듈(210) 내에 유입되어 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템은, 상기 에너지 생산 모드에서 반투과막 세정 모드(Membrane Cleaning Mode)로 절환되면, 상기 압력지연삼투 모듈(210)을 오프시키고, 상기 제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440) 및 상기 제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)를 각각 절환시킨 상태에서, 상기 압력지연삼투 유닛(200)은 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 농도차에 의한 자연적인 삼투 현상을 이용하여 세정하게 된다.
구체적으로, 상기 제1 방향전환 밸브(410)는 상기 담수 유입관(220)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 농축액 유출관(250) 사이에 연결되도록 절환시킨다.
상기 제2 방향전환 밸브(420)는 상기 농축액 유출관(250)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 담수 유입관(220) 사이에 연결되도록 절환시킨다.
상기 제3 방향전환 밸브(430)는 상기 제2 방향전환 밸브(420)의 후단 및 상기 농축수조(320) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 농축액 유출관(250) 및 상기 농축수조(320) 사이에 연결되도록 절환시킨다.
상기 제4 방향전환 밸브(440)는 상기 담수 유출관(240)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 농축수조(320) 사이에 연결되도록 절환시킨다.
상기 제1 개폐 밸브(450)는 상기 생산수조(310) 및 상기 압력지연삼투 모듈(210) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 개방되도록 온(On)으로 스위칭된다.
상기 제2 개폐 밸브(460)는 상기 농축수조(320) 및 상기 압력지연삼투 모듈(210) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 폐쇄되도록 오프(Off)로 스위칭된다.
한편, 상기 압력지연삼투 유닛(200)은, 상기 반투과막 세정 모드에 따라 가역적 막오염 상태에서 주 1회 이상의 주기로 상기 역삼투 유닛(100)에서 배출되는 해수 농축액을 세정수로 하여 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정할 수 있다.
이때, 상기 세정수는 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)에 압력이 걸리지 않은 0 bar로 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되며, 또한, 상기 세정수는 상기 역삼투막 모듈(110)의 고압 막여과 공정에 의해 생성되어 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축액이고, 상기 세정수의 농도는 20,000~100,000 ㎎/L인 것이 바람직하다.
이때. 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)은 반투과막 세정 모드에서 5~20분 동안 세정이 이루어지게 되며, 여기서, 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 삼투 세정하기 위한 세정수와 담수의 순환되는 유량비는 1:0.5, 1:1 또는 1:2 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 상기 역삼투 유닛(100)의 역삼투막 모듈(110)에 연결된 해수 농축액 유출관(140)이 상기 압력지연삼투 유닛(200)의 압력지연삼투 모듈(210)에 연결되어 있다. 따라서 해수 농축액 유출관(140)을 통해 배출된 해수 농축액은 압력지연삼투 공정의 유도용액 및 세정수로서 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 공급되며, 이때, 상기 압력지연삼투 모듈(210)에 내장된 압력지연삼투용 반투과막(300)을 통한 삼투 과정을 거친 농축액은 상기 농축액 유출관(250)을 통해 배출되고, 상기 압력지연 밸브(260)와 전력발생장치(290)에 의해 전력이 생산된다.
이때, 상기 역삼투막 모듈(110)로부터 배출된 해수 농축액은 일반 해수보다 1.4~1.5의 높은 농도를 가지고 있다. 전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 압력지연삼투 유닛(200)에서는 해수보다 더 높은 농도의 용액, 즉, 상기 역삼투막 모듈(110)로부터 배출된 해수 농축액이 압력지연삼투 공정의 유도용액 및 세정수로 공급되고, 에너지 생산 및 압력지연삼투 세정수로 활용될 수 있다.
이에 따라 압력지연삼투 공정에 투입되는 해수의 염농도와 담수의 농도 간의 차이가 더욱 커지게 되며, 그에 따라 에너지 생산 효율이 증가하고, 세정 효율이 증대될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에 따르면, 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템에서 반투과막을 통해 증가한 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하는 압력지연삼투 유닛의 장기운전 중에 발생하는 막오염 현상으로 인해 반투과막의 성능이 감소한 경우, 농도차에 의한 자연적인 삼투 현상을 이용하여 압력지연삼투 반투과막을 세정함으로써 성능을 회복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템에 따르면, 압력지연삼투 유닛의 장기운전 시 압력지연삼투용 반투과막의 성능을 유지함으로써 압력지연삼투 공정의 운전 성능을 향상시키고 공정의 안정성을 확보할 수 있고, 이에 따라 전력생산을 극대화함으로써 유지관리 비용을 절감할 수 있다.
[해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법]
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법의 동작흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법은, 역삼투 유닛(100)과 압력지연삼투 유닛(200)을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법으로서, 먼저, 역삼투 유닛(100)의 역삼투막 모듈(110) 및 압력지연삼투 유닛(200)의 압력지연삼투 모듈(210)을 온(On)시키고, 에너지 생산 모드에서 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛(200)을 결합한 해수담수화-발전 시스템을 운전한다(S110).
다음으로, 상기 압력지연삼투 모듈(210) 내에 설치된 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정할 것인지 여부를 확인한다(S120).
다음으로, 상기 압력지연삼투 모듈(210)을 오프시키고, 상기 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛(200)을 결합한 해수담수화-발전 시스템을 반투과막 세정 모드로 절환시킨다(S130).
다음으로, 상기 반투과막 세정 모드에 따른 상기 압력지연삼투 유닛(200)의 상기 제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440)와 상기 제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)를 절환시킨다(S140). 구체적으로, 상기 제1 방향전환 밸브(410)는 상기 담수 유입관(220)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 농축액 유출관(250) 사이에 연결되도록 절환시키며, 상기 제2 방향전환 밸브(420)는 상기 농축액 유출관(250)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 담수 유입관(220) 사이에 연결되도록 절환시킨다. 또한, 상기 제3 방향전환 밸브(430)는 상기 제2 방향전환 밸브(420)의 후단 및 상기 농축수조(320) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 농축액 유출관(250) 및 상기 농축수조(320) 사이에 연결되도록 절환시키며, 상기 제4 방향전환 밸브(440)는 상기 담수 유출관(240)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 농축수조(320) 사이에 연결되도록 절환시킨다. 또한, 상기 제1 개폐 밸브(450)는 상기 생산수조(310) 및 상기 압력지연삼투 모듈(210) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 개방되도록 온(On)으로 스위칭되고, 상기 제2 개폐 밸브(460)는 상기 농축수조(320) 및 상기 압력지연삼투 모듈(210) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 폐쇄되도록 오프(Off)로 스위칭된다.
다음으로, 상기 역삼투막 모듈(110)에서 발생하는 농축액인 세정수를 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입한다(S150).
다음으로, 상기 압력지연삼투 모듈(210) 내에서 농도차에 따른 자연적인 삼투를 이용하여 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정한다(S160). 예를 들면, 상기 압력지연삼투 유닛(200)은, 상기 반투과막 세정 모드에 따라 가역적 막오염 상태에서 주 1회 이상의 주기로 상기 역삼투 유닛(100)에서 배출되는 해수 농축액을 세정수로 하여 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정하게 된다. 이때, 상기 세정수는 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)에 압력이 걸리지 않은 0 bar로 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되고, 상기 세정수는 상기 역삼투막 모듈(110)의 고압 막여과 공정에 의해 생성되어 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축액이고, 상기 세정수의 농도는 20,000~100,000 ㎎/L인 것이 바람직하다.
이에 따라 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)은 반투과막 세정 모드에서 5~20분 동안 세정이 이루어지며, 이때, 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 삼투 세정하기 위한 세정수와 담수의 순환되는 유량비는 1:0.5, 1:1 또는 1:2 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)의 세정이 완료되었는지 여부를 확인한다(S170).
다음으로, 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)의 세정이 완료된 경우, 상기 제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440)와 상기 제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)를 다시 절환하여 에너지 생산 모드로 복귀시킨다(S180).
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반투과막 세정이 가능한 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합한 해수담수화-발전 시스템에서 반투과막 세정 및 물리적 세정에 대한 성능 회복도를 나타내는 도면으로서, 압력지연삼투용 반투과막의 성능이 개선되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반투과막 세정이 가능한 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합한 해수담수화-발전 시스템에서 유도용액 농도에 따른 세정 효율을 나타내는 도면으로서, 유도용액 농도가 높을수록 압력지연삼투용 반투과막의 세정 효율이 증가하는 것을 나타낸다.
또한, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반투과막 세정이 가능한 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합한 해수담수화-발전 시스템에서 담수와 농축액의 순환 유량비율에 따른 세정 효율을 나타내는 도면으로서, 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 삼투 세정하기 위한 세정수와 담수의 순환되는 유량비를 1:0.5, 1:1 또는 1:2 중에서 선택할 수 있는 것을 나타낸다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 막여과 공정과 융합시켜 일체로 이용함으로써 용수 생산과 에너지 생산을 동시에 확보할 수 있다. 이때, 압력지연삼투 공정에서 생산되는 에너지를 극대화하기 위하여 반투과막을 효율적으로 세정함으로써 에너지 생산량을 높일 수 있고, 기존에 사용되고 있는 화학적 세정에 비해 막여과 공정에서 발생하는 농축수와 처리수를 활용함에 따라 추가적인 세정비용을 줄일 수 있고, 반투과막의 내구성을 확보하여 안전적으로 운전할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 압력지연삼투 공정의 반투과막 세정시 최적의 세정 조건을 제시함에 따라 최대의 성능을 나타낼 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 역삼투 유닛
110: 역삼투막 모듈
120: 해수 유입관
130: 담수 배출관
140: 농축액 배출관
150: 고압펌프
160: 역삼투용 고압막
200: 압력지연삼투 유닛
210: 압력지연삼투 모듈
220: 담수 유입관
230: 농축액 유입관
240: 담수 유출관
250: 농축액 유출관
260: 압력지연 밸브
270: 담수 순환펌프
280a: 제1 농축액 순환펌프
280b: 제2 농축액 순환펌프
290: 전력발생장치
300: 압력지연삼투용 반투과막
310: 생산수조
320: 농축수조
340: 역삼투 유닛 제어부
350: 압력지연삼투 유닛 제어부
410: 제1 방향전환 밸브
420: 제2 방향전환 밸브
430: 제3 방향전환 밸브
440: 제4 방향전환 밸브
450: 제1 개폐 밸브
460: 제2 개폐 밸브
110: 역삼투막 모듈
120: 해수 유입관
130: 담수 배출관
140: 농축액 배출관
150: 고압펌프
160: 역삼투용 고압막
200: 압력지연삼투 유닛
210: 압력지연삼투 모듈
220: 담수 유입관
230: 농축액 유입관
240: 담수 유출관
250: 농축액 유출관
260: 압력지연 밸브
270: 담수 순환펌프
280a: 제1 농축액 순환펌프
280b: 제2 농축액 순환펌프
290: 전력발생장치
300: 압력지연삼투용 반투과막
310: 생산수조
320: 농축수조
340: 역삼투 유닛 제어부
350: 압력지연삼투 유닛 제어부
410: 제1 방향전환 밸브
420: 제2 방향전환 밸브
430: 제3 방향전환 밸브
440: 제4 방향전환 밸브
450: 제1 개폐 밸브
460: 제2 개폐 밸브
Claims (17)
- 역삼투(RO) 유닛과 압력지연삼투(PRO) 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템에 있어서,
역삼투막 모듈(110) 및 역삼투용 고압막(160)을 구비하며, 해수를 공급수로 하여 상기 역삼투막 모듈(110)을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축액을 배출하는 역삼투 유닛(100);
상기 역삼투막 모듈(110)을 통해 생산된 담수를 저장하는 생산수조(310);
상기 역삼투막 모듈(110)을 통해 배출되는 해수 농축액을 저장하는 농축수조(320);
압력지연삼투 모듈(210), 압력지연삼투용 반투과막(300) 및 전력발생장치(290)를 구비하며, 에너지 생산 모드(Energy Generation Mode)에서 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 생산수조(310)에 저장된 담수를 공급수로 하여, 상기 압력지연삼투 모듈(210)과 전력발생장치(290)를 통해 전력을 생산하는 압력지연삼투 유닛(200);
상기 압력지연삼투 모듈(210)의 전단 또는 후단에 각각 설치되어 상기 담수 및 해수 농축수의 관로 방향을 절환시키는 제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440); 및
상기 압력지연삼투 모듈(210)의 후단에 각각 설치되어 상기 담수 및 해수 농축수의 관로를 개폐하는 제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)를 포함하되,
상기 에너지 생산 모드에서 반투과막 세정 모드(Membrane Cleaning Mode)로 절환되면, 상기 압력지연삼투 모듈(210)을 오프시키고, 상기 제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440) 및 상기 제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)를 각각 절환시킨 상태에서, 상기 압력지연삼투 유닛(200)은 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 농도차에 의한 자연적인 삼투 현상을 이용하여 세정하며,
상기 압력지연삼투 유닛(200)은, CTA(Cellulose Triacetate) 재질의 압력지연삼투용 반투과막(300)이 내장되고, 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 생산수조(310)에 저장된 담수를 공급수로 하여, 압력지연삼투 공정을 수행하는 압력지연삼투 모듈(210); 상기 생산수조(310)에 저장된 담수가 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되도록 연결된 담수 유입관(220); 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되도록 연결된 농축액 유입관(230); 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 담수가 유출되도록 연결된 담수 유출관(240); 상기 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 배출되도록 연결된 농축액 유출관(250); 압력지연을 조절하도록 상기 농축액 유출관(250)과 연결된 압력지연 밸브(260); 및 상기 농축액 유출관(250)에 설치되며, 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 발생된 압력을 용하여 터빈을 가동하여 에너지를 발생시키는 전력발생장치(290)를 포함하되, 상기 압력지연삼투용 반투과막(300) 및 상기 압력지연 밸브(260)에 의해 0~30bar의 압력으로 전력을 생산하고,
상기 제1 방향전환 밸브(410)는 상기 담수 유입관(220)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 농축액 유출관(250) 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제2 방향전환 밸브(420)는 상기 농축액 유출관(250)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 담수 유입관(220) 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제3 방향전환 밸브(430)는 상기 제2 방향전환 밸브(420)의 후단 및 상기 농축수조(320) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 농축액 유출관(250) 및 상기 농축수조(320) 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제4 방향전환 밸브(440)는 상기 담수 유출관(240)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 농축수조(320) 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제1 개폐 밸브(450)는 상기 생산수조(310) 및 상기 압력지연삼투 모듈(210) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 개방되도록 온(On)으로 스위칭되고; 그리고 상기 제2 개폐 밸브(460)는 상기 농축수조(320) 및 상기 압력지연삼투 모듈(210) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 폐쇄되도록 오프(Off)로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 압력지연삼투 유닛(200)은, 상기 반투과막 세정 모드에 따라 가역적 막오염 상태에서 주 1회 이상의 주기로 상기 역삼투 유닛(100)에서 배출되는 해수 농축액을 세정수로 하여 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정하는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 세정수는 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)에 압력이 걸리지 않은 0 bar로 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 세정수는 상기 역삼투막 모듈(110)의 고압 막여과 공정에 의해 생성되어 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축액이고, 상기 세정수의 농도는 20,000~100,000 ㎎/L인 것을 특징으로 하는 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 압력지연삼투용 반투과막(300)은 반투과막 세정 모드에서 5~20분 동안 세정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 삼투 세정하기 위한 세정수와 담수의 순환되는 유량비는 1:0.5, 1:1 또는 1:2 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투용 반투과막의 세정이 가능한 해수담수화-발전 시스템. - 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합하여 하여 담수와 에너지를 생산하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법에 있어서,
a) 역삼투 유닛(100)의 역삼투막 모듈(110) 및 압력지연삼투 유닛(200)의 압력지연삼투 모듈(210)을 온(On)시키고, 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛을 결합한 해수담수화-발전 시스템을 에너지 생산 모드로 운전하는 단계;
b) 상기 압력지연삼투 모듈(210) 내에 설치된 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정할 것인지 여부를 확인하는 단계;
c) 상기 역삼투 유닛과 압력지연삼투 유닛(200)을 결합한 해수담수화-발전 시스템이 반투과막 세정 모드로 절환되도록 상기 압력지연삼투 모듈(210)을 오프(Off)시키는 단계;
d) 상기 반투과막 세정 모드에 따른 상기 압력지연삼투 유닛(200)의 제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440)와 제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)를 절환시키는 단계;
e) 상기 역삼투막 모듈(110)에서 발생하는 농축액인 세정수를 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입하는 단계; 및
f) 상기 압력지연삼투 모듈(210) 내에서 농도차에 따른 자연적인 삼투를 이용하여 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정하는 단계를 포함하며,
상기 압력지연삼투 유닛(200)은, CTA(Cellulose Triacetate) 재질의 압력지연삼투용 반투과막(300)이 내장되고, 농축수조(320)에 저장된 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 생산수조(310)에 저장된 담수를 공급수로 하여, 압력지연삼투 공정을 수행하는 압력지연삼투 모듈(210); 상기 생산수조(310)에 저장된 담수가 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되도록 연결된 담수 유입관(220); 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되도록 연결된 농축액 유입관(230); 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 담수가 유출되도록 연결된 담수 유출관(240); 상기 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 배출되도록 연결된 농축액 유출관(250); 압력지연을 조절하도록 상기 농축액 유출관(250)과 연결된 압력지연 밸브(260); 및 상기 농축액 유출관(250)에 설치되며, 상기 압력지연삼투 모듈(210)로부터 발생된 압력을 용하여 터빈을 가동하여 에너지를 발생시키는 전력발생장치(290)를 포함하되, 상기 압력지연삼투용 반투과막(300) 및 상기 압력지연 밸브(260)에 의해 0~30bar의 압력으로 전력을 생산하고,
상기 제1 방향전환 밸브(410)는 상기 담수 유입관(220)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 농축액 유출관(250) 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제2 방향전환 밸브(420)는 상기 농축액 유출관(250)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 담수 유입관(220) 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제3 방향전환 밸브(430)는 상기 제2 방향전환 밸브(420)의 후단 및 상기 농축수조(320) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 농축액 유출관(250) 및 상기 농축수조(320) 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제4 방향전환 밸브(440)는 상기 담수 유출관(240)에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 상기 압력지연삼투 모듈(210) 및 상기 농축수조(320) 사이에 연결되도록 절환시키며; 상기 제1 개폐 밸브(450)는 상기 생산수조(310) 및 상기 압력지연삼투 모듈(210) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 개방되도록 온(On)으로 스위칭되고; 그리고 상기 제2 개폐 밸브(460)는 상기 농축수조(320) 및 상기 압력지연삼투 모듈(210) 사이에 설치되고, 반투과막 세정 모드에서 폐쇄되도록 오프(Off)로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법. - 제9항에 있어서,
g) 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)의 세정이 완료되었는지 확인하여, 상기 제1 내지 제4 방향전환 밸브(410, 420, 430, 440)와 상기 제1 및 제2 개폐 밸브(450, 460)를 다시 절환하여 에너지 생산 모드로 복귀시키는 단계를 추가로 포함하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법. - 삭제
- 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 압력지연삼투 유닛(200)은, 상기 반투과막 세정 모드에 따라 가역적 막오염 상태에서 주 1회 이상의 주기로 상기 역삼투 유닛(100)에서 배출되는 해수 농축액을 세정수로 하여 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 세정하는 것을 특징으로 하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법. - 제13항에 있어서,
상기 세정수는 상기 압력지연삼투용 반투과막(300)에 압력이 걸리지 않은 0 bar로 상기 압력지연삼투 모듈(210)로 유입되는 것을 특징으로 하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법. - 제13항에 있어서,
상기 세정수는 상기 역삼투막 모듈(110)의 고압 막여과 공정에 의해 생성되어 상기 농축수조(320)에 저장된 해수 농축액이고, 상기 세정수의 농도는 20,000~100,000 ㎎/L인 것을 특징으로 하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법. - 제13항에 있어서,
상기 압력지연삼투용 반투과막(300)은 반투과막 세정 모드에서 5~20분 동안 세정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법. - 제16항에 있어서,
상기 압력지연삼투용 반투과막(300)을 삼투 세정하기 위한 세정수와 담수의 순환되는 유량비는 1:0.5, 1:1 또는 1:2 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 해수담수화-발전 시스템의 압력지연삼투용 반투과막 세정 방법.
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