KR101732811B1 - 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리와 해수담수화 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 수처리에 관한 것으로, 정삼투 유도용액으로서 고분자 유도물질을 사용하여 정삼투 압력 및 부피증가 압력을 이용하여 별도의 고압펌프를 구비하지 않고도 수처리가 가능한 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리와 해수담수화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명은, 처리대상 유입수가 수용되는 유입수조 및 고분자 유도용질을 포함하는 정삼투 유도용액을 수용하는 유도용액조를 포함하는 정삼투 처리부; 상기 유입수조와 상기 유도용액조 사이에 위치하는 정삼투막; 및 상기 정삼투막의 타측에 위치하는 여과막;을 포함하며, 상기 유입수가 상기 유입수와 상기 정삼투 유도용액의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 상기 유입수가 상기 정삼투막을 투과하고, 투과된 상기 유입수가 유도용액조로 유입되며 부피증가에 따른 압력에 의해 상기 여과막을 통과하며 여과되어 처리수로서 처리되는 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리와 해수담수화 시스템 및 방법을 제공하며, 이에 의하면, 정삼투 공정에서의 높은 구동력 유지가 가능하고, 여과막에서 별도의 압력장치가 필요하지 않아 유도용액을 회수하는데 있어서의 필요 에너지 소요량을 감소시킬 수 있다.
Description
본 발명은 수처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정삼투막 및 여과막을 결합한 수처리 시스템 및 방법으로서, 유도용액으로서 분자량이 70,000이상인 고분자 유도물질을 사용하여 정삼투 압력 및 부피증가 압력을 이용하여 별도의 고압펌프를 구비하지 않고도 유도용질을 회수할 수 있는 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리와 해수담수화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
해수담수화 등을 포함하는 수처리에 이용되는 나노여과 및 역삼투막은 타 막공정에 비하며 막의 공극이 0.005-0.001㎛이므로 미세한 물질까지 거름으로써 높은 수질의 물을 생산할 수 있는 장점을 가지고 있지만, 상대적으로 구동압력이 높기 때문에 공정 운영상의 에너지소모가 크다는 단점을 가지고 있다. 또한 고압을 사용하기 때문에 정삼투 및 여과막을 사용한 여과공정에 비하여 막 오염의 정도와 빈도가 클 뿐 만 아니라, 막오염층의 압밀화로 인한 세척효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.
반면, 정삼투막을 이용한 처리는 다른 정수처리 및 해수담수화 처리공정 등 다방면에 활용되고 있는 신기술로써 미래성을 각광받고 있는 기술이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유입수조(1)에 유입된 유입수와 유도용액조(2)에 수용된 유도용액과의 농도차로 인해 발생하는 압력에 의해 유입수가 정삼투막(3)을 통과함으로써 유입수의 처리가 이루어지기에, 상기한 역삼투 공정에서 필요로 하는 고압의 가압펌프 등이 필요하지 않다는 장점이 있다.
다만, 희석된 유도용액으로부터 유도용질을 회수하는 과정에 소요되는 에너지와 유도용액 회수 없이 정삼투 공정 자체만으로 최종 처리수를 생산할 수 없다는 단점을 가지고 있으며, 다른 막 공정과 마찬가지로 공급수의 수질에 따라 발생하는 막 오염 및 화학세정, 물리세정으로 인하여 단축된 막 수명은 정삼투 공정의 경제성을 떨어뜨린다는 문제점을 가지고 있다. 또한 공정이 외부 압력을 사용하지 않고, 농도차로 발생하는 삼투압을 구동력으로 활용함에 따라서, 막 내부 또는 외부에 발생하는 농도분극현상에 의해 구동력이 감소하는 문제점을 가지고 있다. 이는 수투과도를 저감시키며 농도분극을 제어하는 기술의 부재에 따라 공정 처리시간이 지연되는 문제점을 야기한다.
정밀여과막, 한외여과막 등의 여과막을 이용한 공정은 일반적으로 낮은 압력(정밀여과막 : 0.3-0.5bar, 한외여과막 : 1-3bar)으로 구동이 되며, 주로 하수처리의 3차공정으로 사용 되고 있다. 정밀여과막 공극은 타 막에 비하여 크기 때문에 높은 수투과도를 가지며, 하수처리를 비롯한 수 처리 분야에 다방면으로 활용 되고 있지만 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 첫째, 정밀여과 공정은 현재 상용화된 막에 비하여 공극이 크기 때문에 인체에 유해한 미세오염물질의 처리에는 한계가 있으며, 직경이 0.1-10㎛ 정도의 미세한 현탁질과 콜로이드 입자 제거에 한하여 적용이 가능하다. 따라서 이러한 정밀여과막은 무기성 이온류, 저분자 유기물 처리와 해수담수화, 펄프 폐액 정화, 도금폐수 처리 등에 적용이 불가능하다. 직경이 큰 콜로이드성 물질을 처리할 경우 막 공극막힘 현상을 발생시켜 여과 성능을 저하시키는 문제를 유발하며, 최종적으로 막투과 유량의 감소, 분리막의 세정주기 증가 및 수명 단축, 세정 비용 증가 등 공정효율이 줄어들어 경제성을 악화시킨다. 또한, 비교적 막 공극이 큰 여과막의 경우, 직경이 미세한 오염물질의 제거율이 낮으며 직접적으로 무기성 이온류, 저분자 유기물 처리와 해수담수화, 펄프 폐액 정화, 도금폐수 처리 등에 적용이 불가능하다.
한편, 특허문헌 1에는 정삼투용 유도용액으로 사용가능한 고분자 하이드로젤의 제조방법에 대하여 개시하고 있으나, 이의 수처리 공정에의 구체적인 적용에 관하여는 개시되어 있지 않고, 특허문헌 2에는 고분자 물질을 유도용액으로 사용하는 수처리 시스템을 개시하나, 유입수가 고분자 물질을 포함하는 유도용액에 의해 정삼투막을 투과하는 단편적인 정삼투막 수처리 공정에 대하여만 개시되어 있다는 한계가 있다.
이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 정삼투-여과막 융합 공정을 통해 1차적으로 처리대상 유입수에 포함된 오염물질을 제거 하고, 공급 측과 유도용액 측의 유효삼투압을 정밀여과공정의 구동력(압력)으로 활용함으로써 에너지 효율성을 극대화하는 수처리와 해수담수화 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 처리대상 유입수가 수용되는 유입수조 및 고분자 유도용질을 포함하는 정삼투 유도용액을 수용하는 유도용액조를 포함하는 정삼투 처리부; 상기 유입수조와 상기 유도용액조 사이에 위치하는 정삼투막; 및 상기 정삼투막의 타측에 위치하는 여과막;을 포함하며, 상기 유입수가 상기 유입수와 상기 정삼투 유도용액의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 상기 유입수가 상기 정삼투막을 투과하고, 투과된 상기 유입수가 유도용액조로 유입되며 부피증가에 따른 압력에 의해 상기 여과막을 통과하며 여과되어 처리수로서 처리되는 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리와 해수담수화 시스템을 제공한다.
상기 여과막의 일측에 위치하는 여과막 지지부를 더 포함하며, 상기 처리수는 상기 여과막 지지부를 통과하며 유출되는 것이 바람직하다.
상기 여과막 일측에 위치하며, 상기 처리수가 저류될 수 있는 처리수 저류조를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 처리수 저류조로 세정수를 공급하는 세정수 공급부를 더 포함하며, 상기 처리수 저류조로 공급되는 세정수와 상기 유도용액조에 수용된 유동용액의 농도차에 의해 상기 여과막의 역세정이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 처리수 저류조에 상기 처리수가 저류되어, 상기 저류된 처리수와 상기 유도용액조에 수용된 상기 유도용액과의 농도차에 의해 상기 여과막의 역세정이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 유도용액조로 세정수를 공급하는 세정수 공급부를 더 포함하며, 상기 유도용액조에 수용된 유도용액이 상기 유입수조로 공급되고, 상기 유도용액조로 상기 세정수가 공급되어, 상기 유입수조로 공급된 유도용액과 상기 유도용액조로 공급된 세정수의 농도차에 의해 상기 정삼투막의 역세정이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 역세정이 이루어진 후 배출되는, 상기 유도용액을 포함하는 역세정 배출수를 여과하고, 여과된 고분자 유도용질을 상기 유도용액조로 다시 공급하는 것이 바람직하다.
또한, (a) 유입수조에 유입수가 수용되는 단계; (b) 상기 유입수가, 상기 유입수조에 수용된 상기 유입수와 유도용액조에 수용된 고분자 유도용질을 포함하는 유도용액의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 상기 정삼투막을 투과하고, 투과된 상기 유입수가 유도용액조로 유입되며 부피증가에 따른 압력에 의해 상기 여과막을 통과하며 여과되어 처리수로서 처리되는 단계; 및 (c) 처리된 상기 처리수가 배출되는 단계;를 포함하는 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리와 해수담수화 방법을 제공한다.
상기 (c)단계 이후에, (d) 상기 처리수의 수질이 감지되는 단계; 및 (e) 감지된 상기 처리수의 수질을 기 설정된 수질범위와 비교하여, 기 설정된 수질범위 밖일 경우, 상기 정삼투막 또는 상기 여과막의 역세정이 수행되는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 정삼투막의 역세정은, (e1) 상기 유입수조에 수용된 유입수가 배출되는 단계; (e2) 상기 유도용액조에 수용된 상기 유도용액이 상기 유입수조로 공급되는 단계; (e3) 상기 유도용액조로 세정액이 공급되는 단계; 및 (e4) 상기 유입수조에 공급된 상기 유도용액과 상기 유도용액조로 공급된 상기 세정액과의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 상기 정삼투막의 역세정이 이루어지는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 여과막의 역세정은, (e1') 상기 유입수조에 수용된 유입수가 배출되는 단계; (e2') 상기 배출되는 처리수가 상기 유도용액 일측에 위치하는 처리수 저류조에 저류되는 단계; 및 (e3') 상기 유도용액조에 수용된 상기 유도용액과 상기 처리수 저류조에 저류된 상기 처리수와의 농도차에 의해 발생하는 압력에 의해 상기 여과막의 역세정이 이루어지는 단계:를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (e2') 및 상기 (e3') 단계는 각각, (e2") 상기 처리수 저류조에 세정액이 공급되는 단계이고, (e3") 상기 유도용액조에 수용된 상기 유도용액과 상기 처리수 저류조에 저류된 상기 세정액과의 농도차에 의해 발생하는 압력에 의해 상기 여과막의 역세정이 이루어지는 단계:인 것이 바람직하다.
상기 (e) 단계 이후, (f) 상기 역세정 후 발생되는, 상기 유도용액이 포함되어 배출되는 역세정 배출수가 여과되어 상기 유도용액에 포함된 상기 고분자 유도용질이 분리되는 단계; 및 (g) 분리된 상기 고분자 유도용질이 상기 유도용액조로 공급되는 단계:를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리와 해수담수화 시스템 및 방법에 의하면, 첫째, 정삼투 공정 시 삼투압을 유발시키기 위한 유도용질로서, 크기가 큰 고분자물질을 사용하여, 유입수와 유도용액의 농도차로 발생하는 삼투현상을 통하여 발생하는 압력(삼투압차)을 이용하여 여과막의 최소구동압력 이상으로 여과막을 구동시켜 처리수를 생산할 수 있어, 결과적으로 정삼투 공정에서의 높은 구동력(유효삼투압차) 유지가 가능하고, 여과막에서 별도의 압력장치가 필요하지 않아 유도용액을 회수하는데 있어서의 필요 에너지 소요량 감소라는 장점을 가진다.
둘째, 처리수 또는 세정액과 유도용액 간의 농도차로 인하여 삼투현상이 발생하여 별도의 역세정 펌프 등이 필요없기에, 에너지 소모 없이 역세정을 할 수 있으며(삼투역세정), 유도용질이 정밀여과막 공극에 축적되거나, 압력으로 인한 흐름으로 유도용액 내부에 발생하는 농도분극현상을 저감할 수 있다.
도 1은, 종래의 정삼투막을 이용한 수처리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 및 해수담수화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3 내지 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 및 해수담수화 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 및 해수담수화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3 내지 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 및 해수담수화 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 및 해수담수화 시스템(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '수처리 시스템'이라 칭한다.)을 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 시스템은 유입수조(100), 유도용액조(200), 정삼투막(300), 여과막(400), 처리수 저류조(500), 세정액 공급부(800)를 포함할 수 있다.
유입수조(100)는 내부에 유입될 수 있도록 공간이 마련되며, 유입수조(100)에 유입수가 유입되어 수용될 수 있다. 유입수의 예를 들면, 해수, 하수 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 처리대상 물질이 포함된 물이면 족하다.
또한, 유입수조(100)와 연결되어 유입수를 1차적으로 저장하였다가 유입수조(100)로 공급하는 공급하는 유입수 공급부(10) 및 유입수 공급부(10)에 저장된 유입수를 이를 1차로 여과하여 유입수조(100)로 공급되도록 하는 카트리지 필터(F1)가 구비될 수 있다.
유도용액조(200)는 유입수조(100) 일측에서, 유입수조(100)와 서로 유체소통 가능하게 위치한다. 유도용액조(200) 내부에 유도용액이 수용되며, 본 발명에서는 고분자 유도용질을 포함하는 유도용액이 수용되어 후술할 유도용액의 분리가 용이하다는 장점을 갖는다. 유도용액에 사용되는 고분자 유도용질은 한정되지 않으나, 예를 들면 PSS, PEG, PEO, PINIPAAm, NIPAAm, Hydroxypropyl cellulose, LCST 등을 들 수 있다.
정삼투막(300)은 유입수조(100)와 유도용액조(200) 사이에 위치하며, 즉, 정삼투막(300)의 일측은 유입수조(100) 내의 유입수와 접하며, 타측이 유도용액조(200) 내에 수용된 유도용액에 접하도록 위치하며, 그 재질은 정삼투 현상을 이용할 수 있는 반투막으로서, 셀룰로스계 반투막 등을 들수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기한 유입수조(100)에 수용된 유입수와 유도용액조(200)에 수용된 유도용액의 농도차에 의해 발생하는 정삼투막(300)을 사이에 두고 발생하는 막간차압에 의해 유입수가 정삼투막(300)을 투과하여 유도용액조(200)로 이동함으로써 유입수에 포함된 처리대상 물질의 처리가 이루어진다(도 2의 부호 I 참조). 정삼투의 원리로부터 유도용액의 농도가 유입수의 농도보다 높아야 함은 물론이다.
여과막(400)은 유도용액조(200) 일측에, 구체적으로는 상기 유도용액조(200)의 정삼투막(300)이 위치하는 타측에 위치하며, 정삼투막(300)을 투과하여 유도용액조(200)로 유입된 유입수의 부피증가로 인한 압력에 의해, 유입수가 여과막(400)을 통하여 여과되어 처리수로서 처리된다(도 2의 부호 O 참조).
여과막(400)은 일례로서 정밀여과(Micro filtration, MF)막이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 한외여과(Ultra Filtration, UF) 및 나노여과(Nano filtration, NF)막 등이 사용될 수 있다.(본 문단에서 여과막으로서 정밀여과 내지 나노여과막이 사용될 수 있음을 기재하기에, 상기와 같이 한정할 필요가 없을 것으로 생각됩니다.)
한편, 여과막(400)의 일측에는 여과막 지지부(600)가 위치하여, 상기한 유입수의 여과막(400) 투과시 발생하는 압력을 지지하며, 여과막 지지부(600)는 격자형태 등으로 이루어짐으로써 여과막(400)을 통과한 처리수가 상기한 격자 사이로 유출될 수 있다.
처리수 저류조(500)는 여과막 지지부(600) 일측에 위치하며 여과막(400) 및 여과막 지지부(600)를 투과한 처리수가 저류되며, 후술할 여과막(400)의 세정에 사용될 수 있다. 또한, 처리수는 상기와 같이 처리수 저류조(500)에 저장되거나, 밸브(V7)의 개폐를 통하여 이와 연결된 처리수 저장부(700)로 배출시켜 저장되어 배출될 수 있으며, 여과막(400)을 통하여 처리된 처리수가 처리수 저류조(500)에 저류되는 경우에는, 처리수와 유도용액사이에서 발생할 수 있는 역삼투 현상에 의한 역류를 방지하기 위하여 처리수 저류조(500)의 상단 일측을 개방하여 두는 것이 바람직할 수 있다.
세정액 공급부(800)는 유도용액조(200) 및 처리수 저류조(500)와 연결되어, 세정액을 공급한다, 세정액의 종류는 한정되지 않으나, 정삼투 현상에 의한 세정이 가능하도록 유도용액보다 농도가 낮은 유체임이 바람직하고, 예를 들면, 증류수 등을 사용할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 더 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 및 해수담수화 방법(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '수처리 방법' 이라 칭한다.)을 상세히 설명한다.
먼저, 유입수조(100)에 유입수가 수용된다(S100).
처리대상 유입수가 유입수조(100)로 유입되어 수용된다. 유입수는 유입수조(100)로 직접 유입되어 수용되거나, 또는 유입수조(100)와 연결된 유입수 공급부(10)에 저장된 유입수를 펌프(P)를 통하여 유입수조(100)로 유입시켜 수용되도록 할 수 있으며, 이때 카트리지 필터(F1)를 통하여 유입수의 전처리 여과가 이루어질 수 있다.
다음, 유입수가 정삼투막(300) 및 여과막(400)을 순차로 통과하며 처리수로서 처리된다(S200).
유입수조(100)에 수용된 유입수와 유도용액조(200)에 수용된 유도용액의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 유입수가 정삼투막(300)을 투과하여 유입수조(100) 측에서 유도용액조(200)로 이동하고, 유도용액조(200)로 이동하는 유입수의 부피증가로 인한 압력에 의하여 유입수가 여과막(400) 및 여과막 지지부(600)를 통과하며 여과되어 처리수로서 처리된다.
다음, 처리된 상기 처리수가 배출된다(S300).
상기와 같이 정삼투막(300) 및 여과막(400)을 통하여 처리된 처리수는 배축되어 여과막(400) 일측에 구비된 처리수 저류조(500)에 저류되거나, 처리수 저류조(500)와 연결된 처리수 저장부(700)로 바로 배출되어 저장되었다가 배출될 수 있다.
다음, 상기 처리수의 수질이 감지된다(S400).
정삼투막(300) 및 여과막(400)을 통하여 처리된 처리수의 수질이 감지된다. 처리수의 수질 감지는 처리수 저류조(500)에 설치된 수질감지센서(S)또는 처리수 저장부(700)에 설치된 수질감지센서(미도시)에 의하여 이루어질 수 있다.
다음, 감지된 상기 처리수의 수질을 기 설정된 수질범위와 비교하여, 기 설정된 수질범위 밖일 경우, 정삼투막(300) 또는 여과막(400)의 역세정이 수행된다(S500).
도 4를 참조하여 정삼투막(300)의 역세정 과정을 설명한다.
먼저, 유입수조(100)에 수용된 유입수가 배출된다(S510).
유입수조(100)에 수용된 유입수를 모두 배출시킨다. 이때 유입수를 유입수 공급부(10)로 배출시켜 다시 저장되도록 할 수 있다.
다음, 유도용액조(200)에 수용된 유도용액이 유입수조(100)로 공급된다(S520).
유도용액조(200) 하단에 구비된 배출구 및 밸브(V1)를 개방하고 구비된 펌프(P1)를 통하여 유도용액조(200)에 수용된 유도용액을 유입수조(100) 측으로 이동시켜 공급한다.
다음, 유도용액조(200)로 세정액이 공급된다(S530).
상기와 같이 유도용액이 유출된 유도용액조(200)의 유입구(220) 및 세정액 공급부(800) 측의 밸브(V8)를 개방하고, 펌프(P8)를 통하여 세정액 공급부(800)에 저장된 세정액을 유도용액조(200)로 공급한다.
다음, 정삼투막(300)의 역세정이 이루어진다(S540).
유입수조(100)에 공급된 유도용액과 유도용액조(200)로 공급된 상기 세정액과의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 정삼투막(300)의 역세정이 이루어진다. 즉, 유입수의 정삼투 처리때와는 역으로, 농도가 높은 유도용액이 유입수조(100)에 수용되고, 농도가 낮은 세정액이 유도용액조(200)에 위치하므로, 도 2의 화살표(I)의 역방향으로 정삼투막(300)의 역세정이 이루어진다.
한편, 상기한 바와 같이 여과막(400)의 세정이 이루어 질 수 있는바, 도 4 내지 도 5를 참조하여 여과막(400)의 세정을 설명한다.
먼저, 유입수조(100)에 수용된 유입수가 배출된다(S510').
유입수조(100)에 수용된 유입수를 모두 배출시킨다. 이때 유입수를 유입수 공급부(10)로 배출시켜 다시 저장되도록 할 수 있다.
다음, 배출되는 처리수가 처리수 저류조(500)에 저류된다(S520').
처리수 저장부(700) 측에 구비된 밸브(V7)를 폐쇄함으로써 처리수 저류조(500)에 처리수가 저류되도록 하고, 처리수 저류조(500) 상단에 수비된 공기배출부(510)를 통하여 처리수 저류조(500) 내 공기를 제거한다. 한편, 처리수 저류조(500)에 처리수를 저류하지 않고, 처리수 저류조(500)와 연결된 세정액 공급부(800) 측의 밸브(V8)를 개방하고 펌프(P8)를 통하여 세정액을 처리수 저류조(500) 상단에 구비된 유입구(520)로 공급할 수 있고, 처리수와 세정액이 모두 처리수 저류조(500) 내에 공급되도록 할 수도 있다.
다음, 여과막(400)의 역세정이 이루어진다(S530').
유도용액조(200)에 수용된 상기 유도용액과 처리수 저류조(500)에 저류된 상기 처리수또는 세정액과의 농도차에 의해 발생하는 압력에 의해 여과막(400)의 역세정이 이루어진다. 즉, 유입수의 여과막(400)의 투과 때와 역으로, 처리수 저류조(500)에 저장된 처리수 또는 세정액의 농도가 유도용액조(200)의 농도보다 낮기에, 도 2의 화살표(O)와 역방향으로 역세정이 이루어진다.
다음, 역세정 후 발생되는, 유도용액이 포함되어 배출되는 역세정 배출수가 여과되어 유도용액에 포함된 고분자 유도용질이 분리된다(S600).
상기한 정삼투막(300)의 역세정이 이루어진 후, 유입수조(100)에 수용된 유도용액이 유입수조(100) 및 유도용액조(200) 하단의 밸브들(V1, V9)이 개방되고, 펌프(P1, P9)들을 통하여 역세정 배출수로서 배출된다.
또는 여과막(400)의 역세정 후, 유도용액조(200)에 수용된 유도용액이 유도용액조(200) 하단의 유출구(210) 및 밸브(V9)가 개방되고, 펌프(P9)를 통하여 역세정 배출수로서 배출된다.
배출되는 역세정 배출수는 역세정 배출수 저장조(900)에 저장되며, 이때 배출되는 역세정 배출수를 카트리지 필터(F9)를 이용하여 여과하여 역세정 배출수에 포함된 유도용액으로부터 고분자 유도용질을 여과하여 분리한다.
다음, 분리된 상기 고분자 유도용질이 상기 유도용액조(200)로 공급된다(S700).
카트리지 필터(F9)를 통하여 역세정 배출수로부터 분리된 고분자 유도용질을 다시 유도용액조(200)로 공급하여 유도용액으로서 다시 사용할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 수처리 시스템 및 방법에 의하면, 정삼투 공정 시 삼투압을 유발시키기 위한 유도용질로서, 크기가 큰 고분자물질을 사용 하고, 공급용액과 유도용액의 농도차로 발생하는 삼투현상을 통하여 발생하는 압력(삼투압차)을 이용하여 여과막의 최소구동압력 이상으로 여과막을 구동시켜 처리수를 생산할 수 있다는 장점을 갖는다.
기존에는 유도용액을 회수하기 위하여, 열을 사용한 증발법, 증류법 또는 압력을 사용한 역삼투, 나노여과공정을 통하여 유도용질을 회수하였으나, 본 발명은 유도용액과 공급용액이 가지는 삼투압차와, 닫힌 유도용액조 내에서 증가한 유량으로 인해 발생하는 압력을 활용하여 전체공정에 소모되는 에너지 사용을 최소화 할 수 있으며, 정삼투 공정의 구동력을 저하시키는 유도용액의 희석효과 또한 실시간으로 저감할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 크기가 큰 고분자 물질을 유도용질로 사용함으로써 정삼투 공정에서 유도용액과 공급용액의 농도차로 발생하는 역용질투과현상을 억제·방지할 수 있다. 결과적으로 정삼투 공정에서의 높은 구동력(유효삼투압차) 유지가 가능하고, 정밀여과막에서 별도의 압력장치가 필요하지 않아 유도용액을 회수하는데 있어서의 필요 에너지 소요량 감소라는 장점을 가진다.
또한, 저농도의 처리수 또는 증류수와 고농도의 유도용액 간의 농도차로 인하여 삼투현상이 발생하여 별도의 에너지 소모 없이 역세정을 할 수 있으며(삼투역세정), 유도용질이 여과막 공극에 축적되거나, 압력으로 인한 흐름으로 유도용액 내부에 발생하는 농도분극현상을 저감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
본 연구는 국토교통부 플랜트연구개발사업의 연구비지원(과제번호:S-2015-0820-001)에 의해 수행되었음
100: 유입수조
200: 유도용액조
300: 정삼투막
400: 여과막
500: 처리수 저류조
600: 여과막 지지부
700: 처리수 저장부
800: 세정액 공급부
900: 역세정 배출수 저장부
200: 유도용액조
300: 정삼투막
400: 여과막
500: 처리수 저류조
600: 여과막 지지부
700: 처리수 저장부
800: 세정액 공급부
900: 역세정 배출수 저장부
Claims (13)
- 처리대상 유입수가 수용되는 유입수조(100) 및 고분자 유도용질을 포함하는 정삼투 유도용액을 수용하는 유도용액조(200)를 포함하는 정삼투 처리부;
상기 유입수조(100)와 상기 유도용액조(200) 사이에 위치하는 정삼투막(300); 및
상기 정삼투막(300)의 타측에 위치하는 여과막(400);을 포함하며,
상기 유입수가 상기 유입수와 상기 정삼투 유도용액의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 상기 유입수가 상기 정삼투막(300)을 투과하고, 투과된 상기 유입수가 유도용액조(200)로 유입되며 부피증가에 따른 압력에 의해 상기 여과막(400)을 통과하며 여과되어 처리수로서 처리되는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 여과막(400)의 일측에 위치하는 여과막 지지부(600)를 더 포함하며,
상기 처리수는 상기 여과막 지지부(600)를 통과하며 유출되는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 여과막(400) 일측에 위치하며, 상기 처리수가 저류될 수 있는 처리수 저류조(500)를 더 포함하는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 처리수 저류조(500)로 세정수를 공급하는 세정수 공급부를 더 포함하며,
상기 처리수 저류조(500)로 공급되는 세정수와 상기 유도용액조(200)에 수용된 유동용액의 농도차에 의해 상기 여과막(400)의 역세정이 이루어지는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 처리수 저류조(500)에 상기 처리수가 저류되어, 상기 저류된 처리수와 상기 유도용액조(200)에 수용된 상기 유도용액과의 농도차에 의해 상기 여과막(400)의 역세정이 이루어지는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유도용액조(200)로 세정수를 공급하는 세정수 공급부를 더 포함하며,
상기 유도용액조(200)에 수용된 유도용액이 상기 유입수조(100)로 공급되고,
상기 유도용액조(200)로 상기 세정수가 공급되어, 상기 유입수조(100)로 공급된 유도용액과 상기 유도용액조(200)로 공급된 세정수의 농도차에 의해 상기 정삼투막(300)의 역세정이 이루어지는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 시스템.
- 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 역세정이 이루어진 후 배출되는, 상기 유도용액을 포함하는 역세정 배출수를 여과하고, 여과된 고분자 유도용질을 상기 유도용액조(200)로 다시 공급하는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 시스템.
- (a) 유입수조(100)에 유입수가 수용되는 단계(S100);
(b) 상기 유입수가, 상기 유입수조(100)에 수용된 상기 유입수와 유도용액조(200)에 수용된 고분자 유도용질을 포함하는 유도용액의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 상기 유입수조(100)와 상기 유도용액조(200) 사이에 위치하는 정삼투막(300)을 투과하고, 투과된 상기 유입수가 유도용액조(200)로 유입되며 부피증가에 따른 압력에 의해 상기 정삼투막(300)의 타측에 위치한 여과막(400)을 통과하며 여과되어 처리수로서 처리되는 단계(S200); 및
(c) 처리된 상기 처리수가 배출되는 단계(S300);를 포함하는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 (c)단계 이후에,
(d) 상기 처리수의 수질이 감지되는 단계(S400); 및
(e) 감지된 상기 처리수의 수질을 기 설정된 수질범위와 비교하여, 기 설정된 수질범위 밖일 경우, 상기 정삼투막(300) 또는 상기 여과막(400)의 역세정이 수행되는 단계(S500);를 더 포함하는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 정삼투막(300)의 역세정은,
(e1) 상기 유입수조(100)에 수용된 유입수가 배출되는 단계(S510);
(e2) 상기 유도용액조(200)에 수용된 상기 유도용액이 상기 유입수조(100)로 공급되는 단계(S520);
(e3) 상기 유도용액조(200)로 세정액이 공급되는 단계(S530); 및
(e4) 상기 유입수조(100)에 공급된 상기 유도용액과 상기 유도용액조(200)로 공급된 상기 세정액과의 농도차에 따라 발생하는 압력에 의해 상기 정삼투막(300)의 역세정이 이루어지는 단계(S540);를 포함하는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 여과막(400)의 역세정은,
(e1') 상기 유입수조(100)에 수용된 유입수가 배출되는 단계(S510');
(e2') 상기 배출되는 처리수가 상기 여과막(400) 일측에 위치하는 처리수 저류조(500)에 저류되는 단계(S520'); 및
(e3') 상기 유도용액조(200)에 수용된 상기 유도용액과 상기 처리수 저류조(500)에 저류된 상기 처리수와의 농도차에 의해 발생하는 압력에 의해 상기 여과막(400)의 역세정이 이루어지는 단계(S530'):를 포함하는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 (e2') 및 상기 (e3') 단계는 각각,
(e2") 상기 처리수 저류조(500)에 세정액이 공급되는 단계이고,
(e3") 상기 유도용액조(200)에 수용된 상기 유도용액과 상기 처리수 저류조(500)에 저류된 상기 세정액과의 농도차에 의해 발생하는 압력에 의해 상기 여과막(400)의 역세정이 이루어지는 단계:인,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 방법.
- 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후,
(f) 상기 역세정 후 발생되는, 상기 유도용액이 포함되어 배출되는 역세정 배출수가 여과되어 상기 유도용액에 포함된 상기 고분자 유도용질이 분리되는 단계(S600); 및
(g) 분리된 상기 고분자 유도용질이 상기 유도용액조(200)로 공급되는 단계(S700):를 더 포함하는,
고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리 방법.
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