KR101810961B1 - 중간 부스터 펌프를 포함하는 수처리용 다단계 역삼투 멤브레인 장치 및 이를 이용한 수처리 방법 - Google Patents

중간 부스터 펌프를 포함하는 수처리용 다단계 역삼투 멤브레인 장치 및 이를 이용한 수처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다단계 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치는, 다단계 압력 용기를 사용하면서 동시에 제1 압력 용기의 농축수 배출부와 제2 압력 용기의 도입부 사이에, 배출되는 농축된 피처리수의 압력을 높여주는 inter-부스터 펌프를 도입함으로써, RO 막을 High Flux 멤브레인을 사용하여도 압력 용기의 도입부에 위치하는 Lead Membrane 영역의 Flux over를 방지할 수 있고, 막 오염 정도를 감소시키면서 동시에 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치에 도입되는 피처리수에 가해주어야 하는 압력을 낮출 수 있어, RO 막 분리 장치의 운전에 필요한 에너지 비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

중간 부스터 펌프를 포함하는 수처리용 다단계 역삼투 멤브레인 장치 및 이를 이용한 수처리 방법{Multi-Stage Reverse Osmosis Membrane Apparatus with inter-Booster Pump and Water Treating Method Therewith}
본 발명은 에너지 절약형 수처리용 다단계 역삼투 멤브레인 장치에 관한 것으로, 주로 해수 담수화에 사용되는 역삼투 막을 포함하는 역삼투막 모듈이 복수개 포함된 압력 용기를 다단계로 사용하면서, 처리수가 1차 처리되는 제1 압력 용기에서 배출되는 농축된 피처리수의 압력을 부스터 펌프를 사용하여 상승시켜 줌으로써, 종래의 직렬로 구성된 역삼투막 분리 장치의 도입부에서 흔히 발생되는 역삼투막의 오염을 방지할 수 있고, 높은 플럭스(flux)를 갖는 역삼투막을 사용하여 처리수의 공급 압력을 낮춤으로써 운전에 사용되는 에너지 비용을 감소시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
해수담수화 기술은 전세계적인 물 부족 문제를 해결하고 대체수자원 확보기술을 제공할 수 있으며, 고부가가치창출이 가능한 대표적인 기술분야로, 국내 물부족 지역에 대해 대체 수자원 제공의 해결 방안으로 제안되어 왔으며, 특히 환경문제의 논란이 야기되고 있는 댐 공사를 통한 수자원 확보 방안을 대체함으로써 비용절감 및 환경적 문제를 개선할 수 있는 장점을 갖고 있다.
해수담수화 방법은 크게 증발법과 역삼투법으로 구분할 수 있는데, 역삼투법이 증발법에 비하여 단위 부피의 물을 생산하기 위한 에너지 필요량이 상대적으로 작기 때문에 역삼투법이 널리 사용되고 있다. 역삼투법은 해수나 기수에 함유되어 있는 성분을 역삼투 멤브레인(역삼투막, Reverse-Osmosis Memnrane)을 사용하여 생산수와 농축수로 분리시키며, 생산수는 성분농도를 희석하여 용수 및 음용수로 활용하고 농축수는 다시 바다로 배출하게 된다.
역삼투막(이하, RO(Reverse Osmosis) 막이라 함)를 사용한 해수담수화 혹은 탈염처리 장치는, 역삼투압을 이용하기 때문에, 도 1에 제시된 바와 같이, 원통형으로 구성된 압력 용기(100)내에 복수의 RO막 엘리먼트(101)를 직렬로 배치하여, RO막 엘리먼트(101)의 중앙에 있는 집수배관(102)으로 각 RO막 엘리먼트(101)가 접속되어 있다.
공급수 혹은 피처리수는 탈염처리 장치의 한쪽으로부터 고압 펌프(104)에 의해 공급되어 농축수 측에 설치된 밸브(103)의 개폐에 의해서, 압력 용기(100)의 내부를 가압하게 된다. 이렇게 가압된 압력이 공급수의 삼투압을 넘을 경우에, 공급수 혹은 피처리수가 RO막을 투과하여 중앙의 집수배관(102)에 탈염수(투과물)가 흘러들어간다.
압력 용기(100) 내로 공급된 공급수는, 공급수 측으로부터 투과가 진행됨에 따라 염농도는 점점 높아지고 압력은 낮아지게 되므로, 압력 용기(100)내에 가해지는 압력은 최종 배출수(혹은 처리수)의 염농도와 투과 수량, 막면의 공급 유속 등에 의해서 결정되는 것이 일반적이다.
따라서, 압력 용기(100) 내의 공급수 측은 필요 이상으로 압력이 가해지기 때문에, 투과 수량이 증가하게 된다. 예를 들면 도 2와 같이 RO막 엘리먼트(101)를 7개 직렬로 배치한 경우의 RO막 엘리먼트의 위치와 Relative Flux(상대적 플럭스)의 관계를 도 3에 나타내었으며, x축의 엘리먼트 위치는 공급수 측에서의 개수를 의미한다.
상기 도 3에서 확인되듯이, 공급수 측의 투과수량이 많고, RO막에 의한 여과가 계속되어 농축이 진행됨에 따라, 투과 수량이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 피처리수가 압력 용기(100) 내에서 RO막에 의한 처리가 진행됨에 따라 농축수의 염농도가 높아지게되고, 고농도의 농축수 측에서는 RO막에 의한 여과가 이루어지기 위해서는 높은 압력이 필요하게 되지만, 공급수 측에도 같을 압력이 가해지고 있기 때문에, 공급수가 공급되는 입구 측과 비교해서 상대적으로 RO막의 투과 유량이 감소하기 때문이다.
이와 같이, 도 2과 같이 RO막이 압력 용기(100) 내에서 직렬 연결되는 형태로 RO막 모듈이 배치될 경우에는, 압력 용기(100) 내의 투과 수량이 불균일해 질 뿐만 아니라, 압력을 높여주기 위해 소요되는 에너지의 양이 증가하게 되고, 공급수 측의 RO막 엘리먼트가 보다 빠르게 오염되는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 등록특허 제1189006호에서는 에너지 절약형 역삼투 여과막을 사용한 해수 담수화 장치에 담해수를 펌핑하는 고압 펌프를 다중다단으로 설치하여 담해수의 염도에 따라 선택적으로 고압펌프를 가동시켜 생산수와 농축수를 분리시키는 방법을 제시하고 있다.
하지만, 이러한 방법은, 압력을 높이기 위해 소요되는 에너지를 절감하는 데에는 효과가 있을 수 있지만, 피처리수가 RO막 엘리먼트에 공급되는 압력 용기의 도입부 측에 위치하는 RO막이 빠르게 오염되는 문제점을 여전히 해결할 수 없는 한계점이 존재한다.
등록특허 제1189006호 (2012년 10월 9일 공고됨)
본 발명은, 다단계 압력 용기를 사용하면서 동시에 제1 압력 용기의 농축수 배출부와 제2 압력 용기의 도입부 사이에, 배출되는 농축된 피처리수의 압력을 높여주는 inter-부스터 펌프를 도입하고, RO 막 모듈에 사용되는 RO 막을 High Flux 멤브레인을 적용함으로써, 압력 용기의 도입부에 위치하는 Lead Membrane 영역의 Flux over를 방지할 수 있고, 막 오염 정도를 감소시키면서 동시에 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치에 도입되는 피처리수에 가해주어야 하는 압력을 낮출 수 있어, 요구되는 에너지를 낮출 수 있는 다단계 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치를 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하고, 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서 제시하는 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 일 실시 형태는, 피처리수를 1차 처리하는 제1 압력 용기와 2차 처리하는 제2 압력 용기를 포함하고, 상기 제1 압력 용기 및 제2 압력 용기 각각에는 역삼투막을 포함하는 복수 개의 역삼투막 모듈이 위치하며, 상기 제1 압력 용기에서 배출되는 농축된 피처리수의 압력을 높여주는 부스터 펌프(Booster Pump)가, 제1 압력 용기의 농축수 배출부와 제2 압력 용기의 도입부 사이에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 역삼투막은, 플럭스가 1.4 ~ 1.6 ㎥/hr인 고플럭스(High Flux) 역삼투 막인 것이 바람직하며, 상기 제1 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수와 제2 압력 용기에 포함된 역삼트막 모듈의 갯수의 비는 2:5 내지 5:2의 범위인 것이 바람직하다.
상기 제1 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수와 제2 압력 용기에 포함된 역삼트막 모듈의 갯수의 비는 4:3인 것이 더욱 바람직하다.
상기 제2 압력 용기에서 배출되는 농축수는 다시 제1 압력용기의 도입부로 순환되며, 순환 과정을 거치는 농축수는 에너지 회수 장치를 거치며, 이때 사용되는 에너지 회수 장치는, PX(Pressure Exchanger)형 에너지 회수 장치, DWEER(Dual Work Energy Exchanger)형 에너지 회수 장치, 터보 차져(Turbo Charger)형 에너지 회수 장치 또는 터빈 발전기(Turbine Generator)인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태로 멤브레인(Membrane)을 사용한 피처리수를 처리하는 방법을 들 수 있는데, 상기 피처리수를 제1 압력 용기에 공급하여 1차 처리하는 단계; 상기 제1 압력 용기의 농축수 배출부에서 배출되는 농축수를 부스터 펌프(Booster Pump)를 통해 압력을 높여주는 가압단계; 상기 부스터 펌프를 거쳐 압력이 높아진 농축수를 제2 압력 용기에 도입하여 2차 처리를 수행하는 단계; 및 상기 제2 압력 용기에서 배출되는 농축수를 상기 제1 압력 용기의 도입부로 순환시키는 단계;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 압력 용기 각각에는 역삼투막을 포함하는 복수 개의 역삼투막 모듈이 위치하는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 역삼투막은, 처리수의 플럭스가 1.4 ~ 1.6 ㎥/hr인 고플럭스(High Flux) 역삼투 막인 것이 바람직하고, 상기 제1 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수와 제2 압력 용기에 포함된 역삼트막 모듈의 갯수의 비는 2:5 내지 5:2의 범위인 것이 바람직하다.
상기 제1 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수와 제2 압력 용기에 포함된 역삼트막 모듈의 갯수의 비는 4:3인 것이 더욱 바람직하다.
상기 멤브레인(Membrane)을 사용한 피처리수를 처리하는 방법은, 상기 제2 압력 용기에서 2차 처리되어 배출되는 농축수가 다시 제1 압력용기의 도입부로 순환되는 순환 단계;를 추가로 더 포함할 수 있으며, 상기 순환 단계에서, 농축수는 에너지 회수 장치를 거치는 것이 더욱 바람직하다.
상기 에너지 회수 장치로는, PX(Pressure Exchanger)형 에너지 회수 장치, DWEER형 에너지 회수 장치, 터보 차져형 에너지 회수 장치 또는 터빈 발전기가 사용될 수 있다.
본 발명은, 기존의 단일 압력 용기 내에 RO막이 직렬로 연결된 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 문제점을 해결하기 위하여, 다단계 압력 용기를 사용하면서 동시에 제1 압력 용기(111)의 농축수 배출부와 제2 압력 용기(112)의 도입부 사이에, 배출되는 농축된 피처리수의 압력을 높여주는 inter-부스터 펌프(113, inter-Booster Pump)를 도입함으로써, 도 2, 도4 혹은 도 5와 같이 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치가 갖는 문제점인, 압력 용기의 도입부에 위치하는 Lead Membrane 영역(114)의 Flux over를 방지할 수 있고, 막 오염 정도를 감소시키면서 동시에 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치에 도입되는 피처리수에 가해주어야 하는 압력을 낮출 수 있어, 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치는, 부스터 펌프(113)를 제1 압력 용기의 농축수 배출부와 제2 압력 용기의 도입부 사이에 도입함으로써, 기존의 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치(도 2, 도 4 및 도 5 참조)에서 고농도의 농축수가 에너지 회수 장치(109, Energy Recovery Device)를 거친 후, 낮아진 압력을 보상하기 위해 필수적으로 사용되었던 ERD 펌프(108)를 제거할 수 있으며, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 Lead Membrane 영역의 막 오염을 감소시켜 운전 비용을 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 RO막 모듈이 배치된 압력 용기의 단면을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 RO막 모듈이 하나의 압력 용기 내에서 직렬로 연결된 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2의 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치를 사용할 경우, 플럭스의 변화를 관찰한 그래프이다.
도 4와 도 5는, 도 2의 형태를 갖는 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 개선 형태의 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 모식도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 모식도이다.
앞서 종래의 기술에서 살펴본 바와 같이, RO막 모듈(101)이 직렬로 연결되어 배치될 경우에는(도 2 참조), 압력 용기(100) 내의 투과 수량이 불균일해 질 뿐만 아니라, 압력을 높여주기 위해 소요되는 에너지의 양이 증가하게 되고, 공급수 측의 RO막 엘리먼트가 보다 빠르게 오염되는 문제점이 발생하게 된다.
일반적으로 RO 막은, 표준 Test 조건(Feed Water TDS : 32,000ppm as NaCl, Feed Pressure : 55.2 bar, Recovery Ratio : 8%)에서, 생산되는 처리수의 유량에 따라 High Flux RO막(1.4 ~ 1.6 ㎥/hr)과 Middle-High Flux RO막(1.1 ~ 1.3 ㎥/hr)로 구분되는데, 공급수의 처리 용량을 높이기 위해 고 투과도(High Flux)를 갖는 RO막을 직렬로 연결하여 사용할 경우에는 도 3과 같이 투과도의 불균형 뿐만 아니라, 압력 용기 내에서 직렬 연결된 RO막 모듈의 피처리수 도입부 쪽에 위치하는 첫번째 RO막(이하, Lead Membrane이라 함)에 과도하게 많은 여과 수량(flux over)이 발생하여, 막 오염(membrane fouling) 발생이 자주 일어나게 되며, 이로 인해 잦은 장치의 세척/유지 보수가 필요하고, 압력 용기 내의 전체 압력 유지를 위해 높은 압력이 필요하므로 운전 비용이 상승한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 도 4 혹은 도 5와 같은 방식으로 역삼투 멤브레인 장치의 내부 배치 구조를 변경하여 사용하기도 하는데, 이러한 구조 역시 문제점을 충분히 해결하지 못하고 있다.
도 4에는, Lead Membrane에 해당하는 압력 용기 내의 앞쪽에 위치된 RO막의 일부(적어도 1개 내지 3개)를 기존의 High Flux RO막(101a)이 아닌 Middle Flux RO막(101b)으로 대체하는 하이브리드 방식이 제시되어 있다.
이렇게 Lead Membrane에 해당하는 RO막을 Middle Flux Membrane으로 대체하여 압력 용기 내의 RO막을, 단순히 High Flux RO막(101a)의 직렬 연결이 아닌, Middle-High Flux RO막(101b)과 혼용된 하이브리드 RO막의 연결 형식으로 변화시킴으로써 Lead Membrane 영역의 막 오염 정도를 감소시킬 수 있는 장점을 갖지만, 압력 용기의 피처리수에 가해주어야 하는 압력이 상대적으로 높아지게 되므로, 에너지 절감 효과는 상대적으로 감소하게 되는 문제점이 발생한다.
도 5의 경우에는, 이러한 압력 용기 내의 RO막 모듈(101)의 배치를, 제1 압력 용기(111) 및 제2 압력 용기(112)와 같이 다단계로 나누고, 제1 압력 용기(111) 내에서 RO막을 투과하지 못한 농축수를 제2 압력 용기(112)의 도입부로 공급하여 2차 처리를 수행하는 배치구조를 제시하고 있다.
제1 압력 용기(111)에서 배출되는 투과수(permeated water) 배출관에 유량 조절 밸브(110)를 설치함으로써, RO막 모듈에 의해 1차 처리된 처리수의 배출 유량을 제어하고, 이로 인해 상기 제1 압력 용기(111) 내의 Lead membrane의 over-flow를 방지할 수 있는 효과가 있으나, 상기 유량 조절 밸브(110)의 작동으로 인해 제1 압력 용기(111)에 도입되는 피처리수에 가해주어야 하는 압력을 높여야 하므로, 에너지 소비가 상대적으로 높아지게 되는 문제를 근본적으로 해결할 수 없다.
본 발명에서는 이러한 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 배치 구조를 개선하여, 다단계 압력 용기를 사용하면서 동시에 제1 압력 용기(111)의 농축수 배출부와 제2 압력 용기(112)의 도입부 사이에, 배출되는 농축된 피처리수의 압력을 높여주는 inter-부스터 펌프(113, inter-Booster Pump)를 도입함으로써, 도 2, 도4 혹은 도 5와 같이 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치가 갖는 문제점인, 압력 용기의 도입부에 위치하는 Lead Membrane 영역(114)의 Flux over를 방지할 수 있고, 막 오염 정도를 감소시키면서 동시에 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치에 도입되는 피처리수에 가해주어야 하는 압력을 낮출 수 있어, 에너지 점감 효과를 달성할 수 있는 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치를 완성하였다.
또한, 본 발명의 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치는 상기 부스터 펌프(113)를 제1 압력 용기의 농축수 배출부와 제2 압력 용기의 도입부 사이에 도입함으로써, 기존의 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치(도 2, 도 4 및 도 5 참조)에서 고농도의 농축수가 에너지 회수 장치(109, Energy Recovery Device)를 거친 후, 낮아진 압력을 보상하기 위해 필수적으로 사용되었던 ERD 펌프(108)를 제거할 수 있는 장점을 갖는다.
상기 에너지 회수 장치(109, Energy Recovery Device)는 특별히 한정되지 아니하며, 기존의 공지된 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치에 사용될 수 있는 어떠한 형태의 장치도 사용가능한데, 예를 들면, PX(Pressure Exchanger)형 에너지 회수 장치, DWEER형 에너지 회수 장치, 터보 차져형 에너지 회수 장치 또는 터빈 발전기 등을 들 수 있다.
즉, 다단계 압력 용기 사이에 위치하는 inter-부스터 펌프(113)를 사용함으로써, 1차 압력 용기에 도입되는 피처리수의 압력을 낮추면서, 동시에 1차 압력 용기에서 배출되는 고농도의 농축수의 압력 손실(Pressure Loss)을 보상하여 에너지 회수 장치를 통과한 최종 농축수의 압력이 충분히 높일 수 있으므로, 다시 제1 압력용기의 도입부로 순환되는 최종 농축수에 추가적인 가압 단계를 생략할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 다양한 실시 형태를 도 6 내지 도 9에 도식적으로 나타내었다. 도 6 내지 9는 각각 다단계로 압력 용기를 배치하고, 1차 압력 용기(111)의 농축수 배출부와 2차 압력 용기(112)의 도입부 사이에 inter-부스터 펌프(113, Booster Pump)를 설치하였으며, 각각의 압력 용기 내에 배치되는 RO 막 모듈의 수를 아래의 표와 같이 변화시켰다.
1차 압력 용기 내 RO막 모듈의 수 2차 압력 용기 내 RO막 모듈의 수 비고
실시 형태 1 2 5 도 6
실시 형태 2 3 4 도 7
실시 형태 3 4 3 도 8
실시 형태 4 5 2 도 9
비교예 7 0 도 2
이러한 배치 형태를 갖는 각각의 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치에 대하여 상용 RO Projection 프로그램인 Toray Design System 2.0을 사용하여 전산 모사를 수행하였으며, 그 결과는 아래의 실시예와 같다. 에너지 저감 비율을 예측하기 위해 동일한 상용 RO Projection 프로그램을 사용하여 High Flux 멤브레인이 직렬로 연결된 단일 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치(도 2)를 비교예로 사용하였다.
2 + 5 다단계 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치
도 6과 같이 1차 압력 용기(111)에 2개의 RO 막 모듈이 위치하고, 2차 압력 용기(112)에 5개의 RO 막 모듈이 위치하며, 이들 사이에 부스터 펌프를 사용한 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치에 대하여 운전시 요구되는 전력을 산출하였다.
역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 운전 온도를 24℃와 36℃로 구분하여, 각각의 경우에 대하여 RO 막의 성능을 초기(0 year)와 후기(4 year)로 구분하여 전산 모사를 수행하였다. 이때 사용되는 RO 막은 Toray사의 Romembra™을 적용하였으며, 각각의 경우에 대하여 도입부 및 부스터 펌프(비교예의 경우에는 ERD 펌프)에 필요로하는 전력(kW)을 산출하여 비교함으로써, 전체 에너지 절감 효과를 분석하였다.
비교예와 실시 형태 1에 대하여 수행된 전산 모사 결과를 각각 표 2와 표 3에 정리하였다.
비교예 0year@24℃ 4year@24℃ 0year@36℃ 4year@36℃
압력용기
도입부		 피처리수 유량
[㎥/h]		 927 928 930 930
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 583 613 562 584
공급부 펌프 효율[%] 0.865 0.685 0.865 0.865
공급부 모터 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
공급부 밸브 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
Power [kW] 1,902 2,001 1,838 1,911
ERD Pump 피처리수 유량
[㎥/h]		 1,250 1,250 1,248 1,248
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 20 20 17 17
공급부 펌프 효율[%] 0.84 0.84 0.84 0.84
공급부 모터 효율[%] 0.95 0.95 0.95 0.95
공급부 밸브 효율[%] 0.97 0.97 0.97 0.97
Power [kW] 91 91 77 77
실시 형태 1 0year@24℃ 4year@24℃ 0year@36℃ 4year@36℃
압력용기
도입부		 피처리수 유량
[㎥/h]		 927 927 930 930
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 558 576 539 553
공급부 펌프 효율[%] 0.865 0.685 0.865 0.865
공급부 모터 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
공급부 밸브 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
Power [kW] 1,820 1,880 1,763 1,809
inter 부스터 펌프 피처리수 유량
[㎥/h]		 1,744 1,768 1,689 1,730
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 20 20 20 20
공급부 펌프 효율[%] 0.84 0.84 0.84 0.84
공급부 모터 효율[%] 0.95 0.95 0.95 0.95
공급부 밸브 효율[%] 0.97 0.97 0.97 0.97
Power [kW] 125 128 122 125
3 + 4 다단계 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치
앞서 실시예 1과 동일한 방식으로, 도 7에 제시된 실시 형태 2에 대하여 수행한 전산 모사 결과를 아래의 표 4와 같이 정리하였다.
실시 형태 2 0year@24℃ 4year@24℃ 0year@36℃ 4year@36℃
압력용기
도입부		 피처리수 유량
[㎥/h]		 927 927 930 930
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 558 578 541 555
공급부 펌프 효율[%] 0.865 0.685 0.865 0.865
공급부 모터 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
공급부 밸브 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
Power [kW] 1,827 1,886 1,770 1,816
inter 부스터 펌프 피처리수 유량
[㎥/h]		 1,591 1,615 1,542 1,579
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 20 20 20 20
공급부 펌프 효율[%] 0.84 0.84 0.84 0.84
공급부 모터 효율[%] 0.95 0.95 0.95 0.95
공급부 밸브 효율[%] 0.97 0.97 0.97 0.97
Power [kW] 115 117 112 114
4 + 3 다단계 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치
앞서 실시예 1과 동일한 방식으로, 도 8에 제시된 실시 형태 3에 대하여 수행한 전산 모사 결과를 아래의 표 5와 같이 정리하였다.
실시 형태 3 0year@24℃ 4year@24℃ 0year@36℃ 4year@36℃
압력용기
도입부		 피처리수 유량
[㎥/h]		 927 928 930 930
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 563 580 544 558
공급부 펌프 효율[%] 0.865 0.685 0.865 0.865
공급부 모터 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
공급부 밸브 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
Power [kW] 1,837 1,893 1,779 1,826
inter 부스터 펌프 피처리수 유량
[㎥/h]		 1,475 1,494 1,439 1,467
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 20 20 20 20
공급부 펌프 효율[%] 0.84 0.84 0.84 0.84
공급부 모터 효율[%] 0.95 0.95 0.95 0.95
공급부 밸브 효율[%] 0.97 0.97 0.97 0.97
Power [kW] 107 108 104 106
5 + 2 다단계 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치
앞서 실시예 1과 동일한 방식으로, 도 9에 제시된 실시 형태 4에 대하여 수행한 전산 모사 결과를 아래의 표 6과 같이 정리하였다.
실시 형태 4 0year@24℃ 4year@24℃ 0year@36℃ 4year@36℃
압력용기
도입부		 피처리수 유량
[㎥/h]		 927 928 930 930
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 563 584 547 561
공급부 펌프 효율[%] 0.865 0.685 0.865 0.865
공급부 모터 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
공급부 밸브 효율[%] 0.96 0.96 0.96 0.96
Power [kW] 1,846 1,906 1,790 1,836
inter 부스터 펌프 피처리수 유량
[㎥/h]		 1,387 1,399 1,365 1,382
피처리수 공급 압력(HPP TDH) [m] 20 20 20 20
공급부 펌프 효율[%] 0.84 0.84 0.84 0.84
공급부 모터 효율[%] 0.95 0.95 0.95 0.95
공급부 밸브 효율[%] 0.97 0.97 0.97 0.97
Power [kW] 101 101 99 100
이렇게 표 3 내지 표 6에 정리된 본 발명의 다양한 실시 형태 1 내지 4의 전산 모사 결과를 참조하면, inter-부스터 펌프(113)를 포함하는 본 발명의 다단계 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치의 경우, 멤브레인의 사용 여부(0 year 혹은 4 year) 및 운전 온도(24℃ 혹은 36℃)에 따라 필요한 전체 에너지(Total Power)는, 압력 용기 도입부에 위치하는 고압 펌프(104)의 운전에 필요한 에너지와 inter-부스터 펌프(113)를 운전하기 위한 에너지의 합으로 표현될 수 있다.
이러한 본 발명의 실시 형태와의 비교를 위해 산출된, 도 2와 같은 RO막이 직렬 연결되어 단일 압력 용기 형태를 갖는 비교예의 경우에는, 전체 필요 에너지가 압력 용기 도입부의 고압 펌프(104)의 운전에 필요한 에너지와 ERD 부스터 펌프(108)의 운전을 위한 에너지의 합으로 산출될 수 있다.
이렇게 실시예 1 내지 4에서 확인된 각각의 실시 형태에 대하여 전체 필요 에너지에 대하여 비교예를 기준으로 계산한 전체 필요 에너지의 절감 비율을 계산하면 다음의 표 7과 같다.
Case 24C-0Y 24C-4Y 36C-0Y 36C-4Y
실시예 1 2.37% 4.19% 1.59% 2.77%
실시예 2 2.60% 4.41% 1.80% 2.99%
실시예 3 2.52% 4.52% 1.67% 2.91%
실시예 4 2.34% 4.19% 1.41% 2.69%
상기 표 7의 결과에서 확인되듯이, 다단 압력 용기 배치를 도입하고 압력 용기들 사이에 inter-부스터 펌프(113)를 설치한 본 발명의 다단계 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치는, 기존의 단일 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치(비교예)에 비해 약 1.5 ~ 3%의 전체 필요 에너지의 절감 효과가 있음을 알 수 있으며, 특히 실시 형태 3과 같이 1차 압력 용기와 2차 압력 용기 내에 배치되는 RO 막 모듈의 수의 비가 4:3인 경우에 가장 우수한 에너지 절감 효과가 있음을 확인할 수 있다.
100: 압력 용기 101: RO 막 엘리먼트
101a: High Flux RO 막 101b: Middle Flux RO 막
102: 집수 배관 103: 밸브
104: 고압 펌프 105: 피처리수 도입부
106: 농축수 배출부 107: 처리수 배출부
108: ERD 부스터 펌프 109: 에너지 회수 장치(ERD)
110: 유량 조절 밸브 111: 제1 압력 용기
112: 제2 압력 용기 113: inter-부스터 펌프
114: Lead Membrane 영역

Claims (12)

  1. 피처리수를 처리하기 위한 멤브레인(Membrane) 장치에 있어서,
    상기 피처리수를 1차 처리하는 제1 압력 용기와 2차 처리하는 제2 압력 용기를 포함하고,
    상기 제1 압력 용기 및 제2 압력 용기 각각에는 역삼투막을 포함하는 복수 개의 역삼투막 모듈이 위치하며,
    상기 제1 압력 용기에서 배출되는 농축된 피처리수의 압력을 높여주는 부스터 펌프(Booster Pump)가, 제1 압력 용기의 농축수 배출부와 제2 압력 용기의 도입부 사이에 위치하여,
    제2압력 용기에서 배출되는 농축수가, 별도의 가압 과정 없이 제1 압력용기로 직접 연결되어 재순환되는 순환 과정을 거치며,
    상기 역삼투막은, 표준 Test 조건(Feed Water TDS : 32,000ppm as NaCl, Feed Pressure : 55.2 bar, Recovery Ratio : 8%)에서의 플럭스가 1.4 ~ 1.6 ㎥/hr인 고플럭스(High Flux) 역삼투 막이고,
    상기 제1 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수와 제2 압력 용기에 포함된 역삼트막 모듈의 갯수의 비는 2:5 내지 4:3의 범위인 것을 특징으로 하는, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수와 제2 압력 용기에 포함된 역삼트막 모듈의 갯수의 비는 4:3인 것을 특징으로 하는, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    순환 과정을 거치는 농축수는 에너지 회수 장치를 거치는 것을 특징으로 하는, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치는, PX(Pressure Exchanger)형 에너지 회수 장치, DWEER형 에너지 회수 장치, 터보 차져형 에너지 회수 장치 또는 터빈 발전기인 것을 특징으로 하는, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치.
  7. 멤브레인(Membrane)을 사용한 피처리수를 처리 방법에 있어서,
    상기 피처리수를 제1 압력 용기에 공급하여 1차 처리하는 단계;
    상기 제1 압력 용기의 농축수 배출부에서 배출되는 농축수를 부스터 펌프(Booster Pump)를 통해 압력을 높여주는 가압단계;
    상기 부스터 펌프를 거쳐 압력이 높아진 농축수를 제2 압력 용기에 도입하여 2차 처리를 수행하는 단계;
    상기 제2 압력 용기에서 배출되는 농축수를 상기 제1 압력 용기의 도입부로 순환시키는 단계; 및
    제2압력 용기에서 배출되는 농축수가, 별도의 가압 과정 없이 제1 압력용기로 직접 연결되어 재순환되는 순환 단계;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 압력 용기 각각에는 역삼투막을 포함하는 복수 개의 역삼투막 모듈이 위치하고,
    상기 역삼투막은, 표준 Test 조건(Feed Water TDS : 32,000ppm as NaCl, Feed Pressure : 55.2 bar, Recovery Ratio : 8%)에서의 플럭스가 1.4 ~ 1.6 ㎥/hr인 고플럭스(High Flux) 역삼투 막이고,
    상기 제1 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수와 제2 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수의 비는 2:5 내지 4:3의 범위인 것을 특징으로 하는, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치를 사용한 수처리 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 압력 용기에 포함된 역삼투막 모듈의 갯수와 제2 압력 용기에 포함된 역삼트막 모듈의 갯수의 비는 4:3인 것을 특징으로 하는, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치를 사용한 수처리 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 순환 단계에서, 농축수는 에너지 회수 장치를 거치는 것을 특징으로 하는, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치를 사용한 수처리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치는, PX(Pressure Exchanger)형 에너지 회수 장치, DWEER형 에너지 회수 장치, 터보 차져형 에너지 회수 장치 또는 터빈 발전기인 것을 특징으로 하는, 역삼투(Reverse-Osmosis) 멤브레인 장치를 사용한 수처리 방법.
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