KR101822188B1 - 고효율 저에너지 용암해수 담수화 시스템 및 담수화 방법 - Google Patents

고효율 저에너지 용암해수 담수화 시스템 및 담수화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 염도에 따라 담수화 과정이 서로 다르게 진행되는 역삼투 공정이 구비되는 용암해수 담수화 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 용암해수를 지상으로 취수하는 취수 장치와, 상기 취수 장치로 취수된 용암해수를 염도에 따라 고염도 및 저염도 용암해수로 분리시키는 염도 분리부와, 고염도 용암해수를 고농도 농축수와 1차 담수로 분리 여과시키는 해수 역삼투부와, 저염도 용암해수를 저농도 농축수와 2차 담수로 분리 여과시키는 기수 역삼투부로 이루어지며, 해수 역삼투부에서 배출되는 담수는 저염도 용암해수와 함께 기수 역삼투부로 투입되어 여과되게 구성되는 역삼투부와, 기수 역삼투부에서 배출되는 담수가 저장되는 담수저장조 및, 해수 역삼투부에서 배출되는 담수가 처리되는 배출수 처리부로 구성됨으로써 취수되는 용암해수 염도에 따라 적절한 담수화 공정을 거치므로 불필요한 공정이 단축되어 담수화 소요 에너지가 절감되고, 이물질 및 유해성분이 없으므로 전처리 공정이 필요 없으며, 용암해수를 서로 염도가 다른 두 층에서 채취함으로써, 바다 양식장에 최적 온도와 염도를 가지는 양식용 용수를 공급할 수 있을 뿐만아니라, 염분차 발전이 가능하여 담수화 공정 소요 에너지가 자체 생산 가능하여 에너지 소모가 극소화되는 용암해수 담수화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

Description

고효율 저에너지 용암해수 담수화 시스템 및 담수화 방법{The system and process of desalination using lava seawater for high-efficiency and low energy}
본 발명은 용암해수 담수화 시스템 및 용암해수 담수화 방법에 관한 것으로, 특히 염도에 따라 담수화 과정이 서로 다르게 진행되는 역삼투 공정이 구비되는 용암해수 담수화 시스템 및 담수화 방법에 관한 것이다.
제주도의 동부지역은 지질학적 특성상 바닷물이 내륙 쪽으로 쉽게 유입되는 구조를 갖고 있어서, 수천년 동안 육지로 침투된 청정 지하해수를 보유하고 있다. 바닷물이 투수성이 좋은 화산 암반층에 의해 자연 여과되면서 육지로 침투한 지하염수를'용암해수'라고 명명하고 있는데, 이 해수는 담수 지하수와의 밀도 차이에 의해 서로 섞이지 않으며 담수 층 아래에 위치하고 있다.
용암해수는 해안으로부터 최대 8㎞까지 내륙으로 흘러 들어와 있는데, 도 2에 도시된 바와 같이 육지기준으로는 제주시 조천읍 북촌리에서 서귀포시 남원읍 위미리에 이르는 동부 해안지역에 주로 분포하고 있다.
용암해수의 수질은 계절변동 및 물리적 특성 변화가 거의 없는 안정성(수온 16~18℃, pH 7.5)을 확보하고 있고, 바닷물이 지속적으로 유입되어 자원 고갈 문제가 없어 산업 자원 원료로는 충분하다. 해수 유입이 없다고 가정했을 때 1일 1,000㎥를 취수 하더라도 19,602년 동안 사용이 가능한 것으로 예측되고 있다. 또한, 대장균, 암모니아질소, 페놀류, 수은, 카드늄 등 유해성분이 검출되지 않고, 동물의 급성독성이 없어 수질 안전성과 청정성을 확보하고 있다. 특히, 용암해수는 바닷물 속의 주요 미네랄 성분들을 함유하고 있을 뿐만 아니라 화산 암반층에 의해 육지로 서서히 침투하면서 인체에 유용한 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바나듐(V), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 등의 미량 미네랄을 다량 보유하고 있어서 다양한 생리적 효과를 갖고 있다.
아래의 [표 1]에 나타난 바와 같이 용암해수는 염분, 칼슘, 마그네슘 등의 항목에서는 일반 염지하수와 유사하지만, 바나듐, 게르마늄, 셀레늄 등의 미량원소 항목에서는 뚜렷한 차이를 보이고 있고, 또한 유해한 중금속을 거의 포함하고 있지 않는 것을 알 수 있다.
항 목 평 균 2011년 2012년 2013년 2014년
Ca(칼슘) 434 398 448 470 415
K(칼륨) 474 447 450 474 512
Mg(마그네슘) 1,414 1,367 1,353 1,490 1,418
Na(나트륨) 10,799 10,967 10,357 11,033 10,773
Se(셀레늄) 0.035 0 0.06 0.02 0.06
V(바나듐) 0.05 0.04 0.08 0.04 0.03
Mo(몰리브덴) 0.007 0.004 0.003 0.008 0.01
Zn(아연) 0.002 0 0.003 0 0.003
B(보론) 4.5 2.9 4.9 4.4 5.7
Br(브롬) 60.5 61.9 58.0 62.8 59.1
Cu(구리) 0.001 0 0.000 0 0.003
Fe(철) 0.001 0 0.000 0.005 0
Ge(게르마늄) 0 0 0 0 0
Mn(망간) 0.001 0.001 0 0 0.001
Si(SiO2)(규소-규산염) 7.9 7.5 6.6 9.2 7.8
Sr(스트론튬) 7.3 7.4 7.0 7.2 7.4
Cl-(염소이온) 22,379 21,167 22,900 25,125 20,150
SO42-(황산이온) 2,859 2,723 2,913 3,150 2,628
F(불소) 1.1 1.1 1.2 1.1 1.1
따라서 용암 해수는 일반 해수와 달리 유해 물질을 함유하지 않는 점과 이물질이 모두 걸러진 점에서 일반 해수보다 더 경제적인 담수화가 가능함에도 이에 대한 연구는 아직 미비하며, 또한 용암 해수로부터 유용한 미네랄을 추출하는 기술은 아직은 일반 해수로부터 미네랄을 추출하는 기술이 그대로 적용되고 있어 설비비 및 효율의 향상을 가져오지 못하고 있는 실정이다.
관련 종래기술을 살펴보면, 도 1에 도시된 등록특허공보 제10-1338233호(등록일자: 2013. 12. 02)인 '해수 담수화에 따른 농축수 내 유용금속 회수장치 및 그 회수방법'을 들 수 있다.
상기 종래기술은 해수의 담수화 처리를 위한 역삼투공정에서 농축수가 발생시, 혼상(Mixed Bed) 이온교환수지탑을 통해 리튬 손실이 최소화되도록 농축수에 함유된 불순물을 제거한 후 불순물이 제거된 농축수에 인산 또는 인산화합물을 투입하여 용해도가 낮은 유용금속인 인산리튬을 추출하는 기술이다.
상기 종래기술에 따르면 해수의 담수화 처리시 발생하는 농축수를 해양으로 방류하지 않으면서 해양환경 오염이 발생하는 방지함은 물론, 농축수로부터 인산리튬과 같은 유용금속의 회수로부터 폐기물에 대한 자원화를 도모하고, 농축수로부터 유용금속을 회수하는데 따른 작업시간과 전력 낭비를 최소화시켜 경제적이면서 효율적으로 유용금속을 용이하게 회수할 수 있는 효과가 있다.
다만, 상기 종래기술은 일반 해수 담수화 기술로서는 효과적이나, 용암 해수의 장점을 살릴 수 있는 구성을 가지지 못하며, 특히 용암 해수이므로 가능할 수 있는 담수 생산 효율의 극대화를 가져옴과 동시에 유용 미네랄 생산도 극대화 시킬 수 있는 구성을 보여주지 못한다.
따라서 용암 해수의 장점을 최대한 살려 일반 해수 대비 설비비는 대폭 절감되면서도 담수 생산율 및 유용 미네랄 생산율의 극대화를 가져올 수 있는 기술이 요청된다.
한편, 용암해수는 취수 깊이에 따라서 담수층과의 혼합 정도가 차이가 있으므로 농도가 편차가 크며, 기타 요인에 따라 농도의 편차가 생길 수 있다. 따라서 취수되는 용암해수를 일률적으로 일반 해수에 적용되는 담수화 공정을 거치게 한다면 에너지와 공정의 낭비가 심할 수 있다. 그러나 이처럼 취수 시기와 취수 깊이에 따라 염도 차이가 있을 경우 염도에 따라 적절한 여과 공정을 거칠 수 있는 기술은 현재로서는 존재하지 않는다.
등록특허공보 제10-1338233호(등록일자: 2013. 12. 02)
이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 용암 해수의 장점을 최대한 살려 일반 해수 대비 설비비는 대폭 절감되면서도 담수 생산율 및 유용 미네랄 생산율의 극대화를 가져올 수 있고, 또한 취수되는 용암해수의 염도에 따라 적절한 담수화 공정을 선택함으로써 담수화 공정의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 용암해수 담수화 시스템 및 용암해수 담수화 방법을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용암해수 담수화 시스템 및 용암해수 담수화 방법은, 용암해수를 지상으로 취수하는 취수 장치와; 상기 취수 장치로 취수된 용암해수를 염도에 따라 고염도 용암해수와 저염도 용암해수로 분리시키는 염도 분리부와; 상기 고염도 용암해수를 고농도 농축수와 1차 담수로 분리 여과시키는 해수 역삼투부와, 저염도 용암해수를 저농도 농축수와 2차 담수로 분리 여과시키는 기수 역삼투부로 이루어지며, 해수 역삼투압부에서 배출되는 담수는 상기 저염도 용암해수와 함께 기수 역삼투압부로 투입되어 여과되게 구성되는 역삼투부와; 상기 기수 역삼투부에서 배출되는 담수가 저장되는 담수저장조; 및 상기 해수 역삼투부에서 배출되는 담수가 처리되는 배출수 처리부로 구성된다.
여기서 상기 취수 장치와 역삼투부를 연결시키는 메인 이송 배관이 구비되고, 상기 메인 이송 배관은 일정 지점에서 분기되어, 분기된 두 갈래의 메인 이송 배관 중 하나는 상기 해수 역삼투부에 연결되고, 나머지 하나는 기수 역삼투부에 연결되며, 상기 염도 분리부는 메인 이송 배관에 설치되는 염도 센서와, 메인 이송 배관이 분기되는 지점에 설치되는 삼방밸브로 이루어져, 취수 장치로 취수된 용암 해수의 염도가 기준 값 이상이면 해수 역삼투부로 이송되고, 기준 값 이하이면 기수 역삼투부로 이송되는 것을 특징으로 한다.
또는 상기 취수 장치는 고염도 용암해수를 취수하는 고염도 취수기와, 저염도 용암해수를 취수하는 저염도 취수기로 이루어지고, 고염도 취수기는 고염도 용암해수 이송배관으로 상기 해수 역삼투압와 연결되고, 저염도 취수기는 저염도 용암해수 이송배관으로 상기 기수 역삼투부와 연결되며, 바람직하게는 상기 염도 분리부는 고염도 용암해수 이송배관에 설치되는 제1염도센서 및 제1삼방밸브와, 저염도 용암해수 이송배관에 설치되는 제2염도센서 및 제2삼방밸브와, 제1삼방밸브 및 제2삼방밸브를 연결시키는 양 방향 분기 관으로 이루어져서, 고염도 용암해수 이송배관 또는 저염도 용암해수 이송배관을 따라 이송되는 용암해수의 염도가 기준 값 이상이면 해수 역삼투부로 이송되고, 상기 용암해수의 염도가 기준 값 미만이면 기수 역삼투부로 이송될 수 있다.
한편, 상기 해수 역삼투부와 기수 역삼투부는 바람직하게는 각각 복수개의 역삼투조가 직렬로 연결되어 이루어져서, 어느 하나의 역삼투조에서 배출되는 농축수가 인접되는 다음 역삼투조로 투입되어 역삼투 과정을 거쳐서 담수와 농축수로 분리 배출되며, 해수 역삼투부를 이루는 복수개의 역삼투조에서 배출되는 담수는 모두 기수 역삼투부를 이루는 복수개의 역삼투조 중 첫 번째 역삼투조로 투입되고, 해수 역삼투부를 이루는 복수개의 역삼투조 중 마지막 역삼투조에서 배출되는 농축수는 배출수 처리부로 이송된다.
이 경우 바람직하게는 상기 기수 역삼투부를 이루는 복수개의 역삼투조 중 첫 번째 역삼투조와 마지막 역삼투조를 연결시키는 농축수 재투입관이 구비되어, 상기 마지막 역삼투조에서 배출되는 농축수는 농축수 재투입관을 따라 상기 첫 번째 역삼투조로 투입되어 다시 농축수와 담수로 분리 배출된다.
그리고 상기 배출수 처리부는 해수 역삼투부에서 배출되는 고농도 농축수에서 유용 미네랄을 회수하기 위하여 농축수를 저장시키는 유용미네랄 회수조 및 해수 역삼투부와 유용미네랄 회수조를 연결시키는 고농도 농축수 배출관으로 이루어지는 유용미네랄 회수 어셈블리와, 고농도 농축수 배출관의 일정 지점에서 분기되는 고농도 농축수 분기관과, 기수 역삼투부에서 배출되는 저농도 농축수를 배출시키는 저농도 농축수 배출관과, 상기 고농도 농축수 분기관과 저농도 농축수 배출관이 함께 연결되며, 하우징 내에 고농도 농축수실과 저농도 농축수실이 삼투막으로 분리되어 저농도 농축수실로부터 담수가 고농도 농축수실로 이동되게 구성되는 염분차 삼투압조와, 고농도 농축수실로부터 배출되는 고농도 농축수로 구동되는 터빈으로 이루어지는 염분차 발전 어셈블리로 이루어질 수 있다.
이 경우 바람직하게는 상기 저농도 농축수 배출관은 상기 농축수 재투입관의 일정 지점에서 분기되어 염분차 삼투압조로 이어지는 관인 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 배출수 처리부는 바람직하게는 염분차 삼투압조에서 배출되는 저농도 농축수와 터빈에서 배출되는 고농도 농축수가 혼합되면서 함께 저장되는 양식장 용수조와, 터빈과 양식장 용수조를 연결시키는 고농도 농축수 공급관과, 고농도 농축수 공급관이 일정 지점에서 분기되어 상기 유용미네랄 회수조로 연결되는 고농도 농축수 회수관과, 고농도 농축수 공급관 및 고농도 농축수 회수관의 분기 지점에 설치되는 제3삼방밸브와, 양식장 용수조에 설치되는 제3염도센서로 이루어지는 양식장 용수 공급 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 용암해수 담수화 방법은 상기 구성으로 이루어지는 용암해수 담수화 시스템을 이용한 용암해수 담수화 방법으로서, 용암해수를 취수하는 취수 단계와, 취수된 상기 용암해수의 염도를 실시간으로 측정하여 염도가 기준 값 이상인 고염도 용암해수는 상기 해수 역삼투부로 이송하고, 염도가 기준 값 미만인 저염도 용암해수는 기수 역삼투부로 이송하는 염도별 분리 단계와, 해수 역삼투부와 기수 역삼투부로 해수를 담수와 농축수로 분리 배출하되, 해수 역삼투부에서 배출되는 담수는 전량 기수 역삼투부로 투입하여 다시 담수와 농축수로 분리시키는 역삼투 단계와, 상기 역삼투 단계에서 배출되는 담수는 담수 저장조로 이송하고, 역삼투 단계에서 배출되는 농축수는 배출수 처리부로 이송하는 후처리 단계로 구성된다.
여기서 바람직하게는 상기 취수 단계에서 용암해수를 담수층 아래의 저염도 용암해수와 저염도 용암해수층 아래의 고염도 용암해수를 따로 취수하고, 상기 염도별 분리 단계에서는 취수된 고염도 용암해수가 이송되는 고염도 용암해수 이송배관과 저염도 용암해수가 이송되는 저염도 용암해수 이송배관 사이를 연결시켜서 고염도 용암해수 또는 저염도 용암해수의 염도가 기준 값 미만이면 기수 역삼투부로 이송하고, 기준 값 이상이면 해수 역삼투부로 이송한다.
이 경우 바람직하게는 기수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 저농도 농축수를 다시 기수 역삼투부로 투입하여 담수와 농축수로 분리시킨다.
이때 바람직하게는 기수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 저농도 농축수 일부와, 해수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 고농도 농축수 일부를 혼합하여 양식장용 용수로 만들 수 있다.
이 경우 바람직하게는 상기 저농도 농축수 일부와 고농도 농축수 일부를 혼합시키기 전에 염분차 삼투압조에 투입하여 고농도 농축수를 더욱 압축시킴으로써 고농도 농축수로 터빈을 구동하여 전력을 생산할 수 있다.
여기서 바람직하게는 상기 양식장용 용수의 염도가 일정 값 이상이 되면 상기 터빈을 구동시킨 고농도 농축수를 유용미네랄 회수조로 이송한다.
본 발명에 따른 용암해수 담수화 시스템 및 용암해수 담수화 방법에 따르면, 취수되는 용암해수의 염도에 따라 적절한 담수화 공정을 거치게 되어 불필요한 공정 가동이 필요 없어 담수화에 소요되는 에너지가 절감되고, 이물질 및 유해성분이 없으므로 전처리 공정이 필요 없으며, 용암해수를 서로 염도가 다른 두 층에서 채취함으로써 각각 생산되는 농축수로 염분차 발전이 가능하여 담수화 공정에 소요되는 에너지가 자체 생산 가능하므로 에너지 소모가 극소화 되고, 생산되는 농축수로 적절한 온도와 염도의 양식장용 용수가 항상 생산 가능하고, 양식장용 용수의 수요가 없을 경우에는 기수 역삼투압공정에 투입되는 담수가 전량 고품위 담수로 생산됨으로써 담수 생산효율과 담수 품질이 고도로 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래기술을 나타내는 도면,
도 2는 용암해수가 존재하는 구역이 도시된 단면도와 지도,
도 3은 본 발명에 따른 용암해수 담수화 시스템의 기본 실시예의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 용암해수 담수화 시스템의 변형 실시예의 구성도,
도 5는 도 4을 더욱 구체화한 세부 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 용암해수 담수화 방법을 나타내는 블록도,
도 7은 도 6에서 농축수 처리 단계를 더욱 세분화한 블록도,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
먼저 본 발명의 기본 실시예를 설명한 다음 본 발명의 변형 실시예를 차례로 설명한다.
기본 실시예에 따른 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 취수 장치(1), 염도 분리부(3), 역삼투부(4,5), 담수저장조(7) 및 배출수 처리부로 이루어진다.
취수 장치(1)는 지하에 존재하는 용암 해수를 지상까지 끌어올리는 장치이다. 도 2에 도시된 바와 같이 용암 해수는 담수층 아래에 존재한다.
염도 분리부(3)는 취수 장치로 끌어올려진 용암 해수가 후술 하게 될 해수 역삼투부(4)와 기수 역삼투부(5)를 모두 통과하지 않아도 될 정도로 염도가 낮은 경우에는 기수 역삼투부(5)만 거치도록 함으로써 불필요한 공정을 거치지 않고 염도에 따라 최소한의 공정만 거쳐도 고품질의 담수가 생산될 수 있다.
이를 위하여 염도 분리부(3)는 도 3에 도시된 바와 같이 염도 센서(31)와, 염도에 따라 용암 해수를 해수 역삼투부(4)(SWRO: sea water reverse osmosis) 또는 기수 역삼투부(5)(BWRO: brackish water reverse osmosis)중 하나를 선택하여 이송시키는 염도 분리 삼방밸브(32)로 이루어진다.
이때 염도 분리부(3)는 보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 취수 장치(1)와 역삼투부(4,5)를 연결시키는 메인 이송 배관이 구비되고, 메인 이송 배관은 일정 지점에서 두 갈래로 분기되어, 두 갈래로 분기된 메인 이송 배관 중 하나는 해수 역삼투부에 연결되고, 나머지 하나는 기수 역삼투부에 연결되며, 염도 분리부(3)는 메인 이송 배관에 설치되는 염도 센서(31)와, 메인 이송 배관이 분기되는 지점에 설치되는 염도 분리 삼방밸브(32)로 이루어져, 취수 장치(1)로 취수된 용암 해수의 염도가 기준 값 이상이면 해수 역삼투부(4)로 이송되고, 기준 값 이하이면 기수 역삼투부(5)로 이송되게 구성될 수 있다.
해수 역삼투부(4)(SWRO: sea water reverse osmosis)는 고염도의 용암 해수를 역삼투 공정을 거쳐 담수와 고농도 농축수로 분리 배출시키는 장치이다. 이때 해수 역삼투부(4)(SWRO: sea water reverse osmosis)에서 생산되는 담수는 전량이 기수 역삼투압부(5)(BWRO: brackish water reverse osmosis)에 투입되어 다시 역삼투 공정을 거침으로써 고품질의 담수와 저농도 농축수로 분리배출된다.
해수 역삼투부(4)에서 배출되는 고농도 농축수는 배출수 처리부로 이송된다. 배출수 처리부는 도 3에 도시된 바와 같이 유용 미네랄 회수조(6)일 수도 있고 또는 전량 방류될 수도 있으며 또는 기수 역삼투부(5)에서 배출되는 저농도 농축수와 함께 염분차 발전에 이용될 수도 있고 또는 양식장의 적절한 수온을 위하여 양식장에 공급되는 용수로 활용될 수도 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
본 발명의 기본 실시예를 간략하게 설명하였으므로 이하에서는 본 발명의 구체적인 구성과 응용 실시예를 설명한다.
염도 분리부(3)는 도 3에서와 달리 도 4와 같이 구성될 수 있다. 도 4에서는 취수 장치는 고염도 용암해수를 취수하는 고염도 취수기(11)와, 저염도 용암해수를 취수하는 저염도 취수기(12)로 이루어진다. 용암 해수는 도 2에 도시된 바와 같이 일반적인 지하수에 해당되는 담수층 아래에 존재하므로 담수층과 가까운 부위에서는 담수와 일정정도 혼합이 이루어져 염도가 낮으며, 점점 깊어지면서 담수층과 멀어지면 염도가 일반 해수에 근접될 정도로 높다.
이때 본 발명에서는 바로 이러한 점을 이용하여 담수층과 가까운 곳의 저염도 용암해수와 담수층과 먼 고염도 용암해수를 각각 별도로 취수함으로써 후술하게 될 염분차 발전이 가능하게 되어 담수화 공정에 소요되는 전력 소모가 현저하게 감소될 수 있으며, 또한 저염도 용암해수는 이중 역삼투 공정을 거칠 필요 없이 기수 역삼투부만을 거치도록 함으로써 용암 해수의 염도에 따라 최소한의 전력 소모와 간단한 공정만으로 고품질의 담수가 생산 가능하게 된다.
고염도 취수기(11)는 고염도 용암해수 이송배관으로 해수 역삼투부(4)와 연결되고, 저염도 취수기(12)는 저염도 용암해수 이송배관으로 기수 역삼투부(5)와 연결된다.
이에 맞춰서 염도 분리부(3)는 고염도 용암해수 이송배관에 설치되는 제1염도센서(31a) 및 제1삼방밸브(32a)와, 저염도 용암해수 이송배관에 설치되는 제2염도센서(31b) 및 제2삼방밸브(32b)와, 제1삼방밸브(32a) 및 제2삼방밸브(32b)를 연결시키는 양 방향 분기 관(33)으로 이루어진다.
이 경우 고염도 용암해수 이송배관 또는 저염도 용암해수 이송배관을 따라 이송되는 용암해수의 염도가 기준 값 이상이면 해수 역삼투부(4)로 이송되고, 상기 용암해수의 염도가 기준 값 미만이면 기수 역삼투부(5)로 이송된다. 취수 지역이 담수층 보다 상당거리 이상 아래에 위치하여, 고염도 취수기(11)로 취수되는 용암해수의 경우에도 여러 가지 요인으로 인하여 담수와 상당량이 혼합되는 경우가 발생될 수 있어, 염도가 상당 정도로 낮아져서 기수 역삼투부(5)만 거치더라도 고품질의 담수 생산이 가능할 수 있으므로, 이러한 경우 불필요한 해수 역삼투부(4)를 거치지 않을 수 있기 위함이다. 또한 저염도 취수기(12)의 경우에도 가뭄이 있거나 기타 이유로 염도가 높은 용암 해수가 취수될 수 있으므로 이러한 경우에는 해수 역삼투부(4)로 이송될 수 있도록 하기 위하여 양 방향 분기 관(33)이 설치되는 것이다.
해수 역삼투부(4)와 기수 역삼투부(5)는 각각 복수개의 역삼투조가 직렬로 연결되어 이루어져서, 어느 하나의 역삼투조에서 배출되는 농축수가 인접되는 다음 역삼투조로 투입되어 역삼투 과정을 거쳐서 담수와 농축수로 분리 배출된다.
이때 해수 역삼투부(4)를 이루는 복수개의 역삼투조에서 배출되는 담수는 모두 기수 역삼투부(5)를 이루는 복수개의 역삼투조 중 첫 번째 역삼투조(54)로 투입되고, 해수 역삼투부(4)를 이루는 복수개의 역삼투조 중 마지막 역삼투조(46)에서 배출되는 농축수는 배출수 처리부로 이송된다.
도 5에는 역삼투조가 해수 역삼투부(4)와 기수 역삼투부(5)에 각각 3개씩 직렬로 배치된 것을 볼 수 있다. 이때 해수 역삼투부(4)를 이루는 역삼투조를 제1 해수 역삼투조(44), 제2 해수 역삼투조(45), 제3 해수 역삼투조(46)라 하고, 기수 역삼투부(5)를 이루는 역삼투조를 제1 기수 역삼투조(54), 제2 기수 역삼투조(55), 제3 기수 역삼투조(56)라 하기로 한다.
이때 제1 기수 역삼투조(54)와 제3 기수 역삼투조(56)를 연결시키는 농축수 재투입관(58)이 구비되어, 제3 기수 역삼투조(56)에서 배출되는 농축수는 농축수 재투입관(58)을 따라 제1 기수 역삼투조(54)로 투입되어 다시 농축수와 담수로 분리 배출된다. 이로써 후술하게 될 염분차 발전이나 양식장 용수를 위한 저농도 농축수를 배출시킬 필요가 없을 경우에는 기수 역삼투부(5)에서 생산되는 저농도 농축수는 전량이 다시 기수 역삼투부(5)로 재투입되어 담수로 생산되므로 사실상 기수 역삼투부(5)에서의 담수 회수율은 거의 100%에 근접하게 된다. 이 경우 기수 역삼투부(5)를 수 차례 반복하여 거치면서 생산되는 농축수의 염도도 조금씩 증가되긴 하지만 해수 역삼투부(4)에서 배출되는 고농도 농축수에 비해서는 훨씬 저농도 이기 때문이며 또한 고농도 농축수에 근접할 정도로 농도가 높아지는 농축수는 극히 소량만이 남기 때문에 이처럼 많은 횟수로 반복되어 최종적으로 생산되는 고농도 농축수에 근접되는 농축수는 간간이 간헐적으로 배출시키면 되며, 이러한 양은 극히 미량이기 때문에 기수 역삼투부의 담수 회수율은 거의 100%에 근접하는 것이다.
한편, 배출수 처리부는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 유용 미네랄 회수 어셈블리와, 염분차 발전 어셈블리(8)와, 양식장 용수 공급 어셈블리(9)로 이루어질 수 있다.
유용미네랄 회수 어셈블리는 해수 역삼투부(4)에서 배출되는 고농도 농축수에서 유용 미네랄을 회수하기 위하여 농축수를 저장시키는 유용미네랄 회수조(6) 및 해수 역삼투부(4)와 유용미네랄 회수조(6)를 연결시키는 고농도 농축수 배출관(85)으로 이루어질 수 있다. 용암해수는 광범위한 현무암층을 거치면서 여과되므로 취수되는 용암해수는 유해한 불순물이나 이물질은 모두 여과되는 반면 유용 미네랄은 일반 해수보다 더 많이 함유하고 있으므로 이처럼 해수 역삼투부(4)를 거쳐서 배출되는 고농도 농축수는 유용 미네랄을 회수할 수 있는 훌륭한 재료가 되기 때문이다.
염분차 발전 어셈블리(8)는 고농도 농축수 배출관(85)의 일정 지점에서 분기되는 고농도 농축수 분기관(84)과, 기수 역삼투부(5)에서 배출되는 저농도 농축수를 배출시키는 저농도 농축수 배출관(86)과, 고농도 농축수 분기관(84)과 저농도 농축수 배출관(86)이 함께 연결되며, 하우징 내에 고농도 농축수실과 저농도 농축수실이 삼투막으로 분리되어 저농도 농축수실로부터 담수가 고농도 농축수실로 이동되게 구성되는 염분차 삼투압조(81)와, 고농도 농축수실로부터 배출되는 고농도 농축수로 구동되는 터빈(82)으로 이루어진다.
이와 같이 본 발명에서는 고염도 용암해수와 저염도 용암해수를 별도로 취수함으로써 일반 담수화 공정에서 볼 수 있는 염분차 발전과 달리 담수화 공정 중간에 염분차 발전 설비를 배치할 때 발생될 수 있는 압력의 손실 문제가 해결될 수 있고, 또한 염분차 발전에서 생산되는 전력의 양도 더욱 커지게 되어 현저하게 효율적인 공정 운영이 가능하다.
이때 염분차 발전을 위하여 이용되는 저농도 농축수는 도 5에 도시된 바와 같이 앞서 설명된 농축수 재투입관(58)의 일정 지점에서 저농도 농축수 배출관(86)을 분기시켜서 이송시킬 수 있다.
양식장 용수 공급 어셈블리(9)는 도 5에 도시된 바와 같이, 염분차 삼투압조(81)에서 배출되는 저농도 농축수와 터빈(82)에서 배출되는 고농도 농축수가 혼합되면서 함께 저장되는 양식장 용수조(91)와, 터빈(82)과 양식장 용수조(91)를 연결시키는 고농도 농축수 공급관(96)과, 고농도 농축수 공급관(96)이 일정 지점에서 분기되어 유용미네랄 회수조로 연결되는 고농도 농축수 회수관(94)과, 고농도 농축수 공급관(96) 및 고농도 농축수 회수관(94)의 분기 지점에 설치되는 제3삼방밸브(93)와, 양식장 용수조(91)에 설치되는 제3염도센서(92)로 이루어질 수 있다.
이 경우 제3염도센서(92)가 설치됨으로써 염분차 발전을 거쳐서 터빈(82)에서 배출되는 고농도 농축수는 양식장 용수조(91) 내의 염도가 기준치를 넘어서게 되면 양식장 용수조(91)로 이송시키지 않고 제3방밸브(93)를 통하여 다시 유용미네랄 회수조(6)로 보냄으로써 양식장으로 보낼 용수의 염도가 자동으로 조절될 수 있다.
광어, 감태 등 해산물 양식장에서는 양식 종에 맞는 염분 농도 및 온도가 필요한데 광어의 경우 최적 사육수온은 섭씨 21도 내지 24도 이며 수온이 섭씨 10도 이하이거나 27도 이상이면 폐사하게 된다.
그런데 특히 용암해수는 지하 담수층 보다 더 아래에 존재하므로 계절에 상관없이 일정한 수온이 유지될 수 있어서 양식장 수온 유지를 위한 최적의 용수로 활용될 수 있다. 즉 용암 해수는 일정한 온도가 유지되면서도 해수와 동등한 염분이 유지될 수 있기 때문이다.
참고로 일반 해수와 용암 해수 및 농축수의 농도와 온도의 비교는 아래의 표와 같다.
염분 농도(‰) 온도(℃)
제주 일반 해수 34~35 16~18
고농도 용암해수 32~33 15~18
저농도 용암해수 0.8~7 15~18
고농도 용암해수 농축수 80 16~20
저농도 용암해수 농축수 20이하 16~20
이하에서는 본 발명에 따른 용암해수 담수화 방법에 대하여 설명한다. 용암해수 담수화 방법의 주요 특징은 앞서 설명된 용암해수 담수화 시스템과 거의 대부분 중복되기 때문에 간략하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 용암해수 담수화 방법은 도 6의 블럭도에 도시된 바와 같이 용암해수를 취수하는 취수 단계와, 취수된 상기 용암해수의 염도를 실시간으로 측정하여 염도가 기준 값 이상인 고염도 용암해수는 상기 해수 역삼투부로 이송하고, 염도가 기준 값 미만인 저염도 용암해수는 기수 역삼투부로 이송하는 염도별 분리 단계와, 해수 역삼투부와 기수 역삼투부로 해수를 담수와 농축수로 분리 배출하되, 해수 역삼투부에서 배출되는 담수는 전량 기수 역삼투부로 투입하여 다시 담수와 농축수로 분리시키는 역삼투 단계와, 역삼투 단계에서 배출되는 담수는 담수 저장조로 이송하고, 역삼투 단계에서 배출되는 농축수는 배출수 처리부로 이송하는 후처리 단계로 이루어진다.
이때 상기 취수 단계에서 용암해수를 담수층 아래의 저염도 용암해수와 저염도 용암해수층 아래의 고염도 용암해수를 따로 취수하고, 상기 염도별 분리 단계에서는 취수된 고염도 용암해수가 이송되는 고염도 용암해수 이송배관과 저염도 용암해수가 이송되는 저염도 용암해수 이송배관 사이를 연결시켜서 고염도 용암해수 또는 저염도 용암해수의 염도가 기준 값 미만이면 기수 역삼투부로 이송하고, 기준 값 이상이면 해수 역삼투부로 이송하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게는 기수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 저농도 농축수를 다시 기수 역삼투부로 투입하여 담수와 농축수로 분리시킨다.
또한 기수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 저농도 농축수 일부와, 해수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 고농도 농축수 일부를 혼합하여 양식장용 용수로 만들 수 있다. 이 경우 바람직하게는 저농도 농축수 일부와 고농도 농축수 일부를 혼합시키기 전에 염분차 삼투압조에 투입하여 고농도 농축수를 더욱 압축시킴으로써 고농도 농축수로 터빈을 구동하여 전력을 생산한다. 이때 양식장용 용수의 염도가 일정 값 이상이 되면 상기 터빈을 구동시킨 고농도 농축수를 유용미네랄 회수조로 이송함으로써 양식장용 용수의 염도가 자동으로 조절될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1: 취수 장치 2: 이송 펌프
2a: 제1이송펌프 2b: 제2이송펌프
3: 염도 분리부 4: 해수 역삼투부
5: 기수 역삼투부 6: 유용 미네랄 회수조
7: 담수 저장조 8: 염분차 발전 어셈블리
9: 양식장 용수 공급 어셈블리 11: 고염도 취수기
12: 저염도 취수기 31: 염도 센서
31a: 제1염도 센서 31b: 제2염도센서
32: 염도 분리 삼방밸브 32a: 제1삼방밸브
32b: 제2삼방밸브 33: 양 방향 분기 관
41-1: 제1고압펌프 41-2: 제2고압펌프
41-3: 제3고압펌프 44: 제1 해수 역삼투조
45: 제2 해수 역삼투조 46: 제3 해수 역삼투조
48: 2차 역삼투 투입관 51-1: 제1저압펌프
51-2: 제2저압펌프 51-3: 제3저압펌프
54: 제1 기수 역삼투조 55: 제2 기수 역삼투조
56: 제3 기수 역삼투조 57: 저농도 농축수 분기밸브
58: 농축수 재투입관 81: 염분차 삼투압조
82: 터빈 83: 발전용 투입 밸브
84: 고농도 농축수 분기관 85: 고농도 농축수 배출관
86: 저농도 농축수 배출관 91: 양식장 용수조
92: 제3염도센서 93: 제3삼방밸브
94: 고농도 농축수 회수관 95: 저농도 농축수 공급관
96: 고농도 농축수 공급관

Claims (14)

  1. 용암해수를 지상으로 취수하는 취수 장치와;
    상기 취수 장치로 취수된 용암해수를 염도에 따라 고염도 용암해수와 저염도 용암해수로 분리시키는 염도 분리부와;
    상기 고염도 용암해수를 고농도 농축수와 1차 담수로 분리 여과시키는 해수 역삼투부와, 저염도 용암해수를 저농도 농축수와 2차 담수로 분리 여과시키는 기수 역삼투부로 이루어지며, 해수 역삼투부에서 배출되는 담수는 상기 저염도 용암해수와 함께 기수 역삼투부로 투입되어 여과되게 구성되는 역삼투부와;
    상기 기수 역삼투부에서 배출되는 담수가 저장되는 담수저장조; 및
    상기 해수 역삼투부에서 배출되는 담수가 처리되는 배출수 처리부;로 구성되되,
    상기 해수 역삼투부와 기수 역삼투부는 각각 복수개의 역삼투조가 직렬로 연결되어 이루어져서, 어느 하나의 역삼투조에서 배출되는 농축수가 인접되는 다음 역삼투조로 투입되어 역삼투 과정을 거쳐서 담수와 농축수로 분리 배출되며, 해수 역삼투부를 이루는 복수개의 역삼투조에서 배출되는 담수는 모두 기수 역삼투부를 이루는 복수개의 역삼투조 중 첫 번째 역삼투조로 투입되고, 해수 역삼투부를 이루는 복수개의 역삼투조 중 마지막 역삼투조에서 배출되는 농축수는 배출수 처리부로 이송되고,
    상기 기수 역삼투부를 이루는 복수개의 역삼투조 중 첫 번째 역삼투조와 마지막 역삼투조를 연결시키는 농축수 재투입관이 구비되어, 상기 마지막 역삼투조에서 배출되는 농축수는 농축수 재투입관을 따라 상기 첫 번째 역삼투조로 투입되어 다시 농축수와 담수로 분리 배출되며,
    상기 배출수 처리부는
    해수 역삼투부에서 배출되는 고농도 농축수에서 유용 미네랄을 회수하기 위하여 농축수를 저장시키는 유용미네랄 회수조 및 해수 역삼투부와 유용미네랄 회수조를 연결시키는 고농도 농축수 배출관으로 이루어지는 유용미네랄 회수 어셈블리와,
    고농도 농축수 배출관의 일정 지점에서 분기되는 고농도 농축수 분기관과, 상기 농축수 재투입관의 일정 지점에서 분기되어 기수 역삼투부에서 배출되는 저농도 농축수를 배출시키는 저농도 농축수 배출관과, 상기 고농도 농축수 분기관과 저농도 농축수 배출관이 함께 연결되며, 하우징 내에 고농도 농축수실과 저농도 농축수실이 삼투막으로 분리되어 저농도 농축수실로부터 담수가 고농도 농축수실로 이동되게 구성되는 염분차 삼투압조와, 고농도 농축수실로부터 배출되는 고농도 농축수로 구동되는 터빈으로 이루어지는 염분차 발전 어셈블리로 이루어지고,
    상기 배출수 처리부는
    염분차 삼투압조에서 배출되는 저농도 농축수와 터빈에서 배출되는 고농도 농축수가 혼합되면서 함께 저장되는 양식장 용수조와, 터빈과 양식장 용수조를 연결시키는 고농도 농축수 공급관과, 고농도 농축수 공급관이 일정 지점에서 분기되어 상기 유용미네랄 회수조로 연결되는 고농도 농축수 회수관과, 고농도 농축수 공급관 및 고농도 농축수 회수관의 분기 지점에 설치되는 제3삼방밸브와, 양식장 용수조에 설치되는 제3염도센서로 이루어지는 양식장 용수 공급 어셈블리를 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 용암해수 담수화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 취수 장치와 역삼투부를 연결시키는 메인 이송 배관이 구비되고, 상기 메인 이송 배관은 일정 지점에서 두 갈래로 분기되어, 두 갈래로 분기된 메인 이송 배관 중 하나는 상기 해수 역삼투부에 연결되고, 나머지 하나는 기수 역삼투부에 연결되며,
    상기 염도 분리부는 메인 이송 배관에 설치되는 염도 센서와, 메인 이송 배관이 분기되는 지점에 설치되는 염도분리 삼방밸브로 이루어져, 취수 장치로 취수된 용암 해수의 염도가 기준 값 이상이면 해수 역삼투부로 이송되고, 기준 값 이하이면 기수 역삼투부로 이송되는 것을 특징으로 하는 용암해수 담수화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 취수 장치는 고염도 용암해수를 취수하는 고염도 취수기와, 저염도 용암해수를 취수하는 저염도 취수기로 이루어지고,
    고염도 취수기는 고염도 용암해수 이송배관으로 상기 해수 역삼투부와 연결되고, 저염도 취수기는 저염도 용암해수 이송배관으로 상기 기수 역삼투부와 연결되며,
    상기 염도 분리부는 고염도 용암해수 이송배관에 설치되는 제1염도센서 및 제1삼방밸브와, 저염도 용암해수 이송배관에 설치되는 제2염도센서 및 제2삼방밸브와, 제1삼방밸브 및 제2삼방밸브를 연결시키는 양 방향 분기 관으로 이루어져서, 고염도 용암해수 이송배관 또는 저염도 용암해수 이송배관을 따라 이송되는 용암해수의 염도가 기준 값 이상이면 해수 역삼투부로 이송되고, 상기 용암해수의 염도가 기준 값 미만이면 기수 역삼투부로 이송되는 것을 특징으로 하는 용암해수 담수화 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항으로 이루어지는 용암해수 담수화 시스템을 이용한 용암해수 담수화 방법으로서,
    용암해수를 취수하는 취수 단계;
    취수된 상기 용암해수의 염도를 실시간으로 측정하여 염도가 기준 값 이상인 고염도 용암해수는 상기 해수 역삼투부로 이송하고, 염도가 기준 값 미만인 저염도 용암해수는 기수 역삼투부로 이송하는 염도별 분리 단계;
    해수 역삼투부와 기수 역삼투부로 해수를 담수와 농축수로 분리 배출하되, 해수 역삼투부에서 배출되는 담수는 전량 기수 역삼투부로 투입하여 다시 담수와 농축수로 분리시키되, 기수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 저농도 농축수를 다시 기수 역삼투부로 투입하여 담수와 농축수로 분리시키는 역삼투 단계;
    기수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 저농도 농축수 일부와, 해수 역삼투부에서 최종적으로 배출되는 고농도 농축수 일부를 염분차 삼투압조에 투입하여 고농도 농축수를 더욱 압축시킴으로써 고농도 농축수로 터빈을 구동하여 전력을 생산하는 단계;
    상기 전력을 생산하는 단계에서 배출되는 저농도 농축수 일부와 고농도 농축수 일부를 혼합하여 양식장용 용수로 만드는 단계;
    상기 역삼투 단계에서 배출되는 담수는 담수 저장조로 이송하고, 역삼투 단계에서 배출되는 농축수 중 전력 생산에 투입된 농축수를 제외한 나머지 고농도 농축수 및 저농도 농축수를 배출수 처리부로 이송하는 후처리 단계;로 구성되는 용암해수 담수화 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 취수 단계에서 용암해수를 담수층 아래의 저염도 용암해수와 저염도 용암해수층 아래의 고염도 용암해수를 따로 취수하고,
    상기 염도별 분리 단계에서는 취수된 고염도 용암해수가 이송되는 고염도 용암해수 이송배관과 저염도 용암해수가 이송되는 저염도 용암해수 이송배관 사이를 연결시켜서 고염도 용암해수 또는 저염도 용암해수의 염도가 기준 값 미만이면 기수 역삼투부로 이송하고, 기준 값 이상이면 해수 역삼투부로 이송하는 것을 특징으로 하는 용암해수 담수화 방법.
  11. 삭제
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  14. 제9항에 있어서,
    상기 양식장용 용수의 염도가 일정 값 이상이 되면 상기 터빈을 구동시킨 고농도 농축수를 유용미네랄 회수조로 이송하는 것을 특징으로 하는 용암해수 담수화 방법.
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