KR101981343B1 - 초순수 및 냉수 생산 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

초순수 및 냉수 생산 시스템이 개시된다. 초순수 및 냉수 생산 시스템은 흡착제가 원수로부터 증기를 흡착하는 흡착(adsorption)공정과 흡착된 증기를 탈착하는 탈착(desorption) 공정을 순차적으로 거친 후, 증기를 응축시켜 순수를 생산하는 순수 및 냉수 생산 유닛; 및 상기 순수 및 냉수 생산 유닛으로부터 순수가 공급되며, 순수에 포함된 이온을 제거하여 초순수를 생산하는 CDI 전극 모듈을 포함할 수 있다.

Description

초순수 및 냉수 생산 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING ULTRAPURE WATER AND CHILLED WATER}

본 발명은 초순수 및 냉수 생산 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡착(Adsorption, AD)-축전식 탈염(Capacitive deionization, CDI) 전극 모듈을 이용하여 초순수와 냉수를 동시에 생산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

물속에 존재하는 미립자, 유기물, 이온성 물질들을 완전히 제거하여 이론적으로 17~18㏁ㆍcm의 비저항을 갖는 물을 초순수라고 한다. 초순수는 원자의 결합측정 연구 및 유전공학 연구 등의 기초과학 분야뿐만 아니라, 반도체나 전자기기의 제조, 의약품 제조, 식품제조, 화력 또는 원자력 발전소 등 다양한 산업의 생산공정에서 대량으로 사용되고 있다. 특히 반도체 산업의 경우 안정적으로 고품질의 초순수를 생산할 수 있는 시스템은 고집적도의 반도체 생산에 필수적이다.

일반적으로 초순수 생산을 위한 기존 공정에는 multiple IER, RO-EDI 복합공정이 있다.

Multi IER 공정은 기존 증류 방식에 비해 운영 관리가 저렴하다는 장점이 있으나, 유기물에서 이온을 띄지 않는 것과 미생물류의 제거가 거의 불가능하며, 미생물의 번식이 쉽다는 단점이 있다.

RO-EDI 시스템의 RO 공정은 유입수의 농도 증가에 따른 에너지 소비의 증가, 낮은 회수율, 보론 제거, 농축수 처리 등의 문제가 있다, 그리고 막을 사용하는 EDI 공정은 화학약품에 의한 막 세정이 요구되며, 막 세정과정에서 화학약품의 사용과 다량의 폐액이 발생되는 문제가 있다.

한국공개특허공보 제10-2012-0133485호(2012.12.11 공개)

본 발명은 초순수와 냉수를 동시에 생산할 수 있는 초순수 및 냉수 생산 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 기존 시스템에 비하여 에너지 소비량을 감소시킬 수 있는 초순수 및 냉수 생산 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 친환경적인 초순수 및 냉수 생산 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 CDI 전극 모듈에서 에너지 소비량을 최소화할 수 있는 초순수 및 냉수 생산 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 초순수의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 초순수 및 냉수 생산 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 초순수 및 냉수 생산 시스템은 흡착제가 원수로부터 증기를 흡착하는 흡착(adsorption)공정과 흡착된 증기를 탈착하는 탈착(desorption) 공정을 순차적으로 거친 후, 증기를 응축시켜 순수를 생산하는 순수 및 냉수 생산 유닛; 및 상기 순수 및 냉수 생산 유닛으로부터 순수가 공급되며, 순수에 포함된 이온을 제거하여 초순수를 생산하는 CDI 전극 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 순수 및 냉수 생산 유닛은 원수로부터 증기가 발생되는 증발 탱크증발기; 및 상기 증발 탱크증발기 내부로 냉수가 순환하도록 제공된 냉각 라인을 포함하되, 상기 냉각 라인을 순환하는 냉수는 상기 증발 탱크 증발기 내에서 원수의 증발잠열과 열교환되어 보다 낮은 온도로 냉각될 수 있다.

또한, 상기 순수 및 냉수 생산 유닛에서 생산된 순수는 TDS가 0일 수 있다.

또한, 상기 순수 및 냉수 생산 유닛은 상기 흡착제가 충진되는 흡착탑; 상기 흡착제와 접촉하며, 상기 흡착 공정 동안 냉각수가 흐르고, 상기 탈착 공정 동안 온수가 흐르는 열교환 라인; 상기 흡착제에서 탈착된 증기가 공급되며, 증기를 응축시키는 응축기; 및 상기 응축기에서 응축된 순수를 저장하는 순수 저장 탱크를 포함할 수 있다.

또한, 상기 CDI 전극 모듈은 순수가 지나가는 유로를 사이에 두고 마주 배치되는 두 개의 전극들을 포함하고, 상기 전극들에 전위가 인가되는 동안 상기 CDI 전극 모듈에서 유출되는 초순수를 초순수 저장 탱크로 공급하는 초순수 유출 라인; 및 상기 초순수 유출 라인에서 분기되며, 상기 전극들의 재생 단계에서 상기 CDI 전극 모듈에서 유출되는 순수를 외부로 배출시키는 배출 라인을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 초순수 및 냉수 생산 방법은 흡착제가 원수로부터 증기를 흡착하는 흡착(adsorption)공정과 흡착된 증기를 탈착하는 탈착(desorption) 공정을 순차적으로 거친 후, 증기를 응축시켜 순수를 생산하는 순수 및 냉수 생산 단계; 및 상기 순수 및 냉수 생산 유닛으로부터단계에서 생산된 순수가 공급되며, 순수에 포함된 이온을 제거하여 초순수를 생산하는 초순수 생산 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 순수 및 냉수 생산 단계는, 원수로부터 증기가 발생되는 과정에서 증발잠열로 인해 온도가 낮아진 주위 분위기와 냉수를 열교환하여 냉수를 냉각할 수 있다.

또한, 상기 순수는 TDS가 0일 수 있다.

또한, 상기 흡착 공정 동안 상기 흡착제와 접촉하는 열교환 라인으로 냉각수(cooling water)가 순환하며 증기의 흡착과정에서 발생하는 열을 냉각하고, 상기 탈착 공정 동안 상기 열교환 라인으로 온수(hot water)가 순환하며 상기 흡착제에 흡착된 수분을 탈착시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, AD-CDI 전극 모듈이 결합된 시스템은 적은 에너지의 사용으로 초순수와 냉수를 생산할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, CDI 전극 모듈의 전위 변화로 전극 재생이 가능하므로, 화학 약품의 사용이 요구되지 않아 친환경적인 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, AD과정에서 생산된 순수는 초순수 생산을 위해 CDI 전극 모듈에서 소요되는 에너지를 크게 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초순수 및 냉수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2은 초순수와 냉수를 동시에 생산하는 과정을 순차적으로 나타내는 순서도이다.
도 3과 도 4는 도 1의 초순수 및 냉수 생산 시스템을 이용하여 초순수와 냉수를 동시에 생산하는 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 순수 및 냉수 생산 유닛을 이용하여 해수(염분 약 40~210 g/L)를 담수처리한 물의 성분을 나타내는 표다.
도 6은 본 발명의 순수 생산 방식과 다른 방식으로 해수(염분 약 32 g/L)를 담수처리한 물의 성분을 나타내는 표다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초순수 및 냉수 생산 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 초순수 및 냉수 생산 시스템(10)은 원수로부터 초순수(ULTRAPURE WATER)를 생산하고, 이 과정에서 냉수를 생산한다. 원수로 제공되는 유체는 지하수, 수도수, 해수, 기수(brackish water), 중수, 산업 폐수 등을 포함한다.

초순수 및 냉수 생산 시스템(10)은 순수 및 냉수 생산 유닛(100)과 초순수 생산 유닛(200)을 포함한다. 순수 및 냉수 생산 유닛(100)은 원수로부터 순수(PURE WATER)를 생산하고, 원수의 증발잠열을 이용하여 냉수를 생산하다. 초순수 생산 유닛(200)은 순수 및 냉수 생산 유닛(100)에서 생산된 순수로부터 초순수를 생산한다.

순수 및 냉수 생산 유닛(100)은 원수로부터 발생된 증기와 흡착제와의 흡착 및 탈착 공정을 통해 생산된 증기를 응축시켜 순수를 생산한다. 그리고 원수가 증발하는 과정에서 증발잠열로 인한 온도 하강을 이용하여 냉수를 생산한다.

순수 및 냉수 생산 유닛(100)은 증발 모듈 (110), 흡ㆍ탈착탑(adsorber bed) 모듈(120), 응축기(140), 그리고 순수 저장 탱크(150)를 포함한다.

증발 모듈 (110)에서는 원수로부터 증기가 발생되고, 냉수가 생산된다. 증발 모듈 (110)은 원수 공급 라인(111), 증발기 (112), 순환 라인(113), 그리고 냉각 라인(114)을 포함한다.

원수는 원수 공급 라인(111)을 통해 증발기 (112)에 공급된다. 증발기(112)에 공급된 원수는 순환 라인(113)을 통해 증발기(112) 외부를 거쳐, 다시 증발기 (112) 내부로 공급된다. 순환 라인의 배출단(113a)에는 원수를 미세입자로 토출하기 위해 노즐이 제공되거나, 토출홀 등이 형성될 수 있다.

냉각 라인(114)은 냉수가 순환하는 유로로, 냉수가 증발기 내부를 순환하도록 제공된다. 냉각 라인(114)은 증발기 (112) 내부로 냉수가 유입되는 유입부(114a)와, 증발기 (112) 내부를 순환한 냉수가 외부로 유출되는 유출부(114b)를 가진다. 흡착제가 증발기(112) 내 원수로부터 증기를 흡착하는 과정에서 증발잠열로 인해 증발기(112) 내부는 온도가 낮아진다. 냉각 라인(114)을 흐르는 냉수는 증발기(112) 내부와의 열교환으로 온도가 낮아진다. 때문에 냉수는 유입부(114a)보다 유출부(114b)에서 온도가 낮다. 온도가 낮아진 냉수는 냉방에 사용된다. 냉각된 냉수의 온도는 유입되는 냉수의 온도에 따라 다양한 온도 범위를 가질 수 있다. 실시 예에 의하면, 유입되는 냉수의 온도가 약 12~14℃일 경우 냉각된 냉수의 온도는 7~10℃일 수 있다. 다른 예에 의하면, 유입되는 냉수의 온도가 약 25~30℃일 경우 냉각된 냉수의 온도는 20~25℃일 수 있다. 냉각된 냉수는 주거용 냉방을 위해 사용될 수 있다. 또한, 냉각된 냉수는 흡착제(123, 124)의 냉각용으로 공정에 제공될 수 있다.

흡ㆍ탈착탑 모듈(120)은 흡착제가 원수로부터 증기를 흡착하는 흡착(adsorption) 공정과, 흡착제로부터 증기를 탈착시키는 탈착(desorption) 공정을 순차적으로 거쳐 순수 를 생산한다.

흡ㆍ탈착탑 모듈(120)은 흡착탑(adsorbent 121, 122), 흡착제(123, 124), 증기 유입 라인(125a, 125b), 증기 유입 밸브(126a, 126b), 증기 유출 라인(127a, 127b), 증기 유출 밸브(128a, 128b), 열교환 라인(131, 132), 냉각수 공급 라인(133), 냉각수 배출 라인(134), 온수 공급 라인(135), 그리고 온수 배출 라인(136)을 포함한다.

흡착탑(121, 122)은 내부에 공간이 형성된 용기로 제공되며, 내부에 흡착제(123, 124)가 충진된다. 실시예에 의하면, 흡착탑(121, 122)은 2개 제공되고, 제1흡착탑(121)과 제2흡착탑(122)이 병렬 배치된다. 제1흡착탑(121)과 제2흡착탑(122) 내에서는 흡착 공정과 탈착 공정이 반복하여 수행된다. 흡착탑(121, 122)의 개수는 다양하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 흡착탑이 4개 제공되는 경우, 흡착탑들은 2개씩 나뉘어 흡착 공정과 탈착 공정이 교대로 수행된다.

흡착제(123, 124)는 흡착탑(121, 122)들 내부에 각각 충진된다. 흡착제(123, 124)는 증발기(112) 내부의 원수로부터 증기를 흡착한다. 흡착제(123, 124)는 수분흡착이 가능한 고체 물질로 활성탄, 규조토, 제올라이트, 실리카겔, 녹말, 벤토나이트, 알루미나 등이 사용될 수 있다. 일 예에 의하면, 흡착제(123, 124)는 실리카겔이 사용된다. 다른 예에 의하면, 흡착제(123, 124)는 실리카켈이 혼합된 복합재가 사용될 수 있다.

증기 유입 라인(125a, 125b)은 증발기(112)와 흡착탑(121, 122)을 각각 연결하며, 증기가 흡착탑(121, 122) 내로 유입되는 유로를 제공한다. 일 예에 의하면, 증기 유입 라인(125a, 125b)은 2개 제공되고, 제1증기 공급 라인(125a)은 증발기(112)와 제1흡착탑(121)을 연결하고, 제2증기 공급 라인(125b)은 증발기(112)와 제2흡착탑(122)을 연결한다.

증기 공급 밸브(126a, 126b)는 증기 유입 라인(125a, 125b)에 각각 설치되며, 증기 유입 라인(125a, 125b)의 유로를 개폐한다. 증기 공급 밸브(126a, 126b)는 제1증기 공급 라인(125a)과 제2증기 공급 라인(125b)에 각각 제공된다. 제1증기 공급 밸브(126a)와 제2증기 공급 밸브(126b)는 어느 하나의 밸브가 개방되는 동안, 다른 하나의 밸브는 차단된다. 이에 의해, 증기는 제1증기 유입 라인(125a)과 제2증기 유입 라인(125b) 중 어느 하나를 통해 하나의 흡착탑(121, 122)내로 공급된다. 실시예에 의하면, 제1증기 공급 밸브(126a)가 차단되고 제2증기 공급 밸브(126b)가 개방되며, 제2증기 공급 라인(125b)을 통해 제2흡착탑(122) 내 흡착제(124)에 증기가 흡착된다.

증기 유출 라인(127a, 127b)은 흡착탑(121, 122)과 응축기(140)를 연결하며, 흡착제(123, 124)에서 탈착된 증기가 응축기(140)로 공급되는 유로를 제공한다. 증기 유출 라인(127a, 127b)은 2개 제공되며, 제1증기 유출 라인(127a)은 제1흡착탑(121)과 응축기(140)를 연결하고, 제2증기 유출 라인(127b)은 제2흡착탑(122)과 응축기(140)를 연결한다.

증기 유출 밸브(128a, 128b)는 증기 유출 라인(127a, 127b)에 설치되며, 증기 유출 라인(127a, 127b)의 유로를 개폐한다. 증기 유출 밸브(128a, 128b)는 제1증기 유출 라인(127a)과 제2증기 유출 라인(127b)에 각각 제공된다. 제1증기 유출 밸브(128a)와 제2증기 유출 밸브(128b)는 어느 하나의 밸브가 개방되는 동안, 다른 하나의 밸브는 차단된다. 이에 의해, 증기는 제1증기 유출 라인(127a)과 제2증기 유출 라인(127b) 중 어느 하나를 통해 응축기(140)에 공급된다. 실시예에 의하면, 제1증기 유출 밸브(128a)이 개방되고 제2증기 유출 밸브(128b)가 차단되며, 제1흡착제(123)에서 탈착된 증기가 제1증기 유출 라인(127a)를 통해 응축기(140)에 제공된다.

열교환 라인(131, 132)은 흡착제(123, 124)와 접촉하며, 온수(hot water)와 냉각수(cooling water)가 선택적으로 흐르는 유로를 제공한다. 제1열교환 라인(131)은 제1흡착제(123)과 접촉하고, 제2열교환 라인(132)는 제2흡착제와 접촉한다. 제1열교환 라인(131)과 제2열교환 라인(132) 중 어느 하나에 온수가 흐르는 경우, 다른 하나에는 냉각수가 흐른다.

열교환 라인(131, 132)의 유입단은 두 갈래로 분기되며, 하나에는 온수 공급 라인(135)이 연결되고, 다른 하나에는 냉각수 공급 라인(133)이 연결된다. 온수 공급 라인(135)에는 온수 공급 밸브(135a, 135b)가 설치되고, 냉각수 공급 라인(133)에는 냉각수 공급 밸브(133a, 133b)가 설치된다. 온수 공급 밸브(135a, 135b)와 냉각수 공급 밸브(133a, 133b)는 어느 하나가 개방되는 동안, 다른 하나는 차단된다.

열교환 라인(131, 132)의 유출단은 두 갈래로 분기되며, 하나에는 온수 배출 라인(136)이 연결되고, 다른 하나에는 냉각수 배출 라인(134)이 연결된다. 온수 배출 라인(136)에는 온수 배출 밸브(136a, 136b)가 설치되고, 냉각수 배출 라인(134)에는 냉각수 배출 밸브(134a, 134b)가 설치된다. 온수 배출 밸브(136a, 136b)와 냉각수 배출 밸브(134a, 134a)는 어느 하나가 개방되는 동안, 다른 하나는 차단된다. 온수 배출 밸브(134a, 134b)는 온수 공급 밸브(135a, 135b)와 개폐 시점이 동일하고, 냉각수 배출 밸브(134a, 134b)는 냉각수 공급 밸브(133a, 133b)과 개폐 시점이 동일하다.

흡착제(123, 124)가 원수로부터 증기를 흡착하는 흡착 공정은 발열반응으로, 흡착탑(121, 122) 내부는 온도가 증가한다. 온도 증가는 흡착탑 내 압력의 상승으로 흡착제의 흡착량을 감소시킨다. 때문에 흡착 공정 동안, 열교환 라인(131, 132)에는 냉각수가 흐르며, 흡착탑(121, 122) 내부의 온도 증가를 방지한다. 한편, 흡착제로부터 증기를 탈착시키는 탈착 공정에서, 열교환 라인(131, 132)에는 온수가 흐른다. 온수는 흡착제(123, 124)의 온도를 상승시키고, 흡착제(123, 124)로부터 증기를 탈착시킨다. 실시예에 의하면, 흡착 공정이 진행되는 제2흡착탑(122)에서 제2열교환 라인(132)에는 냉각수가 순환하고, 탈착 공정이 진행되는 제1흡착탑(121)에서 제1열교환 라인(131)에는 온수가 순환한다.

온수 공급 라인(135)과 온수 배출 라인(136)은 열원(미도시)과 연결될 수 있다. 열원은 온수를 가열 및 공급한다. 온수는 열원으로부터 온수 공급 라인(135)으로 공급된 후, 온수 배출 라인(136)을 통해 다시 열원으로 회수된다. 실시예에 의하면, 열원은 60~90℃의 온수를 공급한다. 일 예에 의하면, 열원은 폐열, 태양열, 지열과 같은 재생에너지원이 제공될 수 있다.

응축기(140)는 흡착제(123, 124)에서 탈착된 증기를 응축한다. 응축기(140)에는 제1증기 유출 라인(127a)과 제2증기 유출 라인(127b) 중 어느 하나를 통해 증기가 유입된다. 증기는 응축기(140)에 제공된 냉각 라인(141)을 따라 흐르는 냉각수에 의해 응축된다. 증기의 응축으로 생성된 순수는 순수 유출 라인(142)을 통해 순수 저장 탱크(150)에 저장된다.

초순수 생산 유닛(200)은 수순 공급 라인(210), 축전식 탈염(Capacitive deionization, CDI) 전극 모듈(220), 초순수 유출 라인(230), 배출 라인(240), 그리고 초순수 저장 탱크(250)를 포함한다.

순수 공급 라인(210)은 순수 저장 탱크(150)와 CDI 전극 모듈(220)을 연결하며, 순수 저장 탱크(150)에 저장된 순수를 CDI 전극 모듈(220)에 공급한다.

CDI 전극 모듈(220)은 순수가 흐르는 유로를 사이에 두고 두 개의 전극(221, 222)이 나란하게 배치된다. 전극(221, 222)은 비표면적이 넓은 활성 탄소 전극이 사용된다. 전극(221, 222)들에 전위가 인가되면 순수에 용존되어 있는 양이온은 음전극의 탄소표면에 흡착되고, 음이온은 양전극의 탄소표면에 흡착되어 초순수가 생성된다. CDI 전극 모듈(220)은 전위를 인가했을 때 전극표면의 전기이중층에서 전기적인 인력에 의한 이온들의 흡착 반응을 이용하기 때문에 낮은 전위(약 1~2V의 직류전원)에서 작동가능하며, 에너지 소비량이 다른 분리 공정에 비해 월등히 낮아 에너지 소모가 적은 장점이 있다.

전극 표면에 이온들이 포화흡착되면 더 이상 이온을 흡착할 수 없어 재생단계을 거치게 된다. 이때 전극(221, 222)을 단락시키거나 전극(221, 222)에 역 전위를 인가한다. 재생과정을 통해 활성탄소 전극(221, 222)에 흡착된 이온들이 탈착된다.

초순수 유출 라인(230)은 CDI 전극 모듈(220)과 초순수 저장 탱크(250)를 연결한다. CDI 전극 모듈(220)에서 생성된 초순수는 초순수 유출 라인(230)을 따라 초순수 저장 탱크(250)에 저장된다. 초순수 유출 라인(230)에는 초순수 유출 밸브(231)가 제공된다.

배출 라인(240)은 CDI 전극 모듈(220)과 초순수 유출 밸브(231) 사이 구간에서 초순수 유출 라인(230)으로부터 분기된다. 배출 라인(240)은 CDI 전극 모듈(220)의 전극 재생 단계에서 배출되는 순수를 외부로 배출한다. 배출 라인(240)에는 순수 배출 밸브(241)가 제공된다.

이하, 상술한 초순수 및 냉수 생산 시스템을 이용하여 초순수와 냉수를 동시에 생산하는 방법을 설명한다.

도 2은 초순수 및 냉수 생산 과정을 순차적으로 나타내는 순서도이고, 도 3과 도 4는 도 1의 초순수 및 냉수 생산 시스템을 이용하여 초순수와 냉수를 동시에 생산하는 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.

도 3에서는 제1흡착탑(131)에서 탈착 공정이 수행되고, 제2흡착탑(132)에서 흡착 공정이 수행되는 것을 예를 들어 설명하고, 도 4에서는 제1흡착탑(131)에서 흡착 공정이 수행되고, 제2흡착탑(132)에서 탈착 공정이 수행되는 것을 예를 들어 설명한다. 흡착탑(131, 132) 각각에서는 흡착 공정과 탈착 공정이 순차적으로 진행되는 1주기 사이클을 통해 순수를 생산한다.

도 2를 참조하면, 초순수 및 냉수 생산 방법은 순수 및 냉수 생산 단계(S100)와 초순수 생산 단계(S200)를 포함한다. 순수 및 냉수 생산 단계(S100)는 증기 흡착 및 냉수 생산 단계(S110)와 증기 탈착 및 순수 생산 단계(S120)를 포함한다. 증기 흡착 및 냉수 생산 단계(S110)는 흡착제(123, 124)가 원수로부터 증기를 흡착하고, 원수로부터 증기가 발생되는 과정에서 증발잠열로 인해 온도가 낮아진 주위 분위기와 냉수를 열교환하여 냉수를 냉각한다. 증기 탈착 및 순수 생산 단계(S120)는 흡착제(123, 124)로부터 증기를 탈착하고, 증기를 응축시켜 순수를 생산한다. 제1흡착탑(121)에서 증기 흡착 및 냉수 생산 단계가 진행되는 동안, 제2흡착탑(122)에서 증기 탈착 및 순수 생산 단계가 진행된다. 반대로, 제1흡착탑(121)에서 증기 탈착 및 순수 생산 단계가 진행되는 동안, 제2흡착탑(122)에서 증기 흡착 및 냉수 생산 단계가 진행된다.

도 3을 참조하면, 증기 흡착 및 냉수 생산 단계(S110)는 제1증기공급밸브(126a)와 제2증기 유출 밸브(128b)가 차단되고, 제2증기공급밸브(126b)와 제1증기유출밸브(128a)가 개방된다.

제1온수 공급 밸브(135a)와 제1온수 배출 밸브(136a)가 개방되고, 제1냉각수 공급 밸브(133a)와 제1냉각수 배출 밸브(134a)가 차단되어 제1열교환 라인(131)에는 온수가 순환한다. 온수는 제1흡착제(123)의 온도를 상승시키며, 제1흡착제(123)에 흡착된 증기를 탈착시킨다. 탈착된 증기는 제1증기 유출 라인(127a)을 통해 응축기(140)에 공급되어 응축된다.

제2냉각수 공급 밸브(133b)와 제2냉각수 배출 밸브(134b)가 개방되고, 제2온수 공급 밸브(135b)와 제2온수 배출 밸브(136b)가 차단되어 제2열교환 라인(132)에는 냉수가 공급된다.

제2흡착제(124)는 증발기(112)에 저장된 원수로부터 증기를 흡착한다. 증기는 제2증기 유입 라인(125b)를 통해 제2흡착제(124)에 흡착된다. 원수로부터 증기가 발생하는 과정에서 증발잠열로 인해 증발기(112)는 내부 온도가 낮아진다. 냉각 라인(114)을 통해 순환하는 냉수는 증발기 내부(112)와의 열교환으로 온도가 낮아진다. 온도가 낮아진 냉수는 냉각 라인(114)을 따라 흘러 냉방에 제공된다.

제2흡착제(124)가 증기를 흡착하는 동안, 발열반응으로 제2흡착탑(122)의 내부 온도가 증가한다. 제2열교환 라인(132)을 순환하는 냉각수는 제2흡착탑(122)의 온도 증가를 방지한다.

제2흡착제(124)가 증기를 흡착하는 흡착 공정이 소정시간 경과하면 도 4와 같이 제1흡착제(123)은 증기 흡착 및 냉수 생산 단계(S110)로, 제2흡착제(124)는 증기 탈착 및 순수 생산 단계(S120)로 전환한다.도 4를 참조하면, 제2증기공급밸브(126b)와 제1증기유출밸브(128a)가 차단되고, 제1증기공급밸브(126a)와 제2증기 유출 밸브(128b)가 개방된다.

제1흡착제(123)가 증발기(112)에 저장된 원수로부터 증기를 흡착하고, 이 과정에서 냉각 라인(115)을 통해 순환하는 냉수의 온도가 낮아진다. 제1열교환 라인(131)에는 냉각수가 순환하며, 제1흡착탑(123)의 온도 증가를 방지한다.

제2열교환 라인(132)에는 온수가 순환하며 제2흡착제(124)의 온도를 상승시킨다. 제2흡착제(124)의 온도 상승으로 제2흡착제(124)에 흡착된 증기가 탈착된다. 탈착된 증기는 제2증기 유출 라인(128b)을 통해 응축기(140)에 공급되어 응축된다.

증기가 응축된 순수는 순수 공급 라인(142)을 통해 순수 저장 탱크(150)에 저장된다.

초순수 생산 단계(S200)는 순수에 용존되어 있는 이온들을 제거하여 초순수를 생성한다. 순수 저장 탱크(150)에 저장된 순수는 순수 공급 라인(210)을 통해 CDI 전극 모듈(220)에 공급된다. CDI 전극 모듈(220)의 전극(221, 222)에 전위가 인가되며, 순수에 용존되어 있는 양이온은 음전극의 탄소표면에 흡착되고, 양이온은 양전극의 탄소표면에 흡착된다. 이온들이 제거된 초순수는 초순수 유출 라인(230)을 통해 초순수 저장 탱크(250)에 저장된다.

CDI 전극 모듈(220)의 전극표면에 이온들이 포화 흡착되면, 재생 과정을 거친다. 재생 과정 동안 초순수 유출 밸브(231)는 차단되고, 순수 배출 밸브(241)는 개방된다. 전극(221, 222)들에 역 전위가 인가되면, 전극(221, 222)에 흡착된 이온들이 탈착된다. 상술한 이온교환막은 탈착된 이온들이 반대전극에 흡착되는 것을 막아준다. 탈착된 이온들은 순수에 용존되어 배출 라인(240)을 통해 외부로 배출된다.

도 5는 본 발명의 순수 생산 유닛을 이용하여 해수를 담수처리한 물의 성분을 나타내는 표이고, 도 6은 본 발명의 순수 생산 방식과 다른 방식으로 해수를 담수처리한 물의 성분을 나타내는 표이다. 도 6은 역삼투법(Reverse Osmosis, RO), 다단증발법(Multi-Stage Flash, MSF), 다중효용법(Multi-Effect Distillation, MED), 그리고 hybrid MSF-RO법을 이용하여 해수를 처리한 결과이다. 이하, 도 5의 해수 처리 결과를 "실험 예"라고 하고, 도 6의 해수 처리 결과를 "비교 예"라고 칭한다. 실험 예는 40~210g/L 염분을 갖는 해수를 공급수로 실험하였고, 비교 예는 실험 예보다 낮은 32g/L 염분을 갖는 해수를 공급수로 실험하였다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 실험 예의 각종 파라미터(parameter)는 비교 예와 비교하여 아주 낮은 수치를 갖는다. 특히, 총용존 고형물(total dissolved solids, TDS)은 실험 예에서 0으로 검출되는 반면, 비교 예에서 높은 수치로 검출되었다. 이러한 파라미터들의 수치 차이는 후속 공정에서 CDI 전극 모듈의 처리 효율과 관련된다. 비교 예와 비교할 때, 실험 예는 CDI 전극 모듈에서의 에너지 소비량이 감소되고, 생산된 초순수는 보다 낮은 비저항 값을 가질 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

10: 초순수 생산 시스템 100: 순수 및 냉수 생산 유닛
110: 증발 모듈 120: 흡ㆍ탈착탑 모듈
115: 냉수 라인 121, 122: 흡착 탑
123, 124: 흡착제 131, 132: 열교환 라인
140: 응축기 150: 순수 저장 탱크
200: 초순수 생산 유닛 210: 순수 생산 유닛
220: CDI 전극 모듈 230: 초순수 유출 라인
240: 배출 라인 250: 초순수 저장 탱크

Claims (9)

1. 흡착제가 원수로부터 증기를 흡착하는 흡착(adsorption)공정과 흡착된 증기를 탈착하는 탈착(desorption) 공정을 순차적으로 거친 후, 증기를 응축시켜 순수를 생산하는 순수 및 냉수 생산 유닛; 및
   상기 순수 및 냉수 생산 유닛으로부터 순수가 공급되며, 전기적인 방법으로 순수에 포함된 이온을 제거하여 초순수를 생산하는 CDI 전극 모듈을 포함하며,
   상기 순수 및 냉수 생산 유닛은,
   원수가 공급되는 원수 공급 라인과 연결되며, 상기 원수로부터 증기를 발생시키는 증발기;
   상기 증발기에 저장된 원수를 상기 증발기 외부로 순환시키고, 순환된 상기 원수를 미세입자로 상기 증발기 내로 토출하는 배출단을 갖는 순환 라인;
   상기 증발기 내부로 냉각수가 순환하도록 제공되며, 상기 원수가 상기 배출단에서 미세입자로 토출되어 증기로 상변화 과정에서 상기 냉각수가 상기 원수의 증발잠열과 열교환되어 냉각되는 냉각 라인;
   상기 증발기에서 증기가 공급되고, 내부에 상기 흡착제가 제공되어 상기 흡착 공정과 상기 탈착 공정이 순차적으로 수행되는 흡착탑;
   상기 흡착제와 접촉하며, 상기 흡착 공정 동안 냉각수가 흐르고, 상기 탈착공정 동안 온수가 흐르는 열교환 라인;
   상기 흡착제에서 탈착된 증기가 공급되며, 증기를 응축시키는 응축기;
   상기 탈착 공정 동안 상기 열교환 라인에 상기 온수를 공급하는 온수 공급 라인;
   상기 냉각 라인의 유출부로부터 냉각된 냉각수가 공급되며, 상기 응축기에 그리고 상기 흡착 공정 동안 상기 열교환 라인에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 라인;
   상기 응축기에서 응축된 순수를 저장하는 순수 저장 탱크를 포함하고
   상기 순수 저장 탱크와 상기 CDI 전극 모듈을 연결하며, 상기 순수 저장 탱크에 저장된 순수를 상기 CDI 전극 모듈에 공급하는 순수 공급 라인을 더 포함하는 초순수 및 냉수 생산 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 CDI 전극 모듈은 순수가 지나가는 유로를 사이에 두고 마주 배치되는 두 개의 전극들을 포함하고,
   상기 전극들에 전위가 인가되는 동안 상기 CDI 전극 모듈에서 유출되는 초순수를 초순수 저장 탱크로 공급하는 초순수 유출 라인; 및
   상기 초순수 유출 라인에서 분기되며, 상기 전극들의 재생 단계에서 상기 CDI 전극 모듈에서 유출되는 순수를 외부로 배출시키는 배출 라인을 더 포함하는 초순수 및 냉수 생산 시스템.
6. 삭제
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