KR102006120B1 - 해수의 담수화 과정에서 발생하는 브라인의 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수의 담수화, 즉 탈염 과정에서 발생하는 고온의 브라인(brine)을 처리할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 브라인의 처리 장치 및 방법을 이용하는 경우, 해수의 담수화 과정에서 배출되는 브라인의 온도를 낮추고, 양을 현저히 감소시킬 수 있으며, 그 과정에서 추가적으로 청수를 또한 회수할 수 있는 장점이 있다.

Description

해수의 담수화 과정에서 발생하는 브라인의 처리 장치{Apparatus for treating brine discharged from desalination process of sea water}

본 발명은 해수의 담수화, 즉 탈염 과정에서 발생하는 고온의 브라인(brine)을 처리할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

물과 에너지는 인간이 삶을 영위하고 현대 사회를 유지하는 가장 기본적인 두 가지 요소이다. 물을 통해 에너지를 생산하는 한편, 물을 깨끗이 정화하고 필요한 곳으로 공급하기 위해서 에너지를 사용하기 때문에 물과 에너지는 상호의존적 관계에 있다고 할 수 있다. 물은 생명을 영위하는데 필수적임에도 불구하고 물 부족 현상은 전 세계적으로 발생하고 있다.

지구는 표면의 70%를 바다가 차지할 정도로 물이 풍부한 생성이지만, 지구상의 전체 수자원 중 대부분이 바닷물(해수)로 존재하고 있어 인류가 이용할 수 있는 담수는 3%에 불과하다. 해수담수화(seawater desalination)는 무한한 수자원인 바닷물을 담수로 이용할 수 있다는 측면에서 물 부족 문제를 해결하는 강력한 대안으로 간주되고 있다.

이렇게 해수담수화를 하는 방법은 역삼투법(Reverse Osmosis)과 증류법(Distillation)이 주로 사용되어 왔다. 이중에서 역삼투법은 에너지 소비량이 증류법에 비해 적지만 일명 죽은 물을 만들만큼 대부분의 구성 물질들을 여과시키는 문제점이 있었다.

증류법의 경우 해수의 증류 과정에서 고온의 농염수, 즉 브라인(brine)이 발생하게 되는데 종전에는 그 처리가 어려워 바다에 방류하였으나, 온도가 47℃ 정도로 높은 편이고, 염분의 농도가 매우 높아 해수 오염의 원인으로 작용하는 문제점이 있었다.

이에, 최근에는 상기 해수의 증류 과정에서 발생하는 고온의 브라인을 처리하는 방법이 요구되는 실정이다.

대한민국 특허공개공보 제10-2015-0038912호 (공개일자 2015.04.09) 대한민국 특허등록공보 제10-1371654호 (등록일자 2014.03.03) 대한민국 특허공개공보 제10-2014-0114316호 (공개일자 2014.09.26) 대한민국 특허등록공보 제10-1403624호 (등록일자 2014.05.28)

본 발명의 일 목적은 증류법을 이용한 해수의 담수화 과정에서 발생한 고온 및 고농도의 브라인의 배출량을 감소시킬 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 증류법을 이용한 해수의 담수화 과정에서 발생한 고온 및 고농도의 브라인의 배출량을 감소시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 증류법을 이용한 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인(brine)을 처리하는 장치로서,

브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열 교환되는 열 교환기; 및

반투막에 의하여 브라인 구간과 유도용액 구간으로 구분되는 정삼투 반응조를 포함하는, 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인의 처리 장치에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 유도용액 구간으로부터 배출되는 희석된 유도용액으로부터 청수를 분리하고 유도용액을 회수하는 유도용액 회수조를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 회수조는 냉각기를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 회수조에서 회수된 유도용액은 열 교환기로 공급될 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 회수조에서 분리된 청수를 여과하는 여과조를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 여과조는 한외 여과기(ultra-filter) 또는 나노 여과기(nano-filter)를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 증류법을 이용한 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인(brine)을 처리하는 방법으로서,

1) 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열을 교환하는 단계;

2) 브라인과 유도용액을 반투막을 통해 접촉시키는 단계; 및

3) 정삼투압 현상에 의해 상기 브라인 내에 포함된 청수가 반투막을 통과하여 상기 유도용액으로 이동하는 단계를 포함하는, 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인의 처리 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 3) 단계에 후속적으로 희석된 유도용액으로부터 청수를 분리하고 유도용액을 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액을 회수하는 단계는 희석된 유도용액을 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이하로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액을 회수하는 단계에서 회수된 유도용액은 2) 단계의 브라인과 열 교환 시 사용될 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액을 회수하는 단계에 후속적으로 분리된 청수를 여과하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 여과하는 단계는 한외 여과(ultra-filter) 또는 나노 여과(nano-filter)로 수행될 수 있다.

본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질은 0 내지 40℃에서 상분리 현상이 발생될 수 있다.

본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질은 고임계 용해온도(upper critical solution temperature, UCST)성 유도용질일 수 있다.

본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질은 이소부티르산(IBA), 이소부티르아미드(IBAm), 에틸렌글리콜모노페닐에테르(EGPE), 테트라-n-부틸포스포늄 푸마레이트(P4BF) 및 프로판 술포네이티드 폴리에틸렌이민(PS-PEI)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 해수가 저장되는 해수 저장 탱크;

상기 해수 저장 탱크에 저장된 해수를 증류하여 나트륨이 제거된 담수와 브라인(brine)을 분리하는 증류 챔버;

상기 증류 챔버에서 배출되는 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열 교환되는 열 교환기; 및

반투막에 의하여 브라인 구간과 유도용액 구간으로 구분되는 정삼투 반응조를 포함하는, 해수의 담수화 장치에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 해수 저장 탱크에 저장된 해수에 포함된 이물질을 제거하기 위한 전처리조를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 전처리조는 이중 여과 장치(Dual media filter, DMF)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 증류 챔버는 증류된 기상의 해수를 액상의 담수로 응축하는 응축기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 담수를 저장하는 담수 저장 탱크를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 담수에 미네랄을 첨가하는 미네랄조를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 구간으로부터 배출되는 희석된 유도용액으로부터 청수를 분리하고 유도용액을 회수하는 유도용액 회수조를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 회수조는 냉각기를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 회수조에서 회수된 유도용액은 열 교환기로 공급될 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 회수조에서 분리된 청수를 여과하는 여과조를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 여과조는 한외 여과기(ultra-filter) 또는 나노 여과기(nano-filter)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 브라인의 처리 장치 및 방법을 이용하는 경우, 해수의 담수화 과정에서 배출되는 브라인의 온도를 낮추고, 양을 현저히 감소시킬 수 있으며, 그 과정에서 추가적으로 청수를 또한 회수할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라인의 처리 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 담수화 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

일반적으로 해수를 담수화하는 과정 중 증류법(Distillation)이라 하면, 해수를 증발시킨 후 이를 응축시켜 담수를 만드는 과정에 해당한다. 상기 증류법으로는 대표적으로 다단 증류법(Multi-stage flash distillation, MSF)과 다중 효용법(Multiple effect distillation, MED)으로 분류할 수 있다. 상기 다단 증류법 및 다중 효용법 과정에서 증발하지 않고 잔류하는 47℃ 이상의 고온의 농축 염수를 '브라인(brine)'이라고 한다. 상기 브라인을 그대로 바다에 방류하는 경우, 온도 및 염분의 상승으로 인하여 해양 생태계를 파괴하는 문제점이 발생한다. 본 발명에서는 간단하고 저렴한 공정으로 상기 브라인의 배출량을 최소화할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인(brine)을 처리하는 장치로서, 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열 교환되는 열 교환기; 및 반투막에 의하여 브라인 구간과 유도용액 구간으로 구분되는 정삼투 반응조를 포함하는, 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인의 처리 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정삼투 수처리 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 이하 도 1을 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명에서 상기와 같이 증류법을 이용한 해수의 담수화 과정에서 발생한 47℃ 이상의 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액을 열 교환기(10)에 공급하여 양자 사이 열 교환시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 열 교환기(10)에서 고온의 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액이 열 교환되어, 브라인은 온도가 낮아지고 유도용액은 온도가 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이상으로 높아져 균일상을 이룰 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 열 교환기(10)에서 상대적으로 온도가 낮아진 브라인을 정삼투 반응조(11)의 브라인 구간(11a)으로 공급하고, 열 교환기(10)에서 상대적으로 온도가 높아져 균일상을 이루는 유도용액은 유도용액 구간(11b)으로 공급하여 반투막(11c)을 매개로 접촉시킬 수 있다. 그 경우 정삼투압 현상에 의하여 브라인 구간(11a) 내의 브라인에 포함된 청수가 반투막(11c)을 통과하여 유도용액 구간(11b)으로 이동해 유도용액이 희석될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 반투막(11c)은 물에 대하여는 투과성(water-permeable)이고, 분리 대상 물질에 대하여 비투과성의 성질을 갖는 막으로, 삼투법에 의한 담수화 또는 정수방법에서 통상적으로 사용되는 반투막이라면 제한없이 사용 가능하나, 예를 들면, 그 형태가 관형, 판형 또는 나권형일 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 반투막(11c)의 재질 역시 특별히 제한하지는 않으나, 예를 들면 셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 아세틸화메셀로스, 폴리아미드, 폴리아크릴니트릴 및 술폰화된 폴리술폰으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있고, 보다 바람직하게는 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 디아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트 및 셀룰로오스 부틸레이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 유도용액 구간(11b)으로부터 배출되는 희석된 유도용액으로부터 청수를 분리하고 유도용액을 회수하는 유도용액 회수조(12)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 회수조(12)는 냉각기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서 상기 유도용액은 온도응답성 유도용질을 포함하므로, 희석된 유도용액을 냉각기에 공급하여 유도용액의 온도를 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이하로 낮추면 청수와 유도용액이 상분리되고, 유도용액만을 용이하게 회수할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 유도용액 회수조(12)에서 회수된 유도용액을 열 교환기(10)로 재공급하여 고온의 브라인과의 열 교환에 재사용할 수 있고, 필요에 따라서는 이후의 정삼투 반응조(11)의 유도용액 구간(11b)으로 재공급하여 유도용액으로 재사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 유도용액 회수조(12)에서 분리된 청수를 여과하여 그에 잔존하는 유도용액을 추가로 회수하기 위한 여과조(13)를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 여과조(13)의 구성을 특별히 제한하지는 않으나, 예를 들면, 한외 여과기(ultra-filter) 또는 나노 여과기(nano-filter)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 여과조(13)에서 회수된 유도용액 또한 열 교환기(10)로 재공급하여 고온의 브라인과의 열 교환에 재사용할 수 있고, 필요에 따라서는 정삼투 반응조(11)의 유도용액 구간(11b)으로 재공급하여 유도용액으로 재사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질은 물질이 수용액 상태로 소정 몰분율 하에 있을 때 특정 온도를 기준으로 그 온도보다 높거나 낮은 영역에서는 균일한 용액상으로 존재하지만, 기준 온도의 반대편 영역에서는 급격히 용해도가 떨어지며 상분리가 일어나게 되는 물질을 의미한다.

본 발명에서는 상기 온도응답성 유도용질로 상분리 온도보다 높은 온도에서는 균일상을 이루다가 상분리 온도보다 낮은 온도에서 상분리 현상이 발생되는 고임계 용해온도(upper critical solution temperature, UCST)성 유도용질인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질의 상분리 온도로는 47℃ 이상의 고온의 브라인과 열 교환에 의해 온도가 높아지면 균일상을 이루었다가 냉각기에서 냉각되면 상분리가 일어날 수 있도록 상분리 온도가 0 내지 40℃의 범위에 존재하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 온도응답성 유도용질을 이용하여 고온의 브라인의 온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 연속하는 정삼투 공정에 의해 브라인의 배출량을 감소시키고, 추가로 청수를 회수할 수 있다.

본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 1) 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열을 교환하는 단계; 2) 브라인과 유도용액을 반투막을 통해 접촉시키는 단계; 및 3) 정삼투압 현상에 의해 상기 브라인 내에 포함된 청수가 반투막을 통과하여 상기 유도용액으로 이동하는 단계를 포함하는, 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인의 처리 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 증류법을 이용한 해수의 담수화 과정에서 발생한 47℃ 이상의 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열을 교환시켜 브라인의 온도는 낮추고, 유도용액의 온도는 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이상으로 높여 균일상을 이루게 할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 열 교환에 의하여 상대적으로 온도가 낮아진 브라인과 열 교환에 의하여 상대적으로 온도가 높아진 유도용액을 반투막을 매개로 접촉시키면, 정삼투압 현상에 의하여 브라인 내에 포함된 청수가 반투막을 통과해 유도용액으로 이동할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액은 수처리의 대상이 되는 브라인보다 높은 농도로 온도응답성 유도용질을 포함하는 것이 정삼투압 현상을 유도할 수 있어 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기와 같이 정삼투압 현상에 의해 청수가 이동하여 그 농도가 희석된 유도용액으로부터 청수를 분리하고 유도용액을 회수할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 유도용액은 온도응답성 유도용질을 포함하므로, 희석된 유도용액의 온도를 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이하로 냉각하는 경우 유도용액과 청수가 상분리되어, 유도용액만을 용이하게 회수할 수 있다.

본 발명에서 상기와 같이 회수된 유도용액은 고온의 브라인과 열 교환 시 재사용할 수 있고, 필요에 따라서는 이후의 정삼투 공정에 유도용액으로도 재사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기와 같은 상분리 공정에 의하여 희석된 유도용액으로부터 청수를 분리할 수 있으나, 그 청수에는 미량의 유도용액이 여전히 잔존할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 필요에 따라 상기 청수에 잔존하는 유도용액을 여과 및 회수하기 위하여 여과하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 여과 방법을 특별히 제한하지 않으나, 예를 들면 한외 여과(ultra-filtration) 또는 나노 여과(nano-filtration)에 의할 수 있다.

본 발명에서 상기와 같이 여과 공정에 의해 추가로 회수된 유도용액 또한 고온의 브라인과의 열 교환 시 재사용할 수 있고, 필요에 따라서는 이후의 정삼투 공정에서 유도용액으로 재사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질은 물질이 수용액 상태로 소정 몰분율 하에 있을 때 특정 온도를 기준으로 그 온도보다 높거나 낮은 영역에서는 균일한 용액상으로 존재하지만, 기준 온도의 반대편 영역에서는 급격히 용해도가 떨어지며 상분리가 일어나게 되는 물질을 의미한다.

본 발명에서는 상기 온도응답성 유도용질로 상분리 온도보다 높은 온도에서는 균일상을 이루다가 상분리 온도보다 낮은 온도에서 상분리 현상이 발생되는 고임계 용해온도(upper critical solution temperature, UCST)성 유도용질인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질의 상분리 온도로는 47℃ 이상의 고온의 브라인과 열 교환에 의해 온도가 높아지면 균일상을 이루었다가 냉각기에서 냉각되면 상분리가 일어날 수 있도록 상분리 온도가 0 내지 40℃의 범위에 존재하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질의 종류를 특별히 제한하지는 않으나, 바람직하게는 하기 화학식들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다:

이소부티르산(IBA);

이소부티르아미드(IBAm);

에틸렌글리콜모노페닐에테르(EGPE);

테트라-n-부틸포스포늄 푸마레이트(P4BF); 및

프로판 술포네이티드 폴리에틸렌이민(PS-PEI)

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 해수가 저장되는 해수 저장 탱크; 상기 해수 저장 탱크에 저장된 해수를 증류하여 나트륨이 제거된 담수와 브라인(brine)을 분리하는 증류 챔버; 상기 증류 챔버에서 배출되는 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열 교환되는 열 교환기; 및 반투막에 의하여 브라인 구간과 유도용액 구간으로 구분되는 정삼투 반응조를 포함하는, 해수의 담수화 장치에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 담수화 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 이하 도 2를 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명에서는 펌프 및 취수부를 이용하여 해수를 취수한 뒤, 해수 저장 탱크(100)에 저장할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 필요에 따라 상기 해수 저장 탱크(100)에 저장된 해수에 포함된 이물질을 제거하기 위한 전처리조(101)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 전처리조(101)의 구조는 특별히 제한하지 않으며, 브라인에 포함된 이물질을 제거할 수 있는 장치라면 제한없이 사용될 수 있으나, 예를 들면, 이중 여과 장치(Dual media filter, DMF)일 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 전처리조(101)를 더 포함함으로써 그 후단에 배치되는 증류 챔버(102)에 이물질이 침적되는 것을 방지하여 그 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 전처리조(101)에서 이물질이 제거된 해수를 증류 챔버(102)로 공급하여 상기 해수를 증류시킬 수 있다. 이때, 상기 해수의 상당 부분은 증류되어 기상으로 되지만, 일부는 증류되지 않고 고온의 농축 염수, 즉 브라인으로 증류 챔버(102)의 하부에 잔류하게 된다.

본 발명에서 상기 증류 챔버(102)는 증류된 기상의 해수를 액상의 담수로 응축하는 응축기(103)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 응축기(103)에서 응축된 담수는 담수 저장 탱크(104)에 저장된 뒤 식수로 사용될 수 있다.

본 발명에서는, 필요에 따라 상기 담수 저장 탱크(104)에 저장된 담수에 미네랄을 첨가하는 미네랄조(105)를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 증류 챔버(102)의 하부에 잔류하는 브라인을 열 교환기(110)로 공급하고, 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 또한 상기 열 교환기(110)에 공급하여 양자 사이 열 교환시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 열 교환기(110)에서 고온의 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액이 열 교환되어, 브라인은 온도가 낮아지고 유도용액은 온도가 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이상으로 높아져 균일상을 이룰 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 열 교환기(110)에서 상대적으로 온도가 낮아진 브라인을 정삼투 반응조(111)의 브라인 구간(111a)으로 공급하고, 열 교환기에서 상대적으로 온도가 높아져 균일상을 이루는 유도용액은 유도용액 구간(111b)으로 공급하여 반투막(111c)을 매개로 접촉시킬 수 있다. 그 경우 정삼투압 현상에 의하여 브라인 구간(111a) 내의 브라인에 포함된 청수가 반투막(111c)을 통과하여 유도용액 구간(111b)으로 이동해 유도용액이 희석될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 반투막(111c)은 물에 대하여는 투과성(water-permeable)이고, 분리 대상 물질에 대하여 비투과성의 성질을 갖는 막으로, 삼투법에 의한 담수화 또는 정수방법에서 통상적으로 사용되는 반투막이라면 제한없이 사용가능하나, 예를 들면, 그 형태가 관형, 판형 또는 나권형일 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 반투막(111c)의 재질 역시 특별히 제한하지는 않으나, 예를 들면 셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 아세틸화메셀로스, 폴리아미드, 폴리아크릴니트릴 및 술폰화된 폴리술폰으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있고, 보다 바람직하게는 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 디아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트 및 셀룰로오스 부틸레이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 유도용액 구간(111b)으로부터 배출되는 희석된 유도용액으로부터 청수를 분리하고 유도용액을 회수하는 유도용액 회수조(112)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액 회수조(112)는 냉각기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서 상기 유도용액은 온도응답성 유도용질을 포함하므로, 희석된 유도용액을 냉각기에 공급하여 유도용액의 온도를 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이하로 낮추면 청수와 유도용액이 상분리되고, 유도용액만을 용이하게 회수할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 유도용액 회수조(112)에서 회수된 유도용액을 열 교환기(110)로 재공급하여 고온의 브라인과의 열 교환에 재사용할 수 있고, 필요에 따라서는 이후의 정삼투 반응조(111)의 유도용액 구간(111b)으로 재공급하여 유도용액으로 재사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 유도용액 회수조(112)에서 분리된 청수를 여과하여 그에 잔존하는 유도용액을 추가로 회수하기 위한 여과조(113)를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 여과조(113)의 구성을 특별히 제한하지는 않으나, 예를 들면, 한외 여과기(ultra-filter) 또는 나노 여과기(nano-filter)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 여과조(113)에서 회수된 유도용액 또한 열 교환기(110)로 재공급하여 고온의 브라인과의 열 교환에 재사용할 수 있고, 필요에 따라서는 정삼투 반응조(111)의 유도용액 구간(111b)으로 재공급하여 유도용액으로 재사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 여과조(113)에서 여과된 청수는 상기 미네랄조(105)로 이송되어 미네랄이 추가된 뒤 식수로 이용할 수 있다.

본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액은 상기 브라인의 처리 방법에 기재된 바와 중복되어 이하 생략한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 1) 해수를 증류하여 증류된 기상의 해수와 브라인을 얻는 단계; 2) 상기 증류된 기상의 해수를 응축하여 액상의 담수를 얻는 단계; 3) 상기 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열을 교환하는 단계; 4) 브라인과 유도용액을 반투막을 통해 접촉시키는 단계; 및 5) 정삼투압 현상에 의해 상기 브라인 내에 포함된 청수가 반투막을 통과하여 상기 유도용액으로 이동하는 단계를 포함하는, 해수의 담수화 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 우선 펌프 및 취수부를 이용하여 해수를 취수할 수 있고, 필요에 따라서는 취수된 해수에 포함된 이물질을 제거하기 위한 전처리하는 단계를 수행할 수 있다. 여기서, 상기 전처리 공정의 수행 방법은 특별히 제한하지 않으며, 해수에 포함된 이물질을 제거할 수 있는 방법이라면 제한없이 사용될 수 있으나, 예를 들면, 이중 여과 공정(Dual media filtration, DMF)에 의할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 전처리하는 단계를 더 포함함으로써 그 후단에 수행되는 증류 공정 시 챔버 내에 이물질이 침적되는 것을 방지하여 그 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 전처리 공정에 의해 이물질이 제거된 해수를 증류할 수 있다. 이때 해수의 상당 부분이 증류되어 기상으로 되지만, 일부는 증류되지 않고 고온의 농축 염수, 즉 브라인으로 잔류하게 된다.

본 발명에서는 상기 증류된 기상의 해수를 응축하여 액상의 담수를 얻은 뒤 이를 식수로 사용할 수 있고, 필요에 따라서는 상기 담수에 미네랄을 첨가하는 단계를 수행할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 증류 공정에서 부산물로 얻어진 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열을 교환시킬 수 있고, 이로써 별도의 냉각수를 사용하지 않고도 브라인의 온도를 낮출 수 있으며, 유도용액은 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이상으로 온도가 높아져 균일상을 이룰 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 열 교환에 의하여 상대적으로 온도가 낮아진 브라인과 열 교환에 의하여 상대적으로 온도가 높아진 유도용액을 반투막을 매개로 접촉시키면 정삼투압 현상에 의하여 브라인에 포함된 청수가 반투막을 통과해 유도용액으로 이동할 수 있다.

본 발명에서 상기 유도용액은 처리의 대상이 되는 브라인보다 높은 농도로 온도응답성 유도용질을 포함하는 것이 정삼투압 현상을 유도할 수 있어 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기와 같이 정삼투압 현상에 의해 청수가 이동하여 그 농도가 희석된 유도용액으로부터 유도용액을 회수하고 청수를 분리할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 유도용액은 온도응답성 유도용질을 포함하므로 희석된 유도용액의 온도를 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이하로 냉각하는 경우, 유도용액과 청수가 상분리되어 유도용액만을 용이하게 회수할 수 있다.

본 발명에서 상기와 같이 회수된 유도용액은 고온의 브라인과의 열 교환 시 재사용할 수 있고, 필요에 따라서는 이후의 정삼투 공정에 유도용액으로도 재사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기와 같은 상분리 공정에 의하여 희석된 유도용액으로부터 청수를 분리할 수 있으나, 그 청수에는 미량의 유도용액이 여전히 잔존할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 필요에 따라 상기 청수에 잔존하는 유도용액을 여과 및 회수하기 위하여 여과하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 여기서, 상기 여과 방법을 특별히 제한하지 않으나, 예를 들면 한외 여과(ultra-filtration) 또는 나노 여과(nano-filtration)에 의할 수 있다.

본 발명에서 상기와 같은 여과 공정에 의해 추가로 회수된 유도용액 또한 고온의 브라인과의 열 교환 시 재사용할 수 있고, 필요에 따라서는 이후의 정삼투 공정에서 유도용액으로 재사용할 수 있다.

본 발명에서 잔량의 유도용액이 제거된 청수를 식수로 사용하기 위하여 필요에 따라서는 상기 청수에 미네랄을 첨가하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액은 상기 브라인의 처리 방법에 기재된 바와 중복되어 이하 생략한다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

[실시예 1]

해수를 도 2에 나타낸 해수의 담수화 장치를 사용하여 수처리하였다. 구체적으로는 해수(TDS: 35,000~40,000ppm)를 펌프로 취수하여 해수 저장 탱크(100)에 저장한 뒤 전처리조(101)로 공급하여 그에 포함된 이물질을 제거하고, 이어서 증류 챔버(102) 내로 공급하였다. 상기 증류 챔버(102)에서 해수를 증류시켜 기상의 해수와 47℃ 이상의 고농축 염수인 브라인을 얻었다. 상기 기상의 해수는 응축기(103)로 응축시켜 나트륨이 제거된 담수(TDS: 10ppm 미만)로 얻었고, 미네랄조(105)에서 상기 담수에 미네랄을 첨가하였다. 한편, 상기 증류 챔버(101)의 하부에 잔류하는 브라인(61,000~63,000ppm)은 열 교환기(110)로 공급하고, 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 또한 상기 열 교환기(110)에 공급하여 열 교환시켰다. 그 결과, 브라인의 온도는 41℃ 정도로 낮아지고, 유도용액은 온도가 높아져 균일상을 이루었다. 이후, 상기 브라인을 정삼투 반응조(111)의 브라인 구간(111a)으로 공급하고, 상기 유도용액을 유도용액 구간(111b)으로 공급하면 반투막(111c)을 매개로 정삼투압 현상이 발생하였다. 즉, 브라인에 포함된 청수가 반투막(111c)을 통과해 유도용액 구간(111b)으로 이동하여 유도용액이 희석되었다. 상기 유도용액 구간(111b)으로부터 배출되는 희석된 유도용액을 유도용액 회수조(112)로 공급하여 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이하로 냉각시키자, 고농도의 유도용액(30℃)과 청수로 상분리되었다. 이때 고농도의 유도용액만을 회수하여 열 교환기(110)로 재공급해 고온의 브라인과 열 교환시켰다. 한편, 상기 유도용액 회수조(112)에서 분리된 청수는 여과조(113)로 공급하여, 상기 청수 내에 잔존하는 미량의 유도용액(30℃)을 추가로 회수하였다. 이때 회수된 유도용액은 유도용액 회수조(112)에서 회수된 고농도의 유도용액과 함께 열 교환기(110)로 재공급하였고, 여과된 청수는 미네랄조(105)에서 미네랄을 첨가하였다. 상기 과정을 통하여 일반적으로는 폐기될 브라인으로부터 청수를 40부피% 이상의 회수율로 회수할 수 있었다.

상기와 같이 본 발명의 담수화 장치에 의하는 경우, 고온의 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액의 열 교환을 통해 별도의 냉각수를 사용하지 않고도 브라인의 온도를 낮출 수 있고, 상기 열 교환 과정에서 온도가 증가된 유도용액은 균일상을 이루어 바로 정삼투 공정에 이용할 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는 종전에는 방출 및 폐기될 브라인으로부터 상당량의 청수를 회수하여 식수 생산량을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 브라인의 방출로 인한 해양 생태계를 파괴의 문제점을 해결할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

10, 110: 열 교환기 11, 111: 정삼투 반응조
11a, 111a: 브라인 구간 11b, 111b: 유도용액 구간
11c, 111c: 반투막 12, 112: 유도용액 회수조
13, 113: 여과조 100: 해수 저장 탱크
101: 전처리조 102: 증류 챔버
103: 응축기 104: 담수 저장 탱크
105: 미네랄조

Claims (14)

1. 증류법을 이용한 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인(brine)을 처리하는 장치로서,
   브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열 교환되는 열 교환기;
   반투막에 의해 상기 열교환된 브라인이 공급되는 브라인 구간과 상기 열교환된 유도용액이 공급되는 유도용액 구간으로 구분되고, 정삼투압 현상에 의해 상기 브라인에 포함된 청수가 상기 반투막을 통과하여 상기 유도용액 구간으로 이동하는 정삼투 반응조; 및
   상기 유도용액 구간으로부터 배출되는 희석된 유도용액에서 청수를 분리하고 유도용액을 회수하는 유도용액 회수조;를 포함하고,
   상기 유도용액 회수조에서 회수된 유도용액은 열 교환기로 공급되는, 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인의 처리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유도용액 회수조는 냉각기를 포함하는, 브라인의 처리 장치.
3. 증류법을 이용한 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인(brine)을 처리하는 방법으로서,
   1) 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열을 교환하는 단계;
   2) 상기 1) 단계의 상호 열교환된 브라인과 유도용액을 반투막을 통해 접촉시키는 단계;
   3) 정삼투압 현상에 의해 상기 열교환된 브라인 내에 포함된 청수가 상기 반투막을 통과하여 상기 열교환된 유도용액으로 이동하는 단계;
   4) 상기 3) 단계의 정삼투압을 거친 유도용액을 청수 분리 후 회수하는 단계; 및
   5) 상기 4) 단계에서 회수된 유도용액을 상기 1) 단계의 브라인과 열 교환 시 사용되도록 이동시키는 단계;
   를 포함하는, 해수의 담수화 과정에서 발생한 브라인의 처리 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 유도용액을 회수하는 단계는 희석된 유도용액을 온도응답성 유도용질의 상분리 온도 이하로 냉각하는 단계를 포함하는, 브라인의 처리 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 온도응답성 유도용질은 0 내지 40℃에서 상분리 현상이 발생되는, 브라인의 처리 방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 온도응답성 유도용질은 고임계 용해온도(upper critical solution temperature, UCST)성 유도용질인, 브라인의 처리 방법.
7. 제3항에 있어서,
   상기 온도응답성 유도용질은 이소부티르산(IBA), 이소부티르아미드(IBAm), 에틸렌글리콜모노페닐에테르(EGPE), 테트라-n-부틸포스포늄 푸마레이트(P4BF) 및 프로판 술포네이티드 폴리에틸렌이민(PS-PEI)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 브라인의 처리 방법.
8. 해수가 저장되는 해수 저장 탱크;
   상기 해수 저장 탱크에 저장된 해수를 증류시켜 나트륨이 제거된 담수와 브라인(brine)을 분리하는 증류 챔버;
   상기 증류 챔버에서 배출되는 브라인과 온도응답성 유도용질을 포함하는 유도용액 사이에 열 교환되는 열 교환기;
   반투막에 의해 상기 열교환된 브라인이 공급되는 브라인 구간과 상기 열교환된 유도용액이 공급되는 유도용액 구간으로 구분되고, 정삼투압 현상에 의해 상기 브라인에 포함된 청수가 상기 반투막을 통과하여 상기 유도용액 구간으로 이동하는 정삼투 반응조; 및
   상기 유도용액 구간으로부터 배출되는 희석된 유도용액을 청수 분리 후 회수하는 유도용액 회수조;를 포함하고,
   상기 유도용액 회수조에서 회수된 유도용액은 열 교환기로 공급되는, 해수의 담수화 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 해수 저장 탱크에 저장된 해수에 포함된 이물질을 제거하기 위한 전처리조를 더 포함하는, 해수의 담수화 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 전처리조는 이중 여과 장치(Dual media filter, DMF)를 포함하는, 해수의 담수화 장치.
11. 제8항에 있어서,
    상기 증류 챔버는 증류된 기상의 해수를 액상의 담수로 응축하는 응축기를 더 포함하는, 해수의 담수화 장치.
12. 제8항에 있어서,
    상기 담수를 저장하는 담수 저장 탱크를 더 포함하는, 해수의 담수화 장치.
13. 제8항에 있어서,
    상기 담수에 미네랄을 첨가하는 미네랄조를 더 포함하는, 해수의 담수화 장치.
14. 제8항에 있어서,
    상기 유도용액 회수조는 냉각기를 포함하는, 해수의 담수화 장치.
    

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