KR102038324B1 - 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템 - Google Patents

물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템은, 각종 산업에서 생산되는 제품들의 화학처리를 위해 사용된 물과 유기용매 혼합액에서 물과 유기용매를 각각 분리한 후 물은 폐수처리하고 유기용매는 재생할 수 있도록 하고, 물과 유기용매 혼합액을 효과적으로 분리하기 위해 투과증발공정을 이용하기 때문에 비점 차이가 작은 물과 유기용매 혼합액도 탈수가 가능하고, 분리하고자 하는 물질에 대한 적용범위도 넓은 발명에 관한 것이다.

Description

물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템{A dehydration system for mixture of water and organic solvent}
본 발명은 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게 본 발명은 각종 산업현장에서 배출되는 물과 유기용매 혼합액에서 물과 유기용매를 각각 분리한 후 물은 폐수처리하고 유기용매는 재사용 할 수 있도록 하는 발명이다.
즉, 본 발명은 바이오 공정, 케미칼 공정 등에서 유기용매를 고 순도로 농축 및 정제하는 분야에 적용될 수 있는 발명이다.
또한, 본 발명은 물과 유기용매 혼합액을 효과적으로 분리하고 농축하기 위해 투과증발 공정을 이용하는 발명이다.
현대사회는 산업과 기술의 발달로 인해 발생하는 많은 산업용폐기물로 인해 환경오염이 나날이 심각해지고 있는 실정이기 때문에, 산업용폐기물의 발생을 최대한 억제시키는 방안과 기술이 함께 발달하고 있다.
특히, 각종 산업현장의 제품 생산 공정 중에 일반적인 정밀 가공처리 뿐만 아니라 특수한 화학처리도 병행되고 있는데, 대표적으로 반도체, 디스플레이 생산 공정의 경우에는 초정밀 가공뿐만 아니라 물과 유기용매 혼합액에 의한 고도의 화학처리를 통한 식각(에칭) 공정, 세정 공정이 진행되며, 이러한 공정 중 물과 유기용매 혼합액이 배출된다.
산업현장에서 많이 사용되는 대표적인 유기용매는 이소프로필 알콜, 메탄올, 메틸렌 클로라이드, 벤젠, 에탄올, 클로로포름, 헥세인 등이 있고, 산업현장에서 배출되는 유기용매는 통상 물과 혼합된 혼합액 형태로 배출되는데, 배출되는 혼합액에 포함된 유기용매는 인체에 유해하며 그대로 배출되면 환경문제를 유발시키게 된다.
또한, 유기용매는 재사용 가치가 높아 경제적 측면에서 그대로 배출시키지 않고 재사용하는 것이 바람직하다.
따라서 산업현장에서 배출되는 물과 유기용매 혼합액에서 물만을 탈수시키고, 분리된 유기용매는 산업현장에서 재사용할 수 있도록 하는 기술 개발이 필요한 시점이다.
특히, 바이오 산업분야에서는 바이오 알콜을 정제 및 농축하여 고부가가치 제품을 생산할 필터 기술이 필요하다.
다음은 이와 관련한 종래의 선행기술들이다.
1. 대한민국 공개특허공보 제10-1992-0009111호 화학탈수반응 진행방법 및 그 장치 2. 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0065891호 유기성 폐기물의 처리방법 3. 대한민국 등록특허공보 제10-1827760호 배출가스 흐름 직접 접촉식 응축기
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로,
본 발명은 각종 산업현장에서 생산되고, 배출되는 물과 유기용매 혼합액에서 물과 유기용매를 각각 분리한 후 물은 폐수처리하고 유기용매는 분리, 농축 과정을 거쳐 재사용 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 투과증발 공정을 이용하여 물과 유기용매 혼합액을 효과적으로 분리하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명인 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템은,
외부에서 공급되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액을 저장하고, 저장된 혼합액을 멤브레인부(200)로 공급하고, 멤브레인부(200)에서 공급하는 유기용매를 저장하는 혼합액 탱크부(100)와;
혼합액 탱크부(100)에서 공급된 혼합액에서 물 성분을 수증기 형태로 탈수하여 진공부(300)로 공급하고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되고 남은 유기용매를 혼합액 탱크부(100)로 공급하는 멤브레인부(200)와;
멤브레인부(200)에서 배출되는 수증기를 응축하여 저장하고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되도록 하기 위해 멤브레인부(200)에 진공 상태로 가압하는 진공부(300)와;
혼합액 탱크부(100)에 저장된 유기용매 농축액을 사용처로 이송하는 농축액 이송부(500)를 포함하며,
혼합액 탱크부(100), 멤브레인부(200), 진공부(300), 농축액 이송부(500)들 사이에는 순환관로(11)들이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 각종 산업현장에서 배출되는 물과 유기용매 혼합액에서 물과 유기용매를 각각 분리한 후 물은 폐수처리하고 유기용매는 재사용 할 수 있도록 하기 때문에, 유해한 유기용매는 배출하지 않고 물만 배출함으로 산업폐기물을 최소화하여 환경보호에 도움이 되고 유기용매를 재생할 수 있어 경제성도 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 물과 유기용매 혼합액을 효과적으로 분리하기 위해 투과증발공정을 이용하며, 세라믹 소재의 멤브레인을 사용하므로 고온 공정에서 운전이 가능하고 고순도의 재생 유기용매도 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 전체 계통도
도 2는 본 발명의 전체 구성 블록도
도 3은 본 발명의 혼합액 탱크부와 멤브레인부 관련 계통도
도 4는 본 발명의 멤브레인부 세부 구성도
도 5는 본 발명의 멤브레인 필터 예시도
도 6은 본 발명의 멤브레인부와 진공부 관련 계통도
도 7은 본 발명의 진공부와 역삼투압부 관련 계통도
도 8은 본 발명의 진공부 세부 구성도
상기와 같은 본 발명의 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 전체 계통도이고, 도 2는 본 발명의 전체 구성 블록도이다.
도 1를 참조하면, 본 발명인 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템(이하 '시스템')은 각종 산업현장에서 화학처리 후 배출되는 물과 유기용매 혼합액에서 물과 유기용매를 각각 분리한 후 물은 폐수처리하고 유기용매는 재사용할 수 있도록 하는 발명이다.
여기서, 본 발명은 물과 유기용매 혼합액을 효과적으로 분리하기 위해, 투과증발공정을 이용하기 때문에, 공비제(共沸劑)를 투입하지 않고도 고농도의 탈수 분리가 가능할 뿐만 아니라, 물과 유기용매 혼합액에서 물을 선택적으로 탈수하므로 높은 수율을 유지 할 수 있다.
따라서 본 발명의 시스템(10)은 비점 차이가 작은 물과 유기용매 혼합액에서 물 성분의 탈수가 가능하고 분리하고자 하는 물질에 대한 적용범위도 넓기 때문에, 효과적으로 물과 유기용매 혼합액을 분리하여 산업폐기물을 감축할 수 있어 날로 강화되고 있는 환경보호규약에도 효과적으로 대응할 수 있고 산업상 이용가능성도 높다.
구체적으로, 본 발명의 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템은,
외부에서 공급되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액을 저장하고, 저장된 혼합액을 멤브레인부(200)로 공급하고, 멤브레인부(200)에서 공급하는 유기용매를 저장하는 혼합액 탱크부(100)와;
혼합액 탱크부(100)에서 공급된 혼합액에서 물 성분을 수증기 형태로 탈수하여 진공부(300)로 공급하고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되고 남은 유기용매를 혼합액 탱크부(100)로 공급하는 멤브레인부(200)와;
멤브레인부(200)에서 배출되는 수증기를 응축하여 저장하고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되도록 하기 위해 멤브레인부(200)에 진공 상태로 가압하는 진공부(300)와;
혼합액 탱크부(100)에 저장된 유기용매 농축액을 사용처로 이송하는 농축액 이송부(500)를 포함하며,
혼합액 탱크부(100), 멤브레인부(200), 진공부(300), 농축액 이송부(500)들 사이에는 순환관로(11)들이 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 1, 2를 참조하면, 본 발명의 시스템(10)은 기본적으로 혼합액 탱크부(100), 멤브레인부(200), 진공부(300), 농축액 이송부(500)를 포함하고, 추가적으로 역삼투압부(400)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 혼합액 탱크부(100), 멤브레인부(200), 진공부(300), 역삼투압부(400), 농축액 이송부(500)들 사이에는 순환관로(11)들이 형성되며, 상기 순환관로(11)는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액(이하 원료 혼합액), 탈수된 물, 유기용매(이하 '농축액)가 각각 유동되는 배관이다.
이때, 상기 순환관로(11)에 적용되는 배관은 기계적성질과 내식성이 우수한 스테인리스 계열의 STS304, STS316, STS316L을 적용하는 것이 바람직하다.
도 2, 3을 참조하면, 상기 혼합액 탱크부(100)는 외부에서 공급된 물과 유기용매 혼합액(원료 혼합액)을 저장하고, 저장된 혼합액을 멤브레인부(200)로 공급하고, 멤브레인부(200)에서 공급하는 유기용매를 저장하는 구성으로, 혼합액 탱크(110), 순환펌프(120), 가열기(130)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 혼합액 탱크부(100)는,
외부에서 공급되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액과 멤브레인부(200)에서 공급되는 유기용매를 저장하는 제1혼합액 탱크(111)와 외부에서 공급되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액과 멤브레인부(200)에서 공급되는 유기용매를 저장하는 제2혼합액 탱크(112)로 구성되는 혼합액 탱크(110)와,
제1,2혼합액 탱크(111,112)중 어느 한 탱크에 저장된 혼합액을 순환관로(11)를 통해 멤브레인부(200)로 공급하는 순환펌프(120)와,
멤브레인부(200)로 공급되는 혼합액을 설정 온도로 가열하는 가열기(130)를 포함하며,
제1,2혼합액 탱크(111,112)중 어느 한 탱크에 저장된 유기용매 농축액이 농축액 이송부(500)를 통해 외부로 이송 시, 제1,2혼합액 탱크(111,112)중 나머지 한 탱크에 저장된 혼합액은 멤브레인부(200)로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합액 탱크(110)는 제1혼합액 탱크(111)와 제2혼합액 탱크(112)를 포함하여 구성되며, 상기 제1혼합액 탱크(111)는 외부에서 공급되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액을 저장하는 탱크이고, 상기 제2혼합액 탱크(112)는 멤브레인부(200)에서 공급되는 유기용매(구체적으로는 멤브레인부(200)로 공급된 혼합액에서 물 성분이 탈수된 혼합액)를 저장하는 탱크이다.
이때, 상기 혼합액 탱크(110)를 제1혼합액 탱크(111)와 제2혼합액 탱크(112)로 구분하여 구성하는 것은, 본 발명의 시스템(10)을 24시간 멈추지 않고 지속적으로 가동하기 위함이다.
즉, 최초에는 제1,2혼합액 탱크(111,112)에 물과 유기용매가 혼합된 혼합액이 외부로부터 공급되어 각각 저장된다. 이후, 외부에서 제2혼합액 탱크(112)로의 혼합액 공급은 일시적으로 중단되고, 제2혼합액 탱크(112)에 저장된 혼합액이 멤브레인부(200)로 공급되어 물 성분이 탈수되고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되고 남은 유기용매(약간의 물 성분 포함됨)가 다시 제2혼합액 탱크(112)로 공급 저장된다.
이때, 제1혼합액 탱크(111)는 외부로부터 지속적으로 물과 유기용매가 혼합된 혼합액을 공급받고 있게 된다.
이러한 공정이 되풀이 될수록 제2혼합액 탱크(112)에는 유기용매만이 남게 되고, 제2혼합액 탱크(112)에 저장되는 유기용매가 고농도의 유기용매 상태가 되면 농축액 이송부(500)를 통해 외부의 사용처로 이송된다.
이때(제2혼합액 탱크(112)에 저장된 고농도의 유기용매가 농축액 이송부(500)를 통해 외부의 사용처로 이송될 때), 제2혼합액 탱크(112)와 멤브레인부(200)의 공정 연결이 일시적으로 차단되어 제2혼합액 탱크(112)에서 멤브레인부(200)로의 혼합액 공급이 차단됨과 동시에 제1혼합액 탱크(111)와 멤브레인부(200)의 공정이 연결되어 제1혼합액 탱크(111)에 저장된 물과 유기용매가 혼합된 혼합액이 멤브레인부(200)로 공급된다.
즉, 제2혼합액 탱크(112)에 저장된 고농도의 유기용매가 농축액 이송부(500)를 통해 외부의 사용처로 이송될 때, 제1혼합액 탱크(111)와 제2혼합액 탱크(112)의 기능이 상호 교체되어 본 발명의 시스템(10)이 멈추지 않고 계속 가동되는 것이다.
정리하면, 최초에는 제1,2혼합액 탱크(111,112)가 외부로부터 물과 유기용매가 혼합된 혼합액을 공급받는다. 이후 제2혼합액 탱크(112)는 멤부레인부(200)로 혼합액을 공급하고, 멤부레인부(200)로부터 유기용매를 공급 받는다(이때 제1혼합액 탱크(111)는 외부로부터 지속적으로 물과 유기용매가 혼합된 혼합액을 공급받고 있게 된다)
어느 시점(제2혼합액 탱크(112)에 저장되는 유기용매가 고농도의 유기용매가 되는 시점)에 제1,2혼합액 탱크(111,112)이 기능이 교체되어, 제2혼합액 탱크(112)에서 멤부레인부(200)로의 혼합액 공급은 차단됨과 동시에 제1혼합액 탱크(111)에서 멤부레인부(200)로의 혼합액 공급이 시작된다.
이때, 제2혼합액 탱크(112)에 저장된 고농도의 유기용매는 외부로 이송되고, 이송이 완료되면 제2혼합액 탱크(112)에는 다시 외부로부터 물과 유기용매가 혼합된 혼합액이 공급된다.
상기 공정이 반복됨으로 인해, 외부로부터의 혼합액 공급과 멤브레인부(200)로의 혼합액 공급이 중단되지 않아 본 발명의 시스템(10)을 24시간 멈추지 않고 계속적으로 가동할 수 있게 된다.
상기 순환펌프(120)는 제1,2혼합액 탱크(111,112)중 어느 한 탱크에 저장된 혼합액을 순환관로(11)를 통해 멤브레인부(200)로 공급하는 펌프로서, 유기용매에 대한 내식성이 우수하면서 장시간 펌핑 작동에도 견딜 수 있는 내구성 있는 제품이 적용되어야 한다.
상기 가열기(130)는 멤브레인부(200)로 공급되는 혼합액을 설정 온도로 가열하는 구성으로서, 설정 온도는 80~150℃인데 혼합액의 증기압차를 크게 할 수 있도록 설정 온도를 100℃이상으로 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 물과 유기용매가 혼합된 혼합액에서 물 성분을 투과증발 공정을 통해 분리하게 되는데, 상기 투과증발공정이란 물과 유기용매가 혼합된 혼합물을 가열하여 멤브레인 필터부를 통과시키는 과정에 진공을 가하여 기체 상태(수증기)로 상변환 된 물 성분을 혼합액에서 분리시키는 공정이다.
도 3은 본 발명의 혼합액 탱크부와 멤브레인부 관련 계통도이고, 도 4는 본 발명의 필터 하우징 세부 구성도이고, 도 5는 본 발명의 멤브레인 필터 예시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 멤브레인부(200)는 순환관로(11)를 통해 연결된 혼합액 탱크부(100)(구체적으로는 제1,2혼합액 탱크(111,112)중 현재 혼합액을 멤브레인부로 공급하고 있는 탱크)로부터 공급된 물과 유기용매가 혼합된 혼합액에서 투과증발 공정을 통해 물 성분을 수증기 형태로 탈수하여 진공부(300)로 공급하고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되고 남은 유기용매를 혼합액 탱크부(100)(구체적으로는 제1,2혼합액 탱크(111,112)중 현재 혼합액을 멤브레인부로 공급하고 있는 탱크)로 공급하는 구성으로, 필터 하우징(210)과 멤브레인 필터부(220)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 멤브레인부(200)는,
내부 공간에 멤브레인 필터부(220)가 설치되고, 멤브레인 필터부(220)를 통해 탈수된 물이 수증기 형식으로 외부로 배출되도록 하는 필터 하우징(210)과,
투과증발 공정으로 혼합액에 포함된 물을 수증기 형태로 탈수시키는 적어도 1개 이상의 멤브레인 필터(221) 또는 적어도 1개 이상의 멤브레인 필터쌍(222)들로 구성되는 멤브레인 필터부(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 복수의 멤브레인 필터쌍(222) 각각은 적어도 2개 이상의 멤브레인 필터(221)를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합액 탱크부(100)에서 공급된 혼합액은 멤브레인 필터부(220)의 일측으로 유입되고, 혼합액에서 물이 탈수되고 남은 유기용매는 멤브레인 필터부(220)의 타측으로 배출되어 혼합액 탱크부(100)로 다시 공급되는 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면, 상기 필터 하우징(210)은 내부 공간에 멤브레인 필터부(220)가 설치되고, 멤브레인 필터부(220)를 통해 탈수된 물이 수증기 형식으로 외부로 배출되도록 하는 구성이다.
구체적으로, 상기 필터 하우징(210)은 도 4에 도시된 바와 같이,
혼합액 탱크부(100)에서 공급되는 혼합액이 유입되는 유입구(211)와,
혼합액에서 물 성분이 탈수되고 남은 유기용매가 유출되는 유출구(212)와,
멤브레인 필터부(220)를 통해 탈수된 물이 수증기 형식으로 외부로 배출되는 수증기 배출구(213)와,
상기 유입구(211)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간과 멤브레인 필터부(220)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간을 기밀이 유지되도록 분리하면서, 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)들의 일측이 연결되는 제1격판(214)과,
상기 유출구(212)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간과 멤브레인 필터부(220)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간을 기밀이 유지되도록 분리하면서, 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)들의 타측이 연결되는 제2격판(215)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유입구(211)는 필터 하우징(210)의 외부 일측(바람직하게는 하측)에 형성되어, 혼합액 탱크부(100)(구체적으로는 제1,2혼합액 탱크(111,112)중 현재 혼합액을 멤브레인부로 공급하고 있는 탱크)에서 공급되는 혼합액이 탈수를 위해 필터 하우징(210)의 내부 공간으로 유입되도록 하는 입구이다.
또한, 상기 유출구(212)는 필터 하우징(210)의 외부 타측(바람직하게는 상측)에 형성되어, 멤브레인 필터부(220)를 통해 혼합액에서 물이 탈수되고 남은 유기용매가 혼합액 탱크부(100)(구체적으로는 제1,2혼합액 탱크(111,112)중 현재 혼합액을 멤브레인부로 공급하고 있는 탱크)로 유출되도록 하는 출구이다.
또한, 상기 수증기 배출구(213)는 필터 하우징(210)의 외부 일측(바람직하게는 중간측)에 형성되고, 멤브레인 필터부(220)를 통해 탈수된 물 성분인 수증기가 외부(구체적으로는 진공부(300))로 배출되도록 하는 구성이며, 특히 필터 하우징(210)의 내부 공간이 진공 상태가 되도록 순환관로(11)를 통해 진공부(300)에 연결 된다.
또한, 제1격판(214)은 상기 유입구(211)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간과 멤브레인 필터부(220)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간을 기밀이 유지되도록 도 4와 같이 분리하면서, 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)들의 일측이 연결되는 구성이다.
특히, 상기 제1격판(214)상에는 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)들의 일측이 연결될 수 있도록 복수의 연결홀(2141)이 형성된다.
또한, 제2격판(215)은 상기 유출구(212)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간과 멤브레인 필터부(220)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간을 기밀이 유지되도록 도 4와 같이 분리하면서, 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)들의 타측이 연결되는 구성이다.
특히, 상기 제2격판(215)상에는 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)들의 타측이 연결될 수 있도록 복수의 연결홀(2151)이 형성된다.
상술한 구성적 특징에 의해, 제1격판(214)에 의해 형성되는 공간 중 유입구(211)측에 형성되는 공간(도 4의 공간1)으로 혼합액이 유입구(211)를 통해 유입 된 후, 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)으로 나뉘어져 유입된다.
또한, 제2격판(215)에 의해 형성되는 공간 중 유출구(211)측에 형성되는 공간(도 4의 공간2)으로 유기용매가 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)에서 유출된 후 된 후, 유출구(212)를 통해 혼합액 탱크부(100)측으로 유출된다.
도 4를 참조하면, 상기 멤브레인 필터부(220)는 투과증발 공정으로 혼합액에 포함된 물을 수증기 형태로 탈수시키는 구성으로서, 도 5의 좌측 그림과 같은 멤브레인 필터(221)로 구성되거나, 또는 도 5의 우측 그림과 같은 멤브레인 필터쌍(222)으로 구성된다.
상기 투과증발공정이란 물과 유기용매가 혼합된 혼합물을 가열하여 물을 기체 상태(수증기)로 상변환 시키고, 멤브레인 필터부를 통과시키는 과정에 진공에 의해 기체 상태(수증기)로 상변환 된 물 성분을 혼합액에서 분리시키는 공정이다.
상기 멤브레인 필터부(220)를 구성하는 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)을 구성하는 멤브레인 필터(221)는 도 4와 같이 내부에 중공(2211)을 갖는 관 형상이되, 관 전체는 알루미나(Al2O3) 재질이고, 내부의 중공 표면(2212)에는 친수성이 우수한 실리카 하이브리드 소재가 코팅 처리된 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 4에 도시된 멤브레인 필터(221)를 통해 투과증발공정을 좀 더 상세히 설명한다.
상기 관 형상의 멤브레인 필터(221)의 내부 중공(2211)에는 상술한 가열기(130)에 의해 가열된 액체 상태의 혼합액(물과 유기용매 혼합액)이 흐르게 되며, 이때 입자 크기가 유기용매보다 작은 물 분자가 실리카 하이브리드 소재 코팅층을 통과해 내부 중공(2211)에서 다공질의 알루미나(Al2O3) 재질인 지지층으로 유입되는데, 이때, 소량의 유기용매 성분도 섞여 유입된다.
지지층으로 유입된 물 분자는 외부에 가해진 진공 압력에 의해 액체에서 기체로 상 변환되어 수증기 형태가 되고, 수증기는 알루미나(Al2O3) 재질인 지지층을 통과해 필터 하우징(210)의 내부 공간으로 배출된다.
또한, 다공질의 알루미나(Al2O3) 재질인 지지층으로 유입된 소량의 유기용매 도 다공질의 알루미나(Al2O3) 재질인 지지층에서 기체로 상 변환되어 증기형태로 필터 하우징(210)의 내부 공간으로 배출된다.
결국, 필터 하우징(210)의 내부 공간으로 배출되는 것은 수증기(기체 상태인 물)와 소량의 증기(기체 상태인 유기용매)인 것이다.
즉, 필터 하우징(210)의 내부 공간은 진공부(300)에 의해 진공상태가 되어 있기 때문에 멤브레인 필터(221)의 내부 중공(2211)과 필터 하우징(210)의 내부 공간의 압력차에 의해 필터(221)의 내부 중공(2211)을 흐르던 액체 상태인 물 분자가 멤브레인 필터(221)의 내부 중공(2211)에서 알루미나(Al2O3) 재질인 지지층으로 유입되는 것이다. 특히, 내부의 중공 표면(2212)에는 상술한 바와 같이 친수성이 우수한 실리카 하이브리드 소재가 코팅 처리된 코팅층이 형성되기 때문에 유기용매보다는 물이 용이하게 코팅층을 통과하게 된다.
한편, 투과증발 효율을 높이기 위해 도 5의 우측 그림과 같은 멤브레인 필터쌍(222)으로 멤브레인 필터부(220)를 구성할 있다. 이 경우, 멤브레인 필터쌍(222)은 적어도 2개 이상의 멤브레인 필터(221)로 구성된다.
도 6은 본 발명의 멤브레인부와 진공부 관련 계통도이다.
도 6을 참조하면, 상기 진공부(300)는 멤브레인부(200)에서 배출되는 수증기를 응축하여 저장하고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되도록 하기 위해 멤브레인부(200)에 진공을 가하는 구성으로서, 제1열교환기(310), 제1응축액 탱크(320), 진공펌프(330)를 포함하여 구성되며, 추가적으로 응축기(340), 제2응축액 탱크(350)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1열교환기(310)는 멤브레인부(200)의 수증기 배출구(213)를 통해 배출되는 수증기(정확하게는 약간의 유기용매 성분의 증기도 포함되어 있음)의 증발잠열을 흡수하여 수증기를 응축시켜 액체 상태로 상 변환시킨다. 또한 외부에서 혼합액 탱크부(100)로 공급되는 혼합액에 수증기에서 흡수한 열을 제공해 혼합액을 가열한다.
상술한 바와 같이 혼합액 탱크부(100)에서 멤브레인부(200)로 공급되는 혼합액은 투과증발과정을 위해 가열기(130)에 의해 일정 온도로 가열되어 멤브레인부(200)로 공급되는데, 상기 제1열교환기(310)는 수증기 응축과정에서 흡수한 열을 혼합액 탱크부(100)로 공급되는 혼합액에 전달하여 혼합액을 미리 일정 온도로 가열하는 기능을 하는 것이다.
상기 제1응축액 탱크(320)는 제1열교환기(310)에 의해 액체 상태로 응축된 수증기 응축액(거의 대부분 물 성분이지만 약간의 유기용매 성분도 포함됨)을 저장하는 탱크로서, 제1응축액 탱크(320)는 적어도 2개 이상으로 구성된다.
제1응축액 탱크(320)를 2개 이상으로 구성하는 이유는 아래와 같다.
제1응축액 탱크(320)에 일정량의 응축액이 저장되면, 저장된 응축액을 외부(역삼투압부(400))로 배출해야 하는데, 이때, 제1응축액 탱크(320)가 하나이고 응축액을 배출할 제1응축액 탱크(320)가 외부(역삼투압부(400))와 연결되면 진공펌프(330)에 의해 진공 상태가 유지되던 멤브레인부(200)의 진공이 유지되지 않게 된다.
왜냐하면, 멤브레인부(200)의 필터 하우징(210) - 제1응축액 탱크(320) - 진공펌프(330)는 상호 관로에 의해 연결되어 있어 진공상태가 유지되는데, 만일 응축액 배출을 위해 제1응축액 탱크(320)가 외부와 연결되면 진공 상태가 깨지기 때문이다.
이를 방지하기 위해 제1응축액 탱크(320)를 2개 이상으로 구성하면, 응축액이 배출되는 제1응축액 탱크(320)와는 다른 새로운 제1응축액 탱크(320)에 응축액이 저장되도록 하고 새로운 제1응축액 탱크(320)에 진공펌프(330)가 연결되도록 한다.
즉, 어느 한 제1응축액 탱크(320)에서 응축액이 배출될 시, 멤브레인부(200)의 필터 하우징(210) - 새로운 제1응축액 탱크(320) - 진공펌프(330)가 상호 관로에 의해 연결되도록 하는 것이다.
한편, 진공부(300)는 제1열교환기(310)를 통해 응측 되지 않은 증기(기체 상태인 유기용매)를 응축시키기 위해 도 8과 같이 응축기(340)와 제2응축액 탱크(350)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
제1열교환기(310)를 통해 대부분의 수증기(기체 상태인 물)는 응축되어 액체 상태가 되지만, 일부 기체 상태인 유기용매는 응축되지 않고 제1응축액 탱크(320) 내부에 기체 상태로 존재하게 된다.
즉, 상술한 제1열교환기(310), 제1응축액 탱크(320), 진공펌프(330)는 멤브레인부(200)에서 배출되는 수증기의 증발잠열을 흡수하여 수증기를 1차적으로 응축하는 구성이고, 상기 응축기(340)와 제2응축액 탱크(350)는 제1응축액 탱크(320)에 응축되지 않고 잔류하는 증기(기체 상태인 유기용매)를 2차적으로 응축하기 위한 구성이다.
도 1을 참조하면, 상기 농축액 이송부(500)는 농축액 이송용 펌프를 포함하는 구성으로서, 공정 반복을 통해 혼합액 탱크부(100)를 구성하는 제1, 2혼합액 탱크(111,112) 중 어느 한 탱크(현재 멤브레인부(200)로 혼합액을 공급하고 있지 않은 탱크)에 저장된 유기용매 농축액을 외부의 유기용매 사용처로 공급한다.
한편, 진공부(300)의 제1응축액 탱크(320)에 저장되는 수증기 응축액(대부분이 수증기 응축액)에는 제1열교환기(310)에 의해 액체화된 유기용매 성분이 소량 포함될 수 있다.
만일, 소량의 유기용매가 포함된 수증기 응축액이 폐수처리장으로 유입되면 이 역시 환경오염을 유발시킬 수 있다.
이를 해결하기 위해, 본 발명의 시스템은 진공부(300)에 저장된 수증기 응축액에 포함된 잔여 유기용매 성분을 역삼투압(Reverse Osmosis) 방식으로 분리하고, 분리된 유기용매는 혼합액 탱크부(100)로 제공하고, 분리된 물은 페수처리장으로 유입시키는 역삼투압부(400)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 역삼투압부(400)는 순환관로(11)를 통해 진공부(300)의 제1응축액 탱크(320)에 연결되며, 응축액 이송펌프(410), 응축액 저장탱크(420), 고압펌프(430), 역삼투압 처리수단(440)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 응축액 이송펌프(410)는 적어도 2개 이상의 제1응축액 탱크(320) 중 어느 하나에 저장된 수증기 응축액을 응축액 저장탱크(420)로 이송되도록 작동하는 펌프이다.
상기 응축액 저장탱크(420)는 응축액 이송펌프(410)에 의해 이송된 응축액이 저장되는 탱크이고, 상기 고압펌프(430)는 응축액 저장탱크(420)에 저장된 응축액을 고압으로 역삼투압 처리수단(440)으로 공급하는 펌프이다.
상기 고압펌프(430)가 발생시키는 고압력에 의해 응축액 저장탱크(420)에 저장된 응축수가 역삼투압 처리수단(440)으로 공급되면, 상기 역삼투압 처리수단(440)의 내부에서 역삼투압 방식으로 물과 유기용매 성분이 분리된다.
특히, 상기 역삼투압 처리수단(440)은 고압펌프(430)에서 공급된 응축액을 역삼투압 방식으로 물과 유기용매 성분으로 분리한 후, 분리된 유기용매 성분은 혼합액 탱크부(100)(구체적으로 현재 멤브레인부(200)로 혼합액을 공급하고 있는 혼합액 탱크(110))로 공급하고, 분리된 물은 폐수처리장으로 유입시켜 처리한다.
상기 역삼투압 처리수단(440)은 통상의 역삼투압막과 하우징으로 구성되는바 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 압력조절수단(610)과 제2열교환기(620)을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 압력조절수단(610)은 멤브레인부(200) 후단에 설치되어, 멤브레인 필터부(220)를 구성하는 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공의 압력을 고압으로 유지하도록 하는 구성이고, 상기 제2열교환기(620)는 고온 기체 상태인 유기용매로부터 열을 흡수하고, 흡수한 열을 외부에서 공급되는 혼합액에 전달하기 위한 구성이다.
이하에서는 압력조절수다(610)과 제2열교환기(620)의 특징에 대해 상세히 설명한다.
상기 압력조절수단(610)은 도 1에 도시된 바와 같이 멤브레인부(200) 후단에 설치되어, 멤브레인 필터부(220)를 구성하는 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공의 압력을 고압으로 유지하도록 한다.
혼합액 탱크부(100) 부분에서 상술한 바와 같이, 멤브레인부(200)로 유입되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액은 혼합액 탱크부(100)의 가열기(130)에 의해 고온으로 가열된 후 멤브레인부(200)를 구성하는 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공으로 유입된다.
혼합액을 고온(100℃이상)으로 가열하는 이유는 혼합액의 증기압차를 크게 하여 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공으로 유입된 혼합액이 투과증발 공정에 의해 물과 유기용매가 용이하게 분리되도록 하기 위함이다.
이때, 물과 유기용매가 혼합된 혼합액은 혼합액 탱크부(100)의 가열기(130)에 의해 고온(100℃이상)으로 가열되면, 상압(예:1bar)에서는 기체 상태로 상 변환되는데, 이를 방지하기 위해(물과 유기용매가 기체 상태로 상 변환되지 않고 액체 상태로 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공으로 유입되도록 하기 위해) 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공에 상압(예:1기압)보가 큰 고압(예:3bar)이 걸리도록 한다.
즉, 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공으로 유입된 고온으로 가열된 물과 유기용매 혼합액이 액체 상태로 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공에서 흐를 수 있도록 상기 압력조절수단(610)은 도 1에 도시된 바와 같이 멤브레인부(200) 후단에 설치되어, 멤브레인 필터부(220)를 구성하는 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공의 압력을 고압으로 유지시킨다.
상기 압력조절수단(610)은 밸브 형태의 압력조절밸브일 수 있다.
상기 제2열교환기(620)는 고온 기체 상태인 유기용매로부터 열을 흡수하고, 흡수한 열을 외부에서 공급되는 혼합액에 전달하기 위한 구성이다.
투과증발 공정에 의해 물과 유기용매가 멤브레인 필터부(220)에서 분리된 후(투과증발 공정에 의해 물 성분은 상술한 바와 같이 수증기 형태로 외부로 배출됨) 유기용매 성분은 고온 액체 상태로 멤브레인부(200) 외부로 배출되어 압력조절수단(610)을 통과한다.
이때, 고온 액체 상태였던 유기용매는 압력조절수단(610)을 통과하면 고온 기체 상태로 상 변환된다. 즉, 고온의 유기용매는 고압인 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공(압력조절수단(610)에 의해 고압)에서 액체 상태를 유지하며 흐르다가 멤브레인부(200) 외부로 배출된 후, 압력조절수단(610)을 통과하면 상압 상태가 되어 고온 기체 상태로 상변환 되는 것이다.
이후, 고온 기체 상태로 상변환 된 유기용매는 제2열교환기(620)를 통과 하면서 열을 빼앗겨 응축됨으로 저온 액체 상태로 상 변환되어 혼합액 탱크부(100)로 공급된다.
이때, 상기 제2열교환기(620)는 고온 기체 상태인 유기용매로부터 흡수한 열을 외부에서 공급되는 혼합액에 전달하여 외부에서 공급되는 혼합액이 일정 온도로 가열된 상태로 혼합액 탱크부(100)로 유입되도록 한다.
결국, 외부에서 유입되는 혼합액은 1차적으로 상술한 제1열교환기(310)에 의해 일정 온도로 가열되고, 2차적으로 제2열교환기(620)에 의해 가열되어 혼합액 탱크부(100)로 유입되는 것이다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10 : 시스템
11 : 순환관로
100 : 혼합액 탱크부
200 : 멤브레인부
300 : 진공부
400 : 역삼투압부
500 : 농축액 이송부

Claims (9)

  1. 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템에 있어서,
    외부에서 공급되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액을 저장하고, 저장된 혼합액을 멤브레인부(200)로 공급하고, 멤브레인부(200)에서 공급하는 유기용매를 저장하는 혼합액 탱크부(100)와;
    혼합액 탱크부(100)에서 공급된 혼합액에서 물 성분을 수증기 형태로 탈수하여 진공부(300)로 공급하고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되고 남은 유기용매를 혼합액 탱크부(100)로 공급하는 멤브레인부(200)와;
    멤브레인부(200)에서 배출되는 수증기를 응축하여 저장하고, 혼합액에서 물 성분이 탈수되도록 하기 위해 멤브레인부(200)에 진공 상태를 제공하는 진공부(300)와;
    혼합액 탱크부(100)에 저장된 유기용매 농축액을 사용처로 이송하는 농축액 이송부(500)를 포함하며,

    상기 혼합액 탱크부(100)는,
    외부에서 공급되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액과 멤브레인부(200)에서 공급되는 유기용매를 저장하는 제1혼합액 탱크(111)와 외부에서 공급되는 물과 유기용매가 혼합된 혼합액과 멤브레인부(200)에서 공급되는 유기용매를 저장하는 제2혼합액 탱크(112)로 구성되는 혼합액 탱크(110)와,
    제1,2혼합액 탱크(111,112)중 어느 한 탱크에 저장된 혼합액을 순환관로(11)를 통해 멤브레인부(200)로 공급하는 순환펌프(120)와,
    멤브레인부(200)로 공급되는 혼합액을 설정 온도로 가열하는 가열기(130)를 포함하며,
    제1,2혼합액 탱크(111,112)중 어느 한 탱크에 저장된 유기용매 농축액이 농축액 이송부(500)를 통해 외부로 이송 시, 제1,2혼합액 탱크(111,112)중 나머지 한 탱크에 저장된 혼합액은 멤브레인부(200)로 공급되는 것을 특징으로 하고,

    혼합액 탱크부(100), 멤브레인부(200), 진공부(300), 농축액 이송부(500)들 사이에는 순환관로(11)들이 형성되는 것을 특징으로 하는 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인부(200)는,
    내부 공간에 멤브레인 필터부(220)가 설치되고, 멤브레인 필터부(220)를 통해 탈수된 물이 수증기 형식으로 외부로 배출되도록 하는 필터 하우징(210)과,
    투과증발 방식으로 혼합액에 포함된 물을 수증기 형태로 탈수시키는 적어도 1개 이상의 멤브레인 필터(221) 또는 적어도 1개 이상의 멤브레인 필터쌍(222)으로 구성되는 멤브레인 필터부(220)를 포함하고,

    상기 복수의 멤브레인 필터쌍(222) 각각은 적어도 2개 이상의 멤브레인 필터(221)를 포함하도록 구성되고,

    상기 혼합액 탱크부(100)에서 공급된 혼합액은 멤브레인 필터부(220)의 일측으로 유입되고, 혼합액에서 물이 탈수되고 남은 유기용매는 멤브레인 필터부(220)의 타측으로 배출되어 혼합액 탱크부(100)로 다시 공급되는 것을 특징으로 하는 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 필터 하우징(210)은,
    혼합액 탱크부(100)에서 공급되는 혼합액이 유입되는 유입구(211)와,
    혼합액에서 물 성분이 탈수되고 남은 유기용매가 유출되는 유출구(212)와,
    멤브레인 필터부(220)를 통해 탈수된 물이 수증기 형식으로 외부로 배출되는 수증기 배출구(213)와,
    상기 유입구(211)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간과 멤브레인 필터부(220)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간을 기밀이 유지되도록 분리하면서, 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)들의 일측이 연결되는 제1격판(214)과,
    상기 유출구(212)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간과 멤브레인 필터부(220)가 설치되는 필터 하우징(210)의 내부 공간을 기밀이 유지되도록 분리하면서, 멤브레인 필터부(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)들의 타측이 연결되는 제1격판(215)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 멤브레인 필터(221)는,
    내부에 중공을 갖는 관 형상이되, 알루미나 재질이고, 내부의 중공 표면에는 실리카 하이브리드 소재가 코팅 처리된 것을 특징으로 하는 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공부(300)는,
    멤브레인부(200)에서 배출되는 수증기에서 열을 흡수하여 수증기를 액체 상태로 응축 시키고, 외부에서 혼합액 탱크부(100)로 공급되는 혼합액에 수증기에서 흡수한 열을 제공해 혼합액을 가열하는 제1열교환기(310)와,
    제1열교환기(310)에 의해 액체 상태로 응축된 수증기 응축액을 저장하는 적어도 2개 이상의 제1응축액 탱크(320)와,
    멤브레인부(200)에 진공을 걸기 위한 진공펌프(330)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 진공부(300)는,
    상기 적어도 2개 이상의 제1응축액 탱크(320)중 어느 하나로부터 액체로 응축되지 않은 증기(기체 상태의 유기용매)를 공급받고, 공급받은 증기에서 열을 흡수하여 증기를 액체 상태로 응축하는 응축기(340)와,
    응축기(340)에 의해 액체 상태로 응축된 증기 응축액을 저장하는 제2응축액 탱크(350)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    진공부(300)에 저장된 수증기 응축액에 포함된 잔여 유기용매 성분을 역삼투압 방식으로 분리하고, 분리된 유기용매는 혼합액 탱크부(100)로 제공하고, 분리된 물은 폐수처리장으로 유입시키는 역삼투압부(400)를 더 포함하고,
    상기 역삼투압부(400)는,
    적어도 2개 이상의 제1응축액 탱크(320)중 어느 하나에 저장된 수증기 응축액이 응축액 저장탱크(420)로 이송되도록 하는 응축액 이송펌프(410)와,
    이송된 응축액을 저장하는 응축액 저장탱크(420)와,
    응축액 저장탱크(420)에 저장된 응축액을 고압으로 역삼투압 처리수단(440)으로 공급하는 고압펌프(430)와,
    고압펌프(430)에서 공급된 응축액을 역삼투압 방식으로 물과 유기용매 성분으로 분리한 후, 분리된 유기용매 성분은 혼합액 탱크부(100)로 공급하고, 분리된 물은 폐수처리장으로 유입시키는 역삼투압 처리수단(440)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    멤브레인부(200) 후단에 설치되어, 멤브레인 필터부(220)를 구성하는 멤브레인 필터(221) 또는 멤브레인 필터쌍(222)의 내부 중공의 압력을 고압으로 유지하도록 하는 압력조절수단(610)과,
    고온 기체 상태인 유기용매로부터 열을 흡수하고, 흡수한 열을 외부에서 공급되는 혼합액에 전달하는 제2열교환기(620)를 더 포함하며,

    상기 멤브레인부(200)에서 배출되는 유기용매는 고온 액체 상태이고, 고온 액체 상태인 유기용매는 압력조절수단(610)을 통과하게 되면 고온 기체 상태로 상 변환되고, 압력조절수단(610)을 통과한 고온 기체 상태인 유기용매는 상기 제2열교환기(620)를 통과하면서 저온 액체 상태로 상 변환되어 혼합액 탱크부(100)로 공급되는 것을 특징으로 하는 물과 유기용매 혼합액으로부터 물을 탈수하기 위한 탈수 시스템.
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