KR102039925B1 - 정전 분무를 이용한 이온수 농축 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전 분무 효과를 이용한 이온수 농축 장치에 관한 것으로서, 정전 분무로 통해서 미세 입자화 된 이온수가 높은 수율로 증발될 수 있는 효과 및 하니컴 타입의 육각형 단면의 이온수 농축 장치를 설계함으로써 용량에 따라서 가변적으로 장치를 증설할 수 있는 효과가 있다.

Description

정전 분무를 이용한 이온수 농축 장치{Apparatus of Ionic Water using Electro-Spraying}

본 발명은 정전 분무 효과를 이용한 이온수 농축 장치에 관한 것이다.

일반적으로 이온수로부터 담수를 분리하는 공정은 에너지원에 따라 크게 열에너지, 기계/전기에너지, 재생에너지시스템으로 구분되며, 담수 제조 방식에 따라서는 증발/증류법, 역삼투압법, 냉동법, 전기투석법 등이 있다.

이중 열을 이용한 담수법은 열에너지를 이용하는 방법으로 증발기를 1개 적용한 단효용, 그리고 담수 수율을 높이기 위하여 여러 개의 증발기를 채택한 다단효용 시스템으로 구분된다. 이 다단 시스템은 크게 다단 플래시증류법 (Multi-Stage Flash Distillation, MSF)과 다중효용 증발법(Multi-Effect Evaporation, MED)으로 구분되고 있다. 이러한 방식은 고온의 스템을 사용하거나 대량의 담수를 제조하는 대형 시스템에 적용되고 있다.

반면, 기존 태양열을 열원으로 하는 담수화 시스템은 도 1에서 보는 바와 같이 태양열로부터 흡수한 온도 60℃~80℃의 온수가 증발기에 제공되어 이온수로부터 담수를 제조하고 있다. 그 구성은 이온수를 기화시키는 증발기, 증발된 수증기를 액화시키는 응축기, 응축기와 증발기 공간을 진공으로 만드는 이젝터, 태양열 집열기, 태양열을 저장하는 축열조로 구성된다.

그 원리를 보면, 약 45℃ 정도의 낮은 온도의 물이 태양열 등 열원을 축열하는 축열조 내부를 순환하면서 가열되어 60℃ 정도의 온수가 생성된다. 이 온수는 증발기 내부의 증발관에 유입되어 증발관 외부의 이온수를 가열, 증발시키며 증발된 수증기는 응축기 외부 표면에서 액화된다. 이 응축기의 응축관 내부로는 이온수가 흐르는 데, 관외부의 수증기를 응축시키면서 온도가 상승되어 증발기에 유입된다. 유입된 이온수는 증발관 내부의 온수에 의하여 가열되어 수증기를 방출하게 되고 잔여 이온수는 이젝터에 의하여 배출된다. 이때 증발관 내부의 온수는 다시 온도가 저하되어 축열조로 순환된다.

이러한 태양열 이용 시스템은 저에너지, 친환경, 적은 장치 규모 그리고 초기투자비가 적게 들어 대체 수자원 확보를 위한 중요한 기술이 되고 있으며 도서지역이나 여러 소지역에 분산형이 가능한 장점을 보유하고 있다.

그러나 이 태양열 이용한 담수화 기술의 문제점은 태양의 불균일한 일사량으로 인하여 제조되는 담수량이 불규칙하고, 일사량이 적은 경우 열량의 부족으로 생산량이 크게 감소하는 단점이 있다. 그러므로 태양열 담수화 시스템은 일정 규격을 기준할 때, 태양열 집열부에서는 단위 시간당 다량의 에너지 흡수할 수 있고, 담수화 장치의 증발기에는 다량의 에너지를 방출할 수 있는 구조가 요구되고 있다.

그러나, 태양열 등을 이용한 담수화 및 이온수 농축 설비는 열원 공급의 불균일성에 의한 담수 수율의 불균일 성등의 문제가 있다.

종래의 한국 공개특허공보 제10-2011-0003761호에서는 태양열 시스템을 이용하여 열전달매체를 가열함으로써 열에너지를 획득하도록 하고, 열전달매체의 열에너지를 이용하여 해수를 가열하여 수증기를 발생시킴으로써 담수가 생성되도록 하되, 상기 해수를 가열하기 위한 증발기에 히트파이프를 사용하여 열전달능력이 향상되도록 함과 동시에, 상기 증발기 및 담수장치 전체의 외벽에 단열재를 추가설치하여 열손실을 최소화시킨 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치를 개시하고 있으나, 정전 분무 장치를 이용한 이온수 농축 장치는 개시된 바 없다.

한국 공개특허공보 제10-2011-0015305호에서는 열원인 태양에너지로부터 태양열과 태양광을 동시에 이용하여 상변화를 통해 해수를 담수화하는 시스템으로, 태양열을 집열하여 상변화 매체의 가열에 사용되도록 한 후, 상기 상변화 매체가 담수화장치 내에서 상변화하며 해수를 증발시켜 담수화시키고 사용된 해수는 바다로 돌려보내도록 하며, 태양광을 태양열 집열부 및 담수부에서 사용되는 집열펌프, 상변화 매체 유동펌프, 담수 유동펌프, 이젝터 펌프 등의 구동 전력으로 사용하도록 하되, 상기 태양광은 계통연계형 시스템 혹은 독립형 시스템으로 구성하는 태양 에너지를 이용한 증발식 해수담수화 시스템이 개시되어 있으나, 정전 분무 장치를 이용한 이온수 농축 장치는 개시된 바 없다.

한국 공개특허공보 제10-2011-0015307호에서는 쉘 및 튜브형 저압 증발식 해수 담수기에 있어서, 증발부 내에서 해수를 가열하여 증발시킨 후, 증발되어 담수가 된 해수를 응축부에서 응축하여 외부로 배출하되, 상기 증발부 내에는 쉘의 내부를 제 1, 2공간으로 구획하되 일자 형태의 단면형상을 가지며 직립설치되는 분리막이 설치되도록 하며, 상기 분리막의 최상단에는 등간격 이격배치되는 절개홈을 다수개 형성하여, 상기 절개홈 부분까지 채워지는 해수는 제 2공간으로 넘어가도록 함으로써 상기 제 1공간에 채워지는 해수의 수두 높이가 낮게 유지되어 해수 담수기의 초기 작동이 빨라지도록 함과 동시에, 상기 제 1공간에서 증발되지 못하고 제 2공간으로 끊어 넘치는 해수 및 해수의 기포는 제 2공간 내에 망 형태로 지그재그 배치도는 다수개 트레이에 접촉되면서 증발되도록 한 증발 성능이 향상된 저압 증발식 해수 담수기가 개시되어 있으나, 정전 분무 장치를 이용한 이온수 농축 장치는 개시된 바 없다.

한국 공개특허공보 제10-2012-0048214호에서는 온수 공급관이 다수의 증기 발생기를 순차적으로 거치며 각 증기 발생기 내부의 해수를 증발시켜 증기가 발생되도록 하는 다단 증기 발생기와, 상기 각 증기 발생기의 증기를 열원으로 사용하며, 공급되는 증기량에 따라 각 증발기 군에 배치되는 증발기의 개수가 조절되는 다수의 증발기 군을 형성하여, 각 증발기 군에서 증발튜브 내를 유동하는 증기의 열을 통해 내부의 해수를 증발튜브 외주연에서 증발시켜 담수를 생성하는 다중 효용 증발기와, 상기 다중 효용 증발기의 증기를 해수로 응축시켜 액체상태의 담수를 배출하고, 배출되는 해수의 일부를 다단 증기 발생기 및 다중 효용 증발기에 리턴하여 공급하는 배출부로 구성되도록 하여, 다단 및 다중으로 담수화장치를 구성함에 있어 담수 생산량 증대뿐 아니라, 기존 직렬구조의 담수화장치 문제점을 동시에 해결할 수 있는 태양열 다단 및 다중효용 증발식 해수 담수화장치가 개시되어 있으나, 정전 분무 장치를 이용한 이온수 농축 장치는 개시된 바 없다.

종래의 담수화 장치 구성에서 태양열이라는 불균일한 열원을 이용하므로 담수화 수율이 불균일하고, 타 열원을 이용할 경우, 추가적인 에너지가 많이 소요되는 문제점을 정전 분무효과를 극대화 할 수 있는 해수 등의 이온수에 적용하여 증발된 이온잔수를 후단에서 응축하여 담수화하는 기술을 제시된 바 없다.

한국 공개특허공보 제10-2011-0003761호 한국 공개특허공보 제10-2011-0015305호 한국 공개특허공보 제10-2011-0015307호 한국 공개특허공보 제10-2012-0048214호

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 정전 분무를 이용하여 이온수를 농축하고 증발된 이온잔수는 응축하여 담수로 활용하기 위한 정전분무 효과를 이용한 이온수 농축 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이온수 농축 장치는, 일단에 이온수를 공급하는 유도코어가 삽입되는 유입부;가 형성되고 타단으로 농축된 이온수가 배출되는 배출부;가 형성되며, 상기 공급튜브로부터 분사되는 이온수를 증발시키기 위하여 이중쉘 형태의 구조를 갖는 이온수 농축 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 유입부에 삽입된 상기 유도코어의 상면 일측에 형성된 이온수유입구 및 유출구;가 포함될 수 있다.

또한, 상기 유입부의 상면에 내부로 돌출되어 형성되는 유도코어의 원주를 따라 상기 유도코어와 근접하도록 설치되는 절연애자;를 포함될 수 있다.

또한, 상기 절연애자에 설치되며 이온수가 투입되는 배관;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 이온수에 (-)하전을 가하여 정전 이온수로 변화하게 하는 (-) 전극;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 배관의 일측에 설치되어 상기 정전이온수를 상기 이온수 농축 장치의 내축에 분사하도록 하는 분무 노즐;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 분무 노즐은 상기 유도코어의 외측에 다수 개가 설치되며, 공급된 정전 이온수에 의해 정전 반응을 일으켜 미립화된 이온수가 상기 이온수 농축 장치의 내측에서 증기압이 낮은 이온잔수는 증발하고 이온수는 농축되게 하는 방전극일 수 있다.

또한, 상기 이온수 농축 장치의 이중쉘 내부에는 상기 이온수 농축 장치의 내부 온도를 상기 이온수의 증발현상이 발생하도록 높이기 위한 열매체가 공급될 수 있다.

또한, 상기 이온수 농축 장치의 단면은 원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 중 어느 하나 이상의 형태로 처리 요구량에 대응할 수 있다.

또한, 상기 이온수 농축 장치의 외벽에는 (+)전극이 인가되어 상기 이온수 농축 장치 내부의 이온수 입자에 전기를 일으킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 이온수 농축 장치에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

정전 분무로 통해서 미세 입자화 된 이온수가 높은 수율로 증발될 수 있는 효과가 있다.

또한, 일정한 열원을 이중쉘 형태의 이온수 농축 장치에 공급하므로 증발 수율을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 하니컴 타입의 육각형 단면의 이온수 농축 장치를 설계함으로써 용량에 따라서 가변적으로 장치를 증설할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수의 농도에 따른 분무특성 사진.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수 농축장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수 농축장치의 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수 농축장치의 시스템 연계도.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

참고로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수의 농도에 따른 분무특성 사진이다.

정전분무란(Electrospray)란 전도성 액체를 노즐에 통과시키면서 양(+)음(-)의 고전압을 인가하면 노즐과 액체속의 이온들이 척력과 인력에 의해 액체표면으로 이동하게 되면서 쿨롱반발력이 표면장력 이상의 힘이 되면 미세한 액적으로 분사되는 현상을 의미하며, 전극에 걸리는 전압이 작을 경우 액체 곡면에 작용하는 전기력과 양이온들의 반발력이 액체의 표면장력 보다 작기 때문에 액적이 분무되지 않지만, 전압을 증가시키게 되면 액체 곡면에 작용하는 전기력과 양이온들의 반발력이 액체의 표면장력보다 커지게 되면서, 모세관 팁에서 액적이 분무되는 원리를 내포하고 있다.

물의 정전 분무 시 액적의 크기를 예측하기 위해 Hartman(2000)은 아래와 같은 실험식을 제시하였다.

위 식을 살펴보면 가진하는 전류량을 늘리거나 물의 유량을 줄여주는 것이 정전 분무에서 물입자를 최소화시키는 데 있어 중요한 인자이며, 낮은 인가전압에서 높은 전류량을 보이는 분무 방전극을 설계/제작하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.

기존 연구 및 문헌 자료에 의하면 하나의 정전분무 장치를 이용하여 증발수율을 원하는 목표에 도달하기 위해서는 1) 집진극의 면적 확대, 2) 복수의 정전분무 농축 장치 제작, 3) 보다 높은 고전압 인가, 4) 정전분무 농축장치 유입 풍속 감소, 5) 물 소비량 증가 등의 방법으로 접근을 해왔으나, 이는 모두 시스템의 운전 및 제작에 있어 경제성을 악화시키는 요인으로 본 연구에서는 하나 이상의 정전 분무 집진기술을 하이브리드로 연결하여 증발수율을 높인 이온수 농축 장치의 경제적인 운전을 추구하고자 한다.

전기장의 강도는 노즐의 사이즈가 작아질수록 크게 나타난다. 작은 사이즈의 노즐일수록 노즐과 주변 양극판 사이에 더 강한 전기장이 걸려 분사 각도가 커질 수 있다. 분무형상, 가공성, 노즐 막힘 및 시스템의 스케일 업을 고려하여 경제성있는 노즐은 직경 0.5 내지 1.0mm 일 수 있다.

또한 전압 변이에 따른 분무 특성은 고전압 환경으로 갈수록 테일러 콘의 각도가 뭉뚝해지며 이온수의 입자 직경은 작아질 수 있다.

또한, 유량이 늘어날수록 테일러 콘의 각도는 줄어들고 물입자의 직경은 커진다. 물입자가 작은 쪽으로 노즐 및 운전 조건의 설계가 필요함은 당연하다.

도 1에서 확인할 수 있듯이 이온 용액을 섞었을 경우 몰농도가 상승함에 따라 물의 전기 전도도는 높아지게 되므로 같은 고전압 환경에서 분사 각도 및 물입자가 더 미립화될 수 있다. 이온용액의 농도가 높아질수록 노즐로부터 폭발적으로 미립화되는 거리는 짧아질 수 있다. 따라서 적정한 이온을 선정하는 것이 필요하며 운영비용을 고려하여 가장 최소의 몰농도를 유지하는 조건을 찾을 수 있다.

일반적으로 전기전도도(μS/cm)는 순수의 경우, 0.05μS/cm, 증류수의 경우 1μS/cm, 비 및 눈의 경우, 2 내지 100μS/cm, 표층수 및 지하수의 경우 50 내지 50,000μS/cm이고, 해수의 경우, 50,000μS/cm으로 알려져 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수 농축장치의 개념도.

일단에 이온수를 공급하는 유도코어가 삽입되는 유입부;가 형성되고 타단으로 농축된 이온수가 배출되는 배출부;가 형성되며, 상기 공급튜브로부터 분사되는 이온수를 증발시키기 위하여 이중쉘 형태의 구조를 갖는 이온수 농축 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 유입부에 삽입된 상기 유도코어의 상면 일측에 형성된 이온수유입구 및 유출구;가 포함될 수 있다.

또한, 상기 유입부의 상면에 내부로 돌출되어 형성되는 유도코어의 원주를 따라 상기 유도코어와 근접하도록 설치되는 절연애자;를 포함될 수 있다.

또한, 상기 절연애자에 설치되며 이온수가 투입되는 배관;을 포함할 수 있다.

상기 유도코어의 배관은 내부과 천공된 이중관 형태 일 수 있다.

상기 내부과 천공된 이중관 형태일 경우, 정전 분무 현상을 발생시키기 위한 (-) 하전을 띈 정전 분무 노즐과 (+) 하전을 띈 이온수 농축 장치의 본체의 간격(Les)이 20 내지 30cm를 형성하여야 하는 제한 조건을 극복할 수 있다.

즉, 이중관 형태로 배관의 직경을 확대하면서 내부로는 증발 된 이온잔수가 유입부 방향으로 배출될 수 있으며, 농축된 이온수는 하단의 배출부로 배출될 수 있다.

또한, 상기 이온수에 (-)하전을 가하여 정전 이온수로 변화하게 하는 (-) 전극;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 배관의 일측에 설치되어 상기 정전이온수를 상기 이온수 농축 장치의 내축에 분사하도록 하는 분무 노즐;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 분무 노즐은 상기 유도코어의 외측에 다수 개가 설치되며, 공급된 정전 이온수에 의해 정전 반응을 일으켜 미립화된 이온수가 상기 이온수 농축 장치의 내측에서 증기압이 낮은 이온잔수는 증발하고 이온수는 농축되게 하는 방전극일 수 있다.

또한, 상기 이온수 농축 장치의 이중쉘 내부에는 상기 이온수 농축 장치의 내부 온도를 상기 이온수의 증발현상이 발생하도록 높이기 위한 열매체가 공급될 수 있다.

또한, 상기 이온수 농축 장치의 단면은 원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 중 어느 하나 이상의 형태로 처리 요구량에 따라 복수개를 조합할 수 있다.

도 3에서는 허니컴 형태의 육각형 이온수 농축 장치가 증발수요량에 따라 설비를 증설하는 개념도를 나타내었다.

또한, 상기 이온수 농축 장치의 외벽에는 (+)전극이 인가되어 상기 이온수 농축 장치 내부의 이온수 입자에 전기를 일으킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수 농축장치의 단면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온수 농축장치의 시스템 연계도.

상기 정전분무 된 이온수 액적은 물과 이온화액을 혼합한 혼합액인 것을 특징으로 한다.

상기 분무 노즐의 형태는 각형 또는 노즐팁일 수 있다.

상기 이온수 농축 장치의 유출부 후단에는 상기 증발된 이온잔수를 농축시키기 위한 컨덴서가 형성될 수 있다.

상기 이온수 농축 장치에 공급되는 이온수는 증발효과를 높이기 위한 열교환기가 형성될 수 있다.

상기 이온수는 해수일 수 있다.

상기 이온수 농축 장치의 내면은 부식을 방지하기 위한 재질로 형성될 수 있다. 바람직하게는 내부식성 금속일 수 있으며 더욱 바람직하게는 TiN이 코팅될 수 있다.

상기 분무노즐과 상기 이온수 농축 장치의 내측사이의 간격은 20 내지 30cm 일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 이온수 농축 장치는, 특히, 해수를 사용하여 정전 반응을 일으켜 담수와 농축 브라인을 생한하는 이온수 농축 장치에 적합하다.

110: 유입부
120: 배출부
130: 열매체유입구
140: 열매체유출구
210: 이온수유입구
220: 이온수유출구
150: 절연애자
200: 유도코어
230: 배관
240: 분무노즐

Claims (10)

1. 일단에 이온수를 공급하는 유도코어가 삽입되는 유입부;가 형성되고
   타단으로 농축된 이온수가 배출되는 배출부;가 형성되며,
   공급튜브로부터 분사되는 이온수를 증발시키기 위하여 이중쉘 형태의 구조를 갖으며,
   상기 유입부에 삽입된 상기 유도코어의 상면 일측에 형성된 이온수유입구 및 유출구;가 포함되고,
   상기 유입부의 상면에 내부로 돌출되어 형성되는 유도코어의 원주를 따라 상기 유도코어와 근접하도록 설치되는 절연애자;를 포함하며,
   상기 절연애자에 설치되며 이온수가 투입되는 배관;을 포함하고,
   상기 이온수에 (-)하전을 가하여 정전 이온수로 변화하게 하는 (-) 전극;을 포함하며,
   상기 배관의 일측에 설치되어 상기 정전이온수를 이온수 농축 장치의 내측에 분사하도록 하는 분무 노즐;을 포함하고,
   상기 분무 노즐은 상기 유도코어의 외측에 다수 개가 설치되며, 공급된 정전 이온수에 의해 정전 반응을 일으켜 미립화된 이온수가 상기 이온수 농축 장치의 내측에서 증기압이 낮은 이온잔수는 증발하고 이온수는 농축되게 하는 방전극이며,
   상기 이온수 농축 장치의 이중쉘 내부에는 상기 이온수 농축 장치의 내부 온도를 상기 이온수의 증발현상이 발생하도록 높이기 위한 열매체가 공급되고,
   상기 이온수 농축 장치의 단면은 육각형의 형태로 처리 요구량에 따라 복수개를 조합할 수 있으며,
   상기 이온수 농축 장치의 외벽에는 (+)전극이 인가되어 상기 이온수 농축 장치 내부의 이온수 입자에 전기를 일으키고,
   상기 분무노즐의 직경은 0.6 내지 1 mm 이며,
   상기 이온수 농축 장치의 내면은 부식을 방지하기 위해 TiN으로 코팅되며,
   상기 분무노즐과 상기 이온수 농축 장치의 내측사이의 간격(Les)는 20 내지 30cm 이고,
   상기 이온수 농축 장치의 유출부 후단에는 상기 증발된 이온잔수를 농축시키기 위한 컨덴서가 형성되는 이온수 농축 장치.
   
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