KR102044474B1 - 해수의 농축장치 및 농축방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해수의 농축장치 및 농축방법에 관한 것으로서, 해수가 유입되어 배출되는 하나 이상의 전기분해조와, 이 전기분해조의 일방 측면에 설치된 음전극과, 전기분해조의 타방 측면에 설치된 양전극과, 음전극으로부터 양전극을 향해서 이격 설치된 복수의 양이온 교환막과, 양전극으로부터 음전극을 향해서 이격 설치되되 양이온 교환막 사이에 이격 설치된 복수의 음이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 해수를 전기분해와 이온교환막에 의해 고염수를 형성함으로써, 해수의 농축비용을 절감하는 동시에 농축장치를 콤팩트하게 구성하여 설비비용을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

해수의 농축장치 및 농축방법{Apparatus for concentrating sea water and method thereof}
본 발명은 해수의 농축장치 및 농축방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해수 중에 용해되어 있는 유효한 용존자원을 얻기 위한 해수 중 유효 금속의 회수장치에 사용되는 고농도의 해수를 제조하는 해수의 농축장치 및 농축방법에 관한 것이다.
최근 각종 희소자원의 소요량이 급증하면서 자원확보의 효과적인 방법이 필요하게 되었다. 또한 희토류 및 희소원소의 추출을 위하여 해양에서 용존된 원소를 추출하는 과정이 대두되고 있다.
이러한 해수 중에는 유효자원의 회수를 위하여 해수의 농축장치가 개발되고 있으며, 이를 통하여 해수에 녹아있는 금속성분, 예를 들면 마그네슘(Mg), 붕소(B), 리듐(Li) 등을 효과적으로 회수하는 회수장치 및 회수방법이 개발되고 있다. 이러한 해수 중 유효성분의 추출을 위해서는 회수효율의 증대가 필요하며, 이러한 회수효율의 증가를 위해서 필연적으로 요구되는 것은 바로 해수의 농축기술이다.
해수를 약 3배 정도 농축하여 회수공정에 사용하는 것은, 해수 중 유효자원의 회출공정의 처리비용 및 처리시간을 단축시키는 주요한 요인이 되며, 해수 중 유효성분의 농축, 주로 금속이온의 농축에 의해 회수과정의 경제성이 확보되어지는 핵심기술이 된다.
종래의 이러한 해수 중 자원추출을 위한 해수의 농축방법으로는, 먼저 자연 증발을 통한 농축방법이 사용된다. 이는 대량의 해수를 넓은 증발용 부지에 유입시킨 후 자연증발을 통하여 농축하는 방식이다.
이러한 자연증발 방식은 국내의 강수 패턴 및 기후를 고려하면 사용 가능한 일수가 적어 효과적인 사용이 불가능한 상황이다. 실제로 자연증발 방식은 사막국가나 남미의 일부 건조기후 국가에서 사용이 가능한 방식으로 국내의 사용이 어려운 방식이다.
다음으로 유효한 기술은 역삼투막을 이용한 역삼투압식 해수농축 기술이다. 이 방식은 해수를 역삼투막에 일정한 압력으로 지속적으로 공급하고 이때 인가된 압력 및 역삼투막의 특성을 이용하여, 이온을 이동시키는 기술로서 실제 농축되는 해수의 농축 결과가 양호하다.
그러나, 역삼투막을 이용한 해수의 농축장치의 가격이 높고, 운용과정에서의 유지보수비가 높고 ,특히 대량의 해수를 다루기 위한 플랜트를 구성하는 경우 전력의 소비가 높아 경제성을 유지하기 어려운 문제점이 있다. 또한 이러한 역삼투 방식은 해수의 농축에는 부적합하여 현재에는 해수 담수화 프로세스(process)에만 적용하여 사용이 가능하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 해수의 농축비용을 절감하는 동시에 농축장치를 콤팩트하게 구성하여 설비비용을 최소화할 수 있고, 고염수의 포집 및 배출을 용이하며, 해수의 이온교환을 용이하게 하는 동시에 해수의 농축효율을 향상시킬 수 있고, 연속적인 해수 농축이 가능하게 되는 해수의 농축장치 및 농축방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해수가 유입되어 배출되는 하나 이상의 전기분해조; 상기 전기분해조의 일방 측면에 설치된 음전극; 상기 전기분해조의 타방 측면에 설치된 양전극; 상기 음전극으로부터 상기 양전극을 향해서 이격 설치된 복수의 양이온 교환막; 및 상기 양전극으로부터 상기 음전극을 향해서 이격 설치되되 상기 서로 이격된 양이온 교환막 사이에 설치된 복수의 음이온 교환막;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 음전극으로부터 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에는 해수 보다 저염도의 저염수가 형성되고, 상기 음전극으로부터 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막 사이에는 해수 보다 고염도의 고염수가 형성된다.
본 발명의 상기 전기분해조는, 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이의 하부에 해수가 각각 유입되도록 해수 유입구가 형성되어 있고, 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이의 상부에 해수 보다 저염도의 저염수 및 해수 보다 고염도의 고염수가 각각 배출되도록 배출구가 형성되어 있다.
본 발명의 상기 전기분해조는, 해수가 유입되어 전기분해와 이온교환막에 의해 1차 고염수로 형성되는 제1 전기분해조; 상기 제1 전기분해조의 하류에 연결되어 상기 제1 전기분해조에서 유입된 1차 고염수가 전기분해와 이온교환막에 의해 2차 고염수로 형성되는 제2 전기분해조; 및 상기 제2 전기분해조의 하류에 연결되어 상기 제2 전기분해조에서 유입된 2차 고염수가 전기분해와 이온교환막에 의해 3차 고염수로 형성되는 제3 전기분해조;로 이루어져 있다.
또한, 본 발명은 상기 기재된 해수의 농축장치를 이용한 해수의 농축방법으로서, 전기분해조의 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 해수를 유입시키는 단계; 전기분해조의 음전극과 양전극에 통전하여 해수를 전기분해하는 단계; 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막에 의해 이온을 서로 교환하는 단계; 및 상기 음전극으로부터 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막 사이에 형성된 해수 보다 고염도의 고염수를 배출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전기분해조에서 배출된 고염수를 상기 전기분해조의 하류에 연결된 후속 전기분해조로 유입시켜 더 높은 고염도의 고염수를 형성하도록 전기분해와 이온교환을 반복처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 해수를 전기분해와 이온교환막에 의해 고염수를 형성함으로써, 해수의 농축비용을 절감하는 동시에 농축장치를 콤팩트하게 구성하여 설비비용을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 이온교환막에 의해 해수를 고염수 구역과 저염수 구역을 분리하여 형성함으로써, 고염수의 포집 및 배출을 용이하게 한다.
또한, 해수를 고염수 구역과 저염수 구역에 각각 유입시켜 전기분해와 이온교환을 실시함으로써, 해수의 이온교환을 용이하게 하는 동시에 해수의 농축효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 전기분해조를 다단으로 구성하여 전단의 전기분해조에서 배출된 고염수를 후속 전기분해조로 유입시켜 더 높은 고염도의 고염수를 형성함으로써, 해수의 농축효율을 더욱 향상시키는 동시에 연속적인 해수 농축이 가능하게 되는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 해수의 농축장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 해수의 농축장치의 다단 전기분해조를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 해수의 농축방법을 나타내는 흐름도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 해수의 농축장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 해수의 농축장치의 다단 전기분해조를 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 해수의 농축방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 해수의 농축장치는, 전기분해조(10), 음전극(20), 양전극(30), 양이온 교환막(40) 및 음이온 교환막(50)을 포함하여 이루어져 해수를 농축하는 해수의 농축장치이다.
전기분해조(10)는, 해수가 유입되어 전기분해와 이온교환에 의해 고염수와 저염수로 분리되어 배출되는 전기분해용 저장용기로서, 해수 저장조(11), 해수 유입구(12), 해수 유출구(13), 고염수 배출구(14) 및 저염수 배출구(15)로 이루어져 있다.
해수 저장조(11)는, 해수가 유입되어 저장되는 저장조로서, 해수 저장조(11)의 하부에 해수가 유입되도록 해수 유입구(12)가 설치되어 있고, 양쪽 측면 상단에는 전기분해와 이온교환 처리후에 잔류된 해수를 외부로 유출하도록 해수 유출구(13)가 설치되어 있다.
이러한 해수 유입구(12)는, 양이온 교환막(40)과 음이온 교환막(50) 사이의 하부에 해수가 각각 유입되도록 복수의 해수 유입구(12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g)로 이루어져 있는 것이 바람직하다.
고염수 배출구(14)는, 해수 저장조(11)의 상부에 설치된 배출구로서, 양이온 교환막(40)과 음이온 교환막(50) 사이의 구역에 각각 형성된 해수 보다 고염도의 고염수가 배출되도록 제1 고염수 배출구(14a)와 제2 고염수 배출구(14b)로 이루어져 있다. 이러한 고염수는 해수의 염도 보다 2배 이상의 염도를 가진 고염도의 해수로 이루어지는 것이 바람직하다,
저염수 배출구(15)는, 해수 저장조(11)의 상부에 설치된 배출구로서, 양이온 교환막(40)과 음이온 교환막(50) 사이의 구역에 각각 형성된 해수 보다 저염도의 저염수가 배출되도록 제1 저염수 배출구(15a)와, 제2 저염수 배출구(15b)와, 제3 저염수 배출구(15c)로 이루어져 있다.
음전극(20)은 전기분해조(10)의 내부 일방 측면에 설치되어 음전기가 제공되고, 양전극(30)은 전기분해조(10)의 내부 타방 측면에 음전극(20)과 대응하도록 설치어 양전기가 제공된다.
양이온 교환막(40)은, Na+ 등의 양이온 만을 통과시켜 교환을 허용하는 이온교환막으로서, 음전극(20)으로부터 양전극(30)을 향해서 복수개가 순차적으로 이격 설치되어 있다.
이러한 복수개의 양이온 교환막(40)은, 음전극(20)으로부터 양전극(30)을 향해서 이격 설치된 제1 양이온 교환막(41), 제2 양이온 교환막(42), 제3 양이온 교환막(43)으로 이루어져 있다.
음이온 교환막(50)은, Cl- 등의 음이온 만을 통과시켜 교환을 허용하는 이온교환막으로서, 양전극(30)으로부터 음전극(20)을 향해서 복수개가 순차적으로 이격 설치되되 서로 이격된 양이온 교환막(40) 사이에 설치되어 있다.
이러한 복수개의 음이온 교환막(50)은, 양전극(30)으로부터 음전극(20)을 향해서 이격 설치된 제1 음이온 교환막(51), 제2 음이온 교환막(52), 제3 음이온 교환막(53)으로 이루어져 있다.
따라서, 음전극(20)으로부터 양이온 교환막(40)과 음이온 교환막(50) 사이의 구역에는 해수 보다 저염도의 저염수가 형성되고, 음전극(20)으로부터 음이온 교환막(50)과 양이온 교환막(40) 사이의 구역에는 해수 보다 고염도의 고염수가 형성된다.
즉, 제1 양이온 교환막(41)과 제3 음이온 교환막(53) 사이의 구역에는 저염수가 형성되고, 제3 음이온 교환막(53)과 제2 양이온 교환막(42) 사이의 구역에는 고염수가 형성되고, 제2 양이온 교환막(42)과 제2 음이온 교환막(52) 사이의 구역에는 저염수가 형성되고, 제2 음이온 교환막(52)과 제3 양이온 교환막(43) 사이의 구역에는 고염수가 형성되고, 제3 양이온 교환막(43)과 제1 음이온 교환막(51) 사이의 구역에는 저염수가 형성된다.
이하 도면을 참조해서 본 실시예의 해수의 농축장치의 다단 전기분해조에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 다단 전기분해조는, 해수가 최초로 유입되어 처리되는 제1 전기분해조(110)와, 제1 전기분해조(110)의 하류에 연결되는 제2 전기분해조(210)와, 제2 전기분해조(210)의 하류에 연결되는 제3 전기분해조(310)로 이루어져 있다.
제1 전기분해조(110)는, 해수가 유입되어 전기분해와 이온교환막에 의해 1차 고염수로 형성되는 전기분해조로서, 제1 전기분해조(110)의 내부에 제1 음전극(120), 제1 양전극(130), 제1 양이온 교환막(140) 및 제1 음이온 교환막(150)이 설치되어 있다.
제1 전기분해조(110)의 상류에는 제1 전기분해조(110), 제2 전기분해조(210)및 제3 전기분해조(310)에서 배출된 저염수와 해수를 혼합하여 펌핑하는 제1 펌프(160)가 설치되어 있다. 또한, 제1 전기분해조(110)와 제1 펌프(160) 사이에는 유입되는 해수에 포함된 이물질을 필터링하도록 슬러지필터(170)와 마이크로필터(180)가 설치되어 있다.
제2 전기분해조(210)는, 제1 전기분해조(110)의 하류에 연결되어 제1 분해조(110)에서 유입된 1차 고염수가 전기분해와 이온교환막에 의해 2차 고염수로 형성되는 전기분해조로서, 제2 전기분해조(210)의 내부에 제2 음전극(220), 제2 양전극(230), 제2 양이온 교환막(240) 및 제2 음이온 교환막(250)이 설치되어 있다.
제2 전기분해조(210)의 상류에는 제1 전기분해조(110)에서 배출된 1차 고염수를 펌핑하는 제2 펌프(260)가 설치되어 있고, 제2 전기분해조(210)와 제2 펌프(260) 사이에는 제1 전기분해조(110)에서 배출된 1차 고염수에 포함된 이물질을 필터링하도록 마이크로필터(280)가 설치되어 있다.
제3 전기분해조(310)는, 제2 전기분해조(210)의 하류에 연결되어 제2 전기분해조(210)에서 유입된 2차 고염수가 전기분해와 이온교환막에 의해 3차 고염수로 형성되는 전기분해조로서, 제3 전기분해조(310)의 내부에 제3 음전극(320), 제3 양전극(330), 제3 양이온 교환막(340) 및 제3 음이온 교환막(350)이 설치되어 있다.
제3 전기분해조(310)의 상류에는 제2 전기분해조(210)에서 배출된 2차 고염수를 펌핑하는 제3 펌프(360)가 설치되어 있고, 제3 전기분해조(310)와 제3 펌프(360) 사이에는 제2 전기분해조(210)에서 배출된 2차 고염수에 포함된 이물질을 필터링하도록 마이크로필터(380)가 설치되어 있다.
따라서, 해수가 제1 전기분해조(110)로 유입되어 배출된 1차 고염수가 제2 전기분해조(210)로 유입되어 더 고염도의 2차 고염수로 배출되고, 2차 고염수가 제3 전기분해조(310)로 유입되어 더더욱 고염도의 3차 고염수로 배출되므로, 최종 제3 전기분해조(310)에서 배출되는 3차 고염수의 염도가 더욱 높아지게 된다.
본 실시예의 다단 전기분해조는, 3단의 전기분해조로 구성되어 있지만 여기에 한정되지 않고 해수의 염도에 따라서 2단 또는 4단 이상의 전기분해조로 이루어지는 것도 가능함은 물론이다.
이하 도면을 참조하여 본 실시예의 해수의 농축방법에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 해수의 농축방법은, 해수유입단계(S10), 전기분해단계(S20), 이온교환단계(S30), 고염수배출단계(S40) 및 반복처리단계(S50)을 포함하여 이루어져 있다.
해수유입단계(S10)에서는, 외부로부터 해수를 펌핑하여 전기분해조(10)의 내부로 유입시키되, 서로 번갈아 설치된 양이온 교환막(40)과 음이온 교환막(50) 사이에 형성된 각각의 구역에 해수를 유입시키게 된다.
전기분해단계(S20)에서는, 전기분해조(10)의 음전극(20)과 양전극(30)에 통전하여 해수를 전기분해하여 Na+ 등의 양이온을 음전극(20)의 방향으로 이동시키고, Cl- 등의 음이온을 양전극(30)의 방향으로 이동시키게 된다.
이온교환단계(S30)에서는, 전기분해조(10)의 양이온 교환막(40)을 통해 Na+ 등의 양이온을 음전극(20)의 방향으로 이동시켜 교환하게 되고, 음이온 교환막(50)을 통해 Cl- 등의 음이온을 양전극(30)의 방향으로 이동시켜 교환하게 된다. 따라서, 서로 번갈아 설치된 양이온 교환막(40)과 음이온 교환막(50) 사이에 형성된 각각의 구역에 고염수와 저염수가 번갈아 형성된다.
고염수배출단계(S40)에서는, 전기분해조(10)의 내부에 음전극(20)으로부터 음이온 교환막(50)과 양이온 교환막(40) 사이에 형성된 고염수를 포집하여 외부로 배출하게 된다.
반복처리단계(S50)에서는, 전기분해조에서 배출된 고염수를 전기분해조의 하류에 연결된 후속 전기분해조로 유입시켜 전기분해와 이온교환을 반복적으로 처리하게 됨으로써, 더 높은 고염도의 고염수를 형성하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 해수를 전기분해와 이온교환막에 의해 고염수를 형성함으로써, 해수의 농축비용을 절감하는 동시에 농축장치를 콤팩트하게 구성하여 설비비용을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 이온교환막에 의해 해수를 고염수 구역과 저염수 구역을 분리하여 형성함으로써, 고염수의 포집 및 배출을 용이하게 하고, 해수를 고염수 구역과 저염수 구역에 각각 유입시켜 전기분해와 이온교환을 실시함으로써, 해수의 이온교환을 용이하게 하는 동시에 해수의 농축효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 전기분해조를 다단으로 구성하여 전단의 전기분해조에서 배출된 고염수를 후속 전기분해조로 유입시켜 더 높은 고염도의 고염수를 형성함으로써, 해수의 농축효율을 더욱 향상시키는 동시에 연속적인 해수 농축이 가능하게 되는 효과를 제공한다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
10: 전기분해조 20: 음전극
30: 양전극 40: 양이온 교환막
50: 음이온 교환막

Claims (6)

  1. 해수가 유입되어 배출되는 하나 이상의 전기분해조;
    상기 전기분해조의 일방 측면에 설치된 음전극;
    상기 전기분해조의 타방 측면에 설치된 양전극;
    상기 음전극으로부터 상기 양전극을 향해서 이격 설치된 복수의 양이온 교환막;
    상기 양전극으로부터 상기 음전극을 향해서 이격 설치되되 서로 이격된 양이온 교환막 사이에 설치된 복수의 음이온 교환막;
    상기 전기분해조에서 배출된 저염수와 해수를 혼합하여 상기 전기분해조로 펌핑하는 제1 펌프; 및
    상기 전기분해조와 상기 제1 펌프 사이에 설치되어 상기 전기분해조로 유입되는 해수에 포함된 이물질을 필터링하는 슬러지필터와 마이크로필터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 해수의 농축장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음전극으로부터 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에는 해수 보다 저염도의 저염수가 형성되고, 상기 음전극으로부터 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막 사이에는 해수 보다 고염도의 고염수가 형성되는 것을 특징으로 하는 해수의 농축장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기분해조는, 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이의 하부에 해수가 각각 유입되도록 해수 유입구가 형성되어 있고, 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이의 상부에 해수 보다 저염도의 저염수 및 해수 보다 고염도의 고염수가 각각 배출되도록 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 해수의 농축장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기분해조는,
    해수가 유입되어 전기분해와 이온교환막에 의해 1차 고염수로 형성되는 제1 전기분해조;
    상기 제1 전기분해조의 하류에 연결되어 상기 제1 전기분해조에서 유입된 1차 고염수가 전기분해와 이온교환막에 의해 2차 고염수로 형성되는 제2 전기분해조; 및
    상기 제2 전기분해조의 하류에 연결되어 상기 제2 전기분해조에서 유입된 2차 고염수가 전기분해와 이온교환막에 의해 3차 고염수로 형성되는 제3 전기분해조;로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 해수의 농축장치.
  5. 제 1 항에 기재된 해수의 농축장치를 이용한 해수의 농축방법으로서,
    전기분해조의 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 해수를 유입시키는 단계;
    전기분해조의 음전극과 양전극에 통전하여 해수를 전기분해하는 단계;
    상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막에 의해 이온을 서로 교환하는 단계; 및
    상기 음전극으로부터 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막 사이에 형성된 해수 보다 고염도의 고염수를 배출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해수의 농축방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전기분해조에서 배출된 고염수를 상기 전기분해조의 하류에 연결된 후속 전기분해조로 유입시켜 더 높은 고염도의 고염수를 형성하도록 전기분해와 이온교환을 반복처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수의 농축방법.
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