KR102064089B1

KR102064089B1 - 담수화 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR102064089B1
Application number: KR1020180120829A
Authority: KR
Inventors: 이재우; 최영철; 최오경; 김규동; 동단단; 서준호
Original assignee: 고려대학교 산학협력단; 리서치 트라이앵글 인스티튜트
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-01-08
Also published as: WO2020075945A1; US11858831B2; US20210230020A1

Abstract

용매 추출법을 이용한 담수화 장치가 제공된다. 상기 용매 추출법을 이용한 담수화 장치는, 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는, 원수 공급모듈, 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는, 기능성 용매 공급모듈, 상기 원수 공급모듈로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈, 상기 혼합모듈로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈, 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈, 및 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈을 포함할 수 있다.

Description

담수화 장치 및 그 방법 {Desalination Apparatus and the Operation Method thereof}

본 발명은 담수화 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 이용하여 담수를 추출하는 담수화 장치 및 그 방법에 관련된 것이다.

기후변화는 현재 사용되고 있는 지표수 및 지하수 등의 담수자원의 고갈을 촉진시키고 많은 지역에 물 부족 현상을 야기하며, 새로운 수자원의 확보 및 물 재이용에 대한 관심을 증가시키고 있다. 현재 전 세계 40% 이상의 인구가 물 부족을 겪고 있으며, 2025년에는 전체 인구의 2/3가 물 스트레스를 겪을 것으로 예상하고 있다. 특히, 우리나라는 1인당 연 강수총량이 세계 평균의 1/6 수준으로 물 스트레스 국가로 분류되고 있으며, 대부분의 수자원을 하천수에 의존하고 있어 이상 가뭄 등으로 인한 물 부족에 대응이 어려운 실정이다.

현재 많은 나라에서 내륙의 담수 이외에 해수를 담수화하여 수자원을 장기적으로 확보하는 기술에 많은 관심을 가지고 있으며 국내에서도 최근까지 해수담수화 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 기존의 해수담수화 기술은 주로 증발법(Distillation) 및 역삼투압(Reverse Osmosis) 등이 상용기술로 많이 사용되고 있다. 산업폐수 역시 처리수 수질기준이 강화되는 추세이며, 고농도 염이 존재할 경우 기존의 생물학적 처리나 물리화학적 처리시 반응에 저해를 유발할 수 있다. 또한 최근 산업폐수의 경우 처리에서 용수재이용으로 많이 전환되고 있는 추세로 해수담수화와 마찬가지로 다양한 막이용 기술이 적용되고 있다. 그러나 기조에 개발되어 상용화되고 있는 증발법이나 역삼투압 기술 등은 대부분 높은 에너지와 설비비용이 요구되기 때문에 최근 저에너지형 대체기술 개발의 수요가 증가하고 있는 상황이다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 전처리 공정 없이 담수화 효율이 향상되는 담수화 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 공정 에너지 소모율이 현저히 감소된 담수화 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용이 감소된 담수화 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 용매 추출법을 이용한 담수화 장치를 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 용매 추출법을 이용한 담수화 장치는, 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는, 원수 공급모듈, 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는, 기능성 용매 공급모듈, 상기 원수 공급모듈로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈, 상기 혼합모듈로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈, 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈, 및 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용매는, Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, 및 Ethylbutylamine 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈에서, 상기 기능성 용매는, 상기 물과 수소 결합하여, 물을 용해시킬 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 혼합모듈은, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 100 rpm 이상 500 rpm 이하의 속도로 교반시키는, 교반기를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈에서, 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해됨에 따라, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 수층을 이루며, 상기 제1 분리모듈은 상기 수층을 분리하는 제1 격벽을 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 격벽은 상기 물이 용해된 기능성 용매보다 밀도가 높고, 상기 물이 제거된 원수보다 밀도가 낮을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 분리모듈에서, 상기 물과 상기 기능성 용매는 수층을 이루며, 상기 제2 분리모듈은 상기 수층을 분리하는 제2 격벽을 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 격벽은 상기 기능성 용매보다 밀도가 높고, 상기 물보다 밀도가 낮을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 염 결정화 모듈을 냉각시키는 냉각수를 제공하는 냉각모듈을 더 포함하며, 상기 염 결정화 모듈은 상기 제2 농도의 염을 결정화시키는 결정핵을 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 분리모듈로부터 열 분리된 상기 기능성 용매를 상기 기능성 용매 공급모듈로 공급하는 기능성 용매 회수유로를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈과 상기 제2 분리모듈 사이에는 가열모듈이 마련되며, 상기 가열모듈은 상기 제1 분리모듈로부터 상기 제2 분리모듈로 공급되는 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 높일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈로부터의 물이 용해된 기능성 용매와, 상기 제2 분리모듈로부터의 열 분리된 기능성 용매의 열을 교환시키는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 염 결정화 모듈을 냉각시킨 냉각수와, 상기 제2 분리모듈로부터 열 분리되어 상기 기능성 용매 공급모듈로 회수되는 기능성 용매의 열을 교환시키는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 용매 추출법을 이용한 담수화 방법을 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 용매 추출법을 이용한 담수화 방법은 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수, 및 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는 단계, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 혼합하는 단계, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리 단계, 및 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리 단계 이후, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받아, 상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 분리 단계에서 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 분리된 상기 기능성 용매는, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 공급하는 단계에서 재사용되는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치는, 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는 원수 공급모듈, 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는, 기능성 용매 공급모듈, 상기 원수 공급모듈로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈, 상기 혼합모듈로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈, 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈, 및 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈을 포함할 수 있다. 이에 따라, 증발법(distillation) 또는 역삼투압(reverse osmosis) 등을 이용하여 담수화를 수행하던 기존의 해수-담수화 공정과는 달리, 해수의 전처리 과정이나 해수를 수증기로 상변화 시키기 위한 에너지가 필요 없어 운전 과정에서 소모되는 에너지와 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에서 수행되는 담수 추출 공정을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에서 수행되는 염 농축 공정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에 사용되는 기능성 용매들의 특성을 비교하는 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에 사용되는 기능성 용매들의 특성을 비교하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치 중 혼합모듈이 포함하는 교반기의 속도에 따른 특성 변화를 비교하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수의 재사용 횟수에 특성을 비교하는 그래프이다.

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.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 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 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치를 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에서 수행되는 담수 추출 공정을 설명하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에서 수행되는 염 농축 공정을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치는 기능성 용매 공급모듈(110), 원수 공급모듈(120), 혼합모듈(200), 제1 분리모듈(300), 가열모듈(350), 제2 분리모듈(400), 염 결정화 모듈(500), 냉각모듈(550), 염 저장 탱크(600), 후처리 모듈(710), 담수 저장 탱크(720), 제1 열교환기(810), 및 제2 열교환기(820)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 상술된다.

상기 원수 공급모듈(120)은 상기 혼합모듈(130)로 원수를 공급할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 원수는 제1 농도의 염(salt)과 물(H₂O)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 원수가 포함하는 염 이온의 농도는 0.2 M 내지 1.0 M일 수 있다. 예를 들어, 상기 원수는 해수, 및 산업 폐수 등일 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여 상기 원수가 해수인 경우를 상정하여 설명된다.

상기 원수는 원수 공급모듈 배출구(120b)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 원수공급모듈 배출구(120b)는 원수 공급유로(20)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 원수 공급유로(20)의 타 단은 상기 혼합모듈(130)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 원수는 상기 원수 공급모듈 배출구(120b)를 통하여 배출된 후, 상기 원수 공급유로(20)를 통하여 상기 혼합모듈(200)로 공급될 수 있다.

상기 기능성 용매(Functional Solvent) 공급모듈(110)은 상기 혼합모듈(200)로 기능성 용매를 공급할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용매는 온도에 따라 물과의 용해도가 가변할 수 있다. 예를 들어, 상기 기능성 용매는 Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, 및 Ethylbutylamine 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 기능성 용매는 기능성 용매 공급모듈 배출구(110b)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 기능성 용매 공급모듈 배출구(110b)는 기능성 용매 공급유로(10)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 기능성 용매 공급유로(10)의 타 단은 상기 혼합모듈(200)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 기능성 용매는 상기 기능성 용매 공급모듈 배출구(110b)를 통하여 배출된 후, 상기 기능성 용매 공급유로(10)를 통하여 상기 혼합모듈(200)로 공급될 수 있다.

상기 혼합모듈(200)은 상술된 바와 같이, 상기 원수 공급모듈(120), 및 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로부터 각각, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 공급받아 혼합할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합모듈(200)은 혼합모듈(200) 유입구(200a)를 통하여, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 공급받을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 혼합모듈(200)은 교반기(210)를 포함할 수 있다. 상기 교반기(210)는 상기 혼합모듈(200) 내부에 배치될 수 있다. 상기 원수 및 상기 기능성 용매는 상기 교반기(210)를 통하여 혼합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 교반기의 속도가 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 교반기는 100 rpm 및 500 rpm 이하의 속도로 제어될 수 있다. 즉, 상기 원수 및 상기 기능성 용매는 100 rpm 및 500 rpm 이하의 속도로 동작되는 교반기를 통하여 혼합될 수 있다. 이와 달리, 상기 교반기가 100 rpm 미만의 속도로 제어되는 경우, 후술되는 제1 분리모듈(300)에서 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해되지 않을 수 있다. 반면, 상기 교반기가 500 rpm 초과의 속도로 제어되는 경우, 후술되는 제1 분리모듈(300)에서 물이 용해된 기능성 용매와 물이 제거된 원수 사이에 수층의 형성이 용이하게 발생되지 않아, 결과적으로 결정화된 염 이온의 추출이 용이하게 발생되지 않을 수 있다.

상기 원수 및 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수는 혼합모듈 유출구(200b)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 혼합모듈 유출구(200b)는 혼합수 공급유로(30)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 혼합수 공급유로(30)의 타 단은 상기 제1 분리모듈(300)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 혼합수는 상기 혼합모듈 유출구(200b)를 통하여 배출된 후, 상기 혼합수 공급유로(30)를 통하여 상기 제1 분리모듈(300)로 공급될 수 있다.

상기 제1 분리모듈(300)은 상기 혼합모듈(200)로부터 상기 혼합수를 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 분리모듈(300)은 상기 혼합모듈(200)로부터 배출되어, 상기 혼합수 공급유로(30)를 따라 제공되는 상기 혼합수를 제1 분리모듈 유입구(300a)를 통하여 제공받을 수 있다.

상기 제1 분리모듈(300) 내부로 유입된 상기 혼합수는, 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해될 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 분리모듈(300)은 제1 온도를 유지할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 온도는 15℃ 내지 30℃일 수 있다. 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해됨에 따라, 상기 혼합수는 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수로 분리될 수 있다. 상기 물이 제거된 원수는, 제2 농도의 염을 포함할 수 있다. 상기 제2 농도는 상기 제1 농도보다 높을 수 있다. 상기 혼합수가 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수로 분리되는 메커니즘이 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하여 보다 구체적으로 설명된다.

도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 혼합수는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 기능성 용매(FS) 및 상기 원수(Saline water)가 혼합된 상태일 수 있다. 상기 혼합수가, 상기 제1 온도를 갖는 상기 제1 분리모듈(300) 내부로 제공되는 경우 상기 혼합수가 포함하는 상기 기능성 용매(FS)는 상기 원수가 포함하는 물(H₂O)과 수소 결합하여, 상기 물을 용해시킬 수 있다. 즉, 상기 원수가 포함하는 물 분자가 상기 원수로부터 상기 기능성 용매(FS)로 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 혼합수는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수(Brine)로 분리될 수 있다. 또한, 상기 물이 제거된 원수는, 상기 원수 공급모듈(120)로부터 공급되는 상기 원수와 비교하여, 상기 물의 양이 적을 수 있다. 이에 따라, 상기 물이 제거된 원수는 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함할 수 있다.

상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 수층(water layer)을 이룰 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 밀도 및 극성의 차이에 의하여 분리될 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수의 분리 효율을 향상시키기 위하여, 상기 제1 분리모듈은 제1 격벽(310)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 격벽(310)은 상기 물이 용해된 기능성 용매보다 밀도가 높고, 상기 물이 제거된 원수보다 밀도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 격벽(310)은 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수 사이에 배치되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 제1 분리모듈(300)에서 상기 혼합수로부터 분리된 상기 물이 용해된 기능성 용매는 제1 분리모듈 용매 유출구(300c)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 제1 분리모듈 용매 유출구(300c)는 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)의 타 단은 제2 분리모듈(400)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 물이 용해된 기능성 용매는 상기 제1 분리모듈 용매 유출구(300c)를 통하여 배출된 후, 상기 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 상기 제2 분리모듈(400)로 공급될 수 있다.

상기 제1 분리모듈(300)에서 상기 혼합수로부터 분리된 상기 물이 제거된 원수는 제1 분리모듈 원수 유출구(300b)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 제1 분리모듈 원수 유출구(300b)는 물이 제거된 원수 공급유로(60)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 물이 제거된 원수 공급유로(60)의 타 단은 염 결정화 모듈(500)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 물이 제거된 원수는 상기 제1 분리모듈 원수 유출구(300b)를 통하여 배출된 후, 상기 물이 제거된 원수 공급유로(60)를 통하여 상기 염 결정화 모듈(500)로 공급될 수 있다.

상기 제2 분리모듈(400)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 분리모듈(400)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 배출되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 따라 제공되는 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제2 분리모듈 유입구(400a)를 통하여 제공받을 수 있다.

상기 제2 분리모듈(400) 내부로 유입된 상기 물이 용해된 기능성 용매는, 상기 물과 상기 기능성 용매로 분리될 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매의 분리는 제2 온도에서 수행될 수 있다. 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 높은 온도일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 상기 물과 상기 기능성 용매가 분리되는 메커니즘이 도 2의 (c)를 참조하여 보다 구체적으로 설명된다.

도 2의 (c)를 참조하면, 상술된 바와 같이 상기 기능성 용매는 온도에 따라 물과의 용해도가 가변할 수 있다. 이에 따라, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제1 온도보다 높은 상기 제2 온도로 열처리되는 경우, 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도가 가변할 수 있다. 구체적으로, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제2 온도로 열처리되는 경우의 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도는, 상기 제1 온도를 갖는 상기 제1 분리모듈(300) 내부로 제공된 상기 혼합수가 포함하는 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도와 비교하여, 저하될 수 있다. 결과적으로, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제2 온도로 열처리되는 경우, 상기 물에 대한 용해도가 상대적으로 감소하게 되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 상기 물이 분리될 수 있다.

상기 물과 상기 기능성 용매는 수층을 이룰 수 있다. 상기 물과 상기 기능성 용매는 밀도 및 극성의 차이에 의하여 분리될 수 있다. 상기 물과 상기 기능성 용매의 분리 효율을 향상시키기 위하여, 상기 제2 분리모듈은 제2 격벽(410)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 격벽(410)은 상기 기능성 용매보다 밀도가 높고, 상기 물보다 밀도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 격벽(410)은 상기 기능성 용매와 상기 물 사이에 배치되어, 상기 기능성 용매와 상기 물의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 가열모듈(350)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 배출된 상기 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 높일 수 있다. 상기 가열모듈(350)에 의하여 온도가 높아진 상기 물이 용해된 기능성 용매는 상기 제2 분리모듈(400)로 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 가열모듈(350)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 배출된 상기 물이 용해된 기능성 용매를 상기 제2 온도로 가열할 수 있다. 이를 위해, 상기 가열모듈(350)은 상기 제1 분리모듈(300) 및 상기 제2 분리모듈(400) 사이에 배치될 수 있다.

상기 염 결정화 모듈(500)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 상기 물이 제거된 원수를 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 염 결정화 모듈(500)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 배출되어, 상기 물이 제거된 원수 공급유로(60)를 따라 제공되는 상기 물이 제거된 원수를 염 결정화 모듈 제1 유입구(500a)를 통하여 제공받을 수 있다.

상기 염 결정화 모듈(500) 내부로 유입된 상기 물이 제거된 원수는, 상기 물이 제거된 원수 내의 염 이온이 결정화되어, 염 결정이 추출될 수 있다. 상기 염 이온의 결정화는, 상기 물이 제거된 원수를 냉각시킨 후, 결정핵을 제공하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 결정핵은 물이 제거된 원수가 포함하는 상기 제2 농도의 염을 결정화시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 결정핵은 바이오촤(biochar), 및 모래 등일 수 있다. 상기 물이 제거된 원수 내의 염 이온이 결정화되는 메커니즘이 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명된다.

도 3의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 상기 염 결정화 모듈(500) 내부로 유입된 상기 물이 제거된 원수는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 물 내에 복수의 나트륨 이온(Na⁺) 및 염화 이온(Cl^-)이 각각 이격되어 배치된 상태일 수 있다. 이후, 상기 물이 제거된 원수가 냉각되는 경우, 상기 나트륨 이온(Na⁺) 및 상기 염화 이온(Cl^-)이 결합되어 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 염화나트륨(NaCl) 염 이온이 형성될 수 있다. 상기 염 이온은 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 결정핵(Seed)에 의하여 결정화될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 냉각모듈(550)은 상기 염 결정화 모듈(500)로 냉각수를 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 냉각수는 상기 염 결정화 모듈(500) 외부를 순환할 수 있다. 이에 따라, 상기 염 결정화 모듈(500) 내부에 유입된 상기 물이 제거된 원수가 냉각될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 냉각모듈(550)은 냉각수 유입구(500a) 및 냉각수 유출구(500b)를 포함할 수 있다. 상기 냉각수 유출구(500b)는 냉각수 공급유로(72)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 냉각수 공급유로(72)의 타 단은 염 결정화 모듈 제2 유입구(500b)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각모듈(550)로부터 유출된 상기 냉각수는, 상기 냉각수 공급유로(72)를 통해 상기 염 결정화 모듈(500)로 공급될 수 있다. 상기 염 결정화 모듈(500)로 공급된 상기 냉각수는, 상기 염 결정화 모듈(500)의 외부를 순환한 후, 염 결정화 모듈 제2 유출구(500d)를 통하여 유출될 수 있다. 상기 염 결정화 모듈 제2 유출구(500d)는 냉각수 유출유로(74)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 냉각수 유출유로(74)의 타 단은 냉각수 유입구(500a)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 염 결정화 모듈(500)로부터 유출된 상기 냉각수는, 상기 냉각수 유출유로(74)를 통해 상기 냉각모듈(550)로 공급될 수 있다. 즉, 상기 냉각수는 상기 냉각모듈(550)로부터 유출된 후, 상기 냉각수 공급유로(72), 상기 염 결정화 모듈(500), 및 상기 냉각수 유출유로(74)를 거쳐 상기 냉각모듈(550)로 다시 유입되도록, 순환될 수 있다.

상기 염 저장 탱크(600)는 상기 염 결정화 모듈(500)로부터 상기 결정화된 염 이온을 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 염 결정화 모듈(500)에서 상기 물이 제거된 원수로부터 분리된 상기 결정화된 염 이온은, 염 결정화 모듈 제1 유출구(500c)로 배출된 후 결정화 염 이온 공급유로(62)를 통하여 염 저장 탱크 유입구(600c)로 유입될 수 있다. 상기 염 저장 탱크(600)는 제공받은 상기 결정화된 염 이온을 저장할 수 있다.

상기 결정화된 염 이온이 추출된 원수는 원수 회수유로(미표시)를 통하여 상기 원수 공급모듈(120)로 제공될 수 있다. 상기 원수 회수유로(미표시)는 상기 염 결정화 모듈(500) 및 상기 원수 공급모듈(120)을 연결할 수 있다. 즉, 상기 염 결정화 모듈(500)로 제공된 상기 물이 제거된 원수는 상기 결정화된 염 이온, 및 상기 결정화된 염 이온이 추출된 원수로 분리될 수 있다. 이 경우, 상기 결정화된 염 이온은 상기 염 저장 탱크(600)로 이동되어 상기 염 저장 탱크(600) 내부에 저장되고, 상기 결정화된 염 이온이 추출된 원수는 상기 원수 공급모듈(120)로 이동되어, 상기 혼합모듈(200)로 공급되는 상기 원수로 재활용될 수 있다.

계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 후처리 모듈(710)은 상기 제2 분리모듈(400)로부터 상기 물을 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 후처리 모듈(710)은 상기 제2 분리모듈(400)로부터 배출되어, 상기 담수 공급유로(80)를 따라 제공되는 상기 물을 제공받을 수 있다. 상기 후처리 모듈(710)은 상기 물이 포함하는 여분의 상기 기능성 용매를 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 후처리 모듈(710)은 바이오촤, 및 모래 등을 이용하여 상기 물이 포함하는 여분의 상기 기능성 용매를 제거할 수 있다. 이후, 여분의 상기 기능성 용매가 제거된 상기 물은, 상기 담수 저장 탱크(720)로 제공되어 저장될 수 있다.

상기 제2 분리모듈(400)로부터 열 분리된 상기 기능성 용매는, 기능성 용매 회수유로(50)를 통하여, 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로 회수될 수 있다. 이를 위해, 상기 기능성 용매 회수유로(50) 상기 제2 분리모듈(400)과 상기 기능성 용매 공급모듈(110)을 연결할 수 있다. 즉, 상기 기능성 용매 회수유로(50)의 일 단은 상기 제2 분리모듈(400)과 연결되고, 상기 기능성 용매 회수유로(50)의 타 단은 상기 기능성 용매 공급모듈(110)과 연결될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용매 회수유로(50)는 제1 내지 제3 기능성 용매 회수유로(52, 54, 56)을 포함할 수 있다. 상기 제1 기능성 용매 회수유로(52)는, 상기 제2 분리모듈(400)과 상기 제1 열교환기(810)를 연결할 수 있다. 상기 제2 기능성 용매 회수유로(54)는, 상기 제1 열교환기(810)와 상기 제2 열교환기(820)를 연결할 수 있다. 상기 제3 기능성 용매 회수유로(56)는 상기 제2 열교환기(820)와 상기 기능성 용매 공급모듈(110)을 연결할 수 있다. 즉, 상기 제2 분리모듈(400) 및 상기 기능성 용매 공급모듈(110) 사이에는, 상기 제1 기능성 용매 회수유로(52), 상기 제1 열교환기(810), 상기 제2 기능성 용매 회수유로(54), 상기 제2 열교환기(820), 및 상기 제3 기능성 용매 회수유로(56)가 배치될 수 있다.

상기 제1 열교환기(810)는 상기 제1 분리모듈(300)로부터의 배출된 상기 물이 용해된 기능성 용매와, 상기 제2 분리모듈(400)로부터의 상기 열 분리된 기능성 용매의 열을 교환시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 열교환기(810)는 상기 제1 기능성 용매 회수유로(52)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 이동하는 상기 물이 용해된 기능성 용매로 열을 전달할 수 있다.

상기 제1 기능성 용매 회수유로(52)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매는, 상기 가열모듈(350)에 의하여 가열된 상태일 수 있다. 반면, 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 이동하는 상기 물이 용해된 기능성 용매는, 상기 가열모듈(350)에 의하여 가열되기 전 상태일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기능성 용매회수유로(52)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매의 온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있다. 반면, 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 이동하는 상기 물이 용해된 기능성 용매의 온도는 15℃ 내지 30℃일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 열교환기(810)는 높은 온도를 갖는 상기 제1 기능성 용매 회수유로(52)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매로부터, 낮은 온도를 갖는 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 이동하는 상기 물이 용해된 기능성 용매로 열을 전달할 수 있다.

결과적으로, 상기 제1 열교환기(810)는 상기 가열모듈(350)에 의하여 가열되기 전 상태의 상기 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 증가시킴에 따라, 상기 가열모듈(350)이 상기 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 증가시키기 위한 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 제1 열교환기(810)는 상기 가열모듈(350)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 제2 열교환기(820)는 상기 염 결정화 모듈(500)을 냉각시킨 냉각수와, 상기 제2 분리모듈(400)로부터 열 분리되어 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로 회수되는 상기 기능성 용매의 열을 교환시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 열교환기(820)는 상기 제2 기능성 용매 회수유로(54)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매로부터, 상기 냉각수 유출유로(74)를 통하여 이동하는 상기 냉각수로 열을 전달할 수 있다.

상기 제2 기능성 용매 회수유로(54)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매는, 상기 냉각수 유출유로(74)를 통하여 이동하는 상기 냉각수보다 온도가 높은 상태일 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 열교환기(820)는 높은 온도를 갖는 상기 제2 기능성 용매 회수유로(54)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매로부터, 낮은 온도를 갖는 상기 냉각수 유출유로(74)를 통하여 이동하는 상기 냉각수로 열을 전달할 수 있다.

결과적으로, 상기 제2 열교환기(820)는 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로 회수되는 상기 열 분리된 기능성 용매의 온도를 저하시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 열교환기(820)는 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로부터 상기 혼합모듈(200)로 제공되는 상기 기능성 용매의 온도를 저하시켜, 상기 기능성 용매 공급모듈(110) 및 상기 혼합모듈(200)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치는, 상기 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는 상기 원수 공급모듈(120), 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 상기 기능성 용매를 공급하는, 상기 기능성 용매 공급모듈(110), 상기 원수 공급모듈(120)로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈(200), 상기 혼합모듈(200)로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈(300), 상기 제1 분리모듈(300)로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈(500), 및

상기 제1 분리모듈(300)로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈(400)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 증발법(distillation) 또는 역삼투압(reverse osmosis) 등을 이용하여 담수화를 수행하던 기존의 해수-담수화 공정과는 달리, 해수의 전처리 과정이나 해수를 수증기로 상변화 시키기 위한 에너지가 필요 없어 운전 과정에서 소모되는 에너지와 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치가 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 방법이 설명된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 방법을 설명하는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 방법은, 원수 및 기능성 용매를 공급하는 단계(S100), 원수 및 기능성 용매를 혼합하는 단계(S200), 제1 분리 단계(S300), 및 제2 분리단계(S400)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계에 대해 설명된다. 또한, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 방법은, 도 1을 참조하여 설명된 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에 의하여 수행될 수 있음은 물론이다.

상기 S100 단계에서는, 원수 및 기능성 용매가 혼합모듈로 공급될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 원수는 제1 농도의 염(salt)과 물(H₂O)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 원수가 포함하는 염 이온의 농도는 0.2 M 내지 1.0 M일 수 있다. 예를 들어, 상기 원수는 해수, 및 산업 폐수 등일 수 있다. 상기 기능성 용매는 온도에 따라 물과의 용해도가 가변할 수 있다. 예를 들어, 상기 기능성 용매는 Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, 및 Ethylbutylamine 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 S200 단계에서는, 상기 원수 및 상기 기능성 용매가 혼합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 원수 및 상기 기능성 용매는 100 rpm 및 500 rpm 이하의 속도로 동작되는 교반기를 통하여 혼합될 수 있다. 이와 달리, 상기 교반기가 100 rpm 미만의 속도로 제어되는 경우, 후술되는 제1 분리단계(S300)에서 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해되지 않을 수 있다. 반면, 상기 교반기가 500 rpm 초과의 속도로 제어되는 경우, 후술되는 제1 분리단계(S300)에서 물이 용해된 기능성 용매와 물이 제거된 원수 사이에 수층의 형성이 용이하게 발생되지 않아, 결과적으로 결정화된 염 이온의 추출이 용이하게 발생되지 않을 수 있다.

상기 S300 단계에서는, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시킬 수 있다. 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해됨에 따라, 상기 혼합수는 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수로 분리될 수 있다. 상기 물이 제거된 원수는, 제2 농도의 염을 포함할 수 있다. 상기 제2 농도는 상기 제1 농도보다 높을 수 있다.

즉, 상기 제1 온도를 갖는 환경에 상기 기능성 용매 및 상기 원수가 혼합된 상기 혼합수가 제공되는 경우, 상기 기능성 용매는 상기 원수가 포함하는 물(H₂O)과 수소 결합하여, 상기 물을 용해시킬 수 있다. 즉, 상기 원수가 포함하는 물 분자가 상기 원수로부터 상기 기능성 용매로 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 혼합수는, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수로 분리될 수 있다.

상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 수층(water layer)을 이룰 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 밀도 및 극성의 차이에 의하여 분리될 수 있다.

상기 S400 단계에서는, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 기능성 용매를 열 분리시킬 수 있다. 즉, 상기 물이 용해된 기능성 용매는 제2 온도로 열처리되어 상기 물과 상기 기능성 용매로 분리될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있다.

상술된 바와 같이 상기 기능성 용매는 온도에 따라 물과의 용해도가 가변할 수 있다. 이에 따라, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제1 온도보다 높은 상기 제2 온도로 열처리되는 경우, 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도가 가변할 수 있다. 구체적으로, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제2 온도로 열처리되는 경우의 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도는, 상기 S300 단계에서 상기 제1 온도의 환경에 제공된 상기 혼합수가 포함하는 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도와 비교하여, 저하될 수 있다. 결과적으로, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제2 온도로 열처리되는 경우, 상기 물에 대한 용해도가 상대적으로 감소하게 되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 상기 물이 분리될 수 있다. 상기 물과 상기 기능성 용매는 수층을 이룰 수 있다. 상기 물과 상기 기능성 용매는 밀도 및 극성의 차이에 의하여 분리될 수 있다. 상기 제2 분리 단계(S400)로부터 열 분리된 상기 기능성 용매는 회수되어, 상기 S100 단계에서 재사용될 수 있다.

상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 방법은 상기 제1 분리 단계(S300) 이후, 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계는, 상기 제1 분리 단계에서 분리된 상기 물이 제거된 원수를 제공받아, 냉각시킨 후 결정핵을 제공하는 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 결정핵은 바이오촤(biochar), 및 모래 등일 수 있다. 상기 염 이온이 결정화되는 구체적인 메커니즘은 도 3을 참조하여 설명된 염 결정화 모듈 내부에서 수행되는 염 이온의 결정화 메커니즘과 같을 수 있다. 이에 따라, 구체적인 설명은 생략된다.

상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계로부터 결정화된 염 이온은 저장 탱크 내에 저장될 수 있다. 반면, 상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계로부터 상기 결정화된 염 이온이 추출된 원수는 회수되어, 상기 S100 단계에서 재사용될 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치 및 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치 및 방법의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에 사용되는 기능성 용매들의 특성을 비교하는 사진이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에 사용되는 기능성 용매들의 특성을 비교하는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 서로 다른 기능성 용매 A 내지 C를 준비하고, 기능성 용매 A 내지 C를 각각 0.5M농도의 NaCl을 포함하는 원수와 혼합한 후, 기능성 용매와 원수가 혼합된 상태를 사진 촬영 하여, 각각 도 5의 (a) 내지 (c)에 나타내었다. 기능성 용매 A는 Octylamine으로 준비하고, 기능성 용매 B는 Dibutylamine으로 준비하고, 기능성 용매 C는 2-Ethylhexylamine으로 준비하였다.

도 5의 (a) 내지 (c)에서 알 수 있듯이, 기능성 용매 A 내지 C가 원수와 혼합된 경우, 기능성 용매 A 내지 C 모두 Solvent Phase와 Brine Phase의 수층을 이루는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 0.5M농도의 NaCl을 포함하는 원수에 포함된 물이 기능성 용매 A 내지 C에 용해되어, 기능성 용매와 물이 혼합된 Solvent Phase와 원수로부터 물이 제거된 Brine Phase로 구분되기 때문인 것으로 판단된다.

도 6을 참조하면, 서로 다른 기능성 용매 A 내지 C를 준비하고, 기능성 용매 A 내지 C를 각각 0.5M농도의 NaCl을 포함하는 원수와 혼합한 후, 기능성 용매 A 내지 C의 물 흡수 효율(water absorption, %)과 염 제거 효율(Cl rejection, %)을 측정하여 나타내었다. 물 흡수 효율은 기능성 용매와 원수가 혼합되어 수층이 형성된 경우, Solvent phase의 수분 함량을 측정하였다. 염 제거 효율은 아래 <수학식 1>을 통하여 계산되었다.

<수학식 1>

도 6에서 확인할 수 있듯이, 물 흡수 효율은 기능성 용매 A가 가장 높은 것으로 나타났지만, 염 제거 효율은 기능성 용매 B가 가장 높은 것으로 나타났다. 기능성 용매 A(Octylamine)의 경우 물 흡수 효율은 높지만 염 제거 효율이 낮음에 따라, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에 적용하기 힘들 것으로 판단된다. 반면, 기능성 용매 B(Dibutylamine)의 경우 물 흡수 효율은 상대적으로 낮지만 염 제거 효율이 현저히 높음에 따라, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치에 적용하기 적합한 것으로 판단된다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치 중 혼합모듈이 포함하는 교반기의 속도에 따른 특성 변화를 비교하는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치 중 혼합모듈이 포함하는 교반기의 속도를 100, 300, 500, 700, 및 1000 rpm으로 제어하고 각각에 대해 물 흡수 효율(water recover, %)와 염 제거 효율(Cl rejection, %)을 측정하였다. 물 흡수 효율 및 염 제거 효율은 도 6에서 상술된 바와 같이 계산되었다. 도 7에 도시된 그래프의 결과가 아래 <표 1>을 통하여 정리된다.

구분	Water Recovery (%)	Cl Rejection (%)
100 rpm	12.43	93.04
300 rpm	15.13	92.97
500 rpm	15.73	93.15
700 rpm	18.31	89.53
1000 rpm	18.35	88.83

도 7 및 <표 1>에서 확인할 수 있듯이, 교반기의 속도가 100, 300, 및 500 rpm에서는 염 제거 효율의 차이가 거의 발생하지 않았지만, 700, 및 1000 rpm에서는 염 제거 효율이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 교반 속도가 너무 빠른 경우 물이 용해된 기능성 용매와 물이 제거된 원수 사이에 수층의 형성이 용이하게 발생되지 않기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치를 사용하는 경우, 상기 혼합모듈이 포함하는 교반기의 속도를 100 rpm 이상 500 rpm으로 제어해야 할 필요가 있음을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수의 재사용 횟수에 특성을 비교하는 그래프이다.

도 8을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치가 포함하는 염 결정화 모듈(repetition 1)로부터 획득되는 결정화된 염 이온의 중량(salt recovery, mg), 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수를 재사용(repetition 2)하여 획득되는 결정화된 염 이온의 중량, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수를 2번 재사용(repetition 3)하여 획득되는 결정화된 염 이온의 중량, 및 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수를 3번 재사용(repetition 4)하여 획득되는 결정화된 염 이온의 중량을 측정하여 나타내었다. 도 8에 도시된 그래프의 결과가 아래 <표 2>를 통하여 정리된다.

구분	Repetition 1	Repetition 2	Repetition 3	Repetition 4
Salt recovery	6.48	6.48	6.91	7.56

도 8 및 <표 2>를 통해 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치는, 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수의 재사용 횟수가 증가함에 따라, 염 이온의 농도가 농축되어, 결정화되는 염 이온의 중량 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 실시 예에 따른 용매 추출법을 이용한 담수화 장치는, 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 원수와 혼합한 후, 온도의 변화를 통하여 원수와 기능성 용매 사이의 용해도 차이를 유도할 수 있다. 이에 따라, 원수로부터 염 이온을 제거하여, 담수를 획득할 수 있다. 이는, 증발법(distillation) 또는 역삼투압(reverse osmosis) 등을 이용하여 담수화를 수행하던 기존의 해수-담수화 공정과는 달리, 해수의 전처리 과정이나 해수를 수증기로 상변화 시키기 위한 에너지가 필요 없어 운전 과정에서 소모되는 에너지와 비용을 현저히 감소시킬 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.

110: 기능성 용액 공급모듈
120: 원수 공급모듈
200: 혼합모듈
300: 제1 분리모듈
350: 가열모듈
400: 제2 분리모듈
500: 염 결정화 모듈
550: 냉각모듈
600: 염 저장 탱크
710: 후처리 모듈
720: 담수 저장 탱크
810: 제1 열교환기
820: 제2 열교환기

Claims

제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는, 원수 공급모듈;
온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는, 기능성 용매 공급모듈;
상기 원수 공급모듈로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈;
상기 혼합모듈로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈;
상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈; 및
상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈;을 포함하되,
상기 기능성 용매는, 다이프로필아민(Dipropylamine), 에틸헵틸아민(Ethylheptylamine), 다이부틸아민(Dibutylamine), 및 에틸부틸아민(Ethylbutylamine) 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 제1 및 제2 분리모듈은 각각 제1 및 제2 격벽을 포함하는 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제1 분리모듈에서, 상기 기능성 용매는, 상기 물과 수소 결합하여, 물을 용해시키는, 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제1 항에 있어서,
상기 혼합모듈은, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 100 rpm 이상 500 rpm 이하의 속도로 교반시키는, 교반기를 더 포함하는 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 분리모듈에서, 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해됨에 따라, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 수층을 이루며,
상기 제1 격벽은 상기 수층을 분리하는 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제5 항에 있어서,
상기 제1 격벽은 상기 물이 용해된 기능성 용매보다 밀도가 높고, 상기 물이 제거된 원수보다 밀도가 낮은 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제2 분리모듈에서, 상기 물과 상기 기능성 용매는 수층을 이루며,
상기 제2 격벽은 상기 수층을 분리하는 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제7 항에 있어서,
상기 제2 격벽은 상기 기능성 용매보다 밀도가 높고, 상기 물보다 밀도가 낮은 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제1 항에 있어서,
상기 염 결정화 모듈을 냉각시키는 냉각수를 제공하는 냉각모듈을 더 포함하며,
상기 염 결정화 모듈은 상기 제2 농도의 염을 결정화시키는 결정핵을 더 포함하는, 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제2 분리모듈로부터 열 분리된 상기 기능성 용매를 상기 기능성 용매 공급모듈로 공급하는 기능성 용매 회수유로를 더 포함하는 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 분리모듈과 상기 제2 분리모듈 사이에는 가열모듈이 마련되며,
상기 가열모듈은 상기 제1 분리모듈로부터 상기 제2 분리모듈로 공급되는 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 높이는 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 분리모듈로부터의 물이 용해된 기능성 용매와, 상기 제2 분리모듈로부터의 열 분리된 기능성 용매의 열을 교환시키는 제1 열교환기를 더 포함하는 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
제1 항에 있어서,
상기 염 결정화 모듈을 냉각시킨 냉각수와, 상기 제2 분리모듈로부터 열 분리되어 상기 기능성 용매 공급모듈로 회수되는 기능성 용매의 열을 교환시키는 제2 열교환기를 더 포함하는 용매 추출법을 이용한 담수화 장치.
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