KR102155369B1 - 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈 및 정삼투 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈 및 정삼투 시스템에 관한 것으로서, 자세하게는 마이크로 버블에 의한 용액의 이온 세기(ion strength) 증가를 통해 삼투압을 증가시키고, 마이크로 버블의 긴 체류시간 및 높은 확산성을 이용하여 정삼투막에서의 농도 분극(concentration polarization)을 방지할 뿐만 아니라, 마이크로 버블의 세정력을 이용하여 정삼투 장치 및 유도용액 회수장치의 스케일링 발생을 최소화함으로써, 전체적인 생산성 및 효율을 향상시킬 수 있는 정삼투 모듈 및 정삼투 시스템에 대한 것이다.

Description

마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈 및 정삼투 시스템 {Forward Osmosis Module and System Using Micro-bubble}
본 발명은 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈 및 정삼투 시스템에 관한 것으로서, 자세하게는 마이크로 버블에 의한 용액의 이온 세기(ion strength) 증가를 통해 삼투압을 증가시키고, 마이크로 버블의 긴 체류시간 및 높은 확산성을 이용하여 정삼투막에서의 농도 분극(concentration polarization)을 방지할 뿐만 아니라, 마이크로 버블의 세정력을 이용하여 정삼투 장치 및 유도용액 회수장치의 스케일링 발생을 최소화함으로써, 전체적인 생산성 및 효율을 향상시킬 수 있는 정삼투 모듈 및 정삼투 시스템에 대한 것이다.
정삼투 공정은 정삼투막을 사이에 두고 해수, 하폐수와 같은 피드용액(feed solution)과 유도용액(draw solution)을 배치시킨 상태에서 유도용액에 의한 정삼투(forward osmosis)를 유도하여 피드용액을 농축수와 희석된 유도용액인 처리수로 분리하는 기술이다. 이때, 상기 희석된 유도용액은 유도용액 회수 공정에서 담수와 농축된 유도용액으로 분리되어 정삼투 공정으로 재유입되게 된다.
상기 정삼투 공정은 인위적인 압력을 필요로 하는 역삼투 공정에 비하여 에너지 사용을 절감할 수 있다는 장점이 있으나, 유도용액의 용해도 증대가 용이하지 않아 Brine이나 ZLD(zero liquid discharge)와 같이 High TDS(Total Dissolved Solids) 분야의 경우에는 적용하기가 어렵다는 단점이 있었다.
또한, 막 부근에서의 농도 분극(Concentration Polarization) 현상으로 인하여 시간이 갈수록 정삼투 효율이 저하될 뿐만 아니라 고집적화된 정삼투 막 구조를 설계하기도 어렵다는 한계가 있었다.
그리고, 스케일링 유발인자(Na+, Ca+ )들의 막 침투가 거절되는 경우, 막 스케일링이 발생하면서 점진적으로 막 성능이 저하되는 문제가 발생하였으며, 주기적인 막 세정을 위하여 사용되는 다량의 케미컬은 환경 오염 및 비용 증대의 주요 요인이 되고 있다.
한국공개공보 제2013-0103996호 (2013.09.25 공개) 한국공개공보 제2011-0078158호 (2011.07.07 공개)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 High TDS 분야의 경우에도 적용이 용이하며, 농도 분극 현상 및 막 스케일링 발생을 최소화하여 전체적인 생산성 및 효율을 증가시킴과 동시에 케미컬 소모를 최소화하여 친환경적인 정삼투 모듈 및 정삼투 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반투막(11)에 의해 유도용액(draw solution) 구간(12)과 피드용액(feed solution) 구간(13)으로 구분되는 정삼투(forward osmosis) 반응장치(10) 및 상기 정삼투 반응장치(10)에 마이크로 버블(micro-bubble)을 공급하는 마이크로 버블 생성장치(20)를 포함하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈을 제공한다.
일 실시예로, 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블은 상기 유도용액 구간(12)으로만 유입될 수 있으며, 또 다른 실시예로 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블은 상기 유도용액 구간(12) 및 피드용액 구간(13)으로 동시에 유입될 수도 있다.
이때, 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성되는 마이크로 버블의 직경은 10~100㎛ 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 마이크로 버블 생성장치(20)는 상업적으로 이용가능한 다양한 형식의 마이크로 버블 생성장치가 사용될 수 있으며, 일 실시예로 유도용액 또는 피드용액이 유입되는 펌프(21) 및 상기 펌프(21)에서 유입되는 유도용액 또는 피드용액과 기체를 혼합하는 기액혼합장치(gas-liquid mixer)(22)를 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반투막(11)에 의해 유도용액(draw solution) 구간(12)과 피드용액(feed solution) 구간(13)으로 구분되는 정삼투(forward osmosis) 반응장치(10), 상기 정삼투 반응장치(10)의 유도용액 구간(12)으로부터 배출되는 희석된 유도용액으로부터 농축된 유도용액을 회수하는 유도용액 회수장치(30), 및 상기 정삼투 반응장치(10) 또는 유도용액 회수장치(30)에 마이크로 버블(micro-bubble)을 공급하는 마이크로 버블 생성장치(20)를 포함하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 시스템을 제공한다.
일 실시예로, 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블이 상기 유도용액 구간(12)으로만 유입될 수 있으며, 또 다른 실시예로 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블은 상기 유도용액 구간(12) 및 피드용액 구간(13)으로 동시에 유입될 수도 있다.
또 다른 실시예로 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블은 유도용액 회수장치(30)로 유입될 수도 있으며, 이때 상기 유도용액 회수장치(30)가 역삼투(reverse osmosis) 모듈을 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성되는 마이크로 버블의 직경은 10~100㎛ 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 마이크로 버블 생성장치(20)는 상업적으로 이용가능한 다양한 형식의 마이크로 버블 생성장치가 사용될 수 있으며, 일 실시예로 유도용액 또는 피드용액이 유입되는 펌프(21) 및 상기 펌프(21)에서 유입되는 유도용액 또는 피드용액과 기체를 혼합하는 기액혼합장치(gas-liquid mixer)(22)를 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈 및 정삼투 시스템은 유도용액의 이온화도를 증대시켜 삼투압을 상승시킴으로써 High TDS(Brine Concentration, ZLD) 분야에도 적용이 용이하며, 마이크로 버블의 높은 체류시간 및 확산성로 인하여 막 주위의 농도 분극을 방지하여 지속적인 High Flux 유지가 가능하다. 또한, 마이크로 버블에 의한 막 세정 효과를 통하여 막 유지보수 비용을 절감하고 케미칼 사용량을 최소화할 수 있다.
도 1 - 마크로 버블, 마이크로 버블, 나노 버블의 시간에 따른 용액 내 움직임을 보여주는 개념도
도 2 - 마이크로 버블 직경에 따른 부상 속도 변화를 보여주는 그래프
도 3 - 마이크로 버블에 의한 용액의 이온화도 증가 원리를 보여주는 개념도
도 4 - 마이크로 버블 직경에 따른 표면 전위 변화를 보여주는 그래프
도 5 - 마이크로 버블 직경에 따른 산소전달효율 변화를 보여주는 그래프
도 6 - 마이크로 버블의 자기압괴 현상을 보여주는 개념도
도 7 - 마이크로 버블에 의한 막(membrane) 세척효과를 보여주는 사진
도 8~10 - 본 발명의 정삼투 모듈 및 시스템의 실시예들을 나타내는 공정도
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
일반적으로, 정삼투 공정은 유도용액의 용해도 증대가 용이하지 않아 High TDS(Total Dissolved Solids) 분야의 경우에는 적용하기가 어려우며, 농도 분극 및 막 스케일링이 발생하여 투과 유량이 저하되는 문제가 있었다. 본 발명은 이러한 문제점을 극복하기 위하여 마이크로 버블을 정삼투 공정에 도입하는 것을 특징으로 한다.
마이크로 버블(micro-bubble)은 직경 10~100㎛의 공기방울로서, 도 1에서 볼 수 있듯이 빠른 속도로 부상하여 수면에서 터지는 마크로 버블(macro-bubble)이나 크기변화가 없는 나노버블(nano-bubble)과는 달리, 부상속도와 직경이 점차 작아지면서 최종적으로 용액 내에서 완전 용해되는 것을 특징으로 한다.
즉, 도 2의 버블 직경에 따른 부상속도 변화 그래프에서 확인할 수 있듯이, 마이크로 버블은 버블의 직경이 점차 감소하면서 부상속도가 점점 더 줄어들게 되며, 수면에서 터지지 않고 기체가 완전 용해되어 사라지는 것을 알 수 있다. 이에 따라 마이크로 버블의 용액 내 체류시간 및 확산성이 증가하게 되며, 이는 막 주변의 농도 분극을 방지하는 역할을 할 뿐만 아니라 오염물질과 접촉하여 이를 제거할 효율도 증가하게 된다.
한편, 도 3, 4는 마이크로 버블에 의한 용액의 이온화도 증가 원리 및 마이크로 버블 직경에 따른 표면 전위 변화를 보여주는 도면이다. 도면에서 볼 수 있듯이 용액 내 마이크로 버블 표면에 이온이 흡착되면서 용액 내 이온의 전하는 마치 줄어든 것 같은 효과를 나타내게 되며, 버블의 직경이 감소할수록 표면 전위는 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 용액 내 마이크로 버블로 인하여, 용액 내 전하 간 인력이 줄게 되고 결과적으로 화합물이 이온으로 해리되는 것을 촉진하면서 용해도 및 이온화도가 증가하게 된다.
또한, 도 5는 마이크로 버블 직경에 따른 산소전달효율 변화를 보여주는 도면으로서, 기포 크기가 작아질수록 수중산소 전달 효율이 높아져 자체적으로 수질을 개선하게 된다. 또한, 도 6은 마이크로 버블의 자기압괴 현상을 보여주는 도면으로서, 마이크로 버블의 내부압력이 외부압력보다 1/r에 비례하여 높기 때문에 버블의 직경이 작아질수록 급속도로 내부압력이 올라가게 되고, 순간적으로 고온고압이 형성되어 최종적으로 마이크로 버블이 파열되게 된다.
이때, 마이크로 버블의 파열과 함께 라디칼 및 충격파가 형성되어 용액의 세정 및 살균 효과를 가져오게 된다. 상기 마이크로 버블의 세정효과는 다양한 분야에 적용될 수 있는데, 도 7의 사진에서 볼 수 있듯이, 막에 적용되는 경우 별도의 케미칼을 사용하지 않고도 높은 세정효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 이와 같이 다양한 특성을 가지는 마이크로 버블을 정삼투 공정에 적용한 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 정삼투 모듈은 반투막(11)에 의해 유도용액(draw solution) 구간(12)과 피드용액(feed solution) 구간(13)으로 구분되는 정삼투(forward osmosis) 반응장치(10), 및 상기 정삼투 반응장치(10)에 마이크로 버블(micro-bubble)을 공급하는 마이크로 버블 생성장치(20)를 포함한다.
상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블은 필요에 따라 정삼투(forward osmosis) 반응장치(10)의 다양한 구간으로 유입될 수 있으며, 일 실시예로 도 8에 도시된 것과 같이 유도용액 구간(12)으로만 유입될 수 있다.
이때, 상기 마이크로 버블은 유도용액 구간(12)으로 직접 유입될 수도 있으며, 또는 상기 유도용액 구간(12)으로 유입되는 유도용액에 미리 혼합되어 함께 유입될 수도 있다. 또한, 상기 마이크로 버블은 별도의 용액을 이용하여 생성될 수도 있으나, 바람직하게는 정삼투 모듈로 유입되는 유도용액의 일부 스트림을 이용하여 생성할 수도 있다.
상기 유도용액 구간(12)으로 유입된 마이크로 버블은 막 세정효과로 파울링을 방지함과 동시에 유도용액의 이온화도를 증가시켜 삼투압을 증대시키는 역할을 하게 된다. 따라서, 전체적인 정삼투 효율이 높아지게 되며, 결과적으로 High TDS 분야에 정삼투 공정을 적용하기 용이해지게 된다.
또 다른 실시예로 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블은 상기 유도용액 구간(12) 및 피드용액 구간(13)으로 동시에 유입될 수도 있다. 마이크로 버블이 유도용액 구간(12) 및 피드용액 구간(13)으로 유입됨으로써, 막 세정효과로 파울링을 방지함과 동시에 막 주변에서의 농도 분극 현상을 방지하여 지속적인 High Flux 유지가 가능하며, 전체적인 정삼투 공정의 효율을 높일 수 있게 된다.
상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성되는 마이크로 버블의 직경은 마이크로 버블의 특성을 효과적으로 사용하기 위하여 10~100㎛ 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 마이크로 버블 생성장치(20)는 상업적으로 이용가능한 다양한 형식의 마이크로 버블 생성장치가 사용될 수 있으며, 일 실시예로 펌프(21) 및 상기 펌프(21)에서 유입되는 용액과 기체를 혼합하는 기액혼합장치(gas-liquid mixer)(22)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 용액은 다양한 종류가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 유도용액 또는 피드용액이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 정삼투 시스템은 반투막(11)에 의해 유도용액(draw solution) 구간(12)과 피드용액(feed solution) 구간(13)으로 구분되는 정삼투(forward osmosis) 반응장치(10), 상기 정삼투 반응장치(10)의 유도용액 구간(12)으로부터 배출되는 희석된 유도용액으로부터 농축된 유도용액을 회수하는 유도용액 회수장치(30), 및 상기 정삼투 반응장치(10) 또는 유도용액 회수장치(30)에 마이크로 버블(micro-bubble)을 공급하는 마이크로 버블 생성장치(20)를 포함한다.
상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블은 앞서 살펴본 바와 같이 상기 유도용액 구간(12)으로만 유입될 수 있으며, 상기 유도용액 구간(12) 및 피드용액 구간(13)으로 동시에 유입될 수도 있다.
또한, 상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블은 도 10에 도시된 것과 같이 유도용액 회수장치(30)로 유입될 수도 있는데, 이때 상기 유도용액 회수장치(30)에 유입된 마이크로 버블은 산소전달효율을 높여 수질을 개선하고, 오염물질과 접촉하여 이를 제거하는 역할을 하게 된다.
이때, 상기 유도용액 회수장치(30)는 열분해, 막분리 등 다양한 형태의 회수장치가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 역삼투(reverse osmosis) 모듈이 사용될 수 있다. 상기 역삼투 모듈에 투입된 마이크로 버블은 뛰어난 세정효과를 가지기 때문에 도 7에 나타난 것과 같이 별도의 케미컬을 사용하지 않고도 막을 효율적으로 세정할 수 있다.
상기 유도용액 회수장치(30)에서 회수된 유도용액은 다시 정삼투 반응장치(10)로 유입되게 되며, 이때 회수된 유도용액의 일부 스트림이 마이크로 버블 생성에 사용될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10 : 정삼투 반응장치 11 : 반투막
12 : 유도용액 구간 13 : 피드용액 구간
20 : 마이크로 버블 생성장치 21 : 펌프
22 : 기액혼합장치 30 : 유도용액 회수장치

Claims (12)

  1. 반투막(11)에 의해 유도용액(draw solution) 구간(12)과 피드용액(feed solution) 구간(13)으로 구분되는 정삼투(forward osmosis) 반응장치(10); 및
    상기 정삼투 반응장치(10)에 마이크로 버블(micro-bubble)을 공급하는 마이크로 버블 생성장치(20);를 포함하고,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블이 상기 유도용액 구간(12)으로 유입되는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블이 상기 유도용액 구간(12) 및 피드용액 구간(13)으로 유입되는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성되는 마이크로 버블의 직경이 10~100㎛ 인 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)가 유도용액 또는 피드용액이 유입되는 펌프(21) 및 상기 펌프(21)에서 유입되는 유도용액 또는 피드용액과 기체를 혼합하는 기액혼합장치(gas-liquid mixer)(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 모듈.
  6. 반투막(11)에 의해 유도용액(draw solution) 구간(12)과 피드용액(feed solution) 구간(13)으로 구분되는 정삼투(forward osmosis) 반응장치(10);
    상기 정삼투 반응장치(10)의 유도용액 구간(12)으로부터 배출되는 희석된 유도용액으로부터 농축된 유도용액을 회수하는 유도용액 회수장치(30); 및
    상기 정삼투 반응장치(10) 또는 유도용액 회수장치(30)에 마이크로 버블(micro-bubble)을 공급하는 마이크로 버블 생성장치(20);를 포함하고,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블이 상기 유도용액 구간(12)으로 유입되는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 시스템.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블이 상기 유도용액 구간(12) 및 피드용액 구간(13)으로 유입되는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성된 마이크로 버블이 상기 유도용액 회수장치(30)로 유입되는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유도용액 회수장치(30)가 역삼투(reverse osmosis) 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)에서 생성되는 마이크로 버블의 직경이 10~100㎛ 인 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 시스템.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성장치(20)가 유도용액 또는 피드용액이 유입되는 펌프(21) 및 상기 펌프(21)에서 유입되는 유도용액 또는 피드용액과 기체를 혼합하는 기액혼합장치(gas-liquid mixer)(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블을 이용한 정삼투 시스템.
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