KR102217318B1 - 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원수와 냉각수 사이의 온도차를 이용하여 처리수를 생산하는 막증류 공정을 구현함에 있어서, 집열효율이 개선된 태양열 흡수체를 이용하여 원수를 가열하고 이를 통해 막증류 공정의 처리수 생산효율을 향상시킬 수 있는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치는 태양열 흡수장치를 구비하며, 태양열 흡수장치에 의해 가열된 원수를 막증류 모듈에 공급하는 원수조; 막증류 공정을 통해 원수로부터 처리수를 생산하는 막증류 모듈; 및 막증류 모듈에 냉각수를 공급함과 함께 막증류 모듈에 의해 생산된 처리수를 집수하는 냉각수조;를 포함하여 이루어지며, 상기 태양열 흡수장치는 원수조의 상면 또는 측면에 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치{Apparatus for membrane distillation using solar absorber}
본 발명은 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원수와 냉각수 사이의 온도차를 이용하여 처리수를 생산하는 막증류 공정을 구현함에 있어서, 집열효율이 개선된 태양열 흡수체를 이용하여 원수를 가열하고 이를 통해 막증류 공정의 처리수 생산효율을 향상시킬 수 있는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치에 관한 것이다.
막증류(membrane distillation, MD)는 소수성 고분자분리막의 표면에서 상변화가 일어나고, 분리막의 표면 미세기공을 통해 증기가 투과하여 응축, 분리되는 공정으로서, 비휘발성 물질이나 휘발성이 상대적으로 낮은 물질을 분리, 제거하는 탈염 공정에 이용되거나 수용액 중에 휘발성이 높은 유기물을 분리하는데도 이용된다.
막증류는 기존의 열을 이용하는 공정인 MSF(multi-stage flash), MED(multi effect distillation)에 비해 해수, 폐수 등의 수용액을 비점까지 가열할 필요가 없어 운전온도가 낮아짐에 따라 에너지비용을 절감할 수 있으며, 더욱이 공경이 큰 정밀여과(microfiltration)막을 이용하므로, 역삼투막(RO) 공정에서와 같이 매우 높은 운전압력도 필요하지 않다. 또한, 기존의 막이용 수처리공정에서 문제가 되는 파울링 발생 문제도 상대적으로 심각하지 않는 등 많은 이점으로 해수담수화, 정수처리, 초순수 제조 등에 사용되고 있다.
한편, 막증류에 신재생에너지 또는 폐열을 열원으로 이용하는 경우 에너지비용을 크게 낮출 수 있어 폐열 또는 태양열을 이용하는 막증류에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 주로 태양열 집열기로 막증류의 열원을 대체하는 방법들이 제안된 바 있다.
태양열 집열기를 막증류에 적용한 특허로는 한국등록특허 제1444884호, 한국공개특허 제2015-12576호, 한국공개특허 제2015-12578호, 미국등록특허 제8470179호, 미국공개특허 제2013-277199호 등이 있다.
그러나, 막증류에 적용되는 기존의 태양열 집열기의 경우, 집열효율이 낮고 날씨에 많은 영향을 받는 단점이 있어, 막증류공정의 처리효율을 저하시키는 요인으로 작용한다. 또한, 태양열을 이용하여 막증류 공정을 진행하는 경우, 일몰시간에 가까워질수록 막증류 효율이 저하되는 문제점이 있는데 현재까지 이에 대한 근본적인 해결책은 제시된 바 없다.
한국등록특허 제1444884호 한국공개특허 제2015-12576호 한국공개특허 제2015-12578호 미국등록특허 제8470179호 미국공개특허 제2013-277199호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 원수와 냉각수 사이의 온도차를 이용하여 처리수를 생산하는 막증류 공정을 구현함에 있어서, 집열효율이 개선된 태양열 흡수체를 이용하여 원수를 가열하고 이를 통해 막증류 공정의 처리수 생산효율을 향상시킬 수 있는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 흡열 및 축열 특성을 갖는 상변화물질을 원수조에 적용함으로써 일몰 등으로 인해 태양열이 약해지더라도 원수의 온도를 일정 시간 유지시켜 일몰 등으로 인해 막증류 효율이 급격히 저하되는 것을 방지할 수 있는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치는 원수조의 원수를 순환시키는 원수순환배관; 원수순환배관의 일측에 구비되어 원수순환배관 내의 원수를 가열하는 태양열 흡수장치; 태양열 흡수장치에 의해 가열된 원수를 원수순환배관을 통해 공급받아, 원수를 막증류 모듈에 공급하는 원수조; 막증류 공정을 통해 원수로부터 처리수를 생산하는 막증류 모듈; 및 막증류 모듈에 냉각수를 공급함과 함께 막증류 모듈에 의해 생산된 처리수를 집수하는 냉각수조;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 원수순환배관의 일 구간에 원수저류유로가 구비되며, 상기 원수저류유로 상에 태양열 흡수장치가 구비되며, 상기 태양열 흡수장치는, 원수저류유로 상에 구비되어 태양열 흡수체에 의해 흡수된 태양열을 원수저류유로의 원수에 열전달하는 금속판과, 금속판 상에 구비되어 태양열을 흡수하는 태양열 흡수체를 포함하여 구성된다.
상기 원수조의 일측에 상변화물질이 구비되며, 상기 상변화물질은 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점 이상인 경우 원수의 열을 흡수하여 축열하며, 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점보다 낮은 경우 축열된 열을 방출한다.
또한, 본 발명에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치는 태양열 흡수장치를 구비하며, 태양열 흡수장치에 의해 가열된 원수를 막증류 모듈에 공급하는 원수조; 막증류 공정을 통해 원수로부터 처리수를 생산하는 막증류 모듈; 및 막증류 모듈에 냉각수를 공급함과 함께 막증류 모듈에 의해 생산된 처리수를 집수하는 냉각수조;를 포함하여 이루어지며, 상기 태양열 흡수장치는 원수조의 상면 또는 측면에 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 원수조의 일측에 상변화물질이 구비되며, 상기 상변화물질은 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점 이상인 경우 원수의 열을 흡수하여 축열하며, 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점보다 낮은 경우 축열된 열을 방출한다.
상기 태양열 흡수장치는, 원수조의 상면 또는 측면 상에 장착되어 태양열 흡수체의 안착공간을 제공함과 함께 태양열을 집열하는 금속판과, 금속판의 홈부에 구비되어 집열된 태양열을 흡수하는 태양열 흡수체를 포함하여 구성된다.
상기 태양열 흡수체는, Ti층 상에 MgF2층이 구비된 Ti-MgF2 이중층이 복수번 반복 적층된 구조를 이룬다. 금속판의 중앙부에 테이퍼(taper) 형상의 홈부가 구비되며 상기 홈부에 태양열 흡수체가 안착될 수 있다.
원수조의 내측면으로부터 이격된 위치에 내측벽이 구비되고, 내측면과 내측벽 사이의 공간에 상변화물질이 구비되며, 내측면과 내측벽 사이에 구비된 상변화물질이 원수조의 원수를 둘러쌓는 형태이며, 내측면과 내측벽 사이의 공간과 원수조의 원수가 구비되는 공간은 공간적으로 분리된다.
상기 상변화물질은 유체에 에멀전 형태로 용해된 형태로 구비되거나, 상변화물질 캡슐이 유체에 분산된 형태로 구비될 수 있다. 또한, 상기 원수조의 원수에 상변화물질 캡슐이 분산된 형태로 구비될 수 있다.
상기 상변화물질의 녹는점은 냉각수의 온도보다 높다. 또한, 녹는점 20∼60℃의 상변화물질이 원수조에 적용될 수 있다.
상기 막증류 모듈은 직접접촉식(direct contact membrane distillation, DCMD), 공기간극식(air gap membrane distillation, AGMD), 진공식(vacuum membrane distillation, VMD), 기체순환식(sweep gas membrane distillation, SGMD) 중 어느 한 방식으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
적외선 흡수율이 우수한 태양열 흡수체 그리고 이를 포함하는 태양열 흡수장치가 적용됨에 따라, 태양열에 의한 원수 가열효과를 향상시킬 수 있으며, 이에 기반하여 막증류 공정의 처리수 생산효율을 증대시킬 수 있다.
이와 함께, 원수조의 일측에 열의 축열 및 방출이 가능한 상변화물질을 구비시킴으로써 일몰 등의 일조환경 변화에 의해 태양열이 약해지더라도 원수의 온도가 급격하게 하강되는 것을 억제시킬 수 있어, 막증류 공정의 진행 가능시간을 늘릴 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치의 구성도.
도 2는 상변화물질이 구비된 제 1 실시예에 따른 원수조의 구성도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 변형 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치의 구성도.
도 5는 태양열 흡수장치 및 상변화물질이 구비된 제 2 실시예에 따른 원수조의 구성도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예의 변형 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치의 구성도.
도 7은 태양열 흡수장치의 적용 여부에 따른 원수의 수온변화를 측정한 실험결과.
도 8은 기존의 태양열 집열기를 구비한 막증류 장치와 본 발명에 따른 막증류 장치의 처리수 생산량을 나타낸 실험결과.
본 발명은 막증류 공정을 구현함에 있어서 태양열 흡수체를 이용하여 원수를 가열함과 함께 상변화물질을 통해 가열된 원수의 온도를 일정 시간 이상 유지시킴으로써 막증류 공정의 처리수 생산효율을 향상시킬 수 있는 기술을 제시한다.
막증류 공정은 앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 원수와 냉각수 사이의 온도차를 통해 증기압 분압차를 유도하여 원수의 증기가 막증류분리막을 투과되도록 함으로써 원수로부터 처리수를 생산하는 방식이다.
막증류 공정의 처리수 생산효율이 향상되기 위해서는 원수와 냉각수 사이의 온도차가 커야 하며, 태양열을 이용하는 막증류 공정인 경우 원수와 냉각수 사이의 온도차가 유지되는 시간이 길어져야 한다.
태양열을 이용하는 막증류 공정에 있어서, 정오 근방에서 원수와 냉각수 사이의 온도차가 가장 커져 막증류 효율이 최대화되는 반면 오후에서 일몰시간에 가까워질수록 원수와 냉각수 사이의 온도차가 점차 줄어들어 막증류 효율이 저하되는 경향을 보인다. 따라서, 태양열을 이용하는 막증류 공정의 효율을 높이기 위해서는 원수와 냉각수 사이의 온도차를 최대화함과 함께 막증류 공정이 가능한 원수와 냉각수 사이의 온도차가 유지되는 시간이 길어져야 한다.
본 발명은 신규의 태양열 흡수체를 이용하여 원수와 냉각수 사이의 온도차를 최대화시키고, 상변화물질을 이용하여 원수와 냉각수 사이의 온도차가 유지되는 시간을 증가시키는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치를 상세히 설명하기로 한다. 제 1 실시예는 태양열 흡수장치와 원수순환배관을 이용하여 원수를 가열하는 방식이고, 제 2 실시예는 원수조에 태양열 흡수장치를 결합시킨 방식이다. 제 1 실시예에 대해 먼저 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치는 원수조(110), 막증류모듈, 냉각수조(130), 태양열 흡수장치(150) 및 원수순환배관(160)을 포함하여 이루어진다.
상기 원수조(110)는 처리대상수인 원수를 저장함과 함께 원수를 막증류모듈로 공급하는 역할을 하며, 상기 냉각수조(130)는 냉각수를 막증류모듈에 공급함과 함께 막증류모듈에 의해 생산된 처리수를 집수하는 역할을 한다. 상기 막증류모듈은 원수와 냉각수 사이의 온도차에 의해 발생되는 증기압 분압차를 통해 원수의 증기가 막증류분리막(121)을 투과되도록 하여 원수로부터 처리수를 생산하는 역할을 한다.
원수조(110)와 막증류모듈 사이에는 원수공급배관(11), 농축수배관(12)이 구비되며, 냉각수조(130)와 막증류모듈 사이에는 냉각수공급배관(13), 처리수배관(14)이 구비된다. 원수공급배관(11)을 통해 원수조(110)의 원수가 막증류모듈로 공급되며, 원수로부터 처리수가 분리된 농축수는 농축수배관(12)을 통해 원수조(110)로 이동된다. 또한, 냉각수공급배관(13)을 통해 냉각수조(130)의 냉각수가 막증류모듈로 공급되며, 막증류모듈에 의해 생산된 처리수 즉, 원수로부터 분리된 처리수는 처리수배관(14)을 통해 냉각수조(130)로 이동된다. 상기 냉각수조(130)의 일측에는 냉각수조(130) 내의 냉각수를 냉각시키는 냉각장치(140)가 구비될 수 있다.
상기 막증류모듈에 의한 처리수 생산이 가능하기 위해서는 즉, 막증류모듈에 의한 막증류공정이 가능하기 위해서는 원수의 온도가 냉각수의 온도보다 높아야 하며, 따라서 원수는 일정 온도 이상으로 가열될 필요가 있다.
원수의 가열을 위해 태양열 흡수장치(150) 및 원수순환배관(160)이 구비된다. 구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이 원수조의 일측에는 원수가 유입, 유출되는 원수순환배관(160)이 구비된다. 원수순환배관(160)은 원수조에 가열된 원수를 공급함과 함께 원수조의 냉각된 원수를 순환시키는 역할을 하는데, 원수는 태양열 흡수장치(150)에 의해 가열된다.
원수순환배관(160)의 양단은 각각 원수조의 유입측, 유출측에 연결되며, 원수순환배관(160)의 일 지점에는 태양열 흡수장치(150)가 구비된다. 태양열 흡수장치(150)는 원수순환배관(160)의 일 지점 상에 구비되어 원수순환배관(160)을 따라 순환하는 원수를 가열한다.
태양열 흡수장치(150)에 의한 원수 가열효과를 높이기 위해서는 흡열면적이 커야 하며, 이를 위해 원수순환배관(160)의 일 구간에 일정 면적을 갖는 원수저류유로(161)를 구비시킬 수 있다. 일정 면적을 갖는 원수저류유로(161)를 구비시킴으로써 태양열 흡수장치(150)와 원수의 열접촉 시간을 늘려 원수를 효과적으로 가열할 수 있다.
원수순환배관(160) 상에 구비되는 태양열 흡수장치(150) 보다 구체적으로는, 원수순환배관(160)의 원수저류공간 상에 구비되는 태양열 흡수장치(150)는 다음과 같은 구성을 갖는다.
상기 태양열 흡수장치(150)는 금속판(151)과 태양열 흡수체(152)로 구성된다.
상기 금속판(151)은 태양열 흡수체의 장착 공간을 제공함과 함께 원수저류유로(161) 상에 구비되어, 태양열 흡수체에 의해 흡수된 태양열을 이용하여 원수저류유로(161)의 원수를 가열하는 역할을 한다. 상기 금속판(151)은 열전도율이 우수한 금속 예를 들어, 구리, 알루미늄 재질 등으로 이루어질 수 있다.
상기 태양열 흡수체는 상기 금속판(151) 상에 구비되며, 태양열을 흡수하여 금속판(151)을 통해 원수저류유로(161)로 흡수된 태양열을 전달하는 것으로서, 상기 태양열 흡수체는 Ti층 상에 MgF2층이 구비된 이른 바, Ti-MgF2 이중층이 반복 적층된 구조를 이룬다. 상기 MgF2층은 유전체로 적외선 흡수율이 우수한 특성을 갖고 있으며, Ti층은 MgF2층에 의해 흡수된 적외선의 열을 전달하는 역할을 한다. Ti-MgF2 이중층의 반복 적층 형태로 태양열 흡수체를 구성함으로써 태양열의 적외선 흡광효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 원수저류유로(161)의 원수를 효과적으로 가열할 수 있다. 일 실시예로, Ti-MgF2 이중층에 있어서 Ti층은 10nm, MgF2층은 320nm의 두께로 제작할 수 있으며, Ti-MgF2 이중층을 10번 반복 적층하여 태양열 흡수체를 완성할 수 있다.
상기 태양열 흡수장치(150)를 통해 가열된 원수저류유로(161)의 원수는 원수순환배관(160)을 통해 원수조에 공급되며, 이에 따라 원수와 냉각수 사이의 온도차에 의한 막증류 공정이 원활히 진행될 수 있다.
원수조 내의 원수가 냉각되는 것을 방지하기 위해, 전술한 바와 같이 원수조의 유출측에도 원수순환배관(160)이 구비되며, 원수조의 유출측을 통해 유출된 원수는 원수저류유로(161)로 재유입되어 태양열 흡수장치(150)에 의해 재가열된다.
한편, 원수의 가열이 태양열 흡수장치(150)에 의해 이루어짐에 따라, 일몰시간에 가까워질수록 태양열은 약해지고 이로 인해 원수와 냉각수 사이의 온도차는 점차 줄어들게 된다. 즉, 일몰시간에 가까워질수록 원수조(110) 내의 원수 온도가 낮아지고, 이에 따라 원수와 냉각수 사이의 온도차가 줄어들어 막증류 효율이 저하되거나 막증류 공정 자체의 수행이 어렵게 된다. 이는 원수의 가열이 태양열에 의한 가열임에 기인한다.
일몰시간에 가까워져 태양열이 약해지더라도 막증류 공정의 원활한 진행이 가능하도록 하기 위해, 상기 원수조(110)의 일측에 상변화물질(220)이 구비된다.
상기 상변화물질(PCM, phase change material)은 고체와 액체 사이에서 상(phase)이 변하는 물질로서, 녹는점 이하에서는 고체로 존재하고 녹는점 이상에서는 액체로 존재하는 물질이며, 녹는점 이상의 액체 상태에서는 열을 흡수하여 저장하고 녹는점 이하에서는 저장된 열을 방출하는 특성을 갖는다. 따라서, 상변화물질을 통해 주변 환경을 일정 온도 이상으로 유지시키는 것이 가능하다.
이를 본 발명에 적용하면, 상변화물질을 통해 일몰 등의 일조환경 변화에 의해 원수의 온도가 급격하게 저하시키는 것을 억제시킬 수 있으며, 궁극적으로 상변화물질을 통해 원수와 냉각수 사이의 온도차가 유지되는 시간을 증가시켜 막증류 공정의 가능시간 및 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 상변화물질은 구체적으로 다음과 같은 구성으로 원수조(110)에 구비된다. 상변화물질이 원수조(110)에 구비되는 구성은 2가지 실시예로 구분된다. 첫 번째 실시예는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 원수조(110)의 내측면(111)으로부터 이격된 위치에 내측벽(112)이 구비되고, 내측면(111)과 내측벽(112) 사이의 공간에 상변화물질(220)이 구비되는 구성이다. 내측면(111)과 내측벽(112) 사이의 공간은 원수조(110)의 원수가 구비되는 공간과 분리되며, 이에 따라 내측면(111)과 내측벽(112) 사이에 존재하는 상변화물질(220)이 원수조(110)의 원수가 구비되는 공간으로 유출되지 않는다. 이러한 구성은 원수조(110)의 둘레를 상변화물질(220)이 감싸는 형태이다. 상변화물질(220)이 원수가 저장되어 있는 원수조(110)의 둘레를 감싸는 형태로 구비됨에 따라, 원수로부터 열 흡수 및 원수로의 열 방출이 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 내측면(111)과 내측벽(112) 사이에 구비되는 상변화물질(220)은 에멀전(emulsion) 또는 캡슐(capsule) 형태로 구비될 수 있다. 즉, 상변화물질이 유체에 에멀전 형태로 용해된 형태로 구비되거나 상변화물질 캡슐이 유체에 분산된 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 상변화물질 캡슐은 상변화물질이 캡슐화된 캡슐을 일컫는다.
두 번째 실시예로, 원수조(110)의 원수에 직접 상변화물질 캡슐을 투입할 수도 있다. 이 경우, 상변화물질 캡슐이 원수조(110)로부터 유실되는 것을 방지하기 위해 원수조(110)의 입구 및 출구측에 배플(baffle) 등을 설치할 수 있다.
한편, 상술한 두 가지 실시예 형태로 원수조(110)에 구비되는 상변화물질은 막증류 공정에 최적화되어야 한다. 상변화물질의 녹는점은 물질에 따라 -10℃∼60℃의 녹는점을 갖고 있는 것으로 알려져 있다. 막증류 공정에서 사용되는 냉각수가 상온 상태의 물임을 고려하면, 본 발명의 원수조(110)에 적용되는 상변화물질은 녹는점 20∼60℃의 상변화물질을 적용할 수 있다. 또한, 상변화물질(PCM)은 유기 PCM, 무기 PCM, 공융 PCM으로 분류되는데, 분류와 무관하게 녹는점 20∼60℃의 상변화물질을 본 발명의 원수조(110)에 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치의 전체적인 구성에 대해 설명하였다. 이상의 구성을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치의 동작 즉, 막증류 방법은 다음과 같이 진행된다.
먼저, 원수조(110)에 처리대상수인 원수가 공급되어 저장된다. 원수조의 원수는 원수순환배관(160)을 유출, 유입되는데, 원수가 원수순환배관(160)을 따라 순환하는 과정에서 태양열 흡수장치(150)에 의해 가열된다. 또한, 원수조의 일측에 구비된 상변화물질에 의해, 원수의 온도가 일정 온도 이상으로 상승되면 상변화물질이 원수의 열을 흡수하여 축열한다.
세부적으로, 원수순환배관(160)의 일 구간에 원수저류유로(161)가 구비되고, 원수저류유로(161) 상에는 금속판(151)과 태양열 흡수체로 구성되는 태양열 흡수장치(150)가 구비되는 구조 하에, 원수는 원수저류유로(161)를 통과하는 과정에서 태양열 흡수장치(150)에 의해 집열된 태양열에 의해 가열되며, 가열된 원수는 원수조로 공급된다. 또한, 원수조의 냉각된 원수는 재차 원수순환배관(160)을 순환하여 태양열 흡수장치(150)에 의해 재가열된다.
원수조(110)에 구비되는 상변화물질은 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점 이상으로 상승하면 원수의 열을 흡수하여 축열하고, 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점 이하로 하강하면 축열되어 있는 열을 방출한다. 이러한 상변화물질의 동작에 의해 원수의 온도가 급격히 하강되는 것을 억제시킬 수 있다.
태양열 흡수장치(150)에 의해 가열된 원수는 막증류 모듈(120)로 공급된다. 막증류 모듈(120)은 막증류분리막(121)에 원수, 냉각수가 직접 접촉하는 직접접촉식(direct contact membrane distillation, DCMD), 막증류분리막(121)과 냉각수 사이에 공기층(air gap)(도 3의 도면부호 124)이 구비되는 공기간극식(air gap membrane distillation, AGMD)(도 3 참조) 또는 진공식(vacuum membrane distillation: VMD), 기체순환식(sweep gas membrane distillation: SGMD) 등으로 구성될 수 있는데, 이하의 설명에서는 설명의 편의상 직접접촉식 막증류 장치를 기준으로 설명하기로 한다.
태양열 흡수장치(150)에 의해 가열된 원수 예를 들어, 40∼70℃의 원수는 원수공급배관(11)을 거쳐 막증류 모듈(120)의 원수유로(122)로 공급된다. 이와 동시에 막증류 모듈(120)의 냉각수유로(123)에는 냉각수조(130)의 냉각수가 공급된다. 이 때, 냉각수는 냉각장치(140)를 통해 약 20℃의 상온으로 조절될 수 있다. 막증류분리막(121)을 사이에 두고 원수와 냉각수가 접촉하면 원수와 냉각수 사이의 온도차에 의해 원수 내의 수분은 증발되어 막증류분리막(121)을 투과하여 냉각수유로(123)로 이동되며, 냉각수유로(123)로 이동된 처리수는 처리수배관(14)을 통해 냉각수조(130)로 이동되거나 처리수조로 이동된다. 또한, 처리수가 분리된 원수 즉, 농축수는 농축수배관(12)을 통해 원수조(110)로 이동된다.
이상, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치 및 이를 이용한 막증류 방법에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치 및 이를 이용한 막증류 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치는 원수조(110), 막증류모듈 및 냉각수조(130)를 포함하여 이루어진다.
상기 원수조(110)는 처리대상수인 원수를 저장함과 함께 원수를 막증류모듈로 공급하는 역할을 하며, 상기 냉각수조(130)는 냉각수를 막증류모듈에 공급함과 함께 막증류모듈에 의해 생산된 처리수를 집수하는 역할을 한다. 상기 막증류모듈은 원수와 냉각수 사이의 온도차에 의해 발생되는 증기압 분압차를 통해 원수의 증기가 막증류분리막(121)을 투과되도록 하여 원수로부터 처리수를 생산하는 역할을 한다.
원수조(110)와 막증류모듈 사이에는 원수공급배관(11), 농축수배관(12)이 구비되며, 냉각수조(130)와 막증류모듈 사이에는 냉각수공급배관(13), 처리수배관(14)이 구비된다. 원수공급배관(11)을 통해 원수조(110)의 원수가 막증류모듈로 공급되며, 원수로부터 처리수가 분리된 농축수는 농축수배관(12)을 통해 원수조(110)로 이동된다. 또한, 냉각수공급배관(13)을 통해 냉각수조(130)의 냉각수가 막증류모듈로 공급되며, 막증류모듈에 의해 생산된 처리수 즉, 원수로부터 분리된 처리수는 처리수배관(14)을 통해 냉각수조(130)로 이동된다. 상기 냉각수조(130)의 일측에는 냉각수조(130) 내의 냉각수를 냉각시키는 냉각장치(140)가 구비될 수 있다.
상기 막증류모듈에 의한 처리수 생산이 가능하기 위해서는 즉, 막증류모듈에 의한 막증류공정이 가능하기 위해서는 원수의 온도가 냉각수의 온도보다 높아야 하며, 따라서 원수는 일정 온도 이상으로 가열될 필요가 있다.
원수의 가열을 위해 상기 원수조(110)에 태양열 흡수장치(210)가 구비된다. 구체적으로, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 원수조(110)의 상면 상에 태양열 흡수장치(210)가 구비된다. 상기 태양열 흡수장치(210)는 태양열을 집열하여 원수조(110)를 가열하는 것으로서, 세부적으로 금속판(211)과 태양열 흡수체(212)로 구성된다.
상기 금속판(211)은 원수조(110)의 상면 상에 장착되어 태양열 흡수체(212)의 안착공간을 제공하며, 태양열을 집열하여 집열된 태양열이 태양열 흡수체(212)에 의해 흡수되도록 가이드하는 역할을 한다. 이와 함께, 상기 금속판(211)은 태양열 흡수체(212)에 의해 흡수된 태양열을 원수조(110)에 전달하는 역할을 한다.
태양열 흡수체(212)의 안착공간을 제공함과 함께 태양열의 집열을 위해, 금속판(211)의 중앙부에는 테이퍼(taper) 형상의 홈부(211a)가 구비되며 상기 홈부(211a)에 태양열 흡수체(212)가 안착된다. 금속판(211)의 중앙부에 마련된 홈부(211a)가 테이퍼 형상을 이룸에 따라 태양열이 효과적으로 집열되며, 집열된 태양열은 태양열 흡수체(212)에 의해 효과적으로 흡수된다.
상기 금속판(211)은 열전도율이 우수한 금속 예를 들어, 구리, 알루미늄 재질 등으로 구성할 수 있으며, 원수조(110)의 가열효과를 높이기 위해 상기 금속판(211)은 원수조(110) 상면의 전면 상에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 태양열 흡수체(212)는 태양열을 흡수하여 금속판(211)을 통해 원수조(110)로 흡수된 태양열을 전달하는 것으로서, 상기 태양열 흡수체(212)는 Ti층 상에 MgF2층이 구비된 이른 바, Ti-MgF2 이중층이 반복 적층된 구조를 이룬다. 상기 MgF2층은 유전체로 적외선 흡수율이 우수한 특성을 갖고 있으며, Ti층은 MgF2층에 의해 흡수된 적외선의 열을 전달하는 역할을 한다. Ti-MgF2 이중층의 반복 적층 형태로 태양열 흡수체(212)를 구성함으로써 태양열의 적외선 흡광효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 원수조(110)를 효과적으로 가열할 수 있다. 일 실시예로, Ti-MgF2 이중층에 있어서 Ti층은 10nm, MgF2층은 320nm의 두께로 제작할 수 있으며, Ti-MgF2 이중층을 10번 반복 적층하여 태양열 흡수체(212)를 완성할 수 있다.
상술한 바와 같은 태양열 흡수장치(210) 즉, 금속판(211)과 태양열 흡수체(212)로 구성되는 태양열 흡수장치(210)는 원수조(110)의 상면 이외에 원수조(110)의 측면 상에도 장착할 수 있다.
상기 태양열 흡수장치(210)를 통해 원수조(110)의 원수를 효과적으로 가열할 수 있으며, 이를 통해 원수와 냉각수 사이의 온도차를 유도하여 막증류모듈에 의해 막증류 공정이 가능하게 된다.
한편, 원수의 가열이 태양열 흡수장치(210)에 의해 이루어짐에 따라, 일몰시간에 가까워질수록 태양열은 약해지고 이로 인해 원수와 냉각수 사이의 온도차는 점차 줄어들게 된다. 즉, 일몰시간에 가까워질수록 원수조(110) 내의 원수 온도가 낮아지고, 이에 따라 원수와 냉각수 사이의 온도차가 줄어들어 막증류 효율이 저하되거나 막증류 공정 자체의 수행이 어렵게 된다. 이는 원수의 가열이 태양열에 의한 가열임에 기인한다.
일몰시간에 가까워져 태양열이 약해지더라도 막증류 공정의 원활한 진행이 가능하도록 하기 위해, 상기 원수조(110)의 일측에 상변화물질(220)이 구비된다.
상기 상변화물질(PCM, phase change material)은 고체와 액체 사이에서 상(phase)이 변하는 물질로서, 녹는점 이하에서는 고체로 존재하고 녹는점 이상에서는 액체로 존재하는 물질이며, 녹는점 이상의 액체 상태에서는 열을 흡수하여 저장하고 녹는점 이하에서는 저장된 열을 방출하는 특성을 갖는다. 따라서, 상변화물질을 통해 주변 환경을 일정 온도 이상으로 유지시키는 것이 가능하다.
이를 본 발명에 적용하면, 상변화물질을 통해 일몰 등의 일조환경 변화에 의해 원수의 온도가 급격하게 저하시키는 것을 억제시킬 수 있으며, 궁극적으로 상변화물질을 통해 원수와 냉각수 사이의 온도차가 유지되는 시간을 증가시켜 막증류 공정의 가능시간 및 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 상변화물질은 구체적으로 다음과 같은 구성으로 원수조(110)에 구비된다. 상변화물질이 원수조(110)에 구비되는 구성은 2가지 실시예로 구분된다. 첫 번째 실시예는, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 원수조(110)의 내측면(111)으로부터 이격된 위치에 내측벽(112)이 구비되고, 내측면(111)과 내측벽(112) 사이의 공간에 상변화물질(220)이 구비되는 구성이다. 내측면(111)과 내측벽(112) 사이의 공간은 원수조(110)의 원수가 구비되는 공간과 분리되며, 이에 따라 내측면(111)과 내측벽(112) 사이에 존재하는 상변화물질(220)이 원수조(110)의 원수가 구비되는 공간으로 유출되지 않는다. 이러한 구성은 원수조(110)의 둘레를 상변화물질(220)이 감싸는 형태이다. 상변화물질(220)이 원수가 저장되어 있는 원수조(110)의 둘레를 감싸는 형태로 구비됨에 따라, 원수로부터 열 흡수 및 원수로의 열 방출이 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 내측면(111)과 내측벽(112) 사이에 구비되는 상변화물질(220)은 에멀전(emulsion) 또는 캡슐(capsule) 형태로 구비될 수 있다. 즉, 상변화물질이 유체에 에멀전 형태로 용해된 형태로 구비되거나 상변화물질 캡슐이 유체에 분산된 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 상변화물질 캡슐은 상변화물질이 캡슐화된 캡슐을 일컫는다.
두 번째 실시예로, 원수조(110)의 원수에 직접 상변화물질 캡슐을 투입할 수도 있다. 이 경우, 상변화물질 캡슐이 원수조(110)로부터 유실되는 것을 방지하기 위해 원수조(110)의 입구 및 출구측에 배플(baffle) 등을 설치할 수 있다.
한편, 상술한 두 가지 실시예 형태로 원수조(110)에 구비되는 상변화물질은 막증류 공정에 최적화되어야 한다. 상변화물질의 녹는점은 물질에 따라 -10℃∼60℃의 녹는점을 갖고 있는 것으로 알려져 있다. 막증류 공정에서 사용되는 냉각수가 상온 상태의 물임을 고려하면, 본 발명의 원수조(110)에 적용되는 상변화물질은 녹는점 20∼60℃의 상변화물질을 적용할 수 있다. 또한, 상변화물질(PCM)은 유기 PCM, 무기 PCM, 공융 PCM으로 분류되는데, 분류와 무관하게 녹는점 20∼60℃의 상변화물질을 본 발명의 원수조(110)에 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치의 전체적인 구성에 대해 설명하였다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 방법은 다음과 같이 진행된다.
먼저, 원수조(110)에 처리대상수인 원수가 공급되어 저장된다. 원수조(110)의 상면에는 금속판(211)과 태양열 흡수체(212)로 구성되는 태양열 흡수장치(210)가 구비되고, 원수조(110)의 내측면(111)과 내측벽(112) 사이에는 상변화물질이 구비되는 구조 하에, 태양열 흡수장치(210)에 의한 태양열 집열, 흡수 및 전달에 의해 원수조(110)의 원수가 가열되며, 원수의 온도가 일정 온도 이상으로 상승되면 상변화물질이 원수의 열을 흡수하여 축열한다.
세부적으로, 금속판(211)에 구비된 테이퍼 형상의 홈부(211a)가 태양열을 집열하고, 홈부(211a)에 안착된 태양열 흡수체(212)가 집열된 태양열을 흡수하며, 태양열 흡수체(212)에 의해 흡수된 태양열은 금속판(211)을 거쳐 원수조(110)의 원수로 전달되어 원수가 태양열에 의해 가열된다.
원수조(110)에 다양한 형태(상술한 두 가지 실시예)로 구비되는 상변화물질은 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점 이상으로 상승하면 원수의 열을 흡수하여 축열하고, 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점 이하로 하강하면 축열되어 있는 열을 방출한다. 이러한 상변화물질의 동작에 의해 원수의 온도가 급격히 하강되는 것을 억제시킬 수 있다.
태양열 흡수장치(210)에 의해 가열된 원수는 막증류 모듈(120)로 공급된다. 막증류 모듈(120)은 막증류분리막(121)에 원수, 냉각수가 직접 접촉하는 직접접촉식(direct contact membrane distillation, DCMD), 막증류분리막(121)과 냉각수 사이에 공기층(air gap)(도 6의 도면부호 124)이 구비되는 공기간극식(air gap membrane distillation, AGMD)(도 6 참조) 또는 진공식(vacuum membrane distillation: VMD), 기체순환식(sweep gas membrane distillation: SGMD) 등으로 구성될 수 있는데, 이하의 설명에서는 설명의 편의상 직접접촉식 막증류 장치를 기준으로 설명하기로 한다.
태양열 흡수장치(210)에 의해 가열된 원수 예를 들어, 40∼70℃의 원수는 원수공급배관(11)을 거쳐 막증류 모듈(120)의 원수유로(122)로 공급된다. 이와 동시에 막증류 모듈(120)의 냉각수유로(123)에는 냉각수조(130)의 냉각수가 공급된다. 이 때, 냉각수는 냉각장치(140)를 통해 약 20℃의 상온으로 조절될 수 있다. 막증류분리막(121)을 사이에 두고 원수와 냉각수가 접촉하면 원수와 냉각수 사이의 온도차에 의해 원수 내의 수분은 증발되어 막증류분리막(121)을 투과하여 냉각수유로(123)로 이동되며, 냉각수유로(123)로 이동된 처리수는 처리수배관(14)을 통해 냉각수조(130)로 이동되거나 처리수조로 이동된다. 또한, 처리수가 분리된 원수 즉, 농축수는 농축수배관(12)을 통해 원수조(110)로 이동된다.
이상, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
<실험예 1 : 태양열 흡수장치에 의한 원수 가열특성>
태양열 흡수장치가 적용된 원수조와 태양열 흡수장치가 구비되지 않은 원수조를 대상으로 태양열에 의한 원수 가열특성을 살펴보았다. 63.53cm2의 집광 면적을 갖는 태양열 흡수체를 배치하고 태양열 흡수체 아래 채널에 190ml 용량의 물을 채운 후, 1 sun의 태양복사(solar irradiation) 광을 조사하고 시간경과에 따른 수온 변화를 측정하였다. 실험에 이용된 태양열 흡수체는 10nm Ti층과 320nm MgF2층이 10번 교번 적층된 구조를 이룬다.
도 7을 참조하면, 태양열 흡수체가 없는 경우 수온은 태양광을 조사하기 전 25ㅀC 였으나, 태양광을 조사하고 1시간 후 40ㅀC로 상승하였다. 반면 태양열 흡수체가 배치된 경우는 태양광을 조사하기 전 가열부의 수온은 25.0ㅀC로 동일하였으나, 태양광을 조사하고 34분 만에 40.0ㅀC가 되어 2배 정도 빠르게 수온이 상승하여, 태양열 흡수체의 집열효율이 매우 높음을 알 수 있다.
<실험예 2 : 태양열 흡수장치를 적용한 막증류 장치의 막증류 효율>
기존의 태양열 집열기(solar collector)가 적용된 막증류 장치와 본 발명에 따른 태양열 흡수체(solar absorber)가 적용된 막증류 장치를 대상으로 막증류 효율을 살펴보았다.
도 8을 참조하면, 오전 10시에서 오후 6시까지 8시간 동안 본 발명의 태양열 흡수체를 배치한 막증류 장치의 처리수 생산량은 평균 9.0 L/mabs 2 ■hr 이었으며, 기존의 집열기를 배치한 막증류장치의 처리수 생산량은 4.2 L/mabs 2 ■hr를 나타내었다. 따라서, 본 발명의 태양열 흡수체의 높은 집열효율로 인하여 처리수 생산량도 매우 높음을 알 수 있다.
11 : 원수공급배관 12 : 농축수배관
13 : 냉각수공급배관 14 : 처리수배관
110 : 원수조 111 : 원수조의 내측면
112 : 원수조의 내측벽 120 : 막증류 모듈
121 : 막증류분리막 122 : 원수유로
123 : 냉각수유로 124 : 공기층
130 : 냉각수조 140 : 냉각장치
160 : 원수순환배관 161 : 원수저류유로
150, 210 : 태양열 흡수장치
151, 211 : 금속판
211a : 홈부
152, 212 : 태양열 흡수체
170, 220 : 상변화물질

Claims (14)

  1. 원수조의 원수를 순환시키는 원수순환배관;
    원수순환배관의 일측에 구비되어 원수순환배관 내의 원수를 가열하는 태양열 흡수장치;
    태양열 흡수장치에 의해 가열된 원수를 원수순환배관을 통해 공급받아, 원수를 막증류 모듈에 공급하는 원수조;
    막증류 공정을 통해 원수로부터 처리수를 생산하는 막증류 모듈; 및
    막증류 모듈에 냉각수를 공급함과 함께 막증류 모듈에 의해 생산된 처리수를 집수하는 냉각수조;를 포함하여 이루어지며,
    상기 원수조의 일측에 상변화물질이 구비되며,
    상기 상변화물질은 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점 이상인 경우 원수의 열을 흡수하여 축열하며, 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점보다 낮은 경우 축열된 열을 방출하는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 원수순환배관의 일 구간에 원수저류유로가 구비되며, 상기 원수저류유로 상에 태양열 흡수장치가 구비되며,
    상기 태양열 흡수장치는, 원수저류유로 상에 구비되어 태양열 흡수체에 의해 흡수된 태양열을 원수저류유로의 원수에 열전달하는 금속판과, 금속판 상에 구비되어 태양열을 흡수하는 태양열 흡수체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  3. 삭제
  4. 태양열 흡수장치를 구비하며, 태양열 흡수장치에 의해 가열된 원수를 막증류 모듈에 공급하는 원수조;
    막증류 공정을 통해 원수로부터 처리수를 생산하는 막증류 모듈; 및
    막증류 모듈에 냉각수를 공급함과 함께 막증류 모듈에 의해 생산된 처리수를 집수하는 냉각수조;를 포함하여 이루어지며,
    상기 태양열 흡수장치는 원수조의 상면 또는 측면에 구비되며,
    상기 원수조의 일측에 상변화물질이 구비되며,
    상기 상변화물질은 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점 이상인 경우 원수의 열을 흡수하여 축열하며, 원수의 온도가 상변화물질의 녹는점보다 낮은 경우 축열된 열을 방출하는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 태양열 흡수장치는,
    원수조의 상면 또는 측면 상에 장착되어 태양열 흡수체의 안착공간을 제공함과 함께 태양열을 집열하는 금속판과, 금속판의 홈부에 구비되어 집열된 태양열을 흡수하는 태양열 흡수체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  7. 제 2 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 태양열 흡수체는, Ti층 상에 MgF2층이 구비된 Ti-MgF2 이중층이 복수번 반복 적층된 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 금속판의 중앙부에 테이퍼(taper) 형상의 홈부가 구비되며 상기 홈부에 태양열 흡수체가 안착되는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 원수조의 내측면으로부터 이격된 위치에 내측벽이 구비되고, 내측면과 내측벽 사이의 공간에 상변화물질이 구비되며,
    내측면과 내측벽 사이에 구비된 상변화물질이 원수조의 원수를 둘러쌓는 형태이며,
    내측면과 내측벽 사이의 공간과 원수조의 원수가 구비되는 공간은 공간적으로 분리된 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 상변화물질은 유체에 에멀전 형태로 용해된 형태로 구비되거나, 상변화물질 캡슐이 유체에 분산된 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 원수조의 원수에 상변화물질 캡슐이 분산된 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 상변화물질의 녹는점은 냉각수의 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 녹는점 20∼60℃의 상변화물질이 원수조에 적용되는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 막증류 모듈은 직접접촉식(direct contact membrane distillation, DCMD), 공기간극식(air gap membrane distillation, AGMD), 진공식(vacuum membrane distillation, VMD), 기체순환식(sweep gas membrane distillation, SGMD) 중 어느 한 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 흡수체를 이용한 막증류 장치.
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