KR102250944B1

KR102250944B1 - 전기투석과 축전식전기흡착 탈염공정이 결합된 복합 전기화학적 기수담수화 시스템

Info

Publication number: KR102250944B1
Application number: KR1020200060247A
Authority: KR
Inventors: 노현철; 권태옥; 진채현
Original assignee: 죽암건설 주식회사
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-05-12

Abstract

본 발명은 전기 탈염 기술로서 전단에 전기투석막법을 이용하여 고농도 유입 TDS 농도를 1차로 저감시킨 탈염수를 후단에 축전식 전기흡착법의 유입수로 적용한 다단 복합공정을 구축하여 경제적이면서 효율적으로 최종 처리수의 TDS 농도 500 mg/L 이하의 담수 수질 수준까지 처리할 수 있도록 한 전기투석과 축전식전기흡착 탈염공정이 결합된 복합 전기화학적 기수담수화 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 원수가 저장되는 원수탱크; 상기 원수탱크와 회분식 순환으로 원수가 유입되고 전기투석(Electro Dialysis) 방식을 통해 상기 원수탱크에 저장된 원수의 염 농도를 1차 탈염시키면서 원수로부터 탈염 처리되는 농축수를 분리 배출하는 ED처리부; 및 상기 ED처리부에 의해 염 농도가 1차 탈염 처리된 원수탱크의 탈염수가 유입되며 축전식 전기흡착 방식을 통해 유입된 탈염수로부터 잔존 이온을 기설정된 최종 목표수질까지 흡/탈착하고 그 처리수를 외부로 배출하는 CDI처리부;를 포함하는 것이 특징이다.

Description

전기투석과 축전식전기흡착 탈염공정이 결합된 복합 전기화학적 기수담수화 시스템{Composite electrochemical brackish water desalination system combining electrodialysis and capacitive deionization process}

본 발명은 전기 탈염 기술로서 전단에 전기투석막법을 이용하여 고농도 유입 TDS 농도를 1차로 저감시킨 탈염수를 후단에 축전식 전기흡착법의 유입수로 적용한 다단 복합공정을 구축하여 경제적이면서 효율적으로 최종 처리수의 TDS 농도 500 mg/L 이하의 담수 수질 수준까지 처리할 수 있도록 한 전기투석과 축전식전기흡착 탈염공정이 결합된 복합 전기화학적 기수담수화 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 염 농도를 기준으로 분류시 총용존물질(TDS) 농도가 약 1,000 mg/L 이하는 담수(Fresh water), 약 1,000 ~ 10,000 mg/L 이면 기수(Brackish water), 약 10,000 ~ 50,000 mg/L 이면 해수로 분류한다.

이 중 가장 많은 수자원을 필요로 하는 생활용수 및 농업용수로 사용되기 위해서는 TDS기준 약 1,000 mg/L이하의 담수 수준의 수질이 필요로 하며, 수중에 용존되어 있는 무기 이온을 제거하는 기술을 담수화 기술 또는 담수화 공정이라고 한다.

담수에 비해 용존 이온 농도가 높은 기수와 해수를 처리하는 담수화 기술은 주로 증발법, 역삼투막법, 전기투석막법, 증기압축법, 축전식 전기흡착법 등이 널리 알려져 있으며, TDS 20,000 mg/L 이상 고농도의 해수영역 담수화 기술의 경우 증발법과 역삼투막법이 가장 보편적으로 사용되고 있다.

상기 증발법은 가장 오래된 기술로서 대표적 물부족 국가인 중동지역을 중심으로 널리 상용화되어 적용실적이 가장 많은 기술로 알려져 있으며, 역삼투막법은 지속적인 고분자 분리막 소재의 개선을 통해 고압에서 견딜 수 있는 삼투막 개발과 에너지 회수장치의 개발을 통해 분리막 가격이 낮아지면서 기존 증발법 대비 에너지 소모율이 낮아 최근 담수화 공정 적용실적이 급격히 증가하고 있는 기술로, 이러한 증발법과 역삼투막 공정 모두 유기물과 무기물을 동시에 제거할 수 있는 장점으로 인해 폭넓게 적용되고 있는 실정이다.

그러나 증발법은 물의 끓는점(비점) 이상의 온도를 가해 발생되는 증기를 회수/응축하는 기술로 오랫동안 적용되어온 기술이지만 주변에서 열원을 손쉽게 얻기 어려운 곳에서는 높은 에너지 소모율로 적용에 한계가 있으며, 고농도의 물을 증발시 스케일 형성에 의한 배관의 손상과 열효율 저하의 문제점이 있다.

그리고 역삼투막법은 증발법과 달리 상온에서 상변화를 동반하지 않는 기술로 비교적 단순하지만 역삼투의 원리로 인해 삼투압 이상의 고압을 이용하여 물과 기타 유기물 및 무기물을 분리함으로 운전에너지가 높고, 무기성 이온뿐만 아니라 유기물이 동시에 제거되는 원리로 인해 막오염이 높은 단점이 있으므로 인하여 실제 현장에서는 잦은 화학적 세정 과정을 반복하면서 분리막 재질의 열화 현상 등으로 인해 연간 처리수질이 약 10% 정도씩 저하됨으로 분리막 교체 주기가 빨라져 운영비용을 상승시키는 문제점이 있다.

특히 상기 증발법과 역삼투막법은 탈염 원리가 일반적인 해수농도인 35,000 mg/L를 기준으로 할 때 염수전체의 3.5%에 불과한 이온을 제거하기 위해 대다수를 차지하는 96.5%의 물을 끓이거나 분리막으로 여과시킴으로 인해 여전히 비효율적 기술로 알려져 있다.

한편 근래 들어 전기 탈염 기술로서 전기투석막법 또는 축전식 전기흡착법이 개시되었는 바, 이러한 전기 탈염 기술의 경우 염수를 이루는 약 3.5%의 이온만을 제거하여 탈염하는 기술로 96.5%를 이동시키는 증발법 또는 역삼투막법에 비해 에너지 운용측면에서 우수하며, 전기장을 이용하여 전하를 띄는 이온들만 선택적으로 분리하는 원리를 가지고 기존 증발법 및 역삼투막법 대비 유기물에 의한 오염 현상이 현저히 낮은 장점이 있다.

뿐만 아니라 최대 45 ~ 70%의 낮은 처리수 회수율을 가지는 역삼투막법과 비교 시 전기투석막법 또는 축전식 전기흡착법은 80% 이상의 높은 회수율을 가질 수 있으며, 공급 전위의 조정을 통해 원하는 처리 수질을 자유롭게 조절할 수 있는 장점이 있다.

그러나 종래 전기 탈염 기술은 높은 처리수 회수율, 용이한 처리수질의 조절에도 불구하고 전기투석막법의 경우 TDS 농도가 높은 경우(35,000 mg/L)에는 전기장에 의해 이온들을 이동시켜 탈염이 이루어지는 원리로 인해 유입수의 농도가 높아질수록 높은 전기장 형성을 위한 에너지 비용이 증가하게 되고, 농도가 낮은 경우에는 용액의 전기저항이 증가하여 역시 에너지 소모량이 증가하게 된다. 따라서 높은 염농도에서 담수 수질 기준인 1,000 mg/L 이하로 한번에 처리 시 전류효율이 80% 이하로 저하되어 다단 처리가 필요하게 되며, 축전식 전기흡착법의 경우 현재 기술수준인 15 mg(NaCl)/g(활성탄)내외의 단위 모듈 흡착 용량의 한계로 인해 유입수의 염농도가 높거나 한번에 제거해야할 이온의 양이 많을 경우 적용 모듈 수량이 증가하는 등 역삼투막 공정대비 효율이 불리하게 나타날 수 있다.

이로 인해 일반적으로 전기투석막법의 경우 가장 경제적인 유입수의 농도는 1,000 ~ 20,000 mg/L 이하, 축전식 전기흡착법은 2,000 mg/L 이하의 조건하에서 역삼투막법 대비 상대적으로 효율이 우수하다고 알려져 있다.

이처럼 기존 증발법과 역삼투막법은 물론 전기 탈염 기술 모두는 단위 공정기술로서는 높은 에너지 소모율과 낮은 처리수 회수율, 그리고 스케일 형성과 유기물에 의한 오염 현상으로 인한 배관 폐색, 분리막 교체로 인한 유지관리비 상승, 고 염도에서의 전기투석 공정의 에너지 소모량 증가 및 저 염도에서의 전류효율의 저하문제, 탄소전극의 제한된 흡착량으로 인한 축전식 전기흡착 공정의 단점을 해결할 수 없다.

대한민국 공개특허 제10-2015-0085983호(2015.07.27.)

따라서 본 발명의 목적은, 기수영역의 효과적 탈염에 있어 각각의 전기 탈염 기술 단위공정의 단점을 극복하고 장점을 극대화시키기 위해 전기투석과 축전식 전기흡착 공정을 결합한 복합공정을 구성함으로써 기수영역의 고농도 유입 TDS 농도를 전단 전기투석막 공정이 높은 효율을 유지할 수 있는 최소 한계농도, 그리고 후단의 축전식 전기흡착법을 적용할 수 있는 최대 한계농도 범위인 1,000 mg/L까지 1차 저감시킨 희석수를 후단 축전식 전기흡착법의 유입수로 적용한 단계별 복합처리 공정을 구축하여 20,000 mg/L 이하의 기수를 경제적이면서 효율적으로 최종 TDS 농도 500 mg/L 이하의 담수 수질 수준까지 처리할 수 있도록 한 전기투석과 축전식 전기흡착 탈염공정이 결합된 복합 전기화학적 기수담수화 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제에 의한 전기투석과 축전식전기흡착 탈염공정이 결합된 복합 전기화학적 기수담수화 시스템(이하 '본 발명의 시스템'이라 함)은, 원수가 저장되는 원수탱크; 상기 원수탱크와 회분식 순환으로 원수가 유입되고 전기투석(Electro Dialysis) 방식을 통해 상기 원수탱크에 저장된 원수의 염 농도를 1차 탈염시키면서 원수로부터 탈염 처리되는 농축수를 분리 배출하는 ED처리부; 및 상기 ED처리부에 의해 염 농도가 1차 탈염 처리된 원수탱크의 탈염수가 유입되며 축전식 전기흡착 방식을 통해 유입된 탈염수로부터 잔존 이온을 기설정된 최종 목표수질까지 흡/탈착하고 그 처리수를 외부로 배출하는 CDI처리부;를 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 ED처리부는, 양이온 선택투과막 또는 음이온 선택투과막을 통해 탈염조와 농축조가 상호 하나 이상씩 교대로 구획되는 ED처리조; 상기 탈염조와 상기 원수탱크 간에 연결되어 원수탱크의 원수가 탈염조를 거쳐 순환 및 탈염되도록 하는 탈염수 순환라인; 및 상기 농축조의 탈염 과정에서 발생하는 농축수를 저장하는 농축수탱크;를 포함하며, 상기 농축수탱크는, 내부공간에서 기설정된 높이보다 상대적으로 높은 위치의 농축수가 자연 배출되도록 상단에 마련되는 오버 플로우 수단과, 상기 오버 플로우 수단에서 배출되는 최종 농축수를 외부로 배출시키는 배출관을 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 ED처리부는, 상기 농축조와 상기 농축수탱크 간에 연결되어 농축수탱크의 농축수가 농축조를 거쳐 순환 및 농축되도록 하는 농축수 순환라인; 상기 ED처리조의 운전을 제어하고 상기 탈염수 순환라인 및 상기 농축수 순환라인의 순환 작동을 제어하는 제어부; 및 상기 탈염수 순환라인 및 상기 농축수 순환라인의 각 유입단에 양단이 각각 연통되는 제어관과, 상기 제어관의 양단에 각각 장착되어 상기 탈염조와 농축조로 유입되는 유체의 흐름을 제어하는 제 1밸브 및 제 2밸브를 포함하는 농도조절 유닛;을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 탈염조와 농축조의 염 농도에 기반하여 설정된 시간 또는 탈염조와 농축조의 염 농도차를 분석하고 분석한 염 농도차가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 농도조절신호를 출력하고, 상기 농축수탱크의 순환을 정지 또는 유지시키면서 상기 원수탱크의 탈염수가 농축실로 유입되도록 상기 농도조절 유닛을 제어하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 CDI처리부는, 탈염 과정에서 발생하는 재생농축수를 상기 원수탱크로 반송하도록 구성되는 것이 특징이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 시스템은, 전기 탈염 기술로서 전단에 전기투석막법을 이용하여 유입수의 고농도 TDS 농도를 저감시킨 1차 탈염수를 후단에 후단에 축전식 전기흡착법의 유입수로 적용한 다단 복합공정을 구축하여 경제적이면서 효율적으로 최종 처리수의 TDS 농도를 500 mg/L 이하의 담수 수질 수준까지 처리할 수 있도록 한다.

이에 따라 역삼투막 공정(처리수 회수율 45~70%) 대비 처리수 회수율을 95% 이상 달성이 가능하며, 축전식 전기흡착공정(CDI)에서 발생되는 재생농축수를 ED처리부의 탈염 순환 과정에 반송 처리하여 CDI처리부의 농축수 외부 배출이 없고, ED처리부의 탈염조에서 탈염되는 이온과 함께 농축조로 이동하는 소량의 물만 최종 농축수로 배출되게 함으로써 농축수 발생량을 획기적으로 저감할 수 있는 효과가 있다.

또한 ED처리조의 농축조에 대한 농도가 일정하게 유지되도록 조정하는 농도조절 유닛을 마련함으로써, 농축수 농도 증가에 따른 역확산 현상(Back Diffusion)과 이로 인한 탈염 효율 저하 및 스케일 형성과 부식 등이 방지될 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라 염수 중에 존재하는 이온성 무기오염물만 전기적 인력에 의해 이동(흡착) 제거함으로써 무기물과 유기물이 동시에 제거되는 역삼투막법에 비해 유기물에 의한 Fouling 또는 분리막 기공폐색(pore plugging) 현상이 현저히 저감되는 효과가 있다.

이에 더하여 ED처리조의 농축조 부피를 탈염조 순환 속도(유량)와 동일하게 최소로 운영 가능하며 탈염조의 크기를 후단 CDI공정 흡착과정 필요 용량만큼 최소 구성함으로써 ED설비의 모듈 용량 및 탈염조의 부피를 최소화 할 수 있게 되며, ED 탈염조는 CDI 유입수조로 동시에 이용가능 함으로써 별도의 CDI 유입수조 운영이 필요 없어 전체 공정의 반응조 수와 용량을 줄임 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1a은 본 발명의 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 1b는 본 발명의 시스템에 의한 복합 탈염 과정을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 ED처리부의 작동 상태를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 농도조절 유닛을 나타내는 도면.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 농도조절 유닛의 작동 상태를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 농축수탱크의 무동력 오버플로우 자연 배출수단을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CDI처리부의 작동 상태를 나타내는 도면.
도 7은 농축조의 염 농도에 따른 탈염조의 탈염 성능을 나타내는 실험결과 그래프.
도 8은 농축조 농도에 따른 탈염조 전류효율 변화를 나타내는 실험결과 그래프.
도 9는 공급전류 밀도증가에 따른 농축조 부피증가량을 나타내는 실험결과 그래프.

이하 본 발명의 실시 예들을 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면 본 발명의 시스템은 원수가 유입 및 저장되는 원수탱크(10)와, 전단에 구성되어 상기 원수탱크(10)의 고농도 원수에 대한 염 농도를 1차 탈염시키는 ED처리부(20) 및 상기 ED처리부(20)의 후단에 구성되어 ED처리부(20)에 의해 탈염된 1차 탈염수가 유입되고, 유입된 1차 탈염수를 최종 탈염 처리하는 CDI처리부(30)를 포함하여, 전기 탈염 복합 공정을 수행하게 된다.

상기 원수탱크(10)는 외부로부터 원수가 유입되어 이를 저장하며, 상기 ED처리부(20)와의 순환 과정에서 저장된 원수가 상기 ED처리부(20)에 유입되도록 한다.

여기서 상기 원수는 전처리 공정을 거친 원수일 수 있다.

상기 전처리 공정은 초미세기포의 주입을 통한 부상 원리를 이용하여 유분(Fat, Oils, Grease 등), 입자성 SS(Suspended solid), DAF(Dissolved Air Flotation), 유기물 등을 제거하는 DAF(Dissolved Air Flotation) 공정과, 비표면적이 높은 다공성 활성탄소제를 이용하여 용존성(Soluble) 유기물인 TOC(Total Organic Carbon), 색도성 오염물을 흡착 제거하는 ACF(Activated carbon Filter)공정 및 1um 이하 세공경에 가지는 분리막을 이용하여 상기 DAF 공정과 ACF 공정을 거친 처리수에 잔존하여 입자성 고형물질을 여과 분리하는 MF(Micro Filtration)공정 중 하나 또는 둘 이상이 조합된 공정을 포함할 수 있다.

상기 원수탱크(10)의 수용 용량과 구조 등은 처리시설의 규모와 환경 등에 적합하게 다양하게 구성될 수 있는 바 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기 ED처리부(20)는 탈염수 순환라인(210)과 탈염수 순환펌프(211)를 통해 상기 원수탱크(10)와의 용액 순환이 이루어지게 되며, 전기투석(Electro Dialysis)을 통해 원수탱크(10)에 저장된 원수의 염 농도를 감소시킨다.

이때 상기 ED처리부(20)와 원수탱크(10) 간의 순환은 회분식 순환(Batch Type)을 적용할 수 있으며, ED처리부(20)에 의해 염 농도가 저감된 1차 탈염수는 상기 CDI처리조(30)의 축전식 전기흡착을 이용한 최종 탈염 공정에 유입되도록 한다.

예를 들면, 상기 ED처리부(20)에서는 5,000 ~ 10,000 mg/L 범위의 기수 농도 염수를 축전식 전기흡착 공정에 있어 바람직한 처리 농도 범위인 TDS 1,000 mg/L까지 저감한 후 후단에 마련되는 CDI처리조(30)의 축전식 전기흡착 공정에 유입시켜 TDS 500 mg/L 이하의 최종 목표 담수 수질까지 처리할 수 있도록 한다.

그리고 상기 ED처리부(20)는 탈염 공정에서 발생하는 농축수를 저장하기 위한 농축수탱크(220)를 포함하고, 상기 농축수탱크(220)의 축적되는 농축수를 분리 배출할 수 있다.

도 3을 참조하면 상기 ED처리부(20)는 ED처리조(200), 탈염수 순환라인(210), 농축수탱크(220), 농축수 순환라인(230) 및 제어부(260)을 포함한다.

상기 ED처리조(200)는 양이온 선택투과막(206) 또는 음이온 선택투과막(205)을 통해 탈염조(201)와 농축조(202)가 상호 하나 이상씩 교대로 구획되어 있으며, 양단에서 공급되는 직류전원에 의해 형성되는 전기장을 구동력으로 하여 이온성 물질을 분리함으로써 탈염 공정을 수행하게 된다.

상기 탈염수 순환라인(210)은 상기 ED처리조(200)의 탈염조(201)와 상기 원수탱크(10) 간에 연결되어 원수탱크(10)의 원수가 탈염조(201)를 거쳐 순환 및 탈염되도록 한다.

상기 탈염수 순환라인(210)은 연결 위치와 구조 환경에 따라 복수의 순환관으로 구성될 수 있으며, 원수의 순환이 이루어질 수 있도록 하는 탈염수 순환펌프(211)를 포함한다.

상기 농축수탱크(220)는 상기 ED처리조(200)의 탈염조(201)에서 전기장에 의해 이온교환막을 통해 농축조(202)로 이동된 소량의 물과 고농도 이온 농축수를 저장한다.

상기 농축수 순환라인(230)은 상기 ED처리조(200)의 농축조(202)와 상기 농축수탱크(220) 간에 연결되어 농축수탱크(220)의 농축수가 농축조(202)를 거쳐 순환 및 농축되도록 한다.

상기 농축수 순환라인(230) 역시 연결 위치와 구조 환경에 따라 복수의 순환관으로 구성될 수 있으며, 농축수의 순환이 이루어질 수 있도록 하는 농축수 순환펌프(231)를 포함한다.

상기 제어부(260)는 상기 ED처리조(200)의 운전에 필요한 다양한 설정값들을 입력하여 설정되도록 함으로써 ED처리조(200)에 대한 일련의 작동을 제어할 뿐 아니라, 상기 탈염수 순환라인(210) 및 상기 농축수 순환라인(230) 등의 순환에 필요한 순환시기, 순환시간, 유속, 유량 등을 설정하고 이들의 작동을 제어한다.

구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이 상기 ED처리조(200)는 이격된 일측과 타측에 각각 양전극실(203)과 음전극실(204)이 배치되고, 그 사이 공간에는 음이온만이 투과되도록 하는 음이온 선택투과막(205)과 양이온만이 투과되도록 하는 양이온 선택투과막(206)이 일정 간격을 가지면서 교대 배치됨에 따라 상기 음이온 선택투과막(205)과 양이온 선택투과막(206) 간에 탈염조(201)와 농축조(202)가 교대로 배치될 수 있도록 한다.

상기 ED처리조(200)의 작동을 간략히 설명하자면, 상단에 마련되는 전해액순환탱크(240)에 수용된 전해액은 전해액 순환펌프(241)의 작동에 따라 상기 양전극실(203)과 음전극실(204) 간을 순환하게 되면서 외부로부터 공급되는 직류전원이 각 전극실에 인가됨으로써 이온성 물질의 분리를 위한 탈염 공정이 활성화된다.

그리고 상기 탈염수 순환펌프(211)의 작동으로 탈염수 순환라인(210)을 통해 원수탱크(10)의 원수가 상기 탈염조(201)를 통과하게 되면, 탈염 공정의 활성화에 의하여 원수에 존재하는 염 성분 이온성 물질들 중 양이온은 음전극실(204) 방향으로 이동하려 하고, 반대로 음이온의 경우 양전극실(203) 방향으로 이동하려는 성질을 갖게 된다.

이때 상기 탈염조(201)의 양이온 및 음이온은 각각 소량의 탈염수와 함께 양이온 선택투과막(206)과 음이온 선택투과막(205)을 투과하여 인접한 농축조(202)로 이동할 수 있지만, 농축조(202)로 이동한 양이온과 음이온은 서로 반대되는 선택적 투과막의 배치 구조로 인하여 농축조(202)에 그대로 남아있게 되며, 결과적으로 각 농축조(202)에서는 양이온과 음이온이 계속적으로 축적되고 설정된 시간마다 농축수 순환라인(230)에 의해 순환하게 되는 농축수에 합류하여 농축수탱크(220)에 유입된다.

이와 같은 탈염 공정의 반복으로 상기 농축수탱크(220)에 유입 및 저장되는 농축수는 지속적으로 농축이 이루어지게 되는 것이며, 상기 탈염조(201)에 의한 이온 분리를 통해 순환하는 원수는 점차 염 농도가 저감된 탈염수로 처리되는 것이다.

한편 상기 ED처리부(20)에 의한 탈염 공정을 수행하게 되면, 탈염조(201)의 농도는 시간이 증가함에 따라 지속적으로 감소하게 되면서 탈염조(201)의 농도가 감소한 만큼 농축조(202)로 이동한 이온들에 의해 농축조(202)의 염 농도는 상승하게 된다.

일반적으로 탈염조(201)에서 농축조(202)로 이온이 이동하면서 앞서 언급한 바와 같이 약 1% 내외로 소량의 물도 함께 투과되므로 탈염조(201)의 농도 감소와 정비례하여 농축조(202)의 농도가 증가하게 되지는 않으나, 일정 농도에 이르기까지는 증가하는 현상을 보이게 되며 이때 농축조(202)의 이온 농도는 10% 이상까지 증가하게 된다.

그러나 탈염 공정에 의해 탈염조(201)의 염 농도가 낮아지면서 농축조(202)의 염농도가 증가하게 되어 두 반응조(201, 202)간의 염 농도차(△C)가 일정 범위 이상 증가하게 되면, 도 7에 도시한 결과와 같이 농도차 또는 농도분극(Concentration Polarization)에 의한 역확산 현상(Back Diffusion)이 발생하게 되고, 이로 인한 영향으로 탈염조(201)에서의 탈염 효율이 저하하게 된다.

뿐만 아니라 농축조(202)의 염 농도가 증가하게 되면, 상기 농축수 순환라인(230)을 구성하는 배관 및 농축수 순환펌프(231) 등에 고농도 염에 의한 스케일 형성과 부식이 발생할 수 있는 바, 탈염조(201) 및 농축조(202) 간의 지나친 염 농도차는 설비의 안정성 문제와 효율 저하 문제에 중요한 요소로 작용하게 된다.

여기서 도 7은 농축조 염농도에 따른 탈염조 탈염 성능 비교를 나타내는 그래프로, 실험 조건은 아래와 같다.

(Membrane area : 250 cm2, Co : 5,000 mg/L, Flow rate : 200 ml/min, Current density : 10 mA/cm2)

이에 본 발명의 ED처리부(20)는 탈염조(201)의 낮은 염 농도 용액 즉 탈염수를 농축조(202)로 주입하여 농축조(202) 순환용액의 농도를 저감 또는 일정하게 유지되도록 하는 농도조절 유닛(270)을 더 포함한다.

상기 농도조절 유닛(270)은 타이머와 같이 일정 시간마다 작동되는 것일 수 있으나, 상기 농축조(202)를 순환하게 되는 농축수의 농도가 일정 이상 범위로 상승됨을 감지하고 이에 반응하여 작동되게 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 농도조절 유닛(270)은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 탈염수 순환라인(220) 및 상기 농축수 순환라인(230)의 각 유입단 즉 탈염조(201)와 농축조(202)의 유입구에 인접한 각 배관에 양단이 각각 연통되는 제어관(271)과, 상기 제어관(271)의 양단에 각각 장착되어 상기 탈염조(201)와 농축조(202)로 유입되는 유체의 흐름을 제어하는 제 1밸브(272) 및 제 2밸브(273)를 포함한다.

그리고 상기 제어부(260)는 상기 탈염조(201)와 농축조(202)의 염 농도에 기반하여 설정된 시간 또는 농축조(202) 순환 용액의 설정 농도기준에 의해 상기 원수탱크(10)의 탈염수가 농축조(202)로 유입되도록 상기 농도조절 유닛(270)을 제어하게 된다.

여기서 상기 제어부(260)은 도면에 도시된 바 없으나 탈염조(201) 및 농축조(202)에 마련되어 탈염조(201) 및 농축조(202)를 각각 순환하는 희석수와 농축수의 염 농도를 계측하기 위한 계측 센서를 포함하여 상기 탈염조(201)와 농축조(202)의 염 농도차를 분석할 수 있으며, 분석한 염 농도차가 기설정된 기준 범위를 초과하는 경우 농도조절신호를 출력하고 이를 기반으로 상기 농도조절 유닛(270)을 제어할 수 있다.

즉 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 탈염조(201)와 농축조(202)의 염 농도차가 정상 범위 이내에서는 각각 탈염수와 농축수의 순환을 유지하다가, 염 농도차가 기설정된 정상 범위를 초과하게 되면 농축수의 순환을 일시 정지 또는 유지시키면서 상기 제 1밸브(272)와 제 2밸브(273)를 작동시켜 탈염수의 유입 경로를 변경시킴으로써 상기 탈염수가 농축조(202)로 소량 주입되게 하여 농축조(202)에 대한 염 농도 밸런싱을 조정하게 되는 것이다.

이처럼 본 발명에서는 상기 농도조절 유닛(270)을 마련하여 농축조(202)를 순환하게 되는 농축수의 염 농도를 설정된 농도값 이하로 낮춰줌으로써 두 반응조 간의 염 농도차(△C) 증가를 억제하여 앞서 언급한 농도분극에 의한 역확산 현상(Back Diffusion) 영향을 최소화하고 전류 효율을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

뿐만 아니라 상기 ED처리부(20)의 효율적인 운용으로 일정한 농도가 유지되는 탈염수를 생산할 수 있게 되는 바, 후단에 연계되는 CDI처리부(30)에서 안정적인 1차 탈염수의 유입으로 인하여 처리 부하를 최소화하면서 ED처리부(20)와 CDI처리부(30)를 안정적으로 운용할 수 있게 되는 이점이 있다.

그리고 도 5에 도시된 바와 같이 상기 농축수탱크(220)는 내부 공간에서 기설정된 높이보다 상대적으로 높은 위치의 농축수가 배출되도록 상단에 마련되는 무동력 오버 플로우 수단(221)과, 상기 오버 플로우 수단(221)에서 배출되는 농축수를 배출시키는 배출관(222)을 포함한다.

여기서 상기 오버 플로우 수단(221)은 탱크의 수용 용량을 초과하는 유입수를 월류시키기 위한 것으로, 이러한 월류 구조는 공지기술을 통해 다양하게 실시될 수 있는 바 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명에서는 상기 농축수탱크(220)를 over flow 구조로 구성하게 됨으로써, 경우에 따라 농축수 순환펌프(231)를 운영하지 않고도 상기 농도조절 유닛(270)을 통해 간헐적으로 유입되는 탈염조(201)의 탈염수와 농축조(202)에서 over flow 배출되는 것만으로도 농축수 순환라인(230)의 농도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.

또한 이온과 함께 투과된 소량의 물과, 상기 농축조(202)로 유입되거나 또는 상기 농도조절 유닛(270)을 통해 탈염조(201)에서 농축조(202)로 이동되는 물이 over flow 방식으로 최종 배출될 수 있도록 함으로써, 농축조(202)의 농도는 일정하게 유지하면서 배출되는 양을 최소화할 수 있게 된다.

이때 최종 농축수의 배출양은 전체 유입 유량의 5% 이내가 되도록 상기 오버플로우수단(221)을 설정하는 것이 바람직하다.

도 8은 농축조 농도에 따른 탈염조 전류효율 변화를 나타내는 실험결과 그래프로, 본 발명의 시스템에 의하면 농축조(202)의 농도가 증가할수록 탈염조(201)와 농축조(202) 간 농도차에 의한 저항 증가로 전류효율은 다소 감소하지만, 농축조(202) 농도가 150 g/L 이하에서는 85% 이상의 전류효율을 보여줌을 알 수 있다.

뿐만 아니라 도 9는 공급전류 밀도증가에 따른 농축조 부피증가량을 나타내는 실험결과 그래프로, 농축조(202)의 초기 부피가 2,000ml일 때 공급전류 밀도 증가에 따라 이온 투과량이 증가하게 되고, 이에 따라 탈염조(201)에서 이온의 이동과 함께 농축조(202)로 넘어가는 물의 양도 증가하게 되며, 특히 전류효율이 85% 이상인 20mA/cm²에서는 최대 97%의 회수율까지 나타났음을 확인할 수 있다.

한편 상기 CDI처리부(30)는 상기 ED처리부(20)에 의해 염 농도가 1,000 mg/L 내외 수준으로 감소된 원수탱크(10)의 탈염수가 유입되며 축전식 전기흡착 방식을 통해 유입된 ED처리수로부터 이온을 흡착 제거하고 그 처리수를 외부로 배출한다.

본 발명에 있어 CDI처리부(30)의 축전식 전기흡착 공정은 전단의 ED처리부(20)의 전기투석 공정에 의해 고농도 유입수의 농도가 TDS 기준 약 1,000 mg/L이하로 처리된 1차 탈염수를 최종 목표 처리수질 즉 목표 담수수질인 500 mg/L 이하로 처리하는 역할을 수행한다.

구체적으로 상기 CDI처리부(30)는 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 양전극과 음전극이 일정 간격을 두고 적층 구성되는 하나 이상의 CDI 유닛(300)을 포함하고, 전단에 마련된 ED처리부(20)에 의해 탈염되어 원수탱크(10)에 저장된 1차 탈염수가 유입라인(310)과 유입펌프(311)를 통해 유입된다.

이때 상기 CDI 유닛(300)은 처리 수질과 공급 전위의 최적화를 위해 다단 직렬 유로 또는 병렬 유로 방식 중 어느 하나로 구성될 수 있다.

그리고 상기 CDI처리부(30)는 상기 양전극과 음전극 사이를 유동하는 유입수(1차 탈염수)에 존재하는 이온성 물질을 흡착하여 배출하는 과정과 상기 양전극과 음전극에 흡착된 이온성 물질을 탈착하는 재생 과정을 반복 수행한다.

상기 CDI처리부(30)는 상기 CDI 유닛(300)에 전원을 인가하기 위한 전원공급 유닛을 더 포함할 수 있으며, 상기 전원공급 유닛의 정전위 인가 또는 역전위 인가에 따라 상기 CDI 유닛(300)의 양전극 및 음전극에서 이온의 흡착 과정과 탈착 과정이 선택적으로 반복 수행될 수 있도록 하고, 흡착 과정을 통해 배출되는 처리수와 탈착 과정을 통해 배출되는 재생농축수가 분리 배출될 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같은 CDI처리부(30)의 축전식 전기흡착 공정에서는 앞서 언급한 바와 같이 기본적으로 흡착과 재생 과정이 반복 수행되면서 탈염이 이루어지게 되는데, 반복 과정에서 필연적으로 발생되는 약 20% 내외의 재생농축수에 대한 처리가 요구된다.

일반적으로 축전식 전기흡착 공정에서 발생되는 재생농축수는 유입수(1차 탈염수)의 농도 및 제거율에 따라 농도가 다소 달라지지만, 유입수(1차 탈염수)의 TDS 농도가 1,000 mg/L 내외일 경우 축전식 전기흡착 단위공정의 회수율을 80% 이상 유지하기 위해서는 약 2,000 ~ 7,000 mg/L 범위로 발생된다.

본 발명의 시스템에서는 축전식 전기흡착 공정을 전단에 ED처리부(20)에 의한 전기투석 공정과 복합 공정으로 운용되게 하고 있는 바, 축전식 전기흡착 공정에서 발생되는 재생농축수를 상기 원수탱크(10)로 반송 및 혼합되도록 구성됨으로써 CDI처리부(30)에서 외부로 배출되는 재생농축수의 발생량이 없도록 한다.

이에 상기 CDI처리부(30)는 도 6에 도시된 바와 같이 처리수의 배출을 위한 처리수 배출라인(320)에 더하여 상기 원수탱크(10)의 유입단과 상기 처리수 배출라인(320)을 연통하는 반송라인(330)을 마련하고, 처리수 배출라인(320)과 반송라인(330) 사이에 전환밸브(340)를 구성함으로써 흡착 과정에서 정상적으로 처리수가 처리수 배출라인(320)을 통해 외부로 배출되게 하며 탈착 과정에서는 재생농축수를 상기 원수탱크(10)에 반송되게 한다.

이와 같은 재생농축수의 반송은 전단의 ED처리부(20)에 유입되는 원수의 TDS농도가 5,000 ~ 10,000 mg/L 범위이므로 CDI처리부(30)의 처리과정에서 발생하게 되는 소량의 재생농축수가 혼합되더라도 상기 ED처리부(20)에 유입되는 원수의 농도에는 큰 영향을 주지 않는다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

10 : 원수탱크 20 : ED처리부
30 : CDI처리부 200 : ED처리조
210 : 탈염수 순환라인 211 : 희석수 순환펌프
220 : 농축수탱크 230 : 농축수 순환라인
231 : 농축수 순환펌프 260 : 제어부
270 : 농도조절 유닛 271 : 제어관
272 : 제 1밸브 273 : 제 2밸브
300 : CDI 유닛 310 : 유입라인
311 : 유입펌프 320 : 처리수 배출라인
330 : 반송라인 340 : 전환밸브

Claims

원수가 저장되는 원수탱크;
상기 원수탱크와 회분식 순환으로 원수가 유입되고 전기투석(Electro Dialysis) 방식을 통해 상기 원수탱크에 저장된 원수의 염 농도를 1차 탈염시키면서 원수로부터 탈염 처리되는 농축수를 분리 배출하는 ED처리부; 및
상기 ED처리부에 의해 염 농도가 1차 탈염 처리된 원수탱크의 탈염수가 유입되며 축전식 전기흡착 방식을 통해 유입된 탈염수로부터 잔존 이온을 기설정된 최종 목표수질까지 흡/탈착하고 그 처리수를 외부로 배출하는 CDI처리부;를 포함하고,
상기 ED처리부는,
양이온 선택투과막 또는 음이온 선택투과막을 통해 탈염조와 농축조가 상호 하나 이상씩 교대로 구획되는 ED처리조;
상기 탈염조와 상기 원수탱크 간에 연결되어 원수탱크의 원수가 탈염조를 거쳐 순환 및 탈염되도록 하는 탈염수 순환라인; 및
상기 농축조의 탈염 과정에서 발생하는 농축수를 저장하는 농축수탱크;를 포함하며,
상기 농축수탱크는,
내부공간에서 기설정된 높이보다 상대적으로 높은 위치의 농축수가 자연 배출되도록 상단에 마련되는 오버 플로우 수단과, 상기 오버 플로우 수단에서 배출되는 최종 농축수를 외부로 배출시키는 배출관을 포함하며,
상기 ED처리부는,
상기 농축조와 상기 농축수탱크 간에 연결되어 농축수탱크의 농축수가 농축조를 거쳐 순환 및 농축되도록 하는 농축수 순환라인;
상기 ED처리조의 운전을 제어하고 상기 탈염수 순환라인 및 상기 농축수 순환라인의 순환 작동을 제어하는 제어부; 및
상기 탈염수 순환라인 및 상기 농축수 순환라인의 각 유입단에 양단이 각각 연통되는 제어관과, 상기 제어관의 양단에 각각 장착되어 상기 탈염조와 농축조로 유입되는 유체의 흐름을 제어하는 제 1밸브 및 제 2밸브를 포함하는 농도조절 유닛;을 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 탈염조와 농축조의 염 농도에 기반하여 설정된 시간 또는 탈염조와 농축조의 염 농도차를 분석하고 분석한 염 농도차가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 농도조절신호를 출력하고, 상기 농축수탱크의 순환을 정지 또는 유지시키면서 상기 원수탱크의 탈염수가 농축실로 유입되도록 상기 농도조절 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기투석과 축전식전기흡착 탈염공정이 결합된 복합 전기화학적 기수담수화 시스템.
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제 1항에 있어서,
상기 CDI처리부는,
탈염 과정에서 발생하는 재생농축수를 상기 원수탱크로 반송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기투석과 축전식전기흡착 탈염공정이 결합된 복합 전기화학적 기수담수화 시스템.