KR102276832B1 - 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 삼투역세정 공정시 원수 공급측 펌프의 가동중지를 최소화하여 원수가 일정 압력 이상으로 역삼투막의 원수측에 공급되도록 함으로써 삼투역세정 공정의 완료 후 여과공정 실행시 원수 공급측 펌프를 효과적으로 재가동시켜 운전비용을 절감시킬 수 있으며, 이와 함께 삼투역세정 공정시 역삼투막의 처리수측에 공급되는 처리수의 압력은 최소화함으로써 역삼투막이 손상되는 것을 방지할 수 있는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법은 여과공정, 삼투역세정공정, 여과테스트공정이 순차적으로 반복 진행되는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법에 있어서, 상기 해수담수화 방법이 진행되는 해수담수화 장치는, 원수를 역삼투고압펌프와 에너지회수장치에 분배하여 공급하는 원수공급펌프;와, 역삼투 공정이 가능하도록 원수를 고압으로 가압하여 역삼투막 모듈로 공급하는 역삼투고압펌프;와, 에너지회수장치에 의해 농축수로부터 회수된 압력을 이용하여 원수를 역삼투막 모듈로 공급하는 부스터펌프;를 포함하여 이루어지며, 상기 삼투역세정공정은, 원수공급펌프 및 부스터펌프는 동작되고, 역삼투고압펌프의 동작은 중지된 상태에서 진행되며, 삼투역세정공정시 원수공급펌프 및 부스터펌프에 의해 역삼투막 모듈에 공급되는 원수의 압력은 해수의 삼투압보다 작으며, 삼투역세정공정시 역삼투막 모듈의 처리수측에는 1bar 이하의 처리수 압력이 작용하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 삼투역세정 공정시 원수 공급측 펌프의 가동중지를 최소화하여 원수가 일정 압력 이상으로 역삼투막의 원수측에 공급되도록 함으로써 삼투역세정 공정의 완료 후 여과공정 실행시 원수 공급측 펌프를 효과적으로 재가동시켜 운전비용을 절감시킬 수 있으며, 이와 함께 삼투역세정 공정시 역삼투막의 처리수측에 공급되는 처리수의 압력은 최소화함으로써 역삼투막이 손상되는 것을 방지할 수 있는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법에 관한 것이다.
역삼투막을 이용한 해수담수화 기술이 보편화되어 있다. 삼투압보다 큰 압력으로 역삼투막에 해수를 공급하면 역삼투 현상에 의해 해수로부터 순수한 물이 분리되며, 역삼투막을 이용한 해수담수화 기술은 이러한 원리를 적용한다.
한편, 역삼투막을 장기간 지속적으로 사용하게 되면 오염물질에 의해 파울링(fouling)이 형성되며, 이러한 파울링은 역삼투 효율을 저하시키는 요인으로 작용한다. 따라서, 일정 주기로 역삼투막에 형성된 파울링을 제거할 필요가 있으며, 화학세정 및/또는 물리세정이 역삼투막 세정방법으로 이용된다. 화학세정은 화학약품을 이용한 세정방법이고, 물리세정은 역세정, 에어스크러빙, 수세정 등의 방법을 이용한다.
역삼투막의 세정방법으로 삼투역세정 방법이 제시된 바 있다. 삼투역세정은 삼투 현상을 이용하여 역삼투막의 처리수측에서 역삼투막의 원수측으로 순수한 물이 이동되도록 함으로써 역삼투막의 원수측에 형성된 파울링을 제거하는 방법이다.
미국등록특허 US 7658852호는 삼투역세정 방법을 제시하고 있다. 세부적으로, 원수에 NaCl을 주입하고 여과공정시의 압력으로 원수를 공급함으로써 삼투 현상에 의해 처리수가 역삼투막의 원수측으로 순간적으로 빨려 들어가도록 하여 역삼투막의 원수측 막표면에 형성된 오염물질을 제거하는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 미국등록특허 US 7658852호에 따르면, 여과공정시의 압력이 적용됨으로 인해 삼투압 손실이 발생되어 삼투역세정 효율이 높지 않은 문제점이 있다.
본 출원인과 본 발명자에 의해 제안된 한국등록특허 제987294호를 살펴보면, NaCl이 주입된 원수를 이용하는 대신 역삼투 공정에서 발생된 농축수를 이용하는 방법을 제시하고 있다. 이 방법은 NaCl 주입을 위한 별도의 장치가 필요 없다는 점, 기존의 화학세정 설비를 활용하여 삼투역세정을 실시할 수 있다는 점에서 장점이 있으나, 삼투역세정 공정시 원수를 공급하기 위한 제반 펌프가 동작정지 상태를 이루어야 함으로 인해 삼투역세정 공정의 완료 후 여과공정을 실시할 때 펌프 재가동에 따르는 운전비용이 상승되는 문제점이 있다. 또한, 삼투역세정시 사용되는 처리수를 위해 별도의 삼투역세 처리수 탱크부를 구비시켜야 한다는 점도 장치적 복잡성을 야기한다.
또 다른 삼투역세정 방법으로 한국등록특허 제1928212호는 삼투역세정 효율을 높이기 위해 삼투역세정에 사용되는 처리수를 역삼투막의 처리수측으로 공급하는 삼투역세정펌프(PMP2)를 구비시키는 기술을 제시하고 있다. 삼투역세정펌프(PMP2)를 통해 6bar 이하로 처리수를 공급함과 함께 원수측에는 삼투약품이 포함된 농축수를 공급하는 방식을 개시하고 있다. 그러나, 처리수가 최대 6bar 이하의 압력으로 공급됨으로 인해 역삼투막에 응력이 작용하여 역삼투막의 손상이 야기될 수 밖에 없으며, 한국등록특허 제987294호와 마찬가지로 삼투역세정 공정시 원수를 공급하기 위한 제반 펌프가 동작정지 상태를 이루어야 함으로 인해 삼투역세정 공정의 완료 후 여과공정을 실시할 때 펌프 재가동에 따르는 운전비용이 상승되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 삼투역세정 공정시 원수 공급측 펌프의 가동중지를 최소화하여 원수가 일정 압력 이상으로 역삼투막의 원수측에 공급되도록 함으로써 삼투역세정 공정의 완료 후 여과공정 실행시 원수 공급측 펌프를 효과적으로 재가동시켜 운전비용을 절감시킬 수 있으며, 이와 함께 삼투역세정 공정시 역삼투막의 처리수측에 공급되는 처리수의 압력은 최소화함으로써 역삼투막이 손상되는 것을 방지할 수 있는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 삼투역세정 공정의 실시 및 종료 기준을 최적화함으로써 파울링을 효과적으로 제거함과 함께 해수담수화 생산효율을 높일 수 있는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법은 여과공정, 삼투역세정공정, 여과테스트공정이 순차적으로 반복 진행되는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법에 있어서, 상기 해수담수화 방법이 진행되는 해수담수화 장치는, 원수를 역삼투고압펌프와 에너지회수장치에 분배하여 공급하는 원수공급펌프;와, 역삼투 공정이 가능하도록 원수를 고압으로 가압하여 역삼투막 모듈로 공급하는 역삼투고압펌프;와, 에너지회수장치에 의해 농축수로부터 회수된 압력을 이용하여 원수를 역삼투막 모듈로 공급하는 부스터펌프;를 포함하여 이루어지며, 상기 삼투역세정공정은, 원수공급펌프 및 부스터펌프는 동작되고, 역삼투고압펌프의 동작은 중지된 상태에서 진행되며, 삼투역세정공정시 원수공급펌프 및 부스터펌프에 의해 역삼투막 모듈에 공급되는 원수의 압력은 해수의 삼투압보다 작으며, 삼투역세정공정시 역삼투막 모듈의 처리수측에는 1bar 이하의 처리수 압력이 작용하는 것을 특징으로 한다.
상기 여과공정이 진행되는 과정에서, 역삼투막 모듈에 의해 생산된 처리수의 Cl, TDS, 전도도 중 어느 하나 이상이 미리 설정된 기준값 대비 5∼10%를 초과하면, 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 진행된다.
상기 여과공정이 진행되는 과정에서, 역삼투고압펌프를 통해 역삼투막 모듈로 공급되는 원수의 압력이 미리 설정된 기준값 5∼10%를 초과하면, 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 진행된다.
상기 여과공정이 진행되는 과정에서, 역삼투막 모듈에 의해 생산되는 처리수의 유량이 기준값 대비 5∼10% 감소하면, 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 진행된다.
상기 여과공정이 진행되는 과정에서, 역삼투고압펌프를 통해 역삼투막 모듈로 공급되는 원수의 압력과, 역삼투막 모듈에서 배출되는 농축수의 압력 사이의 차이가 1.1bar 이상이면, 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 진행된다.
상기 삼투역세정공정이 진행되는 과정에서, 역삼투막 모듈에 의해 생산된 처리수의 Cl, TDS, 전도도 중 어느 하나 이상이 미리 설정된 기준값을 만족하면, 여과테스트공정이 종료되고 여과공정이 진행된다.
상기 여과공정은, 원수공급펌프는 원수를 역삼투고압펌프와 에너지회수장치에 분배하여 공급하며, 역삼투막 모듈은 공급된 원수를 처리수와 농축수로 분리하며, 역삼투막의 원수측으로부터 배출되는 농축수는 에너지회수장치에 의해 압력이 회수된 채로 농축수조로 이동되며, 부스터펌프는 에너지회수장치에 의해 농축수로부터 회수된 압력을 이용하여 원수를 역삼투막 모듈로 공급하는 과정으로 진행된다.
상기 삼투역세정공정은, 역삼투고압펌프를 통해 고압의 원수가 역삼투막 모듈로 공급되는 것은 차단되며, 원수공급펌프와 부스터펌프를 통해 원수가 역삼투막 모듈의 원수측으로 공급되며, 역삼투막 모듈과 처리수조 사이의 밸브는 개방된 상태를 이루어, 역삼투막 모듈의 처리수측에는 1bar 이하의 처리수 압력이 작용하며, 역삼투막의 원수측과 처리수측에 각각 원수와 처리수가 존재하고, 염을 포함한 불순물 농도가 원수가 처리수보다 높아 삼투압이 작용되며, 삼투압에 의해 처리수가 역삼투막을 투과하여 원수측으로 이동하며, 처리수의 원수측으로의 이동에 의해 역삼투막의 원수측 막표면에 형성된 파울링이 제거되는 과정으로 진행된다.
역삼투막 모듈과 처리수조 사이의 배관에서 분기되어 원수공급펌프 전단의 배관에 연결되는 처리수반송배관이 더 구비되며, 상기 여과테스트공정은, 역삼투막 모듈과 처리수조 사이의 제 1 밸브는 차단되고, 처리수반송배관의 제 2 밸브는 개방된 상태에서 상기 여과공정과 동일한 공정조건으로 진행되며, 상기 삼투역세정공정이 진행되는 과정에서, 역삼투막 모듈에 의해 생산된 처리수의 Cl, TDS, 전도도 중 어느 하나 이상이 미리 설정된 기준값을 만족하면, 여과테스트공정이 종료되고 여과공정이 진행된다.
여과공정시 역삼투고압펌프를 통해 역삼투막 모듈로 공급되는 원수의 압력은 80bar를 초과하며, 삼투역세정공정시 원수공급펌프 및 부스터펌프를 통해 역삼투막 모듈로 공급되는 원수의 압력은 3∼15bar이며, 삼투역세정공정시 역삼투막 모듈의 처리수측에 작용하는 처리수의 압력은 1bar 이하이다.
본 발명에 따른 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법은 다음과 같은 효과가 있다.
삼투역세정공정을 진행함에 있어서, 추가되는 장치적 구성을 최소화한 상태에서 삼투역세정공정을 효과적으로 진행할 수 있으며, 삼투역세정과정에서의 역삼투막 손상을 방지할 수 있다. 또한, 삼투역세정공정시 '원수 공급측 펌프' 중 역삼투고압펌프만 가동 중지시키고 원수공급펌프 및 부스터펌프는 정상 가동되도록 함으로써, 후속의 여과공정 재개시 펌프 재가동 효율을 높여 운전비용 등을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투막을 이용한 해수담수화 장치의 구성도.
도 2a는 여과공정을 설명하기 위한 참고도.
도 2b는 삼투역세정공정을 설명하기 위한 참고도.
도 2c는 여과테스트공정을 설명하기 위한 참고도.
도 2a는 여과공정을 설명하기 위한 참고도.
도 2b는 삼투역세정공정을 설명하기 위한 참고도.
도 2c는 여과테스트공정을 설명하기 위한 참고도.
본 발명은 삼투역세정에 의한 역삼투막 세정효과를 안정적으로 보장함과 함께 삼투역세정공정으로 인해 여과공정의 재가동 효율성이 저하되는 것을 방지하는 기술을 제시한다.
앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 기술한 바와 같이, 역삼투막을 이용한 해수담수화 장치에서 파울링 제거를 위해 역삼투막을 주기적으로 세정하는 것은 필수적이며, 삼투역세정은 역삼투막의 파울링을 제거하는데 효과적인 방법이다.
삼투역세정공정을 진행함에 있어서 다음과 같은 사항이 고려되어야 한다. 첫째, 삼투역세정을 통해 역삼투막의 파울링이 효과적으로 제거되어야 하며 둘째, 삼투역세정에 의해 역삼투막이 손상되는 것을 방지해야 하며 셋째, 삼투역세정공정의 진행으로 인해 해수담수화 장치의 처리수 생산효율이 저하되는 것이 최소화되어야 한다.
삼투역세정의 원리는 역삼투막의 처리수측에서 역삼투막의 원수측으로 순수한 물이 이동되어 역삼투막의 원수측 막표면에 형성된 파울링을 제거하는 것이다. 따라서, 역삼투막의 처리수측과 원수측 사이에서 삼투압이 원활히 작용되어야 한다.
본 발명은 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 3개의 선행특허가 삼투역세정시 역삼투막의 원수측에 농축수 또는 NaCl이 주입된 원수(여과압력 인가)를 공급하는 것과는 달리, 삼투역세정시 역삼투막의 원수측에 원수 즉, 해수를 공급한다. 이와 같이 역삼투막의 원수측에 해수를 공급함에 있어서 해수의 공급압력을 해수의 삼투압보다 낮도록 설정함으로써 역삼투막의 처리수측과 원수측 사이에서 삼투압이 원활히 작용되도록 한다.
또한, 본 발명에 있어서 역삼투막의 원수측에는 전술한 바와 같이 해수가 공급되고, 역삼투막의 처리수측에는 처리수가 공급되는데, 역삼투막의 처리수측에 공급되는 처리수의 압력을 0∼1bar로 설정함으로써 삼투역세정시 처리수의 압력으로 인해 역삼투막이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
해수담수화 장치에서 삼투역세정공정을 적용하는 경우, 여과공정이 완료된 후 삼투역세정공정을 진행함에 따라 여과공정시 가동되는 '원수 공급측 펌프'는 모두 가동이 중단된다(한국등록특허 제987294호 및 한국등록특허 제1928212호 참조). 참고로, 미국등록특허 US 7658852호는 삼투역세정시 여과공정과 동일한 압력으로 NaCl이 주입된 원수를 공급하는 방식이나 이로 인해 삼투역세정 효율이 낮을 수 밖에 없다. 삼투역세정시 원수 공급측 펌프를 모두 중지시키면 삼투역세정 후 여과공정의 진행시 원수 공급측 펌프를 정지 상태에서 재가동해야 함에 따라 운전비용의 상승은 필연적이다.
상기의 '원수 공급측 펌프'는 원수공급펌프, 역삼투고압펌프, 부스터펌프를 포괄하는 것으로서, 원수공급펌프는 원수저장탱크 등에 저장되어 있는 원수를 역삼투고압펌프로 공급하는 역할을 하고, 역삼투고압펌프는 역삼투 현상이 가능하도록 원수를 고압으로 역삼투막에 인가하는 역할을 하며, 부스터펌프는 압력회수장치를 통해 일정 압력의 농축수를 역삼투막의 원수측에 공급하는 역할을 한다.
한국등록특허 제987294호 및 한국등록특허 제1928212호는 '원수 공급측 펌프'를 모두 중지시킨 상태에서 삼투역세정공정이 진행되고, 미국등록특허 US 7658852호는 삼투역세정시 역삼투고압펌프가 여과공정시와 동일한 조건으로 동작된다. 앞서 설명한 바와 같이, 한국등록특허 제987294호 및 한국등록특허 제1928212호와 같이 삼투역세정시 '원수 공급측 펌프'를 모두 중지시키면 여과공정 재가동시 운전비용이 상승하며, 미국등록특허 US 7658852호와 같이 삼투역세정시 역삼투고압펌프를 이용하게 되면 삼투역세정 효율이 저하된다.
본 발명은 삼투역세정시 '원수 공급측 펌프' 중 역삼투고압펌프의 동작만을 중지시켜 원수가 일정 압력(3∼15bar)으로 역삼투막의 원수측에 공급되도록 함으로써 후속의 여과공정시 '원수 공급측 펌프'의 재가동 효율을 높여 운전비용을 효과적으로 절감할 수 있다. 또한, 역삼투막의 원수측에 공급되는 압력(3∼15bar)는 해수의 삼투압(25∼30bar)보다 낮기 때문에 삼투압에 의한 삼투역세정은 원활히 진행될 수 있다.
아울러, 본 발명은 여과공정과 삼투역세정공정을 순차적으로 진행함에 있어서, 삼투역세정공정의 실시조건 및 종료조건을 제시함으로써 해수담수화 장치의 공정효율성을 높일 수 있다. 삼투역세정공정의 실시조건 및 종료조건은 후술하는 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투막을 이용한 해수담수화 장치의 삼투역세정 방법을 설명하기에 앞서, 본 발명의 삼투역세정 방법이 구현되는 해수담수화 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투막을 이용한 해수담수화 장치는 원수공급펌프(11), 역삼투고압펌프(12), 역삼투막 모듈(120), 에너지회수장치(130) 및 부스터펌프(13)를 포함하여 이루어진다.
상기 원수공급펌프(11)는 원수저장탱크(110)에 저장되어 있는 원수를 역삼투고압펌프(12) 및 부스터펌프(13)로 공급하는 역할을 한다. 즉, 원수의 일부는 역삼투고압펌프(12)로 공급되고, 원수의 다른 일부는 부스터펌프(13)로 공급된다. 여기서, 원수는 해수를 일컬으며, 소정의 전처리 공정이 적용된 해수가 원수저장탱크(110)가 저장될 수 있다. 원수를 역삼투고압펌프(12) 이외에 부스터펌프(13)로 공급하는 이유는, 에너지회수장치(130)에 의해 회수된 압력을 활용하여 역삼투막 모듈(120)에 공급하기 위함이며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
상기 역삼투고압펌프(12)는 원수공급펌프(11)를 통해 전달된 원수를 약 80bar 정도의 고압으로 가압하여 역삼투막 모듈(120)에 공급하는 역할을 한다. 상기 역삼투막 모듈(120)은 역삼투고압펌프(12)를 통해 공급되는 고압의 해수를 역삼투 현상을 통해 순수한 물과 농축수로 분리하는 역할을 한다. 순수한 물 즉, 처리수는 처리수조(140)로 이동되며, 농축수는 에너지회수장치(130)를 거쳐 농축수조(150)로 이동된다. 상기 역삼투막 모듈(120)은 역삼투막(121)을 포함하여 구성되며, 이와 함께 역삼투막(121)의 원수측(122) 공간 및 처리수측(123) 공간을 구비한다. 원수는 역삼투막(121)의 원수측(122)에 공급되고, 역삼투 현상에 의해 분리된 처리수는 역삼투막(121)의 처리수측(123)으로 이동되며, 처리수가 분리된 농축수는 역삼투막(121)의 원수측(122)에 잔류되어 에너지회수장치(130)로 이동된다.
상기 에너지회수장치(130)는 역삼투막(121)의 원수측(122)으로부터 배출되는 농축수의 압력에너지를 회수하는 역할을 한다. 전술한 바와 같이 역삼투고압펌프(12)는 원수를 약 80bar 정도의 고압으로 가압하여 역삼투막(121)의 원수측(122)에 공급하는데, 역삼투 현상에 의한 처리수와 농축수의 분리 후에도 농축수에는 일정 압력이 잔존하게 된다. 에너지회수장치(130)는 이러한 농축수에 잔존하는 압력을 회수하는 역할을 하며, 일 실시예로 피스톤펌프 구조의 용적식 에너지회수장치(130)로 구성할 수 있다. 역삼투막(121)의 원수측(122)으로부터 배출되는 농축수는 에너지회수장치(130)에 의해 압력이 회수된 후에 농축수조(150)로 이동되며, 에너지회수장치(130)에 의해 회수된 압력은 부스터펌프(13)를 가동하는데 이용된다.
상기 부스터펌프(13)는 에너지회수장치(130)에 의해 회수된 압력을 이용하여 원수를 가압하여 역삼투막(121)의 원수측(122)에 공급하는 역할을 한다. 원수가 역삼투막 모듈(120)로 공급되는 경로는 역삼투고압펌프(12)를 통해 역삼투막 모듈(120)로 공급되는 경로와, 부스터펌프(13)를 통해 역삼투막 모듈(120)로 공급되는 경로로 구분된다. 전자의 경로가 메인 원수공급경로라 할 수 있고, 후자의 경로는 압력에너지를 재활용하는 보조 원수공급경로이다. 원수공급펌프(11)와 역삼투고압펌프(12) 사이의 경로에서 분기되어 원수의 일부가 에너지회수장치(130)로 거쳐 부스터펌프(13)로 공급되며, 부스터펌프(13)는 에너지회수장치(130)에 의해 회수된 압력을 통해 원수를 가압하여 역삼투막(121)의 원수측(122)으로 공급한다.
상기의 구성 이외에 역삼투막 모듈(120)과 처리수조(140) 사이의 배관에서 분기되어 원수공급펌프(11) 전단의 배관에 연결되는 처리수반송배관(60)이 더 구비되며, 상기 처리수반송배관(60)은 여과 테스트공정시 처리수를 원수공급펌프(11)로 반송하는 역할을 한다.
또한, 역삼투고압펌프(12)와 역삼투막 모듈(120) 사이에 제 1 압력계(21)가 구비되고, 역삼투막 모듈(120)과 에너지회수장치(130) 사이에 제 2 압력계(22)가 구비되며, 역삼투막 모듈(120)과 처리수조(140) 사이에 유량계(30)가 구비된다. 이와 함께, 역삼투막 모듈(120)과 처리수조(140) 사이에 제 1 수질계측기(41)가 구비되며, 에너지회수장치(130)와 농축수조(150) 사이에 제 2 수질계측기(42)가 구비된다. 역삼투막 모듈(120)과 처리수조(140) 사이에는 제 1 밸브(51)가 구비되고, 처리수반송배관(60)에는 제 2 밸브(52)가 구비된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투막을 이용한 해수담수화 장치에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수담수화 방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법은 상술한 역삼투막을 이용한 해수담수화 장치의 기반 하에 진행되며, 여과공정, 삼투역세정공정 및 여과테스트공정이 반복되는 형태로 진행된다.
여과공정은 역삼투막 모듈(120)에 의해 처리수가 생산되는 공정이며, 삼투역세정공정은 여과공정의 완료 후 삼투역세정 원리를 이용하여 역삼투막(121)을 세정하는 공정이며, 여과테스트공정은 삼투역세정공정의 완료 후 여과공정의 실시 전에 역삼투막 모듈(120)의 여과성능이 목표수질을 만족하는지 여부를 테스트하는 공정이다.
먼저, 여과공정은 다음과 같이 진행된다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 원수저장탱크(110)의 원수 즉, 해수는 원수공급펌프(11)에 의해 역삼투고압펌프(12)로 공급된다. 역삼투고압펌프(12)는 원수를 약 80bar 정도의 고압으로 가압하여 역삼투막 모듈(120)의 원수측(122) 공간 즉, 역삼투막(121)의 원수측(122)에 공급한다. 역삼투 현상에 의해 해수는 역삼투막(121)을 사이에 두고 처리수와 농축수로 분리된다. 역삼투막(121)의 처리수측(123)으로 이동된 처리수는 처리수조(140)로 이동되며, 역삼투막(121)의 원수측(122)에 잔류한 농축수는 에너지회수장치(130)로 이동된다. 농축수가 보유한 압력은 에너지회수장치(130)에 의해 회수되며, 농축수는 농축수조(150)로 이동된다. 이 때, 처리수반송배관(60)의 제 2 밸브(52)는 차단된 상태를 이룬다.
한편, 원수저장탱크(110) 원수의 일부는 원수공급펌프(11)에 의해 에너지회수장치(130)를 거쳐 부스터펌프(13)로 공급된다. 부스터펌프(13)는 에너지회수장치(130)에 의해 농축수로부터 회수된 압력을 이용하여 원수를 역삼투막(121)의 원수측(122)에 공급한다. 즉, 역삼투막(121)의 원수측(122)에는 역삼투고압펌프(12)로부터 이송된 원수와 부스터펌프(13)로부터 이송된 원수가 함께 유입되며, 이들을 대상으로 역삼투 공정이 진행된다.
상기의 동작을 통해 역삼투막(121)을 이용한 여과공정이 진행된다. 여과공정이 진행되는 과정에서 원수의 수질, 원수 경로의 압력, 처리수 경로의 압력이 지속적으로 체크되며, 측정된 원수의 수질, 원수 경로의 압력, 처리수 경로의 압력이 미리 설정된 기준값을 벗어나면 역삼투막(121)이 오염된 것으로 판단하여 여과공정을 종료하고 삼투역세정공정을 실시한다.
삼투역세정공정을 실시하기 위한 기준은 다음과 같으며, 다음의 기준 중 어느 하나라도 충족되면 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 실시된다. 첫번째 기준은 역삼투막 모듈(120)과 처리수조(140) 사이의 처리수 경로에 구비된 제 1 수질계측기(41)에 의해 측정된 처리수의 Cl, TDS, 전도도가 미리 설정된 기준값 대비 5∼10%를 초과하는지 여부이며, 기준값을 초과하면 삼투역세정공정이 실시된다. 두번째 기준은 역삼투고압펌프(12)와 역삼투막 모듈(120) 사이에 구비된 제 1 압력계(21)에 의해 측정된 압력이 기준값 대비 5∼10%를 초과하는지 여부이며, 기준값을 초과하면 삼투역세정공정이 실시된다. 세번째 기준은 역삼투막 모듈(120)과 처리수조(140) 사이의 처리수 경로에 구비된 유량계(30)에 의해 측정된 처리수 유량이 기준값 대비 5∼10% 감소하는지 여부이며, 이를 충족하면 삼투역세정공정이 실시된다. 네 번째 기준은 제 1 압력계(21)와 제 2 압력계(22)의 차이값이 1.1bar 이상이면 삼투역세정공정이 실시된다. 상기 4가지 기준 중 어느 하나라도 충족되면 역삼투막(121)이 오염된 것으로 판단하여 여과공정을 종료하고 삼투역세정공정을 실시한다.
삼투역세정공정은 다음과 같이 진행된다(도 2b 참조).
삼투역세정공정시 '원수 공급측 펌프' 중 원수공급펌프(11)와 부스터펌프(13)는 정상적으로 동작되며, 역삼투고압펌프(12)는 정지된다. 이에 따라, 역삼투고압펌프(12)를 통해 고압의 원수가 역삼투막 모듈(120)로 공급되는 것은 차단되며, 원수공급펌프(11)와 부스터펌프(13)를 통해 원수가 역삼투막 모듈(120)의 원수측(122)으로 공급된다. 여과공정시 역삼투고압펌프(12)를 통해 역삼투막 모듈(120)로 공급되는 원수의 압력은 약 80bar 정도인데, 원수공급펌프(11)와 부스터펌프(13)를 통해 역삼투막 모듈(120)에 공급되는 원수의 압력은 약 3∼15bar이다.
이와 함께, 역삼투막 모듈(120)과 처리수조(140) 사이의 제 1 밸브(51)는 개방된 상태를 이루며, 이에 따라 역삼투막 모듈(120)의 처리수측(123)에는 1bar 이하의 처리수 압력이 작용한다. 이 때, 처리수조(140)의 처리수를 역삼투막 모듈(120)로 공급하기 위한 별도의 펌프는 구비되지 않으며, 제 1 밸브(51)의 개방으로 역삼투막 모듈(120)의 처리수측(123)과 처리수조(140) 사이를 공간적으로 연결시키는 상태로만 유지시킨다.
상기의 조건 하에, 역삼투막(121)의 원수측(122)에는 약 3∼15bar의 원수 압력이 작용하고 역삼투막(121)의 처리수측(123)에는 1bar 이하의 처리수 압력이 작용하게 된다. 역삼투막(121)의 원수측(122)과 처리수측(123)에 각각 원수와 처리수가 존재하고, 염을 포함한 불순물 농도가 원수가 처리수보다 높기 때문에 삼투압이 작용하게 된다. 따라서, 처리수가 역삼투막(121)을 투과하여 원수측(122)으로 이동하게 되며, 이러한 처리수의 원수측(122)으로의 이동에 의해 역삼투막(121)의 원수측(122) 막표면에 형성된 파울링이 제거되며, 제거된 파울링은 농축수에 포함되어 농축수조(150)로 이동된다. 즉, 여과공정의 정방향인 원수측(122)에서 처리수측(123)으로의 처리수 이동과는 반대로 처리수가 처리수측(123)에서 원수측(122)으로 삼투압에 의해 이동되고, 이러한 삼투압에 의해 원수측(122) 막표면의 파울링이 제거되는 이른 바, 삼투역세정공정이 진행된다.
삼투압 작용에 의해 역삼투막(121)의 원수측(122) 막표면에 형성된 파울링이 제거되는 과정에서, 역삼투막(121)의 처리수측(123)에 작용하는 처리수의 압력이 1bar 이하임에 따라 역삼투막(121)이 이탈되는 등의 손상이 발생되지 않는다. 다만, 역삼투막(121)의 원수측(122)에 약 3∼15bar의 원수 압력이 작용하여 삼투압의 손실 요인으로 작용될 수 있는데, 해수의 삼투압이 25∼30bar인 바, 삼투역세정공정이 원활히 진행됨에 있어서 무리가 없다. 이러한 점을 고려하면, 원수공급펌프(11)와 부스터펌프(13)를 통해 역삼투막(121)의 원수측(122)에 공급되는 압력은 해수의 삼투압보다 낮아야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 삼투역세정공정은 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 선행특허 대비 다음과 같은 차이점이 있다. 선행특허의 경우 제반 '원수 공급측 펌프'가 정지된 상태에서 삼투역세정공정이 진행되는 반면, 본 발명의 경우 '원수 공급측 펌프' 중 역삼투고압펌프(12)만이 가동 중지되며 원수공급펌프(11) 및 부스터펌프(13)는 여과공정시와 동일하게 가동된다. 따라서, 삼투역세정공정의 종료 후 다시 여과공정을 실시할 때 역삼투고압펌프(12)만을 재가동하면 되기 때문에 운전비용을 절감할 수 있다. 다만, 원수공급펌프(11)와 부스터펌프(13)를 통해 역삼투막(121)의 원수측(122)에 공급되는 원수의 압력은 삼투역세정공정의 원활한 진행을 위해 해수의 삼투압보다 작아야 함이 전제된다.
또한, 역삼투막(121)의 처리수측(123)에 작용하는 처리수의 압력이 1bar 이하임에 따라 역삼투막(121)이 이탈되는 등의 손상이 발생되지 않는다.
삼투역세정공정이 완료되면 후속의 여과테스트공정이 진행되는데, 삼투역세정공정의 종료는 제 2 수질계측기(42)에 의해 측정된 탁도값이 기준값을 충족하는지 여부 결정된다. 구체적으로, 삼투역세정공정이 진행되는 과정에서 에너지회수장치(130)와 농축수조(150) 사이의 농축수 경로에 구비된 제 2 수질계측기(42)에 의해 농축수의 탁도값을 측정되며, 측정된 탁도값이 미리 설정된 기준값보다 낮으면 삼투역세정공정이 완료된다.
삼투역세정공정의 완료 후 여과테스트공정은 다음과 같이 진행된다.
전술한 바와 같이 여과테스트공정은 삼투역세정공정이 완료된 상태에서 정상적인 여과공정을 실시하기 전에 역삼투막 모듈(120)에 의해 생산되는 처리수가 미리 설정된 목표수질을 만족하는지 여부를 테스트하는 공정이다.
여과테스트공정은 역삼투막 모듈(120)과 처리수조(140) 사이의 제 1 밸브(51)는 차단되고, 처리수반송배관(60)의 제 2 밸브(52)는 개방된 상태에서 진행된다. 제 1 밸브(51)의 차단 그리고 제 2 밸브(52)의 개방을 제외하고는 제반 공정조건은 여과공정과 동일하게 진행된다.
구체적으로, 도 2c에 도시한 바와 같이 원수는 원수공급펌프(11) 및 역삼투고압펌프(12)를 통해 역삼투막 모듈(120)로 공급되는 경로, 원수공급펌프(11) 및 부스터펌프(13)를 통해 역삼투막 모듈(120)로 공급되는 경로를 통해 역삼투막 모듈(120)로 공급되며, 역삼투막 모듈(120)은 공급된 원수를 처리수와 농축수로 분리한다. 농축수는 에너지회수장치(130)에 의해 압력이 회수된 후 농축수조(150)로 이동되며, 에너지회수장치(130)에 의해 회수된 압력은 부스터펌프(13)의 가동에 이용된다. 이 때, 처리수는 처리수반송배관(60)을 통해 원수공급펌프(11)로 반송되며, 원수공급펌프(11)는 처리수반송배관(60)을 통해 반송된 처리수를 원수와 혼합하여 역삼투고압펌프(12) 및 부스터펌프(13)측에 공급한다.
상기의 과정이 진행되는 과정에서, 처리수 경로에 구비된 제 1 수질계측기(41)는 처리수의 Cl, TDS, 전도도를 측정하고, 측정된 값이 미리 설정된 목표수질값에 부합되면 여과테스트공정이 종료된다.
여과테스트공정이 종료되면 여과공정이 진행되며, 상술한 바와 같은 여과공정, 삼투역세정공정, 여과테스트공정이 다시 반복된다.
11 : 원수공급펌프 12 : 역삼투고압펌프
13 : 부스터펌프 21 : 제 1 압력계
22 : 제 2 압력계 30 : 유량계
41 : 제 1 수질계측기 42 : 제 2 수질계측기
51 : 제 1 밸브 52 : 제 2 밸브
60 : 처리수반송배관 110 : 원수저장탱크
120 : 역삼투막 모듈 121 : 역삼투막
122 : 원수측 123 : 처리수측
130 : 에너지회수장치 140 : 처리수조
150 : 농축수조
13 : 부스터펌프 21 : 제 1 압력계
22 : 제 2 압력계 30 : 유량계
41 : 제 1 수질계측기 42 : 제 2 수질계측기
51 : 제 1 밸브 52 : 제 2 밸브
60 : 처리수반송배관 110 : 원수저장탱크
120 : 역삼투막 모듈 121 : 역삼투막
122 : 원수측 123 : 처리수측
130 : 에너지회수장치 140 : 처리수조
150 : 농축수조
Claims (10)
- 여과공정, 삼투역세정공정, 여과테스트공정이 순차적으로 반복 진행되는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법에 있어서,
상기 해수담수화 방법이 진행되는 해수담수화 장치는,
원수를 역삼투고압펌프와 에너지회수장치에 분배하여 공급하는 원수공급펌프;와, 역삼투 공정이 가능하도록 원수를 고압으로 가압하여 역삼투막 모듈로 공급하는 역삼투고압펌프;와, 에너지회수장치에 의해 농축수로부터 회수된 압력을 이용하여 원수를 역삼투막 모듈로 공급하는 부스터펌프;를 포함하여 이루어지며,
상기 삼투역세정공정은,
원수공급펌프 및 부스터펌프는 동작되고, 역삼투고압펌프의 동작은 중지된 상태에서 진행되며,
삼투역세정공정시 원수공급펌프 및 부스터펌프에 의해 역삼투막 모듈에 공급되는 원수의 압력은 해수의 삼투압보다 작으며,
삼투역세정공정시 역삼투막 모듈의 처리수측에는 1bar 이하의 처리수 압력이 작용하며,
상기 삼투역세정공정은,
역삼투고압펌프를 통해 고압의 원수가 역삼투막 모듈로 공급되는 것은 차단되며, 원수공급펌프와 부스터펌프를 통해 원수가 역삼투막 모듈의 원수측으로 공급되며,
역삼투막 모듈과 처리수조 사이의 밸브는 개방된 상태를 이루어, 역삼투막 모듈의 처리수측에는 1bar 이하의 처리수 압력이 작용하며,
역삼투막의 원수측과 처리수측에 각각 원수와 처리수가 존재하고, 염을 포함한 불순물 농도가 원수가 처리수보다 높아 삼투압이 작용되며, 삼투압에 의해 처리수가 역삼투막을 투과하여 원수측으로 이동하며, 처리수의 원수측으로의 이동에 의해 역삼투막의 원수측 막표면에 형성된 파울링이 제거되는 과정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 여과공정이 진행되는 과정에서,
역삼투막 모듈에 의해 생산된 처리수의 Cl, TDS, 전도도 중 어느 하나 이상이 미리 설정된 기준값 대비 5∼10%를 초과하면, 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 여과공정이 진행되는 과정에서,
역삼투고압펌프를 통해 역삼투막 모듈로 공급되는 원수의 압력이 미리 설정된 기준값 5∼10%를 초과하면, 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 여과공정이 진행되는 과정에서,
역삼투막 모듈에 의해 생산되는 처리수의 유량이 기준값 대비 5∼10% 감소하면, 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 여과공정이 진행되는 과정에서,
역삼투고압펌프를 통해 역삼투막 모듈로 공급되는 원수의 압력과, 역삼투막 모듈에서 배출되는 농축수의 압력 사이의 차이가 1.1bar 이상이면, 여과공정이 종료되고 삼투역세정공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 삼투역세정공정이 진행되는 과정에서,
역삼투막 모듈에 의해 생산된 처리수의 Cl, TDS, 전도도 중 어느 하나 이상이 미리 설정된 기준값을 만족하면, 여과테스트공정이 종료되고 여과공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 여과공정은,
원수공급펌프는 원수를 역삼투고압펌프와 에너지회수장치에 분배하여 공급하며, 역삼투막 모듈은 공급된 원수를 처리수와 농축수로 분리하며, 역삼투막의 원수측으로부터 배출되는 농축수는 에너지회수장치에 의해 압력이 회수된 채로 농축수조로 이동되며, 부스터펌프는 에너지회수장치에 의해 농축수로부터 회수된 압력을 이용하여 원수를 역삼투막 모듈로 공급하는 과정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 역삼투막 모듈과 처리수조 사이의 배관에서 분기되어 원수공급펌프 전단의 배관에 연결되는 처리수반송배관이 더 구비되며,
상기 여과테스트공정은,
역삼투막 모듈과 처리수조 사이의 제 1 밸브는 차단되고, 처리수반송배관의 제 2 밸브는 개방된 상태에서 상기 여과공정과 동일한 공정조건으로 진행되며,
상기 삼투역세정공정이 진행되는 과정에서,
역삼투막 모듈에 의해 생산된 처리수의 Cl, TDS, 전도도 중 어느 하나 이상이 미리 설정된 기준값을 만족하면, 여과테스트공정이 종료되고 여과공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
- 제 1 항에 있어서, 여과공정시 역삼투고압펌프를 통해 역삼투막 모듈로 공급되는 원수의 압력은 80bar를 초과하며, 삼투역세정공정시 원수공급펌프 및 부스터펌프를 통해 역삼투막 모듈로 공급되는 원수의 압력은 3∼15bar이며, 삼투역세정공정시 역삼투막 모듈의 처리수측에 작용하는 처리수의 압력은 1bar 이하인 것을 특징으로 하는 무정지 삼투역세정공정이 가능한 해수담수화방법.
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