KR102378568B1 - 염 포함 용액 처리를 위한 역전기 투석 및 이에 기반한 이동형 장치 - Google Patents

Abstract

역전기 투석 장치 및 이에 기반한 이동형 이동형 염 포함 용액 처리 장치가 개시된다. 역전기 투석 장치는 저농도 용액(담수)로 이동한 염을 외부의 에너지 공급 없이 처리하여 저농도 용액(담수)을 재순환시키고 염 포함 용액의 농도를 원하는 농도로 저감시켜 배출하는 장치이다.

Description

염 포함 용액 처리를 위한 역전기 투석 및 이에 기반한 이동형 장치{REVERSE ELETRODIALYSIS FOR SALT CONTAINING SOLUTION TREATMENT AND MOVABLE APPARATUS BASED ON THE SAME}

본 기재는 역전기 투석 장치 및 이에 기반한 이동형 염 포함 액 처리 장치에 관한 것이다.

현재까지의 개발된 대부분의 염 회수 방식의 염분차 발전 장치는 저농도 용액(담수)으로 이동한 염을 다시 고농도 용액으로 복원하여 지속적으로 담수와 염수를 순환시켜 에너지를 발생시키는 구조를 채용하고 있다. 이 때 염을 복원하는 과정에서 일부 외부 에너지원이 필요하며 이 때 염분차 발전으로 생산된 에너지보다 더 많은 열을 공급할 수 없기 때문에 폐열이나 남는 신재생에너지원이 필요하게 된다.

또한, 복원되는 과정에서 일부 염이 손실될 수 있고, 대부분이 복원 과정에서 가해진 열에 의해 가스 형태로 복원된 후 다시 용액에 녹아야 되기 때문에 용해도 등의 차이로 일부 손실이 발생할 수 있어 계속 염을 보충해주어야 하는 단점이 있다. 염을 계속 보충해주어야 한다는 것은 연료비가 계속 투입되어야 하기 때문에 경제성을 감소시키는 원인이 된다.

본 개시는 저농도 용액(담수)로 이동한 염을 외부의 에너지 공급 없이 처리하여 저농도 용액(담수)을 재순환시키고 염 포함 용액의 농도를 원하는 농도로 저감시켜 배출할 수 있는 역전기 투석 장치에 관한 것이다.

본 개시는 저농도 용액(담수)로 이동한 염을 외부의 에너지 공급 없이 처리하여 저농도 용액(담수)을 재순환시키고 염 포함 용액의 농도를 원하는 농도로 저감시켜 배출할 수 있는 역전기 투석 장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치에 관한 것이다.

실시예들에 따른 역전기 투석 장치는 서로 대향하여 마주보는 애노드 전극과 캐소드 전극, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배열되고 제1 용액이 유동하는 제1 유로와 상기 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 복수로 구획되도록 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배열된 이온교환막 스택, 상기 제1 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 이동한 상기 염이 포함된 배출액을 상기 캐소드 전극으로 공급하는 공급 유로, 상기 캐소드 전극에서 상기 염이 가스로 환원되어 상기 염 농도가 낮아진 캐소드 전극 용액을 상기 제1 용액으로 재순환시키는 제1 순환 유로 및 상기 제2 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 상기 제1 유로로 상기 염이 이동하여 상기 염의 농도가 낮아진 배출액을 상기 제2 용액으로 다시 재순환시켜 상기 제2 용액의 상기 염 농도를 원하는 값으로 낮추는 제2 순환 유로를 포함한다.

실시예들에 따른 역전기 투석 장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치는 캐리어 및 상기 캐리어 상에 설치된 제1 용액 탱크, 염을 포함하는 제2 용액 탱크, 상기 제2 용액 탱크 상에 설치된 염 센서, 역전기 투석 장치 및 제어기를 포함하는 역전기 투석장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치로,

상기 역전기 투석 장치는 서로 대향하여 마주보는 애노드 전극과 캐소드 전극, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배열되고 제1 용액이 유동하는 제1 유로와 상기 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 복수로 구획되도록 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배열된 이온교환막 스택, 상기 제1 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 이동한 상기 염이 포함된 배출액을 상기 캐소드 전극으로 공급하는 공급 유로, 상기 캐소드 전극에서 상기 염이 가스로 환원되어 상기 염 농도가 낮아진 캐소드 전극 용액을 상기 제1 용액으로 재순환시키는 제1 순환 유로 및 상기 제2 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 상기 제1 유로로 상기 염이 이동하여 상기 염의 농도가 낮아진 배출액을 상기 제2 용액으로 다시 재순환시켜 상기 제2 용액의 상기 염 농도를 원하는 값으로 낮추는 제2 순환 유로, 및 상기 제2 용액의 상기 염 농도가 상기 원하는 값 이하가 되면 상기 배출액을 외부로 배출하는 배출관을 포함하고,

상기 제어기는 상기 제2 용액 탱크에 설치된 질산염 센서를 통해 상기 제2 용액 내의 염의 농도가 원하는 농도값으로 낮아지면 제어기가 밸브를 제어하여 역전기 투석 장치에서 배출되는 배출액을 상기 제2 순환 유로가 아니라 상기 배출관으로 이동하도록 하는 제어한다.

본 기재의 실시예들에서는 염 농도의 차이를 이용하여 에너지를 생산하는 역전기 투석 장치의 기본 원리를 적용하되 이온교환막 스택의 이온교환막에서 염이 담수로 이동하여 염 용액(액비, 폐 비료용액, 수경 재배 배출수 등)의 염 농도를 희석시키고 염이 이동된 담수는 캐소드 전극 반응을 통해 가스 형태로 전환하여 처리할 수 있게 된다.

따라서, 담수로 이동된 염은 제거되고 담수는 다시 이온교환 스택으로 재순환되어 재활용될 수 있으므로 역전기 투석 장치의 운영 및 관리가 용이해지고 경제성을 확보할 수 있다.

또한 희석된 염 용액은 염 농도가 배출 허용치 이하로 낮아지면 외부 환경에 최종 배출 또는 살포할 수 있으므로 환경에 유해한 물질을 환경에 해를 끼치지 않는 유용자원으로 전환할 수 있다.

특히, 염 포함 용액(폐수)의 생산과 소비의 불일치성을 극복할 수 있기 때문에 환경오염원이 될 수 있는 염 포함 용액(폐수)의 친환경적 자원 선순환 구조를 확립할 수 있다.

또한, 이동형으로 구성하여 공용처리시설뿐만 아니라 산재되어 있는 개인 사업장의 염 포함 용액(폐수)의 처리에도 매우 효과적으로 적용할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 직렬식 역전기 투석 장치에서의 염 용액 처리 방식의 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치의 개략적인 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치를 사용하여 질산염의 농도를 원하는 농도값이 이하로 희석할 수 있음을 보여주기 위한 실험 데이터이다.

이하 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 실시예는 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구체적인 실시예로만 한정되지 않는다.

도 1은 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치로 저농도 용액(담수)으로 이동한 염을 외부의 에너지 공급 없이 처리하여 저농도 용액(담수)을 재순환시키고 염을 포함하는 용액의 농도를 원하는 농도로 저감시켜 배출할 수 있는 역전기 투석 장치의 단면도이다.

역전기 투석 장치(1)는 서로 대향하여 마주보도록 설치된 캐소드 전극(11)과 애노드 전극(13)을 포함한다. 캐소드 전극(11)과 애노드 전극(13) 사이에는 이온교환막 스택(20)이 배치된다. 이온교환막 스택(20)은 담수와 같은 저농도의 제1 용액(21)이 유동하는 제1 유로(31)와 제1 용액보다 고농도의 염(예., 질산염)을 포함하는 제2 용액(23)이 유동하는 제2 유로(33)가 복수로 구획되도록 음이온교환막(41)과 양이온교환막(43)이 교대로 배열되어 구성된다.

제2 용액(23)은 염을 포함하는 용액이라면 어느 용액이라도 가능하다. 특히, 다량의 질산염과 같은 염을 포함하여 그대로 주변 환경에 배출될 수 있는 염 종류의 경우 환경 오염의 주 원인이 될 수 있는 액비, 폐 비료용액 또는 수경재배 배출수, 산업 염 폐수 등이 제2 용액(23)으로 사용될 경우 본 장치의 장점이 극대화될 수 있다.

염을 포함하는 제2 용액(23)의 질산염은 농도 차이에 의해서 음이온교환막(41)을 통해서 제1 유로(31)로 이동하게 된다. 따라서, 제1 유로(31)를 통해 배출되는 배출액에는 질산염이 포함되게 된다.

질산염을 포함하는 배출액은 공급 유로(51)를 통해서 캐소드 전극(11)으로 전달된다. 캐소드 전극(11)에서는 질산염(NO₃-)이 질소(N₂) 또는 암모니아(NH₃) 가스로 환원된다. 캐소드 전극(11)에서의 환원 반응은 외부 에너지의 공급 없이 역전기투석의 이온교환막에서 생성된 전위차에 의한 에너지로 전극에 준비된 촉매 반응을 유도하여 진행될 수 있다. 따라서, 캐소드 전극(11)은 질산염의 환원 반응에 적합한 Cu, Fe, Cu/Pt, Fe/Pt 등의 촉매 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 환원반응에 의해 생성된 가스는 불순물이 적은 고순도의 가스로 생성되기 때문에 가스 포집관(65)을 통해 외부의 가스 포집기에 포집되어 용도에 맞게 재활용 될 수 있다.

질산염이 제거되어 염 농도가 낮아진 캐소드 전극 용액은 순환 유로(55)를 통해서 다시 제1 용액으로 전달되어 재순환된다. 제1 용액, 즉 담수를 재활용할 수 있다는 것은 염분차 발전장치의 경제성을 높일 수 있는 큰 장점이다.

한편, 제2 유로(33)를 통과해서 배출되는 배출액은 초기의 제2 용액보다 질산염의 농도가 낮아지게 된다. 따라서, 순환 유로(57)를 통해서 다시 이온교환막 스택(20)에 재순환시키는 과정을 반복하게 되면 질산염의 농도를 점차적으로 낮추어 줄 수 있다. 재순환 과정을 수회 반복한 후 질산염 농도가 외부 배출 기준에 도달하면 배출관(65)을 통해 외부로 배출할 수 있다.

필요에 따라서는 애노드 전극 용액(80) 또한 순환형으로 구성할 수 있다.

또한, 상기의 구조를 갖는 역전기투석 스택을 단일 스택으로 운영할 수도 있지만, 염 포함 용액 처리의 효율을 향상시키기 위해서는 도 2에서와 같이 상기의 역전기투석 스택을 여러 개 직렬로 배치하여 운영할 수 도 있다. 간단히 설명하면, 제 1용액(21)과 제 2용액(23)이 계속하여 직렬로 연결된 후단 스택으로 이동하면서 염을 제2용액(23)에서 제1용액(21)으로 이동시킨다. 제 1용액은 후단 스택으로 이동하기 전 전단 스택의 캐소드 전극으로 이동하여 질산염을 질소와 암모니아 가스로 전환시켜 다시 농도가 낮은 저 농도의 담수 형태가 되고, 이렇게 된 제1용액이 후단의 스택으로 재 이동하는 원리이다. 이와 같은 구조를 이용하면, 각 역전기투석 스택에서의 처리량을 일정하게 유지하면서 처리 시간을 단축시키는데 매우 효율적일 수 있다.

도 3은 도 1에 예시된 역전기 투석 장치(1)를 포함하는 이동형 염 포함 용액 처리 장치를 나타내는 사시도이다.

이동형 폐액 처리 장치는 캐리어(100) 상에 도 1을 참조하여 설명한 역전기 투석 장치(1), 담수 탱크(21a), 제2 용액(염 포함 용액) 탱크(23a), 애노드 전극 용액 탱크(80a), 가스포집기(68) 및 제어기(75)가 설치된다.

도 1에서 설명한 역전기 투석 장치(1)의 경우 제1 용액(담수)(21)의 재순환 사용이 가능하기 때문에 이동형으로 장치를 구성할 수 있다.

제1 용액(담수) 탱크(21a)에 담겨진 제1 용액(담수)(21)은 펌프(21b)를 통해 역전기 투석 장치(1)의 이온교환막 스택(도 1의 20 참조)의 제1 유로(도 1의 31)에 공급된다.

제2 용액(염 포함 용액) 탱크(23a)에 담겨진 제2 용액(23)은 폄프(23b)를 통해 역전기 투석 장치(1)의 이온교환막 스택(도 1의 20 참조)의 제2 유로(도 1의 33)에 공급된다. 제2 용액(23)으로 사용되는 염 포함 용액으로는 액비, 폐 비료용액 또는 수경 재배 등에서 배출되는 오수 등이 사용될 수 있으며, 도 2에서는 액비를 예시하고 있다.

제2 용액(23) 내의 질산염은 농도 차이에 의해서 제1 유로(31)의 제1 용액(21)으로 이동한 후 공급 유로(55)를 통해서 캐소드 전극(도 1의 11)으로 공급된다. 캐소드 전극(도 1의 11)에서는 질산염(NO₃-)이 질소(N₂) 또는 암모니아(NH₃) 가스로 환원된다. 캐소드 전극(도 1의 11)의 환원 반응에 의해 생성된 가스들은 가스 포집관(65)을 통해서 가스 포집기(68)에 포집될 수 있다.

캐소드 전극(도 1의 11)의 환원 반응에 의해 질산염의 농도가 낮아진 용액은 순환 유로(55)를 통해서 다시 제1 용액(담수) 탱크(21a)로 보내져 재순환된다.

애노드 전극(도 1의 13)에는 애노드 전극 용액 탱크(80a)를 통해서 전극 용액이 공급될 수 있다. 전극 용액으로는 담수 또는 별도의 애노드 전극 용액을 사용할 수 있다.

제1 용액(담수)(21a)이 계속 재순환되는 사이클이 반복되는 동안 제2 용액(액비)(23a)의 질산염은 지속적으로 제1 용액(담수) 쪽으로 이동하여 그 농도가 계속 희석된다.

밸브(77)단에 설치된 질산염 센서(73)를 통해 제2 용액(액비)(23a) 내 질산염의 농도가 원하는 농도값(예., 배출 허용치 이내)으로 낮아지면 제어기(75)가 밸브(77)를 제어하여 역전기 투석 장치(1)에서 배출되는 배출액이 순환 유로(55)로 가지 않고 배출관(65)으로 이동하도록 하여 외부로 배출한다. 질산염 농도가 배출 허용치 이내로 낮아진 배출수는 농지, 골프장 등에 배출되어 비료로 사용될 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치를 사용하여 질산염의 농도를 원하는 농도값이 이하로 희석할 수 있음을 보여주기 위한 실험 데이터이다.

돈 분료로부터 생산된 액비를 제2 용액으로 사용하였다. 액비 내의 질산염의 초기 농도는 190ppm이었다. 이온교환막으로는 50mm × 50mm 유효 면적을 가지는 Fujifilm사의 막을 사용하였다. 이온교환막 스택은 50 단위셀로 구성하였으며, 캐소드 전극은 Fe 촉매가 패킹된 전극을 사용하였다. 질산염의 측정은 크로모트로핀산 법(chromotropic acid method)에 의해 측정하였다.

그 결과 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 액비 내 질산염 농도가 초기에 많이 감소하며, 이후 농도가 감소될수록 서서히 감소되는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 처리 시간은 이온교환막 스택의 설계와 운전 조건에 따라 제어할 수 있다. 예를 들면, 전극의 면적을 늘리고, 이온교환막 스택의 단위셀의 수를 늘릴 경우, 전위가 증가하고 전류밀도도 상승하기 때문에 전극 반응을 더활성화시킬 수 있다.

비록 다양한 실시예들을 참조로 하여 본 발명을 설명하였지만 다양한 변형 및 변화가 본 발명의 취지 및 범위 내에 포함된다는 것을 이해할 수 있다.

Claims (7)

1. 서로 대향하여 마주보는 애노드 전극과 캐소드 전극;
   상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배열되고 제1 용액이 유동하는 제1 유로와 상기 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 복수로 구획되도록 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배열된 이온교환막 스택;
   상기 제1 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 이동한 상기 염이 포함된 배출액을 상기 캐소드 전극으로 공급하는 공급 유로;
   상기 캐소드 전극에서 상기 염이 가스로 환원되어 상기 염 농도가 낮아진 캐소드 전극 용액을 상기 제1 용액으로 재순환시키는 제1 순환 유로; 및
   상기 제2 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 상기 제1 유로로 상기 염이 이동하여 상기 염의 농도가 낮아진 배출액을 상기 제2 용액으로 다시 재순환시켜 상기 제2 용액의 상기 염 농도를 원하는 값으로 낮추는 제2 순환 유로를 포함하는 역전기 투석 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 염은 질산염이고,
   상기 캐소드 전극에서 상기 질산염은 질소 또는 암모니아 가스로 환원되는 역전기 투석 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제2 용액은 액비, 폐 비료용액, 수경재배 배출수, 및 산업폐수인 역전기 투석 장치.
4. 캐리어; 및
   상기 캐리어 상에 설치된 제1 용액 탱크, 염을 포함하는 제2 용액 탱크, 상기 제2 용액 탱크 상에 설치된 염 센서, 역전기 투석 장치 및 제어기를 포함하는 역전기 투석장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치로,
   상기 역전기 투석 장치는
   서로 대향하여 마주보는 애노드 전극과 캐소드 전극;
   상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배열되고 상기 제1 용액 탱크로부터 공급된 상기 제1 용액이 유동하는 제1 유로와 상기 제2 용액 탱크로부터 상기 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 복수로 구획되도록 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배열된 이온교환막 스택;
   상기 제1 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 이동한 상기 염이 포함된 배출액을 상기 캐소드 전극으로 공급하는 공급 유로;
   상기 캐소드 전극에서 상기 염이 가스로 환원되어 상기 염 농도가 낮아진 캐소드 전극 용액을 상기 제1 용액으로 재순환시키는 제1 순환 유로;
   상기 제2 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 상기 제1 유로로 상기 염이 이동하여 상기 염의 농도가 낮아진 배출액을 상기 제2 용액으로 다시 재순환시켜 상기 제2 용액의 상기 염 농도를 원하는 값으로 낮추는 제2 순환 유로; 및
   상기 제2 용액의 상기 염 농도가 상기 원하는 값 이하가 되면 상기 배출액을 외부로 배출하는 배출관을 포함하고,
   상기 제어기는 상기 제2 용액 탱크에 설치된 질산염 센서를 통해 상기 제2 용액 내의 염의 농도가 원하는 농도값으로 낮아지면 제어기가 밸브를 제어하여 역전기 투석 장치에서 배출되는 배출액을 상기 제2 순환 유로가 아니라 상기 배출관으로 이동하도록 하는 제어하는 역전기 투석 장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 염은 질산염이고,
   상기 캐소드 전극에서 상기 질산염은 질소 또는 암모니아 가스로 환원되는 역전기 투석 장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제2 용액은 액비, 폐 비료용액, 수경재배 배출수, 및 산업폐수인 역전기 투석 장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 캐리어 상에 상기 가스를 포집하는 가스 포집기를 더 포함하는 역전기 투석 장치 기반 이동형 염 포함 용액 처리 장치.

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