KR102380597B1 - Seawater desalination system using capacitive deionization electrode - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 해수를 취수하는 취수 단계, 취수된 해수에 포함되어 있는 불순물을 제거하는 전처리 단계, 전처리된 해수를 역삼투 장치로 처리하는 역삼투 단계, 상기 역삼투 단계를 통해 생성된 처리수의 pH를 조절하는 pH 조절 단계 및 pH가 조절된 처리수를 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극(Capacitive deionization, CDI) 장치를 이용하여 처리하는 CDI 처리 단계를 포함하는 해수 담수화 시스템에 관한 것으로, 상기 이온교환막에 의해 1가 이온이 선택적으로 제거됨으로써 해수에 포함된 염분의 농도가 낮아지면서 동시에 2가 양이온의 농도가 유지되어 별도의 미네랄 재충전 단계 없이 바로 음용수를 생성할 수 있는 해수 담수화 시스템에 관한 것이다. The present invention provides a water intake step of taking seawater, a pretreatment step of removing impurities contained in the withdrawn seawater, a reverse osmosis step of treating the pretreated seawater with a reverse osmosis device, and the treated water generated through the reverse osmosis step It relates to a seawater desalination system comprising a pH control step of adjusting the pH and a CDI treatment step of treating the pH-adjusted treated water using a capacitive deionization (CDI) device equipped with an ion exchange membrane, wherein the By selectively removing monovalent ions by the ion exchange membrane, the concentration of salt contained in seawater is lowered while the concentration of divalent cations is maintained, so that it is possible to directly produce drinking water without a separate remineralization step. .

Description

축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템{Seawater desalination system using capacitive deionization electrode}Seawater desalination system using capacitive deionization electrode

본 발명은 축전식 탈염 전극(Capacitive deionization, CDI)을 이용한 해수 담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1가 양이온만 선택적으로 제거할 수 있는 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a seawater desalination system using a capacitive deionization (CDI), and more particularly, a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode equipped with an ion exchange membrane that can selectively remove only monovalent cations. is about

2000년대 이후 전 세계적으로 농업용, 도시용, 산업용 등에서 물에 대한 수용량이 급증하고 있어 전 세계적으로 물 부족 현상이 심화되고 있다. 2025년에는 30억 명의 인구가 물 부족 상황에 직면할 것으로 예상되고, 특히 현재도 중동과 아프리카 지역은 가장 심각한 물 부족 현상에 직면하고 있다.Since the 2000s, the amount of water used for agricultural, urban, and industrial purposes has been increasing rapidly around the world. It is expected that 3 billion people will face water scarcity by 2025, especially in the Middle East and Africa.

해수는 지구상의 전체 수자원 중 약 97%를 차지하여 거의 무한에 가까운 수자원으로, 이와 같은 해수를 담수화하는 기술은 물 부족 문제를 해결할 수 있는 강력한 대안으로 간주되고 있다.Seawater accounts for about 97% of all water resources on the planet, and is an almost infinite water resource.

해수에는 나트륨, 마그네슘, 염소이온 등 다양한 물질이 높은 농도로 녹아 있어 음용수로는 적합하지 않다. 해수를 음용수로 사용하기 위해서는 이와 같은 염(salt)을 제거하여야 하는데, 대표적인 염 제거 기술로 증발법과 막 분리법이 이용되고 있다. 염 제거 기술 중 증발법은 액체-기체 간의 상 변화를 이용하는 방법으로 다단증발법과 다중효용법 등으로 분류되며, 순간적으로 해수에 열을 가하여 해수를 증기로 만든 뒤 증기를 다시 물로 응축시켜 해수에서의 염분이나 불순물을 제거하는 방식이다. 막 분리법은 물은 통과하고 염은 통과하지 못하는 반투막을 이용하는 방식으로, 반투막에 삼투압보다 높은 압력을 가하여 담수를 획득하는 역삼투(Reverse osmosis, RO) 공정이 가장 널리 사용되고 있다.Seawater contains various substances such as sodium, magnesium, and chlorine ions in high concentrations, so it is not suitable for drinking water. In order to use seawater as drinking water, it is necessary to remove such salt, and evaporation and membrane separation are used as representative salt removal technologies. Among salt removal technologies, evaporation is a method that uses a phase change between liquid and gas, and is classified into multi-stage evaporation and multiple effect methods. It is a method to remove salt or impurities. The membrane separation method uses a semi-permeable membrane that passes water but does not pass salt, and a reverse osmosis (RO) process in which fresh water is obtained by applying a pressure higher than the osmotic pressure to the semi-permeable membrane is most widely used.

도 1은 역삼투 공정을 이용한 해수 담수화 시스템의 공정도를 간략히 도시한 것으로, 기존의 해수 담수화 시스템은 일반적으로 전처리 단계, 역삼투 단계 및 후처리 단계를 포함한다.1 schematically shows a process diagram of a seawater desalination system using a reverse osmosis process, and a conventional seawater desalination system generally includes a pre-treatment step, a reverse osmosis step and a post-treatment step.

먼저, 전처리 단계를 통해 취수 된 해수에 존재하는 박테리아나 콜로이드, 클레이, 부유물질 등 탁도를 유발하는 물질이 제거된 후 역삼투 단계를 통해 담수로 전환된다. First, substances that cause turbidity, such as bacteria, colloids, clay, and suspended matter, present in the seawater taken in through the pretreatment step are removed, and then converted into fresh water through the reverse osmosis step.

역삼투 단계는 통상적으로 SWRO(Sea water reverse osmosis) 역삼투 단계, pH 조절 단계 및 BWRO(Brackish water reverse osmosis) 역삼투 단계를 포함하는 2단 역삼투 방식으로 진행되어 고순도의 물이 생성되는데, 이와 같은 공정을 거치면 물에 포함된 염 성분이 과도하게 제거되어 거의 증류수에 가까운 경도를 가지므로 음용수로 사용하기 곤란해지는 문제가 발생한다.The reverse osmosis step is typically performed in a two-stage reverse osmosis method including a sea water reverse osmosis (SWRO) reverse osmosis step, a pH control step, and a brackish water reverse osmosis (BWRO) reverse osmosis step to produce high-purity water, Through the same process, the salt component contained in the water is excessively removed, and since it has a hardness close to that of distilled water, it becomes difficult to use it as drinking water.

이에, 후처리 단계를 통해 부족한 염 성분을 보충하여 줌으로써 해수를 음용수로 이용 가능한 담수로 전환시킨다.Accordingly, seawater is converted into fresh water usable as drinking water by supplementing the insufficient salt component through the post-treatment step.

그러나, 이러한 기존의 해수 담수화 시스템은 두 번의 역삼투 단계를 거치며, 역삼투를 통해 제거된 염을 추가로 보충하는 후처리 단계가 요구되므로, 수처리 효율이 낮고 시스템 가동을 위해 높은 전력이 소모되는 문제가 있어, 적은 전력으로 높은 담수화 효율을 달성할 수 있는 해수담수화 시스템의 개발이 필요한 시점이다.However, this conventional seawater desalination system goes through two reverse osmosis steps, and requires a post-treatment step to additionally supplement the salt removed through reverse osmosis, so the water treatment efficiency is low and high power is consumed for system operation. Therefore, it is necessary to develop a seawater desalination system that can achieve high desalination efficiency with little power.

등록특허 제10-2013255호(2019.08.28. 등록)Registered Patent No. 10-2013255 (Registered on August 28, 2019)

본 발명에서는 1가 양이온만 선택적으로 제거할 수 있는 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode equipped with an ion exchange membrane capable of selectively removing only monovalent cations.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 해수를 취수하는 취수 단계; 취수된 해수에 포함되어 있는 불순물을 제거하는 전처리 단계; 전처리된 해수를 역삼투 장치로 처리하는 역삼투 단계; 상기 역삼투 단계를 통해 생성된 처리수의 pH를 조절하는 pH 조절 단계; 및 pH가 조절된 처리수를 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극(Capacitive deionization, CDI) 장치를 이용하여 처리하는 CDI 처리 단계;를 포함하며, 상기 이온교환막은, 1가 이온을 선택적으로 제거하는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템에 관한 것이다.One embodiment of the present invention for achieving the object as described above, relates to a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, and more particularly, a water intake step of water intake; A pretreatment step of removing impurities contained in the withdrawn seawater; Reverse osmosis step of treating the pretreated seawater with a reverse osmosis device; a pH adjustment step of adjusting the pH of the treated water produced through the reverse osmosis step; and a CDI treatment step of treating the pH-controlled treated water using a capacitive deionization (CDI) device equipped with an ion exchange membrane, wherein the ion exchange membrane selectively removes monovalent ions It relates to a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that.

상기 전처리 단계는, 취수된 해수에 황산이 혼합되는 단계일 수 있다.The pretreatment step may be a step in which sulfuric acid is mixed with the seawater withdrawn.

상기 전처리 단계에서, 스케일 방지제, 응집제, 산화제 중 적어도 어느 하나 이상이 추가로 더 혼합될 수 있다.In the pretreatment step, at least one or more of a scale inhibitor, a coagulant, and an oxidizing agent may be further mixed.

상기 전처리 단계에서, 용존공기부상, 단매체여과, 이중매체여과 및 한외여과 중 적어도 어느 하나 이상의 공정이 수행될 수 있다.In the pretreatment step, at least any one or more processes of dissolved air flotation, single medium filtration, double medium filtration and ultrafiltration may be performed.

상기 역삼투 단계는, SWRO(Sea water reverse osmosis) 장치를 이용한 역삼투 단계일 수 있다.The reverse osmosis step may be a reverse osmosis step using a sea water reverse osmosis (SWRO) device.

상기 pH 조절 단계는, 상기 역삼투 단계를 통해 생성된 처리수의 pH를 9~10으로 조절하는 단계일 수 있다.The pH adjustment step may be a step of adjusting the pH of the treated water generated through the reverse osmosis step to 9-10.

상기 pH 조절 단계는, 상기 역삼투 단계를 통해 생성된 처리수와 pH 조절제를 혼합하는 단계이되, 상기 pH 조절제는 2가 양이온을 포함하고 수용액 상에서 염기성을 나타내는 것일 수 있다.The pH adjusting step may be a step of mixing the treated water produced through the reverse osmosis step and a pH adjusting agent, wherein the pH adjusting agent includes a divalent cation and shows basicity in an aqueous solution.

상기 pH 조절제는 산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘 및 수산화칼슘 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.The pH adjusting agent may be at least one of calcium oxide, magnesium oxide, magnesium hydroxide, and calcium hydroxide.

상기 pH 조절 단계에서, 유기산 혹은 유기산의 수화물이 추가로 더 혼합될 수 있다.In the pH adjustment step, an organic acid or a hydrate of the organic acid may be further mixed.

상기 유기산은, 아세트산, 부탄산, 시트르산 및 말릭산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.The organic acid may be at least one selected from the group consisting of acetic acid, butanoic acid, citric acid, and malic acid.

상기 pH 조절제 및 유기산 혹은 유기산의 수화물은 1 : 1~2의 중량비로 혼합될 수 있다.The pH adjusting agent and the organic acid or the hydrate of the organic acid may be mixed in a weight ratio of 1:1 to 2.

상기 이온교환막은, 1가 양이온을 선택적으로 제거하는 양이온 교환막 및 1가 음이온을 선택적으로 제거하는 음이온 교환막을 포함할 수 있다.The ion exchange membrane may include a cation exchange membrane for selectively removing monovalent cations and an anion exchange membrane for selectively removing monovalent anions.

상기 축전식 탈염 전극 장치는, 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 전극 사이에 배치된 이온교환막을 포함하는 축전식 탈염 전극일 수 있다.The capacitive desalination electrode device may be a capacitive desalination electrode including a pair of electrodes and an ion exchange membrane disposed between the pair of electrodes.

상기 축전식 탈염 전극 장치는, 적어도 두 개 이상의 축전식 탈염 전극을 포함할 수있다.The capacitive desalination electrode device may include at least two capacitive desalination electrodes.

본 발명의 다른 실시 형태는, 취수된 해수에 포함되어 있는 불순물을 제거하는 전처리 장치, 전처리된 해수를 SWRO 방식으로 역삼투 처리하여 기수(Brackish water)를 생산하는 역삼투 장치 및 1가 이온을 선택적으로 제거하는 이온교환막을 포함하고, 교대로 충전 및 방전이 이루어지는 제1 축전식 탈염 전극 장치와 제2 축전식 탈염 전극 장치를 포함하는 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention is a pre-treatment device for removing impurities contained in the taken-in seawater, a reverse osmosis device for producing brackish water by reverse osmosis treatment of the pre-treated seawater in the SWRO method, and monovalent ions are selectively selected It relates to a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode including a first capacitive desalination electrode device and a second capacitive desalination electrode device comprising an ion exchange membrane to be removed by a ion exchange membrane and alternately charging and discharging.

이때, 상기 기수는 제1 축전식 탈염 전극 장치와 제2 축전식 탈염 전극 장치로 분리되어 공급되며, 제1 축전식 탈염 전극 장치의 방전시, 제1 축전식 탈염 전극 장치로 유입되는 기수의 일부는 pH 조절 반응기로 공급되고, pH 조절 반응기에서 배출되는 pH가 조절된 처리수는 충전이 이루어지는 제2 축전식 탈염 전극 장치로 공급되며, 제2 축전식 탈염 전극 장치의 방전시, 제2 축전식 탈염 전극 장치로 유입되는 기수의 일부는 pH 조절 반응기로 공급되고, pH 조절 반응기에서 배출되는 pH가 조절된 처리수는 충전이 이루어지는 제1 축전식 탈염 전극 장치로 공급될 수 있다.At this time, the brackish water is supplied separately to the first capacitive desalination electrode device and the second capacitive desalination electrode device, and when the first capacitive desalination electrode device is discharged, a part of the brackish water flowing into the first capacitive desalination electrode device is supplied to the pH control reactor, and the pH-controlled treated water discharged from the pH control reactor is supplied to the second capacitive desalination electrode device for charging, and when the second capacitive desalination electrode device is discharged, the second capacitive type A portion of brackish water flowing into the desalination electrode device may be supplied to the pH control reactor, and the pH-controlled treated water discharged from the pH control reactor may be supplied to the first capacitive desalination electrode device in which charging is performed.

상기 전처리 장치에서 취수된 해수에 황산이 혼합될 수 있다.Sulfuric acid may be mixed with the seawater taken in by the pretreatment device.

상기 pH 조절 반응기에서 기수에 2가 양이온을 포함하고 수용액 상에서 염기성을 나타내는 pH 조절제가 투입되어 pH가 9~10으로 조절될 수 있다.In the pH control reactor, a pH adjusting agent containing divalent cations and showing basicity in aqueous solution is added to brackish water to adjust the pH to 9-10.

상기 pH 조절 반응기에서, 상기 pH 조절제와 유기산 혹은 유기산의 수화물이 함께 투입될 수 있다.In the pH control reactor, the pH control agent and the organic acid or the hydrate of the organic acid may be added together.

본 발명의 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템은 2가 양이온의 농도가 높은 처리수를 생산하므로, 해수 담수화 공정에 수반되는 추가적인 미네랄 재충전(remineralization) 공정을 생략할 수 있어 전력 소모량을 절감할 수 있다.Since the seawater desalination system using the capacitive desalination electrode of the present invention produces treated water with a high concentration of divalent cations, the additional remineralization process accompanying the seawater desalination process can be omitted, thereby reducing power consumption. there is.

도 1은 종래의 2단 역삼투 공정을 이용한 해수담수화 시스템의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템의 공정도이다.
도 3은 선택적 1가 이온 교환막의 원리를 간략히 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극을 간략히 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템의 공정도이다.
도 6은 실험예의 결과를 도시한 사진이다.
1 is a process diagram of a seawater desalination system using a conventional two-stage reverse osmosis process.
2 is a process diagram of a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode of the present invention.
3 is a diagram schematically illustrating the principle of a selective monovalent ion exchange membrane.
4 is a cross-sectional view schematically illustrating a capacitive desalination electrode according to an embodiment of the present invention.
5 is a process diagram of a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph showing the results of the experimental example.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.Before describing in detail through preferred embodiments of the present invention, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and meanings consistent with the technical spirit of the present invention and should be interpreted as a concept.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

이하에서는, 본 발명의 실시예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. However, the scope of the present invention is not limited to the following preferred embodiments, and those skilled in the art can implement various modified forms of the contents described herein within the scope of the present invention.

도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 해수 담수화 시스템은, 해수를 취수하는 취수 단계(S1); 취수된 해수에 포함되어 있는 불순물을 제거하는 전처리 단계(S2); 전처리된 해수를 역삼투 장치로 처리하는 역삼투 단계(S3); 상기 역삼투 단계를 통해 생성된 처리수의 pH를 조절하는 pH 조절 단계(S4); 및 pH가 조절된 처리수를 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극(Capacitive deionization, CDI) 장치를 이용하여 처리하는 CDI 처리 단계(S5);를 포함한다.2 is a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode according to an embodiment of the present invention. A pretreatment step (S2) of removing impurities contained in the withdrawn seawater; Reverse osmosis step (S3) of treating the pretreated seawater with a reverse osmosis device; a pH adjustment step (S4) of adjusting the pH of the treated water generated through the reverse osmosis step; and a CDI treatment step (S5) of treating the pH-adjusted treated water using a capacitive deionization (CDI) device equipped with an ion exchange membrane.

이때, 상기 이온교환막은 선택적 1가 이온교환막으로, 1가 이온을 선택적으로 제거함으로써 최종적으로 생산된 생산수의 염분을 감소시키는 동시에 마그네슘이나 칼슘과 같은 2가 양이온의 농도는 유지시킴으로써 별도의 미네랄 재충전 단계 없이 바로 음용수를 제조할 수 있으므로, 담수화 효율은 높이고 설비 운영에 소모되는 에너지를 감소시킬 수 있다.At this time, the ion exchange membrane is a selective monovalent ion exchange membrane, which selectively removes monovalent ions to reduce the salinity of the finally produced water, and at the same time maintains the concentration of divalent cations such as magnesium or calcium, thereby separately recharging minerals. Since drinking water can be produced directly without steps, desalination efficiency can be improved and energy consumed for facility operation can be reduced.

먼저, 상기 취수 단계(S1)는 담수화를 위한 원수인 해수를 취수하는 단계로, 전처리 단계(S2)의 부하를 감소시키기 위해 가능한 깨끗한 해수를 취수하는 것이 바람직하다. 양질의 원수를 얻기 위해 예를 들어, 수심 60m 이상의 심해수를 취수할 수 있다. 취수 단계(S1)를 통해 취수된 해수는, 해수에 포함되어 있는 모래 등을 제거하기 위해 여과기, 디스크 필터 등의 장치를 거친 후 전처리 단계(S2)를 거칠 수 있다.First, the water intake step (S1) is a step of taking in seawater, which is raw water for desalination, and it is preferable to take in as clean seawater as possible in order to reduce the load of the pretreatment step (S2). In order to obtain good quality raw water, for example, deep seawater of 60 m or more can be taken in. The seawater taken in through the water intake step (S1) may be subjected to a pretreatment step (S2) after passing through devices such as a filter and a disk filter in order to remove sand and the like contained in the seawater.

상기 전처리 단계(S2)는 역삼투막의 오염이나 손상을 방지하기 위해 취수된 해수에 포함되어 있는 각종 불순물을 제거하는 단계이다. 이 단계를 통해 콜로이드나 입자성물질과 같은 부유물질, 유기물과 미생물을 포함하는 유기오염물질, 탄산칼슘, 황산칼슘과 같은 기타 무기화합물 등이 제거될 수 있다. The pretreatment step (S2) is a step of removing various impurities contained in the seawater taken in to prevent contamination or damage to the reverse osmosis membrane. Suspended substances such as colloids or particulate matter, organic pollutants including organic matter and microorganisms, and other inorganic compounds such as calcium carbonate and calcium sulfate can be removed through this step.

구체적으로, 이 단계에서 이들 불순물을 응집시켜 플록(floc)을 형성한 후, 침전, 부상 혹은 여과 방식을 통해 플록을 제거할 수 있다. 이와 같은 플록 제거 공정으로 용존공기부상(Dissolved air flotation, DAF), 단매체여과(Single media filtration, SMF), 이중매체여과(Dual media filtration, DMF) 및 한외여과(Ultrafiltration, UF) 중 적어도 어느 하나 이상의 공정이 수행될 수 있다.Specifically, in this step, these impurities are aggregated to form flocs, and then the flocs may be removed through precipitation, flotation or filtration. At least one of Dissolved air flotation (DAF), single media filtration (SMF), dual media filtration (DMF) and ultrafiltration (UF) in such a floc removal process The above process may be performed.

이 단계에서 취수된 해수에 황산이 혼합될 수 있는데, 황산을 혼합시킴에 따라 해수의 pH가 낮아져 탄산염이나 황산칼슘과 같은 스케일의 형성이 억제되며, 불순물의 응집이 촉진되고, 유기물 제거 효율이 높아져 역삼투막의 오염이나 손상을 방지할 수 있다.Sulfuric acid may be mixed with the seawater taken in this step. As the sulfuric acid is mixed, the pH of the seawater is lowered, the formation of scales such as carbonate or calcium sulfate is suppressed, the aggregation of impurities is promoted, and the organic matter removal efficiency is increased. Contamination or damage to the reverse osmosis membrane can be prevented.

또한, 스케일 방지제, 응집제, 산화제 중 적어도 어느 하나 이상의 첨가제가 추가로 더 혼합될 수 있으며, 이러한 첨가제로 사용될 수 있는 물질은 특별히 한정되지 않는다.In addition, at least one additive of a scale inhibitor, a coagulant, and an oxidizing agent may be further mixed, and a material that can be used as the additive is not particularly limited.

다음으로, 전처리된 해수를 역삼투 장치로 처리하는 역삼투 단계(S3)가 수행될 수 있다. 역삼투 장치로는 SWRO(Sea water reverse osmosis) 방식을 이용한 SWRO 장치와 BWRO(Brackish water reverse osmosis) 방식을 적용한 BWRO 장치가 있는데, SWRO 장치는 고압으로 운영되며 염 배재율이 40~60%로 낮고, BWRO 장치는 저압으로 운영되며 염 배재율이 70~85%로 높은 특징이 있다. 본 발명에서는 상기 역삼투 장치로 SWRO(Sea water reverse osmosis) 장치를 사용한다. Next, a reverse osmosis step (S3) of treating the pretreated seawater with a reverse osmosis device may be performed. As a reverse osmosis device, there is a SWRO device using the SWRO (Sea water reverse osmosis) method and a BWRO device using the BWRO (Brackish water reverse osmosis) method. , BWRO equipment operates at low pressure and has a high salt rejection rate of 70-85%. In the present invention, a sea water reverse osmosis (SWRO) device is used as the reverse osmosis device.

종래에는 SWRO 장치를 이용하여 1차 역삼투를 진행한 뒤 BWRO 장치를 이용하여 2차 역삼투를 진행함으로써 담수화 효율을 높이고 시스템 운영 비용을 절감시켰다. 또한, 이와 같은 2단 역삼투 공정을 채용하여 SWRO 장치를 통해 제거되지 않는 붕산 성분을 BWRO 장치를 통해 제거함으로써 생산수의 품질을 높일 수 있었다.In the prior art, the desalination efficiency was increased and the system operation cost was reduced by performing the first reverse osmosis using the SWRO device and then the second reverse osmosis using the BWRO device. In addition, by adopting such a two-stage reverse osmosis process, the boric acid component that is not removed through the SWRO device was removed through the BWRO device, thereby improving the quality of the produced water.

그러나, 이와 같은 2 단계 역삼투 공정의 BWRO 장치로부터 배출되는 담수에 포함된 총 용존 고형물(Total dissolved solids, TDS)의 농도가 30ppm 이하로 과도하게 낮아 증류수에 가까운 특성을 가지므로 음용수로 이용될 수 없는 문제가 있기에, 2 단계 역삼투 공정 이후에는 반드시 미네랄을 재충전하는 후처리 단계가 수반되어야 한다. However, since the concentration of total dissolved solids (TDS) contained in the fresh water discharged from the BWRO device of the two-step reverse osmosis process is excessively low to 30 ppm or less, it has characteristics close to that of distilled water, so that it can be used as drinking water. Since there is no problem, after the two-step reverse osmosis process, a post-treatment step of re-mineralization must be accompanied.

이에, 본 발명에서는 SWRO 장치를 이용한 역삼투 단계(S3)를 통해 얻어진 처리수인 기수(Brackish water)를 축전식 탈염 전극을 이용하여 처리함으로써 붕산을 효과적으로 제거하고, 미네랄 재충전 없이 음용수에 적합한 생산수를 생성하고자 한다. 따라서, 본 발명의 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템은 해수 담수화에 수반되는 공정 단계가 감축되고, 시스템 운영 비용이 절감되며, 해수 담수화 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.Therefore, in the present invention, by treating brackish water, which is treated water obtained through the reverse osmosis step (S3) using a SWRO device, using a capacitive desalination electrode, boric acid is effectively removed, and produced water suitable for drinking water without re-mineralization want to create Accordingly, in the seawater desalination system using the capacitive desalination electrode of the present invention, the process steps involved in seawater desalination are reduced, the system operating cost is reduced, and the seawater desalination efficiency can be improved.

이러한 효과를 얻기 위해 구체적으로, 역삼투 단계(S3)를 거쳐 생성된 처리수의 pH를 조절하는 pH 조절 단계(S4) 및 pH가 조절된 처리수를 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극(Capacitive deionization, CDI) 장치를 이용하여 처리하는 CDI 처리 단계(S5)가 수행된다.In order to obtain this effect, specifically, a pH control step (S4) of adjusting the pH of the treated water generated through the reverse osmosis step (S3) and a capacitive desalination electrode (capacitive) equipped with an ion exchange membrane for the pH-adjusted treated water A CDI processing step S5 of processing using a deionization, CDI device is performed.

앞서 전처리 단계(S2)를 거친 해수의 pH는 약 5~6으로, 이러한 pH는 역삼투 단계(S3)를 거친 이후에도 유지된다. 이와 같이 낮은 pH 범위에서 붕소(B)는 붕산(B(OH)3)의 형태로 존재하나, 용액의 pH가 약 9~10으로 염기성을 띠면 이온화되어 테트라하이드록시보레이트(B(OH)4 -)로 전환되며, 따라서 이후 CDI 처리 단계(S5)에서 축전식 탈염 전극에 흡착되어 제거될 수 있다.The pH of the seawater that has been previously subjected to the pretreatment step (S2) is about 5 to 6, and this pH is maintained even after the reverse osmosis step (S3). In this low pH range, boron (B) exists in the form of boric acid (B(OH) 3 ), but when the pH of the solution is basic at about 9 to 10, it is ionized and tetrahydroxyborate (B(OH) 4 - ), and thus can be removed by being adsorbed to the capacitive desalination electrode in the subsequent CDI treatment step (S5).

이와 같이 축전식 탈염 전극을 이용하는 경우, 도 1에 도시된 종래의 해수담수화 시스템보다 붕소 함유 화합물의 제거율이 약 20% 향상될 수 있어, 인체에 유해한 붕산 화합물을 보다 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다. In the case of using the capacitive desalination electrode as described above, the removal rate of boron-containing compounds can be improved by about 20% compared to the conventional seawater desalination system shown in FIG. .

pH 조절 단계(S4)에서 역삼투 단계(S3)를 거쳐 생성된 처리수에 pH 조절제가 첨가되어, 처리수의 pH가 9~10이 되도록 조절된다. 이때 pH 조절제로는 2가 양이온을 포함하면서 동시에 수용액 상에서 염기성을 나타내는 성분이 사용될 수 있으며, 이러한 성질을 갖는 pH 조절제로 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 중 적어도 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.A pH adjusting agent is added to the treated water generated through the reverse osmosis step (S3) in the pH adjusting step (S4), so that the pH of the treated water is adjusted to 9-10. In this case, as the pH adjusting agent, a component that contains divalent cations and shows basicity in aqueous solution may be used, and calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) And at least one of calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) may be used.

산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘 및 수산화칼슘은 2가 양이온을 포함하고, 물에 용해되는 성질이 있어 처리수의 2가 양이온 농도를 높일 수 있으며, 이에 따라 이후 CDI 처리 단계(S5)에서 피치 못하게 제거되는 일부 2가 양이온을 보충하여 CDI 처리 단계(S5)를 거쳐 최종적으로 생산되는 담수가 음용수로 사용될 수 있도록 돕는다. 뿐만 아니라, 처리수의 pH를 높여 붕산을 테트라하이드록시보레이트로 전환시킬 수 있어, 해수에 포함되어 있는 붕산을 제거하는 데 기여한다.Calcium oxide, magnesium oxide, magnesium hydroxide, and calcium hydroxide contain divalent cations and have a property of being soluble in water, so that the concentration of divalent cations in treated water can be increased, and thus, it is inevitably removed in the subsequent CDI treatment step (S5). By supplementing some divalent cations, the fresh water finally produced through the CDI treatment step (S5) can be used as drinking water. In addition, it is possible to convert boric acid to tetrahydroxyborate by increasing the pH of the treated water, thereby contributing to the removal of boric acid contained in seawater.

한편, 상기 pH 조절제는 물에 용해되는 성질이 있으나, 용해도가 낮아 pH 조절이 용이하지 않은 문제가 있는데, 이러한 문제는 pH 조절제와 함께 유기산 혹은 유기산의 수화물을 투입하여 해소할 수 있다.On the other hand, the pH adjusting agent has a property of being soluble in water, but there is a problem in that it is not easy to adjust the pH due to low solubility. This problem can be solved by adding an organic acid or a hydrate of the organic acid together with the pH adjusting agent.

pH 조절제의 용해도를 높이기 위해 강산을 투입하는 경우에는 안전성의 문제뿐만 아니라 pH 조절 단계(S4)를 통해 pH를 높이고자 하는 본연의 목적을 달성하기 어려울 수 있으므로, 약산성의 유기산 혹은 유기산의 수화물을 사용하는 것이 바람직하다.When a strong acid is added to increase the solubility of the pH adjuster, it may be difficult to achieve the original purpose of raising the pH through the pH adjusting step (S4) as well as safety issues. It is preferable to do

이때, 유기산으로는 아세트산, 부탄산, 시트르산 및 말릭산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 구연산이 사용될 수 있다.In this case, at least one selected from the group consisting of acetic acid, butanoic acid, citric acid and malic acid may be used as the organic acid, and citric acid may be preferably used.

또한, pH 조절제 및 유기산 혹은 유기산의 수화물은 1 : 1~2의 중량비로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는, 1 : 1.3~1.7의 중량비로, 더욱 바람직하게는 1 : 1.4~1.6의 중량비로 혼합될 수 있다. pH 조절제에 대한 유기산 혹은 유기산의 수화물의 중량비가 낮으면 pH 조절제의 용해도가 충분히 증가하지 않아 pH 조절 효과 및 최종 생산수인 담수의 TDS가 과도하게 낮아지는 문제가 있고, pH 조절제에 대한 유기산 혹은 유기산의 수화물의 중량비가 높으면 용해도 증가 효과가 미미하므로 상술한 중량비 내에서 두 물질이 혼합되는 것이 바람직하다.In addition, the pH adjusting agent and the organic acid or hydrate of the organic acid may be mixed in a weight ratio of 1:1 to 2, preferably, in a weight ratio of 1:1.3 to 1.7, more preferably in a weight ratio of 1:1.4 to 1.6. can be If the weight ratio of the organic acid or the hydrate of the organic acid to the pH adjuster is low, the solubility of the pH adjuster does not sufficiently increase, so there is a problem in that the pH adjusting effect and the TDS of fresh water, which is the final product, are excessively lowered, and the organic acid or organic acid to the pH adjuster If the weight ratio of the hydrate is high, the effect of increasing the solubility is insignificant, so it is preferable that the two substances are mixed within the above-mentioned weight ratio.

이와 같은 단계를 통해 pH가 조절된 처리수는 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극(Capacitive deionization, CDI) 장치를 이용하여 처리하는 CDI 처리 단계(S5)를 통해 음용 가능한 담수로 전환된다. The treated water whose pH has been adjusted through this step is converted into drinkable fresh water through the CDI treatment step (S5), which is treated using a capacitive deionization (CDI) device equipped with an ion exchange membrane.

이때, 상기 이온교환막은, 나트륨 이온과 같은 1가 양이온을 선택적으로 제거하는 양이온 교환막 및 염소 이온과 같은 1가 음이온을 선택적으로 제거하는 음이온 교환막을 포함하여, 축전식 탈염 전극 장치로 유입되는 처리수에 포함된 1가 양이온 및 1가 음이온만을 선택적으로 제거하고, 2가 이상의 이온은 유출수로 배출시킨다.In this case, the ion exchange membrane includes a cation exchange membrane for selectively removing monovalent cations such as sodium ions and an anion exchange membrane for selectively removing monovalent anions such as chlorine ions, and the treated water flowing into the capacitive desalination electrode device Only the monovalent cations and monovalent anions contained in the are selectively removed, and the divalent or higher ions are discharged into the effluent.

이러한 선택적 1가 이온교환막은 도 3에 도시된 바와 같은 원리로 1가 이온만을 제거한다. 도 3의 선택적 1가 양이온 교환막을 예로 들어 설명하면, 선택적 1가 양이온 교환막은 1가 양이온만 통과할 수 있는 크기의 홀을 가져, 1가 양이온보다 이온 반경이 큰 2가 양이온은 통과시키지 않고, 1가 양이온만 통과시켜 전극에 흡착시킴으로써 유입수의 1가 양이온을 제거하고 2가 양이온은 배출시킬 수 있다. 이와 동일한 원리로 선택적 2가 음이온 교환막은 1가 음이온만 제거한다.This selective monovalent ion exchange membrane removes only monovalent ions in the same principle as shown in FIG. 3 . Referring to the selective monovalent cation exchange membrane of FIG. 3 as an example, the selective monovalent cation exchange membrane has holes of a size that only monovalent cations can pass through, so that divalent cations having a larger ionic radius than monovalent cations do not pass through, By allowing only monovalent cations to pass through and adsorbing them to the electrode, monovalent cations from the influent can be removed and divalent cations can be discharged. According to the same principle, the selective divalent anion exchange membrane removes only monovalent anions.

이때, 전기적 인력이 강한 경우 일부 2가 양이온도 홀을 통과하여 전극에 흡착되어 제거되나, 이렇게 제거되는 2가 양이온은 미량이며, 이와 같은 2가 양이온의 손실을 보상하기 위해 앞서 pH 조절 단계에서 2가 양이온을 포함하는 pH 조절제를 투입하므로, 여기서의 2가 양이온의 손실로 인한 최종 유출수의 TDS의 저하는 극히 미미하다. At this time, if the electrical attraction is strong, some divalent cations also pass through the hole and are adsorbed and removed by the electrode, but the amount of divalent cations removed in this way is very small. Since the pH adjusting agent containing the valent cation is added, the decrease in TDS of the final effluent due to the loss of the divalent cation here is very insignificant.

따라서, 유출수의 1가 이온만 선택적으로 제거되고, 마그네슘 이온이나 칼슘 이온과 같은 2가 양이온이 풍부한 담수가 생성되어, 추가적인 미네랄 재충전 단계 없이도 바로 음용수로 이용될 수 있다.Accordingly, only monovalent ions of the effluent are selectively removed, and fresh water rich in divalent cations such as magnesium ions and calcium ions is generated, which can be used directly as drinking water without an additional remineralization step.

이때 사용되는 축전식 탈염 전극 장치는, 도 4에 도시된 바와 같이 한 쌍의 전극(110a. 110b) 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치된 이온교환막을 포함하며, 상기 이온교환막은 양이온교환막(120b)과 음이온교환막(120a)으로 구성된 MCDI(Membrane capacitive deionization)계열의 축전식 탈염 전극일 수 있다.The capacitive desalination electrode device used at this time includes a pair of electrodes 110a and 110b and an ion exchange membrane disposed between the pair of electrodes, as shown in FIG. 4 , and the ion exchange membrane is a cation exchange membrane 120b ) and an anion exchange membrane 120a may be an MCDI (membrane capacitive deionization) series capacitive desalination electrode.

이 경우, 유입수는 두 이온교환막(120a, 120b) 사이의 유로를 통과하며 유입수 내의 이온이 제거되어 담수로 배출되며, 제거된 이온은 전극과 이온교환막 사이의 공간을 통해 배출되거나, 전극에 흡착되어 제거될 수 있다.In this case, the influent passes through the flow path between the two ion exchange membranes 120a and 120b, and ions in the influent are removed and discharged into fresh water, and the removed ions are discharged through the space between the electrode and the ion exchange membrane or are adsorbed to the electrode. can be removed.

또한, 상기 두 이온교환막(120a, 120b)은 폴리올레핀계 보강재를 포함하여 습윤시 얇은 막 두께를 가지면서도 높은 강도를 가질 수 있다. 상기 두 이온교환막(120a, 120b)은 막 두께 160㎛ 이하, 바람직하게는 120㎛ 이하일 수 있고, Mullen 파열강도가 0.1MPa 이상, 바람직하게는 1.8MPa 이상일 수 있다. 또한, 25℃ 온도, 0.5mol/L농도의 NaCl 수용액에서의 교류저항 값인 전기저항이 양이온교환막의 경우에는 2.0 Ω·cm2 이하, 바람직하게는 1.8 Ω·cm2 이하일 수 있으며, 음이온교환막의 경우에는 2.5 Ω·cm2 이하, 바람직하게는 2.4 Ω·cm2 이하일 수 있다.In addition, the two ion exchange membranes 120a and 120b may include a polyolefin-based reinforcing material to have a high strength while having a thin film thickness when wet. The two ion exchange membranes 120a and 120b may have a membrane thickness of 160 μm or less, preferably 120 μm or less, and a Mullen burst strength of 0.1 MPa or more, preferably 1.8 MPa or more. In addition, the electrical resistance, which is an alternating current resistance value in an aqueous solution of NaCl at a temperature of 25° C. and 0.5 mol/L concentration, may be 2.0 Ω·cm 2 or less, preferably 1.8 Ω·cm 2 or less, in the case of a cation exchange membrane, and in the case of an anion exchange membrane to 2.5 Ω·cm 2 or less, preferably 2.4 Ω·cm 2 or less.

본 발명의 축전식 탈염 전극 장치는 도 4를 참조하여 설명한 단일 전극으로 사용될 수도 있고, 둘 이상이 병렬 혹은 직렬로 연결된 모듈 형태로 이용될 수도 있다.The capacitive desalination electrode device of the present invention may be used as a single electrode described with reference to FIG. 4, or two or more may be used in the form of a module connected in parallel or in series.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템의 일 예로, 도 5에 제시된 두 개의 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템이 이용될 수 있다.As an example of the seawater desalination system using the capacitive desalination electrode according to the embodiment of the present invention, the seawater desalination system using the two capacitive desalination electrodes shown in FIG. 5 may be used.

본 발명의 일 예에 따른 해수 담수화 시스템은, 취수된 해수에 포함되어 있는 불순물을 제거하는 전처리 장치(210); 전처리된 해수를 SWRO 방식으로 역삼투 처리하여 기수(Brackish water)를 생산하는 역삼투 장치(220) 및 교대로 충전 및 방전이 이루어지는 제1 축전식 탈염 전극 장치(231)와 제2 축전식 탈염 전극 장치(232)를 포함하며, 상기 기수는 제1 축전식 탈염 전극 장치(231)와 제2 축전식 탈염 전극 장치(232)로 분리되어 공급된다.A seawater desalination system according to an embodiment of the present invention includes: a pre-treatment device 210 for removing impurities contained in the taken-in seawater; A reverse osmosis device 220 for producing brackish water by reverse osmosis treatment of the pretreated seawater in the SWRO method, and a first capacitive desalination electrode device 231 and a second capacitive desalination electrode that alternately charge and discharge a device 232 , wherein the radix is supplied separately into a first capacitive desalination electrode device 231 and a second capacitive desalination electrode device 232 .

본 발명의 일 예에서는, 제1 축전식 탈염 전극 장치(231)의 방전시, 제1 축전식 탈염 전극 장치(231)로 유입되는 기수의 일부가 pH 조절 반응기(240)로 공급되고, pH 조절 반응기(240)에서 배출되는 pH가 조절된 처리수는 충전이 이루어지는 제2 축전식 탈염 전극 장치(232)로 공급된다.In one example of the present invention, when the first capacitive desalination electrode device 231 is discharged, a portion of brackish water flowing into the first capacitive desalination electrode device 231 is supplied to the pH control reactor 240, and the pH is adjusted The pH-adjusted treated water discharged from the reactor 240 is supplied to the second capacitive desalination electrode device 232 for charging.

즉, 기수 전량이 pH 조절 반응기(240)로 공급되지 않고, 방전이 이루어지는 축전식 탈염 전극 장치로 공급되는 기수 중 일부를 분리하여 pH를 조절한 뒤 충전이 이루어지는 축전식 탈염 전극 장치로 공급함으로써 pH 조절 효율을 향상시킬 수 있고, pH 조절된 처리수가 방전되는 축전식 탈염 전극 장치로 공급되지 않아 pH 조절에 사용되는 약품의 사용량을 저감시킬 수 있다. That is, the entire amount of brackish water is not supplied to the pH control reactor 240, but some of the brackish water supplied to the capacitive desalination electrode device for discharging is separated to adjust the pH, and then supplied to the capacitive desalination electrode device for charging the pH. Control efficiency can be improved, and since the pH-adjusted treated water is not supplied to the capacitive desalination electrode device that is discharged, the amount of chemicals used for pH control can be reduced.

뿐만 아니라, 충전과 방전 전환시 각 축전식 탈염 전극 장치(231, 232)로 유입되는 유입수의 유량을 조절하기 위한 유량 조절기 없이 기수가 pH 조절 반응기(240)로 공급되는 라인과 pH 조절 반응기(240)에서 축전식 탈염 전극 장치(231,232)로 공급되는 라인에 설치된 3-way 밸브 혹은 on-off 밸브를 조절하는 간단한 동작으로 각 축전식 탈염 전극 장치(231, 232)로 유입되는 유입수의 유량을 조절할 수 있는 장점이 있다.In addition, the line through which brackish water is supplied to the pH control reactor 240 and the pH control reactor 240 without a flow controller for controlling the flow rate of the influent flowing into each capacitive desalination electrode device 231 and 232 during charging and discharging conversion ) to control the flow rate of the influent flowing into each capacitive desalination electrode device (231, 232) by a simple operation of controlling a 3-way valve or on-off valve installed in the line supplied to the capacitive desalination electrode device (231, 232) There are advantages that can be

이와 반대로, 제2 축전식 탈염 전극 장치(232)의 방전시, 제2 축전식 탈염 전극 장치(232)로 유입되는 유입수의 일부가 pH 조절 반응기(240)로 공급되고, pH 조절 반응기(240)에서 배출되는 pH가 조절된 처리수는 충전이 이루어지는 제1 축전식 탈염 전극 장치(231)로 공급된다. Conversely, when the second capacitive desalination electrode device 232 is discharged, a portion of the influent flowing into the second capacitive desalination electrode device 232 is supplied to the pH control reactor 240 , and the pH control reactor 240 . The pH-adjusted treated water discharged from the is supplied to the first capacitive desalination electrode device 231 for charging.

최종적으로 충전이 이루어지는 축전식 탈염 전극 장치(231, 232)로부터 배출된 유출수는 1가 이온만이 제거되고 2가 양이온이 풍부한 담수로 전환되어, 음용수로 이용 가능하다.The effluent discharged from the capacitive desalination electrode devices 231 and 232, which is finally charged, removes only monovalent ions and is converted into fresh water rich in divalent cations, so that it can be used as drinking water.

상기 전처리 장치(210)는 앞서 설명한 전처리 단계(S2)가 수행되는 장치로, 전처리 장치(210)를 통해 각종 불순물이 응집되어 플록(floc) 형태로 제거될 수 있다. 전처리 장치(210)에서 해수에 황산이 혼합되어 해수의 pH를 낮추고 동시에 불순물 제거 효율을 높일 수 있으며, 필요에 따라 스케일 방지제, 응집제, 산화제 중 적어도 어느 하나 이상이 투입될 수 있다.The pretreatment device 210 is a device in which the pretreatment step S2 described above is performed, and various impurities may be aggregated and removed in the form of flocs through the pretreatment device 210 . Sulfuric acid is mixed with seawater in the pretreatment device 210 to lower the pH of the seawater and increase the efficiency of removing impurities at the same time.

상기 역삼투 장치(220)는 앞서 설명한 역삼투 단계(S2)가 수행되는 장치로, SWRO 방식의 역삼투 장치일 수 있으며, 제1 축전식 탈염 전극 장치(231)와 제2 축전식 탈염 전극 장치(232)는 앞서 설명한 CDI 처리 단계(S5)가 수행되는 CDI 장치일 수 있다.The reverse osmosis device 220 is a device in which the above-described reverse osmosis step (S2) is performed, and may be a SWRO-type reverse osmosis device, and includes a first capacitive desalination electrode device 231 and a second capacitive desalination electrode device. Reference numeral 232 denotes a CDI device in which the above-described CDI processing step S5 is performed.

상기 pH 조절 반응기(240)는 본 발명의 pH 조절 단계(S4)가 수행되는 장치로, 낮은 pH를 갖는 기수의 적어도 일부를 공급받아 pH 조절제와 혼합하여 pH를 9~10으로 조절하며, 반응기 내부에 기수와 pH 조절제를 혼합하기 위한 교반기가 구비될 수 있고, 필요에 따라 격막이 구비될 수도 있다.The pH control reactor 240 is a device in which the pH control step (S4) of the present invention is performed, and receives at least a portion of brackish water having a low pH and mixes it with a pH control agent to adjust the pH to 9 to 10, inside the reactor A stirrer for mixing the brackish water and the pH adjusting agent may be provided, and a diaphragm may be provided as necessary.

상기 pH 조절 반응기(240)로 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 중 적어도 어느 하나 이상의 pH 조절제가 투입될 수 있으며, 이와 같은 pH 조절제의 용해도를 높이기 위해 바람직하게는 유기산 혹은 유기산의 수화물이 함께 투입될 수 있다.At least one pH adjusting agent among calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO) magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) and calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) may be input to the pH control reactor 240 , In order to increase the solubility of such a pH adjusting agent, an organic acid or a hydrate of the organic acid may be preferably added together.

이러한 본 발명의 해수 담수화 시스템은, 1가 이온을 선택적으로 제거하는 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극 장치를 이용하여, 1가 이온 제거 효율을 높이고, 붕산을 효과적으로 제거하며, 마그네슘 이온이나 칼슘 이온과 같은 2가 양이온의 농도가 풍부하여 음용수로 이용될 수 있는 담수를 생성할 수 있다.The seawater desalination system of the present invention uses a capacitive desalination electrode device equipped with an ion exchange membrane that selectively removes monovalent ions, increases monovalent ion removal efficiency, effectively removes boric acid, and magnesium ions or calcium ions It is possible to produce fresh water that can be used as drinking water due to the abundance of divalent cations such as .

따라서, 이와 같은 CDI 처리 공정으로 기존의 BWRO 공정과 미네랄 재충전 공정을 모두 대체할 수 있어, 공정 효율을 향상시킬 수 있고, 더 작은 면적에도 설치 가능한 장점이 있다. Therefore, the CDI treatment process can replace both the conventional BWRO process and the remineralization process, so process efficiency can be improved, and there is an advantage that can be installed in a smaller area.

이하, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명의 구체적인 작용과 효과를 설명하고자 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로서 제시된 것으로, 실시예에 따라 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific actions and effects of the present invention will be described through an embodiment of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention, and the scope of the present invention is not limited according to the embodiments.

[[ 실험예Experimental example ]]

기수(Brackish water)에서 유기산 첨가에 따른 pH 조절제의 용해도를 확인하기 위해, 상온에서 인공 기수인 660ppm의 염화나트륨 용액 250ml에 표 1에 기재된 중량의 pH 조절제 또는 pH 조절제와 유기산을 함께 투입하여 교반한 뒤, 육안으로 확인하고 pH를 측정하여 용해도를 확인하였다.In order to check the solubility of the pH adjuster according to the addition of the organic acid in brackish water, the pH adjuster or the pH adjuster and the organic acid of the weight described in Table 1 were added together in 250 ml of 660 ppm sodium chloride solution, which is artificial brackish water at room temperature, and stirred. , was visually confirmed and the solubility was confirmed by measuring the pH.

유기산으로는 구연산을 사용하였고, 실시예 1과 비교예 1의 pH 조절제로는 삼전순약의 수산화칼슘을, 실시예 2와 비교예 2의 pH 조절제로는 백광소재의 수산화칼슘을 사용하였으며, 교반 후 각 용액을 촬영하여 도 6에 도시하고, 측정된 pH는 표 1에 함께 기재하였다.Citric acid was used as the organic acid, the calcium hydroxide of Samjeon Soonyak was used as the pH adjusting agent of Example 1 and Comparative Example 1, and the calcium hydroxide of white light material was used as the pH adjusting agent of Examples 2 and 2, and after stirring, each solution was taken and shown in FIG. 6, and the measured pH is also described in Table 1.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 수산화칼슘(g)Calcium hydroxide (g) 0.1750.175 0.1750.175 0.1750.175 0.1750.175 구연산(g)Citric acid (g) 0.150.15 0.150.15 미첨가unadded 미첨가unadded 최종 pHfinal pH 11.811.8 11.811.8 5.65.6 5.65.6

상기 표 1의 실험 결과와 도 6을 함께 참조하면, 실시예들의 경우에는 사진상에서도 수산화칼슘이 완전히 용해된 것으로 나타나고 pH도 염기성으로 나타나나, 비교예들의 경우에는 용해되지 않은 수산화칼슘이 육안으로도 확인될 뿐만 아니라 pH가 5.6으로 나타나 수산화칼슘이 거의 용해되지 않은 것으로 확인되었다.Referring to the experimental results of Table 1 and FIG. 6 together, in the case of Examples, calcium hydroxide is completely dissolved in the photograph and the pH is also basic, but in the case of Comparative Examples, undissolved calcium hydroxide can be confirmed with the naked eye. In addition, it was confirmed that the pH was 5.6, indicating that calcium hydroxide was hardly dissolved.

따라서, 본 실험 결과로부터 수산화칼슘의 물에 대한 용해성을 높이기 위해 수산화칼슘과 함께 구연산을 첨가하는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed from the experimental results that it is preferable to add citric acid together with calcium hydroxide in order to increase the solubility of calcium hydroxide in water.

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.The present invention is not limited to the specific embodiments and descriptions described above, and without departing from the gist of the present invention claimed in the claims, any person skilled in the art to which the invention pertains can implement various modifications and such modifications shall fall within the protection scope of the present invention.

100, 100': 축전식 탈염 전극 110a, 110b, 110a', 110b': 전극
120a: 음이온교환막 120b: 양이온교환막
210: 전처리 장치 220: 역삼투 장치
231: 제1 축전식 탈염 전극 장치 232: 제2 축전식 탈염 전극 장치
240: pH 조절 반응기
100, 100': capacitive desalination electrode 110a, 110b, 110a', 110b': electrode
120a: anion exchange membrane 120b: cation exchange membrane
210: pretreatment unit 220: reverse osmosis unit
231: first capacitive desalination electrode device 232: second capacitive desalination electrode device
240: pH control reactor

Claims (18)

해수를 취수하는 취수 단계;
취수된 해수에 포함되어 있는 불순물을 제거하는 전처리 단계;
전처리된 해수를 역삼투 장치로 처리하는 역삼투 단계;
상기 역삼투 단계를 통해 생성된 처리수의 pH를 조절하는 pH 조절 단계; 및
pH가 조절된 처리수를 이온교환막이 구비된 축전식 탈염 전극(Capacitive deionization, CDI) 장치를 이용하여 처리하는 CDI 처리 단계;를 포함하며,
상기 이온교환막은, 1가 이온을 선택적으로 제거하는 것을 특징으로 하고
여기서 상기 pH 조절 단계는, 상기 역삼투 단계를 통해 생성된 처리수와 pH 조절제를 혼합하는 단계이되, 상기 pH 조절제는 2가 양이온을 포함하고 수용액 상에서 염기성을 나타내는 것을 특징으로 하며,
상기 pH 조절 단계에서, 유기산 혹은 유기산의 수화물이 추가로 더 혼합되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
water intake step of water intake;
A pretreatment step of removing impurities contained in the withdrawn seawater;
Reverse osmosis step of treating the pretreated seawater with a reverse osmosis device;
a pH adjustment step of adjusting the pH of the treated water generated through the reverse osmosis step; and
A CDI treatment step of treating the pH-controlled treated water using a capacitive deionization (CDI) device equipped with an ion exchange membrane;
The ion exchange membrane is characterized in that it selectively removes monovalent ions,
Here, the pH adjusting step is a step of mixing the treated water produced through the reverse osmosis step and a pH adjusting agent, wherein the pH adjusting agent contains a divalent cation and is characterized in that it exhibits basicity in an aqueous solution,
In the pH adjustment step, the seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that the organic acid or the hydrate of the organic acid is further mixed.
제1항에 있어서,
상기 전처리 단계는, 취수된 해수에 황산이 혼합되는 단계인 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
The pretreatment step is a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that the sulfuric acid is mixed with the seawater withdrawn.
제2항에 있어서,
상기 전처리 단계에서, 스케일 방지제, 응집제, 산화제 중 적어도 어느 하나 이상이 추가로 더 혼합되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
3. The method of claim 2,
Seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that at least one of a scale inhibitor, a coagulant, and an oxidizing agent is further mixed in the pretreatment step.
제1항에 있어서,
상기 전처리 단계에서, 용존공기부상, 단매체여과, 이중매체여과 및 한외여과 중 적어도 어느 하나 이상의 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
Seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that at least one of dissolved air flotation, single medium filtration, double medium filtration and ultrafiltration is performed in the pretreatment step.
제1항에 있어서,
상기 역삼투 단계는, SWRO(Sea water reverse osmosis) 장치를 이용한 역삼투 단계인 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
The reverse osmosis step, sea water desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that the reverse osmosis step using a SWRO (Sea water reverse osmosis) device.
제1항에 있어서,
상기 pH 조절 단계는, 상기 역삼투 단계를 통해 생성된 처리수의 pH를 9~10으로 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
The pH adjustment step is a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that it is a step of adjusting the pH of the treated water generated through the reverse osmosis step to 9 to 10.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 pH 조절제는 산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘 및 수산화칼슘 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
The pH adjusting agent is a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that at least any one or more of calcium oxide, magnesium oxide, magnesium hydroxide and calcium hydroxide.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 유기산은, 아세트산, 부탄산, 시트르산 및 말릭산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
The organic acid is at least one selected from the group consisting of acetic acid, butanoic acid, citric acid and malic acid, seawater desalination system using a capacitive desalination electrode.
제1항에 있어서,
상기 pH 조절제 및 유기산 혹은 유기산의 수화물은 1 : 1~2의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
Seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that the pH adjusting agent and the organic acid or the hydrate of the organic acid are mixed in a weight ratio of 1:1 to 2.
제1항에 있어서,
상기 이온교환막은, 1가 양이온을 선택적으로 제거하는 양이온 교환막 및 1가 음이온을 선택적으로 제거하는 음이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
The ion exchange membrane, seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that it comprises a cation exchange membrane for selectively removing monovalent cations and an anion exchange membrane for selectively removing monovalent anions.
제1항에 있어서,
상기 축전식 탈염 전극 장치는, 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 전극 사이에 배치된 이온교환막을 포함하는 축전식 탈염 전극인 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
According to claim 1,
The capacitive desalination electrode device is a seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that it is a capacitive desalination electrode comprising a pair of electrodes and an ion exchange membrane disposed between the pair of electrodes.
제13항에 있어서,
상기 축전식 탈염 전극 장치는, 적어도 두 개 이상의 축전식 탈염 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
14. The method of claim 13,
The capacitive desalination electrode device, seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that it comprises at least two or more capacitive desalination electrodes.
취수된 해수에 포함되어 있는 불순물을 제거하는 전처리 장치,
전처리된 해수를 SWRO 방식으로 역삼투 처리하여 기수(Brackish water)를 생산하는 역삼투 장치 및
1가 이온을 선택적으로 제거하는 이온교환막을 포함하고, 교대로 충전 및 방전이 이루어지는 제1 축전식 탈염 전극 장치와 제2 축전식 탈염 전극 장치를 포함하고,
상기 기수는 제1 축전식 탈염 전극 장치와 제2 축전식 탈염 전극 장치로 분리되어 공급되며,
제1 축전식 탈염 전극 장치의 방전시, 제1 축전식 탈염 전극 장치로 유입되는 기수의 일부는 pH 조절 반응기로 공급되고, pH 조절 반응기에서 배출되는 pH가 조절된 처리수는 충전이 이루어지는 제2 축전식 탈염 전극 장치로 공급되며,
제2 축전식 탈염 전극 장치의 방전시, 제2 축전식 탈염 전극 장치로 유입되는 기수의 일부는 pH 조절 반응기로 공급되고, pH 조절 반응기에서 배출되는 pH가 조절된 처리수는 충전이 이루어지는 제1 축전식 탈염 전극 장치로 공급되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
A pretreatment device that removes impurities contained in the withdrawn seawater,
Reverse osmosis device to produce brackish water by reverse osmosis treatment of pretreated seawater in SWRO method, and
A first capacitive desalination electrode device and a second capacitive desalination electrode device comprising an ion exchange membrane that selectively removes monovalent ions and alternately charging and discharging;
The brackish water is supplied separately into a first capacitive desalination electrode device and a second capacitive desalination electrode device,
When the first capacitive desalination electrode device is discharged, a portion of brackish water flowing into the first capacitive desalination electrode device is supplied to the pH control reactor, and the pH-controlled treated water discharged from the pH control reactor is charged with the second capacitive desalination electrode device. It is supplied as a capacitive desalination electrode device,
When the second capacitive desalination electrode device is discharged, a part of the brackish water flowing into the second capacitive desalination electrode device is supplied to the pH control reactor, and the pH-controlled treated water discharged from the pH control reactor is the first charged water. Seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that it is supplied to a capacitive desalination electrode device.
제15항에 있어서,
상기 전처리 장치에서 취수된 해수에 황산이 혼합되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
16. The method of claim 15,
Seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that sulfuric acid is mixed with the seawater taken in the pretreatment device.
제15항에 있어서,
상기 pH 조절 반응기에서 기수에 2가 양이온을 포함하고 수용액 상에서 염기성을 나타내는 pH 조절제가 투입되어 pH가 9~10으로 조절되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
16. The method of claim 15,
Seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that the pH is adjusted to 9-10 by adding a pH adjusting agent containing divalent cations to brackish water and showing basicity in aqueous solution in the pH control reactor.
제17항에 있어서,
상기 pH 조절 반응기에서, 상기 pH 조절제와 유기산 혹은 유기산의 수화물이 함께 투입되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템.
18. The method of claim 17,
In the pH control reactor, the seawater desalination system using a capacitive desalination electrode, characterized in that the pH control agent and the organic acid or a hydrate of the organic acid are fed together.
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