KR102475044B1 - 고염 대응 담수화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고염 대응 담수화 장치에 관한 것으로, 원수가 제1 유입수로 유입되고, 상기 제1 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제1 생산수와 제1 농축수를 배출하는 제1 스테이지 모듈과, 상기 원수와 상기 제1 농축수가 혼합된 제2 유입수가 유입되고, 상기 제2 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제2 생산수와 제2 농축수를 배출하는 제2 스테이지 모듈과, 상기 제2 농축수의 압력을 이용하여 상기 제1 농축수와 혼합될 상기 원수의 압력을 증가시키는 압력 교환기(Pressure exchanger)를 포함하며; 상기 제1 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수와, 상기 제2 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수의 비는 6:9과 9:16 사이의 범위인 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 해수와 같은 고염의 원수를 처리하는데 투 스테이지 RO 프로세스를 적용하는데 있어, 생산수의 질과 양을 높이면서도, 전체 공정의 부하를 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있다.

Description

고염 대응 담수화 장치{DESALINATION APPARATUS FOR HIGH-SALINE WATER}
본 발명은 고염 대응 담수화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해수와 같은 고염의 유입수를 처리함에 있어 생산수의 질과 양을 높이면서도, 전체 공정의 부하를 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있는 고염 대응 담수화 장치에 관한 것이다.
근래에 전 세계적으로 물 부족 문제가 심화되고 있다. 지구상 물의 약 97%가 해수이고, 나머지 담수 중에서도 인간이 사용할 수 있는 양은 충분하지 않다. 또한, 기상이변과 사막화, 수자원 오염 등으로 인하여 물 부족은 더욱 심해지고 있다. 일 예로 미국 NIC(National Intelligence Council)에서는 2015년에 전 세계 인구의 절반이 넘는 30억 명 이상이 물 부족 국가로 분류되는 나라에 살 것이라고 전망한 바 있고, 세계기상기구(WMO)는 2025년 6억 5천 3백만 명 내지 9억 4백만 명이, 2050년에는 24억 3천만 명이 물 부족을 겪을 것으로 예측하고 있다.
이러한 물 부족 현상을 해결하기 위해서 강변 여과수나 지하수 이용, 인공 강우 등의 방법이 대두되고 있으나, 근본적인 문제를 해결하기 위해 무한 자원인 해수를 담수화하는 방법이 가장 현실적인 방법을 부각되고 있다.
해수담수화 또는 염수담수화(이하, '해수담수화'라 함)란 염분을 포함하고 있는 해수 등에서 염분을 제거하여 담수를 얻는 것을 일컫는다. 이와 같은 해수담수화를 처리하는 방법으로는 크게 물의 증발 현상을 이용하는 증발 방법, 막의 차별성과 선택적 투과 능력을 이용하는 막여과 방법 등이 있으며, 상기 막여과 방법은 세부적으로 역삼투(RO : Reverse Osmosis)와 전기투석(Electrodialysis)으로 구분된다.
이 중, 역삼투를 이용한 수처리 방법은 반투막을 사이에 두고 해수에 삼투압보다 높은 역삼투압을 가하여 담수를 추출하는 방법으로서, 증발 방법에 비하여 에너지 소비량이 적고 조작이 용이한 장점이 있어 근래에 널리 이용되고 있으며, 일 예로 한국등록특허 제10-1853214호에서는 '역삼투를 이용한 수처리 장치'를 개시하고 있다.
그러나, 담수화 장치를 필요로 하는 곳의 경우 유입수의 염도가 높고 온도가 높은 지역인 경우가 대부분이다. 이러한 수질 조건에서 일반적인 역삼투 장치를 적용할 경우 얻을 수 있는 물의 양이 제한적이다. 즉, 회수율이 낮다. 또한, 고염의 유입수를 통해 물을 생산하기 때문에 생산수의 염도도 높다.
고염의 해수를 담수화하는 프로세스는 대부분 압력-구동 SWRO 프로세스에 의해 수행되는데, 유입수의 삼투압보다 높은 수압이 적용된다. 유입수의 수압이 삼투압을 초과할 때, 소금이 제거되면서 SWRO 막을 통해 담수가 생산된다.
도 1은 종래의 싱글 스테이지 SWRO 시스템의 구성의 예를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 싱글 스테이지 SWRO 시스템은 SWRO 모듈, 압력 교환기(Pressure exchanger)를 포함한다. 해수와 같은 원수가 유입수로 유입되는데 고압 펌프를 통해 SWRO 모듈로 유입된다. SWRO 모듈은 역삼투 공정을 통해 유입수를 처리하여 생산수 및 농축수를 배출한다. 압력 교환기는 농축수의 수압을 이용하여 분기된 원수의 압력을 증가시킨 후, 고압 펌프로부터 나오는 원수와 합류시켜 SWRO 모듈의 유입수로 유입시킨다. 도 1의 참조번호 14는 부스터 펌프(Booster pump)이다.
통상의 싱글 스테이지 SWRO 시스템의 회수율은 50% 이하이며, 이는 해수의 삼투압 때문이다. 높은 회수율을 달성하기 위한 고압이 적용되면, 많은 양의 물이 전단 측의 SWRO 요소, 즉 압력 용기(Pressure vessel, 이하 'PV'라 함)로부터 생산되고, 후단 측의 유입수의 삼투압은 그것의 수압을 초과하여 더 이상의 담수 생산이 없는 결과를 초래한다.
SWRO 시스템의 회수율을 증가시키기 위해, 투 스테이지 디자인이 개발되었는데, 제1 스테이지 SWRO 모듈의 농축수가 제2 스테이지 SWRO 모듈로 유입되어 담수가 더 생산되는 구조를 갖는다.
통상적인 투 스테이지 SWRO 시스템은 제1 스테이지 SWRO 모듈과 제2 스테이지 SWRO 모듈의 PV 개수의 비는 2:1이며, 이는 NF(nanofiltration)과 BWRO(brackish water revers osmosis) 시스템과 유사하다. 투 스테이지 SWRO 시스템을 사용하면, 유입수의 삼투압을 초과하는 수압의 점진적인 증가에 의해 담수가 각각의 스테이지 SWRO 모듈로부터 생산되고, 회수율이 60~65%로 증가하게 된다. 증가된 회수율은 플랜트 사이즈, 특히 유입부 및 전처리부의 사이즈 감소를 가능하게 하고, 따라서 건설 및 운영 비용을 절감시킬 수 있게 한다. 반면, 투 스테이지 SWRO 시스템의 적용은 싱글 스테이지 SWRO 대비 높은 압력을 요구하기 때문에 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.
이에, 몇몇 SWRO 담수화 플랜트가 높은 회수 동작을 갖는 투 스테이지 SWRO 시스템을 건설하였다. 투 스테이지 SWRO 시스템이 적용된 대부분의 SWRO 담수화 플랜트에서, 제2 스테이지 SWRO 모듈은 플랜트 용량을 늘리기 위해 기존에 존재하던 제1 스테이지 SWRO 모듈에 덧붙여 설치되었다. 이러한 형태의 투 스테이지 SWRO 시스템은 디자인에 따라 50~60%로 회수율을 증가시켰고, 이 때 요구되는 수압(70~90 bar)은 회수율에 종속한다.
제2 스테이지 SWRO 모듈에서의 유입수의 극단적으로 높은 압력 때문에, 높은 압력 저항을 갖는 장비가 설치되어야 한다. 이는 일반적인 압력 운영에 대비할 때 장비 비용의 증가를 야기한다. 또한, 추가적인 스테이지 및 다른 장비의 설치로 인해 자본 비용 또한 증가한다. 더욱이, 투 스테이지 SWRO 시스템의 고유 에너지 소비(Specific energy consumption, SEC)는 높은 회수율로 인해 높다. 높은 회수율보다 SEC에 초점이 맞춰진 최근 담수화 시장으로 인해, 현재 SWRO 담수화 플랜트는 대부분 투 스테이지 대신에 싱글 스테이지가 적용된다.
근래에, 스테이지 RO 구조가 SWRO의 SEC를 이론적으로 최소 에너지에 매우 근접하게 낮출 수 있다는 이론적인 연구가 제시되었다. 투 스테이지 RO가 각 스테이지에서 높은 압력을 유입수의 작은 체적으로 이를 수 있도록 하기 때문이다. SEC에 대한 스테이지 SWRO 디자인의 이점은 실제 적용에서의 투 스테이지의 회수율(60%)과 다른 동일한 회수율(40%)에서 싱글 스테이지 SWRO와 비교될 때 조사되었다. 이론적인 배경은 낮은 SEC에서 투 스테이지의 장점을 지지하고, 현 담수화 시장에서 투 스테이지 SWRO의 폭넓은 응용을 가능하게 한다.
하지만, 상기 연구는 제안된 투 스테이지 SWRO가 싱글 스테이지 SWRO를 넘어 실현 가능하다는 것을 완전하게 뒷받침해주지는 않는다. 사실, 이론적인 분석은 단지 에너지 소비에만 초점을 맞추었고, SWRO의 좀 더 실질적인 관점, 예컨대, 담수의 질이나 다른 작동 이슈는 고려하지 않았다. 더욱이, SEC가 비교될 때, 투 스테이지 RO의 PV의 개수는 싱글 스테이지 RO보다 많았고, 이는 다른 장비 상태로부터 기인한 것이다. 추가적으로, 평가된 SEC는 최적화의 고려 없이 결정된 유동율(flow rate)과 PV 개수로 최적화되지 않았고, 경험적으로 2:1의 배열이었다. 다시 말하면, 각 스테이지에 대한 평균 유속과 회수율은 시스템적으로 결정되지 않았다. SEC의 계산에 대해 열역학적 모델과 간단한 RO 모델의 적용에 의해, 투 스테이지 SWRO의 구현은 접근할 수 없다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 해수와 같은 고염의 원수를 처리하는데 투 스테이지 RO 프로세스를 적용하는데 있어, 생산수의 질과 양을 높이면서도, 전체 공정의 부하를 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있는 고염 대응 담수화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 고염 대응 담수화 장치에 있어서, 원수가 제1 유입수로 유입되고, 상기 제1 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제1 생산수와 제1 농축수를 배출하는 제1 스테이지 모듈과, 상기 원수와 상기 제1 농축수가 혼합된 제2 유입수가 유입되고, 상기 제2 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제2 생산수와 제2 농축수를 배출하는 제2 스테이지 모듈과, 상기 제2 농축수의 압력을 이용하여 상기 제1 농축수와 혼합될 상기 원수의 압력을 증가시키는 압력 교환기(Pressure exchanger)를 포함하며; 상기 제1 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수와, 상기 제2 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수의 비는 6:9과 9:16 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 고염 대응 담수화 장치에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 제1 스테이지 모듈과 상기 제2 스테이지 모듈의 통합 회수율은 45%에서 55%의 범위 내에서 설정될 수 있다.
또한, 상기 제1 생산수가 제3 유입수로 유입되고, 상기 제3 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제3 생산수와 제3 농축수를 배출하는 제3 스테이지 모듈을 더 포함하며; 상기 제2 생산수와 상기 제3 생산수가 최종 생산수로 배출될 수 있다.
그리고, 상기 제2 생산수가 제3 유입수로 유입되고, 상기 제3 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여, 제3 생산수와 제3 농축수를 배출하는 제3 스테이지 모듈을 더 포함하며; 상기 제1 생산수와 상기 제3 생산수가 최종 생산수로 배출될 수 있다.
그리고, 상기 제3 농축수는 상기 원수와 혼합되어 상기 원수를 희석시킬 수 있다.
또한, 상기 제3 스테이지 모듈에는 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis)가 적용될 수 있다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 고염 대응 담수화 장치에 있어서, 원수가 제1 유입수로 유입되고, 상기 제1 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제1 생산수와 제1 농축수를 배출하는 제1 스테이지 모듈과, 상기 제1 농축수가 제2 유입수로 유입되고, 상기 제2 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제2 생산수와 제2 농축수를 배출하는 제2 스테이지 모듈과, 상기 제2 농축수를 이용하여 전력을 생산하는 펠톤 터빈(Pelton turbine)을 포함하며; 상기 제1 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수와, 상기 제2 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수의 비는 57:43과 61:39 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 고염 대응 담수화 장치에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 제1 스테이지 모듈과 상기 제2 스테이지 모듈의 통합 회수율은 55%에서 70%의 범의 내에서 설정될 수 있다.
그리고, 상기 제1 스테이지 모듈 및 상기 제2 스테이지 모듈에는 SWRO(Seawater Reverse Osmosis)가 적용될 수 있다.
그리고, 상기 제1 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수와, 상기 제2 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수의 비는 기 설정된 상기 제1 스테이지 모듈과 상기 제2 스테이지 모듈의 통합 회수율에 종속하여 설정될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면 해수와 같은 고염의 유입수 조건에서 담수, 즉 생산수의 양을 늘리면서 염도를 낮출 수 있는 고염 대응 담수화 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면 생산수의 양과 질을 높이면서도, 전체 부하를 줄이고 에너지 효율도 높일 수 있는 고염 대응 담수화 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면 고염의 수질 조건에서도 역삼투 공정 운영시 막 오염을 저감시켜 막 교체 주기를 줄일 수 있는 고염 대응 담수화 장치가 제공된다.
도 1은 종래의 싱글 스테이지 SWRO 시스템의 구성의 예를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 4 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치의 이론적이고 실험적인 효과를 설명하기 위한 도면이고,
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100)는 제1 스테이지 모듈(111), 제2 스테이지 모듈(112), 및 압력 교환기(120)(Pressure exchanger)를 포함한다.
제1 스테이지 모듈(111)로는 원수가 제1 유입수로 유입된다. 여기서, 원수는 고압 펌프(131)(High pressure pump)를 통해 제1 스테이지 모듈(111)로 유입된다. 제1 스테이지 모듈(111)은 제1 유입수를 역삼투 공정을 통해 제1 생산수(투과수, 이하 동일)와 제1 농축수를 배출한다.
제2 스테이지 모듈(112)은 원수와 제1 농축수가 혼합된 제2 유입수가 유입된다. 그리고, 제2 스테이지 모듈(112)은 제2 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제2 생산수와 제2 농축수를 배출한다. 이 때, 압력 교환기(120)는 제2 농축수의 압력을 이용하여 제1 농축수와 혼합되기 전의 원수의 압력을 증가시킨다.
본 발명의 제1 실시예에서는 제1 스테이지 모듈(111)로부터 생산되는 제1 생산수와, 제2 스테이지 모듈(112)로부터 생산되는 제2 생산수가 최종적인 생산수로 생산된다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 스테이지 모듈(111) 및 제2 스테이지 모듈(112) 각각은 다수의 압력 용기(Pressure vessel)로 구성되는데, 제1 스테이지 모듈(111)의 압력 용기의 개수와, 제2 스테이지의 압력 용기의 개수의 비는 6:9와 9:16 사이의 범위로 설정되어 설치되는 것을 예로 한다. 그리고, 제1 스테이지 모듈(111)과 제2 스테이지 모듈(112)의 통합 회수율은 45%에서 55%의 범의 내에서 설정되어 동작하는 것을 예로 한다.
도 2의 미설명 참조번호 132 및 133은 부스터 펌프(Booster pump)이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100a)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여 설명하면 본 발명의 제2 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100a)는 제1 스테이지 모듈(111a), 제2 스테이지 모듈(112a), 및 펠톤 터빈(120a)(Pelton turbine)을 포함한다.
제1 스테이지 모듈(111a)로는 원수가 제1 유입수로 유입된다. 여기서, 원수는 고압 펌프(131a)(High pressure pump)를 통해 제1 스테이지 모듈(111a)로 유입된다. 제1 스테이지 모듈(111a)은 제1 유입수를 역삼투 공정을 통해 제1 생산수와 제1 농축수를 배출한다.
제2 스테이지 모듈(112a)에는 제1 농축수가 제2 유입수로 유입된다. 그리고, 제2 스테이지 모듈(112a)은 제2 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여, 제2 생산수 및 제2 농축수를 배출한다. 본 발명의 제2 실시예에서는 제1 스테이지 모듈(111a)에서 생산되는 제1 생산수와, 제2 스테이지 모듈(112a)에서 생산되는 제2 생산수의 합이 최종적인 생산수가 된다.
펠톤 터빈(120a)은 제2 농축수의 수압을 이용하여 전력을 생산하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100a)에 사용함으로써, 에너지 효율을 높이게 된다.
여기서, 본 발명에 따른 제1 스테이지 모듈(111a) 및 제2 스테이지 모듈(112a) 각각은 다수의 압력 용기로 구성되는데, 제1 스테이지 모듈(111a)의 압력 용기의 개수와, 제2 스테이지 모듈(112a)의 압력 용기의 개수의 비는 57:43와 61:39 사이의 범위로 설정되어 설치되는 것을 예로 한다. 그리고, 제2 스테이지 모듈(112a)로부터 생산되는 제2 생산수의 회수율은, 즉 전체 회수율은 45%에서 55%의 범의 내에서 설정되어 동작하는 것을 예로 한다.
도 3의 미설명 참조번호 132a는 부스터 펌프(Booster pump)이다.
본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 제1 스테이지 모듈(111,111a) 및 제2 스테이지 모듈(112,112a)은 고염에 대응 가능하게 SWRO(Seawater Reverse Osmosis)가 적용되는 것을 예로 한다.
그리고, 제1 스테이지 모듈(111,111a)을 구성하는 압력 용기의 개수와, 제2 스테이지 모듈(112,112a)을 구성하는 압력 용기의 개수의 비는 상술한 제1 스테이지 모듈(111,111a)과 제2 스테이지 모듈(112,112a)을 통해 생산되는 통합 회수율에 종속하여 설정된다.
이하에서는, 도 4 내지 도 11은 참조하여 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100,110a)의 이론적이고 실험적인 효과에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)에서, 유입 유량의 대략 40%가 투과수 유량, 즉 생산수로 전환되는 것을 예로 하면, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 회수율 40%로 표현된다. 회수율을 증가시키기 위해, 종래의 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)과 같이 제2 스테이지 모듈(112,112a)이 기존의 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)에 추가 설치되면, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)으로 정의되고 전체적으로 60%의 회수율(제1 스테이지 모듈에서 40%, 제2 스테이지 모듈에서 20%)을 달성할 수 있다.
여기서, 도 4의 (b)에 도시된 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 회수율은 도 4의 (a)에 도시된 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 높고, 이는 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 에너지 소비를 야기하게 된다. 실제 적용에서의 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)과는 다르게, 이론적인 연구에서의 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)은 도 4의 (c)에 묘사된 바와 같이, 40%의 회수율로 동작한다. 도 1의 (a)에 도시된 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)과, 도 1의 (b)에 도시된 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)에 대한 동일한 회수율에서, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)이 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 에너지를 적게 소비할 수 있다는 주장이 도출될 수 있다. 이에 본 발명에 따른 고염 대응 담수화 장치(100,100a)에서는 상술한 바와 같이, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)을 적용함에 있어, 실현 가능성에서 초점을 두며, 실제 디자인 관점으로부터 실험된다.
실험에 있어, 원수로 35,000 mg/L, 25℃의 전형적인 상태의 해수가 시뮬레이션에 사용된다. 내부적인 스테이지 디자인(Internally staged design, ISD)에 대한 고려없이 스테이지 RO 디자인의 효과에 집중하기 위해 LG 화학에서 제조된 SW400R가 싱글 타입의 SWRO 막으로 적용된다. 투수성(A)과 투염성(B)이 각각 1.52 L/m2h bar와 5.20ㅧ10-2 L/m2h로 얻어졌다. 펌프의 효율은 고압 펌프(131,131a)(HPP)와 부스터 펌프(BP) 모두 80%로 주어진다. 제2 실시예에서와 같이 에너지 회수 장치(Energy recovery device)로 펠톤 터빈(120a)(이하, 'PT'라 함)이 적용된 투 스테이지 SWRO의 실제 적용을 고려하여 PT의 효율을 95% 및 90%로 각각 주어진다. SWRO 프로세스들의 성능은 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 나타낸 용액 확산 모델(Solution-diffusion model)에 기초하여 평가된다.
[수학식 1]
Figure 112020033905534-pat00001
[수학식 2]
Figure 112020033905534-pat00002
여기서,
Figure 112020033905534-pat00003
는 수 투과량(water flux)이고,
Figure 112020033905534-pat00004
는 염 투과량(salt flux)이고,
Figure 112020033905534-pat00005
는 유입수의 수압이고,
Figure 112020033905534-pat00006
는 투과수의 수압이고,
Figure 112020033905534-pat00007
는 농도 분극 인자(Concentration polarization factor)이고,
Figure 112020033905534-pat00008
는 유입수의 삼투압이고,
Figure 112020033905534-pat00009
는 투과수의 삼투압이고,
Figure 112020033905534-pat00010
는 유입수의 염도이고,
Figure 112020033905534-pat00011
는 투과수의 염도이고,
Figure 112020033905534-pat00012
는 수 투과도이고,
Figure 112020033905534-pat00013
는 염 투과도이다.
시뮬레이션을 위한 프로그램은 막의 제조사에서 제공하는 프로그램(Q+ version 2.4)으로부터의 추정된 결과와 함께 높은 정확도(R2 = 0.9998)를 보여주며, 회수율 범위 내에서 제공된 압력과 투과 품질의 최대 차이는, 도 5에 도시된 바와 같이, 0.7 bar와 2 mg/L 였다. 동작 조건(Operating condition)이 제조사에 의해 추천되는 디자인 값을 위반하면(예컨대, 수압 > 82.7 bar, 압력 강하 > 1.0 bar, 공급 유량 > 408 m3/d, 수 투과량 > 32.3L/m2h), 제공된 프로그램은 경고 사인을 표출하고, 이는 도면에 붉은색 점으로 표시된다.
투과 품질과 SWRO 시스템의 품질,
Figure 112020033905534-pat00014
,
Figure 112020033905534-pat00015
은 [수학식 3] 및 [수학식 4]를 이용하여 평가되는데, [수학식 1] 및 [수학식 2]를 막 영역
Figure 112020033905534-pat00016
을 따라 적분한 것이다. [수학식 5] 내지 [수학식 7]이 구조에 종속하는 SWRO 시스템의 에너지 소비의 산출에 적용된다.
Figure 112020033905534-pat00017
는 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)의 에너지 소비이고,
Figure 112020033905534-pat00018
는 압력 교환기(120)(이하, 'PX'함)가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100), 즉 본 발명의 제1 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100)의 에너지 소비이고,
Figure 112020033905534-pat00019
는 PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a), 즉 본 발명의 제2 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100a)의 에너지 소비이다.
유입수와 농축수의 유량은
Figure 112020033905534-pat00020
및
Figure 112020033905534-pat00021
로 각각 표현되고, 아래 첨자의 숫자 1, 2는 각각 제1 스테이지 모듈(111,111a) 및 제2 스테이지 모듈(112,112a)을 나타낸다. 각 스테이지 모듈의 경로(stream)의 압력은 유사하게 표현되며, SWRO 시스템의 유입측과 배출측의 압력,
Figure 112020033905534-pat00022
과
Figure 112020033905534-pat00023
은 각각 1 bar로 주어졌다.
그리고, 전기 모터의 기계적 효율(mechanical efficiency)
Figure 112020033905534-pat00024
은 98%이고, 고압 펌프(131)를 포함하는 펌프와 부스트 펌프를 포함하는 펌프의 기계적 효율,
Figure 112020033905534-pat00025
,
Figure 112020033905534-pat00026
는 기본 조건에서 모두 95%로 주어지나, 90%의
Figure 112020033905534-pat00027
가 이후에서 설명할 일부 실험에 적용된다. 그리고, 고유 에너지 소비(이하, 'SEC'라 함)는 [수학식 8]을 통해 산출된다.
[수학식 3]
Figure 112020033905534-pat00028
[수학식 4]
Figure 112020033905534-pat00029
[수학식 5]
Figure 112020033905534-pat00030
[수학식 6]
Figure 112020033905534-pat00031
Figure 112020033905534-pat00032
[수학식 7]
Figure 112020033905534-pat00033
[수학식 8]
Figure 112020033905534-pat00034
SWRO 시스템은 100,000 m3/d의 용량으로 디자인되며, 이 때 각각 1200개의 PV가 평균 13.35L/m2h의 수 투과량을 유지하도록 설치된다. 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)에 대해, PV의 개수가 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)과 동일할 때에도 1200개 및 1800개의 PV가 모두 고려된다. 그러나, 각 스테이지에 대한 투과 흐름 비율(permeate flow rate)과 PV 개수가 에너지 소비를 최소화시키는 형태로 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 성능을 평가하기 위해 결정된다. 따라서, 하모니 서치(Harmony search)의 목적 함수(objective function)와 제약 조건은 [수학식 9] 및 [수학식 10]과 같이 각각 주어진다.
[수학식 9]
Figure 112020033905534-pat00035
[수학식 10]
Figure 112020033905534-pat00036
목적 함수는 연속적이지도 미분 가능하지도 않기 때문에, 최적 결정 변수(Optimal decision variable)는 통상의 최적화 기법을 이용하기에는 매우 복잡하여, 메타휴리스틱 알고리즘(metaheuristic algorithm)으로서의 하모니 서치가 다양성(diversification)과 강화(intensification) 간의 조화가 이루어진 결정 변수를 효과적으로 찾기 위해 적용된다. 본 발명에서, 베스트 결정 변수는 500회 반복 내에 얻어질 수 있기 때문에(도 6 참조), 하모니 서치 알고리즘은 최적화에 요구되는 기본 계산 시간(24000)에 대비할 때 반복 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. 하모니 서치에서 사용되는 파라미터는 아래 [표 1]과 같다.
[표 1]
Figure 112020033905534-pat00037
기존의 투 스테이지 SWRO 시스템에서의 PV의 개수는 제2 스테이지 모듈(112,112a)의 제1 스테이지 모듈(111,111a)의 반의 개수만큼 추가되기 때문에, 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 1.5배 많다. 그러나, RO 디자인의 실현 가능성은 PV(또는 막)의 개수가 동일할 때에만 공정하게 평가될 수 있다. 따라서, 싱글 및 투 스테이지 SWRO 시스템(10,100,100a)의 SEC는 PV의 개수가 1.5배 많을 때와 동일할 때로 구별하여 비교된다. SEC는 각 케이스에 대해 최적 비율(Optimal ratio)을 이용하여 평가된다.
도 7의 (a)에서, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)은 SWRO의 전형적인 회수율의 범위에서 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 적은 에너지를 소비하였다. 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)의 SEC는 1.99-2.15 kWh/m3 이고, 최저 SEC는 38%의 회수율에서 관찰되었다. 반면, 본 발명의 제1 실시예에서와 같이, PX가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100)는 투과수 생산동안 1.89-2.04 kWh/m3를 소비하였고, 이는 모든 회수율 범위에서 싱글 스테이지의 SEC보다 작았다. 그러나, 본 발명의 제2 실시예에서와 같이 PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)의 SEC는 회수율에 종속하여 2.28로부터 1.95 kWh/m3 로 현저하게 변화하였고, PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)이 38%보다 큰 회수율에서 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 더 에너지 효율적이었다. 40-45%로 동작하는 SWRO 플랜트를 고려할 때, 통상적인 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)은 전형적인 SWRO 회수율에서 실현 가능하다.
그러나, PV의 개수가 동일할 때, 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 높은 SEC가 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 동작에 요구되는 것을 도 7의 (b)를 통해 확인할 수 있다. 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)에 있어, SEC는 시스템에 동일한 조건이 적용되기 때문에 변하지 않는다. 반면, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 SEC는, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)과 동일한 개수의 PV가 설치될 때, 증가하게 된다. PX와 PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)은 각각 2.10-2.22 kWh/m3 및 2.97-2.18 kWh/m3을 나타냈고, 따라서 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)은 주어진 회수율 범위에서 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 더 많은 에너지를 소비하였다.
이러한 결과는 스테이지 구조가 싱글 스테이지와 비교할 때 에너지 측면에서 효과적이라는 주장과는 다르다. 사실, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)에 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)과 동일한 개수의 PV가 적용되면, SWRO 시스템에 대한 평균 수 투과율은 동일하게 유지된다. 반면, 기존의 이론적인 연구는 평균 수 투과율과 같은 RO 디자인의 고려없이 단지 SEC만을 계산하는데 초점을 맞추고 있다. 따라서, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)은 상기와 같이 30% 대의 회수율 범위에서 에너지 소비 측면에서 이득이지 않다.
한편, SEC를 최소화하는 최적 회수율은 다른 디자인적 요소에 의해 영향을 받는다. 특히, 디자인에 의해 야기되는 스테이지에 대한 높은 공급 유랑(feed flow rate)은 최적 회수율의 증가를 야기한다. PX가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100)에서, 초기 유입수(fresh feed)가 제1 스테이지 모듈(111) 및 제2 스테이지 모듈(112)에 각각 공급되고, 제2 스테이지 모듈(112)로의 유입수는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 스테이지 모듈(111)의 농축수와 초기 유입수가 합쳐진다. 초기 유입수가 분리되고 각 스테이지 모듈에 공급되기 때문에, 각 스테이지 모듈에서의 공급 유량은 싱글 스테이지보다 의미 있게 높지 않다. 따라서, 최적 회수율(40%)이, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 싱글 스테이지의 38%에 상대적으로 근접하다.
반면, PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)에서는, 모든 유입수가 제1 스테이지 모듈(111a)로 공급되고, 제1 스테이지 모듈(111a)의 농축수가 제2 스테이지 모듈(112a)로 유입된다. 그러나, PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)에서는 제1 스테이지 모듈(111a)에 싱글 스테이지와 유사한 개수의 PV가 적용되고, 제1 스테이지 모듈(111a)의 공급 유량이 많다. PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)에서는 제2 스테이지 모듈(112a)보다 더 많은 양의 투과수가 제1 스테이지 모듈(111a)로부터 생산되기 때문에, 최적 회수율은 50% 이상으로 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 높게 나타난다(도 7의 (b) 참조).
더 많은 막이 설치될 때, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)이 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 적은 에너지를 소비할 수 있는 반면, 동일한 개수의 막을 사용하는 경우 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)을 넘어 실현 가능성이 없다. 다시 말하면, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 배치는 기존의 SWRO 시스템의 회수율의 범위 내에서 에너지 소비가 더 작지 않다. 또한 최적 회수율은 SWRO의 디자인에 종속해서 다르게 나타나고, TP를 갖는 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)의 최적 회수율은 기존의 SWRO 시스템의 회수율보다 높다. 따라서, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)은 기존의 SWRO보다 높은 회수율에서 실현 가능할 것이고, 이는 대해서는 후술한다.
한편, 투과 품질은 SWRO 시스템의 동작에서 중요한 고려 사항인데, 이는 투과 품질이 물의 사용 가능성에 대한 기준이기 때문이다. 투과 품질이 수 투과량에 의해 영향을 받기 때문에, SWRO 시스템에 대한 평균 수 투과량을 결정하는 것이 중요하다. 투과 유량 비율(permeate flow rate)과 PV 수량이 모든 시스템에서 동일하게 셋팅되면, 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)에 대한 평균 수 투과량은 바로 결정되지만, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 수 투과량은 각각의 스테이지에서 다르게 나타난다. 이러한 프로파일은 전체 시스템의 투과 품질에 영향을 주는 점에서 중요하다.
또한, 고-유동(high-flux) 동작은 막에서의 파울링 형성(fouling formation)에 취약한데, 이는 성능을 악화시킨다. 따라서, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)에 대한 투과 품질과 평균 수 투과량이 조사되었다.
투과 품질은 각각의 스테이지에 대한 평균 수 투과량이 아닌, SWRO 시스템 전체의 평균 수 투과량에 의해 결정된다. 도 8의 (a)를 참조하여 설명하면, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)에 1800개의 PV가 적용되면, 투과 품질은 1200개의 PV가 적용된 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 낮다. 그러나, 동일한 양의 투과수가 동일한 개수의 PV로부터 생산되고(평균 수 투과량 ?? 13.35 L/m2h), 30 ~ 50 % 회수율 범위에서 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)의 투과 품질은 173-220 mg/L 였고, PX 및 PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 투과 품질은 각각 174-214 mg/L 및 174-206mg/L 였다. 여기서, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 각 스테이지에서는 서로 다른 품질의 투과수가 생성됨은 당연하지만, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)으로부터의 합쳐진 투과수(제1 스테이지와 제2 스테이지의 투과수)는 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)과 유사하고, 조금 낫다. 이는 각각의 스테이지나 RO 디자인과 상관없이 SWRO 시스템의 평균 수 투과량에 의해 영향을 받는다는 것을 반영한다.
PT를 갖는 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)이 각 스테이지에 대해 고르지 않은 평균 수 투과량으로 동작하는 반면, PX를 갖는 투 스테이지 SWRO 시스템(100)은 각각의 스테이지에 대해 유사한 평균 수 투과량을 나타낸다. PX를 갖는 투 스테이지 SWRO 시스템(100)에 대해 유입수가 각각의 스테이지에 분리되어 공급되고, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 각각의 스테이지가 유사한 값의 평균 수 투과량(13.81~11.9220.93 L/m2h)으로 동작할 수 있다. 회수량의 증가와 함께, 제1 스테이지 모듈(111)은 낮은 수 투과량으로 물을 생산하고, 제2 스테이지 모듈(112)은 높은 수 투과량(13.20~14.15 L/m2h)으로 물을 생산하는데, 수 투과량의 차이는 증가하지만 여전히 미비하다. 균등한 평균 수 투과량으로 인해, 각각의 스테이지는 디자인 제약을 어기지 않고 유사하게 동작한다.
반면, PT를 갖는 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)에서, 제1 스테이지 모듈(111a)은 제2 스테이지 모듈(112a)보다 항상 높은 수 투과량으로 동작한다. 제1 스테이지 모듈(111a)의 평균 수 투과량은 18.24~14.48 L/m2h 이었고, 제2 스테이지 모듈(112a)의 평균 수 투과량은 회수율의 증가와 함께, 6.84~11.59 L/m2h 였다. 제1 스테이지 모듈(111a)이 SWRO에 대해 매우 높은 평균 수 투과량으로 동작하기 때문에, 30~36%의 낮은 회수율 범위에서 디자인 제약에 어긋나게 된다. 그러나, 제2 스테이지 모듈(112a)은 높은 수 투과량으로 물을 생산하는 것을 통해 제1 스테이지 모듈(111a)의 부담을 줄이고, 따라서 SWRO 시스템이 37% 이상의 회수율에서는 안정적으로 동작하게 된다.
투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)은 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)과 비교할 때 수 투과량을 더 분배할 수 있다. 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)의 첫 번째 요소가 40%의 회수율에서 27.99 L/m2h의 수 투과량으로 동작하는 동안, PX와 PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(110,110a)의 첫 번째 요소는 각각 20.93 L/m2h 및 25353 L/m2h 였다(도 9의 (a) 참조). 제1 스테이지 모듈(111,111a)에서의 낮은 수 투과량으로 인해, 투과수의 나머지는 제2 스테이지 모듈(112,112a)에서 생성되었다. PX 및 PT가 적용된 투 스테이지에 대해 여덟 번째 요소(제2 스테이지의 첫 번째 요소)의 수 투과량은 각각 26.04 및 17.49 L/m2h였다. 회수율의 증가와 함께, 많은 양의 투과수가 생성되었고, PV를 따라 많은 수 투과량을 야기하였다. 45%의 회수율에서(도 9의 (b)), 31.50 L/m2h의 수 투과량이 제1 요소에서 관찰되었고, 이는 32.30 L/m2h의 권장 수 투과량 한도에 가까웠다. 반면, 수 투과량은 제1 요소에서 22.07 L/m2h 및 25.37 L/m2h이었고, PX 및 PT가 적용된 투 스테이지의 제8 요소에서 28.41 및 19.97 L/m2h 이었다. SWRO 시스템이 높은 회수율에서 높은 수 투과량으로 동작하는 것으로 주어지고, 투 스테이지 SWRO가 높은 회수율에서 좀 더 적합하였는데, 이는 수 투과량 분배로 인한 것이며, 수 투과량 분배가 파울링 성향의 감소에 기여하기 때문이다. 유사하게, Voutchkov의 논문 "Desalination engineering : planning and design(New York, McGraw Hill 531 Professional, 2012.)"에서, 유입수가 높은 농도의 파울런트(foulant)를 유지할 때, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)이 제1 스테이지 모듈(111)의 낮은 파울링 형성을 위해 사용될 수 있다고 언급되었다.
전체 SWRO 시스템의 평균 수 투과량이 변하지 않는 한 투과 품질은 RO 디자인과 상관없이 유사하였다. 전체 SWRO 시스템에 대해 동일한 평균 수 투과량에도 불구하고, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 각각의 스테이지는 서로 다른 평균 수 투과량으로 동작하였다. 특히, PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)에서 스테이지 간의 평균 수 투과량의 차이는 PX가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100)에서 상대적으로 작은 동안 낮은 회수율 상태에서 컸으며, 이는 제1 스테이지 모듈(111)에 부담이었다. 그러나, 높은 평균 수 투과량은 각 스테이지의 제1 요소에서 항상 높은 수 투과량을 의미하는 것은 아니며, 오히려 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)에서 제1 요소의 수 투과량이 더 높았다. 요컨대, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)는 수 투과량 분배에서 이익이다.
대부분의 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 디자인은 앞서 설명한 바와 같이, 2:1의 비율을 따르며, 이는 제1 스테이지 모듈(111) 대비 제2 스테이지 모듈(112)의 PV 개수의 비가 2:1을 의미한다. 제1 스테이지 모듈(111)과 제2 스테이지 모듈(112)로부터 생산되는 투과수의 양은 일반적으로 2:1의 비율이다. 이는 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)이 일반적으로 제1 스테이지에 40%의 회수율로 동작하는 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)을 장착하여 사용하기 때문이고, 플랜트 전체 회수율이 추가적인 20%의 회수율을 달성하는 제2 스테이지 모듈(112)를 설치하는 것에 의해 60%로 증가하기 때문이다.
그러나, SEC를 최솨하시키면서도 회수율을 높일 수 있는 최적 디자인 비율은 통상 2:1이 아니며, 이에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.
투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)에 대해, PT가 적용될 때 제1 스테이지 모듈(111a)에 설치되는 것에 비해, SWRO 시스템에 PX가 적용되었을 때, 더 많은 PV가 제2 스테이지 모듈(112)에 설치되는 것이 바람직하다.
PX가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100)에서, 제1 스테이지 모듈(111)은 전체 PV의 24-36%로 구성하고, 이 때 전체 SWRO 회수율이 30%에서 50%로 증가하였다(도 10의 (a)). 따라서, PX가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100), 즉 본 발명의 제1 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100)의 PV 개수의 비율은 24:76-36:64(=6:19-9:16)이며, 보다 많은 PV가 제2 스테이지 모듈(112)에 설치된다.
대조적으로, PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)의 제1 스테이지 모듈(111a)은 30-50%의 회수율 범위에서 전체 시스템의 57-61%로 구성되고, 대응하는 PV 개수의 비율은 57:43-61:39이다. 추가적인 PV가 SWRO 회수율의 증가와 함께 제1 스테이지 모듈(111a) 대신에 제2 스테이지 모듈(112a)에 설치되었다. 대체로, PV 개수의 2:1 비율은 최적 비율이 아니며, SWRO 회수율과 ERD(Energy recovery device)에 종속하여 변했다.
제1 스테이지 모듈(111a)과 제2 스테이지 모듈(112a)에서 서로 다른 양의 투과수가 생산되었고, 서로 다른 ERD의 사용은 투과 흐름 비율(permeate flow rate)에 영향을 비쳤다. 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)에 PX가 ERD로 적용되었을 때, 30-50%의 SWRO 회수율의 변화에 따라, SWRO 전체 투과수의 25-32%가 제1 스테이지 모듈(111)에서 생산되었고, 투과수의 목표 양의 나머지(75-68)가 제2 스테이지 모듈(112)로부터 생산되었다(도 10의 (b)). 투과 흐름 비율(permeate flow rate)은 25:75 ~ 32:68(= 1:3 ~ 8:17) 였으며, 제2 스테이지 모듈(112)에서 더 많은 투과수 생산을 나타낸다.
반면, PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)에서의 제1 스테이지 모듈(111a)은 회수율의 증가(30-50%)와 함께 적은 양의 투과수(78-63%)를 생산하였으나, 더 큰 투과 흐름 비율이 제2 스테이지 모듈(112a)보다 제1 스테이지모듈로부터 얻어졌다. 제1 스테이지 모듈(111a)과 제2 스테이지 모듈(112a)에 대한 투과 흐름 비율은 78:22 ~ 63:27(=39:11 ~ 7:3)이었다.
결과적으로, PX가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100)은 제2 스테이지 모듈(112)에 주로 부하가 걸리는 디자인이고, PT가 적용된 투 스테이지 SWRO 시스템(100a)은 제1 스테이지 모듈(111a)에 주로 부하가 걸리는 디자인으로 볼 수 있다.
상술한 바와 같이, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)이 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 수 투과량을 더 분산시킬 수 있지만, 50% 이하의 전체 SWRO 범위에서 SEC의 관점에서는 이점이 있지 않다. 그러나, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a) 및 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)에 대한 SEC 값은 50% 회수율에서 유사하고(도 7의 (b)), SEC에 대한 추가적인 실험이 50% 이상의 회수율에서 진행되었다.
회수율이 50% 이상을 때, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)은 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)보다 더 에너지 효율적이다. 도 11에서, 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10) 및 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)의 SEC가 30-70%의 회수율에서 나타나 있다.
도 7의 (b)에서 언급한 바와 같이, 싱글 스테이지 SWRO 시스템(10)은 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a)과 비교할 때 적은 에너지를 소비하였다. 상기 회수율에서, 수압은 삼투압을 초과할 수 없고, 삼투압 증가 비율은 수압 증가 비율보다 높았다. 따라서, 투 스테이지 SWRO 시스템(100,100a) 만이 50%보다 높은 회수율에서 담수를 생산하는데 적용되는 것이 바람직하다.
따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100)는 전체 회수율의 범위가 45%에서 55%의 범의 내에서 설정되도록 동작하고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100a)는 55%에서 70%의 범위 내의 회수율에서 동작하도록 설정된다.
한편, 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100b)의 구성을 나타낸 도면이다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100b)는 제1 실시예의 변형 예로서, 제1 스테이지 모듈(111b), 제2 스테이지 모듈(112b), 압력 교환기(120b), 및 제3 스테이지 모듈(113b)을 포함할 수 있다.
여기서, 제1 스테이지 모듈(111b), 제2 스테이지 모듈(112b) 및 압력 교환기(120b)는 제1 실시예에 대응하는 바, 그 설명은 생략한다.
제3 스테이지 모듈(113b)에는 제1 스테이지 모듈(111b)에 의해 생산된 제1 생산수가 제3 유입수로 유입된다. 그리고 제3 스테이지 모듈(113b)은 제3 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제3 생산수와 제3 농축수로 배출된다. 따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100b)의 최종적인 생산수는 제2 생산수와 제3 생산수가 된다. 여기서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제3 스테이지 모듈(113b)은 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis)가 적용되는 것을 예로 한다.
상기와 같이 제3 스테이지 모듈(113b)이 제1 스테이지 모듈(111b)로부터 생산된 제1 생산수를 한번 더 역삼투 공정을 통해 처리함으로써, 최종 생산수의 염도를 더욱 낮출 수 있게 되어, 생산수 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100c)의 구성을 나타낸 도면이다. 본 발명의 제4 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100c)는 제1 실시예의 변형 예로서, 제1 스테이지 모듈(111c), 제2 스테이지 모듈(112c), 압력 교환기(120c), 및 제3 스테이지 모듈(113c)을 포함할 수 있다.
여기서, 제1 스테이지 모듈(111c), 제2 스테이지 모듈(112c) 및 압력 교환기(120c)는 제1 실시예에 대응하는 바, 그 설명은 생략한다.
제3 스테이지 모듈(113c)에는 제2 스테이지 모듈(112c)에 의해 생산된 제2 생산수가 제3 유입수로 유입된다. 그리고 제3 스테이지 모듈(113c)은 제3 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제3 생산수와 제3 농축수로 배출된다. 따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 고염 대응 담수화 장치(100c)의 최종적인 생산수는 제1 생산수와 제3 생산수가 된다. 여기서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 제3 스테이지 모듈(113c)은 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis)가 적용되는 것을 예로 한다.
상기와 같이 제3 스테이지 모듈(113c)이 제2 스테이지 모듈(112c)로부터 생산된 제2 생산수를 한번 더 역삼투 공정을 통해 처리함으로써, 최종 생산수의 염도를 더욱 낮출 수 있게 되어, 생산수 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 제3 실시예 및 제4 실시예에서의 압력 용기의 비율 및 회수율의 범위는 제1 실시예에 대응한다.
그리고, 제3 실시예 및 제4 실시예에서, 제3 스테이지 모듈(113b,113c)로부터 배출되는 제3 농축수는 원수와 혼합되어 원수를 희석시킴으로써, 공정의 부하를 전체적으로 줄일 수 있는 효과를 제공하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100,100a,100b,100c : 고염 대응 담수화 장치
110,110a,110b,110c : 제1 스테이지 모듈
112,112a,112b,112c : 제2 스테이지 모듈
120,120b,120c : 압력 교환기 120a : 펠톤 터빈
131,131a,131b,131c : 고압 펌프
113b,113c : 제3 스테이지 모듈

Claims (10)

  1. 고염 대응 담수화 장치에 있어서,
    원수가 제1 유입수로 유입되고, 상기 제1 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제1 생산수와 제1 농축수를 배출하는 제1 스테이지 모듈과,
    상기 원수와 상기 제1 농축수가 혼합된 제2 유입수가 유입되고, 상기 제2 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제2 생산수와 제2 농축수를 배출하는 제2 스테이지 모듈과,
    상기 제2 농축수의 압력을 이용하여 상기 제1 농축수와 혼합될 상기 원수의 압력을 증가시키는 압력 교환기(Pressure exchanger)를 포함하며;
    상기 제1 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수와, 상기 제2 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수의 비는 6:9과 9:16 사이의 범위이며;
    상기 제1 생산수가 제3 유입수로 유입되고, 상기 제3 유입수를 역삼투 공정을 통해 처리하여 제3 생산수와 제3 농축수를 배출하는 제3 스테이지 모듈을 더 포함하며;
    상기 제2 스테이지 모듈로부터 배출되는 상기 제2 생산수와 상기 제3 스테이지 모듈로부터 배출되는 상기 제3 생산수가 최종 생산수로 배출되는 것을 특징으로 하는 고염 대응 담수화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스테이지 모듈과 상기 제2 스테이지 모듈의 통합 회수율은 45%에서 55%의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 고염 대응 담수화 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 농축수는 상기 원수와 혼합되어 상기 원수를 희석시키는 것을 특징으로 하는 고염 대응 담수화 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3 스테이지 모듈에는 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis)가 적용되는 것을 특징으로 하는 고염 대응 담수화 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스테이지 모듈 및 상기 제2 스테이지 모듈에는 SWRO(Seawater Reverse Osmosis)가 적용되는 것을 특징으로 하는 고염 대응 담수화 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수와, 상기 제2 스테이지 모듈을 구성하는 압력 용기(Pressure vessel)의 개수의 비는 기 설정된 상기 제1 스테이지 모듈과 상기 제2 스테이지 모듈의 통합 회수율에 종속하여 설정되는 것을 특징으로 하는 고염 대응 담수화 장치.
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