KR20020022544A - 공기에서 음용수를 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

수착(sorption) 물질을 사용하여 공기 중의 수증기를 포획하고 방출시킴으로써 음용수를 제조하는 방법 및 장치에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 가장 큰 특징은, 수착물질층에 공기를 관통시켜 공기에 함유된 수분이 수착물질층에 포화되도록 한 다음에 수착물질층을 가열함으로써 빠져나온 수증기를 포획하고 액화시키는 기술을 이용한다는 것이다. 본 발명에 따르면, 물이 부족한 곳에서도 용이하게 음용수를 확보할 수 있다.

Description

공기에서 음용수를 제조하는 방법 및 장치 {Method and apparatus for producing potable drinking water from air}

본 발명은 수착(sorption) 물질을 사용하여 공기 중의 수증기를 포획하고 방출시킴으로써 음용수를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

신선한 음용수는 원격지에서 항상 쉽게 구할 수 있는 것은 아니며, 컨테이너에 의해 배달되어야만 한다. 한편, 공기에서 물을 흡수하는 물질은 매우 많다는 것이 알려져 있다. 상온 및 상압에서, 제올라이트(zeolite), 실리카 겔(silica gel), 황산구리, 및 기타 물질들이 모두 물을 흡수한다. 만약 이러한 물질들이 일정 온도로 가열되면, 물은 증기의 형태로 이 물질들로부터 빠져나올 것이다.

따라서, 이러한 수착 물질들의 특성을 이용하여 음용수를 제조하는 방법 및 장치에 대한 당업계의 요구가 있다.

액체 표면의 오염물들에 의한 오염이 없는 물을 제공하기 위해서는, 습기라고 불리우는 공기중의 물을 이용하여 음용수를 제조하기 위해 물의 물리적 흡착성을 이용하는 것이 바람직하다. 가장 건조한 사막 등의 공기라도 물(습기)을 가지고 있는데 이는 음용수를 제조하는 데 이용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 물의 물리적 흡착성을 이용하여 공기 중에서 음용수를 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 장치의 일 실시예에 대한 개략도이다.

본 발명은 마실 수 있는 물을 제조하는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 음용수 제조장치는:

폐쇄형 수착물질층과;

상기 수착물질층을 관통하여 공기가 이동하도록 하는 팬과;

상기 수착물질층을 가열하는 수단과;

상기 수착물질층으로부터 빠져나온 수증기를 포획하고 액화시키기 위한 액화챔버;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 음용수 제조방법은:

(a) 습기가 있는 공기가 수착물질층을 관통하도록 끌고가거나 밀어 넣어서상기 공기를 탈수시키는 단계와;

(b) 상기 수착물질층 내에 흡착되어 있던 물을 빼내기 위해 상기 수착물질층을 가열하는 단계와;

(c) 상기 (b) 단계에서 나온 수증기를 포획하고 액화시키는 단계와;

(d) 상기 (c) 단계에서 나온 물을 모으는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

본 발명을 기술함에 있어서, 달리 지적하지 않는다면 다음의 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다. 여기서 정의되지 않은 모든 용어는 당업계에서 용인된 의미를 갖는다.

1) 정의

"수착 물질"이라는 용어는 주위의 온도(약 -30℃ 내지 약 45℃) 및 0.5바아(bar) 내지 10.0바아의 압력에서 수증기를 흡수 또는 흡착하는 물질을 말한다. 적당한 수착 물질에는 제올라이트, 실리카 겔 및 황산구리가 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다.

2) 설명

도 1은 수착물질로서 3A형 분자체(molecular sieve) 제올라이트를 채용한 시스템의 개략적 다이어그램을 보여주는데, 다른 수착물질을 사용할 수 있다. 여기서, 분자체라고 하는 것은, 무기물 결정상태의 알루미노실리케이트(Alumino-silicate)이다. 분자체는 일정 크기의 세공들(pores)을 갖고 있으며, 이 작은 구멍으로 물 또는 다른 분자들을 흡수할 수 있으며, 특히 낮은 노점(-75℃)을 갖는 물질의 흡착에 이용된다. 또한, Na, Ca, K 등의 양이온이 형성하는 강력한 이온력(ionic forces)에 의해서 다른 용액속의 상당한 양의 물질을 흡착할 수도 있다. 만일 흡착될 액체가 극성 화합물(polar compound)이라면, 아주 극미량(PPM단위)의 물질 역시 흡착할 수 있다. 분자체의 다른 특징은 분자의 크기에 따라 기체 또는 액체를 선택적으로 흡착할 수 있다는 것이다. 이는 흡착제의 세공을 조절함으로써 특정 크기의 분자를 흡착 또는 통과시킴으로서 가스의 분리, 정제 및 회수를 할 수 있다는 것을 의미한다. 각각의 세공은 분자체 속에서 모두 같은 크기를 갖고 있으며, 이것은 각각의 세공들이 일정한 크기의 분자들을 흡착할 수 있는 이론적 근거가 된다.

이러한 분자체에는 많은 종류가 있는데, 특정 바인더(binder)를 사용하여 여러 모양, 예컨대 구슬 모양, 펠릿 모양, 파우더 모양 등으로의 성형이 가능하다. 가장 일반적인 종류의 분자체 중의 하나가 3A형(3A type) 분자체로서, 이는 주로 물의 제거에 이용된다. 3A형 분자체는 칼륨(K)이 치환된 알루미노실리케이트이며, 그 응용으로 크래킹된 가스의 건조, 천연가스의 탈수(dehydration), 메탄올 건조 등에 사용된다.

도 1의 설명으로 되돌아가면, 이 시스템은 둘 또는 그 이상의 수착물질층을 가짐으로써 연속적으로 작동된다. 첫번째 수착물질층은 음용수를 내보내고, 두번째 수착물질층은 공기로부터 음용수를 흡착한다. 공기가 수착물질층들을 통과하게 하는 데에는 팬(fan)이 사용되며, 이 과정에서 수착물질층들은 공기로부터 물을 흡착한다. 결과적으로, 하나의 팬만 있으면 이 작동을 연속적으로 수행할 수 있다. 수착물질층들로부터 물을 빼내기 위해서 이 수착물질층들은 가열되어야 한다. 각각의 수착물질층마다 하나씩의 히터가 요구된다. 이 히터들은 전기, 프로판, 천연가스, 디젤, 가솔린, 태양열, 기타 임의의 열원에 의해서 작동되는 것을 사용하여도 무방하다. 공기가 수착물질층들을 통과하고 있지 않는 동안에, 이들은 화씨 400도 또는 그 이상의 온도로 가열될 수 있다. 이와 같은 고온에 의해 물은 증기상태로 빠져나오고, 그 다음 이 수증기는 액화된다. 일단 냉각된 이 액화수는 음용수로 사용될 수도 있고, 살균 또는 소독될 수도 있다.

공기로부터 얻어낸 물이 음용에 적합하다는 것을 보장하기 위해서, 본 발명의 시스템은 먼지 및 기타 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds, 이하, "VOC's")을 제거하는 공기 필터를 구비한다. 이 필터들은 규격에 맞는 것이며, 당업계에서 잘 알려진 것이다. 이들은, 면섬유(cotton fiber), 셀룰로오스 섬유, 다양한 종류의 합성섬유 등의 다공성 물질과 활성탄으로 이루어져 있다. 미립자들은 이 섬유필터에 의해 제거되고, VOC's는 활성탄 필터에 의해 제거된다. 수착물질층들로 들어가기 전에 공기는 이 필터들을 먼저 거치며, 'A' 및 'B' 층에 있는 수착물질에 의해 공기에서 물이 빼내어진다.

가열에 의해 수착물질층에서 강제로 빠져나온 물은 일단 액화된 후에 저수조로 들어가는데, 여기서 소량의 오존 또는 기타 소독약을 물에 가함으로써 신선할 뿐 아니라 마실 수 있는 물이 유지된다. 오존은 물이 병원균이 없고 신선한 맛을 유지하도록 하는 것을 항상 보장해준다.

도 1을 참조하면서, 음용수를 제조하는 시스템의 작동에 대해 설명하기로 한다. 공기 팬(99)은 자신의 내부로 공기를 빨아들인 후 이 공기를 파이프(101)로 보내는데, 여기서 공기가 섬유 필터를 먼저 거치도록 보내어지고 그 다음 활성탄 필터를 거치도록 보내어진다. 이 필터들은 공기에 있는 어떠한 미립자든지 휘발성 유기 화합물(VOC's)과 함께 제거한다. 공기가 필터에서 나오면, 어떤 수착물질층이 공기에서 물을 빼내는지 그리고 어떤 수착물질층이 물을 재생하는지에 의존하여 파이프(102) 또는 파이프(103)로 보내어진다. 만약 'A'층이 물을 빼내고 'B'층이 물을 재생한다면, 밸브들(A1, A2 및 B3)은 개방되고, 밸브들(B1, B2 및 A3)은 폐쇄된다. 'A'층이 공기로부터 수분을 빼내고 있기 때문에, 필터들에서 나온 공기는 파이프(102)로 가서 개방 밸브(A1)를 통과한 후 'A' 수착물질층으로 들어가는데 여기서 공기 중의 물이 빼내어지며 이 공기는 이어서 파이프(106)와 밸브(A2)로 간다. 팬(99)을 통해 최초로 들어온 공기는, 'A' 수착물질층이 물로 포화될 때까지, 'A' 수착물질층을 계속 통과한다. 이 수착물질층들은, 수착물질층이 공기에서 나온 물로 포화되는 데 걸리는 시간이 다른 수착물질층(본 실시예에서는 'B' 수착물질층)을 재생하는 데 필요로 하는 시간과 일치하도록, 설계될 수 있다.

'A' 수착물질층이 일단 포화되면, 밸브들(A1, A2 및 B3)은 폐쇄되고, 밸브들(B1, B2 및 A3)은 개방된다. 모든 밸브들은 동시에 전환된다. 팬(99)에서 나온 공기는 필터들과 파이프(103)를 통과하고 밸브(B1)를 거쳐 공기로부터 물을 빼내기 시작하는 'B' 수착물질층으로 들어간 후, 파이프(107)와 밸브(B2)를 거친다.히터(HT 'A')는 'A' 수착물질층을 가열하기 위해 켜진다. 이 때의 온도범위는 화씨350도 내지 화씨 550도가 될 수 있다. 실제의 작동온도는 공기습도와 주어진 시간에 수착물질층으로부터 제조하려는 물의 양에 따라 다르다. 수착물질층들의 재생 온도는 조절 가능하다.

'A' 수착물질층에 대한 온도가 올라가면, 이 수착물질층으로부터 물이 나오게 되며 이 물은 파이프(104)로 강제로 보내지고 밸브(A3)를 거쳐 액화장치(111)로 들어간다. 이 액화장치로는, 냉각공기, 냉각수, 열 파이프(heat pipe), 열흡수체(heat sink) 등에 의해 작동하는 것을 사용할 수 있다. 일단 물이 액화되면 이는 흡인 또는 펌핑되어 파이프(108)를 거쳐 물 저장용기(112)로 들어간다. 일단 물이 저장용기(112)로 들어가면, 소량의 오존이 오존발생기(113)로부터 파이프(109)를 통해 첨가되는데, 이는 병원균이 없는 신선한 맛의 물을 보장하기 위한 것이다. 저장용기(112)에 저장된 물을 사용하고자 할 때에는 배수밸브와 파이프(110)를 통과시켜 물을 빼낸다.

'A' 수착물질층이 일단 건조되면, 히터(HT 'A')는 꺼지고 'A' 수착물질층은 냉각되어 팬(99)으로부터 다시 공기를 받아들일 준비를 한다. 일단 'A' 수착물질층이 냉각되면, 밸브들(B1, B2 및 A3)은 폐쇄되고, 밸브들(A1, A2 및 B3)은 개방된다. 이와 동시에 히터 (HT 'B')가 켜져서 'B' 수착물질층의 재생을 시작하게 되고 공기는 'A' 수착물질층을 통하여 흐르는데, 여기서 공기로부터 물이 빼내지기 시작한다. 공기는 팬(99)으로부터 다시 들어와서 필터와 파이프(102)를 거치고 'A' 수착물질층에서 자신이 가진 물을 남겨놓은 후 파이프(106)로 나간다.

'A' 수착물질층과 비슷하게, 'B' 수착물질층도 가열되어 자신이 가진 물을뽑아내게 된다. 'A' 수착물질층과 마찬가지로, 'B' 수착물질층은 자신이 가진 물을 강제로 빼내며 이 물은 파이프(105)를 거쳐 물이 액화되는 액화장치(111)로 가게 된다. 'A' 수착물질층에서 나온 물과 마찬가지로, 'B' 수착물질층에서 나온 물도 흡인 또는 펌핑되어 액화장치에서 물 저장용기로 가게 된다. 일단 물이 저장용기로 들어가면, 소량의 오존이 첨가되는데, 이는 병원균이 없는 신선한 맛의 물을 보장하기 위한 것이다.

이와 같이 수착물질층에 대한 순환과정을 행하면 음용수의 제조를 무한정 계속할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다. 따라서, 도 1에 도시되고 설명된 실시예는 본 발명의 하나의 예일 뿐 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

본 발명에 따르면, 물이 부족한 곳에서도 용이하게 음용수를 확보할 수 있으므로 인간의 활동범위를 넓힐 수 있다.

Claims (10)

1. 폐쇄형 수착물질층과;

   상기 수착물질층을 관통하여 공기가 이동하도록 하는 팬과;

   상기 수착물질층을 가열하는 수단과;

   상기 수착물질층으로부터 빠져나온 수증기를 포획하고 액화시키기 위한 액화챔버;

   를 구비하는 음용수 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 수착물질층이 적어도 2개이며 서로 병렬로 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 음용수 제조장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 팬에서 나온 공기가 다른 수착물질층(들)을 제외하고 하나의 수착물질층을 관통하도록 유도하는 전환수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 액화챔버가 냉각소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조장치.
5. 제1항에 있어서, 물 저장챔버와, 상기 액화챔버에서 상기 물 저장챔버로 물을 끌어가기 위한 인출수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 액화챔버 또는 물 저장챔버에 있는 물을 소독하기 위한 소독수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 소독수단이 오존 트리클러(trickler)를 구비하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조장치.
8. (a) 습기가 있는 공기가 수착물질층을 관통하도록 끌고가거나 밀어 넣어서 상기 공기를 탈수시키는 단계와;

   (b) 상기 수착물질층 내에 흡착되어 있던 물을 빼내기 위해 상기 수착물질층을 가열하는 단계와;

   (c) 상기 (b) 단계에서 나온 수증기를 포획하고 액화시키는 단계와;

   (d) 상기 (c) 단계에서 나온 물을 모으는 단계;

   를 구비하는 음용수 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 모여진 물을 소독하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조방법.
10. 제8항에 있어서, 적어도 2개의 수착물질층이 마련되며, 하나의 수착물질층이물을 흡수하는 동시에 다른 수착물질층은 가열되는 것을 특징으로 하는 음용수 제조방법.