KR20110067748A - Dual osmosis device and desalination method using such device - Google Patents

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최준석
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한국건설기술연구원
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Abstract

PURPOSE: A dual osmosis device and a desalinizing method using thereof are provided to reduce the pressure of inflow water necessary for the reverse osmosis. CONSTITUTION: A dual osmosis device comprises the following: an osmotic membrane module(110) inducing the reverse osmosis and the forward osmosis in inflow water; a high pressure pump supplying the inflow water with the constant pressure to the osmotic membrane module; and a forward osmosis inducing solution supplier supplying a forward osmosis inducing solution to the osmotic membrane module. The osmotic membrane module includes an osmotic membrane(111), an inflow water flow path(112), and a processed water flow path(113).

Description

담수화 소요 에너지 절감형 이중 삼투장치 및 이를 이용한 담수화 방법{Dual Osmosis Device and Desalination Method using such Device}Dual osmosis device requiring energy desalination and desalination method {Dual Osmosis Device and Desalination Method using such Device}

본 발명은 담수화 소요 에너지 절감형 이중 삼투장치 및 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 담수화 공정에 요구되는 압력을 최소화시켜 에너지를 절감함과 함께 처리수의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 이중 삼투장치와, 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a desalination energy-saving dual osmotic device and a desalination method using the same, and more particularly, to reduce energy by minimizing the pressure required for the desalination process and to improve the production efficiency of treated water. An osmotic device and a desalination method using the same.

해수 또는 기수로부터 담수를 획득하기 위해서는 해수나 기수에 용존되어 있거나 부유하는 성분들을 용수 및 음용수 기준에 적합하도록 제거해야 한다. 해수 또는 기수를 담수화하는 방법은 크게 증발법과 역삼투법으로 구분될 수 있으며, 최근에는 역삼투법이 널리 사용되고 있다. 역삼투법은 해수나 기수의 담수화 이외에도 지표수 및 지하수의 처리, 산업폐수의 처리, 무방류 재이용 등의 분야에서도 주목받고 있는 고도 수처리 방법이다. To obtain fresh water from seawater or brackish water, the dissolved or suspended components of seawater or brackish water must be removed to meet the water and drinking water standards. Desalination of seawater or brackish water can be largely divided into evaporation and reverse osmosis. Recently, reverse osmosis has been widely used. Reverse osmosis is an advanced water treatment method that is attracting attention not only in the desalination of seawater and brackish water but also in the treatment of surface water and groundwater, industrial wastewater treatment, and zero discharge reuse.

한편, 역삼투법은 해수나 기수에 함유되어 있는 성분을 역삼투막을 이용하여 처리수와 농축수로 분리시키는 방법이며, 처리수는 성분 농도를 희박하게 하여 용수 및 음용수로 활용되고 농축수는 다시 바다로 배출된다. Reverse osmosis is a method of separating components contained in seawater or brackish water into treated water and concentrated water using a reverse osmosis membrane, and treated water is used as fresh water and drinking water by diminishing concentrations of components, and concentrated water is discharged back to the sea. do.

이와 같이 해수나 기수의 분리 및 정제가 이루어지는 역삼투막에서, 물과 염을 분리하기 위해서는 용존되어 있는 성분들에 의해 유발되는 삼투압 이상의 압력을 유입되는 해수나 기수에 가해주어야 분리가 일어나기 시작한다. 해수 내에 용존되어 있는 염의 농도는 일반적으로 30,000∼45,000ppm 으로서 이 농도에서 유발되는 삼투압은 20∼30 기압이다. 즉, 해수에서 소량의 담수를 획득하기 위해서는 기본적으로 20 기압 이상의 압력을 가해주어야 한다. 기수의 경우, 용존염의 농도는 20,000ppm 이하로 해수보다는 낮으나 이 경우에도 15 기압 이상의 높은 압력을 필요로 한다. As described above, in the reverse osmosis membrane in which seawater or brackish water separation and purification are performed, in order to separate water and salt, the separation begins to be applied to the incoming seawater or brackish water by osmotic pressure caused by dissolved components. The concentration of salt dissolved in seawater is generally 30,000-45,000 ppm, and the osmotic pressure induced at this concentration is 20-30 atm. That is, in order to obtain a small amount of fresh water from the seawater, it is necessary to apply a pressure of 20 atm or more. In brackish water, the dissolved salt concentration is less than 20,000 ppm, which is lower than that of sea water.

한편, 해수나 기수가 갖고 있는 삼투압을 극복하고 담수를 생산하는데 필요한 압력의 구동력으로 고압펌프를 이용하는데, 고압펌프의 모터를 구동하기 위한 에너지는 1m3의 담수를 생산하기 위해 약 6∼10kW/m3 을 필요로 한다. 최근에는, 역삼투 공정에 사용되는 에너지를 절감하기 위한 에너지 회수장치가 개발되어 적용되고 있으나, 이 경우에도 고압펌프의 모터를 구동하기 위해 필요한 에너지는 약 3kW/m3 이상이 필요하다. 이와 같은 높은 전력비 부담으로 인해 국내와 같이 용수 및 음용수의 비용이 낮은 곳에서는 해수 담수화 시스템이 널리 보급됨에 어려움이 있다. On the other hand, a high pressure pump is used as a driving force of pressure required to overcome the osmotic pressure of seawater or brackish water and produce fresh water. The energy for driving the motor of the high pressure pump is about 6 to 10 kW / to produce 1 m 3 of fresh water. m 3 is required. Recently, an energy recovery device for reducing energy used in the reverse osmosis process has been developed and applied, but even in this case, the energy required to drive the motor of the high pressure pump needs to be about 3kW / m 3 or more. Due to such a high power cost burden, it is difficult for the seawater desalination system to be widely used at low water and drinking water costs, such as in Korea.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 담수화 공정에 요구되는 압력을 최소화시켜 에너지를 절감함과 함께 처리수의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 이중 삼투장치를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to provide a dual osmosis apparatus that can minimize the pressure required for the desalination process to save energy and improve the production efficiency of the treated water. .

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중 삼투장치는 유입수에 대한 역삼투 및 정삼투 과정을 유도하는 삼투막 모듈과, 역삼투 과정을 유도하는 일정 압력의 유입수를 상기 삼투막 모듈에 공급하는 고압펌프 및 정삼투 과정을 유도하는 정삼투 유도용액을 상기 삼투막 모듈에 공급하는 정삼투 유도용액 공급수단을 포함하여 이루어지며, 상기 정삼투 유도용액은 유입수보다 높은 용존이온농도를 갖는 것을 특징으로 한다. The dual osmosis apparatus according to the present invention for achieving the above object is an osmosis membrane module for inducing reverse osmosis and forward osmosis process for influent, and supplying the osmosis membrane module with an inflow water of a predetermined pressure for inducing reverse osmosis process. It comprises a forward osmosis induction solution supply means for supplying a high-pressure pump and forward osmosis induction solution to induce the osmosis process, the forward osmosis induction solution is characterized in that it has a dissolved ion concentration higher than the influent do.

상기 삼투막 모듈은, 삼투막과, 상기 삼투막 상면 상에 구비되는 유입수 유로와, 상기 삼투막 하면 상에 구비되는 처리수 유로를 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 상기 삼투막은, 폴리아미드 계열의 비대칭 역삼투막 또는 셀룰로즈트리아세테이트 계열의 대칭 정삼투막으로 이루어질 수 있다. The osmosis membrane module may include an osmosis membrane, an inflow channel provided on the upper surface of the osmosis membrane, and a treated water channel provided on the lower surface of the osmosis membrane. In this case, the osmosis membrane may be composed of a polyamide-based asymmetric reverse osmosis membrane or a cellulose triacetate series symmetric forward osmosis membrane.

또한, 상기 유입수 유로의 양단에는 각각 유입수 공급구, 농축수 배출구가 구비되고, 상기 처리수 유로의 양단에는 각각 정삼투 유도용액 공급구, 처리수 배출구가 구비되며, 상기 유입수 공급구는 고압펌프를 통해 유입되는 유입수의 입구 이며, 상기 농축수 배출구는 삼투막에 의해 여과되지 않는 유입수의 나머지 부분인 농축수의 출구이며, 상기 정삼투 유도용액은 공급구는 정삼투 유도용액 공급수단에 의해 공급되는 정삼투 유도용액의 입구이며, 상기 처리수 배출구는 상기 삼투막을 투과한 처리수의 출구이다. 이와 함께, 상기 유입수 유로 및 처리수 유로 내에 상기 삼투막을 물리적으로 지지하기 위한 그물 모양의 스페이서가 더 구비될 수 있다. In addition, both ends of the inflow passage are provided with an inflow water supply port and a concentrated water outlet, and both ends of the treated water passage are provided with an forward osmosis induction solution supply port and a treated water outlet, respectively, and the inflow water supply port is provided with a high pressure pump. It is the inlet of the inflow of the inlet, the outlet of the concentrated water is the outlet of the concentrated water which is the remainder of the influent which is not filtered by the osmosis membrane, the forward osmosis induction solution is a forward osmosis supplied by the forward osmosis induction solution supply means It is an inlet of an induction solution, and the treated water outlet is an outlet of treated water that has passed through the osmosis membrane. In addition, a mesh-shaped spacer for physically supporting the osmosis membrane may be further provided in the inflow passage and the treated water passage.

염 분리수단이 더 구비될 수 있으며, 상기 염 분리수단은 상기 삼투막 모듈로부터 처리되어 배출되는 1차 처리수를 대상으로 2차 처리수와 염으로 분리하는 역할을 하며, 상기 염 분리수단에 의해 분리된 염은 상기 정삼투 유도용액의 용존이온농도 조절용으로 상기 정삼투 유도용액 공급수단에 공급된다. 또한, 상기 염 분리수단에 의해 분리된 2차 처리수를 대상으로 상기 2차 처리수 내에 포함되어 있는 미량의 염을 분리하는 저압 역삼투막 모듈과, 상기 염 분리수단의 2차 처리수를 상기 저압 역삼투막 모듈에 공급하는 에너지 회수수단을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 에너지 회수수단은 터보 차저 또는 압력 교환기로 구성될 수 있다. Salt separation means may be further provided, wherein the salt separation means serves to separate the secondary treated water and the salt for the primary treated water discharged by being treated from the osmosis membrane module, by the salt separation means The separated salt is supplied to the forward osmosis inducing solution supply means for adjusting the dissolved ion concentration of the forward osmosis inducing solution. In addition, the low pressure reverse osmosis membrane module for separating a small amount of salt contained in the secondary treated water to the secondary treated water separated by the salt separation means, and the low pressure reverse osmosis membrane It may further comprise an energy recovery means for supplying the module. At this time, the energy recovery means may be composed of a turbocharger or a pressure exchanger.

본 발명에서는 위와 같은 이중 삼투장치를 이용하여 해수 또는 기수를 담수화하는 방법이 제공된다. In the present invention, there is provided a method of desalination of seawater or brackish water using the above dual osmotic apparatus.

본 발명에 따른 이중 삼투장치는 다음과 같은 효과가 있다. Dual osmotic device according to the present invention has the following effects.

역삼투 및 정삼투가 병행됨에 따라, 역삼투에 필요한 유입수의 압력을 낮출 수 있게 되며, 이와 함께 삼투막 단위면적 담수 생산효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 별도의 저압 역삼투막 모듈을 통해 잔존하는 미량의 염을 효과적으로 제거할 수 있게 된다. As reverse osmosis and forward osmosis are performed, it is possible to lower the pressure of influent water required for reverse osmosis, and at the same time improve the osmosis membrane unit area fresh water production efficiency. In addition, it is possible to effectively remove the remaining trace salt through a separate low pressure reverse osmosis membrane module.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 삼투장치를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 삼투장치의 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼투막 모듈의 단면 구성도이다. Hereinafter, a dual osmosis apparatus according to an embodiment of the present invention with reference to the drawings will be described in detail. 1 is a block diagram of a dual osmotic device according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of the osmosis membrane module according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 삼투장치는 크게 삼투막 모듈(110), 염 분리수단(102), 정삼투 유도용액 공급수단(103), 에너지 회수수단(104), 및 저압 역삼투막 모듈(105)를 포함하여 구성된다. First, as shown in Figure 1, the dual osmosis apparatus according to an embodiment of the present invention is largely osmosis membrane module 110, salt separation means 102, forward osmosis induction solution supply means 103, energy recovery means ( 104, and a low pressure reverse osmosis membrane module 105.

상기 삼투막 모듈(110)은 해수 또는 기수 등의 유입수를 삼투막을 통해 여과하여 1차 처리수를 생산하는 역할을 하는 것으로서, 본 발명에 있어서 상기 삼투막 모듈(110)은 역삼투 과정과 정삼투 과정을 모두 유도하는 기능을 수행한다. 이와 같이, 삼투막 모듈(110) 내에서 역삼투와 정삼투 과정이 모두 진행된다는 것은 유입수의 여과 경로가 역삼투와 정삼투로 분산되는 것을 의미하며, 일정량의 유입수를 처리하는 경우 역삼투 이외에 정삼투에 의해 유입수의 일부가 처리됨에 따라 모든 유입수를 역삼투 과정만을 통해 처리하는 종래 기술에 대비하여 역삼투 과정에 요구되는 압력을 최소화할 수 있게 된다. The osmosis membrane module 110 serves to produce the first treatment water by filtering the influent water such as seawater or brackish water through the osmosis membrane, in the present invention, the osmosis membrane module 110 is a reverse osmosis process and forward osmosis Function to guide all processes. As such, the reverse osmosis and forward osmosis processes in the osmosis membrane module 110 mean that the filtration path of the influent is dispersed into reverse osmosis and forward osmosis. As a part of the influent is treated by osmosis, it is possible to minimize the pressure required for the reverse osmosis process as compared to the prior art in which all the influent is treated only through the reverse osmosis process.

상기 삼투막 모듈(110)에 있어서 역삼투 과정은 고압펌프(101)를 통해 고압의 유입수를 삼투막 모듈(110)에 공급함으로써 유도되며, 정삼투 과정은 유입수와 정삼투 유도용액 사이의 농도차에 의해 유도된다. 상기 정삼투 과정에서, 유입수와 정삼투 유도용액은 삼투막을 기준으로 공간적으로 분리되며, 유입수와 정삼투 유도용액 사이의 농도차에 의해 발생하는 삼투압에 의하여 유입수가 여과된다. 이 때, 정삼투 유도를 위해 상기 정삼투 유도용액의 용존이온농도는 유입수의 용존이온농도보다 높아야 한다. 한편, 역삼투 및 정삼투 과정이 유도되는 상기 삼투막 모듈(110)의 세부 구성에 대해서는 후술하여 상세히 설명한다. In the osmosis membrane module 110, the reverse osmosis process is induced by supplying high pressure inflow water to the osmosis membrane module 110 through the high pressure pump 101, the forward osmosis process is the difference in concentration between the influent and forward osmosis induction solution Induced by In the forward osmosis process, the influent and the forward osmosis inducing solution are spatially separated based on the osmosis membrane, and the influent is filtered by the osmotic pressure generated by the concentration difference between the influent and the forward osmosis inducing solution. At this time, in order to induce forward osmosis, the dissolved ion concentration of the forward osmosis induction solution should be higher than the dissolved ion concentration of the influent. On the other hand, the detailed configuration of the osmosis membrane module 110 is a reverse osmosis and forward osmosis process will be described in detail below.

다음으로, 상기 염 분리수단(102)은 상기 삼투막 모듈(110)에 의해 여과된 1차 처리수를 대상으로 2차 처리수와 염으로 분리한다. 상기 염 분리수단(102)은 1차 처리수 내에 포함된 염의 종류에 따라 다양하게 구성할 수 있으며 일 실시예로, NH3CO2 등의 휘발성 염인 경우 감압증류법을 이용하는 장치로 구성될 수 있다. Next, the salt separating means 102 separates the second treated water and the salt into the first treated water filtered by the osmosis membrane module 110. The salt separating means 102 may be configured in various ways depending on the type of salt contained in the primary treatment water, and in one embodiment, in the case of volatile salts such as NH 3 CO 2 It may be configured by a device using a reduced pressure distillation method.

상기 정삼투 유도용액 공급수단(103)은 유입수보다 높은 용존이온농도를 갖는 정삼투 유도용액을 상기 삼투막 모듈(110)에 공급하는 역할을 한다. 이 때, 정삼투 유도용액은 일정 수준의 용존이온농도를 유지하며, 그에 요구되는 염은 상기 염 분리수단(102)에 의해 분리된 염이 이용될 수 있다. The forward osmosis induction solution supply means 103 serves to supply the forward osmosis induction solution having a higher dissolved ion concentration than the influent to the osmosis membrane module (110). At this time, the forward osmosis induction solution maintains a certain level of dissolved ion concentration, and the salt required therein may be used as the salt separated by the salt separating means 102.

상기 에너지 회수수단(104)은 상기 염 분리수단(102)으로부터 배출되는 2차 처리수의 압력을 회수하여 고압 상태로 상기 저압 역삼투막 모듈(105)에 공급하는 역할을 한다. 상기 에너지 회수수단(104)은 적용 압력에 따라 터보 차저(turbo charger), 압력 교환기(pressure exchanger) 등으로 구성될 수 있다. The energy recovery means 104 recovers the pressure of the secondary treated water discharged from the salt separation means 102 and serves to supply the low pressure reverse osmosis membrane module 105 in a high pressure state. The energy recovery means 104 may be composed of a turbo charger, a pressure exchanger, or the like depending on the applied pressure.

상기 저압 역삼투막 모듈(105)은 상기 염 분리수단(102)에 의해 처리된 2차 처리수 내에 포함된 미량의 염을 역삼투막 과정을 통해 제거하는 역할을 한다. 이 때, 2차 처리수 내에 포함되어 있는 염은 미량이므로, 저압 상태로 구동이 가능하게 되며 해당 역삼투막에 요구되는 압력은 상기 에너지 회수수단(104)에 의해 공급된다. 상기 저압 역삼투막 모듈(105)에 적용되는 역삼투막은 20기압 이하의 유입수 압력에서 NaCl의 배제율이 99.9% 이상인 것이 바람직하다. 참고로, 미설명 도면부호 106, 107은 삼투막 모듈(110) 및 저압 역삼투막 모듈(105)의 역압을 조절하는 역압 밸브이다. The low pressure reverse osmosis membrane module 105 serves to remove a small amount of salt contained in the secondary treated water treated by the salt separation means 102 through a reverse osmosis membrane process. At this time, since the salt contained in the secondary treated water is a small amount, it can be driven in a low pressure state and the pressure required for the reverse osmosis membrane is supplied by the energy recovery means 104. The reverse osmosis membrane applied to the low pressure reverse osmosis membrane module 105 preferably has a NaCl exclusion rate of 99.9% or more at an influent pressure of 20 atm or less. For reference, reference numerals 106 and 107 which are not described are reverse pressure valves for adjusting the reverse pressure of the osmosis membrane module 110 and the low pressure reverse osmosis membrane module 105.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 삼투장치의 구성을 설명하였는데, 전술한 바와 같이 본 발명의 핵심 특징 중 하나는 삼투막 모듈(110)에 의한 역삼투 및 정삼투 유도이며, 이하에서는 역삼투 및 정삼투가 유도되는 삼투막 모듈(110)에 대한 세부 구성을 설명한다. Above, the configuration of the dual osmosis apparatus according to an embodiment of the present invention, as described above, one of the key features of the present invention is reverse osmosis and forward osmosis induced by the osmosis membrane module 110, hereinafter reverse osmosis The detailed configuration of the osmosis membrane module 110 in which osmosis and forward osmosis are induced will be described.

상기 삼투막 모듈(110)은 도 2에 도시한 바와 같이 세부적으로 삼투막(111)을 기준으로 상부영역과 하부영역으로 구분되며, 상부영역에는 유입수 유로(112)가 구비되고 하부영역에는 처리수 유로(113)가 구비된다. 상기 유입수 유로(112)의 양단에는 각각 유입수 공급구(115) 및 농축수 배출구(116)가 구비되며, 상기 처리수 유로(113)의 양단에는 각각 정삼투 유도용액 공급구(117) 및 처리수 배출구(118)가 구비된다. 여기서, 상기 유입수 공급구(115)는 고압펌프(101)를 통해 유입되는 유입수의 입구이며, 상기 농축수 배출구(116)는 삼투막(111)에 의해 여과되 지 않는 유입수의 나머지 부분인 농축수의 출구이며, 또한 상기 정삼투 유도용액은 공급구는 상기 정삼투 유도용액 공급수단(103)에 의해 공급되는 정삼투 유도용액의 입구이며, 상기 처리수 배출구(118)는 상기 삼투막(111)을 투과한 처리수의 출구이다. 이 때, 상기 처리수 배출구(118)를 통해 이송되는 처리수 내에는 정삼투 유도용액이 포함되며, 상기 처리수 배출구(118)를 통해 이송되는 처리수를 1차 처리수라 명명한다. The osmosis membrane module 110 is divided into an upper region and a lower region based on the osmosis membrane 111 in detail as shown in FIG. 2, and an inflow channel 112 is provided in the upper region, and treated water is provided in the lower region. The flow passage 113 is provided. Both ends of the inflow channel 112 are provided with an inflow water supply port 115 and a concentrated water outlet 116, respectively, and both ends of the treated water channel 113 are forward osmosis induction solution supply ports 117 and treated water, respectively. An outlet 118 is provided. Here, the inflow water supply port 115 is an inlet of the inflow water flowing through the high pressure pump 101, the concentrated water outlet 116 is concentrated water that is the remaining portion of the inflow water not filtered by the osmosis membrane 111 In addition, the forward osmosis induction solution is the supply port is the inlet of the forward osmosis induction solution supplied by the forward osmosis induction solution supply means 103, the treated water outlet 118 is the osmosis membrane 111 It is the outlet of the treated water that has passed. At this time, the treatment water conveyed through the treated water outlet 118 includes a forward osmosis induction solution, and the treated water conveyed through the treated water outlet 118 is called primary treatment water.

한편, 상기 삼투막(111)을 물리적으로 지지하기 위해 상기 유입수 유로(112) 및 처리수 유로(113) 내에는 그물 모양의 스페이서(spacer)(114)가 구비되며, 상기 삼투막 모듈(110)의 기밀성 유지를 위해 유로 주변에 오링(O-ring)(119)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 삼투막(111)은 역삼투막 또는 정삼투막으로 구성될 수 있으며, 역삼투막인 경우 50기압 이하의 유입수 압력에서 NaCl의 배제율이 99.9% 이상인 폴리아미드 계열의 비대칭 역삼투막을 이용할 수 있으며, 정삼투막인 경우 셀룰로즈트리아세테이트 계열의 대칭 정삼투막을 이용할 수 있다. On the other hand, in order to physically support the osmosis membrane 111, the inlet flow path 112 and the treated water flow passage 113 is provided with a spacer (114) of the net shape, the osmosis membrane module 110 O-ring 119 may be provided around the flow path to maintain airtightness. In addition, the osmosis membrane 111 may be composed of a reverse osmosis membrane or an forward osmosis membrane, and in the case of a reverse osmosis membrane, a polyamide-based asymmetric reverse osmosis membrane having a NaCl exclusion rate of 99.9% or more at an influent pressure of 50 atm or less may be used. In the case of an osmosis membrane, a cellulose triacetate-based symmetric forward osmosis membrane may be used.

이와 같은 구성을 갖는 삼투막 모듈(110)의 동작 즉, 삼투막 모듈(110)에서의 역삼투, 정삼투 과정 및 이를 통한 1처 처리수 생산 과정 즉, 본 발명에 따른 담수화 방법을 설명하면 다음과 같다. When the operation of the osmosis membrane module 110 having such a configuration, that is, reverse osmosis, forward osmosis process in the osmosis membrane module 110 and one-way treatment water production process, that is, the desalination method according to the present invention Same as

먼저, 유입구 공급구를 통해 고압의 유입수가 유입수 유로(112)에 공급됨과 함께 정삼투 유도용액 공급구(117)를 통해 정삼투 유도용액이 처리수 유로(113)에 공급된다. 이와 같은 상태에서, 역삼투 과정 및 정삼투 과정이 함께 진행되는데, 상기 역삼투 과정은 상기 유입수 유로(112) 내의 유입수 압력이 삼투압보다 큼으로 인해 유도된다. 또한, 전술한 바와 같이 상기 정삼투 유도용액의 용존이온농도가 상기 유입수의 용존이온농도보다 큼에 따라 삼투막을 사이에 두고 정삼투 과정이 진행된다. 이 때, 상기 정삼투 유도용액의 용존이온농도는 1∼5M이 바람직하다. First, the high pressure inflow water is supplied to the inflow channel 112 through the inlet supply port, and the forward osmosis induction solution is supplied to the treated water channel 113 through the forward osmosis induction solution supply port 117. In this state, the reverse osmosis process and the forward osmosis process is performed together, the reverse osmosis process is induced because the influent pressure in the influent flow path 112 is greater than the osmotic pressure. In addition, as described above, as the dissolved ion concentration of the forward osmosis inducing solution is greater than the dissolved ion concentration of the influent, the forward osmosis process is performed with an osmosis membrane interposed therebetween. At this time, the dissolved ion concentration of the forward osmosis induction solution is preferably 1 to 5M.

역삼투와 정삼투에 의해 여과되는 유량을 수식으로 정리하면 다음의 수학식1 과 같다. The flow rate filtered by reverse osmosis and forward osmosis can be summarized as follows.

Figure 112009077328336-PAT00001
Figure 112009077328336-PAT00001

상기 수학식 1에서, J는 여과되는 담수의 유량이고, LP는 삼투막의 투과도이며, ΔPpump는 고압펌프(101)에 의해 유입수에 가해지는 압력이고, Δπdraw는 정삼투 유도용액에 의해 발생되는 삼투압이며, Δπfeed는 유입수에 의해 발생되는 삼투압이다. 이와 같이, 담수의 유량이 정삼투 유도용액에 의한 삼투압(Δπdraw)에 의해 가변됨에 따라, Δπdraw의 조절을 통해 유입수의 압력(ΔPpump)을 줄이는 것이 가능하게 되며 궁극적으로 담수화 장치에 요구되는 에너지 소모량을 줄일 수 있게 된다. In Equation 1, J is the flow rate of fresh water to be filtered, L P is the permeability of the osmosis membrane, ΔP pump is the pressure applied to the influent by the high pressure pump 101, Δπ draw is generated by the forward osmosis induction solution Osmotic pressure, Δπ feed is the osmotic pressure generated by the influent. In this way, as the flow rate of fresh water is changed by the osmotic pressure (Δπ draw ) by the forward osmosis induction solution, it is possible to reduce the pressure of the influent (ΔP pump ) through the control of the Δπ draw and ultimately required Energy consumption can be reduced.

한편, 상기 역삼투 및 정삼투를 통해 유입수 내의 담수는 삼투막(111)을 투과하여 처리수 유로(113)로 이송되며, 해당 담수는 처리수 유로(113) 내에 흐르는 정삼투 유도용액과 섞여 1차 처리수의 형태로 배출된다. 상기 1차 처리수는 전술한 바와 같이 상기 염 분리수단(102)에 전달되어 2차 처리수와 염으로 분리된다. 한편, 상기 삼투막(111)을 투과하지 못한 유입수 즉, 농축수는 상기 유입수 유로(112)의 일단에 구비된 농축수 배출구(116)를 통해 배출된다. On the other hand, fresh water in the inflow water through the reverse osmosis and forward osmosis is transmitted to the treated water passage 113 through the osmosis membrane 111, the fresh water is mixed with the forward osmosis induction solution flowing in the treated water passage 113 1 Discharged in the form of primary treated water. As described above, the primary treated water is delivered to the salt separating means 102 to separate the secondary treated water and the salt. On the other hand, the inflow water that did not penetrate the osmosis membrane 111, that is, the concentrated water is discharged through the concentrated water outlet 116 provided at one end of the inflow passage (112).

이상, 삼투막 모듈(110)에 의한 역삼투, 정삼투 과정 및 1차 처리수 생산 과정을 설명하였는데, 1차 처리수의 이후 처리 과정 즉, 염 분리수단(102), 정삼투 유도용액 공급수단(103), 에너지 회수수단(104), 저압 역삼투막 모듈(105)에 의한 전체적인 담수화 과정에 대한 설명을 부연하면 다음과 같다. The reverse osmosis, the forward osmosis process and the primary treated water production process by the osmosis membrane module 110 have been described. (103), the description of the overall desalination process by the energy recovery means 104, low pressure reverse osmosis membrane module 105 is as follows.

상기 삼투막 모듈(110)에 의해 처리된 1차 처리수는 염 분리수단(102)에 공급되어 2차 처리수와 염으로 분리되며, 분리된 염은 상기 정삼투 유도용액 공급수단(103)에 공급되어 정삼투 유도용액의 용존이온농도를 제어하는데 사용된다. 이어, 상기 정삼투 유도용액 공급수단(103)은 상기 삼투막 모듈(110)에서의 정삼투 과정을 유도하는 정삼투 유도용액을 상기 삼투막 모듈(110)의 처리수 유로(113)로 공급하며, 이를 통해 전술한 바와 같은 삼투막 모듈(110)에서의 정삼투 과정이 진행된다. The primary treated water treated by the osmosis membrane module 110 is supplied to the salt separation means 102 and separated into secondary treated water and salt, and the separated salt is supplied to the forward osmosis induction solution supply means 103. It is supplied and used to control the dissolved ion concentration of forward osmosis induction solution. Subsequently, the forward osmosis induction solution supply means 103 supplies an forward osmosis induction solution for inducing the forward osmosis process in the osmosis membrane module 110 to the treated water flow passage 113 of the osmosis membrane module 110. Through this, the forward osmosis process in the osmosis membrane module 110 as described above is in progress.

한편, 상기 염 분리수단(102)에 의해 분리된 2차 처리수는 해당 2차 처리수에 포함되어 있는 미량의 염을 제거하기 위해 터보 차저 또는 압력 교환기 등으로 구성되는 상기 에너지 회수수단(104)에 의해 상기 저압 역삼투막 모듈(105)로 전달되며, 상기 저압 역삼투막 모듈(105)에 의해 최종적으로 담수가 생산된다. On the other hand, the secondary treatment water separated by the salt separation means 102 is the energy recovery means 104 is composed of a turbocharger or a pressure exchanger to remove the trace salt contained in the secondary treatment water It is delivered to the low pressure reverse osmosis membrane module 105, the fresh water is finally produced by the low pressure reverse osmosis membrane module 105.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 삼투장치의 구성 및 그 동작을 설명 하였다. 본 발명에 따른 이중 삼투장치는 삼투막 모듈(110)에서 역삼투 및 정삼투 과정이 동시에 진행됨에 따라, 종래의 역삼투 과정만으로 진행되는 방식에 비해 요구되는 압력이 최소화되며, 이에 따라 에너지 소모량이 낮아지게 된다. 구체적으로, 종래의 역삼투 단독 방식의 경우 에너지 회수수단(104)을 사용하더라도 3kWh/m3 이상의 에너지가 필요하지만, 본 발명의 경우 종래 방식의 유입수에 요구되는 압력의 50%만이 필요하며, 실질적으로 1.5∼2kWh/m3 의 에너지가 소요될 뿐이다. 이와 같이, 역삼투와 정삼투가 병행됨에 따라, 용존이온농도 35,000mg/ℓ 이상의 해수를 처리하여 용존이온농도 500mg/ℓ 이하의 담수를 생산하는 경우 유입수의 압력은 30기압이 초과되지 않는다. In the above, the configuration and operation of the dual osmosis apparatus according to an embodiment of the present invention has been described. In the dual osmosis apparatus according to the present invention, as the reverse osmosis and forward osmosis processes are simultaneously performed in the osmosis membrane module 110, the required pressure is minimized as compared with the conventional reverse osmosis process. Will be lowered. Specifically, in the case of the conventional reverse osmosis alone, even if the energy recovery means 104 is used, energy of 3 kWh / m 3 or more is required, but in the case of the present invention, only 50% of the pressure required for the conventional influent is required. This requires only 1.5 to 2 kWh / m 3 of energy. As such, as reverse osmosis and forward osmosis are combined, when the seawater is treated with dissolved ion concentration of 35,000 mg / l or more to produce freshwater with dissolved ion concentration of 500 mg / l or less, the pressure of the influent does not exceed 30 atm.

또한, 역삼투와 정삼투가 병행됨에 따라 삼투막 단위면적당 담수 생산용량이 크며, 삼투막 모듈(110)에 적용되는 삼투막 또한 다양하게 적용할 수 있다. 일 예로, 폴리아미드 계열의 상용화된 역삼투막을 정삼투 단독 방식으로 운전하면 생산되는 담수 유량이 2ℓ/m2·hr 이하이나, 역삼투와 정삼투를 병행하면 5기압 이하의 낮은 압력을 가하더라도 담수 유량을 5ℓ/m2·hr 이상으로 향상시킬 수 있게 된다. In addition, as reverse osmosis and forward osmosis are combined, the freshwater production capacity per unit area of the osmosis membrane is large, and the osmosis membrane applied to the osmosis membrane module 110 may also be variously applied. For example, when the commercialized reverse osmosis membrane of the polyamide series is operated by forward osmosis alone, the freshwater flow rate produced is 2ℓ / m 2 · hr or less, but when reverse osmosis and forward osmosis are combined, fresh water is applied even if a low pressure of 5 atm or less is applied. The flow rate can be improved to 5 l / m 2 · hr or more.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 삼투장치의 블록 구성도이다.1 is a block diagram of a dual osmotic apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼투막 모듈의 단면 구성도이다. Figure 2 is a cross-sectional configuration of the osmosis membrane module according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing

101 : 고압펌프 102 : 염 분리수단101: high pressure pump 102: salt separation means

103 : 정삼투 유도용액 공급수단 104 : 에너지 회수수단103: forward osmosis induction solution supply means 104: energy recovery means

105 : 저압 역삼투막 모듈 106, 107 : 역압 밸브105: low pressure reverse osmosis membrane module 106, 107: reverse pressure valve

110 : 삼투막 모듈 111 : 삼투막110: osmosis membrane module 111: osmosis membrane

112 : 유입수 유로 113 : 처리수 유로112: influent flow path 113: treated water flow path

114 : 스페이서 115 : 유입수 공급구114: spacer 115: inflow water supply port

116 : 농축수 배출구 117 : 정삼투 유도용액 공급구116: concentrated water outlet 117: forward osmosis induction solution supply port

118 : 처리수 배출구 119 : 오링118: treated water outlet 119: O-ring

Claims (9)

유입수에 대한 역삼투 및 정삼투 과정을 유도하는 삼투막 모듈; An osmosis membrane module for inducing reverse osmosis and forward osmosis processes for influent; 역삼투 과정을 유도하는 일정 압력의 유입수를 상기 삼투막 모듈에 공급하는 고압펌프; 및 A high pressure pump supplying the osmosis membrane module with an inflow water of a predetermined pressure for inducing a reverse osmosis process; And 정삼투 과정을 유도하는 정삼투 유도용액을 상기 삼투막 모듈에 공급하는 정삼투 유도용액 공급수단을 포함하여 이루어지며, It comprises a forward osmosis induction solution supply means for supplying the forward osmosis induction solution for inducing the forward osmosis process, 상기 정삼투 유도용액은 유입수보다 높은 용존이온농도를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치. The forward osmosis induction solution is a dual osmosis device characterized in that it has a higher dissolved ion concentration than the influent. 제1항에 있어서, 상기 삼투막 모듈은, The method according to claim 1, wherein the osmosis membrane module, 삼투막과, Osmosis Membrane, 상기 삼투막 상면 상에 구비되는 유입수 유로와, An inflow channel provided on an upper surface of the osmosis membrane, 상기 삼투막 하면 상에 구비되는 처리수 유로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치. Dual osmosis apparatus characterized in that it comprises a treated water flow path provided on the lower surface of the osmosis membrane. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 유입수 유로의 양단에는 각각 유입수 공급구, 농축수 배출구가 구비되고, 상 기 처리수 유로의 양단에는 각각 정삼투 유도용액 공급구, 처리수 배출구가 구비되며, Both ends of the inflow channel are provided with an inflow water supply port and a concentrated water outlet, and both ends of the treated water channel are provided with an forward osmosis induction solution supply port and a treated water outlet, respectively. 유입수 공급구는 고압펌프를 통해 유입되는 유입수의 입구이며, 상기 농축수 배출구는 삼투막에 의해 여과되지 않는 유입수의 나머지 부분인 농축수의 출구이며, 상기 정삼투 유도용액은 공급구는 정삼투 유도용액 공급수단에 의해 공급되는 정삼투 유도용액의 입구이며, 상기 처리수 배출구는 상기 삼투막을 투과한 처리수의 출구인 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치. Inlet water supply port is the inlet of the inlet water flowing through the high-pressure pump, the concentrated water outlet is the outlet of the concentrated water, which is the remainder of the inlet that is not filtered by the osmosis membrane, the forward osmosis induction solution supply port is forward osmosis induction solution supply And an inlet of the forward osmosis induction solution supplied by the means, wherein the treated water outlet is an outlet of the treated water that has passed through the osmosis membrane. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 삼투막은, 폴리아미드 계열의 비대칭 역삼투막 또는 셀룰로즈트리아세테이트 계열의 대칭 정삼투막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치. The osmosis membrane is a dual osmosis device, characterized in that the polyamide-based asymmetric reverse osmosis membrane or cellulose triacetate series symmetrical forward osmosis membrane. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 상기 유입수 유로 및 처리수 유로 내에 상기 삼투막을 물리적으로 지지하기 위한 그물 모양의 스페이서가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치. And a reticulated spacer for physically supporting the osmosis membrane in the inflow passage and the treated water passage. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 염 분리수단이 더 구비되며, Salt separation means is further provided, 상기 염 분리수단은 상기 삼투막 모듈로부터 처리되어 배출되는 1차 처리수를 대상으로 2차 처리수와 염으로 분리하는 역할을 하며, The salt separating means serves to separate the second treated water and the salt for the first treated water discharged from the osmosis membrane module, 상기 염 분리수단에 의해 분리된 염은 상기 정삼투 유도용액의 용존이온농도 조절용으로 상기 정삼투 유도용액 공급수단에 공급되는 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치. And a salt separated by the salt separating means is supplied to the forward osmosis inducing solution supply means for controlling the dissolved ion concentration of the forward osmosis inducing solution. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 염 분리수단에 의해 분리된 2차 처리수를 대상으로 상기 2차 처리수 내에 포함되어 있는 미량의 염을 분리하는 저압 역삼투막 모듈과, A low pressure reverse osmosis membrane module for separating a small amount of salt contained in the secondary treated water to the secondary treated water separated by the salt separating means; 상기 염 분리수단의 2차 처리수를 상기 저압 역삼투막 모듈에 공급하는 에너지 회수수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치. Dual osmosis apparatus characterized in that it further comprises an energy recovery means for supplying the secondary treated water of the salt separation means to the low pressure reverse osmosis membrane module. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 정삼투 유도용액의 용존이온농도는 1∼5M인 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치. Double osmosis device, characterized in that the dissolved ion concentration of the forward osmosis induction solution is 1 ~ 5M. 유입수에 대한 역삼투 및 정삼투 과정을 유도하는 삼투막 모듈과, 역삼투 과정을 유도하는 일정 압력의 유입수를 상기 삼투막 모듈에 공급하는 고압펌프과, 정삼투 과정을 유도하는 정삼투 유도용액을 상기 삼투막 모듈에 공급하는 정삼투 유도용액 공급수단을 포함하여 이루어지며, 상기 정삼투 유도용액은 유입수보다 높은 용존이온농도를 가지는 구성의 이중 삼투장치를 이용하여, 해수 또는 기수를 담수화시키는 것을 특징으로 하는 이중 삼투장치를 이용한 담수화 방법. The osmosis membrane module for inducing reverse osmosis and forward osmosis process for the influent, the high pressure pump for supplying the osmosis membrane module with a constant pressure to induce the reverse osmosis process, and the forward osmosis induction solution for inducing the forward osmosis process It comprises a forward osmosis induction solution supply means for supplying the osmosis membrane module, the forward osmosis induction solution is characterized by desalination of sea water or brackish water using a dual osmotic device having a dissolved ion concentration higher than the influent. Desalination method using a dual osmosis device.
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