KR20120007133A - 염도차를 이용한 삼투발전 및 해수의 담수화를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

염도차를 이용한 삼투발전 및 해수의 담수화를 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염도차를 이용한 삼투발전 및 해수의 담수화를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 장치는, 공급되는 해수가 경유하는 제1해수위치공간과 상기 제1해수위치공간에 위치되는 해수보다 염분의 농도가 높은 해수(초고농도 해수)가 경유하는 제3해수위치공간을 갖되 상기 제1해수위치공간과 제3해수위치공간이 정삼투막으로 분리되어 있는 제1삼투막반응기; 공급되는 해수가 경유하는 제2해수위치공간과 삼투현상을 유발하는 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 위치되는 삼투유발용액위치공간을 갖되 상기 제2해수위치공간과 삼투유발용액위치공간이 정삼투막으로 분리되어 있는 제2삼투막반응기; 상기 제2해수위치공간을 경유한 초고농도의 해수를 제1삼투막반응기의 제3해수위치공간으로 공급하되 제1삼투막반응기에서 압력지연삼투가 이루어질 수 있도록 가압해주는 고압펌프; 및 상기 제2삼투막반응기의 삼투유발용액위치공간을 경유하며 제2해수위치공간의 고농도 해수 내의 물의 투과에 의해 희석된 삼투유발용액으로부터 삼투유발용질은 분리하여 재사용하고 담수를 얻는 담수화수단;을 포함하여 구성되고, 터빈은 제2삼투막반응기를 경유하여 배출되는 해수의 유동력에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 해수와 담수가 만나지 않는 지역에서도 해수만 사용하여 삼투현상을 이용한 해수사용 발전 및 해수의 담수화가 가능한 특징이 있다.

Description

염도차를 이용한 삼투발전 및 해수의 담수화를 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR ELECTRICITY GENERATION AND WATER DESALINATION}
본 발명은 해수를 사용하여 전기에너지를 생산하는 장치 및 해수를 담수화하여 민물을 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
물을 사용하여 전기에너지를 생산하기 위한 발전장치 및 방법에는 다양한 형태의 것이 있으며, 최근에는 해수와 담수의 염도차를 이용한 삼투발전 방식도 안출되었다.
기존에 물을 이용하여 전기에너지를 생산하기 위한 수력발전(대수력, 소수력) 방법은 댐을 건설하여 가두어둔 물의 수두와 유량을 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다.
즉, 댐의 상류에 물을 가두었다가 수문을 열어 이를 댐의 하류로 방류하되 낙하되도록 방류하여 터빈을 돌리는 것이다.
이 과정에서 물의 위치에너지가 터빈의 운동에너지로 전환되고, 터빈 내부의 로터 코일이 터빈을 따라서 회전하면서 전자기유도 현상이 일어나 전류가 발생한다.
이 과정을 통해서 터빈의 운동에너지가 전기에너지로 변환되는 것이다.
수력발전에서 발전 용량을 늘리려면 방류되는 물이 보다 큰 위치에너지를 가져야 한다.
댐을 이용한 수력발전에서는 강수량이 적을 경우 발전이 지속적으로 이루어지지 못하는 단점이 있다.
이를 해소하기 위하여 방류되었던 댐 하류의 물을 전력소비가 적은 시간에 펌프를 사용하여 댐의 상류로 끌어올린 후 전력소비가 많은 시점에 다시 방류를 하여 발전을 하는 양수식(揚水式) 발전이 안출되기도 하였다.
종래의 삼투발전 방식은 압력지연삼투라 불리는 공정을 갖는 것인데, 염도차가 있는 해수와 담수를 이용하여 분리막에서 일어나는 삼투현상을 통해 증가된 유량과 삼투현상을 지연시키기 위해 가해준 압력을 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다.
터빈의 출력은 물의 낙차(수두)와 유량에 비례하기 때문에 이와 같은 압력지연삼투 방식을 이용하는 것이다.
분리막을 통해 담수가 이동되면서 담수의 화학적 위치에너지가 해수에 가해준 압력과 동일한 압력인 기계적인 에너지로 변환되게 된다.
그러나 이 방식은 해수(바다)와 담수(강)가 만나는 지역에서만 가능하다는 문제점이 있었다.
한편, 지구상에는 많은 물이 존재하지만 안전하게 먹을 수 있는 물은 부족한 실정이다.
이러한 이유 등으로 인해 해수를 담수화하는 기술이 개발되고 있다.
해수로부터 담수를 획득하기 위해서는, 해수에 용존되어 있거나 부유되어 있는 성분들 중 용수 및 음용수 기준에 부적합한 성분을 제거하는 공정이 요구된다.
해수를 담수화하는 방법으로는, 역삼투법 및 전기투석법, 원수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법, 냉동법, 태양열이용법 등이 있다.
해수를 담수화하는 방법 중 주로 사용되는 방법은 역삼투법과 전기투석법이다.
역삼투법을 이용하는 담수화 장치는, 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제되고 순수한 물은 통과되는 역삼투막(멤브레인)에 의해 해수 중에 용해되어 있는 이온성 물질을 제거하는 구조를 갖는다.
이와 같이 원수로부터 이온성 물질과 순수한 물을 분리시키기 위해서는 삼투 이상의 높은 압력을 필요로 하는데 이때의 압력을 역삼투이라 하며, 해수 담수화의 경우 대략 42∼70bar 정도의 높은 압력을 필요로 한다.
이러한 역삼투을 제공하기 위해 담수화 장치에는 원수를 펌핑하는 원수공급수단(공급펌프 등)이 설치된다.
일반적으로 상기와 같은 원수공급수단으로서 대부분 전력을 소모하는 고압펌프를 사용하기 때문에 해수의 담수화에 상당한 에너지가 소모되는 단점이 있었다.
전력소모 없이 자연에너지를 이용하는 풍력식이 사용되기도 하지만, 그러한 경우 담수화장치에 구비된 원수공급수단은, 풍차가 설치되고 공급된 원수는 압력탱크(가압기)에 저장되어 일정압력이 유지되며, 상기 압력탱크에서 배출된 고압의 원수는 전처리장치를 통과하면서 이물질이 여과되도록 하고, 상기 여과된 원수를 역삼투장치에 투입하여 역삼투막(멤브레인)에 의해 담수의 분리가 이루어지도록 하는 구조이다.
상기 풍차는 풍력에 의해 회전되는 블레이드인 로터의 회전력을 수직왕복운동으로 변환하여 실린더 내에 이동부재가 수직이동하여 펌핑이 이루어지도록 하는 구조가 적용되고 있다.
그러나 풍차를 사용한 방식은 풍력을 통해 충분한 에너지를 얻을 수 있는 조건에서만 구동이 가능하다는 단점이 있었다.
또, 원수의 염도가 비교적 낮은 조건에서만 사용이 가능하다는 단점이 있었다.
최근에는 역삼투법도 에너지소비가 크기 때문에 고압펌프 등을 사용하지 않고 순수한 삼투현상에 의해서만 해수에서 물을 분리해내는 정삼투법이 개발되었다.
그러나 정삼투법에서는 바닷물보다 고농도의 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 사용되기 때문에 정삼투막을 통해 이동된 물에 의해서 희석된 삼투유발용액에서 삼투유발용질을 분리하는데 어려움이 있었다.
한편, 종래의 정삼투법은 해수를 담수화하는 것에 상당히 긴 시간이 소요되는 문제점도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 해수와 담수가 만나지 않는 지역 즉, 담수가 존재하지 않는 곳에서도 해수만을 이용하여 삼투현상을 유발하여 발전이 가능할 뿐만 아니라 해수의 담수화가 동시에 가능한 장치 및 다목적 공정 방법을 제공하려는데 목적이 있다.
본 발명의 장치 및 방법을 통해 해수를 이용하여 전기와 물을 동시에 얻을 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명에서는 정삼투막에 의해 분리된 제1해수위치공간과 제3해수위치공간을 갖는 제1삼투막반응기의 제1해수위치공간으로는 해수를 공급하고, 제3해수위치공간으로는 제1해수위치공간으로 공급되는 해수보다 염분의 농도가 높은 해수를 고압펌프를 사용해서 공급하되 제1삼투막반응기에서 압력지연삼투현상이 발생되도록 공급하며, 제1삼투막반응기를 경유하여 배출되는 고압의 해수의 유동력에 의해 터빈이 구동되도록 한다.
또, 삼투현상을 유발하는 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 위치되는 삼투유발용액위치공간과 제1삼투막반응기를 경유하면서 농도가 높아져 고농도가 된 고농도 해수가 경유하는 제2해수위치공간이 정삼투막에 의해 분리되어 있어 해수의 담수화에 사용되는 제2삼투막반응기의 제2해수위치공간을 경유하여 농도가 더욱 높아진 해수가 상기 고압펌프에 의해 제1삼투막반응기의 제1해수위치공간으로 공급되도록 한다.
여기서 제2삼투막반응기의 삼투유발용액위치공간을 경유하며, 제2해수위치공간의 고농도 해수 내의 물의 투과에 의해 희석되는 삼투유압용액으로부터 삼투유발용질은 분리하여 재사용하고 담수를 얻는다.
제1삼투막반응기에서는 정삼투막을 통해 제1해수위치공간에 있는 해수 내의 물이 삼투현상에 의해 초고농도의 해수가 있는 제3해수위치공간으로 이동하게 되고, 이로 인해 초고농도의 해수는 희석되어 농도가 낮아지지만 고압펌프에 의해 가해진 압력과 같은 압력으로 바뀌어진 후 터빈을 돌리고 배출된다.
이를 통해 해수와 담수가 만나지 않는 지역에서도 해수만을 사용한 삼투현상을 이용하여 전기를 생산하고 물을 동시에 생산할 수 있는 다목적 공정(발전 및 해수의 담수화)이 가능하도록 한다.
상기와 같은 발전 및 해수의 담수화를 위한 본 발명의 장치는, 해수의 유동력에 의해 터빈이 구동되도록 하여 전기에너지를 생산하는 발전장치에 관한 것이다.
또, 공급되는 해수가 경유하는 제1해수위치공간과 상기 제1해수위치공간에 위치되는 해수보다 염분의 농도가 높은 해수가 경유하는 제3해수위치공간을 갖되 상기 제1해수위치공간과 제3해수위치공간이 정삼투막으로 분리되어 있는 제1삼투막반응기를 갖는다.
또, 제1해수위치공간을 지난 해수가 경유하는 제2해수위치공간과 삼투 현상을 유발하는 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 위치되는 삼투유발용액위치공간을 갖되 상기 제2해수위치공간과 삼투유발용액위치공간이 정삼투막으로 분리되어 있는 제2삼투막반응기를 갖는다.
또, 제2해수위치공간을 경유하여 농도가 더 높아진 초고농도의 해수를 제1삼투막반응기의 제3해수위치공간으로 공급하되 제1삼투막반응기에서 압력지연삼투 현상이 일어나도록 압력을 가할 수 있는 고압펌프를 갖는다.
또, 제2삼투막반응기를 경유하여 배출된 고압의 해수의 유동력에 의해 구동되는 터빈을 갖는다.
또, 제2삼투막반응기의 삼투유발용액위치공간을 경유하며 제2해수위치공간의 고농도 해수 내의 물의 투과에 의해 희석된 삼투유발용액으로부터 삼투유발용질을 분리하여 담수를 얻는 담수화수단을 갖는다.
여기서 언급한 해수와 삼투유발용액의 농도의 경우, 고농도 순으로 나열해보면 삼투유발용액>>제3해수위치공간의 해수>제2해수위치공간의 해수>제1해수위치공간의 해수의 순서를 갖는다.
본 발명의 발전 및 담수화방법에 있어서, 삼투유발용질은 탄산수소암모늄(NH4HCO3)을 포함하는 것이고, 상기 제2삼투막반응기를 사용하여 해수를 담수화하는 공정은, 삼투유발용액위치공간을 경유한 삼투유발용액에 초음파를 가해 삼투유발용액에 캐비테이션 현상이 발생되도록 하여 삼투유발용액에 포함된 암모니아와 이산화탄소를 분리하는 삼투유발용질기화단계를 포함하는 방법일 수 있다.
또, 해수를 담수화하는 공정은 삼투유발용질기화단계에서 분리된 암모니아와 이산화탄소를 담수나 삼투유발용액에 포함시키는 재생단계를 더 포함하는 방법일 수 있다.
또, 해수를 담수화하는 공정은, 삼투유발용질기화단계를 경유한 삼투유발용액이 진공상태가 유지되면서 진공유지공간을 갖는 진공부상조를 경유하도록 하는 진공부상단계를 더 포함하는 방법일 수 있다.
본 발명에서는 정삼투막에 의해 분리된 제1해수위치공간과 제3해수위치공간을 갖는 제1삼투막반응기의 제1해수위치공간으로는 해수를 공급하고, 제3해수위치공간으로는 제1해수위치공간으로 공급되는 해수보다 염분의 농도가 높은 해수를 고압펌프를 사용해서 공급하되 제1삼투막반응기에서 압력지연삼투현상이 발생되도록 공급하며, 제1삼투막반응기를 경유하여 배출되는 고압의 해수의 유동력에 의해 터빈이 구동되도록 한다.
또, 삼투현상을 유발하는 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 위치되는 삼투유발용액위치공간과 (고농도)해수가 경유하는 제2해수위치공간이 정삼투막에 의해 분리되어 있어 해수의 담수화에 사용되는 제2삼투막반응기의 제2해수위치공간을 경유하며 농도가 높아진 (초고농도)해수가 상기 고압펌프에 의해 제1삼투막반응기의 제3해수위치공간으로 공급되도록 한다.
따라서 본 발명의 해수 담수화와 발전을 위한 방법에 의하면, 해수와 담수가 만나지 않는 지역에서도 해수만을 사용한 삼투현상에 의한 삼투 발전 및 해수의 담수화가 가능하여 전기와 물을 동시에 얻을 수 있는 특징이 있다..
도 1은 해수가 제1삼투막반응기의 제1해수위치공간을 경유하고 다시 제2삼투막반응기의 제2해수위치공간으로 유입되어 경유한 후 제1삼투막반응기의 제3해수위치공간을 경유하고 배출되면서 터빈을 돌리는 구성을 갖는 본 발명의 장치를 도시한 개략도
도 2는 제1삼투막반응기의 제1해수위치공간을 경유하는 해수 및 제2삼투막반응기의 제2해수위치공간을 경유하는 해수가 각각 별도로 존재하며, 제2삼투막반응기의 제2해수위치공간을 경유한 후 농도가 높아진 고농도 해수가 제1삼투막반응기의 제3해수위치공간을 경유하도록 된 구성을 갖는 본 발명의 장치를 도시한 개략도
도 3은 본 발명의 구성요소인 담수화수단을 설명하기 위한 개략도
도 4는 본 발명의 구성요소인 담수화수단에서 초음파반응기와 진공부상조를 설명하기 위한 개략도
도 5는 본 발명의 구성요소인 담수화수단에서 초음파출력몸체가 초음파반응기의 외주면에 복수 개 위치되어 있되 초음파반응기 중 삼투유발용액이 위치되는 공간의 중심부를 기준으로 하여 방사형으로 복수 개 위치되어 있는 것을 설명하기 위한 개략도
도 6은 본 발명의 구성요소인 담수화수단에서 복수 개의 초음파반응기가 직렬로 연결된 것을 설명하기 위한 개략도
도 7은 본 발명의 구성요소인 담수화수단에서 배관 형태의 초음파반응기를 설명하기 위한 개략도
도 8은 본 발명의 구성요소인 담수화수단에서 막 접촉 방식의 삼투유발용액재생기를 설명하기 위한 개략도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 해수를 사용하여 전기에너지를 생산하되 삼투 작용에 의한 해수의 유동력에 의해 터빈이 구동되도록 하여 전기에너지를 생산하는 발전장치 및 발전방법에 관한 것이다.
따라서 본 발명의 발전장치는 해수의 염도에 의한 삼투현상을 이용하기 위한 삼투막반응기를 갖는다.
또, 삼투막반응기에서 배출되는 해수의 유동력에 의해 구동되는 터빈(40)을 갖는다.
그런데 본 발명에서는 해수와 담수가 만나지 않는 지역에서도 해수만으로 삼투현상을 유발하여 삼투 발전을 실시할 수 있도록 하려는 목적을 갖는다.
또, 발전과 동시에 해수의 담수화가 가능하도록 하려는 목적을 갖는다.
이를 위하여 본 출원의 발명자는 도 1 및 도 2와 같은 구조의 장치 및 방법을 안출하였다.
즉, 본 발명의 장치는, 공급되는 해수가 경유하는 제1해수위치공간(11)과 상기 제1해수위치공간(11)에 위치되는 해수보다 염분의 농도가 높은 해수(초고농도 해수)가 경유하는 제3해수위치공간(12)을 갖되 상기 제1해수위치공간(11)과 제3해수위치공간(12)이 정삼투막(13)으로 분리되어 있는 제1삼투막반응기(10)를 포함하여 구성된다.
또, 제1해수위치공간을 경유하여 농도가 높아진 해수(초고농도 해수)가 경유하는 제2해수위치공간(21)과 삼투 현상을 유발하는 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 위치되는 삼투유발용액위치공간(22)을 갖되 상기 제2해수위치공간(21)과 삼투유발용액위치공간(22)이 정삼투막(23)으로 분리되어 있는 제2삼투막반응기(20)를 갖는다.
또, 제2해수위치공간(21)을 경유하여 농도가 높아진 해수(초고농도 해수)를 제1삼투막반응기(10)의 제3해수위치공간(12)으로 공급하되 제1삼투막반응기(10)에서 압력지연삼투 현상이 일어나도록 압력을 가할수 있는 고압펌프(30)를 갖는다.
또, 고압펌프를 통해 제2삼투막반응기(20)를 경유하며 압력이 높아진 해수의 유동력에 의해 구동되는 터빈(40)을 갖는다.
또, 제2삼투막반응기(20)의 삼투유발용액위치공간(22)을 경유한 삼투유발용액으로부터 삼투유발용질을 분리하여 담수를 얻는 담수화수단(100)을 갖는다.
상기 제1삼투막반응기(10)나 제2삼투막반응기(20)의 구조는 통상의 삼투막반응기와 같은 형태로서 이러한 구조는 이미 널리 공지된 것이고, 고압펌프(30)의 구조도 널리 공지되어 다양한 산업분야에 사용되고 있는 것이므로 이 부분에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 설명에서 압력지연삼투란 정삼투막(13)을 통해 삼투현상에 의해 낮은 농도의 용액의 물이 막을 통해 이동할 때의 삼투압보다 작은 압력을 높은 농도를 갖는 용액 쪽에 가하면 삼투가 어느 정도 지연되게 되면서 막을 투과된 물이 고압펌프에 의해 가해진 압력과 같은 압력으로 에너지변환(물의 화학적 위치에너지가 고압의 기계적 에너지로 변환)이 일어나는 현상을 의미한다.
막에서 배출되는 양은 막을 투과한 물의 양과 고압펌프를 통과한 해수(고농도해수)의 양의 합이다.
여기서 순수하게 삼투현상에 의해 막을 통과한 물은 고압펌프를 통해 가압된 초고농도 해수와 섞이어 고압펌프에서 가한 압력(삼투압보다 작은 압력)과 동일한 압력을 갖게 된다.
즉, 삼투압이 가해지는 방향의 반대방향으로 작용하는 압력이 삼투압보다 강하면 역삼투가 되는 것이고, 압력이 전혀 가해지지 않으면 정삼투가 되는 것이며, 삼투압보다 약한 압력을 가하면 압력지연삼투가 되는 것이다.
본 발명의 제1삼투막반응기(10)에서 제3해수위치공간(12)에 압력이 가해지지 않는 조건에서는 삼투압에 의해 제1해수위치공간(11)의 물이 정삼투막(13)을 통과하여 제3해수위치공간(12)으로 이동되는데 이러한 현상은 정삼투에 해당한다.
또, 제3해수위치공간(12)에 가해지는 압력이 정삼투막(13)을 통한 삼투압보다 큰 경우 제3해수위치공간(12)의 물이 제1해수위치공간(11)으로 이동하게 되는데 이러한 현상은 역삼투에 해당한다.
또, 제3해수위치공간(12)에 가해지는 압력이 정삼투막을 통한 삼투보다는 약하다면 제1해수위치공간(11)에 위치된 물이 제3해수위치공간(12)으로 이동되지만 정삼투 조건보다는 적게 이동되는데 이러한 현상은 압력지연삼투에 해당하는 것이다.
전술한 설명에서의 담수화수단(100)은 이미 공지된 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 해수가 제1삼투막반응기(10)의 제1해수위치공간(11)을 경유하고 다시 제2삼투막반응기(20)의 제2해수위치공간(21)으로 유입되어 경유한 후 제1삼투막반응기(10)의 제3해수위치공간(12)을 경유하도록 된 구성이다.
또, 도 2는 제1삼투막반응기(10)의 제1해수위치공간(11)을 경유하는 해수 및 제2삼투막반응기(20)의 제2해수위치공간(21)을 경유하는 해수가 각각 별도로 존재하며, 제2삼투막반응기(20)의 제2해수위치공간(21)을 경유한 후 해수(농도가 올라간 고농도 해수)가 제1삼투막반응기(10)의 제3해수위치공간(12)을 경유하도록 된 구성이다.
도 1에 도시된 구조가 도 2에 도시된 구조보다 정삼투막 양측의 해수의 염도 차이를 더욱 크게할 수 있고, 배관의 구조를 단순화할 수 있어 더 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 해수와 담수가 만나지 않는 지역에서도 해수를 사용한 발전이 가능할 뿐만 아니라 해수의 담수화도 가능하게 된다.(담수화를 위한 삼투유발용액이 분리 및 재생되어 순환되면서 제2삼투막반응기의 삼투유발용액위치공간을 지속적으로 경유하므로 삼투유발용질의 손실은 거의 없다)
상기와 같은 장치를 사용한 본 발명의 담수화 및 발전 방법은, 정삼투막에 의해 분리된 제1해수위치공간(11)과 제3해수위치공간(12)을 갖는 제1삼투막반응기(10)의 제1해수위치공간(11)으로는 해수를 공급하고, 제3해수위치공간(12)으로는 제1해수위치공간(11)으로 공급되는 해수보다 염분의 농도가 높은 해수(초고농도 해수)를 고압펌프(30)를 사용해서 공급하되 제1삼투막반응기(10)에서 압력지연삼투현상이 발생되도록 공급하며, 제1삼투막반응기(10)를 경유하여 배출되는 고압의 해수의 유동력에 의해 터빈(40)이 구동되도록 하는 것이다.
또, 삼투현상을 유발하는 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 위치되는 삼투유발용액위치공간(22)과 해수(고농도의 해수)가 경유하는 제2해수위치공간(21)이 정삼투막(23)에 의해 분리되어 있어 해수의 담수화에 사용되는 제2삼투막반응기(20)의 제2해수위치공간(21)을 경유한 해수(농도가 더 높아진 초고농도 해수)가 상기 고압펌프(30)에 의해 제1삼투막반응기(10)의 제3해수위치공간(12)으로 공급되도록 하는 것이다.
여기서 언급한 해수와 삼투유발용액의 농도의 경우, 고농도순으로 나열해보면 삼투유발용액>>제3해수위치공간의 해수>제2해수위치공간의 해수>제1해수위치공간의 해수의 순서를 갖는다.
본 발명의 구성요소인 담수화수단(100)은 공지의 형태로 구현할 수도 있지만 도 3과 같이 구현하여 해수를 신속하게 담수화할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 소모량이 적고, 삼투유발용질의 신속한 분리 및 재사용 효율이 우수하도록 할 수도 있다.
도 3의 담수화수단(100)은 제2삼투막반응기(20)의 삼투유발용액위치공간(22)에 탄산수소암모늄(NH4HCO3)을 포함하는 삼투유발용액이 위치되도록 하는 구조이다.
그런데 탄산수소암모늄을 사용하는 구조에서 삼투유발용액위치공간(22)을 경유한 삼투유발용액은 사용 가능한 담수의 형태가 아니다.
사용 가능한 담수의 형태로 만들기 위해서는 삼투유발용액위치공간(22)을 경유하면서 희석된 삼투유발용액으로부터 암모니아와 이산화탄소를 제거해야 한다.
본 출원의 발명자는 희석된 삼투유발용액에 포함된 암모니아와 이산화탄소의 제거를 위한 다양한 연구를 진행하였다
희석된 삼투유발용액을 가열하는 방법을 통해서 암모니아와 이산화탄소를 제거할 수 있다는 결과를 얻었으나 상당량의 암모니아가 잔존하게 되어 잔존 암모니아의 제거를 위한 별도의 수단이 더 요구된다는 결론을 얻었다.
희석된 삼투유발용액을 가열하는 방법에서 60℃ 이상으로 가열할 경우 암모니아는 85% 정도 제거할 수 있고, 이산화탄소는 99% 정도 제거할 수 있었다.
그러나 상기와 같은 가열방법은 가열을 위한 상당한 열에너지가 요구되고 가열에 상당히 긴 시간이 소요되기 때문에 신속한 담수화가 어려운 단점이 발생되었다.
또, 잔존 암모니아의 제거를 위한 별도의 수단을 더 구비해야 한다는 문제점도 발생되었다.
연구과정에서 본 출원의 발명자는, 상기 희석된 삼투유발용액에 초음파를 가할 경우 삼투유발용액에 캐비티가 발생되는 캐비테이션(Cavitation) 현상에 의해 암모니아와 이산화탄소가 대부분 기화되어 분리되는 결과를 얻었다.(캐비티란 수중에 초음파가 가해져 발생되는 진공상태이면서 마이크로 미터(㎛) 크기인 기포를 의미하며, 캐비티는 빠르게(수 마이크로 초 단위) 발생과 소멸(터지는 현상)을 반복하게 된다. 이와 같이 캐비티가 발생되는 것을 캐비테이션 현상이라고 한다.)
희석된 삼투유발용액에 초음파를 가하는 것은 매우 적은 에너지가 소모될 뿐만 아니라 암모니아와 이산화탄소를 신속하게 분리할 수 있기 때문에 본 발명의 목적 달성에 매우 적합하다는 결론을 얻었다.
따라서 본 발명의 구성요소인 담수화수단(100)은 제2삼투막반응기(20)를 경유한 삼투유발용액이 유입되고 삼투유발용액으로부터 발생되는 기체가 위치될 수 있는 공간을 가지며, 유입된 삼투유발용액에 초음파를 가하여 삼투유발용액에 캐비테이션 현상이 발생되도록 하는 초음파출력수단(111)를 갖는 초음파반응기(110)를 포함하여 구성된 형태로 구현할 수 있다.
캐비테이션 현상은 살균효과도 갖기 때문에 희석된 삼투유발용액에 균이 포함되어 있을 경우 그러한 균을 제거하는 효과도 얻을 수 있다.
초음파출력수단(111)은 이미 널리 공지되어 다양한 산업분야에 적용되고 있는 것이므로 이 부분에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
다만, 상기와 같은 초음파출력수단(111)의 초음파출력몸체(111a)는 초음파반응기(110)의 외주면에 복수 개 위치되어 있되 초음파반응기(110) 중 삼투유발용액이 위치되는 공간의 중심부를 기준으로 하여 방사형으로 복수 개 위치되어 있는 것이 바람직하다.(도 5참조)
이는 어느 한 방향에서만 초음파가 출력될 경우 희석된 삼투유발용액에 캐비티가 고르게 분포되도록 하지 못하는 현상이 발생되기 때문이다.
희석된 삼투유발용액에 캐비티가 고르게 분포되어야 암모니아와 이산화탄소의 기화가 더욱 원활하고 고르게 이루어진다.
희석된 삼투유발용액이 초음파반응기(110)를 경유하면서 암모니아와 이산화탄소가 대부분 제거되면 사용가능한 상태의 담수가 된다.
그러나 잔존하는 미량의 암모니아와 이산화탄소를 더욱 확실하게 제거하기 위해 별도의 공정을 더 거치도록 할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 초음파반응기(110)를 경유한 삼투유발용액이 유입되며 진공상태가 유지되는 진공유지공간(121)을 갖는 진공부상조(120) 및 상기 진공부상조(120)에 위치되는 삼투유발용액(희석된 삼투유발용액)에 공기를 불어 넣는 폭기수단을 더 구비하는 형태가 있다.
이러한 구성에 의하면, 공기가 포화된 삼투유발용액이 진공부상조(120)로 유입되면 포화된 공기가 삼투유발용액에서 다량의 미세한 버블(공기방울)로 방출되고, 잔류하는 미량의 암모니아와 이산화탄소가 상기 미세한 버블에 흡수되어 제거된다.
진공유지공간(121)을 갖는 진공부상조(120)나 용액에 공기를 불어넣어 포화상태를 만드는 폭기수단은 이미 공지되어 다양한 산업분야에 적용되고 있는 것이므로 이 부분에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
잔존 암모니아와 이산화탄소의 보다 확실한 제거를 위한 방법으로는 상기와 같은 방법외에도 초음파반응기(110)를 경유한 삼투유발용액이 유입되어 접촉되는 활성탄층을 갖는 활성탄반응기(130)를 더 구비하는 방법이 있다.
즉, 잔존하는 암모니아와 이산화탄소가 활성탄에 의해 제거되도록 하는 것이다.
또 다른 방법으로서, 초음파반응기(110)를 경유한 삼투유발용액이 유입되어 접촉되는 제올라이트(zeolite)를 갖는 제올라이트반응기를 더 구비하는 방법이 있다.
즉, 잔존하는 암모니아와 이산화탄소가 제올라이트에 의해 제거되도록 하는 것이다.
제올라이트반응기를 구비하는 것보다는 재생성이 우수한 활성탄반응기(130)를 구비하는 것이 더 바람직하다.
전술한 진공부상조(120)와 활성탄반응기(130)가 모두 구비되는 형태나 진공부상조(120)와 제올라이트반응기가 모두 구비되는 형태 및 진공부상조(120), 활성탄반응기(130), 제올라이트반응기가 모두 구비되는 형태로 구현될 수도 있다.
전술한 담수화수단(100)에 있어서, 초음파반응기(110)에 의해 기화된 암모니아와 이산화탄소가 담수에 녹아들도록 할 경우 제2삼투막반응기(20)의 삼투유발용액위치공간(22)으로 공급될 수 있는 삼투유발용액을 만들 수 있다.
이와 같이 구현할 경우 기화된 암모니아와 이산화탄소를 재사용하는 것이기 때문에 본 발명의 장치에 탄산수소암모늄을 지속적으로 투입하지 않아도 된다.
물론, 기화된 암모니아와 이산화탄소가 순수한 담수에 녹아들도록 하는 것보다 제2삼투막반응기(20)의 삼투유발용액위치공간(22)으로 공급될 삼투유발용액에 녹아들도록 할 경우에는 보다 고농도의 삼투유발용액이 되도록 할 수 있다.
따라서 초음파반응기(110)에서 발생된 기체를 담수 또는 제2삼투막반응기(20)의 삼투유발용액위치공간(22)으로 공급될 삼투유발용액에 공급하여 액화되도록 하는 삼투유발용액재생기(140)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
첨부된 도 3은 기화된 암모니아와 이산화탄소를 담수에 공급하여 녹아들도록 하여 삼투유발용액이 되도록 한 후 제2삼투막반응기(20)의 삼투유발용액위치공간(22)에 공급하는 구조를 도시한 것이다.
그러나 기체를 용액에 직접 불어넣는 방법보다는 막을 통해 기체와 용액을 접촉시키게 되면 기체의 용해성이 더 우수한 것으로 확인되었다.
따라서 삼투유발용액재생기(140)는 다수의 기공을 갖는 막 접촉방식의 형태(막 접촉기)의 형태를 갖는 것이 바람직하다.
즉, 막 접촉기를 갖는 형태로 구현하는 것이 바람직한 것이다.
액체에 기체를 용해시키기 위해 기체와 액체를 접촉시키는 막 접촉기는 소수성의 막으로 되어 있어 액체의 이동은 어렵지만 기체의 이동은 가능한 구조로서 이러한 막 접촉기의 구성은 이미 널리 공지되어 있으므로 이 부분에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
삼투유발용액재생기(140)를 구비한 구조에서, 초음파반응기(110)에서 발생된 기체를 삼투유발용액재생기(140)에 이르기 전에 냉각하는 냉각수단(155)을 더 구비하는 것이 바람직하다.
특히, 막 접촉기를 갖는 구조에서는 냉각수단(155)을 구비하는 것이 더욱 바람직하다.
이는 탄산수소암모늄 염의 분해에 의해 발생되는 수증기를 냉각시켜 제거하여야 기화된 암모니아와 이산화탄소가 다시 탄산수소암모늄 염으로 석출되지 않기 때문이며, 온도가 낮아야 기화된 암모니아와 이산화탄소가 용액에 녹아들도록 하는 것이 원활하기 때문이다.
상기와 같은 냉각수단은 이미 공지되어 다양한 산업분야에 적용되고 있는 형태로 구현 가능하다.
그러나 에너지 효율성을 고려할 때, 담수화를 위해 공급된 해수와 초음파반응기(110)에서 발생된 기체가 열교환되도록 하는 열교환기를 갖는 형태로 구현하는 것이 바람직하다.
즉, 담수화를 위해 공급되는 해수는 온도가 상대적으로 낮고, 초음파반응기(110)에서 발생된 기체(기화된 암모니아와 이산화탄소를 포함하는 기체)는 온도가 높다.
따라서 초음파반응기(110)에서 발생된 기체와 담수화를 위해 공급되는 해수가 열교환될 경우 필요한 정도로의 냉각이 가능하다.
물론, 별도의 냉각기 등을 더 갖는 형태로 구현할 수도 있으나 그러한 경우 에너지 효율성이 저하되는 단점이 있다.
전술한 담수화수단(100)에 있어서, 도 6과 같이 복수 개의 초음파반응기(110)가 직렬로 연결된 형태를 갖도록 하여 암모니아와 이산화탄소를 분리시키는 것이 더욱 원활하고 신속하게 이루어지도록 할 수 있다.
또, 도 7과 같이 초음파반응기(110)를 배관 형태로 구현할 수도 있다.
미설명 부호 150은 냉각수단이고, 151은 열교환기이며, 161, 162는 공급용 펌프이고, 170은 컴푸레셔이며, 180은 음용수분리기이다.
10. 제1삼투막반응기 11. 제1해수위치공간
12. 제3해수위치공간 13. 정삼투막
20. 제2삼투막반응기 21. 제2해수위치공간
22. 삼투유발용액위치공간 23. 정삼투막
30. 고압펌프 40. 터빈
100. 담수화수단 110. 초음파반응기
111. 초음파출력수단 111a. 초음파출력몸체
120. 진공부상조 121. 진공유지공간
130. 활성탄반응기 140. 삼투유발용액재생기
150, 155. 냉각수단 151. 열교환기
161, 162. 펌프 170. 컴푸레셔
180. 음용수분리기

Claims (3)

  1. 고압으로 배출되는 해수의 유동력에 의해 터빈(40)이 구동되도록 하여 전기에너지를 생산하는 발전장치에 있어서,
    공급되는 해수가 경유하는 제1해수위치공간(11)과 상기 제1해수위치공간(11)에 위치되는 해수보다 염분의 농도가 높은 해수가 경유하는 제3해수위치공간(12)을 갖되 상기 제1해수위치공간(11)과 제3해수위치공간(12)이 정삼투막으로 분리되어 있는 제1삼투막반응기(10);
    공급되는 해수가 경유하는 제2해수위치공간(21)과 삼투현상을 유발하는 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 위치되는 삼투유발용액위치공간(22)을 갖되 상기 제2해수위치공간(21)과 삼투유발용액위치공간(22)이 정삼투막으로 분리되어 있는 제2삼투막반응기(20);
    상기 제2해수위치공간(21)을 경유한 해수를 제1삼투막반응기(10)의 제3해수위치공간(12)으로 공급하되 제1삼투막반응기(10)에서 압력지연삼투가 이루어질 수 있도록 가압해주는 고압펌프(30); 및
    상기 제2삼투막반응기(20)의 삼투유발용액위치공간(22)을 경유하며 제2해수위치공간의 고농도 해수 내의 물의 투과에 의해 희석된 삼투유발용액으로부터 삼투유발용질을 분리하여 담수를 얻는 담수화수단(100);을 포함하여 구성되고,
    상기 터빈(40)은 제2삼투막반응기(20)를 경유하여 배출되는 해수의 유동력에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는, 염도차를 이용한 삼투발전 및 해수의 담수화를 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1삼투막반응기(10)의 제1해수위치공간(11)을 경유한 해수가 제2삼투막반응기(20)의 제2해수위치공간(21)으로 유입되도록 된 것을 특징으로 하는, 염도차를 이용한 삼투발전 및 해수의 담수화를 위한 장치.
  3. 고압으로 배출되는 해수의 유동력에 의해 터빈(40)이 구동되도록 하여 전기에너지를 생산하는 발전 방법에 있어서,
    정삼투막에 의해 분리된 제1해수위치공간(11)과 제3해수위치공간(12)을 갖는 제1삼투막반응기(10)의 제1해수위치공간(11)으로는 해수를 공급하고, 제3해수위치공간(12)으로는 제1해수위치공간(11)으로 공급되는 해수보다 염분의 농도가 높은 해수를 고압펌프(30)를 사용해서 공급하되 제1삼투막반응기(10)에서 압력지연삼투현상이 발생되도록 가압해주며, 제1삼투막반응기(10)를 경유하여 배출되는 해수의 유동력에 의해 상기 터빈(40)이 구동되도록 하고,
    삼투현상을 유발하는 삼투유발용질이 포함된 삼투유발용액이 위치되는 삼투유발용액위치공간(22)과 해수가 경유하는 제2해수위치공간(21)이 정삼투막에 의해 분리되어 있어 해수의 담수화에 사용되는 제2삼투막반응기(20)의 제2해수위치공간(21)을 경유하여 배출되는 해수가 상기 고압펌프(30)에 의해 제1삼투막반응기(10)의 제3해수위치공간(12)으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는, 염도차를 이용한 삼투발전 및 해수의 담수화를 위한 방법.
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