KR20120013372A - 수성 용액의 정제 시 스케일링의 저감을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
수성 용액의 정제 시 스케일링의 저감을 위한 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
수돗물, 오염된 수성 용액, 해수, 및 예컨대 제조수 등과 같은 염수로부터 탄화수소 및 스케일 형성 화합물을 제거하는 방법은, CO2 살포에 의한 탄산염 이온, 또는 2가 양이온을 첨가하고, pH를 약 10.2로 조정함으로써 칼슘 및 탄산마그네슘을 침전시키고, 이와 같이 해서, 대기로부터 CO2를 봉쇄시킨 후, 이러한 침전물을 제거하고 나서 판매 혹은 처분한다.
Description
본 발명은 정수(water purification) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시형태는, 최소의 세정 혹은 사용자 중재를 필요로 하고, 또한 해수 혹은 고농도의 염수를 다룰 때, 대기로부터 이산화탄소의 영구적인 봉쇄(sequestration)를 제공하는 자동화 프로세스에서, 해수 및 제조수(produce water) 등과 같이, 오염수로부터 그리고 수성 염수 용액으로부터 광범위 스펙트럼의 탄화수소 및 스케일 형성 이온의 실질적으로 전부를 제거하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 수자원이 점차적으로 부족해지고 있고, 음용수용의 도시 분배 시스템이 세월의 경과에 따라 열화되는 동시에, 증가된 물 사용으로 우물이나 저수조가 고갈되어, 염수 오염을 초래하고 있으므로, 정수 기술은 급속히 현대 생활의 중요한 측면으로 되고 있다. 그러나, 정수 기술은 종종 탄화수소 및 스케일 형성, 이어서 열교환기나 멤브레인의 오염에 의해 그들의 성능이 저해되고 있다. 온수기 및 세탁기 등과 같은 기타 가전기기는 경수가 이용될 때마다 스케일에 의해 균등하게 영향받고, 또한 공업적 프로세스가 고온의 수성 용액과 접촉하는 표면에 스케일링을 형성하고 있다. 스케일링 증가 문제 및 탄화수소는 공업적 탈염 설비에서 또한 오일 및 가스 추출 작업으로부터의 제조수의 처리에서 특히 중요하다. 따라서, 수성 용액으로부터의 스케일-형성 이온 및 탄화수소의 양쪽 모두를 제거하는 방법이 요망되고 있다.
물의 경도는 통상 물속에 존재하는 칼슘(Ca++), 마그네슘(Mg++) 및 기타 2가 이온의 양으로서 규정되고, 또한 통상적으로 이들 이온 혹은 탄산칼슘(CaCO3)으로서의 그들의 등가물의 ppm(parts per million)으로 표현된다. 스케일은, 물이 대기로부터 이산화탄소를 용해시키고 이러한 이산화탄소가 칼슘과 탄산마그네슘의 양쪽 모두를 형성하도록 결합하는 탄산염 이온을 제공하며; 가열 시, 탄산칼슘과 탄산마그네슘의 용해도가 현저하게 감소하고, 이들이 스케일로서 침전되기 때문에 형성된다. 실제로, 스케일은 용액으로부터 침전되는 임의의 화학적 화합물을 포함한다. 따라서, 인산철 혹은 황산칼슘(석고)도 스케일을 생성한다. 이하의 표 1은 수 중 낮은 용해도를 나타내므로 스케일을 형성할 수 있는 다수의 화학적 화합물을 일람하고 있고; 낮은 용해도는 용해도 곱으로, 즉, 특정 화학물질의 양이온과 음이온의 이온 농도의 곱으로 정의되고; 이어서, 용해도는 통상 몰/리터(㏖/ℓ)로 표현된다.
종래의 스케일링 제거 기술은 화학적 방법과 전자기적 방법을 포함한다. 화학적 방법은 pH 조정, 폴리인산염, 제올라이트 등에 의한 화학적 봉쇄 또는 이온 교환, 및 전형적으로는 이들 방법의 조합을 활용한다. 통상, 화학적 방법은 pH를 낮추고 화학적 봉쇄를 이용함으로써 스케일의 침전을 방지하는 것을 목적으로 하지만, 전형적으로는 100% 효과적인 것은 아니다. 전자기적 방법은, 비점착성인 결정학적인 형태를 선호하도록, 탄산칼슘 혹은 탄산마그네슘의 전자기적 여기에 의존한다. 예를 들어, 전자기적 여기는 칼사이트보다 아라고나이트의 침전을 선호하고, 전자는 탄산칼슘의 보다 부드럽고 덜 점착성인 형태이다. 그러나, 전자기적 방법은 비교적 짧은 거리 및 체류 시간에 대해서 효과적일 뿐이다. 따라서, 더욱 가공처리될 오염된 수성 용액, 해수 혹은 제조수로부터 스케일 형성 성분을 영구적으로 제거할 필요가 있다.
탄화수소 오염은, 특히, 이러한 탄화수소의 농도가 수중에서 그들의 용해도를 초과하고 독립적인 오일이 별개의 액적으로서 혹은 별도의 액상으로서 존재한다면, 이것은 제조수 - 공업적 추출 작업에서 기체 및 오일과 혼합되게 되는 물의 경우 통상적으로 되므로, 수계에서 다른 심각한 문제이다. 보통, 별도의 액상으로서 존재하는 오일은 API 분리기, 하이드로사이클론, 부유 셀(flotation cells) 등과 같은, 물로부터 오일을 분리하는 수단으로서 밀도차를 이용하는 일련의 기계 장치에 의해 제거된다. 이들 기술은 오일의 벌크를 제거함에 있어서는 적절하게 잘 작용하지만, 용액 중에 남아 있는 탄화수소 분획에 대해서는 거의 그렇지 않다. 따라서, 기계적 처리 후에도, 제조수는 바람직하지 않은 양의 탄화수소 오염물을 함유하여 마시기에 적합하지 않다. 따라서, 수계에서 탄화수소 오염의 수준을 영구적으로 저감시킬 필요가 있다.
또한, 산업 혁명 이후의 공업적 활동의 증가는 대기 중의 이산화탄소(CO2)의 상당한 증가를 초래하였고, 또한 일반적으로 CO2 증가가 지구 온난화에 기여하는 것으로 받아들여지고 있다. 심정 주입법(deep-well injection) 등과 같은 CO2를 봉쇄하기 위한 많은 계획이 제안되어 있지만, 이러한 방법은 이러한 온실가스의 영구적인 봉쇄를 보증할 수는 없다. 따라서, 비용 효율적이고 영구적이며, 또한 분해를 억제하고 용이하게 수송 및 보존되는 화학 제품을 수득하는 탄소 봉쇄법이 요구되고 있다.
본 발명의 실시형태는 기계적 수단에 의해 독립된 오일 오염물질을 제거하고 나서, 스케일 형성 이온을 불용성 탄산염의 형태로 침전시키고, 이어서 가열에 의해 다른 이온들을 침전시키는 통합된 공정에 의해 수성 용액으로부터 탄화수소 및 경수 성분을 영구적으로 제거하는 개량된 방법을 제공한다. 경수의 조성은 장소에 따라 변하므로, 본 발명에서의 침전 단계는 칼슘 혹은 마그네슘 등과 같은 중탄산염 혹은 2가 양이온을 화학량론적 양으로 첨가하여 불용성 칼슘 혹은 탄산마그네슘을 형성함으로써 시작된다. 중탄산염 이온은 수성 용액에 이산화탄소 기체의 살포를 통해 혹은 중탄산나트륨 혹은 기타 가용성 중탄산염 화학물질의 형태로 직접 중탄산염 이온의 첨가에 의해 첨가된다. 대안적인 실시형태에서, 수산화 이온이 (NaOH의 형태로) 첨가되어 마찬가지 방식으로 마그네슘과 반응하여 수산화마그네슘을 형성한다. 칼슘 혹은 마그네슘 이온은 석회 혹은 등가의 알칼리 화합물의 형태로 첨가될 수 있다. 이 과정에서의 침전의 제2단계는, 탄산염 석출(혹은 침전)을 촉진시키기 위하여, 수성 용액의 pH를 대략 9.2 이상으로, 바람직하게는 10.2 내지 10.5 혹은 그 이상으로 조정한다. 제3단계는 침강 혹은 여과에 의해 이전의 단계에서 형성된 침전물을 제거한다. 제4단계는 불용성 황산염 등의 석출을 촉진시키기 위하여 5 내지 10분 동안 120℃ 정도의 온도로 수성 용액을 가열하는 단계로 이루어져 있다. 제5단계는 침강 혹은 여과에 의해 고온의 침전물을 제거하는 단계로 이루어져 있다. 증기 제거에 의한 탈기의 최종 단계는 용액 중에 남아있는 어떠한 탄화수소도 제거한다.
본 발명의 일 실시형태는 수돗물, 오염된 수성 용액, 해수, 및 제조수 등과 같은 탄화수소로 오염된 염수로부터 스케일 형성 화합물(scale forming compound)을 제거하는 방법을 제공하되, 해당 방법은 CO2 살포에 의한 탄산염 이온, 또는 칼슘 혹은 마그네슘 등과 같은 2가 양이온을 화학량론적 양으로 첨가하고, 그 후 pH를 약 10.2 이상으로 조정함으로써 칼슘 및 탄산마그네슘을 침전시키고, 이와 같이 해서, 대기로부터 CO2를 봉쇄시키고, 이어서, 침강 혹은 여과에 의해 이러한 침전물을 제거하는 제1단계; 및 상기 수성 용액의 온도를 100℃ 내지 120℃의 범위로 5 내지 10분 동안 상승시켜 열처리하여 불용성 황산염 등의 추가의 석출을 촉진시키고, 여과 혹은 침강에 의해 스케일을 제거하는 제2단계를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 칼슘 혹은 마그네슘 첨가물은 탄산염 형태에서 낮은 용해도 곱을 지니는 바륨, 카드뮴, 코발트, 철, 납, 망간, 니켈, 스트론튬 혹은 아연 등과 같은 다른 2가 양이온 대신에 치환된다.
추가의 양상에 있어서, 칼슘 혹은 마그네슘 첨가물은 탄산염 혹은 수산화물 형태에서 낮은 용해도 곱을 지니는 알루미늄 혹은 네오디뮴 등과 같은 3가 양이온 대신에 치환된다.
추가의 양상에 있어서, CO2 살포는 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 혹은 중탄산암모늄 등의 가용성 중탄산염 이온의 첨가로 대체된다.
추가의 양상에 있어서, 탄산염 및 스케일 침전물은, 원심분리 등과 같은, 침강 혹은 여과 이외의 수법에 의해서 제거된다.
추가의 양상에 있어서, 폐열 및 히트 파이프(heat pipe)는 해당 열을 이송하여 상기 수성 용액의 온도를 상승시키는데 이용된다.
추가의 양상에 있어서, 휘발성 유지 성분들(volatile organic constituents: "VOCs"), 기체들 및 비휘발성 유기 화합물들의 10ppm 이하의 수준으로의 탈기와 함께, 불용성 황산염 및 탄산염 등과 같은 고온 스케일의 동시 제거가 달성된다.
추가의 양상에 있어서, 대기로부터 CO2의 영구적인 봉쇄는, 예컨대, 다단 플래시(multiple stage flash: MSF) 증발, 다중 효용 증류(multiple effect distillation: MED) 설비 및 증기 압축(vapor compression: VC) 탈염 시스템 등과 같은 종래의 탈염 시스템에서 달성된다.
추가의 양상에 있어서, 스케일-형성 염은 종래의 탈염 시스템으로부터 영구적으로 제거된다.
추가의 양상에 있어서, 바람직하지 않은 탄화수소 및 스케일이 오일 및 기체 추출 작업의 양쪽 모두로부터 제조수로부터 제거된다.
추가의 양상에 있어서, 수돗물, 도시 용수, 혹은 바람직하지 않은 경수 성분, 예컨대, 칼슘 혹은 마그네슘을 함유하는 우물물은 주택용 정수시스템에서 스케일이 제거된다.
추가의 양상에 있어서, 히트 파이프는 스케일 제거 및 탄화수소 제거 작업 시 열을 회복하는데 이용된다.
추가의 양상에 있어서, 마그네슘, 바륨 및 기타 염 등과 같은 고가의 스케일-형성 염이 회수된다.
추가의 양상에 있어서, 스케일-형성 화합물이 비점착성이거나, 용이하게 필터가능하거나 침강가능한 고체 형태로 침전되어, 궁극적으로 제거된다.
추가의 양상에 있어서, 폐열은 기존의 발전소로부터 이용되고, 이러한 발전소로부터의 CO2 방출은 영구적으로 봉쇄된다.
추가의 양상에 있어서, 산소 및 용해된 공기는, 부식 및 유지?보수의 문제를 저감시키기 위하여, 추가의 가공처리 전에 해수 및 제조수 스트림으로부터 제거된다.
추가의 양상에 있어서, 스케일 형성 화합물들은 순차적으로 침전되어 제거되므로, 이들은 하류의 공업적 프로세스에서 활용되고 재사용될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시형태는 수성 용액으로부터 스케일 형성 화합물을 제거하는 방법을 제공하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 상기 용액에 알칼리 pH에서 제1스케일 형성 화합물을 침전시키기에 충분한 화학량론적 양으로 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계; 상기 용액의 pH를 알칼리 pH로 조정함으로써 상기 제1스케일 형성 화합물을 침전시키는 단계; 상기 용액으로부터 상기 제1스케일 형성 화합물을 제거하는 단계; 상기 용액으로부터 제2스케일 형성 화합물을 침전시키기에 충분한 온도로 상기 용액을 가열하는 단계; 및 상기 용액으로부터 상기 제2스케일 형성 화합물을 제거하는 단계를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 이온은 탄산염 이온 및 2가 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가의 양상에 있어서, 상기 탄산염 이온은 HCO3 -이다. 추가의 양상에 있어서, 상기 2가 양이온은 Ca2 + 및 Mg2 +로 이루어진 군으로부터 선택된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 화학량론적 양은 제1스케일 형성 화합물 내의 바륨, 카드뮴, 코발트, 철, 납, 망간, 니켈, 스트론튬 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 2가 양이온을 상기 2가 양이온으로 치환하기에 충분하다.
추가의 양상에 있어서, 상기 화학량론적 양은 제1스케일 형성 화합물 내의 알루미늄 및 네오디뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 2가 양이온 대신 상기 2가 양이온을 치환하는데 충분하다.
추가의 양상에 있어서, 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계는 상기 용액에 CO2를 살포하는 단계를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 CO2는 대기 중 CO2이다.
추가의 양상에 있어서, 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계는 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 및 중탄산암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 가용성 중탄산염 이온을 상기 용액에 첨가하는 단계를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계는 CaO, Ca(OH)2, Mg(OH)2 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물을 상기 용액에 첨가하는 단계를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 알칼리 pH는 대략 9.2 이상의 pH이다.
추가의 양상에 있어서, 상기 제1스케일 형성 화합물은 CaCO3 및 MgCO3로 이루어진 군으로부터 선택된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 용액의 pH를 조정하는 것은 CaO 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물 상기 용액에 첨가하는 단계를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 제1스케일 형성 화합물을 제거하는 단계는 여과, 침강 및 원심분리 중 적어도 하나를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 온도는 대략 100℃ 내지 대략 120℃ 범위 내이다.
추가의 양상에 있어서, 발전소 혹은 유사한 공업적 프로세스로부터의 폐열이 상기 용액의 가열을 수행하는데 이용된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 온도는 대략 5분 내지 대략 10분의 기간 동안 상기 범위 내에 유지된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 제2스케일 형성 화합물은 황산염 화합물을 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 제2스케일 형성 화합물을 제거하는 단계는 여과, 침강 및 원심분리 중 적어도 하나를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 용액을 가열하는 단계는 상기 용액을 증기와 접촉시키는 단계를 추가로 포함함으로써, 상기 용액으로부터 10ppm 이하의 수준으로의 휘발성 유지 성분들("VOCs"), 기체들 및 비휘발성 유기 화합물들의 탈기가 달성된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 적어도 하나의 이온을 첨가하기 전에, 상기 용액으로부터 오염물질이 제거된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 오염물질은 고체 입자 및 탄화수소 액적으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 수성 용액은 수돗물, 오염된 수성 용액, 해수, 및 탄화수소로 오염된 염수로 이루어진 군으로부터 선택된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 제2스케일 형성 화합물을 제거한 후, 상기 수성 용액이 탈기되고, 해당 탈기는 상기 수성 용액으로부터 탄화수소 화합물을 제거하도록 적합화되어 있다.
본 발명의 추가의 실시형태는 스케일 형성 화합물을 수득하는 방법을 제공하되, 해당 방법은 수성 용액을 제공하는 단계; 상기 용액에 알칼리 pH에서 제1스케일 형성 화합물을 침전시키기에 충분한 화학량론적 양으로 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계; 상기 용액의 pH를 알칼리 pH로 조정함으로써 상기 제1스케일 형성 화합물을 침전시키는 단계; 상기 용액으로부터 상기 제1스케일 형성 화합물을 제거하는 단계; 상기 용액으로부터 제2스케일 형성 화합물을 침전시키기에 충분한 온도로 상기 용액을 가열하는 단계; 상기 용액으로부터 상기 제2스케일 형성 화합물을 제거하는 단계; 상기 제1스케일 형성 화합물을 회수하는 단계; 및 상기 제2스케일 형성 화합물을 회수하는 단계를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 제1 및 제2스케일 형성 화합물은 상기 표 1에 열거된 화합물의 군으로부터 선택된다.
본 발명의 추가의 실시형태는 대기 중 CO2를 봉쇄하는 방법을 제공하되, 해당 방법은 탄산염 이온의 존재 하에 CO2-봉쇄 화합물을 형성할 수 있는 적어도 하나의 이온을 함유하는 수성 용액을 제공하는 단계; 상기 용액에 알칼리 pH에서 상기 CO2-봉쇄 화합물을 침전시키기에 충분한 화학량론적 양으로 탄산염 이온을 첨가하는 단계; 상기 용액의 pH를 알칼리 pH로 조정함으로써, 상기 CO2-봉쇄 화합물을 침전시키는 단계; 및 상기 용액으로부터 상기 CO2-봉쇄 화합물을 제거하는 단계를 포함하며, 상기 탄산염 이온을 첨가하는 단계는 상기 용액에 대기 중 CO2를 첨가하는 단계를 포함하고, 상기 대기 중 CO2는 CO2-봉쇄 화합물에 봉쇄된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 수성 용액은 오염된 수성 용액, 해수, 및 탄화수소로 오염된 염수로 이루어진 군으로부터 선택된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 알칼리 pH는 대략 9.2 이상의 pH이다.
추가의 양상에 있어서, 상기 CO2-봉쇄 화합물은 CaCO3 및 MgCO3로 이루어진 군으로부터 선택된다.
추가의 양상에 있어서, 상기 CO2-봉쇄 화합물을 제거하는 단계는 여과, 침강 및 원심분리 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 추가의 실시형태는 수성 용액으로부터 스케일 형성 화합물을 제거하는 장치를 제공하되, 해당 장치는, 상기 수성 용액용의 입구; CO2 가스의 공급원; 상기 입구 및 상기 CO2 가스의 공급원과 유체 연통(fluid communication)하는 제1탱크; pH-상승제의 공급원; 상기 pH-상승제의 공급원 및 상기 제1탱크와 유체 연통하는 제2탱크; 상기 제2탱크와 유체 연통하고, 상기 제2탱크 내의 상기 용액으로부터 제1스케일 형성 화합물을 분리하도록 구성된 필터; 필터와 유체 연통하고, 압력용기 내에서 상기 용액을 대략 100℃ 내지 대략 120℃의 범위 내의 온도로 가열시키도록 구성된 해당 압력용기; 및 상기 압력용기에 유체 연통하고, 상기 압력용기 내의 상기 용액으로부터 제2스케일 형성 화합물을 분리하도록 구성된 필터를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 장치는 상기 입구 및 상기 제1탱크와 유체 연통하는 디오일러(즉, 유수분리기)(deoiler)를 추가로 포함하되, 해당 디오일러는 상기 용액으로부터 고체 입자 및 탄화수소 액적으로 이루어진 군으로부터 선택된 오염물질을 제거하도록 구성되어 있다.
추가의 양상에 있어서, 상기 장치는 상기 압력용기의 하류에 위치되어 해당 압력용기와 유체 연통하는 탈기기(degasser)를 추가로 포함하되, 해당 탈기기는 상기 용액으로부터 탄화수소 화합물을 제거하도록 구성되어 있다.
본 발명의 추가의 실시형태는 CO2-봉쇄 화합물에 대기 중 CO2를 봉쇄시키는 장치를 제공하되, 해당 장치는 탄산염 이온의 존재 하에 CO2-봉쇄 화합물을 형성할 수 있는 적어도 하나의 이온을 함유하는 수성 용액용의 입구; 대기 중 CO2 가스의 공급원; 상기 입구 및 상기 CO2 가스의 공급원과 유체 연통하는 제1탱크; pH-상승제의 공급원; 상기 pH-상승제의 공급원 및 상기 제1탱크와 유체 연통하는 제2탱크; 및 상기 제2탱크와 유체 연통하고, 상기 제2탱크 내의 상기 용액으로부터 상기 CO2-봉쇄 화합물을 분리하도록 구성된 필터를 포함한다.
추가의 양상에 있어서, 상기 장치는 상기 입구 및 상기 제1탱크와 유체 연통하는 디오일러를 추가로 포함하되, 해당 디오일러는 상기 용액으로부터 고체 입자 및 탄화수소 액적으로 이루어진 군으로부터 선택된 오염물질을 제거하도록 구성되어 있다.
도 1은 통합된 전처리 방법을 수행하기에 적합한 장치의 개략도;
도 2는 디오일러의 개략도;
도 3은 수성 용액 중의 pH와 탄산, 중탄산염 이온 및 탄산염 이온의 농도 간의 관계를 나타낸 차트;
도 4는 대안적인 탈기기-침전기의 개략도;
도 5는 주택용 정수시스템에 적용되는 스케일링 제거 방법의 예시도.
도 2는 디오일러의 개략도;
도 3은 수성 용액 중의 pH와 탄산, 중탄산염 이온 및 탄산염 이온의 농도 간의 관계를 나타낸 차트;
도 4는 대안적인 탈기기-침전기의 개략도;
도 5는 주택용 정수시스템에 적용되는 스케일링 제거 방법의 예시도.
본 발명의 각 실시형태는 몇몇 경우에 예시적인 형태로 혹은 하나 이상의 도면을 참조하여 여기에 개시된다. 그러나, 특정 실시형태의 이러한 임의의 개시는 단지 예시일 뿐, 본 발명의 전체적인 범위를 나타내는 것은 아니다.
이하의 설명은 본 발명의 실시형태에 따른 오염된 수성 용액의 예시적인 스케일링 제거 및 전처리 방법의 구조적 특성을 참조한다. 참조번호는 도 1 내지 도 5에 표시된 것에 대응한다.
탄화수소 및 기타 오염물질을 포함하는 해수(10) 혹은 염대수층 수(saline aquifer water)(20)는 펌프(30)에 의해 전처리 시스템의 유입 급수 입력구로 펌핑된다. 이 오염된 급수는 우선 모래나 기타 고형 잔사 등과 같은 고체 입자(42)들뿐만 아니라 유적(oil droplet)(44)의 형태의 가시적인 오일을 제거하는 디오일러(40)에서 처리되어, 가시적인 오일이 실질적으로 없는 수성 산물(48)을 제공한다. 디오일러(40)는 밀도차에 의거해서 작동한다. 유입되는 오염수(41)는 유속을 크게 저감시키는 대형 개구부를 통해 디오일러(40)에 진입하여, 고체 입자(42)를 현탁액으로부터 침전시켜 고체 폐기물 덕트(43)를 통해 디오일러를 빠져나가게 한다. 일단 고체가 제거되면, 오염된 증기는, 디오일러의 상부(46) 근방에서 빠져나갈 때까지 흐름(47)이 층류이고 충분히 느린 경우 수개의 경사진 침강 채널(49)로 도입되어 유적(44), (45)이 유착되어 상기 채널을 통해 상승한다. 탈유된 증기는 디오일러의 바닥부(48) 근방에 존재한다.
이어서, 탈유된 해수 혹은 오염된 염수는 스케일링 제거 과정을 시작한다. 제안된 스케일링 제거 방법에서의 기본적인 원리는 불용성 탄산염으로서 스케일-형성 화합물의 침전을 촉진시키는 것이다. 이 목적을 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄산(H2CO3), 중탄산염 이온(HCO3 -) 및 탄산염 이온(CO3 2 -)의 활성 계수를 pH의 함수로서 간주하는 것이 유용하다. 6.0 미만의 pH에서, 주된 종은 탄산이다. 6.0 내지 10.0의 pH에서는, 중탄산염 이온이 지배적이고, 10.3 이상의 pH 값에서는, 탄산염 이온이 주된 종이다. 제안된 방법은 필요한 양의 이산화탄소를 제공하는 것으로 구성되므로, 9.2 이상, 바람직하게는 10.2 이상으로 pH를 조정할 때, 오염된 용액 중에 존재하는 2가의 양이온, 특히 칼슘 이온(Ca2 +) 및 마그네슘 이온(Mg2 +)이 불용성 탄산염으로서 침전될 것이다.
해수를 비롯한 대부분의 염수는 중탄산염 이온 이상으로 칼슘 이온 및 마그네슘 이온을 함유한다. 따라서, 대부분의 염수는 스케일 형성 성분을 침전시키기 위하여 추가의 탄산염 이온을 필요로 하고, 탄산염 이온을 제공하는 가장 실용적인 방법은 중탄산염 이온으로서 용해된 CO2의 형태이고; 알칼리 pH 조정 시, 이러한 중탄산염 이온은 탄산염으로 되어, 즉시 그들의 용해도 곱에 따라서 칼슘 혹은 마그네슘으로서 침전된다. 대기 중 CO2의 사용은 이 유해한 온실가스의 봉쇄를 행하는 영구적인 방식을 제공한다.
그러나, 일부의 염수는 과잉의 중탄산염 이온, 특히 중탄산 소다석 퇴적물을 가로지르는 오일 혹은 가스 산지에서의 제조수와 연관된 것을 함유한다. 중탄산염 이온이 과잉으로 나타나는 경우에, 염수 조성이 석회(CaO)를 이용해서 조정될 수 있고, 이것은 2가 이온의 제공과 pH의 알칼리 영역으로의 증가라고 하는 이중 목적을 제공한다.
다시 도 1 내지 도 5를 참조하면, 일단 유입되는 오염수가 탈유되었다면, 교반 탱크 혹은 스태틱 믹서(static mixer)(50)에 들어가, 칼슘 이온 및 마그네슘 이온의 불용성 탄산염으로서의 초기 침전을 일으키기 위하여 CO2 가스(60)가 살포되어 화학량론적 양의 탄산염 이온을 제공한다. 탄산염화된 용액은 이어서 펌프(70)에 의해 다른 교반 탱크 반응기 혹은 스태틱 믹서(80) 내로 펌핑되고, pH는 석회(CaO), 잿물(Na[OH]) 또는 이들 둘 모두, 하지만, 바람직하게는 수산화나트륨의 pH-조정에 의해 반응기(80) 내에서 조정된다. 알칼리 쪽으로, 하지만 바람직하게는 10.2보다 높은 pH로의 pH조정 시, 염수 혹은 오염된 용액은 불용성 탄산염(110) 등의 직접적인 침전을 보이고, 이는 이어서 벨트, 디스크 혹은 드럼 필터(100), 또는 역류 디캔테이션(counter-current decantation: CCD) 용기 혹은 농축기에 의해 처리수로부터 여과 혹은 침강된다.
pH 조정에 의한 스케일의 초기 침전 및 침강 혹은 여과에 의한 이러한 스케일의 제거에 이어서, 깨끗한 용액이 교반 반응기(120)에 도입되어, 제2스케일 침전 단계가 가열에 의해 일어난다. 발전소로부터의 폐 증기 또는 공업적 설비로부터의 히트 파이프에 의해 이송된 열일 수 있는, 외부 열원(130)으로부터의 열은, 상기 반응기(120)를 약 120℃의 온도까지 가열시키는데 이용되며, 이는 15psig 정도의 과압에서 작동가능한 압력용기를 필요로 한다. 이러한 조건 하에, 황산칼슘(석고) 등과 같은 소정의 불용성 황산염은, 그들의 수중 용해도가 현저하게 감소하기 때문에 침전된다.
응축 증기로부터 입구 수로 열을 이송하기 위한 히트 파이프의 설명은 미국 특허 출원 제12/090,248호(발명의 명칭: "ENERGY-EFFICIENT DISTILLATION SYSTEM", 출원일: 2008년 4월 14일) 및 미국 특허 가출원 제60/727,106호(발명의 명칭: "ENERGY-EFFICIENT DISTILLATION SYSTEM", 출원일: 2005년 10월 14일)에 제공되어 있고, 이들 두 출원은 참고로 그들의 전문이 본 명세서에 포함된다.
대안적인 실시형태에서, 이 제2침전단계는 증기 제거에 의한 탈기를 포함하는 이중 단계로 성취된다. 도 4를 참조하면, 부분 스케일링 제거 과정 스트림(125)은 일련의 살포 트레이(121)를 통해서 종속 접속되어 있는 증류 트레이 탑으로 들어간다. 발전소로부터의 폐 증기 등과 같은 폐열 공급원(130)으로부터의 증기는 역류 방식으로 각 증류 트레이(121)를 통해 기포(122)로 바닥부에서 용기(120)에 진입함으로써, 공정수로부터 휘발성 유지 성분들(VOCs)을 제거하고, 동시에 해당 공정 스트림을 120℃ 정도의 온도로 가열함으로써, 소정의 황산염 등과 같은, 저감된 용해도를 보이는 불용성 염을 침전시킨다. 각 증기 제거 트레이(121)에서의 액체 수준은, 상부의 트레이로부터 하부의 트레이로 공정수를 이송하는 강수관(123)에 의해 유지된다. 증기는, 탈기 용기를 통해 상승함에 따라서, 비휘발성으로 간주되는 오염물질을 비롯한 유기 오염물질로 점진적으로 장전되어, 궁극적으로는 상부(126)에서 용기를 빠져나가, 응축 및 폐기된다. 열-침전된 스케일을 함유하는 탈기된 증기는 바닥부(127)에서 용기를 빠져나간다.
추가의 대안적인 실시형태에서, 상기와 유사한 탈기 과정은 수성 용액이 가열되고 제2침전물이 제거된 후에 최종 단계로서 수행된다. 이 최종 탈기 과정은 소정의 남아 있는 탄화수소 화합물을 제거하도록 작동하고, 해당 과정은, 처리된 수성 용액이, 예를 들어 오일 제조에 이용되는 공정수인 경우 등과 같이, 탄화수소로 몹시 오염된 경우에 특히 적합하다.
다음에, 공정수 중의 스케일은 기계적 필터 혹은 농축기에 의해서 여과 혹은 침강된다. 바람직한 실시형태에서, 공정 스트림은, 기계적 작동 밸브(140)에 의해서 여과 단계와 역세척 단계를 교대로 시행하는 이중 샌드 필터(150)로 들어간다. 얻어진 스케일 폐기물은 상부(160)에서 이 필터 단계를 빠져 나가, 조성에 따라서, 폐기되거나 판매될 수 있다. 스케일 제거 및 오일 제거 공정수(170)는 바닥부에서 빠져나가, 탈염 등과 같은 임의의 후속 가공처리에 이용될 수 있다.
해수에 대한 예시적인
워터
스케일링 제거 시스템
해수의 대략적인 화학 조성은 이하의 표 2에 제시되어 있고, 이는 개방된 해양의 전형이지만, 지형 및/또는 기후에 따라서 해수 조성에 상당한 편차가 있다.
이와 같이 해서, 제1과업은 어떤 염이 가장 낮은 용해도 상수를 나타내는지 조사하여, 우리의 조사를 해수 중 가장 풍부한 원소로 제한하는데 있다. 이들은 이하의 표 3에 기재된 바와 같다:
칼슘 이온 농도는 해수 중에서 평균 416ppm 혹은 10.4 m㏖/ℓ인 반면, 중탄산염 이온은 145ppm 혹은 2.34 m㏖/ℓ를 나타낸다. 중탄산염은 가열 시 용이하게 탄산염으로 분해되므로, 칼사이트 스케일이 제1 스케일로 형성된다. 황산칼슘(석고)은 칼사이트보다 10,000배 더 가용성이므로, 황산염 이온 농도가 평균 2701ppm 혹은 28.1 m㏖/ℓ이더라도, 이것은 다음에 침전된다. 인의 양은 0.088ppm이므로, 잠재적인 인산염 이온은 충분히 적어 인산염 스케일의 양을 무시할 수 있다.
마그네슘은 1,290ppm(53.3 m㏖/ℓ)에서 해수 중 칼슘보다 3배 풍부하지만, MgCO3는 그의 칼슘 대응물보다 1,000배 더욱 가용성이므로, 칼슘 이온의 대부분이 고갈된 후에 침전될 것이다. 불소 이온은, 인산염 스케일 형성에 관한 앞서의 설명과 마찬가지로, 상당한 스케일을 일으키도록 충분한 양으로 존재하지 않는다. 마찬가지로, 스케일 형성 화합물은, 이하의 표 5 내지 7에 표시된 바와 같이, 칼륨, 철 또는 알루미늄을 내포하는 것으로 알려져 있지만, 해수의 경우에, 이들 이온 중 어느 것도 그렇게 낮은 농도로 존재하여 침전되지 않거나, 또는 많은 양으로 존재하면(이것은 예를 들어 칼륨의 경우와 마찬가지임), 이들은 수성 용액(즉, 그러한 높은 용해도 상수를 지님) 중에 가용성이므로 침전되지 않는다.
본 발명의 방법 및 시스템은 해수 및 해수보다 더욱 짠 용액의 양쪽 모두를 정제하는데 이용된다. 그 결과는 상기 정수장치에서의 스케일의 진전의 상당한 개선을 보인다.
실시예
1
탈기기
내의 비휘발성 혹은 휘발성 유기물의 제거
본 발명의 방법 및 시스템은 메틸 tert-뷰틸 에터(MTBE)를 비롯한 비휘발성 및 휘발성 유기 오염물질의 상업적으로-관측되는 양을 함유하는 용액을 정제하는데 이용된다. 그 결과는 종래의 정제방법(즉, 정수방법)과 비교해서 오염물질의 양의 상당한 저감을 보인다.
실시예
2
주택용 정수시스템에서의 스케일의 제거
대안적인 실시형태에서, 본 발명의 방법은 높은 수준의 칼슘염 혹은 마그네슘염을 함유하는 우물물로부터의, 도시 시스템으로부터 경수를 연화시키기 위하여 이용될 수 있다.
주택용 정수시스템에 관한 추가의 정보는 미국 특허 출원 제11/994,832호(발명의 명칭: WATER PURIFICATION SYSTEM, 출원일: 2008년 1월 4일); 제11/444,911호(발명의 명칭: FULLY AUTOMATED WATER PROCESSING CONTROL SYSTEM, 출원일: 2006년 5월 31일); 제11/444,912호(발명의 명칭: AN IMPROVED SELF-CLEANING WATER PROCESSING APPARATUS, 출원일: 2006년 5월 31일); 및 제11/255,083호(발명의 명칭: WATER PURIFICATION SYSTEM, 출원일: 2005년 10월 19일) 그리고 미국 특허 제7,678,235호에서 제공되어 있고, 이들 문헌은 참고로 그들의 전문이 본 명세서에 포함된다.
도 5를 참조하면, 수돗물 혹은 우물로부터의 물은 감압기(200)를 통해 주택용 정수시스템으로 도입되고, 해당 감압기는 해당 정수시스템으로 유입되는 물의 일정한 흐름을 확실하게 한다. 수산화나트륨(잿물-NaOH)과 중탄산나트륨(베이킹소다-NaHCO3)을 수용하는 캐니스터(canister)(201)는 미리 계측된 양의 이들 화학물질을 용량계(202)로 공급하여, 칼슘 이온과 마그네슘 이온의 300ppm까지 불용성 탄산염의 형태로 화학량론적으로 침전시키는 한편, 동시에 pH를 적어도 10.2의 값으로 상승시킨다. 이들 화학물질은 감압기(200)를 빠져나가 수돗물 라인(203)에서 용해되어 유연한 스케일의 침전을 야기시킨다.
이어서 부분적으로 스케일링 제거된 공정수가 플라스틱 라인(205)에 의해서 보일러(204)로 들어가 해당 보일러 내의 비등수에 의해 예열되어, 침강 용기(207)의 상부에 접속된 수직관(206)을 통해 존재한다. 추가의 스케일은 끓기 바로 직전까지 상기 유입되는 물의 온도를 상승시켜 불용성 염의 침전을 촉진시키는 상기 예열작용에 의해 침전되며, 이것은 온도에 따른 현저한 용해도 감소를 보인다. 상기 보일러 내의 유입수의 예열을 행하는 플라스틱 라인이나 관의 이용은, 상기 비등 작용에 의해 상기 플라스틱 라인을 빈번하게 수축시키며, 이에 따라, 해당 예열 라인의 표면에 스케일의 부착을 방지한다.
열적으로 침전된 스케일 + pH 조정에 의해 미리 침전된 스케일은 용기(207) 내에서의 침강에 의해 침전되어, 바닥부(208)에서 해당 용기로부터 주기적으로 플러시된다. 이와 같이 스케일링 제거된 물은 이어서 탈기기(209)로 들어가, VOCs와 비휘발성 유기 화합물이, 전술한 특허 출원에 기재된 바와 같이, 증기 혹은 온수의 역류 흐름에 의해 증기 박리(즉, 제거)된다.
실시예
3
폐 유입 조성물의 처리에서의 스케일의 제거
비료 가공처리 설비로부터 폐 스트림으로서 얻어진 수성 폐 유입 조성물은, 스케일의 형성이 고도로 바람직하지 않은 별개의 정수장치에서의 궁극적인 산물의 정제에 대한 전처리로서 스케일-형성 화합물을 제거하기 위하여 전술한 방식으로 처리되었다. 해당 처리장치의 처리량은 6갤런/일(GPD)이었고, 이 장치는 2000㎥/day(528,401.6 GPD)를 필요로 하는 공업 부지를 검사하기 위한 파일럿 장치(pilot apparatus)를 이용하였다. 관련된 원소 및 이온에 대한 폐 유입물의 조성은 이하의 표 8에 부여되어 있다:
폐 유입물은 35,000ppm(g/ℓ)의 총 용해된 고형물(total dissolved solids: TDS) 함량을 지녔다. 표 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 폐 유입물은 특히 고농도의 칼슘 및 마그네슘을 지녀, 스케일을 일으키는 경향이 있다.
이 폐 유입물은 전술한 방식으로 가공처리되었고; 해당 유입물이 탄화수소를 전혀 혹은 거의 함유하지 않으므로, 탈유 및 탈기는 수행되지 않았다. 보다 상세하게는, CO2 탄화 및 NaOH의 첨가(용액 중 Mg와 반응하는 수산화 이온을 제공함)에 이어서 추가의 NaOH를 이용해서 pH 9.3으로 pH 조정을 행하였다. 이하의 표 9에 기재된 화학물질의 용량은 상업적-규모 프로세스(commercial-scale process)에 이용될 것이다(이용된 실제량은 6GPD의 파일럿 처리량에 대해서 조정되었다).
| 이용된 화학물질 | |
| 이용된 화학물질 | ton/day |
| CO2 | 1.21 |
| Mg용의 NaOH | 2.17 |
| pH용의 NaOH | 0.12 |
| 총 NaOH | 2.29 |
처리 결과, 여과된 스케일 형성 조성물("필터 케이크") 및 유출물(산물)이 얻어졌다. 상업적-규모 프로세스의 질량 밸런스는 이하의 표 10에 표시되어 있다.
| 질량 밸런스 | ||
| 전처리용의 질량 밸런스 | ||
| 필터 케이크 중의 수분 | 20.00% | |
| 메트릭 톤( metric ton ) | s. ton | |
| 폐기물(침전물/필터)(tonne/ton) | 4.59 | 5.05 |
| ㎥/ ct | GPD | |
| 유입물(공급수) 흐름 | 2000 | 528401.6 |
| 필터 케이크 중에 소실된 염수의 양 | 0.89 | 236.44 |
| 유출물 흐름(산물) | 1999.11 | 528165.15 |
얻어진 침전 생성물은 이하의 표 11에 표시된 대략의 조성을 지닌다. 상업적-규모 프로세스에 대한 표 11에 표시된 숫자는 파일럿-규모 프로세스(pilot-scale process)에서 생성된 양에 의거한 것이다.
| 침전물 조성 | |
| 침전물의 54.46%가 CaCO3 | 2.50 mt/d 또는 2.75 ton/d |
| 침전물의 45.36%가 Mg(OH)2 | 2.08 mt/d 또는 2.29 ton/d |
| 침전물의 0.18%가 FeCO3 | 0.01 mt/d 또는 0.01 ton/d |
| 침전물의 0.00%가 SrCO3 | 0.00 mt/d 또는 0.00 ton/d |
| 총 침전물 | 5.05 ton/d |
표 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 압도적인 대부분의 침전물은 CaCO3 혹은 Mg(OH)2로 구성되었으므로, 폐 유입물 내의 다량의 칼슘과 마그네슘이 이 프로세스에 의해 제거되었다. 폐 공급 용액 내 및 유출물 산물 내에 함유된 관련된 원소 및 화합물의 양은 이하의 표 12에 요약되어 있다.
| 처리 전후의 용액의 조성 | ||
| 전처리의 물 분석 | 공급량(ppm) | 유출물(ppm) |
| 바륨 | 0 | 0.00 |
| 칼슘 | 500 | 5.64 |
| 마그네슘 | 300 | 4.01 |
| 철(III) | 2 | 0.00 |
| 중탄산염 | 0 | 0 |
| 황산염 | 800 | 800 |
| 인산염 | 0 | 0 |
| 실리카 | 50 | 50 |
| 스트론튬 | 0 | 0.00 |
| 가용성 염 | ||
| 나트륨 | 700 | 700 |
| 칼륨 | 30 | 30 |
| 비소 | 0 | 0 |
| 불소 | 2 | 2 |
| 염소 | 1000 | 1000 |
| 질산염 | 10 | 10 |
| TDS -계산치 | 3394 | 2601.655 |
| TDS - 실제치 | 35,000 | 26829.09 |
표 12에 표시된 결과는, 칼슘 및 마그네슘 등과 같은 스케일-형성 화합물을 야기시키는 원소의 수준이 전술한 처리 프로세스에 의해 대략 99%까지 저감되는 것을 나타낸다. 또한, 철의 양은 검출할 수 없는 수준까지 저감되었다. 또, 수성 용액 중의 총 용해된 고형물은 20% 이상 저감되었다.
실시예
4
해수의 처리에서의 스케일의 제거
본 발명의 처리 프로세스가 높은 수준의 TDS 및 높은 정도의 물의 경도로 조정된 해수에 적용되어, 이러한 입력 용액을 다루는 프로세스의 능력을 시험하였다. 이 물은, 미국 특허 제7,678,235호에 기재된 것과 같은 정수장치에서 정제되기 전에 본 발명의 프로세스를 이용해서 전처리되었다. 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 전처리 프로세스가 실시된 해수는 해당 정수장치에서 공급수로서 이용될 경우 스케일의 형성을 보이지 않았다.
이하의 양의 각종 화합물을 신선한 해양수에 첨가하여, 본 실시예의 입력 수성 용액을 생성하였다. Ca(OH)2 7g/ℓ가 첨가되어 7.1kppm의 목표 Ca2 + 농도를 생성하였다. 또, NaCl 29g/ℓ도 첨가되었고, 얻어진 물 시료의 TDS는 66kppm이었다.
제1침전은 NaHCO3 대략 12g/ℓ와, 용액의 pH를 10.5보다 크게 증가시키는데 필요한 NaOH를 첨가함으로써 실온에서 수행되었다. 탄산염 화합물 CaCO3 및 MgCO3가 제1실온 절차에서 침전되었다. 얻어진 물은 여과되어 고형 침전물을 제거하였다.
이어서, 제2침전이 상승된 온도에서 수행되었다. 구체적으로는, 여과된 물은 10 내지 15분의 기간 동안 120℃까지 가열되었다. 그 결과, 황산염, 주로 CaSO4 및 MgSO4가 침전되었다. 이 물은 냉각되었고, 이어서 여과되어 침전물을 제거하였다. 스케일 제거되고 여과된 물은 재차 전자레인지에서 시료를 끓임으로써 침전물에 대해서 재차 검사되었다. 이 시험에서 침전물은 관찰되지 않았다. 스케일 제거되고 여과된 물의 TDS는 대략 66kppm이었다.
스케일 제거된 물은 미국 특허 제7,678,235호에 따라서 정수장치용의 유입물로서 이용되었다. 이 생성수는 상기 장치로부터 회수되었고, 해당 생성수의 TDS가 측정되었다. 입구수의 TDS는 66kppm이었던 반면, 상기 정수장치의 생성수의 TDS는 10ppm 미만이었다. 상기 장치의 보일러 내에서 스케일의 인지가능한 전개는 관찰되지 않았다.
일부의 실시형태에 있어서, 본 명세서에 개시된 실시형태인 물 및 염수 용액의 스케일링 제거 시스템은 기타 시스템 및 장치와 조합해서 추가의 유리한 특성을 제공한다. 예를 들어, 상기 시스템은 미국 특허 가출원 제60/676870호(발명의 명칭: SOLAR ALIGNMENT DEVICE, 출원일: 2005년 5월 2일); 미국 특허 가출원 제60/697104호(발명의 명칭: VISUAL WATER FLOW INDICATOR, 출원일: 2005년 7월 6일); 미국 가특허 출원 제60/697106호(발명의 명칭: APPARATUS FOR RESTORING THE MINERAL CONTENT OF DRINKING WATER, 출원일: 2005년 7월 6일); 미국 가특허 출원 제60/697107호(발명의 명칭: IMPROVED CYCLONE DEMISTER, 출원일: 2005년 7월 6일); 국제특허 출원 제US2004/039993호(출원일: 2004년 12월 1일); 국제특허 출원 제US2004/039991호(출원일: 2004년 12월 1일); 국제특허 출원 제US2004/040103호(출원일: 2006년 10월 13일); 미국 특허 출원 제12/281,608호(출원일: 2008년 9월 3일); 국제 출원 제US2008/03744호(출원일: 2008년 3월 21일); 미국 특허 가출원 제60/526,580호(출원일: 2003년 12월 2일)에 개시된 장치 혹은 방법의 어느 것과 관련하여 사용될 수 있고, 이들 출원의 각각은 참고로 그의 전문이 본 명세서에 포함되어 있다.
당업자는 이들 방법 및 장치가 상기 목적을 수행하기에 적합하고 또한 적합할 수 있어, 언급된 목적과 이점뿐만 아니라 기타 이점과 혜택도 얻어지는 것임을 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 방법, 절차 및 장치는 현재 바람직한 실시형태를 나타내고 있고, 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도된 것은 아니다. 당업자라면 본 발명의 정신 내에서 망라되고 또한 개시된 범위에 의해 정의되는 그의 변화 및 기타 용도를 떠올릴 수 있을 것이다.
또, 당업자에게는 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나는 일없이 본 명세서에 개시된 본 발명에 대해 다양한 치환 및 변경을 실시할 수 있는 것은 명백하다.
당업자라면 본 명세서에 기재된 본 발명의 각 양상과 실시형태를 서로로부터 분리해서 혹은 서로 관련시켜 실시할 수 있는 것을 인식한다. 따라서, 개별의 실시형태의 조합도 본 명세서에 개시된 바와 같이 본 발명의 범위 내이다.
본 명세서에서 모든 특허 및 공보는 마치 각 개별의 공보가 구체적으로 또한 개별적으로 참고로 인용되는 것과 동일한 정도로 참조로 포함된다.
본 명세서에 예시적으로 기재된 본 발명은 적절하게는 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 제한 혹은 제한들, 임의의 요소 혹은 요소들의 부재하에 수행될 수도 있다. 이용된 용어 및 표현들은 설명의 용어로서 사용된 것일 뿐 제한적이지 않으며, 이러한 용어 및 표현의 사용에 있어서 표시되고 설명된 특징 혹은 그의 부분의 등가물의 배제를 나타내는 의도는 없다. 또, 각종 변경이 개시된 본 발명의 범위 내에서 가능한 것으로 인식할 수 있다. 따라서, 본 발명은 바람직한 실시형태 및 선택적인 특징에 의해 구체적으로 개시되었다고 하더라도, 본 명세서에 개시된 개념의 변경 및 변화는 당업자에 의해 다시 분류될 수 있고, 또한 이러한 변경 및 변화는 본 명세서의 개시에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내인 것으로 간주되는 것임을 이해할 필요가 있다.
Claims (36)
- 수성 용액으로부터 스케일 형성 화합물(scale forming compound)을 제거하는 방법으로서,
상기 용액에 알칼리 pH에서 제1스케일 형성 화합물을 침전시키기에 충분한 화학량론적 양으로 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계;
상기 용액의 pH를 알칼리 pH로 조정함으로써 상기 제1스케일 형성 화합물을 침전시키는 단계;
상기 용액으로부터 상기 제1스케일 형성 화합물을 제거하는 단계;
상기 용액으로부터 제2스케일 형성 화합물을 침전시키기에 충분한 온도로 상기 용액을 가열하는 단계; 및
상기 용액으로부터 상기 제2스케일 형성 화합물을 제거하는 단계를 포함하는, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법. - 제1항에 있어서, 상기 이온은 탄산염 이온 및 2가 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제2항에 있어서, 상기 탄산염 이온은 HCO3 -인 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제2항에 있어서, 상기 2가 양이온은 Ca2 + 및 Mg2 +로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제4항에 있어서, 상기 화학량론적 양은 상기 제1스케일 형성 화합물 내의 바륨, 카드뮴, 코발트, 철, 납, 망간, 니켈, 스트론튬 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 2가 양이온을 상기 2가 양이온으로 치환하는데 충분한 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제4항에 있어서, 상기 화학량론적 양은 상기 제1스케일 형성 화합물 내의 알루미늄 및 네오디뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 3가 양이온을 상기 2가 양이온으로 치환하는데 충분한 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계는 상기 용액에 CO2를 살포하는 단계를 포함하는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제7항에 있어서, 상기 CO2는 대기 중 CO2인 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계는 상기 용액에 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 및 중탄산암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 가용성 중탄산염 이온을 첨가하는 단계를 포함하는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 이온을 첨가하는 단계는 상기 용액에 CaO, Ca(OH)2, Mg(OH)2 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물을 첨가하는 단계를 포함하는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알칼리 pH는 대략 9.2 이상의 pH인 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1스케일 형성 화합물은 CaCO3 및 MgCO3로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 용액의 pH를 조정하는 것은 CaO 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물을 상기 용액에 첨가하는 단계를 포함하는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1스케일 형성 화합물을 제거하는 단계는 여과, 침강 및 원심분리 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 온도는 대략 100℃ 내지 대략 120℃ 범위 내인 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 발전소 혹은 유사한 공업적 프로세스로부터의 폐열이 상기 용액의 가열을 수행하는데 이용되는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제15항에 있어서, 상기 온도는 대략 5분 내지 대략 10분의 기간 동안 상기 범위 내에 유지되는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2스케일 형성 화합물은 황산염 화합물을 포함하는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2스케일 형성 화합물을 제거하는 단계는 여과, 침강 및 원심분리 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 용액을 가열하는 단계는 상기 용액을 증기와 접촉시키는 단계를 추가로 포함함으로써, 상기 용액으로부터 10ppm 이하의 수준으로의 휘발성 유지 성분들(volatile organic constituents: "VOCs"), 기체들 및 비휘발성 유기 화합물들의 탈기가 달성되는 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이온을 첨가하기 전에, 상기 용액으로부터 오염물질을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 오염물질은 고체 입자 및 탄화수소 액적(droplet)으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제21항에 있어서, 상기 수성 용액은 수돗물, 오염된 수성 용액, 해수, 및 탄화수소로 오염된 염수로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2스케일 형성 화합물을 제거한 후, 상기 수성 용액을 탈기시키는 단계를 추가로 포함하되, 해당 탈기는 상기 수성 용액으로부터 탄화수소 화합물을 제거하도록 구성된 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거방법.
- 스케일 형성 화합물을 수득하는 방법으로서,
수성 용액을 제공하는 단계;
제1항의 방법을 수행하는 단계;
상기 제1스케일 형성 화합물을 회수하는 단계; 및
상기 제2스케일 형성 화합물을 회수하는 단계를 포함하는, 스케일 형성 화합물의 수득방법. - 제25항에 있어서, 상기 제1 및 제2스케일 형성 화합물은 표 1에 열거된 화합물의 군으로부터 선택된 것인, 스케일 형성 화합물의 수득방법.
- 대기 중 CO2를 봉쇄하는(sequestering) 방법으로서,
탄산염 이온의 존재 하에 CO2-봉쇄 화합물을 형성할 수 있는 적어도 하나의 이온을 함유하는 수성 용액을 제공하는 단계;
상기 용액에 알칼리 pH에서 상기 CO2-봉쇄 화합물을 침전시키기에 충분한 화학량론적 양으로 탄산염 이온을 첨가하는 단계;
상기 용액의 pH를 알칼리 pH로 조정함으로써, 상기 CO2-봉쇄 화합물을 침전시키는 단계; 및
상기 용액으로부터 상기 CO2-봉쇄 화합물을 제거하는 단계를 포함하되,
상기 탄산염 이온을 첨가하는 단계는 상기 용액에 대기 중 CO2를 첨가하는 단계를 포함하고, 해당 대기 중 CO2는 CO2-봉쇄 화합물에 봉쇄되는 것인, 대기 중 CO2의 봉쇄방법. - 제27항에 있어서, 상기 수성 용액은 오염된 수성 용액, 해수, 및 탄화수소로 오염된 염수로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 대기 중 CO2의 봉쇄방법.
- 제27항에 있어서, 상기 알칼리 pH는 대략 9.2 이상의 pH인 것인, 대기 중 CO2의 봉쇄방법.
- 제27항에 있어서, 상기 CO2-봉쇄 화합물은 CaCO3 및 MgCO3로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 대기 중 CO2의 봉쇄방법.
- 제27항에 있어서, 상기 CO2-봉쇄 화합물을 제거하는 단계는 여과, 침강 및 원심분리 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 대기 중 CO2의 봉쇄방법.
- 수성 용액으로부터 스케일 형성 화합물을 제거하는 장치로서,
상기 수성 용액용의 입구;
CO2 가스의 공급원;
상기 입구 및 상기 CO2 가스의 공급원과 유체 연통(fluid communication)하는 제1탱크;
pH-상승제의 공급원;
상기 pH-상승제의 공급원 및 상기 제1탱크와 유체 연통하는 제2탱크;
상기 제2탱크와 유체 연통하고, 상기 제2탱크 내의 상기 용액으로부터 제1스케일 형성 화합물을 분리하도록 구성된 필터;
상기 필터와 유체 연통하고, 압력용기 내에서 상기 용액을 대략 100℃ 내지 대략 120℃의 범위 내의 온도로 가열시키도록 구성된 해당 압력용기; 및
상기 압력용기에 유체 연통하고, 상기 압력용기 내의 상기 용액으로부터 제2스케일 형성 화합물을 분리하도록 구성된 필터를 포함하는, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거장치. - 제32항에 있어서, 상기 입구 및 상기 제1탱크와 유체 연통하는 디오일러(deoiler)를 추가로 포함하되, 해당 디오일러는 상기 용액으로부터 고체 입자 및 탄화수소 액적으로 이루어진 군으로부터 선택된 오염물질을 제거하도록 구성된 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거장치.
- 제32항에 있어서, 상기 압력용기의 하류에 위치되어 해당 압력용기와 유체 연통하는 탈기기(degasser)를 추가로 포함하되, 해당 탈기기는 상기 용액으로부터 탄화수소 화합물을 제거하도록 구성된 것인, 수성 용액으로부터의 스케일 형성 화합물의 제거장치.
- CO2-봉쇄 화합물에 대기 중 CO2를 봉쇄시키는 장치로서
탄산염 이온의 존재 하에 CO2-봉쇄 화합물을 형성할 수 있는 적어도 하나의 이온을 함유하는 수성 용액용의 입구;
대기 중 CO2 가스의 공급원;
상기 입구 및 상기 CO2 가스의 공급원과 유체 연통하는 제1탱크;
pH-상승제의 공급원;
상기 pH-상승제의 공급원 및 상기 제1탱크와 유체 연통하는 제2탱크; 및
상기 제2탱크와 유체 연통하고, 상기 제2탱크 내의 상기 용액으로부터 상기 CO2-봉쇄 화합물을 분리하도록 구성된 필터를 포함하는, 대기 중 CO2-봉쇄 화합물의 봉쇄장치. - 제35항에 있어서, 상기 입구 및 상기 제1탱크와 유체 연통하는 디오일러를 추가로 포함하되, 해당 디오일러는 상기 용액으로부터 고체 입자 및 탄화수소 액적으로 이루어진 군으로부터 선택된 오염물질을 제거하도록 구성된 것인, 대기 중 CO2-봉쇄 화합물의 봉쇄장치.
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