KR20130085220A - 역삼투 막의 막오염 진단 기능을 가지는 해수담수화장치 - Google Patents

역삼투 막의 막오염 진단 기능을 가지는 해수담수화장치 Download PDF

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Abstract

본 명세서의 일 개시는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치를 제공한다. 상기 실시간 모니터링 장치는 해수 처리 장치에 설치된 하나 이상의 센서로부터, 상기 해수 처리 장치 내로 유입되는 유입수에 대한 정보 및 해수 처리 장치 내에서 이송되는 물의 유량 및 압력에 대한 정보를 수신하는 송수신부와; 상기 유량 및 압력에 기초하여, 기준 단위 물에 포함된 물질의 양을 산출하여, 상기 해수 처리 장치 내의 역삼투압막 모듈의 오염도를 산출하고, 상기 산출된 오염도에 따라 진단 및 고장 대처 기능을 수행하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

역삼투 막의 막오염 진단 기능을 가지는 해수담수화장치{Monitoring method real-time fouling potential in Reverse Osmosis Process for Seawater Desalination and Desalination equipment having such monitoring function}
본 발명은 해수담수화장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 역삼투 막의 막오염 조기진단 기능을 가지는 해수담수화장치에 관한 것이다.
일반적으로 분리막 기술은 고분자 재료의 물질 선택투과 성질을 이용한 분리기술의 하나로 1960년대 미국에서 담수화 공정에 적용하면서 상업화된 기술이다. 막분리 공정은 증류기술과는 달리 상변화가 없으므로 에너지를 절약할 수 있고 공정이 간단하므로 장치가 차지하는 공간이 적은 정점이 있다. 초기의 분리막은 역삼투압(reverse osmois membrane)을 중심으로 개발되었고 한외여과막(ultrafiltration), 정밀여과막(microfiltration), 나노여과막(nanofiltration) 등으로 광범위하게 적용되고 있다.
역삼투 공정은 최근 해수담수화 분야와 지표수 및 지하수의 처리, 산업폐수의 처리 및 무방류 재이용 등의 다양한 수처리 분야에서 주목받고 있는 고도 수처리 방법이다.
기존의 분리막은 나권형(spiral wound), 관형(tubular), 중공사형(hollow), 판틀형(plat and frame) 등의 형식들이 있는데, 이중에서 중공사형은 중공사의 직경이 0.2~2mm이며 중앙이 비어있는 실관형태이므로 중공사의 단위부피당 막면적비가 다른 형식에 비하여 굉장히 높아서 더 높은 생산성을 가지고 있으며, 다른 형식의 분리막은 분리막을 형성하는 고분자를 코팅할 수 있는 지지체가 필요하지만 중공사형식의 분리막은 직경이 작으므로 자체적으로 형태를 유지할 수 있어서 별도의 지지체가 필요 없다는 장점을 가지고 있으나, 하나의 모듈로 만들어진 중공사막들 사이에 부유물질이 층을 이루어 물의 흐름을 막을 수 있으며 막오염에 약하고 일단 오염된 막은 세척하기가 어려워 막오염이 심한 분리단계에는 사용하기가 어려운 단점이 있다.
중공사형 분리막은 중공사막 안에서 밖으로 여과되는 가압방식과 그 반대방향으로의 흡입방식으로 사용할 수 있으며 생물학적 처리공정(활성슬러지법)에 적용할 때에는 그 설치 방식에 따라 폭기조 밖에 중공사막을 설치하는 외부순환식과 폭기조 내에 중공사막을 설치하여 처리하는 침적식으로 사용할 수있는데, 외부순환형의 경우에는 침적식에 비하여 에너지 비용이 커지는 단점이 있다.
이와 같은 중공사형 분리막은 보통 중공사를 다발지어 중공사막 모듈로 형성하고, 상기 중공사막 모듈을 처리하고자 하는 유체의 수조에 직접 침지시키고, 중공사막 내부에 진공을 가하여 유체가 중공사 내부로 투과하게 하여 고액을 분리하는 침지형 중공사막 모듈이 사용되고 있다. 상기 침지형 중공사막모듈은 모듈의 제조 원가를 낮출 수 있고, 유체의 순환을 위한 설비가 필요없어 시설비나 운전비의 절감을 가져올 수 있는 장점이 있다.
가장 일반적인 침지형 중공사막 모듈은, 중공사 다발의 양 말단을 접착제를 이용하여 상부 헤드 및 하부 헤드에 고정시킨 "I"자형 모듈과, 중공사 다발을 U자로 접어서 양 말단을 하나로 통합하여 상부 헤드에 고정시킨 "U"자형 모듈이 있다.
한편, 이러한 중공사형 분리막의 단점으로는, 막 오염(Membrane fouling) 문제이다. 즉, 분리막 표면에 발달하는 케이크 층(cake layer)으로 인한 유출수의 생산 속도 즉, 플럭스(flux)가 저하되는 문제점을 지니고 있기 때문이다. 일정한 플럭스를 유지하기 위해서는 주기적인 막의 물리/화학적 세척을 통한 막 오염의 제거 또는 막의 교체가 요구된다. 이것은 운전 및 유지 관리 비용이 상승하는 요인으로 작용한다.
막 오염에 의한 플럭스 감소는 일반적으로 저항(resistance) 값으로 표시되며 저항은 크게 가역 저항과 비가역 저항으로 그분된다. 일반적으로 분리막의 미세 기공이 막히는 현상은 비가역적이고, 시간이 경과함에 따라 막 표면에 형성되는 케이크 층의 퇴적으로 인한 저항은 가역적인 것으로 일려져 있다. 막 오염에서 대부분을 차지하는 가역적 저항의 제어를 위해 사용되는 전형적인 방법은 분리막 표면으로 과잉의 공기를 공급하여 발생한 전단력(shear force)으로 인해 케이크 층의 발달을 저해하는 것이다.
전술한 바와 같이, 역삼투 공정의 현장적용에 장애요인으로 작용하는 것이 바로 막오염 문제이다. 막오염이란 유입수 중에 존재하는 여러 가지 이물질들이 역삼투막의 표면에 침착되거나 흡착되어 역삼투막의 물 투과도를 감소시키는 현상이다. 막오염을 유발하는 이물질의 종류로는 부유성 입자, 콜로이드, 유기물, 미생물, 칼슘염 등의 무기염 등 다양한 종류가 있다. 따라서 이러한 다양한 오염 물질에 의한 막오염 현상을 미리 예측한다는 것은 어려운 일이다.
일반적으로 역삼투 공정과 나노여과 공정에서의 막오염 현상을 미리 예측하기 위한 방법으로는 SDI(Silt Density Index) 측정방법이 많이 사용된다. SDI는 분리막에 오염(fouling)이 일어날 수 있는 가능성을 나타내는 척도로 사용되며, 0.45㎛ 크기 망눈을 가지는 필터를 사용하여 부유물(SS, suspended solid)성분에 의해 일어나는 오염의 정도를 측정하게 되는데, 47㎜ 직경의 필터에 30 psid의 압력으로 물을 흘려 측정한다. 이때, 처음 500㎖의 물이 흐르는데 걸리는 시간(T0)을 잰 후 15분(T)이 지난 후 다시 500㎖의 물이 흐르는데 걸리는 시간(T1)을 재서, 이 두 가지 시간의 비율을 척도로 사용한다.
이와 같은 SDI 측정은 현재 역삼투 공정과 나노여과 공정에서 유입수의 막오염 경향을 예측하기 위해 가장 널리 사용되는 방법이다. 일반적으로 SDI가 3 아래면 오염은 심하지 않으며, 5 이상이 될 경우 심한 오염이 일어날 것으로 볼 수 있다. 그러나 SDI 측정은 역삼투압 분리막(RO membrane)에서 일어나는 것과 동일한 현상을 이용하는 것이 아니라는 데 한계점이 있다. 즉, SDI에서는 0.45㎛ 이상의 크기를 가지는 부유성 입자에 의한 막오염 가능성을 간접적으로 평가하게 되며, 그 이하의 크기를 가지는 콜로이드나 유기물에 의한 영향을 평가할 수 없다. 또한 역삼투압 공정이나 나노여과 공정에서는 십자형여과(crossflow) 모드로 운전되기 때문에 막오염 유발물질의 표면특성에 의한 효과가 중요한데, 이러한 것들은 SDI에서 측정이 불가능하다. 따라서 SDI 값과 실제 공정에서의 운전결과는 상이하다는 것이 많은 연구에서 밝혀졌다.
따라서 SDI를 보완하기 위한 방법으로 MFI (Modified fouling index) 등의 방법이 사용되지만, 기본적으로 MFI와 SDI는 동일한 막을 이용하기 때문에 측정할 수 있는 막오염 물질에 대한 것은 동일한 한계점을 가지고 있다.
이를 극복하기 위해서 MFI-UF(Modified fouling index - Ultrafilter)나 MFI-NF(Modified fouling index - Nanofilter) 등의 방법이 제안되었으나, 이러한 방법은 유기물에 의한 막오염을 어느 정도 예측할 수 있는데 반하여 부유성 입자에 의한 막오염 경향을 잘 예측할 수 없다는 한계가 있다.
또한 SDI나 MFI는 현장에서 실시간으로 모니터링할 수 없기 때문에 역삼투 공정을 위한 자동화 시스템에 적용하기 어렵다. 따라서 SDI나 MFI보다는 실제 공정에서 나타나는 막오염 현상을 직접 감시하고 제어하기 위한 방법이 필요하다.
전술한 바와 같이, 종래 기술에서는 역삼투 공정에서 다양한 원인에 의하여 나타나는 막오염 현상이 발생하는데, 이러한 막오염 경향을 잘 예측하기 어렵고, 또한, 실시간으로 모니터링할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래 기술의 한계와 현실적인 필요를 충족할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 역삼투 공정에서 다양한 원인에 의하여 나타나는 막오염 현상을 현장에서의 온라인 측정값과 계산을 통해서 사전에 감지하여 대응할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 개시는 기존의 SDI와 MFI에서와 같이 유입수를 필터로 여과하여 막오염 포텐셜(막오염 발생 가능성)을 측정하는 대신, 실제 역삼투 공정에서 실시간으로 측정할 수 있는 감시항목을 이용하여 막오염이 진행되는 상황을 보다 정확하게 진단할 수 있도록 한다.
구체적으로, 본 명세서의 일 개시는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치를 제공한다. 상기 실시간 모니터링 장치는 해수 처리 장치에 설치된 하나 이상의 센서로부터, 상기 해수 처리 장치 내로 유입되는 유입수에 대한 정보 및 해수 처리 장치 내에서 이송되는 물의 유량 및 압력에 대한 정보를 수신하는 송수신부와; 상기 유량 및 압력에 기초하여, 기준 단위 물에 포함된 물질의 양을 산출하여, 상기 해수 처리 장치 내의 역삼투압막 모듈의 오염도를 산출하고, 상기 산출된 오염도에 따라 진단 및 고장 대처 기능을 수행하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서의 다른 일 개시는 해수 처리 시스템을 제공한다. 상기 해수 처리 시스템은 해수처리장치와; 상기 해수처리 장치를 모니터링하는 모니터링 장치를 포함한다. 상기 해수 처리 장치는 바다로부터 취수되어 유입된 유입수를 저장하는 유입수 저장탱크, 역삼투압 작용에 의해 상기 유입수 저장 탱크로부터 공급받은 유입수를 담수화 처리하여, 처리수를 배출하는 역삼투막 모듈과, 그리고 상기 처리수를 저장하는 생산수 저장탱크와, 상기 유입수에 대한 정보를 측정하는 하나 이상의 측정 센서와, 유량 및 압력을 측정하기 위한 미터(Meter)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 모니터링 장치는 상기 측정 센서 및 상기 미터로부터 측정치를 수신하는 송수신부와, 역삼투막 모듈 내의 오염 정도를 실시간으로 산출하여, 진단 및 고장 대처 기능을 수행하는 프로세서를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 센서는: 상기 유입수의 온도, 염도, pH 중 어느 하나 이상을 측정하기 위한 제1 측정 센서와; 상기 유입수 내의 칼슘 농도를 측정하기 위한 제2 측정 센서와; 상기 유입수의 탁도를 측정하기 위한 제3 측정 센서 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 센서로부터 수신되는 유입수에 대한 정보는: 상기 유입수의 온도, 염도, pH, 상기 유입수 내의 칼슘 농도에 대한 정보, 상기 유입수의 탁도에 대한 정보 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 역삼투 막 모듈의 오염도 산출은: 상기 온도에 대한 정보, 상기 염도에 대한 정보, 상기 유입수 내의 칼슘 농도에 대한 정보 및 상기 탁도 정보 중 하나 이상에 기초하여, 상기 유입수에 용해된 물질의 농도와 상기 유입수에 용해되지 않고 부유된 물질의 농도를 산출하는 과정과; 상기 유량 및 압력에 기초하여, 기준 단위 물의 양에 용해된 물질의 농도 및 용해되지 않고 부유된 물질의 농도를 산출하는 과정과; 상기 산출된 농도에 기초하여, 상기 역삼투 막 모듈의 오염도를 산출하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 유입수에 용해된 물질의 농도와 상기 유입수에 용해되지 않고 부유된 물질의 농도를 산출하는 과정은: 상기 pH 정보 및 상기 칼슘 농도를 기초로, 상기 유입수 내에 용해된 산화칼슘의 양을 산출하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 진단 및 고장 대처 기능은: 상기 산출된 오염도 정보에 기초하여, 막 세정액을 상기 해수 처리 장치에 투입하는 양을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상기 진단 및 고장 대처 기능은: 상기 산출된 오염도 정보를 운전자에게 통지하는 것을 포함할 수 있다.
상기 막 세정액을 상기 해수 처리 장치에 투입하는 양을 조절하거나, 상기 운전자에게 통지하는 것은 상기 산출된 오염도 정보가 미리 정해진 임계값에 도달하는 경우에 수행될 수 있다.
상기 진단 및 고장 대처 기능은: 상기 오염도 정보를 기초로, 상기 해수 처리 장치 내의 역삼투 막 모듈의 투과도 변화를 계산하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 개시에 의하면 역삼투 공정에서 다양한 원인에 의하여 나타나는 막오염 현상이 발생하는데, 이러한 막오염 경향을 용이하게 예측할 수 있도록 하고, 또한 실시간으로 모니터링할 수 있도록 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 역삼투 막의 막오염 조기진단 기능을 가지는 해수담수화장치는 역삼투 공정에서 다양한 원인에 의하여 나타나는 막오염 현상을 항상 감시함으로써, 역삼투 공정의 운전상태에 대한 진단과 전처리 공정에 대한 점검이 가능한 효과를 가진다.
또한 현장 운전자가 용이하게 해수담수화 역삼투 공정을 운전할 수 있도록 하며, 막오염의 진행상황에 따라서 막세정 주기를 자동적으로 결정할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
도 1은 역삼투 막의 막오염 조기진단 기능을 가지는 해수담수화장치의 구성을 보여주는 개략적인 모식도가 도시되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 역삼투압 막 진단 및 처리 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 도 2에 도시된 오염도 산출 과정을 상세하게 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 역삼투압 막 진단 및 처리 과정을 나타낸 또 다른 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 역삼투압 막 진단 및 처리 과정을 나타낸 또 다른 흐름도이다.
도 6은 스케일 형성에 의하여 막오염이 진행되는 경우 막오염이 베셀 내 각 엘리먼트에서 진행되는 상황을 감시하는 것에 대한 예시이다.
도 7은 입자성 물질의 침적에 의하여 막오염이 진행되는 경우 막오염이 베셀 내 각 엘리먼트에서 진행되는 상황을 감시하는 것에 대한 예시이다
도 8은 본 발명의 따른 모니터링 장치(200)의 구성 블록도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 역삼투 막의 막오염 조기진단 기능을 가지는 해수담수화장치의 구성을 보여주는 개략적인 모식도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명에 따르면 해수담수화장치(100)와 모니터링 장치(200)가 제시된다.
해수담수화장치(100)는 크게 유입수 저장탱크(110), 역삼투막 모듈 베셀(140), 생산수 저장탱크(160)를 포함한다.
상기 유입수 저장탱크(110)는 외부로부터 유입된 해수(“유입수”)를 저장한다. 이때, 상기 유입수 저장탱크(110)는 바다로부터 취수되어 전처리 과정을 거친 유입수를 저장할 수 있다. 한편, 상기 바다로부터 해수를 취수하여 상기 유입수 저장 탱크(110)로 유입하기 위한 펌프가 추가적으로 설치될 수 있다.
상기 유입수 저장 탱크(110)는 해수가 저장되기 때문에, 부식 방지를 위해 내부 도료가 코팅되어 있다. 또는, 상기 유입수 저장 탱크(110)는 내식성이 강한 재료로 제조될 수 있다.
상기 역삼투막 모듈 베셀(140)은 역삼투막 모듈을 구비하여, 상기 유입수 저장 탱크(110)로부터의 유입수가 통과될 때 역삼투압 작용에 의해 유입수를 담수화하여 배출한다. 이와 같이 역삼투 작용에 의해 해수를 담수화시키는 역삼투막 모듈 베셀(140)은 본 발명의 핵심적인 내용은 아니므로, 이하 상세하게 설명하지 않기로 한다. 다만, 상기 역삼투막 모듈 베셀(140)의 종류나 구조는 당업자라면, 본 명세서 및 종래의 기술을 습득하면, 다양하게 변형가능한 것으로 이해할 수 있는 바, 본 명세서에서는, 그 종류나 구조를 특별하게 한정하지 않기로 한다.
상기 생산수 저장 탱크(160)은 상기 담수화되어 생산된 물을 저장한다. 상기 생산수 저장 탱크(160)에는 염분이 없기 때문에, 염분에 의한 부식을 방지하기 위한 도료가 코팅될 필요가 없다.
이상에서는, 상기 해수담수화장치(100)가 크게 유입수 저장탱크(110), 역삼투막 모듈 베셀(140), 생산수 저장탱크(160)를 포함하는 것으로 설명하였다. 이하에서는, 상기 해수담수화장치(100)의 세부적인 구성들에 대해서 설명하기로 한다.
상기 유입수 저장탱크(110) 내에는 하나 이상의 센서(111, 112, 113)가 설치된다. 예컨대, 상기 유입수 저장탱크(110) 내에는 온도, 전도도 및 pH 중 하나 이상을 측정하기 위한 제1 측정 센서(111)가 설치될 수 있다. 또한, 상기 유입수 저장탱크(110) 내에는 해수 성분을 측정하기 위한 제2 측정 센서(112)가 설치될 수 있다. 상기 제2 측정 센서(112)는 예컨대 칼슘 이온 선택성 전극(112)일 수 있다. 또한, 상기 유입수 저장 탱크(110)에는 부유물을 측정하기 위한 제3 센서, 예컨대 탁도 특정 센서(113)가 설치될 수 있다. 상기 탁도 측정 센서(113)는 상기 유입수 저장탱크(110)내로 유입되는 해수의 탁도를 측정한다.
이와 같은 센서(111, 112, 113)에 의해 측정된 값들은 상기 모니터링 장치(200)으로 전송된다. 예를 들어, 상기 제1 측정 센서(111)는 유입수의 온도, 염도, pH를 측정하여, 상기 모니터링 장치(200)로 전송할 수 있다. 또한, 상기 제2 측정 센서(112)는 유입수 내의 칼슘농도를 측정하여, 상기 모니터링 장치(200)로 전송할 수 있다. 또한, 상기 탁도 측정 센서(113)에 의해 측정된 탁도는 상기 모니터링 장치(200)로 전송되어 저장되며, 유입 원수의 입자성 물질에 대한 상대적인 양을 측정하는 지표인자로 활용된다.
한편, 상기 유입수 탱크(110)에 저장된 해수를 상기 역삼투막 베셀(140)로 가압하여 이송하기 위해, 상기 유입수 저장 탱크(110)와 상기 역삼투막 베셀(140) 사이에는 제1 고압 펌프(120)가 추가로 설치될 수 있다.
이때, 상기 유입수 탱크(110)로부터 상기 역삼투막 베셀(140)로 이송되는 해수의 유량을 측정하기 위한 제1 유량계(130), 예컨대 제1 전자식 유량계가 상기 유입수 탱크(110)와 상기 역삼투막 베셀(140)사이에 설치될 수 있다. 상기 제1 고압 펌프(120)가 설치되는 경우, 상기 제1 유량계(130)은 상기 제1 고압 펌프(120)의 후단, 즉 상기 제1 고압 펌프(120)와 상기 역삼투막 베셀(140) 사이에 설치될 수 있다.
추가적으로, 상기 유입수 탱크(110)로부터 상기 역삼투막 베셀(140)로 이송되는 해수의 압력을 측정하기 위한 제1 압력계(131), 예컨대 제1 전자식 압력계(131)가 상기 유입수 탱크(110)와 상기 역삼투막 베셀(140)사이에 설치될 수 있다. 상기 제1 고압 펌프(120)가 설치되는 경우, 상기 제1 압력계(131)은 상기 제1 고압 펌프(120)의 후단, 즉 상기 제1 고압 펌프(120)와 상기 역삼투막 베셀(140) 사이에 설치될 수 있다. 또한, 상기 제1 유량계(130)가 설치되는 경우, 상기 제1 압력계(131)는 상기 제1 유량계(130)의 후단에 설치될 수 있다.
한편, 상기 역삼투막 베셀(140)에 의해 담수화된 처리수는 생산수 저장탱크(160)에 저장된다. 이때, 상기 역삼투막 베셀(140)에 의해 담수화되어 상기 생산수 저장탱크(160)로 이송되는 물의 유량을 측정하기 위한 제2 유량계(150), 예컨대 제2 전자식 유량계(150)가 상기 역삼투막 베셀(140)과 상기 생산수 저장탱크(160) 사이에 설치될 수 있다.
추가적으로, 상기 역삼투막 베셀(140)에 의해 담수화되어 이송되는 물의 압력을 측정하기 위한 제2 압력계(151), 예컨대 제2 전자식 압력계(151)가 설치될 수 있다. 이때, 상기 제2 압력계(151)는 상기 역삼투막 베셀(140)과 상기 생산수 저장탱크(160) 사이에 설치될 수 있다. 그러나, 상기 생산수 저장 탱크(160) 내에 담수화된 물이 꽉차게 저장되어 있지 않다면, 그 압력은 측정이 어려우므로, 상기 제2 압력계(151)의 입력단은 상기 역삼투막 베셀(140)의 출력단과 연결되고, 상기 제2 압력계(152)의 출력단이 역압 밸브(152)에 연결됨으로써, 상기 제2 압력계(152)는 상기 역압 밸브(152)에 의해서 역으로 흐르는 물의 압력을 측정하게 된다.
한편, 상기 생산수 저장 탱크(160)에는 수질 센서(161)가 설치된다. 상기 수질 센서(161)는 농축수의 수질을 나타내는 하나 이상의 값을 측정하여, 상기 모니터링 장치(200)으로 전송된다.
한편, 상기 역삼투막 베셀(140)의 역삼투압막이 오염되면, 그 성능이 열화되므로, 이를 방지하기 위해, 막 세정액이 상기 유입수 저장 탱크(110) 내에 투입될 수 있다. 이를 위해, 상기 유입수 저장 탱크(110) 내에 막 세정액 저장 탱크(170)로부터의 막 세정액이 투입된다. 상기 막 세정액의 투입량은 도시된 막 세정액 투임 펌프(180)에 의해서 조절될 수 있다. 상기 막 세정액의 투입량을 조정하기 위해 상기 막 세정액 투입 펌프(180)를 구동하는 것은 상기 모니터링 장치(200)에 의해서 제어된다.
상기 모니터링 장치는 상기 막 세정액 투입 펌프(180)를 구동하기 위해서, 전술한 제1 내지 제3 센서들의 측정 결과를 이용할 수 있다.
이하 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 모니터링 장치(200)는 상기 제1 측정 센서(111)로부터 유입수의 온도, 염도, pH에 대한 측정 결과를 수신한다. 그리고, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 제2 측정 센서(112)로부터 유입수 내의 칼슘농도에 대한 측정치를 수신한다. 또한, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 탁도 측정 센서(113)에 의해 측정된 탁도에 대한 정보를 수신한다.
그리고, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 제1 유량계(130) 및 제1 압력계(131)로부터 상기 역삼투막 베셀(140)로 유입되는 유입수의 압력 및 유량에 대한 정보를 수신한다.
또한, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 제2 유량계(150) 및 제2 압력계(151)로부터 상기 역삼투막 베셀(140)에 의해 처리되는 처리수의 유량 및 압력에 대한 정보를 수신한다.
또한, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 생산수 저장 탱크(160) 내의 센서(161)로부터 상기 생산수 저장 탱크(160)에 저장된 농축수에 대한 수질 측정 값을 수신한다.
이와 같이, 상기 모니터링 장치(200)가 여러 센서들로부터 정보를 획득한 후에는, 상기 유입수, 상기 처리수 및 농축수에 대한 시간에 따른 센서 측정자료를 근거로 하여 막오염 진행상황을 진단하게 된다.
이러한, 막 오염 진행 상황의 진단에 대해서, 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 역삼투압 막 진단 및 처리 과정을 나타낸 흐름도이며, 도 3은 도 2에 도시된 오염도 산출 과정을 상세하게 나타낸 흐름도이다. 한편, 도 6은 스케일 형성에 의하여 막오염이 진행되는 경우 막오염이 베셀 내 각 엘리먼트에서 진행되는 상황을 감시하는 것에 대한 예시이고, 도 7은 입자성 물질의 침적에 의하여 막오염이 진행되는 경우 막오염이 베셀 내 각 엘리먼트에서 진행되는 상황을 감시하는 것에 대한 예시이다
도 2를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 모니터링 장치(200)는 전술한 센서들로부터 측정값을 획득한다(S110). 즉, 전술한 바와 같이, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 제1 측정 센서(111)로부터 유입수의 온도, 염도, pH에 대한 측정 결과를 수신한다. 그리고, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 제2 측정 센서(112)로부터 유입수 내의 칼슘농도에 대한 측정치를 수신한다. 또한, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 탁도 측정 센서(113)에 의해 측정된 탁도에 대한 정보를 수신한다. 그리고, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 제1 유량계(130) 및 제1 압력계(131)로부터 상기 역삼투막 베셀(140)로 유입되는 유입수의 압력 및 유량에 대한 정보를 수신한다. 또한, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 제2 유량계(150) 및 제2 압력계(151)로부터 상기 역삼투막 베셀(140)에 의해 처리되는 처리수의 유량 및 압력에 대한 정보를 수신한다. 또한, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 생산수 저장 탱크(160) 내의 센서(161)로부터 상기 생산수 저장 탱크(160)에 저장된 농축수에 대한 수질 측정 값을 수신한다.
이어서, 상기 모니터링 장치(200)는 역삼투압 막의 오염도를 산출한다(S120).
상기 막 오염도 산출 과정(S120)은 도 3을 참조하면 보다 구체적으로 나타나 있다.
도 3을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 모니터링 장치(200)는 유입되는 해수 내에 포함된 부유물의 양을 산출한다(S121). 구체적으로, 상기 부유물 양의 산출(S121)은 상기 제2 측정 센서(112)로부터 유입수 내의 칼슘농도에 대한 측정치와 상기 탁도 측정 센서(113)로부터의 탁도 정보 중 하나 이상에 기초하여 수행될 수 있다.
한편, 상기 부유물이라 함은 상기 해수에 용해되지 않고 부유되어 있는 입자에 대한 양이다. 따라서, 해수에 용해되어 있는 입자의 양을 아는 것도 중요하다. 이와 같이 상기 해수에 얼마나 용해되어 있는지는, 상기 제1 측정 센서(111)로부터 측정된 온도에 대한 정보에 기초하여 판단될 수 있다. 또한, 상기 칼슘은 염화 나트륨과 화학반응을 하므로, 상기 제1 센서로부터 염도에 대한 측정치를 획득한다. 또한, 상기 칼슘은 산화칼슘(CaO)이 물에 얼마나 용해되어 이온화되어 있는지에 따라서 pH가 결정되므로, 상기 제1 센서로부터 pH에 대한 측정 결과를 획득한다.
이와 같이, 부유물의 양과 이온화되어 있는 입자의 양은 해수의 단위 용량에 기초하여 산출되어야 하므로, 상기 제1 유량계(130) 및 제1 압력계(131)로부터 측정된 정보에 기초하여, 상기 역삼투 막 베셀(140)로 유입되는 단위 시간당 해수의 양을 측정하고, 상기 단위 시간당 해수의 양에 기초하여, 상기 부유물의 양 및 이온화된 입자의 양을 산출한다(S122).
이와 같이, 상기 역삼투 막 베셀(140)로 유입되는 단위 시간당 상기 부유물의 양 및 이온화된 입자의 양에 기초하여, 상기 역삼투 막 베셀(140)의 오염도를 실시간으로 산출한다(S123). 만약, 단위 시간당 상기 부유물의 양 및 이온화된 입자의 양이 많다면, 상기 역삼투 막 베셀(140)의 오염도는 증가할 것이다. 즉, 도 6 및 도 7을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 시간이 지날수록 스케일 형성에 의하여 막오염이 증가하거나 혹은 입자성 물질의 침적에 의하여 막오염이 진행되는 경우, 상기 역삼투 막 베셀(140) 내의 각 엘리먼트의 투과성(permeability)은 점차 감소되는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 투과성이 점차 감소함에 따라, 상기 해수담수화처리장치(100)이 처리 용량은 급격하게 줄어들게 된다.
이와 같이, 상기 역삼투 막 베셀(140)의 오염도가 실시간으로 산출되면, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 제2 유량계(150) 및 제2 압력계(151)로부터 상기 역삼투막 베셀(140)에 의해 처리되는 처리수의 유량 및 압력에 대한 정보에 기초하여, 단위 시간당 담수화 처리 비율을 산출한다(S130).
만약, 상기 역삼투 막 베셀(140)의 오염도의 증가로 인하여, 단위 시간당 담수화 처리 비율이 감소하는 경우, 상기 모니터링 장치(200)는 진단 및 처리 기능을 수행한다(S140). 즉, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 막 세정액 투입 펌프(180)를 제어하여, 상기 막 세정액의 투입량을 증가시켜, 상기 유입수 저장 탱크(110)로 투입한다.
도 4는 본 발명에 따른 역삼투압 막 진단 및 처리 과정을 나타낸 또 다른 흐름도이다.
도 4를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 모니터링 장치(200)는 전술한 센서들로부터 측정값을 획득하고(S210), 역삼투압 막의 오염도를 산출한다(S220).
그리고, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 역삼투압 막의 오염도의 오염도가 임계값 이상인지 판단한다(S230).
만약, 상기 역삼투압 막의 오염도의 오염도가 임계값 이상인 경우, 상기 모니터링 장치(200)는 고장 대처 처리를 수행한다(S240).
예를 들어, 상기 역삼투압 막의 오염도의 오염도가 임계값 이상인 경우, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 센서들이 고장인지 진단한다. 만약, 특정 센서가 이상이 있다고 판단되는 경우, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 특정 센서의 보정을 수행한다. 상기 센서의 보정은 미리 정해진 값에 따라서 수행될 수 있다. 한편, 상기 특정 센서의 보정을 위해, 전술한 각 센서들은 이중으로 구현될 수 있다.
다른 예로서, 상기 역삼투압 막의 오염도의 오염도가 임계값 이상인 경우, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 역삼투압 막의 교체 또는 분리 세정이 필요하다고 결정할 수 있다. 상기 역삼투압 막의 교체 또는 분리 세정이 필요하다고 결정되는 경우, 상기 모니터링 장치(200)는 그 시기를 산출하고, 관리자에게 알림할 수 있다. 구체적으로, 상기 모니터링 장치(200)는 그 교체 또는 세정 시기를 관리자에게 메시지, 또는 이메일로 전달할 수 있다.
이와 같이, 상기 역삼투압 막의 오염도의 오염도가 임계값 이상이여서, 상기 해수담수화처리장치(100)이 처리 용량이 감소되거나, 또는 특정한 역삼투압 막의 교체 또는 분리 세정으로 인하여 운행이 중단될 수 있는 경우, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 해수담수화처리장치(100) 내의 다른 역삼투압 베셀에 처리 용량을 증가시키도록 제어할 수 있다. 또는 상기 모니터링 장치(200)는 다른 해수담수화처리장치를 제어하여 처리 용량을 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 역삼투압 막 진단 및 처리 과정을 나타낸 또 다른 흐름도로서, 도 5를 참조하면 상기 모니터링 장치(200)는 중앙 관리 서버(300)와 연결되는 것으로 나타나 있다.
구체적으로, 상기 모니터링 장치(200)는 센서로부터 측정값을 획득하고(S310), 역삼투압 막의 오염도를 산출한 후(S320), 상기 산출된 오염도를 상기 중앙관리 서버(300)로 전송한다.
상기 중앙관리 서버(300)는 상기 역삼투압 막의 오염도를 수신하면(S340), 관리 진단 기능을 수행한다(S350),
예컨대, 상기 중앙관리 서버(300)는 상기 막 세정액의 투입량을 증가시키라는 명령을 상기 모니터링 장치(200)로 전송할 수 있다. 이러한 명령에 의하여, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 막 세정액 투입 펌프(180)를 제어하여, 상기 막 세정액의 투입량을 증가시켜, 상기 유입수 저장 탱크(110)로 투입할 수 있다.
다른 예로서, 상기 중앙관리 서버(300)는 상기 역삼투압 막의 오염도의 오염도가 임계값 이상인 경우, 상기 중앙관리 서버(300)는 상기 센서들이 고장인지 진단한다. 만약, 특정 센서가 이상이 있다고 판단되는 경우(S360), 상기 중앙관리 서버(300)는 상기 특정 센서의 보정을 위한 명령을 상기 모니터링 장치(200)로 전송할 수 있다.
도 8은 본 발명의 따른 모니터링 장치(200)의 구성 블록도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 상기 모니터링 장치(200)는 저장수단(210), 컨트롤러(220), 송수신부(230)을 포함한다.
상기 저장 수단(210)은 도 2 내지 도 5에 도시된 방법을 저장한다.
상기 컨트롤러(220)는 상기 저장 수단 및 상기 송수신부를 각기 제어한다. 구체적으로 상기 컨트롤러들은 상기 저장 수단에 각기 저장된 상기 방법들을 실행한다. 그리고 상기 컨트롤러는 상기 송수신부를 통해 상기 센서로부터 측정값들을 수신하고, 상기 송수신부를 통해 제어 명령을 전달할 수 있다.
이상에서 설명한, 본 발명에 의하면, 역삼투 공정에서 다양한 원인에 의하여 나타나는 막오염 현상을 용이하게 예측할 수 있도록 하고, 또한 실시간으로 모니터링할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한, 본 발명에 의하면, 역삼투 공정에서 항상 감시함으로써, 역삼투 공정의 운전상태에 대한 진단과 전처리 공정에 대한 점검이 가능한 효과를 가진다.
또한 현장 운전자가 용이하게 해수담수화 역삼투 공정을 운전할 수 있도록 하며, 막오염의 진행상황에 따라서 막세정 주기를 자동적으로 결정할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 해수 처리 장치에 설치된 하나 이상의 센서로부터, 상기 해수 처리 장치 내로 유입되는 유입수에 대한 정보 및 해수 처리 장치 내에서 이송되는 물의 유량 및 압력에 대한 정보를 수신하는 송수신부와;
    상기 유량 및 압력에 기초하여, 기준 단위 물에 포함된 물질의 양을 산출하여, 상기 해수 처리 장치 내의 역삼투압막 모듈의 오염도를 산출하고, 상기 산출된 오염도에 따라 진단 및 고장 대처 기능을 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서는
    상기 유입수의 온도, 염도, pH 중 어느 하나 이상을 측정하기 위한 제1 측정 센서와;
    상기 유입수 내의 칼슘 농도를 측정하기 위한 제2 측정 센서와;
    상기 유입수의 탁도를 측정하기 위한 제3 측정 센서 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 센서로부터 수신되는 유입수에 대한 정보는
    상기 유입수의 온도, 염도, pH, 상기 유입수 내의 칼슘 농도에 대한 정보, 상기 유입수의 탁도에 대한 정보 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 역삼투 막 모듈의 오염도 산출은
    상기 온도에 대한 정보, 상기 염도에 대한 정보, 상기 유입수 내의 칼슘 농도에 대한 정보 및 상기 탁도 정보 중 하나 이상에 기초하여, 상기 유입수에 용해된 물질의 농도와 상기 유입수에 용해되지 않고 부유된 물질의 농도를 산출하는 과정과;
    상기 유량 및 압력에 기초하여, 기준 단위 물의 양에 용해된 물질의 농도 및 용해되지 않고 부유된 물질의 농도를 산출하는 과정과;
    상기 산출된 농도에 기초하여, 상기 역삼투 막 모듈의 오염도를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유입수에 용해된 물질의 농도와 상기 유입수에 용해되지 않고 부유된 물질의 농도를 산출하는 과정은:
    상기 pH 정보 및 상기 칼슘 농도를 기초로, 상기 유입수 내에 용해된 산화칼슘의 양을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 진단 및 고장 대처 기능은
    상기 산출된 오염도 정보에 기초하여, 막 세정액을 상기 해수 처리 장치에 투입하는 양을 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 진단 및 고장 대처 기능은
    상기 산출된 오염도 정보를 운전자에게 통지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 막 세정액을 상기 해수 처리 장치에 투입하는 양을 조절하거나, 상기 운전자에게 통지하는 것은 상기 산출된 오염도 정보가 미리 정해진 임계값에 도달하는 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 진단 및 고장 대처 기능은
    상기 오염도 정보를 기초로, 상기 해수 처리 장치 내의 역삼투 막 모듈의 투과도 변화를 계산하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 장치를 위한 실시간 모니터링 장치.
  10. 해수처리장치와;
    상기 해수처리 장치를 모니터링하는 모니터링 장치를 포함하여 구성되고,
    상기 해수 처리 장치는 바다로부터 취수되어 유입된 유입수를 저장하는 유입수 저장탱크, 역삼투압 작용에 의해 상기 유입수 저장 탱크로부터 공급받은 유입수를 담수화 처리하여, 처리수를 배출하는 역삼투막 모듈과, 그리고 상기 처리수를 저장하는 생산수 저장탱크와, 상기 유입수에 대한 정보를 측정하는 하나 이상의 측정 센서와, 유량 및 압력을 측정하기 위한 미터(Meter)를 포함하고,
    상기 모니터링 장치는 상기 측정 센서 및 상기 미터로부터 측정치를 수신하는 송수신부와, 역삼투막 모듈 내의 오염 정도를 실시간으로 산출하여, 진단 및 고장 대처 기능을 수행하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 측정 센서는
    상기 유입수의 온도, 염도, pH 중 어느 하나 이상을 측정하기 위한 제1 측정 센서와;
    상기 유입수 내의 칼슘 농도를 측정하기 위한 제2 측정 센서와;
    상기 유입수의 탁도를 측정하기 위한 제3 측정 센서 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 진단 및 고장 대처 기능은
    상기 산출된 오염도 정보에 기초하여, 막 세정액을 상기 해수 처리 장치에 투입하는 양을 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 시스템
  13. 제1항에 있어서, 상기 진단 및 고장 대처 기능은
    상기 산출된 오염도 정보를 운전자에게 통지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 막 세정액을 상기 해수 처리 장치에 투입하는 양을 조절하거나, 상기 운전자에게 통지하는 것은 상기 산출된 오염도 정보가 미리 정해진 임계값에 도달하는 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 해수 처리 시스템.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 역삼투막 모듈로부터 배출되어 상기 생산수 저장탱크로 유입되는 처리수의 유량 및 압력을 측정하기 위한 미터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수 처리 시스템.
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