KR20130140370A - 압력조절 정삼투 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력조절 정삼투 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 정삼투 공정에서 생산되는 처리수의 유량을 일정하게 유지하기 위하여 작동압력과 유도용액의 농도를 자동적으로 제어할 수 있는 압력조절 정삼투 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

압력조절 정삼투 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING PRESSURE BY FORWARD OSMOSIS}
본 발명은 압력조절 정삼투 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 정삼투 공정에서 생산되는 처리수의 유량을 일정하게 유지하기 위하여 작동압력과 유도용액의 농도를 자동적으로 제어할 수 있는 압력조절 정삼투 방법 및 장치에 관한 것이다.
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 기수에 함유되어 있는 성분을 역삼투막을 이용하여 처리수와 농축수로 분리시키는 방법이며, 처리수는 성분 농도를 희박하게 하여 용수 및 음용수로 활용되고 농축수는 다시 바다로 배출된다. 역삼투법은 해수나 기수의 담수화 이외에도 지표수 및 지하수의 처리, 산업폐수의 처리, 무방류 재이용 등의 분야에서도 널리 활용되고 있다.
역삼투막이 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 20~30기압(kgf/㎠)이다. 즉, 해수에서 소량의 담수를 획득하기 위해서는 기본적으로 20기압 이상의 압력을 가해주어야 하며, 실제 해수담수화 플랜트에서는 농축율을 고려해서 50기압 이상의 압력을 가해주어야 한다. 이와같이 높은 압력을 유입수에 가하기 위해서는 고압펌프를 이용하는데, 고압펌프의 모터를 구동하기 위한 에너지는 1㎥의 담수를 생산하기 위해 약 6~10㎾/㎥을 필요로 한다. 최근에는, 역삼투 공정에 사용되는 에너지를 절감하기 위한 에너지 회수장치가 개발되어 적용되고 있으나, 이 경우에도 고압펌프의 모터를 구동하기 위해 필요한 에너지는 약 3㎾/㎥ 이상이다.
최근들어 역삼투법의 한계를 극복하기 위한 방법으로 정삼투법이 검토되고 있다. 정삼투법은 역삼투법과 달리 고압펌프 대신에 고농도의 유도용액을 이용하여 해수와 기수로부터 처리수를 생산하는 방법이다. 정삼투법은 높은 압력을 사용하지 않으므로, 유입수의 처리를 위해 필요한 에너지는 역삼투법에 비하여 상대적으로 낮다. 반면에 정삼투막을 거쳐 생산된 물은 유도용액과 혼합되어 있으므로, 추가적인 분리공정을 거쳐서 최종 처리수가 생산된다.
정삼투법은 역삼투법에 비하여 낮은 에너지로 물을 생산할 수 있는 가능성이 있지만, 유도용액의 삼투압 방식으로 물을 생산하기 때문에 공정을 운전하는데 여러 가지 어려움이 발생한다. 정삼투법에서의 처리수의 생산유량은 유도용액과 유입수와의 삼투압의 차이에 비례한다. 즉, 높은 농도의 유도용액을 사용하면 더 많은 처리수를 생산할 수 있다. 따라서 유입수의 이온농도나 변동하거나 유도용액의 농도가 변화하면 정삼투막의 처리수 생산유량이 달라지게 된다.
또한 정삼투 처리수의 유량은 막의 투과도에 비례하며, 온도가 증가하면 증가하는 경향을 보인다. 따라서 막이 오염되어 투과도가 감소하게 되면 처리수의 생산량이 급격하게 감소된다. 유입수의 온도가 낮아지는 경우에도 막의 투과도가 감소하여 처리수의 생산량이 크게 감소하게 된다.
따라서 정삼투법에서 처리수 유량을 안정적으로 유지하는 것은 현재의 기술로서는 어렵다는 것을 알 수 있다. 역삼투법의 경우에는 고압펌프를 조절하여 운전압력을 변화시킴으로써 유입수 변동이나 막오염에 대응하여 일정한 처리수 유량을 유지할 수 있다. 그러나 정삼투법은 유도용액의 농도를 변화시켜야 하는데 이를 통해서 처리수 유량을 정확하게 제어하는 것은 현재의 기술로는 불가능하다.
(선행기술 1) 국내 공개특허공보 10-2011-0067748호 (선행기술 2) 국내 공개특허공보 10-2011-0084615호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 정삼투 공정에서 생산되는 처리수의 유량을 일정하게 유지하기 위하여 작동압력과 유도용액의 농도를 자동적으로 제어할 수 있도록 하는 압력조절 정삼투 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
유입수가 저장되는 유입수 저장조와; 유도용질 수용액인 고농도 유도용액이 저장되어 있는 고농도 유도용액 저장조와; 상기 고농도 유도용액 저장조로부터 고농도 유도용액을 공급받아 이보다 상대적으로 농도가 낮은 일정 수준의 농도를 갖는 유도용액이 저장되는 유도용액 저장조와; 유입수와, 유도용액을 각각 공급받아 정삼투압 방식으로 유입수를 여과하여 처리수를 생산하고, 외부로부터 압력이 가해지면 가압 방식으로 처리수를 생산하는 정삼투막 모듈과; 상기 정삼투막 모듈로부터 배출되는 처리수를 공급받아 처리수로부터 순수한 물인 여과수를 분리하여 외부로 배출하고, 유도용질을 농축하여 상기 유도용액 저장조로 배출하는 유도용질 농축모듈과; 상기 유입수 저장조와 상기 정삼투막 모듈 사이의 배관 상에 설치되어 외부의 제어에 따라 압력이 조절되어 상기 정삼투막 모듈에 압력을 제공하는 고압 펌프와; 유입수, 농축수, 여과수의 유량을 측정하는 복수의 유량계와; 유입수, 농축수, 처리수, 유도용액의 압력을 측정하는 복수의 압력계와; 유입수, 농축수, 유도용액의 전도도와 온도를 측정하는 복수의 전도도/온도 측정 센서와; 상기 정삼투막 모듈에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 외부의 제어에 따라 개폐도가 조절되어 상기 정삼투막 모듈에 가해지는 압력을 조절하는 역압 밸브와; 상기 유량계, 압력계 및 전도도/온도 측정 센서로부터 측정되는 값들을 실시간으로 모니터링하여 데이터베이스로 저장하고, 유량, 압력, 전도도/온도가 기준값에 미달되면 상기 고압 펌프와 역압 밸브를 제어하여 처리수의 생산량을 증가시키고, 상기 고압 펌프와 역압 밸브의 제어로도 처리수의 생산량이 증가되지 못하면 상기 고농도 유도용액 저장조에 저장된 고농도 유도용액을 상기 유도용액 저장조로 공급하여 삼투압 차이를 증가시켜 처리수의 생산량을 증가시키는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 압력조절 정삼투 장치는 상기 고농도 유도용액 저장조와 유도용액 저장조 사이의 배관 상에 설치되어 상기 고농도 유도용액 저장조의 고농도 유도용액을 상기 유도용액 저장조로 공급하는 주입 펌프와; 상기 유도용액 저장조와 상기 유도용질 농축모듈 사이의 배관 상에 설치되어 상기 유도용액 저장조의 유도용액을 상기 유도용질 농축모듈로 공급하는 유도용액 공급펌프를 더 포함한다.
여기에서 또한, 상기 유량계는 상기 유입수 저장조와 상기 정삼투막 모듈 사이의 배관 상에서 설치되어 유입수의 유량을 측정하는 유입수 유량계와; 상기 정삼투막 모듈에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 유량을 측정하는 농축수 유량계; 및 상기 유도용질 농축모듈에서 배출되는 여과수 배관 상에 설치되어 여과수의 유량을 측정하는 여과수 유량계로 구성된다.
여기에서 또, 상기 압력계는 상기 유입수 저장조와 상기 정삼투막 모듈 사이의 배관 상에서 설치되어 유입수의 압력을 측정하는 유입수 압력계와; 상기 정삼투막 모듈에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 압력을 측정하는 농축수 압력계와; 상기 유도용액 저장조와 정삼투막 모듈 사이의 배관 상에 설치되어 유도용액의 압력을 측정하는 유도용액 압력계와; 상기 정삼투막 모듈과 유도용질 농축모듈 사이의 배관 상에 설치되어 처리수의 압력을 측정하는 처리수 압력계로 구성된다.
여기에서 또, 상기 전도도/온도 측정 센서는 상기 유입수 저장조 내에 설치되어 유입수의 전도도와 온도를 측정하는 제 1전도도/온도 측정 센서와; 상기 정삼투막 모듈에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 전도도와 온도를 측정하는 제 2전도도/온도 측정 센서; 및 상기 유도용액 저장조 내에 설치되어 유도용액의 전도도와 온도를 측정하는 제 3전도도/온도 측정 센서로 구성된다.
여기에서 또, 상기 정삼투막 모듈은 폴리아미드 계열 또는 셀룰로즈 트리아세테이트 계열이고, 비대칭 또는 대칭형이며, 평막 또는 중공사 형태의 구조를 가지고, 10~100kgf/㎠ 압력에서 운전이 가능하다.
여기에서 또, 상기 유도용액 저장조의 유도용액 농도는 0.5~5M이다.
여기에서 또, 상기 고압 펌프는 1~15kgf/㎠의 압력으로 상기 정삼투막 모듈의 처리수 유량을 1~50%로 증가시킨다.
여기에서 또, 상기 제어부는 초기 운전시 상기 역압 밸브를 완전 개방시키고, 상기 고압 펌프를 정삼투에 필요한 최저 압력값으로 동작시켜 유도용액과 유입수의 삼투압 차이에 의해서만 처리수가 생산하도록 한다.
여기에서 또, 상기 제어부는 유량, 압력, 전도도/온도와 기준값의 차이에 따른 고압 펌프의 압력과, 역압 밸브의 개폐도가 룩-업 테이블 형태로 기 저장된다.
본 발명의 다른 특징은,
상기의 압력조절 정삼투 장치를 이용한 압력조절 정삼투 방법에 있어서, 초기 운전시 상기 역압 밸브를 완전 개방시키고, 상기 고압 펌프를 정삼투에 필요한 최저 압력값으로 동작시킨 상태에서 유도용액 공급펌프을 동작시켜 상기 정삼투막 모듈에서 유도용액과 유입수의 삼투압 차이에 의해서만 처리수가 생산되도록 하는 정삼투막 여과 공정과; 처리수, 농축수, 유도용액의 유량, 압력, 전도도/온도를 제어부에서 실시간으로 모니터링하여 데이터베이스로 저장하는 모니터링 공정과; 상기 제어부에서 모니터링 결과 유량, 압력, 전도도/온도가 기준값에 미달되면 상기 고압 펌프의 압력을 증대시키고, 역압 밸브의 개폐도를 조절하여 처리수의 생산량을 증가시키는 가압 여과 공정; 및 상기 가압 여과 공정을 수행하여도 처리수의 생산량이 미증가되면 상기 제어부에서 주입 펌프를 동작시켜 고농도 유도용액 저장조에 저장된 고농도 유도용액을 유도용액 저장조로 공급하여 삼투압 차이를 증가시켜 처리수의 생산량을 증가시키는 유도용액 농도 조정 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 압력조절 정삼투 방법 및 장치에 따르면, 유입수의 유량과 온도변화 및 정삼투막의 막오염과 상관없이 정삼투법에 의하여 생산되는 처리수의 유량을 일정하게 유지함으로써 안정적인 물의 생산이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압력조절 정삼투 장치의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압력조절 정삼투 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력조절 정삼투 장치의 수온과 압력의 변화시 회수율과 에너지 사용량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력조절 정삼투 장치의 막의 투과도와 압력의 변화시 회수율과 에너지 사용량을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 압력조절 정삼투 장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 압력조절 정삼투 장치의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압력조절 정삼투 장치(1)는, 유입수 저장조(10)와, 고농도 유도용액 저장조(20)와, 유도용액 저장조(30)와, 정삼투막 모듈(40)과, 유도용질 농축모듈(50)과, 고압 펌프(Pa)와, 유량계(F1~F3)와, 압력계(P1~P4)와, 전도도/온도 측정 센서(S1~S3)와, 역압 밸브(V1)와, 제어부(60)와, 주입 펌프(Pb) 및 유도용액 순환펌프(Pc)로 구성된다.
먼저, 유입수 저장조(10)는 해수, 기수, 하수, 하수처리수 등과 같은 유입수가 저장된다.
그리고, 고농도 유도용액 저장조(20)는 유도용질 수용액인 고농도 유도용액이 저장된다. 여기에서, 고농도 유도용액 저장조(20)의 고농도 유도용액 농도는 5M 이상을 갖는다.
또한, 유도용액 저장조(30)는 고농도 유도용액 저장조(20)로부터 고농도 유도용액을 공급받아 이보다 상대적으로 농도가 낮은 일정 수준의 농도를 갖는 유도용액이 저장된다. 여기에서, 유도용액 저장조(30)의 유도용액 농도는 0.5~5M이 바람직하다.
또, 정삼투막 모듈(40)은 유입수와, 유도용액을 각각 공급받아 정삼투 방식으로 유입수를 여과하여 처리수를 생산하고, 하기에서 설명할 고압 펌프(Pa)로부터 일정값 이상의 압력이 가해지면 가압 방식으로 처리수를 생산한다. 여기에서, 정삼투막 모듈(40)은 길이 방향 중앙부에 형성되는 정삼투막(41)과, 정삼투막(41) 일측 상단에 구비되는 유입수 입구(42)와, 정삼투막(41) 일측 하단 상에 구비되는 농축수 출구(43)와, 정삼투막(41) 타측 상단에 구비되는 처리수 출구(44)와, 정삼투막(41) 타측 하단에 구비되는 유도용액 입구(45)가 구비되고, 정삼투막(41)을 물리적으로 지지하기 위한 그물 모양의 스페이서(미도시)가 더 구비될 수 있다. 여기에서 또한, 정삼투막 모듈(40)은 폴리아미드 계열 또는 셀룰로즈 트리아세테이트 계열이고, 비대칭 또는 대칭형이며, 평막 또는 중공사 형태의 구조를 가지며, 10~100kgf/㎠ 압력에서 운전이 가능하며, 바람직하게는 폴리아미드 계열의 비대칭 정삼투막 또는 셀룰로즈 트리아세테이트 계열의 대칭 정삼투막이 적용된다.
또, 유도용질 농축모듈(50)은 정삼투막 모듈(40)로부터 배출되는 처리수를 공급받아 처리수로부터 순수한 물인 여과수를 분리하여 외부로 배출하고, 유도용질을 농축하여 유도용액 저장조(30)로 배출한다. 여기에서, 유도용질 농축모듈(50)은 정삼투막 모듈(40)에 의해 여과된 처리수를 대상으로 여과수와 염으로 분리하도록 처리수 내에 포함된 염의 종류에 따라 다양하게 구성할 수 있으며 일 실시예로, NH3CO2 등의 휘발성 염인 경우 감압증류법을 이용하는 장치(분리막)로 구성될 수 있고, 이외에도 물리적 방법을 이용할 수도 있다.
한편, 고압 펌프(Pa)는 유입수 저장조(10)와 정삼투막 모듈(40) 사이의 배관 상에 설치되어 하기에서 설명할 제어부(60)의 제어에 따라 압력이 조절되어 정삼투막 모듈(40)에 압력을 제공한다. 여기에서, 고압 펌프(Pa)는 인버터 방식이거나 별도의 PLC에 의해 압력이 가변되는 방식이 적용된다. 여기에서 또한, 고압 펌프(Pa)는 1~15kgf/㎠의 압력으로 정삼투막 모듈(40)의 처리수 유량을 1~50%로 증가시킨다.
그리고, 유량계(F1~F3)는 유입수 저장조(10)와 정삼투막 모듈(40) 사이의 배관 상에서 설치되어 유입수의 유량을 측정하는 유입수 유량계(F1)와, 정삼투막 모듈(40)에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 유량을 측정하는 농축수 유량계(F2)와, 유도용질 농축모듈(50)에서 배출되는 여과수 배관 상에 설치되어 여과수의 유량을 측정하는 여과수 유량계(F3)로 구성된다.
또한, 압력계(P1~P4)는 유입수 저장조(10)와 정삼투막 모듈(40) 사이의 배관 상에서 설치되어 유입수의 압력을 측정하는 유입수 압력계(P1)와, 정삼투막 모듈(40)에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 압력을 측정하는 농축수 압력계(P2)와, 유도용액 저장조(30)와 정삼투막 모듈(40) 사이의 배관 상에 설치되어 유도용액의 압력을 측정하는 유도용액 압력계(P3)와, 정삼투막 모듈(40)과 유도용질 농축모듈 사이의 배관 상에 설치되어 처리수의 압력을 측정하는 처리수 압력계(P4)로 구성된다.
또, 전도도/온도 측정 센서(S1~S3)는 유입수 저장조(10) 내에 설치되어 유입수의 전도도와 온도를 측정하는 제 1전도도/온도 측정 센서(S1)와, 정삼투막 모듈(40)에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 전도도와 온도를 측정하는 제 2전도도/온도 측정 센서(S2)와, 유도용액 저장조(30) 내에 설치되어 유도용액의 전도도와 온도를 측정하는 제 3전도도/온도 측정 센서(S3)로 구성된다.
또, 역압 밸브(V1)는 정삼투막 모듈(40)에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 제어부(60)의 제어에 따라 개폐도가 조절되어 정삼투막 모듈(40)에 가해지는 압력을 조절한다.
또, 제어부(60)는 유량계(F1~F3), 압력계(P1~P4) 및 전도도/온도 측정 센서(S1~S3)로부터 측정되는 값들을 실시간으로 모니터링하여 데이터베이스로 저장하고, 유입수의 유량, 압력, 전도도/온도, 농축수의 유량, 압력, 전도도/온도, 유도용액의 전도도/온도중 어느 하나의 값이 각각의 기준값에 미달되면 고압 펌프(Pa)와 역압 밸브(V1)를 제어하여 처리수의 생산량을 증가시키고, 고압 펌프(Pa)와 역압 밸브(V1)의 제어로도 처리수의 생산량이 증가되지 못하면 고농도 유도용액 저장조(20)에 저장된 고농도 유도용액을 유도용액 저장조(30)로 공급하여 삼투압 차이를 증가시켜 처리수의 생산량을 증가시킨다. 여기에서, 제어부(60)는 초기 운전시 역압 밸브(V1)를 완전 개방시키고, 고압 펌프(Pa)를 정삼투에 필요한 최저 압력값으로 동작시켜 유도용액과 유입수의 삼투압 차이에 의해서만 처리수가 생산하도록 한다. 여기에서 또한, 제어부(60)는 유량, 압력, 전도도/온도와 기준값의 차이에 따른 고압 펌프(Pa)의 압력과, 역압 밸브(V1)의 개폐도가 룩-업 테이블 형태로 기 저장되는 것이 바람직하다. 한편, 기준값은 적용 현장에 따라 달라지며, 가변이 가능하다.
또, 주입 펌프(Pb)는 고농도 유도용액 저장조(20)와 유도용액 저장조(30) 사이의 배관 상에 설치되어 제어부(60)의 제어에 따라 고농도 유도용액 저장조(20)의 고농도 유도용액을 유도용액 저장조(30)로 공급한다.
한편, 유도용액 순환펌프(Pc)는 유도용액 저장조(30)와 유도용질 농축모듈(50) 사이의 배관 상에 설치되어 유도용액 저장조(30)의 유도용액을 유도용질 농축모듈(50)로 공급한다.
이하, 본 발명에 따른 압력조절 정삼투 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 압력조절 정삼투 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
먼저, 유입수가 유입수 저장조(10)에 연속적으로 공급되며, 고압 펌프(Pa)에 의하여 정삼투막 모듈(40)로 이송된다.
초기 운전조건에서 제어부(60)는 역압 밸브(V1)를 완전 개방하여 추가적인 압력이 가해지지 않도록 하며, 즉 유도용액과 유입수의 삼투압 차이에 의해서만 처리수가 생산되도록 한다.
위의 과정으로 생산된 처리수는 유도용액 저장조(30)에서 유도용액 순환펌프(P3)에 의하여 공급된 유도용액과 혼합된 후, 유도용질 농축모듈(50)에 공급된 후 분리되어 여과수로 생산되며, 유도용액은 유도용액 저장조(30)로 다시 회수된다(S10).
한편, 유입수의 유량과, 압력 및 온도와 전도도는 유입수 유량계(F1), 유입수 압력계(P1), 제 1전도도/온도 측정 센서(S1)에 의하여 실시간으로 모니터링되고, 농축수의 유량과, 압력 및 온도와 전도도는 농축수 유량계(F2), 농축수 압력계(P2), 제 2전도도/온도 측정 센서(S2)에 의하여 실시간으로 모니터링되며, 유도용액의 압력과, 전도도와 온도는 유도용액 압력계(P3), 제 3전도도/온도 측정 센서(S3)에 의하여 실시간으로 모니터링되며, 여과수의 유량과 처리수의 압력은 여과수 유량계(F3), 처리수 압력계(P4)에 의하여 실시간으로 모니터링되어 제어부(60)에 데이터베이스로 저장된다(S20).
이러한 상태에서, 유입수의 농도가 증가하게 되면 유입수의 삼투압이 증가하여, 처리수의 생산량이 감소하게 된다.
이러한 유량변화는 유입수 유량계(F1)와, 농축수 유량계(F2) 또는 유입수 압력계(P1)와, 농축수 압력계(P2)에 의하여 연속적으로 모니터링되며, 유량을 일정하게 유지하기 위해서 제어부(60)는 1차적으로 고압 펌프(Pa)의 압력과 역압 밸브(V1)를 개폐도를 조절해서 처리수의 생산량을 증가시킨다(S30).
추가적인 압력만으로 처리수의 생산량을 충분히 증가시키지 못한다면 제어부(60)는 고농도 유도용액 저장조(20)에서 주입 펌프(Pb)를 동작시켜 고농도 유도용액을 유도용액 저장조(30)로 공급하여 삼투압 차이를 증가시킴으로써 처리수의 생산량을 증가시킨다(S40).
한편, 유입수의 온도가 감소하거나 정삼투막 모듈(40)의 정삼투막(41)이 오염되면 막의 투과도가 감소하여 처리수의 생산량이 감소하게 된다. 이러한 유량변화는 유입수 유량계(F1)와, 농축수 유량계(F2) 또는 유입수 압력계(P1)와, 농축수 압력계(Pb)에 의하여 연속적으로 모니터링되며, 유량을 일정하게 유지하기 위해서 제어부(60)는 1차적으로 고압 펌프(Pa)의 압력과 역압 밸브(V1)를 개폐도를 조절해서 처리수의 생산량을 증가시킨다(S30).
추가적인 압력만으로 처리수의 생산량을 충분히 증가시키지 못한다면 제어부(60)는 고농도 유도용액 저장조(20)에서 주입 펌프(Pb)를 동작시켜 고농도 유도용액을 유도용액 저장조(30)로 공급하여 삼투압 차이를 증가시킴으로써 처리수의 생산량을 증가시킨다(S40).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력조절 정삼투 장치의 수온과 압력의 변화시 회수율과 에너지 사용량을 나타낸 그래프이다. 그래프의 x축은 유입수의 수온이고 y축은 압력조절 정삼투에서 가해주는 외부압력이다. 왼쪽의 그래프는 회수율이고 오른쪽 그래프는 에너지 사용량이다. 시뮬레이션에 의하여 얻어진 결과에 의하면 수온이 20℃에서 5℃로 감소하면 정삼투막의 플럭스가 감소하여 회수율은 40%에서 32%로 감소하게 되며, 에너지 사용량도 1.85㎾h/㎥에서 1.95㎾h/㎥으로 증가하게 된다. 이때 외부에서 약 12.5kgf/㎠의 압력을 가해주면 에너지 사용량은 2.25㎾h/㎥으로 다소 증가하게 되나 회수율을 일정하게 40%로 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력조절 정삼투 장치의 막의 투과도와 압력의 변화시 회수율과 에너지 사용량을 나타낸 그래프이다. 그래프의 x축은 막의 투과도이고 y축은 압력조절 정삼투에서 가해주는 외부압력이다. 왼쪽의 그래프는 회수율이고 오른쪽 그래프는 에너지 사용량이다. 시뮬레이션에 의하여 얻어진 결과에 의하면 막이 오염되어 막의 투과도가 33% 감소하면 정삼투막의 플럭스가 감소하여 회수율은 42%에서 37%로 감소하게 되며, 에너지 사용량도 1.83㎾h/㎥에서 1.88㎾h/㎥으로 증가하게 된다. 이때 외부에서 약 8kgf/㎠의 압력을 가해주면 에너지 사용량은 2.02㎾h/㎥으로 다소 증가하게 되나 회수율을 일정하게 42%로 유지할 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 유입수 저장조 20 : 고농도 유도용액 저장조
30 : 유도용액 저장조 40 : 정삼투막 모듈
50 : 유도용질 농축모듈 60 : 제어부

Claims (11)

  1. 유입수가 저장되는 유입수 저장조와;
    유도용질 수용액인 고농도 유도용액이 저장되어 있는 고농도 유도용액 저장조와;
    상기 고농도 유도용액 저장조로부터 고농도 유도용액을 공급받아 이보다 상대적으로 농도가 낮은 일정 수준의 농도를 갖는 유도용액이 저장되는 유도용액 저장조와;
    유입수와, 유도용액을 각각 공급받아 정삼투압 방식으로 유입수를 여과하여 처리수를 생산하고, 외부로부터 압력이 가해지면 가압 방식으로 처리수를 생산하는 정삼투막 모듈과;
    상기 정삼투막 모듈로부터 배출되는 처리수를 공급받아 처리수로부터 순수한 물인 여과수를 분리하여 외부로 배출하고, 유도용질을 농축하여 상기 유도용액 저장조로 배출하는 유도용질 농축모듈과;
    상기 유입수 저장조와 상기 정삼투막 모듈 사이의 배관 상에 설치되어 외부의 제어에 따라 압력이 조절되어 상기 정삼투막 모듈에 압력을 제공하는 고압 펌프와;
    유입수, 농축수, 여과수의 유량을 측정하는 복수의 유량계와;
    유입수, 농축수, 처리수, 유도용액의 압력을 측정하는 복수의 압력계와;
    유입수, 농축수, 유도용액의 전도도와 온도를 측정하는 복수의 전도도/온도 측정 센서와;
    상기 정삼투막 모듈에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 외부의 제어에 따라 개폐도가 조절되어 상기 정삼투막 모듈에 가해지는 압력을 조절하는 역압 밸브와;
    상기 유량계, 압력계 및 전도도/온도 측정 센서로부터 측정되는 값들을 실시간으로 모니터링하여 데이터베이스로 저장하고, 유량, 압력, 전도도/온도가 기준값에 미달되면 상기 고압 펌프와 역압 밸브를 제어하여 처리수의 생산량을 증가시키고, 상기 고압 펌프와 역압 밸브의 제어로도 처리수의 생산량이 증가되지 못하면 상기 고농도 유도용액 저장조에 저장된 고농도 유도용액을 상기 유도용액 저장조로 공급하여 삼투압 차이를 증가시켜 처리수의 생산량을 증가시키는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력조절 정삼투 장치는,
    상기 고농도 유도용액 저장조와 유도용액 저장조 사이의 배관 상에 설치되어 상기 고농도 유도용액 저장조의 고농도 유도용액을 상기 유도용액 저장조로 공급하는 주입 펌프와;
    상기 유도용액 저장조와 상기 유도용질 농축모듈 사이의 배관 상에 설치되어 상기 유도용액 저장조의 유도용액을 상기 유도용질 농축모듈로 공급하는 유도용액 공급펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계는,
    상기 유입수 저장조와 상기 정삼투막 모듈 사이의 배관 상에서 설치되어 유입수의 유량을 측정하는 유입수 유량계와;
    상기 정삼투막 모듈에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 유량을 측정하는 농축수 유량계; 및
    상기 유도용질 농축모듈에서 배출되는 여과수 배관 상에 설치되어 여과수의 유량을 측정하는 여과수 유량계로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력계는,
    상기 유입수 저장조와 상기 정삼투막 모듈 사이의 배관 상에서 설치되어 유입수의 압력을 측정하는 유입수 압력계와;
    상기 정삼투막 모듈에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 유량을 측정하는 농축수 압력계와;
    상기 유도용액 저장조와 정삼투막 모듈 사이의 배관 상에 설치되어 유도용액의 압력을 측정하는 유도용액 압력계와;
    상기 정삼투막 모듈과 유도용질 농축모듈 사이의 배관 상에 설치되어 처리수의 압력을 측정하는 처리수 압력계로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도도/온도 측정 센서는,
    상기 유입수 저장조 내에 설치되어 유입수의 전도도와 온도를 측정하는 제 1전도도/온도 측정 센서와;
    상기 정삼투막 모듈에서 배출되는 농축수 배관 상에 설치되어 농축수의 전도도와 온도를 측정하는 제 2전도도/온도 측정 센서; 및
    상기 유도용액 저장조 내에 설치되어 유도용액의 전도도와 온도를 측정하는 제 3전도도/온도 측정 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 정삼투막 모듈은,
    폴리아미드 계열 또는 셀룰로즈 트리아세테이트 계열이고, 비대칭 또는 대칭형이며, 평막 또는 중공사 형태의 구조를 가지고, 10~100kgf/㎠ 압력에서 운전이 가능한 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도용액 저장조의 유도용액 농도는,
    0.5~5M인 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압 펌프는,
    1~15kgf/㎠의 압력으로 상기 정삼투막 모듈의 처리수 유량을 1~50%로 증가시키는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    초기 운전시 상기 역압 밸브를 완전 개방시키고, 상기 고압 펌프를 정삼투에 필요한 최저 압력값으로 동작시켜 유도용액과 유입수의 삼투압 차이에 의해서만 처리수가 생산하도록 하는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    유량, 압력, 전도도/온도와 기준값의 차이에 따른 고압 펌프의 압력과, 역압 밸브의 개폐도가 룩-업 테이블 형태로 기저장되는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 장치.
  11. 제 1 항의 압력조절 정삼투 장치를 이용한 압력조절 정삼투 방법에 있어서,
    초기 운전시 상기 역압 밸브를 완전 개방시키고, 상기 고압 펌프를 정삼투에 필요한 최저 압력값으로 동작시킨 상태에서 유도용액 공급펌프을 동작시켜 상기 정삼투막 모듈에서 유도용액과 유입수의 삼투압 차이에 의해서만 처리수가 생산되도록 하는 정삼투막 여과 공정과;
    처리수, 농축수, 유도용액의 유량, 압력, 전도도/온도를 제어부에서 실시간으로 모니터링하여 데이터베이스로 저장하는 모니터링 공정과;
    상기 제어부에서 모니터링 결과 유량, 압력, 전도도/온도가 기준값에 미달되면 상기 고압 펌프의 압력을 증대시키고, 역압 밸브의 개폐도를 조절하여 처리수의 생산량을 증가시키는 가압 여과 공정; 및
    상기 가압 여과 공정을 수행하여도 처리수의 생산량이 미증가되면 상기 제어부에서 주입 펌프를 동작시켜 고농도 유도용액 저장조에 저장된 고농도 유도용액을 유도용액 저장조로 공급하여 삼투압 차이를 증가시켜 처리수의 생산량을 증가시키는 유도용액 농도 조정 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력조절 정삼투 방법.
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