KR20140100601A - 수처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 수처리 장치는 역삼투막 필터, 및 역삼투막 필터의 상류 측에 구비되는 CDI 필터를 포함한다. 여기서 CDI 필터는 선택적으로 원수를 공급받아 필터링하는 제1 CDI 전극 모듈과 제2 CDI 전극 모듈을 포함할 수 있다.

Description

수처리 장치 {WATER TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 수처리 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 역삼투막 필터에서 배출되는 농축수의 양을 줄이고 역삼투막의 수명을 연장시킬 수 있는 수처리 장치에 관한 것이다.
정수기와 같이 원수를 처리하는 수처리 장치가 현재까지 다양하게 개시되고 있다. 이와 같은 수처리 장치에 적용되는 방식 중에 현재 가장 널리 사용되고 있는 방식 중의 하나는 역삼투압 현상을 이용한 역삼투막 방식이다. 역삼투막 방식은 삼투압보다 높은 압력을 농도가 높은 용액 쪽에 가하여 농도가 높은 용액 쪽에서 농도가 낮은 용액 쪽으로 역삼투막을 통해 물을 이동시킴으로써 원수를 정수하는 방식을 말한다. 역삼투막 방식은 오염물질을 매우 효율적으로 제거하는 것으로 알려져 있다.
그러나 역삼투막 방식은 배출되는 농축수의 양이 많다는 문제가 있다. 보다 구체적으로 역삼투막 방식은 역삼투막에 의해 필터링된 물은 정수수로서 사용자에게 공급하고, 필터링되지 않는 물은 농축수로서 그대로 배출하는데, 정수수에 비해 농축수가 너무 많다는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 농축수가 배출되는 농축수 배출구에 밸브를 설치한 다음에 밸브의 작동에 따라 주기적으로 농축수를 배출하는 시스템이 도입되기도 한다. 그런데 이와 같은 시스템은 농축수가 매우 농축되기 때문에, 즉 농축수가 많은 오염물질을 포함하기 때문에 농축수에 접하는 역삼투막에는 스케일이 많이 발생할 수밖에 없어 역삼투막의 수명이 짧다는 문제가 있다. 또한 밸브를 통해 농축수를 주기적으로 배출한다고 하더라도 배출되는 농축수의 양이 크게 줄지는 않는다는 문제도 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 역삼투막 필터에서 배출되는 농축수의 양을 줄이고 역삼투막의 수명을 연장시킬 수 있는 수처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 수처리 장치는 역삼투막 필터, 및 역삼투막 필터의 상류 측에 구비되는 CDI 필터를 포함한다. 여기서 CDI 필터는 선택적으로 원수를 공급받아 필터링하는 제1 CDI 전극 모듈과 제2 CDI 전극 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수처리 장치는 CDI 필터에 의해 TDS(총용존 고형물)가 일정 수준 이하로 떨어진 원수를 역삼투막 필터에 공급하기 때문에, 역삼투막 필터에서 오염물질로 농축되는 농축수의 양이 현저하게 적으며, 역삼투막에 스케일이 적게 발생하여 역삼투막의 수명도 길다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 도시하고 있는 개략도
도 2는 도 1의 수처리 장치의 CDI 전극 모듈에서 정수가 이루어지는 원리를 설명한 개념도
도 3는 도 1의 수처리 장치의 CDI 전극 모듈에서 재생이 이루어지는 원리를 설명한 개념도
도 4는 도 1의 CDI 전극 모듈을 도시하고 있는 개략도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 도시하고 있는 개략도이다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치는 기본적으로 역삼투막 필터(110)와 CDI 필터(130)를 포함한다. 이에 더해서 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치는 세디멘트 필터(151), 선카본 필터(152), 후카본 필터(153) 등을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 참고로, 세디멘트 필터(151)는 주로 부유물을 제거하기 위한 필터이고, 선카본 필터(152)는 주로 염소물질을 제거하기 위한 필터이며, 후카본 필터(153)는 주로 냄새를 제거하기 위한 필터이다.
역삼투막 필터(110)는 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)을 이용한 필터를 말한다. 역삼투막 필터(110)는 매우 효과적인 필터로 알려져 있다. 역삼투막에 의해 필터링된 물(즉, 정수수)은 정수수 배출구(111)를 통해 사용자에게 공급된다. 이때 정수수 배출구(111)를 통해 배출된 정수수는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 사용자에게 공급되기 전에 후카본 필터(153)를 더 거칠 수 있다. 그리고 역삼투막에 의해 필터링되지 않는 물은 농축수로서 농축수 배출구(112)를 통해 외부로 배출된다. 이때 농축수의 배출은 농축수 배출구(112)에 설치된 밸브(미도시)의 작동에 따라 이루어진다. 즉, 농축수의 배출은 밸브의 개방 시에만 이루어진다. (다시 말해, 밸브의 개방 시까지 농축수는 역삼투막 필터 내에서 오염물질로 계속 농축된다.)
CDI(Capacitive Deionization) 필터(130)는 CDI 방식을 이용한 필터를 말한다. CDI 방식은 전기적인 힘에 의해 전극의 표면에서 이온이 흡착되고 탈착되는 원리를 이용하여 이온(오염물질)을 제거하는 방식이다. 이에 대해서 도 2와 도 3을 참조하여 보다 상술하면, 전극에 전압을 인가시킨 채로 이온을 포함한 염수(brine water)를 전극(양극과 음극)의 사이로 통과시키면, 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 음이온은 양극으로, 그리고 양이온은 음극으로 이동한다. (즉, 흡착이 일어난다.) 이러한 흡착으로 염수 내의 이온들이 제거될 수 있다. 그러나 이와 같은 흡착이 계속되면 전극은 더 이상 이온을 흡착할 수 없는 상태에 이른다. 이와 같은 상태에 이르면 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 전극에 흡착된 이온들을 탈착시켜 전극을 재생시킨다. (이때 CDI 필터로부터 재생수가 배출된다.) 이러한 재생은 전극에 전압을 인가하지 않거나, 또는 흡착할 때와는 반대로 전압을 인가하는 것으로 달성될 수 있다.
이와 같은 CDI 방식에 따른 필터링은 CDI 전극 모듈을 통해 이루어질 수 있다. CDI 전극 모듈은 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 서로 마주보는 양극(141)과 음극(142)으로 이루어지는 전극군(143)을 포함한다. 이에 더해서 CDI 전극 모듈은 세퍼레이터(또는 스페이서)나 집전체(current collector)를 포함한다. (도 4에서 세퍼레이터와 집전체는 도시되지 않았다.) 세퍼레이터는 양극(141)과 음극(142) 사이에 구비되어 양극(141)과 음극(142) 사이의 간격을 형성한다. (양극과 음극은 세퍼레이터를 사이에 두고 그 양쪽에 배치된다.) 그런데 전극군(143)은 한 쌍의 양극(141)과 음극(142)이 적층되어 이루어지거나, 또는 여러 쌍의 양극(141)과 음극(142)이 차례로 적층되어 이루어진다. (상업적으로 정수를 행하려면 일반적으로 많은 쌍의 양극과 음극이 적층되어야 한다.) 또는 전극군은 한 쌍의 양극과 음극이 둥글게 말려서 이루어지기도 한다.
한편, 본 실시예에 따른 CDI 필터(130)는 선택적으로 원수를 공급받아 필터링하는 제1 CDI 전극 모듈(131)과 제2 CDI 전극 모듈(132)을 포함한다. 여기서 선택적으로 원수가 공급된다는 것은 원수가 제1 CDI 전극 모듈(131)에 공급되거나, 또는 제2 CDI 전극 모듈(132)에 공급된다는 것을 의미한다. 이와 같이 원수를 공급하기 위해 본 실시예에 따른 수처리 장치는 삼방 밸브와 같은 유로 전환부(171)를 더 포함할 수 있다. 즉, 유로 전환부(171)가 유로를 전환함에 따라 원수는 제1 CDI 전극 모듈(131)에 공급되거나, 또는 제2 CDI 전극 모듈(132)에 공급될 수 있다.
본 실시예에 따른 CDI 필터(130)는 2개의 CDI 전극 모듈(131, 132)을 포함하기 때문에 하나의 CDI 전극 모듈이 재생 중이라 하더라도 다른 하나의 CDI 전극 모듈을 통해 필터링을 계속 수행할 수 있다. 보다 구체적으로 제1 CDI 전극 모듈(131)은 제2 CDI 전극 모듈(132)의 재생 시에 원수를 공급받아 필터링하고, 제2 CDI 전극 모듈(132)은 제1 CDI 전극 모듈(131)의 재생 시에 원수를 공급받아 필터링할 수 있다. 즉, 제1 CDI 전극 모듈(131)과 제2 CDI 전극 모듈(132)은 서로 대등하게 작동할 수 있다. 다시 말해, 2개의 CDI 전극 모듈(131, 132)이 재생을 기준으로 교대로 필터링을 수행할 수 있다.
또는 제1 CDI 전극 모듈(131)은 일차적으로 원수를 공급받아 필터링하고, 제2 CDI 전극 모듈(132)은 이차적으로 제1 CDI 전극 모듈(131)의 재생 시에 원수를 공급받아 필터링할 수 있다. 즉, 제1 CDI 전극 모듈(131)은 메인 필터로서 작동하고 제2 CDI 전극 모듈(132)은 서브 필터로서 작동할 수 있다. 다시 말해, 제1 CDI 전극 모듈(131)이 계속적으로 (즉, 제2 CDI 전극 모듈이 재생을 완료한 다음에도) 필터링을 수행하되, 제1 CDI 전극 모듈(131)에 재생이 필요할 때만 제2 CDI 전극 모듈(132)이 필터링을 수행할 수 있다. 이때 제1 CDI 전극 모듈(131)의 용량을 제2 CDI 전극 모듈(132)의 용량보다 크게 할 수 있다.
그런데 본 실시예에서 CDI 필터(130)는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 역삼투막 필터(110)의 상류 측에 구비된다. 즉, CDI 필터(130)에서 필터링된 정수수는 역삼투막 필터(110)로 공급된다. CDI 필터(130)는 Ca2+와 같은 이온(오염물질)을 매우 효율적으로 제거하는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 실시예에 따른 수처리 장치는 CDI 필터(130)를 통해 오염물질을 어느 정도 제거한 다음에 원수(즉, CDI에 필터에 의해 필터링된 정수수)를 역삼투막 필터(110)로 공급할 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 수처리 장치는 CDI 필터(130)를 통해 원수의 TDS(Total Dissolved Solids)를 일정 수준 이하로 낮춘 다음에 그 원수를 역삼투막 필터(110)로 공급할 수 있다. (여기서 일정 수준은 수처리 장치의 특성에 따라 적절하게 선택될 수 있다.)
본 실시예에서 역삼투막 필터(110)는 결국 TDS가 일정 수준 이하로 떨어진 원수를 공급받는다. 따라서 본 실시예에 따른 수처리 장치는 역삼투막 필터(110)에서 오염물질로 농축되는 농축수의 양이 현저하게 적다. 이의 결과로 본 실시예에 따른 수처리 장치는 농축수를 배출하는 주기를 길게 할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 수처리 장치는 배출되는 농축수의 양이 현저하게 적다.
본 실시예에 따른 수처리 장치는 또한 스케일을 주로 일으키는 Ca2+와 같은 이온들이 (거의) 제거된 상태로 역삼투막 필터(110)가 원수를 공급받기 때문에 역삼투막에 스케일이 적게 발생한다. 따라서 본 실시예에 따른 수처리 장치는 역삼투막의 수명도 연장시킬 수 있다.
더욱이 본 실시예에 따른 수처리 장치는 소형의 CDI 필터(130)를 채용하는 것으로 충분하기 때문에 CDI 필터(130)로 인해 수처리 장치의 크기가 크게 증가하지도 않는다. 본 실시예에 따른 수처리 장치에서 CDI 필터(130)는 보조적인 역할을 수행한다. 즉, CDI 필터(130)만으로 정수를 실시하는 수처리 장치와 다르게 본 실시예에 따른 수처리 장치는 역삼투막 필터(110)가 주로 정수를 실시한다.
따라서 본 실시예 따른 수처리 장치에서 CDI 필터(130)는 역삼투막 필터(110)가 가지는 문제(농축수가 많이 배출되고 수명이 짧다는 문제)를 상업적으로 해결할 수 있을 정도로만 필터링을 실시하면 된다. 즉, 본 실시예에 따른 수처리 장치에서 CDI 필터(130)는 역삼투막 필터(110)를 보조하기 위해 원수의 총용존 고형물(TDS)을 일정 수준 이하로 떨어뜨리는 것으로 충분한다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 수처리 장치는 소형의 CDI 필터(130)를 채용하는 것으로 충분하다.
한편, CDI 필터(130)에서 필터링된 정수수(역삼투막 필터의 입장에서 일종의 원수로 볼 수 있다)는 역삼투막 필터(110)로 공급되고, CDI 필터(130)에서 배출된 재생수는 역삼투막 필터(110)에서 배출된 농축수와 함께 외부로 배출된다. CDI 필터(130)에서 배출된 재생수와 역삼투막 필터(110)에서 배출된 농축수는 모두 오염물질을 포함하기 때문에 그대로 버려진다.
그런데 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 제1 CDI 전극 모듈(131)은 정수수와 재생수를 배출하는 하나의 제1 배출구(135)를 가지고 제2 CDI 전극 모듈(132)은 제1 배출구(135)와는 별도로 정수수와 재생수를 배출하는 하나의 제2 배출구(136)를 가진다. 여기서 제1 CDI 전극 모듈(131)의 제1 배출구(135)와 제2 CDI 전극 모듈(132)의 제2 배출구(136)는 하나의 유로(181)로 연결된 다음에 유로 전환부(172)를 통해 선택적으로 역삼투막 필터(110)나 수처리 장치의 외부로 연결된다.
즉, 제1 배출구(135) 또는 제2 배출구(136)에서 배출되는 정수수는 삼방 밸브와 같은 유로 전환부(172)를 통해 역삼투막 필터(110)로 이어지는 유로(182)로 공급되고, 제1 배출구(135) 또는 제2 배출구(136)에서 배출되는 재생수는 유로 전환부(172)를 통해 수처리 장치의 외부로 이어지는 유로(183)로 공급된다. 이때 제1 배출구(135) 또는 제2 배출구(136)에서 배출되는 재생수는 역삼투막 필터(110)에서 배출되는 농축수와 같은 유로를 통해 수처리 장치의 외부로 배출될 수 있다.
한편, 제1 CDI 전극 모듈(131)의 전극군과 제2 CDI 전극 모듈(132)의 전극군은 서로 별개의 하우징(133, 134)에 수용될 수 있다. 이와 같이 수용되면 제1 CDI 전극 모듈(131)과 제2 CDI 전극 모듈(132)이 서로 독립적으로 작동될 수 있다. 또는 제1 CDI 전극 모듈(131)의 전극군과 제2 CDI 전극 모듈(132)의 전극군을 하나의 하우징에 수용하되, 제1 CDI 전극 모듈(131)의 전극군과 제2 CDI 전극 모듈(132)의 전극군을 분리판(미도시)으로 서로 분리할 수 있다. 이때 분리판은 원수가 가로지를 수 없도록 설계되어야 할 것이다.
110: 역삼투막 필터 111: 정수수 배출구
112: 농축수 배출구 130: CDI 필터
131: 제1 CDI 전극 모듈 132: 제2 CDI 전극 모듈
133: 하우징 134: 하우징
135: 제1 배출구 136: 제2 배출구
141: 양극 142: 음극
143: 전극군 171: 유로 전환부
172: 유로 전환부

Claims (9)

  1. 역삼투막 필터; 및
    상기 역삼투막 필터의 상류 측에 구비되는 CDI 필터를 포함하는 수처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 CDI 필터는 선택적으로 원수를 공급받아 필터링하는 제1 CDI 전극 모듈과 제2 CDI 전극 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 CDI 전극 모듈은 상기 제2 CDI 전극 모듈의 재생 시에 원수를 공급받아 필터링하고,
    상기 제2 CDI 전극 모듈은 상기 제1 CDI 전극 모듈의 재생 시에 원수를 공급받아 필터링하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 CDI 전극 모듈은 일차적으로 원수를 공급받아 필터링하고,
    상기 제2 CDI 전극 모듈은 이차적으로 상기 제1 CDI 전극 모듈의 재생 시에 원수를 공급받아 필터링하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 CDI 필터에서 필터링된 정수수는 상기 역삼투막 필터로 공급되고,
    상기 CDI 필터에서 배출된 재생수는 상기 역삼투막 필터에서 배출된 농축수와 함께 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 CDI 전극 모듈은 정수수와 재생수를 배출하는 제1 배출구를 가지고 상기 제2 CDI 전극 모듈은 상기 제1 배출구와는 별도로 정수수와 재생수를 배출하는 제2 배출구를 가지며,
    상기 제1 배출구와 상기 제2 배출구는 하나의 유로로 연결된 다음에 유로 전환부를 통해 선택적으로 상기 역삼투막 필터나 상기 외부로 연결되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 CDI 전극 모듈과 상기 제2 CDI 전극 모듈은 서로 마주보는 적어도 한 쌍의 양극과 음극을 구비하는 전극군을 가지고, 상기 제1 CDI 전극 모듈의 전극군과 상기 제2 CDI 전극 모듈의 전극군은 서로 별개의 하우징에 수용되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 역삼투막 필터는 정수수가 배출되는 정수수 배출구와 농축수가 배출되는 농축수 배출구를 가지며, 상기 농축수 배출구는 밸브의 작동에 따라 주기적으로 농축수를 배출하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 CDI 필터는 상기 역삼투막 필터를 보조하기 위해 원수의 총용존 고형물(TDS)을 일정 수준 이하로 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
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