KR20140108387A - 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법 - Google Patents

액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법은 멤브레인을 기준으로 원수와 유도용액을 상호 반대방향으로 유입하는 단계; 상기 유입된 원수 및 유도용액의 농도차를 이용하여 상기 원수의 물을 유도용액으로 이동시키는 단계; 및 상기 유도용액을 희석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 이에 의하여, 유도용액의 회수공정 및 재생공정을 생략할 수 있고, 투과플럭스를 증가시킬 수 있으며, 적은 에너지를 이용하여 농업 관개수의 생산이 가능하다.

Description

액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법 { FORWARD OSMOSIS BASED SEAWATER DESALINATION USING LIQUID FERTILIZER AS DRAW SOLUTION }
본 발명은 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 원수 및 유도용액의 농도차를 이용하여 교차흐름을 형성함으로써 해수담수화를 수행하는 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 관한 것이다.
수자원의 확보는 21세기에 전세계가 직면하고 있는 가장 심각한 문제 중의 하나이다. 특히, 최근에는 기후변화로 인한 홍수 및 가뭄의 발생빈도가 증가하여 안정적인 용수확보에 어려움이 있다. 현재 전세계적으로 담수의 70%가 농업용 관개용수로 사용되고 있으며, 이러한 농업용수의 높은 비율로 인해 기후변화에 따른 해수면 상승은 농업지역의 관개에 악영향을 미칠 것으로 판단된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 해수담수화기술은 크게 증발법과, 멤브레인 이용법로 분류될 수 있다. 증발법의 대표적인 방법 중 하나인 다단플래쉬법(MSF, Multistage Flash Evaporation)은 가열기에서 가열된 원액을 압력이 한 단 낮은 증발기 내로 송입하여 순간적으로 증발시키는 조작을 되풀이하여 실행하는 방법으로써, 중동지역에서 많이 사용되지만 에너지의 소비가 많다는 단점이 있다.
멤브레인을 이용한 방법은 다시 정삼투(Forward Osmosis) 방식과, 역삼투(Reverse Osmosis) 방식으로 분류될 수 있다. 이 중에서 역삼투 방식은 50~70bar의 높은 압력을 반투과 멤브레인에 가하여 순수한 물은 통과시키고 이온 및 유기물과 같은 용존성 물질은 걸러내는 방법이다. 정삼투 방식은 염분과 물을 분리하기 위해 분리막을 이용하는 점에서는 역삼투 방식과 동일하지만, 압력차가 아닌 농도차를 이용하기 때문에 에너지의 소비가 적고 회수율이 높으며 농축수의 배출이 적은 장점이 있어 많이 이용된다.
이러한 정삼투 멤브레인 방식의 투과율 및 이온 제거율은 유도용액의 농도와, 원수의 농도와, 원수의 물리화학적 특성과, 멤브레인 활성층의 방향과, 멤브레인의 두께 및 소재와, 멤브레인의 구조 등에 의해 영향을 받는다. 이 중에서, 종래의 정삼투 멤브레인 방식에 사용되는 유도용액인 NH3/CO2는 용해가 잘 되어 높은 삼투압을 유도하고 높은 온도에서 암모니아와 이산화탄소가 용액으로부터 분리되기 때문에 가장 많이 사용되지만, 유도용액의 분리를 위한 가열이 필요하므로 물을 생산하기 위해 상당한 양의 에너지가 소요되는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 유도용액의 회수공정 및 재생공정을 생략할 수 있는 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 투과플럭스를 증가시킬 수 있는 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명은 적은 에너지를 이용하여 농업 관개수의 생산이 가능한 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은, 멤브레인을 기준으로 원수와 유도용액을 상호 반대방향으로 유입하는 단계; 상기 유입된 원수 및 유도용액의 농도차를 이용하여 상기 원수의 물을 유도용액으로 이동시키는 단계; 및 상기 유도용액을 희석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 의해 달성된다.
상기 유도용액은 액상비료를 포함할 수 있다.
상기 액상비료는 질소와, 인과, 칼륨 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 의하면, 유도용액의 회수공정 및 재생공정을 생략할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 의하면, 투과플럭스를 증가시킬 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 의하면, 적은 에너지를 이용하여 농업 관개수의 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법을 도시한 흐름도이며,
도 2는 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 따른 정삼투 시스템의 구성을 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법법에 의해 생산된 농업 관개수의 투과플럭스를 설명하기 위한 도면이며,
도 4는 멤브레인의 활성층의 방향별 교차흐름의 유량 및 투과플럭스의 관계를 도시한 도면이며,
도 5a 및 도 5b는 멤브레인의 활성층 방향에 따른 농도분극화현상을 설명하기 위한 도면이며,
도 6은 유도용액의 농도와 투과플럭스의 관계를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법을 도시한 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법은 먼저 멤브레인을 기준으로 하여 원수와 유도용액을 상호 반대방향으로 유입한다(S110).
다음으로, 유입된 원수 및 유도용액의 농도차를 이용하여 원수의 물을 유도용액으로 이동시킨다(S120). 단계 S120에서의 교차흐름은 원수와 유도용액을 공급하는 각각의 정량펌프에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
마지막으로, 유도용액을 희석한다(S130). 이렇게 담수화 희석된 유도용액을 별도의 회수공정 없이 바로 농업 관개수로 이용할 수 있으며, 투과플럭스를 증가시켜 적은 에너지만으로도 농업 관개수의 생산이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 따른 정삼투 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정삼투 시스템은 원수탱크(10)와, 펌프(20)와, 멤브레인(30)과, 유도용액탱크(40)을 포함할 수 있다.
원수탱크(10)는 원수를 보관하고, 유도용액탱크(40)는 유도용액을 보관한다. 본 발명에 따른 유도용액은 질소(N)와, 인(P)과, 칼륨(K) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 액상비료가 첨가될 수 있으며, 보다 바람직하게는 KH2PO4 성분을 포함할 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 유도용액의 농도는 원수의 성분 등에 따라 10,000ppm, 20,000ppm, 30,000ppm 등으로 조절 가능하다.
펌프(20)는 원수와 유도용액을 각각 원수탱크(10)와 유도용액탱크(40)로부터 멤브레인(30)으로 공급한다. 여기서, 펌프(20)는 정량펌프로서 펌프의 회전속도를 조정하여 원수와 유도용액의 교차흐름의 유량을 조절할 수 있다.
멤브레인(30)은 비대칭으로서 활성층과 다공성층(Porous Support)으로 구성되어 있으며, 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA, Cellulose Triacetate) 재질인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 멤브레인(30)은 폴리에스터 재질의 격자가 기계적인 강도를 유지하며 정삼투 방식으로서 역삼투 방식의 멤브레인에 비해 두께가 얇아 좋은 효율을 가진다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법에 의해 생산된 농업 관개수의 투과플럭스를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유도용액의 농도와, 교차흐름의 유량변화와, 멤브레인의 활성층 방향에 따라 투과플럭스는 다르게 나타났다. 여기서, 원수는 증류수에 NaCl을 첨가하여 2,000ppm의 농도로 제조되었으며, 유도용액의 농도는 일정량의 KH2PO4를 증류수에 첨가하여 5,000ppm, 10,000ppm, 20,000ppm의 농도로 제조되었다. 교차흐름의 유량은 펌프()의 회전속도를 50rpm, 70rpm, 100rpm으로 조절한 결과 각각 66.7cm3/min, 99.2cm3/min, 133.1cm3/min으로 설정되었다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 멤브레인의 활성층이 원수를 향하는 경우와 유도용액을 향하는 경우의 투과플럭스가 다르게 나타났으며, 전자의 경우 투과플럭스가 높게 나타났다.
도 4는 멤브레인의 활성층의 방향별 교차흐름의 유량 및 투과플럭스의 관계를 도시한 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 낮은 교차흐름의 유량에서는 멤브레인의 활성층 방향에 따른 투과플럭스의 차이가 없지만, 교차흐름의 유량이 99.2cm3/min으로 증가되면 멤브레인의 활성층이 유도용액과 접촉되어 있는 경우보다 원수와 접촉되어 있는 경우의 투과플럭스가 높게 나타났다.
한편, 멤브레인의 투과플럭스는 아래의 수식 1과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, A는 물의 투과계수이며, σ는 반사계수로서 멤브레인의 이온제거율이 100%이면 1이다. ΔΠ는 유도용액과 원수 사이의 멤브레인에서 발생하는 삼투압의 차이이다. 멤브레인의 양면에서 발생하는 삼투압의 차이는 실제 유도용액과 원수의 삼투압의 차이보다 작다. 이는 멤브레인 활성층에서 외부 농도분극이 발생하고, 멤브레인의 다공성 층에서 내부 농도분극이 발생하기 때문이다.
[수학식 1]
J = AσΔΠ
멤브레인의 활성층이 원수와 접촉되어 있고 멤브레인의 다공성층이 유도용액과 접촉되어 있는 경우, 멤브레인의 활성층 표면에는 용질의 농도가 증가함에 따라 원수의 삼투압이 증가하게 되어 원수와 유도용액의 삼투압차가 감소하는 농축 외부 농도분극화현상이 발생한다. 이 때, 멤브레인의 다공성층에서는 투과된 물에 의해 유도용액의 농도가 감소하여 삼투압차가 감소하는 희석 농도분극화현상이 발생한다.
이와 반대로, 멤브레인의 다공성층이 원수와 접촉되어 있고 멤브레인의 활성층이 유도용액과 접촉되어 있는 경우, 맴브레인의 활성층 표면에는 멤브레인을 통과한 투과플럭스에 의해 유도용액의 농도가 감소하여 유도용액의 삼투압이 감소하는 희석 외부 농도분극화현상이 발생한다. 이 때, 멤브레인의 다공성층에서는 원수에 존재하는 용질의 농축에 의해 삼투압이 증가하는 농축 내부 농도분극화현상이 발생한다. 도 5a 및 도 5b는 멤브레인의 활성층 방향에 따른 농도분극화현상을 설명하기 위한 그래프이다.
한편, 이러한 농도분극화현상은 교차흐름의 유량증가에 따라 농도분극정도가 작아진다. 즉, 교차흐름의 유량증가로 인해 농도분극정도가 감소되고, 멤브레인 사이에 존재하는 유효삼투압의 차이가 커져 투과플럭스가 증가한다. 도 6은 유도용액의 농도와 투과플럭스의 관계를 도시한 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 유도용액의 농도가 10,000ppm에서 30,000ppm으로 증가함에 따라, 투과플럭스는 1.098에서 2.756으로 증가하였다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
10 : 원수탱크 20 : 펌프
30 : 멤브레인 40 : 유도용액탱크

Claims (3)

  1. 멤브레인을 기준으로 원수와 유도용액을 상호 반대방향으로 유입하는 단계;
    상기 유입된 원수 및 유도용액의 농도차를 이용하여 상기 원수의 물을 유도용액으로 이동시키는 단계; 및
    상기 유도용액을 희석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유도용액은 액상비료를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액상비료는 질소와, 인과, 칼륨 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투 기반의 해수담수화방법.
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