KR20140128496A - 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 본 발명의 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템은 유입되는 초고염도수의 제 1 용액의 압력을 증가하는 제 1 압력 전달 수단; 상기 제 1 압력 전달 수단을 통과한 흐름이 삼투 유도 용액의 유입수로서 유입되고, 상기 제 1 용액의 염도보다 낮은 저염도의 제 2 용액이 유입되어, 상기 유입수와 제 2 용액과의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시킬 수 있는 제 1 반투과막 설비; 상기 제 2 용액의 용매가 상기 제 1 반투과막 설비를 통해 여과되어 상기 유입수는 희석되고 체적이 증가하며 삼투에너지 혹은 삼투압을 포함하는 제1 반투과막 설비의 유출수의 일부 또는 전부를 제 2 반투과막 설비를 통해 담수를 생산할 수 있도록 하는 가압펌프; 상기 제 1 반투과막 유출수의 압력을 증가하는 제 2 압력 전달 수단; 및 상기 가압펌프를 통과한 흐름이 RO 유입수로서 유입되어 담수를 생산하는 제 2 반투과막 설비를 포함하되, 상기 제 2 반투과막 설비를 통해 여과되지 않는 농축수의 압력은 상기 제 2 압력 전달 수단에 의해 상기 제1 반투과막 설비의 유출수에 전달되며, 제 2 압력 전달 수단을 압력을 전달받은 상기 제1 반투과막 설비의 유출수 일부를 상기 제 1 반투과막 설비에 유입한다.
Description
본 발명은 일반적인 해수보다 염도가 더 높은 사해(Dead Sea)와 같은 초고염도수의 담수처리 공정에서 에너지를 생산하고 회수하는 기술 분야에 관한 것으로, 분리막 사이의 농도가 다른 두 용액의 삼투압을 이용하여 에너지를 회수할 수 있는 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
현재 먹는 물 혹은 산업용수가 부족해지는 국가가 늘어나면서 해수담수화의 중요성이 증대되고 있다. 최근 해수담수화 공정기술은 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)을 적용한 공정을 중심으로 증가하고 있으나, 역삼투를 위해서 소모되는 에너지가 높은 편이므로, 에너지 소모량을 줄이기 위한 혁신적인 기술이 요구된다.
이에 정삼투(forward osmosis) 기술을 해수담수화 공정에 접목하여 에너지 소모량을 절감하기 위한 방법이 개발되고 있다.(이하, 특허문헌 1 및 2 참조). 일반적인 정삼투(forward osmosis) 기술에서는 이론적으로 에너지의 소모량을 획기적으로 절감할 수 있으나, 정삼투막을 통한 삼투흐름을 발생시키기 위한 인위적으로 적용되는 유도용액(Draw solution)의 회수 기술 등이 아직까지 미비한 문제점이 있다.
최근에는 인위적으로 가공되어 적용되는 유도용액 대신에 기존의 해수나 일반적인 해수의 염도보다 높은 초고염도수를 정삼투 유도용액으로 적용하고, 하수처리수와 같은 저염도수(Brackish water)를 원수로 하는 정삼투 해수담수화 공정기술이 개발되고 있다.
여기서 일반적인 해수라고 함은 염 농도 (TDS, Total Dissolved Solids) 30,000~50,000ppm 정도, 초고염도수라고 함은 50,000ppm 이상을 의미한다.
이러한 정삼투 공정기술 중에서는 삼투막 사이의 두 용액의 농도차에 의해 발생된 삼투압을 이용하여 에너지를 회수하거나 생산할 수 있는 압력지연삼투(PRO : pressure retarded osmosis) 공정 기술이 주목을 받고 있으나, 현재 PRO 공정기술의 상업화를 위해서는 최대 에너지 회수 혹은 생성을 위한 최적화된 시스템 개발이 요구되고 있다.
삼투 프로세스의 구동력은 반투과막에 마주하는 두 개의 용액사이의 삼투 압력 차이이며, 용액의 삼투 압력은 반트 호프(Van't Hoff) 관계에 의해 계산된다.
π = v.c.R.T.
여기서, v는 용질의 담수화 동안 발생된 다수의 이온이고, θ는 삼투 계수이고, c는 모든 용질의 농도(moles/l), R은 보편 기체 상수(univeral gas constant)(0.083145 1.bar/moles.K), 및 T는 절대 온도(K)이다.
삼투압 차이에 의해 반투과막을 통과하는 유수량(water flux)는 다음 식(McCutcheon and Elimelech, 2007)으로서 주어진다.
Jw = A(πD,b － πF,b)
여기서, Jw는 반투과막을 통과하는 유수량이고, A는 반투과막의 퓨어 워터(pure water) 투과성능 계수이고, πD,b 및 πF,b은 각각 추출 및 공급 시의 벌크 삼투압이다.
PRO는 두 개의 수용액의 염도 차이에 대한 혼합의 깁스 자유 에너지(Gibbs free erengy)를 이용하여 에너지(파워)를 발생하거나 회수하도록 사용된다.(Sandler, S. I., 1999, Chemical Engineering Thermodynamics, 3rded.;Wiley).
－ΔGmix = RT{[∑xiln(
ixi)]M －θA[∑xiln(
ixi)]A－θB[∑xiln(
ixi)]B}
여기서, xi 는 용액내의 시약(species) 
의 몰 부분이고, R은 기체 상수이고, T는 온도이며, 
는 시약의 활동도 계수이다.
PRO 시스템에 있어서, 일정한 유체압이 고염도 수용액에 가해지며, 저염도 수용액으로부터 계속해서 물이 침투하는 반면, 두 용액의 삼투압 차이는 인가된 유체 압력보다 더 높다. 고염도 수용액의 압력은 용액의 체적 플럭스가 증가하는 동안의 혼합의 깁스 자유 에너지로 부터 추가 에너지로 전환된다.
Yip 및 Elimelch(2012)에 의하면, 일정한 압력 PRO 프로세스에서 가장 높이 추출할 수 있는 작업은 해수 및 강물이 추출 및 공급 용액으로 각각 사용될 때, 0.75 kWh/m3이다. 그러므로 수확된 혼합의 깁스 자유 에너지의 압력 및 체적을 고려하면, 프로세스를 위한 에너지를 발생하거나 압력을 회수하는데 사용될 수 있을 것이다.
PRO 공정을 통한 삼투에너지를 실제 전력으로 생산하기 위해서 보통 수차 터빈을 이용하여 수용액의 압력 및 체적 플럭스를 전력(동력)으로 전환할 수 있다. 이 때 최신 펠톤(Pelton) 터빈이 92% 효율로 이를 수 있다 하더라도 평균 효율은 일반적으로 90% 정도 수준이다.
하지만 PRO 공정으로부터 발생되는 삼투에너지를 그대로 회수하여 기존의 해수담수화 공정에 적용할 수 있는 기술을 개발한다면 에너지 회수 효율을 극대화 할 수 있다.
역삼투 해수담수화 공정에서는 역삼투막(RO막) 농축수의 압력을 해수 원수로 전달하여 회수할 수 있는 압력교환장치가 적용 된다. 이 기술을 통해 역삼투 해수담수화 공정의 해수 원수의 역삼투막으로 유입되는 가압을 위한 소모에너지를 절감할 수 있으며, 압력교환장치를 통해 최대 97%의 효율로 역삼투막 농축수의 압력을 해수 원수로 전달할 수 있다.
이러한 압력교환장치를 활용한 압력 회수 및 전달 기술은 압력지연삼투 공정(PRO막여과 공정)을 접목한 해수담수화 복합 공정에 유용하게 적용할 수 있다. 즉, 발생된 삼투에너지를 기존의 수차터빈을 통해 전력으로 생산하는 방식보다는 압력교환장치를 이용하여 그대로 해수 원수에 전달함으로서 에너지 회수 효율을 더욱 향상 시킬 수 있고, 공정 설비 또한 간소화 할 수 있기 때문이다.
(특허문헌 1) PCT/US02/02740호(2002.02.01. 출원)(WO02/060825; 2002.08.08 Bulletin 2002/32))
(특허문헌 2) PCT/ES11/070218호(2011.03.29. 출원)(WO11/144778; 2011.11.24 Bulletin 2011/47)
본 발명의 목적은 압력지연삼투(PRO, Pressure Retarded Osmosis)의 삼투압을 이용한 에너지의 생산 및 회수 시스템을 기존의 SWRO 시스템에 연계시켜, 일반적인 해수의 염도보다 농도가 높은 중동의 사해(Dead Sea)와 같은 초고염도수의 담수 생산시 소모되는 에너지 소비를 낮출 수 있는 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수 시스템은 유입되는 초고염도수의 제 1 용액의 압력을 증가하는 제 1 압력 전달 수단; 상기 제 1 압력 전달 수단을 통과한 흐름이 삼투 유도 용액의 유입수로서 유입되고, 상기 제 1 용액의 염도보다 낮은 저염도의 제 2 용액이 유입되어, 상기 유입수와 제 2 용액과의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시킬 수 있는 제 1 반투과막 설비; 상기 제 2 용액의 용매가 상기 제 1 반투과막 설비를 통해 여과되어 상기 유입수는 희석되고 체적이 증가하며 삼투에너지 혹은 삼투압을 포함하는 제1 반투과막 설비의 유출수의 일부 또는 전부를 제 2 반투과막 설비를 통해 담수를 생산할 수 있도록 하는 가압펌프; 상기 제 1 반투과막 유출수의 압력을 증가하는 제 2 압력 전달 수단; 및 상기 가압펌프를 통과한 흐름이 RO 유입수로서 유입되어 담수를 생산하는 제 2 반투과막 설비를 포함하되, 상기 제 2 반투과막 설비를 통해 여과되지 않는 농축수의 압력은 상기 제 2 압력 전달 수단에 의해 상기 제1 반투과막 설비의 유출수에 전달되며, 제 2 압력 전달 수단을 압력을 전달받은 상기 제1 반투과막 설비의 유출수 일부를 상기 제 1 반투과막 설비에 유입한다.
상기 제 1 압력 전달 수단은 상기 제 1 용액이 유입되는 제 1 압력 교환 장치와, 상기 제 1 압력 교환 장치를 통과한 흐름의 압력을 증가하는 부스터 펌프를 포함할 수 있다.
상기 제 2 압력 전달 수단은 상기 제 1 반투과막 설비를 통과한 상기 유출수와, 상기 제 2 반투과막 설비로부터 배출된 농축수의 흐름이 유입되는 제 2 압력 교환 장치와, 상기 제 2 압력 교환 장치를 통과한 흐름의 압력을 증가하는 부스터 펌프를 포함할 수 있다.
상기 제 2 압력 교환 장치를 통해 배출되는 흐름이 유입되어, 상기 제 1 반투과막 설비에서 발생된 삼투 에너지를 이용하여 에너지를 발생하는 에너지 발생 장치를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 에너지 발생 장치는 폴톤 터빈인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 초고염도수의 제 1 용액이 유입되는 분리 장치와, 상기 분리 장치를 통해 분리된 어느 하나의 흐름은 담수화 프로세스를 위한 개시 흐름으로 공급되며, 배출되는 유입수가 상기 제 1 반투과막 설비에 공급된 후에는 폐쇄되는 시동용 가압펌프를 더 포함할 수 있고, 분리된 나머지 하나의 흐름은 상기 제 1 압력 전달 수단으로 공급될 수 있다.
상기 제 1 반투과막 설비로부터 배출되는 흐름을 상기 제 1 내지 제 3 흐름으로 분리하는 분리 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 반투과막 설비는 다단 삼투 프로세스를 실행하도록 복수의 제 1 반투과막 설비를 포함할 수 있다.
상기 제 2 용액은 하수 처리수, 표면수, 지표수, 하천수 또는 저농도 염수인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제 1 반투과막은 정삼투막, PRO막, NF막 또는 중공 파이버 또는 나선형 권선이 형성된 막을 포함할 수 있다.
상기 제 2 반투과막은 나노 필터 또는 역삼투막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상술한 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템의 담수화 방법은 상기 제 1 반투과막 설비는 상기 가압펌프를 통과한 흐름이 삼투 유도 용액으로서 유입되고, 상기 삼투 유도 용액보다 낮은 염도의 제 2 용액이 유입수로서 상기 삼투 유도 용액의 주입 방향과 반대 방향으로 주입되어, 상기 삼투 유도 용액과 상기 유입수와의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 제 2 용액의 용매가 농축 희석되어 PRO 희석수로서 상기 가압펌프에 공급되어 상기 발생된 삼투 에너지를 상기 제 2 반투과막 설비에 전달한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 압력지연삼투(PRO)막 혹은 정삼투막을 이용하고, 유도용액(Draw solution)으로서 초고염도수를, 원수로서 하수처리수 등과 같은 저염도수를 적용하여, 막 사이의 두 용액간 농도차에 의한 삼투에너지를 터빈등을 이용하여 동력 혹은 전력으로 생산하거나, 압력전달장치 혹은 압력교환장치(Pressure Exchange Device)를 이용하여 발생된 삼투에너지를 역삼투 해수담수화 공정에 그대로 전달하여 담수 생산시 전력소모량을 기존 역삼투 해수담수화 공정 대비 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템의 개략 다이어그램이다.
도 2는 도 1 실시예의 물질 균형의 일 예에 따른 상세 예시 다이어그램이다.
도 3은 도 2 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
도 4는 도 1 실시예의 물질 균형의 다른 예에 따른 상세 예시 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템으로, 도 1 실시예의 PRO 설비가 다단 삼투 프로세스로 변형된 물질 균형에 따른 상세 예시 다이어그램이다.
도 6은 도 5 다이어그램에 사용된 저압 공급수 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
도 7은 도 5 다이어그램에 사용된 고압 공급수 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
도 2는 도 1 실시예의 물질 균형의 일 예에 따른 상세 예시 다이어그램이다.
도 3은 도 2 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
도 4는 도 1 실시예의 물질 균형의 다른 예에 따른 상세 예시 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템으로, 도 1 실시예의 PRO 설비가 다단 삼투 프로세스로 변형된 물질 균형에 따른 상세 예시 다이어그램이다.
도 6은 도 5 다이어그램에 사용된 저압 공급수 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
도 7은 도 5 다이어그램에 사용된 고압 공급수 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램이다.
본 발명은 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법 에 관한 것으로, 2개의 실시예로서 도 1 내지 도 7에 도시되어 설명되며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 병기하여 사용하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 프로세스의 개략 다이어그램을 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 담수화 시스템은 유입되는 초고염도수의 제 1 용액의 압력을 증가하는 제 1 압력 전달 수단과, 상기 제 1 압력 전달 수단을 통과한 흐름이 삼투 유도 용액의 유입수(7)로서 유입되고, 상기 제 1 용액의 염도보다 낮은 저염도의 제 2 용액이 유입되어, 상기 유입수(7)와 제 2 용액과의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 제 2 용액의 용매가 농축 희석되어 배출되는 제 1 흐름을 상기 제 1 압력 전달 수단에 공급되는 제 1 반투과막 설비와, 상기 제 1 반투과막 설비를 통해 농축되어 배출되는 제 2 흐름의 압력을 증가하는 가압펌프(22)와, 상기 제 1 반투과막 설비를 통해 농축되어 배출되는 제 3 흐름의 압력을 증가하는 제 2 압력 전달 수단 및 상기 가압펌프(22)를 통과한 흐름이 RO 유입수로서 유입되고, 상기 제 2 압력 전달 수단으로부터 배출된 농축수가 PRO 희석수로서 상기 RO 유입수와 혼합되어 유입수(23)로서 유입되고, 상기 농축수는 상기 제 2 가압수단에 공급되도록 배출되는 제 2 반투과막 설비(24)를 포함한다.
제 1 압력 전달 수단은 상기 제 1 용액이 유입되는 제 1 압력 교환 장치(18)와, 상기 제 1 압력 교환 장치(18)를 통과한 흐름의 압력을 증가하는 부스터 펌프(19)를 포함할 수 있다.
또한 제 2 압력 전달 수단은 상기 제 1 반투과막 설비(8)를 통과한 흐름과, 상기 제 2 반투과막 설비(24)로부터 배출된 흐름(30)이 유입되는 제 2 압력 교환 장치(28)와, 상기 제 2 압력 교환 장치(28)를 통과한 흐름의 압력을 증가하는 부스터 펌프(19)를 포함할 수 있다.
제 2 압력 교환 장치(28)를 통해 배출되는 흐름(31)은 RO 농축수(27)로서 제 2 압력 교환 장치(28)를 통해 삼투 에너지를 전달받은 PRO 희석수로서, 에너지 발생 장치(32)에 유입되어, 삼투 에너지를 이용하여 에너지를 발생할 수 있고, 이때 에너지 발생 장치는 펠톤 터빈인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 초고염도수의 제 1 용액은 분리 장치(3)로 유입되어 두 개의 흐름(4)(5)으로 분리되며, 흐름(4)은 담수화 프로세스를 위한 개시 흐름으로, 제 1 반투과막 설비(8)에 공급된 후에는 폐쇄되는 시동용 가압펌프(6)를 더 포함할 수 있고, 흐름(5)은 제 1 압력 전달 수단으로 공급될 수 있다.
제 1 반투과막 설비(8)로부터 농축 희석되어 삼투 에너지를 전달받은 희석수(15)는 분리 장치(16)로 유입되어 제 1 내지 제 3 흐름(17)(21)(30)으로 분리될 수 있으며, 흐름(17)은 제 1 압력 교환 장치(18)으로, 흐름(21)은 가압펌프(22)로, 흐름(30)은 제 2 압력 교환 장치(28)로 각각 유입될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제 2 용액은 하수 처리수, 표면수, 지표수, 하천수 또는 저농도 염수일 수 있다.
또한 제 1 반투과막은 정삼투막, PRO막, NF막 또는 중공 파이버 또는 나선형 권선이 형성된 막을 포함할 수 있고, 상기 제 2 반투과막은 나노 필터 또는 역삼투막을 포함할 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수 시스템의 프로세스를 설명하면 다음과 같다.
예를 들어 1bar의 사전 처리된 제 1 용액, 예컨대 사해(Dead Sea)에서와 같은 50,000ppm 이상의 초고염도의 유입 해수(2) 100m3/h가 담수원(1)으로부터 제 1 분리 장치(3)에 유입된다. 제 1 분리 장치(3)는 유입 해수(2)을 두 개의 흐름(4)(5)으로 분리할 수 있다.
흐름(5)은 제 1 압력 교환기 장치(18)에 유입되어 반대편 유입수의 압력을 전달받아 예컨대 27.6bar의 압력으로 증가될 수 있다.
제 1 압력 교환 장치(18)를 통해 압력이 증가된 흐름(19)은 압력 조절 장치, 예를 들어 부스터 펌프(20)에 공급되어 제 1 반투과막 PRO 설비에서 삼투압을 발생시킬 수 있는 적합한 압력, 예컨대 30bar의 압력으로 증가될 수 있다.
부스터 펌프(20)를 통해 압력이 증가된 흐름은 유입수(7)로서, 삼투적으로 구동된 프로세스를 위한 제 1 반투과막의 PRO 설비(8)에 유입될 수 있다.
한편, 제 1 분리 장치(3)를 통해 분리된 흐름(4)은 점선으로 도시된 바와 같이 담수화 프로세스를 위한 개시 흐름으로 시동용 가압펌프(6)에 공급되며, 시동용 가압펌프(6)를 통과한 흐름을 유입수(7)로서 PRO 설비(8)에 공급한 후에는 폐쇄될 수 있다.
제 2 용액 공급원(12)으로 부터의 제 2 용액, 예를 들어, 하수 1차 처리수, 하수 2차 처리수, 하수 3차 처리수, 염수, 지표수 및 표면수와 같은 5bar의 저염도수(11)는 수질, 압력 및 체적 흐름율 등이 소망 레벨로 조절되도록 가압펌프를 가지는 설비(10)에 공급될 수 있다. 이때 설비(10)는 소망하는 질과 양에 따라 필터 프로세스를 적절히 사용하여 압력 및 체적 흐름율을 다르게 조절할 수 있다.
설비(10)를 통과한 압력 및 체적 흐름율이 다르게 조절된 흐름(9)은 제 1 반투과막의 일 표면으로 공급되는 공급 용액으로서 PRO 설비(8)에 공급된다.
PRO 설비(8)의 한쪽으로 부스터 펌프(20)를 통과한 30bar의 유입수(7)가 유입되고, 다른 한쪽으로 설비(10)를 통과한 저염도수(11)의 흐름(9)이 공급됨에 따라, 유입수와 흐름(9)사이의 염도차에 따라 삼투 에너지를 발생하고, 흐름(9)으로부터 유입수(7)으로 물을 추출하여 유입수(7)의 체적 흐름율을 증가한다.
PRO 설비(8)내의 제 1 반투과막을 통한 흐름(9)으로 부터의 추출수는 매우 낮은 저염도를 가지며, 흐름(9)이 유입수(7)와 혼합되면, 두 용액사이의 염도차에 의해 삼투 에너지를 발생한다.
그 결과 PRO 설비(8)를 통해 삼투 에너지를 전달받은 증가된 체적 흐름율 및 상대적으로 일정한 압력의 29bar의 희석수의 흐름(15)은 PRO 설비(8)로부터 추출되어 분리 장치(16)에 유입되고, 분리 장치(16)를 통해 3개의 흐름(17), (30) 및 (21)으로 분리될 수 있다.
또한 PRO 설비(8)의 제 1 반투과막을 통해 수분 함량의 일부를 잃어버림에 의해 농축된 흐름(13)은 다른 처리를 위한 다른 프로세스로 저장되거나 전달되는 설비(14)에 주어진다.
분리 장치(16)를 통과하면서 분리된 흐름(17)은 흐름(5)의 압력을 증가하는 제 1 압력 교환 장치(18)에 유입되어 압력을 전달함에 따라, 조절 압력의 유입수(7)로서 PRO 설비(8)에 공급되므로, 담수화 프로세스의 에너지 소비를 낮출 수 있다.
또한 제 1 압력 교환 장치(18)를 통과하면서 압력이 감소된 흐름(34)은 다른 처리 또는 배출 된다.
한편, 분리 장치(16)를 통과하면서 분리된 흐름(21)은 가압펌프(22)내의 예를 들어 압력 조절 장치에 유입되어 압력이 증가되며, 가압펌프(22)를 통과하면서 압력이 증가된 흐름은 60bar의 유입수(23)로서, 담수화용 반투과막, 예를 들어 역삼투의 SWRO 설비(24)에 유입될 수 있다.
또한, 분리 장치(16)를 통과하면서 분리된 흐름(30)은 제 2 압력 교환 장치(28)에 유입되고, 제 2 압력 교환 장치(28)를 통과하면서, 삼투압에 적합한 압력, 즉 56.1bar의 압력으로 증가되어 부스터 펌프(29)에 유입되어 압력이 증가되어 유입수(23)에 혼합되어, 담수화용 반투과막의 역삼투 SWRO 설비(24)에 유입되므로, 가압펌프(22)의 소모전력을 줄일 수 있다.
SWRO 설비(24)를 통과한 1bar의 투과 또는 생산수(25)는 예를 들어 저염도로서 휴대용 음료, 관개 또는 산업용과 같은 다른 용도를 위한 생산수 저장 설비(26)에 공급될 수 있다. SWRO 설비(24)로부터 농축되어 배출되는 59bar의 흐름(27)은 다시 배출 장치(28)에 유입될 수 있다.
제 2 압력 교환 장치(28)는 유입되는 RO 농축수의 흐름(27)의 압력을 이용하여 분리 장치(16)를 통해 분리되어 유입되는 흐름(30)에 압력을 전달하여 압력을 증가하는 반면, 배출되는 흐름(31)의 압력은 감소된다. 압력이 감소된 흐름(31)은 RO 농축수로 제 2 압력 교환 장치(28)를 통해 삼투 에너지를 전달받은 PRO 희석수이며, 펠톤 터빈과 같은 에너지 발생 장치(32)에 유입되며, 흐름(31)의 삼투 에너지가 에너지 발생 장치에 의해 에너지를 발생할 수 있다. 에너지 발생 장치(32)를 통과하면서 압력이 감소된 흐름(33)은 다른 처리 또는 유입 프로세스를 위한 배출 장치(29)에 유입될 수 있다.
이와 같이 PRO 설비(8)의 분리막은 반투과성 정삼투막으로서 삼투압에 의해 염도가 낮은 용액의 순수한 물(용매)이 염도가 높은 용액으로 흘러들어가며, 이때 염도가 낮은 용액의 용질 및 이온 성분은 반투과성 막의 특성에 의해 걸러지게 되므로, 염도가 높은 쪽의 용액은 삼투에너지를 전달받게 된다. 이에 따라 초고염도수의 압력을 증가하여 PRO 분리막에 유입시키고, 이 유입수보다 염도가 낮은 용액을 PRO 분리막 반대방향으로 주입하면, PRO 분리막 사이로 염도가 높은 용액(초고염도수의 PRO 농축수 등)과 염도가 낮은 용액(저염도수 등)이 존재하고 되고, 이때, 염도차에 의한 삼투압의 삼투 에너지가 발생되게 된다.
도 2는 도 1 실시예의 물질 균형(mass balance)의 상세 다이어그램을 나타내는 것으로, 각 흐름들의 염도, 체적 흐름율, 및 압력 사양을 포함하고 있다. 물질 균형 계산은 사전 처리된 사해(Dead Sea)의 해수와 같은, 초고염도 유입 해수(2) 100m3/h의 체적 흐름율, SWRO 설비(24)와 같은 제 2 반투과막 프로세스의 45% 회수 효율 및 PRO 설비(8)와 같은 제 1 반투과막 프로세스로 부터의 825% 체적 흐름율 증가에 의거한다.
도 3은 도 2 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램으로, 삼투막 프로세스는 PRO 설비(8)와 같은 제 1 반투과막 프로세스를 나타내고 있다.
도 4는 도 1 실시예의 물질 균형(mass balance)의 상세 다이어 그램을 나타내는 것으로, 각 흐름들의 염도, 체적 흐름율, 및 압력 사양을 포함하고 있다. 물질 균형 계산은 초고염도 유입 수용액(1)의 100m3/h 체적 흐름율, SWRO 설비(24)와 같은 제 2 반투과막 프로세스의 50% 회수 효율 및 PRO 설비(8)와 같은 제 1 반투과막 프로세스로 부터의 1050% 체적 흐름율 증가에 의거한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템의 물질 균형에 따른 상세 예시 다이어그램으로, 도 1 실시예의 PRO 설비가 다단 삼투 프로세스로 변형된 것이외에는 도 1 실시예의 구성과 동일한 구성이므로, 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 2 용액 공급원(12)으로 부터의 예를 들어 하수 1차 처리수, 하수 2차 처리수, 하수 3차 처리수, 염수, 지표수 및 표면수와 같은 제 2 용액의 저염도수(9)는 가압펌프를 포함하는 설비(10)(도 1)를 통과하면서 압력 및 체적 흐름율이 다르게 조절된 흐름은 제 1 반투과막의 일 표면으로 공급되는 공급 용액으로서 4단계의 삼투 프로세스로 구성된 PRO 설비(8)에 공급된다.
삼투 프로세스의 처음 3개의 단계는 제 2 용액 공급원(12)의 용액에 대한 압력 조절을 요하지 않는다. 그렇지만, 삼투 압력이 다른 마지막 삼투 프로세스는 일정 레벨의 압력 조절을 요한다. PRO 설비(8)에의 유입수(7)와 저염도수(9)사이의 염도 증감율은 저염도수(9)로부터 유입수(7)으로의 물을 추출하며, 유입수(7)의 체적 흐름율을 증가한다.
PRO 설비(8)내의 제 1 반투과막을 통한 저염도수(9)로부터의 추출수는 매우 낮은 염도를 가지며, 유입수(7)와 혼합되면, 두 용액사이의 염도차에 의해 삼투 에너지를 발생한다.
도 6 및 도 7은 도 5 다이어그램에 사용된 삼투막 프로세스의 상세 예시 다이어그램으로, 각각 저압 및 고압 공급수가 도 5의 PRO 설비의 삼투막 프로세스의 처음 3 단계의 상세 다이어그램을 나타내고 있고, 도 3과 유사하므로 설명의 편의상 그 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명의 바람직한 실시예들로서 단지 발명 원리의 적용을 예시하는 것에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시, 예컨대 특정 상황, 물질, 조성, 프로세스, 공정 단계, 등에 대한 변형 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
6 : 시동용 가압펌프 8 : PRO 설비
18 : 제 1 압력 교환 장치 20, 29 : 부스터 펌프
22 : 가압펌프 24 : SWRO 설비
28 : 제 2 압력 교환 장치 32 : 에너지 발생 장치
18 : 제 1 압력 교환 장치 20, 29 : 부스터 펌프
22 : 가압펌프 24 : SWRO 설비
28 : 제 2 압력 교환 장치 32 : 에너지 발생 장치
Claims (12)
- 유입되는 초고염도수의 제 1 용액의 압력을 증가하는 제 1 압력 전달 수단; 상기 제 1 압력 전달 수단을 통과한 흐름이 삼투 유도 용액의 유입수로서 유입되고, 상기 제 1 용액의 염도보다 낮은 저염도의 제 2 용액이 유입되어, 상기 유입수와 제 2 용액과의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시킬 수 있는 제 1 반투과막 설비;
상기 제 2 용액의 용매가 상기 제 1 반투과막 설비를 통해 여과되어 상기 유입수는 희석되고 체적이 증가하며 삼투에너지 혹은 삼투압을 포함하는 제1 반투과막 설비의 유출수의 일부 또는 전부를 제 2 반투과막 설비를 통해 담수를 생산할 수 있도록 하는 가압펌프;
상기 제 1 반투과막 유출수의 압력을 증가하는 제 2 압력 전달 수단; 및
상기 가압펌프를 통과한 흐름이 RO 유입수로서 유입되어 담수를 생산하는 제 2 반투과막 설비를 포함하되,
상기 제 2 반투과막 설비를 통해 여과되지 않는 농축수의 압력은 상기 제 2 압력 전달 수단에 의해 상기 제1 반투과막 설비의 유출수에 전달되며, 제 2 압력 전달 수단을 통해 압력을 전달받은 상기 제1 반투과막 설비의 유출수 일부 또는 전부를 상기 제 2 반투과막 설비에 유입하여 담수 생산을 위해 필요한 전력을 절감할 수 있는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 압력 전달 수단은
상기 제 1 용액이 유입되는 제 1 압력 교환 장치와,
상기 제 1 압력 교환 장치를 통과한 흐름의 압력을 증가하는 부스터 펌프를 포함하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 압력 전달 수단은
상기 제 1 반투과막 설비를 통과한 상기 유출수와, 상기 제 2 반투과막 설비로부터 배출된 농축수의 흐름이 유입되는 제 2 압력 교환 장치와,
상기 제 2 압력 교환 장치를 통과한 흐름의 압력을 증가하는 부스터 펌프를 포함하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 압력 교환 장치를 통해 배출되는 흐름이 유입되어, 상기 제 1 반투과막 설비에서 발생된 삼투 에너지를 이용하여 에너지를 발생하는 에너지 발생 장치를 더 포함하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 4 항에 있어서,
상기 에너지 발생 장치는 폴톤 터빈인 것을 특징으로 하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 초고염도수의 제 1 용액이 유입되는 분리 장치와,
상기 분리 장치를 통해 분리된 어느 하나의 흐름은 담수화 프로세스를 위한 개시 흐름으로 공급되며, 배출되는 유입수가 상기 제 1 반투과막 설비에 공급된 후에는 폐쇄되는 시동용 가압펌프를 더 포함하고,
분리된 나머지 하나의 흐름은 상기 제 1 압력 전달 수단으로 공급되는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반투과막 설비로부터 배출되는 흐름을 상기 제 1 내지 제 3 흐름으로 분리하는 분리 장치를 더 포함하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반투과막 설비는 다단 삼투 프로세스를 실행하도록 복수의 제 1 반투과막 설비를 포함하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 용액은 하수 처리수, 표면수, 지표수, 하천수 또는 저농도 염수인 것을 특징으로 하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반투과막은 정삼투막, PRO막, NF막 또는 중공 파이버 또는 나선형 권선이 형성된 막을 포함하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 반투과막은 나노 필터 또는 역삼투막을 포함하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템.
- 청구항 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템의 담수화 방법으로서,
상기 제 1 반투과막 설비는 상기 가압펌프를 통과한 흐름이 삼투 유도 용액으로서 유입되고, 상기 삼투 유도 용액보다 낮은 염도의 제 2 용액이 유입수로서 상기 삼투 유도 용액의 주입 방향과 반대 방향으로 주입되어, 상기 삼투 유도 용액과 상기 유입수와의 농도차에 의해 삼투 에너지를 발생시키고, 상기 제 2 용액의 용매가 농축 희석되어 PRO 희석수로서 상기 가압펌프에 공급되어 상기 발생된 삼투 에너지를 상기 제 2 반투과막 설비에 전달하는
초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 방법.
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| KR20130046282A KR101489853B1 (ko) | 2013-04-25 | 2013-04-25 | 초고염도수의 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법 |
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-
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