KR20150003060A - 탈염 및 염분차 발전을 선택적으로 수행하는 하이브리드 시스템 - Google Patents

탈염 및 염분차 발전을 선택적으로 수행하는 하이브리드 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 시스템에서 시스템 구성요소의 제어를 통하여 전기투석(EDR) 공정과 역전기투석(RED) 공정을 선택적으로 수행할 수 있는 하이브리드 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 본 발명에 따른 탈염 및 염분차 발전을 함께 수행하는 하이브리드 시스템은 전기투석 및 역전기투석 공정이 수행되는 하이브리드 셀과, 상기 하이브리드 셀을 전기투석 운전 모드 또는 역전기투석 운전 모드로 설정하는 제어부와, 상기 하이브리드 셀에 전력을 공급하는 전원부를 포함하며, 상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 상기 전원부에 연결되고, 상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 외부 저항에 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

탈염 및 염분차 발전을 선택적으로 수행하는 하이브리드 시스템{HYBRID SYSTEM FOR ACCOMPLISHING SELECTIVELY ELECTRODIALYSIS REVERSAL AND REVERSE ELECTRODIALYSIS}
본 발명은 탈염 및 염분차 발전을 선택적으로 수행하는 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기투석(EDR)에 의한 탈염과 역전기투석(RED)에 의한 염분차 발전을 서로 전환하면서 하나의 시스템으로 구현하는 것과 관련된다.
전기투석장치(Eletrodialysis Reversal: EDR)는 양전극과 음전극 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막을 교차로 배열하여 전기적 힘에 의해 용액 내 이온을 분리하는 장치를 말한다. 전기투석장치는 이온을 제거하거나 농축할 수 있어서 해수의 담수화, 폐수 재이용, 도금 폐수 등에서 유가금속 회수 및 특정 염의 농축 및 탈염에 주로 사용되고 있으며 순수의 제조, 주스의 신맛을 조정하거나 당류 및 아미노산을 정제하는 데에도 사용되고 있다.
한편, 전기투석을 역행하여 전기 에너지를 발생시키는 것을 역전기투석(Reverse Eletrodialysis: RED)이라고 한다. 역전기투석은 농도가 다른 두 유체, 예를 들면 해수와 담수의 혼합 과정에서 발생한 염도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하는 것이다. 이렇게 해수와 담수의 농도 차이를 이용하는 에너지 회수 기술은 1975년 이스라엘의 Sidney Loeb 교수에 의하여 처음 제안된 삼투압 방식과 역전기투석(RED) 방식으로 대별할 수 있는데, 현재 노르웨이의 수력 풍력 발전 회사인 Statkraft사와 네덜란드의 지속가능수력기술센터(Wetsus)에서 각각의 연구가 진행되고 있다.
다양한 연구보고서와 논문 등이 새로운 신재생 에너지원으로서 역전기투석(RED)을 이용한 염분차발전 시스템을 언급하고 있지만, 역전기투석(RED) 시스템은 초기 투자비용이 높다는 문제점이 지적되고 있으며, 폐수 처리와 같은 수처리 시설에서 탈염 설비로서 전기투석(EDR)이 다양하게 사용되고 있음에도 불구하고 이를 이용한 에너지발전장치(RED)로의 전환 기술은 아직까지 보고된 바 없다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단일 시스템에서 시스템 구성요소의 제어를 통하여 전기투석(Eletrodialysis Reversal, EDR) 공정과 역전기투석(Reverse Eletrodialysis, RED) 공정을 선택적으로 수행할 수 있는 하이브리드 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탈염 및 염분차 발전을 함께 수행하는 하이브리드 시스템은 전기투석 및 역전기투석 공정이 수행되는 하이브리드 셀과, 상기 하이브리드 셀을 전기투석 운전 모드 또는 역전기투석 운전 모드로 설정하는 제어부와, 상기 하이브리드 셀에 전력을 공급하는 전원부를 포함하며, 상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 상기 전원부에 연결되고, 상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 외부 저항에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 하이브리드 셀은 상기 전원부 및 상기 외부 저항과 연결되어 전위차를 발생시키는 전극과, 상기 전극 사이에 개재되는 각각 적어도 하나 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막과, 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 개재되는 스페이서와, 상기 전극과 상기 양이온 교환막 사이와, 상기 전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 충전되는 전극 용액을 포함할 수 있다.
또한 상기 하이브리드 셀은 상기 하이브리드 셀로부터 염수 저장부 및 기수 저장부까지 연결되는 제1 유로와, 상기 하이브리드 셀로부터 농축 염수 저장부까지 연결되는 제2 유로와, 상기 하이브리드 셀로부터 담수 저장부까지 연결되는 제3 유로를 포함하며, 상기 제어부가 전기투석 모드로 설정되면, 상기 제1 유로를 통하여 유체가 상기 하이브리드 셀로 공급되고, 상기 제2 유로와 상기 제3 유로를 통하여는 유체가 상기 하이브리드 셀로부터 각각 배출되며, 상기 제어부가 역전기투석 모드로 설정되면, 상기 제1 유로를 통하여 유체가 상기 하이브리드 셀로부터 배출되고, 상기 제2 유로와 상기 제3 유로를 통하여 각각 유체가 상기 하이브리드 셀로 공급된다.
상기 외부 저항은 가변 저항이며, 상기 하이브리드 셀과 같은 저항값을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전극 용액은 교체가 가능하며, 상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는 상기 전극 용액은 완충 용액이고, 상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는 상기 전극 용액은 레독스-커플 용액(redox-couple solution)이다.
상기 하이브리드 셀의 효율성 증가를 위하여 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막은 반복되어 위치하고 있다. 상기 제어부는 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 전원부에서 상기 하이브리드 셀로의 전압 인가 극성을 1시간에 2~4 회의 주기로 바꾸어 주어 전극에 부착되어 있는 이온을 제거해 준다. 또한, 상기 하이브리드 셀은 단일 모듈로 구성되어 있어서 유지 보수 시 교체가 가능하다.
상기와 같은 본 발명에 의하면 전기투석(EDR) 공정을 통해 담수를 생산하고, 생산한 담수를 저장 후 이를 필요에 따라 역전기투석(RED) 공정을 통해 에너지를 생산할 수 있다. 따라서, 기존의 전기투석(EDR) 시스템을 이용하여 초기 투자 비용이 낮은 역전기투석(RED) 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 전기투석 시스템과 역전기투석 시스템을 단일 시스템으로 구성함으로써 도서지역 및 선박 등의 담수 확보가 어려운 환경에서 효과적으로 담수 확보가 가능함과 동시에 전력 수요의 증가 시 비축된 농축 염수 및 담수를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 시스템을 소형화하여 휴대용으로 제작 시에 군사용 조난 키트로도 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기투석 및 역전기투석 하이브리드 시스템의 전기투석(EDR) 운전 모드에서의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전기투석 및 역전기투석 하이브리드 시스템의 역전기투석(RED) 운전 모드에서의 구성도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기투석 및 역전기투석 하이브리드 시스템에서 전기투석(EDR) 운전 모드를 설명하는 도면이고, 도 2는 역전기투석(RED) 운전 모드를 설명하는 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 시스템의 구성과 동작을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 하이브리드 시스템은 전기투석(EDR) 및 역전기투석(RED) 공정이 수행되는 하이브리드 셀(300)과, 하이브리드 셀(300)을 전기투석 운전 모드 또는 역전기투석 운전 모드로 설정하는 제어부(200)와, 하이브리드 셀(300)에 전력을 공급하는 전원부(100)를 포함한다.
하이브리드 셀(300)은 전원부(100) 및 외부 저항(400)과 연결되어 전위차를 발생시키는 전극(330)과, 전극(330) 사이에 개재되는 각각 적어도 하나 이상의 양이온 교환막(310) 및 음이온 교환막(320)과, 전극(330)과 양이온 교환막(310)과 음이온 교환막(320) 사이에 개재되는 스페이서(도시하지 않음) 및 전극(330)와 양이온 교환막(310) 또는 전극(330)과 음이온 교환막(320) 사이의 공간(331)에 흐르는 전극 용액(340)을 포함한다.
양이온 교환막과 음이온 교환막은 반복되어 위치하고, 전극과 막 사이에 전류가 통하도록 물을 통과시키는데 이 물을 전극 용액(340)이라 하며 이 사이의 공간을 전극실(331)이라 한다. 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는, 전극 용액은 완충 용액(예 : Na2SO4 등)으로 할 수 있다.
도 1을 참조하여 전기투석(EDR) 공정에 대하여 설명한다. 도 1를 참조하면, 제어부(200)가 전기투석(EDR) 운전 모드로 설정된 경우 제2 스위치(102)는 열리고 제1 스위치(101)는 닫히면서 하이브리드 셀(300)은 전원부(100)에 연결된다. 전원부(100)로부터 양 전극(330)에 전기가 인가되면 양 전극(330) 간에 기전력의 차이가 생기게 되므로 하이브리드 셀(300) 내부의 용액에서는 이온이 이동하게 된다. 한편, 이동중인 음이온은 양극으로 이동중에 음이온 교환막(320)을 통과하나 양이온 교환막(310)을 통과하지 못하고 반대로 양이온은 음극으로 이동중에 양이온 교환막(310)을 통과하나 음이온 교환막(320)을 통과하지 못하므로 이온이 제거되는 부분과 이온이 농축되는 부분이 생기며 이를 각각 희석실(350)과 농축실(360)이라 한다. 따라서 전기투석(EDR) 운전 시 전원부(100)을 통해 셀(300)에 전기를 인가함으로써 탈염을 통한 담수 생산이 가능하게 된다.
다음은, 본 발명의 하이브리드 셀(300)을 통과하는 유체의 흐름을 설명한다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 시스템은 하이브리드 셀(300)로부터 염수 저장부 및 기수 저장부까지 연결되는 제1 유로(610), 하이브리드 셀(300)로부터 농축 염수 저장부까지 연결되는 제2 유로(620), 및 하이브리드 셀(300)로부터 담수 저장부까지 연결되는 제3 유로(630)를 포함한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 제어부가 전기투석 모드로 설정되면, 제1 유로(610)를 통하여 유체(해수)가 하이브리드 셀(300)로 공급되고, 하이드로 셀에서 탈염 공정을 거친 후, 농축 염수는 제2 유로(620)를 통하여, 희석수(담수)는 제3 유로(630)를 통하여 하이브리드 셀(300)로부터 각각 배출된다. 또한, 제2 유로(620)와 제3 유로(630)에는 저장부(520,530)의 선단에 펌프(212,213)와 평행하게 바이패스 관로가 위치하여 저장 시 추가적인 에너지 사용 없이도 생성된 농축 염수 및 담수의 저장이 가능하다.
위와 같은 전기투석(EDR) 공정을 통해 생산된 농축 염수는 농축 염수 저장부(520)에 담수는 담수 저장부(530) 저장되며, 저장된 농축염수와 담수는 역전기투석(RED) 공정으로 전환 시 발전에 필요한 원수로 사용된다.
하지만 이러한 전기투석장치의 문제점은 이온교환막의 오염에 있으며 이러한 오염 현상은 장치의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 막의 수명을 단축시킨다. 즉, 농축실(360)에 인접한 막 면의 경우에 희석실(350)로부터 이동한 이온들로 인해 그 농도는 최대가 된다. 이로 인해 농축실 막 면의 농도는 포화용액에 이르며 특히 이동한 칼슘이온(Ca2+)과 마그네슘이온(Mg2+)에 의해 수산화물이 형성되어 막 면 및 음극에 스케일이 발생한다.
이러한 현상은 이온의 이동을 저하시킬 뿐만 아나라 막저항을 증가시켜 열을 발생시키고 전류 효율을 감소시키므로 장치의 효율을 저하시키는 주요 원인으로 대두되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는, 전원부에서 하이브리드 셀(300)로의 전압 인가 극성을 1 시간에 2~4회의 주기로 바꾸어 준다.
다음은 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 시스템의 역전기투석(RED) 공정에 대하여 설명한다. 역전기투석(RED) 시스템은 전기투석(EDR) 시스템과 비교하여 구성상 큰 차이가 없으므로 시스템 구성 요소의 제어를 통하여 두 시스템을 결합한 하이브리드 시스템의 개발이 가능하다.
제어부가 역전기투석(RED) 모드로 설정되면 제1 스위치는 열리게 되어 하이브리드 셀(300)은 전원부와 연결이 끊어지고, 제2 스위치는 닫히게 되어 하이브리드 셀(300)의 전극은 외부 저항(400)과 연결되게 된다. 외부 저항(400)은 가변 저항으로서 하이브리드 셀(300)과 같은 저항값을 갖는 것을 인가하여 시스템의 출력을 최대로 증가시킬 수 있다.
전극 용액은 전기투석(EDR) 운전 시에는 전극의 부식을 방지하기 위한 용도로 사용되며, 역전기투석(RED) 운전 시 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하기 위한 용도로 사용된다. 전극 용액은 운전조건에 따라 교체하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 전기투석(EDR) 운전 시에는 전류 효율을 높이면서 전극의 부식을 방지할 수 있는 완충 용액 (예: Na2SO4 등)을 사용하거나, 역전기투석(RED) 운전 시에는 출력 효율을 높이기 위한 레독스-커플 용액(redox-couple solution (예: Fe2+/Fe3+ 등))을 사용하는 것이 바람직하다. 전극 용액은 전기투석(EDR) 및 역전기투석(RED) 운전 전환 시 전극부에서 교체가 가능하며, 낮은 출력 범위에서는 전극 용액의 교체 없이 운전이 가능하다.
하이브리드 셀(300)에서 유체의 유입 및 출입은 도 2에서 보는 바와 같이, 전기투석(EDR) 운전 모드에서와는 반대로 제2 유로(620)와 제3 유로(630)를 통하여 각각 유체가 하이브리드 셀(300)로 공급되고 제1 유로(610)를 통하여 유체가 하이브리드 셀(300)로부터 배출된다. 저장되어 있던 농축 염수 및 담수는 역전기투석(RED)에 의한 발전 시 유입수로 사용이 가능하여 펌프(212,213)에 연결된 각각 분기된 관을 통해 하이브리드 셀(300) 내부로 흘러 들어가며, 발전 후 발생되는 유출수는 혼합하여 제1 유로를 통하여 기수 저장부에 보관되어 전기투석(EDR) 운전 시 재사용이 가능하다.
담수 저장부는 외부의 우수 회수 장치와 연결하여 강우량이 집중되는 하절기에는 추가적인 담수 확보가 가능하며, 하절기의 전력 수요 증가 시에는 확보된 담수를 역전기투석(RED) 운전을 위한 담수 공급원으로 사용할 수가 있다.
염수 및 기수 저장부의 선단에 쓰리웨이 밸브(3-way valve)(201)가 설치되어 전기투석(EDR) 운전 시에는 염수 저장탱크로 연결되고 역전기투석(RED) 운전 시에는 기수 저장탱크로 연결이 가능하다.
본 발명의 시스템에는, 조정 벨브(201,202,203), 펌프(211,212,213) 및 스위치(101,102) 등을 조절할 수 있는 제어부(200) (Control Device)가 위치하고 있으며 전기투석(EDR) 및 역전기투석(RED)의 운전 변환에 따라 각 구성 요소를 일괄적으로 제어한다. 또한, 본 발명의 시스템은, 중앙 제어장치(도시하지 않음)가 위치하여 전원부, 가변저항, 스위치, 조정 벨브 및 펌프의 운전을 제어할 수 있으며, 전기투석(EDR) 운전 시에는 전류, 전압 및 유출 유입수의 농도 및 온도의 측정가능하고, 역전기투석(RED) 운전 시에는 전력 및 유출 유입수의 농도 및 온도를 측정하여 이를 자동 제어할 수가 있다. 또한, 하이브리드 셀(300)은 단일 모듈로 구성되어 있어서 유지 보수 시 교체가 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예로서 셀을 비롯하여 기타 장치를 소형화 하여 휴대용으로 제작할 수 있다. 이러한 휴대용 장치는 작전 중 고립된 병사들의 군사용 키트로 활용될 수 있고, 또는 난민 지역의 구호 용품으로도 활용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100 : 전원부 101 : 제1 스위치
102 : 제2 스위치 200 : 제어부
201 : 제1 조정 밸브(쓰리웨이 밸브) 202 : 제2 조정 밸브
203 : 제3 조정 밸브 211 : 제1 펌프
212 : 제2 펌프 213 : 제3 펌프
300 : 하이브리드 셀 310 : 양이온 교환막
320 : 음이온 교환막 330 : 전극
331 : 전극실 340 : 전극 용액
350 : 희석실 360 : 농축실
400 : 외부 저항 500 : 염수 저장부
510 : 기수 저장부 520 : 농축 염수 저장부
530 : 담수 저장부 610 : 제1 유로
620 : 제2 유로 630 : 제3 유로

Claims (8)

  1. 탈염 및 염분차 발전을 선택적으로 수행하는 하이브리드 시스템에 있어서,
    전기투석 및 역전기투석 공정이 선택적으로 수행되는 하이브리드 셀과,
    상기 하이브리드 셀을 전기투석 운전 모드 또는 역전기투석 운전 모드로 설정하는 제어부와,
    상기 하이브리드 셀에 전력을 공급하는 전원부를
    포함하며,
    상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 상기 전원부에 연결되고, 상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 하이브리드 셀은 외부 저항에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 셀은
    상기 전원부 및 상기 외부 저항과 연결되어 전위차를 발생시키는 전극과,
    상기 전극 사이에 개재되는 각각 적어도 하나 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막과,
    상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 개재되는 스페이서와,
    상기 전극과 상기 양이온 교환막 사이와, 상기 전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에는 전극 용액을
    포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 셀은
    상기 하이브리드 셀로부터 염수 저장부 및 기수 저장부까지 연결되는 제1 유로와,
    상기 하이브리드 셀로부터 농축 염수 저장부까지 연결되는 제2 유로와,
    상기 하이브리드 셀로부터 담수 저장부까지 연결되는 제3 유로를
    포함하며,
    상기 제어부가 전기투석 모드로 설정되면 상기 제1 유로를 통하여 유체가 상기 하이브리드 셀로 공급되고, 상기 제2 유로와 상기 제3 유로를 통하여는 유체가 상기 하이브리드 셀로부터 각각 배출되며,
    상기 제어부가 역전기투석 모드로 설정되면 상기 제1 유로를 통하여 유체가 상기 하이브리드 셀로부터 배출되고, 상기 제2 유로와 상기 제3 유로를 통하여 각각 유체가 상기 하이브리드 셀로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 저항은 가변 저항이며, 상기 하이브리드 셀과 같은 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 용액은 교체가 가능하며,
    상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는 상기 전극 용액은 완충 용액이고,
    상기 제어부가 역전기투석 운전 모드로 설정된 경우에는 상기 전극 용액은 레독스-커플 용액(redox-couple solution)인
    것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막은 반복되어 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부가 전기투석 운전 모드로 설정된 경우 상기 전원부에서 상기 하이브리드 셀로의 전압 인가 극성을 1 시간에 2~4회의 주기로 바꾸어 주는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하이브리드 셀은 단일 모듈로 구성되어 있어서 유지 보수 시 교체가 가능한 것을 특징으로 하는 하이브리드 시스템.
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