KR20150012594A

KR20150012594A - 히트파이프와 워터콘이 결합된 막 증류 수처리 장치

Info

Publication number: KR20150012594A
Application number: KR1020130088277A
Authority: KR
Inventors: 정성필; 이석헌; 조을생; 노태호; 강상인; 정우현
Original assignee: 한국환경정책평가연구원; 한국과학기술연구원
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-02-04
Also published as: KR101543426B1

Abstract

본 발명은 막 증류 수처리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막 증류 유닛; 상기 막 증류 유닛의 외부에 형성되어 있고, 태양열을 흡열하는 흡열판; 상기 흡열판에 증발부가 위치하는 끝단이 결합되어 있고, 응축부가 위치하는 나머지 끝단이 상기 유입수측의 일 영역에 관통되도록 결합되는 히트파이프; 상기 막 증류 유닛의 외부에 위치하고, 일 영역에 증류수를 배수할 수 있는 증류수 배수공이 형성되어 있는 부체; 상기 증류수 배수공에 결합되어 증류수를 수집하는 증류수 집수용기; 및 상기 부체를 덮는 투명 덮개를 포함하는 막 증류 수처리 장치에 관한 것이다.

Description

히트파이프와 워터콘이 결합된 막 증류 수처리 장치{Water Treatment Apparatus using Membrane Distillation Method}

본 발명은 수 처리 기술 중 막 증류 기술을 이용하는 수 처리 장치에 관한 것이다.

막 증류법(Membrane Distillation)은 소수성 고분자 분리막의 표면에서 상변화가 일어나고, 분리막의 표면 미세기공을 통해 증기가 투과하여 응축, 분리되는 공정으로서, 비휘발성 물질이나 휘발성이 상대적으로 낮은 물질을 분리 제거하는 탈염 공정에 이용되거나, 수용액 중에 휘발성이 높은 유기물을 분리하는데도 이용할 수 있다.

막 증류에 대한 개념이 1940년에 제안된 이래, 현재에 이르기까지 막 증류에 대한 연구는 주로 미국, 유럽, 일본, 호주 중심으로 진행되어 왔다. 최근에 막 증류 분리 공정을 종래의 증발 또는 역삼투압막을 이용한 분리공정과 대체하려는 움직임이 활발하다.

현재, 순수제조나 담수화 공정으로 사용되고 있는 증발법과 역삼투압법은 에너지가 많이 소요되는데, 특히 역삼투압법은 오염과 파울링의 문제로 인하여 사용 전에, 여러 단계의 전처리 과정을 거치므로 운전 관리상의 어려움뿐만 아니라, 높은 압력에서 운전되므로 펌프동력원인 전기에너지가 많이 사용되어 관리비용이 많이 소요되는 문제가 있다.

반면에, 막 증류(membrane distillation)는 다공성 막을 사용하면서 한외여과법과 역삼투압법에 비해 낮은 압력에서 운전되며 증기압 분압차에 의해 분리가 이루어진다. 또한, 상기 막 증류 분리법을 이용하면, 염과 같은 비휘발성 물질을 분리ㆍ제거하는데 있어서 전통적인 증류법이 가지는 비말 동반이 없고 높은 압력으로 운전되는 여과기 또는 분리막을 사용하지 않아도 된다.

이러한 막 증류 분리공정의 장점으로 인하여, 막 증류법을 이용한 담수화(탈염화) 처리공정은 저비용의 유틸리티와 분리장치의 내구성이 우수하므로 전 세계적으로 음용수 생산에 있어 경쟁력있는 방법 중의 하나로 부상하고 있다.

막 증류법은 소수성 고분자 분리막을 이용하는데, 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 투과측에서 응축, 분리되는 것이다.

이러한 막 증류법은 유입용액이 분리막을 통과하는 유입수측과 분리대상 물질이 응축 및 분리되는 처리수측으로 구성된 분리막 모듈을 통해 수행된다.

하지만, 막 증류법은 상기와 같은 장점에도 불구하고, 유입수측과 처리수측 사이의 증기압차를 유발하기 위하여 열 에너지를 필연적으로 사용할 수밖에 없기 때문에, 전체 운전비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 것이 열 에너지의 확보이며, 이로 인한 에너지 비용 부담으로 인해 다른 수 처리 방법에 비해 비용 적으로 불리한 점이 있어 왔다.

일반적으로 막 증류 공정에서 원수를 가열하는 열 에너지원으로는 전기에너지나 화석에너지를 사용하여 왔으며, 에너지 비용이 많이 드는 문제도 있지만, 외부에서 원수를 가열한 후 막 증류 모듈의 유입수측으로 가열된 원수를 이송하는 과정에서 열 손실이 발생하는 문제도 있다.

또한, 막 증류 모듈의 처리수측을 통해 순환하는 처리수를 냉각시키기 위해서 별도의 냉각장치를 사용하며, 이 경우에도 별도의 에너지 비용이 소요된다.

따라서, 막 증류 공정에서 고비용의 전기에너지나 화석에너지 사용을 대체하여 열 에너지를 확보하는 것과, 열 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 비용을 절감함과 동시에 유입수의 가열과 처리수의 냉각을 지속적으로 가능하게 함으로써 수 처리 성능을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 막 증류 공정 중 유입 원수를 가열함에 있어, 고비용의 전기에너지 또는 화석에너지의 사용을 대체하여 열 에너지를 확보하고, 열 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 비용을 절감할 수 있는 막 증류 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 처리수를 냉각함에 있어 별도의 냉각 장치 및 에너지 소모가 필요 없는 막 증류 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에서 상기 흡열판은 태양열을 흡열하여 히트파이프의 증발부에 열을 전달하는 구성으로 특별히 그 종류가 한정적인 것은 아니나, 평판형 흡열판이 바람직할 수 있으며, 상기 흡열판의 소재로는 구리 또는 알루미늄 등 열 흡수율이 높은 소재라면 어떠한 소재라도 무방하다. 또한, 상기 흡열판은 열 흡수율을 높이기 위해 흑색 크롬 또는 티타늄으로 코팅된 것을 사용할 수도 있다.

상기 흡열판은 경우에 따라서 열 손실을 최소화하기 위해 투과체(transparent cover)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 흡열판과 투과체 사이에 일정 공간이 형성되어 있는 경우, 온실 효과에 의해서 열 손실을 최소화할 수 있어 흡열판의 흡열 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다.

본 발명에서 상기 히트파이프는 밀폐 용기의 내부의 작동유체가 연속적으로 기체-액체간의 상변화 과정을 통하여 용기의 양단 사이에 열을 전달하는 전열관으로서, 상기 히트파이프의 일 측 끝단은 열을 전달 받아 작동유체가 증발하여 기화되는 부위인 증발부로 이루어져 있고, 나머지 일 측 끝단은 상기 기화된 작동유체가 외부로 열을 발산하면서 응축되는 응축부로 이루어져 있다. 본 발명에서 상기 히트파이프는 소결형 히트파이프, 그루브형 히트파이프 또는 금속 매쉬형 히트파이프 등 어떠한 종류의 모세관 구조를 가진 것이라도 무방하며, 원통형, 평판형 또는 분리형 등 어떠한 종류의 형태를 가진 것이라도 가능하다.

본 발명의 막 증류 수처리 장치는 막 증류 유닛을 둘러싸는 부체(floating body, 浮體)를 포함하고 있어, 원수 수원지의 원수 상에 띄우는 형태로 사용되며, 상기 막 증류 유닛 중 유입수측은 원수의 수면 위로 노출되어 있고, 상기 유입수측내의 유입 원수는 흡열판을 통해 흡열된 태양열을 히트파이프를 통해 전달 받아 가열 된다. 또한, 상기 막 증류 유닛 중 처리수측은 원수의 수면 아래로 잠겨 있어 처리수측 내의 처리수는 차가운 원수에 의해 냉각된다. 이로써, 상기 막 증류 유닛의 유입수측과 처리수측 사이에 온도차에 의한 증기압차가 발생하고, 상기 유입수측 및 처리수측 사이에 위치한 소수성 분리막을 통해 가열된 원수 내의 증기(vapor)만 선택적으로 처리수측 쪽으로 이동하게 되며, 처리수측으로 이동한 증기(vapor)는 냉각 및 응축되어 순수(pure water)가 된다.

상기 부체의 일 영역에는 흡열판의 집열 효율을 향상시키기 위해 반사판이 결합될 수 있다. 상기 반사판은 특별히 형상이 정해진 것은 아니며, 본 발명의 막 증류 수처리 장치의 형태 및 구조에 따라 적절한 형상의 반사판을 사용할 수 있고, 예들 들면 평판 또는 곡면 형상 일 수 있다. 또한, 상기 반사판은 태양광 반사율이 높은 소재라면 어떠한 소재로 이루어진 것이라도 무방하며, 예를 들면 알루미늄으로 이루어진 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 막 증류 수처리 장치는 상기 부체를 덮는 투명 덮개를 포함하고 있어서, 상기 막 증류 유닛의 유입수측의 원수가 상기와 같이 가열 될 경우, 가열 된 원수 중 일부는 유입수측의 개방된 입구를 통해 증류가 일어나서 상기 투명 덮개의 내부 벽면을 따라 증류수가 바닥으로 흘러 내리게 된다. 상기와 같이 흘러내린 증류수는 부체의 일 영역에 형성되어 있는 증류수 배수공을 통해 배수되게 되며, 상기 배수공을 통해 배수된 증류수는 배수공에 결합되어 있는 증류수 집수용기에 집수되게 된다.

본 발명의 또 다른 양태는 분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막 증류 유닛; 상기 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 열을 유입수측의 원수로 전달하는 태양열 진공관; 상기 막 증류 유닛의 외부에 위치하고, 일 영역에 증류수를 배수할 수 있는 증류수 배수공이 형성되어 있는 부체; 상기 증류수 배수공에 결합되어 증류수를 수집하는 증류수 집수용기; 및 상기 부체를 덮는 투명 덮개를 포함하는 막 증류 수처리 장치에 관한 것이다.

상기 태양열 진공관은 특별히 그 종류가 제한적인 것은 아니나, 구조적으로는 이중진공 유리관형 태양열 진공관이 바람직할 수 있으며, 열 전달 방식 측면에서는 히트파이프식 태양열 진공관이 바람직할 수 있다.

상기 부체의 일 영역에는 태양열의 집열 효율을 향상시키기 위해 반사판이 결합될 수 있다. 상기 반사판은 특별히 그 형상이 제한적인 것은 아니며, 본 발명의 막 증류 수처리 장치의 형태 및 구조에 따라 적절한 형상의 반사판을 사용할 수 있다. 예를 들면, 평판 또는 곡면 형상의 반사판일 수 있다.

본 발명의 막 증류 수처리 장치는 막 증류 방식에 의해 깨끗한 물을 얻을 수 있으며, 이 경우에는 막 증류 유닛의 유입수측에 유입되는 원수를 막 증류 유닛의 외부에서 가열하는 것이 아니라, 막 증류 유닛의 유입수측 내부에서 직접 가열함으로써, 열 손실을 최소화할 수 있으며, 유입수측의 유입 원수를 가열함에 있어 기존의 고비용의 전기에너지 또는 화석에너지를 사용하지 않고 태양열 에너지를 이용함으로써, 유입 원수의 가열에 소요되는 에너지 비용을 현저히 절감할 수 있다. 또한, 본 발명의 막 증류 수처리 장치는 원수 상에 떠있는 구조로 인해, 원수의 수면 아래로 잠겨 있는 처리수측의 처리수를 냉각함에 있어 차가운 원수를 냉각 매체로 이용함으로써, 기존과 같이 별도의 냉각 장치를 사용할 필요가 없으며, 이에 따라 처리수의 냉각에 소요되는 에너지 비용도 현저히 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 막 증류 수처리 장치에 의하면, 막 증류 방식뿐만 아니라, 동시에 증류 방식에 의해서도 정수된 물을 얻을 수 있어 정수 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 경우 증류방식에 의하는 경우에도 역시 태양열 에너지를 이용함으로써, 기존의 고비용의 전기에너지 또는 화석에너지를 사용하지 않아 에너지 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치에서 투명 덮개를 분리한 경우의 사시도를 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 단면도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 상기 막 증류 유닛은 형태가 특별히 제한되는 것은 아니며, 유입수측이 분리막을 경계로 상부에 위치하고, 처리수측이 분리막을 경계로 하부에 위치하는 구조라면 어떠한 구조라도 무방하다. 예를 들면, 직육면체 형상, 원기둥 형상, 팔각 기둥 형상 등일 수 있다.

본 발명에서 상기 유입수측은 막 증류 유닛의 구성 중 외부로부터 원수가 유입되는 부분으로, 외부에서 유입된 원수는 유입수측과 처리수측 간의 증기압차에 의해 원수 내에 존재하는 증기가 상기 분리막을 통과하여 처리수측으로 이동하게 된다. 상기 유입수측과 처리수측 간의 증기압차는 온도차에 의해 발생하며, 유입수측 내의 원수의 온도가 처리수측 공간 및 처리수의 온도 보다 상대적으로 높은 것이 특징이다. 상기 유입수측과 처리수측 간의 온도차는 특별히 한정적인 것은 아니며, 온도차가 클수록 유입수측과 처리수측 간의 증기압차가 커지므로, 처리수의 플럭스(flux)가 증가한다. 유입수측과 처리수측 간의 온도차는 20 내지 60℃가 바람직하며, 보다 바람직하게는 35 내지 45℃일 수 있다. 이는 유입수측과 처리수측 간의 온도차가 20℃ 미만일 경우에는 유입수측과 처리수측 간의 증기압차가 지나치게 작아 처리수의 플럭스가 극히 미비하고, 온도차가 60℃를 초과하는 경우에는 유입 원수를 가열하는데 필요한 에너지 소모가 지나치게 많아, 투입 에너지 대비 처리수 생산 효율이 낮아지며, 특히 본 발명과 같이 태양열을 이용하여 유입원수를 가열하는 경우에는 요구되는 태양열 에너지량이 많아 가열 시간이 지나치게 오래 걸리며, 평균 일조시간이 짧거나 평균 일사량이 적은 지역에서는 수처리 성능의 구현이 어려울 수 있기 때문이다.

본 발명에서 상기 원수는 순수(pure water)를 분리할 필요가 있는 것이라면 어떠한 것이라도 무방하며, 예를 들면 오염된 지표수, 오염된 지하수 등일 수 있다.

또한, 본 발명의 막 증류 유닛에 있어서, 유입수측의 유입 원수의 공급방법은 특별히 제한적인 것은 아니며, 예를 들면, 사용자가 직접 오염 원수를 상기 유입수측에 주기적으로 붓는 방법으로 공급할 수도 있고, 상기 유입수측에 별도로 펌프가 구비된 원수 유입관을 연결하여 원수을 공급할 수도 있다.

본 발명의 상기 막 증류 유닛에 있어서, 상기 분리막은 소수성 고분자 분리막인 것이 바람직하다. 상기 분리막으로 소수성 고분자 분리막을 이용하는 이유는 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고, 상기 분리막 표면에서 반발되며, 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질이 증기상으로 상변환되어 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 처리수측에서 응축, 분리되도록 하기 위함이다. 상기 소수성 고분자 분리막은 수처리 막으로서 소수성을 가지는 고분자라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며, 예를 들면 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리설폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리에테르이미드(Polyether lmide, PEI), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 또는 폴리아마이드(Polyamide, PA) 중에서 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 상기 막 증류 유닛에 있어서, 상기 처리수측은 분리막을 통과한 증기(vapor)가 응축되는 영역으로서 분리막을 통해 원수로부터 분리된 순수인 처리수가 수집된다. 상기 처리수측 내의 처리수는 유입수측의 원수에 비해 상대적으로 온도가 낮은 것이 특징이다. 상기 처리수측에 수집된 처리수는 수거하여 식수, 생활 용수 등 각종 용수로 이용할 수 있으며, 처리수측으로부터 처리수를 수거하는 방법은 특별히 정해진 것은 없으며, 예를 들면 상기 막 증류 유닛으로부터 직접 처리수측을 분리하여 수거할 수도 있고, 외부의 물탱크와 연결된 별도의 관을 상기 처리수측의 일영역에 연결하여 수거할 수도 있다.

본 발명에서 태양열의 집열은 흡열판에 의해서 이루어진다. 상기 흡열판은 태양열을 흡열하여 히트파이프의 증발부에 열을 전달하는 구성으로 특별히 그 종류가 한정적인 것은 아니나, 평판형 흡열판이 바람직할 수 있다. 이는 평판형 흡열판이 전일사량, 즉 직달 및 산란 일사 성분 모두를 집열할 수 있다는 점과 태양광을 추적하지 않아도 되기 때문이다.

상기 흡열판은 열 손실을 최소화하기 위해 투과체(transparent cover)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 흡열판과 투과체 사이에 일정 공간이 형성되어 있는 경우, 온실 효과에 의해서 열 손실을 최소화할 수 있어 흡열판의 흡열 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 투과체의 소재는 제한된 것은 아니며 투과율이 높고, 흡수율이 작으며, 열전도율이 낮은 것이면 어느 것을 사용해도 무방하다. 본 발명에 있어서, 상기 투과체(transparent cover)는 3mm 두께의 강화유리나 저철분 강화유리를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 흡열판의 소재로는 열 흡수율이 높고, 방사율이 낮은 소재라면 어떠한 것이라도 무방하다. 따라서, 본 발명에 있어서 상기 흡열판은 열 흡수율이 높고 방사율이 낮은 구리 또는 알루미늄으로 이루어진 것이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 흡열판은 흡열판에 도달한 일사광선을 최대로 흡수해서 열에너지로 변환할 수 있도록 표면이 처리되어 있는 것을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 즉, 일사광선을 최대로 흡수하고 흡수면 자체의 온도 상승에 따른 열의 재복사(장파장의 방사)를 최소로 막아야 하며, 이와 같은 성질을 갖도록 고안된 태양에너지 흡수면을 선택흡수면 이라 하는데, 본 발명에 있어서 상기 흡열판은 상기의 선택흡수면과 같은 성질을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 상기 선택흡수면의 성질을 가지는 흡열판에 대해 예를 들면, 흑색 크롬으로 코팅된 흡열판 또는 티타늄으로 코팅된 흡열판 등이 있다.

또한, 상기 흡열판은 단열재를 추가로 포함하여 흡열판에 흡열된 태양열 에너지의 손실을 최소화할 수도 있다.

본 발명에서 상기 히트파이프는 작동유체가 기화되는 부위인 증발부가 위치하는 끝단이 상기 흡열판과 결합되고, 상기 히트파이프의 응축부가 위치하는 나머지 끝단은 상기 막 증류 유닛의 유입수측의 일 영역을 관통하여 유입수측의 원수에 접촉하는 것이 특징이다. 본 발명의 막 증류 수처리 장치에 사용되는 히트파이프의 개수는 특별히 한정적인 것은 아니며, 기후 환경 등 사용 지역의 사정에 따라 적절한 개수의 히트파이프가 사용될 수 있다.

히트파이프(Heat Pipe)는 밀폐 용기의 내부의 작동유체가 연속적으로 기체-액체간의 상변화 과정을 통하여 용기의 양단 사이에 열을 전달하는 전열관으로서, 잠열(latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 단일 상(phase)의 작동유체를 이용하는 통상적인 열전달체에 비해 매우 큰 열전달 성능을 발휘한다. 상기 히트파이프의 일 측 끝단은 열을 전달 받아 작동유체가 증발하여 기화되는 부위인 증발부로 이루어져 있고, 나머지 일 측 끝단은 상기 기화된 작동유체가 외부로 열을 발산하면서 응축되는 응축부로 이루어져 있다. 또한, 상기 히트파이프의 기본적인 구조는 밀폐 관, 작동유체 및 상기 밀폐 관 내부의 모세관(wick)으로 이루어지며, 외벽의 재료 및 작동유체의 종류, 모세관 구조물의 종류, 액체의 귀환(return)방법, 내부의 기하학적 형태, 작동온도 등에 따라 다양하게 분류된다. 작동유체의 귀환방법에 의한 히트파이프의 구분은 중력에 의한 써모싸이폰(Thermosyphon), 모세관 힘에 의한 Standard Heat Pipe, 구심력에 의한 Rotating Heat Pipe, 정전력에 의한 Electrohydrodynamic Heat Pipe, 자력에 의한 Magnetohydrodynamic Heat Pipe, 삼투압에 의한 Osmotic Heat Pipe, Bubble pump에 의한 Inverse Thermosyphon으로 나누어 질수 있다. 하지만, 일반적으로 작동유체의 귀환이 모세관 힘에 의한 것인 표준 히트파이프(Standard Heat Pipe)를 "히트파이프"라 부른다.

본 발명의 막 증류 수처리 장치에 있어서, 상기 히트파이프는 특별히 종류가 정해진 것은 아니나, 작동유체의 귀환방법이 모세관 힘을 이용한 표준 히트파이프일 수 있다. 상기 표준 히트파이프의 모세관 힘의 생성원리는 작동유체의 기ㅇ액 계면이 곡률을 이루게 되고 용기 길이 방향으로의 곡률 반경 차이에 의해 모세관 압력(Capillary Pressure)이 생기며, 이 힘에 의해 응축부에서 응축된 액체를 증발부로 수송하는 것이다.

히트파이프는 외벽 또는 용기(container)의 내면에 작동유체(working fluid)의 모세관 현상을 일으킬 수 있는 구조물이 있다. 모세관 구조는 윅(wick) 또는 그루브(groove)를 사용한다. 윅은 심지의 역할을 할 수 있는 다공성 구조물로서, 용기와는 다른 물질로 만들어져 내벽에 부착되며, 그루브는 용기의 내벽을 적당한 형태로 가공하여 만든다.

본 발명의 막 증류 수처리 장치에 있어서, 상기 히트파이프는 모세관 구조에 따른 종류가 특별히 제한적인 것은 아니며, 소결형(sinter powder type), 그루브형(grooved tube), 금속 매쉬형(metal mesh type) 등 일 수 있다. 상기 소결형 히트파이프는 내부에 액체상태의 작동유체가 이송되는 모세관을 구리가루를 구리관에 소결접합하여 형성시키는 타입의 히트파이프로 내부에 wick이 있는 히트파이프 중 방향성이 가장 적으며 역방향으로 동작 시 최대 성능의 40%내외를 나타내지만, 제조비용이 비싼 것이 단점이다. 상기 그루브형(grooved tube) 히트파이프는 내부 그루브 형상에 따라 성능차이가 현저히 나는데 소결형 타입의 히트파이프에 비해 성능이 떨어진다. 역방향으로 동작 시 최대 성능의 10%이하의 성능을 갖지만, 고가의 히트파이프 제조원가에 비해 저렴한 것이 장점이다. 금속 매쉬형(metal mesh type) 히트파이프는 역방향 동작 성능은 그루브 타입과 소결타입의 중간으로 미세 그루브 제조공법이 발달하면서 그 입지가 좁아져 가고 있다. 본 발명에서는 방향성의 영향을 가장 적게 받는 소결타입의 히트파이프를 사용하는 것이 가장 바람직할 수 있다.

상기 히트파이프는 구조에 따라 원통형, 평판형 및 분리형으로 나눌 수 있다. 상기 원통형 히트파이프는 가장 대표적인 형상으로 응용범위도 넓다. 예를 들면, 보통의 열교환기에 사용하는 히트파이프는 거의 원통형으로 관 외면에 가열 또는 냉각을 위한 핀(fin)을 붙이는 것이 일반적이다. 상기 원통형 히트파이프의 제작에는 표준 관재를 사용할 수 있고 제작이 용이하며, 비용이 염가라는 특징이 있다. 상기 평판형 히트파이프는 열원 또는 흡열원과의 전열면이 평면으로 이용가치가 높다. 상기 분리형 히트파이프는 증기 통로와 응축액 귀환류의 통로를 분리한 형식으로 증기류와 액류의 상호간섭을 완전히 배제하고 있으므로, 비산 한계 혹은, 플러딩 한계가 존재하지 않는다. 따라서, 최대 열수송량을 매우 크게 할 수 있다. 단, 중력에 의해 응축액이 귀환 할 수 있도록 응축부와 증발부의 상하높이 차가 있어야 한다. 본 발명에 있어서, 상기 히트파이프는 어떠한 구조를 갖는 히트파이프도 가능하나 가장 바람직한 것은 원통형 히트파이프이다. 본 발명에서 상기 히트파이프는 흡열판과 접촉을 통해 흡열판의 흡열된 태양열 에너지를 히트파이프를 매개로 유입수측으로 전달해야 하기 때문에 흡열판과의 결합이 용이한 구조인 원통형 히트파이프가 가장 적합하며, 또한 비용적인 측면에서도 장점을 갖는다.

본 발명에서 상기 히트파이프는 열 전도의 방향성을 가지는 것이 특징인데, 히트파이프의 증발부와 응축부의 방향이 하기와 같은 것이 가장 효율이 좋다. 태양열을 집열하는 흡열판에 결합된 부위가 증발부, 유입수측의 일 영역을 관통하는 부위가 응축부로서, 상기 증발부가 응축부보다 아래에 위치하게 경사를 갖는 것이 바람직하며, 적어도 수평 상태를 유지해야 열 전도성을 띤다. 이는 히트파이프의 증발부가 응축부보다 높은 위치에 있으면 작동유체가 증발부에서 기화되었을 때, 상기 증발부보다 아래에 위치하는 응축부로 기화된 작동유체가 이동하지 않아 열전도율이 현저히 떨어지기 때문이다.

본 발명에서 상기 부체(floating body, 浮體)는 본 발명의 막 증류 수처리 장치를 원수에 띄우는 기능을 하며, 결합되는 위치는 특별히 정해진 것은 없다. 예를 들면 상기 부체는 본 발명의 흡열판의 밑에 부착되고 막 증류 유닛을 둘러싸는 형태로 결합될 수 있다. 또한, 상기 부체는 부착 높이를 조절함으로써, 본 발명의 막 증류 수처리 장치가 물에 잠기는 정도를 조절할 수 있다. 본 발명에서 상기 부체의 부착 높이는 특별히 제한적인 것은 아니나, 상기 막 증류 유닛 중 분리막이 위치하는 경계선 상에 상기 부체가 부착되는 것이 바람직 할 수 있다. 이는 막 증류 유닛 중 유입수측은 가능하면 수면 위로 노출되어야 하는데, 상기 부체가 분리막의 경계선 보다 위쪽에 부착될 경우 상기 유입수측의 일 부분이 외부 원수의 수면 아래로 잠기게 되어 차가운 원수에 의해 유입수측의 가열 효율이 떨어질 수 있기 때문이다. 반대로, 상기 부체가 분리막의 경계선 보다 아래에 부착될 경우에는 상기 막 증류 유닛 중 처리수측의 일 부가 외부 원수의 수면 위로 노출되게 되어 처리수측의 냉각 효율이 떨어질 수 있기 때문이다.

본 발명에서 상기 부체의 재질은 특별히 정해진 것은 없으며, 수면 상에 띄우기 위해 통상적으로 사용되는 것이라면 어떠한 재질이라도 무방하다.

본 발명에서 상기 부체의 일영역에는 흡열판의 집열 효율을 향상시키기 위해 반사판이 결합될 수 있다. 상기 반사판은 반사판에 반사된 태양광이 흡열판으로 집광될 수 있도록 위치한다. 본 발명에 있어서, 상기 반사판의 형태와 소재는 제한되지 않으며, 상기 반사판은 평판 또는 곡면 형상인 것일 수 있고, 소재는 태양광 반사율이 높은 것이면 어떤 것을 사용하여도 무방하나, 알루미늄이 가장 바람직하다. 가시광선의 반사율이 가장 높은 은(Ag)은 경제성이 떨어지고 알루미늄은 적외선, 자외선의 반사율이 가장 높을 뿐 아니라 은(Ag) 다음으로 가시광선의 반사율이 높으며 은(Ag)에 비해 경제성 측면에서 유리하기 때문이다.

본 발명에 따른 막증류 수처리 장치에 있어서, 상기 태양열 진공관은 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 유입수측의 원수로 전달하는 것으로서, 특별히 종류가 제한되는 것은 아니다. 상기 태양열 진공관은 일반적으로 관 내부가 진공 상태로 되어 있고, 관 내부에는 집열판이 위치하고 있어 외부의 태양열을 집열하게 되고, 집열된 태양열은 진공 상태의 환경에서 태양열 진공관 외부와 단열되어 태양열 집열 효율을 극대화할 수 있다. 상기 태양열 진공관의 구조에 따른 종류로는 단일진공 유리관형, 이중진공 유리관형이 있으며, 본 발명에서는 이중진공 유리관형이 바람직하다. 상기 이중진공 유리관형은 내부 유리관과 외부 유리관 사이를 진공 처리하여 단일진공 유리관형 보다 열손실을 최소화할 수 있기 때문이다.

본 발명에 있어서, 상기 태양열 진공관은 열 전달 방식에 의한 분류에 있어 특별히 그 종류가 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 열매체 순환튜브가 삽입되어 있는 수관식 태양열 진공관 또는 히트파이프식 태양열 진공관을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 히트파이프식 태양열 진공관이 바람직할 수 있다. 본 발명의 태양열 진공관은 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 유입수측의 원수로 전달하기 때문에 외부에서 가열시킨 물을 유입수측으로 이동시키는 수관식 태양열 진공관을 사용하는 것보다 유입수측의 분리막 주위로 열에너지만 이동시켜 분리막 주위 물만 가열 시킬 수 있는 히트파이프식 태양열 진공관이 보다 효율적으로 에너지 활용이 가능하기 때문이다. 본 발명의 상기 히트파이프식 태양열 진공관은 진공으로 밀봉된 유리관 내부에, 선택흡수표면 처리된 흡수판과 작동유체로 채워진 히트파이프가 결합된 구조로 되어 있으며, 상기 흡수판에 집열된 태양열은 열 전도성이 매우 높은 상기 히트파이프에 의해 표적 부위로 열에너지를 전달하게 된다.

본 발명에서 태양열 진공관의 형상과 크기는 특별히 제한적인 것은 아니며, 본 발명의 막증류 수처리 장치의 외형 구조에 따라 적절한 형상 및 크기의 태양열 진공관을 사용할 수 있다. 일반적으로 사용되는 태양열 진공관의 형상은 봉 형상 이다.

본 발명에서는 태양열을 표적 부위에 전달하는 태양열 진공관의 말단 부위가 상기 막증류 유닛의 유입수측의 일 영역을 관통하여 유입수측의 원수에 접촉하는 것이 특징이며, 사용되는 태양열 진공관의 개수는 특별히 한정적인 것은 아니며, 기후 환경 등 사용 지역의 사정에 따라 적절한 개수의 태양열 진공관을 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 태양열 진공관은 열전도의 방향성을 가지는 것이 특징인데, 태양열을 표적 부위에 전달하는 태양열 진공관의 말단 부위가 중력 반대 방향 쪽으로 기울어진 상태로 유입수측의 일영역을 관통하는 것이 바람직하며, 적어도 수평 상태를 유지해야 열 전도성을 띤다. 이는 태양열 진공관내의 열 전달 매체가 기화되었을 때 중력 반대 방향으로 이동하는 성질에 기인한 것이다.

본 발명에서 상기 부체(floating body, 浮體)는 본 발명의 막증류 수처리 장치를 원수의 수면 상에 띄우는 기능을 한다. 상기 부체는 특별히 결합 위치나 형태가 정해진 것은 아니며, 예를 들면 상기 태양열 진공관의 밑에 부착되어 막 증류 유닛을 둘러싸는 형태로 결합될 수 있다. 또한, 상기 부체는 부착 높이를 조절함으로써, 본 발명의 막 증류 수처리 장치가 물에 잠기는 정도를 조절할 수 있다. 본 발명에서 상기 부체의 부착 높이는 특별히 제한적인 것은 아니나, 상기 막 증류 유닛 중 분리막이 위치하는 경계선 상에 상기 부체가 부착되는 것이 바람직 할 수 있다. 이는 막 증류 유닛 중 유입수측은 가능하면 수면 위로 노출되어야 하는데, 상기 부체가 분리막의 경계선 보다 위쪽에 부착될 경우 상기 유입수측의 일 부분이 외부 원수의 수면 아래로 잠기게 되어 차가운 원수에 의해 유입수측의 가열 효율이 떨어질 수 있기 때문이다. 반대로, 상기 부체가 분리막의 경계선 보다 아래에 부착될 경우에는 상기 막 증류 유닛 중 처리수측의 일 부가 외부 원수의 수면 위로 노출되게 되어 처리수측의 냉각 효율이 떨어질 수 있기 때문이다.

본 발명에서 상기 부체의 일영역에는 태양열 진공관의 태양열 집열 효율을 향상시키기 위해 반사판이 결합될 수 있다. 상기 반사판은 특별히 그 형상이 제한적인 것은 아니며, 본 발명의 막 증류 수처리 장치의 형태 및 구조에 따라 적절한 형상의 반사판을 사용할 수 있다. 예를 들면, 평판 또는 곡면 형상의 반사판일 수 있다.

본 발명에 따른 막 증류 수처리 장치는 상기 부체에 부체를 덮는 투명 덮개를 구비하고 있어 증류 방식에 의한 수처리도 가능한 것이 특징이다. 증류방식이란 막 증류 방식과는 달리 막(membrane)을 이용하지 않고, 오염된 원수를 가열하여 발생하는 증기를 냉각시켜서 다시 액화시켜 깨끗한 증류수를 얻는 수처리 방식으로서, 본 발명에서는 막 증류 유닛의 유입수측내의 원수가 가열되면 유입수측의 개방된 입구를 통해 증기가 발생하고, 이렇게 발생한 증기는 상기 부체를 덮고 있는 투명 덮개의 내부면에서 응축되어 증류수가 생성되고, 생성된 증류수는 투명 덮개의 내부면을 타고 아래로 흘러내리게 된다. 상기 투명 덮개의 형상 및 소재는 특별히 정해진 것은 아니며, 막 증류 유닛의 유입수측을 포함하는 부체를 덮을 수 있는 형상이라면, 그리고 빛을 투과할 수 있는 투명한 소재라면 어떠한 형상이나 소재라도 무방하다. 예를 들면, 상기 투명 덮개는 반구 형상일 수 있고, 폴리카보네이트(polycarbonate)로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 상기 투명 덮개는 상기 부체로부터 자유롭게 분리가 가능하도록 되어 있어, 상기 막 증류 유닛의 유입수측에 원수를 공급하는 경우에는 상기 투명 덮개를 부체로부터 분리하고, 증류방식에 의해 증류수를 얻기 위해서는 상기 투명 덮개로 부체를 덮는다.

본 발명에서는 상기 투명 덮개의 내부면을 타고 흘러내리는 증류수를 수집하기 위하여 상기 부체의 일영역에 증류수를 배수하기 위한 증류수 배수공이 형성되고, 상기 증류수 배수공에는 증류수 배수공을 통해 배수된 증류수를 집수할 증류수 집수용기가 결합되는 것을 특징으로 한다.

상기 증류수 배수공은 부체의 일영역에 한 개 또는 두 개 이상 형성될 수 있다. 상기 증류수 집수용기는 증류수를 담을 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 무방하며, 예를 들면 원기둥 형상일 수 있다. 또한, 상기 증류수 집수용기는 증류수 배수공에 결합 및 분리가 가능하도록 결합되며, 특별히 결합방식이 제한적인 것은 아니다. 예를 들면, 상기 증류수 배수공의 내부에 걸림 돌기가 형성되어 있고, 상기 증류수 배수공의 걸림 돌기에 입구 쪽에 걸림 돌기가 형성되어 있는 증류수 집수용기가 걸리는 형태로 결합될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 통해 설명하면 다음과 같다. 상기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 사시도를 나타낸 것이다. 도 1에 의하면, 본 발명에 따른 막 증류 수처리 장치는 중앙의 막 증류 유닛(100), 상기 막 증류 유닛(100)의 측면을 각각 관통하며 결합되어 있는 4개의 원통형의 히트파이프(200), 상기 히트파이프가 결합되어 있는 흡열판(300), 상기 흡열판(300)의 밑에 결합되며 다수의 증류수 배수공(410)이 형성되어 있는 부체(400), 상기 증류수 배수공(410)에 결합되어 있는 증류수 집수용기(420), 상기 부체를 덮는 반구 형상의 투명 덮개(600) 및 상기 부체에 결합되어 있는 곡면 형상의 반사판(500)으로 이루어져 있다. 상기 반사판(500)에 의해 상기 흡열판(300)의 집광률을 높일 수 있어 흡열판(300)의 집열 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치에서 투명 덮개(600)가 분리된 형태를 나타내는 것으로, 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)에 원수를 공급해야 하는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 반구 형상의 투명 덮개(600) 분리한 상태에서 유입수측(110)에 원수를 공급할 수 있다. 상기 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)에 원수 공급이 끝난 다음에는 상기 투명 덮개(600)를 다시 원래대로 덮어서 수처리 장치를 운전한다.

도 3에 나타난 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 단면도를 통해 본 발명의 구조를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치 중 막 증류 유닛(100)은 상부의 유입수측(110) 및 하부의 처리수측(120) 사이에 막 증류용 분리막(130)이 위치하고 있다.

또한, 도 3에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치는 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)의 주변에 원통형의 히트파이프(200)가 결합되어 있으며, 상기 히트파이프(200)는 응축부가 위치하는 말단이 상기 유입수측(110)의 측면을 관통하도록 결합되어 있어, 상기 흡열판(300)을 통해 흡열된 태양열 에너지를 유입수측(110) 내의 원수에 전달하여 유입 원수를 가열하게 된다.

도 3에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치는 막 증류 유닛(100)을 둘러싸는 부체(400)를 포함하고 있어, 원수 수원지의 원수 상에 띄우는 형태로 사용되며, 상기 막 증류 유닛(100) 중 유입수측(110)은 원수의 수면 위로 노출되어 있고, 유입수측(110)내의 원수는 흡열판(300)을 통해 집열된 태양열을 히트파이프(200)를 통해 전달 받아 가열 된다. 또한, 상기 막 증류 유닛(100) 중 처리수측(120)은 원수의 수면 아래로 잠겨 있어 처리수측(120) 내의 처리수는 외부의 차가운 원수에 의해 냉각된다. 이로써, 상기 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)과 처리수측(120) 사이에 온도차에 의한 증기압차가 발생하고, 상기 유입수측(110) 및 처리수측(120) 사이에 위치한 소수성 분리막(130)을 통해 가열된 원수 내의 증기(vapor)만 선택적으로 처리수측(120) 쪽으로 이동하게 되며, 처리수측(120)으로 이동한 증기(vapor)는 외부의 차가운 원수에 의해 냉각 및 응축되어 순수(pure water)가 된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 막 증류 수처리 장치는 막 증류 방식에 의해서 1차적으로 정수된 물을 얻을 수 있다.

또한, 도 3에 의하면 본 발명의 일 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치는 투명 덮개(600), 증류수 배수공(410) 및 증류수 수집용기(420)를 구비하고 있어, 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110)내의 가열된 원수가 증발하여 발생한 증기가 반구 형상의 투명 덮개(600)의 내부 면에서 응축되어 증류수를 생성하며, 생성된 증류수는 상기 투명 덮개(600)의 내부 면을 타고 흘러 내린 후, 부체(400)에 형성되어 있는 다수의 증류수 배수공(410)을 통해 배수된다. 상기 배수 된 증류수는 상기 증류수 배수공(410)과 결합되어 있는 증류수 집수용기(420)로 집수되게 되며, 이로써 2차적으로 증류방식에 의해서도 정수된 물을 얻을 수 있다. 상기 증류수 집수용기(420)는 증류수가 어느 정도 집수되면 분리하여, 상기 증류수 집수용기(420) 내의 증류수를 음용수 등 각종 용수로 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치의 단면도를 나타낸 것으로, 도 4에 의하면 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 막 증류 수처리 장치는 태양열을 집열하여 막 증류 유닛(100)의 유입수측(110) 내의 원수를 가열하기 위하여, 히트파이프 및 흡열판을 사용하는 대신 태양열 진공관(700) 8개를 유입수측(110)에 관통되도록 구비하는 것을 제외하고는 상기의 실시예와 동일하다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 막 증류 유닛 110 : 유입수측
120 : 처리수측 130 : 분리막
200 : 히트파이프 300 : 흡열판
400 : 부체(floating body) 410 : 증류수 배수공
420 : 증류수 집수용기 500 : 반사판
600 : 투명 덮개 700 : 태양열 진공관

Claims

분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막 증류 유닛;
상기 막 증류 유닛의 외부에 형성되어 있고, 태양열을 흡열하는 흡열판;
상기 흡열판에 증발부가 위치하는 끝단이 결합되어 있고, 응축부가 위치하는 나머지 끝단이 상기 유입수측의 일 영역에 관통되도록 결합되는 히트파이프;
상기 막 증류 유닛의 외부에 위치하고, 일 영역에 증류수를 배수할 수 있는 증류수 배수공이 형성되어 있는 부체;
상기 증류수 배수공에 결합되어 증류수를 수집하는 증류수 집수용기; 및
상기 부체를 덮는 투명 덮개를 포함하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 흡열판은 투과체를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 흡열판은 구리 또는 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 흡열판은 흑색 크롬 또는 티타늄으로 코팅된 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 부체는 일 영역에 반사판이 결합된 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 5항에 있어서,
상기 반사판은 평판 또는 곡면 형상인 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 5항에 있어서,
상기 반사판은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 히트파이프는 소결형 히트파이프, 그루브형 히트파이프 및 금속 매쉬형 히트파이프로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 1항에 있어서,
상기 히트파이프는 원통형, 평판형 및 분리형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
분리막을 경계로 상부에 위치하고 원수가 유입되는 유입수측, 하부에 위치하고 처리수를 포집하는 처리수측을 포함하는 막 증류 유닛;
상기 유입수측의 일 영역에 관통되도록 형성되고 태양열을 집열한 후 열을 유입수측의 원수로 전달하는 태양열 진공관;
상기 막 증류 유닛의 외부에 위치하고, 일 영역에 증류수를 배수할 수 있는 증류수 배수공이 형성되어 있는 부체;
상기 증류수 배수공에 결합되어 증류수를 수집하는 증류수 집수용기; 및
상기 부체를 덮는 투명 덮개를 포함하는 막 증류 수처리 장치.
제 10항에 있어서,
상기 태양열 진공관은 이중진공 유리관형 태양열 진공관인 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 10항에 있어서,
상기 태양열 진공관은 히트파이프식 태양열 진공관인 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 10항에 있어서,
상기 부체는 일 영역에 반사판이 결합된 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 13항에 있어서,
상기 반사판은 평판 또는 곡면 형상인 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.
제 13항에 있어서,
상기 반사판은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막 증류 수처리 장치.