KR20150070895A - 유기산 염을 이용한 정삼투용 유도 용액 및 이의 용도 - Google Patents

유기산 염을 이용한 정삼투용 유도 용액 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정삼투용 유도 용질로 수평균 분자량이 1,000 이하인 유기산 염을 함유하는 것이 특징인 정삼투용 유도 용액을 제공한다. 또한, 본 발명은 정삼투용 유도 용질을 함유하는 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해 정제된 유체를 제조하는 방법에 있어서, 제1 멤브레인을 통해 원액 중 유체를 삼투압에 의해 정삼투용 유도 용액쪽으로 투과시키는 제1단계; 및 정삼투용 유도 용질이 통과하지 않는 제2 멤브레인을 통해, 제1 멤브레인을 투과한 유체를 투과시키는 제2단계를 포함하고, 상기 본 발명에 따른 정삼투용 유도 용액을 사용하는 것이 특징인 제조방법을 제공한다.
본 발명의 정삼투용 유도 용액은 한 분자 내에 한 개 이상의 염 형태를 포함하는 유기산 염을 유도 용질로 이용함으로써, 우수한 삼투압을 제공하고 유도 용질을 용이하게 회수할 수 있다. 따라서 이를 이용한 수처리 장치 및 수처리 방법은 유도 용질의 분리 및 회수에 에너지가 절감되고, 수처리 효과가 우수하다.

Description

유기산 염을 이용한 정삼투용 유도 용액 및 이의 용도{A Draw Solution for forward osmosis using salt of organic acid and use thereof}
본 발명은 유기산 염을 이용한 정삼투용 유도 용액 및 이의 용도에 관한 것이다.
정삼투(FO, Forward osmosis) 공정은 농도 차에 의해 발생하는 삼투압을 이용하는 기술이다. 물만 선택적으로 투과시키는 반투막을 사이에 두고 한쪽에는 저농도 염을 포함한 유입수를, 다른 한쪽에는 고농도 염(유도 용질)을 포함하는 유도 용액(Draw solution)을 적용하면 반투막 사이에 존재하는 염 농도 차이에 의해 삼투압이 발생하고, 이러한 삼투압에 통해 저농도 염을 포함한 유입수 중 물이 고농도의 유도용액으로 이동하는 원리이다. 이 때 삼투압을 유발시키는 구체적인 유도 용질(Draw solute)이 중요하며, 또한 유도 용질의 회수를 통하여 삼투압을 일정하게 유지시키는 것 또한 중요하다. 즉, 반투막을 사이에 두고 삼투압 차이에 의해 삼투압이 낮은 쪽에서 삼투압이 높은 쪽으로 물이 선택적으로 투과하게 되면, 삼투압이 높은 쪽(유도 용액)이 희석되어 점차 삼투압이 낮아지므로 투과도가 떨어지는 문제가 있다. 이 경우 희석된 유도 용액에서 물만 선택적으로 투과시켜 삼투압을 유지시킬 수 있다.
이러한 정삼투 공정은 하폐수 처리, 정수처리 및 해수담수화와 농축공정에 적용되고 있으며, 이는 예를 들어 해수담수화에 사용되고 있는 증류 및 역삼투 공정에 비해 소요되는 에너지가 상대적으로 적기 때문이다. 즉, 정삼투 공정은 해수에서 물을 투과시킬 때 극히 적은 에너지만을 필요로 하므로 경제적이다. 그러나, 정삼투 공정에서는 유도 용질의 회수 및 재사용의 곤란성과 역확산 등의 문제가 있으며, 현재까지도 이를 해결하기 위한 적합한 유도 용질의 개발이 미흡한 실정이다.
대표적으로, 종래 유도 용질로 가장 많이 사용되는 무기염, 예를 들어 NaCl 용액의 경우에는 그 회수 및 분리가 어려운 문제가 있다. 따라서 해수와 담수가 만나는 지역에서 유도 용액의 회수 및 재활용이 필요하지 않은 공정에만 제한적으로 이용되는 실정이다.
유도 용질의 회수 및 재사용과 관련하여, 유도 용질로 (NH4)2CO3 또는 NH4HCO3를 각각 또는 함께 사용하는 경우가 있다. (NH4)2CO3와 NH4HCO3는 약 60℃로 가열하면 암모니아와 이산화탄소 기체로 분해되어 쉽게 제거할 수 있으나 암모니아가 물에 대한 용해도가 뛰어나 회수된 물의 사용처에 따라서 회수된 물에 존재하는 암모니아를 제거해야 하는 문제가 있다. 따라서, 고온 감압 탈기 공정이 필요하다. 상기와 같이 탄산수소암모늄을 이용한 유도 용액은, 회수와 분리가 가능할지라도 분리 과정에서 가열 공정이 필요하고 물 증발에 따른 손실을 막기 어렵다. 따라서 이러한 특성은 정삼투 공정의 효율성을 낮추어 공정의 활용성을 저해하는 요인이 된다.
그 밖에 새롭게 제안된 유도 용액 물질로는 친수성 펩타이드 등을 부착한 나노 자성입자를 이용한 유도 용액이 있으며, 자기장을 걸어서 나노입자를 회수하려 하고 있으나, 아직까지 구체적인 회수 보고가 없으며 또한 높은 삼투압을 유발시키기 어렵다는 문제가 있다.
또한 ionic liquid를 이용한 삼투압 유발은 가격이 너무 고가이고 적합한 회수가 용이하지 않다.
상기와 같이 정삼투 공정에서 유도 용액 고유의 특성과 농도에 따라 투과 성능 및 문제점의 유무가 좌우되므로 그 역할이 매우 중요하고, 이러한 유도 용액은 높은 용해도, 높은 삼투압, 낮은 용질 역확산, 용이 회수 및 독성이 없어야 하는 조건을 갖추어야한다.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 유기산 염을 정삼투용 유도 용질로 사용한 결과, 유도 용액의 회수, 재사용의 곤란성 및 역확산과 같은 종래 정삼투 공정에서의 문제점을 해결함과 동시에 삼투압이 우수한 정삼투용 유도 용질 및 정삼투용 유도 용액을 제공할 수 있음을 확인하였다.
본 발명의 제1 양태는 정삼투용 유도 용질로, 수평균 분자량이 1,000 이하인 유기산 염을 함유하는 정삼투용 유도 용액을 제공한다.
본 발명의 제2 양태는 수평균 분자량이 1,000 이하인 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)염, 락트산염, 숙신산염, 시트르산염, 아크릴산염, 폴리아크릴산염, 술폰산염, 폴리술폰산염, 인산염, 폴리인산염 및 이의 혼합물을 함유하는 정삼투용 유도 용질을 제공한다.
본 발명의 제3 양태는 정삼투용 유도 용질을 함유하는 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해, 정제된 유체(fluid)를 제조하는 방법에 있어서, 제1 멤브레인을 통해 원액(fluid source) 중 유체를 삼투압에 의해 정삼투용 유도 용액쪽으로 투과시키는 제1단계; 및 선택적으로, 정삼투용 유도 용질이 통과되지 않는 제2 멤브레인을 통해, 제1 멤브레인을 투과한 유체를 투과시키는 제2단계를 포함하고, 상기 정삼투용 유도 용액은 상기 제1 양태에 따른 정삼투용 유도 용액인 것이 특징인 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제4 양태는 정삼투용 유도 용질을 함유하는 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해 원액으로부터 유체를 정제하는 장치에 있어서, 상기 제1 양태에 따른 정삼투용 유도 용액; 및 상기 원액과 정삼투용 유도 용액을 구분하기 위한 제1 멤브레인을 포함하는 것이 특징인 정제 장치를 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
삼투압(osmotic pressure)이란 용매는 통과시키나 용질은 통과시키지 않는 반투막을 고정시키고, 그 양쪽에 용액과 순용매를 따로 넣으면, 용매의 일정량이 용액 속으로 침투하여 평형에 이르는데, 이때 반투막의 양쪽에서 온도가 같지만, 압력에 차이가 생기는 압력차이다. 이와 같이 삼투압을 유발하는 물질을 유도 용질(draw solute)이라고 한다.
본 발명에서 수평균 분자량이란, 분자량 분포를 갖는 일반 화합물 내지 고분자 화합물의 성분 분자종의 분자량을 수 분율(數分率) 혹은 몰 분율로 평균하여 얻게 되는 평균 분자량으로, 보통 막 삼투압법으로 구할 수 있다.
본 발명은 수평균 분자량이 1,000 이하인 유기산 염을 정삼투용 유도 용질로 사용하는 것이 특징이다. 상기 유기산 염을 정삼투 공정에 적용하면, 우수한 삼투압을 제공함과 동시에 유도 용질/용액의 회수가 용이하고, 이의 재사용이 가능하다. 나아가 상기 유기산 염 용액의 pH 및 농도를 조절함으로써 이의 정삼투 특성을 변화시킬 수 있다. 또한 상기 유기산의 한 분자 내 유기산 기(예를 들어, 카르복시기)가 많을수록, 이에 따라 한 분자 내 한 개 이상의 유기산 염이 생성될 수 있으며, 이로써 동일한 조건에서 삼투압이 더 증가할 수 있다.
통상 정삼투용 유도 용질을 함유하는 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해 원액(fluid source)으로부터 물과 같은 유체(fluid)를 정제할 때, 유도 용질의 분자량이 클수록 상대적으로 삼투압은 작다. 그러나, 본 발명자들은 동일 농도(중량%)의 유도 용질로, 분자량이 큰 유기산 염인 EDTA 염화물과 분자량이 작은 NaCl을 비교한 결과, 분자량 292.24인 EDTA염이 NaCl보다 우수한 투과유량을 나타낼 수 있으며, NaCl과 달리 용질의 역확산(back diffusion)이 현저히 감소되는 것을 확인하였다(표 2 및 표 3).
상기 유기산 염은 수용액 상태에서 산성을 띄는 유기화합물로서, 비제한적으로 분자 내에 카르복시기, 술폰기, 술핀기 또는 인산기로 이루어진 유기산 기를 포함할 수 있다. 나아가 상기 유기산은 한 분자 내에 카르복시기, 술폰기, 술핀기 또는 인산기로 이루어진 유기산 기를 1개 내지 10개로 포함할 수 있다. 바람직하기로, 상기 유기산은 한 분자 내 유기산 기가 2개 이상인 다가 유기산일 수 있다. 한 분자 내의 유기산 기는 각각 독립적으로 카르복시기, 술폰기, 술핀기 또는 인산기일 수 있으며, 따라서 한 분자 내에 서로 다른 종류의 유기산 기가 포함될 수도 있다.
상기 유기산 염은 상기 유기산이 수용액 내에서 존재하는 형태로, 상기 유기산을 염기성 용액으로 처리함으로써, 염기성 용액으로부터 유도된 염일 수 있다. 유기산 수용액은 pH가 낮아 산성을 나타내나, 상기 염기성 용액을 첨가하면 유기산 염이 생성됨과 동시에 pH는 점차 높아진다. 결과적으로, 본 발명의 유기산 염을 유도 용질로 함유하는 정삼투용 유도 용액은 상기 유기산 수용액과 염기성 용액을 혼합하여 제공할 수 있다.
상기 유기산 염의 비제한적인 예로는 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)염, 락트산염, 숙신산염, 시트르산염, 아크릴산염, 폴리아크릴산염, 술폰산염, 폴리술폰산염, 인산염, 폴리인산염 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것이 있다. 이 때 한 분자 내에 유기산 염이 많이 존재할수록 삼투압 및 투과유량이 높으므로, 한 분자 내에 유기산 기를 2개 이상 포함하는 다가 유기산 염(예를 들어, EDTA염)이 바람직할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 유기산 염은 분자 내 수개 존재하는 유기산 기가 염의 형태로 전환되어, 한 분자에 수개의 유기산 염 형태를 포함할 수 있다. 따라서, 한 분자에 하나의 염만을 형성하는 염화물에 비해 더 우수한 삼투효과를 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용하는 용어 "염기성 용액"은 pH가 7을 넘는 염기성을 띠는 용액을 의미하며, 상기 염기성 용액의 비제한적인 예로는 NaOH 수용액, KOH 수용액, Ca(OH)2 수용액, NH4OH 수용액, Mg(OH)2 수용액, Ba(OH)2 수용액, Ba(OH)3 수용액, Al(OH)3 수용액 및 이의 혼합물이 있으며, 바람직하기로 수산화나트륨(NaOH) 수용액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 유기산으로 EDTA 및 염기성 용액으로 NaOH 용액을 사용하였을 때, 본 발명에 따른 EDTA염은 하기 반응식 1과 같은 형태로 형성될 수 있다.
[반응식 1]
Figure pat00001
또 다른 예로써, 유기산으로 시트르산 및 염기성 용액으로 NaOH 용액을 사용하였을 때, 본 발명에 따른 시트르산염은 하기 반응식 2와 같은 형태로 형성될 수 있다.
[반응식 2]
Figure pat00002
본 발명에서, 상기 유도 용액은 pH가 8 내지 13일 수 있으며, 더 높은 정삼투 투과유량을 위해서는 pH가 13에 가까울수록 바람직하다(표 1). 상기 pH는 전술한 바와 같이 유기산 수용액에 염기성 용액을 적정함으로써 달성할 수 있다.
상기 유도 용액 내 유기산 염의 함유량은 5 내지 30 중량%일 수 있다.
상기 유도 용질인 유기산 염은 종래 무기염에 비해 분자량이 큰 화합물 내지 고분자이고, 나아가 한 분자 내에서 다수의 염 형태(예를 들어, -COO-)를 형성하여 높은 음전하를 나타내므로, 삼투 효율이 우수함과 동시에 간단한 막 여과 또는 원심분리로도 회수가 용이하다.
본 발명의 제2 양태에 따른 정삼투용 유도 용질은 수평균 분자량이 1,000 이하인 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)염, 락트산염, 숙신산염, 시트르산염, 아크릴산염, 폴리아크릴산염, 술폰산염, 폴리술폰산염, 인산염, 폴리인산염 및 이의 혼합물을 함유한다.
본 발명의 제3 양태에 따른 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해, 정제된 유체를 제조하는 방법은 제1 멤브레인을 통해 원액 중 유체를 삼투압에 의해 정삼투용 유도 용액쪽으로 투과시키는 제1단계; 및 선택적으로, 정삼투용 유도 용질이 통과되지 않는 제2 멤브레인을 통해, 제1 멤브레인을 투과한 유체를 투과시키는 제2단계를 포함하며, 상기 제1 양태에 따른 정삼투용 유도 용액을 사용하는 것이 특징이다. 이때 상기 제2단계는 생략될 수 있다.
한편, 본 발명의 제4 양태에 따른 정삼투용 유도 용질을 함유하는 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해 원액으로부터 유체를 정제하는 장치는 상기 제1 양태에 따른 정삼투용 유도 용액; 및 상기 원액과 정삼투용 유도 용액을 구분하기 위한 제1 멤브레인을 구비한다.
상기 유체는 물 또는 음용수일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 정삼투용 유도 용액은 원하는 정삼투 투과유량을 구현하기 위해, 적합한 유기산 기 개수를 갖는 유기산을 선택하거나, 유기산의 분자량, 농도 및 pH를 조절할 수 있다.
상기 제1 멤브레인은 투과시키고자 하는 유체를 제외한 물질에 대하여 비투과성인 반투과성(semi-permeable) 정삼투용 분리막인 것이 바람직하며, 유체가 물인 경우 수투과성인 반투과막인 것이 바람직하다.
제2 멤브레인은, 주로 제1 멤브레인을 투과한 유체를 투과시키면서 정삼투용 유도 용질은 통과되지 않도록 하는 것이다. 제2 멤브레인의 비제한적인 예로는 한외여과막(UF: ultra filtration memebrane), 나노여과막(NF: nano filtration membrane) 또는 역삼투막(RO: reverse osmotic membrane) 등이 있으며, 바람직하기로 나노여과막(NF: nano filtration membrane)이 있다. 나아가 상기 제2 멤브레인은 분획분자량이 200 내지 2000인 나노여과막일 수 있다. 만약, 분획분자량이 200에 미치지 못한다면 유도 용질/용액을 회수가 용이하지 못하고, 분획분자량이 2000을 초과한다면 유도 용질/용액의 회수율이 상당히 떨어질 수 있다.
유기산 염은 (-)전하를 띠므로, 정전기력에 의해 유기산 염이 제2 멤브레인을 통과되지 않도록, 제2 멤브레인은 (-) 전하를 띠는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 제2단계는 정삼투용 유도 용액으로부터 정삼투용 유도 용질을 제2 멤브레인을 통해 막 여과로 분리 및 회수하는 단계일 수 있다. 이때 회수된 정삼투용 유도 용질을 정삼투용 유도 용액에 재투입하여 사용할 수 있다.
정삼투용 유도 용액으로부터 정삼투용 유도 용질 회수는, 한외여과막, 나노여과막 또는 역삼투막과 같은 멤브레인을 사용할 수도 있으나, 원심분리기를 통해서도 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구체예에 따라 정삼투용 유도 용질을 함유하는 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해 수처리하는 정제 장치를 도시한 것이고, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 구체예를 설명한다.
정삼투 정제 장치의 작동 메커니즘은, 정삼투 시스템(1)에서 처리 대상인 원액 중의 물을 삼투압을 이용하여 농도가 높은 정삼투용 유도 용액으로 제1 멤브레인(11)을 통과하여 이동시키고, 상기 원액 중의 물이 포함된 정삼투용 유도 용액을 회수 시스템(2)으로 이동시켜 유도 용질을 분리하여 제거한 나머지를 정제된 유체로서 배출하여 얻을 수 있다. 상기 분리된 유도 용질은 처리 대상인 원액과 제1 멤브레인(11)을 사이에 두고 접한 정삼투용 유도 용액으로 재투입하여 재사용할 수 있다.
상기 회수 시스템(2)에서의 정삼투용 유도 용질의 분리 및 회수는 전술한 바와 같이 상기 유도 용질인 유기산 염(예를 들어, EDTA염)이 큰 분자량을 갖고 분자 내에 수개의 염 형태를 포함한다는 특징을 이용할 수 있다. 즉, 큰 입자크기와 전하를 갖기 때문에 이를 제2 멤브레인(21)을 통해 여과하여 용이하게 정제된 유체와 분리할 수 있다. 예를 들면, EDTA염에 대하여 분획분자량 200 내지 2000인 나노여과막으로 여과하여 분리할 수 있기 때문에, 이러한 회수 시스템(2)은 작동 에너지를 크게 절감시킴과 동시에 용이한 여과가 가능하다. 나아가 유기산 염은 (-)전하를 띠므로, 정전기력에 의해 유기산 염이 제2 멤브레인(21)을 통과하지 않도록 제2 멤브레인(21)은 동일하게 (-) 전하를 띠는 것이 바람직할 수 있다.
상기 분리 및 회수된 유도 용질인 유기산 염을 다시 원액과 접하는 삼투 유도 용액에 첨가하여 재사용하는 것은 연결 수단(3)을 통해 달성할 수 있다.
상기 연결 수단(3)은 정삼투용 유도 용액의 일정 농도를 유지시키기 위해, 상기 분리 및 회수된 유도 용질이 흐를 수 있는 배관, 상기 배관상의 전기 전도도계 및 유량계 등이 포함될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전기 전도도계 및 유량계를 통하여 분리 및 회수된 유도 용질의 기준치 농도 만족 여부 및 유량 등을 모니터링 할 수 있다.
상기 회수 시스템에 의해 유도 용질을 분리한 나머지를 정제된 유체로서 배출하는 수단(4)은 정제된 유체가 배출될 수 있는 배관, 상기 배관 상에 설치된 전기 전도도계 및 유량계 등이 포함될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전기 전도도계 및 유량계를 통하여 목적하는 바에 따라 불순물의 기준치 초과 여부 및 유량 등을 모니터링 할 수 있다.
상기 원액은 해수(sea water), 기수(brackish water), 지하수(ground water), 폐수 (waste water)등 일 수 있다. 예를 들면, 상기 정삼투 정제 장치를 사용하여 해수를 정수하여 정제된 유체인 음용수를 얻을 수 있다.
또한, 상기 정삼투 시스템(1)은 원액의 용매인 유체가 제1 멤브레인(11)을 통과하여 정삼투용 유도 용액으로 이동하게 되어, 원액으로부터 용매를 제거할 수 있으므로, 이를 통해 원액을 농축시킬 수도 있다.
본 발명의 정삼투용 유도 용액은 유기산 염을 유도 용질로 이용함으로써 우수한 삼투압을 제공하고 유도 용질을 용이하게 회수할 수 있다. 따라서 이를 이용한 수처리 장치 및 수처리 방법은 유도 용질의 분리 및 회수에 에너지가 절감될 수 있고, 수처리 효과가 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 정삼투 정제 장치의 모식도이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 유도 용액의 제조 및 특성
에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA, 시그마알드리치) 5중량% 수용액에 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 이용하여 카르복시산 형태의 염을 형성시키고, 수산화나트륨 수용액 농도를 조절하여 pH를 7에서 pH 14까지 조절하여 정삼투용 유도 용액을 제조하였다.
상기 제조된 정삼투용 유도 용액의 정삼투 공정 적용 가능성과 관련하여, 투과율, 역확산 및 회수율 등의 특성을 하기와 같은 방법으로 조사하였다.
정삼투용 반투막으로는 폴리아미드 정삼투막을 제조하여 사용하였고, 피드 용액(feed solution)으로 순수를 사용하였고, 유도 용액으로 상기 제조된 정삼투용 유도 용액을 사용하였다.
셀 내의 반투막을 사이에 두고 순수(전도도 2 ~ 3μS/cm)와 유도용액을 접촉시키고, 피드와 유도용액을 2L/min의 속도로 순환시키면서 유도용액의 중량 변화를 측정하여 투과율(투과유량, Flux)을 결정하였다. 나아가 1시간이 경과한 후 유도 용액의 유도물질이 순수 쪽으로 넘어오는 역확산량을 전도도계를 이용하여 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
pH 8 9 10 11 12 13
Flux
(L/m2hr)		 6.97 10.52 12.17 14.68 14.96 16.12
back diffusion
(μS/cm)		 11.71 26.9 17.88 28.5 7.14 7.77
유도 용액의 pH를 증가시킴에 따라 EDTA의 카르복시산(-COOH)이 점차 염의 형태(-COO-)로 바뀌면서 삼투압이 증가하여 투과유량이 증가하였고, 반면에 피드 쪽으로 유도 용질이 확산되는 역확산량은 큰 변화가 없었다. 이는 정삼투막이 EDTA염의 역확산을 방해하여 역확산이 거의 발생하지 않은 것이고, 이에 따라 삼투압은 점차 증가할 수 있다. 결과적으로, 유도 용액의 pH가 13일 때 가장 높은 투과율을 보였으며, 나아가 상기 실시예 1에 따른 EDTA염 용액이 정삼투용 유도 용액으로 적합할 수 있음을 확인하였다.
실시예 2: 유도 용질의 농도에 따른 유도 용액의 특성
유도 용액의 pH는 13으로 고정하고 EDTA염의 농도를 5, 10, 20 중량%로 변화시키는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유도 용액을 제조하여 실험하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
EDTA 염 농도
(중량%)		 5 10 20
Flux
(L/m2hr)		 16.12 21.30 32.19
back diffusion
(μS/cm)		 7.77 6.66 6.98
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, EDTA염의 농도가 20 중량%일 때 가장 높은 투과율(Flux)을 보임을 확인할 수 있으며, 이는 일반적으로 유도 용액의 농도가 높을수록 삼투압이 증가함에 따른 투과율의 향상 경향을 그대로 따름을 확인하였다.
비교예 1: NaCl 농도에 따른 유도 용액의 특성
EDTA염 대신에 NaCl을 물에 5, 10, 20 중량%로 용해시켜 유도 용액을 제조하였다. 상기 제조된 유도 용액을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실험하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
NaCl 농도
(중량%)		 5 10 20
Flux
(L/m2hr)		 7.6 13.15 19.23
back diffusion
(μS/cm)		 83 112 141
상기 표 3에서 나타난 바와 같이, EDTA염을 사용했을 때에 비교하여 동일 농도에서의 투과유량이 낮을 뿐 아니라 역확산도 높게 일어나는 것을 확인하였다.
실시예 3: 다른 종류의 유기산을 이용한 유도 용액의 제조 및 정삼투 특성
유도 용질로 EDTA염, 락트산염, 숙신산염 또는 시트르산염을 사용하고 유도 용액의 pH를 13으로 고정한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유도 용액을 제조하여 실험하였다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
유기산 염 EDTA 염 락트산 염 숙신산 염 시트르산 염
한 분자 내 유기산 기 개수 4 1 2 3
Flux
(L/m2hr)		 16.12 5.13 8.99 15.68
back diffusion
(μS/cm)		 7.77 8.96 7.50 6.95
상기 표 4에서 나타난 바와 같이 유기산염의 종류에 따라 역확산량은 큰 차이가 없었지만, 한 분자 내에 유기산 기의 개수, 즉 유기산 염의 개수에 따라 투과유량에 차이를 보임을 볼 수 있다. 결과적으로 한 분자 내에 유기산 염이 포함되면 유도 용질로 사용이 가능하며, 나아가 한 분자 내에 유기산 염이 많이 포함될수록 투과유량이 증가하는 것을 확인하였다.
실시예 4: 유도 용액의 회수율
실시예 3에 따른 방법으로 제조된 EDTA염 또는 시트르산염 유도 용액을 사용하여, 유도 용질인 유기산 염의 회수율을 하기와 같은 방법으로 조사하였다.
역삼투를 통한 회수를 위하여, 분리막으로는 상용화된 나노여과막(NE 40, NE 90, SWRO)를 사용하였다. 셀 내의 나노여과막을 사이에 두고 순수와 유도 용액을 접촉시키고, 역삼투를 실시하면서 투과유량 및 염 제거율(회수율)을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 5(EDTA염) 및 표 6(시트르산염)에 나타내었다.
EDTA 염 NE 40 NE 90 SWRO
Flux
(L/m2hr)		 43.44 18.18 6.28
Rejection (%) 97.18 98.69 99.73
시트르산 염 NE 40 NE 90 SWRO
Flux
(L/m2hr)		 52.75 23.89 12.59
Rejection (%) 69 91.5 98
상기 표 5 및 표 6에 나타난 바와 같이, 투과유량(Flux)이 작을수록 용액의 이동이 어려운 것이기에 염 제거율은 높은 것을 확인할 수 있었다. 전반적으로 EDTA염이 시트르산염에 비해 회수율이 보다 높은 것으로 나타났지만, 양자 모두 나노여과막을 통하여 우수한 회수율을 보임을 확인할 수 있었다.
도면의 주요 부분에 대한 설명
1: 정삼투 시스템
2: 회수 시스템
3: 유도 용질 재투입 연결 수단
4: 정제된 유체 배출 수단
11: 제1 멤브레인
21: 제2 멤브레인

Claims (21)

  1. 정삼투용 유도 용질로, 수평균 분자량이 1,000 이하인 유기산 염을 함유하는 정삼투용 유도 용액.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기산 염은 한 분자 내에 1개 내지 10개의 유기산 기를 포함하며, 상기 유기산 기는 각각 독립적으로 카르복시기, 술폰기, 술핀기 또는 인산기인 것이 특징인 정삼투용 유도 용액.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기산 염은 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)염, 락트산염, 숙신산염, 시트르산염, 아크릴산염, 폴리아크릴산염, 술폰산염, 폴리술폰산염, 인산염, 폴리인산염 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것이 특징인 정삼투용 유도 용액.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유기산 염은 염기성 용액으로부터 유도된 것이 특징인 정삼투용 유도 용액.
  5. 제4항에 있어서, 상기 염기성 용액은 NaOH 수용액, KOH 수용액, Ca(OH)2 수용액, NH4OH 수용액, Mg(OH)2 수용액, Ba(OH)2 수용액, Ba(OH)3 수용액, Al(OH)3 수용액 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것이 특징인 정삼투용 유도 용액.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유도 용액은 pH 8 내지 13인 정삼투용 유도 용액.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유도 용액 중 유기산 염의 함유량은 5 내지 30 중량%인 것이 특징인 정삼투용 유도 용액.
  8. 수평균 분자량이 1,000 이하인 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)염, 락트산염, 숙신산염, 시트르산염, 아크릴산염, 폴리아크릴산염, 술폰산염, 폴리술폰산염, 인산염, 폴리인산염 및 이의 혼합물을 함유하는 정삼투용 유도 용질.
  9. 정삼투용 유도 용질을 함유하는 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해, 정제된 유체(fluid)를 제조하는 방법에 있어서,
    제1 멤브레인을 통해 원액(fluid source) 중 유체를 삼투압에 의해 정삼투용 유도 용액쪽으로 투과시키는 제1단계; 및
    선택적으로, 정삼투용 유도 용질이 통과되지 않는 제2 멤브레인을 통해, 제1 멤브레인을 투과한 유체를 투과시키는 제2단계를 포함하고,
    상기 정삼투용 유도 용액은 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 정삼투용 유도 용액인 것이 특징인 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2단계는 정삼투용 유도 용액으로부터 정삼투용 유도 용질을 제2 멤브레인을 통해 막 여과로 분리 및 회수하는 단계인 것이 특징인 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2단계에서 회수된 정삼투용 유도 용질을 정삼투용 유도 용액에 재투입하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제2 멤브레인은 (-) 전하를 띠는 것이 특징인 제조방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 제2 멤브레인은 나노여과막(NF: nano filtration membrane)인 것이 특징인 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 멤브레인은 분획분자량이 200 내지 2000인 나노여과막인 것이 특징인 제조방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 유체는 물 또는 음용수인 것이 특징인 제조방법.
  16. 정삼투용 유도 용질을 함유하는 정삼투용 유도 용액의 삼투압에 의해 원액으로부터 유체를 정제하는 장치에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 정삼투용 유도 용액; 및
    상기 원액과 정삼투용 유도 용액을 구분하기 위한 제1 멤브레인을 포함하는 것이 특징인 정제 장치.
  17. 제16항에 있어서, 주로 정삼투용 유도 용질은 통과시키지 않으면서 유체는 통과시키는 제2 멤브레인을 더 포함하는 것이 특징인 정제 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 멤브레인을 통해 정삼투용 유도 용액으로부터 분리 및 회수되는 정삼투용 유도 용질을 정삼투용 유도 용액에 재투입시키는 수단을 더 포함하는 것이 특징인 정제 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제2 멤브레인은 (-) 전하를 띠는 것이 특징인 정제 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제2 멤브레인은 나노여과막인 것이 특징인 정제 장치.
  21. 제16항에 있어서, 원액으로부터 용매인 유체를 제거하여 원액을 농축시키는데 사용되는 것이 특징인 정제 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017095137A1 (ko) * 2015-11-30 2017-06-08 한국기계연구원 다단 정삼투 공정을 이용한 담수화 장치 및 담수화 방법
WO2018007759A1 (fr) 2016-07-08 2018-01-11 Ederna Procédé d'extraction par osmose directe d'un composé contenu dans une solution liquide

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11502323B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof
US11502322B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
US11855324B1 (en) 2022-11-15 2023-12-26 Rahul S. Nana Reverse electrodialysis or pressure-retarded osmosis cell with heat pump

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100155329A1 (en) * 2008-12-18 2010-06-24 Quantumsphere, Inc. Systems and methods for forward osmosis fluid purification
KR20120095293A (ko) * 2011-02-18 2012-08-28 삼성전자주식회사 정삼투용 유도 용액, 이를 이용한 정삼투 수처리 장치, 및 정삼투 수처리 방법
WO2013015651A2 (ko) * 2011-07-27 2013-01-31 서울대학교 산학협력단 온도응답성 정삼투 유도용질 및 이를 이용한 담수화 및 정수방법
KR20130084531A (ko) * 2012-01-17 2013-07-25 삼성전자주식회사 정삼투용 유도 용질, 이를 이용한 정삼투 수처리 장치, 및 정삼투 수처리 방법
US20130213885A1 (en) * 2012-02-11 2013-08-22 King Abdullah University Of Science And Technology Forward osmosis system and process

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100155329A1 (en) * 2008-12-18 2010-06-24 Quantumsphere, Inc. Systems and methods for forward osmosis fluid purification
KR20120095293A (ko) * 2011-02-18 2012-08-28 삼성전자주식회사 정삼투용 유도 용액, 이를 이용한 정삼투 수처리 장치, 및 정삼투 수처리 방법
WO2013015651A2 (ko) * 2011-07-27 2013-01-31 서울대학교 산학협력단 온도응답성 정삼투 유도용질 및 이를 이용한 담수화 및 정수방법
KR20130084531A (ko) * 2012-01-17 2013-07-25 삼성전자주식회사 정삼투용 유도 용질, 이를 이용한 정삼투 수처리 장치, 및 정삼투 수처리 방법
US20130213885A1 (en) * 2012-02-11 2013-08-22 King Abdullah University Of Science And Technology Forward osmosis system and process

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017095137A1 (ko) * 2015-11-30 2017-06-08 한국기계연구원 다단 정삼투 공정을 이용한 담수화 장치 및 담수화 방법
WO2018007759A1 (fr) 2016-07-08 2018-01-11 Ederna Procédé d'extraction par osmose directe d'un composé contenu dans une solution liquide
FR3053682A1 (fr) * 2016-07-08 2018-01-12 Ederna Procede d'extraction par osmose directe d'un compose contenu dans une solution liquide

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