KR20150083067A - 정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법 - Google Patents

정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 정삼투압(Forward osmosis) 방식을 적용한 수처리 장치에서 삼투액으로 사용한 중탄산암모늄(Ammonium bicarbonate;
Figure pat00004
) 용액을 재생하기 위한 것으로서, 상기 정삼투압부에서 정삼투 현상에 의해 분리된 물과, 상기 삼투액으로 사용된 중탄산암모늄 용액이 혼합된 혼합용액 중 일부를 증발부로 유입시킨 후 가열하여 이산화탄소와 암모니아를 분리하는 단계; 상기 혼합용액의 나머지를 하나 또는 복수개의 흡수부로 유입시켜 상기 증발부에서 증발하는 이산화탄소와 암모니아를 흡수하는 단계; 상기 흡수부에서 이산화탄소와 암모니아를 흡수한 중탄산암모늄 용액을 하나 또는 복수개의 농축부로 유입시켜 농축하는 단계; 및 상기 농축부에서 농축된 중탄산암모늄 용액을 냉각시켜, 적어도 일부를 상기 정삼투압부의 삼투액으로 재생 공급하는 단계를 포함하는 정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법이 제공된다.
이와 같은 본 발명의 중탄산암모늄 용액 재생방법에 의하면, 삼투액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 분리 및 농축할 수 있는 탑(塔) 형태의 증발부, 흡수부 및 농축부를 구비함으로써, 공정 중에 염이 석출되는 것을 방지하면서도 삼투액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 연속적으로 재생하는 것이 가능하다는 장점을 갖는다.

Description

정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법{Recovering method of ammonium bicarbonate solution in water separating apparatus from such as sea water, polluted water using forward osmosis}
본 발명은 정삼투압(Forward osmosis) 방식 수처리 장치에서 삼투액으로 사용하는 중탄산암모늄 용액(Ammonium bicarbonate;
Figure pat00001
)의 재생에 관한 한 것으로서, 보다 상세하게는 해수 담수화에 사용하거나, 폐수의 양을 현격하게 줄이고 폐수에 함유 되어 있는 화학물질을 용이하게 회수하기 위해 정삼투압을 이용하여 물을 회수하는 경우, 삼투액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 재생하기 위한 정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법에 관한 것이다.
통상적으로 정삼투압을 이용하여 해수, 폐수, 오염수로부터 물을 분리하는 방법은, 증발 방법에 의해 물을 분리하는 방법에 비해 에너지 소모가 적다는 장점을 갖는다. 이 때 사용되는 삼투액으로서는 환경 친화적인 중탄산암모늄 용액을 사용 할 수 있다.
한편 정삼투압에 의해 중탄산암모늄 용액으로 이동한 물을 분리하고, 중탄산 암모늄 용액을 재생하지 않는다면, 탄산암모늄 염을 지속적으로 공급하여 삼투액을 생산해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법으로서, 분리탑을 사용하는 경우가 있다.
위와 같은 종래 분리탑에서는, 하부의 열원에 의해 이산화탄소와 암모니아를 증발시켜 분리탑의 상부로 배출하게 되는데, 분리탑 상부로 분리되는 이산화탄소와 암모니아를 포집하기 위해서는 응축기가 필요하다.
그런데 상기 응축기에서는 이산화탄소와 암모니아가 반응하여 염을 생성하므로 염이 고화되지 않도록 온도를 올리거나 다량의 물로 씻어 주어야 한다.
또한 공정 중에 희석된 중탄산암모늄 용액으로부터 물을 분리할 때, 수증기를 포함한 암모니아와 이산화탄소의 혼합기체는 일정온도 이하로 떨어질 경우, 반응을 하여 고체염이 생성되고, 이 때문에 배관이 막히는 문제가 있다.
즉, 발생기체는 담수를 위한 유도용질 성분이므로, 다시 용액으로 회수해야 하는 바, 이 과정에서 온도를 낮추어 응축시키는 과정이 필수이다. 따라서 대용량의 담수시스템 구축시, 고체염의 제거 또는 배관의 온도 유지가 더욱 어렵게 되기 때문에 고체염의 생성은 심각한 문제로 부각되고 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 일례로서, 미국 공개특허 US 2009/0308727에서는 압축기를 이용한 이산화탄소와 암모니아 회수 방법을 개시하고 있다. 여기서는 상당량의 탄산 암모늄염이 생성되어 지속적인 운전이 불가능하고 지속적인 운전을 위해서는 다량의 물로 희석해야 하므로 생성된 물의 소모가 많고, 압축기 운전을 위한 전기 소모가 크다는 문제점을 내재하고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 정삼투압 방식 수처리 장치에서 염의 석출을 방지하면서도 지속적으로 중탄산암모늄 용액을 재생할 수 있는 중탄산암모늄 용액의 재생방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 정삼투압 방식 수처리 장치의 중탄산암모늄 용액 재생방법은, 정삼투압(Forward osmosis) 방식을 적용한 수처리 장치에서 삼투액으로 사용한 중탄산암모늄(Ammonium bicarbonate;
Figure pat00002
) 용액을 재생하기 위한 것으로서, 상기 정삼투압부에서 정삼투 현상에 의해 분리된 물과, 상기 삼투액으로 사용된 중탄산암모늄 용액이 혼합된 혼합용액 중 일부를 증발부로 유입시킨 후 가열하여 이산화탄소와 암모니아를 분리하는 단계; 상기 혼합용액의 나머지를 하나 또는 복수개의 흡수부로 유입시켜 상기 증발부에서 증발하는 이산화탄소와 암모니아를 흡수하는 단계; 상기 흡수부에서 이산화탄소와 암모니아를 흡수한 중탄산암모늄 용액을 하나 또는 복수개의 농축부로 유입시켜 농축하는 단계; 및 상기 농축부에서 농축된 중탄산암모늄 용액을 냉각시켜, 적어도 일부를 상기 정삼투압부의 삼투액으로 재생 공급하는 단계를 포함한다.
상기 중탄산암모늄 용액 재생방법은, 상기 농축부에서 농축된 중탄산암모늄 용액을 냉각시킨 후, 일부를 상기 농축부로 환류시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 중탄산암모늄 용액 재생방법은, 상기 증발부로 공급되는 혼합용액과, 상기 증발부로 공급된 혼합용액으로부터 이산화탄소와 암모니아가 분리된 후 배출되는 생성수를 열교환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 혼합용액에서 중탄산암모늄의 농도는 3 내지 5 중량%인 것이 바람직하다.
상기 흡수부로 공급되는 혼합용액의 양은 상기 증발부로 공급되는 혼합용액 양의 0.5 내지 4배인 것이 바람직하다.
상기 정삼투압부로 유입되는 삼투액의 중탄산암모늄 농도는 5 내지 20 중량%인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 중탄산암모늄 용액 재생방법에 의하면, 삼투액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 분리 및 농축할 수 있는 탑(塔) 형태의 증발부, 농축부 및 흡수부를 구비함으로써, 공정 중에 염이 석출되는 것을 방지하면서도 삼투액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 연속적으로 재생하는 것이 가능하다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중탄산암모늄 용액의 재생방법을 나타낸 흐름도,
도 2는 도 1에 나타낸 중탄산암모늄 용액의 재생방법을 구현할 수 있는 중탄산암모늄 용액의 재생장치를 도시한 구성도,
도 3은 도 2에 나타낸 중탄산암모늄 용액의 재생장치에서 흡수부와 농축부가 복수개 구비된 변형례를 도시한 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중탄산암모늄 용액의 재생방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 중탄산암모늄 용액의 재생방법을 구현할 수 있는 중탄산암모늄 용액의 재생장치를 도시한 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 정삼투압 방식 수처리 장치에는 내부에 반투막의 경계가 있는 정삼투압부(10)가 구비되어 있다. 여기서 상기 반투막을 경계로 해수, 폐수, 오염수 등과 같은 처리수(1)와 중탄산암모늄 용액을 각각 분리 투입하면, 농도차에 의한 삼투 현상에 의해 처리수(1)에 포함된 물이 중탄산암모늄 용액으로 이동하여 혼합되고, 농도 차에 의하여 물이 제거된 처리수(1a)는 외부로 제거된다.
본 발명의 실시예에 따른 중탄산암모늄 용액의 재생방법은, 상기한 바와 같이 삼투액으로 사용한 중탄산암모늄(Ammonium bicarbonate) 용액을 재생하기 위한 방법이다. 이를 위해 상기 중탄산암모늄 용액의 재생방법은, 분리단계(S10)와, 흡수단계(S20)와, 농축단계(S30)와, 재생 공급단계(S40)를 포함한다.
먼저 상기 분리단계(S10)는, 정삼투압부(10)에서 정삼투 현상에 의해 분리된 물과, 상기 삼투액으로 사용된 중탄산암모늄 용액이 혼합된 혼합용액(2) 중 일부(2a)를 증발부(110)로 유입시킨 후 가열하여 이산화탄소와 암모니아를 분리 증발시키는 공정이다. 이 때 가열기(180)는 증발부(110)로 유입된 혼합용액(2a) 가열시킨다.
그리고 상기 혼합용액(2a)으로부터 이산화탄소와 암모니아가 분리 증발한 생성수(4)는 외부로 배출시킨다. 여기서 상기 가열기(180)의 에너지 효율을 향상시키기 위해, 상기 증발부(110)로 공급되는 혼합용액(2a)과 상기 생성수(4)를 열교환시켜(S60), 가열기(180)에서 소모되는 에너지를 줄일 수 있다.
다음으로 상기 흡수단계(S20)는, 상기 혼합용액(2)의 나머지(2b)를 흡수부(120)로 유입시켜 상기 증발부(110)에서 증발하는 이산화탄소와 암모니아를 흡수하는 공정이다. 여기서 상기 흡수부(120)로 공급되는 혼합용액(2b)의 양은, 부피 기준으로 상기 증발부(110)로 공급되는 혼합용액(2a) 양의 0.5 내지 4배인 것이 바람직한데, 상기 흡수부(120)의 높이, 증발부(110)로 유입되는 혼합용액(2a) 중에서 증발되는 이산화탄소와 암모니아의 몰수, 목표로 하는 삼투액의 탄산암모늄 농도 등에 따라 가변될 수 있다.
그 다음으로 상기 농축단계(S30)는, 상기 흡수부(120)에서 이산화탄소와 암모니아를 흡수한 중탄산암모늄 용액을 농축부(130)로 유입시켜 농축하는 공정이다.
끝으로 상기 재생 공급단계(S40)는, 상기 농축부(130)에서 농축된 중탄산암모늄 용액(3)을 냉각시켜, 적어도 일부(3a)를 상기 정삼투압부(10)의 삼투액으로 재생 공급하는 공정이다. 여기서 생성수(4)와 배출가스(6)와 함께 유실되는 암모니아와 이산화탄소는 매우 미량이며, 이에 해당하는 탄산암모늄 염, 암모니아 및 이산화탄소는 삼투액 재생 공정의 적절한 위치를 통해 보충할 수 있다.
그리고 상기 농축된 중탄산암모늄 용액(3)의 나머지 일부(3b)는 상기 농축부(130)로 환류시켜(S50), 중탄산암모늄 용액(3b)을 필요로 하는 농도로 농축시킬 수 있다. 이 때 상기 농축부(130)로 환류되는 중탄산암모늄 용액(3)의 온도는 냉각기(141)에서 소모되는 에너지를 최소화할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다.
또한 상기 흡수부(120) 및 농축부(130)에서 탄산암모늄 염이 석출하지 않고 흡수가 원활하도록 하기 위해, 상기 정삼투압부(10)에서 정삼투 현상에 의해 분리된 물과 상기 삼투액으로 사용된 중탄산암모늄 용액이 혼합된 혼합용액(2)의 중탄산암모늄의 농도는 3 내지 5 중량%인 것이 바람직하다. 다만 상기 혼합용액(2)의 중탄산암모늄의 농도는 해수 중 염분 농도, 처리수(1)중 오염물질의 농도 및 정삼투압부(10)의 용량에 따라 다를 수 있다
더욱이 상기 정삼투압부(10)로 유입되는 삼투액의 중탄산암모늄 농도는 5 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 삼투액의 중탄산암모늄 농도가 5 중량% 보다 낮으면 정삼투압부(10)에서 구해지는 물의 양이 적고, 농도가 20 중량% 보다 높으면 탄산암모늄 염이 석출하여 운전이 곤란 할 수 있기 때문이다.
한편 전술한 중탄산암모늄 용액의 재생방법에서는 단일의 흡수부(120) 와 농축부(130)가 구비된 것을 예시하여 설명하였다. 그러나 상기 흡수부(120) 및 농축부(130)는 각각 복수개로 구비될 수 있으며, 이를 설명하기 위해 도 3에는 상기 흡수부(120) 및 농축부(130)가 각각 2개씩 구비된 변형례를 도시하였다. 단 여기서도 도 3은 예시적인 것으로서, 필요에 따라 상기 흡수부(120) 및 농축부(130)는 각각 3개 이상씩 구비될 수도 있다.
즉, 상기 흡수부(120) 및 농축부(130)는, 도시된 바와 같이 냉각기(142,143)의 사용가능한 냉각수의 온도에 대응하여 서로 교차하도록 배치하는 제1 및 제2흡수부(121)(122)와 제1 및 제2농축부(131)(132)로 구성 할 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예에서 참고된 탄산암모늄 염의 물에 대한 용해도는 다음의 표 1과 같다(Table 2-120, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 1999, McGraw-Hill).
온 도(℃) 0 10 20 30
NH3HCO3 농 도(wt%) 10.6 13.6 17.3 21.2
이하 상기한 바와 같은 본 발명의 중탄산암모늄 용액의 재생방법을 구현할 수 있는 중탄산암모늄 용액의 재생장치에 대해 설명하도록 한다. 다만 여기서는 전술(前述)한 재생방법에서 설명된 내용과 반복되는 내용은 생략하도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 중탄산암모늄 용액의 재생장치는, 증발부(110)와, 흡수부(120)와, 농축부(130)와, 재생공급부(140)를 포함한다.
상기 증발부(110)는, 정삼투압부(10)에서 정삼투 현상에 의해 분리된 물과, 상기 삼투액으로 사용된 중탄산암모늄 용액이 혼합된 혼합용액(2) 중 일부(2a)를 가열하여 이산화탄소와 암모니아를 분리한다. 이 때 상기 혼합용액(2a)으로부터 이산화탄소와 암모니아가 분리 증발한 생성수(4)는 외부로 배출시킨다. 여기서 상기 가열기(180)의 에너지 효율을 향상시키기 위해, 상기 증발부(110)로 공급되는 혼합용액(2a)과 상기 생성수(4)를 열교환시키는 열교환부(150)를 구비하여 가열기(180)에서 소모되는 에너지를 줄일 수 있다.
상기 흡수부(120)는 상기 혼합용액(2)의 나머지(2b)를 유입시켜 상기 증발부(110)에서 증발하는 이산화탄소와 암모니아를 흡수한다.
상기 농축부(130)는 상기 흡수부(120)에서 이산화탄소와 암모니아를 흡수한 중탄산암모늄 용액을 유입시켜 농축한다.
상기 재생공급부(140)는 상기 농축부(130)에서 농축된 중탄산암모늄 용액(3)을 냉각시켜, 적어도 일부(3a)를 상기 정삼투압부(10)의 삼투액으로 재생 공급한다. 이 때 농축된 중탄산암모늄 용액(3)의 나머지 일부(3b)는 상기 농축부(130)로 환류시키는 환류부(160)를 구비하여, 중탄산암모늄 용액(3b)을 필요로 하는 농도로 농축시킬 수 있다.
또한 전술한 바와 같이 상기 흡수부(120) 및 농축부(130)는 각각 복수개로 설치될 수 있다.
위와 같은 본 발명의 실시예에서, 도시된 바와 같이 상기 증발부(110), 농축부(130) 및 흡수부(120)는, 탑(塔)의 형태로 순차 상향 배치될 수 있다. 또한 필요에 따라서는 설치 공간, 투자비 등을 고려하여 상기 증발부(110), 농축부(130) 및 흡수부(120) 순차 상향 배치된 일 조합이 복수개 구비되도록 직렬 설치할 수도 있다.
한편 환경오염을 방지하기 위하여, 상기 흡수부(120)의 상측에는 세척부(170)를 배치할 수 있다. 이러한 세척부(170)에서는 공급된 세척수(5)를 이용해 세척을 수행한다. 그리고 상기 세척부(170)에서 배출되는 물은 상기 흡수부(120)로 유입하거나 외부로 배출 할 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 중탄산암모늄 용액의 재생방법 및 그 재생장치에 의하면, 삼투액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 분리 및 농축할 수 있는 탑(塔) 형태의 증발부(110), 흡수부(120) 및 농축부(130)를 구비함으로써, 공정 중에 염이 발생하는 것을 방지하면서도 삼투액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 연속적으로 재생할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 정삼투압부 110 : 증발부
120 : 흡수부 121,122 : 제1 및 제2흡수부
130 : 농축부 131,132 : 제1 및 제2농축부
140 : 재생공급부 141,142,143 : 냉각기
150 : 열교환부 160 : 환류부
170 : 세척부

Claims (4)

  1. 정삼투압(Forward osmosis) 방식을 적용한 수처리 장치에서 삼투액으로 사용한 중탄산암모늄(Ammonium bicarbonate;
    Figure pat00003
    ) 용액을 재생하기 위한 것으로서,
    정삼투압부(10)에서 정삼투 현상에 의해 분리된 물과, 상기 삼투액으로 사용된 중탄산암모늄 용액이 혼합된 혼합용액(2) 중 일부(2a)를 증발부(110)로 유입시킨 후 가열하여 이산화탄소와 암모니아를 분리하는 단계(S10);
    상기 혼합용액(2)의 나머지(2b)를 하나 또는 복수개의 흡수부(120)로 유입시켜 상기 증발부(110)에서 증발하는 이산화탄소와 암모니아를 흡수하는 단계(S20);
    상기 흡수부(120)에서 이산화탄소와 암모니아를 흡수한 중탄산암모늄 용액을 하나 또는 복수개의 농축부(130)로 유입시켜 농축하는 단계(S30);
    상기 농축부(130)에서 농축된 중탄산암모늄 용액(3)을 냉각시켜, 적어도 일부(3a)를 상기 정삼투압부(10)의 삼투액으로 재생 공급하는 단계(S40); 및
    상기 농축부(130)에서 농축된 중탄산암모늄 용액(3)을 냉각시킨 후, 일부(3b)를 상기 농축부(130)로 환류시키는 단계(S50)를 포함하며,
    상기 흡수부(120)로 공급되는 혼합용액(2b)의 양은 부피 기준으로 상기 증발부(110)로 공급되는 혼합용액(2a) 양의 0.5 내지 4배인 것을 특징으로 하는 정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발부(110)로 공급되는 혼합용액(2a)과, 상기 증발부(110)로 공급된 혼합용액(2a)으로부터 이산화탄소와 암모니아가 분리된 후 배출되는 생성수(4)를 열교환시키는 단계(S60)를 더 포함하는 정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합용액(2)에서 중탄산암모늄의 농도는 3 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는 정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 정삼투압부(10)로 유입되는 삼투액의 중탄산암모늄 농도는 5 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄 용액의 재생방법.
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