KR20160123822A

KR20160123822A - 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치

Info

Publication number: KR20160123822A
Application number: KR1020150054505A
Authority: KR
Inventors: 조경진; 이석헌; 구헌철; 정성필; 배효관; 윤택근
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-10-26
Also published as: JP6216810B2; JP2016203160A

Abstract

본 발명은 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치에 관한 것으로 고온 폐수와 냉각 유체의 온도차에 의해 발생된 수증기압 차이로 상기 고온 폐수를 고온 폐수 농축수와 생산수로 분리하는 막 증류 공정; 및 순수와 휘발성 오염물질을 함유하는 상기 생산수에서 휘발성 오염물질과 순수를 분리하는 역삼투막 공정;을 포함함으로써, 에너지를 절감하고 생산된 순수(처리수)를 고온 폐수 발생원, 막 증류 처리수측 등으로 반송하여 재이용하거나, 인근의 공정수 또는 생활용수로 재이용하여 폐수량을 줄일 수 있다.

Description

막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치{Apparatus for treatment of a high temperature wastewater by using a membrane distillation process}

본 발명은 에너지를 절감하고 오염물질이 거의 없는 순수를 생산할 수 있는 고온 폐수 처리 장치에 관한 것이다.

막 증류법(Membrane Distillation)은 용매나 용질(친수성 물질)의 표면장력이 분리막 표면보다 커서 액체 상태로는 막 기공(membrane pore)을 통과하지 못하고 상기 분리막 표면에서 반발되므로 분리막의 표면 기공입구에서 분리대상 물질을 증기상으로 상변환시켜 기공 안으로 확산, 투과되어 최종적으로 처리수측에서 응축 및 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 1960년에 제안된 이래, 현재에 이르기까지 막 증류에 대한 연구는 주로 미국, 유럽, 일본, 호주 중심으로 진행되어 왔다. 최근에 막 증류 분리 공정을 종래의 증발 또는 역삼투압 막을 이용한 분리공정에 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.

반면, 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 분리 및 제거하는데 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.

2011년 12월 말 기준으로 전국의 산업계 폐수 배출업소는 49,201 개소로써, 5,269천 m³/일의 폐수가 발생하고 있다(환경부, 공장폐수의 발생과 저리 2013). 이러한 산업 공정에서 발생하는 폐수는 다양한 독성물질을 고농도로 함유하고 있기 때문에, 일반적인 생물학적 처리 공법으로 처리하기는 매우 어려우며, 이에 별도의 물리화학적 처리 공정을 적용한 처리 방법도 병행하여 사용하고 있다. 이는 설비 투자비를 증가시킬 뿐만 아니라, 지속적인 약품 처리 비용을 발생하기 때문에 보다 효율적인 처리 기술 개발을 요하는 실정이다. 또한 산업계 공장 폐수 중에는 다양한 공정에서 고온 폐수가 발생하며, 이는 열원의 손실을 유발하고 용존산소(溶存酸素)가 감소되어 하천수의 자정작용(自淨作用)에 나쁜 영향을 주고 부적당한 화학반응이나 생물학적 반응이 가속되어 하수의 부패현상이 진전되기도 한다.

따라서, 다양한 장점을 가지고 있는 막 증류법으로 고온 폐수를 처리하는 방법이 요구되고 있다.

미국 공개특허 제2014-0273060호 대한민국 등록특허 제0840976호 대한민국 등록특허 제0881757호

본 발명의 목적은 에너지를 절감하고 오염물질이 최대한 제거된 순수를 생산할 수 있는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고온 폐수 처리 장치는,

고온 폐수와 냉각 유체의 온도차에 의해 발생된 수증기압 차이로 상기 고온 폐수를 고온 폐수 농축수와 생산수로 분리하는 막 증류 공정; 및

순수와 휘발성 오염물질을 함유하는 상기 생산수에 압력을 가하여 휘발성 오염물질과 순수를 분리하는 역삼투막공정;을 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 막 증류 공정은,

고온 폐수가 유입되며, 막 증류 분리막을 통과하지 못한 고온 폐수 농축수가 잔존하는 막 증류 유입수측;

상기 막 증류 유입수측과 막 증류 처리수측이 분리되도록 구비되며, 수증기압 차이로 인해 상기 고온 폐수에 함유된 생산수만 통과되고 고온 폐수 농축수는 통과되지 못하는 막 증류 분리막; 및

냉각 유체에 의해 고온 폐수와의 온도차이를 유도하여 상기 막 증류 분리막을 통과한 생산수를 모으는 막 증류 처리수측;을 포함할 수 있으며, 상기 막 증류 유입수측에 잔존하는 고온 폐수 농축수의 오염물질을 처리하여 배출시키는 농축수 처리 공정이 추가될 수 있다.

상기 막 증류 공정의 원수 저장조, 전처리 공정, 막 증류 공정에는 추가적인 열원을 공급할 수 있는 가온 장치가 추가될 수 있다.

상기 막 증류 공정에는 농축수의 폐열을 다시 활용할 수 있는 열교환 장치가 추가될 수 있다.

상기 막 증류 분리막은 소수성 고분자 분리막 또는 세라믹 막일 수 있다.

상기 소수성 고분자 분리막은 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) 및 폴리아마이드(Polyamide, PA)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

또한, 구체적으로 상기 역삼투막 공정은,

상기 막 증류 공정에서 수득된 생산수가 유입되며, 역삼투 분리막을 통과하지 못한 휘발성 오염물질이 잔존하는 역삼투 유입수측;

상기 역삼투 유입수측과 역삼투 처리수측이 분리되도록 구비되며, 압력에 의해 상기 생산수에 함유된 순수만이 통과되고 휘발성 오염물질은 통과되지 못하는 역삼투 분리막; 및

상기 역삼투 분리막을 통과한 순수를 모으는 역삼투 처리수측;을 포함할 수 있으며, 상기 역삼투 유입수측에 잔존하는 휘발성 오염물질을 결정화, 액비화 등의 휘발성 오염물질 처리 공정이 추가될 수 있다. 또한 휘발성 오염물질 처리 공정에는 생물학적 질소 제거 공정(질산화 혹은 탈질 혹은 혐기성 암모니아 산화 공정 등)을 포함한다.

상기 역삼투 분리막은 고압 분리막 또는 저압 분리막일 수 있다.

상기 역삼투 분리막은 셀룰로오스 아세테이트계(CA, cellulose acetate) 또는 폴리아미드계(PA, polyamide)일 수 있다.

상기 막 증류 공정에 이용되는 고온 폐수는 전처리 공정에서 전처리된 폐수일 수 있으며, 상기 전처리 공정에 유입되는 고온 폐수는 고온 폐수 발생원에서 생산되어 원수 저장조에 저장된 폐수일 수 있다.

또한, 상기 막 증류 공정에서 분리된 생산수를 저장하는 막 증류 및 상기 역삼투막 공정에서 분리된 순수를 저장하는 역삼투 생산조를 추가할 수 있다.

또한, 구체적으로 상기 순수 생산 공정은 자외선(UV) 공정, CDI(Capacitive deionization), EDI(Electrodeionization), 이온 교환(ion exchange) 공정 등이 있으며, 상기 단일 공정들은 목적에 따라 단일 또는 융합 공정으로 활용될 수 있다.

상기 처리된 순수를 상기 막 증류 공정의 막 증류 처리수측 및/또는 고온 폐수 발생원로 내부 반송시키는 반송배관을 구비할 수 있다.

본 발명의 고온 폐수 처리 장치는 고온 폐수를 이용하여 온도차를 이용한 막 증류로 오염물질을 분리하고 오염물질이 분리된 생산수를 역삼투조의 원수로 제공하여 추가로 오염물질을 분리함으로써, 에너지를 절감하고, 생산된 순수를 산업 공정의 공정수로 재이용하여 고온 폐수 발생원의 원수를 안정적으로 확보할 수 있다. 상기 생산된 순수는 고온폐수 공정 이외에도 기타 공정수, 생활용수로도 이용될 수 있다.

특히, 고온 폐수를 막 증류 후 후단에 있는 역삼투막 공정으로 이동시켜 처리함으로써 오염물질이 최대한 제거된 순수를 생산하여 시스템의 회수율을 높이고 각종 폐수량을 절감시킬 수 있다.

또한, 고온 폐수가 암모니아를 포함한 경우에는 공정 부산물로 질소계 비료를 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 고온 폐수를 처리하는 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 다양한 막 증류 공정을 나타낸 도면이다.

본 발명은 에너지를 절감하고 오염물질이 거의 없는 순수를 생산할 수 있는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도 1을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 고온 폐수 처리 장치(10000)는 도 1에 도시된 바와 같이, 막 증류 공정(400) 및 역삼투막공정(700)을 포함하며, 구체적으로 고온 폐수 발생원(100), 원수 저장조(200), 전처리 공정(300), 막 증류 공정(400), 막 증류 생산조(600), 역삼투막공정(700), 휘발성 오염물질 처리 공정 (800) 및 역삼투 생산조(900) 순으로 포함할 수 있다. 또한, 필요에 따라 역삼투 생산조(900) 이후에 순수 생산 공정(1000)을 추가할 수 있다. 도 1에서 점선은 순수가 반송되는 반송관을 의미한다.

고온 폐수 발생원

고온 폐수 발생원(100)은 고온 폐수를 발생시키는 공정으로서, 제품 생산을 위하여 냉각수가 사용되며 상기 냉각수는 고온 폐수 발생원의 생산 과정에서 발생된 오염물질이 함유되고 고온의 열을 가진 고온 폐수로 변화된다.

상기 냉각수는 차가운 물이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 지표수, 해수, 하폐수, 지하수 또는 순수 (1000)에서 처리된 순수를 들 수 있다.

상기 고온 폐수는 열을 이용하는 산업 공정에서 발생되는 온도 25 ℃ 이상의 폐수, 바람직하게는 25 내지 2,000 ℃로서; 철강폐수, 염색폐수, 도금폐수, 식품 가공 폐수, 석유 정제 폐수, 석유 화학 공정 폐수, 펄프 가공 폐수, 제지공장 폐수, 피혁 가공 폐수, 섬유 폐수, 광업 폐수, 금속 폐수, 비금속 폐수, 고무 및 플라스틱 가공폐수, 화학 공정 폐수 등 고온폐수가 배출되는 모든 산업공정 폐수를 들 수 있다.

원수 저장조

원수 저장조(200)는 상기 고온 폐수 발생원(100)에서 생산된 고온 폐수를 저장하여 다양한 온도의 폐수가 혼합된 고온 폐수를 안정화시킬 수 있다.

상기 원수 저장조(200)의 소재는 고온 폐수와 반응하지 않는 금속 또는 비금속 소재라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC), 섬유강화플라스틱(Fiber reinforced plastic, FRP), SUS316L, DUPLEX Stainless Steel을 들 수 있다.

또한, 고온 폐수의 온도를 유지시키기 위하여 단열재를 사용할 수 있는데, 상기 단열재의 소재는 온도를 유지시킬 수 있는 소재라면 특별히 한정되지 않는다.

전처리 공정

상기 원수 저장조(200)에 저장된 고온 폐수는 펌프 또는 중력 등을 통해 전처리 공정(300)로 이송되며, 상기 전처리 공정(300)은 이후 막 증류 공정(400)의 막오염(particulate fouling, organic fouling, bio-fouling, inorganic fouling (scaling))을 발생시킬 수 있는 각종 오염 물질을 사전에 제어할 수 있는데, 고온 폐수의 성상에 따라 전처리 공정(300)을 생략할 수도 있다.

상기 전처리 공정(300)으로는 응집, 침전, 여과 또는 살균 공정을 들 수 있다.

일예로, 전처리 공정(300)에는 센서부와 처리부를 구비할 수 있다. 상기 센서부는 원수 저장조(200), 막 증류 공정(400)의 유입수측 또는 원수 저장조와 막 증류 공정의 유입수측을 연결하는 배관 중 어느 한 곳 이상에 결합될 수 있다. 또한, 상기 주입부는 원수 저장조(200), 막 증류 공정의 유입수측 또는 원수 저장조와 막 증류 공정의 유입수측을 연결하는 배관 중 어느 한 곳 이상에 연결될 수 있다.

상기 센서부는 경우에 따라 센서부 측정 한계 이상의 농도를 측정하기 위하여, 상기 센서부에 별도의 희석 장치가 추가될 수 있다. 상기 희석 장치는 반응조 형태 또는 관 형태 등 어떠한 형태라도 무방하다.

상기 처리부는 센서부에서 측정된 자료를 바탕으로 이미 입력된 자료 또는 계산식을 활용하거나 또는 측정을 통해 저장된 자료를 평가하여 적정 주입 약품 량을 계산하는 시스템이 포함되며, 계산된 적정 약품 량 정보를 주입부에 전달하는 역할을 수행한다.

상기 약품은 예를 들면, pH 조절제, Eh 조절제, 침전제, 응집제, 소독제, anti-scalant로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 상기 약품을 원수 저장조로부터 배출되는 원수에 주입함으로써, 스케일링(scaling) 형성에 따른 막 증류 공정 내의 분리막 분리 성능(flux) 저하를 방지할 수 있으며, 이로써 분리막 세정 주기를 현저히 증가 시킬 수 있고, 분리막의 수명 연장에 따른 분리막의 교체 비용 또한 현저히 줄일 수 있다.

막 증류 공정

막 증류 공정(400)은 상기 전처리 공정(300)에서 전처리된 고온 폐수와 별도로 유입된 냉각 유체의 온도차에 의해 발생된 수증기압 차이로 인해 상기 고온 폐수를 고온 폐수 농축수와 생산수(예컨대, 순수 및 휘발성 오염물질의 혼합수)로 분리시킨다.

구체적으로, 상기 막 증류 공정(400)은 고온 폐수가 유입되며, 수증기압 차이를 이용하여 고온 폐수를 분리시 막 증류 분리막을 통과하지 못한 고온 폐수 농축수가 잔존하는 막 증류 유입수측(410);

상기 막 증류 유입수측(410)과 막 증류 처리수측(430)이 분리되도록 구비되며, 수증기압 차이로 인해 상기 고온 폐수에 함유된 생산수가 통과되고 고온 폐수 농축수는 통과되지 못하는 막 증류 분리막(420); 및

냉각 유체가 흐르는 냉각부(미도시)가 구비되어 상기 냉각 유체에 의해 고온 폐수와의 온도차이를 유도하여 상기 막 증류 분리막을 통과한 생산수만을 모으는 막 증류 처리수측(430);을 포함한다.

상기 막 증류 유입수측(410)에 잔존하는 고온 폐수 농축수는 목적에 따라 적절한 농축율에 도달하거나 상기 농축수의 온도가 유입되는 고온 폐수의 온도에 비해 낮아지는 경우에 농축수 처리 공정(500)에서 오염물질을 처리하여 배출된다. 또한, 적절한 농축율에 도달한 농축수는 내부 반송배관을 통해 막 증류 유입수측(410)으로 반송될 수도 있다. 또한, 상기 농축수의 폐열은 열교환 장치(440)에 의해 재이용되어 고온 폐수 발생원(100), 원수 저장조(200), 전처리 공정(300)의 폐수에 열원으로 이용될 수 있다. 상기 열교환 장치(440)은 농축수가 농축수 처리 공정(500)으로 이동하는 중간에 구비될 수 있다.

또한, 막 증류 분리막(420)은 소수성 고분자 분리막 또는 세라믹막일 수 있으며, 구체적으로 소수성 고분자 분리막은 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) 및 폴리아마이드(Polyamide, PA)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.

또한, 상기 막 증류 처리수측(430)에 흐르는 냉각 유체는 후단의 역삼투 생산조(900) 또는 순수 생산 공정(1000)에서 처리된 순수를 내부 반송배관을 통해 반송 받은 물일 수 있다.

또한, 상기 막 증류 처리수측(430)에 모여진 생산수는 후단인 막 증류 생산조(600)로 이송되어 보관된다.

본 발명에 따른 막 증류 공정(400)은 그 형태가 특별히 정해진 것은 아니며, 예를 들면 침지식의 형태, 가압식의 형태든 어떠한 형태라도 무방하다. 또한, 본 발명의 막 증류 수처리 장치는 어떠한 방식의 막 증류용 수처리 장치라도 무방하며, 예를 들면 Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) 방식, Air Gap Membrane Distillation (AGMD) 방식, Vacuum Membrane Distillation (VMD) 방식, Sweep Gas Membrane Distillation (SGMD) 방식 등일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 막 증류 장치 방식에 따라 냉각부에 액체(DCMD) 또는 기체(AGMD, SGMD)와 같은 다양한 냉각 유체를 사용하거나 냉각부를 진공 상태(VMD)로 사용할 수 있다.

상기 원수 저장조(200), 전처리 공정(300) 및 막 증류 공정(400)에는 상기 각 조 및 상기 각 조와 연결된 배관(각 조에 처리수가 유입되는 배관)에 가온 장치(미도시)가 추가될 수 있다.

막 증류 생산조

상기 막 증류 생산조(600)는 막 증류 공정(400)에서 분리된 중온의 생산수(예컨대, 순수 및 휘발성 오염물질의 혼합수)를 저장하는 저장조로서, 상기 생산수의 온도 유지를 위해 단열재가 구비될 수 있다.

상기 단열재는 중온의 온도에서 변질되지 않는 소재라면 특별히 한정되지 않으며, 발포 스티로폼, 유리 섬유 등 공기층이 포함되어 있는 소재가 포함될 수 있다.

상기 '중온'은 상기 고온 폐수의 온도보다 낮은 온도를 의미한다.

역삼투막 공정

상기 역삼투막 공정(700)은 가압펌프를 통해 막 증류 생산조(600)에서 순수 및 휘발성 오염물질의 혼합수인 생산수를 공급받은 후 상기 생산수에 압력을 가하여 휘발성 오염물질과 순수로 분리시킨다.

구체적으로, 상기 역삼투막 공정(700)은 상기 막 증류 공정(400)에서 수득된 생산수가 유입되며, 생산수 분리시 역삼투 분리막을 통과하지 못한 휘발성 오염물질이 잔존하는 역삼투 유입수측(710);

상기 역삼투 유입수측과 역삼투 처리수측이 분리되도록 구비되며, 압력에 의해 상기 생산수에 함유된 순수만이 통과되고 휘발성 오염물질은 통과되지 못하는 역삼투 분리막(720); 및

상기 역삼투 분리막을 통과한 순수를 모으는 역삼투 처리수측(730);을 포함한다.

상기 역삼투 유입수측(710)에 잔존하는 휘발성 오염물질을 함유하는 농축수는 목적에 따라 적절한 농축율에 도달할 때까지 내부 반송배관을 통해 역삼투 유입수측(710)에 반송되거나 바로 휘발성 오염물질 처리 공정(800)으로 이동된다.

상기 휘발성 오염물질 처리 공정(800)은 농축수에 존재하는 휘발성 오염물질을 제거 또는 결정화한다. 상기 휘발성 오염 물질이 질소인 경우에는 결정화 또는 액비로 전환하여 비료화하거나, 생물학적 질소 제거 공정(질산화, 탈질 또는 혐기성 암모니아 산화공정 등)으로 제거한다. 비료화 시, 부분적인 질산화 공정을 추가적으로 수행할 수 있다. 이때, 상기 휘발성 오염물질은 막 증류 공정(400)에서는 제거되지 못하고, 역삼투막 공정(700)에서만 제거될 수 있는 모든 휘발성 오염물질을 의미한다.

구체적으로, 휘발성 오염물질로는 아세트아마이드(Acete amide), 아닐린 (Aniline), 메틸 알콜(Methyl alcohol), 2-프로판올(2-propanol), N.N-디메틸포름아미드(N,N-Dimethylformamide), 시안화 수소(Hydrogen cyanide), 니트로메탄(Nitromethane), 메틸 에틸 케톤(Methyl ethyl ketone), 푸르푸랄(Furfural), 1,2-에폭시부탄(1,2-Epoxybutane), 2-클로로에탄올(2-Chloroethanol), 프로피오노니트릴(Propiononitrile), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile), 알릴 알콜(Allyl alcohol), 클로로메틸 메틸 에테르(Chloromethyl methyl ether), 페놀(Phenol), 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol), 디에틸아민(Diethylamine), 2-에톡시에탄올(2-Ethoxyethanol), 테트라플루오로에틸렌(Tetrafluoroethylene), 1,4-디옥산(1,4-Dioxane), 아세트산 에틸(Ethyl acetate), 히드라진(Hydrazine), 글리시돌(Glycidol), 메틸 이소티오시안에이트(Methyl isothiocyanate), 헥사메틸 포스포르아미드(Hexamethyl phosphoramide), 크로톤알데히드(Crotonaldehyde), 염화수소(Hydrogen chloride), 플루오르화 수소(Hydrogen fluoride), 암모니아(Ammonia), 질산(Nitric acid), 과산화수소(Hydrogen peroxide), 브롬화 수소(Hyrdogen bromide), 아세트알데하이드(Acete aldehyde), 아세틸렌(Acetylene), 아세틸렌 디클로라이드(Acetylene dichloride), 아크롤레인(Acrolein), 아크릴로니트릴 (Acrylonitrile), 벤젠(Benzene), 1,3-부타디엔(1,3-Butadiene), 부탄(Butane), 1-부텐(1-Butene), 2-부텐(2-Butene), 사염화탄소(Carbon Tetrachloride), 클로로포름(Chloroform), 사이클로헥산(Cyclohexane), 1,2-디클로로에탄(1,2-Dichloroethane), 디에틸아민(Diethylamine), 디메틸아민(Dimethylamine), 에틸렌(Ethylene), 포름알데히드 (Formaldehyde), n-헥산 (n-Hexane), 이소프로필 알콜(Isopropyl Alcohol), 메탄올(Methanol), 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 메틸렌클로라이드(Methylene Chloride), 엠티비이(Methyl Tertiary Butyl Ether), 프로필렌(Propylene), 프로필렌옥사이드(Propylene Oxide), 1,1,1-트리클로로에탄 (1,1,1-Trichloroethane), 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene), 휘발유(Gasoline), 납사(Naphtha), 원유(Crude Oil), 아세트산(Acetic Acid), 에틸벤젠(Ethylbenzene), 니트로벤젠(Nitrobenzene), 톨루엔(Toluene), 테트라클로로에틸렌(Tetrachloroethylene), 자일렌(Xylene) 및 스티렌(Styrene) 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.

또한, 상기 역삼투 분리막(720)은 고압 분리막 또는 저압 분리막일 수 있으나, 에너지 절감을 위하여 저압 분리막을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 역삼투 분리막(720)은 셀룰로오스 아세테이트계(CA, cellulose acetate) 또는 폴리아미드계(PA, polyamide) 등 특별히 한정하지 않으며; 그 형태는 평막, 중공사막, 와권형막 등일 수 있다.

역삼투 생산조

상기 역삼투 생산조(900)은 역삼투막 공정(700)에서 분리된 순수를 저장하며, 상기 순수를 고온 폐수 발생원(100), 막 증류 처리수측(430) 등으로 반송하여 재이용하거나, 인근의 공정수 또는 생활용수로 재이용될 수 있다. 역삼투막 공정(700)에서 생산되는 생산수 보다 높은 수준의 순수가 필요한 경우에는 순수 생산 공정(1000)으로 반입시켜, 미량의 오염물질을 제거할 수 있다. 이때, 미량의 오염물질은 역삼투막 공정(700)에서 제거되지 않는 모든 오염 물질을 의미한다.

순수 생산 공정

상기 순수 생산 공정(1000)에서는 역삼투막 공정(700)에서 분리되지 않는 오염물질을 제거하기 위해 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 순수 생산 공정(1000)은 역삼투막 공정(700)에서 발생된 순수 이상의 순수가 냉각수 또는 공정수로 필요한 경우에 추가될 수 있다. 해당 공정으로는 자외선(UV) 공정, CDI(Capacitive deionization), EDI(Electrodeionization), 이온 교환(ion exchange) 공정 등이 있으며, 상기 단일 공정들은 목적에 따라 단일 또는 융합 공정으로 활용될 수 있다. 순수 생산 공정(1000)에서 생산되는 순수는 반송배관을 통해 고온 폐수 발생원(100), 막 증류 처리수측(430) 등으로 반송되어 재이용하거나, 인근의 공정수 또는 생활용수로 재이용될 수 있다. 단, 재이용수 성상 기준에 따라 순수 생산 공정(1000)을 생략할 수도 있다.

본 발명에 따른 고온 폐수 처리 장치(10000)은 고온의 폐수를 처리하기 위하여 막 증류 공정에서 고온 폐수를 유입원으로, 냉각 유체를 냉각원으로 하여 고온 폐수로부터 생산수를 수득하고, 상기 수득된 생산수를 역삼투막 공정에서 처리하여 순수를 수득하는 것이다. 이때 본 발명과 같이 막 증류 공정-역삼투막 공정 처리방식이 아닌 역삼투막 공정-막 증류 공정 방식으로 처리되는 경우에는 역삼투막 공정을 거친 폐수의 온도가 낮아져 막 증류 공정에서 폐수를 유입원으로 사용할 수 없으므로 비용이 상승하며, 오염물질이 최대한 제거된 순수를 수득할 수 없다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 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.

10000: 고온 폐수 처리 장치 100: 고온 폐수 발생원
200: 원수 저장조 300: 전처리 공정
400: 막 증류 공정 410: 막 증류 유입수측
420: 막 증류 분리막 430: 막 증류 처리수측
440: 열교환 장치 500: 농축수 처리 공정
600: 막 증류 생산조 700: 역삼투막공정
710: 역삼투 유입수측 720: 역삼투 분리막
730: 역삼투 처리수측 800: 휘발성 오염물질 처리 공정
900: 역삼투 생산조 1000: 순수 생산 공정

Claims

고온 폐수와 냉각 유체의 온도차에 의해 발생된 수증기압 차이로 상기 고온 폐수를 고온 폐수 농축수와 생산수로 분리하는 막 증류 공정; 및
순수와 휘발성 오염물질을 함유하는 상기 생산수에 압력을 가하여 휘발성 오염물질과 순수를 분리하는 역삼투막 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 막 증류 공정은
고온 폐수가 유입되며, 막 증류 분리막을 통과하지 못한 고온 폐수 농축수가 잔존하는 막 증류 유입수측;
상기 막 증류 유입수측과 막 증류 처리수측이 분리되도록 구비되며, 수증기압 차이로 인해 상기 고온 폐수에 함유된 생산수가 통과되고 고온 폐수 농축수는 통과되지 못하는 막 증류 분리막; 및
냉각 유체에 의해 고온 폐수와의 온도차이를 유도하여 상기 막 증류 분리막을 통과한 생산수를 모으는 막 증류 처리수;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 막 증류 공정은 상기 막 증류 유입수측에 잔존하는 고온 폐수 농축수의 오염물질을 처리하여 배출시키는 농축수 처리 공정이 추가되는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 막 증류 공정에는 열교환 장치가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 막 증류 분리막은 소수성 고분자 분리막 또는 세라믹막인 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제5항에 있어서, 상기 소수성 고분자 분리막은 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) 및 폴리아마이드(Polyamide, PA)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 역삼투막 공정은
상기 막 증류 공정에서 수득된 생산수가 유입되며, 역삼투 분리막을 통과하지 못한 휘발성 오염물질이 잔존하는 역삼투 유입수측;
상기 역삼투 유입수측과 역삼투 처리수측이 분리되도록 구비되며, 압력에 의해 상기 생산수에 함유된 순수만이 통과되고 휘발성 오염물질은 통과되지 못하는 역삼투 분리막; 및
상기 역삼투 분리막을 통과한 순수를 모으는 역삼투 처리수측;을 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제7항에 있어서, 상기 역삼투막 공정은 상기 역삼투 유입수측에 잔존하는 휘발성 오염물질을 결정화, 액비화 또는 탈질화시켜 배출시키는 휘발성 오염물질 처리 공정이 추가되는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제7항에 있어서, 상기 역삼투 분리막은 고압 분리막 또는 저압 분리막인 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제7항에 있어서, 상기 역삼투 분리막은 셀룰로오스 아세테이트계(CA, cellulose acetate) 또는 폴리아미드계(PA, polyamide)인 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 고온 폐수는 전처리 공정에서 전처리된 폐수인 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제11항에 있어서, 상기 전처리 공정에 유입되는 고온 폐수는 고온 폐수 발생원에서 생산되어 원수 저장조에 저장된 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제12항에 있어서, 상기 원수 저장조, 전처리 공정 및 막 증류 공정에는 가온 장치가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 막 증류 공정에서 분리된 생산수를 저장하는 막 증류 생산조를 추가하는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 역삼투막 공정에서 수득된 순수를 저장하는 역삼투 생산조를 추가하는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제15항에 있어서, 상기 수득된 순수의 오염물질을 제거하는 순수 생산 공정을 추가하는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제16항에 있어서, 상기 처리된 순수를 상기 막 증류 공정의 막 증류 처리수측으로 내부 반송시키는 반송배관을 구비하는 것을 특징으로 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제13항에 있어서, 상기 역삼투막공정에서 수득된 순수를 저장하는 역삼투 생산조를 추가하는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제18항에 있어서, 상기 수득된 순수의 오염물질을 제거하는 순수 생산 공정을 추가하는 것을 특징으로 하는 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.
제19항에 있어서, 상기 순수 생산 공정에는 자외선(UV) 공정, CDI(Capacitive deionization), EDI(Electrodeionization), 이온 교환(ion exchange) 공정이 단독 또는 융합으로 사용되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 공정.
제19항에 있어서, 상기 처리된 순수를 상기 고온 폐수 발생원로 내부 반송시키는 반송배관을 구비하는 것을 특징으로 막 증류 공정을 이용한 고온 폐수 처리 장치.