KR20160149545A

KR20160149545A - 막증류-결정화 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20160149545A
Application number: KR1020150086696A
Authority: KR
Inventors: 염충균; 권건오; 안효성; 한진수; 김계훈
Original assignee: (주)세프라텍
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-12-28
Also published as: KR101692053B1

Abstract

본 발명은 막증류-결정화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 막증류-결정화 시스템 및 방법은 염이 포함된 원수를 일정 온도로 가열한 후 소수성 다공성 중공사 모듈의 일측에 공급하고 증기화된 물을 반대측에 진공을 가하여 제거하며 제거된 물은 컨덴서를 이용하여 생산수로 회수한다. 소수성 다공성 중공사 모듈을 통과하는 동안 물이 제거되어 염의 농도가 높아진 높은 온도의 원수를 결정화 탱크의 상부에 설치된 낮은 온도의 원수라인과 열교환을 통해 염의 결정화를 유도하고, 결정화된 염을 결정화 탱크 하부로 회수한다. 이와 같은 방법을 이용하여 해수담수화에 적용할 경우, 순수한 물과 소금을 얻을 수 있으며, 원자력 폐수에 적용할 경우 처리되어야 하는 방사성 염의 양을 최소화 할 수 있다.

Description

막증류-결정화 시스템 및 방법{MEMBRANE DISTILLATION- CRYSTALLIZATION SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 낮은 농도의 각종 염을 포함하는 수용액을 소수성 다공성 중공사막 모듈을 이용하여 일정온도에서 물만을 중공사의 세공을 통해 증류하여 중공사 모듈을 통과한 수용액의 염 농도를 증가시키는 막증류 공정과 농도가 증가된 수용액의 온도를 낮추어 염을 결정화시켜 회수하는 결정화 공정을 동시에 수행하여 막증류 공정을 통해 고순도의 물을 회수하고 결정화 공정을 통해 염을 회수하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

수용액 중의 염을 농축하거나 해수담수화 등에는 주로 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 방법이 주로 사용되고 있다.

역삼투막은 기공이 거의 없는 막의 종류로 이온 단위의 물질을 제거하기에 적합하기 때문에 이 분야에 주로 응용되고 있다.

하지만 역삼투법은 삼투압 이상의 압력을 가해야 하기 때문에 에너지 소모량이 높다.

또한, 원수의 염 농도가 낮을 경우에는 삼투압이 낮아 비교적 낮은 압력에서 운전이 가능하지만, 여과가 진행됨에 따라 원수의 염 농도가 증가함에 따라 점점 더 높은 운전압력이 요구되며, 투과되는 물의 양 또한 염 농도 증가에 따라 급격히 감소하는 단점이 있다.

막증류(Membrane Distillation, MD)는 1964년 findley가 이론을 처음 소개하였다.

막 증류는 소수성 다공성 분리막을 사용하여 일정 온도로 가열된 염을 포함하는 수용액을 분리막의 한쪽으로 공급하면, 해당 온도에서 물의 증기압에 의해 발생된 수증기가 다공성 분리막의 세공을 통하여 반대쪽인 투과측으로 이동하게 되며, 대부분의 염들은 온도 증가에도 증기압이 거의 없기 때문에 순수한 물을 투과측에서 얻을 수 있다.

또한 MD는 증발에 의해 운전되기 때문에 별도의 압력을 필요로 하지 않으며, RO에 비해 염 제거율이 상당히 좋은 편이다.

또, 휘발성이 거의 없는 이온성분인 경우 제거율이 매우 뛰어나고, 최근 상기 RO 공정에서 문제가 되고 있는 보론(boron)에 대한 제거율도 매우 좋은 것으로 알려져 있다.

또한, RO와 비교하여 가장 큰 장점은 물의 투과도가 원수의 농도에 그렇게 큰 영향을 받지 않는다는 것이다.

어느 정도 영향을 받지만, RO에 비해서는 미미한 수준에 불과하기 때문에 다양한 농도의 원수에서도 유사한 양의 물 투과도를 얻을 수 있다.

막증류는 처음 소개되었을 때 개념상으로 매우 매력적이었기 때문에 담수화 기술로 사용하려는 시도를 포함하여 다양한 연구가 진행되었지만, 당시에는 생산효율이 RO막에 비해 더 낮았기 때문에 생산성의 문제로 인해 상용화되기 어려운 단점이 있었다.

생산성이 낮은 이유는 당시 소수성 다공성 분리막을 생산하는 기술력이 부족했던 점을 꼽을 수 있다.

1980년대 이르러 막 소재 기술이 발전함에 따라 막증류 기술이 경쟁력을 갖는 기반이 마련되었으며, 현재에는 다양한 막 소재와 방법이 적용되어 막증류 기술의 발전이 이루어지고 있다.

막증류와 관련된 기술을 살펴보면, "제철 폐수 재이용을 위한 처리방법 및 처리 시스템"(한국 등록특허공보 제10-2015-1502675호, 특허문헌 1)에는 제철 폐수가 pH조정부에 유입되어 상기 폐수의 pH를 낮추는 단계; pH조정부에서 토출된 폐수가 막여과부로 유입되어 여과되는 단계; 막여과부를 통해 여과된 폐수가 RO 여과부로 유입되어 최종 공정수 생성 단계; RO 여과부에 의해 농축수가 농축수처리부로 유입되고, RO 생산수는 재이용을 위해 배출되는 단계; 및 농축수처리부로 유입된 농축수는 막증류 방식으로 증발처리에 의해 증발된 수증기는 다시 상기 RO 여과부의 생산수와 합류시키는 공정이 공개되어 있다.

또, "정삼투-막증류 하이브리드 담수화방법"(한국 공개특허공보 제10-2014-0065156호, 특허문헌 2)에는 정삼투 방식을 이용하여 해수에 포함된 담수 일부를 유도용액으로 이동하여, 상기 해수의 농도가 높아진 농축수와 상기 유도용액에 상기 담수가 혼합된 혼합용액을 생성하는 정삼투단계; 상기 혼합용액에서 상기 유도용액을 분리하여, 상기 담수를 회수하는 유도용액 분리단계; 상기 농축수에 열을 가하는 농축수 가열단계; 및 상기 농축수를 막증류처리하여, 상기 농축수 내의 담수를 회수하는 막증류단계;로 이루어진 구성이 공개되어 있다.

특허문헌 1 및 특허문헌 2에 나타나 있는 바와 같이 종래의 막증류 처리 공정은 정삼투, 역삼투를 주된 공정으로 하는 공정상에서 발생하는 농축수의 마무리 증류 처리 공정에 주로 사용되어 왔다.

이는 막증류를 위한 분리막에 수막이 발생하거나 이물질로 인한 폐색 현상 때문에 기인한 것으로 이러한 문제점을 해소하기 위해 "공기를 이용한 친수방지 기능을 가지는 막증류 공정에 의한 담수생산장치"(한국 등록특허공보 제10-1388475호, 특허문헌 3)에는 공기를 이용하여 정기적으로 막증류 모듈의 분리막을 건조시켜 담수 생산 능력을 높일 수 있도록 하였다.

상기 특허문헌 3에서 막증류 후 발생한 농축수는 그대로 폐기 처리되었다.

KR 10-1502675 (2015.03.09) KR 10-2014-0065156 (2014.05.29) KR 10-1388475 (2014.04.17)

본 발명의 막증류-결정화 시스템 및 방법은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 염을 포함하는 원수를 일정한 온도까지 가열하여 막증류를 통해 물을 증류, 제거하여 해당 염의 포화농도 근처까지 포화시킨 후 염을 포함하는 차가운 원수를 이용하여 염을 결정화하여 회수하는 결정화를 통해 고순도의 물과 염을 회수하는 것이다.

또, 막증류를 위해 공급되는 원수가 막증류 후 가열된 상태로 배출되는 농축수와 열교환이 이루어지도록 함으로써 결정화를 위한 냉각 에너지와, 막증류를 위한 가열 에너지를 동시에 활용할 수 있도록 함으로써 가열 및 냉각 효율이 모두 만족될 수 있게 하려는 것이다.

더불어, 결정화기 내부에서 결정화되고 남은 수분을 예열 후 막증류탱크로 공급하여 막증류탱크에서의 가열이 원할히 이루어져 시간당 처리 효율을 높일 수 있게 하려는 것이다.

또, 스크류형 배출기가 결정화기 내부에 설치되어 결정화된 염의 배출이 원할히 이루어지도록 하려는 것이다.

아울러, 분리막 모듈은 칸막이와 홀이 타공된 유로제어튜브가 설치되도록 함으로써 막증류 효율이 가일층 높아질 수 있게 하려는 것이다.

본 발명의 막증류-결정화 시스템은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 일측으로 원수가 유입되어 내부에 저장되며, 벽면에 히터(11)가 설치되어 내부에 저장된 원수를 가열하고, 타측에 가열된 원수가 배출되는 배출관(12)이 연결되어 있는 막증류탱크(10)와; 소수성 재질의 다공성 고분자 재질로 이루어져 있으며, 중공 형태로 이루어진 다수의 중공사(21)와, 상기 중공사(21)를 감싸 설치된 모듈하우징(22)으로 이루어져 있되, 상기 모듈하우징(22)에는 중공사(21) 내부 공간인 튜브사이드(21a)와 연통된 튜브사이드유입구(21b) 및 튜브사이드배출구(21c)가 형성되어 있고, 중공사(21) 외부 공간인 쉘사이드(22a)와 연결된 쉘사이드유입구(22b) 및 쉘사이드배출구(22c)가 형성되어 있으며, 상기 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나는 상기 배출관(12)과 연결되어 가열된 원수가 선택된 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나를 통해 유입된 후 중공사 세공을 통해 증기화되면서 농도가 높아진 채 이동하여 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 선택된 어느 하나를 통해 배출되도록 이루어진 분리막모듈(20)과; 상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 선택된 어느 하나와 배관 연결되어 있으며, 증기상태의 수증기를 냉각시켜 생산수를 배출하는 컨덴서(30)와; 상기 컨덴서(30) 일측에 배관 연결되어 증기상태의 수증기가 분리막모듈(20)로부터 원할히 배출되어 컨덴서(30)에 전달될 수 있도록 하는 진공펌프(40)와; 상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 어느 하나와 연결된 농축수공급관(51a)이 상부 일측에 연결되어 고온의 농축수가 내부로 유입되고, 하부에 결정화에 의해 형성된 결정이 배출되는 결정배출구(51b)가 형성되어 있는 결정화하우징(51)과, 일측 공급부(52a)는 상기 결정화하우징(51) 외부로부터 상기 막증류탱크(10) 내부의 가열된 원수보다 온도가 낮은 온수가 공급되고, 중간부(52b)는 상기 결정화하우징(51) 내측 상부에 설치되어 상기 농축수공급관(51a)으로부터 유입된 고온의 농축수와 열교환되어 고온의 농축수 온도를 낮춰 결정화시켜 결정을 형성시키며, 타측 배출부(52c)는 상기 결정화하우징(51) 외부로 배출되도록 이루어진 열교환관(52)으로 구성된 결정화기(50)와; 일측이 상기 열교환관(52)의 배출부(52c)와 솔레노이드밸브(61)에 의해 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화기(50) 내부로 열교환관(52)을 통해 공급된 원수를 솔레노이드밸브(61)의 제어에 의해 선택적으로 배출하거나, 상기 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어진 제1순환관(60)과; 일측이 상기 결정화하우징(51) 상측에 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화하우징(51) 내부에서 결정화된 염을 제외한 나머지 염을 포함하는 수용액을 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어져 있는 제2순환관(70);을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 막증류탱크(10) 내부에는 원수의 레벨을 측정하는 레벨센서(13)가 설치되어 있으며, 상기 레벨센서(13)와 상기 솔레노이드밸브(61)와 연결되어 막증류탱크(10) 내부의 원수 레벨에 따라 솔레노이드밸브(61)의 개폐 방향을 조절하는 컨트롤장치(80)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 제2순환관(70)에는 내부 수용액을 가열하는 보조히터(71)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 분리막모듈(20)은, 상기 모듈하우징(22)의 양단에 각각 설치되어 있고, 내부공간(23a)이 상기 튜브사이드(21a)와 연통되고 쉘사이드(22a)와 차단되도록 격벽(23b)이 형성되어 있는 두 개의 캡(23)과; 상기 두 캡(23)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(22) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부는 상기 쉘사이드유입구(22b)와 연결되어 있고, 타측 단부는 상기 쉘사이드배출구(22c)와 연결되어 있으며, 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(24a)가 설치되어 있고, 칸막이(24a)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(24b)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(22b) 측 홀(24b)로부터 액체가 쉘사이드(22a)로 이동하고, 쉘사이드배출구(22c) 측 홀(24b)을 통해 쉘사이드(22a) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(22c)로 이동하도록 이루어진 유로제어튜브(240);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 막증류-결정화 방법은, 원수를 상기 막증류탱크(10)로 공급하여 히터(11)를 작동시켜 내부 원수를 60∼90℃로 가열하는 원수가열단계와; 가열된 원수를 상기 분리막모듈(20)의 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 선택된 어느 하나로 공급하고, 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 원수가 미공급되는 곳에는 진공을 가하여 농도가 원수보다 높아진 농축수와 수증기를 막증류 방식으로 분리하는 막증류분리단계와; 상기 분리막모듈(20)에서 분리된 수증기는 상기 컨덴서(30)를 통해 냉각시킨 후 배출하는 생산수배출단계와; 상기 분리막모듈(20)에서 분리된 농축수는 상기 결정화기(50)로 공급하고, 상기 열교환관(52)에는 농축수 온도보다 낮은 원수를 공급하여 열교환을 통해 농축수를 결정화시켜 배출하는 결정화단계와; 상기 열교환관(52)의 배출부(52c)로 배출된 원수를 제1순환관(60)을 통해 상기 막증류탱크(10)로 공급하는 제1순환단계와; 상기 제2순환관(70)을 통해 결정화하우징(51) 내부의 수용액을 막증류탱크(10)로 공급하는 제2순환단계;를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의해, 막증류를 통해 가열된 온도에서 염을 포함하는 원수의 물을 증류하여 해당 염의 포화농도 근처까지 포화시키는 막증류와 염을 포함하는 차가운 원수를 이용하여 염을 결정화하여 회수하는 결정화를 통해 고순도의 물과 염을 동시에 회수할 수 있게 된다.

또, 100℃ 이하의 온도를 사용하기 때문에 에너지 소비가 절감되어 경제적인 공정이 구성된다.

또, 막증류를 위해 공급되는 원수가 막증류 후 가열된 상태로 배출되는 농축수와 열교환이 이루어지도록 함으로써 결정화를 위한 냉각 에너지와, 막증류를 위한 가열 에너지를 열교환을 이용해 활용할 수 있도록 함으로써 가열 및 냉각 효율이 모두 만족될 수 있게 된다.

더불어, 결정화기 내부에서 결정화되고 남은 수용액을 예열 후 막증류탱크로 공급하여 막증류탱크에서의 가열이 원할히 이루어져 시간당 처리 효율을 높일 수 있게 된다.

또, 스크류형 배출기가 결정화기 내부에 설치되어 결정화된 염의 배출이 원할히 이루어지게 된다.

아울러, 분리막 모듈은 칸막이와 홀이 타공된 유로제어튜브가 설치되도록 함으로써 막증류 효율이 가일층 높아진다.

도 1은 본 발명의 막증류-결정화 시스템을 나타낸 공정도.
도 2는 본 발명에서 분리막 모듈의 일 실시예를 나타낸 부분절단 사시도.

막증류는 기본적으로 증류법의 하나이기 때문에, 공급된 열에 의해 물이 제거되면, 원수의 염 농도가 증가하게 된다.

원수로부터 막증류가 운전되는 온도에서 염이 포화되기 직전까지 물을 제거한 후 거의 포화된 원수를 냉각하면 염의 포화농도가 낮아져 염이 결정화되어 석출되게 된다.

이처럼 막증류와 결정화가 하나의 공정으로 이루어지게 되면, 막증류로부터 순수한 물을 생산할 수 있으며, 결정화를 통해 수분을 포함하는 거의 고체상태의 염을 얻을 수 있게 된다.

막증류-결정화 공정이 해수담수화에 적용되는 경우, 해수로부터 순수한 물과 더불어 소금을 얻을 수 있다.

또한, 막증류-결정화 공정이 원자력 폐수 분야에 적용될 경우, 원자력 폐수 내의 물을 제거함과 동시에 Cs 등 방사성 물질을 거의 고체상태로 얻을 수 있기 때문에 원자력 폐기물의 양을 획기적으로 저감할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명의 막증류-결정화 시스템 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 막증류-결정화 시스템은 크게 막증류탱크(10), 분리막모듈(20), 컨덴서(30), 진공펌프(40), 결정화기(50), 제1순환관(60), 제2순환관(70)을 포함하여 구성되어 있다.

막증류탱크(10)는 도 1의 제1순환관(60)이나 원수저장탱크(1)와 연결된 배관을 통해 외부로부터 원수가 유입되어 내부에 저장된다.

막증류탱크(10) 벽면에는 도 1에 도시된 것처럼 히터(11)가 설치되어 내부에 저장된 원수를 가열하도록 이루어져 있다.

아울러, 하부에는 가열된 원수가 배출되는 배출관(12)이 연결되어 배출되도록 이루어져 있다.

막증류탱크(10) 내부에는 도 1에 도시된 바와 같이 원수의 레벨을 측정하는 레벨센서(13)가 설치될 수 있으며, 내부 온도를 측정하는 미표기된 온도센서가 설치될 수 있다.

분리막모듈(20)은 다수의 중공사(21)와, 모듈하우징(22)으로 구성되어 있다.

중공사(21)는 소수성 재질의 다공성 고분자로 이루어져 있으며, 중공 형상을 취한다.

소수성 고분자로는 PP, PE, PVDF, PTFE 등 다양한 재질이 사용될 수 있다.

모듈하우징(22)은 상기 중공사(21)를 감싸 설치된 모듈하우징(22)으로 이루어져 있다.

이때, 상기 모듈하우징(22)에는 중공사(21) 내부 공간인 튜브사이드(21a)와 연통된 튜브사이드유입구(21b) 및 튜브사이드배출구(21c)가 형성되어 있고, 중공사(21) 외부 공간인 쉘사이드(22a)와 연결된 쉘사이드유입구(22b) 및 쉘사이드배출구(22c)가 형성되어 있다.

이때, 상기 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나는 상기 배출관(12)과 연결되어 가열된 원수가 선택된 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나를 통해 유입되도록 이루어져 있다.

유입된 가열 원수는 내부에서 중공사 세공을 통해 물이 증기화되어 농도가 높아진 농축수와 수증기가 각각 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a)로 분리되어 하나는 튜브사이드배출구(21c)를 통해 배출되고, 다른 하나는 쉘사이드배출구(22c)를 통해 배출된다.

즉, 분리막모듈(20)은 해당 온도에서 물의 증기압에 의해 수증기가 발생되어 공급된 사이드가 아닌 다른 사이드로 빠져나가게 되며 이는 진공 발생에 의해 보다 용이하게 이루어지게 된다.

분리막모듈(20)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 캡(23)과, 유로제어튜브(24a)가 더 구비될 수 있다.

캡(23)은 상기 모듈하우징(22)의 양단에 각각 설치되어 있고, 내부공간(23a)이 상기 튜브사이드(21a)와 연통되고 쉘사이드(22a)와 차단되도록 격벽(23b)이 형성되어 있다.

유로제어튜브(24a)는 상기 두 캡(23)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(22) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부는 상기 쉘사이드유입구(22b)와 연결되어 있고, 타측 단부는 상기 쉘사이드배출구(22c)와 연결되어 있으며, 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(24a)가 설치되어 있고, 칸막이(24a)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(24b)이 형성되어 있다.

이를 통해 쉘사이드유입구(22b) 측 홀(24b)로부터 유체가 쉘사이드(22a)로 이동하고, 쉘사이드배출구(22c) 측 홀(24b)을 통해 쉘사이드(22a) 측의 유체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(22c)로 이동하게 된다.

이로 인해 쉘사이드유입구(22b)로 유입된 액체가 다이랙트로 쉘사이드배출구(22c)로 배출되지 못하게 된다.

아울러, 칸막이(24a)를 기준으로 양측 외주면에는 다수 개의 홀(24b)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(22b) 측 홀(24b)로부터 액체가 쉘사이드(22a)로 이동하고, 쉘사이드배출구(22c) 측 홀(24b)을 통해 쉘사이드(22a) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(22c)로 이동하도록 이루어져 있다.

즉, 칸막이(24a) 및 홀(24b)이 형성된 유로제어튜브(24)가 설치됨으로써 모듈하우징(22) 내부의 쉘사이드에서 크로스 플로우(cross flow)가 형성됨에 따라 혼합 효과가 더욱 증대되어 막증류 분리 효과가 우수하게 된다.

컨덴서(30)는 사용수가 냉각되기 위한 공지의 냉각기로 이루어질 수 있으며, 상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 선택된 어느 하나와 배관 연결되어 있으며, 냉각을 통해 생산수를 생산하게 된다.

또, 진공펌프(40)는 상기 컨덴서(30) 일측에 배관 연결되어 분리막모듈(20)로부터 발생되는 수증기를 효과적으로 컨덴서로 이동시키게 된다.

결정화기(50)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 결정화하우징(51)과 열교환관(52)을 포함하여 구성된다.

결정화하우징(51)은 상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 어느 하나와 연결된 농축수공급관(51a)이 상부 일측에 연결되어 고온의 농축수가 내부로 유입되고, 하부에 결정화에 의해 형성된 결정이 배출되는 결정배출구(51b)가 형성되어 있다.

열교환관(52)은 일측 공급부(52a)는 상기 결정화하우징(51) 외부로부터 상기 막증류탱크(10) 내부의 가열된 원수보다 온도가 낮은 온수가 공급되고, 중간부(52b)는 상기 결정화하우징(51) 내측 상부에 설치되어 상기 농축수공급관(51a)으로부터 유입된 고온의 농축수와 열교환되어 고온의 농축수 온도를 낮춰 결정화시켜 결정을 형성시키며, 타측 배출부(52c)는 상기 결정화하우징(51) 외부로 배출되도록 이루어져 있다.

결정화하우징(51)은 도시된 바와 같이 결정배출구(51b) 인접 내주면이 원통 형상을 취하며, 상기 결정화하우징(51)에는 모터(53a)에 의해 작동하는 스크류형 배출기(53)가 설치되어 결정의 원할한 배출이 이루어지도록 구성될 수 있다.

제1순환관(60)는 일측이 상기 열교환관(52)의 배출부(52c)와 솔레노이드밸브(61)에 의해 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있다.

이러한 구성은 결정화기(50) 내부로 열교환관(52)을 통해 공급된 원수를 솔레노이드밸브(61)의 제어에 의해 선택적으로 도 1에 도시된 원수공급관(62)을 통해 원수저장탱크(1)로 이동시켜 저장하도록 하거나 직접 상기 막증류탱크(10)로 공급하게 된다.

이때, 원수저장탱크

막증류탱크(10)로 공급할 때는 미표기된 펌프의 작동에 의해 이루어지게 된다.

제2순환관(70)은 일측이 상기 결정화하우징(51) 상측에 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화하우징(51) 내부의 수분을 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어져 있다.

이때 역시 미표기된 펌프의 작동에 의해 이루어지게 된다.

아울러, 제2순환관(70)에는 도시된 바와 같이 내부 수분을 가열하는 보조히터(71)가 설치될 수 있다.

아울러, 상기와 같은 구성에 컨트롤장치(80)가 더 구비될 수 있다.

컨트롤장치(80)는 기본적으로 상기 레벨센서(13)와 상기 솔레노이드밸브(61)와 연결되어 막증류탱크(10) 내부의 원수 레벨에 따라 솔레노이드밸브(61)의 개폐 방향을 조절할 수 있다.

더 나아가 히터(11), 모터(53a), 온도센서, 보조히터(71) 등과 전기적으로 연결되어 솔레노이드밸브(61) 개폐 외에 히터(11), 모터(53a), 보조히터(71) 등의 작동도 제어하도록 구성될 수 있다.

이하에서는 막증류-결정화 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

1. 원수가열단계

원수를 상기 막증류탱크(10)로 공급하여 히터(11)를 작동시켜 내부 원수를 60∼90℃로 가열한다.

2. 막증류분리단계

가열된 원수를 상기 분리막모듈(20)의 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 선택된 어느 하나로 공급하고, 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 원수가 미공급되는 곳에는 진공을 가하여 농도가 원수보다 높아진 농축수와 수증기를 막증류 방식으로 분리한다.

즉, 가열된 원수로부터 물을 증발시키고 염 농도를 증가시키게 되는 것이다.

도면에서는 원수가 분리막모듈(20)의 쉘사이드(22a)로 공급되는 것이 도시되어 있으나, 튜브사이드(21a)로 유입되도록 구성될 수도 있다.

이때, 반대편의 사이드에는 진공이 가해지게 되는데, 진공을 가할 때 진공 효율을 높이기 위해 공기 또는 질소를 일부 주입할 수도 있다.

이때, 진공 압력은 절대압으로 650 ~ 750 torr 정도가 유지됨이 바람직하다.

3. 생산수배출단계

상기 분리막모듈(20)에서 분리된 수증기는 상기 컨덴서(30)를 통해 냉각시켜 생산수로 배출한다.

컨덴서는 내부 온도가 0℃ 정도로 유지되도록 하여 수증기를 액상화하여 생산수로 회수할 수 있게 된다.

4. 결정화단계

상기 분리막모듈(20)에서 분리된 농축수는 해당 온도에서 염의 포화점 근처에 도달하게 되는데, 상기 결정화기(50)로 공급하고, 상기 열교환관(52)에는 농축수 온도보다 낮은 원수를 공급하여 열교환을 통해 농축수를 결정화시켜 배출한다.

즉, 열교환을 통한 온도 하강에 따라 용해 포화점이 낮아져 결정화가 발생하게 되는 것을 이용한 것이다.

이를 위해 열교환관(52)은 공급부(52a)가 내부 온도 30℃ 내외의 온도로 이루어지도록 하여 염의 결정화가 이루어지도록 한다.

결정화가 이루어진 염들은 자유 낙하하게 되어 스크류형 배출기(53)를 통해 외부로 배출되어 활용하게 된다.

5. 제1순환단계

상기 열교환관(52)의 배출부(52c)로 배출된 원수를 제1순환관(60)을 통해 상기 막증류탱크(10)로 공급한다.

이때, 솔레노이드밸브(61)의 작동에 의해 막증류탱크(10) 내 수량이 부족할 경우 제1순환관(60)을 통해 고온의 농축수와의 열교환을 거쳐 예열된 원수가 막증류탱크(10)로 우선 공급되도록 하고, 막증류탱크(10) 내 수량이 부족하지 않은 경우 솔레노이드밸브(61)의 작동에 의해 원수저장탱크(1)로 공급하도록 함이 바람직하다.

6. 제2순환단계

상기 제2순환관(70)을 통해 결정화하우징(51) 내부의 수용액을 막증류탱크(10)로 공급한다.

결정화하우징(51) 내부의 수용액 즉, 채 결정화되지 못한 농축수는 염이 일부 제거되었지만 여전히 높은 염 농도를 유지하기 때문에 보조히터(71)을 통해 막증류탱크(10)로 공급하여 남아 있는 염을 제거하도록 재순환시킨다.

이에 따라 별도의 다른 공정 없이 원수 중의 염 농도를 최대로 낮출 수 있게 되는 것이다.

이상과 같은 구성은 막증류를 통해 일정한 온도에서 염을 포함하는 원수의 물을 증류하여 해당 염의 포화농도 근처까지 포화시킨 후 염을 포함하는 차가운 원수를 이용하여 염을 결정화하여 회수하는 결정화를 통해 고순도의 물과 염을 동시에 회수할 수 있게 된다.

특히, 막증류를 위해 공급되는 원수가 막증류 후 가열된 상태로 배출되는 농축수와 열교환이 이루어지도록 함으로써 결정화를 위한 냉각 에너지와, 막증류를 위한 가열 에너지를 동시에 활용할 수 있도록 함으로써 가열 및 냉각 효율이 모두 만족될 수 있게 된다.

더 나아가, 결정화기 내부에서 결정화되고 남은 예열된 수용액을 예열 후 막증류탱크로 공급하여 막증류탱크에서의 가열이 원할히 이루어져 시간당 처리 효율을 높일 수 있게 된다.

아울러, 분리막 모듈은 칸막이와 홀이 타공된 유로제어튜브가 설치되도록 함으로써 막증류 효율이 가일층 높아질 수 있게 된다.

<실험예 1> NaOH 농축 및 회수

도 1과 같은 구조를 갖는 막증류-결정화 시스템을 준비하였으며, 원수로는 NaOH 30wt% 수용액을 사용하였다.

막증류 온도는 80℃, 원수 온도는 25℃를 사용하였다.

컨덴서(30)에서 회수된 물의 질량, 결정화하우징(51)의 배출구에서 회수된 염화나트륨 결정의 질량을 각각 측정하여 표 1에 나타냈다.

항목	질량(Kg/Hr)	온도(℃)
컨덴서 회수 물 질량	5.9
결정화기 회수 염화나트륨 질량	0.9
원수	10	25
막증류 온도		80

25℃, 30wt% NaOH 수용액을 막증류-결정화 시스템을 이용하여 시험한 결과, 컨덴서로부터 99.99%의 순수한 물을 5.9 kg/hr, 결정화탱크 하단으로부터 0.9kg/hr의 NaOH를 얻을 수 있었다.

1 : 원수저장탱크 10 : 막증류탱크
11 : 히터 12 : 배출관
13 : 레벨센서 20 : 분리막모듈
21 : 중공사 21a : 튜브사이드
21b : 튜브사이드유입구 21c : 튜브사이드배출구
22 : 모듈하우징 22a : 쉘사이드
22b : 쉘사이드유입구 22c : 쉘사이드배출구
23 : 캡 23a : 내부공간
23b : 격벽 24 : 유로제어튜브
24a : 칸막이 24b : 홀
30 : 컨덴서 40 : 진공펌프
50 : 결정화기 51 : 결정화하우징
51a : 농축수공급관 51b: 결정배출구
52 : 열교환관 52a : 공급부
52b : 중간부 52c : 배출부
53 : 배출기 53a : 모터
60 : 제1순환관 61 : 솔레노이드밸브
62 : 원수회수관 70 : 제2순환관
71 : 보조히터 80 : 컨트롤장치

Claims

막증류-결정화 시스템에 있어서,
일측으로 원수가 유입되어 내부에 저장되며, 벽면에 히터(11)가 설치되어 내부에 저장된 원수를 가열하고, 타측에 가열된 원수가 배출되는 배출관(12)이 연결되어 있는 막증류탱크(10)와;
소수성 재질의 다공성 고분자 재질로 이루어져 있으며, 중공 형태로 이루어진 다수의 중공사(21)와, 상기 중공사(21)를 감싸 설치된 모듈하우징(22)으로 이루어져 있되, 상기 모듈하우징(22)에는 중공사(21) 내부 공간인 튜브사이드(21a)와 연통된 튜브사이드유입구(21b) 및 튜브사이드배출구(21c)가 형성되어 있고, 중공사(21) 외부 공간인 쉘사이드(22a)와 연결된 쉘사이드유입구(22b) 및 쉘사이드배출구(22c)가 형성되어 있으며, 상기 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나는 상기 배출관(21)과 연결되어 가열된 원수가 선택된 쉘사이드유입구(22b) 와 튜브사이드유입구(21b) 중 선택된 어느 하나를 통해 유입된 후 중공사 세공을 통해 증기화되면서 농도가 높아진 농축수와 수증기가 각각 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c)를 통해 배출되도록 이루어진 분리막모듈(20)과;
상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 선택된 어느 하나와 배관 연결되어 있으며, 증기상태의 수증기를 냉각시켜 생산수를 생산하는 컨덴서(30)와;
상기 컨덴서(30) 일측에 배관 연결되어 분리막모듈(20)로부터 발생된 수증기를 컨덴서(30)로 전달하는 진공펌프(40)와;
상기 튜브사이드배출구(21c)와 쉘사이드배출구(22c) 중 어느 하나와 연결된 농축수공급관(51a)이 상부 일측에 연결되어 고온의 농축수가 내부로 유입되고, 하부에 결정화에 의해 형성된 결정이 배출되는 결정배출구(51b)가 형성되어 있는 결정화하우징(51)과, 일측 공급부(52a)는 상기 결정화하우징(51) 외부로부터 상기 막증류탱크(10)의 원수보다 온도가 낮은 원수가 공급되고, 중간부(52b)는 상기 결정화하우징(51) 내측 상부에 설치되어 상기 농축수공급관(51a)으로부터 유입된 고온의 농축수와 열교환되어 고온의 농축수 온도를 낮춰 결정화시켜 결정을 형성시키며, 타측 배출부(52c)는 상기 결정화하우징(51) 외부로 배출되도록 이루어진 열교환관(52)으로 구성된 결정화기(50)와;
일측이 상기 열교환관(52)의 배출부(52c)와 솔레노이드밸브(61)에 의해 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화기(50) 내부로 열교환관(52)을 통해 공급된 원수를 솔레노이드밸브(61)의 제어에 의해 선택적으로 배출하거나, 상기 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어진 제1순환관(60)과;
일측이 상기 결정화하우징(51) 상측에 연결되어 있고, 타측은 상기 막증류탱크(10)에 연결되어 있어 결정화하우징(51) 내부의 수용액을 막증류탱크(10)로 공급하도록 이루어져 있는 제2순환관(70);을 포함하여 구성된,
막증류-결정화 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 막증류탱크(10) 내부에는 원수의 레벨을 측정하는 레벨센서(13)가 설치되어 있으며,
상기 레벨센서(13)와 상기 솔레노이드밸브(61)와 연결되어 막증류탱크(10) 내부의 원수 레벨에 따라 솔레노이드밸브(61)의 개폐 방향을 조절하는 컨트롤장치(80)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는,
막증류-결정화 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 제2순환관(70)에는 내부 수분을 가열하는 보조히터(71)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는,
막증류-결정화 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 분리막모듈(20)은,
상기 모듈하우징(22)의 양단에 각각 설치되어 있고, 내부공간(23a)이 상기 튜브사이드(21a)와 연통되고 쉘사이드(22a)와 차단되도록 격벽(23b)이 형성되어 있는 두 개의 캡(23)과;
상기 두 캡(23)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(22) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부는 상기 쉘사이드유입구(22b)와 연결되어 있고, 타측 단부는 상기 쉘사이드배출구(22c)와 연결되어 있으며, 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(24a)가 설치되어 있고, 칸막이(24a)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(24b)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(22b) 측 홀(24b)로부터 액체가 쉘사이드(22a)로 이동하고, 쉘사이드배출구(22c) 측 홀(24b)을 통해 쉘사이드(22a) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(22c)로 이동하도록 이루어진 유로제어튜브(24a);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는,
막증류-결정화 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 막증류-결정화 시스템을 이용한 막증류-결정화 방법에 있어서,
원수를 상기 막증류탱크(10)로 공급하여 히터(11)를 작동시켜 내부 원수를 60∼90℃로 가열하는 원수가열단계와;
가열된 원수를 상기 분리막모듈(20)의 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 선택된 어느 하나로 공급하고, 쉘사이드(22a)와 튜브사이드(21a) 중 원수가 미공급되는 곳에는 진공을 가하여 농도가 원수보다 높아진 농축수와 농도가 원수보다 낮아진 사용수를 막증류 방식으로 분리하는 막증류분리단계와;
상기 분리막모듈(20)에서 분리된 수증기는 상기 컨덴서(30)를 통해 냉각시킨 후 배출하는 생산수배출단계와;
상기 분리막모듈(20)에서 분리된 농축수는 상기 결정화기(50)로 공급하고, 상기 열교환관(52)에는 농축수 온도보다 낮은 원수를 공급하여 열교환을 통해 농축수를 결정화시켜 배출하는 결정화단계와;
상기 열교환관(52)의 배출부(52c)로 배출된 원수를 제1순환관(60)을 통해 상기 막증류탱크(10)로 공급하는 제1순환단계와;
상기 제2순환관(70)을 통해 결정화하우징(51) 내부의 수용액을 막증류탱크(10)로 공급하는 제2순환단계;를 포함하여 구성된,
막증류-결정화 방법.