KR20170100864A - 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 시스템 - Google Patents

정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 시스템

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KR20170100864A KR1020160023267A KR20160023267A KR20170100864A KR 20170100864 A KR20170100864 A KR 20170100864A KR 1020160023267 A KR1020160023267 A KR 1020160023267A KR 20160023267 A KR20160023267 A KR 20160023267A KR 20170100864 A KR20170100864 A KR 20170100864A
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Abstract

본 발명은 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해수 유입수와 재이용 유입수를 공급받아 해수를 희석시키는 정삼투 모듈; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 정삼투 모듈의 재이용 유입수로 재공급하여 폐쇄순환을 형성하는 순환 펌프; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 배출하여 폐쇄순환에 의한 재이용 유입수의 유입을 중단하고 새로운 재이용 유입수를 유입하여 회분식으로 운전하기 위한 배출 밸브; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 가압 역삼투 모듈; 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치; 해수 유입수, 정삼투 모듈에서 배출된 농축수 및 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수 각각의 전도도를 측정하기 위한 전도도 측정 장치; 및 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수의 플럭스 측정 장치를 포함하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치, 그리로 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다.

Description

정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 시스템{CLOSED TYPE DESALINATION SYSTEM USING FORWARD OSMOSIS AND REVERSE OSMOSIS}
본 발명은 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 시스템에 관한 것으로, 특히 정삼투 공정을 폐쇄순환식 및 회분식으로 운전함으로써 재이용 유입수가 장기적으로 체류하여 발생할 수 있는 생물막 오염을 억제할 수 있고, 정삼투 공정의 회수율과 운전 주기를 자유롭게 조절할 수 있는 담수화 시스템에 관한 것이다.
전세계적으로 물 부족 현상이 심화됨에 따라서 기존의 지표수와 지하수에 의존한 방법이 아닌 새로운 수자원을 확보하기 위한 노력이 진행 중이다. 이 중에서 해수의 담수화는 지구상에 다량으로 존재하는 해수를 유입수로 하여 염분을 제거한 후 담수로 만드는 기술로서 물 부족 문제를 해결할 수 있는 대안으로 주목을 받고 있다. 이와 함께 한번 사용한 물을 재사용하는 하수의 재이용도 추가적인 수자원 확보를 위한 방법으로 관심을 모으고 있다.
그러나 해수담수화는 다른 수자원 확보 방법에 비하여 많은 에너지가 소모되는 수처리 공정이므로, 물의 생산 비용이 상대적으로 높다는 단점을 가진다. 해수담수화에는 주로 증발법과 역삼투법이 사용되는데 증발법의 경우 15~20 kWh/m3, 역삼투법의 경우 3.5~5.5 kWh/m3 정도의 에너지를 필요로한다. 공정의 최적화 등으로 인하여 지속적으로 해수담수화의 에너지 비용은 낮아졌으나, 최근에는 이미 열역학적인 한계에 근접하고 있으므로 더 이상의 에너지 절감은 크게 기대하기 어려운 실정이다.
한편, 하수 재이용의 경우 해수담수화에 비하여 낮은 에너지를 필요로 하며, 일반적으로 역삼투 해수담수화의 50% 이하인 것으로 알려져 있다. 하수의 재이용에는 정밀여과와 한외여과, 그리고 역삼투법이 사용된다. 해수담수화와 비교하여 하수 재이용의 유입수는 염분 농도가 낮아서 삼투압이 낮고, 따라서 이때 사용하는 역삼투막은 해수담수화에 사용되는 SWRO와는 다른 BWRO가 사용되며, 상대적으로 낮은 작동압력에서 운전된다. 그러나 하수 재이용에서는 막 오염에 의한 BWRO 막의 성능저하가 발생하여 물을 생산하는 비용이 점차 높아지고 막을 자주 세정하거나 교체해야 하는 문제가 발생하게 된다.
최근에는 하수 재이용과 해수담수화에서 사용되는 역삼투 공정의 문제점을 보완하기 위한 방법으로 정삼투와 역삼투를 조합하는 방법이 고안되고 있다. 정삼투는 역삼투와 달리 삼투압의 차이로 구동되는 공정으로 자체적으로는 에너지 사용량이 낮다는 장점을 가진다. 그러나 정삼투 공정은 역삼투막보다 상대적으로 이온제거율과 회수율이 낮기 때문에 이를 보완하기 위한 방법이 요구되고 있다. 기존의 방법에서는 정삼투막의 성능을 높이기 위한 첨단 나노 소재 등이 연구되고 있으나 아직까지 상용화되기에는 많은 시간이 요구되기 때문에 기존의 정삼투막에서도 이러한 단점을 해결하기 위한 새로운 공정이 요구되고 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 수처리 기술이 제공되는 경우 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에, 본 발명의 한 측면은 폐쇄순환식 정삼투 공정과 역삼투 공정을 결합하여 에너지를 절감하고 막오염을 억제할 수 있는 복합 수처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 정삼투 공정을 폐쇄순환 방식으로 구성하여 배치(Batch) 방식으로 운전하며, 정삼투에 의하여 생산된 물은 저압역삼투 및 고압역삼투 공정으로 순차적으로 처리되는 효율적인 수처리 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 해수 유입수와 재이용 유입수를 공급받아 해수를 희석시키는 정삼투 모듈; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 정삼투 모듈의 재이용 유입수로 재공급하여 폐쇄순환을 형성하는 순환 펌프; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 배출하여 폐쇄순환에 의한 재이용 유입수의 유입을 중단하고 새로운 재이용 유입수를 유입하여 회분식으로 운전하기 위한 배출 밸브; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 가압 역삼투 모듈; 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치; 해수 유입수, 정삼투 모듈에서 배출된 농축수 및 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수 각각의 전도도를 측정하기 위한 전도도 측정 장치; 및 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수의 플럭스 측정 장치를 포함하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 해수 유입수와 재이용 유입수를 정삼투 모듈에 공급하여 농축수 및 희석된 해수를 획득하는 단계; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 순환 펌프를 이용하여 정삼투 모듈의 재이용 유입수로 재공급하여 폐쇄순환시키는 단계; 상기 폐쇄순환에 의한 재이용 유입수의 유입을 중단하고 새로운 재이용 유입수를 유입하기 위하여 배출 밸브를 개방하여 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 배출하는 단계; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 가압 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 배출하는 단계; 및 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 단계를 포함하며, 상기 배출 밸브는 하기 식(1) 내지 식(3) 중 2 이상을 만족하는 경우에 개방되는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법이 제공된다:
J/Ji < 0.8 ...식(1)
Cr/Cs > 0.05 ...식(2)
CF > 0.4 ...식(3)
(상기 식(1)에서 J는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 시간 t에서의 플럭스 값이고, Ji는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 초기 플럭스 값이며,
상기 식(2)에서 Cs는 해수 유입수의 전도도 값이고, Cr는 정삼투 모듈에서 배출된 농축수의 전도도 값이며,
상기 식(3)에서 CF는 농축인자인 것으로, 농축인자 CF는 하기 식 (4)와 같으며,
Figure pat00001
...식(4)
이때, A는 정삼투막의 면적이고, V는 정삼투 순환 루프 내의 총 부피, 즉 배관 부피 및 막모듈 내 공간의 부피를 모두 합한 면적 값이다.)
본 발명에 의한 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 시스템은 정삼투 공정을 폐쇄순환식 및 회분식으로 운전함으로써 재이용 유입수가 장기적으로 체류하여 발생할 수 있는 생물막오염을 억제할 수 있다. 또한, 정삼투 공정의 회수율과 운전 주기를 자유롭게 조절할 수 있어 막 및 유입수 각각의 상태 변화에 따른 정삼투 플럭스 변화에 탄력적으로 대응할 수 있으며, 나아가 운전 주기 사이의 정지기간 동안에 정삼투 막의 플러싱이나 삼투 세정 등을 수행하여 막오염을 지속적으로 억제할 수 있다. 한편, 정삼투에 의하여 희석된 해수를 저압 역삼투로 먼저 처리한 후 고압 역삼투로 처리함으로써 에너지 사용량을 줄일 수 있다.
도 1은 예시적인 본 발명의 담수화 시스템의 구성을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 예시적인 본 발명의 담수화 시스템의 흐름을 도식적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 정삼투 공정을 폐쇄순환식 및 회분식으로 운전함으로써 재이용 유입수가 장기적으로 체류하여 발생할 수 있는 생물막오염을 억제할 수 있고, 정삼투 공정의 회수율과 운전 주기를 자유롭게 조절할 수 있는 담수화 시스템이 제공된다.
보다 상세하게 본 발명의 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치는, 해수 유입수와 재이용 유입수를 공급받아 해수를 희석시키는 정삼투 모듈; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 정삼투 모듈의 재이용 유입수로 재공급하여 폐쇄순환을 형성하는 순환 펌프; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 배출하여 폐쇄순환에 의한 재이용 유입수의 유입을 중단하고 새로운 재이용 유입수를 유입하여 회분식으로 운전하기 위한 배출 밸브; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 가압 역삼투 모듈; 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치; 해수 유입수, 정삼투 모듈에서 배출된 농축수 및 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수 각각의 전도도를 측정하기 위한 전도도 측정 장치; 및 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수의 플럭스 측정 장치를 포함한다.
본 발명의 예시적인 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치는 도 1에 도시되어 있으며, 도 1을 참고하면, 상기 정삼투 막모듈로 유입된 해수 유입수(11)는 재이용 유입수(12)보다 높은 삼투압을 가지고 있으므로, 정삼투 공정의 유도 용액으로 사용되어, 재이용 유입수(12) 안에 있는 용존 이온과 유기물, 입자성 물질 등 오염 물질이 걸러진 양질의 처리수를 정삼투 막모듈(21)을 통하여 획득할 수 있게 된다. 본 발명은 이 과정에서 상기 해수 유입수(11)는 정삼투 막모듈(21)을 1번 통과하는 반면, 재이용 농축수(12)는 일정 조건을 만족시키는 일정 시간 동안 정삼투 막모듈(21)을 순환하여 폐쇄순환식으로 흐르게 되며, 이 경우 배출 밸브(52)는 개방되지 않은 상태에서 순환수 펌프(32)를 일정 속도로 계속적으로 운전한다. 그 결과, 정삼투 공정의 해수 유입수(11)는 연속식으로 처리되며, 재이용 유입수(12)는 회분식으로 처리될 수 있다.
한편, 상기 배출 밸브는 하기 식(I) 내지 식(III) 중 2 이상을 만족하는 경우에 개방되는 것이 바람직하다.
J/Ji < Jc ...식(I)
Cr/Cs > Rc ...식(II)
CF > Fc ...식(III)
이때, 상기 식(I)에서 J는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 시간 t에서의 플럭스 값이고, Ji는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 초기 플럭스 값이며, 상기 식(II)에서 Cs는 해수 유입수의 전도도 값이고, Cr는 정삼투 모듈에서 배출된 농축수의 전도도 값이다.
한편, 상기 식(III)에서 CF는 농축 인자인 것으로, 농축 인자 CF는 하기 식 (4)와 같으며,
Figure pat00002
...식(4)
이때, A는 정삼투막의 면적이고, V는 정삼투 순환 루프 내의 총 부피, 즉 배관 부피 및 막모듈 내 공간의 부피를 모두 합한 면적 값이다.
이때 각 조건에서 사용되는 임계값인 Jc, Rc 및 Fc는 다음의 범위를 가지는 값 중에서 처리하는 재이용수와 정삼투 막의 특징에 따라 선택하여 적용할 수 있다. 상기 Jc는 플럭스에 대한 임계값, Rc는 정삼투 농축수 상대 농도에 대한 임계값, Fc는 정삼투 농축인자에 대한 임계값이다.
임계값 Jc Rc Fc
범위 0.5 ~ 0.8 0.05 ~ 0.3 0.4 ~ 0.9
상기 조건은 정삼투 모듈 막의 운전 한계를 고려하여 도출한 것으로서, 상기의 조건을 만족시키지 못하면 정삼투의 평균 플럭스가 너무 낮아져서 보다 많은 숫자의 막 모듈이 필요해지거나, 막 오염이 과다하게 발생하거나, 후단의 나노 여과 또는 저압 역삼투 공정이 제대로 운전이 될 수 없게 된다.
따라서, 정삼투 공정의 경우 이 중 두 가지 이상을 만족시키지 못하는 경우에는 회분식 운전의 주기를 끝내도록 하는 것이 장기간의 운전에 있어서 바람직하다.
따라서, 바람직하게 상기 배출 밸브는 하기 식(1) 내지 식(3) 중 2 이상을 만족하는 경우에 개방되는 것이다.
J/Ji < 0.8 ...식(1)
Cr/Cs > 0.05 ...식(2)
CF > 0.4 ...식(3)
이때, 역시 상기 식(1)에서 J는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 시간 t에서의 플럭스 값이고, Ji는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 초기 플럭스 값이며, 상기 식(2)에서 Cs는 해수 유입수의 전도도 값이고, Cr는 정삼투 모듈에서 배출된 농축수의 전도도 값이다.
한편, 상기 식(3)에서 CF는 농축인자인 것으로, 농축인자 CF는 하기 식 (4)와 같으며,
Figure pat00003
...식(4)
이때, A는 정삼투막의 면적이고, V는 정삼투 순환 루프 내의 총 부피, 즉 배관 부피 및 막모듈 내 공간의 부피를 모두 합한 면적 값이다.
보다 바람직하게, 상기 식(1) 내지 식(3)은 각각 하기 식(1)' 내지 식(3)'인 것이며, 이때 J, Ji, Cr, Cs 및 CF 는 상기 식(1) 내지 식(3)에서 정의한 바와 같다.
J/Ji < 0.5 ...식(1)'
Cr/Cs > 0.3 ...식(2)'
CF > 0.9 ...식(3)'
즉, 정삼투 공정의 회분식 운전의 주기를 결정하기 위한 방법으로 정삼투 막의 플럭스, 해수와 재이용수의 총 이온 농도(전도도)를 기준으로 결정한다. 이를 위하여 해수 유입수(11)와 재이용 유입수(12), 정삼투 처리수(15)의 전도도를 모니터링하는 장치 (71, 72, 73) 각각을 구비하고, 전도도 값을 획득한다. 이와 함께 정삼투 막의 플럭스 측정 장치를 구비하여, 플럭스 값 및 초기 플럭스 값을 획득한다.
한편, 본 발명의 담수화 장치는 재이용 유입수를 정삼투 모듈에 공급하기 위한 재이용 유입수 펌프를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 저장하기 위한 정삼투 처리수 저장조를 추가로 포함할 수 있으며, 이때 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수의 전도도 측정 장치는 상기 정삼투 처리수 저장조에 구비될 수 있다.
즉, 정삼투에 의하여 처리된 정삼투 처리수(15)는 정삼투 처리수 저장조(61)에 먼저 이송된 후 저압 역삼투 펌프(33)에 의하여 저압 역삼투 막모듈(22)로 공급될 수 있다. 나아가, 저압 역삼투에 의하여 배제된 물은 후단의 고압 역삼투 막모듈(23)에 의하여 추가적으로 처리될 수 있으며, 이때 고압 역삼투 막모듈의 농축수는 에너지 회수 장치(41)을 거쳐서 압력 에너지를 고압 역삼투 펌프(34)에 전달한 후 배출될 수 있다.
본 발명에 있어서 사용될 수 있는 상기 에너지 회수 장치는 압력 회수기(PX, Pressure Exchanger) 또는 터보차저(TC, Turbo charger)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 있어서 상기 가압 역삼투 모듈은 저압 역삼투 막모듈인 것이 바람직하며, 이때 상기 저압이란 10 bar 이상 40 bar 이하의 저압인 것이다.
상기 저압 역삼투 모듈에 의해 필요한 담수를 충분히 생산할 수 있는 경우에는 단일의 역삼투 모듈만을 구비할 수 있으나, 필요에 따라 추가의 역삼투 모듈을 구비할 수 있다. 이 경우 추가되는 역삼투 모듈은 고압 역삼투 모듈인 것이 바람직하다. 이때 상기 고압이란 이때 상기 고압이란 40 bar 초과 90 bar 이하의 고압인 것이다.
한편, 상기 공정에서 경우에 따라서는 저압 역삼투 막모듈(22)을 대신하여 나노여과막 모듈이 사용될 수 있다. 또한 저압 역삼투 막모듈(22)은 2단 혹은 3단 이상으로 구성될 수도 있다.
즉, 이 경우 본 발명에 있어서 상기 역삼투 모듈은 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 1차 해수 농축수를 배출하는 1차 가압 역삼투 모듈; 및 상기 1차 해수 농축수 중 적어도 일부를 공급받아 담수와 2차 해수 농축수를 배출하는 2차 가압 역삼투 모듈을 포함할 수 있으며, 이때 상기 에너지 회수 장치는 상기 2차 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하고, 2차 가압 역삼투 모듈로 공급되는 상기 1차 해수 농축수의 양을 조절하는 조절 밸브(51)를 추가로 구비한다.
이때 저압 역삼투에서 고압 역삼투로 이송하는 유입수의 양은 조절밸브(51)에 의하여 조절함으로써 유입수 조건과 물 사용량에 맞게 탄력적으로 운전을 할 수 있다. 한편 저압 역삼투 막모듈(22)과 고압 역삼투 막모듈(23)에 의하여 처리된, 정삼투 및 저압 역삼투 막모듈 처리수(16) 및 정삼투, 저압 역삼투 막모듈 및 고압 역삼투 막모듈 처리수(17)은 혼합된 후 사용처로 보내진다.
상기 조절 밸브(51)는 1차 가압 역삼투 모듈의 상기 1차 해수 농축수 유량에 2차 가압 역삼투 모듈의 회수율을 곱한 값이 2차 가압 역삼투 모듈의 최대 생산 가능 유량을 초과하는 경우에는 그 차이 만큼의 1차 해수 농축수를 배출하고, 1차 가압 역삼투 모듈의 상기 1차 해수 농축수 유량에 2차 가압 역삼투 모듈의 회수율을 곱한 값이 2차 가압 역삼투 모듈의 최대 생산 가능 유량과 같거나 그 미만인 경우에는 1차 해수 농축수 전량을 2차 가압 역삼투 모듈로 공급하는 것이 바람직하다.
상기 1차 가압 역삼투 모듈에 압력을 가하기 위한 제1 가압수단 및 상기 2차 가압 역삼투 모듈에 압력을 가하기 위한 제2 가압수단을 포함하며, 상기 제2 가압 수단의 압력은 제1 가압 수단의 압력보다 큰 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 상기 제1 가압 수단의 압력은 10 bar 내지 40 bar의 저압이며, 제 2 가압 수단의 압력은 40 bar 초과 내지 90 bar의 고압인 것이다.
본 발명에 사용될 수 있는 상기 재이용 유입수는 하수, 하천수, 하수 처리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 본 발명의 다른 견지에 의하면, 상술한 바와 같은 담수화 장치가 적용될 수 있는 담수화 방법이 제공된다.
본 발명의 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법은, 보다 상세하게 해수 유입수와 재이용 유입수를 정삼투 모듈에 공급하여 농축수 및 희석된 해수를 획득하는 단계; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 순환 펌프를 이용하여 정삼투 모듈의 재이용 유입수로 재공급하여 폐쇄순환시키는 단계; 상기 폐쇄순환에 의한 재이용 유입수의 유입을 중단하고 새로운 재이용 유입수를 유입하기 위하여 배출 밸브를 개방하여 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 배출하는 단계; 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 가압 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 배출하는 단계; 및 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 단계를 포함하며, 상기 배출 밸브는 하기 식(1) 내지 식(3) 중 2 이상을 만족하는 경우에 개방되는 것일 수 있다.
J/Ji < 0.8 ...식(1)
Cr/Cs > 0.05 ...식(2)
CF > 0.4 ...식(3)
이때, 역시 상기 식(1)에서 J는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 시간 t에서의 플럭스 값이고, Ji는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 초기 플럭스 값이며, 상기 식(2)에서 Cs는 해수 유입수의 전도도 값이고, Cr는 정삼투 모듈에서 배출된 농축수의 전도도 값이다.
한편, 상기 식(3)에서 CF는 농축인자인 것으로, 농축인자 CF는 하기 식 (4)와 같으며,
Figure pat00004
...식(4)
이때, A는 정삼투막의 면적이고, V는 정삼투 순환 루프 내의 총 부피, 즉 배관 부피 및 막모듈 내 공간의 부피를 모두 합한 면적 값이다.
상기 표 1과 관련하여 상술한 바와 같이 상기 Jc는 플럭스에 대한 임계값, Rc는 정삼투 농축수 상대 농도에 대한 임계값, Fc는 정삼투 농축인자에 대한 임계값이다.
도 2는 유입수와 처리수의 전도도를 기준으로 폐쇄순환식 정삼투 공정을 제어하는 방법을 순서도로서 예시적으로 나타내고 있다. 도 2의 순서도는 정삼투 공정의 회분식 운전에서 한 주기의 시작과 끝을 나타내는 것이다.
보다 상세하게, 정삼투 공정의 운전이 시작되면 해수 유입수의 전도도(Cs); 순환수, 즉 정삼투 모듈에서 배출된 농축수의 전도도(Cr); 및 정삼투 모듈의 초기 플럭스(Ji)를 각각 측정하고, 정삼투 처리수의 플럭스(J)도 같이 측정한 후 이의 초기 플럭스(Ji) 값으로 나눠준 값(J/Ji)를 구한다.
그리고 상기 3가지 조건 중 2가지 이상이 만족된 경우에 배출 밸브(52)를 개방하여 농축된 재이용 유입수(12)를 정삼투 막모듈(21)과 폐쇄순환식 담수화 장치로부터 배출한 후 새로운 재이용수(12)를 채워 운전을 반복한다.
도 2에서는 유입 해수 전도도(Cs)를 먼저 측정하고, 농축 계수를 마지막으로 측정하였으나, 이들 값은 어떠한 다른 순서에 의해 측정하여도 무방하며, 나아가 도 2에 나타난 정삼투 처리수의 플럭스(J)를 초기 플럭스(Ji) 값으로 나눠준 값(J/Ji)의 판단은 최초 판단 시에 수행되는 것으로, 이후 두 번째 사이클 이후부터는 J 값을 기준으로 판단을 수행하며, 나아가 식(1) 내지 식(3)에 해당하는 각 판단 단계는 어떠한 순서에 의해 판단하여도 무방한 것이며, 이 중 2 이상을 만족하는 경우에 배출 밸브를 개방하게 된다.
한편, 상기 가압 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 배출하는 단계는, 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 1차 가압 역삼투 모듈로 공급하여 담수와 1차 해수 농축수를 배출하는 단계; 및 상기 1차 해수 농축수 중 일부를 2차 가압 역삼투 모듈로 공급하여 담수와 2차 해수 농축수를 배출하는 단계를 포함하며, 상기 에너지 회수 단계는 상기 2차 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수할 수 있고, 이때 상기 1차 가압 역삼투 모듈의 상기 1차 해수 농축수 유량에 2차 가압 역삼투 모듈의 회수율을 곱한 값이 2차 가압 역삼투 모듈의 최대 생산 가능 유량을 초과하는 경우에는 그 차이 만큼의 1차 해수 농축수를 배출하고, 1차 가압 역삼투 모듈의 상기 1차 해수 농축수 유량에 2차 가압 역삼투 모듈의 회수율을 곱한 값이 2차 가압 역삼투 모듈의 최대 생산 가능 유량과 같거나 그 미만인 경우에는 1차 해수 농축수 전량을 2차 가압 역삼투 모듈로 공급하는 것이 바람직하다.
즉, 한편, 본 발명에 있어서 상기 가압 역삼투 모듈은 저압 역삼투 막모듈인 것이 바람직하며, 이때 상기 저압이란 10 bar 내지 40 bar의 저압인 인 것이다.
상기 저압 역삼투 모듈에 의해 필요한 담수를 충분히 생산할 수 있는 경우에는 단일의 역삼투 모듈만으로 운전할 수 있으나, 필요에 따라 추가의 역삼투 모듈을 구비하여 운전할 수 있다. 이 경우 추가되는 역삼투 모듈은 고압 역삼투 모듈인 것이 바람직하다. 이때 상기 고압이란 40 bar 초과 내지 90 bar의 고압인 것이다.
이때 저압 역삼투에서 고압 역삼투로 이송하는 유입수의 양은 조절밸브(51)에 의하여 조절함으로써 유입수 조건과 물 사용량에 맞게 탄력적으로 운전을 할 수 있다. 한편, 저압 역삼투 막모듈(22)과 고압 역삼투 막모듈(23)에 의하여 처리된, 정삼투 및 저압 역삼투 막모듈 처리수(16) 및 정삼투, 저압 역삼투 막모듈 및 고압 역삼투 막모듈 처리수(17)은 혼합된 후 사용처로 보내진다.
보다 바람직하게, 상기 식(1) 내지 식(3)은 각각 하기 식(1)' 내지 식(3)'인 것이며, 이때 J, Ji, Cr, Cs 및 CF는 상기 식(1) 내지 식(3)에서 정의한 바와 같다.
J/Ji < 0.5 ...식(1)'
Cr/Cs > 0.3 ...식(2)'
CF > 0.9 ...식(3)'
상기 재이용 유입수를 정삼투 모듈에 공급하는 공정은 재이용 유입수 펌프를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 에너지를 회수하는 단계는 압력 회수기(PX, Pressure Exchanger) 또는 터보차저(TC, Turbo charger)에 의해 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 1차 가압 역삼투 모듈로 공급하여 담수와 1차 해수 농축수를 배출하는 단계의 압력은, 상기 1차 해수 농축수 중 적어도 일부를 2차 가압 역삼투 모듈로 공급하여 담수와 2차 해수 농축수를 배출하는 단계의 압력보다 저압에서 수행되는 것이 바람직하며, 1차 가압 역삼투 모듈의 압력은 10 bar 내지 40 bar의 저압이며, 2차 가압 역삼투 모듈의 압력은 40 bar 초과 내지 90 bar의 고압이다.
상기 재이용 유입수는 하수, 하천수, 하수 처리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
다음의 운전 조건에 대하여, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 시스템에 의하는 경우(실시예)와, 단일 방식의 역삼투 공정으로, 도 1에서 정삼투 막모듈(21)과 부대설비(31, 32, 52, 71, 72)가 제외된 경우(비교예)의 에너지 사용량을 비교하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
분류 항목 값
해수 유입수 유입 유량 160 m3/day
TDS 30,000 mg/L
회수율 40 %
재이용 유입수 유입 유량 100 m3/day
TDS 300 mg/L
회수율 80 %
정삼투 투과율 4 L-m2-hr/bar
구조 인자 250 mm
저압 역삼투 투과율 3 L-m2-hr/bar
이온 제거율 99%
고압 역삼투 투과율 1 L-m2-hr/bar
이온 제거율 99.7%
에너지 회수 장치(ERD) 효율 100 % (이상적인 경우 가정)
펌프-모터 효율 80 % (일반적인 경우)
비교예와 같이 고압 역삼투만 적용한 경우에는 에너지 사용량(ERD 적용, 50 bar)이 1.73 kWh/m3이었으나, 본 발명에 의한 실시예의 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 시스템에 의하는 경우에는 하기와 같은 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 정삼투 플럭스: 29 L/m2-hr
- 저압 역삼투 에너지 사용량 (27 bar): 0.938 kWh/m3
- 고압 역삼투 에너지 사용량 (ERD 적용, 50 bar): 1.73 kWh/m3
- 전체 에너지 사용량: 1.29 kWh/m3
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
11: 해수 유입수
12: 재이용 유입수
13: 해수 농축수
14: 재이용 농축수
15: 정삼투 처리수
16: 정삼투 및 저압 역삼투 막모듈 처리수
17: 정삼투, 저압 역삼투 막모듈 및 고압 역삼투 막모듈 처리수
21: 정삼투 막모듈
22: 저압 역삼투 막모듈
23: 고압 역삼투 막모듈
31: 재이용수 유입펌프
32: 순환수 펌프
33: 저압 역삼투 펌프
34: 고압 역삼투 펌프
41: 에너지회수장치
51: 조절밸브
52: 배출 밸브
61: 정삼투 처리수 저장조
71: 해수 전도도 측정 장치
72: 재이용수 전도도 측정 장치
73: 처리수 전도도 측정 장치
pw: 처리수(product water)
sw: 해수(seawater)
iw: 재이용수(산업폐수, industrial wastewater)
sc: 해수 농축수(seawater concentrate)
ic: 재이용 농축수(산업폐수 농축수, industrial wastewater concentrate)

Claims (18)

  1. 해수 유입수와 재이용 유입수를 공급받아 해수를 희석시키는 정삼투 모듈;
    상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 정삼투 모듈의 재이용 유입수로 재공급하여 폐쇄순환을 형성하는 순환 펌프;
    상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 배출하여 폐쇄순환에 의한 재이용 유입수의 유입을 중단하고 새로운 재이용 유입수를 유입하여 회분식으로 운전하기 위한 배출 밸브;
    상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 가압 역삼투 모듈;
    상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치;
    해수 유입수, 정삼투 모듈에서 배출된 농축수 및 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수 각각의 전도도를 측정하기 위한 전도도 측정 장치; 및
    정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수의 플럭스 측정 장치
    를 포함하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 역삼투 모듈은 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 1차 해수 농축수를 배출하는 1차 가압 역삼투 모듈; 및 상기 1차 해수 농축수 중 적어도 일부를 공급받아 담수와 2차 해수 농축수를 배출하는 2차 가압 역삼투 모듈을 포함하며,
    상기 에너지 회수 장치는 상기 2차 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하고,
    2차 가압 역삼투 모듈로 공급되는 상기 1차 해수 농축수의 양을 조절하는 조절 밸브를 추가로 구비하며,
    1차 가압 역삼투 모듈의 상기 1차 해수 농축수 유량에 2차 가압 역삼투 모듈의 회수율을 곱한 값이 2차 가압 역삼투 모듈의 최대 생산 가능 유량을 초과하는 경우에는 그 차이 만큼의 1차 해수 농축수를 배출하고,
    1차 가압 역삼투 모듈의 상기 1차 해수 농축수 유량에 2차 가압 역삼투 모듈의 회수율을 곱한 값이 2차 가압 역삼투 모듈의 최대 생산 가능 유량과 같거나 그 미만인 경우에는 1차 해수 농축수 전량을 2차 가압 역삼투 모듈로 공급하는,
    정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 배출 밸브는 하기 식(1) 내지 식(3) 중 2 이상을 만족하는 경우에 개방되는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
    J/Ji < 0.8 ...식(1)
    Cr/Cs > 0.05 ...식(2)
    CF > 0.4 ...식(3)
    (상기 식(1)에서 J는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 시간 t에서의 플럭스 값이고, Ji는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 초기 플럭스 값이며,
    상기 식(2)에서 Cs는 해수 유입수의 전도도 값이고, Cr는 정삼투 모듈에서 배출된 농축수의 전도도 값이며,
    상기 식(3)에서 CF는 농축인자인 것으로, 농축인자 CF는 하기 식 (4)와 같으며,
    Figure pat00005
    ...식(4)
    이때, A는 정삼투막의 면적이고, V는 정삼투 순환 루프 내의 총 부피, 즉 배관 부피 및 막모듈 내 공간의 부피를 모두 합한 면적 값이다.)
  4. 제3항에 있어서, 상기 식(1) 내지 식(3)은 각각 하기 식(1)' 내지 식(3)'인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
    J/Ji < 0.5 ...식(1)'
    Cr/Cs > 0.3 ...식(2)'
    CF > 0.9 ...식(3)'
  5. 제1항에 있어서, 재이용 유입수를 정삼투 모듈에 공급하기 위한 재이용 유입수 펌프를 추가로 포함하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
  6. 제1항에 있어서, 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 저장하기 위한 정삼투 처리수 저장조를 추가로 포함하며, 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수의 전도도 측정 장치는 상기 정삼투 처리수 저장조에 구비된, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에너지 회수 장치는 압력 회수기(PX, Pressure Exchanger) 또는 터보차저(TC, Turbo charger)인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 1차 가압 역삼투 모듈에 압력을 가하기 위한 제1 가압수단 및 상기 2차 가압 역삼투 모듈에 압력을 가하기 위한 제2 가압수단을 포함하며, 상기 제2 가압 수단의 압력은 제1 가압 수단의 압력보다 큰, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 1 제1 가압 수단의 압력은 10 bar 내지 40 bar의 저압이며, 제 2 가압 수단의 압력은 40 bar 초과 내지 90 bar 이하의 고압인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 재이용 유입수는 하수, 하천수, 하수 처리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 장치.
  11. 해수 유입수와 재이용 유입수를 정삼투 모듈에 공급하여 농축수 및 희석된 해수를 획득하는 단계;
    상기 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 순환 펌프를 이용하여 정삼투 모듈의 재이용 유입수로 재공급하여 폐쇄순환시키는 단계;
    상기 폐쇄순환에 의한 재이용 유입수의 유입을 중단하고 새로운 재이용 유입수를 유입하기 위하여 배출 밸브를 개방하여 정삼투 모듈에서 배출된 농축수를 배출하는 단계;
    상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 가압 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 배출하는 단계; 및
    상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 단계를 포함하며,
    상기 배출 밸브는 하기 식(1) 내지 식(3) 중 2 이상을 만족하는 경우에 개방되는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법.
    J/Ji < 0.8 ...식(1)
    Cr/Cs > 0.05 ...식(2)
    CF > 0.4 ...식(3)
    (상기 식(1)에서 J는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 시간 t에서의 플럭스 값이고, Ji는 정삼투 모듈에서 정삼투 막의 초기 플럭스 값이며,
    상기 식(2)에서 Cs는 해수 유입수의 전도도 값이고, Cr는 정삼투 모듈에서 배출된 농축수의 전도도 값이며,
    상기 식(3)에서 CF는 농축인자인 것으로, 농축인자 CF는 하기 식 (4)와 같으며,
    Figure pat00006
    ...식(4)
    이때, A는 정삼투막의 면적이고, V는 정삼투 순환 루프 내의 총 부피, 즉 배관 부피 및 막모듈 내 공간의 부피를 모두 합한 면적 값이다.)
  12. 제11항에 있어서, 상기 가압 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 배출하는 단계는, 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 1차 가압 역삼투 모듈로 공급하여 담수와 1차 해수 농축수를 배출하는 단계; 및 상기 1차 해수 농축수 중 일부를 2차 가압 역삼투 모듈로 공급하여 담수와 2차 해수 농축수를 배출하는 단계를 포함하며,
    상기 에너지 회수 단계는 상기 2차 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하고,
    이때, 상기 1차 가압 역삼투 모듈의 상기 1차 해수 농축수 유량에 2차 가압 역삼투 모듈의 회수율을 곱한 값이 2차 가압 역삼투 모듈의 최대 생산 가능 유량을 초과하는 경우에는 그 차이 만큼의 1차 해수 농축수를 배출하고,
    1차 가압 역삼투 모듈의 상기 1차 해수 농축수 유량에 2차 가압 역삼투 모듈의 회수율을 곱한 값이 2차 가압 역삼투 모듈의 최대 생산 가능 유량과 같거나 그 미만인 경우에는 1차 해수 농축수 전량을 2차 가압 역삼투 모듈로 공급하는,
    정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 식(1) 내지 식(3)은 각각 하기 식(1)' 내지 식(3)'인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법.
    J/Ji < 0.5 ...식(1)'
    Cr/Cs > 0.3 ...식(2)'
    CF > 0.9 ...식(3)'
  14. 제11항에 있어서, 상기 재이용 유입수를 정삼투 모듈에 공급하는 공정은 재이용 유입수 펌프를 이용하여 수행되는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 에너지를 회수하는 단계는 압력 회수기(PX, Pressure Exchanger) 또는 터보차저(TC, Turbo charger)에 의해 수행되는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 정삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 1차 가압 역삼투 모듈로 공급하여 담수와 1차 해수 농축수를 배출하는 단계의 압력은, 상기 1차 해수 농축수 중 적어도 일부를 2차 가압 역삼투 모듈로 공급하여 담수와 2차 해수 농축수를 배출하는 단계의 압력보다 저압에서 수행되는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법.
  17. 제16항에 있어서, 1차 가압 역삼투 모듈의 압력은 10 bar 내지 40 bar의 저압이며, 2차 가압 역삼투 모듈의 압력은 40 bar 초과 내지 90 bar의 고압인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 재이용 유입수는 하수, 하천수, 하수 처리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 폐쇄순환식 담수화방법.
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CN109553202A (zh) * 2017-09-26 2019-04-02 北京天诚同创电气有限公司 反渗透海水淡化方法、系统及系统的控制方法
WO2019087867A1 (ja) * 2017-10-30 2019-05-09 東洋紡株式会社 海水淡水化方法および海水淡水化システム

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