KR20170129507A - 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
공기간극형 막증류(AGMD) 모듈의의 소수성 분리막과 냉각부재를 다단으로 설치함으로써 담수 생산량을 용이하게 조절할 수 있으며, 최적화된 운전조건을 통해 공정의 안정성을 확보할 수 있고, 또한, 태양열, 지열, 신재생 에너지열, 산업폐열 등을 활용하여 비교적 낮은 유입수 온도 조건에서 담수를 생산함으로써, 기존의 해수담수화 공정에 주로 사용되고 있는 다단증발법, 역삼투 공정의 운영비용 및 전력비용을 감소시킬 수 있으며, 또한, 전처리 공정을 포함한 역삼투 공정에 비해서 단독 공정으로 담수를 생산할 수 있기 때문에 해수담수화 시스템이 차지하는 면적을 최소화할 수 있고, 또한, 기존의 진공식 막증류 시스템에 비해 AGMD 모듈에 직접적인 감압을 하지 않기 때문에 장기간 운전 시 소수성 분리막의 막젖음 현상을 감소시킴으로써 담수 수질을 개선할 수 있고, 연속식 운전의 한계를 극복하고 열효율을 극대화하여 비교적 안정적이고 연속적으로 성능을 확보할 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 해수담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 해수를 담수화시키는 막증류(Membrane Distillation: MD) 공정으로서, 중공사형(Hollow Fiber) 소수성 분리막(Hydrophobic Membrane)을 구비한 공기간극형 막증류(Air Gap Membrane Distillation: "AGMD") 모듈을 이용하여 해수를 담수화시키는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
최근, 급변하는 기후 변화로 인해서 수많은 나라에서 물부족 현상이 가속화되고 있고, 또한, 지속되는 인구증가에 따라 산업과 농업에서 사용되는 용수량이 증대되고 있다. 예를 들면, 지구상의 물자원 중에서 1.7%는 빙하 상태, 0.8%만이 담수 상태로 존재하고 있으며, 대부분의 물은 바다에 분포되어 있다. 이러한 물부족 현상을 해결하기 위해, 전세계적으로 해수를 담수화시키는 해수담수화 공정에 대한 기술 개발이 활발히 연구되고 있는 실정이다.
이러한 해수담수화 공정은 열을 이용한 상변화를 이용하는 열 공정 및 분리막을 이용한 막분리(Membrane Separation) 공정으로 분류된다. 예를 들면, 상변화와 관련된 열 공정은 다단증류법(Multi Stage Flash: MSF), 다단효용증발법(Multi Effect Distillation: MED) 등이 주로 사용되고 있으며, 또한, 막분리 공정은 역삼투(Reverse Osmosis: RO) 공정이 가장 많이 사용되고 있다. 구체적으로, 상변화를 이용한 다단증발법(MSF)은 100℃ 이상의 온도로 해수를 가열하여 증발된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 방식으로서, 대용량이고 시공 실적이 많으며 생산수 순도가 높다는 장점은 있으나, 에너지 소비가 크다는 단점이 있다.
따라서 최근에는 잠열로 인한 에너지 손실이 큰 열에너지 기반의 해수담수화 공정보다는 막분리를 이용하여 담수를 얻어내는 방법이 많이 이용되고 있다. 이러한 막분리를 이용한 해수담수화 공정은 역삼투 공정이 가장 상용화되어 있으며, 많은 부분이 이미 개발되어 있다. 하지만 이러한 역삼투 공정은 전처리 후에 고압펌프를 이용하여 유입수에 삼투압 이상의 압력을 가하여 담수를 얻어 내는 공정으로서, 고압펌프에 의한 소비동력이 크고, 공정 특성상 담수 회수율이 40~50%로 낮고, 친수성막을 사용해야 하기 때문에 부유입자 및 유기물에 의해 막이 쉽게 오염된다는 문제점이 있다.
한편, 막증류(Membrane Distillation: MD) 공정은 전술한 열 공정과 막분리 공정을 결합함으로써 각각의 단점을 보완한 공정으로서, 열에너지를 사용한다는 점에서 전술한 다단증류법(MSF)과 같은 상분리 공정과 크게 다르지 않지만, 소수성 분리막(Hydrophobic Membrane) 양쪽의 증기압 압력 차이에 의한 분리(Separation)가 일어난다는 관점에서 보면, 액체의 온도를 끓는점까지 올리지 않아도 된다는 장점을 가지고 있다. 따라서 이러한 막증류법(MD)은 50~80℃ 범위의 비교적 낮은 온도에서 운전이 가능하며, 이것은 태양열, 지열, 재생에너지, 산업폐열 등 다양한 열원의 사용이 가능하다는 것을 의미한다.
다시 말하면, 이러한 막증류 공정은 50∼80℃ 사이의 뜨거운 해수와 상온의 유입수 사이에 발생하는 증기압의 차이를 구동력으로 하여 소수성 분리막을 증기가 투과하여 담수를 얻어내는 공정으로서, 이때, 해수를 끓는점 이상으로 열을 가해야 하지만, 전처리를 필요로 하지 않고 운전할 수 있기 때문에 부지면적을 줄일 수 있고, 기존의 다른 해수담수화 공정들에 비해 낮은 에너지로 운전된다. 또한, 소수성 분리막을 이용하기 때문에 유기물질과 부유입자에 의한 막오염 현상이 적게 발생한다는 장점이 있다.
특히, 이러한 막증류 공정은 폐열, 태양열과 같은 대체에너지가 사용가능한 경우, 기존의 가압식 분리막 공정에 비하여 운전에 사용되는 에너지가 적고, 거의 100%에 가까운 염 제거율을 가진다. 또한, 이러한 막증류 공정은 고농도의 유입수가 막증류 공정에 들어가더라도 투과플럭스의 감소 및 염제거 효율의 변화가 거의 없으며, 기존의 다단증류법(MSF)보다 열에너지가 적게 소비되고, 분리막과 공정수간의 화학반응이 적다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2a 내지 도 2d는 각각 도 1에 도시된 막증류 모듈의 4가지 유형을 예시하는 도면으로서, 막 투과부 쪽의 구성 형태에 따라 4가지로 구분된다.
도 1을 참조하면, 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템은, 히터(10), 유입수조(20), 유입수 순환펌프(30), 냉각수 순환펌프(40), 막증류 모듈(50), 생산수조(60) 및 온도제어수조(70)를 포함하며, 이때, 상기 막증류 모듈(50)은, 도 2a 내지 도 2d에 각각 도시된 바와 같이, DCMD 모듈(51), SCMD 모듈(52), VMD 모듈(53) 및 AGMD 모듈(54)로 구분할 수 있다.
히터(10)에 의해 가열된 해수 유입수가 유입수조(20)를 통해 분리막 모듈인 막증류 모듈(50)의 공급측으로 유입되고, 상기 막증류 모듈(50)의 분리막 표면의 미세 기공(세공)을 통해 분리대상물질이 증기로 상변환되어 세공 안으로 확산 및 투과된다. 이때, 냉각수 순환펌프(40)에 의해 생산수조(60)에 차가운 냉수가 순환되면서 상기 투과된 증기가 접촉하여 응축 분리된다.
도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이, 통상적인 막증류(MD) 공정은, 분리막의 투과되는 측면의 증기압을 낮추는 방식에 따라 크게 4가지로 구분할 수 있는데, 직접접촉형 막증류(Direct Contact Membrane Distillation: DCMD) 공정, 비활성기체 순환형 막증류(Sweep Gas Membrane Distillation: SGMD) 공정, 진공형 막증류(Vacuum Membrane Distillation: VMD) 공정 및 공기간극형 막증류(Air Gap Membrane Distillation: AGMD) 공정이 있다. 이러한 4가지 유형의 막증류 공정들은 모두 분리막의 한쪽 면에 고온의 유입수를 순환시키는 것은 동일하지만, 투과되는 측면의 증기압을 낮추는 방식이 각각 상이하다는 차이점이 있다.
구체적으로, 직접접촉형 막증류(DCMD) 공정은, 도 2a에 도시된 바와 같이, 분리막의 투과되는 측면에 차가운 용매를 순환시켜 직접적인 온도차에 의해 증기압을 발생시키는 방식이다. 이러한 직접접촉형 막증류(DCMD) 공정은 실험실 규모의 장치를 용이하게 제작할 수 있고, 운전이 간편하기 때문에 많은 연구기관에서 활용하여 연구하고 있다. 이러한 직접접촉형 막증류(DCMD) 공정은 투과된 증기가 차가운 물에 의해 응축되어 담수를 생산하기 때문에 별도의 응축조를 필요로 하지 않지만, 유입수의 열손실이 크고, 차가운 용매와 담수가 혼합되기 때문에 차가운 용매는 순수를 사용해야 하며, 또한, 수질이 낮은 용매를 사용할 경우, 추가적인 분리 공정이 필요하여 많은 부지를 차지하게 된다.
비활성기체 순환형 막증류(SGMD) 공정은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 투과되는 측면에 차가운 비활성기체(Sweep Gas)를 순환시켜 구동하는 공정으로서, 분리막을 통해 투과된 증기가 비활성기체와 함께 이동하여 응축조에서 담수를 생산하는 방식이다. 이러한 비활성기체 순환형 막증류법(SGMD)은 별도의 비활성기체를 필요로 하고, 추가적인 응축조 설계 등 시스템이 복잡하고 운영이 어렵다는 단점을 가지고 있다.
진공형 막증류(VMD) 공정은, 도 2c에 도시된 바와 같이, 투과되는 측면에 직접적으로 진공을 걸어 발생된 증기 이동을 촉진시키는 방식으로서, 전술한 다른 공정들이 차가운 용매에 의해 온도차에 의한 직접적인 증기압 발생으로 담수를 얻는 것과 달리 이러한 진공형 막증류법은 50~80℃ 범위의 유입수에서 발생한 증기를 감압으로 인해 담수를 얻는 방식이다. 따라서 이러한 진공형 막증류(VMD) 공정은 차가운 용매와 직접적인 접촉이 없기 때문에 유입수의 열손실이 적고 증기압에 의해 발생된 증기가 분리막을 통해 투과되는 속도를 촉진시킴으로써 성능이 가장 높다는 장점이 있다. 하지만, 분리막에 직접적인 압력을 주기 때문에 장기간 운전 시, 막 젖음 현상이 발생할 가능성이 매우 높으며, 담수 수질이 악화될 우려가 있다.
또한, 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은, 도 2d에 도시된 바와 같이, 투과되는 측면에 15~25℃의 공기간극(Air Gap)을 두어 증기압을 낮추는 방식으로서, 투과된 증기는 분리막 모듈의 냉각판에 맺혀 응축되어 담수를 생산하게 된다. 따라서 이러한 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은 유입수의 열손실이 적다는 장점이 있다. 이러한 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은 냉각판의 온도 유지를 위해 차가운 용매를 별도로 순환시키게 되는데, 이때 생산된 담수와 혼합되지 않기 때문에 직접접촉형 막증류 공정과 달리 5~20℃의 해수를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 다른 막증류 공정에 비해 성능이 낮다는 단점이 있다.
이와 같이, 각각의 막증류(MD) 공정마다 각각의 장단점이 있으며, 이를 실제 해수담수화 기술로 적용하기 위해서는 다양한 개발이 필요한 시점이며, 특히, 공기간극형 막증류(AGMD) 공정의 경우, 성능을 개선할 필요성이 있는 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈의 소수성 분리막과 냉각부재를 다단으로 설치함으로써 담수 생산량을 용이하게 조절할 수 있고, 최적화된 운전조건을 통해 공정의 안정성을 확보할 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 태양열, 지열, 신재생 에너지열, 산업폐열 등을 활용하여 비교적 낮은 유입수 온도 조건에서 담수를 생산할 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공기간극형 막증류 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈을 제공함으로써, 공기간극층을 일정하게 유지하고 직접도를 높일 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 소수성 막젖음 현상을 감소시켜 담수 수질을 개선할 수 있고, 연속식 운전의 한계를 극복하고 열효율을 극대화하여 비교적 안정적이고 연속적으로 성능을 확보할 수 있는, 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템은, 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 있어서, 폐열을 공급하는 폐열 공급부; 해수 유입수가 소정 범위의 온도를 유지하도록 상기 폐열 공급부로부터 공급되는 폐열을 통해 가열하는 가열용 열교환기; 상기 가열용 열교환기가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기에 의해 가열된 해수 유입수가 저장되며, 상기 해수 유입수의 온도를 조절 및 제어하여 공급하는 유입수조; AGMD 모듈 케이스, 소수성 분리막, 공기간극층 및 냉각부재로 이루어지고, 상기 유입수조에서 공급되는 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 응축시켜 담수를 생산하는 AGMD 모듈; 상기 AGMD 모듈의 전단에 설치되고, 상기 유입수조로부터 공급되는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막을 공급하도록 순환시키는 유입수 순환펌프; 상기 AGMD 모듈의 후단에 설치되고, 상기 AGMD 모듈 내의 공기간극층의 온도를 유지하기 위한 냉각수를 상기 AGMD 모듈 내부의 냉각부재를 통과하도록 순환시키는 냉각수 순환펌프; 및 상기 AGMD 모듈에서 생산된 담수를 수집하는 생산수조를 포함하되, 상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막 및 냉각부재는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스 내에 각각 다단으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템은, 상기 AGMD 모듈 및 냉각수 순환펌프 사이에 설치되고, 상기 AGMD 모듈의 냉각부재를 통과하여 감온된 냉각수가 소정 범위의 온도를 유지할 수 있도록 냉각시키는 냉각용 열교환기를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 AGMD 모듈은, 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막; 상기 소수성 분리막의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극이 형성된 공기간극층; 상기 공기간극층의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재; 및 상기 소수성 분리막 및 상기 냉각부재가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다단으로 설치되는 소수성 분리막 간의 간격은 1~4㎜의 범위이고, 상기 소수성 분리막과 응축을 위한 냉각부재(와의 간격은 상기 소수성 분리막 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 소수성 분리막은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 소수성 분리막은 관형, 중공사형 또는 모세관형의 분리막 구조로 다단으로 설치되며, 상기 소수성 분리막에 형성되는 세공의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 냉각부재는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판일 수 있고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 AGMD 모듈 내의 소수성 분리막과의 온도차를 발생시켜 증기압을 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 AGMD 모듈 케이스는 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조로 보내기 위한 담수 배출포트가 하부에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 폐열 공급부에서 공급하는 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열, 신재생에너지열 또는 해수열원 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 유입수조는 해수 유입수를 50~80℃의 범위로 가열 및 유지하기 위해, 상기 폐열을 재활용할 수 있는 가열용 열교환기가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기에 의해 가열되어 상기 AGMD 모듈 내부의 소수성 분리막으로 이동하는 해수 유입수의 온도가 유지되도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 냉각수 순환펌프는 5~20℃의 범위의 해수 또는 수돗물인 냉각수를 상기 AGMD 모듈의 냉각부재에 공급하여 상기 AGMD 모듈 내의 공기간극층의 온도가 15~25℃의 범위로 유지되도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 생산수조는 상기 AGMD 모듈에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 중공사형 공기간극형 막증류 모듈은, 해수담수화 시스템에 적용되는 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈에 있어서, 표면이 소수성이고 다공성인 중공사형 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 중공사형 소수성 분리막; 상기 중공사형 소수성 분리막의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극이 형성된 공기간극층; 상기 공기간극층의 온도를 유지시키며, 상기 중공사형 소수성 분리막을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재; 및 상기 중공사형 소수성 분리막 및 상기 냉각부재가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스를 포함하되, 상기 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스 내에 각각 다단으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 방법은, 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 방법에 있어서, a) 폐열을 이용하는 가열용 열교환기에 의해 해수 유입수를 가열하여 유입수조에 저장하는 단계; b) 유입수 순환펌프를 사용하여 상기 유입수조에 저장된 해수 유입수를 순환시키는 단계; c) 상기 순환되는 해수 유입수를 AGMD 모듈 케이스, 소수성 분리막, 공기간극층 및 냉각부재로 이루어진 AGMD 모듈을 통과시키는 단계; d) 냉각수가 상기 AGMD 모듈의 냉각부재를 통과하도록 냉각수 순환펌프를 사용하여 순환시키는 단계; e) 상기 AGMD 모듈을 통과하는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막과 냉각부재 간의 온도 차이에 따라 증기압 차이를 발생하고, 상기 소수성 분리막 표면에서 증기를 형성하면서 상기 소수성 분리막의 세공으로 증기가 투과되는 단계; f) 상기 투과된 증기가 상기 AGMD 모듈 케이스 내부에 배치된 냉각부재에 의해 응축되면서 담수를 생산하는 단계; 및 g) 상기 생산된 담수를 생산수조로 이동시켜 수집하는 단계를 포함하되, 상기 AGMD 모듈의 소수성 분리막 및 냉각부재는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스 내에 각각 다단으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 사용자의 요구에 대응하여 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈의의 소수성 분리막과 냉각부재를 다단으로 설치함으로써 담수 생산량을 용이하게 조절할 수 있으며, 최적화된 운전조건을 통해 공정의 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양열, 지열, 신재생 에너지열, 산업폐열 등을 활용하여 비교적 낮은 유입수 온도 조건에서 담수를 생산함으로써, 기존의 해수담수화 공정에 주로 사용되고 있는 다단증발법, 역삼투 공정의 운영비용 및 전력비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 공기간극형 막증류 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈을 제공함으로써, 공기간극층을 일정하게 유지하고 직접도를 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전처리 공정을 포함한 역삼투 공정에 비해서 단독 공정으로 담수를 생산할 수 있기 때문에 해수담수화 시스템이 차지하는 면적을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 진공식 막증류 시스템에 비해 AGMD 모듈에 직접적인 감압을 하지 않기 때문에 장기간 운전 시 소수성 분리막의 막젖음 현상을 감소시킴으로써 담수 수질을 개선할 수 있고, 연속식 운전의 한계를 극복하고 열효율을 극대화하여 비교적 안정적이고 연속적으로 성능을 확보할 수 있다.
도 1은 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 도 1에 도시된 막증류 모듈의 4가지 유형을 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈의 모식도이다.
도 6은 도 5에 도시된 중공사형 AGMD 모듈에서 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재를 예시하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재가 AGMD 모듈 케이스 내에 다단으로 탑재되는 것을 예시하는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 AGMD 모듈 케이스 하부에 생산담수 배출포트가 형성된 것을 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 도 1에 도시된 막증류 모듈의 4가지 유형을 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈의 모식도이다.
도 6은 도 5에 도시된 중공사형 AGMD 모듈에서 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재를 예시하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재가 AGMD 모듈 케이스 내에 다단으로 탑재되는 것을 예시하는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 AGMD 모듈 케이스 하부에 생산담수 배출포트가 형성된 것을 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈의 모식도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)은, 공기간극형 막증류(Air Gap Membrane Distillation: AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 시스템으로서, 폐열 공급부(110), 가열용 열교환기(120), 유입수조(130), 유입수 순환펌프(140), AGMD 모듈(150), 냉각수 순환펌프(160), 냉각용 열교환기(170) 및 생산수조(180)를 포함하며, 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 온도제어수조(190) 및 데이터 로깅 시스템(200)을 포함할 수 있다.
폐열 공급부(110)는 폐열(Waste Heat)을 공급한다. 이때, 상기 폐열 공급부(110)에서 공급하는 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열, 신재생에너지열 또는 해수열원일 수 있다.
가열용 열교환기(120)는 해수 유입수가 소정 범위의 온도를 유지하도록 상기 폐열 공급부(110)로부터 공급되는 폐열을 통해 가열한다. 즉, 상기 유입수조(130) 내에 설치된 가열용 열교환기(120)를 이용하여 폐열 또는 신재생에너지 열원을 재활용하여 유입수의 온도를 유지시킨다. 이때, 상기 해수 유입수의 운전온도는 50~80℃의 범위인 것이 바람직하다.
유입수조(130)는 상기 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열된 해수 유입수가 저장되며, 상기 해수 유입수의 온도를 조절 및 제어하여 공급한다. 예를 들면, 상기 유입수조(130)는 해수 유입수를 50~80℃의 범위로 가열 및 유지하기 위해, 상기 폐열을 재활용할 수 있는 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열되어 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 소수성 분리막(152)으로 이동하는 해수 유입수의 온도가 유지되도록 제어할 수 있다.
AGMD 모듈(150)은 AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)로 이루어지고, 상기 유입수조(130)에서 공급되는 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 응축시켜 담수를 생산한다. 즉, 상기 AGMD 모듈(150)은 액체 상태의 해수를 투과시키지 않고 기화된 유도용질을 투과시키기 위한 것으로서, 담수 생산을 위해 해수 유입수에서 증기만을 분리한다. 이때, 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치된다.
구체적으로, 상기 AGMD 모듈(150)은, 도 5에 도시된 바와 같이, AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)를 포함한다.
상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)은 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시킨다. 예를 들면, 상기 소수성 분리막(152)은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성되며, 또한, 상기 소수성 분리막(152)은 관형, 중공사형 또는 모세관형(Capillary)의 분리막 구조로 다단으로 설치되며, 상기 소수성 분리막(152)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 AGMD 모듈(150) 내의 소수성 분리막(152) 세공 크기가 0.1㎛ 이하일 경우, 상기 소수성 분리막(140)의 성능이 저하되고, 1.0㎛ 이상일 경우 증기뿐만 아니라 유체가 통과하게 되어 상기 소수성 분리막(152)이 젖는 현상이 발생하게 된다. 또한, 상기 다단으로 설치되는 소수성 분리막(152) 간의 간격은 1~4㎜의 범위이고, 상기 소수성 분리막(152)과 응축을 위한 냉각부재(154)와의 간격은 상기 소수성 분리막(152) 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성된다.
상기 AGMD 모듈(150)의 공기간극층(153)은 상기 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된다.
상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)는 상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막(151)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시킨다. 예를 들면, 상기 냉각부재(154)는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판일 수 있고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 AGMD 모듈(150) 내의 소수성 분리막(152)과의 온도차를 발생시켜 증기압을 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시킨다.
상기 AGMD 모듈(150)의 AGMD 모듈 케이스(151)는 상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되며, 상기 소수성 분리막(152)을 통해 발생된 증기를 응축시켜 담수를 생산한다. 즉, 상기 소수성 분리막(152)을 통해 발생된 증기를 응축시켜 담수를 생산한다. 이때, 상기 AGMD 모듈 케이스(151)는, 후술하는 도 8에 도시된 바와 같이, 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조(180)로 보내기 위한 담수 배출포트(155)가 하부에 형성될 수 있다. 또한, 상기 응축조 역할을 하는 AGMD 모듈 케이스(151)는 상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)를 고정할 수 있도록 설계되며, 상기 유입수조(130), 생산수조(180) 및 냉각수 순환펌프(160)와 연결될 수 있다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 유입수 순환펌프(140)는 상기 AGMD 모듈(150)의 전단에 설치되고, 상기 유입수조(130)로부터 공급되는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)을 공급하도록 순환시킨다.
냉각수 순환펌프(160)는 상기 AGMD 모듈(150)의 후단에 설치되고, 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도를 유지하기 위한 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 냉각부재(154)를 통과하도록 순환시킨다. 예를 들면, 상기 냉각수 순환펌프(160)는 5~20℃의 범위의 해수 또는 수돗물인 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)에 공급하여 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도가 15~25℃의 범위로 유지되도록 제어할 수 있다.
냉각용 열교환기(170)는 상기 AGMD 모듈(150) 및 냉각수 순환펌프(160) 사이에 설치되고, 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)를 통과하여 감온된 냉각수가 소정 범위의 온도를 유지할 수 있도록 냉각시킨다. 이때, 사용되는 냉각수는 상기 냉각용 열교환기(170)를 사용하지 않고 5~20℃의 범위인 해수 또는 수돗물을 사용하여 공급할 수도 있다.
생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에서 생산된 담수를 수집한다. 이때, 상기 생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈(150)보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집할 수 있다. 이때, 상기 생산수조(180)를 상기 AGMD 모듈(150)보다 낮게 설치가 어려울 경우, 별도의 순환펌프를 연결하여 생산수를 수집할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)은, 생산수조(180)에 저장된 담수를 소정의 온도로 유지하고 원하는 용도로 사용하기 위해서 도 4에 도시된 바와 같이, 온도제어수조(190) 및 데이터 로깅 시스템(200)을 사용하여 제어할 수 있는데, 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)에 적용되는 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈(150)의 기본 원리는 전술한 직접접촉형 막증류(DCMD) 모듈과 같이 소수성 분리막을 통과한 수증기를 응축시키는 방식으로서, 차가운 생산수와 소수성 분리막(152) 사이에 형성된 얇은 공기간극층(Air Gap: 153)은 상기 소수성 분리막(152)의 세공(Pore)을 통해 통과한 증기를 운반 및 열전달을 하는 매개체 역할을 한다. 이때, 생산수와 공기간극층(153) 사이에는 열전도가 높은 AGMD 케이스(151)에 의해 분리되어 있다. 또한, 차가운 생산수와 해수 유입수가 직접 접촉하지 않기 때문에 열손실이 작으며, 전술한 불활성기체 막증류(SGMD) 모듈과 같이 별도의 가스포집 장치가 필요하지 않다. 이에 따라 소수성 분리막(152)을 통과한 증기는 공기간극층(153)을 따라 응축조 역할을 하는 AGMD 케이스(151)에서 응축되어 담수를 생산하게 되며, 이러한 AGMD 모듈(150)은 해수담수화에 매우 적합하다.
이때, 상기 소수성 분리막(Hydrophobic Membrane: 152)은 높은 기계적인 강도와 고온에 대한 내구성 및 내화학성이 우수하여 여러 분야에서 많이 사용된다. 또한, 상기 소수성 분리막(152)의 미세 기공(세공) 입구에서의 물젖음 현상을 줄임으로써 증기가 세공을 통하여 투과되어 투과플럭스를 높일 수 있다. 이에 반해 친수성 분리막(Hydrophilic Membrane)은 전술한 소수성 재질의 막에 비하여 장시간 운전시에 막오염 현상이 낮아서 투과 플럭스 감소율이 낮다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈(150)에 적용되는 소수성 분리막(152)의 경우, 평판형 소수성 분리막 또는 중공사형 소수성 분리막일 수 있지만, 중공사형 소수성 분리막인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)은 하나의 원통형 셀 튜브(shell tube) 속에 아주 가느다란 수 천 개의 중공사(Hollow Fiber)를 모아놓은 형태로서, 공급수는 중공사 내부를 통과하며 흐르고, 투과수는 상기 중공사의 외부에서 모아지는 형상으로 구현되거나, 또는, 이와 반대되는 형식으로 공급수가 중공사의 외부를 통과하면서 흐르고, 투과수는 중공사의 내부에서 모아지는 형상으로 구현될 수도 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템(100)은 실제 해수담수화 플랜트에 적용할 수 있도록 전술한 4사지 유형의 막증류법 중에 열효율이 가장 좋고, 비교적 안정적으로 장기간 운영가능한 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈(150)을 사용하고, 이때, 후술하는 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 상기 AGMD 모듈(150)을 중공사형 AGMD 모듈로 구현할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템은, 종래 기술에 따른 시스템의 단점을 해결함과 동시에 최적화된 운전조건을 제시하고, 독립적이고 차별화된 시스템을 구성함으로써 공정의 안정성을 확보하며 연속적인 운전을 수행할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 경우, 50∼80℃의 폐열과 5∼20℃의 해수열원을 이용하여 가열용 열교환기 통해 열원을 재활용함으로써 경제적으로 담수를 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 경우, 압력으로 구동하는 역삼투 공정과 달리 고농도의 유입수에도 영향을 받지 않으며, 전처리 공정 없이 담수 생산이 가능하므로 해수담수화 시스템이 차지하는 부지 면적도 작다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템의 경우, 종래의 기술에 따른 진공식 막증류 시스템과 달리, 진공펌프를 사용하지 않기 때문에 해수담수화 시스템의 구성이 콤팩트하고, 전력사용량이 적으며, 소수성 분리막에 직접적인 진공압을 가하지 않기 때문에 막젖음 현상이 비교적 적게 발생할 수 있다.
[중공사형 AGMD 모듈(150)]
도 6은 도 5에 도시된 중공사형 AGMD 모듈에서 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재를 예시하는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 중공사형 소수성 분리막 및 냉각부재가 AGMD 모듈 케이스 내에 다단으로 탑재되는 것을 예시하는 도면이며, 도 8은 도 7에 도시된 AGMD 모듈 케이스 하부에 생산담수 배출포트가 형성된 것을 예시하는 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 적용되는 중공사형 AGMD 모듈(150)은, 해수담수화 시스템에 적용되는 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈로서, 중공사형 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 AGMD 모듈 케이스(151)를 포함한다.
중공사형 소수성 분리막(152)은, 도 7의 a)에 도시된 바와 같이, 표면이 소수성이고 다공성인 중공사형(Hollow Fiber) 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시킨다.
또한, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성되며, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다. 예를 들면, 공기간극층(153)의 폭이 너무 좁게 될 경우, 상기 중공사형 소수성 분리막(152) 간의 일부가 결합되어 유효 막면적을 줄이게 되므로 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화 시스템의 성능을 저하시킬 수 있으며, 상기 공기간극층(153)의 폭이 길어질 경우, 동일한 AGMD 모듈 케이스(151)에 삽입되는 상기 중공사형 소수성 분리막(152)의 수량이 줄어들게 됨에 따라 동일한 AGMD 모듈 케이스(151)당 생산되는 담수량이 줄어들게 된다. 또한, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)의 세공 크기가 0.1㎛ 이하일 경우, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)의 성능이 저하되고, 1.0㎛ 이상일 경우, 증기뿐만 아니라 유입수가 통과하게 되어 상기 중공사형 소수성 분리막(152)이 젖는 현상이 발생하게 된다. 또한, 상기 다단으로 설치되는 중공사형 소수성 분리막(152) 간의 간격은 최대의 성능을 나타내도록 1~4㎜의 범위이고, 상기 중공사형 소수성 분리막(152)과 응축을 위한 냉각부재(154)와의 간격은 상기 중공사형 소수성 분리막(152) 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성된다.
공기간극층(153)은 상기 중공사형 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된다.
냉각부재(154)는, 도 7의 b)에 도시된 바와 같이, 상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 중공사형 소수성 분리막(151)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시킨다. 여기서, 상기 냉각부재(154)는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판이고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 중공사형 소수성 분리막(152)과의 온도차를 발생시켜 증기압을 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시키게 된다. 이때, 상기 냉각부재(154)는 세공이 없는 형태를 사용해야 하며, 상기 공기간극층(153)의 온도를 신속하게 유지 또는 제어하기 위해서 열전도가 높고 다양한 냉매를 활용하기 위해 부식성이 없어야 하며, 상기 냉각부재(154)의 간격은 최대의 성능을 나타내기 위해 최대한 좁은 간격으로 구성하는 것이 바람직하다.
AGMD 모듈 케이스(151)는, 도 7의 a)에 도시된 중공사형 소수성 분리막(152) 및 도 7의 b)에 도시된 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되어 응축조 역할을 하며, 이때, 상기 중공사형 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치된다. 또한, 상기 AGMD 모듈 케이스(151)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조(180)로 보내기 위한 담수 배출포트(155)가 하부에 형성되어 있다.
[AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법]
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 중공사형 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 중공사형 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 방법은, 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 방법으로서, 먼저, 폐열을 이용하는 가열용 열교환기(120)에 의해 해수 유입수를 가열하여 유입수조(130)에 저장한다(S110). 여기서, 상기 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열, 신재생에너지열 또는 해수열원 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 유입수조(130)는 해수 유입수를 50~80℃의 범위로 가열 및 유지하기 위해, 상기 폐열을 재활용할 수 있는 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열되어 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 소수성 분리막(152)으로 이동하는 해수 유입수의 온도가 유지되도록 제어할 수 있다.
다음으로, 유입수 순환펌프(140)를 사용하여 상기 유입수조(130)에 저장된 해수 유입수를 순환시킨다(S120). 이때, 상기 유입수 순환펌프(140)를 통해 순환되는 유량은 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 소수성 분리막(152)의 분리막 제원을 고려하여 레이놀즈 방정식에 따라 유체의 흐름이 층류인 조건의 범위를 산정하여 순환시키는 것이 바람직하다. 또한, 소수성 분리막(152) 내부에 압력이 걸리지 않은 조건이 바람직하다.
다음으로, 상기 순환되는 해수 유입수를 AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)로 이루어진 AGMD 모듈(150)을 통과시킨다(S130).
구체적으로, 상기 AGMD 모듈(150)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막(152); 상기 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된 공기간극층(153); 상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막(151)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재(154); 및 상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스(151)를 포함한다. 이때, 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치된다.
또한, 상기 소수성 분리막(152)은 관형, 중공사형 또는 모세관형(Capillary)의 분리막 구조로 다단으로 설치되며, 상기 소수성 분리막(152)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉각부재(154)는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판이고, 상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 AGMD 모듈(150) 내의 소수성 분리막(152)과의 온도차를 발생시켜 증기압을 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시킨다.
다음으로, 냉각수가 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)를 통과하도록 냉각수 순환펌프(160)를 사용하여 순환시킨다(S140). 이때, 사용되는 냉각수는 별도의 냉각장치를 사용하지 않고 5~20℃의 범위인 해수 또는 수돗물을 사용하여 공급할 수도 있다. 여기서, 상기 냉각수 순환펌프(160)는 5~20℃의 범위의 해수 또는 수돗물인 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)에 공급하여 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도가 15~25℃의 범위로 유지되도록 제어할 수 있다.
다음으로, 상기 AGMD 모듈(150)을 통과하는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)과 냉각부재(154) 간의 온도 차이에 따라 증기압 차이를 발생하고, 상기 소수성 분리막(152) 표면에서 증기를 형성하면서 상기 소수성 분리막(152)의 세공(Pore)으로 증기가 투과된다(S150). 이때, 유입수의 온도조건에 따라 투과되는 증기의 양이 다르며, 온도가 증가할수록 높은 성능을 확보할 수 있다.
다음으로, 상기 투과된 증기가 상기 AGMD 모듈 케이스(151) 내부에 배치된 냉각부재(154)에 의해 응축되면서 담수를 생산한다(S160). 이때, 상기 냉각부재(154)는 세공이 없는 냉각관 또는 냉각판일 수 있고, 상기 냉각부재(154)에 흐르는 냉각수의 온도가 낮을수록 높은 성능을 확보할 수 있다.
다음으로, 상기 생산된 담수를 생산수조(180)로 이동시켜 수집한다(S170). 여기서, 상기 단계의 생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈(150)보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집할 수 있다. 만일, 상기 생산수조(180)를 상기 AGMD 모듈(150)보다 평행하거나 높은 위치에 설치해야 할 경우, 별도의 수집펌프가 필요하다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 폐열과 신재생에너지 열원을 재활용하여 AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템을 통해 담수를 생산함으로써 기존의 압력으로 구동하는 역삼투 공정에 비해 높은 전력비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 전처리 공정을 포함한 역삼투 공정에 비해 단독공정으로 담수를 생산할 수 있기 때문에 해수담수화 시스템이 차지하는 면적을 최소화할 수 있고, 이에 따라 동일한 부지면적 대비 많은 담수량을 생산할 수 있다. 또한, 기존의 진공식 막증류 시스템과 달리, 진공펌프를 사용하지 않기 때문에 해수담수화 시스템의 구성이 콤팩트하고, 전력사용량이 적게 소모되며, 소수성 분리막에 직접적인 진공압을 가하지 않기 때문에 막젖음 현상이 비교적 적게 발생할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: AGMD 모듈을 이용한 해수담수화 시스템
110: 폐열 공급부
120: 가열용 열교환기
130: 유입수조
140: 유입수 순환펌프
150: AGMD 모듈
151: AGMD 모듈 케이스
152: 소수성 분리막
153: 공기간극(Air Gap)
154: 냉각부재(냉각관 또는 냉각판)
155: 생산담수 배출포트
160: 냉각수 순환펌프
170: 냉각용 열교환기
180: 생산수조
110: 폐열 공급부
120: 가열용 열교환기
130: 유입수조
140: 유입수 순환펌프
150: AGMD 모듈
151: AGMD 모듈 케이스
152: 소수성 분리막
153: 공기간극(Air Gap)
154: 냉각부재(냉각관 또는 냉각판)
155: 생산담수 배출포트
160: 냉각수 순환펌프
170: 냉각용 열교환기
180: 생산수조
Claims (15)
- 공기간극형 막증류(Air Gap Membrane Distillation: AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 시스템에 있어서,
폐열(Waste Heat)을 공급하는 폐열 공급부(110);
해수 유입수가 소정 범위의 온도를 유지하도록 상기 폐열 공급부(110)로부터 공급되는 폐열을 통해 가열하는 가열용 열교환기(120);
상기 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열된 해수 유입수가 저장되며, 상기 해수 유입수의 온도를 조절 및 제어하여 공급하는 유입수조(130);
AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)로 이루어지고, 상기 유입수조(130)에서 공급되는 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 응축시켜 담수를 생산하는 AGMD 모듈(150);
상기 AGMD 모듈(150)의 전단에 설치되고, 상기 유입수조(130)로부터 공급되는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)을 공급하도록 순환시키는 유입수 순환펌프(140);
상기 AGMD 모듈(150)의 후단에 설치되고, 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도를 유지하기 위한 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 냉각부재(154)를 통과하도록 순환시키는 냉각수 순환펌프(160); 및
상기 AGMD 모듈(150)에서 생산된 담수를 수집하는 생산수조(180)
를 포함하되,
상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 AGMD 모듈(150) 및 냉각수 순환펌프(160) 사이에 설치되고, 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)를 통과하여 감온된 냉각수가 소정 범위의 온도를 유지할 수 있도록 냉각시키는 냉각용 열교환기(170)를 추가로 포함하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 AGMD 모듈(150)은,
표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막(152);
상기 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된 공기간극층(153);
상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막(151)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재(154); 및
상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스(151)
를 포함하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 다단으로 설치되는 소수성 분리막(152) 간의 간격은 1~4㎜의 범위이고, 상기 소수성 분리막(152)과 응축을 위한 냉각부재(154)와의 간격은 상기 소수성 분리막(152) 간의 간격과 동일하게 1~4㎜의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 소수성 분리막(152)은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 소수성 분리막(152)은 관형, 중공사형 또는 모세관형(Capillary)의 분리막 구조로 다단으로 설치되며, 상기 소수성 분리막(152)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 냉각부재(154)는 세공(Pore)이 없는 냉각관 또는 냉각판인 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 냉각관 또는 냉각판은 상기 AGMD 모듈(150) 내의 소수성 분리막(152)과의 온도차를 발생시켜 증기압을 생성할 수 있도록 냉각수를 통과시키는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 AGMD 모듈 케이스(151)는 응축된 증기를 수집하여 상기 생산수조(180)로 보내기 위한 담수 배출포트(155)가 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 폐열 공급부(110)에서 공급하는 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열, 신재생에너지열 또는 해수열원 중 어느 하나 이상을 포함하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 유입수조(130)는 해수 유입수를 50~80℃의 범위로 가열 및 유지하기 위해, 상기 폐열을 재활용할 수 있는 가열용 열교환기(120)가 내부에 설치되고, 상기 가열용 열교환기(120)에 의해 가열되어 상기 AGMD 모듈(150) 내부의 소수성 분리막(152)으로 이동하는 해수 유입수의 온도가 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 냉각수 순환펌프(160)는 5~20℃의 범위의 해수 또는 수돗물인 냉각수를 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)에 공급하여 상기 AGMD 모듈(150) 내의 공기간극층(153)의 온도가 15~25℃의 범위로 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 생산수조(180)는 상기 AGMD 모듈(150)에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 상기 AGMD 모듈(150)보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 시스템. - 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 이용한 해수담수화 방법에 있어서,
a) 폐열을 이용하는 가열용 열교환기(120)에 의해 해수 유입수를 가열하여 유입수조(130)에 저장하는 단계;
b) 유입수 순환펌프(140)를 사용하여 상기 유입수조(130)에 저장된 해수 유입수를 순환시키는 단계;
c) 상기 순환되는 해수 유입수를 AGMD 모듈 케이스(151), 소수성 분리막(152), 공기간극층(153) 및 냉각부재(154)로 이루어진 AGMD 모듈(150)을 통과시키는 단계;
d) 냉각수가 상기 AGMD 모듈(150)의 냉각부재(154)를 통과하도록 냉각수 순환펌프(160)를 사용하여 순환시키는 단계;
e) 상기 AGMD 모듈(150)을 통과하는 해수 유입수가 상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152)과 냉각부재(154) 간의 온도 차이에 따라 증기압 차이를 발생하고, 상기 소수성 분리막(152) 표면에서 증기를 형성하면서 상기 소수성 분리막(152)의 세공(Pore)으로 증기가 투과되는 단계;
f) 상기 투과된 증기가 상기 AGMD 모듈 케이스(151) 내부에 배치된 냉각부재(154)에 의해 응축되면서 담수를 생산하는 단계; 및
g) 상기 생산된 담수를 생산수조(180)로 이동시켜 수집하는 단계
를 포함하되,
상기 AGMD 모듈(150)의 소수성 분리막(152) 및 냉각부재(154)는 담수 생산량을 조절할 수 있도록 상기 AGMD모듈 케이스(151) 내에 각각 다단으로 설치되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 방법. - 제14항에 있어서, 상기 c) 단계의 AGMD 모듈(150)은,
표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 상기 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키는 소수성 분리막(152);
상기 소수성 분리막(152)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극(Air Gap)이 형성된 공기간극층(153);
상기 공기간극층(153)의 온도를 유지시키며, 상기 소수성 분리막(151)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시키는 냉각부재(154); 및
상기 소수성 분리막(152) 및 상기 냉각부재(154)가 다단으로 탑재되는 AGMD 모듈 케이스(151)를 포함하는 공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수담수화 방법.
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