KR20170131739A - 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템 및 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법 - Google Patents

용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템 및 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 용암 해수를 담수화 하는 시스템 및 방법과 용암 해수로부터 유용 미네랄을 회수하는 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 지면에 설치되어 지하 암반의 용암 해수를 취수하는 취수 장치(1)와; 상기 취수 장치(1)로부터 취수된 용암 해수를 여과시키는 정밀 여과 필터(2)와; 상기 정밀 여과 필터(2)로 여과된 용암 해수를 가압시키는 공급 펌프(3)와; 하나 이상의 역삼투압조로 이루어져 상기 공급 펌프(3)로부터 가압된 용암 해수를 농축수와 담수로 분리시키는 1차 역삼투압부(4)와; 하나 이상의 역삼투압조로 이루어져 상기 1차 역삼투압부(4)에서 배출되는 담수를 농축수와 담수로 분리시키는 2차 역삼투압부(5)와; 상기 2차 역삼투압부(5)에서 배출되는 담수를 저장하는 담수저장조(10); 및 상기 1차 역삼투압부(4)에서 배출되는 농축수로부터 유용 미네랄을 회수하는 미네랄 회수부(9)로 구성됨으로써 투입되는 용암해수 대비 생산되는 담수 회수율을 극대화시킴과 동시에 최고의 고품질의 담수 및 유용 미네랄이 산출될 수 있는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템 및 회수 방법을 제공하고자 한다.

Description

용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템 및 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법{System and method of desalination of lava seawater and extraction valuable mineral from lava seawater}
본 발명은 해수 담수화 및 유용광물 회수 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 용암 해수를 담수화 하는 시스템 및 방법과 용암 해수로부터 유용 미네랄을 회수하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
제주도의 동부지역은 지질학적 특성상 바닷물이 내륙 쪽으로 쉽게 유입되는 구조를 갖고 있어서, 수천년 동안 육지로 침투된 청정 지하해수를 보유하고 있다. 바닷물이 투수성이 좋은 화산 암반층에 의해 자연 여과되면서 육지로 침투한 지하염수를'용암해수'라고 명명하고 있는데, 이 해수는 담수 지하수와의 밀도 차이에 의해 서로 섞이지 않으며 담수 층 아래에 위치하고 있다.
용암해수는 해안으로부터 최대 8㎞까지 내륙으로 흘러 들어와 있는데, 도 2에 도시된 바와 같이 육지기준으로는 제주시 조천읍 북촌리에서 서귀포시 남원읍 위미리에 이르는 동부 해안지역에 주로 분포하고 있다.
용암해수의 수질은 계절변동 및 물리적 특성 변화가 거의 없는 안정성(수온 16~18℃, pH 7.5)을 확보하고 있고, 바닷물이 지속적으로 유입되어 자원 고갈 문제가 없어 산업 자원 원료로는 충분하다. 해수 유입이 없다고 가정했을 때 1일 1,000㎥를 취수 하더라도 19,602년 동안 사용이 가능한 것으로 예측되고 있다. 또한, 대장균, 암모니아질소, 페놀류, 수은, 카드늄 등 유해성분이 검출되지 않고, 동물의 급성독성이 없어 수질 안전성과 청정성을 확보하고 있다. 특히, 용암해수는 바닷물 속의 주요 미네랄 성분들을 함유하고 있을 뿐만 아니라 화산 암반층에 의해 육지로 서서히 침투하면서 인체에 유용한 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바나듐(V), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 등의 미량 미네랄을 다량 보유하고 있어서 다양한 생리적 효과를 갖고 있다.
아래의 [표 1]에 나타난 바와 같이 용암해수는 염분, 칼슘, 마그네슘 등의 항목에서는 일반 염지하수와 유사하지만, 바나듐, 게르마늄, 셀레늄 등의 미량원소 항목에서는 뚜렷한 차이를 보이고 있고, 또한 유해한 중금속을 거의 포함하고 있지 않는 것을 알 수 있다.
항 목 평 균 2011년 2012년 2013년 2014년
Ca(칼슘) 434 398 448 470 415
K(칼륨) 474 447 450 474 512
Mg(마그네슘) 1,414 1,367 1,353 1,490 1,418
Na(나트륨) 10,799 10,967 10,357 11,033 10,773
Se(셀레늄) 0.035 0 0.06 0.02 0.06
V(바나듐) 0.05 0.04 0.08 0.04 0.03
Mo(몰리브덴) 0.007 0.004 0.003 0.008 0.01
Zn(아연) 0.002 0 0.003 0 0.003
B(보론) 4.5 2.9 4.9 4.4 5.7
Br(브롬) 60.5 61.9 58.0 62.8 59.1
Cu(구리) 0.001 0 0.000 0 0.003
Fe(철) 0.001 0 0.000 0.005 0
Ge(게르마늄) 0 0 0 0 0
Mn(망간) 0.001 0.001 0 0 0.001
Si(SiO2)(규소-규산염) 7.9 7.5 6.6 9.2 7.8
Sr(스트론튬) 7.3 7.4 7.0 7.2 7.4
Cl-(염소이온) 22,379 21,167 22,900 25,125 20,150
SO42-(황산이온) 2,859 2,723 2,913 3,150 2,628
F(불소) 1.1 1.1 1.2 1.1 1.1
따라서 용암 해수는 일반 해수와 달리 유해 물질을 함유하지 않는 점과 이물질이 모두 걸러진 점에서 일반 해수보다 더 경제적인 담수화가 가능함에도 이에 대한 연구는 아직 미비하며, 또한 용암 해수로부터 유용한 미네랄을 추출하는 기술은 아직은 일반 해수로부터 미네랄을 추출하는 기술이 그대로 적용되고 있어 설비비 및 효율의 향상을 가져오지 못하고 있는 실정이다.
관련 종래기술을 살펴보면, 도 1에 도시된 등록특허공보 제10-1338233호(등록일자: 2013. 12. 02)인 '해수 담수화에 따른 농축수 내 유용금속 회수장치 및 그 회수방법'을 들 수 있다.
상기 종래기술은 해수의 담수화 처리를 위한 역삼투공정에서 농축수가 발생시, 혼상(Mixed Bed) 이온교환수지탑을 통해 리튬 손실이 최소화되도록 농축수에 함유된 불순물을 제거한 후 불순물이 제거된 농축수에 인산 또는 인산화합물을 투입하여 용해도가 낮은 유용금속인 인산리튬을 추출하는 기술이다.
상기 종래기술에 따르면 해수의 담수화 처리시 발생하는 농축수를 해양으로 방류하지 않으면서 해양환경 오염이 발생하는 방지함은 물론, 농축수로부터 인산리튬과 같은 유용금속의 회수로부터 폐기물에 대한 자원화를 도모하고, 농축수로부터 유용금속을 회수하는데 따른 작업시간과 전력 낭비를 최소화시켜 경제적이면서 효율적으로 유용금속을 용이하게 회수할 수 있는 효과가 있다.
다만, 상기 종래기술은 일반 해수 담수화 기술로서는 효과적이나, 용암 해수의 장점을 살릴 수 있는 구성을 가지지 못하며, 특히 용암 해수이므로 가능할 수 있는 담수 생산 효율의 극대화를 가져옴과 동시에 유용 미네랄 생산도 극대화 시킬 수 있는 구성을 보여주지 못한다.
따라서 용암 해수의 장점을 최대한 살려 일반 해수 대비 설비비는 대폭 절감되면서도 담수 생산율 및 유용 미네랄 생산율의 극대화를 가져올 수 있는 기술이 요청된다.
등록특허공보 제10-1338233호(등록일자: 2013. 12. 02)
이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 용암 해수의 장점을 최대한 살려 일반 해수 대비 설비비는 대폭 절감되면서도 담수 생산율 및 유용 미네랄 생산율의 극대화를 가져올 수 있는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템 및 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템은, 지면에 설치되어 지하 암반의 용암 해수를 취수하는 취수 장치와, 상기 취수 장치로부터 취수된 용암 해수를 여과시키는 정밀 여과 필터와, 상기 정밀 여과 필터로 여과된 용암 해수를 가압시키는 공급 펌프와, 하나 이상의 역삼투압조로 이루어져 상기 공급 펌프로부터 가압된 용암 해수를 농축수와 담수로 분리시키는 1차 역삼투압부와, 하나 이상의 역삼투압조로 이루어져 상기 1차 역삼투압부에서 배출되는 담수를 농축수와 담수로 분리시키는 2차 역삼투압부와, 상기 2차 역삼투압부에서 배출되는 담수를 저장하는 담수저장조 및, 상기 1차 역삼투압부에서 배출되는 농축수로부터 유용 미네랄을 회수하는 미네랄 회수부로 구성된다.
여기서 상기 1차 역삼투압부는 바람직하게는 복수개의 역삼투압조가 병렬로 배치되는 1차1단계 역삼투압부와, 1차1단계 역삼투압부와 동일하게 구성되는 1차2단계 역삼투압부로 이루어져서, 1차1단계 역삼투압부 및 1차2단계 역삼투압부에서 배출되는 담수는 2차 역삼투압부로 투입되며, 1차1단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수는 1차2단계 역삼투압부로 투입되고, 1차2단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수는 상기 미네랄 회수부로 이송된다.
또한 상기 2차 역삼투압부는 바람직하게는 복수개의 역삼투압조가 병렬로 배치되는 2차1단계 역삼투압부와, 2차1단계 역삼투압부와 동일하게 구성되는 2차2단계 역삼투압부로 이루어져서, 상기 1차1단계 및 1차2단계 역삼투압부에서 배출되는 담수는 전량 2차1단계 역삼투압부로 투입되고, 2차1단계 역삼투압부 및 2차2단계 역삼투압부에서 배출되는 담수는 상기 담수저장조로 이송되며, 2차1단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수는 2차2단계 역삼투압부로 투입된다.
이때 특히 2차2단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수 전량은 바람직하게는 다시 2차1단계로 투입된다.
한편, 바람직하게는 상기 공급펌프와 1차1단계 역삼투압부를 연결시키는 메인 공급관의 일정부위와, 1차2단계 역삼투압부와 상기 미네랄 회수부를 연결시키는 농축수 최종 배출관의 일정부위가 서로 근접하게 배치되고, 상기 메인 공급관의 일정부위와 농축수 최종 배출관의 일정부위에 동시에 개재되게 설치되는 압력교환기가 구비되어, 1차2단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수의 압력은 1차1단계 역삼투압부로 투입되는 용암해수로 전달된다.
그리고 바람직하게는 상기 미네랄 회수부는 1차2단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수를 공급받아 전기 투석 또는 막 여과 또는 침전 중 어느 하나 이상의 방법으로 농축수에 함유된 유용 미네랄을 회수한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법은 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항으로 이루어지는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템을 이용한 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법으로서, 지표면 아래의 담수층 하부에 존재하는 용암 해수를 취수하는 단계(S1)와, 취수된 용암 해수를 마이크로 필터 막으로 통과시켜 여과시키는 전처리 단계(S2)와, 상기 전처리 단계를 통과한 용암 해수를 1차 역삼투압부에 투입하여 담수와 농축수로 분리배출시키는 1차 역삼투 단계(S3)와, 1차 역삼투 단계(S3)에서 여과된 담수를 2차 역삼투압부에 투입하여 전량을 담수로 배출시키는 2차 역삼투 단계(S4)와, 2차 역삼투 단계(S4)에서 배출되는 담수를 저장하는 담수 저장 단계(S5) 및 1차 역삼투 단계(S3)에서 배출되는 농축수에서 유용 미네랄을 회수하는 미네랄 회수 단계(S6)로 이루어진다.
여기서 바람직하게는 1차1단계 역삼투압부 및 1차2단계 역삼투압부에서 배출되는 담수는 2차 역삼투압부로 투입하고, 1차1단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수는 1차2단계 역삼투압부로 투입하며, 1차2단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수는 상기 미네랄 회수부로 이송한다.
또한 바람직하게는 1차1단계 및 1차2단계 역삼투압부에서 배출되는 담수는 전량 2차1단계 역삼투압부로 투입하고, 2차1단계 역삼투압부 및 2차2단계 역삼투압부에서 배출되는 담수는 상기 담수저장조로 이송시키며, 2차1단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수는 2차2단계 역삼투압부로 투입한다.
이 경우 특히 바람직하게는 2차2단계 역삼투압부에서 배출되는 농축수 전량을 다시 2차1단계로 투입한다.
본 발명에 따른 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템 및 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법에는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 일반 해수가 아닌 용암 해수를 담수화 공정의 원료로 사용함으로써 일반 담수화 공정에서 필요한 두 단계 이상의 전처리 공정과 살균 공정이 필요 없게 되며, 각종 이물질로 인하여 전처리 공정에서 발생될 수 있는 기기 고장의 우려가 없다.
둘째, 역삼투 공정을 크게 두 단계로 나누어서 첫 단계에서 배출되는 담수를 두 번째 단계에서 다시 역삼투 공정을 거치게 함으로써 총 투입 용암해수 대비 생산되는 담수 생산효율이 비약적으로 높아질 수 있다.
셋째, 크게 두 단계로 나눈 각 역삼투 공정을 다시 세분하여, 세분된 각 역삼투 공정 간에는 앞의 역삼투 공정에서 배출되는 담수를 뒤의 역삼투 공정에서 다시 역삼투 공정을 거치게 함으로써 최종적으로 총 투입 용암해수 대비 생산되는 담수 생산효율이 90프로 이상으로 높아질 수 있다.
넷째, 크게 두 단계로 나눈 역삼투 공정 중 두 번째 단계에서 세분된 2차 1단계 및 2단계 역삼투 공정에서, 2차2단계 역삼투 공정에서 배출되는 농축수 전량이 다시 2차1단계 역삼투 공정으로 투입됨으로써 2차 역삼투 공정에 투입되는 원수는 전량 담수로 생산되어 담수 생산효율이 비약적으로 증가된다.
도 1은 종래기술을 나타내는 도면,
도 2는 용암해수 발생 지역을 나타내는 도면,
도 3은 용암해수 취수 위치를 나타내는 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에서 1차 및 2차 역삼투압부를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법을 나타내는 블록도,
도 7은 본 발명에 사용되는 압력교환기의 일 실시예를 나타내는 단면도,
도 8은 역삼투 장치의 원리를 나타내는 사시도,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 취수 장치(1)와, 정밀 여과 필터(2)와, 공급 펌프(3)와, 1차 역삼투압부(4)와, 2차 역삼투압부(5)와, 담수저장조(10) 및, 미네랄 회수부(9)로 이루어진다.
취수 장치(1)는 도 3에 도시된 바와 같이 담수층(F) 아래에 존재하는 용암해수층(L)에 취수기(11)를 설치하여 취수관(12)를 통하여 용암해수를 지상까지 상승시킨다.
정밀 여과 필터(2)는 고분자 소재 또는 무기재료 소재로 이루어지며 미세분자를 제거하기 위하여 설치된다. 그런데 앞서 설명된 바와 마찬가지로 용암해수는 장시간 두터운 현무암층을 통과하기 때문에 이미 대부분의 이물질은 제거된 상태이므로 본 발명에서는 용암 해수의 전처리를 위해서는 정밀 여과 필터(2)로 충분하다. 이에 비하여 일반 해수의 담수화 공정을 위한 전처리 설비는 물리적 방법과 화학적 방법이 요구되며, 단계적 여과막과 살균 설비가 필요하게 되어 본원발명에 비하여 설비비용이 현저하게 높다.
공급펌프(3)는 정밀여과필터(2)를 통과한 용암해수를 1차 역삼투압부로 이송시키는 작용을 한다. 공급펌프(3)는 이송의 작용을 함과 동시에 역삼투 공정에 필요한 가압 작용도 어느 정도 하게 된다.
1차 역삼투압부(4)는 공급펌프(3)로 이송된 용암해수가 담수와 농축수로 분리되는 최초의 역삼투 공정이다. 1차 역삼투압부(4)는 복수개의 1차1단계 역삼투조(41a)로 이루어질 수 있다. 1차1단계 역삼투조(41a)는 도 8에 도시된 바와 같이 하우징은 원기둥 형상이고, 내부는 단면 직경이 서로 다른 원기둥 형상의 역삼투 막이 동심원 형태로 배치되며, 중심에는 여과된 담수가 흐르는 관이 설치되어, 용암해수가 역삼투조의 일단으로 투입되면, 역삼투조 내부를 유입수가 흐르면서 담수는 중심의 관으로 모여서 흐르고, 농축수는 역삼투막 사이에 남겨져서 분리 배출된다. 이때 투입되는 유량을 조절시키는 유량조절밸브가 하우징에 설치될 수 있고, 기타 전도도계와 압력계가 설치될 수 있다. 역삼투조 자체는 공지 기술이므로 더 자세한 설명은 생략하기로 한다.
2차 역삼투압부(5)는 1차 역삼투압부(4)를 거쳐서 분리 배출되는 담수와 농축수 중에서 담수가 다시 여과되도록 1차 역삼투압부(4)와 마찬가지로 복수개의 역삼투압조로 이루어지는 설비이다. 1차 역삼투압부(4)에서 배출되는 담수는 2차 역삼투압부(5)를 거치면서 더욱 순도가 높은 담수가 된다. 이때 중요한 것은 1차 역삼투압부(4)에서 배출되어 2차 역삼투압부(5)로 투입되는 담수는 전량이 담수화 되어 2차 역삼투압부(5) 만을 기준으로 볼 경우 투입 대비 담수 생산률은 거의 100%에 근접한다는 점이다. 이 점에 대해서는 자세하게 후술하기로 한다.
담수저장조(10)는 2차 역삼투압부(5)로부터 배출되는 담수가 수집되는 수조이다. 담수저장조(10)에 수집되는 담수는 거의 순수한 물 성분에 가까우므로 담수저장조(10)에 수집된 담수가 사람이 음용할 수 있도록 되려면 각종 미네랄이 첨가될 필요가 있다. 따라서 담수저장조(10)에 수집된 담수는 도 4에 도시된 바와 같이 담수 가공 장치(8)로 이송되어 각종 미네랄이 첨가되는 공정을 거칠 수 있다.
미네랄 회수부(9)는 1차 역삼투압부(4)에서 최종적으로 배출되는 농축수가 수집되어, 수집된 농축수로부터 유용 미네랄을 추출시키는 설비이다. 이때 유용 미네랄을 회수시키는 수단으로서 막 형태의 필터가 사용될 수도 있고, 또는 전기 투석이나 침전의 방법이 사용될 수도 있다. 이 경우 필요에 따라서는 여과 막, 전기 투석, 침전의 방법이 서로 조합 될 수도 있다. 해수 담수화 수단으로서도 역삼투막 외에 전기 투석 장치가 사용될 수도 있는데, 특히 전기 투석으로 유용한 물질을 선택적으로 추출시킬 수 있으므로 전기 투석 장치가 유용 미네랄 추출을 위한 수단이 될 수 있는 것이다.
이로써 본 발명에 대하여 간략하게 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 구체적으로 설명하면서, 각 구성간의 유기적인 결합 및 배치에 관하여 함께 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이 1차 역삼투압부(4)와 2차 역삼투압부(5)는 다시 세분되어 1차 역삼투압부(4)는 1차 1단계 역삼투압부(4a) 및 1차2단계 역삼투압부(4b)로 나누어지고, 2차 역삼투압부(5)는 2차1단계 역삼투압부(5a) 및 2차2단계 역삼투압부(5b)로 나누어질 수 있다. 그리고 각 단계 역삼투압부를 이루는 역삼투조(41a,41b,51a,51b)는 각 단계 마다 복수개로 구비될 수 있다. 도 5에는 각 단계마다 두 개의 역삼투조가 구비되는 것으로 도시되어 있으나 반드시 두 개에 한정되지는 않는다. 그리고 각 역삼투조(41a,41b,51a,51b)에는 원수 투입 직전에 원수를 가압시키는 가압펌프(42a,42b,52a,52b)가 설치될 수 있다.
역삼투법은 압력에너지를 이용하여 여과시키는 방법으로서 역삼투막이 이용된다. 역삼투막은 물은 통과시키지만 이온성 물질인 용질은 거의 투과시키지 않아서 해수에서 담수를 분리 해 낼 수 있다. 역삼투법은 삼투 현상을 역으로 이용하는 방법이므로 자연발생적으로 일어나는 삼투 현상과 달리 압력이 가해져서 삼투 현상이 역방향으로 진행된다. 따라서 순수한 물이 고농도 측에서 저농도 측으로 흘러들어간다.
일반해수의 담수화 공정에 사용되는 역삼투조는 Feed 측 오염이 심하여 면밀한 검토 및 유지 관리가 필요하나, 본 발명에서는 용암 해수가 원수로 이용되므로 유지 관리 및 Feed 측 수질검사에 소요되는 비용과 시간이 훨씬 절감된다.
1차 역삼투압부(4)를 먼저 살펴보기로 한다. 1차 역삼투압부(4) 중에서 1차1단계 역삼투압부(4a)는 용암해수를 최초로 공급받아 담수와 농축수로 분리시키는 단계를 수행하는 설비이다.
1차1단계 역삼투압부(4a)에서 배출되는 담수는 1차2단계 역삼투압부(4b)를 거치지 않고 바로 2차 역삼투압부(5)로 이송된다. 1차1단계 역삼투압부(4a)에서 배출되는 농축수는 도 5에 도시된 바와 같이 1차 농축수 투입관(44)을 따라 이송되어 1차2단계 역삼투압부(4b)에 투입된다.
1차2단계 역삼투압부(4b)에 투입되는 농축수는 1차1단계 역삼투압부(4a)에 투입되는 용암해수 원수 보다 훨씬 고밀도이므로 이론적으로는 1차2단계 역삼투압부(4b)에 사용되는 1차2단계 가압펌프(42b)는 1차1단계 가압펌프(42a) 보다 더 큰 압력으로 가압시켜야 하는 것처럼 보일 수 있으나, 1차2단계 역삼투압부(4b)에 투입되는 농축수는 앞서서 1차1단계 가압펌프(42a)로 가압된 상태이므로 오히려 1차2단계 가압펌프(42b)는 1차1단계 가압펌프(42a) 보다 더 작은 용량일 수도 있다.
가압펌프의 형식은 크게 터보형과 용적형 펌프가 있으며, 펌프의 후단 배관에는 안전장치가 필수적으로 설치된다. 가압펌프는 소비동력이 크며 운영관리비의 약 40% 내지 50%를 차지하여 에너지 절감 대책이 필요하다. 따라서 압력교환기가 사용될 수 있으며, 압력교환기의 배치는 후술하기로 한다.
1차2단계 역삼투압부(4b)에 투입된 농축수는 다시 담수와 농축수로 분리배출 된다. 이 경우 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 농축수는 1차1단계 역삼투압부(4a)에서 배출되어 1차2단계 역삼투압부(4b)에 투입되는 농축수 보다 훨씬 높은 밀도로 고농축 된 상태이므로 풍부한 유용 미네랄을 함유하고 있다. 이 경우 농도는 총 용존 고형물(TDS, Total Dissolved Solids)이 80,000ppm 이상이다. 따라서 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 농축수는 미네랄 회수부로 보내진다.
이때 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 농축수는 가압펌프를 두 번 거친 상태이므로 압력이 높다. 따라서 가압펌프에 소요되는 동력 부담을 줄이기 위해서 압력교환기(6)가 설치될 수 있다. 압력교환기(6)는 도 5에 도시된 바와 같이 공급펌프(3)와 1차1단계 역삼투압부(4a)를 연결시키는 메인 공급관의 일부와, 1차2단계 역삼투압부(4b)를 미네랄 회수부(9)와 연결시키는 농축수 최종 배출관인 제1 및 제2농축수 수집관(45,46) 중 제2농축수 수집관(46)의 일부가 서로 근접되게 배치하여, 제2농축수 수집관(46) 내부에 흐르는 농축수의 압력이 메인 공급관(31) 내부에 흐르는 용암해수로 전달되게 설치된다.
이로써 1차1단계 가압펌프(42a)에 소요되는 압력 부담이 현저하게 감소되어 동력 비용이 절감될 수 있다.
대규모 담수화 설비의 경우에는 압력교환기 대신에 동일한 목적을 위해서 고압의 농축수로 터빈을 구동시켜 전력을 발생시키는 방식이 채택될 수도 있으며, 대규모 설비가 아닌 경우에는 도 7에 도시된 압력교환기가 사용될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 압력교환기(6)는 저압 해수(A)와 고압 해수(C)가 압력교환기(6) 내부를 흐르면서 고압 해수(C)가 압력교환기(6) 내부 채널을 흐르면서 구동시키는 임펠러로 저압 해수를 가압시켜서 저압 해수(A)를 가압 해수(B)로 배출시키고, 고압 해수(C)는 감압 해수(D)로 배출되는 형태로 구성된다. 이 경우 보조 동력원으로 모터가 사용될 수 있다. 하지만 본 발명에 사용되는 압력교환기(6)는 반드시 도 7의 형태에 한정되는 것은 아니며, 도시되지는 않았지만 아이소바릭 형태의 압력교환기가 채택될 수도 있다. 아이소바릭 형태의 압력교환기는 세라믹 재질의 회전체가 회전하면서 회전체에 연결되어 있는 채널을 통하여 저압 해수와 농축수가 직접 접촉되어 압력이 전달되는 원리이다. 압력교환기 자체는 공지의 기술이므로 더 이상 자세한 설명은 여기서는 생략하기로 한다. 다만, 본 발명에서는 두 번의 가압 과정을 거친 농축수와 투입되는 용암 해수 간에 압력 교환이 일어나도록 배치함으로써 압력 교환에 의한 에너지 회수가 보다 높은 효율로 일어날 수 있게 됨을 특징으로 한다.
1차1단계 역삼투압부(4a) 및 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 각각의 담수는 도 5에 도시된 바와 같이 담수 이송관(43)을 통하여 2차 역삼투압부(5)로 투입된다. 2차 역삼투압부(5)도 1차 역삼투압부(4)와 마찬가지로 2차1단계 역삼투압부(5a)와 2차2단계 역삼투압부(5b)로 세분될 수 있다.
1차 역삼투압부(4)에서 배출되는 담수는 전량이 먼저 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입된다. 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입된 담수는 다시 담수와 농축수로 분리배출되는데, 이때 배출되는 담수는 바로 담수저장조(10)로 이송되고, 농축수는 2차2단계 역삼투압부(5b)로 투입되어 여과과정을 거치게 된다.
2차2단계 역삼투압부(5b)로 투입된 농축수는 2차2단계 역삼투압부(5b)를 거쳐서 다시 담수와 농축수로 분리배출된다. 이때 배출되는 담수는 바로 담수저장조(10)로 이송된다. 그런데 이 경우 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 농축수는 도 5에 도시된 바와 같이 농축수 재투입관(55)을 따라 다시 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입된다.
왜냐하면, 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 농축수는 1차 역삼투압부(4)에서 배출되는 농축수와 달리, 이미 1차 역삼투압부(4)에서 배출되는 담수에서 분리된 것이므로 함유된 물질의 농도가 낮으므로 유용 미네랄을 추출하기에는 농도가 낮은 반면, 담수화시키기에는 용이한 상태이기 때문이다. 이렇게 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 농축수가 다시 2차1단계 역삼투압부(5a)에서 담수화 공정을 거치게 되므로 본 발명에서는 2차 역삼투압부(5)에 투입된 담수는 농축수로 배출되지 않고 전량이 담수화 된다. 이로써 본 발명에서는 통상의 해수 담수화 공정과 달리 최종적인 담수화 효율, 즉 담수 회수율이 최초 투입 원수 대비 90% 이상으로 높아질 수 있다. 또한 담수의 품질 면에서도 총 용존 고형물(TDS, Total Dissolved Solids)이 10ppm 이하인 고품질의 담수를 얻을 수 있는 것이다.
다만, 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 농축수가 다시 2차1단계 역삼투압부(5a)를 거쳐서 또다시 2차2단계 역삼투압부(5b)로 투입되는 과정이 반복되면서 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 농축수의 농도가 점점 높아질 수 있다. 그러나 이렇게 높아져서 더 이상 2차1단계 역삼투압부(5a)로 재투입하여 여과시키기 힘들 정도로 농축되는 양은 극히 미량이므로 사실상 2차 역삼투압부(5)로 투입되는 담수는 전량이 재여과되어 담수로 배출된다고 볼 수 있다. 그리고 극히 미량으로 발생되는 더 이상 여과 여지가 없는 농축수는 간헐적으로 소량 방출된다.
한편, 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되어 미네랄 회수부(9)로 이송된 농축수는 미네랄 회수부(9)에서 전기투석 또는 침전/여과 또는 이온교환법 또는 한외여과의 방식 중 어느 하나 이상의 방법으로 유용 미네랄이 회수될 수 있다.
유용 미네랄은 주로 2가 이온들로 존재하며, 1가 이온들로 존재하는 Na등도 회수하여 유용 물질 제조 원료로 사용될 수 있으므로 2가 이온과 1가 이온을 분리 회수하는 방식으로 유용 미네랄 회수 공정이 이루어진다.
한편, 본 발명에 따른 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법은 상기에서 설명된 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템을 이용한 방법으로서, 지표면 아래의 담수층(F) 하부에 존재하는 용암해수층(L)에서 용암 해수를 취수하는 단계(S1)와, 취수된 용암 해수를 정밀여과필터인 마이크로 필터 막으로 통과시켜 여과시키는 전처리 단계(S2)와, 상기 전처리 단계를 통과한 용암 해수를 1차 역삼투압부(4)에 투입하여 담수와 농축수로 분리배출시키는 1차 역삼투 단계(S3)와, 1차 역삼투 단계(S3)에서 여과된 담수를 2차 역삼투압부(5)에 투입하여 전량을 담수로 배출시키는 2차 역삼투 단계(S4)와, 2차 역삼투 단계(S4)에서 배출되는 담수를 저장하는 담수 저장 단계(S5) 및 1차 역삼투 단계(S3)에서 배출되는 농축수에서 유용 미네랄을 회수하는 미네랄 회수 단계(S6)로 이루어진다.
여기서 바람직하게는 1차1단계 역삼투압부(4a) 및 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 담수는 2차 역삼투압부(5)로 투입하고, 1차1단계 역삼투압부(4a)에서 배출되는 농축수는 1차2단계 역삼투압부(4b)로 투입하며, 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 농축수는 상기 미네랄 회수부(9)로 이송한다.
또한 바람직하게는 1차1단계 및 1차2단계 역삼투압부(4a,4b)에서 배출되는 담수는 전량 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입하고, 2차1단계 역삼투압부(5a) 및 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 담수는 상기 담수저장조로 이송시키며, 2차1단계 역삼투압부(5a)에서 배출되는 농축수는 2차2단계 역삼투압부(5b)로 투입한다.
이 경우 특히 바람직하게는 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 농축수 전량을 다시 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
A : 저압 해수 B : 가압 해수
C : 고압 해수 D : 감압 해수
F : 담수층 L : 용암해수층
S : 바다 1 : 취수 장치
2 : 정밀 여과 필터 3 : 공급 펌프
4 : 1차 역삼투압부 4a: 1차1단계 역삼투압부
4b: 1차2단계 역삼투압부 5 : 2차 역삼투압부
5a: 2차1단계 역삼투압부 5b: 2차2단계 역삼투압부
6 : 압력교환기 8 : 담수 가공 장치
9 : 미네랄 회수부 10: 담수저장조
11 : 취수기 12: 취수관
31: 메인 공급관
41a: 1차1단계 역삼투조 41b: 1차2단계 역삼투조
42a: 1차1단계 가압펌프 42b: 1차2단계 가압펌프
43: 담수 이송관 44: 1차 농축수 투입관
45: 제1농축수 수집관 46: 제2농축수 수집관
51a: 2차1단계 역삼투조 51b: 2차2단계 역삼투조
52a: 2차1단계 가압펌프 52b: 2차2단계 가압펌프
53: 담수 수집관 54: 2차 농축수 투입관
55: 농축수 재투입관

Claims (10)

  1. 지면에 설치되어 지하 암반의 용암 해수를 취수하는 취수 장치(1)와;
    상기 취수 장치(1)로부터 취수된 용암 해수를 여과시키는 정밀 여과 필터(2)와;
    상기 정밀 여과 필터(2)로 여과된 용암 해수를 가압시키는 공급 펌프(3)와;
    하나 이상의 역삼투압조로 이루어져 상기 공급 펌프(3)로부터 가압된 용암 해수를 농축수와 담수로 분리시키는 1차 역삼투압부(4)와;
    하나 이상의 역삼투압조로 이루어져 상기 1차 역삼투압부(4)에서 배출되는 담수를 농축수와 담수로 분리시키는 2차 역삼투압부(5)와;
    상기 2차 역삼투압부(5)에서 배출되는 담수를 저장하는 담수저장조(10); 및
    상기 1차 역삼투압부(4)에서 배출되는 농축수로부터 유용 미네랄을 회수하는 미네랄 회수부(9)를 포함하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 역삼투압부(4)는 복수개의 역삼투압조가 병렬로 배치되는 1차1단계 역삼투압부(4a)와, 1차1단계 역삼투압부(4s)와 동일하게 구성되는 1차2단계 역삼투압부(4b)로 이루어지고,
    1차1단계 역삼투압부(4a) 및 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 담수는 2차 역삼투압부(5)로 투입되며,
    1차1단계 역삼투압부(4a)에서 배출되는 농축수는 1차2단계 역삼투압부(4b)로 투입되고,
    1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 농축수는 상기 미네랄 회수부(9)로 이송되는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2차 역삼투압부(5)는 복수개의 역삼투압조가 병렬로 배치되는 2차1단계 역삼투압부(5a)와, 2차1단계 역삼투압부(5a)와 동일하게 구성되는 2차2단계 역삼투압부(5b)로 이루어지고,
    상기 1차1단계 및 1차2단계 역삼투압부(4a,4b)에서 배출되는 담수는 전량 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입되며,
    2차1단계 역삼투압부(5a) 및 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 담수는 상기 담수저장조(10)로 이송되며,
    2차1단계 역삼투압부(5a)에서 배출되는 농축수는 2차2단계 역삼투압부(5b)로 투입되는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 농축수 전량은 다시 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입되는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 공급펌프(3)와 1차1단계 역삼투압부(4a)를 연결시키는 메인 공급관(31)의 일정부위와, 1차2단계 역삼투압부(4b)와 상기 미네랄 회수부(9)를 연결시키는 농축수 최종 배출관의 일정부위가 서로 근접하게 배치되고, 상기 메인 공급관(31)의 일정부위와 농축수 최종 배출관의 일정부위에 동시에 개재되게 설치되는 압력교환기(6)가 구비되어, 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 농축수의 압력을 1차1단계 역삼투압부(4a)로 투입되는 용암해수로 전달시키는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미네랄 회수부(9)는 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 농축수를 공급받아 전기 투석 또는 막 여과 또는 침전 중 어느 하나 이상의 방법으로 농축수에 함유된 유용 미네랄을 회수하는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항으로 이루어지는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 시스템을 이용한 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법으로서,
    지표면 아래의 담수층 하부에 존재하는 용암 해수를 취수하는 단계(S1);
    취수된 용암 해수를 마이크로 필터 막으로 통과시켜 여과시키는 전처리 단계(S2);
    상기 전처리 단계를 통과한 용암 해수를 1차 역삼투압부(4)에 투입하여 담수와 농축수로 분리배출시키는 1차 역삼투 단계(S3);
    1차 역삼투 단계(S3)에서 여과된 담수를 2차 역삼투압부(5)에 투입하여 전량을 담수로 배출시키는 2차 역삼투 단계(S4);
    2차 역삼투 단계(S4)에서 배출되는 담수를 저장하는 담수 저장 단계(S5); 및
    1차 역삼투 단계(S3)에서 배출되는 농축수에서 유용 미네랄을 회수하는 미네랄 회수 단계(S6);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    1차1단계 역삼투압부(4a) 및 1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 담수는 2차 역삼투압부(5)로 투입하고,
    1차1단계 역삼투압부(4a)에서 배출되는 농축수는 1차2단계 역삼투압부(4b)로 투입하며,
    1차2단계 역삼투압부(4b)에서 배출되는 농축수는 상기 미네랄 회수부(9)로 이송하는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    1차1단계 및 1차2단계 역삼투압부(4a,4b)에서 배출되는 담수는 전량 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입하고,
    2차1단계 역삼투압부(5a) 및 2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 담수는 상기 담수저장조(10)로 이송시키며,
    2차1단계 역삼투압부(5a)에서 배출되는 농축수는 2차2단계 역삼투압부(5b)로 투입하는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    2차2단계 역삼투압부(5b)에서 배출되는 농축수 전량을 다시 2차1단계 역삼투압부(5a)로 투입하는 것을 특징으로 하는 용암 해수 담수화 및 유용 미네랄 회수 방법.
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