KR20220116856A - 액체건조제를 이용한 저에너지 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법 - Google Patents

액체건조제를 이용한 저에너지 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체건조제를 이용한 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 정삼투(Forward Osmosis) 공정을 통해 나온 농축수에 유도용액으로 액체건조제를 첨가하고, 이를 막증류(Membrane Distillation) 공정을 수행함으로써 열 주입 없이도 높은 담수 회수율을 갖는 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다.

Description

액체건조제를 이용한 저에너지 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법 {Freshwater system using liquid desiccant and desalination method using thereof}
본 발명은 액체건조제를 이용한 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 정삼투(Forward Osmosis) 공정을 통해 나온 농축수에 유도용액으로 액체건조제를 첨가하고, 이를 막증류(Membrane Distillation) 공정을 수행함으로써 열 주입 없이도 높은 담수 회수율을 갖는 저에너지 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다.
지구상의 물의 약 97%는 해수로서 물의 양에 있어서는 절대 다수를 차지하고 있으나, 생활용수나 산업용수로 이용하기에는 염도가 너무 높아 활용에 많은 제한이 있다. 물부족이 갈수록 심화되어 가고 있는 현 상황에서 부족한 지표수를 보충하기 위해 "해수의 담수화 기술(Desalination)"이 각광받고 있다.
담수화란, 염분이 있는 해수 등을 음용수나 기타 용도로 사용할 수 있는 담수로 전환하기 위해 염분을 적정량 제거하는 일련의 탈염공정이다. 물에 용해되어 있는 염분의 농도에 따라 담수(fresh water), 기수(brackish water) 및 해수(sea water)로 구분된다.
해수는 많은 종류의 염분을 상당량 포함하고 있어, 음용수로 사용하기 위해서는 앞서 언급한 바와 같이 일정 수준 이상으로 염분을 제거해야만 하지만, 다양한 방법이 거론되고 있다.
특허문헌 1에는 정삼투용 유도용액으로 사용가능한 고분자 하이드로젤의 제조방법에 대하여 개시하고 있으나, 이의 수처리 공정에의 구체적인 적용에 관하여는 개시되어 있지 않고, 특허문헌 2에는 고분자 물질을 유도용액으로 사용하는 수처리 시스템을 개시하나, 유입수가 고분자 물질을 포함하는 유도용액에 의해 정삼투막을 투과하는 단편적인 정삼투막 수처리 공정에 대하여만 개시되어 있다는 한계가 있다.
따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 상기와 같은 한계점을 개선하기 위한 담수화 시스템의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.
KR 2014-0099695 JP 2015-047541
본 발명의 목적은 정삼투(Forward Osmosis) 공정을 통해 나온 농축수에 유도용액으로 액체건조제를 첨가하고, 이를 막증류(Membrane Distillation) 공정을 수행함으로써 열 주입 없이도 높은 담수 회수율을 갖는 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저에너지 열공급 및 비상용수(조난대비)에 적용 가능한 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법을 제공하는 것이다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법을 제공한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 처리대상이 되는 유입수를 정삼투(Forward Osmosis, FO) 공정이 수행되어 제1 처리수를 생산하는 정삼투부; 상기 제1 처리수에 유도용액(draw solution)을 처리하여 제2 처리수를 생산하는 유도용액부; 및 상기 제2 처리수를 막증류(Membrane Distillation, MD) 공정이 수행되어 담수(freshwater)를 생산하기 위한 막증류부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 정삼투부는 정삼투 유닛; 및 상기 정삼투 유닛의 중심부에 위치하여 상기 정삼투 공정이 수행되는 정삼투 분리막;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 유도용액은 액체 건조제(Liquid Desiccant, LD)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 액체 건조제는 유기용매 액체 건조제, 무기염 액체 건조제 및 이온성 용액 액체 건조제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 유기용매 액체 건조제는 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 및 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 무기염 액체 건조제는 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2), 염화마그네슘(magnesium chloride, MgCl2), 염화리튬(lithium chloride, LiCl), 브롬화리튬(lithium bromide, LiBr), 브롬화칼슘(calcium bromide, CaBr2) 및 포름산칼륨(potassium formate, KHCO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 이온성 용액 액체 건조제는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [Bmim]BF4), 1-데실-3-메틸이미다졸리움 아세테이트(1-decyl-3-methylimidazolium acetate, [Dmim]OAc), 트리부틸(메틸)포스포늄 디메틸포스페이트(tributyl(methyl)phosphonium dimethylphosphate, [P4441][DMPO4]), 1-n-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드(1-n-Butyl-3-methylimidazolium chloride, [C4mim][Cl]) 및 1-n-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트 (1-n-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [C4mim][BF4])로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 막증류부는 막증류 유닛; 및 상기 막증류 유닛의 중심부에 위치하여 상기 막증류 공정이 수행되는 막증류 분리막;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 정삼투 분리막과 막증류 분리막은 1:1의 플럭스비를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법을 제공한다.
(S1) 처리대상이 되는 유입수를 정삼투(Forward Osmosis, FO) 공정을 통해 제1 처리수를 생산하는 단계;
(S2) 상기 제1 처리수에 유도용액(draw solution)을 처리하여 제2 처리수를 생산하는 단계; 및
(S3) 상기 제2 처리수를 막증류(Membrane Distillation, MD) 공정을 수행되어 담수(freshwater)를 생산하는 단계.
상기 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법에서 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.
본 발명의 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법은 유도용질로서 액체 건조제를 사용하여 유입수와 유도용액의 농도차로 발생하는 삼투현상을 통하여 유도용액의 상변이에 의해 발열 현상이 발생하고, 상기 발열로 인해 가열을 위한 추가 구성없이 막증류를 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법은 삼투압 현상으로 인해 별도의 펌프가 필요하지 않아 에너지 소모 없이 실생활에 적용될 수 있다.
아울러, 본 발명의 담수화 시스템 및 이를 이용한 담수화 방법은 저에너지 열공급 및 비상용수(조난대비)에 적용 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 담수화 시스템을 대략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 담수화 시스템을 대략적으로 나타낸 단면도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
담수화 시스템
본 발명은 처리대상이 되는 유입수를 정삼투(Forward Osmosis, FO) 공정이 수행되어 제1 처리수를 생산하는 정삼투부(100); 상기 제1 처리수에 유도용액(draw solution)을 처리하여 제2 처리수를 생산하는 유도용액부(200); 및 상기 제2 처리수를 막증류(Membrane Distillation, MD) 공정이 수행되어 담수(freshwater)를 생산하기 위한 막증류부(300);를 포함하는 담수화 시스템(1)을 제공한다.
상기 담수화 시스템은 해수뿐만 아니라 오염수를 유입수로 사용할지라도 적용될 수 있다.
상기 정삼투부(100)는 정삼투 유닛(110); 및 상기 정삼투 유닛(110)의 중심부에 위치하여 상기 정삼투 공정이 수행되는 정삼투 분리막(120);으로 구성될 수 있다.
상기 유도용액부(200)는 상기 정삼투부(100)의 운전을 위해 유도용액을 첨가되는 구성으로, 상기 유도용액의 종류, 농도, 양 등에 따라 상기 처리수의 플럭스(flux)를 조절할 수 있다.
상기 유도용액은 액체 건조제(Liquid Desiccant, LD)일 수 있다. 상기 유도용액으로 액체 건조제가 적용될 경우, 상기 유입수를 흡수하고, 상기 유도용액의 상변이에 의해 발열 현상이 발생하게 된다. 이때 발생한 열의 증기압 차이로 인해 상기 제2 처리수에 대한 추가적인 분해 또는 희석 단계가 수행되지 않아도 된다. 또한, 상기 발생된 열로 인해 온도를 가하는 추가적인 장치 없이 상기 막증류가 수행될 수 있다.
상기 액체 건조제는 유기용매 액체 건조제, 무기염 액체 건조제 및 이온성 용액 액체 건조제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 유기용매 액체 건조제는 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 및 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 무기염 액체 건조제는 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2), 염화마그네슘(magnesium chloride, MgCl2), 염화리튬(lithium chloride, LiCl), 브롬화리튬(lithium bromide, LiBr), 브롬화칼슘(calcium bromide, CaBr2) 및 포름산칼륨(potassium formate, KHCO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 이온성 용액 액체 건조제는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [Bmim]BF4), 1-데실-3-메틸이미다졸리움 아세테이트(1-decyl-3-methylimidazolium acetate, [Dmim]OAc), 트리부틸(메틸)포스포늄 디메틸포스페이트(tributyl(methyl)phosphonium dimethylphosphate, [P4441][DMPO4]), 1-n-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드(1-n-Butyl-3-methylimidazolium chloride, [C4mim][Cl]) 및 1-n-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트 (1-n-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [C4mim][BF4])로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 막증류부(300)는 막증류 유닛(310); 및 상기 막증류 유닛(310)의 중심부에 위치하여 상기 막증류 공정이 수행되는 막증류 분리막(320);으로 구성될 수 있다.
상기 정삼투 분리막(120)과 막증류 분리막(320)은 1:1의 플러스(flux)비를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 정삼투 분리막(120)의 플럭스 값과 상기 막증류 분리막(320)의 플럭스 값의 비가 1이 되는 값으로, 상기 정삼투 분리막(120)과 막증류 분리막(320)은 1:1의 플럭스비를 갖는 것이 바람직하다.
상기 플러스(flux)는 물이 막을 넘어가는 양 또는 속도를 의미하며, 상기 플러스를 본 발명에 적용할 경우, 상기 유입수가 상기 정삼투부(100)를 넘어가는 양 또는 속도, 상기 제2 처리수가 상기 막증류부(300)를 넘어가는 양 또는 속도일 수 있다.
상기 플럭스(flux)는 단위시간(시간, h) 당 단위면적(m2)의 막을 통과한 물의 양 또는 속도일 수 있다.
또한, 상기 정삼투 분리막(120)은 셀룰로오스(cellulose)계, 폴리아마이드(polyamide)계 및 폴리아릴렌(polyarylene)계 재질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 막증류 분리막(320)은 소수성(hydrophobic) 분리막 재질을 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
담수화 시스템을 이용한 담수화 방법
본 발명은 하기의 단계를 포함하는 담수화 방법을 제공한다.
(S1) 처리대상이 되는 유입수를 정삼투(Forward Osmosis, FO) 공정을 통해 제1 처리수를 생산하는 단계;
(S2) 상기 제1 처리수에 유도용액(draw solution)을 처리하여 제2 처리수를 생산하는 단계; 및
(S3) 상기 제2 처리수를 막증류(Membrane Distillation, MD) 공정을 수행되어 담수(freshwater)를 생산하는 단계.
상기 담수화 방법은 앞서 언급한 담수화 시스템을 통해 수행될 수 있다.
상기 (S2) 단계에서 상기 유도용액이 첨가함으로써, 상기 제2 처리수는 발열하게 되고, 상기 제2 처리수가 상기 (S3) 단계에서 상기 막증류 공정이 수행될 때 50 내지 75 ℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기와 같이 유도용액으로 액체 건조제를 첨가함으로써 가열부를 추가적으로 포함하지 않아도 되는 장점이 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하세 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예 1. 담수화 시스템
1.1. 담수화 수행
유입수(35,000 mg/L)로 해수의 예로 3.5% NaCl을 적용하여 정삼투를 수행하여 제1 처리수를 생산하였다. 이때, 정삼투부의 정삼투 분리막은 면적 45 cm2, 높이 10 cm 및 재질 폴리아마이드계로 하는 평판형 분리막이었다. 상기 제1 처리수에 대해 유도용액으로 액체건조제 중 하나인 염화칼슘(CaCl2, 20 wt%)을 적용하여 제2 처리수를 생산하였다. 이때, 상기 제1 처리수에 유도용액이 첨가되어 제2 처리수가 생산될 때는 60 ℃로 유지되었으며, 35 플러스(flux)를 나타내었다. 마지막으로, 상기 제2 처리수를 막증류를 수행하였다. 이때, 상기 막증류부의 막증류 분리막은 면적 63 cm2, 높이 10 cm 및 재질 PVDF 분리막이었으며, 온도는 20 ℃로 유지되었고, 35 플러스(flux)를 가졌다.
1.2. 담수 생산
상기 담수화 시스템에 의해 수행된 담수화로 시간당 160 mL의 담수가 생산(물 생산량)되었다. 이는 99.9% 이상의 담수효과를 갖는 것이라 할 수 있다.
상기 결과로부터, 본 발명에 따른 담수화 시스템이 저에너지를 적용함으로써 높은 담수화 효율을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.
이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
담수화 시스템 : 1
정삼투압부 : 100
정삼투 유닛 : 110
정삼투 분리막 : 120
유도용액부 : 200
막증류부 : 300
막증류 유닛 : 310
막증류 분리막 : 320

Claims (10)

  1. 처리대상이 되는 유입수를 정삼투(Forward Osmosis, FO) 공정이 수행되어 제1 처리수를 생산하는 정삼투부;
    상기 제1 처리수에 유도용액(draw solution)을 처리하여 제2 처리수를 생산하는 유도용액부; 및
    상기 제2 처리수를 막증류(Membrane Distillation, MD) 공정이 수행되어 담수(freshwater)를 생산하기 위한 막증류부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정삼투부는
    정삼투 유닛; 및
    상기 정삼투 유닛의 중심부에 위치하여 상기 정삼투 공정이 수행되는 정삼투 분리막;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유도용액은 액체 건조제(Liquid Desiccant, LD)인 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액체 건조제는 유기용매 액체 건조제, 무기염 액체 건조제 및 이온성 용액 액체 건조제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유기용매 액체 건조제는 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 및 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 무기염 액체 건조제는 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2), 염화마그네슘(magnesium chloride, MgCl2), 염화리튬(lithium chloride, LiCl), 브롬화리튬(lithium bromide, LiBr), 브롬화칼슘(calcium bromide, CaBr2) 및 포름산칼륨(potassium formate, KHCO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 이온성 용액 액체 건조제는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [Bmim]BF4), 1-데실-3-메틸이미다졸리움 아세테이트(1-decyl-3-methylimidazolium acetate, [Dmim]OAc), 트리부틸(메틸)포스포늄 디메틸포스페이트(tributyl(methyl)phosphonium dimethylphosphate, [P4441][DMPO4]), 1-n-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드(1-n-Butyl-3-methylimidazolium chloride, [C4mim][Cl]) 및 1-n-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트 (1-n-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [C4mim][BF4])로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 막증류부는
    막증류 유닛; 및
    상기 막증류 유닛의 중심부에 위치하여 상기 막증류 공정이 수행되는 막증류 분리막;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  9. 제2항 또는 제8항에 있어서,
    상기 정삼투 분리막과 막증류 분리막은 1:1의 플럭스비를 갖는 것을 특징으로 하는 담수화 시스템.
  10. (S1) 처리대상이 되는 유입수를 정삼투(Forward Osmosis, FO) 공정을 통해 제1 처리수를 생산하는 단계;
    (S2) 상기 제1 처리수에 유도용액(draw solution)을 처리하여 제2 처리수를 생산하는 단계; 및
    (S3) 상기 제2 처리수를 막증류(Membrane Distillation, MD) 공정을 수행되어 담수(freshwater)를 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
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