KR20240090075A - 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템 - Google Patents
광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240090075A KR20240090075A KR1020220173887A KR20220173887A KR20240090075A KR 20240090075 A KR20240090075 A KR 20240090075A KR 1020220173887 A KR1020220173887 A KR 1020220173887A KR 20220173887 A KR20220173887 A KR 20220173887A KR 20240090075 A KR20240090075 A KR 20240090075A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- concentrated water
- module
- gas
- gas hydrate
- treatment system
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 138
- 239000013535 sea water Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 title claims description 59
- 239000011707 mineral Substances 0.000 title claims description 59
- NMJORVOYSJLJGU-UHFFFAOYSA-N methane clathrate Chemical compound C.C.C.C.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O NMJORVOYSJLJGU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 76
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 50
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 48
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 claims abstract description 21
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 19
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 36
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 34
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 17
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 16
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 150000004677 hydrates Chemical class 0.000 claims description 7
- 229910052806 inorganic carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 45
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 24
- 238000011084 recovery Methods 0.000 abstract description 13
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract description 5
- 230000033558 biomineral tissue development Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 abstract 1
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 54
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 52
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 51
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 30
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 26
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 26
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 15
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 12
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 11
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 10
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 8
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 7
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 6
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 5
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229910019440 Mg(OH) Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L magnesium carbonate Chemical compound [Mg+2].[O-]C([O-])=O ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 239000001095 magnesium carbonate Substances 0.000 description 3
- 229910000021 magnesium carbonate Inorganic materials 0.000 description 3
- 235000014380 magnesium carbonate Nutrition 0.000 description 3
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N Nitrous Oxide Chemical compound [O-][N+]#N GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 2
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910000287 alkaline earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 1
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 1
- 235000012241 calcium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005587 carbonate group Chemical group 0.000 description 1
- 229910001748 carbonate mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002738 chelating agent Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000002242 deionisation method Methods 0.000 description 1
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 description 1
- 239000003480 eluent Substances 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000007794 irritation Effects 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 235000012243 magnesium silicates Nutrition 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000012452 mother liquor Substances 0.000 description 1
- 238000003541 multi-stage reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000001272 nitrous oxide Substances 0.000 description 1
- 239000010450 olivine Substances 0.000 description 1
- 229910052609 olivine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/26—Treatment of water, waste water, or sewage by extraction
- C02F1/265—Desalination
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/46—Removing components of defined structure
- B01D53/62—Carbon oxides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
- B04B—CENTRIFUGES
- B04B1/00—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles
- B04B1/20—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles discharging solid particles from the bowl by a conveying screw coaxial with the bowl axis and rotating relatively to the bowl
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/38—Treatment of water, waste water, or sewage by centrifugal separation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/124—Water desalination
- Y02A20/131—Reverse-osmosis
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
해수담수화 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수 등에 적용하여 자원 회수 공정(탄산광물화 등)으로 용존 자원을 회수하는 공정의 전처리로 활용 가능한 농축수 처리 시스템에 관한 것으로, 해수담수화 플랜트에서 발생한 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수를 공급하는 농축수 공급 모듈, 상기 농축수 공급 모듈에서 공급된 농축수에 가스를 주입하여 가스 하이드레이트를 형성하는 가스 하이드레이트 형성 모듈, 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈에 의해 형성된 가스 하이드레이트를 슬러리 형상으로 형성하여 농축액과 분리하는 고액 분리 모듈, 상기 슬러리에 대해 물 분자와 가스를 분리하는 해리 모듈을 포함하고, 상기 고액 분리 모듈은 원심 분리형으로 이루어진 구성을 마련하여, 회수하고자 하는 대상 자원의 회수율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수를 가스 하이드레이트 처리하여 광물탄산화용으로 사용하는 농축수 처리 시스템에 관한 것으로, 특히 해수담수화 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수 등에 적용하여 자원 회수 공정(탄산광물화 등)으로 용존 자원을 회수하는 공정의 전처리로 활용 가능한 농축수 처리 시스템에 관한 것이다.
해수는 지구상의 물의 양에 있어서 절대다수를 차지하고 있으나 인간의 생활용수나 산업용수로 이용하기에는 염도가 너무 높아서 사용하지 못하고 있는 실정이다. 부족한 육수를 보충하고 담수의 부족현상과 고갈현상 등의 문제점을 해결하기 위해서는 해수를 담수로 전환시킬 필요가 있다. 담수화의 의미는 미네랄 성분을 제거하는 탈염화와 이온을 제거하는 탈이온화를 종합한 것으로서 탈염 담수화라고도 한다.
해수담수화 방법에는 특수한 막을 이용하는 역삼투법 및 전기투석법, 해수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법(다단 플래쉬 증발법, 다중 효용법, 증기 압축법), 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있지만, 해수담수화 플랜트에서는 주로 증발법과 역삼투법이 사용되고 있다.
상술한 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수는 염농도 6% 이상(TDS 기준)의 고농도이므로 다양한 용존 자원이 함유되어 있으며, 해상에 버려지고 있어 이를 활용한 자원 회수 공정 연구가 진행되고 있다.
농축수 처리에 있어 막분리 공정은 염농도 6% 이상(TDS 기준)에서는 경제성 있는 공정 구성이 어렵고, 증발법의 경우 원수의 염농도에 상관없이 적용 가능하지만, 회수율이 약 14% 정도로 낮고, 기본적으로 기화열이 40.77 kJ/mol로 에너지가 과다하게 소요되는 단점이 있었다.
한편, 산업의 발달에 따른 과다한 온실가스의 배출은 자연계가 허용할 수 있는 범위를 초과하여 온난화의 주범으로 지목되고 있다. 온실가스의 종류로는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 프레온(CFCs), 오존(O3) 등이 있으며 이중 약 80%를 차지하고 있는 이산화탄소가 대표적인 온실가스이다.
즉, 산업현장 및 일상생활에서 배출되는 이산화탄소의 연간 배출량이 나날이 증가하며, CO2 배출량의 30-40%는 화력발전소에서 발생하며, 배가스에서의 CO2 농도는 150mbar 이다. 이러한 이산화탄소를 포집 및 저장(Carbon Capture & Storage)에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이산화탄소 저장기술로는 해양 저장 기술(ocean storage technology), 지중 저장 기술(geologic storage technology), 광물탄산화 기술(mineral carbonation technology) 등이 있다.
해양 저장은 대규모로 포집된 이산화탄소를 해양심층수 내로 분사하거나 해저 면에 주입하여 장기간 격리하는 방법이다. 이 방법은 해양 생태계를 비교적 빠른 속도로 파괴시키는 것으로 알려지고 있으며, 해양심층수 또는 해저면에 주입된 이산화탄소의 장기적이고 안정적인 해양 내 저장을 보장할 수가 없는 문제점이 있다. 또, 지중 저장은 대규모로 포집된 이산화탄소를 육지나 해저 800m~1000m 심부에 존재하는 안정적인 지질구조 내에 주입하여 장기적으로 격리하는 기술로서 석유 및 천연가스 개발 사업과 연계하여 활발히 연구되고 있다. 세 가지 이산화탄소 저장기술 중에서 과학기술적인 면에서 가장 효과적일 뿐만 아니라 경제적인 면에서도 가장 우수한 기술로 평가받고 있다. 그러나 이 방법은 질식가스로서의 이산화탄소 지표 유출에 의한 인간과 생태계 위협, 대수층 교란 및 지하수 자원 고갈, 중금속이나 기타 오염물질의 유동성 증대로 인한 토양 및 지하수 오염, 지반 융기, 지진유도 및 기체 수화물(gas hydrate) 자극 등과 같은 부작용을 유발할 수 있다.
광물탄산화 기술은 영구적으로 CO2를 격리하고, CO2를 잠재적으로 유용한 생성물로 활용할 수 있는 기술이다. 즉, 광물탄산화 기술은 산업체에서 포집되거나 배출되는 이산화탄소를 산화물 및 수산화물 형태의 알칼리 및 알칼리 토금속 성분을 함유한 천연 광물 또는 산업체에서 배출되는 무기계 순환 자원(폐 콘크리트 등)과 반응시켜 탄산칼슘(CaCO3) 및 마그네사이트(MgCO3) 등의 탄산염 광물로 만들어 이산화탄소를 안정하게 고정화 또는 저장시키는 기술이다.
이러한 광물탄산화 기술 중 간접탄산화는 산업부산물과 용제를 혼합ㆍ교반하여 산업부산물 내의 칼슘을 용출하고, 칼슘이 다량 함유된 용출액에 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소를 저장하는 동시에 탄산염을 생성하는 기술로서, 직접 탄산화와는 다르게 고순도 탄산염 생성이 가능하다. 간접탄산화에 사용되는 용제로 증류수, 각종 산(acid), 암모늄염 및 다양한 킬레이트제가 사용되어 왔다. 그러나 증류수는 칼슘을 용출하는 능력이 부족하고, 산을 이용하는 경우 용출액의 pH가 너무 낮아 탄산화 반응에 적합하지 않으며, 그 외의 용제들은 칼슘 용출 및 탄산화 효율이 높으나 용제의 비용이 높아 경제성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 기술의 일 예가 하기 특허 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 알칼리 산업부산물을 해수 100㎖ 당 10 내지 100g의 비율로 혼합하여, 해수에 존재하는 마그네슘(Mg)이 침전되도록 함과 동시에, 알칼리 산업부산물에 존재하는 칼슘(Ca)이 용출되도록 하고, 상기 해수의 pH가 9.50 이상의 값을 갖도록 하는 단계, 상기 칼슘 용출액으로부터 침전된 마그네슘을 제거하는 단계, 상기 칼슘 용출액의 pH가 12 이상의 값을 갖도록 조절하는 단계 및 상기 pH가 12 이상으로 조절된 용출액에 이산화탄소를 주입하여 탄산칼슘(CaCO3)을 수득하는 단계를 포함하는 알칼리 산업부산물과 해수를 이용한 탄산칼슘의 제조방법에 대해 개시되어 있다.
또, 하기 특허문헌 2에는 이산화탄소를 투과시킬 수 있는 복수의 중공사막 및 상기 복수의 중공사막을 수용하는 하우징을 포함하는 반응부, 상기 반응부로 이산화탄소를 포함하는 기체를 공급하는 이산화탄소 공급부 및 상기 반응부로 금속 이온을 포함하는 용액을 공급하는 용액 주입부를 포함하고, 상기 이산화탄소를 포함하는 기체가 중공사막의 내부(bore)로 공급되는 경우, 상기 금속 이온을 포함하는 용액은 중공사막의 외부(shell)로 공급되며, 상기 이산화탄소를 포함하는 기체가 중공사막의 외부로 공급되는 경우, 상기 금속 이온을 포함하는 용액은 중공사막의 내부로 공급되는 광물 탄산화 시스템에 대해 개시되어 있다.
한편, 하기 특허문헌 3에는 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 재기화시켜 재기화 가스를 발생시키며, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스와 상기 액화가스를 재응축시키는 재응축기를 포함하는 재기화 장치 및 해수를 담수화시키는 담수화 장치를 포함하고, 상기 담수화 장치는 게스트 가스와 상기 해수로부터 공급받은 냉열을 통해 상기 해수를 가스 하이드레이트로 생성시키는 하이드레이트 장치 및 상기 하이드레이트 장치로부터 상기 가스 하이드레이트를 공급받아 해리시키는 해리 장치를 포함하되, 상기 하이드레이트 장치에서 잔존하는 상기 게스트 가스 또는 상기 해리 장치에서 해리된 가스를 상기 재응축기 또는 상기 액화가스 저장탱크로 공급하는 가스 재기화 시스템에 대해 개시되어 있다.
상술한 바와 같은 특허문헌 1에는 용출액에 이산화탄소를 주입하여 탄산칼슘(CaCO3)을 수득하는 기술에 대해 개시되어 있고, 상기 특허문헌 2에는 이산화탄소를 투과시킬 수 있는 복수의 중공사막을 구비한 광물 탄산화 시스템에 대해 개시되어 있지만, 가스 하이드레이트 기술를 적용하여 광물탄산화용으로 사용하는 기술에 대해서는 개시되어 있지 않았다.
또, 상기 특허문헌 3에는 해수로부터 공급받은 냉열을 통해 상기 해수를 가스 하이드레이트로 생성시키는 하이드레이트 장치 및 상기 하이드레이트 장치로부터 상기 가스 하이드레이트를 공급받아 해리시키는 해리 장치에 대해 개시되어 있지만, 고액 분리를 대용량화하며 연속식으로 처리하여 광물탄산화용으로 사용하는 기술에 대해서는 개시되어 있지 않았다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 가스 하이드레이트 공정을 이용하여 막분리 농축수(염농도 6% 이상) 보다 더 고농도에서도 수자원을 확보하고, 다시 발생되는 농축액은 CO2와 광물탄산화에 이용할 수 있는 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고액 분리를 원심 분리형으로 적용하여 원심력에 따라 분리 효율이 결정되고, 대용량화가 가능하며, 세척 기능이 추가되어 제거 효율을 향상시킬 수 있는 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고액 분리를 대용량화하며 연속식으로 처리할 수 있는 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수뿐만 아니라 중동 및 중아 아시아 지역에 존재하는 고염도 지하수 또는 고농도 폐수에 적용할 수 있는 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 해수담수화 농축수 처리 시스템은 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수를 가스 하이드레이트 처리하여 광물탄산화용으로 사용하는 농축수 처리 시스템으로서, 해수담수화 플랜트에서 발생한 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수를 공급하는 농축수 공급 모듈, 상기 농축수 공급 모듈에서 공급된 농축수에 가스를 주입하여 가스 하이드레이트를 형성하는 가스 하이드레이트 형성 모듈, 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈에 의해 형성된 가스 하이드레이트를 슬러리 형상으로 형성하여 농축액과 분리하는 고액 분리 모듈, 상기 슬러리에 대해 물 분자와 가스를 분리하는 해리 모듈을 포함하고, 상기 고액 분리 모듈은 원심 분리형으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 고액 분리 모듈에서 분리된 농축액을 CO2 공급 모듈에서 공급되는 CO2와 반응시켜 무기 탄산염을 생산하는 광물탄산화 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 고액 분리 모듈은 해수담수화 농축수(TDS 기준 6% 이상)를 다시 농축하여 TDS 기준 8% 이상의 농축액을 마련하여 광물 탄산화 모듈에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 고액 분리 모듈은 본체 내에 회전 가능하게 다단으로 마련되고, 둘레 면에는 농축액이 통과하도록 다수의 슬롯이 형성된 바스켓, 상기 바스켓 내에 회전 가능하게 다단으로 마련된 스크루, 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈로부터의 가스 하이드레이트 및 농축액을 상기 스크루의 내부로 공급하는 투입관, 상기 바스켓을 통과한 농축액을 상기 광물탄산화 모듈로 배출하는 농축액 배출관, 상기 바스켓에서 흘러내리는 슬러리를 상기 해리 모듈로 배출하는 슬러리 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 바스켓의 내부에는 여과판으로서 기능 하는 스크린이 부착된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 바스켓과 스크루는 전면에서 후면으로 갈수록 내경이 좁아지는 3단 구조의 원추형으로 마련된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 투입관은 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈로부터의 가스 하이드레이트 및 농축액을 상기 스크루의 후면으로 공급하도록 "ㄴ"자 형상으로 마련되고, 상기 바스켓 및 스크루를 세척하기 위한 세척수를 공급하는 세척관과 융합되게 마련된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 본체의 전면에 마련되어 상기 본체 내의 온도를 일정 온도로 유지시키기 위한 냉각 재킷을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈 및 해리 모듈에서는 상기 농축수에서 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)과 이물질을 동시에 제거하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 농축수 처리 시스템에서, 상기 가스는 HFC134a인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템에 의하면, 기존 상용기술로 적용하기 어려운 6% 이상의 고농도 염수에 대해 추가적인 농축을 하여 회수하고자 하는 대상 자원의 회수율을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템에 의하면, 해수담수화 농축수의 농축과 동시에 담수를 생산하므로, 고농도 염수 또는 폐수 등의 감량을 실현할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템에 의하면, 투입관이 세척수를 공급하는 세척관과 융합되게 마련되므로, 세척 기능을 향상시킬 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 의해 생성되는 가스 하이드레이트 구조의 설명도,
도 2는 본 발명에 적용되는 CO2의 광물탄산화의 개념을 설명하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템의 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 고액 분리 모듈의 측면 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 고액 분리 모듈의 정면 단면도,
도 6은 도 4에 도시된 3단 구조의 바스켓의 사진,
도 7은 도 4에 도시된 스크린의 예를 나타내는 사진,
도 8은 도 4에 도시된 3단 구조의 스크루의 사진,
도 9는 도 4에 도시된 투입관의 사진,
도 10은 도 4에 도시된 냉각 재킷과 프레임의 사진,
도 11은 모터의 회전수에 따른 성능 비교 결과를 나타내는 도면,
도 12는 스크린의 메쉬 크기에 따른 성능 비교 결과를 나타내는 도면,
도 13은 세척수 분사시 회전수별 성능 비교 결과를 나타내는 도면,
도 14는 세척수 분사시 메쉬 별 성능 비교 결과를 나타내는 도면,
도 15는 염 성분별 최대 제거율을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 적용되는 CO2의 광물탄산화의 개념을 설명하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템의 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 고액 분리 모듈의 측면 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 고액 분리 모듈의 정면 단면도,
도 6은 도 4에 도시된 3단 구조의 바스켓의 사진,
도 7은 도 4에 도시된 스크린의 예를 나타내는 사진,
도 8은 도 4에 도시된 3단 구조의 스크루의 사진,
도 9는 도 4에 도시된 투입관의 사진,
도 10은 도 4에 도시된 냉각 재킷과 프레임의 사진,
도 11은 모터의 회전수에 따른 성능 비교 결과를 나타내는 도면,
도 12는 스크린의 메쉬 크기에 따른 성능 비교 결과를 나타내는 도면,
도 13은 세척수 분사시 회전수별 성능 비교 결과를 나타내는 도면,
도 14는 세척수 분사시 메쉬 별 성능 비교 결과를 나타내는 도면,
도 15는 염 성분별 최대 제거율을 나타내는 도면.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명에 적용되는 "가스 하이드레이트(Gas Hydrate)"는 고압과 저온의 조건에서 순수 물 분자 간의 수소결합으로 형성되는 3차원의 격자구조에 동공(cavity)이라는 빈 공간이 생기고, 이 동공에 저분자 기체가 물리적으로 포획되어 생성되는 것으로 최초의 액상인 물과 기상인 가스와는 완연히 다른 고상의 물질이다. 저온과 고압의 조건에서 수소 결합을 하는 주체 분자(host molecule)인 물 분자의 고상 격자(lattice) 내에 하이드레이트 형성자 또는 객체 분자(guest molecule)인 기체 분자가 포집되는 것으로, 외관상으로는 얼음과 비슷하지만 결정구조는 확연히 다른 모습을 보인다. 이러한 가스 하이드레이트는 주체 분자가 물 분자이고, 객체 분자가 메탄이나 에탄, 프로판 또는 이산화탄소와 같이 저분자 가스 분자들이다. 즉, 본 발명에 의해 생성된 가스 하이드레이트(가스 수화물법)는 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 분자와 물 분자(순수 물)가 물리적으로 결합하고 있는 상태로서 물의 격자 내에 가스 분자가 저장되는 구조이다. 도 1은 본 발명에 의해 생성되는 가스 하이드레이트 구조의 설명도 이다.
또, 본원에서 사용하는 용어 "모듈" 또는 "부", "부재"는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 기계적 구성 또는 전기전자적 구성으로 이루어진 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있으며, 복수의 "모듈" 혹은 복수의 "부재"는 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 "모듈" 혹은 "부재"를 제외하고는 적어도 하나의 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있다.
또한, 본원에서 사용하는 용어 "농축수"는 가스 하이드레이트 처리 대상으로서, 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수를 예시적으로 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니고, 중동 및 중아 아시아 지역에 존재하는 고염도 지하수 또는 고농도 폐수를 적용할 수도 있다.
한편, 본 발명에 적용되는 CO2의 광물탄산화(mineral carbonation) 혹은 탄산염 광물화(carbonate mineralization)는 광물원 소스로서 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 철(Fe)과 같은 금속을 포함하는 화합물과 이산화탄소의 반응에 의해 불용성 탄산염이 형성되는 과정이다.
탄산화 반응은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, CO2가 원료물질과 직접적으로 반응하여 탄산화되는 단일 공정의 직접 탄산화(direct carbonation)와 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 원료 물질에서 반응성이 우수한 Ca/Mg 화합물(금속)을 추출(용출, extraction, leaching), 그리고 중간 단계의 물질을 탄산화하는 간접 탄산화(indirect carbonation)로 구분된다. 도 2는 본 발명에 적용되는 CO2의 광물탄산화의 개념을 설명하는 도면이다.
직접 탄산화 방법은 기체-고체 탄산화(direct gas-solid carbonation)와 수성 탄산화(direct aqueous carbonation)로 세분할 수 있으며, 가장 간단한 형태의 탄산화 방법인 기체-고체 탄산화 반응은 고상의 알칼리 토금속 산화물 분말과 CO2 기체를 직접 반응시켜 탄산화시키는 방법이다. 가스 혹은 초임계 CO2를 이용하여 금속산화물을 탄산염 형태로 만드는 방법으로 공정이 간단하고, 고온의 열을 회수할 수 있는 장점이 있으나, 상온이나 상압에서의 반응이 매우 느리다는 단점을 가지고 있다.
수용액에서 단일 공정으로 이루어지는 직접 수성 탄산화 공정은 현재까지 개발된 광물탄산화 공정 중 가장 유망한 기술의 하나로 평가받고 있다. 이 공정과 관련하여 마그네슘 혹은 칼슘 실리케이트(silicates)의 탄산화 반응이 많이 연구되고 있는데, 물과 전처리 된 감람석 혹은 사문석 슬러리와 가압된 형태의 CO2와의 반응으로 탄산마그네슘(고토석, magnesite)이 생성된다.
간접 탄산화 방법은 원료 물질에서 CO2와 반응할 수 있는 성분 Mg 혹은 Ca 화합물을 추출한 후(중간 단계 물질을 생산), CO2와의 반응을 통하여 탄산화시키는 방법이다. 이 방법은 일반적으로 직접 탄산화보다 더 빠른 탄산화 방법이라고 알려졌지만, Mg 혹은 Ca 화합물을 추출하기 위한 추가적인 에너지 혹은 화학물질이 투입되어야 하고 다단계의 반응 공정이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 간접 탄산화 기술은 여러 가지 기술로 세분화할 수 있으나, 전체 공정은 크게 Ca/Mg 화합물 추출 공정과 탄산화 공정으로 나눌 수 있다. 그리고 금속 성분의 용출 후 탄산화 반응은 크게 기체-고체 반응 혹은 수용액 내에서의 탄산화 반응으로 구분할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도면에 따라서 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템의 블록도 이다.
본 발명의 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수를 가스 하이드레이트 처리하여 광물탄산화용으로 사용하는 농축수 처리 시스템으로서, 해수담수화 플랜트에서 발생한 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수를 공급하는 농축수 공급 모듈(100), 상기 농축수 공급 모듈(100)에서 공급된 농축수에 가스를 주입하여 가스 하이드레이트를 형성하는 가스 하이드레이트 형성 모듈(200), 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)에 의해 형성된 가스 하이드레이트를 슬러리 형상으로 형성하여 농축액과 분리하는 고액 분리 모듈(300), 상기 슬러리에 대해 물 분자와 가스를 분리하는 해리 모듈(400), 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)에 가스를 주입하고 상기 해리 모듈(400)에서 상기 가스를 회수하는 가스 주입 및 회수 모듈(500)을 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템에서는 상기 고액 분리 모듈(300)에서 분리된 농축액을 CO2 공급 모듈(700)에서 공급되는 CO2와 반응시켜 무기 탄산염을 생산하는 광물탄산화 모듈(600)을 포함할 수도 있다.
먼저, 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템이 적용되고 해수담수화 플랜트에서 발생한 농축수를 이용한 간접 광물탄산화 중 수용액 내에서의 탄산화 반응을 설명한다.
상기 농축수 공급 모듈(100)에서는 Mg2+가 있는 해수담수화 플랜트에서 발생한 농축수에 NaOH 등의 알칼리성 물질을 사용하여 pH를 높인다. pH를 높이는 이유는 광물탄산화 모듈(600)에서의 탄산화 반응에서 고온, 고압의 조건이 필요하지만 매우 빠르게 진행되기 때문이다.
반응 후 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)과 고액 분리 모듈(300)의 원심분리기를 이용해 Mg(OH)2와 농축시킨 해수에 남은 이온들과 불순물들을 분리시킨다.
광물탄산화 모듈(600)에서는 H2O와 CO2, 고순도 Mg(OH)2 농축액이 하기 반응식과 같은 반응이 진행된다. H2O에 Mg(OH)2이 Mg2+와 2OH-로 해리되고 CO2 또한 물에 녹게 되면서 CO2와 OH-이 반응하여 HCO3 -가 만들어지고 HCO3 -와 OH-이 반응하여 CO3 2-가 만들어지고 그 후 Mg2+와 CO3 2-이 반응하여 무기 탄산염인 MgCO3이 생산된다.
[반응식]
Mg(OH)2 (s) + H2O (l) ↔ Mg2+ (aq) + 2OH- (aq)
CO2 (g) + H2O (l) ↔ CO2 (aq) + H2O (l)
CO2 (aq) + OH- (aq) → HCO3 - (aq)
HCO3 - (aq) + OH- (aq) → CO3 2- (aq) + H2O (l)
Mg2+ (aq) + CO3 2- (aq) → MgCO3 (s)]
상기 반응식과 같이 생성된 MgCO3 수용액은 고액분리를 통해 MgCO3 (s)을 제품화한다. 즉, 무기 탄산염인 MgCO3는 고순도와 저순도로 구획되며, 고순도는 재활용하여 부가가치가 높은 물질로 전환하는 CCU(Carbon Capture Utilization)로 활용될 수 있으며, 저순도는 지층에 폐기 저장되는 CCS(Carbon Capture Storage)로 처리될 수 있다.
상기 농축수 공급 모듈(100)은 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수를 저장하는 저장 탱크, 가압 펌프, 진공 펌프 등을 구비한 펌프실 및 농축수 공급 파이프 라인을 구비할 수 있으며, Mg2+가 있는 농축수에 NaOH 등의 알칼리성 물질을 투입하여 혼합하기 위한 혼합실을 구비할 수 있다.
상기 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)은 하이드레이트 형성을 위해 예를 들어, 4℃, 3bar로 유지될 수 있으며, 농축수 공급 모듈(100)에서 공급되는 광물원 소스로서 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)을 포함하는 농축수에 수(水)화물을 형성시킬 수 있는 가스를 가스 주입 및 회수 모듈(500)에서 주입받아 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)과 수화물을 분리하고, 이중 수화물(순수)만을 뽑아내기 위해 마련된다.
상기 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)은 농축수 공급 모듈(100)에 연결된 농축수 공급부, 가스 주입 및 회수 모듈(800)의 가스 회수 파이프 라인에 연결된 가스 공급부, 가스 하이드레이트를 형성하는 반응부, 농축수와 가스가 원활하게 혼합되도록 하여 반응부에 공급할 수 있는 벤츄리 밸브, 반응부의 내에 존재하는 유체를 외부로 배출할 수 있는 배출부, 최종 생성물인 가스 하이드레이트가 생성되면 이를 토출하는 토출부, 반응부와 연결되는 도관 중 온도 유지가 필요한 부분에 냉각수를 공급할 수 있는 냉각부를 포함할 수 있다. 또 반응부 내에는 최종 생성물인 가스 하이드레이트를 이송하기 위한 실린더, 반응부 내의 반응수를 교반하기 위한 교반 장치, 반응부 내의 센서 등의 구성 요소가 동결되는 것을 방지하기 위한 히터 등이 마련될 수도 있다.
상기 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)에서는 가스 하이드레이트 결정법을 이용하여 전처리 공정 없이 농축수에서 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)과 이물질을 동시에 제거할 수 있다. 즉, 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)을 포함하는 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수를 처리하는 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)에서는 농축수에 수(水)화물을 형성시킬 수 있는 가스(예를 들어, HFC134a)를 주입하여 아무런 전처리 없이 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)과 이물질이 배제된 수화물을 형성하고, 고액 분리 모듈(300)의 운영에 의해 이중 수화물(순수)만을 뽑아낼 수 있으므로, 광물탄산화 모듈(600)에서 사용될 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)의 농축액을 마련할 수 있다.
상기 고액 분리 모듈(300)은 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)의 토출부에서 토출되는 가스 하이드레이트 슬러리를 배출하여 해리 모듈(400)로 이송시킬 수 있는 콘타벡스(Conturbex) 타입의 원심 분리형으로 농축액과 슬러리를 분리하여 배출한다. 상기 콘타벡스(Conturbex)는 원심분리 원리를 이용한 고액분리장치의 일종이다.
또, 상기 고액 분리 모듈(300)에서는 해수담수화 농축수(TDS 기준 6% 이상)를 다시 농축하여 TDS 기준 8% 이상의 농축액을 마련하여 광물 탄산화 모듈(600)에 공급할 수 있다.
상기 고액 분리 모듈(300)의 구성에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 고액 분리 모듈의 측면 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 고액 분리 모듈의 정면 단면도이다.
본 발명에 따른 고액 분리 모듈(300)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 이동 가능한 베이스(301) 상에 원통형으로 마련된 본체(310), 상기 본체(310) 내에 회전 가능하게 마련된 바스켓(320), 상기 바스켓(320) 내에 회전 가능하게 마련된 스크루(330), 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)로부터의 가스 하이드레이트 및 농축액을 상기 스크루(330)의 내부로 공급하는 투입관(340), 상기 바스켓(320)을 통과한 농축액을 광물탄산화 모듈(600)로 배출하는 농축액 배출관(350), 상기 바스켓(320)에서 흘러내리는 슬러리를 해리 모듈(400)로 배출하는 슬러리 배출구(360), 상기 본체(310)의 전면에 마련되어 상기 본체(310) 내의 온도를 일정 온도로 유지시키기 위한 냉각 재킷(370), 상기 바스켓(320)과 상기 스크루(330)를 각각 독립적으로 회전시키도록 연결된 회전 부재(380), 상기 회전 부재(380)를 회전시키는 모터 부재(390)를 포함할 수 있다.
상기 베이스(301)에는 도 5에 도시된 바와 같이, 고액 분리 모듈(300)이 이동 가능하도록 다리 부재의 하부에 바퀴가 마련되고, 상부는 본체(310)가 장착되도록 지지판 형태로 마련될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 고액 분리 모듈(300)은 해수담수화 플랜트에서 이동 가능하게 마련될 수 있다.
상기 본체(310)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상하부가 밀폐된 원통형으로 마련되고, 본체(310)의 전면과 후면은 각각 투입관(340)과 회전 부재(380)가 삽입되는 개구를 갖도록 형성된다.
상기 바스켓(320)은 도 4에 도시된 바와 같이, 전면에서 후면으로 갈수록 내경이 좁아지는 3단 구조의 원추형으로 마련되며, 도 6에 도시된 바와 같이 바스켓(320)의 둘레 면에는 농축액이 통과하도록 다수의 슬롯이 마련된다. 도 6은 도 4에 도시된 3단 구조의 바스켓의 사진이다.
또, 상기 바스켓(320)의 내부에는 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이, 여과판으로서 기능 하는 스크린(321)이 부착된다. 도 7은 도 4에 도시된 스크린의 예를 나타내는 사진이다. 상기 스크린(321)은 농축액을 통과시켜 다수의 슬롯으로 배출되고, 슬러리는 차단하도록 메쉬 망으로 이루어질 수 있다. 스크린(321)에 의해 차단된 슬러리는 바스켓(320)의 전면 측으로 흘러 내리게 된다.
상기 스크루(330)는 상술한 바와 같은 바스켓(320)의 내부 구조에 대응하고 바스켓(320)의 내면과 소정의 간격을 갖도록 도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이, 3단 구조 원추형으로 마련되고, 후면은 개구되어 가스 하이드레이트 및 농축액이 바스켓(320)의 후면 측으로 공급되도록 개구 되게 마련된다. 도 8은 도 4에 도시된 3단 구조의 스크루의 사진이다.
상기 투입관(340)은 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)로부터의 가스 하이드레이트 및 농축액을 스크루(330)의 후면으로 공급하도록 도 4 및 도 9에 도시된 바와 같이, "ㄴ"자 형상으로 마련된다. 도 9는 도 4에 도시된 투입관의 사진이다. 즉, 상기 투입관(340)의 투입구는 본체(310)의 측면과 평행한 상태로 마련되고, 투입관(340)의 배출구는 스크루(330)의 내부에서 본체(310)의 측면과 수직인 상태로 마련되며, 이 투입관(340)은 바스켓(320) 및 스크루(330)를 세척하기 위한 세척수를 공급하는 세척관(341)과 융합되게 마련된다.
상기 농축액 배출관(350)은 바스켓(320)에 마련된 스크린(321)과 슬롯을 통과한 농축액이 광물탄산화 모듈(600)로 공급되도록 도 5에 도시된 바와 같이, 본체(310)의 측면에 마련되고, 이 농축액 배출관(350)의 상부에는 농축액의 배출 과정에 포함되는 공기를 배출하기 위한 에어 벤트(351)가 장착될 수 있다. 슬러리 배출구(360)는 바스켓(320)에서 흘러내리는 슬러리가 해리 모듈(400)로 공급되도록 본체(310)의 하부에 마련될 수 있다. 또, 상기 설명에서는 농축액이 광물탄산화 모듈(600)로 직접 공급되고, 슬러리가 해리 모듈(400)로 직접 공급되는 구조로 나타내었지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 별도의 농축액 저장 탱크와 슬러리 저장 탱크를 구비하여 사용할 수도 있다.
상기 냉각 재킷(370)은 바스켓(320)의 회전과 스크루(330)의 회전에 따라 발생하는 열에 의해 가스 하이드레이트가 손상되는 것을 방지하기 위해 도 4 및 도 10에 도시된 바와 같이, 냉각수 공급구 및 냉각수 배출구를 통해 냉각수가 본체(310)의 둘레 부분을 순환하도록 마련되어 본체(310) 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 도 10은 도 4에 도시된 냉각 재킷과 프레임의 사진이다.
이와 같은 냉각수는 본체(310)의 외부 둘레 부분으로 흐르게 하여 본체(310) 내부의 온도를 일정한 온도로 유지시킬 수 있다. 이를 위해 본체(310)의 내부에 온도 감지 부재가 장착될 수 있으며, 이 온도 감지 부재에서 감지된 온도 값에 따라 냉각 재킷이 자동으로 작동되는 구조를 적용할 수도 있다.
상기 회전 부재(380)는 도 4에 도시된 바와 같이, 바스켓(320)을 회전시키도록 마련된 제1 회전 부재와 상기 스크루(330)를 회전시키도록 마련된 제2 회전 부재를 포함한다. 상기 제1 회전 부재와 제2 회전 부재는 각각 독립적으로 바스켓(320)의 후면과 스크루(330)의 후면에 샤프트 등의 수단에 의해 결합되며, 모터 부재(390)에서 공급되는 회전력이 바스켓(320)과 스크루(330)에서 서로 다르게 전달되도록 감속 부재 또는 가속 부재를 포함할 수도 있다.
상기 모터 부재(390)는 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스(301) 상에 본체와 분리되어 마련되고, 모터의 회전 축은 체인 또는 벨트 등의 수단에 의해 상기 제1 회전 부재와 제2 회전 부재와 연결되도록 마련될 수 있다.
다음에 도 4 및 도 5에 도시된 고액 분리 모듈(300)의 특징 및 동작에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 고액 분리 모듈(300)은 원심 분리형을 적용하며, 원심분리의 원리는 가스 하이드레이트와 농축액의 혼합물이 투입관(340)에 투입되고, 바스켓(320) 및 스크루(330)의 회전에 의해 가스 하이드레이트와 농축액의 질량에 따라 받는 원심력이 달라지며, 가스 하이드레이트의 질량이 농축액의 질량보다 크므로 원심력도 바스켓(320)의 바깥쪽으로 침전되는 구조이다.
즉, 본 발명에 따른 고액 분리 모듈(300)은 콘타벡스의 원심 분리형으로서, 스크린(321)이 내장된 3단 원추형 바스켓(320)과 동일한 경사각도의 원추형 스크루(330)가 회전 부재(380)인 감속기에 연결되어 있다. 가스 하이드레이트인 고체와 농축액인 액체의 혼합 모액이 투입관(340)을 통하여 스크루(330)의 중앙 내부로 투입되면, 콘에 의해 스크린(321) 면 위에 고르게 뿌려져 쌓이고, 스크린(321) 표면과 정밀한 간격을 가진 원추형 스크루(330)가 바스켓(320)의 회전과 차속으로 회전하여 스크린(321) 위의 고체인 가스 하이드레이트를 균일하게 평탄화하여 짧은 시간에 바스켓(320)의 외부로 밀어내므로 투입량의 변동에도 강력히 대응할 수 있다. 또한, 스크루(330)는 가스 하이드레이트가 흘러내리는 것도 방지하여 농축액의 탈수를 돕는다. 따라서, 농축액은 스크린(321)과 바스켓(320)의 슬롯을 통과하여 농축액 배출관(350)로 배출된다.
또한, 본 발명에 따른 고액 분리 모듈(300)에서는 투입관(340)과 세척관(341)이 융합된 급액 배관을 사용함으로써 다양한 세척 노즐을 사용할 수 있었으며, 이 노즐의 타공 크기와 모양에 따라 분사 양과 방향을 조절할 수 있어 세척 효율을 높일 수 있다. 그리고 3단 바스켓(320)과 3단 스크루(330)를 사용함으로써 스테이지마다 분리되어 있으므로 단별로 농축액과 세척액을 개별적 회수로 여제교체가 필요없게 되어 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고액 분리 모듈(300)에서는 투입관(340)과 세척관(341)을 융합한 타입으로 마련하는 것에 의해 유입되는 가스 하이드레이트가 다단 구조의 바스켓(320)과 스크루(330) 그리고 적절한 사이즈의 스크린(321) 망을 통해 분리 효율 및 세척 효율을 향상시킬 수 있으며, 냉각 재킷(370)을 마련하는 것에 의해 가스 하이드레이트와 농축액의 분리 중 발생되는 온도변화를 억제시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 고액 분리 모듈(300)에 의한 성능 실험의 결과를 도 11 내지 도 15에 나타내었다.
도 11은 모터의 회전수에 따른 성능 비교 결과를 나타내는 도면이고, 도 12는 스크린의 메쉬 크기에 따른 성능 비교 결과를 나타내는 도면이고, 도 13은 세척수 분사시 회전수별 성능 비교 결과를 나타내는 도면이고, 도 14는 세척수 분사시 메쉬 별 성능 비교 결과를 나타내는 도면이고, 도 15는 염 성분별 최대 제거율을 나타내는 도면이다.
도 11 내지 도 15에서 알 수 있는 바와 같이, 회전수가 2500 RPM, 이고 메쉬 크기가 0.3㎜인 경우 염 성분의 제거 효율이 82.59%이고, 세척 분사시 염 성분의 제거 효율이 94.11%이며, Mg의 제거율은 94.44%이고, Ca의 제거율은 93.96%임을 알 수 있었다.
상기 해리 모듈(400)은 상온 및 상압 상태로 유지하기 위한 히터 등의 기구로 마련될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 고액 분리 모듈(300)을 통해 공급된 가스 하이드레이트를 해리시켜 해리수(담수 생산)와 해리 가스로 각각 분리한다. 상기 해리 모듈(400)에 의해 분리된 해리수(담수)는 별도로 마련된 저장 탱크 내에 충전되고, 분리된 가스는 가스 주입 및 회수 모듈(500)에 의해 회수되어 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)에 공급될 수 있다.
상기 가스 주입 및 회수 모듈(500)은 예를 들어, HFC134a를 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)의 반응부에 공급하며, 해리 모듈(400)에서 해리된 HFC134a를 회수할 수 있다. 또, 상기 설명에서는 가스로서 HFC134a를 적용하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 가스 하이드레이트를 이용하여 농축수에서 Mg 또는 Ca을 분리할 수 있는 기체이면 충족할 수 있다.
상술한 바와 같이, HFC134a 가스를 이용한 가스 하이드레이트 형성에서는 발열, 그리고 해리시에는 흡열과정이 수반된다. 이러한 상변이 과정의 엔탈피는 477 kj/kg-water로서 상당히 큰 값을 가지고 있기 때문에 가스 하이드레이트 형성과 해리 간의 온도를 교환하도록 냉각 재킷(370)과 같은 열교환기 모듈을 마련하여 경제성을 향상시킬 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)과 고액 분리 모듈(300)은 하이드레이트 공정을 이용하여 막분리 농축수(염농도 6% 이상) 보다 더 고농도에서도 수자원을 확보하고, 다시 발생되는 농축액은 CO2와 광물탄산화에 이용할 수도 있다.
상기 광물탄산화 모듈(600)은 상술한 바와 같은 CO2의 광물탄산화를 실현하기 위해 상기 고액 분리 모듈(300)에서 공급되는 농축액에 함유된 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 철(Fe)과 같은 금속을 포함하는 화합물을 광물원 소스로 사용하여 CO2 공급 모듈(700)에서 공급되는 이산화탄소의 반응에 의해 불용성의 무기 탄산염을 생산한다. 이와 같은 탄산화 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 단일 공정의 직접 탄산화 또는 간접 탄산화를 적용하여 실현할 수 있다. 상기 광물탄산화 모듈(600)에서 배출되는 무기 탄산염은 고순도와 저순도로 구획되며, 고순도는 재활용하여 부가가치가 높은 물질로 전환하는 CCU로 활용될 수 있으며, 저순도는 지층에 폐기 저장되는 CCS로 처리될 수 있다.
상기 CO2 공급 모듈(700)에는 예를 들어, 발전소 또는 시멘트 공장에서 발생되는 CO2가 포집되어 충전되며, CO2 공급 모듈(700)은 고액 분리 모듈(300)에서 공급되는 농축액의 공급량에 따라 CO2를 광물탄산화 모듈(600)로 공급할 수 있다.
또, 상기 설명에서는 CO2 공급 모듈(700)에서 광물탄산화 모듈(600)로 CO2를 공급하는 구조로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, CO2 공급 모듈(700)에서 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)로 CO2를 공급하는 구조에 적용할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템에서는 기존의 수처리 방법과 달리 원수의 성상에 크게 영향을 받지 않고, 안정적인 수처리가 가능하므로, 저비용/고효율의 수처리 공정을 실현할 수 있다.
또한, 가스 하이드레이트 형성 모듈(200)에서의 가스 하이드레이트 형성시 불순물이 포함된 수중에서 물 분자와 가스 분자로 이뤄진 가스 하이드레이트 결정체를 구성하며 불순물을 자연스럽게 배제하는 원리이므로 특정한 원소에 대한 차별 없이 함유된 모든 불순물을 농축할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템에서는 농축액을 마련함과 동시에 수자원으로서 담수 생산이 가능하므로 고농도 염수 또는 폐수 등의 감량을 실현할 수도 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템을 사용하는 것에 의해 회수하고자 하는 대상 자원의 회수율을 향상시킬 수 있다.
310 : 본체
320 : 바스켓
330 : 스크루
340 : 투입관
350 : 농축액 배출관
360 : 슬러리 배출구
320 : 바스켓
330 : 스크루
340 : 투입관
350 : 농축액 배출관
360 : 슬러리 배출구
Claims (10)
- 해수담수화 플랜트에서 발생하는 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수를 가스 하이드레이트 처리하여 광물탄산화용으로 사용하는 농축수 처리 시스템으로서,
해수담수화 플랜트에서 발생한 농축수, 고염도 지하수 또는 고농도 폐수를 공급하는 농축수 공급 모듈,
상기 농축수 공급 모듈에서 공급된 농축수에 가스를 주입하여 가스 하이드레이트를 형성하는 가스 하이드레이트 형성 모듈,
상기 가스 하이드레이트 형성 모듈에 의해 형성된 가스 하이드레이트를 슬러리 형상으로 형성하여 농축액과 분리하는 고액 분리 모듈,
상기 슬러리에 대해 물 분자와 가스를 분리하는 해리 모듈을 포함하고,
상기 고액 분리 모듈은 원심 분리형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제1항에서,
상기 고액 분리 모듈에서 분리된 농축액을 CO2 공급 모듈에서 공급되는 CO2와 반응시켜 무기 탄산염을 생산하는 광물탄산화 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제2항에서,
상기 고액 분리 모듈은 해수담수화 농축수(TDS 기준 6% 이상)를 다시 농축하여 TDS 기준 8% 이상의 농축액을 마련하여 광물 탄산화 모듈에 공급하는 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제2항에서,
상기 고액 분리 모듈은
본체 내에 회전 가능하게 다단으로 마련되고, 둘레 면에는 농축액이 통과하도록 다수의 슬롯이 형성된 바스켓,
상기 바스켓 내에 회전 가능하게 다단으로 마련된 스크루,
상기 가스 하이드레이트 형성 모듈로부터의 가스 하이드레이트 및 농축액을 상기 스크루의 내부로 공급하는 투입관,
상기 바스켓을 통과한 농축액을 상기 광물탄산화 모듈로 배출하는 농축액 배출관,
상기 바스켓에서 흘러내리는 슬러리를 상기 해리 모듈로 배출하는 슬러리 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제4항에서,
상기 바스켓의 내부에는 여과판으로서 기능 하는 스크린이 부착된 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제4항에서,
상기 바스켓과 스크루는 전면에서 후면으로 갈수록 내경이 좁아지는 3단 구조의 원추형으로 마련된 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제4항에서,
상기 투입관은 상기 가스 하이드레이트 형성 모듈로부터의 가스 하이드레이트 및 농축액을 상기 스크루의 후면으로 공급하도록 "ㄴ"자 형상으로 마련되고, 상기 바스켓 및 스크루를 세척하기 위한 세척수를 공급하는 세척관과 융합되게 마련된 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제4항에서,
상기 본체의 전면에 마련되어 상기 본체 내의 온도를 일정 온도로 유지시키기 위한 냉각 재킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제2항에서,
상기 가스 하이드레이트 형성 모듈 및 해리 모듈에서는 상기 농축수에서 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)과 이물질을 동시에 제거하는 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템. - 제2항에서,
상기 가스는 HFC134a인 것을 특징으로 하는 농축수 처리 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220173887A KR20240090075A (ko) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220173887A KR20240090075A (ko) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240090075A true KR20240090075A (ko) | 2024-06-21 |
Family
ID=91700372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220173887A KR20240090075A (ko) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240090075A (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101936809B1 (ko) | 2017-06-16 | 2019-01-09 | 한국해양대학교 산학협력단 | 알칼리 산업부산물과 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 탄산칼슘의 제조방법 |
| KR102171098B1 (ko) | 2020-02-27 | 2020-10-28 | 한국과학기술원 | 광물 탄산화 시스템 및 이를 이용한 광물 탄산화 방법 |
| KR102237252B1 (ko) | 2017-04-05 | 2021-04-07 | 한국조선해양 주식회사 | 가스 재기화 시스템 및 이를 포함하는 선박 |
-
2022
- 2022-12-13 KR KR1020220173887A patent/KR20240090075A/ko unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102237252B1 (ko) | 2017-04-05 | 2021-04-07 | 한국조선해양 주식회사 | 가스 재기화 시스템 및 이를 포함하는 선박 |
| KR101936809B1 (ko) | 2017-06-16 | 2019-01-09 | 한국해양대학교 산학협력단 | 알칼리 산업부산물과 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 탄산칼슘의 제조방법 |
| KR102171098B1 (ko) | 2020-02-27 | 2020-10-28 | 한국과학기술원 | 광물 탄산화 시스템 및 이를 이용한 광물 탄산화 방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mavukkandy et al. | Brine management in desalination industry: From waste to resources generation | |
| US9044711B2 (en) | Osmotically driven membrane processes and systems and methods for draw solute recovery | |
| Cipolletta et al. | Brine treatment technologies towards minimum/zero liquid discharge and resource recovery: State of the art and techno-economic assessment | |
| AU2010319846B2 (en) | Forward osmosis separation processes | |
| US7392848B1 (en) | Methods to produce sulfate-free saline water and gypsum | |
| Ihsanullah et al. | Waste to wealth: A critical analysis of resource recovery from desalination brine | |
| US20120205236A1 (en) | High-Efficiency Thermal-Energy-Driven Water Purification System | |
| Al-Absi et al. | Brine management strategies, technologies, and recovery using adsorption processes | |
| AU2011305488B2 (en) | Osmotically driven membrane processes and systems and methods for draw solute recovery | |
| AU2010295259B2 (en) | Thermal distillation system and process | |
| Habte et al. | Removal of Cd (II) and Pb (II) from wastewater via carbonation of aqueous Ca (OH) 2 derived from eggshell | |
| KR101206582B1 (ko) | 해수담수화를 위한 보론 제거 장치 및 방법 | |
| KR20240090075A (ko) | 광물탄산화용 해수담수화 농축수 처리 시스템 | |
| CN115594204B (zh) | 一种碳酸锂回收系统及方法 | |
| US11261111B2 (en) | Methods and systems for treating an aqueous solution | |
| US20170096355A1 (en) | Process and system for well water treatment | |
| Muhammed et al. | Fresh Water Generator: A Review | |
| US20240123400A1 (en) | Systems and methods for integrated direct air carbon dioxide capture and desalination mineral recovery | |
| RU2157347C2 (ru) | Способ получения тампонажных рассолов из природных минерализованных вод и установка для его осуществления | |
| US20220212957A1 (en) | Switchable System for High-Salinity Brine Desalination and Fractional Precipitation | |
| AU2015255210B2 (en) | Osmotically driven membrane processes and systems and methods for draw solute recovery | |
| Wu et al. | Methods for Concentrating and Treating Brine | |
| WO2022034353A1 (en) | Solvent extraction water treatment process for wide range of salinity with no liquid waste discharge | |
| CN110407369A (zh) | 一种耦合烟气净化处理的含盐废水处理系统及处理方法 | |
| KR20190052483A (ko) | 부하 변동에 따른 가변 mvr 증발 장치 및 공정 |