KR20240092221A - 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법 - Google Patents

해수로부터 농업용수를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 해수를 전처리조(10)로 이송하여, 해수 중에 포함된 이물을 제거하는 전처리 과정(S10); 이물이 제거된 전처리조(10)의 해수를 전해조(20)로 이송하여 전기분해 함으로써, 반응식 1(2NaCl + 2H2O → H2 + Cl2 + 2NaOH)에 의하여, 가성소다(NaOH: 수산화나트륨)를 생성하는 전기분해 과정(S20); 생성된 가성소다(NaOH)를 함유한 가성소다수를 상층의 석회석(CaCO3: 31)과 하층의 여재(32)가 적층된 반응여과조(30)를 통해 위에서 아래로 통과시킴으로써, 반응식 2(NaOH + CaCO3 + H2O → NaHCO3 + CaO + H2O)에 의한 가성소다(NaOH)와 석회석(CaCO3: 31)의 반응을 통해, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)을 생성하고, 생성된 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)을 여재(32)로 여과하여 제거하는 반응여과 과정(S30); 및 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)이 제거된 물을 농업용 저수부(40)로 이송하는 농업용수 저수 과정(S40); 을 포함한다.

Description

해수로부터 농업용수를 제조하는 방법{Method for Producing Agricultural Water from Seawater}
본 발명은 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 해수를 전기분해하고, 그 결과로 형성된 가성소다수를 석회석과 반응시켜 탄산수소나트륨과 산화칼슘을 형성한 후에, 여재에 의해 탄산수소나트륨과 산화칼슘을 걸러냄으로써, 농업용으로 사용할 수 있는 용수를 제조하는 방법에 관한 것이다.
대기의 이산화탄소 농도 증가에 따른 기후변화 등으로 인하여, 만성적 물 부족 현상이 계절적 및 지역적으로 더욱 빈번하게 발생하고 있으며, 이런 물 부족 현상은 식수에서뿐만 아니라 농업용수에서도 점점 심각해져 가고 있다.
이런 물 부족 문제를 해결하기 위해, 장기적으로는 탄소배출량을 줄이려는 노력과 함께, 중단기적으로는 부족한 물을 확보하려는 다양한 방법들이 연구 및 시행되고 있다.
부족한 물을 보충하는 대표적인 방법 중에 하나는, 염분 때문에 식수나 농업용수로는 사용할 수 없는, 지구상의 전체 수량의 97.5%에 이르는 해수를 담수화하는 것이다.
해수에는 대략 3.5 퍼센트 정도의 염류가 포함되어 있고, 염류의 대부분은 염화나트륨(염소와 나트륨)이고, 마그네슘, 황, 칼슘, 칼륨 등의 미네랄이 소량 포함되어 있으며, 해수를 담수화하는 것은, 해수 중에 포함된 염분, 특히 염화나트륨을 제거하는 과정이다.
널리 알려진 바와 같이 해수의 담수화 방법으로는, 해수를 가열, 증발 및 응축시킴으로써 담수를 얻는 증발법, 반투막을 사이에 두고 해수에 삼투압 보다 높은 역삼투압을 가하여 담수를 추출하여 얻는 역삼투압법, 예를 들어 이온교환막 사이에 전류를 인가하여 해수 중의 이온 성분들을 분리 및 제거하여 담수를 얻는 전기투석법, 및 해수를 결빙하여 염분을 배제시킨 후 해빙함으로써 담수를 얻는 냉동법 등 다양한 방법들이 있다.
아울러 해수를 전기분해 함으로써, 수소, 염소, 수산화나트륨 등의 유용 성분을 제조하는 방법들이 다양하게 알려져 있으며, 예를 들어 대한민국 특허 제10-0485500호의 ‘해수 담수화 장치’, 대한민국 특허 제10-1561925호의 ‘해수를 이용한 고순도 산화마그네슘의 제조방법’, 및 대한민국 특허 제10-1361651호의 ‘양극성 막을 사용하는 해수 전해 장치 및 이를 사용한 차아염소산 용액과 수소의 제조방법’ 등이 있다.
특히, 섬유의 염색과 비누 제조 등 산업 전반에 여러 용도로 사용되는 가성소다(수산화나트륨)는, 여러 가지 방법으로 제조되며, 전술한 바와 같이, 해수와 같은 염화나트륨 수용액을 전기분해하여 제조할 수 있다.
본 발명자는, 농업용수 부족의 어려움을 해결하는 방안에 대해 여러 가지로 모색한 결과, 널리 알려진 해수의 담수화와 전기분해 과정에 착안하여, 본 발명을 완성한 것이다.
본 발명의 목적은, 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 해수를 전기분해하고, 그 결과로 형성된 가성소다수를 석회석과 반응시켜 탄산수소나트륨과 산화칼슘을 형성한 후에, 생성된 탄산수소나트륨과 산화칼슘을 여재로 걸러냄으로써, 식수에 비해 상대적으로 불순물 존재에 대해 자유로운 농업용수를 상대적으로 저렴한 비용으로 제조하고자 하는 것이다.
본 발명에 따라, 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법은, 전처리 과정, 전기분해 과정, 반응여과 과정, 및 농업용수 저수 과정을 포함한다.
상기 전처리 과정은, 바다에서 집수한 해수를 전처리조로 이송하여, 해수 중에 포함된 이물을 제거하는 과정이다.
상기 전기분해 과정은, 이물이 제거된 상기 전처리조의 해수를 전해조로 이송하여 전기분해 함으로써, 하기 반응식 1에 의하여, 가성소다(NaOH: 수산화나트륨)을 생성하는 과정이다.
[반응식 1]
2NaCl + 2H2O → H2 + Cl2 + 2NaOH
상기 반응여과 과정은, 상기 가성소다(NaOH)를 함유한 가성소다수를 상층의 석회석(CaCO3)과 하층의 여재가 적층된 반응여과조를 통해 위에서 아래로 통과시킴으로써, 하기 반응식 2에 의한 상기 가성소다(NaOH)와 상기 석회석(CaCO3)의 반응을 통해, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO: 생석회)을 생성하고, 생성된 상기 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 상기 산화칼슘(CaO)을 상기 여재로 여과하여 제거하는 과정이다.
[반응식 2]
NaOH + CaCO3 + H2O → NaHCO3 + CaO + H2O
상기 농업용수 저수 과정은, 상기 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 상기 산화칼슘(CaO)이 제거된 물을 농업용 저수부로 이송하는 과정이다.
상기 반응여과조는, 상기 석회석(CaCO3)이 적층된 상류의 반응조와 상기 여재가 적층된 하류의 여과조로 분할 형성할 수 있다.
상기 저수부는, 예를 들어 저수지, 수로, 저수탱크, 살수차, 용수가 필요한 농지 등에서 적어도 하나 일 수 있다.
본 발명에 따른 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법에 의하면, 해수를 전기분해하고, 그 결과로 형성된 가성소다수를 석회석(CaCO3)과 반응시켜 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)을 생성한 후에, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)을 여재로 걸러냄으로써, 식수에 비해 상대적으로 불순물의 존재에 대한 제약에서 자유로운 농업용수를 상대적으로 저렴한 비용으로 제조할 수 있으며, 이로써 계절적, 지역적으로 발생할 수 있는 긴급한 농업용수 부족 문제를 신속하게 완화할 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명에 따른 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법에 의하면, 본 발명의 농업용수를 제조하는 과정에서 생성되는 수소, 염소, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 산화칼슘(CaO) 등의 부산물을 적절히 회수함으로써 필요한 용도에 활용할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법의 예시적인 공정도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법을 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
본 발명에 따른 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법은, 도1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 기본적으로 전처리 과정(S10), 전기분해 과정(S20), 반응여과 과정(S30), 및 농업용수 저수 과정(S40)을 포함한다.
상기 전처리 과정(S10)은, 전처리조(10)에서 실행되며, 바다에서 취수한 해수에 포함되어 있을 수 있는 각종 이물을 제거함으로써, 본 발명이 적용된 장치가 이물에 의해 손상되는 것을 방지하고, 결과적으로 제조된 농업용수가 오염 되는 것일 방지하기 위한 과정이다.
전처리 과정(S10)에서는, 해수에 포함된 각종 해조류, 나무 조각, 플라스틱 등과 같은 각종 부유 불순물을 필터(11: 예, 거름망)로 여과하여 제거할 수 있고, 모래 등과 같은 침전물을 침지시켜 제거할 수 있다.
도1에 도시된 구체예는, 전처리조(10)를 하나의 조로 도시하고 있지만, 필터(11)가 설치된 여과조(도시 생략)와 침전을 유도하는 침전조(도시 생략)로 분리 형성하는 것도 배제되지 아니한다.
본 발명에 따라 제조되는 농업용수는, 식수 등에 비하여 이물(불순물)에 대한 제약에서 상대적으로 자유로운 물이므로, 기본적으로 전처리 과정(S10)에서는, 혼입되면 농업용수로서 바람직하지 않거나 배관 막힘 등 장치의 손상을 줄 수 있는 각종 이물을, 여과와 침전 등에 의해 제거하면 충분하나, 환경에 따라 필요할 경우에는 물리학적 수처리, 화학적 수처리 및 생물학적 수처리 과정 등 다른 수처리 과정을 추가할 수 있다.
상기 전기분해 과정(S20)은, 이물이 제거된 해수를 전해조(20)로 이송하여, 직류전원을 인가하여 전기분해 함으로써, 아래의 반응식 1에 의하여, 물과 염화나트륨(NaCl)으로부터 가성소다(NaOH: 수산화나트륨)를 생성하는 과정이다.
[반응식 1]
2NaCl + 2H2O → H2 + Cl2 + 2NaOH
즉, 전처리조(10)에서 이물이 제거된 해수는, 배관을 통해 전해조(20)로 이송되고, 전해조(20)에 직류 전기가 인가됨에 따라, Na, Cl 및 H2O가 전기 분해되면서, Na+, Cl-, H+, OH- 등의 이온들이 생성되며, 이후 Cl-는 양극으로 이동하여 염소 가스(Cl2)가 생성되고, H+는 음극으로 이동하여 수소 가스(H2)가 생성된다.
그리고 Cl- 보다 반응성이 큰 Na+는 OH-와 결합하여 가성소다(NaOH)가 생성되며, 이로써 해수는 전기분해의 과정을 통해 가성소다(NaOH)가 용해되어 있는 가성소다수가 된다.
전기분해 과정(S20)에서 생성된 수소와 염소 등은 회수배관(21) 등을 통해 배출할 수 있고, 이를 포집하여 필요한 용도에 활용할 수 있다.
상기 반응여과 과정(S30)은, 가성소다(NaOH)를 함유한 가성소다수를 석회석(CaCO3: 31)과 반응시켜, 아래의 반응식 2에 의하여, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)을 생성하는 한편, 생성된 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)을 여재(32)로 여과하여 제거함으로써, 결과적으로 해수에서 염화나트륨(NaCl)이 제거된 농업용수로서의 물을 제조하는 과정이다.
[반응식 2]
NaOH + CaCO3 + H2O → NaHCO3 + CaO + H2O
즉, 가성소다(NaOH)를 함유한 가성소다수는 이송배관에 의해 반응여과조(30)로 이송되고, 이송된 가성소다수가 상층에 석회석(CaCO3: 31)이 적층되어 있고 하층에 여재(32)가 적층된 반응여과조(30)를 위에서 아래로 통과하면서, 상기 반응식 2에 의한 가성소다(NaOH)와 석회석(CaCO3)의 반응을 통해, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)를 생성하며, 생성된 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)은 여재(32)에 의해 여과되면서, 반응여과조(30)의 배출구를 통해서는 농업용수로서의 물이 배출된다.
여재(32)로서는, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO) 등을 여과하여 제거할 수 있는 것이라면 특히 제한되지 아니하며, 예를 들어 모래, 운모, 숯 등을 층층이 적층한 여재를 적용할 수 있다.
여재(32)는 단위 크기의 카트리지 형태로 형성함으로써, 수명을 다하면 용이하게 교체할 수 있도록 할 수 있다.
반응여과 과정(S30)은, 도1에 도시된 바와 같이, 하나의 반응여과조(30)에서 연속적으로 실행할 수도 있고, 반응여과조(30)를 석회석(CaCO3 ;31)이 적층된 상류의 반응조(도시 생략)와 여재(32)가 적층된 하류의 여과조(도시 생략)로 분할 형성하여, 단계적으로 반응과 여과가 실행되도록 할 수도 있다.
상기 반응식 2에 의하여 생성된 산화칼슘(CaO)은, 대부분은 여재(32)에 의해 여과되고, 일부는 물에 용해되어 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 형태로 농업용수에 함유될 수 있으나, 산화칼슘(CaO)은 산성화된 토양을 중화시켜 개량할 수 있는 유용한 비료 성분이므로, 결과적으로 제조된 물에 산화칼슘(CaO)이 일부 함유되어도, 농업용수로서의 사용에는 문제가 되지 아니한다.
여과된 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)은 여재(32)로부터 회수하여 필요한 용도에 활용할 수 있다.
상기 농업용수 저수 과정(S40)은, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)이 제거됨으로써 결과적으로 해수에서 염화나트륨(NaCl)이 제거된 농업용수로서의 물을 반응여과조(30)로부터 이송하여 저수부(40)에 저수하는 과정이다.
상기 저수부(40)는, 예를 들어 저수지, 수로, 저수탱크, 살수차, 용수가 필요한 농지 등, 환경에 따라 선택될 수 있으므로, 특히 제한하지 아니한다.
본 발명에 따른 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법에서, 양수와 전기분해 등에 사용되는 전원은, 태양광 에너지와 풍력 에너지 등 각종 친환경 에너지를 적용할 수 있다.
10: 전처리조
11: 필터
20: 전해조
21: 회수배관
30: 반응여과조
31: 석회석
32: 여재
40: 저수부

Claims (1)

  1. 해수를 전처리조(10)로 이송하여, 해수 중에 포함된 이물을 제거하는 전처리 과정(S10);
    이물이 제거된 상기 전처리조(10)의 해수를 전해조(20)로 이송하여 전기분해 함으로써, 하기 반응식 1에 의하여, 가성소다(NaOH: 수산화나트륨)를 생성하는 전기분해 과정(S20);
    상기 가성소다(NaOH)를 함유한 가성소다수를 상층의 석회석(CaCO3: 31)과 하층의 여재(32)가 적층된 반응여과조(30)를 통해, 위에서 아래로 통과시킴으로써, 하기 반응식 2에 의한 상기 가성소다(NaOH)와 상기 석회석(CaCO3: 31)의 반응을 통해, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 산화칼슘(CaO)을 생성하고, 생성된 상기 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 상기 산화칼슘(CaO)을 상기 여재(32)로 여과하여 제거하는 반응여과 과정(S30); 및
    상기 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 상기 산화칼슘(CaO)이 제거된 물을 농업용 저수부(40)로 이송하는 농업용수 저수 과정(S40);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법.
    [반응식 1]
    2NaCl + 2H2O → H2 + Cl2 + 2NaOH
    [반응식 2]
    NaOH + CaCO3 + H2O → NaHCO3 + CaO + H2O
KR1020220173824A 2022-12-13 2022-12-13 해수로부터 농업용수를 제조하는 방법 KR20240092221A (ko)

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