WO2014129724A1 - 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치 및 방법 - Google Patents

삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치 및 방법 Download PDF

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여인호
박용균
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane-based desalination apparatus and method capable of osmotic energy recovery. Specifically, the present invention relates to desalination of high saline water, seawater desalination, pressure recovery in desalination processes, energy production in desalination processes, or removal of solutes in aqueous high salt solutions and associated energy and / or pressure recovery.
  • seawater desalination technology As demand for drinking water or irrigation water continues to increase, the importance of seawater desalination technology is increasing. In addition, economically feasible and large-scale seawater desalination technologies are particularly important because of the continued population growth and growth of related industries.
  • Membrane-based desalination is less energy consuming than thermal desalination, but is still high. Energy-saving rates need to be lower for today's eco-friendly and economically viable desalination processes.
  • PRO pressure retarded osmosis
  • the driving force of the osmotic process is the difference in osmotic pressure between the two aqueous solutions facing the semipermeable membrane.
  • the osmotic pressure of the aqueous solution can be calculated by the Van't Hoff relationship.
  • v is the number of ions generated during desalination of the solute
  • ⁇ is the osmotic coefficient
  • c is the concentration of all solutes (moles / l)
  • R is the universal gas constant (0.083145 l.bar/moles.K)
  • T is the absolute temperature (K).
  • Jw A ( ⁇ D, b- ⁇ F, b)
  • Jw is the flow rate through the semipermeable membrane
  • A is the pure permeability coefficient of the semipermeable membrane
  • ⁇ D, b and ⁇ F, b are the bulk osmotic pressures at the time of extraction and supply, respectively.
  • PRO is used to generate or recover energy (power) using Gibbs free energy of mixing for the salinity differences of two aqueous solutions (Sandler, SI, 1999, Chemical Engineering Thermodynamics, 3rd ed) Wiley).
  • xi is the mole fraction of reagent i in solution
  • R is the gas constant
  • T is the temperature
  • a constant fluid pressure is applied to the high salinity aqueous solution, while water continues to penetrate from the low salinity aqueous solution, while the osmotic pressure difference between the two solutions is higher than the applied fluid pressure.
  • the pressure of the high salinity aqueous solution is preserved by the additional energy generated from the mixed cast free energy while the volume flux of the solution increases.
  • the highest energy that can be extracted in a constant pressure PRO process is 0.75 kWh / m3 when seawater and river water are used as extraction and feed solutions, respectively. Therefore, in terms of pressure and volume, the extracted mixed Gibbs free energy may be used to generate energy for the process or to recover the pressure.
  • aberration turbines can be used to generate power using the pressure and volume flux of the aqueous solution. Although the efficiency of modern Pelton turbines can reach 92%, the average efficiency is typically around 90%.
  • An embodiment of the present invention is to provide a membrane-based desalination apparatus and method capable of energy-efficient osmotic energy recovery.
  • a membrane-based desalination process using osmotic energy by pressure recovery comprising: A. withdrawing a first solution from raw water containing salt; B. boosting the first solution in a first pressure exchange device; C. separating the first solution into a second solution and a third solution; D. pressurizing the second solution; E. boosting the third solution in a second pressure exchange device; F. mixing the second solution and the third solution into a fourth solution, and supplying the fourth solution to a first semipermeable membrane to obtain product water; G. obtaining the generated water from the fourth solution and the remaining fifth solution is transferred to the second pressure exchange device to transfer pressure to a third solution and then to a second semipermeable membrane; H.
  • step I obtaining a sixth solution having a lower salinity than said fifth solution from raw water; I.
  • the sixth solution is supplied to the second semipermeable membrane to transfer water by the salinity difference between the sixth solution and the fifth solution in the second semipermeable membrane, resulting in lower salinity of the fifth solution.
  • step B the fifth solution passed through step I is introduced into the first pressure exchange device to transfer pressure to the first solution, thereby boosting the osmotic energy.
  • Possible membrane-based desalination methods can be provided.
  • a membrane-based desalination method capable of recovering osmotic energy may be provided further comprising the step of discharging or recycling the fifth solution after pressurizing the first solution.
  • the membrane-based desalination method capable of recovering osmotic energy may be provided by converting energy by introducing the fifth solution into an energy conversion device.
  • the energy conversion device may be provided with a membrane-based desalination method capable of osmotic energy recovery, characterized in that the turbine.
  • the membrane-based desalination method further comprises the step of adjusting the water quality, quantity, pressure and volume flow rate of the sixth solution before the sixth solution is supplied to the second semi-permeable membrane Can be provided.
  • the third solution may be provided with a membrane-based desalination method capable of recovering osmotic energy, characterized in that further pressurized by the first pressure regulator after being boosted in the second pressure exchange device.
  • the first pressure regulator may be provided with a membrane-based desalination method capable of osmotic energy recovery, characterized in that the pump.
  • the second solution may be provided with a membrane-based desalination method capable of osmotic energy recovery, characterized in that the pressurized by a second pressure regulator.
  • the second pressure regulating device may be provided with a membrane-based desalination method capable of osmotic energy recovery, characterized in that the pump.
  • the membrane-based desalination method capable of recovering osmotic energy, characterized in that the first solution is sea water or brine.
  • first and second semi-permeable membrane may be provided with a membrane-based desalination method capable of recovering osmotic energy, characterized in that any one of nano filtration, reverse osmosis membrane, forward osmosis membrane, PRO membrane, RO membrane, NF membrane. Can be.
  • the fifth solution is a membrane-based osmotic energy recovery, characterized in that any one of the primary sewage treatment water, secondary sewage treatment water, tertiary sewage treatment water, brine (brackish water), surface water and surface water.
  • the desalination method of may be provided.
  • step I a membrane-based desalination method capable of osmotic energy recovery in which the pressure of the fifth solution is maintained by the mixed cast free energy generated by the salinity difference may be provided.
  • a membrane-based desalination method capable of recovering osmotic energy by transferring pressure to the inlet solution to boost the inlet solution may be provided.
  • the membrane capable of recovering osmotic energy in which the pressure of the concentrated water is maintained by the mixed Gibbs free energy generated by the salinity difference Based desalination methods can be provided.
  • the inlet solution storage chamber for storing the influent solution containing salt;
  • a first pressure exchange device connected to the inlet solution storage chamber and configured to receive the inlet solution and adjust pressure;
  • a second pressure exchange device connected to the first pressure exchange device and configured to adjust the pressure by receiving the inflow solution pressure-controlled by the first pressure exchange device;
  • a first semi-permeable membrane connected to the second pressure exchange device and capable of separating the solution by osmotic pressure, wherein the produced water is discharged by the osmotic process in the inflow solution controlled by the pressure in the first and second pressure exchange devices.
  • the inlet solution is delivered to the concentrated water discharged from the chamber, and the pressure is increased, and the diluted and bulked solution discharged from the second osmotic process chamber in the first pressure exchange device transmits pressure to the inlet solution to supply the influent solution.
  • a membrane-based desalination apparatus capable of recovering osmotic energy may be provided.
  • a pump connected to the first pressure exchange device, wherein the influent solution boosted by the first pressure exchange device is branched into two solutions, and at least one of the two branched solutions is the second pressure exchange.
  • a membrane-based desalination device capable of osmotic energy recovery which is provided to the device and which is not provided to the second pressure exchange device of the two branched solutions, is provided to the pump and pressurized.
  • the membrane may further include a booster pump provided between the second pressure exchange device and the first osmosis process chamber to further pressurize the inflow solution pressurized by the second pressure exchange device.
  • Based desalination apparatus may be provided.
  • the osmosis is provided between the second pressure exchange device and the second osmosis process chamber, and further comprising a booster pump for adjusting the pressure of the inlet solution in the second pressure exchange device and then pressurizing the discharged solution Membrane-based desalination devices capable of energy recovery may be provided.
  • a membrane-based desalination apparatus capable of recovering osmotic energy, which is supplied to the first osmosis process chamber immediately after being pressurized by a pump and not supplied to the first pressure exchanger, may be provided.
  • an osmosis process such as PRO
  • a desalination process such as SWRO
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a desalination method according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a detailed example flow diagram of the desalination method of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the mass and energy balance of the osmosis membrane process used in the desalination method of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a desalination method according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a detailed example flow diagram of the desalination method of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the mass and energy balance of the osmosis membrane process used in the desalination method of FIG.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a desalination method according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a detailed example flow diagram of the desalination method of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the mass and energy balance of the osmosis membrane process used in the desalination method of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a desalination method according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a detailed exemplary flow diagram of the desalination method of FIG. 1
  • FIG. 3 is an osmosis membrane process used in the desalination method of FIG. 1. Is a diagram illustrating a mass and an energy balance.
  • a solution such as pretreated seawater, stored in the chamber 1, may be introduced into the first pressure exchange device 36 as the first solution 2 and pressurized.
  • the boosted first solution 57 may be separated into a second solution 70 and a third solution 56 by a multi-way valve, and the third solution 56 may flow into the second pressure exchange device 17.
  • the third solution 46 boosted by the second pressure exchange device 17 may be further pressurized by the first pressure regulator 19, such as a booster pump.
  • the second solution 70 may be pressurized in a second pressure regulator 58, such as a high pressure pump, and the pressurized second solution 10 may be mixed with the further pressurized third solution 47, A fourth solution in which the second solution 10 and the third solution 47 are mixed may be introduced into the first osmosis process chamber 11 including a first semi-permeable membrane, for example, a reverse osmosis membrane. .
  • the low salinity drinkable product water 12 that has passed through the first osmosis process chamber 11 is obtained from the first osmosis process chamber 11 and transferred to the chamber 13 for use in other applications such as drinking, irrigation or industrial purposes. Can be introduced.
  • the decompressed fifth solution 50 may be pressurized to a desired level by a third pressure regulator 51 such as a booster pump.
  • the fifth solution pressurized by the third pressure regulating device 51 is a fifth solution 52 which is a high salt and high pressure induction solution, into a second osmosis process chamber 25 including a second semipermeable membrane for the osmosis process. And may be exposed to the first surface of the second semipermeable membrane.
  • the chamber 62 is, for example, a storage tank for storing any one or more of primary sewage treatment water, secondary sewage treatment water, tertiary sewage treatment water, brackish water, ground water and surface water.
  • a sixth solution 63 having a lower salinity than the fifth solution 52 is introduced into the chamber 28 so that the water quality, quantity, pressure, and volume flow rate of the sixth solution 63 may be increased. It may be adjusted to a level suitable for the osmotic process in.
  • the chamber 28 may include a device for controlling at least one of water quality, quantity, pressure, and volume flow rate of the aqueous solution.
  • the chamber 62 may be an apparatus for receiving the sixth solution 63 from the outside and supplying the sixth solution 63 to the chamber 28.
  • the sixth solution 64 in which the pressure and volume flow rate are adjusted, is supplied as a feed solution to the second osmosis process chamber 25 and can be exposed to the second surface of the second semipermeable membrane. Due to the salinity difference between the fifth solution 52 and the sixth solution 64, water flows from the sixth solution 64 to the fifth solution 52, thereby increasing the volume flow rate of the fifth solution 52. Can be.
  • the first and second semi-permeable membrane may be any one of nano filtration, reverse osmosis membrane, forward osmosis membrane, PRO membrane, RO membrane, and NF membrane, respectively, and may be any other applicable membrane.
  • Extraction water exiting the sixth solution 64 through the second semipermeable membrane in the second osmosis process chamber 25 has a very low salinity, and is mixed with the fifth solution 52 by the salinity difference between the two solutions. Mixed Gibbs free energy can be generated. The pressure of the fifth solution 52 can be maintained by the resulting mixed cast free energy.
  • the fifth solution 59 in which the volume flow rate increases and the pressure is maintained, is withdrawn from the second osmotic process chamber 25, flows into the first pressure exchange device 36, and the It can be used to increase the pressure.
  • the fifth solution 60 having a lower pressure while increasing the pressure of the first solution 2 may be introduced into the chamber 61 for a separate treatment or process.
  • the concentrated sixth solution 65 may be stored or introduced into the chamber 66 for a separate treatment or process by losing water contained through the second semipermeable membrane.
  • the mass balance calculation is based on a volume flow rate of 100 m3 / h of a high salt influent aqueous solution, such as pre-treated seawater, a recovery efficiency of 50% of the first semipermeable membrane process, such as SWRO of the first osmosis process chamber 11, and a second osmotic process. It is assumed that the volumetric flow rate increase of the second semipermeable membrane process such as PRO in chamber 25 is 100%.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a desalination method according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a detailed exemplary flow diagram of the desalination method of FIG. 4
  • FIG. 6 is an osmosis membrane process used in the desalination method of FIG. 4. Is a diagram illustrating a mass and an energy balance.
  • a solution stored in the chamber for example an inflow solution 2 such as pretreated seawater, may be introduced into the chamber 3.
  • the inlet solution 2 can be branched into two solutions 43, 44.
  • the solution 43 may be pressurized by being introduced into the pressure regulating chamber 49 including, for example, a high pressure pump.
  • the first solution 44 branched from the inlet solution 2 may be boosted after entering the first pressure exchange device 36.
  • the pressurized first solution 45 may be branched into a second solution 68 and a third solution 67, and the third solution 67 may flow into the second pressure exchange device 17.
  • the third solution 46 boosted by the second pressure exchange device 17 may be further pressurized by the first pressure regulator 19, such as a booster pump.
  • the second solution 68 may be introduced into a second pressure regulator 48, such as a high pressure pump.
  • the solution 43 branched from the inlet solution 2 may be pressure controlled in the chamber 49, for example by a high pressure pump.
  • the solution 43 further pressurized in the chamber 49, that is, the solution 69 and the second pressurized solution 10 and the first pressure regulator 19 further pressurized in the chamber 48.
  • the three solutions 47 may be mixed and introduced into the first osmosis process chamber 11 comprising a first semipermeable membrane for desalination, eg, a reverse osmosis membrane, as a fourth solution.
  • the low salinity drinkable product water 12 that has passed through the first osmosis process chamber 11 is obtained from the first osmosis process chamber 11 and transferred to the chamber 13 for use in other applications such as drinking, irrigation or industrial purposes. Can be introduced.
  • the decompressed fifth solution 50 may be pressurized to a desired level by a third pressure regulator 51 such as a booster pump.
  • the fifth solution pressurized by the third pressure regulating device 51 is a fifth solution 52 which is a high salt and high pressure induction solution, into a second osmosis process chamber 25 including a second semipermeable membrane for the osmosis process. And may be exposed to the first surface of the second semipermeable membrane.
  • the chamber 26 may be, for example, a storage tank for storing any one or more of primary sewage treatment water, secondary sewage treatment water, tertiary sewage treatment water, brine, ground water and surface water.
  • a sixth solution 27 having a lower salinity than the five solution 52 is introduced into the chamber 28 so that the water quality, pressure and volumetric flow rate of the sixth solution 27 are suitable for the osmotic process in the second semipermeable membrane. Can be adjusted to a level.
  • the chamber 28 may include a device for controlling at least one of water quality, quantity, pressure, and volume flow rate of the aqueous solution.
  • the chamber 26 may be an apparatus for receiving the sixth solution 27 from the outside and supplying the sixth solution 27 to the chamber 28.
  • the sixth solution 29 whose pressure and volume flow rate are adjusted may be supplied to the second osmosis process chamber 25 as a feed solution and exposed to the second surface of the second semipermeable membrane.
  • the salinity difference between the fifth solution 52 and the sixth solution 29 causes water to flow out of the sixth solution 29 to the fifth solution 52, thereby increasing the volume flow rate of the fifth solution 52.
  • the first and second semi-permeable membrane may be any one of nano filtration, reverse osmosis membrane, forward osmosis membrane, PRO membrane, RO membrane, and NF membrane, respectively, and may be any other applicable membrane.
  • Extraction water exiting the sixth solution 29 through the second semi-permeable membrane in the second osmosis process chamber 25 has a very low salinity, and when mixed with the fifth solution 52, the salinity difference between the two solutions Mixed Gibbs free energy can be generated. The pressure of the fifth solution 52 can be maintained by the resulting mixed cast free energy.
  • the fifth solution 53 in which the volume flow rate increases and the pressure is maintained, is withdrawn from the second osmotic process chamber 25, enters the first pressure exchanger 36, and the It can be used to increase the pressure.
  • the fifth solution 54 whose pressure is lowered while increasing the pressure of the first solution 44 may be introduced into the chamber 55 for a separate treatment or process.
  • the sixth solution 30 concentrated after losing the water contained through the second semipermeable membrane may be stored or introduced into the chamber 31 for a separate treatment or process.
  • Mass balance calculations include volumetric flow rate of 100 m3 / h of high salt influent aqueous solution, such as pre-treated seawater, 50% first semipermeable membrane process recovery efficiency, such as SWRO of the first osmosis process chamber 11, and second osmosis process chamber. It is assumed that the volume flow rate increase of the second semi-permeable membrane process such as PRO of (25) is 100%.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a desalination method according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a detailed example flow diagram of the desalination method of FIG. 7
  • FIG. 9 is an osmosis membrane process used in the desalination method of FIG. 7. Is a diagram illustrating a mass and an energy balance.
  • a solution stored in the chamber 1 may be introduced into the chamber 3 as a first solution.
  • the first solution 2 can be branched into two solutions 4, 5.
  • the solution 5 can then enter the chamber 6 and again be separated into two solutions 7.8.
  • the flow of solution 7 is the starting flow for the desalination process, after which the flow may stop.
  • the solution 8 may enter the second pressure exchanger 17 as a third solution and may be elevated to a predetermined level.
  • the boosted third solution 18 may be further pressurized by a first pressure regulator 19, for example a booster pump.
  • the solution 4 branched from the first solution 2 enters the first pressure exchanger 36 and is boosted to the desired level and then a second pressure such as, for example, a high pressure pump, as the second solution 37. It can be pressurized by the regulator 9.
  • a second pressure such as, for example, a high pressure pump
  • the further pressurized second solution 10 may be mixed with the third solution 20 further pressurized by the first pressure regulator 19, and the second solution 10 and the third solution 20
  • This mixed fourth solution may be introduced into the first osmosis process chamber 11 comprising a first semipermeable membrane, for example a reverse osmosis membrane, for desalination.
  • the low salinity drinkable product water 12 that has passed through the first osmosis process chamber 11 is obtained from the first osmosis process chamber 11 and transferred to the chamber 13 for use in other applications such as drinking, irrigation or industrial purposes. Can be introduced.
  • the high pressure fifth solution 14 in which the fourth solution is concentrated through the first semipermeable membrane of the first osmosis process chamber 11 may be introduced into the chamber 15 and branched into two solutions 16 and 22. .
  • the solution 16 branched from the fifth solution 14 may enter the second pressure exchange device 17 and be used to increase the pressure of the third solution 8.
  • the solution 16 which has passed through the second pressure exchange device 17 is lowered in pressure, mixed with the solution 22 in the third pressure regulator 23 as the solution 21 and pressurized to be the fifth solution 24. It may be introduced into the second osmosis process chamber 25 as.
  • the fifth solution 24 is introduced into the second osmosis process chamber 25 including the second semipermeable membrane for the osmosis process as a high salt and high pressure induction solution, and is exposed to the first surface of the second semipermeable membrane. Can be.
  • the chamber 26 may be a storage tank for storing any one or more of, for example, primary sewage treatment water, secondary sewage treatment water, tertiary sewage treatment water, brackish water, ground water and surface water.
  • a sixth solution 27 having a lower salinity than the fifth solution 24 is introduced into the chamber 28 so that the water quality, quantity, pressure, and volume flow rate of the sixth solution 27 are reduced in the second semipermeable membrane. Can be adjusted to a level suitable for the osmotic process.
  • the chamber 28 may include a device for controlling at least one of the water quality, quantity, pressure, and volume flow rate of the aqueous solution.
  • the chamber 26 may be an apparatus for receiving the sixth solution 27 from the outside and supplying the sixth solution 27 to the chamber 28.
  • the sixth solution 29 whose pressure and volume flow rate are adjusted may be supplied to the second osmosis process chamber 25 as a feed solution and exposed to the second surface of the second semipermeable membrane.
  • the salinity difference between the fifth solution 24 and the sixth solution 29 causes water to flow from the sixth solution 29 to the fifth solution 24 so that the volumetric flow rate of the fifth solution 24 may increase. Can be.
  • the first and second semi-permeable membrane may be any one of nano filtration, reverse osmosis membrane, forward osmosis membrane, PRO membrane, RO membrane, and NF membrane, respectively, and may be any other applicable membrane.
  • the extracted water extracted from the sixth solution 29 through the second semi-permeable membrane in the second osmosis process chamber 25 has a very low salinity, and when mixed with the fifth solution 24, the salinity difference between the two solutions Mixed Gibbs free energy can be generated.
  • the pressure of the fifth solution 24 can be maintained by the resulting mixed cast free energy.
  • the fifth solution 32 which increases in volume flow rate and remains relatively pressure, can be withdrawn from the second osmotic process chamber 25, flowed into the chamber 33, and branched into two solutions 34, 35. .
  • the solution 35 may enter the first pressure regulator 36 and may be used to increase the pressure of the solution 4. In the process of increasing the pressure of the solution 4, the solution 35 is lowered in pressure, and may be introduced into the chamber 39 for a separate treatment or process as the solution 38.
  • the solution 34 enters an energy conversion device 40 such as a Pelton turbine, where the location and kinetic energy of the solution 34 can be converted to other energy by the energy conversion device 40. .
  • the lower pressure solution 34, ie solution 41, may enter the chamber 42 for a separate process or process.
  • the sixth solution 30 concentrated after losing the water contained through the second semipermeable membrane may be stored or introduced into the chamber 31 for a separate treatment or process.
  • the mass balance calculation is based on a volume flow rate of 100 m3 / h of a high salt influent aqueous solution, such as pre-treated seawater, a recovery efficiency of 50% of the first semipermeable membrane process, such as SWRO of the first osmosis process chamber 11, and a second osmotic process. It is assumed that the volumetric flow rate increase of the second semipermeable membrane process such as PRO in chamber 25 is 100%.

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Abstract

본 발명은 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 염분이 함유된 원수로부터 취수한 유입 용액을 제 1 반투과막으로 공급하여 생성수를 얻는 단계; 상기 제 1 반투과막에서 배출되는 농축수를 제 2 반투과막으로 공급하는 단계; 및 상기 농축수보다 염도가 낮은 공급 용액을 상기 제 2 반투과막으로 공급하여 상기 제 2 반투과막에서 상기 공급 용액과 상기 농축수의 염도차에 의한 물의 전달이 일어나 상기 농축수의 염도가 낮아지고 부피가 늘어나는 단계를 포함하고, 상기 유입 용액은 상기 제 1 반투과막으로 공급되기 전에 압력교환장치로 유입되고, 상기 제 2 반투과막을 거쳐서 부피가 늘어난 상기 농축수가 상기 압력교환장치로 유입되어 상기 유입 용액에 압력을 전달하여 상기 유입 용액을 승압하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법을 제공할 수 있다.

Description

삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치 및 방법
본 발명은 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 고염도수의 담수처리, 해수 담수화, 담수화 공정에서의 압력 회수, 담수화 공정에서의 에너지 생산 또는 고염도 수용액에서 용질의 제거 및 이와 관련된 에너지 및/또는 압력 회수에 관한 것이다.
먹는 물 또는 관개용수 등의 수요가 지속적으로 늘어나면서, 해수 담수화 기술의 중요성이 증대되고 있다. 또한, 지속적인 인구 증가 및 관련 산업의 성장 등의 이유로 경제적으로 실현 가능하고 규모가 큰 해수 담수화 기술은 특히 중요하다.
멤브레인 기반의 담수화 공정은 열적 담수화 공정에 비하여 에너지 소모가 적기는 하지만 여전히 높은 수준이고, 친환경적이고 경제적으로 실현 가능한 담수화 공정을 위해서는 에너지 소모율이 지금보다 더 낮아질 필요가 있다.
이에, 에너지 소모량이 적은 담수화 방법으로, 정삼투 및 직접 삼투 공정에서 발생되는 유체 에너지를 적용한 기술을 포함하는 몇 가지 방법들이 개발되어 왔다. 정삼투 기술은 이론적으로 에너지 소모가 없는 매커니즘을 갖지만, 이를 실제적으로 담수화 공정에 적용한 사례는 찾아볼 수가 없다.
정삼투 기술을 담수화 공정에 적용하는 데 있어서 연속적이고 실용적인 공정을 위해서는 유도 용액으로부터 물을 뽑아내는 기술 및 유도 용액의 회수 기술이 중요하지만, 이러한 기술들은 아직까지 미비한 문제점이 있다.
한편, 압력지연삼투(PRO : pressure retarded osmosis) 공정 기술은 에너지를 회수하거나 생산할 수 있는 기술로서 각광받고 있다(Statkraft Osmotic Power Pilot Plant, Norway). 그러나, PRO 공정 기술의 상업화를 위해서는 최대 에너지 회수 혹은 생성을 위한 혁신적인 기술 개발이 요구되는 실정이다.
삼투 프로세스의 구동력은 반투과막에 마주하는 두 개의 수용액 사이의 삼투 압력의 차이이다. 수용액의 삼투압은 반트 호프(Van’t Hoff) 관계식에 의해 계산될 수 있다.
π = θ.v.c.R.T.
여기서, v는 용질의 담수화 동안 발생된 이온의 개수이고, θ는 삼투 계수이며, c는 모든 용질의 농도(moles/l)이고, R은 보편 기체 상수(0.083145 l.bar/moles.K)이며, T는 절대 온도(K)이다.
삼투압 차이에 의해 반투과막을 통과하는 유수량은 다음 식(McCutcheon and Elimelech, 2007)으로서 주어진다.
Jw = A(πD,b － πF,b)
여기서, Jw는 반투과막을 통과하는 유수량이고, A는 반투과막의 순수 투과성능 계수이며, πD,b 및 πF,b는 각각 추출 및 공급 시의 벌크 삼투압이다.
PRO는 두 개의 수용액의 염도 차이에 대한 혼합의 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy of mixing)를 이용하여 에너지(파워)를 발생하거나 회수하기 위해 사용된다(Sandler, S. I., 1999, Chemical Engineering Thermodynamics, 3rd ed.; Wiley).
－ΔGmix = RT{[∑xiln( ixi)]M －θA[∑xiln( ixi)]A－θB[∑xiln( ixi)]B}
여기서, xi는 용액내의 시약(species) i의 몰분율이고, R은 기체 상수이며, T는 온도이고, 는 시약의 활동도 계수이다.
PRO 시스템에 있어서, 일정한 유체압이 고염도 수용액에 가해지며, 저염도 수용액으로부터 계속해서 물이 침투하는 반면, 두 용액의 삼투압 차이는 인가된 유체압보다 더 높다. 고염도 수용액의 압력은 용액의 체적 플럭스가 증가하는 동안에 혼합 깁스 자유 에너지로부터 발생되는 추가 에너지에 의해 보존된다.
Yip 및 Elimelch (2012) 에 의하면, 일정한 압력 PRO 프로세스에서 뽑아낼 수 있는 최고 에너지는 해수 및 강물이 추출 및 공급 용액으로 각각 사용될 때, 0.75 kWh/m3이다. 그러므로 압력 및 체적의 관점에서 볼 때, 추출된 혼합 깁스 자유 에너지는 프로세스를 위한 에너지를 발생하거나 압력을 회수하는데 사용될 수 있을 것이다.
에너지 생산 방식에 있어서, 수용액의 압력 및 체적 플럭스를 이용하여 전력을 생산하기 위해 수차 터빈이 이용될 수 있다. 이 때 최신 펠톤(Pelton) 터빈의 효율이 92%에 이를 수 있다 하더라도, 평균 효율은 일반적으로 90% 정도 수준이다.
압력 회수 방식에 있어서, PRO 프로세스로부터 추출된 혼합 깁스 자유 에너지를 담수화 공정에서의 압력 회수에 적용한 사례는 아직까지 없다. 최근의 역삼투 해수담수화 공정에서는 함수(brine)에 의해 압력을 회수하고 RO 공정에 들어가기 전에 해수를 예비적으로 가압하기 위해 압력교환장치(pressure exchangers)가 적용 된다. 이를 통해 RO 공정을 위해 해수에 예비적으로 가압할 때 필요한 에너지를 최대 60%까지 절약할 수 있다. 등가압력교환장치(isobaric pressure exchangers)와 같은 최근의 압력교환장치들은 효율이 최대 97%에 이른다. 따라서, 멤브레인 기반의 해수담수화 기술에서는 압력 회수 방식이 에너지 생산 방식보다 높은 효율을 자랑하므로, 더 나은 대안이 될 수 있다.
본 발명의 실시예는 에너지 효율이 높은 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 압력 회수에 의한 삼투압 에너지를 이용하는 멤브레인 기반의 담수화 공정에 있어서, A. 염분이 함유된 원수로부터 제 1 용액을 취수하는 단계; B. 상기 제 1 용액을 제 1 압력교환장치에서 승압하는 단계; C. 상기 제 1 용액을 제 2 용액 및 제 3 용액으로 분리하는 단계; D. 상기 제 2 용액을 가압하는 단계; E. 상기 제 3 용액을 제 2 압력교환장치에서 승압하는 단계; F. 상기 제 2 용액 및 상기 제 3 용액을 제 4 용액으로 혼합하고, 상기 제 4 용액을 제 1 반투과막에 공급하여 생성수를 얻는 단계; G. 상기 제 4 용액에서 상기 생성수가 얻어지고 남은 제 5 용액이 상기 제 2 압력교환장치로 전달되어 제 3 용액에 압력을 전달한 후 제 2 반투과막으로 전달되는 단계; H. 원수로부터 상기 제 5 용액보다 염도가 낮은 제 6 용액을 얻는 단계; I. 상기 제 6 용액을 상기 제 2 반투과막에 공급하여 상기 제 2 반투과막에서 상기 제 6 용액과 상기 제 5 용액의 염도차에 의한 물의 전달이 일어나 상기 제 5 용액의 염도가 낮아지고 부피가 늘어나는 단계를 포함하고, 상기 B 단계에서, 상기 I 단계를 거친 상기 제 5 용액이 상기 제 1 압력교환장치로 유입되어 상기 제 1 용액에 압력을 전달하여 제 1 용액을 승압하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, J. 상기 제 1 용액을 가압한 후의 상기 제 5 용액을 배출 또는 재활용하는 단계를 더 포함하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 J 단계에서, 상기 제 5 용액을 에너지 전환 장치로 유입시켜 에너지를 전환하는 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 에너지 전환 장치는 터빈인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 6 용액이 상기 제 2 반투과막에 공급되기 전에 상기 제 6 용액의 수질, 수량, 압력 및 체적 흐름율이 조절되는 단계를 더 포함하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 3 용액은 상기 제 2 압력교환장치에서 승압된 후 제 1 압력조절장치에 의해 한층 더 가압되는 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 1 압력조절장치는 펌프인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 D 단계에서, 상기 제 2 용액은 제 2 압력조절장치에 의해 가압되는 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 2 압력조절장치는 펌프인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 1 용액은 해수 또는 염수인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 반투과막은 각각 나노 여과, 역삼투막, 정삼투막, PRO 막, RO 막, NF 막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 5 용액은 1차 하수처리수, 2차 하수처리수, 3차 하수처리수, 염수(brackish water), 지표 및 표면수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 I 단계에서, 상기 염도차에 의해 생성되는 혼합 깁스 자유 에너지에 의해 상기 제 5 용액의 압력이 유지되는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 염분이 함유된 원수로부터 취수한 유입 용액을 제 1 반투과막으로 공급하여 생성수를 얻는 단계; 상기 제 1 반투과막에서 배출되는 농축수를 제 2 반투과막으로 공급하는 단계; 및 상기 농축수보다 염도가 낮은 공급 용액을 상기 제 2 반투과막으로 공급하여 상기 제 2 반투과막에서 상기 공급 용액과 상기 농축수의 염도차에 의한 물의 전달이 일어나 상기 농축수의 염도가 낮아지고 부피가 늘어나는 단계를 포함하고, 상기 유입 용액은 상기 제 1 반투과막으로 공급되기 전에 압력교환장치로 유입되고, 상기 제 2 반투과막을 거쳐서 부피가 늘어난 상기 농축수가 상기 압력교환장치로 유입되어 상기 유입 용액에 압력을 전달하여 상기 유입 용액을 승압하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 농축수가 상기 제 2 반투과막으로 공급되어 염도가 낮아지고 부피가 늘어날 때, 상기 염도차에 의해 생성되는 혼합 깁스 자유 에너지에 의해 상기 농축수의 압력이 유지되는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법이 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 염분이 함유된 유입 용액을 저장하는 유입 용액 저장 챔버; 상기 유입 용액 저장 챔버에 연결되고, 상기 유입 용액을 공급 받아 압력을 조절하는 제 1 압력교환장치; 상기 제 1 압력교환장치와 연결되고, 상기 제 1 압력교환장치에서 압력 조절된 상기 유입 용액을 공급 받아 압력을 조절하는 제 2 압력교환장치; 상기 제 2 압력교환장치에 연결되고, 삼투압에 의한 용액 분리가 가능한 제 1 반투과막을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 압력교환장치에서 압력이 조절된 상기 유입 용액에서 삼투 공정에 의해 생성수를 얻는 제 1 삼투 공정 챔버; 상기 제 2 압력교환장치에 연결되고, 삼투압에 의한 용액 분리가 가능한 제 2 반투과막을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 압력교환장치에서 압력이 조절된 상기 유입 용액에서 삼투 공정에 의해 생성수를 얻는 제 2 삼투 공정 챔버; 상기 제 2 압력교환장치에서 배출되는 용액보다 염도가 낮으며, 상기 제2 삼투 공정 챔버에 공급될 공급 용액을 저장하는 공급 용액 저장 챔버를 포함하고, 상기 제2 압력교환장치는 상기 제 1 삼투 공정 챔버에서 배출되는 농축수로 상기 유입 용액을 전달하여 승압하고, 상기 제 1 압력교환장치에서 상기 제 2 삼투 공정 챔버로부터 배출되는 희석되고 부피가 늘어난 용액이 상기 유입 용액에 압력을 전달하여 상기 유입 용액을 승압하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 1 압력교환장치에 연결되는 펌프를 포함하고, 상기 제 1 압력교환장치에서 승압된 상기 유입 용액이 두 용액으로 분지되고, 상기 분지된 두 용액 중 적어도 어느 하나는 상기 제 2 압력교환장치로 제공되고, 상기 분지된 두 용액 중 상기 제 2 압력교환장치에 제공되지 않은 용액은 상기 펌프로 제공되어 가압되는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 2 압력교환장치와 상기 제 1 삼투 공정 챔버의 사이에 제공되고, 상기 제 2 압력교환장치에서 가압된 상기 유입 용액을 한층 더 가압하는 부스터 펌프를 더 포함하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 2 압력교환장치와 상기 제 2 삼투 공정 챔버의 사이에 제공되고, 상기 제 2 압력교환장치에서 상기 유입 용액의 압력을 조절한 후 배출된 용액을 가압하는 부스터 펌프를 더 포함하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 유입 용액 중 적어도 일부는 상기 제 1 압력교환장치에 공급되지 않고 펌프에 의해 가압된 후 곧바로 상기 제 1 삼투 공정 챔버로 공급되는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, PRO와 같은 삼투 프로세스를 SWRO와 같은 담수화 프로세스에 적용하는 방법을 제공함으로써, 압력 법칙에 따른 혼합 깁스 자유 에너지의 추출에 의해 SWRO 프로세스의 에너지 소모를 줄일 수 있다는 효과가 있다.
또한, 삼투 프로세스에서 생성수가 얻어지면서 희석되고 부피가 늘어난 용액이 압력교환장치에 유입되어 유입 용액에 압력을 전달하여 유입 용액을 승압함에 의해 공정의 에너지 효율을 높일 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 담수화 방법을 설명하는 개략 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 담수화 방법의 상세 예시 플로우 다이어그램이다.
도 3은 도 1의 담수화 방법에서 사용되는 삼투막 공정의 질량 및 에너지 밸런스를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 담수화 방법을 설명하는 개략 다이어그램이다.
도 5는 도 4의 담수화 방법의 상세 예시 플로우 다이어그램이다.
도 6은 도 4의 담수화 방법에서 사용되는 삼투막 공정의 질량 및 에너지 밸런스를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 담수화 방법을 설명하는 개략 다이어그램이다.
도 8은 도 7의 담수화 방법의 상세 예시 플로우 다이어그램이다.
도 9는 도 7의 담수화 방법에서 사용되는 삼투막 공정의 질량 및 에너지 밸런스를 예시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 담수화 방법을 설명하는 개략 다이어그램이고, 도 2는 도 1의 담수화 방법의 상세 예시 플로우 다이어그램이며, 도 3은 도 1의 담수화 방법에서 사용되는 삼투막 공정의 질량 및 에너지 밸런스를 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 챔버(1)에 저장된 용액, 가령, 사전 처리된 해수 등의 유입 용액이 제 1 압력교환장치 (36)에 제 1 용액(2)으로서 유입되고 승압될 수 있다. 승압된 제 1 용액(57)은 멀티웨이 밸브에 의해 제 2 용액(70) 및 제 3 용액(56)으로 분리되고, 제 3 용액(56)은 제 2 압력교환장치 (17)로 유입될 수 있다. 제 2 압력교환장치 (17)에서 승압된 제 3 용액(46)은 제 1 압력조절장치(19), 가령, 부스터 펌프에 의해 한층 더 가압될 수 있다.
제 2 용액(70)은 고압 펌프와 같은 제 2 압력조절장치(58)에서 가압될 수 있고, 가압된 제 2 용액(10)은 한층 더 가압된 제 3 용액(47)과 혼합될 수 있고, 제 2 용액(10)과 제 3 용액(47)이 혼합된 제 4 용액이 담수화를 위한 제 1 반투과막, 예를 들어, 역삼투막을 포함하는 제 1 삼투 공정 챔버(11)로 유입될 수 있다.
제 1 삼투 공정 챔버(11)를 통과한 저염도의 음용 가능한 생성수(12)는 제 1 삼투 공정 챔버(11)로부터 얻어져서 음용, 관개 또는 산업용과 같은 다른 용도로 사용되도록 챔버(13)로 유입될 수 있다.
제 4 용액이 제 1 삼투 공정 챔버(11)의 제 1 반투과막을 거쳐서 농축된 고압의 제 5 용액(14)은 제 2 압력교환장치(17)로 유입되어 제 3 용액(56)의 압력을 높이는데 사용될 수 있다.
제 2 압력교환장치(17)를 통과한 후 감압된 제 5 용액(50)은 부스터 펌프 등의 제 3 압력조절장치(51)에서 소망하는 레벨로 가압될 수 있다.
제 3 압력조절장치(51)에서 가압된 제 5 용액은 고염도 및 고압의 유도 용액인 제 5 용액(52)으로서 삼투 공정을 위한 제 2 반투과막을 포함하는 제 2 삼투 공정 챔버(25)로 유입되고, 상기 제 2 반투과막의 제 1 표면에 노출될 수 있다.
한편, 챔버(62)는, 예를 들어 1차 하수처리수, 2차 하수처리수, 3차 하수처리수, 염수(brackish water), 지면수 및 표면수 중 어느 하나 이상을 저장하는 저장 탱크일 수 있고, 제 5 용액(52)보다 염도가 낮은 제 6 용액(63)이 챔버(28)로 유입되어 제 6 용액(63)의 수질, 수량, 압력 및 체적 흐름율이 상기 제 2 반투과막에서의 삼투 공정에 적합한 수준으로 조정될 수 있다. 챔버(28)는 수용액의 수질, 수량, 압력 및 체적 흐름율 중 적어도 어느 하나 이상을 조절하는 장치를 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 챔버(62)는 외부로부터 제 6 용액(63)을 유입 받아서 챔버(28)로 공급하는 장치일 수도 있다.
압력 및 체적 흐름율이 조정된 제 6 용액(64)은 제 2 삼투 공정 챔버(25)에 공급 용액으로서 공급되고, 상기 제 2 반투과막의 제 2 표면에 노출될 수 있다. 제 5 용액(52) 및 제 6 용액(64) 사이의 염도차에 의해 제 6 용액(64)으로부터 제 5 용액(52)으로 물이 유출되어 제 5 용액(52)의 체적 흐름율이 증가할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 반투과막은 각각 나노 여과, 역삼투막, 정삼투막, PRO 막, RO 막, NF 막 중 어느 하나일 수 있으며, 기타 다른 적용 가능한 막인 경우도 가능하다.
제 2 삼투 공정 챔버(25)내의 제 2 반투과막을 통해 제 6 용액(64)으로부터 빠져나가는 추출수는 염도가 매우 낮으며, 제 5 용액(52)과 혼합되면서 두 용액 사이의 염도차에 의해 혼합 깁스 자유 에너지가 생성될 수 있다. 생성된 혼합 깁스 자유 에너지에 의해 제 5 용액(52)의 압력이 유지될 수 있다.
체적 흐름율은 증가하고 상대적으로 압력은 유지되는 제 5 용액(59)은 제 2 삼투 공정 챔버(25)로부터 취수되고, 제 1 압력교환장치(36)로 유입되며, 제 1 용액(2)의 압력을 높이는데 이용될 수 있다. 제 1 용액(2)의 압력을 높이면서 압력이 낮아진 제 5 용액(60)은 별도의 처리 또는 프로세스를 위해 챔버(61)로 유입될 수 있다.
한편, 상기 제 2 반투과막을 통해 함유된 물을 잃고 농축된 제 6 용액(65)은 저장되거나 별도의 처리 또는 프로세스를 위해 챔버(66)로 유입될 수 있다.
도 2는 각 스트림들의 염도, 체적 흐름율 및 압력 특성을 나타낸다. 질량 균형 계산은 사전 처리된 해수와 같은 고염도 유입 수용액의 체적 흐름율 100m3/h, 제 1 삼투 공정 챔버(11)의 SWRO와 같은 제 1 반투과막 프로세스의 회수 효율 50% 및 제 2 삼투 공정 챔버(25)의 PRO와 같은 제 2 반투과막 프로세스의 체적 흐름율 증가가 100%인 경우를 전제로 하였다.
이하에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 담수화 방법에 대하여 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하겠다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 담수화 방법을 설명하는 개략 다이어그램이고, 도 5는 도 4의 담수화 방법의 상세 예시 플로우 다이어그램이며, 도 6은 도 4의 담수화 방법에서 사용되는 삼투막 공정의 질량 및 에너지 밸런스를 예시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 챔버(1)에 저장된 용액, 가령, 사전 처리된 해수 등의 유입 용액(2)이 챔버(3)로 유입될 수 있다. 챔버(3)에서 유입 용액(2)은 두 개의 용액(43, 44)으로 분지될 수 있다. 용액(43)은 예를 들어 고압 펌프 등을 포함하는 압력조절챔버(49)로 유입되어 가압될 수 있다.
유입 용액(2)에서 분지된 제 1 용액(44)은 제 1 압력교환장치(36)로 유입된 후 승압될 수 있다. 가압된 제 1 용액(45)은 제 2 용액(68) 및 제 3 용액(67)으로 분지되고, 제 3 용액(67)은 제 2 압력교환장치(17)로 유입될 수 있다. 제 2 압력교환장치(17)에서 승압된 제 3 용액(46)은 제 1 압력조절장치(19), 가령, 부스터 펌프에 의해 한층 더 가압될 수 있다.
한편, 제 2 용액(68)은 고압 펌프와 같은 제 2 압력조절장치(48)에 투입될 수 있다.
유입 용액(2)에서 분지된 용액(43)은 챔버(49)에서 예를 들어 고압 펌프에 의해 압력이 조절될 수 있다. 챔버(49)에서 한층 더 가압된 용액(43), 즉 용액(69)과 챔버(48)에서 한층 더 가압된 제 2 용액(10) 및 제 1 압력조절장치(19)에서 한층 더 가압된 제 3 용액(47)이 혼합되어 제 4 용액으로서 담수화를 위한 제 1 반투과막, 예를 들어, 역삼투막을 포함하는 제 1 삼투 공정 챔버(11)로 유입될 수 있다.
제 1 삼투 공정 챔버(11)를 통과한 저염도의 음용 가능한 생성수 (12)는 제 1 삼투 공정 챔버(11)로부터 얻어져서 음용, 관개 또는 산업용과 같은 다른 용도로 사용되도록 챔버(13)로 유입될 수 있다.
제 4 용액이 제 1 삼투 공정 챔버(11)의 제 1 반투과막을 거쳐서 농축된 고압의 제 5 용액(14)은 제 2 압력교환장치(17)로 유입되어 제 3 용액(67)의 압력을 높이는데 사용될 수 있다.
제 2 압력교환장치(17)를 통과한 후 감압된 제 5 용액(50)은 부스터 펌프 등의 제 3 압력조절장치(51)에서 소망하는 레벨로 가압될 수 있다.
제 3 압력조절장치(51)에서 가압된 제 5 용액은 고염도 및 고압의 유도 용액인 제 5 용액(52)으로서 삼투 공정을 위한 제 2 반투과막을 포함하는 제 2 삼투 공정 챔버(25)로 유입되고, 상기 제 2 반투과막의 제 1 표면에 노출될 수 있다.
한편, 챔버(26)는, 예를 들어 1차 하수처리수, 2차 하수처리수, 3차 하수처리수, 염수, 지면수 및 표면수 중 어느 하나 이상을 저장하는 저장 탱크일 수 있고, 제 5 용액(52)보다 염도가 낮은 제 6 용액(27)이 챔버(28)로 유입되어 제 6 용액(27)의 수질, 압력 및 체적 흐름율이 상기 제 2 반투과막에서의 삼투 공정에 적합한 수준으로 조정될 수 있다. 챔버(28)는 수용액의 수질, 수량, 압력 및 체적 흐름율 중 적어도 어느 하나 이상을 조절하는 장치를 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 챔버(26)는 외부로부터 제 6 용액(27)을 유입 받아서 챔버(28)로 공급하는 장치일 수도 있다.
압력 및 체적 흐름율이 조정된 제 6 용액(29)은 제 2 삼투 공정 챔버(25)에 공급 용액으로서 공급되고, 상기 제 2 반투과막의 제 2 표면에 노출될 수 있다. 제 5 용액(52) 및 제 6 용액(29) 사이의 염도차에 의해 제 6 용액(29)으로부터 제 5 용액(52)으로 물이 유출되어 제 5 용액(52)의 체적 흐름율이 증가할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 반투과막은 각각 나노 여과, 역삼투막, 정삼투막, PRO 막, RO 막, NF 막 중 어느 하나일 수 있으며, 기타 다른 적용 가능한 막인 경우도 가능하다.
제 2 삼투 공정 챔버(25)내의 제 2 반투과막을 통해 제 6 용액(29)으로부터 빠져나가는 추출수는 염도가 매우 낮으며, 제 5 용액(52)과 혼합되면 두 용액 사이의 염도차에 의해 혼합 깁스 자유 에너지가 생성될 수 있다. 생성된 혼합 깁스 자유 에너지에 의해 제 5 용액(52)의 압력이 유지될 수 있다.
체적 흐름율은 증가하고 상대적으로 압력은 유지되는 제 5 용액(53)은 제 2 삼투 공정 챔버(25)로부터 취수되고, 제 1 압력교환장치(36)로 유입되며, 제 1 용액(44)의 압력을 높이는데 이용될 수 있다. 제 1 용액(44)의 압력을 높이면서 압력이 낮아진 제 5 용액(54)은 별도의 처리 또는 프로세스를 위해 챔버(55)로 유입될 수 있다.
한편, 상기 제 2 반투과막을 통해 함유된 물을 잃고 농축된 제 6 용액(30)은 저장되거나 별도의 처리 또는 프로세스를 위해 챔버(31)로 유입될 수 있다.
도 5는 각 스트림들의 염도, 체적 흐름율 및 압력 특성을 나타낸다. 질량 균형 계산은 사전 처리된 해수와 같은 고염도 유입 수용액의 체적 흐름율 100m3/h, 제 1 삼투 공정 챔버(11)의 SWRO와 같은 제 1 반투과막 프로세스 회수 효율 50% 및 제 2 삼투 공정 챔버(25)의 PRO와 같은 제 2 반투과막 프로세스의 체적 흐름율 증가가 100%인 경우를 전제로 하였다.
이하에서는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 담수화 방법에 대하여 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명하겠다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 담수화 방법을 설명하는 개략 다이어그램이고, 도 8은 도 7의 담수화 방법의 상세 예시 플로우 다이어그램이며, 도 9는 도 7의 담수화 방법에서 사용되는 삼투막 공정의 질량 및 에너지 밸런스를 예시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 챔버(1)에 저장된 용액, 가령, 사전 처리된 해수 등의 유입 용액이 제 1 용액으로서 챔버(3)로 유입될 수 있다. 챔버(3)에서 제 1 용액(2)은 두 개의 용액(4, 5)으로 분지될 수 있다. 그 후, 용액(5)은 챔버(6)로 유입될 수 있고, 또 다시 두 개의 용액(7. 8)으로 분리될 수 있다. 용액(7)의 흐름은 담수화 프로세스를 위한 개시 흐름으로서, 흐름이 시작된 후에는 흐름이 멈출 수 있다. 용액(8)은 제 3 용액으로서 제 2 압력교환장치(17)로 유입되고 소정 레벨로 승압될 수 있다. 승압된 제 3 용액(18)은 예를 들어 부스터 펌프와 같은 제 1 압력조절장치(19)에 의해 한층 더 가압될 수 있다.
제 1 용액(2)에서 분지된 용액(4)은 제 1 압력교환장치(36)에 유입되고, 소망하는 레벨로 승압된 후 제 2 용액(37)으로서 예를 들어 고압 펌프와 같은 제 2 압력조절장치(9)에 의해 가압될 수 있다.
한층 더 가압된 제 2 용액(10)은 제 1 압력조절장치(19)에 의해 한층 더 가압된 제 3 용액(20)과 혼합될 수 있고, 제 2 용액(10)과 제 3 용액(20)이 혼합된 제 4 용액이 담수화를 위한 제 1 반투과막, 예를 들어, 역삼투막을 포함하는 제 1 삼투 공정 챔버(11)로 유입될 수 있다.
제 1 삼투 공정 챔버(11)를 통과한 저염도의 음용 가능한 생성수(12)는 제 1 삼투 공정 챔버(11)로부터 얻어져서 음용, 관개 또는 산업용과 같은 다른 용도로 사용되도록 챔버(13)로 유입될 수 있다.
제 4 용액이 제 1 삼투 공정 챔버(11)의 제 1 반투과막을 거쳐서 농축된 고압의 제 5 용액(14)은 챔버(15)로 유입되어 두 개의 용액(16, 22)으로 분지될 수 있다.
제 5 용액(14)에서 분지된 용액(16)은 제 2 압력교환장치(17)로 유입되어 제 3 용액(8)의 압력을 높이는데 사용될 수 있다.
제 2 압력교환장치(17)를 통과한 용액(16)은 압력이 낮아지고, 용액(21)으로서 제 3 압력조절장치(23)에서 용액(22)과 혼합되고 가압되어 제 5 용액(24)으로서 제 2 삼투 공정 챔버(25)에 유입될 수 있다. 제 5 용액(24)은 고염도 및 고압의 유도 용액으로서 삼투 공정을 위한 제 2 반투과막을 포함하는 제 2 삼투 공정 챔버(25)로 유입되고, 상기 제 2 반투과막의 제 1 표면에 노출될 수 있다.
한편, 챔버(26)는 예를 들어 1차 하수처리수, 2차 하수처리수, 3차 하수처리수, 염수(brackish water), 지면수 및 표면수 중 어느 하나 이상을 저장하는 저장 탱크일 수 있고, 제 5 용액(24)보다 염도가 낮은 제 6 용액(27)이 챔버(28)로 유입되어 제 6 용액(27)의 수질, 수량, 압력 및 체적 흐름율이 상기 제 2 반투과막에서의 삼투 공정에 적합한 수준으로 조정될 수 있다. 챔버(28)는 수용액의 수질, 수량, 압력 및 체적 흐름율 중 적어도 어느 하나 이상을 조절하는 장치를 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 챔버(26)는 외부로부터 제 6 용액(27)을 유입 받아서 챔버(28)로 공급하는 장치일 수도 있다.
압력 및 체적 흐름율이 조정된 제 6 용액(29)은 제 2 삼투 공정 챔버(25)에 공급 용액으로서 공급되고, 상기 제 2 반투과막의 제 2 표면에 노출될 수 있다. 제 5 용액(24) 및 제 6 용액(29) 사이의 염도차에 의해 제 6 용액(29)으로부터 제 5 용액(24)으로 물이 인입되어 제 5 용액(24)의 체적 흐름율이 증가할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 반투과막은 각각 나노 여과, 역삼투막, 정삼투막, PRO 막, RO 막, NF 막 중 어느 하나일 수 있으며, 기타 다른 적용 가능한 막인 경우도 가능하다.
제 2 삼투 공정 챔버(25)내의 제 2 반투과막을 통해 제 6 용액(29)으로부터 추출된 추출수는 염도가 매우 낮으며, 제 5 용액(24)과 혼합되면 두 용액 사이의 염도차에 의해 혼합 깁스 자유 에너지가 생성될 수 있다. 생성된 혼합 깁스 자유 에너지에 의해 제 5 용액(24)의 압력이 유지될 수 있다.
체적 흐름율은 증가하고 상대적으로 압력은 유지되는 제 5 용액(32)은 제 2 삼투 공정 챔버(25)로부터 취수되고, 챔버(33)로 유입되어 두 용액(34, 35)으로 분지될 수 있다.
용액(35)은 제 1 압력조절장치(36)로 유입될 수 있고, 용액(4)의 압력을 높이는데 사용될 수 있다. 용액(4)의 압력을 높이는 과정에서 용액(35)은 압력이 낮아지고, 용액(38)로서 별도의 처리 또는 프로세스를 위해 챔버(39)로 유입될 수 있다.
용액(34)은 펠톤 터빈(Pelton turbine)과 같은 에너지 전환 장치(40)로 유입되고, 이곳에서 용액(34)의 위치 및 운동 에너지가 에너지 전환 장치(40)에 의해 다른 에너지로 전환될 수 있다. 압력이 낮아진 용액(34), 즉 용액(41)은 별도의 처리 또는 프로세스를 위해 챔버(42)로 유입될 수 있다.
한편, 상기 제 2 반투과막을 통해 함유된 물을 잃고 농축된 제 6 용액(30)은 저장되거나 별도의 처리 또는 프로세스를 위해 챔버(31)로 유입될 수 있다.
도 8은 각 스트림들의 염도, 체적 흐름율 및 압력 특성을 나타낸다. 질량 균형 계산은 사전 처리된 해수와 같은 고염도 유입 수용액의 체적 흐름율 100m3/h, 제 1 삼투 공정 챔버(11)의 SWRO와 같은 제 1 반투과막 프로세스의 회수 효율 50% 및 제 2 삼투 공정 챔버(25)의 PRO와 같은 제 2 반투과막 프로세스의 체적 흐름율 증가가 100%인 경우를 전제로 하였다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 담수화 방법의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

Claims (20)

  1. 압력 회수에 의한 삼투압 에너지를 이용하는 멤브레인 기반의 담수화 공정에 있어서,
    A. 염분이 함유된 원수로부터 제 1 용액을 취수하는 단계;
    B. 상기 제 1 용액을 제 1 압력교환장치에서 승압하는 단계;
    C. 상기 제 1 용액을 제 2 용액 및 제 3 용액으로 분리하는 단계;
    D. 상기 제 2 용액을 가압하는 단계;
    E. 상기 제 3 용액을 제 2 압력교환장치에서 승압하는 단계;
    F. 상기 제 2 용액 및 상기 제 3 용액을 제 4 용액으로 혼합하고, 상기 제 4 용액을 제 1 반투과막에 공급하여 생성수를 얻는 단계;
    G. 상기 제 4 용액에서 상기 생성수가 얻어지고 남은 제 5 용액이 상기 제 2 압력교환장치로 전달되어 제 3 용액에 압력을 전달한 후 제 2 반투과막으로 전달되는 단계;
    H. 원수로부터 상기 제 5 용액보다 염도가 낮은 제 6 용액을 얻는 단계;
    I. 상기 제 6 용액을 상기 제 2 반투과막에 공급하여 상기 제 2 반투과막에서 상기 제 6 용액과 상기 제 5 용액의 염도차에 의한 물의 전달이 일어나 상기 제 5 용액의 염도가 낮아지고 부피가 늘어나는 단계를 포함하고,
    상기 B 단계에서,
    상기 I 단계를 거친 상기 제 5 용액이 상기 제 1 압력교환장치로 유입되어 상기 제 1 용액에 압력을 전달하여 제 1 용액을 승압하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    J. 상기 제 1 용액을 가압한 후의 상기 제 5 용액을 배출 또는 재활용하는 단계를 더 포함하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 J 단계에서,
    상기 제 5 용액을 에너지 전환 장치로 유입시켜 에너지를 전환하는 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 에너지 전환 장치는 터빈인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 6 용액이 상기 제 2 반투과막에 공급되기 전에 상기 제 6 용액의 수질, 수량, 압력 및 체적 흐름율이 조절되는 단계를 더 포함하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 용액은 상기 제 2 압력교환장치에서 승압된 후 제 1 압력조절장치에 의해 한층 더 가압되는 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 압력조절장치는 펌프인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 D 단계에서,
    상기 제 2 용액은 제 2 압력조절장치에 의해 가압되는 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 압력조절장치는 펌프인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 용액은 해수 또는 염수인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 반투과막은 각각 나노 여과, 역삼투막, 정삼투막, PRO 막, RO 막, NF 막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 5 용액은 1차 하수처리수, 2차 하수처리수, 3차 하수처리수, 염수(brackish water), 지표 및 표면수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 I 단계에서,
    상기 염도차에 의해 생성되는 혼합 깁스 자유 에너지에 의해 상기 제 5 용액의 압력이 유지되는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  14. 염분이 함유된 원수로부터 취수한 유입 용액을 제 1 반투과막으로 공급하여 생성수를 얻는 단계;
    상기 제 1 반투과막에서 배출되는 농축수를 제 2 반투과막으로 공급하는 단계; 및
    상기 농축수보다 염도가 낮은 공급 용액을 상기 제 2 반투과막으로 공급하여 상기 제 2 반투과막에서 상기 공급 용액과 상기 농축수의 염도차에 의한 물의 전달이 일어나 상기 농축수의 염도가 낮아지고 부피가 늘어나는 단계를 포함하고,
    상기 유입 용액은 상기 제 1 반투과막으로 공급되기 전에 압력교환장치로 유입되고, 상기 제 2 반투과막을 거쳐서 부피가 늘어난 상기 농축수가 상기 압력교환장치로 유입되어 상기 유입 용액에 압력을 전달하여 상기 유입 용액을 승압하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 농축수가 상기 제 2 반투과막으로 공급되어 염도가 낮아지고 부피가 늘어날 때, 상기 염도차에 의해 생성되는 혼합 깁스 자유 에너지에 의해 상기 농축수의 압력이 유지되는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 방법.
  16. 염분이 함유된 유입 용액을 저장하는 유입 용액 저장 챔버;
    상기 유입 용액 저장 챔버에 연결되고, 상기 유입 용액을 공급 받아 압력을 조절하는 제 1 압력교환장치;
    상기 제 1 압력교환장치와 연결되고, 상기 제 1 압력교환장치에서 압력 조절된 상기 유입 용액을 공급 받아 압력을 조절하는 제 2 압력교환장치;
    상기 제 2 압력교환장치에 연결되고, 삼투압에 의한 용액 분리가 가능한 제 1 반투과막을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 압력교환장치에서 압력이 조절된 상기 유입 용액에서 삼투 공정에 의해 생성수를 얻는 제 1 삼투 공정 챔버;
    상기 제 2 압력교환장치에 연결되고, 삼투압에 의한 용액 분리가 가능한 제 2 반투과막을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 압력교환장치에서 압력이 조절된 상기 유입 용액에서 삼투 공정에 의해 생성수를 얻는 제 2 삼투 공정 챔버;
    상기 제 2 압력교환장치에서 배출되는 용액보다 염도가 낮으며, 상기 제2 삼투 공정 챔버에 공급될 공급 용액을 저장하는 공급 용액 저장 챔버를 포함하고,
    상기 제2 압력교환장치는 상기 제 1 삼투 공정 챔버에서 배출되는 농축수로 상기 유입 용액을 전달하여 승압하고,
    상기 제 1 압력교환장치에서 상기 제 2 삼투 공정 챔버로부터 배출되는 희석되고 부피가 늘어난 용액이 상기 유입 용액에 압력을 전달하여 상기 유입 용액을 승압하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 압력교환장치에 연결되는 펌프를 포함하고,
    상기 제 1 압력교환장치에서 승압된 상기 유입 용액이 두 용액으로 분지되고,
    상기 분지된 두 용액 중 적어도 어느 하나는 상기 제 2 압력교환장치로 제공되고,
    상기 분지된 두 용액 중 상기 제 2 압력교환장치에 제공되지 않은 용액은 상기 펌프로 제공되어 가압되는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 압력교환장치와 상기 제 1 삼투 공정 챔버의 사이에 제공되고, 상기 제 2 압력교환장치에서 가압된 상기 유입 용액을 한층 더 가압하는 부스터 펌프를 더 포함하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 압력교환장치와 상기 제 2 삼투 공정 챔버의 사이에 제공되고, 상기 제 2 압력교환장치에서 상기 유입 용액의 압력을 조절한 후 배출된 용액을 가압하는 부스터 펌프를 더 포함하는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 유입 용액 중 적어도 일부는 상기 제 1 압력교환장치에 공급되지 않고 펌프에 의해 가압된 후 곧바로 상기 제 1 삼투 공정 챔버로 공급되는 삼투 에너지 회수가 가능한 멤브레인 기반의 담수화 장치.
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