WO2020017729A1 - 정삼투 성능이 개선된 멤브레인 장치 및 이를 이용하는 용액 분리 방법 - Google Patents

정삼투 성능이 개선된 멤브레인 장치 및 이를 이용하는 용액 분리 방법 Download PDF

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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination

Definitions

  • the chemical substance (PERMEATE) selectively passed through the forward osmosis membrane is gradually diffused by the diffusion of molecules in the solution of the osmotic fluid, the rate at which the chemical diffuses far from the forward osmosis membrane near the forward osmosis membrane As a result, the osmotic pressure difference between the two sides adjacent to the membrane becomes smaller, thereby reducing the separation rate through the forward osmosis membrane.
  • the concentration of the mixed solution may be provided with a membrane device that is kept constant in the mixing zone inside the housing by separating the final permeate from the mixed solution by the pervaporation membrane.
  • a solution separation method using a membrane device controlled by at least one of the degrees of vacuum can be provided.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating driving of the membrane device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a block diagram of a membrane device in accordance with example embodiments.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the transmission chamber of FIG. 12.
  • 15 is a block diagram of a transmission chamber in accordance with example embodiments.
  • 16 is a block diagram of a transmission chamber in accordance with example embodiments.
  • the method comprising: preparing a housing, an forward osmosis membrane that divides the inner space of the housing into an inflow zone and a mixing zone, and a permeation membrane that divides the inner space of the housing into the mixing zone and the discharge zone; Providing influent and forward osmosis inducing solution to the inlet zone and the mixing zone, respectively; Mixing the preliminary permeate separated from the influent with the forward osmosis inducing solution to produce a mixed solution; And providing the final permeate separated into the mixed solution to the discharge zone to evaporate the final permeate in the discharge zone, wherein the concentration of the mixed solution is kept constant. Separation methods may be provided.
  • FIG. 1 is a block diagram of a membrane device according to exemplary embodiments.
  • the permeation chamber 10 may include a housing 102, an inlet region IR, a mixed region MR, an outlet region DR, an forward osmosis membrane 110, and a pervaporation membrane 120.
  • the housing 102 may include a material that withstands the pressure inside the housing 102.
  • the preliminary permeate liquid PFL and the influent liquid 142 may be separated from each other by forward osmosis.
  • the inflow liquid 142 separated from the preliminary permeate liquid PFL may be provided from the permeation chamber 10 to the residue treatment part 220.
  • the residue treatment unit 220 may discard the inflow liquid 142 separated from the preliminary permeate liquid PFL.
  • Mixed solution 144 may be circulated by a mixing pump (MRP).
  • MRP mixing pump
  • the mixed solution 144 may be discharged from the mixed region MR by the mixing pump MRP, and then injected into the mixed region MR again.
  • the mixed solution 144 discharged from the mixed region MR may be heated by the mixed solution heating unit 144h.
  • the temperature of the mixed solution 144 may be maintained at 15 degrees (° C.) to 150 degrees (° C.) by the mixed solution heating unit 144h. If the temperature of the mixed solution 144 is 150 degrees Celsius or more, the selection of the membranes may be limited and the energy consumption may be increased. If the temperature of the mixed solution 144 is 15 degrees C or less, pervaporation may not occur smoothly.
  • the heater may be a device using electricity, oil, and / or hot water as a heat source. Preferably, waste heat of less than or equal to about 170 degrees Celsius, and more preferably less than or equal to about 120 degrees Celsius may be utilized.
  • the membrane device according to the present disclosure may have the advantage of utilizing waste heat.
  • Discharge area DR may receive vapor 146.
  • the vapor 146 may be the evaporated final permeate (FFL) separated from the mixed solution 144.
  • the final permeate (FFL) may include a material to be separated from the mixed solution 144.
  • the final permeate (FFL) may be pure water and the steam 146 may be water vapor.
  • the discharge area DR may have a vacuum state.
  • the final permeate (FFL) is separated from the mixed solution 144 and evaporated in the discharge region (DR) may be referred to as pervaporation (Pervaporation).
  • the discharge area DR may discharge the steam 146 to the outside of the permeation chamber 10. Vapor 146 may move from permeate chamber 10 to condenser 230.
  • the pervaporation membrane 120 may be disposed between the mixing region MR and the discharge region DR to separate the mixing region MR and the discharge region DR.
  • the pervaporation membrane 120 may have a flat plate shape extending in one direction.
  • the pervaporation membrane 120 may face the forward osmosis membrane 110.
  • the pervaporation membrane 120 may separate the final permeate (FFL) from the mixed solution 144.
  • the separator may include a hydrophilic membrane.
  • the separation membrane when the final permeate (FFL) is not water, the separation membrane may comprise a hydrodrophobic membrane.
  • Condenser 230 may condense the vapor 146 to regenerate the final permeate (FFL).
  • the condenser 230 may include a condenser using a refrigerant.
  • the refrigerant may include, for example, water, brine, or oil.
  • the condenser 230 may provide the regenerated final permeate (FFL) to the collection chamber 300.
  • the controller 144c may be provided.
  • the controller 144c may control the vacuum pump 240 and the mixed solution heating unit 144h to adjust the concentration of the mixed solution 144.
  • the controller 144c may control the vacuum pump 240 so that the discharge region DR has a required degree of vacuum, and the mixed solution heating part 144h may have a temperature at which the mixed solution 144 has a required temperature. Can be controlled.
  • the concentration of the mixed solution 144 may be measured by the controller 144c.
  • at least one of the degree of vacuum in the discharge region DR and the temperature of the mixed solution 144 may be controlled by the controller 144c to maintain a constant concentration of the mixed solution 144.
  • the amount of vapor 146 may be adjusted by at least one of the concentration of the mixed solution 144 and the degree of vacuum in the discharge zone DR.
  • the permeate storage unit 250 may store the final permeate (FFL).
  • a valve (not shown) and a pump (not shown) may be provided between the permeate storage 250 and the collection chamber 300 to control the flow of the final permeate FFF.
  • an inflow liquid 142 may be provided in the inflow region IR.
  • Inflow liquid 142 may be provided in the inflow region IR from the inflow liquid supply unit 210.
  • influent 142 may be seawater or wastewater.
  • Osmotic pressure can be expressed by the following formula.
  • Influent 142 may have a lower solute concentration than forward osmosis inducing solution. Accordingly, the osmotic pressure of the inflow liquid 142 may be less than the osmotic pressure of the forward osmosis induction solution. Forward osmosis may occur due to the osmotic pressure difference between the influent 142 and the forward osmosis inducing solution. That is, the preliminary permeate (PFL) in the inflow liquid 142 may be separated from the inflow liquid (142) and move to the forward osmosis induction solution. (S20) The preliminary permeate (PFL) passes through the forward osmosis membrane (110) It may be provided to the mixed region MR.
  • Pervaporation may occur in the pervaporation membrane 120, so that the final permeate (FFL) may be separated from the mixed solution 144.
  • the final permeate (FFL) may comprise a solvent of the mixed solution 144.
  • the final permeate (FFL) can be pure water.
  • the final permeate (FFL) may be evaporated in the discharge zone DR and converted to steam 146.
  • the steam 146 may be water vapor.
  • the steam 146 may be discharged from the discharge region DR to the outside of the permeation chamber 10.
  • Vapor 146 may move to condenser 230.
  • the vapor 146 may be condensed by the condenser 230 to regenerate the final permeate (FFL).
  • the regenerated final permeate (FFL) is provided from the condenser 230 into the collection chamber 300. Can be.
  • the final permeate (FFL) may be provided to the permeate reservoir 250 from the collection chamber 300, and may be accommodated in the permeate reservoir 250.
  • At least one of the vacuum of the discharge region DR and the temperature of the mixed solution 144 may be controlled by the controller 144c to maintain the osmotic pressure of the mixed solution 144 constant.
  • the amount of vapor 146 may be adjusted by at least one of the concentration of the mixed solution 144 and the degree of vacuum in the discharge zone DR. Accordingly, the permeate flux of the preliminary permeate liquid PFL can be kept constant.
  • the permeation chamber 11 the mixing pump (MRP), the mixed solution heating unit 144h, the control unit 144c, the inflow liquid supply unit 210, the residue treatment unit 220, and the condenser 230 ),
  • a membrane device 2 including a vacuum pump 240, a permeate reservoir 250, and a collection chamber 300 may be provided.
  • the collection chamber 300 may be substantially the same as those described with reference to FIG. 1.
  • the transmission chamber 11 may be substantially the same as the transmission chamber 10 described with reference to FIG. 1 except for its shape. Below, the shape of the permeation chamber 11 is demonstrated.
  • the permeation chamber 11 may include a housing 102, an inflow region IR, a mixing region MR, an exhaust region DR, an forward osmosis membrane 110, and a pervaporation membrane 120.
  • the housing 102 may include a material that withstands the pressure in the permeation chamber 10.
  • the housing 102 is shown to be cylindrical, but this is exemplary.
  • the preliminary permeate liquid PFL may be separated from the influent liquid 142 by the forward osmosis membrane 110 and provided to the mixing region MR.
  • the preliminary permeate liquid PFL may flow radially along the radial direction of the forward osmosis membrane 110.
  • the preliminary permeate liquid PFL may be mixed with the forward osmosis induction solution to generate the mixed solution 144.
  • the solute concentration in the mixed solution 144 may be lowered. Accordingly, the osmotic pressure of the mixed solution 144 may be lowered.
  • FIG. 5 is a block diagram of a membrane device in accordance with example embodiments. For the sake of brevity of description, substantially the same contents as those described with reference to FIGS. 1 and 2 may not be described.
  • the permeation chamber 12 may include a housing 102, an inlet region IR, a mixed region MR, an outlet region DR, an forward osmosis membrane 110, and a reverse osmosis membrane 130.
  • the discharge region DR may be provided with a final permeate fluid FFL.
  • the final permeate fluid FFL may be provided in part of the discharge area DR. That is, the steam described with reference to FIGS. 1 and 2 may not be provided in the discharge region DR.
  • Reverse osmosis membrane 130 may be a reverse osmosis membrane.
  • the reverse osmosis membrane 130 may function as a semi-permeable membrane when reverse osmosis occurs between the mixed region MR and the discharge region DR.
  • Reverse osmosis membrane 130 may comprise a polymer, ceramic, carbon, or a combination thereof.
  • the reverse osmosis membrane 130 may include a Cellulose Acetate (CA) membrane, a Polyamide (PA) membrane, a Polysulfonate membrane, or a combination thereof.
  • the amount by which the final permeate (FFL) is separated from the mixed solution 144 may increase as the pressure of the mixed solution 144 increases. Accordingly, the pressure of the mixed solution 144 may be controlled to adjust the solute concentration in the mixed solution 144 such that the mixed solution 144 has the required osmotic pressure. When the pressure of the mixed solution 144 is adjusted such that the mixed solution 144 has a constant osmotic pressure, the permeate flux to the forward osmosis membrane 110 of the preliminary permeate liquid PFL may be kept constant.
  • the controller 144c may control the mixing pump MRP and the pressure regulating valve MRV to adjust the concentration of the mixed solution 144.
  • the controller 144c may control the mixing pump MRP and the pressure regulating valve MRV such that the mixed solution 144 has the required pressure.
  • the pressure of the mixed solution 144 may be controlled by the controller 144c to maintain a constant concentration of the mixed solution 144.
  • a mixed solution reservoir (MRT) may be provided. That is, the mixed solution 144 discharged from the mixing pump MRP may be provided to the mixing region MR after the mixed solution reservoir MRT.
  • the permeation chamber 13 may include a housing 102, an inlet region IR, a mixed region MR, an outlet region DR, an forward osmosis membrane 110, and a reverse osmosis membrane 130.
  • the housing 102 is shown to be cylindrical, but this is exemplary.
  • the forward osmosis membrane 110 and the reverse osmosis membrane 130 may have a tube shape or a hollow fiber shape.
  • the forward osmosis membrane 110 may be surrounded by the reverse osmosis membrane 130. That is, the diameter of the forward osmosis membrane 110 may be smaller than the diameter of the reverse osmosis membrane 130.
  • the forward osmosis membrane 110 and the reverse osmosis membrane 130 may be spaced apart from each other.
  • the inlet region IR may be defined by the inner surface of the forward osmosis membrane 110.
  • the mixing region may be defined by the outer side of the forward osmosis membrane 110 and the inner side of the reverse osmosis membrane 130.
  • the discharge region DR may be defined by the outer side of the reverse osmosis membrane 130 and the inner side of the housing 102.
  • the preliminary permeate liquid PFL may be separated from the influent liquid 142 by the forward osmosis membrane 110 and provided to the mixing region MR.
  • the preliminary permeate liquid PFL may move radially along the radial direction of the forward osmosis membrane 110.
  • the preliminary permeate liquid PFL may be mixed with the forward osmosis induction solution to generate the mixed solution 144.
  • the solute concentration in the mixed solution 144 may be lowered. Accordingly, the osmotic pressure of the mixed solution 144 can be reduced.
  • the final permeate (FFL) may be separated from the mixed solution 144 by the reverse osmosis membrane 130.
  • the final permeate (FFL) separated from the mixed solution 144 may be mixed with the final permeate (FFL) filled in the discharge region DR.
  • the solute concentration in the mixed solution 144 may be high. Accordingly, the osmotic pressure of the mixed solution 144 may be increased.
  • the membrane device 4 may control the pressure of the mixed solution 144 to adjust the solute concentration in the mixed solution 144 such that the mixed solution 144 has the required osmotic pressure.
  • the permeate flux to the forward osmosis membrane 110 of the preliminary permeate liquid PFL may be kept constant.
  • the pressure of the mixed solution 144 may be 20 bar to 80 bar. If the pressure of the mixed solution 144 is less than 20 bar, the final permeate (FFL) may not be smoothly separated from the mixed solution. It is not preferable to set the pressure of the mixed solution to 80 bar or more because of high energy consumption.
  • FIGS. 1, 2, and 5 are block diagrams of a membrane device in accordance with example embodiments. For brevity of description, substantially the same content as described with reference to FIGS. 1, 2, and 5 may not be described.
  • the permeation chamber 14, the first and second mixing pumps MRP1 and MRP2, the pressure control valve MRV, the mixed solution reservoir MRT, the mixed solution heater 144h, and the controller Membrane device 5 including inlet liquid supply 210, residue treatment unit 220, condenser 230, vacuum pump 240, permeate reservoir 250, and collection chamber 300.
  • Influent liquid supply 210, residue treatment unit 220, condenser 230, vacuum pump 240, permeate reservoir 250, and collection chamber 300 are substantially the same as those described with reference to FIG. 1.
  • the first mixing pump MPR1, the mixed solution heating unit 144h, and the control unit 144c may be substantially the same as those described with reference to FIG. 1.
  • the second mixing pump MRP2, the pressure regulating valve MRV, and the mixed solution reservoir MRT may be substantially the same as those described with reference to FIG. 5.
  • the controller 144c may adjust the concentration of the first mixed solution 144a which will be described later.
  • the permeation chamber 14 may further include a reverse osmosis membrane 130 between the forward osmosis membrane 110 and the pervaporation membrane 120, as described with reference to FIG. 1.
  • Reverse osmosis membrane 130 may be substantially the same as reverse osmosis membrane 130 described with reference to FIG. 5.
  • the mixing region may include a first mixing region MR1 and a second mixing region MR2 separated from each other by the reverse osmosis membrane 130.
  • the first mixed region MR1 is disposed between the forward osmosis membrane 110 and the reverse osmosis membrane 130
  • the second mixed region MR2 is disposed between the reverse osmosis membrane 130 and the pervaporation membrane 120. Can be.
  • An forward osmosis inducing solution may be provided in the first mixing region MR1.
  • the forward osmosis inducing solution may have a higher solute concentration than the influent 142.
  • the first permeate liquid FL1 may be separated from the inflow liquid 142 by the forward osmosis phenomenon, and may be provided to the first mixed region MR1.
  • the first permeate liquid FL1 may be substantially the same as the preliminary permeate liquid PFL described with reference to FIG. 3.
  • the second permeate liquid FL2 may not be smoothly separated from the first mixed solution 144a. It is not preferable to set the pressure of the first mixed solution 144a to 80 bar or more because of high energy consumption. For example, as the second permeate liquid FL2 is separated from the first mixed solution 144a, the solute concentration in the first mixed solution 144a may be increased. Accordingly, the osmotic pressure of the first mixed solution 144a may be increased.
  • the discharge area DR may have a vacuum state.
  • the vacuum degree of the discharge region DR is preferably 1 Torr to 660 Torr absolute pressure.
  • the degree of vacuum is low at an absolute pressure of 661 Torr to 759 Torr, the temperature of the mixed solution must be excessively increased to 150 ° C. or higher to discharge the final permeate (FFL) as steam.
  • Discharge area DR may receive vapor 146.
  • the pervaporation membrane 130, the discharge zone DR, and the final permeate fluid FFL may be substantially the same as those described with reference to FIG. 1.
  • At least one of the pressure of the first mixed solution 144a, the temperature of the second mixed solution 144b, and the vacuum degree of the discharge region DR may be controlled to adjust the solute concentration in the first mixed solution 144a.
  • the amount of vapor 146 may be adjusted by at least one of the pressure of the first mixed solution 144a, the temperature of the second mixed solution 144b, and the degree of vacuum of the discharge region DR. In this manner, the permeate flux of the first permeate fluid FL1 to the forward osmosis membrane 110 may be kept constant.
  • FIG. 9 is a block diagram of a membrane device in accordance with example embodiments.
  • 10 is a cross-sectional view of the transmission chamber of FIG. 9.
  • the contents substantially the same as those described with reference to FIGS. 3, 4, and 5 may not be described.
  • First and second mixing pumps MRP1 and MRP2 pressure regulating valves MRV, mixed solution reservoir MRT, mixed solution heater 144h, controller 144c, influent feed 210, residue
  • the processor 220, the condenser 230, the vacuum pump 240, the permeate reservoir 250, and the collection chamber 300 may be substantially the same as those described with reference to FIG. 8.
  • the permeation chamber 15 may further include a reverse osmosis membrane 130 between the forward osmosis membrane 110 and the pervaporation membrane 120, as described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • Reverse osmosis membrane 130 may be substantially the same as reverse osmosis membrane 130 described with reference to FIG. 8.
  • the mixed region MR may include a first mixed region MR1 and a second mixed region MR2 separated from each other by the reverse osmosis membrane 130.
  • the first mixed region MR1 is disposed between the forward osmosis membrane 110 and the reverse osmosis membrane 130
  • the second mixed region MR2 is disposed between the reverse osmosis membrane 130 and the pervaporation membrane 120. Can be.
  • An forward osmosis inducing solution may be provided in the first mixing region MR1.
  • the forward osmosis inducing solution may have a higher solute concentration than the influent 142. Due to the forward osmosis phenomenon, the first permeate liquid FL1 may be separated from the inflow liquid 142 and may move to the first mixed region MR1.
  • the first permeate liquid FL1 may be substantially the same as the preliminary permeate liquid PFL described with reference to FIG. 3.
  • the first permeate fluid FL1 may be mixed with the forward osmosis inducing solution to generate the first mixed solution 144a.
  • the first mixed solution 144a may be substantially the same as the mixed solution 144 described with reference to FIG. 1.
  • the pressure of the first mixed solution 144a may be substantially the same as the pressure of the inflow liquid 142.
  • the pressure of the first mixed solution 144a and the pressure of the inflow liquid 142 may be 20 bar to 80 bar. Accordingly, reverse osmosis may be prevented between the inflow liquid 142 and the first mixed solution 144a. That is, the first permeate liquid FL1 may be prevented from moving from the first mixed solution 144a back to the inflow liquid 142.
  • the solute concentration in the first mixed solution 144a may be lowered. Accordingly, the osmotic pressure of the first mixed solution 144a may be lowered.
  • the pressure of the first mixed solution 144a and the pressure of the inflow liquid 142 may be 20 bar to 80 bar.
  • the pressure of the first mixed solution 144a is less than 20 bar, the second permeate liquid FL2 may not be smoothly separated from the first mixed solution 144a.
  • the solute concentration in the first mixed solution 144a may be increased. Accordingly, the osmotic pressure of the first mixed solution 144a may be increased.
  • the final permeate (FFL) may be separated from the second mixed solution 144b.
  • the temperature of the second mixed solution 144b may be maintained at 15 ° C. to 150 ° C. by the mixed solution heating unit 144h. If the temperature of the second mixed solution 144b is greater than 150 degrees (° C.), the choice of membranes may be limited and energy consumption may be increased. When the temperature of the second mixed solution 144b is 15 degrees C or less, pervaporation may not occur smoothly.
  • the final permeate (FFL) may be converted to vapor 146 by pervaporation membrane 130.
  • Discharge area DR may receive vapor 146.
  • the pervaporation membrane 130, the discharge zone DR, and the final permeate fluid FFL may be substantially the same as those described with reference to FIG. 3.
  • the discharge area DR may have a vacuum state.
  • the vacuum degree of the discharge region DR is preferably 1 Torr to 660 Torr absolute pressure. When the degree of vacuum is low at an absolute pressure of 661 Torr to 759 Torr, the temperature of the mixed solution must be excessively increased to 150 ° C. or higher so that the final permeate (FFL) can be discharged as steam.
  • At least one of the pressure of the first mixed solution 144a, the temperature of the second mixed solution 144b, and the vacuum degree of the discharge region DR may be controlled to adjust the solute concentration in the first mixed solution 144a.
  • the amount of vapor 146 may be adjusted by at least one of the pressure of the first mixed solution 144a, the temperature of the second mixed solution 144b, and the degree of vacuum of the discharge region DR. In this manner, the permeate flux of the first permeate fluid FL1 to the forward osmosis membrane 110 may be kept constant.
  • FIG. 11 is a block diagram of a membrane device in accordance with example embodiments. For brevity of description, substantially the same content as described with reference to FIGS. 1, 2, and 5 may not be described.
  • the permeation chamber 16 the mixing pump (MRP), the mixed solution heating unit 144h, the control unit 144c, the inflow liquid supply unit 210, the residue treatment unit 220, the condenser 230, and the vacuum
  • a membrane device 7 may be provided that includes a pump 240, a permeate reservoir 250, and a collection chamber 300.
  • the collection chamber 300 may be substantially the same as those described with reference to FIG. 1.
  • Inflow liquids 142 may be provided in the pair of inflow regions IR, respectively.
  • the preliminary permeate liquids PFL may be separated from the inflow liquids 142 by forward osmosis and may move to the pair of active regions MR, respectively.
  • the preliminary permeates PFL may be mixed with forward osmosis inducing solutions in the pair of active regions MR to produce mixed solutions 144.
  • the final permeate liquids FFL may be separated from the mixed solutions 144 by the pervaporation phenomenon and converted into the vapor 146 in the discharge region DR.
  • the vapor 146 may be converted back to the final permeate (FFL) as described with reference to FIGS. 1 and 2 and received in the permeate reservoir 250.
  • the amount by which the final permeate (FFL) is separated from the mixed solution 144 can be controlled by at least one of the vacuum degree of the discharge area DR and the temperature of the mixed solution 144, so that the vacuum degree and mixing of the discharge area DR At least one of the temperatures of the solution 144 may be controlled to adjust the solute concentration in the mixed solution 144.
  • the amount of vapor 146 may be adjusted by at least one of the concentration of the mixed solution 144 and the degree of vacuum in the discharge zone DR.
  • the solute concentration in the mixed solution 144 may be adjusted so that the mixed solution 144 has the required osmotic pressure.
  • the permeate flux of the preliminary permeate liquid (PFL) to the forward osmosis membrane 110 may be kept constant.
  • the vacuum degree of the discharge region DR is preferably 1 Torr to 660 Torr absolute pressure.
  • the degree of vacuum is low at an absolute pressure of 661 Torr to 759 Torr, the temperature of the mixed solution must be excessively increased to 150 ° C. or higher so that the final permeate (FFL) can be discharged as steam.
  • the temperature of the mixed solution 144 may be maintained at 15 degrees (° C.) to 150 degrees (° C.) by the mixed solution heating unit 144 h. If the temperature of the mixed solution 144 is 150 degrees Celsius or more, the selection of the membranes may be limited and the energy consumption may be increased. If the temperature of the mixed solution 144 is 15 degrees C or less, pervaporation may not occur smoothly.
  • the positions of the forward osmosis membrane 110 and the pervaporation membrane 120 may be reversed. Accordingly, the positions of the discharge area DR and the inflow area IR may be changed.
  • FIG. 12 is a block diagram of a membrane device according to exemplary embodiments.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the transmission chamber of FIG. 12.
  • the contents substantially the same as those described with reference to FIGS. 3, 4, and 5 may not be described.
  • the permeation chamber 17 the mixing pump (MRP), the mixed solution heating unit 144h, the control unit 144c, the inflow liquid supply unit 210, the residue treatment unit 220, and the condenser 230 ),
  • a membrane device 8 including a vacuum pump 240, a permeate reservoir 250, and a collection chamber 300 can be provided.
  • the collection chamber 300 may be substantially the same as those described with reference to FIG. 3.
  • the permeation chamber 17 may include a pair of inlet regions IR, a pair of mixed regions MR, and a discharge region DR, unlike those described with reference to FIG. 3.
  • the pair of inflow regions IR may be provided at the innermost and outermost of the permeation chamber 17, respectively.
  • the discharge zone DR may be disposed between the pair of inflow zones IR.
  • the pair of mixing regions MR may be disposed between the pair of inlet regions IR and the discharge region DR, respectively.
  • a pair of forward osmosis membranes 110 may be provided between the pair of inflow regions IR and the pair of mixing regions MR, respectively.
  • a pair of pervaporation membranes 120 may be provided between the pair of mixing regions MR and the discharge region DR, respectively.
  • Each of a pair of inlet zones IR, a pair of mixed zones MR, an outlet zone DR, a pair of forward osmosis membranes 110, and a pair of pervaporation membranes 120 May be substantially the same as those described with reference to FIG. 1.
  • Inflow liquids 142 may be provided in the pair of inflow regions IR, respectively.
  • the preliminary permeate liquids PFL may be separated from the inflow liquids 142 by forward osmosis and may move to the pair of active regions MR, respectively.
  • the preliminary permeates PFL may be mixed with forward osmosis inducing solutions in the pair of active regions MR to produce mixed solutions 144.
  • the final permeate liquids FFL may be separated from the mixed solutions 144 by the pervaporation phenomenon and converted into the vapor 146 in the discharge region DR.
  • the vapor 146 may be converted back to the final permeate (FFL) as described with reference to FIGS. 1 and 2 and received in the permeate reservoir 250.
  • the vacuum degree of the discharge region DR is preferably 1 Torr to 660 Torr absolute pressure.
  • the degree of vacuum is low at an absolute pressure of 661 Torr to 759 Torr, the temperature of the mixed solution must be excessively increased to 150 ° C. or higher so that the final permeate (FFL) can be discharged as steam.
  • the positions of the forward osmosis membrane 110 and the pervaporation membrane 120 may be reversed. Accordingly, the positions of the discharge area DR and the inflow area IR may be changed.
  • the concentration of the forward osmosis induction solution may be lowered. When the concentration of the forward osmosis induction solution is low, forward osmosis may not occur smoothly.
  • the concentration of the mixed solution (144) can be kept constant. have. Accordingly, forward osmosis may occur smoothly. As a result, the membrane device 8 with improved forward osmosis performance can be provided.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a transmission chamber in accordance with exemplary embodiments.
  • substantially the same content as described with reference to FIGS. 3 and 4 may not be described.
  • the pervaporation membrane 120 may be provided in a region defined by the inner side of the housing 102.
  • the pervaporation membrane 120 may have a tube shape or hollow fiber shape.
  • the outer diameter of the pervaporation membrane 120 may be smaller than the inner diameter of the housing 102.
  • the outer surface of the pervaporation membrane 120 and the inner surface of the housing 102 may face each other.
  • the discharge region DR may be provided between the pervaporation membrane 120 and the housing 102. That is, the discharge region DR may be defined by the outer surface of the pervaporation membrane 120 and the inner surface of the housing 102.
  • the mixed region MR may be provided between the plurality of forward osmosis membranes 110 and the pervaporation membrane 120. That is, the mixed region MR may be defined by the outer surfaces of the plurality of forward osmosis membranes 110 and the inner surface of the pervaporation membrane 120.
  • the plurality of inflow regions IR may be defined by inner surfaces of the plurality of forward osmosis membranes 110, respectively.
  • Inflow liquids 142 may be provided in the plurality of inflow regions IR, respectively.
  • the preliminary permeates PFL may be separated from the influents 142 by forward osmosis and moved to the active region MR.
  • the preliminary permeates PFL may be mixed with the forward osmosis induction solution in the active region MR to produce a mixed solution 144.
  • the temperature of the mixed solution 144 may be maintained at 15 degrees (° C.) to 150 degrees (° C.) by the mixed solution heating unit 144 h. If the temperature of the mixed solution 144 is 150 degrees Celsius or more, the selection of the membranes may be limited and the energy consumption may be increased. If the temperature of the mixed solution 144 is 15 degrees C or less, pervaporation may not occur smoothly.
  • the final permeate liquids FFL may be separated from the mixed solutions 144 by the pervaporation phenomenon and converted into the vapor 146 in the discharge region DR.
  • the discharge area DR may have a vacuum state.
  • the vacuum degree of the discharge region DR is preferably 1 Torr to 660 Torr absolute pressure. When the degree of vacuum is low at an absolute pressure of 661 Torr to 759 Torr, the temperature of the mixed solution must be excessively increased to 150 ° C. or higher so that the final permeate (FFL) can be discharged as steam.
  • At least one of the vacuum degree of the discharge region DR and the temperature of the mixed solution 144 may be controlled to adjust the solute concentration in the mixed solution 144.
  • the amount of vapor 146 may be adjusted by at least one of the concentration of the mixed solution 144 and the degree of vacuum in the discharge zone DR.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a transmission chamber in accordance with exemplary embodiments.
  • substantially the same content as described with reference to FIGS. 3 and 4 may not be described.
  • the pair of pervaporation membranes 120 may be provided in an area defined by the inner side of the housing 102.
  • the pervaporation membrane 120 may have a tube shape or hollow fiber shape.
  • the outer diameter of the pervaporation membrane 120 may be smaller than the inner diameter of the housing 102.
  • the outer surface of the pervaporation membrane 120 and the inner surface of the housing 102 may face each other.
  • the plurality of forward osmosis membranes 110 may be provided in a region defined by the inner surface of the pervaporation membrane 120 in a tubular shape or hollow fiber shape.
  • the mixed region MR may be provided between the plurality of forward osmosis membranes 110 and the pervaporation membrane 120. That is, the mixed region MR may be defined by the outer surfaces of the plurality of forward osmosis membranes 110 and the inner surface of the pervaporation membrane 120.
  • the plurality of inflow regions IR may be defined by inner surfaces of the plurality of forward osmosis membranes 110, respectively.
  • Inflow liquids 142 may be provided in the plurality of inflow regions IR, respectively.
  • the preliminary permeates PFL may be separated from the influents 142 by forward osmosis and moved to the active region MR.
  • the preliminary permeates PFL may be mixed with the forward osmosis induction solution in the active region MR to produce a mixed solution 144.
  • the temperature of the mixed solution 144 may be maintained at 15 degrees (° C.) to 150 degrees (° C.) by the mixed solution heating unit 144 h. If the temperature of the mixed solution 144 is 150 degrees Celsius or more, the selection of the membranes may be limited and the energy consumption may be increased. If the temperature of the mixed solution 144 is 15 degrees C or less, pervaporation may not occur smoothly.
  • the final permeate liquids FFL may be separated from the mixed solutions 144 by the pervaporation phenomenon and converted into the vapor 146 in the discharge region DR.
  • the discharge area DR may have a vacuum state.
  • the vacuum degree of the discharge region DR is preferably 1 Torr to 660 Torr absolute pressure. When the degree of vacuum is low at an absolute pressure of 661 Torr to 759 Torr, the temperature of the mixed solution must be excessively increased to 150 ° C. or higher so that the final permeate (FFL) can be discharged as steam.
  • a permeation chamber 18 may be provided in which the permeate flux for the plurality of forward osmosis membranes 110 of the preliminary permeates (PFL) is kept constant.
  • At least one of the vacuum degree of the discharge region DR and the temperature of the mixed solution 144 may be controlled to adjust the solute concentration in the mixed solution 144.
  • the amount of vapor 146 may be adjusted by at least one of the concentration of the mixed solution 144 and the degree of vacuum in the discharge zone DR.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a transmission chamber in accordance with exemplary embodiments.
  • substantially the same content as described with reference to FIGS. 3 and 4 may not be described.
  • the permeation chamber 20 may include a housing 102, a plurality of forward osmosis membranes 110, a plurality of pervaporation membranes 120, a plurality of inflow regions IR, and a mixing region ( MR), and a plurality of discharge regions DR.
  • the housing 102 may be substantially the same as described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • Inflow liquids 142 may be provided in the plurality of inflow regions IR, respectively.
  • the preliminary permeates PFL may be separated from the influents 142 by forward osmosis and moved to the active region MR.
  • the preliminary permeates PFL may be mixed with the forward osmosis induction solution in the active region MR to produce a mixed solution 144.
  • Mixed solution 144 may be circulated by a mixing pump (MRP).
  • MRP mixing pump
  • a heating tube or heating plate may be installed inside the housing 102 such that the mixed solution 144 may not be circulated.
  • the temperature of the mixed solution 144 may be maintained at 15 degrees (° C.) to 150 degrees (° C.) by the mixed solution heating unit 144 h. If the temperature of the mixed solution 144 is 150 degrees Celsius or more, the selection of the membranes may be limited and the energy consumption may be increased. If the temperature of the mixed solution 144 is 15 degrees C or less, pervaporation may not occur smoothly.
  • the final permeate liquids FFL may be separated from the mixed solutions 144 by the pervaporation phenomenon and converted into the vapor 146 in the discharge region DR.
  • the discharge area DR may have a vacuum state.
  • the vacuum degree of the discharge region DR is preferably 1 Torr to 660 Torr absolute pressure. When the degree of vacuum is low at an absolute pressure of 661 Torr to 759 Torr, the temperature of the mixed solution must be excessively increased to 150 ° C. or higher so that the final permeate (FFL) can be discharged as steam.
  • the reverse osmosis membrane 130 described with reference to FIG. 5 may be provided instead of the pervaporation membrane 120.
  • Permeate material may be provided in the discharge area DR instead of the steam 146.
  • Mixed solution 144 may be circulated by a mixing pump (MRP).
  • MRP mixing pump
  • the mixed solution 144 may be pressurized by forward osmosis or pressurized by a pressurization device such as a pump, and thus may not be circulated.
  • At least one of the vacuum degree of the discharge region DR and the temperature of the mixed solution 144 may be controlled to adjust the solute concentration in the mixed solution 144.
  • the amount of vapor 146 may be adjusted by at least one of the concentration of the mixed solution 144 and the degree of vacuum in the discharge zone DR.

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Abstract

멤브레인 장치는 하우징, 하우징의 내부 공간을 유입 영역 및 혼합 영역으로 나누는 정삼투막, 및 하우징의 내부 공간을 혼합 영역 및 배출 영역으로 나누는 투과증발막,을 포함하고, 정삼투막은 예비 투과액을 유입 영역 내에 제공된 유입액으로부터 분리하여, 혼합 영역에 제공하고, 예비 투과액은 혼합 영역에서 정삼투 유도 용액과 혼합되어 혼합 용액을 생성하고, 투과증발막은 혼합 용액으로부터 최종 투과액을 분리하여, 배출 영역에 제공하며, 최종 투과액은 배출 영역에서 증발되어, 증기를 생성한다.

Description

정삼투 성능이 개선된 멤브레인 장치 및 이를 이용하는 용액 분리 방법
본 개시는 멤브레인 분리 장치 및 용액 분리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 석유, 정유, 화학, 정밀화학, 셰일가스 공정, 유해가스의 제거나 폐수처리, 해수담수화 등과 같이 화학물질이나 물을 분리하는 데 사용되고 있는 멤브레인은 정삼투, 역삼투, 선택적 기체분리, 투과증발(PERVAPORATION) 등의 기능을 갖는 선택적 분리 멤브레인(Semipermeable membrane)이다.
이러한 멤브레인들은 각각 친수성(HYDROPHILIC), 소수성(HYDROPHOBIC), 친유기성(ORGANOPHILIC), 소유기성(ORGANOPHOBIC) 등의 성질을 가지고 있어 각 화학물질들을 농도 차이에 의한 분자간 확산율, 전하 반발력의 차이, 분자의 크기 차이등과 같은 성질의 차이에 의해 선택적으로 분리하는데 사용된다.
멤브레인을 사용하여 화학물질을 분리하는 방법에는 독립적인 기능을 갖는 멤브레인 장치들을 이용하는 것이 있다. 예를 들어, 정삼투 멤브레인을 이용하는 경우 삼투액과 투과액을 분리하기 위해 독립적인 정삼투 멤브레인 장치 및 역삼투 멤브레인 장치가 이용될 수 있다. 위와같이 독립적인 멤브레인 장치들을 이용하면, 장치비가 비싸지고 넓은 공간을 요구되는 문제가 있다.
정삼투 멤브레인 장치는 분리하고자 하는 물질이 혼합된 유체가 공급되는 공급측 공간(FEED SECTION) 및 삼투액(DRAW SOLUTION)이 공급되어 정삼투막을 통과한 물질이 삼투액과 섞이게 되는 삼투액 측 공간(DRAW SOLUTION SECTION, 혹은 PERMEATE SECTION)을 포함할 수 있다. 이때, 정삼투막을 선택적으로 통과한 화학물질(PERMEATE)은 삼투액 측 용액 내에서 분자의 확산에 의해 서서히 확산하게 되는데, 화학물질이 정삼투막 부근에서 정삼투막으로부터 먼 곳으로 확산되는 속도가 느리므로 멤브레인에 인접한 양측간의 삼투압 차이가 작아져서 정삼투막을 통한 분리 속도가 감소하게 된다.
이를 해소하기 위해 정삼투막의 삼투액측 표면에 통과물질을 배척하는 성질을 갖는 멤브레인을 접착하여 확산 속도를 증가 시키고자 하는 경우가 있으나 확산속도가 현격하게 증가하는 것이 아니므로 정삼투 성능을 향상시키는데 충분한 효과가 없다. 또한, 화학물질의 확산 효과를 증가시키기 위해 삼투액이 삼투액 측 공간에서 난류를 형성할 수 있도록, 삼투액을 빠른 속도로 통과 시키는 방법 사용될 수 있다. 하지만, 이를 위해 삼투액을 과다하게 순환 시켜야 하는 문제가 있으며, 삼투액을 빠른 속도로 통과 시키더라도 장치를 통과하는 동안 화학물질에 의해 삼투액의 농도가 희석될 수 밖에 없기 때문에 정삼투 성능이 저하되는 문제가 해소되지 않는다.
도 17은 정삼투막 장치에서 NaCl 농도가 0.6 mol/L인 해수를 담수화하기 위해 NaCl 용액을 삼투액으로 사용할 경우 삼투액중 NaCl 농도에 따른 담수 능력을 나타낸다. 이론적으로는 삼투액중 NaCl 농도가 높을수록 담수 능력이 증가 되어야 하지만, 실제 운전에서는 해수로부터 정삼투막을 통과한 물이 삼투액에 섞여 삼투막 부근에서 신속하게 확산되지 않기 때문에 담수 능력이 현저하게 감소하는 현상을 나타낸다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방편으로 정삼투막과 막증류(Membrane distillation) membrane을 복합(Integrate)하여 정삼투-막증류(Forward Osmosis-Membrane distillation) 유닛을 구성하기도 한다. 그러나, membrane distillation 막은 pore(기공)를 갖는 막으로서 삼투액을 증발시켜 기상의 물질을 membrane distillation 막에 있는 pore를 통해 배출 해 내기 때문에 에너지 소모가 많다는 문제가 있다. 또한, Membrane distillation 막은 물이 pore를 막아 wet한 상태로 만들게 되면 증발시켜 분리하고자 하는 물질이 pore를 통해 잘 빠져 나올 수 없기 때문에 Hydrophobic membrane을 사용하므로 분리막의 hydrophic한 성질을 이용하여 물질을 분리하고자 하는 경우 사용상 제한이 있다. 이러한 이유들 때문에 정삼투막을 통해 통과된 투과액에 의해 희석된 정삼투 유도액의 농도를 일정하게 유지하는데 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 또 다른 방편으로 정삼투막과 마이크로필터(Micro filter) 혹은 나노필터 혹은 울트라필터를 복합(Integrate)하여 정삼투-필터(Forward Osmosis-filter) 유닛을 구성하기도 한다. 그러나, 상기 필터를 사용하여 물을 여과하기 위해서는 분자 크기가 작은 물질을 유도용액으로 사용하면 필터를 통과하여 유도용액이 유실될 수 있기 때문에 고분자 물질 용액을 유도용액으로 사용해야 하는 제한이 있다. 그런데, 고분자 물질 용액을 유도용액으로 사용하면 삼투압 차이가 작기때문에 정삼투막을 통과하는 물의 양(Water flux)이 적어지는 문제가 있다.
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0047090호: 고분자 유도물질을 사용한 에너지 저감형 정삼투막-여과막 결합 수처리와 해수담수화 시스템 및 방법
(특허문헌 2) 미국 공개특허공보 제2010/0224476호: COMBINED MEMBRANE-DISTILLATION-FORWARD-OSMOSIS SYSTEMS AND METHODS OF USE
기술적 과제는 정삼투 성능이 개선된 멤브레인 장치를 제공하는 것에 있다.
기술적 과제는 소형화된 멤브레인 장치를 제공하는 것에 있다.
기술적 과제는 정삼투 성능이 향상된 용액 분리 방법을 제공하는 것에 있다.
다만, 기술적 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
일 측면에 있어서, 하우징; 상기 하우징의 내부 공간을 유입 영역 및 혼합 영역으로 나누는 정삼투막; 및 상기 하우징의 상기 내부 공간을 상기 혼합 영역 및 배출 영역으로 나누는 투과증발막;을 포함하고, 상기 정삼투막은 예비 투과액을 상기 유입 영역 내에 제공된 유입액으로부터 분리하여, 상기 혼합 영역에 제공하고, 상기 예비 투과액은 상기 혼합 영역에서 정삼투 유도 용액과 혼합되어 혼합 용액을 생성하고, 상기 투과증발막은 상기 혼합 용액으로부터 최종 투과액을 분리하여, 상기 배출 영역에 제공하며, 상기 최종 투과액은 상기 배출 영역에서 증발되어, 증기를 생성하고, 상기 혼합 용액의 농도는 일정하게 유지되는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
상기 혼합 용액의 온도 및 상기 배출 영역의 진공도 중 적어도 하나를 조절하는 제어부를 더 포함하고, 상기 증기의 양은 상기 혼합 용액의 상기 온도 및 상기 배출 영역의 상기 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절되는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
상기 혼합 용액의 상기 농도는 상기 투과증발막에 의해 상기 최종 투과액이 상기 혼합 용액으로부터 분리되는 것에 의해 상기 하우징 내부의 상기 혼합 영역에서 일정하게 유지되는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
상기 혼합 영역은 상기 정삼투막의 일 표면을 노출하고, 상기 혼합 용액의 상기 농도는 상기 정삼투막의 상기 일 표면에 평행한 방향을 따라 일정하게 유지되는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
상기 유입 영역에 상기 유입액을 제공하는 유입액 제공부; 상기 증기를 응축하여 최종 투과액을 재생성하는 응축기; 및 상기 배출 영역의 진공도를 조절하는 진공 펌프를 더 포함하는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
상기 정삼투막은 일 방향으로 연장하는 평판 형상을 갖고, 상기 혼합 용액의 상기 농도는 상기 일 방향을 따라 일정하게 유지되는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
상기 정삼투막 및 상기 투과증발막은 튜브 형상 또는 할로우 파이버 형상을 갖는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
상기 정삼투막 또는 상기 투과증발막은 복수 개로 제공되는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
상기 혼합 영역을 제1 혼합 영역 및 제2 혼합 영역으로 나누는 역삼투용 멤브레인을 더 포함하는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
일 측면에 있어서, 하우징, 상기 하우징의 내부 공간을 유입 영역 및 혼합 영역으로 나누는 정삼투막, 및 상기 하우징의 상기 내부 공간을 상기 혼합 영역 및 배출 영역으로 나누는 투과증발막을 준비하는 것; 유입액 및 정삼투 유도 용액을 각각 상기 유입 영역 및 상기 혼합 영역에 제공하는 것; 상기 유입액으로부터 분리된 예비 투과액을 상기 정삼투 유도 용액과 혼합하여, 혼합 용액을 생성하는 것; 및 상기 혼합 용액으로 분리된 최종 투과액을 상기 배출 영역에 제공하여, 상기 배출 영역에서 상기 최종 투과액을 증발시키는 것;을 포함하되, 상기 혼합 용액의 농도는 일정하게 유지되는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법이 제공될 수 있다.
상기 혼합 용액의 상기 농도에 대응하여 상기 혼합 용액의 온도 및 상기 배출 영역의 진공도 중 적어도 하나를 제어하는 것을 더 포함하되, 상기 최종 투과액의 증발량은 상기 혼합 용액의 상기 온도 및 상기 배출 영역의 상기 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절되는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법이 제공될 수 있다.
상기 최종 투과액이 증발되어 생성된 증기를 응축시켜, 상기 최종 투과액을 재생성하는 것을 더 포함하는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법이 제공될 수 있다.
상기 혼합 용액의 삼투압은 일정하게 유지되는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법이 제공될 수 있다.
정삼투 성능이 개선된 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
소형화된 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
정삼투 성능이 향상된 용액 분리 방법이 제공될 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 도 1의 멤브레인 장치의 구동을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 4는 도 3의 투과 챔버의 단면도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 7은 도 6의 투과 챔버의 단면도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 10은 도 9의 투과 챔버의 단면도이다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 13은 도 12의 투과 챔버의 단면도이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 투과 챔버의 블록 구성도이다.
도 15는 예시적인 실시예들에 따른 투과 챔버의 블록 구성도이다.
도 16은 예시적인 실시예들에 따른 투과 챔버의 블록 구성도이다.
도 17은 정삼투막 장치에서 NaCl 농도가 0.6 mol/L인 해수를 담수화하기 위해 NaCl 용액을 삼투액으로 사용할 경우 삼투액중 NaCl 농도에 따른 담수 능력을 나타내는 그래프이다.
일 측면에 있어서, 하우징; 상기 하우징의 내부 공간을 유입 영역 및 혼합 영역으로 나누는 정삼투막; 및 상기 하우징의 상기 내부 공간을 상기 혼합 영역 및 배출 영역으로 나누는 투과증발막;을 포함하고, 상기 정삼투막은 예비 투과액을 상기 유입 영역 내에 제공된 유입액으로부터 분리하여, 상기 혼합 영역에 제공하고, 상기 예비 투과액은 상기 혼합 영역에서 정삼투 유도 용액과 혼합되어 혼합 용액을 생성하고, 상기 투과증발막은 상기 혼합 용액으로부터 최종 투과액을 분리하여, 상기 배출 영역에 제공하며, 상기 최종 투과액은 상기 배출 영역에서 증발되어, 증기를 생성하고, 상기 혼합 용액의 농도는 일정하게 유지되는 멤브레인 장치가 제공될 수 있다.
일 측면에 있어서, 하우징, 상기 하우징의 내부 공간을 유입 영역 및 혼합 영역으로 나누는 정삼투막, 및 상기 하우징의 상기 내부 공간을 상기 혼합 영역 및 배출 영역으로 나누는 투과증발막을 준비하는 것; 유입액 및 정삼투 유도 용액을 각각 상기 유입 영역 및 상기 혼합 영역에 제공하는 것; 상기 유입액으로부터 분리된 예비 투과액을 상기 정삼투 유도 용액과 혼합하여, 혼합 용액을 생성하는 것; 및 상기 혼합 용액으로 분리된 최종 투과액을 상기 배출 영역에 제공하여, 상기 배출 영역에서 상기 최종 투과액을 증발시키는 것;을 포함하되, 상기 혼합 용액의 농도는 일정하게 유지되는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법이 제공될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "..부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 투과 챔버(10), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)를 포함하는 멤브레인 장치(1)가 제공될 수 있다.
투과 챔버(10)는 하우징(102), 유입 영역(IR), 혼합 영역(MR), 배출 영역(DR), 정삼투 멤브레인(110), 및 투과증발 멤브레인(120)을 포함할 수 있다. 하우징(102)은 하우징(102) 내부의 압력을 견디는 재질을 포함할 수 있다.
유입 영역(IR)은 유입액(142)을 수용할 수 있다. 유입액(142)은 유입액 공급부(210)로부터 유입 영역(IR)에 공급될 수 있다. 유입액 공급부(210)와 투과 챔버(10) 사이에 밸브(미도시) 및 펌프(미도시)가 제공되어, 유입액(142)의 흐름을 제어할 수 있다. 유입액(142)은 예비 투과액(PFL) 및 잔여물이 혼합된 용액일 수 있다. 예비 투과액(PFL)은 유입액(142)의 용매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유입액(142)은 해수(sea water) 또는 폐수(waste water)일 수 있고, 예비 투과액(PFL)은 물일 수 있다.
후술되는 정삼투 현상에 의해 예비 투과액(PFL)과 유입액(142)은 서로 분리될 수 있다. 예비 투과액(PFL)으로부터 분리된 유입액(142)은 투과 챔버(10)로부터 잔여물 처리부(220)로 제공될 수 있다. 잔여물 처리부(220)는 예비 투과액(PFL)으로부터 분리된 상기 유입액(142)을 폐기할 수 있다.
혼합 영역(MR)은 혼합 용액(144)을 수용할 수 있다. 혼합 용액(144)은 예비 투과액(PFL)과 정삼투 유도 용액을 포함할 수 있다. 정삼투 유도 용액은 수용액에서 이온 상태를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 정삼투 유도 용액은 SO2, MgCl2, CaCl2, NaCl, KCl, MgSO4, KNO3, NH4HCO3, NaHCO3, 황산알루미늄 등과 같은 무기염, 지방족 알코올, 글루코오스, 프룩토오스, 수크로스(Sucrose)과 같은 고분자 화학물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 정삼투 유도 용액 내의 용질 농도는 유입액(142) 내의 용질 농도보다 높을 수 있다. 혼합 용액(144) 내의 용질 농도는 유입액(142) 내의 용질 농도보다 높을 수 있다. 혼합 용액(144)은 분리 대상 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분리 대상 물질은 순수한 물일 수 있다.
혼합 용액(144)은 혼합 펌프(MRP)에 의해 순환될 수 있다. 예를 들어, 혼합 용액(144)은 혼합 펌프(MRP)에 의해 혼합 영역(MR)으로부터 배출된 후, 다시 혼합 영역(MR)으로 주입될 수 있다.
혼합 영역(MR)으로부터 배출된 혼합 용액(144)은 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 가열될 수 있다. 예를 들어, 혼합 용액(144)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다. 상기 히터는 전기, 오일, 및/또는 온수를 열원으로 사용하는 장치일 수 있다. 바람직하게는, 약 170 도(℃) 이하, 더욱 바람직하게는 약 120 도(℃) 이하의 폐열이 활용될 수 있다. 본 개시에 따른 멤브레인 장치는 폐열을 활용할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
또한, 혼합용액 가열부(144h)는 투과 챔버(10) 외부에 설치하는 대신, 혼합영역(MR) 내부에 판형 혹은 봉형 형태로 설치 될 수 있다.
정삼투 멤브레인(110)은 유입 영역(IR)과 혼합 영역(MR) 사이에 배치되어, 유입 영역(IR)과 혼합 영역(MR)을 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 정삼투 멤브레인(110)은 일 방향으로 연장하는 평판 형상을 가질 수 있다. 정삼투 멤브레인(110)은 정삼투용 멤브레인일 수 있다. 예를 들어, 정삼투 멤브레인(110)은 유입 영역(IR) 내의 유입액(142)과 혼합 영역(MR) 내의 정삼투 유도 용액 사이에서 정삼투 현상(forward osmosis)이 일어날 때 반투과막 역할을 수행할 수 있다. 정삼투 멤브레인(110)은 고분자, 세라믹, 탄소, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 정삼투 멤브레인(110)은 셀룰로오스계 막, 폴리아미드계 막, 폴리아릴렌계 막, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
배출 영역(DR)은 증기(146)를 수용할 수 있다. 증기(146)는 혼합 용액(144)으로부터 분리된 최종 투과액(FFL)이 증발된 것일 수 있다. 최종 투과액(FFL)은 혼합 용액(144)의 분리 대상 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 최종 투과액(FFL)은 순수한 물이고, 증기(146)는 수증기일 수 있다. 배출 영역(DR)은 진공 상태를 가질 수 있다. 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되어 배출 영역(DR)에서 증발하는 것은 투과증발 현상(Pervaporation)으로 지칭될 수 있다. 배출 영역(DR)은 증기(146)를 투과 챔버(10) 외부로 배출할 수 있다. 증기(146)는 투과 챔버(10)로부터 응축기(230)로 이동할 수 있다.
투과증발 멤브레인(120)은 혼합 영역(MR)과 배출 영역(DR) 사이에 배치되어, 혼합 영역(MR)과 배출 영역(DR)을 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 투과증발 멤브레인(120)은 일 방향으로 연장하는 평판 형상을 가질 수 있다. 투과증발 멤브레인(120)은 정삼투 멤브레인(110)과 마주할 수 있다. 투과증발 멤브레인(120)은 혼합 용액(144)으로부터 최종 투과액(FFL)을 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 분리막은 친수성(Hydrophilic) 막을 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 최종 투과액(FFL)이 물이 아닌 경우, 분리막은 소수성(Hydrophobic) 막을 포함할 수 있다.
응축기(230)는 증기(146)를 응축하여, 최종 투과액(FFL)을 재생성할 수 있다. 예를 들어, 응축기(230)는 냉매를 이용하는 콘덴서(condenser)를 포함할 수 있다. 상기 냉매는, 예를 들어, 물, 브라인(brine), 또는 오일(oil)을 포함할 수 있다. 응축기(230)는 재생성된 최종 투과액(FFL)을 집액 챔버(300)에 제공할 수 있다.
집액 챔버(300)는 응축기(230)로부터 제공된 최종 투과액(FFL)을 수용할 수 있다. 집액 챔버(300)는 최종 투과액(FFL)을 투과액 저장부(250)에 제공할 수 있다.
집액 챔버(300)의 일 측에 진공 펌프(240)가 제공될 수 있다. 진공 펌프(240)는 다양한 형태의 진공 펌프이거나 바로메트릭 콘덴서일 수 있으며, 집액 챔버(300) 내부의 기압을 감소시킬 수 있다. 집액 챔버(300)의 내부와 배출 영역(DR)의 내부는 서로 연결될 수 있다. 배출 영역(DR) 내의 기압은 진공 펌프(240)에 의해 감소될 수 있다. 예를 들어, 집액 챔버(300) 내부 및 배출 영역(DR)은 실질적으로 진공 상태를 가질 수 있다. 진공 펌프(240)는 혼합 용액(144)의 용질 농도에 대응하여 배출 영역(DR)의 진공도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 진공 펌프(240)는 혼합 용액(144)의 용질 농도가 낮아지면, 배출 영역(DR)의 진공도를 높임으로써 최종 투과액(FFL)의 양을 증가시켜 혼합용액(144)의 용질의 농도를 높여 혼합용액의 용질의 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
제어부(144c)가 제공될 수 있다. 제어부(144c)는 진공 펌프(240) 및 혼합 용액 가열부(144h)를 제어하여, 혼합 용액(144)의 농도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(144c)는 배출 영역(DR)이 요구되는 진공도를 갖도록 진공 펌프(240)를 제어할 수 있고, 혼합 용액(144)이 요구되는 온도를 갖도록 혼합 용액 가열부(144h)를 제어할 수 있다. 혼합 용액(144)의 농도는 제어부(144c)에 의해 측정될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나가 제어부(144c)에 의해 제어되어, 혼합 용액(144)의 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 증기(146)의 양은 혼합 용액(144)의 농도 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다.
일반적으로, 정삼투 공정이 수행됨에 따라 정삼투 유도 용액의 농도가 낮아질 수 있다. 정삼투 유도 용액의 농도가 낮아질 경우, 정삼투 현상이 원활히 발생되지 못 할 수 있다. 본 개시에 따르면, 혼합 용액(144)에 예비 투과액(PFL)이 유입됨과 동시에 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되므로, 혼합 용액(144)의 농도가 일정하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 정삼투 현상이 원활히 발생될 수 있다. 결과적으로, 정삼투 성능이 개선된 멤브레인 장치(1)가 제공될 수 있다.
투과액 저장부(250)는 최종 투과액(FFL)을 저장할 수 있다. 투과액 저장부(250)와 집액 챔버(300) 사이에 밸브(미도시) 및 펌프(미도시)가 제공되어, 최종 투과액(FFL)의 흐름을 제어할 수 있다.
도 2는 도 1의 멤브레인 장치의 구동을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 유입액(142)이 유입 영역(IR)에 제공될 수 있다.(S10) 유입액(142)은 유입액 공급부(210)로부터 유입 영역(IR) 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 유입액(142)은 해수 또는 폐수일 수 있다.
유입액(142)이 유입 영역(IR)에 제공되기 전, 혼합 영역(MR)은 정삼투 유도 용액(미표기)으로 채워질 수 있다. 정삼투 유도 용액은 수용액에서 이온 상태를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 정삼투 유도 용액은 SO2, MgCl2, CaCl2, NaCl, KCl, MgSO4, KNO3, NH4HCO3, NaHCO3, 황산알루미늄 등과 같은 무기염, 지방족 알코올, 글루코오스, 프룩토오스, 수크로스(Sucrose)과 같은 고분자 화학물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 정삼투 유도 용액 내의 용질 농도는 유입액(142) 내의 용질 농도보다 높을 수 있다. 이에 따라, 유입액(142)과 정삼투 유도 용액 사이에 삼투압 차이가 발생할 수 있다.
삼투압은 하기 식으로 표현될 수 있다.
π =i c R T
(π : 삼투압(osmotic pressure), i : 용액 내의 삼투성 활성 입자들의 수(the number of osmotically active particles in the solution), c : 몰 농도(the molar concentration), R : 기체상수(the universal gas constant), T : 절대온도(the absolute temperature))
상기 i는 아래와 같이 표현될 수 있다.
i=1+α (v-1)
(α : 해리도(the degree of dissociation), v : 해리 반응의 화학량론적 계수(the stoichiometric coefficient of dissociation reaction))
예비 투과액(PFL)이 순수한 물인 경우, 정삼투 현상에 의한 예비 투과액(PFL)의 투과 플럭스(water flux)는 아래와 같이 표현될 수 있다.
JW=A(πD-πF)
(JW : 예비 투과액의 투과 플럭스(water flux), A : 투수성(water permeability), πD : 정삼투 유도 용액의 삼투압, πF : 유입액의 삼투압)
유입액(142)은 정삼투 유도 용액보다 낮은 용질 농도를 가질 수 있다. 이에 따라, 유입액(142)의 삼투압은 정삼투 유도 용액의 삼투압보다 작을 수 있다. 유입액(142)과 정삼투 유도 용액 사이의 삼투압 차이에 의해 정삼투 현상이 발생할 수 있다. 즉, 유입액(142) 내의 예비 투과액(PFL)은 유입액(142)로부터 분리되어, 정삼투 유도 용액으로 이동할 수 있다.(S20) 예비 투과액(PFL)은 정삼투 멤브레인(110)을 통과하여 혼합 영역(MR)으로 제공될 수 있다. 예비 투과액(PFL)은 유입액(142)의 용매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 예비 투과액(PFL)은 물일 수 있다. 예비 투과액(PFL)과 정삼투 유도 용액이 혼합되어, 혼합 용액(144)을 생성할 수 있다.
혼합 용액(144)의 온도는 15 도(℃) 내지 150 도(℃)일 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 150 도(℃)보다 높은 경우, 이용될 수 있는 멤브레인들이 제한될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 15 도(℃)보다 낮은 경우, 투과증발 현상이 원활하게 발생되지 않을 수 있다.
예비 투과액(PFL)이 혼합 영역(MR)으로 제공됨에 따라, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도는 낮아질 수 있다. 이에 따라, 혼합 용액(144)의 삼투압이 작아질 수 있다. 유입액(142)의 삼투압은 일정하므로, 유입액(142)과 혼합 용액(144) 사이의 삼투압 차이가 감소할 수 있다. 일반적으로, 유입액(142)과 혼합 용액(144) 사이의 삼투압 차이가 감소할 경우, 예비 투과액(PFL)이 유입 영역(IR)에서 혼합 영역(MR)으로 이동하는 속도가 줄어들 수 있다.
투과증발 멤브레인(120)에서 투과증발 현상이 발생되어, 혼합 용액(144)으로부터 최종 투과액(FFL)이 분리될 수 있다. 최종 투과액(FFL)은 혼합 용액(144)의 용매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 최종 투과액(FFL)은 순수한 물일 수 있다. 최종 투과액(FFL)은 배출 영역(DR)에서 증발되어, 증기(146)로 변환될 수 있다.(S30) 예를 들어, 증기(146)는 수증기일 수 있다. 증기(146)는 배출 영역(DR)으로부터 투과 챔버(10) 외부로 배출될 수 있다.
배출 영역(DR)은 진공 펌프(240)에 의해 진공 상태를 가질 수 있다. 배출 영역(DR)의 진공도에 따라 최종 투과액(FFL)의 증발량이 결정될 수 있다. 예를 들어, 배출 영역(DR)의 진공도가 낮을 때의 최종 투과액(FFL)의 증발량보다 배출 영역(DR)의 진공도가 높을 때의 최종 투과액(FFL)의 증발량이 더 많을 수 있다. 혼합 용액(144)으로부터 최종 투과액(FFL)이 분리되는 양은 최종 투과액(FFL)의 증발량에 비례할 수 있다. 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되는 양은 최종 투과액(FFL)의 증발량에 비례할 수 있다. 따라서, 배출 영역(DR)의 진공도가 제어되어, 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되는 양을 조절할 수 있다. 배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리됨에 따라, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도는 높아질 수 있다. 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되는 양은 배출 영역(DR)의 진공도에 의해 조절될 수 있으므로, 배출 영역(DR)의 진공도가 제어되어, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 혼합 용액(144) 내의 용질 농도는 혼합 용액(144)이 요구되는 삼투압을 갖도록 조절될 수 있다. 혼합 용액(144)의 삼투압을 일정하게 유지시킬 경우, 예비 투과액(PFL)의 정삼투 멤브레인(110)에 대한 투과 플럭스는 일정하게 유지될 수 있다.
증기(146)는 응축기(230)로 이동할 수 있다. 증기(146)는 응축기(230)에 의해 응축되어, 최종 투과액(FFL)을 재생성할 수 있다.(S40) 재생성된 최종 투과액(FFL)은 응축기(230)로부터 집액 챔버(300) 내로 제공될 수 있다. 최종 투과액(FFL)은 집액 챔버(300)로부터 투과액 저장부(250)에 제공되어, 투과액 저장부(250) 내에 수용될 수 있다.
상기 개시에 따르면, 서로 다른 기능을 갖는 멤브레인들(110, 120)이 하나의 투과 챔버(10) 내에 제공될 수 있다. 이에 따라, 멤브레인 장치(1)를 소형화시킬 수 있다.
상기 개시에 따르면, 배출 영역(DR)의 진공도와 혼합용액(144)의 온도 중 적어도 하나가 제어부(144c)에 의해 제어되어, 혼합 용액(144)의 삼투압을 일정하게 유지시킬 수 있다. 증기(146)의 양은 혼합 용액(144)의 농도 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다. 이에 따라, 예비 투과액(PFL)의 투과 플럭스는 일정하게 유지될 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 복합 멤브레인 장치의 블록 구성도이다. 도 4는 도 3의 투과 챔버의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 투과 챔버(11), 혼합 펌프(MRP), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)를 포함하는 멤브레인 장치(2)가 제공될 수 있다. 혼합 펌프(MRP), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)는 도 1을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다. 투과 챔버(11)는 그 형상을 제외하면, 도 1을 참조하여 설명된 투과 챔버(10)와 실질적으로 동일할 수 있다. 이하에서, 투과 챔버(11)의 형상에 대해 설명된다.
투과 챔버(11)는 하우징(102), 유입 영역(IR), 혼합 영역(MR), 배출 영역(DR), 정삼투 멤브레인(110), 및 투과증발 멤브레인(120)을 포함할 수 있다. 하우징(102)은 투과 챔버(10) 내의 압력을 견디는 재질을 포함할 수 있다. 하우징(102)은 원통형인 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다.
도 1에 도시된 것과 달리, 정삼투 멤브레인(110)과 투과증발 멤브레인(120)은 튜브(tube) 형상 또는 할로우 파이버(hollow fiber) 형상을 가질 수 있다. 정삼투 멤브레인(110)은 투과증발 멤브레인(120)에 의해 둘러싸일 수 있다. 즉, 정삼투 멤브레인(110)의 직경은 투과증발 멤브레인(120)의 직경보다 작을 수 있다. 정삼투 멤브레인(110)과 투과증발 멤브레인(120)은 서로 이격될 수 있다.
유입 영역(IR)은 정삼투 멤브레인(110)의 내측면에 의해 정의될 수 있다. 혼합 영역은 정삼투 멤브레인(110)의 외측면과 투과증발 멤브레인(120)의 내측면에 의해 정의될 수 있다. 배출 영역(DR)은 투과증발 멤브레인(120)의 외측면과 하우징(102)의 내측면에 의해 정의될 수 있다.
예비 투과액(PFL)은 정삼투 멤브레인(110)에 의해 유입액(142)으로부터 분리되어, 혼합 영역(MR)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 예비 투과액(PFL)은 정삼투 멤브레인(110)의 지름 방향을 따라 방사형으로 유동할 수 있다. 혼합 영역(MR)에서 예비 투과액(PFL)은 정삼투 유도 용액과 혼합되어, 혼합 용액(144)을 생성할 수 있다. 혼합 용액(144)에 예비 투과액(PFL)이 혼합됨에 따라, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 혼합 용액(144)의 삼투압이 낮아질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 혼합 용액(144)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다.
최종 투과액(FFL)은 투과증발 멤브레인(120)에 의해 혼합 용액(144)으로부터 분리될 수 있다. 최종 투과액(FFL)은 배출 영역(DR) 내에서 증발되어, 증기(146)를 생성할 수 있다. 증기(146)는 배출 영역(DR)으로부터 투과 챔버(11) 외부로 배출되어, 응축기(230)로 이동할 수 있다. 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리됨에 따라, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도가 높아질 수 있다. 이에 따라, 혼합 용액(144)의 삼투압이 높아질 수 있다.
도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 멤브레인 장치(2)는 배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나를 제어하여, 혼합 용액(144)이 요구되는 삼투압을 갖도록 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 증기(146)의 양은 혼합 용액(144)의 농도 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다. 이에 따라, 예비 투과액(PFL)의 정삼투 멤브레인(110)에 대한 투과 플럭스는 일정하게 유지될 수 있다. 배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 5를 참조하면, 투과 챔버(12), 혼합 펌프(MRP), 압력 조절 밸브(MRV), 혼합 용액 저장부(MRT), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 펌프(260), 및 투과액 저장부(250)를 포함하는 멤브레인 장치(3)가 제공될 수 있다. 혼합 펌프(MRP), 제어부(144c), 유입액 공급부(210) 및 잔여물 처리부(220)는 도 1을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
투과 챔버(12)는 하우징(102), 유입 영역(IR), 혼합 영역(MR), 배출 영역(DR), 정삼투 멤브레인(110), 및 역삼투 멤브레인(130)을 포함할 수 있다. 도 1을 참조하여 설명된 것과 달리, 배출 영역(DR)은 최종 투과액(FFL)이 제공될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 최종 투과액(FFL)은 배출 영역(DR)의 일부에 제공될 수 있다. 즉, 배출 영역(DR)에 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 증기가 제공되지 않을 수 있다. 역삼투 멤브레인(130)은 역삼투용 멤브레인일 수 있다. 예를 들어, 역삼투 멤브레인(130)은 혼합 영역(MR)과 배출 영역(DR) 사이에서 역삼투 현상(Reverse osmosis)이 일어날 때, 반투과막 역할을 수행할 수 있다. 역삼투 멤브레인(130)은 고분자, 세라믹, 탄소, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 역삼투 멤브레인(130)은 Cellulose Acetate(CA) 막, Polyamide(PA) 막, Polysulfonate 막, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
예비 투과액(PFL)은 정삼투 멤브레인(110)에 의해 유입액(142)으로부터 분리될 수 있다. 예비 투과액(PFL)은 혼합 영역(MR)에서 정삼투 유도 용액과 혼합되어, 혼합 용액(144)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 혼합 용액(144)에 예비 투과액(PFL)이 혼합됨에 따라, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 혼합 용액(144)의 삼투압이 낮아질 수 있다.
최종 투과액(FFL)은 역삼투 멤브레인(130)에 의해 혼합 용액(144)으로부터 분리될 수 있다. 혼합 용액(144)으로부터 최종 투과액(FFL)이 분리되도록, 혼합 용액(144)은 압력을 가질 수 있다. 예를 들어, 혼합 용액(144)의 압력은 20 bar 내지 80 bar일 수 있다. 이때, 유입액(142)의 압력은 혼합 용액(144)의 압력과 실질적으로 동일할 수 있다. 혼합 용액(144)의 압력이 20 bar보다 작은 경우, 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액으로부터 원활히 분리되지 않을 수 있다. 혼합 용액의 압력을 80 bar 이상으로 하는 것은 에너지 소모가 많으므로 바람직하지 않다.
예를 들어, 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리됨에 따라, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도가 높아질 수 있다. 이에 따라, 혼합 용액(144)의 삼투압이 커질 수 있다.
최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되는 양은 혼합 용액(144)의 압력이 증가함에 따라 증가할 수 있다. 따라서, 상기 혼합 용액(144)의 압력이 제어되어, 혼합 용액(144)이 요구되는 삼투압을 갖도록 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 혼합 용액(144)이 일정한 삼투압을 갖도록 혼합 용액(144)의 압력을 조절할 경우, 예비 투과액(PFL)의 정삼투 멤브레인(110)에 대한 투과 플럭스는 일정하게 유지될 수 있다.
최종 투과액(FFL)은 펌프(260)에 의해 배출 영역(DR)으로부터 투과액 저장부(250)로 이동될 수 있다.
도 1을 참조하여 설명된 것과 달리, 제어부(144c)는 혼합 펌프(MRP) 및 압력 조절 밸브(MRV)를 제어하여, 혼합 용액(144)의 농도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(144c)는 혼합 용액(144)이 요구되는 압력을 갖도록 혼합 펌프(MRP) 및 압력 조절 밸브(MRV)를 제어할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 혼합 용액(144)의 압력이 제어부(144c)에 의해 제어되어, 혼합 용액(144)의 농도를 일정하게 유지할 수 있다.혼합 펌프(MRP)와 혼합 영역(MR) 사이에 혼합 용액 저장부(MRT)가 제공될 수 있다. 즉, 혼합 펌프(MRP)로부터 배출된 혼합 용액(144)은 혼합 용액 저장부(MRT)를 지나 혼합 영역(MR)에 제공될 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다. 도 7은 도 6의 투과 챔버의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 5를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 투과 챔버(13), 혼합 펌프(MRP), 압력 조절 밸브(MRV), 혼합 용액 저장부(MRT), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 펌프(260), 및 투과액 저장부(250)를 포함하는 멤브레인 장치(4)가 제공될 수 있다. 혼합 펌프(MRP), 압력 조절 밸브(MRV), 혼합 용액 저장부(MRT), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 펌프(260), 및 투과액 저장부(250)는 도 5를 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다. 투과 챔버(13)는 그 형상을 제외하면, 도 5를 참조하여 설명된 투과 챔버(12)와 실질적으로 동일할 수 있다. 이하에서, 투과 챔버(13)의 형상에 대해 설명된다.
투과 챔버(13)는 하우징(102), 유입 영역(IR), 혼합 영역(MR), 배출 영역(DR), 정삼투 멤브레인(110), 및 역삼투 멤브레인(130)을 포함할 수 있다. 하우징(102)은 원통형인 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다.
도 5에 도시된 것과 달리, 정삼투 멤브레인(110)과 역삼투 멤브레인(130)은 튜브 형상 또는 할로우 파이버 형상을 가질 수 있다. 정삼투 멤브레인(110)은 역삼투 멤브레인(130)에 의해 둘러싸일 수 있다. 즉, 정삼투 멤브레인(110)의 직경은 역삼투 멤브레인(130)의 직경보다 작을 수 있다. 정삼투 멤브레인(110)과 역삼투 멤브레인(130)은 서로 이격될 수 있다.
유입 영역(IR)은 정삼투 멤브레인(110)의 내측면에 의해 정의될 수 있다. 혼합 영역은 정삼투 멤브레인(110)의 외측면과 역삼투 멤브레인(130)의 내측면에 의해 정의될 수 있다. 배출 영역(DR)은 역삼투 멤브레인(130)의 외측면과 하우징(102)의 내측면에 의해 정의될 수 있다.
예비 투과액(PFL)은 정삼투 멤브레인(110)에 의해 유입액(142)으로부터 분리되어, 혼합 영역(MR)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 예비 투과액(PFL)은 정삼투 멤브레인(110)의 지름 방향을 따라 방사형으로 이동할 수 있다. 혼합 영역(MR)에서 예비 투과액(PFL)은 정삼투 유도 용액과 혼합되어, 혼합 용액(144)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 혼합 용액(144)에 예비 투과액(PFL)이 혼합됨에 따라, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 혼합 용액(144)의 삼투압이 작아질 수 있다.
최종 투과액(FFL)은 역삼투 멤브레인(130)에 의해 혼합 용액(144)으로부터 분리될 수 있다. 혼합 용액(144)으로부터 분리된 최종 투과액(FFL)은 배출 영역(DR) 내에 채워진 최종 투과액(FFL)과 혼합될 수 있다. 예를 들어, 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리됨에 따라, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도가 높아질 수 있다. 이에 따라, 혼합 용액(144)의 삼투압이 커질 수 있다.
상기 멤브레인 장치(4)는 혼합 용액(144)의 압력을 제어하여, 혼합 용액(144)이 요구되는 삼투압을 갖도록 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 혼합 용액(144)이 일정한 삼투압을 갖도록 혼합 용액(144)의 압력을 조절할 경우, 예비 투과액(PFL)의 정삼투 멤브레인(110)에 대한 투과 플럭스는 일정하게 유지될 수 있다. 예를 들어, 혼합 용액(144)의 압력은 20 bar 내지 80 bar일 수 있다. 혼합 용액(144)의 압력이 20 bar보다 작은 경우, 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액으로부터 원활히 분리되지 않을 수 있다. 혼합 용액의 압력을 80 bar 이상으로 하는 것은 에너지 소모가 많으므로 바람직하지 않다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1, 도 2, 및 도 5를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 8을 참조하면, 투과 챔버(14), 제1 및 제2 혼합 펌프들(MRP1, MRP2), 압력 조절 밸브(MRV), 혼합 용액 저장부(MRT), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)를 포함하는 멤브레인 장치(5)가 제공될 수 있다. 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)는 도 1을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 혼합 펌프(MPR1), 혼합 용액 가열부(144h), 및 제어부(144c)는 도 1을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 혼합 펌프(MRP2), 압력 조절 밸브(MRV), 및 혼합 용액 저장부(MRT)는 도 5를 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다. 제어부(144c)는 후술되는 제1 혼합 용액(144a)의 농도를 조절할 수 있다.
투과 챔버(14)는 도 1을 참조하여 설명된 것과 달리, 정삼투 멤브레인(110)과 투과증발 멤브레인(120) 사이에 역삼투 멤브레인(130)을 더 포함할 수 있다. 역삼투 멤브레인(130)은 도 5를 참조하여 설명된 역삼투 멤브레인(130)과 실질적으로 동일할 수 있다.
혼합 영역은 역삼투 멤브레인(130)에 의해 서로 분리된 제1 혼합 영역(MR1) 및 제2 혼합 영역(MR2)을 포함할 수 있다. 제1 혼합 영역(MR1)은 정삼투 멤브레인(110)과 역삼투 멤브레인(130) 사이에 배치되고, 제2 혼합 영역(MR2)은 역삼투 멤브레인(130)과 투과증발 멤브레인(120) 사이에 배치될 수 있다.
정삼투 유도 용액이 제1 혼합 영역(MR1)에 제공될 수 있다. 정삼투 유도 용액은 유입액(142)보다 높은 용질 농도를 가질 수 있다. 정삼투 현상에 의해 유입액(142)으로부터 제1 투과액(FL1)이 분리되어, 제1 혼합 영역(MR1)에 제공될 수 있다. 제1 투과액(FL1)은 도 3을 참조하여 설명된 예비 투과액(PFL)과 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 혼합 영역(MR1)에서 제1 투과액(FL1)은 정삼투 유도 용액과 혼합되어, 제1 혼합 용액(144a)을 생성할 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)는 도 1을 참조하여 설명된 혼합 용액(144)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)의 압력은 유입액(142)의 압력과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 혼합 용액(144a)의 압력 및 유입액(142)의 압력은 20 bar 내지 80 bar일 수 있다. 이에 따라, 유입액(142)과 제1 혼합 용액(144a) 사이에서 역삼투 현상이 발생하는 것이 방지될 수 있다. 즉, 제1 투과액(FL1)이 제1 혼합 용액(144a)에서 다시 유입액(142)으로 이동하는 것이 방지될 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)에 제1 투과액(FL1)이 혼합됨에 따라, 제1 혼합 용액(144a) 내의 용질 농도가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 제1 혼합 용액(144a)의 삼투압이 작아질 수 있다.
제1 혼합 용액(144a)으로부터 제2 투과액(FL2)이 분리될 수 있다. 제2 투과액(FL2)은 제1 혼합 용액(144a)의 투과 대상 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 투과액(FL2)은 순수한 물과 제1 혼합 용액(144a)의 일부가 역삼투멤브레인(130)을 통과한 것일 수 있다. 제2 투과액(FL2)은 제2 혼합 영역(MR2)에서 집액되어, 제2 혼합 용액(144b)을 생성할 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)의 압력은 제2 투과액(FL2)이 제1 혼합 용액(144a)으로부터 분리되도록 충분히 클 수 있다. 예를 들어, 제1 혼합 용액(144a)의 압력은 20 bar 내지 80 bar일 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)의 압력이 20 bar보다 작은 경우, 제2 투과액(FL2)이 제1 혼합 용액(144a)으로부터 원활히 분리되지 않을 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)의 압력을 80 bar 이상으로 하는 것은 에너지 소모가 많으므로 바람직하지 않다. 예를 들어, 제2 투과액(FL2)이 제1 혼합 용액(144a)으로부터 분리됨에 따라, 제1 혼합 용액(144a) 내의 용질 농도가 높아질 수 있다. 이에 따라, 제1 혼합 용액(144a)의 삼투압이 커질 수 있다.
제2 혼합 용액(144b)으로부터 최종 투과액(FFL)이 분리될 수 있다. 최종 투과액(FFL)은 투과증발 멤브레인(130)에 의해 증기(146)로 변환될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 혼합 용액(144b)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 제2 혼합 용액(144b)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 제2 혼합 용액(144b)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다.
배출 영역(DR)은 진공 상태를 가질 수 있다. 예를 들어, 배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다. 배출 영역(DR)은 증기(146)를 수용할 수 있다. 투과증발 멤브레인(130), 배출 영역(DR), 및 최종 투과액(FFL)은 도 1을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 혼합 용액(144a)의 압력, 제2 혼합 용액(144b)의 온도, 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나가 제어되어, 제1 혼합 용액(144a) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 증기(146)의 양은 제1 혼합 용액(144a)의 압력, 제2 혼합 용액(144b)의 온도, 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다. 이와 같은 방법으로 제1 투과액(FL1)의 정삼투 멤브레인(110)에 대한 투과 플럭스가 일정하게 유지될 수 있다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다. 도 10은 도 9의 투과 챔버의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3, 도 4, 및 도 5를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 투과 챔버(15), 제1 및 제2 혼합 펌프들(MRP1, MRP2), 압력 조절 밸브(MRV), 혼합 용액 저장부(MRT), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)를 포함하는 멤브레인 장치(6)가 제공될 수 있다. 제1 및 제2 혼합 펌프들(MRP1, MRP2), 압력 조절 밸브(MRV), 혼합 용액 저장부(MRT), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)는 도 8을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
투과 챔버(15)는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 달리, 정삼투 멤브레인(110)과 투과증발 멤브레인(120) 사이에 역삼투 멤브레인(130)을 더 포함할 수 있다. 역삼투 멤브레인(130)은 도 8을 참조하여 설명된 역삼투 멤브레인(130)과 실질적으로 동일할 수 있다.
혼합 영역(MR)은 역삼투 멤브레인(130)에 의해 서로 분리된 제1 혼합 영역(MR1) 및 제2 혼합 영역(MR2)을 포함할 수 있다. 제1 혼합 영역(MR1)은 정삼투 멤브레인(110)과 역삼투 멤브레인(130) 사이에 배치되고, 제2 혼합 영역(MR2)은 역삼투 멤브레인(130)과 투과증발 멤브레인(120) 사이에 배치될 수 있다.
정삼투 유도 용액이 제1 혼합 영역(MR1)에 제공될 수 있다. 정삼투 유도 용액은 유입액(142)보다 높은 용질 농도를 가질 수 있다. 정삼투 현상에 의해 유입액(142)으로부터 제1 투과액(FL1)이 분리되어, 제1 혼합 영역(MR1)으로 이동할 수 있다. 제1 투과액(FL1)은 도 3을 참조하여 설명된 예비 투과액(PFL)과 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 혼합 영역(MR1)에서 제1 투과액(FL1)은 정삼투 유도 용액과 혼합되어, 제1 혼합 용액(144a)을 생성할 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)는 도 1을 참조하여 설명된 혼합 용액(144)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)의 압력은 유입액(142)의 압력과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 혼합 용액(144a)의 압력 및 유입액(142)의 압력은 20 bar 내지 80 bar일 수 있다. 이에 따라, 유입액(142)과 제1 혼합 용액(144a) 사이에서 역삼투 현상이 발생하는 것이 방지될 수 있다. 즉, 제1 투과액(FL1)이 제1 혼합 용액(144a)에서 다시 유입액(142)으로 이동하는 것이 방지될 수 있다. 예를 들어, 제1 혼합 용액(144a)에 제1 투과액(FL1)이 혼합됨에 따라, 제1 혼합 용액(144a) 내의 용질 농도가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 제1 혼합 용액(144a)의 삼투압이 낮아질 수 있다.
제1 혼합 용액(144a)의 압력을 80 bar 이상으로 하는 것은 에너지 소모가 많으므로 바람직하지 않다. 제1 혼합 용액(144a)으로부터 제2 투과액(FL2)이 분리되어, 제2 혼합 영역(MR2)으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 제2 투과액(FL2)은 제1 혼합 용액(144a)의 용매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 투과액(FL2)은 순수한 물과 제1 혼합 용액(144a)의 일부가 역삼투 멤브레인(130)을 통과한 것일 수 있다. 제2 투과액(FL2)은 제2 혼합 영역(MR2)에서 집액되어, 제2 혼합 용액(144b)을 생성할 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)의 압력은 제2 투과액(FL2)이 제1 혼합 용액(144a)으로부터 분리되도록 충분히 클 수 있다. 예를 들어, 제1 혼합 용액(144a)의 압력 및 유입액(142)의 압력은 20 bar 내지 80 bar일 수 있다. 제1 혼합 용액(144a)의 압력이 20 bar보다 작은 경우, 제2 투과액(FL2)이 제1 혼합 용액(144a)으로부터 원활히 분리되지 않을 수 있다.
예를 들어, 제2 투과액(FL2)이 제1 혼합 용액(144a)으로부터 분리됨에 따라, 제1 혼합 용액(144a) 내의 용질 농도가 높아질 수 있다. 이에 따라, 제1 혼합 용액(144a)의 삼투압이 높아질 수 있다.
제2 혼합 용액(144b)으로부터 최종 투과액(FFL)이 분리될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 혼합 용액(144b)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 제2 혼합 용액(144b)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 제2 혼합 용액(144b)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다.
최종 투과액(FFL)은 투과증발 멤브레인(130)에 의해 증기(146)으로 변환될 수 있다. 배출 영역(DR)은 증기(146)를 수용할 수 있다. 투과증발 멤브레인(130), 배출 영역(DR), 및 최종 투과액(FFL)은 도 3을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다. 배출 영역(DR)은 진공 상태를 가질 수 있다. 예를 들어, 배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
제1 혼합 용액(144a)의 압력, 제2 혼합 용액(144b)의 온도, 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나가 제어되어, 제1 혼합 용액(144a) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 증기(146)의 양은 제1 혼합 용액(144a)의 압력, 제2 혼합 용액(144b)의 온도, 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다. 이와 같은 방법으로 제1 투과액(FL1)의 정삼투 멤브레인(110)에 대한 투과 플럭스가 일정하게 유지될 수 있다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1, 도 2, 및 도 5를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 11을 참조하면, 투과 챔버(16), 혼합 펌프(MRP), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)를 포함하는 멤브레인 장치(7)가 제공될 수 있다. 혼합 펌프(MRP), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)는 도 1을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
투과 챔버(16)는 도 1을 참조하여 설명된 것과 달리, 배출 영역(DR)을 중심으로 한 쌍의 혼합 영역들(MR) 및 한 쌍의 유입 영역들(IR)이 배치될 수 있다. 한 쌍의 혼합 영역들(MR)은 배출 영역(DR)을 사이에 두고 서로 이격될 수 있다. 한 쌍의 유입 영역들(IR)은 한 쌍의 혼합 영역들(MR)을 사이에 두고 유입 영역(DR)으로부터 각각 이격될 수 있다.
한 쌍의 유입 영역들(IR)과 한 쌍의 혼합 영역들(MR) 사이에 한 쌍의 정삼투 멤브레인들(110)이 각각 제공될 수 있다. 한 쌍의 혼합 영역들(MR)과 배출 영역(DR) 사이에 한 쌍의 투과증발 멤브레인들(120)이 각각 제공될 수 있다. 한 쌍의 유입 영역들(IR), 한 쌍의 혼합 영역들(MR), 배출 영역(DR), 한 쌍의 정삼투 멤브레인들(110), 및 한 쌍의 투과증발 멤브레인들(120)의 각각은 도 1을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
한 쌍의 유입 영역들(IR) 내에 유입액들(142)이 각각 제공될 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 정삼투 현상에 의해 유입액들(142)로부터 분리되어 한 쌍의 활성 영역들(MR)로 각각 이동할 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 한 쌍의 활성 영역들(MR)에서 정삼투 유도 용액들과 혼합되어, 혼합 용액들(144)을 생성할 수 있다. 최종 투과액들(FFL)은 투과증발 현상에 의해 혼합 용액들(144)로부터 분리되어, 배출 영역(DR)에서 증기(146)로 변환될 수 있다. 증기(146)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이 다시 최종 투과액(FFL)으로 변환되어, 투과액 저장부(250)에 수용될 수 있다.
최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되는 양은 배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있으므로, 배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나가 제어되어, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 증기(146)의 양은 혼합 용액(144)의 농도 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다. 혼합 용액(144) 내의 용질 농도는 혼합 용액(144)이 요구되는 삼투압을 갖도록 조절될 수 있다. 혼합 용액(144)의 삼투압을 일정하게 유지시킬 경우, 예비 투과액(PFL)의 정삼투 멤브레인(110)에 대한 투과 플럭스는 일정하게 유지될 수 있다.
배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
예시적인 실시예들에서, 혼합 용액(144)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다.
다른 예시적인 실시예들에서, 정삼투 멤브레인(110)과 투과증발 멤브레인(120)의 위치가 바뀔 수 있다. 이에 따라, 배출 영역(DR)과 유입 영역(IR)의 위치가 바뀔 수 있다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 멤브레인 장치의 블록 구성도이다. 도 13은 도 12의 투과 챔버의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3, 도 4, 및 도 5를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 투과 챔버(17), 혼합 펌프(MRP), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)를 포함하는 멤브레인 장치(8)가 제공될 수 있다. 혼합 펌프(MRP), 혼합 용액 가열부(144h), 제어부(144c), 유입액 공급부(210), 잔여물 처리부(220), 응축기(230), 진공 펌프(240), 투과액 저장부(250), 및 집액 챔버(300)는 도 3을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
투과 챔버(17)는, 도 3을 참조하여 설명된 것과 달리, 한 쌍의 유입 영역들(IR), 한 쌍의 혼합 영역들(MR), 및 배출 영역(DR)을 포함할 수 있다. 한 쌍의 유입 영역들(IR)은 투과 챔버(17)의 가장 안쪽 및 가장 바깥쪽에 각각 제공될 수 있다. 배출 영역(DR)은 한 쌍의 유입 영역들(IR) 사이에 배치될 수 있다. 한 쌍의 혼합 영역들(MR)은 한 쌍의 유입 영역들(IR)과 배출 영역(DR) 사이에 각각 배치될 수 있다.
한 쌍의 유입 영역들(IR)과 한 쌍의 혼합 영역들(MR) 사이에 한 쌍의 정삼투 멤브레인들(110)이 각각 제공될 수 있다. 한 쌍의 혼합 영역들(MR)과 배출 영역(DR) 사이에 한 쌍의 투과증발 멤브레인들(120)이 각각 제공될 수 있다. 한 쌍의 유입 영역들(IR), 한 쌍의 혼합 영역들(MR), 배출 영역(DR), 한 쌍의 정삼투 멤브레인들(110), 및 한 쌍의 투과증발 멤브레인들(120)의 각각은 도 1을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
한 쌍의 유입 영역들(IR) 내에 유입액들(142)이 각각 제공될 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 정삼투 현상에 의해 유입액들(142)로부터 분리되어 한 쌍의 활성 영역들(MR)로 각각 이동할 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 한 쌍의 활성 영역들(MR)에서 정삼투 유도 용액들과 혼합되어, 혼합 용액들(144)을 생성할 수 있다. 최종 투과액들(FFL)은 투과증발 현상에 의해 혼합 용액들(144)로부터 분리되어, 배출 영역(DR)에서 증기(146)로 변환될 수 있다. 증기(146)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이 다시 최종 투과액(FFL)으로 변환되어, 투과액 저장부(250)에 수용될 수 있다.
최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되는 양은 배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있으므로, 배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나가 제어되어, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 증기(146)의 양은 혼합 용액(144)의 농도 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다. 혼합 용액(144) 내의 용질 농도는 혼합 용액(144)이 요구되는 삼투압을 갖도록 조절될 수 있다. 혼합 용액(144)의 삼투압을 일정하게 유지시킬 경우, 예비 투과액(PFL)의 정삼투 멤브레인(110)에 대한 투과 플럭스는 일정하게 유지될 수 있다.
배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
예시적인 실시예들에서, 혼합 용액(144)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다.
다른 예시적인 실시예들에서, 정삼투 멤브레인(110)과 투과증발 멤브레인(120)의 위치가 바뀔 수 있다. 이에 따라, 배출 영역(DR)과 유입 영역(IR)의 위치가 바뀔 수 있다. 일반적으로, 정삼투 공정이 수행됨에 따라 정삼투 유도 용액의 농도가 낮아질 수 있다. 정삼투 유도 용액의 농도가 낮아질 경우, 정삼투 현상이 원활히 발생되지 못 할 수 있다. 본 개시에 따르면, 혼합 용액(144)에 예비 투과액(PFL)이 유입됨과 동시에 최종 투과액(FFL)이 혼합 용액(144)으로부터 분리되므로, 혼합 용액(144)의 농도가 일정하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 정삼투 현상이 원활히 발생될 수 있다. 결과적으로, 정삼투 성능이 개선된 멤브레인 장치(8)가 제공될 수 있다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 투과 챔버의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 14를 참조하면, 투과 챔버(18)는, 하우징(102), 복수의 정삼투 멤브레인들(110), 투과증발 멤브레인(120), 복수의 유입 영역들(IR), 혼합 영역(MR), 및 배출 영역(DR)을 포함할 수 있다. 하우징(102)은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
투과증발 멤브레인(120)은 하우징(102)의 내측면에 의해 정의되는 영역에 제공될 수 있다. 투과증발 멤브레인(120)은 튜브 형상 또는 할로우 파이버 형상을 가질 수 있다. 투과증발 멤브레인(120)의 외직경은 하우징(102)의 내직경보다 작을 수 있다. 투과증발 멤브레인(120)의 외측면과 하우징(102)의 내측면은 서로 마주할 수 있다.
배출 영역(DR)은 투과증발 멤브레인(120)과 하우징(102) 사이에 제공될 수 있다. 즉, 배출 영역(DR)은 투과증발 멤브레인(120)의 외측면과 하우징(102)의 내측면에 의해 정의될 수 있다.
복수의 정삼투 멤브레인들(110)은 투과증발 멤브레인(120)의 내측면에 의해 정의되는 영역에 제공될 수 있다.
혼합 영역(MR)은 복수의 정삼투 멤브레인들(110)과 투과증발 멤브레인(120) 사이에 제공될 수 있다. 즉, 혼합 영역(MR)은 복수의 정삼투 멤브레인들(110)의 외측면들과 투과증발 멤브레인(120)의 내측면에 의해 정의될 수 있다.
복수의 유입 영역들(IR)은 복수의 정삼투 멤브레인들(110)의 내측면들에 의해 각각 정의될 수 있다.
복수의 유입 영역들(IR) 내에 유입액들(142)이 각각 제공될 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 정삼투 현상에 의해 유입액들(142)로부터 분리되어 활성 영역(MR)으로 이동할 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 활성 영역(MR)에서 정삼투 유도 용액과 혼합되어, 혼합 용액(144)을 생성할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 혼합 용액(144)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다.
최종 투과액들(FFL)은 투과증발 현상에 의해 혼합 용액들(144)로부터 분리되어, 배출 영역(DR)에서 증기(146)로 변환될 수 있다. 배출 영역(DR)은 진공 상태를 가질 수 있다. 배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
상기 개시에 따르면, 예비 투과액들(PFL)의 복수의 정삼투 멤브레인들(110)에 대한 투과 플럭스가 일정하게 유지되는 투과 챔버(18)가 제공될 수 있다.
배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나가 제어되어, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 증기(146)의 양은 혼합 용액(144)의 농도 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다.
도 15는 예시적인 실시예들에 따른 투과 챔버의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 15를 참조하면, 투과 챔버(19)는, 하우징(102), 복수의 정삼투 멤브레인들(110), 한 쌍의 투과증발 멤브레인들(120), 복수의 유입 영역들(IR), 혼합 영역(MR), 및 한 쌍의 배출 영역들(DR)을 포함할 수 있다. 하우징(102)은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
한 쌍의 투과증발 멤브레인들(120)은 하우징(102)의 내측면에 의해 정의되는 영역에 제공될 수 있다. 투과증발 멤브레인(120)은 튜브 형상 또는 할로우 파이버 형상을 가질 수 있다. 투과증발 멤브레인(120)의 외직경은 하우징(102)의 내직경보다 작을 수 있다. 투과증발 멤브레인(120)의 외측면과 하우징(102)의 내측면은 서로 마주할 수 있다.
배출 영역(DR)은 투과증발 멤브레인(120)과 하우징(102) 사이에 제공될 수 있다. 즉, 배출 영역(DR)은 투과증발 멤브레인(120)의 외측면과 하우징(102)의 내측면에 의해 정의될 수 있다.
복수의 정삼투 멤브레인들(110)은 튜브형상 혹은 할로우파이버 형상으로 투과증발 멤브레인(120)의 내측면에 의해 정의되는 영역에 제공될 수 있다.
혼합 영역(MR)은 복수의 정삼투 멤브레인들(110)과 투과증발 멤브레인(120) 사이에 제공될 수 있다. 즉, 혼합 영역(MR)은 복수의 정삼투 멤브레인들(110)의 외측면들과 투과증발 멤브레인(120)의 내측면에 의해 정의될 수 있다.
복수의 유입 영역들(IR)은 복수의 정삼투 멤브레인들(110)의 내측면들에 의해 각각 정의될 수 있다.
복수의 유입 영역들(IR) 내에 유입액들(142)이 각각 제공될 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 정삼투 현상에 의해 유입액들(142)로부터 분리되어 활성 영역(MR)으로 이동할 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 활성 영역(MR)에서 정삼투 유도 용액과 혼합되어, 혼합 용액(144)을 생성할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 혼합 용액(144)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다.
최종 투과액들(FFL)은 투과증발 현상에 의해 혼합 용액들(144)로부터 분리되어, 배출 영역(DR)에서 증기(146)로 변환될 수 있다. 배출영역(DR)은 진공 상태를 가질 수 있다. 배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
상기 개시에 따르면, 예비 투과액들(PFL)의 복수의 정삼투 멤브레인들(110)에 대한 투과 플럭스가 일정하게 유지되는 투과 챔버(18)가 제공될 수 있다.
배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나가 제어되어, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 증기(146)의 양은 혼합 용액(144)의 농도 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다.
도 16은 예시적인 실시예들에 따른 투과 챔버의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 16을 참조하면, 투과 챔버(20)는, 하우징(102), 복수의 정삼투 멤브레인들(110), 복수의 투과증발 멤브레인들(120), 복수의 유입 영역들(IR), 혼합 영역(MR), 및 복수의 배출 영역들(DR)을 포함할 수 있다. 하우징(102)은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
복수의 정삼투 멤브레인들(110) 및 복수의 투과증발 멤브레인들(120)은 하우징(102)의 내측면에 의해 정의되는 영역에 제공될 수 있다. 복수의 정삼투 멤브레인들(110) 및 복수의 투과증발 멤브레인들(120)은 할로우파이버 혹은 튜브 형상을 가질 수 있다. 하우징(102)의 내측면에 의해 정의되는 영역 중, 복수의 정삼투 멤브레인들(110) 및 복수의 투과증발 멤브레인들(120) 외의 영역은 혼합 영역(MR)일 수 있다.
복수의 유입 영역들(IR) 내에 유입액들(142)이 각각 제공될 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 정삼투 현상에 의해 유입액들(142)로부터 분리되어 활성 영역(MR)으로 이동할 수 있다. 예비 투과액들(PFL)은 활성 영역(MR)에서 정삼투 유도 용액과 혼합되어, 혼합 용액(144)을 생성할 수 있다. 혼합 용액(144)은 혼합 펌프(MRP)에 의해 순환될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 가열 튜브 또는 가열판이 하우징(102) 내부에 설치되어, 혼합 용액(144)은 순환되지 않을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 혼합 용액(144)의 온도는 혼합 용액 가열부(144h)에 의해 15 도(℃) 내지 150 도(℃)로 유지될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 150 도(℃) 이상인 경우, 멤브레인들의 선택이 제한될 수 있고, 에너지 소비가 증가될 수 있다. 혼합 용액(144)의 온도가 15 도(℃) 이하이면, 투과증발 현상이 원활히 발생되지 않을 수 있다.
최종 투과액들(FFL)은 투과증발 현상에 의해 혼합 용액들(144)로부터 분리되어, 배출 영역(DR)에서 증기(146)로 변환될 수 있다. 배출 영역(DR)은 진공 상태를 가질 수 있다. 배출영역(DR)의 진공도는 절대압 1 Torr 내지 660 Torr인 것이 바람직하다. 진공도가 절대압 661 Torr 내지 759 Torr로 낮으면 혼합용액의 온도를 150 도(℃) 이상 과다하게 높여야 최종 투과액(FFL)을 증기로 배출할 수 있게 된다.
상기 개시에 따르면, 예비 투과액들(PFL)의 복수의 정삼투 멤브레인들(110)에 대한 투과 플럭스가 일정하게 유지되는 투과 챔버(18)가 제공될 수 있다.
다른 예시적인 실시예들에서, 투과증발 멤브레인(120) 대신 도 5를 참조하여 설명된 역삼투 멤브레인(130)이 제공될 수 있다. 배출 영역(DR)에 증기(146) 대신 투과 대상 물질이 제공될 수 있다. 혼합 용액(144)은 혼합 펌프(MRP)에 의해 순환될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 정삼투압에 의해 혼합 용액(144)은 가압되거나 펌프등의 가압장치에 의해 가압될 수 있으므로, 순환되지 않을 수 있다.
또한, 정삼투 막의 성능을 더욱 향상하기 위해 정삼투막과 정삼투막 사이에 정삼투 유도 용액으로서 제 1 혼합용액을 사용하고, 정삼투 막과 투과증발 막 혹은 정삼투막과 역삼투 막 사이에 제2 혼합용액을 이용하되 제1 혼합용액의 용질의 농도는 제2 혼합용액의 용질의 농도보다 낮게 할 수도 있다.
배출 영역(DR)의 진공도 및 혼합 용액(144)의 온도 중 적어도 하나가 제어되어, 혼합 용액(144) 내의 용질 농도를 조절할 수 있다. 증기(146)의 양은 혼합 용액(144)의 농도 및 배출 영역(DR)의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (13)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 내부 공간을 유입 영역 및 혼합 영역으로 나누는 정삼투막; 및
    상기 하우징의 상기 내부 공간을 상기 혼합 영역 및 배출 영역으로 나누는 투과증발막;을 포함하고,
    상기 정삼투막은 예비 투과액을 상기 유입 영역 내에 제공된 유입액으로부터 분리하여, 상기 혼합 영역에 제공하고,
    상기 예비 투과액은 상기 혼합 영역에서 정삼투 유도 용액과 혼합되어 혼합 용액을 생성하고,
    상기 투과증발막은 상기 혼합 용액으로부터 최종 투과액을 분리하여, 상기 배출 영역에 제공하며,
    상기 최종 투과액은 상기 배출 영역에서 증발되어, 증기를 생성하고,
    상기 증기의 양은 상기 혼합 용액의 온도 및 상기 배출 영역의 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절되는 멤브레인 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 용액의 상기 온도 및 상기 배출 영역의 상기 진공도 중 적어도 하나를 조절하는 제어부;를 더 포함하는 멤브레인 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 용액의 농도는 상기 투과증발막에 의해 상기 최종 투과액이 상기 혼합 용액으로부터 분리되는 것에 의해 상기 하우징 내부의 상기 혼합 영역에서 일정하게 유지되는 멤브레인 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 영역은 상기 정삼투막의 일 표면을 노출하고,
    상기 혼합 용액의 농도는 상기 정삼투막의 상기 일 표면에 평행한 방향을 따라 일정하게 유지되는 멤브레인 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입 영역에 상기 유입액을 제공하는 유입액 제공부;
    상기 증기를 응축하여 최종 투과액을 재생성하는 응축기; 및
    상기 배출 영역의 상기 진공도를 조절하는 진공 펌프를 더 포함하는 멤브레인 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 정삼투막은 일 방향으로 연장하는 평판 형상을 갖고,
    상기 혼합 용액의 농도는 상기 일 방향을 따라 일정하게 유지되는 멤브레인 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 정삼투막 및 상기 투과증발막은 튜브 형상 또는 할로우 파이버 형상을 갖는 멤브레인 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 정삼투막 또는 상기 투과증발막은 복수 개로 제공되는 멤브레인 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 영역을 제1 혼합 영역 및 제2 혼합 영역으로 나누는 역삼투용 멤브레인을 더 포함하는 멤브레인 장치.
  10. 하우징, 상기 하우징의 내부 공간을 유입 영역 및 혼합 영역으로 나누는 정삼투막, 및 상기 하우징의 상기 내부 공간을 상기 혼합 영역 및 배출 영역으로 나누는 투과증발막을 준비하는 것;
    유입액 및 정삼투 유도 용액을 각각 상기 유입 영역 및 상기 혼합 영역에 제공하는 것;
    상기 유입액으로부터 분리된 예비 투과액을 상기 정삼투 유도 용액과 혼합하여, 혼합 용액을 생성하는 것; 및
    상기 혼합 용액으로 분리된 최종 투과액을 상기 배출 영역에 제공하여, 상기 배출 영역에서 상기 최종 투과액을 증발시키는 것;을 포함하되,
    상기 혼합 용액의 농도는 일정하게 유지되는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 혼합 용액의 상기 농도에 대응하여 상기 혼합 용액의 온도 및 상기 배출 영역의 진공도 중 적어도 하나를 제어하는 것을 더 포함하되,
    상기 최종 투과액의 증발량은 상기 혼합 용액의 상기 온도 및 상기 배출 영역의 상기 진공도 중 적어도 하나에 의해 조절되는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 최종 투과액이 증발되어 생성된 증기를 응축시켜, 상기 최종 투과액을 재생성하는 것을 더 포함하는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 혼합 용액의 삼투압은 일정하게 유지되는 멤브레인 장치를 이용하는 용액 분리 방법.
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