WO2020075945A1 - 용매이용 탈염장치 및 방법 - Google Patents

용매이용 탈염장치 및 방법 Download PDF

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WO2020075945A1
WO2020075945A1 PCT/KR2019/005394 KR2019005394W WO2020075945A1 WO 2020075945 A1 WO2020075945 A1 WO 2020075945A1 KR 2019005394 W KR2019005394 W KR 2019005394W WO 2020075945 A1 WO2020075945 A1 WO 2020075945A1
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water
solvent
module
functional solvent
functional
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PCT/KR2019/005394
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이재우
최영철
최오경
김규동
동단단
서준호
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고려대학교 산학협력단
리서치 트라이앵글 인스티튜트
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    • C02F1/265—Desalination
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    • C02F2305/14—Additives which dissolves or releases substances when predefined environmental conditions are reached, e.g. pH or temperature

Definitions

  • the present invention relates to a desalination device and method using a solvent, and more specifically, to a desalination device and method using a solvent for extracting fresh water using a functional solvent capable of excluding salt but varying in solubility with water according to temperature. .
  • seawater desalination is a lot of interest in the technology to secure water resources in the long term, and domestic efforts have been made to develop seawater desalination technology until recently.
  • Existing seawater desalination technology mainly uses Distillation and Reverse Osmosis as a commercial technology.
  • Industrial waste water also tends to be strengthened in water quality standards for treatment, and when a high concentration of salt is present, it may cause a reaction to be inhibited during conventional biological treatment or physicochemical treatment.
  • membrane-using technologies have been applied, similar to seawater desalination, as the trend has shifted from treatment to reuse of water.
  • the evaporation method and the reverse osmosis technology which have been developed and commercialized, require most of the high energy and equipment costs, and thus, the demand for the development of low-energy alternative technologies is increasing.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a solvent-assisted desalination device and method for improving desalination efficiency without a pretreatment process.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a solvent-assisted desalting apparatus and method in which the process energy consumption rate is significantly reduced.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a desalting apparatus and method using a solvent having a reduced process cost.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the present invention provides a desalting device using a solvent.
  • the desalting device using a solvent a raw water supply module for supplying raw water consisting of a salt and water of a first concentration, a functional solvent supply module for supplying a functional solvent having a variable solubility with water according to temperature , A mixing module for mixing the raw water from the raw water supply module and a functional solvent from the functional solvent supply module, receiving the mixed water in which the raw water and the functional solvent are mixed from the mixing module, at a first temperature, the Salt crystallization in which the water contained in the raw water is dissolved in the functional solvent, and the water is removed from the first separation module to receive raw water including a salt having a second concentration higher than the first concentration.
  • the water and the functional solvent A may include a second separation modules for separating column.
  • the functional solvent may include at least one of Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, and Ethylbutylamine.
  • the functional solvent is hydrogen-bonded with the water, so that only water can be selectively dissolved. Furthermore, only water may be selectively absorbed from the raw water in which the water and the salt are mixed.
  • the mixing module may further include a stirrer for stirring the raw water and the functional solvent at a speed of 100 rpm or more and 500 rpm or less.
  • a stirrer for stirring the raw water and the functional solvent at a speed of 100 rpm or more and 500 rpm or less.
  • it may include an in-line mixer.
  • the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water from which the water is removed form a water layer
  • the first The separation module may further include a first partition wall separating the water layer.
  • the first partition wall is disposed between the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water from which the water is removed, so as to improve the separation efficiency between the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water from which water is removed. You can.
  • the water and the functional solvent form a water layer
  • the second separation module may further include a second partition wall separating the water layer.
  • the second partition wall is disposed between the functional solvent and the water to improve the separation efficiency of the functional solvent and the water.
  • the salt crystallization module may further include crystal nuclei for crystallizing the salt of the second concentration.
  • the functional solvent recovery passage for supplying the functional solvent thermally separated from the second separation module to the functional solvent supply module may be further included.
  • a heating module is provided between the first separation module and the second separation module, and the heating module includes a functional solvent in which water supplied from the first separation module to the second separation module is dissolved. You can increase the temperature.
  • the first heat exchanger for exchanging heat between the functional solvent in which water from the first separation module is dissolved and the thermally separated functional solvent from the second separation module may be further included.
  • a second heat exchanger for exchanging heat between the cooling water cooling the salt crystallization module and the functional solvent that is thermally separated from the second separation module and returned to the functional solvent supply module may be further included.
  • the present invention provides a desalting method using a solvent.
  • the desalting method using the solvent comprises supplying a functional solvent having a first concentration of salt and water, and a solubility in which the solubility of water varies according to temperature, and mixing the raw water and the functional solvent. , Receiving a mixed water in which the raw water and the functional solvent are mixed, a first separation step of dissolving the water contained in the raw water in the functional solvent at a first temperature, and receiving the functional solvent in which the water is dissolved, At a second temperature higher than the first temperature, a second separation step of thermally separating the water and the functional solvent may be included.
  • the water is removed, receiving a raw water containing a salt having a second concentration higher than the first concentration, crystallizing the salt ion of the second concentration It may further include.
  • the functional solvent separated from the functional solvent in which the water is dissolved in the second separation step may include being reused in the step of supplying the raw water and the functional solvent.
  • a raw water supply module for supplying raw water consisting of a salt and water of a first concentration
  • a functional solvent supply module for supplying a functional solvent having a variable solubility with water according to temperature
  • a mixing module for mixing the raw water from the raw water supply module with the functional solvent from the functional solvent supply module, and receiving the mixed water in which the raw water and the functional solvent are mixed from the mixing module, at a first temperature
  • the raw water A first separation module for dissolving the water contained in the functional solvent
  • a salt crystallization module receiving the raw water including a salt having a second concentration higher than the first concentration by removing the water from the first separation module , And receiving the functional solvent in which the water is dissolved, from the first separation module, at a second temperature higher than the first temperature, the water and the functional solvent It may include a second separation module for thermal separation.
  • FIG. 1 is a view for explaining a desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a fresh water extraction process performed in a desalination apparatus using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining a salt concentration process performed in a desalination apparatus using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of desalination using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph comparing the properties of functional solvents used in a desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph comparing the properties of functional solvents used in a solvent-assisted desalination device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph comparing the characteristics change according to the speed of the stirrer included in the mixing module in the desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • a component when referred to as being on another component, it means that it may be formed directly on another component, or a third component may be interposed between them.
  • a third component may be interposed between them.
  • the thickness of the films and regions are exaggerated for effective description of the technical content.
  • first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. Therefore, what is referred to as the first component in one embodiment may be referred to as the second component in another embodiment.
  • first component in one embodiment
  • second component in another embodiment
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' is used to mean including at least one of the components listed before and after.
  • FIG. 1 is a view for explaining a desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view for explaining a fresh water extraction process performed in a desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a view It is a view for explaining a salt concentration process performed in a desalination apparatus using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • the solvent-assisted desalination device is a functional solvent supply module 110, a raw water supply module 120, a mixing module 200, a first separation module 300, a heating module ( 350), second separation module 400, salt crystallization module 500, cooling module 550, salt storage tank 600, post-treatment module 710, fresh water storage tank 720, first heat exchanger ( 810), and a second heat exchanger 820.
  • a functional solvent supply module 110 a raw water supply module 120, a mixing module 200, a first separation module 300, a heating module ( 350), second separation module 400, salt crystallization module 500, cooling module 550, salt storage tank 600, post-treatment module 710, fresh water storage tank 720, first heat exchanger ( 810), and a second heat exchanger 820.
  • the raw water supply module 120 may supply raw water to the mixing module 200.
  • the raw water may be composed of a salt (salt) and water (H 2 O) of the first concentration.
  • the concentration of salt ions included in the raw water may be 0.2 M to 1.0 M.
  • the raw water may be seawater and industrial wastewater.
  • it is assumed that the raw water is seawater.
  • the raw water may be discharged through the raw water supply module outlet 120b.
  • the raw water supply module outlet 120b may be connected to one end of the raw water supply flow path 20.
  • the other end of the raw water supply passage 20 may be connected to the mixing module 200. That is, after the raw water is discharged through the raw water supply module outlet 120b, it may be supplied to the mixing module 200 through the raw water supply flow path 20.
  • the functional solvent supply module 110 may supply a functional solvent to the mixing module 200.
  • the functional solvent may vary in solubility with water depending on the temperature.
  • the functional solvent may include at least one of Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, and Ethylbutylamine.
  • the functional solvent may be discharged through the functional solvent supply module outlet 110b.
  • the functional solvent supply module outlet 110b may be connected to one end of the functional solvent supply passage 10.
  • the other end of the functional solvent supply flow path 10 may be connected to the mixing module 200. That is, after the functional solvent is discharged through the functional solvent supply module outlet 110b, it may be supplied to the mixing module 200 through the functional solvent supply passage 10.
  • the mixing module 200 may receive and mix the raw water and the functional solvent from the raw water supply module 120 and the functional solvent supply module 110, respectively. Specifically, the mixing module 200 may be supplied with the raw water and the functional solvent through the mixing module inlet 200a.
  • the mixing module 200 may include a stirrer 210.
  • the stirrer 210 may be disposed inside the mixing module 200.
  • the raw water and the functional solvent may be mixed through the stirrer 210.
  • the speed of the stirrer may be controlled. Specifically, the stirrer can be controlled at a speed of 100 rpm and 500 rpm or less. That is, the raw water and the functional solvent may be mixed through a stirrer operated at a speed of 100 rpm and 500 rpm or less. Alternatively, when the stirrer is controlled at a speed of less than 100 rpm, water contained in the raw water may not be dissolved in the functional solvent in the first separation module 300 to be described later.
  • the mixed water in which the raw water and the functional solvent are mixed may be discharged through the mixing module outlet 200b.
  • the mixing module outlet 200b may be connected to one end of the mixing water supply passage 30.
  • the other end of the mixed water supply flow path 30 may be connected to the first separation module 300. That is, after the mixed water is discharged through the mixing module outlet 200b, it may be supplied to the first separation module 300 through the mixed water supply flow path 30.
  • the first separation module 300 may receive the mixed water from the mixing module 200. Specifically, the first separation module 300 is discharged from the mixing module 200, to receive the mixed water provided along the mixed water supply flow path 30 through the first separation module inlet (300a) You can.
  • the first separation module 300 may maintain a first temperature.
  • the first temperature may be 15 ° C to 30 ° C.
  • the mixed water may be separated into a functional solvent in which the water is dissolved and raw water from which the water is removed.
  • the raw water from which the water is removed may include a salt of a second concentration.
  • the second concentration may be higher than the first concentration.
  • the mixed water may be in a state in which the functional solvent (FS) and the raw water (Saline water) are mixed, as shown in FIG. 2 (a).
  • the functional solvent FS included in the mixed water is hydrogen-bonded with water (H 2 O) included in the raw water.
  • H 2 O water
  • the mixed water may be separated into a functional solvent in which the water is dissolved and raw water (Brine) from which the water is removed, as shown in FIG. 2 (b).
  • the raw water from which the water is removed may be less in comparison with the raw water supplied from the raw water supply module 120.
  • the raw water from which the water is removed may include a salt having a second concentration higher than the first concentration.
  • the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water from which the water is removed may form a water layer.
  • the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water in which the water is removed may be separated by a difference in density and polarity.
  • the first separation module may include a first partition wall 310.
  • the mixed water provided inside the first separation module 300 may have a lower density of the functional solvent in which the water is dissolved than that of the raw water from which the water is removed.
  • the first partition wall 310 is disposed between the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water from which water is removed, so as to improve the separation efficiency between the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water from which water is removed. You can.
  • the functional solvent in which the water separated from the mixed water in the first separation module 300 is dissolved may be discharged through the first separation module solvent outlet (300c).
  • the first separation module solvent outlet (300c) may be connected to one end of the functional solvent supply flow path 40 in which water is dissolved.
  • the other end of the functional solvent supply channel 40 in which the water is dissolved may be connected to the second separation module 400. That is, after the functional solvent in which the water is dissolved is discharged through the first separation module solvent outlet 300c, it may be supplied to the second separation module 400 through the functional solvent supply passage 40.
  • the raw water from which the water separated from the mixed water is removed from the first separation module 300 may be discharged through the first separation module raw water outlet 300b.
  • the first separation module raw water outlet 300b may be connected to one end of the raw water supply passage 60 from which water is removed.
  • the other end of the raw water supply channel 60 from which the water is removed may be connected to the salt crystallization module 500. That is, after the raw water from which the water is removed is discharged through the first separation module raw water outlet 300b, it can be supplied to the salt crystallization module 500 through the raw water supply passage 60 from which the water is removed. .
  • the second separation module 400 may be provided with a functional solvent in which the water is dissolved from the first separation module 300. Specifically, the second separation module 400 is discharged from the first separation module 300, the water-dissolved functional solvent provided along the functional solvent supply flow path 40 is dissolved in the second It can be provided through the separation module inlet (400a).
  • the functional solvent in which the water introduced into the second separation module 400 is dissolved may be separated into the water and the functional solvent. Separation of the functional solvent in which the water is dissolved may be performed at a second temperature.
  • the second temperature may be higher than the first temperature.
  • the second temperature may be 60 ° C to 80 ° C.
  • the mechanism in which the water and the functional solvent are separated from the functional solvent in which the water is dissolved will be described in more detail with reference to FIG. 2 (c).
  • the functional solvent may vary in solubility with water according to temperature. Accordingly, when the functional solvent in which the water is dissolved is heat-treated to the second temperature higher than the first temperature, the solubility of the functional solvent in water may be variable. Specifically, the solubility of the functional solvent in water when the functional solvent in which the water is dissolved is heat-treated to the second temperature, the mixed water provided inside the first separation module 300 having the first temperature Compared to the solubility of water in the functional solvent containing, it may be lowered. As a result, when the functional solvent in which the water is dissolved is heat-treated to the second temperature, solubility in water is relatively reduced, so that the water can be separated from the functional solvent in which the water is dissolved.
  • the water and the functional solvent may form an aqueous layer.
  • the water and the functional solvent can be separated by a difference in density and polarity.
  • the second separation module 400 may include a second partition wall 410.
  • the functional solvent provided inside the second separation module 400 may have a lower density than the water. Accordingly, the second partition wall 410 is disposed between the functional solvent and the water, thereby improving separation efficiency between the functional solvent and the water.
  • the heating module 350 may increase the temperature of the functional solvent in which the water discharged from the first separation module 300 is dissolved.
  • the functional solvent in which the water is increased by the heating module 350 is dissolved may be provided to the second separation module 400.
  • the heating module 350 may heat the functional solvent in which the water discharged from the first separation module 300 is dissolved to the second temperature.
  • the heating module 350 may be disposed between the first separation module 300 and the second separation module 400.
  • the salt crystallization module 500 may receive raw water from which the water is removed from the first separation module 300. Specifically, the salt crystallization module 500 is discharged from the first separation module 300, the water is removed along the raw water supply flow path 60, the water is removed, the salt crystallization module first It can be provided through the inlet (500a).
  • salt ions in the raw water from which the water is removed are crystallized to extract salt crystals.
  • Crystallization of the salt ions may be performed by cooling the raw water from which the water has been removed to 5 to 15 ° C., and then providing crystal nuclei.
  • the crystal nucleus may crystallize the salt of the second concentration contained in the raw water from which water is removed.
  • the crystal nucleus may be biochar, and sand. The mechanism of crystallization of salt ions in the raw water from which the water is removed will be described in more detail with reference to FIG. 3.
  • the raw water from which the water introduced into the salt crystallization module 500 is removed is a plurality of sodium ions in water as shown in FIG. 3 (a). This may be a state arranged separately from each - (Na +) and chloride ion (Cl). Then, when the raw water from which the water is removed is cooled, the sodium ions (Na + ) and the chloride ions (Cl ⁇ ) are combined to form sodium chloride (NaCl) salt ions as shown in FIG. 3 (b). Can be.
  • the salt ions may be crystallized by crystal nuclei (Seed) as shown in Figure 3 (c).
  • the cooling module 550 may provide cooling water to the salt crystallization module 500.
  • the cooling water may circulate outside the salt crystallization module 500. Accordingly, raw water from which the water introduced into the salt crystallization module 500 is removed may be cooled.
  • the cooling module 550 may include a cooling water inlet 500a and a cooling water outlet 500b.
  • the cooling water outlet 500b may be connected to one end of the cooling water supply passage 72.
  • the other end of the cooling water supply passage 72 may be connected to the salt crystallization module second inlet 500b.
  • the cooling water flowing out from the cooling module 550 may be supplied to the salt crystallization module 500 through the cooling water supply passage 72.
  • the cooling water supplied to the salt crystallization module 500 may be discharged through the salt crystallization module second outlet 500d after circulating the outside of the salt crystallization module 500.
  • the salt crystallization module second outlet 500d may be connected to one end of the cooling water outlet channel 74.
  • the other end of the cooling water outlet flow path 74 may be connected to the cooling water inlet 500a. Accordingly, the cooling water flowing out from the salt crystallization module 500 may be supplied to the cooling module 550 through the cooling water outlet channel 74. That is, after the cooling water flows out from the cooling module 550, it passes through the cooling water supply channel 72, the salt crystallization module 500, and the cooling water outlet channel 74 to the cooling module 550 again. To be introduced, it can be circulated.
  • the salt storage tank 600 may receive the crystallized salt ions from the salt crystallization module 500. Specifically, the crystallized salt ions separated from the raw water from which the water is removed in the salt crystallization module 500 is discharged to the salt crystallization module first outlet 500c and then through the crystallized salt ion supply passage 62 It may be introduced into the salt storage tank inlet 600c. The salt storage tank 600 may store the crystallized salt ions provided.
  • the raw water from which the crystallized salt ion is extracted may be provided to the raw water supply module 120 through a raw water recovery flow path (not shown).
  • the raw water recovery passage (not shown) may connect the salt crystallization module 500 and the raw water supply module 120. That is, the raw water from which the water provided to the salt crystallization module 500 is removed may be separated into the crystallized salt ion and the raw water from which the crystallized salt ion is extracted.
  • the crystallized salt ions are moved to the salt storage tank 600 and stored in the salt storage tank 600, and the raw water from which the crystallized salt ions are extracted is moved to the raw water supply module 120 It can be recycled to the raw water supplied to the mixing module 200.
  • the post-processing module 710 may receive the water from the second separation module 400. Specifically, the post-treatment module 710 may be discharged from the second separation module 400 to receive the water provided along the fresh water supply flow path 80. The post-treatment module 710 may remove excess functional solvent contained in the water. For example, the post-treatment module 710 may remove excess functional solvent contained in the water by using bio-scoop and sand. Thereafter, the water from which the excess functional solvent is removed may be provided and stored in the fresh water storage tank 720.
  • the functional solvent thermally separated from the second separation module 400 may be recovered to the functional solvent supply module 110 through a functional solvent recovery passage 50.
  • the functional solvent recovery passage 50 may connect the second separation module 400 and the functional solvent supply module 110. That is, one end of the functional solvent recovery passage 50 may be connected to the second separation module 400, and the other end of the functional solvent recovery passage 50 may be connected to the functional solvent supply module 110. .
  • the functional solvent recovery passage 50 may include first to third functional solvent recovery passages 52, 54, and 56.
  • the first functional solvent recovery passage 52 may connect the second separation module 400 and the first heat exchanger 810.
  • the second functional solvent recovery passage 54 may connect the first heat exchanger 810 and the second heat exchanger 820.
  • the third functional solvent recovery passage 56 may connect the second heat exchanger 820 and the functional solvent supply module 110. That is, between the second separation module 400 and the functional solvent supply module 110, the first functional solvent recovery flow path 52, the first heat exchanger 810, the second functional solvent recovery flow path ( 54), the second heat exchanger 820, and the third functional solvent recovery passage 56 may be disposed.
  • the first heat exchanger 810 exchanges heat between the functional solvent in which the water discharged from the first separation module 300 is dissolved and the thermally separated functional solvent from the second separation module 400. I can do it. Specifically, the first heat exchanger 810 is moved from the thermally separated functional solvent moving through the first functional solvent recovery flow path 52 through the functional solvent supply flow path 40 in which the water is dissolved. Heat may be transferred to the functional solvent in which the water is dissolved.
  • the thermally separated functional solvent moving through the first functional solvent recovery passage 52 may be heated by the heating module 350.
  • the functional solvent in which the water is dissolved which moves through the functional solvent supply passage 40 in which the water is dissolved, may be in a state before being heated by the heating module 350.
  • the temperature of the thermally separated functional solvent moving through the first functional solvent recovery passage 52 may be 60 ° C to 80 ° C.
  • the temperature of the functional solvent dissolved in water moving through the functional solvent supply passage 40 in which the water is dissolved may be 15 ° C to 30 ° C.
  • the first heat exchanger 810 supplies a functional solvent in which the water having a low temperature is dissolved from the thermally separated functional solvent moving through the first functional solvent recovery passage 52 having a high temperature.
  • the water moving through the flow path 40 may transfer heat to a functional solvent in which the water is dissolved.
  • the heating module 350 is the water
  • the energy consumption for increasing the temperature of the dissolved functional solvent can be reduced. That is, the first heat exchanger 810 may improve energy efficiency of the heating module 350.
  • the second heat exchanger 820 heats the cooling water cooling the salt crystallization module 500 and heat of the functional solvent that is thermally separated from the second separation module 400 and recovered by the functional solvent supply module 110. Can be exchanged. Specifically, the second heat exchanger 820 heats the heat from the thermally separated functional solvent moving through the second functional solvent recovery passage 54 to the cooling water moving through the cooling water outlet passage 74. Can deliver.
  • the thermally separated functional solvent moving through the second functional solvent recovery passage 54 may have a higher temperature than the cooling water moving through the cooling water outlet passage 74. Accordingly, the second heat exchanger 820, from the thermally separated functional solvent moving through the second functional solvent recovery passage 54 having a high temperature, the cooling water outlet passage 74 having a low temperature Heat can be transferred to the cooling water moving through.
  • the second heat exchanger 820 may lower the temperature of the thermally separated functional solvent recovered by the functional solvent supply module 110. Accordingly, the second heat exchanger 820 lowers the temperature of the functional solvent provided from the functional solvent supply module 110 to the mixing module 200, so that the functional solvent supply module 110 and the mixing The energy efficiency of the module 200 can be improved.
  • the raw water supply module 120 for supplying the raw water consisting of the salt and water of the first concentration, to supply the functional solvent having a variable solubility with water according to temperature
  • the functional solvent supply module 110 for mixing the raw water from the raw water supply module 120 and the functional solvent from the functional solvent supply module 110, from the mixing module 200, From the first separation module 300 and the first separation module 300 that receives the mixed water in which the raw water and the functional solvent are mixed and dissolves the water contained in the raw water in the functional solvent at a first temperature.
  • the salt crystallization module 500 receiving the raw water containing the salt of the second concentration higher than the first concentration, the water is removed, and
  • the second separation module 400 for receiving the functional solvent in which the water is dissolved is provided from the first separation module 300 and thermally separating the water and the functional solvent at a second temperature higher than the first temperature. It can contain. Accordingly, unlike the existing seawater-desalination process, which performed desalination using distillation or reverse osmosis, there is no need for energy to convert the seawater into a water vapor phase or pretreatment process. The energy and cost consumed during the driving process can be significantly reduced.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of desalination using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • the desalination method using a solvent according to the embodiment includes: supplying raw water and a functional solvent (S100), mixing raw water and a functional solvent (S200), a first separation step (S300), and It may include a second separation step (S400).
  • S100 raw water and a functional solvent
  • S200 mixing raw water and a functional solvent
  • S300 first separation step
  • S400 second separation step
  • each step will be described.
  • the desalination method using a solvent according to the embodiment may be performed by the desalination device using a solvent according to the embodiment described with reference to FIG. 1.
  • raw water and a functional solvent may be supplied to the mixing module.
  • the raw water may be composed of a salt (salt) and water (H 2 O) of the first concentration.
  • concentration of salt ions included in the raw water may be 0.2 M to 1.0 M.
  • the raw water may be seawater and industrial wastewater.
  • the functional solvent may vary in solubility with water according to temperature.
  • the functional solvent may include at least one of Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, and Ethylbutylamine.
  • the raw water and the functional solvent may be mixed.
  • the raw water and the functional solvent may be mixed through a stirrer operated at a speed of 100 rpm and 500 rpm or less.
  • the stirrer is controlled at a speed of less than 100 rpm, the water contained in the raw water may not be dissolved in the functional solvent in the first separation step (S300) described below.
  • the stirrer is controlled at a speed of more than 500 rpm, the formation of a water layer is not easily generated between the functional solvent in which water is dissolved and raw water from which water is removed in the first separation step (S300) described below, resulting The extraction of salt ions crystallized with may not occur easily.
  • the mixed water in which the raw water and the functional solvent are mixed may be provided, and water contained in the raw water may be dissolved in the functional solvent at a first temperature.
  • the mixed water may be separated into a functional solvent in which the water is dissolved and raw water from which the water is removed.
  • the raw water from which the water is removed may include a salt of a second concentration. The second concentration may be higher than the first concentration.
  • the functional solvent is hydrogen-bonded with water (H 2 O) contained in the raw water to dissolve the water. I can do it. That is, water molecules included in the raw water may be transferred from the raw water to the functional solvent. Accordingly, the mixed water may be separated into a functional solvent in which the water is dissolved and raw water from which the water is removed.
  • the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water from which the water is removed may form a water layer.
  • the functional solvent in which the water is dissolved and the raw water in which the water is removed may be separated by a difference in density and polarity.
  • the functional solvent in which the water is dissolved is provided, and at a second temperature higher than the first temperature, the water and the functional solvent may be thermally separated. That is, the functional solvent in which the water is dissolved may be heat-treated at a second temperature to be separated into the water and the functional solvent.
  • the second temperature may be 60 ° C to 80 ° C.
  • the functional solvent may vary in solubility with water according to temperature. Accordingly, when the functional solvent in which the water is dissolved is heat-treated to the second temperature higher than the first temperature, the solubility of the functional solvent in water may be variable. Specifically, the solubility of the functional solvent in water when the functional solvent in which the water is dissolved is heat-treated to the second temperature, the functional solvent included in the mixed water provided to the environment at the first temperature in step S300 Compared to the solubility in water, it may be lowered. As a result, when the functional solvent in which the water is dissolved is heat-treated to the second temperature, solubility in water is relatively reduced, so that the water can be separated from the functional solvent in which the water is dissolved. The water and the functional solvent may form an aqueous layer. The water and the functional solvent can be separated by a difference in density and polarity.
  • the functional solvent thermally separated from the second separation step (S400) can be recovered and reused in the S100 step.
  • the desalination method using a solvent according to the embodiment may further include crystallizing salt ions having a second concentration after the first separation step (S300).
  • the step of crystallizing the salt ions at the second concentration may be performed by receiving raw water from which the water separated in the first separation step is removed, cooling, and then providing crystal nuclei.
  • the crystal nucleus may be biochar, and sand.
  • the specific mechanism in which the salt ion crystallizes may be the same as the crystallization mechanism of the salt ion performed inside the salt crystallization module described with reference to FIG. 3. Accordingly, detailed description is omitted.
  • Salt ions crystallized from the step of crystallizing the second concentration of salt ions may be stored in a storage tank.
  • the raw water from which the crystallized salt ion is extracted from the crystallization of the second concentration of salt ion may be recovered and reused in the step S100.
  • FIG. 5 is a photograph comparing the properties of functional solvents used in a desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a comparison of properties of functional solvents used in a desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention It is a graph.
  • FIG. 5 different functional solvents A to C are prepared, and functional solvents A to C are mixed with raw water containing NaCl at a concentration of 0.5 M, respectively, and a photograph of the mixed state of the functional solvent and raw water is taken.
  • Functional solvent A was prepared with Octylamine
  • functional solvent B was prepared with Dibutylamine
  • functional solvent C was prepared with 2-Ethylhexylamine.
  • the water absorption efficiency was found to be the highest in functional solvent A, but the salt removal efficiency was found to be highest in functional solvent B.
  • the functional solvent A Optylamine
  • the water absorption efficiency is high, but the salt removal efficiency is low, it is determined that it is difficult to apply to the solvent-assisted desalination device according to the embodiment.
  • the functional solvent B Dibutylamine
  • the water absorption efficiency is relatively low, but as the salt removal efficiency is remarkably high, it is judged to be suitable for application to the desalination apparatus using solvents according to the above embodiment.
  • FIG. 7 is a graph comparing the characteristics change according to the speed of the stirrer included in the mixing module in the desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention.
  • the speed of the stirrer included in the mixing module among the desalination devices using solvents according to the embodiment is controlled at 100, 300, 500, 700, and 1000 rpm and water absorption,% for each.
  • salt rejection efficiency (Cl rejection,%) were measured.
  • the water absorption efficiency and salt removal efficiency were calculated as described above in FIG. 6.
  • the results of the graph shown in FIG. 7 are summarized through ⁇ Table 1> below.
  • the weight of the crystallized salt ions obtained by reusing (recycle 2) the raw water separated from the salt crystallization module containing, reuse the raw water separated from the salt crystallization module included in the solvent-assisted desalination device according to the embodiment twice The weight of crystallized salt ions obtained by repetition 3), and the weight of crystallized salt ions obtained by reusing the raw water separated from the salt crystallization module included in the desalination device using a solvent according to the embodiment 3 times (repetition 4) It was shown by measuring.
  • the results of the graph shown in FIG. 8 are summarized through ⁇ Table 2> below.
  • the desalination device using a solvent according to an embodiment of the present invention may induce a difference in solubility between a raw water and a functional solvent through a change in temperature after mixing a functional solvent having a variable solubility with water according to temperature. . Accordingly, salt ions can be removed from the raw water to obtain fresh water. This is different from the existing seawater-desalination process that performed desalination using distillation or reverse osmosis, and requires no energy to change the phase of seawater into water vapor or transform it into water vapor. The energy and cost consumed in the process can be significantly reduced.

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Abstract

용매이용 탈염장치가 제공된다. 상기 용매이용 탈염장치는, 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는, 원수 공급모듈, 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는, 기능성 용매 공급모듈, 상기 원수 공급모듈로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈, 상기 혼합모듈로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈, 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈, 및 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈을 포함할 수 있다.

Description

용매이용 탈염장치 및 방법
본 발명은 용매이용 탈염장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하되 염분은 배제할 수 있는 기능성 용매를 이용하여 담수를 추출하는 용매이용 탈염장치 및 방법에 관련된 것이다.
기후변화는 현재 사용되고 있는 지표수 및 지하수 등의 담수자원의 고갈을 촉진시키고 많은 지역에 물 부족 현상을 야기하며, 새로운 수자원의 확보 및 물 재이용에 대한 관심을 증가시키고 있다. 현재 전 세계 40% 이상의 인구가 물 부족을 겪고 있으며, 2025년에는 전체 인구의 2/3가 물 스트레스를 겪을 것으로 예상하고 있다. 특히, 우리나라는 1인당 연 강수총량이 세계 평균의 1/6 수준으로 물 스트레스 국가로 분류되고 있으며, 대부분의 수자원을 하천수에 의존하고 있어 이상 가뭄 등으로 인한 물 부족에 대응이 어려운 실정이다.
현재 많은 나라에서 내륙의 담수 이외에 해수를 담수화하여 수자원을 장기적으로 확보하는 기술에 많은 관심을 가지고 있으며 국내에서도 최근까지 해수담수화 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 기존의 해수담수화 기술은 주로 증발법(Distillation) 및 역삼투압(Reverse Osmosis) 등이 상용기술로 많이 사용되고 있다. 산업폐수 역시 처리수 수질기준이 강화되는 추세이며, 고농도 염이 존재할 경우 기존의 생물학적 처리나 물리화학적 처리시 반응에 저해를 유발할 수 있다. 또한 최근 산업폐수의 경우 처리에서 용수재이용으로 많이 전환되고 있는 추세로 해수담수화와 마찬가지로 다양한 막이용 기술이 적용되고 있다. 그러나 기존에 개발되어 상용화되고 있는 증발법이나 역삼투압 기술 등은 대부분 높은 에너지와 설비비용이 요구되기 때문에 최근 저에너지형 대체기술 개발의 수요가 증가하고 있는 상황이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 전처리 공정 없이 담수화 효율이 향상되는 용매이용 탈염장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 공정 에너지 소모율이 현저히 감소된 용매이용 탈염장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용이 감소된 용매이용 탈염장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 용매 이용 탈염장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 용매이용 탈염장치는, 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는, 원수 공급모듈, 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는, 기능성 용매 공급모듈, 상기 원수 공급모듈로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈, 상기 혼합모듈로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈, 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈, 및 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용매는, Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, 및 Ethylbutylamine 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈에서, 상기 기능성 용매는, 상기 물과 수소 결합하여, 물만 선택적으로 용해시킬 수 있다. 나아가, 상기 물과 염이 혼재하는 원수에서 물만 선택적으로 흡수할 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합모듈은, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 100 rpm 이상 500 rpm 이하의 속도로 교반시키는, 교반기를 더 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 인라인 믹서(in-line mixer)를 포함할 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈에서, 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해됨에 따라, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 수층을 이루며, 상기 제1 분리모듈은 상기 수층을 분리하는 제1 격벽을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 격벽은 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수 사이에 배치되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 분리모듈에서, 상기 물과 상기 기능성 용매는 수층을 이루며, 상기 제2 분리모듈은 상기 수층을 분리하는 제2 격벽을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 격벽은 상기 기능성 용매와 상기 물 사이에 배치되어, 상기 기능성 용매와 상기 물의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 염 결정화 모듈을 냉각시키는 냉각수를 제공하는 냉각모듈을 더 포함하며, 상기 염 결정화 모듈은 상기 제2 농도의 염을 결정화시키는 결정핵을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 분리모듈로부터 열 분리된 상기 기능성 용매를 상기 기능성 용매 공급모듈로 공급하는 기능성 용매 회수유로를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈과 상기 제2 분리모듈 사이에는 가열모듈이 마련되며, 상기 가열모듈은 상기 제1 분리모듈로부터 상기 제2 분리모듈로 공급되는 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 높일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈로부터의 물이 용해된 기능성 용매와, 상기 제2 분리모듈로부터의 열 분리된 기능성 용매의 열을 교환시키는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 염 결정화 모듈을 냉각시킨 냉각수와, 상기 제2 분리모듈로부터 열 분리되어 상기 기능성 용매 공급모듈로 회수되는 기능성 용매의 열을 교환시키는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 용매이용 탈염방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 용매이용 탈염방법은 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수, 및 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는 단계, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 혼합하는 단계, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리 단계, 및 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리 단계 이후, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받아, 상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 분리 단계에서 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 분리된 상기 기능성 용매는, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 공급하는 단계에서 재사용되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치는, 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는 원수 공급모듈, 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는, 기능성 용매 공급모듈, 상기 원수 공급모듈로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈, 상기 혼합모듈로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈, 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈, 및 상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈을 포함할 수 있다. 이에 따라, 증발법(distillation) 또는 역삼투압(reverse osmosis) 등을 이용하여 담수화를 수행하던 기존의 해수-담수화 공정과는 달리, 해수의 전처리 과정이나 해수를 수증기로 상변화 시키기 위한 에너지가 필요 없어 운전 과정에서 소모되는 에너지와 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에서 수행되는 담수 추출 공정을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에서 수행되는 염 농축 공정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에 사용되는 기능성 용매들의 특성을 비교하는 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에 사용되는 기능성 용매들의 특성을 비교하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치 중 혼합모듈이 포함하는 교반기의 속도에 따른 특성 변화를 비교하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수의 재사용 횟수에 특성을 비교하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치를 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에서 수행되는 담수 추출 공정을 설명하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에서 수행되는 염 농축 공정을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치는 기능성 용매 공급모듈(110), 원수 공급모듈(120), 혼합모듈(200), 제1 분리모듈(300), 가열모듈(350), 제2 분리모듈(400), 염 결정화 모듈(500), 냉각모듈(550), 염 저장 탱크(600), 후처리 모듈(710), 담수 저장 탱크(720), 제1 열교환기(810), 및 제2 열교환기(820)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 상술된다.
상기 원수 공급모듈(120)은 상기 혼합모듈(200)로 원수를 공급할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 원수는 제1 농도의 염(salt)과 물(H2O)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 원수가 포함하는 염 이온의 농도는 0.2 M 내지 1.0 M일 수 있다. 예를 들어, 상기 원수는 해수, 및 산업 폐수 등일 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여 상기 원수가 해수인 경우를 상정하여 설명된다.
상기 원수는 원수 공급모듈 배출구(120b)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 원수공급모듈 배출구(120b)는 원수 공급유로(20)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 원수 공급유로(20)의 타 단은 상기 혼합모듈(200)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 원수는 상기 원수 공급모듈 배출구(120b)를 통하여 배출된 후, 상기 원수 공급유로(20)를 통하여 상기 혼합모듈(200)로 공급될 수 있다.
상기 기능성 용매(Functional Solvent) 공급모듈(110)은 상기 혼합모듈(200)로 기능성 용매를 공급할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용매는 온도에 따라 물과의 용해도가 가변할 수 있다. 예를 들어, 상기 기능성 용매는 Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, 및 Ethylbutylamine 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 기능성 용매는 기능성 용매 공급모듈 배출구(110b)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 기능성 용매 공급모듈 배출구(110b)는 기능성 용매 공급유로(10)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 기능성 용매 공급유로(10)의 타 단은 상기 혼합모듈(200)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 기능성 용매는 상기 기능성 용매 공급모듈 배출구(110b)를 통하여 배출된 후, 상기 기능성 용매 공급유로(10)를 통하여 상기 혼합모듈(200)로 공급될 수 있다.
상기 혼합모듈(200)은 상술된 바와 같이, 상기 원수 공급모듈(120), 및 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로부터 각각, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 공급받아 혼합할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합모듈(200)은 혼합모듈 유입구(200a)를 통하여, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 공급받을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합모듈(200)은 교반기(210)를 포함할 수 있다. 상기 교반기(210)는 상기 혼합모듈(200) 내부에 배치될 수 있다. 상기 원수 및 상기 기능성 용매는 상기 교반기(210)를 통하여 혼합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 교반기의 속도가 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 교반기는 100 rpm 및 500 rpm 이하의 속도로 제어될 수 있다. 즉, 상기 원수 및 상기 기능성 용매는 100 rpm 및 500 rpm 이하의 속도로 동작되는 교반기를 통하여 혼합될 수 있다. 이와 달리, 상기 교반기가 100 rpm 미만의 속도로 제어되는 경우, 후술되는 제1 분리모듈(300)에서 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해되지 않을 수 있다. 반면, 상기 교반기가 500 rpm 초과의 속도로 제어되는 경우, 후술되는 제1 분리모듈(300)에서 물이 용해된 기능성 용매와 물이 제거된 원수 사이에 수층의 형성이 용이하게 발생되지 않아, 결과적으로 결정화된 염 이온의 추출이 용이하게 발생되지 않을 수 있다.
상기 원수 및 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수는 혼합모듈 유출구(200b)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 혼합모듈 유출구(200b)는 혼합수 공급유로(30)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 혼합수 공급유로(30)의 타 단은 상기 제1 분리모듈(300)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 혼합수는 상기 혼합모듈 유출구(200b)를 통하여 배출된 후, 상기 혼합수 공급유로(30)를 통하여 상기 제1 분리모듈(300)로 공급될 수 있다.
상기 제1 분리모듈(300)은 상기 혼합모듈(200)로부터 상기 혼합수를 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 분리모듈(300)은 상기 혼합모듈(200)로부터 배출되어, 상기 혼합수 공급유로(30)를 따라 제공되는 상기 혼합수를 제1 분리모듈 유입구(300a)를 통하여 제공받을 수 있다.
상기 제1 분리모듈(300) 내부로 유입된 상기 혼합수는, 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해될 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 분리모듈(300)은 제1 온도를 유지할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 온도는 15℃ 내지 30℃일 수 있다. 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해됨에 따라, 상기 혼합수는 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수로 분리될 수 있다. 상기 물이 제거된 원수는, 제2 농도의 염을 포함할 수 있다. 상기 제2 농도는 상기 제1 농도보다 높을 수 있다. 상기 혼합수가 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수로 분리되는 메커니즘이 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하여 보다 구체적으로 설명된다.
도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 혼합수는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 기능성 용매(FS) 및 상기 원수(Saline water)가 혼합된 상태일 수 있다. 상기 혼합수가, 상기 제1 온도를 갖는 상기 제1 분리모듈(300) 내부로 제공되는 경우 상기 혼합수가 포함하는 상기 기능성 용매(FS)는 상기 원수가 포함하는 물(H2O)과 수소 결합하여, 상기 물을 용해시킬 수 있다. 즉, 상기 원수가 포함하는 물 분자가 상기 원수로부터 상기 기능성 용매(FS)로 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 혼합수는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수(Brine)로 분리될 수 있다. 또한, 상기 물이 제거된 원수는, 상기 원수 공급모듈(120)로부터 공급되는 상기 원수와 비교하여, 상기 물의 양이 적을 수 있다. 이에 따라, 상기 물이 제거된 원수는 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함할 수 있다.
상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 수층(water layer)을 이룰 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 밀도 및 극성의 차이에 의하여 분리될 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수의 분리 효율을 향상시키기 위하여, 상기 제1 분리모듈은 제1 격벽(310)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 분리모듈(300) 내부로 제공되는 혼합수는 상기 물이 용해된 기능성 용매의 밀도가 상기 물이 제거된 원수의 밀도보다 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 격벽(310)은 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수 사이에 배치되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 분리모듈(300)에서 상기 혼합수로부터 분리된 상기 물이 용해된 기능성 용매는 제1 분리모듈 용매 유출구(300c)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 제1 분리모듈 용매 유출구(300c)는 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)의 타 단은 제2 분리모듈(400)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 물이 용해된 기능성 용매는 상기 제1 분리모듈 용매 유출구(300c)를 통하여 배출된 후, 상기 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 상기 제2 분리모듈(400)로 공급될 수 있다.
상기 제1 분리모듈(300)에서 상기 혼합수로부터 분리된 상기 물이 제거된 원수는 제1 분리모듈 원수 유출구(300b)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 제1 분리모듈 원수 유출구(300b)는 물이 제거된 원수 공급유로(60)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 물이 제거된 원수 공급유로(60)의 타 단은 염 결정화 모듈(500)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 물이 제거된 원수는 상기 제1 분리모듈 원수 유출구(300b)를 통하여 배출된 후, 상기 물이 제거된 원수 공급유로(60)를 통하여 상기 염 결정화 모듈(500)로 공급될 수 있다.
상기 제2 분리모듈(400)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 분리모듈(400)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 배출되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 따라 제공되는 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제2 분리모듈 유입구(400a)를 통하여 제공받을 수 있다.
상기 제2 분리모듈(400) 내부로 유입된 상기 물이 용해된 기능성 용매는, 상기 물과 상기 기능성 용매로 분리될 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매의 분리는 제2 온도에서 수행될 수 있다. 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 높은 온도일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 상기 물과 상기 기능성 용매가 분리되는 메커니즘이 도 2의 (c)를 참조하여 보다 구체적으로 설명된다.
도 2의 (c)를 참조하면, 상술된 바와 같이 상기 기능성 용매는 온도에 따라 물과의 용해도가 가변할 수 있다. 이에 따라, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제1 온도보다 높은 상기 제2 온도로 열처리되는 경우, 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도가 가변할 수 있다. 구체적으로, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제2 온도로 열처리되는 경우의 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도는, 상기 제1 온도를 갖는 상기 제1 분리모듈(300) 내부로 제공된 상기 혼합수가 포함하는 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도와 비교하여, 저하될 수 있다. 결과적으로, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제2 온도로 열처리되는 경우, 상기 물에 대한 용해도가 상대적으로 감소하게 되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 상기 물이 분리될 수 있다.
상기 물과 상기 기능성 용매는 수층을 이룰 수 있다. 상기 물과 상기 기능성 용매는 밀도 및 극성의 차이에 의하여 분리될 수 있다. 상기 물과 상기 기능성 용매의 분리 효율을 향상시키기 위하여, 상기 제2 분리모듈(400)은 제2 격벽(410)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 분리모듈(400) 내부로 제공되는 상기 기능성 용매는 상기 물보다 밀도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 격벽(410)은 상기 기능성 용매와 상기 물 사이에 배치되어, 상기 기능성 용매와 상기 물의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 가열모듈(350)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 배출된 상기 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 높일 수 있다. 상기 가열모듈(350)에 의하여 온도가 높아진 상기 물이 용해된 기능성 용매는 상기 제2 분리모듈(400)로 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 가열모듈(350)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 배출된 상기 물이 용해된 기능성 용매를 상기 제2 온도로 가열할 수 있다. 이를 위해, 상기 가열모듈(350)은 상기 제1 분리모듈(300) 및 상기 제2 분리모듈(400) 사이에 배치될 수 있다.
상기 염 결정화 모듈(500)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 상기 물이 제거된 원수를 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 염 결정화 모듈(500)은 상기 제1 분리모듈(300)로부터 배출되어, 상기 물이 제거된 원수 공급유로(60)를 따라 제공되는 상기 물이 제거된 원수를 염 결정화 모듈 제1 유입구(500a)를 통하여 제공받을 수 있다.
상기 염 결정화 모듈(500) 내부로 유입된 상기 물이 제거된 원수는, 상기 물이 제거된 원수 내의 염 이온이 결정화되어, 염 결정이 추출될 수 있다. 상기 염 이온의 결정화는, 상기 물이 제거된 원수를 5~15℃로 냉각시킨 후, 결정핵을 제공하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 결정핵은 물이 제거된 원수가 포함하는 상기 제2 농도의 염을 결정화시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 결정핵은 바이오촤(biochar), 및 모래 등일 수 있다. 상기 물이 제거된 원수 내의 염 이온이 결정화되는 메커니즘이 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명된다.
도 3의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 상기 염 결정화 모듈(500) 내부로 유입된 상기 물이 제거된 원수는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 물 내에 복수의 나트륨 이온(Na+)및 염화 이온(Cl-)이 각각 이격되어 배치된 상태일 수 있다. 이후, 상기 물이 제거된 원수가 냉각되는 경우, 상기 나트륨 이온(Na+)및 상기 염화 이온(Cl-)이 결합되어 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 염화나트륨(NaCl) 염 이온이 형성될 수 있다. 상기 염 이온은 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 결정핵(Seed)에 의하여 결정화될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 냉각모듈(550)은 상기 염 결정화 모듈(500)로 냉각수를 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 냉각수는 상기 염 결정화 모듈(500) 외부를 순환할 수 있다. 이에 따라, 상기 염 결정화 모듈(500) 내부에 유입된 상기 물이 제거된 원수가 냉각될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 냉각모듈(550)은 냉각수 유입구(500a) 및 냉각수 유출구(500b)를 포함할 수 있다. 상기 냉각수 유출구(500b)는 냉각수 공급유로(72)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 냉각수 공급유로(72)의 타 단은 염 결정화 모듈 제2 유입구(500b)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각모듈(550)로부터 유출된 상기 냉각수는, 상기 냉각수 공급유로(72)를 통해 상기 염 결정화 모듈(500)로 공급될 수 있다. 상기 염 결정화 모듈(500)로 공급된 상기 냉각수는, 상기 염 결정화 모듈(500)의 외부를 순환한 후, 염 결정화 모듈 제2 유출구(500d)를 통하여 유출될 수 있다. 상기 염 결정화 모듈 제2 유출구(500d)는 냉각수 유출유로(74)의 일 단과 연결될 수 있다. 상기 냉각수 유출유로(74)의 타 단은 냉각수 유입구(500a)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 염 결정화 모듈(500)로부터 유출된 상기 냉각수는, 상기 냉각수 유출유로(74)를 통해 상기 냉각모듈(550)로 공급될 수 있다. 즉, 상기 냉각수는 상기 냉각모듈(550)로부터 유출된 후, 상기 냉각수 공급유로(72), 상기 염 결정화 모듈(500), 및 상기 냉각수 유출유로(74)를 거쳐 상기 냉각모듈(550)로 다시 유입되도록, 순환될 수 있다.
상기 염 저장 탱크(600)는 상기 염 결정화 모듈(500)로부터 상기 결정화된 염 이온을 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 염 결정화 모듈(500)에서 상기 물이 제거된 원수로부터 분리된 상기 결정화된 염 이온은, 염 결정화 모듈 제1 유출구(500c)로 배출된 후 결정화 염 이온 공급유로(62)를 통하여 염 저장 탱크 유입구(600c)로 유입될 수 있다. 상기 염 저장 탱크(600)는 제공받은 상기 결정화된 염 이온을 저장할 수 있다.
상기 결정화된 염 이온이 추출된 원수는 원수 회수유로(미표시)를 통하여 상기 원수 공급모듈(120)로 제공될 수 있다. 상기 원수 회수유로(미표시)는 상기 염 결정화 모듈(500) 및 상기 원수 공급모듈(120)을 연결할 수 있다. 즉, 상기 염 결정화 모듈(500)로 제공된 상기 물이 제거된 원수는 상기 결정화된 염 이온, 및 상기 결정화된 염 이온이 추출된 원수로 분리될 수 있다. 이 경우, 상기 결정화된 염 이온은 상기 염 저장 탱크(600)로 이동되어 상기 염 저장 탱크(600) 내부에 저장되고, 상기 결정화된 염 이온이 추출된 원수는 상기 원수 공급모듈(120)로 이동되어, 상기 혼합모듈(200)로 공급되는 상기 원수로 재활용될 수 있다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 후처리 모듈(710)은 상기 제2 분리모듈(400)로부터 상기 물을 제공받을 수 있다. 구체적으로, 상기 후처리 모듈(710)은 상기 제2 분리모듈(400)로부터 배출되어, 상기 담수 공급유로(80)를 따라 제공되는 상기 물을 제공받을 수 있다. 상기 후처리 모듈(710)은 상기 물이 포함하는 여분의 상기 기능성 용매를 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 후처리 모듈(710)은 바이오촤, 및 모래 등을 이용하여 상기 물이 포함하는 여분의 상기 기능성 용매를 제거할 수 있다. 이후, 여분의 상기 기능성 용매가 제거된 상기 물은, 상기 담수 저장 탱크(720)로 제공되어 저장될 수 있다.
상기 제2 분리모듈(400)로부터 열 분리된 상기 기능성 용매는, 기능성 용매 회수유로(50)를 통하여, 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로 회수될 수 있다. 이를 위해, 상기 기능성 용매 회수유로(50) 상기 제2 분리모듈(400)과 상기 기능성 용매 공급모듈(110)을 연결할 수 있다. 즉, 상기 기능성 용매 회수유로(50)의 일 단은 상기 제2 분리모듈(400)과 연결되고, 상기 기능성 용매 회수유로(50)의 타 단은 상기 기능성 용매 공급모듈(110)과 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용매 회수유로(50)는 제1 내지 제3 기능성 용매 회수유로(52, 54, 56)을 포함할 수 있다. 상기 제1 기능성 용매 회수유로(52)는, 상기 제2 분리모듈(400)과 상기 제1 열교환기(810)를 연결할 수 있다. 상기 제2 기능성 용매 회수유로(54)는, 상기 제1 열교환기(810)와 상기 제2 열교환기(820)를 연결할 수 있다. 상기 제3 기능성 용매 회수유로(56)는 상기 제2 열교환기(820)와 상기 기능성 용매 공급모듈(110)을 연결할 수 있다. 즉, 상기 제2 분리모듈(400) 및 상기 기능성 용매 공급모듈(110) 사이에는, 상기 제1 기능성 용매 회수유로(52), 상기 제1 열교환기(810), 상기 제2 기능성 용매 회수유로(54), 상기 제2 열교환기(820), 및 상기 제3 기능성 용매 회수유로(56)가 배치될 수 있다.
상기 제1 열교환기(810)는 상기 제1 분리모듈(300)로부터의 배출된 상기 물이 용해된 기능성 용매와, 상기 제2 분리모듈(400)로부터의 상기 열 분리된 기능성 용매의 열을 교환시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 열교환기(810)는 상기 제1 기능성 용매 회수유로(52)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 이동하는 상기 물이 용해된 기능성 용매로 열을 전달할 수 있다.
상기 제1 기능성 용매 회수유로(52)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매는, 상기 가열모듈(350)에 의하여 가열된 상태일 수 있다. 반면, 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 이동하는 상기 물이 용해된 기능성 용매는, 상기 가열모듈(350)에 의하여 가열되기 전 상태일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기능성 용매회수유로(52)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매의 온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있다. 반면, 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 이동하는 상기 물이 용해된 기능성 용매의 온도는 15℃ 내지 30℃일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 열교환기(810)는 높은 온도를 갖는 상기 제1 기능성 용매 회수유로(52)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매로부터, 낮은 온도를 갖는 상기 물이 용해된 기능성 용매 공급유로(40)를 통하여 이동하는 상기 물이 용해된 기능성 용매로 열을 전달할 수 있다.
결과적으로, 상기 제1 열교환기(810)는 상기 가열모듈(350)에 의하여 가열되기 전 상태의 상기 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 증가시킴에 따라, 상기 가열모듈(350)이 상기 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 증가시키기 위한 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 제1 열교환기(810)는 상기 가열모듈(350)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 열교환기(820)는 상기 염 결정화 모듈(500)을 냉각시킨 냉각수와, 상기 제2 분리모듈(400)로부터 열 분리되어 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로 회수되는 상기 기능성 용매의 열을 교환시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 열교환기(820)는 상기 제2 기능성 용매 회수유로(54)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매로부터, 상기 냉각수 유출유로(74)를 통하여 이동하는 상기 냉각수로 열을 전달할 수 있다.
상기 제2 기능성 용매 회수유로(54)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매는, 상기 냉각수 유출유로(74)를 통하여 이동하는 상기 냉각수보다 온도가 높은 상태일 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 열교환기(820)는 높은 온도를 갖는 상기 제2 기능성 용매 회수유로(54)를 통하여 이동하는 상기 열 분리된 기능성 용매로부터, 낮은 온도를 갖는 상기 냉각수 유출유로(74)를 통하여 이동하는 상기 냉각수로 열을 전달할 수 있다.
결과적으로, 상기 제2 열교환기(820)는 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로 회수되는 상기 열 분리된 기능성 용매의 온도를 저하시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 열교환기(820)는 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로부터 상기 혼합모듈(200)로 제공되는 상기 기능성 용매의 온도를 저하시켜, 상기 기능성 용매 공급모듈(110) 및 상기 혼합모듈(200)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치는, 상기 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는 상기 원수 공급모듈(120), 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 상기 기능성 용매를 공급하는, 상기 기능성 용매 공급모듈(110), 상기 원수 공급모듈(120)로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈(110)로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈(200), 상기 혼합모듈(200)로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈(300), 상기 제1 분리모듈(300)로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈(500), 및
상기 제1 분리모듈(300)로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈(400)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 증발법(distillation) 또는 역삼투압(reverse osmosis) 등을 이용하여 담수화를 수행하던 기존의 해수-담수화 공정과는 달리, 해수의 전처리 과정이나 해수를 수증기로 상변화 시키기 위한 에너지가 필요 없어 운전 과정에서 소모되는 에너지와 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치가 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염방법이 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염방법을 설명하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염방법은, 원수 및 기능성 용매를 공급하는 단계(S100), 원수 및 기능성 용매를 혼합하는 단계(S200), 제1 분리 단계(S300), 및 제2 분리단계(S400)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계에 대해 설명된다. 또한, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염방법은, 도 1을 참조하여 설명된 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에 의하여 수행될 수 있음은 물론이다.
상기 S100 단계에서는, 원수 및 기능성 용매가 혼합모듈로 공급될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 원수는 제1 농도의 염(salt)과 물(H2O)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 원수가 포함하는 염 이온의 농도는 0.2 M 내지 1.0 M일 수 있다. 예를 들어, 상기 원수는 해수, 및 산업 폐수 등일 수 있다. 상기 기능성 용매는 온도에 따라 물과의 용해도가 가변할 수 있다. 예를 들어, 상기 기능성 용매는 Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, 및 Ethylbutylamine 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 S200 단계에서는, 상기 원수 및 상기 기능성 용매가 혼합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 원수 및 상기 기능성 용매는 100 rpm 및 500 rpm 이하의 속도로 동작되는 교반기를 통하여 혼합될 수 있다. 이와 달리, 상기 교반기가 100 rpm 미만의 속도로 제어되는 경우, 후술되는 제1 분리단계(S300)에서 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해되지 않을 수 있다. 반면, 상기 교반기가 500 rpm 초과의 속도로 제어되는 경우, 후술되는 제1 분리단계(S300)에서 물이 용해된 기능성 용매와 물이 제거된 원수 사이에 수층의 형성이 용이하게 발생되지 않아, 결과적으로 결정화된 염 이온의 추출이 용이하게 발생되지 않을 수 있다.
상기 S300 단계에서는, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시킬 수 있다. 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해됨에 따라, 상기 혼합수는 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수로 분리될 수 있다. 상기 물이 제거된 원수는, 제2 농도의 염을 포함할 수 있다. 상기 제2 농도는 상기 제1 농도보다 높을 수 있다.
즉, 상기 제1 온도를 갖는 환경에 상기 기능성 용매 및 상기 원수가 혼합된 상기 혼합수가 제공되는 경우, 상기 기능성 용매는 상기 원수가 포함하는 물(H2O)과 수소 결합하여, 상기 물을 용해시킬 수 있다. 즉, 상기 원수가 포함하는 물 분자가 상기 원수로부터 상기 기능성 용매로 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 혼합수는, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수로 분리될 수 있다.
상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 수층(water layer)을 이룰 수 있다. 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 밀도 및 극성의 차이에 의하여 분리될 수 있다.
상기 S400 단계에서는, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 기능성 용매를 열 분리시킬 수 있다. 즉, 상기 물이 용해된 기능성 용매는 제2 온도로 열처리되어 상기 물과 상기 기능성 용매로 분리될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있다.
상술된 바와 같이 상기 기능성 용매는 온도에 따라 물과의 용해도가 가변할 수 있다. 이에 따라, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제1 온도보다 높은 상기 제2 온도로 열처리되는 경우, 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도가 가변할 수 있다. 구체적으로, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제2 온도로 열처리되는 경우의 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도는, 상기 S300 단계에서 상기 제1 온도의 환경에 제공된 상기 혼합수가 포함하는 상기 기능성 용매의 물에 대한 용해도와 비교하여, 저하될 수 있다. 결과적으로, 상기 물이 용해된 기능성 용매가 상기 제2 온도로 열처리되는 경우, 상기 물에 대한 용해도가 상대적으로 감소하게 되어, 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 상기 물이 분리될 수 있다. 상기 물과 상기 기능성 용매는 수층을 이룰 수 있다. 상기 물과 상기 기능성 용매는 밀도 및 극성의 차이에 의하여 분리될 수 있다. 상기 제2 분리 단계(S400)로부터 열 분리된 상기 기능성 용매는 회수되어, 상기 S100 단계에서 재사용될 수 있다.
상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염방법은 상기 제1 분리 단계(S300) 이후, 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계는, 상기 제1 분리 단계에서 분리된 상기 물이 제거된 원수를 제공받아, 냉각시킨 후 결정핵을 제공하는 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 결정핵은 바이오촤(biochar), 및 모래 등일 수 있다. 상기 염 이온이 결정화되는 구체적인 메커니즘은 도 3을 참조하여 설명된 염 결정화 모듈 내부에서 수행되는 염 이온의 결정화 메커니즘과 같을 수 있다. 이에 따라, 구체적인 설명은 생략된다.
상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계로부터 결정화된 염 이온은 저장 탱크 내에 저장될 수 있다. 반면, 상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계로부터 상기 결정화된 염 이온이 추출된 원수는 회수되어, 상기 S100 단계에서 재사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치 및 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치 및 방법의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에 사용되는 기능성 용매들의 특성을 비교하는 사진이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에 사용되는 기능성 용매들의 특성을 비교하는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 서로 다른 기능성 용매 A 내지 C를 준비하고, 기능성 용매 A 내지 C를 각각 0.5M농도의 NaCl을 포함하는 원수와 혼합한 후, 기능성 용매와 원수가 혼합된 상태를 사진 촬영 하여, 각각 도 5의 (a) 내지 (c)에 나타내었다. 기능성 용매 A는 Octylamine으로 준비하고, 기능성 용매 B는 Dibutylamine으로 준비하고, 기능성 용매 C는 2-Ethylhexylamine으로 준비하였다.
도 5의 (a) 내지 (c)에서 알 수 있듯이, 기능성 용매 A 내지 C가 원수와 혼합된 경우, 기능성 용매 A 내지 C 모두 Solvent Phase와 Brine Phase의 수층을 이루는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 0.5M농도의 NaCl을 포함하는 원수에 포함된 물이 기능성 용매 A 내지 C에 용해되어, 기능성 용매와 물이 혼합된 Solvent Phase와 원수로부터 물이 제거된 Brine Phase로 구분되기 때문인 것으로 판단된다.
도 6을 참조하면, 서로 다른 기능성 용매 A 내지 C를 준비하고, 기능성 용매 A 내지 C를 각각 0.5M농도의 NaCl을 포함하는 원수와 혼합한 후, 기능성 용매 A 내지 C의 물 흡수 효율(water absorption, %)과 염 제거 효율(Cl rejection, %)을 측정하여 나타내었다. 물 흡수 효율은 기능성 용매와 원수가 혼합되어 수층이 형성된 경우, Solvent phase의 수분 함량을 측정하였다. 염 제거 효율은 아래 <수학식 1>을 통하여 계산되었다.
<수학식 1>
(residual mass of Cl- in the brine)/(initial mass of Cl- in the saline water)*100
도 6에서 확인할 수 있듯이, 물 흡수 효율은 기능성 용매 A가 가장 높은 것으로 나타났지만, 염 제거 효율은 기능성 용매 B가 가장 높은 것으로 나타났다. 기능성 용매 A(Octylamine)의 경우 물 흡수 효율은 높지만 염 제거 효율이 낮음에 따라, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에 적용하기 힘들 것으로 판단된다. 반면, 기능성 용매 B(Dibutylamine)의 경우 물 흡수 효율은 상대적으로 낮지만 염 제거 효율이 현저히 높음에 따라, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치에 적용하기 적합한 것으로 판단된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치 중 혼합모듈이 포함하는 교반기의 속도에 따른 특성 변화를 비교하는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치 중 혼합모듈이 포함하는 교반기의 속도를 100, 300, 500, 700, 및 1000 rpm으로 제어하고 각각에 대해 물 흡수 효율(water recover, %)와 염 제거 효율(Cl rejection, %)을 측정하였다. 물 흡수 효율 및 염 제거 효율은 도 6에서 상술된 바와 같이 계산되었다. 도 7에 도시된 그래프의 결과가 아래 <표 1>을 통하여 정리된다.
구분 Water Recovery (%) Cl Rejection (%)
100 rpm 12.43 93.04
300 rpm 15.13 92.97
500 rpm 15.73 93.15
700 rpm 18.31 89.53
1000 rpm 18.35 88.83
도 7 및 <표 1>에서 확인할 수 있듯이, 교반기의 속도가 100, 300, 및 500 rpm에서는 염 제거 효율의 차이가 거의 발생하지 않았지만, 700, 및 1000 rpm에서는 염 제거 효율이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 교반 속도가 너무 빠른 경우 물이 용해된 기능성 용매와 물이 제거된 원수 사이에 수층의 형성이 용이하게 발생되지 않기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치를 사용하는 경우, 상기 혼합모듈이 포함하는 교반기의 속도를 100 rpm 이상 500 rpm으로 제어해야 할 필요가 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수의 재사용 횟수에 특성을 비교하는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치가 포함하는 염 결정화 모듈(repetition 1)로부터 획득되는 결정화된 염 이온의 중량(salt recovery, mg), 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수를 재사용(recycle 2)하여 획득되는 결정화된 염 이온의 중량, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수를 2번 재사용(repetition 3)하여 획득되는 결정화된 염 이온의 중량, 및 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치가 포함하는 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수를 3번 재사용(repetition 4)하여 획득되는 결정화된 염 이온의 중량을 측정하여 나타내었다. 도 8에 도시된 그래프의 결과가 아래 <표 2>를 통하여 정리된다.
구분 Repetition 1 Repetition 2 Repetition 3 Repetition 4
Salt recovery 6.48 6.48 6.91 7.56
도 8 및 <표 2>를 통해 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치는, 염 결정화 모듈로부터 분리된 원수의 재사용 횟수가 증가함에 따라, 염 이온의 농도가 농축되어, 결정화되는 염 이온의 중량 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 실시 예에 따른 용매이용 탈염장치는, 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 원수와 혼합한 후, 온도의 변화를 통하여 원수와 기능성 용매 사이의 용해도 차이를 유도할 수 있다. 이에 따라, 원수로부터 염 이온을 제거하여, 담수를 획득할 수 있다. 이는, 증발법(distillation) 또는 역삼투압(reverse osmosis) 등을 이용하여 담수화를 수행하던 기존의 해수-담수화 공정과는 달리, 해수의 전처리 과정이나 해수를 수증기로 상변화 시키기 위한 에너지가 필요 없어 운전 과정에서 소모되는 에너지와 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수를 공급하는, 원수 공급모듈;
    온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는, 기능성 용매 공급모듈;
    상기 원수 공급모듈로부터의 원수와 상기 기능성 용매 공급모듈로부터의 기능성 용매를 혼합하는 혼합모듈;
    상기 혼합모듈로부터, 상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서, 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리모듈;
    상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받는 염 결정화 모듈; 및
    상기 제1 분리모듈로부터, 상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리모듈;을 포함하는 용매이용 탈염장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기능성 용매는, Dipropylamine, Ethylheptylamine, Dibutylamine, 및 Ethylbutylamine 중 적어도 하나를 포함하는, 용매이용 탈염장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 분리모듈에서, 상기 기능성 용매는, 상기 물과 수소 결합하여, 물만 선택적으로 용해시키는, 용매이용 탈염장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 혼합모듈은, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 100 rpm 이상 500 rpm 이하의 속도로 교반시키는, 교반기를 더 포함하는 용매이용 탈염장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 분리모듈에서, 상기 원수에 포함된 물이 상기 기능성 용매에 용해됨에 따라, 상기 물이 용해된 기능성 용매와 상기 물이 제거된 원수는 수층을 이루며,
    상기 제1 분리모듈은 상기 수층을 분리하는 제1 격벽을 더 포함하는 용매이용 탈염장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 격벽은 상기 물이 용해된 기능성 용매보다 밀도가 높고, 상기 물이 제거된 원수보다 밀도가 낮은 용매이용 탈염장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 분리모듈에서, 상기 물과 상기 기능성 용매는 수층을 이루며,
    상기 제2 분리모듈은 상기 수층을 분리하는 제2 격벽을 더 포함하는 용매이용 탈염장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 격벽은 상기 기능성 용매보다 밀도가 높고, 상기 물보다 밀도가 낮은 용매이용 탈염장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 염 결정화 모듈을 냉각시키는 냉각수를 제공하는 냉각모듈을 더 포함하며,
    상기 염 결정화 모듈은 상기 제2 농도의 염을 결정화시키는 결정핵을 더 포함하는, 용매이용 탈염장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 분리모듈로부터 열 분리된 상기 기능성 용매를 상기 기능성 용매 공급모듈로 공급하는 기능성 용매 회수유로를 더 포함하는 용매이용 탈염장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 분리모듈과 상기 제2 분리모듈 사이에는 가열모듈이 마련되며,
    상기 가열모듈은 상기 제1 분리모듈로부터 상기 제2 분리모듈로 공급되는 물이 용해된 기능성 용매의 온도를 높이는 용매이용 탈염장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 분리모듈로부터의 물이 용해된 기능성 용매와, 상기 제2 분리모듈로부터의 열 분리된 기능성 용매의 열을 교환시키는 제1 열교환기를 더 포함하는 용매이용 탈염장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 염 결정화 모듈을 냉각시킨 냉각수와, 상기 제2 분리모듈로부터 열 분리되어 상기 기능성 용매 공급모듈로 회수되는 기능성 용매의 열을 교환시키는 제2 열교환기를 더 포함하는 용매이용 탈염장치.
  14. 제1 농도의 염과 물로 이루어진 원수, 및 온도에 따라 물과의 용해도가 가변하는 기능성 용매를 공급하는 단계;
    상기 원수 및 상기 기능성 용매를 혼합하는 단계;
    상기 원수와 상기 기능성 용매가 혼합된 혼합수를 제공받아, 제1 온도에서 상기 원수에 포함된 물을 상기 기능성 용매에 용해시키는 제1 분리 단계; 및
    상기 물이 용해된 기능성 용매를 제공받아, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서, 상기 물과 상기 기능성 용매를 열 분리시키는 제2 분리 단계를 포함하는 용매 이용 탈염방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 분리 단계 이후,
    상기 물이 제거되어, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 염을 포함하는 원수를 제공받아, 상기 제2 농도의 염 이온을 결정화시키는 단계를 더 포함하는 용매이용 탈염방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 분리 단계에서 상기 물이 용해된 기능성 용매로부터 분리된 상기 기능성 용매는, 상기 원수 및 상기 기능성 용매를 공급하는 단계에서 재사용되는 것을 포함하는 용매이용 탈염방법.
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