KR102936635B1 - 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정 - Google Patents

유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정

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Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정은, 해수 유입구를 통하여 해수를 유입하고, 유입된 해수로부터 탈기하여 전처리를 진행한 후, 전처리 된 해수를 해수농축기에 유입시키고, 해수농축기에서 농축된 해수는 농축수결정화기;에 유입시켜 고형물(유가미네랄 염)을 추출/회수하며, 농축수결정화기에서 생산되는 농축수는 해수농축기로 재유입시키고, 해수농축기에서 배출되는 증류수는 전기분해 처리(수전해)하여 수소(H2)로 생산하는 것을 특징으로 한다. 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 해수의 취수량을 최소화 할 수 있고, 유가 미네랄 회수 에너지 비용을 줄일 수 있으며, 초고도 농축 조건에서도 고순도 담수 생산이 가능하여 수전해 공정을 통한 수소 생산에 이용이 가능한, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정을 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정{ULTRA-CONCENTRATED SEAWATER DESALINATION PROCESS FOR THE RECOVERY OF VALUABLE MINERALS AND THE PRODUCTION OF HIGH-PURITY FRESHWATER}
본 발명은 해수담수화 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저에너지, 고효율, 친환경적인 해수 농축기(multi-effect adsorption desalination, MEAD)와 농축수 결정화기(FC separator + Centrifuge)로 구성된 “초고도 농축 해수담수화 공정”을 통해 “수소 생산을 위한 고순도 담수 생산”과 “고농축 염수로부터 유가 미네랄 회수”가 가능한 새로운 개념의 공정에 관한 것이다.
최근 해양 심층수를 포함하는 다양한 해수를 담수화하는 기술과 이로부터 미네랄 워터를 제조하는 기술이 많이 개발되고 있다.
해양 심층수에 포함된 미네랄 성분은 수용성이므로 체내 흡수가 용이한 장점이 있으므로 현대인에게 매우 유용한 미네랄 공급원이 될 수 있다.
통상적인 해수의 담수화 방법으로는 막 증류(증발)법, 증발법, 전기투석 방식, 역삼투(Reverse osmosis: RO)법 등이 주로 사용되고 있다. 여기서, 주로 사용되고 있는 역삼투 방식은 전처리 후 고압펌프를 이용하여 유입수에 삼투압 이상의 압력을 가하여 담수를 얻어 내는 공정으로서, 고압에 의해서 플럭스가 높아지기 때문에 오염이 크고, 그래서 더 압력을 높여 플럭스를 높여야 하기 때문에 소비동력이 크다는 단점이 있다.
증발법의 기본원리는 용액을 증발시킬 때 용매만 증발하고 용질은 잔류하는 성질을 이용하여 해수로부터 담수를 분리하는 것으로서, 해수/염수를 스팀 등의 고온 열원으로 비등점까지 가열하면 용매인 물은 증발하여 수증기가 되고, 발생된 증기를 다시 저온 열원(냉각수등)을 이용하여 응축시켜 담수를 얻는 기술이다. 하지만 가열관에 스케일이 형성되는 것을 피할 수 없고, 그에 따라 화학세정을 요하는 등의 문제와 단위 생산수당 에너지 소비량이 높은 단점이 있다.
전기투석법(Electro Dialysis: ED)은 해수 중에 존재하는 이온의 선택적 이동에 기초를 두고 이루어지는 방법으로, 막구조에 결합되어 고착된 이온 그룹을 가지며 양이온 교환 막과 음이온 교환 막으로 이루어진다. 역삼투법에 의한 담수화에 비해 약 10년이나 앞서 담수화 플랜트를 건설하여 이용하기도 하였으나, 역삼투법에 비하여 막과 모듈의 개발속도가 늦고, 응용 분야가 적어 현재는 담수화 등의 이용 면에서 뒤져 있다.
막증류(Membrane Distillation: MD) 공정은 해수를 가열해 발생된 수증기를 분리막에 통과시켜 해수와 수증기를 나누고, 다시 수증기를 응축해 담수를 생산하는 공정으로서, 분리막에 유기물 등 오염 물질이 부착돼 생산 속도가 느려지거나 해수를 제대로 거르지 못해 생산 담수의 수질이 나빠질 수 있다는 단점이 있다.
한편, 종래에는 해수에서 미네랄 성분을 추출 및 분리하기 위하여 상기와 같은 담수화 공정을 통해 해수를 증발 농축하고, 용해도 차이를 이용하여 염의 형태로 칼슘과 마그네슘 등과 같은 미네랄 성분을 분리하는 방법을 사용하였다.
하지만, 상기와 같은 방법을 이용하여 해수에 용존하는 미네랄 성분을 분리할 경우에는 미네랄 성분의 회수율이 낮고, 정상적인 분리가 어렵다. 또한, 스케일 등의 문제로 인한 화학적인 세정이 필요할 뿐만 아니라 에너지 소비량 또한 매우 크다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1791621호 ( 명칭: 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치, 등록일: 2017년 10월 24일 ) 대한민국 등록특허 제10-1639848호 ( 명칭: NF/RO/ED 분리막 연계시스템을 이용한 먹는 물 수질 기준 적합 고경도 먹는 물 제조공정, 등록일: 2016년 7월 8일 )
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 한 가지 목적은, 해수의 취수량을 최소화 할 수 있는, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 유가 미네랄 회수 에너지비용을 줄일 수 있는, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 초고도 농축 조건에서도 고순도 담수 생산이 가능하여 수전해 공정을 통한 수소 생산에 이용이 가능한, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 안출된, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정은, 해수 유입구를 통하여 해수를 유입하고, 유입된 해수로부터 탈기하여 전처리를 진행한 후, 전처리 된 해수를 해수농축기에 유입시키고, 해수농축기에서 농축된 해수는 농축수결정화기에 유입시켜 고형물(유가미네랄 염)을 추출/회수하며, 농축수결정화기에서 생산되는 농축수는 해수농축기로 재유입시키고, 해수농축기에서 배출되는 고순도 증류수는 전기분해 처리(수전해)하여 수소(H2)를 생산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정의 해수농축기는, 흡착식다중효용담수화기(MEAD, Multi-Effect Adsorption Desalination)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정의 농축수결정화기는, 강제순환식분리기와 원심분리기 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수의 취수량을 최소화 할 수 있는, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 유가 미네랄 회수 에너지비용을 줄일 수 있는, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초고도 농축 조건에서도 고순도 담수 생산이 가능하여 수전해 공정을 통한 수소 생산에 이용이 가능한, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정을 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정에 포함되는 흡착식다중효용증발 농축공정의 증발기 내 온도에 따른 염수 농도변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정을 개념적으로 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정에 포함되는 흡착식 담수화 공정에서 시간에 따른 증발기 내 염수 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정에 포함되는 흡착식 담수화 공정으로부터 생산된 담수의 수질을 나타낸 차트이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정에 포함되는 흡착식 담수(농축)공정의 염수 농도변화에 따른 증발기 내 염수 온도를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정(100)에 포함되는 흡착식 담수(농축)공정의 염수 농도변화에 따른 증발기 내 염수 온도를 확인할 수 있으며, 기존공정(MED, MSF, MVR, RO 등)과 달리 낮은 TBT(Top brine temperature)의 장점을 가지고 있어, 스케일, 세정 등의 문제를 극복하고 해수의 초고도 농축이 가능함을 알 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정(100)은, 해수 유입구를 통하여 해수를 유입하고, 유입된 해수로부터 탈기하여 전처리를 진행한 후, 전처리 된 해수를 해수농축기에 유입시키고, 해수농축기에서 농축된 해수는 유가미네랄을 추출/회수를 위하여 농축수결정화기에 유입시켜 고형물(염)을 처리/회수하며, 농축수결정화기에서 부산물로 생산되는 농축수는 해수농축기로 재유입시키고, 해수농축기에서 배출되는 증류수는 전기분해 처리(수전해)하여 수소(H2)를 생산하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 해수농축기는 흡착식다중효용담수화기(MEAD, Multi-Effect Adsorption Desalination)를 포함하게 된다.
또한, 농축결정화기는, 강제순환식 분리기와 원심분리기 등을 포함한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정에 포함되는 흡착식 담수화 공정(100)에서 시간에 따른 증발기 내 염수 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 흡착식 담수화 공정에서 시간에 따른 증발기 내 염수 농도 변화를 볼 때, 해수의 초고도 농축 조건에서 시스템의 성능 저하가 미미하다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 해수의 초고도 농축수로부터 유가 미네랄을 회수하기 위한 에너지 비용이 매우 낮다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정에 포함되는 흡착식 담수화 공정(100)으로부터 생산된 담수의 수질을 나타낸 차트이다.
도 4를 참조하면, 흡착시 담수화 공정으로부터 생산된 담수의 수질로 보아, 해수의 초고도 농축 조건에서 고순도 담수 생산이 가능한 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정

Claims (3)

  1. 해수 유입구를 통하여 해수를 유입하고,
    유입된 해수로부터 탈기하여 전처리를 진행한 후,
    전처리 된 해수를 해수농축기;에 유입시키고,
    상기 해수농축기에서 농축된 해수는 농축수결정화기;에 유입시켜 유가미네랄 염을 추출하여 회수하며,
    상기 농축수결정화기에서 생산되는 농축수는 상기 해수농축기로 재유입시키고,
    상기 해수농축기에서 배출되는 증류수를 수전해하여 수소(H2)를 생산하되,
    상기 해수농축기는 흡착식다중효용담수화기(MEAD, Multi-Effect Adsorption Desalination)를 포함하고,
    상기 농축수결정화기는 강제순환식분리기와 원심분리기를 포함하여,
    낮은 TBT(Top Brine Temperature)하에서 유가 미네랄, 고순도 담수 및 수소를 일관 해수담수화 공정을 통해 획득하는 것을 특징으로 하는 유가 미네랄 회수 및 고순도 담수 생산을 위한 초고도 농축 해수담수화 공정.
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