KR20250087885A

KR20250087885A - 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20250087885A
Application number: KR1020230177314A
Authority: KR
Inventors: 박광덕; 최준석; 최영권; 노호정; 이종훈
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2023-12-08
Filing date: 2023-12-08
Publication date: 2025-06-17

Abstract

처리하고자 하는 해수 원수의 온도를 올리기 위해 태양열을 활용한 열섬 투명돔을 구비하고, 고온수와 저온수의 증기압 차이를 발생시키기 위해 열 전도판을 구비함으로써, 현재 기존 담수화 공정에 따른 담수생산량 대비 사용 에너지를 저감시킬 수 있으며, 또한, 해수 담수화를 위해서 선박 등의 부유 구조체 상에 설치되는 부유식 담수 생산장치로서, 공기간극형 막증류-기반으로 담수를 용이하게 생산할 수 있고, 또한, 담수 생산장치의 제작 이후 부유식으로 바다에 띄워놓기만 하면 담수가 생산되므로, 바다 인근의 담수가 필요한 다양한 지역에서 적용할 수 있는, 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치 및 그 방법이 제공된다.

Description

공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치 및 그 방법 {FRESH WATER PRODUCTION APPARATUS OF FLOATING TYPE BASED ON AIR GAP MEMBRANE DISTILLATION (AGMD), AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 해수 담수화를 위해서 선박 등의 부유 구조체 상에 설치되는 부유식 담수 생산장치로서, 공기간극형 막증류-기반으로 담수를 생산하는 부유식 담수 생산장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근, 급변하는 기후 변화로 인해서 수많은 나라에서 물부족 현상이 가속화되고 있고, 또한, 지속되는 인구증가에 따라 산업과 농업에서 사용되는 용수량이 증대되고 있다.

이러한 물부족 현상을 해결하기 위해, 전세계적으로 해수를 담수화시키는 해수 담수화 공정에 대한 기술개발이 활발히 이루어지고 있다.

해수 담수화 공정은 열을 이용한 상변화를 이용하는 열 공정 및 분리막을 이용한 막분리(Membrane Separation) 공정으로 분류된다.

예를 들면, 상변화와 관련된 열 공정은 다단증류법(Multi Stage Flash: MSF), 다단효용증발법(Multi Effect Distillation: MED) 등이 주로 사용되고 있으며, 또한, 막분리 공정으로서, 역삼투(Reverse Osmosis: RO) 공정이 아직까지 가장 많이 사용되고 있다.

구체적으로, 상변화를 이용한 다단증발법(MSF)은 100℃ 이상의 온도로 해수를 가열하여 증발된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 방식으로서, 대용량이고 시공실적이 많으며 생산수 순도가 높다는 장점은 있으나, 이에 반해 에너지 소비가 크다는 단점이 있다.

따라서 최근에는 잠열로 인한 에너지 손실이 큰 열에너지 기반의 해수 담수화 공정보다는 막분리를 이용하여 담수를 얻어내는 방법이 많이 이용되고 있다. 이러한 막분리를 이용한 해수 담수화 공정은 역삼투 공정이 가장 상용화되어 있으며, 많은 부분이 이미 개발되어 있다.

한편, 최근 기후 변화로 인하여 지역적 및 계절적 물 부족 문제가 심각하게 발생하고 있다.

예를 들면, 가뭄이 발생한 경우 특정 지역에 심각한 물 부족이 발생하게 되며, 특히, 물 공급이 취약한 도서지역이나 해안지역에서는 보다 큰 문제가 발생할 수 있다.

또한, 지진, 침수 등의 자연적 재난이나 재해의 발생에 따라 물 공급의 중단 사태가 발생할 수 있으며, 테러 등의 인위적 재난 발생에 의해서도 물 공급이 제한되는 비상상황이 발생할 우려가 있다.

이와 같이 물 안보에 대한 인식 증가와 함께 기존의 육상 담수화 플랜트 건설비용이 증가함에 따라 해수 담수화 플랜트를 육상에 건설하는 대신에 선박에 담수화 장치를 탑재한 해상 이동형 담수화 시스템을 구축하려는 움직임이 이루어지고 있다.

나아가 해수 담수화 기능뿐만 아니라 해수 담수화 선박에 다양한 기능을 부가하여 해상을 운행하면서 담수 생산뿐만 아니라 다양한 기능을 함께 수행할 수 있는 다기능 해수 담수화 선박에 대한 연구개발이 다양한 형태로 이루어지고 있다.

도 1은 해수 담수화 선박을 예시하는 도면이고,

도 2는 종래의 기술에 따른 해수 담수화 장치가 탑재된 선박의 내부를 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 해수 담수화 선박(10)에 해수 담수화 장치가 탑재되어 해상 이동형 담수화 시스템을 구축하고 있다.

구체적으로, 도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 선박 탑재형 해수 담수화 장치는, 선박(20)에 탑재되며, 예를 들면, 갑판 하부 공간에 설치될 수 있다.

이러한 해수 담수화 장치는 취수 유닛, 전처리 여과 유닛(22), 역삼투막 모듈(24), 생산수 탱크(25), 농축수 탱크(26) 및 담수 공급 유닛을 포함할 수 있다.

취수 유닛은 선박(20) 주변의 해수를 취수하기 위한 것으로서, 취수펌프 및 원수탱크(21)를 포함하며, 취수펌프의 동작에 의해 선박(20)으로 유입된 해수는 원수탱크(21)에 저장된다.

전처리 여과 유닛(22)은 해수를 전처리 여과하기 위한 것으로, 원수탱크(21)에 순차적으로 연결되는 공급펌프, 스크린필터 및 UF 멤브레인 모듈(Ultra-filtration membrane module)을 포함할 수 있다.

공급펌프의 동작에 의해 원수탱크(21)의 원수는 스크린 필터로 공급되며, 스크린필터는 원수 탱크의 해수에서 해조류와 같은 큰 이물질을 제거한다.

그리고 스크린필터를 통과한 해수는 UF 멤브레인 모듈로 유입되어 입자성 물질이 제거된 후 전처리 여과수 탱크(23)로 저장된다.

역삼투막 모듈(24)은 전처리 여과 유닛(22)을 통과한 해수를 역삼투막을 통해 여과하여 용존성 물질, 즉, 염분을 제거하도록 구성된다.

역삼투막 모듈(24)은 전처리 여과수 탱크(23)의 배수라인과 연결될 수 있으며, 배수라인에는 여과수의 이송을 위한 이송펌프가 설치될 수 있다.

또한, 역삼투막 모듈(24)의 선단에는 해수에 압력을 제공하는 고압펌프가 설치될 수 있고, 고압펌프의 선단에는 세이프티 필터가 설치될 수 있다.

역삼투막 모듈(24)의 농축수 배수 라인에는 농축수의 압력을 이용하여 에너지를 회수하기 위한 에너지 회수 유닛이 설치된다.

생산수 탱크(25)는 역삼투막 모듈(24)의 생산수 배수라인에 연결되며, 역삼투막 모듈(24)의 여과 작용에 의해 생산된 생산수를 저장한다.

생산수 탱크(25)에는 육상에 담수를 공급하기 위한 담수 공급라인이 연결된다.

구체적으로, 생산수 탱크(25)는 서로 개별적으로 배치되는 제1 생산수 탱크(25a)와 제2 생산수 탱크(25b)를 포함할 수 있다.

제1 생산수 탱크(25a)와 제2 생산수 탱크(26b)는 선박의 중앙을 기준으로 좌측 공간과 우측 공간에 각각 배치될 수 있고, 이들 사이의 유로는 전 밸브(25c)에 의해 개폐될 수 있다.

농축수 탱크(26)는 역삼투막 모듈(24)의 농축수 배수라인에 연결되며, 해수 담수화 과정에서 생성된 부산물인 농축수를 저장하는 기능을 한다.

농축수 탱크(26)에는 선박(20)의 외부로 농축수를 배출하기 위한 농축수 배출라인이 연결될 수 있다.

구체적으로, 농축수 탱크(26) 또한 선박(20)의 좌우 공간에 배치되는 제1 농축수 탱크(26a) 및 제2 농축수 탱크(26b)를 포함할 수 있고, 이들 사이의 유로는 전동 밸브(26c)에 의해 개폐될 수 있다.

담수 공급 유닛은 생산수 탱크(25)에 저장된 생산수인 담수를 육상에 설치된 저장탱크에 공급하는 기능을 하며, 담수 공급펌프 및 연결 호스 등을 포함한다.

종래의 기술에 따른 선박 탑재형 해수 담수화 장치의 경우, 역삼투막 모듈(24)을 사용하여 해수를 담수화한다.

하지만, 이러한 역삼투막 모듈(24)은 전처리 후에 고압펌프를 이용하여 유입수에 삼투압 이상의 압력을 가하여 담수를 얻어 내는 공정을 수행하며,

고압펌프에 의한 소비동력이 크고, 공정 특성상 담수 회수율이 40~50%로 낮으며, 친수성막을 사용해야 하기 때문에 부유입자 및 유기물에 의해 막이 쉽게 오염된다는 문제점이 있다.

한편, 막증류(Membrane Distillation: MD) 공정은 전술한 열 공정과 막분리 공정을 결합함으로써 각각의 단점을 보완한 공정으로서,

열에너지를 사용한다는 점에서 전술한 다단증류법(MSF)과 같은 상분리 공정과 크게 다르지 않지만, 소수성 분리막(Hydrophobic Membrane) 양쪽의 증기압 압력 차이에 의한 분리(Separation)가 일어난다는 관점에서 보면, 액체의 온도를 끓는점까지 올리지 않아도 된다는 장점을 가지고 있다.

따라서 이러한 막증류법(MD)은 50~80℃ 범위의 비교적 낮은 온도에서 운전이 가능하며, 이것은 태양열, 지열, 재생에너지, 산업폐열 등 다양한 열원의 사용이 가능하다는 것을 의미한다.

다시 말하면, 이러한 막증류 공정은 50~80℃ 사이의 뜨거운 해수와 상온의 유입수 사이에 발생하는 증기압의 차이를 구동력으로 하여 소수성 분리막을 증기가 투과하여 담수를 얻어내는 공정이다.

이때, 해수를 끓는점 이상으로 열을 가해야 하지만, 전처리를 필요로 하지 않고 운전할 수 있기 때문에 부지면적을 줄일 수 있고, 기존의 다른 해수 담수화 공정들에 비해 낮은 에너지로 운전된다.

또한, 소수성 분리막을 이용하기 때문에 유기물질과 부유입자에 의한 막오염 현상이 적게 발생한다는 장점이 있다.

특히, 이러한 막증류 공정은 폐열, 태양열과 같은 대체에너지가 사용가능한 경우, 기존의 가압식 분리막 공정에 비하여 운전에 사용되는 에너지가 적고, 거의 100%에 가까운 염 제거율을 갖는다.

또한, 이러한 막증류 공정은 고농도의 유입수가 막증류 공정에 들어가더라도 투과플럭스의 감소 및 염제거 효율의 변화가 거의 없으며, 기존의 다단증류법(MSF)보다 열에너지가 적게 소비되고, 분리막과 공정수간의 화학반응이 적다는 장점이 있다.

한편, 도 3은 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템은,

히터(131), 유입수조(32), 유입수 순환펌프(33), 냉각수 순환펌프(34), 막증류 모듈(35), 생산수조(36) 및 온도제어수조(37)를 포함하여 구성된다.

이때, 막증류 모듈(35)은, 직접접촉형 막증류(Direct Contact Membrane Distillation: DCMD) 모듈, 비활성기체 순환형 막증류(Sweep Gas Membrane Distillation: SGMD), 진공형 막증류(Vacuum Membrane Distillation: VMD) 및 공기간극형 막증류(Air Gap Membrane Distillation: AGMD)로 구분할 수 있다.

히터(31)에 의해 가열된 해수 유입수가 유입수조(32)를 통해 분리막 모듈인 막증류 모듈(35)의 공급측으로 유입되고, 막증류 모듈(35)의 분리막 표면의 미세 기공(세공)을 통해 분리대상물질이 증기로 상변환되어 세공 안으로 확산 및 투과된다.

이때, 냉각수 순환펌프(34)에 의해 생산수조(36)에 차가운 냉수가 순환되면서 투과된 증기가 접촉하여 응축 분리된다.

특히, 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은, 투과되는 측면에 15~25℃의 공기간극(Air Gap)을 두어 증기압을 낮추는 방식으로서, 투과된 증기는 분리막 모듈의 냉각판에 맺혀 응축되어 담수를 생산하게 된다.

이러한 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은 유입수의 열손실이 적다는 장점이 있다. 이러한 공기간극형 막증류(AGMD) 공정은 냉각판의 온도 유지를 위해 차가운 용매를 별도로 순환시키게 되는데,

이때 생산된 담수와 혼합되지 않기 때문에 직접접촉형 막증류 공정과 달리 5~20℃의 해수를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 다른 막증류 공정에 비해 성능이 낮다는 단점이 있다.

한편, 전술한 공기간극형 막증류(AGMD) 공정을 개선하기 위한 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1936159호에는 "공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템 및 그 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다.

도 4a는 종래의 기술에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템을 나타내는 도면이고,

도 4b는 도 4a에 도시된 중공사형 AGMD 모듈의 모식도이다.

도 4a를 참조하면, 종래의 기술에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템(40)은,

폐열 공급부(41), 가열용 열교환기(42), 유입수조(43), 유입수 순환펌프(44), AGMD 모듈(45), 냉각수 순환펌프(46), 냉각용 열교환기(47) 및 생산수조(48)를 포함하며, 또한, 온도제어수조(49) 및 데이터 로깅 시스템(50)을 포함할 수 있다.

폐열 공급부(41)는 폐열을 공급한다.

이때, 폐열 공급부(41)에서 공급하는 폐열은 지열, 산업폐열, 태양열, 신재생에너지열 또는 해수열원일 수 있다.

가열용 열교환기(42)는 해수 유입수가 소정 범위의 온도를 유지하도록 폐열 공급부(41)로부터 공급되는 폐열을 통해 가열한다.

즉, 유입수조(43) 내에 설치된 가열용 열교환기(42)를 이용하여 폐열 또는 신재생에너지 열원을 재활용하여 유입수의 온도를 유지시킨다.

유입수조(43)는 가열용 열교환기(42)가 내부에 설치되고, 가열용 열교환기(42)에 의해 가열된 해수 유입수가 저장되며, 해수 유입수의 온도를 조절 및 제어하여 공급한다.

AGMD 모듈(45)은, 도 4b에 도시된 바와 같이, AGMD 모듈 케이스, 소수성 분리막(45a), 공기간극층(45b) 및 냉각부재(45c)로 이루어지고, 유입수조(43)에서 공급되는 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 응축시켜 담수를 생산한다.

즉, AGMD 모듈(45)은 액체 상태의 해수를 투과시키지 않고 기화된 유도용질을 투과시키기 위한 것으로서, 담수 생산을 위해 해수 유입수에서 증기만을 분리한다.

구체적으로, AGMD 모듈(45)의 소수성 분리막(45a)은 표면이 소수성이고 다공성인 분리막으로서, 해수 유입수로부터 증기만을 분리하여 투과시키며, 소수성 분리막(45a)은 관형, 중공사형 또는 모세관형(Capillary)의 분리막 구조로 다단으로 설치될 수 있다.

AGMD 모듈(45)의 공기간극층(45b)은 소수성 분리막(45a)의 투과되는 측면에 형성되고, 소정 범위의 온도를 유지하여 증기압을 낮추도록 공기간극이 형성된다. 또한, AGMD 모듈(45)의 냉각부재(45c)는 상기 공기간극층(45a)의 온도를 유지시키며, 소수성 분리막(45a)을 통해 투과된 증기를 응축시키기 위한 냉각수를 통과시킨다.

또한, AGMD 모듈(45)의 AGMD 모듈 케이스는 소수성 분리막(45a) 및 냉각부재(45c)가 다단으로 탑재되며, 소수성 분리막(45a)을 통해 발생된 증기를 응축시켜 담수를 생산한다.

즉, 소수성 분리막(45a)을 통해 발생된 증기를 응축시켜 담수를 생산한다.

유입수 순환펌프(44)는 AGMD 모듈(45)의 전단에 설치되고, 유입수조(43)로부터 공급되는 해수 유입수가 AGMD 모듈(45)의 소수성 분리막(45a)에 공급되도록 순환시킨다.

냉각수 순환펌프(46)는 AGMD 모듈(45)의 후단에 설치되고, AGMD 모듈(45) 내의 공기간극층(45b)의 온도를 유지하기 위한 냉각수를 AGMD 모듈(45) 내부의 냉각부재(45c)를 통과하도록 순환시킨다.

냉각용 열교환기(47)는 AGMD 모듈(45) 및 냉각수 순환펌프(46) 사이에 설치되고, AGMD 모듈(45)의 냉각부재(45c)를 통과하여 감온된 냉각수가 소정 범위의 온도를 유지할 수 있도록 냉각시킨다.

생산수조(48)는 AGMD 모듈(45)에서 생산된 담수를 수집한다. 이때, 생산수조(48)는 AGMD 모듈(45)에 의해 생산된 담수를 수집하고, 별도의 동력원을 이용하지 않고 전력사용량을 최소화하도록 AGMD 모듈(45)보다 낮은 위치에 설치하여 자연유하식으로 담수를 수집할 수 있다.

또한, 생산수조(48)에 저장된 담수를 소정의 온도로 유지하고 원하는 용도로 사용하기 위해서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 온도제어수조(49) 및 데이터 로깅 시스템(50)을 사용하여 제어할 수 있다.

종래의 기술에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템에 따르면, 사용자의 요구에 대응하여 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈의 소수성 분리막과 냉각부재를 다단으로 설치하고 선택적으로 운영함으로써 담수 생산량을 용이하게 조절할 수 있으며, 최적화된 운전조건을 통해 공정의 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 태양열, 지열, 신재생 에너지열, 산업폐열 등을 활용하여 비교적 낮은 유입수 온도 조건에서 담수를 생산함으로써, 기존의 해수 담수화 공정에 주로 사용되고 있는 다단증발법, 역삼투 공정의 운영비용 및 전력비용을 감소시킬 수 있다.

하지만, 종래의 기술에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템의 경우, 폐열 공급부, 가열용 열교환기 및 냉각용 열교환기 등을 설치해야 하므로 선박에 탑재하여 운영하기 어렵다는 한계가 있다.

한편, 대한민국 공개특허번호 제2020-114557호에는 "공기간극형 막증류 수처리 장치 및 그 제어 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 종래의 기술에 따른 공기간극형 막증류 수처리 장치의 구성도이다.

도 5를 참조하면, 종래의 기술에 따른 공기간극형 막증류 수처리 장치는 원수 수조(71), 막증류 모듈(72), 생산수 수조(73) 및 진공펌프(74)를 포함한다.

원수 수조(71)는 처리대상 원수를 수용하는 기능을 하며, 외부로부터 원수를 공급받을 수 있도록 설치된다.

막증류 모듈(72)은 원수 수조(71)로부터 공급되는 원수로부터 증기를 분리하여 내부에 구비된 공기간극부(72d)에서 응축시킨다.

막증류 모듈(72)은 원수공급 유로(61)에 의해 원수 수조(71)와 연결될 수 있다.

이때, 원수공급 유로(61) 상에는 원수 수조(71)로부터 나온 원수를 설정 온도로 냉각시키기 위한 냉각기(75)가 구비될 수 있다.

냉각기(75)로서 열교환기, 관형 냉각기 등 다양한 형태의 냉각기를 적용할 수 있다.

막증류 모듈(72)은 저온부(72a), 고온부(72b) 및 분리막(72c)을 포함한다.

저온부(72a)는 공기간극부(72d)의 일측에 구비되며, 원수공급 유로(61)를 통해 저온의 원수가 공급된다. 원수공급 유로(61)는 막증류 모듈(72)로 원수가 공급되도록 원수 수조(71)와 막증류 모듈(72)의 저온부(72a)를 연결한다.

고온부(72b)는 저온부(72a)에서 배출된 원수가 승온되어 투입되며, 저온부(72a)와의 온도차에 의한 증기압 차이를 발생시킨다.

막증류 모듈(72)의 저온부(72a)와 고온부(72b) 사이에는 이들을 연결하는 연결유로(62)가 구비되며, 연결유로(62)를 통해 저온부(72a)의 원수가 고온부(72b)로 공급된다.

연결유로(62) 상에는 저온부(72a)에서 나온 원수를 가열시키기 위한 가열기(77)가 구비될 수 있다. 가열기(77) 또한 냉각기(76)와 마찬가지로 열교환기, 관형 가열기 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 폐열, 태양열 등을 에너지원으로 사용할 수 있다.

분리막(72c)은 소수성의 표면을 갖는 다공성 막으로서, 고온부(72a)와 공기간극부(72d)의 사이에 구비된다. 분리막(72c)은 원수로부터 분리된 증기만을 분리하여 투과시킨다.

고온부(72b)와 저온부(72a)의 온도차로 인해 발생하는 증기압 차이로 인해 분리막(72c)의 표면에서 상변화가 발생하여 순수한 증기만이 분리막(72c)의 미세 기공을 투과하여 공기간극부(72d) 쪽으로 이동하여 응축되게 된다.

또한, 막증류 모듈(72)의 고온부(72b)와 원수 수조(71)의 사이에는 원수순환 유로(63) 연결되며, 원수순환 유로(63)를 통해 고온부(72b)에서 배출된 원수가 원수 수조(71)로 순환될 수 있다.

이때, 원수공급 유로(61) 및 원수순환 유로(63) 중 적어도 하나에는 원수 순환의 구동력을 발생시키는 순환 펌프(75)가 설치될 수 있다.

생산수 수조(73)는 막증류 모듈(72)로부터 생산된 생산수를 저장하는 기능을 하며, 막증류 모듈(72)의 공기간극부(72d)에서 응축된 생산수를 받을 수 있도록 공기간극부(72d)와 연결된다. 생산수 수조(73)와 공기간극부(72d)의 사이는 생산수 배출 유로(64)에 의해 연결될 수 있다.

진공펌프(74)는 막증류 모듈(72)의 공기간극부(72d)와 연결되며, 공기간극부(72d)에 진공 압력을 인가한다.

진공펌프(74)는 공기간극부(72d)와 생산수 수조(73)의 사이를 연결하는 생산수 배출 유로(64)에 연결될 수 있다.

이러한 진공펌프(74)의 의해 공기간극부(72d)에 인가되는 진공 압력에 의해 막증류 모듈(72)의 증기압차를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 여과 플럭스를 향상시킬 수 있다.

또한, 원수공급 유로(61)에는 생산수 수조(73)의 일부를 공급받아 원수공급 유로(61)에 화학 세정액을 공급하는 화학 세정부(78)가 연결될 수 있으며, 이를 통해 막증류 모듈(72)의 분리막(72c)이 오염되었을 경우, 이에 대한 화학 세정을 수행할 수 있다.

막증류 모듈(72)에는 그 전후단의 온도, 즉, 저온부(72a)와 고온부(72b)의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서(65, 66, 67, 68)가 구비될 수 있다.

이때, 제1 및 제2 센서(65, 66)의 센싱값에 대한 평균값을 저온부(72a)의 온도로 산출하고, 제3 및 제4 센서(67, 68)의 센싱값에 대한 평균값을 고온부(72b)의 온도로 산출하게 된다.

종래의 기술에 따른 공기간극형 막증류 수처리 장치에 따르면, 막증류 모듈의 공기간극부에 진공 압력을 인가하기 위한 진공펌프를 설치하여 막증류 모듈의 여과 플럭스를 향상시킬 수 있다.

또한, 여과 플럭스를 초기에 설정한 운전 설정치로 일정하게 유지시킬 수 있도록 진공 압력을 조정함으로써 막 오염이 발생하더라도 정유량 운전이 가능하다. 또한, 진공펌프의 진공 압력 한계값에 도달한 경우 운전을 중단하고 분리막을 화학 세정함으로써, 분리막의 수명을 연장하고 안정적인 수질의 여과수를 생산할 수 있다.

하지만, 종래의 기술에 따른 공기간극형 막증류 수처리 장치의 경우, 열교환기, 관형 냉각기 등의 냉각기를 구비해야 하며, 선박에 탑재하여 운영하기 어렵다는 한계가 있다.

한편, 해수 담수화 장치와 관련된 다른 선행기술로서, 대한민국 공개특허번호 제2022-25336호에는 "결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한다.

도 6a는 종래의 기술에 따른 결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치의 전체 구성도이고,

도 6b는 도 6a에 도시된 담수조의 구체적인 구성도이다.

도 6a를 참조하면, 종래의 기술에 따른 결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치(80)는 해수조(81), 가열조(82b), 담수조(83), 해수분사라인(84), 분사노즐(84a) 및 결로수 저장조(85)를 포함한다.

해수조(81)는 일정량의 해수가 저장된다.

이때, 해수조(81)는 해수공급라인(81a), 해수배출라인(81c) 및 냉각수라인(82)이 각각 마련된다.

이에 따라, 해수공급라인(81a)은 해수공급펌프(81b)의 펌핑 동작으로 바닷물을 해수조(81)로 강제 공급한다.

또한, 해수배출라인(81c)은 해수배출펌프(81d)의 펌핑 동작으로 해수조(81)에 저장되어 있는 해수를 가열조(82b)로 배출한다.

이때, 해수배출라인(81c)의 일단은 해수조(81)에 연결되고, 타단은 가열조(82b)에 연결된다.

가열조(82b)는 해수조(81)와 해수배출라인(81c)으로 연결되며, 해수조(81)에서 공급된 해수를 일정 온도로 데워준다.

구체적으로, 가열조(82b)는 해수조(81)와 해수배출라인(81c)으로 연결되어, 해수조(81)에 저장되어 있는 해수배출펌프(81d)의 펌핑 동작으로 공급받아 일정 온도로 가열시킨다.

또한, 가열조(82b)는 직육면체 형태로 내부에는 해수를 저장하는 공간(82c)이 마련되고, 그 외벽은 빛을 투과할 수 있는 투광성을 가진 재질인 유리로 제작한다.

따라서, 빛이 외벽을 투과하면 공간에 담겨진 해수의 온도를 상승시킬 수 있고, 이를 통해 담수조(83)에서 미분무 형태의 미스트로 분사될 때, 고온, 다습한 환경을 가열조 내부에 유지시킬 수 있어 많은 결로수를 발생시킬 수 있다.

담수조(83)는 가열조(82b)의 일측에 마련되며 돔(Dome) 형태로 천정은 라운드지게 형성되고, 그 내부에는 공간이 마련되며 외측을 따라 측벽(83b)이 마련된다.

구체적으로, 담수조(83)는 가열조(82b)와 가온해수라인(82c)으로 연결되어, 가온해수라인(82c)에서 공급되는 해수를 미분무 형태의 미스트로 분사시켜 해수를 담수화시키게 된다.

여기서, 가온해수라인(82c)에는 펌프(82d)가 마련되고, 펌프(82d)는 가열조(82b)에 가온된 상태로 저장된 해수를 가온해수라인(82c)으로 강제 공급한다.

예를 들면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 담수조(83)는 돔 형태로 내부에는 공간(83a)이 마련되고 그 천정은 라운드지게 형성하며, 내부에는 해수가 분무될 수 있도록 공간(83a)이 마련되며, 그 외부는 측벽을 구성한다.

해수분사라인(84)은 담수조(83)의 천정 내면에 설치되며 가온해수라인(82c)과 연결되어, 가열조(82b)에 저장된 해수를 공급받아 분사한다.

분사노즐(84a)은, 도 6b에 도시된 바와 같이, 해수분사라인(84)에 일정 간격 떨어진 상태로 설치되며 해수분사라인(84)으로 공급된 해수를 미분무 형태의 미스트로 담수조(83)의 공간(83a)으로 분무시키도록 적어도 하나 이상 구비된다.

이때, 담수조(83)의 공간(83a)으로 분사된 미스트의 증발을 통해 담수조(83)의 측벽(83b) 내면에 염분이 제거된 결로수가 맺혀지도록 하여 해수를 담수시킬 수 있다.

다시 말하면, 종래의 기술에 따른 결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치(80)는, 해수조(81)에 저장되어 있는 해수를 미분무 형태의 미스트로 담수조(83) 실내 천정에서 바닥으로 분사하는 과정에서 담수조(83)의 실내외 기온차를 통한 결로 현상을 응용하여 미스트에 포함되어 있는 염분은 물과 함께 아래로 떨어지고,

또한, 담수조(83) 내부의 높은 습도를 통한 담수조(83)의 측벽(83b) 내면에 결로수가 맺혀지도록 하고, 이때의 결로수를 음용할 수 있는 물로 담수화시킬 수 있다.

종래의 기술에 따른 결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치에 따르면, 해수를 담수조의 실내로 분무시키는 과정에서 실내외의 온도차를 이용하여 담수조의 측벽 내면에 염분이 제거된 결로수가 맺히도록 유도하여 해수를 담수화하도록 하여 최소한의 설비만으로도 해수의 담수화를 구현할 수 있어 설비비용의 절감 및 이로 인한 유지관리 비용을 낮출 수 있다.

또한, 염분이 제거되지 못한 해수는 다시 담수조로 여러번 재순환시키는 과정을 거치도록 하고, 이를 통해 염분의 비율이 높아진 해수를 소금을 얻기 위한 염수조로 보내도록 하여 소금의 생산성을 높일 수 있다.

하지만, 종래의 기술에 따른 결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치의 경우, 단지 결로 현상을 통해 해수를 담수화하는 장치이기 때문에 기존의 분리막을 이용한 막 증발법에 비해 담수화 효율이 떨어진다는 한계가 있다.

즉, 종래의 기술에 따른 결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치의 경우, 상변화를 이용한 다단증발법(MSF)의 일종으로서, 100℃ 이상의 온도로 해수를 가열하여 증발된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 방식이므로, 에너지 소비가 크다는 단점이 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 종래의 기술에 따르면, 막 증발법을 이용할 경우 처리하고자 하는 해수 원수의 온도를 올리는데 많은 에너지가 필요하며, 또한, 고온수와 저온수의 증기압 차이를 발생시키기 위한 방법 또한 반드시 필요하므로, 이를 동시에 만족시킬 수 있는 방법이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허번호 제10-2370465호(등록일: 2022년 2월 28일), 발명의 명칭: "다기능 해수 담수화 선박" 대한민국 등록특허번호 제10-1936159호(등록일: 2019년 1월 2일), 발명의 명칭: "공기간극형 막증류 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템 및 그 방법" 대한민국 공개특허번호 제2023-99139호(공개일: 2023년 7월 4일), 발명의 명칭: "선박 탑재형 해수 담수화 장치의 자동 운전 방법" 대한민국 공개특허번호 제2020-114557호(공개일: 2020년 10월 7일), 발명의 명칭: "공기간극형 막증류 수처리 장치 및 그 제어 방법" 대한민국 공개특허번호 제2022-25336호(공개일: 2022년 3월 3일), 발명의 명칭: "결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 처리하고자 하는 해수 원수의 온도를 올리기 위해 태양열을 활용한 열섬 투명돔을 구비하고, 고온수와 저온수의 증기압 차이를 발생시키기 위해 열 전도판을 구비함으로써, 현재 기존 담수화 공정에 따른 담수생산량 대비 사용 에너지를 저감시킬 수 있는, 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 해수 담수화를 위해서 선박 등의 부유 구조체 상에 설치되는 부유식 담수 생산장치로서, 공기간극형 막증류-기반으로 담수를 생산할 수 있는, 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 담수 생산장치의 제작 이후 부유식으로 바다에 띄워놓기만 하면 담수가 생산되므로, 바다 인근의 담수가 필요한 다양한 지역에서 적용할 수 있는, 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치는,

저온의 해수를 원수로 하여 고온부 내로 유입시키는 해수 유입구; 상기 해수 유입구를 통해 유입되는 해수 원수를 고온으로 유지하도록 가열부 역할을 하는 고온부; 투명 재질의 돔 형태의 형성되며, 저온 상태로 상기 고온부에 유입된 해수를 열섬 현상을 이용하여 고온으로 가열시키는 열섬 투명돔; 저온의 해수가 유입되어 일정하게 저온을 유지하도록 냉각부 역할을 하는 저온부; 다공성 분리막으로서, 상기 해수 원수가 상기 고온부와 저온부의 온도차에 따라 발생하는 증기압 차이로 인해 생성된 순수한 증기만이 미세 기공을 투과하도록 표면에서 상 변화가 발생시키는 소수성 분리막; 상기 고온부와 저온부 사이에 형성되고, 상기 소수성 분리막을 통과하여 생산된 순수한 담수가 수집되는 공기간극층; 및 상기 저온부의 하부에 설치되어 상기 공기간극층에서 배출되는 담수를 저장하는 담수저장 탱크;를 포함하되, 상기 고온부, 저온부, 소수성 분리막 및 공기간극층이 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 형성하며, 상기 열섬 투명돔과 함께 부유 구조체 상에 부유식으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법은,

열섬 투명돔, 열 전도판, 소수성 분리막 및 공기간극층을 구비한 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수생산 장치를 이용한 담수 생산방법에 있어서, a) 부유 구조체 상에 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치를 부유식으로 설치하는 단계; b) 저온의 해수로 저온부를 저온화하는 단계; c) 해수 유입구를 통해 유입된 저온의 해수 원수를 고온부로 공급하는 단계; d) 열섬 투명돔이 상기 고온부로 유입된 해수를 가열하는 단계; e) 상기 고온부의 해수가 소수성 분리막을 투과하도록 공급하는 단계; f) 상기 고온부 및 저온부 사이의 온도 차에 의한 증기압 차이에 대응하여 상기 소수성 분리막을 통과한 증기가 공기간극층을 통해 담수화되는 단계; 및 g) 상기 공기간극층으로부터 배출되는 담수를 담수저장 탱크에 저장하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 처리하고자 하는 해수 원수의 온도를 올리기 위해 태양열을 활용한 열섬 투명돔을 구비하고, 고온수와 저온수의 증기압 차이를 발생시키기 위해 열 전도판을 구비함으로써, 현재 기존 담수화 공정에 따른 담수생산량 대비 사용 에너지를 저감시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 해수 담수화를 위해서 선박 등의 부유 구조체 상에 설치되는 부유식 담수 생산장치로서, 공기간극형 막증류-기반으로 담수를 용이하게 생산할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 담수 생산장치의 제작 이후 부유식으로 바다에 띄워놓기만 하면 담수가 생산되므로, 바다 인근의 담수가 필요한 다양한 지역에서 적용할 수 있고, 이에 따라, 기후 변화에 따른 극한 가뭄 등의 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 해수 담수화 선박을 예시하는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 해수 담수화 장치가 탑재된 선박의 내부를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일반적인 막증류 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4a는 종래의 기술에 따른 AGMD 모듈을 이용한 해수 담수화 시스템을 나타내는 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 중공사형 AGMD 모듈의 모식도이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 공기간극형 막증류 수처리 장치의 구성도이다.
도 6a는 종래의 기술에 따른 결로 현상을 응용한 해수 담수화 장치의 전체 구성도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 담수조의 구체적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치를 나타내는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치에서 고온부의 형태를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법을 나타내는 동작흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 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.

전술한 바와 같이, 막 증발법(Membrane Distillation: MD)은 열에 의해 다공성이며, 소수성인 분리막을 통해 증기가 이동하는 공정을 말하며, 다공성 분리막의 한쪽 면은 고온 및 고염도의 유체를 흘려주고, 다른 쪽 면은 저온의 유체를 흘려주는 방식으로 운전하는 공법이다.

이때, 양측 간의 온도 구배는 증기압 차이를 만들고, 증기가 막을 통과하여 저온유체 측에서 수집되거나 순수한 물로 응집된다.

이러한 원리를 이용하여 다양한 구조의 막 증발법이 존재하는데, 이 중에서 공기간극형 막증발법(AGMD)의 경우, 고온 및 고염도의 유체에서 순수한 물만 수집하기에 가장 적합한 공정이다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치에 구비되는 열섬 투명돔은 태양열에 의해 오르는 온도를 가둬두는 역할을 할 수 있는 장치로서, 처리하고자 하는 고온 및 고염도의 원수를 별도의 가열장치를 사용하지 않고도 승온시킬 수 있다.

이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치를 설명하며, 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법을 설명한다.

[공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)]

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)를 나타내는 구성도이며,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)는, 부유 구조체(200)에 설치되는 담수 생산장치로서, 해수 유입구(110), 고온부(120), 열섬 투명돔(130), 저온부(140), 열 전도판(150), 소수성 분리막(160), 공기간극층(170) 및 담수 저장탱크(180)를 포함하여 구성된다.

해수 유입구(110)는 저온의 해수를 원수로 하여 고온부(120) 내로 유입한다.

고온부(120)는 상기 해수 유입구(110)를 통해 유입되는 원수를 고온으로 유지하는 공간으로서, 이때, 저온의 해수 원수는 열섬 투명돔(130)에 의해 가열된다.

열섬 투명돔(130)은 저온 상태로 상기 고온부(120)에 유입된 해수를 열섬 현상을 이용하여 고온으로 가열시켜주는 역할을 하며, 이러한 열섬 투명돔(130)이 설치됨으로써 기타 별도의 가열장치가 불필요하고, 이때, 상기 열섬 투명돔(130)은 태양열을 활용하여 해수를 고온화시킬 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)의 경우, 열섬 투명돔(130)과 함께 부유식으로 구성되며, 이때, 저온부(140)에 의해 일정하게 저온을 유지함으로써 열 전도판(150)을 이용한 증기압 차이로 인해 담수를 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)는, 열섬 투명돔(130)이 태양열을 활용하기 어려운 경우에 대비하여 상기 고온부(120)의 해수 원수를 가열하기 위한 별도의 가열장치를 구비할 수도 있다는 점은 당업자에게 자명하다.

예를 들면, 태양전지모듈을 설치하여 배터리에 전원을 충전하고, 상기 배터리를 통해 구동되는 가열장치를 구비할 수도 있다.

저온부(140)는 저온의 해수가 유입되는 공간으로서 냉각부 역할을 한다.

열 전도판(150)은 상기 저온부(140) 상부에 설치되고, 공기간극층(170)의 온도를 신속하게 유지하기 위해서 열 전도가 높은 판으로 형성되며, 상기 소수성 분리막(160)을 통해 투과된 증기를 저온 담수로 응축시키는 역할을 한다.

소수성 분리막(160)은 다공성 분리막으로서, 상기 고온부(120)와 공기간극층(170) 사이에 형성되며, 해수 유입구(110)를 통해 유입되는 해수로부터 상기 고온부(120)와 저온부(140)의 온도차에 따라 발생하는 증기압 차이로 인해서 상기 소수성 분리막(160) 표면에서 상(Phase) 변화가 발생하게 되고, 이로 인해 순수한 증기만이 상기 소수성 분리막(160)의 미세 기공을 투과하여 상기 공기간극층(170) 쪽으로 이동하여 응축된다.

예를 들면, 상기 소수성 분리막(45a)은 폴리에틸렌(Polyethylene: PE) 계열, 폴리프로필렌(Polypropylene: PP) 계열, 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF) 계열 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 계열의 고분자로 구성된다.

또한, 소수성 분리막(160)은 관형, 중공사형 또는 모세관형(Capillary)의 분리막 구조로 설치되며, 소수성 분리막(160)에 형성되는 세공(Pore)의 크기는 0.2~1.0㎛의 범위인 것이 바람직하다.

예를 들면, AGMD 모듈 내의 소수성 분리막(160) 세공 크기가 0.1㎛ 이하일 경우, 상기 소수성 분리막(160)의 성능이 저하되고, 1.0㎛ 이상일 경우 증기뿐만 아니라 유체가 통과하게 되어 상기 소수성 분리막(160)이 젖는 현상이 발생하게 된다.

도 7 및 도 8을 다시 참조하면, 공기간극층(170)은 상기 소수성 분리막(160)을 통과하여 생산된 순수한 담수만 수집되는 공간이며, 이러한 공기간극층(170)에서 발생한 담수는 중력에 의해 담수 저장탱크(180)로 수집된다.

담수저장 탱크(180)는 상기 저온부(140)의 하부에 설치되어 중력 방식으로 상기 공기간극층(170)에서 배출되는 담수를 저장한다.

다시 말하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)의 경우, 고온부(120)와 저온부(140) 사이에 공기간극층(170)이 형성되며, 공기간극형 막증류-기반의 막증발 공정에 따라 상기 고온부(120)와 저온부(140) 사이의 공기간극층(170)에서 증기를 응축시켜 담수를 생산할 수 있다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 고온부(120), 저온부(140), 소수성 분리막(160) 및 공기간극층(170)은 통상적인 AGMD 모듈을 형성하며, 상기 열섬 투명돔(130) 및 열 전도판(150)이 추가로 구비된다.

한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치에서 고온부의 형태를 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치의 경우, 고온부(120)는,

도 9의 a)에 도시된 바와 같이, 직사각형 형태로 형성될 수 있고, 또는, 상기 고온부(120)는, 도 9의 b)에 도시된 바와 같이, 원형으로 형성될 수도 있다.

이때, 태양열을 활용한 열섬 투명돔(130)을 통해 처리하고자 하는 해수 원수를 가열할 경우, 해수 원수의 양을 증가시키려면 상기 고온부(120)의 형태를 원형의 열섬 투명돔(130)에 대응하도록 원형으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고온부(120)로 공급되어 소수성 분리막(160)을 투과하지 않은 해수의 일부는 다시 바다로 유출될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)의 경우, 태양열이 공급되고, 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)를 유체 상에 부유식으로 설치하는 조건이라면 담수를 생산할 수 있는 설비이다.

본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)는 담수화 장치를 부유식 형태로 형성하며, 해수면에 있는 동안 지속적으로 해수를 담수화할 수 있고,

또한, AGMD 막증류 모듈에서 기타 별도의 가열 장치가 필요 없고, 또한, 열섬 투명돔의 열섬 현상을 유도하여 태양열에 의한 가열에 의해 유입된 해수를 고온화하여 고온수와 저온수의 증기압 차를 활용하여 해수를 담수화할 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)의 경우 부유 구조체(200), 예를 들면, 선박 상에 부유식 형태로 설치될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 처리하고자 하는 해수 원수의 온도를 올리기 위해 태양열을 활용한 열섬 투명돔을 구비하고, 고온수와 저온수의 증기압 차이를 발생시키기 위해 열 전도판을 구비함으로써, 현재 기존 담수화 공정에 따른 담수생산량 대비 사용 에너지를 저감시킬 수 있다.

또한, 해수 담수화를 위해서 선박 등의 부유 구조체 상에 설치되는 부유식 담수 생산장치로서, 공기간극형 막증류-기반으로 담수를 용이하게 생산할 수 있다.

[공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법]

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법을 나타내는 동작흐름도이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법은,

열섬 투명돔(130), 열 전도판(150), 소수성 분리막(160) 및 공기간극층(170)을 구비한 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수생산 장치(100)를 이용한 담수 생산방법으로서,

먼저, 부유 구조체(200) 상에 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)를 부유식으로 설치한다(S110).

구체적으로, 상기 고온부(120), 저온부(140), 소수성 분리막(160) 및 공기간극층(170)이 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 형성하며, 상기 열섬 투명돔(130)과 함께 부유 구조체(200) 상에 부유식으로 설치될 수 있다.

다음으로, 저온의 해수로 저온부(140)를 저온화한다(S120).

이때, 상기 저온부(140) 상부에 설치된 열 전도판(150)을 통해 상기 소수성 분리막(160)에 저온을 전달할 수 있다.

구체적으로, 상기 저온부(140) 상부에 설치된 열 전도판(150)이 상기 소수성 분리막(160)을 통해 투과된 증기를 저온 담수로 응축시키는 역할을 하며, 상기 열 전도판(150)은 상기 공기간극층(170)의 온도를 신속하게 유지하기 위해서 열 전도가 높은 판으로 형성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 해수 유입구(110)를 통해 유입된 저온의 해수(원수)를 고온부(120)로 공급한다(S130).

다음으로, 열섬 투명돔(130)이 태양열을 이용하여 상기 고온부(120)로 유입된 해수를 가열한다(S140).

즉, 상기 열섬 투명돔(130)은 태양열을 활용하여 해수를 고온화시킬 수 있다.

다음으로, 상기 고온부(120)의 해수가 소수성 분리막(160)을 투과하도록 공급한다(S150).

이때, 상기 소수성 분리막(160)은 상기 고온부(120)로 유입된 해수 원수가 상기 고온부(120)와 저온부(140)의 온도차에 따라 발생하는 증기압 차이로 인해 표면에서 상(Phase) 변화를 발생시키고, 순수한 증기만이 미세 기공을 투과하여 상기 공기간극층(170) 쪽으로 이동하여 응축시킨다.

다음으로, 상기 고온부(120) 및 저온부(140) 사이의 온도 차에 의한 증기압 차이에 대응하여 상기 소수성 분리막(160)을 통과한 증기가 공기간극층(170)을 통해 담수화된다(S160).

다음으로, 상기 공기간극층(170)으로부터 배출되는 담수를 중력 방식으로 담수저장 탱크(180)에 저장한다(S170).

여기서, 상기 담수저장 탱크(180)는 상기 저온부(140) 하부에 설치되고, 상기 공기간극층(170)으로부터 배출되는 담수를 중력 방식으로 담수저장 탱크(180)에 저장하며, 후속적으로, 상기 담수저장 탱크(180)에 저장된 담수를 활용하게 된다.

결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 담수 생산장치의 제작 이후 부유식으로 바다에 띄워놓기만 하면 담수가 생산되므로, 바다 인근의 담수가 필요한 다양한 지역에서 적용할 수 있고, 이에 따라, 기후 변화에 따른 극한 가뭄 등의 문제를 해결할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치
110: 해수 유입구 120: 고온부(가열부)
130: 열섬 투명돔 140: 저온부(냉각부)
150: 열 전도판 160: 소수성 분리막
170: 공기간극층 180: 담수저장 탱크
200: 부유 구조체

Claims

저온의 해수를 원수로 하여 고온부(120) 내로 유입시키는 해수 유입구(110);
상기 해수 유입구(110)를 통해 유입되는 해수 원수를 고온으로 유지하도록 가열부 역할을 하는 고온부(120);
투명 재질의 돔(Dome) 형태의 형성되며, 저온 상태로 상기 고온부(120)에 유입된 해수를 열섬 현상을 이용하여 고온으로 가열시키는 열섬 투명돔(130);
저온의 해수가 유입되어 일정하게 저온을 유지하도록 냉각부 역할을 하는 저온부(140);
다공성 분리막으로서, 상기 해수 원수가 상기 고온부(120)와 저온부(140)의 온도차에 따라 발생하는 증기압 차이로 인해 생성된 순수한 증기만이 미세 기공을 투과하도록 표면에서 상 변화가 발생시키는 소수성 분리막(160);
상기 고온부(120)와 저온부(140) 사이에 형성되고, 상기 소수성 분리막(160)을 통과하여 생산된 순수한 담수가 수집되는 공기간극층(170); 및
상기 저온부(140)의 하부에 설치되어 상기 공기간극층(170)에서 배출되는 담수를 저장하는 담수저장 탱크(180);를 포함하되,
상기 고온부(120), 저온부(140), 소수성 분리막(160) 및 공기간극층(170)이 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 형성하며, 상기 열섬 투명돔(130)과 함께 부유 구조체(200) 상에 부유식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치.
제1항에 있어서,
상기 열섬 투명돔(130)은,
태양열을 활용하여 해수를 고온화시키는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치.
제1항에 있어서,
상기 소수성 분리막(160)은,
상기 고온부(120)로 유입된 해수 원수가 상기 고온부(120)와 저온부(140)의 온도차에 따라 발생하는 증기압 차이로 인해 표면에서 상(Phase) 변화를 발생시키고, 순수한 증기만이 미세 기공을 투과하여 상기 공기간극층(170) 쪽으로 이동하여 응축시키는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치.
제1항에 있어서,
상기 저온부(140) 상부에 설치되고, 상기 소수성 분리막(160)을 통해 투과된 증기를 저온 담수로 응축시키는 역할을 하는 열 전도판(150)을 추가로 포함하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치.
제4항에 있어서,
상기 열 전도판(150)은,
상기 공기간극층(170)의 온도를 신속하게 유지하기 위해서 열 전도가 높은 판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치.
제1항에 있어서,
상기 담수저장 탱크(180)는,
상기 저온부(140) 하부에 설치되고, 상기 공기간극층(170)으로부터 배출되는 담수를 중력 방식으로 저장하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치.
제1항에 있어서,
상기 고온부(120)는,
직사각형 형태 또는 원형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치.
열섬 투명돔(130), 열 전도판(150), 소수성 분리막(160) 및 공기간극층(170)을 구비한 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수생산 장치(100)를 이용한 담수 생산방법에 있어서,
a) 부유 구조체(200) 상에 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산장치(100)를 부유식으로 설치하는 단계;
b) 저온의 해수로 저온부(140)를 저온화하는 단계;
c) 해수 유입구(110)를 통해 유입된 저온의 해수 원수를 고온부(120)로 공급하는 단계;
d) 열섬 투명돔(130)이 상기 고온부(120)로 유입된 해수를 가열하는 단계;
e) 상기 고온부(120)의 해수가 소수성 분리막(160)을 투과하도록 공급하는 단계;
f) 상기 고온부(120) 및 저온부(140) 사이의 온도 차에 의한 증기압 차이에 대응하여 상기 소수성 분리막(160)을 통과한 증기가 공기간극층(170)을 통해 담수화되는 단계; 및
g) 상기 공기간극층(170)으로부터 배출되는 담수를 담수저장 탱크(180)에 저장하는 단계;를 포함하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법.
제8항에 있어서,
상기 고온부(120), 저온부(140), 소수성 분리막(160) 및 공기간극층(170)이 공기간극형 막증류(AGMD) 모듈을 형성하며, 상기 열섬 투명돔(130)과 함께 부유 구조체(200) 상에 부유식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법.
제8항에 있어서,
상기 열섬 투명돔(130)은,
태양열을 활용하여 해수를 고온화시키는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법.
제8항에 있어서,
상기 소수성 분리막(160)은,
상기 고온부(120)로 유입된 해수 원수가 상기 고온부(120)와 저온부(140)의 온도차에 따라 발생하는 증기압 차이로 인해 표면에서 상(Phase) 변화를 발생시키고, 순수한 증기만이 미세 기공을 투과하여 상기 공기간극층(170) 쪽으로 이동하여 응축시키는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법.
제8항에 있어서,
상기 b) 단계에서 저온부(140) 상부에 설치된 열 전도판(150)이 상기 소수성 분리막(160)을 통해 투과된 증기를 저온 담수로 응축시키는 역할을 하며, 상기 열 전도판(150)은 상기 공기간극층(170)의 온도를 신속하게 유지하기 위해서 열 전도가 높은 판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법.
제8항에 있어서,
상기 g) 단계에서, 상기 담수저장 탱크(180)는 상기 저온부(140) 하부에 설치되고, 상기 공기간극층(170)으로부터 배출되는 담수를 중력 방식으로 담수저장 탱크(180)에 저장하는 것을 특징으로 하는 공기간극형 막증류-기반 부유식 담수 생산방법.