다단플래쉬(Multi-stage Flash Distillation, MSF)법, 다중효용(Multi-effect Distillation, MED)법,증기압축(Vapor Compression Distillation, VC)법,투화기화(Prevaporation)법

다단플래쉬(Multi-stage Flash Distillation, MSF)법, 다중효용(Multi-effect Distillation, MED)법,증기압축(Vapor Compression Distillation, VC)법,투화기화(Prevaporation)법

해수담수화 공정

담수화(desalination)란 바닷물에서 염분을 제거하여 먹는물을 생산하는 것으로, 염수 중에 용해되어 있는 염분을 제거하는 공정을 말한다.

초기의 해수담수화는 열을 이용하여 염수를 증발시키고 다시 이를 응축시켜 담수를 생산하던 것으로, 1560년 스페인 수병 700 명에게 물을 공급하기 위해 약 5.4m3/일의 담수를 생산했던 것이 최초의 담수화공정으로 알려져 있다.

19세기 중엽, 영국이 스웨즈 운하를 건설하면서 운항하는 선박에 필요한 물을 공급하기 위하여 담수화 시설을 도입하기도 하였다.

해수담수화 공정의 비약적인 발전은 제 2차 세계대전 당시, 사막에서 군인들에게 물을 공급하기 위한 장치를 개발하면서 부터이며, 미국에서는 1950년대에 Officeof Saline Water(OSW)와 Office of Water Research and Technology(OWRT)라는 기구를 창설하여 30년 동안 약 3억 달러를 투자하여 해수담수화를 연구하기시작하였다. 이후, 대규모의 증발법에 의한 담수화 공장은 1960년대 쿠웨이트의 4,000 m3/일 용량을 갖는 해수담수화 플랜트가 최초이며, 1970년대에 다단플래쉬증발법에 의한 담수화 플랜트가 주류를 이루어 왔다.

이 후 염분의 분리가 막을 통하여 이루어질 수 있다는 것이 알려지면서 이를 해수의 담수화에 이용하려는 노력이 시작되었으며 이것이 바로 역삼투방법이다.

현대의 담수화기술은 해수 또는 반염수(brackish water, 기수)로부터 염분 및 기타 화학물질을 제거하는 것으로 그 의미가 확대되었다.
대표적인 염수의 담수화 방법으로는 증발법과 막여과법으로 구분할 수 있으며, 이들 중 증발법으로는 다단 플래쉬법(multiple stage flash distillation, MSF), 다중효용법(multiple effect, ME) 및 증기압축법(vapor compression, VC)이 있다.

또한, 막여과법에는 압력을 이용하는 역삼투법(reverse osmosis, RO)과 전기를 이용하는 전기투석법(electrodialysis, ED)이 있으며, 그 외에 냉동법(freezingprocess)과 이온교환수지(ion exchange) 등이 있다.
담수화방법을 상변화의 유무에 따라 분류할 수도 있는데, 액상에서 기상으로 상변화를 이용하면 증발법, 상변화가 없는 막여과법으로 분류할 수 있다.

또한, 필요한 에너지의 사용형태에 따라 열을 이용하는 방법, 압력을 이용하는 방법, 전기에너지를 이용하는 방법으로도 구분할 수 있다.다음의 도표는 해수담수화 방법을 분류한 것이다.

 

 

(1) 해수담수화 공정
① 증발법
증발법은 해수를 담수화 하는 가장 오래된 기술로, 1960년대부터 조작방법의 차이에 따라, 2～3개의 단을 갖는 다단플래쉬법, 높은 성능과 증발용량을 갖는 다중효용법 및 증기압축법 등으로 발전하면서 실용화되었다. 이들에 의한 본격적인 대규모 해수담수화 공장은 중동에서부터 시작되었으며, 해수 담수화 방법들 중60% 이상 으로 가장 널리 사용되는 방법이다.

증발법은 막여과법, 전기투석법 등과 비교하여 순도가 높은 담수를 얻는 것이 가능하나, 단위 생산수당 에너지 소비량이 높은 단점이 있다.

증발법에 의한 가장 경제적인 해수담수화 방법은 물의 끓는 온도를 낮추기 위해 기압을 감소시키는 것이다.

끓는점을 낮추는 기술은 증발공정에서 두 가지 이유로 매우 중요한데, 이것은 여러 온도에서 물을 끓게 하는 것과 스케일을 방지하기 위한 것이다.
대부분의 물질이 따뜻한 물에 잘 녹게 되는데 특히 해수에 존재하는 탄산칼슘이나 황산칼슘은 스케일을 일으키게 된다. 황산칼슘은 95℃ 이상이면 석출되기 시작하여 스케일을 형성하게 되는데, 이를 방지하기 위하여 해수의 끓는점을 낮추는 것이 매우 중요하다.

​-다단플래쉬(Multi-stage Flash Distillation, MSF)법
다단플래쉬 공정은 유입된 해수원수를 예열시키고, 온도와 압력이 낮아지는 여러 단의 방을 통과하면서 증발된다.

증발된 수증기는 열교환기를 통하여 응축되어 담수를 얻게 되며, 농축된 염수는 배출된다.

다단플래쉬 공정은 이러한 반복되는 증발-응축 과정을 통하여 해수를 담수화 시키는 공정으로, 약 4～40개의 단으로 구성된다.

- 다중효용(Multi-effect Distillation, MED)법
다중효용법은 증기에 의해 미리 가열된 증발관에 유입된 해수를 분사하여 증발시키고, 증발된 증류수는 다시 압력과 온도가 낮아진 다음 단의 증발관에 분사된다. 이러한 반복되는 증발-응축 과정을 통하여 해수를 담수화 시키는 공정으로, 보통 8～16 개의 증발관으로 구성되며, 다단플래쉬 공정에 비해 설치사례가 적은 편이다.

 

- 증기압축(Vapor Compression Distillation, VC)법
증기압축법은 우선 외부의 열원에 의해 발생된 증기를 증기압축기를 이용해 온도를 상승시킴으로써 해수의 증발에 필요한 열에너지를 제공한다.

유입된 해수는 압축된 증기관 위로 분사되고 증발-응축됨으로써 담수화 되고, 증발되지 않은 해수는 유입하는 해수와 혼합되어 다시 온도가 증가하게 되며, 이러한과정을 반복적으로 거치면서 담수를 생산하는 방법이다.

증기압축법은 대규모 공정으로는 사용하지 않으며, 일반적으로 20～2,000 m3/일의 소규모 담수화 공정에 사용된다.

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- 투화기화(Prevaporation)법
투화기법은 같은 막을 사이에 두고 한쪽은 가열된 해수, 다른 한쪽은 냉각수를 두어 온도차에 의해서 막 표면으로 물이 증발되어 담수를 얻는 방법으로 1850년대에액체 혼합물의 분리를 위해 제안되었다. 이러한 투화기법의 기본원리는 증발법과 비슷하며 상용화된 시설에서는 막모듈을 사이에 두고 한쪽에는 가열된 해수를통과시키고, 다른 한쪽에는 냉각된 해수를 연속적으로 통과시키면 온도차에 의해 막을 중심으로 고온으로부터 수증기가 확산․투과되어 막의 표면으로부터 증발되고, 증발된 수증기는 냉각수에 의해 냉각․응축되어 담수를 얻는 방법이다.
투과기화법에 의한 해수 담수화는 운전관리가 용이하고, 막을 투과하기 때문에 순수한 물을 얻을 수 있으며, 전처리의 생략가능, 폐열 또는 태양열을 이용할 수있으므로 비용이 절감하는 등의 장점을 가지고 있다.

따라서 이 방법은 구조가 간단하고 저렴하기 때문에 해안 열대사막 지역에서는 에너지원으로 태양열을 이용한 투과기화법으로 담수를 생산하여 식물재배에 이용하기도 한다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌