[논문]저온 활용을 위한 실리카겔 흡착식 담수화시스템의 성능연구

현준호; 이윤준; 천원기

doi:10.7836/kses.2013.33.6.039

저온 활용을 위한 실리카겔 흡착식 담수화시스템의 성능연구
A Performance Study on Silica Gel Adsorption Desalination System Utilizing Low Temperature Heat Sources 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.33 no.6, 2013년, pp.39 - 46

현준호 (제주대학교 에너지공학과) , (제주대학교 에너지공학과) , 이윤준 (제주대학교 에너지공학과) , 천원기 (제주대학교 에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This work introduces a simple one-reactor adsorption desalination system that harnesses low temperature heat sources (solar energy, waste heat), which has been experimentally studied to elicit the most suitable design parameters and operating conditions. The design process of the system was divided into three parts to reflect the operating principle of desalination technology with application of adsorption processes. First, the evaporator for the vaporization of saline water was designed, then the reactor for the adsorption and release of the steam, followed by the condenser for condensation of the fresh water. The specific water yield is measured experimentally with respect to the time while controlling parameters such as heat source temperatures, coolant temperatures, system switching and half-cycle operational times. The present system well demonstrates the applicability of silica gel in relation to adsorption technologies that utilize low temperature heat sources ranging from 60 to $80^{\circ}C$, such as solar energy and waste heat.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 우선 하나의 반응기를 가지고 기초 실험했던 흡착식 담수화시스템의 설계 및 제작에 관한 기술을 보완하고, 두 개의 반응기를 적용하여 prototype의 제작을 위한 전 단계로 흡착식 담수화시스템의 기초 성능을 테스트하였다.
본 연구에서는 흡착식 소형 담수화시스템의 설계 및 제작을 위한 기초실험을 통해 주요 장치의 설계 및 제작에 필요한 온도, 압력, 작동시간 등에 대한 정보를 얻고자 하였다. 이런 일련의 연구 과정을 통한 연구의 결론은 다음과 같다.
위에서 언급된 시스템은 대형 플랜트가 대부분이며 건설비용 등의 경제적이지 못한 부분이 있으므로 지역적인 소규모 담수시장에는 적합하지 않다. 본 연구에서의 해수담수화시스템은 소규모의 시스템으로 바다를 끼고 있는 담수 부족 지역의 고민을 해결하고 또한, 시스템에 이용되는 열에너지를 태양열 등으로부터 얻음으로 해서 화석연료의 사용을 줄이는데 기여하고자 한다. 또한, 이번 연구에 적용되는 실리카겔을 흡착제로 하는 흡착식 담수화시스템은 인체에 무해할 뿐 아니라 비교적 낮은 온도(50∼90℃)에서 탈착현상이 가능하여 태양열에너지라는 무공해 무한 에너지를 이용할 수 있고, 산업에서 버려지는 폐열의 이용을 가능하게 하여 에너지효율을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.
흡착식 담수화시스템에서 태양열 등의 비교적 낮은 온도의 열에너지를 이용하기 위해서는 대기압에서의 물의 증발온도보다도 낮은 온도에서 증발할 수 있도록 시스템의 압력을 낮추는 방법을 고려하는 것이 중요하다. 즉, 시스템의 압력을 변화시켜 시스템 작동에 적합한 압력 및 증발온도 조건을 얻는 것이다. 흡착식 담수화시스템의 기본 방식은 증발식과 유사하다.

제안 방법

(1) 증발기에 유입되는 해수의 양은 300ml로 하였으며, 이 때 탈염을 위해 증발기로 유입되는 유입수의 온도는 10～30℃, 증발기의 압력은 10～15torr로 설정하였다.
(2) 증발기에서의 반응시간은 최초 해수 유입 시간인 40초 동안 밸브를 닫고 증발시간을 가진 후 증발기와 반응기 사이의 밸브를 열고 10～30분간 탈염 및 흡착 과정을 진행하였다.
(5) 본 연구에서는 시스템의 온도 조건을 만족시키기 위해 태양열이나 폐열을 적용하기에 앞서 heater또는 chiller가 이용되었다. 본 연구에서 적용된 온도, 압력, 시간변화 등의 실험 조건 및 요소 기술 등은 향후 태양열이나 폐열 등을 적용한 흡착식 담수화시스템 연구에 대한 요소 기술을 구축하는데 기초가 될 것이다.
스템의 제어 방식은 solenoid밸브를 cycle time에 의해 자동으로 제어하도록 하였다.
본 논문에서 제작된 흡착식 소형 담수화시스템은 실내에서 활용이 가능토록하기 위해 최대한 작은 규모로 제작되었다. 시스템의 구성은 크게 증발기, 반응기, 응축기와 진공펌프 및 열에너지원 공급원용 tank등으로 구성이 되어있으며, 열에너지원은 기초 실험단계에서는 히터 및 chiller를 이용하여 필요한 열에너지를 공급하게 구성하였으며, 기초 실험 후에 태양열에너지로의 전환이 용이하도록 설계되었다.

이론/모형

(6) 본 실험은 A타입 실리카겔을 적용하여 성능 검사를 하였다. 향후, A타입 실리카겔 보다 흡착성능이 우수한 RD타입 실리카겔 등의 적용을 통해 시스템의 담수생산 능력 또한 높일 수 있을 것으로 기대된다.

성능/효과

반응기에서의 증발온도는 70～80℃가 좋다는 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 본 연구에서 이용된 흡착식 소형 담수화시스템은 해수 증발 온도로서 30～40℃의 온도가 적절함을 알 수 있었다. 또한, 작동 시간은 증발기와 반응기에서의 증발 및 흡착 시간은 10～20분, 반응기의 증발 시간은 20～30분이 적절할 것으로 판단된다.
(2) 본 연구의 흡착식 소형 담수화시스템의 SDWP의 경우 발생기의 hotwater 온도를 80℃로 적용할 경우 하루에 약 4.0㎥의 담수를 생산할 수 있을 것으로 보인다.
또한, 이번 연구에 적용되는 실리카겔을 흡착제로 하는 흡착식 담수화시스템은 인체에 무해할 뿐 아니라 비교적 낮은 온도(50∼90℃)에서 탈착현상이 가능하여 태양열에너지라는 무공해 무한 에너지를 이용할 수 있고, 산업에서 버려지는 폐열의 이용을 가능하게 하여 에너지효율을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.
(1) 본 연구에서 이용된 흡착식 소형 담수화시스템은 해수 증발 온도로서 30～40℃의 온도가 적절함을 알 수 있었다. 또한, 작동 시간은 증발기와 반응기에서의 증발 및 흡착 시간은 10～20분, 반응기의 증발 시간은 20～30분이 적절할 것으로 판단된다. 반응기에서의 증발온도는 70～80℃가 좋다는 결론을 얻을 수 있었다.
본 논문에서 제작된 흡착식 소형 담수화시스템은 실내에서 활용이 가능토록하기 위해 최대한 작은 규모로 제작되었다. 시스템의 구성은 크게 증발기, 반응기, 응축기와 진공펌프 및 열에너지원 공급원용 tank등으로 구성이 되어있으며, 열에너지원은 기초 실험단계에서는 히터 및 chiller를 이용하여 필요한 열에너지를 공급하게 구성하였으며, 기초 실험 후에 태양열에너지로의 전환이 용이하도록 설계되었다.
본 연구에서 적용된 실험조건은 표 1과 같으며 아래와 같이 시행되었다. 본 실험에 이용된 흡착제인 실리카겔은 A타입으로 상당한 작동의 안정성을 보였다.

후속연구

(4) 본 연구에서는 하나의 반응기(singlereactor)를 적용하였는데, cycle time 중에 반응기의 증발시간 동안 증발기에서의 증발활동을 충분히 활용할 수 없었다. 추가적으로 반응기(two/four reactors)를 적용하면 cycle time 동안의 증발기의 활용도를 보다 높일 수 있을 것으로 기대된다.
(5) 본 연구에서는 시스템의 온도 조건을 만족시키기 위해 태양열이나 폐열을 적용하기에 앞서 heater또는 chiller가 이용되었다. 본 연구에서 적용된 온도, 압력, 시간변화 등의 실험 조건 및 요소 기술 등은 향후 태양열이나 폐열 등을 적용한 흡착식 담수화시스템 연구에 대한 요소 기술을 구축하는데 기초가 될 것이다.
(4) 본 연구에서는 하나의 반응기(singlereactor)를 적용하였는데, cycle time 중에 반응기의 증발시간 동안 증발기에서의 증발활동을 충분히 활용할 수 없었다. 추가적으로 반응기(two/four reactors)를 적용하면 cycle time 동안의 증발기의 활용도를 보다 높일 수 있을 것으로 기대된다.
(6) 본 실험은 A타입 실리카겔을 적용하여 성능 검사를 하였다. 향후, A타입 실리카겔 보다 흡착성능이 우수한 RD타입 실리카겔 등의 적용을 통해 시스템의 담수생산 능력 또한 높일 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡착식 소형 담수화시스템은 무엇으로 구성되었는가?	본 논문에서 제작된 흡착식 소형 담수화시스템은 실내에서 활용이 가능토록하기 위해 최대한 작은 규모로 제작되었다. 시스템의 구성은 크게 증발기, 반응기, 응축기와 진공펌프 및 열에너지원 공급원용 tank등으로 구성이 되어있으며, 열에너지원은 기초 실험단계에서는 히터 및 chiller를 이용하여 필요한 열에너지를 공급하게 구성하였으며, 기초 실험 후에 태양열에 너지로의 전환이 용이하도록 설계되었다.
	흡착식 담수화 시스템이란?	흡착식 담수화 시스템은 흡착제인 실리카겔과 흡착물질인 물의 열역학적 특징을 이용하여 저온의 열원을 이용한 수증기의 재생성원리를 이용하여 담수를 생산하는 시스템이다. 흡착식 담수화시스템에서 태양열 등의 비교적 낮은 온도의 열에너지를 이용하기 위해서는 대기압에서의 물의 증발온도보다도 낮은 온도에서 증발할 수 있도록 시스템의 압력을 낮추는 방법을 고려하는 것이 중요하다.
	국내의 해수 담수화시스템 관련 기술의 개발과 보급은 어떤 시스템을 중심으로 이루어져 왔는가?	국내의 해수 담수화시스템 관련 기술의 개발과 보급은 MSF및 RO방식을 이용한 시스템을 중심으로 이루어져 왔다. MSF 방식은 대형급 다중목적으로 사용하는 곳에 용이하나 운전비용이 비싸고 부식률이 높고, MED방식은 폐열을 이용할 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (5)

Ng KC, Saha BB, Chakraborty A, et al. Adsorption desalination quenches global thirst. Heat Trans Eng. 2008.
T. Miyazaki, A. Akisawa, B. B. Saha, I. I. El-Sharkawy, A. Chakraborty, A new cycle time allocation for enhancing the performance of two-bed adsorption chillers, ELSEVIER, 24 December, 2008.
K. C. Ng, X. L. Wang, L. Z. Gao, A. Chakraborty, B. B. Saha, S. Koyama, A. Akisawa and T. Kashiwagi, Apparatus and Method for Desalination, Singapore Patent Application.
Kim, J. B, et al., Demonstration Study on Desalination System Using Solar Energy, Jounal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 27, No. 4, 2007.
Kwak, H. Y., et al., Operating Performance of Desalination System with Solar Energy, Vol. 29, NO. 1, 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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