KR101093975B1

KR101093975B1 - 전해 이온 교환을 이용한 선택가능한 이온 농도

Info

Publication number: KR101093975B1
Application number: KR1020067002704A
Authority: KR
Inventors: 짐 홀메스; 에릭 니버그; 조 에반스
Original assignee: 파이오네틱스 코포레이션
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2011-12-15
Also published as: EP1660408A1; CN1863737B; BRPI0413377A; CN1863737A; US7344629B2; WO2005016831A1; JP4490422B2; JP2007501702A; KR20060058106A; US20070175766A1; BRPI0413377B1; US20050029124A1

Abstract

본 발명의 장치(20)는, 이온을 포함하는 유입 용액(70)을 처리하여 유출 용액(80) 중의 선택가능한 이온 농도를 얻는다. 상기 장치(20)는 제 1 및 제 2 전극(40, 45)을 포함하는 하우징(25)을 포함하는 전기화학 전지(22)를 포함한다. 물 분해 이온 교환 막(100)은 제 1 및 제 2 전극(40, 45) 사이에 위치하며, 상기 막(100)은 제 1 전극(40)을 향하는 음이온 교환 표면(46), 및 제 2 전극(45)을 향하는 양이온 교환 표면(48), 또는 그 반대 경우의 배치를 포함한다. 상기 하우징(25)은 또한, 유입 용액(70)을 물 분해 이온 교환 막(100)의 음이온 및 양이온 교환 표면(46, 48) 모두를 지나 흐르게 하여 유출 용액(80)을 형성할 수 있는 용액 채널(52)을 구비한, 유입 용액 입구(30) 및 유출 용액 출구(35)를 지닌다. 가변 전압원(50)은 이온 교환 단계 동안에 제 1 및 제 2 전극(40, 45)을 다수의 상이한 전압에서 유지할 수 있다.

Description

전해 이온 교환을 이용한 선택가능한 이온 농도 {SELECTABLE ION CONCENTRATIONS WITH ELECTROLYTIC ION EXCHANGE}

본 발명은 이온 교환 방법 및 장치에 관한 것이다.

이온 교환 전지는 용액 중에 용해된 고형물 또는 이온을 제거하거나 대체시키는데 사용된다. 예를 들어, 이온 교환 막 및 비드는, 오염물 및 다른 가용된 고형물을 도시 폐수 스트림으로부터 제거함으로써 고순도의 음용수를 생산하도록 물을 탈이온화시키는데 사용된다. 이온 교환은 또한 산업 폐수의 처리 시에 이온을 선택적으로 치환시키는데 사용된다. 또 다른 예에서, 수돗물은 수돗물 중의 경질의 2가 이온, 예컨대 칼슘을 연질의 1가 이온, 예컨대 나트륨 또는 칼륨으로 대체시킴으로써 연수화된다. 전형적으로, 이온 교환 효율은 처리되거나 처리되지 않은 용액의 전체 가용된 고형물(TDS) 함량을 측정함으로써 평가하여, 감소율(%R)로서 기록된다.

전해 보조된(electrolytic assisted) 이온 교환은 이온 추출 효율을 개선시키고, 전지 중의 이온 교환 물질을 더욱 용이하게 재생시킨다. 상기 시스템에서는, 그 내용이 본원에 참조로 포함되는, 니버그(Nyberg)에게 허여된 미국 특허 제 5,788,826호에 기술된 바와 같이, 물 분해 이온 교환 막을 가로질러 전기장이 인가된다. 상기 물 분해 막은 전형적으로 강산 양이온 교환 표면 또는 층(설포네이트 기: -SO₃M) 및 강염기 음이온 교환 표면 또는 층(4차 암모늄 기: -NR₃A)을 포함한다. 상기 막은, 이의 양이온 교환 표면이 제 1 전극을 향하고 이의 음이온 교환 표면이 제 2 전극을 향하도록, 전극 사이에 위치한다. 탈이온화 과정의 사이클 중에, 용액 스트림이 전지를 통과하는 동안, 소정 전압 수준이 전극에 인가되어, 물 분해 막의 표면에 대해 수직으로 전기장이 형성된다. 전기장은, 물을 이의 성분 이온 H⁺ 및 OH^-로 비가역적으로 해리시키고, 이러한 이온들은 이온 교환 층을 통해 반대 극성을 갖는 전극 방향으로 이동한다 (예를 들어, H⁺는 음극으로 이동한다). 전기장은 물 분해 반응에 의해 형성된 가용된 고형물 이온을 막에 대해 수직 방향으로 이동시키는 것을 보조함으로써, 막을 통한 단(short) 경로를 제공한다. 따라서, 탈이온화 동안에, 전기장이, 물을 해리시키고, 가용된 고형물의 대부분을 용액으로부터 효과적으로 이동시켜 제거하기에 충분히 높은 단일 수준에서 설정된다. 소정의 고정된 전기장 세기는, 이온 추출을 최대화하는 단일의 높은 DC 전압을 전극에 인가함으로써 발생된다. 전해 이온 교환은 유리하게는 전지 중에 균일한 전기장을 제공하는데, 이러한 전기장은 막의 전 표면 영역을 더욱 잘 이용하며, 가용된 고형물의 90% 이상을 제거할 수 있도록 이온 교환 효율을 증가시킨다.

전해 보조된 이온 교환 시스템은 또한 막의 전기적 재생을 가능하게 하며, 이 점이 종래의 화학적 재생 방법에 비해 유리한 점이다. 통상의 양이온 교환 층은 일반적으로 산성 용액, 예컨대 황산을 이용하여 재생되며; 음이온 교환 층은 염기성 용액, 예컨대 수산화나트륨을 이용하여 재생된다. 재생은 포획된 재생 용액을 제거하는 헹굼 단계에 의해 마무리된다. 이러한 화학적 공정에는 다량의 재생용 화학물질 및/또는 물이 요구되며, 전지는 재생 공정을 수행할 수 있도록 주기적으로 작동중단되어야 한다. 그러나, 전해 보조된 이온 교환 공정에서는, 물 분해 막이, 전극에 인가된 전압의 극성을 간단히 역전시켜 역전된 전기장을 형성시키고, 이러한 전기장에 의해, 막으로부터 교환된 이온을 배출시킴으로써 막이 전기적으로 재생되는 방식으로 재생된다. 역전된 극성 전압은 또한, 재생 사이클 동안에 물 분해 막으로부터의 이온 추출 및/또는 배출 효율을 최대화시키는 단일 전압 수준에서 인가된다.

그러나, 통상의 전해 보조된 이온 교환 시스템은 다양한 한계점을 지니고 있었다. 하나의 한계점은 TDS 제거 분획이 유입 용액의 품질 및 전지 작동 조건에 따라 달라질 수 있다는 것이다. 예를 들어, 유속 또는 유입 용액에서의 압력 변화는 제거되는 가용된 고형물의 상이한 분율을 초래할 수 있다. 유출 용액의 총 가용된 고형물 함량은 시간 변화에 따른 유입 용액의 TDS 함량 때문에 달라지며, 예를 들어, 하수의 TDS는 폭우로 인해 급격하게 달라진다. 결과적으로, TDS 감소율이 90%인 전해 전지는, TDS가 150 ppm인 유입 용액으로부터 TDS가 15 ppm인 처리된 유출 용액을 형성시킬 것이지만, 유입 용액이 1500 ppm의 TDS를 함유하는 경우에는, 처리된 유출 용액의 TDS가 150 ppm이 될 것이다. 출력 TDS 함량에서의 이러한 변화는 바람직하지 못하다. 통상의 전해 이온 교환 전지에서는 종종 유출 용액 중의 TDS 함량이 서서히 증가되는데, 그 이유는 막의 작업 이온 교환 용량이 탈이온화 동안에 소모되며, 이는 유출 용액의 TDS 함량에서의 가변성을 추가로 증가시킨다. 배치 탈이온화 공정 동안의 이온 농도의 완속 증가는 막의 용량이 정상적으로 소모되기 전에 탈이온화 사이클의 조기 종료를 야기할 수 있으며, 이는 전지의 자본 및 작동 비용을 증가시킨다. 따라서, 통상의 시스템을 이용한 경우에 있어서의 배출 TDS 함량은 유입 TDS 함량 및 초과 시간에 따라 현저히 달라질 수 있다.

또한, 통상의 전해 이온 교환 시스템으로는 이온 농도를 조절할 수 없다. 산업용 용도에서의 물 및 탈이온수를 정제하기 위해 용액 스트림으로부터 이온 추출을 최대화하는 것이 바람직하지만, 일부 용도에서는, 용액 스트림 중에 가용된 고형물의 소정 수준을 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 음용 및 취사용 물의 용도에 있어서, 일부 가용된 고형물은 물 맛을 좋게 하고 인위적인 맛을 내지 않게 하는데 있어 바람직하다. 다른 산업적인 물 용도에서는, 환경 기준치를 충족시키기 위해, 폐수 스트림 중의 특정 이온, 예를 들어 니트레이트 또는 비소 이온의 수준을 감소시키는 것이 바람직하다. 화학 용액 중의 특정 이온 수준은 또한 산업적 공정, 예를 들어 시멘트 제조시 및 전기도금 용액에서 이 용액의 조성을 정확히 제어하는데 필요하다.

따라서, 유입 용액의 TDS 또는 품질이 처리 방법에 따라 달라진다 하더라도, 유출 용액 중에 균일한 이온 농도를 제공하도록 유입 용액을 처리할 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 재생용 화학물질과 관련된 환경적 유해함 및 불편함을 감소시키거나 제거하기 위해 재생용 화학물질보다는, 이온 교환 물질의 재생을 위해 전력을 사용할 수 있으며, 세정 사이클 동안에 헹굼수의 용량을 감소시킬 수 있는 물 처리 시스템이 필요하다. 또한, 처리된 용액 중에 가용된 고형물의 소정 또는 설정된 수준을 유지시키도록 유입 용액을 처리할 수 있는 것이 바람직하다.

개요

본 발명은, 이온을 포함하는 유입 용액을 처리하여, 생성된 유출 용액 중에서 선택가능한 이온 농도를 얻기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 제 1 및 제 2 전극을 포함하는 하우징을 포함하는 전기화학 전지를 포함한다. 물 분해 이온 교환 막은 상기한 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하며, 상기 막은 제 1 전극을 향하는(facing) 양이온 교환 표면, 및 제 2 전극을 향하는 음이온 교환 표면을 포함한다. 상기 하우징은 또한, 유입 용액을 물 분해 이온 교환 막의 음이온 및 양이온 교환 표면 모두를 지나 흐르게 하여 유출 용액을 형성시킬 수 있는 용액 채널을 구비한, 유입 용액 입구 및 유출 용액 출구를 지닌다. 가변 전압원은 이온 교환 단계 동안 제 1 및 제 2 전극을 다수의 전압 수준에서 유지할 수 있다. 상기한 이온 교환 단계는 예를 들어, 탈이온화 또는 이온 제거 단계, 또는 막 재생 또는 이온 배출 단계일 수 있다.

일 양태에서, 상기 장치는 유입 용액, 적어도 부분적으로 처리된 유입 용액, 또는 유출 용액의 이온 농도를 측정하고 이온 농도 신호를 발생시키는 이온 미터를 포함한다. 제어기는 이온 미터로부터 이온 농도 신호를 수신하고, 제어 신호를 가변 전압원으로 전송하여, 이러한 이온 교환 신호에 따라 제 1 및 제 2 전극에 인가된 전압 수준을 조절함으로써 유출 용액 중 소정 이온의 농도 범위를 달성한다.

또 다른 양태에서, 이온을 포함하는 유입 용액을 처리하여 유출 용액 중의 이온 농도를 제어하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, 유입 용액을, 물 분해 이온 교환 막의 음이온 및 양이온 교환 표면 모두를 지나 흐르게 하여 유출 용액을 형성시키는 단계; 물 분해 막의 상기 양이온 및 음이온 교환 표면을 가로질러 시간 평균화된(time-averaged) 전기장을 유지시키는 단계; 및 시간 평균화된 전기장의 세기를 변화시켜, 유출 용액의 이온 농도를 조절하는 단계를 포함한다.

본 발명의 이러한 특징, 양태 및 잇점은 하기 설명, 첨부된 청구범위, 및 본 발명의 예시적 특징을 나타내는 첨부되는 도면을 참고로 더욱 잘 이해될 것이다.

도 1은 전해 이온 교환 전지, 전력원 및 제어 시스템을 나타내는 본 발명의 장치의 구체예의 개략적인 단면 측도이다.

도 2는 나선형 막을 포함하는 전해 이온 교환 전지를 구비한 장치의 또 다른 구체예의 단면 측도의 단면도이다.

도 3은 도 2의 전해 이온 교환 전지의 상면도이다.

도 4는 이온 제거 단계(a) 및 이온 배출 단계(b)에 대한 가변 시간 평균화된 전압을 나타내는 그래프이다.

도 5는 상 제어 전압원을 포함하는 가변 전압원의 회로도이다.

도 6a-6c는 도 5의 상 제어 전압원에 의해 발생된 예시적인 입력 AC 전압 및 DC 출력 전압의 파형을 나타내는 그래프이다.

도 7a는 펄스 대역 변조부를 구비한 스위칭 전압원의 블록도이다.

도 7b 및 7c는 도 7a의 전압원에 의해 발생된, 입력 AC 전압 신호 및 출력 작업량 사이클(duty cycle) 변조된 DC 전압을 나타내는 그래프이다.

도 8은 스위칭 DC 전압원(90)의 회로도이다.

도 9는 전지의 전극에 인가된 전압을 제어하기 위해 전류 및 전압 측정치를 이용하는 장치 구체예의 개략적인 단면도이다.

도 10a는 병렬 연결된 2개의 전지를 포함하는 본 발명의 구체예를 나타내는 도면이다.

도 10b는 직렬 연결된 2개의 전지를 포함하는 구체예를 나타내는 도면이다.

도 10c는 직렬로 연결된 2개의 전지를 포함하며, 정 전압 및 가변 전압 전력원을 사용하는 구체예를 나타내는 도면이다.

도 11은 정 전압 수준(정 전압) 또는 가변 전압 수준(가변 전압)으로 처리한 유출 용액에 대해 얻어진 비교용의 전도도 수준을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 장치(20)의 구체예는, 이온을 포함하는 유입 용액을 이온을 추출하거나 대체하거나 첨가하도록 처리하여, 목적하는 이온 농도를 갖는 유출 용액을 생성시킬 수 있다. 이온 제어 장치(20)의 예시적 구체예는 본 발명을 예시하기 위해 제공된 것으로, 본 발명의 범주를 제한하는데 사용되지 않아야 하며, 당업자에게 자명한 대안적인 전지 장치 및 구성이 본 발명의 범주 내에 있다. 일반적으로, 상기 장치(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 유입 용액 입구(30) 및 하나 이상의 유출 용액 출구(35)를 구비한 밀봉된 누출 방지 구조물인 하우징(25)을 포함하는 전기화학 전지(22)를 포함한다. 적당한 하우징(25)은 전형적으로 금속 또는 플라스틱으로부터 제조된 판 및 프레임 구성을 포함한다. 하나 이상의 출구(35)가 제공될 수 있다 하더라도, 하우징(25)으로부터의 유출 용액은 출구(35) 전 또는 후에, 예를 들어 상이한 용액 스트림을 조합시키는 배기 매니폴드(exhaust manifold)에서 형성되는 단일 유출 용액 스트림을 포함하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 예를 들어 연동식 펌프와 같은 펌프, 또는 흐름 제어 장치와 함께 수압이, 유입 용액을 하우징(25)의 입구(30)로 흐르게 하는데 사용될 수 있다.

하우징(25)은 그 내부에 제 1 및 제 2 전극(40, 45)을 구비한다. 하나 이상의 전극(40, 45)은 하우징(25)의 일부, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같은 하우징의 전기 전도성 벽을 형성할 수 있거나, 이는 도 1에서 (도시된 바와 같은) 하우징 내부의 자유 기립 판(free standing plate)과 같은 분리 구조물일 수 있다. 전형적으로, 전극(40, 45)은 서로 마주보는 전도성 표면을 구비한다. 양극 및 음극 전극(40, 45)은 전기 전도성 물질로, 예컨대 전지(22)의 작동 동안에, 전극의 양극 및 음극 편극화 동안에 형성된 낮거나 높은 pH 화학적 환경 중에서의 부식에 대해 바람직하게는 내성이 있는 금속으로부터 제작된다. 적당한 전극은, 티타늄 또는 니오븀과 같은 내부식성 물질로부터 제작될 수 있으며, 플래티늄과 같은 귀금속으로 외부 코팅될 수 있다. 전극(40, 45)의 형상은 전기화학 전지(22)의 디자인, 및 전지(22)를 통해 흐르는 유입 용액(70)의 전도도에 따라 달라진다. 적당한 전극은 이의 표면을 가로질러 균일한 전압을 제공하고, 유입 용액을 통과시킬 수 있는 개구를 구비할 수 있는 평판이다. 또 다른 장치에서, 전극(40, 45)은 나선형, 디스크형, 또는 심지어 원뿔형과 같이 형상화될 수 있다.

물 분해 이온 교환 막(100)이 제 1 및 제 2 전극(40, 45) 사이에 위치하며, 상기 막(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(40)을 향하는 음이온 교환 표면(46), 및 제 2 전극(45)을 향하는 양이온 교환 표면(48)을 포함하거나, 또는 도 2에 도시된 바와 같이 그 반대의 배치를 포함한다. 물 분해 막(100)은 전극(40 ,45) 사이에 위치한 개방 프레임(47) 내에 내장된, 인접하는 음이온 및 양이온 층(49, 51)을 각각 포함할 수 있거나, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 나선형 구성으로 배열될 수 있다. 물 분해 막(100)의 적합한 음이온 교환 층(49)은 음이온을 교환할 수 있는 하나 이상의 염기성 작용기, 예컨대 -NR₃A, -NR₂HA, -PR₃A, -SR₂A, 또는 C₅H₅NHA (피리딘) (여기에서, R은 알킬, 아릴 또는 기타 유기 기이며, A는 음이온 (예를 들어, 히드록사이드, 비카보네이트, 클로라이드 또는 설페이트 이온)이다)을 포함한다. 음이온 교환 작용기의 선택은 또한 용도에 따라 달라진다. 물의 탈이온화에서는, 양호한 막 팽창을 부여하는 능력이 있다는 점에서 -NR₃A가 바람직하며, 이에 따라 광범위한 pH에 걸쳐서 낮은 전기 저항 및 높은 물질 전달율이 제공된다. 특히 효율적인 재생이 요구되는 경우에는 약염기 기가 바람직하다. 예를 들어, -NR₂HA가 매우 바람직한 반응에서 OH와 반응하여, -NR₂, H₂O를 형성시키고 A^-를 방출시킬 것이다. 적합한 양이온 교환 층(51)은 -COOM, -SO₃M, -PO₃M₂ 및 -C₆H₄OM (여기에서, M은 양이온 (예를 들어, 수소, 나트륨, 칼슘 또는 구리 이온이다)이다)과 같은 양이온을 교환할 수 있는 하나 이상의 산성 작용기를 포함할 수 있다. 양이온 교환 물질은 또한 정전기 또는 이온 결합보다는 배위를 통해 양이온을 결합시키는 중성 기 또는 리간드를 포함하는 그러한 것들(예를 들어, 피리딘, 포스핀 및 설파이드 기), 및 착화되거나 킬레이팅되는 기를 포함하는 기들(예를 들어, 아미노포스포릭산, 아미노카르복실산 및 히드록스아민산으로부터 유도된 것들)을 포함한다. 양이온 교환 작용기의 선택은 전지(22)의 용도에 따라 달라진다. 이온의 비선택적 제거가 필요한 물의 탈이온화에서는, 양호한 막 팽창, 높은 물질 전달율, 및 광범위한 pH에 걸쳐 낮은 전기 저항을 부여하는 이의 능력 때문에 -SO₃M기가 바람직하다. 다른 이온, 예를 들어 나트륨 이온을 함유하는 액체로부터 구리 이온을 선택적으로 제거하기 위해서는, -COOM과 같은 이온 교환기 또는 아미노카르복실산과 같은 킬레이팅기가 바람직하다. 이들 약산 기는 -(COO)_nM과 H⁺의 매우 바람직한 반응으로 인해 -COOH를 형성시키고 M⁺²(여기에서, M은 금속 이온이다)를 배출시키기 때문에 특히 효율적인 재생과 같은 부가적인 잇점을 제공한다.

물 분해 이온 교환 막(100)은 또한 2개 초과의 음이온 및 양이온 교환 층(49, 51)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물 분해 막(100)은 2개의 양이온 교환 층 및 2개의 음이온 교환 층을 구비할 수 있다. 각각 2개의 양이온 또는 음이온 교환 층은 이온 교환 성능 또는 이온 교환 작용기의 측면에서 상이하다. 예를 들어, 물 분해 막(100)의 제 1 내부 양이온 교환 층은 사실상 -SO₃기를 포함할 수 있고, 외부 양이온 층은 -C00H기를 포함할 수 있는 반면; 내부 음이온 교환 층은 -NR₃기를 포함하고, 외부 음이온 층은 -NR₂H기를 포함한다. 음이온 및 양이온 교환 층은 또한 용액, 예를 들어 개방 전지 포말 또는 기타 구조물을 보유하도록 다공성일 수 있어서, 물 분해 이온 교환 막을 통해 보다 신속한 용액 전달을 제공한다.

하우징(25) 중의 용액 채널(52)은 유입 용액(70)을 입구(30)로부터 물 분해 이온 교환 막(100)의 음이온 및 양이온 교환 표면(46, 48) 둘 모두를 지나 흐르게 하여, 출구(35)에서 유출 용액(80)을 형성할 수 있다. 용액 채널(52)의 흐름 경로는 하우징(25), 및 하우징(25) 중의 구조물에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 채널(52)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 물 분해 막(100)의 표면, 전극(40, 45), 및 하우징(25)의 측벽(54) 사이에서 형성될 수 있다. 상기 채널(52)은 또한 하우징 중에서 관형 벽을 지닌 구조일 수 있다(도시되지 않음). 용액 채널(52)은 입구(30)로부터, 처리된 유출 용액(80)이 배출되는 출구(35)로 뻗어있다.

전기화학 전지(22)의 대안적 구체예는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부 전극 구조를 형성하는 제 1 전극(40), 및 중앙 전극 구조를 형성하는 제 2 전극(45)을 포함한다. 물 분해 막(100)은, 2개의 전극(40, 45) 사이에 위치하는 다수의 음이온 및 양이온 교환 층(49, 51)을 포함한다. 상기 막 층(49, 51)은, 막의 양이온 교환 표면(48)이 제 1 전극(40)을 향하며, 막의 음이온 교환 표면(46)이 제 2 전극(45)을 향하도록 하우징(25) 중에 배열된다. 상기 막 층(49, 51)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 양이온 표면(48)을 음이온 표면(46)으로부터 분리시키고 용액 채널(52)을 제공하는 스페이서(43)을 구비한 나선형의 감겨진 구성(spiral wrapped configuration)을 형성한다. 임의 수의 막(100)이 이러한 방식으로 평행하게 감겨져서, 전지(22)를 통한 목적하는 압력 강하를 제공한다. 예를 들어, 3개의 막(100)이 평행하는 배열로 나선형으로 감겨질 수 있다. 스페이서(43)는 또한 용액 채널(52) 중에 위치할 수 있다. 상기 스페이서(43)는, 예를 들어 전지의 측벽(54)에 매달린 플라스틱 그물형 물질의 층일 수 있다. 스페이서(43)는, 물 분해 막(100)을 분리시키고, 더욱 균일한 흐름을 제공하거나, 용액 채널(52) 중에 난류를 발생시켜 보다 높은 이온 전달율을 제공하는데 사용될 수 있다. 2개 이상의 물 분해 막(100)이 직접 접촉되는 경우에는, 과량의 전류가 이러한 낮은 저항의 경로를 통해 흐를 수 있으며, 동시에 막(100)이 과열되고 용액이 우회할 수 있다 (이로써 전지 성능이 감소됨). 스페이서(43)에는, 직경이 10㎛ 이상인 개구가 형성될 수 있다.

전기화학 전지(22)의 작동법은, 도 2 및 3에 도시된 전지(22)에서, 염화나트륨을 포함하는 유입 용액의 처리에 대해, 그리고 구리 설페이트를 포함하는 유입 용액의 처리에 대해 설명될 것이다. 전지(22)의 작동이 이러한 2개의 선택된 예에 관해 설명된다 하더라도, 전지(22) 및 장치(20)는 다수의 기타 용도에 대해 사용될 수 있으며, 본원에 제공된 실시예에 한정되지 않아야 함이 이해되어야 한다. 제 1 예에서, 염화나트륨이 제거되어, 유입 용액으로부터 모아진다. 도 2에 도시된 것과 같은 전기화학 전지(22)는 설포네이트 양이온 교환 층(51) 및 4차 암모늄 음이온 교환 층(49)을 구비하는 물 분해 막(100)을 포함한다. 공정의 제 1 단계, 즉 이온 제거 단계에서, 양이온 교환 층(51)을 향하는 제 1 전극(40)이 양으로 하전되고 (양극), 제 2 전극(45)이 음으로 하전된다 (음극). 물 분해 이온 교환 막(100)의 양이온 및 음이온 교환 층(51, 49) 사이의 계면에서, 용액 스트림 중의 물은 이의 성분 이온인 H⁺ 및 OH^-로 분해되고, OH^-는 양이온 교환 표면(48)을 통해 제 1 (양의) 전극(40)으로 이동하는 반면, H⁺는 음이온 교환 표면(46)을 통해 제 2 (음의) 전극(45)으로 이동한다. 이 단계에서, Na⁺가 양이온 교환 표면(48)을 통해 음극 방향으로 확산되고 이동한다. 양이온 교환 층(51)에서 일어나는 반응은 다음과 같다:

상기 반응식에서, "P"는 이온 교환기가 부착되는 중합체 또는 고체 지지체를 나타낸다.

물 분해 반응에 의해 생성되고 양이온 교환 표면(48)을 통해 이동하는 OH^-는 H⁺와 반응하여 물을 형성한다. H⁺의 소비에 의해 전기 및 농도 구배가 유지되며, 이로써 용액으로부터 Na⁺의 제거 속도가 빨라진다.

음이온 교환 층(49) 중에서, Cl^-는 음이온 교환 층(49)을 통해 양극 방향으로 확산되고 이동한다. 음이온 교환 층(49) 중에서 일어나는 반응은 다음과 같다:

양이온 교환 층(51)에서의 상황과 유사하게, 물 분해 반응에 의해 형성된 H⁺가 OH^-와 반응하여, 용액으로부터 Cl^-의 제거 속도가 빨라진다.

이온 제거 단계가 전압(또는 전류)없이 수행될 수 있지만, 이온 제거 속도는 상기 기술된 이동 및 화학적 중화 효과의 부재로 인하여 사실상 저하된다. 전압이 없으면 비가역적인 물 분해 반응이 일어나지 않으며, 이에 따라 중화 반응(2) 및 (4)이 일어날 수 없다. 이후, 이온 제거 속도는 오로지 양이온 및 음이온 교환 층(51, 49)을 통한 Na⁺, H⁺, Cl^- 및 OH^-의 확산 속도에 의해서만 지배된다.

물 분해 막의 양이온 및 음이온 교환 층(51, 49) 중의 이온 교환 기가 각각 Na⁺ 및 Cl^- 이온에 의해 완전히 점유된 후에는, 물 분해 이온 교환 막(100)을 반응 (1) 내지 (4) 이전의 이들 원래의 화학적 형태로 복귀시키기 위해 재생 공정 단계가 필요하다. 이 단계에서, 용액 스트림(70)이, 예를 들어 제 1 단계에서 처리된 동일한 염화나트륨 용액과 같이 전지(22) 중으로 도입되며, 전극의 극성이 역전되어 제 1 전극(40)이 음극이 되고 제 2 전극(45)이 양극이 된다. 이 단계에서, 물 분해 반응에 의해 형성된 H⁺가 양이온 교환 층(51)을 통해 음극 방향으로 이동하여, 하기 반응 (5)가 일어난다:

마찬가지로, 물 분해 반응에 의해 형성된 OH^-가 음이온 교환 층(49)을 통해 양극 방향으로 이동하여, 하기 반응 (6)이 일어난다:

양이온 및 음이온 교환 층(51, 49)에서 H⁺ 및 OH^-에 의해 대체된 Na⁺ 및 Cl^-은 조합되어, 유출 용액 스트림(80)에서 NaCl을 형성한다. 이러한 재생 단계 동안 용액의 유속을 제어함으로써, 이온 제거 단계 동안 유입되는 용액 스트림(70)에 존재하는 것보다 사실상 더 높은 NaCl 농도가 얻어질 수 있다. 반응 (1) 내지 (4)에서의 이온 제거가 용액 스트림을 탈이온화시키고자 하는 경우에는, 반응 (5) 및 (6) 동안에 형성된 NaCl 농축물이 폐기된다. 이러한 장치에서 NaCl을 제거하는 목적이 이 염을 분리시키고자 하는 경우에는, NaCl 농축물이 추가 가공을 위해 저장된다.

이러한 예시적 전지(22)의 작동을 용액으로부터 CuSO₄의 제거 및 후속적인 농축의 견지에서 설명할 것이다. 임의의 적당한 이온 교환 물질이 물 분해 막(100)의 양이온 및 음이온 교환 층(51, 49)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 양이온 교환 층(51)은 P-COOH 기를 포함할 수 있으며, 음이온 교환 층(49)은 P-NR₂H 기를 포함할 수 있다. 이온 제거 동안에, 물 분해 반응에서 생성된 OH^-는 양이온 교환 층(51)을 통해 양극쪽으로 다시 이동하며, 양이온 교환 층(51)에서는 하기 반응 (7) 및 (8)이 일어난다:

Cu² ⁺는 바람직하지 못한 열역학적 특성으로 인해 직접적으로 P-COOH 중에서 H⁺를 대체할 수 없으며, 이에 따라 반응 (7)에서는 P-COOH로부터 H⁺가 제거되어, Cu²⁺와 용이하게 반응하는 P-COO^-가 형성되어야 한다.

음이온 교환 층(49)에서는, 물 분해 반응에 의해 생성된 H⁺가 음이온 교환 층(49)을 통해 음극쪽으로 이동하여, 하기 반응 (9) 및 (10)이 일어난다:

반응 (9)에 의해 중성 P-NR₂로부터 이온기가 형성되며, 이로써 반응 (10)에서 SO₄ ² ^-와의 후속 반응이 가능하다:

이온 제거가 완료된 경우에, 양이온 및 음이온 교환 층(51, 49)은, 전지(22)를 통해 동일하거나 상이한 용액을 흐르게 하고 전극(40, 45)의 극성을 역전시킴으로써, 이온 제거 전의 이들 상태로 복귀된다. 물 분해 반응에서 생성된 H⁺가 양이온 교환 층(51)을 통해 이동하여 하기 반응 (11)이 일어나며, 물 분해 반응에서 생성된 OH^-이 음이온 교환 층(49)을 통해 이동하여 하기 반응(12)가 일어난다:

상기 반응 (11) 및 (12) 모두는 열역학적으로 유리하며, 용액 스트림 중의 CuSO₄를 농축시킬 수 있다. 후속 단계에서, 구리 및/또는 설페이트가 용액 스트림으로부터 회수되거나 폐기될 수 있다.

2개의 선행하는 실시예에서 설명된 이온 교환 물질중에서 이온을 대체시키는 방법은 하기한 바와 같이 일반적인 견지에서 설명될 수 있다. 물 분해 막(100)은 이온 교환 층(A, B)을 포함하는데, 이중 하나는 양이온 교환 층(51)이고 나머지 하나는 음이온 교환 층(49)이며, 이들 층은 각각 이온 I_1A 및 I_1B를 포함한다. 이온 함유 용액은 전극(40, 45) 및 물 분해 막(100)을 전기적으로 접속시키며, 상기한 2개의 전극(40, 45)에 충분한 전압을 인가하면, 이온 교환 층(A, B) 사이의 계면 영역에 있는 물이 이의 성분 H⁺ 및 OH^-로 분해된다. "물 분해 반응"이라고도 지칭되는 이러한 현상에는, 물의 성분 이온 H⁺ 및 OH^-로의 자발적인 해리(해리는 전기장의 존재 또는 부재하에서 일어남)에 이어, 전기장의 영향 하에서 이들 이온이 이온 교환 층(A, B)으로 이동하는 것이 포함된다. H⁺는 음극쪽으로 이동하고, OH^-는 양극쪽으로 이동한다. H⁺ 및 OH^-이 층(A, B) 내로 이동함에 따라, 보다 많은 물이 계면 영역으로 확산되어, 물 분해 반응 사이클이 연속된다. H⁺ 및 OH^-이 이온 교환 층(A, B)을 통해 이동함에 따라, 이들은 이온 I_1A 및 I_1B를 각각 용액으로부터의 이온 I_2A 및 I_2B으로 대체시킨다. 이온 교환 층(A, B)에서의 이러한 이온의 대체는, 예를 들어 P-SO₃ ^- 이온 교환 기에 대해 H⁺를 Na⁺로의 대체하는 것과 같은 직접적인 대체일 수 있거나, 또는 OH^-가 제 1 단계에서 P-COOH와 반응하여 P-COO^-를 형성한 다음 반응하여 Cu²⁺와 결합하는 경우에 일어나는 것과 같은 간접적인 대체일 수 있다.

장치(20)는 이온 교환 단계 동안 제 1 및 제 2 전극(40, 45)을 다수의 전압 수준에서 유지하도록 가변 전압원(50)을 추가로 포함한다. 상기한 전압 바이어스 수준은 이온 교환 단계 동안에 상이한 세기를 갖는 선택가능한 전압 수준이다. 예를 들어, 전압 수준은, 이온 교환 단계, 예컨대 (i) 용액 처리 단계, 예를 들어 이온이 유입 용액(70)으로부터 제거되어 유출 용액(80)을 형성시키는 탈 이온화 또는 이온 제거 단계, 또는 (ii) 막(100)이 이러한 막에서 이온을 배출하거나 대체시킴으로써 재생되는 막 재생 단계 또는 이온 배출 단계의 시간 기간의 일부인 미리 특정된 시간 기간 동안, 각각 고정된 정 전압 수준 또는 고정된 펄스 전압 수준인 시간 평균화된 전압 수준일 수 있다. 이온 제거 단계는 전기화학 전지(22) 중의 물 분해 막(100)의 음이온 및 양이온 표면(46, 48)을 가로지르는 유입 용액의 통과에 의해 수행되는데, 이로써 유입 용액(70)으로부터 이온이 제거되거나 대체됨으로써 유입 용액(70) 중의 이온 농도 수준이 변화된다. 이온 배출 단계는, 물 분해 막(100)이 막(100) 중의 이온을 방출하거나 배출함으로써 재생되는 재생 사이클이다. 각 단계에서, 시간 평균화된 전압 수준은 선택된 시간 기간에 걸쳐 전극(40, 45)에 인가된 전압 세기를 평균화함으로써 결정된다. 상기 시간 기간은, 전압이 사실상 동일하게 유지되는 피크 절대 세기를 지니는 시간의 길이이다.

도 4는 이온 제거 단계(그래프 (a)) 및 이온 배출 단계(그래프 (b))에 대한 가변 시간 평균화된 전압 수준의 예시적 구체예이다. 이 도면에서, 펄스된 전압의 세기를 시간에 따라 플롯팅하여, 각각의 시간 사이클에서 시간 평균화된 전압이 하나의 수준에서 유지되는 다양한 시간 사이클이 나타난다. 그래프 (a)는 제 1 시간 기간(T₁)에 걸쳐 사실상 동일하게 유지되는 제 1 세기(V₁), 제 2 시간 기간(T₂)에 걸쳐 사실상 동일하게 유지되는 제 2 세기(V₂), 제 3 시간 기간(T₃)에 걸쳐 사실상 동일하게 유지되는 제 3 세기(V₃) 등을 지니는, 전극에 인가된 가변 시간 평균화된 전압을 나타낸다. 곡선 (b)는 이온 배출 단계의 상이한 시간 주기 (T₄), (T₅), (T₆) 동안에 사용되는 음의 값의 전압 (V₄), (V₅), (V₆)을 갖는 역전된 극성을 지닌 시간 평균화된 전압을 나타낸다. 각각의 단계에서, 시간 평균화된 전압은 상이한 전기장 세기를 갖는 전지에서 시간 평균화된 전기장을 발생시킨다. 가변 전기장은 상이한 인가 전압 수준에 비례하는 전기장 세기를 지닌다. 목적이 단지 막(100)으로부터 이온을 배출시키는 것이기 때문에, 이온 배출 단계에서, 전압은 또한 전체 사이클에 걸쳐 사실상 일정하게 유지될 수 있음을 주지해야 한다.

일 구체예에서, 가변 전압원(50)은 이온 제거 단계 또는 이온 배출 단계 동안 양이거나 음으로 남아있는 단일 극성을 갖는 시간 변조되거나 펄스된 직류(DC) 전압을 제공한다. 대조적으로, 교류(AC) 전압원과 같은 비-DC 전압은 대략 0인 시간 평균화된 AC 전압을 갖는다. 전해 이온 교환 전지(22)의 작동 시의 이온 제거(탈이온화) 또는 이온 배출(재생) 단계 중에 하나의 극성을 사용하면, 유입 용액(70) 중의 이온이 어느 하나의 전극(40, 45)으로부터 멀리 또는 이러한 전극쪽으로 단일 방향으로 이동하도록 처리되어, 물 분해 막(100) 내로 또는 이 밖으로 이온의 순(net) 물질 전달을 제공할 수 있다. 평균 DC 전압의 세기는 시간 기간에 걸쳐 전압을 수학적으로 적분한 다음, 적분치를 시간 기간으로 나눔으로써 얻어진다. 이러한 적분치의 극성으로부터 이온 제거 모드에 있는지 또는 이온 배출 모드에 있는지를 알 수 있으며, 이러한 계산값의 크기는 이온 제거 또는 배출에 대해 유용한 전기 에너지에 비례한다. 이 적분치의 합리적인 추정은 느린 응답의 DC 전압계, 예를 들어 수십초, 예컨대 20 내지 30밀리초의 특징적인 응답 시간을 갖는 전압계를 사용하여 확인된 시간 평균화된 측정치로부터 얻어진다. 전압원(50)은 또한 전극(40, 45)에 대한 극성을, 예를 들어 이온을 용액에 순간적으로 첨가하여 이온 제거 단계 동안에 전지(22)중 용액의 목적하는 농도를 유지하거나, 후속하는 탈이온화 단계를 준비하기 위해 전지(22) 중에서 막(100)을 재생시키도록 전환시키는 극성 스위치(44)를 포함한다.

가변 전압원(50)은 AC 전압의 전-파(full-wave) 또는 반-파(half-wave) 정류에 의해 가변 DC 전압 또는 전류를 제공할 수 있다. 이러한 전압원은, 예를 들어 (i) 상 제어 전압원(50a), 또는 (ii) 펄스 대역 변조부를 구비한 스위칭 전압원(50b)일 수 있다. 이러한 회로 및 이에 대한 설명은 가변 시간 변조된 DC 전압을 제공하는 방법에 관한 단 2개의 실시예에 의해 제공되며, 당업자에게 자명한 기타 가변 DC 전압원 회로가 또한 이용될 수 있다. 상 제어 사이리스터(SCR)(81)를 이용하는 상 제어 전압원(50a)의 구체예가 도 5에 도시되어 있다. 이러한 상 제어 전압원(50a)은 선형의 또는 미조절된 전력을 제공할 수 있다. 상기한 전압원(50a)은, AC를 DC로 정류시키는 백-투-백(back-to-back) SCR(81)로 직접 입력된, 도 6a에 도시된 바와 같은 통상의 단일 상 AC 전력(82)(120 볼트, 60 Hz)에 대해 작동한다. 정류 이외에, SCR(81)은 또한 비전도성에서 전도성으로 매우 신속하게 전환될 수 있다. AC 전력원(82)이 SCR(81)에 의해 스위치되는 경우에, 전류는, 전류가 트리거 트랜지스터(89)와 함께 작동하는 영 교차 트리거(zero crossing trigger)(91)를 이용하여 0으로 감소될 때마다 생성된다. 도 6a는 AC 사이클이 0 전압을 교차한 후에 약 2밀리초에 해당하는 트리거 점(t)에서 전도성을 지니게 되는 SCR(81)의 입력 AC 사이클 신호(72)를 나타낸다. 그 시점에서, SCR(81)이 작동되고, 교류파가 0 전압 수준을 교차할 때까지 유지된다. 백-투-백 SCR(81)은, 전압 출력이 도 6b에서 점선(76)에 의해 표시되는 전-파 정류기로 작용한다. 도 6c는 가변 세기의 펄스된 DC 전압(78)을 포함하며 전지(22)의 전극(40, 45)에 공급되는 생성된 파형을 나타낸다. 상 제어 전압원(50a)에서, SCR(81)은 옵토트리악(optotriac) 트리거 SCR(83)에 의해 켜지고, 이들의 타이밍은 555 및 4066 제어 칩을 포함하는 RC 회로(84)에 의해 결정된다. 트리거는, RC 타이밍 회로(84) 중의 저항(86)을 변화시킴으로써 측정되는 0 교차(85) 후의 설정된 시간 지연에서 일어난다. 출력 전압에서의 연속 변화는 포텐쇼미터(potentiometer)를 이용함으로써 수행될 수 있다. 이러한 회로(50a)는 교류 전압 상에서의 특정 지점에서 SCR(81)을 트리거시키도록 6개(또는 일부 그 밖의 수)의 개별 시간 지연을 설정하고, 이에 따라 출력 리드(87)에서 5개의 개별 출력 전압, 예를 들어 0(오프), 30, 100, 200, 300 볼트를 설정하기 위해 고정된 저항기(86)를 사용한다.

도 5에 도시된 상 제어 전압원(50a)의 구체예에서는, 다수의 표준 부품, 예컨대 저항기, 축전기, 다이오드 및 트랜지스터가 존재한다. 이들 부품에 대해 사용될 수 있는 적당한 값 및 부품의 수에는 하기 것들이 포함된다: C₁ = C₂ = 250μF (250V), C₃ = 0.01 μF (50V), C₄ = 0.1 μF (25V), D₁ 및 D₂는 T6A 1002, Q₁ 및 Q₂는 2N6507 (SCR), R₂ = 100Ω, R₄ = 1kΩ, R₇ = 20kΩ, R₈ = 22kΩ, R₉ = 28kΩ 및 R₁₄ = 14kΩ. 상기된 값 및 부품은 단지 예시를 위한 것이며, 다양한 값 또는 부품이 사용될 수 있다.

펄스 대역 변조부를 구비한 스위칭 전압원(50b)을 포함하는 대안적인 가변 전압원(50)이 도 7a의 블록도에 도시되어 있다. 도 7c에는 입력 신호가 도시되어 있으며, 도 7b에는 전압원(50b)의 출력이 도시되어 있다. DC 전압 또는 전류의 전력이 전압의 오프-시간에 대한 온-시간의 비인 작업량 사이클을 변화시킴으로써 조 절되기 때문에 단 하나의 전압 수준이 존재한다. 스위칭 DC 전압원(90)인 스위칭 전압원(50b)의 구체예가 도 8에 도시되어 있다. 전압원(90)에서, AC 전력은 보다 높은 주파수 및 전압으로 변압되기 전에 미조절된 DC 정류기 및 필터(93)에 의해 정류된다. 변조기 및 변환기(94)는, 고주파수 변압기(99)에 인가된 전압을 조절하기 위해 펄스 대역 변조기(92)를 이용한다. 피드백 루프는 샘플링한 피드백 전압(95)과 기준 전압(96)을 비교하고, 주요 트랜지스터(98)의 작업량 사이클을 제어하여 출력 전압(97)을 제어한다.

상기 장치(20)는 또한 용액의 이온 농도를 측정하고, 용액 이온 농도 신호를 발생시키는 이온 센서(59)를 포함할 수 있다. 이온 센서(59)는 예를 들어 농도, 종의 유형, 또는 다양한 이온의 농도비를 측정할 수 있다. 일 구체예에서, 이온 센서(59)는 전도성 센서이며, 이는 처리된 유출 용액(80) 중의 총 가용된 고형물(TDS)의 농도를 측정하고 제어하는데 유용하다. 대안적으로, 이온 센서(59)는 특정 이온 종, 예를 들어 니트레이트, 비소 또는 납에 대해 특이적인 센서일 수 있다. 이온 특이적인 센서는 예를 들어 ISES (이온 선택적인 전극)일 수 있다.

용액 스트림 중 이온 센서(59)의 위치는 요망되는 이온 농도 신호의 특성에 따라 다르게 선택된다. 이온 센서는 (i) 유입 용액, 적어도 부분적으로 처리된 용액 또는 유출 용액의 이온 농도를 측정하고, (ii) 이온 농도 신호를 발생시키는데 사용될 수 있으며, 일 구체예에서, 이온 센서(59)는, 유입 용액(70)이 물 분해 막(100)의 양이온 및 음이온 표면(48, 46)의 적어도 일부를 가로질러 통과한 후에 적어도 부분적으로 처리된 용액 중에 위치한다. 예를 들어, 이온 센서(59)는 도 2에 도시된 바와 같이 유출 출구(35)을 빠져나가는 유출 용액 스트림에 인접하게 위치할 수 있다. 이러한 구체예에서, 이온 농도 신호는, 처리된 용액 중의 이온 또는 이온들의 농도를 나타내는 것으로, 이는 전지(22)의 이온 추출 효율을 조정하거나 조절하여 전지(22) 중에서 목적하는 이온 농도를 얻는데 사용된다.

제어기(53)는 이온 센서(59)로부터 피드백 회로 루프(57)를 경유하여 신호를 수신하고, 전극(40, 45)에 대한 전압 출력을 제어하기 위해 제어 신호를 가변 전압원(50)으로 전송한다. 제어기(53)는 신호를 수신하고, 평가하고, 송신하기 위한 전기 회로 및 프로그램 코드를 포함한다. 예를 들어, 제어기(53)는 (i) 프로그래밍가능한 집적 회로 칩 또는 중앙 처리 장치(CPU), (ii) 랜덤 액세스 메모리 및 저장된 메모리, (iii) 키보드 및 디스플레이와 같은 주변 입력 및 출력 장치, 및 (iv) 아날로그, 디지털 입력 및 출력 보드, 및 커뮤니케이션 보드를 포함하는 하드웨어 인터페이스 보드를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 또한 전기화학 전지(22), 이온 센서(59) 및 전압원(50)을 제어하고 모니터링할 수 있는 메모리 중에 저장된 프로그램 코드 지시를 포함할 수 있다. 상기 프로그램 코드는 임의의 종래 컴퓨터 프로그래밍가능한 언어로 표기될 수 있다. 적합한 프로그램 코드는 통상의 텍스트 편집기를 이용하여 단일 또는 다수 파일로 유입되고, 메모리 중에 저장되거나 메모리 중에서 구현된다. 유입된 코드 텍스트가 고차원 언어로 되어 있는 경우에는, 코드가 컴파일링된 후에, 생성된 컴파일러 코드가 미리 컴파일링된 라이브러리 경로의 대상 코드와 결합된다. 결합되고, 컴파일링된 목적 코드를 실행하기 위해서, 사용자가 목적 코드를 자극하여 CPU로 하여금 상기 코드를 판독하고 실행케 하여 프로그램 중에서 확인된 임무를 수행하게 한다.

제어기(53)는 이온 센서(59)로부터 이온 농도 신호를 수신하고, 전압원(50)에 의해 전극(40, 45)으로 제공된 전압 수준을 조정하기 위해 제어 신호를 가변 전압원(50)으로 전송한다. 제어기(53)에 의해 전압원(50)으로 전송된 신호는 이온 센서(59)로부터의 신호에 따라 전극(40, 45)에 인가된 시간 평균화된 전압 수준을 조정하도록 전압원(50)을 지시한다. 예를 들어, 제어기(53)는 전압 제어 신호를 전압원(50)으로 전송하여, 하기한 바와 같이 유출 용액(80)에서 소정의 이온 농도 범위를 달성하도록 전압원(50)에 의해 공급된 시간 평균화된 전압 수준을 조정할 수 있다. 상기 제어기(53)는 또한, 시간 평균화된 전압 수준의 전력 변조 정도 또는 작업량 사이클을 선택하도록 제어 신호를 가변 전압원(50)으로 전송할 수 있다.

도 2에 도시된 전지(22)를 이용한 이온 또는 TDS 농도의 제어 방법을, 전지(22)의 출구(35) 바로 외부에 위치한 이온 전도도 센서를 포함하는 이온 센서(59)에 의해 처리된 유출 용액(80)의 이온 전도도를 측정하는 경우를 이용하여 설명할 것이다. 전도도가 1000 μS/cm (~ 500 ppm TDS)인 유입 용액(70)이 입구(30)에서 전지(22)로 유입된다는 가정하에서, 처리된 용액(130)의 목적하는 전도도는 200 μS/cm (~ 100 ppm TDS)이며, 전지(22)는 100V에서 최초로 전력화된다. 유입 용액(70)이 전지(22)를 통과함에 따라, 양이온은 표면(48)을 구비한 이온 교환 층에 의해 추출되고, 음이온은 표면(46)을 구비한 이온 교환 층에 의해 추출된다. 이온 센서(59)는 감소된 TDS 농도를 나타내며 비례적인 이온 농도 신호를 발생시키는, 출구(35)를 경유하여 전지(22)를 빠져나가는 유출 용액(80)의 낮은 이온 전도도를 측정한다. 측정된 이온 농도 신호는 제어기(53)로 보내지고, 이 제어기(53)는 제어 신호를 피드백 루프(57)에 의해 가변 전압원(50)으로 차례대로 전송한다. 유출 용액(80)의 측정된 전도도가 목적하는 수준인 200 μS/cm 미만인 경우에는, 제어기(53)는 제어 신호를 가변 전력원(50)으로 전송하여 인가된 전압을 감소시킨다. 측정된 전도도가 목적하는 수준을 넘는 경우, 제어기(53)가 제어 신호를 가변 전력원(50)으로 전송하여 전압을 증가시킨다. 제어기(53)는 목표 및 측정된 이온 전도도 간의 차에 기초하여 전압을 비례적인 수준으로 조정하는 프로그래밍된 미세제어기 또는 프로그램 코드를 포함할 수 있다. 측정된 전도도가 목표에 보다 근접한 경우에는, 제어 신호가 보다 작은 전압 변화가 적용되도록 가변 전압원(50)을 지시하고; 측정된 전도가 목표로부터 더 벗어나는 경우에, 제어 신호가 보다 큰 전압 변화가 적용되도록 전압원(50)을 지시한다. 예를 들어, 도 1의 장치를 이용하여 측정된 이온 농도가 특정 이온, 예를 들어 니트레이트인 경우에는, 제어기(53)가 제어 신호를, 상기한 특정 이온의 농도를 증가시키거나 감소시키는 소정 수준으로 전압을 조정하는 지시가 내장된 가변 전력원(50)으로 전송할 수 있다.

또 다른 구체예에서, 이온 센서(59)는 유입 용액(70) 중 이온 농도를 가장 먼저 측정할 수 있도록 업스트림으로부터 가능한 한 멀리, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 유입 용액(70) 중에 위치한다. 상기 이온 센서(59)는 또한 물 분해 막(100)에 의해 처리되기 전에 유입 용액(70)의 이온 함량을 목적하는 정도로 감지할 수 있는 위치에서 전지(22) 내부에 또는 유입 입구(30) 앞에 위치할 수도 있다. 이러한 위치에서, 이온 센서(59)는 이온 센서(59)의 지표인 이온 농도 신호를 발생시킨다. 이러한 구체예에서 보다 빠른 이온 센서(59) 측정이 가능하며, 처리된 용액의 이온 농도를 보다 정확하게 제어할 수 있게 된다. 이온 센서(59)는 유입 용액(70)의 이온 농도를 측정하며, 유입 이온 농도와 관련된 유입 이온 농도 신호를 발생시킨다. 제어기(53)는 유입 이온 농도 신호를 수신하고, 제어 신호를 가변 전압원(50)으로 전송하여, 이러한 신호에 따라 시간 평균화된 전압 수준을 조정한다. 피드백 루프(57), 제어기(53) 및 가변 전압원(50)은 제어 신호에 따라 전지(22)에 대한 전압을 조정하여, 유입 용액(70)이 보다 큰 농도의 이온을 함유하면 전압을 증가시키고, 또는 유입 용액(70)이 보다 작은 농도의 이온을 함유하면 전압을 감소시킨다.

유입 이온의 조성 또는 농도가 공지되어 있고 시간에 걸쳐 예측가능한 경우에는, 제어기(53)가 전지(22)의 이온 제거 또는 배출 단계 동안 소정의 선택된 시간 평균 전압을 통과시키도록 전압원(50)을 지시하는 제어 신호를 발생시키도록 미리 설정될 수 있다. 이러한 예에서, 제어기(53)는 출원시 지식으로, 즉 유입 용액(70)의 조성 및/또는 시간에 걸친 전지(22)의 거동 또는 유입 용액(70)의 입력 용적으로 미리 프로그래밍된다. 이온 센서(59) 및 피드백 루프는 존재하지 않는다. 제어기(53)는 가변 전압(50)으로 하여금, 이온 센서(59) 없이 시간 또는 용적의 함수로서 전지(22)에 대한 전압을 조정하거나, 유입 또는 유출 용액(70, 80)의 이온 농도 변화를 감지하도록 밀폐된 루프 제어를 조정하도록 지시한다.

또 다른 구체예에서, 전지(22)의 전기 저항은, 도 9에 도시된 바와 같이, 유출 용액(80)의 전도도를 측정하거나 예측하는데 사용되어, 특정 이온 농도를 제어하지 않고 유출물 중에서의 TDS를 조절한다. 본 구체예에서, 장치(20)는 전지(22)중 전압 바이어스를 측정하고 전압 신호를 발생시키는 전압계(62), 및 전지(22)중 전류를 측정하고 전류 신호를 발생시키는 전류계(60)를 포함한다. 제어기(53)는 전압계(62)로부터의 전압 신호 및 전류계(60)로부터의 전류 신호를 수신하고, 전압 및 전류 신호의 비로부터 용액 중 이온 농도를 계산한다. 전류/전압의 비는 전지(22)의 전기 저항을 나타내며, 이는 전지(22)중 용액의 전도도의 지표 및 이에 따라 유출 용액 전도도의 지표를 나타내게 된다. 전류계(60) 및 전압계(62)로부터의 피드백 루프(57)는 제어기(53)에 신호를 제공하여, 제어기(53)가, 전지(22)에 인가된 전압을 조정하여 이온 농도를 목적하는 수준에서 유지될 수 있게 한다. 측정된 전지의 저항은 물과 막 저항의 합계이며, 이에 따라 제어기(53)는, 시간에 걸친 막 전기 저항의 변화를 설명하는, 피브백 루프(57)로부터의 신호를 해석할 수 있다. 작동시, 전류/전압의 비 측정은 이온 농도를 추정하는데 사용되며, 제어기(53)는 제어 신호를 가변 전압원(50)으로 전송하여, 전압을 측정된 전류/전압의 비에 따라 조정한다.

단일 전지(22) 대신에, 장치(20)는, 직렬 또는 병렬 배열로 유체적으로 연결된, 용액 입구(30) 및 출구(35)를 구비한 다수의 전지(22)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 병렬로 연결된 2개의 유입 입구(30a, 30b)를 구비한 2개의 전지(22a, 22b)를 포함하는 장치가 도 10a에 도시되어 있다. 이러한 장치에서, 유입되는 물 스트림은 2개의 스트림으로 나누어지며, 이들 스트림 각각은 개별 전지(22a, 22b)의 유입 입구(30a, 30b)에 공급된다. 유출 용액은 각각의 전지 출구(35a, 35b)에서 배출되어, 이온 센서(59)를 통과하기 전에 또는 이를 지나 다시 합쳐진다. 전압원(50)은 직렬로 연결된 2개의 전지(22a, 22b)를 전력화시킨다. 이온 센서(59)로부터의 신호는 피드백 루프(57)에 의해 제어기(53)로 이동하고, 가변 전압원(50)은 제어기(53)로부터의 제어 신호 중의 지시에 따라 그에 맞게 조정된다. 이러한 구체예는 낮은 압력 또는 높은 유속에서의 작동에 유용하다.

또 다른 장치에서, 2개 이상의 전지(22)가, 도 10b에 도시된 바와 같이, 유입 용액이 입구(30a)에서 제 1 전지(22a)로 유입되어 제 1 전지 출구(35a)를 빠져나오고, 제 2 전지(22b)의 입구(30b)로 유입되어 제 2 전지 출구(35b)를 빠져나온 다음, 종국적으로 이온 센서(59)를 통과하는 방식으로 직렬로 유체적으로 연결된다. 양 전지(22a, 22b)의 전극(40a, 40b, 45a, 45b)은 단일 전압원(50)에 병렬로 연결될 수 있거나, 각각의 전지는 개별 전압원(50)을 지닐 수 있다. 제어기(53)는 연속적으로 처리된 용액의 이온 함량과 관련한, 이온 센서(59)로부터의 신호를 수신하고, 각 전지(22a, 22b)의 전극(40a, 40b, 45a, 45b)에 인가된 전압을 제어하여 각 전지(22a, 22b) 중에서 이온 제거를 제어한다. 도 10c에 도시된 구체예에서, 제 1 전지(22a)는 이러한 전지(22a)에 단일의 정 전압을 제공하는 정 전압원(50c)에 의해 전력화되고, 제 2 전지(22b)는 가변 전압원(50)에 의해 전력화된다. 이온 센서(59)는 제 2 전지(22b)의 출구(35b) 외측의 처리된 유출 용액(80) 중에 위치한다. 이러한 구체예에서, 전지(22a)는 제 2 전지(22b)의 유입 용액에 대한 예비처리로서 최대 탈이온화를 제공하는데, 이 경우 전지의 이온 함량은 목적하는 이온 수준을 달성하도록 제어된다. 이온 센서(59), 피드백 루프(57), 제어기(53) 및 가변 정 전압원(50)은 전압을 전지(22a)에 대해서가 아니라 전지(22b)에 대해서만 조정할 수 있게 한다.

실시예 1: 정 전압

본 실시예는 이온 제거 사이클에 걸친 물 분해 이온 교환 막(100)의 이온 제거 효율에서의 손실을 입증하는 것이다. TDS 함량 감소 실험을 위해, 원통형 하우징(25) 중에 나선형으로 감겨진 물 분해 막(100)을 포함하는 전지(22)를 사용하였다. 1A의 전류 한계를 지니는 정 전압 전력원이 사용되어, 피드백 회로는 사용하지 않았다. 전지(22)는 중앙 전극 및 외부 전극 사이에 막(100) 층(30)을 포함하였다. 막(100)의 양이온 교환 층(51)은 외측을 향하였으며, 음이온 교환 층(49)은 내측을 향하였다. 먼저, 전지(22)를 ~50 μS/cm의 공급 물 스트림을 이용하여 160 ㎖/분 및 300 V에서 20분 동안 이온 배출 단계에 의해 재생시켜서, 탈이온화 또는 이온 제거 단계를 준비하였다. 재생 단계 동안에, 전극(40, 45)에 대한 전류를 0.5 내지 1.0 amps에서 유지시키고, 유입 용액(70)을 전지(22) 중의 나선형 막(100)의 내측에서 외측으로 흐르게 하였다.

후속하여, 탈이온화 또는 이온 제거 단계에서, 유입 용액의 흐름 방향, 및 전지(22)의 전극(40, 45)에 인가된 시간 평균화된 전압의 극성을 역전시켰다. 가용된 고형물 또는 이온을 함유하는 물을 포함하며, 초기 이온 전도도가 504 μS/cm인 유입 용액(70)을 1.5ℓ/분에서 전지(22)를 통해 펌핑시켰다. 전극(40, 45)에 인가된 전압은 가변 전압 전력원(50)으로부터 이용가능한 최대 전압, 즉 1 Amps 최대 전류에 대해 제한된 300V이었다. 이에 대한 결과가 도 11의 그래프에, 전체 전력이 이온 교환 사이클을 통해 인가된 정 전압 곡선으로서 도시되어 있다. 최초 30초 동안 전지(22)로부터 마지막 재생 용액을 퍼징시킴으로써 초기의 높은 전도도가 얻어졌고, 후속하여 4분 동안 상당히 안정한 전도도 출력이 얻어졌으며, 실험이 종료된 경우, 16분째에, 유출되는 물의 전도도가 250 μS/cm로 안정하게 증가되었다. 이 실시예는, 유출 용액(80) 중에서의 이온 함량이, 물 분해 막(100)이 유입 용액(70)으로부터 제거된 이온으로 포화됨에 따라, 시간에 걸쳐 서서히 증가됨을 나타낸다. 결과적으로, 유출 용액(80)의 이온 농도는 처리 사이클 동안에 일정하게 남아있지는 않으나, 그 대신 전도도가 150 μS/cm에서 250 μS/cm으로 증가함에 따라 5배 정도 변화하였다.

실시예 2: 가변 전압

본 실시예에서, 장치(20)는 이온 농도 신호를 해석하고 가변 전압원(50)의 출력 전압을 제어하는 미세처리기를 포함하는 제어기(53)에 연결된 전도도 센서인 이온 센서(59)를 구비한 실시예 1의 전지(22)를 포함하였다. 이 실험에서 목표 이온 전도도는 125 μS/cm이었다. 이전 실험에서는, 유출 용액(80)의 이온 전도도의, 목표 전도도로부터의 다양한 편차에 대해 사용할 출력 전압을 측정하였다. 그 결과가 가변 전압 곡선으로서 도 11에 도시되어 있다. 측정된 전도도가 125 μS/cm 목표값을 넘는 경우에, 제어기(53)는 전지(22)에 대한 전압을 증가시키고, 그 직후 유출 용액(80)의 전도도가 감소되었다. 유출 용액(80)에 대한 완속의 변화 상승 및 하강은 시스템의 명확한 응답 시간의 결과이다. 이는 전지(22)의 유속 및 공극 용적에 따라 크게 달라진다. 유출 용액의 전도도는 본 실시예에서 전체 16분 동안, 또는 24ℓ의 처리 용액에 대해 125 ± 25 μS/cm으로 제어된다. 대조적으로, 실시예 1에서의 전체(또는 단일) 전력 실험은 단지 3분, 또는 단지 4.5ℓ의 용적에 대해 이러한 목표 범위에서 처리된 유출 용액(80)을 제공하였다.

본 발명의 장치(20) 및 방법으로 유입 용액(70)을 처리하여, 유출 용액(80) 중에서 선택되거나 제어된 이온 농도를 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 장치 및 방법은 음용수 맛 개선, 연수화된 물의 경도 또는 산업 공정용의 특정 TDS 함량을 위한 것과 같은 특수 목적에 매우 적합한 제어된 이온 농도를 지닌 물을 포함하는 처리된 유출 용액(80)을 제공할 수 있다. 본 발명은 또한 물의 과도한 탈이온화를 방지함으로써 전해 이온 교환 장치의 탈이온화 사이클의 작업 용량을 확장시켜, 추가 물의 처리를 위한 이온 교환 용량을 보존할 수 있다. 화학 시스템보다 가변 전압을 사용함으로써, 자본 및 작동 비용 측면에서의 장치(20)의 복잡성이 감소된다. 또한, 유입 및 유출 용액은 이온 농도를 제어하기 위해 용액을 블리딩(bleeding)시키는 경우에 일어날 수 있는 교차 오염 위험을 방지한다. 상기 장치(20)는 또한 양호한 이온 선택도, 미네랄 스케일(mineral scale) 오염에 대한 저항성, 및 통상의 이온 교환에서 일반적인 농축된 재생된 유출 용액을 제공한다.

본 발명을 이의 예시적 구체예를 참조로 매우 상세하게 설명하였지만, 당업자에게 자명한 다른 구체예도 가능하다. 예를 들어, 전기화학 전지의 기타 장치가 목적하는 유입 이온 농도, 용적 또는 처리에 따라 다르게 사용될 수 있다. 또한, 대안적인 전압원이 기타 용도로 적합한 전압, 예를 들어 AC 성분을 지닌 단일 극성 전압을 제공하도록 설계될 수 있다. 뿐만 아니라, 제 1, 제 2, 외부, 내부와 같은 상대적 용어는 본 발명의 예시를 위해서만 제공된 것으로, 서로 번갈아가면서 사용될 수 있는데, 예컨대 제 1 전극이 제 2 전극일 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주는 본원에 함유된 바람직한 구체예의 설명에 한정되지 않아야 한다.

Claims

이온을 포함하는 유입 용액을 처리하여, 생성된 유출 용액 중에서의 선택가능한 이온 농도를 얻기 위한 장치로서,

(a) (i) 제 1 및 제 2 전극을 포함하는 하우징;

(ii) 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하며, (I) 제 1 전극을 향하는(facing) 양이온 교환 표면 및 (II) 제 2 전극을 향하는 음이온 교환 표면을 포함하는 물 분해 이온 교환 막; 및

(iii) 유입 용액 입구와 유출 용액 출구 사이에, 유입 용액을 물 분해 이온 교환 막의 음이온 및 양이온 교환 표면 모두를 지나 흐르게 하여 유출 용액을 형성시키는 용액 채널을 구비한, 유입 용액 입구 및 유출 용액 출구를 포함하는, 전기화학 전지, 및

(b) 각 선택가능한 전압 수준이 상이한 세기를 가지고 유출 용액에서 상이한 이온 농도 범위를 제공하도록 이온 교환 단계 동안 제 1 전극 및 제 2 전극을 다수의 선택가능한 전압 수준으로 유지시킬 수 있는 가변 전압원을 포함하는 장치.
제 1항에 있어서, 전압 수준이 각 전압 수준이 상이한 세기를 가지지만 동일한 극성을 갖는 시간 평균화된 전압 수준을 포함하는 장치.
제 1항에 있어서, 이온 교환 단계가 이온 제거 단계 또는 이온 배출(rejection) 단계를 포함하는 장치.
제 1항에 있어서, 가변 전압원이,

(1) 상 제어 전압원을 포함하며;

(2) 펄스 대역 변조부를 구비한 스위칭 전압원을 포함하며;

(3) 가변 고정된 세기의 펄싱된 전압을 제공하거나;

(4) 세기(magnitude) 펄싱된 전압을 제공하는 장치.
제 1항에 있어서, 전지에서 전압 바이어스를 측정하고 전압 신호를 발생시키는 전압계; 전지에서 전류를 측정하고 전류 신호를 발생시키는 전류계; 및 전압 및 전류 신호의 비로부터 용액 중 이온 농도를 결정하고, 제어 신호를 가변 전압원에 전송하여 이온 농도에 따라 전극에 인가된 전압 수준을 조정하는 제어기를 포함하는 장치.
제 1항에 있어서,

(1) (i) 유입 용액, 부분적으로 또는 전체적으로 처리된 용액, 또는 유출 용액의 이온 농도를 측정하고, (ii) 이온 농도 신호를 발생시키는, 이온 센서, 및

(2) 이온 농도 신호를 수신하고, 제어 신호를 가변 전압원에 전송하여, 이온 농도 신호에 따라 전압 수준을 조정하는 제어기를 포함하는 장치.
이온을 포함하는 유입 용액을 처리하여 유출 용액 중의 이온 농도를 제어하기 위한 방법으로서,

(a) 유입 용액을, 물 분해 이온 교환 막의 음이온 및 양이온 교환 표면 모두를 지나 흐르게 하여 유출 용액을 형성시키는 단계;

(b) 물 분해 막의 양이온 및 음이온 교환 표면을 가로질러 시간 평균화된 전기장을 유지시키는 단계; 및

(c) 각 전압 수준이 상이한 세기를 갖는 다수의 선택가능한 전압 수준들 중 하나를 선택함으로써 유입 용액의 이온 교환 동안에 시간 평균화된 전기장의 세기를 변화시켜, 유출 용액의 이온 농도를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
제 7항에 있어서, 유출 용액 중에서 소정 이온 농도 범위를 달성하기 위해 시간 평균화된 전기장의 세기를 변화시키는 것을 포함하는 방법.
제 8항에 있어서, 부분적으로 또는 전체적으로 처리된 유입 용액의 이온 농도를 측정하고, 시간 평균화된 전기장의 세기를 측정된 이온 농도에 따라 변화시키는 것을 포함하는 방법.
제 7항에 있어서,

(1) 물 분해 막의 양이온 및 음이온 교환 표면 주위의 전극에 인가된 가변-세기 펄스된 전압의 시간 평균화된 전압 수준; 또는

(2) 물 분해 막의 양이온 및 음이온 교환 표면 주위의 전극에 인가된 고정된 세기 펄스된 전압 수준의 작업량 사이클(duty cycle)을 변화시킴으로써, 시간 평균화된 전기장의 세기를 변화시키는 것을 포함하는 방법.
제 7항에 있어서, 용액 및 물 분해 막을 통한 전압 및 전류를 측정하고, 전압 및 전류 측정치의 비로부터 용액 중의 이온 농도를 결정하는 것을 포함하는 방법.
이온을 포함하는 유입 용액을 처리하여, 유출 용액 중에서의 선택가능한 이온 농도를 얻기 위한 장치로서,

(a) (i) 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 하우징;

(ii) 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하며, (I) 제 1 전극을 향하는 양이온 교환 표면 및 (II) 제 2 전극을 향하는 음이온 교환 표면을 포함하는 물 분해 이온 교환 막; 및

(iii) 유입 용액 입구와 유출 용액 출구 사이에, 유입 용액을 물 분해 이온 교환 막의 음이온 및 양이온 교환 표면 모두를 지나 흐르게 하여 유출 용액을 형성시키는 용액 채널을 구비한, 유입 용액 입구 및 유출 용액 출구를 포함하는 전기화학 전지;

(b) 유입 용액, 부분적으로 또는 전체적으로 유입 용액, 또는 유출 용액 중의 이온 농도를 측정하고 이온 농도 신호를 발생시키는 이온 센서;

(c) 각 선택가능한 전압 수준이 상이한 세기를 가지고 유출 용액에서 상이한 이온 농도를 제공하도록 이온 교환 단계 동안에 제 1 전극 및 제 2 전극을 다수의 상이한 선택가능한 전압 수준으로 유지시키기 위한 가변 전압원; 및

(d) 이온 농도 신호를 이온 미터로부터 수신하고 제어 신호를 가변 전압원에 전송하여 이온 농도 신호에 따라 제 1 및 제 2 전극에 인가되는 전압 수준을 조정하여, 유출 용액 중의 사전규정된 이온 농도 범위를 달성하기 위한 제어기를 포함하는 장치.
제 12항에 있어서, 가변 전압원이 이온 교환 단계 동안에 시간 평균화된 전압 수준인 전압 수준을 제공할 수 있는 장치.
이온을 포함하는 유입 용액을 처리하여 유출 용액 중의 이온 농도를 제어하기 위한 방법으로서,

(a) 유입 용액을, 물 분해 이온 교환 막의 음이온 및 양이온 교환 표면 모두를 지나 흐르게 하여 유출 용액을 형성시키는 단계;

(b) 물 분해 막의 양이온 및 음이온 교환 표면을 가로질러 시간 평균화된 전기장을 유지시키는 단계; 및

(c) 각 전압 수준이 동일한 극성을 가지지만 상이한 세기를 갖는 다수의 선택가능한 전압 수준들 중 하나를 선택함으로써 유입 용액의 이온 교환 동안에 시간 평균화된 전기장의 세기를 변화시켜, 유출 용액의 이온 농도를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 유출 용액 중에서 소정 이온 농도 범위를 달성하기 위해 시간 평균화된 전기장의 세기를 변화시키는 것을 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 유입 용액, 부분적으로 처리된 유입 용액, 또는 유출 용액 중 하나 이상의 이온 농도를 측정하고, 시간 평균화된 전기장의 세기를 측정된 이온 농도에 따라 변화시키는 것을 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 물 분해 막의 양이온 및 음이온 교환 표면 주위의 전극에 인가된 가변-세기 펄스된 전압 수준의 시간 평균화된 전압 수준을 변경시킴으로써 시간 평균화된 전기장의 세기를 변경시키는 것을 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 물 분해 막의 양이온 및 음이온 교환 표면 주위의 전극에 인가된 고정된 세기 펄스된 전압 수준의 작업량 사이클을 변화시킴으로써 시간 평균화된 전기장의 세기를 변화시키는 것을 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 용액 및 물 분해 막을 통해 전압 및 전류를 측정하고, 전압 및 전류 측정치의 비로부터 용액 중의 이온 농도를 결정하는 것을 포함하는 방법.
이온을 포함하는 유입 용액을 처리하여 유출 용액 중의 이온 농도를 제어하기 위한 방법으로서,

(a) 유입 용액을, 물 분해 이온 교환 막의 음이온 및 양이온 교환 표면 모두를 지나 흐르게 하여 유출 용액을 형성시키는 단계;

(b) 물 분해 막의 양이온 및 음이온 교환 표면을 가로질러 시간 평균화된 전기장을 유지시키는 단계; 및

(c) 각 전압 수준이 상이한 세기를 가지고 유출 용액 중의 상이한 이온 농도 범위를 제공하는 다수의 선택가능한 전압 수준들 중 하나를 선택함으로써 유입 용액의 이온 교환 동안에 시간 평균화된 전기장의 세기를 셋팅하는 단계를 포함하는 방법.
제 20항에 있어서, 부분적으로 또는 전체적으로 처리된 유입 용액의 이온 농도를 측정하고, 시간 평균화된 전기장의 세기를 측정된 이온 농도에 따라 셋팅하는 것을 포함하는 방법.
제 20항에 있어서, 전극에 인가된 가변-세기 펄스된 전압의 시간 평균화된 전압 수준을 셋팅함으로써 시간 평균화된 전기장의 세기를 셋팅하는 것을 포함하는 방법.