KR101421461B1

KR101421461B1 - 하이브리드 알오/피알오 시스템

Info

Publication number: KR101421461B1
Application number: KR1020087030277A
Authority: KR
Inventors: 리차드 엘. 스토버; 곤잘로 쥐. 피큐
Original assignee: 에너지 리커버리 인코포레이티드
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2014-07-22
Also published as: US20090071902A1; AU2007249304B2; EP2021586A4; EP2021586B1; EP2021586A1; NO20085178L; KR20090029204A; EP2902595A1; AU2007249304A1; US7871522B2; ES2535343T3; WO2007134226A1; JP2009536878A; NO344318B1

Abstract

반투막 재료(17)를 채용하는 분리 요소(11)를 포함하는 시스템으로서, 고품질수를 생산하기 위하여 RO 모드로 작동하거나 또는 다른 염분 농도의 두 수용액으로부터 동력을 생산하기 위하여 PRO 시스템으로 작동할 수 있는 시스템. 바림직한 일 구현예에서, 상기 분리 요소를 탈출하는 출구 스트림으로부터 상기 분리 요소로 공급되는 입구 스트림으로 압력을 전달하기 위하여 회전식 압력 전달 장치(29)가 포함된다.

Description

하이브리드 알오/피알오 시스템{Hybrid RO/PRO system}

본 출원은 2006. 5. 12 출원된 미국 가출원 번호 60/747,153의 우선권을 주장하며, 이의 개시내용은 참조에 의하여 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 삼투압이 PRO 작동 모드에서 반투막을 통하여 희박 용액으로부터 농축 용액으로 물을 움직이게 하여 동력을 생성하며, 또한 RO 작동 모드에서 반투막 사이의 삼투압 차이를 극복하기 위하여 수압이 사용되는 경우 반투막을 통하여 고품질수의 흐름을 달성하는 특징이 있는 장치에서 반투막을 사용하는 시스템에 관한 것이다.

Sidney Loeb의 미국 특허 US 3,906,250은 다른 삼투압의 액체를 이용하여 전력을 생성하는 기본 개념을 개시하였으며, 해수와 담수, 또는 (사해와 같은) 고염분체와 해수 뿐만 아니라 다른 유사한 쌍의 액체와 같은 조합이 재생가능한 에너지 생성 프로그램의 유망한 후보일 수 있다는 것을 제안하였다. 이 공정은 이제 압력 지연 삼투압(PRO: Pressure-Retarded Osmosis)으로 알려졌다. 상기 Loeb 특허에는, 두 개의 크게 다른 삼투압을 갖는 천연 액체원을 입수할 수 없는 곳에서 이용될 수 있는 많은 시스템이 기술되어 있다. 미국 특허 US 3,978,344는 고압의, 이제 희석된, 고염분 농도 액체가 노즐을 통하여 방출되어 터빈을 구동시키는 PRO 시스템을 개시한다.

그 이후 PRO 시스템이 크게 변하는 염분 농도의 천연적으로 입수가능한 수원을 사용하거나 또는 폐기 처분 폐수와 같은 산업 또는 도시 설비에서 입수가능한 방출 스트림을 사용하여 동력, 예를 들면 전력을 생성하는 재생가능한 에너지원으로서 유리하게 사용될 수 있는 방법을 설명하는 수많은 미국 특허 및 논문이 있었다. 예를 들면, Energy Production at the Dead Sea by Pressure-Retarded Osmosis: Challenge or Chimera by Sidney Loeb, 15 July 1998, Desalination 120 (1998) 247-262; 2001.2.13에 발행된 Prueitt의 미국특허 US 6,185,940 Bl; 2002.2.21에 공개된 Statkraft SF의 국제 특허 공개 번호 WO02/13955 Al; 및 2005.2.24 공개된 University of Surrey의 국제 특허 공개 번호 WO2005/017352 Al를 참조하라. 그러나, 그러한 제안된 시스템의 바람직함 및 해수 또는 염수원으로부터 담수를 생산하는 대규모 역삼투압(RO) 설비의 사용이 세계적으로 증가하는 사실에도 불구하고, 그러한 PRO 시스템은 아직 상업화되지 않았다. 발전소 건설과 관련된 대규모 자본 코스트가 입증된 실적을 갖는 다른 재생가능한 에너지 생성원에 대한 대안으로서 PRO 시스템이 상업적으로 수용되는 것을 방해하였다고 믿어진다. 그 결과, PRO 시스템을 더 상업적으로 매력적으로 만들기 위한 방법을 찾기 위한 탐색이 계속되고 있다.

RO 담수 발생기 또는 PRO 동력 발생기로서 작동될 수 있는 설비를 설계함으로써, 그러한 설비에게 상업적인 기회가 제공될 수 있을 것이라는 기대를 낳는 놀랄만한 장점이 있다는 것이 이제 발견되고 있다. RO 모드 또는 PRO 모드로서 효율적이고 경제적으로 작동될 수 있는 그러한 시스템이 본 명세서에서 제공된다; 이는 하이브리드 RO/PRO 시스템이라고 지칭되는데, 왜냐하면 양 작동 모드에서, 다른 염분 농도의 두 몸체(body) 사이에 반투막을 통하여 물 흐름이 존재하는 곳에서 동일한 열의 막 요소 및 장비가 사용되기 때문이다. 바람직한 일 구현예에서, 그러한 시스템의 전체 효율은 회전식 압력 전달 장치의 통합에 의하여 향상되는데, 상기 장치는 시스템의 단순화된 전체 제어를 제공하고 또한 어느 모드에서도 반투막 재료 요소 또는 카트리지에 공급되는 염수 공급 스트림을 매우 효율적으로 가압한다.

특정한 일 측면에서, 본 발명은 교대로 염수로부터 고품질수를 생산하거나 또는 다른 염분 농도의 두 수성 스트림(aqueous stream)으로부터 동력을 생산하기 위한 시스템을 제공하는 데, 이 시스템은,

RO 또는 PRO 모드로 작동할 수 있는 반투막 요소로서, 상기 요소는 반투막 재료로 분리된 제1 서브챔버 및 제2 서브챔버를 구비하며, 상기 요소는 또한 상기 제1 서브챔버에 연결된 입구와 출구 및 상기 제2 서브챔버에 연결된 제1 및 제2 포트(port)를 구비하는 반투막 요소,

수력 터빈 동력 발생기,

상기 요소의 상기 제1 서브챔버로부터 상기 출구를 상기 수력 터빈에 연결하는 제1 도관 수단,

고압하에서 염수원으로부터 고염분 농도수의 액체 공급스트림을 송출하는 수단으로서 상기 제1 서브챔버 입구로 도달되는 제2 도관을 포함하는 수단,

상기 제2 서브챔버의 상기 제1 포트에 연결된 제1 및 제2 분지관을 갖는 제3 도관 수단,

상기 제2 분지관이 투과수용 방출튜브로서 작용하는 동안 상기 제1 분지관을 통하여 상기 제2 서브챔버에 저염분 농도수를 공급하는 수단,

상기 반투막 재료를 따라 청소 흐름(sweeping flow)을 달성하기 위하여 상기 제2 서브챔버의 상기 제2 포트로부터 일부의 저염분 농도수를 인출하는 수단, 및

상기 시스템을 동력을 생산하는 PRO 모드 또는 고품질수를 생산하는 RO 모드로 작동시키는 제어 수단으로서, 상기 PRO 모드에서 상기 제1 분지관이 상기 저염분 농도수 공급 수단을 상기 제2 챔버의 상기 제1 포트에 작동적으로(operatively) 연결하며, 상기 RO 모드에서 상기 제2 배출 분지관이 상기 제2 서브챔버에 이를 통한 투과수 흐름을 위하여 작동적으로 연결되는 제어 수단을 포함한다.

다른 특정한 측면에서, 본 발명은 교대로 RO 모드로 염수로부터 고품질수를 생산하거나 또는 PRO 모드로 다른 염분 농도의 두 수성 스트림(aqueous stream)으로부터 동력을 생산하기 위한 방법을 제공하는 데, 이 방법은,

RO 또는 PRO 모드로 작동할 수 있는 반투막 분리 요소로서, 상기 요소는 반투막 재료로 분리된 두 서브챔버 및 상기 각 서브챔버에 각각 연결된 한 쌍의 포트를 포함하는 반투막 분리 요소를 제공하는 단계;

PRO 모드에서:

상기 두 수성 스트림 사이의 삼투압 차이의 약 90% 이하인 압력하에서 고염분 농도 수용액의 입구 액체 스트림을 상기 서브챔버의 하나에 공급하는 단계,

저압하에서 저염분 농도 수용액의 입구 액체 스트림을 상기 요소의 상기 서브챔버의 다른 하나에 공급하는 단계,

상기 반투막 재료에 인접한 곳에서 염분 농도 분극을 회피하기 위하여 상기 다른 서브챔버로부터 상기 저염분 농도 스트림의 입구 흐름의 적어도 약 10%에 해당하는 양을 인출하는 단계, 및

상기 하나의 서브챔버를 탈출하는 증가된 부피의 액체 스트림의 적어도 일부를 수력 터빈 동력 발생기에 송출하는 단계; 및

RO 모드에서:

적어도 약 700 psig의 압력하에서 고염분 농도 수용액의 연속적인 액체 스트림을 상기 반투막 요소의 하나의 서브챔버에 공급하는 단계,

상기 반투막 요소의 다른 서브챔버로부터 투과수의 연속적인 스트림을 인출하는 단계,

상기 하나의 서브챔버로부터 이에의 상기 입구 스트림 부피의 적어도 약 40%의 부피에 해당하는 염수의 연속적인 스트림을 인출하는 단계, 및

(a) 상기 인출된 염수 스트림을 상기 수력 터빈에 보내는 단계, 및/또는

(b) 상기 하나의 서브챔버에 공급되는 상기 고염분 농도 액체의 압력을 올리기 위하여 상기 인출된 염수 스트림의 압력을 전달하는 단계를 포함한다.

RO 또는 PRO 모드로 작동할 수 있는 반투막 분리 요소로서, 상기 요소는 반투막 재료로 분리된 제1 및 제2 액체 서브챔버 및 상기 각 서브챔버에 각각 연결된 포트의 쌍을 포함하는 반투막 분리 요소를 제공하는 단계;

고압 입구 포트, 저압 입구 포트, 고압 출구 포트 및 저압 출구 포트를 구비한 회전식 액체 압력 전달 장치를 제공하는 단계;

고염분 농도 수용액의 연속적인 유입 액체 스트림을 상기 압력 전달 장치의 상기 저압 입구 포트에 공급하는 단계;

PRO 모드로:

상기 두 수성 스트림 사이의 삼투압 차이의 약 90% 이하인 압력하에서 고염분 농도 수용액의 액체 공급스트림을 상기 제1 서브챔버에 이의 제1 포트를 통하여 공급하는 단계,

저압하에서 저염분 농도 수용액의 연속적인 액체 스트림을 상기 요소의 상기 제2 서브챔버에 이에의 제1 포트를 통하여 공급하는 단계,

상기 반투막 재료에 인접한 곳에서 염분 농도 분극을 회피하기 위하여 상기 제2 서브챔버로의 상기 입구 흐름의 적어도 약 10%에 해당하는 양을 인출하는 단계,

상기 제1 서브챔버의 제2 포트를 탈출하는 증가된 부피의 스트림을 수력 터빈 동력 발생기 및 상기 회전식 액체 압력 전달 장치의 상기 고압 입구 포트로 송출하고, 상기 반투막을 가로질러 흐르는 부피와 대략 같은 부피의 액체가 동력을 발생시키기 위하여 작동하는 상기 수력 터빈으로 향하도록 하고 또한 상기 부피의 나머지는 상기 고압 입구 포트로 향하도록 상기 흐름을 조절하는 단계, 및

상기 회전식 압력 교환 장치의 상기 고압 출구 포트로부터 고염분 농도 수용액의 가압된 스트림을 상기 제1 서브챔버에 상기 유입 공급물로서 송출하는 단계; 및

RO 모드로:

적어도 약 700 psig의 압력하에서 고염분 농도 수용액의 연속적인 액체 스트림을 상기 제2 서브챔버에 공급하는 단계;

상기 제1 서브챔버로부터 투과수의 연속적인 스트림을 인출하는 단계,

상기 제2 서브챔버로부터 이에의 상기 입구 스트림 부피의 적어도 약 40%의 부피에 해당하는 염수의 연속적인 스트림을 인출하는 단계,

상기 인출된 염수 스트림을 상기 회전식 압력 전달 장치의 상기 고압 입구 포트로 향하게 하는 단계로서 상기 압력 전달 장치는 고염분 농도 수용액의 상기 유입 스트림의 압력을 올리는 단계, 및

상기 회전식 압력 전달 장치의 상기 고압 출구 포트를 탈출하는 상기 스트림의 압력을 증가시키고 상기 스트림을 고염분 농도 수용액의 보충 스트림과 혼합하여 상기 제2 서브챔버에의 고농도 수용액의 공급물을 구성하는 단계를 포함하며,

이에 의하여 물이 상기 반투막 재료를 통하여 RO 또는 PRO 모드 모두에서 동일한 방향으로 투과하여, RO 모드에서 고품질수가 효과적으로 제공되고, PRO 모드에서 동력이 발생한다.

도 1은 본 발명의 다양한 특징으로 구현한 하이브리드 RO/PRO 시스템을 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 다양한 특징으로 구현한 하이브리드 RO/PRO 시스템의 대체적인 구현예를 나타내는 개략도이다.

도 3은 본 발명의 다양한 특징으로 구현한 하이브리드 RO/PRO 시스템의 다른 대체적인 구현예를 나타내는 개략도이다.

본 발명은 PRO 모드에서 저염분 농도 스트림으로부터의 물이 반투막을 통하여 투과하여 고염분 농도의 수용액을 희석시켜서 이의 염분 농도를 감소시키고, 반대로 RO 모드에서 물이 상기 고압 염수로부터 상기 반투막을 통하여 투과되는 특성을 갖는 반투막 재료를 채용하는 분리 요소 또는 카트리지를 이용한다. 본 출원의 목적상, 용어 저염분 농도 또는 저염분도는 상대적으로 낮은 염분 농도 또는 실질적으로 염분농도가 없는 스트림을 정의하는데 사용되는 데, 이는 천연적으로 입수할 수 있는 담수 또는 소금기 있는 물(brackish water) 또는 RO 모드에서 반투막을 통하여 투과되는 물일 수 있다. 이 용어는 PRO 모드에서 막의 저압측에 공급되는 스트림을 기술하는 데 사용된다; 따라서 이는 이전의 투과 스트림 또는 심지어는 해수도 포함할 수 있다. RO 모드 스트림으로의 작동으로부터 생성되는 투과수는 종종 음용에 적합한 품질일 수 있지만, 반드시 그러할 필요는 없다; 예를 들면 음용적합성은 사용되는 반투막 재료의 특정한 성능 특성(specific performance characteristics) 및 아마도 RO 모드에서의 공급 용액의 특정한 성능 특성에 의존 할 수 있다. RO 모드에서의 반투막을 투과한 고품질수는 담수와 동일시할 수 있다. 도 1-3에서, 용어 담수 스트림은 저염분도 스트림을 나타내는 데 사용되고, 또한 용어 해수는 고염분 농도 또는 고염분도 스트림을 나타내는 데 사용된다.

이러한 목적을 위하여 반투막 재료를 사용하는 다양한 분리 요소 구조가 존재한다; 예를 들면, 이는 중공 섬유, 중심 코아의 둘레로 나선상으로 감긴 시트 재료, 플레이트-및-프레임, 및 튜브-및-셸을 포함한다. 이러한 구조의 어느 것도 사용될 수 있으며, 사용되는 막의 유형도 다양하다. 중공 섬유 분리요소는 몇몇 시스템에서 유리할 수 있으며, 반면에 다른 구조, 예를 들면 나선상으로 감긴 요소는 다른 시스템에서 유리할 수 있다. RO 교차흐름 여과(RO crossflow filtration)에서 현재 사용되는 나선상으로 감긴 요소에도 다양한 구조가 알려져 있다. 가장 흔한, 나선상으로 감긴 교차흐름 RO 요소 구조에서는, 공동으로 사용되는 막의 식별 표면(discriminating surface)을 마주보고 위치하는 고다공성 공급 시트층이 존재하며, PRO 모드 용도로 사용하기 위하여 재설계될 상기 요소의 흐름 특성은 투과의 결과 부피가 감소되고 있는 입구 스트림이 PRO 및 RO 모드 모두에서 상기 공급층에 가장 잘 향하도록 될 수 있으며, 그 결과 물 흐름은 작동 동안에 항상 상기 막 재료를 통하여 동일한 방향이 될 것이다. 도 1의 구현예에서, 반투막 분리요소는 양 방향으로 막 재료를 통한 효과적인 물흐름이 이루어질 수 있도록 설계된 것이다. 도 2의 구현예에서, 두 유입 고염분 농도 스트림 및 저염분 농도 스트림의 흐름이 스위치되어서, 부피가 감소되고 있는 스트림은 RO 및 PRO 모드에서 상기 요소내의 반투막 재료의 동일한 측면으로 공급된다. 후자의 경우, 막을 통한 물흐름은 항상 동일한 방향일 것이며, 이는 막 특성 및/또는 요소 흐름 특성의 관점에서 유리할 수 있다.

일반적으로, PRO 모드에서 분리요소로 공급되는 상기 두 개의 수용액은 적어도 약 2%, 바람직하게는 적어도 약 3% 정도 염분 농도가 다를 것이다. 예를 들면, 강, 호수 또는 다른 지상 수원으로부터의 담수 또는 약간만 염분이 있는 소금기 있는 물이 저염분 농도 스트림으로서 해수 또는 더 염분이 있는 스트림과 조합되어 사용될 수 있다. 대안적으로, 보통 약 3% 염분을 함유하는 해수가 예를 들면 약 5% 내지 약 10% 염분의 더 높은 염분 농도를 포함하는 염수용액과 마주보고 사용될 수 있다. 일반적으로, RO 모드로 작동중일 때, 본 기술분야에서 잘 알려져 있듯이, 상기 공급액체는 소금기 있는 물 또는 해수이다.

도 1 및 2에 도시된 바람직한 구현예에서, 이 시스템은 어느 모드에서도 전체 작동효율을 증가시키고 시스템의 경제성을 상당히 향상시키기 위하여 압력 전달 장치를 채용한다. 도 3은 그러한 장치를 채용하지 않는 더 기본적인 시스템을 나타낸다. 이러한 장치가 포함되는 경우, 예를 들면, 미국특허 6,017,200호에 나타낸 유형중의 하나와 같이 임의의 적당한 등압 압력 전달장치가 사용될 수 있다; 그러나, 바람직한 장치는 미국특허 4,887,942; 5,338,158; 6,540,487; 및 6,659,731호에 나타낸 회전식 유형의 장치이다. 이들 등압 압력 전달장치는 고압 입구 포트, 고압 출구 포트, 저압 입구 포트, 및 저압 출구 포트를 구비한다. 회전식 장치는 고스피드로 회전하는 실린더 로터(rotor)를 구비하며; 로터를 관통하여 길이방향으로 연장된 복수 개의 채널에는 이들 부피의 약 40%-75%에 해당하는 양의 액체로 처 음에는 한 쪽 단부(end)에 이어서 다른 쪽 단부에 교대로 공급되며, 반면에 각각의 공급 압력 부근의 액체는 동일한 양으로 반대쪽 단부에서 배출된다. 이러한 방식으로, 고압의 액체 스트림의 높아진 압력은 매우 효과적으로 저압 스트림으로 전달되며, 고압 액체는 따라서 예를 들면 대부분의 경우에 대략 대기압으로 감압된다.

도 1 및 도 2의 구현예의 많은 부분은 유사하며, 동일한 참조번호가 그러한 경우에 모두를 위하여 사용된다. 특히, 도 1 및 도 2 모두에서 사용되는 회전식 압력 전달 장치는 완전히 동일하다.

도 1에 도시된 시스템에서, 분리막 요소 또는 카트리지(11)가 도시되어 있는데, 이는 반투막 재료(17)에 의하여 분리된 제1 서브챔버(13) 및 제2 서브챔버(15)를 구비하며, 이들은 모두 모식적으로 도시되어 있다. 입구(19)는 제1 서브챔버에의 접근을 제공하며, 제1 포트(21)는 제2 서브챔버에의 접근을 제공한다. 제1 서브챔버(13)는 출구(23)을 구비하며, 제2 서브챔버는 제2 포트(25)를 구비한다. 제1 서브챔버로부터의 출구(23)는 분지관(27)에 연결되며, 여기서 제1 분지관(27a)은 압력 전달 장치(29)에 도달되고, 제2 분지관(27b)은 전기 발전기(33)를 구동하는 것과 같은 사용가능한 동력을 생성하는 수력 터빈(31)에 도달한다. 수력 터빈(31)으로부터의 배출 스트림(35) 또는 다른 배출 스트림은 염분 쇼크를 회피하기위한 주의조치가 취해지는 한 고염수원에 적절히 되돌아 갈 수 있지만, 다른 목적을 위한 스트림으로 사용하는 것이 유리할 수 있다.

PRO 모드로 작동하는 경우 보통 담수 또는 비교적 낮은 염분도의 물이 제2 서브챔버(15)의 제1 포트(21)에 저염분 농도 액체의 입구 스트림으로서 공급된다. 용어 저염분 농도 또는 저염분도 스트림 및 고염분 농도 또는 고염분도 스트림은 본 명세서를 통하여 일반적으로 사용되지만, 이들 용어가 각각의 특정한 작동에서 서로에 대하여 상대적이라는 것은 말할 필요도 없다. 따라서, 저염분 농도 스트림은 실질적으로 염분 농도를 갖지 않는 담수일 수 있거나 또는 약간의 염분을 갖는 스트림일 수 있거나 또는, 고염분 농도 스트림이 실질적으로 더 큰 염분 농도의 것, 예를 들면 그레이트 솔트 레이크로부터의 스트림과 같은 경우에는, 심지어는 해수일 수 있다. 마찬가지로, 저염분 농도 스트림이 담수인 경우 고염분 농도 스트림은 해수일 수 있다. 예를 들면, 3방향 밸브(43)를 포함하는 분지관(41)의 하나의 분지관(41a)으로 배출하는 저압 펌프(39)의 취입구에 연결된 담수원(37)으로부터 물이 공급될 수 있다. 상기 분지관의 제2 분지관(41b)은 3방향 밸브(43)로부터 담수 저장고에 도달되고, 시스템이 RO 모드로 작동될 때 이 저장고로 흐름이 향한다. 공급 펌프(39)는 또한 저장고(45)로부터 흡입할 수 있다.

상기 요소의 제1 서브챔버(13)의 입구(19)로 도달되는 공급관(47)은 반대측 단부에서 회전식 압력 전달 장치(29)로부터의 고압 출구 포트(49)에 연결되며, 이 라인은 상기 입구에 공급되는 고염분 농도 액체 흐름의 압력을 약간 추가적으로 올리기 위한 부스터 펌프(51)을 포함한다. 고염분 농도 액체의 공급은, 압력 전달 장치(29)의 저압 입구 포트(57)로 배출하는 저압 펌프(55)에 의하여 적당한 소스(53)로부터 펌핑함으로써 제공된다. 제1 서브챔버 출구(23)로부터의 분지관(27a)은 압력 전달 장치의 고압 입구 포트(59)에 도달하며, 저압 출구 포트(61)는 배출관(63)에 연결되며, 배출관(63)은 배출 스트림(35)과 혼합되어 함께 사용되거나 배출될 수 있다.

도 1 시스템의 PRO 모드로의 예시적인 작동이 이하에서 먼저 설명된다. 콘트롤러 또는 콘트롤 장치(65)가 모터로 구동되는 저압 펌프(39, 55)를 시동시킨다; 부스터 펌프(51)는 소망되는 최소 취입 압력을 감지하였을 때 자동적으로 시동하거나 또는 펌프(39, 55)의 하나 또는 모두의 뒤를 이어 개별적으로 시동할 수 있다. 따라서 분리 요소(11)의 제1 및 제2 서브챔버(13, 15)는 각각 고염분수 및 저염분수로 채워지며, 삼투 현상이 물을 막(17)을 통하여 제1 서브챔버(13)로 가도록 하여 용액을 희석한다. 이 공정이 효율적이 되도록 하기 위하여, 제1 서브챔버 내의 액체의 압력은, PRO 기술에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 제2 서브챔버 내의 압력 보다 두 액체의 삼투압 차이보다 클 수 없다. 바람직하게는, 상기 두 수성 스트림 사이의 삼투압 차이의 약 90% 보다 크지 않은 압력이 사용되며, 이는 적당한 경우 적어도 약 300 psig이다. 담수 스트림이 사용되는 경우에도 농도 기울기에 의하여 막의 유입측에서 염분 농도의 어느 정도의 증강이 일어날 수 있기 때문에, 저압측에서 반투막 재료(17)을 통과하는 어느 정도의 청소 순환(sweeping circulation)이 그러한 잠재적인 농도 분극화를 제한하기 위하여 제공되는데, 이는 바람직하게는 제2 서브챔버(15)의 제2 포트(25)를 재순환 라인(67)에 연결함으로써 이루어진다. 재순환 라인(67)은 작은 재순환 펌프(69)를 포함한다. 이 펌프는 재순환 액체의 작은 흐름을 소스(37)로부터 펌핑되는 액체와 함께 되돌리기 위하여 작동하며, 바람직하게는 이들을 3방향 밸브(43)의 하류에 있는 도관(41)으로 송출한다. 제2 서브챔버로의 유입물의 특성 및 제2 서브챔버로의 유입량에 좌우되어, 인출되는 흐름은 바람직하게는 저압 펌프에 의하여 공급되는 액체 유량의 적어도 약 10%, 더 바람직하게는 적어도 약 20%이다. 또한, 농도 기울기 염분 침입 및 심지어 담수도 약간의 염분을 가질 수 있기 때문에, 막을 통한 물의 투과의 결과로 제2 서브챔버내의 벌크 염분 농도의 바람직하지 않은 상당한 증가를 회피하기 위하여, 인출된 스트림의 적어도 일부분은 배출라인으로 방출(bleeding)되는데, 바람직하게는 저압 공급 펌프(39)에 의하여 공급되는 유입량의 적어도 약 2% 및 더욱 바람직하게는 적어도 약 5%에 해당하는 양이다. 저농도 스트림이 약간 더 큰 염분 함량을 가지는 경우에는 재순환 스트림의 대부분이 방출될 수 있다. 이는 재순환 라인(67) 내에 T자관(tee)을 포함시킴으로써 용이하게 달성될 수 있으며, 이는 콘트롤 밸브(70)를 통하여 배출에 도달한다. 콘트롤 밸브는 이를 통하여 요망되는 양이 흐를 수 있도록 다양하게 세팅될 수 있다. 염분 농도의 그러한 증가를 회피하기 위하여 방출되는, 제2 서브챔버로부터의 흐름량은 물론 청소 흐름의 일부분으로서 기능하며 제2 서브챔버의 입구로 되돌려지는 인출 흐름의 양을 감소시킨다.

막 재료(17)를 통하여 투과한 물은 제1 서브챔버(13)로의 입구 흐름에 더해지는 것이므로 이로부터의 출구 흐름은 통상 약 40-50% 만큼 실질적으로 더 크다. 분지관(27)에서 제1 서브챔버(13)로부터의 출구 흐름은, 각 분지관을 통하여 소망되는 유량을 세팅하도록 T자관에서의 적당한 흐름 콘트롤러(71)에 의하여 조절될 수 있다; 그러나, 도 1 및 2에서와 같이 회전식 압력 전달장치가 포함된 경우, 제1 서브챔버에 한정된 유량의 고염분 농도 액체를 공급하도록 부스터 펌프(51)를 조절하면 수력 터빈을 향하는 나머지 유량이 조절된다. 그러한 조절에 의하여, 분리 요소(11)에 공급되는 고염분 농도 액체의 입구 유량보다 약간만 더 큰 연속적인 액체 유량이 분지관(27a)에 유지되어서, 회전식 장치(29)에서의 액체 밀봉(liquid seals)을 통하여 매우 약간만의 손실이 있다. 출구(23)로부터의 나머지 흐름은 수력 터빈(31)에 도달하는 분지관(27b)으로 돌려지며, 수력 터빈(31)에서 이 흐름은 터빈을 구동시키고 전기 에너지를 생성하게 된다. 일반적으로 배출 흐름의 대부분은 회전식 압력 전달장치(29)의 고압 입구 포트(59)로 들어가며, 여기서 이는 그 압력을 저압 펌프(55)에 의하여 공급되는 저압, 고염분 농도 액체의 유입 스트림에 전달한다. 이 이제는 통상적으로 대기압으로 감압된, 희석된 스트림은 이어서 유사한 수력 터빈으로부터의 배출 스트림(35)과 함께 적당한 수체(water body)에 배출되며; 이 수체는 저압 펌프(55)가 빨아들인 동일한 해수원(53)일 수 있다.

하나의 전형적인 작동의 예로서, 저압 담수 펌프(39)는 약 15psig에서 스트림을 공급하도록 가동되며, 고염분 농도 액체, 예를 들면 해수용 저압 펌프(55)는 약 30psig의 압력에서 압력 전달장치(29)에 액체를 공급하도록 가동된다. 이 해수는 압력 전달장치(29)의 저압 입구 포트(57)로 들어가서 고압 출구 포트(49)로부터 약 255psig의 스트림으로서 나간다. 이어서 이의 압력은 막 분리 요소의 제1 서브챔버에 들어가기 전에 부스터 펌프(51)에 의하여 공급관(47)에서 약 300psig의 입구 압력으로 증가된다. 요소(11)의 출구(23)로부터의 희석된 스트림이 약 288psig의 압력에서 나와서, 고압 입구 포트(59)와 수력 터빈(31)로 도달되는 분지관들로 분리된다. 예를 들면, 100 갤론/분(gpm)의 해수 입구 흐름 및 약 51 gpm의 담수 입구 흐름 및 라인(67)을 통한 약 10 gpm의 재순환 흐름에서, 약 141 gpm의 분지관(27)으로의 출구 흐름이 있을 수 있으며, 분지관(27)에서 이는 분리되어 약 101 gpm이 압력 전달장치(29)로 보내지고 약 40 gpm이 수력 터빈(31)을 구동하여 전기 에너지를 생성하도록 배분된다. 일부의 재순환 흐름은 바람직하게는 밸브(70)를 열어서 방출되어, 제2 서브챔버(15)에서의 염분 농도의 바람직하지 않은 상승을 방지하기 위하여 육상 수원에 배출된다. 따라서 펌프(39)로부터의 담수 공급은 5% 방출(bleed)을 보상하기 위하여 예를 들면 5% 만큼 105 gpm으로 증가된다. PRO 모드로의 시스템의 전체 작동은 절묘하다. 왜냐하면, 회전식 압력 전달 장치(29)를 이용함으로써 두 개의 저압 펌프(39, 55) 및 부스터 펌프(51)이 작동하기만 하면 시동(startup)은 본질적으로 자동적이다; 게다가, 그러한 대단히 효율적인 회전식 압력 전달장치가 사용되는 경우, 작동은 본질적으로 자기시동적(self-starting)일 뿐만 아니라 자기조절적(self-controlling)이다.

시스템을 RO 모드로 작동하는 것이 바람직한 경우, 콘트롤 장치(65)는 PRO 모드 대신에 RO 모드로 세팅되며, 작동은 일반적으로 임의의 대규모 RO 탈염 시스템에서와 같이 시작된다. RO 기술에서 알려진 바와 같이, 염수 스트림은 일반적으로 적어도 약 600 psig, 해수의 경우 일반적으로 약 700 psig 및 바람직하게는 약 800 psig의 압력에서 반투막 분리요소에 공급될 것이다. 예를 들면, 강우 및 강설의 결과로 담수가 상대적으로 풍부한 동절기 동안에는 보조 담수 공급은 필요하지 않으며, 시스템은 유용한 동력을 발생시키기 위하여 PRO 모드로 작동될 수 있을 것으로 생각된다. 일년중 후반부에 담수 공급이 제한적이 된 경우, 시스템은 RO 모드 로 작동하도록 변경되어 음용할 수 있는 품질의 고품질수의 안정적인 흐름을 생산할 수 있다. 그러나, 몇몇 측면에서 시스템은 또한 에너지 저장 장치 또는 배터리처럼 작동될 수 있어서, 전력망에 초과 전력이 이용가능한 경우에는, 이 시스템은 RO 모드로 작동되어 적당한 저장고에 저장되는 고품질수 및 별도의 웅덩이(basin)에 저장될 수 있는 농축 염수를 발생시킨다. 그 이후, 에너지가 필요한 경우, 이 저장된 농축 염수 및 물은 PRO 모드에서 에너지를 발생시키기 위한 공급 스트림으로서 되돌려질 수 있으며 또는 수처리 시설 등과 같은 곳으로부터의 잡배수 배출 스트림(stream of gray water discharge)은 저염분 액체로서 사용될 수 있을 것이다. 또한, 소금기있는 물의 RO 처리로부터의 염수는 후에 즉시 입수가능한 다른 고염분도 액체가 없는 상황에서 PRO 사이클에서 유리하게 사용될 수 있을 것이다.

이 시스템이 RO 모드로 작동하는 경우, 3방향 밸브(43)는 분리 요소내의 제2 서브챔버(15)의 제1 포트(21)를 담수 저장고(45)에 도달하는 분지관(41b)에 연결하도록 시프트되고, 재순환 회로내의 밸브(73)은 폐쇄된다. 대안적으로는, 제1 포트(21) 및 방출 밸브(bleed valve; 70)의 상류에 있는 도관(41) 내의 밸브(미도시)가 폐쇄될 수 있으며, 재순환 펌프가 제2 서브챔버로부터의 투과수를 도관(67) 및 분지관(41b)을 통하도록 펌핑하는데 사용된다. 해수가 고염분 농도 액체 공급물로서 사용된다고 가정하면, 해수는 분리 요소(11)의 제1 서브챔버(13)의 입구(19)에 예를 들면 약 800 psig에서 공급될 수 있다. 제1 서브챔버에 도달하는(13) 입구 도관(47)은 부스터 펌프(51)의 하류 위치에서 들어가는 분지관(47a)을 포함하며; 상기 분지관은 PRO 모드 동안에 폐쇄되고 RO 작동 동안에 콘트롤 장치(65)에 의하여 열리는 밸브(75)를 포함한다. 고압 펌프(77)는 예를 들면 바다와 같은 소스로부터 분지관(47a)을 통하여 약 800 psig에서 해수를 공급한다. 저압 펌프(55)는 계속해서 가동되어 약 30 psig에서 해수를 압력 전달 장치(29)의 저압 입구 포트(57)로 공급한다.

이러한 RO 모드에서, 약 100 gpm의 해수가 제1 서브챔버(13)내로 펌핑되는 경우, 역삼투 작용이 상기 막을 통하여 제2 서브챔버(15)로 담수를 투과시킬 것이며, 제2 서브챔버(15)로부터의 투과수 흐름은 약 40 gpm이 될 수 있으며, 이 투과수는 수저장고(45)로 송출된다. 종종 염수라고 불리는, 제1 서브챔버(13)로부터 출구(23)를 통한 이제 증가된 염분도 해수의 유출량은 따라서 투과수량만큼 해수의 유입량 아래로 감소하여, 약 60 gpm 또는 유입량의 60%의 탈출 염수 유량을 낳는다. 일반적으로 염수 유량은 유입량의 적어도 약 40%, 바람직하게는 적어도 약 50%, 더 바람직하게는 적어도 약 60%로 유지될 것이다. RO 기술에서 알려진 바와 같이, 콘트롤 밸브(미도시)가 제1 서브챔버(13)내에서 바람직한 압력을 유지하기 위해서 사용될 수 있다. 수력 터빈(31)로 향하는 라인내의 밸브(79)는 폐쇄되어, 전체 흐름은 압력 전달 장치(29)의 고압 입구 포트(59)로 향하게 된다. 회전하는 로터에서, 탈출 염수 스트림의 압력은 저압 펌프(55)에 의하여 공급되는 거의 동일한 부피의 새로운 해수에 전달되어, 약 755 psig의 압력 및 약 59 gpm의 유량의 해수의 고압 출구 스트림을 낳는다. 부스터 펌프(51)는 해수압력을 약 800 psig로 올리며, 이 펌프(51)은 염수 배출량을 조절하는데 사용될 수 있다. 이 증강된 압력 흐름은 고압 펌프(77)로부터의 출력 흐름과 합쳐져서 분리 요소(11)로의 소망되는 입구 스트림, 예를 들면 800 psig의 해수 100 gpm을 제공한다. 출구 포트(61)로부터의 저압 배출 염수 스트림은 상기한 바와 같이 적당하게 배출되거나 웅덩이로 향하게 한다.

따라서, 비교적 단순한 조절 작업을 통하여, 전체 시스템은 담수의 RO 생산 또는 전기 에너지와 같은 이용가능한 동력의 효율적이고 경제적인 PRO 발생 사이에서 용이하게 전환된다. 이 특징은 따라서 천연수 공급이 지역사회 또는 지방의 수요를 충족하는 자연환경의 경우에는 RO 탈염 공장의 효율적인 대안적인 이용을 제공하므로, 시스템의 전체 경제성을 향상시킨다.

도 2의 구현예에서, 채용된 성분들은 동일하다; 그러나, 분리 요소(11)에서의 반투막 재료(17)를 통한 물 흐름이 항상 동일한 방향으로 유지되도록, RO 또는 PRO 작동 모드에 관계없이, 시스템을 배수하고 두 교차밸브(81)를 활성화하기 위한 장치가 제공된다. 밸브(81a)는 한 쌍의 포트(19,21)에 도달하는 라인에 위치하며 유사한 밸브(81b)는 분리요소(11)의 한 쌍의 포트(23, 25)로부터 나오는 라인에 위치한다. 이들 모두는 일반적으로 셔틀 밸브로 지칭된다.

도시된 도 2 시스템은 PRO 모드에서 앞에서 설명한 바와 동일하게 작동할 것이다. 이어서, 담수를 생산하는 것이 요청되는 경우, 콘트롤 장치(65)는 모든 펌프를 끄고, 수력 터빈에 도달하는 밸브(75) 및 밸브(65)를 잠근 후 원격조정되는 배수 꼭지(83)를 통하여 제1 서브챔버(13)를 배수하고, 3방향 밸브(43)를 시프트하고, 고압 펌프에 도달하는 라인내의 밸브(75)를 열고, 두 교차 셔틀 밸브(81a, 81b)를 스위치하고, 저압 펌프(55), 고압 펌프(77) 및 (자동적으로 시동되지 않는 경우) 부스터 펌프(51)를 재시동할 것이다. 콘트롤 장치(65)는 입구의 밸브(81a)를 시프트하여 압력 전달장치(29)로부터의 것을 포함하는 고압, 고염분 농도 액체의 입구 스트림이 대신에 제2 서브챔버(15)에 공급되도록 한다; 이는 물이 막(17)을 통하여 제1 서브챔버(13) 내로 투과하도록 하며, 여기로부터 물은 앞의 입구 포트(19)를 통하거나, 또는 출구 포트(23)를 통하여 교차 밸브(81b) 및 재순환 라인(67)을 거쳐서 물 저장고로 흐른다. 제2 서브챔버(15)의 제2 포트(25)로부터의 염수 탈출 흐름은 이제 교차 밸브(81b)를 통하여 압력 전달 장치의 고압 입구 포트(59)에 도달하는 분지관(27)에 연결된다. 그러면 시스템은 실질적으로 앞에서 설명한 바와 같이 RO 모드로 작동하며, 유일한 변화는 고염분 농도 액체(예를 들면 해수)가 이제 제1 포트(21)를 통하여 제2 서브챔버(15)로 공급되며 투과된 담수는 제1 서브챔버(13)로부터 배출되는 점이다. 교차 밸브(81)를 거쳐 배분하는 이러한 변화의 결과, RO 모드에서의 반투막(17)을 통한 물 흐름은 동일한 방향으로, 즉, PRO 모드에 대하여 설명된 바와 같이, 제2 서브챔버(15)로부터 제1 서브챔버(13)로 남는다. 시스템을 PRO 모드로 다시 스위치하는 것이 소망되는 경우, 제2 서브챔버(15)를 먼저 배수하는 것이 바람직할 수 있으며, 재순환 라인(67)내의 콘트롤 밸브(70)를 여는 것이 이러한 목적을 달성하기 위하여 이용될 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 시스템과 유사한 하이브리드 RO/PRO 시스템을 도시하며, 따라서 양자 모두에서 공통되는 성분들은 동일한 참조번호가 주어진다. 모식적인 와이어 연결이 콘트롤 장치(65)와 이 시스템의 다른 성분들 사이에 도시되어 있다; 유사한 연결, 또는 그 등가물이 도 1 및 2에 존재할 수 있지만 전체의 명확성을 위하여 도시되지 않는다. 그러나, 도 3 시스템은 PRO 모드에서의 희석된 액체 또는 RO 모드에서의 염수의 고압 배출 스트림을 이용함으로써 고농도 액체 유입 스트림의 압력을 올리는 압력 전달장치를 채용하지 않는다. 따라서 이 시스템은 약간단순화되는데, 분지되지 않은 출구관(87)은 제1 서브챔버로부터의 출구(23)를 직접 수력 터빈(31)에 연결하며, 그 결과 양 모드 모두에서의 고압 액체의 전체 출구 흐름은 동력을 생성하기 위하여 사용되며 이어서 배출되거나 앞에서 설명한 바와 같이 보관된다.

이 시스템은 또한 해수 입구측에서도 단순화되어 있는데, 여기서 하나의 가변 압력 펌프(89)가 공급관(47)에 연결되고; 이 펌프는 약 300 psig 내지 약 800 psig 사이의 압력을 제공하기 위하여 작동될 수 있다. 대안적으로, 저압 펌프 및 선택적인 부스터 펌프 회로가 사용될 수 있다.

PRO 모드로 작동하는 것이 요청되는 경우, 콘트롤 장치(65)는 그에 따라 세팅되며, 3방향 밸브(43)은 활성화되어 도 3에 도시된 바와 같이 담수 공급 펌프(39)를 포함하는 라인(41a)을 제2 서브챔버(15)의 제1 포트(21)로 연결한다. 이어서 콘트롤 장치는 폄프를 세팅하여 소망되는 유량, 예를 들면 100 gpm 및 압력, 예를 들면 300 psig으로 해수 흐름을 제1 서브챔버(13)에 공급하도록 한다. 담수는 재순환 펌프(69)와 함께 활성화되는 공급 펌프(39)를 거쳐서 제2 서브챔버(15)로 공급되며, 삼투 현상이 반투막(17)을 통하여 물을 제1 서브챔버(13) 내로 보낸다. 인출된 흐름의 일부분은 앞에서와 같이 밸브(70)을 통하여 방출(bleed)된다. 상기 투과수는 제1 서브챔버 내로의 해수 유입 흐름에 더해지며, 증가된 부피의 배출 흐름이 출구 포트(23)를 통하여 탈출한다. 전체 흐름은 라인(87)을 통하여 수력 터빈(31)으로 향하며, 여기에서 이는 동력을 발생시키며 이어서 앞에서 설명한 바와 같이 배출된다.

대신에 시스템을 RO 모드로 작동하는 것이 요망되는 경우, 모터로 구동되는 펌프는 정지하고, 콘트롤 장치(65)는 RO 모드로 시프트된다. 이는 3 방향 밸브(43)가 도관(41)을 분지라인(41b)을 통하여 물 저장고(45)에 연결되도록 하고, 이어서 이는 가변 압력 펌프(89)가 액체, 예를 들면 해수를 약 800 psig로 송출하도록 한다. 제2 서브챔버의 제1 포트(21)의 상류에 있는 밸브(91) 및 콘트롤 밸브(70)는 잠기고, 재순환 펌프(69)가 작동하여 제2 서브챔버(15)로부터의 투과수를 인출하여 펌프(89)가 작동하는 한 이를 3 방향 밸브(43)를 통하여 물 저장고(45)로 송출한다. 제1 서브챔버(13)으로부터의 전체 염수 배출 흐름은 라인(87)을 통하여 터빈(31)에 송출되며, 여기서 이는 터빈을 회전시켜서 동력을 발생시키고, 이어서 앞에서 설명한 바와 같이 보관되거나 배출된다.

따라서, 콘트롤 장치(65)는 다시 매우 간단한 방식으로 시스템을 PRO 모드 운전과 RO 모드 운전 사이에서 스위치할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이는 시스템의 전용성을 크게 증가시켜서, PRO 유형 에너지 발생 시스템의 건설과 작동을 더 경제적으로 타당성 있게 한다.

본 발명을 실시하기 위하여 본 발명자에게 알려진 최적 모드를 구성하는 특정한 바람직한 구현예에 관하여 본 발명이 설명되었지만, 본 기술분야의 당업자에게 자명한 다양한 변화 및 변형이 아래에 첨부된 청구의 범위에서 한정된 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 당분간 풍부한 담수 공급이 있는 환경에서는, 모든 인출된 스트림이 방출되어 배출될 수 있으며 상류 챔버로의 공급은 따라서 증가될 수 있다. 특정한 배출 스트림을 웅덩이(basin) 등에 보관하는 것은 특정 배출물, 예를 들면 해수 RO 탈염 유닛으로부터의 더 고염분 염수의 환경 영향을 최소화하고 후속의 PRO 모드에서의 동력 발생을 유리하게 할 수 있다. 예를 들면, 수력 터빈은 직간접적으로 예를 들면 전기 모터를 통하여 공급 펌프의 하나, 예를 들면 저압 담수 펌프 또는 저압 해수 펌프를 구동하기 위하여 이용될 수 있다. 흐름에 민감한 반투막 재료를 이용하거나 및/또는 특정한 공급물 흐름 선호를 가짐으로써 흐름을 분리 요소를 통하여 항상 동일한 방향으로 유지하는 데 유용한 것 이외에, 도 2의 배열은 또한 실질적으로 흐름 방향에 민감하지 않은 분리 요소가 사용되는 경우에도 유용할 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 시스템의 셔틀 밸브를 때때로 스위치함으로써, 예를 들면 PRO 모드로 작동하는 동안, 챔버들을 효과적으로 스위치하여 반투막 재료를 통한 흐름이 반대방향이 되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 주기적인 흐름의 반전은 물이 안으로 투과하는 막의 측면상의 표면 체류물을 제거함으로써 청소를 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 특정한 특징들은 아래의 청구의 범위에서 강조된다.

Claims

염수로부터 고품질수를 생산하는 역삼투(RO) 모드 및 상이한 염분 농도의 두 수성 스트림(aqueous stream)으로부터 동력을 생산하는 압력 지연 삼투(PRO) 모드를 교대로 작동시키는 시스템으로서, 상기 시스템은,

RO 또는 PRO 모드로 작동할 수 있는 반투막 요소로서, 상기 요소는 반투막 재료로 분리된 제1 서브챔버 및 제2 서브챔버를 구비하며, 상기 요소는 또한 상기 제1 서브챔버에 연결된 입구와 출구 및 상기 제2 서브챔버에 연결된 제1 및 제2 포트(port)를 구비하는 반투막 요소,

수력 터빈 동력 발생기,

상기 요소의 상기 제1 서브챔버로부터 상기 출구를 상기 수력 터빈에 연결하는 제1 도관 수단,

고압하에서 염수원으로부터 고염분 농도수의 액체 공급스트림을 송출하는 수단으로서 상기 제1 서브챔버 입구로 도달되는 제2 도관을 포함하는 수단,

상기 제2 서브챔버의 상기 제1 포트에 연결된 제1 및 제2 분지관을 갖는 제3 도관 수단,

상기 제2 분지관이 투과수용 방출튜브로서 작용하는 동안 상기 제1 분지관을 통하여 상기 제2 서브챔버에 저염분 농도수를 공급하는 수단,

상기 반투막 재료에 인접한 염분 농도 분극을 회피하기 위해, 상기 제2 서브챔버의 상기 제2 포트로부터 일부의 저염분 농도수를 인출하는 수단, 및

상기 시스템을 동력을 생산하는 PRO 모드 또는 고품질수를 생산하는 RO 모드로 작동시키는 제어 수단으로서, 상기 PRO 모드에서 상기 제1 분지관이 상기 저염분 농도수 공급 수단을 상기 제2 챔버의 상기 제1 포트에 연결하며, 상기 RO 모드에서 상기 제2 배출 분지관이 상기 제2 서브챔버에 이를 통한 투과수 흐름을 위하여 연결되는 제어 수단을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 고압 입구 포트, 저압 입구 포트, 고압 출구 포트, 및 저압 출구 포트를 구비하는 등압 압력 전달장치를 더 포함하며, 상기 제1 도관 수단은 상기 압력 전달 장치의 상기 고압 입구 포트에 도달하는 분지관을 포함하고, 상기 공급스트림 송출 수단은 (a) 고염분 농도수의 연속적인 흐름을 상기 압력 전달 장치의 상기 저압 입구 포트에 공급하는 공급 수단, (b) 상기 압력 전달 장치의 상기 고압 출구 포트에 연결된 상기 제2 도관의 제1 분지관, (c) 상기 제1 분지관내의 부스터 펌프, (d) 염수의 소스에 연결된 상기 제2 도관의 제2 분지관, 및 (e) 상기 제2 분지관내의 고압 펌프를 포함하는 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공급스트림 송출 수단은 공급 수단 (a) 내의 제1 저압 펌프를 포함하는 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 도관 수단은 상기 수력 터빈의 상류에 폐쇄될 수 있는 밸브를 포함하는 시스템.
제2항에 있어서, 상기 제2 분지관 (d)는 상기 고압 펌프의 하류에 폐쇄될 수 있는 밸브를 포함하는 시스템.
제2항에 있어서, 공급 펌프가 상기 제3 도관 수단의 상기 제1 분지관 (b) 내에 포함되어 있으며, 또한 상기 제3 도관 수단은 상기 제2 서브챔버를 상기 제1 분지관 (b) 또는 상기 제2 분지관 (d)와 연결시키기 위한 3 방향 밸브를 포함하는 시스템.
제2항에 있어서, 상기 등압 압력 전달 장치는 회전식 압력 전달 장치인 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 인출 수단은 상기 제2 챔버의 상기 제1 및 제2 포트에 연결된 재순환 펌프를 포함하는 재순환 도관을 포함하는 시스템.
제8항에 있어서, 상기 제3 도관 수단은 상기 제2 서브챔버에 도달되는 3 방향 밸브를 포함하며, 상기 3 방향 밸브는 RO 모드에서 상기 재순환 펌프가 상기 제2 분지관 (d)로 투과수를 송출할 수 있게 하는 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 인출 수단은 상기 제2 챔버를 떠나는 저염분 농도수의 일부분을 배출로 돌리는 수단을 포함하는 시스템.
염수로부터 고품질수를 생산하는 역삼투(RO) 모드 및 상이한 염분 농도의 두 수성 스트림(aqueous stream)으로부터 동력을 생산하기 위한 압력 지연 삼투(PRO) 모드를 교대로 작동시키는 방법으로서, 이 방법은,

RO 또는 PRO 모드로 작동할 수 있는 반투막 분리 요소로서, 상기 요소는 반투막 재료로 분리된 두 서브챔버 및 상기 각 서브챔버에 각각 연결된 한 쌍의 포트를 포함하는 반투막 분리 요소를 제공하는 단계;

PRO 모드에서:

상기 두 수성 스트림 사이의 삼투압 차이의 90% 이하인 압력하에서 고염분 농도 수용액의 입구 액체 스트림을 상기 서브챔버의 하나에 공급하는 단계,

저압하에서 저염분 농도 수용액의 입구 액체 스트림을 상기 요소의 상기 서브챔버의 다른 하나에 공급하는 단계,

상기 반투막 재료에 인접한 염분 농도 분극을 회피하기 위하여, 상기 저염분 농도 스트림을 공급받는 상기 다른 서브챔버로부터 상기 저염분 농도 스트림의 입구 흐름의 적어도 10%에 해당하는 양을 인출하는 단계, 및

상기 하나의 서브챔버로부터 PRO에 의해 증가된 부피를 가지는 액체 스트림의 적어도 일부를 수력 터빈 동력 발생기에 송출하는 단계; 및

RO 모드에서:

적어도 700 psig의 압력하에서 고염분 농도 수용액의 연속적인 액체 스트림을 상기 반투막 요소의 하나의 서브챔버에 공급하는 단계,

상기 반투막 요소의 다른 서브챔버로부터 투과수의 연속적인 스트림을 인출하는 단계,

상기 하나의 서브챔버로부터 상기 하나의 서브챔버의 상기 입구 스트림 부피의 적어도 40%의 부피에 해당하는 염수의 연속적인 스트림을 인출하는 단계, 및

(a) 상기 인출된 염수 스트림을 상기 수력 터빈에 보내는 단계,

(b) 상기 하나의 서브챔버에 공급되는 상기 고염분 농도 액체의 압력을 올리기 위하여 상기 인출된 염수 스트림의 압력을 전달하는 단계, 또는

(c) (a) 단계 및 (b) 단계 둘 다를 수행하는 단계를 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 고압 입구 포트, 저압 입구 포트, 고압 출구 포트, 및 저압 출구 포트를 구비하는 등압 압력 전달 장치가 제공되며, 상기 증가된 부피 스트림의 부분은 상기 PRO 모드에서 상기 액체 압력 전달 장치의 상기 고압 입구 포트에 송출되며, 유입되는 고염분 농도 액체는 상기 압력 전달 장치의 상기 저압 입구 포트에 공급되어 가압되며, 상기 압력 교환 장치의 상기 고압 출구 포트로부터의 상기 가압된 고염분 농도 액체는 그 압력을 더욱 증강시킨 후 상기 유입 공급물로서 상기 하나의 서브챔버에 송출되는 방법.
제12항에 있어서, 상기 등압 압력 전달 장치는 회전식 압력 전달 장치인 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 700 psig의 압력하에서 고염분 농도 수용액의 상기 연속적인 액체 스트림은 PRO 모드에서와 같이 RO 모드에서 상기 분리 요소의 동일한 서브챔버에 공급되며 그 결과 상기 반투막 재료를 통한 투과 흐름은 RO 및 PRO 모드에서 반대 방향인 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 700 psig의 압력하에서 고염분 농도 수용액의 상기 연속적인 액체 스트림은 RO 모드 및 PRO 모드에서 상기 분리 요소의 반대 서브챔버에 공급되어서 상기 요소내의 상기 반투막 재료를 통한 투과 흐름은 RO 및 PRO 모드 모두에서 동일 방향인 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 RO 모드에서 상기 인출 단계는 상기 인출된 스트림의 적어도 일부분을 배출로 돌리는 단계를 포함하는 방법.
염수로부터 고품질수를 생산하는 역삼투(RO) 모드 및 상이한 염분 농도의 두 수성 스트림으로부터 동력을 생산하기 위한 압력 지연 삼투(PRO) 모드를 교대로 작동시키는 방법으로서, 이 방법은,

RO 또는 PRO 모드로 작동할 수 있는 반투막 분리 요소로서, 상기 요소는 반투막 재료로 분리된 제1 및 제2 액체 서브챔버 및 상기 각 서브챔버에 각각 연결된 포트의 쌍을 포함하는 반투막 분리 요소를 제공하는 단계;

고압 입구 포트, 저압 입구 포트, 고압 출구 포트 및 저압 출구 포트를 구비한 회전식 액체 압력 전달 장치를 제공하는 단계;

고염분 농도 수용액의 연속적인 유입 액체 스트림을 상기 압력 전달 장치의 상기 저압 입구 포트에 공급하는 단계;

PRO 모드로:

상기 두 수성 스트림 사이의 삼투압 차이의 90% 이하인 압력하에서 고염분 농도 수용액의 액체 공급스트림을 상기 제1 서브챔버에 연결된 제1 포트를 통하여 상기 제1 서브챔버에 공급하는 단계,

저압하에서 저염분 농도 수용액의 연속적인 액체 스트림을 상기 제2 서브챔버에 연결된 제1 포트를 통하여 상기 요소의 상기 제2 서브챔버에 공급하는 단계,

상기 반투막 재료에 인접한 곳에서 염분 농도 분극을 회피하기 위하여 상기 제2 서브챔버로의 상기 입구 흐름의 적어도 10%에 해당하는 양을 인출하는 단계,

상기 제1 서브챔버의 제2 포트로부터 PRO에 의해 증가된 부피를 가지는 스트림을 수력 터빈 동력 발생기 및 상기 회전식 액체 압력 전달 장치의 상기 고압 입구 포트로 송출하고, 상기 반투막을 가로질러 흐르는 부피와 같은 부피의 액체가 동력을 발생시키기 위하여 작동하는 상기 수력 터빈으로 향하도록 하고 또한 상기 부피의 나머지는 상기 고압 입구 포트로 향하도록 상기 흐름을 조절하는 단계, 및

상기 회전식 압력 교환 장치의 상기 고압 출구 포트로부터 고염분 농도 수용액의 가압된 스트림을 상기 제1 서브챔버에 상기 유입 공급물로서 송출하는 단계; 및

RO 모드로:

적어도 700 psig의 압력하에서 고염분 농도 수용액의 연속적인 액체 스트림을 상기 제2 서브챔버에 공급하는 단계;

상기 제1 서브챔버로부터 투과수의 연속적인 스트림을 인출하는 단계,

상기 제2 서브챔버로부터 상기 제2 서브챔버의 상기 입구 스트림 부피의 적어도 40%의 부피에 해당하는 염수의 연속적인 스트림을 인출하는 단계,

상기 인출된 염수 스트림을 상기 회전식 압력 전달 장치의 상기 고압 입구 포트로 향하게 하는 단계로서 상기 압력 전달 장치는 고염분 농도 수용액의 상기 유입 스트림의 압력을 올리는 단계, 및

상기 회전식 압력 전달 장치의 상기 고압 출구 포트를 탈출하는 상기 스트림의 압력을 증가시키고 상기 스트림을 고염분 농도 수용액의 보충 스트림과 혼합하여 상기 제2 서브챔버에의 고농도 수용액의 공급물을 구성하는 단계를 포함하며,

이에 의하여 물이 상기 반투막 재료를 통하여 RO 또는 PRO 모드 모두에서 동일한 방향으로 투과하여, RO 모드에서 고품질수가 효과적으로 제공되고, PRO 모드에서 동력이 발생하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 PRO 모드에서 상기 RO 모드로 스위치하는 경우 상기 분리 요소의 상기 제1 서브챔버가 배수되는 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 분리 요소는 나선상으로 감긴 반투막 시트 재료로 형성되는 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 RO 모드에서 상기 인출 단계는 상기 인출된 스트림의 적어도 일부분을 배출로 돌리는 단계를 포함하는 방법.