KR101443925B1 - 전기탈이온 장치 내의 전류 분포를 이동시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

전기탈이온 장치 내의 전류 분포를 이동시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

챔버를 통과하는 액체로부터 이온을 제거하기 위한 이온 감소 챔버를 구비하는 전기탈이온(EDI) 장치 및 방법이 개시되는데, 챔버의 입구 영역에 비해 챔버 출구 영역의 전기 저항을 증가시키도록 챔버의 출구 영역 근처에 저항성 구성요소가 결합되어 있다. 저항성 구성요소는 희석 챔버 및/또는 농축 챔버와 인접한 이온 선택성 투과막에 결합될 수도 있다. 대안적인 실시예에서, 저항성 구성요소는 이온 감소 챔버 내의 이온 교환 매질 입자들 사이에 결합될 수도 있다. 각 실시예에서, 출구 영역의 전기 저항은 챔버의 입구 영역에 비해 증가되고, 이는 전류가 출구 영역으로부터 입구 영역 쪽으로 이동하여 EDI 장치의 전체 탈이온 성능을 향상시키는 결과를 얻는다.

Description

전기탈이온 장치 내의 전류 분포를 이동시키기 위한 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR SHIFTING CURRENT DISTRIBUTION IN ELECTRODEIONIZATION SYSTEMS}
본 발명은 개량된 전기탈이온(electrodeionization) 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 수지 베드(resin bed) 내 특정 영역의 전도율이 탈이온 공정을 개량하도록 변경될 수 있는 방법 및 전기탈이온 시스템에 관한 것이다.
전기탈이온(EDI) 시스템은 액체, 특히 물로부터 이온을 제거하는데 사용된다. 이 시스템은 산업 공정 용수를 전력, 마이크로 전자 공학, 식품, 화학, 제약 및 다른 산업에 사용하기 위한 초고순도로 정제하는 EDI 모듈에 전압을 인가하는 전원 장치를 필요로 한다.
전형적인 전기탈이온 장치에서, 전류는 이온 교환 수지의 베드를 통해 흐른다. 수지 베드는 흐르는 전류에 수직인 양 측면에서 이온 교환 막에 의해 둘러싸인다. 전류는 용액 및 이온 교환 비드(ion exchange beads) 모두를 통한 이온 마이그레이션(ion migration)에 의해 상기 베드를 통과하고, 물의 해리는 음이온-양이온, 비드-비드 및 비드-막 간 경계부에서 발생한다. 이러한 전류를 통과시키는데 필요한 전위는 비드 및 막의 이온 교환 상(ion exchange phase)에서의 이온의 이동도(mobility), 비드를 둘러싸고 있는 용액 내 이온의 이동도 및 물의 해리에 필요한 전위에 종속된다.
전기탈이온 장치에서, 불순물 이온(impurity ion)들은 인가된 전류의 흐름에 수직으로 베드의 일 단부 내로 공급되고, 순수(pure water)는 이온 교환 베드의 다른 단부로부터 유출된다. 이러한 상황은 베드의 입구로부터 출구까지 불순물 이온의 구배를 형성하는데, 예를 들면 NaHCO3의 공급의 경우에 이온 교환 베드는 입구에서 대부분 Na+ 및 HCO3 -의 형태일 것이고, 출구쪽으로 갈수록 Na+ 및 HCO3 -의 농도는 점차 감소될 것이다. 출구 영역에서 이온 교환 매질은 대부분 재생성된 H+ 및 OH-의 형태이다. 통상적인 역삼투 투과(reverse osmosis permeate)를 처리하는 혼합형 또는 층상 희석 챔버 전기탈이온 장치(mixed or layered diluting chamber electrodeionization device)에서, 입구로부터 출구까지의 종분화(speciation)에 있어서의 이러한 구배는 Na+ 및 HCO3 - 의 상대적인 이동도가 H+ 및 OH-의 이동도보다 훨씬 낮음으로 인해 상기 장치의 출구보다 입구가 더 전도성이 낮아지는 결과를 초래한다. 그 결과, EDI 장치를 가로질러 일정한 전위가 인가되는 경우, 입구에서 흐르는 전류는 출구에서의 전류보다 휠씬 더 크다.
이온 교환 매질의 베드 내 이온의 이동도에 영향을 미치는 것으로 공지된 몇몇 인자들이 있는데, 그 예로는, (1) 이온 종, 즉 양이온, H+ 대 Na+ 대 Ca2+의 성질; (2) 교차결합 백분율(percentage cross-linkage), 이온 교환 영역의 농도, 이온 교환 영역의 분포 및 비드 표면 구조를 포함하는 이온 교환 물질의 성질; (3) 이온 종의 농도; (4) 음이온-양이온, 비드-비드 경계부의 양; (5) 음이온-양이온, 비드-비드 경계부의 특성; (6) 장치를 통해 처리되고 있는 용매의 조성; 및 (7) 온도 등이 있다.
불순물 이온을 제거하고 그에 따라 고순도의 생성수(product water)를 생산하는 EDI 장치의 능력은 재생 전류의 분포에 상당히 의존한다. 디마시오 등의 미국 특허 제 6,284,124 호 및 제 6,514,398 호에 기술된 바와 같이 EDI 장치에서 음이온 및 양이온 이온 교환 상의 전도율을 변경하여 탈이온 성능을 개선하려는 시도들이 행해져 왔다. 디마시오 등의 장치는 이온 교환 수지 재료의 교호층(alternating layers)을 갖는 이온 감소 구획부(ion-depleting compartment)를 특징으로 하는데, 이 교호층 중 하나에는 도펀트 물질이 첨가되어 교호층 간 전도율의 차이를 감소시킨다.
EDI 장치의 출구 영역 근처의 비드-막 경계부에 결합된 적어도 하나의 저항성 구성요소를 포함하여 비교적 간단하고 비용 효율적 방식으로 장치의 입구 영역에 비해 출구 영역의 전기 저항을 증가시키고, 이에 의해 장치의 출구 영역에 비해 장치의 입구 영역에서의 전류 분포를 증가시키며 장치의 전체 탈이온 성능을 향상시키는 개량된 EDI 장치는 종래 기술에 의해 교시 또는 제안되지 않은 것이다. 또한, 다양한 용도로 쉽게 개조할 수 있는 개량된 EDI 장치를 갖는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 현 기술 상태에 따라, 특히 현재 이용가능한 EDI 장치에 의해 완전히 해결되지 않았던 기술 상의 문제 및 필요에 따라 개발되어 왔다. 따라서, 본 발명은, 그 챔버를 통과하는 액체로부터 이온들을 제거하기 위한 이온 감소 희석 챔버를 포함하는 개량된 전기탈이온(EDI) 장치를 제공하도록 개발되어 왔는데, 이온 감소 챔버에 인접한 음이온 및 양이온 투과막 중 하나 또는 둘 모두에는 적어도 하나의 저항성 구성요소가 이 챔버의 출구 영역에 인접하여 결합되어 있다. 이 저항성 구성요소는 저항성 구성요소 자체의 추가된 저항으로 인해 및/또는 저항성 구성요소가 비드-막 접촉 영역을 효과적으로 감소시킴으로 인해 챔버 입구 영역에 비해 챔버 출구 영역 양단의 전기 저항을 증가시키는 역할을 한다. 저항성 구성요소는 막의 희석면 또는 농축면 상에 (또는 선택적으로, 둘 모두에) 배치될 수도 있다. 챔버 입구 영역에 비해 출구 영역의 전기 저항을 증가시킴으로써, 챔버의 입구 영역과 출구 영역 사이의 전류 분포에 있어서 개선이 이루어지고, 그에 의해 EDI 장치의 탈이온 성능이 향상된다. 더욱이, 저항성 구성요소의 형상, 크기, 조성 및/또는 위치를 변경함으로써, 희석 챔버 내 전류 분포가 용이하게 제어되어, 다양한 용도 및 작동 조건에 따라 쉽게 개조가능한 EDI 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 이온 감소 챔버 전체에 걸쳐 전류의 균형을 향상시키는 방법을 제공하도록 개발되어 왔는데, 이 방법은 이온 감소 챔버의 입구 단부와 출구 단부 사이에서 이온 감소 챔버의 대향 측면 상에 이온 선택성 투과막(예컨대, 음이온 및 양이온 투과막)을 제공하는 단계와, 그 후에 입구 영역에 비해 출구 영역의 전기 저항을 증가시키도록 적어도 하나의 저항성 구성요소를 이온 선택성 투과막 중 하나 또는 둘 모두의 출구 영역 가까이에 (희석면 또는 농축면 중 하나 또는 둘 모두에) 결합시키는 단계를 포함한다. 작동시, 액체는 입구 영역으로부터 출구 영역을 향해 이온 감소 챔버를 통과하고, 액체의 유동 방향에 대해 횡방향으로 챔버를 가로질러 전기장이 인가된다. 적어도 하나의 저항성 구성요소는 챔버의 출구 영역 가까이에서 이온 선택성 투과막 중 하나 또는 둘 모두에 결합되고, 출구 영역을 통해 흐르는 전류의 백분율은 감소되는 반면에 입구 영역을 통해 흐르는 전류의 백분율은 증가되어 EDI 장치의 전체 이온 감소 성능을 향상시키는 결과를 얻는다.
본 명세서 전체에 걸쳐서 특징, 장점 및 유사한 표현에 대한 언급은 본 발명과 함께 인식될 수도 있는 모든 특징 및 장점들이 발명의 단일 실시예 내에 있거나 있어야만 하는 것을 의미하는 것은 아니다. 오히려, 특징 및 장점에 대해 언급된 표현은 실시예와 관련하여 기술된 구체적인 특징, 장점 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예 내에 포함됨을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸친 특징 및 장점에 관한 논의 및 유사한 표현들은 동일한 실시예를 언급할 수도 있으나 필수적인 것은 아니다.
또한, 기술된 발명의 특징, 장점 및 특성들은 적당한 방식으로 하나 또는 그 이상의 실시예에 결합될 수도 있다. 특정 실시예의 구체적인 특징 및 장점 중 하나 또는 그 이상이 없이도 발명이 실시될 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 다른 예에서, 추가 특징 및 장점이 본 발명의 모든 실시예 내에 존재하지 않을 수도 있는 특정 실시예 내에서 인식될 수도 있다.
본 발명의 이 특징 및 장점들은 하기의 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 보다 충분히 명백해지거나, 이하에 개시된 바와 같은 발명의 실시에 의해 습득될 수도 있다.
발명의 장점들이 쉽게 이해되도록 하기 위해, 위에서 간략히 기술된 발명에 대한 보다 구체적인 설명은 첨부 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참조하여 개시될 것이다. 이 도면들은 단지 발명의 전형적인 실시예를 도시하며 따라서 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주되지 않는다는 것을 이해하면, 본 발명은 첨부 도면을 사용하여 보다 구체적이고 상세하게 기술 및 설명될 것이다.
도 1a는 양이온-선택성 투과막의 농축면에 결합된 저항성 구성요소의 일 구성을 도시하는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이온 감소 챔버의 개략 단면도,
도 1b는 양이온-선택성 투과막의 희석면에 결합된 저항성 구성요소의 다른 구성을 도시하는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이온 감소 챔버의 개략 단면도,
도 1c는 음이온-선택성 투과막의 농축면에 결합된 저항성 구성요소의 다른 구성을 도시하는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이온 감소 챔버의 개략 단면도,
도 1d는 음이온-선택성 투과막의 희석면에 결합된 저항성 구성요소의 다른 구성을 도시하는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이온 감소 챔버의 개략 단면도,
도 2a는 챔버의 선택된 영역 내 전류 분포 백분율을 도시하는, 종래의 전기탈이온(EDI) 장치의 이온 감소 챔버의 개략 단면도,
도 2b는 도 2a의 구성과 비교하여 개량된 챔버 내 선택된 영역에서의 전류 분포 백분율을 도시하는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 전기탈이온(EDI) 장치의 이온 감소 챔버의 개략 단면도.
이제, 발명의 원리에 대한 이해의 증진을 위해, 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참조할 것이며, 그와 동일한 실시예를 기술하기 위해 구체적인 표현을 사용할 것이다. 그럼에도 불구하고, 그에 의해 발명의 범위를 한정할 의도는 아님을 이해할 것이다. 당업자가 생각할 수 있는, 본 명세서에 설명된 발명에 대한 변경예 및 추가 변형예와, 본 명세서에 설명된 발명의 원리에 대한 추가 용도는 본 발명의 범위 내로 간주되어야 한다.
본 명세서 전방에 걸쳐서 "일 실시예", "실시예" 또는 유사 표현에 대한 언급은 그 실시예와 관련하여 기술된 구체적인 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예 내에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸친 "일 실시예", "실시예" 또는 유사 표현의 출현은 모두 동일한 실시예를 언급할 수도 있으나, 필수적인 것은 아니다.
본 발명은 전체 탈이온 처리를 개선하도록 탈이온 챔버의 수지 베드 내 임의의 특정 영역의 전도율이 변경될 수 있는 개량된 전기탈이온(EDI) 장치에 대해 기술한다.
탈이온 챔버 전체에 걸친 전류 분포는 수지 베드 내로의 불순물 이온의 침투 깊이에 영향을 미치고, 선택된 총 전류에서 주어진 EDI 장치 디자인에 대한 이러한 침투 깊이를 최소화하는 수지 베드 전체에 걸친 최적의 전류 분포가 존재하게 된다.
따라서, 본 발명은 탈이온 처리를 개선하도록 수지 베드 내 임의의 특정 영역의 전도율이 변경될 수 있는 개량된 전기탈이온(EDI) 장치 및 방법을 제공한다. 예시적인 일 실시예에서, 본 발명은 희석 챔버 또는 농축 챔버 내에서 막과 비드 사이에 저항성 구성요소를 추가함으로써 수지 베드 전체에 걸친 보다 균일한 전류 분포를 제공한다. 예시적인 실시예에서 저항성 구성요소의 재료로 선택된 물질은 폴리머 메쉬 물질(polymer mesh material)이었지만, 많은 다른 물질들이 이온 감소 챔버의 출구 영역 근처의 비드-막 경계부에 인접한 실질적으로 비전도성인 입자 층을 제공하여 동일한 또는 유사한 결과를 얻도록 사용될 수도 있다. 예를 들어, 저항성 수지 비드 또는 다른 수지 재료의 층이 출구 영역에 인접하여 비드-막 경계부의 근처에 제공되어 출구 영역의 저항을 증가시키는 것이 고려된다. 또한, 저항성 구성요소가 출구 영역 근처의 비드-막 접촉 영역을 효과적으로 감소시켜서 입구 영역에 비해 출구 영역의 저항을 증가시키는데 적합한 스페이서(spacer)로 구성될 수 있다는 것이 이해된다. 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예에 더하여, 저항성 구성요소가 출구 영역 근처의 비드-막 경계부에 인접하여 배치되는 경우 챔버의 입구 영역에 비해 출구 영역의 저항을 증가시키는 역할을 하는 한, 저항성 구성요소가 많은 상이한 형태, 형상 및 조성을 가질 수도 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 또한, 본 발명은, 저항성 구성요소의 형상 및 크기에 의해, 예컨대 메쉬의 개방도, 메쉬 두께, 메쉬를 포함하는 챔버의 분률, 및 셀-페어당 메쉬 피스(mesh-pieces/cell-pair)의 수를 변경함으로써 베드 내 특정 영역의 저항이 제어될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 개념은 이온 교환 베드 내 특정 영역의 전도율이 하기의 방법 중 적어도 일부에 의해 영향을 받을 수 있음을 인식함으로써 보다 잘 이해될 수 있다: (1) 희석 챔버 또는 농축 챔버 내의 막과 비드 사이에 저항성 구성요소의 추가(본 명세서에 개시된 예시적인 실시예의 경우로서, 저항성 구성요소의 재료로 선택된 물질은 폴리머 메쉬임); (2) 희석 챔버 또는 농축 챔버 내 비드-비드 경계부 사이의 이온 교환 베드 내로의 저항성 구성요소의 추가(이는 부분적인 비드 코팅을 제공하는 폴리머 용융체(polymer melt)를 사용하여 증명되었다); (3) 수지 베드 내 비드 접촉 압력의 증가 또는 감소(이는 베드의 특정 영역 내 단위 체적당 이온 교환 물질의 질량을 변화시킴으로써 가장 용이하게 얻어진다); 및 (4) 양이온/음이온 이온 교환 접촉점의 수의 증가 또는 감소(이는 이온 교환 비드의 패터닝(patterning)의 활용 또는 양이온/음이온 이온 교환 비율의 조절에 의해 얻어질 수 있다).
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 폴리머 메쉬는 막의 표면 상에 배치되어 있다. 이 메쉬는 비드-막 경계부에서 비드-막 접촉 영역을 제한하고(그에 의해 전기 저항을 증가시킴), 막의 희석면 또는 농축면 상에 배치될 수 있다. 따라서, 챔버 저항 및 베드 내 특정 영역의 저항의 증가는 상기 메쉬의 개방도, 메쉬 두께, 메쉬를 포함하는 챔버의 분률, 및 셀-페어당 메쉬 피스의 수를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌 상기 메쉬의 형상, 크기 및 조성에 의해 제어될 수 있다. 하기의 예 1에서 보다 상세히 설명된 바와 같이, 양이온 투과막(농축면 또는 희석면)의 출구 영역 근처에 폴리머 메쉬를 배치하면 탈이온 챔버를 통해 챔버의 입구 영역을 향해 흐르는 전류의 부분 백분율(fractional percentage)을 효과적으로 이동시켜서 전체 탈이온 성능을 향상시킨다.
이제, 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하는 도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 농축 챔버(21) 사이에 배치된 이온 감소 희석 챔버(20)를 포함하는 유동-관통형 전기탈이온(EDI) 장치(10)가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위해, 한쌍의 농축 챔버(21)에 인접해 있는 단일 희석 챔버(20)가 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 또한 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 기술 분야에서 공지된 방식으로 애노드(anode)(14)와 캐소드(cathode)(12) 사이에 배치되는 하나 또는 그 이상의 교호하는 희석/농축 셀-페어 모듈을 포함하는 EDI 장치를 사용하여 실시될 수도 있다고 여겨진다.
도 1a 내지 도 1d를 다시 참조하면, 양이온-선택성 투과막(22) 및 음이온-선택성 투과막(24)은 희석 챔버(20)의 대향하는 주변 측면 상에 배치되어 있다. 다음으로, 애노드(14) 및 캐소드(12)는 모듈(10)의 대향 단부에 배치되어 적어도 하나의 희석 챔버 및 농축 챔버(20, 21)에 대해 횡방향으로 가로질러 전압을 공급한다. 전형적으로, 챔버(20, 21)는 본 기술 분야에서 공지된 방식으로 이온 교환을 촉진하도록 전기활성 수지 비드(도시되지 않음)로 충전될 수도 있다. 유체는 희석 유동 방향 화살표에 의해 표시된 방향으로 희석 챔버(20)의 입구(즉, 도면의 아래 부분) 내로 유도된다. 다음으로, 정화된 유체는 희석 챔버(20)의 출구(즉, 도면의 윗 부분)로 유출된다.
도 1a 내지 도 1d는 희석 챔버(20)의 출구 영역 근처에 저항성 구성요소가 배치되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예를 위해, 실험용으로 선택된 저항성 구성요소(32)는 사전설정된 길이(L) 및 표면 구조 두께(W)를 갖는 폴리머 메쉬였다. 저항성 구성요소(32)의 길이(L)는 전체 챔버 길이의 약 50%를 포함하는 것이 바람직하지만, 저항성 구성요소의 부분이 입구 영역의 부분을 덮고 있는지 여부와 무관하게 저항성 구성요소가 챔버의 출구 영역 근처에 배치되어 있는 한, 50% 이상 또는 이하의 부분 길이가 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 사용될 수도 있다고 여겨진다. 나아가, 희망하는 결과를 얻기 위해서 출구 영역 근처의 비드-막 경계부에 인접한 다양한 위치에 배치되는 변화하는 길이의 피스(pieces)와 함께 저항성 구성요소(32)에 대한 다양한 두께 및/또는 표면 구조(즉, 메쉬 밀도, 개방도)가 사용될 수도 있다고 여겨진다. 또한, 상술한 바와 같이, 실질적으로 비전도성인 입자 층을 제공하는데 적합한 필름 시트 또는 임의의 다른 물질과 같은 비메쉬 타입 저항성 구성요소도 본 발명에 따라 사용될 수도 있으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 변화하는 길이의 몇몇 피스들이 이온 선택성 투과막(22, 24) 중 하나 또는 둘 모두(막의 희석면 또는 농축면 중 어느 하나)의 다양한 위치에 전략적으로 배치되어 희석 챔버(20) 내 사전 설정된 영역의 전도율을 변경할 수도 있다고 여겨진다.
도 1a에 도시된 일 실시예에서, 저항성 구성요소(32)는 양이온 투과막(22)의 농축면에서 양이온 투과막(22)의 출구쪽 절반 상에 배치되어 있다. 선택적으로, 저항성 구성요소(32)는 도 1b에 도시된 바와 같이 양이온 투과막(22)의 희석면 상에 배치될 수도 있다. 도 1c 및 도 1d에 도시된 다른 예시적 실시예에서는 저항성 구성요소(32)가 음이온 투과막(24)의 농축면(도 1c) 또는 희석면(도 1d)에서 출구쪽 절반 상에 배치된 것으로 도시되어 있다. 또한, 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않으면서 도시된 예시적 실시예에 대한 다양한 조합 및 치환이 사용될 수도 있다고 여겨진다.
또한, 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 본 발명은 희석 챔버 또는 농축 챔버 내 비드-비드 경계부 사이에서 출구 영역 근처의 이온 교환 베드 내로 저항성 구성요소를 추가함으로써 성취될 수도 있다. 이것은 부분적인 비드 코팅을 제공하는 폴리머 용융체를 사용하여 증명되었는데, 비드 사이의 비드-비드 경계부가 감소되어 비드 간 전기 저항이 증가되며 그에 따라 입구 영역에 비해 출구 영역의 전기 저항이 증가되는 결과를 얻는다. 이온 교환 비드 이외에도, 본 발명은 출구 영역 근처에서 이온 교환 화이버 또는 필름 입자와 같은 다른 타입의 이온 교환매질 입자들 사이에 저항성 구성요소를 배치함에 의해 실시될 수도 있다고 여겨진다. 또한, 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 이온 교환 베드의 전도율은 베드의 특정 영역 내 이온 교환 물질의 단위 체적당 질량의 변화에 의해 변경되어 비드 및/또는 입자 접촉 압력을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
작동시, 정화될 액체는 희석 유동 방향 화살표에 의해 도시된 방향으로 희석 챔버(20)의 입구 영역 내로 공급된다. 그 다음에, 정화된 물이 챔버(20)의 출구 영역을 빠져 나간다. 모듈(10)의 대향 단부에 있는 애노드(14) 및 캐소드(12)를 가로질러 전기장이 인가되고, 본 기술 분야에서 공지된 방식으로 전류가 유체 유동 방향에 수직으로 흘러서 용해된 양이온 성분 및 음이온 성분이 이온 교환 수지 비드 또는 다른 이온 교환 화이버 또는 필름 입자(도시되지 않음)로부터 상기 성분들에 대응하는 전극(12, 14)의 방향으로 이동한다. 양이온 성분은 양이온 투과막(22)을 통해 이온 농축 챔버(21)에 면하는 인접 캐소드 내로 이동한다. 음이온 성분에 대한 처리도 유사하나 반대 방향으로 발생하는데, 음이온 성분은 음이온 투과막(24)을 통해 이온 농축 챔버(21)에 면하는 애노드 내로 이동한다. 이러한 방식으로, 희석 챔버(20)를 통해 흐르는 유체로부터 이온 성분들이 감소되고, 이에 의해 희석 챔버(20)의 출구 영역으로부터 유출되는 고순도의 유체 스트림을 형성한다.
하기의 예는 본 발명의 광범위한 적용가능성을 추가로 설명하며, 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주되지 않아야 한다.
예 1
CaCO3와 같이 20ppm의 총 교환성 음이온(Total Exchangeable Anion; TEA) 농도를 갖는 NaHCO3와 250ppb의 SiO2를 함유하는 수용액이 도 2a에 도시된 종래의 EDI 모듈을 통해 공급되었다. 본 예 1에서, 희석 챔버(20)에서 유출되는 유체는 대략 15 내지 18ppb의 잔류 SiO2를 포함하는 것으로 밝혀졌다. 희석 챔버(20) 전체에 걸쳐 측정된 영역 1 내지 영역 4 내에서의 전류 분포는 도 2a에 도시되어 있는데, 그 전류 분포는 하기와 같다: 영역 1 = 11%; 영역 2 = 18%; 영역 3 = 30%; 및 영역 4 = 41%. 따라서, 희석 챔버의 입구 절반(즉, 영역 1 및 2) 근처에 위치하는 약 29%의 전류와 비교하여 희석 챔버의 출구 절반(즉, 영역 3 및 4) 근처에는 약 71%의 전류가 위치하는 것이 명백하다. 희석 챔버의 출구 영역 쪽으로의 이러한 전류 분포의 불균형은 희석 챔버를 관통하는 유동 길이(flow length)에서 많은 비중이 강 이온화된(highly ionized) 종의 제거에 사용되고 있는 반면에 출구 영역 근처의 유동 길이 부분은 약 이온화된 종, 즉 SiO2를 제거하는데 사용되고 있다는 것을 나타낸다.
그에 비하여, 희석 챔버(20)의 출구 영역 근처에 배치된 저항성 구성요소(32)를 포함하는 본 발명에 따라 구성된 EDI 모듈은 도 2b에 도시된 바와 같이 희석 챔버의 영역 1 내지 영역 4 전체에 걸쳐 전류 분포를 효과적으로 변경한 것으로 도시되어 있다. 여기에서, 전체 챔버에 걸쳐 전류 분포가 보다 균형을 잘 이루는 것이 명백한데, 그 전류 분포는 하기와 같다: 영역 1 = 17%; 영역 2 = 33%; 영역 3 = 24%; 및 영역 4 = 26%. 따라서, 약 50%의 전류가 영역 1 및 2(즉, 입구 영역) 내에 분포되어 있고 약 50%가 영역 3 및 4(즉, 출구 영역) 내에 분포되어 있어서, 희석 챔버(20)의 입구 영역과 출구 영역 사이에서 전류 분포가 보다 균형을 잘 이루는 것이 명백하다. 개선된 전류 분포로 인해, 희석 챔버(20)의 출구측을 빠져 나가는 유체는 대략 5 내지 6ppb의 감소된 양의 잔류 SiO2를 포함하는 것으로 밝혀졌다. 그러므로, 본 발명에 따른 저항성 구성요소(32)를 갖도록 구성된 EDI 장치 는 희석 챔버(20)의 전체에 걸쳐 전류 분포를 효과적으로 개선하였고, 장치로부터 유출되는 유체 중 SiO2 함유량이 대략 15 내지 18ppb에서 대략 5 내지 6ppb까지 감소되는 결과를 얻는다. 이러한 결과는 본 발명에 따라 구성된 메쉬 저항성 구성요소(32)가 전류를 입구 영역(영역 1 및 2) 쪽으로 이동시키는데 성공적으로 활용되어 전체 탈이온 성능을 향상시킴을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, (도 2b에 도시된 것과 같이) 저항성 구성요소(32)를 구비한 본 발명에 따라 구성되어 있는 EDI 장치의 효과는 (도 2a에 도시된 것과 같이) 저항성 구성요소를 구비하지 않은 종래의 EDI 장치에 대하여 평가되었다. 본 예 1을 위해, 저항성 구성요소(32)는 챔버의 출구 절반 내에서 양이온 투과막(22)의 희석면 상에 배치되었지만, 저항성 구성요소(32)는 챔버의 출구 영역 근처의 양이온 투과막 또는 음이온 투과막 중 어느 한 면 상에 배치되어 동일 또는 유사한 결과를 얻을 수 있는 것으로 여겨진다. 저항성 구성요소(32)는 희석 챔버(20)의 전체 길이에 약 50%를 포함하는 길이의 폴리머 메쉬이었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 50% 이상 또는 이하의 부분 길이도 사용될 수 있다. 도 2b의 희석 챔버(20)의 영역 1 내지 영역 4 내 전류 분포 백분율로부터 알 수 있는 바와 같이, 저항성 구성요소(32)는 희석 챔버(20)/음이온 투과막(22) 경계부에서 비드-막 접촉 영역을 제한함으로써 챔버(20)의 출구 영역의 저항을 효과적으로 증가시키는 것이 명백하다. 결과적으로, 도 2a 및 도 2b의 영역 1 내지 영역 4 내 전류 분포 백분율의 비교로부터 증명된 바와 같이, 챔버의 입구 절반(즉, 영역 1 및 2) 내 백분율 전류 분포는 증가된 반면에 저항성 구성요소(32)로 인한 출구 절반 내 저항의 증가로 인해 출구 절반(즉, 영역 3 및 4) 내 백분율 전류 분포는 감소되었다. 그 결과, 입구 영역에서의 전류의 많은 비중이 예 1의 결과에 의해 도시된 바와 같이 전체 탈이온 성능을 개선하고, 장치로부터 유출되는 유체 중 SiO2 함유량은 대략 15 내지 18ppb에서 대략 5 내지 6ppb까지 감소되었다.
본 발명이 전형적인 예시적 실시예로 도시 및 기술되었지만, 이는 본 발명의 사상을 전혀 벗어나지 않으면서 다양한 변형예 및 대체예가 있을 수 있으므로 기술된 설명에 한정될 의도는 아니다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명에 대한 추가 변형예 및 균등예는 단지 일상적인 실험을 사용하여 당업자가 생각해낼 수도 있고, 모든 변형예 및 균등예는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (18)

  1. 전기탈이온 장치를 통과하는 액체로부터 이온을 제거하기 위한 전기탈이온 장치에 있어서,
    이온 선택성 투과막(ion-selective permeable membranes) 사이에 배치된 입구 영역 및 출구 영역을 갖는 적어도 하나의 희석 챔버와,
    상기 이온 선택성 투과막 중 적어도 하나에 인접하여 배치된 적어도 하나의 농축 챔버와,
    상기 입구 영역에 비해 상기 출구 영역의 전기 저항을 증가시키기 위해 상기 출구 영역 근처에서 상기 적어도 하나의 이온 선택성 투과막에 결합되어 있는 적어도 하나의 저항성 구성요소를 포함하는
    전기탈이온 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 선택성 투과막 중 하나는 음이온 투과막이고, 상기 이온 선택성 투과막 중 다른 하나는 양이온 투과막인
    전기탈이온 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 폴리머 메쉬 물질(polymer mesh material)을 포함하는
    전기탈이온 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 비드 수지 재료를 포함하는
    전기탈이온 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 음이온 투과막과 상기 희석 챔버 사이에 결합되어 있는
    전기탈이온 장치,
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 음이온 투과막과 상기 농축 챔버 사이에 결합되어 있는
    전기탈이온 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 양이온 투과막과 상기 희석 챔버 사이에 결합되어 있는
    전기탈이온 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 양이온 투과막과 상기 농축 챔버 사이에 결합되어 있는
    전기탈이온 장치.
  9. 전기탈이온 장치 내의 액체로부터 이온을 제거하기 위한 방법에 있어서,
    이온 선택성 투과막 사이에 배치된 입구 영역 및 출구 영역을 갖는 적어도 하나의 희석 챔버를 제공하는 단계와,
    상기 이온 선택성 투과막 중 적어도 하나에 인접하여 배치된 적어도 하나의 농축 챔버를 제공하는 단계와,
    상기 입구 영역에 비해 상기 출구 영역의 전기 저항을 증가시키기 위해 상기 출구 영역 근처에서 상기 적어도 하나의 이온 선택성 투과막에 적어도 하나의 저항성 구성요소를 결합하는 단계와,
    상기 입구 영역으로부터 상기 출구 영역까지 상기 희석 챔버를 통해 액체를 통과시키는 단계와,
    상기 액체의 유동 방향에 대해 횡방향으로 상기 희석 챔버를 가로질러 전기장을 인가하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 입구 영역을 통해 흐르는 전류의 분포를 상기 출구 영역에 비해 증가시키고, 이에 의해 상기 전기탈이온 장치의 이온 감소 성능을 향상시키는, 상기 전기장 인가 단계를 포함하는
    전기탈이온 장치 내의 액체로부터의 이온 제거 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 저항성 구성요소는 폴리머 메쉬 물질을 포함하고,
    상기 이온 제거 방법은, 상기 메쉬의 개방도 변경, 상기 메쉬의 두께의 변경, 상기 메쉬의 길이의 변경, 상기 메쉬의 위치의 변경, 셀-페어당 메쉬 피스의 수의 변경 또는 상기 변경들의 조합에 의해 전기 저항의 증가의 크기를 제어하는 단계를 더 포함하는
    전기탈이온 장치 내의 액체로부터의 이온 제거 방법.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 이온 선택성 투과막 중 하나는 음이온 투과막이고, 상기 이온 선택성 투과막 중 다른 하나는 양이온 투과막인
    전기탈이온 장치 내의 액체로부터의 이온 제거 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 음이온 투과막과 상기 희석 챔버 사이에 결합되어 있는
    전기탈이온 장치 내의 액체로부터의 이온 제거 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 음이온 투과막과 상기 농축 챔버 사이에 결합되어 있는
    전기탈이온 장치 내의 액체로부터의 이온 제거 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 양이온 투과막과 상기 희석 챔버 사이에 결합되어 있는
    전기탈이온 장치 내의 액체로부터의 이온 제거 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 양이온 투과막과 상기 농축 챔버 사이에 결합되어 있는
    전기탈이온 장치 내의 액체로부터의 이온 제거 방법.
  17. 전기탈이온 장치 내의 액체로부터 이온을 제거하기 위한 방법에 있어서,
    이온 선택성 투과막 사이에 배치된 입구 영역 및 출구 영역을 갖는 희석 챔버를 제공하는 단계와,
    상기 이온 선택성 투과막 중 하나에 적어도 하나의 농축 챔버를 결합하는 단계와,
    상기 희석 챔버 및 상기 농축 챔버 중 적어도 하나 내에 복수의 이온 교환 입자를 제공하는 단계와,
    상기 입구 영역에 비해 상기 출구 영역의 전기 저항을 증가시키기 위해 상기 출구 영역 근처에서 2 또는 그 이상의 상기 이온 교환 입자 사이에 적어도 하나의 저항성 구성요소를 제공하는 단계와,
    상기 입구 영역으로부터 상기 출구 영역까지 상기 희석 챔버를 통해 액체를 통과시키는 단계와,
    상기 액체의 유동 방향에 대해 횡방향으로 상기 희석 챔버를 가로질러 전기장을 인가하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 저항성 구성요소는 상기 입구 영역을 통해 흐르는 전류의 분포를 상기 출구 영역에 비해 증가시키고, 이에 의해 상기 전기탈이온 장치의 이온 감소 성능을 향상시키는, 상기 전기장 인가 단계를 포함하는
    전기탈이온 장치 내의 액체로부터의 이온 제거 방법.
  18. 삭제
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