KR101577769B1 - 정삼투 분리 방법 - Google Patents
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Abstract
일반적으로 반투과성 멤브레인을 가로질러 제 1 용액으로부터 용매를 추출하기 위해 제 2의 농축된 용액을 사용함으로써 용질을 농축시키도록 제 1 용액으로부터 용매의 추출을 포함하는, 조작된 삼투압을 이용한 분리 방법이 기술된다. 용질 및 용매의 하나 또는 이둘 모두가 목적하는 생성물일 수 있다. 산업적 또는 상업적 공급원으로부터 낮은 등급의 폐열을 사용함으로써 향상된 효율이 얻어질 수 있다.
Description
본 출원은 2008년 6월 20일자 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 제61/074,195호; 및 2008년 6월 20일자 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 제61/074,199호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 특허 둘 모두 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명의 하나 이상의 양태는 일반적으로 삼투 분리에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 하나 이상의 양태는 고순도 응용예, 예를 들어 식품 및 약제 산업에서, 폐수 정제 및 생성물 회수용 수용액으로부터 용질을 분리하기 위한, 조작된 삼투 방법, 예컨대 정삼투의 사용을 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 양태는 일반적으로 삼투 분리에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 하나 이상의 양태는 고순도 응용예, 예를 들어 식품 및 약제 산업에서, 폐수 정제 및 생성물 회수용 수용액으로부터 용질을 분리하기 위한, 조작된 삼투 방법, 예컨대 정삼투의 사용을 포함한다.
다양한 응용예에서, 용액 중에 존재하는 주목되는 종들을 농축시키는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇의 통상적인 기술에서, 용액으로부터 용매를 제거하여 주목되는 종들을 더욱 고농도로 제공하기 위해 용매의 상을 변형시키도록 열을 인가할 수 있다. 다른 통상적인 방법은, 용매에 대해서는 투과성이지만 주목되는 종들에 대해서는 불투과성인 멤브레인을 통해 용매를 미는데 사용된, 수압에 의해 구동된 멤브레인 공정을 포함한다. 폐수 처리의 측면에서, 멤브레인 생물반응장치들은 수성 폐기물 스트림으로부터 유기물을 제거하기 위한 전통적인 2차 폐수 처리 방법을 광범위하게 대체하였다. 수압에 의해 구동되는 멤브레인 시스템은, 전형적으로 유기물이 미생물에 의해 식품으로 소모되는 생물학적 활성 용액으로부터 물을 분리시키는데 사용되며, 상기 미생물은 그 후 슬러지로 개별적으로 제거된다.
본 발명의 양태는 일반적으로 용액 내 용질의 삼투 분리를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 정삼투 분리 방법이 개시된다. 상기 방법은 용매 및 하나 이상의 표적 종을 포함하는 제 1 용액을 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 도입하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 암모니아 및 이산화탄소를 적어도 1:1의 몰비로 포함하는 제 2 용액을 반투과성 멤브레인의 제 2 면 상에 도입하여, 반투과성 멤브레인을 가로질러 삼투 농도 구배를 형성하는 것을 추가로 포함할 수 있는데, 상기 삼투 농도 구배는 반투과성 멤브레인을 가로지르는 제 1 용액의 용매의 일부 또는 전부의 흐름을 촉진시켜, 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 제 3 용액을 그리고 반투과성 멤브레인의 제 2 면 상에 제 4 용액을 형성시킨다. 상기 방법은 분리 조작에 대해 제 4 용액의 일부 또는 전부의 흐름을 촉진시켜 추출 용질(draw solute) 및 용매 스트림을 형성시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 추출 용질을 반투과성 멤브레인의 제 2 면으로 반송시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 제 3 용액으로부터 하나 이상의 표적 종을 회수하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
몇몇의 구체예에서, 상기 제 1 용액은 수용액일 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 상기 제 1 용액은 약제 또는 식품 등급의 조작으로부터의 하나의 스트림을 포함할 수 있다. 상기 표적 종은 염, 당, 효소, 단백질 또는 미생물을 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 제 1 용액을 도입하는 것은 상기 반투과성 멤브레인을 제 1 용액으로 침지시키는 것을 포함한다. 제 2 용액을 도입하는 것은 제 2 용액을 반투과성 멤브레인의 제 2 면을 따라 향하게 하는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 제 1 용액은 연속적으로 도입된다.
하나 이상의 구체예에서, 제 4 용액의 일부 또는 전부를 분리 조작으로 도입하는 것은 제 4 용액의 일부 또는 전부를 증류 컬럼, 멤브레인 증류 시스템 또는 투석증발 시스템으로 도입하는 것을 포함한다. 폐열이 몇몇의 구체예에서 분리 조작으로 공급될 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 상기 방법은 용매 스트림을 가공시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
몇몇의 구체예에서, 하나 이상의 표적 종을 회수하는 것은 제 3 용액을 침전 용기, 하이드로사이클론(hydrocyclone), 침전기, 또는 강제 구배(force gradient) 조작으로 도입하는 것을 포함한다. 몇몇의 구체예에서, 상기 방법은 하나 이상의 회수된 표적 종을 추가 처리 장치로 도입하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 처리된 표적 종은 하류 사용 지점으로 공급될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 정삼투 폐기물 처리 방법이 기술된다. 상기 방법은 용매 및 하나 이상의 구성성분을 포함하는 제 1 용액을 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 도입하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 상기 방법은 암모니아 및 이산화탄소를 적어도 1:1의 몰비로 포함하는 농축된 추출 용액을 반투과성 멤브레인의 제 2 면 상에 도입하여, 반투과성 멤브레인을 가로지르는 삼투 농도 구배를 유지하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 상기 방법은 반투과성 멤브레인을 가로지르는 제 1 용액의 용매의 일부 또는 전부의 흐름을 촉진시켜, 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 제 2 용액을 그리고 반투과성 멤브레인의 제 2 면 상에 희석된 추출 용액을 형성시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 상기 방법은 희석된 추출 용액의 일부 또는 전부를 분리 조작으로 도입하여 추출 용질 및 용매 스트림을 형성시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 상기 방법은 상기 추출 용질을 반투과성 멤브레인의 제 2 면으로 반송시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 상기 방법은 제 2 용액으로부터 하나 이상의 구성성분을 제거하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
몇몇의 구체예에서, 제 1 용액은 폐수를 포함한다. 상기 제 1 용액은 염, 유기물, 현탁된 콜로이드, 생물학적 유기체를 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 상기 제 1 용액을 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 도입하는 것은 반투과성 멤브레인을 제 1 용액에 침지시키는 것을 포함한다. 농축된 추출 용액을 도입하는 것은 농축된 추출 용액을 반투과성 멤브레인의 제 2면을 따라 향하게 하는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 제 1 용액은 연속적으로 도입된다.
몇몇의 구체예에서, 희석된 추출 용액의 일부 또는 전부를 분리 조작으로 도입하는 것은, 희석된 추출 용액의 일부 또는 전부를 증류 컬럼, 멤브레인 증류 시스템 또는 투과증발 시스템으로 도입하는 것을 포함한다. 상기 방법은 폐열을 분리 조작으로 공급하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 상기 방법은 용매 스트림을 가공하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 바람직하지 않은 구성성분을 제거하는 것은, 제 2 용액을 침전 용기, 하이드로사이클론 또는 블로우다운(blowdown) 조작으로 도입하는 것을 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 바람직하지 않은 구성성분은 추가의 처리 조작으로 도입될 수 있다.
이러한 예시적인 양태 및 구체예의 또 다른 양태, 구체예 및 이점이 이하에서 상세히 논의된다. 또한, 상기한 정보 및 하기한 상세한 기재 모두는 단지 다양한 양태 및 구체예에 대한 예시적인 예일 뿐이며, 청구된 양태 및 구체예의 특성 및 성질을 이해하기 위한 개관 또는 골조를 제공하도록 의도된다. 첨부되는 도면은 다양한 양태 및 구체예의 예시 및 추가 이해를 제공하도록 포함되며, 본 명세서에 통합되거나 이 명세서의 일부를 구성한다. 명세서의 나머지와 함께 도면은 기술되고 청구된 양태 및 구체예의 원리 및 조작을 설명하기 위해 제공된다.
하나 이상의 구체예의 다양한 양태가 첨부되는 도면을 참고로 이하에서 논의된다. 일정한 비율로 확장되도록 의도되지 않은 도면에서, 다양한 도면에서 예시되는 각각 동일하거나 거의 동일한 성분은 유사 도면 부호로 표시된다. 명확히 하기 위해, 모든 성분이 모든 도면에서 라벨링되지 않을 수 있다. 도면은 예시 및 설명을 목적으로 제공된 것이며, 본 발명의 제한을 규정하는 것으로 의도되지 않는다. 도면에서,
도 1은 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법의 개략도를 나타낸다.
도 2는 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법의 상세한 개략도를 나타낸다.
도 3은 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법에 사용된 장치에 대한 도면을 나타낸다.
도 4는 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법에서 사용된 장치의 개략도를 나타낸다.
도 1은 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법의 개략도를 나타낸다.
도 2는 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법의 상세한 개략도를 나타낸다.
도 3은 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법에 사용된 장치에 대한 도면을 나타낸다.
도 4는 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법에서 사용된 장치의 개략도를 나타낸다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 개시된 분리 방법은 용액 중의 다양한 유형의 용매로부터 다양한 유형의 용질을 추출하는데 사용될 수 있다. 개시된 방법의 바람직한 생성물은 용매, 용질 또는 이둘 모두일 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 용질을 농축시키기 위해 방법들이 사용될 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 염, 당, 약제 또는 다른 화합물과 같은 생성물이 공정 스트림으로부터 회수될 수 있다. 다른 구체예에서, 폐수와 같은 폐 스트림이 하류에서의 사용을 위해 정제된 물을 회수하도록 처리될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 용액으로부터 용질을 추출하기 위한 삼투 방법은 일반적으로 상기 용액을 정삼투 멤브레인의 제 1 표면에 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 상기 제 1 용액(공정 용액 또는 공급물 용액으로서 공지됨)은 해수, 기수(brackish water), 폐수, 오염수, 공정 스트림 또는 다른 수용액일 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 용매는 물이지만, 다른 구체예는 비수성 용매에 관한 것이다. 제 1 용액의 농도에 대해 용질의 농도가 증가되어 있는 제 2 용액(추출 용액으로 공지됨)은 정삼투 멤브레인의 제 2의 반대되는 표면에 노출될 수 있다. 용매, 예를 들어 물은 그 후 제 1 용액으로부터 정삼투 멤브레인을 통해 제 2 용액으로 추출되어, 정삼투를 통해 용매 풍부 용액을 형성시킬 수 있다. 정삼투은 일반적으로 덜 농축된 용액으로부터 더 농축된 용액으로의 이동을 포함하는 유체 전달 특성을 이용한다. 삼투압은 일반적으로 정삼투 멤브레인을 가로질러 공급물 용액으로부터 추출 용액으로 용매의 이동을 촉진시킨다. 희석된 추출 용액으로 칭해지기도 하는 상기 용매 풍부 용액은 제 1 출구에서 수거될 수 있고 여기에 추가 분리 공정이 실시된다. 몇몇의 비제한적인 구체예에서, 정제수가 용매 부화 용액으로부터 생성물로서 생성될 수 있다. 제 2 생성물 스트림, 즉 고갈되거나 농축된 공정 용액은 배출 또는 추가 처리를 위해 제 2 출구에서 수거될 수 있다. 상기 농축된 공정 용액은 하류에서의 사용을 위해 농축되거나 그렇지 않으면 분리되는 것이 바람직할 수 있는 하나 이상의 표적 화합물을 함유할 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 정삼투 분리 시스템은 하나 이상의 정삼투 멤브레인을 포함할 수 있다. 상기 정삼투 멤브레인은 일반적으로 반투과성일 수 있어서, 예를 들어 물과 같은 용매는 통과할 수 있지만 그 내부에 용해된 용질, 예컨대 염화나트륨, 암모늄 카르보네이트, 암모늄 비카르보네이트, 암모늄 카르바메이트, 다른 염, 당, 약물 또는 다른 화합물은 배제한다. 많은 유형의 반투과성 멤브레인이 물(즉, 용매)을 통과시킬 수 있는 반면 용질의 통과를 차단하고 용액 내 용질과 반응할 수 없다면 이러한 반투과성 멤브레인은 상기 목적으로 적합하다. 멤브레인은 박막, 중공 섬유 멤브레인, 나선형으로 감겨진 멤브레인, 단일필라멘트 및 디스크 튜브를 포함하는 다양한 구성을 지닐 수 있다. 물을 통과시키기에는 충분하지만 염화나트륨 및 이의 이온 분자 종, 예컨대 클로라이드와 같은 용질 분자는 걸러내기에 충분히 작은 구멍을 가짐으로써 특징되는 다수의 널리 공지된 상업적으로 입수가능한 반투과성 멤브레인이 있다. 상기 반투과성 멤브레인은 유기 또는 무기 물질로 제조될 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 니트레이트, 폴리설폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드 및 아크릴로니트릴 코-폴리머와 같은 물질로 제조된 멤브레인이 사용될 수 있다. 다른 멤브레인은 ZrO2 및 TiO2와 같은 물질로 제조된 세라믹 멤브레인, 또는 무기 멤브레인일 수 있다.
바람직하게는, 반투과성 멤브레인으로 사용하도록 선택된 물질은 일반적으로 멤브레인에 실시될 수 있는 다양한 공정 조건을 견딜 수 있어야 한다. 예를 들어, 멤브레인은 상승된 온도, 예컨대 멸균 또는 다른 고온 공정과 관련된 상승된 온도를 견딜 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 정삼투 멤브레인 모듈은 약 0 내지 약 100℃ 범위 내 온도에서 작동될 수 있다. 몇몇의 비제한적인 구체예에서, 공정 온도는 약 40 내지 약 50℃의 범위 내일 수 있다. 마찬가지로, 멤브레인이 다양한 pH 조건 하에서 보전성을 유지할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 멤브레인 환경 내 하나 이상의 용액, 예컨대 추출 용액은 다소 산성이거나 염기성일 수 있다. 몇몇의 비제한적인 구체예에서, 정삼투 멤브레인 모듈은 약 2 내지 약 11의 pH 수준에서 작동될 수 있다. 특정의 비제한적인 구체예에서, 상기 pH 수준은 약 7 내지 약 10일 수 있다. 사용된 멤브레인은 이러한 물질 중 하나로 제조될 필요는 없으며 다양한 물질의 복합체일 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 멤브레인은 제 1 표면 상에 활성 층, 및 제 2 표면 상에 지지 층을 구비한 비대칭형 멤브레인일 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 활성 층은 일반적으로 거부 층(rejecting layer)일 수 있다. 예를 들어, 거부 층은 몇몇의 비제한적인 구체예에서 염의 통과를 차단할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 백킹 층과 같은 지지 층은 일반적으로 불활성일 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 하나 이상의 정삼투 멤브레인이 하우징 또는 케이싱 내에 배치될 수 있다. 상기 하우징은 일반적으로 내부에 위치한 멤브레인을 수용하도록 사이즈 조정되고 형상화될 수 있다. 예를 들어, 하우징이 정삼투 멤브레인을 나선형으로 권취하는 경우에 상기 하우징은 실질적으로 원통형일 수 있다. 모듈의 하우징은 모듈에 공급물 용액 및 추출 용액을 제공하기 위한 입구, 및 모듈로부터 생성물 스트림을 배출하기 위한 출구를 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 하우징은 모듈로 도입되거나 모듈로부터 배출되는 유체를 유지하거나 저장하기 위한 하나 이상의 저장소 또는 챔버를 제공할 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 하우징은 절연될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 정삼투 분리 시스템은 일반적으로, 제 1 용액 및 제 2 용액이 반투과성 멤브레인의 각각 제 1 면 및 제 2면과 접촉하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기한 제 1 및 제 2 용액은 정체되어 유지될 수 있지만, 제 1 및 제 2 용액 모두가 교차 흐름, 즉 반투과성 멤브레인의 표면에 대해 평행한 흐름에 의해 도입되는 것이 바람직하다. 이는 일반적으로 하나 이상의 유체 흐름 경로를 따라 멤브레인의 표면적 접촉을 증가시켜서 정삼투 효율을 증가시킬 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 제 1 및 제 2 용액은 동일한 방향으로 유동할 수 있다. 다른 구체예에서, 제 1 및 제 2 용액은 반대 방향으로 유동할 수 있다. 적어도 몇몇의 구체예에서, 유사한 유체 역학이 멤브레인 표면의 두개 표면 상에 존재할 수 있다. 이는, 모듈 또는 하우징 내 하나 이상의 정삼투 멤브레인의 전략적 통합에 의해 성취될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 과도한 에너지 요구 및/또는 환경적으로 유해한 폐기물 배출없이 높은 수율의 용매 추출을 달성할 수 있다. 용매는 용질, 예컨대 바람직한 표적 종을, 높은 수율을 초래하는 에너지 효율적인 방식으로 공정 스트림으로부터 농축시키도록 추출될 수 있다. 공정 스트림으로부터의 용매 및/또는 회수된 용질은 요망된 최종 생성물일 수 있다. 추출 용액 중 용질은 또한 공정 내에서 재사용될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법은 제 1 용액을 반투과성 멤브레인의 제1 표면에 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 제 1 용액보다 높은 농도를 갖는 제 2 용액은 이 멤브레인의 제 2의 반대되는 표면에 노출될 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 제 2 용액의 농도는, 제 2 용액 내 용질의 가용성 종의 양을 증가시키기 위해서 제 2 용액 내에서 용질의 평형을 조정하도록 제 1 시약을 사용함으로써 증가될 수 있다. 그 후 제 1 용액과 제 2 용액 사이의 농도 구배에 의해 용매가 제 1 용액으로부터 반투과성 멤브레인을 통해 제 2 용액 내로 추출되어 용매 부화 용액을 생성시킨다. 하나 이상의 구체예에 따르면, 용질의 일부는 용매 풍부 제 2 용액으로부터 회수되어 추출 용액으로 재사용될 수 있다. 상기 회수 공정에 의해 용매 생성물 스트림이 생성될 수 있다. 상기 농도 구배는 또한 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 고갈 용액을 생성시키는데, 이 용액은 배출되거나 추가로 처리될 수 있다. 상기 고갈 용액은 농축 또는 회수가 요망되는 하나 이상의 표적 종을 포함할 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 삼투를 이용하여 제 1 용액으로부터 용매를 추출하기 위한 장치가 기술된다. 장치의 하나의 비제한적인 구체예에서, 상기 장치는 입구 및 출구를 구비한 제 1 챔버를 갖는다. 제 1 챔버의 입구는 제 1 용액의 공급원으로 연결될 수 있다. 반투과성 멤브레인은 제 1 챔버를 제 2 챔버와 분리시킨다. 제 2 챔버는 입구, 및 제 1 및 제 2 출구를 갖는다. 몇몇의 구체예에서, 제 3 챔버는 제 2 챔버의 제 1 출구로부터 용매 풍부한 제 2 용액, 및 제 2 챔버의 제 2 출구로부터 시약을 수용할 수 있다. 제 3 챔버는 분리 조작에 연결되는 출구, 예컨대 용매 풍부 제 2 용액을 여과하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 상기 필터는 제 1 및 제 2 출구를 구비할 수 있으며, 상기 제 1 출구는 침전된 용질을 제 2 챔버로 재사용하기 위해 제 2 챔버의 입구에 연결되어 있다. 몇몇의 구체예에서, 제 4 챔버는 분리 조작의 제 2 출구로부터 용매 풍부한 제 2 용액을 수용할 수 있다. 제 4 챔버는 용매 풍부한 제 2 용액을 가열시키기 위한 가열기를 구비할 수 있다. 제 4 챔버 내 제 1 출구는 제 2 챔버의 입구로 구성성분인 가스를 반송시킬 수 있다. 본원에서 논의된 바대로, 다양한 종, 예컨대 제 4 챔버로부터의 가스 및/또는 제 3 챔버로부터의 침전된 용질은 시스템 내에서 재사용될 수 있다. 상기 종은 예를 들어 동일한 입구 또는 상이한 입구에서 제 2 챔버로 도입될 수 있다. 제 4 챔버 내의 제 2 출구는 최종 생성물, 용매가 장치로부터 배출되게 할 수 있다.
도 1은 하나 이상의 구체예에 따른 정삼투 분리 방법의 개략도이며, 이의 세부 사항은 도 2를 참조로 추가로 설명된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 용액(10), 예를 들어 해수, 기수, 폐수, 오염수 또는 제 1 용액으로 칭해지는 다른 용액이 제 1 챔버(12)에 배치된다. 제 1 챔버(12)는 화살표(13)로 표시된 바와 같이 반투과성 멤브레인(16)과 유체 소통된다. 제 1 용액보다 높은 농도를 갖는 제 2 용액이 제 2 챔버(18) 내에 함유된다. 더 높은 농도의 용액은, 용매, 즉 제 1 챔버(12) 내의 제 1 용액으로부터의 물이 반투과성 멤브레인(16)을 가로질러 화살표(15)로 표시된 바와 같이 제 2 챔버(18) 내에 위치한 더 농축된 제 2 용액으로 삼투되게 할 수 있다. 용매의 대부분이 제거되기 때문에, 제 1 챔버(12) 내에 남아있는 제 1 용액에서 용질이 농축된다. 상기 용질은 이것이 폐 생성물로 간주되는 경우 화살표(14)로 표시된 대로 폐기될 수 있다. 다르게는, 용질은 표적 화합물일 수 있고, 추가 가공 또는 목적하는 생성물로서 하류에서 사용하기 위해 수거될 수 있다. 그 후 제 2 챔버(18) 내의 생성되는 용매 풍부한 제 2 용액이 화살표(19)로 표시된 대로 제 3 챔버(22) 내로 도입된다. 제 3 챔버(22)에서, 용매 풍부한 제 2 용액 중의 용질이 분리되어, 제 2 용액의 농도를 유지하기 위해 화살표(28)로 표시된 대로 제 2 챔버(18) 내로 다시 재사용될 수 있다. 제 3 챔버(22) 내의 남아있는 용매 풍부한 제 2 용액은 그 후 화살표(23)로 표시된 대로 제 4 챔버(24)로 도입될 수 있다. 제 4 챔버(24)에서, 남아있는 용매 풍부한 제 2 용액은 화살표(26)로 표시된 대로 임의의 남아있는 용질을 제거하도록 가열되어 용매 스트림을 생성시킬 수 있다. 폐수의 처리를 포함하는 것들과 같은 몇몇의 구체예에서, 용매 스트림은 정제수일 수 있다. 제 4 챔버(24)에서, 열에 의해 임의의 남아있는 용질을 이들의 구성성분인 가스로 분해시킴으로써 상기 용질이 제거될 수 있고, 상기 가스는 챔버(18) 내 제 2 용액의 농도 구배를 유지하고 시약으로 작용하도록 화살표(20)로 표시된 대로 제 2 챔버(18)로 반송될 수 있다.
상기 주지된 바와 같이, 하나 이상의 구체예에 따른 분리 방법은 제 1 용기(12) 내에 함유된 제 1 용액을 사용하여 개시될 수 있다. 상기 제 1 용액은 정제수의 회수, 바람직하지 않은 용질의 제거, 또는 목적하는 용질의 농축 및 회수의 목적을 위해, 처리되는 수성 또는 비수성 용액일 수 있다. 바람직하지 않은 용질 중에는, 바람직하지 않은 화학적으로 침전가능한 가용성 염, 예컨대 염화나트륨(NaCl)이 포함된다. 제 1 용액의 전형적인 예에는 수용액, 예컨대 해수, 염수 및 다른 식염 용액, 기수, 미네랄첨가된 물(mineralized water), 산업용 폐수, 및 고순도 응용에 관련된 생성물 스트림, 예컨대 식품 및 약제 산업과 관련된 생성물 스트림이 포함된다. 본원에 기술된 제 1 용액은 수용액 또는 비수용액일 수 있다. 일반적으로, 추출 용액과 상용성인 용매의 임의 유형, 예를 들어 pH, 온도, 및 추출 용액의 다른 특징을 견딜 수 있는 임의의 용매가 사용될 수 있다. 제 1 용액은 삼투 분리 전에 고체 및 화학적 폐기물, 생물학적 오염물을 제거하고 멤브레인 오염을 방지하기 위해 공지된 기술에 따라 여과되거나 사전 처리될 수 있으며, 그 후 화살표(10)으로 표시된 대로 제 1 챔버(12)로 공급된다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 상기 제 1 용액은, 분리, 정제 또는 다른 처리가 요망되는, 용매 및 하나 이상의 용질을 함유하는 임의의 용액일 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 제 1 용액은 음용불가능한 물, 예컨대 해수, 염수, 기수 또는 가정용 중수(gray water), 및 몇몇의 산업용수일 수 있다. 이는 하류에서의 사용을 위해 그러한 하나의 스트림으로부터 정제수 또는 음용수를 생성시키도록 요망될 수 있다. 처리될 공정 스트림은 염 및 다른 이온성 종, 예컨대 클로라이드, 설페이트, 브로마이드, 실리케이트, 요오다이드, 포스페이트, 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니트레이트, 비소, 리튬, 붕소, 스트론튬, 몰리브데늄, 망간, 알루미늄, 카드뮴, 크로뮴, 코발트, 구리, 철, 납, 니켈, 셀레늄, 은 및 아연을 포함할 수 있다. 몇몇의 예에서, 상기 제 1 용액은 염수, 예컨대 염수 또는 해수, 폐수, 또는 다른 오염수일 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 제 1 용액은 하나 이상의 용질, 예컨대 표적 종을 함유하는 공정 스트림일 수 있으며, 이것은 농축, 분리 또는 회수되는 것이 바람직하다. 상기 스트림은 약제 또는 식품 등급의 응용과 같은 산업 공정으로부터 유래한 것일 수 있다. 표적 종은 약제, 염, 효소, 단백질, 촉매, 미생물, 유기 화합물, 무기 화합물, 화학적 전구체, 화학적 생성물, 콜로이드, 식품 생성물 또는 오염물을 포함할 수 있다. 상기 제 1 용액은 산업 설비와 같은 상류 장치 조작, 또는 대양과 같은 임의의 다른 공급원으로부터 정삼투 멤브레인 처리 시스템으로 전달될 수 있다.
제 1 용액과 마찬가지로, 제 2 용액은 수용액일 수 있으며, 즉 용매는 물이다. 다른 구체예에서, 비수성 용액, 예컨대 유기 용매가 제 2 용액을 위해 사용될 수 있다. 제 2 용액은 제 1 용액에 비해 고농도의 용질을 함유하는 추출 용액일 수 있다. 광범위한 추출 용액이 사용될 수 있다. 예를 들어, 추출 용액은 열분해(thermolytic) 염 용액을 포함할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 맥기니스(McGinnis)의 미국 특허 출원 공개 번호 2005/0145568호에 개시된 것들과 같은 암모니아 및 이산화탄소 추출 용액이 사용될 수 있으며, 상기 특허 출원서의 내용은 모든 목적을 위해 본원에 참고로 포함되어 있다. 일 구체예에서, 제 2 용액은 암모니아 및 이산화탄소의 농축된 용액일 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 추출 용액은 1 초과 대 1의 몰비로 암모니아 및 이산화탄소를 포함할 수 있다.
추출 용액은 일반적으로 공급물 용액의 농도보다 높은 용질의 농도를 갖는다. 이것은 공급물 용액보다 더 높은 농도를 갖는 용액을 생성시키기에 충분히 가용성인 용질을 사용하여 달성될 수 있다. 추출 용액의 하나 이상의 특징은 처리를 위해 분리 시스템에 공급된 공정 스트림에 기초하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 공급물 용액 내 용질의 부피, 유속 또는 농도는 추출 용액에 대해 선택된 하나 이상의 파라미터에 영향을 줄 수 있다. 상기 시스템에 관련된 배출 스트림에 관한 요건이 또한 하나 이상의 작동 파라미터에 영향을 줄 수 있다. 다른 작동 파라미터는 또한 정삼투 분리 시스템의 의도된 응용을 기초로 가변될 수 있다. 바람직하게는, 제 2 용액 내 용질은 분리 공정을 통해 용액으로부터 용이하게 제거될 수 있어야 하는데, 상기 분리 공정은 용질을, 용액의 용매 중에 더욱 용이하게 가용되는 하나 이상의 종, 즉 가용성 종, 및 용매 내에서 용이하게 용해되지 않는 하나의 종, 즉 덜 가용성인 종으로 분리시키는데, 상기 용질은 생성되는 용매 내에 미량으로 존재하는 경우 건강상의 위험을 부과하지 않아야 한다. 용질의 가용성 종 및 덜 가용성 종의 존재에 의해, 용액은 필요에 따라 조정될 수 있거나 조작될 수 있다. 전형적으로, 가용성 용질 종 및 덜 가용성 용질 종은, 특정 온도, 압력, pH 등의 조건 하에서 용질의 어느 종도 다른 것에 대해 증가하거나 감소되지 않는 용액 내 지점, 즉 용질의 불용성 종에 대한 가용성 종의 비가 정적인 지점에 도달한다. 이것은 평형으로 칭해진다. 용액의 특정 조건이 주어지면, 용질의 종은 평형에서 1 대 1 비로 존재하지 않아도 된다. 본원에서 시약으로 칭해지는 화학물질의 첨가를 통해, 용질 종 사이의 평형이 이동될 수 있다. 제 1 시약을 이용하여, 용액의 평형은 용질의 가용성 종의 양을 증가시키도록 이동될 수 있다. 마찬가지로, 제 2 시약을 사용하여, 용액의 평형은 덜 가용성인 용질 종의 양을 증가시키도록 이동될 수 있다. 시약의 첨가 후에, 용질 종의 비는, 용액의 조건에 의해 지지되는 새로운 수준에서 안정화될 수 있다. 평형이 용질의 가용성 종을 지지하도록 조절됨으로써, 포화 근방의 농도를 갖는, 즉 용액의 용매가 더 이상 용질을 용해할 수 없는 상태를 갖는 제 2 용액이 얻어질 수 있다.
제 2 (추출) 용액의 바람직한 용질은 암모니아 및 이산화탄소 가스, 및 이들의 생성물, 암모늄 카르보네이트, 암모늄 비카르보네이트, 및 암모늄 카르바메이트일 수 있다. 암모니아 및 이산화탄소가 약 1의 몰비에서 물에 용해되는 경우에, 주로 암모늄 비카르보네이트, 및 더 적은 정도로 관련된 생성물인 암모늄 카르보네이트 및 암모늄 카르바메이트로 구성된 용액을 형성한다. 이 용액 내 평형은 용질의 가용성 종에 비해 용질의 덜 가용성인 종, 암모늄 비카르보네이트, 암모늄 카르바메이트, 및 더 적은 정도로 암모늄 카르보네이트를 지지한다. 이산화탄소에 대한 암모니아의 몰 비율이 1을 초과하도록 과량의 암모니아 가스와 함께 주로 암모늄 비카르보네이트로 구성된 용액을 완충시키면 용액의 평형이 용질의 더욱 가용성인 종, 암모늄 카르바메이트 쪽으로 이동할 것이다. 암모니아 가스는 물에 덜 가용성이고 용액에 의해 우선적으로 흡착된다. 암모늄 카르바메이트가 제 2 용액의 용매에 의해 더욱 용이하게 흡착되기 때문에, 이의 농도는 용매가 용질을 더 이상 흡착할 수 없는 지점으로, 즉 포화 지점으로 증가될 수 있다. 몇몇의 비제한적인 구체예에서, 이러한 조작에 의해 달성된 제 2 용액 내 용질의 농도는 약 2 몰랄(molal) 초과, 약 6 몰랄 초과, 또는 약 6 내지 약 12 몰랄이다.
암모니아 가스는 용질 암모늄 카르바메이트가 분해되는 경우에 얻어지는 화학적 요소(이는 다르게는 구성성분 요소로 칭해짐) 중 하나이기 때문에, 상기 암모니아 가스는 암모늄 카르바메이트에 대해 바람직한 제 1 시약일 수 있다. 일반적으로, 용매에 대한 시약이 용질의 구성성분 요소인 것이 바람직한데, 그 이유는 이에 의해 임의의 과량의 시약이 용매가 제거되는 경우에 용액으로부터 용이하게 제거될 수 있고, 바람직한 한 구체예에서, 구성성분 요소는 제 1 시약으로서 재사용될 수 있다. 그러나, 용액 내 용질 종의 평형을 조작할 수 있는 다른 시약은, 이 시약이 용액으로부터 용이하게 제거되고 시약의 미량 원소가 최종 용매 내에 잔류하는 경우에 건강상 위험을 부과하지 않는 한, 고려된다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 분리 공정은 제 1 용액 및 제 2 용액을 각각 반투과성 멤브레인(16)의 제 1 면 및 제 2 면과 접촉시킴으로써 개시될 수 있다. 제 1 및 제 2 용액이 정체되어 남아있을 수 있더라도, 제 1 용액 및 제 2 용액 모두가 교차 흐름, 즉 반-투과성 멤브레인(16)의 표면에 대해 평행한 흐름에 의해 도입되는 것이 바람직하다. 이는 반투과성 멤브레인(16)의 표면적의 양, 접촉하여 정삼투 효율을 증가시키는 용액의 소정 양을 증가시킨다. 제 2 챔버(18) 내 제 2 용액이 제 1 챔버(12) 내 제 1 용액보다 더 높은 용질 온도를 갖기 때문에, 제 1 용액 내 용매는 정삼투에 의해 제 2 용액으로 확산된다. 몇몇의 구체예에서, 2개 용액 사이의 농도차는, 용매가 제 1 용액으로의 압력 추가 없이 반-투과성 멤브레인(16)을 통과하기에 크다. 전반적으로, 이 방법에 의해 제 1 용액 내에 함유된 용매의 약 90% 내지 약 99.9%가 제거될 수 있다. 분리 공정 동안에, 제 1 용액은 이것이 용매를 상실함에 따라 더 농축되게 되고, 제 2 용액은 이것이 용매를 얻음에 따라 더 희석되게 된다. 이러한 현상이 일어남에도 불구하고, 2개 용액 사이의 농도 구배는 현격하게 유지된다. 멤브레인의 제 1 면 상의 고갈 용액, 및 멤브레인의 제 2 면 상의 희석 용액은 각각 하나 이상의 목적하는 생성물의 회수를 위해 추가로 가공될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인의 제 1 면 상의 고갈 용액은 농도 및 회수가 요망되는 표적 종인 용질을 함유할 수 있다. 다르게는, 멤브레인의 제 1 면 상의 고갈 용액은 폐기물로 폐기될 수 있다. 마찬가지로, 멤브레인의 제 2 면 상의 희석 용액은 목적하는 생성물일 수 있는 용매 내에서 풍부하게 존재할 수 있다.
배출물(14), 즉 농축된 제 1 용액은 용질보다 더 높은 농도를 갖는다. 따라서, 과량의 용질은, 제 1 용액이 이의 공급원으로 반송되거나 제 1 용액을 본 발명의 방법에 통해 재순환시키기 전에 농축된 제 1 용액으로부터 제거될 수 있다. 이는, 예를 들어 몇몇의 비제한적인 구체예에서, 용질을 침전시키기 위해 농축된 제 1 용액을 태양열 증발기, 간단한 스크린 여과 장치, 하이드로사이클론, 또는 침전 덩어리 또는 다른 핵형성 지점과 접촉시킴으로써 수행될 수 있다. 이 침전된 용질은 소비자 또는 산업적 목적에 적합하도록 추가로 가공될 수 있다.
제 1 용액의 용매를 정삼투에 의해 제 2 용액으로 추출함으로써 용매 풍부한 제 2 용액을 형성시킨 다음, 용매를 분리하기 위해 용매 풍부한 제 2 용액으로부터 용질을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇의 비제한적인 구체예에서, 이는 용질을 용액으로부터 침전시키고, 용질을 용액으로부터 기화되는 이들의 구성성분 가스로 분해시키고, 용액으로부터 용매를 증류시키거나 용질을 표면 상으로 흡수시킴으로써 수행될 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 침전에 의해 용질의 일부를 제거하면 남아있는 용질을 분해시키도록 용액을 가열시키는데 필요한 에너지의 양이 감소되며, 분해에 의해 용질의 완전한 제거가 얻어진다. 잠재적인 침전 및 분해 단계는 각각 제 3 챔버 및 제 4 챔버(22, 24)를 참고로 설명된다.
제 2 챔버(18) 내의 용매 풍부한 제 2 용액은 화살표(19)로 표시한 대로 제 3 챔버(22)로 배출된다. 용매 풍부한 제 2 용액은 침전에 의해 용매 풍부한 용액으로부터 용질의 일부를 제거하도록 처리될 수 있다. 제 2 시약은, 가용성인 용질 종 및 덜 가용성인 용질 종의 평형을 덜 가용성인 용질 종을 지지하도록 조정하기 위해 도입될 수 있다. 제 1 시약으로, 당해 화학물질이 용매 풍부한 제 2 용액으로부터 용이하게 제거되고 건강상의 위험을 부과하지 않는 한, 평형을 조정할 수 있는 임의의 화학물질이 적합하다. 바람직하게는 상기 시약은 용질의 구성성분 요소이며, 바람직한 용질의 경우에 암모늄 카르바메이트는 이산화탄소 가스이다. 몇몇의 비제한적인 구체예에서, 용매 풍부 제 2 용액이 이산화탄소로 확산되는 경우, 용액 내 이산화탄소에 대한 암모니아의 비는 약 0.5 내지 1.5로 감소될 수 있으며, 용매 풍부한 제 2 용액 내의 평형은 용질의 덜 가용성인 종, 즉 암모늄 비카르보네이트 쪽으로 다시 이동한다. 용질의 덜 가용성인 종은 그 후 용액으로부터 침전되어 나올 수 있다. 암모늄 비카르보네이트의 침전은 용매 풍부 제 2 용액 내 용질의 농도를 약 2 내지 3 몰랄로 실질적으로 감소시킬 수 있다. 바람직하게는, 제 3 챔버(22) 내 용매 풍부한 제 2 용액의 온도는 용질의 침전을 보조하기 위해 약 18 내지 25℃, 바람직하게는 20 내지 25℃로 감소된다. 그 후 침전된 용질은 용액으로부터 여과될 수 있다.
지금부터는 도 2를 참고하는데, 침전된 용질이 제 3 챔버(22) 내에서 여과될 수 있다 하더라도, 용액은 화살표(36)으로 표시된 대로 여과 챔버(29)로 향할 수 있다. 널리 공지된 방법, 예컨대 하이드로사이클론, 침전 탱크, 컬럼 여과, 또는 간단한 스크린 여과를 이용하여, 침전된 용질은 용매 풍부 용액으로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 침전물은 중력에 의해 용액으로부터 침전되어 나온 다음, 사이펀 흡수될 수 있다(siphoned off). 남아있는 용매 풍부한 제 2 용액은 화살표(23)으로 표시된 대로 여과 챔버(29)로부터 제 4 챔버(24)로 이동할 수 있는데, 그 후 이 제 4 챔버(24)에서 상기 제 2 용액은 용질이 이들의 구성성분인 가스로 분해되도록 가열된다. 하나의 바람직한 구체예에서, 상기 구성성분 가스는 암모니아 및 이산화탄소일 수 있다. 분리 공정에 필요한 에너지는 용액의 온도를, 암모늄 카르바메이트 용질이 완전히 제거되게 하는 온도로 상승시키는데 필요한 열이다. 증발 엔탈피의 열전달 비효율성 및 공정 내에서 재사용된 용질의 용액을 보상하기 위해 추가 열이 필요하다. 구체적으로, 가열에 의해, 용매 풍부한 제 2 용액 내 남아있는 용질이, 이들의 구성성분 가스로 분해되게 되며, 이들 가스는 용액을 떠난다. 몇몇의 구체예에서, 진공 또는 공기 흐름이 용매 풍부한 제 2 용액 위로 유지될 수 있고, 이 동안 상기 진공 또는 공기 흐름은, 분해 가스가 용액으로부터 기화되는 경우의 효율을 개선시키기 위해 가열된다. 제 4 챔버 위로 공기 흐름을 생성시킴으로써, 모든 용질을 전형적으로 사용되는 것보다 더욱 낮은 온도에서 제거하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 분해에 의해 용매 생성물, 예컨대 최종 사용을 위해 추가로 처리될 수 있는 음용수 생성물이 생성될 수 있다. 일반적으로, 음용수 생성물은 약 7의 pH를 가져야 하며, 의도된 목적에 적합한 물을 제조하기 위해 추가의 pH 조정이 필요할 수 있다.
용매 풍부한 제 2 용액은, 가스 및 용질(38, 42)의 발열 도입으로부터 열 교환기(32)를 통해 펌핑된 열 및 외부 열원(34)의 조합을 이용하여 가열될 수 있다. 상기 외부 열원(34)은 태양열 및 지열 에너지를 포함하는 임의의 열원에 의해 공급될 수 있다. 상기 열원은 증류 열원과 유사할 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 상기 열원은 주로, 발전 또는 산업적 공정으로부터 폐열을 사용하는 폐열발전(cogeneration) 환경으로부터 유래할 수 있다. 또한, 공정 효율은, 본 발명의 탈염 방법에서 이전 단계 동안에 방출된 열을 포획하기 위해 열 교환기(32)를 사용함으로써 유지될 수 있다. 도 2에서 화살표(38) 및 (42)에 의해 표시된 대로, 제 2 및 제 3 챔버(18, 22) 내에서의 화학 반응으로부터 방출된 열이 열 펌프(32)로 펌핑될 수 있고, 그 후 화살표(40)으로 표시된 대로 용매 풍부한 제 2 용액의 가열을 보조하기 위해 이 열은 제 4 챔버(24)로 펌프된다. 대안적인 구체예에서, 추가 열은, 방출된 구성성분 가스가, 용매 풍부한 제 2 용액이 가열되는 챔버(24)의 외부 상에서 응축되게 하고, 이 발열 반응으로부터의 에너지를 제 4 챔버(24)로 이동시킴으로써 생성된다. 하나의 바람직한 구체예에서 암모늄 카르바메이트인 응축물은 그 후 제 2 챔버(18) 내 제 2 용액으로 재사용될 수 있다.
본 발명의 정삼투 분리 방법의 비용 및 환경적 영향을 제한하기 위해, 제 2 용액으로부터 제거된 용질 및 용질 구성성분을 재사용하는 것이 바람직하다. 여과 챔버로부터 폐기된 침전된 용질은 화살표(28)로 표시된 대로, 제 2 용액 중에 용해되어 고농도의 제 2 용액을 유지할 수 있는 제 2 챔버(18)로 재사용될 수 있다. 또한, 제 4 챔버(24) 내의 용매 풍부 제 2 용액으로부터 제거된 구성성분 가스는 각각 화살표(20) 및 (30)으로 표시된 대로, 상기 가스가 시약으로서 작용하는 제 2 챔버 또는 제 3 챔버(18, 22)로 다시 재사용될 수 있다. 하나의 바람직한 구체예에서, 용질은 암모늄 카르바메이트이며, 이것은 암모니아 및 이산화탄소의 구성성분 가스로 분해된다. 이들 가스는 그 후 화살표(20)으로 표시된 대로 제 2 챔버(18)로 재사용된다. 암모니아가 이산화탄소보다 더 가용성이기 때문에, 암모니아는 우선적으로 제 2 용액에 의해 흡착되고 용질 종의 평형을 암모니아 카르바메이트를 지지하도록 조정함으로써 시약으로 작용한다. 남아있는 이산화탄소는 화살표(30)으로 표시된 대로 제 2 챔버(18)로부터 배출되고 제 3 챔버(22)로 이동하는데, 이 제 3 챔버(22)에서 이산화탄소가 시약으로 작용하여 제 2 용액의 평형을 암모늄 비카르보네이트를 지지하도록 변형시킨다. 몇몇의 바람직한 구체예는 용질의 분해로부터 유래한 구성성분 가스의 재사용을 고려하고 있기 때문에, 본 발명의 방법의 효율을 유지하기 위해 충분한 가스가 재사용되도록 최적량 미만의 용질을 침전시키는 것이 필요할 수 있다. 전형적으로, 침전에 의해 용액으로부터 용질의 약 절반을 제거하면, 구성성분 가스의 충분량이 본 발명의 방법을 유지하도록 생성될 것임이 보장되어야 한다.
본원에 기재된 방법은 공정을 통해 용매로부터 용질을 더 잘 분리시키기 위해 연속적으로 또는 회분식으로 실시될 수 있다.
본 발명의 방법을 실시하기 위한 장치에 대한 하나의 비제한적인 구체예가 도 3에 상세화되어 있다. 상기 장치는 입구(50) 및 출구(52)를 갖는 제 1 챔버(12)를 구비한다. 제 1 챔버용 입구(50)는 제 1 용액에 대한 공급원, 예컨대 사전처리되거나 상류 조작으로부터 제 1 용액에 대한 천연 공급원, 예컨대 바다, 호수, 스트림 또는 다른 다량의 물 및 수로로 도입되는 용액에 대한 저장 탱크와 소통된다. 제 1 챔버(50)의 입구는, 제 1 용액의 공급원으로부터의 이 제 1 용액을 사이펀 흡수시키기 위해 펌프를 포함할 수 있다. 또한 제 1 용액의 온도를 조정하기 위해 가열 또는 냉각 장치를 임의로 포함할 수 있다. 유사하게, 제 1 챔버(52)의 출구는 제 1 챔버(12)로부터 제 1 용액을 추출하기 위해 펌프를 포함할 수 있다. 출구(52)가 제 1 용액을 제 1 용액의 공급원으로 직접 재순환시키는데 사용될 수 있으나, 바람직하게는 상기 제 1 용액은 제 1 용액의 공급원으로 반송되기 전에 침전 장치 내로 또는 이 침전 장치를 가로질러 펌핑될 것이다. 상기 침전 장치는 태양열 증발 층, 간단 스크린 여과 장치, 하이드로사이클론, 또는 침전 덩어리 또는 다른 핵행성점 조작 또는 당업자에게 공지된 다른 유형을 포함할 수 있다. 상기 제 1 챔버(12)는 반투과성 멤브레인(16)에 의해 제 2 챔버(18)로부터 분리된다.
제 2 챔버(18)는 입구(54), 및 제 1 및 제 2 출구(56, 58)를 갖는다. 입구(54)는 제 2 용액에 대한 공급원을 제공하고, 펌프 및 가열 장치를 포함할 수 있다. 제 2 챔버(56)에 대한 제 1 출구는 제 3 챔버(22)와 소통되고, 용매 풍부한 제 2 용액을 제 3 챔버(22)로 이동시키기 위한 도관을 제공한다. 제 2 챔버(56)에 대한 이러한 제 1 출구는 제 2 챔버(18)로부터 물 풍부한 제 2 용액을 배출시키기 위한 펌프를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서, 제 2 챔버(56)에 대한 제 1 출구는 상기 논의된 바와 같이 용매 풍부한 제 2 용액을 냉각시키기 위한 냉각 장치를 포함할 수 있다. 제 2 챔버(58)에 대한 제 2 출구는, 제 1 용액으로부터의 용매가 반투과성 멤브레인(16)을 통해 제 2 용액 내로 배출되는 경우에 형성된 임의의 가스에 대한 도관을 제공하며, 상기 가스는 바람직한 구체예에서 제 3 챔버(22)로 전달될 이산화탄소 가스일 것이다.
몇몇의 구체예에서, 제 3 챔버(22)에서는 용질의 일부가 용매 풍부한 제 2 용액으로부터 침전되어 나온다. 제 3 챔버(22)는 입구(56, 58)에 추가하여, 침전물을 용매 풍부한 제 2 용액으로부터 분리시키기 위해 여과 장치와 소통되는 출구(60)를 구비한다. 여과 장치(29)는 상기 기술된 유형의 임의 것이고, 바람직하게는 이 여과 장치는 침전 탱크이다. 여과 장치(29)는 2개 출구를 갖는다: 제 1 출구(62)는 침전된 용질을 배치시키거나 이 용질을 제 2 챔버 입구(54)를 통해 제 2 챔버(18)로 반송시키는데 사용될 수 있고, 제 2 출구(64)는 남아있는 용매 풍부한 제 2 용액을 제 4 챔버(24)로 이동시키는데 사용될 수 있다. 대안적인 구체예에서, 여과 장치(29)는 제 3 챔버(22) 내로 포함될 수 있는데, 이 때 상기 제 3 챔버(22)는 추가의 출구, 남아있는 용매 풍부한 제 2 용액을 제 4 챔버(24)로 이동시키기 위한 하나의 출구, 및 침전된 용질을 배치하거나, 바람직한 구체예에서는 침전된 용질을 제 2 챔버 입구(54)를 통해 제 2 챔버(18)로 반송시키기 위한 다른 출구를 지닐 것이다.
제 4 챔버(24)는 남아있는 용매 풍부한 제 2 용액을 가열하기 위한 가열 장치를 포함할 수 있다. 제 4 챔버(24)는 또한 제 1 출구(66)를 포함하는데, 상기 출구(66)는 구성성분 가스를 배기시키기 위한, 진공, 팬, 또는 다른 공기 흐름 발생 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제 4 챔버(66)의 제 1 출구는 구성성분 가스를 제 2 용질로 재사용하기 위해 제 2 챔버(18)에 대한 입구(54)와 소통된다. 제 2 출구(68)는 최종 용매 생성물, 예컨대 음용수 또는 정제수를 배출시키기 위한 도관으로 작용한다.
임의 물질은, 이 물질이 용액의 중량을 견디고 용액 내 임의 용질과 반응하지 않는 한, 다양한 유지 및/또는 저장 장치(챔버, 용기 및 저장소), 도관, 파이프 및 관련된 장치를 구성시키는데 사용될 수 있다. 전형적인 물질은 비-부식성, 비-반응성 물질, 예컨대 스테인레스 스틸, 플라스틱, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 섬유유리 등이다. 용기는 임의의 적합한 구성을 취할 수 있지만, 전형적으로는 원통형 탱크, 윤곽형성되거나 끼워진(contoured or fitted) 탱크 등일 수 있다. 상기 저장소는 전형적으로 수탑, 원통형 탱크, 윤곽형성되거나 끼워진 탱크 등일 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 챔버가 개별 장치로 도시되어 있지만 본 발명은 이 구성에 제한되는 것이 아니며, 적합한 경우 임의 수의 챔버가 단일 용기 내에 내장, 예를 들어 반투과성 멤브레인(16)에 의해 분리된 2개의 챔버로 분리될 수 있음을 주지하는 것이 중요하다.
가열 및 냉각 장치는 전기 가열기, 냉각 장치, 태양열 집열기 및 열 교환기, 예컨대 당업자에게 널리 공지된 것과 같은 스팀 응축기, 순환기 등일 수 있지만 열 교환기가 바람직하다. 전력 요건을 가질 수 있는, 공정에 사용된 임의의 다른 장치와 함께 가열 및 냉각 장치는, 예시 및 비제한적으로 폐 스팀, 태양열 에너지, 바람 또는 지열 에너지, 및 통상적인 공급원을 포함하는 임의의 다양한 통상적으로 사용된 공급원으로부터 이들의 에너지를 획득할 수 있다.
도 4를 참조하면, 하나 이상의 구체예에 따른 농축 방법이 개시되어 있다. 제 1 용액(1)은 정삼투 멤브레인의 한 면에 노출된다. 제 1 용액이 처리할 폐 스트림을 포함하는 구체예에서, 제 1 용액은 전형적으로 수성이고, 이는 염, 단백질, 촉매, 미생물, 유기 또는 무기 화학물질, 화학적 전구체 또는 생성물, 콜로이드, 또는 다른 구성성분의 용액을 함유한다. 제 1 용액이, 농축되어 회수된 목적하는 표적 종을 함유하는 구체예에서, 제 1 용액은 약제, 염, 효소, 단백질, 촉매, 미생물, 유기 화합물, 무기 화합물, 화학적 전구체, 화학적 생성물, 콜로이드, 식품 생성물 또는 오염물을 포함할 수 있다. 제 1 용액의 멤브레인의 한 면으로의 노출은 다수의 구성에서 이루어질 수 있는데, 이러한 구성 중 2개는 용액 내에 멤브레인을 침지시키는 것, 또는 용액이 멤브레인을 지나게 하는 것이다. 이 용액은 연속적으로, 회분식으로, 1회로 또는 다수회로 용기 또는 배향 수단으로 도입될 수 있다. 제 1 용액(1)의 이러한 입력 스트림은 개략도에는 도시되어 있지 않다.
제 1 용액보다 높은 삼투압을 생성시킬 수 있는, 예를 들어 물, 암모니아, 이산화탄소를 포함하는 종으로 구성된 제 2 용액(2)이, 제 1 용액에 노출된 면에 반대되는 멤브레인의 면에 노출된다. 이러한 노출은 다수의 기술에 의해 성취될 수 있지만, 이 구성에는 제 2 용액 내에 멤브레인을 침지시키는 것(제 1 용액에 대해 침지가 사용되는 경우가 아니더라도) 또는 제 2 용액이 멤브레인 표면을 지나게 하는 것을 포함할 수 있다. 제 1 용액의 종, 예컨대 염, 하전되고/되거나 큰 분자, 미생물 및 미립자 물질의 일부 또는 전부에 대해서는 비투과성이지만 물과 같은 용매는 통과시킬 수 있는 멤브레인은, 물의 플럭스를 멤브레인을 통해 제 1 용액으로부터 제 2 용액으로 유도하기 위해 제 1 용액과 제 2 용액 사이에서 삼투압 차를 생성시킨다. 이 플럭스는 제 2 용액을 현저하게, 부분적으로 또는 대부분 희석시키지는 않고/않거나 제 1 용액을 농축되지 않게 할 수 있다. 공정 사용 의도 및/또는 멤브레인 유형에 따라 다르지만, 제 1 용액의 선택 종 또는 표적 종의 몇몇, 어느 것도, 거의 어느 것도, 또는 어느 하나도 또한 멤브레인을 통과하는 것으로 예상될 수 있다.
용매 풍부한 제 2 용액의 일부는 (스트림 1을 통해) 추출 용질 분리 조작(3), 예컨대 증류 컬럼, 멤브레인 증류 조작 또는 투과증발 조작으로 향하는데, 이에 의해 용매 풍부한 제 2 용액, 예를 들어 암모니아 염의 종을 포함하는 암모니아 및 이산화탄소 용질이, 추출 용질 분리 조작(3)에 열을 추가하고/하거나 상기 및/또는 추출 용질 분리 조작에 의해 생성된 가스에 압력 차를 적용함으로써 제거되게 된다. 이에 의해 스트림(1)의 종 농도가 부분적으로, 실질적으로 또는 완전히 감소되는 용매 스트림(스트림 (2)), 및 스트림(1)로부터 제거된 종을 함유하는 가스 스트림(스트림 (3))이 생성된다. 스트림(3)은 제 2 용액의 특징, 예컨대 부피 또는 농도를 증가, 대체 또는 유지하는데 사용될 것인 제 2 용액을 재구성하도록 고안된 조작으로 향한다. 이 조작은 상기 종, 즉 침전된 제 2 용액의 일부를 용해시키고 이것을 제 2 용액과 혼합시키는 것, 또는 몇몇의 다른 방법을 포함할 수 있는데, 그 결과 (3)에서 제거된 종이 제 2 용액으로 재도입된다. 이러한 재도입은 파선 스트림(4)으로 도시되어 있다. 용액(1)의 거부된 성분은, 물이 이 용액으로부터 제거됨에 따라, 용액(1)으로부터 주기적으로 또는 연속적으로 제거될 수 있다. 이 조작은 침전, 하이드로사이클론 분리, 침전, 강제 구배(예컨대 전기 또는 자기), 블로우다운 또는 다른 장치 조작을 포함할 수 있다. (1)로부터 제거된 성분의 이러한 스트림은 스트림(5)로 도시되어 있다. 몇몇의 구체예에서, 스트림(5)은 목적하는 생성물 스트림일 수 있거나 폐기물로 폐기될 수 있다. 이러한 기술에 의해, 삼투압이 반투과성 멤브레인을 통해 삼투압에 의해 구동된 플럭스에 의해, 예를 들어 약제 화합물, 식품 생성물 또는 용액 중의 다른 목적하는 종으로부터 용매를 분리하거나 정제된 생성물 스트림을 생성시키도록 바람직하지 않은 용질을 제거함에 의해 공정 스트림을 처리함으로써, 용액으로부터 용매를 제거하는데 사용된다.
본 발명의 몇몇 예시적인 구체예를 지금까지 설명하였지만, 상기한 것은 단지 예시를 위한 것이고 비제한적이며 단지 예를 들어 제공된 것임이 당업자에게는 자명해야 한다. 다수의 변경 및 다른 구체예가 당업자에게 자명한 범주 내에 있고, 이들은 모두 본 발명의 범위에 속하는 것으로 고찰된다. 특히, 본원에 제공된 다수 예가 실시된 방법 또는 시스템 요소의 특정 조합을 포함하더라도, 그러한 방법 및 시스템 요소는 동일한 과제를 수행하기 위해 다른 방식으로 조합될 수 있음이 이해되어야 한다.
본원에서 논의된 장치, 시스템 및 방법의 구체예는 응용시에, 첨부되는 도면에 예시되거나 하기 설명에서 제시된 성분의 배열 및 구성에 대한 세부 사항으로 제한되지 않는다. 상기 장치, 시스템 및 방법은 다른 구체예에서 실시될 수 있고, 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 특정 실시에 대한 예들은 본원에서 단지 예시를 목적으로 제공되고 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 구체적응로, 하나 이상의 구체예와 관련되어 논의된 행위, 요소 및 특징들은 임의의 다른 구체예에서의 유사한 역할로부터 배제되지 않는 것으로 의도되지 않는다.
당업자는 본원에 기재된 파라미터 및 구성들이 예시적인 것이고 실제 파라미터 및/또는 구성들은 본 발명의 시스템 및 기술이 사용되는 특정 응용에 따라 달라질 것임을 이해해야 한다. 당업자는 또한 단지 일반적인 실험을 이용하여 본 발명의 특정 구체예에 대한 등가물을 인지하거나 확인할 수 있어야 한다. 따라서, 본원에 기재된 구체예들은 단지 예시로 제공된 것이며, 첨부된 청구범위 및 이의 등가물의 범주내에서 본 발명은 구체적으로 기재된 것 이외의 다른 것들을 실시할 수 있다.
또한, 본 발명이 본원에 기재된 각각의 특징, 시스템, 하위시스템 또는 기술, 및 이러한 본원에 기재된 특징, 시스템, 하위시스템 또는 기술의 둘 이상의 임의 조합에 관한 것이며, 그러한 특징, 시스템, 하위시스템 및 기술들이 상호 불일치되지 않는 경우에 둘 이상의 장치, 시스템, 하위시스템 및/또는 방법의 임의 조합은 청구범위에서 구체화된 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 간주됨이 이해되어야 한다. 단지 한 구체예와 관련하여 논의된 추가 행위, 요소 및 특징들은 다른 구체예에서의 유사한 역할로부터 배제되는 것으로 의도되지 않는다.
본원에서 사용된 구문 및 용어들은 설명을 위한 것이며, 이들은 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 본원에 사용된 용어, "복수개"는 둘 이상의 항목 또는 성분을 칭한다. 용어 "포함하는", "보유하는", "구비하는", "갖는", "함유하는" 및 "관련되는"은, 이들이 상세한 설명 또는 청구범위 등 어디에 있더라도 개방된 말단을 갖는 용어, 즉 "포함하나 이들로 제한되지 않음"을 나타낸다. 따라서, 상기 용어의 사용은 후에 기재된 항목, 및 이의 등가물 및 부가적인 항목을 포함하도록 의도된다. 단지 과도기적인 구문, "구성되는" 및 "본질적으로 구성되는"은 특허청구범위에 대해 각각 폐쇄되거나 반-폐쇄된 과도기적인 구문이다. 청구항 요소를 변경시키기 위해 청구항에서 사용된 "제 1", "제 2", "제 3" 등과 같은 순서 용어의 사용은 단독으로, 방법의 행위가 실시되지만 단지 청구항 요소를 구분하기 위해 동일한 명칭(순서 용어의 사용에 대해서는 제외된)을 갖는 다른 요소로부터의 특정 명칭을 갖는 하나의 청구항 요소를 구분하기 위해 단지 라벨로서 사용되는 다른 또는 임시적인 순서에 대한 한 청구항 요소의 임의의 우선, 선행 또는 순서를 의미하는 것은 아니다.
Claims (24)
- 용매 및 하나 이상의 표적 종(target species)을 포함하는 제 1 용액을 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 도입하는 단계;
제 2 용액을 도입하는 단계로서, 적어도 1:1의 몰비로 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 제 2 용액을 반투과성 멤브레인의 제 2 면 상에 도입함으로써, 반투과성 멤브레인을 가로지르는 제 1 용액의 용매의 일부 또는 전부의 흐름을 촉진하는 반투과성 멤브레인을 가로지르는 삼투 농도 구배를 형성시켜, 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 제 3 용액을 그리고 반투과성 멤브레인의 제 2 면 상에 제 4 용액을 형성시키는, 제 2 용액을 도입하는 단계;
제 4 용액의 일부 또는 전부의 흐름을 분리 조작으로 촉진시켜, 추출 용질(draw solute) 및 용매 스트림을 형성시키는 단계;
추출 용질을 반투과성 멤브레인의 제 2 면으로 반송시키는 단계; 및
제 3 용액으로부터 하나 이상의 표적 종을 회수하는 단계를 포함하는, 정삼투 분리 방법. - 제 1항에 있어서, 제 1 용액이 수용액인, 정삼투 분리 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 1 용액이 약제 또는 식품 등급의 조작으로부터의 스트림을 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 3항에 있어서, 표적 종이 염, 당, 효소, 단백질 또는 미생물을 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 1 용액을 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 도입하는 단계가, 반투과성 멤브레인을 제 1 용액에 침지시키는 것을 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 4항에 있어서, 제 2 용액을 도입하는 단계가, 제 2 용액을 반투과성 멤브레인의 제 2면을 따라 향하게 하는 것을 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 1 용액이 연속적으로 도입되는, 정삼투 분리 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 4 용액의 일부 또는 전부를 분리 조작으로 도입하는 단계가, 제 4 용액의 일부 또는 전부를 증류 컬럼, 멤브레인 증류 시스템 또는 투과증발 시스템으로 도입하는 것을 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 8항에 있어서, 폐열을 분리 조작으로 공급하는 것을 추가로 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 8항에 있어서, 용매 스트림을 처리하는 것을 추가로 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 1항에 있어서, 하나 이상의 표적 종을 회수하는 단계가, 제 3 용액을 침전 용기, 하이드로사이클론(hydrocyclone), 침전기 또는 강제 구배 조작(force gradient operation)으로 도입하는 것을 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 11항에 있어서, 하나 이상의 회수된 표적 종을 추가의 처리 장치로 도입하는 것을 추가로 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 제 12항에 있어서, 하나 이상의 처리된 표적 종을 하류 사용 지점으로 공급하는 것을 추가로 포함하는, 정삼투 분리 방법.
- 용매 및 하나 이상의 구성성분을 포함하는 제 1 용액을 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 도입하는 단계;
농축된 추출 용액을 도입하는 단계로서, 적어도 1:1의 몰비로 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 농축된 추출 용액을 반투과성 멤브레인의 제 2 면 상에 도입하여, 반투과성 멤브레인을 가로질러 삼투 농도 구배를 유지하는, 농축된 추출 용액을 도입하는 단계;
반투과성 멤브레인을 가로지르는 제 1 용액의 용매의 일부 또는 전부의 흐름을 촉진시켜, 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 제 2 용액을, 그리고 반투과성 멤브레인의 제 2 면 상에 희석된 추출 용액을 형성시키는 단계;
추출 용질 및 용매 스트림을 형성시키기 위하여 희석된 추출 용액의 일부 또는 전부를 분리 조작으로 도입하는 단계;
추출 용질을 반투과성 멤브레인의 제 2 면으로 반송시키는 단계; 및
제 2 용액으로부터 하나 이상의 구성성분을 제거하는 단계를 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법. - 제 14항에 있어서, 제 1 용액이 폐수를 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 15항에 있어서, 제 1 용액이 염, 유기물, 현탁된 콜로이드 또는 생물학적 유기체를 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 14항에 있어서, 제 1 용액을 반투과성 멤브레인의 제 1 면 상에 도입하는 단계가, 반투과성 멤브레인을 제 1 용액에 침지시키는 것을 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 14항에 있어서, 농축된 추출 용액을 도입하는 단계가, 농축된 추출 용액을 반투과성 멤브레인의 제 2 면을 따라 향하게 하는 것을 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 14항에 있어서, 제 1 용액이 연속적으로 도입되는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 14항에 있어서, 희석된 추출 용액의 일부 또는 전부를 분리 조작으로 도입하는 단계가, 희석된 추출 용액의 일부 또는 전부를 증류 컬럼, 멤브레인 증류 시스템 또는 투과증발 시스템으로 도입하는 것을 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 20항에 있어서, 폐열을 분리 조작으로 공급하는 것을 추가로 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 14항에 있어서, 용매 스트림을 처리하는 것을 추가로 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 14항에 있어서, 하나 이상의 바람직하지 않은 구성성분을 제거하는 단계가, 제 2 용액을 침전 용기, 하이드로사이클론, 또는 블로우다운(blowdown) 조작으로 도입하는 것을 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
- 제 23항에 있어서, 하나 이상의 바람직하지 않은 구성성분을 추가 처리 조작으로 도입하는 것을 추가로 포함하는, 정삼투 폐기물 처리 방법.
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