KR101787181B1 - 담수화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

담수화 시스템이 제공된다. 담수화 시스템은 담수화 장치를 포함한다. 담수화 장치는 제 1 전극 및 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되어 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 1 그룹을 형성하는 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 1 그룹을 포함한다. 제 1 채널은 담수화를 위한 제 1 스트림을 수용하도록 구성되며, 제 2 채널은 제 2 스트림을 수용하여 제 1 스트림으로부터 제거된 이온을 운반하도록 구성된다. 담수화 장치는 인접한 이온 교환막의 각각의 짝 사이 및 제 1 전극 및 제 2 전극과 개개의 이온 교환막 사이에 배치된 다수의 스페이서를 더 포함한다. 여기서, 제 1 그룹내의 각각의 이온 교환막은 양이온 교환막이다. 수성 스트림 영역으로부터 이온을 제거하기 위한 담수화 시스템 및 방법도 또한 제공된다.

Description

담수화 시스템 및 방법{DESALINATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 일반적으로는 순수한 물 생산을 위한 담수화 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고순도의 물 생산을 위한 경도 이온(hardness ion) 제거용의 이온 교환막을 사용하는 담수화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
고순도의 물은 발전소의 고압 보일러, 반도체 소자의 생산, 인쇄회로기판의 생산, 집적회로의 생산, 및 의료용 분사수(injection water)의 생산과 같은 많은 산업 공정에서 널리 사용된다.
전형적으로, 연속 작동 및 안정하고 비교적 고품질의 물 제품으로 인하여, 전기 탈이온화(electrodeionization)(EDI) 장치는 예를 들면 순수한 물의 생산을 위한 액체 스트림을 처리하는데 사용되어 왔다. 일반적으로, EDI 장치는 액체 스트림을 처리하기 위하여 내부에 이온 교환 수지가 충진된 통상의 전기투석 시스템을 사용한다. 그러나, 작동하는 도중에, 고농도의 다가 양이온이 스케일링 성향을 유발할 수 있기 때문에, EDI 장치는 처리할 액체 스트림에 대해 경도 허용오차(hardness tolerance)를 갖는다. 예를 들면, EDI 장치의 경도 허용오차는 약 1ppm 미만으로, 액체 스트림이 EDI 장치내로 도입되기 전에 그 안의 경도를 감소시키기 위하여 액체 스트림의 엄격한 전처리를 필요로 할 수 있다.
액체 스트림을 전처리하여 그 안의 경도를 감소시키려는 시도가 있어 왔다. 예를 들면, 역삼투압(RO) 장치(reversal osmosis (RO) apparatus)가 사용된다. 그러나, 역삼투 장치의 처리 효율은 EDI 장치에 적합한 특정 수준으로 액체 스트림내의 경도를 감소시키기에는 비교적 낮을 수 있다. 결과적으로, 처리 비용이 그에 따라 증가될 수 있다.
따라서, 고순도의 물 생산을 위하여 경도 이온을 제거하기 위한 새롭고 개선된 담수화 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 하나의 실시태양에 따라 담수화 시스템이 제공된다. 담수화 시스템은 담수화 장치를 포함한다. 담수화 장치는 제 1 및 제 2 전극, 및 교대하는 제 1 및 제 2 채널의 제 1 그룹을 형성하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 배치된 쌍을 이룬 이온 교환막(paired ion exchange membranes)의 제 1 그룹을 포함한다. 제 1 채널은 담수화를 위한 제 1 스트림을 수용하도록 구성되며, 제 2 채널은 제 2 스트림을 수용하여 제 1 스트림으로부터 제거된 이온을 운반하도록 구성된다. 담수화 장치는 또한 인접한 이온 교환막의 각각의 쌍 사이 및 제 1 및 제 2 전극과 개개의 이온 교환막 사이에 배치된 다수의 스페이서(spacer)를 더 포함한다. 여기서, 제 1 그룹내의 각각의 이온 교환막은 양이온 교환막이다.
본 발명의 다른 실시태양에 따라 담수화 시스템이 제공된다. 담수화 시스템은 수성 스트림으로부터 경도 이온을 제거하도록 구성된 담수화 장치를 포함한다. 담수화 장치는 제 1 및 제 2 전극, 및 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 배치되어 교대하는 제 1 및 제 2 채널의 제 1 그룹을 형성하여 경도 이온의 제거를 위한 제 1 공급 스트림 및 상기 제 1 공급 스트림으로부터 제거된 경도 이온을 운반하기 위한 제 2 공급 스트림을 각각 수용하는 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 1 그룹을 포함한다. 담수화 장치는 또한 상기 이온 교환막의 제 1 그룹과 상기 제 1 및 제 2 전극중의 적어도 하나의 전극 사이에 배치되어 교대하는 제 1 및 제 2 채널의 제 2 그룹을 형성하는 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 2 그룹, 및 인접한 이온 교환막의 각각의 쌍 사이 및 상기 제 1 및 제 2 전극과 개개의 이온 교환막 사이에 배치된 다수의 스페이서를 더 포함한다. 여기서, 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 1 그룹내의 각각의 이온 교환막은 양이온 교환막이며, 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 2 그룹은 다수의 교대하는 양이온 및 음이온 교환막을 포함한다.
본 발명의 실시태양은 또한 수성 스트림으로부터 이온을 제거하는 방법을 더 제공한다. 이러한 방법은 담수화 장치의 쌍을 이룬 양이온 교환막의 제 1 그룹에 의해 한정되는 교대하는 제 1 및 제 2 채널의 제 1 그룹의 제 1 채널을 통하여 제 1 공급 스트림을 통과시켜 제 1 배출 스트림(output stream)을 생산하는 단계, 및 이온을 제거하기 위한 담수화 장치의 쌍을 이룬 양이온 교환막의 제 1 그룹에 의해 한정되는 교대하는 제 1 및 제 2 채널의 제 1 그룹의 제 2 채널을 통하여 제 2 공급 스트림을 통과시켜 상기 제 1 공급 스트림으로부터 제거된 이온을 운반하는 단계를 포함한다.
이들 및 다른 장점들 및 특징들은 첨부된 도면과 관련하여 제공되는 본 발명의 바람직한 실시태양의 하기 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 시스템의 개략도이고;
도 2 는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 장치의 개략도이고;
도 3 은 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 장치의 경도 이온 제거 효율을 예시하는 실험 그래프이며;
도 4 는 본 발명의 다른 실시태양에 따른 담수화 시스템의 개략도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시태양을 기술할 것이다. 하기 설명에서, 잘 알려진 기능 또는 구성은 불필요한 세부사항이 개시내용을 불명료하게 하는 것을 피하기 위하여 상세히 설명하지 않는다.
도 1 은 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 시스템(10)의 개략도이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 담수화 시스템(10)은 담수화 장치(11) 및 상기 담수화 장치(11)와 유체 연통하는 전기 탈이온화(EDI) 장치(12)를 포함한다.
일부 실시태양에서, 담수화 장치(11)는 담수화를 위한 (도시되지 않은) 제 1 액체 소스로부터 염 또는 다른 불순물을 갖는 제 1 공급 스트림(13)을 수용하고, 상기 제 1 공급 스트림(13)의 담수화 도중 또는 이후에 (도시되지 않은) 제 2 액체 소스로부터 제 2 공급 스트림(14)을 수용하도록 배치됨으로써 충전된 종 또는 상기 제 1 공급 스트림(13)으로부터 제거된 표적 이온이 상기 담수화 장치(11) 밖으로 운반되도록 구성된다.
비제한적 예에서, 제 1 공급 스트림(13)중의 염은 나트륨(Na+), 염소(Cl-), 마그네슘(Mg2 +) 및/또는 칼슘(Ca2 +)을 포함한 경도 이온, 및/또는 기타 다른 이온과 같은 하전된 이온을 포함할 수 있다. 일례에서, 제 1 공급 스트림(13)중의 하전된 이온은 최소한 경도 이온의 일부분과 같은 표적 이온을 포함할 수 있다.
따라서, 담수화 장치(11)의 담수화로 인하여, 제 1 공급 스트림(13)중의 경도 이온을 포함하는 하전된 이온 또는 표적 이온의 적어도 일부분이 제거될 수 있다. 결과적으로, 제 1 배출 스트림(15)이 생성된 다음, 추가 처리를 위하여 EDI 장치(12)내로 도입될 수 있으며, 이는 희석 액체일 수 있으며 제 1 공급 스트림(13)과 비교하였을 때 더 낮은 농도의 하전된 종, 예를 들면 경도 이온을 가질 수 있다. 한편, 제 2 배출 스트림(16)(농축 스트림)도 또한 생성되는데, 이는 제 2 공급 스트림(14)보다 더 높은 농도의 하전된 종, 예를 들면 경도 이온을 갖는다.
일부 용도에서, 제 1 배출 스트림(15)은 EDI 장치(12)내로 도입되기 전에 담수화 장치(11)내로 순환되거나 또는 추가적인 처리를 위한 역삼투 장치와 같은 다른 적합한 담수화 장치내로 도입되어 그 안에 존재하는 하전된 이온이 제거될 수 있다. 특정 용도에서, EDI 장치는 다른 용도에 기초하여 사용되거나 사용되지 않을 수 있다.
본원에서 사용되는 "EDI"란 용어는 이온 교환막 및 이온 교환 수지를 사용하여 물 또는 다른 유체로부터 표적 이온 또는 하전된 종을 제거함으로써 고순도의 물, 예를 들면, 순수하거나 초고순도의 물을 생산하는 전기화학적 정제 공정을 의미한다.
비제한적 예에서, EDI 장치(12)는 각각 애노드 및 캐소드로서 작용하도록 구성된 한 쌍의 전극을 포함한다. 다수의 교대하는 음이온 및 양이온 교환막이 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 그들 사이에서 또한 작동 조건하에서 희석 채널 및 농축 채널(dilute and concentrate channel)로도 지칭되는 다수의 교대하는 제 1 및 제 2 채널을 형성한다. 다수의 스페이서가 각 쌍의 막 사이 및 전극과 개개의 인접한 막 사이에 배치되며, 이는 전기투석(electrodialysis)(ED) 장치의 구조와 유사할 수 있다. 이와 유사하게, 음이온 교환막(들)은 음이온이 통과할 수 있도록 구성된다. 양이온 교환막(들)은 양이온이 통과할 수 있도록 구성된다.
또한, 다른 용도에 기초하여, 인접한 이온 교환막 사이의 전도도 및 물의 전기화학적 분열을 향상시키는 이온의 수송을 촉진하기 위하여 이온 교환수지가 제 1 채널 또는 제 2 채널내에 충진될 수 있다. 비제한적 예에서, 이온 교환수지는 제 1 (희석) 채널내에 충진될 수 있다.
일부 배열의 경우, EDI 장치(12)의 전극들은 서로 평행하게 배치되어 적층 구조를 형성할 수 있는 플레이트의 형태일 수 있다. 다른 방법으로, 전극들은 다양한 구조로 배열될 수 있다. 예를 들면, 전극들은 그들 사이에 나선형의 연속 공간을 두고 동심형으로 배치될 수 있다. 일부 용도에서, 전극들은 전기전도성 물질을 포함할 수 있다. 스페이서는 막과 다공성 및 비다공성 물질을 포함한 특정의 이온-투과성 전자 비전도성 물질(electronically nonconductive material)을 포함할 수 있다.
비제한적 예에서, 캐소드는 스테인레스강을 포함할 수 있다. 애노드는 산화이리듐 또는 백금 코팅된 티타늄을 포함할 수 있다. 음이온 교환막은 4차 아민기를 포함하는 중합체성 물질을 포함할 수 있다. 양이온 교환막은 설폰산기 및/또는 카복실산기를 포함하는 중합체성 물질을 포함할 수 있다. 이온 교환 수지는 가교결합된 폴리스티렌 또는 다른 적합한 물질을 포함할 수 있다.
따라서, 작동하는 도중, EDI 장치(12)에 전류가 인가된다. 담수화 장치(11)로부터의 제 1 배출 스트림(15)은 내부에 존재하는 경도 이온과 같은 표적 이온을 추가로 제거하기 위한 이온 교환 수지로 충진된 희석 채널내로 도입됨으로써 더 고품질을 갖는 생성물 유체(17)가 생성된다. (도시되지 않은) 액체 소스로부터의 제 3 스트림(18)은 농축 채널내로 도입되어 개개의 희석 채널로부터 제거된 표적 이온을 EDI 장치(12) 밖으로 운반함으로써 농축 유체(19)가 생성된다. 특정 용도에서, 생성물 유체(17)는 추가 처리를 위하여 EDI 장치(12)내로 순환될 수 있다.
한편, 제 1 채널내의 이온 교환 수지내에서 물 분열반응(water splitting reaction)이 일어나 연속 작동을 촉진시키기 위한 이온 교환 수지를 재생시키는 H+ 및 OH- 가 생성된다. (도시되지 않은) 전해질 스트림은 전극의 표면을 통과하여 작동 중에 발생된 수소 및 염소와 같은 가스를 제거함으로써 전극을 보호할 수 있다.
일반적으로, EDI 장치(12)는 내부에 존재하는 처리될 액체에 대한 경도 허용오차를 갖는다. 예를 들면, EDI 장치의 경도 허용오차는 약 1ppm 미만일 수 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 처리 도중에 액체중의 경도를 EDI 장치(12)내에서의 스케일링 또는 오염 성향을 완화시키거나 피하기에 적합한 수준으로 감소시키기 위하여, 담수화 장치(11)를 사용하여 제 1 공급 스트림(13)을 전처리함으로써 경도 이온(이로 국한되는 것은 아니다)을 포함한 적합한 수준의 표적 이온을 갖는 제 1 배출 스트림(15)을 생성시킨다.
도 2 는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 장치(11)의 개략도를 나타낸다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 담수화 장치(11)는 제 1 전극(20), 제 2 전극(21), 다수의 양이온 교환막(22) 및 다수의 스페이서(23)를 포함한다. 도시된 예에서, 제 1 및 제 2 전극(20, 21)은 (도시되지 않은) 전원의 양극 단자 및 음극 단자에 접속됨으로써 각각 애노드 및 캐소드로서 작용한다. 다른 방법으로, 다수의 제 1 및 제 2 전극(20, 21)의 극성은 반전될 수도 있다.
일부 예에서, 제 1 및 제 2 전극(20, 21)은 티타늄 플레이트 또는 백금 코팅된 티타늄 플레이트와 같은 다른 형상을 가진 금속 물질을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 제 1 및 제 2 전극(20, 21)은 열전도성이거나 아닐 수 있고 작은 크기와 큰 표면적을 가진 입자를 가질 수 있는 전기전도성 물질을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 전기전도성 물질은 하나 이상의 탄소 물질을 포함할 수 있다. 탄소 물질의 비제한적 예로는 활성탄 입자, 다공성 탄소 입자, 탄소섬유, 탄소 에어로겔, 다공성 메조탄소 마이크로비드(porous mesocarbon microbead), 또는 이들의 조합을 포함한다. 다른 예에서, 전기전도성 물질은 망간 또는 철, 또는 이들 둘 모두의 산화물, 또는 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 텅스텐, 또는 이들의 조합의 탄화물과 같은 전도성 복합체를 포함할 수 있다.
도시된 예에서, 제 1 및 제 2 전극(20, 21)은 서로 평행하게 배치되어 적층 구조를 형성하는 플레이트의 형태이다. 다른 예에서, 제 1 및 제 2 전극(20, 21)은 시트, 블록, 또는 실린더와 같은 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극(20, 21)은 다양한 구조로 배열될 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 전극(20, 21)은 그들 사이에 나선형의 연속 공간을 두고 동심형으로 배치될 수 있다.
양이온 교환막(22)은 양이온이 통과할 수 있도록 구성되며, 제 1 및 제 2 전극(20, 21) 사이에 배치됨으로써 또한 작동 조건하에서 각각 희석 채널 및 농축 채널로도 지칭되는, 그들 사이에서 다수의 교대하는 제 1 및 제 2 채널(24, 25)을 형성한다. 도시된 예에서, 4개의 양이온 교환막(22)이 사용되어 교대로 배치된 하나의 제 1 채널(24) 및 2개의 제 2 채널(25)을 형성한다. 다른 방법으로, 적어도 3개의 양이온 교환막(22)이 사용됨으로써 제 1 및 제 2 전극(20, 21) 사이에 하나 이상의 제 1 채널 및 하나 이상의 제 2 채널을 형성할 수 있다.
일부 용도에서, 양이온 교환막(22)은 1가 음이온 뿐만 아니라 다가 음이온들도 통과할 수 있도록 구성된 정상 양이온 교환막을 포함할 수 있다. 특정 용도에서, 서로 다른 용도에 기초하여, 예를 들면, 1가 양이온을 제거하는 경우, 담수화 장치(11)는 하나 이상의 1가 양이온 교환막을 포함할 수 있다. 따라서, 정상 양이온 교환막 및 1가 양이온 교환막이 교대로 배치되어 경도 이온의 제거를 용이하게 할 수 있다. 정상 양이온 교환막에서 사용하기에 적합한 물질의 비제한적 예는 양이온의 전송을 위한 설폰산기 및/또는 카복실산기를 포함하는 중합체성 물질을 포함한다.
스페이서(23)는 2개의 인접한 이온 교환막(22)의 각각의 쌍 사이 및 제 1 및 제 2 전극(20, 21)과 개개의 인접한 막(22) 사이에 배치된다. 일부 실시태양에서, 스페이서(23)는 막 및 다공성 및 비다공성 물질을 포함한 특정의 이온-투과성 전자 비전도성 물질을 포함할 수 있다.
따라서, 작동하는 도중, 담수화 장치(11)가 정상 극성 상태에 있는 경우, 전류가 담수화 장치(11)에 인가되는 동안 제 1 및 제 2 스트림(13, 14)이 제 1 채널(24) 및 제 2 채널(25)내로 각각 도입된다. 특정 용도에서, 제 1 및 제 2 스트림(13, 14)은 동시에 담수화 장치(11)내로 도입되거나 도입되지 않을 수 있다.
제 1 및 제 2 스트림(13, 14)이 개개의 희석 및 농축 채널(24, 25)을 통과하는 도중, 양이온 교환막(22)의 존재로 인하여, 희석 채널(24)내에서, 제 1 공급 스트림(13)내의 Mg2 + 및 Ca2 + 과 같은 표적 양이온 및 Na+ 와 같은 다른 양이온의 적어도 일부는 개개의 양이온 교환막(22)을 통하여 애노드(20) 쪽으로 이동하여 농축 채널(25)내로 유입된다. 제 1 공급 스트림(13)내의 Cl- 와 같은 음이온은 개개의 음이온 교환막을 통하여 이동하지 않고 희석 채널(24)내에 잔류할 수 있다.
농축 채널(25)에서, 제 2 공급 스트림(14)내의 Cl- 와 같은 음이온은 음이온 교환막(22)을 통하여 이동하지 않고 그 안에 잔류할 수 있다. 특정 용도에서, 희석 채널(24)내의 제 1 공급 스트림(13)으로부터 농축 채널(25)내로 이동된 Mg2 + 및 Ca2 + 과 같은 제거된 표적 양이온 및 Na+ 와 같은 다른 양이온의 일부는 작동하는 도중에 양이온 교환막(22)을 통하여 추가로 이동하여 개개의 인접한 농축 채널(25)로부터 희석 채널(들)(24)내로 유입될 수 있다.
비제한적 예에서, 제거된 표적 이온의 적어도 일부가 희석 채널(들)(24)로부터 농축 채널(25)내로 이동하여 희석 채널(24)내로 유입됨으로써 다시 제 1 공급 스트림(13)내로 유입되는 것을 방지하기 위하여, (Na+-풍부 스트림으로 지칭되는) 제 2 공급 스트림(14)은 Na+ 와 같은 활성 1가 양이온을 포함할 수 있으며, 이는 작동하는 도중에 양이온이 농축 채널(25)에서 개개의 희석 채널(24)로 이동할 때 희석 채널(24)로부터 농축 채널(25)내로 이동된 표적 이온보다도 이온 전류의 적어도 더 많은 부분을 운반할 수 있다.
비제한적 예에서, 활성 1가 양이온의 농도는 개개의 농축 채널(25)내의 제거된 표적 이온의 농도보다 더 클 수 있다. 일부 예에서, 활성 1가 이온의 이온 이동도는 농축 채널(25)로부터 개개의 희석 채널(24)로 이동할 때 개개의 농축 채널(25)내의 제거된 표적 이온의 이온 이동도보다 더 클 수 있다. 다른 예에서, 제 2 공급 스트림(14)내의 활성 1가 양이온의 양은 농축 채널(25)로부터 개개의 희석 채널(24)로 이동할 때 농축 채널(25)내의 제거된 표적 이온의 양보다 더 많을 수 있다.
결과적으로, 농축 채널(25)내의 제 2 공급 스트림(14)내의 활성 1가 양이온의 적어도 더 많은 부분이 양이온 교환막(22)을 통하여 이동하여 인접한 희석 채널(24)내로 유입될 수 있다. 따라서, 작동하는 도중에, 제 2 공급 스트림(14)내의 활성 1가 양이온이 작동하는 도중에 농축 채널(25)로부터 개개의 희석 채널(24)로 연속적으로 이동할 때 농축 채널(25)내의 제거된 표적 이온보다 이온 전류의 적어도 더 많은 부분을 운반할 수 있기 때문에, 희석 채널(24)로부터 농축 채널(25)로 이동된 제거된 표적 이온의 적어도 더 많은 부분이 양이온 교환막(22)을 통하여 이동하여 희석 채널(24)내로 추가로 유입되지 않고 개개의 농축 채널(25)내에 잔류함으로써 제 1 공급 스트림(13)으로부터 제거된 표적 이온의 효율을 증가시킬 수 있다.
일부 배열의 경우, 농축 채널(25)로부터 희석 채널(24)내로 이동할 때 제 2 공급 스트림(14)내의 활성 1가 양이온에 의해 운반되는 이온 전류를 증가시키기 위하여, 도 1 에 도시된 바와 같이, 담수화 시스템(10)은 제 2 공급 스트림(14)과 유체 연통되어 제 2 공급 스트림(14)내의 활성 1가 음이온에 의해 운반되는 이온 전류가 농축 채널(25)로부터 개개의 희석 채널(24)로 이동할 때 농축 채널(25)내의 표적 이온에 의해 운반되는 이온 전류보다 더 크게 하는 것을 가능하게 하는 이온 조정 유닛(ion adjustment unit )(26)을 더 포함할 수 있다. 비제한적 예에서, 활성 1가 양이온은 Na+, K+ 또는 H+ 을 포함할 수 있다. 일례에서, 이온 조정 유닛(26)은 염화나트륨 용액을 제 2 공급 스트림(14)내로 도입하여 나트륨 이온(Na+)과 같은 활성 1가 이온의 농도를 증가시킨다. 특정 용도에서, 이온 조정 유닛(26)은 사용되거나 사용되지 않을 수 있다.
따라서, 도 2 에 도시된 바와 같이, 작동하는 도중에, 제 2 공급 스트림(14)은 농축 채널(25)을 통과하여 희석 채널(24)로부터 이동된 경도 이온과 같은 제거된 표적 음이온의 적어도 일부를 담수화 장치(11)의 밖으로 운반하며, 그 결과 적합한 수준의 경도 이온을 갖는 제 1 배출 스트림(15)이 이어서 추가 처리를 위하여 EDI 장치(12)내로 도입된다.
일부 예에서, 담수화 장치(11)의 제 1 및 제 2 전극(20, 21)의 극성은 반전될 수 있다. 반전된 극성 상태에서, 정상 극성 상태에서의 희석 채널(24)은 농축 채널로서 작용하여 제 2 공급 스트림(14)을 수용하며, 정상 극성 상태에서의 농축 채널(25)은 희석 채널로서 작용하여 담수화를 위한, 예를 들면, 제 1 공급 스트림(13)내의 경도 이온을 제거하고 담수화 장치(11)내의 음이온 및 양이온의 오염 성향을 완화시키기 위한 제 1 공급 스트림(13)을 수용할 수 있다.
도 2 에서의 배열은 단지 예시적인 것임을 알아야 한다. 일부 용도에서, 담수화 장치(11)는 상이한 활성 양이온을 사용하여 상이한 표적 이온을 제거하는데 사용될 수 있다. 도시된 예에서, 제거될 표적 이온은 적어도 경도 이온을 포함하며, 제 2 공급 스트림(14)내의 활성 이온은 Na+ 를 포함한다. 다른 예에서, 활성 이온은 K+ 및 H+ 를 포함할 수 있지만, 그들로 국한되는 것은 아니다.
도 3 은 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 장치(11)의 경도 이온 제거 효율을 예시하는 실험 그래프이다. 이러한 실험 예에서, 담수화 장치(11)는 9개의 양이온 교환막(22)을 포함한다. 담수화 장치(11)상의 DC 전압은 약 5 볼트(V)이다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 담수화 장치(11)내에서 약 50분 동안 연속 처리하는 도중에, 약 13ppm의 경도를 갖는 제 1 공급 스트림(13)이 처리되어 약 3ppm의 경도를 갖는 제 1 배출 스트림(생성물 스트림)(15)이 생성된다.
따라서, 약 77%의 경도 이온이 제 1 공급 스트림으로부터 제거되며, 생성물 스트림(15)의 경도는 작동하는 도중에 대략 3ppm을 유지하는데, 이는 담수화 장치(11)가 비교적 높고 안정한 경도 이온의 제거 효율을 갖는 것을 나타낼 수 있다.
도 1 에 도시된 예에서, 담수화 장치(11) 및 EDI 장치(12)는 별도로 배치된다. 다른 예에서, 도 4 에 도시되어 있는 바와 같이, 담수화 시스템(10)의 담수화 장치(11) 및 EDI 장치(12)는 공통 캐소드 및 공통 애노드를 사용하여 일체형으로 배치하여 하나의 담수화 장치(30)로서 작용할 수 있다. 도 1, 도 2 및 도 4에서 동일한 번호는 유사한 요소를 나타낼 수 있다. 쉽게 설명하기 위하여, 일부 요소, 예를 들면 이온교환 수지는 도 4 의 배열에 도시되어 있지 않다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 담수화 장치(30)는 제 1 전극(31), 제 2 전극(32), 다수의 이온 교환막(38, 39, 40), 및 다수의 스페이서들(33)을 포함한다. 도시된 예에서, 제 1 및 제 2 전극(31, 32)은 (도시되지 않은) 전원의 양극 및 음극 단자에 접속됨으로써 각각 애노드 및 캐소드로서 작용한다.
일부 용도에서, 제 1 및 제 2 전극(31, 32)은 전기전도성 물질을 포함할 수 있다. 비제한적 예에서, 캐소드는 스테인레스강을 포함할 수 있다. 애노드는 산화이리듐 또는 백금 코팅된 티타늄을 포함할 수 있다. 일부 배열의 경우, 제 1 및 제 2 전극(31, 32)은 서로 평행하게 배치되어 적층 구조를 형성하는 플레이트의 형태일 수 있다. 다른 방법으로, 전극들은 다양한 구조로 배열될 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 전극(31, 32)은 그들 사이에 나선형의 연속 공간을 두고 동심형으로 배치될 수 있다.
도시된 예에서, 이온 교환막은 제 1 및 제 2 전극(31, 32) 사이에 배치되는 제 1 및 제 2 그룹(36, 37)으로 분할되어 그들 사이에서 각각 작동조건하에 희석 채널 및 농축 채널의 제 1 및 제 2 그룹으로도 지칭되는 교대하는 제 1 및 제 2 채널(34-35)의 제 1 그룹 및 교대하는 제 1 및 제 2 채널(34'-35')의 제 2 그룹을 형성한다. 비제한적 예에서, 교대하는 제 1 및 제 2 채널의 제 1 및 제 2 그룹은 각각 다수의 교대하는 제 1 및 제 2 채널을 포함할 수 있다.
제 2 그룹(37)은 제 1 그룹(36)과 제 1 전극(31) 사이에 배치됨으로써 추가 처리시에 제 1 그룹(36)에서 제 1 및 제 2 채널(34'-35')의 제 2 그룹의 제 1 채널(34')이 제 1 및 제 2 채널(34-35)의 제 1 그룹의 제 1 채널(34)로부터의 액체를 수용하도록 구성된다. 하나의 농축 채널(35)이 제 1 및 제 2 그룹(36, 37) 사이에서 형성된다. 다른 방법으로, 제 2 그룹(37)은 제 1 그룹(36)과 제 2 전극(32) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 그룹(36)의 이온 교환막은 각각 양이온성 이온 교환막(38)을 포함한다. 제 2 그룹(37)은 다수의 교대하는 양이온 및 음이온 교환막(39, 40)을 포함함으로써 교대하는 희석 및 농축 채널(34', 35')의 제 2 그룹을 형성한다.
일부 예에서, 제 1 그룹(36)의 양이온 교환막(38)은 각각 도 2 에서의 양이온 교환막(22)의 물질과 유사한 물질을 포함할 수 있다. 제 2 그룹(37)의 양이온 및 음이온 교환막(39, 40)의 비제한적 예로는 전기 탈이온화(EDI) 장치(12)내의 개개의 양이온 및 음이온 교환막과 유사한 물질을 포함한다.
특정 용도에서, 작동하는 도중, 더 높은 압력차를 견디어 내도록 제 1 그룹(36)에 인접하여 배치되는 제 2 그룹(37)의 이온 교환막, 예를 들면, 음이온 교환막(40)을 보호하기 위하여, 제 1 그룹(36)에 인접한 음이온 교환막(40)의 두께는 제 1 및 제 2 그룹(36, 37)내의 개개의 전극(31, 32)에 인접하지 않은 다른 이온 교환막의 두께보다 더 두꺼울 수 있다. 비제한적 예에서, 제 1 그룹(36)에 인접한 음이온 교환막(40)의 두께는 1mm 내지 3mm 의 범위, 예를 들면 2mm 일 수 있다. 다른 예에서, 개개의 제 1 및 제 2 전극(31, 32)에 인접한 막도 또한 더 두꺼운 두께, 예를 들면 1mm 내지 3mm 범위의 두께, 예를 들면 2mm 의 두께를 가질 수 있다.
스페이서(33)는 인접한 이온 교환막의 각 쌍의 사이, 및 제 1 및 제 2 전극(31, 32)과 개개의 인접한 막(38, 39) 사이에 배치된다. 일부 실시태양에서, 스페이서(33)는 또한 막 및 다공성 및 비다공성 물질을 포함한 특정의 이온-투과성 전자 비전도성 물질을 포함할 수도 있다.
따라서, 도 2 에서의 배열과 유사하게, 작동하는 도중, 전기 전류가 담수화 장치(30)에 인가되는 동안에 제 1 공급 스트림(13)과 같은 액체가 제 1 (희석) 채널(34)내로 도입된다. 제 2 공급 스트림(14)은 각각 제 1 그룹(36)에서 및 제 1 및 제 2 그룹(36, 37) 사이에서 제 2 (농축) 채널(35)내로 도입된다. 결과적으로, 이로 국한되는 것은 아니지만, 경도 이온을 포함한 표적 이온의 적어도 일부분이 제 1 공급 스트림(13)으로부터 제거되어 제 1 배출 스트림(희석 스트림)(15)이 생성될 수 있다. 제 2 공급 스트림(14)은 제 1 공급 스트림(13)으로부터 제거된 표적 이온의 적어도 일부분을 제 1 공급 스트림(13)의 담수화 도중 또는 그 이후에 담수화 장치(30) 밖으로 운반하여 제 2 배출 스트림(농축 스트림)(16)을 생성한다.
이어서, 도 1 에 도시된 EDI 장치(12)와 유사하게, 제 1 그룹(36)으로부터의 제 1 배출 스트림(15)이 표적 이온을 추가로 제거하기 위한 제 2 그룹(37)의 (도시되지 않은) 이온 교환 수지로 충진된 희석 채널(34')내로 도입됨으로써 고품질의 생성물 유체(17)가 생성된다. 한편, 이온 교환 수지의 재생을 위한 희석 채널(34')내의 이온 교환 수지내에서 물 분해 반응이 일어난다. (도시되지 않은) 액체 소스로부터의 제 3 스트림(18)이 제 2 그룹(37)의 농축 채널(35')내로 도입되어 개개의 희석 채널(34')로부터 제거된 이온을 담수화 장치(30) 밖으로 운반함으로써 농축 유체(19)가 생성된다.
도 4 의 배열은 단지 예시적인 것임을 알아야 한다. 도시된 예에서, EDI 장치(12)는 도 1 에 도시된 담수화 장치(11)와 통합된다. 다른 방법으로, 전기투석(ED) 장치 또는 전기투석 반전(EDR) 장치와 같은 다른 담수화 장치도 또한 공통 캐소드 및 공통 애노드를 사용하여 담수화 장치(11)와 통합하여 배치될 수 있다. 유사하게, 경도 이온을 포함한 다른 표적 이온도 또한 제거될 수 있지만, 그로 국한되는 것은 아니다. 일부 예에서, 제 1 및 제 2 전극(31, 32)의 극성도 또한 반전될 수 있다.
본 발명의 실시태양에서, 담수화 장치(11)는 양이온 교환막을 사용하여 그 안의 경도 이온과 같은 표적 이온을 제거하기 위한 액체를 처리하는데, 이는 안정하고 비교적 높은 제거 효율을 갖는다. 결과적으로, 적합한 농도 수준의 표적 이온을 갖는 액체가 추가 처리를 위한 EDI 장치내로 도입되는 경우, 스케일링 또는 오염 문제를 피하거나 완화시킴으로써 EDI 장치가 연속적이고 안정한 작동을 지속할 수 있다. 또한, 담수화 장치(11)는 EDI 장치 또는 액체의 처리를 위한 시스템의 유연성을 개선하는 다른 담수화 장치와 별도로 또는 통합되어 배치될 수 있다.
본 발명의 개시내용이 대표적인 실시태양에서 예시되고 설명되었지만, 본 발명의 진의를 벗어나지 않고서도 다양한 변형 및 치환이 이루어질 수 있기 때문에 도시된 세부사항으로 국한되는 것은 아니다. 이와 같이, 당업자들은 단지 통상적인 실험을 이용하여 본원에 개시된 개시내용의 추가적인 변형 및 등가물을 생각할 수 있으며, 모든 이러한 변형 및 등가물은 하기 특허청구의 범위에 의해 정의되는 개시내용의 진의 및 범주내에 속하는 것으로 여겨진다.

Claims (20)

  1. 담수화 장치를 포함하는 담수화 시스템으로서, 상기 담수화 장치가,
    제 1 전극 및 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 배치되어, 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 1 그룹을 형성하되, 상기 제 1 채널은 담수화를 위한 제 1 공급 스트림을 수용하도록 구성되고 상기 제 2 채널은 제 2 공급 스트림을 수용하여 상기 제 1 공급 스트림으로부터 제거된 이온을 운반하도록 구성된, 쌍을 이룬 이온 교환막(paired ion exchange membranes)의 제 1 그룹; 및
    인접한 이온 교환막의 각각의 쌍 사이 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 개개의 이온 교환막 사이에 배치된 다수의 스페이서
    를 포함하되,
    상기 제 1 그룹내의 각각의 이온 교환막이 양이온 교환막이고, 상기 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 1 그룹내의 양이온 교환막이, 교대하는 정상(normal) 양이온 교환막 및 1가 양이온 교환막을 포함하고,
    상기 담수화 장치가, 이온 교환막의 제 1 그룹과 제 1 전극 및 제 2 전극중의 적어도 하나의 전극 사이에 배치되어, 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 2 그룹을 형성하는, 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 2 그룹을 더 포함하되, 상기 이온 교환막의 제 2 그룹이 다수의 교대하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함하고,
    상기 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 2 그룹의 제 1 채널이, 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 1 그룹의 제 1 채널로부터 액체를 수용하도록 구성된, 담수화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 담수화 장치와 유체 연통하고 제 2 공급 스트림내의 1가 이온의 양을 증가시키도록 구성된 이온 조정 유닛을 더 포함하는 담수화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이온 조정 유닛이, 염화나트륨 용액을 제 2 공급 스트림내로 도입하여 1가 이온의 양을 증가시키도록 구성된, 담수화 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 담수화 장치가 제 1 공급 스트림내의 경도 이온(hardness ion)의 적어도 일부분을 제거하도록 구성된, 담수화 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 담수화 장치가, 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 2 그룹의 제 1 채널내에 충진된 이온 교환 수지를 더 포함하는, 담수화 시스템.
  6. 수성 스트림으로부터 경도 이온을 제거하도록 구성된 담수화 장치를 포함하는 담수화 시스템으로서, 상기 담수화 장치가,
    제 1 전극 및 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 배치되어, 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 1 그룹을 형성하여, 각각 경도 이온의 제거를 위한 제 1 공급 스트림 및 상기 제 1 공급 스트림으로부터 제거된 경도 이온을 운반하기 위한 제 2 공급 스트림을 수용하는, 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 1 그룹;
    상기 이온 교환막의 제 1 그룹과 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중의 적어도 하나의 전극 사이에 배치되어, 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 2 그룹을 형성하는, 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 2 그룹; 및
    인접한 이온 교환막의 각각의 쌍 사이 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 개개의 이온 교환막 사이에 배치된 다수의 스페이서
    를 포함하되, 이때
    상기 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 1 그룹내의 각각의 이온 교환막이 양이온 교환막이며, 상기 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 1 그룹내의 양이온 교환막이, 교대하는 정상 양이온 교환막 및 1가 양이온 교환막을 포함하고,
    상기 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 2 그룹이 다수의 교대하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함하고,
    상기 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 2 그룹의 제 1 채널이, 교대하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 제 1 그룹의 제 1 채널로부터 액체를 수용하도록 구성된, 담수화 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 담수화 장치와 유체 연통하고 제 2 공급 스트림내의 1가 이온의 양을 증가시키도록 구성된 이온 조정 유닛을 더 포함하며, 이때
    상기 이온 조정 유닛이, 염화나트륨 용액을 제 2 공급 스트림내로 도입하여 1가 이온의 양을 증가시키도록 구성된, 담수화 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 이온 교환막의 제 1 그룹에 인접한, 쌍을 이룬 이온 교환막의 제 2 그룹의 이온 교환막의 두께가, 제 2 그룹내의 제 1 전극 및 제 2 전극에 인접하지 않은 각각의 다른 이온 교환막의 두께보다 더 두꺼운, 담수화 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 담수화 시스템을 사용하여 수성 스트림으로부터 이온을 제거하는 방법으로서,
    상기 제 1 그룹의 제 1 채널에 제 1 공급 스트림을 통과시켜, 양이온의 적어도 일부분을 제거하여 제 1 배출 스트림을 생산하는 단계,
    제 1 그룹의 제 2 채널에 제 2 공급 스트림을 통과시켜, 상기 제 1 공급 스트림으로부터 제거된 양이온의 적어도 일부분을 운반(carry away)하는 단계,
    제 2 그룹의 제 1 채널에 제 1 배출 스트림을 통과시켜 이온을 제거하는 단계, 및
    제 2 그룹의 제 2 채널에 제 3 스트림을 통과시켜, 상기 제 1 배출 스트림으로부터 제거된 이온을 운반하는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 공급 스트림이 담수화 장치내로 도입되기 전에 제 2 공급 스트림내의 1가 양이온의 양을 증가시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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