KR101877067B1 - 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택과 이를 위한 멤브레인을 생산하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤브레인 스택과 멤브레인 기반 프로세스를 위한 장치와 이들을 위한 방법에 관한 것이다. 멤브레인 스택은 격실을 형성하는 복수의 멤브레인(78); 및 유체가 멤브레인 스택의 멤브레인의 평면으로 실질적으로 공급되고 배출되도록 유체를 격실에 공급하고 격실로부터 배출하기 위한 유체 공급 및 배출 수단(80)을 포함한다. 바람직하게는, 유체 공급 및 배출 수단은 멤브레인 스택의 반대쪽 측면들 상에 제공된다. 또한, 본 발명은 멤브레인(78)을 형성하는 방법에 관한 것이다.

Description

멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택과 이를 위한 멤브레인을 생산하기 위한 방법{MEMBRANE STACK FOR A MEMBRANE BASED PROCESS AND METHOD FOR PRODUCING A MEM BRANE THEREFOR}
본 발명은 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택에 관한 것이다. 멤브레인 기반 프로세스는 전기투석(ED), 역 전기투석(RED) 및 바이오 미생물 연료 전지를 포함하는 연료 전지와 레독스(redox) 흐름 전지와 같은 다른 멤브레인 프로세스를 포함한다.
전기투석 및 역 전기투석과 같은 알려진 멤브레인 기반 프로세스는 번갈아 배치된 다수의 양이온 및 음이온 교환 멤브레인을 포함하는 멤브레인 스택을 사용한다. 전기투석 프로세스의 경우에, 전압은 멤브레인 스택의 다른 측면들 상의 양극과 음극 사이에서 가해진다. 양이온은 음극을 향해 이동하려는 경향이 있고 음이온은 양극으로 이동하려는 경향이 있어, 이에 따라 전해질 용액은 번갈아 농축되고 희석된다. 역 전기투석 프로세스에서, 상기한 프로세스는 역으로 일어나 전기 에너지를 생성한다. 이러한 전기투석 프로세스를 수행하기 위한 장치가 네덜란드 특허 제1031148호에 설명되어 있다. ED와 RED와 같은 멤브레인 기반 프로세스에서, 전해질 용액은 멤브레인 스택의 인접한 멤브레인들 사이에 형성된 전해액 격실을 통하여 흐른다. 기존의 멤브레인 스택에서, 이러한 흐름은 프로세스 효율에 도움이 되지 않는 멤브레인 스택에서의 스페이서, 난류 프로모터 및/또는 가이드 장치 등의 존재로 인하여 큰 비효과적인 영역과 함께 높은 유압 저항을 받게 된다.
본 발명은 더 효율적으로 작동될 수 있는 멤브레인 기반 프로세스들을 위한 메브레인 스택을 제공하는 것을 목적으로 갖는다.
이러한 목적은 멤브레인 기반 프로세스에서의 사용을 위한 본 발명에 따른 멤브레인 스택에 의해 달성되는 것으로, 본 멤브레인 스택은 다음과 같은 구성요소들을 포함한다:
- 격실을 형성하는 복수의 멤브레인; 및
- 유체가 멤브레인 스택의 멤브레인의 평면으로 실질적으로 공급되고 배출되도록 유체를 격실에 공급하고 격실로부터 배출하기 위한 유체의 공급 및 배출 수단.
여기에서 활용되는 어법이나 용어는 설명을 위한 것이지 제한하는 것이 아닌 것으로 이해될 것이다. 따라서, 표현 "멤브레인"은 양이온 교환 멤브레인(CEM: cation exchange membrane), 음이온 교환 멤브레인(AEM: anion exchange membrane), 및 다공성 기판을 정의하고 포함하는 것으로 생각된다.
본 발명에 따른 멤브레인 스택은 전기투석 프로세스를 수행하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 프로세스는 무엇보다도 염수 또는 기수(brackish water)로부터 음용수를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 프로세스에서, 멤브레인의 스택은 양극과 음극 사이에 배치된다. 염수 또는 기수를 가진 공급 유동이 음이온 교환 멤브레인과 양이온 교환 멤브레인 사이에 형성된 격식들을 통하여 펌핑된다면, 어떠한 전압이 양극과 음극 사이에서 가해지지 않는 한 격실들 사이에서 이온들의 어떠한 제어된 치환도 일어나지 않는다. 그러나, 전압이 양극과 음극 사이에 가해진다면, 양이온들은 음극을 향해 이동하려고 하고, 한편 음이온들은 양극을 향해 이동할 것이다. 한편, 원칙적으로 음이온들은 양이온 교환 멤브레인(CEM)을 통과하여 지나갈 수 없고 양이온들은 음이온 교환 멤브레인(AEM)을 통과하여 지나갈 수 없다. 숙련자라면 음이온과 양이온이 각각 CEM 또는 AEM을 통과하는 것이 선택적인 멤브레인 재료의 사용에 의해 사실상 방지되는 것을 이해할 것이다. 100%의 선택성(selectivity)은 상업적으로 이용가능한 멤브레인에서는 실질적으로 가능하지 않다. 그 결과 처음에 동일한 공급 유동은 교대로 농축되고 희석되는 전해질 용액으로 변화하게 되는 것이다.
이미 언급한 바와 같이 위에서 설명된 전기투석 프로세스는 역으로 진행되어 전기 에너지를 생성할 수 있다. 또한, 이러한 프로세스에서 본 발명에 따른 멤브레인 스택이 사용될 수 있다. 또한, 역 전기투석 또는 "블루 에너지(Blue Energy)"에서, 멤브레인의 스택은 양극과 음극 사이에 배치된다. 그러나, 음이온 교환 멤브레인과 양이온 교환 멤브레인 사이에 형성된 격실들은 염수와 담수와 같은 교대로 농축되고 희석되는 전해질 용액들로 채워지거나 충전된다. 하나는 농축된 전해질 용액과 희석된 전해질 용액을 분리하고 다른 하나는 전해질 용액들 중 하나를 타측에서 보호하는(shield) 음이온 교환 멤브레인과 양이온 교환 멤브레인으로 이루어진 유닛은 투막성 셀이라고 불린다.
농축되고 희석된 전해질 용액들 사이에서의 농도 차이의 결과로서, 이온들은 농도를 평형화시키기 위하여 높은 농도에서 낮은 농도로 이동하려고 할 것이다. 그러나, 원칙적으로 음이온은 양이온 교환 멤브레인을 통과할 수 없고 단지 음이온 교환 멤브레인을 통과하는 것이 허용된다. 원칙적으로, 양이온은 단지 양이온 교환 멤브레인을 통과할 수 있다. 상기한 바와 같이, 숙련자라면 음이온과 양이온이 각각 CEM 또는 AEM을 통과하는 것이 선택적인 멤브레인 재료의 사용에 의해 사실상 방지되는 것을 이해할 것이다. 100%의 선택성(selectivity)은 상업적으로 이용가능한 멤브레인에서는 실질적으로 가능하지 않다.
양이온과 음이온의 이동 자유에 대한 이러한 제한으로 인해, 양이온과 음이온의 순이동(net transport)은 반대 방향으로 일어날 것이다. 이러한 반대 방향으로의 이온 이동을 위한 전제 조건은 용액들의 전기적 중립 상태가 유지되는 것이다. 양이온이 들어가거나 나가는 순간에 음이온이 나가거나 들어오기 때문에, 이것은 투막성 셀에서 일어난다. 그러나, 외부 또는 격실에 전극이 배치되는 경우에는 이것은 가능하지 않다. 이러한 전극 격실에서 전기적 중립 상태는 산화 환원 반응, 예를 들어 물의 산화 해리가 양극에서 일어나고 환원 해리가 음극에서 일어남에 의해 유지된다. 산 또는 염기가 여기에서 형성된다. 또한, Cl-과 같은 전해질이 산화 또는 환원 반응에 관여하는 것이 가능하다. 양극 및 음극을 전기적으로 연결함에 따라, 전자들이 양극으로부터 음극으로 이동하여 전류를 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 양극 및 음극 격실들에서 일어나는 반응들은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다:
양극 반응(들):
(1) H20 -> ½02 + 2H+ + 2e- (-1.23 V)
(2) 2CI- -> CL2(g) + 2e- (-1.36 V)
음극 반응:
(3) 2H20 + 2e- -> H2(g) + 2OH- (-0.83 V)
본 발명에 따라 사용되는 산화환원쌍(redox-couple) 및/또는 전해질 용액에 따라 다른 양극 및 음극 반응들이 포함될 것으로 이해될 것이다.
유체 공급 및 배출 수단은 액체나 기체 같은 유체를 멤브레인 스택으로 공급하고 그로부터 배출한다. 전해질 용액들은 액체와 기체를 포함하는 유체와 관련된다. RED 프로세스의 경우 유체는 예를 들어 2개의 전해질 용액을 수반한다. 2개의 유체가 공급되는 경우에, 이것은 2개의 액체, 2개의 기체, 또는 1개의 기체와 1개의 액체를 포함할 수 있다.
음극 및 양극 격실은 이러한 격실의 구성이 숙련자에게 알려져 있으므로 상세하게 설명되지 않는다.
본 발명에 따른 멤브레인 스택이 연료 전지에 사용되는 경우, 스택에 대한 구성은 CEM, AEM, 또는 양극 멤브레인과 같은 멤브레인, 또는 격실을 형성하는 다공성 기판 재료 중 단지 하나의 유형을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 멤브레인 스택을 구비한 다른 적용례에서, 전기투석(ED)과 역 전기투석(RED)를 포함하여, 교대로 배치되어 전해질 격실들을 형성하는 양이온 교환 멤브레인 및 음이온 교환 멤브레인, 또는 양이온 교환 멤브레인 및 다공성 기판 재료가 사용된다. 바람직한 실시예에서 양이온 및 음이온 교환 멤브레인은 예를 들어 RED 프로세스에 제공된다. 다른 실시예에서, 음이온 교환 멤브레인은 폴리올레핀으로부터 만들어진 비직조물과 같은 다공성 기판에 의해 대체된다.
전해질 용액과 같은 유체가 멤브레인 스택의 측면으로부터 제공되도록 하는 공급 및 배출 수단을 제공함에 따라 멤브레인 스택에 대한 전체 유동 저항 및/또는 내부 누수를 최소화한다. 바람직하게는, 멤브레인 스택의 측면으로부터 유체를 제공하는 것은 멤브레인의 평면에서 그곳으로 유체를 실질적으로 제공하는 것에 관련된다. 이것은 굽은 부분의 개수가 최소화됨에 따라 유동 저항을 최소화한다. 또한, 멤브레인 표면은 보다 효율적으로 사용될 수 있다. 이것은 모두 전기투석 및 역 전기투석 프로세스와 같은 멤브레인 기반 프로세스의 성능을 향상시킨다. 본 발명에 따르면, 유체는 멤브레인 스택의 측면들로부터 공급되고 배출된다. 일 실시예에서, 이러한 측면 상에 챔버, 방 또는 공간부가 멤브레인 스택에서의 멤브레인 전체에 걸쳐 유체를 분배시키기 위해 제공된다. 이러한 챔버, 방 또는 공간부는 유체 공급 및 배출 수단의 일부분으로서 챔버, 방 또는 공간부로의 공급 또는 이로부터의 배출을 위한 개구부가 제공된다. 이러한 공급 또는 배출용 개구부는 예를 들어 프로세스 작동을 위해 이용가능한 공간부에 따라 다른 방향들로 방향이 설정될 수 있다. 이러한 개구부는 멤브레인의 스택을 향해 또는 예를 들어 멤브레인의 스택에 평행하거나 그 안의 채널들에 수직한 다른 구성으로 방향이 설정될 수 있다. 이러한 공급 및 배출 수단들을 위한 많은 구성들이 가능한 것으로 이해될 것이다.
종래의 멤브레인 스택에서, 전해질 용액과 같은 유체(들)은 멤브레인 스택의 상면 또는 하면으로부터 매니폴드에 의해 제공된다. 이것은 용액의 공급을 위해 멤브레인에서 구멍들의 제공을 필요로 한다. (전해액) 격실 안에서 멤브레인의 평면에서 멤브레인을 따른 흐름을 가능케 하기 위하여 매니폴드는 흐름을 멤브레인 전체에 걸쳐 분배하기 위한 소위 헤더로 흐름을 제공한다. 이러한 종래의 구성에서, 흐름은 (전해액) 격실에 들어가기 전에 비교적 구불구불한 경로를 따른다.
본 발명에 따라 공급 및 배출 수단을 제공함에 따라 어떠한 채널 및/또는 소위 헤더와 같은 분배 채널도 필요하지 않다. 이것은 본 발명에 따른 멤브레인 스택과 함께 효과적이면서도 효율적으로 사용되는 멤브레인의 표면을 발생시킨다.
본 발명에 따른 멤브레인 스택의 추가 이점은 전해질 용액과 같은 유체의 누수가 감소된다는 것이다. 이러한 감소는 어떠한 별도의 분배 채널 또는 분배 시스템 예를 들어 소위 헤더가 필요하지 않도록 멤브레인 스택의 측면으로부터 유체를 제공함에 따라 달성된다.
또한, 추가 이점으로서 멤브레인 스택의 파울링이 공급 및 배출 수단을 멤브레인 스택의 측면 상에 제공함에 따라 상당히 감소된다. 이것은 유체의 흐름이 최소 개수의 굽힘(bend)과 전이(transition)를 갖도록 더 효과적으로 안내되고 전달됨에 따라 달성된다. 이것은 세척 작업에 대한 필요성을 감소시켜, 멤브레인 기반 프로세스의 전체 효율을 향상시킨다. 다른 이점은 공급 및 배출 수단과 (전해액) 격식들 사이의 전이에서의 저항이 증대됨에 따라, (이온의) 숏-컷 전류를 포함하여 (전기) 누전이 감소되는 것이다.
바람직하게는, 전해질 용액과 같은 일 유형의 유체를 제공하기 위한 유체 공급 및 배출 수단은 멤브레인 스택의 반대쪽 측면들 상에 제공된다. 이것은 전해질 용액과 같은 이러한 용액의 멤브레인 스택의 일 측면 상의 입구로부터 멤브레인 스택의 반대쪽 타 측면 상의 출구로의 비교적 직선의 순방향 흐름을 달성한다. 멤브레인 스택의 제1 측면 상의 공급 및 배출 수단은 유체를 멤브레인의 일 측면으로 바람직하게는 멤브레인의 전체 스택의 모든 관련된 격실들에 걸쳐 제공한다. 유체 흐름이 멤브레인의 스택을 지나간 후에, 흐름은 멤브레인 스택의 반대쪽 측면 상의 공급 및 배출 수단의 출구쪽 측면 상에서 멤브레인 스택을 빠져나간다. 이것은 멤브레인 스택을 위한 효율적인 구성을 달성하여, ED 및 RED와 같은 멤브레인 기반 프로세스는 효율적으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 제2 유체 공급 및 배출 수단이 멤브레인 스택의 다른 측면들 상에 제공되어 제2 유체를 멤브레인 스택의 다른 측면으로부터 챔버들 또는 격실들로 제공한다. 사실, 이것은 전해질 용액과 같은 제2 유체를 제1 유체의 흐름 방향에 실질적으로 수직한 흐름 방향을 갖도록 제공한다. 이러한 직교-흐름 구성은 효과적이면서도 효율적이다.
예를 들어, 제1 및 제2 유체 공급 및 배출 수단을 구비한 RED 프로세스에서, 격실들은 멤브레인의 스택에서 번갈아 배치되는 음이온 교환 멤브레인 또는 기판 재료와 양이온 교환 멤브레인 사이에 형성된다. 인접한 격실들에 예를 들어 염수와 담수와 같은 농축되고 희석된 전해질 용액들이 채워진다. 낮은 삼투성 전해질 용액과 높은 삼투성 전해질 용액 사이의 이러한 농도 차이로 인하여, 이온들은 높은 삼투성 용액으로부터 낮은 삼투성 용액으로 이동하여 농도 평형을 이루려는 경향이 있을 것이다. 이러한 이동은 음이온이 음이온 교환 멤브레인만을 통과하고 양이온이 양이온 교환 멤브레인만을 통과한다는 점에서 멤브레인에 의해 조절된다. 이러한 반대 방향으로의 양이온과 음이온의 순이동에 의해, 멤브레인 기반 프로세스가 수행된다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 멤브레인 스택에서, 격실들을 통과하는 유체 흐름의 방향은 인접한 격실들에서의 흐름이 인접한 격실에서의 흐름 방향과 비교했을 때 수직한 방향으로 실질적으로 방향이 설정된 흐름 방향을 갖도록 구성된다. 사실, 이것은 본 발명에 따른 멤브레인 스택을 위한 직교-흐름 구성을 가능케 한다. 이것은 제1 공급 및 배출 수단이 멤브레인의 스택의 반대쪽 측면들 상에 제공되고 이와 함께 제2 공급 및 배출 수단이 스택의 다른 측면들 상에 제공된 구성을 가능케 한다. 이것은 최소의 흐름 저항을 갖도록 멤브레인의 스택 전체에 걸쳐 각각의 흐름의 효과적인 분배를 달성한다. 이것은 멤브레인 기반 프로세스의 전체 효율을 향상시킨다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 유체 공급 및 배출 수단은 유체를 멤브레인 전체에 걸쳐 분배시키기 위한 분배 챔버를 포함한다.
공급 및 배출 수단에 분배 챔버를 제공함에 따라, 멤브레인 자체 안에/상에 어떠한 분배 채널도 필요하지 않다. 이것은 멤브레인을 위한 소위 헤더의 사용을 방지한다. 이것은 프로세스를 위해 사용될 수 있는 스택의 영역을 증가시킴에 따라 멤브레인의 효과를 향상시킨다. 또한, 전해질 용액과 같은 용액의 분배가 공급 및 배출 수단에 분배 챔버를 제공함에 따라 개선된다. 유체가 멤브레인들 사이의 다른 격실들 전체에 걸쳐 균일하게 분배된다. 또한, 격실들 전체에 걸친 흐름의 분배에 의해 야기되는 저항은 최소화된다. 채널들을 제공하는 것은 소위 스페이서(spacer)의 사용을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 멤브레인들의 적어도 일부는 유체 흐름을 가능케 하는 채널들을 포함한다.
멤브레인에 전해질 용액과 같은 유체의 흐름을 위한 적절한 채널들을 구성한 프로파일을 제공함에 따라, 소형 멤브레인 스택이 얻어진다. 이것은 멤브레인 스택의 전체 크기를 줄이거나, 이와 유사한 크기에 대한 멤브레인 스택의 성능을 증대시킨다. 또한, 프로파일이 형성된 멤브레인을 제공하는 것은 멤브레인들 사이의 소위 스페이서의 사용을 불필요하게 만든다. 이것은 멤브레인 스택을 위한 더 콤팩트한 구성을 달성케 한다. 또한, 이것은 유압 저항 및/또는 파울링의 감소에 기여한다. 또한, 비용 절감이 스페이서를 생략함에 따라 달성될 수 있다.
바람직하게는, 채널들은 0.1-50mm 그리고 더 바람직하게는 1-10mm의 범위에 있는 폭을 갖도록 제공된다. 바람직하게는, 채널들은 10-2000㎛ 그리고 더 바람직하게는 50~200㎛의 범위에 있는 깊이를 갖도록 제공된다. 실험들 및/또는 계산들은 상기에서 언급된 크기들이 본 발명에 따른 멤브레인 스택을 사용하는 멤브레인 기반 프로세스의 흐름 거동과 전체 성능 사이에서 균형(trade-off)이 되는 최적의 구성을 형성케 하는 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 다른 무엇보다도 (이온의) 숏-컷 흐름을 감소시키기 위하여 멤브레인에 프로파일이 형성되지 않은 영역((an profiled area)이 바람직하게는 1-100mm의 범위에서 제공된다.
멤브레인에 프로파일이 없는 즘 채널이 없는 표면 부분을 제공함에 따라, (이온의) 숏-컷 흐름을 감소시킨다. 그러나, 이러한 프로파일이 형성되지 않은 영역을 너무 크게 선택하는 것은 멤브레인의 유효한 표면 영역을 감소시킨다. 실험들은 프로파일이 형성되지 않은 영역이 일반적으로 5-100mm의 범위에 있는 것을 보여왔다. 예를 들어, 해수가 약 30g/l NaCl을 가진 유체로서 사용되고 프로파일이 형성되지 않은 영역이 약 10mm인 경우, 멤브레인의 다른 부분에 형성된 0.2mm의 깊이와 1mm의 폭을 가진 채널들에 대하여 채널 당 측면 저항이 약 12500Ω이다. 채널에 수직한 저항은 약 50Ω㎟이다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 스택에서의 인접한 멤브레인들은 격실들 및/또는 채널들을 형성하는 실질적으로 수직한 방식으로 위치된다.
예를 들어, RED 프로세스에서 멤브레인 스택은 서로의 위에 멤브레인을 배치함에 따라 제조된다. 모든 양이온 교환 멤브레인 위에 음이온 교환 멤브레인이 위치되고 그 위에 제2 양이온 교환 멤브레인이 놓여진다. 바람직하게는, 다른 멤브레인의 채널의 방향은 인접 멤브레인의 채널에 수직이다. 공급 및 배출 방법이 스택의 측면 상에 제공됨에 따라 전해질 용액을 채널에 공급하기 위한 홀들을 제공하는 것은 생략될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 채널은 멤브레인의 베이스 레이어 위에 제공되는 상부 레이어에 제공된다.
멤브레인은 베이스 레이어 위에 상부 레이어를 포함하되, 적어도 베이스 레이어는 적합한 멤브레인 속성을 갖는다. 상부 레이어는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 비전도성 재료, 다공성 (통기성) 폴리에틸렌과 같은 비선택적인 이온 전도성 재료, 또는 폴리에틸렌과 같은 열가소성 재료와 예를 들어 이온 교환 재료나 수지 입자들을 포함하는 레이어로 만들어질 수 있다. 멤브레인 스택의 상대적으로 직선형의 디자인은 종래의 멤브레인 스택에 비해 더 견고하고, 파울링에 대해 덜 민감하며, 세척하기에 (CIP) 더 쉽다.
본 발명에 따른 멤브레인 스택은 멤브레인들이 효율적이고 비용면에서 효과적인 방식으로 단일 제조 라인에서 소위 (엠보싱) 롤-투-롤(roll-to-roll) 원칙에 따라 생산될 수 있다는 추가 이점을 갖는다.
바람직하게는, 멤브레인은 압출 프로세스를 수행함에 따라, 선택적으로 동일한 제조 라인에서 채널들을 생산하기 위하여 상기에서 언급된 엠보싱 프로세스를 수행함에 따라 생산된다.
또는, 상부 레이어는 폴리머 용액의 코팅, 실리콘과 같은 탄성중합체, 및/또는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 열가소성 재료를 베이스 레이어 상에 배치함에 따라 제공된다. 코팅은 압출, 회전형 스크린 프린팅, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅, 슬롯-다이 코팅 등을 사용하여 베이스 레이어 상에 배치될 수 있다. 사용되는 방법은 무엇보다도 코팅 재료에 따른 것으로 이해될 것이다. 흐름 채널들을 위한 원하는 프로파일은 예를 들어 다이-커팅 또는 키스-커팅을 사용하여 얻어질 수 있다. 소위 (회전형) 키스-커팅에 의해, 단지 이러한 상부 레이어가 절단되거나 죄어져(pinch) 적절한 크기를 갖는 원하는 채널들을 형성한다. 본 발명에 따른 멤브레인 스택은 효과적이면서도 효율적으로 제조되는 멤브레인의 사용을 가능케 한다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 멤브레인 스택은 소정 길이와 폭으로 구성되되, 이때 길이가 폭보다 크다.
폭 방향으로 다른 유체 또는 전해질 용액을 위한 길이에 비해 더 작은 크기를 갖는 염수와 같은 높은 삼투성 용액을 위한 공급 및 배출 수단을 제공함에 따라, 채널에서의 유체의 (측면) 전기 저항이 증가되고 공급 및 배출 수단에 공급되고 배출되는 저항이 감소된다. 이것은 소위 (이온의) 숏-컷 흐름의 효과를 감소시킨다. 숏-컷 흐름 또는 이온의 숏-컷 흐름은 멤브레인을 지나기지 않고서 격실들 사이를 이동하는 이온들에 의해 야기된다. 예를 들어, 이것은 이온들이 격실들 사이에서 이동하는 경우에 공급 및 배출 수단에서 일어날 수 있다.
본 발명에 따른 다 바람직한 실시예에서, 멤브레인 스택의 측면에서 공급 및 배출 수단 사이의 거리는 0.1-50mm, 바람직하게는 0.1-5mm의 범위에 있다.
공급 및 배출 수단과 멤브레인의 스택 사이에 최소한의 거리를 제공하는 것은 (전해액) 격실에 제공되는 유체로부터의 누수 또는 숏-컷 흐름을 감소시킨다. 공급 및 배출 수단과 멤브레인의 스택 사이의 실제 거리는 용액의 전도성과 흐름의 양에 달려 있다. 바람직하게는, 이러한 거리는 실링 수단을 통하여 결정되거나 얻어진다. 이러한 실링 수단은 용액이 멤브레인 스택을 빠져나가는 것을 방지한다. 또는, 이러한 거리는 공급 및 배출 수단에 형성된 분배 방의 깊이에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 더 바람직한 실시예에서, 추가 에지가 멤브레인의 유체 입구쪽 및/또는 출구쪽 측면 상에 제공된다.
이러한 추가 에지의 이점은 (이온의) 숏-컷 흐름에 대한 저항력이다. 이러한 에지의 추가 이점은 본 발명에 따른 프로파일이 형성된 멤브레인을 제조하는 데에 있어서 재료를 예를 들어 (회전형) 다이 (키스) 커팅 또는 커팅 플로터를 사용하여 상부 또는 적층 레이어에 제공된 채널로부터 제거하여 원하는 멤브레인 프로파일을 형성하는 때에 도움이 된다는 것이다.
바람직하게는, 유체 공급 및 배출 수단에 하나 이상의 보호 배리어(barrier)가 제공된다. 보호 배리어는 예를 들어 실링부와 같은 유동 배리어를 포함할 수 있다. 이러한 보호 또는 이온 흐름 배리어는 (이온의) 숏-컷 흐름의 영향을 더욱 감소시킨다.
본 발명에 따른 더 바람직한 실시예에서, 다공성 기판은 예를 들어 이온을 수송할 수 있는 포일 또는 시트와 같은 (나노-마이크로) 포일 또는 시트를 포함한다.
나노-마이크로 다공성 포일 또는 시트를 제공함에 따라 멤브레인 스택을 위한 비교적 저렴하고 쉽게 이용할 수 있는 다공성 기판을 제공하게 된다. 종래의 음이온 교환 멤브레인은 상대적으로 비싼 재료로 만들어진다. 바람직하게는, 이러한 (나노-마이크로) 다공성 포일은 비직조물 재료 예를 들어 폴리올레핀으로 만들어진 비직조물을 포함한다. Cl-와 같은 음이온은 Na+와 같은 양이온에 비하여 더 높은 이동성을 보여주기 때문에, 확산전위라고도 불리는 소위 액간전위(liquid junction potential)가 (나노-마이크로) 다공성 포일 기판/멤브레인에서의 2개의 용액 사이의 계면(interface)에 형성된다.
또한, 본 발명은 멤브레인 기반 프로세스를 수행하기 위한 장치 및 이러한 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 다음과 같은 구성요소를 포함한다:
- 양극이 제공되는 적어도 하나의 양극 격실;
- 적어도 하나의 양극 격실로부터 분리된, 음극이 제공되는 적어도 하나의 음극 격실; 및
- 상기에서 설명된 멤브레인 스택.
이러한 장치 및 방법은 각각 멤브레인 스택에 관련하여 설명된 것과 동일한 효과들과 이점들을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기에서 설명된 바와 같은 스택에서의 사용을 위한 동종의 또는 이종의 멤브레인을 제공하기 위한 방법에 관한 것으로서, 채널을 구비한 상부 레이어는 멤브레인의 베이스 레이어 위에 제공되며, 다음과 같은 단계들을 포함한다:
- 베이스 레이어에 상부 레이어를 제공하는 단계; 및
- 채널이 유체 유동을 가능케 하도록 제공되기 위하여 상부 레이어를 펀칭 또는 다이 (키스) 커팅하는 단계.
본 발명에 따른 멤브레인을 제공함에 따라 상기 단계를들을 포함하는 많은 대안적인 프로세스들을 사용하는 것이 가능해진다. 이러한 프로세스들은 예를 들어 (i) 인라인(inline) 엠보싱을 선택적으로 포함하는 캐스트 필름 압출, (ii) 멤브레인을 위한 원하는 프로파일이 직접적으로 생산되도록 하는 압출을 포함하는 캐스트 필름 압출, 및 (iii) 열가소성 코팅이 기판 또는 베이스 레이어 상에 제공되고 다음 채널을 구비한 프로파일이 엠보싱 단계를 사용하여 제공되는 압출 코팅을 포함한다. 이러한 프로세스들과 이의 선택적인 (하위) 단계들은 아래에서 도시된 실시예들을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다.
상부 레이어는 베이스 레이어를 예를 들어 폴리머 용액, 실리콘과 같은 탄성중합체로 코팅하거나 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 열가소성 재료를 포함하는 압출 코팅에 의해 제공될 수 있다. 또한, 상부 레이어는 베이스 레이어에 적층 레이어를 적층시킴에 따라 제공될 수도 있다. 바람직하게는, 채널이 예를 들어 펀칭, 키스-커팅, 또는 프로파일링 나이프의 사용에 의해 이러한 코팅 또는 적층 레이어에 제공된다. 이것은 예를 들어 롤-투-롤 프로세스에서 (이종) 멤브레인의 제조를 가능케 한다. 이러한 프로세스의 이점은 예를 들어 엠보싱 롤러를 포함하여 하나의 제조 라인에서 멤브레인을 제조하는 것이 가능하다는 것이다. 상기에서 설명된 바와 같은 멤브레인 스택을 위한 디자인은 프로파일 예를 들어 채널이 제공된 멤브레인을 생산하기 위한 방법을 가능케 하는 것으로, 이때 이러한 방법은 상부 레이어를 (회전형) 키스-커팅 및/또는 다른 프로세스들을 사용하여 처리하는 단계를 포함하되, 이것들의 원칙은 숙련자에게 알려져 있다. 이것은 비교적 용이하고 저렴하게 멤브레인의 제조하는 것을 가능케 한다. 이것은 멤브레인 프로세스의 전체 효율과 효과에 기여한다.
상기에서 설명된 바와 같은 압출 프로세스를 사용하여 제조된 (이종) 멤브레인은 (다공성) 기판, 직조물 또는 비직조물을 포함할 수 있다. 압출 프로세스에서, 베이스 및 상부 레이어는 동일한 제조 라인에서 생산될 수 있다. 상부 레이어는 베이스 레이어와 동일한 재료로 형성될 수 있다. 또는, 상부 레이어는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 다른 (열가소성) 재료들로 만들어질 수 있고, 선택적으로 TiO2 또는 CaCO3와 같은 충전 재료를 포함하여 만들어질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택과 이를 위한 멤브레인을 생산하기 위한 방법에 의하면, 멤브레인 스택에 효과적이면서도 효율적으로 제조되는 멤브레인의 사용이 가능하고, 이때 비교적 용이하고 저렴하게 멤브레인의 제조하는 것을 가능하여, 멤브레인 프로세스의 전체 효율과 효과를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 이점들, 특징들 및 상세한 내용들이 바람직한 실시예들을 기초로 하여 설명되는데, 이때 다음과 같은 첨부된 도면들을 참조로 하여 이루어진다:
도 1은 RED 프로세스의 개략적인 개요를 나타내고;
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 멤브레인 스택의 사시도를 나타내며;
도 3a 내지 3c는 도 2의 공급 및 배출 수단의 다른 실시예들을 나타내고;
도 4a 및 4b는 도 2의 스택에서의 멤브레인의 도면을 나타내며; 그리고
도 5는 예를 들어 (바이오) 연료 전지에서의 사용을 위한 멤브레인의 실시예를 나타낸다.
멤브레인 기반 프로세스에서, 역 전기투석(electrodialysis) 프로세스(2)(도 1 참조)와 같이, 다수의 음이온 교환 멤브레인(8)과 양이온 교환 멤브레인(10)이 양극(anode)(4)과 음극(cathode)(6) 사이에 배치된다. (전해액) 격실(compartment)은 음이온 교환 멤브레인(8)과 양이온 교환 멤브레인(10) 사이에 형성되는데, 이때 도시된 실시예에서 해수(12)와 하천수(14)의 유동이 인접한 격실들을 통하여 번갈아 흐른다. 해수(12)와 하천수(14)의 유동에서의 이온 농도 차이로 인하여, 해수(12)에 있는 이온들은 농도가 평형을 이루도록 하천수(14)로 이동하려는 경향이 있다. 편의를 위하여 단지 나트륨 및 염화물 이온들이 도 1에서 양이온 및 음이온으로서 도시되어 있다.
음이온 교환 멤브레인(8)은 주로 음이온의 통과를 허용하고 양이온 교환 멤브레인(10)은 주로 양이온의 통과를 허용하므로, 음이온과 양이온의 이동은 반대 방향으로 일어날 것이다. 음이온(CL-)은 양극(4)의 방향으로 이동하고 양이온(Na+)은 음극(6)의 방향으로 이동한다. 적기적 중립 상태를 유지하기 위하여 양극(4)이 배치되어 있는 격실에서 산화 반응이 일어나고 음극(6)이 배치되어 있는 격실에서 환원 반응이 일어난다. 이에 따라, 양극(4)과 음극(6)이 연결되어 있는 전기 회로(16)에서 전자 흐름이 생성된다. 이러한 전기 회로(16)에서 적기적 일은 여기에서 백열 전구에 의해 상징적으로 지정된 전기 장치(18)에 의해서 수행될 수 있다.
한 쌍의 멤브레인인 음이온 교환 멤브레인(8) 및 양이온 교환 멤브레인(10)과 해수와 같은 소정 질량의 고 이온 농도 용액과 하천수와 같은 소정 질량의 저 이온 농도 용액으로 구성되는 투막성 셀(dialytic cell)(20)이 도 1에서 해칭되어 도시되어 있다. 투막성 셀(20)의 개수(N)는 양극(4)과 음극(6) 사이에 전위차를 증가시켜 멤브레인 스택을 형성하기 위하여 증가될 수 있다.
멤브레인 스택(22)(도 2a 및 2b 참조)은 전극 격실을 포함하는 상부 레이어 또는 상부 플레이트(24)와 전극 격실을 또한 포함하는 하부 레이어(26)를 포함한다. 스택(22)은 2개의 레이어들(24, 26) 사이에 배치된다. 사용시에 실링부재(30)를 매개로 스택(22)에 연결되는 공급 플레이트(28)를 통하여 용액이 스택(22)의 제1 측면으로부터 제공된다. 스택(22)의 제 2측면 상에서 제2 플레이트(32)가 실링부재(34)를 매개로 제공된다. 제1 용액은 플레이트(28)에 의해 스택(22)에 공급되고 (배출) 플레이트(32)를 통하여 스택(22)을 빠져나간다(이는 화살표로 표시되어 있음). 스택(22)의 제3 측면 상에서 실링부재(38)를 매개로 공급 플레이트(36)가 제공된다. 스택(22)의 제4 측면 상에서 실링부재(42)를 매개로 제4 플레이트(40)가 제공된다. 스택(22)과 공급 및 배출 수단(28, 32, 36, 40)은 본 발명에 따른 멤브레인 스택을 형성한다. 도시된 실시예에서, 플레이트들(28, 32, 36, 40)은 전해질 용액을 위한 2개의 개구부(43)를 포함한다. 개구부(43)의 개수는 무엇보다도 스택의 크기에 따라 결정된다. 도시된 실시예에서, 플레이트들(28, 32, 36, 40)은 멤브레인(8, 10)에 실질적으로 수직하도록 방향이 설정된다.
도시된 실시예에서, 제2 용액은 플레이트(36)에 의해 스택(22)에 공급되고 (배출) 플레이트(40)를 통하여 스택(22)을 빠져나간다(이는 점선으로 된 화살표로 표시되어 있음).
공급 플레이트 또는 공급 레이어(44)(도 3a 참조)는 용액이 플레이트(44)로 들어가는 입구(46)를 갖는다. 플레이트(44)는 유체의 배출을 위해 사용될 수도 있고 이때에는 출구(46)가 제공되는 것으로 이해될 것이다. 용액은 입구(46)로부터 스택(22)의 측면과 플레이트(44) 사이에 제공되는 용액 격실(48)로 들어간다. 공급 플레이트(44)의 목적은 전해액이 적절한 멤브레인을 통과하여 흐르도록 강제하는 것이다.
도시된 실시예에서, 플레이트(44)와 스택(22) 사이에 실링부재(50)가 0.1-50mm의 두께로 제공된다. 실링부재(50)는 분배 격실(distribution compartment)(48)의 폭을 결정한다. 스택(22)의 전해액 격실을 지나가는 유동의 분배를 향상시키기 위하여, 대안이 되는 공급 플레이트(52)(도 3b 참조)가 제공된다. 플레이트(52)는 입구(54)와 분배 격실(56)을 포함한다. 분배 챔버(56)의 폭은 플레이트(52)에 의해 결정된다. 플레이트(52)의 출구측 상에 개구부(60)를 구비한 비전도성의 예를 들어 플라스틱의 천공된 플레이트(58)가 제공된다. 플레이트(52)와 스택(22)의 측면 사이에 실링부재(62)가 제공된다. 실링부재(62)에 추가하여, 멤브레인들 사이에서, 플레이트(52)와 스택(22)의 측면 사이에서 용액의 교환에 의해 야기되는 숏-컷 흐름(short-cut current)을 방지하거나 감소시키기 위하여 복수의 저항부재(resistor)(64)가 제공된다. 도시된 실시예에서, 공급 플레이트(52)에 멤브레인 스택을 향하도록 방향이 형성된 개구부를 가진 입구(54)가 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 대안적인 실시예(63)(도 3c 참조)에서, 입구(54)는 예를 들어 공급 플레이트(52)의 상부면 상에 제공된다. 보다 많은 입구(54)가 플레이트(52)에 제공될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 이러한 실시예에서, 입구(54)의 개구부는 멤브레인의 스택에 평행하도록, 즉 채널의 방향에 수직하도록 방향이 형성된다. 플레이트(52) 내측에서 압력 분포를 균질화하고 멤브레인을 지나가는 균질의 유동 분포를 촉진시키기 위하여, 개구부(60)가 그에 따라 적당한 크기로 형성될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 또한, 이러한 실시예에서, 유체 유동이 멤브레인 스택의 멤브레인의 평면으로 멤브레인 스택에 들어가는 것을 주의한다.
멤브레인(66)(도 4a 및 4b 참조)은 벽들(70)에 의해 분리되어 형성되는 채널들(68)을 포함한다. 멤브레인의 측 상에 누출과 (이온의) 숏-컷 흐름을 방지하기 위하여 에지 영역(72)이 제공된다. 이러한 영역(72)으로 인하여, 멤브레인들이 적층된 때에 격리된 전해액 격실/채널이 형성되어 본 발명에 따른 스택이 달성된다. 멤브레인(66)은 폭 B와 길이 L을 갖도록 제공된다. 에지 영역 또는 프로파일이 형성되지 않은 영역(72)의 폭은 X로 표시되어 있다. 폭 X는 (이온의) 숏-컷 흐름을 감소시키는 것과 관련이 있다. 이러한 흐름은 X를 증가시킴에 따라 감소된다. 그러나, 이것은 유효한 멤브레인 표면적을 감소시킨다.
도시된 실시예에서, 멤브레인(66)은 적절한 멤브레인 속성을 가진 이온 교환 재료의 베이스 재료 또는 레이어(74) 및 베이스 재료(74)의 상면 상에 제공되는 상부 또는 적층(laminate) 레이어(76)를 포함한다. 멤브레인(66)의 전체 두께는 D이고 적층 레이어의 두께는 d이다. 채널(68)의 폭은 K이고 벽(70)의 폭은 W이다. 베이스 레이어의 두께는 t로 표시되어 있다. 멤브레인(66)의 도시된 실시예에 대한 전형적인 값들이 아래의 표 1에서 제시되어 있다.
d 10-2000㎛, 바람직하게는 50-200㎛
W 50-2000㎛, 바람직하게는 100-200㎛
K 0.1-50mm, 바람직하게는 1-10mm
X 1-100mm, 바람직하게는 10-50mm
D 1-3000㎛, 바람직하게는 100-300㎛
t 1-2500㎛, 바람직하게는 10-300㎛
멤브레인 기반 프로세스에서, RED 프로세스와 같이, 제1 용액은 공급 및 배출 수단(28)을 통하여 멤브레인 스택(22)으로 제공된다. 공급 및 배출 수단(28)은 이러한 제1 용액을 투막성 셀(20)의 전해액 격실들의 제1 세트로 제공한다. 이 용액은 플레이트(32)를 통하여 스택(22)으로부터 나간다. 스택(22)에 해수와 같은 고 이온 농도를 가진 용액을 수용한 전해액 격실들과 하천수와 같은 저 농도를 가진 용액을 수용한 전해액 격실들이 번갈아 제공되도록 제2 용액은 공급 플레이트(36)에 의해 투막성 셀(20)의 전해액 격실들의 제2 세트로 제공된다. RED 프로세스의 경우에, 에너지는 멤브레인(66)에 의해 분리된 격실들 사이에서 이동하는 이온들을 통하여 생성된다.
스택(22)은 멤브레인들(66)을 서로의 상면 상에 배치함에 따라 제조된다. 모든 양이온 교환 멤브레인 상에 음이온 교환 멤브레인이 위치되고 그 위에 제2 양이온 교환 멤브레인이 놓인다. 바람직하게는, 다른 멤브레인(66)의 채널(68)의 방향은 인접한 멤브레인(66)에 수직한다. 전해질 용액을 채널(68)로 공급하기 위한 구멍을 제공하는 것은 공급 및 배출 수단(28, 32, 36, 40)이 스택(22)의 측면 상에 제공됨에 따라 생략될 수 있다.
멤브레인(66)(도 4b 참조)을 참조하기 위하여, 상부 레이어(76)는 폴리머 용액, 실리콘과 같은 탄성중합체(elastomer), 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌과 같은 열가소성 물질로 베이스 레이어(74)를 코팅함에 따라 형성되는 것으로, 따라서 상부 레이어는 베이스 레이어(74) 상에 제공된다. 원하는 위치에서 적층 레이어(76)의 재료가 제거되어 채널들을 형성한다.
또는, 베이스 물질 또는 레이어(74)에 상부 레이어(76)가 압출 프로세스에서 숙련자에게 알려진 방식으로 제공된다. 원하는 위치에서 적층 레이어(76)의 재료가 제거되어 채널들을 형성한다.
압출 프로세스를 포함하는 본 발명에 따른 (이종의) 멤브레인을 제조하는 것은 바람직게는 원하는 채널을 제공하기 위한 인라인 엠보싱 롤러를 포함하는 캐스트 필름 압출(cast film extrusion), 또는 원하는 프로파일로 형성된 멤브레인 또는 압출 코팅을 직접적으로 제공하는 압출 프로세스를 가진 캐스트 필름 압출을 포함할 수 있는 것으로, 이때 멤브레인 레이어는 이온 교환 수지 입자, 및 폴리에틸렌과 같은 열가소성 물질을 포함하는 핫 멜트(hot melt)로부터의 직조물(woven) 또는 바람직하게는 비직조물 상에 제공된다. 사용되는 장치에 따라, 프로파일이 멤프레인 재료의 양 측면 상에 그리고/또는 동시에 동일하거나 다른 재료로 구성되는 하나 이상의 레이어 상에 제공될 수 있다.
멤브레인이 하나의 (이종의) 재료로 제조될 수 있음에도 불구하고, 대안적으로, 베이스 레이어(74)가 직조물 또는 비직조물과 같은 (다공성의) 기판(substrate) 상에 제공된다. 다음, 상부 레이어는 베이스 레이어 상에 제공되는데, 이때 상부 레이어는 폴리에틸렌과 같은 열가소성 물질, 및 이온 교환 물질 및/또는 수지 입자로 구성되거나, (나노-마이크로) 다공성 폴리에틸렌 ("통기성(breathable)") 필름, 또는 폴리에틸렌 등과 같은 열가소성 물질의 비전도성 레이어로 구성된다.
또는, 상기의 처리 방법을 사용하여 원하는 프로파일이 현존하는 동종의 또는 이종의 멤브레인에 적용될 수 있다.
코팅 단계를 포함하는 생산 방법에서, 베이스 재료(74)는 바람직하게는 롤 상에 제공되고 다음 단계에서 바람직하게는 10-2000㎛의 코팅 두께를 갖도록 압출 코팅기에 의해 코팅이 제공된다. 채널(68)을 위한 재료가 예를 들어 키스-커팅(kiss-cutting)을 사용하여 제거될 수 있도록 적층 재료를 베이스 재료에 부착시킨다. 선택적으로, 채널(68)을 구현하기 위하여 제거되는 적층 재료가 예를 들어 키스-커팅을 사용하여 비교적 쉽게 베이스 재료(74)로부터 제거될 수 있도록 적층 레이어(76)가 국부적으로 제거되는 부분에 0.5-5mm의 베이스 재료(74)의 추가 에지가 제공된다. 추가 이점으로서 이러한 추가 에지는 공급 및 배출 수단과 스택(22) 사이에서의 숏 컷 흐름을 감소시킨다. 선택적으로, 채널(68)을 만들기 위해 재료를 제거한 후에, 적층 레이어(76)의 베이스 재료(74)에의 부착은 예를 들어 뜨거운 정착 롤러(fusing roller) 또는 초음파 용접을 사용하여 가열에 의해 향상될 수 있다. 상부 (코팅) 레이어는 베이스 레이어와 동일한 재료로 제공될 수 있다. 또는, 다른 재료 또는 구성물의 상부 레이어가 제공된다. 상부 레이어를 위한 가능한 재료 또는 구성물은 탄성중합체, 기능성 (이온 전도성) 폴리머, 폴리에틸렌과 같은 열가소성 재료 및 이온 교환 물질 및/또는 수지 입자로 구성되는 이온 전도성 레이어를 포함한다.
베이스 레이어 및/또는 상부 레이어의 구성물은 이온 교환 물질 및/또는 수지 입자 및 폴리에틸렌과 같은 열가소성 접합제(binder)를 포함한다. 선택적으로, SiO2, TiO2, CaC03, 또는 이와 동종의 것 및 다른 첨가제로 형성되는 충전 물질(filler material)이 추가될 수 있고 이러한 혼합물은 포일(foil), 소위 캐스트 필름 압출로 압출되거나, 비직조물과 같은 다공성 베이스 재료 상에 코팅, 소위 압출 코팅될 수 있다. 충전 물질을 사용하는 이점은 이온 교환 물질 및/또는 수지가 상대적으로 비싼 걸로 인한 비용 감소이다. 또한, TiO2 예를 들어 (바이오)-파울링(fouling)을 줄이는 데에 도움이 될 수 있다.
또한, 예를 들어 폴리올레핀, 폴리에틸렌, LDPE, 또는 폴리프로필렌, 이들의 혼합물, 또는 폴리 에스터로 만들어진 직조물 또는 바람직하게는 비직조물을 베이스 재료 상에 예를 들어 상기한 바와 같은 원하는 프로파일의 채널(68)을 적층, 및 펀칭 또는 키스-커팅함에 따라 제공하는 것이 가능하다.
폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌과 같은 비전도성의 열가소성 물질에 대안으로서, 적층되는 상부 레이어는 약간의 다공성을 가진 포일 또는 레이어를 제공하기 위하여 CaC03로 구성되는 소위 통기성 (폴리에틸렌) 필름과 같은 (나노-마이크로) 다공성 레이어를 사용하는 것이 가능하다. CaC03에 대한 대안으로서 더 안정적이면서 (바이오)-파울링을 줄이기 위해 도움이 될 수 있는 TiO2(1-70%wt)를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 이온 전도성 레이어는 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌과 같은 열가소성 재료, 양이온 및/또는 음이온 교환 재료 및/또는 수지 입자를 혼합하여 이온 전도성 레이어를 형성함에 따라 제공된다.
이러한 레이어를 베이스 재료(74) 상에 코팅한 후에 채널을 제공하기 위한 적층 레이어(76)의 (회전) 키스-커팅에 대한 대안으로서 채널(68)을 가진 원하는 프로파일을 베이스 재료(74) 상에 직접 적층 또는 배치하는 것이 가능하다. 즉, 천공된 "압출 다이(extrusion die)"를 사용하는 때에 레이어는 베이스 레이어 또는 재료(74) 상에 직접적으로 코팅되어 원하는 채널이 적층/배치 단계에서 바로 제공된다. 소위 프로파일이 형성된 멤브레인의 이러한 직접적인 생산은 멤브레인에 프로파일을 제공하는 엠보싱 단계를 포함하는 캐스트 필름 압출 프로세스, 또는 소위 고온 용융 슬롯-다이 압출을 포함할 수 있는데, 이때 압출 노즐/다이(die) 형태는 원하는 멤브레인 프로파일과 일치한다. 베이스 레이어에 프로파일이 형성된 상부 레이어를 제공하는 대안적인 처리 단계는 예를 들어 (회전) 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅, 조각 롤러 코팅, 슬롯 다이 코팅을 포함한다. 또는, 상기한 용액들을 포함하여 적절한 폴리머 용액을 직조/비직조(woven/non-woven) 기판 상에 제공하여 바람직한 프로파일을 직접적으로 제공하는 것이 가능하다. 이것은 캐스트 나이프, 슬롯 다이, 회전 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅, 조각 롤러와 같은 처리 단계를 포함할 수 있다. 다음, 사용되는 폴리머에 따른 방식으로 코팅이 처리된다.
또한, 멤브레인을 제조하는 것은 예를 들어 하나의 제조 라인에서 엠보싱 롤러를 사용하여 엠보싱 단계에서 프로파일을 제공하는 것과 함께 캐스트 필름 압출 또는 압출 코팅 프로세스를 사용하여 달성될 수 있다. 다른 선택의 또는 대안의 처리 단계는 상기한 바와 유사하다.
상기한 단계들이 조합될 수 있고/있거나 (하위)-단계들이 교환될 수 있는 것으로 이해될 것이다.
대안이 되는 멤브레인(78)(도 5 참조)은 멤브레인의 양 면 상에 채널(80)이 제공된다. 채널(80)을 통과하는 유동 방향은 화살표로 표시되어 있다. 멤브레인(78)은 예를 들어 (바이오) 연료 전지에 적합하되, 또한 ED와 RED에 사용될 수도 있다. (바이오) 연료 전지에서, 유동은 액체 또는 기체 또는 이들의 조합일 수 있다. 한편, 멤브레인(78)은 상기한 바와 같이 (바이오) 연료 전지와 같은 일 유형의 멤브레인을 가진 적용례에 가장 적합하다. 본 발명의 다른 실시예들에 관련하여 상기한 일부 또는 모든 특징들은 대안적인 멤브레인(78)과 관련하여 제공될 수 있다. 도시된 바와 같은 멤브레인(78)의 이점은 멤브레인들로 형성된 스택의 고유의 직교류(cross-flow) 구성이다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예들로 제한되는 것이 결코 아니다. 얻고자 하는 권리는 많은 변형례들이 예상될 수 있는 범위 내에서 다음의 청구항들에 의해 정의된다. 또한, 본 발명에 따른 멤브레인 스택은 전기를 발생시키는 산업(galvanic industry)에서의, 예를 들어 산의 재생성에서의 멤브레인 프로세스에 적용될 수 있다. 또한, 멤브레인을 생산하기 위한 본 발명에 따른 방법은 현존하는 멤브레인으로 시작하여 이러한 멤브레인에 원하는 프로파일을 제공함에 따라 수행될 수 있다.
4 ... 양극 6 ... 음극
8 ... 음이온 교환 멤브레인 10 ... 양이온 교환 멤브레인
12 ... 해수 14 ... 하천수
16 ... 전기 회로 18 ... 전기 장치
20 ... 투막성 셀

Claims (20)

  1. 멤브레인 기반 프로세스(2)를 위한 멤브레인 스택(22)은,
    적어도 복수의 멤브레인이 프로파일이 형성되지 않은 영역((an profiled area)에 1-100mm의 범위의 폭을 가진 에지 영역(72)이 제공되고, 양이온 및 음이온 교환 멤브레인의 교대로 배치된 레이어들을 가진 격실을 형성하는 복수의 멤브레인(8, 10) 및
    유체를 격실에 공급하고 격실로부터 배출시키기 위한 제1, 2 유체 공급 및 배출 수단(28, 32, 36, 40)을 포함하고,
    유체가 멤브레인 스택의 멤브레인의 평면에서 공급되고 배출되고, 그리고 멤브레인의 평면에서 멤브레인 스택의 측면으로부터 공급되고 배출되도록, 상기 제1, 2 유체 공급 및 배출 수단(28, 32, 36, 40)은 유체를 멤브레인 전체에 걸쳐서 분배시키기 위한 분배 챔버(48, 56)를 포함하고,
    제1 유체를 제공하기 위해 상기 제1 유체 공급 및 배출 수단(28, 32)은 멤브레인 스택의 반대쪽 측면들 상에 제공되고, 그리고
    직교류(cross-flow) 구성을 형성하기 위해 제1 유체의 유동 방향에 수직인 유동 방향을 가진 멤브레인 스택의 다른 측면으로부터 격실로 제2 유체를 제공하도록 제2의 유체 공급 및 배출 수단(36, 40)이 제공되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  2. 삭제
  3. 삭제
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  5. 제1항에 있어서,
    멤브레인들 중 적어도 일부는 유체 유동을 가능케 하는 채널(68)을 포함하는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  6. 제5항에 있어서,
    멤브레인 내부에서의 또는 그 상에서의 채널은 0.1-50mm의 범위에서 폭을 갖도록 제공되는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  7. 제5항에 있어서,
    멤브레인 내부에서의 또는 그 상에서의 채널은 10-2000㎛의 범위에서 깊이를 갖도록 제공되는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  8. 삭제
  9. 제1에 있어서,
    인접한 멤브레인들은 격실, 채널, 또는 격실 및 채널들을 형성하도록 수직한 방식으로 위치되는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  10. 제5항에 있어서,
    멤브레인 내부에서 또는 멤브레인 상에서의 채널은 멤브레인의 베이스 레이어 상에 제공되는 적층 또는 상부 레이어에 제공되는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  11. 제1항에 있어서,
    멤브레인 스택은 소정 길이와 폭으로 구성되되, 길이가 폭보다 큰 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  12. 제1항에 있어서,
    유체 공급 및 배출 수단과 멤브레인 스택의 일 측면 사이의 거리는 0.1-50mm의 범위 내에 있는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    추가 에지가 멤브레인의 유체 입구측. 유체 출구측, 또는 유체 입구측 및 유체 출구측 상에 제공되는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  15. 제14항에 있어서,
    유체 공급 및 배출 수단에 이온의 숏 컷 흐름을 최소화하기 위한 하나 이상의 보호 배리어가 제공되는 멤브레인 기반 프로세스를 위한 멤브레인 스택.
  16. 삭제
  17. 멤브레인 기반 프로세스(2)를 수행하기 위한 장치는,
    양극(4)이 제공되는 적어도 하나의 양극 격실,
    상기 적어도 하나의 양극 격실로부터 분리된, 음극(6)이 제공되는 적어도 하나의 음극 격실 및
    제1항, 제5항 내지 제7항, 제9항 내지 제12항, 제14항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인 스택(22)을 포함하는 멤브레인 기반 프로세스를 수행하기 위한 장치.















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