KR101971383B1

KR101971383B1 - 초여과 모듈 및 양이온 교환 수지를 포함하는 수 처리 어셈블리

Info

Publication number: KR101971383B1
Application number: KR1020177012366A
Authority: KR
Inventors: 지아 닝; 스티븐 디. 존스; 미카엘 에스. 코렐즈
Original assignee: 다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2019-08-13
Also published as: KR20170065651A; CN107074599A; WO2016065546A1; CN107074599B; US20170247266A1; US10040704B2

Abstract

i) 가압된 공급수의 공급원에 연결되도록 구성된 공급 라인(14), ii) 처리수의 분배기에 연결되도록 구성된 투과 라인(16), 및 iii) 배수구와 연결되도록 구성된 농축 라인(18)에 연결된 나선형 권취 초여과 막 모듈(12)을 포함하는 수 처리 어셈블리(10) 및 이의 작동 방법으로서, 상기 어셈블리는 약산성 양이온 교환 수지(25)를 함유하는 가압가능한 저장조(22)를 포함하고, 가압된 공급수의 유동을 저장조(22)를 통해 공급 라인(14)을 따라 선택적으로 전환시키고 상기 초여과 막 모듈(12)을 통과하기 전에 상기 공급 라인(14)으로 복귀시키기 위한 적어도 하나의 밸브를 추가로 포함한다.

Description

초여과 모듈 및 양이온 교환 수지를 포함하는 수 처리 어셈블리{WATER TREATMENT ASSEMBLY INCLUDING HYPERFILTRATION MODULE AND CATION EXCHANGE RESIN}

본 발명은 초여과 막 모듈(hyperfiltration membrane module) 및 약산성 양이온 교환 수지를 함유하는 가압가능한 저장조를 둘 다 포함하는 수 처리 어셈블리에 관한 것이다.

"초여과"는 반-투과성 막(semi-permeable membrane)의 한 면에 있는 공급물 용액에 압력이 가해지는 막-기반의 분리 공정이다. 가해진 압력은 "용매"(예컨대 물)가 막을 통과하게 하는 반면(즉, "투과물" 용액을 형성함) "용질"(예컨대 염)가 막을 통과하지 못하게 하여 나머지 공급물에 농축되도록 한다(즉, "농축물" 용액을 형성함). 낮은 농도에서 높은 농도로 이동하는 용매의 자연적인 구동력을 극복하기 위해, 가해지는 공급 압력은 삼투압을 초과해야 한다. 이러한 이유로, "초여과"라는 용어는 종종 "역삼투"와 상호 교환가능하게 사용된다. 초여과를 사용하는 대부분의 수 처리 어셈블리는 대부분의 공급물이 막 표면을 통과하고 소수 부분이 "투과물"로서 막을 통과하는 교차-유동(cross-flow) 모드로 작동한다. 예를 들어, US 4711723, US 4713175, US 4842724, US 5296148, US 7267769 및 CN 2839254 참조.

막을 통과하는 공급물 용액의 비율을 "회수율" 또는 "회수 속도"라고 한다. 공급물의 조성에 따라, 더 높은 회수율로 작동하면 공급물 내의 염이 용해도 한계 이상으로 농축됨에 따라 스케일링(scaling)이 발생할 수 있다. 대규모 탈염화 시스템의 개별 모듈은 전형적으로 10 내지 20%의 회수율로 연속적으로 작동하도록 설계된다. 이러한 고 회수 시스템에서 스케일링을 방지하는 것으로 알려진 방법으로는 스케일-억제제(anti-scalant) 투여, pH를 낮추기 위한 산 투여, 공급물 유동 역전, 농축 재순환 루프 내 침전 및 여과 통합, 및 공급수 또는 재생 농축물의 연화를 포함한다. 예를 들면, US 6461514, US 5501798, US 5925255, US 8137539 및 US 7459088 참조.

2가 양이온을 감소시키는 연화 방법은 나노여과, 석회 연화, 강산 수지의 사용, 전기-탈이온화 및 약산 양이온 이온 교환을 포함한다. 이온-교환 수지를 사용할 경우 이는 재생 염을 사용하여 재생시킬 수 있다(US 8679347).

주거용 시스템에 사용되는 소형 역삼투 모듈은 일반적으로 20 내지 35%의 회수율을 위해 설계된다. 대부분의 비-연화된 주거용 물에는 상당량의 칼슘 및 바이카보네이트 이온이 함유되어 있기 때문에, 상당히 높은 회수율(예컨대 35% 초과)은 종종 스케일링에 의해 제한된다. 높은 회수율 작업을 통해 상기 농도를 증가시키면 특히 CaCO₃가 발생할 수 있다. 산업용 수 처리 어셈블리에 사용되는 스케일-감소 기법과 달리, 크기, 비용 및 복잡성이 제한된 소형 주거용 막 시스템을 설계하는 경우에 설계 옵션은 더 제한적이다. 활성 화학물질(예컨대 산성 및 스케일-억제제)은 소비자가 구해서 사용하기가 어렵다. 새로운 공급 또는 투과 수(US4650586, WO2007018561, US20110163016 및 US8323484) 및 신속한 재순환(US6074551)으로 막 모듈의 공급물 면을 플러싱하는 것을 포함하는 다른 기법이 종종 실시된다. 그러나 이러한 옵션은 추가 성분이 필요하며 시스템의 효과적인 복구를 저하시킬 수 있다. 공급수의 이온-교환 처리는 역삼투 이전에 실시되지만, 이러한 접근법은 공간과 용량 사이의 절충(trade-off)과 이온 교환 수지 재생의 어려움으로 인해 제한된다.

요약

본 발명은 나선형 권취 초여과 막 모듈을 포함하는 수 처리 어셈블리를 포함하며, 상기 나선형 권취 초여과 막 모듈은, i) 가압된 공급수의 공급원에 연결되도록 구성된 공급 라인, ii) 처리수의 분배기(dispenser)에 연결되도록 구성된 투과 라인, 및 iii) 배수구(drain)와 연결되도록 구성된 농축 라인에 연결된다. 이 어셈블리는 약산성 양이온 교환 수지를 함유하는 가압가능한 저장조를 포함하고, 가압된 공급수의 유동을 저장조를 통해 공급 라인을 따라 선택적으로 전환시키고 상기 초여과 막 모듈을 통과하기 전에 상기 공급 라인으로 복귀시키기 위한 적어도 하나의 밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 어셈블리를 작동시키는 방법을 포함한다. 다양한 구현예가 기술된다.

도면은 실제 척도가 아니며 설명을 용이하게 하기 위한 이상적인 도면을 포함한다. 가능한 경우, 동일하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 명세서 및 도면 전체에 걸쳐 유사한 숫자가 사용된다.
도 1은 나선형 권취 모듈의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예의 개략도이다.
도 3은 플러싱 모드로 작동하도록 배향된 2개의 밸브를 갖는 다른 구현예의 개략도이다.
도 4는 가압된 저장조를 통해 가압된 공급수의 유동을 전환시키기 위한 단일 밸브를 갖는 구현예의 개략도이다.

본 발명은 역삼투(RO) 및 나노여과(NF)에 사용하기에 적합한 나선형 권취 모듈("요소")을 포함한다. RO 막은 사실상 모든 용해된 염에 대해 상대적으로 불투과성이며 전형적으로 염화나트륨과 같은 1가 이온을 갖는 약 95% 이상의 염을 거부한다. RO 막은 또한 전형적으로 약 100 달톤 이상의 분자량을 갖는 유기 분자뿐만 아니라 무기 분자의 약 95% 이상을 거부한다. NF 막은 RO 막보다 더 투과성이며, 전형적으로 1가 이온을 갖는 염의 약 95% 미만을 거부하는 반면, 2가 이온의 종류에 따라 2가 이온을 갖는 염의 약 50% 이상(종종 90% 이상)을 거부한다. NF 막은 또한 전형적으로 약 200 내지 500 달톤 초과의 분자량을 갖는 유기 분자뿐만 아니라 나노미터 범위의 입자를 거부한다. 본원 명세서의 목적을 위해, 용어 "초여과"는 역삼투(RO) 및 나노여과(NF)를 모두 포함한다.

나선형 권취 모듈은 초여과 막에 대한 가장 일반적인 구성을 제공한다. 이들의 구조는 다른 곳에 자세히 기술되어있다(US 6881336, US 8142588 및 US 8496825). 대표적인 나선형 권취 모듈(12)은 도 1에 도시되어 있으며, 하나 이상의 막 외피(envelope)(2) 및 공급물 채널 스페이서 시트("공급물 스페이서")(3)를 투과물 수집 튜브(4) 주위에 권취하여 형성된다. 각각의 막 외피(2)는 바람직하게는 투과물 채널 스페이서 시트("투과물 스페이서")(6)를 둘러싸는 2개의 실질적으로 직사각형인 막 시트(5)를 포함한다. 이러한 샌드위치-형 구조는 3개의 에지를 따라, 예를 들어 실란트(sealant)(7)에 의해, 함께 고정되어 외피를 형성하는 한편, 제4의 에지는 투과물 수집 튜브(4)와 접하여 상기 외피의 내부 부분이 투과물 수집 튜브(4)의 길이를 따라 복수 개의 개구와 유체 연통되도록 한다. 공급물 스페이서(3)는 공급물 유체의 유동을 용이하게 하는 막 시트들(5) 사이에 자유 부피를 생성한다. 전형적으로, 공급물 유동은 상류 입구(8)로부터 하류 출구(9)까지 모듈(12)을 통해 축 방향으로 존재한다(즉, 투과물 수집 튜브(4)와 평행하다). 도 1에서보다 상이한 유동 공급물 유동 패턴을 갖는 나선형 권취 모듈(예컨대, US20040222158, US8337698)은 상류 입구(8) 및/또는 하류 출구(9)에 대해 상이한 위치를 가질 수 있다.

본 발명은 특히 주거용으로 설계된 수 처리 어셈블리, 예를 들어 막 면적이 2 ㎡ 미만, 더 바람직하게는 1 ㎡ 미만인 것에 적합하다. 이러한 모듈에 바람직한 길이는 0.5 m 미만이다. 대표적인 초여과 모듈은 공칭 직경이 1.8 인치(4.6 cm)이고 공칭 길이가 12 인치(30 cm)인 필름텍(FilmTec™) 1812 구성(예컨대 TW30-1812)을 포함한다.

도 2, 3 및 4는 본 발명의 다양한 구현예를 개략적으로 도시한다. 수 처리 어셈블리(10)는 가압된 공급수의 공급원(도시되지 않음)에 연결되도록 구성된 공급 라인(14)에 연결된 나선형 권취 초여과 막 모듈(12)을 포함한다. 공급수의 공급원은 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 10 psi 초과의 압력, 더 바람직하게는 20 psi 초과의 압력에서 제공되는 도시용 또는 가정용 식수 공급을 포함한다. (많은 용도에서, 공급물 압력은 바람직하게는 100 psi 미만 또는 60 psi 미만이다.) 모듈(12)은 또한 처리된 물의 분배기(예를 들어, 수도꼭지, 도시되지 않음)에 연결되도록 구성된 투과 라인(16) 및 배수 또는 처분 저장 용기와 연결되도록 구성된 농축 라인(18)에 연결된다. 상기 라인(14, 16, 18)은 예를 들어 주거 가정용 RO 처리 시스템에 일반적으로 사용되는 것과 같은 용도에 통상적으로 사용되는 커넥터를 갖는 종래의 배관 또는 호스(예를 들어, 구리, 폴리에틸렌, PVC 등)를 포함할 수 있다. 고압에서 작동하도록 설계된 시스템에는 대체 물질이 필요할 수 있다. 나선형 권취 모듈(12)은 당업계에 통상적인 바와 같이 쉘(shell) 내에 캡슐화되거나 또는 라인(14, 16, 18)과 연결되도록 유체 입구 및 출구를 갖는 하우징 내에 끼워맞춰질 수 있다. 단일 모듈(12)만이 필요하지만, 다수의 모듈은 당업계에 통상적인 바와 같은 통상의 하우징 또는 압력 용기 내에서 직렬로 연결될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 어셈블리(10)는 단일 나선형 권취 모듈(12)만을 포함한다.

바람직한 일련의 구현예에서, 어셈블리(10)는 40% 초과의 회수율을 제공하는 데 적합하다. 이를 위해, 농축 라인(18)은 공급물 유동을 제한하는 유동 제한 기(20)를 포함할 수 있고, 바람직하게는 유동 제한기(20) 및 모듈(12)은 상기 모듈(12)이 25℃ 및 pH 8에서 500 ppm NaHCO₃로 20 gfd에서 작동되는 경우에 40% 초과의 회수율을 제공하도록 선택된다. 일부 구현예에서, 유동 제한기(20) 및 모듈(12)은 상기 모듈(12)이 25℃ 및 pH 8에서 500 ppm NaHCO₃로 20 gfd에서 작동되는 경우에 50%, 60% 또는 심지어 70% 이상의 회수율을 제공하도록 선택될 수 있다. 보다 전형적인 물(예를 들어, 칼슘 및 바이카보네이트 이온을 함유하는)을 갖는 높은 회수율 작업에서, 유동 제한기(20) 내의 스케일 형성은 불안정한 작동을 야기할 가능성이 있다. 따라서 바람직한 구현예에서, 상기 제한기는 적어도 1 mm의 최소 직경을 갖는 길이가 적어도 0.5 m, 바람직하게는 적어도 1 m인 튜브일 수 있다.

어셈블리(10)는 약산성 양이온 교환 수지(25)를 함유하는 가압가능한 저장조(22)를 추가로 포함한다. 4 이상의 pKa 값을 갖는 양이온 교환 수지는 약산성으로 여겨지며 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 적합한 약산성 양이온(WAC) 수지는 다우웩스(DOWEX™) MAC-3, IMAC™ HP333, 르와티트(Lewatit™) CNP-80 및 앰벌라이트(Amberlite™) IRC-86을 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다. 식품 등급의 약산성 양이온 교환 수지가 바람직하다(예컨대 앰벌라이트 FPC-3500). 이러한 수지의 다른 예 및 이의 제조는 US 3156644 및 US 3492159에 기재되어있다. 바람직한 구현예에서, 약산성 양이온 교환 수지(25)는 주로 수소 형태인 이온화 가능한 카복실레이트 기를 함유한다. 수지는 고체 가교-결합된 입자(예컨대, 비드 유래의 스티렌-디비닐 벤젠 가교-결합된 매트릭스)일 수 있다. 수지는 거대망상(macroreticular) 또는 겔일 수 있지만, 겔이 선적 중에 물이 덜 포함되므로 바람직하다. 저장조(22)는 수지 재-충전 또는 교체를 위해 사용자가 어셈블리(10)로부터 탈착가능할 수 있다. 그러나 약산성 양이온 교환 수지를 함유하는 가압가능한 저장조는 바람직하게는, 예를 들어 입구(26) 및 출구(28)를 갖는 캡슐화되거나 영구적으로 밀봉된 제품을 생성함으로써, 최종 사용자로부터 비가역적으로 밀봉된다.

저장조(22)는 가압된 공급수를 위한 입구(26) 및 출구(28)를 포함한다. 이 어셈블리는 공급 라인(14)을 따라 가압된 공급수의 유동을 입구(26)와 출구(28) 사이의 저장조(22)를 통과하는 경로(31')로 선택적으로 전환시키고 초여과 막 모듈(12)을 통과하기 전에 공급 라인(14)으로 복귀시키기 위한 밸브(30, 30')를 포함한다. 즉, 저장조(22)와 밸브(30, 30')는 모듈(12)의 상류에 위치한다. 저장조(22)는 유체 유동을 돕기 위해 부가적인 압력을 제공하는 임의적인 부스터(booster) 펌프(33) 또는 블래더(bladder)에 추가로 연결될 수 있지만, 바람직한 구현예에서 저장조(22)는 수동적이며 가압된 공급수의 공급원으로부터 공급 라인(14)을 통해 유동하는 공급물 액체의 압력에 전적으로 의존한다. 어셈블리는 멀티-미디어 필터, 카트리지 필터, 활성 탄소층 등과 같은 임의적인 전처리(35) 및 후처리(35')를 추가로 포함할 수 있다. 약산성 양이온 교환 수지(25)를 함유하는 가압가능한 저장조(22)를 통해(31') 또는 주위(31)의 경로로 선택적으로 직접적으로 유동하는 밸브(30, 30') 외에, 추가적인 수동 또는 자동 밸브(37)가 전체 공급물 유량 및 투과물(16) 및 농축물(18) 라인을 통과하는 상대적인 양을 제어하는 데 사용될 수 있다.

도 2는 별도의 경로(31, 31')에 배치된 2개의 밸브(30, 30')를 갖는 구현예를 도시한다. 제1 경로(31)는 약산성 양이온 교환 수지를 함유하는 가압가능한 저장조를 우회하고, 제2 경로(31')는 가압가능한 저장조를 통과한다. 작동시, 제1 경로(31)에 위치한 제1 밸브(30)는 일반적으로 투과물을 생성하면서 개방되어 물이 모듈(12)로 직접 흐를 수 있도록 한다. 공급수 유동의 대부분이 약산성 양이온 교환 수지(25)를 함유하는 저장조(22)를 우회하는 작동 조건을 표준 작동 모드라고 한다. 대안적으로, 제1 밸브(30)는 가압된 저장조(22)를 통과하는 제2 경로(31')로 공급물 유동을 유도하도록 폐쇄될 수 있다. 공급수 유동의 대부분이 가압된 저장조(22)를 통과하는 작동 조건을 플러싱(flushing) 모드라고 한다. 도 2는 또한 투과물 생성 동안 폐쇄되고 플러싱 단계 동안 개방되어 가압가능한 저장조(22)를 통해 공급수를 전환시키는 제2 경로(31') 내의 제2 밸브(30')를 도시한다. 표준 작동 모드와 플러싱 모드 모두에서 투과물이 발생할 수 있다. 그러나, 바람직한 구현예에서, 플러싱 모드 동안 투과 라인(18)에 비해 농축 라인(16)을 통한 유동의 비율을 증가시키도록 밸브(37)가 위치된다. 보다 바람직하게는, 플러싱 모드 동안 투과가 방지된다.

제1 또는 제2 경로(31, 31')로 유동을 안내하는 밸브(30, 30')는 개방 또는 폐쇄된 것으로 기술되지만, 이들은 상대적인 위치로서 이해될 수 있다. 예를 들어, 소량의 액체가 폐쇄된 밸브를 통과할 수 있다. 본원의 목적상 폐쇄된 위치에 있는 밸브는 개방된 위치에 있는 밸브의 유동의 4배 이상을 갖는다. 또한, 필요하지는 않지만, "일반적으로 개방된" 또는 "일반적으로 폐쇄된" 밸브는 그 상태를 향해 기계적으로 바이어스될 수 있으므로 또 다른 위치를 유지하기 위해서는 에너지가 필요하다. 이 목적을 위해, 기계적으로 바이어스된(예를 들어, 스프링 로딩된) 솔레노이드 밸브가 바람직하다. 작동시, 일반적으로 개방되어 있거나 일반적으로 폐쇄되어 있는 밸브는 공급 유동이 있는 동안 평균적으로 적어도 5배 더 길게 구성하는 것이 바람직하다.

도 2의 어셈블리가 표준 작동 모드에 있는 동안, 밸브(30)는 공급수가 제1 경로(31)를 통해 공급 라인(14)을 따라 유동하도록 저장조를 우회하도록 개방된다. 이러한 제1 경로(31)로부터의 공급물 유동은 모듈(12)로 보내져서 라인(16, 18)을 통해 각각 모듈을 나가는 투과물 및 농축물 스트림을 생성한다. 플러싱 모드에서 작동할 때, 밸브(30, 30')가 작동되어 2가 양이온이 모듈(12)로 들어가기 전에 공급물 용액으로부터 우선적으로 제거될 수 있는 저장조(22)를 통해 공급수의 유동을 유도한다. 도 3은 공급수가 모듈(12)에 들어가기 전에 제2 경로(31') 및 가압가능한 저장조(22)를 통과하는 플러싱 모드와 일치되게 배향되는 밸브(30, 30')를 갖는 대안적인 설계를 도시한다.

도 4는 도 2에 도시된 제2 밸브 (30')가 존재하지 않는 또 다른 구현예를 도시한다. 이 경우, 제1 경로(31)를 통해 유동하는 저항은 바람직하게는 제2 경로(31')를 통해 유동하는 저항의 20% 미만, 보다 바람직하게는 10% 미만 또는 5% 미만이다. 이러한 방식으로, 보다 적은 부피의 유체가 표준 작동 모드에서 여전히 제2 경로(31')를 통해 유동할 것이다. 제1 밸브(30)를 폐쇄하면 약산성 양이온 수지를 함유하는 저장조를 통해 가압된 공급수의 유동을 선택적으로 우회시키는 플러싱 모드가 발생한다. 동일한 가해진 압력으로, 모듈 내의 전체 공급물 유량 및 압력은 제2 경로(31')를 통한 저항에 의해 감소될 것이다. 본 발명의 목적을 위해, 경로 저항은 밸브에서의 저항을 포함한다.

본 발명의 어셈블리를 작동시키는 공정은 표준 작동 모드, 플러싱 모드 및 휴면 모드를 포함하며, 여기서, 가압된 공급수의 대부분은 표준 작동 모드 동안 저장조를 우회하고, 가압된 공급수의 대부분은 플러싱 모드 동안 저장조를 통과하며, 가압된 공급수는 휴면 모드 동안 모듈을 통과하지 않는다. 밸브들(30, 30')은 다양한 기준들, 즉 하루 중의 시간, 처리되는 물의 부피, 마지막 플러싱 이후의 시간, 모듈을 통한 압력 강하 등에 기초하여 플러싱 모드로 밸브들(30, 30')을 작동시키도록 프로그래밍될 수 있는 제어 회로(도시되지 않음)에 의해 조절될 수 있다.

하나의 바람직한 구현예에서, 어셈블리는 공급수가 가압된 저장조(22)를 우회하여 1분 이상, 또는 심지어 5분 이상 동안 높은 회수율로 투과물-생성 모드로 작동된다. 그 후, 플러싱 모드는 가압가능한 저장조(22)를 통해 공급수의 유동을 유도하도록 밸브(30, 30')를 위치시킴으로써 시작된다. 이 구현예에서, 플러싱 모드 지속 기간은 바람직하게는 1분 미만, 30초 미만, 10초 미만 또는 심지어 5초 미만이다. 모듈(12)의 공급 면을 플러싱한 후, 밸브가 다시 스위칭되고 표준 작동 모드가 다시 시작된다. 바람직하게는, 플러싱 모드에서 소요되는 평균 시간은 표준 작동 모드에서 소요된 시간의 1% 내지 20%이다. 바람직하게는, 순서는 모듈이 마지막으로 플러싱된 이후의 시간에 기초하여 작동 시간 동안 주기적이다. 일 구현예에서, 농축 라인(18)의 저항은 플러싱 단계의 일부 동안 감소된다. 바람직한 구현예에서, 가압가능한 저장조 내의 액체의 부피는 플러싱 모드에서 모듈을 통과하는 액체의 부피를 초과한다.

또 다른 구현예에서, 공급수는 휴면 모드 직전에 약산성 양이온 교환 수지를 함유하는 저장조를 통과하여 모듈 내에 유지된다. 이 경우, 2가 양이온이 고갈된 공급수는 저장조(22)로부터 모듈(12)로 유동하며, 여기서 이는 일정 시간(예를 들어, 휴면 모드 동안 수 분에서 수 시간) 동안 유지된 후 모듈(12)을 빠져나간다. 이는 투과물 생성 직후 또는 최종 단계에서 플러싱 모드로 들어가서 수행될 수 있다. 대안적으로, 이는 어셈블리가 비활성인 동안 예를 들어 식수 소비량이 적은 저녁 시간 동안 플러싱 모드를 활성화시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 플러싱은 하루 중의 시간, 마지막 플러싱 이후의 지속 시간에 의하거나 또는 투과물 생성에 소요된 시간에 대한 응답으로 유발될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 플러싱은 투과가 없는 상태에서 발생한다. 휴면 모드 직전에 플러싱 모드를 제공함으로써, 모듈(12) 내의 막(5) 및 공급물 스페이서(3)는 비교적 낮은 pH 및 칼슘-부족 공급수와 접촉하는 연장된 시간을 가질 수 있다. 신선한 공급수 또는 심지어 투과 수에 침지하는 것에 비해, 침착된 스케일을 역전시킬 수 있는 가능성은 더 커질 수 있다. 또한, 투과 수에 침지하는 것보다, 보다 높은 회수율이 유지된다.

플러싱 모드가 휴면 모드에 선행하는 구현예에서, 시스템은 바람직하게는 2분 미만, 1분 미만, 30초 미만의 플러싱 모드로 존재한다. 바람직한 구현예에서, 공급수 1 리터 미만, 심지어는 공급수 200 ml 미만이 플러싱 모드 중에 초여과 모듈을 통과한다. 보다 바람직하게는, 플러싱 모드에서 모듈을 통과하는 공급수의 부피는 모듈의 공급물 스페이서 자유 부피(초여과 모듈의 공급물 측면에 함유될 수 있는 액체의 부피)보다 4배 미만, 보다 바람직하게는 2배 미만이다. 높은 회수율로 작동되는 어셈블리의 유동 제한기(20)에서 스케일이 형성될 수 있다는 것이 밝혀졌으며, 플러싱 모드는 또한 유동 제한기에서 감소된 스케일 가능성을 갖는 공급물 용액을 제공하여 이를 장기간 침지시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 바람직한 구현예에서, 휴면 모드는 1시간을 초과한다.

플러싱 모드가 휴면 모드에 선행하는 경우, 모듈의 공급물 스페이서 자유 부피 모두는 약산성 이온 교환 수지에 의해 처리된 액체를 함유할 수 있어, 휴면 모드 동안 스케일이 용해될 수 있다. 그러나 스케일 제거를 위한 가장 중요한 영역은 모듈의 공급물 스페이서(3)의 하류쪽 출구(9) 근처에 있다. 일 구현예에서, 휴면 모드는 플러싱 모드를 즉시 따른다. 그러나 대부분의 가압된 공급수가 저장조를 우회할 짧은 시간에 두 모드가 시간에 따라 분리될 수도 있다. 이는 수지-처리된 물의 플러그가 공급 라인을 통해 모듈로 이동할 수 있게 함으로써 수지 사용을 최소화할 수 있다. 모듈의 가장 문제가 되는 영역에 수지-처리된 물의 플러그를 위치시키기 위해 더 짧은 지속 시간의 플러싱 모드를 사용할 수도 있다.

센서(34)는 밸브(30, 30')를 작동시키는 루틴의 일부로서 제어 유닛에 피드백을 제공하기 위해 어셈블리를 따라 위치될 수 있다. 이온 혼합의 변화에 응답하는 농축 라인(18) 내의 센서(34')는 저장조를 통한 공급물 유동에 대한 적절한 양의 시간을 확인하는 것을 보조함으로써, 개질된 공급물이 휴면 모드에 들어가기 전에 모듈(12)을 채우도록 한다. 예를 들어, 초여과 모듈을 떠나는 증가된 산성도(및 감소된 칼슘 이온)는 농축 라인(18)의 증가된 전도도 또는 감소된 pH에 의해 검출될 수 있다.

수지 용량을 효율적으로 사용하기 위해, 모듈은 낮은 총 공급물 스페이서 자유 부피를 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게는 공급물 스페이서 자유 부피는 막의 평방 미터당 0.2, 0.15 또는 심지어 0.1 리터 미만이다. 이것이 달성될 수 있는 한 가지 방법은 얇은 공급물 스페이서를 사용하는 것이다. 대안적으로 또는 부가적으로, 낮은 공급물 스페이서 부피를 갖는 모듈은 한 방향 또는 양 방향으로 증가된 두께 또는 1인치당 가닥 수를 갖는 양방향 네트를 사용함으로써 수득될 수 있다. 이러한 스페이서는 당업계에 공지된 방법(예를 들어, US4861487A, US6881336, US7459082, US8361318)에 의해 제조될 수 있다. 막의 높은 투과율(A-값)은 또한 원하는 모듈 유속에 필요한 공급물 스페이서 면적의 양을 제한하는 데 기여할 수 있다. 필름텍(FILMTEC™) TW30-1812-100 모듈에 사용된 막은 가장 높은 투과성 상업용 역삼투 막(A-값 약 0.4 gfd/psi) 중 하나이다. 그러나 US 5876602 및 US 6171497에 기재된 바와 같이 염소로 상기 또는 유사한 막을 처리하면 그 유동이 실질적으로 증가하여 A-값이 0.55 gfd/psi(13.5 L/㎡/hr/bar)를 초과할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 공급물 스페이서 두께 대 막 A-값의 비는 60 bar 초 미만이다. 불행하게도, 통상적인 플럭스에서 작동하기 위한 압력을 낮추더라도, 고 투과성 막은 투과물 스페이서 내로 고르지 않은 유동 분포를 야기하여 스케일링 가능성을 증가시킬 수 있고, 투과물 튜브 근처에서 더 많은 플럭스를 가질 수 있다. 일 구현예에서, 투과물 스페이서는 통상적인 설계와는 대조적으로 공급물 스페이서보다 큰 두께를 갖는다. 예를 들어, 12 mil(0.30 mm)의 투과성 트리코트(Tricot) 물질을 10 mil(0.25 mm) 두께의 공급물 스페이서 네트와 함께 사용할 수 있다.

상기 어셈블리는 특히 펌프를 배제하고 인라인(in-line) 수돗물 공급원의 압력(예를 들어 10 내지 60 psi)에만 의존하는 주거용 용도에 적합하다. 대안적으로 또는 부가적으로, 어셈블리는 투과물을 저장하기 위한 임의의 탱크(38)를 배제할 수 있다. 이러한 용도에서, 어셈블리는 식수를 처리하기 위한 싱크대 아래에 장착되거나 제빙기 및 식기 세척기와 같은 기구와 연결하여 사용된다. 다른 구현예에서, 어셈블리는 선택적으로 하나 이상의 펌프 또는 추가적인 처리 유닛, 예를 들어 나선형 권취 막 모듈의 상류 또는 UV-살균기 하류에 위치한 미세여과 카트리지를 포함한다.

본 발명을 더 잘 이해할 목적으로, 강산 수지 및 약산 양이온 교환 수지를 사용하는 작업을 고려할 수 있다. 주거용 수 처리에서, 공급물 조성은 매우 다양할 수 있으며 이러한 예측 불가능성은 시스템 설계를 대형 시스템과 상이하게 만드는 몇 가지 문제들 중 하나이다. 논의를 위해 표 1에 표시된 초기 성분을 갖는 공급수를 선택하였다. 이는 22℃ 및 pH 7.9에서 LSI(랑게리아 포화 지수(Langelier saturation index))가 -0.106이다. 다우 케미칼(Dow Chemical)의 ROSA(역삼투 시스템 분석(Reverse Osmosis System Analysis)) 소프트웨어(버전 8.0)는 50% 회수 후 거부된 이온의 농도가 약 2배 높고 약간 상승된 pH 8.2와 LSI 0.764에 해당할 것으로 예상한다. 0보다 큰 LSI 값은 스케일에 유리한 환경을 나타낸다. 이 공급수를 처리하고 스케일링을 피할 수 있는 용량은 상대적으로 고용량인 강산 양이온 교환 수지(앰버제트(Amberjet™) 1600H) 및 약산성 양이온 교환 수지(IMAC™ HP333)의 경우에 비교된다.

표 I:

공급물 성분	mg/L	meq/L
칼륨(K⁺)	3.60	0.092
나트륨(Na⁺)	67.6	2.94
마그네슘(Mg² ⁺)	12.5	1.03
칼슘(Ca² ⁺)	40.2	2.00
스트론튬(Sr² ⁺)	0.261	0.006
카보네이트(CO₃ ^2-)	0.596	0.02
바이카보네이트(HCO₃ ^-)	104.32	1.71
클로라이드(Cl^-)	117.699	3.32
설페이트(SO₄ ^2-)	49.0	1.02

수소 형태의 강산성 양이온 교환 수지는 K⁺, Na⁺, Mg² ⁺, Sr² ⁺ 및 Ca² ⁺와 교환되어 총 합계 3.035 meq/L가 될 수 있다. 앰버제트 1600H는 약 1.75 eq/L의 작동 용량을 가지므로 1리터는 공급물(1.75 * 1000/3.035 = 288 L)를 처리할 수 있다. 반대로, 약산성 양이온 교환 수지의 경우, 바이카보네이트 알칼리성(임시 경도)과 관련된 Ca² ⁺, Ba² ⁺ 및 Sr² ⁺만 제거되고 H⁺로 대체되어 유출물 pH를 4 내지 5로 낮춘다. 바이카보네이트에 결합된 스케일-형성 양이온만이 제거되고, 카복실 기가 더 이상 해리되지 않는 pH가 약 4.2에 도달하면 공정이 중단된다. 스케일 가능성이 있는 물은 칼슘과 알칼리를 모두 함유하고 있으므로, 이러한 수지 유형은 특히 의도된 용도에 효과적이다. 바람직한 경우, 약산성 양이온 수지와의 교환은 카보네이트 및 바이카보네이트(1.72 meq/L)에 의해 제한되어, 3.035 meq/L의 2가 양이온 중 약 절반만이 제거된다. 여전히, pH 및 스케일링 가능성은 실질적으로 감소되어, 예측된 LSI는 실질적으로 음성이고 CaCO₃는 재용해될 수 있다. 알칼리성 누출 종말점이 50%라고 가정하면, HP333 작업 용량은 2.2 eq/L이므로, 이는 수지 1 리터가 공급수로부터 1280 L의 임시 경도를 제거할 수 있음을 시사한다.

결과는 약산성 양이온 교환 수지가 강산성 양이온 교환 수지로서 약 4.4배의 물의 양을 처리하는 데 적합함을 보여준다. 일생 동안 10,000 L의 투과물을 생성하는 주거용 초여과 모듈의 경우, 50% 회수율은 공급물 유량의 부피의 2배(20,000 L)에 해당한다. 기술된 두 공정들 중 하나는 표준 작동 모드와 플러싱 모드 사이를 간헐적으로 스위칭하는 것을 포함한다. 고려되는 경우, 1리터의 수지를 재생성할 능력이 없다고 가정하면, 두 가지 모드 각각의 지속 시간은 약 15의 비율을 가질 수 있다. 많은 물은 자연적으로 칼슘, 바이카보네이트 이온 또는 더 높은 pH를 실질적으로 가질 것이며, 이러한 요소들은 수지 고갈 속도를 증가시킬 수 있다. 시스템의 다른 요소에 따라, 상기 비율을 더 늘리거나 약산성 양이온 교환 수지 카트리지를 교체하면 모듈 수명 동안 플러싱이 증가할 수 있다.

대안적인 작동 접근법은 휴면 모드 이전에 짧은 플러싱 모드를 제공하여, 모듈(및 바람직하게는 농축 라인의 유동 제한기)의 적어도 일부가 잠재적인 스케일의 제거를 도울 수 있는 처리된 공급물 용액으로 채워질 수 있도록 한다. TW30-1812-75 모듈이 0.3 ㎡의 90% 보이드(void), 0.43 mm(17 mil) 두께의 공급물 스페이서로 구성되는 경우, 모듈의 공급물 스페이서 자유 부피는 0.116 L이다. HP333 수지 1 L에 대해 이전에 언급한 1280 L 처리 용량을 사용하면 2개의 모듈 부피의 공급물이 5000회 이상 모듈을 통해 플러싱될 수 있다. 10,000 L의 투과물이 약 5년에 걸쳐 퍼지면, 이는 8시간마다 플러싱 모드가 규정될 수 있도록 한다. 또한, 표준 연속 작동에서, 수지 성능 계산은 전형적으로 누출 종말점 분율(예를 들어 50%)을 상정한다. 예를 들어 HP333의 경우 2.2 eq/L의 작업 용량이 가정되었지만(50% 누출 종말점 기준), 총 교환 용량은 실제로 3.85 eq/L이다. 이온 교환의 통상적인 작동과는 달리, 개시된 공정은 플러싱 이전의 저장조 내의 수지와 공급물 용액 간의 연장된 접촉을 포함하므로, 스케일-형성 이온의 고갈은 실제로 더 클 수 있다. 공급물 스페이서에 신선한 공급물 또는 생성된 투과물을 충전하는 것과 비교하는 경우, 이 방법은 더 큰 스케일 제거 가능성을 가질 수 있다. 생성된 투과물을 사용하는 것에 비해, 동일한 플러싱 단계는 시스템 회수에 덜 부정적인 영향을 미친다. 공정의 요구되는 수지 용량은 막의 제곱미터 당 더 높은 수분 투과성 막 또는 감소된 공급물 스페이서 부피를 갖는 모듈을 사용함으로써 더욱 감소될 수 있다.

본 발명의 많은 구현예들이 기술되었고, 어떤 경우에는 특정 구현예, 선택, 범위, 성분 또는 다른 특징들이 "바람직한" 것으로 특징지어졌다. 이러한 "바람직한" 특징의 지정은 결코 본 발명의 본질적이거나 중요한 측면으로 해석되어서는 안 된다. 전술한 특허 및 특허출원 각각의 전체 내용은 본원에 참고로 포함된다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
수 처리 어셈블리(water treatment assembly)를 작동시키는 방법으로서,
상기 어셈블리가, 하나 이상의 막 외피(envelope) 및 투과물 수집 튜브 주위에 권취된 공급물 채널 스페이서 시트를 포함하는 나선형 권취 초여과 막 모듈(spiral wound hyperfiltration membrane module)을 포함하고,
상기 모듈이
i) 가압된 공급수(feed water)의 공급원에 연결되도록 구성된 공급 라인(feed line),
ii) 처리수의 분배기(dispenser)에 연결되도록 구성된 투과 라인(permeate line), 및
iii) 배수구(drain)와 연결되도록 구성된 농축 라인(concentrate line)
에 연결되며,
상기 어셈블리는 약산성 양이온 수지를 함유하는 가압가능한 저장조 및 가압된 공급수의 유동을 상기 저장조를 통해 상기 공급 라인을 따라 선택적으로 전환시키고 상기 모듈을 통과하기 전에 상기 공급 라인으로 복귀시키기 위한 하나 이상의 밸브를 포함하고,
상기 어셈블리는
i) 유동에 대한 저항을 증가시키도록 구성된 투과 라인을 따라 위치하는 밸브, 및
ii) 유동에 대한 저항을 감소시키도록 구성된 농축 라인을 따라 위치하는 밸브
중 적어도 하나를 포함하고,
상기 방법은 가압된 공급수를 공급 라인으로 도입하고, 표준 작동 모드(standard operating mode), 플러싱 모드(flushing mode) 및 휴면 모드(dormant mode)를 포함하는 세 개의 개별 모드로 작동시키는 것을 포함하고,
가압된 공급수가 상기 표준 작동 모드 동안에는 상기 저장조를 우회하고, 가압된 공급수가 상기 플러싱 모드 동안에는 상기 저장조를 통과하고, 상기 휴면 모드 동안에는 가압된 공급수가 상기 모듈을 통과하지 않으며,
상기 플러싱 모드가 상기 휴면 모드에 선행하여, 상기 휴면 모드 동안 공급수가 상기 저장조로부터 상기 모듈로 유동되어 상기 모듈 내에 유지되고, 플러싱 모드 동안 하기 a) 및 b) 중 적어도 하나가 발생하는,
수 처리 어셈블리를 작동시키는 방법:
a) 투과 라인을 따라 위치하는 밸브가 유동에 대한 저항을 선택적으로 증가시키도록 위치, 및
b) 농축 라인을 따라 위치하는 밸브가 유동에 대한 저항을 선택적으로 감소시키도록 위치.
청구항 5에 있어서, 상기 플러싱 모드에서 소요된 평균 시간은 상기 표준 작동 모드에서 소요된 시간의 1% 내지 20%인, 방법.
삭제
청구항 5에 있어서, 상기 플러싱 모드의 지속 시간은 1분 미만인, 방법.
삭제
청구항 5에 있어서, 상기 초여과 막 모듈은 막의 평방 미터당 0.2 리터 미만의 공급물 스페이서 자유 부피를 갖는, 방법.