KR101981353B1 - 담수화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 담수화 셀을 포함하는 담수화 시스템에 관한 것이다. 적어도 하나의 담수화 셀은 제 1 및 제 2 전극, 개개의 제 1 및 제 2 전극상에 배치된 음이온 교환층 및 양이온 교환층, 및 제 1 및 제 2 전극사이에 배치된 스페이서를 포함한다. 적어도 하나의 담수화 셀은 제 1 및 제 2 전극사이에 배치된 이온 교환 수지를 더 포함한다. 본 발명은 또한 수성 스트림으로부터 이온을 제거하기 위한 담수화 시스템 및 방법도 제공한다.

Description

담수화 시스템 및 방법{DESALINATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 일반적으로는 물을 회수하기 위한 담수화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 처리수를 회수하기 위한 경도 이온 제거용의 담수화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
산업 공정에서, 수성 염류 용액과 같은 다량의 폐수가 생성된다. 일반적으로, 이러한 폐수는 가정이나 산업 용도로 직접 소비하기에는 부적합하다. 한정된 적격 수원(eligible water source)의 관점에서, 폐수, 해수 또는 담함수(brackish water)와 같은 액체 스트림으로부터 적격수(eligible water)를 회수하는 것이 바람직하다.
전형적으로는, 연속 동작 및 안정하고 비교적 고품질의 처리수로 인하여, 전기 탈이온화(electrodeionization)(EDI) 장치는 예를 들면 순수 생산을 위하여 그러한 액체 스트림을 처리하는데 사용되어 왔다. 일반적으로, EDI 장치는 액체 스트림을 처리하기 위하여 이온 교환 수지 비드로 충진된 통상의 전기투석 시스템을 사용한다. 그러나, 동작하는 도중에, EDI 장치는 처리할 액체 스트림에 대한 경도 허용오차를 갖는다. 예를 들면, EDI 장치의 경도 허용오차는 약 1ppm 미만으로, 이는 액체 스트림이 EDI 장치내로 도입되기 전에 그 안의 경도를 감소시키기 위하여 액체 스트림의 엄격한 전처리를 필요로 할 수 있다.
액체 스트림을 전처리하여 액체 스트림내의 경도를 감소시키려는 시도가 있어 왔다. 예를 들면, 2단계의 역삼투압(reversal osmosis)(RO) 장치가 사용된다. 그러나, 2단계의 역삼투압 장치의 사용으로 인하여, 액체 스트림내의 경도를 감소시키기 위한 시스템 단가가 더 높아질 수 있다.
따라서, 물을 회수하기 위한 경도 이온 제거용의 새롭고 개선된 담수화 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 하나의 실시태양에 따라 수성 스트림으로부터 이온을 제거하기 위한 담수화 시스템이 제공된다. 담수화 시스템은 적어도 하나의 담수화 셀(desalination cell)을 포함한다. 적어도 하나의 담수화 셀은 제 1 및 제 2 전극, 개개의 상기 제 1 및 제 2 전극상에 배치된 음이온 교환층 및 양이온 교환층, 및 상기 제 1 및 제 2 전극사이에 배치된 스페이서(spacer)를 포함한다. 적어도 하나의 담수화 셀은 제 1 및 제 2 전극사이에 배치된 이온 교환 수지를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시태양에 따라 수성 스트림으로부터 이온을 제거하기 위한 담수화 시스템이 제공된다. 담수화 시스템은 담수화 장치를 포함한다. 담수화 장치는 제 1 및 제 2 전극, 상기 제 1 및 제 2 전극사이에 배치된 적어도 하나의 양극성 전극(bipolar electrode), 및 인접한 전극의 각각의 쌍사이에 배치된 다수의 스페이서를 포함한다. 담수화 장치는 각 쌍의 인접한 전극들의 개개의 전극상에 배치된 음이온 및 양이온 교환층, 및 인접한 전극의 각각의 쌍사이에 배치된 이온 교환 수지를 더 포함한다.
본 발명의 실시태양은 또한 수성 스트림으로부터 이온을 제거하는 방법을 더 제공한다. 이러한 방법은 충전 상태의 담수화 셀내에서 담수화 셀의 개개의 제 1 및 제 2 전극상에 배치된 음이온 교환층과 양이온 교환층사이에 배치된 이온 교환 수지에 제 1 공급물 스트림을 통과시켜 배출물 스트림을 생성하는 단계, 및 방전 상태의 담수화 셀내에서 이온 교환 수지에 제 2 공급물 스트림을 통과시켜 상기 제 1 공급물 스트림으로부터 제거된 이온을 상기 담수화 셀의 밖으로 운반하여 농축 스트림을 생성하는 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 도 1 에 도시된 담수화 시스템의 담수화 장치의 개략도이고;
도 3 은 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 장치내의 제 1 공급물 스트림의 담수화를 예시하는 실험 그래프이고;
도 4 는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 도중에 이온 교환 수지 비드를 함유한 담수화 장치 및 이온 교환 비드를 함유하지 않은 담수화 장치의 전압을 예시하는 실험 그래프이고;
도 5 및 도 6 은 본 발명의 다른 2개의 실시태양에 따른 담수화 장치의 이온 교환 수지 비드의 정렬 상태의 개략도이며;
도 7 및 도 8 은 본 발명의 2개의 실시태양에 따른 담수화 시스템의 담수화 장치의 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 기술하지 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.
담수화 장치(11)는 담수화를 위한 (도시되지 않은) 제 1 액체 소스로부터 염 또는 다른 불순물을 가진 제 1 공급물 (수성) 스트림(13)을 수용함으로써 그 안에 하전된 종 또는 표적 이온을 제거하여 배출물 스트림(14)을 생성하도록 구성된다. 비제한적 예에서, 제 1 공급물 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. 하나의 비제한적 예에서, 제 1 공급물 스트림(13)중의 하전된 이온은 최소한 경도 이온과 같은 표적 이온을 포함한다.
예시된 배열의 경우, 담수화 장치(11)는 추가적으로 제 1 공급물 스트림(13)의 담수화 이후에 제 2 액체 소스로부터 제 2 공급물 스트림(15)을 수용함으로써 제 1 공급물 스트림(13)으로부터 제거된 하전된 종 또는 표적 이온이 담수화 장치(11)의 밖으로 운반되어 제 2 공급물 스트림(15)보다 더 고농도의 하전된 종을 갖는 농축 스트림(16)을 생성하도록 구성된다.
도시된 예에서, 제 1 공급물 스트림(13) 및 배출물 스트림(14)은 각각 담수화 장치(11)의 충전 상태에서 밸브(17, 18)를 경유하여 담수화 장치(11)내로 및 밖으로 도입된다. 제 2 공급물 스트림(15) 및 농축물 스트림(16)은 각각 담수화 장치(11)의 방전 상태에서 밸브(17, 18)를 경유하여 담수화 장치(11)내로 및 밖으로 도입된다. 충전 상태에서, 제 2 공급물 스트림(15) 및 농축물 스트림(16)의 흐름 통로는 개개의 밸브(17, 18)에 의해 폐쇄된다. 방전 상태에서, 제 1 공급물 스트림(13) 및 생성물 스트림(14)의 흐름 통로는 개개의 밸브(17, 18)에 의해 폐쇄된다.
농축물 스트림(16)은 담수화 장치(11)내로 순환되도록 제 2 공급물 스트림(15)내로 다시 향하게 될 수 있다. 농축물 스트림(16)의 순환이 지속되기 때문에, 염 및 다른 불순물의 농도는 농축물 스트림(16)이 포화되거나 과포화될 때까지 계속 증가한다. 결과적으로, 포화도 또는 과포화도는 농축물 스트림(16)내에서 침전이 일어나기 시작하는 지점에 도달할 수 있다. 일부 예에서, 농축물 스트림(16)의 적어도 일부분은 통로(100)으로부터 방류될 수 있다.
제 1 공급물 스트림(13) 및 제 2 공급물 스트림(15)은 동일한 염 또는 불순물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있으며, 동일한 농도의 염 또는 불순물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 비제한적 예에서, 제 1 및 제 2 공급물 스트림(13, 15)은 동일한 (또는 단일의) 액체 소스에 의해 제공될 수 있다. 특정 용도에서, 제 1 공급물 스트림(13)은 담수화 장치의 방전 상태에서 제 2 공급물 스트림(15)으로서 작용할 수 있다. 밸브(17, 18)는 사용될 수 있거나 또는 사용되지 않을 수 있다.
따라서, 담수화 장치(11)의 담수화로 인하여, 제 1 공급물 스트림(13)내의 경도 이온을 포함하는 하전된 이온 또는 표적 이온의 적어도 일부분이 제거될 수 있다. 결과적으로, 배출물 스트림(14)이 생성되며, 이어서 추가 처리를 위하여 EDI 장치(12)내로 도입될 수 있는데, 이는 제 1 공급물 스트림(13)과 비교하였을 때 묽은 액체일 수 있거나 또는 더 낮은 농도의 경도 이온과 같은 하전된 종을 가질 수 있다.
배출물 스트림(14)은 EDI 장치(12)내로 도입되기 전에 추가 처리를 위하여 담수화 장치(11)내로 순환되거나 특정의 다른 적합한 담수화 장치내로 도입되어 그 안에 존재하는 하전된 종이 제거될 수 있다. 특정 용도에서, EDI 장치는 다른 용도에 기초하여 사용될 수 있거나 사용되지 않을 수 있다.
본원에서 사용되는 "EDI"란 용어는 이온 교환막 및 이온 교환 수지 비드를 사용하여 물 또는 다른 유체로부터 표적 이온 또는 하전된 종을 제거함으로써 고품질의 물, 예를 들면 순수 또는 초순수를 생산하는 전기화학적 정제 공정을 의미한다.
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 channels)로도 지칭되는 다수의 교대하는 제 1 및 제 2 채널을 형성한다. 다수의 스페이서가 각 쌍의 막 사이, 및 전극들과 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, 이온의 수송을 촉진하여 인접한 이온 교환막들 사이의 전도도 및 물의 전기화학적 분열을 향상시키기 위하여 제 1 채널 또는 제 2 채널이 이온 교환 수지로 충진될 수 있다. 특정 용도에서, 제 1 채널 또는 제 2 채널은 이온 교환 수지로 부분적으로 또는 전체적으로 충진될 수 있다. 비제한적 예에서, 제 1(희석) 채널이 이온 교환 수지로 충진된다.
일부 배열의 경우, EDI 장치(12)의 전극들은 서로 평행하게 배치되어 적층 구조를 형성하는 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 비롯하여 특정의 이온-투과성 전자 비전도성 물질(electronically nonconductive material)을 포함할 수 있다.
비제한적 예에서, EDI 장치(12)의 캐소드는 스테인레스강을 포함할 수 있다. EDI 장치(12)의 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, 동작하는 도중, 전류가 EDI 장치(12)에 인가된다. 배출물 스트림(14)은 내부에 존재하는 경도 이온과 같은 표적 이온을 추가로 제거하기 위한 이온 교환 수지 비드로 충진된 희석 채널내로 도입됨으로써 더 고품질의 생성물 유체(19)가 생성된다. (도시되지 않은) 액체 소스로부터의 입력 스트림(input stream)(20)은 농축 채널내로 도입되어 개개의 희석 채널로부터 제거된 표적 이온을 EDI 장치(12)의 밖으로 운반함으로써 농축 유체(21)가 생성된다. 특정 용도에서, 생성물 유체(19)는 추가 처리를 위하여 EDI 장치(12)내로 순환될 수 있다. 담수화 장치(11)로부터의 농축 스트림(16)은 EDI 장치(12)의 농축 채널내로 도입되어 제거된 표적 이온을 운반해 갈 수 있다.
한편, 제 1 채널내의 이온 교환 수지내에서 물 분열 반응(water splitting reaction)이 일어나 이온 교환 수지를 재생시켜 연속 동작을 촉진시키기 위한 H+ 및 OH- 가 생성된다. (도시되지 않은) 전해질 스트림은 전극의 표면을 관통하여 동작 도중에 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 전형적으로는 약 1ppm 미만이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 처리 도중에 액체내의 경도를 EDI 장치(12)내에서의 스케일링 또는 오염 성향을 완화시키거나 피하기에 적합한 수준으로 감소시키기 위하여, 담수화 장치(11)를 사용하여 제 1 공급물 스트림(13)을 전처리함으로써 EDI 장치(12)내에서 추가로 처리하는 경도 이온을 비롯한 적합한 수준의 표적 이온을 가진 배출물 스트림(14)을 생성시키지만, 이들 경도 이온으로 국한되는 것은 아니다.
도 2 는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 담수화 장치(11)의 개략도를 나타낸다. 도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 담수화 장치(11)는 제 1 전극(22), 제 2 전극(23), 음이온 교환층(24), 양이온 교환층(25) 및 스페이서(26)를 포함하는데, 이것은 또한 담수화 셀로도 지칭된다. 본원에서 사용되는 "층(layer)"이란 용어는 물질의 특정 두께를 표시할 수 없다.
도시된 예에서, 제 1 및 제 2 전극(22, 23)은 (도시되지 않은) 전원의 양극 단자 및 음극 단자에 접속됨으로써 각각 애노드 및 캐소드로서 작용한다. 따라서, 음이온 교환층(24)은 애노드(22)와 밀착되어 있으며, 양이온 교환층(25)은 캐소드(22)와 밀착되어 있다. 다른 방법으로는, 제 1 전극(22) 및 제 2 전극(23)이 각각 캐소드 및 애노드로서 작용함으로써, 음이온 교환층(24) 및 양이온 교환층(25)이 각각 애노드(23) 및 캐소드(22)상에 배치될 수 있다.
일부 배열의 경우, 제 1 및 제 2 전극(22, 23)은 티타늄 플레이트 또는 백금 코팅된 티타늄 플레이트일 수 있다. 다른 예에서, 제 1 및 제 2 전극(22, 23)은 열전도성이거나 열전도성이 아닐 수 있고 더 작은 크기와 더 큰 표면적을 갖는 입자를 가질 수 있는 전기전도성 물질을 포함할 수 있다. 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(22, 23)은 서로 평행하게 배치되어 적층 구조를 형성하는 플레이트의 형태이다. 다른 예에서, 제 1 및 제 2 전극(22, 23)은 시트, 블럭 또는 실린더와 같은 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극(22, 23)은 다양한 구조로 배열될 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 전극(22, 23)은 그들 사이에 나선형의 연속 공간을 두고 동심형으로 배치될 수 있다.
일부 용도에서, 음이온 및 양이온 교환층(24, 25)은 공급물 스트림에서 개개의 전극으로 이온 수송을 촉진하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 음이온 교환층(24)은 1가 음이온 뿐만 아니라 다가 음이온이 통과될 수 있도록 구성된 공통 음이온 교환층을 포함할 수 있다. 특정 용도에서, 상이한 용도에 기초하여, 예를 들어 1가 음이온을 제거하는 경우, 음이온 교환층(24)은 1가 음이온이 통과될 수 있도록 구성된 1가 음이온 교환층을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 양이온 교환층(25)은 공통 양이온 교환층 또는 1가 양이온 교환층을 포함할 수 있다. 비제한적 예에서, 음이온 교환층(24) 및 양이온 교환층(25)은 공통 이온 교환층일 수 있다.
일부 실시태양에서, 음이온 교환층(24) 및/또는 양이온 교환층(25)은 개개의 전극(22, 23)상에 독립적으로(freestanding) 배치될 수 있다. 다른 방법으로, 음이온 교환층(24) 및/또는 양이온 교환층(25)은 막의 형태로 개개의 전극(22, 23)의 표면상에 코팅될 수 있다. 특정 용도에서, 음이온 교환층(24) 및/또는 양이온 교환층(25)은 개개의 전극(22, 23)내에 분산될 수 있다. 스페이서(26)는 음이온 교환층(24)과 양이온 교환층(25) 사이에 배치되며, 제 1 전극(22) 및 제 2 전극(23)을 분리하기 위한 특정의 이온-투과성 전자 비전도성 물질을 포함할 수 있다.
도 2 에 도시된 배열의 경우, 담수화 장치(11)의 충전 상태 도중에, 전원으로부터의 양전하 및 음전하는 각각 애노드(22) 및 캐소드(23)의 표면상에 축적된다. 하전된 종을 가진 제 1 공급물 스트림(13)은 밸브(17)를 관통하여 적어도 경도 이온 제거를 위한 담수화 장치(11)내로 유입된다. 양전하와 음전하의 인력(attraction)으로 인하여,제 1 공급물 스트림(13)내에 존재하는 Cl- 과 같은 음이온 및 경도 이온과 같은 양이온은 개개의 음이온 및 양이온 교환층(24, 25)을 관통함으로써 개개의 전극(22, 23)상에 축적된다.
담수화 장치(11) 내측에서의 이러한 전하 축적의 결과로서, 밸브(18)를 경유하여 담수화 장치(11)에서 밖으로 나오는 희석 액체인 배출물 스트림(14)은 제 1 공급물 스트림(13)과 비교하였을 때 저농도의 경도 이온 및 Cl- 과 같은 하전된 종을 함유하고 있다. 특정 실시태양에서, 배출물 스트림(14)은 또 다른 담수화 장치를 통하여 공급됨으로써 다시 탈이온화될 수 있다.
방전 상태 도중에, 경도 이온 및 Cl- 과 같은 흡착된 이온은 각각 제 1 및 제 2 전극(22 및 23)의 표면으로부터 해리된다. 제 2 공급물 스트림(15)은 밸브(17)를 관통하여 담수화 장치(11)내로 유입되어 이온이 개개의 전극으로부터 해리되어 개개의 음이온 및 양이온 교환층(24, 25)을 관통하여 제 2 공급물 스트림(15)과 접촉하는 도중에 담수화 장치(11)의 밖으로 이온을 운반한다.
결과적으로, 농축 스트림(16)이 생성되며, 이는 제 2 공급물 스트림(15)과 비교하였을 때 더 고농도의 경도 이온과 같은 하전된 종을 함유할 수 있다. 하나의 실시태양에서, 방전의 경우, 제 1 및 제 2 전극(22, 23)의 극성은 동일하게 유지될 수 있으며, 음이온 및 양이온이 개개의 전극(22, 23)으로부터 탈리시키기 위하여 2개의 전극들 사이를 단락(short circuit)시킬 수 있다. 다른 실시태양에서, 제 1 및 제 2 전극(22, 23)의 극성은 이온을 탈리시키기 위하여 반전될 수 있다. 특정 용도에서, 농축 스트림(16)은 담수화 장치(11)의 방전 상태에서 순환을 위하여 제 2 공급물 스트림(15)내로 재전송될 수 있다.
도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 담수화 장치(셀)(11)는 음이온 교환층(24)과 양이온 교환층(25) 사이에 배치되는 이온 교환 수지 비드(27)를 더 포함한다. 비제한적 예에서, 이온 교환 수지 비드(27)는 그 안에 존재하는 이온이 관통하는 제 1 공급물 스트림(13)내의 이온과 교환됨으로써 담수화 장치(11)의 충전 상태에서 제 1 공급물 스트림(13)에서 개개의 전극(들)로 이온을 수송하기 위한 이온 채널로서 작용하도록 구성된 중합체로 이루어질 수 있다.
이온 교환 수지는, 예를 들면, 연수(water softening) 및 정수(water purification)를 위한 수처리 공정에서 널리 사용된다. 일반적으로, 이온 교환 수지는 약 0.5mm 내지 약 2mm 직경의 비드 형태의 불용성 물질이다. 불용성 물질은 그의 표면상에서, 동작하는 도중에 물질의 특정 특성들을 변경시키지 않고서도 관통하는 공급물 스트림내의 이온과 교환되는, 그 위의 이온을 느슨하게 유지해 주는 다공성 구조를 갖는다. 비제한적 예에서, 불용성 물질은 액체내의 양이온 또는 음이온을 교환하기 위한 양이온 교환 수지 또는 음이온 교환 수지로서 작용하도록 산 또는 염기를 포함할 수 있다. 이온 교환 수지 비드(27)에서 사용되는 물질의 비제한적 예로는 가교결합된 폴리스티렌 또는 기타 다른 적합한 물질을 포함한다. 일례로서, 이온 교환 수지 비드(27)는 미국 뉴져지주 버밍햄시에 소재한 랜세스 코포레이션(Lanxess Corporation)에서 시판하고 있다.
예시된 배열의 경우, 이온 교환 수지 비드(27)는 음이온 교환 수지 비드(28) 및, 또한 이온 교환 수지 비드의 혼합 베드로도 지칭되는, 음이온 교환 수지 비드(28)와 혼합된 양이온 교환 수지 비드(29)를 포함한다. 특정 용도에서, 상이한 용도에 기초하여, 예를 들면, 상이한 표적 이온을 제거하는 경우, 이온 교환 수지 비드(27)는 음이온 교환 수지 비드 및 양이온 교환 수지 비드중의 하나를 포함할 수 있다.
하나의 비제한적 예에서, 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)의 부피의 비는 1:1 이며, 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)는 균질하게 혼합되는데, 예를 들면, 제 1 공급물 스트림과 개개의 전극들 사이의 이온 수송 효율을 향상시키기 위하여 음이온 교환 수지 비드 및 양이온 교환 수지 비드가 도 2 에 예시된 바와 같이 교대로 배치된다. 다른 방법으로, 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)는 상이한 부피를 가질 수 있고/있거나 균질하게 혼합되지 않을 수 있다.
따라서, 예를 들면, 동작하는 도중에, 충전 상태에서, 제 1 공급물 스트림(13)이 이온 교환 수지 비드(27)를 관통하는 도중에, 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)는 개개의 이온을 교환함으로써 음이온 및 양이온을 개개의 전극(22, 23)쪽으로 수송한다. 비제한적 예에서, 동작하는 도중에, 담수화 장치(11)를 관통하는 전류는 이온 교환 수지 비드(27)내에서 발생하는 물 분열 반응을 완화시키거나 피하는데 적합한 수준으로 제어될 수 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 담수화 장치내에서의 제 1 공급물 스트림의 담수화를 예시하는 실험 그래프이다. 이러한 예시적 실험에서, 하기의 실험 조건들을 포함한다: 제 1 공급물 스트림(13)의 유량은 약 240 mL/min이고, 이온 교환 수지 비드(27)의 높이는 제 1 공급물 스트림의 입력 방향을 따라 약 1.5mm이고, 제 1 공급물 스트림(13)의 전도도는 (컬럼 A로 도시된 바와 같이) 약 43 uS/cm이고, 제 1 공급물 스트림(13)의 경도는 (컬럼 C로 도시된 바와 같이) 약 11ppm이며, 담수화 장치(11)에 인가되는 전류는 약 200mA이다. 일례에서, 제 1 공급물 스트림(13)은 약 11ppm의 경도를 갖는, 염화칼슘(CaCl2), 염화마그네슘(MgCl2), 및 중탄산나트륨(NaHCO3)의 혼합물을 포함한다.
도 3 에 도시되어 있는 바와 같이, 담수화 장치(11)내에서의 제 1 공급물 스트림의 담수화 이후, 배출물 스트림(14)의 전도도는 (컬럼 B로 도시된 바와 같이) 약 9 uS/cm이며, 배출물 스트림의 경도는 (컬럼 D로 도시된 바와 같이) 1ppm 미만인 약 0.9ppm이다. 따라서, 담수화 이후, 제 1 공급물 스트림내의 경도는 약 90% 감소되며, 이는 더 높은 경도 이온 제거 효율을 나타낸다. 더 높은 경도 이온 제거 효율로 인하여, 담수화 장치(11)는 제 1 공급물 스트림내에 비교적 저농도로 존재하는 경도 이온을 제거하여 그의 융통성을 증가시키는데 사용될 수 있다.
담수화 장치(11)의 이온 교환 수지 비드의 이온 수송으로 인하여, 표적 이온이 제 1 공급물 스트림과 개개의 전극들 사이에서 수송되는 도중에, 이온 수송에 대한 저항이 감소되어 에너지 소비가 상대적으로 낮아진다. 도 4 는 담수화 도중에 약 200mA의 전류가 인가된 경우에 이온 교환 수지 비드(27)를 가진 및 갖지 않은 담수화 장치(11)상에서의 전압의 비교치를 예시하는 실험 그래프이다. 실험 조건은 도 3 에서 나타낸 조건과 동일하다.
도 4 에 도시되어 있는 바와 같이, 이온 교환 수지 비드(27)의 혼합 베드를 사용하지 않은 (컬럼 F로 도시된 바와 같이) 담수화 장치(11)상에서 약 19V의 전압과 비교하였을 때, 혼합된 이온 교환 수지 비드가 사용된 경우의 전압은 (컬럼 E로 도시된 바와 같이) 약 0.95V로서, 이는 낮은 에너지 소비를 나타낸다.
특정 용도에서, 이온 교환 수지 비드(27)를 사용하는 경우, 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 사이의 거리는 약 0.5mm 내지 약 20mm의 범위, 예를 들면 약 2mm 내지 약 20mm의 범위이다. 하나의 비제한적 예에서, 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 사이의 거리는 약 8mm 로서, 이는 또한 담수화 장치(11)가 한 번 통과시에 더 많은 양의 제 1 공급물 스트림을 처리할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2 에 도시된 배열은 단지 예시적이라는 것을 알아야 한다. 일부 용도에서, 담수화 장치(11)는 그들로 국한되는 것은 아니지만 경도 이온을 비롯한 상이한 표적 이온을 제거하는데 사용될 수 있다. 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)는, 예를 들면, 그들로 국한되는 것은 아니지만, 도 2, 도 5 및 도 6 에 도시된 구조를 비롯한 다른 구조로 배치될 수 있다.
도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)는 각각 이온 교환 수지 비드(27)의 높이 방향을 따라 (표지되지 않은) 제 1 및 제 2 컬럼내에 배열된다. 제 1 및 제 2 컬럼은 이온 교환 수지 비드(27)의 높이 방향에 수직인 제 1 전극(22)과 제 2 전극(23) 사이의 방향을 따라 교대로 배치된다. 도 6 에 도시되어 있는 바와 같이, 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)는 각각 제 1 전극(22)과 제 2 전극(23) 사이의 방향을 따라 (표지되지 않은) 제 1 및 제 2 열(row)내에 배열된다. 제 1 및 제 2 열은 이온 교환 수지 비드(27)의 높이 방향을 따라 교대로 배치된다.
일부 배열의 경우, 담수화 시스템(10)은, 도 7 에 도시되어 있는 바와 같이, 각 쌍의 인접한 담수화 장치(11) 사이에 배치된 하나 이상의 절연 격리판(31)과 함께 적층된, 도 2 에 도시된 다수의 담수화 장치(셀)(11)을 포함하는 담수화 장치(30)를 포함할 수 있다. 따라서, 동작하는 도중에, 다량의 공급물 스트림(13)이 더 높은 효율 및 더 낮은 에너지 소비로 처리될 수 있다.
다른 용도에서, 담수화 시스템(10)은, 도 8 에 도시되어 있는 바와 같이, 담수화 장치(32)를 포함할 수 있다. 이러한 담수화 장치(32)는 제 1 전극(22), 제 2 전극(23), 상기 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 사이의 적어도 하나의 양극성 전극(33), 및 각 쌍의 인접 전극들 사이에 배치된 다수의 스페이서(26)를 포함한다. 이온 교환 수지 비드(27)는 각 쌍의 인접 전극들 사이에 배치되며, 음이온 교환층(24) 및 양이온 교환층(25)은 각 쌍의 인접 전극들의 개개의 전극들상에 배치된다. 도 2 및 도 5 내지 도 8 에서 동일한 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 8 에서의 배열의 경우, 각각의 양극성 전극(33)은 이온-불투과성 층에 의해 격리된 양극(+) 측과 음극(-) 측을 갖는다. 일부 예에서, 양극성 전극은 특정의 특이 양극성 전극으로 국한되지 않을 수 있다. 비제한적 예에서, 개시내용이 본원에서 참고로 인용된, 제너럴 일렉트릭 캄파니(General Electric Company)사에 양도된 출원 공개 제 US/20110024287 호에서 양극성 전극의 기술내용을 확인할 수 있다. 따라서, 도 7 에서의 배열과 유사하게, 처리하는 도중에, 다량의 공급물 스트림(13)이 더 높은 효율 및 더 낮은 에너지 소비로 처리될 수 있다.
본 발명의 실시태양에서, 음이온 및 양이온 교환층, 및 이온 교환 수지 비드는 공급물 스트림으로부터 경도 이온과 같은 표적 이온을 제거하는데 사용된다. 비제한적 예에서, 최소한 이온 교환 수지 비드의 사용으로 인하여, 예를 들면 10ppm 이상의 경도를 갖는 공급물 스트림이 EDI 장치내에서 추가로 처리하기에 효과적으로 처리될 수 있다. 이는 시스템의 융통성 및 경도 허용오차를 증대시킨다.
또한, 동작하는 도중에, 최소한 이온 교환 수지 비드의 사용으로 인하여, 비교적 적은 에너지가 소비됨으로써 운전 비용이 감소하게 된다. 또한, 예를 들어, 통상의 담수화 시스템에서의 전극 쌍들 사이의 거리가 0.76mm인 것과 비교하였을 때, 예시된 배열의 경우에는 전극 쌍들 사이의 거리가, 예를 들면 2mm 내지 20mm 범위로 0.76mm 보다 더 넓어 다량의 공급물 스트림이 그를 관통하면서 처리됨으로써 시스템의 효율이 향상된다.
본 발명의 개시내용이 대표적인 실시태양에서 예시되고 설명되었지만, 어떠한 방식으로든 본 발명의 진의를 벗어나지 않고서도 다양한 변형 및 치환이 이루어질 수 있기 때문에 본 발명이 도시된 세부사항으로 국한되는 것은 아니다. 이와 같이, 본 기술분야의 전문가들은 단지 관례적인 실험을 이용하여 본원에 개시된 개시내용의 추가적인 변형 및 등가물을 연상할 수 있으며, 이러한 모든 변형 및 등가물은 하기의 특허청구범위에 의해 정의되는 개시내용의 진의 및 범주내에 속하는 것으로 생각된다.

Claims (20)

  1. 제 1 공급물 스트림(13)을 수용하여 제 1 공급물 스트림(13)보다 하전된 종의 농도가 낮은 배출물 스트림(14)을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 담수화 셀(11), 및
    상기 적어도 하나의 담수화 셀(11)로부터의 배출물 스트림(14)을 추가로 공정처리(processing)하기 위한, 상기 적어도 하나의 담수화 셀(11)과 유체 연통하는 전기 탈이온화(EDI) 장치(12)
    를 포함하는, 수성 스트림으로부터 이온을 제거하기 위한 담수화 시스템(10)으로서,
    상기 적어도 하나의 담수화 셀(11)은
    제 1 및 제 2 전극(22, 23);
    개개의 상기 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 상에 배치된 음이온 교환층(24) 및 양이온 교환층(25);
    상기 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 사이에 배치된 스페이서(26); 및
    상기 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 사이에 배치된 이온 교환 수지(27)
    를 포함하고,
    이때, 상기 이온 교환 수지(27)가 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)의 혼합물을 포함하고,
    상기 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)의 부피의 비율이 1:1인,
    수성 스트림으로부터 이온을 제거하기 위한 담수화 시스템(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지(27)는 상기 제 1 공급물 스트림(13)이 통과하는 유로를 형성하는, 담수화 시스템(10).
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 전극(22, 23)은 그들 사이에 나선형의 연속 공간을 두고 동심형으로 배치되는, 담수화 시스템(10).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 사이의 거리가 2mm 내지 20mm의 범위인, 담수화 시스템(10).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 사이의 거리가 8mm인, 담수화 시스템(10).
  6. 제 1 항에 있어서,
    적층된 다수의 담수화 셀(11)들을, 인접한 담수화 셀들의 각각의 쌍 사이에 배치된 적어도 하나의 절연 격리판(31)과 함께 포함하는, 담수화 시스템(10).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 담수화 셀(11)은 추가로 담수화 셀(11)의 방전 상태에서 제 2 공급물 스트림(15)을 유입시켜 농축 스트림(16)을 생성하도록 구성된, 담수화 시스템(10).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 담수화 셀(11)이 제 1 공급물 스트림(13)으로부터 경도(hardness) 이온을 제거하도록 구성된, 담수화 시스템(10).
  9. 제 1 공급물 스트림(13)을 수용하여 제 1 공급물 스트림(13)보다 하전된 종의 농도가 낮은 배출물 스트림(14)을 생성하도록 구성된 담수화 장치(32), 및
    상기 담수화 장치(32)로부터의 배출물 스트림(14)을 추가로 공정처리(processing)하기 위한, 상기 담수화 장치(32)와 유체 연통하는 전기 탈이온화(EDI) 장치(12)
    를 포함하는, 수성 스트림으로부터 이온을 제거하기 위한 담수화 시스템(10)으로서,
    상기 담수화 장치(32)는
    제 1 및 제 2 전극(22, 23);
    상기 제 1 및 제 2 전극(22, 23) 사이에 배치된 적어도 하나의 양극성(bipolar) 전극(33);
    인접한 전극들의 각각의 쌍 사이에 배치된 다수의 스페이서(26);
    인접한 전극들의 각각의 쌍의 개개의 전극 상에 배치된 음이온 및 양이온 교환층(24, 25); 및
    인접한 전극들의 각각의 쌍 사이에 배치된 이온 교환 수지(27)
    를 포함하고,
    이때, 상기 이온 교환 수지가 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)의 혼합물을 포함하고,
    상기 음이온 교환 수지 비드(28) 및 양이온 교환 수지 비드(29)의 부피의 비율이 1:1인,
    수성 스트림으로부터 이온을 제거하기 위한 담수화 시스템(10).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인접한 전극들의 각각의 쌍 사이의 거리가 2mm 내지 20mm의 범위인, 담수화 시스템(10).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 인접한 전극들의 각각의 쌍 사이의 거리가 8m인, 담수화 시스템(10).
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지(27)는 상기 제 1 공급물 스트림(13)이 통과하는 유로를 형성하는, 담수화 시스템(10).
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 담수화 장치(32)는 추가로 담수화 장치(32)의 방전 상태에서 제 2 공급물 스트림(15)을 유입시켜 농축 스트림(16)을 생성하도록 구성된, 담수화 시스템(10).
  14. 충전 상태의 담수화 셀(11) 또는 담수화 장치(32)에서 담수화 셀(11) 또는 담수화 장치(32)의 이온 교환 수지(27)에 제 1 공급물 스트림(13)을 통과시켜 배출물 스트림(14)을 생성하는 단계; 및
    방전 상태의 담수화 셀(11) 또는 담수화 장치(32)에서 상기 이온 교환 수지(27)에 제 2 공급물 스트림(15)을 통과시켜 상기 제 1 공급물 스트림(13)으로부터 제거된 이온을 상기 담수화 셀(11) 또는 담수화 장치(32)의 밖으로 운반하여 농축 스트림(16)을 생성하는 단계
    를 포함하고,
    추가의 공정처리를 위하여 상기 배출물 스트림(14)을 EDI 장치(12) 내로 도입하는 단계를 더 포함하는, 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 기재된 담수화 시스템(10)을 이용하여 수성 스트림으로부터 이온을 제거하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 농축 스트림(16)을 제 2 공급물 스트림(15) 내로 다시 보내는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 공급물 스트림(14)이 방전 상태의 담수화 셀(11) 또는 담수화 장치(32)에서 제 2 공급물 스트림(15)으로서 작용하는, 방법.
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