KR102048113B1 - 전기화학적 분리 디바이스 - Google Patents
전기화학적 분리 디바이스 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102048113B1 KR102048113B1 KR1020157015344A KR20157015344A KR102048113B1 KR 102048113 B1 KR102048113 B1 KR 102048113B1 KR 1020157015344 A KR1020157015344 A KR 1020157015344A KR 20157015344 A KR20157015344 A KR 20157015344A KR 102048113 B1 KR102048113 B1 KR 102048113B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- separation device
- electrochemical separation
- electrode
- bundle
- anode
- Prior art date
Links
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 73
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 41
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 41
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 26
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 claims description 19
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 19
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 17
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 21
- 238000013461 design Methods 0.000 description 19
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 description 18
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 18
- 238000009296 electrodeionization Methods 0.000 description 14
- 239000000047 product Substances 0.000 description 12
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 12
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 11
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 10
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 7
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- -1 hydroxyl ions Chemical class 0.000 description 5
- 238000004382 potting Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000002242 deionisation method Methods 0.000 description 3
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 3
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005370 electroosmosis Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 2
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 1,2-bis(ethenyl)benzene;1-ethenyl-2-ethylbenzene;styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1.CCC1=CC=CC=C1C=C.C=CC1=CC=CC=C1C=C NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003467 diminishing effect Effects 0.000 description 1
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 238000009791 electrochemical migration reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000012500 ion exchange media Substances 0.000 description 1
- 239000003456 ion exchange resin Substances 0.000 description 1
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000009972 noncorrosive effect Effects 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 235000020681 well water Nutrition 0.000 description 1
- 239000002349 well water Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
- B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
- B01D61/46—Apparatus therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
- C02F1/4693—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis
- C02F1/4695—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis electrodeionisation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
- B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
- B01D61/46—Apparatus therefor
- B01D61/463—Apparatus therefor comprising the membrane sequence AC or CA, where C is a cation exchange membrane
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
- B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
- B01D61/46—Apparatus therefor
- B01D61/48—Apparatus therefor having one or more compartments filled with ion-exchange material, e.g. electrodeionisation
- B01D61/485—Specific features relating to the ion-exchange material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
- B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
- B01D61/52—Accessories; Auxiliary operation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
- B01D63/08—Flat membrane modules
- B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
- B01D63/08—Flat membrane modules
- B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
- B01D63/0822—Plate-and-frame devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
- B01D63/10—Spiral-wound membrane modules
- B01D63/101—Spiral winding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
- B01D63/14—Pleat-type membrane modules
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
- C02F1/4693—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
- B01D2313/08—Flow guidance means within the module or the apparatus
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
- B01D2313/20—Specific housing
- B01D2313/201—Closed housing, vessels or containers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
- B01D2313/34—Energy carriers
- B01D2313/345—Electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
- C02F2201/461—Electrolysis apparatus
- C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
- C02F2201/4611—Fluid flow
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
- C02F2201/461—Electrolysis apparatus
- C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
- C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
- Y02W10/33—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using wind energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
- Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
전기화학적 분리를 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 전기화학적 분리 디바이스는 레이스트랙 형태를 가진 번들을 형성하도록 전극 둘레에 감긴 적어도 하나의 셀 쌍을 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 양상들은 일반적으로 전기화학적 분리에 관한 것으로, 특히, 레이스트랙 형태로 배열된 이온 교환막들을 내포하는 전기화학적 분리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하나 이상의 양상에 따르면, 전기화학적 분리 디바이스는 제1 전극, 레이스트랙 형태를 가진 번들(bundle)을 형성하도록 제1 전극 둘레에 감긴 음이온 교환막과 양이온 교환막을 포함하는 적어도 하나의 셀 쌍(cell pair), 및 번들을 둘러싸고 있는 제2 전극을 포함할 수 있다.
몇몇 양상에 있어서, 상기 디바이스는 희석 스트림과 농축 스트림이 제1 전극으로부터 제2 전극으로 병류로(co-currently) 흐르도록 구성될 수 있다. 제1 전극은 애노드(anode)를 포함할 수 있고, 제2 전극은 캐소드(cathode)를 포함할 수 있다. 애노드는 실질적으로 세장형의 S자 형상 애노드를 획정하도록 각 단부에서 반원형 구역을 지니는 직선 구역을 포함할 수 있다. 애노드는 적어도 하나의 셀 쌍을 고정시키기 위하여 각 단부에 패스닝 탭(fastening tab) 등과 같은 패스너(fastener)를 더 포함할 수 있다. 애노드는 내산화성 물질로 피복될 수 있다.
몇몇 양상에 있어서, 애노드는 세그먼트화되어(segmented) 있을 수 있다. 상기 디바이스는 애노드의 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이에 미리 결정된 거리를 유지하도록 구성된 스페이서를 더 포함할 수 있다. 다른 양상에 있어서, 캐소드는 세그먼트화되어 있을 수 있다. 상기 디바이스는 적어도 하나의 셀 쌍을 통한 유체 흐름을 용이하게 하기 위한 매니폴드(manifold)를 더 포함할 수 있다.
몇몇 양상에 있어서, 번들의 적어도 일 단부는 접착제로 밀봉되어 있다. 용기는 번들을 수용하도록 구성될 수 있다. 용기는 받침쇠들(endblocks)을 포함할 수 있다. 상기 디바이스는 적어도 약 85%의 막 이용성(membrane utilization)을 특징으로 할 수 있다.
몇몇 양상에 있어서, 번들의 횡단면은 실질적으로 직선 구역의 제1 및 제2 단부에서 실질적으로 직선 구역과 만곡 구역을 구비한다. 전류 밀도는 번들의 실질적으로 직선 구역 전체를 통해서 실질적으로 균일할 수 있다. 실질적으로 직선 구역의 길이 대 만곡 구역들의 각각의 높이의 비가 0보다 클 수 있다. 적어도 몇몇 양상에 있어서, 만곡 구역들의 높이는 셀 쌍의 수에 좌우되지 않는다. 몇몇 양상에 있어서, 음이온 교환막과 양이온 교환막은 번들의 실질적으로 직선 구역을 따라 평행하고 평탄(planar)하다. 번들은 일반적으로 두 대칭축을 구비할 수 있다.
몇몇 양상에 있어서, 수처리 시스템은, 제1 전극, 레이스트랙 형태를 가진 번들을 형성하도록 제1 전극 둘레에 감긴 음이온 교환막과 양이온 교환막을 포함하는 적어도 하나의 셀 쌍 및 번들을 둘러싸고 있는 제2 전극을 구비하는 전기화학적 분리 디바이스를 포함할 수 있다.
또 다른 양상들, 실시형태들, 그리고 이들 예시적 양상 및 실시형태의 장점은 이하에 상세하게 논의된다. 본 명세서에 개시된 실시형태들은 본 명세서에 개시된 원리들 중 적어도 하나와 일치하는 임의의 방식으로 다른 실시형태들과 조합될 수 있고, 그리고 "실시형태", "몇몇 실시형태", "대안적인 실시형태", "각종 실시형태", "하나의 실시형태" 등등에 대한 언급은, 반드시 상호 배타적인 것은 아니고, 설명된 특정 특성, 구조 또는 특징이 적어도 하나의 실시형태에 포함될 수 있음을 나타내도록 의도된다. 본 명세서에서의 그러한 용어의 출현은 반드시 모두 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니다.
적어도 하나의 실시형태의 다양한 양상이 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 논의되고, 첨부된 도면은 일정한 척도로 그려지도록 의도된 것은 아니다. 도면들은, 다양한 양상 및 실시형태의 예시 및 추가의 이해를 제공하기 위해 포함되며, 그리고 본 명세서의 일부에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하지만, 본 발명의 제한들의 정의로서 의도되지 않는다. 도면들, 상세한 설명 또는 임의의 청구항의 기술적 특성들 뒤에 참조 부호가 있는 경우, 참조 부호는 단지 도면들 및 설명의 이해를 높일 목적으로 포함되었다. 도면들에서, 각종 도면 내에 예시되는 각각의 동일하거나 또는 거의 동일한 요소는 동일한 부호로 표시된다. 명확성을 위하여, 모든 도면에서 모든 요소가 표지될 수는 없다.
도 1은 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학적 분리 디바이스의 횡단면 개략도;
도 2는 하나 이상의 실시형태에 따른 도 1의 일 부분의 상세도;
도 3a 및 도 3b는 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학적 분리 디바이스의 개략도;
도 4는 하나 이상의 실시형태에 따른 도 3a의 일 부분의 상세도;
도 5는 하나 이상의 실시형태에 따른 용기 내에 수용된 전기화학적 분리 디바이스의 개략도;
도 6a 및 도 6b는 하나 이상의 실시형태에 따른 각종 흐름 패턴의 개략도; 및
도 7은 하나 이상의 실시형태에 따른 수반된 실시예에 논의된 데이터를 제공하는 도면.
도 1은 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학적 분리 디바이스의 횡단면 개략도;
도 2는 하나 이상의 실시형태에 따른 도 1의 일 부분의 상세도;
도 3a 및 도 3b는 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학적 분리 디바이스의 개략도;
도 4는 하나 이상의 실시형태에 따른 도 3a의 일 부분의 상세도;
도 5는 하나 이상의 실시형태에 따른 용기 내에 수용된 전기화학적 분리 디바이스의 개략도;
도 6a 및 도 6b는 하나 이상의 실시형태에 따른 각종 흐름 패턴의 개략도; 및
도 7은 하나 이상의 실시형태에 따른 수반된 실시예에 논의된 데이터를 제공하는 도면.
전기장을 이용하여 유체를 정화(purifying)시키기 위한 디바이스들은, 용존 이온 종들(dissolved ionic species)을 포함하는 물 및 기타 액체를 처리하는데 통상 이용된다. 이 방식으로 물을 처리하는 2개 유형의 디바이스는 전기탈이온화(electrodeionization) 디바이스 및 전기투석(electrodialysis) 디바이스이다. 이들 디바이스들 내에서, 농축 구획부(concentrating compartment)와 희석 구획부가 이온-선택적 막들에 의해 분리된다. 전기투석 디바이스는 전형적으로 교대로 전기활성 반투과성의 음이온 교환막과 양이온 교환막을 포함한다. 막들 사이의 공간은, 유입구와 유출구를 갖는 액체 흐름 구획부들을 생성하도록 구성된다. 전극들을 통해 적용되는 인가된 전기장은, 각각의 상대-전극으로 유인된 용존 이온들이 음이온 교환막과 양이온 교환막을 통해 이동하게끔 한다. 이것은, 일반적으로, 희석 구획부의 액체의 이온들이 감손(depleted)되고 그리고 농축 구획부 내의 액체가 이송된 이온들로 풍부화되는 것을 야기한다.
전기탈이온화(EDI)는, 이온 운반에 영향을 미치기 위한 전기 활성 매체 및 전위를 사용하여 하나 이상의 이온화된 또는 이온화가능한 종을 물로부터 제거하거나 또는 적어도 감소시키는 공정이다. 전기 활성 매체는, 전형적으로 이온종 및/또는 이온화가능한 종을 교대로 수집하고 방출시키는 역할을 하고, 몇몇 경우에는, 이온 또는 전자 치환 메커니즘에 의해 연속적으로 이루어질 수 있는 이온의 운반을 용이하게 하는 역할을 한다. EDI 디바이스는, 영구적 또는 일시적 전하의 전기화학적 활성 매체를 포함할 수 있고, 회분식(batch-wise)으로, 간헐적으로, 연속적으로, 그리고/또는 심지어 역극성(reversing polarity) 모드로 동작될 수 있다. EDI 디바이스는, 성능을 달성하거나 또는 증대시키기 위하여 특정하게 설계된 하나 이상의 전기화학적 반응을 촉진시키기 위해 동작될 수 있다. 추가로, 그러한 전기화학적 디바이스는, 반-투과 또는 선택적 투과 이온 교환 또는 바이폴라 막 등과 같은 전기 활성 막을 포함할 수 있다. 연속 전기탈이온화(continuous electrodeionization: CEDI) 디바이스는, 이온 교환 물질이 연속적으로 재충전되면서, 물 정화(즉, 정수)가 연속적으로 진행될 수 있는 방식으로 동작하는, 당업자에게 알려진 EDI 디바이스이다. CEDI 기술은, 연속 탈이온화, 충전된(filled) 셀 전기투석 또는 일렉트로다이어레시스(electrodiaresis)와 같은 공정을 포함할 수 있다. 제어된 전압 및 염도 조건 하에, CEDI 시스템에서, 물 분자가 분해(split)되어, 상기 디바이스 내에서 이온 교환 매체를 재생할 수 있고, 따라서, 그로부터 포획된 종들의 방출을 용이하게 할 수 있는 수소 또는 하이드로늄 이온들 또는 종들 및 수산화물 또는 수산기 이온들 또는 종들을 생성할 수 있다. 이 방식에서, 처리될 물 스트림은, 이온 교환 수지의 화학적 재충전을 필요로 하지 않고도 연속적으로 정화될 수 있다.
전기투석(ED) 디바이스는, ED 디바이스가 전형적으로 막들 사이에 전기활성 매체를 포함하지 않는다는 점을 제외하고, CEDI와 유사한 원리로 동작한다. 전기활성 매체의 결여 때문에, ED의 동작은 상승된 전기 저항 때문에 낮은 염도의 급수(feed water)에 대해 저해될 수 있다. 또한, 고염도 급수에 대한 ED의 동작이 상승된 전류 소비를 야기할 수 있기 때문에, ED 장치는 중간 염도의 수원(source water)에 대해 지금까지는 가장 효과적으로 사용되어 왔다. ED 기반 시스템에서, 전기 활성 매체가 없으므로, 물을 분해시키는 것은 비효율적이고 그리고 그러한 방식으로 동작하는 것이 일반적으로 회피된다.
CEDI 디바이스 및 ED 디바이스에서, 복수의 인접 셀 또는 구획부는, 양하전된 혹은 음하전된 종들(그러나, 전형적으로, 둘 모두는 아님)의 통로를 허용하는 선택적 투과막에 의해 전형적으로 분리된다. 희석 또는 감손 구획부는 전형적으로 그러한 디바이스 내에서 농축용 또는 농축 구획부들 사이의 공간을 차지한다. 몇몇 실시형태에서, 셀 쌍은 인접한 농축 구획부와 희석 구획부의 쌍을 지칭할 수 있다. 물이 감손 구획부를 통해 흐름에 따라, 이온종 및 기타 하전된 종은, 전형적으로 DC 전기장과 같은 전기장의 영향 하에 농축 구획부 내로 유인된다. 양하전된 종은, 다수의 감손 구획부와 농축 구획부의 적층체의 일 단부에 전형적으로 위치된 캐소드 쪽으로 유인되고, 그리고 음하전된 종은 마찬가지로 구획부들의 적층체의 반대쪽 단부에 전형적으로 위치된, 그러한 디바이스의 애노드 쪽으로 유인된다. 전극은 전형적으로 전해질 구획부 내에 수용되고, 이러한 전해질 구획부는 감손 구획부 및/또는 농축 구획부와의 유체 연통으로부터 통상 부분적으로 격리된다. 일단 농축 구획부 내에서 하전된 종은 전형적으로 농축 구획부를 적어도 부분적으로 획정하는 선택적 투과막의 장벽에 의해 포획된다. 예컨대, 음이온은 전형적으로 양이온 선택막에 의해, 농축 구획부의 밖으로, 캐소드 쪽으로 더욱 이동하는 것이 방지된다. 일단 농축 구획부 내에서 포착되면, 포획된 하전된 종들은 농축 스트림 내에서 제거될 수 있다.
CEDI 디바이스 및 ED 디바이스에서, DC 전기장은 전형적으로 전극(애노드 또는 양전극, 그리고 캐소드 또는 음전극)에 인가된 전류 및 전압의 공급원으로부터 셀에 인가된다. 전압 및 전류 공급원(집합적으로 "전원") 자체는 AC 전원 또는 예를 들어 태양, 풍력 또는 파력(wave power)으로부터 도출되는 전원과 같은 다양한 수단에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 전극/액체 계면에서, 막 및 구획부를 통한 이온의 이동을 개시하고/하거나 용이하게 하는 전기화학적 반전지 반응이 일어난다. 전극/계면에서 일어나는 특정 전기화학적 반응은, 전극 조립체를 수용하는 특수화된 구획부 내의 염 농도에 의해 어느 정도까지 제어될 수 있다. 예를 들어, 염화나트륨의 함유량이 높은 애노드 전해질 구획부로의 공급물이 염소 가스 및 수소 이온을 생성하는 경향이 있을 것인 반면에, 캐소드 전해질 구획부로의 그러한 공급물은 수소 가스 및 수산화물 이온을 생성하는 경향이 있을 것이다. 일반적으로, 애노드 구획부에서 생성된 수소 이온은, 염화물 이온과 같은 자유 음이온과 회합(associate)하여, 전하적 중성을 보존시켜 염산 용액을 생성할 것이고, 유사하게, 캐소드 구획부에서 생성된 수산화물 이온은, 나트륨과 같은 자유 양이온과 회합하여, 전하적 중성을 보존시켜 수산화나트륨 용액을 생성할 것이다. 생성된 염소 가스 및 수산화나트륨과 같은, 전극 구획부의 반응 생성물은, 살균 목적을 위해, 막 세정 및 탈오염(defouling) 목적을 위해 그리고 pH 조절 목적을 위해 필요 시 공정 내에서 활용될 수 있다.
전통적인 판틀형(plate-and-frame) ED 설계에서, 희석 스트림과 농축 스트림은 병류 혹은 역류로 병렬이다. 다른 가능한 설계는 십자-흐름 디바이스(cross-flow device)를 내포하며, 이때 희석 스트림과 농축 스트림은 서로 수직이다. 판틀형 설계에 비해서, 십자-흐름 설계는 더 높은 막 이용성 및 더 낮은 압력 강하의 이점을 지닌다. 판틀형 설계와 십자-흐름 설계는 둘 다 평탄하고 스크린에 의해 분리된 교호의 음이온 막과 양이온 막을 지닌다. 평행한 요소들의 각 적층체는 전극에 의해 양 단부에서 결합된다. 전류는, 유입구 및 유출구 매니폴드를 통해 흐름으로써 적층체를 우회하는 부분(누설 전류(leakage current)) 이외에, 애노드에서부터 각 막을 통해 캐소드로 직렬로 흐른다. 누설 전류가 전체 전류의 작은 분획이라면, 평균 전류 밀도는 적층체 전체를 통해서 실질적으로 균일할 것이다. 급수가 희석 구획부를 통해 흐름에 따라서, 인접하는 농축 구획부로의 이온 이동 비율은 따라서 유로를 따라서 대략 동일할 것이다.
판틀형 및 나선형 감기식 설계는 전기투석(ED) 디바이스 및 전기탈이온화(EDI) 디바이스를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 각종 유형의 전기화학적 탈이온화 디바이스에 대해서 이용되어 왔다. 상업적으로 입수 가능한 ED 디바이스는 전형적으로 판틀형 설계이지만, EDI 디바이스는 판틀형 및 나선형 형태 둘 모두에 있어서 이용 가능하다. 나선형 감기식 설계에 있어서, 디바이스는, 막과 스크린이 중앙에서 전극 둘레에 나선형으로 감기고; 다른 전극은 주변 둘레를 감싸는 상태로 구성될 수 있다. 희석 스트림과 농축 스트림은 나선형 경로에서 안쪽으로 혹은 바깥쪽으로, 병류로 혹은 역류로 방사상으로 흐를 수 있다. 대안적으로 스트림들 중 하나는 방사상이고 다른 하나는 축방향일 수 있다. 공통 구성에서, 내부 전극은 애노드이고, 외부 전극은 캐소드이다. 해수 등과 같은 급수는 중앙으로 도입되어, 희석 구획부와 농축 구획부로 공급된다. 두 스트림은 캐소드를 향하여 나선형 경로에서 바깥쪽으로 흐른다. 나선형 번들의 단부들은 폿팅 접착제(potting adhesive)로 밀봉된다. 생성물 및 불량물은 나선형 구획부의 외측 단부들에서 수집된다.
종래의 나선형 감기식 설계는 판틀형 설계에 비해서 소정의 이점을 지닐 수 있다. 이것의 유일한 누설 전류는 막을 통하는 대신에 나선형 경로를 따라 흘러서 최소인 것으로 예상되는 전류이다. 디바이스의 조립체는 더 적은 단계를 지녀 자동화하기 더 쉽다. 판틀형에서의 스페이서 등과 같은 요소는 필요하지 않다. 나선형 감기식 설계는 내부 전극으로부터의 거리가 증가함에 따라서 전류 밀도가 감소하므로, 희석 스트림으로부터의 이온성 이동 속도는 희석 스트림이 바깥쪽으로 나선형으로 됨에 따라서 감소되는 것을 비롯하여 소정의 단점을 또한 지닌다. 용도를 위해 요구되는 이온량을 제거시키기 위하여, 막 영역은 나선의 길이를 증가시킴으로써 증가될 수 있거나, 또는 희석 속도가 감소될 수 있으므로 체류 시간을 증가시킬 수 있다. 막 영역 및 나선형 길이를 증가시키는 것은 막의 비용 및 압력 강하를 증가시킨다. 추가적인 막 영역은 내부 전극으로부터 훨씬 더 멀어지고 심지어 전류 밀도도 더 낮아진다. 게다가, 수분 소실이 전기-삼투 및 삼투로 인해 존재하므로, 최종 생성수의 유량이 더욱 저감되므로, 단위 생성물당 에너지 및 자본비가 증가한다. 따라서, 이것은 비용 경쟁적인 설계가 가능하지 않은 수확 체감 시나리오에서 가능해진다. 셀 쌍의 수, 따라서, 생성물 유량은 애노드 세그먼트들 간의 간극의 크기 및 더 많은 수의 시트의 권취 곤란성에 의해 제한된다. 그러나, 세그먼트의 반경을 증가시키는 것은, 백금 피복된 티타늄 등과 같은 값비싼 내산화성 물질로 이루어져야만 하는 애노드의 비용을 증가시킨다. 요구되는 염 제거를 달성하기 위하여, 애노드에서의 전류 밀도는 수백 amp/㎡의 차수로 허용할 수 없을 정도로 높을 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 레이스트랙 형태는 나선형 설계의 단점을 최소화하면서 나선형 설계와 관련된 소정의 이점을 제공할 수 있다.
하나 이상의 실시형태는 하우징 내에 수용될 수 있는 전기적으로 유체를 정화시키는 디바이스뿐만 아니라 그의 제조 방법 및 이용 방법에 관한 것이다. 정화될 액체 혹은 기타 유체는 정화 디바이스로 유입되고, 전기장의 영향 하에, 이온-감손된 액체를 생성하도록 처리된다. 유입 액체로부터의 종들이 수집되어 이온-농축된 액체를 생성한다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 전기화학적 분리 시스템의 효율이 개선될 수 있다. 전류 소실은 하나의 잠재적인 비효율성의 근원이다. 몇몇 실시형태에 있어서, 누전(current leakage)에 대한 잠재성은 해결될 수 있다. 전류 효율은 희석 스트림으로부터 농축물 스트림으로 이온이 이동함에 있어서 효과적인 전류의 백분율로서 정의될 수 있다. 전류 비효율성의 각종 근원이 전기화학적 분리 시스템에 존재할 수 있다. 십자-흐름 디바이스에서, 예를 들어, 하나의 잠재적인 비효율성의 근원은 희석 및 농축물 유입구 및 유출구 매니폴드를 통해서 흐름으로써 셀 쌍을 우회하는 전류를 내포할 수 있다. 개방 유입구 및 유출구 매니폴드는 흐름 구획부와 직접 유체 연통할 수 있고, 각 유로에서 압력 강하를 저감시킬 수 있다. 하나의 전극에서 다른 전극으로의 전류의 일부는 개방 영역을 통해서 흐름으로써 셀 쌍의 적층체를 우회할 수 있다. 우회 전류는 전류 효율을 저감시키고 에너지 소비를 증가시킨다. 다른 잠재적인 비효율성의 근원은 이온 교환막의 불완전한 투과선택성으로 인해 농축물 스트림으로부터 희석 스트림을 유입시키는 이온을 내포할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 각종 수법 및 설계는 누전의 저감을 용이하게 할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 전기화학적 분리 디바이스는 누전을 방지하기 위하여 레이스트랙 형태를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 있어서, 적층체를 통한 우회로는 전류 효율을 개선시키기 위하여 셀 적층체를 통한 직접적인 경로를 따라 전류 흐름을 촉진시키기 위하여 조작될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전기화학적 분리 디바이스는, 하나 이상의 우회로가 셀 적층체를 통한 직접적인 경로보다 더 복잡하도록 구성되고 배열될 수 있다. 적어도 소정의 실시형태에 있어서, 전기화학적 분리 디바이스는 하나 이상의 우회로가 셀 적층체를 통한 직접적인 경로보다 더 높은 저항을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 적어도 약 60%의 전류 효율이 달성될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 적어도 약 70%의 전류 효율이 달성될 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 적어도 약 80%의 전류 효율이 달성될 수 있다. 적어도 몇몇 실시형태에 있어서, 적어도 약 85%의 전류 효율이 달성될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 적어도 약 90%의 전류 효율이 달성될 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 구획부 내의 흐름은, 해당 구획부 내의 막 표면과 유체의 보다 큰 접촉을 제공하도록 조절되거나, 재분산되거나 또는 방향전환될 수 있다. 구획부는 해당 구획부 내의 유체 흐름을 재분산시키도록 구성되고 배열될 수 있다. 구획부는, 이하에 더욱 논의되는, 해당 구획부를 통해 흐름을 재분산시키기 위한 구조를 제공할 수 있는 장애물, 돌출부, 돌기부, 플랜지 또는 배플을 구비할 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 장애물, 돌출부, 돌기부, 플랜지 또는 배플은 흐름 재분산기로서 지칭될 수 있다. 흐름 재분산기는 셀 적층체의 구획부들 중 하나 이상에 존재할 수 있다.
전기적 정화 장치(electrical purification apparatus)용의 셀 적층체 내의 구획부들의 각각은 유체 접촉을 위하여 소정 백분율의 표면적 혹은 막 이용성을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 보다 큰 막 이용성은 전기적 정화 장치의 동작 시 보다 큰 효율을 제공하는 것으로 판명되었다. 보다 큰 막 이용성을 달성하는 이점은 보다 낮은 에너지 소비, 장치가 차지하는 보다 작은 공간, 장치를 통한 더 적은 통과, 및 더 높은 품질의 생성수를 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 달성될 수 있는 막 이용성은 65% 초과이다. 다른 실시형태에 있어서, 달성될 수 있는 막 이용성은 75% 초과이다. 소정의 다른 실시형태에 있어서, 달성될 수 있는 막 이용성은 85% 초과이다. 막 이용성은 막의 각각을 서로에 대해 고정하는데 이용되는 방법, 및 임의의 스페이서의 설계에 적어도 부분적으로 좌우될 수 있다. 미리 결정된 막 이용성을 얻기 위하여, 적절한 고정 수법 및 요소들은, 장치 내에서 누설에 접하는 일 없이, 전기적 정화 장치의 최적의 동작을 허용하는 신뢰성 있는 고정 밀봉을 달성하기 위하여 선택될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 적층체 제작 공정은, 해당 공정에서 이용될 수 있는 막의 커다란 표면적을 유지하면서 막 이용성을 최대화하는 열 접착 수법을 내포할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 셀 적층체를 포함하는 전기적 정화 장치가 제공된다. 전기적 정화 장치는 이온 교환막들을 포함하는 제1 구획부를 포함할 수 있고, 이온 교환막들 사이에서 제1 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 전기적 정화 장치는 또한 이온 교환막들을 포함하는 제2 구획부를 포함할 수 있고, 제2 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 제1 구획부와 제2 구획부 각각은 유체 접촉을 위한 소정 백분율의 표면적 혹은 막 이용성을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다.
전기적 정화 장치는 셀 적층체를 포함할 수 있다. 전기적 정화 장치는 제1 양이온 교환막 및 제1 음이온 교환막을 포함하는 제1 구획부를 포함할 수 있고, 제1 구획부는 제1 양이온 교환막과 제1 음이온 교환막 사이에서 제1 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 장치는, 또한 제1 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이에서 제2 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 제1 음이온 교환막 및 제2 양이온 교환막을 포함하는 제1 구획부를 포함할 수 있다. 제1 구획부와 제2 구획부 각각은 미리 결정된 막 이용성, 예를 들어, 제1 양이온 교환막, 제1 음이온 교환막 및 제2 양이온 교환막의 표면적의 85%를 초과하는 유체 접촉을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 제1 구획부와 제2 구획부 중 적어도 하나는 스페이서를 포함할 수 있고, 이 스페이서는 차단 스페이서일 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 셀 적층체를 포함하는 전기적 정화 장치는 셀 적층체를 둘러싸는 하우징을 더 포함할 수 있고, 셀 적층체의 주변부의 적어도 일부는 하우징에 고정된다. 프레임이 하우징과 셀 적층체 사이에 위치될 수 있다. 흐름 재분산기는 셀 적층체의 구획부들 중 하나 이상에 존재할 수 있다. 구획부들 중 적어도 하나는 구획부 내에서 흐름 역전을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 전기적 정화 장치용의 셀 적층체가 제공된다. 셀 적층체는 복수개의 교호의 이온 감손 구획부와 이온 농축 구획부를 제공할 수 있다. 스페이서가 셀 적층체 내에 위치될 수 있다. 스페이서는 구획부를 획정하는 구조를 제공할 수 있고, 소정의 예에서, 구획부를 통해서 유체 흐름을 지향시키는 것을 도울 수 있다. 스페이서는 셀 적층체를 통한 전류 및 유체 흐름 중 적어도 하나를 방향전환시키도록 구성되고 배열될 수 있는 차단 스페이서일 수 있다. 논의된 바와 같이, 차단 스페이서는 전기적 정화 장치에서 전류 비효율성을 저감 혹은 방지할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 하우징은 전극을 포함할 수 있다. 종판(endplate)들이 전극들을 포함할 수 있다. 전기적 정화 장치는 번들의 내부에 있는 제1 전극과 번들을 둘러싸는 제2 전극을 포함할 수 있다. 제1 전극은 애노드일 수 있고, 제2 전극은 몇몇 실시형태에서 캐소드일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 제1 전극은 캐소드일 수 있고, 제2 전극은 애노드일 수 있다. 상기 전극들 중 한쪽 또는 양쪽은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 세그먼트화될 수 있다.
제1 방향의 유체 흐름은 희석 스트림일 수 있고, 제2 방향의 유체 흐름은 농축 스트림일 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 인가된 전기장이 역전되므로 스트림 기능을 역전시키는 극성 반전을 이용해서, 제1 방향의 유체 흐름은 농축 스트림으로 전환될 수 있고, 제2 방향의 유체 흐름은 희석 스트림으로 전환될 수 있다. 스페이서에 의해 분리된 다수의 스페이서 조립체는 셀 쌍의 적층체 혹은 막 셀 적층체를 형성하기 위하여 함께 고정될 수 있다.
본 발명의 전기적 정화 장치는 셀 적층체를 둘러싸는 하우징을 더 포함할 수있다. 셀 적층체의 주변부의 적어도 일부가 하우징에 고정될 수 있다. 프레임 혹은 지지 구조가 셀 적층체에 추가적인 지지부를 제공하기 위하여 하우징과 셀 적층체 사이에 위치될 수 있다. 프레임은 또한 셀 적층체 안으로 그리고 밖으로 액체의 흐름을 허용하는 유입구 매니폴드 및 유출구 매니폴드를 포함할 수 있다. 프레임과 셀 적층체는 함께 전기적 정화 장치 모듈러 유닛을 제공할 수 있다. 전기적 정화 장치는 하우징 내에 고정된 제2 모듈러 유닛을 더 포함할 수 있다. 접착제가 셀 적층체의 주변부의 적어도 일부를 하우징의 내벽에 밀봉하도록 적용될 수 있다.
본 발명의 소정의 실시형태에 있어서, 구획부 내의 흐름은 해당 구획부 내의 막 표면과 유체의 더 많은 접촉을 제공하도록 조정되거나, 재분산되거나 또는 방향전환될 수 있다. 구획부는 해당 구획부 내에서 유체 흐름을 재분산시키도록 구성되고 배열될 수 있다. 구획부는 해당 구획부를 통해 흐름을 재분산시키기 위한 구조를 제공할 수 있는 장애물, 돌출부, 돌기부, 플랜지 또는 배플을 구비할 수 있다. 장애물, 돌출부, 돌기부, 플랜지 또는 배플은 이온 교환막, 스페이서의 일부로서 형성될 수 있거나, 또는 구획부 내에 제공된 추가의 별도의 구조일 수 있다.
본 발명은 전기투석 장비에 대한 이용으로 제한되는 것은 아니다. 전기탈이온화(EDI) 혹은 연속 전기탈이온화(CEDI) 등과 같은 기타 전기화학적 탈이온화 디바이스가 또한 레이스트랙 형태를 이용해서 구성될 수 있다. 잠재적인 용도는 오일 및 가스 생산으로부터 해수, 기수(brackish) 및 염수의 담수화를 포함한다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 전기화학적 분리 디바이스가 제공된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전기화학적 분리 디바이스는 전기투석 디바이스일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 전기화학적 분리 디바이스는 전기탈이온화 디바이스일 수 있다. 소정의 실시형태에 따르면, 전기화학적 분리 디바이스는 전극 및 적어도 하나의 셀 쌍을 포함할 수 있다. 셀 쌍은 음이온 교환막과 양이온 교환막을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 실시형태에 있어서, 이온 교환막은 번들을 형성하도록 전극 둘레에 감겨 있을 수 있다. 번들은 레이스트랙 형태를 가질 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 전기화학적 분리 디바이스는 번들을 둘러싸도록 구성된 제2 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 전극들 중 한쪽 혹은 양쪽은 번들의 레이스트랙 형태를 수용하도록 세그먼트화될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 전기화학적 분리 디바이스는 번들의 적어도 하나의 셀 쌍을 통한 유체 흐름을 용이하게 하기 위하여 매니폴드를 더 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 레이스트랙 형태는 판틀형, 십자-흐름 및 나선형 감기식 ED 디바이스의 이점들을 조합할 수 있다. 애노드 세그먼트 및 캐소드 세그먼트의 직선 구역들에 의해 둘러싸인 막에 있어서, 막들은, 판틀형 디바이스 및 십자-흐름 디바이스에서처럼, 평탄하고 평행하다. 전류 밀도는 실질적으로 균일하고, 희석 구획부로부터의 이온 제거 율은 내부 전극으로부터의 거리의 함수가 아니다. 이온 이동 시 활성이 아닌 막 영역만이 폿팅 화합물로 캡슐화된 작은 분획이다. 85%를 넘는 막 이용성이 십자-흐름 디바이스 및 나선형 디바이스에서처럼 예상된다. 단지 누설 전류만이 막을 통하는 대신에 레이스트랙 경로를 따라 흐르는 전류이며, 최소인 것으로 예상된다. 디바이스의 조립체는 더 적은 단계를 지녀 자동화하기 더 용이하다. 판틀형에서의 스페이서 및 십자-흐름에서의 모듈러 프레임 등과 같은 요소는 필요하지 않다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 레이스트랙 형태를 가진 디바이스의 설계는, 셀 쌍의 수, 내부 전극의 직선 구역(들)의 길이, 내부 전극 둘레의 권선(winding) 수 및 유로의 길이, 희석 구획부 및 농축 구획부로의 유입구에서의 유속, 그리고 희석 구획부 및 농축 구획부에서의 스크린의 막간 간격 및 유형을 비롯하여 최적화를 위한 많은 변수를 내포할 수 있으며, 이들은 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 레이스트랙 경로의 원형 부분의 막 영역에는 나선형 디바이스에서처럼 불균일한 전류 밀도가 적용된다. 이들 영역에서, 내부 전극으로부터의 거리와 함께 이온 제거 율을 저감시키는 난제가 존재하며, 권선의 수가 증가함에 따라서 비용 경쟁력의 수확 체감이 있을 수 있다.
도 1은 애노드(110) 및 세그먼트화된 캐소드(120)를 특징으로 하는 레이스트랙 형태를 가진 전기화학적 분리 모듈(100)의 개략적 횡단면도이다. 음이온 교환막과 양이온 교환막을 포함하는 셀 쌍의 적층체가 번들을 형성하도록 애노드(110) 둘레에 감겨 있다. 캐소드(120)는 번들을 둘러싸도록 구성된 두 부분을 형성하도록 세그먼트화되어 있다. 해수 등과 같은 급수는, 애노드(110) 부근의 레이스트랙의 중앙 부근에 위치된 유입구(130)들 내로 도입된다. 급수가 유입구(130)들을 통해 모듈의 희석 구획부 및 농축 구획부로 공급되고, 이어서 캐소드(120)로 바깥쪽으로 흐르도록 진행된다. 일단 급수가 희석 구획부 및 농축 구획부에 의해 처리되면, 대응하는 생성물 및 불량물 흐름은 레이스트랙 형태의 외부 단부에서 수집되고 유출구(140)들을 통해 모듈을 빠져나간다. 몇몇 실시형태에 있어서, 모듈은 희석 스트림과 농축 스트림이 애노드로부터 캐소드로 실질적으로 감긴 유로에서 서로 병류로 흐르도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 모듈은 희석 스트림과 농축 스트림이 서로 역류로 흐르도록 구성될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 모듈은 희석 스트림과 농축 스트림 중 한쪽이 애노드로부터 캐소드로 실질적으로 감긴 유로에서 흐르는 한편, 희석 스트림과 농축 스트림 중 다른 한쪽이 다른 스트림과 수직인 실질적으로 축방향으로 흐르도록 구성될 수 있다. 이 특정 구성은 급수의 전도도가 낮은 용도에서 적합할 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 모듈은 희석 스트림과 농축 스트림이 외측 캐소드로부터 내측 애노드로 안쪽으로 흐르도록 구성될 수 있다. 명확화를 기하기 위하여, 모든 요소의 두께는 과장되어 있고, 적층체 당 단지 2개의 셀 쌍이 도면에 도시되어 있으며 셀 쌍은 애노드 둘레에 단지 2회 감겨 있다. 실제로, 특히 막 및 임의의 스크린(이하에 더욱 논의됨)이 얇게 구성되어 있다면, 셀 쌍의 수 및 권선 수는 더 많을 수 있다.
몇몇 비제한적인 실시형태에 있어서, 애노드(110)는 평탄한 판을 취하고 나서 그 단부들을 구부리거나 말아서 제작될 수 있다. 대안적으로, 애노드는 평탄한 판의 부분들을 반원통과 같은 형상의 부분들로 용접함으로써 구성될 수도 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 막들은 구성 상 균질할 수 있고, 0.025㎜ 두께일 수 있으며, 스크린은 0.25㎜ 두께일 수 있어, 두께 0.55㎜의 셀 쌍이 얻어질 수 있다. 이들 치수는 50개의 셀 쌍의 적층체가 이어서 13.8㎜의 반경을 지니는 단부 부분에 끼워맞춤될 수 있게 한다.
도 2는 레이스트랙 형태의 중앙 부근에 위치되어 희석 구획부 및 농축 구획부에 대한 유입구(230)들 중 하나의 확대 상세도이다. 이 특정 실시형태에 있어서, 애노드(210)는 실질적으로 세장형의 S자 형을 획정하도록 각 단부에 반원형 구역을 가진 직선 구역을 포함할 수 있다. 반원형 구역의 단부들은 패스닝 탭(250) 등과 같은 패스너로서 기능할 수 있는 짧은 직선 구역을 더 포함할 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 애노드는, 하나 이상의 셀 쌍을 해당 애노드에 고정하는, 각 단부에 위치된 패스닝 탭을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 직사각형 막들과 스크린의 두 적층체는 애노드의 단부 구역 내로 삽입되어, 탭(250)에 체결됨으로써 적소에 기계적으로 클램핑될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 막들과 스크린은 탭(250)을 구부림으로써 적소에 기계적으로 클램핑될 수 있다. 막들과 스크린은 이어서 레이스트랙-형상의 형태를 형성하도록 애노드 둘레에 감겨 있을 수 있다. 애노드의 기재는 티타늄 등과 같은 각종 물질로 제조될 수 있고, 백금, 산화이리듐, 산화루테늄 및 이들의 혼합물 등과 같은 내산화성 물질로 표면 상에 더욱 피복되어 있을 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 세그먼트화된 애노드(310)와 세그먼트화된 캐소드(320)를 특징으로 하는 레이스트랙 형태를 지니는 전기화학적 분리 모듈(300)의 개략도를 제공한다. 애노드는 두 구역을 형성하도록 세그먼트화되고, 음이온 교환막과 양이온 교환막을 포함하는 셀 쌍의 두 적층체는 번들을 형성하도록 애노드(310) 둘레에 감겨 있다. 도 1과 유사한 방식에 있어서, 급수는 애노드(310) 근방에서 레이스트랙의 중앙 부근에 위치된 유입구(330)들 내로 도입되고, 이어서 도어 캐소드(320)로 바깥쪽으로 흘러서 유출구(340)들을 통해서 해당 모듈을 빠져나가도록 진행될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 모듈은 희석 스트림과 농축 스트림이 서로 병류로 혹은 역류로 흐를 수 있도록 구성될 수 있다. 모듈은 또한 희석 스트림과 농축 스트림이 애노드로부터 캐소드로 실질적으로 감긴 유로 내로 흐르도록 구성될 수 있거나, 또는 모듈은 희석 스트림과 농축 스트림 중 한쪽이 애노드로부터 캐소드로 실질적으로 감긴 유로 내로 흐르는 한편, 희석 스트림 혹은 농축 스트림 중 다른 한쪽이 다른 스트림과 수직인 실질적으로 축 방향으로 흐르도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 모듈은 희석 스트림과 농축 스트림이 외측 캐소드로부터 내측 애노드로 안쪽으로 흐르도록 구성될 수도 있다.
도 4는 도 3a의 중앙 영역의 확대도로, 레이스트랙 형태의 중앙 부근에 위치된 희석 구획부와 농축 구획부에 대한 유입구(430)들을 도시하고 있다. 이 실시형태에 있어서, 애노드는 세그먼트화되어 있고, 각 부분은 직선 구역과 만곡 구역을 포함한다. 음이온 교환막과 양이온 교환막이 음이온 둘레에 감겨 있을 경우, 대응하는 번들은 또한 실질적으로 직선 구역과 만곡 구역을 지닐 수 있다. 세그먼트화된 애노드는 모듈의 구성에서 더욱 가요성을 허용할 수 있다. 예를 들어, 애노드의 만곡 구역의 반경과 번들의 만곡 구역의 반경은 셀 쌍의 수와 독립적일 수 있는데 그 이유는 세그먼트화된 애노드의 직선 구역들 간의 거리가 변할 수 있기 때문이다. 도면에 예시된 바와 같이, 1개 이상의 스페이서(470)가 애노드의 두 세그먼트를 멀리 밀도록 세그먼트화된 애노드의 직선 구역들 사이에 위치될 수 있다. 스페이서는 애노드의 두 세그먼트들 사이에 미리 결정된 거리를 유지하도록 구성될 수 있다. 적절한 유형의 스페이서의 하나의 예는 나사형 기구일 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 애노드의 반원형 만곡 구역들의 단부들은 클램핑 탭(450)으로서 기능하는 짧은 직선 구역을 더 포함할 수 있고, 몇몇 실시형태에 있어서, 애노드는 하나 이상의 셀 쌍을 애노드에 고정시키기 위하여 각 단부에 위치된 패스너를 더 포함할 수 있다.
도 5는 용기 내에 놓인 레이스트랙-감기식 번들을 예시하고 있다. 레이스트랙 형태 번들은 각종 방식으로 용기 내에 장착될 수 있다. 하나 이상의 비제한적인 실시형태에 따르면, 일단 하나 이상의 셀 쌍이 내부 전극 둘레에 감겨 있고, 번들의 단부들 중 한쪽 혹은 양쪽이 폿팅 접착제(580)로 밀봉되고 정돈되어 있다. 폿팅된 번들은 이어서 원통형 용기(590) 내로 삽입될 수 있다. 용기는 하나 이상의 받침쇠(도시 생략)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 유출구 매니폴드(585)는 생성물 스트림 및 불량물 스트림용의 유출구들을 포함할 수 있다. 유입구 매니폴드는 또한 레이스트랙 번들과 유체 연통할 수 있다. 번들 사이 그리고 용기 내부의 임의의 간극은 윤곽을 지닌 부분들(contoured parts)(도시 생략)로 더 채워질 수 있으므로, 용기(590)는 번들의 외주부를 지지하도록 기능한다. 용기(590)는 유입구 포트와 유출구 포트 및 전극에 대한 전기 접속부를 제공할 수 있는 받침쇠(도시 생략)에 의해 양 단부에서 더욱 캐핑될 수 있다. 윤곽을 지닌 부분들이 이용된다면, 이들은 플라스틱 등과 같은 저가의 비부식성의 재료로 제작될 수 있고 성형 혹은 기계 가공 수법에 의해 형성될 수 있다. 윤곽을 지닌 부분들은 또한 번들의 외주부를 지지하는 기능을 할 수 있거나, 또는 다른 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 윤곽을 지닌 부분들 중 하나 이상은 불량물 혹은 생성물 스트림으로부터의 유출물을 수집하여 이를 대응하는 포트로 전송하기 위한 하나 이상의 매니폴드를 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 필터 부분은 필요하지 않다. 예를 들어, 폿팅된 번들은 단순히 둥근 용기 내로 삽입될 수 있고, 받침쇠들이 부착될 수 있다. 필터 재료는 이어서 번들과 용기의 내부면 사이의 공간 내로 주입될 수 있다. 적절한 필터 재료의 예는, 공동 내로 주입된 후에 팽창되어 고형화될 수 있는 실란트 발포물 또는 강성 혹은 반강성 폿팅 화합물을 포함한다. 용기(590)는, 직사각형 혹은 레이스트랙 형상을 비롯하여 임의의 수의 상이한 형상을 취할 수 있다. 이들 형태는 다수의 디바이스가 용기 내에 더욱 빽빽하게 채워질 수 있게 한다. 용기는 본 명세서에 개시된 디바이스 및 시스템에서 기재된 번들 구성용의 하우징으로서 수행하기 위하여 적합한 임의의 형상일 수 있다.
몇몇 실시형태에 따르면, 감긴 음이온 교환막 및 양이온 교환막과 애노드로부터 형성된 번들의 횡단면은 실질적으로 직선 구역과, 해당 실질적으로 직선 구역의 제1 및 제2 단부에서 만곡 구역을 지닐 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 전류 밀도는 번들의 실질적으로 직선 구역 전체를 통해서 실질적으로 균일할 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 실질적으로 직선 구역에 대한 길이 대 만곡 구역들 각각의 높이 혹은 반경의 비는 0보다 클 수 있다. 적어도 하나의 실시형태에 있어서, 만곡 구역의 반경은 셀 쌍의 수에 좌우되지 않을 수 있다. 예를 들어, 디바이스의 형태는 도 3에 도시된 바와 같을 수 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 만곡 구역들 각각의 반경은 대략 적층체의 두께와 동등하다. 각종 양상에서, 음이온 교환막과 양이온 교환막은 번들의 실질적으로 직선 구역을 따라 평행하고 평탄하다. 몇몇 실시형태에 있어서, 번들은 두 대칭축을 지닐 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 만곡 구역은 실질적으로 반원형이 아닐 수 있지만, 타원형이거나 기타 만곡된 형상일 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 하나 이상의 실시형태에 따른 상이한 잠재적인 흐름 패턴의 개략도를 제공한다. 도 6a는 내부 전극으로부터 외부 전극으로 레이스트랙 패턴으로 병류로 흐르는 두 스트림을 제공한다. 대안적으로, 스트림은 외부 전극으로부터 내부 전극으로 병류로 흐를 수 있다. 스트림은 또한 역류로 흐를 수 있다. 도 6b는 제1 흐름이 내부 전극으로부터 외부 전극으로 레이스트랙 패턴으로 병류로 흐르는 십자-흐름 구성을 제공한다. 스트림 1 구획부의 가장자리는 밀봉될 수 있다. 스트림 2는 스트림 1에 수직인 방향으로 흐른다. 스트림 2와 연관된 구획부의 가장자리는 개방되어 있을 수 있다.
적어도 하나의 실시형태에 따르면, 전기화학적 분리 디바이스는 적어도 약 85%의 막 이용성을 특징으로 할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 막 이용성은 적어도 약 90%일 수 있다. 이들 값은 판틀형 설계를 이용해서 달성된 것들보다 높을 수 있다. 또한, 디바이스를 가로지르는 압력 강하는 또한 판틀형 설계를 가로지르는 압력 강하보다 낮을 수 있다.
각종 실시형태에 있어서, 전기화학적 분리 디바이스들 중 하나 이상은 수처리 시스템에 이용될 수 있다. 수처리 시스템은 기타 요소 및 디바이스, 예컨대, 센서 및 제어 디바이스, 추가의 매니폴드 및 분산 조립체, 저장 디바이스, 그리고 추가의 처리 디바이스를 더 포함할 수 있다. 몇몇 양상에 있어서, 전기화학적 분리 디바이스들 중 하나 이상은 기존의 수처리 시스템 내로 삽입될 수 있다.
개시된 전기화학적 분리 디바이스의 레이스트랙 형태는 판틀형, 십자-흐름 및 나선형 감기식 형태를 이용해서 경험된 소정의 이점을 제공할 수 있고, 그리고 이들 다른 유형을 이용해서 경험되지 않은 부가적인 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 애노드 및 캐소드의 실질적으로 직선 구역으로 둘러싸인 막 영역은 평탄하고 평행할 수 있어, 이 영역에서 실질적으로 균일한 전류 밀도를 허용할 수 있다. 또한, 희석 구획부로부터의 이온 제거 율은 내부 전극으로부터의 거리의 함수가 아니다. 이들은, 내부 전극으로부터의 거리가 이런 유형의 구성에서 증가함에 따라서 전류 밀도가 증가할 수 있으므로, 나선형 감기식 디바이스에 비해서 탁월한 이점이다. 이것은 희석 스트림이 바깥쪽으로 나선형으로 이동함에 따라서 희석 스트림으로부터의 이온 이동이 감소되는 것을 의미한다. 목적으로 하는 수준의 이온 제거를 달성하기 위하여, 내부 전극에서의 전류 밀도는 용납할 수 없을 정도로 (수백 ㎡의 차수로) 높을 수 있다. 또한, 막 영역은 나선형의 길이를 증가시킴으로써 또는 희석 구획부를 통한 유량을 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 이들 접근법은 둘 모두 체류 시간이 증가되고 디바이스를 가로지르는 압력 강하의 증가에 기여할 수 있는 것을 요구한다. 더욱이, 막 영역 및 나선형 길이를 증가시키는 것은 막의 제조 비용과 작동 비용을 둘 다 증가시킬 수 있다. 게다가, 전기-삼투 및 삼투와 연관된 물 소실은 생성물 스트림의 저감된 유량에 기여할 수 있다. 나선형 감기식 디바이스는, 셀 쌍의 수, 따라서 디바이스를 빠져나가는 생성물의 유량이 애노드 세그먼트들 사이의 간극의 크기 및 중심 전극 둘레에 많은 수의 셀 쌍을 감는데 있어서의 곤란성에 의해 제한될 수 있다는 사실에 의해 불리할 수 있다. 나선형 감기식 디바이스 내의 세그먼트화된 내부 전극의 반경을 증가시키는 것은 전극의 비용을 증가시킬 수 있고, 이 부가적인 비용은 상당할 수 있다. 레이스트랙 형태의 이용은 나선형 감기식 디바이스와 연관된 이들 단점 중 하나 이상을 최소화할 수 있다.
레이스트랙 형태의 추가의 이점은, 막 이용성 비율이 85% 이상일 수 있다는 점일 수 있는데, 그 이유는 이온 이동에 활성적으로 이용될 수 없는 막의 영역만이 폿팅 화합물에 의해 밀봉된 작은 부분이기 때문이다. 또한 최소의 누설 전류가 있을 수 있는데, 그 이유는 이것이 단지 (막을 통하는 대신에) 레이스트랙 경로를 따라 흐르는 전류에서 일어나기 때문이다. 디바이스는 제조 및 조립하는 더 적은 단계를 필요로 할 수 있고, 자동화 혹은 제어를 더 용이하게 할 수 있다. 또한, 스페이서 및 프레임 등과 같은 개별의 요소들이 필요하지 않을 수 있다.
본 명세서에 기재된 전기화학적 분리 디바이스의 최적화는 셀 쌍의 수, 내부 전극에서의 실질적으로 직선 구역(들)의 길이, 내부 전극 둘레의 감긴 수 및 유로의 길이, 유입구(들)에서의 유속, 막들 사이의 간격, 그리고 희석 구획부 및 농축 구획부에 이용된 스크린의 유형 등과 같은 하나 이상의 파라미터를 변화시킴으로써 달성될 수있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 수처리 시스템이 제공된다. 각종 실시형태에 있어서, 수처리 시스템은 위에서 기재되고 특성 규명된 바와 같은 전기화학적 분리 시스템일 수 있다. 수처리 시스템은 처리될 물의 공급원에 유체 접속된 공급물 유입구를 포함할 수 있다. 처리될 물의 적절한 공급원의 비제한적인 예는, 음료수, 예를 들어, 도시용수 또는 우물 물의 공급원, 비음료수, 예를 들어, 기수 혹은 염수, 전처리된 반순수(pre-treated semi-pure water)의 공급원, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
이들 및 기타 실시형태의 기능 및 이점은 이하의 예로부터 더욱 충분히 이해될 것이다. 이 예는 속성 상 예시적인 것으로 의도된 것이며, 본 명세서에 개시된 실시형태의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
선언적 예
사례 연구는 종래의 나선형 감기식 형태에 대한 비교에서 하나 이상의 실시형태에 따른 레이스트랙 형태용의 제조 비용 및 에너지 소비를 평가하기 위하여 수행되었다. 이 사례 연구는 36,500 ppm의 TDS값을 지니는 공급물 및 2000 ppm의 TDS값을 지니는 목적으로 하는 생성물을 가정하는 탈염 용도에 대해 집중되었다. 이런 유형의 탈염 공장은 공급수가 오일 회수를 증가시키기 위하여 오일 저장소 내로 주입되는 연안 플랫폼 작업을 위하여 유용할 수 있다.
레이스트랙 형태는 길이 200㎜의 직선 구역을 포함하는 4회 감기를 가진 ED 모듈을 포함하였다. 이 연구에 이용된 나선형 감기식 모듈은 5회 감기를 포함하였다.
이 연구 결과는 도 7에 도시되어 있다. 두 형태 간의 비교는, y-축 상에 표시된 바와 같은 생성물 유량의 단위(m3/h) 당의 제조 비용 대 x-축 상에 표시된 바와 같은 생성물의 세제곱 미터당의 에너지 소비를 포함하였다. 이 결과는, 주어진 에너지 소비에 대해서, 레이스트랙 형태가 더 낮은 비용인 것임을 입증한다. 에너지 소비값의 전체 범위에 걸쳐서, 레이스트랙 형태는 종래의 나선형 감기식 형태보다 일관되게 비용이 더 낮다.
본 명세서에서 논의된 방법 및 디바이스의 실시형태가 설명에 기술되거나 또는 첨부된 도면에 예시된 요소들의 구성 및 배열의 상세에 대한 적용으로 제한되지 않음이 이해될 것이다. 이러한 방법 및 디바이스는 다른 실시형태로 구현할 수 있고, 그리고 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다. 특정 구현예는 본 명세서에서 단지 예시적 목적을 위해 제공될 뿐, 제한으로서 의도된 것은 아니다. 특히, 임의의 하나 이상의 실시형태와 관련하여 논의된 동작, 구성요소 및 특성은 임의의 다른 실시형태에서 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되는 것은 아니다
또한, 본 명세서에서 사용된 술어 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로서 간주되어서는 안 된다. 단수형으로 지칭된 본 명세서의 시스템 및 방법의 실시형태 또는 구성요소 또는 동작에 대한 임의의 언급은 또한 복수의 이들 구성요소를 포함하는 실시형태를 포괄할 수 있고, 그리고 본 명세서에서의 임의의 실시형태 또는 구성요소 또는 동작에 대한 복수형의 임의의 언급은 단지 단일 구성요소를 포함하는 실시형태를 또한 포괄할 수 있다. 본 명세서에서의 "포함하는", 구비하는", "갖는", "함유하는", "내포하는" 및 이들의 변형어의 사용은, 이후에 열거된 항목 및 그의 등가물뿐만 아니라 부가적 항목을 포함하도록 의미된다. "또는"에 대한 언급은 포괄적인 것으로서 해석될 수 있어, "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어는 설명된 용어들 중 하나의 용어, 하나보다 많은 용어, 그리고 용어들 전부 중 임의의 것을 표시할 수 있다. 앞과 뒤, 좌와 우, 최상단과 최하단, 상부와 하부, 그리고 수직과 수평에 대한 임의의 언급은 설명의 편의를 위해 의도된 것으로, 본 발명의 시스템 및 방법 또는 그들의 요소를 임의의 하나의 위치 또는 공간적 배향으로 제한시키도록 의도된 것은 아니다.
위에서는 적어도 하나의 실시형태의 여러 양상을 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 당업자에게 용이하게 일어날 것임이 인정될 것이다. 그러한 변경, 수정 및 개선은 이 개시의 일부인 것으로 의도되고 그리고 본 발명의 범위 내인 것으로 의도된다. 따라서, 앞서 기재된 설명 및 도면들은 단지 예일 뿐이다.
Claims (21)
- 전기화학적 분리 디바이스로서,
제1 전극;
번들(bundle)을 형성하도록 상기 제1 전극 둘레에 감긴 음이온 교환막과 양이온 교환막을 포함하는 적어도 하나의 셀 쌍(cell pair); 및
상기 번들을 둘러싸고 있는 제2 전극;
을 포함하고,
상기 제 1 전극은 세그먼트화되어 있고, 각 부분은 직선 구역과 만곡 구역을 포함하고,
상기 번들의 횡단면은 직선 구역과, 상기 직선 구역의 제1 및 제2 단부에서 만곡 구역을 구비하고,
세그먼트화된 상기 제1 전극의 각각의 만곡 구역의 반경은 셀 쌍의 수에 좌우되지 않는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 희석 스트림과 농축 스트림이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 병류로(co-currently) 흐르도록 구성된, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드(anode)를 포함하고, 상기 제2 전극은 캐소드(cathode)를 포함하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 세장형의 S자 형상 애노드를 획정하도록 각 단부에서 반원형 구역을 지니는 직선 구역을 포함하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제4항에 있어서, 상기 제1 전극은 적어도 하나의 셀 쌍을 고정시키기 위하여 각 단부에 패스닝 탭(fastening tab)을 더 포함하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제3항에 있어서, 상기 애노드는 내산화성 물질로 피복되어 있는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이에 미리 결정된 거리를 유지하도록 구성된 스페이서를 더 포함하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제3항에 있어서, 상기 캐소드는 세그먼트화된, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 셀 쌍을 통한 유체 흐름을 용이하게 하기 위한 매니폴드(manifold)를 더 포함하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 번들의 적어도 일 단부가 접착제로 밀봉되어 있는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 번들을 수용하도록 구성된 용기를 더 포함하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제11항에 있어서, 상기 용기는 받침쇠들(endblocks)을 포함하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 적어도 85%의 막 이용성(membrane utilization)을 특징으로 하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 전류 밀도가 상기 번들의 상기 직선 구역 전체를 통해서 균일한, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 직선 구역의 길이 대 상기 만곡 구역들의 각각의 반경의 비가 0보다 큰, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막은 상기 번들의 상기 직선 구역을 따라 평행하고 평탄한(planar), 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 번들은 두 대칭축을 구비하는, 전기화학적 분리 디바이스.
- 제1항의 전기화학적 분리 디바이스를 포함하는 수처리 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201261727914P | 2012-11-19 | 2012-11-19 | |
| US61/727,914 | 2012-11-19 | ||
| PCT/US2013/032068 WO2014077887A1 (en) | 2012-11-19 | 2013-03-15 | Electrochemical separation device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150086298A KR20150086298A (ko) | 2015-07-27 |
| KR102048113B1 true KR102048113B1 (ko) | 2019-11-22 |
Family
ID=50731582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020157015344A KR102048113B1 (ko) | 2012-11-19 | 2013-03-15 | 전기화학적 분리 디바이스 |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US9981865B2 (ko) |
| EP (1) | EP2919909B1 (ko) |
| JP (1) | JP6188813B2 (ko) |
| KR (1) | KR102048113B1 (ko) |
| CN (2) | CN108927005B (ko) |
| AU (1) | AU2013345396B2 (ko) |
| CA (1) | CA2890376C (ko) |
| ES (1) | ES2769544T3 (ko) |
| IL (1) | IL238745B (ko) |
| SG (2) | SG10201703926RA (ko) |
| WO (1) | WO2014077887A1 (ko) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6762291B2 (ja) * | 2014-11-26 | 2020-09-30 | エヴォクア ウォーター テクノロジーズ エルエルシーＥｖｏｑｕａ Ｗａｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＬＬＣ | 電気化学的分離装置のセル対への入口及び出口の設置方法及びシステム |
| US11565952B2 (en) | 2018-02-26 | 2023-01-31 | Z Intellectual Property Holding Company, Llc | Systems and methods for providing an electrolytic cell |
| NL2021249B1 (en) * | 2018-07-04 | 2020-01-15 | Redstack Bv | Membrane stack, stack assembly and foldable membrane |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3003358B2 (ja) * | 1992-03-03 | 2000-01-24 | 松下電器産業株式会社 | アクティブマトリクス型液晶パネル |
Family Cites Families (30)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1425752A (en) * | 1921-06-07 | 1922-08-15 | Davis Alfred Victor | Electrolytic cell |
| JPS4813632Y1 (ko) * | 1967-10-23 | 1973-04-13 | ||
| US4225413A (en) * | 1979-05-24 | 1980-09-30 | Karn William S | Spiral wound electrodialysis cell |
| EP0054082B1 (de) * | 1980-12-19 | 1985-08-07 | Brita Wasser-Filter-Systeme GmbH | Vorrichtung zur Wasserreinigung |
| US5147737A (en) | 1991-05-07 | 1992-09-15 | Wilson Greatbatch Ltd. | Electrochemical cell with improved efficiency serpentine electrode |
| DE4119836A1 (de) * | 1991-06-12 | 1992-12-17 | Arnold Gallien | Elektrolysezelle fuer gasentwickelnde bzw. gasverzehrende elektrolytische prozesse sowie verfahren zum betreiben der elektrolysezelle |
| ES2092267T3 (es) * | 1992-05-15 | 1996-11-16 | Christ Ag | Dispositivo para la desalinizacion electroquimica continua de soluciones acuosas. |
| US5292422A (en) | 1992-09-15 | 1994-03-08 | Ip Holding Company | Modules for electrodeionization apparatus |
| JP3003358U (ja) * | 1994-04-20 | 1994-10-18 | テクノエクセル株式会社 | 電解槽 |
| US5425858A (en) | 1994-05-20 | 1995-06-20 | The Regents Of The University Of California | Method and apparatus for capacitive deionization, electrochemical purification, and regeneration of electrodes |
| US6309532B1 (en) | 1994-05-20 | 2001-10-30 | Regents Of The University Of California | Method and apparatus for capacitive deionization and electrochemical purification and regeneration of electrodes |
| JPH11265840A (ja) * | 1998-03-17 | 1999-09-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | アルミニウム電解コンデンサ |
| JP2001198576A (ja) * | 2000-01-17 | 2001-07-24 | Kurita Water Ind Ltd | 電気式脱イオン装置 |
| US6399243B1 (en) * | 2000-04-06 | 2002-06-04 | The Gillette Company | Air recovery battery |
| JP4778664B2 (ja) * | 2000-08-11 | 2011-09-21 | ジーイー・アイオニクス・インコーポレイテッド | 電気透析用の装置および方法 |
| US7195840B2 (en) * | 2001-07-13 | 2007-03-27 | Kaun Thomas D | Cell structure for electrochemical devices and method of making same |
| JP4384444B2 (ja) * | 2003-05-29 | 2009-12-16 | 株式会社荏原製作所 | 電気式脱塩装置及び電気透析装置 |
| US7267770B2 (en) * | 2003-10-09 | 2007-09-11 | The Hilliard Corporation | Cartridges |
| KR101161884B1 (ko) * | 2003-10-20 | 2012-07-03 | 지이 이오닉스 인코포레이티드 | 나선형 전기 탈이온화 장치 및 그의 구성요소 |
| AU2004287467B2 (en) * | 2003-10-27 | 2010-06-17 | Ionics, Incorporated | Improved electrodialysis system and process |
| US7306709B2 (en) * | 2004-10-20 | 2007-12-11 | Ge Osmonics, Inc. | Spiral electrodeionization device with flow distribution profiling |
| KR20080026118A (ko) | 2005-05-27 | 2008-03-24 | 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 | 열 팽창 계수가 낮은 수지 조성물 및 이로부터의 물품 |
| CN2811267Y (zh) * | 2005-06-06 | 2006-08-30 | 浙江欧美环境工程有限公司 | 卷式电除盐器外壳组件 |
| CN2811266Y (zh) * | 2005-06-06 | 2006-08-30 | 浙江欧美环境工程有限公司 | 螺旋卷式电除盐器 |
| JP5157244B2 (ja) * | 2007-05-11 | 2013-03-06 | Ｔｄｋ株式会社 | 電気化学デバイス及びその製造方法 |
| JP4683044B2 (ja) * | 2007-12-28 | 2011-05-11 | Ｔｄｋ株式会社 | 巻回型電気化学デバイス、及び巻回型電気化学デバイスの製造方法 |
| CA2728737C (en) * | 2008-06-19 | 2016-04-19 | Tennant Company | Tubular electrolysis cell comprising concentric electrodes and corresponding method |
| JP2010253451A (ja) * | 2009-04-28 | 2010-11-11 | Japan Organo Co Ltd | 電気式脱イオン水製造装置の洗浄方法 |
| US20110129710A1 (en) * | 2009-11-27 | 2011-06-02 | Tdk Corporation | Wound electrochemical device and manufacturing method thereof |
| TW201206556A (en) | 2010-05-18 | 2012-02-16 | Siemens Pte Ltd | Systems and techniques for electrodialysis |
-
2013
- 2013-03-15 EP EP13855054.6A patent/EP2919909B1/en active Active
- 2013-03-15 CN CN201810933000.5A patent/CN108927005B/zh active Active
- 2013-03-15 JP JP2015543029A patent/JP6188813B2/ja active Active
- 2013-03-15 ES ES13855054T patent/ES2769544T3/es active Active
- 2013-03-15 CA CA2890376A patent/CA2890376C/en active Active
- 2013-03-15 WO PCT/US2013/032068 patent/WO2014077887A1/en active Application Filing
- 2013-03-15 SG SG10201703926RA patent/SG10201703926RA/en unknown
- 2013-03-15 KR KR1020157015344A patent/KR102048113B1/ko active IP Right Grant
- 2013-03-15 CN CN201380060023.5A patent/CN104797339B/zh active Active
- 2013-03-15 US US14/442,515 patent/US9981865B2/en active Active
- 2013-03-15 AU AU2013345396A patent/AU2013345396B2/en active Active
- 2013-03-15 SG SG11201503680UA patent/SG11201503680UA/en unknown
-
2015
- 2015-05-11 IL IL238745A patent/IL238745B/en active IP Right Grant
-
2018
- 2018-05-18 US US15/983,827 patent/US20180265380A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3003358B2 (ja) * | 1992-03-03 | 2000-01-24 | 松下電器産業株式会社 | アクティブマトリクス型液晶パネル |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2919909B1 (en) | 2019-12-25 |
| IL238745A0 (en) | 2015-06-30 |
| US20160236954A1 (en) | 2016-08-18 |
| CA2890376C (en) | 2021-01-12 |
| CN104797339B (zh) | 2018-08-28 |
| US9981865B2 (en) | 2018-05-29 |
| EP2919909A1 (en) | 2015-09-23 |
| IL238745B (en) | 2018-10-31 |
| JP2016505358A (ja) | 2016-02-25 |
| AU2013345396A1 (en) | 2015-05-14 |
| CN108927005B (zh) | 2021-04-16 |
| CA2890376A1 (en) | 2014-05-22 |
| EP2919909A4 (en) | 2016-07-27 |
| SG10201703926RA (en) | 2017-06-29 |
| WO2014077887A1 (en) | 2014-05-22 |
| KR20150086298A (ko) | 2015-07-27 |
| CN104797339A (zh) | 2015-07-22 |
| AU2013345396B2 (en) | 2017-09-21 |
| US20180265380A1 (en) | 2018-09-20 |
| JP6188813B2 (ja) | 2017-08-30 |
| CN108927005A (zh) | 2018-12-04 |
| ES2769544T3 (es) | 2020-06-26 |
| SG11201503680UA (en) | 2015-06-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20220380235A1 (en) | Electrochemical separation systems and methods | |
| US9656886B2 (en) | Electrical purification apparatus and methods of manufacturing same | |
| US20180265380A1 (en) | Electrochemical separation device with segmented electrode | |
| US10561988B2 (en) | Methods of providing inlets and outlets to cell pairs in wound ED devices | |
| AU2012212039C1 (en) | Electrical purification apparatus and methods of manufacturing same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |