KR102351744B1 - 주기적 회분식 모드로 농축 재순환을 이용하는 전기 화학 시스템 - Google Patents

Abstract

전기 화학 디바이스를 작동시키는 방법은 농축 폐기물의 양을 시한 회분식 사이클로 주기적으로 배출하는 단계 및 농축 폐기물을 급수로 교체하는 단계를 포함한다. 전기 화학 수처리 시스템은 제어 모듈에 의해 제어되는 밸브를 가진 재순환 라인을 포함한다. 제어 모듈은 재순환 라인으로부터 농축 폐기물을 회분식 시한 사이클로 배출하도록 밸브를 주기적으로 개방한다. 재순환 라인에는 배출된 농축 폐기물을 교체하도록 급수가 공급된다.

Description

주기적 회분식 모드로 농축 재순환을 이용하는 전기 화학 시스템

관련 출원

본 출원은 미국 가출원 일련번호 제62/332,536호(발명의 명칭: "ED System with Concentration Recirculation in Cyclic Batch Mode", 출원일: 2016년 5월 6일)에 대한 우선권을 35 U.S.C.§119(e) 하에서 주장하며, 상기 기초 출원은 이의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.

기술 분야

본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 전기 화학 수처리 시스템 및 이를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 개시된 양상 및 실시형태는 회분식 시한 사이클(batch timed cycle)로 농축 폐기물을 주기적으로 배출할 수 있는 전기 화학 시스템 및 회분식 시한 사이클로 농축 폐기물을 주기적으로 배출함으로써 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 관련 선행기술로는 일본 공표특허공보 특표2007-511351호가 있다.

하나의 양상에 따르면, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법이 제공된다. 전기 화학 분리 디바이스는 희석 격실, 농축 격실, 이온 교환막, 제1 전극과 제2 전극, 희석 격실과 유체 흐름 가능하게 연결된 제1 공급물 스트림(feed stream), 농축 격실과 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 공급물 스트림 및 농축 격실 재순환 스트림(concentration compartment recycle stream)을 포함할 수도 있다.

일부 실시형태에서, 방법은 제1 공급물 스트림을 희석 격실로 지향시켜 생성물 스트림을 생성시키는 단계 및 제2 공급물 스트림을 농축 격실로 지향시켜 폐기물 스트림을 생성시키는 단계를 포함한다. 방법은 폐기물 스트림을 농축 격실로 재순환시키는 단계를 포함할 수도 있다. 방법은 제1 농도의 이온을 가진 폐기물 스트림의 양을 시한 회분식 사이클로 주기적으로 배출하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 방법은 폐기물 스트림의 배출된 양을 이온의 제1 농도보다 더 낮은 이온의 제2 농도를 가진 제2 공급물 스트림의 본질적으로 같은 양으로 교체하는 단계를 포함할 수도 있다.

일부 실시형태에서, 방법은 제1 전극과 제2 전극의 극성을 주기적으로 반전시키는 단계를 포함한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 방법은 제1 공급물 스트림이 농축 격실로 지향되고 그리고 제2 공급물 스트림이 희석 격실로 지향되도록, 제1 공급물 스트림과 제2 공급물 스트림의 흐름 경로를 교환하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 극성의 주기적인 반전은 폐기물 스트림의 주기적인 배출의 타이밍과 조정될 수도 있다. 흐름 경로의 교환은 극성의 주기적인 반전의 타이밍 및/또는 폐기물 스트림의 주기적인 배출의 타이밍과 조정될 수도 있다.

일부 실시형태에서, 방법은 폐기물 스트림과 제2 공급물 스트림을 혼합시켜 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 생성시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 방법은 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 양을 주기적으로 배출하는 단계를 포함할 수도 있다. 방법은 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 배출된 양을 제2 공급물 스트림의 본질적으로 같은 양으로 교체하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

일부 실시형태에서, 방법은 폐기물 스트림과 제3 공급물 스트림을 혼합하여 폐기물과 제3 공급물의 혼합물을 생성시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 제3 공급물은 이온의 제2 농도보다 더 낮은 이온의 제3 농도를 가질 수도 있다. 폐기물 스트림은 폐기물, 제2 공급물 및 제3 공급물의 혼합물을 생성시키도록 제2 공급물 스트림 및 제3 공급물 스트림 둘 다와 혼합될 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 방법은 폐기물과 제3 공급물의 혼합물의 양 또는 폐기물, 제2 공급물 및 제3 공급물의 혼합물의 양을 배출하는 단계를 포함할 수도 있다. 방법은 폐기물과 제3 공급물의 혼합물의 양 또는 폐기물, 제2 공급물 및 제3 공급물의 혼합물의 양을 제2 공급물 스트림 및 제3 공급물 스트림 중 적어도 하나의 본질적으로 같은 양으로 교체하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

방법은 이온의 제1 농도가 침전물을 형성하는데 충분한 농도에 도달할 때 폐기물 스트림의 양을 주기적으로 배출하는 단계를 포함할 수도 있다. 폐기물을 배출하는 단계 및 폐기물을 폐기물보다 더 낮은 농도의 이온을 가진 제2 공급물 스트림 또는 제3 공급물 스트림 각각으로 교체하는 단계는 재순환된 스트림의 전체 이온 농도를 감소시킬 수도 있다.

일부 비한정적인 실시형태에서, 폐기물 스트림의 양은 약 0.5분 내지 약 2.0분 동안 주기적으로 배출될 수도 있다. 폐기물 스트림은 약 15분 내지 약 25분의 시한 회분식 사이클로 폐기될 수도 있다.

또 다른 양상에 따르면, 전기 화학 분리 디바이스를 포함하는 수처리 시스템이 제공된다. 일부 실시형태에 따르면, 전기 화학 분리 디바이스는 전기투석 디바이스 및 전기탈이온화 디바이스 중 하나이다.

전기 화학 분리 디바이스는 유입구와 생성물 유출구를 가진 희석 격실, 유입구와 폐기물 유출구를 가진 농축 격실, 희석 격실과 농축 격실 사이에 배치된 이온 교환막, 및 전기 화학 분리 디바이스의 원위 단부에 배치된 제1 전극과 제2 전극을 포함할 수도 있다. 시스템은 희석 격실의 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 제1 공급물 라인 및 농축 격실의 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 공급물 라인을 더 포함할 수도 있다. 시스템은 농축 격실의 폐기물 유출구 및 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 재순환 라인을 포함할 수도 있다.

일부 실시형태에서, 시스템은 재순환 라인에 배치된 밸브와 전기 통신되는 제어 모듈을 더 포함한다. 제어 모듈은 재순환 라인으로부터 농축 폐기물의 양을 회분식 시한 사이클로 주기적으로 배출하도록 구성될 수도 있다. 제어 모듈은 제2 공급물의 본질적으로 같은 양을 농축 격실로 전달하도록 더 구성될 수도 있다.

시스템은 하나 이상의 센서를 더 포함할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 시스템은 폐기물 유출구 및 생성물 유출구 중 적어도 하나와 유체 흐름 가능하게 연결되고 그리고 농축 폐기물 또는 생성물의 이온 농도, pH 및 유량 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되는 센서를 포함한다. 일부 실시형태에서, 시스템은 재순환 라인 및/또는 농축 격실과 유체 흐름 가능하게 연결되고 그리고 재순환 라인 및/또는 농축 격실 내의 절대 압력 또는 압력 차이를 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서를 포함한다. 일부 실시형태에서, 시스템은 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연결되고 그리고 전극에 걸친 전압 및/또는 전류를 측정하도록 구성된 센서를 포함한다.

제어 모듈은 하나 이상의 센서와 전기적으로 연결될 수도 있고 그리고 하나 이상의 센서로부터 수신된 측정값에 응답하여 작용하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 폐기물 유출 및/또는 생성물 유출 센서와 전기적으로 연결되고 그리고 폐기물 또는 생성물의 이온 농도, pH 및 유량 중 적어도 하나의 측정값에 응답하여 농축 폐기물의 양을 배출하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 재순환 라인 센서와 전기적으로 연결되고 그리고 재순환 라인 및/또는 농축 격실 내의 절대 압력 또는 압력 차이의 측정값에 응답하여 농축 폐기물의 양을 배출하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 제1 및 제2 전극 센서와 전기적으로 연결되고 그리고 전극에 걸친 전압 및 전류 중 하나의 측정값에 응답하여 농축 폐기물의 양을 배출하도록 구성된다.

특정한 실시형태에서, 시스템은 재순환 라인 내에 배치된 혼합 탱크를 더 포함한다. 혼합 탱크는 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 생성시키기 위해 농축 폐기물과 제2 공급물을 수용 및 혼합하도록 구성될 수도 있다. 시스템은 혼합 탱크로부터 하류에 배치된 밸브를 포함할 수도 있고 그리고 제어 모듈은 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 양을 주기적으로 배출하도록 구성될 수도 있다. 제어 모듈은 제2 공급물의 양을 혼합 탱크로 전달하도록 더 구성될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 시스템은 혼합 탱크와 유체 흐름 가능하게 연결되고 그리고 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 이온 농도 및 pH 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되는 센서를 포함한다. 제어 모듈은 혼합물의 이온 농도 및 pH의 측정값에 응답하여 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 배출하도록 더 구성될 수도 있다.

특정한 실시형태에 따르면, 시스템은 혼합 탱크로부터 상류에 배치된 밸브를 포함할 수도 있다. 상류 밸브는 선택적으로 시스템으로부터 농축 폐기물을 배출하도록 또는 농축 폐기물을 혼합 탱크로 전달하도록 구성될 수도 있다.

시스템은 병렬 구성으로 재순환 라인 내에 배치된 1개보다 많은 혼합 탱크를 더 포함할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 1개보다 많은 혼합 탱크 중 적어도 하나는 농축 격실과 유체 연통되도록 구성되지만 반면에 1개보다 많은 혼합 탱크 중 적어도 하나는 대기 중인 것으로 구성된다. 대기 중인 탱크는 농축 폐기물, 제2 공급물 또는 제3 공급물 중 적어도 하나를 수용하도록 구성될 수도 있다.

일부 실시형태에서, 시스템은 재순환 라인 내에 배치되고 그리고 폐기물과 공급물의 혼합물을 생성시키기 위해 농축 폐기물과 제2 공급물 및 제3 공급물 중 적어도 하나를 수용 및 혼합하도록 구성되는 혼합 탱크를 더 포함할 수도 있다. 시스템은 혼합 탱크의 상류에 배치되고, 제2 공급물 및 제3 공급물 중 하나를 혼합 탱크 내로 지향시키도록 구성되는 삼방향 밸브를 포함할 수도 있다.

첨부된 도면은 축척대로 도시되도록 의도되지 않는다. 도면에서, 다양한 도면에 예시되는 각각의 동일하거나 또는 거의 동일한 컴포넌트는 유사한 숫자로 표현된다. 명료성을 위해서, 모든 컴포넌트가 모든 도면에 나타나지 않을 수도 있다.

도 1은 특정한 실시형태에 따른, 수처리 시스템의 개략도;
도 2는 특정한 실시형태에 따른, 혼합 탱크를 포함하는 수처리 시스템의 개략도;
도 3은 특정한 실시형태에 따른, 제1 및 제2 공급물 스트림의 흐름 경로를 반전시킬 수 있는 수처리 시스템의 개략도;
도 4는 특정한 실시형태에 따른, 제어 모듈을 포함하는 수처리 시스템의 개략도;
도 5는 본 명세서에 개시된 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법의 특정한 실시형태에 따른, 시간에 대한 전기 화학 분리 디바이스의 농축 폐기물, 공급물 및 생성물의 이온 농도의 변화의 그래프;
도 6은 특정한 실시형태에 따른, 혼합 탱크 및 제3 공급물 스트림을 포함하는 수처리 시스템의 개략도;
도 7은 특정한 실시형태에 따른, 밀폐된 혼합 탱크를 포함하는 수처리 시스템의 개략도;
도 8은 특정한 실시형태에 따른, 병렬로 배열된 2개의 혼합 탱크를 포함하는 수처리 시스템의 개략도;
도 9는 본 명세서에 개시된 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법의 특정한 실시형태에 따른, 시간에 대한 총 용해된 고체(total dissolved solid: TDS) 농도와 혼합 탱크 내의 액체량의 변화의 그래프; 및
도 10은 특정한 실시형태에 따른, 병렬로 배열된 2개의 혼합 탱크를 포함하는 시스템의 재순환 라인, 공급물 및 생성물의 시간에 대한 TDS 농도의 변화의 그래프.

하나의 양상에 따르면, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법이 제공된다. 본 명세서에 개시된 전기 화학 분리 디바이스는 희석 격실, 농축 격실, 이온 교환막, 및 제1 및 제2 전극을 포함할 수도 있다. 이온 교환막은 희석 격실과 농축 격실 사이에 배치될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 희석 격실에 유체 흐름 가능하게 연결된 제1 공급물 스트림 또는 제1 공급물 라인, 농축 격실에 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 공급물 스트림 또는 제2 공급물 라인, 및 농축 격실 재순환 스트림 또는 재순환 라인을 더 포함할 수도 있다.

본 명세서에서 사용될 때, "전기 화학 분리 디바이스"는 전기장을 사용하여 유체를 정화하기 위한 디바이스를 지칭한다. 전기 화학 분리 디바이스는 흔히 용해된 이온종을 함유한 물 및 다른 액체를 처리하도록 사용될 수도 있다. 전기 화학 분리 디바이스는 전기탈이온화 디바이스 및 전기투석 디바이스를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 일부 실시형태에서, 전기 화학 디바이스는 플레이트-및-프레임 또는 나선형의 구불구불한 디자인을 갖는다. 이러한 디자인은 전기투석 디바이스 및 전기탈이온화 디바이스를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 유형의 전기 화학 탈이온화 디바이스를 위해 사용될 수도 있다. 상업적으로 입수 가능한 전기투석 디바이스는 보통 플레이트-및-프레임 디자인이지만, 전기탈이온화 디바이스는 플레이트 및 프레임 구성과 나선형 구성 둘 다로 입수 가능할 수도 있다.

일반적으로, 전기 화학 분리 디바이스는 이온 수송에 영향을 주도록 그리고 유체로부터 하나 이상의 이온화된 또는 이온화 가능한 종의 집합물을 제거 또는 감소시키도록 전위를 채용할 수도 있다. 전기 화학 디바이스는 분리 성능을 달성 또는 향상시키도록 특별히 디자인된 하나 이상의 전기 화학 반응을 촉진시키게 작동될 수도 있다. 예를 들어, 전기 화학 디바이스는 특정한 방향으로의 이온 수송을 허용함으로써 그리고 또 다른 특정한 방향으로의 이온 수송을 방지함으로써 선택적으로 투과성 막을 통해 특정한 방향으로의 이온 수송을 구동시킬 수도 있다. 특정한 실시형태에서, 전기 화학 디바이스는 전기적으로 활성인 막, 예컨대, 반투과성 또는 선택적으로 투과성 이온 교환 또는 양극성 막을 포함할 수도 있다.

전기탈이온화(electrodeionization: EDI) 시스템은 유체로부터 하나 이상의 이온화된 또는 이온화 가능한 종을 분리하도록 전기적으로 활성인 매체를 더 채용할 수도 있다. 전기적으로 활성인 매체는 보통 이온 및/또는 이온화 가능한 종을 교대로 수집 및 배출하도록, 그리고 일부 경우에서, 이온의 수송을 용이하게 하도록 기능한다. 이온의 수송은 연속적으로, 예를 들어, 이온 또는 전자 치환 메커니즘에 의해 발생할 수도 있다. EDI 디바이스는 영구적인 또는 일시적인 전하의 전기 화학적으로 활성인 매체를 포함할 수 있고 그리고 회분식으로, 간헐적으로, 연속적으로 그리고/또는 심지어 역극성 모드로 작동될 수도 있다.

EDI의 하나의 실시형태는 연속적인 전기탈이온화(continuous electrodeionization: CEDI)이다. CEDI 디바이스는 이온 교환 물질이 연속적으로 재충전되는 동안, 물 정화가 연속적으로 진행될 수 있는 방식으로 작동되는 당업자에게 공지된 EDI 디바이스이다. CEDI 기법은 과정, 예컨대, 연속적인 탈이온화, 충전된 셀 전기투석 또는 전자 소실을 포함할 수도 있다. CEDI 시스템의 특정한 제어된 전압 및 염도 조건 하에서, 물 분자는 디바이스 내에서 이온 교환 매체를 재생성할 수 있고 따라서 디바이스로부터 갇힌 종의 방출을 용이하게 할 수 있는, 수소 또는 하이드로늄 이온 또는 종과 수산화물 또는 수산기 이온 또는 종을 생성하도록 분해될 수 있다. 이 방식으로, 처리될 물 스트림은 이온 교환 수지의 화학적 재충전을 필요로 하는 일 없이 연속적으로 정화될 수도 있다.

전기투석(electrodialysis: ED) 디바이스는 EDI 디바이스와 유사하게(즉, 종을 회분식 과정으로, 간헐적으로, 연속적으로 또는 역극성 모드로 교대로 수집 및 배출하여) 작동된다. 그러나, ED 디바이스는 보통 막 사이에 전기 활성인 매체를 포함하지 않는다. 전기 활성인 매체의 부재 때문에, ED 디바이스의 작동은 상승된 전기 저항을 가진 저 염도의 급수에 의해 방해될 수도 있다. 고 염도 급수에서 ED의 작동이 상승된 상승된 전류 소비를 발생시킬 수 있기 때문에, ED 디바이스는 지금까지 중간의 염도의 공급원의 물에서 가장 효과적으로 사용되어 왔다. ED 기반 시스템에서, 전기 활성인 매체가 없기 때문에, 물을 분해하는 것은 불충분하고 그리고 이러한 체제로 작동하는 것은 일반적으로 회피된다.

특정한 전기 화학 분리 디바이스, 예컨대, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법에서 채용된 전기 화학 분리 디바이스에서, 복수의 인접한 셀 또는 격실은 양으로 대전된 종 또는 음으로 대전된 종 중 하나의 통과를 허용하지만, 보통 둘 다의 통과를 허용하지 않는 선택적으로 투과성 막에 의해 분리될 수도 있다. 희석 또는 고갈 격실은 보통 이러한 디바이스에서 집합 또는 농축 격실 사이에 있다. 물이 희석 격실을 통해 흐를 때, 이온 및 다른 대전된 종은 전기장, 예컨대, DC 장의 영향 하에서 농축 격실로 끌어당겨질 수도 있다. 양으로 대전된 종은 일반적으로 다수의 희석 격실과 농축 격실의 스택의 하나의 단부에 위치된 음극을 향해 끌어당겨질 수도 있다. 음으로 대전된 종은 일반적으로 격실의 스택의 반대쪽 단부에 위치된 양극을 향해 끌어당겨질 수도 있다. 전극은 희석 및/또는 농축 격실과의 유체 연통으로부터 일반적으로 부분적으로 격리되는 전해액 격실에 수용될 수도 있다. 일단 농축 격실에서, 대전된 종은 농축 격실을 적어도 부분적으로 획정하는, 선택적으로 투과성 막의 배리어에 의해 갇힐 수도 있다. 예를 들어, 음이온은 양이온 선택적 막에 의해, 농축 격실에서, 음극을 향하여 더 이동하는 것이 방지될 수도 있다. 유사하게, 양이온은 음이온 선택적 막에 의해, 농축 격실에서, 양극을 향하여 더 이동하는 것이 방지될 수도 있다. 일단 농축 격실에서 캡처된다면, 갇힌 대전된 종은 농축 폐기 스트림에서 제거될 수도 있다.

전기 화학 분리 디바이스에서, 전기장은 일반적으로 제1 및 제2 전극에 인가된 전압 및 전류의 공급원으로부터 격실로 적용된다. 본 명세서에서 집합적으로 "전력 공급원"으로서 지칭되는, 전압 및 전류 공급원은 다양한 시스템, 예컨대, AC 전력원 또는 예를 들어, 태양력, 풍력 또는 파력으로부터 도출된 전력원에 의해 자체 전력 공급받을 수도 있다.

전극-액체 계면에서, 막 및 격실을 통한 이온의 수송을 개시 및/또는 용이하게 하는 전기 화학 절반-셀 반응이 발생할 수도 있다. 전극과 막 계면에서 발생하는 특정한 전기 화학 반응은 전극 조립체를 수용하는 특성화된 격실 내의 이온 농도에 의해 부분적으로 제어될 수도 있다. 예를 들어, 염화나트륨이 많은 양극 전해액 격실로의 공급은 염소 기체 및 수소 이온을 생성하려는 경향이 있을 수도 있고, 반면에 음극 전해액 격실로의 이러한 공급은 수소 기체 및 수산화물 이온을 생성하려는 경향이 있을 수도 있다.

일반적으로, 양극 격실에서 생성된 수소 이온은 전하를 중성으로 보존하고 그리고 염산 용액을 생성하도록, 자유 음이온, 예컨대, 염화물 이온과 결합될 수도 있다. 비슷하게, 음극 격실에서 생성된 수산화물 이온은 전하를 중성으로 보존하고 그리고 수산화나트륨 용액을 생성하도록, 자유 양이온, 예컨대, 나트륨과 결합될 수도 있다. 전극 격실의 반응 생성물, 예컨대, 생성된 염소 기체 및 수산화나트륨은 살균 목적을 위해, 막 세척 및 오염물 제거 목적을 위해 그리고 pH 조정 목적을 위해 필요할 때 과정에서 활용될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 전극 스트림을 전극으로 전달하도록 구성된 전극 공급물 라인, 제1 전극과 제2 전극을 서로 유체적으로 연결시키는 전극 라인 및 전극 라인 폐기물을 배출하도록 구성된 전극 폐기물 라인을 포함할 수도 있다. 전극에는 희석수, 예를 들어, 제1 공급물 라인으로부터의 물 또는 또 다른 특성화된 용액이 공급될 수도 있다.

전기 화학 분리에서, 생성수로 전환되는 급수의 비율을 최대화하는 것이 과정의 주 목표일 수도 있다. 전환된 공급물의 비율은 본 명세서에서 "회수율"로서 지칭된다. 회수율은 일반적으로 백분율로 표현된다. 회수율을 증가시키는 것은 단위 생성물당 자본 및 작동 비용을 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 높은 회수율은 급수의 전처리가 필요한 정도 또는 필요성을 감소시킬 수도 있고, 따라서 급수를 전처리하는 비용을 감소시킨다. 생산율 및 회수율을 최대화하는 것은 또한 많은 이러한 적용이 물 부족, 물 사용 제한 또는 배출 제한에 의해 영향을 받기 때문에 유익할 수도 있다.

일부 실시형태에서, 방법은 생성물 스트림을 생성시키도록 제1 공급물 스트림을 희석 격실로 향하게 하는 것과 폐기물 스트림을 생성시키도록 제2 공급물 스트림을 농축 격실로 향하게 하는 것을 포함한다. 생성물 스트림은 공급물 스트림보다 더 낮은 이온 농도를 포함할 수도 있다. 공급물 스트림 내의 오염 이온은, 일반적으로, 출력된 농축 폐기물이 공급물 스트림으로 시스템에 진입한 농축된 다수의 오염 이온을 포함할 수도 있도록, 농축 격실을 향하여 이동된다.

전기 화학 분리는 예를 들어, 공급수를 탈염함으로써 국내 및 산업적 사용을 위해 염수, 강물 또는 우물의 물을 처리하도록 사용될 수도 있다. 전기 화학 분리는 또한 폐수를 처리하도록 사용될 수도 있다. 전기 화학 분리로 처리되는 폐수의 하나의 비한정적인 예는 재사용 또는 재활용을 위한 역삼투(reverse osmosis: RO) 폐기물이다. 이러한 수원은 다수의 유형의 이온을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 공급물은 침전물 및 스케일(스케일), 예컨대, CaCO₃, CaSO₄ 및 Mg(OH)₂를 형성하도록 반응하는 이온을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 공급물 스트림은 희석 및/또는 농축 격실로 향하기 전에 전처리될 수도 있다. 예를 들어, 공급물 스트림은 여과 또는 화학제 주입에 의해 전처리될 수도 있다. 특정한 실시형태에서, 공급물 스트림은 RO 폐기물이다. 급수는 약 5,000ppm 미만의 총 용해된 고체(TDS) 농도를 가질 수도 있다. 예를 들어, 급수는 약 4,000ppm 미만, 약 3,000ppm 미만 또는 약 2,000ppm 미만의 TDS 농도를 가질 수도 있다.

전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 특정한 방법은 전기 화학 분리 디바이스를 통한 급수의 관류식 통과(once-through pass)를 포함할 수도 있다. 전기 화학 분리 시스템은 유출 유체를 생성시키도록 "관류식" 스트림의 각각의 격실을 지나가는 제1 스트림과 제2 스트림 둘 다를 사용하여 작동될 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 50%보다 더 높은 회수율은 농축 폐기물 유량이 생성물 유량보다 더 작길 요구할 것이다. 90%의 회수율에서, 예를 들어, 농축물 유량은 단지 생성물 유량의 약 11.1%일 것이다.

대안적으로, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 폐기물 스트림을 농축 격실로 재순환시키는 것을 채용할 수도 있다. 농축 격실에 의해 생성된 폐기물 스트림의 전부 또는 일부는 전기 화학 디바이스 내로의 필요한 공급물을 감소시키도록 그리고 회수율을 증가시키도록 농축 격실로 다시 재순환될 수도 있다. 농축 격실 내의 이온 농도와 재순환 루프는 다시 농축 격실 내로의 농축 폐기물의 통과의 횟수의 함수로서 증가될 수도 있다.

농축물 재순환은 여전히 농축 격실 내의 흐름 속도를 유지하면서 높은 회수율을 달성할 수도 있다. 재순환 공급량은 재순환 루프 내의 펌프, 예를 들어, 모터에 가변 주파수 드라이브(variable frequency drive: VFD)를 가진 펌프를 사용하여 제어될 수도 있다. 이온 농도의 증가를 제한하기 위해서, 아주 적은 양의 농축물 스트림이 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 배출될 수도 있고 그리고 더 낮은 농도의 이온을 가진 용액으로 교체될 수도 있다.

희석 또는 농축 격실을 통한 유량은 시스템 내의 평균 속도 및 압력 강하뿐만 아니라 격실 내의 흐름 분포에 영향을 줄 수도 있다. 예를 들어, NEXED™ 십자-흐름 ED 디바이스(Evoqua Water Technologies LLC, 매사추세츠주 로웰 소재)에서, 저 흐름 구역은 유량이 감소될 때 흐름 격실의 코너에서 발달될 수도 있다. 이러한 저 흐름 구역에서, 유체는 재순환될 수도 있거나 또는 심지어 고여 있을 수도 있다. 인접한 희석 격실로부터 이온을 수용하는, 농축 격실에서, 잠재적으로 스케일링되는 이온종의 집합물이 저 흐름 구역에서 쌓일 수 있어서, 잠재적으로 막에서 침전 및 스케일링을 유발한다.

농축 격실 내의 침전 또는 스케일링을 방지하기 위해서, 방법은 제1 농도의 이온을 가진 다량의 폐기물 스트림을 주기적으로 배출하는 것을 포함할 수도 있다. 특히, 배출된 폐기물 스트림은 다른 방식으로 농축 격실로 다시 재순환되는, 재순환 스트림 내의 농축 폐기물일 수도 있다. 방법은 폐기물 스트림의 배출된 양을 배출된 폐기물 스트림보다 더 낮은 농도의 이온을 가진 유체로 교체하는 것을 더 포함할 수도 있다. 따라서, 재순환 스트림 및 농축 격실 내의 전체 이온 농도는 감소될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 폐기물 스트림의 배출된 양은 제1 농도의 이온보다 더 낮은 제2 농도의 이온을 가진 제2 공급물 스트림의 본질적으로 같은 양으로 교체된다. 제2 공급물 스트림은 제1 공급물 스트림과 동일할 수도 있거나 또는 별개의 공급물 스트림일 수도 있다. 일부 실시형태에서, 폐기물 스트림의 배출된 양은 제1 농도의 이온보다 더 낮은 이온의 농도를 가진 제3 공급물 스트림의 본질적으로 같은 양으로 교체된다.

본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 시한 회분식 사이클의 폐기물의 주기적인 배출을 채용할 수도 있다. 배출된 양의 교체는 점진적으로 또는 간헐적으로, 필요에 따라 발생할 수도 있다. 예를 들어, 배출된 양과 공급물의 본질적으로 같은 양의 교체는 폐기물의 배출과 동시에 발생할 수도 있다. 본 명세서에서 채용된 시스템 및 방법은 농축 폐기물의 연속적인 배출 및 교체를 채용하는 시스템과 비교할 때, 전체 에너지 소비를 낮출 수도 있는 회분식 시한 사이클을 활용한다. 회분식 시한 사이클은 더 높은 전체 회수율을 유지하면서 스케일링 및 침전의 위험을 더 감소시킬 수도 있고, 반전 동안 생성물 품질의 변동을 감소시킬 수도 있고 그리고 극성 반전 또는 흐름 반전 사이에 더 긴 사이클을 허용할 수도 있다.

특정한 실시형태에서, 회분식 시한 사이클은 미리 결정된 시간량 동안 폐기물을 주기적으로 배출하는 것 및/또는 폐기물의 미리 결정된 양을 배출하는 것을 포함한다. 일반적으로, 밸브는 폐기물이 미리 결정된 배출 시간 동안 시스템을 나가게 하도록 또는 미리 결정된 양이 배출될 때까지 개방될 수도 있다. 예를 들어, 폐기물 스트림의 양은 약 0.1분 내지 약 5.0분 동안 배출될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 폐기물 스트림의 양은 약 0.25분 내지 약 3.0분 또는 약 0.5분 내지 약 2.0분 동안 배출된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 미리 결정된 양 또는 배출된 폐기물은 전기 화학 분리 디바이스 내의 전기 화학 모듈의 수, 디바이스 연결 라인 내의 유체의 양 및 혼합 탱크 내의 유체의 양 중 임의의 하나 이상에 기초하여 계산될 수도 있다. 예를 들어, 미리 결정된 배출량은 재순환 라인 내의 혼합 탱크의 유체의 양일 수도 있다. 미리 결정된 배출량은 재순환 라인 내의 유체의 양일 수도 있다. 일부 실시형태에서, 미리 결정된 배출량은 농축 격실 내의 액체량의 약 50% 내지 약 100%이다. 미리 결정된 양은 농축 격실, 혼합 탱크, 재순환 라인 및 이들의 조합 내의 액체량의 약 50% 내지 약 100%를 포함할 수도 있다. 미리 결정된 양은 농축 격실, 혼합 탱크, 재순환 라인 및 이들의 조합 내의 액체량의 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90% 또는 약 100%를 포함할 수도 있다.

회분식 시한 사이클은 미리 결정된 시한 사이클로 폐기물의 배출을 반복하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 배출은 25분마다 반복될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 배출은 5분마다, 10분마다, 15분마다, 20분마다, 21분마다, 22분마다, 23분마다, 24분마다, 25분마다, 26분마다, 27분마다, 28분마다, 29분마다, 30분마다, 35분마다, 40분마다 또는 45분마다 반복된다. 일부 실시형태에서, 폐기물은 약 10분 내지 약 30분, 약 15분 내지 약 25분 또는 약 20분 내지 25분의 사이클로 주기적으로 배출된다.

폐기물 배출을 위한 미리 결정된 시간량 또는 미리 결정된 양 및/또는 시한 회분식 사이클은 농축 격실 내의 이온의 농도에 기초하여 결정 또는 계산될 수도 있다. 일반적으로, 폐기물 스트림의 배출의 타이밍은 농축 격실 내의 제1 농도의 이온이 침전물 또는 스케일을 형성하는데 충분한 농도로 증가되지 않도록 계산된다. 그러나, 실제로, 약간의 과포화의 이온 농도가 농축물에서 용인될 수도 있다는 증거가 있다. 일부 실시형태에서, 농축 격실 내의 이온의 평균 농도는 침전물을 형성하는데 충분한 농도보다 약간 더 높을 수도 있다. 임의의 특정한 이론에 얽매이지 않지만, 농축 폐기물은 침전이 즉시 발생하지 않기 때문에 이온이 침전물을 형성하는데 충분한 농도보다 약간 높은 이온 농도를 유지할 수도 있다고 여겨진다.

특정한 실시형태에서, 폐기물 배출을 위한 미리 결정된 시간량 또는 미리 결정된 양 및 시한 회분식 사이클은 공급물 스트림의 이온 농도, 공급물 스트림의 유량, 공급물 스트림의 pH, 생성물 스트림의 이온 농도, 생성물 스트림의 유량, 생성물 스트림의 pH, 폐기물 스트림의 이온 농도, 폐기물 스트림의 유량, 폐기물 스트림의 pH, 제1 전극과 제2 전극에 걸친 전압, 제1 전극과 제2 전극 간의 전류 및 재순환 루프 내의 압력 중 하나 이상에 기초하여 결정된다.

폐기물 배출을 위한 미리 결정된 시간량 또는 미리 결정된 양 및 시한 회분식 사이클은 제1 전극과 제2 전극 간의 측정된 전류에 의해 결정될 수도 있다. 전기 화학 분리 디바이스에서, 미리 결정된 전류에 대해, 희석 격실로부터 농축 격실 내로의 이온 수송의 대응하는 속도가 있을 수도 있다. 단위 시간당 수송된 이온의 총량은 mol/s 또는 equiv/s의 단위로 측정되는, "염 제거 속도"로서 지칭될 수도 있다. 일반적으로, 전류를 구동하는데 필요한 인가된 전압은 이온 교환막 내의 그리고 희석 격실, 농축 격실 내의 그리고 제1 전극과 제2 전극에 걸친 전기 저항에 의존적이다. 전압은 또한 막의 양측의 농도의 차에 기인한 각각의 막에 걸친 도난(Donnan) 전위 전압을 이겨내야 한다. 농도의 차가 클 때, 제1 전극과 제2 전극에 걸친 전압이 증가될 수도 있다. 미리 결정된 값에서, 전류는 시스템으로부터 폐기물을 배출하도록 신호를 보낼 필요가 있을 수도 있다.

특정한 실시형태에서, 방법은 제1 전극과 제2 전극의 극성을 주기적으로 반전시키는 것을 포함한다. 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템은 양으로 대전된 양극이 음으로 대전된 음극이 되고 그리고 음으로 대전된 음극이 양으로 대전된 양극이 되도록, 제1 전극과 제2 전극에 인가된 전압을 반전시키는, 전극 반전을 채용할 수도 있다. 극성 반전은 분리 디바이스 내에서 이온 수송의 방향의 변화를 유발할 수도 있어서, 이온 수송의 방향이 반전된다. 극성 반전은 농축 격실 내의 조금 녹는 화합물의 침전을 방지하도록 사용될 수도 있고 그리고 또한 막 상의 가용성 화합물의 쌓임을 방지할 수도 있다. 극성 반전할 수 있는 디바이스는 전기투석 반전(Electrodialysis Reversal: EDR) 디바이스로서 지칭될 수도 있다.

일부 실시형태에서, 극성 반전의 타이밍은 폐기물 스트림의 주기적인 배출의 타이밍과 조정된다. 예를 들어, 극성 반전은 폐기물 스트림의 주기적인 배출과 본질적으로 동시에 발생할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 극성 반전은 폐기물 스트림의 주기적인 배출 후에 잠깐 또는 폐기물 스트림의 주기적인 배출 전에 잠깐 발생할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 극성 반전은 본질적으로 폐기물 스트림의 배출이 있는 한 시간 기간 동안 발생할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 극성 반전은 폐기물 스트림의 배출의 시간량 미만의 시간 기간 내에 완료된다. 극성 반전과 폐기물 스트림의 배출의 타이밍을 조정하는 것은 전기 화학 분리 디바이스 내의 침전 및 스케일링을 방지하는 능력과 효율을 증가시킬 수도 있다.

극성 반전에 대해 대안적으로 또는 부가적으로, 방법은 제1 공급물 스트림이 농축 격실로 지향되고 그리고 제2 공급물 스트림이 희석 격실로 지향되도록, 제1 공급물 스트림과 제2 공급물 스트림의 흐름 경로를 교환하는 것을 더 포함할 수도 있다. 극성 반전 및/또는 흐름 경로 교환은 농축 폐기물 배출의 복수의 사이클 후에 시작될 수도 있다. 극성 반전 및 흐름 반전은 이전의 농축 격실이 이제 희석 격실이고 그리고 이전의 희석 격실이 이제 농축 격실이 되도록, 격실의 아이덴티티(identity)를 효과적으로 변화시킬 수도 있다. 공급물 스트림의 흐름 경로 교환은 제1 공급물 스트림과 제2 공급물 스트림을 재지향시키도록 구성된 밸브를 사용하여 유발될 수도 있다. 극성의 주기적인 반전은 폐기물 스트림의 주기적인 배출의 타이밍과 조정될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 흐름 경로의 교환은 극성의 주기적인 반전의 타이밍 및/또는 폐기물 스트림의 주기적인 배출의 타이밍과 조정될 수도 있다. 추가의 사이클에서, 방법은 전극 및/또는 공급물 스트림이 그 원래의 구성으로 다시 되돌아가도록, 극성을 반전시키는 것 및/또는 유체 흐름 경로를 다시 교환하는 것을 포함할 수도 있다. 이전의 논의와 유사하게, 폐기물 스트림의 배출에 대한 흐름 반전과 극성의 조정은 전기 화학 분리 디바이스 내의 침전 및 스케일링을 방지하는 능력 및 효율을 증가시킬 수도 있다.

잘 혼합된 모델 전기 화학 분리 디바이스에 대해, 반전 후 재순환 루프에서 이온 농도의 변화는 다음의 방정식에 의해 시간의 함수로서 계산될 수 있다:

(1)

여기서,

C = 재순환 루프 내의 농도

τ = 시간 상수

t = 반전 후 시간

C_a = t → ∞에 따른 점근 농도

C_o = 초기 농도.

농도는 폐기물의 배출 속도 및 전극 간의 전류에 의해 결정되는, C_a의 점근 값을 향하여 증가된다.

일부 실시형태에서, 방법은 폐기물 스트림과 제2 공급물 스트림을 혼합하여 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 생성시키는 것을 더 포함한다. 폐기물과 제2 공급물의 혼합물은 재순환 스트림 내에 있을 수도 있다. 예를 들어, 폐기물 스트림과 제2 공급물 스트림은 혼합 탱크 내 재순환 스트림 내에서 혼합될 수도 있다. 특정한 실시형태에서, 방법은 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 양을 배출함으로써 시스템으로부터 폐기물을 배출하는 것을 포함할 수도 있다. 방법은 이전에 논의된 바와 같이, 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 배출된 양을 제2 공급물 스트림의 본질적으로 같은 양으로 교체하는 것을 더 포함할 수도 있다. 방법은 폐기물과 제2 공급물의 혼합물이 배출되지 않는 동안 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 농축 격실로 전달하는 것을 포함할 수도 있다. 폐기물과 제2 공급물의 혼합물은 농축 폐기물보다 더 낮은 농도의 이온을 가질 수도 있어서, 농축 격실 내의 이온의 전체 농도를 낮춘다.

일부 실시형태에서, 방법은 폐기물 스트림과 제3 공급물 스트림을 혼합하여 폐기물과 제3 공급물의 혼합물을 생성시키는 것을 더 포함한다. 제3 공급물은 이온의 제2 농도보다 더 낮은 이온의 제3 농도를 가질 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제3 공급물 스트림은 이온의 제2 농도와 본질적으로 같은 이온의 농도를 갖는다. 제3 공급물 스트림은 산 또는 염기를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제3 공급물 스트림은 하나 이상의 화학적 주입 화합물을 포함할 수도 있다. 제3 공급물은 제2 공급물 스트림과 동일한 유체일 수도 있다. 다른 실시형태에서, 제3 공급물 스트림은 식수이거나 또는 약 2,000ppm 미만의 TDS 농도를 포함한다. 폐기물 스트림은 폐기물, 제2 공급물과 제3 공급물의 혼합물을 생성하도록 제2 공급물 스트림과 제3 공급물 스트림 둘 다와 혼합될 수도 있다. 예를 들어, 스트림은 이전에 논의된 바와 같이, 혼합 탱크에서 혼합될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 방법은 폐기물과 제3 공급물의 혼합물의 양 또는 폐기물, 제2 공급물과 제3 공급물의 혼합물의 양을 배출하는 것을 포함할 수도 있다. 방법은 이전에 논의된 바와 같이, 폐기물과 제3 공급물의 혼합물의 배출된 양 또는 폐기물, 제2 공급물과 제3 공급물의 혼합물의 배출된 양과 제2 공급물 스트림과 제3 공급물 스트림 중 적어도 하나의 본질적으로 같은 양을 교체하는 것을 더 포함할 수도 있다. 폐기물을 배출하는 것 및 폐기물을 폐기물보다 더 낮은 농도의 이온을 각각 가진, 제2 공급물 스트림 또는 제3 공급물 스트림으로 교체하는 것은 재순환된 스트림의 전체 이온 농도를 감소시킬 수도 있다.

또 다른 양상에 따르면, 본 명세서에서 이전에 설명된 바와 같이, 전기 화학 분리 디바이스를 포함한 수처리 시스템이 제공된다. 전기 화학 분리 디바이스는 유입구와 생성물 유출구를 가진 희석 격실, 유입구와 폐기물 유출구를 가진 농축 격실, 희석 격실과 농축 격실 사이에 배치된 이온 교환막, 및 전기 화학 분리 디바이스의 원위 단부에 배치된 제1 전극과 제2 전극을 포함할 수도 있다.

시스템은 희석 격실 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 제1 공급물 라인 및 농축 격실 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 공급물 라인을 더 포함할 수도 있다. 제1 공급물 라인은 제1 공급물 스트림을 희석 격실로 지향시키도록 구성될 수도 있고 그리고 제2 공급물 라인은 제2 공급물 스트림을 농축 격실로 지향시키도록 구성될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제1 공급물 라인과 제2 공급물 라인은 전체 공급물 라인으로부터 나눠지고 그리고 동일한 공급물 스트림을 갖는다. 시스템은 농축 격실의 폐기물 유출구 및 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 재순환 라인을 포함할 수도 있다. 재순환 라인은 이전에 논의된 바와 같이, 시스템 내에서 농축 폐기물을 재순환시키도록 구성될 수도 있다. 다양한 공급물 라인 및 재순환 라인은 시스템을 통해 유체 흐름을 구동 및 지향시키도록 임의의 수의 펌프, 밸브 또는 삼방향 밸브를 포함할 수도 있다. 밸브는 하나 이상의 제어 모듈에 의해 제어된, 수동으로 제어된 또는 이들의 임의의 조합으로 제어된, 자동 밸브일 수도 있다. 예를 들어, 라인은 도면에 예시되고 그리고 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 펌프 및 밸브를 포함할 수도 있다.

일부 실시형태에서, 시스템은 재순환 라인에 배치된 밸브와 전기 통신되는 제어 모듈을 더 포함한다. 제어 모듈은 농축 폐기물의 양을 재순환 라인으로부터 회분식 시한 사이클로 밸브의 개방과 폐쇄를 제어함으로써 주기적으로 배출하도록 구성될 수도 있다. 제어 모듈은 더 희석된 공급물의 본질적으로 같은 양을 농축 격실로 전달하도록 더 구성될 수도 있다. 제어 모듈은 제2 공급물 스트림을 농축 격실로 또는 별개의, 제3 공급물 스트림을 농축 격실로 전달할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 급수를 공급 밸브를 개방함으로써 또는 공급 펌프를 작동시킴으로써 재순환 라인으로 전달하도록 구성된다.

제어 모듈은 타이머에 따라 그리고/또는 공급물 스트림의 이온 농도, 공급물 스트림의 유량, 공급물 스트림의 pH, 생성물 스트림의 이온 농도, 생성물 스트림의 유량, 생성물 스트림의 pH, 폐기물 스트림의 이온 농도, 폐기물 스트림의 유량, 폐기물 스트림의 pH, 제1 전극과 제2 전극에 걸친 전압, 제1 전극과 제2 전극 간의 전류 및 재순환 라인 내의 압력 중 하나 이상의 측정에 응답하여 조치를 취하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제어 모듈은 재순환 라인 내의 이온 농도가 침전물을 형성하는데 충분한 농도에 도달한다면 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있다. 제어 모듈은 재순환 라인 내의 폐기물의 pH가 미리 결정된 pH에 도달한다면 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있다. 미리 결정된 pH는 측정된 이온 농도의 폐기물과 결합될 때, 이온이 침전물을 형성하는 pH일 수도 있다. 제어 모듈은 재순환 라인 내의 압력이 미리 결정된 압력 문턱값에 도달할 때 농축 폐기물을 배출하도록 더 구성될 수도 있다. 게다가, 제어 모듈은 매개변수의 임의의 조합이 공급물 스트림에서 충족된다면, 예를 들어, 공급물 스트림이 미리 결정된 이온 농도 및/또는 pH에 도달할 때 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있다.

제어 모듈은 하나 이상의 시스템 입력에 기초하여 계산된 시한 사이클로 농축 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있고 그리고 또한 임의의 측정된 매개변수가 미리 결정된 값을 초과한다면 농축 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있다. 일반적으로, 시한 사이클은 급수 유형, 공급물 스트림의 유량, 압력, 이온 농도 및 pH, 제1 전극과 제2 전극에 전달된 전압 및 전기 화학 분리 디바이스에 걸쳐 인가된 전류 중 임의의 하나 이상을 포함하는 시스템 입력에 기초하여 계산될 수도 있다.

제어 모듈은 폐기물 또는 생성물의 pH가 미리 결정된 문턱값에 도달할 때 농축 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 생성물 또는 폐기물의 pH가 약 3 미만 또는 약 10 초과일 때 농축 폐기물을 배출할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 제어 모듈은 생성물 또는 폐기물의 pH가 약 2 미만 또는 약 11 초과일 때 농축 폐기물을 배출할 수도 있다. 구체적으로, 제어 모듈은 생성물 또는 폐기물의 pH가 약 3 내지 약 10 범위 외에 속할 때 농축 폐기물을 배출할 수도 있고, 전기 화학 분리 디바이스가 극성 또는 흐름 반전을 겪지 않는다면, 이러한 경우에 제어 모듈은 생성물 또는 폐기물의 pH가 배출 전에 약 2 내지 약 11이게 허용할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 미리 결정된 문턱값 pH는 해당 침전물(들)에 의해 결정된다. 예를 들어, 해당 침전물이 CaCO₃ 및 Mg(OH)₂를 포함한다면, 제어 모듈은 pH가 약 6보다 더 클 때 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있다. 해당 침전물이 CaSO₄를 포함한다면, 제어 모듈은 pH가 약 3 내지 약 10 범위 외에 속할 때 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있다.

게다가 제어 모듈은 폐기물 또는 생성물의 이온 농도가 미리 결정된 문턱값에 도달할 때 농축 폐기물을 배출하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제어 모듈은 폐기물의 TDS 농도가 약 8,000ppm보다 더 클 때 농축 폐기물을 배출할 수도 있다. 제어 모듈은 TDS 농도가 약 9,000ppm 초과, 약 10,000ppm 초과, 약 11,000ppm 초과, 약 11,500ppm 초과, 약 12,000ppm 초과, 약 12,100ppm 초과, 약 12,200ppm 초과, 약 12,300ppm 초과, 약 12,400ppm 초과 또는 약 12,500ppm 초과일 때 농축 폐기물을 배출할 수도 있다.

제어 모듈은 재순환 라인 내의 압력이 미리 결정된 값 또는 압력 문턱값에 도달할 때 농축 폐기물을 배출하도록 더 구성될 수도 있다. 압력 문턱값은 재순환 라인 내의 평균 또는 절대 압력이 미리 결정된 값에 도달할 때 도달될 수도 있다. 제어 모듈은 농축 격실 내의 압력이 미리 결정된 차이를 보일 때 농축 폐기물을 배출하도록 더 구성될 수도 있다. 구체적으로, 농축 격실에 걸친 미리 결정된 압력 차이는 농축 격실에 걸친 압력 강하로서 측정될 수도 있다. 압력은 압력 차이를 결정하도록 농축 격실 및/또는 재순환 라인 내의 2개 이상의 지점에서 측정될 수도 있다.

시스템은 하나 이상의 센서를 더 포함할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 시스템은 폐기물 유출구와 생성물 유출구 중 적어도 하나와 흐름 가능하게 연결되고 그리고 농축 폐기물 또는 생성물의 이온 농도, pH 및 유량 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되는 센서 유체를 포함한다. 일부 실시형태에서, 시스템은 재순환 라인 및/또는 농축 격실과 유체 흐름 가능하게 연결되고, 재순환 라인 또는 농축 격실 내의 압력을 측정하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함한다. 일부 실시형태에서, 시스템은 제1 전극과 제2 전극과 전기적으로 연결되고 그리고 전극에 걸친 전압 및/또는 전류를 측정하도록 구성되는 센서를 포함한다.

제어 모듈은 하나 이상의 센서와 전기적으로 연결될 수도 있고 그리고 하나 이상의 센서로부터 수신된 측정값에 응답하여 조치를 취하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제어 모듈은 폐기물 유출 및/또는 생성물 유출 센서와 전기적으로 연결될 수도 있고 그리고 폐기물 또는 생성물의 이온 농도, pH 및 유량 중 적어도 하나의 측정값에 응답하여 농축 폐기물의 양을 배출하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 재순환 라인 센서와 전기적으로 연결되고 그리고 재순환 라인 내의 압력의 측정값 또는 재순환 라인 및/또는 농축 격실 내의 압력 차이에 응답하여 농축 폐기물의 양을 배출하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 제1 및 제2 전극 센서와 전기적으로 연결되고 그리고 전극에 걸친 전압 및 전류 중 하나의 측정값에 응답하여 농축 폐기물의 양을 배출하도록 구성된다.

시스템은 임의의 수의 센서와 전기 통신되는 하나의 제어 모듈을 포함할 수도 있거나 또는 각각의 센서와 전기 통신되는 하나의 제어 모듈을 포함할 수도 있다. 시스템은 임의의 수의 제어 모듈과 연결된 제어 모듈 허브를 더 포함할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈(들)과 센서(들)는 하나 이상의 전선에 의해 연결된다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈(들)과 센서(들)는 무선으로 연결된다. 유사하게, 하나 이상의 제어 모듈은 전선에 의해 또는 무선으로 재순환 라인의 하나 이상의 밸브와 연결될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 밸브 자체가 타이머에 따라 또는 센서로부터 수신된 측정값에 응답하여, 자동으로 개방 및 폐쇄되게 구성되도록 밸브에 포함된다.

시스템은 유량, 압력 및 제1 전극과 제2 전극에 전달된 전압 중 하나 이상을 제어하도록 구성된 제어 모듈을 더 포함할 수도 있다. 전기 화학 분리 디바이스 및 시스템 내의 유량 및 압력의 제어는 복잡할 수도 있고 어려울 수도 있다. 일반적으로, 시스템은 재순환 라인 내에서 일정한 압력을 유지하도록 구성된 재순환 라인 내의 압력 조절기를 포함할 수도 있다. 재순환 라인은 재순환 라인 내에서 일정한 압력을 유지할 시 압력 조절기와 조정되도록 구성된 펌프를 더 포함할 수도 있다. 제1 및 제2 공급물 유량은 제1 또는 제2 공급물 라인 또는 제1 및 제2 공급물 라인을 형성하도록 나눠지는 전체 공급물 라인의 펌프 또는 밸브에 의해 제어될 수도 있다. 제2 공급물 스트림의 유량은 농축 격실을 통한 압력 강하를 결정할 수도 있고, 이는 결국 농축 격실로부터 재순환 라인을 통한 농축 폐기물 유량을 결정할 수도 있다. 공급물 스트림 압력과 출력 스트림 압력 간의 차는 일반적으로 시스템 격실 사이의 십자-누출을 최소화하도록 미리 결정된 설정값 미만으로 유지될 수도 있다. 많은 과정 입력이 다수의 과정 출력에 영향을 줄 수 있기 때문에, 시스템 내부의 제어, 예를 들어, 유량과 압력의 제어는 입력의 반복 조정을 필요로 할 수도 있고 그리고 제어 모듈에 의해 제어될 수도 있다.

특정한 실시형태에서, 시스템은 재순환 라인 내에 배치된 혼합 탱크를 더 포함한다. 혼합 탱크는 농축 폐기물보다 더 낮은 농도의 이온을 가진 혼합된 스트림을 생성시키기 위하여, 농축 폐기물과 공급물 스트림을 수용하고 혼합하도록 구성된 탱크, 용기, 챔버 또는 격실일 수도 있다. 혼합 탱크는 개방형 탱크일 수도 있거나 또는 밀폐된, 공기 가압된 탱크일 수도 있다. 밀폐된 탱크는 압축 공기 또는 압축 기체를 활용할 수도 있다. 농축 폐기물의 이온 농도가 증가하기 때문에, 시스템은 시스템 라인 내 또는 막 상의 침전 및 스케일링을 방지하도록 농축 폐기물과 더 희석된 스트림의 혼합을 필요로 할 수도 있다. 혼합된 유체는 중력에 의해 또는 인가된 공기 압력에 의해 탱크로부터 배출될 수도 있다.

일부 실시형태에서, 혼합 탱크는 재순환 라인과 제2 공급물 라인과 유체 흐름 가능하게 연결된다. 혼합 탱크는 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 생성시키기 위하여, 혼합물 농축 폐기물과 제2 공급물을 수용 및 혼합하도록 구성될 수도 있다. 시스템은 혼합 탱크로부터 하류에 배치된 밸브를 포함할 수도 있고 그리고 제어 모듈은 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 양을 하류 밸브를 통해 주기적으로 배출하도록 구성될 수도 있다. 밸브는 혼합 탱크 유출 라인에 또는 재순환 라인 내에, 혼합 탱크로부터 하류에 배치될 수도 있다. 제어 모듈은 폐기물과 공급물의 혼합물의 배출된 양을 교체하기 위해서 제2 공급물의 양을 혼합 탱크로 전달하도록 더 구성될 수도 있다. 혼합 탱크로 전달된 희석된 공급물의 양은 궁극적으로 농축 격실에 도달하기 전에 혼합 탱크와 유체 흐름 가능하게 연결될 수도 있다.

일부 실시형태에서, 시스템은 혼합 탱크와 유체 흐름 가능하게 연결되고 그리고 혼합 탱크 내의 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 이온 농도 및 pH 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되는 센서를 포함한다. 제어 모듈은 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 이온 농도 또는 pH의 측정값에 응답하여 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 혼합 탱크로부터 배출하도록 더 구성될 수도 있다.

특정한 실시형태에 따르면, 시스템은 혼합 탱크로부터 상류에 배치된 밸브를 포함할 수도 있다. 상류 밸브는 선택적으로 농축 폐기물을 시스템으로부터 배출하도록 또는 농축 폐기물을 혼합 탱크로 전달하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제어 모듈은 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 이온 농도 및/또는 pH의 측정값에 응답하여 농축 폐기물을 재순환 라인으로부터 배출하도록 구성될 수도 있다.

일부 실시형태에서, 시스템은 재순환 라인 내에 배치되고 그리고 폐기물과 공급물의 혼합물을 생성시키기 위하여, 농축 폐기물과 제2 공급물 및 제3 공급물 중 적어도 하나를 수용 및 혼합하도록 구성되는 혼합 탱크를 포함할 수도 있다. 제3 공급물은 제2 공급물보다 그리고/또는 폐기물과 제2 공급물의 혼합물보다 더 낮은 이온 농도를 가진 희석된 공급물 스트림일 수도 있다. 일부 실시형태에서, 제3 공급물 스트림은 산 또는 염기를 포함할 수도 있다. 시스템은 제2 공급물 라인 및 제3 공급물 라인 둘 다와 유체 흐름 가능하게 연결될 수도 있다. 시스템은 혼합 탱크로부터 상류에 배치되고, 제2 공급물 및 제3 공급물 중 하나를 공통 입력 라인을 통해 혼합 탱크 내로 지향시키도록 구성되는 하나 이상의 삼방향 밸브를 포함할 수도 있다.

시스템은 병렬 재순환 라인 구성을 더 포함할 수도 있고, 병렬 라인 중 적어도 하나는 혼합 탱크를 포함한다. 병렬 구성은 더 낮은 이온 농도의 농축 폐기물이 재순환 라인 내에서 재순환되게 할 수도 있고, 반면에 더 높은 이온 농도를 가진 농축 폐기물이 다시 농축 격실로 재순환되기 전에 탱크에서 공급물 스트림과 혼합될 수도 있다. 시스템은 농축 폐기물의 이온 농도 또는 pH의 측정값에 응답하여 농축 폐기물을 농축 격실로 또는 혼합 탱크로 방향 전환하도록 구성된 제어 모듈을 포함할 수도 있다.

시스템은 병렬 구성으로 재순환 라인 내에 배치된 1개보다 많은 혼합 탱크를 더 포함할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 1개보다 많은 혼합 탱크 중 적어도 하나는 농축 격실과 유체 연통되도록 구성되고 반면에 1개보다 많은 혼합 탱크 중 적어도 하나는 대기 중인 것으로 구성된다. 대기 중인 탱크는 농축 폐기물, 제2 공급물 또는 제3 공급물 중 적어도 하나를 수용하도록 구성될 수도 있다. 병렬 구성은 일반적으로, 적어도 하나의 탱크가 사용 중이고 반면에 적어도 하나의 탱크가 사용을 위해 준비되도록 제어된다. 이러한 구성은 시스템이 지연 없이 회분식 시한 사이클에 따라 수행되게 할 수도 있다.

본 발명의 위에서 논의된 실시형태 및 다른 실시형태의 기능 및 이점은 본 발명의 하나 이상의 시스템 및 기법의 이득 및/또는 이점을 더 예시하지만 본 발명의 전체 범위를 예시하지 않는, 아래의 도면의 설명으로부터 더 이해될 수 있다.

도 1의 예시적인 개략도에 도시된 바와 같이, 수처리 시스템은, 유입구(260)(도 4에 도시됨) 및 생성물 유출구(280)를 가진 희석 격실(160), 유입구(300)(도 4에 도시됨) 및 폐기물 유출구(320)를 가진 농축 격실(180), 희석 격실(160)과 농축 격실(180) 사이에 배치된 이온 교환막(980), 및 전기 화학 분리 디바이스의 원위 단부에 배치된 제1 전극과 제2 전극(200, 220)을 포함하는 전기 화학 분리 디바이스를 포함한다. 시스템은 제1 및 제2 전극(200, 220)과 유체 흐름 가능하게 연결되는, 전극 피드(electrode feed)(360), 전극 폐기물(340) 및 전극 라인(380)을 포함할 수도 있다. 시스템은 희석 격실(160)과 유체 흐름 가능하게 연결된 제1 공급물 라인(100) 및 농축 격실(180)과 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 공급물 라인(120, 130)을 포함한다. 제2 공급물 라인은 상류 단부(130) 및 하류 단부(120)를 포함할 수도 있다. 제2 공급물 라인(120)의 하류 단부는 농축 격실과 연결될 수도 있다. 제2 공급물 라인(130)의 상류 단부는 공급물 유입구와 연결될 수도 있다. 제1 및 제2 공급물 라인(100 및 130), 각각은 전체 공급물 라인(140)으로부터 나눠질 수도 있다. 제2 공급물 라인(130)은 공급물 스트림이 재순환 라인(240)을 통해 농축 격실(180)에 도달하게 하도록 구성된 밸브(640)를 포함한다. 재순환 라인(240)은 폐기물 유출구(320) 및 농축 격실(180)과 유체 흐름 가능하게 연결될 수도 있다. 재순환 라인은 농축 폐기물 및/또는 제2 공급물 스트림을 농축 격실(180)로 펌핑하도록 구성된 펌프(400)를 더 포함할 수도 있다.

이제 도 2의 예시적인 개략도를 참조하면, 시스템은 재순환 라인(240) 내에 혼합 탱크(480)를 포함할 수도 있다. 혼합 탱크(480)는 폐기물과 공급물의 혼합물을 생성시키기 위하여 재순환 라인(240)을 통해 농축 폐기물 그리고 제2 공급물 라인(130)을 통해 공급물 스트림을 수용하도록 구성될 수도 있다. 혼합물은 펌프(400)를 통해 농축 격실(180)로 펌핑될 수도 있다.

특정한 실시형태에서, 도 3의 예시적인 개략도에 도시된 것과 같이, 시스템은 제1 공급물 스트림과 제2 공급물 스트림의 흐름 경로를 교환하도록 구성될 수도 있다. 시스템은 공급물 스트림의 흐름 경로 교환을 유발하도록 구성된 일련의 삼방향 밸브(500, 520, 540 및 560)를 포함할 수도 있다. 처음에, 공급물 삼방향 밸브(500)는 제1 공급물 스트림을 격실(A)로 지향시키도록 구성될 수도 있고, 반면에, 공급물 삼방향 밸브(520)는 제2 공급물 스트림을 격실(B)로 지향시킨다. 이 초기 구조에서, 격실(A)은 유출구 삼방향 밸브(540)가 생성수를 생성물 라인(280)으로 지향시키도록, 희석 격실로서 작용할 수도 있다. 격실(B)은 유출구 삼방향 밸브(560)가 폐기물을 재순환 라인(240)으로 지향시키도록, 농축 격실로서 작용할 수도 있다. 흐름 경로 교환 후에, 공급물 삼방향 밸브(500)는 제2 공급물 스트림을 격실(A)로 지향시키도록 구성될 수도 있고, 반면에 공급물 삼방향 밸브(520)는 제1 공급물 스트림을 격실(B)로 지향시킨다. 이 구조에서, 격실(A)은 농축 폐기물을 유출구 삼방향 밸브(540)를 통해 재순환 라인(240)로 지향시키는, 농축 격실로서 작용할 수도 있고 반면에 격실(B)은 생성물을 유출구 삼방향 밸브(560)을 통해 생성물 유출구(280)로 지향시키는, 희석 격실로서 작용할 수도 있다.

흐름 경로 교환 직후에, 현재-희석 격실을 나가는 물의 일부는 높은 농도의 오염물질을 가진 폐기물일 수도 있다. 따라서, 유출구 삼방향 밸브(540 및 560)는 유입구 삼방향 밸브(500 및 520)가 유입 유체 흐름 경로를 교환하도록 전환되고 나서 소정 지연 시간 후에 전환될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 현재-생성수의 일부는 재순환 또는 배출 라인을 통해 배출될 수도 있다. 삼방향 밸브(570)는 현재-생성수를 생성물 유출구(280) 또는 재순환 또는 배출 유출구로 선택적으로 방향 전환할 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같은 시스템은 농축 폐기물을 시스템으로부터 배출하도록 구성된 폐기물 라인(320)에 밸브(420)를 포함할 수도 있다.

도 4의 예시적인 개략도에 도시된 바와 같이, 시스템은 폐기물 유출구(320)(센서(940)), 생성물 유출구(280)(센서(920)) 및 재순환 라인(240)(센서(900))과 유체 흐름 가능하게 연결된 센서(900, 940 및 920)를 더 포함할 수도 있다. 폐기물 유출 센서 및 생성물 유출 센서(940 및 920), 각각은 농축 폐기물 및/또는 생성물의 이온 농도, pH 및 유량을 측정하도록 구성될 수도 있다. 재순환 라인 센서(900)는 재순환 라인(240) 내의 압력을 측정하도록 구성될 수도 있다. 센서(940, 920 및 900)는 제어 모듈(860)과 연결될 수도 있다. 제어 모듈(860)은 센서(940, 920 및 900) 및 밸브(420)와 전기적으로 연결될 수도 있다. 제어 모듈(860)은 센서(940, 920 및 900) 중 적어도 하나로부터 수신된 측정값에 응답하여 농축 폐기물의 양을 밸브(420)를 통해 배출하도록 구성될 수도 있다.

제어 모듈(860)은 또한 농축 폐기물의 양을 밸브(420)를 통해 주기적으로 회분식 시한 사이클로 배출하도록 구성될 수도 있다. 재순환 라인으로부터 농축 폐기물의 이러한 주기적인, 회분식 배출은 도 5의 그래프에서 도시된 바와 같이, 농축물의 오염 농도의 급상승 및 급하락을 발생시킬 수도 있다. 회분식 사이클은 폐기물의 이온 농도 및/또는 pH가 침전물을 형성하는데 충분한 농도 및/또는 pH에 도달할 때 주기적인 배출이 발생하도록 시간이 정해질 수도 있다. 이에 따라, 이온 농도의 급감소는 농축 격실 내의 스케일링 및 침전을 방지할 수도 있다.

이제 도 6의 예시적인 개략도를 참조하면, 제어 모듈(860)은 센서(880 및 960)와 전기적으로 연결될 수도 있다. 센서(880)는 혼합 탱크(480)와 유체 흐름 가능하게 연결될 수도 있고 그리고 혼합 탱크(480) 내의 유체의 이온 농도 또는 pH를 측정하도록 구성될 수도 있다. 센서(960)는 제1 및 제2 전극(200, 220)과 전기적으로 연결될 수도 있고 그리고 전극(200, 220)에 걸친 전압 또는 전류를 측정하도록 구성될 수도 있다. 제어 모듈(860)은 밸브(440)와 연결될 수도 있고 그리고 밸브(420)에 대하여 이전에 논의된 바와 같이, 센서(880, 960, 900, 940, 920) 중 임의의 하나로부터 수신된 측정값에 응답하여 재순환 라인으로부터 폐기물과 공급물의 혼합물을 배출하도록 구성될 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 제어 모듈(860)은 밸브(420 및/또는 460)와 전기적으로 연결될 수도 있고 그리고 폐기물 또는 혼합물을 밸브(420, 460)를 통해 배출하도록 구성될 수도 있다. 시스템은 시스템의 다양한 센서 및 밸브와 연결된 하나 이상의 제어 모듈을 포함할 수도 있다.

도 6의 예시적인 개략도에 더 도시된 바와 같이, 시스템은 재순환 라인(240)과 유체 연통되는 제3 공급물 라인(580)을 포함할 수도 있다. 도 6의 실시형태에서, 제3 공급물 라인(580)은 혼합 탱크(480)와 유체 흐름 가능하게 연결된다. 제2 공급물 라인(130)도 또한 혼합 탱크(480)와 유체 흐름 가능하게 연결된다. 제3 공급물 라인(580)은 펌프(620)를 포함할 수도 있다. 시스템은 혼합 탱크로부터 하류에 하나 이상의 밸브(440, 460)를 더 포함할 수도 있다. 밸브(440 및 460)는 유체 혼합물을 시스템으로부터 라인(680 및 660)을 통해 배출하도록 구성된다. 시스템은 전체 공급물 라인(140)에 펌프(600)를 더 포함할 수도 있다.

도 7의 예시적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 혼합 탱크(480)는 밀폐된 용기일 수도 있다. 시스템은 압축 공기 또는 기체를 혼합 탱크(480)로 전달하도록 구성된 환기구 및 공기 밸브(700)를 더 포함할 수도 있다.

도 8의 예시적인 개략도와 같은 특정한 실시형태에서, 시스템은 병렬 구성으로 배열된 재순환 라인(240) 내에 1개보다 많은 탱크(720, 760)를 포함한다. 도 8에 도시된 실시형태에서, 탱크(T1)(720)는 농축 격실(180)과 유체 연통되고, 반면에 탱크(T2)(760)는 대기 중이다. 이 구성에서, 하류 삼방향 밸브(800)는 사용 중인 탱크(720)와 농축 격실(180) 간의 유체 연결을 허용할 수도 있고 그리고 대기 중인 탱크(760)와 농축 격실(180) 간의 유체 연결을 차단할 수도 있다. 상류 삼방향 밸브(820 및 840)는 재순환 라인(240)과 제2 공급물 라인(130)과 대기 중 탱크(760) 간의 유체 연통을 허용할 수도 있지만, 사용 중인 탱크(720)에 대한 재순환 라인(240)과 제2 공급물 라인(130) 간의 유체 연통을 차단한다. 하류 밸브(740 및 780)는 유체 혼합물을 탱크(720 및 760), 각각으로부터 배출하도록 구성될 수도 있다.

도 10의 그래프는 시간에 걸쳐 재순환 라인 내의 TDS 농도의 변화를 도시한다. 농도는 농도가 미리 결정된 TDS 농도에 도달할 때까지 또는 미리 결정된 시간 기간이 흐를 때까지 농축 폐기물을 수용하는 탱크에서 증가될 수도 있다. 이 점에서, 탱크 내의 혼합 유체가 폐기될 수도 있고 그리고 시스템은 농축 격실과 유체 연통되는 탱크와 대기 중인 탱크를 동시에 전환한다. 사이클은 연속적으로 반복될 수도 있다.

실시예

실시예 1: 전기 화학 분리 디바이스를 포함한 수처리 시스템을 작동시키는 방법의 예언적 실시예

실시예는 폐기물 스트림에 자동화된 밸브를 포함하는 수처리 시스템을 지칭한다. 밸브는 개시 직후에 완전히 폐쇄될 수도 있다. 제1 공급물 및 제2 공급물은 희석 격실 및 농축 격실, 각각으로 지향된다. 각각의 격실 내의 전류가 일정하다면, 재순환 라인 내의 이온 농도는, 잘 혼합된 모델이라고 가정하면, 선형으로 증가되는 것으로 예상된다. 농도가 미리 결정된 레벨에 도달할 때, 폐기물 밸브는 농축 폐기물을 재순환 라인으로 배출하도록 완전히 개방될 수도 있고, 반면에 새로운 공급물이 압력 조절 밸브를 통해 재순환 라인에 진입한다. 회분식 사이클이 반복될 수도 있어서, 농축 격실 내의 이온 농도의 톱니 패턴을 발생시킨다. 최고 농도는 침전, 스케일링 및/또는 유기물 오염에 대한 전위에 기초하여 설정될 수도 있다. 사이클은 측정된 또는 계산된 최고 이온 농도에 기초하여 시간이 정해질 수도 있다.

실시예 2: 폐쇄된 탱크를 가진 시스템의 농축물 재순환

농축물 재순환 루프 내에 밀폐된 탱크를 가진 전기 화학 분리 디바이스가 컴퓨터 프로그램을 사용하여 시뮬레이션되었다. 도 9의 그래프는 아래에 나타낸 결과를 요약한다. 시스템 공급물이 6.0㎥/hr의 유량으로 2,000ppm TDS로 시뮬레이션되었다. 인가된 전류는 80%의 전류 효율로 5.1A로 시뮬레이션되었다. 주기적인 배출 회분식 사이클 시간은 25분으로 설정되었고, 탱크는 약 9분 동안 충전되었고, 약 9분 동안 일정한 양으로 남아있었고 그리고 약 7분 동안 비워졌다. 탱크 내로의 공급량은 4.0㎥/hr의 유량으로 시뮬레이션되었고 그리고 탱크로부터의 배출량은 6.0㎥/hr의 유량으로 시뮬레이션되었다. 침전을 방지하기 위한 TDS 농도의 상한은 12,200ppm이었다. 시스템에서 농축물은 시한 사이클 동안 약 12,200ppm 내지 약 6,500ppm 범위 내의 TDS 농도를 가졌다. 시스템에서 평균 TDS 농도는 약 8,516ppm이었다. 시스템은 생성물이 211ppm의 TDS 농도를 갖도록, 90%의 TDS 제거율로 수행되었다. 시스템은 81%의 전체 회수율로 수행되었다.

실시예 3: 2개의 탱크를 가진 시스템의 농축물 재순환

농축물 재순환 루프 내에 2개의 탱크를 가진 전기 화학 분리 디바이스가 컴퓨터 프로그램을 사용하여 시뮬레이션되었다. 도 10의 그래프는 아래에 나타낸 결과를 요약한다. 시스템 공급물이 2,000ppm으로 시뮬레이션되었고 그리고 탱크 내의 초기 농도가 2,000ppm으로 시뮬레이션되었다. 각각의 탱크는 0.4㎥의 용적을 가졌다. 탱크 내로의 공급물 유량은 6.0㎥/hr로 시뮬레이션되었다. 탱크(T1 및 T2) 둘 다는 작동의 초반에 시스템 공급물로 충전되었다. 그래프에서 탱크(T1)는 처음에 농축 격실과 유체 연통하였지만 탱크(T2)는 대기 중이었다. 탱크(T1)가 포화된 후에, 시스템은 탱크(T2)가 농축 격실과 유체 연통되고 반면에 탱크(T1)가 절연되도록 전환되었다. 탱크(T1) 내의 액체가 비워졌고 그리고 시스템 공급물로 교체되었다. 이어서 탱크(T1)는 다음의 사이클을 위해 대기 중으로 설정되었다. 인가된 전류는 5A로 시뮬레이션되었다. 주기적인 배출 회분식 사이클 시간은 22분으로 설정되었다. TDS 농도의 상한은 재순환 라인에서 11,070ppm이었다. 시스템에서 농축물은 약 11,070ppm 내지 2,000ppm 범위 내의 TDS 농도를 가졌다. 시스템은 생성물이 245ppm의 TDS 농도를 갖도록, 87.7%의 TDS 제거율로 수행되었다. 시스템은 84.6%의 전체 회수율로 수행되었다.

본 명세서에서 사용되는 특수 용어 및 전문 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "복수"는 2개 이상의 항목 또는 컴포넌트를 지칭한다. 용어 "포함하는", "지닌", "갖는", "함유하는" 및 "수반하는"은 서면 설명서 또는 청구항 등이든 아니든, 개방형 용어이고, 즉, "~을 포함하지만 이로 제한되지 않음"을 의미한다. 따라서, 이러한 용어의 사용은 이후에 나열된 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 부가적인 항목을 포괄하는 것으로 의미된다. 오로지 과도기적 어구 "~로 이루어진" 및 " ~로 본질적으로 이루어진"은 청구항에 대해, 각각 폐쇄형 과도기적 어구 또는 반-폐쇄형 과도기적 어구이다. 청구항의 구성요소를 한정하도록 청구항에서 서수 용어, 예컨대, "제1" "제2", "제3" 등의 사용은 자체적으로, 어떤 우선 순위, 우선권 또는 하나의 청구항의 구성요소에 대한 또 다른 청구항의 구성요소의 순서 또는 방법의 조치가 수행되는 시간적 순서를 함축하지 않지만, 청구항의 구성요소를 구별하도록 특정한 명칭을 가진 청구항의 구성요소를 동일한 명칭(하지만, 서수 용어를 사용함)을 가진 또 다른 구성요소로부터 구별하도록 단지 라벨로서 사용된다.

당업자는 본 명세서에 설명된 매개변수 및 구성이 예시적이고 그리고 실제의 매개변수 및/또는 구성이 개시된 방법 및 재료가 사용되는 특정한 적용에 의존적임을 이해해야 한다. 당업자는 또한 고작 일상적인 실험을 사용하여, 개시된 특정한 실시형태에 대한 등가물을 인지 또는 알아낼 수 있어야 한다. 예를 들어, 당업자는 본 개시내용에 따른, 방법 및 방법의 컴포넌트가 네트워크 또는 시스템을 더 포함할 수도 있거나 또는 전기 화학 수처리 시스템의 컴포넌트일 수도 있다는 것을 인지할 수도 있다. 따라서 본 명세서에 설명된 실시형태가 단지 실시예로써 제시되고 그리고 첨부된 청구항 및 청구항의 등가물의 범위 내에서; 개시된 실시형태가 구체적으로 설명된 것과는 다른 방식으로 실행될 수도 있다는 것이 이해된다. 본 시스템 및 방법은 본 명세서에 설명된 각각의 개별적인 피처, 시스템 또는 방법에 관한 것이다. 또한, 2개 이상의 이러한 피처, 시스템 또는 방법의 임의의 조합은, 이러한 피처, 시스템 또는 방법이 서로 불일치하지 않는다면, 본 개시내용의 범위 내에 포함된다. 본 명세서에 개시된 방법의 단계는 예시된 순서로 또는 대안적인 순서로 수행될 수도 있고 그리고 방법은 부가적인 또는 대안적인 조치를 포함할 수도 있거나 또는 예시된 조치 중 하나 이상을 생략하여 수행될 수도 있다.

또한, 당업자는 다양한 대안, 변경 및 개선이 손쉽게 발생할 것임을 이해한다. 이러한 대안, 변경 및 개선은 본 개시내용의 일부인 것으로 의도되고 그리고 본 개시내용의 정신 및 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 다른 예에서, 기존 설비는 본 명세서에 설명된 방법 및 시스템의 임의의 하나 이상의 양상을 활용 또는 포함하도록 변경될 수도 있다. 따라서, 일부 예에서, 방법은 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 것을 수반할 수도 있다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 실시예이다. 또한, 도면의 묘사는 특히 예시된 표현으로 본 개시내용을 제한하지 않는다.

예시적인 실시형태가 본 명세서에 개시되지만, 많은 변경, 추가 및 삭제가 다음의 청구항에 제시된 바와 같이, 본 발명의 양상 및 본 발명의 등가물의 정신 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 명세서에서 행해질 수도 있다.

Claims (23)

1. 희석 격실, 농축 격실, 상기 희석 격실과 상기 농축 격실 사이에 배치된 이온 교환막, 제1 전극과 제2 전극, 상기 희석 격실과 유체 흐름 가능하게 연결된 제1 공급물 스트림(feed stream), 상기 농축 격실과 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 공급물 스트림 및 농축 격실 재순환 스트림(concentration compartment recycle stream)을 포함하는 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법으로서,
   상기 제1 공급물 스트림을 상기 희석 격실로 지향시켜 생성물 스트림을 생성시키는 단계;
   상기 제2 공급물 스트림을 상기 농축 격실로 지향시켜 폐기물 스트림을 생성시키는 단계;
   상기 폐기물 스트림을 상기 농축 격실로 재순환시키는 단계;
   상기 제1 전극과 제2 전극 간 전류를 측정하는 단계;
   제1 농도의 이온을 가진 상기 폐기물 스트림의 양을 시한 회분식 사이클(timed batch cycle)로 주기적으로 배출하는 단계; 및
   상기 폐기물 스트림의 배출된 양을 상기 이온의 제1 농도보다 더 낮은 이온의 제2 농도를 가진 상기 제2 공급물 스트림의 본질적으로 같은 양으로 교체하는 단계를 포함하며,
   상기 폐기물 스트림의 양을 15분 내지 25분의 회분식 사이클로 0.5분 내지 2.0분 동안 주기적으로 배출하고,
   상기 회분식 사이클은 상기 제1 전극과 제2 전극 간 상기 전류에 의해 결정되고, 상기 폐기물 스트림의 양은 상기 제1 전극과 제2 전극 간 측정된 상기 전류에 응답하여 배출하는, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 극성을 주기적으로 반전시키는 단계, 및 상기 폐기물 스트림의 상기 주기적인 배출의 타이밍과 상기 극성의 상기 주기적인 반전의 타이밍을 조정하는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 공급물 스트림이 상기 농축 격실로 지향되고 그리고 상기 제2 공급물 스트림이 상기 희석 격실로 지향되도록, 상기 극성의 상기 주기적인 반전의 상기 타이밍과 조정하여 상기 제1 공급물 스트림과 상기 제2 공급물 스트림의 흐름 경로를 교환하는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 폐기물 스트림과 상기 제2 공급물 스트림을 혼합하여 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 생성시키는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 양을 주기적으로 배출하는 단계, 및 상기 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 배출된 양을 상기 제2 공급물 스트림의 본질적으로 같은 양으로 교체하는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 폐기물 스트림과 제3 공급물 스트림을 혼합하여 폐기물과 제3 공급물의 혼합물을 생성시키는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 폐기물과 제3 공급물의 혼합물의 양을 주기적으로 배출하는 단계, 및 상기 폐기물과 제3 공급물의 혼합물의 배출된 양을 상기 제2 공급물 스트림 또는 상기 제3 공급물 스트림 중 적어도 하나의 본질적으로 같은 양으로 교체하는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 이온의 상기 제1 농도가 침전물을 형성하는 농도에 도달할 때 상기 폐기물 스트림의 양을 주기적으로 배출하는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 분리 디바이스를 작동시키는 방법.
10. 수처리 시스템으로서,
    유입구와 생성물 유출구를 가진 희석 격실, 유입구와 폐기물 유출구를 가진 농축 격실, 상기 희석 격실과 상기 농축 격실 사이에 배치된 이온 교환막, 및 전기 화학 분리 디바이스의 원위 단부에 배치된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전기 화학 분리 디바이스;
    상기 희석 격실의 상기 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 제1 공급물 라인;
    상기 농축 격실의 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 공급물 라인;
    상기 농축 격실의 상기 폐기물 유출구 및 상기 유입구와 유체 흐름 가능하게 연결된 재순환 라인; 및
    상기 재순환 라인에 배치된 밸브와 전기 통신되는 제어 모듈로서, 상기 재순환 라인으로부터 농축 폐기물의 양을 회분식 시한 사이클로 주기적으로 배출하도록 그리고 제2 공급물의 양을 상기 농축 격실로 전달하도록 구성되는, 상기 제어 모듈을 포함하되, 상기 제2 공급물의 양은 상기 농축 폐기물의 배출된 양과 본질적으로 같고,
    상기 재순환 라인 내에 배치되고 그리고 농축 폐기물과 제2 공급물의 혼합물을 생성시키기 위하여 상기 농축 폐기물과 상기 제2 공급물을 수용 및 혼합하도록 구성되는 혼합 탱크를 더 포함하고,
    상기 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연결된 센서를 더 포함하고, 상기 센서는, 상기 전극에 걸친 전류를 측정하도록 구성되며,
    상기 제어 모듈은 상기 센서와 전기적으로 연결되고, 상기 센서로부터 수신된 상기 전극에 걸친 상기 전류의 측정값에 응답하여 농축 폐기물의 양을 배출하도록 구성된, 수처리 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 폐기물 유출구 및 상기 생성물 유출구 중 적어도 하나와 유체 흐름 가능하게 연결된 센서를 더 포함하되, 상기 센서는 상기 농축 폐기물 또는 생성물의 이온 농도, pH 및 유량 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되는, 수처리 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 제어 모듈은 상기 센서와 전기적으로 연결되고 그리고 상기 센서로부터 수신된 상기 농축 폐기물 또는 상기 생성물의 상기 이온 농도, 상기 pH 및 상기 유량 중 적어도 하나의 측정값에 응답하여 상기 농축 폐기물을 밸브를 통해 배출하도록 구성되는, 수처리 시스템.
13. 제10항에 있어서, 상기 재순환 라인과 유체 흐름 가능하게 연결된 하나 이상의 센서로서, 절대 압력 또는 상기 재순환 라인 내의 압력 차이를 측정하도록 구성되는, 상기 센서, 및 상기 센서와 전기적으로 연결되고 그리고 상기 센서로부터 수신된 상기 절대 압력 또는 상기 재순환 라인 내의 압력 차이의 측정값에 응답하여 상기 농축 폐기물을 밸브를 통해 배출하도록 구성되는 제어 모듈을 더 포함하는, 수처리 시스템.
    
    
14. 삭제
15. 삭제
16. 제10항에 있어서, 상기 밸브는 상기 혼합 탱크로부터 하류에 배치되고 그리고 상기 제어 모듈은 상기 혼합 탱크로부터 상기 농축 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 양을 밸브를 통해 주기적으로 배출하도록 그리고 상기 제2 공급물의 양을 상기 혼합 탱크로 전달하도록 구성되는, 수처리 시스템.
    
17. 제16항에 있어서, 상기 혼합 탱크와 유체 흐름 가능하게 연결되고 그리고 상기 농축 폐기물과 제2 공급물의 혼합물의 이온 농도 및 pH 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되는 센서를 더 포함하되, 상기 제어 모듈은 상기 센서와 전기적으로 연결되고 그리고 상기 센서로부터 수신된 상기 이온 농도 및 상기 pH 중 적어도 하나의 측정값에 응답하여 상기 농축 폐기물을 밸브를 통해 배출하도록 구성되는, 수처리 시스템.
18. 제10항에 있어서, 상기 밸브는 상기 혼합 탱크로부터 상류에 배치되고 그리고 선택적으로 상기 시스템으로부터 상기 농축 폐기물을 배출하도록 또는 상기 농축 폐기물을 상기 혼합 탱크로 전달하도록 구성되는, 수처리 시스템.
19. 제10항에 있어서, 병렬 구성으로 상기 재순환 라인 내에 배치된 1개보다 많은 혼합 탱크를 더 포함하는, 수처리 시스템.
20. 제19항에 있어서, 상기 1개보다 많은 혼합 탱크 중 적어도 하나는 상기 농축 격실과 유체 연통되도록 구성되지만 반면에 상기 1개보다 많은 혼합 탱크 중 적어도 하나는 대기 중인 것으로 구성되고, 대기 중인 상기 혼합 탱크는 대기 중인 동안 상기 농축 폐기물, 상기 제2 공급물 및 제3 공급물 중 적어도 하나를 수용하도록 구성되는, 수처리 시스템.
21. 제10항에 있어서, 상기 재순환 라인 내에 배치되고 그리고 농축 폐기물과 공급물의 혼합물을 생성시키기 위하여 상기 농축 폐기물과 상기 제2 공급물 및 제3 공급물 중 적어도 하나를 수용 및 혼합하도록 구성되는 혼합 탱크를 더 포함하는, 수처리 시스템.
22. 제21항에 있어서, 상기 혼합 탱크의 상류에 배치된 삼방향 밸브를 더 포함하되, 상기 삼방향 밸브는 상기 제2 공급물 및 상기 제3 공급물 중 하나를 상기 혼합 탱크 내로 지향시키도록 구성되는, 수처리 시스템.
23. 제10항에 있어서, 상기 전기 화학 분리 디바이스는 전기투석 디바이스 및 전기탈이온화 디바이스 중 하나인, 수처리 시스템.

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