KR20010049183A - 콜로이드 상태로 무기 중합체 일렉트릿을 생성시키는방법 - Google Patents

콜로이드 상태로 무기 중합체 일렉트릿을 생성시키는방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물질이 통과하는 자장 구배를 이용하므로써 생성된 콜로이드 상태의 무기 중합체 일렉트릿 예를 들어, 실리카에 관한 것이다. 도 7에 있어서, 물질(5), 수성 규산나트륨 및 NaOH와 트리칼륨 시트레이트를 도관(2)내의 펌프(1)에 의해 콘테이너(3)로부터 도관(6)을 통해 홀(8) 밖의 도관(7)으로, 홀(9) 밖의 도관(13), 및 홀(10) 밖의 도관(14)으로 펌핑시켜 물질을 양 방향으로 역류시키고, 순서대로 도관(15) 및 챔버(11)에 유입시키고, 최종적으로 도관(4)을 통해 콘테이너(3)로 다시 이동시킨다. 도 8에 도시된 자기 부스터 유닛(A), (B) 및 (C)은 콜로이드 패스터상에 정전기 전하를 형성시켰다.

Description

콜로이드 상태로 무기 중합체 일렉트릿을 생성시키는 방법 {GENERATING INORGANIC POLYMER ELECTRET IN COLLOIDAL STATE}
본 발명은 콜로이드 상태의 무기 중합체 일렉트릿, 입자를 성장시키는 무기물의 물리적 및 화학적 모델을 나타내는 독특한 합성 방법 및 다양한 상태 및 구체화물, 즉 액체, 고체 및 겔 상태에서의 사용 방법에 관한 것이다.
이러한 사용 방법중 하나는 무기 중합체 "일렉트릿" 용액으로 역류시키므로써 이온 교환 수지층을 재활성화시키거나 재생성시키는 방법이다.
참조: 이러한 자료에 대한 핵심 특허 문헌["Description of an Inorganic Polymer "Electret" in a Colloidal State along with the Method of Generating and Applications"]이 본 문헌에 포함된다. 이러한 종래 출원은 본 출원의 참조문헌으로서 이용되었다.
또 다른 사용 방법은 IPE가 칼슘 및 마그네슘 제거된 IPE로 막을 하전시키는 역삼투 유닛을 사용하는 방법이다. 이러한 콜로이드 층은 스케일링으로부터 막을 보호하며, 이를 더욱 유용하게 만들며, 막의 더욱 긴 수명을 제공한다. 상기 막은 콜로이드에 의한 전하 반발 메카니즘에 의해 보호된다. 콜로이드는 칼슘을 제거하고, 콜로이드는 리젝트 스트림(reject stream)중에 제거된 칼슘을 유지시키는 강한 네트 음전하를 갖는다.
참조: 이러한 자료에 대한 핵심 특허 문헌["Description of an Inorganic Polymer "Electret" in a Colloidal State along with the Method of Generating and Applications.", "Description of an Inorganic Polymer "Electret" in a Colloidal State and its Use in Conjunction with Ion Exchange Softening Technology and Nitrate Removal as well as supporting data for all applications cited"]은 본 문헌에 포함된다. 출원 및 자료는 본 출원의 참조문헌으로서 이용되었다.
종래 기술: 규산나트륨이 황산, 황화알루미늄, 이산화탄소 또는 염소로 활성화될 경우, 활성화된 실리카와 같은 불안정한 실리카 콜로이드 현탁액 및 비교적 안정적인 콜로이드 실리카의 수성 현탁액을 제조하는 방법이 설명되어 있다(특허 # 5,537,363). 이러한 방법에는 입자의 물리적 변수 및 분자가 입자의 제조 방법에 의해 영향을 받거나, 화학적 및 물리적 특성이 어떻게 적용되는지가 기재되어 있지 않다.
본 발명은 여태까지 설명되지 않았던, 핵에서 양전하로 하전되고 외표면에서는 음전하로 하전되어 입자에 네트 음전하를 제공하는 이극성인 콜로이드 실리카 입자의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 또 다른 중요한 양태는 입자 크기, 전하, 균일성, 콘시스턴시, 수화작용 및 삼차원 구조를 조절하는 이들의 능력에 관한 것이다. 입자가 상업적 이익을 위해 표면 전하의 분포를 조작하는 것이 바람직한 매우 광범위한 적용에 재현가능한 방식으로 사용될 수 있도록 이러한 변수를 조정가능하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명자는 무기 중합체 형태의 무기 콜로이드 실리카를 함유하는 일정하고 콘시스턴시된 수성 조성물을 제조하는 방법을 발견하였으며, 이는 입자의 형상화를 돕는 제조 유체에 칼륨을 첨가하므로써 바람직한 형식으로 형상화된다.
본 발명의 활성 성분은, 삼차원 하전된 구조가 합성된 바와 같이 정전기 전하로 입자를 하전시키는 정전계를 유도하는 특별한 방법에 의해 유도되는 콜로이드 실리카의 수성 현탁액을 포함한다. 바람직하게는, 상기 용액은 콜로이드 입자를 용액의 pH를 조절하는 조정된 비율 및 조정된 속도에서 카운터 전류 흐름 장치를 통해 하전된 용액을 순화시키므로써 전기적으로 하전시키는 방법으로 혼합된다. pH가 저하됨에 따라, 입자(중합체)는 하전됨에 따라 성장한다. 하전된 유체의 다층은, 각각의 층이 마그네틱 흐름 플럭스계를 유도하여 유체의 인접층상에 정전기 전하를 유도시키도록 카운터 전류 챔버에서 이동한다. 발생율은 특허 제 4,888,113호에서와 같은 장치가 역류 챔버상에 놓여지게 될 때 상기 장치를 사용함으로써 증가된다. 본 발명은 특허 제 4,888,113호의 설계와 상이한 설계의 결과로서 기능적인 차를 야기하는 설계에 있어 상당히 개선된 것이다. 새로운 구체예는 대칭적인 3차원 공간 성분을 정하고 있다. 이러한 구체예는 구형 중심이 하전된 자석을 필요로 한다. 이러한 장치는 각각에 실질적으로 두 개의 평행한 평면에 적어도 두 개의 양극 및 두 개의 음극을 갖는 다수의 구형 중심이 하전된 정전 자기체를 포함하는데, 상기 자극은 사변형의 네 개의 꼭지점을 규정하고, 두 개의 양극은 반대편 대각선 꼭지점을 규정하고, 두 개의 음극은 사변형의 반대편 대각선 꼭지점을 규정하고, 각각의 자극은 반대로 하전된 자극에 의해 자기적으로 유도되고 하전된 자극에 의해 자기적으로 반발된다. 장치의 각 단부상에 두 개의 반대로 하전된 자극은 면해있으며 평행한 평면을 갖는다. 이러한 배열은 본 발명의 반대편 대각선 꼭지점 사이에 그려지는 선의 교차점에서 자기 공백을 생성시킨다. 이러한 영점은 발생기 도관의 내부에 대칭적인 3차원 공간 성분을 발생시킨다.
크기, 형상 및 전하에 있어 일관되게 균일한 콜로이드 입자를 발생시킴으로써 특정 분야에 대한 생성물이 제조되게 하는 콜로이드 발생기가 여전히 필요로 되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 압력, 유속 및 산 매질의 적정 속도를 조절하여 전체적으로 음으로 하전된 입자를 발생시키는 공정을 설계하고 수립하도록 컴퓨터로 제어될 수 있는 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 내부에서는 반대 방향으로 유체를 유동시킬 수 있는 도관 수단을 각 단부에 가지며 상층에는 각각의 도관 단부로 유입되는 다중의 얇은 벽 파이프로 구성되는 역류 콜로이드 발생기를 제조하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 얇은 벽이 스테인레스강 또는 플라스틱으로 제조되는 역류 콜로이드 발생기를 제조하는 데에 있다. 이러한 박벽에 의해 각각의 유체층에 의해 발생된 자기장이 인접한 역류 유체 칼럼상에 정전기 전하를 발생시킨다.
본 발명의 또 다른 목적은 자기 흐름을 발생시키는 하전된 입자를 함유하는 인접한 유체 칼럼의 흐름에 의해 발생되는 정전기 전하를 발생시키는 신규하며 독특한 방법에서 실리카의 콜로이드 입자를 제조하는 상세한 방법을 입증하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 방법에 의해 발생될 수 있는 이러한 및 그 밖의 유기 및 무기 콜로이드의 많은 용도를 보여주는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 역류 발생기를 통해 유체를 고속으로 펌핑시키는 고압 및 고속 펌프를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 안정도가 내부의 K+결합에 의존하는 실리카 콜로이드를 생성시키는 발생기를 제공하는 데에 있다. 종래에는, 시트레이트 이온은 이러한 콜로이드 용액에 안정성을 제공하면서 제공되었다. 염화칼륨이 본 발명에서 콜로이드의 안정화제로서 역할을 한다는 점에 또한 주목해야 할 것이다. 전자 빔 회절 연구에서 얻은 이러한 데이터는 K+가 유용하며 안정한 상태로 입자의 완전한 전개에 중요한 성분임을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 목적은 물질이 특정 기간 동안 특정의 온도에서 가열될 때 상기 물질이 철, 탄산칼슘, 황산칼슘 및 그 밖의 무기 증착물로 구성되는 스케일의 제거를 위한 파이프 라인을 포함하는 물 적용 장치에 전체적인 음전하를 제공하는 연화수의 목적상 물 여과 매질로서 탁월하게 기능하는 매우 다공성의 실리카/실리카 콜로이드를 형성하도록 고농도의 실리카 콜로이드를 생성시키는 데에 있다. 재료는 다양한 경도의 물에 사용되기 위해 분쇄되고, 치수화될 수 있다. 보다 작은 입자 (g 당 표면적이 보다 큼)는 보다 경도가 큰 물에 대해 사용될 것이다. 실리카는 결정화되어, 매트릭스를 형성하며, 콜로이드는 매트릭스로부터 침출되어, 연화되고, 디스케일링된다. 매질은 Fe++, Fe+++및 Ca++를 이것의 순 음하전된 표면에 흡수시켜서, 이들 물질을 오염된 물 (즉, 경수)로부터 제거시킨다. 저농도의 현탁된 콜로이드는 이온, 예를 들어 Ca++, Fe++, Fe+++, Mg++을 격리시키고, 이들을 물 중에서 경도 인자로서 비활성으로 되게 한다. 동일한 격리가 물의 악취 및 불량한 맛 오염물에 대해 일어난다.
양이온 교환 연화
도입: 물을 가정용으로 연화시키는 한 가지 매우 보편적인 방법은 양이온 교환이다.
메카니즘: 칼슘과 마그네슘의 경도 유발 엘리먼트를 제거하고, 양이온 수지에 의해 나트륨으로 치환시킨다. 연화를 위한 이온 교환 반응은 하기와 같이 제시될 수 있으며, 여기서, R은 수지 상의 활성 부위를 나타낸다.
이들은, 칼슘과 마그네슘을 함유하는 물이 이온 교환기를 통과하는 경우, 이들 금속이 수지에 의해 흡수되며, 동시에, 나트륨으로 대체된다.
연수를 생성시키는 베드의 기능이 소모된 후, 유닛은 설비로부터 분리되고, 염화나트륨 용액으로 역세척된다. 이것에 의해, 칼슘과 마그네슘이 이들의 가용성 염화물의 형태로 제거되고, 동시에, 수지가 이것의 본래의 활성 나트륨 상태로 회복된다.
반응
대다수의 이온 교환 연화기는 수동 또는 자동 제어되는 압력 타입이다. 이들은 보통 ft2의 표면적 당 6 내지 8 gpm의 속도로 동작한다. 염 약 8.5 lb가 수지 1ft3를 재생시키기 위해 필요하고, 이것은 상업용 유닛 중의 경도 약 4 lb를 제거시킨다. 경도의 감소는 미정제 물 중에 존재하는 양이온의 양 및 수지 베드를 재생시키는데 사용되는 염의 양과 직접 관련된다.
질산염 제거를 위한 음이온 교환
화학적으로 비반응성이기 때문에, 질산염 이온은 통상적인 처리 방법에 의해서는 물로부터 침전되고 여과될 수 없다. 이온 교환이, 음용수를 위해 질산염 질소를 10㎎/ℓ의 최대 함유 수준으로 감소시키기 위한 가장 효과적인 방법이다. 가장 보편적으로 사용되고, 명백히 최상인 시스템은 염화나트륨을 재생제로서 사용하는 강력한 염기성 음이온 교환기인 것으로 여겨진다. 모든 음이온 교환 수지는 2가 음이온을 우선적으로 제거시킴으로써, 황산염 및 질산염 이온 둘 모두를 추출시키고, 염화물 이온으로 치환시킨다. 질산염 이온을 교환시키는 기능이 소모된 경우, 염 함량이 높은 재생 용액을 베드를 통해 펌핑시켜서, 질산염 및 황산염 이온을 제거시킴으로써, 교환기를 회복 또는 재생시킨다.
폐기 역세척 염수의 부피는 유의 수준으로서, 처리된 물의 약 5%에 이른다.
음이온 처리의 주요 단점으로는 고가의 운전비 및 염수 처리의 문제가 있다.
본 발명은, 핵내에 순 양하전되고, 입자에 순 음 전하를 제공하는 외부 표면에 순 음하전된다는 점에서 이극성인 콜로이드성 실리카 입자를 생성시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 IPE의 농축된 형태를, 활성 콜로이드를 물 흐름으로서 무기 중합체 정질 (IPC)이 들어있는 미세 메쉬 격납 수단에 방출시키는 고형 정질 매트릭스로 전환된 구체예에 제공하는 데에 있다. IPC는 격납 수단 중에서 용해되지 않는다. 미세 격납 수단에 인접해 있는 흐르는 물 중의 가용성 형태는 계량용 막을 형성하는 메쉬 스크린에 부착된 수화된 겔과 평형을 이룬다. 물이 유동하면, 실리카 콜로이드는 메쉬 스크린의 수화된 층으로부터 계량된다.
본 발명의 또 다른 목적은, 이온 교환 매질 베드를 재활성화시키기 위해 염화나트륨 또는 과망간산칼륨 대신에 사용되는 이온 교환 유닛의 "염 탱크 (Salt Tank)"에 배치되는 미세 메쉬 구체예에 사용되는 이 IPC의 용도를 입증하는 데에 있다. IPC는 수지를 IPC 저장기로부터의 실리카 콜로이드로 역세척시키기 위해 미세 메쉬 격납 수단 중의 하나에서 염 탱크 중에 배치된다. 혼합된 매질 베드 (즉, 양이온 및 음이온)가 사용되는 경우, 이것은 Ca++, Mg++, SO2-, NO3 -, Fe++및 Mn2 +을 제거시킬 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이온 교환 구체예 및 IPC를 역세척 시스템에 적용시키는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 역삼투의 개선에 있어서 본 발명을 사용하는 것이다.
역삼투
역삼투는 용해된 염 용액으로부터 물을 분리시키기 위해 본래의 삼투압에 대해 막을 통해 물을 가압 통과시키는 것이다. 삼투압 공정은 상이한 염 농도를 갖는 물을 분리시키는 얇은 막과 관련된다. 이 막은 물은 투과시키지만, 물중의 다른 용질과 염은 투과시키지 못한다. 그러므로, 물은 염의 가장 높은 농도 쪽으로 흐른다. 압력이 높은 염 농도의 쪽으로 가해지는 경우, 물의 흐름은 염 용액의 "삼투압"으로 명명되는 압력에서 저지될 수 있다. 역삼투의 경우에, 물은 염 용액의 고압에 의해 막을 통해 깨끗한 물로 이동하여, 염수 용액으로부터 탈염수가 분리된다. 역삼투 막을 통하는 유량은 가해진 압력 및 삼투압 사이의 차이에 정비례한다. 작동 압력은 250 내지 1500psi 이다. 생성된 물의 양은 반염수 공급액에 대해서는 60 내지 90%이고, 바닷물 공급액에 대해서는 약 30% 이다.
역삼투에 의해 처리되는 염수는 정제되어야 하고 과량의 중금속, 철, 망간 및 유기 물질이 없어야 하거나 막은 오염될 것이다. 최근에, 공업용 및 가정용 뿐만 아니라 자치 도시에서의 사용을 위한 역삼투의 완전하고 비용 효율적인 사용이 값비싼 사전 처리(도 4)에 의해 제한되고 있다. 이러한 사전 처리는 혼탁도, 현탁된 물질, 철 및 망간을 제거하기 위한 응고 및 여과; 탄산 칼슘 및 황산 칼슘 침전물의 잠재성을 감소시키는, 중금속을 제거하기 위한 연화; 및 가능하게는, 용해된 유기 화학물질을 제거하기 위한, 과립형의 활성화된 탄소를 통한 여과로 구성될 수 있다. pH를 감소시키고 화학 물질이 칼슘, 마그네슘, 망간, 철 및 다른 미량의 무기 화합물로부터 제거하는데 산이 공통적으로 사용된다. 염소는 막상에서의 생물학적 성장을 조절하기 위한 살균제로로서 이용될 수 있다. 유기 화합물을 제외한, 이러한 물의 오염물 모두는 막에 유해하다. 칼슘, 마그네슘 및 철이 가장 유해하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에 시도된 방법은 pH를 6.4 내지 8로 감소시키거나, 염 재생된 양이온 교환 수지를 사용한는 매우 값비싼 사전 처리 방법이다. 이것은 비용이 비싸지만 탄산 칼슘 스케일과 철 및 망간의 역효과를 피하기 위해 중탄산염을 이산화탄소로 환원시킴으로써 중탄산염 알칼리성을 감소시킨다. 헥사메타포스페이트는 스케일 형성을 억제하기 위한 격리제이다.
역삼투막을 저렴하게 보호하여 실질적인 사전 처리가 필요없게 하므로써, 일반적인 수처리 시스템의 상당 부분을 역삼투시키는 방법이 명백하게 요구되고 있다.
본 발명은 앞서 2개의 임시 모 특허에 기재된, 핵내에는 순수하게 양으로 하전되고, 입자에 순수한 음성 전하를 제공하는 외면상에는 순수하게 음으로 하전되는 쌍극자인 콜로이드성 실리카 입자를 발생시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공급수 스트림이 실질적인 사전 처리에 노출되지 않는 역삼투 장치의 공급수 공급부의 유입 스트림내로 농축되고 계량될 수 있는 "무기 중합체 일렉트리트"(IPE)의 구체예를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 오염 및 스케일링에 대해 막을 보호함으로써 일반적인 수처리 기술을 역삼투시키는 메카니즘을 설명하고 증명하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 막 보호 구체예 및 이것을 표준 역삼투막 장치에 적용시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전반적인 가내 소비를 위한 전체적으로 정제된 물을 생성하는 가정용 전체 수처리 패키지를 구성하고 작동시키는 기술을 사용하는 디자인 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 하기에 기술되는 요약 부분과 함께 본 생성물의 응용 목록을 실현시키는 데에 있다.
본 발명의 추가의 목적 및 장점은 하기의 상세한 설명에 기재되거나, 상세한 설명으로부터 자명해지거나, 본 발명의 실시에 의해 알 수 있을 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 특히 첨부된 청구의범위에 기재된 장치 및 방법에 의해 얻어질 수 있다.
발명의 요약
본원에서 구체화되고 넓게 설명되는 본 발명의 원리에 따라, 특히 사람이 사용하고 소비하는 물의 처리에 응용이 확대된 크리스탈로이드로 전환되는 고농축 실릴카 콜로이드를 생성시키는 방법 및 장치와 관련하여, 콜로이드 상태로 다양한 무기 중합체를 생성시키고 응용하는 방법이 기술된다. 실리카 콜로이드는 또한, 상이한 응용을 위해 더욱 희석된 농도 및 더 작은 입자 크기로 생성될 수 있다. 일련의 사극자성의 경사진 3차원 필드 그래디언트를 함유하는 활동 장치는, 핵에서는 양으로 하전되고 외부 표면에서는 음으로 하전되어 입자에 순수한 음전하를 제공한다는 점에서 이극성인 콜로이드성 실리카의 발생에 효과적이다. 본 발명의 또 다른 중요한 양태는 입자 크기, 전하, 균일성, 콘시스턴시, 혼성화 및 3차원 구조를 조절하기 위한 능력이다. 무기 콜로이드성 중합체는 발생 유체에 칼륨을 첨가함으로써 구성되어, 입자의 구성을 보조한다. 입자는 3차원 하전 표면이다. 상기 전하는 정전기장 전류를 발생시키는 특정 방법에 의해 발생되어, 합성되는 콜로이드를 하전시킨다. 용액은 콜로이드 입자가 용액 pH의 조절 속도 및 조절율로 역류 장치를 통해 하전된 용액을 순환시킴으로써 정전기적으로 하전되는 방식으로 혼합된다. pH가 저하됨에 따라, 입자(중합체)는 이것이 하전됨에 따라 성장한다. 유체의 다층은 역류 챔버 내로 운반되어, 각각의 층이 유체의 인접층에서 정전기 전하를 발생시킨다. 발생율은 미국 특허 제4,888,113호에 기술된 바와 같은 장치가 역류 챔버 상에 위치할 때에, 개선된 이러한 장치의 사용에 의해 향상된다. 장치는 각각의 단부에 도관 수단을 갖는 다중 박막 파이프로 구성되어, 유체를 도관 수단을 통해 외부 파이프를 향한 다음 챔버(즉, 집중 파이 사이에서 형성된 챔버) 내로 유동시킴으로써 반대 방향으로 유동시킨다. 발생기는 박막 스테인레스강 또는 플라스틱으로 제조되지만, 이들 재료로 제한되지는 않는다. 상기 박막에 의해, 인접 챔버 중의 실리카(반도체) 콜리이드가 반대 방향으로 유동함에 따라, 유체의 각각의 층에 의해 발생되는 자기장이 인접 역류 유체 칼럼 상에서 정전기 전하를 발생시키게 된다. 본 발명의 상기 발생기는 순수한 음전하 및/또는 순수한 양전하를 둘 모두 갖는 많은 상이한 유기 및 무기 콜로이드를 생성시키는 데에 사용될 수 있다. 본원에 기술된 바와 같은 본 발명의 현재의 응용은 특히 사람 및 동물이 사용하고 소비하는 물의 처리로 응용이 확대된 크리스탈로이드로 전환되는 실리카 콜로이드를 합성하고 경화시키기 위한 것이다. 본 발명의 발생기는 다른 인자 중에서도 내부 K+ 결합에 의존하는 안정성을 갖는, 500ppm 내지 350,000ppm(이들로 제한되지는 않음) 실리카 콜로이드의 용액을 합성시키는 데에 사용된다. 홀콤(Holcomb)의 미국 특허 제5,537,363호에는 더욱 희석된 콜로이드성 실리카를 제조하는 방법이 기술되어 있다. 이 특허에는, 전자기 발생기를 사용하여, 농도가 500ppm 미만이고 우세한 입자 크기가 0.6 미크론인 용액을 합성시키는 방법이 기술되어 있다. 기존의 방법은 두꺼운 가용성 겔 망의 형태로 300,000ppm의 농축물의 합성을 제공한다. 본 발명의 농축물은 활성 고체로 추가로 처리되고 건조될 수 있거나, 임의의 바람직한 농도로 재희석될 수 있다. 미국 특허 제5,537,363호에서는 이러한 능력을 발견하지 못하였다. 이 특허에는, 합성 동안 pH를 조절하기 위한 강산 HCl의 사용이 교시되어 있다. 본 발명은 본 발명의 생성물이 오직 서서히 해리되는 약산만이 효과적임을 나타내는 증거를 제시한다(도 12 참조). 합성에서 또 다른 중요한 인자는 약산(아세트산)을 사용하여 본 발명의 목적하는 생성물을 생성시키는 것이다. 이 고농도 물질은 콘시스턴시에 있어서 "겔 유사"하다. 추가의 공정전에, 작은 입자 크기의 500 내지 750 ppm 물질의 20 부피%를 가하여 보다 조밀한 최종 물질을 형성시킬 수 있다. 그런 다음, 그 물질을 진공을 사용하여 탈가스화할 수 있다. 그런 다음, 그 물질을 144 까지의 시간 동안 150 내지 200oF까지 가열한다. 이 공정은 물 여과 및 연화에 관하여 놀랍게 기능하는, 다양하지만 조절가능한 밀도 및 다공성의 생성물을 생성시킨다. 이것은 철, 탄산 칼슘, 황산 칼슘 및 기타 스케일 형성 화학물질의 스케일을 제거하기 위해, 파이프라인상의 스케일을 포함한 물 설비의 스케일에 순 음전하를 부여한다. 스케일상의 순 음전하는 그것이 표면으로부터 제거되도록 한다. 고체상 물질이 다양한 필터 함유 수단에 놓여지는 경우, 용액이 탈수되어 결정질 매트릭스를 형성한 다음, 콜로이드가 걸러져 나와 연화하고 스케일 제거한다. 또한, 매질층은 음성적으로 하전된 표면에 Fe++, Fe+++및 Ca++를 흡수하거나 격리시키고, 경수에서 발견되는 이러한 물질을 불활성화(격리)시킬 것이다. 매트릭스로부터 걸러져 나오는 콜로이드는 용액중의 양이온을 격리시키고 그것들을 불활성화시킨다.
본 명세서에 구체화되고 광범위하게 기재된 본 발명의 원리에 따르면, 물의 처리에 있어서 광범위한 응용을 가지는 결정질로 전환되는 매우 농축된 실리카 콜로이드를 생성시키는 방법 및 장치가 제공된다. 하나의 그러한 응용은 가정용, 상업용 및 산업용 음이온 및 양이온 교환 수지층을 역세척하여 재활성화 및 재생시키 위한 IPC/IPE 중합체의 사용 방법에 기재되어 있다.
본 명세서에 구체화되고 광범위하게 기재된 본 발명의 원리에 따르면, 역삼투 장치의 물공급 라인으로 공급되는 경우, 칼슘, 마그네슘, 망간 및 철 뿐만 아니라 역삼투막과 상호작용하여, 막을 보호하고 역삼투막의 오염 및 스케일화를 유발하는 양성적으로 하전된 양이온을 반발시키는 분해할 수 있는 겔로 전환되는 매우 농축된 실리카 콜로이드를 생성시키는 방법 및 장치가 제공된다.
다음은 각각 분할 출원의 대상이 될 수 있는 다양한 농도 및 형태의 이러한 콜로이드 물질의 응용 리스트이다.
1. 식품 질, 식품 풍미, 식품 질감, 식품 습기.
2. 향기 증강 및 지속
3. 신체 케어 제품: a) 화장품, b) 비누, c) 구강 케어 제품, 치아 플라크 제거, 치약, 구강 린스.
4. 샴푸 및 콘디셔너와 같은 목욕 제품.
5. 양조 음료.
6. 가정 캐어: a) 세정제, b) 얼룩 세척제, c) 은, 크롬 및 스태인레스 스틸 세척제, d) 카펫 세척제, e) 욕실 세척제, f) 주방 세척제, g) 다양한 가정, 차고, 차, 보우트, 가게 및 정원용 세척제.
7. 입자 채광 및 운송: a) 석탄, b) 광석, c) 오일.
8. 미정제 오일 - 개선된 수율을 위해 물 유입(flood)을 개선시킴.
9. 물 처리, 컨디셔닝 및 격리제 - 주거용, 상업용, 산업용 및 도시용 - 휴대용, 레크리에이션용 및 폐기수용 뿐만 아니라, 지하수 및 지표수의 개선용. 이온 교환을 위해 사용되는 양이온 및 음이온 레진층의 재생.
10. 의료용: a) 경구용 약물의 맛 개선, b) 신장 투석의 속도 및 효과 개선, c) 화상 괴사 조직 제거 및 드레싱, d) 외상 침대 매트리스 및 패드, e) 국소적으로 투여된 의약 조성물의 개선된 흡수, f) 비치료 상처의 치료를 촉진.
11. 농업용: a) 토양에 보다 건강하고 건강에 좋은 작물용 필수 미네랄을 충분히 공급시키는 콜로이드성 미네랄, b) 습기 담체, c) 영양물 담체, d) 관개 - 물 요구량 감소, e) 발아 개선, f) 유제품 세척제, g) 비구름의 시딩.
12. 건축 재료: a) 콘크리트, b) 블럭, c) 벽돌, d) 페인트, e) 페이스트 및 아교, f) 절연체.
13. 연료-저온에서 우수한 분산 및 적은 슬러지 형성. 연료 분사장치 새정 및 피스톤헤드로부터의 탄소 세정.
14. 폐기물 처리-생분해면에서의 개선.
15. 염료.
16. 장치의 규모를 조절하고 페이퍼의 질을 개선하기 위한 펄프 및 페이퍼 산업.
17. 물을 기재로 하는 페인트.
18. 점토 생성물.
19. 시판 산업용 새정제: a) 자동차(자동차 세척), b) 항공기, 버스, 열차, c) 그밖의 표면, d) 세탁소.
20. 수경재배-작은 새우 및 메기-개선된 맛 및 신속한 성장.
21. 과일나무, 채소, 및 그밖의 작물을 서리로부터 보호하기 위한 스프레이.
22. 인쇄 염료 및 잉크-우수한 분산.
23. 천연 허브성 감미료.
24. 파이프내에서, 탱크로부터 또는 그밖의 오염물 처리장치내에서 또는 그러한 장치로부터의 개선된 액체, 반액체, 슬러리 및 과립매체 유동.
25. 전쟁용 화학제의 격리, 액체 화학물질의 격리, 및 화학처리에서의 격리.
26. 주거용, 시판용 및 산업용 적용을 위한 습윤화제, 및 소방에서의 보조물로서의 습윤화제.
27. 경수와 관련된 파이트, 탱크, 보일러 및 그밖의 장치의 탈석회화 및 탈스케일링.
28. 이온교환층의 재활성화.
29. 강 생산에서의 탄소 치환.
30. 물 및 그밖의 시스템에서의 맛 및 냄새 제거.
31. 물 및 그밖의 시스템에서의 양이온 및 음이온 격리(선택 및 비선택적).
32. 보우트 및 선박 외피와 물과의 마찰 감소.
33. 온도 〈-100℉(영하)에서의 슬러지 조절의 위한 동결방지 냉매. 점도 감소, 및 부식을 억제하면서 냉매 표면 탈스케일화.
34. 환경을 오염시키지 않으면서 고황 석탄의 경제적인 연소방법.
본 명세서에 포함되어 있고 본 명세서의 일부를 구성하고 있는 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 구체예를 예시하고 있으며 본 발명의 원리를 설명하고 있다.
도면의 간단한 설명
본 발명을 실질적으로 실시할 수 있는 최상의 방식을 첨부된 도면으로 예시하고자 한다.
도 1은 규산나트륨을 제조하는 화학방정식이다.
도 2는 HAC로 적정되는 경우의 Si(OH)4의 중합화 및 실리카 중합체의 형성을 나타내는 도면이다.
도 3은 K+로 안정화되고 물과 결합되며, 핵으로서의 K+와 기울기 구배 자기장이 있는 본 발명의 제너레이터에서의 중합체의 생산을 나타내는 도면이다.
도 4는 표준 활성화에 의해 제조된 전형적인 콜로이드 입자에 대한 물과의 결합을 나타내는 도면이다.
도 5는 실리카의 중합화 성향을 나타내는 도면이다.
도 6은 표준 활성화 기술에 의해 제조된 실리카 입자의 전자 광현미경사진을 본 발명의 5a 콜로이드의 전자 광현미경사진과 비교하고 있는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제너레이터의 개괄적인 도면이다.
도 8은 세개의 자성 4극자 제너레이터를 설명하고 있는 본 발명의 제너레이터의 중첩 도면이다.
도 9는 본 발명의 제너레이터의 특징을 부분적으로 설명하고 있는 자성 4극자 제너레이터의 상세도이다.
도 10은 본 발명에 요구되는 탈가스/건조 오븐을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 생성물을 소성시키는데 요구되는 소성 용기를 나타내는 도면이다.
도 12는 불량한 냄새 및 맛이 잇는 경수에 사용하기 위한 바람직한 기술의 구체예를 나타내는 도면이다.
도 13은 생성물의 생성동안 일정한 HAC 주입 속도에서의 시간에 따른 적정 곡선 pH를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명에 사용되거나, 염이 IPC의 백으로 대체되는 기존의 염 생성된 이온교환 장치에 적용된 이온 교환 수지의 양태를 나타내는 도면이다.
도 15는 저장된 탈이온수를 이용하는 보다 소형 및 효율적인 이온 교환 장치, 및 탈이온 IPE 적재된 물을 이온층을 통해 순환시켜 효율을 향상시키고 있는 역류 스크러버를 나타내는 도면이다. 도 3a는 본 발명의 역류 스크러버를 나타내는 도면이다.
도 17은 IPE가 양이온을 불활성화시키는 격리과정을 나타내는 도면이다.
도 18은 역삼투를 위한 나선형으로 감긴 모듈을 나타내는 도면이다(courtesy of Degremont, 183 Avenue de Juin 1940-92508 Rueil Malmaison CEDEX-France).
도 19는 역삼투 장치의 하전된 막에 대한 IPE의 보호 메카니즘의 그래프 도식이다.
도 20은 오랜지 카운티(municipal Orange County, CA: Water Factory 21)에서 실시된 역삼투를 이용한 물 정제 시스템의 도식을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면에 제시된 본 발명의 구체예에 대한 상세한 설명을 기술한다. 도면을 통해, 유사한 특성이 유사한 요소의 지정하기 위해 사용된다.
본 발명의 휘발성 콜로이드는, 광범위하고 안정적인 활성 농도를 지닌 수용액을 포함한다. 콜로이드는 하기 기술하는 두가지의 방법에 의해 활성의 고체로 전환될 수 있다. 하나는 플러피한 흰색의 분말을 제조하고, 다른 하나는 수처리 및 콘디션닝에 현저한 적용성을 지닌 단단하게 결정화된 매트릭스를 제조한다. 콜로이드는 또한 다른 약제 염의 제형에 효과적이며, 따라서 그의 약리 작용을 변화시킨다.
수성 콜로이드(무기 중합체 일렉트릿)
실리카는 통상 미국의 전역에 걸쳐 물에서 약 0 에서 100 ppm 농도 이상의 수준으로 발견된다("Water Treatement Fundamentals" WQA). 활성화되었으나, 안정적이지 못한 규산 나트륨이 부식을 방지를 위한 응결제, 및 철 과 망간에 대한 안정화제/제거제로서 상수에 사용된다. 미국 환경 보호 협회(USEPA)는 규산 나트륨을 상수에 대한 오염 물질로서 규제하지는 않는다. USEPA의 허용 가능한 식수 첨가물의 목록은 다양한 규산 나트륨 제조물을 포함한다. 어떠한 상한 제한이나 규제가 없다. 미국의 100 대 도시에서, 공용수 시스템에서의 실리카 농도는 약 0 에서 72 ppm 이며, 중간 수준은 7.1 ppm이다(National Acamedy of Science "Drinking Water and Health").
갈론당 7 그레인(grain) 이상으로 정의되는 경수가 미국 상수원의 90 % 이상에서 발견된다. 따라서, 상수 시장의 약 10% 만이 연수기를 사용한다. 그러한 낮은 이용성은 가용한 시스템의 번거로움 및 그러한 시스템이 이온 교환 수지 시스템으로서 다량의 나트륨을 가정용 수원에 방출하는 사실 때문이다. 대안적인 물의 콘디셔닝 및 연수화 방법에 대한 필요성이 있음이 명백하다. 본 발명은 활성의 실리카 콜로이드를 물에 방출하므로써 물을 연수화시켜, 칼슘, 마그네슘, 철 및 망간 및 다른 하전된 오염 물질을 제거한다. 콜로이드는 또한 부식을 세척하고, 방지하며, 설비 및 장치는 물론 파이프 라인의 스케일을 제거한다. 상기 물은 피부 수화를 향상시키고, 요리 및 접시와 의복의 세척에 우수하다. 세척제 사용의 필요량이 대부분의 경우에 절반으로 크게 감소한다. 바람직한 구체예는, 물이 중간 베드(media bed)를 통해 흐르는 동안에 활성의 콜로이드를 방출하는 고상의 크리스탈로이드 메트릭스이다. IPC(무기 중합체 크리스탈로이드)는 필터 실린더에 완전하게 용해되지 않는다. 용융 형태는 크리스탈로이드와 평형 상태인 수화층과 평형이다. 물이 흐르기 시작할 때, 실리카 콜로이드가 수화층으로부터 계량된다. 1 내지 2 파운등의 중간 베드가 베드를 다시 채움 없이, 평균의 가정에 경수 40 갈론당 40 그레인을 3 내지 4월 동안 공급한다. 유사한 IPC 중간 베드가 염화나트륨 또는 과망간산 칼륨 대신에 사용되어, 이온 교환 중간 베드를 재활성화시킨다. 중간 베드가 이온 교환 수지 탱크의 일측면에 부착되며, 하루에 약 20 분 동안, 수지가 IPC 필터 베드로 부터의 실리카 콜로이드로 역세척된다. 혼합 중간 베드를 사용하는 경우에(예를 들어, 양이온 및 음이온), 이는 Ca++, Mg++, SO4 2, NO3 -, Fe2 +및 Mn2 +등을 제거한다. 철 및 망간이 수지 베드에 이어지는 라인의 IPC 필터를 교체함으로써 제거된다. IPC가 Fe++및 Mn2 +를 제거한다. 혼합 수지 베드가 원하지 않는 Ca++, Mg++, SO4 2및 NO3 -를 제거한다. 수지 베드의 역세척은 양이온 부위를 재활성화시키느데, 이는 실리카 콜로이드가 Ca++및 Mg++에 대해 가지는 고친화성 때문이다. 또한, SO4 -및 NO3 -가 폐기물로서 역세척으로 제거되는데, 이는 콜로이등의 수지 베드상의 음이온 부위에 대한 고친화성 때문이다.
Ca++, Mg++및 철이 제거됨에 따라, 유용한 음성 부위가 물내의 수소 이온을 끌어들이고, 이와 결합하며, IPC의 합성중에 적정이 발생함에 따라 제거된 산에 의해 수소이온이 또한 제공된다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은 수산화나트륨 또는 수산화칼륨과 같은 강한 알칼리 용액중에서 이산화규소(모래)를 용해시키므로써 개시된다. 수산화칼륨이 사용되는 경우, 보다 조밀하게 결합된 생성물이 형성된다. 모래, 알칼리 및 물은 1000℃보다 높게 가열된다. 혼합물은 3 내지 4 몰의 알칼리(NaOH 또는 KOH) 중의 27중량%의 실리케이트이다. 활성 성분은 Si(OH)4이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실리카 콜로이드 중합체에 의해 형성된 입자는 시트르산삼칼륨을 반응 혼합물에 첨가하므로써 안정화된다. 본 발명에서 시트르산칼륨 대신에 시트르산나트륨을 사용하는 경우, 활성이 불량하고 안정하지 않은 생성물이 형성된다. 칼륨은 본 발명의 3차원 콜로이드 합성에 중요하다. 최종 용액의 농도는 시트르산칼륨이 5000ppm 용액중에서 약 0.01몰/l이다. KOH가 반응 혼합물에 사용되는 경우, 보다 안정한 고체 물질이 형성될 것이다. 도 3은 다용도이고 매우 활성인 콜로이드를 도시한 것이다. 도 4는 일반적인 실리카 콜로이드 상에 결합된 물의 일반적인 이중층을 도시한 것이다. 본 발명의 콜로이드는 결합수의 약 20개 층을 가지는 것으로 추정된다. 도 5는 표준 활성화 방법에서 실리카의 중합 작용으로 여겨지는 개략도이다. 본 발명의 콜로이드는 중합체의 분지화가 더욱 심화되어 있으면서 훨씬 더 조밀하다. 도 6은 35밀리마이크론 입자의 응집 단계를 보여주는 전자 마이크로그래프를 도시한 것이다.
도 6a는 고도의 결합수를 나타내는 본 발명의 콜로이드에 대한 전자 마이크로그래프이다.
도 7 및 8에는 본 발명의 발생기가 도시되어 있다. 본 발명의 발생기 작용에는 격납 수단(3)에 포함되며, 도관(2)을 통해 펌프(1)로 통하는 본 발명의 유체(5)를 취하는 펌프(1)를 수반한다. 펌프(1)는 평방 인치당 4 내지 10gpm의 속도 및 20lb 압력을 발생시킨다. 상기 언급된 압력 및 속도에서 유체는 도관(6)을 통해 흘러 도관 수단(7)에 유입된다. 유체는 도관 수단(7)을 통해 흘러 홀(8)을 통해 도관(1" 파이프) 수단(13)을 통해 배출되고, 이후, 유체는 반대 방향으로 흐르고, 홀(9)를 통해 배출되어 배출되고, 다시 도관(1.5" 파이프) 수단(14)을 통해 방향을 전환한다. 유체는 오리피스(10)를 통해 도관 수단(14)에서 도관 수단(15)으로 배출되고, 이 유체는 챔버(11)로 유입되고, 도관(12)을 통해 적합한 발생기에서 배출되어, 도관 수단(4)을 통해 격납 수단(5)으로 되돌아간다.
도 8은 본 발명의 자기 부스터의 기능 및 위치를 도시한 것이다. 본 발명의 역류 장치를 통한 고속 연장 흐름은 역류 공정에서 이동하는 인접 이동 하전된 콜로이드 입자상에 정전기적 전하를 발생시키는 다중 이방향 자기장을 발생시키는 역류 전하 효과로 인해 본 발명의 콜로이드를 발생시킬 것이다. 도 8의 자기 부스터 유닛(유닛 A, B 및 C)을 추가하는 경우, 정전기적 전하는 콜로이드 상에 보다 빨리 축적된다. 도 9로부터 알 수 있드시, 파이프 라인내에는 z축으로 다중 구배가 존재하며, 이러한 구배는 또한 x축 및 y축에 존재한다. 다중 구배 효과는 발생기가 물질을 계속적으로 처리하므로써 입자상에 축적되는 극적인 정전기 전하의 원인이 된다.
생성물의 제조에 대한 상세한 설명은 하기와 같으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 8갤론의 증류수가 격납 수단(5)에 부어진다. 물은 1시간 동안 4.5 내지 5gpm 및 20lb/in2으로 발생기 회로를 통해 순환한다. 규산나트륨을 발생기에 넣고, 4.5 내지 5gpm으로 계속해서 작동시킨다. 이 규산염을 20분이 지나서 적정한다(중량에 대해 SIO2의 중량을 기준으로 하여 총 5,000pppm의 규산염은 4.0몰 NaOH 중에서 27% 용액이다). 규산나트륨이 시스템에 채워진 후, 발생기를 1시간 동안 계속해서 작동시킨다. 약 2000g의 시트르산삼칼륨을 슬러리로서 20분 동안 혼합물에 첨가한다. 발생기를 동일 조건하에서 추가의 1시간 동안 작동시킨다. 이 시점에서 pH는 10.0을 초과한다. 용액을 계속해서 4.5 내지 5.0gpm에서 발생기를 통해 작동시키면서, 혼합물을 2.0 몰의 아세트산으로 10cc/분의 속도로 적정한다. 혼합물을 이후 최종 pH 7.6으로 적정하고, 추가의 1시간 동안 발생기를 통해 계속 작동시킨다. 이때 물질은 탁하고, 매우 농한 콜로이드(IPE)이다.
IPE를 스테인레스 스틸 트레이 2" X 18" X 24"에 붓는다. 트레이를 150℉ 내지 175℉의 배출구가 있는 건조 오븐에 배치한다(도 10). 상기 물질을 3일 동안 경화시킨다. 형성된 생성물은 밀도가 약 1.1 내지 1.2인 회백색 결정질이고, 증류수에서의 용해도는 6ppm이다. 결합된 물은 무향이고 맛이 없다(〉 50%). 이 시점에서의 물질이 유기 중합체 결정질(IPC)이다. 이를 플라스틱 백에서 70℉ 및 40 내지 60% 습도에서 경화되도록 하나, 온도 및 습도는 이로 제한되지는 않는다. 이는 도 11에서와 같은 상업적 또는 자치적 용도를 위해 다량으로 사용되는 경우에 벤(ben)을 경화시키는 조절된 온도 및 습도로 달성될 수 있다.
이러한 기술의 바람직한 구체예는 경도, 철, 나쁜 맛 및 냄새를 갖는 저질의 물에 대한 광범위 스펙스럼 처리에 있어서 기타 매질 베드와 조합된 것이다(도 12 참조). 바람직한 순서는 도관(20)을 통해 미가공 물을 흡수통(21)에 유입한다. 물은 물 격납 수단(22)에 하향으로 흐르고, 스트링이 감겨진 필터(20마이크론)(23)의 다공을 통과한다. 제거된 입자와 함께 물은 도관(24)를 통해 흡수통(25)로 그 아래 격납 수단(25)으로 그 위 탄소층(27)을 통해 흐른다. 약간 냄새, 맛 및 유기 살충제 및 구충제가 제거된다. 이후, 물은 도관(28)을 통해 천연 제올라이트를 함유하는 흡수통(29)으로 흘러나가고, 물은 격납 수단(30)에서 매질 격납 수단(31)으로, 그리고 제올라이트 층(32)을 통해 흐른다. 유출물은 어느 정도의 제거된 아질산염, 암모니아 화합물 및 경도를 갖는다. 물은 도관(33)을 통해 흡수기(34)로, 격납 수단(35)의 아래로, 카트리지(36)의 중심을 통해 위로, 그리고 IPC 필터층의 중심을 통해 위로 흘러 나간다. 코아는 플라스틱 실린더 골격 둘레에 미세한 메시 필터 스크린을 부착시키므로써 형성된다. 물이 필터를 통과하여 흐름에 따라 코아 IPC는 용해되고, IPE와 같이 스크린을 통해 배출된다. 실리카 콜로이드의 1ppm 물 농도는 칼슘, 마그네슘 및 철 뿐만 아니라 기타 (+) 이온도 높은 %로 결합시킬 것이다. 이러한 격리는 EDTA 적정에 의해 파괴될 수 없다. 따라서, 칼슘 적정의 EDTA 방법이 칼슘을 측정하는 데 사용되는 경우, 그 방법은 칼슘을 전부 검출하지는 못한다. 나쁜 냄새 및 맛의 오염물질 또한 격리된다.
이온 교환 중합체의 개선된 성능은 염 역류의 무기 중합체 일렉트릿(IPE)으로의 치환에 의해, 또는 이의 고체 형태(IPC)의 용리를 사용에 의해 얻어질 수 있다. "경수"로 기재된 경우, 한정적 정의가 결여되어 있다. 물 "경도"는 욕조 둘레에 찌기가 형성되는 경우에 보통 인지될 수 있다. 편의상, "경도"는 중탄산칼슘 및 중탄산마그네슘의 수준에 의해 측정되며, 이와 함께 전체 경도(TH)를 나타낸다. 균일한 경도를 달성하기 위해, 수질 협회 및 아메리칸 소사이어티 오브 애그리컬춰럴 엔지니어스(American Society of Agricultural Engineers)에서는 하기 표의 경도 수준을 채택하였다.
용어 그레인/갤론 Mg/l
연수 1.0 미만 17.0 미만
약간 경수 1.0 내지 3.5 17.1 내지 60
중간 경수 3.5 내지 7.0 60 내지 120
경수 7.0 내지 10.5 120 내지 180
매우 경수 10.5 이상 180 이상
본 발명의 연화장치(도 14는 칼슘 및 마그네슘을 제거하는 양이온 교환 수지(4)의 베드를 포함하는 가압 용기(탱크)(3)로 이루어진다)는 연화작용을 하며, 별도의 용기는 IPC(11)를 저장하고, 재생에 용구되는 IPE 용액을 형성하기 위한 장치를 제공하며, 제어 밸브(1)은 재생 및 배급 사이클로 통해 IPE 부하된 물을 흐름을 유도한다. 술폰화된 폴리스티렌 공중합체 양이온 교환 수지가 가정에서 사업장의 물 연화장치에 거의 독점적으로 사용된다. 현재 배급되어 있으며, 본 발명의 대상인 유닛의 경험으로 황(H2S) 오염물질 74 그레인 물중에서 IPC 생성된 매질 베드는 염 재생 베드보다 오래 작용하고 보다 우수한 수질을 갖는다.
도 1의 분자 도식은 본 발명의 하전된 무기 중합체를 도시한 것이다.
IPE의 매우 강한 순음전하는 역류 물이 칼슘, 마그네슘 및 철을 격리시키도록 하며, 이로써 경도 인자를 역류 물에 전달하고, 이에 따라 중합체를 재활성화시킨다. 칼슘 이온은 활성 수지 부위 상의 IPE 칼륨 및 수소 이온에 의해 대체된다.
도 15는 보다 소형의 이온 교환 연화장치를 나타낸다. 물은 유입 파이프(12)를 통해 베드(23), 그리고 (22) 및 (21)로 흐른다. IPE는 양이온의 40%를 격리시킨다. 다라서, 세개의 작은 칼럼을 통한 통과는 양이온을 94% 제거할 것이며, 이에 따라 유출물(20)은 이온의 경도를 94% 제거할 것이다. 탈이온화된 저장 탱크(17)는 플로트(float) 밸브(18)가 흐름을 멈추게 할 때까지 흐를 것이다. 이 저장 탱크는 가득 충전되는 경우에 인서트(15)의 IPE를 여과하기 시작할 것이며, 재생 위한 준비를 할 것이다. 재생 사이클이 시작되면, 밸브(29), 밸브(25), 밸브(27), 밸드(28)이 폐쇄되고, 밸브(24)가 개방된다. 펌프(19)는 IPE 부하된 탈이온수를 수지층을 통해 역류 형태로 펌핑하기 시작한다. 상기 층은 저장기 물의 1/3을 분출시키고, 방출구(30)으로부터 방출시킨다. 재생의 제 2 단계는 밸브(29), (25)를 폐쇄된 채로 두고, 밸브(26, 27 및 28)을 개방시키는 것으로 포함한다. 이후, 펌프(19)를 작동시켜 세개의 수지층을 통해 IPE를 순환시킨다. 유체는 열류 세정기(도 16)를 통해 흘러 재생 과정 동안에 양이온이 제거된 상태를 유지시킨다. IPE 부하된 물은 도관(33)을 통해 세정기에 유입된다. 이후, 다공 크기가 10Å 미만인 반투과성 막으로 라이닝된 다공성 도관(32)에서는 이미 세정된 유출수가 흐른다. 이러한 역류 흐름은 반투과성막(Ca++및 Mg++에 대해서는 투과성이나, IPE에 대해서는 비투과성)을 통한 확산 및 역류 흐름에 의해 경수의 세정을 가능하게 한다. 도 17은 IPE에 의해 칼슘 이온의 격리를 나타낸 것이다. IPE는 칼슘 스케일(scale)에 부착되고 이로써 이 스케일에 음전하를 부여한다. 음전하 스케일은 이후 설치 또는 파이프 라인의 표면에 대해 반발한다.
지구상의 점증적인 수질오염 및 현재의 뒤쳐진 수질 기법으로 인해, 사용의 관점에서 뿐만 아니라 산업상 및 자치 사용을 위해 신뢰성있고, 신속하고 비교적 저렴한 물의 완전한 정제 방법에 대한 요구가 있는 실정이다.
본 발명의 처리 기술은 표준 역삼투(RO) 경수 및 막으로 이루어진 기법을 사용한다(도 18). RO 유닛은 IPE용 주입구 및 화학약품 공급 펌프가 정상적인 공급수 유입구 바로앞에 부가된다는 점에서 변형된다. 구체예의 표시된 형태에 대한 자세한 설명은 첨부물을 참조한다[참조: 독점적 첨가제의 사용 -"IPE"(무기 중합체 일렉트릿) - 역삼투막 수행력 증진용(Use of a Proprietary Additive- "IPE"(Inorganic Polymer Electret) for RO(reverse osmosis) membrane performance enhancement)].
도 19는 역삼투의 기본 원리 및 IPE가 스케일링으로부터 막을 보호하는 메카니즘을 도시한 것이다. 스케일링은 막으로의 탄산칼슘 및/또는 탄산마그네슘의 결합에 수반된다(주로 공급수 측에). IPE는 칼슘을 격리시키고, 이에 따라 음전하 막에 음전하를 제공하고, 이로써 축전된 스케일에 스케일링 및 탈스케일링을 방지한다. 도 20은 산업상 역삼투 플랜트에서의 IPE 공급 라인의 제안된 배치도이다.
독점적 첨가제의 사용 -"IPE"(무기 중합체 일렉트릿) - 역삼투막 수행력 증진용
서론
본 보고서는 물 판매시에 역삼투의 효율을 증진시키고, 비용을 감소시키는 데 적용할 수 있는 두가지 상이한 RO 막 부재의 제한적인 평가를 제시한 것이다.
배경 기술
본 실험에 사용된 기술은 조작가능한 순 전하를 가지는 천연 콜로이드 상태의 독점적 무기 중합체인 IPE이다. 이 기술은 기능에 있어 활성이고 부동인 RO 막의 증진에 효과적일 수 있으며, 효과적이었다.
물질 및 방법
a) 시험 셋업 및 PSRO를 위한 방법
이 시험은 PSRO(폴리술폰 역삼투)형 부재가 장착된 250 시리즈 RO 시스템에서 수행하였다. 공급수는 약 1300mg/l의 탄산칼슘을 함유하는 웰의 물을 3.33 내지 4.0mg/l의 탄산칼슘의 수준으로 처리하여 얻었다. 이후 공급수를 외부 펌프를 통해 250 시리즈 시스템에 공급하였다. 250 시리즈 시스템은 IPE용 주입구 및 화학약품 공급 펌프가 정상적인 공급수 유입구 바로앞에 부가된다는 점에서 변형된다. 시스템을 유입량을 분당 2.05 내지 2.25 갤런으로 하면서 회수 밸브를 최대 회수 위치로 작동시켰다. 펌프 및 리젝트용 시스템의 작동 압력은 IPE 공급 동안에 180 psi 내지 비IPE 공급 기간 동안에 195psi으로 작동시켰다. 샘플을 공급수 및 생성수에 대해 매 약 15분 마다 빼냈다. 마이론(Myron) L EP 전도도 측정기를 사용하여 전도도를 측정하였다. 탄산칼슘 수준은 "표준 방법" 314B에 대해 EDTA 적정 방법으로 구하였다. PSRO 막의 시험 개시 직전에 5% NaCl 용액 15ℓ를 사용하여 재생시켰다. IPE 주입은 다른 인자를 조정하지 않고 대략 70분에 시작하였다. 공급 스트림에 주입된 IPE를 분당 약 1ml의 양으로 주입하였다. IPE의 농도는 활성 물질의 15,000ppm 이었으며, 이는 막에 도달하는 물에서의 17.8ppm에 상응한다.
b) 시험 셋업 및 TFC 방법
시험은 TFC 폴리아미드 성분이 구비된 250 시리즈 RO 시스템(US 필터 번호 CDRC 025 SI ＆ SH)으로 수행하였다. 공급수는 웰로부터 칼슘 수준을 1300mg/l(76 그레인 경도) 이하로 하여 얻었다. 이후, 물을 처리된 물로 희석하여 다양한 수준의 경도를 얻었다. 공급수를 40 내지 60psi로 가압하여 외부 펌프를 통해 250 시리즈 시스템에 공급하였다. 250 시리즈 시스템은 IPE용 주입구 및 화학약품 공급 펌프가 정상적인 공급수 유입구 바로앞에 부가된다는 점에서 변형된 것이다. 시스템을 유입량을 분당 2.1 내지 3.2 갤런으로 하면서 회수 밸브를 최대 회수 위치로 작동시켰다. 펌프 및 리젝트용 시스템의 작동 압력은 비IPE 공급 기간 동안에 180 내지 195psi으로 작동시키고, IPE 공급 동안에는 175로 강하시켰다. 샘플을 공급수 및 생성수에 대해 일정 간격으로 빼냈다. 마이론 L EP 전도도 측정기를 사용하여 전도도를 측정하였다. 탄산칼슘 수준은 "표준 방법" 314B에 대해 EDTA 적정 방법으로 구하였다. 20 내지 76 그레인의 경도의 물을 시험에 사용하였다. IPE를 여러 속도로 정상적으로 주입하나 거의 10ml/분으로, 덩어리로 500ml 이하로 주입하였다. 외견상으로만 적합한 작은 덩어리의 주입으로 인해, 지속적인 공급은 대부분의 시험에서 사용되지 않았다. IPE의 농도는 활성 물질의 5,000ppm 이었다.
결과:
하기 두가지 실험의 결과는 표 및 그래프 형태로 제시된다.
a) RSRO 막 결과
도 1은 상기 방법 부분에 기재된 시험으로부터의 그래픽 형태로 감소된 선택된 데이타의 포인트를 나타낸 것이다. 공급수에 대한 곡선으로부터 알 수 있드시, 공급되는 칼슘 농도는 4mg/l였다. 이 농도는 IPE를 첨가하기 직전에 0.33mg/l로 떨어졌다. 이러한 변화는 사용된 대형 혼합 탱크내에서의 혼합으로 인한 것으로 여겨졌다. 전도도 거부는 막이 5% 염화나트륨 용액으로 재생된 직후에 92%였다. 이러한 높은 거부율은 공급수 유량이 2.25gpm에서 약 27분 동안 지속되었다. 이후 막이 파손되기 시작하여 50분이 지나 575로 강하되었다. IPE가 17.8ppm에서 첨가되었을 때, 거부율은 80분에 83%로 회복되었고, 이 거부율로 유지되었다. 막을 5% 염화나트륨 용액으로 재생시킨 후, 칼슘 거부율은 67%였다. 막에서의 거부율은 저하되어, 칼슘 거부율은 23%로 강하되었다. IPE가 첨가되었을 때, 칼슘 거부율은 85%로 회복되었다. 막이 파괴됨에 따라, 회수율은 저하되었지만, 90분 후에 원래 회복율로 회복되었다. 표 1에서는 막의 파괴와 IPE에 의한 온-라인 재생 및 보호를 입증하는 선택된 데이타 포인트를 나타낸 것이다. 표 2는 실험으로부터 모든 데이타 포인트의 이해하기 쉽게 기재한 것이다.
b) TFC 막 결과
도 2는 IPE 및 5,000ppm IPE의 500ml 덩어로로 노출된 막에 3.2gpm의 흐름을 유도하는 데 요구되는 압력을 도식화한 것이다. 공급수는 연화되지 않았으며 72 그레인의 경도를 포함하였다(1231mg/l Ca). 도 3은 동일한 72 그레인 경도의 공급수로 처리한 IPE로 충전된 동일 막으로부터의 데이타를 도식화한 것이다. IPE의 덩어리가 막에 노출되었을 때, Ca++의 mg/l는 6.6에서 2.2로 강하되었다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 칼슘 거부율은 약 99.5%에서 약 99.8%로 증가하였다.
(표 1)
PSRO 시험
갤론 공급 농도 칼슘 거부율 전도도 거부율 첨가된 IPE의 양
22 0.233그레인, 4mg/l, 18μS 65% 91.6% 0
91 0.233그레인, 4mg/l, 18μS 35% 66% 0
177 0.195그레인, 3.33mg/l, 76μS 72.9% 82.9% 17.8ppm
220 0.195그레인, 3.33mg/l, 76μS 80% 85% 17.8ppm
첨가된 IPE는 반드시 특정 투여량이지 않아도 무방하나 본 특정 시험에서는 단순히 임의의 양을 선택하였음을 유의한다.

Claims (21)

  1. 물질이 통과하면서 장치에 발생되는 독특한 자기장 구배를 사용하여 무기 중합체 일렉트릿을 콜로이드 상태로 생성시키는 방법 및 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 핵에서는 양전하를 띠고, 외표면에서는 음전하를 띠어 이극성임을 특징으로 하는 콜로이드 실리카 입자를 생성하기 위한 방법 및 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 입자가 순음전하를 가짐을 특징으로 하는 콜로이드 실리카 입자를 생성하기 위한 방법 및 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 입자 크기, 전하, 균일성, 조도, 수화 및 3차원 구조를 조절할 수 있음을 특징으로 하는 콜로이드 실리카 입자를 생성하기 위한 방법 및 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 전하가 광범위한 적용에 대해 재생가능한 형태로 조작될 수 있음을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 무기 중합체의 형태로 무기 콜로이드 실리카를 함유하는 일정 균일한 수용액을 생성시키기 위한 방법 및 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 무기 중합체가, 칼륨을 생성 유체에 첨가하여 목적하는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 3차원 하전 구조가, 정전기장에서 합성되므로써 전하를 하전시키는 정전기장을 발생시키는 특정 방법에 의해 생성됨을 특징으로 하여 콜로이드를 수성 콜로이드 실리카 현탁액의 형태로 생성시키기 위한 방법 및 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 역류흐름 장치를 통해 조절된 속도 및 pH 조정으로 하전된 용액을 순환시키므로써 콜로이드 입자가 전기적으로 하전되는 방식으로 용액이 혼합됨을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 입자(중합체)가 pH를 조정함에 따라 성장하고, 급격한 구배의 장기장을 통과하므로써 하전됨을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 하전된 유체의 다중층이, 각각의 층이 자력 선속장을 발생시키므로써 유체의 인접층에 정전기 전하를 발생시키도록 역류 챔버에서 이동함을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 자기 구현이 대칭적인 3차원 자계 구배를 달성시킴을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 자기 구현이 자기 하전된 중심 둘레에서 보다 잘 달성되나 이에 제한되지는 않음을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 사실상 두개의 평행면에 적어도 두개의 포지티브 및 네가티브 자기 프로우브를 가지는, 각각의 장치에서의 다수의 중심 하전된 정적 자기체를 압축시킴을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 자기극이 방형의 4개 정점을 정의하도록 배위됨을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 두개의 양극이 마주하는 대각 정점을 정의하고, 두개의 음극이 방형의 해당하는 대각 정점을 정의함을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 각각의 자기극이 반대로 하전된 극에 의해서는 자기적으로 유인되고, 동일 하전극에 대해서는 자기적으로 반발됨을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 장치의 각 단부상의 두개의 반대로 하전된 극이 인접하며 평행한 면을 가지도록 됨을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 배열이 마주하는 대각 정점 사이에 유도된 라인의 교차점에서 자기 공백을 발생시킴을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 무효 포인트가 발생기 도관의 내부에서의 급격한 대칭적 3차원 자계 구배를 발생시키는 데 필수적임을 특징으로 하는 방법 및 장치.
  21. 제 1 항에 있어서, 산 매질의 압류 및 적정량을 조절하도록 제어되는 컴퓨터일 수 있는 장치를 제공함을 특징으로 하는 방법 및 장치.
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