KR20100084614A

KR20100084614A - 탈이온화 시스템의 일부인 다공성 전극으로부터 이온들을 제거하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100084614A
Application number: KR1020107003489A
Authority: KR
Inventors: 리차드 엘. 후버; 브라이언 비. 엘슨; 브라이언 씨. 라지; 피터 노먼
Original assignee: 더 워터 컴퍼니 엘엘씨
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-07-27
Also published as: WO2009012427A1; US20090045074A1; EA201070125A1; EP2180949A1; CN101790419A; MX2010000720A; AU2008275924A1; CA2693148A1; JP2010533587A; EP2180949A4

Abstract

탈이온화 장치에서 사용되는 전극은 입상 형태이고, 제 1 면 및 제 2 면에 의해 정의되는 층 내에 배치되는 전도성 재료를 포함한다. 전극은 제 1 면에 대향하여 배치되는 기판, 및 제 2 면에 대향하여 배치되는 제 1 부재를 포함하며, 상기 제 1 부재는 유체가 통과하여 입상 전도성 재료에 의해 이온들의 흡수를 허용하도록 입상 전도성 재료와 접촉하게 형성된다.

Description

탈이온화 시스템의 일부인 다공성 전극으로부터 이온들을 제거하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REMOVAL OF IONS FROM A POROUS ELECTRODE THAT IS PART OF A DEIONIZATION SYSTEM}

본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서, 2007년 7월 18일 제출된 Apparatus and Method for Removal of Ions from a Porous Electrode that Is Part of a Deionization System이라는 제목의 임시 특허 출원 일련번호 제 60/950,594호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.

본 발명은, 일반적으로 물과 같은 유체들로부터 이온들을 제거하고, 유지하며, 산화시키고, 오염물들 및 불순물들을 감소시키는 전극 및 다른 수성 공정 스트림(aqueous process stream)을 포함한 전기화학 분리 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 동일한 것을 이용하는 유체 처리 시스템(예를 들어, 탈이온화 시스템)에 관한 것이다.

폐수(water effluent) 등과 같은 유체 스트림으로부터 이온들 및 불순물들을 분리하기 위한 다수의 상이한 시스템들이 존재한다. 예를 들어, 종래의 공정들은 증류, 이온교환, 역삼투, 전기투석, 전착 및 필터링을 포함하며, 이에 제한되지는 않는다. 수년에 걸쳐, 폐수 등의 탈이온화 및 후속한 재생을 수행하는 다수의 장치들이 제안되었다.

폐수의 탈이온화 및 정화를 위해 제안된 한 장치가 U.S. 특허 제 6,309,532호에 개시되어 있다. 분리 장치는 전기용량적 탈이온화(capacitive deionization: CDI)라고 칭할 수 있는 공정을 사용한다. 종래의 공정들에 비해, 이 기술은 탈이온화 공정 시 화학 약품을 필요로 하지 않으며, 오히려 이 시스템은 전기를 사용한다. 다양한 음이온 및 양이온, 전기 쌍극자들, 및/또는 대전된 부유 입자들을 포함하는 처리될 전해질의 스트림은, 탈이온화(정화) 사이클 동안 전기화학 전기용량적 탈이온화 셀들의 스택을 통과한다. 셀들 내의 전극들이 반대 전하의 입자들 또는 이온들을 끌어당겨, 이들을 용액으로부터 제거한다.

이에 따라, 시스템이 지류(water influent) 및 폐수들의 탈이온화 및 정화를 수행하도록 구성된다. 예를 들어, 일 형태의 시스템은 2 개의 상이한 형태들의 비-희생적(non-sacrificial) 전극들로 형성되는 복수의 탈이온화 셀들을 갖는 탱크를 포함한다. 일 형태의 전극은 특정한 디자인의 불활성 탄소 매트릭스(inert carbon matrix: ICM)로부터 형성된다. 이 전극은, 전류가 인가되는 경우 수용액으로부터 이온들을 제거하고 보유한다. 전도성 재료로부터 형성되는 다른 형태의 전극은, 전류가 인가되는 경우 이온들을 제거하지 않거나 더 적게 제거하므로, 비-흡수성("비-ICM 전극")인 것으로 분류된다. 이 특성은 탄소 직물, 그래파이트, 티타늄, 백금 및 다른 전도성 재료들로부터 형성된 전극들에 공통적이다. 비-ICM 탄소 전극은, 서로 전기적으로 절연되는 한 쌍의 전도성 표면들을 갖는다는 점에서 듀얼 전극(dual electrode)으로서 형성된다.

따라서, 일 실시예에서 상기 장치는 각각 평탄한 판의 형태로 다수의 전도성 비-희생적 전극들을 포함하며, 이는 반대 전하 쌍들에서 함께 탈이온화 셀을 형성한다. 작동 시, 한 쌍의 인접한 전극들 사이에 전압 전위가 확립된다. 이는 전압원의 한 리드선을 전극들 중 하나에 연결함으로써 달성되며, 또 다른 리드선은 상기 한 전극에 인접한 전극들에 부착되어 그 사이에 전압 전위를 생성한다.

안정적인 견고한 ICM 전극을 구성하기 위해, 높은 표면적의 흡수성 재료를 강화하도록 강화물(reinforcer)이 사용될 수 있다. 전형적으로, 강화물은 탄소 펠트, 입상 탄소 또는 탄소 섬유와 같은 탄소원의 형태이다; 하지만, 이는 탄소/섬유소 또는 탄소 실리카 혼합물의 형태일 수도 있다. 탄소원은 전극의 형성에 있어서 강화 조건으로서 사용되며, 상이한 형태로 사용될 수 있지만, 탄소 강화는 전기적으로 전도성이고 전극의 전기 전도도를 감소시키지 않는 것이 중요하다. 탄소원은 전극이 필요한 전도 특성들을 갖게 하도록 선택되며, 또한 ICM 전극을 형성하는 다른 재료들, 즉 레조르시놀-포름알데히드 용액(resorcinol-formaldehyde liquor)에서 완전히 소산된 후 세팅(set)되어야 하거나, 또는 매트릭스 내에 상기 용액의 유사한 양을 흡수한 후 세팅될 수 있다.

섬유 강화를 포함하는 종래 전극들의 비-균질성은 그 흡수성 및 전기적 특성들에 영향을 준다. 특히, 탄소 강화로서 탄소 섬유들의 사용은 이온들에 대한 부착 장소들을 더 적게 제공하며, 또한 전극은 양이온 및 음이온의 제거에 있어서 덜 균형적인 경향도 있다. 따라서, 종래의 섬유 강화를 사용하지 않으면서 견고하고 증가된 강화 특성들을 갖는 균질한 전극을 생성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 출원은 동시계류중인 U.S. 특허 출원 일련번호 제 60/827,545호(이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조됨), 공정 용수 및 공장 폐수와 같은 지류 또는 폐수들의 탈이온화 및 정화를 위한 시스템 또는 장치, 및 특히 탄소-섬유 기반 강화를 필요로 하지 않는 비-희생적 전극(a system or apparatus for the deionization and purification of influents or effluents, such as process water and waste water effluents and more paricularly, a non-sacrificial electrode that does not require carbon-fiber based reinforcement)에 개시되었다. 그 대신, 전극은 다공성 구성을 갖도록 입상 전도성 탄소 재료 전극으로 형성된다. 입상 전도성 탄소 재료는 처리될 유체와 접촉하게 되는 층 내에 배치된다. '545 출원에서 설명된 바와 같이, 유체 처리 공정은 재생 공정 또는 사이클 동안 전극들이 재생되기 전에 다수의 전방향 탈이온화 작동들 또는 사이클들을 수행하는 단계를 수반한다. 재생 공정이 요구되거나 필요한 경우의 타이밍은, 처리되는 유체의 형태, 전방향 처리 사이클의 길이 등을 포함한 다수의 상이한 파라미터들에 따른다. 탈이온화 시스템에서, 입상 전도성 탄소 재료의 한 층 또는 더미(collection)는 음이온으로서 작용하고, 입상 전도성 탄소 재료의 또 다른 층 또는 더미는 양이온으로서 작용한다. 하지만, 시간이 지남에 따라, 또한 양이온 및 음이온 전극들의 다공성 성질로 인해, 각각의 이온들은 양이온 및 음이온 모두의 입상 전도성 탄소 재료 내에 축적(build up)될 수 있다. 본 출원은, 간극 유체(interstitial fluid)의 형태의 이러한 이온 축적이 시스템의 성능 및 탈이온화 공정의 효과에 악영향을 줄 수 있다는 것을 발견하였다.

본 발명의 일 실시형태에서, 탈이온화 장치에서 사용되는 전극이 제공된다. 전극은, 입상 형태이고 층 내에 배치되는 전도성 재료를 포함한다. 전극의 제 1 면에 대향하여 기판이 배치되고, 전극의 제 2 면에 대향하여 유체 침투성 부재가 배치되며, 이는 처리될 유체가 유체 침투성 부재를 통과하고 입상 전도성 재료와 접촉하게 하도록 형성된다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 입상 전도성 재료는 복수의 입자들로 처리되는 탄화된 형태로 중합 단량체(polymerization monomer); 가교제; 및 촉매, 및 선택적으로 그 반응 생성물들을 포함한다. 선택적으로, 중합 단량체는 디하이드록시 벤젠; 트리하이드록시 벤젠; 디하이드록시 나프탈렌 및 트리하이드록시 나프탈렌으로 구성된 그룹으로부터 적어도 1 이상의 재료, 푸르푸랄 알코올 및 그 혼합물을 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시형태에서, 탈이온화 장치에서 사용되는 앞서 설명된 형태의 반대로 대전된 전극들을 재생하는 방법이 제공된다. 음으로 대전된 입상 전도성 재료 및 유체를 포함하는 제 1 슬러리(slurry)가 형성되고, 이는 제 1 리셉터클(receptacle) 내에 배치된다. 제 1 슬러리는 음으로 대전된 입상 전도성 재료로부터 양이온들을 제거하도록 처리된다. 그 후, 제 1 슬러리는 양이온 제거 이후에 배수된다. 양으로 대전된 입상 전도성 재료 및 유체를 포함하는 제 2 슬러리가 형성되고, 제 1 리셉터클 내에 배치된다. 그 후, 제 2 슬러리는 조합된 슬러리들을 형성하도록 제 1 슬러리를 통해 배수된다. 조합된 슬러리들에 물이 추가되고, 이는 혼합된 슬러리를 형성하도록 가열 및 혼합되며, 모든 유체가 배수된다. 혼합된 슬러리에 처리된 물이 추가되며, 이는 가열되고 모든 물은 배수되어 전극으로의 반환을 기다리도록 압력 베슬(pressure vessel)로 전달된다.

선택적으로, 사전설정된 범위 내의 pH를 갖는 용액을 형성하기 위해 제 1 슬러리에 산이 추가될 수 있다. 제 1 용액은, 산이 반응된 후에, 또한 제 1 슬러리에 제 2 슬러리를 추가하기 전에 배수된다.

본 발명의 또 다른 실시형태에서, 포함한 유체의 탈이온화를 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 본 발명에 따라 구성된 다수의 전극들 및 처리 탱크를 포함한다. 전극들은 바람직하게는, 적어도 전극들의 일부가 인접한 전극들의 기판들과 서로 마주하여 배치되고, 적어도 전극들의 일부가 제 1 부재들과 서로 마주하지만 탈이온화될 유체를 수용하도록 이격되어 배치되도록 처리 탱크의 내부에 배치된다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은, 다음 도면들과 관련하여 설명되는 다음 상세한 설명으로부터 나타날 것이다.

본 발명의 실시예들을 나타내는 다음의 상세한 설명 및 도면들로부터, 본 발명의 앞서 언급된 특징들 및 다른 특징들이 더 쉽게 나타날 것이다:
도 1은 유체 처리 루프 및 재생 루프를 포함하는 탈이온화 시스템과 같은 유체 처리 시스템의 개략적인 다이어그램;
도 2는 복수의 전극들이 배치되어 있는 유체 처리 탱크의 단면도;
도 3은 유체 처리 탱크에서 사용되는 하나의 전극의 측면 사시도;
도 4는 전극들 사이에 정의되어 있는 유체 채널을 갖는 한 쌍의 전극들의 측입면도;
도 5는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 산성/가성(caustic) 추출 시스템을 갖는 전극 셀의 단면도;
도 6은 본 발명의 이온 제거 시스템을 포함하기 전에 유체 처리 시스템의 성능을 나타내는 그래프들;
도 7은 본 발명의 이온 제거 시스템을 갖는 유체 처리 시스템의 150 번의 실행(run)에 걸친 성능을 나타내는 그래프들; 및
도 8은 본 발명의 이온 제거 시스템을 갖는 유체 처리 시스템의 150 번의 실행에 걸친 성능을 나타내는 그래프들이다.

전도성의 다공성 탄소 재료(예를 들어, 입상 탄소 재료)로 형성되는 개시된 다공성 전극은 물의 탈이온화 시스템의 구성요소로서 유용성을 갖지만, 본 발명은 이 특정 형태의 적용에 제한되지는 않으며, 물 스트림 이외의 유체들의 처리에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 탈이온화 단계를 포함하는 증류 공정들을 포함한 화학 처리들도 본 발명의 시스템 및 방법에 적절한 적용들이다. 또한, 이와 유사하게 본 발명에 따른 이온 제거(산성/가성 추출) 시스템은 물의 처리를 넘어 더 특정한 다른 적용들을 가지며, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 이온 제거 시스템은 다공성 전극이 사용되는 여하한의 액체 탈이온화 처리 공정에서 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 예시적인 전기화학 분리 시스템(100)이 예시되고, 전도성 탄소 재료들로 형성되는 전극들(200)의 사용을 포함하며, 특히 전극들은 다공성 구조를 갖고 전극 자체를 형성하는 다공성 재료(입자들) 사이에 간극 공간들(영역들)을 포함하는 방식으로 형성된다.

예를 들어, 전기화학 분리 시스템(100)에서 사용되는 1 이상의 전극들(200)은, 전도성 탄소 재료의 재료 특성들로 인해 전극이 간극 공간들을 포함하는 한 어떠한 전도성 탄소 재료로도 형성될 수 있다. 적절한 전도성 탄소 재료들은 활성 탄소, 그래파이트 화합물, 탄소 나노튜브 재료, 또는 출원인의 '545 출원에 개시되는 입상 전도성 탄소 재료를 포함하며, 이에 제한되지는 않는다.

일 실시예에 따르면, 전기화학 분리 시스템(100)은 물, 유체, 및 다른 수성 또는 극성 액체 공정 스트림, 및 그 적절한 적용들로부터 대전된 입자들, 이온들, 오염물 및 불순물을 제거하는 다수의 비-희생적 전극들(200)을 포함한다. 전극(200)은 특히 다수의 병렬 배치된 직립형(upstanding) 전극들(200)을 포함하는 탈이온화 시스템(100)에서 사용하기에 적절하다. 시스템(100)은 단일 형태의 전극을 포함할 수 있으며, 또는 시스템(100)은 교번하는 패턴으로 시스템 내에 배치된 1 이상의 형태의 전극(200)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 탈이온화 방식에 따르면, 단일 형태의 전극은 인접한 전극들이 반대 전하의 입자들을 끌어당기기 위해 반대로 대전되도록 사용되고 배치된다. 예시된 시스템은 본 발명의 전극의 하나의 사용예만을 예시하며, 다른 탈이온화 적용들뿐 아니라 다른 형태들의 적용들을 포함하여 전극에 대한 다른 사용예들이 매우 많이 존재한다는 것을 이해하고 인지할 것이다.

전극(200)은, 유체가 반대로 대전된 이온들, 입자 등을 끌어당기는 대전된 표면적을 이용할 수 있도록 플로우-스루(flow-through), 플로우바이(flow by) 또는 뱃치(batch) 시스템 구성으로 사용될 수 있다. 또한, 전극의 주변에 구조적 지지를 제공하기 위해, 전극(200) 주위에 프레임이 배치되는 것도 가능하다.

시스템은 다수의 상이한 방식으로 구성될 수 있으며, 전극들은 장치 내에서 여하한 수의 상이한 패턴들로 배치될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 U.S. 특허 제 5,925,230호; 제 5,977,015호, 제 6,045,685; 제 6,090,259호; 및 제 6,096,179호는 전극들이 포함되어 있는 적절한 장치들을 개시한다. 앞서 설명된 바와 같이, 일 실시예에서 시스템은 각각 탈이온화 셀을 함께 형성하는 부재들이 배치된 구조체의 형태인 다수의 전도성 비-희생적 전극들을 포함한다. 작동 시, 인접한 전극들의 일 세트 사이에 전압 전위가 확립된다. 이는 전압원의 한 리드선을 전극들 중 하나에 연결함으로써 달성되며, 또 다른 리드선은 상기 한 전극에 인접한 전극들에 부착되어 그 사이에 전압 전위를 생성한다. 이는 인접한 전극들이 반대로 대전되게 할 수 있다. 하지만, 앞서 언급된 전극의 실시예는 성질에 있어서 단지 예시적이며 본 발명을 제한하지 않으므로, 본 발명이 서로에 대해 배치되는 전혀 다른 부재들 또는 재료들로 형성된 전극뿐만 아니라 다수의 디자인들을 갖도록 제조될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

전극(200)이 입상 전도성 탄소 재료로 이루어지는 경우, 이는 출원인의 '545 출원에 상세하게 설명된 단계들에 따라 형성될 수 있으며, 또한 바람직하게는 형성된다. 다시 말하면, 중합된 프리폼(pre-form)이 먼저 만들어진 후, 최종 전극에서 사용되는 전도성 탄소 재료를 형성하도록 탄화되고 처리된다. 이 형태의 전극(200)은, 탄소 펠트, 종이, 또는 섬유 또는 탄소/섬유소 혼합물과 같은 섬유 강화물- 이는 전형적으로 탄소원의 형태임 -의 사용을 필요로 하지 않도록 형성된다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "입상 전도성 탄소 재료" 및 "입상 전도성 재료"라는 용어들은 탄화된 블랭크 재료를 분쇄한 것일 수 있는 미립자 물질(particulate matter)을 칭하거나, 또는 이는 또 다른 탄소-기반 미립자 전도성 재료일 수 있다. 바람직한 입상 전도성 탄소 재료들은, 전기장에서 희생적이지 않고 물에서 용해되지도 않는 재료들이며, 전기적으로 대전되는 경우 용액으로부터 이온들을 제거하는 능력을 나타낸다.

일 실시예에서, 입상 전도성 탄소 재료는 먼저 탄화된 흡수성 재료를 생성한 후 그것들을 더 작은 입자들로 부수어지도록 처리함으로써 형성되지만, 또 다른 실시예에서는 물을 탈이온화하는데 필요한 특정한 특성들을 갖는 입상 전도성 탄소 재료가 상업적으로 구입된 후 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 결과로서, 소정 활성 탄소들 및 심지어 유리 탄소(glassy carbon) 구조체들이 소정 적용들에서 만족스러운 결과들을 생성할 수 있다. 또한, 탄화되어 입상 전도성 재료로서 몇몇 적용들에서 사용될 수 있는 파우더 또는 입상 형태로 부수어질 수 있는 코코넛 쉘 또는 석탄 기반 활성 탄소들과 같은 전기적으로 전도성인 촤(char)들을 형성하는 다른 재료들이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

하지만, 전극(200)을 형성하기 위한 입상 전도성 탄소 재료의 사용은 간극 공간들 및 앞서 나열된 바와 같은 다수의 다른 재료들을 갖는 전극을 형성하는 단지 하나의 기술이며, 처리 기술들은 다공성 구조를 갖는 전극(200)을 형성하는데 사용될 수 있다는 것을 명확히 이해할 것이다.

전극(200)은, 전류가 인가되는 경우 액체로부터 이온들을 제거하도록 구성되는 탈이온화 시스템에서 이용되는 흡수성 전극 구조체의 일부로서 기능하는 전기적으로 전도성의 균질한 다공성 탄소 구조체이다.

앞서 언급된 바와 같이, 입상 전도성 탄소 재료로 구성되는 경우의 전극(200)을 제조하는 단계들 및 작동 조건들이 출원인의 '545 출원에서 상세히 개시된다.

하나의 예시적인 전극(200)은, 서로에 대해 배치되는 3 개의 부재 또는 재료 또는 층, 즉 기판(210), 앞서 설명된 입상 전도성 재료와 같은 다공성의 전도성 탄소 재료로 형성되는 부재(220), 및 방벽 부재(230)로 형성되며, 전도성 탄소 재료(220)는 기판(210)과 방벽 부재(230) 사이에 배치된다. 전극(200)은 여하한 수의 상이한 형상들 및 크기들을 취할 수 있으며, 또한 일 실시예에 따르면; 전극(200)은 정사각형 또는 직사각형이다. 하지만, 이 형상들은 성질에 있어서 단지 예시적이고 설명에 도움을 주기 위한 것이며, 여하한 수의 다른 규칙적이고 불규칙적인 형상들이 사용될 수 있다. 전극(200)은, 처리(예를 들어, 탈이온화)를 위한 유체(예를 들어, 폐수)가 도입되는 유체 처리 탱크의 형상 및 치수들 각각에 대해 상보적(complementary)인 형상 및 치수들을 갖는다.

부재들(210, 220 및 230)의 두께들은 동일할 수 있지만, 상기 부재들은 전형적으로 상이한 두께들을 갖는다는 것을 이해할 것이다.

전극(200)은, 일반적으로 전극(200)의 저부 에지(201)가 일 실시예에 따른 탱크의 바닥에 대향하여 위치되도록 유체 처리 탱크의 내부에 직립식으로 배치된다. 부재들(210, 230)은 둘 사이에 다공성의 전도성 탄소 재료를 수용하는 공간을 제공하기 위해 사전설정된 간격을 가지면서 직립식으로 장착되도록 탱크의 내부에 고정 장착될 수 있다. 이 실시예에서, 전극(200)의 측면들은 유체 처리 탱크의 각 측면들에 면하고 마주한다. 전극들(200)은 전극들(200)에 의해 유체를 처리하는 탱크로 도입되는 유체에 대해 다수의 상이한 유동 경로들을 정의하도록 다수의 상이한 방식으로 배치될 수 있다. 예시된 실시예에서, 복수의 전극들(200)은 서로 마주하는 인접한 전극들의 일 세트의 방벽 부재들(230)과 함께 유체 처리 탱크의 길이를 따라 나란히 배치되며, 한편 전극들(200)의 일부의 기판들(210)은 다른 전극들(200)의 기판들(210)과 마주한다. 다시 말하면, 전극들(200)은 한 쌍의 기판들(210)이 그 사이에 아래에서 설명되는 바와 같이 전극(200)을 압축하는 디바이스(260)를 수용하는 제 1 공간(240)(수직 공간 또는 수직 채널)을 형성한 채로 서로 마주하는 식으로 벽을 맞대어 쌍을 이루어 배치된다. 이 쌍의 방벽 부재들(230)은 전극들(200)의 2 개의 상이한 쌍들과 연계된 방벽 층들(230)을 마주하여, 마주하는 2 개의 전극들(200)의 방벽 부재들(230) 사이에서 처리되어 유체 처리 탱크 내로 도입되는 유체를 아래에서 설명되는 바와 같이 유동하게 하도록 제 2 공간(250)(수직 공간 또는 수직 채널)이 형성된다. 제 1 공간(240)의 폭은 제 2 공간(250)의 폭과 상이할 수 있다; 하지만, 이 치수들 간의 정확한 관계는 적용마다 다를 수 있다.

기판(210)은 층을 이룬 전극 구조체(200)에 대한 중추로서 제공되며, 여하한 수의 상이한 비-희생적 전도성 재료들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 그래파이트; 비-희생적이고 전기적으로 전도성인 강철 성분; 전도성 중합체, 에폭시, 플라스틱 또는 고무; 및 금, 은, 백금, 티타늄, 알루미늄 등과 같은 비-희생적이고 전기적으로 전도성인 여하한의 비-철 재료들로 형성될 수 있다.

처리 탱크의 상대 치수들 및 시간 단위당 탱크를 통과하는 유체의 양 등과 같은 처리 및 다른 파라미터들의 형태에 따라, 기판(210)의 물리적 및 전기적 특성들이 변할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 약 0.001 제곱 인치에서 10,000 제곱 인치 이상까지의 영역을 가질 수 있으며, 기판(210)의 폭은 약 0.001 인치에서 1 인치 이상까지일 수 있고, 기판(210)을 형성하는 전도성 재료의 벌크 저항(bulk resistance)은 약 0.1 밀리옴 내지 약 10 옴일 수 있다.

예시된 실시예에서, 기판(210)은 정사각형 또는 직사각형과 같은 여하한 수의 상이한 형상들 및 상이한 크기들일 수 있는 판과 같은 형태를 갖는다.

바람직하게는, 또한 일 실시예에 따르면, 각각의 전극들(200)은 균일한 전극 구성을 제공하기 위해, 동일한 치수들뿐 아니라 동일한 물리적 및 전기적 특성들을 갖는다.

전도성 탄소 재료가 '545 출원에 개시된 입상 전도성 탄소 재료의 형태인 경우, 입상 전도성 재료의 입자 크기는 바람직하게 일 실시예에서 약 1 내지 약 500 미크론이며, 일 예시적인 범위는 약 40 미크론 내지 약 120 미크론이다. 예를 들어, 입상 전도성 재료는 50 미크론보다 크지만 100 미크론보다는 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있으며, 또는 이는 약 100 미크론 내지 약 120 미크론일 수 있다. 따라서, 입상 전도성 재료는 정확한 입자 크기 및 작동 조건들에 따라 상이한 특성들을 갖는 자유 유동(free flowing) 파우더-형 물질로서 여겨질 수 있다.

부재(220)가 입상 전도성 재료의 형태이기 때문에, 이 재료는 높은 유동도를 가지며, 거기에 힘이 적용되는 경우 또는 중력 하에서 경로를 따라 쉽게 흐를 수 있다. 다시 말하면, 입상 전도성 재료는 매우 유동성이며, 이는 전극 재료(입상 전도성 재료)를 유체 처리 탱크로부터 쉽게 흘러 넘치게 한다. 특히, 물과 같은 유체로 형성된 슬러리 및 입상 전도성 재료(220)는, 재생 탱크에서 입상 전도성 재료(220)의 재생을 허용하고, 유체 처리 탱크 내에 포함되는 전극(200)의 부재(220)로 재생된 전극 재료를 다시 전달하게 하도록 재생 루프 내에서 쉽게 흐르는데 도움이 되는 다수의 상이한 점도를 가질 수 있다.

입상 전도성 재료(220)는 약 10 내지 약 100 ㎛Å의 범위 내에 있을 수 있는 연계된 구멍 크기를 가지며, 약 400 내지 약 1200 ㎡/g의 표면적(BET)을 가질 수 있다.

전극(200)의 부재(220)를 형성하기 위해 앞서 설명된 입상 전도성 탄소 재료 이외의 다른 재료들이 사용되는 경우에도, 이 재료들이 모두 어느 정도 유공성(porosity)을 가지며, 간극 공간들을 포함하는 다공성 구조체(부재; 220)를 형성한다는 것을 이해할 것이다.

방벽 부재(230)는, 제 2 공간(250) 내에서 흐르는 유체(예를 들어, 물)가 부재(220)의 전도성 탄소 재료를 통해 흐르고 이와 접촉하게 하는 다공성 재료로 형성되는 구조체를 포함하여 여하한 수의 상이한 형태들을 취할 수 있다. 또한, 방벽 부재(230)는 그리드형 패턴을 형성하기 위해 다수의 관통 개구부(through opening)들을 포함하는 시트로서 형성되는 비-다공성 재료(예를 들어, 폴리에틸렌; PE)로 형성될 수 있으며, 상기 유체는 이 개구부들을 통해 흐르고 부재(220)의 전도성 탄소 재료와 접촉한다.

방벽 부재(230)가 다공성 부재의 형태를 취하는 경우, 방벽 부재(230)는 제 2 공간(250) 내에 흐르는 유체가 부재(220)를 구성하는 전도성 탄소 재료를 통해 흐르고 이와 접촉하게 하도록 충분한 유공성을 갖는 한 여하한 수의 상이한 재료들로 형성될 수 있다. 부재(230)의 유공성은 적용마다 변할 수 있다; 하지만, 일 실시예에 따르면 부재(230)의 유공성은 약 1 ㎛ 내지 약 5000 ㎛이다. 다른 부재들을 이용하는 바와 같이, 방벽 부재(230)는 예를 들어 약 0.001 인치 내지 2.00 인치와 같은 상이한 폭들로 제공될 수 있다.

방벽 부재(230)는 전도성 탄소 재료 부재(220)의 한 면에 대향하여 배치되기 때문에, 입상 재료가 제 2 공간(250) 내로 이동하는 것을 방지하는 방벽으로서 작용한다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 입상 전도성 재료의 입자 크기 및 방벽 부재(230)의 구멍 크기는, 입상 전도성 재료가 방벽 부재(230)를 통해 형성된 구멍(개구부)들을 통해 이동하는 것을 방벽 부재(230)의 구멍 크기가 막도록 선택된다.

다공성 방벽 부재(230)는 여하한 수의 상이한 형태들의 다공성 재료들로 형성될 수 있으며, 이는 바람직하게 비-전도성이지만 필수적이진 않으며, 또는 방벽 부재(230)는 그리드형 구조체로서 형성될 수 있는 비-전도성 재료들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 방벽 부재(230)는 다공성 플라스틱(예를 들어, PE, 데를린, UHMW, HDPE, 나일론, 폴리카보네이트 등); 폴리에스테르, 나일론 등으로 형성된 메시(mesh); 비-전도성 탄소 폼; 비-전도성 세라믹 폼 등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 형성될 수 있다. 방벽 부재(230)는 전도성 탄소 재료로 형성된 구조체(220)를 보완하는 지오메트리를 갖는다.

또한, 방벽 부재(230)는 플라스틱 또는 인조 직물과 같은 구조체의 형태일 수 있으며, 벌집 구조와 같은 여하한 수의 상이한 구성들을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

작동 상태에서, 다공성의 전도성 탄소 재료(220)는, 느슨한 자유로운 다공성의 전도성 탄소 재료가 더 빽빽하게 정의된 층 또는 구조체를 취하게 하기 위해 다공성의 전도성 탄소 재료(220)에 사전설정된 압축력을 가하는 디바이스(260)가 제공되므로 압축된 형태 또는 상태에 있다. 압축되는 경우, 다공성의 전도성 탄소 재료의 부재의 두께는 감소되고, 예시적인 일 실시예에서 다공성의 전도성 탄소 재료의 부재(220)는 약 0.010 인치 내지 약 1 인치의 두께를 갖는다; 하지만, 이 값들은 단지 예시적이며, 특정한 적용에 따라 부재(220)는 이 범위 외의 두께를 가질 수 있다.

압축된 상태에서도, 다공성의 전도성 탄소 재료로 형성된 부재(220)는 여전히 간극 공간들을 갖는다.

전도성 탄소 재료는 전도성 탄소 재료에 대향하여, 또한 이에 대해 수평 방향으로 압력을 적용함으로써, 또는 수직 방향으로 압력을 적용함으로써 압축될 수 있다. 도 4에서, 화살표들(261)은 수평 방향으로 적용되고 있는 압축을 나타낸다.

디바이스(260)는 전도성 탄소 재료의 부재(220)에 양의 압력(압축력)을 적용하도록 구성되는 한 여하한 수의 상이한 형태들을 취할 수 있으며, 바람직하게 디바이스(260)는 부재(220)의 길이(높이)에 따라 양의 압력을 적용하도록 구성된다.

또한, 전도성 탄소 재료의 압축은 재료(부재 220)의 여하한 또는 모든 측면들로부터 일어날 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 2에 예시된 바와 같이, 2 개의 마주하는 기판들(210) 사이에 형성된 제 1 공간(240)은 압축 디바이스(260)를 수용하여, 작동되는 경우 디바이스(260)가 압력을 팽창시키고 이를 마주하는 기판들(210)에 적용하기 위한 것임을 이해할 것이다. 바람직하게, 힘은 기판들(210)의 노출된 면들에 실질적으로 수직인 방향으로 적용된다. 다공성 플라스틱 또는 파내어진(hollowed-out) 플라스틱 구조체로 구성된 강성(rigid) 구조체와 함께 제 2 공간들(250)에 물 또는 화학 용액과 같은 유체가 포함되기 때문에, 방벽 부재들(230)의 노출된 면들에 대향한 유체 및 구조체에 의해 힘이 적용되어 전도성 탄소 재료가 다른 2 개의 부재들(210, 230) 사이에 효과적으로 개재되게 한다. 다시 말하면, 물 및 강성 구조체가 디바이스(260)에 의해 적용된 힘의 방향으로의 전극(200)의 이동에 대해 높은 저항을 제공하며, 이는 상대적으로 높은 속도를 갖는 입상 전도성 재료임에도 불구하고 전극(200)의 일부로서 잘 정의된 부재(220) 내에 입상 전도성 재료를 포함되게 한다. 유체 처리 탱크의 단부 벽들에 인접하여 위치되는 전극들(200)의 기판들(210)은 단부 벽들에 의해 직접적으로 지지되며, 이 표면들에 인접한 압축 디바이스(260)는 필요없다.

이제 도 1 및 도 2를 참조하면, 유체의 탈이온화를 위한 시스템(100)이 예시되고, 일반적으로 유체를 탈이온화하고 다른 방법으로 처리하여 어느 다른 위치로 배출될 수 있는 처리된 물을 생성하기 위해 폐수와 같은 유체를 처리하는 유체 처리 회로 또는 루프(310)를 포함한다. 유체 처리 회로(310)는 처리될 유체의 소스(320)를 포함하며, 일 실시예에서 유체(320)는 상이한 이온들, 금속들 등과 같은 바람직하지 않은 물질을 포함하는 공정 용수이다. 하지만, 유체(320)는 물 이외에 여하한 수의 상이한 유체들일 수 있으며, 예를 들어 유체는 화학 유체 스트림 또는 액체 화학 약품의 뱃치일 수 있다. 유체의 소스(320)는 사전설정된 부피의 유체를 저장하는 저장 컨테이너, 리셉터클 또는 탱크의 형태일 수 있으며, 탱크에 공정 유체를 전달하는 유입 라인에 커플링되어 작동할 수 있다. 이 방식으로, 일단 유체의 제 1 뱃치가 유체 처리 회로(310)에, 또한 이를 통해 전달되면, 그 후 유체의 다음 뱃치가 리셉터클 내에 저장을 위해 전달된다. 예를 들어, 유입 라인은 제어되는 방식으로 유체가 처리되는 위치에 유체를 전달하는 유체 도관(예를 들어, 튜브)의 형태일 수 있다. 유체를 유지하는 리셉터클의 크기(부피)는 정확한 적용에 따라, 또한 얼마나 많은 유체가 처리되는지에 따라 다양하다는 것을 이해할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "도관"이라는 용어는 한 위치에서 또 다른 위치로 유체를 수송하는 별도의 전혀 다른 부재를 칭할 수 있으며, 단일의 연속적인 도관의 경계된 부분 또는 구역을 칭할 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 다시 말하면, 아래 설명이 다수의 상이한 도관들을 설명하지만, 도관들 중 1 이상은 단일의 연속적인 유동 경로를 정의할 수 있다.

또한, 유체 처리 회로(310)는 유체 소스(320)에 유동적으로 부착되는 제 1 단부(332), 및 리셉터클(380) 내에 배치되는 본 명세서에서 설명된 전극들(200)의 작동에 의해 소스(320)로부터의 유체가 처리되는 유체 처리 리셉터클(탱크)(380)에 유동적으로 연결되는 반대쪽의 제 2 단부(334)를 포함하는 제 1 도관(330)을 포함한다. 제 1 도관(330)은 여하한 수의 상이한 형태들일 수 있지만, 전형적으로는 배관 자체의 여하한의 손상 또는 약화 없이 처리되고 있는 형태의 유체를 수송하도록 설계되는 PVC 배관과 같은 배관의 형태이다. 예시된 바와 같이, 제 1 도관(330)은 다른 튜브 부분들에 대해 기울어져 형성되는 다수의 상이한 튜브 부분들에 의해 정의될 수 있으며, 제 1 도관(330)은 대부분 리셉터클(380)과 소스(320) 사이에서 연장되는 선형 도관일 수 있다.

제 1 도관(330)은 유체 소스(320)로부터 리셉터클(380)로 흐르는 유체의 유속 및/또는 유동 방향(유체 경로 또는 루트)을 제어하기 위해 도관과 연계되는 다수의 밸브 부재들을 갖는다. 예를 들어, 제 1 도관(330)은 제 1 도관(330)을 따라 제 1 단부(332)에 더 가깝게 위치되는 제 1 밸브 부재(340), 및 제 1 도관(330) 내에서 제 1 밸브 부재(340)로부터 하류로 더 멀고 리셉터클(380)에 유동적으로 부착되는 제 2 단부(334)에 더 가깝게 위치되는 제 2 밸브 부재(342)를 포함할 수 있다.

아래에서 이해되는 바와 같이, 제 1 및 제 2 밸브 부재들(340 및 342)은 제 1 도관(330)을 다른 도관들로부터 격리하거나 제 1 도관(330)과 다른 도관들 또는 유체 처리 리셉터클(380)과 같은 다른 시스템 구성요소들 사이의 유체 연통을 허용하기 위해, 유체 도관(330)의 1 이상의 부분들 내에서 유체의 유동을 허용하거나 제한하도록 작동가능한 여하한 수의 밸브 부재들일 수 있다. 바람직하게, 밸브 부재들(340 및 342)뿐만 아니라 시스템의 다른 작동 구성요소들은 제어기(프로세서) 등과 통신하며, 이는 개별적인 밸브 부재들(340 및 342)이 선택적으로 제어되고 완전히 개방된 위치 또는 폐쇄된 위치와 같은 원하는 위치로 배치되게 한다.

또한, 시스템(100)은 원하는 유동 경로를 따라 유체를 선택적으로, 또한 제어가능하게 보내기 위해 시스템과 연계되는 다수의 펌프 등을 갖는다. 예를 들어, 제 1 도관(330)은 마스터 제어기 또는 프로세서와 같은 제어기와 연결되어 작동하고 통신하는 제 1 펌프(350) 및 제 2 펌프(360)를 포함할 수 있으며, 상기 제어기는 각각의 펌프가 독립적으로 제어되게 한다. 제 1 펌프(350)는 바람직하게 공정 유체의 소스(320) 부근의 제 1 단부(332)에 더 가깝게, 바람직하게는 제 1 밸브(340)의 상류에 배치된다. 따라서, 제 1 펌프(350)는 소스(320)로부터 유체를 끌어올린 후 제 1 도관(330)을 따라 또 다른 위치 또는 또 다른 도관으로 유도하는 주요 수단으로서 작용한다.

제 2 펌프(360)는 제 1 펌프 장치(350) 및 제 1 밸브(340) 모두의 하류에 배치된다. 제 2 펌프(360)는 제 1 도관(330)을 따라 유체를 더 유도하거나, 또는 pH 및 전도도 센서들에서의 품질 테스트를 위해 처리 박스(380) 안과 밖으로 유체를 재순환시키도록 작동될 수 있다.

또한, 시스템(100)은 유체 처리 리셉터클(380)에서 처리되고 그로부터 배출된 유체를 저장하도록 의도되는 처리된 유체 리셉터클(380)과 유체 연통하는 제 1 단부(372)를 갖는 제 2 도관(370)을 포함한다. 제 2 도관(370)의 반대쪽 제 2 단부(374)는 제 1 도관(330)과 유체 연통하며, 특히 제 2 도관(370)이 제 1 도관(330)과 결합하는 제 3 밸브 부재(344)가 제공된다. 따라서, 제 3 밸브 부재(344)는 제 1 도관(330)에 대해 제 2 도관(370)을 선택적으로 개방하고 폐쇄하는 역할을 한다. 제 2 밸브 부재(342) 및 제 3 밸브 부재(344)는 제 1 및 제 2 도관들(330 및 370) 사이에 T-형 유체 교차로의 맞은편 레그(leg) 상에 배치되어, 제 3 밸브 부재(344)가 폐쇄되고 제 2 밸브 부재(342)가 개방되는 경우 공정 유체 리셉터클(320)로부터의 유체가 제 1 도관(330)을 통해 유체 처리 리셉터클(380) 내로 흐를 수 있다. 이는 공정 유체(예를 들어, 공정 용수)가 초기에 처리(예를 들어, 탈이온화)를 위해 유체 처리 리셉터클(380)로 전달되어야 하는 경우이다.

또한, 시스템(100)은 처리 조건을 결정하는 센서들을 지나 박스(380)에서 처리되는 물을 재순환시키는 제 3 도관(390)을 포함하며, 이는 유체 처리 리셉터클(380)로부터 유체를 수용하기 위해 그 유출구에 유체 연결되는 제 1 단부(392), 및 유체 처리 리셉터클(380)로부터의 유체가 제 3 도관(390)으로부터 품질 센서들(370)을 지나 제 1 도관(330)으로, 또한 펌프(360)를 통해 다시 처리 박스(380)로 선택적으로 보내지게 하는 제 1 밸브(340)의 하류인 위치에서 제 1 도관(330)과 유체 연통하는 반대쪽의 제 2 단부(394)를 갖는다. 제 3 도관(390)은 제 1 밸브(340)의 하류 위치에서 제 1 도관(330)과 유체 연통하기 때문에, 제 1 밸브(340)의 폐쇄가 유체 처리 리셉터클(380)로부터의 유체를 공정 유체의 소스(320)로 전달되게 하며, 이는 제 3 도관(390)에서의 이 유체가 처리된 유체일 수 있고, 이는 신중하게 저장되고 유체를 재오염시킬 수 있는 여하한의 유체들과 혼합되지 않아야 하기 때문이다.

또한, 제 3 도관(390)은 적어도 1 이상의 밸브를 포함하고, 특히 제 3 도관(390)은 그 제 1 단부(392)에, 또는 그 부근에 위치되는 제 4 밸브(346)를 포함한다. 따라서, 제 4 밸브(346)는 유체 처리 리셉터클의 유출구 부근에 배치되어, 제 4 밸브(346)가 폐쇄되는 경우 유체 처리 리셉터클(380) 내의 유체는 제 3 도관(390) 내로 흐르는 것이 방지되고, 이에 따라 유체를 처리하기 원하는 경우 유체 처리 리셉터클(380) 내에 남게 된다. 대조적으로, 제 4 밸브(346)가 개방되는 경우, 유체 처리 리셉터클(380) 내에 있는 유체는 제 3 도관(390) 내로 자유롭게 흘러 원하는 유동 경로를 따라 보내진다.

제 3 도관은 제 1 밸브(340)의 하류에서, 그러나 제 1 펌프(350)의 상류에서 제 1 도관(330)과 교차하여, 제 1 펌프(350)의 작동이 제 3 도관(330) 내의 유체를 제 1 도관(330) 내로 들어가게 한다.

또한, 시스템(100)은 유체 폐기 리셉터클(420)에 유동적으로 연결되는 제 1 단부(402), 및 제 1 도관(430)과 유체 연통하는 반대쪽의 제 2 단부(404)를 갖는 제 4 도관(400)을 포함할 수 있다. 따라서, 제 4 도관(400)은 제 1 도관(430)으로부터 전극 충전 사이클(fill cycle) 시 발생된 폐 유체를 선택적으로 수용하도록 구성된다. 제 4 도관(400)은 연계된 제 5 밸브(410)를 가지며, 이는 밸브(410)가 개방되는 경우에 제 1 및 제 3 도관들(330 및 400) 사이에 유체 연통을 허용하고, 또는 밸브(410)가 폐쇄되는 경우에는 그 사이의 유체 연통을 방지한다. 따라서, 밸브(410)는 바람직하게 제 3 도관(400)이 제 1 도관(330)에 유동적으로 연결되는 지점에, 또는 그 부근에 위치된다. 따라서, 재순환을 위해 사용되는 제 2 펌프(360)는 제 1 밸브 부재(340)와 제 5 밸브 부재(410) 사이에 위치된다.

제 4 도관(400)이 제 1 도관(330)과 선택적으로 연통하는 위치는, 제 3 도관(390)이 제 1 도관(330)과 선택적으로 연통하는 위치의 하류이며, 제 2 도관(370)이 제 1 도관(330)과 선택적으로 연통하는 위치의 상류이다.

제 5 도관(430)이 제공되고, 재생 시스템(루프)의 구성요소(500)와 연통하는 제 1 단부(432) 및 처리된 유체 리셉터클(480)과 유체 연통하는 반대쪽의 제 2 단부(434)를 갖는다. 따라서, 제 5 도관(430)은 처리된 유체가 저장되는 리셉터클(480)과 재생 루프(500) 사이에 직접적인 링크를 제공한다.

제 5 도관(430)은 바람직하게 그 길이를 따라 배치되는 제 3 펌프(440)를 포함하며, 다른 펌프들과 유사하게 바람직하게 마스터 제어기와 연결되어 작동되고 이와 통신하여, 제 3 펌프(440)가 제 5 도관 내에 있는 유체의 선택적인 작동 및 펌핑을 야기하도록 선택적으로 제어될 수 있다. 제 6 밸브 부재가 제 5 도관(430) 내에 배치되고, 다른 밸브 부재들과 동일한 방식으로 작동한다.

유체 루프(310)를 따라 선택된 위치들에서 유체의 상이한 물리적 특성들 및 파라미터들을 모니터링하기 위해, 다수의 제어 및 센서 구성요소들이 제공될 수 있다.

예시된 실시예에서, 시스템(100)은 제 3 도관(390)을 통해 유체 처리 리셉터클(380)로부터 배출되는 유체를 처리된 유체 리셉터클(480)과 같은 또 다른 위치로 전달하기 위해 제 1 도관(330) 내로 전달되기 전에 모니터링하기 위해, 제 3 도관(390) 내에 위치된 전도도 센서(460) 및 pH 센서(470)를 포함한다. 센서들(460 및 470)은 유체 처리의 정확한 형태에 따라 상이한 형태로 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

또한, 본 발명은 '545 출원에 상세히 설명된 바와 같이 전극들(200)을 재생하는 재생 루프(500)를 포함한다.

유체 처리 탱크(380)는 유체 처리 탱크(380)의 내부(381)에 사전설정된 패턴을 따라 배치되는 다수의 전극들(200)을 포함한다. 도 2는 유체 처리 탱크(380)의 내부(381)에 배치되는 구성요소들을 나타내며, 특히 전극들(200)의 구성을 나타낸다. 특히, 유체 처리 탱크(380)는 벽 구조체(383)에 의해 정의되며, 이는 직사각형인 경우 마주하는 단부 벽들 및 마주하는 측벽들에 의해 정의된다. 유체 처리 탱크(380)는 지붕판(roof plate) 등을 이용하여 폐쇄될 수 있는 천장 또는 지붕을 정의하는 상부 에지(385)를 포함하거나, 또는 이는 적용에 따라 완전히 개방되거나 전체 또는 부분적으로 개방된 채로 유지될 수 있다. 유체 처리 탱크(380)는 바닥(389)에 의해 정의되는 맞은편의 하부 에지(387)를 포함한다. 유체 처리 탱크(380)의 1 이상의 유입구들은 상부 에지(385)를 따라 형성되며, 아래에서 설명되는 재생된 전극 재료의 수용뿐 아니라 유체 처리 탱크(380)에서 처리(예를 들어, 이온화)될 유체의 수용을 허용하도록 지붕판 등을 통해 형성될 수 있다. 유체 처리 탱크(380)의 1 이상의 유출구는 재생에 필요한 전극 재료 및 유체 처리 탱크(380) 내에서 성공적으로 처리된 유체 모두의 배출을 허용하도록 바닥(389)을 따라 형성된다.

또한, 유체 처리 탱크(380)는 각각의 제 2 공간들(250)이 처리될 유체를 수용하는 연계된 유입구(251) 및 유체가 탱크(380)로부터 배출되게 하는 연계된 유출구(253)를 갖도록 설계된다. 도 2에 적절하게 나타낸 바와 같이, 유입구(251)는 탱크(380)의 상부 에지에 형성될 수 있는 한편, 각각의 제 2 공간(250)에 대한 유출구(253)는 탱크(380)의 바닥(389)에 형성될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 제 2 공간들(250) 내로의 유체(예를 들어, 물)의 유동에 걸친 제어 및 탱크(380)로부터의 처리된 유체의 배출에 걸친 제어를 허용하기 위해, 각각의 유입 라인 및 유출 라인과 연계된 밸브 부재들이 존재한다. 모든 밸브 부재들이 마스터 제어기에 연결되어 작동됨으로써, 뱃치와 같은 방식으로 유체 처리가 행해지는 경우 모든 밸브 부재들이 탱크(380)의 충전 또는 탱크(380)의 배수를 야기하도록 동시에 개방되거나 폐쇄될 수 있다.

이와 유사하게, 또한 도 2에 예시된 바와 같이, 각각의 부재들(220)은 탱크(380) 내로 다공성의 전도성 탄소 재료를 수용하는 연계된 유입구(221), 및 탱크(380)로부터 입상 전도성 재료를 배출하는 연계된 유출구(223)를 갖는다. 유입구(221) 및 유출구(223)는 재생 루프(500)의 일부이며, 물의 루프를 이용하는 바와 같이 유입구들(221) 및 유출구들(223)은 탱크(380)의 공간들(250)로의 입상 전도성 재료의 선택적이고 제어되는 전달뿐만 아니라, 전극 재료의 재생이 필요하거나 요구되는 경우 그로부터의 배출도 허용하는 연계된 밸브 부재들을 갖는다.

전극(200)의 기판(210)이 성질에 있어서 전도성이기 때문에, 이는 전력 공급기(270)(DC 전력 공급기)에 전기적으로 연결되어 작동하도록 의도된다. 특히, 전력 공급기(270)의 한 극성(+) 또는 (-)이 기판(210)에 연결되어, 이 한 극성에 따라 기판(210)을 대전시킨다. 대조적으로, 방벽 부재(230)는 비-전도성 계면을 제공하도록 비-전도성 재료로 형성된다. 입상 전도성 재료(220)가 그 길이를 따라 기판(210)과 접경하고 직접 접촉하기 때문에, 기판(210)에 전달되는 전하가 입상 전도성 재료(220)에도 전달된다. 이 방식으로, 전력 공급기(270)의 작동의 결과로서 입상 전도성 재료(220)의 형태인 전극 재료가 대전된다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 교번하는 기판들(210)이 탱크(380) 전체에 걸쳐 전력 공급기(270)의 반대 극성들에 연결된다. 이 방식으로, 제 2 공간 또는 채널(250) 내의 유체(예를 들어, 물)가 전극들(200)을 이용하는 바람직한 일 작동으로 유체의 탈이온화를 허용하도록 반대 극성의 두 전극들(200)과 접촉한다.

전극 조립체(200)의 일부분을 형성하는 다공성의 전도성 탄소 재료(220)는 압축 디바이스(260)에 의한 전도성 탄소 재료(220)의 압축에 반비례하고, 전도성 탄소 재료(220)의 입자 크기(평균 입자 크기)에 정비례하는 연계된 저항값을 갖는다. 일 실시예에서, 전도성 기판(210)에 인접한 제 1 표면(222)으로부터 다공성의 비-전도성 방벽 부재(230)에 인접한 제 2 표면(224)까지 측정된 전도성 탄소 재료(220)의 저항은 약 0.1 밀리옴 내지 약 10 옴이다. 하지만, 앞선 값들은 성질에 있어서 단지 예시적이고 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않으므로 전도성 탄소 재료(220)의 저항이 이 범위 외부에 놓일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 전도성 탄소 재료의 전도도는 다공성 탄소 재료의 입자 크기 및 탄소 재료에 적용되고 있는 압력 정도를 포함하는 다수의 상이한 파라미터들에 따라 변한다는 것을 이해할 것이다.

제 2 공간(250)의 폭은 정확한 적용, 및 탱크(380)의 크기 및 시간 단위당 탱크(380)의 전체 유체 처리 요건들과 같은 다른 인자들에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 2 공간(250)의 폭(및 이에 따른 유체의 폭)은 약 0.01 인치 내지 6.00 인치이다; 하지만, 다른 폭들이 동등하게 가능하다.

전력 공급기(270)와 기판들(210) 간의 전기적 연결은 여하한 수의 종래의 기술들을 이용하여 달성될 수 있다. 전극(200)의 정확한 특성에 관계없이, 탈이온화 장치에서 사용되는 경우 전도성 탄소 재료에는 전압이 인가되어야 한다. 이는 기판(210)에, 또는 전도성 탄소 재료(220)에 직접 부착되는 구리 또는 다른 도체로부터 형성된 로드(rod) 또는 전선을 이용하여 행해질 수 있다. 하지만, 로드 또는 전선이 탈이온화되는 액체에 노출되는 경우, 로드 또는 전선은 (희생됨으로써) 손상될 것이다. 그러므로, 로드 또는 전선과 플레이트(plate) 사이에 건식 연결(dry connection)이 바람직하게 확립된다.

건식 연결은 '545 출원에 설명된 방식으로 전극(200)의 기판(210)과 도체, 바람직하게는 절연된 구리 전선 사이에 구성될 수 있다.

제어 시스템(마스터 제어기 또는 프로세서)은 본질적으로, 본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 국제 특허 출원 일련번호 PCT/US2005/38909에 개시되어 있는 제어 시스템과 동일하거나 유사하다는 것을 이해할 것이다.

또한, 시스템(100)은 뱃치형 유체 처리 공정으로서 설계되는 대신에 시스템이 단계적(staged) 유체 처리 탱크들(380)을 포함하도록 설계될 수 있으며, 이때 유체(물)는 수 개의 단계들을 통해 흐르고, 각각의 단계는 부분적인 처리를 수행한다. 단계들은 셀 간격(전극들(200)의 간격) 및/또는 적용되는 전력 레벨들이 변할 수 있다. 또한, 시스템은 연속적인 유체(물) 유동이 병렬의 처리 셀을 통하도록 설계될 수 있다. 또한, 유체(물)는 처리 셀들을 통하는 나선형 유동 경로를 따라 흐르도록 설계될 수 있으며, 처리 셀들 중 2 이상은 서로 직렬로 배치된다. 나선형 유동은 처리 경로의 처음부터 끝까지 셀들(전극들) 및/또는 상이한 전력 레벨들 사이에 가변 간격을 포함할 수 있다.

또한, 처리 탱크(380)는 동심원 층들 및 나권형 층들을 포함한 여하한 수의 상이한 지오메트리들을 가질 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.

이제 도 5를 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 이온 제거(산성/가성 추출) 시스템(600)이 예시된다. 도 5는 처리될 유체가 흐르는 공간(250)을 생성하도록 서로 떨어져 이격되는 2 개의 전극들(200, 200')로 형성되는 하나의 전극 셀(700)을 나타낸다. 예시된 실시예에서, 전극(200)은 전력원의 양(+) 단자에 연결되기 때문에 셀(700)의 음이온 제거 측을 나타내며, 반대로 전극(200')은 전력원의 음(-) 단자에 연결되기 때문에 양이온 제거 측을 나타낸다.

본 발명의 출원인은, 시스템(100)(도 1)의 작동 시, 일반적으로 도 5에 610으로 도시되고, 층(220)을 정의하는 전도성 탄소 입자들 사이에 형성되는 간극 공간들에 이온들이 수집되는 것을 발견하였다. 다시 말하면, 전도성의 다공성 재료(220)는 간극 공간들(610)을 포함하며, 처리될 유체가 공간(250) 내에 흐르고 다공성의 전도성 재료(220)와 접촉하기 때문에 유체가 전도성 탄소 재료의 입자들 또는 과립들 사이의 간극 공간들(610)에 들어간다.

그 물질에 대한 셀(700) 및 시스템(100)의 작동 시 이온들이 전극들(200 및 200')에 부착됨(음의 전극(200')에는 양의 이온들이, 양의 전극(200)에는 음의 이온들이 부착됨)에 따라, 이온들의 같은 전하들은 이온들이 서로 반발하기 시작하고, 각각의 이온들이 반대로 대전된 H⁺ 이온 및 OH^- 이온들을 끌어당기기 시작하는 정도까지 증가한다. 이는 음의 이온 제거 측 내에, 또한 그 부근에 산성 용액을 발생시키고, 양의 이온 제거 측 내에, 또한 그 부근에는 가성 용액을 발생시킨다. 다시 말하면, 이온들이 전극(200) 내에 정의된 간극 공간들(610) 내에 수집됨에 따라, 전극(200)을 형성하는 다공성 전극 재료가 담긴 용액은 산성이 되고, 이와 유사하게 이온들이 전극(200') 내에 정의된 간극 공간들(610) 내에 수집됨에 따라, 전극(200')을 형성하는 다공성 전극 재료가 담긴 용액은 가성이 된다.

시스템(100)이 시간에 걸쳐 작동되고 공간(250) 내에 흐르는 유체로부터 제거되는 이온들이 각각의 전극들(200, 200')을 형성하는 다공성의 전도성 탄소 재료(220)의 간극 공간들(610) 내에 유지되고 포함되기 때문에, 가성 및 산성 용액들의 농도 및 이온 강도가 증가한다. 가성 및 산성 용액들은, 용액(공간(250) 내에 흐르는 유체)에 대한 후면(기판(210))의 전기 전도도가 다공성의 전도성 탄소 재료(220) 통로에 대한 후면(기판(210))보다 더 커질 때까지 각각의 측 상에 모일 것이다. 다공성의 전도성 탄소 재료(220) 통로에 대한 후면(기판(210))의 저항이 더 커지는 경우, 시스템(100)의 셀(700)이 이온들의 제거를 중지하고, 각각의 후면(기판(210)) 부근의 높은 전도성 용액을 전기 분해하기 시작한다. 본 발명의 이온 제거(산성/가성 추출) 시스템(600)이 없는 시스템(100)에서의 셀(700)의 최대 용량이 도 6에 도시된다. 도 6에 예시된 바와 같이, 시스템(100)의 전방향 작동(즉, 공간(250) 내에 흐르는 유체의 탈이온화)의 시간이 급격히 증가하고, 총 실행(run) 횟수는 시스템(600)이 채택되지 않고 산 및 염기의 농도가 시간에 따라 셀(700) 내에 축적되게 되는 경우에 제한된다. 다시 말하면, 도 6은 각 실행에 대한 분 단위의 평균 시간을 나타내고, 이 특정한 일 예시에서 18 번의 실행 이후에 단일 실행을 수행하는데 필요한 분 단위 시간량이 상당히 급격하게 증가한다.

본 발명에 따르면, 각각의 셀(700)은 셀(700)의 양 및 음의 전극들(200, 200') 모두의 간극 공간들(610) 내의 이온 축적을 감소시키도록 설계되는 산성/가성 추출 또는 이온 제거 시스템(600)을 포함한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 양의 전극(200)은 전극(200)과 연계된 다공성의 전도성 탄소 재료의 층(220)에 대해 개방되고 이와 자유롭게 연통하는 제 1 단부(622)를 갖는 제 1 간극 배수부 또는 유출구(620)를 포함한다. 반대쪽 제 2 단부(624)는 셀(700)의 외부에 대해 개방되고, 아래에서 설명되는 바와 같이 간극 공간들(610)로부터 제거된 산성 용액(유체)을 보내도록 도관(배관)(628) 등에 연결될 수 있다. 이와 유사하게, 음의 전극(200')은 전극(200')과 연계된 다공성의 전도성 탄소 재료의 층(220)에 대해 개방되고 이와 자유롭게 연통하는 제 1 단부(632)를 갖는 제 2 간극 배수부 또는 유출구(630)를 포함한다. 반대쪽 제 2 단부(634)는 셀(700)의 외부에 대해 개방되고, 아래에서 설명되는 바와 같이 간극 공간들(610)로부터 제거된 산성 용액(유체)을 보내도록 도관(배관) 등에 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 간극 배수부들 또는 유출구들(620 및 630)은 셀(700)을 정의하는 하우징에 통합되고 그 안에 형성될 수 있거나, 또는 그것들은 간극 공간들(610) 내에 포함된 유체가 제 1 및 제 2 간극 배수부들(620 및 630) 내로 흐를 수 있는 한 셀(700)에 커플링되는 별도의 부재에 통합되고 그 안에 형성될 수 있다.

따라서, 유출구들(620 및 630)은 간극 유체로 하여금 각각의 전극(200, 200')의 일부를 구성하는 다공성의 전도성 탄소 재료 층들(220) 각각을 배수하게 한다는 것을 이해할 것이다. 또한, 유출구들(620 및 630)을 통해 제거되는 유체가 간극 공간들(610) 내에 포함되는 유체이고 공간(250)으로부터가 아니도록, 유출구들(620 및 630)은 격리되어 처리될 유체가 흐르는 공간(250)과 연통하지 않도록 구성된다는 것을 이해할 것이다.

각각의 간극 유체 유출구들(620 및 630)은, 본 발명에 따라 간극 유체가 배수되고 제거되는 경우 다공성의 전도성 탄소 재료(220)가 셀(700)로부터 배수되는 것을 방지하는 필터 부재(640)를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 포함한다. 필터 부재(640)는 시스템(600)이 작동되는 경우, 이를 통해 이온-함유 간극 유체를 흐르게 하지만, 다공성의 전도성 탄소 재료(예를 들어, 입상 재료)가 통과하는 것은 방지하는 다공성 막 또는 스크린 또는 메시 재료의 형태일 수 있다.

각각의 유출구들(620 및 630) 또는 이에 부착된 도관(628)은, 바람직하게 간극 유체의 제거율을 통제하는 제어 밸브(650)를 갖는다. 제어 밸브(650)는, 간극 유체가 각각의 전극(200, 200')으로부터 제거되는 속도를 포함하여 간극 유체의 제거에 걸쳐 원격 제어를 허용하는 제어 유닛(도시되지 않음)에 전자적으로 연결되어 작동될 수 있다.

예시적인 일 실시예에서는 각각의 전극들(200, 200')이 간극 유출구 또는 배수부를 포함하지만, 전극들(200, 200') 중 하나만이 간극 유출구 또는 배수부를 포함하는 것이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

각각의 전극들(200, 200')로부터 간극 유체를 제거하는 실제 방식 또는 메카니즘은 상이한 기술들 및 장비를 이용하는 여하한 수의 상이한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 나타낸 바와 같이 유출구들(620, 630)이 다공성의 전도성 탄소 재료(220)의 저부 에지(601)를 따라 위치되고 이와 연통한다는 점에서 시스템(600)은 중력 이용 메카니즘으로 작동할 수 있다. 셀(700)이 수직으로 방위되기 때문에, 간극 유체는 정상 작동 조건들 하에서 중력에 의해 재료(220)의 저부 에지(601)를 향해 흐를 것이다. 따라서, 저부 에지(601)에 이를 따라 유출구들(620 및 630)의 제 1 단부들(622 및 632)을 각각 배치함으로써, 중력에 의해 간극 유체가 각각의 유출구(620 및 630)를 향해 빽빽한 수직 층 아래로 흐를 것이며, 그 후 셀(700)로부터 제거된다.

중력 이용 메카니즘 대신에, 다른 메카니즘들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유출구(620 및 630)로부터 제거되는 간극 유체는, 유출구(620 및 630)를 향해 재료(220)의 수직 층 아래로 간극 유체가 보내지게 하는 압력 차를 생성하는 장치를 이용함으로써 통제될 수 있다. 이는 한 위치에서 간극 유체에 양의 압력을 가함으로써, 또는 저부 에지(601)에 저압 환경을 생성함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면 각각의 전극(200, 200')의 재료 층(220)으로부터 간극 유체를 끌어올리기 위해 진공 메카니즘이 사용된다. 진공 메카니즘은 유출구들(620 및 630)의 단부들(624 및 634)에 직접 연결될 수 있거나, 또는 진공 메카니즘은 유출구들(620 및 630)에 유동적으로 연결되는 도관들(628)에 연결되어 작동될 수 있다.

출원인들은, 시스템(100) 내의 이온 제거(산성/가성 추출) 시스템(600)의 포함이 우수한 처리 시스템을 제공하고, 처리 공정의 효율성 및 수명을 실질적으로 증가시킨다는 것을 발견하였다. 전방향 탈이온화 작동 시 다공성의 전도성 탄소 재료(220)의 간극 공간들(610)로부터의 간극 유체의 제거는 셀(700) 및 시스템(100)으로 하여금, 셀들(700)의 재생이 필요하기 전에 연장된 시간 주기 동안 실행하게 한다고 결정되었다. 앞서 언급된 바와 같이, 도 6을 참조하면 시스템(600)이 포함되지 않는 경우, 시스템(100)은 18 번의 실행 이후에 원하는 수질에 도달하지 못한다. 하지만, 도 7에 나타낸 바와 같이 도 6의 실험에서 사용된 동일한 유체 처리 시스템(100)에 산성/가성 추출 시스템(600)이 추가되는 경우, 현저한 개선이 존재한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 전방향 탈이온화 작동은 155 번의 실행들이 완료될 때까지 계속되었으며, 시스템(100)이 평균 실행 효율성에 관하여 느리거나 시스템(100)이 여하한의 방식으로 작동하지 못하게 되었음을 증명하거나 나타내지 않는다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 동일한 조건들 하에서 시스템(100)으로 하여금 250 번의 실행을 하게 하는 실험이 다시 반복되었으며, 다시 한번 시스템(100)의 감퇴나 정지는 보이지 않는다. 결과적으로, 출원인들은 작동 시 간극 유체가 셀(700)로부터 제거되는 경우, 시스템(100)의 성능이 현저히 증가한다는 것을 발견하였다.

산성 유체(전극 200으로부터) 또는 가성 유체(전극 200'로부터)의 형태로 셀(700)로부터 이온들이 제거되는 경우, 각각의 후면(210) 부근의 용액의 전도도는 다공성의 전도성 탄소 재료(220)의 전도도보다 계속해서 더 작으며, 시스템(100)은 각 실행당 필요한 평균 시간의 어떠한 급작스러운 증가도 없이 계속해서 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이 실행한다. 각각의 전극(200 및 200')의 다공성의 전도성 탄소 재료(220) 층과 연통하여 위치되는 입구(유출구들 620 및 630)로부터의 간극 유체의 배수는 시스템(100)의 전체 성능 및 효율성을 개선하고, 재생에 필요한 시약들을 제공한다.

다시 한번, 이온 제거 시스템(600) 및 그 작동 방법은 간극 공간들을 갖는 전도성 재료를 갖는 전극들을 이용하는 여하한의 탈이온화 방식으로 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다시 말하면, 이온 제거 시스템(600)은 출원인의 '545 출원에 개시된 입상 전도성 탄소 재료 또는 탄소 재료가 전극 내의 최종 형태인 경우 간극 공간들이 형성되게 하는 재료 특성을 갖는 여하한의 다른 전도성 탄소 재료와 같은 다공성이 전도성 탄소 재료들로 형성된 전극들을 사용하기 위한 것이다. 다른 적절한 전도성 탄소 재료들은 활성 탄소들, 그래파이트 화합물들 등을 포함한다. 또한, 물의 처리는 유체 처리 시스템(100)이 사용될 수 있는 일 예시이지만, 본 발명은 이러한 적용에 제한되지는 않으며, 유체 탈이온화가 수행되는 여하한의 적용에서 사용될 수 있다.

Claims

탈이온화 장치에서 사용되는 전극에 있어서:
제 1 면 및 제 2 면에 의해 정의된 층 내에 배치되고, 입상 형태인 전도성 재료;
상기 제 1 면에 실질적으로 대향하여 배치된 기판; 및
상기 제 2 면에 실질적으로 대향하여 배치되고, 처리될 유체가 제 1 부재를 통과하고 상기 입상 전도성 재료와 접촉하게 되도록 형성되는 상기 제 1 부재를 포함하는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료는:
중합 단량체(polymerization monomer);
가교제; 및
촉매를 포함하고,
상기 중합 단량체, 가교제 및 촉매는 복수의 입자들로 처리되는 탄화된 형태인 전극.
제 2 항에 있어서,
상기 중합 단량체는 디하이드록시 벤젠; 트리하이드록시 벤젠; 디하이드록시 나프탈렌 및 트리하이드록시 나프탈렌으로 구성된 그룹으로부터 적어도 1 이상의 재료, 푸르푸랄 알코올 및 그 혼합물을 포함하는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 전도성 재료로 형성되는 전극.
제 4 항에 있어서,
상기 기판은 전기적으로 전도성인 플레이트(plate)를 포함하는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 그래파이트, 전기적으로 전도성인 강철, 전도성 중합체, 및 전기적으로 전도성인 비-철 금속들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 재료로 형성되는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료는 상기 기판과 상기 제 1 부재 사이에서 압축을 받는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료는 약 0.1 밀리옴 내지 약 10 옴인 벌크 저항(bulk resistance)을 갖는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료 층의 폭은 상기 기판 및 상기 제 1 부재 둘 모두의 폭보다 더 큰 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료는 약 40 미크론 내지 약 120 미크론의 입자 크기를 갖는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료는 BET에 의해 약 10 A 내지 약 100 A, 또는 수은 투과계(mercury penetrometer)에 의해 0.0100 um 내지 1000 um의 범위 내에 있는 구멍 직경, 및 약 100 내지 약 1200 ㎡/g의 표면적(BET)을 갖는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 부재는, 상기 유체가 이를 통해 흐르고 상기 입상 전도성 재료와 접촉하게 하는 다공성 재료로 형성된 구조체를 포함하는 전극.
제 12 항에 있어서,
상기 다공성 재료의 구멍 크기는, 상기 입상 전도성 재료가 이를 통과하는 것을 방지하도록 상기 입상 전도성 재료의 평균 입자 크기보다 더 작은 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 부재는, 상기 유체가 이를 통해 흐르고 상기 입상 전도성 재료와 접촉하게 하도록 복수의 관통 개구부(through opening)들이 형성되어 있는 구조체를 포함하는 전극.
제 14 항에 있어서,
상기 제 1 부재의 구조체는 그리드 구성을 갖는 전극.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 부재는 비-전도성 재료로 형성되는 전극.
유체를 탈이온화하는 시스템에 있어서:
처리 탱크; 및
상기 처리 탱크의 내부에 배치되어, 적어도 전극들 중 일부는 인접한 전극들의 기판들과 서로 마주하여 배치되고 적어도 상기 전극들 중 일부는 제 1 부재와 서로 마주하여 배치되지만, 그 사이에 탈이온화될 상기 유체를 수용하는 제 1 공간을 정의하도록 떨어져 이격되는 제 1 항에 따른 복수의 전극들을 포함하는 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료는 상기 시스템의 작동 모드에서 압축 하에 유지되는 느슨한(loose) 입자들의 형태인 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 전극들 각각은 상기 제 1 공간 내로 상기 유체를 전달하는 제 1 유입 도관 및 상기 제 1 공간으로부터 상기 유체를 배출하는 제 1 유출 도관, 및 상기 기판과 제 1 부재 사이의 공간에 입상 전도성 재료를 전달하는 제 2 유입 도관 및 상기 입상 전도성 재료를 제거하는 제 2 유출 도관을 갖는 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료는 작동 모드에서 압축을 받도록 배치되는 한편- 상기 압축은 상기 입상 전도성 재료가 제 2 유출 도관을 통해 점성을 갖고(viscously) 흐르게 하도록 재생 모드 시 제거됨 -, 상기 기판 및 제 1 부재는 상기 탱크의 내부에서 직립하고 떨어져 이격된 채로 유지되는 시스템.
제 17 항에 있어서,
양의 극성 및 음의 극성을 갖는 전력 공급기를 더 포함하고, 교번하는 전극들의 기판들은 상기 제 1 공간을 가로질러 전압 전위를 생성하도록 상기 전력 공급기의 반대 극성들에 전기적으로 연결되는 시스템.
제 17 항에 있어서,
서로 마주하는 적어도 상기 기판들의 일부 사이에 제 2 공간이 형성되고, 상기 제 2 공간 내에는 상기 기판들에 압력을 선택적으로 적용하기 위해 팽창성 부재가 배치되어, 상기 팽창성 부재가 팽창되는 경우 상기 입상 전도성 재료의 각 층들이 압축 하에 배치되게 하는 시스템.
제 22 항에 있어서,
상기 팽창성 부재는 상기 기판의 실질적인 길이를 따라 연장되는 팽창성 주머니(bladder) 형태이며, 팽창되는 경우 상기 주머니가 2 개의 이격된 기판들에 힘을 적용하고, 차례로 상기 전극들의 입상 전도성 재료들의 압축이 일어나는 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 탱크의 내부에 정의된 상기 제 1 공간 내로 공정 스트림을 선택적으로 전달하고, 탈이온화 이후에 상기 공정 스트림을 선택적으로 배출하는 제 1 유체 회로;
각 전극의 상기 기판과 제 1 부재 사이의 위치에 상기 입상 전도성 재료를 선택적으로 전달하고, 재생을 위해 상기 유체 처리 탱크로부터 양 및 음으로 대전된 입상 전도성 재료를 선택적으로 제거하는 제 2 유체 회로를 더 포함하는 시스템.
제 24 항에 있어서,
상기 제 2 유체 회로는, 상기 양 및 음으로 대전된 입상 전도성 재료에 부착된 대전된 이온들의 제거에 의해 상기 입상 전도성 재료의 재생을 허용하도록 사전설정된 조건들에 유지되는 재생 탱크를 포함하는 시스템.
제 25 항에 있어서,
선택적인 전달을 위해 상기 재생 탱크에 유동적으로 연결되는 산의 소스;
선택적인 전달을 위해 상기 재생 탱크에 유동적으로 연결되는 염기의 소스(선택적인 화학적 이온 강도 변경자);
상기 재생 탱크 내의 재료의 pH를 측정하는 pH 센서, 및 상기 재생 탱크 내의 온도를 제어하는 가열기; 및
상기 산 및 염기의 소스들과 통신하는 마스터 제어기를 더 포함하고,
상기 pH 센서 및 상기 가열기는 상기 재생 탱크 내의 조건들이 사전설정된 작동 범위 내에서 제어되고 유지되게 하는 시스템.
제 24 항에 있어서,
상기 제 2 유체 회로를 따라 상기 입상 전도성 재료를 상기 처리 탱크로부터 상기 재생 탱크로, 또한 그 후 다시 상기 처리 탱크로 이동시키는 수단을 더 포함하는 시스템.
제 27 항에 있어서,
상기 수단은 한 위치에서 또 다른 위치로 상기 입상 전도성 재료의 제어된 이동을 야기하도록 상기 제 2 유체 회로 내에 압력 차를 생성함으로써 작동하는 시스템.
제 28 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료는 상기 수단의 작동에 의해 상기 제 2 유체 회로를 따라 이동되는 슬러리(slurry)의 일부인 시스템.
제 28 항에 있어서,
상기 수단은 상기 제 2 유체 회로 내에 양의 압력을 생성하는 제 1 디바이스, 및 상기 제 2 유체 회로 내에 음의 압력을 생성하는 진공 디바이스를 포함하는 시스템.
제 24 항에 있어서,
상기 제 1 유체 회로는 탈이온화될 상기 공정 스트림을 유지하는 제 1 리셉터클(receptacle), 폐수를 수용하는 제 2 리셉터클, 및 탈이온화된 물을 수용하는 제 3 리셉터클을 포함하며, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 리셉터클들 각각은 상기 처리 탱크에 유동적으로 연결되고 상기 공정 스트림의 유동 및 폐수 및 상기 처리 탱크로부터 탈이온화된 물의 유동을 선택적으로 제어하는 연계된 밸브 부재를 포함하는 시스템.
전극을 형성하는 공정에 있어서:
제 1 부재 및 제 2 부재를 제공하는 단계;
입상 전도성 재료를 형성하는 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 부재들 사이에 느슨한 입자 형태로 상기 입상 전도성 재료를 배치하고 포함하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 부재는 유체가 이를 통과하고 상기 입상 전도성 재료와 접촉하게 되도록 구성되는 공정.
제 32 항에 있어서,
상기 제 1 부재는 전도성 플레이트를 포함하고, 상기 제 2 부재는 다공성 재료 층 및 구멍이 뚫린 구조체 중 하나인 공정.
제 32 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료를 형성하는 단계는:
제 1 용액(liquor)을 형성하도록 제 1 가교제에서 적어도 1 이상의 중합 단량체를 분해하는 단계;
상기 제 1 용액이 부분적으로 반응된 전구 중합체(precursor polymer)를 형성할 때까지 충분한 시간 동안 충분한 온도에 상기 제 1 용액을 유지하는 단계;
혼합된 제 2 용액을 형성하도록 상기 부분적으로 반응된 용액을 제 2 가교제와 혼합하고, 상기 혼합된 제 2 용액이 제 1 솔리드 블랭크(solid blank)로 중합할 때까지 충분한 시간 동안 충분한 온도에 상기 혼합된 제 2 용액을 유지하는 단계;
상기 제 1 솔리드 블랭크가 전기적으로 전도성인 부재로 탄화되도록 충분한 시간 동안 충분한 온도에서 상기 제 1 솔리드 블랭크를 태우는 단계(firing); 및
상기 탄화된 블랭크를 입상 탄소 재료로 부수기 위해, 상기 제 1 솔리드 블랭크가 냉각된 이후에 처리하는 단계를 포함하는 공정.
제 34 항에 있어서,
상기 중합 단량체는 디하이드록시 벤젠, 디하이드록시 나프탈렌, 트리하이드록시 벤젠 및 트리하이드록시 나프탈렌으로 구성된 그룹, 푸르푸랄 알코올 및 그 혼합물로부터 선택되는 공정.
제 34 항에 있어서,
상기 제 1 가교제 및 상기 제 2 가교제는 포름알데히드인 공정.
제 34 항에 있어서,
상기 제 1 솔리드 블랭크를 처리하는 단계는:
상기 탄화된 블랭크를 상기 입상 탄소 재료로 분쇄하는 단계를 포함하는 공정.
제 32 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 부재들 사이에서 상기 입상 전도성 재료를 압축하는 단계를 더 포함하는 공정.
제 38 항에 있어서,
상기 입상 전도성 재료를 압축하는 단계는:
인접한 전극들의 제 1 부재들 사이에 제 1 공간을 형성하는 단계;
상기 제 1 부재들을 따라 상기 제 1 공간 내에 팽창성 부재를 삽입하는 단계; 및
상기 입상 전도성 재료의 압축을 야기하도록 상기 팽창성 부재를 팽창시키는 단계를 포함하는 공정.
유체를 탈이온화하는 방법에 있어서:
유체 처리 구조체 내에 제 1 항에 따른 복수의 제 1 및 제 2 전극들을 배치하는 단계;
상기 제 1 전극들을 양으로 대전시키고, 상기 제 2 전극들을 음으로 대전시키는 단계; 및
상기 유체가 상기 제 1 부재를 통과하고 상기 제 1 및 제 2 전극들과 연계된 상기 입상 전도성 재료와 접촉하게 하는 인접한 제 1 및 제 2 전극들의 상기 제 1 부재들 사이의 공간 내에서 상기 유체를 유동시키는 단계를 포함하는 방법.
반대로 대전된 전극들을 재생하는 방법- 각 전극은 입상 형태이고 층 내에 배치되는 전도성 재료, 상기 층에 대향하여 배치되는 기판, 및 상기 층에 대향하여 배치되고 유체가 제 1 부재를 통과하여 상기 입상 전도성 재료와 접촉하게 하도록 형성되는 제 1 부재로 형성됨 -에 있어서:
음으로 대전된 입상 전도성 재료 및 유체를 포함하는 제 1 슬러리를 형성하고, 이를 제 1 리셉터클 내에 배치하는 단계;
상기 음으로 대전된 입상 전도성 재료로부터 양이온들의 제거를 야기하도록 상기 제 1 슬러리를 처리하는 단계;
양이온 제거 이후에 상기 제 1 슬러리를 배수하는 단계;
양으로 대전된 입상 전도성 재료 및 유체를 포함하는 제 2 슬러리를 형성하고, 이를 상기 제 1 리셉터클 내에 배치하는 단계;
조합된 슬러리들을 형성하도록 상기 제 1 슬러리를 통해 상기 제 2 슬러리를 배수하는 단계;
상기 조합된 슬러리들에 공정 용수를 추가하는 단계;
혼합된 슬러리를 형성하도록 시간 주기 동안 상기 조합된 슬러리들을 가열 및 혼합하는 단계;
상기 혼합된 슬러리에서 모든 유체를 배수하는 단계;
상기 혼합된 슬러리에 처리된 물을 추가하는 단계;
시간 주기 동안 상기 혼합된 슬러리를 가열 및 혼합하는 단계;
상기 혼합된 슬러리에서 모든 물을 배수하고, 상기 전극으로의 반환을 기다리도록 압력 베슬(pressure vessel)로 이를 전달하는 단계를 포함하는 방법.
제 41 항에 있어서,
사전설정된 범위 내의 pH를 갖는 제 1 용액을 형성하도록 상기 제 1 슬러리에 산을 추가하는 단계; 및
상기 산이 반응된 후, 또한 상기 제 1 슬러리에 상기 제 2 슬러리를 추가하기 전에 상기 제 1 용액을 배수하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 42 항에 있어서,
상기 산은 염산을 포함하고, 상기 제 1 슬러리의 pH는 약 10 내지 45 분 동안 2.3 내지 3.8에 유지되는 방법.
제 41 항에 있어서,
상기 혼합된 슬러리들의 온도는 약 1 내지 8 시간 동안 주위온도(ambient)와 섭씨 100 도 사이에 유지되는 방법.
제 41 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 슬러리들은 가열 이후에 배수되는 방법.
제 41 항에 있어서,
상기 처리된 물은 상기 제 1 및 제 2 슬러리들에 추가되고, 약 1 내지 약 8 시간 동안 가열 및 혼합되며, 상기 혼합된 제 1 및 제 2 슬러리들은 가열 이후에 배수되는 방법.