KR20100098422A

KR20100098422A - 전기투석 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20100098422A
Application number: KR1020107014183A
Authority: KR
Inventors: 유 두; 윤펭 리우; 사이준 마오; 시아오밍 유안; 챠오 양; 리후아 시옹; 춘 카오; 셍시안 왕; 웨이 카이; 창 웨이; 지양 시아
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-09-06
Also published as: KR101573092B1; BRPI0819518A2; JP5623290B2; CN101468836A; US8038867B2; EP2240261B1; WO2009082573A1; ES2450056T3; US20090159460A1; JP2011520588A; EP2240261A1; AU2008340409B2; AU2008340409A1; TWI480094B; TW201021904A

Abstract

장치는 제 1 전극과 이 제 1 전극으로부터 이격되어 체적을 정의하는 제 2 전극을 포함한다. 음이온 교환 멤브레인 및 양이온 교환 멤브레인이 체적 내에 배치된다. 제어기는 전원으로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 전류 공급을 제어한다. 전류공급 장치는 제 1 동작 모드로부터 각 주기 동안 역극성을 갖는 전류를 제공하는 제 2 동작 모드로 전환하도록 제어된다. 전류는 제어된 주기율로 또한 제어된 지속기간 동안 공급된다. 주기율은 약 100 헤르쯔보다 크고 약 10 킬로헤르쯔보다 작다.

Description

전기투석 방법 및 장치{ELECTRODIALYSIS DEVICE AND PROCESS}

본 출원은 2007년 12월 25일에 출원되고 본 명세서에서 참조로서 인용되는 중국 특허 출원 제 200710301563.4호를 우선권으로 주장한다.

본 발명은 담수화(water desalination)를 위한 장치에 관한 실시예를 포함한다. 본 발명은 담수화를 위한 방법에 관한 실시예를 포함한다.

담수화를 위해 전기투석 방법 및 장치가 사용되어 왔다. 전기투석 장치는 한 쌍의 전극 사이에 이온 교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 멤브레인은 두 가지 유형, 즉 양이온 교환 멤브레인 및 음이온 교환 멤브레인일 수 있다. 양이온 교환 멤브레인은 낮은 분자 무게를 갖는 양으로 변경된 이온("양이온")에 비교적 침투를 허용할 수 있고 음으로 변경된 이온("음이온")에 비교적 침투를 허용하지 않을 수 있고, 음이온 교환 멤브레인은 낮은 분자 무게를 갖는 음이온에 비교적 침투를 허용할 수 있다. 양이온 교환 멤브레인 및 음이온 교환 멤브레인은 전술한 한 쌍의 전극 사이에서 교번하는데, 멤브레인 사이에는 구획(compartments)이 존재한다. 전극 사이에 직류가 통과하는 경우, 양이온은 음으로 대전된 전극으로 끌려질 수 있고 양이온 교환 멤브레인을 통과하나 음이온 교환 멤브레인은 통과하지 않는다. 동시에, 용액 내의 음이온은 양으로 대전된 전극 쪽으로 끌려지고 음이온 교환 멤브레인을 통과하지만 양이온 교환 멤브레인은 통과하지 않는다. 그 결과, (양이온 교환 멤브레인의 애노드 측 상의) 음이온 교환 멤브레인의 캐소드 측 상의 구획은 직류에 의해 부분적으로 탈이온화될 수 있고 "희석"구획으로 지칭될 수 있다. (양이온 교환 멤브레인의 캐소드 측 상의) 음이온 교환 멤브레인의 애노드 측 상의 구획은 희석 공간으로부터 제거된 이온을 축적하고, 따라서 "농축" 구획으로 지칭될 수 있다. 전기투석 방법은 멤브레인 사이에 용액을 흘려보냄으로써 연속적으로 실행될 수 있다.

제염율(the rate of desalination)은 직류의 양과 관련될 수 있다. 전류 밀도는 멤브레인의 단위 면적 당 전류이다. 전류 밀도의 증가는 제염율을 증가시킬 수 있다. 그러나, 분극화 결과는 유용한 전류 밀도의 상한을 제공할 수 있다. 분극화는 멤브레인의 중간 부근의 용액으로부터 소금의 고갈로 인해 야기되는 농도의 국부 변화일 수 있으며, 이러한 변화는 이온-운반 현상으로부터 야기되며 원치 않게 높은 오믹 저항을 야기할 수 있다. 멤브레인 표면에 인접한 용액 내의 이온 농도가 제로에 도달하는 경우 한계 전류에 도달할 수 있다. 실제로, 물은 수소 및 수산기 이온으로 전기분해될 수 있고 이온 운반에 참여할 수 있으며, 이와 같은 물의 전기투석은 전류 효율을 감소시킬 수 있다. 전해질 전위는 실효 전류량에 대한 상한을 제공할 수 있다. 멤브레인 표면 상에 다양한 물질의 투하를 조장하는 pH의 변화가 유도될 수 있으며, 이는 멤브레인의 손상을 야기한다. 이러한 투하는 "오염(fouling)"으로 지칭된다.

역전전기투석법은 전극에 인가되는 전압/전류의 극성을 주기적으로 역전시켜 침전물 또는 때(scale)를 방지 또는 제거하는 것을 포함한다. 극성 역전은 새롭게 침전된 때를 파괴하여 흘려보내고 멤브레인에 대한 손상을 피할 수 있다. 그러나, 전기투석 제거 동작 동안, 전압 또는 전류 극성이 역전되는 경우 희석 구획의 기능은 농축 구획으로 변경될 수 있고, 농축 구획의 기능은 희석 구획으로 변경될 수 있다. 이러한 역전은 대응하는 희석 및 농축 흐름 경로가 그에 따라 전환될 것을 요구할 수 있다. 이로 인해 과도하게 복잡한 수력 흐름 경로 및 밸브 제어가 필요하게 될 수 있다. 또한, 역전전기투석법은 많은 양의 에너지를 소비한다.

상업적으로 입수가능한 장치와 다른 제염 장치가 요구될 수 있다. 현재 이용가능한 공정과 다른 공정을 구비하는 것이 바람직할 수 있다.

일 실시예에서, 장치는 제 1 전극과 이 제 1 전극으로부터 이격되어 체적을 정의하는 제 2 전극을 포함한다. 음이온 교환 멤브레인 및 양이온 교환 멤브레인이 체적 내에 배치된다. 제어기는 전원으로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 전류 공급을 제어한다. 이 전류 공급은 각 주기 동안 제 1 동작 모드로부터 역극성을 갖는 전류를 제공하는 제 2 동작 모드로 전환하도록 제어된다. 전류는 제어된 주기율로 또한 제어된 지속기간 동안 공급된다. 주기율은 약 100 헤르쯔보다 크고 약 10 킬로헤르쯔보다 작다.

일 실시예에서, 전기투석 장치는 제 1 전극과 이 제 1 전극으로부터 이격되어 체적을 정의하는 제 2 전극과, 펄스형 전류를 제 1 전극 및 제 2 전극에 전송할 수 있는 전력공급 장치와, 장치가 복수의 주기에 걸쳐 동작하도록 장치를 제어할 수 있는 제어기를 포함한다. 복수의 주기 중 적어도 하나는 탈이온화 단계- 이 탈이온화 단계에서, 직류 전력공급 장치는 순방향 직류 전류(I_f)를 제 1 지속기간(t1) 동안 제 1 및 제 2 전극으로 전달하여, 제 1 양 전극 및 제 2 음 전극에 전력을 공급함 -와, 복원 단계- 이 복원 단계에서, 전력 공급 장치는 역방향 직류(I_r)를 순방향 직류의 반대 방향으로 제 2 지속기간(t2) 동안 제 1 및 제 2 전극 각각에 전송함 -를 포함한다. 동작 기간 동안 복수의 주기의 각 주기의 주파수는 약 100 헤르쯔 내지 약 10 킬로헤르쯔의 범위 내에 있다.

일 실시예에서, 전기투석 방법은 전기투석 장치를 사용한다. 이 방법은 복수의 주기를 포함하고, 복수의 주기 중 적어도 하나는 탈이온화 단계- 이 탈이온화 단계에서, 직류 전력공급 장치는 순방향 직류 전류(I_f)를 제 1 지속기간(t1) 동안 제 1 및 제 2 전극으로 전달하여, 제 1 양 전극 및 제 2 음 전극에 전력을 공급함 -와, 복원 단계- 이 복원 단계에서, 전력 공급 장치는 역전 직류(I_r)를 순방향 직류의 반대 방향으로 제 2 지속기간(t2) 동안 제 1 및 제 2 전극 각각에 전송함 -를 포함한다. 동작 기간 동안 복수의 주기의 각 주기의 주파수는 약 100 헤르쯔 내지 약 10 킬로헤르쯔의 범위 내에 있다.

일 실시예에서, 전기투석 방법은 희석 구획을 구비한 전기투석 장치를 사용한다. 이 방법은 급수(feed water)를 전기투석 장치 내로 흘려보내는 단계와, 전기투석 장치 내의 전극을 제 1 순방향 직류로 활성화시키는 단계와, 제 1 사전설정된 농도에 대한 이온 농도의 증가와 관련하여 전기투석 장치의 희석 구획 내의 이온 농도를 모니터링하는 단계와, 모니터링된 이온 농도가 제 1 사전설정된 이온 농도보다 낮아지기 전에 역극성의 직류를 이용하여 전극을 활성화시키는 단계와, 제 2 사전설정된 이온 농도와 관련하여 전기투석 장치의 희석 구획 내의 이온 농도를 모니터링하는 단계와, 희석 구획 내의 이온 농도가 제 2 사전설정된 이온 농도에 도달하는 것에 응답하여 제 2 순방향 직류로 전극을 활성화시키는 단계를 포함한다.

첨부한 도면에서, 유사한 문자는 도면에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다.

도 1은 예시적인 전기투석(ED) 장치를 나타내는 도면,
도 2는 희석 구획 내에서 음이온 교환 멤브레인에 인접한 분극화 문제를 나타내는 도면,
도 3은 예시적인 ED 장치에 대한 전압-전류 곡선을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 예시적인 펄스 신호를 나타내는 도면.
도 5는 펄스 신호의 순방향 전류 신호가 ED 장치에 인가되는 경우 제 1, 제 2 및 제 3 예시적인 이온 농도 전류 곡선을 나타내는 도면,
도 6은 펄스 신호의 역방향 전류 신호가 ED 장치에 인가되는 경우 제 1, 제 2 및 제 3 예시적인 이온 농도 전류 곡선을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 예시적인 펄스 신호를 나타내는 도면.

본 발명은 담수화를 위한 장치에 관한 실시예를 포함한다. 본 발명은 담수화를 위한 프로세스에 관한 실시예를 포함한다.

일 실시예에서, 제 1 전극과 이 제 1 전극으로부터 이격되어 체적을 정의하는 제 2 전극과, 제어기를 포함하는 장치가 제공된다. 제어기는 전원으로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 전류 공급을 제어할 수 있다. 이 전류 공급은 각 주기 동안 제 1 동작 모드로부터 제 2 동작 모드로 전환하도록 제어된다. 제 2 동작 모드에서, 전류 공급은 제 1 동작 모드에서 제공되는 전류의 극성과 반대인 극성을 갖는 전류를 제공한다. 전류는 제어된 주기율에서 또한 제어된 지속기간 동안 공급된다.

전기투석 장치는 희석 구획을 포함할 수 있다. 소정의 실시예에서, 제어기는 농축 이온 챔버를 지나 희석 이온 챔버 또는 출력까지 스트림에 추진력을 제공하기 위해 장치를 통과하는 급수의 흐름을 차단 또는 허용하는 밸브를 더 제어한다.

장치는 유로형상(flowpath)과 접촉하도록 배치되고 하나 이상의 전극에 인접한 이온 교환 멤브레인을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 음이온 교환 멤브레인 및 양이온 교환 멤브레인 중 하나 또는 양자 모두는 제 1 및 제 2 전극에 의해 정의된 체적 내에 배치될 수 있다. 소정의 실시예에서, 둘 이상의 양이온 교환 멤브레인이 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 배치될 수 있다. 소정의 실시예에서, 둘 이상의 음이온 교환 멤브레인은 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 정렬될 수 있다.

선택된 주기율은 장치의 성능 및 수명에 영향을 미친다. 소정의 실시예에서, 주기율은 듀티 기간에 걸쳐 균일하도록 유지된다. 한편 다른 실시예에서, 주기율은 듀티 기간에 걸쳐 변경되도록 제어기에 의해 제어된다. 센서가 제어기와 연동하여 동작하여 센서로부터의 피드백으로 인해 제어기는 변동되는 상황에 응답할 수 있다. 이러한 상황은 급수의 내용물 및 구성, 출력수(output water)의 염도 또는 이온 농도, 출력수에 대한 요구, 또는 전류의 비용 또는 가용성을 포함할 수 있다. 소정의 실시예에서, 주기율, 지속기간, 또는 전류량 중 하나 이상은 급수 특성을 모니터링하는 피드백 메카니즘에 관련된다.

주기 동안, 탈이온화 단계 및 복원 단계를 포함하는 동작 모드가 존재할 수 있다. 탈이온화 단계 동안, 직류 전력 공급 장치는 순방향 직류(I_f)를 제 1 지속기간(t1) 동안 제 1 및 제 2 전극으로 전달하여 제 1 양 전극 및 제 2 음 전극에 전력을 공급한다. 복원 단계 동안, 전력공급 장치는 제 2 지속기간(t2) 동안 순방향 직류와 반대 방향으로 역방향 직류(I_r)를 제 1 및 제 2 전극 각각에 전송한다. 동작 기간에 걸친 몇몇 주기의 각 주기의 주파수는 전술한 바와 같을 수 있다.

주기율은 약 100 헤르쯔보다 클 수 있다. 주기율은 약 10 킬로헤르쯔보다 작을 수 있다. 일 실시예에서, 주기율은 약 100 헤르쯔 내지 약 500 헤르쯔의 범위, 약 500 헤르쯔에서 약 1 킬로헤르쯔의 범위, 약 1 킬로헤르쯔 내지 약 2 킬로헤르쯔의 범위, 약 2 킬로헤르쯔에서 약 5 킬로헤르쯔의 범위, 또는 약 5 킬로헤르쯔 내지 약 10 킬로헤르쯔의 범위 내에 있을 수 있다. 주기율의 선택은 장치의 성능 및 수명에 영향을 미칠 수 있고, 여기서 더 설명된다.

전술한 바와 같이, 앞서 설명한 주기는 적어도 제 1 및 제 2 동작 모드를 포함한다. 각 주기의 지속기간은 약 10 초 미만일 수 있다. 일 실시예에서, 지속기간은 약 10초에서 약 5초의 범위, 약 5초에서 약 1초의 범위, 약 1초에서 약 0.5의 범위, 약 0.5초에서 약 0.005초의 범위, 약 0.005초에서 약 0.00005초의 범위, 약 0.00005초에서 약 0.000005초의 범위 내에 있거나 또는 약 0.000005초 미만일 수 있다.

각 주기에서 제 2 동작 모드에서의 지속기간에 대한 제 1 동작 모드의 지속기간의 비율은 약 0.001보다 클 수 있다. 소정의 실시예에서, 제 2 동작 모드에서의 지속기간에 대한 제 1 동작 모드의 지속기간의 비율은 약 0.01 내지 0.02의 범위, 약 0.02 내지 0.05의 범위, 약 0.05 내지 약 0.1의 범위, 약 0.1 내지 약 0.12의 범위, 약 0.12 내지 약 0.13의 범위, 약 0.13 내지 약 0.15의 범위, 약 0.15 내지 약 0.17의 범위, 약 0.17 내지 약 0.2의 범위 내에 있다.

제어기는 전원으로부터 하나 이상의 전극으로의 전류 공급을 제어할 수 있고, 지정된 기간 동안 전기 에너지를 공급할 수 없다. 일 실시예에서, 제어기는 전원으로부터 전류 공급이 없는 제 3 동작 모드를 정의한다. 제 3 동작 모드는 제 1 동작 모드와 제 2 동작 모드 사이에서 발생할 수 있다. 따라서, 제 3 모드는 유휴 기간일 수 있고, 정의된 드웰 시간을 허용할 수 있거나 또는 캐패시턴스 전하 축적을 가능하게 한다. 전극 내에서 축적되는 전하의 비율은 제 3 동작 모드의 지속기간과 같은 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.

두 개의 주기 사이에 능동적인 역전 단계가 구현될 수 있다. 전력공급 장치는 순방향 직류(If)에 반대되는 방향으로 직류(Ia)를 지속기간(t4) 동안 적어도 하나의 전극에 전달한다.

지속기간(t1)과 지속기간(t2)의 합에 대한 지속기간(t1)의 지속기간 비율은 약 1:10에서 1:100의 범위 내에 있다. 소정의 실시예에서, 순방향 직류(If)에 대한 역방향 직류(Ir)의 비율인 역방향 전류 비율은 1:10에서 약 1:100의 범위 내에 있다. 소정의 실시예에서, 주기는 유휴 단계를 포함할 수 있다. 유휴 단계는 지정된 지속시간(t3) 동안 지속될 수 있다. 유휴 단계 동안, 전력공급 장치는 전극 중 하나 또는 양자 모두에 직류를 제공하지 않을 수 있다. 소정의 실시예에서, 유휴 단계는 탈이온화 단계와 복원 단계 사이에 존재한다.

프로세스 동안, 전기투석 장치 내로 급수가 흐를 수 있다. 제 1 순방향 직류로 전기투석 장치 내의 전극을 활성화시킨다. 제 1 사전설정된 이온 농도에 대한 이온 농도의 증가와 관련하여 전기투석 장치의 희석 구획 내의 이온 농도를 모니터링한다. 모니터링된 이온 농도가 제 1 사전설정된 이온 농도보다 낮아지기 전에 역극성의 직류를 이용하여 전극을 활성화시킨다. 제 2 사전설정된 이온 농도와 관련하여 전기투석 장치의 희석 구획 내의 이온 농도를 모니터링한다. 희석 구획 내의 이온 농도가 제 2 사전설정된 이온 농도에 도달하는 것에 응답하여 제 2 순방향 직류로 전극을 활성화시킨다.

도 1을 참조하면, 예시적인 전기투석(ED) 장치(10)는 제 1 전극(12)과 이 제 1 전극(12)으로부터 이격되어 체적을 정의하는 제 2 전극(14)을 포함한다. 더 나아가, ED 장치(10)는 두 개의 양이온 교환 멤브레인(16), 두 개의 양이온 교환 멤브레인(16) 사이의 음이온 교환 멤브레인(18), 및 직류(DC) 전원(30)을 포함한다. 교대로 정렬된 음이온 및 양이온 교환 멤브레인(16,18)은 또한 멤브레인 스택으로 지칭된다. 멤브레인 스택은 보다 많은 멤브레인을 포함할 수 있다. 공급 스트림(22)이 멤브레인과 평행한 방향으로 ED 장치(10) 내로 흐른다. 공급 스트림(22)은 Na⁺, CA² ⁺와 같은 소정의 용해된 양이온(M⁺)과, Cl^- 및 CO₃ ²와 같은 소정의 음이온(X^-)을 포함할 수 있다.

DC 전원(20)과 제 1 전극(12) 및 제 2 전극(14)을 포함하는 회로를 폐쇄시키는 경우, 제 1 전극(12)과 제 2 전극(14) 중 하나는 양 전극으로서 활성화될 수 있고 나머지 하나는 음 전극일 수 있다. 양이온(M⁺)은 음 전극쪽으로 이동하는 한편, 음이온(X^-)은 양 전극쪽으로 이동한다. 이러한 이동은 공급 스트림(22) 내에서 용해된 양이온과 음이온을 분리시킨다. 음이온 교환 멤브레인(18)의 양의 전극에 더 근접한 양의 측면에 인접한 구획은 희석 구획(24)일 수 있다. 한편, 음이온 교환 멤브레인(18)의 음의 전극에 더 근접한 음의 측면에 인접한 구획은 농축 구획(26)일 수 있다. 희석 구획(24) 및 농축 구획(26)이로부터 배출되는 스트림은 각각 희석 및 농축 스트림이다.

음이온 및 양이온의 이동은 멤브레인에 인접한 희석 구획(24) 내의 경계 층에서 분극화를 야기할 수 있다. 도 2를 참조하면, 음이온 교환 멤브레인(18)의 분극화가 도시되어 있다. 실질적으로 일정한 동작 전류 밀도(I)를 갖는 DC 전원을 사용하는 종래의 ED 프로세스에서, 초기에, ED 장치(10) 내의 이온 농도는 모두 공급 스트림(22)의 농도와 동일하다. DC 전원이 DC 전류를 제 1 전극(12) 및 제 2 전극(14)에 전송하기 시작하면, 양이온(M⁺)은 기전력에 의해 음의 전극으로 이동하고 음이온 교환 멤브레인(18)으로부터 멀어지도록 강제되고, 음이온(X^-)은 양의 전극쪽으로 그리고 음이온 교환가능 멤브레인(18)을 통과하도록 강제된다. 그 결과, 음이온 교환 멤브레인(18)에 인접한 양이온의 농도는 감소할 수 있다. 다른 한편으로, 음이온 교환 멤브레인(18)은 농축 스트림(26) 내의 양이온이 희석 스트림(24) 내로 이동하는 것을 저지 또는 방해한다. 따라서, 음이온 교환 멤브레인(18)에 인접한 양이온의 농도는 더 감소한다. 농도 그레디언트(gradient)(28)는 음이온 교환 멤브레인(18)에 인접하여 형성될 수 있다. 낮은 이온 농도를 갖는 네른스트(Nernst) 층 또는 경계 층(30)은 희석 스트림(24) 내의 음이온 교환 멤브레인(18)에 인접하여 형성될 수 있다. 경계 층(30)은 두께(D)를 갖는다.

경계 층 내에서의 양이온 농도가 더 감소하는데 적어도 두 개의 요인이 영향을 미칠 수 있다. 우선, 공급 스트림(22) 내의 난류(turbulence)는 공급 스트림(22) 내에서 이온 농도를 균일하게 유지시킬 수 있다. 농도 감소 경향이 공급 스트림(22)에 미치게 되면, 난류의 대류 힘(convection force)은 영역을 지배하고 농도 감소 경향을 저지할 수 있다. 다른 요인 이외에, 난류의 존재 및 그 양은 경계 층(30)의 두께(D)를 결정할 수 있다. 이러한 다른 요인은 혼탁도, 점성도, 온도 및 유속을 포함할 수 있다. 두 번째로, 이온 감소 동안, 확산력이 양이온(M⁺) 및 음이온(X^-) 모두를 음이온 교환 멤브레인(18)쪽으로 이동시킨다. 이 확산력은 경계 층 내에서 음이온의 이동을 증대시키지만, 양이온의 이동을 약하게 하는데, 그 이유는 확산력은 기전력과 반대이기 때문이다. 확산력이 기전력과 동일한 경우, 농도 그레디언트는 경계 층(30) 내에서 안정될 수 있다. 이러한 상태는 이하의 본 명세서에서 "정적 단계"로 지칭된다.

동작 전류 밀도(I)가 더 증가하는 경우, 음이온 교환 멤브레인(18)의 표면 상의 이온 농도는 감소한다. 이러한 역관계의 원인은 증가된 기전력이 확산력을 증대시키기 때문일 수 있다. 음이온 교환 멤브레인(18)의 표면 상의 양이온 농도가 0에 가까운 경우, 이에 대응하는 전류 밀도는 한계 전류(I_lim)이다. 동작 전류 밀도(I)가 더 상승하고 한계 전류 밀도(I_lim)를 초과하는 경우, 소금 이온의 전류 전달 능력은 불충분할 수 있다. 전류 전달 용량 능력이 불충분하고 동작 전류 밀도가 너무 높은 경우, 물 분자는 이온 성분(H⁺ 및 OH^-)으로 분해될 수 있다. 멤브레인 스택의 전압-전류 곡선이 도시되어 있다. 동작 전류 밀도(I)가 한계 전류 밀도(I_lim)보다 낮은 경우, 전압은 동작 전류 밀도(I)에 따라 선형적으로 증가한다. 동작 전류 밀도(I)가 한계 전류(I_lim)를 초과하는 경우, 물은 분해되고 멤브레인 스택의 전압은 이전보다 전류와 함께 보다 빠르게 증가하는데, 그 이유는 음이온 교환 멤브레인(18)의 표면에서 고전압 강하가 발생하기 때문이다. 물을 해리시키고 희석 구획(24)로부터 소금을 제거하지 않기 위해 원하지 않는 에너지양이 소비될 수 있다. 이것은 담수화 효율을 감소시킬 수 있다. 전류가 H⁺ 또는 OH^- 이온에 의해 전달될 수 있기 때문에 전류 효율은 감소될 수 있다.

한계 전류(I_lim)는 적어도 몇몇 경우에서 소정의 멤브레인 스택에 대해 공급 유속 및 공급 소금 농도의 함수인, 전류에 대한 멤브레인 스택 양단의 전기 저항값을 도시함으로써 실험적으로 결정될 수 있다. 동작 전류 밀도(I)는 한계 전류에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, I=I_lim*f이며, 여기서 f는 약 0.3 내지 약 0.7의 범위 내에 있다.

동작 동안, 제어기(미도시)는 펄스형 DC 전류 신호를 제 1 전극(12) 및 제 2 전극(14)에 공급할 것을 전류원(20)에 지시할 수 있다. 예시적인 펄스형 DC 전류 신호는 도 4에 도시되어 있다. 펄스 DC 전류 신호는 몇몇 주기를 포함한다. 각 주기는 담수화를 위한 순방향 전류 신호 및 분극화의 복원을 위한 역방향 전류 신호를 포함한다. 순방향 전류 신호는 순방향 전류 지속기간(T_f)과 함께 전류 밀도(I_f)를 갖는다. 역방향 전류 신호는 역방향 전류 지속기간(T_r)과 함께 역방향 전류 밀도(I_r)를 갖는다. 각 주기는 순방향 전류 지속기간(T_r) 및 역방향 전류 지속기간(T_r)을 포함하는 주기 시간(T)을 갖는다. 순방향 전류 지속기간(T_f) 동안, 제 1 전극(12) 및 제 2 전극(14)은 각각 양 전극 및 음 전극으로서 활성화될 수 있다. 역방향 전류 지속기간(Tr) 동안, 제 1 전극(12) 및 제 2 전극(14)의 극성은 역전된다. 순방향 전류 밀도(If)와 한계 전류(I_lim)의 비율은 약 0.315 내지 약 0.91의 범위 내에 있으며, 이는 종래의 ED 장치의 동작 전류 밀도(I)보다 높을 수 있다. 종래의 동작 전류 밀도(I)보다 높게 순방향 전류 밀도(I_f)를 제어하여 전기투석 장치를 관리할 수 있다. 평균 전류(I_a)는

에 의해 결정될 수 있다.

담수화 효율은 평균 전류(I_a)에 비례할 수 있다. 보다 높은 순방향 전류 밀도(I_f)를 사용함으로써, 평균 전류(I_a)는 동작 전류 밀도(I)보다 높을 수 있고 따라서 제염 효율을 개선할 수 있다.

각 주기 동안, DC 전원(20)은 우선 제염을 위해 순방향 DC 전류를 제 1 전극(12) 및 제 2 전극(14)에 전송한다. 경계 층 내의 이온 농도가 제 1 사전설정된 값(C1)보다 낮아질 수 있기 전에, 제 1 전극(12) 및 제 2 전극(14)의 극성은 역전된다. 즉, DC 전원(20)은 분극화 복원을 위해 하나의 역 전류 지속기간(T_r) 동안 역 전류 밀도(I_r)를 갖는 역 전류 신호를 전송한다.

이온 농도가 정적 상태에 도달하기 전에, DC 전원(20)은 이온 농도 감소를 막기 위해 역방향 전류를 전송할 수 있다. 이온 농도가 증가하고 제 2 사전설정된 값(C2)에 도달하게 되면, 제 1 및 제 2 전극의 극성은 다시 역전되고, 따라서 제 2 주기가 시작된다. 따라서, 순방향 전류 밀도(I_f)는 전통적인 ED 장치의 동작 전류 밀도(I)보다 약 5 퍼센트 내지 약 30 퍼센트 더 높게 설정될 수 있다. 평균 전류 밀도(Ia)는 탈염 생산성을 증가시키기 위해 전통적인 전류 밀도(I)의 동작 전류보다 높을 수 있다.

소정의 실시예에서, 순방향 전류 지속기간(T_f), 역 전류 지속기간(T_r)은 Nernst-Planck 방정식에 따라 계산된다.

여기서,

는 시간에 따른 이온 농도 변화를 반영하고,

항은 농도 그레디언트에 의해 야기되는 확산 플럭스를 반영하며,

항은 전기장에 의해 야기되는 이동 플럭스를 반영하고,

항은 난류에 의해 야기되는 대류 플럭스이며, (R_i)는 반응 항을 나타낸다.

ED 프로세스의 각 주기의 적어도 하나의 기간 동안, 반응이 발생하지 않고 Nernst-Planck 방정식 내의 R_i는 이온 농도에 기여하지 않는다. 프로세스 주기의 일 기간에서, 전류원으로부터의 전류 신호는 공급 스트림(22)의 흐름 방향과 반대 방향으로 제 1 전극 및 제 2 전극에 인가된다. 이러한 경우, 일차원 케이스 내의 경계 층에서의 대량 전달이 고려되는 경우 Nernst-Planck 방정식은 간략화된다. 이온 이동 방향으로의 대류 흐름은 무시될 수 있다. 따라서, Nernst-Plank 방정식에서의 항

은 생략된다. 농도 그레디언트에 의해 야기되는 확산 플럭스 및 전기장에 의해 야기되는 이동 플럭스만이 고려된다. 방정식(1-2)은 다음과 같이 간단해진다.

순방향 및 역방향 전류 지속기간(T_f),(T_r)은 상업적으로 입수가능한 다중물리 분석 소프트웨어를 이용하여 방정식(1-3)에 따라 시뮬레이팅될 수 있다. 적절한 소프트웨어는 예를 들어 COMSOL Ltd.(베른, 스위스)를 통해 얻어질 수 있다.

예

예 1 - 시뮬레이션 및 모델링

1000 PPM의 공급 농도, 확산 계수 D=2*10^-9m²/s, 및 25A/m²의 전류 밀도를 갖는 NaCl 용액이 제공되며, 전위가 양으로 대전되어 있을 때 시간에 따른 농도 감소는 도 5에 도시되어 있다. 시뮬레이션 결과는 멤브레인 벽에서의 농도는 약 1 마이크로초(ms) 이후에 400 PPM까지 감소한다는 것을 보여준다.

도 5에서 초기 값으로서 1 마이크로초의 농도 분포와, 대전된 양의 전류(즉, 1.2*25A/m²)보다 1.2배인 전류를 갖는 역 펄스의 생성을 가정하면, 멤브레인 근처의 농도 복원은 도 6에 도시되어 있다. 그 결과는 농도가 400PPM에서 600PPM으로 복원하는데 0.03ms가 소요됨을 보여준다.

시뮬레이션이 완료된 후, 실험은 (I_f),(I_r),(T_f) 및 (T_r) 각각에 대한 바람직한 파라미터 세트를 검증 및 선택할 수 있다. 실험에서, 탈이온화 시간(T1), 순방향 전류에 대한 역방향 전류의 비율(K_i=I_f/I_f), 및 순방향 시간에 대한 역방향 시간의 비율(K_t=T₂/T₁)은 독립적으로 제어된다.

각 주기 동안, 순방향 전류 지속기간(T_f)은 약 80 퍼센트보다 커야 한다. 일 실시예에서, 순방향 전류 지속기간은 주기 시간(T)의 약 80 퍼센트 내지 약 85 퍼센트, 약 85 퍼센트 내지 약 90 퍼센트, 약 90 퍼센트 내지 약 95 퍼센트, 또는 약 95 퍼센트 내지 약 99 퍼센트이다. 순방향 전류 지속기간의 제어는 탈염 생산성을 최적화한다.

도 4를 참조하면, 소정의 실시예에서, 펄스 전류 신호는 두 개의 인접한 주기의 순방향 전류 신호 사이에 제 2 역방향 전류 밀도(I_p) 및 제 2 역방향 전류 지속기간(T_p)을 갖는 제 2 역방향 전류 신호를 더 포함할 수 있다. 제 2 역방향 전류 지속기간(T_p)은 역방향 전류 지속기간(T_r)보다 길다. 제 2 역방향 전류 밀도(I_p)는 역방향 전류 밀도보다 클 수 있다. 따라서, 멤브레인 상에 형성된 때 또는 오염은 제거될 수 있다.

도 7을 참조하면, 펄스형 전류 신호의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 펄스형 전류 신호의 제 2 실시예는 제 1 및 제 2 전극(12,14)을 양으로 대전시키는 순방향 전류 신호와, 순방향 전류 신호의 반대 방향인 역방향 전류 신호와, 순방향 및 역방향 전류 신호 사이에 어떠한 전류 신호도 갖지 않는 유휴기간을 포함한다.

본 명세서에 특별히 기술하지 않는다면, 단수의 표현은 복수의 개수를 포함한다. 상세한 설명 및 청구항 전반에 걸쳐 사용되는 근사화 용어는 관련 있는 기본적인 기능의 변동을 야기하는 일 없이 변경될 수 있는 임의 양적 표현을 수정하는데 적용될 수 있다. 따라서, "약"과 같은 용어 또는 용어들에 의해 수정된 값은 지정된 특정 값에 국한되지 않는다. 일부 경우, 근사화 용어는 값을 측정하는 도구의 정확성에 대응할 수 있다. 유사하게, "프리(free)"가 용어와 함께 사용될 수 있고, 공허한 수, 또는 트레이스 양을 포함할 수 있는 한편, 여전히 수정된 용어에 영향을 받지 않는 것으로 간주된다.

본 명세서에서 기술된 실시예는 청구항에 기재된 본 발명의 요소들에 대응하는 요소를 갖는 물품, 시스템 및 방법의 예이다. 당업자라면, 본 상세한 설명을 통해, 청구항에 기재된 본 발명의 요소에 대응하는 또 다른 요소를 갖는 실시예를 구성 및 사용할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 청구항에 기재된 표현 그 자체와 다른 물품, 시스템 및 방법을 포함하며, 또한 청구항에 기재된 표현과 실질적인 차이가 없는 다른 물품, 시스템 및 방법을 더 포함한다. 소정의 특징 및 실시예가 본 명세서에서 예시되고 기술되었지만, 당업자라면 다수의 변형 및 변경을 수행할 수 있을 것이다. 첨부한 청구항은 이러한 모든 변형 및 변경을 커버한다.

Claims

제 1 전극과 상기 제 1 전극으로부터 이격되어 체적을 정의하는 제 2 전극과,
전원으로부터 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 전류 공급을 제어하는 제어기를 포함하되,
상기 전류 공급은 각 주기 동안 제 1 동작 모드로부터 역극성을 갖는 전류를 제공하는 제 2 동작 모드로 전환하도록 제어되고, 상기 전류는 제어된 주기율(controlled cycle rate)로 또한 제어된 지속기간(controlled duration) 동안 공급되며, 상기 주기율은 약 100 Hz보다 크고 약 10 KHz보다 작은
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 체적 내에 배치된 음이온 교환 멤브레인 및 양이온 교환 멤브레인을 더 포함하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 각 주기의 지속기간은 약 1초 미만인 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 동작 모드에서의 지속기간에 대한 상기 제 1 동작 모드에서의 지속기간의 비율은 약 0.01 내지 약 0.2의 범위 내에 있는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 동작 모드와 상기 제 2 동작 모드 사이에 일시적으로 배치되는 유휴 기간인 제 3 동작 모드가 존재하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 주기율은 듀티 기간에 걸쳐 균일하게 유지되는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 주기율은 지정된 기간에 걸쳐 전류 또는 지속기간에 따라 변경되도록 제어되는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 주기율, 지속기간, 또는 전류량 중 하나 이상은 급수 특성(feed water properties)을 모니터링하는 피드백 메카니즘에 관련되는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 둘 이상의 양이온 교환 멤브레인이 배치되는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 둘 이상의 음이온 교환 멤브레인이 배치되는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 농축 이온 챔버를 지나 희석 이온 챔버까지 스트림에 추진력을 제공하도록 상기 장치를 통과하는 급수의 흐름을 제어하는 밸브를 더 제어하는 장치.
전기투석 장치에 있어서,
제 1 전극과 상기 제 1 전극으로부터 이격되어 체적을 정의하는 제 2 전극과,
펄스형 직류를 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 전송할 수 있는 전력공급 장치와,
상기 장치가 복수의 주기에 걸쳐 동작하도록 상기 장치를 제어할 수 있는 제어기를 포함하되,
상기 복수의 주기 중 적어도 하나는
탈이온화 단계- 상기 탈이온화 단계에서, 직류 전력공급 장치는 순방향 직류 전류(I_f)를 제 1 지속기간(t1) 동안 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로 전달하여, 제 1 양 전극 및 제 2 음 전극에 전력을 공급함 -와,
복원 단계- 상기 복원 단계에서, 상기 전력공급 장치는 역방향 직류(I_r)를 상기 순방향 직류의 반대 방향으로 제 2 지속기간(t2) 동안 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 각각에 전송함 -를 포함하고,
동작 기간 동안 상기 복수의 주기의 각 주기의 주파수는 약 100 Hz 내지 약 10 KHz의 범위 내에 있는
전기투석 장치.
전기투석 장치를 사용하는 전기투석 방법에 있어서,
상기 방법은 복수의 주기를 포함하고, 상기 복수의 주기 중 적어도 하나는
탈이온화 단계- 상기 탈이온화 단계에서, 직류 전력공급 장치는 순방향 직류 전류(I_f)를 제 1 지속기간(t1) 동안 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로 전달하여, 제 1 양 전극 및 제 2 음 전극에 전력을 공급함 -와,
복원 단계- 상기 복원 단계에서, 상기 전력공급 장치는 역방향 직류(I_r)를 상기 순방향 직류의 반대 방향으로 제 2 지속기간(t2) 동안 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 각각에 전송함 -를 포함하고,
동작 기간 동안 상기 복수의 주기의 각 주기의 주파수는 약 100 Hz 내지 약 10 KHz의 범위 내에 있는
전기투석 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 지속기간(t1)과 상기 지속기간(t2)의 합에 대한 상기 지속기간(t1)의 지속기간 비율은 약 1:10 내지 약 1:100의 범위 내에 있는
전기투석 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 순방향 직류(I_f)에 대한 상기 역방향 직류(I_r)의 비율인 역방향 전류 비율은 약 1:10 내지 약 1:100의 범위 내에 있는
전기투석 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 복수의 주기 중 적어도 하나는 지속기간(t3) 동안 유휴 단계를 가지고, 상기 지속기간(t3) 동안 상기 전력공급 장치는 상기 전극 모두에게 직류를 전달하지 않는
전기투석 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 유휴 단계는 상기 탈이온화 단계와 상기 복원 단계 사이에 있는
전기투석 방법.
제 13 항에 있어서,
두 주기 사이에 적어도 하나의 역전 단계를 더 포함하되, 상기 전력공급 장치는 상기 순방향 직류(I_f)에 반대되는 방향으로 지속기간(t4) 동안 적어도 하나의 전극에 직류(I_a)를 전달하는
전기투석 방법.
희석 구획을 갖는 전기투석 장치를 사용하는 전기투석 방법에 있어서,
급수를 상기 전기투석 장치내로 흘려보내는 단계와,
상기 전기투석 장치 내의 전극을 제 1 순방향 직류로 활성화시키는 단계와,
제 1 사전설정된 이온 농도에 대한 이온 농도의 증가와 관련하여 상기 전기투석 장치의 희석 구획 내의 이온 농도를 모니터링하는 단계와,
상기 모니터링된 이온 농도가 상기 제 1 사전설정된 이온 농도보다 낮아지기 전에 역극성의 직류로 상기 전극을 활성화하는 단계와,
제 2 사전설정된 이온 농도에 대해 상기 전기투석 장치의 희석 구획 내의 이온 농도를 모니터링하는 단계와,
상기 희석 구획 내의 상기 이온 농도가 상기 제 2 사전설정된 이온 농도에 도달하는 것에 응답하여 제 2 순방향 직류로 상기 전극을 활성화하는 단계를 포함하는
전기투석 방법.