KR20100099227A - 수처리를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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이브게니야 프레이디나
조셉 디. 기포드
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지멘스 워터 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본원에서는 수처리를 위한 전기화학적 장치 및 방법이 개시되어 있다. 전기탈이온화 장치(100)은 이온 선택성 매체, 예컨대, 붕소-선택성 수지(170)를 함유하는 하나 이상의 격실(110)을 포함할 수 있다. 주기적인 표적 이온의 흡착 및 동일반응계내 매체의 재생이 공정수를 처리하도록 이용되며 전기화학적 장치내의 다양한 pH 조건의 촉진에 의해서 구동될 수 있다.

Description

수처리를 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR WATER TREATMENT}
본 발명은 수처리를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 특히, 해수 스트림으로부터 하나 이상의 표적 화학종을 제거하는데 효과적인 전기화학적 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전기장을 가하여 물을 처리하여 물 중의 바람직하지 않은 이온 종을 제거할 수 있는 시스템은 공지되어 있다. 이들 전기화학적 장치는, 이로 한정되는 것은 아니지만, 정제된 물, 예컨대, 탈이온수를 생성시키는데 통상적으로 사용되는 전기투석 및 전기이온화 장치를 포함한다.
이들 장치 내에는 이온-선택적 막에 의해서 분할된 농축 및 희석 격실(concentrating and diluting compartment)이 있다. 전기탈이온화 장치는 통상적으로는 교대되는 전기활성의 반투성 음이온 교환 막과 양이온 교환막을 포함한다. 막들 사이의 공간은 입구와 출구가 있는 액체 흐름 격실을 생성시키도록 구성되어 있다. 격실은 전형적으로 흡착 매체, 예컨대, 이온 교환 수지를 포함하여 이온 전달을 촉진한다. 전극을 통해서 가해진 전기장은 용존 이온이 이들의 각각의 짝-전극에 이끌리게 하고, 음이온 교환 막과 양이온 교환 막을 통해서 이동하게 한다. 이러한 현상은 이온이 제거된 희석 격실의 액체를 생성시키고, 전달된 이온이 농축된 농축 격실의 액체를 생성시킨다. 전형적으로는, 희석 격실의 액체가 바람직하며("생성물" 액체), 농축 격실의 액체는 버려진다("폐기물" 액체).
발명의 요약
본 발명의 관점은 일반적으로는 수처리를 위한 전기화학적 장치 및 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하나 이상의 관점에 따르면, 해수를 처리하는 방법이 개시된다. 이러한 방법은 클로라이드 이온과 붕소-함유 화합물을 포함하는 해수를, 전기 구동 분리장치의 제 1 격실로서, 수지 층(resin bed) 및 출구를 포함하도록 구성된 적어도 제 1 격실에 도입하고, 제 1 격실로부터의 해수 중의 클로라이드 이온을 전기 구동 분리 장치의 제 2 격실로 수송하는 것을 촉진하고, 제 1 격실중의 해수중 붕소-함유 화합물의 일부 또는 전부의 이온화를 촉진하고, 제 1 격실중의 수지 층상에 이온화된 붕소-함유 화합물의 일부 또는 전부를 흡착시키고, 제 1 격실의 출구에서 처리된 물을 회수함을 포함할 수 있다.
그러한 방법은 제 2 격실내의 제 2 수지 층에 결합된 붕소-함유 화합물의 일부 또는 전부를 방출시킴을 추가로 포함할 수 있다. 일부 관점으로, 본 발명의 방법은 제 2 격실의 출구에서 붕소-함유 스트림을 회수함을 추가로 포함할 수 있다. 처리된 물의 pH 수준이 또한 조절될 수 있다. 본 발명의 방법은 전기 구동 분리 장치를 통해서 가해진 전류의 극성을 역전시킴을 추가로 포함할 수 있다. 처리된 물중의 붕소 농도가 모니터링될 수 있다. 전기 구동 분리 장치를 통해서 가해진 전류의 극성은 소정의 수준 초과인 처리된 물 중의 붕소 농도를 검출함에 대한 반응으로 역전될 수 있다. 일부 관점에서, 소정의 수준은 약 1ppm이다. 처리된 물은 전기 구동 분리 장치의 제 3 격실에 유도될 수 있다. 일부 관점에서, 처리된 물의 pH 수준이 모니터링될 수 있으며, 전기 구동 분리 장치를 통해서 가해진 전류의 극성은 소정의 수준 초과인 처리된 물의 pH 수준을 검출함에 대한 반응으로 역전될 수 있다.
하나 이상의 관점에 따르면, 전기탈이온화 장치를 작동하는 방법이 개시되고 있다. 그러한 방법은 붕소-함유 화합물을 포함한 공정 수(process water)를, 전기탈이온화 장치의 제 1 격실로서, 수지 층과 출구를 포함하도록 구성된 제 1 격실에 도입하고, 제 1 격실중의 염기성 pH 상태를 촉진하고, 제 1 격실에 인접한 전기탈이온화 장치의 제 2 격실내의 산성 pH 상태를 촉진하고, 제 1 격실내 수지 층상에 보레이트 이온을 흡착시키고, 제 1 격실의 출구에서 처리된 물을 회수하고, 제 2 격실의 출구에서 붕소-함유 스트림을 회수함을 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 처리된 물중의 붕소 농도를 모니터링함을 추가로 포함한다. 전기탈이온화 장치를 통해서 가해진 전류의 극성이 검출된 붕소 농도에 대한 반응으로 역전될 수 있다. 일부 관점에서, 처리된 물의 pH 수준이 조절될 수 있다. 붕소-함유 스트림을 회수함은 제 2 격실중에서 수지로부터 붕소-함유 화합물을 방출시킴을 포함할 수 있다.
하나 이상의 관점에 따르면, 붕소-선택성 수지 층을 함유하는 제 1 격실을 포함한 전기 구동 분리 장치를 포함하는 수처리 시스템이 개시된다.
붕소-선택성 수지 층은 시스-디올 작용기를 포함할 수 있다. 일부 관점에서, 전기 구동 분리 장치는 해수 중의 붕소 농도를 약 0.5 내지 1ppm의 수준으로 감소시키도록 구성되고 배열된다. 전기 구동 분리 장치의 제 1 격실은 제 1 음이온-선택성 막과 제 1 양이온-선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정될 수 있다. 전기 구동 분리 장치는 제 1 음이온-선택성 막과 제 2 양이온-선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정된 제 2 격실을 추가로 포함할 수 있다. 일부 관점에서, 시스템은 붕소-선택성 수지 층의 하류에 유체 소통관계로 위치되고 전기 구동 분리 장치로부터의 처리된 물중의 붕소 농도를 나타내는 측정 신호를 제공하도록 구성되는 센서를 추가로 포함할 수 있다. 시스템은 또한 센서와 통신되며 적어도 부분적으로 측정 신호를 기초로 하여 전기 구동 분리 장치와 연관된 파워 서플라이(power supply)에 제어 신호를 생성시키도록 구성되는 제어기를 추가로 포함할 수 있다. 일부 관점에서, 제 1 격실내의 붕소-선택성 수지 층의 조성은 전기 구동 분리 장치의 제 1 격실을 통한 유체 흐름 경로를 따라서 실질적으로 균일할 수 있다.
하나 이상의 관점에 따르면, 용존 화학종과 하나 이상의 표적 화학종을 지니는 해수를 처리하는 방법이 개시되어 있다. 그러한 방법은 해수 공급원으로부터의 제 1 해수 부분을 전기 구동 분리 장치의 감소 격실(depleting compartment)로서 음이온 투과성 막과 제 1 양이온 투과성 막 사이에 배치된 표적 화학종-흡착 매체를 지닌 감소 격실내로 도입하고, 해수 공급원으로부터의 제 2 해수 부분을 전기 구동 분리 장치의 농축 격실로서 음이온 투과성 막과 제 2 양이온 투과성 막 사이에 배치된 표적 화학종-흡착 매체를 지닌 농축 격실내로 도입시키고, 하나 이상의 표적 화학종의 일부 또는 전부를 바람직한 이온 상태로 전환시키면서 용존 화학종의 일부 또는 전부의 농축 격실내로의 수송을 촉진시킴을 포함할 수 있다.
일부 관점에서, 본 발명의 방법은 전기 구동 분리 장치의 중화 격실에서 감소 격실로부터의 물의 일부 또는 전부의 pH를 조절함을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 중화 격실은 제 2 양이온 투과성 막과 제 3 양이온 투과성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정된다. 용존 화학종의 일부 또는 전부의 농축 격실내로의 수송을 촉진함은 감소 및 농축 격실을 통해서 전류를 가함을 포함할 수 있다. 전류를 가함은 전기 구동 분리 장치의 하나 이상의 격실내의 물의 극성화를 촉진시켜서 하이드로늄 이온을 생성시킬 수 있으며, 감소 격실로부터의 물의 일부 또는 전부의 pH를 조절함은 하이드로늄 이온의 일부 또는 전부의 중화 격실내로의 수송을 촉진함을 포함할 수 있다. 일부 관점에서, 전류를 가하는 것은 감소 격실내의 해수의 pH를 9.2 단위 이상으로 상승시키기에 충분한 전류를 통과시킴을 포함한다. 중화 격실에는 전기활성 매체가 없을 수 있다.
일부 관점에서, 전기 구동 분리 장치가 개시된다. 그러한 장치는 제 1 양이온 선택성 막과 제 1 음이온 선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정되는 제 1 격실, 제 1 음이온 선택성 막과 제 2 양이온 선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정되는 제 2 격실, 및 제 1 격실과 제 2 격실 중 하나 이상 내에 위치된 붕소-선택성 전기활성 매체를 포함할 수 있다.
그 밖의 관점에서, 장치는 제 2 양이온 선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정된 제 3 격실을 추가로 포함할 수 있다. 제 3 격실은 바이폴라(bipolar) 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정될 수 있다. 제 1 격실의 출구는 제 3 격실의 입구에 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다. 전기 구동 분리 장치의 출구는 식수 사용 지점에 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다. 일부 관점에서, 전기활성 매체는 시스-디올 작용기를 포함할 수 있다. 제 3 격실은 전기활성 매체가 실질적으로 없을 수 있다. 하나 이상의 관점에서, 역삼투 막이 전기 구동 분리 장치의 하류에서 유체 소통관계로 연결되지 않는다. 적어도 또 다른 관점에서, 수지 층이 전기 구동 분리 장치의 하류에서 유체 소통관계로 연결되지 않는다.
또 다른 관점에서, 장치는 수지 층의 하류에서 유체 소통관계로 위치하고, 전기 구동 분리 장치로부터의 처리된 물중의 붕소 농도를 나타내는 측정 신호를 제공하도록 구성된 센서를 추가로 포함할 수 있다. 측정 신호는 검출된 pH 수준을 포함할 수 있다. 장치는 센서와 통신되며 부분적으로 또는 전체적으로 측정 신호를 기초로 하여 전기 구동 분리 장치와 연관된 파워 서플라이에 대한 제어 신호를 생성시키도록 구성된 제어기를 추가로 포함할 수 있다. 일부 관점에서, 전기활성 매체는 N-메틸 글루카민 작용기를 포함한다.
이들 예시적인 관점 및 구체예의 또 다른 관점, 구체예 및 이점이 이하 상세히 논의된다. 또한, 상기 정보 및 하기 설명 둘 모두는 다양한 관점 및 구체예에 대한 단순한 예시적인 예이며, 청구된 관점 및 구체예의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개괄 또는 골격을 제공하고자 하는 것임을 이해해야 한다. 첨부된 도면은 다양한 특징 및 구체예의 설명 및 추가의 이해를 위한 것이며 본 명세서의 일부에 포함되고 그러한 일부를 구성한다. 명세서의 나머지 부분과 함께, 도면은 기재된 및 청구된 특징 및 구체예의 원리 및 작동을 설명하기 위한 것이다.
하나 이상의 구체예에 대한 다양한 특징이 첨부된 도면을 참조로 하여 이하 논의된다. 척도에 맞춰서 도시되지 않은 도면에서, 여러 도면에 예시되는 각각의 동일 또는 거의 동일한 부품은 유사한 번호로 표시되어 있다. 명확성을 위해서, 모든 부품이 모든 도면에 표지되지 않을 수 있다. 도면은 예시 및 설명을 위해서 제공되며 본 발명의 한계를 규정하고자 하는 것이 아니다.
도 1은 하나 이상의 구체예에 따른 장치를 개략적으로 예시하고 있다.
도 2 내지 도 4는 수반된 실시예에서 참조된 실험 장치를 나타내고 있다.
도 5는 하나 이상의 구체예에 따른 수반된 실시예에서 논의된 데이타를 나타내고 있다.
도 6은 pH 수준을 변화시킴에 따른 붕소 화학종들 사이의 평형관계를 나타낸다.
상세한 설명
하나 이상의 구체예는 수처리를 위한 전기 구동 분리 장치를 포함한 전기화학적 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치 및 방법은 일반적으로는 물 스트림으로부터 하나 이상의 표적 화학종을 제거하는데 효과적일 수 있다. 한 가지 비-제한 구체예에서, 장치 및 방법은 물로부터 붕소를 효율적으로 제거할 수 있다. 장치 및 방법은 또한 하나 이상의 구체예에서의 탈염을 위해서 이용될 수 있다. 본원에서 더 상세히 기재되고 있는 바와 같이, 하나 이상의 구체예는 일반적으로는 수처리를 위한 주기적 로딩(loading) 및 재생을 촉진시키기 위한 산 및/또는 염기 생성을 포함할 수 있다. 전기화학적 처리에 대한 이러한 새로운 방법은 전기화학적 분리를 위한 경막 이온 수송에 의존하는 통상의 전기화학적 기술에 비해서 특정의 표적 화학종을 제거하는데 있어서 더 효과적일 수 있다. 유리하게는, 하나 이상의 구체예는 하류 사용 지점, 예컨대, 식용, 관개(irrigation) 및 산업 적용, 예를 들어, 반도체 제조에 충분한 품질의 생성물 스트림이 전달되게 할 수 있다. 생성물 스트림의 pH 수준이 또한 하나 이상의 구체예에 따라서 동일반응계내(in-situ)에서 중화되거나 조절될 수 있다.
본원에서 논의되는 시스템 및 방법의 구체예는 하기 설명에 기재되거나 첨부된 도면에 예시된 부품의 구성 및 배열에 대한 상세사항으로 적용이 제한되는 것이 아님을 인지해야 한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 다른 구체예에서 실행될 수 있으며 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다. 특정의 실행의 예가 단지 예시를 위해서 본원에 제공되어 있으며, 그러한 예로 제한되는 것은 아니다. 특히, 하나 이상의 구체예와 관련되어 논의된 작동, 구성 요소 및 특징은 어떠한 다른 구체예에서 유사한 역할로부터 배제되는 것이 아니다. 또한, 본원에서 사용된 문구 및 용어는 설명을 목적으로 하는 것이며 제한하는 것으로 여겨지지 않는다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 방치 및 방법은 일반적으로는 수처리를 위한 전기 분리 기술과 관련될 수 있다. 전기화학적 장치, 예컨대, 전기탈이온화 장치가 일반적으로는, 전기장을 이용하여 액체중의 용해된 및/또는 현탁된 화학종에 영향을 주고/거나 그들의 수송을 감소시키거나 달리 이동성을 제공함으로써 액체로부터의 화학종의 분리 또는 제거에 적어도 부분적으로 영향을 줌으로써, 액체 중의 하나 이상의 성분, 예를 들어, 액체 중에 용해된 및/또는 현탁된 이온을 분리시킬 수 있다. 액체 중의 하나 이상의 화학종은, 특정의 특징과 관련하여, "표적" 화학종으로 여겨질 수 있다.
하나 이상의 구체예, 및 본원에서 보다 상세히 논의된 바와 같은 구체예에 따르면, 공정 스트림은 처리를 위한 전기화학적 장치의 하나 이상의 격실에 도입될 수 있다. 공정 스트림은 하나 이상의 표적 화학종 또는 표적 이온을 함유할 수 있다. 일부 표적 화학종은 전기화학적 장치 내에서 생성된 산 또는 염기에 대한 전구체일 수 있다. 따라서, 공정 스트림은 산 또는 염기 전구체의 공급원일 수 있다. 전구체는 하나 이상의 이온, 일반적으로는 공정 스트림에 존재하는 하나 이상의 이온을 포함할 수 있다. 적어도 일부의 구체예에서, 이온이 공정 스트림 중에 해리될 수 있다. 공정 스트림으로부터 하나 이상의 표적 화학종을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 하나 이상의 구체예에 따르면, 표적 화학종의 이온 상태가 전기화학적 장치에 의해서 그 제거를 촉진하도록 조작될 수 있다. 예를 들어, 표적 화학종은 화학종의 바람직한 이온 상태로 전환되어서 그 제거를 용이하게 할 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 공정 스트림은 일반적으로는 처리를 위한 전기화학적 장치에 전달 가능한 물 스트림을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 공정 스트림은 일반적으로는 염 용액을 포함할 수 있다. 염 용액은 단일의 염 화학종 또는 염 화학종의 혼합물, 예를 들어, 해수에 존재할 수 있는 바와 같은, 염 화학종의 혼합물을 함유할 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 공정 스트림은 비-식수를 포함할 수 있다. 식수는 전형적으로는 약 1,000ppm 미만의 총 용존 고형물(TDS) 함량을 지닌다. 일부의 경우에, 식수는 약 500ppm 미만의 TDS 함량을 지닐 수 있다. 비-식수의 예는 해수 또는 염수, 기수, 잡배수(gray water), 및 일부 산업용수를 포함할 수 있다. 공정 스트림은 표적 화학종, 예컨대, 클로라이드, 설페이트, 브로마이드, 실리케이트, 요오디드, 포스페이트, 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니트레이트, 비소, 리튬, 붕소, 스트론튬, 몰리브덴, 망간, 알루미늄, 카드뮴, 크롬, 코발트, 구리, 철, 납, 니켈, 셀레늄, 은 및 아연을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체예에 따르면, 본 발명은 공급원 물이 용질 혼합물을 포함하는 해수 또는 기수를 처리하는 방법에 관한 것이다. 일부 구체예에서, 일가 이온은 이가 및 다른 다가 이온의 농도에 비해서 더 높은 농도일 수 있다. 본원에서 해수에 대한 참조는 일반적으로는 다른 형태의 비-식수에 적용될 수 있다.
일부 적용에서, 농업용 및/또는 인간의 소비에 적합한 것으로 사료되는 수준으로 물중의 붕소 화학종의 농도를 감소시키는 것은 중요하거나 바람직할 수 있다. 예를 들어, 붕소 화학종의 바람직한 농도는 바람직하게는 약 1ppm 미만일 수 있다. 일부의 경우에, 붕소 화학종의 농도는 바람직하게는 정부 및/또는 보건기구에 의해서 제안된 수준 보다 더 적거나 대략 그 수준이다. 예를 들어, 붕소 농도는 세계보건기구에 의해서 제안된 수준, 즉 약 0.5ppm 보다 적거나 대략 그 수준일 수 있다. 사실, 일부 적용에서, 처리된 물 중의 붕소 농도는 바람직하게는 약 0.4ppm 미만이다. 해수가 종종 높은 수준의 붕소, 예를 들어, 약 1 내지 약 4ppm을 함유하기 때문에, 이러한 표적의 권장되거나 제안된 붕소 수준은 통상의 탈염 공정을 이용함에 의해서는 달성하기가 어려울 수 있다. 유리하게는, 본 발명의 시스템 및 기술은 공급 해수 중의 붕소 화학종 농도를 허용되는 수준으로 감소시키기 위해서 이용될 수 있다. 사실, 본 발명의 일부 구체예는 공급 스트림중의 붕소 농도를 약 4.6ppm으로부터 약 0.5ppm 미만으로 감소시키는 시스템 및 기술에 관한 것이다.
본 발명의 일부 관점은 해수 및 다른 비-식수를 정제하는 방법 및 장치, 특히, 전기탈염 또는 다른 전기화학적 시스템을 이용하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 전기화학적 장치는 본원에서 추가로 논의된 바와 같은 전기탈이온화("EDI")와 연루될 수 있다. 전기화학적 기술은 또한 연속적인 탈이온화, 채워진 셀 전기투석, 전기분리(electrodiaresis), 및 전류 역전 전기투석과 같은 과정을 포함할 수 있다. 그러한 기술은 압력 구동 막 시스템(pressure driven membrane system) 및/또는 다른 수처리 시스템과 조합될 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "정제하다"는 총 용존 고형물 함량을 감소시키고, 임의로, 공급원 물 중의 현탁된 고형물, 콜로이드성 함유물 및 이온화된 및 비이온화된 불순물의 농도를, 정제된 물이 식용이 되고 신선한 물 목적, 예컨대, 이로 제한되는 것은 아니지만, 사람 및 동물 소비, 관개, 및 산업용으로 사용될 수 있는 수준으로 감소시키는 것과 관련이 있다. 탈염은 염이 해수로부터 제거되는 정제의 한 유형이다. 일부 관점에서의 본 발명은 해수의 탈염에 관한 것이다. 공급수 또는 처리되는 물은 약 3,000ppm 내지 약 40,000ppm 또는 그 초과의 TDS 함량을 지니는 물을 포함한 여러 공급원으로부터의 물일 수 있다. 공급수는, 예를 들어, 해양으로부터의 해수, 기수, 잡배수, 산업 유출수, 및 오일 주입 회수 물(oil fill recovery water)일 수 있다. 공급수는 고수준의 일가 염, 이가 및 다가 염, 및 유기 화학종을 함유할 수 있다. 본 발명의 주목할 만한 관점은 해수로 이루어져 있거나 본질적으로는 해수로 이루어져 있는 공정수 또는 공급수를 처리 또는 탈염시키는 방법과 연루되어 있다.
전기화학적 장치에서 공급수를 처리하기 전에, 여러 전처리 과정이 이용될 수 있다. 예를 들어, 전처리 기술은, 예컨대, 스캐일링 또는 오염에 의해서 어떠한 스테이지 또는 장치를 방해하거나 그의 효율을 저하시킬 수 있는 고형물 또는 그 밖의 물질을 함유할 수 있는 공급수에 대해서 이용될 수 있다. 임의 초기 처리가 적어도 일부의 현탁된 고형물, 콜로이드성 물질 및/또는 분자량이 증가된 용질을 제거하도록 제공될 수 있다. 전처리 과정은 EDI 장치의 상류에서 수행될 수 있으며, 예를 들어, 미립자 여과, 샌드 여과(sand filtration), 탄소 여과(carbon filtration), 초여과(ultrafiltration), 나노여과, 마이크로여과, 예컨대, 교차 마이크로여과, 이들의 조합 및 미립자의 감소와 관련된 그 밖의 분리 방법을 포함할 수 있다. 공급수의 pH 및/또는 알칼리도의 조절이 또한, 예를 들어, 산, 염기 또는 완충액의 첨가에 의해서, 또는 에어레이션(aeration)을 통해서 수행될 수 있다. 전기화학적 분리는 바람직한 최종 순도를 지니는 물을 제공하도록 어떠한 전처리 작업이 선행될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 수처리 시스템은 하나 이상의 전기화학적 장치를 포함할 수 있다. 전기 분리 장치, 또는 전기-구동 분리 장치의 비-제한 예는 전기투석 및 전기탈이온화 장치를 포함한다. 용어 "전기탈이온화"는 이의 본 기술분야에서 사용되는 이의 통상의 정의를 따른다. 전형적으로는, 이들 예시적인 장치내에는 선택적 투과성을 지니는 매체, 예컨대, 음이온-선택성 및 양이온-선택성 막에 의해서 분리된 농축 격실 및 감소 격실이 있다. 이들 장치에서, 인가된 전기장은 이온화 가능한 화학종, 용존 이온이 선택적 투과성 매체, 즉, 음이온-선택성 막 및 양이온-선택성 막을 통해서 이동하여서, 이온이 감소되는 감소 격실내의 액체와 이동성의 전달된 이온이 증가된 농축 격실내의 액체를 생성시킨다. 일부 구체예에서, 전기화학적 장치는 하나 이상의 전기탈이온화 유닛을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 전기화학적 장치는 하나 이상의 전기탈이온화 유닛을 필수 구성으로 하여 이루어질 수 있다.
전기탈이온화는 전기적 활성 매체 및 전기 포텐셜을 이용하여 이온 수송에 영향을 줌으로써 물로부터 하나 이상의 이온화된 또는 이온화 가능한 화학종을 제거 또는 적어도 감소시키는 과정이다. 전기적 활성 매체는 전형적으로는 이온 및/또는 이온화 가능한 화학종을 교대로 수집 및 방출시키고, 일부의 경우에, 이온 또는 전자 치환 매카니즘에 의해서 연속적일 수 있는 이온의 수송을 용이하게 하는 작용을 한다. EDI 장치는 영구 또는 일시적인 전하의 전기화학적 활성 매체를 포함할 수 있고, 배치식으로, 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 역극성(reversing polarity) 방식으로 가동될 수 있다. EDI 장치는 성능을 달성시키거나 향상시키도록 특별히 설계된 하나 이상의 전기화학적 반응을 촉진시키도록 가동될 수 있다. 추가로, 그러한 전기화학적 장치는 전기적 활성 막, 예컨대, 반투성 또는 선택적 투과성 이온 교환 또는 바이폴라 막을 포함할 수 있다. 연속적 전기탈이온화(continuous electrodeionization: CEDI) 장치는, 물의 정제가 연속적으로 진행될 수 있는 방식으로 작동하면서 이온 교환 물질이 연속적으로 재충전되는, 본 기술분야의 전문가에게 공지된 EDI 장치이다. 본원에서 전체 내용이 모든 목적으로 참조로 통합되는, 예를 들어, 미국특허 제6,824,662호; 제6,514,398호; 제6,312,577호; 제6,284,124호; 제5,736,023호; 제5,558,753호 및 제5,308,466호를 참조할 수 있다. CEDI 기술은 연속 탈이온화, 채워진 셀 전기투석, 또는 전기분리와 같은 과정을 포함할 수 있다. 제어된 전압 및 염도 조건하에, CEDI 시스템에서, 물 분자가 분해(splitting)되어 수소와 하이드로늄 이온 또는 화학종 및 히드록사이드 또는 히드록실 이온 또는 화학종을 생성시킬 수 있으며, 이러한 이온 또는 화학종은 장치내에서 이온 교환 매체를 재생시켜서 그로부터 트랩핑된 화학종의 방출을 촉진시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 처리되는 물 스트림은 이온 교환 수지의 화학적 재충전을 필요로 하지 않으면서 연속적으로 정제될 수 있다.
전기투석(ED) 장치는 ED 장치가 막들 사이에 전기활성 매체를 함유하지 않음을 제외하고는 CEDI와 유사한 원리로 작동한다. 전기활성 매체의 부재 때문에, ED의 작동은 상승된 전기 저항으로 인한 낮은 염도의 공급수에 대해서 방해를 받을 수 있다. 또한, 높은 염도 공급수에 대한 ED의 작동은 증가된 전류 소비를 초래할 수 있기 때문에, ED 장치는 지금까지 적어도 중간 염도의 공급원 물에 대해서 가장 효과적으로 사용되어 왔다. ED 기재 시스템에서, 전기활성 매체가 존재하지 않기 때문에, 물 분해가 비효율적이고 그러한 방식에서의 작동은 일반적으로 회피된다.
CEDI 및 ED 장치에서, 다수의 인접 셀 또는 격실은 전형적으로는 양으로 하전된 화학종 또는 음으로 하전된 화학종의 통과를 허용하지만, 전형적으로는 둘 다의 통과는 허용하지 않는 선택 투과성 막에 의해서 분리된다. 희석 또는 감소 격실은 전형적으로는 그러한 장치의 농축 격실과 공간을 두고 있다. 물이 감소 격실을 통해서 흐름에 따라서, 이온성 및 그 밖의 하전된 화학종은 전형적으로는 전기장, 예컨대, 직류 (DC) 장의 영향하에 농축 격실로 유인된다. 양으로 하전된 화학종은, 전형적으로는 다수의 감소 및 농축 격실의 스택(stack)의 한 단부에 위치한, 캐소드를 향해서 이끌리고, 음으로 하전된 화학종은, 전형적으로는 격실 스택의 반대쪽 단부에 위치한, 그러한 장치의 애노드를 향해서 유사하게 이끌린다. 전극은 전형적으로는 감소 및/또는 농축 격실과의 유체 소통으로부터 통상 부분적으로 단리되는 전해질 격실에 하우징된다. 농축 격실에 있는 경우, 하전된 화학종은 전형적으로는 농축 격실을 부분적으로 또는 전체적으로 규정하는 선택 투과성 막의 장벽에 의해서 트랩핑된다. 예를 들어, 음이온은 전형적으로는 양이온 선택성 막에 의해서 농축 격실로부터 캐소드를 향한 추가의 이동이 방지된다. 농축 격실에 포집되면, 트랩핑된 하전 화학종은 농축물 스트림 중에 제거될 수 있다.
CEDI 및 ED 장치에서, DC 장이 전형적으로는 전극(애노드 또는 양극 및 캐소드 또는 음극)에 가해진 전압 및 전류의 공급원으로부터 셀에 가해진다. 전압 및 전류 공급원(총체적으로, "파워 서플라이")은 다양한 수단, 예컨대, AC 파워 공급원, 또는, 예를 들어, 태양, 풍력 또는 조력으로부터 유도된 파워 공급원에 의해서 자체 동력 공급될 수 있다. 전극/액체 계면에서, 전기화학적 반쪽 전지 반응이 발생하며, 이러한 반응은 막과 격실을 통한 이온의 전달을 개시하고/거나 촉진한다. 전극/계면에서 발생하는 특이적 전기화학적 반응은 전극 조립체를 하우징하는 특정화된 격실내의 염의 농도에 의해서 어떠한 범위로 제어될 수 있다. 예를 들어, 염화나트륨 농도가 높은 애노드 전해질 격실에 대한 공급물은 염소 가스와 수소 이온을 생성시키는 경향을 나타낼 것이지만, 캐소드 전해질 격실에 대한 그러한 공급물은 수소 가스와 히드록사이드 이온을 생성시키는 경향을 나타낼 것이다. 일반적으로, 애노드 격실에서 생성된 수소 이온은 유리(free) 음이온, 예컨대, 클로라이드 이온과 회합하여 전하 중성을 유지하고 염산 용액을 생성시킬 것이며, 유사하게, 캐소드 격실에서 생성된 히드록사이드 이온은 유리 양이온, 예컨대, 나트륨과 회합하여 전하 중성을 유지하고 수산화나트륨 용액을 생성시킬 것이다. 본 발명의 추가의 구체예에 따르면, 전극 격실의 반응 생성물, 예컨대, 생성된 염소 가스 및 수산화나트륨은 소독 목적, 막 세정 및 탈오염 목적, 및 pH 조절 목적으로 요구되는 공정에서 이용될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 전기화학적 장치는 전극을 통해서 격실을 가로질러 전기장을 인가함으로써 작동될 수 있다. 장치의 작동 파라미터는 바람직한 특성을 제공하도록 다양할 수 있다. 예를 들어, 인가된 전기장은 하나 이상의 특성 또는 조건에 따라 다양할 수 있다. 따라서, 전기장 세기는 장치 또는 그의 공정 스트림의 특성에 따라서 일정하게 유지되거나 변경될 수 있다. 사실, 하나 이상의 작동 파라미터는 하나 이상의 센서 측정, 예, pH, 저항, 이온 또는 다른 화학종의 농도에 따라서 변경될 수 있다. 전극을 통해서 부과된 전기장은 이온-선택성 막을 통한 한 격실로부터의 다른 격실로의 하전된 화학종, 예컨대, 이온의 이동을 촉진한다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 전기 구동 분리 장치의 전형적인 형태는 하나 이상의 전극쌍을 포함하며, 그러한 전극쌍을 통해서 가해진 힘, 예컨대, 전기장이 하나 이상의 이온 또는 이온화 가능한 화학종의 수송 또는 이동을 촉진할 수 있다. 따라서, 장치는 하나 이상의 애노드와 하나 이상의 캐소드를 포함할 수 있다. 이들 전극은 각각 독립적으로 장치내에 전기장을 발생시키기에 적합한 어떠한 재료로 제조될 수 있다. 일부의 경우에, 전극 재료는 전극이, 예를 들어, 상당한 부식 또는 분해 없이 장시간 동안 사용될 수 있도록 선택될 수 있다. 적합한 전극 재료 및 형태는 본 기술분야에 공지되어 있다. 전기화학적 장치의 전극은 일반적으로는 재료, 예컨대, 탄소, 백금, 스테인리스강 또는 티타늄으로 제조된 베이스 또는 코어를 포함할 수 있다. 전극은 다양한 재료, 예컨대, 이리듐 옥사이드, 루테늄 옥사이드, 백금족 금속, 백금족 금속 산화물, 또는 이의 조합물 또는 혼합물로 코팅될 수 있다. 전극은 전형적으로는 하이드로늄과 히드록사이드 이온의 형성을 촉진한다. 이들 이온은, 다양한 공급물중의 이온과 함께, 전기화학적 장치를 가로지른 포텐셜에 의해서 수송된다. 이온의 흐름은 모듈에 가해진 전류에 관련된다.
일부 구체예에서, 전기장은 본질적으로는 장치 내의 액체 흐름에 수직으로 가해질 수 있다. 전기장은 격실을 가로질러서 실질적으로는 균일하게 가해져서 격실을 가로질러 본질적으로 균일하고 실질적으로 일정한 전기장을 생성시킬 수 있거나; 일부의 경우에, 전기장은 불균일하게 가해져서 격실을 가로질러 불균일 전기장 밀도를 생성시킬 수 있다. 본 발명의 일부 구체예에서, 전극의 극성은 작동 동안 역전되어 장치내의 전기장의 방향을 역전시킬 수 있다.
가해진 전기장은 수소 또는 하이드로늄 이온뿐만 아니라, 히드록실 이온으로의 해리를 촉진할 수 있다. 가해진 전기장은 또한 전기화학적 장치 내의 하나 이상의 이온의 이동을 촉진할 수 있다. 존재하는 수소, 히드록실 및/또는 하나 이상의 표적 이온이 이동할 수 있다. 이온 이동은 전기화학적 장치의 하나 이상의 이온-선택성 막을 가로지를 수 있다. 이온은, 예를 들어, 이들의 전하 또는 성질에 기초하여 하나 이상의 격실에 농축되거나 트랩핑될 수 있다. 예를 들어, 산성 생성물이 하나의 격실에 농축될 수 있고, 염기성 생성물이 다른 격실에 농축될 수 있다. 전기화학적 장치내의 여러 이온-선택성 막의 배향(orientation) 및 성질이 그 안에서의 이동에 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 여러 격실에서 형성될 수 있는 생성물의 유형에 영향을 줄 수 있다. 생성된 생성물의 스트림은 여러 격실과 연관된 출구, 예를 들어, 생성물 용액 출구 및/또는 폐기 용액 출구를 통해서 전기화학적 장치를 빠져나갈 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 전기화학적 장치는 하나 이상의 격실, 예컨대, 제 1 격실 및 제 2 격실을 포함할 수 있다. 전기화학적 분리 기술에 대한 특징과 일치하는 하나 이상의 구체예에서, 전기-구동 분리 장치는 하나 이상의 감소 격실과 하나 이상의 농축 격실을 포함할 수 있다. 격실 또는 셀은 일반적으로는 그 내부에 도입되는 액체의 유형 및/또는 조성과 관련하여 기능적으로 상이할 수 있다. 그러나, 구조적 차이가 또한 다양한 격실을 구분할 수 있다. 일부 구체예에서, 장치는 하나 이상의 유형의 감소 격실과 하나 이상의 유형의 농축 격실을 포함할 수 있다. 어떠한 주어진 격실의 성질, 예컨대, 농축 격실이든지 감소 격실이든지 간에 그러한 격실의 성질은 일반적으로는 격실을 경계 짓는 막의 유형뿐만 아니라, 격실에 제공된 공급물(들)의 유형에 의해서 알려질 수 있다. 이웃하는 격실의 성질은 서로 영향을 줄 수 있다. 일부 구체예에서, 격실은 전기분해(electrolyzing) 격실일 수 있다. 예를 들어, 감소 격실이 전기분해 격실로 일컬어질 수 있다. 일부 구체예에서, 농축 격실이 또한 전기분해 격실로 일컬어질 수 있다. 일부 구체예에서, 물 분해가 일반적으로는 전기분해 격실에서 발생할 수 있다. 전기분해 격실은 물 분해 셀일 수 있다. 다른 이온 상호작용이 또한 전기분해 격실에서 발생할 수 있다.
막은 전형적으로는 인접 격실들 사이의 경계를 형성한다. 일부 구체예에서, 막은 이온-선택성, 이온 투과성 또는 선택투과성 막일 수 있다. 그러한 막은 일반적으로는 특정의 전하 유형의 이온이 막을 통해서 통과되게 하면서, 상이한 전하 또는 밸런스 또는 전하 유형을 지닌 이온의 통과를 억제 또는 방지할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 격실은 하나 이상의 이온-선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정될 수 있다. 다수의 격실이 전형적으로는 전기화학적 장치에서 스택으로서 배열된다. 감소 격실은 전형적으로는 감소 격실 스페이서에 의해서 규정되며, 농축 격실은 전형적으로는 농축 격실 스페이서에 의해서 규정된다. 조립된 스택은 전형적으로는 각 단부에서의 말단 블록에 의해서 경계되고, 전형적으로 너트로 고정될 수 있는 타이 로드(tie rod)를 사용함으로써 조립된다. 특정의 구체예에서, 격실은 양이온-선택성 막과 음이온 선택성 막을 포함하고, 이들은 전형적으로는 스페이서의 양 측의 원주에 원주상으로 밀봉된다. 양이온-선택성 막과 음이온-선택성 막은 전형적으로는 이온 교환 분말, 폴리에틸렌 분말 결합제 및 글리세린 윤활제를 포함한다. 일부 구체예에서, 양이온-선택성 막 및 음이온-선택성 막은 이질성의 막이다. 이들은 폴리올리핀-기재 막 또는 그 밖의 유형일 수 있다. 이들은 전형적으로는 열과 압력을 이용하여 복합 시트(composite sheet)를 생성시키는 열가소성 공정에 의해서 압출된다. 일부 구체예에서, 동질성 막, 예컨대, 일본의 Tokuyama Soda로부터 시판중인 막이 설치될 수 있다. 하나 이상의 선택 투과성 막은 어떠한 이온-선택성 막, 중성 막, 크기-배제 막, 또는 하나 이상의 특정 이온 또는 이온 부류에 대해서 특별히 불투성인 막일 수 있다. 일부의 경우에, 양이온-선택성 막과 음이온-선택성 막의 교대 배열이 전기-구동 장치 내에 이용될 수 있다. 이온-선택성 막은 하나 이상의 이온을 그를 통해서 다른 이온에 비해서 우선적으로 통과되게 할 수 있는 어떠한 적합한 막일 수 있다.
한 가지 구체예에서, 다수의 격실이 하나 이상의 이온-선택성 막 "c" 및 "a"에 의해서 경계되거나, 그에 의해서 분리되거나, 그에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정될 수 있다. 일부 구체예에서, 이온-선택성 막 a 및 c는 양이온을 그를 통해서 음이온에 비해서 우선적으로 통과되게 하는 양이온-선택성 막("c"로 지정됨); 및 음이온을 그를 통해서 양이온에 비해서 우선적으로 통과되게 하는 음이온-선택성 막("a"로 지정됨)의 교대 배열로서 배열된다. 그 밖의 바람직한 구체예에서, 이하 보다 상세한 설명에서 논의된 바와 같이, 배열, 예컨대, "c c a c" 또는 "a a c a"가 사용될 수 있다. 인접한 격실은, 예컨대, 이웃하는 이온 선택성 막을 통해서 그 사이에서 이온 소통관계에 있는 것으로 여겨질 수 있다. 원위 격실이 또한, 예컨대, 그 사이에서 추가의 격실을 통해서 이온 소통관계에 있는 것으로 여겨질 수 있다.
전기탈이온화 장치는 장치내의 하나 이상의 격실에서 고형의 "매체"(예, 전기활성 매체 또는 흡착 매체, 예컨대, 이온 교환 매체)를 포함할 수 있다. 전기-활성 매체는 전형적으로는 이온 전달을 위한 경로를 제공하고/거나, 선택성 막들 사이에서 증가된 전도성 브릿지로서 작용하여 장치의 격실내 이온의 이동을 촉진한다. 매체는 일반적으로는, 예를 들어, 흡착/탈착 메카니즘에 의해서, 이온 및/또는 그 밖의 화학종을 수집 또는 방출시킬 수 있다. 매체는 영구적 및/또는 일시적 전하를 지닐 수 있으며, 일부의 예에서 전기탈이온화 장치의 성능, 예를 들어, 분리, 화학적 흡수, 물리적 흡수 및/또는 분리 효율을 달성하거나 향상시키도록 설계된 전기화학적 반응을 촉진하도록 작동할 수 있다. 일부의 경우에, 매체의 적어도 일부는 하나 이상의 표적 화학종에 결합하는 펜던트(pendent) 작용기를 지닐 수 있다. 바람직하게는, 그러한 작용기는 하나 이상의 표적 화학종의 흡착을 촉진한다. 추가의 바람직한 작용기는 전기활성 매체 상의 하나 이상의 표적 화학종의 가역적 흡착 및 탈착을 수용하는 작용기를 포함한다. 더욱 바람직한 구체예는 하나 이상의 조건 또는 상태하에서 하나 이상의 표적 화학종을 흡착하고, 상이한 조건 또는 상태하에서 하나 이상의 표적 화학종중 하나 이상을 탈착하는 작용기를 포함한다. 흡착은 이온적으로, 공유적으로 또는 화학적 흡착으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 구체예에 따라서 사용될 수 있는 매체의 예는, 이로 한정되는 것은 아니지만, 입자, 섬유, 및 막의 형태의 이온 교환 매체, 수지 및 킬레이터를 포함한다. 그러한 재료는 본 기술분야에 공지되어 있으며, 용이하게 구매할 수 있다. 상기된 형태중 어떠한 형태의 조합이 본 발명의 다양한 구체예중 하나 이상에서 이용될 수 있다.
일부 구체예에서, 사용된 매체는 일반적으로는 하나 이상의 이온의 효과적인 전도체일 수 있다. 다른 구체예에서, 사용된 매체는 일반적으로는 하나 이상의 이온의 불량한 전도체일 수 있다. 혼합된 매체, 예컨대, 전도성 및 불량한 전도성 매체의 혼합물이 하나 이상의 구체예에서 사용될 수 있다. 일부 구체예는 또한 불활성 성분과 함께 전기활성 매체의 층을 포함할 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 전기 분리 장치의 하나 이상의 격실은 매체, 예컨대, 흡착 매체, 예를 들어 이온 교환 매체로 충전될 수 있다. 매체의 일부 또는 전부는 일반적으로는 이온-선택성일 수 있다. 일부 구체예에서, 이온 교환 매체는 수지, 예컨대, 양이온 교환 수지, 양이온을 우선적으로 흡착하는 수지, 또는 음이온 교환 수지, 음이온을 우선적으로 흡착하는 수지, 불활성 수지뿐만 아니라 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 다양한 형태가 또한 실시될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 격실이 또한 단지 한 유형의 수지, 예를 들어, 양이온 수지 또는 음이온 수지로 충전될 수 있으며; 다른 경우에, 격실이 하나 이상의 유형의 수지, 예를 들어, 두 가지 유형의 양이온 수지, 두 가지 유형의 음이온 수지, 양이온 수지, 및 음이온 수지로 충전될 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 구체예에 사용될 수 있는 시판중의 매체중 비-제한 예는 강산 및 타입 I 강염기 수지, 타입 II 강염기 음이온 수지뿐만 아니라, The Dow Chemical Company (Midland, Michigan)로부터 구입할 수 있는 약산 또는 약염기 수지를 포함한다. 매체는 특이적 유형의 이온, 예컨대, 특이적 양이온 또는 음이온에 대해서 선택적일 수 있다. 예를 들어, 매체는 하나 이상의 구체예에 따라서 붕소-선택성, 니트레이트 선택성 또는 비소 선택성일 수 있다. 주지된 바와 같이, 그러한 표적-선택성 매체가 가역적 흡착성일 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 선택성 매체는, 예를 들어, 수착 메카니즘에 의해서, 특정의 조건하에 이온성 화학종을 포함한 화학종과 결합할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 일부 구체예에서, 실행 가능한 선택성 매체는 상이한 조건하에서 흡착된 화학종을 방출할 수 있다. 표적 선택성 매체는 표적 화학종의 상태 또는 특정의 조건하에 표적 화학종 또는 표적 화학종과 유사한 유형과 우선적으로 결합하고, 결합된 화학종 또는 유사한 유형의 화학종 중의 하나 이상을 방출, 예를 들어, 탈착시킬 수 있다. 선택성 매체는 결합된 화학종, 예를 들어, 하나 이상의 표적 화학종을 방출시키기 위해서 적어도 상이한 조건을 요구하는 점에서 이온 교환 매체와는 다르다.
격실에 전형적으로 사용되는 이온 교환 또는 선택성 수지는 이들의 표면 영역상에 다수의 작용기를 지닐 수 있다. 작용기의 선택은 공정 스트림에 존재하는 이온성 화학종의 유형에 기초될 수 있다. 전기화학적 장치에 의해서 제거하기 위한 특정의 표적 화학종이 존재하는 경우에, 표적 화학종과 우선적으로 결합할 수 있는 작용기를 지니는 매체를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 물로부터 붕소를 제거하는 것이 요구되는 한 가지 비-제한 구체예에서, 매체는 하나 이상의 시스-디올 작용기를 포함할 수 있다. 더욱 특히, 시스-디올 작용기는 하나 이상의 구체예에 따른 N-메틸 글루카민 작용기로서 포함될 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, N-메틸 글루카민 작용기는 하기 메카니즘에 따라서 보레이트 이온과 우선적으로 결합할 수 있다:
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다른 작용기는, 이로 한정되는 것은 아니지만, 3차 알킬 아미노기 및 디메틸 에탄올 아민기를 포함할 수 있다. 다양한 매체가 또한 이들의 표면 영역상의 다른 작용기, 예컨대, 암모늄기를 지닌 이온 선택성 수지 재료와 함께 사용될 수 있다. 이온 교환 수지 재료로서 유용할 수 있는 그 밖의 변형물 및 등가물이 단지 통상의 실험을 이용하는 당업자의 범위내에 있는 것으로 여겨진다. 이온 교환 수지의 예는, 이로 한정되는 것은 아니지만, The Dow Chemical Company (Midland, Michigan)로부터 구입할 수 있는 DOWEX® MONOSPHERE™ 55OA 음이온 수지, MONOSPHERE™ 65OC 양이온 수지, MARATHON™ A 음이온 수지, 및 MARATHON™ C 양이온 수지 및 DOWEX BSR- 1™ 수지를 포함한다.
상기 논의된 바와 같이, 전기화학적 장치의 하나 이상의 격실내에 혼합된 매체를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 한 가지 비-제한 구체예에서, 하나 이상의 격실은 음이온 교환 수지와 표적 이온 선택성 수지, 예컨대, 붕소 선택성 수지의 혼합물 또는 층을 포함할 수 있다. 어떠한 특정의 이온으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 음이온 수지는 일반적으로는 하나 이상의 음이온, 예컨대, 클로라이드를 전도시킴으로써 통상의 경막 수송을 통해서 분리를 촉진시킬 수 있지만, 이온 선택성 수지는 물의 정제를 위해서 표적 화학종, 예컨대, 붕소를 흡착할 수 있다. 이와 관련하여, 이온 선택성 수지는 일반적으로는 불량한 전도체일 수 있다. 본 발명의 다양한 시스템 및 기술에 이용 가능한 특정의 형태는 표적 선택성 매체, 예컨대, 수지를 필수 구성으로 하는 전기활성 매체를 지니거나; 음이온 교환 매체와 표적 선택성 매체를 필수 구성으로 하는 혼합된 매체 층을 지니거나; 양이온 교환 매체와 표적 선택성 매체를 필수 구성으로 하는 혼합된 매체 층을 지니거나; 음이온 교환 매체, 양이온 교환 매체 및 표적 선택성 매체를 필수 구성으로 하는 혼합된 매체 층을 지니는 하나 이상의 격실을 포함하는 전기탈이온화 장치를 포함할 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 다양한 매체는 격실 각각 내에 다양한 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 매체, 예컨대, 수지는 층으로 배열되어 여러 배열의 다수의 층이 구성될 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, 감소 격실, 농축 격실 및 전극 격실중 어느 격실에서의 혼합 층 이온 교환 수지의 사용, 음이온 및 양이온 교환 수지의 층들 사이의 불활성 수지의 사용, 및 여러 유형의 음이온성 및 양이온성 수지의 사용을 포함한 그 밖의 구체예 또는 형태가 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 사료된다. 수지는 일반적으로는 하나 이상의 격실에서 물 분해를 촉진하는데 효율적일 수 있다. 수지는 또한 하나 이상의 격실에서 전기 전도성을 증가시키는데 효율적일 수 있다. 수지는 또한 하나 이상의 표적 화학종을 흡착시키는데 효율적일 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 격실 내의 매체의 선택 및 배열은 그 내부의 하나 이상의 환경적 상태, 그 내부에서 처리되는 공정 스트림의 하나 이상의 특성, 또는, 일반적으로는, 그 내부에서 의도된 처리 방법에 기초될 수 있다. 일부 구체예에서, 격실 내의 수지 층의 조성은 실질적으로는 격실을 통한 흐름 경로를 따라서 균일할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 격실을 통한 흐름 경로를 따라서 적층 또는 층화가 바람직할 수 있다. 일부 구체예에서, 공정 스트림은 격실에 도입 직후 이온 선택성 수지에 의해서 제거되는 것이 아닌 듯한 표적 화학종을 포함할 수 있다. 예를 들어, 표적 화학종은 제거를 위한 바람직한 상태, 예를 들어, 흡착에 도움이 되는 상태, 예컨대, 이온성 상태로 전환되는 것이 요구될 수 있다. 이들 구체예에서, 이온 전도성 수지가 격실을 통해서 흐름 경로를 따라 전략적으로 추가로 놓일 수 있다. 이러한 방법에서, 표적 화학종이 이온 선택성 수지와 접촉하는 경우에, 이는 표적 선택성 매체에 의한 제거 또는 흡착에 바람직한 상태에 있다. 상이한 매체 또는 수지가 이온 선택성 수지의 상류에 위치되어서, 예컨대, 공정 스트림중에 존재하는 다른 이온성 화학종을 수송할 수 있다. 일부 구체예에서, 이는 표적 화학종의 바람직한 상태로의 전환을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 격실내의 공정 스트림의 특성, 예컨대, pH 조건을 조절하는 것은 표적 화학종의 바람직한 상태로의 전환을 촉진하여 공정 스트림으로부터의 제거를 촉진할 수 있다.
격실내에 함유된 매체는 어떠한 적합한 모양 또는 형태로, 예를 들어, 실질적으로 구형 및/또는 달리 성형된 이산 입자, 분말, 섬유, 매트, 막, 압출된 스크린, 클러스터(cluster), 및/또는 예비성형된 입자 응집체로서 존재할 수 있으며, 예를 들어, 수지 입자는 결합제와 혼합되어 입자 클러스터를 형성할 수 있다. 일부의 경우에, 매체는 여러 모양 또는 형태를 포함할 수 있다. 매체는 특정의 적용에 따라서 액체로부터 이온, 유기물, 및/또는 그 밖의 화학종을 흡착하기에 적합한 어떠한 재료, 예를 들어, 실리카, 제올라이트, 및/또는 시판중인 광범위하게 다양한 폴리머 이온 교환 매체 중의 어느 하나 또는 그 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응을 촉진할 수 있거나 처리되는 액체 중의 현탁된 고형물을 여과할 수 있는 다른 재료 및/또는 매체가 격실 내에 추가로 존재할 수 있다.
추가로, 다양한 형태 또는 배열이 격실내에 존재할 수 있다. 따라서, 본 발명의 분리 시스템의 하나 이상의 격실은 추가의 격실 및/또는 구조물, 예컨대, 이로 한정되는 것은 아니지만, 배플, 메쉬 스크린(mesh screen), 플레이트, 립(rib), 스트랩(strap), 스크린(screen), 관, 탄소 입자, 탄소 필터를 포함할 수 있으며, 이들은, 일부의 경우에, 이온 교환 매체를 함유하고/거나 액체 흐름을 조절하도록 사용될 수 있다. 성분들은 각각 다양한 성분들의 동일한 유형 및/또는 수를 함유할 수 있고/거나 동일한 형태일 수 있고/거나 상이한 성분들 및/또는 구조/형태를 지닐 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 공정 스트림이 전기화학적 장치의 하나 이상의 격실에 공급될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 공정 스트림은 하나 이상의 표적 화학종 또는 표적 화학종의 유형을 포함할 수 있다. 표적 화학종은 일반적으로는 공정 유체, 전형적으로는 액체 중에 용해되고/거나 현탁되는 어떠한 화학종으로서, 전형적으로는 전기분해 장치를 사용함으로써 제 1 용액으로부터 또 다른 용액으로 제거되거나 전달되는 것이 요구되는 화학종일 수 있다. 전기분해 장치를 이용함으로써 용액들 사이에서 바람직하게 제거되거나 수송되는 표적 화학종의 예는 특정의 이온성 화학종, 유기 분자, 약하게 이온화된 물질, 및 장치 내의 작동 환경에서 이온화 가능한 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 관점에 따라서 바람직하게 제거되거나 수송되는 표적 이온성 화학종은 용액으로부터 침전될 수 있고/거나, 용액 중의 다른 화학종 및/또는 이온과 반응하여 용액으로부터 침전될 수 있는 염 및/또는 다른 화합물을 형성할 수 있는 하나 이상의 이온일 수 있다. 일부 구체예에서, 표적 화학종은 전기화학적 장치의 작동 동안의 조건하에 비-침전성 화학종 또는 용해성 화학종일 수 있으며, 일반적으로는, 이러한 화학종은 용액으로부터 용이하게 침전하지 않는 화학종의 이온 성분, 또는 침전되는 염 및/또는 다른 화합물을 형성하지 않도록 용액 중의 다른 화학종 및/또는 이온과 반응하지 않는 화학종의 이온 성분일 수 있는 화학종을 의미한다.
하나 이상의 표적 이온을 함유하는 공정 스트림이 하나 이상의 구체예에 따른 장치 및 방법에 의해서 가공될 수 있다. 하나 이상의 표적 이온의 분리 및 전환이 본원에서 논의된 바와 같이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 공정 스트림중의 표적 화학종은 상기 장치 및 방법에 의해서 조작되어 생성물 스트림을 형성시킬 수 있다. 일부 구체예에서, 장치 및 방법은 표적 이온을 분리하고 이들을 사용하여 표적 화합물을 형성 또는 생성시킬 수 있다. 따라서, 공정 스트림중에 존재하는 표적 이온은 표적 화합물의 전구체일 수 있다. 일부 구체예에서, 표적 화합물은 장치에 의한 제거에 바람직한 상태에 있는 표적 이온 또는 화학종일 수 있다. 다른 구체예에서, 표적 이온은 산 또는 염기 생성물에 대한 전구체일 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 공정 스트림은 수용액, 예컨대, 염 용액일 수 있다. 염 용액 또는 이의 이온은 산 또는 염기 생성물에 대한 전구체일 수 있다. 일부 구체예에서, 표적 이온은 일반적으로는 공정 스트림중에 해리될 수 있다. 하나 이상의 구체예에 따르면, 공정 스트림은 이온성 화학종, 예컨대, 제 1 양이온성 화학종 및 제 1 음이온성 화학종의 공급원을 제공할 수 있다. 제 1 양이온성 화학종 및/또는 제 1 음이온성 화학종은 어떠한 산 또는 염기에 대한 전구체일 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 전기화학적 장치에서 산 및/또는 염기 스트림을 생성시켜서 수처리를 촉진하는 것이 바람직할 수 있다. 산 및/또는 염기는 전기화학적 장치 및 방법의 생성물일 수 있다. 산 및/또는 염기 생성물 스트림은 전기화학적 장치 및 방법에 의해서 생성될 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 산 및/또는 염기 생성물은 전기화학적 장치 및 방법에 의해서 농축될 수 있다. 어떠한 산 또는 염기는 공정 스트림에 존재하는 하나 이상의 이온으로부터 생성물 스트림으로서 생성될 수 있다. 일부 구체예에서, 전기화학적 장치에 공급된 공정 스트림중의 표적 이온은 요구된 생성물 스트림을 기초로 하여 선택될 수 있다. 전기화학적 장치중의 산 및/또는 염기 스트림의 생성은 장치내의 하나 이상의 pH 조건 또는 pH 환경을 촉진하거나 확립하는데 연루될 수 있다. 다양한 pH 조건의 촉진은 본원에서 개시된 바와 같은 수처리를 촉진할 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 제 1 pH 조건은 전기화학적 장치의 격실내의 매체에 의한 표적 화학종의 흡착을 촉진할 수 있다. 제 2 pH 조건은 그 탈착을 촉진할 수 있다.
온도가 또한 pH 조건의 차이와 함께 동시에 이용되어 하나 이상의 표적 화학종 또는 표적 화학종의 유형의 일부 또는 전부를 결합시키는 것을 촉진하고, 추가로, 하나 이상의 결합된 표적 화학종 또는 표적 화학종의 유형의 일부 또는 전부의 방출을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 표적 화학종을 지니는 스트림이 제 1 온도에서 본 발명의 하나 이상의 장치 및 시스템 내로 도입될 수 있고, 방출 스트림이 더 낮거나 더 높은 온도를 지녀서 하나 이상의 결합된 표적 화학종 또는 표적 화학종의 유형의 방출 또는 탈착을 촉진할 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 가공되는 수용액이 공급원 또는 유입 지점으로부터 전기탈이온화 장치내로 도입될 수 있다. 도관은 공정 스트림 공급원을 하나 이상의 전기탈이온화 장치의 하나 이상의 격실에 유체 소통 가능하게 연결시키는 매니폴드로서 작용한다. 공정 유체의 공급원은 전형적으로는 전기화학적 장치의 하나 이상의 격실에 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다. 일부 구체예에서, 공정수는 전기화학적 분리 장치의 제 1 격실 및 제 2 격실에 도입될 수 있다.
일부 구체예에서, 공정 스트림의 일부가 수소 또는 하이드로늄 및 히드록실 이온으로 해리되어 전기화학적 장치에 의한 산 또는 염기의 생성을 촉진할 수 있다. 일부 구체예에서, 전기탈이온화 장치에서 가해진 전기장은 극성화 현상(polarization phenomenon)을 생성시키며, 이는 전형적으로는 하이드로늄 및 히드록실 이온으로의 물의 분해 또는 해리를 촉진시킨다. 하나 이상의 구체예에 따르면, 이러한 물 분해는 제 1 음이온의 공급원 및 제 1 양이온의 공급원을 제공할 수 있다. 전기화학적 장치는 이온의 이동을 촉진하여 제 1 음이온 및 제 1 양이온이 각각 공정 스트림으로부터의 제 2 양이온 및 제 2 음이온과 회합하여 본원에서 논의된 바와 같은 하나 이상의 생성물 스트림을 생성시킬 수 있게 할 수 있다.
하나 이상의 특정의 특징에 따르면, 본 발명은 가해진 힘의 영향하에 전기화학적 장치의 제 1 격실로부터 제 2 격실로 이온화된 화학종, 예컨대, 무기물(mineral), 염, 이온 및 유기물 성분들의 이동을 유도하는 방법, 시스템 및 장치에 관한 것일 수 있다. 예를 들어, 이온은 공급된 공정 유체로 또는 그로부터 이동하여 하나 이상의 생성물 스트림을 생성시킬 수 있다. 일부 관점으로, 제 1 격실중의 액체, 즉 생성물이 바람직할 수 있으며, 제 2 격실중의 액체는 폐기물로서 버려질 수 있다.
일부 구체예는 하나 이상의 수용액 또는 공정 스트림을 처리하거나 전환시켜서, 예를 들어, 하나 이상의 생성물 스트림을 제공하는 것에 관한 것이다. 생성물 스트림은 생성되거나, 분리되거나, 모아지거나, 농축될 수 있다. 수용액을 처리하는 것에 관한 하나 이상의 구체예는 수용액을 정제하여 그로부터 하나 이상의 바람직하지 않은 화학종을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 생성물 스트림은 정제된 스트림일 수 있다. 생성물 스트림, 예컨대, 산 또는 염기 스트림이 전기화학적 장치에 의해서 그에 가해진 하나 이상의 전구체로부터 생성될 수 있다. 기술의 하나 이상의 구체예는 수용액을 그로부터 하나 이상의 화학종을 제거 또는 이동시킴으로써 처리되게 함을 포함할 수 있다. 제거되거나 이동되는 하나 이상의 화학종은 공급 스트림중에 존재하는 하나 이상의 양이온성 및/또는 하나 이상의 음이온성 화학종일 수 있다. 기술은 추가로, 예를 들어, 제 1 양이온 및 관련된 제 1 음이온을 포함하는 수용액을 전기 분리 장치, 예컨대, 본원에서 논의된 전기 구동 장치 형태의 어떠한 장치의 하나 이상의 결실내로 도입함을 포함할 수 있다. 하나 이상의 표적 화학종은 단리 또는 분리 장치의 하나 이상의 격실내로 수용액으로부터 이동하도록 유도되거나 촉진될 수 있다. 하나 이상의 표적 화학종이 단리 또는 분리 장치의 하나 이상의 격실중의 매체에 수용액으로부터 흡착하도록 유도되거나 촉진될 수 있다.
작동시에, 공정 스트림, 전형적으로는, 용존 양이온성 및 음이온성 성분을 지니는 공정 스트림이 전기화학적 장치의 하나 이상의 격실내로 도입될 수 있다. 전기탈이온화 장치를 가로질러 가해진 전기장은 이들의 각각의 끌기 전극(attracting electrode)을 향하는 방향으로의 이온성 화학종의 이동을 촉진한다. 전기장의 영향하에, 양이온성 및 음이온성 성분은 하나의 격실을 떠나서 다른 격실로 이동한다. 하나 이상의 격실에 함유된 매체 또는 수지가 이동을 촉진할 수 있다. 하나 이상의 격실중에 함유된 일부 매체 또는 수지가 또한 공정 스트림에 존재하는 이온, 예컨대, 표적 화학종과 선택적으로 결합하거나 그를 흡착시킬 수 있다. 이온 선택성 막은 다음 격실로의 양이온성 및 음이온성 화학종의 이동을 차단할 수 있다. 따라서, 전기화학적 장치내의 하나 이상의 이온성 화학종의 회합에 의해서 적어도 부분적으로 생성된 하나 이상의 생성물이 그의 하나 이상의 격실에서 농축될 수 있다. 생성물 스트림은 다양한 격실과 연관된 출구를 통해서 배출될 수 있다. 감소된 스트림이 또한 격실 출구를 통해서 배출될 수 있다.
인접 격실들 사이의 하나 이상의 양이온성 및/또는 음이온성 화학종의 이동은 그들 격실내의 pH 환경을 변경시킬 수 있다. 일부 구체예에서, 하전된 화학종의 이동이 더 낮거나 더 높은 pH 조건을 유도할 수 있는 극성화를 촉진할 수 있다. 예를 들어, 제 1 격실로부터 제 2 격실로의 음이온성 화학종, 예컨대, 클로라이드 이온의 이동은 제 1 격실에서의 상승된 pH 조건 및 제 2 격실에서의 저하된 pH 조건을 촉진할 수 있다. 하나 이상의 구체예에 따르면, 공정수는 하나 이상의 격실중에서 전기분해되어 수소 화학종과 히드록사이드 화학종을 생성시킬 수 있다. 충분한 양의 그러한 화학종이 제공되고 수송 또는 이동하는 경우, 제 1 격실은 염기성이 되어서 그 내부에 함유된 액체 또는 그 내부에서 흐르는 액체가 약 7 pH 단위보다 큰 pH를 지니게 할 수 있다. 유사하게, 제 2 격실은 산성이 되어서 그 내부에 함유된 액체 또는 그 내부에서 흐르는 액체가 약 7 pH 단위보다 작은 pH를 지니게 할 수 있다. 공급된 공증 스트림으로부터의 표적 이온이 또한 이동할 수 있다. 따라서, 일부 구체예는 산 스트림을 생성시키고/거나 염기성 스트림을 생성시킨다. 요구되는 대로, 그러한 스트림 중 하나 또는 둘 모두가 버려지거나, 회수되거나, 재생될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 변경된 pH 조건은 또한 물 처리를 위한 전기화학적 분리 장치의 기능화에 기여할 수 있다. 일부 구체예에서, 상승된 pH 조건은 전기화학적 제거에 바람직한 이온성 상태로의 공정수중에 존재하는 하나 이상의 표적 화학종의 전환을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 한 가지 비-제한 구체예에서, 붕소-함유 화합물이 상승된 pH 조건에서 보레이트 이온으로 전환될 수 있다. 이들 보레이트 이온은 전기화학적 장치의 격실내의 붕소-선택성 매체상의 작용기에 결합 또는 흡착될 수 있다. 유사하게, 저하된 pH 조건은 매체를 제생시키도록 그에 흡착된 붕소 화합물을 지니는 붕소-선택성 매체를 함유한 격실에서 촉진될 수 있다. 예를 들어, 붕소-선택성 매체의 포화시에, 전기화학적 장치에 가해진 전기장의 극성화가 역전되어 매체의 재생을 촉진할 수 있다. 따라서, 이러한 방법에서, 작동은 도 1을 참조로 하여 이하 기재된 바와 같이 주기적일 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 전기화학적 장치(100)를 나타낸다. 장치(100)는 제 1 격실(110)과 제 2 격실(120)을 포함한다. 제 1 격실(110)은 제 1 음이온 선택성 막(140)과 제 1 양이온 선택성 막(130)에 의해서 적어도 부분적으로 경계를 이룰 수 있다. 제 2 격실(120)은 제 2 양이온 선택성 막(150)과 제 1 음이온 선택성 막(140)에 의해서 적어도 부분적으로 경계를 이룰 수 있다. 공정수(160)의 공급원은 제 1 격실(110)과 제 2 격실(120)중 하나 이상에 유체 소통 가능하게 연결되어 있다. 도시된 비-제한 구체예에서, 공정수는 해수를 포함한다. 가해진 전기장의 영향하에, 클로라이드 이온(Cl-)은 제 1 음이온 선택성 막(140)을 가로질러 제 1 격실(110)로부터 제 2 격실(120)로 이동하며, 나트륨 이온은 제 1 격실(110)에 포집된다. 선호되는 작동 조건하에, 물은 적어도 제 1 양이온 선택성 막(130)에서 분해된다. 그 결과, 상태의 변화, 예를 들어, 제 1 격실(110) 중의 pH 상태의 상승이 초래된다. 상응하는 낮아진 pH 상태가, 예를 들어, 클로라이드 이온과 하이드로늄 이온의 생성 및 일부의 경우에 있어서의 이동으로 인해서, 제 2 격실(120)에서 초래될 수 있다. 제 1 격실(110)과 제 2 격실(120) 둘 모두는 적어도 부분적으로 각각 이온 선택성 매체 층(170,180)을 함유한다. 도시된 비-제한 구체예에서, 매체 층(170)은 음이온 교환 수지와 붕소 선택성 수지의 50/50 배합물을 포함한다. 일부 비-제한 구체예 중의 격실(110)내 상승된 pH 상태, 예를 들어, 약 9 내지 10 범위의 pH에서, 공정수중의 표적 화합물, 예컨대, 붕소-함유 화합물의 일부 또는 전부가 바람직한 상태 또는 조건, 예컨대, 바람직한 이온성 상태, 즉, 보레이트 이온으로 전환된다. 하나 이상의 표적 화학종, 예를 들어 보레이트 이온의 일부 또는 전부는 제 1 격실(110)중의 매체 층(170)내 표적-선택성 매체에 의해서 선택적으로 결합되거나 흡착된다.
제 2 격실(120)내의 낮아진 pH 조건은 그 내부의 수지 층(180)의 재생을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 일부 비-제한 구체예에서, 붕소는 제 2 격실(120)내의 약 2 내지 4 범위의 pH 수준에서 방출될 수 있다. 정제된 물의 생성물 스트림은 감소 격실로서 작용하는 제 1 격실(110)의 출구에서 수집된다. 이러한 생성물 스트림은 염기성 생성물 스트림일 수 있다. 폐기 스트림(reject stream)은 농축 격실로서 작용하는 제 2 격실(120)의 출구에서 수집된다. 층(180)은 음이온 교환 수지와 표적 선택성 수지의 50부피%/50부피%의 배합물을 포함할 수 있다.
적용된 전기장의 극성은 제 2 격실(120)중의 수지 층(180)상에 하나 이상의 표적 화학종, 예를 들어, 보레이트 이온의 일부 또는 전부를 흡착시키면서 제 1 격실(110)내의 수지 층(170)을 재생시키도록 어떠한 시점에서 역전될 수 있다. 이러한 방법에서, 제 2 격실(120)은 감소 격실로서 작용할 수 있으며, 제 1 격실(110)은 농축 격실로서 작용할 수 있다.
예시된 바와 같이, 격실(110)로부터 배출되는 생성물 스트림의 일부 또는 전부는 전기화학적 장치의 제 3 격실(190)에 유도될 수 있다. 격실(110)로부터의 생성물 스트림은 그의 하나 이상의 성질 또는 특성을 조절 또는 변경시킴으로써 격실(190)에서 추가로 처리될 수 있다. 본 발명의 추가의 유리한 특징에서, 격실(190)은 그에 도입된 스트림의 하나 이상의 다른 특성 또는 성질을 변경 또는 조절할 수 있다. 예를 들어, 생성물 스트림은 그 내부의 어떠한 잔류 이온성 화학종을 제거하도록 처리될 수 있다. 처리 또는 제거는 가해진 전기장의 영향하에 수행될 수 있다. 따라서, 예시된 바와 같이, 양이온성 화학종 이동은 스트림으로부터 및 격실(120)내로 유도될 수 있다. 적어도 이러한 특정의 구체예에서, 격실(190)은 적어도 감소 격실로서 여겨질 수 있다. 또 다른 경우에서, 격실(190)내로 도입된 스트림중의 물의 일부 또는 전부는, 전형적으로는 가해진 전류에 의해서, 극성화되어서 하이드로늄 및 히드록사이드 이온을 생성시킬 수 있다. 예시된 바와 같이, 생성된 하이드로늄 이온은 스트림내로 이동할 수 있고 그의 pH 수준을 조절할 수 있다. 따라서, 적어도 이러한 특징에서, 격실(190)은 pH 조절 격실로서 여겨질 수 있으며, 그 내로 도입된 스트림이 높은 pH 수준, 예를 들어, 7 단위 초과의 pH 수준을 지니는 경우에, 격실(190)은 입구에서의 pH 값에 비해서 낮은 pH를 지니는 배출 스트림을 제공하는 pH 중화 격실로서 여겨질 수 있다.
격실(190)의 구성은 이동하는 화학종의 수송뿐만 아니라 물의 극성화를 촉진하는 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 격실(190)은 양이온 선택성 막(150)과 제 3 양이온 선택성 막(155)에 의해서 규정될 수 있다. 일부의 경우에, 막(155)은 적어도 부분적으로는 물의 극성화를 적어도 부분적으로 촉진하는 바이폴라 막(bipolar membrane)일 수 있다. 추가의 구체예는 음이온성 및 양이온성 교환 수지의 혼합된 층일 수 있는 전기활성 매체를 지닌 격실(190)을 포함할 수 있다.
장치(100)는 다수의 격실(190)을 포함할 수 있다. 그러한 배열은 다수의 격실이 생성물 스트림(장치(100)로부터)의 pH를 요구된 값으로 조절하는데 필요할 수 있는 경우에 유리하게 이용될 수 있다. 주지된 바와 같이, 도 1은 하나 이상의 중화 격실(190)을 지닌 장치(100)를 예시적으로 설명하고 있다. 그러나, 중화, 즉, 격실(110)로부터의 스트림의 pH 조절은 본 발명의 주지할 만한 추가의 형태 및 특징을 통해서 수행될 수 있다. 예를 들어, 격실(190)로부터의 스트림의 적어도 일부의 pH는 그러한 스트림을 장치(100)의 하나 이상의 캐소드 격실내로 도입시킴으로써 저하될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 하이드로늄 화학종은 격실(110)로부터 이동하거나 캐소드 격실(도시되지 않음)을 적어도 부분적으로 규정하는 바이폴라 막에서 생성된다. 다른 경우에, pH 조절이 장치(100) 외부 지점에서 산의 첨가에 의해서 목적 수준으로 수행될 수 있다. 중화에 이용되는 산 용액이 장치(100) 또는 장치(100)에 부착되지 않을 수 있거나 그와는 독립적인 보조 모듈(도시되지 않음)에 의해서 생성될 수 있다.
정제된 물은 식수로서의 사용 또는 저장을 위해서 보내질 수 있다. 식수는 보존되거나, 요구되는 경우, 추가로 소독될 수 있고, 농업 및 산업, 예컨대, 반도체 제조를 위한 산업을 포함한 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 전기화학적 장치에 의해서 생성된 폐기 또는 농축 스트림은 폐기물로 수집되고 배출되거나, 시스템을 통해서 재사용되거나, 추가의 처리를 위한 하류 유닛 작동에 공급될 수 있다. 생성물 스트림은 추가로 하류 사용, 상류 사용, 또는 폐기 전에 추가로 가공될 수 있다. 예를 들어, 생성물 산 또는 생성물 염기 스트림의 pH 수준이 조절될 수 있다. 일부 구체예에서, 일부 또는 전체적으로, 하나 이상의 생성물 스트림을 혼합하는 것이 바람직할 수 있다. 하나 이상의 추가의 유닛 작동이 전기화학적 유닛의 하류에 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 유닛 작동이, 예컨대, 표적 생성물 스트림을 사용 지점으로 전달하기 전에, 이를 수집하고 가공하도록 구성될 수 있다. 폴리싱 유닛(Polishing unit), 예컨대, 화학적 또는 생물학적 처리를 포함하는 폴리싱 유닛이 또한 사용 또는 배출 전에 장치의 생성물 또는 유출물 스트림을 처리하도록 존재할 수 있다. 본 발명의 시스템에 관한 일부 구체예에서, 역삼투 유닛 작동은 전기화학적 분리 장치의 하류에 위치되지 않는다. 본 발명의 시스템에 관한 하나 이상의 구체예에서, 이온 선택성 수지 층, 예컨대, 붕소-선택성 수지 층은 전기화학적 분리 장치의 하류에 위치되지 않는다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 하나 이상의 센서가 장치(100)와 일반적으로 연관된 어떠한 스트림, 부품 또는 서브시스템의 하나 이상의 특성, 조건, 성질 또는 상태를 검출하도록 위치될 수 있다. 일부 비-제한 구체예에서, 센서중 하나 이상은 스트림 유입 또는 배출 장치(100)에서 표적 화학종의 농도를 검출하도록 구성될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 하나 이상의 센서가 장치(100)의 하나 이상의 격실의 입구 및/또는 출구에서 붕소 농도를 검출하도록 위치될 수 있다. 또 다른 비-제한 구체예에서, 하나 이상의 센서가 장치(100)의 하나 이상의 격실의 입구 및/또는 출구에서 pH 수준을 검출하도록 위치될 수 있다.
일부 구체예에서, 장치 및 방법은 장치 또는 시스템의 부품, 예컨대, 이로 한정되는 것은 아니지만, 작동 밸브 및 펌프의 하나 이상의 작동 파라미터를 조절하거나 조절할 뿐만 아니라, 전기 구동 분리 장치를 통한 전류 또는 가해진 전기장의 성질 또는 특성을 조절하는 제어기를 포함한다. 제어기는 시스템의 하나 이상의 작동 파라미터를 검출하도록 구성된 하나 이상의 센서와 전자 통신관계에 있을 수 있다. 제어기는 일반적으로는 센서에 의해서 생성된 신호에 대응하여 제어 신호를 생성시켜서 하나 이상의 작동 파라미터를 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 장치(100)의 어떠한 스트림, 부품 또는 서브시스템의 조건, 성질, 또는 상태의 표시, 또는 장치(100)로부터의 그러한 조건, 성질 또는 상태의 표시를 수신하도록 구성될 수 있다. 제어기는, 전형적으로는, 어떠한 표시중 하나 이상 및 표적 또는 요구된 값, 예컨대, 설정점을 기초로 하여 하나 이상의 출력 신호를 생성시키는 것을 촉진하는 알고리즘(algorithm)을 포함한다. 본 발명의 하나 이상의 특정의 특징에 따르면, 제어기는 장치(100)로부터의 어떠한 스트림의 측정된 성질중 어떠한 성질의 표시를 수신하고, 장치(100)를 포함한 처리 시스템 부품중 어떠한 부품에 제어, 구동 또는 출력 신호를 생성시켜 표적 값으로부터 측정된 성질의 어떠한 편차를 감소시키도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 제어기는 장치(100)를 통해서 가해진 전류의 극성을 역전시키도록 구성될 수 있다. 제어기는 장치(100)와 관련된 스트림, 예를 들어, 장치(100)의 격실로부터 배출되는 생성물 스트림중의 표적 화학종의 농도를 표시하는 측정 신호를 제공하도록 구성된 하나 이상의 센서와 소통관계에 있을 수 있다. 일부 구체예에서, pH 수준 또는 농도 측정치가 센서에 의해서 검출되고 제어기에 통신될 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 붕소 농도를 표시하는 측정 신호가 제어기에 전송될 수 있다. 제어기는 소정의 수준 위에 있거나 그를 초과하는 수신된 측정치에 대한 응답으로 제어 신호를 생성시키도록 구성될 수 있다. 제어 신호는 격실내의 매체를 재생시키도록 장치(100)를 통해서 가해지는 전류의 극성을 역전시킬 수 있다. 일부 구체예에서, 제어 신호는 적어도 부분적으로 측정 신호를 기초로 하여 장치(100)와 연관된 파워 서플라이에 보내질 수 있다.
다른 구성으로, 제어기는 개방-루프 제어(open-loop control) 상태로 있어서, 본 발명의 처리 시스템의 하나 이상의 부품의 하나 이상의 작동 조건을 제공 또는 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 제어기는 가해진 전기장의 극성, 바람직하게는, 소정의 배열로부터 제 2 소정의 배열로 장치(100)를 통한 스트림 흐름 경로를 역전시키는 소정의 스케줄에 따라서 출력 또는 구동 신호를 주기적으로 생성시킬 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법에서 사용 가능한 하나 이상의 센서는 장치(100)내로의, 장치로부터의 또는 장치내의 스트림의 성질 또는 특성, 장치(100)를 통해 가해진 전류의 성질 또는 특성의 표시를 제공할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서는 공정 조건, 예컨대, 격실(110) 중의 어떠한 격실로부터 배출되는 어떠한 스트림의 pH, 스트림 배출 격실(120)의 pH, 및 스트림 배출 격실(190)의 pH를 측정하고, 그의 표시, 예를 들어, 측정된 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 센서는 또한 장치(100)내로의, 장치로부터의 또는 장치내의 스트림중 어떠한 스트림의 측정된 전도성 또는 저항 값을 제공할 수 있다. 특히 유리한 구성에서, 하나 이상의 센서는 장치(100)로부터 또는 격실(110)과 격실(120)중 어느 격실로부터의 생성물 스트림중의 하나 이상의 표적 화학종, 예를 들어, 붕소 농도의 직접 측정치 또는 대리(by proxy) 측정치의 표시를 제공하도록 사용될 수 있다. 붕소 농도의 측정은, 예를 들어, 샘플이 배치식으로 주기적으로 채취되고 분석되거나 하나 이상의 사이드 스트림을 통해서 반연속적으로 분석되는 비색 기술(colorimetric technique) 또는 형광 기술(fluorophoretic technique)에 의해서 수행될 수 있다.
제어기는 전형적으로는 마이크로프로세서-기반 장치, 예컨대, 프로그램화 가능한 논리 제어기(programmable logic controller (PLC)) 또는 분산 제어 시스템이며, 이러한 장치는 장치 또는 장치가 작동하는 시스템의 부품에 및 그러한 부품으로부터 입력 및 출력 신호를 수신하거나 전달한다. 통신 네트워크는 어떠한 센서 또는 신호-생성 장치가 제어기 또는 관련 컴퓨터 시스템으로부터 상당한 거리에 위치되게 하면서 여전히 서로 데이타를 주고 받게 할 수 있다. 그러한 통신 메카니즘은, 이로 한정되는 것은 아니지만, 무선 프로토콜을 이용하는 기술을 포함한 어떠한 적합한 기술을 이용함으로써 수행될 수 있다.
하나 이상의 구체예에서, 하나 이상의 바이폴라 막이 하나 이상의 격실을 적어도 부분적으로 규정하도록 통합될 수 있다. 바이폴라 막은 일반적으로는 한쪽은 음이온성 막이고 다른 쪽은 양이온성이다. 바이폴라 막은 일반적으로는 물을 분해시키는데 효율적일 수 있다. 일부 구체예에서, 바이폴라 막은 물 분해 셀 대신 사용될 수 있다. 일부 구체예에서, 하나 이상의 바이폴라 막은 하나 이상의 음이온 및/또는 양이온 선택성 막과 함께 사용될 수 있다. 하나 이상의 구체예에 따르면, 전기화학적 장치는 바이폴라 막과 음이온 선택성 막의 교대 배열을 포함할 수 있다. 유사하게, 전기화학적 장치는 하나 이상의 구체예에 따라서 바이폴라 막과 양이온 선택성 막의 교대 배열을 포함할 수 있다. 당업자라면 본 발명의 특정의 특징에 따라서 선택성 막의 다른 유형 및/또는 배열이 또한 사용될 수 있음을 인지할 것이다. 하나 이상의 구체예에서, 전기화학적 장치는 바이폴라 막을 포함하지 않는다.
일부 구체예에 따르면, 처리 시스템내의 다수의 스테이지(stage)는 물을 정제하거나 적어도 물 중에 함유된 용존 고형물의 농도를 감소시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 각각의 스테이지가 용존 고형물중의 하나 이상의 유형을 선택적으로 제거하여 정제된 물, 예를 들어, 탈염수 또는 식수를 생성시키도록 하여, 처리되는 물이 스테이지에서 정제될 수 있다. 일부 구체예에서, 다중 처리 스테이지가 단일 전기화학적 장치내에 존재할 수 있다. 다른 구체예에서는, 다양한 처리 스테이지가 일련의 전기화학적 장치들에 존재할 수 있다. 일부 경우에서, 하나 이상의 스테이지가, 용존 화학종중의 한 가지 유형을 선택적으로 체류시키고, 이어서, 하나 이상의 후속 또는 하류 스테이지에서 제거될 수 있는, 하나 이상의 유닛 작동을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 정제 시스템의 일부 구체예에서, 제 1 스테이지는 용존 화학종 중의 한 가지 유형을 제거하거나 적어도 그 농도를 감소시킬 수 있다. 다른 구체예에서, 제 1 스테이지가 용존 화학종 중 하나를 제외한 모든 유형을 제거하거나 그 농도를 감소시킬 수 있다. 물로부터 제거되지 않은 어떠한 보유된 화학종이 이어서 하나 이상의 후속 단계에서 제거되거나 그 농도가 감소될 수 있다.
전기화학적 장치는 요구되는 생성물을 달성시키고/거나 요구되는 처리를 수행하는 어떠한 적합한 양상으로 작동될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 구체예는 연속적으로, 또는 기본적으로는 연속적으로 또는 계속해서, 간헐적으로, 주기적으로, 또는 요구되는 대로 작동될 수 있다. 공급물이 전형적으로는 장치를 통해서 2회 이상 통과하거나 임의의 제 2 장치를 통해서 통과하는 멀티패스(multipass) EDI 시스템이 또한 이용될 수 있다. 전기적 분리 장치는 하나 이상의 다른 유닛, 조립체, 및/또는 부품과 작동 가능하게 관련될 수 있다. 보조 부품 및/또는 서브시스템은 파이프, 펌프, 탱크, 센서, 제어 시스템뿐만 아니라 파워 서플라이 및 협동적으로 시스템의 작동을 가능하게 하는 분산 서브시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은 하나 이상의 액체의 처리가 요구될 수 있는 광벙위하게 다양한 시스템과 함께 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 전기적 분리 장치는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 특정의 공정을 위해서 요구되는 대로 당업자에 의해서 변화될 수 있다.
이들 및 그 밖의 구체예의 기능 및 이점이 하기 비-제한 실시예로부터 더욱 완히 이해될 것이다. 실시예는 본원에 기재된 구체예의 특성을 예시하고자 하는 것이며, 본원에 기재된 구체예의 범위를 제한하는 것으로 여겨지지 않아야 한다.
실시예
몇 가지 처리 기술이 이하 나타낸 바와 같이 해수로부터의 붕소 제거에 대한 이들의 적용성에 대해서 시험되었다.
실험적으로 사용된 ED 및 EDI 셀은 1.2 x 7.5 인치의 유효 막 면적을 지녔다. 일가-선택성 ED 실험에서 실행된 Tokuyama Soda ACS 및 CMS 일가-선택성 막을 제외하고는, IONPURE® 음이온-선택성 막 및 양이온-선택성 막이 사용되었다. 수지는 DOWEX® MSA 수지 및/또는 DOWEX® BSR-1 붕소-선택성 수지였다. 전극은 RuO2 코팅된 발포 티타늄 금속이고, 동일한 물의 별도 스트림이 공급되었다. 스크린 필터가 전극 격실에 함유되었다. 탈이온화된 물중에 용해된 INSTANT OCEAN® 염은, 달리 명시하지 않는 한, 해수를 모의하는 공급물로서 사용되었다. 붕산이 일부 구체예에서 첨가되었다. 붕소 농도는 Hach 아조메틴-H 방법 10061(Hach Azomethine-H method 10061)(붕소로서 0.02 - 1.50 ppm)을 이용함으로써 전체적으로 측정되었다. 각각의 측정은 3 개의 샘플의 평균이었다.
도난 투석 처리 방법(Donnan Dialysis treatment process)은 도 2에 나타낸 실험 설정에 따라서 수행되었다. ED(도시되지 않음)에 의해서 탈염된 물이 공급물로서 사용되며, ED에 의해서 농축된 물이 수용 용액으로서 사용되었다. 결과가 이하 표 1에 요약되어 있다.
표 1. 도난 투석
Figure pct00002
전기탈이온화 방법이 또한 시험되었다. 이들 실험에서, 셀 쌍당 5V의 전압이 적용되었다. 공급수는 3.6ppm의 붕소 농도로 셀당 10ml/min의 유량으로 공급되었다. 첫 번째 설정에서, IONPURE® 이온-선택성 막은 충전제로서 DOWEX® MSA 음이온-교환 수지와 함께 사용되었다. 두 번째 설정에서, IONPURE® 이온-선택성 막은 충전제로서 BSR-1 붕소-선택성 수지와 함께 사용되었다. 그 결과가 7.5 내지 10.8 단위 범위의 pH의 공급 스트림에 대해서 이하 표 2에 요약되어 있다.
표 2. 전기탈이온화
Figure pct00003
또 다른 실험에서, 일가-선택성 음이온 막에 의한 전기투석이 7.5 pH 수준의 공급물로 시험되었다. 데이타는 다양하게 가해진 전류에 대해서 아래 표 3에 나타내고 있다.
표 3. 일가-선택성 음이온 막에 의한 전기투석
Figure pct00004
실험이 또한 도 3에 나타낸 설정에 따라 비선택성 수지 컬럼에 의한 이온 교환을 이용함으로써 수행되었다. 두 개의 동일한 수지 층(Dow MSA)이 ED 극성 역전과 동시에 주기적으로 사용되었다. ED에 의해서 탈염된 물이 공급물로서 사용되었으며, ED에 의해서 농축된 물이 재생제로서 사용되었다. 결과가 이하 표 4에 요약되어 있다.
표 4. 비-선택성 수지에 의한 이온 교환
Figure pct00005
도 4에 도시된 바와 같은 붕소-선택성 수지에 의한 산/염기 생성 EDI가 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따라서 시험되었다. IONPURE® 이온-선택성 막이 사용되었으며, 수지는 50% BSR-1 수지 및 50% Dow Marathon® A 음이온-교환 수지를 포함하였다. 격실 CA 및 AC에는 모의 해수가 공급되었다. 격실 CC에는 AC 격실의 유출물이 공급되었다. AC 격실에서, 용액은 염기성이 되고 BSR-1 수지가 붕소를 흡착하였다. CA 격실에서, 용액이 산성화되었고, 그 내부의 BSR-1 수지가 재생되었다. 스트림을 전환시키고 극성을 역전시킴으로써, 주기적인 작동이 달성되었다. 모듈이 4회 순환되었다. 4 번째 순환에서, 작동 5분 후에, 모든 유출물을 25분 동안 수집하고, 붕소에 대해서 분석하였다(생성물 및 농축물 둘 모두). 다음 23분 동안의 모든 유출물을 또한 수집하고 분석하였다. 세 번째 샘플을 90분에 채취하였다. 표 5는 48분에 걸친 평균 제거를 나타낸다. 결과는 이하 나타낸 표 5 내지 7에 요약되어 있다. 표 6은 4회 순환 동안의 붕소 데이터를 나타낸다. 도 5는 붕소-선택성 수지를 함유하는 산/염기 생성 EDI에 의한 붕소 제거에 대한 시간 특징을 나타낸다.
표 5. 붕소-선택성 수지에 의한 산/염기 생성 EDI
Figure pct00006
표 6. 붕소-선택성 수지에 의한 산/염기 생성 EDI
Figure pct00007
표 7. 붕소-선택성 수지에 의한 산/염기 생성 EDI
Figure pct00008
도난 투석, ED 및 EDI 공정은 중성 pH의 해수로부터 붕소를 제거하는데 효율적이지 않았다. 상승된 pH에서, 일부 붕소 제거가 ED 및 EDI 모듈에 의해서 달성되었다. 이러한 현상은 약 7.5의 pH에서 붕산 화합물이 이온화되지 않으며, 그에 따라서 가해진 전기장에 의해서 이동할 수 없기 때문인 듯하다. 상승된 pH에서, 붕산은 보레이트 이온(B(OH)4 -로 전환되며, 이는 전기장에 의해서 이동한다. pH 9 내지 10에서, 일부 제거가 EDI에 의해서 달성되었다. 또한 더 높은 pH(약 11)에서는, 가능하게는 이온-교환 수지 및 막에서 더 이동성인 OH- 이온과의 경쟁에 기인하여 제거율이 떨어졌다. 붕소-선택성 수지상의 이온-교환은 해수로부터의 붕소 제거에서 효율적이었다. 붕소-선택성 수지는 비교적 약산(pH=2 내지 4)에 의해서 재생 가능한 것으로 밝혀졌다.
붕소-선택성 수지에 의한 EDI는 비-선택성 수지에 의한 EDI에 비해서 붕소를 제거하는데 있어서 덜 효율적이었다. 이는 붕소-선택성 수지가 보레이트 이온의 양호한 전도체이지 않을 수 있음을 나타낸다. 이러한 수지상의 붕소 흡착 메카니즘은 규칙적인 음이온-교환 수지와는 매우 상이하다. 붕소-선택성 수지는 EDI 장치에서 붕소 제거에 기여하지 않으며 스택이 필수적으로 ED 장치로서 작동하는 듯하다. 일가 음이온 및 양이온에 선택적인 막에 의한 전기투석은 중성 pH에서의 붕소 제거에 효율적이지 않았다. 막 근처에서의 이가 이온과 일가 이온 사이의 평형의 이동은 붕산을 이온화시키기 위해서 국소 pH를 변화시키기에 충분하기 않은 듯했다. 해수는 천연의 완충 용액이며, 완충 효과는 카보네이트, 설페이트 및 보레이트에 의해서 생성된다.
최상의 결과는 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따라서 특별히 구성된 EDI 또는 ED 모듈의 산성 유출물 또는 산성화된 스트림에 의해서 재생되는 붕소-선택성 수지에 의한 이온-교환을 포함한 방법에 의해서 얻어졌다. 이러한 방법에서, 도 6에 나타낸 바와 같은, 다양한 pH 수준에서의 붕소 화학종들 사이의 평형이 우수한 붕소 제거를 달성하는데 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 관점은 전기 구동 분리 장치에서 처리되는 스트림의 pH 조건을 적어도 하기 관계에 따른 붕산/보레이트 이온의 pKa, 즉, 약 25℃에서 약 9.2로 변화시킴을 포함한다:
Figure pct00009
바람직하게는, 처리되는 스트림의 pH 조건은 약 9.5 이상이며, 바람직하게는 약 10 이상의 pH로 증가하여 시스-인돌-결합 보레이트 화학종의 형성을 추가로 촉진한다. 본 발명의 추가의 특징은 분리 장치내의 하나 이상의 다른 스트림의 pH 조건을 붕산/보레이트 이온의 pKa 미만으로, 예를 들어 약 9 미만의 pH로 변화시킴을 포함한다. 붕소 화학종, 예를 들어, 붕산 또는 보레이트 이온의 우세한 형태는 공정 스티림의 pH 수준에 좌우될 수 있다. 붕소-함유 용액으로 평형화된 붕소-선택성 수지는 아주 약산(pH 2 내지 4)에 의해서 세정되는 때에 붕소를 방출하기 시작할 수 있다. 이러한 산도는 산/염기 생성 CDI 모듈에 의해서 달성될 수 있다. 산/염기 생성 CDI 실험에서의 유량이 적지만, 처리된 물의 전체 용적은 상당한 양인 26 BVH이고, 유량은 증가할 수 있다. 대안적으로, CDI 장치(또는 동일한 막 구성의 ED 장치)가 산을 생성시키기 위해서만 사용될 수 있고, 이러한 산은 붕소-선택성 수지의 수지 층을 재생시키기 위해서 공급될 수 있다. CDI 장치에는 해수 또는 탈염 공정의 생성물이 공급될 수 있으며, 이들중 어느 것이든 산 및 염기를 생성기키기에 더욱 적합한 것으로 입증되어 있다. 염기성 격실중의 훨씬 더 높은 유량으로 산/염기 생성 장치를 가동시키는 것이 바람직할 것이다. 이러한 경우에, 염기성 격실에서의 pH 이동은 미미하며, 하류 공정을 위한 중화 없이 그러한 스트림의 사용을 가능하게 할 수 있다. 동시에, 산은 수지 재생에 요구되는 농도에서 생성될 수 있다. 결과는 산/염기 생성 및 붕소-선택성 수지에 의한 EDI 모듈이 용액중의 붕소 농도를 성공적으로 감소시킴을 나타내고 있다. 더 큰 용적을 이용함으로써 수행될 수 있는, 처리되는 용액에 대한 더 긴 체류 시간의 적용은 용액중의 붕소 농도를 더 크게 감소시킬 것이며, 예를 들어, 적어도 일부 구체예에서 0.5ppm 미만의 수준으로 감소시킬 것이다.
본원에 기재된 본 발명의 일부 예시적인 구체예를 참조하면, 당업자에게는 상기 설명이 단지 예시적인 것이며 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니라 단지 예를 들어 나타내고 있음이 자명할 것이다. 다양한 변화 및 그 밖의 구체예는 본 기술 분야에서 통상적인 기술중 하나의 범위내에 있으며 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 사료된다. 특히, 본원에 기재된 많은 예는 방법 행위 또는 시스템 구성요소의 특정의 조합을 포함하지만, 그러한 행위 및 그러한 구성요소는 동일한 목적을 달성하기 위해서 다른 방식으로 조합될 수 있음을 이해해야 한다.
본 기술 분야의 전문가라면 본원에 기재된 파라미터 및 구성이 예시적인 것이며 실질적인 파라미터 및/또는 구성은 본 발명의 시스템 및 기술이 사용되는 특정의 분야에 좌우될 것임을 인지해야 한다. 본 기술 분야의 전문가라면 또한 단지 통상의 실험을 이용함으로써, 본 발명의 특정의 구체예에 대한 등가물을 인지하거나 확인할 수 있어야 한다. 따라서, 본원에 기재된 구체예는 단지 예를 나타낸 것이며 첨부된 특허청구범위 및 그 등가물의 범위내에서 본 발명은 특별히 기재된 바와 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 본 발명은 본원에 기재된 각각의 특징, 시스템, 서브시스템 또는 기술에 관한 것임을 인지해야 하며, 그러한 특징, 시스템, 서브시스템 및 기술이 서로 모순되지 않는다면, 둘 이상의 특징, 시스템, 서브시스템, 및/또는 방법의 어떠한 조합이 청구범위에 포함된 본 발명의 범위내에 있는 것으로 여겨진다. 추가로, 하나의 구체예와 관련하여 유일하게 논의된 행위, 구성요소 및 특징은 다른 구체예에서의 유사한 역할에서 배제되는 것으로 여겨지지 않는다.
본원에서 사용된 용어 "다수"는 둘 이상의 아이템 또는 성분을 나타낸다. 상세한 설명 또는 특허청구범위 등에서 사용된 용어 "포함하는", "포함한", "지니는", "지닌", "함유하는" 및 "관련되는"은 개방형 용어, 즉, "포함하지만 그로 한정되는 것이 아님"을 의미한다. 따라서, 그러한 용어의 사용은 그 용어 후에 열거된 이이템, 및 그 등가물뿐만 아니라 추가의 아이템을 포함하는 것을 의미한다. 다만, 연결구(transitional phrase), "로 이루어진" 및 "를 필수 구성으로 하는"은 청구범위와 관련하여 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 연결구이다. 청구 요소를 변화시키기 위한 특허청구범위에서의 서수 용어, 예컨대, "제 1", "제 2", 및 "제 3" 등은 그 자체로 어떠한 우선, 선행, 또는 서로에 대한 한 청구 요소의 순서 또는 방법의 행위가 수행되는 시간적 순서를 암시하지 않으며, 단지, 청구 요소를 구별하기 위해서 특정의 명칭을 지니는 한 청구 요소를 동일한 명칭을 지니는 또 다른 요소로부터 구별하기 위한 표지로서 사용된다(서수적 용어의 사용을 제외함).

Claims (42)

  1. 해수를 처리하는 방법으로서,
    클로라이드 이온 및 붕소-함유 화합물을 포함하는 해수를, 전기 구동 분리 장치의 제 1 격실로서, 수지 층과 출구를 포함하는 적어도 제 1 격실에 도입하고;
    제 1 격실로부터 전기 구동 분리 장치의 제 2 격실로의 해수 중의 클로라이드 이온의 수송을 촉진하고;
    제 1 격실내의 해수 중의 붕소-함유 화합물의 일부 또는 전부의 이온화를 촉진하고;
    제 1 격실내의 수지 층상에 이온화된 붕소-함유 화합물의 일부 또는 전부를 흡착시키고;
    제 1 격실의 출구에서 처리수를 회수함을 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 제 2 격실 중의 제 2 수지 층에 결합된 붕소-함유 화합물의 일부 또는 전부를 방출시킴을 추가로 포함하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 제 2 격실의 출구에서 붕소-함유 스트림을 회수함을 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 처리수의 pH 수준을 조절함을 추가로 포함하는 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 전기 구동 분리 장치를 통해서 가해진 전류의 극성을 역전시킴을 추가로 포함하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 처리수 중의 붕소 농도를 모니터링함을 추가로 포함하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 소정의 수준을 초과하는 처리수 중의 붕소 농도를 검출한 것에 대한 반응으로 전기 구동 분리 장치를 통해서 가해진 전류의 극성을 역전시킴을 추가로 포함하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 소정의 수준이 약 1ppm인 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 처리수를 전기 구동 분리 장치의 제 3 격실에 유도함을 추가로 포함하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 처리수의 pH 수준을 모니터링하고, 소정의 수준을 초과하는 처리수 중의 pH 수준을 검출한 것에 대한 반응으로 전기 구동 분리 장치를 통해서 가해진 전류의 극성을 역전시킴을 추가로 포함하는 방법.
  11. 전기탈이온화 장치를 작동시키는 방법으로서,
    붕소-함유 화합물을 포함하는 공정수(process water)를, 전기탈이온화 장치의 제 1 격실로서, 수지 층과 출구를 포함하는 제 1 격실에 도입하고;
    제 1 격실내 염기성 pH 조건을 촉진하고;
    제 1 격실에 인접한 전기탈이온화 장치의 제 2 격실내 산성 pH 조건을 촉진하고;
    제 1 격실내 수지 층상에 보레이트 이온을 흡착시키고;
    제 1 격실의 출구에서 처리수를 회수하고;
    제 2 격실의 출구에서 붕소-함유 스트림을 회수함을 포함하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 처리수중의 붕소 농도를 모니터링함을 추가로 포함하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 검출된 붕소 농도에 대한 반응으로 전기탈이온화 장치를 통해서 가해진 전류의 극성을 역전시킴을 추가로 포함하는 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 처리수의 pH 수준을 조절함을 추가로 포함하는 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 붕소-함유 스트림을 회수함이 제 2 격실내의 수지로부터 붕소-함유 화합물을 방출시킴을 포함하는 방법.
  16. 붕소-선택성 수지 층을 함유하는 제 1 격실을 포함한 전기 구동 분리 장치를 포함하는 수처리 시스템.
  17. 제 16항에 있어서, 붕소-선택성 수지 층이 시스-디올 작용기를 포함하는 수처리 시스템.
  18. 제 16항에 있어서, 전기 구동 분리 장치가 해수 중의 붕소 농도를 약 0.5 내지 1ppm의 수준으로 감소시키도록 구성되고 배열되는 수처리 시스템.
  19. 제 18항에 있어서, 전기 구동 분리 장치의 제 1 격실이 제 1 음이온-선택성 막과 제 1 양이온-선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정되는 수처리 시스템.
  20. 제 19항에 있어서, 전기 구동 분리 장치가 제 1 음이온-선택성 막과 제 2 양이온-선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정된 제 2 격실을 추가로 포함하는 수처리 시스템.
  21. 제 16항에 있어서, 붕소-선택성 수지 층의 하류에 유체 소통 관계로 위치되며, 전기 구동 분리 장치로부터의 처리수 중의 붕소 농도를 나타내는 측정 신호를 제공하도록 구성된 센서를 추가로 포함하는 수처리 시스템.
  22. 제 21항에 있어서, 센서와 통신되며, 부분적으로 또는 전적으로 측정 신호에 기초하여 전기 구동 분리 장치와 연관된 파워 서플라이에 대한 제어 신호를 생성시키도록 구성된 제어기를 추가로 포함하는 수처리 시스템.
  23. 제 16항에 있어서, 제 1 격실 중의 붕소-선택성 수지 층의 조성이 전기 구동 분리 장치의 제 1 격실을 통한 유체 흐름 경로를 따라서 실질적으로 균일한 수처리 시스템.
  24. 용존 화학종과 하나 이상의 표적 화학종을 지니는 해수를 처리하는 방법으로서,
    해수 공급원으로부터의 제 1 해수 부분을, 전기-구동 분리 장치의 감소 격실로서, 음이온 투과성 막과 제 1 양이온 투과성 막 사이에 배치된 표적 화학종-흡착 매체를 지니는 감소 격실에 도입하고;
    해수 공급원으로부터의 제 2 해수 부분을, 전기-구동 분리 장치의 농축 격실로서, 음이온 투과성 막과 제 2 양이온 투과성 막 사이에 배치된 표적 화학종-흡착 매체를 지니는 농축 격실에 도입하고;
    하나 이상의 표적 화학종의 일부 또는 전부를 바람직한 이온성 상태로 전환시키면서 농축 격실내로의 용존 화학종의 일부 또는 전부의 수송을 촉진함을 포함하는 방법.
  25. 제 24항에 있어서, 전기-구동 분리 장치의 중화 격실로서, 제 2 양이온 투과성 막과 제 3 양이온 투과성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정된 중화 격실에서 감소 격실로부터의 물의 일부 또는 전부의 pH를 조절함을 추가로 포함하는 방법.
  26. 제 24항에 있어서, 농축 격실로의 용존 화학종의 일부 또는 전부의 수송을 촉진함이 감소 및 농축 격실을 통해서 전류를 가함을 포함하는 방법.
  27. 제 26항에 있어서, 전류를 가함이 하이드로늄 이온을 생성하도록 전기-구동 분리 장치의 하나 이상의 격실내의 물을 극성화시킴을 촉진하고, 감소 격실로부터의 물의 일부 또는 전부의 pH를 조절함이 중화 격실내로의 하이드로늄 이온의 일부 또는 전부의 수송을 촉진함을 포함하는 방법.
  28. 제 27항에 있어서, 전류를 가함이 감소 격실내의 해수의 pH를 9.2 단위 이상으로 상승시키기에 충분한 전류를 통과시킴을 포함하는 방법.
  29. 제 28항에 있어서, 중화 격실에 전기활성 매체가 없는 방법.
  30. 전기 구동 분리 장치로서,
    제 1 양이온 선택성 막과 제 1 음이온 선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정된 제 1 격실;
    제 1 음이온 선택성 막과 제 2 양이온 선택성 막에 의해서 분분적으로 또는 전체적으로 규정된 제 2 격실; 및
    제 1 격실과 제 2 격실 중 하나 이상에 위치한 붕소-선택성 전기활성 매체를 포함하는 전기 구동 분리 장치.
  31. 제 30항에 있어서, 제 2 양이온 선택성 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정되는 제 3 격실을 추가로 포함하는 전기 구동 분리 장치.
  32. 제 31항에 있어서, 제 3 격실이 바이폴라(bipolar) 막에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 규정되는 전기 구동 분리 장치.
  33. 제 31항에 있어서, 제 1 격실의 출구가 제 3 격실의 입구에 유체 소통관계로 연결되는 전기 구동 분리 장치.
  34. 제 30항에 있어서, 전기 구동 분리 장치의 출구가 식수 사용지점에 유체 소통관계로 연결되는 전기 구동 분리 장치.
  35. 제 30항에 있어서, 전기활성 매체가 시스-디올 작용기를 포함하는 전기 구동 분리 장치.
  36. 제 31항에 있어서, 제 3 격실에 전기활성 매체가 실질적으로 없는 전기 구동 분리 장치.
  37. 제 30항에 있어서, 역 삼투막이 전기 구동 분리 장치의 하류에 유체 소통관계로 연결되지 않는 전기 구동 분리 장치.
  38. 제 30항에 있어서, 수지 층이 전기 구동 분리 장치의 하류에 유체 소통관계로 연결되지 않는 전기 구동 분리 장치.
  39. 제 30항에 있어서, 수지 층의 하류에 유체 소통관계로 위치되며, 전기 구동 분리 장치로부터의 처리수 중의 붕소 농도를 나타내는 측정 신호를 제공하도록 구성된 센서를 추가로 포함하는 전기 구동 분리 장치.
  40. 제 39항에 있어서, 측정 신호가 검출된 pH 수준을 포함하는 전기 구동 분리 장치.
  41. 제 39항에 있어서, 센서와 통신하며, 부분적으로 또는 전적으로 측정 신호에 기초하여 전기 구동 분리 장치와 연관된 파워 서플라이에 대한 제어 신호를 생성하도록 구성된 제어기를 추가로 포함하는 전기 구동 분리 장치.
  42. 제 35항에 있어서, 전기활성 매체가 N-메틸 글루카민 작용기를 포함하는 전기 구동 분리 장치.
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