KR20120102762A - 삼투 물 전달 시스템 및 관련 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유입 폐수 스트림으로부터 배출 희석 공정 염수 스트림으로 물을 재순환시키는 정방향 삼투 물 전달 시스템을 개시한다. 상기 시스템은 포화 염수 스트림을 포함하며, 이러한 포화 염수 스트림의 제 1 부분은 전환되어 포화 공정 염수 스트림을 형성하고, 이러한 포화 염수 스트림의 제 2 부분은 적어도 하나의 정방향 삼투 막으로 전환된다. 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 유입 폐수 스트림으로부터 유입 전환 포화 염수 스트림으로 물을 이동시킴으로써, 배출 농축 폐수 스트림 및 배출 희석 공정 염수 스트림을 생성시킨다.
Description
관련 출원의 전후 참조
본 출원은 전체 개시내용이 참조로서 본원에 포함되는, 2010년 12월 11일에 출원된 일련 번호 12965874의 "삼투 물 전달 시스템 및 관련 방법(Osmotic Water Transfer System and Related Processes)"을 제목으로 하는 계류 중인 실용특허 출원, 및 2009년 12월 11일에 출원된 일련 번호 61285824의 "삼투 물 전달 시스템 및 관련 방법"을 제목으로 하는 계류 중인 가출원을 우선권으로 주장한다.
배경
기술 분야
본 발명은 삼투 물 전달 시스템 및 관련 방법에 관한 것이다.
배경
다양한 산업에서, 식품-가공 및 에너지 적용, 염수 또는 염 함유 용액이 다양한 단위 작업 및 공정 단계와 관련이 있다. 그러나, 동시에 상기 공정은 처리하기에 어렵고 고비용인 폐수를 발생시킨다.
오염된 폐기물 스트림으로부터의 물의 회수/정제를 위한 통상적인 방법은 비등, 여과, 이온 교환 및 기타 방법을 포함한다. 이러한 해법은 일반적으로 용액에 존재하는 오염물질로부터 물을 분리시키기 위해 유의한 에너지 투입을 필요로 한다.
개요
본 발명의 양태는 막을 가로지르는 혼합물의 요망되는 화학 성분의 수송을 가능케 하기 위해 삼투압을 이용하는 삼투 물 전달 시스템 및 관련 방법에 관한 것이다. 이러한 양태 및 이러한 양태의 구현은 참조로서 본원에 포함되는 하기 첨부되는 청구항에 기재된 구성요소 및 단계 중 하나 이상 또는 전부를 포함할 수 있다.
일 양태에서, 유입 폐수 스트림으로부터 배출 희석 공정 염수 스트림으로 물을 재순환시키는 정방향 삼투 물 전달 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 포화 염수 스트림을 포함하며, 이러한 포화 염수 스트림의 제 1 부분은 전환되어 포화 공정 염수 스트림을 형성하고, 이러한 포화 염수 스트림의 제 2 부분은 적어도 하나의 정방향 삼투 막으로 전환된다. 상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 유입 폐수 스트림으로부터 유입 전환 포화 염수 스트림으로 물을 이동시킴으로써, 배출 농축 폐수 스트림 및 배출 희석 공정 염수 스트림을 발생시킨다.
특정 구현은 하기 중 하나 이상 또는 전부를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 희석 공정 염수 스트림과 결정성 염을 혼합시킴으로써 포화 염수 스트림을 발생시키는 혼합기를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 농축 폐수 스트림에 원치 않는 불순물을 유지시키고, 배출 희석 공정 염수 스트림을 깨끗하게 유지시키는 반투과성 막일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 셀룰로오스 막(cellulosic membrane)일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 나권형 막(spiral wound membrane)일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은, 상기 막의 한 면 상의 유입 폐수 스트림이 상기 막을 통해 상기 막의 마주하는 면 상의 전환 포화 염수 스트림과 접촉하도록 배치되는, 역류 유동으로 작동할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 다수의 정방향 삼투 막을 포함할 수 있다. 막은 병렬 유동 형태로 작동할 수 있다.
물은 단지 농도 구배로 인해 유입 폐수 스트림으로부터 전환 포화 염수 스트림으로 이동할 수 있다.
또 다른 양태에서, 천연 가스 생성의 시추 및 프랙킹(fracking) 공정을 위한 정방향 삼투 물 전달 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 프랙킹을 위해 유입 시추 이수(drilling mud) 스트림으로부터 깨끗한 배출 희석 공정 염수 스트림으로 물을 재순환시킨다. 상기 시스템은 포화 염수 스트림을 포함할 수 있으며, 이러한 포화 염수 스트림의 제 1 부분은 전환되어 포화 공정 염수 스트림을 형성하고, 이러한 포화 염수 스트림의 제 2 부분은 적어도 하나의 정방향 삼투 막으로 전환된다. 상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 유입 시추 이수 스트림으로부터 유입 전환 포화 염수 스트림으로 물을 이동시킴으로써, 배출 농축 시추 이수 스트림 및 깨끗한 배출 희석 공정 염수 스트림을 발생시킨다.
특정 구현은 하기 중 하나 이상 또는 전부를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 깨끗한 희석 공정 염수 스트림과 결정성 염을 혼합시킴으로써 포화 염수 스트림을 발생시키는 혼합기를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 농축 시추 이수 스트림에 원치 않는 불순물을 유지시키고, 배출 희석 공정 염수 스트림을 깨끗하게 유지시키는 반투과성 막일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 셀룰로오스 막일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 나권형 막일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은, 상기 막의 한 면 상의 유입 시추 이수 스트림이 상기 막을 통해 상기 막의 마주하는 면 상의 전환 포화 염수 스트림과 접촉하도록 배치되는, 역류 유동으로 작동할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 다수의 정방향 삼투 막을 포함할 수 있다. 막은 병렬 유동 형태로 작동할 수 있다.
물은 단지 농도 구배로 인해 유입 시추 이수 스트림으로부터 전환 포화 염수 스트림으로 이동할 수 있다.
또 다른 양태에서, 염소 생성 공정을 위한 정방향 삼투 물 전달 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 유입 폐수 스트림으로부터 깨끗한 배출 희석 공정 염수 스트림으로 물을 재순환시킨다. 시스템은 포화 염수 스트림을 포함할 수 있으며, 이러한 포화 염수 스트림의 제 1 부분은 전환되어 포화 공정 염수 스트림을 형성하고, 이러한 포화 염수 스트림의 제 2 부분은 적어도 하나의 정방향 삼투 막으로 전환된다. 상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 유입 폐수 스트림으로부터 유입 전환 포화 염수 스트림으로 물을 이동시킴으로써, 배출 농축 폐수 스트림 및 깨끗한 배출 희석 공정 염수 스트림을 발생시킨다.
특정 구현은 하기 중 하나 이상 또는 전부를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 깨끗한 희석 공정 염수 스트림과 결정성 염을 혼합시킴으로써 포화 염수 스트림을 발생시키는 혼합기를 포함할 수 있다.
시스템은 적어도 폐수 스트림을 발생시키기 위해 유입 전환 포화 공정 염수 스트림을 이용하는 적어도 하나의 수은 전지(cell)를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 농축 폐수 스트림에 원치 않는 불순물을 유지시키고, 배출 희석 공정 염수 스트림을 깨끗하게 유지시키는 반투과성 막일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 셀룰로오스 막일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 나권형 막일 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은, 상기 막의 한 면 상의 유입 폐수 스트림이 상기 막을 통해 상기 막의 마주하는 면 상의 전환 포화 염수 스트림과 접촉하도록 배치되는, 역류 유동으로 작동할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정방향 삼투 막은 다수의 정방향 삼투 막을 포함할 수 있다. 막은 병렬 유동 형태로 작동할 수 있다.
물은 단지 농도 구배로 인해 유입 폐수 스트림으로부터 전환 포화 염수 스트림으로 이동할 수 있다.
삼투 물 전달 시스템의 구현은 하기 장점 중 하나 이상 또는 전부를 가질 수 있다.
깨끗한 염수가 생성되어 공정 유체로 사용된다.
경제적으로, 삼투 공정이 이용되므로, 동력 투입이 필요하지 않다. 물은 적용되는 압력 또는 열로 인한 것이 아니라 농도 구배로 인해 폐기물로부터 염수로 이동한다. 유체를 시스템으로 이동시키기 위한 전달 펌프에 대해 유일하게 동력이 필요하다.
폐수 스트림으로부터의 물은 많은 양의 에너지의 소비를 필요로 하지 않고 요망되는 순도의 염수 스트림으로 재순환될 수 있다.
처리를 위한 폐기 생성물의 부피가 감소되므로 전체 처리 비용이 감소될 수 있다.
상기 및 다른 양태, 특징, 및 장점은 설명 및 도면, 및 청구항으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
도면의 간단한 설명
구현은 이후 첨부되는 도면(반드시 일정 비율로 작성한 것은 아님)과 함께 기재될 것이며, 여기서 유사 지정은 유사 구성요소를 나타낸다:
도 1은 삼투 물 전달 시스템 구현의 개략적 블록 다이어그램이다;
도 2는 천연 가스 생성의 시추 및 프랙킹 공정에 사용되는 삼투 물 전달 시스템의 구현의 예시적 나권형 정방향 삼투 막 필터 구성요소를 통한 유체 유동의 도면이다;
도 3은 클로르/알칼리(chlor/alkali) 공정에서의 염소 및 부식제의 생성에 사용되는 삼투 물 전달 시스템의 구현의 개략적 블록 다이어그램이다.
설명
본 발명은 폐수로부터 염수로 깨끗한 물을 삼투적으로 끌어 들이는 삼투 물 전달 시스템 및 관련 공정 구현을 특징으로 한다. 본원에 개시된 삼투 물 전달 시스템 및 관련 공정 구현의 많은 특징이 존재하며, 이 중 하나, 다수, 또는 전부의 특징 또는 단계가 임의의 특정 구현에 이용될 수 있다.
하기 기재에서, 기재의 일부를 형성하고, 예시에 의해 가능한 구현을 제시하는, 수반되는 도면이 참조된다. 다른 구현이 이용될 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 구조적 및 절차적 변형이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 편의상, 다양한 구성요소는 예시적 물질, 크기, 형태, 치수 등을 이용하여 기재될 것이다. 그러나, 본 발명은 언급된 예에 제한되지 않으며, 다른 형태가 가능하고, 이는 본 발명의 개시의 교시내용에 포함된다.
삼투 물 전달 시스템
많은 양의 에너지의 소비를 필요로 하지 않으면서 폐기물 스트림으로부터의 물이 요망되는 순도의 염수 스트림으로 재순환될 수 있는 다양한 삼투 물 전달 시스템 구현이 존재한다.
그럼에도 불구하고, 도 1로 돌아가서, 본 발명의 예시적 목적상, 삼투 물 전달 시스템(10) 및 이의 관련 공정이 제시된다. 삼투 물 전달 시스템(10)은 정방향 삼투(FO) 막(12)을 가로질러 폐수 스트림으로부터 포화 염수 스트림으로 물을 이동시켜, 농축 폐수 스트림 및 희석 염수 스트림을 생성시키는 정방향 삼투를 이용한다. 포화 염수 스트림은 혼합기(14)에서 희석 염수 스트림에 결정성 염을 첨가함으로써 생성된다. 포화 염수의 부분은 이를 필요로 하는 공정(예를 들어, 프랙킹 등)으로 전환된다. 임의로, 점선에 도시된 바와 같이, 다양한 구현에서, 혼합기(14)로의 새로운 물의 첨가를 가능케 하기 위해 새로운 물 스트림이 포함될 수 있다.
정방향 삼투 공정은 요망되는 구성요소가 보다 높은 농도의 이러한 구성요소의 용액으로부터 보다 낮은 농도의 용액으로 가로지르는 것을 가능케 하는 막을 가로지르는 선택적 집단 전달을 포함한다. 반투과성 막은 물은 통과시키나, 용해된 종의 이동은 차단한다. 막(12)은 개시내용 전체가 참조로서 본원에 포함되는 1977년 7월 5일에 발행된 "직접 삼투 분리를 위한 나권형 막 모듈(Spiral Wound Membrane Module for Direct Osmosis Separations)"을 제목으로 하는 포어맨 등(Foreman et al.)의 미국 특허 제 4,033,878호에 개시된 것과 유사한 디자인을 가질 수 있다. 나권형 막 디자인 형태는 저렴하고, 비용 당 용기에서의 가장 큰 막 표면적 중 하나를 제공할 수 있다(이는 높은 막 밀도(100 cm 길이의 구성요소에 의해 20 cm 직경 당 약 30 m2)를 가질 수 있다).
일반적으로, 나권형 형태, 여과수 스페이서(permeate spacer), 피드 스페이서(feed spacer) 및 2개의 막이 천공된 튜브 주위를 랩핑(wrapping)할 수 있고, 적소에 접착될 수 있다. 막은 피드 스페이서와 여과수 스페이서 사이에 권취된다. 피드 유체는 피드 스페이서를 통한 모듈을 통해 세로로 유동하도록 유도되고, 막을 통해 통과하는 유체는 여과수 스페이서를 통하여 중심 튜브로 향해 나선 모양으로 내부로 유동한다. 피드 유체가 여과수 스페이서로 진입하는 것을 방지하기 위해, 2개의 막이 이들 사이에 포획된 여과수 스페이서를 갖는 이들의 가장자리를 따라 서로 접착된다. 피드 스페이서는 접착되지 않은 채로 유지된다. 모듈 어셈블리는 요망되는 직경까지 권취되고, 외부는 밀봉된다.
특히, 막은 유도 용액(draw solution)(즉, 염수)이 전체의 단일한 막 덮개(envelope)를 통해 유동하도록 한다. 염수는 천공을 갖는 중심 튜브의 한 말단으로 펌핑된다. 튜브 아래 중간에 고정된 배리어(barrier) 구성요소는 염수가 천공을 통해 막 덮개로 유동하도록 한다. 접착 배리어(glue barrier)가 막 덮개의 중심에 적용되어, 유체는 막의 먼 말단으로 유동하여야 하며, 여기서 갭은 유체가 막 덮개의 다른 면으로 가로지른 후, 다시 중심 튜브의 두번째 절반 및 구성요소의 외부로 가로지르도록 한다. 단일 덮개가 사용될 수 있으나, 덮개 사이에 피드 유체 스페이서를 갖는 중심 튜브 주위에 권취/랩핑된 다수의 덮개가 존재할 수 있다.
본원의 도 1에서, 막(12)을 통한 집단의 전달을 야기시키는 추진력은 삼투압이므로, 용액을 막(12)과 접촉하도록 배치시키는데 필요한 것(전달 펌프 등을 통함)을 넘어서는 전달을 발생시키는데 추가적인 에너지 투입이 필요하지 않다. 물은 적용되는 압력 또는 열 또는 임의의 다른 동력 투입으로 인한 것이 아니라 농도 구배로 인해 폐수로부터 염수로 이동한다.
결과로서, 포화 염 염수가 막(12)의 한면과 접촉되고, 희석 폐수가 마주하는 면에 접촉되고, 물은 막(12)을 통해 폐수로부터 염수로 확산될 것이다. 반투과성 막(12)은 폐수 내에 원치 않는 불순물 및 침전물을 유지할 것이고, 따라서 깨끗한 희석 염수를 발생시킬 것이다. 막(12)에 사용되는 물질에 따라, 막(12)의 구조, 및 삼투 전달 시스템(10) 내의 막(12)의 배열, 전달량 및 전달 속도가 향상되고/되거나 조절될 수 있다. 이후, 염수는 산업 공정에 필요한 더욱 결정성인 염을 용해시키는데 사용될 수 있다. 폐수의 부피가 감소됨으로써, 처리 비용이 감소된다.
기타 구현
많은 추가 구현이 가능하다.
본 발명의 개시의 예시적 목적상, 다양한 나권형 막이 존재하나, 개시내용 전체가 참조로서 본원에 포함되는 2010년 3월 9일에 출원된 "다수의 나권형 정방향 삼투 구성요소에 대한 중심 튜브 형태(Center Tube Configuration for a Multiple Spiral Wound Forward Osmosis Element)"의 제목의 출원 일련 번호 12/720,633호에 제시되고 기재된 나권형 FO 막이 이용될 수 있다.
따라서, 요약하면, 나권형 막은 개선된 중심 튜브를 포함할 수 있다. 천공된 나권형 막 중심 튜브는 배리어 구성요소에 의해 서로 분리된 2개의 내부 챔버인 업스트림 챔버 및 다운스트림 챔버와 유체 소통하는 이의 벽(예를 들어, 원통형 벽) 도처에 적어도 2개의 천공(예를 들어, 다수)을 포함할 수 있다. 배리어 구성요소는 중심 튜브의 대략 중심점에 위치될 수 있다. 밀봉가능한 배리어 구성요소는 중심 튜브의 각각의 개방 말단에 위치되고, 각각 밀봉가능한 스탭(stab) 및 스탭 저장소를 포함할 수 있다. 배리어 구성요소는 모두 배리어 투과를 포함한다.
천공된 나권형 막 중심 튜브는 외부 중심 튜브 내에 실질적으로 위치된 적어도 하나의 작은 직경의 천공되지 않은 내부 튜브를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 천공되지 않은 튜브는 배리어의 배리어 투과를 통해 다운스트림 및/또는 업스트림 챔버의 길이를 넘어 연장되어, 첫번째 중심 튜브의 업스트림 챔버는 이웃하는 중심 튜브 등의 업스트림 챔버와 유체 소통하고/하거나, 첫번째 중심 튜브의 다운스트림 챔버는 이웃하는 중심 튜브 등의 다운스트림 챔버와 유체 소통한다.
본 발명의 개시의 예시적 목적상, 적어도 하나의 천공되지 않은 내부 튜브는 2개의 튜브를 포함할 수 있다. 특히, 피드 보조관(bypass) 튜브가 실질적으로 중심 튜브 내에 위치될 수 있고, 배리어를 통해 다운스트림 챔버 길이 넘어 연장된다. 피드 보조관 튜브는 다운스트림 챔버 내에서 삼투 작용제(OA)를 혼합함이 없이 배리어를 통해 업스트림 챔버로부터 중심 튜브의 외부(좌측으로 다음 튜브, 도시되지 않음)로 삼투 작용제(OA)를 이동시킨다. 유사하게, 다운스트림은 업스트림 챔버 내에서 업스트림 구성요소(중심 튜브의 우측에 위치됨) 피드 희석 OA를 혼합함이 없이 출구 보조관 튜브(중심 튜브의 내에 실질적으로 위치되고, 배리어를 통해 업스트림 챔버의 길이를 넘어 연장됨)를 통해 상기 업스트림 구성요소 피드 희석 OA로부터 다운스트림 챔버로 배출된다.
따라서, 나권형 구성요소는 천공된 중심 튜브 및 나권형 막 덮개를 포함하고, 막 덮개와 소통하는 피드 용액 및 중심 튜브와 소통하는 유도 용액을 갖는다. 막 덮개는 다수의 천공을 통해 막 중심 튜브의 내부와 유체 소통하는 내부 덮개 챔버를 형성하는 3면 상에 밀봉을 갖는 2개의 직각의 막 시트를 포함할 수 있고, 여기서 부분적 길이의 배리어가 각각의 막 덮개 내에 제공되어 유체 유동 경로가 증가한다. 업스트림 및 다운스트림 챔버는 막 덮개 도처에서 구불구불한(torturous) 상호연결 경로를 가질 수 있다.
본 발명의 개시의 예시적 목적상, 나권형 FO 막은 개시내용 전체가 참조로서 본원에 포함되는 2010년 3월 9일에 출원된 "다수의 나권형 정방향 삼투 구성요소에 대한 중심 튜브 형태(Center Tube Configuration for a Multiple Spiral Wound Forward Osmosis Element)"의 제목의 출원 일련 번호 12/720,633호에 제시되고 기재된 바와 같은 나권형 FO 막 시스템과 같은 시스템과 조합될 수 있다.
따라서, 요약하면, 나권형 FO 막 시스템 구현은 염수가 병렬로 하우징(housing) 내의 모든 막을 통해 유동하는 것을 가능케 한다. 일반적으로, 막 시스템은 적어도 하나의 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 2개의 구성요소의 스택이 존재할 수 있다. 또 다른 예에 대해, 약 1개 내지 약 100개 이하의 구성요소(막 덮개를 포함함)가 존재할 수 있다. 구성요소의 중심 튜브는 말단 및 중심점에 배리어를 갖고, 이러한 배리어 각각은 2개의 보조관 파이프에 의해 투과된다. 보조관 파이프의 한 세트는 농축 OA가 각각의 구성요소의 OA 피드 면으로 독립적으로 운반되는 것을 가능케 하는 한편, 보조관 파이프의 두번째 세트는 희석 OA를 스택 외부로 운반한다. 이러한 배열은 상기 구성요소가 각 말단에 단지 단일한 OA 및 피드 연결부를 갖는 스택 내에 함께 자리잡도록 하나, 병렬 형태로 각 구성요소를 통해 OA 유동을 제공한다.
따라서, 다수의 나권형 막이 종단간(end-to-end)(및 이후 보통 원통형 하우징 내) 배열된다. 다수의 나권형 막 각각은 2개의 개방 말단, 및 다수의 나권형 막 덮개를 각각 갖고, 막 덮개와 소통하는 피드 용액 및 중심 튜브와 소통하는 유도 용액을 각각 갖는 첫번째, 두번째 등의 천공된 중심 튜브를 갖는다. 각각의 중심 튜브는 배리어 구성요소에 의해 서로 분리된 2개의 챔버인 업스트림 챔버 및 다운스트림 챔버를 갖는다. 업스트림 및 다운스트림 챔버는 막 덮개 도처에 구불구불한 상호연결 경로를 가질 수 있다. 첫번째 중심 튜브의 업스트림 챔버는 첫번째 중심 튜브를 통과하는 천공되지 않은 보조관 튜브를 통해 이웃하거나 다음의 중심 튜브의 업스트림 챔버와 소통하고, 첫번째 중심 튜브의 다운스트림 챔버는 첫번째 중심 튜브를 통과하는 천공되지 않은 보조관 튜브를 통해 이웃하는 중심 튜브의 다운스트림 챔버와 소통한다. 중심 튜브 및 배리어는 입구 및 출구 다기관(manifold)을 형성하여, 중심 튜브의 모든 업스트림 섹션은 함께 병렬로 연결되고, 중심 튜브의 모든 출구 다운스트림 섹션은 함께 병렬로 연결된다. 중심 튜브를 통과하는 천공되지 않은 보조관 튜브는 각각의 중심 튜브의 개방 말단에 위치된 밀봉가능한 스탭 및 스탭 저장소에 연결될 수 있다.
추가 구현은 청구항에 포함되어 있다.
명세, 물질, 제조, 어셈블리
구현은 본원에 개시된 특정 구성요소에 제한되지 않으며, 사실상 삼투 물 전달 시스템 구현의 소기의 작동과 일치하는 임의의 구성요소가 이용될 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 예를 들어, 특정 구성요소 등이 개시되어 있으나, 이러한 구성요소는 임의의 형태, 크기, 양식, 유형, 모델, 버전, 부류, 등급, 치수, 농도, 물질, 중량, 양, 및/또는 삼투 물 전달 시스템 구현의 소기의 작동과 일치하는 유사체(like)를 포함할 수 있다. 선택된 구성요소가 삼투 물 전달 시스템 구현의 소기의 작동과 일치하는 한, 구현은 임의의 특정 구성요소의 사용에 제한되지 않는다.
따라서, 임의의 삼투 물 전달 시스템 구현을 규정하는 구성요소는 선택된 구성요소가 삼투 물 전달 시스템 구현의 소기의 작동과 일치하는 한 성형되는 대상으로 용이하게 형성될 수 있는 많은 다양한 유형의 물질 또는 이의 조합물 중 임의의 것으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 구성요소는 고무(합성 및/또는 천연) 및/또는 다른 유사 물질; 유리(예를 들어, 유리섬유), 탄소-섬유, 아라미드-섬유, 및 이의 임의의 조합물, 및/또는 다른 유사 물질; 중합체, 예를 들어, 열가소성물질(예를 들어, ABS, 아크릴, 플루오로중합체, 폴리아세탈, 폴리아미드; 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리설폰 등), 열경화성물질(예를 들어, 에폭시, 페놀성 수지, 폴리이미드, 폴리우레탄, 실리콘 등), 및 이의 임의의 조합물, 및/또는 다른 유사 물질; 복합물 및/또는 다른 유사 물질; 금속 및/또는 다른 유사 물질; 합금 및/또는 다른 유사 물질; 임의의 다른 적합한 물질; 및/또는 이의 임의의 조합물로 형성될 수 있다.
본 발명의 개시의 예시적 목적상, 삼투 물 전달 시스템 구현의 다양한 구현에서 사용되는 FO 막은 매우 다양한 물질로 작제될 수 있고, 매우 다양한 작동 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 막은 반투과성일 수 있고, 이는 막이 보다 높은 농도의 용액으로부터 보다 낮은 농도의 용액으로 요망되는 구성요소를 실질적으로 배타적으로 통과시키고, 예를 들어, 더욱 희석된 용액으로부터 더욱 농축된 용액으로 물을 통과시키는 것을 의미한다. 본 발명에 개시된 원리를 이용하여 매우 다양한 막 유형 중 임의의 막이 이용될 수 있다.
또한, FO 막은 얇은 필름 복합 RO 막으로 제조될 수 있다. 이러한 막 복합물은, 예를 들어, 우븐(woven) 또는 논우븐(nonwoven) 나일론, 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌과 같은 다공성 지지체 직물 상에서의 함침 침전(immersion precipitation) 방법에 의한 셀룰로오스 에스테르 막 주형, 또는 바람직하게는 솜 또는 종이와 같은 친수성 지지체 상에서의 셀룰로오스 에스테르 막 주형을 포함한다. RO 막은 시판되는 얇은 필름 복합물인 해수 제염 막을 이용하여 롤링(rolling)될 수 있다. FO 구성요소(임의의 형태)에 사용되는 막은 역삼투 막으로 시험되는 경우(60 psi, 500 PPM NaCl, 10% 회수율, 25℃)에 80% 내지 95% 범위의 염제거율을 갖는 친수성 막일 수 있다. 막의 공칭 분자량 컷오프는 100 달톤일 수 있다. 막은 친수성 막 물질, 예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 프로프리아네이트, 셀룰로오스 부티레이트, 셀룰로오스 디아세테이트, 셀룰로오스 물질의 블렌드, 폴리우레탄, 폴리아미드로부터 제조될 수 있다. 막은 비대칭(즉, 막이 약 10 마이크론 두께의 얇은 리젝션(rejection) 층 및 300 마이크론 이하의 두께의 다공성 하위층(sublayer)을 가짐)일 수 있고, 함침 침전 방법에 의해 형성될 수 있다. 막은 배킹(backing)을 갖지 않거나, 물이 리젝션 층에 도달하는 것을 방해하지 않거나, 친수성이고 물을 상기 막에 용이하게 위킹(wicking)시키는 매우 개방된 배킹을 갖는다. 따라서, 기계적 강도를 위해, 이들은 소수성 다공성 시트 배킹 상에서 주조될 수 있고, 여기서 다공성 시트는 우븐 또는 논-우븐이나, 적어도 약 30%의 개방 영역을 갖는다. 우븐 배킹 시트는 약 65 마이크론의 전체 두께(폴리에스테르 스크린)를 갖는 폴리에스테르 스크린이고, 전체 비대칭 막은 165 마이크론 두께이다. 비대칭 막은 폴리에스테르 스크린 상에서 셀룰로오스 물질을 주조함으로써 함침 침전 방법에 의해 주조될 수 있다. 폴리에스테르 스크린은 65 마이크론 두께, 55% 개방 영역일 수 있다.
본 발명의 개시의 예시적 목적상, 염수는 일반적으로 무기염 기반 또는 당 기반일 수 있다. 예를 들어, 염수는 소듐 클로라이드=6.21 wt %; 포타슘 클로라이드=7.92 wt %, 트리소듐 시트레이트=10.41 wt %, 글루코오스=58.24 wt %, 및 프룩토오스= 17.22 wt %일 수 있다.
다양한 삼투 물 전달 시스템 구현이 본원에 기재된 절차를 통해 추가되거나 개선되는 통상적인 절차를 이용하여 이루어질 수 있다. 삼투 물 전달 시스템 구현을 규정하는 일부 구성요소는 동시에 제조되고, 서로 온전하게 연결될 수 있는 한편, 다른 구성요소는 미리 제조되거나 독립적으로 제조되어 구매된 후, 온전한 구성요소로 어셈블리될 수 있다.
상기 구성요소의 독립적 또는 동시 제조는 압출, 인발성형(pultrusion), 진공 형성, 사출 성형, 중공 성형, 수지 이송 성형, 주조, 단조, 저온 롤링, 밀링, 시추, 리밍(reaming), 선반 세공, 연마, 스탬핑, 절단, 굽힘, 용접, 납착, 담금질, 리베팅(riveting), 펀칭(punching), 플레이팅 등을 포함할 수 있다. 상기 구성요소 중 임의의 구성요소가 독립적으로 제조되는 경우, 이들은 이후, 예를 들어, 많은 고려사항 중에서도 특히 구성요소를 형성하는 물질에 따라 임의의 방식, 예를 들어, 접착제 이용, 용접, 잠그개, 와이어링(wiring), 및 이의 임의의 조합에 의해 서로 커플링될 수 있다.
본 발명의 개시의 예시적 목적상, 일 구현에서, 나권형 막 필터 구성요소 또는 모듈을 제조하는 방법은 (a) 덮개 샌드위치를 어셈블리시키는 단계; (b) 덮개 샌드위치에 중심 튜브를 어셉블리시키는 단계; 및 (c) 중심 튜브를 갖는 덮개 샌드위치 및 접착제를 랩핑시켜 나권형 막 모듈을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
용도
삼투 물 전달 시스템의 구현은 FO/물 처리 적용에서 특히 유용하다. 구현은 다중 구성요소 산업-규모 FO 막 하우징으로 이용될 수 있는데, 이는 이를 통해 유체가 병렬로 펌핑될 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 물 처리 적용과 관련된 임의의 기재는 본 발명의 개시의 예시적 목적을 위한 것이며, 구현은 또한 산업적 식품-가공 및 에너지 적용과 같은 다수의 다른 적용에서 유사한 결과로 이용될 수 있다.
삼투 물 전달 시스템 구현의 용도의 기재, 및 추가로 본 발명의 개시의 예시적 목적상, 천연 가스의 생성에서, 천연 가스 정(well)에 대한 구멍의 시추가 회전하는 오거(auger)의 중심을 통해 시추 이수(drilling mud)를 주입함으로써 달성된다. 시추 이수는 정의 시굴공을 지지하는 암석 절단을 수행하고, 이후에 시추 부위의 웅덩이(pond)에 저장된다. 시추 이수의 조성(물 및 염을 포함함)으로 인해, 시추 이수는 종종 트럭으로의 이수의 펌핑 및 주입 정으로의 이수의 수송을 필요로 하는 깊은 정 주입 공정을 통한 처리를 필요로 한다. 종종 1백만 갤런을 초과하는 시추 이수가 단일 천연 가스 정의 시추로부터 발생하므로, 시추 이수의 처리는 정의 전체 비용에 대한 유의한 하나의 원인이 된다.
오거를 이용하여 천연 가스 함유 암석에 도달한 후, 천연 가스 정은 존재하는 지하수와 동일한 염도를 갖는 깨끗한 염수의 시굴공으로의 고압 주입을 포함하는 프랙킹 공정을 통해 형성된다. 깨끗한 염수는 입자 및 침전물을 함유하지 않아야 하는데, 이는 프랙(frack) 물에서의 침전물이 프랙 공정에 의해 형성되는 천연 가스 함유 암석에서의 분쇄에서 플러그(plug)를 생성시키기 때문이다. 염수 용액은 깨끗해야 하므로, 본 발명의 시스템 구현 전에 일반적으로 염수 용액이 정 부위로 공급되었는데, 이는 현존하는 시추 이수는 프랙킹 공정에 사용될 수 없기 때문이다.
시추 이수에 물이 존재하므로, 삼투 물 전달 시스템 구현은 시추 이수로부터 물을 회수할 수 있고, 이를 이용하여 프랙킹을 위한 깨끗한 염수 용액을 생성시킬 수 있다. 이는 시추 이수의 처리 비용을 감소시키고, 깨끗한 염수 용액을 제공하는 비용 및 프랙 공정에 필요한 물을 최소화시킨다.
도 2를 참조하여, 유체 유동은 삼투 물 전달 시스템 유사 시스템(10)에서 이용될 수 있는 예시적인 나권형 정방향-삼투 막 필터 구성요소(20)를 통해 예시된다. 예시되는 바와 같이, 구성요소(20)는 희석 시추 이수(더러운 갱수)의 스트림이 막(22)을 통해 농축 염수 스트림과 접촉되도록 배치되는 역류 유동으로 작동한다. 구성요소(20)의 각 면으로부터의 배출 스트림은 처리 준비된 농축 시추 이수 스트림 및 희석 염수 스트림이다. 용어 "희석" 및 "농축"은 본 발명에서 다양한 위치에서 사용되나, 이들은 상호적인 용어이며, 이는 단지 특정 스트림 또는 용액이 이들이 유래되거나, 유래되었거나, 삼투 접촉에서 함께 배치되는 스트림 또는 용액보다 많거나 적은 혼합물의 특정 구성요소를 함유하는 것을 나타낸다.
한 특정 예에서, 도 2에 예시된 구성요소(20)와 유사한 장치가 루이지애나의 로건스포트(Logansport, Louisiana)에서의 천연 가스 시추 작업에서 소듐 클로라이드 염수 및 "갱수"(시추 이수에 저장됨)로 시험되었다. 소듐 클로라이드 염수가 하이드레이션 테크놀로지스사(Hydration Technologies)(Albany, Oregon)에 의해 제조된 40개의 8인치 직경 및 40인치 길이의 나권형 정방향 삼투 막 필터 구성요소(20)와 함께 사용되었다. 정방향 삼투 막(22)이 각 구성요소(20)에 포함되었다. 시험에 사용된 막(22) 디자인에서, 정방향 삼투를 촉진시키기 위해 염수가 막(22)의 소위 여과수 측에 배치되었다. 각 구성요소(20)는 16 m2의 유효 막(22) 영역을 가졌고, 막(22) 물질은 셀룰로오스 트리아세테이트였다.
시험에서, 40개의 정방향 삼투 막(22) 필터가 희석 시추 이수로부터 농축 염수 스트림으로의 물의 전달을 가능케 하는 병렬 유동으로 작동하였다. 삼투 물 전달 단위의 각각에 대한 희석 시추 이수의 용적측정 유동은 6 l/분이었고, 희석 시추 이수의 최초 염 농도는 4.9 g/l NaCl이었다. 농축 염수 스트림은 25%의 NaCl 농도 및 0.5 l/분으로 삼투 물 전달 단위로 유입되었다. 희석 염수 스트림은 6%의 농도 및 2.0 l/분의 속도로 삼투 물 전달 단위에서 배출되었다. 희석 시추 이수가, 100,000 갤런의 시추 이수의 최초 부피가 20,000 갤런으로 감소될때까지 40개의 삼투 전달 단위를 통해 순환되었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 구성요소(20)를 이용하는 삼투 물 전달 시스템, 및 염수 피드 속도 및 생성되는 프랙 물의 염 농도를 조절하기 위한 조절 밸브 또는 계량 펌프를 이용하여 물의 50 내지 80 퍼센트가 희석 시추 이수로부터 회수되었고, 농축 염수가 2 내지 8 퍼센트의 농도로 희석(깨끗한 프랙 물)되었다.
삼투 물 전달 시스템 구현의 용도의 기재, 및 추가로 본 발명의 개시의 예시적 목적상, 클로르/알칼리 산업에서, 소듐 클로라이드 함유 염수가 다양한 공정에서 사용된다. 깨끗한 소듐 클로라이드 염수가 필요하다. 일부 공정에서, 염수는 전해적으로 분할시켜 염소 가스 및 소듐 히드록시드 용액이 형성된다. 염수는 결정성 염을 이후에 깨끗한 물에 용해되는 플랜트(plant)에 제공하여 공정에 사용되는 염수를 생성시킴으로써 생성된다. 다른 공정 단위 작동 및 단계에서, 이온 교환 컬럼에서 사용되는 이온 교환 수지의 퍼지(purge), 세척, 및 재생에 의해 다양한 양의 폐수가 생성된다. 이러한 폐수의 방출은 점진적으로 더욱 조절되고, 고비용이 된다.
삼투 물 전달 시스템 구현을 이용하여, 염수 용액을 생성시키는데 필요한 깨끗한 물의 양이 감소되는데, 이는 플랜트에 의해 생성된 폐수로부터 물이 회수될 수 있기 때문이다. 이는 또한 염수 생성 공정에 투입되는 것이 요구되는 깨끗한 물의 양을 감소시키면서 폐수의 처리 비용을 감소시킨다. 요컨대, 삼투 물 전달 시스템 구현은 폐수로부터의 공정 염수에 대해 깨끗한 물을 추출할 수 있고, 상기 물의 부피를 크게 감소시킬 수 있고, 조절 압력을 경감시킬 수 있고, 많은 처리 비용을 절감할 수 있다.
도 3을 참조하여, 삼투 물 전달 시스템(30)의 구현은 수은 전지 염소 생성 공정으로 작동할 수 있다. 예시되는 바와 같이, 고체 염이 혼합기(34)에서 희석 염수 용액과 혼합되어 포화 염수(예를 들어, 310 gpm)가 형성되고, 이는 양극에서 수은을 갖는 포화 염수 중에서 소듐과 반응하는 다수의 수은 전지를 갖는 전지 룸(36)으로 이동되어, 염소 가스, 수소 가스, 및 소듐 히드록시드 용액이 생성된다(예를 들어, 염수 퍼지에 따라 5-10 ppm Hg 및 1000-26000 ppm 염). 생성된 소듐 히드록시드 용액은 이차 처리 단계(38)로 전달(예를 들어, 배치(batch) 탱크-35,000 gals - 또는 300 gpm, 10-20 ppb Hg, 1000-26000 ppm 염, 2.5-4 pH)되고, 여기서 추가로 가공되어 수은이 제거된다. 이차 처리 단계(38)로부터의 유출물은 이후 포화 염수 스트림의 일부와 함께 역류로 작동하는 정방향 삼투 막(32)으로 통과된다. 정방향 삼투 막(32)은 포화 염수를 수용하고, 이차 처리 단계(38)로부터의 유출물로부터 물을 전달하여, 50% 내지 90%의 물이 제거된 폐기물 스트림 및 적은 잔여량의 수은(예를 들어, <12 ppt Hg)을 함유하는 희석 염수 스트림이 형성된다. 물의 회수로부터 발생하는 폐기물 스트림의 부피에서의 현저한 감소로 인해, 폐수 스트림(특정량의 수은을 함유함)의 처리 비용은 현저하게 감소될 수 있다.
상기 기재가 특정 구현을 의미하는 위치에서, 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 다수의 변형이 이루어질 수 있고, 상기 구현이 대안적으로 적용될 수 있음이 용이하게 명백할 것이다. 하기 동반되는 청구항은 상기 변형을 포함하며, 본 발명에 기재된 개시내용의 진정한 사상 및 범위에 해당할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 구현은 모든 점에서 예시적인 것으로, 이에 제한되지 않는 것으로 간주되어야 하고, 본 발명의 개시의 범위는 상기 설명이 아니라 하기 첨부되는 청구항에 의해 나타난다. 청구항의 상당 어구의 의미 및 범위 내에 속하는 모든 변화는 청구항에 포함된다.
Claims (20)
- 포화 염수 스트림으로서, 이러한 포화 염수 스트림의 제 1 부분이 전환되어 포화 공정 염수 스트림을 형성하고, 이러한 포화 염수 스트림의 제 2 부분이 적어도 하나의 정방향 삼투 막으로 전환되는, 포화 염수 스트림; 및
유입 폐수 스트림으로부터 유입 전환 포화 염수 스트림으로 물을 이동시킴으로써 배출 농축 폐수 스트림 및 배출 희석 공정 염수 스트림을 발생시키는 적어도 하나의 정방향 삼투 막을 포함하는,
유입 폐수 스트림으로부터 배출 희석 공정 염수 스트림으로 물을 재순환시키는 정방향 삼투 물 전달 시스템. - 제 1항에 있어서, 희석 공정 염수 스트림과 결정성 염을 혼합시킴으로써 포화 염수 스트림을 발생시키는 혼합기를 추가로 포함하는 시스템.
- 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이 반투과성 막인 시스템.
- 제 3항에 있어서, 원치 않는 불순물이 농축 폐수 스트림에 유지되고, 배출 희석 공정 염수 스트림이 깨끗하게 유지되는 시스템.
- 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이 셀룰로오스 막(cellulosic membrane)인 시스템.
- 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이 나권형 막(spiral wound membrane)인 시스템.
- 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이 다수의 정방향 삼투 막을 포함하는 시스템.
- 제 7항에 있어서, 다수의 정방향 삼투 막이 병렬 유동 형태로 작동하는 시스템.
- 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이, 상기 막의 한 면 상의 유입 폐수 스트림이 상기 막을 통해 상기 막의 마주하는 면 상의 전환 포화 염수 스트림과 접촉하도록 배치되는, 역류 유동으로 작동하는 시스템.
- 제 1항에 있어서, 물이 단지 농도 구배로 인해 유입 폐수 스트림으로부터 전환 포화 염수 스트림으로 이동하는 시스템.
- 포화 염수 스트림으로서, 이러한 포화 염수 스트림의 제 1 부분이 전환되어 포화 공정 염수 스트림을 형성하고, 이러한 포화 염수 스트림의 제 2 부분이 적어도 하나의 정방향 삼투 막으로 전환되는, 포화 염수 스트림; 및
유입 시추 이수(drilling mud) 스트림으로부터 유입 전환 포화 염수 스트림으로 물을 이동시킴으로써 배출 농축 시추 이수 스트림 및 깨끗한 배출 희석 공정 염수 스트림을 발생시키는 적어도 하나의 정방향 삼투 막을 포함하는,
프랙킹(fracking)을 위해 유입 시추 이수 스트림으로부터 깨끗한 배출 희석 공정 염수 스트림으로 물을 재순환시키는, 천연 가스 생성의 시추 및 프랙킹 공정을 위한 정방향 삼투 물 전달 시스템. - 제 1항에 있어서, 깨끗한 희석 공정 염수 스트림과 결정성 염을 혼합시킴으로써 포화 염수 스트림을 발생시키는 혼합기를 추가로 포함하는 시스템.
- 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이 반투과성 나권형 막인 시스템.
- 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이 다수의 정방향 삼투 막을 포함하는 시스템.
- 제 14항에 있어서, 다수의 정방향 삼투 막이, 상기 막의 한 면 상의 유입 시추 이수 스트림이 상기 막을 통해 상기 막의 마주하는 면 상의 전환 포화 염수 스트림과 접촉하도록 배치되는, 병렬 및 역류 유동 형태로 작동하는 시스템.
- 포화 염수 스트림으로서, 이러한 포화 염수 스트림의 제 1 부분이 전환되어 포화 공정 염수 스트림을 형성하고, 이러한 포화 염수 스트림의 제 2 부분이 적어도 하나의 정방향 삼투 막으로 전환되는, 포화 염수 스트림; 및
유입 폐수 스트림으로부터 유입 전환 포화 염수 스트림으로 물을 이동시킴으로써 배출 농축 폐수 스트림 및 깨끗한 배출 희석 공정 염수 스트림을 발생시키는 적어도 하나의 정방향 삼투 막을 포함하는,
유입 폐수 스트림으로부터 깨끗한 배출 희석 공정 염수 스트림으로 물을 재순환시키는 염소 생성 공정을 위한 정방향 삼투 물 전달 시스템. - 제 16항에 있어서, 깨끗한 희석 공정 염수 스트림과 결정성 염을 혼합시킴으로써 포화 염수 스트림을 발생시키는 혼합기를 추가로 포함하는 시스템.
- 제 16항에 있어서, 적어도 폐수 스트림을 발생시키기 위해 유입 전환 포화 공정 염수 스트림을 이용하는 적어도 하나의 수은 전지(cell)를 추가로 포함하는 시스템.
- 제 16항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이 반투과성 나권형 막인 시스템.
- 제 16항에 있어서, 적어도 하나의 정방향 삼투 막이, 상기 막의 한 면 상의 유입 폐수 스트림이 상기 막을 통해 상기 막의 마주하는 면 상의 전환 포화 염수 스트림과 접촉하도록 배치되는, 병렬 및 역류 유동 형태로 작동하는 다수의 정방향 삼투 막을 포함하는 시스템.
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