KR20130143081A - 전기 화학적 분리 모듈들 - Google Patents

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KR20130143081A
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electrochemical separation
cell stack
compartments
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KR1020137015134A
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리-시앙 리앙
겡 후 예오
로렌스 제이. 살보
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지멘스 피티이 엘티디
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Abstract

전기화학적 분리 시스템은 모듈식일 수 있고, 그리고 적어도 제1 모듈식 유닛 및 제2 모듈식 유닛을 포함할 수 있다. 각각의 모듈식 유닛은 셀 스택과 프레임을 포함할 수 있다. 프레임은 매니폴드 시스템을 포함할 수 있다. 프레임 내의 흐름 분배 시스템이 전류 효율성을 개선시킬 수 있다. 또한, 모듈식 유닛들 사이에 위치된 스페이서들이 시스템의 전류 효율성을 개선시킬 수 있다.

Description

전기 화학적 분리 모듈들{ELECTROCHEMICAL SEPARATION MODULES}
본 출원은, 35 U.S.C. §119(e) 하에서, 2010년 11월 12일자로 출원되고 "CROSS-FLOW ELECTROCHEMICAL DEIONIZATION DEVICE AND METHODS OF MANUFACTURING THEREOF"로 명명된 미국 임시출원 일련 번호 61/413,021, 그리고 2011년 7월 21일자로 출원되고 "MODULAR CROSS-FLOW ELECTRODIALYSIS DEVICES AND METHODS OF MANUFACTURING THEREOF"로 명명된 미국 임시출원 일련 번호 61/510,157에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원들 각각의 전체 개시는 이로써 인용에 의해 그 전체가 모든 목적들을 위해 본 명세서에 포함된다.
양상들은 일반적으로 전기화학적 분리에 관한 것이고, 그리고 더욱 구체적으로, 모듈식 전기화학적 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
하나 또는 그 초과의 양상들에 따라, 전기화학적 분리 시스템은, 제1 전극, 제2 전극, 복수의 교대의 감손 컴파트먼트(depleting compartment)들 및 농축 컴파트먼트(concentrating compartment)들을 정의하는 제1 셀 스택 ― 상기 제1 셀 스택은 제1 프레임에 의해 지지됨 ― 을 갖는 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 ― 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치됨 ―, 그리고 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛에 인접하고 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 협력하며, 복수의 교대의 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들을 정의하는 제2 셀 스택 ― 상기 제2 셀 스택은 제2 프레임에 의해 지지됨 ― 을 갖는 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛 ― 상기 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 상기 제2 전극 사이에 위치됨 ― 을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 양상들에 따라, 전기화학적 분리 시스템을 조립하는 방법은, 제1 프레임으로 둘러싸이는 제1 셀 스택을 갖는 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛을 용기(vessel) 내에서 제1 전극과 제2 전극 사이에 장착하는 단계, 및 제2 프레임으로 둘러싸이는 제2 셀 스택을 갖는 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛을 상기 용기 내에서 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 상기 제2 전극 사이에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 양상들에 따라, 전기화학적 분리 모듈식 유닛은, 복수의 교대의 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들을 정의하는 셀 스택, 그리고 상기 셀 스택을 둘러싸고 상기 셀 스택을 통과하는 유체 흐름을 용이하게 하도록 구성된 매니폴드 시스템을 포함하는 프레임을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 양상들에 따라, 전기화학적 분리를 위한 흐름 분배기(flow distributor)는, 제1 방향으로 배향되고 전기화학적 분리 디바이스의 적어도 하나의 컴파트먼트에 피드를 전달(deliver)하도록 구성된 복수의 제1 통로들, 그리고 제2 방향으로 배향된 복수의 제2 통로들 ― 상기 복수의 제2 통로들은 상기 복수의 제1 통로들과 유체 통신하고, 상기 전기화학적 분리 디바이스와 결합된 인렛(inlet) 매니폴드와 유체 통신함 ― 을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 양상들에 따라, 전기화학적 분리 시스템은, 제1 전극, 제2 전극, 복수의 교대의 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들을 포함하는 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 ― 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치됨 ―, 복수의 교대의 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들을 포함하는 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛 ― 상기 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 협력하게 배열되고, 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 상기 제2 전극 사이에 위치됨 ―, 그리고 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 상기 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛 사이에 그리고 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 상기 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛에 인접하게 배치된 스페이서 ― 상기 스페이서는 상기 시스템 내의 전류 손실을 감소시키도록 구성됨 ― 를 포함할 수 있다.
여전히 다른 양상들, 실시예들, 그리고 이들 예시적 양상들 및 실시예들의 장점들은 아래에서 상세하게 논의된다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 명세서에 개시된 원리들 중 적어도 하나와 일치하는 임의의 방식으로 다른 실시예들과 조합될 수 있고, 그리고 "실시예", "몇몇의 실시예들", "대안적인 실시예", "다양한 실시예들", "일 실시예" 등등에 대한 참조들은, 반드시 상호 배타적인 것은 아니며 그리고 설명된 특정한 피처, 구조, 또는 특징이 적어도 일 실시예 내에 포함될 수 있음을 표시하도록 의도된다. 본 명세서의 그러한 용어들의 외양들이 반드시 전부가 동일한 실시예를 인용하는 것은 아니다.
적어도 일 실시예의 다양한 양상들이 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 논의되고, 상기 첨부된 도면들이 일정한 비율로 도시되도록 의도되지 않는다. 도면들은, 다양한 양상들 및 실시예들의 예시 및 추가의 이해를 제공하기 위해 포함되고, 그리고 이 명세서의 일부로 포함되고 이 명세서의 일부를 구성하지만, 본 발명의 제한들의 정의로서 의도되지 않는다. 도면들, 상세한 설명 또는 임의의 청구항의 기술적 피처들 뒤를 참조 사인들이 잇는 경우, 참조 사인들은 도면들 및 설명의 명료도를 높이는 유일한 목적을 위해 포함되었다. 도면들에서, 다양한 도면들 내에서 예시되는 각각의 동일하거나 또는 거의 동일한 컴포넌트는 같은 부호로 표현된다. 명확성의 목적들을 위해, 모든 각각의 도면에서 모든 각각의 컴포넌트가 라벨링될 수 있는 것은 아니다.
도 1은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 일원화된 구조의 프레임 내의 셀 쌍들의 스택(stack of cell pairs)의 개략도이다.
도 2는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 도 1의 섹션 A-A의 개략도이다.
도 3은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 슬롯들로부터 희석 흐름 컴파트먼트들의 인렛으로의 희석 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 4는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 코너들을 접착제로 포팅(potting)하기 위한 방법의 개략도이다.
도 5는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 수직으로 배향된 인렛 포트 및 아울렛 포트를 갖는 프레임 내의 스택의 개략도이다.
도 6은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른 흐름 경로의 개략도이다.
도 7은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 슬롯들을 통한 잠재적 전류 우회의 개략도이다.
도 8은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 전류 우회를 감소시키기 위한 수평 블록들의 개략도이다.
도 9는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 스태거드(staggered) 수평 블록들의 개략도이다.
도 10은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 별도로 제조된 그리드를 갖는 프레임의 개략도이다.
도 11은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 스태거드 블록들을 갖는 그리드들의 개략도이다.
도 12는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 네 개의 섹션들로 조립된 프레임의 개략도이다.
도 13은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른 전기화학적 분리 시스템의 개략도이다.
도 14는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 프레임 안에 삽입 및 포팅된 스택을 갖는 모듈식 유닛의 개략도이다.
도 15는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 도 14의 섹션 A-A를 관통하는 뷰의 개략도이다.
도 16은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 도 15의 세부사항들을 도시하는 개략도이다.
도 17은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 도 14의 섹션 B-B를 관통하는 뷰의 개략도이다.
도 18은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 모듈식 유닛을 관통하는 섹션의 개략도이다.
도 19는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른 ED 디바이스의 분해조립도의 개략도이다.
도 20은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 도 19의 모듈식 유닛 1의 섹션 A-A를 관통하는 뷰의 개략도이다.
도 21은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 도 19의 모듈식 유닛 2의 섹션 B-B를 관통하는 뷰의 개략도이다.
도 22는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, ED 디바이스 내의 멤브레인들 및 셀들의 어레인지먼트의 개략도이다.
도 23은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 조립된 ED 디바이스를 관통하는 단면도의 개략도이다.
도 24는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 도 23의 상세도의 개략도이다.
도 25는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 원통형 외부 형상을 갖는 프레임의 개략도이다.
도 26은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 몰드 엔드플레이트(molded endplate)들을 갖는 원통형 용기 내의 ED 디바이스의 개략도이다.
도 27은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 투명한 아크릴 실린더 내의 프로토타입 모듈식 유닛의 개략도이다.
도 28은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 셀 쌍들의 스택을 통과하는 흐름의 개략도이다.
도 29는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 슬롯들을 갖는 프레임 내의 셀 스택의 개략도이다.
도 30은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 프레임 및 셀 쌍들의 스택을 통과하는 흐름의 개략도이다.
도 31은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 바람직한 ED 모듈식 유닛 내에서의 이동(transport) 프로세스들의 개략도이다.
도 32는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 전류 비효율성들을 갖는 ED 모듈식 유닛 내에서의 이동 프로세스들의 개략도이다.
도 33은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 전류 비효율성들 및 물(water) 손실을 갖는 ED 모듈식 유닛 내에서의 이동 프로세스들의 개략도이다.
도 34는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 모듈식 유닛 내의 전류 경로들의 개략도이다.
도 35는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 모듈식 유닛 프레임 내 흐름 통로들 내의 유체 체적(flow volume)의 개략도이다.
도 36은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른 인렛 흐름 통로들의 개략도이다.
도 37은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 스택 주변의 전류 우회를 위한 경로들의 예들의 개략도이다.
도 38은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른 스태거드 수직 통로들의 개략도이다.
도 39는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 삽입부 내의 수직 슬롯들 및 수평 그루브들의 개략도이다.
도 40은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 삽입부(insert)들을 위한 리세스들을 갖는 프레임의 개략도이다.
도 41은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 설치될 삽입부를 갖는 프레임의 개략도이다.
도 42는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 조립된 모듈식 유닛 내의 흐름 경로들을 도시하는 단면도의 개략도이다.
도 43은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른 몰드 프레임의 개략도이다.
도 44는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 원형 주변부를 갖는 몰드 프레임의 개략도이다.
도 45는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 만곡된 면에 수평 그루브들을 갖는 삽입부의 개략도이다.
도 46은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 삽입부들을 위한 리세스들 내에 수평 그루브들을 갖는 몰드 프레임의 개략도이다.
도 47a-도 47c는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 연장된 엔드 멤브레인들을 포함하는 모듈식 유닛의 개략도들을 표현한다.
도 48은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 플랜지들로 연결된 모듈식 유닛들의 개략도를 표현한다.
도 49는 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 삽입부와 결합된 매니폴드의 개략도를 표현한다.
도 50은 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따른, 첨부된 예 내에서 참조되는 데이터를 표현한다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기적 정화(purification) 디바이스 또는 장치로서 또한 지칭될 수 있는 모듈식 전기화학적 분리 시스템이 다양한 처리(treat) 프로세스들의 효율성 및 전체 유연성을 개선시킬 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 십자-흐름(cross-flow) 전기투석(ED:electrodialysis) 디바이스들과 같은 십자-흐름 전기화학적 분리 디바이스들이 종래의 판틀형(plate-and-frame) 디바이스들에 대한 매력적인 대안으로서 구현될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 십자-흐름 전기화학적 분리 디바이스들 내의 전류 비효율성들이 감소될 수 있다. 적어도 특정 실시예들에서, 인렛 매니폴드 및 아울렛 매니폴드를 통한 전류 우회로 인한 전류 비효율성이 다루어질 수 있다. 에너지 소비량 및 멤브레인 요건들이 또한 감소될 수 있고, 에너지 소비량 및 멤브레인 요건들 둘 다는 다양한 애플리케이션들에서 생애 주기 비용에 영향을 끼칠 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 적어도 85% 멤브레인 사용효율이 달성될 수 있다. 차례로, 멤브레인 요건의 감소는 전기화학적 분리 디바이스들에 대한 제조 비용, 무게 및 공간 요건들의 감소를 야기할 수 있다. 몇몇의 특정 실시예들에서, 십자-흐름 ED 디바이스들의 프로세스 효율성이 상당히 개선될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 전기화학적 분리 시스템들의 효율성이 오일 및 가스 생산으로부터 염수, 해수 및 소금물들의 담수화를 위해 개선될 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, ED의 예비 경제성이 담수화를 위한 현재 지배적인 기술인 RO와 비교할 때 개선될 수 있다.
전기장들을 이용하여 유체들을 정화하기 위한 디바이스들은, 분해되지 않은 이온 종류들(dissolved ionic species)을 포함하는 물 및 다른 액체들을 처리하는데 보통 이용된다. 이 방식으로 물을 처리하는 두 개의 타입들의 디바이스들은 전기탈이온화 디바이스 및 전기투석 디바이스이다. 이들 디바이스들 내에서, 농축 컴파트먼트와 희석 컴파트먼트는 이온-선택적 멤브레인들에 의해 분리된다. 전기투석 디바이스는 통상적으로 교대의 전기활성 반투과 음이온 및 양이온 교환 멤브레인들을 포함한다. 멤브레인들 사이의 공간들은, 인렛들 및 아울렛들을 갖는 액체 흐름 컴파트먼트들을 생성하도록 구성된다. 전극들을 통해 적용되는 인가된 전기장은, 각자의 개별적인 대전극들로 끌린 분해되지 않은 이온들이 음이온 및 양이온 교환 멤브레인들을 통과해 이동하도록 유발한다. 이는, 일반적으로, 희석 컴파트먼트의 액체의 이온들이 감손되고 그리고 농축 컴파트먼트 내의 액체가 이전(transfer)된 이온들로 강화(enrich)되는 것을 야기한다.
전기탈이온화(EDI)는, 이온 운반(transport)에 영향을 끼치기 위한 전기 활성 매체들 및 전기 포텐셜을 사용하여 하나 또는 그 초과의 이온화되거나 또는 이온화가능한 종류들을 물로부터 제거하거나 또는 적어도 감소시키는 프로세스이다. 통상적으로, 전기 활성 매체들은 이온 종류 및 이온화가능한 종류를 교대로 수집(collect)하고 방전(discharge)시키는 역할을 하고, 그리고 몇몇의 경우들에서, 지속적으로 이루어질 수 있는 이온들의 운반을 이온 또는 전자 치환 메커니즘들에 의해 용이하게 하는 역할을 한다. EDI 디바이스들은, 영구 또는 일시 전하의 전기화학적 활성 매체들을 포함할 수 있고, 그리고 배치-방식(batch-wise)으로, 간헐적으로, 지속적으로, 그리고/또는 심지어 역극성(reversing polarity) 모드들로 동작될 수 있다. EDI 디바이스들은, 성능을 달성하거나 또는 개선시키기도록 특정하게 설계된 하나 또는 그 초과의 전기화학적 반응들을 촉진시키기 위해 동작될 수 있다. 추가로, 그러한 전기화학적 디바이스들은, 반-투과 또는 선택적 투과 이온 교환 또는 바이폴라 멤브레인들과 같은 전기 활성 멤브레인들을 포함할 수 있다. 지속적 전기탈이온화(CEDI) 디바이스들은, 이온 교환 물질이 지속적으로 재충전되면서, 물 정화가 지속적으로 진행될 수 있는 방식으로 동작하는, 기술분야의 당업자에게 알려진 EDI 디바이스들이다. CEDI 기술들은, 지속적 탈이온화, 필드(filled) 셀 전기투석, 또는 일렉트로다이어레시스(electrodiaresis)와 같은 프로세스들을 포함할 수 있다. 제어된 전압 및 염분 조건들 하에서, CEDI 시스템들에서, 물 분자들이 분해(split)되어, 상기 디바이스 내에서 이온 교환 매체들을 재생할 수 있고 그리고 그에 따라 그로부터 갇힌 종류들의 릴리스를 용이하게 할 수 있는 수소 또는 히드로늄이온의 이온들 또는 종류들 및 수산화물 또는 수산기의 이온들 또는 종류들이 생성될 수 있다. 이 방식으로, 처리될 물 스트림은, 이온 교환 수지의 화학적 재충전을 요구하지 않고, 지속적으로 정화될 수 있다.
전기투석(ED) 디바이스들은, ED 디바이스들이 멤브레인들 사이에 전기활성 매체들을 통상적으로 포함하지 않는다는 점을 제외하고, CEDI와 유사한 원리로 동작한다. 전기활성 매체들의 부족 때문에, ED 동작은 높은(elevated) 전기 저항 때문에 낮은 염분의 급수들에 대해 저해될 수 있다. 또한, 높은 염분의 급수들에 대한 ED 동작이 높은 전기 전류 소비량을 야기할 수 있으므로, ED 장치는 중간 염분의 수원들에 대해 이전에는 가장 효과적으로 사용되었다. ED 기반 시스템들에서, 전기활성 매체들이 없으므로, 물을 분해시키는 것은 비효율적이고 그리고 그러한 형(regime)으로 동작하는 것이 일반적으로 회피된다.
CEDI 디바이스 및 ED 디바이스에서, 복수의 인접 셀들 또는 컴파트먼트들은, 양전하로든 또는 음전하로든 하전된 종류들 ― 그러나, 통상적으로, 둘 다 아님 ― 의 통로를 허용하는 선택적 투과 멤브레인들에 의해 통상적으로 분리된다. 통상적으로, 희석 또는 감손 컴파트먼트들은 그러한 디바이스들 내에서 농축(concentrating) 또는 농축(concentration) 컴파트먼트들 사이의 공간을 차지한다. 몇몇의 실시예들에서, 셀 쌍은 인접한 농축 컴파트먼트 및 희석 컴파트먼트의 쌍을 지칭할 수 있다. 물이 감손 컴파트먼트들을 통과해 흐름에 따라, 이온 종류 및 다른 하전된 종류는 통상적으로, DC 필드와 같은 전기장의 영향 하에서 농축 컴파트먼트들 안으로 이동된다. 양전하로 하전된 종류들은, 다수의 감손 컴파트먼트 및 농축 컴파트먼트의 스택의 일 단부에 통상적으로 위치된 캐소드 쪽으로 이동되고, 그리고 음전하로 하전된 종류들은 마찬가지로, 컴파트먼트들의 스택의 반대 단부에 통상적으로 위치된, 그러한 디바이스들의 애노드 쪽으로 이동된다. 통상적으로, 전극들은 전해질 컴파트먼트들 내에서 하우징되고, 상기 전해질 컴파트먼트들은 감손 컴파트먼트 및/또는 농축 컴파트먼트와 유체 통신으로부터 보통 부분적으로 격리된다. 일단 농축 컴파트먼트 내에서, 하전된 종류들은 농축 컴파트먼트를 적어도 부분적으로 정의하는 선택적 투과 멤브레인의 배리어에 의해 통상적으로 갇힌다. 예컨대, 음이온들은, 양이온 선택적 멤브레인에 의해, 농축 컴파트먼트의 밖으로, 캐소드 쪽으로 추가로 이동하는 것이 통상적으로 방지된다. 일단 농축 컴파트먼트 내에서 포획(capture)되면, 갇힌 하전된 종류들은 농축 스트림 내에서 제거될 수 있다.
CEDI 디바이스 및 ED 디바이스에서, DC 필드는 전극들(애노드 또는 양전극, 그리고 캐소드 또는 음전극)에 인가된 전기 전류 및 전압의 소스로부터 셀들에 통상적으로 인가된다. 전압 및 전류 소스(집합적으로 "전력원") 자체는 AC 전원 또는 예컨대 태양 에너지, 풍력 또는 파력으로부터 도출되는 전원과 같은 다양한 수단들에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 전극/액체 인터페이스들에서, 멤브레인들 및 컴파트먼트들을 통한 이온들의 전이를 개시하거나 그리고/또는 용이하게 하는 전기화학적 반전지 반응들이 일어난다. 전극/인터페이스들에서 일어나는 특정 전기화학적 반응들은, 전극 어셈블리들을 하우징하는 전문화된 컴파트먼트들 내의 염분 농도(concentration of salt)들에 의해 어느 정도까지 제어될 수 있다. 예컨대, 염화나트륨의 함유량이 높은 애노드 전해질 컴파트먼트들로의 피드가 염소 가스 및 수소 이온을 생성하는 경향이 있을 것인 반면에, 캐소드 전해질 컴파트먼트로의 그러한 피드는 수소 가스 및 수산화물 이온을 생성하는 경향이 있을 것이다. 일반적으로, 애노드 컴파트먼트에서 생성된 수소 이온은, 염화 이온과 같은 자유 음이온과 결합(associate)하여, 전하적 중성을 보존시킬 것이고 염산 용액을 생성할 것이며, 그리고 유사하게, 캐소드 컴파트먼트에서 생성된 수산화물 이온은, 나트륨과 같은 자유 양이온과 결합하여, 전하적 중성을 보존시킬 것이고 수산화나트륨액을 생성할 것이다. 생성된 염소 가스 및 수산화나트륨과 같은, 전극 컴파트먼트들의 반응 생성물들은, 살균 목적들, 멤브레인 세정 및 디포울링(defouling) 목적들, 및 pH 조절 목적들을 위해 필요할 때 프로세스 내에서 사용될 수 있다.
판틀형 및 나권형(spiral wound) 설계들이 전기투석(ED) 및 전기탈이온화(EDI) 디바이스들을 포함한 ― 그러나, 이들로 제한되지는 않음 ― 다양한 타입들의 전기화학적 탈이온화 디바이스들에 대해 사용되어왔다. 상업적으로 이용가능한 ED 디바이스들이 통상적으로 판틀형 설계를 갖는 반면에, EDI 디바이스들은 판틀형 및 나선 구성들 둘 다에서 이용가능하다.
하나 또는 그 초과의 실시예들은, 하우징 내에 포함될 수 있는 유체들을 전기적으로 정화할 수 있는 디바이스들, 그리고 그 제조 방법들 및 그 사용에 관한 것이다. 정화될 액체들 또는 다른 유체들이 정화 디바이스로 들어가고, 그리고 전기장의 영향 하에서 처리되어, 이온-감손된 액체가 생산된다. 들어가는 액체들로부터의 종류들이 수집되어, 이온-농축된 액체가 생산된다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 분리 시스템 또는 디바이스는 모듈식일 수 있다. 일반적으로, 각각의 모듈식 유닛은 전체 전기화학적 분리 시스템의 서브-블록으로서 기능할 수 있다. 모듈식 유닛은 임의의 원하는 개수의 셀 쌍들을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 모듈식 유닛당 셀 쌍들의 개수는, 분리 디바이스 내에서 셀 쌍들 및 패스(pass)들의 총 개수에 따라 좌우될 수 있다. 또한, 모듈식 유닛당 셀 쌍들의 개수는, 십자-누설들 및 다른 성능 기준들에 대해 시험될 때, 수용가능한 고장율로, 프레임 내에서 열적 본딩될 수 있고 포팅될 수 있는 셀 쌍들의 개수에 따라 좌우될 수 있다. 상기 개수는, 제조 프로세스의 통계 분석에 기초할 수 있고, 그리고 프로세스 제어들이 개선됨에 따라 증가될 수 있다. 몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 모듈식 유닛은 약 50개 셀 쌍들을 포함할 수 있다. 모듈식 유닛들은 개별적으로 조립될 수 있고, 그리고 더 큰 시스템에 통합되기 이전에, 누설, 분리 성능 및 압력 강하에 대해서와 같이 품질 제어 시험될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 셀 스택은, 독립적으로 시험될 수 있는 모듈식 유닛으로서 프레임 내에 장착될 수 있다. 그런 다음, 복수의 모듈식 유닛들이 서로 조립되어, 전기화학적 분리 디바이스 내에서 전체적으로 의도된 개수의 셀 쌍들이 제공될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 어셈블리 방법은 일반적으로, 제1 모듈식 유닛을 제2 모듈식 유닛 상에 배치시키는 단계, 제3 모듈식 유닛을 제1 모듈식 유닛 및 제2 모듈식 유닛 상에 배치시키는 단계, 및 원하는 개수의 복수의 모듈식 유닛들을 획득하기 위해 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 어셈블리 또는 개별 모듈식 유닛들은 동작을 위해 압력 용기 안에 삽입될 수 있다. 모듈식 유닛들 사이 또는 모듈식 유닛들 내의 차단(blocking) 멤브레인들 및/또는 스페이서들의 배치를 이용하여, 멀티-패스 흐름 구성들이 가능할 수 있다. 모듈식 접근은, 시간 및 비용 절약들 면에서 제조가능성을 개선할 수 있다. 또한, 모듈 방식은, 개별 모듈식 유닛들의 진단, 격리, 제거 및 재배치를 허용함으로써, 시스템 유지보수를 용이하게 할 수 있다. 개별 모듈식 유닛들은, 전기화학적 분리 프로세스를 용이하게 하기 위해 매니폴딩 및 흐름 분배 시스템들을 포함할 수 있다. 개별 모듈식 유닛들은, 서로 유체통신할 수 있고, 그리고 전체 전기화학적 분리 프로세스와 결합된 중앙 매니폴딩 및 다른 시스템들과 유체 통신할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 분리 시스템들의 효율성이 개선될 수 있다. 전류 손실이 비효율성의 하나의 잠재적 소스이다. 몇몇의 실시예들에서, 십자-흐름 설계를 포함하는 것들과 같이, 누전(current leakage)에 대한 포텐셜이 다루어질 수 있다. 전류 효율성은, 희석 스트림의 밖으로 농축 스트림 안으로 이온들을 이동시키는데 유효한 전류 퍼센티지로서 정의될 수 있다. 전류 비효율성의 다양한 소스들이 전기화학적 분리 시스템 내에 존재할 수 있다. 비효율성의 하나의 잠재적 소스는, 희석 인렛 및 아울렛 매니폴드와 농축 인렛 및 아울렛 매니폴드를 통과해 흐름으로써 셀 쌍들을 우회하는 전류를 포함할 수 있다. 열려 있는 인렛 및 아울렛 매니폴드들은 흐름 컴파트먼트들과 직접 유체 통신할 수 있고, 그리고 각각의 흐름 경로 내의 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 하나의 전극으로부터 다른 전극으로의 전기 전류의 일부는, 열려 있는 구역들을 통과해 흐름으로써 셀 쌍들의 스택을 우회할 수 있다. 우회 전류는 전류 효율성을 감소시키고 그리고 에너지 소비량을 증가시킨다. 비효율성의 다른 잠재적 소스는, 이온 교환 멤브레인들의 불완전한 투과선택성(permselectivity)으로 인해 농축 스트림으로부터 희석 스트림으로 들어가는 이온들을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 디바이스 내에서 멤브레인들 및 스크린들의 밀봉 및 포팅과 결합된 기술들은 누전의 감소를 용이하게 할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 스택을 관통하는 우회 경로는, 전류 효율성을 개선시키기 위하여, 셀 스택을 관통해 직접 경로를 따른 전류 흐름을 촉진시키도록 조종될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 전기화학적 분리 디바이스는, 하나 또는 그 초과의 우회 경로들이 셀 스택을 관통하는 직접 경로보다 더욱 구불구불하도록 구성 및 배열될 수 있다. 적어도 특정 실시예들에서, 전기화학적 분리 디바이스는, 하나 또는 그 초과의 우회 경로들이 셀 스택을 관통하는 직접 경로보다 더 높은 저항을 나타내도록 구성 및 배열될 수 있다. 모듈식 시스템을 포함하는 몇몇의 실시예들에서, 개별 모듈식 유닛들은 전류 효율성을 촉진시키도록 구성될 수 있다. 모듈식 유닛들은, 전류 효율성에 기여할 전류 우회 경로를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 비-제한적 실시예들에서, 모듈식 유닛은 전류 효율성을 촉진시키도록 구성된 매니폴드 시스템 및/또는 흐름 분배 시스템을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 전기화학적 분리 모듈식 유닛 내에서 셀 스택을 둘러싸는 프레임은, 미리결정된 전류 우회 경로를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 전기화학적 분리 디바이스 내의 멀티-패스 흐름 구성을 촉진시키는 것은, 누전의 감소를 용이하게 할 수 있다. 적어도 몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 차단 멤브레인들 또는 스페이서들이 모듈식 유닛들 사이에 삽입되어, 희석 스트림 및/또는 농축 스트림이 개선된 전류 효율성을 위한 멀티-패스 흐름 구성들로 지향될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 적어도 약 60%의 전류 효율성이 달성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 적어도 약 70%의 전류 효율성이 달성될 수 있다. 여전히 다른 실시예들에서, 적어도 약 80%의 전류 효율성이 달성될 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 적어도 약 85%의 전류 효율성이 달성될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기적 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법은 컴파트먼트들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 컴파트먼트는, 이온 교환 멤브레인들 사이에 배치된 제1 스페이서를 갖는 제1 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해 이온 교환 멤브레인들을 서로 고정시킴으로써 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 양이온 교환 멤브레인과 제1 음이온 교환 멤브레인 사이에 배치된 제1 스페이서를 갖는 제1 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해, 제1 양이온 교환 멤브레인 및 제1 음이온 교환 멤브레인의 주변부의 제1 부분에서, 제1 양이온 교환 멤브레인이 제1 음이온 교환 멤브레인에 고정될 수 있다.
제2 컴파트먼트는, 이온 교환 멤브레인들 사이에 배치된 제2 스페이서를 갖는 제2 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해 이온 교환 멤브레인들을 서로 고정시킴으로써 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 음이온 교환 멤브레인과 제2 양이온 교환 멤브레인 사이에 배치된 제2 스페이서를 갖는 제2 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해, 제2 양이온 교환 멤브레인 및 제2 음이온 교환 멤브레인의 주변부의 제1 부분에서, 제2 음이온 교환 멤브레인이 제2 양이온 교환 멤브레인에 고정될 수 있다.
제1 스페이서 어셈블리를 제2 스페이서 어셈블리에 고정시킴으로써 그리고 제1 스페이서 어셈블리와 제2 스페이서 어셈블리 사이에 스페이서를 위치시킴으로써, 제1 컴파트먼트와 제2 컴파트먼트 사이에 제3 컴파트먼트가 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 스페이서 어셈블리와 제2 스페이서 어셈블리 사이에 배치된 스페이서를 갖는 스택 어셈블리를 제공하기 위해, 제1 양이온 교환 멤브레인의 주변부의 제2 부분에서 그리고 제2 음이온 교환 멤브레인의 주변부의 부분에서, 제1 스페이서 어셈블리가 제2 스페이서 어셈블리에 고정될 수 있다.
제1 컴파트먼트와 제2 컴파트먼트 각각은, 제3 컴파트먼트 내의 유체 흐름 방향과 상이한 유체 흐름 방향을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 예컨대, 제3 컴파트먼트 내의 유체 흐름은 0°축 방향으로 이어질 수 있다. 제1 컴파트먼트의 유체 흐름은 30°로 이어질 수 있고, 그리고 제2 컴파트먼트의 유체 흐름은 제1 컴파트먼트와 동일한 각도(30°)로 또는 120°와 같이 다른 각도로 이어질 수 있다. 상기 방법은, 하우징 내에서 조립된 셀 스택을 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 분리 시스템은 십자-흐름 설계를 포함할 수 있다. 십자-흐름 설계는, 증가된 멤브레인 사용효율, 더 낮은 압력 강하 및 외부 누설들의 감소를 허용할 수 있다. 부가하여, 동작 압력에 대한 제한들이 십자-흐름 설계에 의해 감소될 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 쉘(shell) 및 엔드캡(endcap)들의 압력 레이팅(rating)은 동작 압력에 대한 유일한 실질상 제한들일 수 있다. 제조 프로세스들의 자동화가 또한 달성될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 제1 유체 흐름 경로 및 제2 유체 흐름 경로는, 서로 고정되는 이온 교환 멤브레인들의 주변부들의 부분들을 통해 선택 및 제공될 수 있다. 0°축을 따라서 이어지는 방향으로서 제1 유체 흐름 경로를 이용하여, 제2 유체 흐름 경로는, 0도 초과하고 360°미만인 임의의 각도의 방향으로 이어질 수 있다. 본 개시의 특정 실시예들에서, 제2 유체 흐름 경로는, 90°각도로 이어질 수 있거나, 또는 제1 유체 흐름 경로에 직교할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제2 유체 흐름 경로는 제1 유체 흐름 경로에 대해 180°각도로 이어질 수 있다. 부가적 컴파트먼트들을 제공하기 위해 부가적 이온 교환 멤브레인들이 셀 스택에 고정된다면, 이들 부가적 컴파트먼트들 내의 유체 흐름 경로들은 제1 유체 흐름 경로 및 제2 유체 흐름 경로와 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있다. 특정 실시예들에서, 컴파트먼트들 각각 내의 유체 흐름 경로는 제1 유체 흐름 경로와 제2 유체 흐름 경로가 교대로 있다. 예컨대, 제1 컴파트먼트 내의 제1 유체 흐름 경로는 0°방향으로 이어질 수 있다. 제2 컴파트먼트 내의 제2 유체 흐름 경로는 90°방향으로 이어질 수 있고, 그리고 제3 컴파트먼트 내의 제3 유체 흐름 경로는 0°방향으로 이어질 수 있다. 특정 예들에서, 이는, 십자-흐름 전기적 정화로서 지칭될 수 있다.
다른 실시예들에서, 컴파트먼트들 각각 내의 유체 흐름 경로는 제1 유체 흐름 경로, 제2 유체 흐름 경로, 및 제3 유체 흐름 경로가 순차적으로 교대로 있다. 예컨대, 제1 컴파트먼트 내의 제1 유체 흐름 경로는 0°방향으로 이어질 수 있다. 제2 컴파트먼트 내의 제2 유체 흐름 경로는 30°로 이어질 수 있고, 그리고 제3 컴파트먼트 내의 제3 유체 흐름 경로는 90°로 이어질 수 있다. 제4 컴파트먼트 내의 제4 유체 흐름 경로는 0°로 이어질 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 컴파트먼트 내의 제1 유체 흐름 경로는 0°방향으로 이어질 수 있다. 제2 컴파트먼트 내의 제2 유체 흐름 경로는 60°로 이어질 수 있고, 그리고 제3 컴파트먼트 내의 제3 유체 흐름 경로는 120°로 이어질 수 있다. 제4 컴파트먼트 내의 제4 유체 흐름 경로는 0°로 이어질 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 흐름 경로들은 실질상 비-방사상일 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 흐름 경로들은, 시스템 내에서 실질상 균일한 액체 흐름 속도 프로파일을 달성하는 것을 용이하게 할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 컴파트먼트 내의 흐름은, 상기 컴파트먼트 내의 멤브레인 표면들과 유체의 더 많은 접촉을 제공하도록 조절, 재분배, 또는 재지향될 수 있다. 컴파트먼트는 컴파트먼트 내의 유체 흐름을 재분배하도록 구성 및 배열될 수 있다. 컴파트먼트는 컴파트먼트를 통과하는 흐름을 재분배하기 위한 구조를 제공할 수 있는 장애물들, 돌기(projection)들, 돌출부(protrusion)들, 플랜지들, 또는 배플(baffle)들을 가질 수 있고, 이는 아래에서 추가로 논의될 것이다. 특정 실시예들에서, 장애물들, 돌기들, 돌출부들, 플랜지들, 또는 배플들은 흐름 재분배기로서 지칭될 수 있다. 흐름 재분배기는 셀 스택의 컴파트먼트들 중 하나 또는 그 초과 내에 존재할 수 있다.
전기적 정화 장치를 위한 셀 스택 내의 컴파트먼트들 각각은, 유체 접촉을 위해 미리결정된 퍼센티지의 표면적 또는 멤브레인 사용효율을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 더 높은 멤브레인 사용효율이 전기적 정화 장치의 동작시 더 높은 효율성들을 제공한다는 것이 밝혀졌다. 더 높은 멤브레인 사용효율을 달성하는 장점들은, 더 낮은 에너지 소비량, 장치의 더 작은 풋프린트, 장치를 관통하는 더 적은 패스들, 그리고 더 높은 품질 생성물 물을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 사용효율은 65%보다 더 높다. 다른 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 사용효율은 75%보다 더 높다. 특정 다른 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 사용효율은 85%보다 더 높을 수 있다. 멤브레인 사용효율은, 멤브레인들 각각을 서로에 대해 고정시키는데 사용되는 방법들 및 스페이서의 설계에 따라 적어도 부분적으로 좌우될 수 있다. 미리결정된 멤브레인 사용효율을 획득하기 위하여, 적절한 고정 기술들 및 컴포넌트들이, 전기적 정화 장치 내의 누설을 맞닥뜨리지 않고, 상기 전기적 정화 장치의 최적 동작을 허용하는 신뢰성 있고 안전한 밀봉부를 달성하도록 선택될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 스택 생산 프로세스들은, 프로세스 내에서 사용될 수 있는 멤브레인의 대형 표면적을 유지하면서, 멤브레인 사용효율을 최대화하기 위해 열적 본딩 기술들을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 셀 스택을 포함하는 전기적 정화 장치가 제공된다. 전기적 정화 장치는, 이온 교환 멤브레인들을 포함하는 제1 컴파트먼트를 포함할 수 있고, 그리고 이온 교환 멤브레인들 사이에서 제1 방향으로 직접 유체 흐름을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 또한, 전기적 정화 장치는, 이온 교환 멤브레인들을 포함하는 제2 컴파트먼트를 포함할 수 있고, 그리고 제2 방향으로 직접 유체 흐름을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 제1 컴파트먼트 및 제2 컴파트먼트 각각은, 유체 접촉을 위해 미리결정된 퍼센티지의 표면적 또는 멤브레인 사용효율을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다.
전기적 정화 장치는 셀 스택을 포함할 수 있다. 전기적 정화 장치는, 제1 양이온 교환 멤브레인 및 제1 음이온 교환 멤브레인을 포함하는 제1 컴파트먼트를 포함할 수 있고, 제1 컴파트먼트는 제1 양이온 교환 멤브레인과 제1 음이온 교환 멤브레인 사이에서 제1 방향으로 직접 유체 흐름을 제공하도록 구성 및 배열된다. 또한, 장치는, 제1 음이온 교환 멤브레인과 제2 양이온 교환 멤브레인 사이에서 제2 방향으로 직접 유체 흐름을 제공하기 위해 제1 음이온 교환 멤브레인 및 제2 양이온 교환 멤브레인을 포함하는 제2 컴파트먼트를 포함할 수 있다. 제1 컴파트먼트 및 제2 컴파트먼트 각각은, 미리결정된 멤브레인 사용효율, 예컨대, 제1 양이온 교환 멤브레인, 제1 음이온 교환 멤브레인 및 제2 양이온 교환 멤브레인의 표면적의 85%를 초과하는 유체 접촉을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 제1 컴파트먼트 및 제2 컴파트먼트 중 적어도 하나는 스페이서를 포함할 수 있고, 상기 스페이서는 차단 스페이서일 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 셀 스택을 포함하는 전기적 정화 장치는 셀 스택을 둘러싸는 하우징을 더 포함할 수 있고, 이때 셀 스택의 주변부의 적어도 부분이 하우징에 고정된다. 하우징 내에 제1 모듈식 유닛을 제공하기 위해 하우징과 셀 스택 사이에 프레임이 위치될 수 있다. 셀 스택의 컴파트먼트들 중 하나 또는 그 초과 내에 흐름 재분배기가 존재할 수 있다. 컴파트먼트들 중 적어도 하나는, 상기 컴파트먼트 내에 흐름 반전(reversal)을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다.
본 개시의 몇몇의 실시예들에서, 전기적 정화 장치를 위한 셀 스택이 제공된다. 셀 스택은, 복수의 교대의 이온 감손 컴파트먼트 및 이온 농축 컴파트먼트를 제공할 수 있다. 이온 감손 컴파트먼트들 각각은, 제1 방향으로 희석 유체 흐름을 제공하는 인렛 및 아울렛을 가질 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들 각각은, 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 농축 유체 흐름을 제공하는 인렛 및 아울렛을 가질 수 있다. 셀 스택 내에 스페이서가 위치될 수 있다. 스페이서는, 컴파트먼트들을 정의하기 위한 구조를 제공할 수 있고, 그리고 특정 예들에서, 컴파트먼트를 통과하는 유체 흐름을 지향시키는 것을 도울 수 있다. 스페이서는, 셀 스택을 통과하는 유체 흐름 및 전기 전류 중 적어도 하나를 재지향시키도록 구성 및 배열될 수 있는 차단 스페이서일 수 있다. 논의된 바와 같이, 차단 스페이서는 전기적 정화 장치 내의 전기 전류 비효율성들을 감소시킬 수 있거나 또는 방지할 수 있다.
본 개시의 몇몇의 실시예들에서, 전기적 정화 장치가 제공된다. 장치는 교대의 이온 희석 컴파트먼트들 및 이온 농축 컴파트먼트들을 포함하는 셀 스택을 포함할 수 있다. 이온 희석 컴파트먼트들 각각은 제1 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들 각각은, 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 또한, 전기적 정화 장치는, 셀 스택의 제1 단부에서 음이온 교환 멤브레인에 인접한 제1 전극, 그리고 셀 스택의 제2 단부에서 캐소드 교환 멤브레인에 인접한 제2 전극을 포함할 수 있다. 장치는 차단 스페이서를 더 포함할 수 있고, 상기 차단 스페이서는, 셀 스택 내에 위치되고, 그리고 전기적 정화 장치를 통과하는 희석 유체 흐름 및 농축 유체 흐름 중 적어도 하나를 재지향시키도록 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이의 직류 경로를 방지하도록 구성 및 배열된다. 위에서 논의된 바와 같이, 차단 스페이서는, 전기적 정화 장치 내의 전기 전류 비효율성들을 감소시키도록 구성 및 배열될 수 있다.
전기적 정화 장치의 셀 스택은 하우징에 고정된, 셀 스택의 주변부의 적어도 부분을 이용하여 하우징 내에 둘러싸일 수 있다. 하우징 내에 제1 모듈식 유닛을 제공하기 위해 하우징과 셀 스택 사이에 프레임이 위치될 수 있다. 또한, 제2 모듈식 유닛이 하우징 내에 고정될 수 있다. 또한, 제1 모듈식 유닛과 제2 모듈식 유닛 사이에 차단 스페이서가 위치될 수 있다. 셀 스택의 컴파트먼트들 중 하나 또는 그 초과 내에 흐름 재분배기가 존재할 수 있다. 컴파트먼트들 중 적어도 하나는 상기 컴파트먼트 내에 흐름 반전을 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 지지부를 모듈식 유닛에 제공하기 위해 그리고 하우징 내에 모듈식 유닛을 고정시키기 위해, 프레임과 하우징 사이에 브라킷 어셈블리가 위치될 수 있다.
제1 방향으로의 유체 흐름은 희석 스트림일 수 있고, 그리고 제2 방향으로의 유체 흐름은 농축 스트림일 수 있다. 특정 실시예들에서, 인가된 전기장이 반전되어 따라서 스트림 기능이 반전되는 극성 반전의 사용으로, 제1 방향으로의 유체 흐름은 농축 스트림으로 전환될 수 있고, 그리고 제2 방향으로의 유체 흐름은 희석 스트림으로 전환될 수 있다. 스페이서들에 의해 분리된 다수의 스페이서 어셈블리들이 서로 고정되어, 셀 쌍들의 스택 또는 멤브레인 셀 스택이 형성될 수 있다.
본 개시의 전기적 정화 장치는 셀 스택을 둘러싸는 하우징을 더 포함할 수 있다. 셀 스택의 주변부의 적어도 부분이 하우징에 고정될 수 있다. 부가적 지지부를 셀 스택에 제공하기 위해 하우징과 셀 스택 사이에 프레임 또는 지지부 구조가 위치될 수 있다. 또한, 프레임은, 셀 스택 안팎으로 액체의 흐름을 허용하는 인렛 매니폴드들 및 아울렛 매니폴드들을 포함할 수 있다. 프레임 및 셀 스택은 전기적 정화 장치 모듈식 유닛을 함께 제공할 수 있다. 전기적 정화 장치는 하우징 내에 고정된 제2 모듈식 유닛을 더 포함할 수 있다. 제1 모듈식 유닛과 제2 모듈식 유닛 사이에 스페이서, 예컨대 차단 스페이서가 위치될 수 있다. 제1 모듈식 유닛의 단부에 제1 전극이 위치될 수 있고, 상기 제1 모듈식 유닛은 제2 모듈식 유닛과 통신하는 반대 편의 단부이다. 제2 모듈식 유닛의 단부에 제2 전극이 위치될 수 있고, 상기 제2 모듈식 유닛은 제1 모듈식 유닛과 통신하는 반대 편의 단부이다.
제1 모듈식 유닛, 제2 모듈식 유닛 또는 둘 다의 하우징과 프레임 사이에 브라킷 어셈블리가 위치될 수 있다. 브라킷 어셈블리는, 지지부를 모듈식 유닛들에 제공할 수 있고, 그리고 하우징에 대한 안전한 부착물을 제공할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에서, 전기적 정화 장치는, 멤브레인 셀 스택을 하우징 또는 용기 안에 위치시킴으로써 조립될 수 있다. 엔드플레이트들이 셀 스택의 각각의 단부에 제공될 수 있다. 하우징의 내벽에 셀 스택의 주변부의 적어도 부분을 밀봉시키기 위해 접착제가 적용될 수 있다.
본 개시의 특정 실시예들에서, 더 많은 전기 전력 소비량으로부터 야기되는 비효율성들을 감소시키거나 또는 방지하는 전기적 정화 장치가 제공된다. 본 개시물의 전기적 정화 장치는, 전류 비효율성들을 감소시키거나 또는 방지하기 위해 멀티 패스 흐름 구성을 제공할 수 있다. 멀티 패스 흐름 구성은, 전기적 정화 장치의 애노드와 캐소드 사이에서 직류 경로를 제거하거나 또는 감소시킴으로써, 흐름 매니폴드들을 통과하는 전류의 우회 또는 누전을 감소시킬 수 있다. 본 개시의 특정 실시예들에서, 컴파트먼트 내의 흐름은, 컴파트먼트 내에서 멤브레인 표면들과 유체의 더 많은 접촉을 제공하도록 조절, 재분배, 또는 재지향될 수 있다. 컴파트먼트는, 상기 컴파트먼트 내의 유체 흐름을 재분배하도록 구성 및 배열될 수 있다. 컴파트먼트는 컴파트먼트를 통과하는 흐름을 재분배하기 위한 구조를 제공할 수 있는 장애물들, 돌기들, 돌출부들, 플랜지들, 또는 배플들을 가질 수 있다. 장애물들, 돌기들, 돌출부들, 플랜지들, 또는 배플들은 이온 교환 멤브레인들, 스페이서들의 일부로서 형성될 수 있거나, 또는 컴파트먼트 내에 제공되는 부가적 별도 구조일 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 시스템 내의 전류 흐름에 영향을 주기 위하여, 멤브레인 또는 차단 스페이서가 실질상 비-전도성일 수 있다.
본 개시의 몇몇의 실시예들에서, 전기적 정화 장치를 위한 멤브레인 셀 스택을 생산하기 위해 이온 교환 멤브레인들 및 선택적으로 스페이서들을 고정시키거나 또는 본딩시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, 십자-흐름 전기투석(ED) 모듈식 유닛과 같이 전기적 정화 장치 내에서의 사용을 위해 다수의 음이온 교환 멤브레인들 및 양이온 교환 멤브레인들의 고정을 제공할 수 있다.
본 개시의 특정 실시예들에서, 전기적 정화 장치를 위한 제1 셀 스택을 준비하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 제1 이온 교환 멤브레인을 제2 이온 교환 멤브레인에 고정시키는 단계를 포함할 수 있다. 스페이서가 제1 이온 교환 멤브레인과 제2 이온 교환 멤브레인 사이에 위치되어, 스페이서 어셈블리가 형성될 수 있다. 전기적 정화 장치 내에서 사용될 때, 이 스페이서 어셈블리는 유체 흐름을 허용할 수 있는 제1 컴파트먼트를 정의한다. 복수의 이온 교환 멤브레인들이 일련의 컴파트먼트들을 제공하도록 서로 고정될 수 있다. 특정 실시예들에서, 복수의 스페이서 어셈블리들이 구성될 수 있고 그리고 스페이서 어셈블리들은 서로 고정될 수 있다. 스페이서 어셈블리들 각각의 사이에 스페이서가 위치될 수 있다. 이 방식으로, 전기적 정화 장치를 위한 일련의 컴파트먼트들이 컴파트먼트들 각각 내에서 하나 또는 그 초과의 방향들로 유체 흐름을 허용하도록 구성된다.
컴파트먼트들 내에 위치될 수 있는 스페이서들은 컴파트먼트들을 정의하기 위한 구조를 제공할 수 있고, 그리고 특정 예들에서, 컴파트먼트를 통과하는 유체 흐름을 지향시키는 것을 도울 수 있다. 스페이서들은, 컴파트먼트들 내에서 원하는 구조 및 유체 흐름을 허용하는 고분자 물질들 또는 다른 물질들로 만들어질 수 있다. 특정 실시예들에서, 스페이서들은, 컴파트먼트들 내에서 유체 흐름을 재지향시키거나 또는 재분배시키도록 구성 및 배열될 수 있다. 몇몇의 예들에서, 스페이서는, 구조를 제공하고 그리고 컴파트먼트를 통과하는 원하는 유체 흐름을 허용하기 위한 메쉬-형 물질 또는 스크린 물질을 포함할 수 있다. 스페이서는, 프로세스 효율성을 개선시키기 위해 유체 흐름 및 전기 전류 중 적어도 하나를 재지향시키도록 구성 및 배열될 수 있다. 또한, 스페이서는, 전기적 정화 장치 내에서 다수의 유체 흐름 스테이지들을 생성하도록 구성 및 배열될 수 있다. 스페이서는, 특정한 방향으로 유체 흐름을 재지향시키기 위한 고체 부분을 포함할 수 있다. 또한, 고체 부분은, 특정한 방향으로 전기 전류 흐름을 재지향시킬 수 있고, 그리고 전기적 정화 장치 내의 애노드와 캐소드 사이에서 직접 경로를 방지할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 스페이서는, 셀 스택을 통과하는 전류 흐름을 촉진시킬 수 있고, 그리고 셀 스택에 대한 전류 우회를 일반적으로 저지할 수 있다. 고체 부분을 포함하는 스페이서는 차단 스페이서로서 지칭될 수 있다. 차단 스페이서는 셀 스택 내에 위치될 수 있거나, 또는 제1 셀 스택, 또는 제1 모듈식 유닛과 제2 셀 스택 또는 제2 모듈식 유닛 사이에 위치될 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, 서로 고정된 복수의 이온 교환 멤브레인들은 양이온 교환 멤브레인들과 음이온 교환 멤브레인들이 교대로 있어, 일련의 이온 희석 컴파트먼트들 및 이온 농축 컴파트먼트들이 제공될 수 있다. 멤브레인들의 기하구조는, 멤브레인들이 셀 스택 내에 고정될 수 있도록 하는 임의의 적절한 기하구조를 가질 수 있다. 특정 실시예들에서, 셀 스택을 하우징 내에 적절하게 고정시키기 위하여, 셀 스택 상에 특정한 개수의 코너들 또는 꼭지점들이 원해질 수 있다. 특정 실시예들에서, 특정한 멤브레인들은 셀 스택 내의 다른 멤브레인들과 상이한 기하구조들을 가질 수 있다. 멤브레인들의 기하구조들은, 멤브레인들을 서로 고정시키는 것, 스페이서들을 셀 스택 내에 고정시키는 것, 모듈식 유닛 내의 멤브레인들 또는 모듈식 유닛을 고정시키는 것, 멤브레인들을 지지부 구조 내에 고정시키는 것, 셀 스택과 같은 멤브레인들의 그룹을 하우징에 고정시키는 것, 그리고 모듈식 유닛 또는 모듈식 유닛을 하우징 안으로 고정시키는 것 중 적어도 하나를 돕도록 선택될 수 있다. 멤브레인들, 스페이서들, 및 스페이서 어셈블리들은, 멤브레인들, 스페이서들, 또는 스페이서 어셈블리들의 에지 또는 주변부의 부분에서 고정될 수 있다. 주변부의 부분은, 멤브레인, 스페이서, 또는 스페이서 어셈블리의 연속적 또는 비-연속적 길이일 수 있다. 멤브레인, 스페이서, 또는 스페이서 어셈블리를 고정시키도록 선택되는 주변부의 부분은, 유체 흐름을 미리결정된 방향으로 지향시키기 위한 경계선 또는 경계를 제공할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 본 명세서에 논의된 바와 같은 셀 스택은 임의의 원하는 개수의 이온 교환 멤브레인들, 셀 쌍들 또는 흐름 컴파트먼트들을 가질 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 전기화학적 분리 시스템은 단일 셀 스택을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 모듈식 실시예들에서와 같이, 전기화학적 분리 시스템은 두 개 또는 그 초과의 셀 스택들을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 각각의 셀 스택은 본 명세서에서 논의된 바와 같은 별도의 모듈식 유닛 내에 포함될 수 있다. 모듈 방식은 설계 유연성 및 제조가능성의 용이함을 제공할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 분리 시스템은, 제1 전극, 제2 전극, 복수의 교대의 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들을 정의하는 제1 셀 스택 ― 상기 제1 셀 스택은 제1 프레임에 의해 지지됨 ― 을 갖는 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 ― 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치됨 ―, 그리고 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 협력하고, 복수의 교대의 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들을 정의하는 제2 셀 스택 ― 상기 제2 셀 스택은 제2 프레임에 의해 지지됨 ― 을 갖는 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛 ― 상기 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 상기 제2 전극 사이에 위치됨 ― 을 포함할 수 있다. 제1 셀 스택은 제1 프레임으로 둘러싸일 수 있고, 그리고 제2 셀 스택은 제2 프레임으로 둘러싸일 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 및 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 유동적으로 평행하게 배열된다. 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 및 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 일원화된 구성을 각각 가질 수 있거나, 또는 그 자체들이 서브-블록들로 구성될 수 있다. 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 및 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 제거가능할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 사이에 차단 스페이서가 위치될 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 프레임들 각각은 매니폴드 시스템 및/또는 흐름 분배들 시스템을 포함할 수 있다. 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 및 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 예컨대 브라킷 어셈블리를 이용하여 용기 내에 장착될 수 있다. 시스템은, 의도된 애플리케이션 및 다양한 설계 엘리먼트들에 따라, 두 개, 세 개, 네 개 또는 그 초과의 모듈식 유닛들을 포함할 수 있다. 처리될 수원은 용기의 인렛에 유동적으로 연결될 수 있다. 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들은, 용기의 인렛과 유체 통신하는 인렛을 각각 가질 수 있다.
몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들 중 적어도 하나는 흐름 재분배기를 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, 시스템은, 감손 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향이 농축 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향과 상이하도록 구성된다. 적어도 일 실시예에서, 시스템은, 감손 컴파트먼트를 통과하는 흐름의 방향이 농축 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향에 실질상 직교하도록 구성될 수 있다. 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 및 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 시스템 내에서 멀티-패스 흐름을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 분리 시스템을 조립하는 방법은, 제1 프레임으로 둘러싸인 제1 셀 스택을 갖는 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛을 용기 내에서 제1 전극과 제2 전극 사이에 장착시키는 단계, 및 제2 프레임으로 둘러싸인 제2 셀 스택을 갖는 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛을 상기 용기 내에서 상기 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 상기 제2 전극 사이에 장착시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛과 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛 사이에 차단 스페이서를 배치시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 제1 전기화학적 분리 모듈식 유닛 및 제2 전기화학적 분리 모듈식 유닛 각각의 성능은, 용기 내에서의 장착 이전에 시험될 수 있다. 처리될 수원은 용기의 인렛에 유동적으로 연결될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 하나, 두 개 또는 그 초과의 모듈식 유닛들이 제1 전극과 제2 전극 사이에 삽입될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 두 개의 모듈식 유닛들은 시스템 내에서 실질상 서로 인접할 수 있다. 다른 실시예들에서, 두 개의 인접한 모듈식 유닛들 사이에 차단 스페이서가 위치될 수 있다. 적어도 특정 실시예들에서, 분리 시스템 내의 모듈식 유닛은, 전용 전극들 세트를 갖지 않을 수 있다. 대신에, 한 쌍의 전극들 사이에 다수의 모듈식 유닛들이 위치될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 분리 모듈식 유닛은, 복수의 교대의 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들을 정의하는 셀 스택, 및 지지 시스템을 포함할 수 있다. 지지 시스템은, 셀 스택의 수직 정렬을 유지시키도록 구성될 수 있다. 지지 시스템은 몇몇의 실시예들에서 프레임일 수 있다. 프레임은 셀 스택을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 다른 실시예들에서, 프레임은 셀 스택을 실질상 둘러쌀 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 프레임은, 셀 스택을 통과하는 유체 흐름을 용이하게 하도록 구성된 매니폴드 시스템을 포함할 수 있다. 매니폴드 시스템은, 중앙 시스템 매니폴드로부터 자신이 서비스하는 개별 모듈식 유닛으로 프로세스 액체를 전달할 수 있다. 매니폴드 시스템은 인렛 매니폴드 및 아울렛 매니폴드를 포함할 수 있다. 매니폴드 시스템은, 각각의 감손 컴파트먼트의 인렛 및 각각의 농축 컴파트먼트의 인렛과 유체 통신하는 인렛 매니폴드를 포함할 수 있다. 매니폴드 시스템은, 각각의 감손 컴파트먼트의 아울렛 및 각각의 농축 컴파트먼트의 아울렛과 유체 통신하는 아울렛 매니폴드를 더 포함할 수 있다. 매니폴드 시스템은 처리된 액체를 다운스트림으로 아울렛 매니폴드를 통해 전달하도록 구성될 수 있다. 매니폴드 시스템의 적어도 부분은 프레임에 또는 프레임과 별도의 구조 내에 포함될 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 매니폴드 시스템은, 모듈식 유닛 내에서 희석 스트림 및 농축 스트림의 혼합을 방지하도록 구성 및 배열될 수 있다. 매니폴드 시스템은, 스택과 결합된 희석 컴파트먼트 및 농축 컴파트먼트의 별도의 아울렛들을 유동적으로 격리시킬 수 있고 유지시킬 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, 프레임과 같은 지지 시스템은 흐름 분배 시스템을 포함할 수 있다. 흐름 분배 시스템은 매니폴드 시스템의 일부 또는 별도의 시스템일 수 있다. 흐름 분배 시스템은, 매니폴드 시스템과 유체 통신할 수 있고, 그리고 셀 스택에 대한 균일한 흐름 분배를 촉진시키도록 구성될 수 있다. 흐름 분배 시스템은, 각각의 감손 컴파트먼트의 인렛 및 각각의 농축 컴파트먼트의 인렛과 유체 통신할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 흐름 분배 시스템의 적어도 부분이 프레임에 포함될 수 있다. 다른 실시예들에서, 흐름 분배 시스템의 적어도 부분은 프레임과 맞물릴 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 흐름 분배 시스템의 적어도 부분이 프레임에 의해 제거가능하게 수용가능한 삽입부를 포함한다. 상기 삽입부는 흐름 분배 시스템의 하나 또는 그 초과의 피처들의 제조가능성의 용이함을 위한 것일 수 있다. 매니폴드 및/또는 흐름 분배 시스템의 하나 또는 그 초과의 피처들은 예컨대 삽입부 구조를 통해 프레임에 포함될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 흐름 분배 시스템은 셀 스택의 각각의 인렛 및 아울렛과 맞물릴 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 프레임은 셀 스택의 적어도 하나의 면과 결합된 삽입부를 포함할 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 프레임은 셀 스택의 각각의 면과 결합된 삽입부를 포함할 수 있다. 예컨대, 직사각형 셀 스택은 네 개의 삽입부들을 포함할 수 있다. 매니폴드 시스템 및/또는 흐름 분배 시스템 또는 그 컴포넌트가 셀 스택의 각각의 면과 결합될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 흐름 분배 시스템 또는 모듈식 유닛과 결합된 삽입부는, 처리될 액체를 셀 스택의 희석 컴파트먼트 및 농축 컴파트먼트의 인렛들에 공급하도록 구성 및 배열될 수 있다. 흐름 분배 시스템 또는 삽입부는, 셀 스택의 희석 컴파트먼트 및 농축 컴파트먼트와 결합된 아울렛 스트림들을 수용하고 유동적으로 격리시키도록 추가로 구성 및 배열될 수 있다. 흐름 분배 시스템 또는 삽입부는 희석 아울렛 스트림과 농축 아울렛 스트림을 별도로 유지시킬 수 있다. 의도된 기능을 가질 수 있는, 흐름 분배들 시스템들을 위한 다양한 설계들이 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라 구현될 수 있다. 셀 스택의 성질에 기초하여, 컴파트먼트 인렛들 및 컴파트먼트 아울렛들은 셀 스택의 하나 또는 그 초과의 면들 상에 위치될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 컴파트먼트 인렛들 및 컴파트먼트 아울렛들은 셀 스택의 모든 면들 상에 위치될 수 있다. 매니폴드 시스템 및 흐름 분배 시스템들을 포함한 프레임의 설계는, 상기 프레임이 셀 스택을 임의의 배향으로 수용할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 삽입부들 또는 흐름 분배기들은 프레임의 임의의 면에 삽입될 수 있고, 그리고 유연성을 위해 셀 스택의 임의의 면과 결합될 수 있다. 삽입부 또는 흐름 분배기는 삽입될 수 있고, 그리고 처리될 유체를 스택의 다수의 컴파트먼트에 제공하는 것과 셀 스택의 별도의 아울렛 스트림들을 유동적으로 격리시키고 유지시키는 것 둘 다의 역할을 할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 추가로 논의되는 바와 같이, 삽입부 또는 흐름 분배기는, 전체 모듈식 유닛의 전류 효율성을 개선시키도록 구성 및 배열될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 전류 효율성을 개선시키기 위하여, 스택을 관통하는 우회 경로가 셀 스택을 관통하는 직접 경로를 따라서 전류 흐름을 촉진시키도록 조종될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 전기화학적 분리 디바이스는, 하나 또는 그 초과의 우회 경로들이 셀 스택을 관통하는 직접 경로보다 더 구불구불하도록 구성 및 배열될 수 있다. 적어도 특정 실시예들에서, 전기화학적 분리 디바이스는, 하나 또는 그 초과의 우회 경로들이 셀 스택을 관통하는 직접 경로보다 더 높은 저항을 나타내도록 구성 및 배열될 수 있다. 모듈식 시스템을 포함하는 몇몇의 실시예들에서, 개별 모듈식 유닛들은 전류 효율성을 촉진시키도록 구성될 수 있다. 모듈식 유닛들은, 전류 효율성에 기여할 전류 우회 경로를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 비-제한적 실시예들에서, 모듈식 유닛은, 전류 효율성을 촉진시키도록 구성된 매니폴드 시스템 및/또는 흐름 분배 시스템을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 전기화학적 분리 모듈식 유닛 내의 셀 스택을 둘러싸는 프레임은, 미리결정된 전류 우회 경로를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 매니폴드 또는 흐름 분배 시스템의 컴포넌트들과 같이, 지지 시스템과 결합된 삽입부들은 전류 효율성을 촉진시키도록 구성될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 매니폴드 시스템 및 흐름 분배 시스템 중 적어도 하나는, 모듈식 유닛의 효율성을 개선시키도록 구성 및 배열될 수 있다. 흐름 분배 시스템은, 전류 손실을 감소시키도록 구성된 적어도 하나의 우회 경로를 포함할 수 있다. 흐름 분배 시스템은 제1 방향으로 배향된 복수의 제1 유체 통로들을 포함할 수 있다. 흐름 분배 시스템은, 제2 방향으로 배향되고 상기 복수의 제1 유체 통로들과 유체 통신하는 복수의 제2 유체 통로들을 더 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 제1 방향 및 제2 방향은 실질상 직교할 수 있다. 흐름 분배 시스템은 삽입부를 포함할 수 있고, 여기서 프레임은 삽입부를 수용하도록 구성된 리세스를 정의한다. 삽입부는, 적어도 몇몇의 실시예들에서 셀 스택에 대한 균일한 흐름 분배를 촉진시키도록 구성된 격자 구조를 정의할 수 있다.
몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 삽입부는 셀 스택과 가장 가까운 제1 면 및 상기 제1 면에 반대 편인 제2 면을 가질 수 있다. 삽입부는 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나의 면 상에 복수의 포트들을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 포트들 중 적어도 몇몇은 슬롯들 또는 그루브들일 수 있다. 포트들은 삽입부의 하나의 면 대 다른 면 상에서 상이할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 삽입부의 제1 면 상의 각각의 포트는 셀 스택의 이온 교환 멤브레인들에 실질상 직교로 배향될 수 있고, 그리고 삽입부의 제2 면 상의 각각의 포트는 셀 스택의 이온 교환 멤브레인들에 실질상 평행하게 배향될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 제1 면 상의 적어도 하나의 포트는 셀 스택의 두 개 또는 그 초과의 컴파트먼트들과 유체 통신한다. 복수의 포트들이 삽입부의 면 상에서 스태거드될 수 있다. 포트는 하나 또는 다수의 컴파트먼트들을 서비스할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 셀 스택은, 상기 셀 스택을 정의하는 이온 교환 멤브레인들의 표면적에 대하여 적어도 약 85% 유체 접촉을 달성하도록 구성 및 배열될 수 있다. 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들 중 적어도 하나는 차단 스페이서 또는 흐름 재분배기를 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 셀 스택은, 감손 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향이 농축 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향과 상이하도록 구성된다. 적어도 일 실시예에서, 셀 스택은, 감손 컴파트먼트를 통과하는 흐름의 방향이 농축 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향에 실질상 직교하도록 구성된다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 분리 모듈식 유닛은 셀 스택 내에서 균일한 흐름 분배를 촉진시키도록 구성된 흐름 분배기를 포함할 수 있다. 흐름 분배기는 셀 스택을 둘러싸는 프레임 또는 매니폴드의 구조에 포함될 수 있다. 다른 실시예들에서, 흐름 분배기의 적어도 부분이 프레임 또는 매니폴드와 맞물리도록 구성될 수 있다. 흐름 분배기는 프레임에 의해 제거가능하게 수용가능한 삽입부를 포함할 수 있다. 모듈식 유닛은 하나 또는 그 초과의 흐름 분배기들을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 흐름 분배기는 셀 스택의 하나 또는 그 초과의 면들과 결합될 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 흐름 분배기는 셀 스택의 각각의 면과 결합될 수 있다. 셀 스택의 각각의 면은 전용 흐름 분배기를 가질 수 있다. 흐름 분배기는 전기화학적 분리 디바이스에 의해 제거가능하게 수용되도록 구성될 수 있다. 멀티-패스 흐름 구성은 차단 멤브레인들의 사용과 함께 가능할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 분리를 위한 흐름 분배기는, 제1 방향으로 배향되고 전기화학적 분리 디바이스의 적어도 하나의 컴파트먼트에 피드를 전달하도록 구성된 복수의 제1 통로들, 그리고 제2 방향으로 배향된 복수의 제2 통로들을 포함할 수 있고, 상기 복수의 제2 통로들은 복수의 제1 통로들 그리고 상기 전기화학적 분리 디바이스와 결합된 인렛 매니폴드와 유체 통신한다. 몇몇의 실시예들에서, 제1 방향은 실질상 수직이다. 적어도 일 실시예에서, 제2 방향은 실질상 수평이다. 복수의 제1 통로들은 평행하게 배열될 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 복수의 제2 통로들은 평행하게 배열될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 적어도 하나의 제1 통로는 적어도 하나의 제2 통로와 교차한다. 차단 멤버는 제1 통로와 제2 통로의 교차점에 위치될 수 있다. 복수의 제1 통로들 및 복수의 제2 통로들은, 전기화학적 분리 디바이스 내에서 누전을 감소시키도록 배열될 수 있다. 몇몇의 비-제한적 실시예들에서 격자 구조를 정의하기 위해 복수의 제1 통로들은 복수의 제2 통로들과 함께 배열될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 흐름 분배기는 전기화학적 분리 디바이스의 셀 스택과 가장 가까이 배치되도록 구성된 제1 면을 가질 수 있다. 분배기는 제1 면 상에 복수의 포트들을 포함할 수 있다. 청구항의 흐름 분배기는, 제1 면에 반대 편에 배열된 제2 면을 가질 수 있고, 그리고 상기 제2 면 상에 복수의 포트들을 가질 수 있다. 제1 면 및 제2 면 상의 복수의 포트들은 몇몇의 실시예들에서 슬롯들 또는 그루브들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 포트들은 제1 면과 제2 면 상에서 상이할 수 있다. 몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 제1 면 상의 각각의 포트는 전기화학적 분리 디바이스의 컴파트먼트들에 실질상 직교로 배향될 수 있다. 제2 면 상의 각각의 포트는 전기화학적 분리 디바이스의 컴파트먼트들에 실질상 평행하게 배향될 수 있다. 제2 면 상의 복수의 포트들은 제1 면 상의 복수의 포트들에 유체 흐름을 분배하도록 구성될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 제1 면 상의 적어도 하나의 포트는 전기화학적 분리 디바이스의 두 개 또는 그 초과의 컴파트먼트들과 유체 통신할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 제1 면 또는 제2 면 상의 복수의 포트들은 스태거드될 수 있다. 흐름 분배기는 전기화학적 분리 디바이스의 동작 표면들로의 전류 흐름을 촉진시키도록 구성 및 배열될 수 있다. 포트가 흐름 분배기와 결합될 수 있다. 포트는 흐름 분배기에 대하여 다양한 위치들을 가질 수 있다. 흐름 분배기는, 인렛 매니폴드로부터 전기화학적 분리 디바이스의 컴파트먼트들로의 균일한 흐름 분배를 촉진시키기 위해 흐름 분배기에 대하여 실질상 중심이 맞추어진 포트를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 포트가 흐름 분배기에 대한 오프셋일 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 셀 쌍들의 스택은 전기화학적 분리 시스템 안으로의 최종 어셈블리 이전에 품질 제어를 위해 모듈식 유닛 또는 서브-블롯을 형성하도록 구성될 수 있다. 서브-블록들은 열적 본딩, 접착제 또는 다른 방법에 의해 형성될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 십자-흐름 모듈식 유닛은 셀 쌍들의 서브-블록이 시험된 이후에 조립될 수 있다. 포트들은 동작 동안 다수의 덤핑(dumping)을 허용하기 위해 케이싱(casing)의 벽들 상에 내장될 수 있다. 십자-흐름 모듈식 유닛에서, 쉘 또는 하우징 내에 적층 및 팩킹된 많은 개수의 셀 쌍들이 있을 수 있다. 흐름 경로들을 정의하기 위해 밀봉부들이 셀 쌍들과 결합될 수 있다. 밀봉부들 중 단 하나라도 고장나면, 그러면 전체 모듈식 유닛이 실행할 수 없는 것으로 간주될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 셀 쌍들의 서브-블록들은, 더 큰 모듈식 유닛 또는 시스템을 형성하기 위해 셀 쌍들 전부를 적층시키기 전에 결함 밀봉부들을 검출하는데 사용될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 최종 어셈블리 이전에 밀봉부 무결성(integrity)을 결정하기 위해, 셀 쌍들은 프레임 내에 각각 팩킹되는 스택들로 브레이크 다운될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 임의의 내부 십자-누설 또는 외부 누설 없이 서브-블록을 다른 서브-블록에든 또는 전극-플레이트에든 기계적으로 연결시키기 위해, 팩킹 방법은 O-링 또는 개스킷을 사용할 수 있다. 프레임 설계는, 표준 서브-블록이 제조될 수 있고, 비축(stock)될 수 있고, 그리고 특정 동작 조건에 대해 모듈식 유닛당 임의의 원하는 개수의 패스들 및 덤프들로 쉽게 구성될 수 있도록, 농축 유체의 멀티-덤프들을 용이하게 할 수 있다. 프레임 설계는, 균일한 흐름 분배, 희석 스트림 및 농축 스트림의 격리, 그리고 전류 효율성을 촉진시킬 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 프레임은, 정렬을 유지시키기 위해 셀 쌍들의 스택의 면들을 단단히 지지할 수 있다. 수직 슬롯들은 인렛 매니폴드 및 아울렛 매니폴드를 흐름 컴파트먼트들에 연결시킬 수 있다. 이는, 흐름 컴파트먼트들의 폭에 걸쳐서 균일한 흐름 분배를 촉진시킬 수 있고, 그리고 컴파트먼트들로부터 매니폴드들로의 누전을 감소시킬 수 있다. 스택의 단부들에 있는 멤브레인들은 o-링들 또는 다른 메커니즘을 이용하여 프레임에 고정 및 밀봉될 수 있다. 프레임은 다수의 섹션들로부터 조립될 수 있거나, 또는 일부분으로서 포함, 예컨대 몰드될 수 있다. 각각의 모듈식 유닛은 모듈식 유닛들 사이에 밀봉된 차단 멤브레인을 갖는 하나의 패스로서 기능할 수 있다. 엔드블록들 바로 옆에 있는 모듈식 유닛들은 멤브레인들에 의해 전극 컴파트먼트들로부터 분리될 수 있고, 그리고 또한 예컨대 o-링 또는 접착제를 이용하여 밀봉될 수 있다. 모듈식 유닛 프레임, 또는 모듈식 유닛 프레임의 매니폴드 시스템은, 일반적으로 하나 또는 그 초과의 희석 포트들 및 하나 또는 그 초과의 농축 포트들을 포함할 수 있다. 포트들은 프레임 상에 또는 삽입부 상에 있을 수 있다. 또한, 모듈식 유닛 프레임은 흐름 분배 시스템을 포함할 수 있고, 상기 흐름 분배 시스템은 프레임에 의해 제거가능하게 수용가능한 하나 또는 그 초과의 삽입부들 또는 흐름 분배기들을 포함할 수 있다. 프레임은, 삽입부를 수용하도록 크기결정되고 형상화된 하나 또는 그 초과의 리세스들을 포함할 수 있다. 전체 프레임 및 모듈식 유닛 설계는, 우회 전류를 감소시키도록 구성될 수 있다. 우회 경로는, 구불구불할 수 있고, 그리고 스택을 관통하는 직접 경로보다 더 높은 저항을 나타낼 수 있다. 몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 슬롯들의 하단 절반을 통과해, 포트 매니폴드에 대한 수평 매니폴드들을 따라서, 역으로 최상단 수평 매니폴드를 따라서 그리고 역으로 슬롯들의 최상단 절반을 통과해 스택 안으로 흐름으로써, 전류는 스택만을 우회할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 특정 비-제한적 실시예들에 따라, 도 1에 도시된 바와 같은 모듈식 유닛(100)을 형성하기 위해, 셀 쌍들의 스택(110)이 일원화된 구성의 프레임(120) 내의 네 개의 면들로 둘러싸일 수 있다. 도 2 및 도 3은 섹션 A-A를 관통하는 뷰들을 나타낸다. 흐름 컴파트먼트들 및 멤브레인들의 두께들이 명확성을 위해 과장된다. 프레임 섹션 내의 매니폴드들의 세트는, 멤브레인 표면들에 직교로 배향된 슬롯들의 어레이를 통해 희석 컴파트먼트들의 인렛에 피드를 공급한다. 희석 컴파트먼트들의 아울렛에서, 생성물 물은 슬롯들의 제2 어레이를 통해 흐르고 그리고 도면의 오른쪽에 있는 프레임 섹션 내의 매니폴드들의 제2 세트로 들어간다. 섹션 A-A에 직교인 섹션은 농축 컴파트먼트들에 대해 매니폴드들 및 슬롯들의 동일한 어레인지먼트를 나타낼 것이다.
희석 컴파트먼트 및 농축 컴파트먼트에 대한 인렛 및 아울렛은, 도 2에 도시된 바와 같이 프레임과 스택의 코너들 사이의 밀봉부들에 의해 서로 격리될 수 있다. 밀봉부들은 접착제들, 열적 본드들 또는 이들의 조합들과 같은 다양한 기술들에 의해 달성될 수 있다. 도 4는 코너들을 밀봉하는 하나의 방법을 도시한다. 스택(410)은 프레임(420)에 삽입되고, 그리고 포팅 접착제가 스택(410)과 프레임(420) 사이의 갭으로 디스펜스(dispense)되어, 모듈식 유닛(400)이 형성된다. 접착제가 셋팅된 이후, 스택 및 프레임은 90°회전되고 그리고 바로 옆의 코너가 포팅되고 등등이다. 높은(elevated) 온도에서의 추가의 큐어링(curing)이 접착제의 특성들을 완전히 띠게 하는데 필요할 수 있다. 대안적으로, 모든 네 개의 코너들이 포팅될 때까지, 충분히 낮은 점성의 녹은 핫 멜트 접착제가 갭들로 디스펜스될 수 있다.
위에 설명된 전체 설계의 프레임은 여러 기능들을 제공할 수 있다. 프레임은 스택 내의 셀 쌍들의 정렬을 유지시킬 수 있다. 멤브레인들 및 흐름 컴파트먼트들의 두께를 감소시킴으로써, ED 디바이스의 에너지 소비량이 감소될 수 있다. 기술분야 디바이스의 현재 상태의 흐름 컴파트먼트들(멤브레인 간 거리)이 0.38㎜(0.015'')만큼 얇을 수 있는 반면에, 멤브레인 두께는 30마이크론(0.0012'')만큼 낮을 수 있다. 그러한 얇고 유연성 있는 컴포넌트들로 조립된, 1200개 셀 쌍들의 스택은 매우 낮은 강직성(rigidity)을 갖고 그리고 측방 시프팅(lateral shifting)으로부터 지지되어야 한다. 이 문제점은, 스택의 컴포넌트들을 밀봉시키기 위해 압축을 요구하고 그리고 스택을 정렬시키기 위해 측면 지지 채널들 및 타이-바(tie-bar)들에 의존하는 종래의 판틀형 디바이스에서 특히 심각하다. 문제점은, 스택 컴포넌트들이 접착제들로든 또는 열적 본딩으로든 밀봉되고 그리고 전체 스택이 원통형 용기 내에 하우징되더라도, 십자-흐름 디바이스에서 여전히 존재한다. 적절하게 설계될 때, 인렛 매니폴드 및 아울렛 매니폴드를 흐름 컴파트먼트들에 연결시키는 슬롯들은, 흐름이 각각의 희석 컴파트먼트의 인렛에 걸쳐서 균일하게 분배됨을 보장할 수 있다. 슬롯들은 흐름 컴파트먼트들에 직교로 배향된다. 슬롯들을 개별 컴파트먼트들의 인렛들과 함께 일렬로 세울 필요가 없다. 슬롯들은, 스택으로부터 인렛 매니폴드 및 아울렛 매니폴드로의 누전에 이용가능한 구역을 감소시키고, 그리고 이로써 셀 및 멤브레인들의 스택을 우회하는 전류의 비율(fraction)을 감소시킨다. 전류 우회는 전류 효율성을 감소시키고(96,498쿨롬/대등물의 패러데이 상수에 기초하여, 요구된 이론적 전류/측정된 실제 전류) 그리고 생성물의 단위체적당 에너지 소비량을 증가시킨다. 전류 효율성을 개선시키기 위한 다른 방법들은, 차단 멤브레인들 또는 스페이서들을 사용하는 멀티-패스 모듈식 유닛 구성들의 사용을 포함한다.
다른 실시예에서, 슬롯들의 구성은, 누전을 추가로 감소시키고 그리고 따라서 슬롯들 내의 블록들의 배치를 이용하여 전류 효율성을 개선시키도록 변경될 수 있다. 도 5는 수직으로 배향된 인렛 포트 및 아울렛 포트를 갖는 프레임(520) 내에 셀 쌍들의 스택(510)을 포함하는 모듈식 유닛(500)을 도시한다. 인렛 포트로부터, 유체가 평행한 세 개의 수평 인렛 매니폴드들 ― 그 뒤를 수직 슬롯들이 이음 ― 을 통해 스택 내의 흐름 컴파트먼트들로 흐른다. 스택으로부터, 유체는 수직 슬롯들의 다른 세트 및 세 개의 아울렛 매니폴드들을 통과해 아울렛 포트로 흐른다.
도 7은, 전류가 그러나 스택의 하나의 단부로부터 다른 단부로 수직 슬롯들을 통과해 흐름으로써 스택(710)을 잠재적으로 우회할 수 있음을 도시한다. 도 8은 모듈식 유닛(800)에 대하여 슬롯 변경의 하나의 비-제한적 실시예를 도시한다. 장애물들 또는 방해물들이 슬롯들 내에 놓여, 우회 전류가 더욱 우회의 경로를 취하도록 그리고 이로써 우회 경로들 내의 전기 저항을 증가시키도록 강제할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 수평 블록들과 같은 블록들이 슬롯들 내에 놓일 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, 수평 블록들은 매 슬롯마다 동일한 위치들에 있지 않다; 다른 방식으로(otherwise), 하나 또는 그 초과의 흐름 컴파트먼트들은 인렛 매니폴드 또는 아울렛 매니폴드로부터 완전히 차단될 수 있다. 도 9는, 임의의 주어진 흐름 컴파트먼트에 대한 인렛 또는 아울렛의 단지 작은 비율만이 차단되도록 블록들(930)이 어떻게 스태거드될 수 있는지를 도시한다. 컴파트먼트 내에서의 균일한 평균 흐름 속도가 멤브레인 간 스크린의 적절한 설계에 의해 여전히 달성될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 프레임이 블록들의 개수 및 위치들을 제약하는 하나의 피스로 기계화되거나 또는 몰드될 것이라면, 스태거드 블록들은 전부가 수평 매니폴드들 중 하나와 함께 일렬로 세워질 수 있다.
다른 실시예에서, 프레임은 슬롯들 없이 기계화되거나 또는 몰드된다. 슬롯들 및 수평 블록들을 포함하는 그리드들이 별도로 제조되고 그리고 도 10 및 도 11에 도시된 흐름 분배기(1050)로서 프레임(1020)에 삽입된다. 그런 다음, 블록들의 개수 및 위치들에 있어서 더 많은 유연성이 있다. 블록들은 어레이들로 배열될 수 있거나 또는 무작위로 있을 수 있다.
프레임은, ED에 의해 탈이온화될 유체와 화학적 호환성 및 필수 기계적 특성들을 갖는 물질들로 제조될 수 있다. 예컨대 해수의 담수화와 같은 애플리케이션들에서, 플라스틱 물질들이 부식에 대한 그들의 저항성 및 저비용 때문에 선호된다. 잠재적 플라스틱들은 폴리비닐 염화물(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드들(PA 또는 나일론), 아크릴로나이트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리설폰(polysulfone), 또는 노릴 ― 노릴은 폴리페닐렌 산화물(PPO)과 폴리스티렌(PS)의 블렌드임 ― 과 같은 플라스틱들의 블렌드들을 포함한다. 유리 섬유들과 같은 보강 필터들이 화학적 저항성과 기계적 및 열적 특성들의 개선을 위해 부가될 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, 프레임은, 기계화 및/또는 사출 성형과 같은 방법들을 이용하여 제조될 수 있다. 부가하여, 스테레오리소그라피, 3D 프린팅, 퓨즈드 증착 모델링 등과 같은 "신속한 프로토타이핑" 기술들이 프레임의 제조를 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 프레임(1220)은, 도 12에 도시된 바와 같이 접착제들, 열적 또는 기계적 방법들, 또는 이들의 조합들에 의해 접합된 네 개의 섹션들로 조립된다. 섹션들은, 위에서 설명된 바와 동일한 물질들 및 방법들을 이용하여 제조될 수 있다.
프레임은, 특히 프레임이 섹션들로 조립된다면, 스택 내의 셀 쌍들의 개수를 수용하는데 필요한 만큼 깊을 수 있다(도 2의 높이 "D"를 보라). 0.38㎜(0.015'')의 멤브레인 간 거리와 30마이크론(0.0012'')의 두께 멤브레인들을 갖는 예컨대 1200개 셀 쌍들의 스택을 수용하기 위해, 프레임의 깊이는 약 0.984(38.74'')여야 할 것이다.
그러나, 그러한 어셈블리의 제조시 현실적 제한들이 있을 수 있다. 많은 개수의 셀 쌍들을 갖는 스택의 깊은 프레임으로의 삽입은 어려울 수 있다. 스택 내의 유연성 있는 멤브레인들 및 스크린들은 접착제 또는 열적 밀봉부들에 의해서만 초기에 연결되고, 그래서 스택은 강직성을 갖지 않는다. 코너들을 포팅하는 것은, 스택의 높이가 증가함에 따라 더욱 어렵게 될 수 있다. 예컨대 포팅 접착제는 도 4에 도시된 바와 같이 프레임과 스택 사이의 갭의 전체 길이를 따라서 균일하게 디스펜스될 필요가 있다. 코너들이 포팅될 때까지, 프레임 내에 조립된 스택 내의 밀봉부들은 시험되지 않을 수 있다. 밀봉부들 중 임의의 것이 고장나, 물질들 및 노동력의 전체 손실이 야기되면, 전체 어셈블리는 거부되어야 할 수 있다.
예컨대, 도 13은 1200개 셀 쌍들을 갖는 3-패스 ED 디바이스 내의 희석 스트림의 개략이다. 6개의 모듈식 유닛들이 있고, 각각은 200개 셀 쌍들을 갖는다. 대안적으로, 3개 모듈식 유닛들이 사용될 수 있고, 각각은 400개 셀 쌍들을 갖는다. 패스들의 개수와 셀 쌍들의 많은 조합들이 가능하다. 부가하여, 구성은 각각의 패스 내의 상이한 개수들의 셀 쌍들로 비대칭적일 수 있다. 본 발명은 임의의 특정 개수의 셀 쌍들 또는 임의의 특정 개수의 패스들로 제한되지 않는다.
도 14는 다른 실시예로서 모듈식 유닛(1400)을 도시한다. 도 15 및 도 16은 각각 섹션 A-A 및 B-B를 관통하는 뷰들이다. 다시, 흐름 컴파트먼트들 및 멤브레인들의 두께들은 명확성을 위해 과장된다. 각각의 컴파트먼트는, 인접 멤브레인들을 분리시키고 그리고 유체가 컴파트먼트를 통과해 흐름에 따라 유체의 혼합을 개선시키는 스크린으로 채워진다. 도 15는 도 14의 섹션 A-A를 관통하는 뷰이고, 희석 컴파트먼트들을 통과하는 흐름이 도시된다. 스택의 최상단에 있는 최종 멤브레인(AEM)과 최하단에 있는 최종 멤브레인(CEM)은 스택을 넘어 연장되고, 그리고 클립들에 의해 고정된 O-링들에 의해 밀봉된다. 이들 멤브레인들은 희석 스트림(인렛 매니폴드 및 아울렛 매니폴드, 슬롯들 및 컴파트먼트들)을 스택의 최상단 단부 및 최하단 단부에 있는 최종 농축 컴파트먼트들로부터 격리시킨다. 도 16은 희석 컴파트먼트들로의 인렛의 클로즈 업 뷰를 나타낸다. 도 17은 도 14의 섹션 B-B를 관통하는 뷰이다. 농축 스트림은 평행한 농축 컴파트먼트들 전부 ― 스택의 최상단 단부 및 최하단 단부에 있는 농축 컴파트먼트를 포함함 ― 를 통과해 흐른다.
도 15의 프레임의 최상단 표면 상에 있는 외부 O-링은, 인접한 평편한 표면에 대해 모듈식 유닛을 밀봉시키는데 사용되고, 상기 표면은 시험 디바이스의 최상단 플레이트, 위의 인접 모듈식 유닛의 프레임, 또는 엔드플레이트일 수 있다. 예컨대 도 18은 모듈식 유닛 내의 밀봉부들의 무결성을 시험하기 위해 모듈식 유닛 디바이스(1800)를 관통하는 섹션 뷰를 도시한다. 모듈식 유닛은 두 개의 플레이트들 사이에 클램핑된다. 최하단 플레이트는, 모듈식 유닛 프레임의 최하단 표면에 대해 밀봉되는 O-링을 갖는다. 모듈식 유닛의 최상단에 있는 O-링은 최상단 플레이트에 대해 밀봉된다. 희석 아울렛 포트는 플러그되고, 그리고 가압된 유체 또는 가스가 희석 인렛 포트에 적용된다. 멤브레인들 사이 또는 임의의 코너 밀봉부에 있는 본드들 중 임의의 것에서의 누설은 농축 스트림에 대한 십자-누설을 야기시킬 것이다. 십자-누설의 존재 또는 레이트는 모듈식 유닛 품질을 결정하기 위한 기준으로서 사용될 수 있다. 도 19는 어셈블리 전의 엔드플레이트들, 모듈식 유닛들(1900) 및 분리 멤브레인들(1970)의 스택을 도시한다. 컴포넌트들은, 예컨대 위치결정 핀들을 이용하여 정렬될 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, 각각의 모듈식 유닛은 동일한 프레임 설계를 사용할 수 있다. 클립들의 위치들에 의해 예시된 바와 같이 유닛 2에 대한 프레임은 유닛 1 및 유닛 3에 대한 프레임들에 직교로 배향될 수 있다. 유닛 1 및 유닛 3 내의 스택들은 동일하지만, 유닛 2 내의 스택과 상이하다. 도 20은 유닛 1 내의 섹션 A-A를 관통하는 뷰이고, 그리고 도 21은 유닛 2 내의 섹션 B-B를 관통하는 뷰이다. 유닛 1의 최상단 및 최하단에 있는 최종 컴파트먼트들은 농축 컴파트먼트들이고, 최상단에 있는 최종 멤브레인은 연장된 또는 별도의 AEM이고, 그리고 최하단에 있는 최종 멤브레인은 연장된 또는 별도의 CEM이다. 유닛 2에서, 최상단 및 최하단에 있는 최종 컴파트먼트들은 희석 컴파트먼트들이고, 최상단에 있는 최종 멤브레인은 연장된 CEM이고, 그리고 최하단에 있는 최종 멤브레인은 연장된 또는 별도의 AEM이다.
도 22에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 차단 멤브레인들과 함께, 모듈식 유닛들 내의 셀들 및 멤브레인들의 어레인지먼트는, 희석 스트림 및 농축 스트림의 멀티-패스 흐름 구성들을 허용하고, 그리고 농축 컴파트먼트들 바로 옆에 전극 컴파트먼트들이 있는 것을 야기시킨다. 이들 농축 컴파트먼트들은 전극 컴파트먼트들과 바로 옆의 희석 컴파트먼트들 사이의 버퍼 셀들로서의 역할을 한다. 도 23은, 희석 컴파트먼트들을 통과하는 3-패스 흐름을 도시하는, 조립된 ED 디바이스를 관통하는 뷰이다. 도 24는 모듈식 유닛들(2400) 사이의 차단 스페이서(2470)를 예시하는, 모듈식 유닛 1의 희석 아울렛 및 유닛 2의 희석 인렛의 상세도이다.
도 23의 섹션에 직교인 조립된 ED 모듈식 유닛을 관통하는 섹션 뷰는 농축 컴파트먼트들을 통과하는 3-패스 흐름을 도시할 것이다. 도 19 및 도 23에 도시된 ED 디바이스 내의 엔드플레이트들은, 단부들에 있는 너트들을 갖는 스레디드 로드들 ― 판틀형 ED 디바이스들 내에서 타이-로드들 또는 타이-바들로 보통 불림 ― 을 이용하여 함께 끌릴 수 있다. 엔드플레이트들은 O-링들을 밀봉시키기 위해 모듈식 유닛들에 충분한 압축을 인가해야 한다. 또한, 모듈식 유닛들에 압축력을 인가하기 위해 다른 장치가 사용될 수 있다. 하나의 예는 모듈식 유닛들의 스택의 단부에 위치된 가압된 블라더(bladder)일 것이다. 타이-바들은 프레임 외부에 배열될 수 있거나(아웃보드), 또는 프레임들의 벽들이 충분히 두꺼워, 타이-바들이 벽들 내에 위치될 수 있다(인보드). ED 디바이스는 코스메틱(cosmetic) 또는 안전 이유들로 둘러싸일 수 있다. 인클로저는 예컨대 서모-형성된(themo-formed) 플라스틱 패널들로 조립될 수 있다. 또한, ED 디바이스는 안전 및 구조적 이유들로 압력 용기에 삽입될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 프레임들은 외부 형태에 있어서 정사각형이고, 그리고 본질적으로 고체인 벽들을 갖는다. 과도하게 두꺼운 섹션들을 방지하기 위해 프레임들이 사출 성형될 것이라면, 벽들은 중심부가 제거될 수 있다. 동작 동안 가압된 유체가 모듈식 유닛들을 통과해 펌핑되고, 그래서 보강 리브(rib)들이 강성 및 세기를 위해 벽에 부가될 수 있다. 프레임들의 외부 형상은 정사각형일 필요가 없다. 예컨대, 도 25는 외부 형상에 있어서 실질상 원형이고 그리고 사출 성형을 위해 설계되는 프레임(2520)을 도시한다. 직사각형들, 육각형들 및 팔각형들은 다른 가능한 형상들 중에 있다. 또한, 프레임의 면들은 길이 및 개수에 있어서 비대칭적일 수 있다.
도 26은 두 개의 몰드된 엔드플레이트들 사이의 여섯 개의 모듈식 유닛들(2600)을 도시하고, 전부는 (투명하게 도시된) 원통형 용기(2680) 내에 하우징된다. 엔드플레이트들 상의 O-링들은 단부들에 있는 원통의 내벽에 대해 밀봉된다. 원통은, 어셈블리 동안 모듈식 블록들의 정렬, ED 디바이스 내의 흐름 컴파트먼트들 및 매니폴드들이 동작 동안 가압되므로 둥근 프레임들에 대한 구조적 지지, 모듈식 유닛들 사이 및 유닛들과 엔드플레이트들 사이의 O-링들 중 임의의 것이 누설된다면 외부 누설들의 방지를 포함하여, 그리고 코스메틱 커버로서, 다수의 기능들을 가질 수 있다. 프레임들이 충분한 강성 및 세기로 설계 및 제조될 수 있다면, 원통형 용기는 필수적이지 않을 수 있다. 하나 또는 그 초과의 비-구조적 코스메틱 커버들이 모듈식 유닛들을 둘러싸는데 사용될 수 있다. 도 27 및 도 28 각각은, 프레임 없이 원형 인클로저에 삽입된 모듈식 유닛을 예시한다. 도 29 및 도 30은 슬롯들(3090)을 포함하는 프레임(3020)으로 구성된 모듈식 유닛을 예시한다.
본 발명은 전기투석 장비에 대한 사용으로 제한되지 않는다. 전기탈이온화(EDI) 또는 지속적 전기탈이온화(CEDI)와 같은 다른 전기화학적 탈이온화 디바이스가, 셀 쌍들이 삽입된 슬롯들을 갖는 모듈식 프레임을 이용한 멀티 패스들을 갖는 십자 흐름 구성을 이용하여 또한 구성될 수 있다.
십자-흐름 전기투석(ED) 및 전기탈이온화(EDI) 디바이스들에서, 희석 스트림 및 농축 스트림은 서로 직교인 방향들로 흐른다. 잠재적 애플리케이션들은 오일 및 가스 생산으로부터 해수, 기수(brackish water) 및 소금물들의 담수화를 포함한다.
다양한 설계들 및 제조 방법들이 십자-흐름 모듈식 유닛들을 위해 사용될 수 있다. 몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 모듈식 유닛들은 용기에 포함될 수 있다. 적어도 하나의 비-제한적 실시예에서, 용기는 실질상 원통형일 수 있다. 도 27은 50개 셀 쌍 모듈식 유닛을 예시한다. 이 설계에서, 오픈 인렛 매니폴드 및 오픈 아울렛 매니폴드는 도 28에 도시된 바와 같은 흐름 컴파트먼트들과 직접 유체 통신한다. 오픈 매니폴드들은, 각각의 스트림 내의 압력 강하를 감소시키지만, 하나의 전극으로부터 다른 전극으로의 전기 전류의 일부가 오픈 구역들을 통과해 흐름으로써 셀 쌍들의 스택을 우회할 수 있다. 우회 전류는 전류 효율성을 감소시키고 그리고 에너지 소비량을 증가시킨다. NaCl 용액들의 담수화를 위해, 전류 효율성이 아래와 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00001
여기서:
Figure pct00002
= 전류 효율성
Figure pct00003
= 인렛에서의 희석 컴파트먼트당 흐름 레이트
Figure pct00004
= 인렛에서의 희석 컴파트먼트당 흐름 레이트
Cin = 희석 인렛에서의 농도
Cout = 희석 아울렛에서의 농도
z = 원자가(valence) = NaCl에 대해 1
F = 패러데이의 상수
I = 전류
해수의 담수화를 위해, 전류 효율성은 아래와 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00005
여기서:
Ci = 개별 이온들의 농도
zi = 개별 이온들의 원자가
"프로세스 효율성
Figure pct00006
"가 NaCl 용액들에 대해 아래와 같이 정의될 수 있다:
Figure pct00007
일반적으로, 프로세스 효율성은 전류 효율성과 동일하거나 또는 그 미만이다:
Figure pct00008
여기서:
Figure pct00009
= 전기-삼투 또는 삼투로 인해 희석 컴파트먼트로부터의 물 손실 레이트.
몇몇의 실시예들에서, 시스템들 및 방법들은 프레임에 의해 모든 면들 상에서 셀 쌍들의 스택을 지지할 수 있다. 프레임은 수직 슬롯들을 가질 수 있고, 도 29 및 도 30에 예시된 바와 같이 상기 수직 슬롯들은 희석 스트림 및 농축 스트림에 대한 인렛 매니폴드 및 아울렛 매니폴드를 스택 내의 각자의 개별 흐름 컴파트먼트들에 연결시킨다. 그러한 설계의 예상되는 잇점들 중에는 스택에 대해 인렛들 및 아울렛들에 있는 오픈 구역들의 제거에 의한 전류 우회의 감소가 있다. 셀 쌍들의 스택은 프레임 내에서 코너들에서 포팅되어, 모듈식 서브-블록이 형성될 수 있고, 상기 모듈식 서브-블록은 십자-누설들, 담수화 성능 및 압력 강하에 대해 체크될 수 있다. 다수의 블록들이 적층되어, ED 모듈식 유닛이 형성될 수 있다. 차단 멤브레인들이 블록들 사이에 삽입되어, 희석 스트림 및/또는 농축 스트림이 멀티-패스 흐름 구성들로 지향될 수 있다. 도 31은 이상적 전기화학적 분리 시스템 내에서의 이동 프로세스들을 예시한다. 도 32는 전기화학적 분리 시스템 내의 전류 비효율성들을 포함하는 이동 프로세스들을 예시하고, 그리고 도 33은 전기화학적 분리 시스템 내의 물 손실과 함께 전류 비효율성을 포함하는 이동 프로세스들을 예시한다.
도 34는 프레임과 스택 사이의 갭들을 통과해 그리고 스택의 하나의 단부로부터 다른 단부로의 수직 슬롯들 내에서 흐름으로써 전류가 스택을 여전히 우회할 수 있음을 예시한다. 그러므로, 슬롯들을 통한 전류 우회가 중대하다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 방법들은 십자-흐름 ED 디바이스들 내에서 전류 우회를 감소시킬 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 서브-블록 프레임 내의 흐름 통로들은, 스택을 우회하고 그리고 이로써 전류 효율성을 증가시키는 전류의 비율을 감소시킬 수 있다. 통로들은 인렛 포트 및 아울렛 포트를 셀 쌍들의 스택 내의 흐름 컴파트먼트들에 연결시킬 수 있다. 도 35는 서브-블록 프레임 내의 흐름 통로들 내 유체 체적을 도시한다. 예컨대, 스트림 1은 인렛 포트에 있는 프레임으로 들어가고 그리고 통로들의 격자를 통과해 스택 안으로 흐른다. 간략성을 위해, 스택 내의 유체 체적은 투명한 블록으로 표현된다. 스택 내의 흐름 컴파트먼트들 내 실제 유체 체적은 멤브레인들 및 스크린들에 의해 정의된다. 스택으로부터, 스트림 1은 통로들의 제2 격자를 통해 아울렛 포트로 흐른다. 스트림 2는 스트림 1에 직교로 배향된다; 그렇지 않으면, 흐름 통로들의 설계는 동일하다.
도 36은 스트림 1에 대한 인렛 흐름 통로들의 상세도이다. 인렛 포트로부터의 흐름은 평행한 다수의 수평 통로들에 분배된다. 차례로, 각각의 수평 통로는 상기 흐름의 자신의 부분을, 수직 통로들을 통해 스택 내의 다수의 흐름 컴파트먼트들에 분배한다. 흐름 컴파트먼트들의 아울렛에서, 통로들의 반전 시퀀스(수직 통로들→수평 통로들→아울렛 포트)가 흐름이 서브-블록을 빠져나가게 허용한다.
도 37은 우회 전류가 스택의 하나의 단부로부터 다른 단부로 일련의 수직 통로 및 수평 통로만을 통과해 흐를 수 있음을 도시한다; 수평 톨로들은 포트 매니폴드들을 통해서만 서로 유체 통신한다. 우회 경로들의 두 개의 세트들이 있고, 하나는 인렛 포트 매니폴드를 경유하고 그리고 다른 하나는 아울렛 포트 매니폴드를 경유한다. 삽입부(3795)는 인렛 매니폴드(3797)를 포함한다.
그러므로, 서브-블록을 관통하는 전류 경로들은 세 개의 저항기들을 병렬로 갖는 회로로서 표현될 수 있다; 하나의 저항기는 스택 내의 셀 쌍들의 저항이고, 그리고 다른 두 개의 저항기들은 우회 전류를 위한 경로들의 두 개의 세트들의 저항들이다.
통로들의 적절한 크기결정에 의해, 우회 전류를 위한 콘볼루티드(convoluted) 경로들의 전기 저항은 스택을 관통하는 직접 경로의 저항보다 상당히 더 높게 만들어질 수 있다. 그러므로, 전류의 대부분은 스택을 통과해 흐르도록 강제될 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 전류의 적어도 70%는 스택을 통과해 흐를 수 있고 그리고 그러므로 적어도 약 70% 전류 효율성이 달성될 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 전류의 적어도 80%는 스택을 통과해 흐를 수 있고 그리고 그러므로 적어도 약 80% 전류 효율성이 달성될 수 있다. 적어도 몇몇의 실시예들에서, 전류의 적어도 90%는 스택을 통과해 흐를 수 있고 그리고 그러므로 적어도 약 90% 전류 효율성이 달성될 수 있다.
스택에 인접한 흐름 통로들은 각각이 여러 셀 쌍들과 통신하도록 수직으로 배향된다. 상기 흐름 통로들은 매 흐름 컴파트먼트가 다수의 수직 통로들과 통신하도록 도 38에 도시된 바와 같이 수직으로 스태거드된다. 수직 통로 및 수평 통로의 간격 및 치수들은 스택 내의 흐름 컴파트먼트 내 흐름 분배와 두 개의 스트림들에서의 전체 압력 강하에 영향을 끼친다. 전산유체역학(CFD:Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어가 설계를 최적화하는데 사용될 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, 도 36에 도시된 바와 같은 내부 흐름 통로들은 물질의 블록으로 형성될 수 있다. 따라서, 내부 흐름 통로들은 프레임에 포함될 수 있다. 다른 실시예들에서, 흐름 통로들의 적어도 부분은 물질의 별도의 섹션으로 형성될 수 있고 그리고 그런 다음 프레임에 삽입될 수 있다. 예컨대, 삽입부는 흐름 통로들의 부분을 포함할 수 있다. 삽입부는, 별도로 제조되고 그리고 그런 다음 프레임 내에 설치되는 슬롯들 및/또는 그루브들을 포함할 수 있다.
도 39는 수직 흐름 통로 및 수평 흐름 통로를 각각 형성하기 위한, 삽입부(3995)의 하나의 면 상의 수직 슬롯들과 다른 면 상의 수평 그루브들을 도시한다. 삽입부는, 기계화에 의해 또는 몰드에 의해 제조될 수 있다. 도 40은 기계화에 의한 제조로 처리할 수 있는 프레임(4020) 설계의 예를 도시한다. 프레임은 삽입부들을 위한 네 개의 리세스들(4025) 그리고 포트 매니폴드들을 형성하기 위한 네 개의 비교적 넓은 그루브들을 갖는다. 서브-블록을 다른 서브-블록에 대해 밀봉시키기 위한 O-링들에 대한 그루브들과 같은 피처들은 명확성을 위해 도시되지 않는다. 도 41은 거꾸로 설치될 삽입부(4095)를 갖는 프레임을 관통하는 섹션 뷰를 도시한다. 스택이 접착제들로 코너들에서 프레임에 포팅되기 전에, 전부 네 개의 삽입부들 ― 각각의 스트림을 위해 두 개씩 ― 이 설치된다. 도 42는 각각의 수평 통로가 평행한 다수의 수직 통로들과 어떻게 유체 통신하는지 그리고 수평 통로들이 포트 매니폴드를 통해 어떻게 서로 유체 통신하는지를 도시하는 섹션 뷰이다. 다시, 셀 쌍들의 스택은 간략성을 위해 투명한 박스로 표현된다. 또한, 도시된 바와 같은 삽입부는 부가적 슬롯들을 최상단 및 최하단 상에 갖고, 상기 부가적 슬롯들은, 스택의 최상단 단부 및 최하단 단부에 흐름을 공급하는 프레임 내 슬롯들과 유체 통신한다. 도 43은 도 39에 도시된 삽입부들을 수용할 수 있는 몰드 프레임(4310)의 예를 도시한다. 프레임 설계는, 무게를 최소화시키기 위해, 최대 내부 압력 하에서 변형 및 스트레스에 관한 기계적 사양들을 충족시키면서, 일부 비용에 영향을 끼치는 유한 요소 분석(FEA:Finite Element Analysis) 소프트웨어를 이용하여 최적화될 수 있다. 도 44는 몰드 프레임(4420)의 다른 예를 도시한다. 삽입부들을 위한 리세스들(4425)은, 프레임의 전체 원형 형상에 들어맞는 만곡된 벽들을 갖는다. 이러한 프레임 설계를 이용한 다수의 서브-블록들은 적층될 수 있고 그리고 원통형 하우징에 삽입될 수 있다. 도 45는 만곡된 면 상에 수평 그루브들을 갖는 대응하는 삽입부를 도시한다. 흐름 통로들 전부가 삽입부들 내에 놓여야 하는 것은 아니다. 도 46에 예시된 바와 같이, 수평 흐름 통로들을 제공하기 위해 수평 그루브들이 프레임들(4620) 내에 위치될 수 있는 반면에, 수직 슬롯들은 삽입부들 내에 위치될 수 있다. 십자-흐름 모듈식 유닛을 위한 최선의 프레임 및 삽입부 설계의 선택은, 컴포넌트 제조 및 어셈블리의 상대적 복잡성 및 비용들에 의해 영향받을 것이다.
삽입부 및 프레임들은 처리될 유체와 화학적 호환성 및 필수 기계적 특성들을 갖는 물질들로 제조될 수 있다. 예컨대 해수의 담수화와 같은 애플리케이션들에서, 플라스틱 물질들이 부식에 대한 그들의 저항성 및 저비용 때문에 선호된다. 잠재적 플라스틱들은 폴리비닐 염화물(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드들(PA 또는 나일론), 아크릴로나이트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리설폰(polysulfone), 또는 노릴 ― 노릴은 폴리페닐렌 산화물(PPO)과 폴리스티렌(PS)의 블렌드임 ― 과 같은 플라스틱들의 블렌드들을 포함한다. 유리 섬유들과 같은 보강 필터들이 화학적 저항성과 기계적 및 열적 특성들의 개선을 위해 부가될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 탈이온화 디바이스는 적어도 하나의 셀 쌍과 프레임을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 셀 쌍은 프레임 내에 포함될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 전기화학적 탈이온화 디바이스는 전기투석 디바이스를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 전기화학적 탈이온화 디바이스는 전기탈이온화 디바이스를 포함할 수 있다. 프레임은 하나 또는 그 초과의 슬롯들을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 블록들은 슬롯들 내에 있을 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 슬롯들은 적어도 하나의 셀 쌍에 직교할 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 십자-흐름 전기화학적 분리 디바이스는 모듈식 유닛을 포함할 수 있다. 모듈식 유닛은 적어도 하나의 셀 쌍과 프레임을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 셀 쌍은 프레임에 부착될 수 있다. 디바이스는 전기투석 디바이스일 수 있다. 다른 실시예들에서, 디바이스는 전기탈이온화 디바이스일 수 있다. 프레임은 하나 또는 그 초과의 슬롯들을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 블록들은 슬롯들 내에 있을 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 슬롯들은 적어도 하나의 셀 쌍에 직교할 수 있다. 디바이스는 각각의 모듈식 유닛 사이에 차단 멤브레인 또는 스페이서를 더 포함할 수 있다. 디바이스는 복수의 모듈식 유닛들을 포함할 수 있다. 모듈식 유닛들은, 멀티-패스 흐름 구성을 허용하도록 배열될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 모듈식 유닛들은 원통형 용기 내에 포함될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 전기화학적 탈이온화 디바이스의 어셈블리 방법은, 제1 이온 교환 멤브레인을 제1 스크린에 본딩시키는 단계, 제2 이온 교환 멤브레인을 제1 이온 교환 멤브레인 및 스크린에 본딩시키는 단계, 셀 쌍을 형성하기 위해 제2 스크린을 제1 이온 교환 멤브레인, 제1 스크린 및 제2 이온 교환 멤브레인에 본딩시키는 단계, 셀 쌍들의 스택을 형성하기 위해 복수의 셀 쌍들을 서로 본딩시키는 단계, 셀 쌍들의 스택을 프레임에 삽입시키는 단계, 및 모듈식 유닛을 형성하기 위해 셀 쌍들의 스택을 프레임에 대해 밀봉시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 제1 이온 교환 멤브레인을 모듈식 유닛의 제1 면에 대해 밀봉시키는 단계, 및 제2 이온 교환 멤브레인을 모듈식 유닛의 제2 면에 대해 밀봉시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 방법은, 제1 모듈식 유닛을 제2 모듈식 유닛 상에 배치시키는 단계, 부가적 모듈식 유닛을 제1 모듈식 유닛 및 제2 모듈식 유닛 상에 배치시키는 단계, 및 원하는 개수의 복수의 모듈식 유닛들을 획득하기 위해 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다. 복수의 모듈식 유닛들은 원통형 용기에 삽입될 수 있다.
몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 셀 쌍들의 스택은 연장된 멤브레인들로 시작될 수 있고 종료될 수 있다. 이는, 희석 스트림, 농축 스트림 및 전극 스트림을 프레임 내에서 격리시키는 것을 도울 수 있다. 연장된 멤브레인들은 스택 내의 멤브레인들의 나머지와 상이한 형상을 가질 수 있다. 연장된 멤브레인들은 적어도 하나의 면, 예컨대 두 개의 면들로 주요 스택에 본딩될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 스크린의 코너들은 멤브레인 코너들에서 스택 밖으로 돌출될 수 있다. 스크린의 코너들을 돌출시키는 것은, 코너 포팅 이후에 멤브레인들을 고정시키기 위한 보강재로서 추후에 동작할 수 있거나, 또는 코너 포팅 동안 저-점성 포팅 물질을 스택으로 끌어당기기 위해 윅(wick)할 수 있다. 네 개의 코너들의 포팅을 완료한 이후 컴파트먼트를 형성하기 위해, 최상단 및 최하단 멤브레인들의 연장된 부분은 도 47a에 도시된 바와 같이 접힐 수 있고 그리고 도 47b에 도시된 바와 같이 본딩될 수 있다. 형성된 컴파트먼트를 이용하여, 스택 내의 밀봉부들의 무결성이 체크될 수 있다. 그런 다음, 최종 어셈블리 이후 희석 유체가 다른 서브-블록으로 전달되게 허용하기 위해 오프닝이 생성될 수 있다. 농축 유체는 희석 유체 및 전극 유체로부터 분리될 수 있다. O-링들 또는 개스킷들이 사용될 수 있고, 여기서 서브-블록은 다른 서브-블록 또는 전극 플레이트에 접합된다. 몇몇의 실시예들에서, 연결부를 형성하기 위해, 단일 o-링 또는 개스킷이 사용될 수 있다. 서브-블록 내에서, 내부 지지 구조의 네 개의 피스들이 스택의 네 개의 코너들과 함께 포팅되어, 인렛 포트 및 아울렛 포트를 위해 측벽 상에 평편한 표면이 생성될 수 있다. 포트들은 두 개의 서브-어셈블리들의 어셈블리 동안 중요할 수 있는데, 그 이유는 스트림들이 혼합되지 않을 것임을 보장하기 위해 포트들이 서브-블록 연결부에서 별도의 농축 스트림 및 희석 스트림에 교대의 흐름 경로를 제공하기 때문이다. 또한, 포트들은, 어셈블리 동안 서브 블록들과 단부 블록들 사이의 밀봉을 용이하게 하기 위해 포트들 위아래에 있는 멤브레인 상에 평편한 고체 표면들을 생성할 수 있다. 외부 지지 구조는 모듈식 유닛의 정압을 억제하기 위한 보강재로서 동작할 수 있어, 멤브레인 파열이 방지된다. 또한, 본딩을 강화시키기 위해 외부 지지 구조는 내부 지지 구조와 함께 동작할 수 있다. 외부 지지 구조의 각각의 피스 상의 돌출부들은 오정렬을 방지하기 위해 어셈블리 동안 안내를 제공할 수 있다. 포트 연결기들은 서브-블록들의 연결을 제공할 수 있다. 포트 연결기는, 연장된 멤브레인을 관통하는 서브 블록 연결부에 걸쳐 있는 흐름 경로가 요구될 때 플러깅될 수 있다. 또한, 포트 연결기는, 코너들을 몰드시키기 위해 포팅 재료를 주입하기 전에, 연장된 멤브레인의 네 개의 면들 전부가 접혀서 프레임-평 패턴을 만듦을 보장하기 위해 외부 지지 구조 및 내부 지지 구조를 제자리에 클램핑할 수 있다. 최상단 스크린 및 최하단 스크린은, 부가적인 지지 세기를 연장된 멤브레인들에 제공하기 위해 코너들 포팅과 함께 포팅될 수 있다. 두 개의 스크린들은 각각의 연결부에서 서브-블록들의 연장된 멤브레인들 사이의 스페이서로서의 역할을 할 수 있다. o-링 또는 개스킷들을 위한 그루브들이 코너들 포팅된 프로파일(corners potted profile)의 단부들 둘 다로 몰드될 수 있다. 매니폴드들 내의 정압을 견디기 위해 동작 동안 코너들 포팅된 프로파일은 내부 지지 구조 및 외부 지지 구조를 함께 유지시킬 수 있다. 스크린의 코너들을 통해 윅하는 포팅된 코너 부분은 스택을 밀봉하기 위해 동작할 수 있다. 상기 포팅된 코너 부분은 또한, 농축 매니폴드로부터 희석 매니폴드를 분리시키기 위해 격리 블록으로서의 역할을 할 수 있어, 십자-누설이 방지된다. 코너 프로파일의 단부들은, 연결부들 전부에서 밀봉부의 과도한 클램프 다운을 방지하는 스토퍼(stopper)로서 동작할 수 있다. 도 47c는 이들 실시예들에 따른 어셈블리를 예시한다. 몇몇의 실시예들에서, 제조는, 멤브레인들 사이의 제1 본딩 세트와 스택의 네 개의 코너들에 있는 제2 본딩 세트를 포함할 수 있다. 예컨대 o-링들을 이용하여 다수의 모듈식 유닛들이 조립될 수 있고, 그리고 서브-블록 품질 제어 시험이 생산 동안 수행될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 모듈식 유닛을 제공하기 위한 인렛 매니폴드 및 아울렛 매니폴드 또는 모듈식 유닛을 포함하는 프레임 또는 지지부 구조 내에 셀 스택이 고정될 수 있다. 그런 다음, 이러한 모듈식 유닛은 하우징 내에 고정될 수 있다. 모듈식 유닛은 브라킷 어셈블리를 더 포함할 수 있거나, 또는 모듈식 유닛을 하우징에 고정시킬 수 있는 코너 지지부를 더 포함할 수 있다. 제2 모듈식 유닛이 하우징 내에 고정될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 부가적 모듈식 유닛들이 하우징 내에 고정될 수 있다. 본 개시의 특정 실시예들에서, 차단 스페이서가 제1 모듈식 유닛과 제2 모듈식 유닛 사이에 위치될 수 있다. 몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 단일-패스 흐름 구성들로 희석 컴파트먼트 및 농축 컴파트먼트를 갖는 셀 쌍들의 스택들이 섹션들 내에서 밀봉되어, 모듈식 유닛들이 형성될 수 있다. 유닛들은 차단 스페이서들과 함께 접합되어, 그 사이에 멀티 패스 구성들이 형성될 수 있다. 코너들에서 접착제를 이용하여 스택들은 하우징 섹션에 대해 밀봉될 수 있다. 차단 스페이서들은 하우징의 내벽에 대해 밀봉될 필요가 없지만, 모듈식 유닛들 사이에 끼어 삽입되고 그리고 단부들 사이에서 밀봉된다. 몇몇의 비-제한적 실시예들에서, 단부들에 플랜지들을 갖는 두 개의 모듈식 유닛들이 그 사이에 차단 스페이서와 함께 적층될 수 있다. 플랜지들은 서로 볼트될 수 있다. 차단 스페이서는, 프레임을 이용하여 몰드될 수 있고 그리고 접착제들 또는 개스킷들을 이용하여 플랜지들 사이에 밀봉될 수 있다. 대안적으로, 서모플라스틱 물질 또는 다른 제조 방법의 프레임이 몰드될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 모듈식 유닛들은 클램프들 또는 타이 바들을 이용하여 연결될 수 있다. 따라서, 차단 스페이서의 설계가 변경될 수 있다. 도 48은 플랜지를 이용하여 조립된 모듈식 유닛들의 하나의 비-제한적 실시예들을 예시한다.
하나 또는 그 초과의 실시예들에 따라, 본 명세서에서 논의된 바와 같은 삽입부는, 균일한 흐름 분배를 촉진시키도록 그리고 전기화학적 분리 디바이스를 통과하는 흐름에서 멤브레인 양단의 압력 강하가 낮아지도록 설계될 수 있다. 균일한 흐름 분배는 스페이서들의 스케일링을 방지하는 것과 전류 효율성을 개선시키는 것을 도울 수 있다. 인렛 포트 위치 및 아울렛 포트 위치와 삽입부의 오프닝 크기가 흐름 분배에 영향을 끼치기 위해 가변될 수 있다. CFD 소프트웨어는 흐름 분배 및 압력 강하의 평가를 용이하게 할 수 있다. 더 낮은 압력 강하는 더 낮은 펌핑 요건을 유도할 수 있다. 또한, 모듈식 유닛이 더 얇은 물질로 만들어질 수 있으므로, 모듈식 유닛 비용이 감소될 수 있다. 삽입부들은 흐름 분배기로서 동작할 수 있고 그리고 전류 효율성을 개선시킬 수 있다. 흐름 분배를 가변시키기 위해 포트들 또는 소트(sot)들의 크기는 삽입부 상에서 가변될 수 있다. 도 49는 중심부 쪽으로 위치된 포트들(4997)을 갖는 흐름 분배기 또는 삽입부(4995)를 예시한다. 몇몇의 실시예들에서, 삽입부 상의 슬롯들의 크기는 상이한 위치들에서 가변될 수 있다.
이들 실시예들 및 다른 실시예들의 기능 및 장점들은 아래의 예들로부터 더욱 완전히 이해될 것이다. 예들은 사실상 예시적인 것으로 의도되고, 그리고 본 명세서에 개시된 실시예들의 범위를 제한하는 것으로서 간주되지 않을 것이다.
예 1
십자-흐름 구성을 이용하여 두 개의 모듈식 유닛들이 구성되었다. 모듈식 유닛들 전부는 단일 패스 내에 50개 셀 쌍들을 포함했다. 도 27 및 도 28에서 예시된 바와 같이, 제어 모듈식 유닛은 프레임을 포함하지 않았지만, 원형 인클로저에 단순히 삽입되었다. 도 29 및 도 30에서 예시된 바와 같이 슬롯들을 포함하는 프레임을 이용하여 제2 모듈식 유닛이 구성되었다. 모듈식 유닛들 둘 다에 대한 멤브레인당 유효 면적은 0.024m2이다. 흐름 경로 길이는 17.1㎝이다. 멤브레인 간 간격은 0.038㎝이다. 모듈식 유닛들 전부는 NaCl을 포함하는 피드 물로 동작되었다. 전기 포텐셜이 모듈식 유닛들 둘 다에 인가되었고, 그리고 전류 효율성이 결정된다.
동작 파라미터들은 아래와 같았다:
모듈식 유닛 제어 프레임
피드 전도성 mS/㎝ 56.16 55.9
생성물 전도성 mS/㎝ 55.23 54.08
암페어 A 2.01 3.0
생성물 흐름 레이트 1/분 2.81 2.66
전류 효율성 % 49 63.3
프레임이 없는 제어 모듈식 유닛은 49%의 측정된 전류 효율성을 가졌다. 프레임을 갖는 모듈식 유닛은 63.3%의 측정된 전류 효율성을 가졌다. 이는, 슬롯들을 갖는 프레임을 이용할 때 대략 29%의 전류 효율성 개선을 표현한다.
예 2
3-패스 흐름 구성으로 145개 셀 쌍들을 갖는 프로토타입 모듈식 유닛이 조립되었다. 셀 쌍들은 3개 프레임들 내에 있었고, 상기 3개 프레임들은 50개 셀 쌍들, 50개 셀 쌍들 및 45개 셀 쌍들을 각각 포함한다. 피드로서 56mS/㎝ NaCl 용액을 이용한 시험들에서, 2.0-4.3㎝/s의 범위 내의 흐름 속도를 이용하여, 평균 프로세스 효율성은 65%였다.
예 3
지지 프레임 내에 삽입부를 갖는 모듈식 유닛(베타 2.5)은 지지 프레임 내에 삽입부가 없는 모듈식 유닛(베타 2)과 비교하여 동작되었다. 데이터는, 삽입부와 결합된 더 높은 압력 강하를 예시하는 도 4에서 표현된다.
예 4
중심 매니폴드를 갖는 삽입부를 이용하는 모듈식 유닛은, 오프셋 매니폴드를 갖는 삽입부를 이용하는 모듈식 유닛과 비교할 때 전산유체역학(CFD) 소프트웨어를 이용하여 모델링 및 시뮬레이션되었다. 결과들은, 오프셋 매니폴드가 중심 매니폴드보다 측면들에서 더 넓은 영역의 낮은 속도 흐름과 결합되었다는 것을 표시했다. 스케일링은 낮은 속도의 영역들에서 형성될 가능성이 많을 수 있어서, 중심 매니폴드가 더 나은 흐름 분배를 제공할 수 있다. 또한, 중심 매니폴드는 오프셋 매니폴드의 압력 강하보다 약 14% 더 낮은 압력 강하와 결합되었다.
본 명세서에서 논의된 방법들 및 장치들의 실시예들이 아래의 설명에서 전개되거나 또는 동반된 도면들에서 예시된 컴포넌트들의 구성 및 어레인지먼트의 세부사항들에 대한 적용으로 제한되지 않음이 인정될 것이다. 방법들 및 장치들은 다른 실시예들의 구현을 할 수 있고, 그리고 다양한 방식들로 구현될 수 있거나 또는 수행될 수 있다. 특정 구현들의 예들은 본 명세서에서 단지 예시적 목적들을 위해 제공되고, 그리고 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 특히, 임의의 하나 또는 그 초과의 실시예들과 관련하여 논의된 동작들, 엘리먼트들 및 피처들은 임의의 다른 실시예에서 유사한 역할로부터 배제되는 것으로 의도되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용된 어법 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 그리고 제한하는 것으로서 간주되어서는 안된다. 단수형으로 지칭된, 본 명세서의 시스템들 및 방법들의 실시예들 또는 엘리먼트들 또는 동작들에 대한 임의의 참조들은 또한 복수의 이들 엘리먼트들을 포함하는 실시예들을 포괄할 수 있고, 그리고 본 명세서의 임의의 실시예 또는 엘리먼트 또는 동작에 대한 복수형의 임의의 참조들은 단지 단일 엘리먼트를 포함하는 실시예들을 또한 포괄할 수 있다. "포함하는", "갖는" 및 이들의 변형들의 본 명세서에서의 사용은, 이후에 열거된 항목들 및 이들의 대등물들, 그리고 부가적 항목들을 포함하는 것으로 의미된다. "또는"에 대한 참조들은 포괄적인 것으로서 해석될 수 있어, "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어들이 설명된 용어들 중 하나의 용어, 하나보다 많은 용어들, 그리고 용어들 전부 중 임의의 것을 표시할 수 있다. 앞과 뒤, 좌와 우, 최상단과 최하단, 상부와 하부, 그리고 수직과 수평에 대한 임의의 참조들은 설명의 편의를 위해 의도되고, 본 시스템들 및 방법들 또는 그들의 컴포넌트들을 임의의 하나의 위치 또는 공간적 배향으로 제한시키는 것으로 의도되지 않는다.
적어도 하나의 실시예의 위의 여러 양상들을 설명하여, 다양한 변경들, 수정들, 및 개선들이 기술분야의 당업자에 대해 쉽게 일어날 것임이 인정될 것이다. 그러한 변경들, 수정들, 및 개선들은 이 개시의 일부인 것으로 의도되고 그리고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 앞선 설명 및 도면들은 단지 예일 뿐이다.

Claims (20)

  1. 전기화학적 분리 모듈식 유닛으로서,
    복수의 교대의 감손 컴파트먼트들 및 농축 컴파트먼트들을 정의하는 셀 스택; 및
    상기 셀 스택을 둘러싸고, 상기 셀 스택을 통과하는 유체 흐름을 용이하게 하도록 구성된 매니폴드 시스템을 포함하는 프레임
    을 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 셀 스택의 수직 정렬을 유지시키도록 구성된,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 매니폴드 시스템은, 각각의 감손 컴파트먼트의 인렛 및 각각의 농축 컴파트먼트의 인렛과 유체 통신하는 인렛 매니폴드를 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 매니폴드 시스템은, 각각의 감손 컴파트먼트의 아울렛 및 각각의 농축 컴파트먼트의 아울렛과 유체 통신하는 아울렛 매니폴드를 더 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 프레임은, 상기 매니폴드 시스템과 유체 통신하는 흐름 분배 시스템을 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 흐름 분배 시스템은 각각의 감손 컴파트먼트의 인렛 및 각각의 농축 컴파트먼트의 인렛과 유체 통신하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 흐름 분배 시스템은 전류 손실을 감소시키도록 구성된 적어도 하나의 우회 경로를 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 흐름 분배 시스템은 제1 방향으로 배향된 복수의 제1 유체 통로들을 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 흐름 분배 시스템은, 제2 방향으로 배향되고 상기 복수의 제1 유체 통로들과 유체 통신하는 복수의 제2 유체 통로들을 더 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질상 직교하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 흐름 분배 시스템은 삽입부를 포함하고, 그리고 상기 프레임은 상기 삽입부를 수용하도록 구성된 리세스를 정의하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 삽입부는, 상기 셀 스택에 대한 균일한 흐름 분배를 촉진시키도록 구성된 격자 구조를 정의하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 삽입부는 상기 셀 스택과 가장 가까운 제1 면 및 상기 제1 면에 반대 편인 제2 면을 갖고, 그리고 상기 삽입부는 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 적어도 하나의 면 상에 복수의 포트들을 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 삽입부의 상기 제1 면 상의 각각의 포트는 상기 셀 스택의 이온 교환 멤브레인들에 실질상 직교로 배향되고, 그리고 상기 삽입부의 상기 제2 면 상의 각각의 포트는 상기 셀 스택의 이온 교환 멤브레인들에 실질상 평행하게 배향되는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 면 상의 적어도 하나의 포트는 상기 셀 스택의 두 개 또는 그 초과의 컴파트먼트들과 유체 통신하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 면 상의 복수의 포트들은 스태거드되는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 스택은, 상기 셀 스택을 정의하는 이온 교환 멤브레인들의 표면적에 대하여 적어도 약 85%의 유체 접촉을 달성하도록 구성 및 배열되는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 감손 컴파트먼트들 및 상기 농축 컴파트먼트들 중 적어도 하나는 차단 스페이서 또는 흐름 재분배기를 포함하는,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 스택은, 상기 감손 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향이 상기 농축 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향과 상이하도록 구성된,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 스택은, 상기 감손 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향이 상기 농축 컴파트먼트들을 통과하는 흐름의 방향에 실질상 직교하도록 구성된,
    전기화학적 분리 모듈식 유닛.
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