KR20140009160A - 다중-리프 역삼투 엘리먼트 - Google Patents

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KR20140009160A
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leaf
osmosis element
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라마사미 티야가라잔
토드 알랜 앤더슨
구룸콘다 스리니바사 라오 하누만스
필립 폴 베오챔프
아누브하브 쿠마르
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

역삼투 엘리먼트가 제공된다. 이 역삼투 엘리먼트는 코어 프레임을 형성하도록 배치되는 다수의 투과수 튜브들(102)을 포함한다. 이 역삼투 엘리먼트는 코어 프레임 상에 감겨지는 다수의 리프들(202, 204)을 더 포함한다. 다수의 리프들의 각 리프는 다수의 투과수 튜브들 중 하나의 투과수 튜브에 연결된다. 농축수 유로는 코어 프레임의 다수의 투과수 튜브들에 의해 한정되고, 코어 프레임 상에 감겨지는 다수의 리프들에 의해 밀봉된다. 이 역삼투 엘리먼트는 다수의 투과수 튜브들에 연결되는 제 1 및 제 2 단부 캡들을 포함한다. 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 농축수 배출 포트를 포함하고, 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 하나 이상의 투과수 배출 포트들을 포함한다.

Description

다중-리프 역삼투 엘리먼트{MULTI-LEAF REVERSE OSMOSIS ELEMENT}
본 명세서에 제시된 실시형태들은 역삼투 엘리먼트들, 더 구체적으로는 스파이럴 피드 플로(spiral feed flow) 역삼투 엘리먼트들에 관한 것이다.
역삼투는 물과 같은 유체를 정화하기 위해 널리 사용된다. 역삼투에서, 기수(brackish) 또는 오염된 물, 해수 등과 같은 공급 용액은 공급수의 삼투압보다 높은 압력으로 반투과성 멤브레인을 통과한다. 투과수, 예를 들면, 정화된 물은 반투과성 멤브레인의 반대측 상에서 얻어진다.
현재의 역삼투 시스템은 전형적으로 엘리먼트를 통해 축방향으로 유동하는 공급수 및 코어 내로 나선상으로 유동하는 투과수를 구비하는 크로스 플로(cross flow) 방식의 엘리먼트들을 포함한다. 별로 일반적이지는 않지만, 스파이럴 피드 플로 엘리먼트들도 또한 존재한다. 크로스 플로 엘리먼트들 및 스파이럴 피드 플로 엘리먼트들의 양자는 코어 주위에 감겨진 리프(leaf)를 포함한다. 이 리프는 막 엘리먼트의 2 개의 층들 사이에 개재되는 투과수 캐리어(carrier)의 층 및 하나 또는 양자의 막 엘리먼트 층들에 인접하여 배치되는 공급수 스페이서(spacer)의 층을 포함한다. 크로스 플로 엘리먼트들에서, 공급 용액은 고압으로 축방향으로 크로스 플로 엘리먼트 내로 공급된다. 공급 용액은 막 엘리먼트를 통해 유동하고, 투과수는 투과수 캐리어를 통해 코어 내로 나선상으로 유동한다. 스파이럴 피드 플로 엘리먼트들에서, 공급 용액은 엘리먼트를 통해 나선상으로 유동한다. 투과수는 스파이럴 피드 플로 엘리먼트의 코어 내의 투과수 유로 내에 수집되어 스파이럴 피드 플로 엘리먼트의 일 단부 또는 양 단부에서 배출되고, 동시에 농축수는 코어 내의 별도의 농축수 유로 내에 수집되어 스파이럴 피드 플로 엘리먼트의 일 단부 또는 양 단부로부터 유출된다. 스파이럴 피드 플로 엘리먼트 내의 코어는 투과수 유동 및 농축수 유동을 위한 별도의 유로들을 포함한다.
일반적으로 높은 투과수 회수를 달성하기 위해 다수의 크로스 플로 엘리먼트들이 직렬로 연결될 수 있다. 투과수가 크로스 플로 엘리먼트를 통해 회수될 때, 공급수 속도는 공급수 유로 내에서 감소한다. 이와 같은 공급수 유동 속도의 감소는 역삼투 막 표면의 오염의 원인이 될 수 있다. 공급수 유동 속도의 감소를 극복하기 위한 하나의 기술은 테이퍼식 배열로 크로스 플로 엘리먼트들을 배치하는 것을 포함한다. 테이퍼식 배열은 직렬로 배관된 다중 단계들(multiple stages)을 포함한다. 각 단계는 병렬로 배관된 다중 크로스 플로 엘리먼트들을 포함한다. 각 연속적인 단계는 이전 단계에 비해 더 적은 병렬의 크로스 플로 엘리먼트들을 포함한다. 예를 들면, 3 단계의 테이퍼식 배열은 제 1 단계에서 병렬의 4 개의 크로스 플로 엘리먼트들을 포함할 수 있고, 2 단계에서 병렬의 2 개의 크로스 플로 엘리먼트들에 공급(feeding)하고, 다음에 3 단계에서 단일의 크로스 플로 엘리먼트에 공급한다. 각 단계는 다음 단계에 농축수를 공급한다. 그러나, 이 테이퍼식 배열은 역삼투 시스템의 비용 및 복잡성을 증가시킬 수 있다.
더욱, 공급 용액 압력은 크로스 플로 엘리먼트를 팽창시켜, 공급수 유로 유동 경로를 개방시키는 원인이 될 수 있다. 이와 같은 팽창은 또한 공급수의 속도를 감소시킨다. 공급수 압력 하에서 크로스 플로 엘리먼트가 팽창하지 않도록 하기 위해, 크로스 플로 엘리먼트들은 전형적으로 케이싱 내에 봉입된다. 또한, 크로스 플로 엘리먼트들은 공급 용액 압력의 축방향 부하에 기인되어 텔리스코핑(telescoping)을 겪을 수 있다. 텔리스코핑을 방지하기 위한 하나의 해결책은 크로스 플로 엘리먼트들의 단부들에 배치되는 텔리스코핑 방지 장치를 사용하는 것이다. 그러나, 텔리스코핑 방지 장치는 크로스 플로 엘리먼트들의 활동 면적을 감소시키고, 역삼투 시스템의 비용을 추가하고 또한 복잡성을 증가시킨다.
스파이럴 피드 플로 엘리먼트들은 대략 동등한 나선상 길이의 공급수 유로들 및 투과수 유로들을 갖는다. 투과수의 배압을 최소로 감소시키고, 또한 고효율을 달성하기 위해, 짧은 나선상 길이를 갖는 리프가 요구된다. 그러나, 짧은 나선상 길이를 갖는 리프는 작은 외경을 갖는 스파이럴 피드 플로 엘리먼트들, 또는 다중의 짧은 리프들을 허용하기 위해 복잡한 코어 설계를 갖는 스파이럴 피드 플로 엘리먼트들을 초래한다.
그러므로, 이들 및 기타 단점들을 극복하는 역삼투 엘리먼트에 대한 요구가 존재한다.
역삼투 엘리먼트가 제공된다. 이 역삼투 엘리먼트는 코어 프레임을 형성하도록 배치되는 다수의 투과수 튜브들을 포함한다. 이 역삼투 엘리먼트는 투과수 튜브들에 연결되는 다수의 리프들을 더 포함한다. 적어도 하나의 코어 프레임 및 코어 프레임 상에 감겨진 다수의 리프들은 농축수 유로를 형성한다. 이 역삼투 엘리먼트는 다수의 투과수 튜브들에 연결되는 제 1 및 제 2 단부 캡들을 포함한다. 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 농축수 배출 포트를 포함하고, 또한 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 하나 이상의 투과수 배출 포트들을 포함한다.
네스팅식(nested) 역삼투 엘리먼트가 제공된다. 이 네스팅식 역삼투 엘리먼트는 외측 코어 프레임 및 이 외측 코어 프레임의 내부에 배치되는 내측 코어 프레임를 형성하도록 배치되는 다수의 투과수 튜브들을 포함한다. 이 네스팅식 역삼투 엘리먼트는 투과수 튜브들에 연결되는 다수의 리프들을 더 포함한다. 중간 유로가 외측 코어 프레임과 내측 코어 프레임 사이에 형성된다. 이 중간 유로는 외측 코어 프레임, 이 외측 코어 프레임 상에 감겨진 다수의 리프들 중 제 1 리프들, 내측 코어 프레임, 이 내측 코어 프레임 상에 감겨진 다수의 리프들 중 제 2 리프들 중 적어도 하나에 의해 형성된다. 내측 코어 프레임 및 이 내측 코어 프레임 상에 감겨진 다수의 리프들 중 제 2 리프들 중 적어도 하나는 농축수 유로를 형성한다. 네스팅식 역삼투 엘리먼트는 다수의 투과수 튜브들에 연결되는 제 1 및 제 2 단부 캡들을 또한 포함한다. 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 농축수 배출 포트들을 포함하고, 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 하나 이상의의 투과수 배출 포트들을 포함한다.
도 1은 하나의 실시형태에 따른 예시적인 역삼투 엘리먼트 코어를 도시하는 도면,
도 2는 하나의 실시형태에 따른 예시적인 역삼투 엘리먼트 코어의 단면도,
도 3은 하나의 실시형태에 따른 투과수 튜브에 연결되는 예시적인 리프 구조를 도시하는 도면,
도 4는 다른 실시형태에 따른 투과수 튜브에 연결되는 예시적인 리프 구조를 도시하는 도면,
도 5a는 하나의 실시형태에 따른 예시적인 단부 캡의 외관도,
도 5b는 하나의 실시형태에 따른 예시적인 단부 캡의 내부도,
도 6은 하나의 실시형태에 따른 다중 역삼투 엘리먼트들의 예시적인 구성을 도시하는 도면,
도 7은 하나의 실시형태에 따른 예시적인 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어를 도시하는 도면,
도 8은 하나의 실시형태에 따른 예시적인 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어를 도시하는 도면,
도 9는 또 다른 실시형태에 따른 예시적인 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어를 도시하는 도면.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 명세서에 제시된 다양한 실시형태들을 상세히 설명한다. 그러나, 이 실시형태들이 이 특정의 세부사항의 전부 또는 일부를 이용하여 실시될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 다른 예에서, 주지된 공정 단계들 또는 엘리먼트들은, 실시형태들의 설명이 불필요하게 애매해지지 않도록 상세히 설명하지 않았다. 이하의 예시적 실시형태들 및 그 양태들은 범위를 한정하지 않는 설명적 실시예로서 작성된 장치, 방법 및 시스템과 연결하여 설명 및 예시될 것이다.
본 명세서에 제시된 실시형태들은 다중-리프 스파이럴 피드 플로 역삼투(RO) 엘리먼트들을 설명한다. 이 스파이럴 피드 플로 역삼투 엘리먼트는, 예를 들면, 기수 또는 해수를 탈염하기 위한 탈염 시스템에서 사용될 수 있다. 공급수는 고압 하에서 스파이럴 피드 플로 역삼투 엘리먼트의 외주 상에 배치되는 하나 이상의 입구들 내로 펌핑된다. 공급수는 정제수(투과수) 및 불순물(농축수)을 분리하는 감겨진 막 적층체를 통한 나선상 경로를 따른다.
도 1은 하나의 실시형태에 따른 예시적인 역삼투 엘리먼트 코어(100)를 도시한다. 이 엘리먼트 코어(100)는 코어 프레임을 형성하도록 배치되는 다수의 투과수 튜브들(102)을 포함한다. 이 투과수 튜브(102)는 중합체, 금속, 복합재, 합금 등과 같은 재료를 이용하여 제작될 수 있으나, 이들 재료에 한정되지 않는다. 이 투과수 튜브(102)는 도 1에 도시된 바와 같이 원형 단면을 가질 수 있다. 대안적으로, 투과수 튜브(102)는 눈물 방울(tear drop) 형상의 단면, 날개 형상의 단면, 삼각 형상의 단면 등을 가질 수 있다. 눈물 방울 형상, 날개 형상 또는 삼각 형상의 단면을 가지는 투과수 튜브들(102)은 리프와 더 우수한 결합을 가능하게 한다.
투과수 튜브(102)는 다수의 천공들(104)을 포함한다. 다수의 천공들(104)은 원형 구멍들, 종방향 슬릿들, 횡방향 슬릿들 등을 포함할 수 있다. 천공들(104)은 투과수 튜브들(102)을 갱 드릴링(gang drilling)함으로써 형성될 수 있다. 슬릿들 및 다각형 천공들과 같은 더 복잡한 형상의 천공들이 펀치를 이용하여 형성될 수 있다. 이 천공들(104)은 리프(도 1에 도시되 않음)로부터 투과수 튜브(102) 내로의 투과수의 유동을 촉진한다.
농축수 유로(106)는 코어 프레임의 투과수 튜브들(102)에 의해 형성된다. 각 투과수 튜브(102)는 리프에 연결된다. 리프들은 코어 프레임 상에 감겨져서, 스파이럴 피드 플로 역삼투 엘리먼트를 형성한다. 코어 프레임 상의 리프들의 권취(winding)는 농축수 유로(106)를 밀봉한다. 다시 말하면, 농축수 유로(106)는 코어 프레임의 투과수 튜브들(102)의 내측 범위에 의해 한정되고, 또한 코어 프레임 상에 리프들을 감아서 한정되는 개방 유로이다.
다수의 투과수 튜브들(102)은 단부 캡들(108)에 연결된다. 단부 캡들(108)은 투과수 튜브들(102)로부터 투과수의 배출을 촉진시키기 위한 하나 이상의 투과수 배출 포트들(110)을 포함할 수 있다. 이 단부 캡들(108)은 또한 농축수 유로(106)로부터 농축수를 배출하기 위한 적어도 하나의 농축수 배출 포트(112)를 포함할 수 있다. 도 1은 다수의 투과수 배출 포트들(110) 및 하나의 농축수 배출 포트(112)를 포함하는 양 단부 캡들(108)을 도시한다. 단부 캡들(108) 상의 배출 포트들의 다양한 다른 구성들이 가능하다. 예를 들면, 2 개의 단부 캡들(108) 중 하나는 투과수 배출 포트들(110)을 포함할 수 있고, 다른 단부 캡(108)은 농축수 배출 포트(112)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 역삼투 엘리먼트의 대향 단부들로부터 농축수 및 투과수의 배출이 가능하다. 대안적으로, 하나의 단부 캡(108)은 투과수 배출 포트들(110) 및 농축수 배출 포트(112)를 포함할 수 있고, 한편 다른 단부 캡(108)은 배출 포트들을 포함하지 않을 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 역삼투 엘리먼트의 동일한 단부로부터 투과수 및 농축수의 배출이 가능하다. 이 단부 캡들(108)을 도 5a 및 도 5b와 연결하여 더 설명한다.
도 2는 하나의 실시형태에 따른 예시적인 역삼투 엘리먼트(200)의 단면도를 도시한다. 역삼투 엘리먼트(200)는 다수의 투과수 튜브들(102a, 102b)을 포함한다. 간단히 하기 위해, 천공들(104)은 도 2에 도시되어 있지 않다. 투과수 튜브들(102)은 각각 리프 엘리먼트에 연결된다. 이 리프 엘리먼트들은 투과수 캐리어(202), 반투과성 멤브레인(204), 및 공급수 스페이서(206) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 2는 리프 엘리먼트들의 배열의 하나의 실시예를 도시한다. 투과수 튜브들(102)에 연결되는 리프 엘리먼트들은 투과수 캐리어(202), 반투과성 멤브레인(204), 및 공급수 스페이서(206)를 포함한다. 투과수 튜브들(102b)에 연결되는 리프 엘리먼트들은 투과수 캐리어(202) 및 반투과성 멤브레인(204)을 포함하지만, 공급수 스페이서(206)는 포함하지 않는다. 이와 같은 배열은 필요 이상의 공급수 스페이서 엘리먼트들을 감소시키는데 도움이 될 수 있다. 이와 같은 배열은 또한 역삼투 엘리먼트의 총 직경을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 이와 같은 배열은 동일한 직경 내에 더 많은 리프들을 수용할 수 있다. 그러나, 당연히 모든 리프 엘리먼트들은 모두 3 개의 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
리프들은 투과수 튜브(102)의 주위에 각 리프를 래핑(wrapping)시킴으로써 투과수 튜브들(102)에 연결될 수 있다. 대안적으로, 리프들은 투과수 튜브들(102) 내로의 투과수의 유동을 촉진시키기 위해 투과수 튜브들(102)에 접착될 수 있다. 리프들을 투과수 튜브들(102)에 접착하기 위해 적절한 접착제가 사용될 수 있다. 투과수 캐리어(202)는 투과수 튜브(102)에 대향하는 단부에서 종방향 측들 및 횡방향 측 상에 시일(208)을 포함할 수 있다. 이 시일(208)은 투과수 캐리어(202) 내에 함침된 열경화성 중합체와 같은 적절한 밀봉 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 이 시일(208)은 막들(204) 사이의 투과수 캐리어(202) 내로 공급 용액의 직접적인 진입을 방지한다. 이 시일(208)은 또한 투과수 캐리어(202)의 측부들로부터 투과수의 누설을 방지한다. 도 3 및 도 4는 하나의 실시형태에 따른 투과수 튜브들(102a, 102b)에 연결되는 예시적인 리프들을 도시한다. 도 3 및 도 4는 투과수 튜브(102)에 대향하는 종방향 측들 및 횡방향 측 상에 형성되는 시일(208)을 도시한다.
도 5a는 하나의 실시형태에 따른 예시적인 단부 캡(108)의 외관도(500)를 도시한다. 투과수 튜브들(102) 및 농축수 유로(106)로부터 각각 투과수 및 농축수를 추출하기 위해, 외측 배관 연결(도시되지 않음) 또는 다른 엘리먼트 코어(100)가 단부 캡들(108), 특히 투과수 배출 포트들(110) 및 농축수 배출 포트(112)에 연결될 수 있다.
이 연결은 투과수 배출 포트들(110) 및 농축수 배출 포트(112) 상의 나사산을 포함하는 나사식일 수 있다. 대안적으로, 이 외측 배관은 접착제를 사용하여 투과수 배출 포트들(110) 및 농축수 배출 포트(112)에 접착될 수 있다.
도 5b는 하나의 실시형태에 따른 예시적인 단부 캡(108)의 내부도(510)를 도시한다. 이 단부 캡(108)은 플라스틱, 복합재, 금속, 합금 등과 같은 임의의 재료로부터 제작될 수 있으나, 이들 재료에 한정되지 않는다. 이 단부 캡(108)은 사출 성형과 같은 기술을 이용하여 제작될 수 있으나, 이 기술에 한정되지 않는다.
단부 캡들(108) 및 투과수 튜브들(102)은 투과수 튜브들(102) 및 투과수 배출 포트들(110) 상에 제공되는 나사산들을 이용하여 함께 연결될 수 있다. 대안적 실시형태에서, 단부 캡들(108) 및 투과수 튜브들(102)은 접착제를 이용하여 접착될 수 있다. 추가의 실시형태에서, 단부 캡들(108) 및 투과수 튜브들(102)은 융합되어, 단일 배열을 형성할 수 있다.
도 6은 하나의 실시형태에 따른 다중 역삼투 엘리먼트들(602)의 예시적인 구성(600)을 도시한다. 이 구성(600)은 3 개의 역삼투 엘리먼트들(602a, 602b, 602c)의 실시예를 도시한다. 더욱이, 본 기술분야의 통상 전문가는 역삼투 엘리먼트들(602)의 개수는 시스템의 요구조건에 따라 변화될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이 구성(600)은 압력 용기(604)를 포함할 수 있다. 이 압력 용기(604)는 압력 용기(604) 내로 가압된 공급수의 유동을 촉진시키기 위해 입구(606)를 포함할 수 있다. 공급수는, 예를 들면, 기수의 경우 2 ~ 17 바(30 ~ 250 psi) 및 해수의 경우 40 ~ 70 바(800 ~ 1000 psi)의 고압으로 입구(606) 내로 펌핑될 수 있다. 더욱이, 압력 용기(604)의 크기 및 공급수의 압력은 시스템에 의해 실시되는 역삼투 엘리먼트들(602)의 개수, 사용되는 리프 엘리먼트들의 유형, 역삼투 엘리먼트 당 리프 엘리먼트들의 개수, 필요한 회수 레벨 등과 같은 요인에 기초하여 변화될 수 있으나, 이들 요인에 한정되지 않는다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 투과수 배출 포트들(110) 및 농축수 배출 포트(112)의 양자를 갖는 단부 캡들(108)은 3 개의 역삼투 엘리먼트들(602a, 602b, 602c)을 연결하는 외측 배관들을 따라 3 개의 역삼투 엘리먼트들(602a, 602b, 602c)의 각각에 대해 제공될 수 있다.
더욱이, 역삼투 엘리먼트들(602a, 602c)의 각각의 일 단부에서, 투과수 출구(610)는 양 단부로부터 투과수를 추출하기 위해 압력 용기(604)의 각 단부 상에 연결될 수 있다. 유사하게, 역삼투 엘리먼트들(602a, 602c)의 각각의 일 단부에서, 농축수 출구(608)는 양 단부로부터 농축수를 추출하기 위해 압력 용기(604)의 각 단부 상에 연결될 수 있다. 투과수 출구(610)와 투과수 배출 포트들(110) 사이의 연결은 전술한 바와 같이 투과수 파이프(102) 및 단부 캡들(108)을 부착하기 위해 사용되는 기술들 중 임의의 것을 사용하여 행해질 수 있다. 유사한 유형의 연결이 농축수 배출 포트(112) 및 농축수 출구 파이프(608)를 연결하기 위해 사용될 수 있다.
도 7은 하나의 실시형태에 따른 예시적인 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(700)를 도시한다. 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(700)는 역삼투 작업을 수행하기 위해 2 레벨(level)의 네스팅을 포함한다. 이 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(700)는 한 세트의 외측 투과수 튜브들(702) 및 한 세트의 내측 투과수 튜브들(704)을 포함할 수 있다. 외측 투과수 튜브들(702)은 내측 투과수 튜브들(704)에 비해 직경이 더 클 수 있고, 또 개수가 더 많을 수 있다. 네스팅식 역삼투 엘리먼트의 외측 레벨 의해 얻어지는 투과수 회수의 양은 내측 투과수 튜브들(704)의 크기 및 개수를 통제한다.
외측 투과수 튜브들(702)은 중간 유로(710)를 한정한다. 외측 리프 엘리먼트들(윤곽선(706)으로 표시됨)은 중간 유로(710)를 밀봉한다. 이 외측 리프 엘리먼트들은 공급 용액의 역삼투 회수의 제 1 단계를 제공한다. 역삼투 회수의 제 1 단계로부터 얻어지는 투과수는 외측 투과수 튜브들(702) 내에 수집되고, 관련되는 투과수 배출 포트들을 통해 배출된다. 다음에 중간 농축수 용액은 내측 리프 엘리먼트들을 통해 역삼투 회수의 제 2 단계 처리를 받는다. 중간 유로는 내측 리프 엘리먼트들(윤곽선(708)으로 표시됨)을 위한 압력 용기로서 작용한다. 역삼투 회수의 제 2 레벨로부터 얻어지는 투과수는 내측 투과수 튜브들(702) 내에 수집되고, 관련되는 투과수 배출 포트들을 통해 배출된다. 다음에 농축수는 농축수 유로(706) 내에 수집되고, 관련되는 농축수 배출 포트를 통해 배출된다.
내측 투과수 튜브들(702)의 크기 및 개수는 네스팅식 역삼투 엘리먼트의 외측 레벨에 의해 얻어지는 투과수 회수의 양에 의해 좌우된다. 예를 들면, 네스팅식 역삼투 엘리먼트의 외측 레벨이 50%의 투과수 회수를 제공하는 경우, 네스팅식 역삼투 엘리먼트의 내측 레벨은 네스팅식 역삼투 엘리먼트의 외측 레벨의 입구에서의 공급수 유동 속도에 필적하는 공급수 유동 속도를 유지하기 위해 외측 레벨의 투과수 튜브들의 1/2의 투과수 회수를 필요로 할 수 있다.
도 8은 다른 실시형태에 따른 예시적인 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(800)를 도시한다. 이 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(800)는 역삼투 작업을 수행하기 위한 2 레벨의 네스팅을 포함한다. 이 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(800)는 외측 프레임을 형성하는 한 세트의 외측 투과수 튜브들(802) 및 다중 내측 프레임들을 형성하는 다중 세트의 내측 투과수 튜브들(804)을 포함할 수 있다. 이와 같은 역삼투 엘리먼트의 작동은 도 7에 관련하여 설명된 것과 유사하다.
도 9는 또 다른 실시형태에 따른 예시적인 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(900)를 도시한다. 이 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(900)는 역삼투 작업을 수행하기 위한 3 레벨의 네스팅을 포함한다. 이 네스팅식 역삼투 엘리먼트 코어(900)는 한 세트의 외측 투과수 튜브들(902), 한 세트의 중간 투과수 튜브들(904), 및 한 세트의 내측 투과수 튜브들(906)을 포함한다. 이 공급 용액은 3 단계의 역삼투 회수 처리를 받고, 역삼투 회수의 각 단계로부터의 투과수는 각각의 투과수 튜브들(902, 904, 906) 내에 수집된다. 이와 같은 역삼투 엘리먼트의 작동은 도 7과 관련하여 설명된 것과 유사하다.
이 네스팅식 역삼투 엘리먼트들(700, 800, 900)은 별개의 배출 포트들을 통해 역삼투 회수의 상이한 단계들로부터 얻어지는 투과수들을 배출할 수 있다. 대안적으로, 네스팅식 역삼투 엘리먼트들(700, 800, 900)의 모든 단계들의 투과수 튜브들 내에 수집되는 투과수는 공동의 투과수 출구들을 통해 배출될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 네스팅식 다중 리프 역삼투 엘리먼트들은 종래의 단일 단계의 역삼투 엘리먼트 설계에 비해 고효율 및 더 높은 회수율을 갖는 콤팩트한 역삼투 엘리먼트를 제공한다. 내측 단계들 내의 리프트들의 감소된 개수는 내측 공급수 유로들 내의 높은 공급수 유동 속도를 유지하는데 도움을 주고, 따라서 반투과성 멤브레인의 오염의 가능성을 감소시킨다. 이 네스팅식 다중 리프 역삼투 엘리먼트들은 도 6과 관련하여 설명된 것과 유사한 구성으로 적층될 수 있다.
본 명세서에 제시되는 실시형태들에서 특정의 실시예 및 적용 분야들이 설명되었으나, 이것은 설명의 목적을 위한 것에 불과하다. 본 기술분야의 전문가는 이 설명으로부터 첨부된 청구항의 사상 및 범위 내에서만 제한되는 개조 및 변경에 의해 이와 같은 실시형태들이 실시될 수 있다는 것을 인지할 것이다.

Claims (20)

  1. 역삼투 엘리먼트에 있어서,
    코어 프레임을 형성하기 위해 배치되는 다수의 투과수 튜브들(permeate tubes)과,
    상기 코어 프레임 상에 감겨진 다수의 리프들로서, 다수의 리프들의 각 리프가 상기 다수의 투과수 튜브들 중 하나의 투과수 튜브에 연결되는, 상기 다수의 리프들과,
    상기 코어 프레임의 상기 투과수 튜브들 및 상기 코어 프레임 상에 감겨진 다수의 리프들에 의해 한정되는 농축수 유로(retentate channel)와,
    상기 다수의 투과수 튜브들의 대향 단부들에 연결되는 제 1 및 제 2 단부 캡들을 포함하고,
    제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 농축수 배출 포트를 포함하고, 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 하나 이상의 투과수 배출 포트들을 포함하는
    역삼투 엘리먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다수의 투과수 튜브들은 원형 단면, 삼각형 단면, 눈물 방울 형상의 단면, 및 날개 형상의 단면 중 하나를 갖는
    역삼투 엘리먼트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    다수의 리프들의 각 리프는 투과수 캐리어 및 반투과성 멤브레인을 포함하는
    역삼투 엘리먼트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    다수의 리프들의 하나 걸러의 리프들은 공급수 스페이서를 추가로 포함하는
    역삼투 엘리먼트.
  5. 제 3 항에 있어서,
    다수의 리프들의 각 리프는 공급수 스페이서를 추가로 포함하는
    역삼투 엘리먼트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    다수의 리프들의 각 리프는 상기 투과수 튜브의 주위에 상기 리프를 래핑(wrapping)시킴으로써 상기 투과수 튜브에 연결되는
    역삼투 엘리먼트.
  7. 제 1 항에 따른 역삼투 엘리먼트를 포함하는 정수 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    직렬로 배치되는 다수의 역삼투 엘리먼트들을 포함하는
    정수 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    인접하는 역삼투 엘리먼트의 농축수 배출 포트들은 유체 연통 상태인
    정수 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    인접하는 역삼투 엘리먼트의 투과수 배출 포트들은 유체 연통 상태인
    정수 시스템.
  11. 역삼투 엘리먼트에 있어서,
    외측 프레임 및 상기 외측 프레임 내에 배치되는 내측 프레임을 형성하도록 배치되는 다수의 투과수 튜브들과,
    상기 외측 프레임 상에 감겨지는 제 1 다수의 리프들로서, 상기 제 1 다수의 리프들의 각 리프는 상기 외측 프레임의 하나의 투과수 튜브에 연결되는, 상기 제 1 다수의 리프들과,
    상기 내측 프레임 상에 감겨지는 제 2 다수의 리프들로서, 상기 제 2 다수의 리프들의 각 리프는 상기 내측 프레임의 하나의 투과수 튜브에 연결되는, 상기 제 2 다수의 리프들과,
    상기 외측 프레임의 상기 투과수 튜브들 및 상기 외측 프레임 상에 감겨지는 상기 제 1 다수의 리프들에 의해 한정되는 중간 유로와,
    상기 내측 프레임의 상기 투과수 튜브들 및 상기 내측 프레임 상에 감겨지는 상기 제 2 다수의 리프들에 의해 한정되는 농축수 유로와,
    다수의 투과수 튜브들에 연결되는 제 1 및 제 2 단부 캡들을 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 농축수 배출 포트를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 단부 캡들 중 적어도 하나는 하나 이상의 투과수 배출 포트들을 포함하는
    역삼투 엘리먼트.
  12. 제 10 항에 있어서,
    다수의 투과수 튜브들은 원형 단면, 삼각형 단면, 눈물 방울 형상의 단면, 및 날개 형상의 단면 중 하나를 갖는
    역삼투 엘리먼트.
  13. 제 11 항에 있어서,
    다수의 리프들의 각 리프는 투과수 캐리어 및 반투과성 멤브레인을 포함하는
    역삼투 엘리먼트.
  14. 제 13 항에 있어서,
    다수의 리프들의 하나 걸러의 리프들은 공급수 스페이서를 추가로 포함하는
    역삼투 엘리먼트.
  15. 제 13 항에 있어서,
    다수의 리프들의 각 리프는 공급수 스페이서를 추가로 포함하는
    역삼투 엘리먼트.
  16. 제 11 항에 있어서,
    다수의 리프들의 각 리프는 상기 투과수 튜브의 주위에 상기 리프를 래핑시킴으로써 상기 투과수 튜브에 연결되는
    역삼투 엘리먼트.
  17. 제 11 항에 따른 역삼투 엘리먼트를 포함하는 정수 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    직렬로 배치되는 다수의 역삼투 엘리먼트들을 포함하는
    정수 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    인접하는 역삼투 엘리먼트의 농축수 배출 포트들은 유체 연통 상태인
    정수 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    인접하는 역삼투 엘리먼트의 투과수 배출 포트들은 유체 연통 상태인
    정수 시스템.
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