KR20140016890A

KR20140016890A - 수처리를 위한 전기투석 유닛

Info

Publication number: KR20140016890A
Application number: KR1020137021689A
Authority: KR
Inventors: 아아제 비요른 안데르센
Original assignee: 오션세이버 아에스
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2014-02-10
Also published as: EA027702B1; JP2014503355A; AU2016204945A1; WO2012098059A1; EA201391039A1; SG191999A1; CN103443034B; AU2012208719B2; SG10201504966SA; AU2012208719A1; EP3239106A1; GB201100769D0; SG10201504969VA; SG10201504970VA; EA201790573A1; US9561971B2; AU2016204946A1; EP2665685B1; GB2487247B; EP2665685A1

Abstract

전기투석 유닛(8)은 다수의 음극들(68), 다수의 양극들(70) 및 다수의 박막들(71)을 포함하고; 음극들(68) 및 양극들(70)은 전극 스택 내에 교대로 배치되고, 각각의 음극(68) 및 양극(70) 중간에 박막들(71)이 구비되고; 음극(68) 및 양극(70)은 각각 단일의 전도성 플레이트의 형태로 되어 전극 스택 내부에 둘러싸인 음극 플레이트들 및 양극 플레이트들의 양쪽 표면들은 사용 중에, 처리되는 물과 전도성 접촉을 한다.

Description

수처리를 위한 전기투석 유닛{ELECTRODIALYSIS UNIT FOR WATER TREATMENT}

본 발명은 바람직하게 밸러스트 수처리와 같은 해수의 처리, 미생물들을 죽이기 위한 처리와 같이, 전기투석에 의한 수처리에 관한 것이다.

밸러스트 수는 선박들에 의해 밸러스트 수 탱크들(ballast water tanks) 내에 또는 때때로 화물창들(cargo holds) 또는 화물 탱크들(cargo tanks) 내와 같은 다른 적절한 공간들 내에 운송된 물이다. 그것은 화물과 같은 중력의 지점의 변화를 보정하도록 물 “제공” 위치(water “donor” location)에서 탱크들 안으로 펌핑되고(pumped) 및/또는 연료가 배출되고/소비되어 안정성을 유지할 수 있다. 올바른 밸러스팅(ballasting)은 구조적인 관점에서 필수적이며 또한 바람직한 선박 이동(vessel movement) 및 취급 특징들(handling characteristics)을 관리하는 것뿐만 아니라 적합한 프로펠러(propeller) 및 러더(rudder) 잠금(immersion), 적합한 교량 경관(bridge view)을 보증하기 위해 성능적인 이유들에서 이용된다. 밸러스트 수는 물 “수용” 위치(water “recipient” location)에 운송되고, 일반적으로 선박에 화물이 실려지는 지점이며, 잠재적으로 밸러스트 수 발생(origin) 위치의 생물-지리 지역(bio-geographic region)의 외부이다. 화물이 선상에 운반된 때 그것은 배출될 수 있다. 밸러스트 수에는 동물 플랑크톤, 식물성 플랑크톤, 박테리아 및 바이러스들을 포함하는 종들의 범위가 기생할 수 있다(host). 이것들은 배출의 지점에서 자연적 포식자들을 구비하지 않을 수 있으며 환경, 산업 및 인간 건강에 대한 상당한 문제들을 야기시키는 새로운 위치를 확립하고 그곳에서 재생산할 수 있다.

미생물들을 죽이거나 무력하게 하고 다른 오염 물질들을 감소시키거나 제거하기 위하여 물 및 특히 밸러스트 수를 처리하는 것이 바람직하다.

WO 2008/047084에는 박막 셀(membrane cell) 내에서 전기투석의 이용을 포함하는 밸러스트 수처리를 위한 방법 및 장치가 개시된다. 이러한 유형의 전기투석은 이온-교환 박막에 의해 분리되는 두 개의 전극들 사이에서, 일정한 또는 펄스로 중의 어느 하나로, 전위차를 적용하는 것에 의해 이온-분리에 기초되는 유체 처리 공정이다. 하나의 전극은 음이온을 끌어당기는 양극(양 전하)으로서 수행하는 반면 다른 것은 양이온을 끌어당기는 음극(음 전하)으로서 수행할 것이다. 박막 및 양극 사이의 구획 내의 유체는 초과하는 전자들을 구비하는 음이온을 특징으로 할 것이며 농축물(concentrate)로서 언급될 수 있는 반면, 박막 및 음극 사이의 구획 내의 유체는 부족한 전자를 구비하는 양이온의 영향을 특징으로 할 것이며 희석물(diluate)로서 언급될 수 있다.

일부 전기투석 공정들에서, 다중 박막 셀들은 전기투석 스택(electrodialysis stack)으로 불리는 구성으로 배치되며, 일반적으로 단일 양극 및 음극 사이에서, 다중 박막 셀들을 형성하는 음이온 및 양이온 교환 박막들이 교대(alternating)한다. 공지된 전기투석의 이용들은 대규모의 염수(brackish) 및 해수 담수화(desalination) 및 소금 생산, 및 작고 중간 규모의 식수 생산이다. 전기투석은 또한 중금속과 같은 특정 오염물질들의 분리를 위해 장치 산업(process industry)에서 사용된다.

WO 2008/047084의 공개공보에서 밸러스트 수는 주요 흐름(main flow)으로부터 밸러스트 수의 일부를 분리하고, 박막 셀을 통해 그것을 통과시키고, 주요 흐름에 박막 셀의 산출물을 반환하는 것에 의해 처리된다. 반환된 산출물은 주로 농축물이고 이것은 물 내의 미생물들을 죽이거나 무력화시키는 효과를 구비한다. 효과적인 수처리가 전기투석 처리 유닛을 통해 전체 물 흐름을 통과시킬 필요 없이 획득되므로, 전기투석 처리 유닛을 통해 물의 일부만을 안내하고 박막 셀의 산출물을 물에 반환하는 개념은 종래 기술에서 진보를 나타냈다.

그러므로, WO 2008/047084의 전기투석 디바이스는 밸러스트 수처리와 같은 수처리들과 함께 이용을 위해 전기투석 처리의 이로운 형태를 제공한다. 그러나, 밸러스트 수와 같은 물을 처리하기 위하여 이러한 유형의 전기투석 처리의 이용에 관한 추가적인 연구는 개선들이 이루어질 수 있는 분야들을 확인했다.

본 출원의 청구항들은 이하에서 제4 내지 제6 측면에 관한 것이다. 이하에 설명된 다른 측면들은 여기에서 지금 청구되지 아니하며 다른 관련된 발명들을 설명하기 위해 포함된다.

제1 측면에서 보여지는 바와 같이, 본 발명은 다음을 포함하는 전기투석 유닛을 제공한다: 음극, 양극, 음극 및 양극 사이의 박막, 음극 측 상에서 박막을 따라 물 흐름을 위한 음극 흐름 경로, 양극 측 상에서 박막을 따라 물 흐름을 위한 양극 흐름 경로, 및 음극이 양극을 마주보는 경우 박막 및 음극 사이에 형성된 반응 구역. 음극 흐름 경로는 반응 구역 내에 층류를 위해 배치되고 전기투석 유닛은 음극 흐름 경로에 유입되는 물 흐름 내의 층류를 조장하기 위해 배치된 흐름 조절 요소들을 포함한다.

해수는 순수하게 염화나트륨을 구비하는 물의 용액이 아니며 대신에 잘 공지된 염화나트륨 및 물 반응들과 함께 이차 반응들을 초래하는 혼합물들 및 다른 소금들을 포함한다. 예를 들어, 마그네슘 소금은 해수 내에서 약 3-4%의 소금을 형성할 수 있다. 이차 반응들 중의 하나는 전기투석 유닛의 음극 측 상에서, 브루사이트, Mg(OH)₂를 산출하는 것으로 밝혀졌다. 브루사이트는 우유 같은(milky) 백색의 끈적끈적한(sticky) 성분의 외관을 구비한다. 뜻밖에도, 발명자들은 보통의 해수가 사용될 때 전기투석 공정이 전기투석 유닛 내에 이러한 브루사이트 성분을 형성하고 부르사이트 침전물이 내부 흐름 채널들 내에 축적되는 것을 발견했다. 이러한 문제는 공지된 종래 기술에서 개시되지 않는다. 상기 측면의 전기투석 유닛은 이러한 새로운 문제를 다루기 위한 특징들을 포함한다.

일반적으로, 종래의 전기투석 유닛들은 난류 및 이차 흐름들을 조장하는 것을 추구할 것이며, 이는 이러한 혼합 공정이 전기투석 반응들을 돕고 박막을 가로질러 이온 운송을 가속시키는 것으로 예상되기 때문이다. 따라서, 관례적으로 층류가 사용되지 않고 음극 측 상의 층류를 담보하기 위하여 공지된 디바이스들 내에서 아무런 조치들이 취해지지 않는다. 본 배치는 브루사이트 침전물들이 잠재적인 문제이고 층류를 조장하기 위한 구조들을 포함하는 것에 의해 브루사이트의 축적이 방지될 수 있다는 인식에 기초된다. 브루사이트 침전물들의 형성은 종래의 전기투석 유닛들 내에서 불균일하거나 이차적인 흐름들 및 난류에 의해 도움이 된다. 이러한 흐름 패턴들을 구비하여 재순환하는(recirculating) 물 흐름의 움직이지 않는(dead) 장소들 또는 구역들은, 브루사이트가 가둬지는 곳을 형성한다. 이는 브루사이트가 덩어리가 되거나 굳어지고 더 큰 침전물들로 성장하게 한다.

만약 흐름이 층류라면 이차적인 흐름 구조들은 발생하지 않는다. 층류를 조장하는 것을 의도하는 특징들을 포함하는 것에 의해 물이 반응 구역에 들어가기 전에 상기 측면의 전기투석 유닛은 반응 구역 내에 형성될 수 있는 다른 오염물질들 및 브루사이트의 밀집체 또는 응고물에 대한 가능성을 감소시킨다. 반응 구역을 통해 층류를 유지하는 것은 오염물질들의 디바이스 내부에 가둬지거나 갇히게 되는 가능성을 감소시킨다. 반응 구역은 양극 및 음극이 일어날 전기투석 반응을 위해 충분히 겹치는 전기투석 유닛의 영역이다. 브루사이트 침전물들의 형성이 방지될 때 유닛은 잦은 세정을 요구하지 않는다. 다른 오염물질들의 축적 또한 감소될 수 있다.

바람직하게, 흐름 조절 요소들은 반응 구역에 앞서는 영역 내에 층류를 조장하도록 배치된다. 반응 구역 내의 음극 흐름 경로는 일반적으로 일정한 치수들의 곧은-측면으로 된(straight-sided) 흐름 경로일 수 있다. 변화하는 형상 및 크기의 흐름 경로 내의 영역들은 바람직하게 반응 구역의 외부에 있으며, 바람직하게 반응 구역으로부터 멀리 이격된다.

바람직하게 음극 흐름 경로는 반응 구역 내의 장애물들로부터 자유롭다. 이는 난류의 발생을 방지하고, 그렇지 않으면 물이 장애물에 대해 흐를 때 발생할 것이다. 일반적으로, 전기투석 유닛은 박막 및 전극들 사이의 바람직한 간격(spacing)을 유지하기 위해 스페이서 요소들을 포함할 것이다. 종래 기술에서, 이러한 스페이스들은 제 위치에 박막을 유지하기 위해 음극 측 및 양극 측 모두에 존재한다. 바람직하게 상기 측면의 전기투석 유닛은 음극 측 상에 스페이서 요소가 없으며, 즉, 스페이서 요소들은 이온-교환 박막의 양극 측 상에만 포함될 수 있다. 이것은 음극 측 상의 스페이서 요소들로부터의 장애물을 피할 수 있으며 음극 측 상의 난류를 감소시킨다. 브루사이트 반응이 양극 측 상에서 발생하지 않으므로 양극 흐름 경로 내의 난류를 발생시키는 스페이서 요소의 존재로부터 문제가 발생되지 않는다.

바람직한 실시예에서 유닛은 양극 흐름 경로를 통해서 보다 음극 흐름 경로를 통해서 더 큰 유량이 있도록 배치된다. 이것은 박막의 음극 측 상에 더 큰 압력을 제공하기 위한 것이다. 그러므로, 바람직하게 양극 흐름 경로를 통해서 보다 음극 흐름 경로를 통해서 더 큰 흐름 속도가 있다. 음극 흐름 경로를 통한 흐름 체적(flow volume) 또한 양극 흐름 경로를 통한 흐름 체적보다 클 것이다. 음극 흐름 경로를 통한 더 큰 압력은 음극으로부터 멀리 박막을 미는 역할을 하며, 박막 상의 브루사이트 침전물들의 축적에 대한 가능성을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 특히 상기 측면의 층류와 함께 조합하여, 더 높은 유량의 이용은 발생할 수 있는 브루사이트 침전물들을 멀리 씻어버리는 역할을 한다. 음극 흐름 경로(들)을 위한 물 입구는 양극 흐름 경로(들)을 위한 물 입구보다 클 수 있다. 만약 물이 양쪽의 입구들에 동일한 압력으로 공급된다면 이것은 요구되는 증가된 유량을 초래할 것이며 음극 흐름 경로(들)이 양극 흐름 경로(들)과 동일한 단면적을 구비한다면 흐름 속도 및 흐름 체적 모두 더 커질 것이다.

전기투석 유닛은 음극 흐름 경로 및/또는 양극 흐름 경로의 폭들을 가로질러 유입되는 물의 균일한 분배를 촉진하기 위해 반응 구역에 앞서 유체 조절 요소들을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서 음극 및 양극 흐름 경로들은 플레이트 형상으로 된 전극들 사이에 형성되며 길쭉한 슬롯 형상으로 된 단면(cross-section)을 구비할 것이다. 흐름 경로에 대한 좁은 슬롯 형상으로 된 단면은 층류를 조장할 수 있다. 예를 들어, 흐름 경로들의 단면들은 1mm 및 4mm, 사이의 폭, 바람직하게 전극 및 박막 사이의 약 2mm의 폭을 구비하는 슬롯들일 수 있다. 음극 흐름 경로 및 양극 흐름 경로의 단면들은 동일한 폭을 구비하는 슬롯들일 수 있다. 슬롯 형상으로 된 단면의 폭을 가로질러 유입되는 물의 균일한 분배를 담보하기 위해 사용되는 흐름 조절 요소들은 층류를 조장할 것이다.

흐름 조절 요소들은 하나 이상의 물 입구 통로들로부터 양극/음극 흐름 경로로 흐름의 균일한 분배를 위한 채널들, 배플들(baffles) 및/또는 가이드 베인들(guide vanes)을 포함할 수 있다. 유입되는 물 흐름은 바람직하게 양극/음극 흐름 경로의 폭을 가로질러 균등하게 분할된다. 특히 바람직한 실시예에서 흐름 조절 요소들은 입구 통로로부터 음극/양극 흐름 경로로 팬 형상으로 연장하는 흐름 채널들(flow channels)을 포함한다.

바람직한 실시예는 전극 스택 내에 층들로 배치되는 많은 반복된 음극 및 양극 플레이트들을 활용하고, 각각의 음극 및 양극 중간에 박막들이 구비된다. 이것은 많은 전기투석 챔버들이 평행하게 형성되게 하고, 그것들 자체의 전극들을 각각 구비하고, 이것은 물이 처리될 수 있는 속도를 증가시킨다. 바람직하게, 전기투석 유닛은 시퀀스(sequence) 음극 플레이트, 박막, 양극 플레이트, 박막의 반복을 포함하여, 각각의 전극 플레이트의 양쪽 측면들이 (반복된 시퀀스의 외부 단부들에서 전극들을 제외하고) 활용될 수 있다. 그러므로, 전극 스택의 중앙 부분 내의 각각의 음극 플레이트는 플레이트의 각각의 측 상에 음극 흐름 경로를 구비할 것이다. 유사하게 각각의 양극 플레이트는 각각의 측 상에 양극 흐름 경로를 구비할 것이다.

흐름 조절 요소들 이후에 물이 전극 흐름 경로들 안으로 흐를 때 붕괴를 감소시키기 위해, 음극 및/또는 양극의 앞 가장자리는 증가하는 폭을 구비하는 형상으로 된 단부(shaped end)를 포함한다. 형상으로 된 단부는 예를 들어 쐐기 형상 및/또는 굽은 부분을 포함할 수 있다. 형상으로 된 단부 이후에, 음극/양극은 바람직하게 일정한 폭을 구비하는 플레이트의 형태를 취할 수 있다. 형상으로 된 단부를 위한 바람직한 형상은 둥근 지점을 구비하는 대칭인 쐐기 형상이다. 형상으로 된 단부의 이용은 전극의 어느 한 측을 따른 흐름을 완만하게 분할하는 역할을 한다. 전기투석 유닛이 양극 흐름 경로 내에서 스페이서 요소들을 포함하는 경우 이러한 스페이서 요소들은 바람직하게 형상으로 된 단부 이후에 위치된다.

바람직하게 전기투석 유닛은 물이 음극을 따라 미리 정해진 거리를 흐를 때까지 반응 구역이 시작하지 않도록 배치된다. 이는 반응 구역을 통해 음극 흐름 경로 내의 층류를 조장하기 위한 것이다. 바람직한 실시예에서 이는 양극의 앞 가장자리보다 입구로부터 짧은 거리에서 음극의 앞 가장자리를 구비하여 물 흐름 내에 음극이 위치되는 것에 의해 획득된다. 이 배치를 구비하여, 흐름이 양극 및 음극이 함께 충분히 가까워지는 영역에 도달할 때까지 전기 반응이 개시하지 않을 것이므로, 음극 플레이트를 가로지른 물 흐름은 반응 구역 전에 정착할 가능성이 있다. 예를 들어, 음극의 앞 가장자리는 양극의 앞 가장자리보다 물 입구에 20mm 및 60mm 사이로 더 근접하여 위치될 수 있다. 바람직한 실시예에서 음극의 앞 가장자리는 양극의 앞 가장자리보다 물 입구에 약 30mm 더 근접하여 위치된다.

유입된 물은 물이 음극 또는 양극에 도달하기 전에 그리고 흐름 조절 요소들의 단부 이후에 동요가 없이 미리 정해진 거리를 흐르도록 허용될 수 있다. 이러한 동요되지 않은 흐름은 흐름 조절 요소들의 말미(termination)로부터 또는 이전의 흐름 조절 요소들로부터 발생하는 파괴적인 영향들로부터 물을 회수하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 물은 음극 또는 양극의 앞 가장자리에 도달하기 전에 적어도 5mm, 바람직하게 적어도 10mm에 대해 동요 없이 흐를 수 있다. 거리가 더 커질수록, 흐름이 층류 패턴으로 정착될 가능성이 커진다. 그러나, 일반적으로 거리를 증가시키는 것이 흐름 패턴의 균일성의 대응하는 증가를 제공하는 않는 지점이 있을 것이다. 약 2mm의 슬롯 폭을 구비하여 음극 또는 양극의 앞 가장자리에 도달하기 전에 물이 약 10mm에 대하여 동요되지 않고 흐를 때 좋은 결과들이 보여졌다. 전기투석 유닛이 박막들에 의해 분리된 반복된 음극 및 전극 플레이트로 형성될 때 동요되지 않는 흐름의 영역은 두 개의 박막들 사이 공간 내의 동요되지 않는 흐름 경로로 형성될 수 있으며, 이러한 동요되지 않는 흐름 경로는 물이 두 개의 박막들 사이에 위치된 음극 또는 양극의 앞 가장자리에 도달하기 전에 박막들 사이의 미리 정해진 거리에 대하여 연장한다.

전기투석 유닛이 전술된 것과 같이 층으로 된 전극 스택을 포함하는 경우 전기투석 유닛은 바람직하게 동일한 양으로 각각의 전극 챔버에 유입되는 물을 분배하기 위해 흐름 분배 시스템을 포함한다. 따라서, 전기투석 유닛은 각각의 음극 물 입구에 유입되는 물을 균등하게 분배하기 위한 음극 흐름 분배 시스템 및 각각의 양극 물 입구에 유입되는 물을 균등하게 분배하기 위한 양극 흐름 분배 시스템을 포함할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 음극 흐름 경로들은 양극 흐름 경로들보다 큰 물의 유량을 수용할 수 있다. 음극 흐름 분배 시스템은 음극 흐름 경로들 및 각각의 많은 음극들에 균등한 물 흐름이 공급되는 것을 담보한다. 양극 흐름 경로들에는 유사하게 균등한 물 흐름이 공급된다.

특히 바람직한 실시예에서 흐름 분배 시스템은 양극 흐름 경로들 및/또는 음극 흐름 경로들을 위한 입구 매니폴드(inlet manifold)의 형태를 취할 수 있으며 입구 매니폴드는 그것의 길이를 따라 홀들이 제공되는 제1 튜브를 포함하고, 홀들은 흐름 경로들에 연결되며, 제1 튜브에 의해 둘러싸이고 내부에 위치되는 제2 튜브를 포함하고, 제2 튜브는 일단에 입구를 구비하고 그것의 또 하나의 단부에 근접하며 제2 튜브에는 제1 튜브 안으로 개방되는 그것의 길이를 따라 홀들이 제공된다. 바람직한 입구 매니폴드의 추가적인 특징들은 이하에서 설명된다.

제2 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 해수의 처리를 위해 전술된 전기투석 유닛의 이용, 특히 밸러스트 수의 처리를 위한 이용을 포함하는 방법을 제공한다.

제3 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 다음의 단계들을 포함하는 전기투석 유닛을 제작하는 단계를 제공한다: 음극, 양극, 음극 및 양극 사이의 박막, 음극 측 상에 박막을 따라 물 흐름을 위한 음극 흐름 경로, 양극 측 상에 박막을 따라 물 흐름을 위한 양극 흐름 경로, 및 음극이 양극을 마주보는 경우 박막 및 음극 사이에 형성된 반응 구역을 제공하는 단계; 반응 구역 내에 층류를 위한 음극 흐름 경로를 배치하는 단계; 및 반응 구역에 앞서 유입되는 물 흐름 내의 층류를 조장하기 위해 유입되는 물 흐름의 영역 내에 흐름 조절 요소들을 배치하는 단계.

방법은 제1 측면의 바람직한 특징들과 관련하여 위에서 설명된 것과 같은 전기투석 유닛의 특징들을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

제4 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 다음을 포함하는 전기투석 유닛을 제공한다: 다수의 음극들, 다수의 양극들, 및 다수의 박막들; 음극들 및 양극들은 전기 스택 내에서 교대로 배치되고, 각각의 음극 및 양극 중간에 박막들이 구비되고, 음극 및 양극은 각각 단일의 전도성 플레이트의 형태로 되어 전기 스택 내부에 둘러싸인 음극 플레이트들 및 양극 플레이트들의 양쪽 표면들은, 사용 중에, 처리되는 물과 전도성 접촉을 한다.

이러한 유형의 종래의 전기투석 유닛들에서 전극들은 샌드위치(sandwich)를 형성하기 위해 구리 로드들(rods)에 땜질되는(brazed) 두 조각의 티타늄으로 제작된다. 이러한 구리 로드들은 전기투석 유닛의 외부로 연장하고 주요 전기 공급에 대하여 접속부들을 제공하기 위해 사용된다. 상기 측면의 전기투석 유닛에서 단일의 전도성 플레이트는 각각의 전극에 대하여 사용된다. 결과적으로 전기투석 유닛은 더 작아지고 더욱 컴팩트(compact)해 질 수 있다. 게다가, 전도성 물질이 일반적으로 비교적 비싸므로, 사용되는 플레이트들의 수의 감소는 비용 절감을 이끈다. 티타늄은 전기투석 유닛의 바람직한 실시예들에서 양극 플레이트들 및 음극 플레이트들에 대하여 사용된다.

전술된 종래기술에서와 같이 두 개의 플레이트들에 비하여, 단일의 전도성 플레이트에 의해, 전극의 주요 전도성 및 전기적 활성 부분은 단일의 플레이트로 형성된다는 것이 의미된다.

전극들은 전체의 전기투석 유닛을 형성하기 위해 연속적인 전극 스택 내에 배치될 수 있다. 그러나, 이러한 배치는 전력 공급에 대하여 모든 전극들의 병렬 연결(parallel connection)을 그 자체로 부여한다. 예를 들어 전력 공급과 함께 임피던스 정합(impedance matching), 전기투석 유닛의 부품들의 직렬 연결을 허용한다는 것은 이로울 수 있다. 그러므로, 바람직한 실시예에서 전극 스택은 많은 세트들의 전극들을 포함하고, 단일의 세트 내의 각각의 전극은 병렬로 연결되고, 각각의 세트의 전극들은 직렬로 연결된다. 예를 들어 오십 개의 양극 챔버들 및 오십 개의 음극 챔버들로 이루어지는 전극 스택은 열 개의 양극 챔버들 및 열 개의 음극 챔버들을 각각 포함하는 다섯 개의 세트들로 이루어질 수 있다.

전극 스택의 중앙 부분들 또는 전극 챔버들의 각각의 세트 내부에서, 각각의 전도성 플레이트의 양쪽 표면들은 물과 전기적 접촉을 하며, 전극들의 양쪽 표면들은 전기투석 공정 내에서 활성 표면들로서 활용된다. 전기투석 유닛은 시퀀스의 반복을 포함한다: 음극, 박막, 양극, 박막, 외부 단부들에서 전극들을 제외하고, 각각의 전극 플레이트의 양쪽의 측면들이 활용된다. 전극 스택 내 전극들의 각각의 세트의 외부 단부들에서 전극들은 바람직하여 모두 음극이다. 양극 반응이 전극에 대하여 비싼 코팅을 요구하므로 음극이 양극보다 제작하는 데 비용이 적게 들 수 있다. 따라서, 단부 전극들로서 추가적인 음극들의 사용에 의해 전기투석 유닛은 총 반응 영역을 감소시키지 않고 제작하는 데 비용이 적게 들 수 있다.

전극들을 위한 전기 접속부들은 전도성 플레이트들의 전도성 물질에 직접적으로 마련될 수 있다. 바람직하게 전도성 플레이트들은 전기 접속 지점들을 제공하기 위해 전기투석 유닛의 반응 영역의 외부에 연장하도록 허용된다.

바람직한 실시예에서, 전극들을 형성하는 전도성 플레이트들은 비-전도성 분리기들 사이에 클램프되고 지지된다. 분리기들은 음극 흐름 경로들 및 양극 흐름 경로들의 밖으로 및 안으로 유체 흐름을 분리하기 위한 것일 수 있다. 분리기들은 반응 구역들 내의 전도성 플레이트들을 노출시키는 개구들을 포함할 수 있다. 박막들은 전기투석 반응들이 일어나는 박막 셀을 완전하게 하기 위해 양극 및 음극 사이에서 이러한 개구들을 가로질러 위치될 수 있다.

분리기들은 바람직하게 유입되는 물을 위한 입구 통로들 및 유출되는 희석물 및 농축물을 위한 출구 통로들을 포함한다. 흐름 가이드 특징들은 또한 바람직하게 제1 측면과 관련하여 전술된 흐름 조절 요소들과 같이, 분리기들 내에 포함된다. 분리기들이 흐름 가이드 특징들을 포함하므로 그것들은 일반적으로 전도성 플레이트들보다 큰 크기로 된다.

바람직하게, 전도성 플레이트들에는 전도성 플레이트들에 접합되고 분리기들의 형상에 대응하는 형상으로 형성하는 밀폐재가 제공된다. 분리기들이 전도성 플레이트들보다 크므로 밀폐재는 전도성 플레이트들의 가장자리들을 지나 연장할 수 있다. 예를 들어, 전도성 플레이트들은 일반적으로 직사각형일 수 있으며, 밀폐재는 직사각형의 두 개의 반대되는 측들을 따라 접합될 수 있고 그런 다음 직사각형의 두 개의 남은 측들을 지나 외측으로 연장할 수 있다. 전도성 플레이트 및 밀폐재가 두 개의 분리기들 사이에 위치된 때 밀폐재는 둘러싸인 전극 챔버를 형성한다. 두 개의 분리기들은 적합한 방법에 의해, 예를 들어 전극 스택을 둘러싸는 프레임에 의해 또는 각각의 쌍의 분리기들을 함께 결합하는 나사들에 의해, 전도성 플레이트에 대해 클램프될 수 있다.

밀폐재는 적절한 물질일 수 있으며, 즉, 탄력 있고 내수(water resistant) 물질이다. 고무 물질이 선호된다. 바람직하게, 밀폐재는 고무 물질을 포함한다. 비교적 높은 수준의 충전제(filling-agent)를 포함하는 높은 밀도의 고무가 사용될 수 있다.

특히 티타늄 전극이 사용될 때, 전극에 밀폐재를 확실하게 부착하는 것이 어려울 수 있다는 것을 알게 되었다. 바람직한 배치에서 이러한 문제는 열경화성 또는 가황처리된 고무의 사용에 의해 극복되며, 열 처리에 앞서 전극에 적용되고, 열경화 또는 가황처리 공정을 수행하기 위해 고무를 가열하고 임의로 가압하는 것에 의해 전극에 접합되는 동안 전극과 접촉한다. 전극의 표면은 예를 들어 에칭 또는 다른 화학 공정에 의해, 처리되지 않은 고무의 적용에 앞서 조절될 수 있다.

제1 측면과 관련하여 전술된 것과 같이, 바람직한 실시예들은 음극 및 양극에 대하여 다른 유량들을 활용한다. 따라서, 상기 실시예의 전기투석 유닛은 바람직하게 음극 및 양극에 대한 대안적인 분리기 설계들을 포함한다. 이는 다른 흐름 가이드 특징들이 양극 및 음극에 대하여 사용 가능하게 한다. 또한, 바람직한 실시예들에서 양극 및 음극은 개별적인 물 입구들로부터 다른 거리에 위치되는 앞 가장자리들을 구비할 수 있으므로, 다른 분리기 설계들은 또한 요구되는 위치들에서 양극 및 음극 플레이트들의 지지를 허용할 수 있다.

바람직한 실시예들에서 유닛은 전도성 플레이트의 형태로 되는 음극의 어느 한 측 상에 위치되는 제1 및 제2 음극 분리기들을 포함하는 음극 챔버들을 포함한다. 유닛은 전도성 플레이트의 형태로 되는 양극의 어느 한 측 상에 위치되는 제1 및 제2 양극 분리기들을 포함하는 양극 챔버들을 포함한다. 전기투석 유닛은 음극 및 양극 챔버들의 시퀀스에 의해 형성될 수 있으며, 각각의 챔버 사이에 박막들이 구비된다.

분리기들은, 많은 전극 챔버들이 함께 적층될 때, 물 입구 및 출구 통로들을 형성하는 관통 홀들을 포함할 수 있다. 거기에는 하나 이상의 양극 입구 통로 및 양극 출구 통로가 있을 수 있다. 유사하게 하나 이상의 음극 입구 통로 및 음극 출구 통로가 있을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 음극을 통해 증가된 유량을 제공하기 위해, 두 개의 음극 입구 통로들, 하나의 양극 입구 통로, 두 개의 음극 출구 통로들 및 하나의 양극 출구 통로들이 있으며, 각각의 거의 동일한 크기로 된다. 밀폐재들은 바람직하게 양극 유체 및 음극 유체들의 분리를 유지하기 위해 관통 홀들에 대해 제공된다. 튜브들이 입구 및 출구 통로들을 완전하게 하기 위해 스택 내의 모든 분리기들의 관통 홀들을 따라 통과될 수 있다. 튜브들은 이하에서 설명된 것과 같이 입구 매니폴드들일 수 있다. 바람직하게, 관통 홀들을 따라 튜브들의 이용은 또한 전극 스택 내의 챔버들을 정렬하는 역할을 할 수 있다.

제5 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 해수의 처리를 위해 전술된 전기투석 유닛의 이용, 특히 밸러스트 수의 처리를 위한 이용을 포함하는 방법을 제공한다.

제6 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 다수의 음극들, 다수의 양극들 및 다수의 박막들을 포함하는 전기투석 유닛을 제작하는 방법을 제공한다; 본 방법은 음극들 및 양극들을 전극 스택 내에 교대로 배치하는 단계, 각각의 음극 및 양극 중간에 박막들이 구비됨; 음극 및 양극은 각각 단일의 전도성 플레이트의 형태로 되어 전극 스택 내부에서 음극 플레이트들의 양쪽 표면들은, 사용 중에, 처리되는 물과 전도성 접촉을 한다.

방법은 밀폐재를 제공하는 단계 및 전도성 플레이트에 대하여 밀폐재를 접합하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서 열경화성 또는 가황처리된 고무가 밀폐재로 사용되며, 방법은 열 처리에 앞서 전극에 고무를 적용하는 단계, 및 전극과 접촉하는 동안 열경화 또는 가황처리 공정을 수행하기 위해 고무를 가열하고 임의로 가압하는 것에 의해 전극에 고무를 접합하는 단계를 포함한다. 전극의 표면은 예를 들어 에칭 또는 다른 화학 공정에 의해, 처리되지 않은 고무의 적용에 앞서 조절될 수 있다.

바람직하게, 방법은 비-전도성 분리기들 사이에 전도성 플레이트들 및 밀폐재를 클램핑(clamping)하는 단계를 포함한다. 두 개의 분리기들은 적합한 수단에 의해 전도성 플레이트에 대하여 클램프될 수 있으며, 예를 들어 전극 스택을 둘러싸는 프레임 또는 각각의 쌍의 분리기들을 함께 결합하는 나사들에 의해서이다.

분리기들은 음극 흐름 경로들 및 양극 흐름 경로들을 안으로 및 밖으로 유체 흐름을 분리하기 위해 있을 수 있다. 분리기들은 반응 구역들 내의 전도성 플레이트들을 노출시키는 개구들을 포함할 수 있다. 바람직하게, 방법은 양극 및 음극 사이에 이러한 개구들을 가로질러 박막들을 위치시키는 단계를 포함하여, 박막들이 인접한 전극들 사이에 끼워진다.

분리기들은 많은 전극 챔버들이 함께 적층될 때, 물 입구 및 출구 통로들을 형성하는 관통 홀들을 포함할 수 있다. 거기에는 하나 이상의 양극 입구 통로 및 양극 출구 통로가 있을 수 있다. 유사하게 하나 이상의 음극 입구 통로 및 음극 출구 통로가 있을 수 있다. 방법은 바람직하게 입구 및 출구 통로들을 완전하게 하기 위해 스택 내의 모든 분리기들의 관통 홀들을 따라 튜브들을 통과시키는 단계를 포함한다. 바람직하게, 관통 홀들을 따라 튜브들의 이용은 또한 전극 스택 내의 챔버들을 정렬하는 역할을 할 수 있다.

방법은 제3 측면과 관련하여 전술된 단계들을 포함할 수 있다. 방법은 제1 또는 제4 측면의 바람직한 특징들과 관련하여 전술된 전기투석 유닛의 다른 특징들을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

제7 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 다음을 포함하는 전기투석 유닛을 제공한다: 다수의 음극들, 다수의 양극들 및 다수의 박막들; 음극들 및 양극들은 전극 스택 내에 교대로 배치되고, 각각의 음극 및 양극 중간에 박막들, 박막들 및 양극들 사이에 형성된 양극 흐름 경로들 및 박막들 및 음극들 사이에 형성된 음극 흐름 경로들이 구비되고; 전기투석 유닛은 양극 흐름 경로들 또는 음극 흐름 경로들에 물을 분배하기 위한 입구 매니폴드를 더 포함하고, 입구 매니폴드는 그것의 길이를 따라 홀들이 구비되는 제1 튜브를 포함하고, 홀들은 흐름 경로들에 연결되며, 제1 튜브에 의해 둘러싸이고 내부에 위치되는 제2 튜브를 포함하고, 제2 튜브는 일단에 입구를 구비하고 그것의 또 하나의 단부에 폐쇄되며 제2 튜브에는 제1 튜브 안으로 개방하는 그것의 길이를 따라 홀들이 제공된다.

마련된 튜브들의 이러한 배치의 이용에 의해, 물은 전극 스택을 따라 모든 흐름 경로들에 균일하게 분배될 수 있다. 사용 중에, 물은 제2 튜브의 입구를 통해, 제2 튜브 안으로 그리고 따라서, 제2 튜브의 홀들 밖으로 제1 튜브 안으로, 제1 튜브 밖으로 전기 스택 안으로 흐를 수 있다. 이러한 홀들로부터의 흐름 제약들 및 물 경로는 전극 스택의 길이를 따라 대체로 일정한 압력을 유지시키는 역할을 하며 물은 모든 양극/음극 흐름 경로들에 균일하게 공급된다.

입구 매니폴드는 음극만을 위해 또는 양극만을 위해 제공될 수 있으나, 바람직하게 유사한 입구 매니폴드들은 음극 및 양극 모두를 위해 제공된다. 전술된 것과 같이 양극 흐름 경로들을 통해 보다 음극 흐름 경로들을 통해 높은 유량을 구비하는 것이 바람직하다. 그러므로, 바람직하게 전기투석 유닛은 양극 흐름 경로들을 위한 입구 매니폴드보다 높은 유량을 위해 배치되는 음극 흐름 경로들을 위한 입구 매니폴드를 포함한다. 이는 더 큰 매니폴드에 의해 성취될 수 있다. 바람직하게 그러나 유닛은 음극 흐름 경로들을 위해 두 개의 평행하는 입구 매니폴드들을 포함하고, 흐름 경로들에 평행하게 물을 공급한다. 양극 흐름 경로들을 위해 단지 하나의 유사한 입구 매니폴드가 있을 때, 이것은 양극 흐름 경로들에 비해 음극 흐름 경로들에 대하여 유량을 대략 두 배가 되게 할 수 있다.

매니폴드의 튜브들은 바람직하게 원형이다. 원형 튜브는 획득하고 및/또는 제작하기에 쉬우며, 게다가 원형 매니폴드의 장착을 위한 홀들을 형성하기에 직접적(straightforward)이다. 그러나, 입구 매니폴드의 튜브들은 원형 튜브들에 한정되지 아니하며 예를 들어 직사각형 단면 또는 다른 튜브 형성을 구비하는 튜브들 일 수 있다.

제1 튜브의 홀들은 바람직하게 흐름 가이드들, 예를 들어 전술된 것과 같이 흐름 조절 요소들을 통해 흐름 경로들에 연결된다. 제1 튜브의 홀들은 튜브를 가로질러 횡방향으로 위치된 슬릿들의 형태를 취할 수 있다.

제2 튜브의 홀들은 튜브를 가로질러 횡방향으로 위치되는 슬릿들일 수 있다. 제2 튜브는 제1 튜브의 홀들을 마주보는 제1 측 상에 홀들을 구비할 수 있다. 또한 반대 측 상에 추가적인 홀들이 있을 수 있다.

바람직하게 제2 튜브는 중앙 위치에 제1 튜브 내부에 위치되며, 즉, 제1 및 제2 튜브는 동심일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 양극들 및 음극들은 분리기들에 의해 지지되고 분리기들에서는 관통 홀들이 제공되며, 입구 매니폴드는 분리기들 내에서 관통 홀들을 따라 위치되고 바람직하게 제1 튜브 내의 홀들은 분리기들 내에 형성된 흐름 가이드 특징들 안으로 개방된다. 제1 튜브는 분리기들 내의 관통 홀들의 정렬에 의해 형성된 튜브일 수 있다. 제2 튜브는 제1 튜브 안으로 삽입되는 파이프일 수 있다.

바람직한 실시예들에서, 전기투석 유닛은 제1 또는 제4 측면들과 함께 결합하여 전술된 특징들을 구비한다.

제8 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 해수의 처리를 위해 전술된 전기투석 유닛의 이용, 바람직하게 밸러스트 수의 처리를 위한 이용을 포함하는 방법을 제공한다.

제9 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 다음을 포함하는 전기투석 유닛을 제작하는 방법을 제공한다: 다수의 음극들, 다수의 양극들 및 다수의 박막들; 음극들 및 양극들은 전기 스택 내에 교대로 배치되고, 각각의 음극 및 양극 중간에 박막들, 박막들 및 양극들 사이에 형성된 양극 흐름 경로들 및 박막들 및 음극들 사이에 형성된 음극 흐름 경로들이 구비되고; 방법은 음극 흐름 경로들에 또는 양극 흐름 경로들에 물을 분배하기 위한 입구 매니폴드를 제공하는 단계를 포함하고, 입구 매니폴드는 그것의 길이를 따라 홀들이 제공되는 제1 튜브 및 일단에 입구를 구비하고 그것의 또 하나의 단부에 폐쇄되는 제2 튜브를 포함하고 제2 튜브는 또한 홀들이 제공되며, 방법은 또한 제1 튜브의 홀들이 흐름 경로들에 연결하도록 전극 스택 내에 제1 튜브를 제공하는 단계 및 제2 튜브가 제1 튜브에 의해 둘러싸이고 제1 튜브 내부에 있고 제2 튜브의 홀들이 제1 튜브 안으로 개방하도록 제2 튜브를 위치시키는 단계를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 양극들 및 음극들은 분리기들에 의해 지지되고 분리기들에는 관통 홀들이 제공되며, 방법은 분리기들 내의 관통 홀들을 따라 전극 스택 내에 입구 매니폴드를 제공하는 단계를 포함한다.

방법은 제3 또는 제6 측면과 관련하여 전술된 단계들을 포함할 수 있다. 방법은 제1 또는 제4 측면의 바람직한 특징들과 관련하여 전술된 전기투석 유닛의 다른 특징들을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

제10 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 다음을 포함하는 물을 처리하기 위한 전기투석 유닛을 제공한다: 박막 셀, 유입되는 물의 온도를 감시하기 위한 온도 감시 디바이스 및 그것이 박막 셀에 도달하기 전에 유입되는 물의 온도를 증가시키기 위한 히터, 히터는 원래 물의 온도가 미리 정해진 수준보다 낮을 때 유입되는 물의 온도를 증가시키기 위해 작동하도록 배치된다.

특정 수준보다 낮은 유입되는 물의 온도는 전기투석 유닛을 작동하기에 요구되는 전기 전력의 상당한 증가를 이끈다는 것을 알게 되었다. 이러한 전력의 증가는 물을 가열하기 위해 요구되는 전력보다 낮을 수 있다. 따라서, 시스템의 효율은 원래 온도가 너무 낮을 때 물을 가열하는 것에 의해 개선된다.

전기투석 유닛은 바람직하게 해수의 처리를 위한 것이며, 보다 바람직하게 밸러스트 수의 처리를 위한 것이다. 전기투석 유닛은 선박과 같은 배 상에 설치를 위한 것일 수 있다.

히터는 전기로 작동되는 히터 또는 연료 히터일 수 있다. 바람직하게 그러나 히터는 엔진 배기로부터 회수되는 열에 의해 또는 엔진 냉각 시스템으로부터의 폐열에 의해 제공될 수 있는, 폐열에 의해 작동된다. 이는 효율을 추가적으로 개선한다. 히터는 열 교환기 또는 유사한 디바이스를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서 히터는 원래 온도가 10℃보다 낮을 때, 보다 바람직하게 원래 원도가 15℃보다 낮을 때 그리고 더더욱 바람직하게 온도가 16℃보다 낮을 때, 유입되는 물의 온도를 증가시키기 위해 작동된다. 해수에 대하여 온도가 16℃보다 낮게 떨어질 때 전력 사용의 상당한 증가가 발생한다는 것을 알게 되었다. 바람직하게 물은 16℃보다 높게, 보다 바람직하게 적어도 18℃ 및 임의적으로 20℃ 또는 그보다 높게 가열된다. 해수에 대하여 약 20℃를 초과한 온도에 대한 전력 사용에서는 상당한 감소가 없다는 것을 알게 되었다.

제11 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 박막 셀을 이용하는 전기투석에 의해 물을 처리하는 방법을 제공하고, 방법은 다음을 포함한다: 유입되는 물의 온도를 감시하는 단계 및 원래 물의 온도가 미리 정해진 수준보다 낮다면 그것이 박막 셀에 도달하기 전에 유입된 물의 온도를 증가시키는 단계.

바람직하게 방법은 해수를 처리하는 방법, 보다 바람직하게 밸러스트 수를 처리하는 방법이다. 방법은 선박과 같은 배 선상에서 밸러스트 수를 처리하기 위한 것을 수 있다.

물을 가열하는 단계는 히터를 사용할 수 있다. 히터는 전기로 작동되는 히터 또는 연료 히터일 수 있다. 바람직하게 그러나 방법은 예를 들어 엔진 냉각 시스템으로부터의 폐열에 의해 또는 엔진 배기로부터 회수된 열에 의해 제공될 수 있는, 열을 사용하는 것에 의해 물을 가열하는 단계를 포함한다.

바람직한 실시예는 원래 온도가 10℃보다 낮을 때, 보다 바람직하게 원래 온도가 15℃보다 낮을 때 더더욱 바람직하게 온도가 16℃보다 낮을 때 유입되는 물의 온도를 증가시키는 단계를 포함한다. 바람직하게 물은 16℃보다 높게, 보다 바람직하게 적어도 18℃로 및 임의적으로 20℃ 또는 그보다 높게 가열된다.

제12 측면에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 전기투석 유닛을 제작하는 방법을 제공하며, 박막 셀을 제공하는 단계, 유입되는 물의 온도를 감시하기 위해 온도 감시 디바이스를 제공하는 단계, 및 박막 셀에 도달하기 전에 유입되는 물의 온도를 증가시키기 위해 히터를 제공하는 단계를 포함하고, 히터는 원래 물 온도가 미리 정해진 수준보다 낮을 때 유입되는 물의 온도를 증가시키기 위해 작동하도록 배치된다.

전술된 바람직한 실시예들 및 측면들의 전기투석 유닛들 및 방법들은 조합될 수 있다. 전술된 바람직한 실시예들 및 측면들의 전기투석 유닛들은 하나 이상의 다음의 특징들을 포함할 수 있으며 및/또는 다음의 특징들 중 어느 것을 포함하는 수처리 장치 내에 포함될 수 있다.

박막은 물 불투과성 이온-교환 박막 같이, 물의 전기투석 내에서 사용을 위한 적합한 박막일 수 있다. 예를 들어 박막 셀이 AC 전기에 의해 작동된다면, 이온 선택적인 박막(ion selective membrane)이 임의적으로 사용될 수 있다.

전기투석 처리는 바람직하게 처리될 물의 부분에만 적용되고, 이 부분은 물의 주요 몸체로부터 분리되고 전기투석 유닛의 산출물은 물의 전체를 처리하기 위해 물의 나머지에 반환된다. 바람직한 수처리 장치에서 전기투석 유닛에 의해 처리된 물의 부분은 바람직하게 처리에 바로 앞서 유입되는 물 흐름으로부터 분리되고 전기투석 유닛을 통해 지나가게 되고 물의 나머지가 전기투석 유닛에 의해 처리되지 않고 그냥 지나간다. 그러므로, 장치는 주요 흐름 경로를 포함할 수 있고, 입구 흐름 경로는 주요 흐름 경로로부터 흐름의 일부를 분리하고 전기투석 유닛을 통해 그것을 안내하도록 배치된다. 그 대신에 전기투석 유닛에 의해 처리된 물의 부분은 예를 들어 함수 또는 염수의 외부 공급원 같은, 별개의 공급원으로부터 제공될 수 있다. 양쪽의 경우에서, 장치는 출구 흐름 경로로부터 주요 흐름 경로로 연결부를 포함할 수 있으며, 출구 흐름 경로는 주요 흐름 경로에 전기투석 유닛의 산출물을 추가했다.

전기투석 유닛에 의해 처리되지 않은 물은 다른 처리들, 효과적으로 상기 물의 부분에 전기투석 처리와 병렬로, 예를 들어 이하에서 보다 상세히 기술될 질소 주입 처리 또는 캐비테이션 처리에 노출될 수 있다.

바람직하게 처리 장치 안으로 총 물 흐름의 체적의 10%보다 적게, 보다 바람직하게 5%보다 적게 그리고 더더욱 바람직하게 2%보다 적게 전기투석 유닛을 통과한다. 상태들에 따라, 1% 또는 0.5%만큼 낮은 양이 사용될 수 있으나, 체적의 약 1.6%의 양이 선호된다. 물의 염도 및 전기투석 유닛 내에서 사용되는 전류 (current)을 변경하는 것에 의해 필요한 흐름 체적을 조작할 수 있다. 그러므로, 처리의 이러한 요인들 및 특별한 적용에 따라, 사용되는 흐름 체적은 더 크거나 작게 될 수 있다.

바람직한 실시예들에서, 본 발명은 밸러스트 수처리 장치이다. 전술된 것과 같이, 이러한 유형의 수처리는 특히 밸러스트 수를 위해 바람직하다. 많은 현존하는 수처리들은 짧은 시간 내에 처리될 필요가 있는 물의 큰 체적에 의해 밸러스트 수처리에 적합하지 않다. 물의 부분만이 전기투석 유닛을 통해 지나가야 하고, 물의 나머지는 전기투석 유닛을 통해 지나가지 않아야 하므로, 처리는 물의 전체가 전기 처리에 의해 직접적으로 영향을 받게 되는 것을 요하는 대안을 보다 주어진 시간 내에서 물의 훨씬 큰 체적에 적용될 수 있다.

전기투석 유닛은 음극 및 양극에서 개별적으로 희석물 흐름 및 농축물 흐름을 산출하기 위한 것일 수 있으며, 물에 반환되는 전기투석 유닛의 산출물은 이러한 흐름들 중 하나 또는 양쪽의 일부 또는 모두로 이루어진다. 전기투석 유닛의 산출물은 간단하게 전기투석 유닛에 의해 산출된 농축물 흐름의 일부 또는 모두일 수 있다. 그러나, 바람직하게 전기투석 유닛의 산출물은 농축물 흐름의 일부 또는 모두의 혼합물, 이상적으로 희석물 흐름의 적어도 일부를 구비하는 주요 부분, 이상적으로 농축물의 흐름보다 더 적은 양 내에 있다. 농축물 흐름은 다른 산화제들의 증가된 함량을 포함하고 산화제들은 특히 전기투석 유닛의 산출물이 주요 물 흐름에 반환될 때 물 내의 미생물들을 죽이거나 무력화시키는 데 효과적이다.

전기투석 처리 후에, 농축물은 처리에 앞선 물보다 낮은 pH를 구비할 수 있으며, 희석물은 높은 pH를 구비할 수 있다. 희석물의 일부 또는 모두와 농축물을 혼합하는 것은 전기투석 유닛의 산출물의 pH가 조절되게 한다.

바람직한 실시예에서 농축물 흐름 및 희석물 흐름의 적어도 일부는 전기투석 유닛을 통과한 후에 즉시 혼합된다. 이는 희석물 흐름의 일부를 제거하고, 농축물 흐름과 희석물의 나머지를 혼합하는 것에 의해 수행될 수 있다. 제거된 희석물의 양은 체적의 20% 및 80% 사이일 수 있다. 대안적인 바람직한 실시예들에서, 주요 물 흐름에 반환되는 전기투석 유닛의 산출물은 농축물 흐름의 모두와 함께 희석물 흐름의 모두이다. 일부 상황들에서 희석물의 전체는 전기투석 유닛의 산출물이 혼합된 후에 최종 물 흐름의 바람직한 pH 및 다른 특징들을 제공하도록 요구된다. 이러한 경우에, 희석물 및 농축물은 물에서의 모든 산화제들 및 잘 반응하는 산출물들을 소비하기 위해 함께 반응할 수 있다. 그러나, 미생물들을 죽이기 위한 반응들은 또한 모든 산화제들 및 잘 반응하는 산출물들이 희석물 및 농축물의 반응에 의해 소비되기 전에 발생할 수 있다. 더욱이, 전기투석 공정은 완전히 가역적이지 않다. 예를 들어, 반응은 물에서 나갈 수 있는 염소 및 수소와 같은 가스들을 산출할 수 있다.

혼합 비율을 제어하기 위해 pH가 감시되고 바람직한 범위 내에서 pH를 유지하도록 평형(balancing)이 제어된다. pH 감시는 pH 전극에 의해 될 수 있다. 바람직하게, pH는 6보다 낮게, 예를 들어 4에서 6의 범위 내에서, 일반적으로 약 5의 pH에서 유지된다. 전기투석 유닛의 산출물의 혼합 비율 및 pH는, 예를 들어 혼합에 앞서 제거된 희석물의 양을 변화시키는 것에 의해, 농축물에 첨가된 희석물의 양을 변화시키는 것에 의해 제어될 수 있다. pH의 제어는 또한 전기투석 유닛에 공급되는 전류 또는 전압을 제어하는 것에 의해 발생할 수 있으며, 결과적인 전기투석 효과의 강도를 변화시키고 농축물의 산화 강도를 변화시킬 수 있다.

장치는 희석물 흐름의 부분을 제거하기 위해 희석물 제거 흐름 경로를 포함할 수 있다. 농축물 및 비-제거된 희석물의 혼합을 수월하게 하기 위해 장치는 출구 흐름 경로에 앞서 혼합 영역을 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 혼합 영역은 버퍼 탱크(buffer tank)이다. 그 대신에, 농축물 및 희석물은 그것들이 출구 흐름 경로를 통해 흐르면서 혼합될 수 있다. 혼합은 농축물 흐름 및 희석물 흐름의 비-제거된 부분이 주요 흐름과 혼합되는 때와 동시에 발생할 수 있으며, 즉, 전기투석 유닛의 산출물은 물의 나머지와 혼합될 때 오직 혼합되는 두 개의 부분들로 이루어질 수 있다. 혼합은 출구 흐름 경로 내에서 또는 혼합 영역 내에서 정적 혼합기(static mixer) 또는 난류 유발 수단(turbulence inducing means)에 의해 촉진될 수 있다.

제거된 희석물은 전기투석 유닛에 앞서 상류에서 물에 재-주입될 수 있다. 만약 캐비테이션 처리 또는 여과 처리 같은, 다른 처리 단계들이 수처리 장치 내에 포함된다면, 희석물의 나머지는 바람직하게 다른 처리 단계들에 앞서 및 밸러스트 펌프에 앞서 재-주입된다. 희석물을 재-주입하는 것은 그것의 처리에 대한 필요성을 제거한다. 희석물은 또한 바람직하게 세정제로서, 특히 여과에 앞서 주입된다면 여과 공정들을 위해, 작용할 것이다.

주요 흐름 안으로 재주입되는 희석물 및 농축물의 양들 및 특징들은 산화환원 전위(Oxygen Reduction Potential)(ORP) 및/또는 총 잔여 산화제(Total Residual Oxidant)(TRO)의 소비를 감시하는 것에 의해 제어될 수 있다. ORP의 바람직한 값들에 대한 범위들은 250-800mV, 보다 바람직하게 300-500 mV일 수 있다. 재주입 다음에 TRO의 즉각적인 초기 값들은 바람직하게 1 및 10 mg Cl/L 사이, 보다 바람직하게 2 및 5 mg Cl/L 사이이며 일반적으로 1 내지 36 시간 경과 후에 0.01-1 mg Cl/L로 급격하게 떨어진다. TRO의 소비는 처리되는 물의 특성들에 강하게 의존한다. 전기투석 유닛의 성능을 최적화하기 위해, 실질적인 수처리를 개시하기에 앞서 혼합 비율들 및 전류를 미리 설정하는 것을 허용하는 캘리브레이션 흐름 루프(calibration flow loop)를 배치하는 것이 바람직할 수 있다. ORP 및/또는 TRO 측정된 값들이 바람직한 범위들의 외부에 있을 때, 전기투석 유닛의 작동은 그에 따라서 조절된다.

물 흐름을 안내하기 위해, 장치는 도관들, 파이프들, 배플들 등을 포함할 수 있다. 전기투석 유닛은 주요 물 흐름을 위한 흐름 경로 안에 통합될 수 있으며, 장치는 주요 흐름을 위한 주요 흐름 파이프 또는 도관을 포함할 수 있고, 유닛을 통해 주요 흐름의 부분을 전달하기(channelling) 위해 더 작은 파이프들 또는 도관들 등을 구비한다. 그 대신에, 전기투석 유닛은 물을 처리하기 위해서 현존하는 물 도관에 연결될 수 있는 단독형 유닛(standalone unit)으로 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 처리 장치는 요구되는 밸브들, 정량 펌프(들) 등을 따라, 현존하는 도관에 단독형 유닛의 연결을 위한 적합한 파이프들 또는 도관들을 포함할 수 있다.

함수의 독립적인 공급원은 전기투석 유닛을 위한 입력 전해질(input electrolyte)을 늘리기 위해 그리고 그것의 염도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 역삼투화 플랜트(reverse osmosis plant) 같은, 전용의 함수 생산 플랜트 내에서 또는 담수 생산의 부산물로서 산출된 함수일 수 있다. 재순환하는 역삼투화 플랜트는 입력 전해질에 대한 추가와 같은 이용을 위해 포화된 함수 용액을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 함수 등의 추가는 시스템이 신선한 물 또는 약한 염수를 처리하기 위해 사용될 때, 그렇지 않으면 전기 처리가 물 속의 이온들의 결핍에 의해 효과적이지 않을 때 요구된다. 함수는 또한 보다 바람직한 수준으로 전해질의 소금 함유량을 가져오기 위해 낮은 소금 함유량을 구비하는 해수에 추가된다. 낮은 소금 함유량에서 더 큰 전류가 전기투석 유닛과 함께 동일한 처리 효과를 획득하기 위해 요구된다. 따라서, 소금 함유량을 증가시키는 것에 의해 에너지 사용의 감소가 획득될 수 있다. 예시로서, 북해에서 천 분의 25 또는 그보다 높은 염도가 일반적인 반면, 발트 해에서 표면수들은 아마도 천 분의 7인, 훨씬 낮은 염도를 구비할 것이다. 바람직하게, 함수는 적어도 천 분의 25의 염도를 유지하기 위해 전기투석 유닛에 대하여 입력 전해질에 추가된다.

바람직하게, 물은 처리 후에 저장소 또는 탱크 내에서 한동안 저장된다. 이는 전기투석 유닛의 산출물로부터의 잘 반응하는 성분들 및 산화제들을 위한 시간이 물 속의 다른 원치 않는 물질 및 미생물들에 대한 완전한 영향을 끼치게 한다. 특히 바람직한 예시에서, 본 발명은 선박의 밸러스트 수처리 내에서 사용되고, 밸러스트 탱크들 내에 취해지면서 물이 처리되고, 배출 전에 밸러스트 탱크 내에 저장된다. 이러한 상황에서 일반적으로 화물을 재-로딩하고 밸러스트 수를 배출하기 전에 포트(port)에서 포트로 선박이 이동할 때 적당한 저장 시간이 있다. 이 시간은 전기투석 유닛의 산출물에 의한 처리가 효력을 발휘하게 하여 바람직하게 이용할 수 있다.

처리 흐름 경로는 주요 흐름 경로에 대하여 외부에 있는 도관에 의해 형성될 수 있다. 이는 현존하는 물 흐름 경로가 적합한 입구 및 출구 접합부의 추가에 의해 처리 장치를 포함하도록 쉽게 맞춰지게 한다. 그 대신에, 처리 흐름 경로는 단일의 유닛으로서 주요 흐름 경로와 통합될 수 있다.

물 처리 장치는 전기투석 유닛의 산출물이 물에 반환되는 때에 동시에 또는 그 전에 물 안으로 질소 가스를 주입하기 위한 가스 주입 유닛을 임의적으로 포함할 수 있다. 일부 경우들에서는 전기투석 유닛의 산출물이 물에 반환된 후에 즉시 질소를 주입하는 것이 바람직하다. 물의 질소화(nitrogenation)는 산화제 처리를 연장하도록 의도되고, 또한 이로운 부식 감소 효과를 구비한다.

질소는 WO 2008/047084에 기술된 것과 같이 물 흐름의 일부 또는 모두 안으로 주입될 수 있다. 질소는 바람직하게 처리된 물이 질소로 과포화되는 것을 보증하도록 충분한 양으로 주입된다. 바람직한 실시예에서, 물 흐름의 일부는 주요 흐름으로부터 분리되고, 질소는 이 부분 안으로 주입된다. 바람직하게 물 흐름의 부분은 물 흐름의 전체 체적의 15%보다 적다. 질소화된 물 흐름이 주요 물 흐름에 다시 안내될 때, 정적 혼합기가 두 개의 물 흐름들의 혼합을 촉진하기 위해 사용될 수 있다.

수처리 장치는 임의적으로 물에 캐비테이션 처리를 적용하기 위해 캐비테이션 유닛을 포함할 수 있다. 캐비테이션 유닛의 이용은 물 속의 어떠한 미생물들 및 다른 생명(living) 및 비-생명체(non-living matter)에 대하여 물리적 효과를 산출하고 이러한 원치 않는 요소들을 파괴시킨다. 바람직하게, 캐비테이션 유닛은 전기투석 처리가 적용되기 전에 물을 처리하기 위해 위치된다. 임의적인 캐비테이션 처리는 따라서 더 큰 그리고 더 복잡한 유기체들을 제거하기 위해, 게다가 다른 원치 않는 물질들을 파괴시키고, 특히 미생물들의 덩어리들(clumps) 또는 그룹들을 파괴시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 전기투석 유닛의 처리 효과를 위하여 예비-처리(pre-treatment)를 제공할 수 있으며, 손상되고 파괴된 유기체들은 박막 셀의 산출물에 의해 보다 쉽게 공격 받으므로 남아있는 유기체들을 제거하는 처리의 최종 수준을 제공할 수 있고, 더 큰 크기로 되는 유기체들 및 유기체들의 그룹들이 파괴되었다는 사실에 의해 보다 효과적으로 작용할 수 있다.

대안적인 예비-처리 또는 추가적인 예비-처리는 임의적으로 물에 고주파수의 변화하는 전류를 작용하는 전기 처리 유닛에 의해 제공될 수 있고, 주파수는 물 속의 미생물들을 물리적으로 손상시키기에 충분히 높다. 전기 처리 유닛은 흐르는 물과 접촉하는 전극들을 포함할 수 있다. 충분히 높은 것에 의해, 주파수가 미생물들 상에 물리적인 효과를 제공하기에 충분히 높다는 것이 의미된다. 예를 들어, 적어도 50Hz의 주파수가 사용될 수 있으며, 바람직하게 적어도 500Hz 및 보다 바람직하게 적어도 1kHz의 주파수일 수 있다. 바람직하게 주파수는 셀 벽들, 유기체들의 핵들 또는 박막들을 손상시키거나 약하게 하는 데 충분히 높다.

전극들은 1-상(phase) 또는 3-상 구성들로 연결될 수 있다. 적용된 주파수는 예를 들어 압도적인(sweeping) 주파수 또는 소음 패턴(noise pattern) 같이, 주파수가 변화하는 특징으로 될 수 있다. 바람직하게 보통의 전압이 사용되며, 예를 들어 1-상 구성에서 120volt보다 낮은 전압이 사용될 수 있다. 높은 전압을 피하는 것은 높은 전압들과 관련된 감전사(electrocution) 및 다른 위험들(hazards)에 대한 우려를 예방한다.

전술된 다양한 측면들의 방법들은, 바람직한 실시예들에서, 전술된 바람직한 장치 특징들에 대응하는 방법 특징들을 포함할 수 있다. 방법은 밸러스트 수의 처리를 위한 것이며, 방법은 바람직하게: 전술된 바람직한 실시예 또는 측면에 따라서 밸러스트 탱크를 채우기 위해 사용되는 물을 처리하는 단계, 임의적으로 물 안으로 질소를 주입하는 단계, 밸러스트 탱크 내에 처리된 물을 저장하는 단계, 탱크로부터 물을 배출하는 단계, 임의적으로 가스를 포함하는 산소를 주입하는 것에 의해 배출된 물을 처리하는 단계, 임의적으로 물에 반복된 미생물 죽임 행위(killing action)를 작용하는 단계 및 환경에 물을 배출시키는 단계.

탱크에 들어가고 나가면서 물을 처리하는 것에 의해 원치 않는 물질, 특히 미생물 및 다른 유기체를 저장하고 배출시키는 것에 대한 위험이 많이 감소되고, 다양한 처리 단계들이 그러한 물질이 비-위험한 상태로 파괴되게 하기 때문이다. 저장된 물 속으로 질소의 임의적인 주입은 물 속의 용존 산소량을 감소시키는 것에 의해 밸러스트 탱크의 부식을 감소시킨다. 게다가, 이는 코팅들 및 페인트들 같은 부식 방지 시스템들의 변화를 감소시키며 산화가 그러한 변화의 원인이다.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

본 발명의 바람직한 실시예들은 이제 다음의 부수하는 도면들을 참조하여 오직 예시로서 설명될 것이다:
도 1은 전기투석 유닛을 구비하는 밸러스트 수처리 시스템을 도시한다,
도 2는 전극들의 스택을 포함하는 전기투석 유닛을 도시한다,
도 3은 도 2의 유닛 내에서 사용되는 것과 같은 단일의 전극 챔버를 도시한다;
도 4는 전극 플레이트 및 밀폐재를 도시한다,
도 5는 흐름 분배기가 보여질 수 있는 전기투석 유닛의 부분 절단도이다,
도 6은 흐름 분배기의 내부 튜브의 사시도이다,
도 7은 흐름 조절 요소들을 도시하는 분리기의 부분도이다,
도 8은 흐름 분배기 및 흐름 조절 요소들의 추가적인 세부사항을 도시하는 개략적인 와이퍼프레임(wireframe) 도면이다,
도 9는 전극들의 앞 가장자리들을 도시하는 두 개의 음극 챔버들 및 하나의 양극 챔버의 부분을 관통하는 단면도이다,
도 10은 바람직한 흐름 분배기가 사용되지 않은 때 컴퓨터 모델로 전극 스택을 따라 각각의 음극 챔버들을 가로지른 속도의 도표를 도시한다,
도 11은 바람직한 흐름 분배기가 사용된 때 컴퓨터 모델로 전극 스택을 따라 각각의 음극 챔버들을 가로지른 속도의 도표를 도시한다,
도 12는 바람직한 흐름 조절 요소들이 사용되지 않은 때 컴퓨터 모델로 음극 흐름 경로의 폭을 가로지른 속도의 도표를 도시한다, 및
도 13은 바람직한 흐름 조절 요소들이 사용된 때 컴퓨터 모델로 음극 흐름 경로의 폭을 가로지른 도표를 도시한다.

도 1의 배치(arrangement)는 밸러스트 수처리 시스템(ballast water treatment system) 내의 전기투석 유닛(electrodialysis unit)을 활용하나, 바람직한 전기투석 유닛에 대한 다른 이용들이 존재하고, 전기투석 유닛이 다른 필요조건에 적합하도록 맞춰질 수 있다는 이해하게 될 것이다. 특히, 여기에 설명된 전기투석 유닛은 밸러스트 수처리 내에서, 또는 다른 수처리 적용들 내에서, 도 1의 예시적인 설비 내에 도시된 것과 같은 다른 처리 유형들과 조합할 필요 없이, 사용될 수 있다는 것은 이해되어야 한다.

도 1은 전기투석 유닛(8)을 포함하는 밸러스트 수처리 시스템을 도시한다. 예시에서, 물은 캐비테이션 유닛(cavitation unit; 10), 가스 주입 유닛(gas injection unit; 14) 및 전기투석 유닛(8)에 의해 여과되고 처리된다. 이러한 일련의 처리들은 물 내의 유기체들(organisms)에 손상 및 죽음을 유발시킨다. 물 내의 유기체들에 영향을 미칠 뿐 아니라, 주입 유닛(14)에서 물에 첨가된 질소는 물 내의 용존 산소량의 수준(level)을 감소시키고 유기체들의 재-성장의(re-growth) 가능성을 감소시킬 뿐만 아니라, 코팅(coatings)의 변화(weathering) 및 부식의 속도를 감소시킨다. 게다가, 산소의 감소는 전기투석 유닛(8)의 산출물(product)을 통해 물 안으로 유입된 산화제들의 효과를 연장하는 것으로 생각된다. 제어된 대기 관리에 의해 밸러스트 탱크들(ballast tanks)이 질소를 사용하여 비워졌을 때, 이러한 효과들은 더 향상된다.

제1 필터(4)의 하류에서, 압력 부스터(pressure booster)가 임의로 설치될 수 있다. 압력 부스터는 더 하류에서 유닛들 내의 성공적인 처리를 위해 요구되는 수압의 수준을 유지하도록 사용될 수 있다.

예시에서, 물은 캐비테이션(10) 안으로 흐르는 것을 계속한다. 캐비테이션 유닛(10) 내에서 유체역학적 캐비테이션이 유체 흐름 속도(flow velocity)의 급격한 가속에 의해 유발되며, 유체의 정압(fluid static pressure)이 유체의 증기압(fluid vapour pressure)에 대하여 급격히 떨어지게 한다. 이는 증기 거품들(vapour bubbles)의 발달을 이끈다. 거품 성장을 허용하는 제어된 시간의 경과 후에, 급격하게 제어된 감속이 뒤를 잇는다. 이는 유체의 정압이 급격하게 상승하게 하며 증기 거품들이 높은 강도의 압력 및 온도 펄스들(temperature pulses)에 대하여 노출된 물 속의 유기체들 등을 파괴하거나 격렬하게 붕괴되게 하여, 물 속의 유기체들을 파괴시킨다.

캐비테이션 유닛(10) 이후에, 물의 일부는 전기투석 유닛(8)을 통해 흐른다. 물의 나머지는 전기투석 유닛(8)에 의해 처리되지 않으며, 간단하게 나중의 처리 단계들(stages)로 파이프 또는 도관(conduit)을 따라 흐르는 것을 계속할 수 있다. 도 1의 실시예에서 전기투석 유닛은 주요 흐름 도관(main flow conduit)에 대하여 외부에 장착되며, 현존하는 처리 시스템에 다시-장착될 수 있다(retro-fitted).

대안적인 실시예에서, 전기투석 유닛(8)에 의해 유입되는 밸러스트 수의 처리 대신에 또는 더불어, 함수 또는 염수(brine or saltwater; 24)의 다른 공급원(source)이 전기투석 유닛(8)을 위한 투입 전해질(input electrolyte)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 이는 선박의 담수 생산(ship's freshwater production)에서 부산물(by-product)로서 생산된 함수일 수 있다.

바람직한 실시예의 전기투석 유닛(8)에는 온도 제어 시스템(temperature control system; 9)이 제공된다. 이는 전기투석 유닛(8)에 의해 이용된 물이 설정된 온도보다 낮게 떨어지지 않는 것을 담보하기 위해 사용된다. 온도 제어 시스템(9)은 유입되는 물의 온도를 감시하기 위한 온도 감시 디바이스(temperature monitoring device; 9a) 및 전기투석 유닛(8)의 박막 셀(membrane cell)에 도달하기 위해 유입되는 물의 온도를 증가시키기 위한 히터(heater; 9b)를 포함한다. 히터(9b)는 원래의 물 온도가 미리 정해진 수준보다 낮을 때 유입되는 물의 온도를 증가시키기 위해 작동하도록 배치된다. 예시에서 미리 정해진 수준은 16℃이다. 유입되는 물의 온도가 16℃보다 낮다면 물은 히터를 이용하여 약 20℃까지 가열된다. 히터(9b)는 선박의 엔진들로부터의 폐열(waste heat)을 사용한다.

전기투석 유닛(8)은 도 2 내지 9를 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명되며, 희석물 흐름(diluate stream; 11)과 농축물 흐름(concentrate stream; 12)을 산출한다. 이러한 두 개의 흐름들은 pH 평형기 또는 혼합 유닛(pH balancer or mixing unit; 13)으로 전진하며, 주요 물 흐름(main water flow) 안으로 다시 향해지는 전기투석 유닛(8)의 산출물(17)을 산출하고, 산출물(17)의 조성에 따라, 혼합 유닛(13)은 또한 희석물의 잔여물(residue of diluate; 18)을 분배할 수 있다. 혼합 유닛(13)은 전기투석 유닛(8)의 최적의 산출물(17)을 형성하기 위해 농축물(12)에 첨가되는 희석물(11)의 양을 제어하기 위해 펌프 등을 포함한다.

전기투석 유닛(8)의 산출물(17)의 주입의 지점의 하류에는 ORP 및/또는 TRO를 측정하고 혼합 유닛(13)에 측정된 값들을 전달하는, 샘플링 및 측정 지점(sampling and measurement point; 15)이 있다. 이러한 측정값들은 물에 대한 전기투석 유닛(8)의 영향을 감시하고, 예를 들어 정량 펌프(dosing pump)를 제어하는 것에 의해 혼합 유닛(13)을 제어하기 위해 사용된다.

희석물 잔여물(18)은 모든 처리 단계들에 앞서, 바람직하게 필터(4) 및/또는 밸러스트 수 펌프(2) 전에, 유입되는 물 안으로 다시 주입될 수 있다. 그 대신에, 오수 탱크(holding tank; 25) 또는 선박의 빌지수 탱크(ship's bilge water tank; 26) 내에 저장될 수 있다.

도시된 배치에서, 전기투석 유닛(8)의 산출물(17)이 주요 흐름에 반환된 후에 가스 주입 유닛(14)은 물을 처리한다. 그러나, 대안적인 장치들에서 산출물(17)은 가스 주입 유닛(14)의 하류에서 주요 흐름에 반환되고, 가스 주입 유닛(14)의 하류에 감시 유닛(15)이 또한 구비되며, 산출물(17)이 안에 혼합된 후에 물의 상태들을 감시한다.

가스 주입 유닛(14)에서, 물 속 질소 과포화(nitrogen super-saturation)의 바람직한 수준을 획득하기 위해 증기/질소 주입기 또는 가스/물 혼합기를 이용하여 유입되는 물 안으로 질소 가스(16)가 주입되고, 산소 수준을 감소시키는 것에 의해 부식을 감소시키고 유기체들을 죽인다. 이는 또한 물 속의 산화제들의 처리 효과를 연장시킨다.

처리 유닛들의 하류에서, 처리된 물은 선박의 밸러스트 수 배관 시스템(ship's ballast water piping system; 23)에 의해 밸러스트 수 탱크들에 분배된다. 이때, 안정적인 상태가 얻어질 때까지 초과하는 가스가 배출된다. 이는 탱크들의 환기 시스템(tanks ventilation system)과 통합되는 밸브들에 의해 조절된다. 이러한 밸브들은 밸러스트 수가 탱크 내에 남아 있는 기간 동안 탱크 내에서 안정적인 상태들, 특히 질소 과포화의 높은 수준 및 물 속의 용존 산소량의 낮은 수준을 보장한다. 과포화의 수준을 유지하는 것은 과포화 그 자체 및 전기투석 유닛(8)에 의해 안내된 산화제들에 의해 계속되는(ongoing) 수처리를 이끈다. 그러므로 처리는 처리된 물을 생기게 하여 살아있는 유기체들을 죽이거나 무력화시키는 것을 계속하는 동안 물은 밸러스트 탱크들 내에 저장된다.

그런 다음 물은 밸러스트 수 탱크들 내에 놓여지도록 남겨진다. 밸러스트 수가 배출될 때, 물은 배출 처리 공정을 통해 흘러 배출을 위한 환경적으로 허용 가능한 수준으로 물의 산소 함량을 반환한다. 물은 밸러스트 탱크들로부터 펌프되고 적어도 가스 주입 유닛(14)을 통과한다. 이는 공기가 질소를 주입 가스로서 교체할 때 산소를 물에 반환하기 위해 사용된다. 임의로, 물은 그것이 배출될 때 캐비테이션 유닛(10)에 의해 재처리될 수 있다.

전기투석 유닛(8)의 작동이 이제 설명될 것이다. 전기투석 유닛(8)의 구조적인 배치의 실시예는 도 2 내지 9를 참조하여 이하에 설명된다. 전술된 것과 같이, 전기투석은 이온들이 유체 시스템 내의 이온 교환 박막들(ion exchange membranes)을 통해 운송되는 전기-박막 공정(electro-membrane process)이다. 전기투석 유닛의 가장 간단한 실시에서 단일의 박막이 두 개의 전극들 사이에 배치된다. 유체가 전도성(conductive)이라면 두 개의 전극들 사이에 전압을 적용하는 것에 확립된 전하(electric charge)는 이온들이 박막을 통해 움직이게 한다. 전압은 도면들 내에 도시되지 않은, 종래의 유형의 전력 접속 지점들(power connection points)에 의해 작용된다. 두 개의 전극들은 개별적으로 양극(anode) 및 음극(cathode)을 나타낸다. 전하는 다른 전극들에서 다른 반응들을 생성한다. 양극에서, 전해질은 산성을 구비하는 반면, 음극에서, 전해질은 알칼리성이 되는 것을 특징으로 할 것이다. 전기투석 내에 사용되는 박막들은 이온 교환을 허용하는 능력으로 선택되는 동시에 액체 불투과성(impermeable)이다. 이는 알칼리성 용액이 산성 용액으로부터 분리된 채로 유지되게 한다.

유입되는 전해질이 밸러스트 수 도관로(즉, 해수)로부터 취해지는 밸러스트 수인 전기투석 박막 셀 내에서 발생하는 반응들은 이하에서 표 1에 도시된다. 이는 브루사이트(brucite)(Mg(OH)2)를 산출하는 음극 측 상에서의 반응을 포함한다. 다양한 성분들이 나트륨 및 마그네슘 소금들과 함께 물 속에 존재할 수 있으므로 다른 반응들 또한 발생할 수 있다.

양극에서 반응들:

음극에서 반응들:

2Cl^-- 2e →Cl₂
2H₂O - 4e → 4H⁺ + O₂
Cl₂ + H₂O → HClO + HCl
HCl + NaOH → NaCl + H2
Cl^- + 2OH^- - 2e → ClO^-+ H₂O
3OH^- - 2e → HO₂ ^- + H₂O
HO₂ ^- - e →HO₂
OH^- - e →OH^●
OH^{● +}OH^●→ H₂O₂
HClO + H₂O₂ →HCl + O₂ + H₂O
ClO^- + H₂O₂ →¹O₂ + Cl^●+ H₂O

2H₂O + 2Na⁺ + 2e → 2NaOH + H₂
2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-
O₂ + e → O₂ ^-
O₂ ^-+ H⁺ → HO₂
O₂ + H₂O + 2e → HO₂ ^- + OH^-
O₂ + 2H₂ + 2e → H₂O₂ + 2OH^-
H⁺ + e → H^●
H^{● +}H^●→ H₂
OH^{● +}OH^●→ H₂O₂
H₂O₂ + OH^●→ HO₂ + H₂O
H₂O₂ ↔ H⁺ + HO₂ ^-
H₂O₂ + OH^- ↔ HO₂ ^-+ H₂O
OH^- + HO₂ ^- ↔ O₂ ² ^- + H₂O
O₂ ² ^- + H₂O₂ → O₂ ^- + OH^- + OH
OH + H₂O₂ →H₂O
OH^- + HCO₃- + Ca² ⁺ = CaCO₃ + H₂O
2OH^- + Mg² ⁺ = Mg(OH)₂

표 2는 이하에서 양극에서 산출된 산성 용액 및 음극에서 산출된 알칼리성 용액에 대한 일반적인 특성들을 설명한다. 산성 용액은 농축물 흐름을 형성하고 알칼리성 용액은 희석물 흐름을 형성한다.

	pH	TRO (mg Cl/L)	ORP (mV)
산성 용액(양극에서)	2 - 4	400 - 1200	1100 - 1200
알칼리성 용액(음극에서)	11 - 14	---	800 - 900

두 개의 분리된 흐름들은 표 3에 도시된 일반적인 특성들을 구비하는 전기투석 유닛의 산출물 및 임의적으로 잔여물을 제공하여 비율로 혼합된다. 산출물은 주로 양극에서 농축물이며, pH 수준을 제어하기 위해 희석물을 첨가한다. 잔여물은 산출물 내에 혼합되지 않은 희석물의 형태로 될 것이다. 일반적으로 전기투석 처리의 바람직한 실시들 내에서 산출물의 pH는 4-6 사이이나, 물의 처리는 이하에서 주어진 더 넓은 pH 범위 내에서 발생할 것이다.

	pH	TRO (mg Cl/L)	ORP (mV)
산출물	2 - 8.5	400 - 1000	750 - 800
잔여물	8.5 - 14		800 - 900

두 개의 흐름들의 화학적 특성들을 맞추기 위해, 교차-처리(cross-treatment)가 적용될 수 있다. 이는 하나 또는 양쪽의 흐름들의 모두 또는 일부가 도착한 구획에 대하여 반대되는 구획으로 입구에서 재-주입되는(re-injected) 것을 허용하는 배치로 구성될 것이다. 그러므로, 양극에 의해 산출된 농축물 흐름은 전기투석 유닛의 음극 측 안으로 재-주입에 의해 교차-처리될 수 있다. pH, ORP 및 TRO로 표현되는 흐름(들)의 특성들은 이 방법에 의해 더 맞춰질 수 있으며 혼합이 추가적으로 적용된다면 혼합 후에 잔여 희석물의 양이 감소되게 할 수 있다.

혼합 비율은 원래의(raw) 전해질의 “품질(quality)”, 적용되는 전력 및 전극들의 크기에 따를 것이다.

전기투석 유닛의 산출물은 N₂의 주입 지점과 함께, 바람직하게 바로 뒤에서 밸러스트 수 흐름에 들어가고, 과포화/산소 제거의 공정과 함께 물 안으로 안내된다. 만약 그렇더라고, 잔여물은 필터의 바로 정면에서 주요 흐름 내의 상류에 주입된다.

도 2 내지 9는 물을 처리하기 위해 사용될 수 있는 전기투석 유닛(8)의 실시예를 도시한다. 전기투석 유닛은 도 1의 밸러스트 수처리 시스템 또는 다른 적합한 수처리 시스템 내에서 사용될 수 있다. 처리 효과를 제공하기 위해 단독으로 사용될 수 있으며, 또는 그 대신에 다른 수처리 디바이스들과 함께 조합하여 사용될 수 있다.

도 2는 두 개의 단부 플레이트들(end plates; 32) 사이에 끼워지는 전극 챔버들(electrode chambers; 30)의 스택(stack)을 포함하는 전기투석 유닛(8)을 도시한다. 전극 스택은 나사들(screws; 34)에 의해 단부 플레이트들(32) 사이에 클램프된다(clamped). 전극 챔버들(30)은 절연 층들(insulating layers)에 의해 분리된 열 개의 박막 셀들의 세트들(sets)로 함께 배치된다. 전극 챔버들(30)의 세트들 및 플라스틱 절연 층들은 도 5에서 보다 명확하게 보여질 수 있다. 전극 챔버들(30)은 챔버들(30)의 많은 세트들의 직렬 연결(series connection)을 가능하게 하도록 이러한 방식으로 세트들 내에 배치된다. 물은 전극 챔버들(30)의 베이스(base)에서 음극 물 입구들(cathode water inlets; 50) 및 양극 물 입구(anode water inlet; 52)를 통해 전극 스택에 들어간다. 물 입구들(50, 52)이 도 2에서 전기투석 유닛(8)의 후측(reverse side)에 있으나, 유닛(8)이 반대되는 측으로부터 도시되는 도 5에서 보여질 수 있다. 음극 반응으로부터의 희석물 흐름(11) 및 양극 반응으로부터의 농축물 흐름(12)은 농축물 출구(concentrate outlet; 36) 및 희석물 출구들(diluate outlets; 38)을 통해 전기 스택을 나간다. 전술된 것과 같이, 음극 측 상에 더 높은 유량(flow rate)을 구비하는 것이 바람직하며 바람직한 실시예는 음극 측을 위해 두 개의 물 입구 파이프들 결과적으로 희석물을 위한 두 개의 출구 파이프들(38)을 포함하고, 오직 하나의 농축물 출구(36)를 구비한다. 또한 도 2에는 전극들에 전기 공급을 위해 전기 접속 보드(electrical connection board; 42) 및 전극들의 노출된 단부들(exposed ends; 40)이 도시된다.

도 3은 단일의 전극 챔버(30)를 도시한다. 도 2의 유닛(8)은 함께 적층되는 많은 수의 전극 챔버들(30)로 구성된다. 전극 챔버(30)는 전극(44)의 어느 하나의 측 상에 위치되는, 두 개의 분리기들(separators; 46) 사이에 그리고 두 개의 분리기들에 의해 지지되는 티타늄 전극 플레이트(titanium electrode plate; 44)를 포함한다. 고무 밀폐재(rubber seal; 48)는 분리기들(46)의 외부 가장자리(outer edge) 주위에서 연장하고 전극 챔버(30)를 둘러싸는 수밀 방벽(water tight barrier)을 제공한다. 전극들의 노출된 단부들(40)은 고무 밀폐재(48)를 지나 연장하여 전기 접속부들(electrical connections; 42)이 반응 구역의 외부에 마련될 수 있다.

물은 일단에서 관통 홀들(through holes; 54)을 통해 전극 챔버(30)에 들어오고 타단에서 관통 홀들(54)을 통해 나간다. 관통 홀들(54)은 대응하는 물 입구들(50, 52) 및 물 출구들(36, 38)과 유체 소통한다. 각각의 분리기(46)는 세 개의 입구들(50, 52) 및 출구들(36, 38)의 각각을 위해 관통 홀들(54)을 구비한다. 전극 챔버(30) 내부에서 분리기들(46)에는 적합한 물 입구로부터 적합한 물 출구로 물의 통과를 위한 흐름 가이드들(flow guides)이 제공된다. 그러므로, 음극 전극 챔버는 입구 측에서 두 개의 외부 관통 홀들(54)을 통해 음극 물 입구들(50)로부터 물을 받아들이고, 음극을 가로질러 지나도록 그것을 안내하고, 출구 측 상의 외부 관통 홀들(54)에 그리고 결국 희석물 출구들(38)에 추가적인 흐름 가이드들을 통해 음극 반응으로부터의 희석물을 지나가게 하기 위해 흐름 가이드들을 구비할 것이다. 양극 전극 챔버는 입구 측에서 중앙 관통 홀(54)을 통해 양극 물 입구(52)로부터 물을 받아들이고, 양극을 가로질러 지나도록 그것을 안내하고, 출구 측 상의 중앙 관통 홀(54)에 그리고 결국 희석물 출구(36)에 추가적인 흐름 가이드들을 통해 양극 반응으로부터의 농축물을 지나가게 하기 위해 흐름 가이드들을 구비할 것이다.

도 4는 분리기들(46)의 부착에 앞서 전극 플레이트(44) 및 밀폐재(48)를 도시한다. 고무 밀폐재(48)는 도면에서 도시된 바와 같이 두 개의 측들을 따라 전극 플레이트(44)에 접합된다. 밀폐재(48)는 또한 전극 플레이트(44)의 전면 및 후면들 상에 있다. 전극 플레이트(44)의 노출된 단부(40)는 앞서 설명된 바와 같이 전기 접속을 허용하기 위해 전극 플레이트의 일 측을 따라 밀폐재를 지나서 연장한다.

도 5는 전기투석 유닛의 부분 절단도이며 음극 물 입구들(52) 중 하나에 대하여 흐름 분배기(flow distributor; 56)의 상세사항을 도시한다. 도 5는 또한 플라스틱 절연 층들에 의해 분리되는 다섯 세트의 박막 셀들을 보다 명확하게 도시한다. 박막 셀들의 구조는 도 9를 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명된다. 도 5에서 단부 플레이트들(32) 중 하나 및 각각의 전극 챔버들(30)은 (또한 절단된) 정렬된 관통 홀들(54)에 의해 형성된 원형 통로(passage)를 노출시키기 위해 부분적으로 절단된다. 상기 원형 통로는 흐름 분배기(flow distributor; 56)의 제1 튜브(first tube; 58)를 형성한다. 제1 튜브(58)는 도 8의 와이어프레임 다이어그램(wireframe diagram)에서 보다 명확하게 보여질 수 있으며, 음극들에 대한 유체 흐름 배치의 보다 상세사항을 도시한다. 유체 분배기(56)는 또한 관통 홀들(54) 내부에 동심으로 위치되는, 제2 튜브(60)를 포함한다. 도 5에서 상기 제2 튜브(60)는 음극 입구들(50) 중 하나에 삽입되나, 다른 음극 입구(50) 또는 양극 입구(52)에 대해서는 도시되지 않는다. 전기투석 유닛(8)이 완성될 때 관통 홀들(54)의 각각의 세트와 함께 동심으로 장착되는, 각각의 물 입구 내에는 제2 튜브(60)가 있다.

제2 튜브(60)는 그것의 길이를 따라 홀들(62)을 포함한다. 이러한 홀들(62)은 제2 튜브(60)의 두 개의 측들 상에 절단된 횡방향 슬릿들(transverse slits)의 형태를 취하고, 제1 튜브(58) 내에 삽입될 때 제2 튜브(60)의 상부 및 하부 측들에 위치된다. 도 6은 흐름 분배기(56)의 제2 튜브(60)의 사시도이며 보다 상세히 도시하고, 제2 튜브(60)의 제2, 하부, 측 상에 홀들(62)을 포함한다.

음극 챔버를 위한 분배기(46') 상의 흐름 조절 요소들(flow conditioning elements; 64)이 도 7a에 도시되며, 그것은 음극 분배기(46')의 하부 부분의 부분도이다. 흐름 조절 요소들(64)은 음극 흐름 경로(cathode flow path)의 폭(W)을 가로질러 흐름을 균일하게 분배하기 위한 것이다.

세 개의 관통 홀들(54)은 흐름 분배기들의 제1 튜브들(58)을 형성하기 위해 전극 스택 내에 다른 분배기들(46) 내의 관통 홀들(54)과 정렬할 것이다. 도 7에 도시되지 않은, 제2 튜브들(60)은 정렬된 관통 홀들(54) 안으로 삽입될 것이며, 제2 튜브들(60) 내의 홀들(62)은 제1 튜브들(58) 안으로 물이 지나가게 할 것이다. 도 7a에서 분리기(46)는 음극 챔버를 위한 것이므로 외부 관통 홀들(54)은 음극 흐름 경로들에 개방되는 반면 중앙 관통 홀(54)은 양극 입구(52)로부터의 물이 음극 챔버에 들어가는 것을 방지하기 위해 밀폐될 것이다. 이러한 밀폐는 중앙 관통 홀에 대하여 위치된 O-링 밀폐재에 의해 획득될 수 있다. 그러므로 물 입구들(50)로부터, 튜브들(60, 58)을 따라, 흐름 조절 요소들(64)을 통해 음극 반응 영역으로 물이 지나가는 것을 허용하기 위해 홀들은 두 개의 외부 관통 홀들(54)에서 제1 튜브들(58) 내에 형성될 수 있다.

흐름 조절 요소들(64)은 음극 흐름 경로의 전체 폭(W)을 가로질러 물을 균일하게 분배하기 위해 팬(fan) 형상의 관통 홀들(54)로부터 멀리 연장하는 채널들(channels)의 형태를 취할 수 있다. 채널들은 분리기(46') 안으로 리세스되고(recessed) 벽들(66)에 의해 서로로부터 분리된다. 음극 챔버를 형성하는 두 개의 분리기들(46')이 함께 결합될 때 각각의 분리기(46') 상의 벽들(66)은 서로 마주보고 접촉하게 되어 채널들이 밀폐된다. 각각의 채널은 음극 흐름 경로를 통과하는 흐름 방향과 평행인 단부 부분을 구비한다. 이는 난류를 감소시키고 층류(laminar flow)를 조장하는 데 도움이 된다.

도 7b는 양극 챔버를 위한 분리기(46")의 유사한 부분도이다. 양극 분리기는 양극 흐름 경로를 위한 흐름 조절 요소들(65)을 포함한다. 음극 흐름 조절 요소들(64)과 같이 양극 흐름 조절 요소들(65)은 양극 흐름 경로의 전체 폭(W)을 가로질러 균일하게 물을 분배하기 위해 팬 형상으로 관통 홀(54)로부터 멀리 연장하는 채널들의 형태를 취한다. 양극 흐름 경로에는 오직 단일의 중앙 관통 홀(54)로부터의 물이 공급되므로 양극 흐름 조절 요소들(65)은 음극 흐름 조절 요소들(64)보다 더 넓은 각도 이상으로 펼쳐질 수 있다(fan out). 이는 중앙 관통 홀(54) 내의 흐름 분배기(56)로부터의 물이 양극 흐름 경로 위에 균일하게 분배되게 한다. 두 개의 외부 관통 홀들은 음극 물 공급으로부터 물의 진입을 방지하기 위해, 예를 들어 O-링 밀폐재에 의해, 밀폐될 수 있다. 양극 흐름 조절 요소들(65)은 벽들(67)에 의해 분리된 리세스된 채널들이다. 양극의 앞 가장자리(leading edge)가 물 입구로부터 더 큰 간격으로 위치되므로, 양극 분리기(46")의 흐름 조절 부분은 관통 홀들(54)로부터 멀리 더 큰 간격으로 연장하며, 도 9를 참조하여 이하에서 보다 상세히 기술된다.

도 8은 전극 스택 내에서 음극 흐름 경로들을 위한 흐름 조절 요소들(64) 및 흐름 분배기(56)의 추가적인 상세사항을 도시하는 개략적인 와이어프레임 도면이다. 흐름 조절 요소들(64)의 상세사항은 명확화를 위하여 생략되나, 팬 형상들은 보여질 수 있다. 각각의 음극 챔버는 분리기들(46)의 두 개의 외부 관통 홀들(54) 내의 두 개의 흐름 분배기들(56)에 유사한 방식으로 결합하는 흐름 조절 요소들(64)의 두 개의 대칭적인 세트들을 구비한다. 전술된 것과 같이, 관통 홀들(54)은 흐름 분배기(56)의 제1 튜브(58)를 만들어 내기 위해 정렬된다. 제1 튜브(58)는 상부 측 상에서 홀들을 통해 흐름 조절 요소들(64)의 각각의 세트들에 연결한다. 제1 튜브(58) 내부에 동심으로 위치된 제2 튜브(60)는 두 개의 음극 입구들(50)로부터 제1 튜브(58)에 물을 공급한다. 물은 제2 튜브의 상부 및 하부 표면들 내의 슬릿 형상의 홀들(62)을 통해 제1 튜브(58) 및 제2 튜브(60) 사이에서 통과한다.

두 개의 튜브 흐름 분배기(56)는 전극 스택(30)의 길이를 따라 각각의 음극 챔버에 균일하게 물을 분배하는 역할을 한다. 흐름 조절 요소들(64)은 각각의 음극 흐름 경로의 폭(W)을 가로질러 물의 균일한 분배를 제공하고, 또한 음극 흐름 경로들 내의 층류를 조장한다.

양극 챔버에 대하여 도 8에 도시된 것과 유사한 배치가 있으며, 물은 두 개의 외부 홀들(54) 대신에 오직 중앙 관통 홀(54)로부터 분배된다. 양극 물 흐름 경로는 제1 및 제2 튜브들(58, 60)을 이용하여, 전술된 흐름 분배기(56)와 동일한 설계의 흐름 분배기(56)를 통과한다. 상기 흐름 분배기(56)는 양극 물 입구(52)에 연결하는 정렬된 중앙 관통 홀들(54)에 의해 생성된 제1 튜브(58)를 이용하여 형성될 수 있다.

유입된 물이 흐름 분배기들(56)을 통과하고 흐름 조절 요소들(64, 65)을 나간 후에 그것은 음극 및 양극 챔버들 내부에 음극 및 양극 흐름 경로들 안으로 흐른다. 이 지점에서, 도 10 내지 13을 참조하여 이하에 설명된 바와 같이, 물은 각각의 흐름 경로의 폭(W)을 가로질러 균일하게 분배되고 전극 스택을 따라 각각의 흐름 경로에 균일하게 분배된다. 물의 균등한 분배는 전극 스택 내의 각각의 박막 셀을 가로질러 반응의 균등한 속도를 담보한다. 흐름 경로 폭(W)을 가로질러 물의 균일한 분배는 반응이 전극들의 폭 위에서 균일하게 발생하고, 또한 음극 흐름 경로들 내에 층류를 조장한다는 것을 의미한다.

도 9는 물이 음극 챔버들 및 전극 챔버에 들어가는 지점에서 하나의 양극(70) 및 두 개의 음극들(68)의 부분을 통과하는 단면도이다. 박막(71)은 박막 셀들을 형성하기 위해 전극들 사이에 위치된다. 도면은 두 개의 완전한 박막 셀들(양극(70)의 어느 한 측) 및 두 개의 부분적인 박막 셀들(두 개의 음극들(68)의 외부 부분들에서)을 통과하는 부분적인 단면도이다.

도 9는 전극 챔버들을 통해, 특히 음극 흐름 경로의 반응 구역 내에서 층류를 조장하기 위해 사용되는 추가적인 특징들을 도시한다. 음극 흐름 경로들(72)에 대하여 유입되는 물은 화살표(C)에 의해 가리켜진 것과 같이 분리기들(46')의 흐름 조절 요소들(64)로부터 일어난다. 흐름 조절 요소들(64, 65)을 통과하는 물 흐름은 개별적인 음극(68) 또는 양극(70)의 개별적인 두 개의 측들을 따라 지나가는 두 개의 흐름 경로들(72, 74)을 공급한다.

흐름 조절 요소들(64, 65)을 나가는 물은 흐름이 전극들의 어느 한 측 상에서 흐름 경로들(72, 74)에 들어가는 두 개의 균등한 흐름들로 완만하게 분할되기 전에 흐름이 동요되지 않는 고정된 거리를 흐르도록 허용된다. 이러한 고정된 거리는 이전의 흐름 가이드들로부터 발생될 수 있는 파괴적인 영향들로부터 흐름을 회수하는 데 도움이 된다. 흐름의 완만한 분할은 전극 앞 가장자리(76)의 형상을 통해 획득되며, 난류를 최소화하는 쐐기(wedge) 형상으로 된다. 바람직한 실시예에서 동요되지 않는 흐름의 고정된 거리는 대략 10mm이다.

양극(70)의 앞 가장자리(76)가 음극(68)의 앞 가장자리(76)보다 물 입구로부터 멀리 더 큰 간격을 두고 위치된다는 것을 알게 될 것이다. 전기투석 유닛은 반응 구역 내에서 전기 처리를 받기 전에 물이 음극 위의 추가적인 고정된 거리(X)를 흐르도록 설계된다. 이러한 추가적인 거리(X)는 해수에 전류가 가해지기 전에 흐름이 층류로 성장하게 하는 것을 돕고 잔여의 난류가 분산하게 한다. 이는 상쇄된(offset) 음극/양극 구성을 허용하는 양극(70) 및 음극(68)의 서로 다른 길이들의 이용을 통해 얻어진다. 여기에 도시된 바람직한 설계에서 고정된 거리(X)는 대략 30mm이고 음극(68) 및 박막 사이의 간격은 2mm이다. 반응 구역은 양극(70) 및 음극(68)이 모두 충분히 근접 상태에 존재할 때 시작하며, 이러한 경우에 이것은 도면 상에 표시된 것과 같은 거리(X) 이후일 것이다. 반응 구역 내에서 전기투석이 발생하고 물이 반응 구역 내에서 양극 흐름 경로들(74) 및 음극 흐름 경로들(72)을 따라 통과할 때 이온 교환이 박막들(71)을 가로질러 발생하고, 전술된 것과 같이 음극 측 상에서 알칼리성 희석물 및 양극 측 상에서 산성 농축물을 발생시킨다. 농축물 및 희석물은 출구들(36, 38)을 통해 전기투석 유닛을 나가고, 미생물들에게 해로운, 전기투석 유닛의 산출물을 제공하기 위해 희석물의 일부 또는 전부와 농축물을 혼합하는 것에 의해 물을 처리하기 위해 사용된다.

양극(70)의 각각의 측 상에서 스페이서 요소(spacer element; 78)가 양극 흐름 경로들(74) 내에 포함된다. 난류를 피하기 위해 음극 흐름 경로들(72) 상에 스페이서 요소들은 없다. 음극 흐름 경로들(72)에서 조절된 흐름이 흐름 조절 요소들(64)에 의해 제공된다. 이러한 흐름은 음극(68)의 쐐기 형상의 단부(76)에 의해 분할된 후에, 동요되지 않는 흐름의 10mm 영역을 가로질러 지나면서 보다 층류가 된다. 물은 그런 다음 30mm의 추가적인 거리에 대하여 두 개의 음극 흐름 경로들(72)을 따라 흐르고, 층류를 더 조장하는 역할을 한다. 유입된 물이 음극 흐름 경로들(72) 내의 반응 구역에 들어갈 때까지 흐름은 일반적으로 층류이다. 전술된 것과 같이, 이러한 층류는 브루사이트 침전물들의 축적을 피하고 또한 다른 오염물질들의 축적을 피하는 데 도움이 된다.

전술된 것과 같이, 바람직한 전기투석 유닛은 박막 셀들의 몇몇의 세트들로 이루어지며 셀들의 각각의 세트는 다섯 개의 양극들 및 여섯 개의 음극들에 의해 형성되고, 음극들은 외부 단부들에 위치된다. 이러한 배치를 구비하여 외부의 음극들은 오직 하나의 활성 측(active side)을 구비하고, 음극들의 내부 측을 따라 하나의 흐름 경로를 구비한다. 외부 음극들의 외부 표면들은 활성화되지 않으며 물이 흐르는 것을 방지하도록 차단될 것이다.

바람직한 실시예의 이로운 효과들을 설명하기 위해 컴퓨터 모델링(computer modelling)이 사용되었다.

도 10 및 11은 두 개의 튜브 흐름 분배기 시스템의 영향을 도시한다. 도 10은 바람직한 흐름 분배기(56)가 사용되지 않을 때 컴퓨터 모델로 전극 스택을 따라 각각의 음극 챔버들을 가로지른 속도의 도표(plot)를 도시하는 반면, 도 11은 바람직한 흐름 분배기(56)가 사용될 때 컴퓨터 모델로 전극 스택을 따라 각각의 음극 챔버들을 가로지른 속도의 도표를 도시한다. 도표들은 전극 스택의 단부에서 음극 물 입구(50)로부터 음극 흐름 경로(72)의 거리를 도시하는 수평 축을 구비하고 수직 축 상에 흐름 속도를 도시한다. 도면들의 비교에 의해 알 수 있는 것과 같이 흐름 분배기(56)가 사용되지 않을 때 물 입구(50)로부터 더 먼 거리에서 음극 흐름 경로들(72) 내에서 상당히 높은 속도가 된다. 흐름 분배기(56)가 사용될 때 물은 전극 스택의 길이를 따라 상당히 보다 균일하게 분배된다.

도 12 및 13은 음극 흐름 경로들(72)을 가로지른 물 흐름에 대한 흐름 조절 요소들(64)의 영향을 도시한다. 도 12는 바람직한 흐름 조절 요소들(64)이 포함되지 않을 때 컴퓨터 모델로 음극 흐름 경로의 폭을 가로지른 속도의 도표를 도시하고, 물은 대신에 채널들(64) 또는 벽들(66) 없이 팬 형상으로 된 영역을 통과한다. 도 13은 바람직한 흐름 조절 요소들(64)이 존재할 때 컴퓨터 모델로 음극 흐름 경로의 폭을 가로지른 속도의 도표를 도시한다. 수직 축은 흐름 속도를 나타내고 수평 축은 음극 흐름 경로(72)의 폭을 가로지른 거리를 나타낸다. 각각의 도표에서 정점들은 음극 흐름 경로(72)의 폭(W)을 가로지른 지점들에서 적당한 속도를 예시한다. 날카로운 골들(sharp troughs)은 곧 멀리 분산되는 챔버의 출구에서 흐름 조절 요소들의 영향에 의한 것이다. 알 수 있는 것과 같이, 챔버를 가로지른 평균 흐름이 연구될 때, 채널들(64) 및 벽들(66)은 속도의 보다 균일한 분배 및 음극 흐름 경로(72)의 폭(W)을 가로지른 흐름을 위해 제공한다. 그것들이 존재하지 않을 때 속도 및 흐름이 덜 균일하고 이것은 난류 및 음극 흐름 경로(72)의 뒤이은 부분들 내의 이차적인 흐름들을 일으킨다.

1: 입구 파이프
2: 밸러스트 펌프 시스템
4: 제1 필터
8: 전기투석 유닛
9: 온도 제어 시스템
9a: 온도 감시 디바이스
9b: 히터
10: 캐비테이션 유닛
11: 희석물 흐름
12: 농축물 흐름
13: 혼합 유닛
14: 가스 주입 유닛
15: 감시 유닛
16: 질소 가스
17: 산출물
18: 희석수 잔여물
23: 밸러스트수 배관 시스템
24: 염수
25: 오수 탱크
26: 빌지수 탱크
30: 전극 챔버들
32: 단부 플레이트
34: 나사
36: 농축물 출구
38: 희석물 출구
40: 노출된 단부
42: 전기 접속 보드
44: 전극 플레이트
46, 46', 46": 분리기
48: 고무 밀폐재
50: 음극 물 입구
52: 양극 물 입구
54: 관통 홀
56: 흐름 분배기
58: 제1 튜브
60: 제2 튜브
62: 홀
64, 65: 흐름 조절 요소
66, 67: 벽
68: 음극
70: 양극
71: 박막
72: 음극 흐름 경로
74: 양극 흐름 경로
78: 스페이서 요소

Claims

다수의 음극들, 다수의 양극들 및 다수의 박막들을 포함하고,
상기 음극들 및 양극들은 전극 스택 내에 교대로 배치되고, 각각의 음극 및 양극 중간에 박막이 구비되며,
상기 음극 및 양극은 각각 단일의 전도성 플레이트의 형태로 되어 상기 전극 스택 내부에 둘러싸인 음극 플레이트들 및 양극 플레이트들의 양쪽 표면들은 사용 중에, 처리되는 물과 전도성 접촉을 하는, 전기투석 유닛.
제1항에 있어서,
상기 전극 스택은 많은 박막 셀들을 형성하는 많은 세트의 전극들을 포함하고, 단일의 세트 내의 각각의 전극은 병렬로 연결되고, 각각의 세트의 전극들은 직렬로 연결되는 전기투석 유닛.
제2항에 있어서,
상기 전극 스택 내 전극들의 각각의 세트의 외부 단부들은 모두 음극인 전기투석 유닛.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극들을 위한 전기 접속부들이 상기 전도성 플레이트들의 전도성 물질에 직접적으로 마련되는 전기투석 유닛.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전도성 플레이트들은 전기 접속 지점들을 제공하기 위해 상기 전기투석 유닛의 반응 영역의 외부로 연장하는 전기투석 유닛.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극들을 형성하는 상기 전도성 플레이트들은 비-전도성 분리기들 사이에 클램프되고 지지되어 음극 흐름 경로들 및 양극 흐름 경로들의 밖으로 및 안으로 유체 흐름을 분리하는 전기투석 유닛.
제6항에 있어서,
상기 전도성 플레이트들에는 밀폐재가 제공되고 상기 밀폐재는 상기 전도성 플레이트들에 접합되고 상기 분리기들의 외부 가장자리의 형상에 대응하는 형상으로 형성되는 전기투석 유닛.
제7항에 있어서,
상기 밀폐재는 상기 전도성 플레이트들의 가장자리들을 지나서 연장하는 전기투석 유닛.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리기들은 상기 반응 영역들 내의 상기 전도성 플레이트들을 노출시키는 개구들을 포함하고, 상기 박막들은 상기 박막 셀들을 완전하게 하기 위해 양극 및 음극 사이에서 상기 개구들을 가로질러 위치되는 전기투석 유닛.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리기들은 유입되는 물을 위한 입구 흐름 통로들 및 유출되는 희석물 및 농축물을 위한 출구 흐름 통로들을 포함하는 전기투석 유닛.
제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리기들은 음극 및/또는 양극 흐름 경로들에 균일한 및/또는 층류의 흐름을 제공하기 위한 흐름 가이드 특징들을 포함하는 전기투석 유닛.
제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음극 및 상기 양극을 위한 대안적인 분리기 설계들을 포함하는 전기투석 유닛.
제12항에 있어서,
상기 대안적인 음극 및 양극 분리기들은 서로 다른 흐름 가이드 특징들을 포함하고 및/또는 음극 및 양극 흐름 경로들에 대하여 서로 다른 유량들을 제공하는 전기투석 유닛.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 다른 분리기는 상기 전극 스택 내에 조립될 때 다른 위치들에서 상기 양극 및 음극 플레이트들의 지지를 의도하는 전기투석 유닛.
제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
전도성 플레이트의 형태로 되는 음극의 어느 한 측 상에 위치되는 제1 및 제2 음극 분리기들을 포함하는 음극 챔버들 및 전도성 플레이트의 형태로 되는 양극의 어느 한 측 상에 위치되는 제1 및 제2 양극 분리기들을 포함하는 양극 챔버들을 포함하고, 상기 전기투석 유닛은 양극 및 음극 챔버들의 시퀀스를 포함하고, 각각의 챔버 사이에 박막들이 구비되는 전기투석 유닛.
제6항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리기들은 물 입구 및 출구 통로들을 형성하기 위해 상기 전극 스택 내에서 정렬하는 관통 홀들을 포함하는 전기투석 유닛.
제16항에 있어서,
두 개의 음극 입구 통로들, 하나의 양극 입구 통로, 두 개의 음극 출구 통로들 및 하나의 양극 출구 통로들이 있으며, 각각은 상기 음극 흐름 경로들을 통해 증가된 유량을 제공하기 위해 거의 동일한 크기로 되는 전기투석 유닛.
제16항 또는 제17항에 있어서,
밀폐재들은 상기 양극 흐름 및 음극 흐름의 분리를 유지하기 위해 상기 관통 홀들 주위에 제공되는 전기투석 유닛.
해수의 처리를 위해 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 전기투석 유닛의 이용, 바람직하게 밸러스트 수의 처리를 위한 이용을 포함하는 방법.
다수의 음극, 다수의 양극 및 다수의 박막들을 포함하는 전기투석 유닛을 제작하는 방법에 있어서,
상기 방법은,
각각의 음극 및 양극 중간에 박막들을 구비하여, 상기 음극 및 양극을 전극 스택 내에 교대로 배치하는 단계;
를 포함하고,
상기 음극 및 상기 양극은 각각 단일의 전도성 플레이트의 형태로 되어 상기 전극 스택 내부에서 상기 음극 플레이트들 및 양극 플레이트들의 양쪽 표면들은 사용 중에, 처리되는 물과 전도성 접촉을 하는, 전기투석 유닛을 제작하는 방법.
제20항에 있어서,
각각의 전도성 플레이트를 위한 밀폐재를 제공하는 단계 및 상기 전도성 플레이트에 상기 밀폐재를 접합하는 단계를 포함하는 방법.
제21항에 있어서,
열경화성 또는 가황처리된 고무가 상기 밀폐재를 위해 사용되고, 상기 방법은 열 처리 전에 상기 전극에 상기 고무를 적용하는 단계, 및 상기 전극과 접촉하는 동안 열경화 또는 가황처리 공정을 수행하는 것에 의해 상기 전극에 상기 고무를 접합하는 단계를 포함하는 방법.
제21항 또는 제22항에 있어서,
상기 방법은 상기 비-전도성 분리기들 사이에 밀폐재 및 각각의 전도성 플레이트를 클램핑하는 단계를 포함하는 방법.
제23항에 있어서,
상기 반응 영역들 내의 상기 전도성 플레이트들을 노출시키는 상기 분리기들 내에 개구들을 제공하는 단계 및 양극 및 음극 사이에서 상기 개구들을 가로질러 박막들을 위치시키는 단계를 포함하며, 상기 박막들이 인접한 전극들 사이에 끼워지는 방법.
제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 특징들을 구비하는 전기투석 유닛을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
부수하는 도면들의 도 2 내지 9를 참조하여 실질적으로 앞서 설명된 것과 같은 전기투석 유닛.
실질적으로 앞서 설명된 것과 같은 전기투석 유닛을 제작하는 방법.