KR20140037017A - 전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 제조하는 방법들 - Google Patents
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Abstract
전기 정화 장치와 전기 정화 장치를 제조하는 방법들이 개시된다. 전기 정화 장치는, 예를 들어, 전류 효율들과 멤브레인 활용에 대하여 동작 효율들을 증가시키기 위해 제공될 수 있다.
Description
본 출원은 35 U.S.C.§119(e)에 따라 "CROSS-FLOW ELECTROCHEMICAL DEIONIZATION DEVICE AND METHODS OF MANUFACTURING THEREOF"란 명칭의 2010년 11월 12일 출원된 미합중국 임시 특허 출원 번호 61/413,021과 "MODULAR CROSS-FLOW ELCTRODIALYSIS DEVICES AND METHODS OF MANUFACTURING THEROF"란 명칭의 2011년 7월 21일 출원된 미합중국 임시 특허 출원 번호 61/510,157의 우선권을 주장하며, 이로써 임시출원들의 각각의 전체 개시가 모든 목적들을 위해 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 개시는 물 처리의 시스템들과 방법들, 그리고 물을 처리하기 위한 시스템 또는 장치를 제조하는 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 전기 정화 장치를 이용한 물 처리의 시스템들과 방법들, 그리고 물을 처리하기 위한 전기 정화 장치를 제조하는 방법들에 관한 것이다.
개시의 하나 또는 하나를 초과하는 양상들은 전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법에 관한 것이다. 방법은 제 1 유체 흐름 경로를 갖는 제 1 컴파트먼트(compartment)를 형성하도록 제 1 음이온 교환 멤브레인과 제 1 양이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 제 1 양이온 교환 멤브레인에 제 1 음이온 교환 멤브레인을 고정시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 제 1 유체 흐름 경로와 다른 방향으로 제 2 유체 흐름 경로를 갖는 제 2 컴파트먼트를 형성하도록 제 1 양이온 교환 멤브레인의 주변의 제 2 부분과 제 2 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 제 1 양이온 교환 멤브레인에 제 2 음이온 교환 멤브레인을 고정시키는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 컴파트먼트와 제 2 컴파트먼트의 각각은 제 1 양이온 교환 멤브레인, 제 1 음이온 교환 멤브레인 그리고 제 2 양이온 교환 멤브레인의 각각의 표면 영역의 85% 보다 큰 표면 영역의 유체 접촉(fluid contact)을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다.
개시의 다른 양상들은 전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인 사이에 배치된 제 1 스페이서를 갖는 제 1 스페이서 어셈블리를 제공하도록 제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 제 1 음이온 교환 멤브레인에 제 1 양이온 교환 멤브레인을 고정시킴으로써 제 1 컴파트먼트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 제 2 음이온 교환 멤브레인과 제 2 양이온 교환 멤브레인 사이에 배치된 제 2 스페이서를 갖는 제 2 스페이서 어셈블리를 제공하도록 제 2 양이온 교환 멤브레인과 제 2 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 제 2 양이온 교환 멤브레인에 제 2 음이온 교환 멤브레인을 고정시킴으로써 제 2 컴파트먼트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 제 1 스페이서 어셈블리와 제 2 스페이서 어셈블리 사이에 배치된 스페이서를 갖는 스택 어셈블리를 제공하기 위해 제 1 양이온 교환 멤브레인의 주변의 제 2 부분과 제 2 음이온 교환 멤브레인의 주변의 부분에서 제 2 스페이서 어셈블리에 제 1 스페이서 어셈블리를 고정시킴으로써 제 3 컴파트먼트를 형성하는 단계를 포함한다. 제 1 컴파트먼트와 제 2 컴파트먼트의 각각은 제 3 컴파트먼트내 유체 흐름의 방향과 다른 방향으로 유체 흐름의 방향을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다.
계속해서 개시의 다른 양상들은 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치를 제공할 수 있다. 셀 스택은 제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인을 포함하는 제 1 컴파트먼트를 포함할 수 있다. 제 1 컴파트먼트는 제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인 사이에서 제 1 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 셀 스택은 또한 제 1 음이온 교환 멤브레인과 제 2 양이온 교환 멤브레인 사이에서 제 2 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 제 1 음이온 교환 멤브레인과 제 2 양이온 교환 멤브레인을 포함하는 제 2 컴파트먼트를 포함할 수 있다. 제 1 컴파트먼트와 제 2 컴파트먼트의 각각은 제 1 양이온 교환 멤브레인, 제 1 음이온 교환 멤브레인, 그리고 제 2 양이온 교환 멤브레인의 표면 영역의 85% 보다 큰 표면 영역의 유체 접촉을 제공하도록 구성되고 정렬된다.
계속해서 개시의 다른 양상들은 전기 정화 장치를 위한 셀 스택에 관한 것이다. 셀 스택은 복수의 교류 이온 감손(depleting) 컴파트먼트들과 이온 농축(concentrating) 컴파트먼트들을 포함할 수 있다. 이온 감손 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향으로 희석 유체 흐름을 제공하는 주입구와 배출구를 가질 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 농축된 유체 흐름을 제공하는 주입구와 배출구를 가질 수 있다. 셀 스택은 또한 셀 스택내에 위치된 차단 스페이서를 포함할 수 있다. 차단 스페이서는 셀 스택을 통해 희석 유체 흐름과 농축된 유체 흐름 중 적어도 하나의 방향을 변경하도록 구성되고 정렬될 수 있다.
계속해서 개시의 다른 양상들은 전기 정화 장치에 관한 것이다. 전기 정화 장치는 교류 이온 희석 컴파트먼트들과 이온 농축 컴파트먼트들을 포함하는 셀 스택을 포함한다. 이온 희석 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 전기 정화 장치는 셀 스택의 제 1 단부에서 음이온 교환 멤브레인에 인접한 제 1 전극을 포함할 수 있다. 전기 정화 장치는 또한 셀 스택의 제 2 단부에서 캐소드 교환 멤브레인에 인접한 제 2 전극을 포함할 수 있다. 차단 스페이서는 셀 스택내에 위치될 수 있으며 전기 정화 장치를 통해 희석 유체 흐름과 농축 유체 흐름 중 적어도 하나의 방향을 바꾸고 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 직류 경로를 방지하도록 구성되고 정렬될 수 있다.
계속해서 또 다른 개시의 양상들에서, 음료수원을 제공하는 방법이 제공된다. 방법은 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 셀 스택은 교류 이온 희석 컴파트먼트들과 이온 농축 컴파트먼트들을 포함할 수 있다. 이온 희석 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들과 이온 희석 컴파트먼트들의 각각은 교류 이온 희석 컴파트먼트들과 이온 감손 컴파트먼트들 각각의 표면 영역의 85% 보다 큰 표면 영역의 유체 접촉을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 방법은 전기 정화 장치의 주입구로 약 35,000ppm의 전체 용존 물질들을 포함하는 해수 피드 스트림을 유동적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 음료 사용지점까지 전기 정화 장치의 배출구를 유동적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
첨부 도면들은 크기를 스케일링하도록 그려지게 의도된 것이 아니다. 도면들에서, 다양한 도면들에 예시되는 각각의 동일하거나 거의 동일한 컴포넌트는 유사한 숫자로 표시된다. 명료성을 위해, 모든 각각의 컴포넌트가 모든 각각의 도면에 라벨링되지 않을 수 있다.
도면들에서 :
도 1은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 2는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 3은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 4는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 5는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 멤브레인 셀 스택을 포함하는 전기탈이온화 장치(electodeionization apparatus)의 일부의 측면도의 개략적인 예시이다.
도 6은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 멤브레인 셀 스택을 포함하는 전기탈이온화 장치(electodeionization apparatus)의 일부의 측면도의 개략적인 예시이다.
도 7은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 멤브레인 셀 스택을 포함하는 전기탈이온화 장치(electodeionization apparatus)의 일부의 측면도의 개략적인 예시이다.
도 8은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 9는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 10은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 11은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 12는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 13은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 14는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 15는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 16은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 17은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 다중-패스 전기 정화 장치의 개략적인 예시이다.
도 18은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 차단 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 19는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서 어셈블리들과 스페이서 어셈블리들 사이에 위치된 차단 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 20은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 21은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 차단 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 22는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 23a 및 도 23b는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시들이다.
도 24a 및 도 24b는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 제 1 모듈러 유닛, 제 2 모듈러 유닛, 그리고 이들 유닛 사이에 위치된 차단 스페이서를 포함하는 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시들이다.
도 25는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 차단 스페이서의 개략적인 예시이다
도 26은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서 어셈블리의 개략적인 예시이다.
도 27은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 개략적인 예시이다.
도 28은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 개략적인 예시이다.
도 29는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 개략적인 예시이다.
도 30은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 31은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 셀 스택을 관통하는 분해도의 개략적인 예시이다.
도 32는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 부분적으로 조립된 셀 스택의 단면도 및 상세도의 개략적인 예시이다.
도 33은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 조립된 스택의 일부의 개략적인 예시이다.
도 34는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 오버몰딩된 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 35는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 단면도의 개략적인 예시이다.
도 36은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 단면도의 개략적인 예시이다.
도 37은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서의 상면도(top view)의 개략적인 예시이다.
도 38a 및 도 38b는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서의 세부 사항의 개략적인 예시들이다. 도 38b는 라인 B-B를 따라 도 38a의 단면도이다.
도 39는 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 40은 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 41은 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 42는 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 43은 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 44는 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도면들에서 :
도 1은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 2는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 3은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 4는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 5는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 멤브레인 셀 스택을 포함하는 전기탈이온화 장치(electodeionization apparatus)의 일부의 측면도의 개략적인 예시이다.
도 6은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 멤브레인 셀 스택을 포함하는 전기탈이온화 장치(electodeionization apparatus)의 일부의 측면도의 개략적인 예시이다.
도 7은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 멤브레인 셀 스택을 포함하는 전기탈이온화 장치(electodeionization apparatus)의 일부의 측면도의 개략적인 예시이다.
도 8은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 9는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 10은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 11은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 12는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 13은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 14는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 15는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 16은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 멤브레인 셀 스택을 고정하는 방법의 개략적인 예시이다.
도 17은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 다중-패스 전기 정화 장치의 개략적인 예시이다.
도 18은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 차단 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 19는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서 어셈블리들과 스페이서 어셈블리들 사이에 위치된 차단 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 20은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 21은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 차단 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 22는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시이다.
도 23a 및 도 23b는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 하우징내에 위치된 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시들이다.
도 24a 및 도 24b는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 제 1 모듈러 유닛, 제 2 모듈러 유닛, 그리고 이들 유닛 사이에 위치된 차단 스페이서를 포함하는 전기 정화 장치의 일부의 개략적인 예시들이다.
도 25는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 차단 스페이서의 개략적인 예시이다
도 26은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서 어셈블리의 개략적인 예시이다.
도 27은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 개략적인 예시이다.
도 28은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 개략적인 예시이다.
도 29는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 개략적인 예시이다.
도 30은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 31은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 셀 스택을 관통하는 분해도의 개략적인 예시이다.
도 32는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 부분적으로 조립된 셀 스택의 단면도 및 상세도의 개략적인 예시이다.
도 33은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 조립된 스택의 일부의 개략적인 예시이다.
도 34는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 오버몰딩된 스페이서의 개략적인 예시이다.
도 35는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 단면도의 개략적인 예시이다.
도 36은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 셀 스택의 단면도의 개략적인 예시이다.
도 37은 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서의 상면도(top view)의 개략적인 예시이다.
도 38a 및 도 38b는 개시의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서의 세부 사항의 개략적인 예시들이다. 도 38b는 라인 B-B를 따라 도 38a의 단면도이다.
도 39는 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 40은 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 41은 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 42는 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 43은 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도 44는 본 발명의 하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따른 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 개략적인 예시이다.
도면들 중 적어도 몇몇은 멤브레인들, 스페이서들, 셀 스택들, 그리고 하우징들 특히 구성들과 지오메트리(geometry)들을 묘사할 수 있다. 그러나, 개시는 이들 특별한 구성들과 지오메트리들에 제한되지 않는다. 예를 들어, 하우징은, 하나 또는 하나를 초과하는 멤브레인 셀 스택들 또는 모듈러 유닛들이 하우징내에 고정될 수 있도록 임의의 적절한 지오메트리일 수 있다. 예를 들어, 하우징은 실린더형, 다각형, 정사각형, 또는 직사각형일 수 있다. 멤브레인 셀 스택들과 모듈러 유닛들에 대하여, 셀 스택 또는 모듈러 유닛이 하우징에 고정될 수 있는 한 임의의 적절한 지오메트리가 수용가능하다. 예를 들어, 멤브레인들 또는 스페이서들은 모양이 직사각형일 수 있다. 특정한 실시예들에서, 하우징이 요구되지 않을 수 있다. 멤브레인들과 스페이서들의 지오메트리는, 멤브레인들과 스페이서들이 셀 스택내에 고정될 수 있도록 임의의 적절한 지오메트리일 수 있다. 특정한 실시예들에서, 셀 스택에 대한 특별한 수의 모서리들 또는 꼭짓점들이 요구될 수 있다. 예를 들어, 3개 또는 3개를 초과하는 모서리들 또는 꼭짓점들이 하우징에 셀 스택을 고정시키기 위해 요구될 수있다. 특정한 실시예들에서, 하우징, 셀 스택, 멤브레인들, 그리고 스페이서들 중 임의의 지오메트리가 전기 정화 장치의 동작 파라미터들을 수용하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 스페이서들은 희석 스트림들과 농축 스트림들 사이의 유속들에 있어서 차이들을 수용하기 위해 비대칭적일 수 있다.
전기장들을 이용하여 유체들을 정화하기 위한 디바이스들은 용존 이온 종들을 포함하는 물과 기타 액체들을 처리하기 위해 흔히 사용된다. 이러한 방식으로 물을 처리하는 2가지 타입의 디바이스들은 전기탈이온화와 전기투석 디바이스들이다.
전기탈이온화(EDI)는 이온 운반에 영향을 끼치기 위해 전기적 능동 매질과 전위를 이용하여 물로부터 하나 또는 하나를 초과하는 이온화된 또는 이온화가능한 종들을 제거하거나, 또는 적어도 감소시키는 공정이다. 전기적 능동 매질은 전형적으로, 몇몇 경우들에서, 이온성 또는 전자 치환 메카니즘들에 의해, 연속적일 수 있는, 이온들의 운반을 용이하게 하기 위해 그리고 이온성 및/또는 이온화 가능한 종들을 교대로 수집하고 방출하는데 기여한다. EDI는 영구 전하 또는 임시 전하의 전기화학적 능동 매질을 포함할 수 있으며, 배치-와이즈(batch-wise), 간헐적으로, 연속적으로, 그리고/또는 심지어 반대 극성 모드들에서 동작될 수 있다. EDI 디바이스들은 성능을 달성하거나 향상시키기 위해 특별히 설계된 하나 또는 하나를 초과하는 전기화학적 반응들을 촉진하도록 동작될 수 있다. 게다가, 이와 같은 전기화학적 디바이스들은, 반투수성 또는 선택적 투수성 이온 교환 멤브레인들 또는 바이폴라 멤브레인들과 같은, 전기적 능동 멤브레인들을 포함할 수 있다. 연속적인 탈이온화(CEDI) 디바이스들은 물 정화가 연속적으로 진행될 수 있는 반면에, 이온 교환 물질이 연속적으로 재충전되는 방식으로 동작하는 당업자에게 알려진 EDI 디바이스들이다. CEDI 기법들은 연속적인 탈이온화, 충진된 셀 전기투석, 또는 전기분해(electrodiaresis)와 같은 공정들을 포함할 수 있다. 제어된 전압과 염분 조건들 하에, CEDI 시스템들에서, 디바이스내 이온 교환 매질을 재생할 수 있으며 따라서 디바이스로부터 트랩된 종들의 방면을 용이하게 할 수 있는 수소 또는 옥소늄 이온들 또는 종들과 수산화물 또는 수산기 이온들 또는 종들을 발생시키기 위해 물 분자들이 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 처리될 물 스트림은 이온 교환 레진(resin)의 화학적 재충전을 요구함이 없이 연속적으로 정화될 수 있다.
전기 투석(ED) 디바이스들이 전형적으로 멤브레인들 사이에 전기능동 매질(electroactive media)을 포함하지 않는다는 것을 제외하고, 전기투석(ED) 디바이스들은 CEDI와 유사한 원리로 동작한다. 전기능동 매질의 부족 때문에, ED의 동작은 상승된 전기 저항 때문에 저 염분의 물들을 공급하는데 방해가 될 수 있다. 또한, 고 염분 공급 물들에 대한 ED의 동작이 상승된 전류 소모를 야기할 수 있기 때문에, ED 장치가 지금까지 중간 염분의 수원들(source waters)에 대해 가장 효과적으로 사용되었다. ED 기반 시스템들에서, 전기능동 매질이 존재하지 않기 때문에, 물을 분리하는 것은 비효율적이며 이와 같은 체제로 동작하는 것이 일반적으로 회피된다.
CEDI 및 ED 디바이스들에서, 복수의 인접한 셀들 또는 컴파트먼트들은 전형적으로 양으로 충전된 종들이나 음으로 충전된 종들의 통로를 허용하지만, 전형적으로 둘 다를 허용하지 않는, 선택적으로 투수성인 멤브레인들에 의해 분리된다. 희석 또는 감손 컴파트먼트들은 전형적으로 이와 같은 디바이스들내 농축 또는 농도 컴파트먼트들과 사이에 공간을 둔다. 물이 감손 컴파트먼트들을 통해 흐름에 따라서, 이온성 및 기타 충전된 종들은 전형적으로, DC 필드와 같은, 전기장의 영향하에 농축 컴파트먼트들내로 끌어당겨진다. 양으로 충전된 종들은, 전형적으로 다수의 감손 및 농축 컴파트먼트들의 스택의 일단에 위치되는, 캐소드를 향해 끌어당겨지며, 그리고 음으로 충전된 종들은, 전형적으로 컴파트먼트들의 스택의 반대편 단에 위치되는, 이와 같은 디바이스들의 애노드를 향해 마찬가지로 끌어당겨진다. 전극들은 전형적으로 감손 및/또는 농축 컴파트먼트들과 함께 유체 소통으로부터 일반적으로 부분적으로 격리되는 전해질 컴파트먼트들내에 보관된다. 일단 농축 컴파트먼트에서, 충전된 종들은 전형적으로 농축 컴파트먼트를 적어도 부분적으로 정의하는 선택적으로 투수성인 멤브레인의 배리어에 의해 트랩된다. 예를 들어, 음이온들은 전형적으로 양이온 선택성 멤브레인에 의해, 농축 컴파트먼트의 밖으로, 캐소드를 향해 더 이동하는 것이 방지된다. 일단 농축 컴파트먼트내에 포획되면, 트랩된 충전된 종들은 농축 스트림에서 제거될 수 있다.
CEDI 및 ED 디바이스들에서, DC 필드는 전형적으로 전극들(애노드 또는 포지티브 전극, 그리고 캐소드 또는 네거티브 전극)에 인가된 전압 및 전류원으로부터 셀들에 인가된다. 전압 및 전류원(집합적으로 "파워 서플라이")은 AC 전원, 또는 예를 들어, 태양광, 풍력, 또는 파력으로 부터 파생된 전원과 같은 다양한 수단에 의해 스스로 동력을 공급받을 수 있다. 전극/액체 인터페이스들에서, 멤브레인들과 컴파트먼트들을 통해 이온들의 전달을 개시하고/하거나 촉진하는 전기화학적 하프 셀 반응들이 일어난다. 전극/인터페이스들에서 일어나는 특정한 전기화학적 반응들은 전극 어셈블리들을 수용하는 특수 컴파트먼트들내 염류의 농도에 의해 어느 정도까지 제어될 수 있다. 예를 들어, 염화나트륨이 높은 애노드 전해질 컴파트먼트들에 대한 피드(feed)는 염소 가스와 수소 이온을 발생하려고 할 것인 반면에, 캐소드 전해질 컴파트먼트로 이와 같은 피드는 수소 가스 및 수산화 이온을 발생하려 할 것이다. 일반적으로, 애노드 컴파트먼트에서 발생된 수소 이온은 전하적 중성을 보전하고 염산 용액을 생성하기 위해 염화물 이온과 같은 자유 음이온과 어울릴 것이며, 그리고 유사하게, 캐소드 컴파트먼트에서 발생된 수산화 이온은 전하 중성을 보전하고 수산화나트륨 용액을 생성하기 위해, 나트륨과 같은, 자유 양이온과 어울릴 것이다. 발생된 염소 가스 및 수산화나트륨과 같은, 전극 컴파트먼트들의 반응 생성물들은 필요에 따라 살균 목적들, 멤브레인 클리닝과 악취제거 목적들, 그리고 pH 조절 목적들을 위한 공정에서 활용될 수 있다.
플레이트-및-프레임과 나권형 디자인들이 전기투석(ED) 및 탈이온화(EDI) 디바이스들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 타입들의 전기화학 탈이온화 디바이스들을 위해 사용되었다. 상업적으로 활용가능한 ED 디바이스들은 전형적으로 플레이트-및-프레임 디자인인 반면에, EDI 디바이스들은 플레이트 및 프레임과 나선형 구성들 둘 다에서 활용가능하다.
본 발명은 하우징내에 포함될 수 있는 유체들을 전기적으로 정화할 수 있는 디바이스들에 관한 것 뿐만 아니라, 디바이스들의 제조 및 사용의 방법에 관한 것이다. 정화될 액체들 또는 기타 유체들은 정화 디바이스 또는 장치로 들어가고, 전기장의 영향하에, 이온-감손 액체(ion-depleted liquid)를 생산하기 위해 처리된다. 이온-농축된 액체를 생산하기 위해 진입하는 액체들로부터 종들이 수집된다. 전기화학 분리 시스템 또는 전기화학 분리 디바이스로서 또한 지칭될 수 있는, 전기 정화 장치의 컴포넌트들은 장치의 최적 동작을 달성하기 위해 다양한 기법들을 이용해 조립될 수 있다.
본 개시의 몇몇 실시예들에서, 전기 정화 장치를 위한 멤브레인 셀 스택을 생성하기 위해 이온 교환 멤브레인들과, 선택적으로, 스페이서들을 고정하거나 접합하기 위한 방법이 제공된다. 교차-흐름 전기투석(ED) 디바이스와 같은 전기 정화 장치에서 사용하기 위한 다수의 음이온 교환 멤브레인들과 양이온 교환 멤브레인들의 고정을 위한 방법이 제공될 수 있다.
개시의 특정한 실시예들에서, 전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법이 제공된다. 방법은 제 2 이온 교환 멤브레인에 제 1 이온 교환 멤브레인을 고정하는 단계를 포함할 수 있다. 스페이서는 스페이서 어셈블리를 형성하기 위해 제 1 이온 교환 멤브레인과 제 2 이온 교환 멤브레인 사이에 위치될 수 있다. 전기 정화 장치에서 사용될 때, 이러한 스페이서 어셈블리는 유체 흐름을 허용할 수 있는 제 1 컴파트먼트를 정의한다. 복수의 이온 교환 멤브레인들은 일련의 컴파트먼트들을 제공하기 위해 서로에 고정될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 복수의 스페이서 어셈블리들이 구성될 수 있고 스페이서 어셈블리들은 서로에 고정될 수 있다. 스페이서는 스페이서 어셈블리들의 각각의 사이에 위치될 수 있다. 이러한 방식으로, 전기 정화 장치를 위한 일련의 컴파트먼트들은 컴파트먼트들의 각각에서 하나 또는 하나를 초과하는 방향들로 유체 흐름을 허용하도록 구성된다.
컴파트먼트들내에 위치될 수 있는 스페이서들은 컴파트먼트들에 구조를 제공하고 상기 컴파트먼트들을 정의하기 위해 제공할 수 있으며, 특정한 예들에서, 컴파트먼트를 통한 직접적인 유체 흐름에 도움을 줄 수 있다. 스페이서들은 컴파트먼트들내에서 원하는 구조와 유체 흐름을 허용하는 중합체 재료들 또는 기타 재료들로 만들어질 수 있다. 특정한 실시예들에서, 스페이서들은 컴파트먼트들내에 유체 흐름의 방향을 바꾸거나 재분배하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 몇몇 예들에서, 스페이서는 구조를 제공하고 컴파트먼트를 통한 원하는 유체 흐름을 허용하기 위해 메시-형 또는 스크린 재료를 포함할 수 있다.
하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따라서, 전기화학 분리 시스템들의 효율이 개선될 수 있다. 전류 손실은 비효율의 하나의 잠재적인 원인이다. 교차-흐름 디자인을 포함하는 것과 같은 몇몇 실시예들에서, 전류 누설에 대한 가능성이 다루어질 수 있다. 전류 효율은 희석 스트림에서 농축 스트림내로 이온들을 이동하는데 효과적인 전류의 백분율로서 정의될 수 있다. 전류 비효율의 다양한 원인들은 전기화학 분리 시스템 또는 전기 정화 장치에 존재할 수 있다. 비효율의 하나의 잠재적인 원인은 희석 및 농축 주입구 및 배출구 매니폴드(manifold)들을 통해 흐름으로써 셀 쌍들(인접한 농축 및 희석 컴파트먼트들의 쌍들)을 우회하는 전류를 포함할 수 있다. 개방 주입구 및 배출구 매니폴드들은 흐름 컴파트먼트들과 직접적인 유체 소통될 수 있으며 각각의 흐름 경로내 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 하나의 전극으로부터 다른 전극으로 전기 전류의 일부는 개방 영역들을 통해 흐름으로써 셀 쌍들의 스택을 우회할 수 있다. 우회 전류는 전류 효율을 감소시키며 에너지 소모를 증가시킨다. 비효율의 다른 잠재적인 원인은 이온 교환 멤브레인들의 불완전한 투과성으로 인해 농축 스트림으로부터 희석 스트림으로 진입하는 이온들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 디바이스내 멤브레인들과 스크린들의 실링 및 포팅과 연관된 기법들은 전류 누설의 감소를 촉진할 수 있다.
하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 있어서, 스택을 통한 우회 경로는 전류 효율을 개선하기 위해 셀 스택을 통한 직접 경로를 따라 전류 흐름을 증진시키기 위해 조종될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전기화학 분리 디바이스 또는 전기 정화 장치는 하나 또는 하나를 초과하는 우회 경로들이 셀 스택을 통한 직접 경로보다 많이 구불구불하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 적어도 특정한 실시예들에서, 전기화학 분리 디바이스 또는 전기 정화 장치는 하나 또는 하나를 초과하는 우회 경로들이 셀 스택을 통한 직접 경로보다 높은 저항을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 모듈러 시스템을 포함하는 몇몇 실시예들에서, 개별적인 모듈러 유닛들이 전류 효율을 증진시키기 위해 구성될 수 있다. 모듈러 유닛들은 전류 효율에 기여할 전류 우회 경로를 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 비-제한적인 실시예들에서, 모듈러 유닛은 전류 효율을 증진시키도록 구성된 매니폴드 시스템 및/또는 흐름 분배 시스템을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 실시예들에서, 전기화학 분리 유닛내 셀 스택을 둘러싸는 프레임은 사전설정된 전류 우회 경로를 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전기화학 분리 디바이스내 멀티-패스 흐름 구성을 증진시키는 것은 전류 누설의 감소를 촉진할 수 있다. 적어도 몇몇 비-제한적인 실시예들에 있어서, 차단 멤브레인들 또는 스페이서들은 개선된 전류 효율을 위해 희석 스트림들 및/또는 농축 스트림들을 다중-패스 흐름 구성들내로 향하게 하기 위해 모듈러 유닛들 사이에 삽입될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 적어도 약 60%의 전류 효율이 달성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 적어도 약 70%의 전류 효율이 달성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 적어도 약 80%의 전류 효율이 달성될 수 있다. 적어도 몇몇 실시예들에서, 적어도 약 85%의 전류 효율이 달성될 수 있다.
스페이서는 전류 효율을 개선하기 위해 유체 흐름과 전기 전류 흐름 중 적어도 하나의 방향을 바꾸도록 구성되고 정렬될 수 있다. 스페이서는 또한 전기 정화 장치내 다중 유체 흐름 스테이지들을 생성하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 스페이서는 특별한 방향으로 유체 흐름의 방향을 바꾸도록 단단한 부분을 포함할 수 있다. 단단한 부분은 또한 특별한 방향으로 전류 흐름의 방향을 바꿀 수 있으며, 전기 정화 장치내 애노드와 캐소드 사이의 직접 경로를 방지한다. 단단한 부분을 포함하는 스페이서는 차단 스페이서로서 지칭될 수 있다. 차단 스페이서는 셀 스택내에 위치될 수 있거나, 또는 제 1 셀 스택, 또는 제 1 모듈러 유닛, 그리고 제 2 셀 스택, 또는 제 2 모듈러 유닛 사이에 위치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 서로에 고정된 복수의 이온 교환 멤브레인들은 일련의 이온 희석 컴파트먼트들과 이온 농축 컴파트먼트들을 제공하기 위해 양이온 교환 멤브레인들과 음이온 교환 멤브레인들 사이에 교번될 수 있다.
멤브레인들의 지오메트리는, 멤브레인들이 셀 스택내에 고정될 수 있도록 임의의 적절한 지오메트리일 수 있다. 특정한 실시예들에서, 하우징내에 셀 스택을 적절히 고정하기 위해 셀 스택상에 특별한 수의 모서리들 또는 꼭짓점들이 요구될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 특별한 멤브레인들은 셀 스택내 다른 멤브레인들과 다른 지오메트리들을 가질 수 있다. 멤브레인들의 지오메트리들은 서로에 멤브레인들 중 적어도 하나를 고정하는데 도움을 주고, 셀 스택내에 스페이서들을 고정하며, 모듈러 유닛내에 멤브레인들을 고정하며, 지지 구조내에 멤브레인들을 고정하며, 셀 스택과 같은 멤브레인들의 그룹을 하우징에 고정하고, 그리고 하우징내로 모듈러 유닛을 고정하기 위해 선택될 수 있다.
멤브레인들, 스페이서들, 그리고 스페이서 어셈블리들은 멤브레인들, 스페이서들, 또는 스페이서 어셈블리들의 주변 또는 에지의 일부에 고정될 수 있다. 주변의 일부는 멤브레인, 스페이서, 또는 스페이서 어셈블리의 연속적이거나 비-연속적인 길이 일 수 있다. 멤브레인, 스페이서, 또는 스페이서 어셈블리를 고정하기 위해 선택되는 주변의 일부는 사전설정된 방향으로 유체 흐름을 향하도록 하기 위해 경계선 또는 경계를 제공할 수 있다.
특정한 실시예들에서, 셀 스택을 준비하는 방법은 제 1 유체 흐름 경로를 갖는 제 1 컴파트먼트를 형성하기 위해 제 1 음이온 교환 멤브레인과 제 1 양이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 제 1 양이온 교환 멤브레인에 제 1 음이온 교환 멤브레인을 고정하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 제 1 유체 흐름 경로와 다른 방향으로 제 2 유체 흐름 경로를 갖는 제 2 컴파트먼트를 형성하기 위해 제 1 양이온 교환 멤브레인의 주변의 제 2 부분과 제 2 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 제 1 양이온 교환 멤브레인에 제 2 음이온 교환 멤브레인을 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제 1 유체 흐름 경로와 제 2 유체 흐름 경로는 서로에 고정되는 이온 교환 멤브레인들의 주변들의 부분들을 통해서 선택되고 제공될 수 있다. 0° 축을 따라 이어지는 방향으로서 제 1 유체 흐름 경로를 이용함으로써, 제 2 유체 흐름 경로는 0°보다 크고 360°보다 적은 임의의 각의 방향으로 이어질 수 있다. 개시의 특정한 실시예들에서, 제 2 유체 흐름 경로는 90°각, 또는 제 1 유체 흐름 경로에 수직으로 이어질 수 있다. 다른 실시예들에서, 제 2 유체 흐름 경로는 제 1 유체 흐름 경로에 대해 180°각으로 이어질 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 유체 흐름 경로는 0°의 방향으로 이어질 수 있다. 제 2 유체 흐름 경로는 60°로 이어질 수 있으며, 그리고 제 3 유체 흐름 경로는 120°로 이어질 수 있다. 제 4 흐름 경로는 0°로 이어질 수 있다.
추가적인 컴파트먼트들을 제공하기 위해 추가적인 이온 교환 멤브레인들이 셀 스택에 고정되면, 이들 추가적인 컴파트먼트들내 유체 흐름 경로들은 제 1 유체 흐름 경로 및 제 2 유체 흐름 경로와 동일하거나 다를 수 있다. 특정한 실시예들에서, 각각의 컴파트먼트들내 유체 흐름 경로는 제 1 유체 흐름 경로와 제 2 유체 흐름 경로 사이를 교번한다. 예를 들어, 제 1 컴파트먼트내 제 1 유체 흐름 경로는 0°의 방향으로 이어질 수 있다. 제 2 컴파트먼트내 제 2 유체 흐름 경로는 90°의 방향으로 이어질 수 있으며, 그리고 제 3 컴파트먼트내 제 3 유체 흐름 경로는 0°의 방향으로 이어질 수 있다. 특정한 예들에서, 제 1 방향으로 이어지는 제 1 유체 흐름 경로, 그리고 제 2 방향으로 이어지는 제 2 유체 흐름 경로는 교차-흐름 전기 정화로서 지칭될 수 있다.
다른 실시예들에서, 각각의 컴파트먼트들내 유체 흐름 경로는 제 1 유체 흐름 경로, 제 2 유체 흐름 경로, 그리고 제 3 유체 흐름 경로 사이를 순차적으로 교번한다. 예를 들어, 제 1 컴파트먼트내 제 1 유체 흐름 경로는 0°의 방향으로 이어질 수 있다. 제 2 컴파트먼트내 제 2 유체 흐름 경로는 30°로 이어질 수 있으며, 그리고 제 3 컴파트먼트내 제 3 유체 흐름 경로는 90°로 이어질 수 있다. 제 4 컴파트먼트내 제 4 유체 흐름 경로는 0°로 이어질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제 1 컴파트먼트내 제 1 유체 흐름 경로는 0°의 방향으로 이어질 수 있다. 제 2 컴파트먼트내 제 2 유체 흐름 경로는 60°로 이어질 수 있으며, 그리고 제 3 컴파트먼트내 제 3 유체 흐름 경로는 120°로 이어질 수 있다. 제 4 컴파트먼트내 제 4 유체 흐름 경로는 0°로 이어질 수 있다.
개시의 특정한 실시예들에서, 컴파트먼트내 흐름은 컴파트먼트내 멤브레인 표면들과 유체의 보다 큰 접촉을 제공하도록 조절되고, 재분배되거나, 또는 방향이 바뀔 수 있다. 컴파트먼트는 컴파트먼트내 유체 흐름을 재분배하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 컴파트먼트는, 이하 더 논의될, 컴파트먼트를 통한 흐름을 재분배하기 위해 구조를 제공할 수 있는 장해물들, 돌출부들, 돌기부들, 플랜지들, 또는 배플(baffle)들을 가질 수 있다. 특정한 실시예들에서, 장애물들, 돌출부들, 돌기부들, 플랜지들, 또는 배플들은 흐름 재분배기로서 지칭될 수 있다.
전기 정화 장치를 위한 셀 스택내 컴파트먼트들의 각각은 유체 접촉을 위해 표면 영역 또는 멤브레인 활용의 사전설정된 백분율을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 보다 큰 멤브레인 활용은 전기 정화 장치의 동작에 있어 보다 큰 효율들을 제공한다는 것이 발견되었다. 보다 큰 멤브레인 활용을 달성하는 장점들은 보다 낮은 에너지 소모, 보다 작은 장치의 차지공간(footprint), 장치를 통과하는 더 적은 패스들, 그리고 보다 높은 품질의 물 생성을 포함할 수 있다. 특정한 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 65%보다 크다. 다른 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 75%보다 크다. 특정한 다른 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 85%보다 크다. 멤브레인 활용은 서로에 각각의 멤브레인들을 고정하기 위해 사용된 방법들, 그리고 스페이서의 디자인에 적어도 부분적으로 종속적일 수 있다. 사전설정된 멤브레인 활용을 획득하기 위해, 적절한 고정 기법들과 컴포넌트들은, 공정에서 사용될 수 있는 멤브레인의 큰 표면 영역을 유지하면서, 장치내에 누설을 마주치지 않고, 전기 정화 장치의 최적 동작을 허용하는 신뢰할 수 있으며 고정된 밀봉을 달성하기 위해 선택될 수 있다.
밀봉은 멤브레인들에 의해 정의된 컴파트먼트들을 통해 원하는 유체 흐름을 제공하기 위해 멤브레인들 사이에 메이팅(mating)을 보장하기 위한 임의의 적절한 수단에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉은 접착제들, 예를 들어, 레이저 또는 초음파 용접에 의한 열 접합, 또는 예를 들어, 인접한 멤브레인들 및/또는 스페이서들에 대한 암수 피처들을 이용한 메이팅 또는 인터로킹에 의해 달성될 수 있다. 특정한 예들에서, 멤브레인 셀 스택을 구성하기 위해, 다중 스페이서 어셈블리들이 구성되고 스페이서 어셈블리들의 주변의 부분들에 도포된 접착제들과 함께 접합되거나 고정된다. 스페이서들은 함께 고정된 각각의 스페이서 어셈블리들 사이에 위치된다. 특정한 예들에서, 스페이서 어셈블리들은 적어도 2개의 유체 흐름 경로들을 갖는 복수의 컴파트먼트들을 제공하기 위해 스페이서 어셈블리들의 각각의 주변의 일부에서 서로에 고정될 수 있다. 예를 들어, 스페이서 어셈블리들은 제 1 방향으로 유체 흐름 경로를 갖는 제 1 컴파트먼트와 제 2 방향으로 유체 흐름 경로를 갖는 제 2 컴파트먼트를 제공하기 위해 서로에 고정될 수 있다. 접착제들 대신에, 열 접합 또는 기계적인 인터로킹 피처들이 컴파트먼트들을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
개시의 몇몇 실시예들에서 전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법은 컴파트먼트들을 형성하는 단계를 포함한다. 제 1 컴파트먼트는 이온 교환 멤브레인들 사이에 배치된 제 1 스페이서를 갖는 제 1 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해 서로에 이온 교환 멤브레인들을 고정함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 양이온 교환 멤브레인은 제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인 사이에 배치된 제 1 스페이서를 갖는 제 1 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해 제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 제 1 음이온 교환 멤브레인에 고정될 수 있다.
제 2 컴파트먼트는 이온 교환 멤브레인들 사이에 배치된 제 2 스페이서를 갖는 제 2 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해 서로에 이온 교환 멤브레인들을 고정함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 음이온 교환 멤브레인은 제 2 음이온 교환 멤브레인과 제 2 양이온 교환 멤브레인 사이에 배치된 제 2 스페이서를 갖는 제 2 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해 제 2 양이온 교환 멤브레인과 제 2 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 제 2 양이온 교환 멤브레인에 고정될 수 있다.
제 3 컴파트먼트는 제 2 스페이서 어셈블리에 제 1 스페이서 어셈블리를 고정시키며, 그리고 이들 사이에 스페이서를 위치시킴으로써 제 1 컴파트먼트와 제 2 컴파트먼트 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 스페이서 어셈블리는 제 1 스페이서 어셈블리와 제 2 스페이서 어셈블리 사이에 배치된 스페이서를 갖는 스택 어셈블리를 제공하기 위해 제 1 양이온 교환 멤브레인의 주변의 제 2 부분과 제 2 음이온 교환 멤브레인의 주변의 일부에서 제 2 스페이서 어셈블리에 고정될 수 있다.
제 1 컴파트먼트와 제 2 컴파트먼트의 각각은 제 3 컴파트먼트내 유체 흐름의 방향과 다른 유체 흐름의 방향을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 예를 들어, 제 3 컴파트먼트내 유체 흐름은 0°축의 방향으로 이어질 수 있다. 제 1 컴파트먼트내 유체 흐름은 30°로 이어질 수 있으며, 그리고 제 2 컴파트먼트내 유체 흐름은 제 1 컴파트먼트와 동일한 각(30°)으로 또는, 다른 각, 예를 들어 120°로 이어질 수 있다. 다른 예에서, 제 1 컴파트먼트내 유체 흐름 경로는 0°의 방향으로 이어질 수 있다. 제 3 컴파트먼트내 유체 흐름 경로는 60°로 이어질 수 있으며, 그리고 제 2 컴파트먼트내 유체 흐름 경로는 120°로 이어질 수 있다. 제 4 컴파트먼트내 유체 흐름 경로는 0°로 이어질 수 있다.
방법은 하우징내에 조립된 셀 스택을 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나 또는 하나를 초과하는 실시예들에 따르면, 전기화학 분리 시스템 또는 전기 정화 장치는 모듈러일 수 있다. 각각의 모듈러 유닛은 일반적으로 전체적인 전기화학 분리 시스템의 서브-블록으로서 기능할 수 있다. 모듈러 유닛은 임의의 원하는 수의 셀 쌍들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 모듈러 유닛당 셀 쌍들의 수는 분리 디바이스내 셀 쌍들과 패스들의 전체 수에 종속될 수 있다. 모듈러 유닛당 셀 쌍들의 수는 또한 교차-누설들과 기타 성능 기준을 위해 테스트될 때 수용가능한 실패율을 갖는 프레임내 열로 접합되고 포트될 수 있는 셀 쌍들의 수에 종속될 수 있다. 수는 제조 공정의 통계 분석에 기초할 수 있으며 공정 제어들이 개선됨에 따라서 증가될 수 있다. 몇몇 비-제한적인 실시예들에서, 모듈러 유닛은 약 50 셀 쌍들을 포함할 수 있다. 모듈러 유닛들은 개별적으로 조립될 수 있으며, 보다 큰 시스템내로 통합되어지기에 앞서 예를 들어 누설, 분리 성능 및 압력 강하를 위해 품질 제어가 테스트될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 셀 스택은 독립적으로 테스트될 수 있는 모듈러 유닛으로서 프레임내에 장착될 수 있다. 그 다음 복수의 모듈러 유닛들이 전기화학 분리 디바이스내 전체 의도된 수의 셀 쌍들을 제공하기 위해 함께 조립될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 조립 방법은 일반적으로 제 2 모듈러 유닛상에 제 1 모듈러 유닛을 배치하는 단계, 제 1 및 제 2 모듈러 유닛들 상에 제 3 모듈러 유닛을 배치하는 단계, 그리고 복수의 원하는 수의 모듈러 유닛들을 획득하기 위해 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 어셈블리 또는 개별적인 모듈러 유닛들은 동작을 위해 압력 용기 내로 삽입될 수 있다. 멀티-패스 흐름 구성들은 모듈러 유닛들 사이 또는 모듈러 유닛들 내에 차단 멤브레인들 및/또는 스페이서들의 배치로 가능할 수 있다. 모듈러 접근법은 시간 및 비용 절약 면에서 제조가능성을 개선할 수 있다. 모듈방식은 또한 개별적인 모듈러 유닛들의 진단, 격리, 제거 및 교체를 허용함으로써 시스템 유지관리를 용이하게 할 수 있다. 개별적인 모듈러 유닛들은 전기화학 분리 공정을 촉진하기 위해 매니폴딩과 흐름 분배 시스템들을 포함할 수 있다. 개별적인 모듈러 유닛들은 서로 유체 소통일뿐만 아니라, 전체 전기화학 분리 공정과 연관된 중심 매니폴딩 및 기타 시스템들과 유체 소통일 수 있다.
셀 스택은 모듈러 유닛을 제공하기 위해 주입구 매니폴드와 배출구 매니폴드를 포함하는 프레임 또는 지지 구조 내에 고정될 수 있다. 그 다음 이러한 모듈러 유닛은 하우징내에 고정될 수 있다. 모듈러 유닛은 하우징에 모듈러 유닛을 고정할 수 있는 브라켓(braket) 어셈블리 또는 모서리 지지를 더 포함할 수 있다. 제 2 모듈러 유닛은 하우징내에 고정될 수 있다. 하나 또는 하나를 초과하는 추가적인 모듈러 유닛들이 하우징내에 또한 고정될 수 있다. 개시의 특정한 실시예들에서, 차단 스페이서는 제 1 모듈러 유닛과 제 2 모듈러 유닛 사이에 위치될 수 있다.
흐름 재분배기는 셀 스택의 하나 또는 하나를 초과하는 컴파트먼트들내에 존재할 수 있다. 셀 스택 조립시, 셀 스택내 이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분은 인접한 이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분과 인터로크하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 특정한 예들에서, 셀 스택내 제 1 스페이서의 주변의 제 1 부분은 인접한 스페이서의 주변의 제 1 부분과 인터로크하도록 구성되고 정렬될 수 있다.
개시의 몇몇 실시예들에서, 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치가 제공된다. 전기 정화 장치는 이온 교환 멤브레인들을 포함하는 제 1 컴파트먼트를 포함할 수 있으며 이온 교환 멤브레인들 사이에 제 1 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 전기 정화 장치는 또한 이온 교환 멤브레인들을 포함하는 제 2 컴파트먼트를 포함할 수 있으며 제 2 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 제 1 컴파트먼트와 제 2 컴파트먼트의 각각은 유체 접촉을 위해 표면 영역 또는 멤브레인 활용의 사전설정된 백분율을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 65% 보다 크다. 다른 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 75% 보다 크다. 특정한 다른 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 85%보다 클 수 있다. 멤브레인 활용은 서로에 멤브레인들의 각각을 고정하기 위해 사용된 방법들, 그리고 스페이서의 디자인에 적어도 부분적으로 종속적일 수 있다. 사전설정된 멤브레인 활용을 획득하기 위해, 적절한 고정 기법들과 컴포넌트들은, 공정에서 사용될 수 있는 멤브레인의 큰 표면 영역을 유지하면서, 장치 내에서 누설을 마주치지 않고, 전기 정화 장치의 최적 동작을 허용하는 신뢰할 수 있는 고정 밀봉을 달성하기 위해 선택될 수 있다.
예를 들어 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치가 제공될 수 있다. 전기 정화 장치는 제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인을 포함하는 제 1 컴파트먼트를 포함할 수 있으며, 제 1 컴파트먼트는 제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인 사이에 제 1 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬된다. 장치는 또한 제 1 음이온 교환 멤브레인과 제 2 양이온 교환 멤브레인 사이에 제 2 방향으로 직접적인 유체 흐름을 제공하기 위해 제 1 음이온 교환 멤브레인과 제 2 양이온 교환 멤브레인을 포함하는 제 2 컴파트먼트를 포함할 수 있다. 제 1 컴파트먼트와 제 2 컴파트먼트의 각각은 사전설정된 멤브레인 활용, 예를 들어, 제 1 양이온 교환 멤브레인, 제 1 음이온 교환 멤브레인 그리고 제 2 양이온 교환 멤브레인의 표면 영역의 85% 보다 큰 유체 접촉을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 제 1 컴파트먼트와 제 2 컴파트먼트 중 적어도 하나는 스페이서를 포함할 수 있으며, 스페이서는 차단 스페이서일 수 있다.
제 1 방향 및 제 2 방향으로 직접적인 유체 흐름은 컴파트먼트들의 구성 및 정렬에 의해 선택되고 제공될 수 있다. 0° 축을 따라 이어지는 방향으로서 유체 흐름의 제 1 방향을 이용함으로써, 유체 흐름의 제 2 방향은 0°보다 크고 360°보다 적은 임의의 각으로 이어질 수 있다. 개시의 특정한 실시예들에서, 유체 흐름의 제 2 방향은 90°의 각, 또는 유체 흐름의 제 1 방향에 수직인 각에서 존재할 수 있다. 다른 예들에서, 유체 흐름의 제 2 방향은 유체 흐름의 제 1 방향에 대해 80°각에서 존재할 수 있다. 추가적인 이온 교환 멤브레인들이 추가적인 컴파트먼트들을 제공하기 위해 셀 스택에 고정된다면, 이들 추가적인 컴파트먼트들내 유체 흐름의 방향은 유체 흐름의 제 1 방향 및 유체 흐름의 제 2 방향과 동일하거나 다를 수 있다. 특정한 실시예들에서, 컴파트먼트들의 각각 내 유체 흐름의 방향은 유체 흐름의 제 1 방향과 유체 흐름의 제 2 방향 사이를 교번한다. 예를 들어, 유체 흐름의 제 1 방향은 0°의 방향으로 이어질 수 있다. 유체 흐름의 제 2 방향은 90°각으로 이어질 수 있으며, 그리고 제 3 컴파트먼트내 유체 흐름의 제 3 방향은 0°의 방향으로 이어질 수 있다.
셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치는 셀 스택을 에워싸는 하우징을 더 포함할 수 있으며, 셀 스택의 주변의 적어도 일부는 하우징에 고정된다. 프레임은 하우징내에 제 1 모듈러 유닛을 제공하기 위해 하우징과 셀 스택 사이에 위치될 수 있다. 흐름 재분배기는 셀 스택의 하나 또는 하나를 초과하는 컴파트먼트들내에 존재할 수 있다. 컴파트먼트들 중 적어도 하나는 컴파트먼트내에 흐름 역전을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다.
개시의 몇몇 실시예들에서, 전기 정화 장치를 위한 셀 스택이 제공된다. 셀 스택은 복수의 교류 이온 감손 및 이온 농축 컴파트먼트들을 제공할 수 있다. 이온 감손 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향으로 희석 유체 흐름을 제공하는 주입구 및 배출구를 가질 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 농축된 유체 흐름을 제공하는 주입구 및 배출구를 가질 수 있다. 스페이서는 셀 스택내에 위치될 수 있다. 스페이서는 컴파트먼트들에 구조를 제공하고 상기 컴파트먼트들을 정의할 수 있으며, 특정한 예들에서, 컴파트먼트를 통한 직접적인 유체 흐름에 도움을 줄 수 있다. 스페이서는 셀 스택을 통한 유체 흐름과 전기 전류 중 적어도 하나의 방향을 바꾸도록 구성되고 정렬될 수 있는 차단 스페이서일 수 있다. 논의된 바와 같이, 차단 스페이서는 전기 정화 장치내 전류 비효율들을 감소시키거나 방지할 수 있다.
개시의 몇몇 실시예들에서, 전기 정화 장치가 제공된다. 장치는 교번하는 이온 희석 컴파트먼트들과 이온 농축 컴파트먼트들을 포함하는 셀 스택을 포함할 수 있다. 이온 희석 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 전기 정화 장치는 또한 셀 스택의 제 1 단부에서 제 1 이온 교환 멤브레인에 인접한 제 1 전극, 그리고 셀 스택의 제 2 단부에서 제 2 이온 교환 멤브레인에 인접한 제 2 전극을 포함할 수 있다. 제 1 이온 교환 멤브레인과 제 2 이온 교환 멤브레인의 각각은 음이온 교환 멤브레인 또는 양이온 교환 멤브레인일 수 있다. 예를 들어, 제 1 이온 교환 멤브레인은 음이온 교환 멤브레인일 수 있으며, 그리고 제 2 이온 교환 멤브레인은 양이온 교환 멤브레인일 수 있다. 장치는 셀 스택내에 위치되고 전기 정화 장치를 통한 희석 유체 흐름과 농축 유체 흐름 중 적어도 하나의 방향을 바꾸고 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 직류 경로를 방지하도록 구성되고 정렬된 차단 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 차단 스페이서는 전기 정화 장치 내 전기 전류 비효율들을 감소시키도록 구성되고 정렬될 수 있다.
전기 정화 장치를 위한 셀 스택은 하우징에 고정된 셀 스택의 주변의 적어도 일부에 의해 하우징내 에워싸여질 수 있다. 프레임은 하우징내 제 1 모듈러 유닛을 제공하기 위해 하우징과 셀 스택 사이에 위치될 수 있다. 제 2 모듈러 유닛은 또한 하우징내에 고정될 수 있다. 차단 스페이서는 또한 제 1 모듈러 유닛과 제 2 모듈러 유닛 사이에 위치될 수 있다. 흐름 재분배기는 셀 스택의 하나 또는 하나를 초과하는 컴파트먼트들내에 존재할 수 있다. 컴파트먼트들 중 적어도 하나는 컴파트먼트내에 흐름 역전을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 브라켓 어셈블리는 모듈러 유닛에 지지를 제공하고 하우징내에 모듈러 유닛을 고정하기 위해 프레임과 하우징 사이에 위치될 수 있다.
개시의 특정한 실시예들에서, 셀 스택내 이온 교환 멤브레인들 또는 스페이서들의 주변의 일부는, 고정 재료, 예를 들어 접착제에 의해 향상된 고정 접합, 그리고 셀 스택의 컴포넌트들을 제공하기 위해 재료에 의해 처리되거나 코팅될 수 있다. 이온 교환 멤브레인들, 예를 들어 음이온 및 양이온 교환 멤브레인들을 결합하기 위해 접착제가 도포될 수 있는 연속적인 표면을 제공하기 위해 스페이서들, 멤브레인들, 또는 둘 다 위에 밀봉 밴드가 제공될 수 있다. 밀봉 밴드는 또한 멤브레인의 주변에 지지를 제공할 수 있다. 밀봉 밴드는 접착제의 젖음(wet through) 또는 위킹(wicking)을 방지하거나 완화시킬 수 있으며, 이에 의해 스페이서들과 멤브레인들을 함께 고정하기 위해 접착제가 적게 사용될 수 있게 된다. 밀봉 밴드들은 또한 사용중인 적은 접착제에 기초하여 보다 큰 멤브레인 활용에 기여할 수 있다. 특정한 예들에서, 밀봉 밴드는 주입 몰딩, 압축 몰딩, 코팅 등에 의해 스페이서에 도포될 수 있다.
도 1은 양이온 교환 멤브레인(100), 스페이서(104), 그리고 음이온 교환 멤브레인(102)을 포함하는 스페이서 어셈블리(10)를 도시한다. 스크린 스페이서일 수 있는, 스페이서(104)는 접착제(106)가 도포되도록 허용할 수 있다. 멤브레인들은 접착제들 또는 열 접합 기법들, 예를 들어, 레이저, 진동, 또는 초음파 용접에 의해 2개의 대변들(opposite edges)을 따라 밀봉될 수 있다. 광범위한 접착제들이, 이하 보다 상세히 논의될 바와 같이, 지방족, 치환화합물 및 방향족 아민 경화제들과 우레탄들을 갖는 에폭시들을 포함하는, 멤브레인 사이드 심(membrane side seam)을 위해 사용될 수 있다. 접착제가 멤브레인 셀의 접착 라인에 도포되고 있을 때, 접착제가 주로 사전설정된 접착 라인 상에 남아있다면 유익할 수 있다. 점성이 너무 낮으면, 접착제가 흐르거나 또는 접착 라인으로부터 뚝뚝 떨어질 수 있다. 점성이 너무 높으면, 접착제를 스프레드하는 것이 어려워질 수 있다.
스페이서가 스크린이면, 스페이서는 2개의 인접한 멤브레인들을 또한 결합하는 접착제내에 밀폐될 수 있다.
도 2는 양이온 교환 멤브레인(200), 스페이서(204), 그리고 음이온 교환 멤브레인(202)을 포함하는 스페이서 어셈블리(20)를 도시한다. 스페이서(204)는 양이온 교환 멤브레인(200)과 음이온 교환 멤브레인(202)을 분리하며, 그리고 액체 스트림이 주입구 측(208)으로부터 배출구 측(210)으로 흐름에 따라서 흐름 컴파트먼트를 정의하고 혼합과 대량 운반을 향상시킬 수 있다.
도 3은, 스페이서(304)에 의해 분리된, 제 1 스페이서 어셈블리(30)와 제 2 스페이서 어셈블리(32)를 도시한다. 2개의 어셈블리들은 어셈블리들내 이미 밀봉된 에지들에 수직인 2개의 평행한 에지들을 따라 도포된 접착제들(306)에 의해 함께 접합된다. 2개의 어셈블리들 사이에 샌드위치된 스페이서(304)는, 화살표들로 도시된 바와 같이, 2개의 어셈블리들을 통해 흐르는 스트림들에 대한 방향에 수직인 제 2 스트림을 위한 흐름 채널을 정의한다.
압축될 때 결과적인 멤브레인 셀 스택이 도 4에 도시된다. 도시된 바와 같이, 제 1 스페이서 어셈블리(40)와 제 2 스페이서 어셈블리(42)는 서로에 고정되고, 2개의 어셈블리들 사이에 스페이서(404)가 위치된다. 도 4에 화살표들로 표시된 바와 같이, 스페이서 어셈블리들(40 및 42)의 각각을 통한 흐름 경로는 제 1 방향으로 갈 수 있는 반면에, 2개의 스페이서 어셈블리들 사이에 정의된 컴파트먼트를 통한 흐름 경로는 제 2 방향으로 갈 수 있다.
제 1 방향으로 유체 흐름은 희석 스트림일 수 있으며 그리고 제 2 방향으로 유체 흐름은 농축 스트림일 수 있다. 특정한 실시예들에서, 제 1 방향으로 유체 흐름은 농축 스트림으로 변환될 수 있으며 그리고 제 2 방향으로 유체 흐름은 도포된 전기장이 역전되며 따라서 스트림 기능을 역전시키는 극성 역전의 사용에 의해 희석 스트림으로 전환될 수 있다.
스페이서들에 의해 분리된 다중 스페이서 어셈블리들은 셀 쌍들의 스택, 또는 멤브레인 셀 스택을 형성하기 위해 함께 고정될 수 있다.
본 개시의 전기 정화 장치는 셀 스택을 에워싸는 하우징을 더 포함할 수 있다. 셀 스택의 주변의 적어도 일부는 하우징에 고정될 수 있다. 프레임 또는 지지 구조는 셀 스택에 추가적인 지지를 제공하기 위해 하우징과 셀 스택 사이에 위치될 수 있다. 프레임은 또한 셀 스택의 안팎으로 액체의 흐름을 허용하는 주입구 매니폴드들과 배출구 매니폴드들을 포함할 수 있다. 프레임과 셀 스택은 함께 전기 정화 장치 모듈러 유닛을 제공할 수 있다. 전기 정화 장치는 하우징내에 고정된 제 2 모듈러 유닛을 더 포함할 수 있다. 스페이서, 예를 들어, 차단 스페이서는 제 1 모듈러 유닛과 제 2 모듈러 유닛 사이에 위치될 수 있다. 제 1 전극은 제 2 모듈러 유닛과 소통하는 단부와 반대편인 제 1 모듈러 유닛의 단부에 위치될 수 있다. 제 2 전극은 제 1 모듈러 유닛과 소통하는 단부와 반대편인 제 2 모듈러 유닛의 단부에 위치될 수 있다.
브라켓 어셈블리는 프레임과 제 1 모듈러 유닛, 제 2 모듈러 유닛, 또는 둘 다의 하우징 사이에 위치될 수 있다. 브라켓 어셈블리는 모듈러 유닛들에 지지를 제공할 수 있으며, 그리고 하우징에 고정 부착을 제공할 수 있다.
개시의 일 실시예에서, 전기 정화 장치는 하우징 또는 용기내로 멤브레인 셀 스택을 위치시킴으로써 조립될 수 있다. 종판들(endplates)이 셀 스택의 각각의 단부에 제공될 수 있다. 셀 스택의 주변의 적어도 일부를 하우징의 내벽에 밀봉하기 위해 접착제가 도포될 수 있다.
도 5는 하우징(518)에 의해 둘러싸여진 셀 스택(516)의 일 실시예를 도시한다. 종판들(512)은 타이-바(tie-bar)들(524)로 모아진다. 타이-바들(514)은 비금속 슬리브들에 의해 유체 스트림들로부터 절연된다. 비금속 엔드블록(endblock)(520)은 종판들(512)이 금속성이면 각각의 단부에서 셀 스택(516)과 종판(512) 사이에 삽입될 수 있다. 엔드블록들(520)은 전극들을 지지하고 종판들로부터 액체 스트림들을 격리한다. 타이-바 슬리브들의 단부들은 O-링들에 의해 엔드블록들(520)에 대해 밀봉된다. 대안으로, 종판(520)은 비금속성일 수 있으며, 그리고 그 다음 분리 엔드블록이 필요하지 않다. 도 5에 도시된 바와 같이, 종판들(520)은 볼트들 또는 나사골(threaded rod) 및 너트들(524)에 의해 부착될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 종판들(620)은 플랜지들(649)에 의해 부착될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 종판들(720)은 클램프들(728), 예를 들어 Victaulic® 타입 클램프들에 의해 부착될 수 있다.
개시의 몇몇 실시예들에서, 타이-바들은 하우징 바깥에 위치될 수 있다. 개시의 몇몇 다른 실시예들에서, 종판들은 하우징의 단부들에서 홈들내로 삽입된 분할된 링들 또는 스냅 링들에 의해 하우징내에 고정될 수 있다. 종판들은 또한 접착제들에 의해 하우징에 접합될 수 있다.
금속성 종판은, 예를 들어, 기계가공 또는 캐스팅에 의해 제조될 수 있다. 비금속성 엔드블록 또는 종판은, 예를 들어, 플라스틱의 블록을 기계가공하거나 또는 주입 몰딩에 의해 제조될 수 있다.
일단 스택이 하우징내에 위치되고 엔드블록들/종판들이 하우징에 고정되면, 스택을 하우징에 밀봉하고 서로로부터 2개의 스트림들을 위한 주입구 및 배출구 매니폴드들을 격리하기 위해 접착제가 도포될 수 있다. 하우징은 종축 수평으로 우선 배향된다.
이하 보다 더 상세히 논의된 바와 같이, 하우징내에 멤브레인 스택을 고정하기 위한 접착 속성들은 셀 스택을 형성하기 위해 서로에 멤브레인들을 고정하기 위한 접착 속성들과 다를 수 있다. 하우징내에 멤브레인 스택을 고정하기 위해, 접착제 점성은 낮아야 한다. 수용가능한 점성은 혼합된 접착제에 반응성 희석제들을 추가함으로써 달성될 수 있다. 희석제의 주기능은 합성을 보다 쉽게 하거나, 또는 도포 속성들을 개선하기 위해 접착제의 점성을 감소시키는 데 있다. 보다 낮은 점성은 또한 보다 낮은 점성이 다공성 기판 내로 보다 큰 침투를 허용하며 비-다공성 표면들의 습윤을 가능하게 한다는 점에서 적절한 접착제를 달성하는데 있어서 중요할 수 있다. 희석제는 디글리시딜 에테르, 디글리시딜 페닐 디글리시딜 에테르 등일 수 있다.
멤브레인 셀들 흐름 컴파트먼트들은 약 0.33mm 내지 0.46mm 두께일 수 있으며, 특정한 예들에서, 포트(pot)는 공극이 없을 수 있다. 하우징에 셀 스택을 고정하기 위해 사용된 포트 앨라스토머(접착제)는 서로에 멤브레인들을 고정하기 위해 사용된 사이드 심보다 더 단단해야한다; 이것은 포트가 멤브레인 스택의 무게를 견디기에 충분한 기계적 강도를 가져야 하기 때문일 수 있다. 특정한 실시예들에서, 포트가 공급 흐름 압력하에서 변형되지 않는 것이 바람직할 수 있다.
하우징은 종축 수평으로 우선 배향된다. 도 8은 하우징(818)내에 셀 스택(816)을 고정하기 위해 접착제(806)를 도포하는 하나의 방법을 도시한다. 하우징(818)은 셀 스택(816)의 주변, 본 실시예에서, 모서리(830)가 바닥에 있도록 회전될 수 있다. 낮은 점성 접착제(806)는 하우징(818)내로 주입되고 바닥에 고이도록 허용된다. 셀 스택(816)의 주변과 일치하는 주입 포트들이 배치될 수 있으며, 주입 포트들은 하우징(818)에 셀 스택(816)의 모서리들(830)을 밀봉하기 위해 하우징(818)내로 접착제(806)의 주입을 용이하게 하기 위해 하우징(818)내로 포함될 수 있다. 접착제(806)가 굳어진 후, 하우징(818)은 다음 모서리가 바닥에 있을 때까지 90°회전될 수 있다. 접착 공정은 셀 스택(816)의 모든 원하는 주변들이 밀봉되거나 고정되었을 때까지 반복된다. 스택 주변에 하우징의 밀봉을 개선하기 위해 표면 준비는 접착 접합을 향상시키기 위해 표면을 와해시키고 표면 영역을 증가시킬 수 있는 기법들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 표면 준비는 화학적, 기계적, 전기적, 또는 열적 표면 준비, 그리고 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 표면 준비는 화학적 에칭 또는 기계적 러핑(roughing)을 포함할 수 있다.
하우징은, 예를 들어, 하우징에 셀 스택을 고정하는데 도움을 주는 지오메트리를 제공하기 위해, 사출가공으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 접착제가 셀 스택의 주변을 수용하기 위해 정의된 영역 내에 포함될 수 있도록 하나 또는 하나를 초과하는 트러프들(troughs)이 하우징내에 생성될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 접착제(906)가 배치될 저수지를 제공하기 위해 물결모양으로 테를 두른 트러프들(932)을 갖는 하우징(918)이 제공된다.
개시의 다른 실시예에서, 접착제의 제어된 양이 하우징내로 주입되는 동안 일 방향으로 하우징을 천천히 회전시키는 단계를 포함하는 접착제 도포의 방법이 제공된다. 접착제는 최저점을 향해 연속적으로 흐르며 하우징의 내벽 둘레에 밀봉 링을 형성하기 위해 굳어진 연속적인 박층들을 형성한다. 링의 두께는 접착제를 더 추가함으로써 증가될 수 있다.
개시의 또 다른 실시예에서, 접착제의 제어된 양이 하나 또는 하나를 초과하는 포인트들에서 하우징내로 주입되는 동안 일 방향으로 하우징을 빠르게 회전시키는 단계를 포함하는 접착제 도포의 방법이 제공된다. 접착제는 원심력에 의해 하우징의 내벽에 대해 강제될 수 있으며 접착제가 굳어짐에 따라서 밀봉 링을 형성할 수 있다.
접착제(1006)의 제어된 양을 하우징에 주입하는 동안 일 방향으로 하우징(1018)을 회전시키는 단계를 포함하는 방법을 제공하는 개시의 실시예들이 도 10에 도시된다.
개시의 다른 실시예에서, 전기 정화 장치는 몰드의 사용과 함께 접착제로 셀 스택의 주변의 일부를 밀봉함으로써 조립될 수 있다. 셀 스택은 하우징내에 삽입된 다음에, 셀 스택의 각 단부에서 종판들에 의해 압축될 수 있다. 그 다음 접착제는 하우징의 내벽에 셀 스택의 주변을 밀봉하기 위해 도포될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 셀 스택의 주변, 본 예에서, 셀 스택(116)의 모서리(1130)가 몰드(1134)내로 삽입될 수 있다. 저 점성 접착제(1106)가 몰드(1134)내에 부어지고 굳어지도록 될 수 있다. 그 다음 스택은 도 12에 도시된 바와 같이 주변의 기타 부분들을 밀봉하기 위해 회전될 수 있으며, 여기서 접착제(1206)는 셀 스택(1216)의 각각의 모서리(1230)에 도시된다. 특정한 예들에서, 몰드는 접착제가 들러붙지 않을 수 있는 재료로 제조된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 밀봉된 모두 4개의 모서리들을 갖는 셀 스택(1316)이 접착제(1306)와 하우징(1318)의 내벽(1336) 사이에 갭(1338)을 갖는 하우징(1318)내로 삽입된다. 갭(1338)은 하우징(1318)에 대해 셀 스택(1316)을 밀봉하고 흐름 매니폴드들 사이에 교차-누설을 방지하기 위해 추가적인 접착제들로 채워진다.
도 14에 예시된 다른 실시예에서, 예를 들어, 사출가공 또는 주입 몰딩에 의해 제조될 수 있는 브라켓 어셈블리 또는 모서리 지지들(1440)을 갖는 멤브레인 셀 스택(1416)은 셀 스택(1416)의 모서리들을 포팅하고 밀봉하기 위한 몰드로서 사용된다. 그 다음, 도 15에 도시된 바와 같이, 모서리 지지들(1440)(및 1540)은 쉘(1542)에 스택을 부착하기 위해 앵커들로서 기여한다. 쉘에 모서리 지지들을 고정하기 위해 사용될 수 있는 방법들은 초음파 용접과 같은 플라스틱 결합 기법들을 포함한다. 쉘(1542)(및 1642)은 도 16에 도시된 바와 같이 하우징(1618)내로 차례로 삽입되며, 따라서 외부 하우징에 스택 어셈블리를 직접적으로 포트할 필요를 제거한다. 브라켓 어셈블리 또는 모서리 지지는 또한 하우징에 모듈러 유닛을 고정하기 위해 사용될 수 있다.
개시의 특정한 실시예들에서, 보다 큰 전기 전력 소모에 기인한 비효율들을 감소시키거나 방지하는 전기 정화 장치가 제공된다. 본 개시의 전기 정화 장치는 전류 비효율들을 감소시키거나 방지하기 위해 다중 패스 흐름 구성을 제공할 수 있다. 다중 패스 흐름 구성은 전기 정화 장치의 애노드와 캐소드 사이에 직류 경로를 제거하거나 감소시킴으로써 흐름 매니폴드들을 통한 전류의 우회, 또는 전류의 누설을 감소시킬 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 캐소드(1744)와 애노드(1746)를 포함하는 전기 정화 장치(50)가 제공된다. 복수의 교번하는 음이온 교환 멤브레인들(1748)과 양이온 교환 멤브레인들(1750)이 일련의 교번하는 이온 희석 컴파트먼트들(1752)과 이온 농축 컴파트먼트들(1754)을 제공하기 위해 캐소드(1744)와 애노드(1746) 사이에 상주한다. 도 17에 화살표들로 도시된 바와 같이, 차단 스페이서(1756)는 전기 정화 장치(50)를 통한 유체 흐름과 전류 흐름의 방향을 바꾸기 위해 하나 또는 하나를 초과하는 이온 희석 컴파트먼트들(1752)과 이온 농축 컴파트먼트들(1754)내에 위치될 수 있다.
도 18은 전기 정화 장치내 차단 스페이서로서 사용될 수 있는 스페이서의 예를 도시한다. 스페이서는 스크린부(1858), 단단한 부분(1860), 그리고 밀봉 밴드(1862)를 포함할 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 밀봉 밴드(1862)는 접착제들에 의해 인접한 멤브레인들에 접합될 수 있다. 밀봉 밴드들은 접합을 위한 평면을 제공함으로써 멤브레인들과 스페이서 사이에 밀봉을 개선할 수 있다. 특정한 예들에서, 스페이서는 주입 몰딩, 기계가공, 열 압축, 또는 급속 조형에 의해 제조될 수 있다.
몰딩된 스페이서는 스크린 부분이 몰딩될 수 있도록 충분한 두께일 수 있다. 두께는 스크린 스페이서의 두께보다 클 수 있다. 결과적으로 차단 컴파트먼트를 위한 멤브레인간 거리가 인접한 컴파트먼트들내 거리보다 클 수 있으며, 차단 스페이서들의 수가 제한되기 때문에 수용할 수 있는 보다 높은 전기 저항을 야기한다.
단단한 부분에서 스페이서의 에지는 하우징의 내벽에 고정되고 밀봉될 수 있다. 스페이서의 단단한 부분(1860)은 두 사이드들에 대한 압력차를 견디기에 충분히 단단할 수 있다. 리브들(ribs)과 같은 구조적인 피처들이 재료의 단단함을 증가시키기 위해 단단한 부분에 추가될 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 제 1 스페이서 어셈블리(1964)와 제 2 스페이서 어셈블리(1966)가 제공된다. 차단 스페이서(1956)는 제 1 스페이서 어셈블리(1964)와 제 2 스페이서 어셈블리(1966) 사이에 위치된다.
도 20은 3-패스 교차-흐름 전기투석 디바이스를 포함하는 본 개시의 전기 정화 장치의 실시예를 도시한다. 셀 스택(2016)은 하우징(2018)내에 고정된다. 도 20에 화살표들로 도시된 바와 같이, 차단 스페이서들(2056)은 전기투석 디바이스내 유체와 전류의 흐름의 방향을 바꾸기 위해 셀 스택(2016)내에 위치된다.
또 다른 실시예에서, 셀 스택의 주변 및 차단 스페이서들의 주변의 일부는 하우징의 내면에 접착제에 의해 고정된다.
도 21에 도시된 바와 같이, 차단 스페이서(2156)는 스페이서(2156)가 하우징내로 삽입될 때 접착제(2106)를 위한 트러프를 형성하는 원형 림(2168)과 함께 제공된다. 그 다음 디바이스는 도 22에 도시된 바와 같이 하우징(2218)내로 복수의 셀 쌍들(2216)과 차단 스페이서(2256) 또는 스페이서들을 삽입한 다음에 양 단부들에서 종판들 및/또는 엔드블록들에 의해 이러한 어셈블리를 압축함으로써 조립될 수 있다. 접착제(2206)는 포팅함으로써 스택의 주변의 일부에 연속적으로 도포될 수 있다.
그 다음 하우징(2318)은 도 23a에 도시된 바와 같이 수직인 축으로 배향되며, 림들(2368)이 접착제를 수용하기 위해 준비된다. 도 23b에 도시된 바와 같이, 접착제(2306)는 스페이서들을 하우징(2318)에 밀봉하기 위해 차단 스페이서들(2356)상의 림들(2368)에 의해 형성된 트러프들에 도포된다. 예를 들어, 접착제는 종판 및/또는 엔드블록을 통해 삽입된 작은 튜브들 또는 카테터들(catheters)을 통해 주입될 수 있다.
특정한 실시예들에서, 가스킷 또는 O-링과 같은, 추가적인 컴포넌트가 사용될 수 있으며, 그리고 하우징에 스페이서를 고정하기 위해 사용된 액체 접착제를 포함하는데 도움을 주기 위해 차단 스페이서 주변에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 일단 접착제가 경화되면, 접착제는 주요한 밀봉일 수 있다. 다른 실시예에서, 가스킷 또는 O-링과 같은 추가적인 컴포넌트는 차단 스페이서와 하우징 사이만 밀봉되도록 설계되며 셀 스택의 주변의 일부에 위치되는 접착제(2206)만이 사용될 수 있다(도 22를 참조). 이것은 접착제 재료로 하우징에 차단 스페이서의 림을 밀봉할 필요를 감소시키거나 제거함으로써 모듈러 유닛 어셈블리를 단순하게 할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 싱글 패스 흐름 구성들내 희석 및 농축 컴파트먼트들을 갖는 셀 쌍들의 스택들은 모듈러 유닛들을 형성하기 위해 실린더형 하우징들의 섹션들내에 우선 밀봉된다. 그 다음 유닛들은 다중 패스 구성들을 형성하기 위해 중간에 차단 스페이서들과 함께 결합될 수 있다. 이러한 접근법의 장점은 스택들이 주변의 일부, 예를 들어 모서리들에서만 접착제들을 이용해 하우징 섹션들에 밀봉될 수 있다는 것일 것이다. 차단 스페이서들은 하우징의 내벽에 밀봉되어야 할 필요가 없다; 대신에 차단 스페이서들은 모듈러 유닛들 사이에 위치되고 단부들 사이에 밀봉된다.
예를 들어, 도 24a는 중간에 위치된 단부들과 차단 스페이서(2456)에서 플랜지들(2474)을 갖는 제 1 모듈러 유닛(2470)과 제 2 모듈러 유닛(2472)을 도시한다. 도 24b에서, 제 1 모듈러 유닛(2470)과 제 2 모듈러 유닛(2472)은 서로에 고정된다. 제 1 모듈러 유닛(2470)과 제 2 모듈러 유닛(2472)의 플랜지들(2474)이 함께 고정될 수 있다. 특정한 예들에서, 제 1 모듈러 유닛(2470)과 제 2 모듈러 유닛(2472)의 플랜지들(2474)이 함께 볼트접합될 수 있다.
도 25는 스크린부(2558), 단단한 부분(2560), 그리고 밀봉 밴드(2562)를 갖는 차단 스페이서의 다른 실시예를 도시한다. 차단 스페이서는 접착체들 또는 가스킷들과 함께 플랜지들 사이에 밀봉되는 원형 프레임(2576)에 의해 몰딩될 수 있다. 대안으로 프레임은 접착제들 또는 가스킷들이 필요 없도록 열가소성 재료로 몰딩될 수 있다. 차단 스페이서들을 제조하기 위한 다른 방법들이 당업자에게 자명할 것이다.
대안으로, 모듈러 유닛들은 클램프들, 타이-바들 또는 기타 고정 기법들에 의해 함께 연결될 수 있다. 따라서 차단 스페이서의 디자인은 선택된 고정 기법을 수용하기 위해 수정될 수 있다.
개시의 몇몇 실시예들에서, 셀 스택을 준비하기 위한 방법이 제공된다. 제 1 스페이서 어셈블리는 주변의 제 1 부분에서 제 2 이온 교환 멤브레인에 제 1 이온 교환 멤브레인을 고정함으로써 준비될 수 있다. 제 1 이온 교환 멤브레인과 제 2 이온 교환 멤브레인의 제 2 부분에서, 주변은 엔드 폴드들을 제공하기 위해 접혀질 수 있다. 스페이서는 제 1 이온 교환 멤브레인과 제 2 이온 교환 멤브레인 사이에 제공될 수 있다. 제 2 스페이서 어셈블리가 유사하게 준비될 수 있다. 제 2 이온 교환 멤브레인의 엔드 폴드들이 제 2 스페이서 어셈블리의 이온 교환 멤브레인의 엔드 폴드들에 고정되도록 제 1 스페이서 어셈블리의 엔드 폴드들이 제 2 스페이서 어셈블리의 엔드 폴드들과 함께 정렬될 수 있다. 그 다음 엔드 폴드들이 무너질 수 있으며, 그리고 스페이서가 스페이서 어셈블리들 사이에 위치될 수 있다. 스페이서 어셈블리들이 압축된 후, 컴파트먼트들이 각각의 제 1 스페이서 어셈블리와 제 2 스페이서 어셈블리내에 유체 흐름 스트림과 다른 방향으로 스페이서 어셈블리들 사이에 유체 흐름 스트림을 제공하기 위해 생성된다.
도 26에 도시된 바와 같이, 제 1 스페이서 어셈블리는 주변의 제 1 부분에서 제 1 양이온 교환 멤브레인(2600)에 제 1 음이온 교환 멤브레인(2602)을 고정시킴으로써 준비될 수 있다. 이러한 예에서, 주변의 제 1 부분은 열 접합(2678)에 의해 고정된다. 제 1 음이온 교환 멤브레인과 제 1 양이온 교환 멤브레인의 제 2 부분에서, 주변은 엔드 폴드들(2680)을 제공하기 위해 접혀질 수 있다. 스페이서(2604)는 제 1 음이온 교환 멤브레인(2602)과 제 1 양이온 교환 멤브레인(2600) 사이에 제공될 수 있다.
제 2 스페이서 어셈블리가 유사하게 준비될 수 있다. 도 27에 도시된 바와 같이, 제 1 양이온 교환 멤브레인의 엔드 폴드들이 제 2 스페이서 어셈블리의 음이온 교환 멤브레인의 엔드 폴드들에 고정되도록 제 1 스페이서 어셈블리의 엔드 폴드들(2780)이 정렬될 수 있으며 제 2 스페이서 어셈블리의 엔드 폴드들(2784)과 오버랩될 수 있다. 엔드 폴드들의 오버래핑 부분은 열 접합, 접착제들, 또는 기계적 기법들에 의해 고정될 수 있다. 도 28에 도시된 바와 같이, 그 다음 엔드 폴드들이 붕괴될 수 있으며, 그리고 스페이서(2804)가 스페이서 어셈블리들 사이에 위치될 수 있다. 스페이서 어셈블리들이 압축됨에 따라서, 컴파트먼트들은 화살표들로 도 29에 도시된 바와 같이 각각의 제 1 스페이스 어셈블리와 제 2 스페이서 어셈블리내에 유체 흐름 스트림(2988)과 다른 방향으로 스페이서 어셈블리들 사이에 유체 흐름 스트림(2986)을 제공하기 위해 생성된다.
스페이서 어셈블리들과 결과적인 셀 스택을 준비하기 위해 열 접합 기법들을 이용함으로써, 조립을 쉽게 할 수 있으며, 그리고 전기 정화 장치의 보다 빠른 전체 조립 시간을 제공할 수 있는 공정이 제공된다. 좁은 열 밀봉들이 보다 높은 멤브레인 활용을 야기할 수 있는 보다 큰 흐름 채널들을 제공하며, 이는 전체 전기 정화 장치의 효율을 증가시킬 수 있다. 열 접합을 활용한 특정한 실시예들에서, 중합체 재료, 예를 들어, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌의 추가적인 강화 스트립들이 열 접합 영역들을 강화하고 보다 튼튼한 밀봉을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 열 접합에 의해 멤브레인들을 붕괴시키고 압축하기 전에 멤브레인들은 또한 조립을 쉽게하는데 도움을 줄 수 있는데, 그 이유는 접합 공정에 도움을 주기 위해 적절한 접합 장비와 디바이스들을 위한 보다 많은 룸(room)이 존재할 수 있기 때문이다. 열 접합 기법들은 또한 멤브레인 스택내 누설들을 방지할 수 있다. 이러한 공정은 또한 셀 스택 온전함을 유지하기 위해 멤브레인 스페이서들에 대한 압축력을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 모듈러 유닛을 통한 보다 낮은 압력 강하가 초래된다.
몇몇 실시예들에서, 접착제들은 셀 스택내 이온 교환 멤브레인들과 스페이서들을 고정시키기 위해 사용될 수 있다. 셀 스택을 준비하는 데 있어 유용할 수 있는 접착제들은 전기 정화 장치 하우징내에 셀 스택을 고정시키기 위해 셀 스택의 컴포넌트들의 적절한 밀봉을 가능하게 하는 특별한 특성들 또는 속성들을 가질 수 있다. 이들 속성들은 접착제의 점성, 겔 시간, 경화 온도 및 탄성중합체 속성들을 포함할 수 있다. 접착제의 속성들을 수정함으로써, 멤브레인 스택과 하우징 사이의 접합 강도가 향상될 수 있으며, 그리고 전기 정화 장치내에 누설들이 감소되거나 제거될 수 있다는 것이 발견되었다.
몇몇 경우들에서 에폭시 또는 에폭시-기반 재료들 또는 폴리우레탄 또는 폴리우레탄-기반 재료들이 사용될 수 있다. 이러한 사용은 재료들로 하여금 서로에 대해, 그리고 하우징들에 대한 셀 스택들에 멤브레인들의 적절한 밀봉을 제공하도록 할 수 있는 재료들의 열적, 기계적, 그리고 화학적 속성들에 기인할 수 있다.
에폭시 또는 에폭시-기반 재료는 레진 및 경화제를 포함할 수 있다. 멤브레인들 또는 하우징에 적절한 밀봉을 제공하기 위해, 레진은 가교(crosslinking)를 요구할 수 있다. 이러한 가교는 적절한 경화제와 레진을 화학적으로 반응시킴으로써 달성될 수 있다. 경화제는 지방족 아민들, 아민도아민(amindoamine), 지방족 고리 아민(cycloaliphatic amine), 그리고 방향족 아민으로 이루어진 그룹으로 부터 선택될 수 있다. 경화제들은 점성, 가사 시간(pot life), 경화 시간, 침투, 친수성(wetting ability), 기계적 강도, 그리고 경화 후 화학적 저항성을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 접착제에 특별한 속성들을 제공할 수 있다.
폴리우레탄 또는 폴리우레탄-기반 재료들은 촉매가 있을 때에는 폴리알콜(폴리올)과 이소시아닌의 폴리 첨가 반응에 의해 생산될 수 있다. 반응은 우레탄 링키지, -RNHCOOR'- 를 포함하는 폴리머를 제공할 수 있다.
서로에 멤브레인들을 고정하기 위해 사용하기에 적합한 접착제가 요구될 때, 몇몇 실시예들에서, 접착제가 사전설정된 접착 라인 또는 밀봉 밴드상에 어느 정도까지 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 접착제의 점성이 너무 낮으면, 접착제는 접착층 또는 밀봉 밴드로부터 흐르거나 뚝뚝 떨어질 수 있다. 접착제 점성이 너무 끈적하면, 접착제의 스프레딩이 너무 어려울 수 있다.
특정한 실시예들에서, 서로에 멤브레인들을 고정하기 위해 멤브레인과 유사한 열 팽창을 갖는 접착제를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 멤브레인-접착 인터페이스에서 크랙들 또는 주름들을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 전기 정화 장치 어플리케이션들을 위한 적절한 접착제를 결정하기 위해, 아민 경화제의 농도가 변경될 수 있다. 예를 들어, 지방족 아민은 스트레이트 카본 백본 체인(straight carbon backbone chain)을 가지며, 이러한 체인은 열 팽창에 대해 높은 정도의 유연성을 제공할 수 있다. 이러한 타입의 경화제 사용은 멤브레인과 함께 사이드 심이 팽창하도록 할 수 있다. 지방족 고리 및 방향족 아민 경화제들은 그들의 백본 체인내에 방향족 고리들을 가지며, 이러한 고리들은 단단한 엘라스토머 속성들을 제공할 수 있다.
본 개시의 특정한 실시예들에서, 서로에 멤브레인들을 고정하기 위해 사용될 수 있는 접착제들은 사용될 수 있는 주위 온도(ambient temperature)에서 약 1000 내지 약 45,000 cps 범위내 점성을 가질 수 있다. 이러한 점성은 약 15분 내지 약 30분 범위내 겔 시간을 제공할 수 있다. 접착제는 주위 온도에서 약 30 내지 약 70의 범위내 쇼어 D 경도(shore D hardness)를 가질 수 있다.
접착제는 임의의 적절한 수단에 의해 도포될 수 있으며, 그리고 접착제는 자동화된 프로시저 또는 수동 프로시저에 의해 도포될 수 있다. 접착제가 생성하는 심은 약 0.25인치 내지 약 1.5인치의 범위내 폭을 가질 수 있으며, 그리고 약 20밀 내지 약 50밀의 범위내 접착 두께를 가질 수 있다. 자외선, 주위 온도, 촉진된 온도 등을 이용함으로써 접착제가 경화될 수 있다.
하우징에 멤브레인 셀 스택을 고정하기 위해 사용될 수 있는 접착제들은 낮은 점성을 가질 수 있으며, 이러한 낮은 점성은 혼합된 접착제에 반응성 희석제들을 첨가함으로써 달성될 수 있다. 희석제를 첨가함으로써, 보다 낮은 점성 접착제가 획득될 수 있으며, 그리고 접착제의 보다 쉬운 도포를 가능하게 할 수 있다. 보다 낮은 점성은 또한 다공성 기판 내로 보다 큰 침투를 제공할 수 있으며 비-다공성 표면에 보다 나은 습윤을 제공할 수 있다. 특정한 예들에서, 희석제는 디글리시딜 에테르, 디글리시딜 페닐 디글리시딜 에테르, 그리고 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
하우징에 셀 스택을 고정하기 위해 사용된 접착제는 서로에 멤브레인들을 고정하기 위해 사용된 접착제보다 단단할 수 있다. 하우징에 셀 스택을 고정하기 위해 사용된 접착제는 멤브레인 셀 스택의 무게를 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖도록 만들어질 수 있으며, 그리고 흐름 압력하에서 변형되지 않을 수 있다.
본 개시의 특정한 실시예들에서, 하우징에 셀 스택을 고정하기 위해 사용된 접착제는 주위 온도에서 약 300cps 내지 2000cps의 범위내 점성을 가질 수 있다. 접착제의 겔 시간은 약 30분 내지 약 60분의 범위일 수 있다. 접착제는 주위 온도에서 약 45 내지 80의 범위내 쇼어 D를 가질 수 있다.
멤브레인 셀 스택이 전기화학 정화 장치를 제공하도록 위치되고 고정되는 하우징은 장치내에 유체 흐름 및 전류 흐름을 허용하며, 그리고 장치내에 유체 및 전류를 유지하기 위해 임의의 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 하우징 또는 하우징은 폴리설폰, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트 또는 에폭시 세립 유리섬유로 구성될 수 있다. 하우징을 위해 사용된 재료들은 압출성형 공정, 주입 몰딩, 또는 일반적으로 부드러운 내부를 갖는 밀집 구조를 전형적으로 제공하는 기타 공정으로부터 생산될 수 있다. 연속적인 유체 흐름의 힘들로 인해 실패할 수 있는 하우징과 멤브레인 셀 스택 사이의 접착 접합을 강화하기 위해, 멤브레인 셀 스택이 고정될 수 있는 하우징의 내부 표면의 일부가 처리되거나 수정될 수 있다. 스택 주변에 하우징의 밀봉을 개선하기 위해 표면 준비는 접착 접합을 강화하기 위해 표면을 와해시키고 표면 영역을 증가시킬 수 있는 기법들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 표면 준비는 화학적, 기계적, 전기적, 또는 열적 표면 준비, 그리고 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 표면 준비는 화학적 에칭 또는 기계적 러핑을 포함할 수 있다.
특정한 예들에서, 하우징내 접착제 주입 포트들은 하우징에 멤브레인 셀 스택을 고정하기 위해 하우징내 원하는 영역들로 접착제의 운반시 도움을 주기 위해 사용된다. 하나 또는 하나를 초과하는 접착제 주입 포트들이 하우징으로 접착제를 도입하기 위해 사용될 수 있다. 하나를 초과하는 접착제 포트가 하우징내 각각의 고정 포인트에서 활용될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 고정 포인트에 적절한 방식으로 접착제를 분배하기 위해 3개의 접착제 주입 포트들이 특별한 정렬로 제공될 수 있다. 접착제 주입 포트들은 직선 라인으로 위치될 수 있거나, 또는 원하는 접착제 운반을 달성하기 위해 특별한 디자인 또는 패턴으로 분산될 수 있다. 저 점성 접착제가 사용되는 예들에서, 저 점성 접착제는 멤브레인 셀 스택과 하우징 사이의 접합을 강화하기 위해 멤브레인 셀 스택의 채널들 내로 침투될 수 있다. 이러한 방식으로 접착체를 주입함으로써, 사용중인 접착제의 양과 접착제에 의해 발생된 방열이 모니터될 수 있다.
본 개시의 특정한 실시예들에서, 멤브레인들이 서로에 그리고 기계적 실링 기법들에 의해 멤브레인 셀 스택내 스페이서들에 고정될 수 있다. 실링은 전기 정화 장치에 사용된 멤브레인들과 스페이서들 중 적어도 하나 위에 리지들(ridges) 또는 홈들을 형성함으로써 달성될 수 있다. 제 1 멤브레인 또는 스페이서위 리지들 또는 홈들은 제 2 멤브레인 또는 스페이서위 리지들 또는 홈들과 짝일 수 있다. 제 1 멤브레인 또는 스페이서위 리지들 또는 홈들은 제 2 멤브레인 또는 스페이서위 리지들 또는 홈들과 맞물릴 수 있다. 예를 들어, 제 1 멤브레인 또는 스페이서위 리지들 또는 홈들은, 피메일 리지들(female ridges) 또는 피팅들일 수 있는, 제 2 멤브레인 또는 스페이서위 리지들 또는 홈들과 짝인 메일 리지들(male ridges) 또는 피팅들일 수 있다. 양이온 교환 멤브레인 또는 음이온 교환 멤브레인과 같은 이온 교환 멤브레인이 제 1 스페이서와 제 2 스페이서 사이에 위치되고 고정될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 일단 일련의 스페이서들과 이온 교환 멤브레인들이 복수의 농축 및 희석 흐름 컴파트먼트들을 형성하기 위해 조립되었다면, 컴파트먼트들은, 예를 들어, 레진 슬러리(resin slurry) 또는 레진 서스펜션의 형태로, 레진으로 채워질 수 있다.
도 30은 스페이서(3004)의 두 면들 상에서 밀봉들이 짝을 이루도록 하기 위한 홈들(3090)을 갖는 주입 몰딩된 희석 스페이서(3004)의 예를 도시한다. 각각의 흐름 컴파트먼트(3092)의 일 단은 이온 교환 레진 비드들을 유지하지만, 유체 흐름을 허용할 수 있는 개구들(3094)외에는 폐쇄된다. 스페이서(3004)의 다른 단(3096)은 레진 충진을 위해 개방될 수 있다. 슬롯들(3098)은 레진 유지 플레이트들을 수용하기 위해 단부에 존재할 수 있다. 농축 스페이서가 동일한 방식으로 구성될 수 있다. 특정한 예들에서, 농축 스페이서는, 특정한 실시예들에서, 농축 흐름이 희석 컴파트먼트를 통한 흐름보다 낮을 수 있기 때문에 희석 스페이서보다 얇을 수 있다.
도 31은 조립에 앞서 스페이서들(3104)과 양이온 교환 멤브레인(3100) 및 음이온 교환 멤브레인들(3102)의 스택을 통한 단면도를 도시한다. 제 1 스페이서(3104a)상의 피메일 피처들(3101)은 제 2 스페이서(3104b)상의 메일 피처들(3103)과 짝이 이루어질 수 있다. 제 2 스페이서(3104b)상의 메일 특징들(3103)은 또한 제 3 스페이서(3104c) 상의 피메일 피처들(3101)과 짝이 이루어질 수 있다.
레진 비드들과 멤브레인들을 통한 이온들의 전달을 강화하기 위해, 빽빽히 채워진 레진 비드들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 특히 초고순도 물 어플리케이션들내 희석 컴파트먼트들에서 유리할 수 있다. 패킹 밀도를 증가시키기 위해 많은 가능한 방법들이 존재한다는 것이 발견되었다. 예를 들어, 레진들은, 염화나트륨과 같은, 농축된 소금 용액내에 담겨질 수 있으며, 그 다음 컴파트먼트들내로 슬러리로 만들어질 수 있다. 전기 정화 장치의 동작 동안, 희석 컴파트먼트들내 레진들은 희석 스트림이 탈이온화됨에 따라 팽창될 수 있다. 레진들은 또한, 염화나트륨과 같은, 농축된 소금 용액내에 담겨질 수 있으며, 그 다음 건조될 수 있다. 그 다음 레진들은 에어 스트림내에서 매달린 다음 컴파트먼트들내로 불어 넣어질 수 있다. 동작동안, 희석 컴파트먼트들과 농축 컴파트먼트들 둘 다내 레진들은 레진들이 유체에 노출됨에 따라 팽창될 수 있으며, 그리고 희석 컴파트먼트들내 레진들은 희석 스트림이 탈이온화됨에 따라 더 팽창할 것이다. 다른 예예서, 농축 컴파트먼트들이 희석 컴파트먼트들에 앞서 채워질 수 있다. 멤브레인들은 희석 컴파트먼트들내로 가득 채워지는 것이 허용될 것이며, 그 다음 희석 컴파트먼트들이 채워질 수 있다. 동작동안 희석 컴파트먼트내 레진들의 팽창은 농축으로 채워진 레진들에 의해 억제될 수 있으며, 이에 의해 패킹 밀도가 증가된다.
도 32는 3204a, 3204b 및 3204c를 포함하는 스페이서들(3204)과 멤브레인들의 조립된 스택의 일부의 단면도와 기계적 밀봉 인터로킹의 상세도를 도시한다. 상세도에 도시된 바와 같이, 일단 원하는 수의 셀 쌍들을 갖는 스택이 조립되면 컴파트먼트들(3292)은 레진들로 채워질 수 있다. 유체내 레진의 슬러리는 컴파트먼트들내로 펌프된다. 레진 캐리어 유체가 흐르는 동안 레진들은 컴파트먼트들의 바닥에서 개구들(3294)에 유지될 수 있다. 컴파트먼트들이 가득 채워질 때, 슬롯 플레이트들(slotted plates)이 컴파트먼트들내 레진을 유지하기 위해 장소내로 미끄러져 들어간다. 그 다음 스택은 90° 회전될 수 있으며 희석 컴파트먼트들은 유사한 방식으로 레진이 채워질 수 있다.
도 33은 제 자리에 플레이트들(3307)을 유지하는 레진을 갖는 멤브레인 셀 스택(3305)의 일부를 도시한다. 멤브레인 셀 스택(3305)은 셀 스택(3305)의 주변을 따라 특별한 포인트들에서 하우징내에 고정될 수 있다. 예를 들어, 셀 스택은 셀 스택(3305)의 하나 또는 하나를 초과하는 모서리들(3330)에서 고정될 수 있다.
다른 실시예에서, 멤브레인들은 오버몰딩된 열가소성 고무(TPR) 실들에 의해 스페이서들에 밀봉될 수 있다. 스페이서들과 멤브레인들의 스택이 조립되고 압축된 후, 농축 및 희석 흐름 컴파트먼트들이 레진들로 채워진다. 도 34는 림(3407)과 오버몰딩된 실(3409)을 갖는 희석 스페이서(3404)를 도시한다. 오버몰딩된 실은 스페이서의 양 면들 위에 존재할 수 있다. 농축 스페이서가 유사하게 구성될 수 있다. 특정한 예들에서, 농축 스페이서는 희석 스페이서보다 얇아지도록 구성될 수 있으며, 그리고 오버몰딩된 실들을 포함하지 않을 수 있다.
도 35는, 농축 스페이서(3511)와 희석 스페이서(3513)를 포함하는, 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 일부를 관통하는 단면도이다. 개구들(3594)은 컴파트먼트들(3592)내에 레진을 유지하며, 그리고 컴파트먼트들(3592)의 마주하는 단부에서 개구들 또는 슬롯들(3598)이 레진으로 채워지는 것을 허용한다. 이러한 특별한 실시예에서, 원형 림들(3507)이 도시되지만, 결과적인 셀 스택이 하우징에 적당하게 고정될 수 있는 한, 직사각형, 사각형, 또는 다각형과 같은, 다른 림 형상들이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 림들(3507)은 하우징을 위한 필요를 제거할 수 있다. 방사상으로 오버몰딩된 실들(3509)은 희석 및 농축 주입구/배출구 매니폴드들을 분리할 수 있으며 따라서 모서리 고정 또는 포팅을 위한 필요 조건을 제거한다. 스택에 레진을 첨가하기에 앞서, 스택은 멤브레인들과 스페이서들을 함께 밀봉하기 위해 압축될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 임시 타이 바들 또는 클램프들에 의해 달성될 수 있다.
도 36은 희석 컴파트먼트들(3615)에 레진을 채운 후 제자리에 플레이트들(3607)을 유지하는 레진을 도시하는 단면도이다.
특정한 실시예들에서, 고정된 멤브레인 셀 스택을 제공하기 위해 오버몰딩된 실들에 의한 실링과 메일 피처들과 피메일 피처들에 의한 메이팅이 함께 사용될 수 있다. 멤브레인들은 메일과 피메일 피처들에 의해 스페이서들에 밀봉될 수 있는 반면에, 방사상으로 오버몰딩된 실들과 림내 실들은 농축 스페이서들에 희석 스페이서들을 밀봉할 수 있다. 본 실시예에서, 하우징에 셀 스택을 밀봉하기 위해 하우징 또는 모서리 실들을 사용할 필요가 없을 수 있다.
특정한 실시예들에서, 도 37에 도시된 바와 같이 스크린 영역(3725)을 포함하는 주입 몰딩된 스페이서(3704)가 제공된다. 이러한 도면은 유체 흐름 방향(3727)을 도시한다. 개구들은 2개의 대변들(3729 및 3731) 내에 제공된다. 몰드로부터 부품의 배출에 앞서서 수축되는 와이어들에 의해 개구들이 형성될 수 있다.
도 38a와 38b는 도 37에 관해 논의된 바와 같이 에지(3829)내 개구들, 예를 들어 3833, 의 세부 사항들을 도시한다. 도 38a와 38b는 또한 피메일 피처들(3801)과 맞물릴 수 있는 메일 피처들(3803)을 도시한다.
점선 분리선이 도 38b에 도시된다. 스페이서는 몰드의 분리선(3835) 위 스트랜드들(strands)의 일 세트와 분리선(3835) 아래 스트랜드들의 일 세트에 의해 몰딩될 수 있다. 도 38b에 도시된 바와 같이 스크린 스페이서의 스트랜드들은 반-원형 단면들을 가지며 스트랜드들의 두 세트는 서로에 수직으로 배향된다. 스트랜드들의 단면 형상, 배향 및 주파수는 유체 혼합 및/또는 압력 강하를 감소시키기 위해 변할 수 있다. 리브들(ribs) 또는 배플들(baffles)은 흐름 채널들을 형성하고 흐름 분배를 개선하기 위해 스페이서내로 몰딩될 수 있다.
특정한 실시예들에서, 메일과 피메일 피처들은 주입구와 배출구 개구들(3833)을 포함하는 에지들의 꼭대기와 바닥에 각각 몰딩된다.
스페이서를 위한 재료의 선택은 재료가, 예를 들어, 대략 0.060인치들(1.5mm) 정도 또는 그 미만의 얇은 벽들과 작은 치수들에 의해 몰딩되도록 하는 능력에 달려일 수 있을 수 있다. 재료는 또한, 바람직하게는 대략 0.030인치들(0.75mm) 정도 또는 그 미만의 작은 홀들에 의해 몰딩되도록 하는 능력을 가질 수 있다. 재료는 메일과 피메일 피처들의 적절한 인터로킹을 허용하도록 적절한 탄성을 가질 수 있으며, 그리고 정화되어야 할 유체와 화학적 호환성을 가질 수 있다.
도 39는 스페이서들과 멤브레인들의 스택의 일부를 도시한다. 도시된 바와 같이, 메일 피처들(3903)은 피메일 피처들(3901)과 맞물린다. 유사하게, 도 40에서, 메일 피처들(4003)은 피메일 피처들(4001)과 맞물린다. 양이온 교환 멤브레인들(4000)과 음이온 교환 멤브레인들(4002)은 스페이서들 사이에 고정된다. 제 1 스트림(4037)을 위한 스페이서들은 제 2 스트림에 대한 멤브레인들 경계의 에지들을 밀봉하는 반면에, 제 2 스트림(4039)을 위한 스페이서들은 제 1 스트림에 대한 멤브레인들 경계의 에지들을 밀봉한다.
개시의 특정한 실시예들에서, 컴파트먼트내에 멤브레인 표면들과 유체의 보다 큰 접촉을 제공하기 위해 컴파트먼트 내 흐름이 조절되거나, 재분배되거나, 또는 방향이 바뀌어질 수 있다. 컴파트먼트는 컴파트먼트 내 유체 흐름을 재분배하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 컴파트먼트는 컴파트먼트를 통한 흐름을 재분배하기 위해 구조를 제공할 수 있는 장애물들, 돌출들, 돌기부들, 플랜지들, 또는 배플들을 가질 수 있다. 장애물들, 돌출들, 돌기부들, 플랜지들, 또는 배플들은 이온 교환 멤브레인들, 스페이서의 일부로서 형성되거나, 또는 컴파트먼트내에 제공되는 추가적인 분리 구조일 수 있다. 장애물들, 돌출들, 돌기부들, 플랜지들, 또는 배플들은 서로에 이온 교환 멤브레인들을 고정할 수 있는 접착제로부터 연장을 제공함으로써 형성될 수 있다. 인접한 멤브레인들에 접착제에 의해 접합될 수 있는 돌출부들을 형성하기 위해 스페이서는 열가소성 고무가 스며들게 될 수 있다. 열가소성 고무는 열-압축 또는 회전 스크린 프린팅과 같은 공정들을 이용하여 스페이서에 도포될 수 있다. 컴파트먼트들은 이온 교환 레진을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
도 41에 도시된 바와 같이, 제 1 이온 교환 멤브레인(4151)과 제 2 이온 교환 멤브레인(4153)은 이들과 인접해 위치된 제 1 스페이서(4155)와 제 2 스페이서(4157)와 함께 도시된다. 제 1 배플(4165) 근처와 제 2 배플(4167) 근처, 그리고 배출구(4169)를 통해, 스페이서(4157)의 주입구(4163)로부터 흐름을 재분배하는 배플들을 갖는 제 2 스페이서(4157)로 인해, 제 1 스트림(4159)은 제 2 스트림(4161)의 흐름에 평행인 흐름으로서 도시된다.
도 42에 도시된 바와 같이, 제 1 이온 교환 멤브레인(4251)과 제 2 이온 교환 멤브레인(4253)은 이들과 인접해 위치된 제 1 스페이서(4255)와 제 2 스페이서(4257)와 함께 도시된다. 제 1 배플(4265) 근처와 제 2 배플(4267) 근처, 그리고 배출구(4269)를 통해, 스페이서(4257)의 주입구(4263)으로부터 흐름을 재분배하는 배플들을 갖는 제 2 스페이서(4257)로 인해, 제 1 스트림(4259)은 제 2 스트림(4261)의 흐름에 수직인 흐름으로서 도시된다.
도 43 및 도 44는 주입 몰딩된 스페이서들에 의해 형성된 2개의 스트림들을 위한 컴파트먼트들을 갖는 추가적인 실시예들을 도시한다. 도 43에서, 제 2 스트림(4361)을 위한 흐름 경로는 제 1 스트림(4359)으로 병류(co-current)이거나 역류일 수 있다. 도 44에서, 제 2 스트림(4461)을 위한 흐름 경로는 제 1 스트림(4459)에 수직일 수 있다. 스페이서들의 선택된 단단한 부분들은 접착제들에 의해 인접한 멤브레인들에 접합될 수 있다. 대안으로, 멤브레인들은, 예를 들어 초음파, 진동, 또는 레이저 용접에 의해 열적으로 스페이서들에 접합될 수 있다. 이들 도면들에 도시된 바와 같이, 점선으로 된 화살표들은 제 2 스트림을 위한 주입구와 배출구 매니폴드들내 흐름을 표시한다. 이들 매니폴드들은 제 2 스트림을 위한 흐름 컴파트먼트에 대한 주입구와 배출구에 의지하지 않는다. 따라서, 애노드와 캐소드 사이의 매니폴드들 아래로 누설 전류가 감소될 것으로 예상된다.
개시의 몇몇 실시예들에서, 음료수원을 제공하는 방법이 제공된다. 특정한 실시예들에서, 해수로부터 음료수의 생산을 용이하게 하는 방법이 제공된다. 방법은 셀 스택을 포함하는 전기 정화 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 전기 정화 장치의 주입구에 해수 피드 스트림을 유동적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 음료 사용 포인트에 전기 정화 장치의 배출구를 유동적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 해수 또는 강물은 약 10,000ppm 내지 약 45,000ppm의 범위내 전체 용존 물질들의 농도를 가질 수 있다. 특정한 예들에서, 해수 또는 강물은 약 35,000ppm의 전체 용존 물질들의 농도를 가질 수 있다.
본 실시예에서, 셀 스택은 교번하는 이온 희석 컴파트먼트들과 이온 농축 컴파트먼트들을 포함할 수 있다. 이온 희석 컴파트먼트들의 각각은 제 1 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 이온 농축 컴파트먼트들의 각각은, 상기 논의된 바와 같이, 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 유체 흐름을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 게다가, 이온 농축 컴파트먼트와 이온 희석 컴파트먼트들의 각각은 교번하는 이온 희석 컴파트먼트들과 이온 감손 컴파트먼트들의 각각에 유체 접촉을 위한 표면 영역 또는 멤브레인 활용의 사전설정된 백분율을 제공하도록 구성되고 정렬될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 보다 큰 멤브레인 활용은 전기 정화 장치의 동작에 있어 보다 큰 효율들을 제공한다는 것이 발견되었다. 특정한 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 65% 보다 클 수 있다. 다른 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 75% 보다 클 수 있다. 특정한 다른 실시예들에서, 달성될 수 있는 멤브레인 활용은 85% 보다 클 수 있다.
이온 희석 컴파트먼트들과 이온 농축 컴파트먼트들 중 적어도 하나는 스페이서를 포함할 수 있다. 스페이서는 차단 스페이서일 수 있다. 차단 스페이서는 다중 스테이지들을 통한 해수 공급의 패스를 허용하거나 음료수원을 제공하기 위해 전기 정화 장치를 패스할 수 있다.
유체 흐름의 제 1 방향 및 유체 흐름의 제 2 방향은 컴파트먼트들의 구성과 정렬에 의해 선택되고 제공될 수 있다. 0° 축을 따라 이어지는 방향으로서 유체의 제 1 방향을 이용함으로써, 유체 흐름의 제 2 방향은 0°보다 크고 360°보다 적은 임의의 각의 방향으로 이이질 수 있다. 개시의 특정한 실시예들에서, 제 2 유체 흐름 경로는 90°각으로 이어질 수 있거나, 또는 제 1 유체 흐름 경로에 수직일 수 있다. 다른 실시예들에서, 제 2 유체 흐름 경로는 제 1 유체 흐름 경로에 대해 180° 각으로 이어질 수 있다.
방법은 교번하는 이온 희석 컴파트먼트들과 이온 농축 컴파트먼트들 중 적어도 하나 내에서 유체를 재분배하는 단계를 더 포함할 수 있다. 하나 또는 하나를 초과하는 컴파트먼트들은 유체 흐름을 재분배하거나 방향을 바꾸도록 구성되고 정렬될 수있다. 이것은, 상기 논의된 바와 같이, 유체 흐름을 재분배하도록 구성을 제공할 수 있는 컴파트먼트를 정의하는 특별한 스페이서 또는 멤브레인의 사용을 통해 달성될 수 있다.
전기 정화 장치는 셀 스택을 에워싸는 하우징을 더 포함할 수 있다. 셀 스택의 주변의 적어도 일부는 하우징에 고정될 수 있다. 전기 정화 장치는 하우징과 셀 스택 사이에 위치된 프레임 또는 지지 구조를 더 포함할 수 있다. 프레임은 모듈러 유닛을 제공하기 위해 셀 스택에 인접하거나 연결될 수 있다. 전기 정화 장치는 하우징내에 고정될 수 있는 제 2 모듈러 유닛을 더 포함할 수 있다. 제 2 모듈러 유닛은, 제 1 모듈러 유닛의 이온 교환 멤브레인이 제 2 모듈러 유닛의 이온 교환 멤브레인에 인접하도록 하우징 내에 고정될 수 있다.
음료수원을 제공하는 방법은 제 1 모듈러 유닛과 제 2 모듈러 유닛 사이에 전류와 유체 흐름 중 적어도 하나의 방향을 바꾸는 단계를 포함할 수 있다. 이것은, 예를 들어, 제 1 모듈러 유닛과 제 2 모듈러 유닛 사이에 차단 스페이서를 제공함으로써 달성될 수 있다.
브라켓 어셈블리는 하우징에 모듈러 유닛을 고정하기 위해 프레임과 하우징 사이에 위치될 수 있다.
전체 용존 물질들의 상이한 농도들을 포함하는 공급수의 다른 타입들은 본 개시의 장치와 방법들을 이용해 다루어지거나 처리될 수 있다. 예를 들어, 약 1000ppm 내지 약 10,000ppm의 범위내 전체 용존 물질들 함량을 갖는 염수(brackish water)가 음료수를 생산하기 위해 처리될 수 있다. 약 50,000ppm 내지 약 150,000ppm의 범위내 전체 용존 물질들 함량을 갖는 소금물(brine)이 음료수를 생산하기 위해 처리될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 약 50,000ppm 내지 약 150,000ppm의 범위내 전체 용존 물질들 함량을 갖는 소금물(brine)은, 예를 들어 대양과 같은, 수역(a body of water)에 대한 처리 목적으로 보다 낮은 전체 용존 물질들 함량을 갖는 물을 생산하기 위해 처리될 수 있다.
비록 개시의 예시적인 실시예들이 개시되었지만, 이어지는 청구항들에 설명된 바와 같이, 많은 변경들, 추가들, 그리고 삭제들이 개시 및 개시의 등가물들의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 실시예들에 이루어질 수 있다.
당업자는 본 명세서에 기술된 다양한 파라미터들과 구성들이 예시적인 것으로 의미되며 실제 파라미터들과 구성들은 본 개시의 전기 정화 장치 및 방법들이 사용되는 특정한 어플리케이션에 종속될 것이라는 것을 쉽게 이해할 것이다. 당업자는 본 명세서에 기술된 특정한 실시예들에 대해 단지 일상 실험, 많은 등가물들을 이용해 인식하거나, 또는 확인할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 장치, 그리고 장치의 컴포넌트들이, 본 개시에 따라서 시스템들의 네트워크를 더 포함하거나 또는 물 정화 또는 처리 시스템의 컴포넌트일 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 따라서, 전술한 실시예들은 단지 예로서 제공되며 그리고, 첨부된 청구항들과 그에 대한 등가물들의 범주내에, 개시된 전기 정화 장치 및 방법들이 특별히 기술된 바와 같이 실행될 수 밖에는 없다는 것이 이해될 것이다. 본 장치와 방법들은 본 명세서에 기술된 각각의 개별적인 특징 또는 방법에 관련된다. 게다가, 둘 또는 둘을 초과하는 이와 같은 특징들, 장치들 또는 방법들의 임의의 조합은, 이와 같은 특징들, 장치들 또는 방법들이 상호 불일치하지 않으면, 본 개시의 범주내에 포함된다.
예를 들어, 하우징은, 하나 또는 하나를 초과하는 멤브레인 셀 스택들 또는 모듈러 유닛들이 하우징내에 고정될 수 있도록 임의의 적절한 지오메트리일 수 있다. 예를 들어, 하우징은 실린더형, 다각형, 사각형, 또는 직사각형일 수 있다. 멤브레인 셀 스택들과 모듈러 유닛들에 대해, 임의의 적절한 지오메트리는 셀 스택 또는 모듈러 유닛이 하우징에 고정될 수 있는 한 수용가능하다. 예를 들어 멤브레인들 또는 스페이서들은 직사각형 모양일 수 있다. 특정한 실시예들에서, 하우징은 요구되지 않을 수 있다. 멤브레인들과 스페이서들의 지오메트리는, 멤브레인들과 스페이서들이 셀 스택내에 고정될 수 있도록 임의의 적절한 지오메트리일 수 있다. 특정한 실시예들에서, 셀 스택위에 특별한 수의 모서리들 또는 꼭짓점들이 요구될 수 있다. 예를 들어, 하우징에 셀 스택을 고정하기 위해 3개 또는 3개를 초과하는 모서리들 또는 꼭짓점들이 요구될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 하우징, 셀 스택, 멤브레인들, 그리고 스페이서들 중 임의의 지오메트리가 전기 정화 장치의 동작 파라미터들을 수용하기 위해 선택될 수 있다. 예들 들어, 스페이서들은 희석 스트림들과 농축 스트림들 사이의 유속에 있어서 차이들을 수용하기 위해 비대칭적일 수 있다.
게다가, 다양한 개조들, 변경들, 그리고 개선들이 당업자에게 쉽게 일어날 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이와 같은 개조들, 변경들, 그리고 개선들은 본 개시의 일부이도록 의도되며, 그리고 개시의 사상 및 범주내에 존재하도록 의도된다. 예를 들어, 기존의 설비가 개시의 임의의 하나 또는 하나를 초과하는 양상들을 활용하거나 포함하도록 변경될 수 있다. 따라서, 몇몇 경우들에서, 장치 및 방법들은 전기 정화 장치를 포함하기 위해 기존의 설비를 연결하거나 구성하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 전술한 설명과 도면들은 단지 예로서 존재한다. 게다가, 도면들 내 묘사들은 특별히 예시된 표시들로 개시들을 제한하지 않는다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "복수(plurality)"는 둘 또는 둘을 초과하는 아이템들 또는 컴포넌트들을 지칭한다. 작성된 상세한 설명에서든 청구항들 등에서든지 용어들 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "지니는(carrying)", "갖는(having)", "포함하는(containing)" 그리고 "포함하는(involving)"은 개방형 용어들이다, 즉, "포함하지만 제한되지 않는"을 의미한다. 따라서, 이와 같은 용어들의 사용은 추가적인 아이템들뿐만 아니라, 이후에 리스트된 아이템들, 그리고 이들의 등가물들을 망라하는 것으로 여겨진다. 단지 이행구들 "이루어진(consisting of)" 및 "필수적으로 이루어진(consisting essentially of)"은 청구항들에 대해 각각 폐쇄 또는 반-폐쇄 이행구들이다. 청구항 엘리먼트를 수식하기 위해 청구항들내 "첫째", "둘째", "셋째" 등과 같은 서수적 용어들의 사용은 단독으로 임의의 우선순위, 선행, 또는 방법의 행위들이 수행되는 다른 또는 임시 순서에 대해 하나의 청구항 엘리먼트의 순서를 내포하지 않지만, 청구항 엘리먼트들을 구별하기 위해 단지 특정한 이름을 갖는 하나의 청구항 엘리먼트를 동일한 이름(그러나 서수적 용어의 사용을 위해)을 갖는 다른 엘리먼트와 구별하기 위해 라벨들로서 사용된다.
Claims (20)
- 전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법으로서,
제 1 유체 흐름 경로를 갖는 제 1 컴파트먼트(compartment)를 형성하기 위해 제 1 음이온 교환 멤브레인(membrane)과 제 1 양이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인에 상기 제 1 음이온 교환 멤브레인을 고정하는 단계; 및
상기 제 1 유체 흐름 경로와 다른 방향으로 제 2 유체 흐름 경로를 갖는 제 2 컴파트먼트를 형성하기 위해 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인의 상기 주변의 제 2 부분과 상기 제 2 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인에 상기 제 2 음이온 교환 멤브레인을 고정하는 단계
를 포함하고,
상기 제 1 컴파트먼트와 상기 제 2 컴파트먼트의 각각은 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인, 상기 제 1 음이온 교환 멤브레인 그리고 상기 제 2 양이온 교환 멤브레인의 각각의 표면 영역의 85% 보다 큰 표면 영역의 유체 접촉을 제공하도록 구성되고 정렬되는,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 음이온 교환 멤브레인과 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인 사이에 제 1 스페이서를 제공하는 단계; 및
상기 제 2 음이온 교환 멤브레인과 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인 사이에 제 2 스페이서를 제공하는 단계
를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 스페이서와 상기 제 2 스페이서 중 적어도 하나는 차단 스페이서인,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 컴파트먼트와 상기 제 2 컴파트먼트 중 적어도 하나는 흐름 재분배기를 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 음이온 교환 멤브레인의 상기 주변의 상기 제 1 부분은 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인의 상기 주변의 상기 제 1 부분과 맞물리도록 구성되고 정렬되는,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
하우징내에 상기 제 1 셀 스택을 고정하는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 하우징내에 제 2 셀 스택을 고정하는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 셀 스택과 상기 제 2 셀 스택 사이에 차단 스페이서를 위치시키는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유체 흐름 경로는 상기 제 2 유체 흐름 경로에 수직인,
전기 정화 장치를 위한 제 1 셀 스택을 준비하는 방법. - 전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법으로서,
제 1 양이온 교환 멤브레인과 제 1 음이온 교환 멤브레인 사이에 배치된 제 1 스페이서를 갖는 제 1 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인과 상기 제 1 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 상기 제 1 음이온 교환 멤브레인에 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인을 고정시킴으로써 제 1 컴파트먼트를 형성하는 단계;
제 2 음이온 교환 멤브레인과 제 2 양이온 교환 멤브레인 사이에 배치된 제 2 스페이서를 갖는 제 2 스페이서 어셈블리를 제공하기 위해 상기 제 2 양이온 교환 멤브레인과 상기 제 2 음이온 교환 멤브레인의 주변의 제 1 부분에서 상기 제 2 양이온 교환 멤브레인에 상기 제 2 음이온 교환 멤브레인을 고정시킴으로써 제 2 컴파트먼트를 형성하는 단계; 및
상기 제 1 스페이서 어셈블리와 상기 제 2 스페이서 어셈블리 사이에 배치된 스페이서를 갖는 스택 어셈블리를 제공하기 위해 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인의 상기 주변의 제 2 부분과 상기 제 2 음이온 교환 멤브레인의 상기 주변의 부분에서 상기 제 2 스페이서 어셈블리에 상기 제 1 스페이서 어셈브리를 고정함으로써 제 3 컴파트먼트를 형성하는 단계
를 포함하며,
상기 제 1 컴파트먼트와 상기 제 2 컴파트먼트의 각각은 상기 제 3 컴파트먼트내 유체 흐름의 방향과 다른 방향으로 유체 흐름의 방향을 제공하도록 구성되고 정렬되는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 10 항에 있어서,
하우징내에 상기 셀 스택을 고정하는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 10 항에 있어서,
제 1 모듈러 유닛을 제공하기 위해 주입구 매니폴드와 배출구 매니폴드를 포함하는 프레임내에 상기 셀 스택을 고정하는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 12 항에 있어서,
하우징내에 상기 제 1 모듈러 유닛을 고정하는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 13 항에 있어서,
브라켓 어셈블리를 갖는 상기 하우징에 상기 모듈러 유닛을 고정하는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 하우징내에 제 2 모듈러 유닛을 고정하는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 모듈러 유닛과 상기 제 2 모듈러 유닛 사이에 차단 스페이서를 위치시키는 단계를 더 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 스페이서, 상기 제 2 스페이서, 그리고 상기 제 3 스페이서 중 적어도 하나는 차단 스페이서인,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 컴파트먼트, 상기 제 2 컴파트먼트, 그리고 상기 제 3 컴파트먼트 중 적어도 하나는 흐름 재분배기를 포함하는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 음이온 교환 멤브레인의 상기 주변의 상기 제 1 부분은 상기 제 1 양이온 교환 멤브레인의 상기 주변의 상기 제 1 부분과 맞물리도록 구성되고 정렬되는,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 컴파트먼트내 상기 유체 흐름의 방향은 상기 제 2 컴파트먼트내 상기 유체 흐름의 방향에 수직인,
전기 정화 장치를 위한 셀 스택을 준비하기 위한 방법.
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