KR20140049029A - 재충전가능 전기화학 셀 - Google Patents

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KR20140049029A
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로버트 이 애슬
조나단 에프 헤스터
디앤 쳉
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

재충전가능한 전기화학 장치가 제공되고, 여기서 재생 기술은 셀에 대한 전류 또는 전류 밀도의 배치식 인가에 기초하며, 여기서 전류 또는 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전류 또는 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드가 있다. 본 명세서에서의 실시예에 따른 전기화학 및 EDI 시스템은 정수된 낮은 TDS의 물에 대한 요구가 간헐적인 응용에서 전형적인 공공 수돗물 품질의 물의 탈이온화 및/또는 정수에 적합하다. 그러한 작동은 재생 목적을 위한 화학물질 첨가의 사용을 회피한다. 또한, 본 명세서에서 제공되는 셀은 식기 세척기, 세탁기, 커피 및 에스프레소 메이커, 제빙기, 스팀 테이블, 세차장 급수원, 및 스티머와 같은 소비자 및 상업용 응용을 위한 작은 설치 면적에 적합하다.

Description

재충전가능 전기화학 셀{RECHARGEABLE ELECTROCHEMICAL CELLS}
본 발명은 물을 정수하기 위한 전기화학 셀(electrochemical cell) 및 이를 사용하기 위한 공정의 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 물 탈이온화 및/또는 알칼리도로 인해 감소된 경도를 갖는 물의 생성에 유용한, 재충전가능하고 스케일 축적(scale build-up)을 최소화하는 전기화학 셀의 분야에 관한 것이다.
물 경도 또는 총 용존 고형물(total dissolved solid, TDS)로서 측정되는, 담수원에 용해되어 있는 염은 물의 산업용, 상업용 및 가정용 사용에 상당한 문제를 생성하고, 이들 염을 제거하는 공정이 오랫동안 실시되어 왔다. 사람의 담수 사용이 심해짐에 따라, 우리의 수원은 농업 유출수; 도로 염을 함유하는 도시 유출수; 대수층에의 해수의 침입을 유발하는 지하수의 과잉 양수; 및 사람의 사용을 위해 이전에 고려되지 않은 염분이 섞인 수원의 개발의 다양한 원인들로 인해 점점 더 염분이 많아지고 있다. 이와 같이, TDS 감소에 대한 요구가 장래에 증가될 것으로 예상되고, 새로운 기술들은 TDS 감소 공정의 효율 및 환경적 지속성을 개선시키라는 요구를 받을 것이다.
미국 수돗물에서의 TDS의 수준은 일반적으로 140 내지 400 ppm의 범위에 있다. 25 ppm 초과의 TDS 농도의 예에서, 소비자에 대한 소정의 단점은 공지 사항이다. 예를 들어, 약 25 ppm 미만의 TDS 농도에서는 (무인산염 세제를 사용하는) 가정용 식기 세척기의 사용 후에 남아 있는 물 얼룩(water spot)의 모습이 크게 감소된다. 소정의 공지된 혼합 수지 베드(mixed bed resin) 상업적 기술은 간단하고 작은 설치 면적의 설계에 의해 그리고 폐기물 스트림(waste stream) 없이 넓은 범위의 유입수 조건에 걸쳐 이러한 품질의 물을 생성할 수 있지만, 최대 용량까지 로딩된 그러한 수지를 처리하기 위해, 강산 및 강염기가 필요하며, 이는 소비자 또는 소규모 상업적 응용에 적합하지 않은 작업이다.
전기화학 셀에 의해 제공되는 전기화학 반응은 또한 물을 정수하는 한 방식으로서 알려져 있다. 전기탈이온화(electrodeionization, EDI) 셀(또는 장치 또는 모듈)은 특히 탈이온수를 발생시키기 위해 전기화학 반응을 사용한다. 전자장치, 제약, 발전, 및 냉각탑 응용을 위한 초순수 물을 생성하기 위해 EDI 셀이 전형적으로 사용된다. EDI 모듈은 하기의 구성요소들을 포함한다: 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 위치해 있는 선택적 양이온 투과성 막(cation permeable membrane, CPM) 및 선택적 음이온 투과성 막(anion permeable membrane, APM)에 의해 분리되는 생성물 격실(product compartment) 및 농축물(또는 폐기물) 격실(concentrate (or reject) compartment). 생성물 격실 및 농축물 격실은 각각 음이온 교환 수지 비드와 양이온 교환 수지 비드의 혼합물로 채워진다. 급수(feed water)(이는 보통 초정수(ultrapurification)를 필요로 하는 역삼투(reverse osmosis, RO) 장치로부터의 물임)가 생성물 격실 및 농축물 격실 둘 모두에 들어가고, 전압이 계속하여 애노드 및 캐소드에 걸쳐 인가된다. 생성물 격실에서, 양이온이 양이온 교환 수지 비드에 결합되고, 이어서 양이온은 이들이 CPM을 가로질러 농축물 격실 내로 들어갈 때까지 캐소드의 방향으로 양이온 교환 수지 비드 상에서 여기저기로 이동한다. 또한, 생성물 격실에서, 음이온은 음이온 교환 수지 비드에 결합되고, 이어서 음이온은 이들이 APM을 가로질러 농축물 격실 내로 들어갈 때까지 양이온과 비교하여 반대 방향으로 이동한다. 농축물 격실에서, 양이온 및 음이온 둘 모두는 선택적 막들에 의해 생성물 격실 내로 통과하는 것이 방지된다. 이러한 방식으로, 생성물 격실 내의 물은 초순수 물 응용에 적용가능한 아주 낮은 TDS에 도달할 수 있다. 게다가, 인가된 전기장에 의해 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지 사이의 계면에서 물의 가수분해가 일어나서, 이들을 각각 산성 및 염기성 형태로 계속하여 재생시킨다. 그러한 작동에서 화학물질 첨가도 높은 압력도 필요하지 않다.
현재, EDI는 주로 이미 낮은 TDS의 유입수에 대해 사용하는 것으로 제한되어 있다. EDI는 낮은 TDS의 RO 투과수(RO permeate)를, 초순수 응용에서 사용하기 위한 훨씬 더 낮은 TDS 수준으로 폴리싱(polishing)하는 목적을 위해 RO에 대한 3차 처리로서 가장 자주 사용된다. 이것은 농축물 격실과 접촉하는 막의 표면에 인접한 영역에서의 염의 용해성/침전인 EDI의 기술적 한계로 인한 것이다. 그러한 영역에서, 인가된 전기장은 막 표면 부근에 TDS를 집중시킨다. 아주 낮은 입구 TDS 수준을 제외한 모두에 대해, 이러한 집중은 막 표면에서의 염의 빠른 침전을 야기하며, 그 결과 모듈이 고장난다. 이러한 기술적 한계는, 현재까지, EDI를 광범위한 소비자 및 상업적 관심의 응용에 적용하는 것을 막아 왔다.
현재의 재충전가능 전기화학 셀, 구체적으로는 전기탈이온화 셀로 인해, 기술이 이온 및/또는 고형물이 제거되는 것에 의해 막의 오염을 가져온다. 본 발명은 그러한 오염을 방지하는 재충전가능 셀을 제공한다.
재충전가능한 전기화학 장치가 제공되고, 여기서 재생 기술은 셀에 대한 전류 또는 전류 밀도의 배치식 인가(batch-wise application)에 기초하며, 여기서 전류 또는 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드(service mode) 및 전류 또는 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드(recharge mode)가 있다.
제1 태양에서, 전기화학 셀이 제공되고, 전기화학 셀은 하나 이상의 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실; 농축물 격실; 및 양이온 투과성 막, 음이온 투과성 막, 양극성 막, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2개의 이온 교환 막; 및 캐소드 및 애노드를 포함하고, 전기화학 셀은 배치식으로 작동되며, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는다.
하나 이상의 실시예에서, 전류 밀도는 재충전 모드 동안 적어도 2개의 이온 교환 막의 표면에 인접한 영역에서 용해된 이온을 실질적으로 용해된 상태로 유지시키는 데 효과적인 낮은 전류 밀도이다.
일 실시예는 이온 교환 수지가 양이온 및 음이온 수지의 조합을 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막이 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막을 포함하는 것을 제공한다.
다른 실시예는 이온 교환 수지가 양이온 수지를 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막이 양이온 투과성 막 및 양극성 막을 포함하는 것을 제공한다. 양이온 수지는 약산성 양이온 수지 또는 강산성 양이온 수지를 포함할 수 있다. 상세한 실시예는 양이온 수지가 약산성 양이온 수지인 것을 제공한다.
추가의 실시예는 셀이 직렬로 접촉되는 2개의 생성물 격실을 포함하는 것을 제공하고, 제1 생성물 격실의 이온 교환 수지는 양이온 수지를 포함하며, 제2 생성물 격실의 이온 교환 수지는 음이온 수지를 포함하며, 적어도 2개의 이온 교환 막은 음이온 투과성 막, 양이온 투과성 막, 및 양극성 막을 포함한다.
특정 실시예에서, 적어도 2개의 이온 교환 막은 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실을 한정하며, 이들 모두는 전기화학 셀에 해제가능하게 부착되는 카트리지를 형성한다.
다른 실시예는 애노드가 전기화학 셀에 해제가능하게 부착되는 것을 제공한다.
본 명세서에 제공되어 있는 전기화학 셀은 스케일 억제(scale inhibition) 장치를 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 스케일 억제 장치는 전기화학 셀에 낮은 전류 밀도를 인가하기 위한, 전기화학 셀에 낮은 전류 밀도를 펄싱(pulsing)하기 위한, 또는 둘 모두를 위한 제어 시스템을 포함한다. 펄싱은 1 밀리초(mS) 내지 1 초(S)의 범위 내의 또는 심지어 10 내지 100 mS의 범위 내의 지속 시간 동안 일어날 수 있다. 펄싱은 매 1 밀리초 내지 1 초 또는 심지어 10 내지 500 mS의 시간 간격으로 인가될 수 있다.
다른 스케일 억제 장치는 하나 이상의 유체 운반 층(fluid conveyance layer)일 수 있다. 하나 이상의 유체 운반 층의 표면은 채널과 같은 비평탄 표면 특징부를 포함할 수 있다.
제공되는 다른 태양은 정수된 물을 필요로 하는 하나의 장비 및 본 명세서에서 제공되는 전기화학 셀을 포함하는 시스템을 포함하고, 하나의 장비는 식기 세척기, 세탁기, 커피 및 에스프레소 메이커, 제빙기, 스팀 테이블(steam table), 세차장 급수원, 및 스티머(steamer)로 이루어진 군으로부터 선택된다.
다른 태양은 전기화학 셀의 서비스 및 재생을 제공하는 시스템이고, 시스템은 양이온 투과성 막, 음이온 투과성 막, 양극성 막, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2개의 이온 교환 막을 포함하는 카트리지 - 적어도 2개의 이온 교환 막은 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실을 한정함 - ; 카트리지가 해제가능하게 내부에 설치되는 서비스 하우징; 카트리지가 해제가능하게 내부에 설치되고, 캐소드 및 애노드를 포함하는 재충전 하우징을 포함하고, 전기화학 셀은 배치식으로 작동되며, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는다.
물을 처리하는 방법은 배치식으로 작동되는 전기화학 셀을 통해 물을 유동시키는 단계를 포함하고, 전기화학 셀은 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는다. 방법은 다양한 요구를 충족시키기 위해 전기화학 셀로부터 처리된 물을 유동시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 식기 세척기에서 얼룩 없는 세척(spot free rinse)이 제공된다. 다른 실시예에서, 자동차에 대해 얼룩 없는 세척이 제공된다. 추가의 실시예는 커피, 차, 청량 음료, 주스, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 음료를 준비하기 위해 처리된 물이 사용되는 것을 제공한다.
상세한 실시예에서, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실을 통과하고, 정수된 형태로 생성물 격실을 빠져나가며, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드 동안, 폐기물 스트림은 농축물 격실에 들어가고, 폐기물 스트림이 농축물 격실에 들어갈 때와 비교하여 용해된 이온의 양이 증가된 상태로 농축물 격실을 빠져나가며, 재충전 모드 후에, 이온 교환 수지는 재충전 모드가 시작될 때와 비교하여 더 적은 이온을 갖는다.
특정 실시예는, 이온 교환 수지가 양이온 및 음이온 수지의 조합을 포함하고 적어도 2개의 이온 교환 막이 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막을 포함할 때, 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실을 통과하고 양이온 및 음이온 수지의 조합과 접촉하며, 정수되고 탈이온화된 형태로 생성물 격실을 빠져나가고, 재충전 모드 동안, 폐기물 스트림은 농축물 격실에 들어가고 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막과 접촉하며, 폐기물 스트림이 농축물 격실에 들어갈 때와 비교하여 용해된 이온의 양이 증가된 상태로 농축물 격실을 빠져나가고, 재충전 모드 후에, 양이온 및 음이온 수지의 조합은 재충전 모드가 시작될 때와 비교하여 더 적은 이온을 갖는 것을 제공한다.
다른 특정 실시예는, 이온 교환 수지가 약산성 양이온 수지를 포함하고 적어도 2개의 이온 교환 막이 양이온 투과성 막 및 양극성 막을 포함할 때, 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실을 통과하고 약산성 양이온 수지와 접촉하며, 정수되고 알칼리도가 감소된 형태로 생성물 격실을 빠져나가고, 재충전 모드 동안, 폐기물 스트림은 농축물 격실에 들어가고 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막과 접촉하며, 폐기물 스트림이 농축물 격실에 들어갈 때와 비교하여 용해된 고형물의 양이 증가된 상태로 농축물 격실을 빠져나가고, 재충전 모드 후에, 약산성 양이온 수지는 재충전 모드가 시작될 때와 비교하여 더 적은 이온을 갖는 것을 제공한다.
추가의 특정 실시예는, 이온 교환 수지가 2개의 생성물 격실 및 3개의 이온 교환 막을 포함할 때, 제1 생성물 격실의 이온 교환 수지는 양이온 수지를 포함하고, 제2 생성물 격실의 이온 교환 수지는 음이온 수지를 포함하며, 이온 교환 막은 음이온 투과성 막, 양이온 투과성 막, 및 양극성 막을 포함하고, 서비스 모드 동안, 물은 제1 또는 제2 생성물 격실을 통과하고 각각 양이온 수지 또는 음이온 수지와 접촉하며, 이어서 제2 또는 제1 생성물 격실 중 다른 격실을 통과하고, 정수되고 탈이온화된 형태로 생성물 격실을 빠져나가며, 재충전 모드 동안, 폐기물 스트림은 농축물 격실에 들어가고 음이온 투과성 막 및 양이온 투과성 막과 접촉하며, 폐기물 스트림이 농축물 격실에 들어갈 때와 비교하여 이온의 양이 증가된 상태로 농축물 격실을 빠져나가고, 재충전 모드 후에, 음이온 수지 및 양이온 수지는 재충전 모드가 시작될 때와 비교하여 더 적은 이온을 갖는 것을 제공한다.
본 명세서에 제공된 방법은 재생 목적을 위해 전기화학 셀에 대한 화학물질 첨가의 사용을 배제할 수 있다.
<도 1>
도 1은 혼합 탈이온화 수지들의 베드를 통한 생성물 스트림(예를 들어, 수돗물)의 서비스 유동의 방향을 도시하는 일 실시예의 개략도.
<도 2>
도 2는 혼합 탈이온화 수지의 재생 동안 폐기물을 축적하는 폐기물 스트림의 유동의 방향을 도시하는 도 1의 실시예의 개략도.
<도 3>
도 3은 양이온 수지의 베드를 통한 생성물 스트림(예를 들어, 수돗물)의 서비스 유동의 방향을 도시하는 다른 실시예의 개략도.
<도 4>
도 4는 양이온 수지의 재생 동안 폐기물을 축적하는 폐기물 스트림의 유동의 방향을 도시하는 도 3의 실시예의 개략도.
<도 5>
도 5는 다수의 생성물 격실을 병렬로 도시하는 도 3의 실시예의 개략도.
<도 6>
도 6은 본 명세서에 개시되는 셀들 및 카트리지들 중 임의의 것을 사용하는 재충전기 스테이션 및 서비스/물 처리 스테이션에 대한 일 실시예의 개략도.
<도 7>
도 7은 제1 양이온 수지 베드 및 이어서 제2 음이온 수지 베드를 통한 생성물 스트림(예를 들어, 수돗물)의 서비스 유동의 방향을 도시하는 다른 실시예의 개략도.
<도 8>
도 8은 수지 베드의 재생 동안 폐기물을 축적하는 폐기물 스트림의 유동의 방향을 도시하는 도 7의 실시예의 개략도.
<도 9a, 도 9b 및 도 9c>
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 상이한 비평탄 표면을 갖는 유체 운반 층의 개략도.
재충전가능한 전기화학 장치가 제공되고, 여기서 재생 기술은 셀에 대한 전류의 배치식 인가에 기초하며, 여기서 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드가 있다. 본 명세서에서의 실시예에 따른 전기화학 및 EDI 시스템은 정수된 낮은 TDS의 물에 대한 요구가 간헐적인 응용에서 전형적인 공공 수돗물 품질의 물의 탈이온화 및/또는 정수에 적합하다. 그러한 작동은 재생 목적을 위한 화학물질 첨가의 사용을 회피한다. 또한, 본 명세서에서 제공되는 셀은 소비자 응용을 위한 작은 설치 면적에 적합하다.
"전류 밀도"라는 것은 전기화학 셀의 단위 단면적당 전류의 양을 의미한다. 전류 밀도의 선택은 주어진 셀 크기/응용에 대해 용해된 이온이 실질적으로 용해된 상태로 유지되고 이온 교환 막 상에 침전되지 않는 것을 보장하는 것에 기초하는 것이다. 재충전 사이클의 예상된 지속 기간에 기초하여 원하는 전류 밀도가 선택될 수 있다. 일정 기간에 걸쳐 재생을 보장하기 위해 가능한 최소량의 에너지를 제공하도록 낮은 전류 밀도가 사용될 수 있다.
"서비스 모드"라는 언급은 정수되기 위해 유입되는 물이 셀의 생성물 격실(들)에 들어가고 정수된 물이 생성물 격실(들)로부터 나가는 때의 지속 기간을 의미한다. 본 명세서에 제공되는 실시예에 따른 서비스 모드 동안, 셀로 흐르는 전류가 없다.
"재충전 모드"라는 언급은 생성물 격실에서 물이 정수되지 않고, 폐기물 스트림이 농축물 격실(들)에 공급되며, 전류가 셀에 인가되고, 이온 교환 수지가 재생되는 때의 지속 기간을 의미한다.
일반적으로, 서비스 모드의 시작에서, 이온 교환 수지인 양이온 및 음이온 교환 수지는 각각 그들의 산성 및 염기성 형태로 있다. 전류가 흐르지 않고, 높은 TDS의 유입수가 생성물 격실에 들어간다. 유입수 내의 양이온 및 음이온은 각자의 양이온 및 음이온 교환 수지에 결합되어, 각각 H+ 및 OH- 이온을 치환한다. 이온 교환 수지가 양이온 및 음이온을 거의 최대 용량까지 결합시켰을 때 서비스 사이클이 끝난다. 재충전 모드의 시작에서, 생성물 격실을 통한 유동이 중단되고, 농축물 격실을 통해 잔수/폐수(sweep/waste water)의 느린 유동이 시작되며, 전류가 가해진다. 양이온 및 음이온은 각각 캐소드 및 애노드를 향해 이동하여 농축물 격실 내로 들어가고, 전기 분해에 의해 발생된 H+ 및 OH- 이온에 의해 대체된다. 재충전 사이클의 끝에서, 셀 내의 수지는 그들의 산성 및 염기성 형태로 재생되어, 그 다음 서비스 사이클에 대한 준비가 된다.
본 발명에 의해, 요구 모드들/서비스 사이클들 사이에 긴 휴지 기간을 갖는 정수 응용에 대해, 수지에 의한 TDS의 포착 및 막을 통한 TDS 수송을 2개의 개별적인 사이클로 나누는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 그러한 휴지 기간(예를 들어, 가정용 식기 세척기의 경우에 12 시간 이상일 수 있음) 동안, 선택적 투과성 막을 통한 TDS의 수송이 전형적인 연속적 EDI 공정에서 사용되는 것보다 훨씬 더 낮은 전류 밀도를 사용하여 달성될 수 있다. (인가된 전류에 의해) 막을 가로지르는 이온의 유량과 (잔수/폐수의 유동에 의해) 농축물 격실로부터의 이온의 제거율 간의 균형을 이루게 함으로써, 막 표면 상의 염의 침전이 최소화/회피될 수 있다. 이와 같이, 탈이온화된 및/또는 정수된 물에 대한 요구가 간헐적일 때, 전기화학 셀 및 EDI 셀이 광범위한 소비자 및 상업적 관련성이 있는 유입수에 적용될 수 있다. 그러한 응용은 가정용 및 상업용 식기 세척기, 가정용 및 상업용 세차장, 가정용 및 소비자 커피, 에스프레소 메이커 및 제빙기, 가정용 및 상업용 세탁기, 가정용 및 상업용 스티머, 가정용 및 상업용 스팀 테이블, 또는 심지어 물 처리를 위한 폐수 담수화 장비를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 그러한 재충전 모드는, 광범위한 소모품 교체를 필요로 하지 않고 또는 주기적인 전문 서비스를 필요로 하지 않고, 자동으로 실시될 수 있다.
하나 이상의 실시예는 셀이 셀 내의 물로부터 이온 교환 막 상에의 침전물의 퇴적을 저지하기 위해 사용되는 메커니즘인 스케일 억제 장치를 포함하는 것을 제공한다. 이것의 일례는 재충전 모드 동안 셀에 인가되는 전류 밀도를 제어하는 데 사용되는 제어 시스템이다. 제어 시스템은, 처리되는 물의 TDS 로딩(TDS loading) 및/또는 예상된 재충전 모드 지속 기간과 같은 원하는 기준에 기초하여, 인가되는 전류 밀도가 필요에 따라 조정될 수 있게 할 것이다. 제어 시스템은 또한, 막 표면에 인접한 영역에서의 이온 농도의 주기적인 확산 완화를 허용하도록, 재충전 사이클 동안 전극에 걸쳐 인가되는 전위가 펄싱되는 것을 제공할 수 있다.
다른 예시적인 스케일 억제 장치는 셀의 내부에 있는 하나 이상의 유체 운반 층이다. 이온종을 막 표면으로부터 멀리 수송하는 것은 그러한 미세복제된 유체 혼합 층을 농축물 격실 내에 삽입하는 것에 의해 향상될 수 있다. 도 9a, 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 유체 운반 층은 그 상에는 물론 이온 교환 막 상의 퇴적물의 축적을 실질적으로 억제하는 데 효과적인 막 또는 다른 투과성 구조물(110A, 110B, 110C)이다. 하나 이상의 실시예는 유체 운반 층의 표면이 비평탄 표면 특징부(111, 112, 113)를 포함하는 것을 제공한다. 그러한 특징부는 경계 층을 감소시킴으로써 유체 전달을 향상시킨다. 예를 들어, 비평탄 표면 특징부는 채널(111)을 포함할 수 있다.
본 발명의 여러 예시적인 실시예를 기술하기 전에, 본 발명은 하기의 설명에 기재된 구성 또는 공정 단계의 상세 사항으로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시예일 수 있으며, 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다.
도면들을 참조하면, 도 1 및 도 2는 일 실시예에 따른, 전기화학 셀, 구체적으로는 전기탈이온화 셀(10)을 도시한다. 그러한 셀은 전극들 사이에 다수의 생성물/농축물 격실을 갖고서 또는 단독으로 사용될 수 있다. 도 1은 서비스 모드 동안의 서비스 유동(수돗물과 같은 유입수)을 도시한다. 전기탈이온화 셀(10)은 일 측면에서 양이온 투과성 막(CPM)(16)에 의해 그리고 다른 측면에서 음이온 투과성 막(APM)(18)에 의해 구속되는 생성물 격실(12) 내에 혼합 수지(양이온 및 음이온 수지) 베드(20)를 포함한다. 수지를 함유하지 않는 농축물 격실(14)은 일 측면에서 애노드(24)에 의해 그리고 다른 측면에서 캐소드(22)에 의해 구속되어 있다. 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실(12)을 통해 유동하고, 여기서 물은 이온 교환에 의해 탈염된다. 구체적으로, 유입수 내의 양이온 및 음이온은 각자의 양이온 및 음이온 교환 수지에 결합되어, 각각 H+ 및 OH- 이온을 치환한다. 서비스 모드 후에, (도시 안된) 생성물 격실의 다른 단부에서 셀을 빠져나가는 물은 셀에 들어갈 때와 비교하여 실질적으로 완전히 탈이온화된다. 물의 유동은 응용의 요구에 따라 다르지만, 일반적으로 이온 교환 수지에 의한 용해된 이온의 실질적인 감소를 달성하기 위해 충분한 접촉 시간이 있어야 한다. 서비스 모드의 끝은 응용의 탈이온수 요구에 의해 또는 수지가 거의 소진되는 때에 의해 한정될 수 있다. 수지의 소진은, 예를 들어 배출수의 전도도를 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 용해된 이온 농도의 증가를 나타내는 전도도의 증가는 수지가 거의 소진된 것을 한정할 수 있다.
도 2는 재충전 모드 동안의 폐기물 스트림 유동을 도시하는 도 1의 장치이며, 여기서 폐기물 스트림은 일 측면, 예를 들어 애노드 측면에서 농축물 격실(14)에 들어간다. 폐기물 스트림은 다른 전극, 예를 들어 캐소드를 지난 후에 셀로부터 빠져나간다. 비록 폐기물 스트림이 임의의 원하는 방향으로 유동할 수 있지만, 스트림을 먼저 애노드를 거쳐 - 여기서, 수소 이온이 생성됨 - 그리고 이어서 캐소드를 거쳐 - 여기서, 수산화 이온이 생성됨 - 유동하게 함으로써, 폐기물 스트림의 pH가 제어될 수 있고 전극에서의 스케일 축적이 최소화될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 많은 경우에, 용이하게 이용가능한, 폐기물 스트림에 가장 적합한 유체는 유입수와 동일한 유체이다. 예를 들어, 폐기물 스트림은 수돗물일 수 있다. 폐기물 스트림은 농축물 격실 내의 수지에 노출되지 않는다. 전류 밀도를 전극에 인가할 시에, 수지에 의해 포착된 양이온 및 음이온은 전기 분해에 의해 발생된 H+ 및 OH- 이온에 의해 대체되고, 각각 CPM 및 APM을 통해 각각 캐소드 및 애노드를 향해 이동한다. 폐기물 스트림은 이온을 수용한다. 셀을 빠져나갈 시에, 폐기물 스트림은 셀에 들어갈 때와 비교하여 더 많은 양의 TDS를 함유한다. 양이온 및 음이온 수지는 그에 따라 그들 각각의 산성 및 염기성 형태로 되돌아간다. 폐기물 스트림의 유동은 응용의 요구에 따라 다르지만, 일반적으로 폐기물 스트림 유량은, 물 사용을 최소화하면서, 선택적 이온 투과성 막에 인접한 경계 층에서 낮은 용해된 이온 농도를 유지하여, 그 농도를 용해된 염이 침전될 수도 있는 농도 미만으로 유지하는 방식으로 제어될 수 있다. 재충전 모드의 끝은 단순히 탈이온수에 대한 요구가 재개될 때 또는 수지가 실질적으로 그들의 산성 및 염기성 형태로 되돌아갔을 때일 수 있다.
도 1 및 도 2의 기술의 한 응용은 얼룩 없는 최종 세척(spot free final rinse)을 위한 DI수를 제공하기 위해 그러한 셀을 세차장 스프레이 장치에 설치하는 것이다. 세척이 완료되면, 셀은 이어서 재충전기 내에 배치된다. 응용에 따라, 셀은, 나중에 전류 밀도를 공급할 재충전기 내에 배치될 수 있을 때, 하나의 하우징에 포함될 수 있다. 원하는 바에 따라, 카트리지가 셀의 소정의 구성요소들로 구성될 수 있고, 재충전기는 다른 구성요소들을 제공한다. 예를 들어, 2개의 막 및 수지에 의해 한정되는 생성물 격실만으로 구성되는 카트리지가 서비스 시점에서 사용될 수 있고, 재충전기는 폐기물 스트림, 농축물 격실을 형성하는 구조물, 및 전극을 제공할 수 있다. 재충전기에서, 셀 또는 카트리지에 전위장이 인가되고, 수지 상의 양이온 및 음이온은 반대 극성의 전극을 향해 이동하여 선택적 이온 막을 거쳐 폐기물 스트림 내로 들어간다. 수지 베드 내에서, 그리고 음이온 수지 비드와 양이온 수지 비드 사이의 계면에서, 가수분해가 일어나서, 수소 이온 및 수산화 이온을 생성한다. 이들 이온은 계속하여 생성되고, 수지 베드를 거쳐 이동하여, 수지 교환 위치에 의해 보유되는 다른 이온들 중 임의의 것을 치환한다. 시간이 지남에 따라, 수지는 수소 및 수산화물 형태로 재생되고, 그 다음 사용을 위한 준비가 된다. 이와 같이, 하나의 셀 또는 카트리지가 반복 사용을 위해 재충전될 수 있고, 비용 및 매립 물질을 감소시킨다.
도 3, 도 4 및 도 5는 다른 실시예에 따른 전기화학 셀을 도시한다. 그러한 셀은 전극들 사이에 단일 생성물 격실을 갖고서 또는 다수의 생성물/농축물 격실을 갖고서 사용될 수 있다. 도 3에서, 서비스 모드 동안의 서비스 유동(수돗물과 같은 유입수)이 도시되어 있고, 일 측면에서 양이온 투과성 막(CPM)(46)에 의해 그리고 다른 측면에서 양극성 막(47)에 의해 구속되어 있는 생성물 격실(42) 내에 양이온 수지(약 양이온 또는 강 양이온 수지)의 베드(50)를 포함하는 전기화학 셀(40)을 도시한다. 수지를 함유하지 않는 농축물 격실(44)은 일 측면에서 애노드(54)에 의해 그리고 다른 측면에서 캐소드(52)에 의해 구속되어 있다. 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실(42)을 통해 유동하고, 여기서 알칼리도와 연관되어 있는 경도는 이온 교환에 의해 제거된다. 구체적으로는, 유입수에서의 알칼리도와 연관되어 있는 양이온은 양이온 교환 수지에 결합되어, H+를 치환한다. 서비스 모드 후에, (도시 안된) 생성물 격실의 다른 단부에서 셀을 빠져나가는 물은 셀에 들어갈 때와 비교하여 실질적으로 완전히 알칼리도가 제거되어 있다. 물의 유동은 응용의 요구에 따라 다르지만, 일반적으로 이온 교환 수지에 의한 용해된 이온의 실질적인 감소를 달성하기 위해 충분한 접촉 시간이 있어야 한다. 서비스 모드의 끝은 응용의 생산수(product water) 요구에 의해 또는 수지가 거의 소진되는 때에 의해 한정될 수 있다. 수지의 소진은, 예를 들어 배출수의 전도도를 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 용해된 이온 농도의 증가를 나타내는 전도도의 증가는 수지가 거의 소진된 것을 한정할 수 있다.
도 4는 재충전 모드 동안의 폐기물 스트림 유동을 도시하는 도 3의 장치이며, 여기서 폐기물 스트림은 일 측면, 예를 들어 애노드 측면에서 농축물 격실(44)에 들어간다. 폐기물 스트림은 다른 전극, 예를 들어 캐소드를 지난 후에 셀로부터 빠져나간다. 폐기물 스트림은 농축물 격실 내의 수지에 노출되지 않는다. 전류 밀도를 전극에 인가할 시에, 수지에 의해 포착된 양이온은 전기 분해에 의해 발생된 H+ 이온에 의해 그리고 양극성 막에서 가수분해에 의해 발생된 H+ 이온에 의해 대체되고, 이제 CPM을 통해 캐소드를 향해 이동한다. 폐기물 스트림은 이온을 수용한다. 셀을 빠져나갈 시에, 폐기물 스트림은 셀에 들어갈 때와 비교하여 더 많은 양의, 알칼리도/TDS와 연관되어 있는 이온을 함유한다. 양이온 수지는 그에 따라 다시 그의 산성 형태로 되돌아간다. 폐기물 스트림의 유동은 응용의 요구에 따라 다르지만, 일반적으로 폐기물 스트림 유량은, 물 사용을 최소화하면서, 선택적 이온 투과성 막에 인접한 경계 층에서 낮은 용해된 이온 농도를 유지하여, 그 농도를 용해된 염이 침전될 수도 있는 농도 미만으로 유지하는 방식으로 제어되어야 한다. 재충전 모드의 끝은 단순히 탈이온수에 대한 요구가 재개될 때 또는 수지가 실질적으로 그들의 산성 및 염기성 형태로 되돌아갔을 때일 수 있다.
도 5에서, 다수의 격실이 병렬로 도시되어 있다. 전기화학 셀(40)은 양이온 투과성 막(CPM)(46a, 46b)에 의해 그리고 양극성 막(47b, 47a)에 의해 구속되어 있는 다수의 생성물 격실(42) 내에 다수의 양이온 수지(약 양이온 또는 강 양이온 수지)의 베드(50)를 포함한다. 수지를 함유하지 않는 다수의 농축물 격실(44a, 44b)이 셀의 구조물에 의해 구속되어 있다. 즉, 외부 농축물 격실(44a)은 일 측면에서 애노드(54)에 의해 그리고 다른 측면에서 캐소드(52)에 의해 구속되어 있다. 내부 농축물 격실(44b)은 양극성 막(47b) 및 양이온 투과성 막(46b)에 의해 구속되어 있다.
도 3 내지 도 5의 기술의 한 응용은, 기계 내의 스케일 축적을 감소시키고 최종 제품의 맛을 개선하도록 감소된 알칼리도/경도의 물을 제공하기 위해 그러한 셀을 상업용 커피, 에스프레소 메이커, 및/또는 제빙기에 설치하는 것이다. 예를 들어, (예를 들어, 레스토랑에서) 그러한 제품의 일상적인 요구가 끝나면, 셀은 이어서 재충전기 내에 배치된다. 응용에 따라, 셀은, 나중에 전류 밀도를 공급할 재충전기 내에 배치될 수 있을 때, 하나의 하우징에 포함될 수 있다. 원하는 바에 따라, 카트리지가 셀의 소정의 구성요소들로 구성될 수 있고, 재충전기는 다른 구성요소들을 제공한다. 예를 들어, 2개의 막 및 수지에 의해 한정되는 생성물 격실만으로 구성되는 카트리지가 서비스 시점에서 사용될 수 있고, 재충전기는 폐기물 스트림, 농축물 격실을 형성하는 구조물, 및 전극을 제공할 수 있다. 재충전기에서, 셀 또는 카트리지에 전위장이 인가되고, 수지 상의 양이온은 반대 극성의 전극을 향해 이동하여 양이온 투과성 막을 거쳐 폐기물 스트림 내로 들어간다. 수지 베드 내에서, 그리고 양이온 수지 비드 및 양극성 막에서, 가수분해가 일어나서, 수소 이온 및 수산화 이온을 생성한다. 이들 이온은 계속하여 생성되고, H+ 이온은 수지 베드를 거쳐 이동하여, 수지 교환 위치에 의해 보유되는, 경도와 연관되어 있는 다른 이온들 중 임의의 것을 치환한다. 시간이 지남에 따라, 수지는 수소 형태로 재생되고, 그 다음 사용을 위한 준비가 된다. 이와 같이, 하나의 셀 또는 카트리지가 반복 사용을 위해 재충전될 수 있고, 비용 및 매립 물질을 감소시킨다.
도 6은 본 명세서에 논의된 실시예들 중 임의의 것에 대응할 수 있는 일반적인 방식을 도시한 것이고, 여기서 예를 들어 생성물 격실을 한정하는 막 및 수지를 포함하는 카트리지(100)는 서비스 모드 동안에는 물 처리 시스템(102)에 그리고 재충전 모드 동안에는 재충전기(104)에 해제가능하게 삽입될 수 있다. 물 처리 시스템은, 예를 들어 공공 또는 다른 공급수(106)를 수용하며, 정수된 물은 비제한적으로 가정용 및 상업용 식기 세척기, 가정용 및 상업용 세차장, 가정용 및 소비자 커피, 에스프레소 메이커 및 제빙기, 가정용 및 상업용 세탁기, 가정용 및 상업용 스티머, 가정용 및 상업용 스팀 테이블, 또는 심지어 물 처리를 위한 폐수 담수화 장비와 같은 그의 최종 용도(108)로 보내진다.
도 7 및 도 8은 다른 실시예에 따른, 전기화학 셀, 구체적으로는 전기탈이온화 셀을 도시한다. 그러한 셀은 전극들 사이에 단일 생성물 격실을 갖고서 또는 다수의 쌍으로 된 생성물 격실 및 농축물 격실을 갖고서 사용될 수 있다. 도 7에서, 서비스 모드 동안의 서비스 유동(수돗물과 같은 유입수)이 도시되어 있고, 쌍으로 된 수지 베드, 즉 제1 생성물 격실(82) 내의 제1 양이온 수지(약 양이온 또는 강 양이온 수지) 베드(90) 및 제2 생성물 격실(83) 내의 제2 음이온 수지 베드(91)를 포함하는 전기화학 셀(80)을 도시한다. 제1 생성물 격실(82)은 일 측면에서 양이온 투과성 막(CPM)(86)에 의해 그리고 다른 측면에서 양극성 막(87)에 의해 구속되어 있다. 제2 생성물 격실(83)은 일 측면에서 음이온 투과성 막(APM)(89) 및 양극성 막(87)에 의해 구속되어 있다. 수지를 함유하지 않는 농축물 격실(84)은 일 측면에서 애노드(94)에 의해 그리고 다른 측면에서 캐소드(92)에 의해 구속되어 있다. 서비스 모드 동안, 물은 제1 생성물 격실(82) - 여기서, 양이온이 이온 교환에 의해 제거됨 - 을 통해 그리고 이어서 제2 생성물 격실(83) - 여기서, 음이온이 마찬가지로 제거됨 - 을 통해 유동한다. 구체적으로는, 유입수에서의 양이온은 양이온 교환 수지에 결합되어, H+를 치환한다. 유사하게, 유입수에서의 음이온은 음이온 교환 수지에 결합되어, OH-를 치환한다. 서비스 모드 후에, 제2 생성물 격실의 다른 단부에서 셀을 빠져나가는 물은 셀에 들어갈 때와 비교하여 실질적으로 완전히 탈이온화된다. 물의 유동은 응용의 요구에 따라 다르지만, 일반적으로 이온 교환 수지에 의한 용해된 이온의 실질적인 감소를 달성하기 위해 충분한 접촉 시간이 있어야 한다. 서비스 모드의 끝은 응용의 생산수 요구에 의해 또는 수지가 거의 소진되는 때에 의해 한정될 수 있다. 수지의 소진은, 예를 들어 배출수의 전도도를 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 용해된 이온 농도의 증가를 나타내는 전도도의 증가는 수지가 거의 소진된 것을 한정할 수 있다.
도 8은 재충전 모드 동안의 폐기물 스트림 유동을 도시하는 도 7의 장치이며, 여기서 폐기물 스트림은 일 측면, 예를 들어 애노드 측면에서 농축물 격실(84)에 들어간다. 폐기물 스트림은 다른 전극, 예를 들어 캐소드를 지난 후에 셀로부터 빠져나간다. 비록 폐기물 스트림이 임의의 원하는 방향으로 유동할 수 있지만, 스트림을 먼저 애노드를 거쳐 - 여기서, 수소 이온이 생성됨 - 그리고 이어서 캐소드를 거쳐 - 여기서, 수산화 이온이 생성됨 - 유동하게 함으로써, 폐기물 스트림의 pH가 제어될 수 있고 전극에서의 스케일 축적이 최소화될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 많은 경우에, 용이하게 이용가능한, 폐기물 스트림에 가장 적합한 유체는 유입수와 동일한 유체이다. 예를 들어, 폐기물 스트림은 수돗물일 수 있다. 폐기물 스트림은 수지에 노출되지 않는다. 전류 밀도를 전극에 인가할 시에, 양이온 수지에 의해 포착된 양이온은 전기 분해에 의해 발생된 H+ 이온에 의해 그리고 양극성 막에서 가수분해에 의해 발생된 H+ 이온에 의해 대체되고, 이제 CPM을 통해 캐소드를 향해 이동한다. 또한, 음이온 수지에 의해 포착된 음이온은 전기 분해에 의해 발생된 OH- 이온에 의해 그리고 양극성 막에서 가수분해에 의해 발생된 OH- 이온에 의해 대체되고, 이제 APM을 통해 애노드를 향해 이동한다. 폐기물 스트림은 이온을 수용한다. 셀을 빠져나갈 시에, 폐기물 스트림은 셀에 들어갈 때와 비교하여 더 많은 양의, TDS와 연관되어 있는 이온을 함유한다. 양이온 및 음이온 수지는 그에 따라 그들 각각의 산성 및 염기성 형태로 되돌아간다. 폐기물 스트림의 유동은 응용의 요구에 따라 다르지만, 일반적으로 이온 교환 수지에 의한 용해된 이온의 실질적인 감소를 달성하기 위해 충분한 접촉 시간이 있어야 한다. 서비스 모드의 끝은 응용의 생산수 요구에 의해 또는 수지가 거의 소진되는 때에 의해 한정될 수 있다. 수지의 소진은, 예를 들어 배출수의 전도도를 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 용해된 이온 농도의 증가를 나타내는 전도도의 증가는 수지가 거의 소진된 것을 한정할 수 있다.
예
예 1
2개의 이온 교환 막에 의해 한정되는 단일 생성물 격실 내에 250 cc의 수지를 함유하는 전기화학 셀이 제조된다. 2개의 농축물 격실은 각각 전극들(애노드 또는 캐소드) 중 하나 및 2개의 이온 교환 막들 중 하나에 의해 형성된다. 셀은 또한 전극들에 걸쳐 일정한 또는 임의적으로 펄싱되는 전압을 인가할 수 있는 전원 장치를 가질 것이다. 셀의 생성물 및 농축물 격실의 상류스트림 및 하류스트림에서의 물 TDS 및 pH의 자동화된 모니터링을 위해 전도도, 저항률 및 pH 프로브가 제공될 것이다. 디지털 펌프는 격실들 각각을 통해 제어된 유동을 제공할 것이다.
시뮬레이션된 서비스 사이클은 공공 유입수가 생성물 격실로 유동하고 셀에 대한 전류가 없는 상태에서 수지와 접촉하는 것으로 시작하며, 이는 생산수의 전도도의 증가로 나타내어지는 바와 같이 소진될 때까지 로딩될 것이다. 재충전 사이클이 이어서 변하는 전류 밀도로(따라서 총 전류가 약 0.025 내지 0.25 암페어로 변함) 그리고 변하는 펄스 주파수로 수행될 것이다. 경계 층에서의 농도를 침전 임계값 미만으로 유지하기 위해, 축적 시간은 10 ms 내지 10 s이고, 완화는 20 ms 내지 20 s이며; 또는 심지어 축적 시간은 10 ms 내지 3 s이고 완화는 20 ms 내지 6 s이다.
재충전 사이클 동안 시험되는 다른 변수는 유입수 경도, 농축물 채널(폐기물 스트림) 유량, 및 재충전 시간을 포함할 것이다. 폐수 pH 및 전도도를 모니터링함으로써 재생 성능이 평가될 것이다.
재충전 사이클 후에, 재생 효율을 평가하기 위해 제2 서비스 사이클이 실행될 것이다. 성능 분석은 재충전 시간, 재충전하는 데 필요한 폐기물 스트림 체적, 및 염의 침전의 검토를 포함할 것이다.
표 1에 요약되어 있는 바와 같이 다양한 구성이 시험된다.
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본 명세서에 걸쳐 "일 실시예", "소정 실시예", "하나 이상의 실시예", 또는 "실시예"라고 하는 것은 그 실시예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 물질 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 여러 곳에서 나오는 "하나 이상의 실시예에서", "소정 실시예에서", "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구가 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 물질, 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 상기 방법의 설명 순서가 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되고, 방법이 기술된 작동들을 순서를 벗어나서 또는 생략되거나 추가된 상태로 사용할 수 있다.
상기 설명이 제한이 아니라 예시하기 위한 것임을 이해하여야 한다. 상기 설명을 살펴보면 많은 다른 실시예가 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위의 자격을 갖는 등가물의 전체 범주와 함께, 그러한 특허청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (37)

  1. 전기화학 셀(electrochemical cell)로서,
    하나 이상의 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실(product compartment);
    농축물 격실(concentrate compartment);
    양이온 투과성 막, 음이온 투과성 막, 양극성 막, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2개의 이온 교환 막; 및
    캐소드(cathode) 및 애노드(anode)를 포함하고,
    전기화학 셀은 배치식(batch-wise)으로 작동되며, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드(service mode) 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드(recharge mode)를 갖는, 전기화학 셀.
  2. 제1항에 있어서, 전류 밀도는 재충전 모드 동안 적어도 2개의 이온 교환 막의 표면에 인접한 영역에서 용해된 이온을 실질적으로 용해된 상태로 유지시키는 데 효과적인 낮은 전류 밀도인, 전기화학 셀.
  3. 제1항에 있어서, 이온 교환 수지는 양이온 및 음이온 수지의 조합을 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막은 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막을 포함하는, 전기화학 셀.
  4. 제1항에 있어서, 이온 교환 수지는 양이온 수지를 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막은 양이온 투과성 막 및 양극성 막을 포함하는, 전기화학 셀.
  5. 제4항에 있어서, 양이온 수지는 약산성 양이온 수지를 포함하는, 전기화학 셀.
  6. 제1항에 있어서, 2개의 생성물 격실을 포함하고, 제1 생성물 격실의 이온 교환 수지는 양이온 수지를 포함하며, 제2 생성물 격실의 이온 교환 수지는 음이온 수지를 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막은 음이온 투과성 막, 양이온 투과성 막, 및 양극성 막을 포함하는, 전기화학 셀.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 2개의 이온 교환 막은 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실을 한정하고, 이들 모두는 전기화학 셀에 해제가능하게 부착되는 카트리지를 형성하는, 전기화학 셀.
  8. 제1항에 있어서, 애노드는 전기화학 셀에 해제가능하게 부착되는, 전기화학 셀.
  9. 제1항에 있어서, 스케일 억제(scale inhibition) 장치를 추가로 포함하는, 전기화학 셀.
  10. 제9항에 있어서, 스케일 억제 장치는 전기화학 셀에 낮은 전류 밀도를 인가하기 위한, 전기화학 셀에 낮은 전류 밀도를 펄싱(pulsing)하기 위한, 또는 둘 모두를 위한 제어 시스템을 포함하는, 전기화학 셀.
  11. 제10항에 있어서, 펄싱은 1 밀리초 내지 1 초의 범위 내의 지속 시간 동안 일어나는, 전기화학 셀.
  12. 제10항에 있어서, 펄싱은 매 1 밀리초 내지 1 초의 시간 간격으로 인가되는, 전기화학 셀.
  13. 제9항에 있어서, 스케일 억제 장치는 하나 이상의 유체 운반 층(fluid conveyance layer)을 포함하는, 전기화학 셀.
  14. 제13항에 있어서, 하나 이상의 유체 운반 층의 표면은 비평탄 표면 특징부를 포함하는, 전기화학 셀.
  15. 제14항에 있어서, 비평탄 표면 특징부는 채널을 포함하는, 전기화학 셀.
  16. 시스템으로서, 정수된 물을 필요로 하는 하나의 장비 및 제1항의 전기화학 셀을 포함하고, 상기 하나의 장비는 식기 세척기, 세탁기, 커피 및 에스프레소 메이커, 제빙기, 스팀 테이블(steam table), 세차장 급수원, 및 스티머(steamer)로 이루어진 군으로부터 선택되는, 시스템.
  17. 전기화학 셀의 서비스 및 재생을 제공하기 위한 시스템으로서,
    양이온 투과성 막, 음이온 투과성 막, 양극성 막, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2개의 이온 교환 막을 포함하는 카트리지 - 상기 적어도 2개의 이온 교환 막은 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실을 한정함 - ;
    카트리지가 해제가능하게 내부에 설치되는 서비스 하우징;
    카트리지가 해제가능하게 내부에 설치되고, 캐소드 및 애노드를 포함하는 재충전 하우징을 포함하며,
    전기화학 셀은 배치식으로 작동되고, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는, 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 전류 밀도는 재충전 모드 동안 적어도 2개의 이온 교환 막의 표면에 인접한 영역에서 용해된 이온을 실질적으로 용해된 상태로 유지시키는 데 효과적인 낮은 전류 밀도를 포함하는, 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 이온 교환 수지는 양이온 및 음이온 수지의 조합을 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막은 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막을 포함하는, 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 이온 교환 수지는 양이온 수지를 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막은 양이온 투과성 막 및 양극성 막을 포함하는, 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 양이온 수지는 약산성 양이온 수지를 포함하는, 시스템.
  22. 제17항에 있어서, 2개의 생성물 격실을 포함하고, 제1 생성물 격실의 이온 교환 수지는 양이온 수지를 포함하며, 제2 생성물 격실의 이온 교환 수지는 음이온 수지를 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막은 음이온 투과성 막, 양이온 투과성 막, 및 양극성 막을 포함하는, 시스템.
  23. 제17항에 있어서, 애노드는 재충전 하우징에 해제가능하게 부착되는, 시스템.
  24. 제17항에 있어서, 스케일 억제 장치를 추가로 포함하는, 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 스케일 억제 장치는 전기화학 셀에 낮은 전류 밀도를 인가하기 위한, 전기화학 셀에 낮은 전류 밀도를 펄싱하기 위한, 또는 둘 모두를 위한 제어 시스템을 포함하는, 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 펄싱은 1 밀리초 내지 1 초의 범위 내의 지속 시간 동안 일어나는, 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 펄싱은 매 1 밀리초 내지 1 초의 시간 간격으로 인가되는, 시스템.
  28. 물을 처리하는 방법으로서, 배치식으로 작동되는 전기화학 셀을 통해 물을 유동시키는 단계를 포함하고, 상기 전기화학 셀은 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 전류 밀도는 재충전 모드 동안 적어도 2개의 이온 교환 막의 표면에 인접한 영역에서 용해된 이온을 실질적으로 용해된 상태로 유지시키는 데 효과적인 낮은 전류 밀도인, 방법.
  30. 제28항에 있어서, 전기화학 셀은 카트리지, 애노드, 및 캐소드를 포함하고, 카트리지는 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실; 농축물 격실; 및 양이온 투과성 막, 음이온 투과성 막, 양극성 막, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2개의 이온 교환 막을 포함하며;
    전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실을 통과하고, 정수된 형태로 생성물 격실을 빠져나가며;
    전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드 동안, 폐기물 스트림(waste stream)은 농축물 격실에 들어가고, 폐기물 스트림이 농축물 격실에 들어갈 때와 비교하여 용해된 이온의 양이 증가된 상태로 농축물 격실을 빠져나가며, 재충전 모드 후에, 이온 교환 수지는 재충전 모드가 시작될 때와 비교하여 더 적은 이온을 갖는, 방법.
  31. 제28항에 있어서, 이온 교환 수지는 양이온 및 음이온 수지의 조합을 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막은 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막을 포함하며;
    전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실을 통과하고 양이온 및 음이온 수지의 조합과 접촉하며, 정수되고 탈이온화된 형태로 생성물 격실을 빠져나가고;
    전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드 동안, 폐기물 스트림은 농축물 격실에 들어가고 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막과 접촉하며, 폐기물 스트림이 농축물 격실에 들어갈 때와 비교하여 용해된 이온의 양이 증가된 상태로 농축물 격실을 빠져나가고, 재충전 모드 후에, 양이온 및 음이온 수지의 조합은 재충전 모드가 시작될 때와 비교하여 더 적은 이온을 갖는, 방법.
  32. 제28항에 있어서, 이온 교환 수지는 약산성 양이온 수지를 포함하고, 적어도 2개의 이온 교환 막은 양이온 투과성 막 및 양극성 막을 포함하며;
    전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실을 통과하고 약산성 양이온 수지와 접촉하며, 정수되고 알칼리도가 감소된 형태로 생성물 격실을 빠져나가고;
    전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드 동안, 폐기물 스트림은 농축물 격실에 들어가고 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막과 접촉하며, 폐기물 스트림이 농축물 격실에 들어갈 때와 비교하여 용해된 고형물의 양이 증가된 상태로 농축물 격실을 빠져나가고, 재충전 모드 후에, 약산성 양이온 수지는 재충전 모드가 시작될 때와 비교하여 더 적은 이온을 갖는, 방법.
  33. 제28항에 있어서, 이온 교환 수지는 2개의 생성물 격실 및 3개의 이온 교환 막을 포함하고, 제1 생성물 격실의 이온 교환 수지는 양이온 수지를 포함하며, 제2 생성물 격실의 이온 교환 수지는 음이온 수지를 포함하고, 이온 교환 막은 음이온 투과성 막, 양이온 투과성 막, 및 양극성 막을 포함하며;
    전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 동안, 물은 제1 또는 제2 생성물 격실을 통과하고 각각 양이온 수지 또는 음이온 수지와 접촉하며, 이어서 제2 또는 제1 생성물 격실 중 다른 격실을 통과하고, 정수되고 탈이온화된 형태로 생성물 격실을 빠져나가며;
    전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드 동안, 폐기물 스트림은 농축물 격실에 들어가고 음이온 투과성 막 및 양이온 투과성 막과 접촉하며, 폐기물 스트림이 농축물 격실에 들어갈 때와 비교하여 이온의 양이 증가된 상태로 농축물 격실을 빠져나가고, 재충전 모드 후에, 음이온 수지 및 양이온 수지는 재충전 모드가 시작될 때와 비교하여 더 적은 이온을 갖는, 방법.
  34. 제28항에 있어서, 전기화학 셀에 대한 화학물질 첨가의 사용을 배제하는, 방법.
  35. 제28항에 있어서, 식기 세척기에서 얼룩 없는 세척(spot free rinse)을 제공하기 위해 전기화학 셀로부터 처리된 물을 유동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  36. 제28항에 있어서, 자동차에 대한 얼룩 없는 세척을 제공하기 위해 전기화학 셀로부터 처리된 물을 유동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  37. 제28항에 있어서, 커피, 차, 청량 음료, 주스, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 음료를 준비하기 위해 전기화학 셀로부터 처리된 물을 유동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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