KR20150000496A - 여과 및 선택적 격리를 위한 조정가능한 레이어된 그래핀 멤브레인 구조 및 회수 장치 - Google Patents

여과 및 선택적 격리를 위한 조정가능한 레이어된 그래핀 멤브레인 구조 및 회수 장치 Download PDF

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Abstract

여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조는 일측면에 입구와 타측면에 출구를 가지고, 상기 입구에서부터 상기 출구로 연장하는 개구부를 갖는 하우징을 포함한다.
내부 지지 구조는 상기 개구부 내에 유지되고, 레이어된 여과 매체는 상기 내부 지지 구조에 의하여 운반되고, 상기 매체는 상기 입구에서 수신된 공급수를 최소한 3개의 분리된 출력 흐름들로 분리시킨다.

Description

여과 및 선택적 격리를 위한 조정가능한 레이어된 그래핀 멤브레인 구조 및 회수 장치 {TUNABLE LAYERED GRAPHENE MEMBRANE CONFIGURATION FOR FILTRATION AND SELECTIVE ISOLATION AND RECOVERY DEVICES}
본 발명은 2012. 3. 29자로 출원된 미국 임시 출원 시리얼 번호 61/617,264를 우선권 주장하여 출원한다.
일반적으로, 본 발명은 여과 및 선택적 유체 격리를 위한 멤브레인 구조 설계와 회수(recovery) 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 여과 또는 선택적 유체 격리를 위한 레이어된 멤브레인 구조 설계와 회수(recovery) 장치에 관한 것이다. 더 나아가, 본 발명은 최소한 하나의 고 플럭스(high flux), 고 선택성(selectivity) 멤브레인을 포함하는 물질의 레이어된 구조에 관한 것이다. 상기 레이어들은 막다른 흐름 또는 교차 흐름 내의 평면, 나권형(spiral wound) 또는 다른 다수의 통과 구조로 배열될 수 있다.
현재, 탈염된(desalinated) 물의 수용력의 거의 절반 정도가 역 삼투압 여과 공정을 통하여 달성된다. 역삼투 시장 점유율(market share)은 성장하나, 현재의 역삼투 기술은 현재의 폴리머 여과 멤브레인에 기반하는 생산품 디자인 및 수행능력의 제한과 함께 여전히 자본금과 에너지 집약적인 기술로 남아있다. 폴리머 여과를 위한 현재의 산업 표준은 400 내지 440 평방(squre) 피트(feet)의 활성 멤브레인 영역을 갖는 8인치 지름에 40 인치 길이의 나권형 멤브레인이다. 이런 장치들은 결과적으로 유닛 영역 당 출력 수(water), 또는 플럭스, 를 제한하는 투과성(permeability)에 있어서 제한되고, 증가된 멤브레인 영역 및 작동 압력을 요구한다. 이러한 고(high) 멤브레인 영역 요구사항들 및 작동 압력은 농도 분극(concentration polarization), 스케일링(scaling), 파울링(fouling) 등 뿐만 아니라 멤브레인 저항성(즉, 투과성)의 결과이다. 따라서, 이러한 여과 장치들은 빈번한 청소 및 궁극적으로는 교체를 필요로 한다. 상기 플럭스와 관련한 제한사항들과 관련된 멤브레인 영역의 요구사항들은 현저한 자본비(capital cost)를 야기한다. 높은 작동 압력 장치의 요구는 여과 장치를 작동시키는데 필요한 에너지를 증가시키고, 또한, 작동 비용을 증가시키는 파울링 및 압밀화(compaction)로 인하여 상기 멤브레인의 열화(degradation)를 야기한다.
역삼투를 위한 현재의 여과 장치들은 8인치 지름에 40 인치 길이의 나권형 설계를 사용한다. 상기 여과 매체(media) 내에 최대 여과 출력을 위한 활성 멤브레인 영역을 제공하는 20개 내지 24개의 리프(leaf)들이 존재한다. 비록 상기 여과 매개체에 향상이 이루어졌다 하더라도, 이것은 단지 증분 향상(incremental improvement)이며, 제한된 플럭스 처리량 또는 높은 작동 압력을 위한 요구사항들과 관련하여 제기된 이슈들을 다루지는 않는다.
여과 및/또는 탈염을 위한 역삼투 접근은 폴리이미드(polyimide) 요소들을 사용하는 활성 여과 레이어들을 사용한다. 이러한 기술은 공급 물질을 농축수 및 투과수(permeate)로 분리시키도록 하기 위하여 용해 확산(solution diffusion)을 활용한다. 역 삼투 기술에서, 상기 멤브레인들은 파울링, 스케일링 및 압밀작용(compaction)에 영향을 받기 쉽다. 또한, 이러한 물질들은 제한된 청소 방법들과 함께, 결국에는 여과 장치들의 주기적인 교체의 필요성과 관련이 있는 제한된 화학적 및 생물학적 저항성을 가진다.
상기 멤브레인 물질들을 보호하기 위하여, 강건한(robust) 화학적 컨디셔닝(conditioning) 및 사전처리가 탈염에 앞선 전단부(front end) 단계와 같이 요구된다. 사전처리는 자본 집약형이다 그리고 시설 공간(plant space), 설비, 에너지 및 화학 약품들을 필요로 한다. 현재의 사전처리 방법은 종래의 여과 및 멤브레인 여과를 포함한다. 종래의 여과 방식들은 응집(flocculation), 침강(sedimentation), 용존공기부상(dissolved air flotation), 규조토(diatomaceous earth), 입상 매체(granular media), 가압 여과(pressure filter), 중력 여과와 같은 카트리지 여과 및 매체 여과를 포함한다. 멤브레인 여과는 침수된(submerged) 미세여과/초미세여과 및 가압된 미세여과/초미세여과를 포함한다.
또한, 현재 단계의 역삼투 멤브레인은 몇몇 설비들 내에서 요구된 생성수(product water)를 달성하기 위한 다수의 처리 후 단계들을 필요로 한다. 이러한 추가적인 단계들은 추가적인 설비 공간 및 에너지 소비를 필요로 한다.
따라서, 광범위한 사전 처리 및 사후 처리(post treatment)에 관한 필요를 줄이거나 또는 통합시키는(consolidating) 것과 동시에, 향상된 흐름 특성들, 저감된 크기 및 무게, 그리고, 증가된 작동 수명을 제공하는 여과 장치가 해당 기술 분야에서 요구된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 첫번째 관점은 여과 및 선택적 격리(selective isolation)를 위한 조정가능한 레이어된 멤브레인 구조와 회수 장치(recovery device)를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조에 있어서, 일단에 입구와 타단에 출구를 갖는 하우징; 상기 하우징은 상기 입구에서 상기 출구로 연장하는 개구부를 가지고, 상기 개구부 내에 유지되는 내부 지지 구조; 및 상기 내부 지지 구조에 의하여 운반되는 레이어된 여과 매체; 를 포함하고, 상기 매체는 상기 입구에서 수신된 공급수를 최소한 세개로 분리된 출력 흐름으로 분리시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 여과 매체는, 최소한 3개 이상의 흐름 채널; 및 상기 최소한 3개 이상의 흐름 채널 중 두개와 인접하여 배치된 최소한 두개 이상의 다른 평면 멤브레인; 을 더 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 공급수를 최소한 둘 이상의 출력/투과수로 여과하기 위하여 다른 조정가능한 선택성을 가지고, 효과적인 다공성을 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 여과 매체는, 상기 각 멤브레인과 관련하고(associated with), 상기 내부 지지 구조에 의하여 운반되는 멤브레인 지지 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 최소한 셋 이상의 채널들 중 하나는 각 면(each side) 상에 최소한 하나의 1차 평면 멤브레인을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 최소한 셋 이상의 채널들 중 하나는, 일측면에 상기 멤브레인 지지 구조 및 타측면에 2차 평면 멤브레인을 갖는 2차 채널인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 최소한 셋 이상의 채널들 중 하나는, 양 측면 상에 상기 멤브레인 지지 구조를 갖는 3차 채널인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 평면 멤브레인은 천공된 그래핀 물질로 구축되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 평면 멤브레인은, 구멍 크기 또는 전하 특성들을 통한 증가된 선택성(selectivity)을 위하여, 전하 또는 기능화(functionalization)를 통하여 조정될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 평면 멤브레인은, 전하를 운반하는 기능을 하고, 상기 멤브레인의 표면에서 농도 분극 효과를 방해하는 방법으로 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 평면 멤브레인 중 하나는, 구멍 제어 및 전하의 조합된 사용에 의하여 상기 공급수 내의 선택적 격리 또는 특정 목적물(target)의 회수를 위하여 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 구멍 제어 및 전하는, 상기 공급수 내의 충전된 입자들의 증가된 선택적 제거를 위한 효과적인 다공성을 생성하기 위하여 조합될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 여과 매체는, 천공된 그래핀으로부터 구축된 평면 멤브레인을 포함하고, 상기 평면 멤브레인은 단일 장치 내의 미세여과/초미세여과 및 나노여과/역삼투, 또는 더 선택적 밴드(band)들을 갖는 하나의 여과 형식의 복수의 단계들을 포함하는 복수의 단계들을 위하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 여과 매체는, 천공된 그래핀으로부터 구축된 평면 멤브레인을 포함하고, 상기 평면 멤브레인은 동일한 선택성의 멤브레인을 사용하여 단일 장치 내의 상품수의 품질을 달성하기 위하여 다수의 단계의 역삼투 탈염을 위하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 여과 매체는, 천공된 그래핀으로부터 구축된 평면 멤브레인을 포함하고, 상기 평면 멤브레인은 각 증분(incremental) 단계의 압력 및 상기 멤브레인의 표면에서의 대응하는 농도 분극을 저감하기 위하여 역삼투 탈염의 지속적인 선택가능한 단계들을 위하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 여과 매체는, 천공된 그래핀으로부터 구축된 평면 멤브레인을 포함하고, 상기 평면 멤브레인은, 하나 이상의 투과수 스트림 내의 목적 입자, 용질, 또는 전해액의 선택적 격리 및 회수를 위하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 레이어된 여과 매체는 평면, 관형(tubular), 또는 나권형(spiral wound) 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 장점들 및 특징들은 이하의 설명, 첨부된 청구항들 및 이와 관련한 다음의 도면들을 참조로 하여 더 쉽게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 여과 장치의 우측면을 개략적으로 확대하여 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 여과 장치의 좌측면을 개략적으로 확대하여 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 여과 매체를 나타내는 여과 장치의 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 4는 농도 분극이 멤브레인 상에서 발생하는 여과 매체 내의 멤브레인의 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 충전된 입자들을 위한 농도 분극의 경계층(boundary layer)을 방해하는(disrupts) 인가된 전원과 연결된 멤브레인의 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 충전된 입자들의 고(high) 플럭스, 고 선택적 여과를 위한 조정된 멤브레인 구멍(aperture) 크기와 결합된 적용된 전원에 연결된 멤브레인의 단면을 나타낸다.
도 1 및 2에는 여과장치가 참조번호 10으로 도시된 것을 볼 수 있다. 도 1은 일반적인 관점의 여과 장치의 안쪽 단면을 나타내고, 도 2는 일반적인 관점의 여과 장치의 바깥쪽 단면을 나타낸다. 상기 장치(10)는 도시된 바와 같은 원통형 구조로 이루어질 수 있는 하우징(12)을 포함하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 최종 적용 용도에 따라 다른 형태가 사용될 수도 있다. 상기 하우징(12)은 여과 또는 선택적 격리 및 회수를 위한 공급수(15) 또는 다른 유체를 받아들이는 입구(14)를 포함한다. 비록 이 설명을 위하여 공급수 라는 용어가 사용되었다 하더라도, 상기 여과 장치에 공급되는 공급수 또는 유체 물질은 물을 포함하지 않을 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 공급수는 분리 및 제거를 위한 여과 장치로 공급되는 요소들을 포함하는 매체와 관련이 있다.
공급수가 상기 하우징에 연결되도록, 상기 입구에 공급수 파이프(18)를 위하여 제공된 입구캡(inlet cap)(16)이 부착된다. 이하 기술되는 바와 같이, 상기 입구캡(16)은 수신된 공급수를 복수의 공급 채널들 내부로 직접 연결한다는 것은 당업자에게 자명하다. 몇몇 실시예에서, 상기 캡(16)은 상기 공급 채널들 내부로 상기 공급수를 직접 연결하기 위한 도관들을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 공급수가 상기 공급 채널들 내부로 직접 연결되도록, 상기 공급 채널들은 비-다공성 표면에 의하여 둘러싸여질 수 있다.
출구(22)가 상기 하우징(12)의 타단에 배치되고, 출구캡(24)를 제공한다. 상기 출구캡(24)은 최소한 두개의 출구 파이프들, 투과수(permeate) 파이프 및 농축 수 파이프를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 출구캡은 침투 파이프(26), 중간 투과수 파이프(28) 및 농축수 파이프(30)를 포함한다. 이 파이프들, 출구 흐름들 또는 도관들은, 앞으로의 사용을 위하여, 여과 후의 그들의 특성에 의존하여 여과된 공급수와 직접 연결된다. 상기 출구캡(24)은 투과수, 중간 투과수 및 농축수의 분리를 유지하도록 구성된다. 상기 농축수는 투과수와 같이 참조될 수 있다.
이 적용에 따라, 상기 공급수의 여과는 회수를 위한 목적 제품(product) 또는 제거를 위한 목적 불순물 또는 오염물질을 포함할 수 있다. 단 하나의 목적 투과수가 요구된다면, 농축수 스트림은 배출을 위하여 또는 개별적으로 배출되도록 하기 위하여 결합될(combined) 수 있다. 귀금속 회수(precious metal recovery)와 같은 중간 농축수 스트림의 회수가 요구될 수 있고, 여기에서 중간 단계는 제품이며, 모든 다른 단계들은 배출 또는 재사용을 위하여 수집된다. 물 회수 적용에서, 바람직하게는, 최종 분리는 여과액(filtrate)을 생성하고, 다른 단계들은 배출을 위하여 농축될 것이다. 상술한 바와 같이, 멤브레인들의 레이어화(layering)와 출구 파이프들은 필요한 임의의 갯수의 농축 및 투과수 스트림들을 위하여 크기가 조정될 수 있다.
도 1-3을 참조하면, 상기 하우징(12)는 그 전체 길이를 따라 연장하는 개구부(32)를 포함한다. 참조번호 36 으로 지정된 여과 매체를 지지하도록, 상기 하우징 내에 다양한 레지(ledges), 계단(step), 또는 다른 구조적 특징들을 포함하는 내부 지지 구조(34)가 유지된다. 나권형 또는 튜브형 구조들을 포함하는 다른 패키징 방식이 가능하다.
상기 여과 매체(36)은 최소한 하나의 공급 채널(40), 최소한 하나의 고 플럭스 1차 멤브레인(42), 최소한 하나의 고 플럭스 2차 멤브레인(43), 최소한 하나의 멤브레인 다공성 지지 구조(44), 최소한 하나의 1차 투과수 스페이서(52), 및 최소한 하나의 2차 투과수 스페이서(54)를 포함하는 평판 레이어된 구조를 포함한다. 각 레이어들의 명확한 명칭을 위하여, 공급 채널(FC, feed channel 40), 1차 멤브레인(M1, first membrane 42), 2차 멤브레인(M2, second membrane 42), 지지 구조(SS, support structure 44), 1차 투과수 스페이서(PS1, permeate spacer 52), 및 2차 투과수 스페이서(PS2, permeate spacer 54)와 같이, 약자(alphanumeric designation)로서 표기되었다. 비록 여과 매체의 다양한 레이어들이 명확하게 하기 위한 목적으로 약간의 공간을 두고 이격되었다 하더라도, 투과수와 농축수 사이의 분리된 출력 흐름 경로를 제공하도록 실제로 다양한 인접 레이어들은 멤브레인들, 공급 채널들 및 투과수 스페이서들 사이의 적절한 봉인수단(seal)과 함께 서로 접촉할수도 있다. 상기 멤브레인 및 멤브레인 다공성 지지 구조는 단일 복합 멤브레인으로 이루어질 수 있다는 것은 이해될 것이다. 상술된 요소들의 다른 위치 배열은 공급수 내의 요소들에 따라서, 그리고 어떻게 상기 요소들이 서로 분리되거나 또는 여과되는지에 따라서 사용될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 상기 공급수는 요구되지 않은 구성성분, 예를 들어, 나트륨(sodium), 염소(chlorine), 염분(salts), 독소(toxins), 바이러스 박테리아, 및 솔벤트 또는 물과 같은 유체 매체에 의하여 운반되는 크기와 유사한 다른 불순물(suspended contaminants) 등을 포함할 수 있다.
일반적으로, 상기 공급수(15)는 상기 공급수를 상기 지지 구조(44)에 의하여 지지되는 고 플럭스 멤브레인(42)으로 전달하는 최소한 하나의 공급 채널(40)에 의하여 수신된다. 상기 공급 채널(40)은 우븐(woven) 또는 논-우븐(non-woven) 물질로 구성된 스페이서 물질을 포함할 수 있다. 상기 공급 스페이서 물질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스터, 폴리이미드 및/또는 불소중합체(fluoropolymers)와 같은 폴리머 물질로부터 구성될 수 있다. 예를 들어, 다공성 세라믹 또는 다공성 소결된(sintered) 금속들과 같은 바람직한 유체역학 및 적용상 특정 특성들을 갖는 비-폴리머 물질들, 또는 바람직한 유체역학 및 적용상 특정 특성들을 갖는 다른 물질들 또한 공급 스페이서들에 사용될 수 있다. 상기 공급 채널은 0.02” 내지 0.04”의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 공급 채널들을 위하여 0.02” 내지 0.20” 사이의 두께가 사용될 수 있다. 상기 공급 채널(40)은 상기 공급수를 상기 입구로부터 출구를 향하여 흐르게 하도록 구성된다. 각 멤브레인 지지 구조는 상기 구조가 최소한의 흐름 저항을 제공하도록 복수의 홀들(48)을 포함한다. 이러한 패키징 구조에서, 공급 스페이서는 상기 공급수가 통과하여 흐르도록 하기 위한 채널 높이(channel height)를 설정하기 위한 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 지지 구조는 적용에 따른 라미네이트된 또는 조합된 배킹(backing) 구조를 포함하도록 결합되는데 사용될 수 있는 예를 들어, 폴리카보네이트 또는 폴리에스테르와 같은 폴리머 물질들로 구축된다. 유사한 구조 유체역학 특성을 갖는 다른 물질들이 사용될 수 있다. 상기 홀(48)들은 어디든(anywhere) 15 내지 200 나노미터의 지름을 가지고, 사용된 홀 크기에 따라 서로 이격될 수 있으며, 상기 멤브레인을 충분히 지지하는 동안에 바람직한 흐름을 유지할 수 있을 만큼 개방(open)하도록 배킹 물질이 사용되는 것이 바람직하다. 사실, 최대 25%의 개방 영역을 갖는 구조(44)가 사용될 수 있다. 다른 홀 크기 및 이격(spacing)이 사용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 채널 높이는 상기 고 플럭스 멤브레인(42)으로 상기 공급수가 유입되기에 앞서, 상기 유체의 난류(turbulence)를 생성하는 기계적 메카니즘(57)을 수신하도록 하는 채널 스페이서 설계 범위를 위한 충분한 공간을 제공하도록 하는 크기로 이루어질 수 있다. 상기 기계적 메카니즘(57)은 공급 채널(40) 또는 공급 스페이서(사용되는 경우)와 인접하거나 또는 내장된(integral) 립(ribs) 또는 돌출부(protrusions)를 포함하나, 이에 한정하는 것은 아니다. 전기적 메카니즘에 의하여 생성될 수 있는 난류는 교류 또는 직류 전하(charge)들을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 고 플럭스 멤브레인들(42, 43) 각각은, 참조로서 통합된 미국 특허 번호 8,361,321에 기술된 바와 같이, 그래핀 멤브레인이다. 상기 그래핀 멤브레인은 시트(sheet) 모양을 나타내기(define)하기 위하여 서로 묶인, 탄소 원자들의 단일-원자-레이어-두께(single-atomic-layer-thick)의 레이어이다. 레이어 또는 시트로서 참조될 수 있는 단일 그래핀 멤브레인의 두께는 대략 0.2 내지 0.3 나노미터(nm) 이다. 몇몇 실시예에서, 더 큰 두께 및 이에 대응하는 더 큰 강도를 갖는 다중 그래핀 레이어들이 형성될 수 있다. 다중 그래핀 시트들은 상기 멤브레인이 생장(grown) 또는 형성된 것과 같이 다중 레이어들 내에 제공될 수 있고, 적은(few) 레이어 그래핀으로서 일반적으로 알려져있다. 또한, 다중 그래핀 시트들은 하나의 그래핀 레이어를 다른 그래핀 레이어의 상부에 레이어화 또는 위치시키는것에 의하여 달성될 수 있다. 여기에 기술된 모든 실시예들을 위하여, 그래핀의 단일 레이어 또는 다중 그래핀 레이어들이 사용될 수 있다. 실험은 그래핀의 다중 레이어들이 자가접착(self-adhesion)의 결과로서 가능한 그들의 완전성(integrity) 및 기능을 유지시킨다는 것을 보여준다. 이것은, 상기 멤브레인의 강도를, 그리고, 몇몇 경우들에서 흐름 성능(performance)을 향상시킨다. 천공된 그래핀 고 플럭스 처리량(throughput) 물질은 폴리이미드 또는 다른 폴리머 물질 여과 물질들과는 반대로 현저하게 향상된 여과 특성들을 제공한다. 대부분의 실시예들에서, 상기 그래핀 멤브레인은 0.5 내지 2 나노미터의 두께이다. 상기 그래핀 레이어의 탄소 원자들은 탄소 원자들의 벌집 구조를 형성하는 6개의 탄소원자들로 구성된 6각형의 고리 구조(벤젠 고리(benzene rings))의 패턴을 반복하는 모양을 나타낸다. 사이 구멍(interstitial aperture)은 상기 시트 내의 각 6 탄소 원자 고리 구조에 의하여 형성되고, 이 사이 구멍은 가로로 1 나노미터보다 작다. 사실, 상기 사이 구멍은 그 세로(longest) 크기(dimension)에서 가로로(across) 대략 0.23 나노미터로 여겨진다는 것은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기 사이 구멍의 크기 및 구조와 상기 그래핀의 전자 성질(electron nature)은 천공된 구멍들이 존재하지 않는 한, 상기 그래핀의 두께를 가로지르는 임의의 분자의 전송을 불가능하게 한다. 이 크기는 물 또는 이온들의 통과를 허용하도록 대단히 작다.
천공된 그래핀 멤브레인을 형성하기 위하여, 하나 또는 그 이상의 천공들이 만들어질 수 있다. 대표적인 일반적 또는 호칭상 원형 구멍들 또는 천공들(55)은 상기 그래핀 멤브레인(42)을 통하여 나타난다. 상기 그래핀 멤브레인(43)은 구멍들(55)보다 작은 크기의 구멍들(56)을 가질 수 있다. 예를 들어, 구멍(56)은 0.9 나노미터의 크기 또는 0.8 내지 1.2 나노미터 범위의 크기를 가질 수 있는 반면, 구멍(55)은 1.4 나노미터 크기 또는 1.2 내지 1.6 나노미터 범위의 호칭 지름(nominal diameter)을 가질 수 있다. 10 분의 8(eight tenth) 나노미터 크기는 대체로 소금물 또는 염분이 섞인(brackish) 물 내에 존재하는 나트륨(sodium) 이온인 가장 작은 이온들을 차단하기 위하여 선택된다. 유사한 방법으로, 1.2 나노미터의 크기는 소금물에서 발견되는 2가의(divalent) 이온들과 같은 이온들을 차단하기 위하여 선택된다. 공급수를 투과수로 올바르게 여과하도록, 상기 공급수는 계속해서(progressively) 더 작은 지름을 갖는 둘 이상의 멤브레인들을 통과하여 직접 연결될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 1차 멤브레인은 상기 2가 이온들을 차단할 것이고, 상기 2차 멤브레인은 1가 이온들을 차단할 것이다. 일반적은 원형의 구멍들은 상기 구멍의 가장자리가 어느정도는, 상기 그래핀 멤브레인(42)의 6각형 탄소 고리 구조의 모양을 나타낸다는 사실에 의하여 발생된다. 상기 공급수의 구성성분 및 상기 공급수의 차단 또는 여과가 필요한 구성성분 또는 요소들에 따라 다른 구멍 크기들이 선택될 수 있다. 따라서, 상기 구멍(55, 56)은 몇몇 실시예들에서 0.5 내지 1.2 나노미터 범위, 또는 다른 실시예들에서 1.0 내지 10 나노미터 범위로 이루어질 수 있다. 그리고, 다른 실시예들에서, 상기 구멍(55, 56)의 크기는 10 내지 100 나노미터 범위로 이루어질 수 있다.
상기 그래핀 멤브레인 내의 구멍들은 선택된 기간 동안 산화제에 노출되는 것을 의미하는 선택적인 산화에 의하여 만들어질 수 있다. 상기 구멍(55, 56)은 레이저 드릴에 의하여 형성될 수 있다. 나노 레터스(Nano Lett.) 2008, Vol.8, no.7, pg 1965-1970에 공표된 바와 같이, 가장 간단한 천공 전략은 상기 그래핀 필름을 높은 온도에서 아르곤(argon)내의 희석된(dilute) 산소와 함께 다루는 것이다. 상기 논문에 기술된 바와 같이, 500°C 에서 1기압(atm)의 아르곤 내의 350 mTorr의 산소를 2시간 동안 그래핀에 사용하여 20 내지 180 nm 범위의 천공 또는 홀들이 에칭된다. 상기 논문은 홀들의 갯수가 그래핀 시트 내의 결점들과 관련한다는 것 및 상기 홀들의 크기가 체류 시간과 관련한다는 것을 합리적으로 제시한다. 이것은 그래핀 구조 내에서 요구된 천공들을 형성하는 바람직한 방법으로 여겨진다. 상기 구조들은 그래핀 나노혈소판 및 그래핀 나노리본들로 이루어질 수 있다. 따라서, 요구된 범위 내의 구멍들은 적은 산화 시간에 의하여 형성될 수 있다. 관련된 다른 방법은 나노 레터스 2010 Vol. 10, No. 4, 2010. 3. 1 자, pp 1125-1131의 “반도체의 나노천공된 그래핀 물질의 광범위한 영역의 제조 및 정의” 김(Kim) 외(et al.)에 기술된 바와 같이, 반응성 이온 에칭(RIE, reactive ion etching)을 사용하여 정형화하는데(patterning) 적합한 마스크를 생성하는 자가 조립(self assembling) 폴리머를 사용하는 방법이다. P(S-blockMMA) 블록 공중합체는 재개발에 있어서의 상기 RIE를 위한 바이어스를 형성하는 PMMA 열(column)들의 어레이를 형성한다. 상기 홀들의 패턴은 대단히 밀집해있다. 상기 홀들의 갯수 및 크기는 상기 PMMA 블록의 분자량 및 상기 P(S-MMA) 내의 상기 PMMA의 무게분율(weight fraction)에 의하여 제어된다. 각각의 방법은 천공된 그래핀 시트들을 생성할 수 있는 잠재력을 가진다. 구멍들을 형성하는 다른 방법이 사용될 수 있다. 여기에 기술된 실시에에서, 구멍들은 공급수의 선택된 요소들을 차단하고, 다른 요소들의 통과를 허용하도록 하는 크기로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 구멍들의 가장자리는 선택된 요소들의 차단 및 통과를 돕도록 수정될 수 있다.
비록 그래핀이 상기 고 플럭스 멤브레인(42, 43)으로서 사용되도록 하기 위한 일 실시예의 물질이라 하더라도, 질화붕소(boron nitride), 금속 칼코게나이드(chalcogenides), 실리콘 및 저매닌(germanene)과 같은 다른 물질들, 그리고 2차원 얇기(two dimensional thinness)를 제공하는 이황화 몰리브덴(molybdenum disulfide)이, 비록, 이러한 물질들이 여과를 위한 적용물로서 그래핀으로서 이상적이라고 알려져 있지 않다 하더라도, 사용상 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다. 상기 멤브레인(42, 43)은 상기 공급수의 요구된 요소들을 통과시키는 동시에, 요구되지 않은 요소들의 통과 및, 따라서, 그 결과로 제공되는 홀(48)들의 구조에 의하여 상기 지지구조(44)를 통과하는 것을 불가능하게 하는 기능을 한다. 상기 1차 지지구조(44)를 통과한 후, 상기 유체 물질은 상기 1차 투과수 스페이서(52)로 흐른다. 아래에 위치한 다른 지지 구조(44)에 의하여 지지되거나 또는 운반되는 2차 멤브레인(43)이 상기 스페이서(52)의 아래에 존재한다. 아래에 위치한 지지구조(44)를 통과하여 흐르는 유체는 이후 2차 투과수 스페이서(54) 내부로 수신된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 투과수 스페이서(54)의 양면들은 지지 구조(44)에 인접한다. 이 레이어된 구조는 도시된 바와 같이, 또는 요구된 바와 같이, 상기 공급수를 요구된 농축수 및 투과수로 여과하기 위하여 반복된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 투과수 스페이서(52)는 고압의 작업을 위한 공급 스페이서(42)와 실질적으로 다른 규모를 가질 수 있는 압축 하중(compressive load)을 위하여 구축되고 크기가 결정된다. 상기 투과수 스페이서들의 목적은 상기 멤브레인을 구조적으로 지지하는 주된 목적과는 다르며, 상기 공급 스페이서와 같이 흐름 난류를 생성하도록 제공되지 않는다. 상기 투과수 스페이서는 또한, 상기 멤브레인의 뒤쪽면(back side)으로부터 공통의 투과수 수집 수단들로 투과수를 흐르게 하기 위한 도관을 제공한다. 상기 투과수 스페이서의 구축 및 크기 선택은 상기 공급수의 특성들과 이에따른 작업 압력 및 투과수 플럭스 율(rate)에 따라 가변적으로 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
도 3에 도시된 실시예에서, 최상위의 멤브레인 지지 구조(44)는 상기 1차 멤브레인(42)를 지지한다. 여과된 물질은 상기 멤브레인(42) 및 상기 멤브레인 지지 구조(44)를 통과하여 흐르고, 투과수 스페이서(52)에 의하여 수신된다. 다른 지지구조(44)에 의하여 지지되는 다른 멤브레인(43)은 상기 스페이서(52)의 아래에 배치된다. 상기 스페이서(54)는 상기 지지 구조 및 다른 유사 구조 사이에 배치된다. 중간 요소로서의 상기 스페이서(54)와 함께, 레이어들의 역 배치(ordering): 2차 멤브레인(43), 스페이서(52), 지지 구조(44), 멤브레인(42) 및 공급 채널(40)이 제공된다. 이 평면 레이어들은 요구된 물질 흐름을 제공하도록 구성된다. 상기 장치를 통과하는 흐름은 상기 입구측으로부터 상기 출구측으로 상기 하우징의 길이를 따라 대응하는 멤브레인 표면들에 접선으로(tangential), 대응하는 투과수 채널 아래로 이동하는 투과수 흐름과 함께, 아래로 이동한다. 상기 흐름 방향은 도 3에 도시된 바와 같이 페이지의 안과 밖을 향한다. 도 3에 도시된 화살표는 하나의 레이어로부터 다른 레이어로 어떻게 공급수가 흐르는가를 보여주기 위한 것이다.
상기 여과 매체(36)는 다양한 레이어들 간의 관계를 최적화 하기 위하여 구성된다. 각 공급 채널(40)은 일면에 최소한 하나의 멤브레인을 가지고, 몇몇 경우들에서는 그 양면에 최소한 하나의 멤브레인을 가진다. 인접한 멤브레인들 사이에 스페이서가 제공될 수 있다. 각 투과수 스페이서(52)는 일측면에 지지 구조(44)를 가지고, 타측면에 1차 멤브레인(42)를 가진다. 각 2차 멤브레인(43)은 일측면에 투과수 스페이서(52)를, 타측면에 지지 구조(44)를 가진다. 각 투과수 스페이서(54)는 양측면에 지지구조(44)를 가진다. 결국, 각 멤브레인(42)은 일측면 상의 지지 구조(44)와 타측면 상의 공급 채널 사이에 위치된다. 상기 투과수 스페이서(52) 내에서 수집된 여과된 물질은, 이후 상기 투과수 파이프(26)을 통하여 하우징 밖으로 흐른다. 상기 투과수 스페이서(54) 내에서 수집된 여과된 물질은, 이후 상기 투과수 파이프(28)을 통하여 하우징 밖으로 흐른다. 상기 공급 스페이서들 내에 남아있는 여과되지 않거나 또는 차단된 물질은 농축 파이프(30)을 통하여 하우징 밖으로 흐른다.
상기 채널(40), 상기 스페이서(52, 54) 및 상기 멤브레인(42, 43)이 평면 구조로 이루어진다는 것은 당업자에게 자명하다. 다시말해서, 각각은 공급 서플라이 및 여과된 유체를 수신하는 폭 및 길이를 가지고 제공된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 그것들이 지지하는 상기 멤브레인(42)과 더불어 상기 지지 구조(44)는 내부 지지 구조(34)에 의한 정체(retention)로 인하여 상기 하우징으로부터 제거 가능하다. 상기 지지 구조(44)는 핸들(75)를 제공하는 각 측면들을 따라 측면 가장자리(74)를 포함한다. 각 핸들(75)는 그루브(76)을 포함한다. 각 그루브(76)는 대응하는 릿지(ridge)(34) 상에서 슬라이드 가능하도록(slidably) 수신 가능하다. 추가로, 각 핸들(75)의 저면은 대응하는 렛지(ledge)(35) 상에서 슬라이드 가능하도록 수신될 수 있다. 상기 지지 구조(44)는 작동 중에 압력을 유지하기 위하여 내부 지지 구조(릿지(34), 렛지(35))에 기계적으로 고정될 수 있다. 상기 지지 구조들을 고정하지 않는 것은 상기 하우징 내부에 위치된 상기 스페이서들 및 멤브레인들과의 접근(access)을 허용한다. 다른 실시예에서, 상기 구조는 나권형 또는 다중 경로 구조를 달성하는 기하구조로 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 멤브레인(42, 43)은 고 플럭스 처리량 물질로 이루어질 수 있다.
인접한 레이어들은 특별히 서로 관련될 수 있다. 예를 들어, 1차 멤브레인(42)의 레이어된 순서(sequence), 지지 구조(44), 투과수 스페이서(52), 2차 멤브레인(43), 다른 지지 구조(44), 투과수 스페이서(54), 또 다른 지지 구조(44), 다른 2차 멤브레인(43), 다른 투과수 스페이서(52), 또 다른 지지 구조(44), 및 다른 1차 멤브레인(42)가 멤브레인 리프(leaf) 구조를 형성하도록 구성될 수 있다. 다른 구멍 지름들을 갖는 임의의 갯수의 다른 멤브레인들을 가질 수 있는 상기 리프 구조는 필요에 따라 제거되고 교체될 수 있다. 관련된 지지 구조들은 필요에 따라 서로 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 멤브레인은 여기에 참조에 의하여 통합된 미국 특허 출원 시리얼 번호 제13/422,753호 “탈이온화를 위한 그래핀 홀의 기능화”에 기술된 바와 같이, 상술된 예에서 다양한 천공 기술의 사용을 통한 구멍 크기 제어, 및 전하(charge), 전기적 또는 화학적 수정을 포함하는 다수의 조정가능한 특성들을 갖는 천공된 그래핀 멤브레인으로부터 구축된다. 상기 배킹 상에 고형(solid) 그래핀 여과 레이어를 효과적으로 생성하기 위하여 레이어된 그래핀 기반 멤브레인은 지지 다공성 배킹(backing)과 결합된 마이크로 크기의 그래핀 시트로 만들어지거나, 또는 다공성 배킹 상에 배치된 마이크로 크기의 혈소판(platelet)에 의하여 만들어질 수 있다. 모든 경우들에서, 상기 그래핀은 요구된 유체를 흐르게 하기 위하여 다공성이다. 몇몇 경우들에서, 나노 크기의(nano-scaled) 결점들과 함께 성장한 그래핀은 어떤(certain) 적용을 위하여 적합할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 하우징의 바깥에서 유지되나, 상기 하우징 내에 존재할 수 있는 전환된 전원(switched voltage supply)(78)은 한쌍의 컨덕터(80)에 의하여 상기 멤브레인(42, 43)과 연결된다. 대부분의 실시예에서, 상기 컨덕터는 각 멤브레인(42, 43)의 다른 타단부(opposite end)에 부착된다. 그래핀이거나 또는 몇몇 다른 전기 전도성 물질을 갖는 멤브레인(42, 43)으로 전원을 공급하는 것은, 상기 공급수, 특히, 상기 공급수 내의 양극화된 소금 이온들로 전송되거나 전달되는 난류를 야기하는 척력(repulsive force)을 생성한다는 것은 당업자에게 자명하다. 몇몇 실시예에서, 상기 힘은 최대의 난류를 행성하기 위하여 척력과 인력(attractive)사이에서 번갈아 생성된다. 이 난류는 상기 멤브레인의 표면으로부터 이격되고 다양한 레이어들을 통과하는 투과수 및 응축액(condensate)의 이동을 돕는다. 천공된 그래핀 실시예에서, 상기 물질은 농도분극(concentration polarization)을 방해하고, 이에 따라, 작동 압력을 저감시킬 수 있는 전하를 전도시킬 수 있다.
도 4 내지 6에 도시된 바와 같이, 상기 멤브레인을 통과하여 흐르는 공급수와 상기 멤브레인에 의하여 제거된 소금(salt)들과 같이, 경계층(boundary layer)은 소금 농축이 벌크(bulk) 솔루션 내의 소금 농축을 초과하는 상기 멤브레인 표면 근처에 형성된다. 이러한 소금 농축의 증가를 농도 분극이라 한다. 농도 분극의 효과는 실제의 상품 수 유량과 소금 제거를 이론적인 추정에 비해 감소시킨다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시예의 멤브레인(42, 43) 및 채널(40, 52)은 도 4 내지 6 내의 “이온/입자 구축(build up)”으로 식별되고 구멍(55) 근처와 흐름 영역의 후방을 향하여 축적되는 점들로 표시되는 차단된 이온들 및 입자들로서 발생하는 농도 분극의 묘사를 따라 도시된다. 만일 가동할 준비가 되어있다면, 레이어(84)는 효과적으로 상기 구멍을 차단 또는 막을 수 있다. 상기 멤브레인(42, 43) 중 하나 또는 전부와 연결될 수 있는 상기 전환가능한 전원(78)의 사용은 차단된 이온들을 밀어내는데, 그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 여과 매체를 통과하는 농축수 및 투과수의 흐름을 유지하는데 장점을 가진다. 또한, 상기 서플라이(78)에 의하여 제공된 상기 전하의 운반 능력은 도 6에 도시된 바와 같이 상기 멤브레인 내의 소금 제거의 선택성을 증가시키기 위하여 최소한 하나의 레이어 상의 구멍 크기 제어와 결합될 수 있다. 구멍 크기 제어는 원하는 이온들/입자들을 충분히 차단하는 동시에 상기 멤브레인을 통과하는 더 큰 흐름을 허용하는 증대된 구멍(55’)의 사용을 가능하게 한다. 다른 실시예에서, 전하 특성들은 상술된 미국 특허 출원 시리얼 번호 제 13/422,753호에 기술된 화학적 기능화를 통하여 달성될 수 있다. 다공성 그래핀으로 정수를 함에 있어서, 분리는 제거 제어(rejection control)가 구멍 크기 제어 또는 요구된 선택성을 위한 구멍 크기 제어 및 전하 특성들의 조합을 통하여 조정되는 단일 레이어를 통하여 달성될 수 있다. 또한, 농도 분극 효과는 도 6에 도시된 바와 같이, 해당 기술 분야에 공지된 폴리머 멤브레인에 의한 경계층 효과를 차단하기 위한 전하의 사용으로 완화될 수 있다.
고 플럭스 처리량 물질은 폴리이미드 또는 다른 폴리머 물질 여과 물질들과는 반대되는 현저하게 향상된 여과 특성들을 제공한다. 대부분의 실시예에서, 상기 그래핀 물질은 0.3 내지 5 나노미터의 두께이다. 사용된 물질의 두께 또는 형식(type)을 고려하지 않고, 상기 멤브레인(42, 43)은 선택적으로 상기 공급수의 요소들을 통과 및/또는 차단하도록 다른 다공성을 갖고 제공된다. 예를 들어, 레이어된 평면 디자인을 사용하여, 상기 멤브레인(42)는 5 내지 100 나노미터 또는 콜로이드(colloids), 단백질, 미생물학적인 오염물(contaminants), 및 큰 유기 분자들을 포함하는 큰 범위의 입자들에 대한 초미세여과(ultrafiltration) 및 제거를 수행하는데 적합한 다공성을 갖도록 구성될 수 있다. 여전히 1가 및 2가 염(salt)들을 포함하는 투과수가 상기 2차 멤브레인 표면을 통과하는 동안, 상기 농축수는 상기 1차 멤브레인에 의하여 스택(stack) 내에 유지될 것이다. 상기 2차 고 플럭스 멤브레인은 염의 제거에 알맞은 다공성을 포함하여 구성될 수 있으며, 대략 1 나노미터 이상의 모든 염들을 제거함으로써, 순수한 물 만을 통과하도록 구성된다. 이것은 필요시 개별적으로 수확될(harvested) 수 있는 두개의 제거 스트림들, 그리고 각 멤브레인 스택을 위한 하나의 상품 수 스트림을 야기할 수 있다. 이 실시예는 듀얼 멤브레인 스택 내의 두 단계의 제거를 위한 것이다. 필요에 따라, 이 스택은 다수의 단계의 제거로 확장될 수 있다. 이 개념은, 필요시, 정제된 제거(향상된 염 제거, 붕소 제거) 및 향상된 출력수 품질을 위한 다중-단계의 역삼투를 위하여 사용될 수 있다. 또한, 이 개념은 각 레어어가 염 제거의 선택성을 증가하기 위하여 조정된다는 것을 의미하는, 지속적인 선별 염 여과(progressively selective salt filtration)를 위하여 사용될 수 있다. 이것은 각 단계에서 낮은 압력에서의 증분된(incremental) 염 제거, 농도 분극 및 관련된 압력 비효율(pressure inefficiencies) 및 물질 구조 하중(loading)의 완화를 가능하게 한다.
다른 실시에에서, 상기 조정가능한 멤브레인 구조는 원하는 입자성 물질, 용질(solute), 또는 전해액(analyte)을 선택적으로 회수하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 물질(substance)은 귀금속과 같은 상품으로서의 가치, 또는 오염물질과 같은 배출을 위한 격리의 중요성을 위한 목표가 될 수 있다. 이 경우, 상기 1차 멤브레인은 목적 물질 보다 큰 모든 물질들의 제거를 위하여 상기 목적 물질 및 모든 작은 물질들이 통과하도록 조정되거나 크기가 결정될 수 있다. 상기 2차 멤브레인은 모든 작은 물질들이 통과하고, 원하는 물질들을 선택적으로 격리할 수 있도록 상기 목적 물질을 차단하기 위하여 조정되거나 크기가 결정될 수 있다. 천공된 그래핀 실시예에서, 전하의 사용은 여과 또는 회수 작용이 일어나는 플럭스의 선택성을 증가시키기 위하여 더 사용될 수 있다. 여기에 기술된 바와 같이, 조정가능한 선택성은, 상기 홀 주변부의 물질 기능화 또는 전도성 멤브레인으로 공급된 전하의 사용에 의한 보출물의 선택과 함께 멤브레인이 멤브레인 구멍 제어를 통한 물질적 크기에 기반하여, 제거하거나 또는 회수하거나 또는 격리하는 특정 용질 또는 입자들을 제어하기 위한 능력이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 그것들이 지지하는 상기 멤브레인(42, 43)과 더불어 상기 지지 구조(44)는 내부 지지 구조(34, 35)에 의한 정체(retention)로 인하여 상기 하우징으로부터 제거 가능하다.
상기 여과 매체(16)는 기술된 다양한 레이어들과 함께, 그리고, 각 맴브레인 내의 작은 구멍 크기를 지속적으로 사용하는 것에 의한 더 선택가능한 여과 밴드(band)들과 함께 단일 매체 및/또는 여과의 한 형식의 다중 단계의 미세여과, 초미세여과, 나노여과 및 역삼투를 제공하기 위한 멤브레인 구멍 크기의 선택과 함께 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 여과 매체는 동일한 선택성을 갖는 멤브레인을 사용하는 단일 장치 내의 상품수 품질을 달성하기 위한 역삼투 탈염의 다중 단계를 제공하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 여과 매체는 각 증분(incremental) 단계의 압력을 저감하기 위한 역삼투 탈염의 지속적인 선택적 단계와, 이에 대응하는 상기 멤브레인 표면에서의 농도 분극을 제공하도록 구성될 수 있다.
여과 장치(10) 내에 보여지는 멤브레인 구조는 쉽게 보여지는 몇몇 장점들을 갖는다. 매우 얇거나 또는 2차원 물질들을 사용하는것은 단일 장치 설계 내의 다수의 여과 단계의 통합을 제공한다. 상기 설계는 레이어된 평면 설계, 나권형 설계, 또는 다중 통과에 적합한 다른 기하구조일 수 있다. 여과 단계들의 통합은 여과 공정에 필요한 전체 크기를 저감한다. 천공된 그래핀 물질과 같은 고 플럭스 처리량 물질의 사용은 5배(times) 내지 50배 사이의 인자(factor)로 부피 및 무게를 저감할 수 있도록 한다는데 있다. 여과 장치(10)의 또 다른 장점은 필요에 따른 추가적 여과를 제공하기 위하여 다수의 장치들이 연속으로 부착되는 것을 허용한다는데 있다. 다른 장점은 상기 조정가능한 멤브레인 설계는 공급 서플라이의 “조정된” 여과를 허용한다는데 있다. 다시말해서, 선택적 물질들은 배출되거나 사용하도록 요구된 최종 사용을 위해서 분리될 수 있다. 또한, 천공된 그래핀과 함께, 전하의 사용은 여과 또는 회수 공정 중의 향상된 선택성 및 플럭스와 더 통합될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 구조 및 그 방법에 의하여 만족될 수 있다. 비록 상술한 본 발명이 상술한 실시예로서 기술되었으나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예에 지나지 않으며, 그것에 한정되지 않는다는 것은 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 관점 및 범위는 이하의 청구항들을 통하여 결정된다.

Claims (16)

  1. 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조에 있어서,
    일단에 입구와 타단에 출구를 갖는 하우징;
    상기 하우징은 상기 입구에서 상기 출구로 연장하는 개구부를 가지고,
    상기 개구부 내에 유지되는 내부 지지 구조; 및
    상기 내부 지지 구조에 의하여 운반되는 레이어된 여과 매체;
    를 포함하고,
    상기 매체는 상기 입구에서 수신된 공급수를 최소한 세개로 분리된 출력 흐름으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 여과 매체는,
    최소한 3개 이상의 흐름 채널; 및
    상기 최소한 3개 이상의 흐름 채널 중 두개와 인접하여 배치된 최소한 두개 이상의 다른 평면 멤브레인;
    을 더 포함하고,
    상기 멤브레인은 상기 공급수를 최소한 둘 이상의 출력/투과수로 여과하기 위하여 다른 조정가능한 선택성을 가지고, 효과적인 다공성을 생성하는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 여과 매체는,
    상기 각 멤브레인과 관련하고(associated with), 상기 내부 지지 구조에 의하여 운반되는 멤브레인 지지 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 최소한 셋 이상의 채널들 중 하나는 각 면(each side) 상에 최소한 하나의 1차 평면 멤브레인을 갖는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 최소한 셋 이상의 채널들 중 하나는,
    일측면에 상기 멤브레인 지지 구조 및 타측면에 2차 평면 멤브레인을 갖는 2차 채널인 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 최소한 셋 이상의 채널들 중 하나는,
    양 측면 상에 상기 멤브레인 지지 구조를 갖는 3차 채널인 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 평면 멤브레인은 천공된 그래핀 물질로 구축되는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 평면 멤브레인은,
    구멍 크기 또는 전하 특성들을 통한 증가된 선택성(selectivity)을 위하여, 전하 또는 기능화(functionalization)를 통하여 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 평면 멤브레인은,
    전하를 운반하는 기능을 하고,
    상기 멤브레인의 표면에서 농도 분극 효과를 방해하는 방법으로 제어되는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 평면 멤브레인 중 하나는,
    구멍 제어 및 전하의 조합된 사용에 의하여 상기 공급수 내의 선택적 격리 또는 특정 목적물(target)의 회수를 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  11. 제 10항에 있어서,
    구멍 제어 및 전하는,
    상기 공급수 내의 충전된 입자들의 증가된 선택적 제거를 위한 효과적인 다공성을 생성하기 위하여 조합될 수 있는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 여과 매체는,
    천공된 그래핀으로부터 구축된 평면 멤브레인을 포함하고,
    상기 평면 멤브레인은 단일 장치 내의 미세여과/초미세여과 및 나노여과/역삼투, 또는 더 선택적 밴드(band)들을 갖는 하나의 여과 형식의 복수의 단계들을 포함하는 복수의 단계들을 위하여 구성되는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 여과 매체는,
    천공된 그래핀으로부터 구축된 평면 멤브레인을 포함하고,
    상기 평면 멤브레인은 동일한 선택성의 멤브레인을 사용하여 단일 장치 내의 상품수의 품질을 달성하기 위하여 다수의 단계의 역삼투 탈염을 위하여 구성되는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 여과 매체는,
    천공된 그래핀으로부터 구축된 평면 멤브레인을 포함하고,
    상기 평면 멤브레인은 각 증분(incremental) 단계의 압력 및 상기 멤브레인의 표면에서의 대응하는 농도 분극을 저감하기 위하여 역삼투 탈염의 지속적인 선택가능한 단계들을 위하여 구성되는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 여과 매체는,
    천공된 그래핀으로부터 구축된 평면 멤브레인을 포함하고,
    상기 평면 멤브레인은,
    하나 이상의 투과수 스트림 내의 목적 입자, 용질, 또는 전해액의 선택적 격리 및 회수를 위하여 구성되는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 레이어된 여과 매체는 평면, 관형(tubular), 또는 나권형(spiral wound) 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 여과 또는 선택적 유체 격리 및 회수 장치를 위한 조정가능한 멤브레인 구조.



KR20147030473A 2012-03-29 2013-03-22 여과 및 선택적 격리를 위한 조정가능한 레이어된 그래핀 멤브레인 구조 및 회수 장치 KR20150000496A (ko)

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