KR20150114507A - 삼투적 분리 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
삼투적으로 구동되는 막 시스템들을 사용하는 분리 프로세스가 개시되며 전체적으로 반투과 막을 가로질러 제1 용액으로부터 용매를 끌어 당기도록 제2 농축된 용액을 사용함으로써 용질을 농축하여 제1 용액으로부터 용매를 추출하는 것에 연관된다.
Description
하나 또는 그 이상의 양태들은 전반적으로 삼투 분리에 관련된다. 더 상세하게, 하나 또는 그 이상의 양태들은 수용액으로부터 용질들을 분리하기 위해 정삼투와 같은 삼투적으로 구동되는 막 처리들의 사용에 관련된다.
본 출원은 2014년 2월 8일에 출원된 미국 가출원 번호 제 61/762,385호, 2013년 10월 4일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/887,076호, 2013년 11월 5일에 출원된 미국 가출원 번호 제 61/900,095호, 및 2013년 11월 15일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/904,882호에 대해 우선권을 주장하며, 그 것들의 전체적인 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에서 참조되어 여기에 병합된다.
정삼투 유닛은 증류를 위해 사용된다. 일반적으로, 정삼투 담수화 프로세스는 반투과 막에 의해 분리된 두 개의 챔버들을 갖는 컨테이너와 연관된다. 하나의 챔버는 해수를 포함한다. 다른 챔버는 농축된 용액을 포함하고 이는 해수 및 농축된 용액 사이의 농도 구배를 생성한다. 이러한 구배는 해수로부터 막을 가로질러 물을 끌어당기고, 이는 농축된 용액 내부로, 선택적으로 물을 통과시키나 염분은 통과시키지 않는다. 서서히, 농축된 용액으로 진입하는 물은 용액을 희석한다. 용질들은 이후 희석된 용액으로부터 제거되어 음료수를 생성한다.
정삼투 처리로 공급되는 공급 용액들에 관하여 다양한 이슈들이 대두될 수 있다. 예를 들어, 공급 용액은, 막의 반대측 상의 농축된 유도 용액이 처리에 의해 매우 희석되기에 충분하게 낮은 염도를 가질 수 있고, 이로써 유도 용액의 회수/재생성을 복잡하게 한다. 공급 용액의 조건이 또한, 정삼투 처리에서 사용가능하게 하도록 특정한 전처리 과정들의 사용을 요구할 수 있다. 대부분의 전처리 과정은, 예를 들어, 추가적인 에너지 또는 화학물질들의 사용(예를 들어, 석회 연화) 또는 추가적인 단계들(예를 들어, 이온 교환 수지의 재생성)을 요구함으로써, 전체적인 처리를 더 비싸게 만든다. 추가적으로, 정삼투 처리 이후 농축된 공급 용액의 처분 문제가 있을 수 있다. 예를 들어, 매우 농축된 소금물은 환경적인 폐기 문제를 일으킬 수 있고, 예를 들어, 농축된 소금물을 물줄기 내부로 방출하는 것은 지역 생태계에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 문제들에 대한 몇몇 해결책이 있으나, 이 것들은 비싸고 및/또는 기본적인 정삼투 처리에 과도한 복잡성을 부가한다.
본 발명의 양태들(aspects)은 전체적으로 삼투적으로 구동하는 막 시스템들 및 방법들에 관련되며, 정삼투 분리(Forward osmosis, "FO"), 직접 삼투 농축(Direct Osmotic Concentration, "DOC"), 압력 보조 정삼투(Pressure-Assisted Forward Osmosis, "PAFO"), 및 압력 지연 삼투(Pressure Retarded Osmosis, "PRO")를 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 제1 용액으로부터 용매를 삼투적 추출하기 위한 시스템(및 그 상응하는 방법 단계들)과 관련된다. 시스템은 복수의 정삼투 유닛들로서, 각각이 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버, 농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버, 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하며 제1 용액으로부터 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 제1 챔버 내에 제2 용액 및 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는 복수의 정삼투 유닛들을 포함한다. 시스템은 또한, 복수의 정삼투 유닛들과 유체 연통하고 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된 분리 시스템 및 복수의 정삼투 유닛들 및 분리 시스템과 유체 연통하는 세정 시스템을 포함한다. 세정 시스템은 세정 용액의 소스(예를 들어, 앞서 언급된 용매 스트림), 복수의 정삼투 유닛들 중 하나 이상 및 세정 용액 소스과 유체 연통하는 유체 전달 기기, 세정 용액의 소스 및 하나 이상의 정삼투 유닛에 유체 연통하는 밸브 배열 및 세정 용액의 소스, 유체 전달 기기, 또는 밸브 배열 중 하나 이상과 유체 연통하는 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은, 유체 전달 기기와 밸브 배열을 통해 세정 용액의 소스를 하나 이상의 정삼투 유닛에 작동가능하게 연결되도록 구성된다.
앞서의 양태의 다양한 실시예들에서, 밸브 배열은 복수의 밸브들 및 하나 이상의 센서를 포함하고, 여기서 하나 이상의 센서는 시스템의 하나 이상의 작동 특성을 기초로 하는 신호를 생성하도록 구성된다. 제어 시스템은 미리 결정된 프로토콜 중 하나 이상에 따라 또는 하나 이상의 센서에 의해 생성된 하나 또는 복수의 신호들에 의해 개시되게 세정 시스템을 제어하도록 구성된 명령어 세트를 포함한다. 제어 시스템은 세정 용액의 유동을 세정 용액의 소스로부터 하나 이상의 정삼투 유닛의 제2 챔버를 통과하게 지향하도록 복수의 밸브들 중 하나 또는 복수의 밸브를 작동시킨다. 몇몇 실시예들에서, 제어 시스템은 세정 용액을 직렬인 복수의 정삼투 유닛들의 각각으로 지향시킨다.
다른 양태에서, 본 발명은 제1 용액으로부터 용매를 삼투적으로 추출하기 위한 대안적인 시스템 및 방법과 관련된다. 시스템은, 정삼투 유닛으로서, 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버, 농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하며 제1 용액으로부터 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 제1 챔버 내에 제2 용액 및 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는 정삼투 유닛을 포함한다. 시스템은 또한, 정삼투 유닛과 유체 연통하고 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된 분리 시스템을 포함한다. 분리 시스템은 모두가 정삼투 유닛과 유체 연통하는 필터 유닛, 역삼투 유닛, 및 바이패스 회로를 포함한다. 필터 유닛은, 희석된 유도 용액의 적어도 제1 부분을 수용하기 위하여 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통되기 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버, 더 적게 희석된 유도 용액을 역삼투 유닛으로 전달하기 위하여 역삼투 유닛에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 갖는 제2 챔버, 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하며 희석된 유도 용액으로부터 용질들을 부분적으로 제거하도록 구성되어, 잔존하는 희석된 유도 용액을 관통하여 지나가게 함으로써 제2 챔버 내에 더 적게 희석된 유도 용액을 형성하는 필터 막을 포함한다. 제거된 용질들은 정삼투 유닛의 제1 챔버로 필터 유닛의 제1 챔버로부터 배출구를 통해 반환된다. 역삼투 유닛은 희석된 유도 용액의 적어도 제2 부분을 수용하기 위하여 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결된 유입구 및 농축된 유도 용액을 정삼투 유닛의 제2 챔버로 도입시키기 위하여 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 갖는 제1 챔버, 제1 챔버에 연결되는 반투과 막, 반투과 막에 연결되며 막을 통해 유동하는 용매를 수용하도록 구성되어, 정삼투 유닛으로의 전달을 위해 제1 챔버 내에 농축된 유도 용액을 남기는 제2 챔버를 포함한다. 바이패스 회로는 희석된 유도 용액의 제1 부분 및 제2 부분을 필터 유닛 및 역삼투 유닛으로 선택적으로 지향시키도록 구성된다. 일반적으로, 바이패스 회로는 다른 유닛으로 지향되는 희석된 유도 용액의 부분들을 조절(및 몇몇 실시예들에서는 또한 모니터링)하기 위하여 임의의 필요한 밸브들, 센서들, 제어기들 등을 포함한다. 시스템 또는 방법의 특정 응용(예를 들어, 공급/유도 화학 반응 특성, 작동 파라미터들, 및 주변 조건들)에 따라, 0 내지100% 희석된 용액은 필터 유닛 또는 역삼투 유닛으로 지향될 수 있다.
앞서의 양태의 다양한 실시예들에서, 정삼투 유닛은 복수의 정삼투 유닛으로 구성되고, 여기서 각각은, 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버, 농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버 및 제2 챔버로부터 제1 챔버를 분리하며 제1 용액으로부터 용매를 삼투적으로 분리하도록 구성되어, 제1 챔버 내에 제2 용액 및 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함한다. 또한, 희석된 유도 용액의 부분들은 압력 하에서 필터 유닛 및/또는 역삼투 유닛 중 하나 이상으로, 예를 들어, 펌프 또는 다른 압력 교환 기기를 통해, 운반될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 분리 시스템은 희석된 유도 용액의 제1 부분, 희석된 용액의 제2 부분 또는 양자에 하나 이상에 첨가제를 도입시키는 수단을 더 포함한다. 첨가제를 도입시키는 수단은 첨가제를 유체 전달 라인 또는 유닛들 중 하나로 직접 도입시키기 위한 밸브 및 포트 배열을 포함할 수 있다. 더하여, 그 수단은, 첨가제를 시스템으로 전달하거나 및/또는 저장하기 위하여 계량 기기 등과 함께 저장소 및/또는 혼합 탱크를 포함할 수 있다. 시스템의 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 분리 시스템은, 역삼투 유닛으로부터 농축된 유도 용액을 수용하기 위하여 역삼투 유닛의 제1 챔버의 배출구와 유체 연통되고 더 농축된 유도 용액을 정삼투 유닛으로 도입시키기 위하여 정삼투 유닛의 제2 챔버와 유체 연통 되는, 열 회수 유닛을 더 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 제1 용액으로부터 용매를 추출하는 시스템들 및 방법들에 관련된다. 그러한 하나의 시스템은 정삼투 유닛, 역삼투 유닛, 및 분리 시스템을 포함한다. 정삼투 유닛은, 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버, 농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버, 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하는 반투과 막 시스템을 포함한다. 반투과 막은 제1 용액으로부터 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 제1 챔버 내에(또는 막의 일측 상에서) 제2 용액 및 제2 챔버(또는 막의 타측에서) 내에 희석된 유도 용액을 형성한다. 역삼투 유닛은 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되고 정삼투 유닛의 제2 챔버와 유체 연통하고 압력 하에서 희석된 유도 용액을 수용하도록 구성되는 제1 챔버, 제1 챔버에 연결되는 반투과 막, 및 반투과 막에 연결되며 막을 통해 유동하는 용매를 수용하도록 구성되어, 역삼투 유닛의 제1 챔버 내에 덜 희석된 용액을 남기는 제2 챔버를 포함한다. 분리 시스템은 정삼투 유닛 및 역삼투 유닛과 유체 연통하며 희석된 또는 더 적게 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된다. 분리 시스템은, 더 적게 희석된 유도 용액을 역삼투 유닛으로부터 수용하기 위하여 역삼투 유닛의 제1 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구, 및 농축된 유도 용액을 정삼투 유닛으로 도입시키기 위하여 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 포함한다.
앞서의 양태의 다양한 실시예들에서, 시스템은 정삼투 유닛의 제2 챔버 및 역삼투 유닛의 제1 챔버 사이에서 그들에 유체 연통하게 배치되는 압력 교환기를 포함한다. 압력 교환기는 역삼투 유닛의 제1 챔버로 도입되는 희석된 유도 용액의 압력을 증가시키도록 구성된다. 시스템은 또한, 더 적게 희석된 유도 용액을 정삼투 유닛으로 다시 지향시기키 위하여 정삼투 유닛의 제2 챔버 및 역삼투 유닛의 제1 챔버에 유체 연통하는 바이패스 시스템을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 시스템은 희석된 유도 용액 또는 다른 관련된 스트림으로(으로부터) 물질을 도입(제거)하기 위하여 포팅 시스템(porting system)(예를 들어, 밸브 구성에 필요한 유입구 또는 배출구)을 포함한다. 시스템은 또한, 정삼투 유닛, 역삼투 유닛, 또는 분리 시스템 중 하나 이상과 유체 연통하는 하나 이상의 처리 시스템을 포함할 수 있다. 하나 이상의 처리 시스템은 희석된 유도 용액에 첨가된 물질을 제거하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 포팅 시스템은 역삼투 유닛의 제1 챔버에 유체 연통된다.
추가적인 실시예들에서, 시스템은 희석된 유도 용액의 삼투압을 변경시키기 위한, 예를 들어, 감소시키기 위한 수단을 포함한다. 희석된 유도 용액의 삼투압을 변경하는 수단은 화학적 첨가, 화학적 제거(chemical subtraction), 산화-환원(reduction-oxidation), 반응 추출(reactive extraction), 필터링, 침전, 또는, 예를 들어, 전자기적 신호(광분해), 전기적 신호(전기 분해), 또는 열적 신호(열 분해)와 같은 에너지 신호로의 노출 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가로, 시스템은 또한, 희석된 유도 용액의 삼투압 변경을 되돌리기 위하여 정삼투 유닛, 역삼투 유닛, 또는 분리 시스템 중 하나 이상에 유체 연통 되는 하나 이상의 처리 시스템을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 희석된 유도 용액의 삼투압을 변경시키기 위한 수단은 역삼투 유닛의 제1 챔버에 유체 연통한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 용액으로부터 용매를 추출하기 위한 추가의 시스템들 및 방법들에 관련된다. 그러한 하나의 예시적인 시스템은, 제1 정삼투 유닛, 제2 정삼투 유닛, 및 분리 시스템을 포함한다. 제1 정삼투 유닛은 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버, 농축된 제1 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버, 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하는 반투과 막 시스템을 포함한다. 반투과 막은 제1 용액으로부터 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 제1 챔버 내에(또는 막의 제1 측 상에) 제2 용액 및 제2 챔버 내에(또는 막의 타측에) 희석된 제1 유도 용액을 형성한다. 제2 정삼투 유닛은, 제1 정삼투 유닛과 유체 연통되고, 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 가지며 제1 정삼투 유닛으로부터 희석된 제1 유도 용액을 수용하도록 구성되는 제1 챔버, 농축된 제2 유도 용액의 소스와 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하는 반 투과막 시스템을 포함한다. 반투과 막은 희석된 제1 유도 용액으로부터 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 제1 챔버 내에(막의 제1 측 상에) 농축된 제1 유도 용액 및 제2 챔버 내에(막의 타측에) 희석된 제2 유도 용액을 형성한다. 분리 시스템은, 제2 정삼투 유닛과 유체 연통되며 희석된 제2 유도 용액을 농축된 제2 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된다. 분리시스템은, 희석된 제2 유도 용액을 제2 정삼투 유닛으로부터 수용하기 위하여 제2 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구, 및 제2 정삼투 유닛으로 농축된 제2 유도 용액을 도입시키기 위하여 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 포함한다.
앞서의 양태의 다양한 실시예들에서, 시스템은 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버 및 제2 정삼투 유닛의 제1 챔버와 유체 연통하는 스트립퍼를 포함한다. 스트립퍼는, 제1 유도 용액을 추가로 농축하고 및/또는 제2 정삼투 유닛의 막을 통과하여 역으로 유동할 수 있는 제2 유도 용액으로부터 유도 용질들을 제거하도록 구성된다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 제1 또는 제2 정삼투 유닛들 중 하나 이상은 침수된다(submerged). 추가로, 시스템은 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버 및 제2 정삼투 유닛의 제1 챔버와 유체 연통하는 역삼투 유닛을 포함할 수 있다. 역삼투 유닛은 희석된 제1 유도 용액으로부터 용매를 제거하도록 구성될 수 있다. 또한, 이러한 시스템 및 본 명세서에 기술된 모든 시스템들은 그 개별적인 시스템들의 작업을 개선하기 위하여 유도 용액의 삼투압을 변경하는 개시된 수단을 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 용액으로부터 용매를 추출하기 위한 더 추가적인 시스템들 및 방법들에 관련된다. 그러한 시스템의 하나의 예시에서, 시스템은 역삼투 유닛, 제1 정삼투 유닛, 제2 정삼투 유닛, 및 분리 시스템을 포함한다. 역삼투 유닛은, 제1 용액의 소스와 유체 연통하는 제1 챔버, 제1 챔버에 연결된 반투과 막, 및 반투과 막에 연결되며 막을 통해 유동 되는 용매의 제1 부분을 수용하도록 구성되어, 농축된 제1 용액은 역삼투 유닛의 제1 챔버 내에 남기는 제2 챔버를 포함한다. 제1 정삼투 유닛은, 역삼투 유닛에 유체 연통 되게 연결되고, 역삼투 유닛의 제1 챔버와 유체 연통하는 유입구를 가지며 농축된 제1 용액을 수용하도록 구성된 제1 챔버, 농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결된 유입구를 갖는 제2 챔버, 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하는 반투과 막 시스템을 포함한다. 반투과 막은 농축된 제1 용액으로부터 용매의 제2 부분을 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 제1 챔버 내에(막의 측면에서) 또는 추가로 농축된 제1 용액 및 제2 챔버 내에(또는 막의 측면에서) 희석된 유도 용액을 형성한다. 제2 정삼투 유닛은, 제1 정삼투 유닛과 유체 연통하며, 제1 정삼투 유닛의 제1 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 가지며 제1 정삼투 유닛으로부터 추가로 농축된 제1 용액을 수용하도록 구성된 제1 챔버, 공급 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결된 유입구를 갖는 제2 챔버, 및 제2 챔버로부터 제1 챔버를 분리하는 반투과 막 시스템을 포함한다. 반투과 막은 공급 용액으로부터 용매를 삼투적으로 분리하도록 구성되어, 농축된 제1 용액을 제1 챔버 내에서(또는 막의 측면에서) 희석하며 제2 챔버 내에서(또는 막의 측면에서) 공급 용액을 농축한다. 다양한 실시예들에서, 추가로 농축된 제1 용액은 압력 하에서(예를 들어, 펌프를 통해) 제2 정삼투 유닛으로 지향된다. 분리 시스템은, 제1 정삼투 유닛과 유체 연통하며 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된다. 분리 시스템은 제1 정삼투 유닛으로부터 희석된 유도 용액을 수용하기 위해 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구, 및 제1 정삼투 유닛에 농축된 유도 용액을 도입시키기 위하여 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결된 배출구를 포함한다.
앞서의 양태의 다양한 실시예들에서, 제2 정삼투 유닛은, PRO 유닛이고 시스템은 제2 정삼투 유닛의 제1 챔버와 유체연통하며 가압 되고 희석된 제1 용액을 수용하도록 구성되는 터빈을 포함한다. 시스템은 또한, 역삼투 유닛 및 제2 정삼투 유닛과 유체 연통하며 제2 정삼투 유닛의 제1 챔버의 배출구로부터 역삼투 유닛의 제1 챔버의 유입구로 희석된 제1 용액을 반환시키도록 구성된 밸브 배열(예를 들어, 바이패스 시스템) 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 공급 용액은 폐수 유출 스트림(wastewater effluent stream)을 포함한다. 더하여, 시스템은 역삼투 유닛으로부터의 에너지를 재포집(recapture)하기 위하여 역삼투 유닛과 유체 연통하는 에너지 회수 기기를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 용매를 용액으로부터 추출하기 위한 추가적인 시스템들 및 방법들에 관련된다. 그러한 하나의 시스템은, 선택적 막 유닛, 정삼투 유닛, 분리 시스템, 및 하나 이상의 밸브 배열을 포함한다. 선택적 막 유닛은, 제1 용액을 컨디셔닝하며, 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버, 제2 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버, 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하는 선택적 막을 포함한다. 선택적 막은 적어도 제1 용액 내의 특정 이온들이 제1 용액으로부터 제2 용액으로 선택적으로 이동하게 하도록 구성되어, 제1 용액을 컨티셔닝(예를 들어, 용액을 연화시킴) 한다. 정삼투 유닛은, 선택적 막 유닛과 유체 연통하며, 컨디셔닝된 제1 용액을 수용하기 위하여 선택적 막 유닛의 제1 챔버의 배출구 또는 제1 용액의 소스 중 하나 이상에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버, 농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버, 및 제1 챔버를 제2 챔버로부터 분리하는 반투과 막 시스템을 포함한다. 반투과 막은 제1 용액으로부터 용매를 삼투적으로 분리하도록 구성되어, 제1 챔버 내에 제2 용액의 소스 및 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성 한다. 분리 시스템은 정삼투 유닛과 유체 연통하며 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된다. 분리 시스템은, 희석된 유도 용액을 정삼투 유닛으로부터 수용하기 위해 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구, 정삼투 유닛에 농축된 유도 용액을 도입시키기 위해 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 포함한다. 밸브 배열은 정삼투 유닛의 제1 챔버, 선택적 막 유닛의 제2 챔버, 및 제2 용액의 대체 소스와 유체 연통한다. 밸브 배열은 제2 용액을 정삼투 유닛의 제1 챔버 또는 대체 소스로부터 선택적 막 유닛의 제2 챔버로 지향시키도록 구성될 수 있다.
앞서의 양태의 다양한 실시예들에서, 시스템은 제1 용액의 소스, 선택적 막 유닛, 및 정삼투 유닛과 유체 연통하는 제2 밸브 배열을 포함한다. 제2 밸브 배열은 제1 용액을 선택적 막 유닛 또는 정삼투 유닛으로 지향하거나 컨디셔닝된 제1 용액을 정삼투 유닛으로 지향하도록 구성된다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 다양한 밸브 배열들은 포트들(ports)(예를 들어, 유입구들) 및 예를 들어, 선택적 막 유닛, 정삼투 유닛 또는 두 유닛을 프라이밍 하기 위해 선택적 막 유닛 및/또는 정삼투 유닛으로 용액을 도입시키는 데 필요한 밸브들을 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 포트들은 하나의 유닛으로부터 용액을 제거하기 위한 배출구들일 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 시스템은 선택적 막 유닛, 정삼투 유닛, 또는 분리 시스템 중 하나 이상과 유체 연통하는 하나 이상의 처리 시스템을 포함한다. 선택적 막은 양이온 선택 막 또는 특정 응용에 맞추어 임의의 다른 종류의 막일 수 있다.
앞서의 양태들의 다양한 실시예들에서, 농축된 유도 용액은 적어도 바람직하게 적어도 일 대 일 몰 비인 암모니아 및 이산화탄소를 포함한다. 그러나 다른 유도 용액들이 본 발명의 범주 내에서 고려 및 착안되며, 예를 들어, NaCl 또는 2013년 11월 13일자로 출원되어 그 개시 내용이 그 전체로서 본 명세서에서 참조 되어 통합되는 국제특허출원 번호 제PCT/US13/69895('895 출원)에 개시된 임의의 다양한 대안적인 유도 용액들을 포함한다. 게다가, '895 출원 내에 기술된 바와 같은, 유도 용질들 및 용매를 분리하며 회수하기 위한 다른 시스템들 및 방법들이 본 발명의 범주 내에서 고려되며 착안된다. 또한, 다양한 전처리 및 후처리 시스템들이 본 발명의 앞서의 양태들에 병합될 수 있다. 전처리 시스템들은 제1 용액을 예열하기 위한 열원, 제1 용액의 pH를 조절하기 위한 수단, 살균(예를 들어, 화학적 또는 UV), 분리 및 세정을 위한 수단, 필터 또는 제1 용액을 필터링하기 위한 다른 수단(예를 들어, 카본 또는 샌드 필터 또는 역삼투), 폴리머 첨가를 위한 수단, 이온 교환, 또는 제1 용액을 연화시키기(예를 들어, 석회 연화)를 위한 수단 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 후처리 시스템들은 역삼투 시스템, 이온 교환 시스템, 제2 정삼투 시스템, 증류 시스템, 과증기(pervaporator), 기계적 증기 재압축 시스템, 열 교환 시스템, 또는 필터 시스템 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 시스템은 또한, 유도 용액의 요구되는 몰 비를 유지하기 위하여 제2 챔버로의 유도 용액의 재도입을 용이하게 하도록 구성되는 흡수기(absorber)를 포함하는 재활용 시스템을 포함할 수 있다.
또 다른 양태들, 실시예들, 및 예시적인 양태들 및 실시예들의 이점들이 이하에서 상세히 기술된다. 나아가, 앞서의 정보 및 후술 되는 상세한 설명 모두는 단지 다양한 양태들 및 실시예들의 예시이며, 청구된 양태 및 실시예들의 속성 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 뼈대를 제공하는 것으로 의도된다. 따라서, 본 명세서에서 기술된 본 발명의 이점들 및 특징들과 함께, 이러한 및 다른 목적들은 후술하는 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 분명해질 것이다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 다양한 실시예들의 특징들은 상호 배타적인 것이 아니며 다양한 조합들 및 치환들이 존재할 수 있는 것으로 이해된다.
도면에서, 유사한 참조 번호는 일반적으로 다른 측면에서의 동일한 부분을 참조한다. 또한, 도면은 스케일링 되지 않고, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 강조될 수 있고, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다. 명확성을 위해, 모든 도면의 모든 구성 요소가 참조 번호로 라벨링되어 있지는 않다. 후술하는 상세한 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예들은 다음 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 용매의 삼투적 추출을 위한 시스템을 모식도다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 도 1의 시스템의 하나의 응용의 모식도다.
도 3은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 정삼투 유닛 및 역삼투 유닛을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도다.
도 3a는 도 3의 시스템의 대안적인 실시예의 모식도다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 두 개의 정삼투 유닛들을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도다.
도 4 a는 도 4의 시스템의 대안적인 실시예의 모식도다.
도 5는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 역삼투 유닛, 정삼투 유닛, 및 압력 지연 삼투 유닛을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도다.
도 6은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 정삼투 유닛 및 선택 막 유닛을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도다.
도 6a는 도 6의 선택 막 유닛의 세부적인 모식도이다.
도 7은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 삼투적 역 세정 시스템을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따라 작동되는 도 7의 대안적인 삼투 시스템으로 가능한 추가적인 용매 회수의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 대안적인 삼투 시스템의 모식도이다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 용매의 삼투적 추출을 위한 시스템을 모식도다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 도 1의 시스템의 하나의 응용의 모식도다.
도 3은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 정삼투 유닛 및 역삼투 유닛을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도다.
도 3a는 도 3의 시스템의 대안적인 실시예의 모식도다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 두 개의 정삼투 유닛들을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도다.
도 4 a는 도 4의 시스템의 대안적인 실시예의 모식도다.
도 5는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 역삼투 유닛, 정삼투 유닛, 및 압력 지연 삼투 유닛을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도다.
도 6은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 정삼투 유닛 및 선택 막 유닛을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도다.
도 6a는 도 6의 선택 막 유닛의 세부적인 모식도이다.
도 7은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 삼투적 역 세정 시스템을 포함하는 대안적인 삼투 시스템의 모식도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따라 작동되는 도 7의 대안적인 삼투 시스템으로 가능한 추가적인 용매 회수의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 대안적인 삼투 시스템의 모식도이다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 따르면, 수용액으로부터 물을 추출하기 위한 삼투적(osmotic) 방법은 전반적으로 수용액을 정삼투 막(forward osmosis membrane)의 제1 표면에 노출시키는 것에 연관된다. 수용액의 농도에 비해 증가된 농도를 갖는 제2 용액, 또는 유도 용액(draw solution)이 정삼투 막의 반대측 제2 표면에 노출될 수 있다. 이어, 물은 정삼투 막을 통과해 수용액으로부터 정삼투를 통해 물이 풍부한 용액(water-enriched solution)을 생성하는 제2 용액 내부로 끌어당겨질(drawn) 수 있고, 이는 더 낮은 농도의 용액으로부터 더 높은 농도의 용액으로의 이동을 포함하는 유체 전달 속성을 이용한다. 희석된 유도 용액(dilute draw solution)이라고도 지칭되는, 물이 풍부한 용액은 제1 배출구에서 수집되며 정수된 물을 생성하기 위한 추가적인 분리 처리가 진행될 수 있다. 제2 생성 스트림, 즉, 열화된(depleted) 또는 농축된 물 처리 담수 처리(aqueous procees) 용액은 방출 또는 추가의 처리를 위해 제2 배출구에서 수집될 수 있다. 대안적으로, 본 명세서에 기술된 다양한 시스템들 및 방법들은 비-수용액(non-aqueous solution)에서 수행될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 따르면, 정삼투 막 모듈은 하나 또는 그 이상의 정삼투 막들을 포함할 수 있다. 정삼투 막들은 일반적으로 반투과적(semi-permeable)일 수 있고, 예를 들어, 그 내부에 용해된 용질들, 예컨대 염화 나트륨(sodium chloride), 탄산 암모늄(ammonium carbonate), 중탄산 암모늄(ammonium bicarboanate), 및 암모튬 카바메이트(ammonium carbomate)들을 배제하는 물의 통과를 가능케 한다. 많은 형태의 반투과 막들이, 이러한 목적, 즉, 물(즉, 용매)의 통과를 허용하면서 용질들의 통과를 차단하며 용액 내에 용질들이 반응하지 않게 하는 것이 제공된 목적에 적합하다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 따르면, 하나 이상의 정삼투 막이 하우징(housing) 또는 케이싱(casing) 내에 위치될 수 있다. 하우징은 전체적으로 그 안에 위치된 막들을 수용하기 위한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징이 정삼투 막들을 나선형으로 감았을 때 실질적으로 원통형일 수 있다. 모듈의 하우징은 공급 및 유도 용액(feed and draw solutions)을 모듈로 공급하는 유입구뿐만 아니라 모듈로부터 생성물 스트림들(product streams)의 퇴출을 위한 배출구들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하우징은, 모듈로 도입될 또는 모듈로부터 퇴출될 유체를 유지 또는 저장하기 위한 하나 이상의 저장소(reservoir) 또는 챔버(chamber)를 제공할 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 하우징은 절연(insulated)될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 정삼투 막 모듈은 전체적으로 제1 용액 및 제2 용액을 반투과 막의 제1 및 제2 측면들에 각각 접촉시키도록 구성되며 배열된다. 비록 제1 및 제2 용액들이 고인 상태를 유지할 수 있다고 하더라도, 제1 및 제2 용액 모두는 직교류(cross flow)에 의해, 즉, 반투과 막의 표면에 평행한 흐름에 의해 도입되는 것이 바람직하다. 이 것은 하나 또는 그 이상의 유체 유동 경로를 따른 막 표면 영역 접촉을 전반적으로 증가시키고, 이로써 정삼투 처리들의 효율을 증가시킨다. 몇몇 실시예들에서, 제1 및 제2 용액들은 동일한 방향으로 유동할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 및 제2 용액들은 반대 방향으로 유동할 수 있다. 적어도 몇몇 실시예들에서, 막 표면의 두 측면 상에 유사한 유체 역학 관계가 있을 수 있다. 이 것은 모듈 또는 하우징 내의 하나 또는 그 이상의 정삼투 막들의 전력적인 집적화(strategic integration)에 의해 달성될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 유도 용질들(draw solutes)은 재사용을 위해 회수될(recovered) 수 있다. 분리 시스템은, 용질들로부터 실질적으로 자유로운 생성수(product water)를 생성하기 위하여 유도 용액으로부터 용질들을 스트리핑(strip) 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 분리 시스템은 증류탑(distillation column) 또는 다른 열적 또는 기계적 회수 메커니즘(recovery mechanism)을 포함할 수 있다. 유도 용질들은 이어 예컨대 재활용 시스템(recycle system)에 의해 농축된(concentrated) 유도 용액으로 되돌아 갈 수 있다. 기상 용질들(gaseous solutes)은 농축된 유도 용액을 형성하기 위하여 응축 또는 흡수될 수 있다. 흡수기(absorber)는 희석된 유도 용액을 흡수체(absorbent)로 사용할 수 있다. 다른 실시예들에서, 생성수는, 용매 재활용 시스템으로부터의 기체 스트림(gas stream)의 흡수의 전부 또는 일부를 위한 흡수체로 사용될 수 있다.
도 1은 하나 또는 그 이상의 전처리 및/또는 후처리 유닛 작업들(14, 16)을 포함하는 정삼투 시스템/ 처리(12)를 사용하여 용매의 삼투적 추출을 위한 시스템(10)의 개략도이다. 다양한 정삼투 시스템들 및 처리들이, 본 명세서 및 추가로 미국 등록 특허 번호, 제 6391205호 및 제 8002989호; 및 미국 특허 공개 번호 제 2011/0203994호, 제2012/0273471호, 제2012/0267306호, 및 제 2012/0267307호에 기술된 것과 같이 사용될 수 있고, 그 것들의 기술 내용은 그 전체로서 본 명세서에서 참조되어 병합된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 시스템 (10)은 정삼투 처리(12)를 개선하기 위하여 하나 또는 그 이상의 전처리 작업(pretreatment operation)(14)을 포함할 수 있다. 전처리 작업은 제1 용액을 예열하기(preheating) 위한 열원(heat source), 제1 용액의 pH를 조절하기 위한 수단, 소독(예를 들어, 화학적 또는 UV), 분리 및 정화를 위한 수단, 필터 또는 다른 제1 용액을 여과(예를 들어, 탄소 또는 모래 여과, 나노 여과 또는 역삼투)하기 위한 수단, 열 교환, 폴리머 첨가(polymer addition)를 위한 수단, 스케일 억제제(anti-scalant)의 사용, 이온 교환, 또는 제1 용액을 연화(예를 들어, 석회 연화)를 위한 수단 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 시스템(10)은 하나 또는 그 이상의 후처리 작업(16)을 포함할 수 있다. 후처리 시스템들/ 작업들(post-treatment systems/ operations)은 역삼투 시스템, 이온 교환 시스템, 추가적인 정삼투 처리들, 증류 시스템, 투과 증발기, 기계적 증기 재압축 시스템, 열 교환 시스템, 또는 여과 시스템 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 후처리는 생성수의 염도를 단일 경로 정삼투 시스템에 의해 생성되는 것 이하로 감소시킨다. 다른 실시예들에서, 후처리는, 다른 경우라면 생성물 스트림 내에 존재했을 유도 용질들을 제거하기 위해 대안적으로 또는 추가적으로 사용될 수 있다. 몇몇 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 정삼투 소금물 방출은, 이온 교화, 증류, 투과 증발(pervaportation), 막 증류, 통기, 생물학적 처리 또는 소금물로 역 확산되는 유도 용질들을 제거하기 위한 다른 처리를 사용하는 전처리일 수 있다. 추가적인 전처리 작업들은, 예를 들어, 결정화 및 증발을 이용하는 제로 액체 방출(Zero Liquid Discharge, "ZLD") 처리를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, ZLD 처리는, 예를 들어, 증발 시스템 대신에 정삼투 시스템을 사용한다. 추가적인 실시예들에서, 시스템은 또한, 유도 용액의 요구 몰 비를 유지하기 위해 유도 용질들을 제2 챔버 내로 재도입하는 것을 용이하게 하도록 구성된 흡수기를 포함하는 재활용 시스템을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 용매의 삼투 추출을 위한 시스템(10)의 하나의 가능한 응용예를 나타낸다. 도 1에 대해 논의된 바와 같이, 시스템(10)은 정삼투 시스템(12) 및 하나 또는 그 이상의 전처리 및 후처리 유닛들(14, 16)을 포함한다. 시스템(10)은 하나 또는 그 이상의 정삼투 시스템들(12)에 결합된 전처리 및 후처리 유닛들(14, 16)의 임의의 조합을 포함할 수 있고, 이는 오직 전처리만 또는 오직 후처리만 포함할 수도 있다. 본 명세서에 기술된 다양한 시스템들/ 유닛들은 종래의 배관 기술(plumbing techniques)을 통해 상호 연결(interconnected)될 수 있고 구성들, 예컨대, 펌프들, 밸브들, 센서들, 계량기들 등의 임의 수의 조합들을 포함할 수 있어, 본 명세서 기술된 다양한 시스템들 및 처리들의 작업을 모니터링 및 제어할 수 있다. 다양한 구성들은 이하에서 본 명세서에 기술된 바와 같은 제어기에 결합되어 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 응용예에서, 시스템(10)은 고립원(island source)(18)로부터의 기수(brackish water)를 처리하기 위해 사용되나, 다른 공급원들(feed sources)이 본 발명의 범주 내에서 고려 또는 착안될 수 있다. 도시된 바와 같이, 공급 스트림(20)은 전처리 유닛(14)로 지향되고, 여기서 공급 스트림은, 예를 들어, 가열된다. 공급 스트림이 전처리된 상태에서, 처리된 스트림(22)는 이어 정삼투 시스템(12)으로 지향되고, 여기서 제1 용액이 앞서 논의된 바와 같이 제공된다. 선택적으로, 처리된 스트림(22)은 정삼투 시스템(12)로 도입되기 이전에 추가의 처리(예를 들어, pH 조정)를 위해 추가적인 전처리 유닛들로 지향될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전처리 유닛(14)는 FO 모듈로 도입되기에 앞서 공급(20)을 농축하기 위해 역삼투 모듈을 포함할 수 있다. 이러한 배열은, 이하에서 논의되는 바와 같이, 초기 공급이 낮은 염도를 갖는 곳에서 특히 유용할 수 있다. 유도 용액은, 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 막을 가로지르는 용매의 전달을 촉진하기 위해 필요한 삼투압 구배를 제공하기 위하여, 스트림(24)을 통해 정삼투 시스템(12)으로 제공된다.
두 개 이상의 스트림들이 정삼투 시스템(12)을 떠나간다: 그로부터 용매가 추출된 상태인, 농축된 공급 또는 처리된 스트림(26); 및 거기에 용매가 추가된 상태인, 희석된 유도 스트림(28). 농축된 스트림(26)은 이어 추가적인 처리, 예컨대 추가적인 용매를 회수하기 위한 제2 정삼투 시스템을 위하여, 후처리 유닛(16)으로 지향될 수 있다. 추가적인 후처리 과정들은, 액체 없는 방출(zero liquid discharge)에 추가로 제공되기 위해 예를 들어, 결정화 및 증발로 이용될 수 있다. 완전히 처리된 또는 농축된 공급은 폐기, 재활용, 또는 농축의 성질에 따른 다른 재생이 될 수 있다(화살표 38).
희석된 유도 스트림(28)은 분리 시스템(30)으로 지향될 수 있고, 여기서 용매 및/또는 유도 용질들은 회수될 수 있다. 선택적으로, 희석된 유도 스트림(28)은 또한 추가의 처리(스트림 28a)를 위해 요구되는 바와 같이 후처리 유닛으로 지향될 수 있고, 예를 들어, 희석된 유도 용액은 분리 시스템(30)으로 지향되기(스트림 28b) 이전에 예열될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 분리 시스템(30)은, 실질적으로 정제된(purified) 용매 스트림(32) , 예를 들어, 음료수(portable water), 및 유도 용질 스트림(36)을 생성하기 위하여, 유도 용질들을 희석된 유도 스트림(28)로부터 분리할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 용매 스트림(32)은 또한 용매의 최종 용도에 따른 추가의 처리(스트림 32a)를 위해 후처리 유닛으로 지향될 수 있다. 예를 들어, 용매는 용매 내에 여전히 남아있을 수 있는 추가의 유도 용질들을 제거하기 위하여 증류를 통해 추가 처리될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 유도 용질 스트림(36)은, 유도 스트림(24)(스트림 36b) 내로의 복원을 위하여 재활용 시스템(34) 로 지향되어, 또는 회수된 유도 용질들의 의도된 용도에 따른 추가적인 처리를 위해 후처리 유닛(스트림 36c)로 지향되어, 유도 스트림(24)(스트림 36a)로 직접 반환될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 재활용 시스템(34)은, 예를 들어, 공급 스트림(20) (스트림(40))과의 열 교환을 제공하기 위하여 전처리 유닛(14)과 결합되어 사용될 수 있다.
다른 가능한 응용예에서, 시스템(10)이 낮은 염도를 갖는 공급(20)을 처리하기 위해 사용되는 곳에서, 전처리 시스템(14)은 정삼투 시스템(12)에 지향되기 이전에 공급(20)을 농축하는 역삼투 유닛일 수 있다. 이러한 실시예에서, 전처리 유닛(14)은 FO 모듈(12)에 의한 처리를 위해 용매/침투 스트림(32c) 및 농축된 공급 스트림(22)을 제공한다. 추가로, 이러한 전처리/RO 유닛(14)은, 분리 시스템(30)(스트림 32a)로부터의 생성 용매(32)를 처리하는 후처리 유닛(16) 대신에 또는 그와 결합하여 사용될 수 있다. 특히, 생성 용매 스트림(32b)은 분리 시스템(30)으로부터 공급 스트림(20)으로 지향되고, 여기서 이는 그들과 조합되며 전처리/RO 유닛(14)내로 도입될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 생성 스트림(32b)은 유닛(14) 내로 직접 공급될 수 있다. 전체적으로, 처리 작업의 최적화 하기에 필요하기 때문에, 다양한 스트림들은 다양한 처리 유닛들 (14, 16), 모듈들(12), 및 서브 시스템들 사이에서 지향될 수 있다.
도 3은 모두 유체 연통 되는 정삼투 유닛(212), 역삼투 유닛(216), 및 분리/재활용 시스템(230)을 또한 사용하는 용매 추출을 위한 대안적인 시스템(210)의 단순화된 모식도이다. 시스템(210)은 앞서 기술된 것들과 유사하며, 예를 들어, 정삼투 유닛(212)은 정삼투 막(213)을 포함하고, 역삼투 유닛은 역삼투 막(217) 등을 포함한다. 시스템(210)은 또한 필요한 밸브들, 펌프들, 파이프들 등을 모두 포함하여, 특정 응용에 부합된다. 일 실시예에서, 시스템(210)은 낮은 염도의 공급과 사용되도록 구성되고, 이는 매우 희석된 유도 용액을 야기할 수 있다.
세부적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 공급 용액(220)은 정삼투 유닛(212)의 막(213)의 일 측으로 지향되는 반면, 농축된 유도 용액(224)은 막(213)의 타측으로 지향된다. 공급 용액(220)이 낮은 염도의 공급인 경우에, 유도 용액은 매우 희석된다. 매우 희석된 유도 용액(226)은 정삼투 유닛(212)으로부터 배출되며 역삼투 유닛(216)으로 지향되는 반면, 농축된 공급 용액(222)은 정삼투 유닛(212)으로부터 배출되며, 여기서 이는 추가적인 처리를 위해 전달되거나 또는 다른 경우 폐기될 수 있다. 몇몇 경우에, 농축된 공급 용액(222)은 하나 또는 그 이상의 요구될 수 있는 구성 성분들, 예컨대 음식 또는 제약 제품을 포함한다.
매우 희석된 유도 용액(226)은 용매를 막(217)으로 밀어 넣는(forcing) 역삼투 유닛(216) 내에서 가압된다. 이러한 생성 용매(232A)는 역삼투 유닛(216)으로부터 제거될 수 있고, 이는, 예를 들어, 그대로 사용되거나, 폐기되거나, 추가 처리를 위해 전달되거나, 또는 통합 시스템(integrated system) 내의 열 전달 유체로 작용할 수 있는 생성수이다. 역삼투 유닛(216) 의 제1 측(216A) 상에 잔존하는 유도 용액은 이제 더 적게 희석되며 유도 용액을 더 농축하기 위한 추가의 처리를 위하여 전달될 수 있고 및/또는 특정 응용예에 맞추는 데에 필요한 만큼 그대로 정삼투 유닛(212)으로 되돌려져 재활용된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 적게 희석된 유도 용액(227)은 추가적인 농축을 위해 분리/재활용 유닛(230)으로 지향된다. 그러나, 시스템(210)은 또한 적게 희석된 유도 용액의 적어도 일부를 다시 정삼투 유닛(212)으로 직접 또는 분리/재활용 유닛(230)으로부터 배출되는 농축된 유도 용액 스트림(224)과 함께 지향하기 위하여 선택적인 바이패스 라인(by-pass line)(229)(및 임의의 필요한 밸브 구조)를 포함한다.
전반적으로, 분리/재활용 유닛은 예를 들어, 그 개시 내용이 그 전체로서 본 명세서에 참조되어 통합되는 미국 특허 공개 제 2012/0067819 ('819 공개) 또는 '895 출원 내에 기술된 임의의 형태들일 수 있다. 일 실시예에서, 유닛(230)은 용매로부터 유도 용질들을 분리하기 위한 열적 회수 처리를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 유닛(230)은 역삼투 모듈을 포함한다. 회수된 유도 용질들은 유닛(230)으로부터 배출되며(일 실시예에는 바이패스된 희석 유도 용액 스트림(229)와 혼합됨) 농축된 유도 용액(224)로서 정삼투 유닛(212)로 지향되는 반면, 잔존하는 용매(232B)는 유닛(230)으로부터 배출되고 이는, 예를 들어, 그대로 사용되거나, 폐기되거나, 또는 추가 처리를 위해 전달될 수 있는 생성수이다.
도 3A는 도 3의 시스템(210)의 대안을 도시하고, 여기서 시스템(210) 은 역삼투 유닛(216)으로 지향되는 희석된 유도 용액의 삼투압을 변경(예를 들어, 감소)시키기 위한 수단을 포함한다. 희석된 유도 용액의 삼투압을 감소시키는 것은 역삼투 처리를 더 효율적이게 만들며, 이는 희석된 유도 용액의 삼투압을 이겨내는데 더 적은 에너지가 요구되기 때문이며, 이로써 역삼투 유닛(216)으로부터 더 많은 용매 추출이 이루어진다. 전반적으로, 삼투압을 감소시키는 수단은 많은 메커니즘들 및/또는 처리들, 예컨대, 촉매화 상 변화(catalyzed phase change), 가열, 냉각, 반응제의 첨가, 또는 전기장 또는 자기장의 도입을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 물리적인 또는 화학적인 작용제(physical or chemical agent)가 그 안에 유도 용질을 구비한 희석된 유도 용액(226)에 도입될 수 있어 가역적 또는 비가역적으로 그 농도를 감소시키거나 또는 막에 의한 그 배제 특성(rejection characteristics)을 변경시킬 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 전기적 또는 전자기적 신호(예를 들어, UV 광)가 유도 용질의 변화, 예컨대, 상 변화, 이온화 정도의 변화, 또는 용액(226) 의 삼투압을 감소시키는 다른 유도된 변화들을 야기할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 희석된 유도 용액(226)의 삼투압은 pH 수준을 조절하거나, 용질의 이온화 성질을 조절하거나, 또는 용질의 물리적인 크기를 조정함으로써 감소될 수 있다. 예를 들어, 이온 성분(ionic species)은 정제된 비이온(rendered nonionic)일 수 있거나 또는 큰 성분(large species)가 상대적으로 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 가열을 사용하지 않는 기술들, 예컨대 전기 투석(electrodialysis, "ED"), 냉각, 진공 또는 압축이 수행될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 용질의 유기 성분의 용해도는 예컨대, 온도, 압력, pH 또는 희석된 유도 용액(226)의 다른 특성들을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 적어도 몇몇 실시예들에서, 예컨대 나트륨 충전 이온 교환 기술들, 또는 산 및 영기 충전된 이온 교환 같은 이온 교환이 수행될 수 있다. 삼투압을 감소시키기 위한 다른 수단이 본 발명의 범주 내에서 고려 및 착안될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 시스템(210)은 희석된 유도 용액(226)에 물질을 첨가하기 위하여 임의의 필요한 밸브 구성(즉, 포팅 시스템(porting system))을 포함하면서, 유입구(225) 또는 다른 도입 지점을 포함한다. 일 실시예에서, 물질은 수산화 구리(copper hydroxide) [Cu (OH)2]이지만, 다른 금속들/물질들이 본 발명의 범주 내에서 고려 및 착안된다. 첨가 물질은 희석된 유도 용액(226) 내의 특정 유도 용질들을 치우거나(scavenge) 아니면 그에 결합하도록 사용될 수 있다. 유도 용액이 암모니아 베이스인 특정한 실시예에서, 수산화 구리는 역삼투 유닛(216)의 막(217)에 의해 더 쉽게 배제되는 더 큰 분자를 생성하도록 암모니아에 결합될 것이고, 이로써, 희석된 유도 용액의 삼투압을 변경한다.
재활용을 위해 유도 용질들을 더 완전히 회수하며 첨가된 물질을 회수하기 위하여(아니면 희석된 유도 용액의 삼투압을 변경한 상태의 결과들을 되돌리기 위하여), 시스템(210)은 또한 하나 또는 그 이상의 처리 유닛들(214A, 214B)를 포함할 것이고 이들은, 예를 들어, 유입구 상에서 분리/재활용 유닛(230)으로 및/또는 용매 배출구 상에서 폐기될 수 있다. 처리 유닛(들)(214)은 전처리 및 후처리 유닛들(14, 16)에 관하여 앞서 기술된 임의의 형태일 수 있다. 예를 들어, 제1 처리 유닛(214A)은 수산화 구리 및 암모니아를 분리하기 위하여 상 변화 메커니즘(phase change mechanism)을 포함할 수 있는 반면, 제2 처리 유닛(214B)은 생성 용매(232B)로부터 수산화 구리를 제거하기 위하여 나노여과기를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전처리 유닛들(214)은 열원(heat source)(예를 들어, 열 교환기)이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 희석된 유도 용액은 분리/재활용 시스템(230)으로 가기 전에 예열 될 수 있다. 다양한 처리 유닛들(214)이 또한 희석된 유도 용액의 삼투압을 변경하기 위하여 앞서 기술된 임의의 메커니즘들 및/또는 처리들을 통합할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 처리는 더 적게 희석된 유도 용액(227)을 열적, 전자기적, 또는 전기적 신호(예를 들어, 전해조(electrolytic cell))에 노출하는 것을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 희석된 유도 용액(226)은 자외선 또는 다른 에너지 방출원에 노출될 수 있고, 이에 그 삼투압을, 예를 들어, 이온 성분을 더 높은 분자량을 갖는 단일 중성 화합물로 변환하는 활성화 에너지를 극복함으로써 감소시킬 수 있다. 희석된 유도 용액의 화학 반응을 변경시키는 것은 역삼투 처리가 동일한 펌핑 압력에서 더 우수한 용매 회수를 하는 것을 가능케 한다.
도 4는 용매의 추출을 위한 다른 대안적인 시스템(310)을 단순화한 모식도이다. 다만, 이러한 시스템(310)은 모두가 유체 연통하는 두 개의 정삼투 유닛들(312, 316) 및 분리/재활용 시스템(330)을 사용한다. 시스템(310)은 앞서 기술된 것들과 유사하며, 예를 들어, 정삼투 유닛들(312, 316)은 정삼투 막들(313, 317)을 포함하고 시스템(310)은 또한 특정 응용에 맞게 모든 필요한 밸브들, 펌프들, 파이프들 등을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템(310)은, 제1 정삼투 유닛(312)가, 예를 들어, 탱크(305) 내에서 잠기는(submerged) 곳에서 사용되기 위해 구성되며, 제2 정삼투 유닛(316)과 상이한 유도 용액을 사용한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 공급 용액(320)은 제1 정삼투 유닛(312)의 막(313)의 일측으로 지향되는 반면, 농축된 제1 유도 용액(324)는 막(313)의 타측으로 지향된다. 일 실시예에서, 제1 유도 용액은 MgCl2. CaCl2, Ca(NO3)2, NaCl, KCl, 또는 유사 물질로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 제1 유도 용액은 수중계(submerged system)에 적합하도록 선택된다. 희석된 제1 유도 용액(326)은 정삼투 유닛(312)로부터 배출되는 반면, 농축된 공급(322)는 정삼투 유닛(312)로부터 배출된다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 농축된 공급(322)은 탱크(305) 내로 방출될 수 있거나, 폐기되거나 또는 추가적인 처리를 위하여 전달될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 유도 용액은 광분해(photolytic) 유도 용액을 포함하고, 이 경우 희석된 제1 유도 용액(326)은 UV 광 또는 제2 정삼투 유닛(316)으로 전달되기 이전에 그 삼투압을 낮추기 위한 여기원(excitation source)에 노출될 수 있다. 삼투압을 감소시키기 위한 다른 수단(예를 들어, 화학적 첨가)이 본 명세서에서 앞서 논의된 바와 같이 통합될 수 있다.
희석된 제1 유도 용액(326)은 제2 정삼투 유닛(316)의 막(317)의 일측으로 지향되는 반면, 농축된 제2 유도 용액(325)은 막(317)의 타측으로 지향되어 희석된 제1 유도 용액(326)으로부터 용매를 추출하고, 이로써 제1 유도 용액(방출 324')을 재농축한다. 재농축된 제1 유도 용액(324')은, 예를 들어, 스트립퍼(340) 또는 제1 유도 용액(방출 324)의 추가적인 컨디셔닝/농축을 위한 다른 처리 과정으로 지향되고, 이로써 그것은 제1 정삼투 유닛(312)으로 다시 지향될 수 있다.
희석된 제2 유도 용액(327)은 제2 정삼투 유닛(316)으로부터 방출되며 제2 유도 용액의 재농축 및 생성 용매(332)의 회수를 위하여 분리/재활용 시스템(330)으로 지향된다. 전반적으로, 분리/재활용 유닛(330)은, '819 공개 또는 '895 출원을 포함하여 본 명세서에 기술된 임의의 형태일 수 있고 유도 용질들을 용매로부터 분리할 수 있다. 회수된 유도 용질들/재농축된 유도 용액(325)은 유닛(330)으로부터 배출되며 제2 정삼투 유닛(316)으로 다시 지향된다. 잔존 용매(332)는, 예를 들어, 그대로 사용될 수 있거나 추가의 처리를 위해 전달되거나 아니면 폐기될 수 있는 생성수로서, 유닛(330)으로부터 배출된다.
도 4a는 도 4의 시스템(310)의 대안예를 도시하고, 여기서 시스템(310)은 제1 정삼투 유닛(312)의 배출구를 통해 희석된 제1 유도 용액(326)에 유체 연통하고 제2 정삼투 유닛(316)의 공급 측에 유체 연통하는 추가적인 역삼투 유닛(346)을 포함한다. 이러한 대안적인 시스템을 위한 하나의 특정한 응용에서, 제1 공급(320)은 낮은 염도의 공급이고 희석된 제1 유도 용액(326)은 많이 희석되게 될 수 있다. 역삼투 유닛(346)은, 제2 정삼투 유닛(316)에 공급되기 이전에, 많이 희석된 유도 용액(326)을 적어도 부분적으로 농축할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 희석된 유도 용액(326)은 역삼투 유닛(346)의 막(345)의 일측으로 압력 하(under pressure)에서 도입된다. 희석된 유도 용액(326)의 가압(pressuration)은 제1 정삼투 유닛(312)으로부터 배출되는 용액의 증가된 부피에 기인하거나 또는 압력 교환 장치(pressure exchange device)(예를 들어, 펌프)의 보조로 인한 것일 수 있다. 생성 용매(232B)(예를 들어, 음료수)는 막(345)의 타측으로부터 회수되며 그대로 사용되거나 폐기되거나 또는 추가의 처리를 위해 전달될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 생성 용매는 마시는 물로 사용될 수 있다. 적게 희석된 제1 유도 용액(326')은 역삼투 유닛(346)으로부터 배출되며 앞서 기술된 바와 같은 처리를 위하여 제2 정삼투 유닛(316)으로 지향된다. 추가로, 앞서 논의된 유도 용액의 삼투압을 변경시키기 위한 다양한 수단은 시스템(310) 내에 병합될 수 있다.
도 5는 용매의 추출을 위한 다른 대안적인 시스템 (510)의 단순화된 모식도이다. 이러한 시스템(510)은, 모두가 다양한 유체 연통 상태들인, 역삼투 유닛(516), 두 개의 정삼투 유닛들(512, 546), 및 분리/재활용 시스템(530)을 사용한다. 시스템(510)은 앞서 기술된 것들, 예를 들어, 앞서 기술된 바와 같이 막들(513, 517, 545)을 포함하는 다양한 삼투 유닛들(512, 516, 546)과 유사하고 시스템(510)은 특정한 응용에 맞추어 또한 모든 필요한 밸브들, 펌프들, 파이프 등을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템(510)은, 유출 폐수(wastewater effluent)가 농축된 공급(예를 들어, 크게 농축된 소금물)을 희석하기 위해 사용되어 이를 더 쉽게 폐기할 수 있게 하는 응용을 위해 구성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 공급 스트림(520)(예를 들어, 해수)은 압력 하에서 역삼투 유닛(516)의 막(517)의 일측으로 도입된다. 생성 용매(532A)(예를 들어, 음료수)는 막(517)의 타측으로부터 회수되며 추가적인 처리를 위해 전달되거나 아니면 폐기될 수 있다. 농축된 공급(522)(예를 들어, 소금물)은 이어 제1 정삼투 유닛(512)의 막(513)의 일측으로 지향된다. 일 실시예에서, 역삼투 유닛(516)은, 정삼투 유닛(512)으로 지향되기 전에 낮은 염도의 공급을 농축하기 위하여 사용될 수 있다. 대안적으로, 역삼투 유닛(516)은 생략될 수 있고, 공급(520)은 제1 정삼투 유닛(512)으로 직접 전달된다.
농축된 유도 용액(524)은 제1 정삼투 유닛(512)의 막(513)의 타측으로 지향되어 공급 스트림(522)(또는 특정 실시예들에서는 520)으로부터 용매를 끌어낸다(draw). 일 실시예에서, 이하에서 기술된 바와 같이, 농축된 공급 스트림(522')은 제2 정삼투 유닛(546)으로 지향된다. 여기서, 희석된 유도 용액(526)은 제1 정삼투 유닛(512)으로부터 배출되며 생성 용매(532B)의 회수 및 재농축을 휘하여 분리/재활용 시스템(530)으로 지향된다. 전반적으로, 분리/재활용 유닛(530)은 앞서 기술된 임의의 형태일 수 있다. 회수된 유도 용질들/재농축된 유도 용액(524)은 유닛(530)으로부터 배출되며 제1 정삼투 유닛(512)으로 다시 지향된다. 잔존 용매(532B)는, 예를 들어, 그대로 사용될 수 있거나 추가적인 처리를 위해 전달되거나 아니면 폐기되는 생성수로서 유닛 (530)으로부터 배출된다. 대안적으로 또는 추가로, 용매는 용매 라인(532c)을 통해 최초의 공급(520)으로 지향될 수 있고 RO 모듈(516)로의 도입을 위해 공급(520)과 혼합되거나 또는 RO 모듈(516)에 직접 공급될 수 있다.
추가적인 농축된 공급 용액(522')(예를 들어, 농축된 소금물)이 제2 정삼투 유닛(546)의 막(545)의 일측으로 도입된다. 다양한 실시예들에서, 농축된 공급 용액(522')은 압력 하에서 도입되고 제2 정삼투 유닛은 PRO 유닛으로 작동한다. 전반적으로, 농축된 공급(522')은, 특히 농축된 소금물의 경우에, 그대로 방출된다면 환경에 부정적인 영향을 가질 수 있다. 예를 들어, 자연적인 수원들(natural water source)로의 고염분 용액들(hyper-saline solutions)의 방출은 그 지역 생태계들을 붕괴시킬 수 있다. 농축된 공급(522')을 희석하기 위한 제2 정삼투 유닛(546)의 사용은 이러한 희석된 공급(522'')이 전체적으로 폐기되기 쉽게 및 일반적으로 더 방출에 적합하게 만들 수 있다. 본 명세서에서, 농축된 공급(522')은 유도 용액의 소스(source)로서 사용된다. 농축된 공급(522')이 용매를(예를 들어, 물) 그로부터 끌어당기는 보조적인 공급 용액은 보통 응용이 제한된 소스이고 및/또는 일반적으로 인간의 사용에 바람직하지 않다. 일 실시예에서, 보조적인 공급(547)은 폐수의 배출이고, 이는, 많은 응용들을 위해 안전하게 사용되며 처리되나, 보통 인간의 사용에 요구되지 않는다. 대안적으로 또는 추가적으로, 보조적인 공급(547)은 최초의 공급(520), 예를 들어, 보조적인 공급(547)을 보충하거나 교체하는 공급(520)의 일부를 갖는 분할 스트림(split stream)으로부터의 것일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 보조적인 공급(547)은 제2 정삼투 유닛(546)의 막(545)의 타측으로 지향된다. 농축된 공급(522')은 정삼투 유닛(546)으로부터 배출되는 희석된 공급(522'')을 생성하는 막(545)을 가로질러 용매를 끌어당기며, 폐기되거나 추가적인 처리를 위해 전달될 수 있다. 제2 정삼투 유닛(546)이 PRO 유닛인 실시예들에서, 시스템(510)은 공급/유도 용액 배출구(543)에 유체 연통하는 터빈(548)을 포함할 수 있다. PRO 유닛들의 예들은 미국 특허 공개 문헌 제 2010/0024423 및 제2010/0183903 내에 기재되며, 그 개시 내용은 이에 그 전체로서 본 명세서에 참조 되어 통합된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 시스템(510)은 희석된 공급(522'') 의 적어도 일부를 역삼투 유닛(516) 및/또는 제1 정삼투 유닛(512)으로 가는 공급(520)으로 다시 지향하기 위하여 바이패스 라인(529)(및 임의의 필요한 밸브들)를 포함할 수 있다.
농축된 보조적인 공급(549)은 제2 정삼투 유닛(546)으로부터 배출되며 폐기되거나 또는 추가적인 처리를 위해 전달될 수 있다. 폐수를 유출하는 공급(547)의 경우에, 농축된 유출(549)은, 용매의 제거로 인해 이제 더 작은 부피를 가지며, 소각로(incinerator)로 지향되거나 추가적인 농축/처리를 위해 폐수 처리 시설로 다시 지향될 수 있다. 추가적으로, 제2 정삼투 유닛(546)은 하나 또는 그 이상의 실시예들에서 침수될(submerged) 수 있다.
도 6은 용매의 추출을 위한 다른 대안적인 시스템(610)의 단순화된 모식도이다. 이러한 시스템(610)은, 다만, 선택적 막 유닛(656)에 유체 연통하는 하나 또는 그 이상의 정삼투 유닛(들)(612) 및 분리/재활용 시스템(630)을 사용한다. 다양한 실시예들에서, 선택적 막은 양이온 선택적 막(655)이고 선택적 막 유닛(656)은 물 연화 모듈(water softening module)이다. 시스템(610)은 앞서 기술된 것들과 유사하며 이하에서 기술될 하나 또는 그 이상의 전처리 및/또는 후처리 유닛들(614, 616)을 포함할 수 있다. 전처리 및 후처리 유닛들(614, 616)은 앞서 기술된 임의의 형태일 수 있다. 추가적으로, 시스템(610)은 특정한 응용에 맞추어 모든 필요한 밸브들, 펌프들, 파이프들 등을 또한 포함한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 시스템(610)은 선택적 막 유닛(656), 바이패스 회로 또는 밸브 배열(611)(밸브(623A, 623B) 및 라인(621)), 정삼투 유닛(612), 분리/재활용 시스템(630), 프라이밍 시스템(priming system) 또는 제2 밸브 배열(619)(밸브(623C) 및 유입구(625)), 및 다양한 전처리 및 후처리 유닛들(614,616)을 포함한다. 정삼투 유닛(612) 및 분리/재활용 유닛(630)은 전반적으로 다른 시스템들(10, 210, 310, 510)에 대하여 앞서 기술된 바와 같이 동작한다. 전반적으로, 제1 밸브 배열(611)은 공급 용액 스트림(620)을 선택적 막 유닛(656)으로 지향하거나 또는 선택적 막 유닛(656)을 우회하면서(by-passing) 공급 스트림(620)을 정삼투 막(613)의 일측에 직접 유체 연통시키도록 구성된다. 분리/재활용 시스템(630)은 정삼투 막(613)의 타측에 유체 연통 되며 농축된 유도 용액(624)을 공급하며 희석된 유도 용액(626)을 처리한다.
선택적 막 유닛(656)이 양이온 선택 막 유닛인 다양한 실시예들에서, 유닛(656)은 경도 이온들(hardness ions), 예를 들어, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 및 스토론튬을 공급 용액(620)으로부터 제거하도록 사용된다. 이러한 다양한 경도 이온들은 담수화 시스템들 내에 침잠되는 경향을 가지며, 이는 담수화 처리에 해로운 파울링(fouling) 및 스케일링(scaling)을 야기한다. 연화된 공급 용액(620')이 정삼투 유닛(612)의 막(613)의 일측으로 지향된다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 초기 공급 용액(620)은 제1 처리 유닛(614A)에 의해 처리될 수 있고, 및/또는 연화된 공급 용액(620')은 정삼투 유닛(612)으로 도입되기에 앞서 제2 처리 유닛(614B) 내에서 추가로 처리될 수 있다. 보통, 양이온 선택적 막 유닛(656)은, 도 6a에 더 상세히 논의되는 바와 같이, 정삼투 유닛(612)으로부터의 농축된 공급(622)을 막(545)의 타측 상에서 경도 이온들의 교환을 위한 초기 공급(620)으로서 사용한다. 그러나, 각각의 유닛 (612, 656)이 "공급" 스트림을 위해 타방에 의존하기 때문에, 유닛들 (612, 656) 중 하나 또는 모두는 보통 프라이밍될(primed) 필요가 있을 것이다.
일반적으로, 시스템(610)은, 원료 공급(raw feed)으로서 직접적으로 또는 처리 유닛들(614) 중 하나에 의한 처리 이후에 간접적으로 정삼투 유닛(612)에 공급 용액을 제공하는 데 필요한 밸브들(623A, 623B) 및 라인(621)을 포함하는, 바이패스 회로(611)를 포함한다. 바이패스 회로(611)는 임의의 개수 및 배열의 밸브들 및 라인들을 특정 응용에 맞추는데 필요한 만큼 포함할 수 있고 하나 또는 그 이상 처리 유닛들(614)도 필요한 만큼 포함할 수 있다. 바이패스 회로(611)는 시스템(610)이 양이온 선택적 막 유닛(656)이 공급 (620)을 연화시키는 데 필요한 농축된 공급(622)의 생성을 시작하게 한다. 대안적으로, 공급(620)은 정삼투 유닛(612)을 최초로 프라이밍하기 위하여 직접 유닛(656)을 통해 그 안에서의 처리 없이 전달될 수 있다. 또 다른 가능한 실시예에서, 바이패스 회로(611)는 포트 또는 정삼투 유닛(612)으로 대안적인 공급을 도입하기 위한 다른 수단을 포함할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 시스템(610)은 프라이밍 시스템(619)을 포함할 수 있고 이는 프라이밍 용액(예를 들어, 소금물)을 양이온 선택 막 유닛(656)에 제공할 수 있어 정삼투 유닛(612)으로의 초기 공급을 연화시킬 수 있다. 프라이밍 시스템(619)은 하나 또는 그 이상의 밸브들(623C) 및 프라이미 용액을 시스템(610)으로 도입하기 위한 하나 또는 그 이상의 유입구(들)(625)(또는 다른 수단들)을 포함한다. 시스템(610)이 정상 상태(steady state)에 도달하면, 프라이밍 용액의 공급은 중단될 수 있다. 시스템 밸브(들)(623C)는 또한, 예를 들어, 양이온 선택 막 유닛(656)을 우회시키거나 또는 농축된 공급(622)을 방출시키도록 농축된 용액(622)을 재지향(redirect)시킬 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 시스템(610)은, 농축된 공급(622)을 양이온 선택 막 유닛(656)에 지향시키거나 방출하기 이전에 추가적으로 처리하기 위해, 후처리 유닛(616)을 포함할 수 있다.
공급이 소금물 소스인 양이온 선택 막 유닛(656)의 작용이 하나의 가능한 실시예에 대하여 도 6a에서 도시된다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 소금물 공급(620)은 유닛(656)의 양이온 선택 막(655)의 일측 상에 도입된다. 공급(620)은 나트륨 이온들(Na+) 및 염소 이온들(Cl-)을 다양한 경도 이온들, 예컨대 칼슘(Ca2+), 마스네슘(Mg2+), 바륨(Ba2+), 및 스트론튬(St2+)과 함께 포함한다. 정삼투 유닛(612)(또는 다른 소스)으로부터의 농축된 소금물(622)은 양이온 선택 막(655)의 타측으로 도입된다. 막(655)을 가로지르는 나트륨 양이온(Na+)의 화학적 활성의 차이는 나트륨 이온들을 막(655)을 가로질러 소금물(622)로부터 공급(620)으로 이동시킨다. 전기 선택성(electro-selectiveity)은 막(655)을 가로질러 공급(620)으로부터 소금물(622)로의 양전하를 띤 경도 이온들(예를 들어, Ca2+, Mg2+, Ba2+, 및 St2+)의 통로를 생성한다. 막(655)가 양이온 선택적이기 때문에, 음전하를 띤 이온들(예를 들어, Cl-, SO4-, HCO3-, 및 CO3-)는 막(655)을 통과하지 못하며, 이로써 정삼투 유닛(612)으로 지향되기 위한 연화된 공급(620')이 생성된다. 이제 경도 이온들을 함유하는 농축된 또는 무거운 소금물(622')은 추갖거인 처리를 위해 전달되거나 또는 폐기될 수 있다.
도 7은 하나 또는 그 이상의 정삼투 모듈들(712a, 712b, 712"n")(전체로서 712, 여기서 "n"은 시스템(710)의 임의의 특정한 실시예에서 포함될 수 있는 가상의 제한 없는 모듈들의 수를 나타냄)을 사용하는 대안적인 정삼투 시스템(710)을 도시하며, 이는 직렬로(in series) 또는 병렬로(in parallel) 배열될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 정삼투 모듈들(712)은 분리/재활용 시스템(730) 및 막들(713a, 713b, 713n)(다시, 전체로서 713, 여기서 n은 막들의 몇몇 상응하는 개수를 나타냄)을 세정하기 위한 삼투 역 세정(osmotic back-flushing) 시스템(750)에 대해 직렬로 배열된다. 전체적으로, 정삼투 모듈들(712)은 앞서 기술된 것들과 유사하게 구성되며 작동한다. 게다가, 분리/재활용 시스템(730)도 앞서 기술된 것들과 유사하다. 오직 하나의 분리/재활용 시스템(730)이 도시되었으나, 복수의 시스템들(730)이 특정 응용(예를 들어, 하나의 시스템(730)이 각각의 정삼투 모듈들(712)에 대해 또는 직렬 또는 병렬인 복수의 시스템들/스테이지에 대해 치수 및 배관 구성이 이루어짐)에 맞추어 사용될 수 있다. 역 세정 시스템(750)은 전체적으로 역 세정 용액(751)의 소스(755), 유체 전달 기기(예를 들어, 펌프)(753), 일련의 밸브들(757, 759, 765, 767, 769), 센서들(761)(게이지들(gauges) 또는 상태 표시 등(status lights)과 같은 시각적 표시기(visual indicator)를 포함하거나 포함하지 않음), 및 이하에서 더 상세히 기술되는 것과 같은 역 세정 및 관련 처리들을 수행하는 연관된 배관 연결을 포함한다. 모든 밸브들 및 다른 구성들은 분리 가능하게 배관 연결될 필요가 없을 수 있고, 임의의 수/조합의 밸브들 또는 다른 구성들이 하나 또는 그 이상의 매니폴드 조립체들에 합체될 수 있다.
기본 시스템(710)의 동작은 아래와 같이 진행된다: 공급 스트림(720)은 제1 정삼투 모듈(712a)로 도입되고 이는 반투과 막(713a)에 의해 제1 챔버 또는 측(712')과 제2 챔버/측(712'')으로 분리된다. 공급 스트림(720)은 각각의 연속적인 정삼투 모듈(712a, 712b, 및 712n)로 지향되며 농축된 공급 스트림(722)으로서 마지막 모듈(712n)로부터 배출된다. 정삼투 모듈들(712)의 특정한 수 및 배열이 특정 응용(예를 들어, 시작 농도 및 공급 스트림의 최후 농도, 유량(flux) 및 유동 속도(flow rates) 등에 대한 요구)에 맞추어 선택될 것이며 직렬 및/또는 병렬로 배열된 임의의 수의 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 병렬 쌍들(parallel pairs)인 정삼투 모듈들이 직렬로 배열될 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서, 농축된 유도 용액(724)은 직렬인 정삼투 모듈들(712)의 마지막 모듈(712n)로 및 공급 스트림(720)으로서 막(713n)의 타측으로 도입되고, 이로써, 유도 용액(720)이 연속하는 모듈들(712)을 통해 지향되어, 공급 스트림(720)과 유도 용액(724) 사이에 횡단 유동(cross-flow)을 제공한다. 다만, 농축된 유도 용액(724)은, 공급 스트림(720)이 처음에 도입되는 동일한 모듈(712a)로 우선 도입될 수 있고 및/또는 특정 응용에 맞추어 복수의 스테이지들 내로 동시에(즉, 병렬로) 도입될 수 있다. 추가로, 다양한 스트림들/용액들이 막들(713)을 가로지르는 데 요구되는 유량을 유지하기에 필요한 최적의 삼투압 차이(optimum differential osmotic pressure)를 달성하기에 필요한 만큼 조절/분배될 수 있다.
공급 스트림(720)은 각각의 정삼투 모듈(712)을 통과해 지나감으로써 더 농축되며, 여기서 앞서 언급된 농축된 공급 스트림(722)은 마지막 정삼투 모듈(712n)로부터 방출된다. 농축된 유도 용액(724)은, 공급 스트림으로부터 유도 용액 내로 막들(713)을 가로지르는 용매의 통과로 인해, 각각의 연속하는 정삼투 모듈(712)을 통과해 지나감으로써 희석되고; 희석된 유도 용액(726)은 "제1" 정삼투 모듈(712a)로부터 방출된다. 보통, 농축된 공급 스트림(722)은 폐기되거나 추가의 처리를 위해 전달되는 반면, 희석된 유도 용액(726)은 유도 용매들을 회수하고/ 유도 용액을 재농축하고 및 생성 용매(예를 들어, 물)(732)를 회수하기 위하여 분리/재활용 시스템(730)으로 지향된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 각각의 정삼투 모듈(712)로부터 배출되는 더 농축된 공급 스트림의 일부는 초기 공급 스트림(720)에 다시 재지향되어 혼합될 수 있거나 또는 막들(713)을 가로지르는 최적의 삼투압 차이를 유지하기에 필요하므로 후속하는 정삼투 모듈(712)로 지향될 수 있다. 예를 들어, 후속하는 모듈(712)로 지향되는 공급 스트림이 과하게 농축된 때에, 이에 막(713)을 가로지르는 삼투압의 차이가 너무 작아 용인되기 어려운 유량 강하가 발생하여, 이전의 모듈(712)로부터 배출되는 더 적게 농축된 공급의 일부가, 예를 들어, 밸브들(767b-767n)의 적절한 작동을 통해, 후속하는 모듈로 진입하는 공급과 혼합될 수 있다.
앞서 기술된 바와 같이, 삼투 역 세정 시스템(750)은 세정 용액(flushing solution)(751)의 소스(755)를 포함할 것이고, 이는 하나 또는 그 이상의 정삼투 모듈들(712)에 하나 또는 그 이상의 밸브들(757, 759, 765, 767)을 통해 유체 연통 된다. 몇몇 실시예들에서, 세정 용액(751)은 물(예를 들어, 생성 용매(732) 또는 다른 낮은 염도 용액)이나; 다른 유체들이 예컨대, 예를 들어, 희석된 방식의 유도 용액(예를 들어, 역 세정이 진행중인 모듈로 지향될 수 있는 하나 또는 그 이상의 모듈들로부터 배출되는 희석된 유도 용액) 또는 응용 특정 용액 화학 반응(application specific solution chemistry)(예를 들어, 시스템의 하나 또는 그 이상의 양태들에 화학적으로 호환되고 및/또는 공급 스트림 내로 유동될 때 추가적인 유리한 효과들을 가질 수 있는 용액)이 용액이 공급 스트림에 비해 작은 삼투압을 가져 유도 측(712')으로부터 막(713)의 공급측(712'')으로 유동이 생성되는 동안, 본 발명의 범주 내에서 고려 및 착안될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 세정 용액(751)은 산막의 활성 층 상의 오염물을 감소/제거하기 위하여 막을 통과하는 유동을 되돌릴 수 있는 산(acid), 킬레이트 제(chelator), 또는 계면 활성제와 같은 첨가제를 포함할 수 있다. 그러함 첨가제의 예시들은: 시트르 산, 황산, 염산, 에킬렌디아민 테트라 아세트산(EDTA) 및 다른 저분자량 물질을 포함한다. 추가적인 실시예들에서, 세정 용액(751)의 온도는 특정 응용에 맞추어 변화될 수 있고, 예를 들어, 세정 용액의 온도는 막을 통과하는 첨가물(additive)의 역 유동을 돕도록 증가할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 세정 용액(751)은 전체 시스템(710)의 일부로서 탱크(755) 내에 저장되고; 다만, 이는 외부 소스로부터 예를 들어, 포트(763b) 및 밸브(759b) 배열을 통해 공급될 수 있다. 밸브들(757, 759, 765, 767, 769)은 필수적으로 차단(shut-off) 및 지향(directional) 밸브들의 임의의 조합일 수 있고, 산업계에 잘 알려진 바와 같은, 다양한 시스템들(730, 750) 및 모듈들(712) 사이에서 복수의 스트림들을 제어할 수 있는 보통 다 방향(multi-directional) 밸브들일 수 있다.
일반적으로, 역 세정 시스템(750)은 (예를 들어, 수동 시동을 통해 또는 시스템(710)의 하나 또는 그 이상의 성능 특성들의 변경을 나타내는 신호에 의해 촉발된 바와 같이) 요구된 대로 또는 예를 들어, 공급 스트림들(720, 722) 및/또는 유도 용액들(724, 726)의 속성/화학 반응, 작동 조건들(예를 들어, 온도, 유속(flow rates), 유량(flux), 압력 등), 전처리의 유무, 및 그 들의 조합들에 따른 특정 간격들(intervals)로 작동될 수 있다. 예를 들어, 역 세정 시스템(750)은 하나의 작업 내의 모든 모듈들(712)을, 예를 들어, 세 시간 간격들로, 또는 다른 응용 특정 시간 간격으로 세정하도록 프로그램될 수 있고, 예를 들어, 공급 스트림(720)이 막들(713)을 오염시키는 높은 가능성을 가질 때 더 빈번한 시간 간격이 바람직할 수 있다. 다른 간격들은, 예를 들어, 작업의 처음 주기 동안 48 시간마다 또는 6 시간 마다인 것 및 후속하는 작업들의 주기들에 대하여 더 짧은 또는 더 긴 것을 포함할 수 있다. 또한, 삼투 역 세정 과정의 기간은 특정 응용에 맞추어 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 역 세정 시스템(750)은 모듈(712)의 상류(upstream) 및/또는 하류(downstream)에 위치된 하나 또는 그 이상의 센서들(761)에 의해 생성되는 하나 또는 그 이상의 신호들을 기초로 필요한 만큼 개별적인 모듈들(712)을 세정할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 시스템은 삼투 역 세정 과정을 개별적인 모듈들로 각각이 특유한 프로토콜을 갖는 모듈들 상에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 각각의 모듈은 매 6 시간 내지 24 시간 마다 엇갈린 일정(staggered schedule), 예컨대 제1 모듈은 매 12시간 마다 세정 되고, 제2 모듈은 제1 모듈의 세정 후 2 시간 이후에 세정 되고 매 12 시간마다 세정 되고, 제3 모듈은 그 두 시간 이후에 매 12 시간마다 또한 세정 되는 등으로 세정 될 수 있다. 모듈들에 대한 세정기간은 실질적으로 동일하거나 특정 응용에 맞추어 변할 수 있다. 예를 들어, 공급 유입구의 하류의 마지막 모듈은 가장 농축된 공급에 노출되기 때문에 더 많은 오염물질을 가질 수 있고 그런 모듈은 더 오린 기간 또는 대안적으로 다른 모듈들에 비해 더 빈번하게 세정될 필요가 있다. 세정 간격들 및 기간들의 필수적인 임의의 조합이, 모듈들의 수, 공급 및 유도 용액의 화학 반응들, 주변 조건들, 막 재료들 등에 의해 정의될 수 있는 바와 같이, 응용 맞추어 이루어질 수 있다.
역 세정 과정이 필요한 것으로 결정된 때에, 시스템 성능 특성 변화(예를 들어, 보통 지속적으로 모니터링되는 유량 강하)이 계측 또는 미리결정된 프로토콜을 기초로, 하나 또는 그 이상의 밸브들이 다양한 스트림들/용액들의 유동 경로들을 재지향하도록 (수동으로 또는 제어 시스템에 의해 전자적으로) 작동될 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따른 정상 작동(normal operation)에서, 밸브들(757a, 757b, 757d)은 정삼투 모듈들(712) 내로 (분리/재활용 시스템(730)으로부터 또는 아니면 예를 들어, 포트(763b) 및 밸브(759b)의 배열을 통해 시스템(710)에 도입되어) 농축된 유도 용액(724)이 직접 유동하는 것 및 희석된 유도 용액(726)을 정삼투 모듈(712)로부터 분리/재활용 시스템(730)으로 방출하는 것이 가능하게 위치된다. 추가적인 밸브들(예를 들어, 유동 제어(flow control) 또는 압력 방출(pressure relief) 형) 및 센서들(761)이 다양한 시스템들 및 그 사이의 유동들을 추가적으로 모니터링 및 제어하기 위하여 있을 수 있다. 예를 들어, 시스템(710)은, 초과의 및/또는 불필요한 용질들(예를 들어, 공급 스트림(720)으로부터 막(713)을 관통하여 지나가는 용질들)을 희석된 유도 용액(726) 내에서 제거하는 블로우 다운(blow down)으로 사용될 수 있는, 산업계에서 잘 알려진 바와 같은, 분리/재활용 시스템(730)으로 희석된 유도 용액(726)을 운반하는 라인 내의(in the line) 추가의 포트(763a) 및 밸브(759a)의 배열을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 포트(763a) 및 밸브(759a)의 배열은 시스템(710)에 추가적인 화학 물질들을 도입하고 및/또는 유도 용액을 생성하도록 사용될 수 있고, 예를 들어, 디소듐포스페이트(disodium phosphate)가 희석된 유도 용액(726)에 첨가되어 그 pH를 조절할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 포트(763b) 및 밸브(759b)의 배열은 추가적인 화학 물질들을 도입하고 및/또는 시스템(710)을 초기에 프라이밍하거나 농축된 유도 용액(724)의 소스를 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
역 세정 과정을 시작하기 위하여, 적어도 밸브(757d)가 정삼투 모듈(712)로의 농축된 유도 용액(724)의 유동을 중단시키며 세정 용액(751)을 역 세정 시스템(750)으로부터 정삼투 모듈들(712)의 유도 측면(712')으로 도입시키도록 작동한다. 대안적으로, 밸브(757d)는 농축된 유도 용액(724)의 유동을 상당히 감소시키며 예를 들어, 임의의 주어진 모듈(712) 내부로 도입되는 세정 용액(751)을 커스터마이징(customize)하기 위해 세정 용액의 속성에 따라 세정 용액(751) 내부로 도입되는 그 일부를 계량하도록 작동될 수 있다. 보통, 세정 용액(751)은 정삼투 모듈들(712) 내로 직렬로 도입되나; 세정 용액(751)은 모듈들(712) 내로 밸브들(757, 759, 765, 767, 769)의 적절한 조합 및 작용을 통해 단독으로 또는 병렬로 도입될 수 있다. 예를 들어, 밸브(757c)는 세정 용액을 모듈들의 전체 열(entire series)로 지향하거나 복수의 모듈들(712) 사이에서 세정 용액(751)을 분배하도록 작동할 수 있다. 일 실시예에서, 삼투 역 세정 과정은 단일 모듈/스테이지 상에서 한번에(일 모듈은 적절한 밸브들의 작동을 통해 남은 모듈들로부터 격리될 수 있음) 수행되는 반면, 다른 모듈들/스테이지는 정상적인 작동을 지속하며, 이로써 전체 시스템의 정상 상태 동작이 유지된다. 추가적인 밸브 배열들이 세정 용액(751)을 특정 응용에 맞추어 다른 스트림들/용액들과 혼합시키기 위해 사용될 수 있다. 일 예에서, 희석된 유도 용액(726)은 용액(724)을 밸브들(757, 759, 765)을 통해 모듈들(712)로 재지향하여 세정 용액으로서 사용될 수 있다. 세정 용액(751)이 낮은 농도의 용질을 가지기 때문에(또는 탈이온수의 경우에 본질적으로 아무런 용질도 가지지 않기 때문에), 즉, 낮은 삼투압 가능성이기 때문에, 용매는 모듈(712)의 유도 측(712')으로부터, 막(713)을 가로질러, 및 공급 측(712'') 내부로(즉, 공급 스트림(720) 내부로) 유동할 것이고, 이로써 막(713)의 공급 측(712'') 상에 침착될 수 있는 스케일 또는 오염 물질의 적어도 일부가 제거된다. 역 세정 과정의 기간은 특정 응용에 맞추어 변화될 것이며 1 분 내지 60분 동안, 바람직하게 5분 내지 45분 동안, 및 더욱 바람직하게 10분 내지 20분 동안 지속할 수 있다. 일반적으로, 과정의 기간은 막에 부착된 스케일/오염 물질의 상당 부분 또는 전부가 최소 양의 휴지 시간(down time)(예를 들어, 공급 스트림(720)이 농축되지 않은 때의 시간)을 갖고 제거되도록 선택될 것이다. 하나의 예시적인 실시예에서, 삼투 역 세정은 약 15분 동안 48 시간마다 이루어진다. 또 다른 실시예에서, 삼투 역 세정은 5 내지 10분 동안 매 1 내지 2 시간마다 이루어진다. 추가로, 모듈(712)을 관통하는 유도 용액 또는 공급 스트림의 유속(flow rate)은 세정 과정 동안 변화될 수 있다. 예를 들어, 공급 스트림(720)(역 세정 과정 동안의 유도 스트림)의 유속은, 예를 들어, 막 표면상에 형성된 임의의 오염물/스케일링 상의 전단력들(shear forces)을 증가시키도록 증가될 수 있다. 증가된 유속은 또한 삼투 역 세정 동안 높은 유량(flux rate)를 야기하며, 추가로 막의 세정을 보조한다. 더하여, 시스템(710)은 각각의 정삼투 모듈들(712) 상의 재순환 회로들(recirculation circuits)(771a, 771b, 771n)을 포함할 수 있다. 회로들(771)은 펌프(또는 다른 압력 교환 기기) 및 임의의 삼투 모듈(712)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 삼투 역 세정 프로토콜은, 예를 들어, 모듈(712)를 통과하는 유속을 변화(예를 들어, 증가)시키거나 및/또는 공급 스트림의 적어도 일부의 유동 방향을 되돌림(reversing)으로써 막의 세정을 보조하기 위하여 재순환 회로(771)를 작동시키는 것을 포함한다. 다시, 세부적인 세정 프로토콜은 특정 응용에 맞추어 선택될 것이다. 다른 작동 파라미터들 사이에서, 공급 스트림의 화학 성질, 목표 유량, 작동 압력들, 및/또는 온도들은 적절한 삼투 역 세정 과정(예를 들어, 간격, 기간, 용액 화학 반응 등)을 결정하는 데에 모든 요소가 될 수 있다.
모듈(들)(712)로부터 방출되는 "사용된" 세정 용액(751')은 분리/재활용 시스템(730)으로 지향될 수 있고, 하나 또는 그 이상의 모듈들(712)을 통해 다시 재순환되거나, 세정 용액(751)의 속성에 따라, 밸브들(757, 759 765, 769)의 적절한 작용을 통해 역 세정 시스템(750)으로 반환될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 세정 용액(751')은 포트(763a) 및 밸브(759a)의 배열을 통해 제거되거나, 폐기되거나, 역 세정 시스템(750)으로 반환되거나, 공급 스트림(720)으로 첨가되거나, 또는 처리를 위해 다른 곳으로 전달될 수 있다. 여기서 희석된 공급 스트림(722')은 초기 공급 스트림(720)으로 다시 재순환되거나 또는 예를 들어, 적어도 밸브(757e)의 작동을 통해 농축된 공급(722)을 갖는 추가적인 처리를 위해 폐기/전달될 수 있다.
일반적으로, 직렬로 배열된 모듈들(712)이 작동할 때, 도 7 내에 도시되며 앞서 기술된 바와 같이, 공급 스트림(720) 및 유도 용액(724)의 횡단 유동(cross-flow)으로 작동하여 것이 보통 요구되며, 이로써 공급 스트림의 농도는 그것이 모듈들(712)을 통과하여 유동할 만큼 증가되고 유도 용액의 농도는 그것이 모듈들(712)을 통과하여 유동할 만큼 감소한다. 공급 스트림 및 유도 용액의 횡단 유동의 방향은 본 실시예에서 수직한 것으로 간주될 수 있으나; 다른 실시예들에서, 공급 스트림 및 유도 용액의 횡단 유동은 또한, 단지 평행하거나 수직한 것이 아니라, 접선 방향인 것(tangential)일 수 있다. 이러한 배열은 모듈(712a) 내의 막(713a)을 가로질러 최소한으로 농축된 유도 용액에 마주하는 최소한으로 농축된 공급 스트림 및 모듈(712n) 내의 막(713n)을 가로질러 최대한으로 농축된 유도 용액에 마주하는 최대한으로 농축된 공급 스트림을 야기한다. 이는 전체 모듈들(712)을 가로지르는 최적의 삼투압 차이를 야기한다. 그러나 몇몇 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 정삼투 모듈들(712)을 가로지르는 삼투압 차이를 변경하여 공급 스트림(720)으로부터 용매 회수/제거를 증가시키도록 그 또는 나중의/후속하는 (유도 용액 유동 방향에 의해 결정되는 바와 같은) 정삼투 모듈(712)을 가로지르는 유량(flux)을 증가시키는 것이 요구될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 이는 하나 또는 그 이상의 다른 용액들의 부분(들)을 특정 모듈(712)로 도입하기 위하여 역 세정 시스템(750)의 적어도 일부를 사용함으로써 달성될 수 있고, 이로써, 임의의 특정 막(713)을 가로지르는 삼투압 차이를 변경한다.
그러한 하나의 예에서, 농축된 (또는 소스에 따라 적어도 더 농축된) 유도 용액(724)의 일부가 다른 전형적인 작업 동안 후속하는 정삼투 모듈(712) 내로 도입 되는 부분적으로 희석된 유도 용액에 첨가될 수 있고 이는 막을 가로지르는 추가적인 유량을 야기할 수 있다(즉, 더 큰 용매 회수). 이는 밸브(757b) 및 시스템 내의 모듈들(712)의 개수에 따른 하나 또는 그 이상의 밸브들(759c, 759n, 765)을 작동시킴으로써 달성될 수 있고, 이러한 배열, 및 그 모듈들의 유량(flux rate)이 수정의 대상이 된다. 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 밸브(757b)는 복수의 모듈들(712)로 가는 농축된 유도 용액(724)의 부분들을 계량하기 위해 사용될 수 있고, 이에 임의의 특정 모듈(712)로 가는 농축된 유도 용액의 유동을 방해하지 않는다. 대안적으로, 밸브들(757, 759, 765, 769)의 상이한 조합들이 그 혼자 또는 농축된 유도 용액(724)의 일부에 혼합된 희석된 유도 용액(726)의 일부를 임의의 특정 모듈(712)로 지향된 부분적으로 희석된 유도 용액에 도입하기 위하여 작동될 수 있고, 이로써 특정 응용에 맞추어 임의의 특정 모듈(712)로, 커스터마이징된 농도를 갖는 유도 용액의 도입을 야기한다. 그러한 하나의 응용은 공급 스트림의 농도가 변화하는 상황을 포함할 수 있고 이로써 유도 용액의 농도는 전체 모듈들(712)을 가로지르는 상대적으로 일정한 유량(flux rate)을 유지하도록 변화될 필요가 있다. 그러한 실시예에서, 다양한 센서들(761)이 공급 스트림들(720, 722) 및 유도 용액들(724, 726)의 상이한 특성들(예를 들어, 전도도 센서(conductivity sensor)를 통한 농도 수준)을 모니터링하며 하나 또는 그 이상의 모듈들(712)로 가는 유도 용액의 농도를 변경하기에 필요한 만큼의 적절한 밸브들(757, 759, 765, 767, 769)의 작동을 유발(trigger)하도록 사용될 수 있다.
도 8a 및 도 8b 내의 그래프는 하나 또는 그 이상의 이전의 예들에 따른 작업 시에 후속하는 정삼투 모듈들(712)(즉, 공급 스트림 유동 방향에 대해 이전의 모듈이며 또한 공급 스트림이 더 적게 농축된 곳의 모듈)로부터의 용매 회수의 증가 가능성을 도시한다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 라인들(801/801')은 정상 작동 상태 하에서 시스템(710)에 대한 평균 유량(average flux)을 나타내는 반면, 라인들(803/803')은 삼투 역 세정시스템(750)을 농축된 유도 용액의 부분적인 바이패스로 사용하는 시스템(710)에 대한 평균 유량을 나타내고, 여기서 상대 유량(relative flux)(JW)은 세로축 상에 플롯팅되고 모듈(들)의 개수는 가로축 상에 플로팅된다.
도 8a에 도시된 특정한 예에서, 시스템(710)은 6 개의 정삼투 모듈들(712)을 포함하고 농축된 유도 용액(724)의 일부는 마지막 세 개의 모듈들(즉, 712d, 712e, 712f)("1/2n")으로 우회(by-passed)한다; 다만, 시스템(710)은 임의의 개수의 정삼투 모듈들(712)을 포함할 수 있고 및 농축된 유도 용액(724)은 임의의 순서로 임의의 수의 모듈들로 우회할 수 있다. 일반적으로, 임의의 후속 모듈(712)로 들어가는 부분적으로 희석된 유도 용액으로 추가적인 농축된 유도 용액을 도입하는 것은 모듈(712)에 대한 삼투압의 차이를 증가시키고, 이는 관련된 막(713)을 가로지르는 증가된 유량(즉, 추가적인 용매 회수)를 야기한다.
도 8a에서 볼 수 있는 바와 같이, 수정되지 않은(non-modified) 삼투압의 차이(즉, 정상 상태)는 복수의 직렬 정삼투 막들을 통과하는 매우 일정한 유량(flux rate)을 야기하는 반면, 수정된 삼투압의 차이일 때, 나중의 모듈들(712a, 712b, 712c) 내에서 "정상"으로 결국 반환ehl는 시스템 유량(특히, 모듈들(712d, 712e, 712f) 내 유량)의 초기 증가가 일어난다. 도 8b에 의해 나타낸 바와 같이, 농축된 유도 용액(724)의 부분들은 교번하는 모듈들(alternate modules)(712)(예를 들어, 712f, 712d, 712b)로 도입되고, 이로써 평균 시스템 유량의 전반적인 증가를 위해 모듈 유량(module flux)의 교번적인 증가가 일어난다.
또한, 역 세정 시스템(750) 또는 그 부분들은 또한 전체 시스템(710)의 다른 작업들을 제어하고 및/또는 대안적인 역 세정 프로토콜들을 작동하기 위하여 사용될 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 막(713)의 유도 및 공급 측들(712', 712'') 사이의 삼투압 차이는 매우 클 수 있어, 막이 박리(delamination) 및/또는 블리스터링(blistering) 될 위험이 있을 수 있다. 이러한 상황에서, 역 세정 시스템의 다양한 밸브들 및 라인들이 상이한 스트림들/용액들을 전환 및/또는 혼합하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 역 세정 과정 동안, 희석된 및/또는 농축된 유도 용액(724, 726)의 일부는 그 적절한 삼투 가능성 및 확장하여, 막(713)의 맞은편 양측들 사이의 최적의 삼투압 차이를 달성하기 위하여 세정 용액(751)에 혼합될 수 있다. 몇몇 상황에서, 예를 들어, 공급 스트림(720)이 처음에 도입되며 역 세정 과정(도 7 내의 모듈 712a) 동안 그 최대 농축 상태에서, 밸브(757a) 및/또는 밸브(757b)는, 밸브(759b) 및 가능하다면 밸브(765)(도입될 용액에 따름)와 함께, 유도 용액의 일부를 정삼투 모듈(712a)로 도입되는 세정 용액(751) 내로 도입하도록 작동될 수 있고, 이로써, 막(713a)를 가로지르는 삼투압의 차이를 줄인다. 시스템(710)의 임의의 특정 실시예에서 사용되는 정삼투 모듈들(712)의 개수에 따른 적절한 밸브들(757, 759, 765, 767, 769)를 작동시킴으로써 막들(713)을 가로지르는 최적의 삼투압 차이를 얻기에 필요한 만큼, 유도 용액의 다른 부분들/농도들이 다른 정삼투 모듈들(712a, 712n)에 첨가될 수 있다.
도 9는 용매의 추출을 위한 다른 대안적인 시스템(910)을 단순화한 모식도이다. 이러한 시스템(910)은, 다양한 상태들에서 모두가 유체 연통하는, 하나 또는 그 이상의 정삼투 유닛들(912)(예를 들어, 특정 응용에 맞추어 직렬 및/또는 병렬로 배열된 복수의 유닛들) 및 하나 또는 그 이상의 나노 필터/ 초미세 필터(nanofiltration/ultrafiltration) 유닛(914)를 병합하는 분리 시스템(930), 역삼투 유닛(916), 및 막 증류 유닛(958)을 포함한다. 시스템(910)은 앞서 기술된 것들과 유사하고, 예를 들어, 다양한 삼투/여과 유닛들(912, 914, 916)은, 앞서 기술된 바와 같이, 막들(913, 915, 917)을 포함하고, 시스템(910)은 또한 특정 응용에 맞추어 모든 필요한 밸브들, 펌프들, 파이프들, 센서들, 제어기들 등을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템(910)은 공급 스트림이, 막(913)을 통과하는 선택적 침투를 하도록 배치되고 및/또는 아니면 전처리가 요구되는 일정한 용질들을 포함하는 응용을 위하여 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 막(들)은 높은 선택적 침투성 속성들을 가질 수 있고, 이로써 그 용질들이 막(들)(913)을 관통하여 지나가는 것을 가능케 한다; 다만, 막들의 대안적인 형태들이 특정 응용, 예를 들어, 공급 화학 특성, 유도 용액 화학 특성, 주변 조건들 등에 대해 시스템(910)의 성능을 최대화하기 위하여 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 공급 용액(920)은 정삼투 유닛(912)의 막(913)의 일측으로 지향되는 반면, 농축된 유도 용액(924')은 막(913)의 타측으로 지향된다. 희석된 유도 용액(926)은 정삼투 유닛(912)로부터 배출되며 분리 시스템(930)으로 지향되는 반면, 농축된 공급 용액(922)는 정삼투 유닛(912)로부터 배출되며 여기서 그 것은 그 대로 사용되거나, 추가의 처리를 위해 전달되거나, 아니면 폐기될 수 있다. 몇몇 상황에서, 농축된 공급 용액(922)은 하나 또는 그 이상의 바람직한 구성들, 예컨대 음식 또는 의약 제품을 포함한다.
일반적으로, 분리 시스템(930)은 희석된 유도 용액(926)의 적어도 일부를 초기에 처리하기 위한 나노 필터(NF) 또는 초미세 필터(UF) 유닛(914) 및 NF/NU 유닛(914)에 의해 처리된 희석된 유도 용액(926'), 정삼투 유닛(912)에 의해 직접 방출되는 유도 용액(926), 또는 이 모두를 처리하기 위한 역삼투 유닛(916) 을 포함한다. 시스템(930)은 막 증발 유닛(958) 또는 유도 용액의 추가적인 농축을 위하여 및/또는 추가적인 생성수를 회수하기 위하여 본 명세서에 앞서 기술된 바와 같은 다른 열 회수 시스템(thermal recovery system)을 선택적으로 포함할 수 있고, 이는 이하에서 더 상세히 논의 된다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 희석된 유도 용액(926)은, 예켠대 칼슘 이온들(Ca2+), 마그네슘 이온들(Mg2+) 또는 다양한 황산염(sulfates), 술폰산염(sulfonates), 또는 일반적으로 다른 난용성 무기 용질(sparingly soluble inorganic solutes) 또는 유기 성분들과 같은 막(913)을 가로질러 선택적으로 침투하는 하나 또는 그 이상의 용질들(962)를 포함할 수 있다. 희석된 유도 용액(926)의 적어도 일부(침투된 용질들을 포함함)는 NF/UF 유닛(914)로 지향될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 희석된 유도 용액의 전부 또는 일부는 바이패스 라인(929) 및 밸브 배열(959)를 통해 NF/UF 유닛(914)을 우회할 수 있고, 부분적으로, 희석된 유도 용액(926)의 조건/화학 특성에 따라 역삼투 유닛(916)에 직접 전달될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 바이패스 밸브 배열(959)는 NF/UF 유닛(914) 및/또는 역삼투 유닛(916)으로 가는 희석 유도 용액(926) 부분들을 계량할 수 있는 삼방향 밸브(three-way valve)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 복수의 밸브들은 희석된 유도 용액(926), 또는 그 부분들을 적절한 처리 과정으로 선택적으로 지향하도록 사용될 수 있다.
전형적으로, NF/UF 막(915)는 "느슨한(loose)" NF 막(또는 가능하게는 "팽팽한(tight) UF 막")일 것이고 이는 유도 용질들(예를 들어, NaCl)의 적어도 상당 부분이 그를 관통하여 지나가도록 하는 반면, 침투된 용질들(962)의 적어도 상당 부분을 차단한다. 전체적으로, 비록 바람직한 배제율로 고려되는 것이 다양한 시스템 조건들, 예를 들어, 용액의 화학 특성들, 작동 파라미터들, 및 주변 조건들에 따라 변화될 지라도, 오직 약 30%의 배제율(rejection rate)을 갖는 막(915)이 허용된다.(예를 들어, 만일 NaCl유도 용질들이 사용된다면 0% 내지 20%의 배제가 바람직함). 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 1가의 화합물들(monovalent compounds), 예컨대 NaCl을 포함하는 유도 용질들이 더 쉽게 NF 막(915)를 통과하여 지나가고, 여기서 그 것들은 농축된 유도 용액(924)로 사용되기 위해 역삼투 유닛(916) 내에서 농축될 수 있는 반면, 2가 또는 다양성자 화합물(divalent or polyprotic compounds), 예컨대 Ca2+, 황산염(sulfates), 유기 화합물(organic compounds)은 막(915)에 의해 배제되어 공급 스트림(920)으로 반환된다. 이러한 용질들(962)는 라인(968)을 통해 시스템 공급(920)으로 지향될 수 있고, 이는 용질들(962)을 공급(920)에 반환하기 위하여 임의의 필요한 펌프들, 밸브들, 제어기들 등을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 오직 약 10%의 희석된 유도 용액(926)이 NF/UF 유닛(914)로 지향되고, 이는 유도 용액 내에서 생성될 수 있는 불필요한 용질들의 적어도 일부를 제거하고 및/또는 정삼투 유닛(들)(912)의 공급 및 유도 측들(912a, 912b) 사이의 이온들의 균형을 보조하기 위하여 용질 블로우 다운 처리에 유사하게 작용하고, 이로써, 분리된 블로우 다운 회로에 대한 필요를 불식시킨다.
추가로, 분리 시스템(930)/ 바이패스 회로(929, 959)는 하나 또는 그 이상의 첨가제들을 처리에 앞서 희석된 유도 용액(926)으로 도입시키기 위한 수단(964)(예를 들어, 탱크, 계량/혼합 기기 등을 갖거나 갖지 않는 포트 및 밸브 배열)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 첨가제의 적어도 상당 부분이, 그 것을 불필요한 용질들(962)를 갖는 공급을 반환되게 하는 NF/UF 막에 의해 배제될 것이기 때문에, 분산제(dispersant)(예를 들어, 리그닌 술폰산 나트륨(sodium lignin sulfonate))는 공급 스트림(920)으로의 첨가제의 도입을 용이하기 하도록 NF/UF 유닛(914)의 앞에서 희석된 유도 용액(926)에 첨가될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 첨가제는 공급 스트림(920)으로 지향되기 전에 NF/UF막의 오염물 또는 스케일링을 감소 또는 제거할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 도입 수단(964)은 다른 첨가제들(예를 들어, 스케일 방지제(anti-scalants), 부식 억제제, 착화제, 분산제, 금속 이온 봉쇄제, 슬러지 컨디셔너 또는 슬러지 억제제)을 시스템(910)의 다른 영역들로 도입하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템(910) 은 추가적인 유도 용질들을 유도 용액에 도입하기 위한 유사한 수단(966)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 수단(966)은, 막(913)을 역류할 수 있거나 또는 아니면 유도 용액 회수 처리에서 유실될 수 있는 임의의 용질들을 교체하기 위하여 소금물 생성기(brine maker)(예를 들어, 여기서 메인 유도 용질은 NaCl)를 포함한다. 이러한 수단(966)은 보통 농축된 유도 용액이 정삼투 유닛(들)(912)로 도입되는 곳 근처에 배치될 것이다; 다만, 다른 위치들도 특정 응용에 맞추어 가능하다.
희석된 유도 용액(926, 926')은 역삼투 유닛(916) 내에서 가압되어 (예를 들어 펌프(953) 또는 다른 압력 기기를 통해) 용매가 막(917)을 통과하도록 힘을 가한다. 이러한 생성 용매(932)는, 예를 들어, 그대로 사용되거나, 폐기되거나, 추가의 처리를 위해 전달되거나, 또는 병합 시스템 내에서 열 전달 유체로 사용될 수 있는 생성수로서 역삼투 유닛(916)으로부터 제거될 수 있다. 역삼투 유닛(916)의 제1 측(916A)상의 유도 용액은 이 때 농축된 유도 용액(924)이 되며 그대로 정삼투 유닛(912)으로 다시 전달될 수 있거나, 또는, 특정 응용에 맞추어 필요한 만큼, 유도 용액을 추가로 농축하고 및/또는 추가적인 생성 용매를 회수하기 위한 추가의 처리를 위해 전달될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 역 삼투 유닛(916)으로부터 배출되는 농축된 유도 용액(924)은 추가적인 농축, 추가 생성수(932') 의 생성 및 더 많이 농축된 유도 용액(926')을 위한 선택적 막 증류 유닛(958)으로 지향된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 따르면, 본 명세서에 기술된 기기들, 시스템들 및 방법들은 전반적으로 기기의 하나 이상의 작동 파라미터 또는 이에 한정되는 것은 아니나 밸브들 및 펌프들을 작동시키는 것과 같은 시스템 구성을 조정 또는 규율하는 것뿐만 아니라 삼투압적으로 구동되는 막 모듈 또는 특정 시스템 내 다른 모듈을 통한 하나 또는 그 이상의 유체 유동 스트림들의 속성 또는 특성을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 제어기는 농도, 유량(flow rate), pH 수준, 또는 온도와 같은 시스템의 하나 이상의 작동 파라미터를 감지하도록 구성된 하나 이상의 센서와 전자적 통신할 수 있다. 제어기는 센서에 의해 생성된 신호에 응답하여 하나 또는 그 이상의 작동 파라미터들을 조정하기 위한 제어 신호를 생성하도록 전반적으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 조건, 속성, 또는 임의의 스트림, 구성 요소, 또는 삼투압적으로 구동되는 막 시스템들과 관련된 전처리 및 후처리 시스템들의 서브시스템의 상태의 대표값(representation)을 수용하도록 구성될 수 있다. 제어기는, 전형적으로 하나 또는 그 이상의 임의의 대표 값 및 설정점(set point)와 같은 목표 또는 요구 값을 기초로 하는 하나 이상의 출력 신호의 생성을 용이하게 하는 알고리즘을 전형적으로 포함한다. 하나 또는 그 이상의 특정한 양태들(aspects)에 따르면, 제어기는 임의의 스트림의 임의의 측정된 속성의 대표 값을 수신하고 임의의 시스템 구성 요소들로 가는 제어, 구동 또는 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있어, 목표 값으로부터의 측정된 속성의 임의의 편차를 감소시킨다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 따르면, 처리 제어 시스템들 및 방법들은, pH 및 전도도를 포함하는 감지된 파라미터들과 같은 것일 수 있는 다양한 농도 수준들을 모니터링 할 수 있다. 처리 스트림 유량(flow rate) 및 탱크 레벨도 역시 제어될 수 있다. 온도 및 압력이 모니터링 될 수 있다. 막 누출(membrane leaks)은 이온 선택 프로브(ion selective probes), pH 미터들, 탱크 레벨들, 및 스트림 유량들을 이용하여 감지될 수 있다. 누출은 또한 막의 유도 용액 측을 가스로 가압함으로써 및 초음파 감지기들(ultrasonic detectors) 및/또는 공급수 측에서 누출의 육안 관측(visual observation)을 이용하여 감지될 수 있다. 다른 작동 파라미터들 및 유지 보수 문제(maintenance issue)도 모니터링될 수 있다. 다양한 처리 효율들이, 예컨대 생성수 유동 속도 및 질(quality), 열전달 및 전기적 에너지 소비를 계량함으로써 모니터링 될 수 있다. 생물학적 오염 완화를 위한 세정 프로토콜들이, 막 시스템 내의 특정 지점들에서 공급 및 유도 용액들의 유량에 의해 결정되는 만큼, 예컨대 유량 감소를 계량함으로써 제어될 수 있다. 소금물 스트림 상의 센서는, 예컨대 증류, 이온 교환, 불연속 염소 소독(breakpoint chlorination) 또는 유사 프로토콜들과 같은 처리가 필요한 때를 나타낼 수 있다. 이는 pH, 이온 선택 프로브들, 푸리에 변환 적외분광 분석(fourier Transform Infrared Spectrometry, "FTIR"), 또는 유도 용질의 농도를 측정하는 다른 수단들로 실시될 수 있다. 유도 용액 조건은 용질들의 첨가 및/또는 교체를 이루기 위해 모니터링 되고 및 추적될 수 있다. 유사하게, 생성수의 질은 종래의 수단들에 의해 또는 암모늄 또는 암모니아 프로브와 같은 프로브로 모니터링 될 수 있다. FTIR은, 예를 들어, 적절한 플랜트 작업을 보장하는 것에 유용할 수 있는 현재 정보를 제공하는 종(species)을 감지하고, 막 이온 교환 효과들과 같은 습성을 확인하기 위해 실시될 수 있다.
본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 기술된 파라미터들 및 구성들은 예시적인 것이며 실제 파라미터들 및/또는 구성들은 본 발명의 시스템들 및 기술들이 사용되는 특정 응용에 따를 것임을 이해할 것이다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 또한, 일상적인(routine) 실험을 이용하지 않고, 본 발명의 특정 실시예들과 동질의 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 본 명세서에서 기술된 실시예들은, 첨부된 청구항들 및 그 균등물 내에서 오직 예시의 방식으로 나타낸 것으로 이해되고; 본 발명은 상세하게 기술된 바와 달리 실시될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 명세서에서 기술된 각각의 특징, 시스템, 서브 시스템, 또는 기술 및 본 명세서에서 기술된 두 개 또는 그 이상의 특징들, 시스템들, 서브 시스템들, 또는 기술들의 임의의 조합에 관한 것이고, 두 개 또는 그 이상의 특징들, 시스템들, 서브 시스템들 및/또는 방법들의 임의의 조합은, 그러한 특징들, 시스템들, 서브 시스템들, 및 기술들이 상호 불일치하지 않다면, 청구항들로 구현된 바와 같은 본 발명의 범주 내인 것으로 간주되는 것으로 또한 이해되어야 할 것이다.
Claims (27)
- 제1 용액으로부터 용매를 삼투적 추출하기 위한 시스템에 있어서,
복수의 정삼투 유닛들로서, 각각이:
상기 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버;
농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 상기 제1 용액으로부터 상기 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 상기 제1 챔버 내에 제2 용액 및 상기 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는 복수의 정삼투 유닛들,
상기 복수의 정삼투 유닛들과 유체 연통하고 상기 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된 분리 시스템, 및
상기 복수의 정삼투 유닛들 및 상기 분리 시스템과 유체 연통하는 세정 시스템으로서,
세정 용액의 소스;
상기 복수의 정삼투 유닛들 중 하나 이상 및 상기 세정 용액 소스과 유체 연통하는 유체 전달 기기;
상기 세정 용액의 소스, 상기 유체 전달 기기 및 하나 이상의 정삼투 유닛에 유체 연통하는 밸브 배열; 및
상기 세정 용액의 소스, 상기 유체 전달 기기, 또는 상기 밸브 배열 중 하나 이상과 유체 연통하며, 상기 유체 전달 기기와 상기 밸브 배열을 통해 상기 세정 용액의 소스를 하나 이상의 정삼투 유닛에 작동가능하게 연결되도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는 세정 시스템을 포함하는,
시스템. - 제1 항에 있어서, 상기 밸브 배열은:
복수의 밸브들; 및
하나 이상의 센서를 포함하고, 상기 하나 이상의 센서는 상기 시스템의 하나 이상의 작동 특성을 기초로 하는 신호를 생성하도록 구성되는,
시스템. - 제2 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 미리 결정된 프로토콜 중 하나 이상에 따라 또는 상기 하나 이상의 센서에 의해 생성된 하나 또는 복수의 신호들에 의해 개시되게 상기 세정 시스템을 제어하도록 구성된 명령어 세트를 포함하는,
시스템. - 제3 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 세정 용액의 유동을 세정 용액의 소스로부터 하나 이상의 정삼투 유닛의 제2 챔버를 통과하게 지향하도록 상기 복수의 밸브들 중 하나 또는 복수의 밸브를 작동시키는,
시스템. - 제1 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 세정 용액을 직렬인 복수의 정삼투 유닛들의 각각으로 지향시키는,
시스템. - 제1 용액으로부터 용매를 삼투적 추출하기 위하여 시스템에 있어서,
정삼투 유닛으로서,
상기 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버;
농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 상기 제1 용액으로부터 상기 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 상기 제1 챔버 내에 제2 용액 및 상기 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는 정삼투 유닛,
상기 정삼투 유닛과 유체 연통하고 상기 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성되고, 모두가 정삼투 유닛과 유체 연통하는 필터 유닛, 역삼투 유닛, 및 바이패스 회로를 포함하는 분리 시스템을 포함하되,
상기 필터 유닛은:
상기 희석된 유도 용액의 적어도 제1 부분을 수용하기 위하여 상기 정삼투 유닛의 상기 제2 챔버에 유체 연통되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버;
더 적게 희석된 유도 용액을 상기 역삼투 유닛으로 전달하기 위하여 상기 역삼투 유닛에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 상기 희석된 유도 용액으로부터 용질들을 부분적으로 제거하도록 구성되어, 상기 제2 챔버 내에 더 적게 희석된 유도 용액을 형성하는 필터 막으로서, 제거된 용질들은 상기 정삼투 유닛의 상기 제1 챔버로 상기 필터 유닛의 제1 챔버로부터 배출구를 통해 반환되는, 필터 막을 포함하고,
상기 역삼투 유닛은:
상기 희석된 유도 용액의 적어도 제2 부분을 수용하기 위하여 상기 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결된 유입구 및 상기 농축된 유도 용액을 상기 정삼투 유닛의 제2 챔버로 도입시키기 위하여 상기 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 갖는 제1 챔버;
상기 제1 챔버에 연결되는 반투과 막; 및
상기 반투과 막에 연결되며 상기 막을 통해 유동하는 용매를 수용하도록 구성되어, 상기 정삼투 유닛으로의 전달을 위해 상기 제1 챔버 내에 농축된 유도 용액을 남기는 제2 챔버를 포함하고,
상기 바이패스 회로는 상기 희석된 유도 용액의 제1 부분 및 제2 부분을 상기 필터 유닛 및 상기 역삼투 유닛으로 선택적으로 지향시키도록 구성되는,
시스템. - 제6 항에 있어서, 상기 정삼투 유닛은 복수의 정삼투 유닛으로 구성되고, 각각은:
상기 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버;
농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제2 챔버로부터 상기 제1 챔버를 분리하며 상기 제1 용액으로부터 상기 용매를 삼투적으로 분리하도록 구성되어, 상기 제1 챔버 내에 상기 제2 용액 및 상기 제2 챔버 내에 상기 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는,
시스템. - 제6 항에 있어서, 상기 희석된 유도 용액의 부분들은 압력 하에서 상기 필터 유닛 및 상기 역삼투 유닛 중 하나 이상으로 운반되는,
시스템. - 제6 항에 있어서, 상기 분리 시스템은 상기 희석된 유도 용액의 상기 제1 부분 또는 상기 제2 부분 중 하나 이상에 첨가제를 도입시키는 수단을 더 포함하는,
시스템. - 제6 항에 있어서, 상기 분리 시스템은, 추가적인 농축을 위해 상기 역삼투 유닛으로부터 농축된 유도 용액을 수용하기 위하여 상기 역삼투 유닛의 제1 챔버의 배출구와 유체 연통되고, 더 농축된 유도 용액을 정삼투 유닛으로 도입시키기 위하여 상기 정삼투 유닛의 제2 챔버와 유체 연통 되는 열 회수 유닛을 더 포함하는,
시스템. - 제1 용액으로부터 용매를 삼투적 추출하기 위하여 시스템에 있어서,
정삼투 유닛으로서,
상기 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버;
농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 상기 제1 용액으로부터 상기 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 상기 제1 챔버 내에 제2 용액 및 상기 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는 정삼투 유닛,
상기 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구와 유체 연통 되게 연결된 역삼투 유닛으로서,
상기 정삼투 유닛의 제2 챔버와 유체 연통하고 압력 하에서 상기 희석된 유도 용액을 수용하도록 구성되는 제1 챔버;
상기 제1 챔버에 연결되는 반투과 막; 및
상기 반투과 막에 연결되며 상기 막을 통해 유동하는 용매를 수용하도록 구성되어, 역삼투 유닛의 상기 제1 챔버 내에 더 적게 희석된 유도 용액을 남기는 제2 챔버를 포함하는, 역삼투 유닛,
상기 정삼투 유닛 및 상기 역삼투 유닛과 유체 연통하며 희석된 또는 더 적게 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된 분리 시스템으로서,
더 적게 희석된 유도 용액을 상기 역삼투 유닛으로부터 수용하기 위하여 상기 역삼투 유닛의 제1 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구; 및
상기 농축된 유도 용액을 상기 정삼투 유닛으로 도입시키기 위하여 상기 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 포함하는, 분리 시스템을 포함하는,
시스템. - 제11 항에 있어서, 더 적게 희석된 유도 용액을 상기 정삼투 유닛으로 다시 지향시기키 위하여 상기 정삼투 유닛의 제2 챔버 및 상기 역삼투 유닛의 제1 챔버에 유체 연통하는 바이패스 시스템을 더 포함하는, 시스템.
- 제11 항에 있어서, 상기 희석된 유도 용액의 삼투압을 감소시키기 위한 수단을 더 포함하는, 시스템.
- 제13 항에 있어서, 상기 희석된 유도 용액의 삼투압을 감소시키기 위한 수단은 화학적 첨가, 화학적 제거(chemical subtraction), 산화-환원(reduction-oxidation), 반응 추출(reactive extraction), 필터링, 침전, 또는 에너지 신호로의 노출 중 하나 이상을 포함하는,
시스템. - 제13 항에 있어서, 상기 희석된 유도 용액의 삼투압 감소를 되돌리기 위하여 상기 정삼투 유닛, 상기 역삼투 유닛, 또는 상기 분리 시스템 중 하나 이상에 유체 연통 되는 하나 이상의 처리 시스템을 더 포함하는,
시스템. - 제13 항에 있어서, 상기 희석된 유도 용액의 삼투압을 감소시키는 수단은 상기 역삼투 유닛의 제1 챔버와 유체 연통하는,
시스템. - 제1 용액으로부터 용매를 삼투적 추출하기 위하여 시스템에 있어서,
제1 정삼투 유닛으로서,
상기 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버;
농축된 제1 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 상기 제1 용액으로부터 상기 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 상기 제1 챔버 내에 제2 용액 및 상기 제2 챔버 내에 희석된 제1 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는 제1 정삼투 유닛,
상기 제1 정삼투 유닛과 유체 연통하는 제2 정삼투 유닛으로서,
상기 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 가지며 상기 제1 정삼투 유닛으로부터 상기 희석된 제1 유도 용액을 수용하도록 구성되는 제1 챔버;
농축된 제2 유도 용액의 소스와 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 희석된 제1 유도 용액으로부터 용매를 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 상기 제1 챔버 내에 농축된 제1 유도 용액 및 상기 제2 챔버 내에 희석된 제2 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는 제2 정삼투 유닛, 및
상기 제2 정삼투 유닛과 유체 연통되며 희석된 제2 유도 용액을 농축된 제2 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성되는 분리 시스템으로서,
희석된 제2 유도 용액을 제2 정삼투 유닛으로부터 수용하기 위하여 상기 제2 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구 및
상기 제2 정삼투 유닛으로 농축된 제2 유도 용액을 도입시키기 위하여 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 포함하는, 분리 시스템을 포함하는,
시스템. - 제17 항에 있어서, 제1 정삼투 유닛 또는 제2 정삼투 유닛 중 하나 이상은 침수되는(submerged),
시스템. - 제17 항에 있어서, 상기 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버 및 상기 제2 정삼투 유닛의 제1 챔버와 유체 연통하며 희석된 제1 유도 용액으로부터 용매를 제거하도록 구성된 역삼투 유닛을 더 포함하는,
시스템. - 제1 용액으로부터 용매를 삼투적 추출하기 위하여 시스템에 있어서,
역삼투 유닛으로서,
상기 제1 용액의 소스와 유체 연통하는 제1 챔버;
상기 제1 챔버에 연결된 반투과 막; 및
상기 반투과 막에 연결되며 상기 막을 통해 유동되는 용매의 제1 부분을 수용하도록 구성되어, 농축된 제1 용액을 상기 역삼투 유닛의 제1 챔버 내에 남기는 제2 챔버를 포함하는, 역삼투 유닛,
상기 역삼투 유닛에 유체 연통 되게 연결되는 제1 정삼투 유닛으로서,
상기 역삼투 유닛의 제1 챔버와 유체 연통하는 유입구를 가지며 농축된 제1 용액을 수용하도록 구성된 제1 챔버;
농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결된 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 농축된 제1 용액으로부터 용매의 제2 부분을 삼투압적으로 분리하도록 구성되어, 상기 제1 챔버 내에 추가로 농축된 제1 용액 및 상기 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는, 제1 정삼투 유닛,
상기 제1 정삼투 유닛과 유체 연통하며 상기 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된 분리 시스템으로서,
상기 제1 정삼투 유닛으로부터 상기 희석된 유도 용액을 수용하기 위해 상기 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구; 및
상기 제1 정삼투 유닛에 농축된 유도 용액을 도입시키기 위하여 상기 제1 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결된 배출구를 포함하는, 분리 시스템, 및
상기 제1 정삼투 유닛과 유체 연통하는 제2 정삼투 유닛으로서,
상기 제1 정삼투 유닛의 제1 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 가지며 상기 제1 정삼투 유닛으로부터 추가로 농축된 제1 용액을 수용하도록 구성된 제1 챔버;
공급 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결된 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제2 챔버로부터 상기 제1 챔버를 분리하며 상기 공급 용액으로부터 용매를 삼투적으로 분리하도록 구성되어, 농축된 제1 용액을 상기 제1 챔버 내에서 희석하며 상기 제2 챔버 내에서 상기 공급 용액을 농축하는 반투과 막 시스템을 포함하는, 제2 정삼투 유닛을 포함하는,
시스템. - 제20 항에 있어서, 상기 제2 정삼투 유닛은 압력 지연 삼투 유닛인,
시스템. - 제21 항에 있어서, 상기 제2 정삼투 유닛의 제1 챔버에 유체 연통하며 희석된 제1 용액을 수용하도록 구성된 터빈을 더 포함하는,
시스템. - 제20 항에 있어서, 상기 역삼투 유닛 및 상기 제2 정삼투 유닛과 유체 연통하며 희석된 제1 용액을 상기 제2 정삼투 유닛의 제1 챔버의 배출구로부터 상기 역삼투 유닛의 제1 챔버의 유입구로 반환하도록 구성된 바이패스 시스템을 더 포함하는,
시스템. - 제20 항에 있어서, 상기 공급 용액은 폐수 유출 스트림(wastewater effluent stream)을 포함하는,
시스템. - 제1 용액으로부터 용매를 삼투적 추출하기 위하여 시스템에 있어서,
상기 제1 용액을 컨디셔닝하기 위한 선택적 막 유닛으로서,
상기 제1 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버;
제2 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 적어도 상기 제1 용액 내의 특정 이온들이 상기 제1 용액으로부터 상기 제2 용액으로 선택적으로 이동하게 하도록 구성된 선택적 막을 포함하는, 선택적 막 유닛,
상기 선택적 막 유닛과 유체 연통하는 정삼투 유닛으로서,
컨디셔닝된 제1 용액을 수용하기 위하여 상기 선택적 막 유닛의 제1 챔버의 배출구 또는 상기 제1 용액의 소스 중 하나 이상에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제1 챔버;
농축된 유도 용액의 소스에 유체 연통 되게 연결되는 유입구를 갖는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버를 상기 제2 챔버로부터 분리하며 상기 제1 용액으로부터 상기 용매를 삼투적으로 분리하도록 구성되어, 상기 제1 챔버 내에 상기 제2 용액의 소스 및 상기 제2 챔버 내에 희석된 유도 용액을 형성하는 반투과 막 시스템을 포함하는, 정삼투 유닛,
상기 정삼투 유닛과 유체 연통하며 희석된 유도 용액을 농축된 유도 용액 및 용매 스트림으로 분리하도록 구성된 분리 시스템으로서,
희석된 유도 용액을 상기 정삼투 유닛으로부터 수용하기 위해 상기 정삼투 유닛의 제2 챔버의 배출구에 유체 연통 되게 연결되는 유입구;
상기 정삼투 유닛에 농축된 유도 용액을 도입시키기 위해 상기 정삼투 유닛의 제2 챔버에 유체 연통 되게 연결되는 배출구를 포함하는, 분리 시스템, 및,
상기 정삼투 유닛의 제1 챔버, 상기 선택적 막 유닛의 제2 챔버, 및 상기 제2 용액의 대체 소스와 유체 연통하는 밸브 배열로서, 상기 제2 용액을 상기 정삼투 유닛의 제1 챔버 또는 상기 대체 소스로부터 상기 선택적 막 유닛의 제2 챔버로 지향시키도록 구성된 밸브 배열을 포함하는,
시스템. - 제25 항에 있어서, 상기 제1 용액의 소스, 상기 선택적 막 유닛, 및 상기 정삼투 유닛과 유체 연통하는 제2 밸브 배열을 더 포함하고,
상기 제2 밸브 배열은 상기 제1 용액을 상기 선택적 막 유닛 또는 상기 정삼투 유닛으로 지향하거나 컨디셔닝된 제1 용액을 상기 정삼투 유닛으로 지향하도록 구성되는,
시스템. - 제25 항에 있어서, 상기 선택적 막은 양이온 선택 막인,
시스템.
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