KR20170087862A - 전기화학 분리 디바이스에서 셀 쌍에 유입구 및 유출구를 제공하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
물을 처리하기 위한 전기화학 처리 디바이스 및 상기 디바이스를 조립하는 방법이 제공된다. 개시된 마스킹 및 포팅 기술은 별개의 피드가 공핍 격실 및 농축 격실로 전달되고 및/또는 그로부터 수집되도록 허용한다.
Description
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2014년 11월 26일자로 출원된, "METHODS OF PROVIDING INLETS AND OUTLETS TO CELL PAIRS IN WOUND ED DEVICES"이라는 명칭 미국 가 특허 출원 일련 번호 제62/084,660호에 대한 우선권을 주장하며, 이 기초 출원은 모든 목적을 위해 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.
기술 분야
하나 이상의 양상은 일반적으로 전기 정제 장치 및 이를 조립하는 방법에 관한 것이다.
하나 이상의 양상에 따르면, 전기화학 분리 디바이스가 개시된다. 상기 디바이스는 제1 전극, 번들을 형성하기 위해 상기 제1 전극에 감긴 복수의 셀 쌍, 농축액 스트림 채널, 희석액 스트림 채널, 및 상기 번들을 둘러싸는 제2 전극을 포함할 수 있다. 상기 복수의 셀 쌍의 각각은 이온 농축 격실 및 인접한 이온 희석 격실을 포함한다. 상기 이온 농축 격실은 마스킹 부분 및 포팅 부분(potted portion)을 가진 제1 스페이서를 포함한다. 상기 인접한 이온 희석 격실은 마스킹 부분 및 포팅 부분을 가진 제2 스페이서를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 스페이서의 마스킹 및 포팅 부분은 교번 정렬에 있다. 상기 농축액 스트림 채널은 상기 제1 스페이서의 상기 마스킹 부분 및 상기 제2 스페이서의 상기 포팅 부분을 통해 연장되며, 상기 농축액 스트림 채널은 상기 이온 농축 격실과 유체 연통하며 상기 이온 희석 격실로부터 유체 차단하고 있다. 상기 희석액 스트림 채널은 상기 제1 스페이서의 상기 포팅 부분 및 상기 제2 스페이서의 상기 마스킹 부분을 통해 연장되며, 상기 희석액 스트림 채널은 상기 이온 농축 격실로부터 유체 차단하며 상기 이온 희석 격실과 유체 연통한다.
하나 이상의 양상에 따르면, 상기 디바이스는 상기 번들에 근접한 매니폴드 블록을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 매니폴드 블록은 상기 희석액 스트림 채널과 유체 연통하는 희석액 스트림 포트를 포함한다. 상기 매니폴드 블록은 상기 농축액 스트림 채널과 유체 연통하는 농축액 스트림 포트를 추가로 포함할 수 있다. 상기 희석액 스트림 포트는 희석액 공급 소스와 유체 연통할 수 있다. 상기 농축액 스트림 포트는 농축액 공급 소스와 유체 연통할 수 있다. 상기 희석액 공급 소스는 상기 농축액 공급 소스와 상이할 수 있다. 상기 제1 전극은 대체로 가늘고 긴 S-형 양극을 정의하기 위해 각각의 단부에서 반원형 구획을 가진 직선 구획을 포함할 수 있다. 번들의 단면은 대체로 직선 구획 및 상기 대체로 직선 구획의 제1 및 제2 단부에서 곡선 구획을 가질 수 있다. 마스킹 부분의 각각은 스페이서의 일 부분을 둘러싸는 슬리브를 포함할 수 있다. 상기 슬리브는 접합부에서 합쳐진 불침투성 필름의 쌍을 포함할 수 있다. 마스킹 부분의 각각은 스페이서에 용접된 불침투성 필름의 쌍을 포함할 수 있다. 상기 디바이스는 중앙 허브를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 중앙 허브는 희석액 스트림 채널 및 희석액 공급원과 유체 연통하는 희석액 포트를 포함한다. 상기 중앙 허브는 상기 농축액 스트림 채널 및 농축액 공급원과 유체 연통하는 농축액 포트를 추가로 포함할 수 있다. 상기 희석액 공급원 및 상기 농축액 공급원은 상이할 수 있다. 상기 번들은 20개 이상의 셀 쌍을 포함할 수 있다. 상기 번들은 경주로(racetrack) 구성을 가질 수 있다. 상기 번들은 50개 이상의 셀 쌍을 포함할 수 있다. 대체로 직선 구획의 길이 대 곡선 구획의 각각의 반경의 비는 0보다 크다. 곡선 구획의 곡률 반경은 셀 쌍의 수에 의존하지 않을 수 있다.
이들 대표적인 양상 및 실시형태의 계속해서 다른 양상, 실시형태, 및 이점이 이하에서 상세히 논의된다. 게다가, 앞서 말한 정보 및 다음의 상세한 설명 양쪽 모두는 다양한 양상 및 실시형태의 단지 예시적인 예이며, 청구된 양상 및 실시형태의 특징 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하도록 의도된다는 것이 이해될 것이다. 수반하는 도면은 다양한 양상 및 실시형태의 예시 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서의 부분에 통합하여 그의 부분을 구성한다. 명세서의 나머지와 함께, 도면은 설명되고 청구된 양상 및 실시형태의 원리 및 동작을 설명하도록 작용한다.
다수의 실시형태의 다양한 양상이 수반하는 도면을 참조하여 이하에서 논의되며, 이것은 일정한 비율로 그려지도록 의도되지 않는다. 도면은 다양한 양상 및 실시형태의 예시 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며 본 명세서에 통합되고 그의 부분을 구성하지만, 본 발명의 한계에 대한 정의로서 의도되지 않는다. 도면, 상세한 설명 또는 임의의 청구항에서의 기술적 특징이 참조 부호로 이어지는 경우, 참조 부호는 도면 및 설명의 양해도를 증가시킬 유일한 목적으로 포함되었다. 도면에서, 다양한 도면에서 예시되는 각각의 동일한 또는 거의 동일한 구성요소는 유사한 숫자로 표현된다. 명료함의 목적을 위해, 모든 구성요소가 모든 도면에서 라벨링되는 것은 아닐 수 있다.
도 1은 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학 분리 디바이스의 단면 개략도;
도 2a 및 도 2b는 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학 분리 디바이스의 개략적인 단면도 및 투시도;
도 3은 하나 이상의 실시형태에 따른 용기에 하우징된 전기화학 분리 디바이스의 개략도;
도 4는 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학 분리 디바이스의 중앙 허브로부터 권선형 셀 쌍의 유입구로의 흐름 패턴의 개략도;
도 5는 하나 이상의 실시형태에 따른 권선형 셀 쌍의 유출구로부터 수집 매니폴드로의 다양한 흐름 패턴의 개략도;
도 6은 하나 이상의 실시형태에 따른 마스킹된 스페이서 스크린의 개략도;
도 7은 하나 이상의 실시형태에 따른 셀 쌍의 확대 뷰 개략도;
도 8은 하나 이상의 실시형태에 따른 블록의 쌍 내에 위치된 셀 쌍의 번들의 확대 뷰 개략도;
도 9는 하나 이상의 실시형태에 따른 블록의 쌍 내에 위치된 셀 쌍의 번들의 개략도;
도 10은 하나 이상의 실시형태에 따른 포팅된 셀 쌍의 번들의 개략도;
도 11은 하나 이상의 실시형태에 따른 블록의 쌍 내에 위치된 셀 쌍의 번들의 일 부분의 개략도;
도 12는 희석액 격실로부터 유출구 포트로의 흐름 패턴의 개략도;
도 13a 및 도 13b는 하나 이상의 실시형태에 따른 마스킹된 스페이서 스크린의 확대도 및 개략도;
도 14는 하나 이상의 실시형태에 따른 마스킹된 스페이서 스크린의 개략도;
도 15는 하나 이상의 실시형태에 따른 셀 쌍의 확대 뷰 개략도;
도 16a, 도 16b, 및 도 16c는 하나 이상의 실시형태에 따른 이온 교환 막 및 격실 스페이서의 개략도;
도 17은 하나 이상의 실시형태에 따른 셀 쌍 구성요소의 확대 뷰 개략도;
도 18은 하나 이상의 실시형태에 따른 조립된 셀 쌍 구성요소의 개략도;
도 19는 하나 이상의 실시형태에 따른 에폭시 포팅 용기의 개략도;
도 20은 하나 이상의 실시형태에 따른 포팅된 번들의 개략도;
도 21은 하나 이상의 실시형태에 따른 권선형 셀 쌍을 가진 전기화학 처리 디바이스를 위한 중앙 허브의 개략도;
도 22는 하나 이상의 실시형태에 따른 권선형 셀 쌍을 가진 전기화학 처리 디바이스를 위한 중앙 허브의 단면 개략도;
도 23은 하나 이상의 실시형태에 따른 중앙 허브 내에서의 다양한 흐름 패턴의 개략도; 및
도 24는 하나 이상의 실시형태에 따른 중앙 허브 내에서의 다양한 흐름 패턴의 개략도.
도 1은 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학 분리 디바이스의 단면 개략도;
도 2a 및 도 2b는 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학 분리 디바이스의 개략적인 단면도 및 투시도;
도 3은 하나 이상의 실시형태에 따른 용기에 하우징된 전기화학 분리 디바이스의 개략도;
도 4는 하나 이상의 실시형태에 따른 전기화학 분리 디바이스의 중앙 허브로부터 권선형 셀 쌍의 유입구로의 흐름 패턴의 개략도;
도 5는 하나 이상의 실시형태에 따른 권선형 셀 쌍의 유출구로부터 수집 매니폴드로의 다양한 흐름 패턴의 개략도;
도 6은 하나 이상의 실시형태에 따른 마스킹된 스페이서 스크린의 개략도;
도 7은 하나 이상의 실시형태에 따른 셀 쌍의 확대 뷰 개략도;
도 8은 하나 이상의 실시형태에 따른 블록의 쌍 내에 위치된 셀 쌍의 번들의 확대 뷰 개략도;
도 9는 하나 이상의 실시형태에 따른 블록의 쌍 내에 위치된 셀 쌍의 번들의 개략도;
도 10은 하나 이상의 실시형태에 따른 포팅된 셀 쌍의 번들의 개략도;
도 11은 하나 이상의 실시형태에 따른 블록의 쌍 내에 위치된 셀 쌍의 번들의 일 부분의 개략도;
도 12는 희석액 격실로부터 유출구 포트로의 흐름 패턴의 개략도;
도 13a 및 도 13b는 하나 이상의 실시형태에 따른 마스킹된 스페이서 스크린의 확대도 및 개략도;
도 14는 하나 이상의 실시형태에 따른 마스킹된 스페이서 스크린의 개략도;
도 15는 하나 이상의 실시형태에 따른 셀 쌍의 확대 뷰 개략도;
도 16a, 도 16b, 및 도 16c는 하나 이상의 실시형태에 따른 이온 교환 막 및 격실 스페이서의 개략도;
도 17은 하나 이상의 실시형태에 따른 셀 쌍 구성요소의 확대 뷰 개략도;
도 18은 하나 이상의 실시형태에 따른 조립된 셀 쌍 구성요소의 개략도;
도 19는 하나 이상의 실시형태에 따른 에폭시 포팅 용기의 개략도;
도 20은 하나 이상의 실시형태에 따른 포팅된 번들의 개략도;
도 21은 하나 이상의 실시형태에 따른 권선형 셀 쌍을 가진 전기화학 처리 디바이스를 위한 중앙 허브의 개략도;
도 22는 하나 이상의 실시형태에 따른 권선형 셀 쌍을 가진 전기화학 처리 디바이스를 위한 중앙 허브의 단면 개략도;
도 23은 하나 이상의 실시형태에 따른 중앙 허브 내에서의 다양한 흐름 패턴의 개략도; 및
도 24는 하나 이상의 실시형태에 따른 중앙 허브 내에서의 다양한 흐름 패턴의 개략도.
전기장을 사용하여 유체를 정제하기 위한 전기화학 처리 디바이스는 물 및 용해된 이온성 종을 포함한 다른 액체를 처리하기 위해 흔히 사용된다. 이러한 방식으로 물을 처리하는 두 개의 유형의 디바이스는 전기탈이온화 및 전기투석 디바이스이다. 이들 디바이스 내에 이온-선택적 막에 의해 분리된 농축 및 희석 격실이 있다. 전기투석 디바이스는 통상적으로 교번하는 전기활성 반투성 음이온 및 양이온 교환 막을 포함한다. 막 사이에서의 공간은 유입구 및 유출구를 가진 액체 흐름 격실을 생성하도록 구성된다. 전극을 통해 도입된 인가된 전기장은, 그것들 각각의 상대 전극으로 끌어 당겨진, 용해된 이온이 음이온 및 양이온 교환 막을 통해 이동하게 한다. 이것은 일반적으로 이온이 고갈된 희석 격실의 액체, 및 전달된 이온이 풍부한 농축 격실에서의 액체를 야기한다.
전기탈이온화(Electrodeionization: EDI)는 이온 수송에 영향을 미치기 위해 전기적 활성 미디어 및 전위를 사용하여 물로부터 하나 이상의 이온화된 또는 이온화 가능한 종을 제거하거나, 또는 적어도 감소시키는 공정이다. 전기적 활성 미디어는 통상적으로 이온성 및/또는 이온화 가능한 종을 교대로 수집하고 방전시키며, 몇몇 경우에서, 이온의 수송을 가능하게 하도록 작용하며, 이것은 지속적으로, 이온성 또는 전자 치환 메커니즘에 의할 수 있다. EDI 디바이스는 영구 또는 임시 전하의 전기 화학적 활성 미디어를 포함할 수 있으며, 회분식으로, 간헐적으로, 연속적으로, 및/또는 심지어 역 극성 모드로 동작될 수 있다. EDI 디바이스는 구체적으로 성능을 달성하거나 또는 강화하도록 설계된 하나 이상의 전기화학 반응을 촉진시키기 위해 동작될 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 전기화학 디바이스는 반투성 또는 선택적 침투성 이온 교환 또는 양극성 막과 같은, 전기적 활성 막을 포함할 수 있다. 연속 전기탈이온화(CEDI) 디바이스는 물 정제가 계속해서 진행될 수 있는 반면, 이온 교환 재료가 계속해서 재생성되는 방식으로 동작하는 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 EDI 디바이스이다. CEDI 기술은 연속 탈이온화, 충진 셀 전기투석, 또는 전기투석과 같은 공정을 포함할 수 있다. 제어된 전압 및 염도 조건하에서, CEDI 시스템에서, 물 분자는 디바이스에서 이온 교환 미디어를 재생성하며 그에 따라 그로부터 포획된 종의 방출을 가능하게 할 수 있는 수소 또는 히드로늄 이온 또는 종 및 수산화물 또는 히드록실 이온 또는 종을 발생시키기 위해 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 처리될 물 스트림은 이온 교환 수지의 화학적 재충전을 요구하지 않고 계속해서 정제될 수 있다.
전기투석(ED) 디바이스는 ED 디바이스가 통상적으로 막 사이에 전기활성 미디어를 포함하지 않는다는 것을 제외하고, CEDI와 유사한 원리에서 동작한다. 전기활성 미디어의 부족 때문에, ED의 동작은 높은 전기 저항 때문에 낮은 염도의 공급수에 대해 방해받을 수 있다. 또한, 고 염도 공급수에 대한 ED의 동작이 높은 전기 전류 소비를 야기할 수 있기 때문에, ED 장치는 지금까지는 중간 염도의 소스 물상에서 가장 효과적으로 사용되어 왔다. ED 기반 시스템에서, 전기활성 미디어가 없기 때문에, 물을 분해하는 것은 비효율적이며 이러한 체제에서 동작하는 것은 일반적으로 회피된다.
CEDI 및 ED 디바이스에서, 복수의 인접한 셀 또는 격실은 통상적으로는 양쪽 모두가 아닌, 양으로 또는 음으로 하전된 종의 통과를 허용하는 선택적 침투성 막에 의해 통상적으로 분리된다. 희석 또는 공핍 격실은 통상적으로 이러한 디바이스에서 농축한 또는 농축 격실과의 사이에 공간이 두어진다. 몇몇 실시형태에서, 셀 쌍은 인접한 농축 및 희석 격실의 쌍을 나타낼 수 있다. 물이 공핍 격실을 통해 흐름에 따라, 이온성 및 다른 하전 종이 통상적으로 DC 필드와 같은, 전기장의 영향하에서 농축 격실에 끌어 들여진다. 양으로 하전된 종은 통상적으로, 일 단부에 위치된, 음극을 향해 끌어 당겨지며, 음으로 하전된 종은 마찬가지로, 통상적으로 반대 단부에 위치된, 이러한 디바이스의 양극을 향해 끌어 당겨진다. 전극은 통상적으로 보통 공핍 및/또는 농축 격실과의 유체 연통으로부터 부분적으로 격리되는 전해질 격실에서 하우징된다. 일단 농축 격실에 있다면, 하전된 종은 통상적으로 농축 격실을 적어도 부분적으로 정의하는 선택적 침투성 막의 배리어에 의해 포획된다. 예를 들면, 음이온은 통상적으로 양이온 선택적 막에 의해, 농축 격실의 밖으로, 양극을 향해 더 멀리 이동하는 것이 방지된다. 일단 농축 격실에서 캡처되면, 포획된 하전 종은 농축액 스트림에서 제거될 수 있다.
CEDI 및 ED 디바이스에서, DC 필드는 통상적으로 전극(양극 또는 음의 전극, 및 음극 또는 음의 전극)에 인가된 전기 전류 및 전압의 소스로부터 셀에 인가된다. 전압 및 전류 소스(총괄하여, "전원 공급 장치")는 AC 전원, 또는 예를 들면, 태양, 바람, 또는 파력으로부터 도출된 전원과 같은 다양한 수단에 의해 자체로 동력을 공급받을 수 있다. 전극/액체 계면에서, 막 및 격실을 통한 이온의 전달을 개시하고 및/또는 가능하게 하는 전기화학 반쪽-셀 반응이 발생한다. 전극/계면에서 발생하는 특정 전기화학 반응은 전극 조립체를 하우징하는 특수화된 격실에서 염분의 농도에 의해 어느 정도 제어될 수 있다. 예를 들면, 염화나트륨에서 높은 양극 전해질 격실로의 공급은 염소 가스 및 수소 이온을 발생시키는 경향이 있을 것이지만, 음극 전해질 격실로의 이러한 공급은 수소 가스 및 수산화물 이온을 발생시키려는 경향이 있을 것이다. 일반적으로, 양극 격실에서 발생된 수소 이온은 전하 중성을 보존하며 염산 용액을 생성하기 위해, 염소 이온과 같은, 자유 음이온과 연관시킬 것이며, 비슷하게, 음극 격실에서 발생된 수소화물 이온은 전하 중성을 보존하며 수산화나트륨 용액을 생성하기 위해, 나트륨과 같은, 자유 양이온과 연관시킬 것이다. 발생된 염소 가스 및 수산화나트륨과 같은, 전극 격실의 반응 생성물은 소독 목적을 위해, 막 세정 및 디파울링(defouling) 목적을 위해, 및 pH 조정 목적을 위해 요구에 따라 공정에서 이용될 수 있다.
판-및-프레임 ED 설계에서, 희석 및 농축 스트림은 병렬의, 동축류, 역류 또는 직교류에 있다. 나선-권선형 설계에서, 디바이스는 중심에서의 전극에 나선형으로 감긴 막 및 스크린으로 구성될 수 있으며; 다른 전극은 주변부 주위에 감긴다. 희석 및 농축 스트림은 나선형 경로에서 방사상으로, 안쪽으로 또는 바깥쪽으로, 동전류 또는 역전류로 흐를 수 있다. 대안적으로 스트림 중 하나는 방사상일 수 있으며 다른 것은 축 방향에 있을 수 있다. 몇몇 구성에서, 내부 전극은 양극이며 외부 전극은 음극이다. 해수와 같은, 공급수는 중심으로 도입되며 희석액 및 농축액 격실로 공급된다. 양쪽 스트림 모두는 음극을 향해 나선형 경로에서 바깥쪽으로 흐른다. 나선형 번들의 단부는 포팅 접착제로 밀봉된다. 생성물(product) 및 폐기물(reject)이 나선형 격실의 외부 단부에서 수집된다.
종래의 나선-권선형 설계는 판-및-프레임 설계에 대해 특정 이점을 가질 수 있다. 그것들의 유일한 누설 전류는 막을 통하는 대신에 나선형 경로를 따라 흐르는 전류이며 최소인 것으로 예상된다. 디바이스의 조립은 보다 적은 단계를 가지며 자동화하기에 더 용이하다. 판-및-프레임에서 스페이서와 같은 구성요소는 필요하지 않다. 나선-권선형 설계는 내부 전극으로부터의 거리가 증가함에 따라 전류 밀도가 감소하며, 따라서 희석액 스트림이 바깥쪽으로 나선형을 그림에 따라 희석액 스트림으로부터의 이온 전달의 레이트가 감소한다는 것을 포함한 특정한 단점을 또한 갖는다. 도포를 위해 요구된 이온의 양을 제거하기 위해, 막 면적은 나선의 길이를 증가시킴으로써 증가될 수 있거나 또는 희석액 속도가 감소될 수 있으며, 그에 의해 잔류 시간을 증가시킨다. 막 면적 및 나선 길이를 증가시키는 것은 막의 비용 및 압력 강하를 증가시킨다. 부가적인 막 면적은 훨씬 더 낮은 전류 밀도를 가진 내부 전극으로부터 더 멀리 떨어진다. 더욱이, 희석액 격실에서 농축액 격실로의 물 손실이 전기-침투 및 삼투로 인해 존재하므로, 최종 생성수(product water)의 유량이 추가로 감소되며, 따라서 단위 생성물당 에너지 및 자본 비용이 증가한다. 그러므로 비용 경쟁력 설계가 가능하지 않은 수확 체감(diminishing return) 시나리오에 있는 것이 가능하다. 셀 쌍의 수, 및 그러므로 생성물 유량은 양극 세그먼트 및 다수의 시트를 감는 어려움 사이에서의 갭의 크기에 의해 제한된다. 그러나, 세그먼트의 반경을 증가시키는 것은 백금 코팅 티타늄과 같은 값비싼 내산화성 재료로 만들어져야 하는, 양극의 비용을 증가시킨다. 요구된 염분 제거를 달성하기 위해, 양극에서의 전류 밀도는 수용 불가능하게 높은, 약 수백 amp/㎡일 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 전기화학 분리 시스템의 효율이 개선될 수 있다. 전류 손실은 비효율의 하나의 잠재적인 소스이다. 몇몇 실시형태에서, 전류 누설에 대한 가능성이 다뤄질 수 있다. 전류 효율은 희석액 스트림의 밖에서 농축액 스트림으로 이온을 이동시키는데 효과적인 전류의 퍼센티지로서 정의될 수 있다. 전류 비효율의 다양한 소스가 전기화학 분리 시스템에 존재할 수 있다. 예를 들면, 직교류 디바이스에서, 비효율의 하나의 잠재적인 소스는 희석액 및 농축dor 유입구 및 유출구 매니폴드를 통해 흐름으로써 셀 쌍을 우회하는 전류를 수반할 수 있다. 개방된 유입구 및 유출구 매니폴드는 흐름 격실과 직접 유체 연통할 수 있으며 각각의 흐름 경로에서 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 일 전극으로부터 다른 것으로의 전기 전류의 부분은 개방된 영역을 통해 흐름으로써 셀 쌍의 스택을 우회할 수 있다. 우회 전류는 전류 효율을 감소시키며 에너지 소비를 증가시킨다. 비효율의 또 다른 잠재적 소스는 이온 교환 막의 불완전한 선택투과성으로 인해 농축액으로부터 희석액 스트림에 들어가는 이온을 수반할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 다양한 기술 및 설계는 전류 누설의 감소를 가능하게 할 수 있다. 하나 이상의 실시형태에 따르면, 경주로 구성과 같은, 디바이스 구성은 그것들의 단점을 최소화하면서 나선형 설계와 연관된 특정한 이점을 제공할 수 있다. 경주로 패턴으로 감긴 셀 쌍을 가진 전기화학 처리 디바이스는, 2013년 3월 15일자로 출원된 특허 출원 PCT/US2013/032068(이 문헌은 모든 목적을 위해 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입됨)에서 설명된다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 전기화학 분리 디바이스는, 일 전극에서 다른 것으로의 전기 전류의 부분이 개방 영역을 통해 흐름으로써 셀 쌍의 스택을 우회할 수 있을 때 발생하는, 경주로 구성과 같은, 전류 누설을 제한하거나 또는 방지하기 위한 구성을 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시형태에 따르면, 격실 내에서의 흐름은 격실 내에서의 막 표면과 유체의 보다 큰 접촉을 제공하기 위해 조정되고, 재분배되거나, 또는 재지향될 수 있다. 격실은 격실 내에서 유체 흐름을 재분배하도록 구성되며 배열될 수 있다. 격실은 격실을 통한 흐름을 재분배하기 위한 구조를 제공할 수 있는 장애물, 돌기, 돌출부, 플랜지, 또는 방해판을 가질 수 있다. 특정한 실시형태에서, 장애물, 돌기, 돌출부, 플랜지, 또는 방해판은 흐름 재분배기로서 불리울 수 있다. 흐름 재분배기는 셀 스택의 격실 중 하나 이상에 존재할 수 있다.
전기 정제 장치를 위한 셀 스택에서의 격실의 각각은 유체 접촉을 위해 미리 결정된 퍼센티지의 표면적 또는 막 이용을 제공하도록 구성되며 배열될 수 있다. 보다 큰 막 이용이 전기 정제 장치의 동작에서 보다 큰 효율을 제공한다는 것이 발견되어 왔다. 보다 큰 막 이용을 달성하는 이점은 보다 낮은 에너지 소비, 장치의 보다 작은 풋프린트, 장치를 통한 보다 적은 패스, 및 보다 높은 품질의 생성수를 포함할 수 있다. 특정한 실시형태에서, 달성될 수 있는 막 이용은 65% 이상이다. 다른 실시형태에서, 달성되는 막 이용은 75% 이상이다. 특정한 다른 실시형태에서, 달성될 수 있는 막 이용은 85% 이상일 수 있다. 막 이용은 서로에 막의 각각을 고정시키기 위해 사용된 방법, 및 임의의 스페이서의 설계에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 미리 결정된 막 이용을 획득하기 위해, 적절한 고정 기술 및 구성요소가, 장치 내에서 누설을 접하지 않고, 전기 정제 장치의 최적의 동작을 허용하는 신뢰성 있으며 안전한 밀봉을 달성하기 위해 선택될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 스택 생성 공정은 공정에서 사용될 수 있는 막의 큰 표면적을 유지하면서, 막 이용을 최대화하기 위해 열 본딩 기술을 수반할 수 있다.
본 개시의 전기 정제 장치는 셀 쌍을 밀폐시키는 하우징을 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시형태에 따르면, 하우징은 전극을 포함할 수 있다. 전극 중 하나 또는 양쪽 모두는 여기에서 논의된 바와 같이 분할될 수 있다. 프레임 또는 지지 구조는 셀 쌍에 부가적인 지지대를 제공하기 위해 하우징 및 셀 쌍 사이에 배치될 수 있다. 프레임 또는 지지 구조는 또한 셀 쌍 안에서 및 그 밖으로의 액체의 흐름을 허용할 수 있는 유입구 매니폴드 및 유출구 매니폴드를 포함할 수 있다. 셀 쌍과 함께, 프레임 또는 지지 구조는 전기 정제 장치 모듈러 유닛을 제공할 수 있다. 전기 정제 장치는 하우징 내에 고정된 부가적인 모듈러 유닛을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 사용 시 전기투석 장비에 제한되지 않는다. 역 전기투석(RED), 전기탈이온화(EDI) 또는 연속 전기탈이온화(CEDI)과 같은 다른 전기화학 탈이온화 디바이스가 또한 유사한 구성을 사용하여 구성될 수 있다. 잠재적인 애플리케이션은, 예를 들면, 해수의 탈염, 및 오일 및 가스 생성물로부터의 염수 및 브라인의 처리를 포함한다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 전기화학 분리 디바이스가 제공된다. 주지된 바와 같이, 몇몇 실시형태에서, 전기화학 분리 디바이스는 전기투석 디바이스일 수 있다. 특정한 실시형태에 따르면, 전기화학 분리 디바이스는 전극 및 적어도 하나의 셀 쌍을 포함할 수 있다. 셀 쌍은 희석 격실 및 농축 격실을 포함할 수 있으며, 각각은 주변 음이온 및 양이온 교환 막에 의해 형성된다. 적어도 몇몇 실시형태에서, 셀 쌍은 번들을 형성하기 위해 전극에 감길 수 있다. 번들은 전극에 감긴 셀 쌍의 하나 이상의 세트로 이루어질 수 있다. 권선형 번들은 경주로 구성을 가질 수 있다. 다양한 실시형태에서, 전기화학 분리 디바이스는 경주로 구성으로 감긴 번들을 둘러싸도록 구성되는 제2 전극을 추가로 포함할 수 있다. 전극 중 하나 또는 양쪽 모두는 번들 구성을 수용하기 위해 분할될 수 있다. 특정한 실시형태에서, 전기화학 분리 디바이스는 번들의 적어도 하나의 셀 쌍을 통한 유체 흐름을 가능하게 하기 위한 매니폴드를 추가로 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 경주로 구성은 판-및-프레임 및 나선-권선형 ED 디바이스의 이점을 조합할 수 있다. 도시된 바와 같이, 양극 및 음극 세그먼트의 대체로 수평 또는 직선 측 구획에 의해 묶인 막 면적에서, 막은, 판-및-프레임 및 직교류 디바이스에서처럼, 평면이며 평행한다. 전류 밀도는 대체로 균일하며 희석 격실로부터의 이온 제거의 레이트는 내부 전극으로부터의 거리의 함수가 아니다. 이온 전달에서 활성이 아닌 유일한 막 면적은 포팅 화합물에서 캡슐화된 작은 부분이다. 85%가 넘는 막 이용이, 직교류 및 나선-권선형 디바이스에서처럼, 달성될 수 있다. 최소 전류 누설은 막을 통하는 대신에 경주로 경로를 따라 흐르는 전류이다. 그 결과, 높은 전류 효율이 달성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 약 60%의 전류 효율이 달성될 수 있으며; 다른 실시형태에서, 적어도 약 70%의 전류 효율이 달성될 수 있다. 계속해서 다른 실시형태에서, 80% 이상의 잠재적인 전류 효율이 달성될 수 있으며; 몇몇 인스턴스에서 85% 만큼의 전류 효율이 달성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 95%까지의 전류 효율이 달성될 수 있다. 현재 구성의 또 다른 이점은 디바이스의 조립이 비교적 간단하여, 종래의 판-및-프레임 디바이스 조립에서보다 적은 단계를 수반하며 그러므로 자동화하기에 더 용이할 수 있다는 것이다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 경주로 구성을 가진 디바이스는 동일하거나 또는 상이할 수 있는, 셀 쌍의 수, 내부 전극에서 대체로 직선 측 구획의 길이, 내부 전극 주위에서의 권선의 수 및 흐름 경로의 길이, 희석액 및 농축액 격실로의 유입구에서의 흐름 속도 및 막-간 간격, 및 희석 및 농축 격실에서의 스크린의 유형을 포함하여, 최적화를 위한 다수의 변수를 수반할 수 있다. 경주로 경로의 곡선 측 부분에서의 막 면적은 나선-권선형 디바이스에서처럼 균일하지 않은 전류 밀도의 대상이다. 디바이스 구성의 이들 곡선 부분에서, 내부 전극으로부터의 거리를 갖고 이온 제거의 점감 비율은 동작 시 관찰될 수 있으며; 그 결과 증가된 수의 권선에 따라 비용 경쟁력에서 수확 체감이 있을 수 있다.
도 1은 단일의 양극(110) 및 분할된 음극(120)을 특징으로 하는 경주로 구성을 가진 전기화학 분리 모듈(100)의 개략적인 단면도이다. 음이온 및 양이온 교환 막을 포함한 셀 쌍의 두 개의 스택은 번들을 형성하기 위해 양극(110)에 감길 수 있다. 음극(120)은 번들을 둘러싸는 두 개의 구획으로 분할될 수 있다. 대안적으로, 음극은 연속 구조일 수 있다. 해수와 같은, 공급수는 양극(110) 가까이에서 모듈의 중심 가까이에 배치되어 도시된 유입구(130)로 도입될 수 있다. 물은 유입구(130)를 통해 모듈의 희석 및 농축 격실로 공급될 수 있다. 물은 그것이 음극(120)을 향해 바깥쪽으로 흐르도록 진행함에 따라 처리된다. 공급수가 희석 및 농축 격실에서 처리된 후, 대응하는 생성물 및 폐기물 흐름은 모듈의 외부 단부에서 수집되며 유출구(140)를 통해 빠져나온다. 몇몇 실시형태에서, 모듈은 희석 및 농축 스트림이 양극에서 음극으로 대체로 권선형 흐름 경로에서 서로 동시에 흐르도록 구성될 수 있다. 대안으로, 모듈은 희석 및 농축 스트림이 서로에 역전류로 흐르도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 모듈은 희석 및 농축 스트림 중 하나가 양극에서 음극으로 대체로 권선형 흐름 경로에서 흐르는 반면, 희석 또는 농축 스트림 중 다른 것은 다른 스트림에 수직인 대체로 축 방향으로 흐르도록 구성될 수 있다. 이러한 특정한 구성은 공급수의 전도도가 낮은 애플리케이션에서 적절할 수 있다. 다른 실시형태에서, 모듈은 희석 및 농축 스트림이 외부 음극에서 내부 양극으로 안쪽으로 흐르도록 구성될 수 있다. 외부 음극 및 내부 양극을 갖는 것으로 설명되지만, 대안적인 배열은 내부 음극 및 외부 양극을 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
명료함을 위해, 도 1에서 구성요소의 두께가 과장되며 스택당 단지 두 개의 셀 쌍만이 도시되며, 상기 셀 쌍은 2회 양극에 감긴다는 것이 주의된다. 실제로, 부가적인 셀 쌍, 및 연관된 권선이 있을 수 있다.
몇몇 비-제한적인 실시형태에서, 양극(110)은 편평한 판을 취하며 그 후 단부를 구부리거나 또는 굴림으로써 제작될 수 있다. 대안으로, 양극은 반-원통형처럼 형성된 구획에 편평한 판의 구획을 용접함으로써 구성될 수 있다. 양극의 기판은 티타늄과 같은 다양한 재료로부터 제조될 수 있으며 백금, 이리듐 산화물, 루테늄 산화물, 주석, 및 그것의 혼합물과 같은 내산화성 재료로 표면상에 추가로 코팅될 수 있다. 예를 들면, 양극은 이리듐 및 주석으로 코팅된 티타늄으로부터 형성될 수 있다. 음극은 316 스테인리스 스틸과 같은 다양한 재료로부터 형성될 수 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 막은 구성이 균질일 수 있고 두께가 0.025㎜일 수 있으며, 스크린은 두께가 0.25㎜일 수 있어서, 0.55㎜의 두께를 가진 셀 쌍을 산출한다. 이들 치수는 50개의 셀 쌍의 스택이 나중에 13.8㎜의 반경을 가진 단부 구획에 들어맞을 수 있도록 허용할 것이다. 이온 교환 막은 여기에서 설명된 종래의 ED 및 EDI 디바이스에서와 같은, 전기화학 처리 디바이스에서 사용된 종래의 재료로부터 선택될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 예를 들면, 이온 교환 막은 2014년 4월 22일에 발행된, 미국 특허 제8,703,831호, 및 2015년 5월 5일에 발행된, 미국 특허 제9,023,902호에서 설명된 막일 수 있으며, 양쪽 모두는 Evoqua Water Technologies Pte. Ltd에 양도되며, 그 내용은 참고로 본 명세서에 편입된다. 몇몇 실시형태에서, 양이온 교환 막은 미공성 막 지지대 및 상기 미공성 막 지지대를 채우며, 하나 이상의 이오노겐 단위체, 중립 단위체, 및 다기능 단위체의 중합 생성물을 포함한 가교 양이온 전달 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 양이온 교환 막은 약 0.05 마이크론 내지 약 10 마이크론 사이에서의 구멍을 가질 수 있다. 다공성 막 기판은 두께가 약 155 마이크론 미만일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 다공성 막 기판은 두께가 약 55 마이크론 미만일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 양이온 교환 막은 약 45% 이상의 공극률을 가질 수 있다. 양이온 교환 막은 약 95% 이상의 선택 투과성, 및 약 1.0 Ω-㎠ 이하의 저항률을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 음이온 교환 막은 미공성 막 지지대 및 상기 미공성 막 지지대를 채우며, 하나 이상의 이오노겐 단위체, 중립 단위체, 및 다기능 단위체의 중합 생성물을 포함한 가교 음이온 전달 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 음이온 교환 막은 약 0.05 마이크론 내지 약 10 마이크론 사이의 구멍을 가질 수 있다. 다공성 막 기판은 두께가 약 155 마이크론 미만일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 다공성 막 기판은 두께가 약 55 마이크론 미만일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 음이온 교환 막은 약 45% 이상의 공극률을 가질 수 있다. 음이온 교환 막은 약 94% 이상의 선택 투과성, 및 약 1.0 Ω-㎠ 이하의 저항률을 가질 수 있다.
도 2a는 분할된 양극(210) 및 분할된 음극(220)을 특징으로 하는 경주로 구성을 갖는 전기화학 분리 모듈(200)의 개략적인 단면도이다. 양극은 두 개의 구획으로 분할될 수 있으며, 음이온 및 양이온 교환 막을 포함한 셀 쌍의 두 개의 스택은 번들을 형성하기 위해 분할된 양극(210)의 구획에 감긴다. 도 1에 도시되고 설명된 배열과 유사한 방식으로, 공급수가 양극(210) 가까이에서의 모듈의 중심 가까이에 배치되어 도시된 유입구(230)로 도입될 수 있다. 물은 그 후 음극(220)을 향해 바깥쪽으로 흐르도록 진행할 수 있으며, 생성물 및 폐기물 유출구(240)를 통해 모듈을 빠져나온다. 도 2b는 도 1에 도시된 대안적으로 구성된 모듈의 투시도이다. 분할된 양극은 모듈의 구성에서 보다 많은 유연성을 허용할 수 있다. 예를 들면, 양극의 곡선 구획의 반경 및 번들의 곡선 구획은, 분할된 양극의 직선 구획 사이에서의 거리가 변경될 수 있기 때문에, 셀 쌍의 수에 독립적일 수 있다.
도 3은 용기에 배치될 권선형 번들을 가진 경주로 구성 전기화학 분리 모듈의 개략도이다. 이러한 경주로 구성을 가진 모듈은 다양한 구성의 용기에서 지원될 수 있다. 하나 이상의 비-제한적 실시형태에 따르면, 하나 이상의 셀 쌍이 내부 전극에 감긴 후, 번들의 단부 중 하나 또는 양쪽 모두는 포팅 접착제(380)에서 밀봉되며, 이것은 그것을 하우징 또는 용기로 배치하기 위해 원하는 대로 또는 필요에 따라 경화되고 트리밍될 수 있다. 포팅 번들은 그 후 원통형 용기(390)와 같은, 용기로 삽입될 수 있다. 용기는 하나 이상의 받침쇠(도시되지 않음), 밀봉부, 지지대, 및 번들로의 유체 및 전기 통신을 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 유출구 매니폴드(385)는 생성물 및 폐기물 스트림을 위한 유출구를 포함할 수 있다. 유입구 매니폴드는 또한 번들과 유체 연통할 수 있다. 번들 및 용기 내부 부분 사이에서의 임의의 갭 또는 개구는 용기(390)가 번들의 외부 주변부를 지지하도록 기능하도록 윤곽 부분 또는 재료(도시되지 않음)로 추가로 채워질 수 있다. 주지된 바와 같이, 용기(390)는 유입구 및 유출구 포트로의 연통 및 전극으로의 전기적 연결을 추가로 제공할 수 있는 하나 이상의 받침쇠(도시되지 않음)에 의해 고정되며 폐쇄될 수 있다. 윤곽 부분 또는 재료가 하우징 또는 용기 내에 셀 쌍의 번들을 고정시키기 위해 사용된다면, 그것들은 몰딩 또는 기계 프로세싱 기술에 의해 형성된 플라스틱 재료와 같은 저-비용, 무-반응, 및 비-부식성 재료로부터 제작될 수 있다. 윤곽 부분 또는 재료는 또한 셀 쌍의 번들을 지원하도록 기능하거나, 또는 다른 기능을 수행할 수 있다. 예를 들면, 윤곽 부분 또는 재료의 하나 이상은 폐기물 또는 생성물 스트림으로부터 유출액을 수집하며 그것을 대응하는 포트로 라우팅하기 위해 하나 이상의 매니폴드를 포함할 수 있다. 특정한 실시형태에서, 윤곽 부분 또는 충진 재료는 모듈의 동작을 위해 필요하지 않을 수 있다. 예를 들면, 포팅 번들은 용기로 삽입될 수 있으며 받침쇠가 부착될 수 있다. 충진 재료는 그 후 용기의 내부 표면 및 번들 사이에서의 공동으로 주입될 수 있다. 적절한 충진 재료의 예는 강성 또는 반-강성 포팅 화합물 및 실란트 폼을 포함할 수 있으며, 이것은 공동으로 주입된 후 팽창하며 굳어질 수 있다. 용기(390)는 임의의 공통 또는 불규칙적 형태로 구성될 수 있다. 특정한 용기 구성은 다수의 디바이스가 용기로 배치될 수 있게 할 것이다. 용기는 설명된 번들 구성을 위한 하우징으로서 수행하기에 적합한 임의의 형태일 수 있다.
도시되고 설명된 바와 같이, 몇몇 실시형태에서, 권선형 음이온 및 양이온 교환 막 및 양극으로부터 형성된 번들의 단면은 대체로 직선 구획의 제1 및 제2 단부에서 대체로 수평 또는 직선 측 구획 및 곡선 구획을 가질 수 있다. 특정한 실시형태에서, 전류 밀도는 번들의 대체로 직선 구획 전체에 걸쳐 대체로 균일할 수 있다. 또한, 희석액 격실로부터의 이온 제거의 레이트는 내부 전극으로부터의 거리의 함수가 아니다. 이것들은, 전류 밀도가 내부 전극으로부터의 거리가 이러한 유형의 구성에서 증가함에 따라 감소할 수 있으므로, 나선-권선형 디바이스에 대한 별개의 이점이다. 이것은 희석액 스트림으로부터의 이온 전달 레이트가 희석액 스트림이 바깥쪽으로 나선형을 그림에 따라 감소한다는 것을 의미한다. 원하는 레벨의 이온 제거를 달성하기 위해, 내부 전극에서의 전류 밀도는 수용 가능하지 않게 높을 수 있다(약 수백 amp/㎡). 또한, 막 면적은 나선의 길이를 증가시킴으로써 또는 희석액 격실을 통한 유량을 감소시킴으로써 증가되어야 할 것이다. 이들 접근법의 양쪽 모두는 잔류 시간이 증가되며 디바이스에 걸친 압력 강하에서의 증가에 기여할 수 있음을 요구한다. 또한, 막 면적 및 나선 길이를 증가시키는 것은 막을 제조하며 동작시키는 것 양쪽 모두의 비용을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 전기-침투 및 삼투와 연관된 물 손실은 생성물 스트림의 감소된 유량에 기여할 수 있다. 나선-권선형 디바이스는 또한 셀 쌍의 수, 및 그러므로 디바이스를 빠져나오는 생성물의 유량이 중앙 전극 주위에서 다수의 셀 쌍을 감을 때의 어려움 및 양극 세그먼트 사이에서의 갭의 차이에 의해 제한될 수 있다는 사실에 의해 불이익을 받을 수 있다. 나선-권선형 디바이스에서 분할된 내부 전극의 반경을 증가시키는 것은 전극의 비용을 증가시킬 수 있으며, 이러한 부가적인 비용은 상당할 수 있다. 경주로 구성의 사용은 나선-권선형 디바이스와 연관된 이들 단점 중 하나 이상을 최소화할 수 있다.
곡선 구획은 일반적으로 곡선의 반경에 따라 변할 수 있는 비-균일 전류 밀도를 보인다. 본 구성은 그러므로 그것들이 대체로 직선 구획을 포함함에 따라 보다 효율적일 수 있다. 대체로 직선 구획 전체에 걸쳐 보인 균일한 전류 밀도는 곡선 구획에서 비-균일 전류 밀도의 효과를 감소시킬 수 있다. 다양한 실시형태에서, 그러므로, 대체로 직선 구획의 길이 대 곡선 구획의 반경의 비는 0보다 크다. 비는 대체로 직선 구획이 길이가 증가함에 따라 더 커질 수 있고; 대안적으로, 비는 감소될 수 있으며, 대체로 직선 구획이 길이가 감소함에 따라, 0에 도달할 수 있다(비는 번들이 구형 구성에서처럼 대체로 직선 구획을 갖지 않는다면 0이다). 적어도 일 실시형태에서, 곡선 구획의 곡률 반경은 셀 쌍의 수에 의존하지 않을 수 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 곡선 구획의 각각의 반경은 대략 셀 쌍의 스택의 두께와 동일하다. 다양한 양상에서, 음이온 및 양이온 교환 막은 평면이며 번들의 대체로 직선 구획을 따라 평행한다. 몇몇 실시형태에서, 번들은 두 개의 대칭 축을 가질 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 곡선 구획은 타원형 또는 다른 곡선 형태와 같은, 반-원형 이외의 것일 수 있다.
다양한 실시형태에서, 전기화학 분리 디바이스의 하나 이상은 물 처리 시스템에서 사용될 수 있다. 물 처리 시스템은 센서 및 제어 디바이스, 부가적인 매니폴드 및 분배 조립체, 저장 디바이스, 및 부가적인 처리 디바이스와 같은, 다른 구성요소 및 디바이스를 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 양상에서, 전기화학 분리 디바이스 중 하나 이상은 기존의 물 처리 시스템으로 통합될 수 있다. 처리될 물의 적절한 소스의 비-제한적인 예는 상수(potable water)의 소스, 예를 들면, 도시 용수 또는 우물 물, 비-상수의 소스, 예를 들면, 염분이 섞인 또는 소금-물, 사전-처리된 반-순수 물, 및 그것의 임의의 조합을 포함한다.
디바이스의 유입구로 피드를 전달하기 위한 방법 및 시스템의 하나 이상의 실시형태는 격실 및 셀 쌍을 공급하기 위해 공통 피드를 요구할 수 있다. 그 결과 동일한 물 소스는 농축액 격실뿐만 아니라 희석액 격실을 공급한다. 이러한 시스템은, 그러므로, 물 처리 시스템으로 모듈을 통합하기 위한 능력을 제한할 수 있다. 이러한 시스템의 다용도는 특히 에너지 소비 및 생성수 품질을 제어하는 것과 관련하여 제한된다. 도 4는 중앙 유입구 허브(410)가 흐름 방향 화살표(430)에 의해 도시된 바와 같이 권선형 셀 쌍(420)의 모든 격실로 동일한 공급수를 공급하는 전기화학 분리 디바이스(400)를 통한 예시적인 흐름 패턴의 개략도이다.
또한, 전기화학 처리 디바이스에서 권선형 셀 쌍의 유출구로부터 생성물 및 폐기물 스트림을 수집하기 위한 시스템의 하나 이상의 실시형태는 주어진 디바이스 및 영역에서 구현될 수 있는 셀 쌍의 수를 제한할 수 있다. 이들 방법 및 시스템은 O-링과 같은, 기계적 밀봉부를 사용하여 블록에 밀봉된 희석액 및 농축액 격실을 분리하는 막과 함께 매니폴드의 사용을 요구할 수 있다. 하나의 이러한 실시형태에서, 매니폴드(500)는 도 5에 도시되며, 희석액 격실(510)의 각각을 빠져나오는 생성물 흐름 스트림(560)은 제1 매니폴드(540)인, 생성물 수집 매니폴드에서 수집되며, 전기화학 처리 디바이스 밖으로 향해진다. 유사하게, 농축액 격실(520)을 빠져나오는 폐기물 흐름 스트림(570)은 제2 매니폴드(550)인, 폐기물 수집 매니폴드에서 수집된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 희석액 격실(510) 및 농축액 격실(520)의 스페이서는 구성요소 사이에 배치될 O-링 밀봉부(530)에 대해 이격된다. 예를 들면, 약 10㎜의 간격을 갖고, 셀 쌍은 20㎜의 거리를 요구할 것이다. 예를 들면, 5개의 셀 쌍을 포함한 디바이스에서의 각각의 매니폴드는 그러므로 길이가 적어도 100㎜일 것이다. 이러한 구성을 가진 상용 전기화학 디바이스는 현재 공정 및 경제 모델에 기초하여, 번들당 20 내지 50개의 셀 쌍을 요구할 수 있다. 매니폴드 시스템 및 방법은 그러므로 클 수 있으며 잠재적으로 구현하기에 어려울 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 공급 및 매니폴드 시스템에 대한 대안이 개시된다. 하나 이상의 실시형태에 따르면, 작은 공간에서 번들당 다수의 셀 쌍을 수용할 수 있는 시스템이 제공된다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 전기화학 처리 디바이스에서 희석액 및 농축액 격실로 별개의 공급 스트림을 공급하며 이로부터 별개의 생성물 및 폐기물 스트림을 수집하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 이러한 시스템을 구성하는 방법은 그 후 희석액 또는 농축액 격실과의 유입구 또는 유출구 포트 사이에서의 연통을 제공하기 위해 밀봉 재료 및 드릴링 전략 통로에 구성요소를 선택적으로 내장하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 시스템 구성요소를 만드는 방법은 도면을 참조하여 여기에서 설명된 일련의 단계를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 흐름 격실(600)은 스페이서 스크린을 포함할 수 있다. 2개의 조각으로 도시된, 불침투성 필름(620)은 스페이서 스크린(610)의 마스킹 부분(630)을 형성하기 위해 그 사이에 스페이서 스크린(610)을 갖고 결합되거나 또는 용접됨으로써 접합부(670)를 형성할 수 있다. 용접된 필름(620)은, 그 다음의 포팅 단계 동안, 에폭시가 스페이서 스크린(610)의 마스킹 부분(630)을 채우는 것을 방지할 것이다. 마스킹되지 않은 스페이서 스크린(610)의 인접한 부분(640)은 에폭시로 채워질 수 있으며 포팅 부분이 될 수 있다. 도 6에 도시된 실시형태에서, 스페이서 스크린(610)은 흐름 채널의 직경 및 위치와 일치하는 홀(660)로 사전-펀칭된다.
도시된 스페이서 스크린(610)의 구획은 흐름 방향 화살표(650)에 의해 도시된 바와 같이 나선형 경로의 시작(격실로의 유입구)으로서 작용한다. 대안적인 배열이 반대 방향으로의 흐름을 포함할 수 있다는 것이 또한 이해된다. 격실의 이러한 구획은 또한, 유사한 개시된 방법이 셀 쌍의 번들의 유입구 및 유출구 양쪽 모두에서 유체 스트림의 분리를 가능하게 하기 위해 사용될 수 있으므로, 유출구로서 작용할 수 있다. 마찬가지로, 스페이서 스크린(610)은 유사한 기술이 적용됨에 따라, 희석액 격실 또는 농축액 격실의 부분일 수 있다.
필름(620)을 함께 결합하거나 또는 용접하는 단계는 임의의 알려진 방법을 통해 성취될 수 있다. 예를 들면, 필름(620)은 가열된 밴드를 이용하는, 임펄스 히터, 또는 초음파 용접기에 의해 열적으로 용접될 수 있다. 특정한 실시형태에 따르면, 필름 및 스크린 양쪽 모두는 나중 단계에서 도입될 밀봉 재료에 불침투성인 접합부를 형성하기 위해 함께 용융된다. 바람직하게는 스페이서 스크린 및 필름의 재료 및 두께는 용접이 하나의 동작에서 성취되도록 허용한다. 대안적으로, 스크린 상에서의 용접 영역은 스페이서 스크린 스트랜드를 접기 위해 예열되며 압축될 수 있다. 필름은 그 후 열이 모든 3개의 구성요소를 통해 관통하며 접합부를 형성하기 위해 인가될 수 있는 동안 스크린의 양쪽 측면 모두 상에 배치될 수 있다.
필름을 위한 잠재적인 재료는 용접 가능하며 낮은 투과성을 가진 재료를 포함한다. 이러한 재료의 예는, 제한 없이, 폴리염화비닐(PVC) 및 폴리에스테르를 포함한다.
도 7은 도 6과 관련하여 설명된 용접 동작이 농축액 스페이스 스크린(720) 및 희석액 스페이서 스크린(760)과 함께 사용될 수 있는 셀 쌍(700)의 확대도를 제공한다. 희석액 스페이서 스크린(760) 및 농축액 스페이서 스크린(720)의 마스킹 부분(740)은 교번 정렬로 스크린의 마스킹 부분(740) 및 포팅될 부분(730)을 위치시키는, 스페이서 스크린의 종방향 중심선에 대한 미러 이미지이다. 셀 쌍(700)을 완성하는 음이온 교환 막(750) 및 양이온 교환 막(710)이 또한 도 7에서 도시된다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 번들을 포함하는 복수의 셀 쌍이 적층되며, 그 중 적어도 하나가 포트에 연결되는 내부 통로를 갖는, 두 개의 블록 사이에 끼워넣어진다. 도 8에서의 확대도에 도시된 대표적인 시스템(800)에서, 셀 쌍(810)의 번들은 최상부 블록(820) 및 최하부 블록(830) 사이에 위치된다. 최하부 블록(830)은 동작 시, 각각 하나 이상의 공급 소스 및 희석액 격실 및 농축액 격실 사이에서 유체 연통을 허용할 흐름 통로(840 및 845)를 포함한다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(800)의 에지(850)는 전기화학 분리 디바이스에서 셀 쌍(810)의 번들의 에지와 함께 접착제로 포팅된다. 필름에 의해 커버된 스페이서 스크린의 단부 부분(860)은 도 10에 도시된 바와 같이, 동일한 접착제로 포팅될 수 있다.
접착제가 설정되며 경화된 후, 채널(870 및 875)은 도 11에 도시된 바와 같이, 채널(870 및 875)이 각각 내부 흐름 통로(840 및 845)를 교차할 때까지 최상부 블록(820)을 통해 및 셀 쌍(810)의 포팅된 단부 부분(860)을 통해 최하부 블록(830)으로 드릴링함으로써 형성된다. 희석액 채널(870)은 희석액 격실의 마스킹 부분을 통과하며 희석액 격실이 희석액 포트(840)와 연통하도록 허용한다. 마찬가지로, 농축액 채널(875)은 농축액 격실의 마스킹 부분을 통과하며 농축액 격실이 농축액 포트(845)와 연통하도록 허용한다. 최상부 블록(820)에서의 홀은 플러그, 접착제, 스레딩 플러그, 또는 이들 또는 다른 수단의 몇몇 조합을 사용하여 밀봉될 수 있다.
도 12는 생성물/희석액 흐름 방향 화살표(880)에 의해 도시된 바와 같이, 희석액 격실로부터 내부 통로를 통해 희석액 유출구 포트로 흐르는 생성물을 예시한 단면도이다. 희석액 스크린에 용접되는 필름은 스크린을 마스킹하며 접착제가 유출구 채널(870)에서 희석액 격실(890)을 뚫고 들어가는 것을 방지한다. 농축액 격실(895)의 인접한 스크린은 필름에 의해 보호되지 않으며 포팅된 스페이서 스크린 부분을 형성하기 위해 접착제로 채워진다. 그러므로, 농축액 격실(895) 및 희석액 채널(870) 사이에 유체 연통이 없다. 농축액 유출구 포트(875)를 통한 단면도는 농축액 유출구 포트(875)의 경로를 따라 마스킹되는 농축액 격실(895)을 통해 흐르는 폐기물 스트림을 예시할 것이다.
도 12에 도시된 방향 흐름 화살표는 유출구를 향한 흐름을 나타내지만, 반대 방향으로의 흐름은 유입구 포트에서 희석액 격실로 흐르는 공급수를 나타낼 것이다. 마찬가지로, 도 12는 희석액 흐름을 도시하지만, 농축액 흐름의 묘사가 유사할 것이다. 희석액 격실로의 공급수와 상이한 이온 함량을 가진 별개의 공급수가 유사한 방식으로 농축액 격실에 공급될 수 있다.
상기 설명된 공정을 통해 형성된 유입구 및 유출구는 전기화학 처리 디바이스로 통합될 수 있다.
하나 이상의 대안적인 실시형태에 따르면, 필름은 흐름 격실을 정의하는 스크린으로 직접 용접되지 않을 수 있다. 대신에, 도 13a에 도시된 바와 같이, 필름(1320)은 서로에 사전-용접되며 접합부(1370)를 가진 슬리브(1325)를 형성한다. 각각의 스페이서 스크린(1310)의 단부 부분은 슬리브(1325)가 단부 부분 위에 위치되도록 허용하기 위해 트리밍된다. 도시된 바와 같이, 스페이서 스크린(1310)의 삼각형 형태 나머지 부분(1380)은 예를 들면, 도 13b에 도시된 바와 같이, 위치 결정 핀, 또는 임의의 다른 수단을 사용하여, 제자리에 배치될 수 있다. 이러한 대안적인 접근법은 플라스틱 필름(1320)의 용접이 일반적으로 필름 사이에 스페이서 스크린을 갖고 제자리에서 용접하는 것보다 더 용이하며 빠르기 때문에 특정한 이점을 제공할 수 있다. 이러한 대안적인 접근법은 슬리브(1325)의 제작이 자동화되도록 허용한다.
또 다른 실시형태에서, 도 14에 도시된 바와 같이, 필름(1420)은 슬리브(1425)를 형성하기 위해 서로 용접될 수 있다. 이 실시형태에서, 스크린 스페이서(1410)의 삼각형 조각(1480)의 에지는 각각의 슬리브(1425)의 접합부(1470) 중 하나로 삽입되며 필름(1420)과 함께 결합될 수 있다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 실시형태와 대조적으로, 이 방법은 스크린의 보다 작은 부분을 배치하는 단계를 제거하며 셀 쌍의 스택의 조립을 간소화할 수 있다. 슬리브 제작의 이러한 실시형태는 용접에서 스크린 재료의 포함을 위해 조정된 용접 파라미터로 자동화될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시형태에서, 다공성 재료(1570)는 각각의 슬리브(1580) 및 인접한 막, 양이온 교환 막(1510) 또는 음이온 교환 막(1550) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 배열은 잠재적인 갭 형성을 회피할 수 있다. 포팅 단계 동안, 접착제가 막 및 필름 사이에서 관통하지 않는다면, 갭은 동작 유체 압력 하에서 형성할 수 있다. 임의의 갭은 두 개의 스트림 사이에서 교차-누설을 야기할 수 있다. 다공성 재료(1570)는 접착제가 경화 이전에 모세관 작용을 통해 흐르거나 또는 이동할 수 있는 막 및 필름 사이에 공간을 생성하도록 도울 수 있다.
잠재적인 다공성 재료는 스트랜드 사이에 빽빽한 간격을 가진 얇은 직조 또는 압출 성형된 스크린, 및 역 삼투 또는 초미세여과 막을 위한 기판으로서 생성된 다공성 필름을 포함한다. 재료는 상이한 접착제를 가진 포팅 시행에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 하나의 이러한 재료는 280 스트랜드/인치(110 스트랜드/cm) 및 0.0024 인치(60㎛)의 전체 두께를 가진 직조 모노필라멘트 폴리에스테르 스크린이다.
포팅 접착제를 위한 점재적인 재료는, 제한 없이, 에폭시 및 우레탄을 포함한다. 마스킹 필름을 위한 잠재적인 재료는, 제한 없이, PVC 및 폴리에스테르 필름을 포함한다. 필름은 포팅 재료와 결합하는 것을 도울 수 있는 마테(matte) 표면 마감재를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시형태에 따르면, 포팅을 위한 방법은 별개의 유입구 공급 소스로부터 두 개의 별개의 유입구 흐름을 생성하도록 설계된 유입구 시스템으로 통합된다. 하나의 스트림은 희석액 격실로 지나갈 수 있으며 또 다른 스트림은 농축액 격실로 지나갈 수 있다. 농축액 격실로부터 희석액 격실을 분리하기 위해, 셀 쌍의 번들의 초기 단부는, 예를 들면, 에폭시 접착제로 포팅되며, 이것은 그 후 완전히 경화하도록 허용된다. 상이한 격실에 연결된 스크린의 부분이 타겟팅되고 에폭시 접착제 포팅 재료로부터 분리되며, 매니폴드로부터의 유체의 흐름에 개방된 채로 있을 수 있다. 스페이서 스크린의 부분은 용접된 플라스틱 필름의 포켓으로 들어가질 수 있거나, 또는 플라스틱 필름은 그것으로 용접될 것이고, 그에 의해 에폭시에서 캡슐화된 포팅 부분으로부터 분리된 스페이서 스크린의 마스킹 부분을 형성한다.
도 16 내지 도 18은 하나 이상의 실시형태에 따라, 스페이서 스크린이 어떻게 절단될 수 있는지에 대한 예를 도시한다. 도 16a, 도 16b, 및 도 16c는 이온 교환 막 및 격실 스페이서의 부분의 형태의 예에 대한 개략도이다. 조립된 대로, 막 및 스페이서 스크린은 에폭시 포팅 재료에서 생성될 수 있는 채널을 방해하지 않을 수 있다. 도 16a에서, 희석액 격실 스페이서(1610)는 플라스틱 필름에 의해 에폭시로부터 분리된 마스킹 부분(1640)을 가진다. 희석액 채널(1670)은 흐름을 전달하기 위해 스페이서 스크린(1610)에 형성된다. 스페이서 스크린(1610)의 일 부분은 제거되며 그 다음에 희석액 격실의 포팅 부분(1650)으로서 에폭시 포팅 재료로 채워질 수 있다. 도 16b에서, 농축액 격실 스페이서 스크린(1620)은 플라스틱 필름에 의해 에폭시 포팅 재료로부터 분리된 마스킹 부분(1640)을 가진다. 농축액 채널(1675)은 흐름을 전달하기 위해 스페이서 스크린(1620)에 형성된다. 스페이스 스크린(1620)의 일 부분은 제거되며 그 다음에 농축액 격실의 포팅 부분(1650)으로서 에폭시로 채워질 수 있다. 도 16c에서, 이온 교환 막(1630)은 스페이서 스크린 사이에서 성형되고 위치될 수 있다는 것이 도시된다. 이 실시형태에서 양이온 교환 막 및 음이온 교환 막은 유사한 형태를 가질 수 있다.
도 17의 확대도는 셀 쌍 구성요소가 서로 상에 층을 이룰 수 있음을 예시한다. 도 18은 이 실시형태의 셀 쌍의 조립을 도시한다. 이 예에서, 4개의 채널이 생성되며, 두 개의 채널(1670)은 희석액 격실을 위한 것이며 두 개의 채널(1675)은 농축액 격실을 위한 것이다. 부가적인 채널이 원하는 대로 및/또는 모듈의 길이 및 예상된 흐름에 의존하여 생성될 수 있다.
도 19는 셀 쌍의 번들의 단부 부분이 삽입되고, 고정되며, 그 후 포팅될 수 있는 포팅 용기(1900)의 실시형태를 예시한다. 도 20은 포팅 용기 안에 배치된 셀 쌍의 번들의 단부 부분을 도시한다. 또한 에폭시 포팅 재료가 주입되며 경화하도록 허용될 근사 높이가 포함된다. 에폭시 라인(2010)의 높이는 에폭시가 스크린 스페이서를 통해 흐르며 그것을 차단하는 것을 방지하기 위해 보호성 플라스틱 필름의 에지 이하가 될 수 있다. 에폭시가 경화한 후, 포트 홀은 분리된 희석액 및 농축액 격실로의 흐름을 허용하는 채널(1670 및 1675)을 형성하기 위해 홀더, 에폭시, 및 번들을 통해 형성될 수 있다.
중앙 허브(2100)의 예가 도 21에 도시된다. 셀 쌍의 번들은 중앙 허브(2100)에 장착되며 그것에 감길 수 있다. 두 개의 희석액 포트(2110) 및 두 개의 농축액 포트(2120)를 포함한 중앙 허브(2100)가 허브(2100)의 최상부 부분 상에 도시된다. 두 개의 희석액 포트 및 두 개의 농축액 포트는 또한 허브의 최하부(도시되지 않음) 상에 있다. 동작 시, 희석액 포트(2110)는 희석액 공급 유입구(2130)를 통해 희석액 스트림 채널 및 희석액 공급원과 유체 연통할 수 있다. 동작 시, 농축액 포트(2120)는 농축액 공급 유입구(2140)를 통해 농축액 스트림 채널 및 농축액 공급원과 유체 연통할 수 있다. 이러한 방식으로, 희석액 공급 스트림 및 농축액 공급 스트림은 상이한 스트림일 수 있다.
도 22는 도 21에 도시된 예시적인 중앙 허브(2100)의 단면을 도시한다. 중앙 허브(2100)의 내부 희석액 도관(2150) 및 농축액 도관(2160)은 희석액 공급 유입구(2130) 및 농축액 공급 유입구(2140)로부터 각각 희석액 포트(2110) 및 농축액 포트(2120)로의 연통을 수립한다. 도관(2150 및 2160)은 기계 가공성을 위해 대체로 직선으로 예시된다. 그러나, 도 23에 도시된 바와 같이, 다른 가능한 채널 기하학적 구조가 포트 사이에서의 흐름을 촉진시킨다. 예를 들면, 곡선 채널(2310)이 몰딩된 부분으로 형성될 수 있다. 도 24는 조립된 디바이스(2400)의 일 부분의 예를 도시한다. 디바이스는 중앙 허브(2410), 번들(2430), 및 분할된 양극(2420)을 포함한다. 희석액 흐름 스트림은, 농축액 흐름 스트림이 한 것처럼, 번들(2430)의 셀 쌍의 양쪽 세트 모두의 희석액 격실로 공급한다.
이들 및 다른 실시형태의 기능 및 이점은 다음의 예로부터 보다 완전하게 이해될 것이다. 실시예는 사실상 예시적이도록 의도되며 여기에 논의된 실시형태의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
실시예
1
경주로 구성을 가진 전기투석 디바이스는 TDS를 감소시킬 때 효율, 유량, 공정 효율, 에너지 소비, 및 전체 회수를 위해 평가되었다.
디바이스는 총 30개의 셀 쌍을 포함한 경주로 구성을 가진 번들을 형성하기 위해 IOA-LC로 코팅된 티타늄으로부터 형성된, 양극에 감긴 두 개의 세트의 15개의 셀 쌍을 포함한다. 번들은 316 스테인리스 스틸 음극에 의해 둘러싸여졌다. 번들에서 사용된 양이온 교환 막 및 음이온 교환 막은 미국 특허 제8,703,831호 및 제9,023,902호에서 설명된 것들이다. 30개의 셀 쌍에서 사용된 60개의 막은 3417㎜의 평균 길이 및 300㎜의 초기 폭을 가졌다. 포팅 후, 막의 평균 폭은 250㎜였다. 총 막 면적은 그러므로 51.2㎡였다.
공통 공급 스트림은 두 개의 세트의 15개의 셀 쌍의 희석액 및 농축액 격실로 공급되었다. 표 1에 요약된 바와 같이, 8개의 상이한 공급 스트림이 평가되었다. 스트림(1 내지 4)은 염수의 범위에 있는 TDS를 갖는 반면, 스트림(5 내지 8)은 브라인 또는 해수에 도달하는 TDS를 갖는다.
| 런 수 | 온도 (℃) |
전도도 (mS/cm) |
공급 농도 (mol/l) |
공급 농도 (ppm) |
|
| 1 | 25.1 | 7.780 | 0.0714 | 4168 | |
| 2 | 26.7 | 7.546 | 0.0691 | 4035 | |
| 3 | 28.4 | 7.65 | 0.0701 | 4092 | |
| 4 | 29.9 | 7.56 | 0.0693 | 4042 | |
| 5 | 28.5 | 51.30 | 0.5565 | 31855 | |
| 6 | 29.8 | 51.06 | 0.5534 | 31685 | |
| 7 | 30.2 | 51.18 | 0.5549 | 31770 | |
| 8 | 30.4 | 52.11 | 0.5667 | 32429 | |
두 개의 세트의 15개 셀 쌍으로부터 회수된 생성물 스트림은 표 2에서 요약된다. 하나가 15개 셀 쌍의 각각의 번들 세트에서 디바이스를 통과한 후, TDS는 스트림(5 내지 8)에서 평균 20% 이상 감소되었다.
| 번들 세트 1 희석액 | 번들 세트 2 희석액 | ||||||||
| 런 | 온도 (℃) |
전도도 (mS/cm) |
농도 (ppm) |
유량 (㎖/분) |
런 | 온도 (℃) |
전도도 (mS/cm) |
농도 (ppm) |
유량 (㎖/분) |
| 1 | 24.5 | 6.947 | 3699 | 3092 | 1 | 24.7 | 6.860 | 3650 | 3079 |
| 2 | 26.3 | 6.036 | 3190 | 3112 | 2 | 26.4 | 5.745 | 3029 | 3108 |
| 3 | 28.0 | 4.95 | 2593 | 3112 | 3 | 28.1 | 5.08 | 2663 | 3108 |
| 4 | 29.5 | 4.15 | 2151 | 3112 | 4 | 29.8 | 4.35 | 2260 | 3108 |
| 5 | 28.0 | 42.16 | 25427 | 2964 | 5 | 28.4 | 41.12 | 24705 | 3011 |
| 6 | 29.6 | 41.35 | 24864 | 2421 | 6 | 29.7 | 41.46 | 24941 | 2424 |
| 7 | 29.9 | 40.91 | 24560 | 1810 | 7 | 30.1 | 41.66 | 25079 | 1838 |
| 8 | 30.5 | 41.72 | 25121 | 1169 | 8 | 30.5 | 42.27 | 25503 | 1232 |
두 개의 세트의 15개 셀 쌍의 농축액 격실로부터 회수된 폐기물 스트림이 표 3에서 요약된다. 단지 스트림(1 내지 4)만이 평가되었다. 이들 농축액 스트림은 증가된 전도도, 농도, 및 대응하는 감소된 유량을 나타낸다. 희석액 및 농축액 격실로 공급된 공통 공급 스트림을 가진 ED 디바이스에서 유사한 결과가 예상된다. 상기 설명된 다른 실시형태는 상이한 공급 스트림이 희석액 및 농축액 격실로 공급될 수 있게 한다. 이러한 특징은 물 폐기를 제한하며 복수의 이러한 디바이스의 스테이징 및 유체 연결을 가능하게 함으로써 공정 효율을 부가할 수 있다.
| 번들 세트 1 농축 | 번들 세트 2 농축 | ||||||||
| 런 | 온도 (℃) |
전도도 (mS/cm) |
농도 (ppm) |
유량 (㎖/분) |
런 | 온도 (℃) |
전도도 (mS/cm) |
농도 (ppm) |
유량 (㎖/분) |
| 1 | 25.1 | 9.785 | 5314 | 1215 | 1 | 25.0 | 9.795 | 5320 | 1209 |
| 2 | 26.7 | 11.83 | 6515 | 1224 | 2 | 26.7 | 11.75 | 6467 | 1219 |
| 3 | 28.3 | 13.74 | 7663 | 1176 | 3 | 28.4 | 13.73 | 7657 | 1209 |
| 4 | 30.0 | 15.48 | 8723 | 1195 | 4 | 30.2 | 14.85 | 8339 | 1209 |
총 생성물 유량, 공정 효율, 에너지 소비, 및 전체 회수가 표 4에서 요약된다. 이들 결과는 번들링된 셀 쌍의 경주로 구성을 가진 ED 디바이스가 높은 TDS 공급 스트림의 처리 시 효과적일 수 있음을 나타낸다. 30개의 셀 쌍을 통한 생성물 유량(스트림(1 내지 4)에 대해 6208㎖/분의 평균)은 상용 애플리케이션에 대해 충분하다. 스트림(1 내지 4)의 평균 TDS 감소는 28% 이상이며, 이것은 또한 30개의 셀 쌍을 통한 하나의 패스에 대해 충분하다. 15개 셀 쌍의 두 개의 번들 세트의 공정 효율은 보통이며, 스트림(1 내지 4)에 대해 거의 70% 조합되며 스트림(5 내지 8)에 대해 거의 60% 조합된다. 이것은 스트림의 기능이 디바이스를 통해 프로세싱되는 것처럼 보인다. 에너지 소비 및 전체 회수는 또한 상용 애플리케이션이 가능한 디바이스를 나타내었다. 전체 회수는 평균이 스트림(1 내지 4)에 대해 63.8% 그리고 스트림(5 내지 8)에 대해 64.5%가 되었다.
| 런 | 총 생성물 유량 (㎖/분) |
평균 생성물 농도 (ppm) |
공정 효율, 번들 세트 1 (%) | 공정 효율, 번들 세트 2 (%) | 에너지 소비(kWh/㎥) | 전체 회수 (%) |
| 1 | 6171 | 3674 | 71.0 | 78.1 | 0.037 | 63.6 |
| 2 | 6220 | 3110 | 60.2 | 71.6 | 0.146 | 63.6 |
| 3 | 6220 | 2628 | 72.0 | 68.6 | 0.287 | 64.0 |
| 4 | 6220 | 2205 | 68.7 | 64.7 | 0.860 | 63.9 |
| 5 | 5974 | 25063 | 50.0 | 56.4 | 1.357 | 68.0 |
| 6 | 4846 | 24903 | 58.0 | 57.4 | 1.026 | 67.1 |
| 7 | 3648 | 24822 | 62.3 | 58.7 | 0.772 | 63.6 |
| 8 | 2401 | 25317 | 66.8 | 66.8 | 0.490 | 59.2 |
상기 결과는 경주로 구성을 가진 ED 디바이스가 만족스러운 유량, 공정 효율, 에너지 소비, 및 전체 회수를 갖고, TDS를 감소시키기 위해 가변 품질의 공급수를 효과적으로 처리하기 위해 사용될 수 있다.
지금 몇몇 예시적인 실시형태를 설명하였지만, 앞서 말한 것은 단지 예시적이며 비 제한적이고, 단지 예로서 제공되었다는 것이 이 기술분야의 숙련자에게 명백해야 한다. 다수의 수정 및 다른 실시형태가 이 기술분야에서의 숙련된 기술의 것의 범위 내에 있으며 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려된다. 특히, 여기에서 제공된 많은 예가 방법 동작 또는 시스템 요소의 특정 조합을 수반하지만, 이들 동작 및 이들 요소는 동일한 목표를 성취하기 위해 다른 방식으로 조합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
여기에서 논의된 디바이스, 시스템 및 방법의 실시형태는 출원에서 다음의 설명에서 제시되거나 또는 첨부한 도면에서 예시된 구성요소의 구성 및 배열의 세부사항에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 디바이스, 시스템 및 방법은 다른 실시형태에서의 구현이 가능하며 다양한 방식으로 실시되거나 또는 실행될 수 있다. 특정 구현의 예가 단지 예시적인 목적을 위해 여기에서 제공되며 제한적이도록 의도되지 않는다. 특히, 임의의 하나 이상의 실시형태와 관련하여 논의된 동작, 요소 및 특징은 임의의 다른 실시형태에서 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되지 않는다.
이 기술분야의 숙련자는 여기에서 설명된 파라미터 및 구성이 대표적이며 실제 파라미터 및/또는 구성은 본 발명의 시스템 및 기술이 사용되는 특정 애플리케이션에 의존할 것임을 이해해야 한다. 이 기술분야의 숙련자는 또한 단지 정례적인 실험을 사용하여, 본 발명의 특정 실시형태에 대한 등가물을 인식하거나 또는 알아낼 수 있어야 한다. 그러므로 여기에서 설명된 실시형태는 단지 예로서 제공되며 첨부된 청구항 및 그것의 등가물의 범위 내에서, 본 발명이 구체적으로 설명된 것과 달리 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
게다가, 본 발명은 여기에서 설명된 각각의 특징, 시스템, 서브시스템, 또는 기술 및 여기에서 설명된 둘 이상의 특징, 시스템, 서브시스템, 또는 기술의 임의의 조합에 관한 것이며 둘 이상의 특징, 시스템, 서브시스템, 및/또는 기술의 임의의 조합은, 이러한 특징, 시스템, 서브시스템, 및 기술이 상호 불일치하지 않는다면, 청구항에서 구체화된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 단지 일 실시형태와 관련하여 논의된 동작, 요소, 및 특징은 다른 실시형태에서 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되지 않는다.
여기에서 사용된 어법 및 전문 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "복수"는 둘 이상의 아이템 또는 구성요소를 나타낸다. 용어 "포함하는", "포함시키는", "운반하는", "갖는", "함유하는", 및 "수반하는"은, 기록된 설명 또는 청구항 등에 있는지에 관계없이, 개방형 용어이며, 즉 "이에 제한되지 않지만 이를 포함하는"을 의미하는 것이다. 따라서, 이러한 용어의 사용은 그 후 나열된 아이템, 및 그것의 등가물, 뿐만 아니라 부가적인 아이템을 포함하도록 의도된다. 단지 연결 어구 "~로 이루어지는" 및 "근본적으로 ~로 이루어지는"만이 청구항에 관하여, 각각 폐쇄된 또는 반-폐쇄된 연결 어구이다. 청구항 요소를 수정하기 위해 청구항에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어의 사용은 임의의 우선순위, 우선, 또는 하나의 청구항 요소의 또 다른 것에 대한 순서, 또는 방법의 동작이 수행되는 일시적 순서를 저절로 함축하지 않으며, 단지 청구항 요소를 구별하기 위해 동일한 명칭(서수 용어의 사용이 없다면)을 가진 또 다른 요소로부터 특정한 명칭을 가진 하나의 청구항 요소를 구별하기 위해 라벨로서만 사용된다.
Claims (20)
- 전기화학 분리 디바이스로서,
제1 전극;
번들을 형성하기 위해 상기 제1 전극에 감긴 복수의 셀 쌍으로서;
상기 복수의 셀 쌍의 각각은 이온 농축 격실 및 인접한 이온 희석 격실을 포함하고;
상기 이온 농축 격실은 마스킹 부분 및 포팅 부분(potted portion)을 가진 제1 스페이서를 포함하며;
상기 인접한 이온 희석 격실은 마스킹 부분 및 포팅 부분을 가진 제2 스페이서를 포함하고;
상기 제1 및 제2 스페이서의 상기 마스킹 부분 및 포팅 부분은 교번 배열에 있는, 상기 복수의 셀 쌍;
상기 제1 스페이서의 상기 마스킹 부분 및 상기 제2 스페이서의 상기 포팅 부분을 통해 연장된 농축액 스트림 채널로서, 상기 농축액 스트림 채널은 상기 이온 농축 격실과 유체 연통하며 상기 이온 희석 격실로부터 유체 차단하는, 상기 농축액 스트림 채널;
상기 제1 스페이서의 상기 포팅 부분 및 상기 제2 스페이서의 상기 마스킹 부분을 통해 연장된 희석액 스트림 채널로서, 상기 희석액 스트림 채널은 상기 이온 농축 격실로부터 유체 차단하며 상기 이온 희석 격실과 유체 연통하는, 상기 희석액 스트림 채널; 및
상기 번들을 둘러싸는 제2 전극을 포함하는, 전기화학 분리 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 번들에 근접한 매니폴드 블록을 더 포함하되, 상기 매니폴드 블록은 상기 희석액 스트림 채널과 유체 연통하는 희석액 스트림 포트를 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제2항에 있어서, 상기 매니폴드 블록은 상기 농축액 스트림 채널과 유체 연통하는 농축액 스트림 포트를 더 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제3항에 있어서, 상기 희석액 스트림 포트는 희석액 공급 소스와 유체 연통하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제4항에 있어서, 상기 농축액 스트림 포트는 농축액 공급 소스와 유체 연통하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 희석액 공급 소스는 상기 농축액 공급 소스와 상이한, 전기화학 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 번들은 경주로 구성(racetrack configuration)을 갖는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제7항에 있어서, 상기 제1 전극은 대체로 가늘고 긴 S-형 양극을 정의하기 위해 각각의 단부에서 반-원형 구획을 가진 직선 구획을 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제7항에 있어서, 상기 번들의 단면은 대체로 직선 구획 및 상기 대체로 직선 구획의 제1 및 제2 단부에서 곡선 구획을 갖는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 마스킹 부분의 각각은 상기 스페이서의 일 부분을 둘러싸는 슬리브를 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제10항에 있어서, 상기 슬리브는 접합부에서 합쳐진 불침투성 필름의 쌍을 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 마스킹 부분의 각각은 상기 스페이서에 용접된 불침투성 필름의 쌍을 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 중앙 허브를 더 포함하며, 상기 중앙 허브는 상기 희석액 스트림 채널 및 희석액 공급원과 유체 연통하는 희석액 포트를 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제13항에 있어서, 상기 중앙 허브는 상기 농축액 스트림 채널 및 농축액 공급원과 유체 연통하는 농축액 포트를 더 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제14항에 있어서, 상기 희석액 공급원과 상기 농축액 공급원은 상이한, 전기화학 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 번들은 20개 이상의 셀 쌍을 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 번들은 50개 이상의 셀 쌍을 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제9항에 있어서, 상기 대체로 직선 구획의 길이 대 상기 곡선 구획의 각각의 반경의 비는 0보다 큰, 전기화학 분리 디바이스.
- 제15항에 있어서, 상기 곡선 구획의 곡률 반경은 셀 쌍의 수에 의존하지 않는, 전기화학 분리 디바이스.
- 제15항에 있어서, 상기 전기화학 처리 디바이스는 전기투석 처리 디바이스를 포함하는, 전기화학 분리 디바이스.
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