KR20170119690A - 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 오염 감소 방법 및 그런 방법을 수행할 수 있는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 오염 감소 및/또는 오염 제거 및/또는 오염 방지에 관한 것으로, ED, RED, EDR, CDI, 연료 셀, 배터리, 유동 배터리, 그리고 그러한 방법을 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다. 방법은 멤브레인 사이의 거리를 가진 두 개의 인접한 멤브레인 사이의 평균 멤브레인 사이의 거리를 변경시킬 수 있는 스택이 두 개의 인접한 멤브레인의 멤브레인 표면들 사이의 거리로 있는, 다수의 멤브레인을 가진 동적 멤브레인 스택을 제공하는 단계, 제1 세트의 평균 멤브레인 사이의 거리를 갖는 스택을 가진 제1 상태에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하는 단계, 재1 상태와 스택이 제1 세트와 다른 제2 세트의 평균 멤브레인 사이의 거리를 갖는 제2 상태 사이에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 스위치 전환하는 단계 및 적어도 초기 단계에서 오염이 제거 및/또는 감소 및/또는 방지되어지는, 제2 상태에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 오염 감소 방법 및 그런 방법을 수행할 수 있는 장치

본 발명은 전기 투석장치(electrodialysis (ED)), 전극 투석 반전 장치(electrode dialysis reversal (EDR)), 역전기 투석장치(reversed electrodialysis (RED)), 전기 탈이온 장치(electrodeionisation (EDI)), 축전식 탈염장치(capacitive deionisation (CDI)), 연료 셀(fuel cells), 직교류 유동 여과를 포함하는 여과장치(filtration including cross-flow filtration), (산화환원반응) 유동 전지((redox) flow batteries), 용량성 에너지 생성 시스템(capacitive energy generation systems)과 같은, 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 오염의 저감 및/또는 (현장 맞춤(in-situ)) 오염 제거 및/또는 오염의 방지를 위한 방법에 관한 것이다.

유체 유동 프로세스에 기초한 종래의 멤브레인(conventional membrane)으로부터, 오염(fouling)이 일어나는 것은 일반적으로 알려져 있다. 이 오염은 바이오(생물) 오염(bio-fouling), 입자 오염(particle-fouling), 콜로이드성 오염(colloidal-fouling), 입자 및 성분들의 퇴적(deposition of particles and components), 케이크 형성(cake-formation), 겔 층(gel layer) 등을 포함한다. 이 오염은 프로세스의 전체 성능을 상당히 감소시키고, 오염은 멤브레인 사이의 거리를 감소시키는 것을 증가시키고, 그것에 의해 전체 프로세스 효율을 더 제한한다.

여과 과정(a filtration process)에서 멤브레인 표면으로부터 예를 들어 오염을 제거하기 위하여, 흐름 반전의 짧은 시간(a short time period of flow reversal)을 포함하는 백 플러시 작업(a back flush operation)을 수행하는 것이 알려져 있다. 또한 공기 세정(air-flushing)이 예를 들어 멤브레인 및/또는 공간들로부터 콜로이드성 입자들을 제거하기 위하여 사용되어진다. RED 및 ED(R)에서, 흐름 반전(흐름 방향을 반전시키는) 및/또는 유량 스위치(flow switch)는, 예를 들어 오염 문제들 감소시키기 위하여, 두 개의 공급 용액(the two feed solutions)을 스위치 변환하거나 또는 제품 용액의 스위치 변환을 야기하는 전기 구동된 프로세스들에서 극성을 스위치 변환시키는 어느 하나가 사용될 수 있다.

문제는 종래의 방법은 수용 가능한 전체 성능을 가지고 긴 기간에 걸쳐서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 작동시켜 충분히 오염을 제거하지 못하는 것이다. 더구나 이들 종래의 방법은 멤브레인 사이의 거리를 감소시킬 때 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 오염을 제거하는데 덜 효과적이다. 반면에 오염은 멤브레인 사이의 거리를 감소시키는 것과 함께 증가한다.

본 발명은 그것의 목적들의 하나로서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인의 전체 성능을 개선하는 방법을 제공해야 한다.

이 목적은 본 발명에 따른 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 오염의 저감 및/또는 현장 맞춤(in-situ) 오염 제거 및/또는 오염의 방지를 위한 방법을 가지고 달성되고,

상기 방법은:

- 멤브레인 사이의 거리를 가진 두 개의 인접한 멤브레인 사이의 평균 멤브레인 사이의 거리를 변경시킬 수 있는 스택이 두 개의 인접한 멤브레인의 멤브레인 표면들 사이의 거리로 있는, 다수의 멤브레인을 가진 동적 멤브레인 스택(a dynamic membrane stack)을 제공하는 단계;

- 제1 세트의 평균 멤브레인 사이의 거리를 갖는 스택을 가진 제1 상태(a first state)에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하는 단계;

- 제1 상태와 스택이 제1 세트와 다른 제2 세트의 평균 멤브레인 사이의 거리를 갖는 제2 상태(a second state) 사이에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 스위치 전환하는 단계; 및

- 적어도 초기 단계(an initiating phase)에서 오염이 제거 및/또는 감소 및/또는 방지되어지는, 제2 상태에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하는 단계; 를 포함한다.

유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인은 ED, EDR, RED, CDI, 연료 셀, 여과 및 유동 전지를 포함한다. 유체는 미생물(micro organisms), 입자(particles), 무기 및 유기 물질/재료(inorganic and organic substances/material) 등을 포함하는 어떤 타입의 재료를 포함하는 액체, 가스, 슬러리 및/또는 그것의 혼합물을 포함한다. 오염은 바이오(생물) 오염, 입자 오염, 콜로이드성 오염, 입자 및 성분들의 퇴적, 케이크 형성, 겔 층 등을 포함한다.

프로세스에 기초한 멤브레인은 하나 이상의 수를 가진, 다수의 멤브레인을 포함하는 멤브레인 스택을 포함한다. 멤브레인 스택은 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하도록 구성된 장치로서 작동한다. 하나 이상의 유체 유동들이 인접한 멤브레인들 사이에 정의된 유체 격실(the fluid compartments)에 공급되어진다. 인접한 멤브레인들이 두 개의 인접한 멤브레인 사이에 유동 격실을 제공하도록 서로 거리를 가지고 위치되어 있다. 이 멤브레인 사이의 거리는 두 개의 인접한 멤브레인들의 멤브레인 표면들 사이의 거리이다. 평균 멤브레인들 사이의 거리는 유체와 접촉하고 있는 멤브레인의 전체 표면 영역에 걸쳐서 평균된 멤브레인 사이의 거리이다.

본 발명에 따라 동적 멤브레인 스택(a dynamic membrane stack)은 능동적이고 제어된 방법(an active and controlled manner)으로 멤브레인 사이의 거리를 변경할 수 있도록 특별하게 설계된 멤브레인 스택이다. 현재 바람직한 실시 예에서, 이것은 멤브레인 사이 거리의 동적 변경을 가능하게 하여 오염을 방지 및/또는 제거하여 일반적인 성능을 개선할 수 있는 공급 용액(the feed solutions) 사이의 압력차를 제어하는 것에 의해 달성될 수 있다. 멤브레인 사이의 거리를 더 감소시킬 수 있는 것에 의해 오염의 위험성을 증가시키는 것 없이, 최적화된 성능이 달성될 수 있다.

동적 멤브레인 스택을 제공하는 것에 의해, 두 개의 인접한 멤브레인 사이의 평균 멤브레인 사이의 거리는 바람직하게는 제어된 방법으로 변경될 수 있다. 이것은 인접한 멤브레인의 형상, 구성 및 /또는 방향을 변경하는 것을 포함하고, 그것에 의해 멤브레인들 사이의 유체 유동 격실(들)의 치수 및/또는 체적을 변경시킨다. 예를 들어, 멤브레인의 구성은 유체 유입 및 배출 때문에 실질적으로 같은 위치에 유지되는 입구 및 출구를 가지고 실질적으로 볼록한 형상에서 실질적으로 오목한 형상으로 변화한다. 이것은 유체 유동 격실의 체적을 변경한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시 예에서, 두 개의 인접한 멤브레인들 사이의 멤브레인 거리, 멤브레인 사이의 거리는, 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상당히 변한다. 바람직한 실시 예에서, 인접한 멤브레인 거리((Da 및 Db)의 합으로서 결합된 멤브레인 거리(Dc)를 정의하고, 제1 상태에서 Da는 Dc의 약 0.1-40%, 그리고 바람직하게는 Dc의 1-25%를 책임지고 있고, 반면에 Db는 Dc의 나머지를 책임지고 있다. 제2 상태에서 Db는 Dc의 약 0.1-40%, 그리고 바람직하게는 Dc의 1-25%, 반면에 Da는 남아있는60-99.9%를 책임진다. 1-25% 의 범위가 바람직한 범위 이다. 다른 바람직한 범위들은 2-25%, 5-20% 및 10-20%이다. 바람직하게는, 스택 치수들은 다른 세트의 평균 멤브레인 사이의 거리를 갖는 다른 상태 사이에서 스위치 전환할 때 실질적으로 동일하게 유지한다.

바람직하게는, 멤브레인 사이의 거리를 변화시키는 것은 차압(the differential pressure)으로 또한 언급되는 멤브레인의 두 측면 사이의 압력차를 제공하는 것에 의해 달성된다. 예를 들어, 인접한 유체 격실로 유동은 차압으로 공급된다.

예를 들어, 제1 상태에서 상대적으로 높은 염도 농도(a relatively high salt concentration)를 갖는 제1 격실에서 제1 유동(a first flow)의 압력은 상대적으로 낮은 염도 농도(a relatively low salt concentration)를 갖는 제2 인접한 격실에서 제2 유동(a second flow)의 압력과 비교하여 더 높다. 인접한 유체 격실에서 이 압력차는 인접한 유체 격실의 다른 멤브레인 사이의 거리에 책임이 있다. 제2 상태에서 유동은 제1 유동이 제2 격실에 있고, 제2 유동은 제1 격실에 있게 스위치 전환된다. 거의 같은 스위칭 전환 전후 유동들의 압력 유지하는 것에 의해, 인접한 유체 격실들 사이의 멤브레인은 인접한 유체 격실들의 멤브레인 사이의 거리가 변하게 다른 압력차에 직면한다. 이것은 본 발명에 따른 동적 멤브레인 스택으로 이어진다. ED(R)을 위해 상태들 사이에서 스위치 전환하는 것은 바람직하게는 (더 얇은) 격실에 유지되는 평장부를 가진, 극성 스위치(a polarity switch)를 포함한다. 유동들의 압력차를 변화시키는 것 때문에 멤브레인 사이의 거리는 다른 상태들 사이에서 스위치 전환할 때 변경될 수 있다.

동적 멤브레인 스택은 동적 멤브레인 스택의 두 개의 인접한 멤브레인들 사이에 평균 멤브레인 사이 거리로 있는 개별 평균 멤브레인 거리들을 가진 평균 멤브레인 거리들의 세트를 포함한다. 평균 멤브레인 사이 거리를 변경하는 하는 것은 평균 멤브레인 사이 거리의 제1 세트를 갖는 스택을 가진 제1 상태에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하는 것을 가능하게 한다. 특정 기간 후 및/또는 전체 성능에서 너무 많은 오염 또는 감소를 감지한 후, 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인 제2 상태로 스위치 전환되고, 스택은 제1 세트와 다른 제2 세트의 평균 멤브레인 사이 거리를 가지고 제2 상태에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하고, 적어도 초기 단계 또는 시작 단계(an initiating or a starting phase)에서 오염이 제거 및/또는 감소 및/또는 방지되어진다. 오염을 제거, 감소 및/또는 방지하는 것에 의해, 프로세스의 전체 성능은 다시 증가한다. 바람직하게는, 모든 스위치가 평균 멤브레인 사이 거리에 변화를 제공한 후, 적어도 초기 단계에서 오염은 제거 또는 감소되어진다. 좀 더 구체적으로, 격실 하나를 위해 평균 멤브레인 사이 거리를 증가시키는 것은 격실이 더 낮은 평균 멤브레인 사이 거리로 있는 앞의 상태에서 축적된 오염의 제거를 허용한다.

또한, 본 발명에 따른 오염 감소 및/또는 제거 및/또는 방지를 위한 방법은 예를 들어 장치를 해체하는 것을 포함하여, 프로세스가 사용 중이고 큰 정비 노력을 요구하지 않을 때 수행될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 방법은 현장 맞춤으로 수행될 수 있고 프로세스가 수행될 수 있는 기간을 증가시킨다. 이것은 경제적 성능을 포함하는 전체 프로세스 성능을 개선한다.

평균 멤브레인 사이 거리를 변경하는 추가적인 효과는 멤브레인의 형태를 프로세스 동안에 동적으로 변화시키는 것이다. 이것은 입자 오면, 바이오 오염, 케이크 층 등과 같은 오염의 브레이크를 걸지 않는 것(the brake-off)을 강화한다. 이것은 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 추가적인 오염 감소 및/또는 제거 및/또는 방지를 제공하고, 그것에 의해 오염 감소 및/또는 제거 및/또는 방지를 매우 효과적이고 효율적으로 만든다.

본 발명에 따른 멤브레인 사이 거리를 활발히 변경하는 것은 예를 들어 거기에서 저항 및 변화를 측정하는 것에 의해 전기 멤브레인 프로세스(electro-membrane processes)의 경우에 모니터 된다. 이들 측정들은 실제 멤브레인 사이 거리들에서 변경 정보를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 동적 스택은 가스 기포(gas bubbles)의 제거를 개선시킬 수 있다. 이것은 전체 프로세서 성능을 향상시킨다.

더구나, 멤브레인 사이 거리를 변화시키는 것은 두께, 유량 등과 같이 폭/길이, 격실에 관련하여 좀 더 효과적으로 비대칭으로 만들어질 수 있는 용량성(에너지) 장치와 같은 다른 작업들에 유리한 영향을 미친다. 또한, 탈기(de-airing) 및/또는 기포(air-bubbles)의 제거가 더 용이하고, 저항, 오염의 감소할 가능성이 있어서, 전체 프로세스 성능을 증가시킨다. 뿐만 아니라 성능은 단일 격실이 더 낮은 저항을 가지기 때문에 개선될 수 있다. 게다가 스페이서(spacers)들이 더 낮은 비용으로 만들어질 수 있어서, 그것에 의해 경제적 성능을 개선시킬 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인의 다른 구성들에 적용될 수 있다. 그러한 구성들은 평행 동축류(parallel co-flow), 직교류 유동(cross-flow), 평행 역류(parallel counter-flow)를 포함한다. 본 발명 따른 현재 바람직한 구성들 중의 하나에서 스페이서 모듈이 사용되어지고, 이 출원서에 좀 더 상세히 기술되는 바와 같이, 선택적으로 스페이서 망(spacer netting)을 가지고 사용되고, 그리고 좀 더 바람직하게는 스페이서 망 없이 사용되고, 직교류 유동 세팅(cross-flow setting)에서, 예를 들어, 유체 유동들은 (평행) 동축류 및 역류 구성들에서 스택의 멤브레인들의 평면으로 향한다. 선택적으로 본 발명에 따른 구성은 흐름을 공급 및/배출하도록 측면 플레이틀 사용하거나 또는 사용하지 않고 적용될 수 있다.

바람직하게는, 제1 상태에서 제2 상태로 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 스위치 전환하는 것은 유동 스위치(a flow-switch)를 포함한다. 제1 격실로 향하여 유동하고 있던 유동 스위치 전환 유체가 제2 격실에 제공된 제2 상태에 있은 후, 반면에 제1 상태에서 제2 격실을 통하여 유동하고 있는 유체는 제2 상태에서 제1 격실에 공급되는 것이 바람직하다. 선택적으로 바람직하게는 유동 스위치 전환과 결합하여 대안적으로는 가능한 실시 예들과 가능한 실시 예들 중의 하나에서, 하나 이상의 유체 유동의 흐름 방향이 또한 반전될 수 있다. 이것은 추가로 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 오염의 제거 및/또는 감소 및/또는 방지를 향상시킨다. 선택적으로, 유동 스위치 전환 및/또는 유동 반전(flow-switch and/or flow reversal)은 스위치 전환/반전(the switch/reversal)을 수행할 때 공기 정화/공기 주입(air cleaning/sparging)과 같은, 다른 오염방지조치(anti-fouling measures)들과 결합된다. 평균 멤브레인 사이 거리를 증가시키는 것은 오염이 좀 더 효과적으로 제거될 수 있게 현장 맞춤 오염 제거(an in situ fouling removal)를 추가로 할 수 있게 한다. 선택적으로, 다른 유체들이 제2 상태에 적용될 수 있고, 바람직하게는 다른 상태들 사이에서 스위치 전환 바로 직전, 및/또는 직후에 적용될 수 있다. 예를 들어, 공기는 이 제2 상태에서 공기 주입을 할 수 있도록 공급되고, 좀 더 구체적으로는 스위치 전환 동안에 공급된다. 또한, 종래의 백 플러시(a conventional back flush)가 오염 제거 및/또는 감소 및/또는 방지를 개선하기 위하여 본 발명에 따른 동적 스택과 결합하여 사용되어질 수 있다. 더구나 전기 멤브레인 프로세스에 유동 스위치를 적용할 때 전류는 반전하고, 전류 반전한다. 이것은 또한 오염의 제거 및/또는 감소 및/또는 방지에 기여한다. EDR 프로세스에서 다른 상태 사이에서 스위치 전환할 때 극성과 유동 압력이 변경된다는 것이 이해되어질 것이다.

유동 반전을 가지거나 가지지 않은 유동 스위치 전환(flow-switching)은 오염이 좀 더 효과적으로 제거될 수 있도록 현장 맞춤 오염 제거를 추가로 할 수 있게 한다. 선택적으로, 다른 유체들이 예를 들어, 제2 상태에서 공기 주입을 할 수 있도록 공기에 적용되어질 수 있다. 또한 종래의 백 플러시가 오염 제거 및/또는 감소 및/또는 방지를 개선하는 본 발명에 따른 동적 스택과 결합하여 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 현재 바람직한 실시 예에서, 상기 방법은 0.1-500 mbar 범위, 바람직하게는 0.1-100 mbar 범위, 좀 더 바람직하게는 0.1-50 mbar 범위, 그리고 가장 바람직하게는 0.1-25 mbar 범위에서 멤브레인 위에 차압(a differential pressure)을 제공하는 단계를 추가로 포함한다.

본 발명의 내용에 멤브레인 위에 차압을 제공하는 것은 멤브레인에 의해 분리되는 인접한 격실 사이에 차압을 제공하는 것을 포함한다. 멤브레인 위에 차압을 제공하는 것에 의해 멤브레인 스택에서 다른 위치 및/또는 방향을 취하도록 유연한 멤브레인을 위한 구동력을 제공한다. 평균 멤브레인 사이 거리를 변경할 때 적용되는 차압은 유체의 타입, 멤브레인의 유연성, 멤브레인의 (기하학적) 구성, 유연성을 포함하는 멤브레인 특성에 종속한다. 불필요한 및/또는 너무 높은 차압은 원하지 않는 누설 문제들의 결과가 될 수 있어서, 더 많은 펌프 에너지를 요구하고 멤브레인의 수명을 감소시키다. 적용되는 차압은 제1 상태와 제2 상태 사이에서 스위치 전환할 때 변경될 것이다. 적어도 차압의 신호는 다르다. 선택적으로 차압의 값이 또한 변경되어질 것이다.

동적 멤브레인 스택에서 멤브레인 사이 거리를 변화시키는 것은 제1 격실에서 평균 멤브레인 사이 거리가 증가되고, 반면에 다른, 바람직하게는 인접한, 격실에서 거리가 감소되는 것을 의미한다. 전체 스택 치수들은 또한 제1 상태와 제2 상태 사이에서 스위치 전환할 때 전체 프로세스 동안에 실질적으로 일정하게 남아 있다. 추가 효과로서 멤브레인 사이 거리를 감소시키는 것은 프로세의 성능을 증가시킨다. 특히 전기 멤브레인 프로세스(electro-membrane processes)에서 희석 용액(he diluate solution)으로 격실들의 멤브레인 사이 거리를 감소시킬 때, 희석이 일반적으로 가장 높은 내부 저항 장벽(the highest internal resistance barrier)이기 때문이다. 이것은 전체 프로세스 성능을 개선시킨다.

본 발명에 따른 현재의 바람직한 실시 예에서, 사용 시 스위치 전환하는 것은 0.1-180 시간(hrs), 바람직하게는 2-48 시간(hrs), 가장 바람직하게는 4-24 시간(hrs)의 시간 간격에서 수행되어진다. 실제 간격은 오염 레벨(fouling level) 및/또는 오염 율(fouling rate)에 종속할 것이다.

대부분의 멤브레인 기초 유체 유동 프로세스에서, 2-48 시간(hrs), 그리고 바람직하게는 4-24 시간(hrs)의 범위에서 스위치 전환 간격은 허용 가능한 레벨(an acceptable level)로 오염을 감소 및/또는 제거 및/또는 방지 하에 충분하고, 그리고 대부분의 타입의 유체 및 멤브레인 기초 프로세스를 위해 허용 가능한 레벨에서 프로세스의 전체 성능을 유지한다는 것이 나타나 있다. 스위치 전화하는 것은 하나 이상의 유체의 스위치 전환하는 유동 및/또는 유동 방향을 포함할 것이다.

여과 장치(filtration applications)를 위해, 사용 시, 스위치 전환하는 것은 0.01-168 시간(hrs), 바람직하게는 0.1-48 시간(hrs), 그리고 가장 바람직하게는 0.2-24 시간(hrs)의 시간 간격으로 수행되어진다.

제1 상태 및 제2 상태에서 작동 기간(the duration of the operation)이 다를 수 있다는 것에 주목하여야 한다. 예를 들어, 제1 상태가 정상 작동과 관련된 경우에 작동 기간은 23 시간(hrs)이고, 반면에 제2 상태에서 작동 기간은 예를 들어 1 시간(hrs) 더 짧은 시산으로 제한되어질 것이다. 예로서, 여과 작동에서, 제1 상태는 전형적으로 약 0.1-4 시간(hrs)으로 있는 정상 작동과 관련하고, 반면에 제2 상태는 1/3600 시간(hr)-1 시간(hr)의 역류(back flush) 또는 역세(逆洗)(back wash)로서 또한 언급되는 유동 반전(a flow reversal)과 관련한다.

본 발명에 따른 방법은 ED, EDR, RED 같은 소위 전기 멤브레인 프로세스(electro-membrane processes)에 유리하게 적용될 수 있고, 그리고 용량성 전극(capacitive electrodes)을 포함하는 전극들을 포함하는 전기 격실(electro compartments)을 사용하는 것이 나타나 있다.

본 발명에 따른 더 바람직한 방법에서, 상기 방법은 평균 멤브레인 사이 거리를 변화시키는 것을 다룰 수 있는 스페이서 모듈(a spacer module)을 포함하는 스택 구성(a stack configuration)을 제공하는 단계를 포함한다.

종래 스페이서, 구체적으로 종래 네트-스페이서(conventional net-spacers)는 소위 직물 네트 및 개스킷(a so-called woven net and a gasket), 예를 들어 일체형 개스킷(an integrated gasket)을 요구한다. 이들 종래 스페이서는 오염, 특히 입자 오염(particle fouling) 쪽으로는 매우 민감하고, 그리고 사용 시에 마찰 손실 및/또는 점성 손실(frictional and/or viscous losses) 같은 비교적 높은 수압 손실(relatively high hydraulic pressure losses)을 가질 수 있고, 그것에 의해 프로세스의 전체 성능을 감소시킨다. 더구나 이들 종래 스페이서는 비교적 비싸고, 그것에 의해 멤브레인 기초 유체 유동 프로세스의 전체 경제적 성능을 감소시킨다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 스페이서 모듈을 제공하는 것은 오염을 감소 및/또는 제거/방지하는 것이고, 그리고 추가적으로 동적 스택에서 변하는 평균 멤브레인 사이 거리를 다루기에 적합한 수단을 제공한다. 본 발명의 현재 바람직한 실시 예에서, 이것은 유동 방향에서 스택에 스페이서 모듈의 변하는 두께를 제공하는 것에 의해 달성된다. 좀 더 구체적으로, 스페이서 모듈은 격실에 대해 유동 입력부/입구에서 더 두껍고, 그리고 격실의 중간에서 더 얇은 지지부(a thinner support)를 제공한다. 바람직하게는 격실의 중간 섹션에서 이 지지부는 최소 멤브레인 사이 거리를 정의한다. 지지부는 직물 스페이서(woven spacers), 압출 스페이서(extruded spacers), 유동 스페이서(flow spacers) 및 윤곽 성형 멤브레인(profiled membranes)을 포함할 수 있다. 따라서 바람직한 스페이서 모듈은 유동 입력부/입구에서 더 두껍고, 격실의 중간 섹션에서 더 얇다. 이 최소 두께는 최소 멤브레인 사이 거리를 정의한다. 이것은 동적 멤브레인 스택이 (평균) 멤브레인 사이 거리의 제어된 변화를 허용할 수 있게 한다. 더구나 본 발명의 그런 실시 예에 따른 스페이서 모듈은 더 낮은 압력 강하(lower pressure drop), 더 낮은 제조비용, 개선된 가스 기포 제거(improved gas bubble removal), 및 개선된 공기 주입(improved air sparging)을 갖는다. 바람직하게는, 두 개의 인접한 멤브레인 사이의 스페이서 모듈은 베이스 스페이서(a base spacer), 실시 예들 중의 하나에서는 유동 스페이서(a flow spacer), 그리고 적어도 하나의 추가 개방 스페이서를 포함하고, 이전보다 바람직하게는 적어도 두 개의 개방 스페이서를 포함한다. 본 발명에 따른 스페이서 모듈을 위한 그런 특정한 구성은 동적 멤브레인 스택에 사용되게 할 수 있다.

선택적으로, 개방 스페이서의 사용은 브릿지 연결 기능(a bridging function)을 제공하고, 그것에 의해 멤브레인이 입구 및/또는 출구로 가압되어지는 것을 방지한다. 특히 가장자리의 사이즈와 같이 개방 스페이서의 치수의 특정한 설계를 가지를 가지고, 브릿지 연결 기능이 달성될 수 있다. 이것은 핸들링이 적고(little handling), 스택 형성 시간의 감소(reduction of stack building time), 그리고 비교적 값싼 생산을 요구하는 이점을 가지고 있다.

또한, 개방 스페이서는 추가 지지부를 제공할 것이다. 스페이서 모듈은 하나의 베이스 스페이서, 바람직하게는 유동 스페이서를 포함한다. 가장 간단한 실시 예들 중의 하나에서, 스페이서 모듈은 하나의 베이스 스페이서, 바람직하게는 적어도 하나의 유동 채널을 포함하는 유동 스페이서를 포함한다. 이 유동 스페이서는 예를 들어 브릿지 연결 기능을 허용하도록 하나의 층보다는 많은 층을 구성할 것이다. 또한 특히 실제적인 이유로, 예를 들어 요구된다면 유동 격실의 두께를 변경하도록 하나의 층보다 많은 층이 사용될 수 있다. 다른 실시 예들은 적어도 하나의 베이스 스페이서/유동 스페이서 및 적어도 하나의 개방 스페이서를 포함하고, 그러나 바람직하게는 두 개의 개방 스페이서, 베이스 스페이서의 각 측면에 하나씩 포함한다. 또한, 예를 들어 상향(upscaling)을 위해 더 높은 수의 개방 스페이서가 적용되어질 수 있다. 이것은 본 발명에 따른 스페이서 모듈의 모듈화 방법(the modular approach)에 기여한다. 더구나 더 높은 수의 스페이서 모듈은 예를 들어 단지 한 세트의 단판(端板)( one set of end-plates)이 서로 나란히/평행한 하나의 스페이서 모듈보다는 더 많은 것을 포함하는 것이 요구되어지는 그런 방법으로 적용되어질 수 있다. 이것은 본 발명에 따른 스택 설계/형성의 모듈화 방법에 기여한다.

본 발명에 따른 스페이서 모듈은 네트-스페이서와 같은 종래 스페이서 해법과 비교하여 좀 더 비용 효율적이다. 평가된 비용 감소는 90% 감소 많은 높을 수 있다. 스페이서 모듈은 예를 들어 (회전) 다이-절단((rotary) die-cutting) 사출성형(injection molding), 열성형(thermoforming) 같은 대량 생산 방법(high volume production methods)으로 생산될 수 있다. 이들 대량 생산 방법은 비용을 줄일 수 있다. 또한, 스페이서는, 예를 들어 LDPE 같은, 특히 누설 방지를 위해 스페이서에 필요한 좋은 두께 허용 오차(good thickness tolerances)를 갖는 비교적 값싼 포일 재료(foil materials)로부터 만들어질 수 있다.좋은 허용 오차는 유체 누설을 방지하는데 가장 중요하다는 것이 이해되어질 것이다. 본 발명은 또한 스페이서의 설계에 유연성을 허용하고, 각각의 적용에 맞춤 해결을 할 수 있도록 한다. 본 발명은 이미 비교적 낮은 압력에서 유리하게 적용되어질 수 있고, 그것에 의해 누설 위험성 및 성능 감소를 감소시킬 수 있다. 게다가 이것은 개별 스페이서 구성요소들을 위한 요구사항들을 감소시키고, 그것에 의해 비용 효율적인 스페이서/스페이서 구성요소들의 사용을 가능하게 한다.

본 발명은 또한 유체 유동 프로세스 기초 멤브레인을 수행하가 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 앞에 기재된 바와 같은 방법을 수행할 수 있다.

장치는 위에 기재된 바와 같은 방법에 대해 설명된 것과 같은 효과 및 이점들을 제공한다.

바람직한 실시 예에서, 많은 멤브레인을 가진 동적 멤브레인 스택은 두 개의 인접한 멤브레인 사이의 (평균) 멤브레인 사이 거리를 변화시킬 수 있고, 스페이서 모듈은 평균 멤브레인 사이 거리를 변하게 할 수 있도록 구성되어진다. 바람직하게는 스페이서 모듈은 격실의 중간 섹션에서 최소 지지부 두께를 갖는 최소 멤브레인 사이 거리를 정의한다. 멤브레인 사이 거리를 변하게 하는 것은 프로세스의 전체 성능을 증진시킨다.

현재의 바람직한 실시 예에서, 두 개의 인접한 멤브레인 사이의 스페이서 모듈은 멤브레인의 각 측면에 유동 스페이서 및 적어도 하나의 추가 개방 스페이서, 바람직하게는 두 개의 개방 스페이서를 포함한다. 통상 스페이서로 또한 언급될 수 있는 유동 스페이서 또는 베이스 스페이서는 밀봉 특성(sealing properties)을 가진 밀봉 개스킷(a sealing gasket) 및/또는 가장자리(edge)를 가진 고도의 다공성 기질(a highly perforated substrate)로부터 만들어질 수 있다. 다공성은 0.1-50 mm의 전형적인 수력학적 직경(hydraulic diameter)을 가진 삼각형, 사각형, 홀 등과 같은 어떤 기하학적 형상을 가질 수 있다. 유동 스페이서에서 채널의 일반적인 폭은 전형적으로 1-50 mm의 범위에 있고, 채널들 사이의 마루(ridge)의 폭은 0.1-25 mm의 범위이다. 공급 및 배출 수단으로 또한 언급되는, 유체 입구(들) 및 출구(들)는 0.1-50 mm의 범위의 직경을 갖는다. 특히 ED, EDR 및 RED 같은 소위 전기 멤브레인 프로세스의 경우에, 이들 입구 및 출구들은 원하지 않는 이온 단락 전류(undesired ionic shortcut currents) 및/또는 이온 단락 전류(ionic shortcut currents)에 의한 손실을 감소시키기 위하여 비교적 작은 사이즈로 되어야 한다. 이것은 특히 하나 이상, 예를 들어 20개 이상 셀이 사용되어진다면, 이온 단락 전류에 의한 손실이 셀 수의 증가와 함께 가파르게 증가하기 때문에 사실이다. 게다가 입구 및 출구의 치수들은 또한 너무 작지 않아야 하는 것은 이것이 수압 손실(hydraulic losses)(마찰 및/또는 점성 손실)을 야기하여 오염에 대하여 좀 더 민감하기 때문이다.

스페이서 재료는 바람직하게는 값싸고, 밀봉 특성들을 가지고, 그리고 PE, LDPE, 유연성 PP(flexible PP (FPP)), EVA, 고무(rubber), 실리콘(silicone), 그리고 유사한 재료들을 포함할 수 있다. 스페이서, 특히 베이스/유동 스페이서는 또한 이온 전도성 재료, 예를 들면 멤브레인, 및/또는 다공성 재료로부터 만들어질 수 있다. ED, EDR, RED 같은 저기 멤브레인 프로세서에서, 이온 전도성 재료 및 다공성 재료는 이것이 좀 더 효율적인 표면 영역을 이용할 수 있기 때문에 내부 스택 저항을 감소시키고, 그래서 전체 성능을 향상시키는 이점을 갖는다. 다공성 물질이 사용될 때, 밀봉가장자리(a sealing edge)는 선택적으로 누설을 못하도록 제공될 수 있다. 이온 전도성 재료의 사용과 함께 스페이서(모듈)의 모든 부분들 이온 전도성이다. 이것은 ED, EDR 및 RED 같은 전기 멤브레인 어플리케이션에 사용될 때 특히 관련이 있다. 스페이서는, 절단 플로터(a cutting plotter), 레이저 절단(laser cutting), 수 절단(water cutting), 초음파 절단 및 용접(ultrasonic cutting and welding), 열성형(thermo-forming), (고온) 엠보싱((hot) embossing), CNC 가공(CNC-machining), 사출 성형(injection moulding), 3차원 인쇄(3D-printing) 등을 사용하여, (회전) 다이-절단으로 생산될 수 있다. 이것은 종래 스페이서들과 비교하여 좀 더 비용 효율적으로 있는 스페이서를 제공하는 것을 가능하게 한다.

대안적인 실시 예에서 윤곽 성형 멤브레인(profiled membranes)은 스페이서들의 사용이 감소되거나 스페이서들이 장치로부터 빠지게 될 수 있도록 적절한 유동 격실을 도입하기 위하여 사용될 있다.

베이스/유동 스페이서 및 개방 스페이서와 같은, 개별 스페이서들의 스페이서 재료의 두께는 전형적으로 0.05-100 mm 넓은 범위, 그리고 바람직하게는 1-25 mm 넓은 범위에서 개스킷 밀봉 영역 치수(gasket sealing area dimensions)의 0.01-10 mm 폭의 범위에 있다. 개스킷 밀봉 영역은 특히 입구/출구 치수, 적절한 밀봉 기능, 적절한 지지 기능, 그리고 스페이서 모듈과 멤브레인의 비용 효율적인 사용을 고려하여 최적화되어야 한다. 채널들은, 예를 들면 직선 채널(straight channels), 사행 채널(serpentine channels), 반복적인 벤츄리형 채널(repetitive venturi-shaped channels) 또는 그것의 조합을 포함하여, 수많은 방법으로 설계될 수 있다. 또한, 유동 스페이서는, 압출된 직포(woven extruded) 또는 부직포 재료(non-woven material)로 만들어지고, 선택적으로 홀, 홈, 슬릿(slit) 등과 같은 다른 형상을 가진 천공으로 구멍을 낸, 다공성 활성 영역(a porous active area)을 포함한다. 스페이서 부분들은 적층(laminating), 용접(welding), 접착(gluing), 고온 압축(hot pressing) 등에 의해 함께 결합되어질 수 있다. 게다가 스페이서는 (초음파) 용접, 접착 등에 의해 멤브레인들에 결합되어질 수 있다.

개방 스페이서는 격실에 유체의 공급 및 배출을 할 수 있도록 입구 및 출구를 위해 매니폴드 홀(manifold holes)을 가진 구성, 그리고 다수의 구멍들이 유체가 단지 베이스/유동 스페이서를 통하여 공급되고 배출되어지게 닫혀 채널을 개방하지 않는 대안적인 구성을 가질 수 있다. 그런 구성에 개방 스페이서의 밀봉 가징자리 및/또는 개스킷은 브릿지 구성 요소(a bridge-element) 또는 브릿지 구성(bridge-configuration)으로서 작동하고, 그것에 의해 앞에서 언급된 것처럼, 유동을 감소 및/또는 방지 및/또는 오염 가능성을 증가시키는 스페이서 모듈의 입구 및/또는 출구로 멤브레인이 가압되는 것을 방지하는 더 많은 지지부를 제공하는 브릿지 연결 기능을 달성한다.

본 발명의 또 다른 이점, 특징 및 상세한 것은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예들에 기초하여 분명하게 설명되어진다.

도 1은 역전 전기투석 프로세스(a reverse electrodialysis process)를 수행하기 위해 본 발명에 따른 장치의 도식적 개요를 나타낸다.
도 2 a 및 2b는 본 발명에 따른 동적 스택의 2개의 상태를 나타낸다.
도 3a-e는 본 발명에 따른 스위칭 메커니즘(a switching mechanism)을 가진 프로세스의 도식적 개요를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 동적 멤브레인 스택에서 스페이서 모듈 및 멤브레인을 나타낸다.
도 5a및 5b는 도 4의 스페이서 모듈의 스페이서를 위한 2개의 구성을 나타낸다.
도 6a-e는 도 4의 스페이서 모듈의 다른 실시 예들을 나타낸다.
도 7a-e는 실험 결과들을 나타낸다.
도 8a-c는 일부 추가 실험 결과를 나타낸다.

도 1은 장치/시스템(2)을 가진 역전 전기투석 프로세스(a reverse electrodialysis process)의 개요를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1에 보이는 바와 같이, 다수의 양이온 교환 멤브레인(cation exchange membranes)(4) 및 음이온 교환 멤브레인(anion exchange membranes)(6)이 제1 전극(8) 및 제2 전극(10) 사이에 배치되어 있다. 전극(8, 10)은 종래 전극들일 수 있고 및/또는 하나 이상의 용량성 전극(capacitive electrodes)을 포함하는 다른 타입의 전극들을 포함할 수 있다. 음이온 교환 멤브레인(6)과 양이온 교환 멤브레인(4) 사이에 때때로 또한 전해액 격실(electrolyte compartments)로서 언급되는 유체 유동 격실(fluid flow compartments)(12)이 형성되고, 대안적으로 비교적 고염도 농도를 가진, 바닷물과 같은, 비교적 고염도 농도(a relatively high salt concentration)(14)를 가진 유체, 그리고 강물(river water)과 같은 더 낮은 염도 농도(a lower salt concentration)(16)를 가진 유체가 동축류 구성(a co-flow configuration)으로 유동한다. 병류 구성(a counter-flow configuration)이 본 발명에 따라 또한 가능하다는 것이 이해되어질 것이다. 바닷물(14)과 강물(16)에서 이온들의 농도차 때문에, 바닷물(14)에서 이온들은 농도 평형을 맞추기 위하여 강물(16)로 이동하기 위하여 구동력을 받게 될 것이다. 단순성을 위해, 도 1에서 단지 나트륨(Na⁺) 및 염소(Cl^-) 이온들이 양이온 및 음이온으로 나타나 있다.

음이온 교환 멤브레인(6)은 단지 음이온이 통과하는 것을 허용하고 양이온 교환 멤브레인(4)은 단지 양이온이 통과하는 것을 허용하기 때문에 음이온 및 양이온의 수송은 반대 방향에서 진행할 것이다. 음이온 (Cl^-)이 양극처럼 작용하는 제1 전극(8)의 방향으로 이동하고, 그리고 양이온(Na⁺)은 음극으로 작용하는 제2 전극(10)의 방향으로 이동할 것이다. 전기적 중성을 유지하도록 양극(8)으로서 작용하는 전극이 위치된 격실(18)에서 산화작용(an oxidation reaction)이 일어나고, 음극(10)으로서 작용하는 전극이 위치된 격실(20)에서 환원반응(a reduction reaction)이 일어나다. 이로써 전자의 흐름(a flow of electrons)이 전극(8, 10)을 연결하는 전기회로(electric circuit)(22)에서 일어난다. 전자회로(22)에서 전기적인 일(electric work)이 여기 상징적으로 전구에 의해 나타난 전기 장치(electric apparatus)(24)에 의해 수행되어진다.

예시된 실시 예들에서 전극(8, 10)은 양극 및 음극으로서 작용한다. 다른 실시 예들은 본 발명에 따라 또한 구상될 수 있는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 그런 실시 예들 하나에서, 전극(8, 10)은 용량성 전극으로서 작용한다. 용량성 전극의 사용을 위해, 산화 및 환원 같은 산화 환원 반응(redox reactions)이 전기적 중성을 유지하도록 필수적으로 요구되지 않는다.

도 1에서, 셀(a cell)(26)은 음이온 교환 멤브레인(6), 양이온 교환 멤브레인(4) 및 고전해질 농도(a high electrolyte concentration)를 갖는 용액 및 저전해질 농도를 갖는 용액(a low electrolyte concentration (r))의 질량(a mass)의 멤브레인 커플(a membrane couple)(28)로부터 형성된다. 투석 셀(dialytic cells)(24)의 수(N)(여기서 N=1)는 양극(8)과 음극(10) 사이에서 전위차(the potential difference)를 증가시키도록 증가되어질 수 있다.

ED(R) 장치(an ED(R) application)에서 유사한 장치(2)가 장치/전구(24) 대신에 전원(a power source)과 함께 사용될 수 있다. 여과 장치(a filtration application)에서 격실(18, 20)에서 회로(22) 및 전극(8, 10)이 제외될 수 있고, 그리고 장치는 (직교류 유동) 여과((cross-flow) filtration), 예를 들어 미세 여과(microfiltration), 한외 여과(ultrafiltration) 및 나노 여과 프로세스(nanofiltartion processes)를 위해 사용되어질 수 있다. 그런 장치는 플레이트 프레임 직교류 유동 여과 유닛(a plate-and frame cross-flow filtration unit)으로 또한 알려져 있다. 유체 유동(A)이 멤브레인(4, 6)에 의해 분리되는 격실들에 적용되어, 소위 농축물(retentate)로 불리는 유체(C)로서 남는다. 농축물은 완충 탱크(a buffer tank)를 통하여 종종, 공급부로 다시 종종 재활용되어진다. 소위 투과액(permeate)으로 부리는 유체(B)는 멤브레인을 통하여 전달되어 그것의 적어도 한 측면에 스택을 나간다. 여과 장치에서 멤브레인은 여과에 적합한 멤브레인과 관련되고 이온 교환 멤브레인과는 관련이 없다는 것을 이해할 것이다.

동적 스택(30)(도 2a와 2b)은 유체 유동 격실(12)을 정의하는 멤브레인(4, 6)을 포함한다. 예시된 실시 예에서 평행(병렬) 유동 구성(a parallel flow configuration)이 도시되어 있다. 제1 상태(도 2a) 유체는, 예를 들어 바닷물, 큰 최대 멤브레인 사이 거리(a large maximum inter-membrane distance)(D₁), 그리고 또한 더 큰 평균 멤브레인 사이 거리를 가진 제1 격실(a first compartment)에서 유동하고, 그리고 유체(16)는, 예를 들어 강물, 더 작은 최대 멤브레인 사이 거리(a smaller maximum inter-membrane distance)(D₂), 그리고 또한 더 큰 평균 멤브레인 사이 거리를 가진 제2 인접한 격실에서 유동한다. 이것은 제1 세트의 평균(그리고 최대) 멤브레인 사이 거리의 결과가 된다. 제2 상태에서(도 2b) 유동(14, 16)은 스위치 전환되었다. 변화된 분압/차압(the changed partial pressures/differential pressures) 때문에 멤브레인 사이 거리는 또한 각각 최대 멤브레인 사이 거리(D₃, D₄)와 함께 변한다. 이것은 제1 세트와 다른 제2 세트의 평균(그리고 최대) 멤브레인 사이 거리의 결과가 된다. 다른 구성은 역류(a counter-flow) 실시 예와 같이 또한 가능하다는 것이 이해되어질 것이다. 또한, 굽은 멤브레인을 가진 실시 예에서, 이들 멤브레인은 형상이 완전한 대칭의 포물선 타입(a perfect symmetrical parabolic type of shape)을 갖지 못하고, 차압은 비대칭 굽힘(an asymmetric bending)의 결과가 되는 입구 및 출구에서 다를 수 있는 것에 주의해야 한다. 매우 유연한 멤브레인과 충분히 높은 차압을 가지고, 멤브레인은 실질적으로 개방 스페이서 격실의 형상을 갖는 것이 심지어 가능하다.

예시된 실시 예에서 D₂및 D₃는 멤브레인 분리 구성요소의 두께(the thickness of the membrane separating element), 예를 들면 거리 홀더(the distance holder), 예를 들어 베이스 스페이서 또는 윤곽 성형 멤브레인(profiled membranes)에 의해 정의된다. 이들 거리 D₂및 D₃는 멤브레인 위치에서 최대 변화들을 제한한다. 또한, 예시된 실시 예에서, D₁+D₂=D₃+D₄는 것이 이해되어질 것이다. 또한, 예시된 실시 예에서, 도 2의 실시 예에서 입구/출구 개방구들은 D₂(=D₃)및 0.5x(D₁+D₂)의 범위에서 두께를 갖는 스페이서 모듈의 구성에 의해 정의된다.

여과 장치에서 스택(stack)(30)은 멤브레인(4, 6)에 제공된 유사한 방법으로, 바람직하게는 여과에 적합한 멤브레인을 포함하고, 이온 교환 멤브레인을 필수적으로 포함하지 않고, 그리고 유체(A)가 공급된다. 투과액(permeate)(B) 및 농축액(retentate)(C)이 스택(30)의 생산물(output)이고, 그리고 투과액(B)은 한 격실(12) 에서 이웃하는 격실로 멤브레인을 통하여 수송되어진다. 멤브레인(4, 6)은 도 2a와 2b에 예시된 것처럼 유사한 방법으로 작동하고, 동적 여과 스택의 결과가 된다.

예시된 실시 예(31)에서 펌프 시스템(32)(도 3a)은 예를 들어 고염도 농도 및 저염도 농도를 가진 유체 유동을 공급하는 두 개의 펌프(32a, 32b)를 포함한다. 밸브(34a, 34b)를 가진 스위치 전환 메커니즘(34)은 N 스택(38)에 유동(들)을 나누는 헤더(header)(36)의 요구된 입력(들)으로 유체 유동을 향하게 한다. 예시된 실시 예에서, 모든 스택(38)은 유동 제어기(a flow controller)(39)가 제공되어 있다. 스택(38) 다음에 그들의 각 출력 채널로 유동이 향하도록 하는 밸브 시스템(40)이 제공되어 있다. 예시된 실시 예에서 밸브 시스템(40)은 정규 밸브(regular valves(40a)를 포함하고, 더구나 고염도 농도를 가진 유체 유동의 (더 높은) 압력을 제어하도록 고염도 농도를 가진 유체 유동에 스프링 귀환 밸브(spring return valve)(40b)를 포함한다. 다른 수 및/또는 타입의 밸브(34, 40)가 또한 적용되어질 수 있다. 대안적인 실시 예(31b)(도 3b)에서 유동은 유동 제어기(39) 대신에 펌프 시스템(32)에 의해 제어된다.

추가의 대안적인 실시 예(31c, 31d, 31e)(도 3c-3e)는 압력이 스택(38)(들)의 입구 측에서 제어되는 구성들을 도시하고 있다. 이것은 더 큰(염도) 격실이 더 낮은 압력 강하를 나타내는 이점을 가지고 있다. 이것은 격실의 전체 길이에 과도한 압력(an overpressure)을 확인한다. 펌프 시스템(32)은 펌프(32a, 32b)에 재순환을 포함하는 압력 제어기(32c, 32d)를 포함한다. 스위치 전환 시스템(34)은 개별 스택(38)(도 3c)을 위해 별도로 제공되거나 또는 모든 스택(도 3d)을 위한 중앙에 제공될 수 있다. 유동은 스택(도 3d-3e)의 출구 측에서 유동 제어기(39)로 제어된다. 실시 예(31e)(도 3e)는 실시 예(31e)에서 압력이 헤더(36)의 출구에서 제어되는 것을 제외하고 실시 예(31d)와 유사하다.

본 발명에 따른 다른 타입의 유체 및/또는 다른 구성들이 역류 및 직교류 유동 구성들을 포함하여 또한 가능하다는 것이 이해될 것이다. 유체 유동(14, 16)의 하나를 위해 작동되는 추가 펌프 또는 하나의 펌프가 사용될 수 있다. 또한, 흡입 펌프가 스택 후에 제공되어 사용될 수 있다. 다른 수 및/또는 타입의 밸브(34, 40)가 또한 적용되어질 수 있다. 또한, 구성요소들의 다른 위치들이 예를 들어 스택(38)(들)의 입구 및/또는 출구 측에서 유동 제어기(39)를 제공하는 가능하다. 전기 멤브레인을 위해 언급된 같은 원리들이 여과 프로세스와 같은 다른 멤브레인 프로세스에 또한 적용할 수 있다는 것이 이해되어질 것이다.

ED, RED, EDR 같은 (전기) 멤브레인 기초 유체 유동 프로세스에서, 멤브레인(6, 8)은 바람직하게는 동적 멤브레인 스택에서 대안적으로 쌓여질 수 있는 이온 교환 멤브레인(anion exchange membranes (AEMs)) 및 양이온 교환 멤브레인(cation exchange membranes (CEMs))을 포함하는 이온 교환 멤브레인에 관한 것이다. 예로서 RED 프로세스가 좀 더 상세히 논의되어질 것이다. RED 프로세스 농축 및 희석된 염 용액(the concentrated and diluted salt solutions)(14, 16)은 인접한 유체 유동/전해액 격실(12)에 대안적으로 제공되고, 각 멤브레인(6, 8) 위에 생산된 전압은 예를 들어 전기장치(24)를 작동시킬 수 있는 가역 산화 환원 반응(a reversible redox reaction) 또는 용량성 전극을 사용하여 이온 전류를 전기적 전류로 변환하는 전극 격실(18, 20)에 제공되는 멤브레인(30)의 스택의 양쪽 단부에 축적되어진다. 사용 시, 격실(12)은 바닷물 같은, 비교적 높은 삼투압 값(a relatively high osmotic pressure value)을 가진, 바닷물 같은, 낮은 전해액 농도(the low electrolyte concentrations)보다 더 높은 전해액 농도를 가진 고염도 농도를 가진 비교적 낮은 삼투압 또는 값 및/또는 전해액 용액/용액들을 가진, 예를 들어 강물(16), 저 전해액 농도를 가진 저 염도 농도를 가진 전해액 용액/용액들로 채워질 것이다. 고 전해액 농도 및 저 전해액 농도는 상대적 용어들이고, 그리고 전해액들의 상대적 관계는 멤브레인(6, 8)을 통하여 이온 수송을 위한 구동력을 제공한다. 멤브레인 기초 유체 유동 프로세스에서 이온 교환 프로세스를 수행할 때, 바람직하게는 멤브레인 스택의 저항이 최소이어야 하고, 그것에 의해 예를 들어 비교적 작은 멤브레인 사이 거리를 요구한다. 특히 낮은 농도(16)를 갖는 전해액이 공급되는 유체 격실을 위해서 이것은 매우 적절하다. 게다가 멤브레인 저항은 또한 전체 상호 저항에 상당히 기여하고, 바람직하게는 가능한 한 낮아야 한다. 격실(12) 사이의 유동을 스위치 전환할 때, 평균 멤브레인 사이 거리는 특정 격실에서 일어나는 실제 프로세스에 종속하여 이온 교환 프로세스를 수행하는 시간에 맞추어 최적화되어질 수 있다. 예를 들어, 멤브레인에 (차)압을 변화시키는 것에 의해, 격실을 정의하는 멤브레인(6, 8) 사이의 평균 멤브레인 사이 거리는 변화될 수 있다. 큰 멤브레인 사이 거리를 가질 때, 유체 유동은 입구 및 출구 사이에서 낮은 동수마찰(less hydraulic friction) 및 낮은 압력차(a low pressure difference)에 직면하게 된다. 저농도/저염 농도를 가진 유체/전해액을 가진 격실에서, 멤브레인 사이 거리는 바람직하게는 (서브)프로세스의 전기적/이온 저항을 감소시키도록 감소되어 전체 프로세스의 전력 밀도(the power density)를 증진시킨다.

예로서, 예시된 멤브레인 스택(30)(도 4)은 (AEM) 멤브레인(42), 하나의 (CEM) 멤브레인(44)을 포함한다. 멤브레인(42, 44) 사이에 스페이서 모둘(46)이 제공되어 있다. 예시된 실시 예에서, 스페이서 모듈(46)은 제1 개방 스페이서(48), 베이스/유동 스페이서(50), 그리고 제2 개방 스페이서(52)를 포함한다. 대안적으로, 스페이서 모듈(46)은 단지 하나의 베이스/유동 스페이서를 포함하고, 개방 스페이서는 요구되지 않는다. 이 구성은 시스템의 복잡성을 감소시키고, 비용을 감소시키고, 그리고 핸들링 및 스택 형성 시간을 감소시킨다. 치수의 범위를 포함하는 다른 구성들이, 다른 멤브레인 두께의 장치와 같이, 본 발명에 따라 또한 가능하다는 것이 이해되어질 것이다.

예시된 실시 예에서, 유체 공급 시스템(54)은 제1 입구/출구(56) 및 제2 입구/출구(58)를 포함한다. 예시된 실시 예에서, 개방 스페이서(48, 52)는 입구/출구(56, 58)의 하나에 연결되어진다. 본 발명에 따른 또 다른 구성은 개방 스페이서(48, 52)가 "단지(only)" 멤브레인에 추가적인 지지부를 제공하고, 그리고 베이스/유동 스페이서(50)의 입구 또는 출구 중의 하나로 멤브레인(42, 44)이 밀리거나 또는 흡입되어지는 것을 방지하는 브릿지 연결하는 기능(a bridging function)을 갖는 그런 연결 없이 또한 가능하다는 것이 이해되어질 것이다. 더구나, 예들 들어 3 또는 4, 하나의 스페이서 모듈(46)에서 또 다른 수의 개방 스페이서 및/또는 베이스/유동 스페이서의 사용이 본 발명에 따라 또한 가능할 것이다. 이것은 스페이서 모듈 및 격실의 두께의 조정을 가능하게 한다.

제1 구성(50a)(도 5a)은 입구 및 출구(58), 관통 유동 개구부(through-flow openings)(56), 그리고 가장자리(edges)(E_1, E₂) 사이에서 연장하는 비교적 긴 유체 유동 채널(40)을 가지고 있다. 제2 구성(50b)(도 5b)은 누설 감소의 결과가 되는 더 작은 사이즈 채널(62) 및 더 큰 가장자리(E₁, E₂)를 가지고 있다.

스페이서 모듈(46)의 다른 구성들이 가능하다. 예들이 도 6a-6e에 도시되어 있다. 다른 구성들은 평행한 동류/역류(parallel co/counter flow)를 제공할 것이다. 입구 및 출구는 예시 목적으로 도면으로부터 누락되어 있는 것을 주목하여야 한다.

스페이서 모듈(64)(도 6a))은 두 개의 개방 스페이서(66) 및 유동 스페이서(68)를 포함한다. 스페이서 모듈(64)은 도 4에 예시된 실시 예의 포괄적인 구성이다. 개방 스페이서(66)는 밀봉 부분(sealing part)(70)과 개방 부분(open part)(72)을 가지고 있다. 유동 스페이서(68)는 밀봉 부분(74) 및 유체 유동 (채널) 부분/격실(76)을 가지고 있다. 도 4에 도시된 비교적 간단한 구성과 비교하여, 스페이서 모듈(64)은 종래에 사용된 네트-스페이서(net-spacers) 대신에 유동 스페이서를 사용하는 소위 동적 유동 스페이서 스택에 특히 적합하다. 스페이서 모듈(78)(도 6b)은 다공성 유동 격실(82)의 밀봉 가장자리(80a)를 가진 두 개의 개방 스페이서(66) 및 베이스/유동 스페이서(80)를 가지고 있다. 스페이서 모듈(84)(도 6c)은 밀봉 부분(88)을 가진 두 개의 개방 스페이서(86), 개방 부분(90) 및 다공성 입구/출구 부분(92), 그리고 유동 스페이서(80)를 포함한다. 스페이서 모듈(94)(도 6d)은 예를 들어 절단에 의해 만들어진 두 개의 개방 스페이서(66) 및 유동 스페이서(96)를 포함한다. 스택 될 때, 스페이서(66, 96)는 예를 들어 RED 프로세스에 사용되어질 수 있는 4개 측면 플레이트를 가진 소위 직교류 유동 스택 구성(a so-called cross-flow stack configuration)에 특히 유용한 스페이서 모듈(94)을 위한 어셈블리(98)를 제공한다. 사실, 스페이서 모듈(78, 84, 94)은 특히 공급 및 배출 측면-플레이트를 가진 직교류 유동 스택에 특히 적합하다. 스페이서 모듈을 위한 다른 구성들 및/또는 다른 조합들이 본 발명에 따라 또한 가능하다는 것이 이해될 것이다.

본 발명에 따른 또 다른 실시 예, 유동 흐름으로 향하도록 하는 공급 및 배출 측면 플레이트를 사용하는 소위 직교류 유동 스택(a so-called cross-flow stack)(도 6e)에서, 유체 유동 흐름은 멤브레인 더미(the membrane pile)의 측면으로 향하고, 그래서 매니폴드(manifolds)는 멤브레인과 스페이서(또한 도 6b, 6c, 6d)로 자를 필요가 없다. 4개의 공급 및 배출 측면 플레이트를 가진 직교류 유동 스택을 위해 유동 스페이서(100)는 이 특별한 스택에서 유체의 공급/배출을 할 수 있는 베이스/유동 프레임에 입구/출구(102)를 가지고 있다. 유동 스페이서(100)에서 채널(104)의 이들 입구/출구(102)는 한 측면 또는 양 측면에 만들어질 수 있다. 자동적으로 다수의 개방 스페이서(106)를 가진 조합에서 브릿지 연결 기능이 생성되어지는 것은 분명하다. 예를 들어, 두 개의 개방 스페이서(106)가 하나의 베이스/유동 스페이서(100)의 조합에 적용되어질 수 있다. 그런 유동 스페이서가 예를 들어, 그러나 제한 제한되지 않는 (고온) 엠보싱, 열성형, 사출성형, 3D 인쇄, CNC 가공 등에 의해 생성되어질 수 있다.

선택적으로 반-이온 단락 전류(anti-ion shortcut current) 또는 반-기생 전류 가장자리(anti-parasitic current edges)가 제공되고, 바람직하게는 스페이서와 일체가 되고, 그리고 비-이온 전도성 재료로 만들어진다. 가장자리는 예를 들어 하나 또는 두 개의 개방 스페이서 및/또는 유동 스페이서에 제공될 수 있다. 추가적인 반-이온 단락 전류 가장자리를 가진 실시 예는 유체 핸들링을 위한 측면 플레이트를 가진 직교로 유동 스택에 유리하게 적용되어질 수 있다. 가장자리들은 기생 누설(parasitic leakage)을 차단하도록 측면 플레이트의 공급/배출 챔버로 연장된다. 바람직하게는 가장자리는 추가적 보호를 위해 측면 플레이트 챔버의 깊이보다 약간 더 큰 폭을 가지고 있다. 가장자리들은 예를 들어 단지 고염도 공급 측면(the high salinity supply side)에 비대칭으로 적용될 수 있고, 또는 예를 들어 양 측면에 대칭으로 적용되어질 수 있다. 또한, 선택적으로 매 5개, 10개 또는 20개 셀(cell)마다 예를 들어 추가적인 가장자리를 가진 그런 스페이서가 제공된다. 이것은, 예를 들어 2mm 대신에 5mm, 더 넓은 공급/배출 챔버를 가진 4개 측면 플레이트를 가진 직교류 유동 구성에서, 측면 플레이트의 사용을 가능하게 하고, 그것에 의해 개선된 유동 분포 및 전체 성능을 가질 수 있다.

예시된 스페이서 구성요소들에 대한 추가 수정들이 가능하다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 멤브레인들은 공급/배출 개구부에서, 특히 측면 플레이트에서 수압손실(hydraulic losses)을 감소시키도록 측면 플레이트의 직교류 유동 구성에서 어느 정도 더 작은, 즉, 1-5mm로 제공될 수 있다. 또한, 멤브레인에서 매니폴드 홀은 예를 들어 수압 손실을 감소시키도록, 스페이서 홀들과 비교하여 어느 정도 더 큰, 즉, 5-20% 직경으로 만들어질 수 있다.

실험들이 본 발명의 실질적 적용 가능성을 예시하기 위하여 수행되었다. 먼저, 일부 굽힘 측정 및 산출(bending measurements and estimations)이 나타날 것이다. 둘째, 일부 실험 결과들이 도시되어질 것이다.

굽힘 계산(Bending calculations)

멤브레인 굽힘 작용(he membrane bending behaviour)을 산출하기 위하여, 멤브레인 굽힘은 고전적 플레이트 이론에 따라 단순화된 계산들을 사용하여 산출되어진다. 멤브레인의 굽힘은 중요한 순서대로 격실/채널의 폭, 멤브레인 두께, 적용된 압력(차압) 및 멤브레인 기계적 특정(영률(Young's Modulus)(E))에 주로 종속한다. 최대 굽힘/변위 Wmax는,

Wmax=C*압력(Pressure)*[(격실 폭(Width compartment))⁴]/[E*(멤브레인 두께(thickness membrane)³)]

에 의해 산출되어진다.

상수 C는 예를 들어 격실/채널의 폭/길이 비에 종속한다. 멤브레인에 대한 영률은 전형적으로 0.1-10 GPa 사이에 있고, 가장 자주는 0.1-2 GPa 사이에 있다. 방정식을 사용하여, 사용된 실험 및/또는 실제 조건들 하에서, 비록 멤브레인이 두껍고 및/또는 높은 영률을 가질 때에도, 굽힘이 중요하다 산출되어질 수 있다. 효과를 예시하기 위하여, 일부 계산들의 결과들이 대응하는 가정 및/또는 제한들을 가지고 주어졌다.

차압 1000 Pa (=10 mbar), 영율(Young's Modulus) E =1GPa를 가정하면, 그 때 0.6mm 두께 멤브레인에 대해, 최대 굽힘은 (예를 들어, 유동 스페이서에서) 4mm의 폭을 가진 채널에서 1ㅅ(micron)보다 작게(< 1 micron)될 것이고, 그리고 폭이 (예를 들어 개방 스페이서에서) 100mm 일 때 20mm 이상의 굽힘이 있다. 0.14mm 두께 멤브레인에 대한 최대 변위는 더 높을 것이라는 것에 주목하여야 한다. 그런 멤브레인에 대해, 4mm의 폭을 가진 비교적 좁은 채널에서 조차, 최대 굽힘은 이 경우에 약 10-20 ㅅ(micron)이다. 압력은 굽힘에 선형 효과를 미치고 영률에는 역선형 효과를 갖는다는 것이 이해되어야 한다. 그래서 아래에 기술되는 실험에 사용된 유동 스페이서도 중요한 굽힘이 베이스/유동 스페이서에서 기대되어질 수 있다. 그래서 동적 프로세스는 적절한 범위 유동 스페이서가 사용된 경우에 단지 하나의 유동 스페이서를 가지고 개방 스페이서가 없이도 적용되어질 수 있다.

실험결과(Experimental results)

제1 RED 실험은 도 5b에 도시된 바와 같이 유동 스페이서들을 가진 도 4에 도시된 바와 같이 유사한 a 10x10 cm²유동 스페이서 스택을 사용하여 수행되었고, 그리고 스페이서 모듈에서 마른(dry) (그리고 젖어 있을 때 약 0.6-0.75mm)것이 사용되었을 때 약 0.45mm 두께의 11개 Ralex CEM (타입 CM(H)-PES) 및 10개 Ralex (타입 AM(H)-PES) AEM 멤브레인을 포함하는 10개 셀을 갖는다. 멤브레인의 저항은 평균 약 8 Ω(Ohm) cm²보다 작았다(< 8 Ohm cm²). 사용 시 한쪽 격실은 약 g/l NaCl (약 2 mS/cm)의 염 용액을 가지고 공급되었고, 그리고 다른 쪽 격실은 약 25 ℃에서 약 30 g/l NaCl (약 49-51 mS/cm)의 염 용액이 공급되었다. Ru/Ir-MMO 전극에 기초한 티타늄 메시가 사용되었다. 전극 린스 용액은 0.05 M K₄Fe(CN)₆와 0.05 K₃Fe(CN)₆와 0.25M NaCl을 포함하고, 약 350 ml/min의 유량으로 전극 격실 주위로 펌프 되었다. 스페이서는 약 180ㅅ(micron) 두께의 값싼 LDPE 포일(foil)로부터 다이-절단 칼(a die-cutting knife)을 사용하여 절단되고, 그리고 좋은 허용 오차(good tolerances)를 갖는다. 멤브레인들은 또한 다이-절단 칼로 절단되었다. 저항 및 전력 밀도(resistance and power density)는 전위 가변기(a potentiostat)(Ivium)를 사용하여 동적 및 비-동적 프로세스의 다양한 상태(various states)들 동안에 측정되었다. 모든 실험들은 하나의 CEM 멤브레인, 그리고 전극 헹굼 용액(the electrode rinse solution)을 포함하는 전극 격실을 가진 블랭크 측정(a blank measurement)을 사용하여 수정되었다. 유동 스페이서 스택 및 비-동적 프로세스에서 그것의 스페이서의 행동을 테스트하기 위하여, 스택은 약 540ㅅ(micron)로 있는 스페이서의 전체 두께를 가지고 유동 스페이서의 3개 층들로 형성되었다(도 5b 참조). 배압(back-pressure)이 적용되지 않았다. 스택이 매우 잘 움직이고 예상대로 약 10 mbar의 낮은 압력 강하(a low pressure drop)를 가지는 것은 네트-스페이서가 사용되지 않고, 대신에 본 발명에 따른 새로운 유동 스페이서가 사용되었기 때문이고, 그것에 의해 유동 스페이서들은 매우 비용 효율적이지 않고 상업적으로 이용 가능하지 않는 윤곽 성형 멤브레인으로 유사한 수압 특성(hydraulic properties)들을 갖는다는 것을 나타낸다. 전력 밀도는 654 ml/min,에서 약 0.19 W/m²였고, 이것은 이들 높은 저항 Ralex 멤브레인이 가진 좋은 결과이다. 82-654 ml/min의 유량 범위에서, 오옴 저항(the Ohmic resistance)은, 비-오옴 저항이 약 2 Ω(Ohm) 에서 1 Ω으로 떨어지는 것이 예상되는 것처럼, 약 10 Ω에서 거의 일정하게 유지한다. 비-오옴 저항은 (확산) 경계층 현상((diffusion) boundary layer phenomena)을 고려한다. 이 유량 범위에서 OCV는 약 1.26V에서 약 1.3V로 증가하였고, 그리고 전력 밀도도 약 0.17 W/m²에서0.19 W/m²로 증가하였다. 그런 높은 유동 속도에서 조차도, 멤브레인 굽힘의 신호는 없었고, 즉 오옴 저항이 증가하는 유속과 실질적으로 일정하게 남아 있기 때문에 동적 거동(dynamic behavior)도 없고, 그것은 실제로 멤브레인 굽힘이 일어나지 않는다는 매우 강한 표시(a very strong indication)이다. 굽힘 계산은 이런 결과를 지지한다. 도 3b에 도시된 바와 같은 유사한 프로세스를 사용하여, Ralex 멤브레인을 가진 동적 프로세스를 수행하는 또 다른 실험에서, 스페이서 모듈은 도 4에 기재된 것과 유사한 양쪽에 개방 스페이서를 가진 하나의 유동 스페이서(도 5b 참조)를 구성한다. 작은 배압이 또한 차압을 생성하도록 사용되었다. 10 mbar의 차압은 추가의 38 ml/min을 가진 최고 염분 용액의 유량(여기서 30g/l NaCl)을 증가시키는 것에 의해 달성되고, 그래서 최저 염분 용액의 유량(여기서 1 g/l NaCL)보다 더 높은 유량 38 ml/min까지 이다. 유사하게, 15 mbar의 차압은 추가의 유량 57 ml/min의 까지 가진 최고 염분 용액의 유량을 증가시키는 것에 의해 달성된다. 일반적으로 차압은 단지 배압을 사용하는 것을 가지고 또한 달성될 수 있고, 그래서 다른 용액들의 유량을 변화시키는 것이 없이 달성되고, 그리고 또한 유연한 멤브레인 및 적절한 개방 스페이서가 사용될 때, 배압이 요구되지 않고, 차압이 용액의 유량을 단지 변화시키는 것에 의해 얻어질 수 있고, 고 염분 용액의 유량은 다른 용액보다 더 높다는 것에 주목해야 한다.

일반적으로, 적용할 수 있고, 제1 RED 실험의 그래프들에서 평균은 유동 스위치의 각 측면으로부터 취해지고, 그리고 유동 스위치의 양쪽 측면들의 값들은 기대되어질 수 있는 것과 매우 유사하였다. 스위치 타임(switch-time)의 효과, 따라서 유동 스위치 주파수(the flow switch-frequency)가 10-60 분(minutes) 범위에서 걸쳐서 또한 조사되었다. 모든 차압 ΔP의 저항은 스위치 주파수와 거의 일정하였다. 그러나 (도시되지 않은) OCV는 차압이 적용되었을 때, 그러나 ΔP=0 에 대해 OCV가 일정하게 남아 있을 때 약간 떨어졌다. OCV에서 소폭 하락 때문에 전력 밀도는 스위치 주파수와 함께 또한 약간 하락했다. 모든 차압에 대해 비-오옴 저항 값은 매우 유사하였고, 그리고 모든 차압에 대한 스위치 타임에 걸쳐서 거의 일정하게 유지하고 있다는 것에 주목하여야 한다(도 7b). 오옴 저항은 차압이 적용되었을 때(도 7c) 상당히 하락하고, 강하게 동적 거동을 나타낸다. 차압이 없는 전력 밀도는 약 0.26 W/m²이고, 유동 스페이서와 결합한 개방 스페이서를 사용하는 이점들을 이미 나타내고 있는 앞의 실험에서 유동 스페이서만 가지고 얻어졌을 때보다 상당히 더 크다. 전력 밀도는 차압이 적용되었을 때 약 0.26 W/m²에서 0.33-0.35 W/m²까지 (도 7d) 급격하게 증가되었다. 이것은 동적 프로세스의 긍정적인 성능(the positive performance)을 분명히 나타내고 있다. 저항(도 7a-7c)으로부터 유동 스위치 타임은 중대한 영향(a significant impact)을 가지고 있지 않다고 결론을 내릴 수 있고, 그리고 하나가 예를 들어 매 1시간 또는 매 24시간 유동 스위치를 적용하면 이것은 상당히 중요하지 않다는 것이 기대되어진다. 특히, 저항은 동적 프로세스를 모니터 및 제어하도록 중요한 매개 변수(an important parameter)인 것 같다. 그 중에서, 7a-7c에서 스택 저항 측정으로부터, 실험에 사용된 이들 두껍고 강성인 멤브레인과 비교적 낮은 차압(<=15 mbar)을 가진 것에서 조차, 중요한 굽힘이 관찰될 수 있는 것을 볼 수 있다. 이것은 동적 프로세스에서 더 낮은 저항이 중요한 굽힘이 없이 얻어지고, 그것에 의해 제어된 동적 프로세스의 적용성을 증명한다는 것을 의미한다.

실험은 스택은 10-15 mbar 사이의 입구 및 출구에서 평균 차압에서 최고로 수행하고, 입구에서 차압은 출구에서보다 약간 더 낮고, 오옴 저항은 비-오옴 저항이 일정하게 남아 있는 동안에 동적 단계 동안에 18-24% 사이에서 하락하고, 측면 1에서 측면 2로 (유동) 스위치 전환 후 결과들은 같은 니들 밸브가 사용될 때 매우 유사하고, 그리고 OCV와 저항은 동적 단계 동안에 더 긴 스위치 타임을 가지고 약간 하락한다.

제2 RED 실험은 제1 실험과 유사한 방법으로 수행되었고, 그러나 얇은 멤브레인의 사용하여 수행되었다. 도 3b에 도시된 구성이 적용되었다. 10x10 cm²의 유동 스페이서 스택에서, 10 셀(cells), 약 0.14-0.17 mm 두께의 NEOSEPTA CMX 및 AMX 멤브레인이 사용되었고, AMX는 약 0.14 mm 건(dry) 멤브레인이다. OCV, 저항 및 전력 밀도는 동적 및 비-동적 프로세스(the dynamic and non-dynamic process)의 다양한 상태들 동안에 측정되었다. 일반적으로 유사한 결과들이 Ralex를 가진 앞 실험처럼 얻어졌다. 주 차이는 더 낮은 오옴 저항, 그리고 더 높은 OCV이고, 그래서 더 높은 전력 밀도이고, 이것은 이들 NEOSEPTA 멤브레인들의 더 좋은 사양(the better specifications)들에 기인할 수 있다. 그 중에서 스택 저항 측정으로부터 이들 멤브레인들에서 중요한 굽힘이 매우 낮은 차압에서 조차 관찰되어질 수 있다는 일 수 있다. 이것은 동적 프로세스에서 더 낮은 저항이 중요한 굽힘없이 얻어지고, 제어된 동적 프로세스를 증명하고 있는 것을 의미한다. 이들 더 얇은 멤브레인과 함께 동적 거동은 중요한 배압을 적용하고 그리고 유량을 조정하는 것에 의해 동적 거동을 단지 제어하는 것조차 하지 않고 잘 관찰되어질 수 있다. 좀 더 구체적으로, NEOSEPTA 멤브레인(도 7e)을 가지고 차압을 변화시키는 스위치 타임의 영향들을 연구할 때, 더 높은 전력 밀도가 얻어졌다. 차압 없는 전력 밀도는 약 0.52 W/m²이고, 10-15 mbar 차압을 가진 경우에는 약0.64-0.68W/m² 범위의 매우 유사한 결과를 준다. 도 7e로부터 NEOSEPTA 멤브레인을 사용하는 오옴 및 전체 저항은,NEOSEPTA 멤브레인의 더 좋은 사양들에 기인하여, 상당히 더 낮다.

제3 RED 실험은 예비 시험 장소(a pilot test site)에 실제 사전 처리된 표면수(real pretreated surface water)를 사용하여 N=504를 가지고 유체들을 분배하는 4개 측면 플레이트를 가진 큰 22x22 cm² RED직교류 유동 스택(a large 22x22 cm² REDcross-flowstack)을 사용하여 수행되었고, 공간 스페이서들의 효과는 이온 단락 전류 손실의 감소(reduction of ionic short cut current losses)를 테스트하도록 도 6b에 예시된 것과 같은 구성을 가지고 테스트되었고, 좀 더 구체적으로 도 6b에 예시된 것처럼 유동 스페이서(8)와 유사한 구성들을 가지며, 그리고 이온 단락 전류 손실의 감소 을 테스트하도록 가장자리(80a)에 반-기생 전류 가장자리(anti-parasitic current edges)를 포함한다. 21 셀마다, 공간 스페이서가 사용되어, 다양한 측면 플레이트(the manifold side-plate)를 분리하고, 이온 단락 전류를 상당히 감소시킨다. 모델-계산으로부터, 등가 전기 회로 계산(equivalent electrical circuit calculations)을 적용하여, 이온 단락 손실은 멤브레인 파일이 더 클 때 더 크고, 그래서 N=21 셀을 가진 스택은 N=504 셀을 가진 스택보다 더 낮은 손실을 갖는다는 것이 이들 계산에 의해 도시될 수 있다. 모든 24 격실들을 다중으로 하는 것(manifolding)에 의해 일부 추가 단락 손실이 예상되어지는 것에 주목해야 한다. 그러나 유동 경로가 중요한 길이를 갖는, 고 저항을 갖는 그런 설계를 할 때, 이들 손실은 비교적 작다. 요구된 공간을 고려하여, 두 개의 유사한 스택이 분리가 주 차이와 함께 비교되었다. 실험 조건들 하에서 (도 6b-6e에 도시된 스페이서와 유사한) 이들 특별 '분리기 스페이서(separator spacers)'를 사용할 때, 그러나 그때 적어도 하나에 일봉 가장자리의 한 부분을 가지고, 그리고 바람직하게는 두 개의 측면들이 매니폴드 유동 분배기 측면 플레이트(the manifold flow distributer side plates)에 연장하고, OCV 및 스택 저항은 약 20-25% 증가하였고, 그리고 전력 밀도는 약 10% 개선되었다. 특히 낮은 유량에서, 멤브레인 스택의 저항이 비교적 더 낮을 때, 스택은 가장 잘 수행했다. 리기/분할기의 성능을 강화시키기 위하여, 내부 멤브레인 스택 저항은 가능한 낮고 및/또는 멤브레인 스택 저항 위의 이온 단락 전류 경로의 저항의 비는 가능한 한 높아야 하고, 예를 들어, 매우 낮은 저항 멤브레인의 사용 및/또는 수압적으로 가능한 한 작은 매니폴드 치수(manifold dimensions)를 만드는 것에 의해, 그래서 22x22cm² 스택 대신에 이온 단락 전류 손실을 낮추고 성능을 향상시키기 위하여 44x44cm² 스택을 사용하는 것이 더 좋다. 이런 타입의 분리기, 이온 단락 전류를 감소시키는 스페이서는 특히, 뿐만 아니라, 4개 분배 측면 플레이트를 사용하는 소위 직교류 유동 스택에 적용되어지는 것에 주목하여야 한다.

또한, Ralex 멤브레인을 가정하고, 그리고 멤브레인 저항, 유동의 염도, 입구/출구 매니폴드 치수, 멤브레인 표면 같은 매개 변수에 민감하고, 스페이서 모듈 구성, 프로세스 조건 등, 예를 들어 등가 전기 회로 계산을 포함하는, 일부 계산되고 제시된 결과들은, 셀 수와 스택 치수의 상대적 영향을 나타내면서, 아래의 표에 포함되어 있다. 더 큰 스택에 대해 스택 저항이 더 낮고, 그래서 이온 단락 손실을 감소시킨다. 전력 밀도 수율(the power density-yield)은 측정 이온 단락 손실(a measure ionic-short cut losses)이고, 그래서 100% 손실이 없다는 것이 주목되어진다.

스택 비교

	전력 밀도 수율(%)	전력 밀도 수율(%)
N	10 X 10 cm2스택	22 X 22 cm2 스택
2	98.7	99.8
5	95.7	99.1
10	88.4	97.4
20	74.1	92.4
50	55.4	79.2
100	48.1	70.8

[표 1]은 셀 쌍(N)의 효과(the effect of the number of cell pairs (N))를 분명하게 나타내고, N의 증가와 함께, 특히 10x10cm² 스택에 대해, 이온 단락 손실이 급격하게 중가하고, 그리고 약 N>50에서 평평해지기 시작한다.

추가 적용에서, 장치 및 방법은 (크로스) 여과, 예를 들어, 미세여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration) 및 나노여과(nanofiltration) 프로세스에 테스트되어진다. 그런 장치는 플레이트 및 프레임 직교류 유동 여과 유닛으로서 또한 알려져 있다. 여기서 유체 A는 장치로 공급되어 유체 C로서 떠나고, 소위 농축물(retentate)로 불린다. 농축물은 종종 공급부로 다시 재순환되어지고, 종종 완충 탱크(a buffer tank)를 통하여 재순환된다. 소위 투과액(permeate)으로 불리는 유체 B는 멤브레인을 통하여 전달되어 그것의 적어도 한 측면에서 스택을 나간다. 유동 채널에서 전형적인 평균 공급 유속은 0.01-10 m/s, 바람직하게는 0.1-5 m/s이다. 일반적으로, 직교류 유동 여과에서 더 높은 유속은 멤브레인 표면의 오염을 감소시키는데 도움을 준다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직교류 유동 여과에 대해, 멤브레인은 도 2a-2b와 관련하여 기술된 것처럼 동적 프로세스를 수행할 수 있도록00 유연성이 있어야 한다. 본 발명에 따른 직교류 여과 장치는 또한 제한되지 않고 ED, EDR 및 RED를 위한 고 체적 예비-여과 장치(a high-volume pre-filtration device)로서 매우 유용하다. 특히 RED 예비-여과에 대해 에너지 효율적이어야 한다. 예를 들어, 이것은 계산을 가지고 예시될 수 있다. 500 셀(=1000 스페이서 모듈)과 280 m²의 전체 유효 멤브레인 면적을 가진 직교류 유동 스택을 사용하여, 전형적인 표면수에 0.2 g/l 고체 재료(현탁액(suspension))를 포함하는 공급부는, 결과로 초래되는 유량은 1000 l/min이다. 공급의 50%가 재순환되어진다고 가정하면, 침투 유량은 500 l/min이고, 그 때 스택과 같은 계산된 공간(footprint)은 약 LxBxH=0.5x0.5x1.2 m이고, 그래서 매우 작다. 유동 격실에서 압력 강하는 유동 채널을 가진 유동 스페이서가 사용될 때 10mbar보다 적다. 약 75%의 펌프 효율을 가정하여, 계산된 펌핑 에너지는 50W보다 적다. 멤브레인이 20ㅅ 두께의 층으로 오염되어진 후에 역세(a backwash)가 요구된다고 가정하면, 그 때 이들 조건하에서 약 56마다 역세가 요구되어진다. 낮은 압력 강하, 낮은 역류 주파수(low back-flush frequency), 전반적으로 낮은 에너지 소비, 그리고 작은 공간은 그래서 그러한 스택의 성능이, 드럼 필터와 같이, 종래 여과 장치와 비교하여 매우 (경제적으로) 경쟁력이 있는 것을 제공한다.

또 다른 실험이 실제 해수와 호숫물/강물이 네덜란드 아프스루이트디지크(Afsluitdijk)에서 REDstack's의 연구 공장에서 사용되었을 때 동적 스택의 (오염) 성능을 조사하기 위하여 수행되었다. 이 실험은 오염을 감소 및/또는 방지하기 위하여 능동적으로 제어된 멤브레인 거리들을 가진 동적 스택의 효과(the effectiveness)를 나타내고, 따라서 전체 성능을 증진시켰다.

실험은 도 5b에 기술된 유동 스페이서 및 도 6a에 기술된 것과 개략적으로 유사한 개방 스페이서를 포함하는 10 셀 쌍을 가진 제1 및 제2 실험과 유사하게, 종적 유동 스페이서 스택을 가지고 수행되었다. 스페이서 모듈은 그래서 도 4에 기술된 것처럼 매우 유사하다. 유동 스페이서와 개방 스페이서 양쪽은 특별 다이-절단 칼을 사용하여 약 180ㅅ의 얇은 LDPE 포일로부터 절단되었다. Ru/Ir-MMO 코팅을 한 티타늄 플레이트 전극이 사용되었다. 0.05 M K₄Fe(CN)₆와 0.05 K₃FE(CN)₆및 0.25 M NaCl을 포함하는 전극 헹굼 용액이 사용되었고, 약 350 ml/min의 유량으로 전극 격실들 주위로 펌프 되었다. NEOSEPTA 멤브레인(타입 CMX 및 AMX) 이 사용되었다. 사용 시에, 하나의 격실은 약 0.4 g/l의 염 농도(a salt concentration)를 가진 강/호수 물이 공급되었다(약 0.8 mS/cm에서 시작하여 20일 후에는 약 0.9 mS/cm 변동된 전도성(conductivity fluctuated)). 그리고 약 30 g/l 의 실제 해수를 가진 다른 격실(약 45 mS/cm에서 시작하여 20일 후에는 약 50 mS/cm 변동된 전도성). 실제 해수 및 강물/호숫물은 일반적으로 전체 성능을 낮추는 NaCl뿐만 아니라 다른 염 및 불순물들 포함하는 것에 주목해야 한다. 이것이 실제 해수 및 호숫물/강물이다는 사실 때문에, 농도/전도성 및 온도는, 약 13 ℃에서 시작하여 20일 후에는 약 16 ℃ 온도 갖는, 시간에 걸쳐서 변동한다. 또한, 온도는 저항에 미치는 영향 때문에 상당히 성능에 영향을 미치고(그래서 더 낮은 온도가 더 높은 저항의 결과가 된다), 1℃의 매 온도 차를 가지고, 성능은 20 ℃에서 기준에 대해 약 3%의 전력 밀도 변화로서 측정되었다. 저항 및 전력 밀도(resistance and power density)는 전위 가변기(a potentiostat)(Ivium)를 사용하여 동적 및 비-동적 프로세스의 다양한 상태(various states)들 동안에 측정되었다. 모든 데이터는 맞춤 매트랩 스크립트(a custom- made Matlab script)를 사용하여 분석되었다. 주말 및 저녁 동안에 실험을 파악하기 위하여, 프로그램 Teamviewer가 사용되었다. 저항의 측정은 이것이 격실 사이에서 차압이 제어되고 능동적인 방법으로 적용되어질 때 멤브레인 사이 거리가 변화하면(그래서 동적인) 직접적으로 나타내는 동적 굽힘 프로세스의 완벽한 측정이 되기 때문에 중요하고, 따라서 더 낮은 저항은 멤브레인이 더 낮은 전도성 용액을 가진 격실로 능동적으로 밀려지고 있는 것을 나타낸다. 압력계(pressure meters)가 스택에서 압력 강하 및 압력차(차압)를 측정하기 위하여 사용되었다. 압력 강하는 또한 동적 거동을 위한 강한 지표(a strong indicator)이다. 그래서 (평균)압력 강하는 저농도(강물)와 고농도(해수) 사이에 압력차가 저농도 격실로 멤브레인을 굽히도록 적용될 때 증가하고, 그래서 압력 강하가 두께(thickness))^-3의 크기를 가지기 때문에 급격하게 증가하여 격실을 두껍게 만든다. 강물 및 해수의 평균 압력 강하는 도 8c에 도시되어 있다.

두 개의 동일한 스택들이 형성되어 비교되고, 하나 기준 스택(1)은 비-동적 모드에서 작동되고, 하나의 스택(2)은 동적 모드에서 작동되었다. 비-동적 스택(1)에서 저농도와 고농도 격실 사이에서 차압은 능동적으로 적용되지 않았다. 호스 펌프의 고유 펄스 때문에, 작은 차압이 비-능동 및 비-제어 방법(a non-active and non-controlled manner)으로 적용되어질 수 있고, 그러나 이 효과는 약 평균이 되고, 그래서 이 스택을 평균 비-동적으로 만든다. 호숫물과 해수를 스위치 전환하는 유동 스위치는 실험을 통하여 스택 양쪽을 위해 매 30분마다 적용되었다. 유동 스위치는 라즈베리 Pi 제어 유닛(a Raspberry Pi control-unit)을 사용하여 제어되는 전자 3방향 밸브(electronic 3-way valves)를 사용하여 적용되었다.

도 3b에 도시된 것과 유사한 같은 실험 설정(an experimental set-up)이 사용되었다. 동적 스택을 위한 차압은 10 mbar로 설정되었다.

실험 후, 스택들은 스택 안쪽을 오염을 시각적으로 조사하기 위하여 해체되었다. 예상과 같이, 더 많은 오염, 특히 입구에서, 비-동적 스택에서 관찰되었다.

일부 부서진 밸브 때문에 실험이 중단되었고(도 8에서 6일 주위), 이것은 데이터 지점들의 누락으로 그래프들에 도시되어 있고, 그러나 단지 일시적으로 결과들에 영향을 미쳤다. 도 8a는 비-동적 스택(1)은 스택이 동적 모드에서 작동되지 않았기 때문에 강 격실의 두께가 동적 스택(2)의 두께보다 더 두껍기 때문에 최고 전체 저항(the highest total resistance)을 가졌다는 것을 분명하게 나타나고, 즉 멤브레인은 멤브레인 사이 거리를 변화시키는 능동적으로 적용된 차압에 의해 강물 격실로 능동적으로 밀려들어가지 않았다. 스택(1)과 스택(2) 사이의 저항에서 큰 차이는 멤브레인이 두께와 그에 따른 저항을 감소시키는 저농도 격실로 능동적으로 밀려들어가는 것을 분명하게 도시하고 있다.

도 8b는 동적 스택(2)이 전체 실험 동안에 기준 비-동적 스택(1)보다 더 잘 수행하고, 그래서 오염이 동적 프로세스에 기인하여 능동적으로 방지/제거되어지는 것을 분명하게 도시하고 있다. 전력 밀도에서 변동은 농도 및 온도에서 변동에 의해 가장 잘 설명되어질 수 있다.

도 8c는 비-동적 및 동적 스택의 평균 압력 강하를 나타내고, 동적 스택의 압력 강하는 멤브레인이 압력 강하를 급격하게 증가시키는 저농도 격실로 밀려지기 때문에 더 높다는 것을 분명하게 도시하고 있다. 또한 시간에 따라 평균 압력 강하는 비-동적 스택을 위해 증가하고, 반면에 압력은 동적 모드에서 오염이 상당하게 방지/제거되어지는 것을 강하게 나타내며, 동적 스택에 대해 일정하기보다는 평균을 유지하고 있는 것을 도 8c로부터 분명하게 알 수 있다.

동적 모드에서 스택을 작동시키고, 그래서 본 발명에 따른 특별히 설계된 스페이서 모듈에서 차압을 적용하는 것에 의해 능동적으로 멤브레인 사이 거리를 변화시키고, 저항은 낮추는 것에 의해 전력을 향상시키기 위한 얕은 호숫물(저농도) 격실에서 작동시키는 동안에 오염이 능동적으로 방지 및/또는 제거되기 때문에 성능이 더 좋은 것이 인정되었다는 것이 도시된 데이터로부터 결론을 내릴 수 있다.

본 발명은 위에 기재된 바람직한 실시 예들 그것으로 결코 제한되지 않는다. 추구된 권리는 많은 수정들이 예상되어질 수 있는 그것의 범위 내에서 아래의 청구항들에 의해 정의되어진다.

4: 멤브레인
6: 멤브레인
8: 전극
10: 전극
14: 바닷물
16: 강물
18: 격실
20: 격실
26: 셀

Claims (14)

1. 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인에서 오염 감소 및/또는 오염 제거 및/또는 오염 방지를 위한 방법은,
   - 멤브레인 사이의 거리를 가진 두 개의 인접한 멤브레인 사이의 평균 멤브레인 사이의 거리를 변경시킬 수 있는 스택이 두 개의 인접한 멤브레인의 멤브레인 표면들 사이의 거리로 있는, 다수의 멤브레인을 가진 동적 멤브레인 스택을 제공하는 단계;
   - 제1 세트의 평균 멤브레인 사이의 거리를 갖는 스택을 가진 제1 상태에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하는 단계;
   - 재1 상태와 스택이 제1 세트와 다른 제2 세트의 평균 멤브레인 사이의 거리를 갖는 제2 상태 사이에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 스위치 전환하는 단계; 및
   - 적어도 초기 단계에서 오염이 제거 및/또는 감소 및/또는 방지되어지는, 제2 상태에서 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하는 단계;를 포함하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   제1 상태와 제2 상태 사이의 스위치 전환은 멤브레인 사이 거리를 통하여 유체들 및/또는 유동 방향을 반전시키는 흐름 반전을 스위치 전환하는 유동 스위치를 수행하는 단계를 포함하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   0.1-500 mbar 범위, 바람직하게는 0.1-100 mbar 범위, 좀 더 바람직하게는 0.1-50 mbar 범위, 그리고 가장 바람직하게는 0.1-25 mbar 범위에서 멤브레인에 의해 분리되는 인접한 격실들 사이에서 압력차를 제공하는 것에 의해 멤브레인 위에 차압을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   스위치 전환은 0.1-180 hrs, 바람직하게는 2-48 hrs, 가장 바람직하게는 4-24 hrs의 시간 간격으로 수행되는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   여과 프로세스를 위한 사용에서, 스위치 전환은 0.01-168 hrs, 바람직하게는 0.1-48 hrs, 그리고 가장 바람직하게는 0.2-24 hrs의 시간 간격으로 수행되는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인은 전기 멤브레인 프로세스를 포함하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   변화하는 평균 멤브레인 사이 거리를 핸들링 할 수 있는 스페이서 모듈을 포함하는 스택 구성을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행할 수 있는 유체 유동 프로세스에 기초한 멤브레인을 수행하는 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   다수의 멤브레인을 갖는 동적 멤브레인 스택을 더 포함하고, 스택은 두 개의 인접한 멤브레인 사이에서 멤브레인 사이 거리의 변화가 가능하게 구성되는 장치.
10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    평균 멤브레인 사이 거리를 변화시킬 수 있도록 구성된 스페이서 모듈을 더 포함하는 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    두 개의 인접한 멤브레인 사이의 스페이서 모듈은 유동 스페이서와 적어도 하나의 추가 개방 스페이서를 포함하는 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    스페이서 모듈은 두 개의 개방 스페이서를 포함하는 장치.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    개방 스페이서는 브릿지 구성요소를 포함하는 장치.
14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    멤브레인의 적어도 일부는 윤곽 성형 멤브레인인 장치.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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