KR20200028999A - 급수 중의 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법 - Google Patents
급수 중의 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 급수의 유입구 흐름(QIN)을 제공하는 단계 및 상기 흐름(QIN)을 마그네슘 이온 공급원을 포함하는 고체층에 통과시켜 증가된 농도의 마그네슘 이온을 갖는 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위한 수처리 시스템 및 상응하는 유동 반응기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 가정용 설비, 예를 들어 가정용 급수 시스템 또는 정수기에 사용하기에 적합하다. 본 발명은 또한 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위한 수처리 시스템 및 상응하는 유동 반응기에 관한 것이다.
마그네슘은 신체에 가장 중요한 미네랄 중 하나이다. 마그네슘은 거의 모든 기관, 특히 심장, 근육 및 신장에서 필수적인 역할을 한다. 이는 신체에서 네 번째로 가장 풍부한 양이온이며 두 번째로 가장 많은 세포내액이다.
마그네슘 결핍은 과학적으로 다음과 같은 건강 문제를 촉발하거나 유발하는 것으로 입증되었다: 심장 질환, 당뇨병, 편두통, 불안, 고혈압, 우울증, 피로, 혈전, 간 질환, 신장 질환, 골다공증, 불면증, 피로, 방광염, 신경 문제 및 저혈당증.
마그네슘의 가장 중요한 공급원 중 하나는 식수이며, 표면 담수와 지하수가 식수의 중요한 공급원이다.
그러나 천연 식수는 부족해졌고 심지어 물이 풍부한 지역에서도 많은 저수지가 식수 품질의 급격한 악화로 위협을 받고 있다. 따라서 해수, 염수, 기수, 폐수 및 오염된 방류수 처리는 환경적 및 경제적 이유로 점점 더 중요해지고 있다. 예를 들어 해수 또는 기수에서 식수를 생성하는 탈염화(demineralization) 또는 탈이온화 공정은 마그네슘과 같은 필수 미네랄을 포함하여 거의 모든 용해된 이온을 제거한다.
따라서 탈염수 또는 탈이온수를 인간 소비에 적합하게 만들기 위해 이러한 필수 미네랄을 재도입하기 위해서는 재광화(remineralization) 공정이 필요하다. 그러나, 천연 식수의 미네랄 성분에 따라 충분한 미네랄 공급을 보장하기 위해 특정 미네랄, 특히 마그네슘의 농도를 증가시켜야 할 필요가 있을 수 있다.
재광화를 위한 현재의 기술은 방해석 접촉기 및 석회 투여 시스템을 포함하지만, 이들은 칼슘 이온 및 알칼리도의 보충에만 관심이 있다: 예를 들어, WO 2012/020056 A1은 물을 처리하는 공정 및 이러한 공정에서의 미세화된 탄산칼슘의 용도를 개시하고 있다. 구체적으로, 상기 공정은 급수를 제공하는 단계 및 기체 이산화탄소와 미분화된 탄산칼슘을 포함하는 슬러리를 둘다 상기 급수에 주입하는 단계를 포함한다. WO 2013/030185는 급수를 제공하는 단계, 탄산칼슘의 수용액을 제공하는 단계로서, 탄산칼슘의 수용액은 용해된 탄산칼슘 및 이의 반응 종을 포함하는 단계, 및 급수와 탄산칼슘 수용액을 배합하는 단계를 포함하는 물의 재광화 공정에 관한 것이다.
물 재광화 공정 및 시스템에 관한 추가의 특허 출원은 WO 2013/014026 A1, WO 2013/113805 A1, WO 2013/113807 A1, WO 2013/113614 A1, WO 2014/187666 A1, 및 WO 2014/187613 A1을 포함한다. 또한, 출원인은 미공개 유럽 특허 출원 번호 16 154 567.8 및 16 154 570.2를 언급하고자 한다.
현재 마그네슘 보충과 관련하여 몇 가지 공정만이 존재한다. 그러나, 고 가용성 마그네슘 염의 사용은 높은 비용을 포함하고 클로라이드 또는 설페이트와 같은 원치 않는 음이온의 재도입을 포함한다.
따라서, 마그네슘 보충을 위한 개선되고 비용 절감된 방법이 일반적으로 필요하다.
이와 관련하여, WO 2009/135113 A1은 역삼투 필터, 상기 역삼투 필터로 처리 될 물을 전달하기 위한 매니폴드, 과립 또는 고체 마그네슘 화합물을 함유하는 교체 가능한 카트리지, 적어도 부분적으로 처리수를 축적하기 위한 저장 탱크, 처리 시스템으로부터 처리수를 분배하기 위한 분배기, 및 상기 저장 탱크와 유체 연통하고 상기 분배기와 유체 연통하는 배출구를 갖는 제2 필터를 포함하는 수처리 시스템에 관한 것이다.
WO 2013/034396 A1은 물을 정제하는 공정을 개시하며, 상기 공정은 정제 단계 및 재광화 단계를 포함한다. 후자는 95:5 내지 60:40의 비율로 탄산칼슘 및 탄산마그네슘을 포함하는 카트리지에 역삼투 물을 통과시킴으로써 수행될 수 있다.
US 2014/0014582 A1은 마그네슘 광물, 예를 들어 산화마그네슘을 이산화탄소와 함께 사용하는 공정을 개시한다. 그러나, 이 공정은 흐름 Q1과 Q2를 나누고 시약(미네랄 및 이산화탄소)의 직접 투여를 필요로 하며, 이는 결국 여과 단계를 필요로 한다.
전술한 관점에서, 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위한 방법 및 상응하는 처리 시스템의 제공이 여전히 필요하다.
이와 관련하여, 본 발명의 하나의 목적은 고 수용성 마그네슘 염의 사용을 피함으로써 클로라이드 또는 설페이트와 같은 원치 않는 음이온의 도입을 피하는 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법의 제공으로 볼 수 있다. 이와 관련하여, 허용 가능한 탁도, 바람직하게는 ≤ 1.0 NTU를 갖는 식수를 생성하는 것이 또한 바람직할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법으로서, 종래의 방법에 비해 마그네슘 이온 공급원의 더 빠른 용해를 허용하는 것인 방법의 제공으로 볼 수 있다. 따라서 또 다른 목적은 마그네슘 이온 공급원과 급수 사이의 더 짧은 접촉 시간이 재광화될 수 있도록 하는 방법의 제공으로 볼 수 있다. 결국, 본 발명의 다른 목적은 설비의 크기 감소 또는 플랜트 풋프린트의 감소로 볼 수 있다. 이와 관련하여, 덜 복잡한 수처리 시스템의 제공으로 하나의 추가의 목적을 볼 수 있다. 이산화탄소의 도입 또는 주입을 피하는 것으로 하나의 특정 목표를 볼 수 있다.
또 다른 목적은 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법으로서, 최종 마그네슘 농도의 보다 정확한 조절을 허용하는 방법의 제공으로 볼 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 가정용 급수 시스템 또는 정수기에 사용될 수 있는 수처리 방법 및 해당 수처리 시스템의 제공으로 볼 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 또 다른 목적은 낮은 마그네슘 농도를 갖는 식수, 탈염수 또는 탈이온수(예를 들어, 역삼투로부터의 물), 또는 부분적으로 재광화된 물을 포함한 임의 유형의 급수에 사용될 수 있는 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위한 방법 및 상응하는 시스템의 제공으로 볼 수 있다.
전술한 문제 및 다른 문제는 본원에서 독립항에 정의된 청구 대상에 의해 해결될 수 있다.
본 발명의 제1 측면은 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법에 관한 것으로서,
(a) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 제공하는 단계;
(b) 상기 흐름(QIN)을 고체층에 통과시켜 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻는 단계
를 포함하고,
단계 (b)에서 고체층은 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하고, 상기 마그네슘 이온 공급원은 천연 또는 합성 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 한다.
본 출원의 발명자들은 놀랍게도 고체 히드로마그네사이트 입자를 포함하는 고정 층에 낮은 마그네슘 함량을 갖는 급수의 유입구 흐름을 통과시키는 것이 신속하고 효과적인 마그네슘의 보충을 유도한다는 것을 발견하였다. 본 발명의 방법은 탈이온수 또는 탈염수 및 (충분한) 마그네슘이 없는 광수 모두를 광화하는데 사용될 수 있으므로 큰 유연성을 제공한다. 또한, 본 발명의 방법은 클로라이드 또는 설페이트와 같은 원치 않는 음이온의 도입을 피하면서 정확하고 신뢰할 수 있는 용량의 마그네슘을 허용한다. 본 발명의 방법에 의해 얻을 수 있는 처리수는 예를 들어 알칼리도, 탁도 및 특히 미네랄 조성의 관점에서 식수로서 적합하다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 공정을 수행하기 위한 상응하는 수처리 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은
(i) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 라인; 및
(ii) 상기 라인으로부터 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하여 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻도록 구성되는 고체층
을 포함하고;
고체층은 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하고, 상기 마그네슘 이온 공급원은 천연 또는 합성 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 한다.
따라서, 또 다른 측면은
(i) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 유입구;
(ii) 상기 유입구로부터 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하고 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻도록 구성되는 고체층; 및
(iii) 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 방출하도록 구성되는 유출구
를 포함하는 수처리 시스템에 사용될 수 있는 유동 카트리지와 같은 유동 반응기에 관한 것으로서,
고체층은 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하고, 상기 마그네슘 이온 공급원은 천연 또는 합성 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 한다.
본 출원 전반에 걸쳐 사용된 하기 용어는 이하 기재된 의미를 갖는다:
본 발명의 의미에서 "급수"는 본질적으로 불순물이 없고, 바람직하게는 불순물이 없고, 마그네슘 이온을 함유하지 않거나 저농도의 마그네슘만을 함유하는 임의의 유형의 물일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 급수는 병원체 및 먼지 입자가 본질적으로 없거나 없다. 비제한적인 예는 수돗물 또는 탈이온수를 포함한다. 일 실시양태에서, 급수는 10 mg/l 이하, 바람직하게는 5 mg/l 이하, 가장 바람직하게는 2 mg/l 이하의 용해된 마그네슘 이온의 농도를 갖는다.
본원에 사용된 용어 "고체층"(때때로 "패킹된 층" 또는 "고정 층"으로 지칭됨)은 수처리 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 통상, 이러한 고체층은, 미립자 물질, 즉 복수의 고체 입자로 구성되며, 상기 입자는 고체 물상의 제1 상을 나타내고, 액체 및 기체 물상의 제2 상을 나타내는 반응물 흐름을 통과시키도록 배열되어, 고체층의 입자 및 반응물 흐름을 접촉시킨다.
본 발명에 따른 용어 "고체"는 298.15 K(25℃)의 온도 및 정확히 100 kPa의 절대 압력을 나타내는 표준 주위 온도 및 압력(SATP) 하에서 고체인 물질을 지칭한다. 고체는 분말, 정제, 과립, 플레이크 등의 형태일 수 있다. 따라서, 용어 "액체 매체"는 298.15 K(25℃)의 온도 및 정확히 100 kPa의 절대 압력을 나타내는 표준 주위 온도 및 압력(SATP) 하에서 액체인 물질을 지칭한다.
본 출원의 의미에서 용어 "미립자"는 복수의 "입자"로 구성된 물질을 지칭한다. 일반적으로, 이러한 복수의 입자는 예를 들어 그 입자 크기 분포에 의해 규정될 수 있다.
본원에서 본 발명의 고체층을 형성하는 입자와 같은 미립자 물질의 "입자 크기"는 일반적으로 dx(wt)로 지칭되는 입자 크기의 중량 분포에 의해 설명된다. "중량 중간 입자 크기"는 모든 입자의 50 중량%가 그 입자 크기보다 작음을 의미한다. 중량 중간 입자 크기는 또한 d50(wt)로 지칭될 수 있다.
본 출원의 의미에서 "마그네슘 이온 공급원"은 물과 접촉시 마그네슘 이온을 방출할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 적합한 마그네슘 이온 공급원의 비제한적인 예는 마그네슘 광물 및 마그네슘 염을 포함한다.
특정 용질의 "용해도 한계"는 상기 용질의 질량 농도가 주어진 용매(예를 들어 물)의 포화 용액 또는 시스템 내에서 그리고 주어진 조건 하에서, 바람직하게는 20℃ 및 100 kPa에서 용해된 상태에 있는 것이다. 수중 용해도 한계를 언급하는 경우, 탈이온수가 바람직할 수 있다.
본원에 언급된 총 알칼리도(CaCO3)(때때로 TAC로 지칭됨)는 탄산염 또는 중탄산염의 당량점까지 산을 중화시키는 수용액의 능력의 척도이다. 알칼리도는 용액 내 염기의 화학량론적 합과 동일하며 (CaCO3으로서) mg/l로 지정된다. 알칼리도는 적정기로 적정하여 측정할 수 있다.
본원에 사용된 "랑겔리아 포화 지수"(LSI: Langelier Saturation Index)는 수성 액체가 스케일 형성 또는 부식성인 경향을 설명하며, 양의 LSI는 스케일 형성 경향을 나타내고, 음의 LSI는 부식성 특성을 나타낸다. 균형 잡힌 랑겔리아 포화 지수, 즉 LSI = 0은 이에 따라 수성 액체의 화학적 균형을 의미한다. LSI는 다음과 같이 계산된다:
LSI = pH - pHs
여기서, pH는 수성 시스템의 실제 pH 값이고 pHs는 CaCO3 포화에서 수성 시스템의 pH 값이다. pHs는 다음과 같이 추정할 수 있다:
pHs = (9.3 + A + B) - (C + D)
여기서 A는 수성 액체에 존재하는 총 용해된 고체(TDS)의 수치값 지수이고, B는 K로서의 수성 액체의 온도의 수치값 지수이며, C는 CaCO3의 mg/l로서의 수성 액체의 칼슘 농도의 수치값 지수이고, D는 CaCO3의 mg/l로서의 수성 액체의 알칼리도의 수치값 지수이다. 매개 변수 A 내지 D는 하기 식을 사용하여 결정된다:
A = (log10(TDS) - 1)/10
B = -13.12 × log10(T + 273) + 34.55
C = log10[Ca2+] - 0.4
D = log10(TAC)
여기서 TDS는 mg/l로서의 총 용해된 고체이고, T는 ℃로서의 온도이고, [Ca2+]는 CaCO3의 mg/l로서의 수성 액체의 칼슘 농도이고, TAC는 CaCO3의 mg/l로서의 수성 액체의 총 알칼리도이다.
단수 명사를 언급할 때 부정 관사 또는 정관사(예, "a", "an" 또는 "the")가 사용되는 경우, 이는 다른 언급이 없는 한 복수의 명사를 포함한다.
용어 "포함하는"이 본 설명 및 청구범위에서 사용되는 경우, 다른 요소를 배제하지 않는다. 본 발명의 목적을 위해, 용어 "이루어지는"은 용어 "포함하는"의 바람직한 실시양태로 간주된다. 이하, 군이 적어도 특정 수의 실시양태를 포함하는 것으로 정의되는 경우, 이는 또한 바람직하게는 이들 실시양태만으로 이루어진 군을 개시하는 것으로 이해되어야 한다.
"얻을 수 있는" 또는 "정의할 수 있는" 및 "얻어진" 또는 "정의된"과 같은 용어는 상호 혼용된다. 이는, 예를 들어, 문맥이 달리 명확하게 지시하지 않는 한, 용어 "얻어진"은, 예를 들어 실시양태가 예를 들어, "얻어진"이라는 용어 다음 단계의 순서에 의해 얻어져야한다는 것을 의미하지는 않는다는 것을 의미하지만, 그러한 제한된 이해는 항상 바람직한 실시양태로서 "얻어진" 또는 "정의된"이라는 용어에 의해 포함된다.
"포함하는" 또는 "갖는"이라는 용어가 사용될 때마다, 이들 용어는 상기 정의된 "포함하는"과 동등한 의미로 사용된다.
미립자 고체 담체의 본 발명의 사용의 유리한 실시양태는 상응하는 종속항에 정의되어 있다.
본 발명의 방법의 일 실시양태에서, 급수는 10 mg/l 이하, 바람직하게는 5 mg/l 이하, 가장 바람직하게는 2 mg/l 이하의 용해된 마그네슘 이온의 농도를 갖는다.
본 발명의 방법의 다른 실시양태에서, 급수는 5 내지 200 mg/l, 바람직하게는 10 내지 150 mg/l, 가장 바람직하게는 20 내지 100 mg/l의 총 알칼리도(CaCO3)를 갖는다.
또 다른 실시양태에서, 급수는 -2.0 내지 1.0, 바람직하게는 -1.0 내지 0.7, 가장 바람직하게는 -0.5 내지 0.5의 랑겔리아 포화 지수(LSI)를 갖는다.
또 다른 실시양태에서, 본 발명의 방법은 5.0 내지 8.5, 바람직하게는 5.5 내지 8.0, 가장 바람직하게는 6.0 내지 7.5의 범위로 급수의 pH를 조정하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 pH는 바람직하게는 유입구 흐름(QIN)에 적절한 양의 이산화탄소를 주입함으로써 조정된다.
또 다른 실시양태에서, 본 발명의 방법은 5 내지 35℃, 바람직하게는 10 내지 30℃, 가장 바람직하게는 15 내지 25℃의 범위로 급수의 온도를 조정하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 방법의 다른 실시양태에서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트이다.
본 발명의 방법의 또 다른 실시양태에서, 입자는 0.05 내지 20 mm, 바람직하게는 0.1 내지 15 mm, 더 바람직하게는 0.15 내지 10 mm, 더욱 더 바람직하게는 0.2 내지 2 mm, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.5 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖는다.
본 발명의 방법의 또 다른 실시양태에서, 단계 (b)에서 흐름(QIN)과 고체층 사이의 접촉 시간은
(i) 0.05분 이상, 바람직하게는 0.1분 이상, 더 바람직하게는 0.2분 이상, 가장 바람직하게는 0.25분 이상; 및/또는
(ii) 10분 미만, 바람직하게는 5분 미만, 더욱 바람직하게는 2분 미만, 가장 바람직하게는 1분 미만
이다.
본 발명의 방법의 또 다른 실시양태에서, 단계 (b)에서의 고체층은 유동 반응기의 캐비티에 의해 제공되며, 상기 유동 반응기는 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 유입구 및 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 방출하도록 구성되는 유출구를 갖고, 바람직하게는 상기 유동 반응기는 유동 카트리지이다.
본 발명의 방법의 바람직한 실시양태에서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트이고, 입자는 중량 중간 입자 크기가 0.5 내지 1.5 mm의 범위이고, 단계 (b)에서 흐름(QIN)과 고체층 사이의 접촉 시간은 0.05분 이상 1분 미만이다.
또 다른 실시양태에서, 본 발명의 방법은 처리수의 유출구 흐름(QOUT)의 pH를, 바람직하게는 4.5 내지 9.5, 바람직하게는 6.5 내지 8.5, 가장 바람직하게는 6.8 내지 7.5의 범위로 조정하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 수처리 시스템의 일 실시양태에서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트이다.
본 발명의 수처리 시스템의 또 다른 실시양태에서, 입자는 0.05 내지 20 mm, 바람직하게는 0.1 내지 15 mm, 더 바람직하게는 0.15 내지 10 mm, 더욱 더 바람직하게는 0.2 내지 2 mm, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.5 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖는다.
본 발명의 수처리 시스템의 또 다른 실시양태에서, 고체층은 유동 반응기의 캐비티에 의해 제공되며, 상기 유동 반응기는 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 유입구 및 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 방출하도록 구성되는 유출구를 갖고, 바람직하게는 상기 유동 반응기는 유동 카트리지이다.
본 발명의 유동 반응기의 일 실시양태에서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트이다.
본 발명의 유동 반응기의 또 다른 실시양태에서, 입자는 0.05 내지 20 mm, 바람직하게는 0.1 내지 15 mm, 더 바람직하게는 0.15 내지 10 mm, 더욱 더 바람직하게는 0.2 내지 2 mm, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.5 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖는다.
본 발명의 유동 반응기의 또 다른 실시양태에서, 고체층은 상기 유동 반응기의 캐비티에 의해 제공된다.
본 발명의 유동 반응기의 또 다른 실시양태에서, 유동 반응기는 유동 카트리지이다.
이하에서, 본 발명의 방법의 상세한 내용 및 바람직한 실시양태가 개시된다. 이들 상세한 내용 및 실시양태는 본 발명의 수처리 시스템 및 본 발명의 유동 반응기에 적용되며, 적절한 경우, 그 역에도 적용됨을 이해해야 한다.
(A) 급수 공급
본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서, 급수의 유입구 흐름(QIN)이 제공된다.
일반적으로, 급수는 임의의 유형의 물일 수 있으며, 이는 본질적으로 불순물이 없고, 바람직하게는 불순물이 없고, 마그네슘 이온을 함유하지 않거나 저농도의 마그네슘만을 함유한다. 더욱 바람직하게는, 급수는 병원체 및 먼지 입자가 본질적으로 없거나 없다.
일 실시양태에서, 급수는 10 mg/l 이하, 바람직하게는 5 mg/l 이하, 가장 바람직하게는 2 mg/l 이하의 용해된 마그네슘 이온의 농도를 갖는다.
예시적인 실시양태에서, 급수는 병원체 및 먼지 입자가 본질적으로 없고, 바람직하게는 없고, 10 mg/l 이하, 바람직하게는 5 mg/l 이하, 가장 바람직하게는 2 mg/l 이하의 용해된 마그네슘 이온의 농도를 갖는 물이다.
본 발명의 방법은 특정 공급원으로부터의 물로 제한되지 않기 때문에, 낮은 마그네슘 농도를 갖는 식수, 탈염수 또는 탈이온수(예를 들어, 역삼투로부터의 물), 또는 부분적으로 재광화된 물을 처리하는데 사용될 수 있다.
전도도는 물의 광화를 위한 지표로서 사용될 수 있다: 물이 더 순수할수록 전도도가 낮아진다. 전도도는 전도도 측정기로 측정할 수 있으며 μS/m으로 지정된다.
일 실시양태에서, 급수는 탈염수 또는 탈이온수, 바람직하게는 역삼투수(RO 물)이다.
그러나, 본 발명의 방법은 또한 마그네슘을 함유하지 않거나 거의 함유하지 않는 다른 유형의 물에도 적용될 수 있다. 특히, 상기 방법은 천연 공급원(예를 들어, 표면 담수 또는 지하수)로부터의 식수, 및 탈염수 또는 탈이온수와 같은 정제수의 재광화에 의해 얻어진 식수를 포함하는 식수에 마그네슘을 보충하는데 사용될 수 있다.
대부분의 재광화 방법은 탈염수 또는 탈이온수에서의 칼슘 보충과 관련이 있으며, 기존의 선행 기술은 이미 식수로 사용하기에 적합한 물에서의 마그네슘 보충은 물론 마그네슘의 보충과 관련이 적다.
본 출원의 발명자들은 놀랍게도 본 발명의 방법이 (사전) 광수에서 마그네슘의 보충을 허용하지만, 이러한 유형의 물이 예를 들어 총 알칼리도 측면에서 안정화된 시스템으로 간주될 수 있고, 클로라이드 또는 설페이트와 같은 원치 않는 음이온의 유입을 피하기 위해 난용성 마그네슘 공급원이 사용된다는 것을 발견하였다.
따라서, 본 발명의 일 실시양태에서, 급수는 탈염수 또는 탈이온수를 칼슘으로 재광화시켜 얻을 수 있다.
다른 실시양태에서, 급수는 이에 따라 총 알칼리도(CaCO3)가 5 내지 200 mg/l, 바람직하게는 10 내지 150 mg/l, 가장 바람직하게는 20 내지 100 mg/l일 수 있다.
본 발명의 방법이 안정화된 수성 시스템을 처리하기 위해 사용되는 경우, 급수는 -2.0 내지 1.0, 바람직하게는 -1.0 내지 0.7, 가장 바람직하게는 -0.5 내지 0.5의 랑겔리아 포화 지수(LSI)를 가질 수 있다.
본 발명의 방법은 또한 상기 공급물이 임의의 특정 농도의 이산화탄소 또는 임의의 이산화탄소를 함유하는지 여부에 관계없이 임의의 유형의 급수에 적용 가능한 것으로 밝혀졌다. 이와 관련하여 언급된 이산화탄소의 양 또는 농도는 DGi111-SC pH 전극(Mettler-Toledo)을 사용하여 수산화나트륨으로 적정함으로써 결정되는 이산화탄소의 농도로 이해된다. 당업자는 이 적정법이 물리적으로 용해된 이산화탄소의 농도를 결정하는데 적합하다는 것을 이해할 것이다.
따라서, 일 실시양태에서, 본 발명의 방법의 단계 (a)에서 제공된 급수는 이산화탄소 농도가 50 mg/l 미만, 바람직하게는 20 mg/l 미만, 더 바람직하게는 10 mg/l 미만, 바람직하게는 5 mg/l 미만, 가장 바람직하게는 0.1 내지 2 mg/l이다.
(B) 고체층 반응 및 처리수
본 발명의 방법의 단계 (b)에서, 급수 흐름(QIN)을 고체층에 통과시켜 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻는다.
본 발명에 따른 방법에 사용된 고체층은 마그네슘 이온 공급원으로서 작용하는 고체 히드로마그네사이트 입자를 함유한다. 고체 물상인 제1 상을 나타내는 상기 고체상을 통과할 때, 액체 물상인 제2 상을 나타내는 유입구 흐름(QIN)은 히드로마그네사이트 입자와 상호 작용하고, 여기서 마그네슘 이온은 급수에 방출 및 용해되어 증가된 마그네슘 이온 농도를 갖는 처리수의 유출구 스트림(QOUT)을 형성한다.
본 발명의 마그네슘 이온 공급원은 히드로마그네사이트이며, 천연 및 합성 히드로마그네사이트를 둘다 포함한다. 본원에 사용된 용어 "합성 히드로마그네사이트"는 천연 광물의 전환에 의해 얻어진 히드로마그네사이트뿐만 아니라 화학적 침강 공정에 의해 얻어진 히드로마그네사이트를 의미하며, 후자는 바람직한 실시양태일 수 있다.
마그네슘 클로라이드 또는 마그네슘 설페이트와 같은 고 수용성 마그네슘 염과는 달리, 수중 용해도 한계가 10 g/l 이하인 고체 물질, 예를 들어 히드로마그네사이트가 본 발명의 목적에 특히 적합하다. 히드로마그네사이트는 본 발명의 방법의 조건 하에서 균일하고 제어된 용해를 나타내는 것으로 입증되어, 급수의 흐름(QIN)으로의 Mg2+의 균일하고 제어된 투여량을 허용한다.
일 실시양태에서, 천연 또는 합성 히드로마그네사이트는 각각 20℃ 및 100 kPa에서 측정된 수중 용해도 한계가 5 g/l 이하, 바람직하게는 2 g/l 이하, 더욱 바람직하게는 1 g/l 이하, 더욱 더 바람직하게는 0.5 g/l 이하, 가장 바람직하게는 0.2 g/l 이하이다.
본 발명의 특정 실시양태에서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트이고, 상기 합성 히드로마그네사이트는 바람직하게는 각각 20℃ 및 100 kPa에서 측정된 수중 용해도 한계가 5 g/l 이하, 바람직하게는 2 g/l 이하, 더욱 바람직하게는 1 g/l 이하, 더욱 더 바람직하게는 0.5 g/l 이하, 가장 바람직하게는 0.2 g/l 이하이다.
합성 히드로마그네사이트의 제조는 예를 들어 본원에 참고로 포함된 본 출원인에게 양도된 WO 2011/054831 A1에 개시되어 있다.
상기 합성 또는 침강 히드로마그네사이트는
(a) 적어도 하나의 산화마그네슘 공급원을 제공하는 단계;
(b) 기체 이산화탄소 및/또는 카보네이트 포함 음이온을 제공하는 단계;
(c) 단계 (a)의 상기 산화마그네슘 공급원을 슬레이킹(slaking)하여 산화마그네슘을 적어도 부분적으로 수산화마그네슘으로 전환시키는 단계;
(d) 얻어진 단계 (c)의 수산화마그네슘 및 단계 (b)의 상기 기체 이산화탄소 및/또는 카보네이트 포함 음이온과 접촉시켜 수산화마그네슘을 적어도 부분적으로 침강 네스퀘호나이트로 전환시키는 단계; 및
(e) 얻어진 단계 (d)의 침강 네스퀘호나이트를 열 노화 단계에서 처리하는 단계
를 포함하는 공정에 의해 수성 환경에서 제조될 수 있다.
하기 예시적인 실시예는 백색 백운석을 소성 및 슬레이킹함으로써 히드로마그네사이트의 제조를 포함한다: 백색 백운석 돌을 분쇄하여 10 내지 50 mm의 그레인 크기를 생성하고 60분 동안 1050℃의 회전식 가마에서 소성한다. 얻어진 연소된 백운석(CaO·MgO)을 볼 밀에서 분쇄하여 약 40 ㎛의 중간 입자 크기를 갖는 분말을 얻는다(CILAS 레이저 회절법). 이어서, 상기 연소된 백운석 200 kg은, 교반된 반응기에서 50℃ 수돗물 1,000 리터에 첨가함으로써 슬레이킹된다. 연소된 백운석을 연속 교반 하에 30분 동안 슬레이킹하고, 생성된 현탁액을 물로 희석하여 약 8 중량% 고체 함량으로 조정하였다. 탄산화는 가스화 교반기, 스테인레스 강 탄산화 튜브가 장착된 1800 l 배플 원통형 스테인레스 강 반응기에서 수행되어 이산화탄소/공기 기체 스트림을 임펠러 및 프로브로 보내 현탁액의 pH 및 전도도를 모니터링한다. 슬레이킹 단계에서 얻어진 현탁액 1800 l를 12℃의 온도로 조정하고 탄산화 반응기에 첨가한다. 이어서, 공기 중의 26 부피% 이산화탄소의 기체 혼합물을 240 rpm의 슬러리 교반 하에 200 m3/h의 비율로 슬러리를 통해 상향 버블링시켰다. 탄산화 동안, 발열 반응에서 발생된 열로 인해 반응 혼합물의 온도가 상승하게된다. 85분 후 기체 도입을 중단한다. 이어서 현탁액을 가압 용기로 옮기고 30분 동안 약 130℃로 가열한다. 얻어진 합성 히드로마그네사이트를 수성 슬러리로서 회수한다.
본 발명자들은 본 발명의 방법의 단계 (b)에서 고체 입자의 입자 크기가 QIN과 마그네슘 이온 공급원 사이의 반응률을 제어하는데 사용될 수 있음을 발견하였다.
한편, 당업계에 공지된 임의의 분쇄 방법을 사용하여 예를 들어 분쇄에 의해 상기 고체 입자의 입자 크기를 감소시킬 수 있다. 경우에 따라, 고체 입자는 본 발명의 고체층에서 이를 사용하기 전에 예를 들어 사이클론 또는 분류기에 의한 스크리닝 및/또는 분류와 같은 추가 처리를 통해 가공될 수 있다. 한편, (예를 들어, 미세 분말의 경우) 입자 크기를 증가시키는 것이 바람직한 경우, 입자 크기를 증가시키기 위해 임의의 공지된 과립 기법이 사용될 수 있다.
신속하고 제어된 마그네슘 보충을 보장하기 위해, 본 발명의 일 실시양태에서, 고체층에 사용된 입자는 0.05 내지 20 mm, 바람직하게는 0.1 내지 15 mm, 더 바람직하게는 0.15 내지 10 mm, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 2 mm, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.5 mm 또는 0.3 내지 1.2 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖는다. 특히 바람직한 실시양태에서, 고체 입자는 약 0.5 mm의 중량 중간 입자 크기를 갖는다.
당업자는 단계 (b)에서 QIN과 마그네슘 이온 공급원 사이의 전술된 반응률이 처리수의 흐름(QOUT)에서 마그네슘의 최종 농도에 영향을 줄 수 있음을 인식할 것이다. 상기 마그네슘의 최종 농도를 제어하기 위한 다른 파라미터는 단계 (b)에서 QIN과 마그네슘 이온 공급원 사이의 접촉 시간, 즉 고체층에서의 QIN의 접촉 시간이다. 경제적이고 실용적인 이유로 짧은 접촉 시간이 바람직할 수 있지만, 처리수에서 특정 수준의 마그네슘 이온을 보장하기 위해 더 긴 접촉 시간이 유리할 수 있다.
따라서, 일 실시양태에서, 단계 (b)에서 흐름(QIN)과 고체층 사이의 접촉 시간은
(i) 0.05분 이상, 바람직하게는 0.1분 이상, 더 바람직하게는 0.2분 이상, 가장 바람직하게는 0.25분 이상; 및/또는
(ii) 10분 미만, 바람직하게는 5분 미만, 더욱 바람직하게는 2분 미만, 가장 바람직하게는 1분 미만
이다.
본 발명의 특히 바람직한 실시양태에서, 접촉 시간은 0.05분 이상 2분 미만, 더욱 바람직하게는 0.1분 내지 1분의 범위이다.
흐름(QIN)과 고체층 사이의 접촉 시간은 예를 들어 유량을 증가 또는 감소시키거나 고체층의 치수(예를 들어 길이)를 조정함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 예시적 실시양태에서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트이고, 입자는 0.5 내지 1.5 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖고, 단계 (b)에서 흐름(QIN)과 고체층 사이의 접촉 시간은 0.05분 이상 2분 미만, 바람직하게는 0.1분 내지 1분의 범위이다.
본 발명의 방법에 사용된 급수의 유형과는 독립적으로, 배출 흐름(QOUT)으로서 고체층으로부터 방출된 처리수는 증가된 마그네슘 이온 농도를 갖는 물이다. 통상, 처리수는 식수로서 사용되기에 충분히 광화된다.
일 실시양태에서, 유출구 흐름(QOUT)의 처리수는 2 mg/l 초과, 바람직하게는 5 mg/l 초과, 가장 바람직하게는 10 mg/l 초과의 용해된 마그네슘 이온의 농도를 갖는다. 바람직한 실시양태에서, 마그네슘 농도는 15 mg/l 이상, 예를 들어 15 내지 150 mg/l이다.
처리수의 총 알칼리도(CaCO3)는 1 내지 500 mg/l, 바람직하게는 5 내지 200 mg/l, 더욱 바람직하게는 10 내지 150 mg/l, 가장 바람직하게는 20 내지 100 mg/l일 수 있다.
본 발명자들은 놀랍게도 상기 방법으로 탁도가 낮은 (음용) 물을 제공할 수 있음을 또한 발견하였다. 본 발명의 의미에서 용어 "탁도"는 일반적으로 육안으로 볼 수 없는 개별 입자(현탁된 고체)에 의해 야기되는 유체의 혼탁화 또는 헤이즈화를 설명한다. 탁도의 측정은 수질의 핵심 테스트이며 비탁계로 수행할 수 있다. 본 발명에 사용된 보정된 비탁계로부터의 탁도 단위는 비탁 탁도 단위(NTU)로 명시된다. 본 발명의 일 실시양태에서, 유출구 흐름(QOUT)에서 처리수는 탁도가 5.0 NTU 미만, 바람직하게는 2.0 NTU 미만, 더욱 바람직하게는 1.0 NTU 미만, 가장 바람직하게는 0.05 내지 0.5 NTU이다.
일부 실시양태에서, 본 발명의 처리수는 또한 총 이온 농도를 나타내는 특정 전도성을 특징으로 한다. 예를 들어, 전도성은 50 내지 1,000 μS/cm, 바람직하게는 80 내지 500 μS/cm, 가장 바람직하게는 150 내지 450 μS/cm의 범위일 수 있다.
(C) 선택적 방법 단계
기본적으로, 방법 단계 (b)에서와 같이 얻어진 QOUT 중 처리수는 예를 들어 식수로서 사용 준비가 되어 있다.
그러나, 의도된 용도 및 특정 요건에 따라 본 발명의 방법을 추가의 선택적 처리 단계와 조합할 수 있다.
여과가 필수 요건은 아니지만, QOUT 중 처리수는 여과 유닛으로 보내져서 임의의 잔류 고체 또는 다른 원치 않는 불순물을 제거할 수 있다. 따라서, 일 실시양태에서, 본 발명의 방법은 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 여과 단계로 처리하는 단계를 추가로 포함한다.
마찬가지로, 유출구 흐름(QOUT) 중 처리수의 pH는 특정 요구에 따라 조정될 수 있다. 따라서, 일 실시양태에서, 본 발명의 방법은 단계 (b)에서 얻어진 처리수의 pH를 조정하는 단계를 추가로 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 방법은 단계 (b)에서 얻어진 처리수의 pH를 6.5 내지 9.5, 바람직하게는 7.0 내지 9.0, 가장 바람직하게는 7.5 내지 8.5의 범위로 조정하는 단계를 추가로 포함한다.
단계 (b)에서 QIN과 마그네슘 이온 공급원 사이의 반응율을 제어 또는 변형(예를 들어, 증가)시키기 위해, 본 발명은, 단계 (b)에서 유입구 흐름(QIN)을 고체층에 통과시키기 전에 상기 유입구 흐름(QIN)의 급수 중의 이산화탄소 농도를 증가시키는 단계로서 추가로 포함할 수 있다.
본 출원에서 언급된 "이산화탄소 농도"는 DGi111-SC pH 전극(Mettler-Toledo)을 사용하여 수산화나트륨으로 적정하여 측정된 이산화탄소의 농도를 지칭하는 것을 의미한다.
이산화탄소 농도의 증가는 유입구 흐름(QIN)의 급수가 특정 농도의 이산화탄소를 함유한다는 것을 의미하는 것으로 이해되어서는 안된다. 실제로, 급수는 이산화탄소가 없을 수 있으며, 예를 들어 0 내지 5 mg/l 미만의 범위인 이산화탄소 농도를 가질 수 있다.
일반적으로, 급수의 유입구 흐름(QIN)에서 이산화탄소의 농도를 증가시키기 위해 임의의 가능한 방법이 사용될 수 있다. 적합한 방법은 급수의 유입구 흐름(QIN)에의 기체 이산화탄소의 주입, 또는 급수의 유입구 흐름(QIN)과 산성 양이온 교환기의 접촉을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
따라서, 일 실시양태에서, 이산화탄소의 농도는 기체 이산화탄소를 유입구 흐름(QIN)에 주입하거나 급수의 유입구 흐름(QIN)을 산성 양이온 교환기와 접촉시킴으로써 단계 (b) 전에 증가된다.
기체 이산화탄소의 주입은 임의 유형의 급수의 이산화탄소 농도를 증가시키는 데 적합하지만, 산성 양이온 교환기의 사용은 어느 정도의 알칼리도를 나타내는 급수와 가장 잘 작동한다:
M+ HCO3 - → H+ HCO3 - ↔ H2O + CO2
전술한 식으로부터 수집될 수 있는 바와 같이, 수지(예를 들어, 칼슘 이온)에 더 큰 친화성을 갖는 물에서의 양이온(M+)과, 양이온 교환기의 작용기에 결합된 양성자(H+)의 교환은 물의 알칼리도의 존재로 인해 물의 pH가 감소하고 탄산의 양이 증가한다.
따라서, 바람직한 실시양태에서, 이산화탄소의 농도는 급수의 유입구 흐름(QIN)을 약산성 양이온 교환기와 접촉시킴으로써 단계 (b) 전에 증가될 수 있으며, 급수는 총 알칼리도(CaCO3)가 5 내지 200 mg/l, 바람직하게는 10 내지 150 mg/l, 가장 바람직하게는 20 내지 100 mg/l이다.
통상, 약산성 양이온 교환기는 작용성 단위로서 카르복실산 기를 특징으로 한다. 통상, 강산성 양이온 교환기는 설폰산 기를 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 산성 양이온 교환기는 약산성 양이온 교환기이다. 이러한 이온 교환기는 당업자에게 잘 알려져 있다.
특히 바람직한 실시양태에서, 이산화탄소의 농도는 기체 이산화탄소를 유입구 흐름(QIN)에 주입함으로써 단계 (b) 전에 증가될 수 있다. 이 변형은 미처리수(예를 들어, 표면 담수 또는 지하수), 탈염수 또는 탈이온수 또는 재광수를 포함하는 임의의 가능한 유형의 급수의 이산화탄소 농도를 증가시키는 데 적합하다. 이산화탄소를 주입하기 위한 방법 및 디바이스는 일반적으로 당업자에게 공지되어 있다.
기체 이산화탄소는 액체상으로 유지되는 저장 탱크(예를 들어, 가스 실린더)로부터 얻어질 수 있다. 이산화탄소의 소비량 및 환경에 따라 극저온 또는 통상적으로 절연된 탱크가 사용될 수 있다. 액체 이산화탄소의 기체 이산화탄소로의 전환은 공기 가열 기화기, 또는 전기 또는 증기 기반 기화 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 필요한 경우, 주입 단계 전에, 예를 들어 감압 밸브를 사용하여 기체 이산화탄소의 압력을 감소시킬 수 있다. 압축 공기/이산화탄소 혼합물이 또한 사용될 수 있다.
본 발명은 가정용 설비에 특히 유용하기 때문에, 기체 이산화탄소는 압축된 기체 이산화탄소를 함유하는 캐니스터와 같은 압력 탱크에 의해 제공되는 것이 바람직하다.
기체 이산화탄소는 제어된 양으로 급수의 유입구 흐름(QIN)에 주입될 수 있으며, 스트림에 이산화탄소 기포의 분산을 형성하고 기포가 그 안에서 용해되도록 한다. 예를 들어, 유입 흐름(QIN)의 난류 영역에 급수를 주입함으로써 급수에서의 이산화탄소의 용해가 촉진될 수 있으며, 여기서 난류는 파이프 라인의 수축에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소는 파이프 라인에 설치된 벤투리(Venturi) 노즐의 목부(throat)로 유입될 수 있다. 벤투리 노즐의 목부에서 파이프 라인의 단면적을 좁히면 이산화탄소를 비교적 작은 기포로 분쇄하기에 충분한 에너지의 난류가 발생하여 용해가 촉진된다.
일 실시양태에서, 이산화탄소는 압력 하에서 급수의 유입구 흐름(QIN)에 주입된다. 본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 급수에서 이산화탄소의 용해는 정적 혼합기 또는 다공성 금속 스파저와 같은 스파저에 의해 촉진된다.
유입구 흐름(QIN)에의 이산화탄소의 주입량을 제어하기 위해 흐름 제어 밸브 또는 다른 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 투여 블록 및 이산화탄소 인라인 측정 디바이스는 이산화탄소의 유량을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 이산화탄소의 유량은 이산화탄소 함유 흐름(QCO2)의 최종 이산화탄소 농도 또는 pH와 같은 다른 파라미터를 제어하는데 사용될 수 있다.
후속 방법 단계 (b)에서 마그네슘의 신속하고 효과적인 보충을 보장하기 위해 흐름(QIN) 중의 이산화탄소 함량을 특정 농도로 조정할 수 있다. 기체 이산화탄소의 주입의 경우, 당업자는 상기 기재된 바와 같이 이산화탄소 압력 및 흐름을 조절함으로써 이산화탄소의 농도가 조정될 수 있음을 이해할 것이다. 산성 양이온 교환기가 사용되는 경우, 예를 들어 급수의 유입구 흐름(QIN)과, 예를 들어 이온 교환 컬럼의 길이 및 유량에 따라 달라질 수 있는 이온 교환 디바이스 사이의 접촉 시간에 의해 이산화탄소 수준이 조절될 수 있다.
이산화탄소 농도를 증가시키기 위해 사용된 방법과는 독립적으로, 흐름(QIN)의 급수 중의 상기 농도는 5 내지 500 mg/l, 바람직하게는 10 내지 200 mg/l, 가장 바람직하게는 20 내지 100 mg/l의 농도로 조정될 수 있다. 바람직하게는, 기체 이산화탄소의 주입은 흐름(QIN)의 급수 중의 이산화탄소의 농도를 조정하기 위해 사용된다.
pH 값은 또한 본 발명의 방법의 단계 (b)에서 QIN과 마그네슘 이온 공급원 사이의 반응률을 제어하는데 사용될 수 있다. 일 실시양태에서, 흐름(QIN)의 급수의 pH는 이에 따라 5.0 내지 8.5, 바람직하게는 5.5 내지 8.0, 가장 바람직하게는 6.0 내지 7.5의 범위로 조정된다. 바람직한 실시양태에서, 상기 pH는 전술한 바와 같이 적절한 양의 이산화탄소가 유입구 흐름(QIN)에 주입됨으로써 조정된다.
마찬가지로, 온도는 단계 (b)에서 QIN과 마그네슘 이온 공급원 사이의 반응률을 제어하는데 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법의 다른 실시양태에서, 흐름(QIN)의 급수의 온도는 5 내지 35℃, 바람직하게는 10 내지 30℃, 가장 바람직하게는 15 내지 25℃의 범위로 조정된다.
(D) 수처리 시스템 및 유동 반응기
급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위한 본 발명에 따른 방법은 상응하는 수처리 시스템 또는 상응하는 유동 반응기를 사용하여 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 측면은 수처리 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은
(i) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 유입구;
(ii) 상기 유입구로부터 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하고 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻도록 구성되는 고체층; 및
(iii) 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 방출하도록 구성되는 유출구
를 포함하고;
고체층은 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하고, 상기 마그네슘 이온 공급원은 천연 또는 합성 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 한다.
급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 라인은 급수와 상용되는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 라인은 금속 파이프 또는 플라스틱 파이프를 포함할 수 있다. 상기 라인은 라인을 외부 급수 공급원, 예를 들어 식수 공급원 또는 정수 시스템의 배출구와 연결하기 위한 커넥터를 추가로 포함할 수 있다. 라인은 연결하기 위한, 예를 들어 고체층을 연결하거나 선택적 전처리 디바이스를 설치하기 위한 추가 커넥터를 포함할 수 있다.
일 실시양태에서, 본 발명의 수처리 시스템은 고체층으로부터 상류의 상기 라인에 연결된 전처리 디바이스를 추가로 포함하고, 상기 전처리 디바이스는 상기 급수의 유입구 흐름(QIN)에서 이산화탄소의 농도를 증가시키도록 구성된다.
이미 전술한 바와 같이, 이산화탄소 농도를 증가시키기 위해 상이한 방법 및 상응하는 디바이스가 사용될 수 있다. 적합한 방법은 기체 이산화탄소의 주입 또는 급수의 유입구 흐름(QIN)을 산성 양이온 교환기, 바람직하게는 약산성 양이온 교환기와 접촉시키는 것을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
따라서, 일 실시양태에서, 상기 라인에 연결된 전처리 디바이스는
(i) 상기 유입구 흐름(QIN)에 기체 이산화탄소를 주입하도록 구성된 주입 디바이스; 또는
(ii) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성된 산성 양이온 교환기, 바람직하게는 약산성 양이온 교환기
이다.
바람직하게는, 상기 라인에 연결된 전처리 디바이스는 상기 유입구 흐름(QIN)에 기체 이산화탄소를 주입하도록 구성된 주입 디바이스이다. 본 발명에 사용하기에 적합한 이산화탄소 주입 디바이스와 관련된 세부 사항 및 실시양태는 상기 기술되어 있고 따라서 본 발명의 수처리 시스템에 적용된다.
이어서 유입구 흐름(QIN)은 고체층으로 향하게 한다. 적용가능한 경우, 고체층은 상기 전처리 디바이스의 하류에 위치한다. 다른 경우, 고체층은 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성된다.
본 발명에 사용된 고체층은 고체 입자와의 상호 작용을 위해 유입구 흐름(QIN)을 통과시켜 상기 고체 입자의 용해시 마그네슘 이온이 방출되도록 하는 임의의 가능한 구조를 가질 수 있다. 미립자 물질, 특히 더 큰 입자의 세척을 방지하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 이를 위해, 일 실시양태에서, 고체층은 고체층의 하류 말단에 체류 디바이스를 추가로 포함하며, 바람직한 체류 디바이스는 스크린 또는 투수성 멤브레인이다.
본 발명에 따르면, 고체층은 유동 반응기의 캐비티에 의해 제공될 수 있으며, 상기 유동 반응기는 급수의 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 유입구 및 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 방출하도록 구성되는 유출구를 갖고, 바람직하게는 상기 유동 반응기는 유동 카트리지이다.
따라서, 본 발명의 또 다른 측면은 급수 중 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위한 수처리 시스템에 사용하는 유동 반응기, 바람직하게는 유동 카트리지에 관한 것으로서, 상기 유동 반응기는
(i) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 라인; 및
(ii) 상기 라인으로부터 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하여 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻도록 구성되는 고체층
을 포함하고;
상기 고체층은 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하고, 상기 마그네슘 이온 공급원은 천연 또는 합성 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 한다.
유동 카트리지는 고체층을 형성하는 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하는 캐비티를 포함하도록 구성된 밀폐 용기일 수 있고, 상기 카트리지는 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하기 위한 유입구 및 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 방출하도록 구성되는 유출구를 갖는다.
추가의 실시양태에서, 유동 반응기 또는 유동 카트리지는 반응기의 유출구에 체류 디바이스, 바람직하게는 스크린 또는 투수성 멤브레인을 포함한다.
유동 반응기 또는 유동 카트리지는 반응기 또는 카트리지의 유입구에 부착된 커넥터에 의해, 적용가능한 경우, 전처리 디바이스로부터 하류에 있는 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하는 라인에 연결된다. 추가 커넥터가 유출구의 하류 단부에 부착될 수 있다. 이는 파이프 라인 시스템, 예를 들어 가정용 급수 시스템 또는 이동식 수처리 플랜트에 설치될 때 유동 반응기 또는 유동 카트리지의 간단한 교체를 허용할 수 있다.
급수의 유입구 흐름(QIN) 및 고체층과 관련하여 전술한 세부 사항 및 실시양태는 이에 따라 본 발명의 수처리 시스템 및 유동 반응기 또는 유동 카트리지에 적용된다는 점을 유의한다.
예를 들어, 수처리 시스템 및 유동 반응기의 일부 실시양태에서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트이다.
수처리 시스템 및 유동 반응기의 다른 실시양태에서, 고체층의 입자는 0.05 내지 20 mm, 바람직하게는 0.1 내지 15 mm, 더 바람직하게는 0.15 내지 10 mm, 더욱 더 바람직하게는 0.2 내지 2 mm, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.5 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖는다.
수처리 시스템 및 유동 반응기의 다른 실시양태에서, 각각 20℃ 및 100 kPa에서 측정된 수중 용해도 한계는 5 g/l 이하, 바람직하게는 2 g/l 이하, 더욱 바람직하게는 1 g/l 이하, 더욱 더 바람직하게는 0.5 g/l 이하, 가장 바람직하게는 0.2 g/l 이하이다.
수처리 시스템 및 유동 반응기의 예시적인 실시양태에서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트이고, 입자는 0.5 내지 1.5 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖고, 단계 (b)에서 흐름(QIN)과 고체층 사이의 접촉 시간은 0.05분 이상 2분 미만, 바람직하게는 0.1분 내지 1분의 범위이다.
본 발명의 범위 및 관심은 본 발명의 실시양태를 예시하는 것으로 의도된 하기 실시예에 기초하여 더 잘 이해될 수 있다.
(A) 분석 방법
본 출원 전반에 걸쳐 정의되고 하기 실시예에서 언급된 모든 파라미터는 하기 측정 방법에 기초한다:
금속 이온 농도(예, Ca
2+
또는 Mg
2+
)
마그네슘 및 칼슘 이온 농도를 포함하여 본 출원에서 제시된 금속 이온 농도는 Metrohm 882 Compact IC plus 기기를 사용하는 이온 크로마토그래피에 의해 측정되었다. 모든 샘플을 분석 전에 여과하였다(RC - 0.20 ㎛).
이산화탄소 농도
수중 용해된 이산화탄소의 농도는 DGi111-SC pH 전극(Mettler-Toledo) 및 적정제로서 수산화나트륨 표준 수용액을 사용하여 적정에 의해 측정하였다.
입자 크기 분포
고체 입자의 중량 매체 입자 크기를 결정하기 위해, ISO 3310-1:2000(E) 표준에 따른 분별 체질을 사용하였다.
전도도
Mettler-Toledo(스위스)의 InLab 741 프로브가 장착된 Mettler-Toledo(스위스)의 SevenMulti pH 측정기를 사용하여 전기 전도도를 측정하였다.
총 알칼리도(CaCO
3
)
전체 알칼리도는 상응하는 LabX Light 적정 소프트웨어를 사용하여 Mettler-Toledo T70 적정기로 측정되었다. DGi111-SG pH 전극을, 응용 브로셔 37의 상응하는 Mettler-Toledo 방법 M415에 따라 이 적정에 사용하였다(물 분석). Mettler-Toledo pH 표준(pH 4.01, 7.00 및 9.21)을 사용하여 pH 전극의 교정을 수행하였다.
탁도
탁도는 Hach Lange 2100AN IS 실험실 탁도 측정기로 측정하였다. < 0.1, 20, 200, 1000, 4000 및 7,500 NTU를 갖는 StabCal 탁도 표준(포르마진)을 사용하여 보정을 수행하였다.
용해도 한계
용해도 한계는 당업자에게 공지된 진탕 플라스크 방법에 의해 결정된다. 이 방법에 따르면, 과량의 화합물(예를 들어, 마그네슘 이온 공급원)을 용매(예를 들어, 물, 바람직하게는 탈이온수)에 첨가하고 20℃ 및 100 kPa 대기압에서 24시간 이상 동안 진탕시킨다. 용해되지 않은 물질의 존재를 관찰함으로써 포화를 확인한다. 슬러리를 여과한 후, 한정된 부피를 갖는 용액의 샘플을 분석을 위해 채취한다. 휘발성 성분의 손실을 최소화하기 위해 용해 중에 사용된 조건(20℃, 100 kPa) 하에서 여과가 수행된다. 이어서, 샘플의 용매를 증발시키고, 용매 증발 후의 잔류 화합물의 질량 및 샘플 부피에 기초하여 용해된 화합물의 질량 농도를 결정하였다.
많은 경우에, 활성 성분의 용해도 한계는 당업자에게 일반적으로 알려진 공개 데이터베이스에서 이용 가능하다. 임의의 차이 또는 불일치가 있는 경우, 전술한 방법에 따라 결정된 용해도 한계가 바람직하다.
(B) 실시예
하기 실시예는 어떠한 방식으로도 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
장비
시험에 사용된 장비는 다음과 같다:
1. 접촉기 시스템:
■ 컬럼 내에서 필터 재료를 교체할 수 있도록 배럴 유니온 엔드 커넥터가 장착된 DN80 투명 PVC로 제작된 접촉기 컬럼
■ 필요한 유량의 급수를 전달하기 위한 가변 속도 제어 기능이 있는 펌프
■ 이산화탄소를 급수에 용해시키기 위한 이산화탄소 투여 스파저
■ 온라인 유량계에 의한 흐름 측정
■ 비율 튜브 및 니들 밸브를 컬럼으로 흐름 제어
■ 컬럼 유입구 및 유출구에서 pH, 탁도 및 전도도의 온라인 측정
2. 하기로 이루어진 (이 시험에서 사용되지 않은) 이산화탄소 분배 시스템:
■ 이산화탄소 보틀
■ 보틀의 압력을 50 bar에서 5 bar로 낮추는 압력 조절기
■ 이산화탄소 투여량을 조절하고 측정하기 위한 질량 유량계 및 제어 밸브
■ 공급 파이프 워크의 용해 스파저에 컬럼으로의 투여 연결
절차
하기 절차는 시험을 실행하는 데 사용되었다.
1. 접촉기 컬럼을 하기 표시된 바와 같이 마그네슘 이온 공급원으로 충전하였다(약 200 mm의 층 높이로 충전).
2. 역삼투로 처리된 후 방해석 접촉기를 사용하여 안정화된 물을, 급수(QIN)로서 사용하고 접촉기 컬럼을 통해 펌핑하였다(급수의 미네랄 조성 및 품질을 하기 표시).
3. 유출구 흐름(QOUT)의 분석을 위해 샘플을 채취하기 전, 적어도 2의 EBCT(빈 층 접촉 시간)의 기간 동안 컬럼에 급수를 통과시켜 컬럼을 컨디셔닝하였다.
4. 접촉 시간의 영향을 비교하기 위한 다양한 유량으로 시험을 수행하였다.
물질
시험에서 하기 마그네슘 광물을 마그네슘 이온 공급원으로서 테스트하였다.
PHM = 침강 히드로마그네사이트.
PHM의 화학 조성은 XRD에 의해 확인되었다(결과는 나타내지 않음).
테스트 설정
마그네슘 함량이 낮은 사전광화된 RO 물을 사용한 시험에서 하기 테스트 설정이 사용되었다.
테스트 결과
하기 표는 시험 1 내지 5에서 측정한 결과이다.
이산화탄소 주입 없는 히드로마그네사이트에 대한 시험은 매우 효과적이었다. 용해된 마그네슘 수준, 알칼리도 수준, pH 수준 및 이산화탄소의 전체 소비가 크게 증가하면 반응률이 매우 빠르다는 것을 시사한다.
Claims (17)
- 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법으로서,
(a) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 제공하는 단계;
(b) 상기 흐름(QIN)을 고체층에 통과시켜 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻는 단계
를 포함하고;
단계 (b)에서 고체층은 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하고, 상기 마그네슘 이온 공급원은 천연 또는 합성 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 하는, 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키는 방법. - 제1항에 있어서, 급수는 10 mg/l 이하, 바람직하게는 5 mg/l 이하, 가장 바람직하게는 2 mg/l 이하의 용해된 마그네슘 이온 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 급수는 5 내지 200 mg/l, 바람직하게는 10 내지 150 mg/l, 가장 바람직하게는 20 내지 100 mg/l의 총 알칼리도(CaCO3)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 급수는 -2.0 내지 1.0, 바람직하게는 -1.0 내지 0.7, 가장 바람직하게는 -0.5 내지 0.5의 랑겔리아 포화 지수(LSI)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 급수의 pH를 5.0 내지 8.5, 바람직하게는 5.5 내지 8.0, 가장 바람직하게는 6.0 내지 7.5의 범위로 조정하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 pH는 바람직하게는 유입구 흐름(QIN)에 적절한 양의 이산화탄소를 주입함으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 급수의 온도를 5 내지 35℃, 바람직하게는 10 내지 30℃, 가장 바람직하게는 15 내지 25℃의 범위로 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 입자는 0.05 내지 20 mm, 바람직하게는 0.1 내지 15 mm, 더 바람직하게는 0.15 내지 10 mm, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 2 mm, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1.5 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (b)에서 흐름(QIN)과 고체층 사이의 접촉 시간은
(i) 0.05분 이상, 바람직하게는 0.1분 이상, 더 바람직하게는 0.2분 이상, 가장 바람직하게는 0.25분 이상; 및/또는
(ii) 10분 미만, 바람직하게는 5분 미만, 더욱 바람직하게는 2분 미만, 가장 바람직하게는 1분 미만
인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (b)에서 고체층은 유동 반응기의 캐비티에 의해 제공되고, 상기 유동 반응기는, 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 유입구 및 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 방출하도록 구성되는 유출구를 갖고, 바람직하게는 상기 유동 반응기는 유동 카트리지인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트이고, 입자는 0.5 내지 1.5 mm 범위의 중량 중간 입자 크기를 갖고, 단계 (b)에서 흐름(QIN)과 고체층 사이의 접촉 시간은 0.05분 이상 2분 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 처리수의 유출구 흐름(QOUT)의 pH를, 바람직하게는 4.5 내지 9.5, 바람직하게는 6.5 내지 8.5, 가장 바람직하게는 6.8 내지 7.5의 범위로 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위한 수처리 시스템으로서,
(i) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 라인; 및
(ii) 상기 라인으로부터 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하여 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻도록 구성되는 고체층
을 포함하고;
고체층은 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하고, 상기 마그네슘 이온 공급원은 천연 또는 합성 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 하는, 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위한 수처리 시스템. - 제13항에 있어서,
(i) 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트인 것;
(ii) 입자는 제8항에 기재된 중량 중간 입자 크기를 갖는 것; 및/또는
(iii) 고체층은 제10항에 기재된 유동 반응기의 캐비티에 의해 제공되는 것
을 특징으로 하는 수처리 시스템. - 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위해 수처리 시스템에 사용하기 위한 유동 반응기로서,
(i) 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하도록 구성되는 유입구;
(ii) 상기 유입구로부터 급수의 유입구 흐름(QIN)을 수용하고 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 얻도록 구성되는 고체층; 및
(iii) 처리수의 유출구 흐름(QOUT)을 방출하도록 구성되는 유출구
를 포함하고;
고체층은 고체 입자 형태의 마그네슘 이온 공급원을 포함하고, 상기 마그네슘 이온 공급원은 천연 또는 합성 히드로마그네사이트인 것을 특징으로 하는, 급수의 마그네슘 이온 농도를 증가시키기 위해 수처리 시스템에 사용하기 위한 유동 반응기. - 제15항에 있어서,
(i) 마그네슘 이온 공급원은 합성 히드로마그네사이트, 바람직하게는 침강 히드로마그네사이트인 것;
(ii) 입자는 제8항에 기재된 중량 중간 입자 크기를 갖는 것; 및/또는
(iii) 고체층은 상기 유동 반응기의 캐비티에 의해 제공되는 것
을 특징으로 하는 유동 반응기. - 제15항 또는 제16항에 있어서, 유동 반응기는 유동 카트리지인 것을 특징으로 하는 유동 반응기.
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