KR20200031119A - 전기 멤브레인 프로세스에서의 비대칭성 극성 변환을 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents
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Abstract
높은 강도 및 가변 주파수를 갖는 비대칭 역 극성 펄스의 인가에 의한 농도 관련 편광 현상을 중단시키기 위한 그리고 전기 멤브레인 프로세스의 자가 세정을 위한 디바이스를 위한 회로 및 방법이 설명된다. 디바이스, 즉 쌍극 스위치는, 멤브레인의 표면 상의 침전물의 형성을 방지 또는 감소시키기 위해, 주파수, 강도 및 펄스폭의 범위의 극성 반전을 수행하기 위해 MOSFET(Metal-Oxide-Semi-conductor Field-Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 고상 전자 요소의 사용에 기초한다. 전기 멤브레인 프로세스 중에 멤브레인 전지의 전압 또는 전기 저항의 감소에 의해 측정된 바와 같은, 멤브레인 상의 먼지의 출현의 함수로서 변화하는 주파수를 갖는 반전 프로토콜이 또한 제공된다. 시스템 세정이 요구될 때, 고주파가 단독으로 또는 다른 물리 화학적 인시튜 세정 절차(CIP, 제자리 세정)와 함께 인가될 수 있다. 다양한 고상 전자 요소는 병렬로 접속될 수 있다. 상기 복수의 요소는 더 높은 전력의 인가를 허용한다. 이 디바이스 및 구성은 제2 전력 소스를 사용하여 변조된 안정한 고강도 펄스의 인가를 제공한다. 극성 반전을 위해 적합한 전극을 교체하고, 제2 전력 소스 및 설명된 쌍극 스위치를 추가함으로써 전기 멤브레인 프로세스가 용이하게 업데이트될 수 있다.
Description
본 발명의 실시예는 전기 멤브레인(electromembrane: EM) 프로세스, 예컨대, 통상의 전기 투석(electrodialysis: ED), 가역성 전기 투석(reversible electrodialysis: EDR, 여기서 극성은 멤브레인의 자가 세정을 위해 매 15 내지 30분마다 역전됨), 쌍극 멤브레인 전기 투석(bipolar membrane electrodialysis: BMED), 용량성 탈이온화(capacitive deionization: CDI), 전기 탈이온화(electrodeionization: EDI), 역 전기 투석(reverse electrodialysis: RED, 염수 구배가 에너지를 얻기 위해 사용됨), 미생물 연료 전지(microbial fuel cell: MFC) 시스템, 이온 농도 분극(ion concentration polarization: ICP)에 의한 탈염 및 모든 전술된 시스템과 연관된 개선된 동작에서 오염(fouling) 및 스케일링(scaling)의 완화 및 농도 분극의 중단의 분야에 관한 것이다.
현재, 전기 멤브레인 프로세스의 오염 및 스케일링은 이들 기술의 적용을 제한하는 문제가 계속되고 있다. 극성 반전에 의한 오염 및 스케일링의 완화는 EDR 동작에서 일반적으로 사용되는 전략인데: 반전 기능이 매 15 내지 30분마다 적용되고, 전기 극성이 반전될 때마다 탈염수의 구획이 농축물 구획으로 변하고 그 반대도 마찬가지이다. 이 동작은 또한 유압 유동의 각각의 궤도의 변화를 필요로 한다. 이는 복잡한 유압 유동 및 적어도 40초를 소요하는 자동 밸브에 의한 제어에 대한 요구를 야기한다. 결과적인 시간 손실 및 거부 전류를 갖는 생성물의 혼합물은 총 생산의 약 5%를 나타내는 불가피한 손실이다. 결과적으로, EDR은 시간, 노동력 및 가치 있는 생성물의 손실에 기인하여 정밀 화학 제품의 생산에는 사용되지 않는다.
더욱이, 농도 분극은 이러한 시스템의 동작을 또한 제한하는 EM 프로세스에 고유한 현상이다. 일부 지점에서, 시스템을 통과하는 전류가 증가할 때, 결국에는 농도 분극에 기인하여 한계에 도달한다. EM 프로세스의 동작에서, 이 값은 다수의 파라미터에 의존하고, 따라서 실험적으로 결정되는 한계 전류 밀도(limit current density: LCD)라 칭한다. LCD 값(또는 그 값 초과)으로 작업할 때, 물의 해리에 기인하여 EM 전지에서 pH가 제어 불가하게 되어, 스케일링 및 오염의 문제가 발생한다. 실제로, LCD의 단지 80 내지 90%만 적용된다. 프로세스를 강화하기 위해 이들 LCD 값을 증가시켜, 사용을 위한 멤브레인의 면적 및 따라서 장비의 크기 및 자본 비용을 감소시키는 것이 일반적으로 바람직하다.
직류 사이클의 사용은 50년보다 더 이전에 특허 US 3,029,196에 설명되어 있다. 특허 US 8,038,867 B2호는, 전기 투석에서 전기 펄스의 모호한 적용을 언급하고 있고, 방법론을 수행하기 위한 디바이스에 대한 상세한 언급이 없다. 출원 WO 2010/143945호는 ED, RED, CDI 및 MFC에 대한 전기 펄스의 반전을 사용하는 멤브레인 자가 세정 방법을 언급하고 있다. 이 설명은 전기 투석 디바이스를 언급하고 있지만, 펄스 전기장(pulsed electrical field: PEF)을 생성하기 위한 어떠한 디바이스도 설명되어 있지 않다. 출원 WO 2010/143945호는 역 극성 전기 펄스를 사용하여 멤브레인을 세정하기 위한 디바이스 및 방법을 청구하고 있다. 그러나, 사용된 전자 회로에 대한 상세 없이, 펄스폭의 인가를 위한 기능의 발생만을 언급하고 있다. 상기 출원은 프로세스의 파라미터, H-브리지의 사용, 또는 펄스의 강도, 주파수 및 폭이 어떻게 변조되는지에 기초하여 비대칭 펄스의 인가를 설명하고 있지 않다. 특허 출원 US 2016/228820호는 상이한 방법을 사용하여 전기 투석의 성능을 개선하기 위한 방법을 언급하고 있는데, 그 중에서도 펄스 역 극성이 설명된다. 출원인은 펄스의 인가는 단지 전극을 세정하기 위한 것이며, 시스템의 전자 기기 및 유압 기기를 변경할 필요는 없다고 언급하고 있다. H-브리지의 사용, 비대칭 펄스를 사용하여 멤브레인의 표면 상의 오염 및 스케일링의 중단 및 동작 중에 있을 때 전지의 전기 저항에 관한 주파수, 강도 및 펄스폭의 변경에 대한 언급은 없다.
더욱이, 문헌 CN 104.022.676호는 MOSFET 및 전력 소스를 갖는 하프-브리지 구성을 사용하여 비대칭 펄스 구형파를 생성하기 위한 방법을 설명하고 있다. 회로는 2개의 전력 소스에 의해 공급되는 H-브리지(풀 브리지)의 구성과는 완전히 다르다. 더욱이, 디바이스의 목적은 펄스폭 변조(pulse width modulation: PWM)의 발생이고, EM 프로세스에 대한 적용의 언급은 없다. 특허 출원 US 2014/0254204호는 비대칭 펄스를 사용하여 제로 전압 동작을 달성하기 위한 하프-브리지 구성에 기초하는 DC/DC(직류/직류) 변환기에 관한 것이다. 이 문헌에 설명된 회로 및 용례는 본 발명과는 완전히 다르다.
따라서, EM 프로세스를 업그레이드하는 것을 가능하게 하여, 오염 및 스케일링의 발생을 감소시키고, 농도 분극 현상의 방해에 의해 LCD 값을 증가시키고, EDR에서 전기 및 유압 극성 반전 사이클을 증가시키는 디바이스가 바람직하다. 이는 EDR이 갖는 것들과 같은 극성의 반전을 위한 한 쌍의 적합한 전극, 제2 전력 소스 및 설명된 디바이스를 필요로 한다. 이 디바이스는 가변 주파수, 펄스폭 및 강도를 갖는 비대칭 역 극성 펄스의 인가를 위해 전력 소스에 통합될 수 있다. 용어 비대칭이라는 것은, 각각의 시스템의 요구 사항에 따라, 펄스의 주파수, 폭(시간) 및 강도의 동적 변동을 나타낸다.
이 유형의 용례를 위해 설계된 적합한 반전 전극(양자 모두 애노드 또는 캐소드로서 사용될 수 있음), 제2 전력 소스 및 쌍극 스위치를 가지면, 전기 멤브레인 기술에서 먼지가 가변 주파수 및 강도를 갖는 전기 극성의 주기적인 반전에 의해 회피될 수 있다. 역 극성 펄스는 유기 물질에 의한 새로운 미네랄 스케일 및 먼지의 형성을 중단하여, 이온 교환 멤브레인 및 쌍극 멤브레인에 대한 비가역적인 손상을 회피한다. 더욱이, 역 극성의 주기적인 펄스는 난류의 발생에 의해, 농도 분극 현상을 방해하여, 달성될 수 있는 더 큰 한계 전류 밀도(LCD)로 인해 프로세스의 강도의 증가를 허용한다. 더욱이, 농도 분극의 중단은 pH 값을 설정하는 데 도움을 주어, 스케일의 출현의 감소를 야기한다.
EM 프로세스에서, 이러한 극성의 변화는 가변 주파수, 짧은 펄스폭 및 정상 동작값보다 큰 강도를 갖는 비대칭 펄스로서 인가되어야 한다. 따라서, 자본 투자, 설치 및 운영 비용의 견지에서 간단하고 낮은 비용인 EM에 의한 프로세스를 위해 설계된 적합한 쌍극 스위치가 요구된다. EDR과는 달리, 비대칭 펄스의 사용에 의해, 유압 유동의 변화 및 따라서 복잡한 유동 궤적을 갖는 자동 밸브의 사용이 요구되지 않을 것이다.
이 쌍극 스위치는 회전 방향을 변경하기 위해 전기 모터에 사용되는 기술인 H-브리지 구성에 기초한다. 이는 H-브리지가 전기 멤브레인 시스템에 처음으로 사용된 것이며, H-브리지는 역 극성 펄스의 강도의 조정을 위한 2개의 상이한 전원에 의해 공급된다. 더욱이, 프로세스의 특성에 따라 주파수, 강도 및 펄스폭이 자동으로 조정되는 것은 이번이 처음이다. 방법은 다양한 전기 멤브레인 시스템에서 극성의 반전을 가능하게 하여, 화학 물질의 첨가 및 시스템의 유지 보수를 감소시키고, 멤브레인의 안정성 및 작동 수명을 증가시키고, 농도 분극 현상의 방해를 통해 프로세스를 보강한다(높은 한계 전류 밀도로).
설명된 시스템은 하나 또는 2개의 전력 소스(공급 또는 에너지의), 쌍극 스위치 및 EM 전지로 구성된다. 전기 멤브레인 전지는 다양한 앞서 언급된 프로세스를 포함하는 일반적인 용어이고, 여기서 펄스의 강도가 조정되지 않으면 하나의 전력 소스가 사용되고, 펄스의 강도가 증가되거나 일시 정지가 수행되면 2개의 전력 소스가 사용된다. 이 전지는 2개의 전극 및 멤브레인의 세트, 일반적으로 이온 교환 멤브레인 및/또는 쌍극 멤브레인을 포함한다. 전기 멤브레인 전지의 전극은 캐소드 및 애노드로서 작동하여, 극성의 반전 중에 열화의 위험을 감소시키기 위해 적합해야 한다. 이 기능이 포함되면, 제2 전력 소스가 펄스 강도의 강도를 조정하는 것을 가능하게 한다. 전력 소스(들)는 쌍극 스위치를 통해 전기 멤브레인 전지에 에너지를 전달한다. 직류는 쌍극 스위치를 통과하여, 이 전류의 방향을 제어한다. 전기 에너지는 산화 환원 반응이 일어나는 전극에 의해 수신된다. 전기 화학적 전위가 전극에서 발생하여, 전지의 상이한 구획을 향한 이온의 이동, 물 분자의 해리 등을 유도한다. 일부 프로세스에서, 염수 구배에 의해 발생된 전기 화학적 전위는 전기 에너지를 생성할 수 있으며, 이 경우에 생성된 에너지의 일부가 멤브레인의 주기적 자가 세정 및 제자리 세정(clean in place: CIP)의 방법을 위해 사용될 수 있다.
도 1은 극성을 주기적으로 반전시키기 위해 쌍극 스위치에 결합된 전기 멤브레인 프로세스의 개략도이다.
도 2는 제2 전력 소스를 사용하여 가변 강도로 전기 멤브레인 프로세스에서 극성의 반전을 위한 H-브리지의 회로이다.
도 3a는 역 극성 비대칭 펄스를 갖는 통상의 전기 멤브레인 프로세스, 가역성 전기 투석 및 전기 멤브레인 시스템에서 멤브레인의 스택을 통한 대략적인 전압 강하 및/또는 전기 저항이다.
도 3b는 종래의 세정 프로토콜이 수행될 때 역 극성 펄스, 가변 주파수 및 선택적으로 고주파 펄스의 사용으로서 인가된 대략적인 파형이다.
도 4a는 각각의 반전 사이클 사이에 버전 펄스의 비대칭 극성을 인가하여, 유압 유동의 변화에 대한 자동 밸브를 유지하는 EDR 동작 모드이다. 펄스의 인가의 주파수는 가변적이며, 멤브레인의 화학적 세정이 수행될 때 고주파의 펄스가 선택적으로 사용될 수 있다.
도 4b는 세척 프로토콜이 적용될 때 가변 주파수 및 선택적 고주파 펄스를 갖는 비대칭 극성 반전 펄스를 인가하는 전기 멤브레인 프로세스의 동작 모드이다.
도 5a는 제자리 세정 프로토콜이 수행될 때 정상 동작에서, 가변 주파수 및 선택적으로 고주파보다 더 높은 강도로 비대칭 극성 반전 펄스를 인가하는 업그레이드된 EDR 동작 모드이다. 시스템은 각각의 반전 사이클 사이에서 펄스화되어, 유압 유동의 변화에 대한 자동 밸브를 유지한다.
도 5b는 통상의 세정 프로토콜이 수행될 때 정상 동작에서, 가변 주파수 및 선택적으로 고주파보다 더 높은 강도로 비대칭 극성 반전 펄스를 인가하는 전기 멤브레인 프로세스 동작 모드이다.
도 2는 제2 전력 소스를 사용하여 가변 강도로 전기 멤브레인 프로세스에서 극성의 반전을 위한 H-브리지의 회로이다.
도 3a는 역 극성 비대칭 펄스를 갖는 통상의 전기 멤브레인 프로세스, 가역성 전기 투석 및 전기 멤브레인 시스템에서 멤브레인의 스택을 통한 대략적인 전압 강하 및/또는 전기 저항이다.
도 3b는 종래의 세정 프로토콜이 수행될 때 역 극성 펄스, 가변 주파수 및 선택적으로 고주파 펄스의 사용으로서 인가된 대략적인 파형이다.
도 4a는 각각의 반전 사이클 사이에 버전 펄스의 비대칭 극성을 인가하여, 유압 유동의 변화에 대한 자동 밸브를 유지하는 EDR 동작 모드이다. 펄스의 인가의 주파수는 가변적이며, 멤브레인의 화학적 세정이 수행될 때 고주파의 펄스가 선택적으로 사용될 수 있다.
도 4b는 세척 프로토콜이 적용될 때 가변 주파수 및 선택적 고주파 펄스를 갖는 비대칭 극성 반전 펄스를 인가하는 전기 멤브레인 프로세스의 동작 모드이다.
도 5a는 제자리 세정 프로토콜이 수행될 때 정상 동작에서, 가변 주파수 및 선택적으로 고주파보다 더 높은 강도로 비대칭 극성 반전 펄스를 인가하는 업그레이드된 EDR 동작 모드이다. 시스템은 각각의 반전 사이클 사이에서 펄스화되어, 유압 유동의 변화에 대한 자동 밸브를 유지한다.
도 5b는 통상의 세정 프로토콜이 수행될 때 정상 동작에서, 가변 주파수 및 선택적으로 고주파보다 더 높은 강도로 비대칭 극성 반전 펄스를 인가하는 전기 멤브레인 프로세스 동작 모드이다.
본 발명은 멤브레인 표면 상의 먼지 및 스케일링을 완화시키고 전기 멤브레인 프로세스에서 농도 분극의 중단을 위한 비대칭 극성 반전을 위한 방법이며,
- 극성 및 버전을 위해 적합한 한 쌍의 전극으로서, 애노드(5)로서 작용하는 하나의 전극 및 캐소드(6)로서 작용하는 다른 전극인, 한 쌍의 전극, 및 멤브레인의 세트를 포함하는, 전기 멤브레인 전지(4)를 제공하는 단계;
- 전류를 유도하기 위한 H-브리지 구성을 갖는, 적어도 4개의 고상 전자 요소를 포함하는 쌍극 스위치를 제공하는 단계로서, 정상 동작 조건 하에서, 전류에 대한 각각의 방향을 제공하기 위해 일부 요소(8, 11)는 폐쇄되고, 다른 요소(9, 10)는 개방되는, 쌍극 스위치 제공 단계;
- EM 프로세스가 실행될 때 시스템의 요구 사항에 따라, 역 극성 및 펄스폭의 인가의 주파수를 변화시키는 디바이스를 제공하는 단계;
- 전기 멤브레인 전지에 에너지를 전달하기 위해, 펄스의 강도의 조정을 위해 서로 상이한 하나 또는 2개의 전력 소스를 제공하는 단계로서, 소스(1) 중 하나는 정상 조건 하에서 전기 멤브레인 프로세스를 촉진하고 다른 소스(2)는 전기 멤브레인 전지에 역 극성 펄스의 인가를 촉진하는, 단계;
- 산화 환원 반응이 일어나는 전극에 상이한 방향으로 쌍극 스위치를 통해 직류를 통과시키는 단계;
- 전지의 상이한 구획들을 향한 이온의 이동을 유도하기 위해 전극 내에 전기 화학적 전위를 발생하는 단계;
- 스위치가 극성을 변경하도록 지시할 마이크로제어기 또는 펄스 발생기를 제공하는 단계;
- 전기 멤브레인 전지 내의 전압 강하 및/또는 전기 저항을 연속적으로 측정하는 단계;
- 전기 멤브레인 전지의 전압 강하 및/또는 전기 저항에 대한 임계값을 규정하는 단계;
- 가변 주파수, 짧은 펄스폭을 갖는 그리고 바람직하게는 정상 조건 하에서 동작의 것들보다 큰 강도를 갖는 역 극성 비대칭 펄스의 인가에 의해 또는 일시 정지된 펄스의 인가에 의해, 상기 임계값에 도달하면 멤브레인을 세정하는 단계를 포함하는, 방법에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은 멤브레인 표면 상의 먼지 및 스케일링을 완화시키고 전기 멤브레인 프로세스에서 농도 분극의 중단을 위한 비대칭 극성 반전을 위한 시스템이며,
- 극성의 반전을 위해 적합한 한 쌍의 전극으로서, 하나의 전극은 애노드(5)로서 작용하고 다른 하나는 캐소드(6)로서 작용하는 한 쌍의 전극, 및 멤브레인의 세트를 포함하는 전기 멤브레인 전지(4);
- 전류를 유도하기 위한 H-브리지 구성을 갖는, 적어도 4개의 고상 전자 요소(8, 9, 10, 11)를 포함하는 쌍극 스위치(3)로서, 상기 요소 중 2개는 폐쇄되고(8, 11), 다른 2개는 개방되어 있고(9, 10);
- 프로세스가 실행될 때 시스템의 요구 사항에 따라, 역 극성 및 펄스폭의 인가의 주파수를 변화시키는 디바이스;
- 상기 전기 멤브레인 전지(4)에 에너지를 전달하기 위해, 펄스의 강도의 조정을 위해 서로 상이한 하나 또는 2개의 전력 소스(1, 2);
- 프로세스의 변수에 따라, 스위치가 극성을 변경하도록 지시할 마이크로제어기 또는 펄스 발생기로서; 상기 마이크로제어기는 상기 쌍극 스위치(3)의 회로에 통합되는, 마이크로제어기 또는 펄스 발생기를 포함하고;
- 쌍극 스위치(3)는 전력 소스(1, 2) 내에 또는 전력 소스(1, 2)와 전기 멤브레인 전지(4) 사이에 위치될 수 있는, 시스템에 관한 것이다.
마이크로제어기는 프로세스로부터 정보를 통합하고 프로세스의 요구 사항에 따라 강도, 주파수 및 펄스폭을 조정하는 것이 가능할 것이다. 펄스 발생기는 프로세스의 요구 사항에 따라 자동 조정의 가능성을 갖지 않고, 고정 주파수, 강도 및 펄스폭으로 극성 역전을 제어하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 전지(4)의 극성을 주기적으로 반전시키기 위한 쌍극 스위치(3)의 사용을 통해 업그레이드된 전기 멤브레인 프로세스의 개략도를 도시하고 있다. 펄스의 강도는 제2 전력 소스(2)로 조정될 수 있고, 정상 동작이 전력 소스(1)에 의해 여기된다.
도 2는 본 발명의 주요 실시예의 개략도이다. 마이크로제어기 또는 펄스 발생기(도면에 도시되지 않음)는 특정 프로세스에 대해 미리 설정되거나, 또는 전기 멤브레인 전지(4) 내의 전압 강하 또는 전기 저항의 연속 측정에 의해 자동화된 최적의 조건에 기초하여, 회로(12, 13, 14, 15)를 통해 H-브리지 요소의 개폐를 제어한다. 프로세스는 일반적으로 전력 소스(1)로 수행되고, 반면에 전력 소스(2)는 고강도 펄스의 인가를 위해 사용된다. 양 전력 소스는 동일한 접지(7)를 공유한다.
정상 동작은 이하의 방식으로 설명된다: 전력 소스(1)는 특정 전류 전압/밀도로 전지(4) 내의 전기 멤브레인 프로세스를 지속적으로 촉진시킨다. 전극(5)은 애노드로서 작동하고 전극(6)은 캐소드로서 작동한다. 적어도 4개의 고상 요소(8, 9, 10, 11)가 있다. 이 때, 요소(8, 11)는 폐쇄되고, 요소(10, 9)는 개방된다. 언급된 모든 고상 요소는 전지의 구획들 사이의 염수 구배에 의해 발생된 역기전력으로부터 이들을 보호하기 위한 프리휠링 다이오드를 가져야 한다.
정상 동작에서보다 더 큰 강도의 역 극성 펄스에 대해: 전력 소스(1)는 제2 전력 소스(2)를 사용하여 극성 반전이 적용될 때 전지(4) 내에서 전기 멤브레인 프로세스를 촉진하여, 전력 소스(1)와 함께 사용되는 것보다 더 큰 강도로 짧은 시간 동안 프로세스를 촉진한다. 여기서, 전극(5)은 캐소드로서 기능하고 전극(6)은 애노드로서 기능한다. 이때, 고상 요소(8, 11)는 개방되고, 고상 요소(9, 10)는 폐쇄된다. 이 버전의 극성은 마이크로제어기 내에 또는 펄스 발생기 내에 프로그래밍될 수 있다. 극성과 버전은 10-2 내지 103 Hz의 펄스폭 및 인가 주파수 및 10-5 내지 100초로 변하는 펄스폭으로서 고려될 수 있다. 주파수, 펄스폭 및 진폭 또는 강도는 스케일링의 발생 및 침전물의 화학적 성질에 따라 규정되어야 하는 파라미터이다. 전력 소스(1)가 정상 동작 뿐만 아니라 극성 반전의 모두에서 사용되면, 펄스폭 및/또는 주파수는, 전체 동작 시간 전체에 걸쳐, 먼지 또는 스케일링의 완화의 견지에서 전기 멤브레인 프로세스의 최적 성능을 유지하기 위해 가변적이어야 한다. 펄스의 목적이 단지 농도 분극의 중단을 통한 프로세스의 보강이면, 인가된 펄스의 주파수는 고정 유지될 수 있다.
일시 정지된 펄스에 대해: 전력 소스(1)는 일시 정지(오프 상태)가 적용될 때 전지(4) 내의 전기 멤브레인 프로세스를 촉진시킨다. 이 때, 모든 고상 요소(8 내지 11)는 각각의 일시 정지 시간 동안 개방된다. 일시 정지는 전지의 전압 강하와 펄스폭에 따라, 매 100 내지 103초마다 적용되는 펄스로 고려될 수 있다. 일시 정지 시간은 선택된 전기 멤브레인 프로세스에서 침전물 또는 스케일링의 성질에 의존할 것이다. 통상의 펄스폭 값은 10-2 내지 103초이다. 설명된 디바이스는 펄스의 일시 정지를 생성하는 것이 가능하지만, 가능한 한 적은 작업 시간을 손실하고 시스템의 크기 및 결과적인 자본 비용을 감소시키기 위해, 강도의 견지에서 역 극성 펄스를 인가하는 것이 바람직하다.
도 3a는 17에서 EM 전지, 18에서 EDR를 통한 그리고 19에서 비대칭 극성 반전을 갖는 EM에 대한 대략적인 전압 강하 또는 전기 저항이다. 오염 또는 스케일링의 속도는 처리되는 액체 전류의 조성, pH 및 온도와 물리 화학적 조건, 및 종래의 처리의 이용 가능성에 의존한다.
인가된 펄스의 주파수는 멤브레인의 표면 상의 오염에 의존한다. 통상의 값은 10-2 내지 103 Hz이다. 예를 들어, 멤브레인이 오염되면, 멤브레인 스택의 전기 저항은 전지를 통한 결과적인 더 큰 전압 강하에 따라 증가할 것이다. 상기 전압 강하 또는 전기 저항이 규정된 임계값(21)에 도달하면, 디바이스는 멤브레인의 표면 상에 침전을 방해하기 위해, 10-5 내지 100초로 다양한 짧은 기간(펄스폭) 동안 극성을 검출하고 반전시킬 것이다. 이 전기 멤브레인 프로세스가 연속적일 때, 멤브레인은 동작시에 시간 경과에 따라 오염될 가능성이 더 많을 것이다. 결과적으로, 인가되는 펄스의 주파수는 정의된 값(20)에 도달할 때까지 점진적으로 증가할 것이다. 임계 주파수에 도달할 때, 바람직하게는 더러운 또는 스케일링된 멤브레인을 복원하기 위한 전통적인 CIP 프로토콜과 함께, 동작이 정지되고 선택적으로 약 101 내지 107 Hz의 고주파(세정) 펄스가 10-1 내지 104초 동안 인가된다. 이 시점에, 극성은 이 극성에서 정상 동작으로 작동하기 위해 영구적으로 반전될 수 있다. 이 영구적인 반전은 작업 시스템이 유압 유동의 각각의 변화를 갖는 EDR인 경우에만 행해질 수 있다.
도 3b는 정상 동작시에 작동 진폭(A1)을 갖는 전기 멤브레인 프로세스의 대략적인 파형이다. 작동 주파수(F1)는, 20에서의 심도 세정을 위한 지시에 대응하는 프로세스의 시작시보다 큰 값을 갖는 미리 정의된 임계 주파수 값에 도달할 때까지 10-2으로부터 103 Hz까지 변화한다. 이 때, 주파수는 최적의 동작 및 CIP를 위한 화학 물질의 사용에 기초하여, 멤브레인의 기능의 완전한 회복을 위해 결정된 처리 시간(T2) 동안, 101 내지 107 Hz의 값을 갖고, 가변 진폭(A2)을 갖고, 10-8 내지 10-2초 범위인 짧은 펄스폭을 갖고, 선택적으로 F2에서 더 높은 값으로 변화한다. 멤브레인의 복원 후에, 작동 주파수(F1)는 다시 미리 정의된 임계 주파수에 도달할 때까지 초기 조건으로 복귀할 것이다. 펄스의 진폭(A3)은 바람직하게는 정상 동작에 사용되는 전류 전압/밀도를 초과하지만, 멤브레인을 손상시킬 수 있는, 오존의 전개로 인한 높은 전압값(멤브레인 당 3V 초과)을 회피해야 할 필요가 있다. 펄스폭(T3)은 진폭(A3)의 함수에 따라 변화한다. 따라서, 낮은 강도를 갖는 것은 농도 분극을 파괴하거나 침전물의 형성을 방해하는 데 더 많은 시간이 요구될 것이다. 단일 전력 소스가 사용될 때, A3은 A1과 같다. 일시 정지 펄스가 인가될 때, A3은 0이다. 언급된 바와 같이, 펄스의 진폭(A3)은 펄스폭(T3)을 규정할 것이다. 다음에, A3가 진폭에서 감소하면, T3의 값이 증가하여 새로운 침전물의 방해를 보장하고, T1에서의 작업 시간이 손실될 것이다.
예:
이하의 예는 바람직하게는 마이크로제어기로부터, 또는 펄스 발생기로부터의 프로그래밍에 의해 시스템의 극성을 변화하기 위해 전기 멤브레인 시스템에 결합된 쌍극 스위치를 사용한다. 쌍극 스위치는 이상적으로 전력 소스에 통합되거나 또는 전력 소스와 전기 멤브레인 전지 사이의 추가의 구성요소로서 물리적으로 위치될 수 있다. 제2 옵션은 이미 설치된 프로세스를 업그레이드하기 위해 바람직하다.
모든 처리에서, 작동 주파수는 동적일 수 있어, 오염 및 스케일링의 발생에 따라 10-2 내지 103 Hz로 다양하다. 펄스 인가의 목적이 프로세스의 보강이면, 앞서 언급된 것과 동일한 주파수 범위를 사용하여, 주파수가 고정 유지될 수 있다.
펄스로서 극성을 반전시키는 순간을 지시하는 전압 강하/전류 저항의 임계값은 정상 동작에서의 상기 값들에 기초하여 결정되며, 정상 동작 값의 1.1 내지 10배에 해당하는 값을 갖는다. 주파수의 임계값은 작업 사이클이 80.0 내지 99.9%일 때 선택되는데, 이는 CIP 절차로 멤브레인을 철저하게 세정하기 위한 시간을 지시한다. 이 값은 각각의 시스템에 최적화될 수 있다. 예를 들어, 80.0%의 작업 사이클은 20.0%의 시간이 역 극성 상태에 있다는 것을 의미한다. 상기 작업 사이클은 역 펄스의 폭 및 펄스 주파수에 기초하여 계산된다. 다른 변수들 중에서, 처리된 전류의 화학적 조성, 물리 화학적 파라미터, 멤브레인의 특성, 동작 시간은 모든 전술한 값을 정의할 것이고 각각의 특정 프로세스에 대해 최적화되어야 한다. 전용 마이크로제어기를 갖는 쌍극 스위치는, 시스템을 자동으로 펄스화하고 세정하기 위한 최적의 시간을 평가하기 위해, 전압 강하, 전류 및 전기 저항 밀도와 같은 관련 정보를 취득할 수 있다.
예 1:
도 4a는 역 극성 펄스를 사용하는 업그레이드된 EDR이다. 규정된 임계 주파수(F4)는 23에서 유압 유동의 변화와 함께 극성의 영구적인 반전을 위한 지시이다. 유압 유동의 변화와 동시에, 선택적으로 101 내지 104초 동안 101 내지 107 Hz의 값을 갖는 고주파 펄스화가 적용될 수 있다. 단지 하나의 전력 소스(1)만이 EDR 전지(22)에 에너지를 전달하기 때문에, 작업 기간에서의 진폭(A4) 또는 처리 강도는 펄스(A5)의 진폭과 동일하다. 여기서, 펄스폭(T4)은 가변적일 수도 있고, 이들의 값은 프로세스의 특성에 의존할 것이다.
이 업그레이드는 유압 시스템이 사이클들 사이에서 변화할 때 생성물의 혼합이 덜 빈번하게 행해진다는 사실에 기인하는 생산성의 손실의 결과적인 감소를 갖고, 전기 및 유압 극성 반전의 사이클들 사이의 작업 시간의 증가를 가능하게 할 것이다. 이 동작 모드의 유일한 요구 사항은 쌍극 스위치(3)이다.
예 2:
도 4b는 역 극성 펄스를 사용하는 전기 멤브레인 프로세스의 업그레이드를 도시하고 있다. 규정된 임계 주파수(F4)는 20에서 CIP에 대한 지시이다. 단지 하나의 전력 소스(1)만이 시스템을 여기하기 때문에, 진폭(A4) 또는 동작 강도는 인가된 펄스의 진폭(A5)과 동일하다. 이 업그레이드를 위한 요구 사항은 전지(4)의 극성 반전을 위한 한 쌍의 적합한 전극(5, 6) 및 쌍극 스위치(3)이다.
예 3:
도 5a는 정상 동작보다 큰 강도를 갖는 역 극성 펄스를 사용하는 EDR의 업그레이드이다. 규정된 주파수(F4)는 23에서 유압 유동의 변화와 함께 극성의 영구적인 반전을 위한 지시이다. 유압 유동이 변화되는 동시에, 101 내지 104초 동안 101 내지 107 Hz로 다양한 값을 갖는 고주파 펄스화가 선택적으로 적용될 수 있다. 작업 기간에서 처리의 진폭(A6) 또는 강도는, 2개의 전력 소스(1, 2)가 시스템을 공급하기 때문에, 펄스의 진폭(A7)과는 상이하다. 펄스의 진폭(A7)은 짧은 시간에 침전물을 방해하기 위해 높은 강도를 가질 수 있다. 또한, 상기 펄스의 진폭(A7)은 일시 정지와 함께 동작하기 위해 0일 수 있지만, 목적이 프로세스의 보강 및 시스템의 자가 세정인 경우에는 이 모드는 권장되지 않는다. 결과적으로, 펄스폭 또는 펄스 시간(T5)은 강도가 증가될 때 짧을 것이고, 이들은 침전물 형성의 방해 또는 농도 분극 현상의 방해의 견지에서 유사한 결과를 달성하기 위해, 강도가 감소되면 더 광대할 것이다. 이 업그레이드는 EDR의 전기 및 유압 극성 반전 사이클 사이의 작업 시간의 연장, 액체의 유동의 혼합으로 인한 생산성의 손실의 감소 및 유압 시스템을 교체하기 위한 시간의 감소를 가능하게 한다. 이 동작 모드에 대한 요구 사항은 쌍극 스위치(3) 및 제2 전력 소스(2)이다.
예 4:
도 5b는 정상 동작보다 큰 강도를 갖는 역 극성 펄스를 사용하는 전기 멤브레인 프로세스의 업그레이드를 도시하고 있다. 2개의 전력 소스(1, 2)를 사용하여, 정상 동작에서와는 상이한 강도를 EM 전지(4)에 적용하는 것이 가능하다. 제2 전력 소스(2)는 극성이 변경될 때 우수한 성능 및 안정성을 보장한다. 펄스의 진폭(A7)은 멤브레인의 표면 상의 침전을 쉽게 방해하기 위해 고강도일 수 있다. A7의 진폭이 0인 경우 일시 정지가 또한 적용될 수 있지만, 이 동작 모드는 자가 세정 또는 한계 전류 밀도를 증가시키기 위해 덜 집중적이다. 결과적으로, 주기적 세정에서 동일한 효과를 달성하기 위해, 펄스(T5)의 펄스폭은 더 높은 강도로 더 좁아지고 강도가 감소되면 더 넓어질 것이다. 이 동작에 대한 요구 사항은 극성을 반전시키기 위한 제2 전력 소스(2), 쌍극 스위치(3) 및 한 쌍의 적절한 전극(5, 6)이다.
본 발명의 장점:
본 발명의 방법 및 시스템을 적용함으로써, 종래 기술과 비교하여 이하의 장점이 달성될 수 있다:
- 시스템의 영구적인 자가 세정을 갖는 것은 멤브레인의 기능을 복원하는 데 필요한 화학 물질의 양 및 세탁의 빈도의 감소를 야기하고;
- 농도 분극의 방해로 인해, 한계 전류 강도는 종래의 시스템과 비교하여 증가되어, 전기 멤브레인 프로세스가 보강되고;
- 프로세스를 보강함으로써, 시스템의 크기가 감소되고, 작업 시간이 감소되고, 프로세스가 가속화되고;
- 농도 분극의 방해로 인해, pH의 더 양호한 제어가 존재하여, 물의 해리 및 따라서 미네랄 스케일의 형성 및 콜로이드의 침전을 회피하고;
- 미네랄 스케일의 감소는 스케일링 방지 화합적 생성물의 사용을 감소시키고;
- 가역성 전기 투석에서 사이클들의 변화 사이의 시간을 증가시킴으로써 생산이 증가가 존재하고;
- 새로운 유형의 시료가 높은 함량의 유기물 또는 스케일링 종으로 처리될 수 있다.
Claims (23)
- 멤브레인의 표면 상의 오염 및 스케일링을 완화시키고 전기 멤브레인 프로세스에서 농도 분극의 중단을 위한 비대칭 극성 반전을 위한 방법에 있어서,
- 극성의 반전을 위해 적합한 한 쌍의 전극으로서, 애노드(5)로서 작용하는 하나의 전극 및 캐소드(6)로서 작용하는 다른 전극인, 한 쌍의 전극, 및 멤브레인의 세트를 포함하는 전기 멤브레인 전지를 제공하는 단계;
- 강도를 조정하기 위한 H-브리지 구성을 갖는, 적어도 4개의 고상 전자 요소를 포함하는 쌍극 스위치를 제공하는 단계로서, 정상 동작 조건 하에서, 전류에 대한 방향을 제공하기 위해 일부 요소(8, 11)는 폐쇄되고, 다른 요소(9, 10)는 개방되는, 단계;
- 프로세스가 실행될 때 시스템의 요구 사항에 따라, 역 극성 및 펄스폭의 인가의 주파수를 변화시키는 디바이스를 제공하는 단계;
- 상기 전기 멤브레인 전지에 에너지를 전달하기 위해, 펄스의 강도의 조정을 위해 서로 상이한 하나 또는 2개의 전력 소스를 제공하는 단계로서, 상기 소스 중 하나의 소스(1)는 정상 조건 하에서 전기 멤브레인 프로세스를 촉진하고 다른 소스(2)는 상기 전기 멤브레인 전지에 역 극성 펄스의 인가를 촉진하는, 단계;
- 산화 환원 반응이 일어나는 전극을 향해, 상이한 방향으로 쌍극 스위치를 통해 직류를 통과시키는 단계;
- 전지의 상이한 구획들을 향한 이온의 이동을 유도하기 위해 전극 내에 전기 화학적 전위를 발생하는 단계;
- 스위치가 극성을 변경하도록 지시할 마이크로제어기 또는 펄스 발생기를 제공하는 단계;
- 전기 멤브레인 전지 내의 전압 강하 및/또는 전기 저항을 연속적으로 측정하는 단계;
- 전기 멤브레인 전지의 전압 강하 및/또는 전기 저항에 대한 임계값을 규정하는 단계;
- 가변 주파수, 짧은 펄스폭을 갖는 그리고 바람직하게는 정상 조건 하에서 동작의 것들보다 큰 강도를 갖는 역 극성 비대칭 펄스의 인가에 의해 또는 일시 정지된 펄스의 인가에 의해, 상기 임계값에 도달하면 멤브레인을 세정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 마이크로제어기 또는 펄스 발생기는 멤브레인을 세정하기 위해 극성을 반전시킬 필요성을 나타내는 전압 강하 및/또는 전기 저항의 임계값으로 프로그램되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 멤브레인의 세정은 높은 강도를 갖는 비대칭 역 극성 펄스의 인가에 의해 수행되고, 상기 고상 요소들은 반전되고, 폐쇄된 요소(8, 11)는 개방되고 개방된 요소(9, 10)는 폐쇄되고, 전극의 극성은 반전되고, 애노드(5)로서 작용했던 전극은 캐소드로서 작용할 것이고 캐소드(6)로서 작용했던 전극은 애노드로서 작용할 것이며, 펄스는 10-5 내지 100초로 변화하는 펄스폭을 갖고 10-2 내지 103 Hz의 주파수로 인가되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 멤브레인의 세정은 일시 정지된 펄스의 인가에 의해 달성되고, 모든 고상 요소(8, 9, 10, 11)는 인가된 정지 시간 중에 개방되고, 상기 일시 정지는 10-2 내지 103로 변화하는 펄스폭을 갖고 매 100 내지 103초마다 인가되는 펄스에 대응하는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전기 멤브레인 프로세스는 연속적이고, 펄스는 임계 주파수 값에 도달할 때까지 더 큰 주파수로 인가되고, 동작은 정지되고 상기 멤브레인을 철저히 세정하기 위해 101 내지 104초 동안 101 내지 107 Hz의 고주파 펄스화가 인가되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 프로세스의 작업 사이클이 80.0 내지 99.9%에 도달할 때 주파수의 임계값이 선택되고, 이는 제자리 세정(CIP) 절차에 의한 멤브레인의 철저한 세정의 필요성을 지시하는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 멤브레인의 세정은 전통적인 세정 프로토콜(CIP)과 함께 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 종래의 시스템에 의해 달성되는 한계 전류 밀도에 비교하여 한계 전류 밀도가 증가되고, 따라서 전기 멤브레인 프로세스를 보강하는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전기 멤브레인 프로세스는 통상의 전기 투석(ED), 가역성 전기 투석(EDR), 쌍극 멤브레인 전기 투석(BMED), 용량성 탈이온화(CDI), 전기 탈이온화(EDI), 역 전기 투석(RED), 미생물 연료 전지 시스템(MFC), 이온 농도 분극(ICP)에 의한 탈염의 프로세스로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제3항 및 제9항에 있어서, 상기 전기 멤브레인 프로세스는 가역성 전기 투석(EDR) 프로세스이고, 반전된 극성이 정상 동작을 계속하도록 유지되어, EDR 프로세스를 위한 각각의 유압 유동을 변화시키고 펄스화를 계속하는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제9항에 있어서, 펄스의 강도가 조정되지 않는 경우 단지 하나의 전력 소스만이 사용되고, 펄스의 강도가 증가하거나 일시 정지가 발생하는 경우 2개의 전력 소스가 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 전기 멤브레인 프로세스는 역 전기 투석 프로세스(RED)이고, 염수 구배에 의해 발생된 전기 화학적 전위는 전기 에너지를 발생하고, 상기 에너지의 일부는 멤브레인의 주기적 자가 세정 및 제자리 세정(CIP) 프로토콜 방법을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 세정 프로세스는 10-2 내지 103 Hz로 다양한 주파수에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 전압 강하 및/또는 전기 저항의 임계값은 정상 조건 하에서 이러한 값의 1.1 내지 10배인 것을 특징으로 하는, 방법.
- 멤브레인의 표면 상의 오염 및 스케일링을 완화시키고 전기 멤브레인 프로세스에서 농도 분극의 중단을 위한 비대칭 극성 반전을 위한 시스템에 있어서,
- 극성의 반전을 위해 적합한 한 쌍의 전극으로서, 하나는 애노드(5)로서 작용하고 다른 하나는 캐소드(6)로서 작용하는 한 쌍의 전극, 및 멤브레인의 세트를 포함하는, 전기 멤브레인 전지(4);
- 역 극성 펄스의 강도의 조정을 위한 H-브리지 구성을 갖는, 적어도 4개의 고상 전자 요소(8, 9, 10, 11)를 포함하는 쌍극 스위치(3)로서, 상기 요소 중 2개(8, 11)는 폐쇄되고, 다른 2개(9, 10)는 개방되어 있는, 쌍극 스위치;
- 프로세스가 실행될 때 시스템의 요구 사항에 따라, 역 극성 및 펄스폭의 인가의 주파수를 변화시키는 디바이스;
- 상기 전기 멤브레인 전지(4)에 에너지를 전달하기 위해, 펄스의 강도의 조정을 위해 서로 상이한 하나 또는 2개의 전력 소스(1, 2);
- 프로세스의 변수에 따라, 스위치가 극성을 변경하도록 지시할 마이크로제어기 또는 펄스 발생기로서; 상기 마이크로제어기는 상기 쌍극 스위치(3)의 회로에 통합되는, 마이크로제어기 또는 펄스 발생기를 포함하고;
- 상기 쌍극 스위치(3)는 상기 전력 소스(1, 2) 내에 또는 상기 전력 소스(1, 2)와 상기 전기 멤브레인 전지(4) 사이에 위치될 수 있는 것을 특징으로 하는, 시스템. - 제15항에 있어서, 상기 쌍극 스위치(3)는 미리 설치된 전기 멤브레인 프로세스 시스템에서 상기 전력 소스(1, 2)와 상기 전기 멤브레인 전지(4) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
- 제15항에 있어서, 상기 전기 멤브레인 전지(4)는 통상의 전기 투석(ED), 가역성 전기 투석(EDR), 쌍극 멤브레인 전기 투석(BMED), 용량성 탈이온화(CDI), 전기 탈이온화(EDI), 역 전기 투석(RED), 미생물 연료 전지 시스템(MFC), 이온 농도 분극(ICP)에 의한 탈염을 위한 전지에 대응하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
- 제15항에 있어서, 상기 전기 멤브레인 전지(4)의 멤브레인은 이온 교환 멤브레인 또는 쌍극 멤브레인에 대응하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
- 제15항에 있어서, 상기 고상 전자 요소(8, 9, 10, 11)는 MOSFET형 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field effect transistor) 또는 IGBT(insulated gate bipolar transistor)에 사용되는 것들에 대응하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
- 제15항에 있어서, 상기 고상 전자 요소(8, 9, 10, 11)는 상기 전지에 더 많은 양의 에너지를 공급하는 것을 가능하게 하기 위해 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
- 제15항에 있어서, 상기 고상 전자 요소(8, 9, 10, 11)는 상기 전지의 구획 내의 염수 구배에 의해 발생된 역기전력으로부터 보호하는 보호 다이오드를 갖는 것을 특징으로 하는, 시스템.
- 제15항에 있어서, 상기 쌍극 스위치(3)에 통합된 마이크로제어기는 펄스 인가 변수를 수정하기 위해 상기 시스템으로부터 정보를 처리하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
- 제17항에 있어서, 펄스의 강도가 조정되지 않으면 단지 하나의 전력 소스만을 사용하고, 펄스의 강도가 증가되거나 일시 정지가 발생할 경우 2개의 전력 소스가 사용되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
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