KR20200037747A - Systems and methods for preventing membrane contamination in reverse osmosis purification systems using hydraulic cavitation - Google Patents

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Abstract

본 개시물은 적어도 하나의 막을 갖는 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 유체 처리 시스템 내로 그리고 적어도 하나의 막을 통하여 유체 흐름을 분사하기 전에, 유체 흐름을 유체 역학적으로 캐비테이션하는 단계를 기술하며, 캐비테이션 반응기에서 유체 역학적 캐비테이션을 수행한 후에, 유체 중의 고체 성분은 이들의 (i) 분자 구조, (ii) 전하, 또는 둘 다를 변경함으로써, 성분이 서로 반발하고 막의 에지의 둘레로 분산되어 파울링을 방지한다. 또한, 적어도 하나의 막을 갖는 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 시스템이 제공된다.The present disclosure provides a method for preventing membrane fouling in a fluid processing system having at least one membrane. The method describes the step of hydrodynamic cavitation of the fluid flow, prior to injecting the fluid flow into the fluid handling system and through at least one membrane, and after performing hydrodynamic cavitation in the cavitation reactor, the solid components in the fluid are By altering (i) molecular structure, (ii) charge, or both, the components repel each other and are dispersed around the edge of the membrane to prevent fouling. Also provided is a system for preventing membrane fouling in a fluid processing system having at least one membrane.

Figure P1020197036396
Figure P1020197036396

Description

수력학적 캐비테이션을 이용하는 역삼투 정제 시스템에서 멤브레인 오염을 방지하기 위한 시스템 및 방법Systems and methods for preventing membrane contamination in reverse osmosis purification systems using hydraulic cavitation

관련 출원들에 대한 상호 참조Cross reference to related applications

본 출원은 2017년 5월 8일자로 출원된 미국 가출원번호 US 제62/503,313호의 이익을 주장한다.This application claims the benefit of US Provisional Application No. US 62 / 503,313, filed May 8, 2017.

본 발명은 일반적으로 유체의 정화에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 일반적으로, 유체 처리 시스템에 관련된 막 파울링(membrane fouling) 및/또는 스케일링(scaling)을 방지하거나 제거하기 위해 유체 역학적 캐비테이션(cavitation)을 이용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 역삼투(RO) 시스템에 관한 것이다.The present invention relates generally to the purification of fluids, and more particularly, to prevent or eliminate membrane fouling and / or scaling associated with fluid handling systems, hydrodynamic cavitation. ), And more specifically, a reverse osmosis (RO) system.

인간의 많은 다양한 활동은 무수한 폐기물 및 부산물을 유발한다. 오염물의 환경, 건강, 및 산업 영향이 증가함에 따라, 오염수 및 기타 액체로부터 광범위한 오염물을 신속하고 효율적으로 제거하기 위한 새로운 방법을 개발하는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 흔히 언급되는 바와 같은 정화는 유체로부터 오염물 및 기타 안전하지 않은 물질을 감소시키거나 제거하는 것을 목표로 한다.Many different activities of humans cause countless wastes and by-products. As the environmental, health, and industrial impacts of contaminants increase, it is becoming increasingly important to develop new methods to quickly and efficiently remove a wide range of contaminants from contaminated water and other liquids. Purification, as often referred to, aims to reduce or eliminate contaminants and other unsafe materials from the fluid.

많은 정화 방법이 존재한다. 일부 생물학적 처리 기술은 생물학적 증식(bioaugmentation), 생물학적 통풍(bioventing), 생물학적 주입(biosparging), 생물학적 흡입(bioslurping), 및 식물환경정화(phytoremediation)를 포함한다. 일부 화학적 처리 기술은 오존 및 산소 가스 분사, 화학 침전, 막 분리, 이온 교환, 탄소 흡수, 수성 화학 산화, 및 계면활성제 강화 복원을 포함한다. 일부 화학적 기술은 나노 물질을 사용하여 구현될 수 있다. 물리적 처리 기술은 펌프 및 처리, 공기 주입, 및 이중상 추출을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.There are many purification methods. Some biological treatment techniques include bioaugmentation, bioventing, biosparging, bioslurping, and phytoremediation. Some chemical treatment techniques include ozone and oxygen gas injection, chemical precipitation, membrane separation, ion exchange, carbon absorption, aqueous chemical oxidation, and surfactant enhanced restoration. Some chemical techniques can be implemented using nanomaterials. Physical treatment techniques include, but are not limited to, pump and treatment, air injection, and dual phase extraction.

막 기술의 사용을 포함하는 정화 기술의 일 실시예는 역삼투(RO)로서, 이는 물 분자의 통과를 허용하지만 대부분의 용해된 염, 유기물, 박테리아, 및 발열원의 통과를 허용하지 않는 막인 반투막을 통하여 압력 하에서 물을 가압함으로써, 오염수로부터 이온, 분자, 및 더 큰 입자를 제거하기 위한 반투막을 사용하는 정수 기술이다.One embodiment of a purification technique involving the use of membrane technology is reverse osmosis (RO), which is a membrane that allows the passage of water molecules but does not allow the passage of most dissolved salts, organics, bacteria, and pyrogens. It is a water purification technology that uses a semi-permeable membrane to remove ions, molecules, and larger particles from contaminated water by pressing water under pressure through.

RO는 고압 펌프를 사용하여 RO의 염 측의 압력을 증가시키고 반투막에 걸쳐서 물을 가압함으로써 작용하여, 거의 모든 용해된 염을 폐기물 흐름(reject stream)에 남긴다. 탈염화되거나 탈이온화된 탈염수는 투과수(permeate water)라고 지칭된다. RO 막을 통과하지 않은 농축된 오염물을 전달하는 수류는 폐기물(또는 농축물) 흐름이라고 지칭된다. 급수가 압력 하에서 RO 막으로 유입됨에 따라, 물 분자는 반투막을 통과하고, 염 및 다른 오염물은 통과하지 못하여 농축물 흐름을 통해 배출된다. 일부 RO 시스템에서, 농축물 흐름은 급수 공급 장치를 통해 RO 시스템으로 다시 공급될 수 있고, RO 시스템을 통해 재생될 수 있다. RO 막을 통과하는 물은 투과수 또는 처리수(product water)라고 지칭되며, 일반적으로 이로부터 약 95% 내지 99%의 용해된 염이 제거된다.RO works by increasing the pressure on the salt side of the RO using a high pressure pump and pressurizing the water across the semipermeable membrane, leaving almost all dissolved salt in the waste stream. Demineralized or deionized demineralized water is referred to as permeate water. Water streams that deliver concentrated contaminants that have not passed through the RO membrane are referred to as waste (or concentrate) streams. As the feed water enters the RO membrane under pressure, water molecules pass through the semipermeable membrane, and salts and other contaminants do not pass, leaving the concentrate stream. In some RO systems, the concentrate stream can be fed back to the RO system through the feed water supply and regenerated through the RO system. Water passing through the RO membrane is referred to as permeate or product water, and generally about 95% to 99% dissolved salt is removed therefrom.

역삼투는 박테리아를 포함하는, 많은 유형의 용해된 및 현탁된 종을 물로부터 제거할 수 있으며, 산업 공정 및 식수 생산 모두에 사용된다. 그 결과, 용질이 막의 가압된 측면 상에 유지되고, 순수 용매는 다른 측면으로 통과할 수 있게 된다. "선택적"이기 위해서는, 이러한 막은 큰 분자 또는 이온이 공극(홀)을 통과할 수 없게 해야 하지만, 용액의 더 작은 성분(예를 들어, 용매 분자)은 자유롭게 통과할 수 있게 해야 한다. 용질은 여러 번, 실리카, 바륨 및 기타 고체를 포함한다. RO 막의 실시예는 미국 특허 제4,277,344호에 개시되어 있으며, 적어도 2개의 1차 아민 치환기를 갖는 방향족 폴리아민과 적어도 3개의 아실 할로겐화물 치환기를 갖는 방향족 아실 할로겐화물의 계면 반응 생성물인 방향족 폴리아미드 막을 기술한다.Reverse osmosis can remove many types of dissolved and suspended species, including bacteria, from water and is used in both industrial processes and drinking water production. As a result, the solute remains on the pressurized side of the membrane and the pure solvent can pass through to the other side. To be "selective", these membranes must not allow large molecules or ions to pass through the pores (holes), but smaller components of the solution (eg, solvent molecules) must be able to pass freely. Solutes include silica, barium and other solids several times. Examples of RO membranes are disclosed in U.S. Pat.No. 4,277,344 and describe aromatic polyamide membranes, which are the product of the interfacial reaction between an aromatic polyamine having at least two primary amine substituents and an aromatic acyl halide having at least three acyl halide substituents. do.

RO 자체는 효율적이지만, 오염물이 막 표면 상에 축적됨으로써 막을 실질적으로 폐쇄하여 이의 정화 효율성을 현저하게 감소시킬 때 발생하는 "막 파울링"으로 지칭되는 것으로 인해 문제가 있다. 파울링은 전형적으로 RO 시스템의 전단부에서 발생하며, RO 시스템에 걸친 더 높은 압력 강하 및 이에 따라 더 낮은 투과 유량을 초래한다. 파울링은 주로 3가지 원인으로 비롯되며, 즉 (i) 급수 중의 입자(예를 들어, 용질 또는 농축물); (ii) 약간 가용성 무기물의 축적; 및 (iii) 미생물 성장의 부산물로 인해 비롯된다. 파울링으로 인해, 막이 자주 세척되어야 하므로, 비용이 많이 들고, 더 많은 유지 보수가 필요하여 시스템의 효율성을 전반적으로 감소시킨다. 또한, 막을 세척하는 것은 흔히 고비용이고 막 요소의 사용 수명을 더 단축시킨다. 이것은 막을 회복 불가능하게 파울링된 상태로 방치할 수 있는 하나보다 많은 파울링 조건이 만연한 경우 특히 그러하며, 유일한 적합한 솔루션은 막 요소를 완전히 교체하는 것이다.RO itself is efficient, but there is a problem due to what is referred to as "membrane fouling" that occurs when contaminants accumulate on the membrane surface, thereby substantially closing the membrane and significantly reducing its purification efficiency. Fouling typically occurs at the front end of the RO system, resulting in a higher pressure drop across the RO system and thus a lower permeation flow rate. Fouling mainly comes from three causes: (i) particles in the feed water (eg, solutes or concentrates); (ii) accumulation of slightly soluble minerals; And (iii) by-products of microbial growth. Due to fouling, the membranes have to be cleaned frequently, which is costly and requires more maintenance, reducing overall system efficiency. In addition, cleaning the membrane is often expensive and shortens the service life of the membrane element. This is especially true if more than one fouling condition prevails that can leave the membrane in an irrecoverable fouled condition, and the only suitable solution is to completely replace the membrane element.

막 파울링을 감소시키기 위해 기계적 및 화학적 처리를 모두 사용하는 몇 가지 전처리 방법이 제안되었다. 예를 들어, RO 막에 도달하기 전에 급수 내로 스케일링 방지제(antiscalant)가 분사될 수 있다. 그러나, 이것은 스케일 형성 과정만을 지연시킨다. 이러한 지연은 막 표면 상에서의 탄산 칼슘 및 황산 칼슘의 침전을 방지하기에는 충분하다. 이러한 지연은 한정된 기간 동안 이루어지기 때문에, 운전 정지 시에 시스템에서 스케일링이 발생할 수 있다. 다른 실시예로서, 분산제가 급수에 분사될 수 있다. 분산제는 미세한 현탁 고체가 막 표면 상에서 응고되어 떨어지는 것을 방지한다. 분산제의 적절한 사용은 사전 여과하기 어려운 문제가 있는 미립자로 인한 파울링을 최소화시킬 수 있다. 그러나, 분산제는 스케일링 방지제와 동일한 문제가 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,365,101호는 다가 금속 실리케이트 및 다가 금속 카보네이트 중 적어도 하나를 포함하는 수성계에서의 스케일 증착물을 억제하기 위한 방법을 개시하며, 수성계는 적어도 약 9의 pH를 갖고, 스케일링 방지제의 평균 입자 크기는 약 3 미크론 미만이다.Several pretreatment methods have been proposed using both mechanical and chemical treatments to reduce membrane fouling. For example, an antiscalant can be sprayed into the feed water before reaching the RO membrane. However, this only delays the scale forming process. This delay is sufficient to prevent precipitation of calcium carbonate and calcium sulfate on the membrane surface. Since this delay occurs for a limited period of time, scaling may occur in the system when the operation is stopped. In another embodiment, a dispersant can be sprayed into the feed water. The dispersant prevents fine suspended solids from solidifying and falling off the membrane surface. Proper use of dispersants can minimize fouling due to problematic particulates that are difficult to pre-filter. However, the dispersant has the same problem as the anti-scaling agent. For example, US Pat. No. 6,365,101 discloses a method for inhibiting scale deposits in an aqueous system comprising at least one of a polyvalent metal silicate and a polyvalent metal carbonate, the aqueous system having a pH of at least about 9, and scaling The average particle size of the inhibitor is less than about 3 microns.

다른 전처리 솔루션은 파울링을 방지하도록 돕기 위한 다중 매체 필터의 사용을 포함한다. 다중 매체 필터는 전형적으로, 바닥에 자갈 지지층과 함께, 무연탄, 모래 및 석류석으로 이루어진 3가지 레벨의 매체를 포함한다. 필터 매체 배치는 매체 바닥의 상부 근처에서 가장 큰 오물 입자가 제거될 수 있게 하며, 더 작은 오물 입자는 매체에 더 깊게 유지된다. 이것은 전체 바닥이 필터로서 작용할 수 있게 하여, 훨씬 더 긴 필터 작동 시간 및 보다 효율적인 미립자 제거를 가능하게 한다. 또한, 추가적인 방법은 미세 여과막, 스케일 형성 이온과 비-스케일 형성 이온의 교환을 돕는 연수제, 아황산수소나트륨의 삽입, 및 과립 활성탄의 사용을 포함한다.Other pretreatment solutions include the use of multi-media filters to help prevent fouling. Multi-media filters typically include three levels of media consisting of anthracite, sand and garnet, with a gravel support layer at the bottom. The filter media arrangement allows for the largest dirt particles to be removed near the top of the bottom of the media, while the smaller dirt particles remain deeper in the media. This allows the entire bottom to act as a filter, allowing much longer filter run times and more efficient particulate removal. In addition, additional methods include the use of microfiltration membranes, water softeners that help exchange scale-forming and non-scale forming ions, sodium hydrogen sulfite insertion, and the use of granular activated carbon.

그러나, 이러한 현재의 전처리 방법은 비용이 많이 들 수 있으며, 비효율적인 것으로 간주될 수 있는 속도로 파울링이 여전히 발생한다. 또한, 관리 수준과 관계없이, 전처리 및 세척 스케줄이 아무리 효과적이더라도, RO 막의 매우 미세한 공극 크기를 고려하면 결국 파울링이 어느 정도까지 발생할 것이다.However, these current pretreatment methods can be costly and fouling still occurs at a rate that can be considered inefficient. Also, regardless of the level of control, no matter how effective the pretreatment and cleaning schedule is, considering the very fine pore size of the RO membrane, fouling will eventually occur to some extent.

따라서, 후처리 방법도 제안되었다. 예를 들어, 막 표면을 위한 특정 코팅이 개시됨에 따라, 특정 용질을 반발하기 위해 막 표면의 전하를 변화시키는 방법이 제안되었다. 예를 들어, 미국 특허 제6,913,694호는 친수성 코팅이 막의 폴리아미드 층에 도포된 복합 폴리아미드 역삼투 막인 선택적 막을 기술하며, 친수성 코팅은, (i) 다량의 다가 에폭시 화합물을 막에 도포하는 단계로서, 다가 에폭시 화합물은 적어도 2개의 에폭시기를 포함하는, 단계; 및 (ii) 그 다음에, 불수용성 폴리머를 산출하기 위한 그러한 방식으로 다가 에폭시 화합물을 가교시키는 단계에 의해 제조된다.Therefore, a post-treatment method was also proposed. For example, as specific coatings for membrane surfaces have been disclosed, methods have been proposed to change the charge on the membrane surface to repel certain solutes. For example, U.S. Pat.No. 6,913,694 describes an optional membrane wherein the hydrophilic coating is a composite polyamide reverse osmosis membrane applied to the polyamide layer of the membrane, and the hydrophilic coating comprises (i) applying a large amount of a polyvalent epoxy compound to the membrane. , The polyvalent epoxy compound comprises at least two epoxy groups, step; And (ii) then crosslinking the polyvalent epoxy compound in such a way to yield a water-insoluble polymer.

또한, 미국 특허 제9,089,820호는 친수성 화합물을 폴리아미드 막에 공유 결합시킴으로써 제조된 친수성 코팅을 갖는 복합 폴리아미드 역삼투 막인 선택적 막을 기술하며, 친수성 화합물은, (i) 폴리아미드 막에 직접 공유 결합되도록 적응되고, 1차 아민 및 2차 아민 중 적어도 하나인 반응성기; (ii) 비종단(non-terminal) 히드록실기; 및 (iii) 아미드기를 포함한다. 다른 실시형태에서, 친수성 화합물은, (i) 폴리아미드 막에 직접 공유 결합되도록 적응되고, 1차 아민 및 2차 아민 중 적어도 하나인 반응성기; (ii) 히드록실기; 및 (iii) 아미드기를 포함하며, 아미드기는 알킬기 및 알케닐기 중 하나에 의해 히드록실기에 직접 결합된다.In addition, U.S. Patent No. 9,089,820 describes a selective membrane, which is a composite polyamide reverse osmosis membrane having a hydrophilic coating prepared by covalently bonding a hydrophilic compound to a polyamide membrane, wherein the hydrophilic compound is (i) covalently bonded directly to the polyamide membrane. A reactive group that is adapted and is at least one of a primary amine and a secondary amine; (ii) a non-terminal hydroxyl group; And (iii) amide groups. In another embodiment, the hydrophilic compound comprises: (i) a reactive group adapted to be covalently attached directly to a polyamide membrane and being at least one of a primary amine and a secondary amine; (ii) hydroxyl groups; And (iii) an amide group, and the amide group is directly bonded to a hydroxyl group by one of an alkyl group and an alkenyl group.

그러나, 이러한 방법들은 단지 중간 정도의 성공만을 달성했으며, 고비용일 수 있고, 막 세척을 더 어렵게 만들 수도 있다. 따라서, 막 파울링을 방지하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 필요하다. 한 가지 잠재적인 솔루션은 오염수가 RO 막을 통하여 공급되기 전에, 유체 역학적 캐비테이션을 사용하는 것이다.However, these methods have only achieved moderate success, and can be expensive and may make membrane cleaning more difficult. Accordingly, there is a need for an improved system and method for preventing membrane fouling. One potential solution is to use hydrodynamic cavitation before the contaminated water is supplied through the RO membrane.

일반적으로, 캐비테이션은 액체 중에 증기 공동이 형성되어 액체가 없는 작은 구역을 생성하는 것이다. 엔지니어링 전문 용어에서, 캐비테이션이라는 용어는 좁은 의미로 사용되며, 즉 액체계의 역학 작용에 의해 유발된 국부적인 압력 감소로 생성된 고체 경계 상에서 또는 내부에서 증기 충전된 공동의 형성을 기술하기 위해 사용된다.In general, cavitation is the formation of a vapor cavity in a liquid, creating a small area free of liquid. In engineering jargon, the term cavitation is used in a narrow sense, that is, to describe the formation of a vapor-filled cavity on or inside a solid boundary created by local pressure reduction caused by the dynamics of a liquid system. .

유체 역학적 캐비테이션에서, 액체 중에 유체 역학적 캐비테이션 현상을 유발하는 수중 분사를 사용함으로써 오염 제거가 달성될 수 있다. 이러한 캐비테이션 현상은 강력한 산화제 및 환원제를 생성하고, 오염된 유기 화합물뿐만 아니라 일부 무기물을 효율적으로 분해하여 박멸시킴으로써, 화학 반응을 유도한다. 이와 같은 캐비테이션 현상은 미생물(예를 들어, 대장균 및 살모넬라균) 및 유충(예를 들어, 얼룩말 홍합 유충)의 세포벽 또는 외막을 물리적으로 파괴하거나 파열시키며, 또한 과산화물, 히드록실 라디칼 등과 같은 살균 화합물을 생성하여, 이러한 미생물의 박멸을 보조한다. 세포벽 또는 외막의 파괴 후에, 내부 세포 성분은 산화되기 쉽다.In hydrodynamic cavitation, decontamination can be achieved by using an underwater spray that causes a hydrodynamic cavitation phenomenon in the liquid. This cavitation phenomenon induces chemical reactions by generating powerful oxidizing and reducing agents and efficiently decomposing and eradicating contaminated organic compounds as well as some inorganic substances. This cavitation phenomenon physically destroys or ruptures the cell wall or outer membrane of microorganisms (eg, E. coli and Salmonella) and larvae (eg, zebra mussel larvae), and also disinfects compounds such as peroxides, hydroxyl radicals, etc. Produced, aid in the eradication of these microorganisms. After destruction of the cell wall or outer membrane, internal cell components are prone to oxidation.

캐비테이션 기술은 농업, 광업, 제약, 식음료 제조 및 가공, 어업, 석유 및 가스 생산 및 가공, 수처리 및 대체 연료를 포함하지만 이에 한정되지 않는 매우 다양한 산업 및 생태학적 정화 환경에서 사용된다. 이러한 광범위한 사용 분야로 인해, 기업들은 점점 더 캐비테이션 기술을 추가로 발전시키길 갈망하였다.Cavitation technology is used in a wide variety of industrial and ecological purification environments including, but not limited to, agriculture, mining, pharmaceutical, food and beverage manufacturing and processing, fishing, oil and gas production and processing, water treatment and alternative fuels. Due to these broad fields of use, companies are increasingly eager to further develop cavitation technology.

일부 실시예는 미국 특허 제5,749,384호(Hayasi 등) 및 미국 특허 제4,508,577호(Conn 등)에 개시된 세척 및 유지관리 목적을 위한 회전식 분사 노즐의 사용을 포함한다. Hayashi의 장치는 분사 노즐 자체가 상향하게 그리고 하향하게 이동되게 하여 회전 및 스윙시킬 수 있는 구동 기구를 사용한다. Conn 등은 도관의 내벽을 세척하기 위한 적어도 2개의 분사 형성 수단을 포함하는 세척 헤드의 회전을 기술한다.Some embodiments include the use of rotary spray nozzles for cleaning and maintenance purposes disclosed in US Pat. Nos. 5,749,384 (Hayasi et al.) And US Pat. No. 4,508,577 (Conn et al.). Hayashi's device uses a drive mechanism that allows the spray nozzle itself to move upward and downward to rotate and swing. Conn et al. Describe the rotation of the cleaning head including at least two spray forming means for cleaning the inner wall of the conduit.

이러한 현재의 유체 역학적 캐비테이션 기술은 많은 경우에, 막 파울링의 원인으로 RO에서 흔히 발견되는 종류와 같은, 현탁 고체의 입자 분포 크기를 감소시키는 것을 목표로 한다. 캐비테이션 활용에 있어서의 진보에도 불구하고, 막 파울링을 방지하는 것을 보조하도록 캐비테이션의 이점을 이용할 수 있는, RO와 조합하여 캐비테이션을 사용하는 것은 현저하게 거의 없었거나 전혀 없었다. 따라서, 막 파울링의 가능성도 감소시키는 보다 효율적이고 효과적인 RO 공정을 생성하기 위해, 유체 역학적 캐비테이션을 RO에 통합하는 새로운 시스템 및 방법이 필요하다.This current hydrodynamic cavitation technique aims to reduce the particle distribution size of suspended solids, such as those commonly found in RO, in many cases as the cause of membrane fouling. Despite advances in the use of cavitation, little or no remarkable use of cavitation in combination with RO, which can take advantage of cavitation to help prevent membrane fouling. Accordingly, there is a need for new systems and methods for integrating hydrodynamic cavitation into RO to create a more efficient and effective RO process that also reduces the possibility of membrane fouling.

본 발명의 이하의 요약은 본 발명의 일부 양태 및 특징의 기본적인 이해를 제공하기 위해 제공된다. 이러한 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니므로, 특히 본 발명의 핵심 또는 중요 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 기술하려는 의도가 아니다. 이의 유일한 목적은 아래에 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 서두로서 간략화된 형태로 본 발명의 일부 개념을 제시하는 것이다.The following summary of the invention is provided to provide a basic understanding of some aspects and features of the invention. This summary is not an extensive overview of the invention, and is not specifically intended to identify key or critical elements of the invention or to delineate the scope of the invention. Its sole purpose is to present some concepts of the invention in a simplified form as a prelude to the more detailed description that is presented below.

전술한 양태 및 다른 양태를 달성하기 위해 그리고 본 발명의 목적에 따라, 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다.In order to achieve the above and other aspects, and in accordance with the object of the present invention, systems and methods are provided for preventing membrane fouling in a fluid handling system.

본 발명의 일 실시형태에서, 막 파울링을 방지하기 위한 시스템, 적어도 하나의 막을 갖는 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 시스템이 제공되고, 시스템은, 유체 처리 시스템 내로 그리고 적어도 하나의 막을 통하여 유체 흐름을 분사하기 전에, 유체 흐름을 캐비테이션하기 위한 유체 역학적 캐비테이션 반응기를 포함하며, 캐비테이션 반응기에서 유체 역학적 캐비테이션을 수행한 후에, 유체 중의 고체 성분은 이들의 (i) 분자 구조, (ii) 전하, 또는 둘 다를 변경함으로써, 성분이 서로 반발하고 막의 에지의 둘레로 분산되어 파울링을 방지한다.In one embodiment of the present invention, a system for preventing membrane fouling, a system for preventing membrane fouling in a fluid processing system having at least one membrane is provided, the system is capable of, into the fluid processing system and at least one membrane Before injecting the fluid flow through, it comprises a hydrodynamic cavitation reactor for cavitation of the fluid flow, and after performing the hydrodynamic cavitation in the cavitation reactor, the solid components in the fluid have their (i) molecular structure, (ii) charge By changing, or both, the ingredients repel each other and are distributed around the edges of the membrane to prevent fouling.

본 발명의 일 실시형태에서, 적어도 하나의 막을 갖는 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 유체 처리 시스템 내로 그리고 적어도 하나의 막을 통하여 유체 흐름을 분사하기 전에, 유체 흐름을 유체 역학적으로 캐비테이션하는 단계를 포함하며, 캐비테이션 반응기에서 유체 역학적 캐비테이션을 수행한 후에, 유체 중의 고체 성분은 이들의 (i) 분자 구조, (ii) 전하, 또는 둘 다를 변경함으로써, 성분이 서로 반발하고 막의 에지의 둘레로 분산되어 파울링을 방지한다.In one embodiment of the present invention, a method is provided for preventing membrane fouling in a fluid processing system having at least one membrane. The method includes hydrodynamic cavitation of the fluid flow prior to injecting the fluid flow into the fluid handling system and through the at least one membrane, after performing hydrodynamic cavitation in the cavitation reactor, solid components in the fluid are By altering (i) molecular structure, (ii) charge, or both, the components repel each other and are dispersed around the edge of the membrane to prevent fouling.

이러한 방법은 예를 들어, 도시 식수, 담수화, 농업, 광업, 제약, 식음료 제조 및 가공, 어업, 석유 및 가스 생산 및 가공, 수처리 및 대체 연료를 포함하는, 산업용 및 생태적 정화 환경과 같은 분야에서 유용하다. 특히, 시스템 및 방법은 역삼투 시스템 및 담수화에서와 같이, 파울링에 취약한 막을 갖는 필터를 사용하는 환경에서 유용하다.Such methods are useful in fields such as, for example, municipal drinking water, desalination, agriculture, mining, pharmaceuticals, food and beverage manufacturing and processing, fishing, oil and gas production and processing, water treatment and alternative fuels, industrial and ecological purification environments. Do. In particular, the systems and methods are useful in environments using filters with membranes that are susceptible to fouling, such as in reverse osmosis systems and desalination.

본 발명의 다른 목적은 구성하기에 용이하고 저렴한 새롭고 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a new and improved system and method that is easy and inexpensive to configure.

본 발명의 다른 특징, 이점, 및 양태는 첨부된 도면과 함께 읽어야 할 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해지고 보다 용이하게 이해될 것이다.Other features, advantages, and aspects of the invention will become more apparent and easier to understand from the following detailed description, which should be read in conjunction with the accompanying drawings.

본 발명은 첨부된 도면의 도면에서 제한 사항으로서 도시되는 것이 아니라 실시예로서 도시되고, 첨부된 도면에서 유사한 참조 부호는 유사한 요소를 나타내며, 도면으로서:
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 역학적 캐비테이션을 포함하는 유체 정화 시스템의 개략도이다;
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 역학적 캐비테이션을 포함하는 유체 정화 시스템의 블록도이다;
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 역학적 캐비테이션을 포함하는 유체 정화를 수행하기 위한 방법에 대한 단계적 흐름도이다;
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 역삼투에 사용되는 막의 정면도이다;
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 캐비테이션 기반 물 정화를 위한 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다;
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 정화 시스템을 사용하는 농장에서의 정화를 상세화하는 사용 사례의 개략도이다;
도 7은 정화를 수행하기 위해 본원에 제공된 시스템 및 방법을 사용하는 테스트 사례로부터 취해진 데이터를 도시한다;
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 역학적 캐비테이션 시스템에 사용되는 반응기 플레이트의 정면도이다; 그리고
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 지능형 플랫폼 및 자동화 하드웨어/소프트웨어 장치와 함께 유체 역학적 캐비테이션을 사용하는 유체 정화 시스템의 개략도이다.
달리 나타내지 않는 한, 도면에서의 도시는 반드시 일정한 비율로 도시되는 것은 아니다.
The present invention is shown as an example rather than as a limitation in the drawings of the accompanying drawings, and like reference numerals in the accompanying drawings indicate similar elements, as the drawings:
1 is a schematic diagram of a fluid purification system comprising hydrodynamic cavitation according to an embodiment of the present invention;
2 is a block diagram of a fluid purification system including hydrodynamic cavitation according to an embodiment of the present invention;
3 is a step-by-step flow chart of a method for performing fluid purification including hydrodynamic cavitation according to an embodiment of the present invention;
4 is a front view of a membrane used for reverse osmosis in accordance with one embodiment of the present invention;
5 is a flow diagram illustrating an exemplary method for cavitation based water purification according to one embodiment of the invention;
6 is a schematic diagram of a use case detailing purification in a farm using a fluid purification system according to one embodiment of the present invention;
7 shows data taken from test cases using the systems and methods provided herein to perform purification;
8 is a front view of a reactor plate used in a hydrodynamic cavitation system according to an embodiment of the present invention; And
9 is a schematic diagram of a fluid purification system using hydrodynamic cavitation with an intelligent platform and automated hardware / software device, in accordance with an embodiment of the present invention.
Unless otherwise indicated, drawings are not necessarily drawn to scale.

본 발명은 본원에서 상술되는 상세한 도면 및 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해된다.The invention is best understood by reference to the detailed drawings and descriptions detailed herein.

본 발명의 실시형태는 도면을 참조하여 아래에 설명된다. 그러나, 당업자라면 이들 도면과 관련하여 본원에서 주어진 상세한 설명은 본 발명이 이러한 제한된 실시형태를 넘어서 확장되기 때문에 설명을 목적으로 한 것임을 용이하게 인식할 것이다. 예를 들어, 당업자라면, 본 발명의 교시를 고려하여, 도시되고 설명되는 이하의 실시형태에서의 특정한 구현 선택을 넘어서는, 본원에서 설명된 임의의 주어진 세부사항의 기능을 구현하기 위해, 특정 적용예의 필요성에 따라, 다수의 대안적이고 적합한 접근법을 인식할 것이라는 점을 이해해야 한다. 즉, 열거하기에는 너무 많지만 본 발명의 범위 내에서 모두 적합한 본 발명의 수많은 변형예 및 변경예가 존재한다.Embodiments of the present invention are described below with reference to the drawings. However, one of ordinary skill in the art will readily appreciate that the detailed description given herein in connection with these figures is for explanatory purposes as the present invention is extended beyond these limited embodiments. For example, those of ordinary skill in the art may, in view of the teachings of the present invention, implement certain functions of any given detail described herein, beyond the particular implementation choices in the following embodiments shown and described, It should be understood that depending on the needs, a number of alternative and appropriate approaches will be recognized. That is, there are numerous variations and modifications of the present invention that are too many to enumerate but are all suitable within the scope of the present invention.

본 발명은 이들이 변동할 수 있기 때문에, 본원에 설명된 특정 방법, 화합물, 재료, 제조 기술, 용도, 및 적용예로 한정되지 않는다는 점을 추가로 이해해야 한다. 또한, 본원에서 사용된 용어는 특정 실시형태를 설명하기 위한 목적으로만 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니라는 점을 이해해야 한다. 본원에서 그리고 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같은 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명확히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 인용물을 포함한다는 점을 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어, "요소"에 대한 언급은 하나 이상의 요소에 대한 언급이며, 당업자에게 알려진 이의 등가물을 포함한다. 유사하게, 다른 예를 들어, "단계" 또는 "수단"에 대한 언급은 하나 이상의 단계 또는 수단에 대한 언급이며, 하위 단계 및 보조 수단을 포함할 수 있다. 사용되는 모든 접속사는 가능한 가장 포괄적인 의미로 이해되어야 한다. 따라서, "또는"이라는 단어는 문맥상 명확히 달리 요구하지 않는 한, "배타적인 또는"의 논리의 정의가 아니라, "또는"의 논리의 정의를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 본원에서 설명된 구조는 이러한 구조의 기능적 등가물을 지칭하는 것으로 또한 이해되어야 한다. 근사치를 표현하는 것으로 해석될 수 있는 언어는 문맥상 달리 명확히 지시하지 않는 한, 그렇게 이해되어야 한다.It should be further understood that the present invention is not limited to the particular methods, compounds, materials, manufacturing techniques, uses, and applications described herein, as they may vary. In addition, it should be understood that the terms used herein are used for the purpose of describing specific embodiments only, and are not intended to limit the scope of the present invention. It should be noted that the singular forms "a", "an" and "the", as used herein and in the appended claims, include multiple quotations, unless the context clearly indicates otherwise. Thus, for example, reference to “element” refers to one or more elements and includes equivalents known to those skilled in the art. Similarly, for other examples, reference to “step” or “means” is a reference to one or more steps or means, and may include sub-steps and auxiliary means. All conjunctions used should be understood in the most comprehensive sense possible. Thus, the word "or" should be understood to have a definition of a logic of "or", rather than a definition of "exclusive or", unless the context clearly requires otherwise. It should also be understood that the structures described herein refer to functional equivalents of such structures. Languages that can be interpreted as expressing approximations should be understood as such, unless the context clearly dictates otherwise.

본원에 사용된 바와 같은 "농축물 흐름"이란 용어는 RO 막을 통과하지 않은 농축된 오염물을 전달하는 물의 흐름을 의미할 것이다. 폐기수(reject water)는 본원에서 "폐기물 흐름"으로도 지칭될 수 있다.The term "concentrate stream" as used herein will mean a stream of water that carries concentrated contaminants that have not passed through the RO membrane. Reject water may also be referred to herein as “waste stream”.

본원에 사용된 바와 같은 "오염수"란 용어는 용해된 염, 유기물, 박테리아 및 발열원과 조합된 물 분자를 의미할 것이다.The term "contaminated water" as used herein will refer to water molecules combined with dissolved salts, organic matter, bacteria and pyrogens.

본원에 사용된 바와 같은 "투과수"란 용어는 RO 막을 통과한 후에 탈염화되거나 탈이온화되는 탈염수를 의미할 것이다. 투과수는 본원에서 "처리수"로도 지칭될 수 있다.As used herein, the term “permeable water” shall mean demineralized water that is dechlorinated or deionized after passing through an RO membrane. Permeated water may also be referred to herein as “treated water”.

달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술 용어 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 바람직한 방법, 기술, 장치, 및 재료가 설명되지만, 본원에서 설명된 것과 유사한 또는 동등한 임의의 방법, 기술, 장치, 또는 재료가 본 발명의 실시 또는 테스트에 사용될 수 있다. 본원에서 설명된 구조는 이러한 구조의 기능적 등가물을 지칭하는 것으로 또한 이해되어야 한다. 이제, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 이의 실시형태를 참조하여 상세히 설명될 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Although preferred methods, techniques, devices, and materials are described, any method, technology, device, or material similar or equivalent to that described herein can be used in the practice or testing of the present invention. It should also be understood that the structures described herein refer to functional equivalents of such structures. Now, the present invention will be described in detail with reference to its embodiments as shown in the accompanying drawings.

당업자라면, 본 발명의 교시에 따라, 임의의 전술한 단계 및/또는 시스템 모듈이 적절하게 대체되고, 재정렬되며, 제거될 수 있고, 추가적인 단계 및/또는 시스템 모듈이 특정 적용예의 필요성에 따라 삽입될 수 있으며, 전술한 실시형태의 시스템은 임의의 매우 다양한 적합한 공정 및 시스템 모듈을 사용하여 구현될 수 있고, 임의의 특정 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어, 미들웨어, 펌웨어, 마이크로 코드 등으로 한정되지 않음을 용이하게 인식할 것이다. 컴퓨팅 기계를 통해 수행될 수 있는 본원에 설명된 임의의 방법 단계의 경우, 전형적인 컴퓨터 시스템은 적절히 구성되거나 설계될 때, 본 발명의 그러한 양태가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템으로서 역할을 할 수 있다.Those skilled in the art, according to the teachings of the present invention, any of the aforementioned steps and / or system modules may be appropriately replaced, rearranged, and removed, and additional steps and / or system modules may be inserted according to the needs of the particular application. Can easily be implemented using any of a wide variety of suitable process and system modules, and not limited to any particular computer hardware, software, middleware, firmware, microcode, etc. something to do. For any of the method steps described herein that can be performed through a computing machine, a typical computer system, when properly constructed or designed, can serve as a computer system in which such aspects of the invention can be implemented.

본 발명의 예시적인 실시형태는 캐비테이션이 사용되는 특정 산업을 참조하여 설명되지만, 당업자는 본 발명의 실시형태가 캐비테이션이 유리한 임의의 유형의 적용예에 적용 가능하다는 점을 인식할 것이다.While exemplary embodiments of the invention are described with reference to the specific industry in which cavitation is used, those skilled in the art will recognize that embodiments of the invention are applicable to any type of application where cavitation is advantageous.

본 발명의 시스템 및 방법은 막 파울링을 방지하고 유체를 정화한다. 시스템은 정상적인 환경에서 여과 시스템의 막을 폐쇄시키거나 파울링시키는 유기 및 무기 종의 농축물의 분자 및/또는 구조 특성을 변화시키도록 구성된다. 본 오염 제거 시스템의 상세한 요소 및 구체적인 실시형태는 물리적 및 화학적 오염 제거 반응을 유도하기 위해 사용되는 캐비테이션 현상을 추가로 이해함으로써 가장 잘 인식될 수 있다. 유동 중에 큰 압력 강하로 인해, 미세한 기포가 압력 강하 영역에서 성장하고, 압력 상승 영역에서 붕괴된다. 캐비테이션을 수행하는 경우, 액체 중의 다양한 분자가 해리되어 강력한 산화제 또는 환원제인 자유 라디칼을 형성한다. 예를 들어, 수성 액체 중에, 히드록실 라디칼을 형성하기 위한 물의 해리는 미세한 기포의 성장 및 붕괴로 인해 강한 캐비테이션에 따라 발생한다. 다른 분자의 유사한 해리가 수용액에서 뿐만 아니라 비-수성 액체 및 용액에서 캐비테이션의 결과로서 발생할 수 있어서, 본원에 설명된 오염 제거 반응을 유사하게 보조하는 라디칼을 생성한다. 더욱이, 임의의 액체 환경에서 생성된 캐비테이션은 특정 라디칼의 생성과 관계없이 오염물의 물리적 파괴를 유발할 것이다. 본 발명의 방법 및 시스템은 사용된 캐비테이션의 물리적 및/또는 화학적 효과를 통해 분해되기 쉬운 오염물을 포함하는 모든 유체 환경에 적용 가능할 것이다.The systems and methods of the present invention prevent membrane fouling and purify the fluid. The system is configured to change the molecular and / or structural properties of concentrates of organic and inorganic species that close or foul the membranes of the filtration system under normal circumstances. The detailed elements and specific embodiments of this decontamination system can be best recognized by further understanding the cavitation phenomena used to induce physical and chemical decontamination reactions. Due to the large pressure drop during the flow, fine bubbles grow in the pressure drop region and collapse in the pressure rise region. When performing cavitation, various molecules in the liquid dissociate to form free radicals, which are powerful oxidizing or reducing agents. For example, in an aqueous liquid, dissociation of water to form hydroxyl radicals occurs due to strong cavitation due to the growth and collapse of fine bubbles. Similar dissociation of other molecules can occur as a result of cavitation in aqueous solutions as well as in non-aqueous liquids and solutions, resulting in radicals that similarly aid the decontamination reaction described herein. Moreover, cavitation generated in any liquid environment will cause physical destruction of contaminants regardless of the production of specific radicals. The method and system of the present invention will be applicable to all fluid environments containing contaminants that are susceptible to degradation through the physical and / or chemical effects of the cavitation used.

본 발명자들은 본원에 설명된 시스템 및 방법을 사용하여, 본원에 설명된 바와 같이, 농축물이 형태를 변경하여 RO 막의 막을 파울링시키지 않는다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 시스템 및 방법이 막 기술을 사용하는 다른 유형의 여과에서 유용하다는 것을 발견하였다.The inventors have discovered that, using the systems and methods described herein, the concentrate does not foul the membrane of the RO membrane, as described herein. In addition, we have found that systems and methods are useful in other types of filtration using membrane technology.

이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 역학적 캐비테이션을 포함하는 유체 정화 시스템의 개략도가 대체로 100으로 제공된다. 시스템(100)은 다양한 배출구(104A-E) 및 RO 막(160) 뿐만 아니라, 유입구(102)와 결합된 유체 역학적 캐비테이션 시스템(158)을 한정한다. 본 실시형태에서는, 하나의 유입구(102) 및 5개의 배출구(104A-E)가 있지만, 선택적인 실시형태에서, 더 많거나 더 적은 수의 유입구 및/또는 배출구가 있을 수 있다.Referring now to FIG. 1, a schematic diagram of a fluid purification system comprising hydrodynamic cavitation in accordance with one embodiment of the present invention is generally provided at 100. System 100 defines a variety of outlets 104A-E and RO membrane 160, as well as a hydrodynamic cavitation system 158 coupled with inlet 102. In this embodiment, there is one inlet 102 and five outlets 104A-E, but in alternative embodiments, there may be more or fewer inlets and / or outlets.

도 1을 계속 참조하면, 정화 채널(101)은 펌프(126)를 사용하여, 162로 표시된 경로를 따라 시스템(100) 내로 오염수를 유입시키도록 구성된다. 정화 채널(101)을 통과하는 오염수는 초기에 원수, 갈조 또는 폐수일 수 있으며, 침전물, 오염물 등을 포함할 수 있고, 유체 역학적 캐비테이션 시스템(158)에 결합된 펌프(126)에 의해 유체 역학적 캐비테이션 시스템(158)으로 유입된다. 펌프(126)는 오염수를 처리를 위해 유체 역학적 캐비테이션 시스템(158)으로 공급하기 위해 사용된다.With continued reference to FIG. 1, purification channel 101 is configured to use pump 126 to introduce contaminated water into system 100 along the path indicated by 162. The contaminated water passing through the purification channel 101 may initially be raw water, brown water or waste water, may contain sediment, contaminants, etc., and is hydrodynamic by a pump 126 coupled to the hydrodynamic cavitation system 158. It enters the cavitation system 158. Pump 126 is used to supply contaminated water to hydrodynamic cavitation system 158 for treatment.

본 실시형태에서, 고압으로 작동하도록 구성된 하나의 펌프(148)만이 존재한다. 선택적인 실시형태에서, 펌프(148)는 오염수 내에 있는 상이한 유형의 농축 오염물(예를 들어, 비소, 납, 라듐, 카드뮴, 및 아연)을 처리하기 위해 상이한 압력으로 작동될 수 있다. 또 다른 선택적인 실시형태에서, 하나보다 많은 펌프(148)가 사용될 수 있다.In this embodiment, there is only one pump 148 configured to operate at high pressure. In alternative embodiments, pump 148 may be operated at different pressures to treat different types of concentrated contaminants (eg, arsenic, lead, radium, cadmium, and zinc) in contaminated water. In another alternative embodiment, more than one pump 148 can be used.

간단한 직사각형 탱크가 도 1에 도시되지만, 다양한 크기, 형상, 용기 위치 및 다양한 크기의 구성 요소의 개수가 사용될 수 있음을 이해해야 한다.Although a simple rectangular tank is shown in FIG. 1, it should be understood that various sizes, shapes, container locations and a number of components of various sizes can be used.

도 1을 계속 참조하면, 이제 유입구(102)에서 시작하여, 시스템은 센서 하우징(106), 제1 밸브(108), 복수의 분사기 코일(110), 첨가제 포트(112), 및 유량계(114)를 포함한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 시스템의 이러한 영역은 "사전-캐비테이션 구역" 또는 "혼합 구역"으로 지칭될 수 있다. 시스템은 제1 공기 분사기(116) 및 제2 센서 어레이(118), 그 다음에 와류 플레이트(146) 및 제2 공기 분사기(120)를 더 포함할 수 있다. 추가적인 센서(예를 들어, 압력 센서(124)) 및 제2 밸브(122)가 또한 도시된다. 그 다음, 정화 경로(101)는 배출구(104)로 계속된다. 본원에서 사용된 바와 같이, 시스템의 이러한 영역은 본원에서 "캐비테이션 구역"(144)으로 지칭될 수 있다.With continued reference to FIG. 1, now starting at inlet 102, the system includes sensor housing 106, first valve 108, multiple injector coils 110, additive ports 112, and flow meter 114 It includes. As used herein, this region of the system may be referred to as a “pre-cavitation zone” or “mix zone”. The system may further include a first air injector 116 and a second sensor array 118, then a vortex plate 146 and a second air injector 120. Additional sensors (eg, pressure sensor 124) and second valve 122 are also shown. Then, the purge path 101 continues to the outlet 104. As used herein, this region of the system can be referred to herein as a “cavitation zone” 144.

도 1을 계속 참조하면, 센서 하우징(106)은 유입구(102)에 인접하게 위치되고, 정화 경로(101)에 연통 가능하게 결합됨으로써, 정화된 오염수가 사전-캐비테이션 구역에 진입하기 전에 테스트 및 모니터링된다. 본 발명의 선택적인 실시형태에서, 발산 경로(128) 및 밸브(108)가 제공됨으로써, 정화 유체의 시료가 테스트를 위해 분파된다. 진입 경로(132)에 결합된 밸브(134)(예를 들어, 초크 밸브)를 통해 테스트 유체를 정화 채널(101) 내로 다시 분사하기 위한 진입 경로(132)가 추가로 제공된다. 센서 하우징(106)은 공정의 자동화, 특성화, 및 모니터링을 위해 사용되는 센서 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 어레이는 도 9와 관련하여 보다 상세히 설명되는, 기계식 센서, 전자 장치, 분석 및 화학 센서, 제어 시스템, 원격 측정 시스템, 및 센서가 프로그램 가능 논리 제어기(PLC)와 통신할 수 있게 하는 소프트웨어를 포함하는 다수의 상이한 구성 요소를 포함할 수 있다.With continued reference to FIG. 1, the sensor housing 106 is positioned adjacent the inlet 102 and is communicatively coupled to the purification path 101, so that the purified contaminated water is tested and monitored before entering the pre-cavitation zone. do. In an alternative embodiment of the present invention, a divergence path 128 and a valve 108 are provided, whereby a sample of purifying fluid is branched for testing. An additional entry path 132 is provided for injecting the test fluid back into the purification channel 101 through a valve 134 (eg, choke valve) coupled to the entry path 132. The sensor housing 106 can include a sensor array used for automation, characterization, and monitoring of the process. For example, the sensor array is a mechanical sensor, an electronic device, an analytical and chemical sensor, a control system, a telemetry system, and a sensor capable of communicating with a programmable logic controller (PLC), described in more detail in connection with FIG. 9. It can include a number of different components, including software.

도 1을 계속 참조하면, 본 발명의 본 실시형태에서, 센서 하우징(106)은 기계식 센서, 유량 및 압력 게이지를 측정하기 위한 유량계, 압력, 비중, 액체의 존재(수위계 및 인터페이스 프로브), pH, 온도, 및 전도율과 같은 다양한 파라미터를 측정하기 위한 전자식 센서, 오염물 농도와 같은 화학적 파라미터를 측정하기 위한 분석 센서를 포함할 수 있다. 분석 센서의 일부 실시예는 pH 프로브, 및 비색 측정을 위해 사용되는 광학 센서를 포함한다. 센서와 함께 작동하는 제어 시스템은 PLC 및 다른 전자 마이크로프로세서 소자를 포함한다. 제어 시스템은 센서 입력을 수신하고, 정보를 처리하며, 특정 동작을 트리거시킬 수 있다. 이들은 도 9와 관련하여 보다 상세히 설명될 것이다.1, in this embodiment of the present invention, the sensor housing 106 is a mechanical sensor, a flow meter for measuring flow and pressure gauges, pressure, specific gravity, presence of liquid (water level gauge and interface probe), pH, It may include an electronic sensor for measuring various parameters such as temperature and conductivity, and an analytical sensor for measuring chemical parameters such as contaminant concentration. Some embodiments of the analytical sensor include a pH probe, and an optical sensor used for colorimetric measurements. The control system working with the sensor includes a PLC and other electronic microprocessor elements. The control system can receive sensor inputs, process information, and trigger specific actions. These will be described in more detail in connection with FIG. 9.

도 1을 계속 참조하면, 복수의 리드(136)가 정화 채널(101)에 유체 결합되고, 리드(136)는 정화 채널(101) 내로 특정 물질을 분사하도록 구성된다. 예를 들어, 선택된 유체 처리 공정의 유형, 처리될 오염물, 기존의 수질, 원하는 수질, 및 다른 변수에 따라 고상, 액상 또는 기상의 전구체 화합물의 상이한 유형 및 조합이 사용될 수 있다. 전구체 화합물(140)은 펌프(138A-E)를 통해 정화 채널(101) 내로 펌핑되거나 분사될 수 있다. 본 실시형태에서는, 5개의 펌프(138A-E)가 사용되지만, 선택적인 실시형태에서, 5개보다 많은 펌프가 사용될 수 있다. 전구체 화합물(140)은 공급 원료일 수 있지만, 전구체 공급 물질 및 다양한 공급 원료의 더 많은 유수 대량 공급을 위하여 교체 가능한 카트리지, 및 라인 급수 또는 그와 유사한 다른 화학적 투입물을 포함할 수도 있다.With continued reference to FIG. 1, a plurality of leads 136 are fluidly coupled to the purification channel 101, and the leads 136 are configured to spray certain materials into the purification channel 101. For example, different types and combinations of precursor compounds in solid, liquid or gas phase can be used depending on the type of fluid treatment process selected, contaminants to be treated, existing water quality, desired water quality, and other parameters. The precursor compound 140 may be pumped or injected into the purification channel 101 through pumps 138A-E. In this embodiment, five pumps 138A-E are used, but in alternative embodiments, more than five pumps may be used. Precursor compound 140 may be a feedstock, but may also include a cartridge that is replaceable for a larger supply of precursor feedstock and various feedstocks, and line feed or other chemical inputs similar thereto.

도 1을 계속 참조하면, 예시적인 전구체 화합물(140)은, 고체로서 유입되거나 물 또는 일부 다른 용매에 용해된, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 황산염, 나트륨, 칼륨 등과 같은 할로겐 염을 포함할 수 있는 화합물을 포함한다. 물 또는 일부 다른 용매에 용해되는, 오존, 과산화수소, 과산, 염수 용액, 염소 용액, 암모니아 용액, 아민, 알데히드, 케톤, 메탄올, 킬레이트제, 분산제, 질화물, 질산염, 황화물, 황산염 등과 같은 액체 공급 원료가 사용될 수 있다. 또한, 오존, 공기, 이산화염소, 산소, 이산화탄소, 일산화탄소, 아르곤, 크립톤, 브롬, 요오드 등과 같은 가스 공급 원료가 사용될 수 있으며, 각각의 전술한 것은 유체 정화 프로젝트 목표에 따라 미리 결정된 양으로 사용될 수 있다. 고체 화합물을 위하여, 첨가제 포트(112)가 도시된다. 건조제의 분사는 첨가제 포트(112)에 결합된 밸브(142)의 조작을 통해 수행될 수 있다.With continued reference to FIG. 1, exemplary precursor compounds 140 may include halogen salts such as fluorine, chlorine, bromine, iodine, sulfate, sodium, potassium, etc., introduced as a solid or dissolved in water or some other solvent. Contains compounds. Liquid feedstocks, such as ozone, hydrogen peroxide, peracid, brine solution, chlorine solution, ammonia solution, amine, aldehyde, ketone, methanol, chelating agent, dispersant, nitride, nitrate, sulfide, sulfate, etc., soluble in water or some other solvent Can be used. In addition, gas feedstocks such as ozone, air, chlorine dioxide, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, argon, krypton, bromine, iodine, etc. can be used, each of which can be used in predetermined amounts according to the fluid purification project goals. . For solid compounds, an additive port 112 is shown. Spraying of the desiccant may be performed through manipulation of the valve 142 coupled to the additive port 112.

도 1을 계속 참조하면, 작용제를 정화 채널(101) 내로 유입시키기 위한 포트(112)는 국부적인 유동 수축부에서 또는 그 근처에서 유동-관통 채널 내로 산화제를 유입시킬 수 있다. 도시된 실시예에서, 포트는 국부적인 유동 수축부에서 유체 내로 산화제의 유입을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 포트는 국부적인 유동 수축부에서 뿐만 아니라, 캐비테이션 기포가 형성되는 캐비테이션 구역 내로의 영역과 국부적인 유동 수축부 사이의 그리고 이를 포함하는 영역을 따라, 산화제를 정화 채널(101) 내로 유입시키도록 구성될 수 있음을 인식할 것이다.With continued reference to FIG. 1, a port 112 for introducing an agent into the purge channel 101 can introduce oxidant into the flow-through channel at or near the local flow shrinkage. In the illustrated embodiment, the port can be configured to enable the introduction of oxidant into the fluid at the local flow shrinkage. The port may be configured to introduce oxidant into the purge channel 101, not only at the local flow shrinkage, but also along the region between the local flow shrinkage and the region containing the cavitation bubble where the cavitation bubbles are formed, and including it. Will recognize.

도 1을 계속 참조하여, 정화 채널(101)의 아래로 이동하면, 유량계(114)와 같은 추가적인 센서가 경로를 따라 배치된다. 사전-캐비테이션 구역에서, 유량계는 도 9를 참조하여 보다 상세히 설명되는, PLC가 캐비테이션 변수를 계산할 수 있도록 하기 위해 대량 유체 이동을 정량화하도록 구성된다. 오염수가 캐비테이션 구역(144)으로 진입하면, 유체에 다양한 캐비테이션이 수행된다. 캐비테이션 구역(144)은 정화 채널(101) 내로 공기를 분사하도록 구성된 제1 공기 분사기(116); 반응기 플레이트(146); 제2 공기 분사기(120); 및 캐비테이션 구역(144)을 통과하는 유량의 비율을 제어하고, 정화 채널(101)에서의 유체의 평균 체류 시간을 제어하기 위한 제어 밸브(124)를 포함할 수 있다.With continued reference to FIG. 1, moving down the purge channel 101, additional sensors, such as the flowmeter 114, are placed along the path. In the pre-cavitation zone, the flow meter is configured to quantify mass fluid movement to enable the PLC to calculate cavitation parameters, as described in more detail with reference to FIG. 9. When the contaminated water enters the cavitation zone 144, various cavitation is performed on the fluid. The cavitation zone 144 includes a first air injector 116 configured to inject air into the purification channel 101; Reactor plate 146; A second air injector 120; And a control valve 124 for controlling the ratio of the flow rate through the cavitation zone 144 and for controlling the average residence time of the fluid in the purification channel 101.

도 1을 계속 참조하면, 제1 공기 분사기(116) 및 제2 공기 분사기(120)는 압력이 상대적으로 낮은 곳에서 공동의 형성을 유발하는 급속한 압력 변화를 유체가 받는 경우에 발생하는 액체 중의 증기 공동(즉, 액체가 없는 작은 구역, 기포 또는 공극)을 형성하기 위해, 유체 내에 캐비테이션을 유도하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 분사기는 캐비테이션 기포에 포획된 증기의 해리로 인해 공정에서 자유 라디칼이 형성됨에 따라, 화학 반응을 강화하고 반응을 전파하기 위해 사용된다.1, the first air injector 116 and the second air injector 120 are vapors in the liquid generated when the fluid receives a rapid pressure change causing the formation of a cavity at a relatively low pressure. It is configured to induce cavitation in the fluid to form a cavity (ie, a small area, bubble or void without liquid). In this way, injectors are used to enhance chemical reactions and propagate reactions as free radicals are formed in the process due to the dissociation of vapors trapped in cavitation bubbles.

도 1을 계속 참조하면, 반응기 플레이트(146)는 제1 공기 분사기(116)와 제2 공기 분사기(120) 사이의 정화 채널(101) 내에 배치된다. 도 8과 관련하여 보다 상세히 설명되는 반응기 플레이트는 캐비테이션 구역(144)에서, 높은 휘발성을 갖는 대량의 미세 기포가 존재하도록 하기 위해 추가적인 캐비테이션을 유도하도록 구성된다. 이러한 미세 기포가 붕괴되는 경우, 최대 500 기압의 순간 압력 및 약 5000도 K의 순간 온도가 유체 중에 유발된다. 이러한 현상은 몇 가지 중요한 화학 반응을 수행한다: (1) H2O가 OH 라디칼 및 H+ 원자로 해리되고; (2) 복합 유기 탄화수소의 화학 결합이 끊어지며; (3) 자외선 방사선에 의해 하류에 조사되기 전에, 장쇄 화학 물질이 더 단순한 화학 성분으로 산화되어, 산화 과정을 촉진시킨다.With continued reference to FIG. 1, the reactor plate 146 is disposed within the purification channel 101 between the first air injector 116 and the second air injector 120. The reactor plate described in more detail in connection with FIG. 8 is configured to induce additional cavitation in the cavitation zone 144 to allow the presence of large volumes of microbubbles with high volatility. When such microbubbles collapse, an instantaneous pressure of up to 500 atmospheres and an instantaneous temperature of about 5000 degrees K are caused in the fluid. This phenomenon carries out several important chemical reactions: (1) H2O dissociates into OH radicals and H + atoms; (2) the chemical bond of the complex organic hydrocarbon is broken; (3) Before being irradiated downstream by ultraviolet radiation, long-chain chemicals are oxidized to simpler chemical components, accelerating the oxidation process.

도 1을 계속 참조하면, 본 실시형태에서는 나비형 밸브이지만, 다른 실시형태에서 다른 유형의 밸브를 포함할 수 있는 추가적인 밸브(124)가 유체를 배출구(104A-E)로 배출하기 위해 필요한 경우 출구 압력을 강하하도록 정화 채널(101)에 배치된다. 밸브(124)는 시스템의 다른 밸브들과 마찬가지로, 완전히 자율적이도록 PLC에 통신 가능하게 연결된다.1, a butterfly valve in this embodiment, but an additional valve 124, which may include other types of valves in other embodiments, is required to discharge fluid to the outlets 104A-E. It is arranged in the purification channel 101 to drop the pressure. The valve 124 is communicatively connected to the PLC to be completely autonomous, like other valves in the system.

도 1을 계속 참조하면, 유체가 캐비테이션 구역(144)을 통과하면, 정화 채널(101)을 통하여 RO 막(152)을 향해 공급될 것이다. RO 펌프(160)가 정화 채널(101)에 결합됨으로써, RO가 RO 막(152)에 걸쳐서 발생할 수 있도록 적절한 양으로 생성되도록 보장한다. 배출구(104A-E)에 있으면, 유체는 RO 막(152)으로 통과하여 RO를 받는다. 오염수가 (삼투압을 극복하기에 충분한) 압력 하에서 RO 막(152)에 유입됨에 따라, 물 분자는 RO 막(152)을 통과하고, 염 및 다른 오염물은 통과할 수 없게 되며, 농축물 흐름(162)을 통해 배출되어 농축물 용기(156)에 저장된다. RO 막(152)을 통과하는 투과물은 투과물 채널(154)을 통과하여 투과물 용기(150)에 저장된다.With continued reference to FIG. 1, as fluid passes through the cavitation zone 144, it will be supplied towards the RO membrane 152 through the purge channel 101. The RO pump 160 is coupled to the purification channel 101 to ensure that the RO is produced in the proper amount to occur across the RO membrane 152. When at the outlets 104A-E, fluid passes through the RO membrane 152 to receive RO. As the contaminated water enters the RO membrane 152 under pressure (enough to overcome the osmotic pressure), water molecules pass through the RO membrane 152, salts and other contaminants cannot pass through, and the concentrate stream 162 ) And stored in the concentrate container 156. The permeate passing through the RO membrane 152 passes through the permeate channel 154 and is stored in the permeate container 150.

유체가 도 1의 캐비테이션 반응기를 통과하면, 상당히 연장된 막 수명으로 그리고 상당히 더 느린 속도로 RO 필터가 파울링된다는 것이 확인되었다. 또한, 하루당 7 MG의 염수 우물물을 식수로 처리한 후에, 시스템은 막을 파울링하지 않으면서 이전에는 처리 불가능했던, 55 내지 65%의 RO 농축물을 재생했음을 확인하였다. 각각의 세로축이 1주를 나타내는 표 1에 나타낸 바와 같은 표:It has been found that when the fluid passes through the cavitation reactor of Figure 1, the RO filter fouls with a significantly longer membrane life and at a significantly slower rate. In addition, after treatment of 7 MG brine wells per day with drinking water, the system was confirmed to regenerate 55-65% RO concentrate, previously unprocessable without fouling the membrane. Table as shown in Table 1, where each vertical axis represents 1 week:

Figure pct00001
Figure pct00001

RO가 자체적으로 작용했을 때 필터들은 거의 동일한 비율로 파울링되지 않았으며, 이것은 도 2 내지 도 4와 관련하여 설명되는 s=이다.When RO acted on its own, the filters were not fouled at almost the same ratio, which is s = described with respect to FIGS. 2-4.

이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 역학적 캐비테이션을 포함하는 유체 정화 및/또는 처리 시스템의 블록도가 대체로 200으로 도시된다. 유체 역학적 캐비테이션 반응기(204)로 펌핑되거나 유체 역학적 캐비테이션 반응기(204)에 의해 달리 수용되는 수원(102)이 제공된다. 본 실시형태에서, 유체 역학적 캐비테이션이 설명된다. 그러나, 선택적인 실시형태에서, 이에 한정됨이 없이 음향 캐비테이션 등과 같은 다른 유형의 캐비테이션이 본 시스템 및 방법에 사용될 수 있음을 유의해야 한다. 유체 역학적 캐비테이션 반응기(204)에서 유체가 캐비테이션을 받으면, 이는 이러한 예시적인 실시형태에서, 오염수를 정화하기 위한 막을 갖는 필터를 사용하는 임의의 시스템을 포함하는 제2 유체 처리 시스템(208)에 의해 수용된다.Referring now to FIG. 2, a block diagram of a fluid purification and / or processing system including hydrodynamic cavitation according to an embodiment of the present invention is generally shown at 200. A water source 102 is provided that is pumped into the hydrodynamic cavitation reactor 204 or otherwise accommodated by the hydrodynamic cavitation reactor 204. In this embodiment, hydrodynamic cavitation is described. It should be noted, however, that in alternative embodiments, other types of cavitation, such as, but not limited to, acoustic cavitation, can be used in the present system and method. When the fluid is subjected to cavitation in the hydrodynamic cavitation reactor 204, it is in this exemplary embodiment by a second fluid processing system 208 that includes any system that uses a filter with a membrane to purify contaminated water. Is accepted.

막 기술을 사용하는 폐수 처리의 일 실시예는 RO이다. RO는 예를 들어, 2개의 막 시트로 이루어진 샌드위치를 포함하는 나선형 권선 요소인 막을 사용할 수 있으며, 삽입된 투과물 캐리어가 함께 접착되고, 막 패키지를 완성하기 위해 대향하는 막 표면들 사이에 공급 스페이서가 삽입된다. 막 패키지는 투과물이 요소에서 배출되는 천공된 중앙 튜브의 둘레에 감긴다. 전형적인 환경에서, 막은 "파울링 층"으로서 작용하는 투과물을 포집할 것이다. 파울링 층은 전형적으로, 미생물 군집, 염 및 무기물, 예를 들어 Al, As, Ch, Co, Mg, BaSO4, O, S, Ni, P, Si, Fe, Ba 및 Sr 등으로 이루어진다.One embodiment of wastewater treatment using membrane technology is RO. The RO can use, for example, a membrane that is a spiral winding element comprising a sandwich of two membrane sheets, the inserted permeate carriers are glued together, and the supply spacer between opposing membrane surfaces to complete the membrane package. Is inserted. The membrane package is wound around a perforated central tube through which permeate exits the element. In a typical environment, the membrane will capture permeate that acts as a “fouling layer”. The fouling layer typically consists of microbial communities, salts and minerals such as Al, As, Ch, Co, Mg, BaSO 4 , O, S, Ni, P, Si, Fe, Ba and Sr, and the like.

반응기(204)에서 캐비테이션을 수행한 후에, 염수 또는 갈조의 성분들은 이들의 분자 구조 및/또는 침전물 분자의 전하를 변경함으로써, 이들이 "자연적으로" 분산되게 하고, 막을 폐쇄시키거나 파울링시키지 않게 한다. 이러한 방식으로, 전처리 방법 및 정화 기술로서, RO 막을 통한 제1 유동 후에 유체를 캐비테이션하거나 심지어 농축물을 캐비테이션하면, RO 막이 폐쇄되거나 파울링될 가능성을 감소시킨다. 캐비테이션이 "첫 번째 통과"에 사용되는 경우, (미립자, 콜로이드, 및 유기 물질과 같은 잠재적 파울런트(foulant)의 완전한 또는 부분적인 제거를 위해) RO 급수를 효과적으로 전처리한다.After performing the cavitation in the reactor 204, the components of the brine or brown seaweed alter their molecular structure and / or the charge of the sediment molecules, allowing them to “disperse” and not to close or foul the membrane. . In this way, as a pretreatment method and purification technique, cavitation of the fluid after the first flow through the RO membrane or even cavitation of the concentrate reduces the likelihood of the RO membrane closing or fouling. When cavitation is used in the "first pass", RO feedwater is effectively pretreated (for complete or partial removal of potential foulants such as particulates, colloids, and organic materials).

필터의 외부 상의 축적은 소량의 더 큰 응집체를 포함하는 미세 백색 분말로 이루어지고, 옥수수 전분의 외관과 매우 유사하다는 것이 확인되었다. 시료 중에 존재하는 무기 성분을 검출하기 위해, ICP/OES를 통해 전력이 분석되었다. 용해도 테스트의 결과를 고려하면, 분말은 불용성 염의 불균일 혼합물인 것으로 추측되었다. 따라서, 원소 분석에 의해 검출된 임의의 금속성 성분은 이러한 염 결정 중의 양이온성 종인 것으로 가정될 수 있다. 단연 가장 풍부한 금속은 칼슘이고, 그 다음에 마그네슘 및 칼륨인 것으로 확인되었다. 이러한 금속들 간의 몰 비율은 다음과 같이 결정되었다: 18.6:1의 칼슘: 마그네슘(몰: 몰) 및 114:1의 칼슘: 칼륨(몰: 몰). 또한, 바륨, 코발트, 구리, 몰리브덴, 니켈, 티타늄, 바나듐, 아연 및 은과 같은 미량의 금속이 (각각 1 ppm 미만으로) 검출되었다. 기구에 의해 탄소, 황 및 인과 같은 성분이 검출되어 신뢰할 수 있는 스펙트럼을 생성했지만, 이들을 정량화할 수 없었다.It has been found that the accumulation of the outer phase of the filter consists of a fine white powder containing a small amount of larger aggregates and very similar to the appearance of corn starch. To detect inorganic components present in the sample, power was analyzed via ICP / OES. Considering the results of the solubility test, it was assumed that the powder was a heterogeneous mixture of insoluble salts. Thus, any metallic component detected by elemental analysis can be assumed to be a cationic species in these salt crystals. By far the most abundant metal was found to be calcium and then magnesium and potassium. The molar ratio between these metals was determined as follows: 18: 6: 1 Calcium: Magnesium (mol: mol) and 114: 1 Calcium: potassium (mol: mol). In addition, trace metals (less than 1 ppm each) were detected, such as barium, cobalt, copper, molybdenum, nickel, titanium, vanadium, zinc and silver. Components such as carbon, sulfur, and phosphorus were detected by the instrument to produce a reliable spectrum, but they could not be quantified.

분말의 음이온성 성분을 결정하기 위해, 작은 시료가 이온 크로마토그래피(IC)를 통해 분석되었다. 음이온은 플루오라이드, 클로라이드, 니트라이트, 설페이트, 브로마이드, 및 포스페이트에 대해 테스트되었다. 분말을 용해시키기 위해 질산이 사용되었기 때문에, 질산염에 대해서는 테스트할 수 없었다.To determine the anionic component of the powder, small samples were analyzed via ion chromatography (IC). Anions were tested for fluoride, chloride, nitrite, sulfate, bromide, and phosphate. Since nitric acid was used to dissolve the powder, nitrate could not be tested.

이용 가능한 데이터에 기초하여, 해당 분말은 주로 황산 마그네슘과 함께 황산 칼슘(>90%) 및 나머지 분말 부분을 구성하는 미량의 전술한 금속으로 이루어진 것으로 결론지었다. 이러한 결론은 대부분 정성적 수단에 의해 도달되었지만, 관찰된 실험 데이터 및 황산 칼슘의 알려진 특성에 의해 뒷받침된다. 황산 칼슘의 용해도 곱(KSP)의 문헌 값은 9 x 10-6이며, 이는 분말이 물에 약간 가용성이라는 관찰과 일치한다. 또한, 황산 칼슘 및 황산 마그네슘은 모두 백색 분말로서 나타나며, 이는 실험에 의해 분석된 분말의 물리적 외관과 일치한다.Based on the data available, it was concluded that the powder consisted primarily of calcium sulfate (> 90%) together with magnesium sulfate and trace amounts of the metals that make up the remaining powder portion. Most of these conclusions have been reached by qualitative means, but are supported by the observed experimental data and the known properties of calcium sulfate. The literature value of the calcium sulfate solubility product (KSP) is 9 x 10-6, consistent with the observation that the powder is slightly soluble in water. In addition, both calcium sulfate and magnesium sulfate appear as white powders, consistent with the physical appearance of the powder analyzed by experiments.

마지막으로, 입력 흐름으로부터의 데이터에 기초하여, 유체 정역학적 캐비테이션 장치로 유입되는 칼슘 및 마그네슘에 대한 알려진 수원이 있는 것으로 보인다. 농축물 입력 흐름의 수질 분석을 통해, 칼슘 및 마그네슘 모두가 높은 수준으로 존재한다는 것이 확인되었다. 필터 파울링을 방지하는데 도움이 되는 유체 정역학적 캐비테이션 과정에서 이러한 2개의 양이온이 설페이트와 반응하여 불용성 응집체를 형성하는 프로세스가 있는 것으로 보인다.Finally, based on the data from the input flow, there appears to be a known water source for calcium and magnesium entering the hydrostatic cavitation device. Through water quality analysis of the concentrate input flow, it was confirmed that both calcium and magnesium are present at high levels. There appears to be a process in which these two cations react with sulfate to form insoluble aggregates in the hydrostatic cavitation process that helps prevent filter fouling.

이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 역학적 캐비테이션을 포함하는 유체 정화를 수행하기 위한 방법에 대한 단계적 흐름도가 대체로 300으로 제공된다. 이러한 시스템에서, 수원(302)으로부터의 오염수가 캐비테이션 반응기(304) 내로 펌핑되거나 캐비테이션 반응기(304)에 의해 수용된다. RO 막(306)이 캐비테이션을 수행한 오염수를 수용하면, 역삼투를 수행하며, 여과된 생산수를 생산 저장 탱크(308)로 보내고, 소비할 준비가 되지 않은 유체와 함께 농축물 흐름을 오수 탱크(310)로 보낸다. 오수 탱크(310)에서, 유체가 침전되고, 미립자가 바닥으로 침전된다. 그 다음, 농축물을 갖는 유체는 캐비테이션 반응기(304)로 다시 보내지고, RO 막(306)에 의해 재처리되기 전에, 본원에서 설명된 바와 같은 유체 역학적 캐비테이션을 수행한다.Referring now to FIG. 3, a step-by-step flow diagram of a method for performing fluid purification including hydrodynamic cavitation in accordance with one embodiment of the present invention is generally provided at 300. In such a system, contaminated water from water source 302 is pumped into cavitation reactor 304 or is received by cavitation reactor 304. When the RO membrane 306 receives cavitation-contaminated water, it performs reverse osmosis, sends the filtered product water to the production storage tank 308, and contaminates the concentrate flow with a fluid that is not ready for consumption. It is sent to the tank 310. In the sewage tank 310, fluid is precipitated, and particulates are precipitated to the bottom. The fluid with the concentrate is then sent back to the cavitation reactor 304 and subjected to hydrodynamic cavitation as described herein before being reprocessed by the RO membrane 306.

테스트 동안, 오염수가 캐비테이션 반응기(304)를 통과한 후에, 약 55 내지 65%의 유체가 재생되어 생산수에 사용 가능하게 되었을 뿐만 아니라, RO 막(306)은 오염수가 캐비테이션을 전혀 받지 않았다면 그러했을 것처럼 파울링되지 않았다. 대신에, 막의 압력은 일주기 전반에 걸쳐서 대략적으로 안정적인 압력으로 유지되었다. RO의 "정상적인" 환경 하에서, 침전물이 축적됨에 따라, 막의 압력은 공정 전반에 걸쳐서 높아진다. 필터의 검사는, 오염수가 캐비테이션 반응기(304)를 통과한 경우, 파울링 층이 RO 막(306) 상에 축적되지 않거나, 적어도 훨씬 더 낮은 속도로 축적됨을 나타냈다. RO 막(306)은 예시적인 실시형태에서 0.0001 ㎛ 내지 0.001 ㎛ 범위의 공극 크기를 갖는 복수의 막을 포함하므로, 물을 제외한 모든 분자를 대부분 유지시킬 수 있고, 공극의 크기로 인해, 요구되는 삼투압이 다른 형태의 여과보다 훨씬 더 크다. 따라서, 미립자 축적이 발생하여 RO 막(306)을 파울링시킬 수 있고, 생산 용량의 손실도 초래할 수 있으며, 때로는 고장 상태가 발생할 수 있을 때까지 압력을 증가시킬 수 있다.During the test, after the contaminated water passed through the cavitation reactor 304, about 55-65% of the fluid was regenerated and made available for use in the production water, as well as the RO membrane 306 if the contaminated water had not been subjected to cavitation at all It was not fouled as it was. Instead, the membrane pressure was maintained at approximately stable pressure throughout the cycle. Under the “normal” environment of RO, as sediment accumulates, the membrane pressure increases throughout the process. Inspection of the filter showed that when the contaminated water passed through the cavitation reactor 304, the fouling layer did not accumulate on the RO membrane 306, or at least at a much lower rate. The RO membrane 306 in the exemplary embodiment includes a plurality of membranes having pore sizes in the range of 0.0001 μm to 0.001 μm, so that most of the molecules except water can be maintained, and due to the size of the pores, the required osmotic pressure is Much larger than other types of filtration. Thus, particulate accumulation can occur, fouling the RO membrane 306, resulting in loss of production capacity, and sometimes increasing pressure until a failure condition can occur.

도 3을 계속 참조하면, 본 예시적인 실시형태에서, 수원(302)으로부터의 오염수는 캐비테이션 반응기(304)로 직접 보내진다. 그러나, 선택적인 실시형태에서, 수원(302)으로부터의 오염수는 캐비테이션 반응기(304)로 보내지기 전에, RO를 먼저 수행할 수 있고 자체 RO 막을 통과할 수 있다.With continued reference to FIG. 3, in this exemplary embodiment, contaminated water from water source 302 is sent directly to cavitation reactor 304. However, in an alternative embodiment, the contaminated water from water source 302 can perform RO first and pass through its own RO membrane before being sent to cavitation reactor 304.

이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따라 역삼투에 사용되는 막의 정면도가 대체로 400으로 제공된다. 본 실시형태에서는, 막(402 및 404)이 도시되어 있다. 막(402)은 본원에 설명된 바와 같은 캐비테이션 공정을 통과하지 않은 유체로 유동된 반면에, 막(404)은 본원에 설명된 바와 같은 캐비테이션 공정을 통과한 유체가 유동된 막을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 파울링 층 및 이의 미립자(406)가 막의 내부 부분 상에 축적되는 반면에, 막(404)에서는, 최소의 파울링 층 미립자가 막의 외부 부분(408) 상에 축적된다. 이것은 HP 막이 아니라 LP 막이 사용될 수 있어서, 비용을 크게 절감할 수 있음을 의미한다.Referring now to FIG. 4, a front view of the membrane used for reverse osmosis in accordance with one embodiment of the present invention is generally provided at 400. In this embodiment, films 402 and 404 are shown. Membrane 402 flows into a fluid that has not passed through a cavitation process as described herein, while membrane 404 represents a membrane through which fluid has passed through a cavitation process as described herein. As can be seen, the fouling layer and its fine particles 406 accumulate on the inner portion of the membrane, while in the film 404, minimal fouling layer particulates accumulate on the outer portion 408 of the membrane. This means that an LP film, not an HP film, can be used, which greatly reduces the cost.

이제 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 캐비테이션 기반 물 정화를 위한 예시적인 방법을 도시하는 흐름도가 대체로 500으로 제공된다. 본 실시형태에서, 방법(500)은 물을 정화 채널로 공급하기 위한 펌프를 사용하여, 유입구에서 시작하는 정화 채널을 통하여 오염수를 유동시키는 단계(502)를 포함할 수 있다.Referring now to FIG. 5, a flow diagram is generally provided at 500 illustrating an exemplary method for cavitation based water purification according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, the method 500 may include the step 502 of flowing contaminated water through the purification channel starting at the inlet, using a pump to supply water to the purification channel.

도 5를 계속 참조하면, 방법(500)은 정화 채널과 유체 연통하는 분사 포트를 사용하여, 적어도 하나의 작용제를 투과수 내로 분사하는 단계(504)를 더 포함할 수 있다. 방법(500)은 분사 포트로부터 하류의 정화 채널과 유체 연통하는 공기 작동기를 사용하여 유체 내로 공기의 버스트(burst)를 도입하는 단계(506)를 더 포함할 수 있다. 방법(500)은 와류를 생성하기 위해 반응기 플레이트를 통하여 유체를 유동시키는 단계(508)를 더 포함할 수 있다.With continued reference to FIG. 5, method 500 may further include spraying 504 at least one agent into the permeate using a spray port in fluid communication with the purge channel. Method 500 may further include introducing 506 a burst of air into the fluid using an air actuator in fluid communication with the downstream purge channel from the injection port. Method 500 can further include flowing 508 fluid through the reactor plate to create a vortex.

도 5를 계속 참조하면, 방법(500)은 분사 포트로부터 하류의 정화 채널과 유체 연통하는 제2 위치에서 공기 작동기를 사용하여 공기의 버스트를 투과수 내로 도입하는 단계(510)를 더 포함할 수 있다. 방법(500)은 정화 채널 내의 투과수에서 적어도 하나의 그리고 보다 흔하게는 복수의 와류들(와류) 및 캐비테이션 포켓을 생성하는 단계(512)를 더 포함할 수 있다.With continued reference to FIG. 5, method 500 may further include introducing 510 a burst of air into the permeate using an air actuator at a second location in fluid communication with a purge channel downstream from the injection port. have. Method 500 may further include generating 512 at least one and more often a plurality of vortices (vortices) and a cavitation pocket in the permeate in the purification channel.

도 5를 계속 참조하면, 방법(500)은, 정화 채널 내에 배치되고, 공기 작동기와 전자 통신하며, 액체 내에서 캐비테이션 포켓의 수를 증가시키기 위해 압력을 최적화하도록 구성되는 유량 조절 밸브를 사용하여, 유체의 유량을 조절하는 단계(516)를 더 포함할 수 있다. 방법(500)은, 정화된 투과수를 역삼투 정화 시스템으로 출력하는 단계(516), 및 역삼투 시스템으로부터의 투과수를 생산 저장 탱크로 출력하고, 정화 채널 및 역삼투 시스템을 통한 추가적인 재처리를 위해, 역삼투 시스템으로부터의 농축물을 오수 탱크로 유동시키는 단계(518)를 더 포함할 수 있다.With continued reference to FIG. 5, the method 500 uses a flow control valve disposed in the purge channel, in electronic communication with the air actuator, and configured to optimize pressure to increase the number of cavitation pockets in the liquid, It may further include the step of adjusting the flow rate of the fluid (516). Method 500 includes outputting 516 the purified permeate to the reverse osmosis purification system, and outputting the permeate from the reverse osmosis system to the production storage tank, and further reprocessing through the purification channel and the reverse osmosis system. For, it may further include flowing 518 the concentrate from the reverse osmosis system to the sewage tank.

실시예 1Example 1

실시예는 실시형태를 예시하기 위한 목적이며, 제한 사항으로서 해석되어서는 안된다.The examples are for the purpose of illustrating the embodiments and should not be construed as limitations.

이제 도 6을 참조하면, 캐비테이션을 이용하는 정화 시스템을 위한 대규모 상업용 구현예의 선택적인 실시형태가 대체로 600으로 제공된다. 이러한 선택적인 실시형태는 본원에 설명된 시스템의 다수의 트레인의 사용을 고려한다. 다수의 트레인을 함께 결합함으로써, 트레인 a 및 트레인 b에서 생성된 농축물을 자체 역삼투 절차를 통해 통과시킴으로써 최고 품질의 정화를 가능하게 한다. 이것은 처음 두 단계로부터의 농축물이 세 번째 단계의 급수가 되는 다단계 시스템인 것으로 간주된다. 추가적인 단계를 사용하면, 시스템으로부터 투과수의 재생을 증가시킬 수 있다. 더 대규모의 보다 더 선택적인 실시형태에서, 농축물이 포집 및 처리되기 전에, 2개보다 많은 단계가 사용될 수 있다.Referring now to FIG. 6, an alternative embodiment of a large scale commercial implementation for a purification system using cavitation is generally provided at 600. This optional embodiment contemplates the use of multiple trains of the system described herein. By combining multiple trains together, the concentrates produced in trains a and b are passed through their own reverse osmosis procedure to enable the highest quality purification. It is considered a multi-stage system where the concentrate from the first two stages is the third stage feedwater. Using additional steps, it is possible to increase the regeneration of permeate from the system. In a larger, more selective embodiment, more than two steps can be used before the concentrate is captured and processed.

기존의 트레인 A에서 시작하여, 오염수가 급수(602)로부터 포집된다. 펌프(604)는 반응기(606), 및 유체 역학적 캐비테이션 시스템을 포함하는 원심 분리기(608)를 향해 오염수를 가압한다. 오염수가 원심 분리기(608)를 통과하면, 고체가 고체 저장 탱크(610)로 전환된 다음, 나머지 물은 물이 트레인 A RO 막(614)을 통과함에 따라 역삼투가 발생되도록 하기에 충분한 압력을 제공하도록 설계된 펌프(612)를 통해 트레인 A RO 막(614)으로 보내진다. RO 막(614)을 통과하면, 투과물은 펌프(616)를 통해 투과물 저장 탱크(618)로 보내지는 반면에, 농축물은 펌프(620)를 통해 농축물 급수(622)로 보내진다.Starting from the existing train A, contaminated water is collected from the feed water 602. The pump 604 pressurizes the contaminated water towards the reactor 606 and the centrifuge 608 including the hydrodynamic cavitation system. When the contaminated water passes through the centrifuge 608, the solid is converted to a solid storage tank 610, then the rest of the water is pressurized enough to cause reverse osmosis to occur as the water passes through the train A RO membrane 614. It is sent to the train A RO membrane 614 via a pump 612 designed to provide. Upon passing through the RO membrane 614, the permeate is sent through the pump 616 to the permeate storage tank 618, while the concentrate is sent through the pump 620 to the concentrate feedwater 622.

도 6을 계속 참조하면, 기존의 트레인 A의 작동과 동시에, 기존의 트레인 B가 또한 작동한다. 트레인 B는 오염수가 급수(626)로부터 포집될 때 시작된다. 그 다음, 펌프(628)는 반응기(630), 및 유체 역학적 캐비테이션이 수행되는 원심 분리기(632)를 향해 오염수를 가압한다. 고체는 고체 저장 탱크(636)로 전환되는 반면에, 나머지 물은 펌프(634)를 통해 트레인 B RO 막(646)으로 보내진다. 트레인 A와 매우 유사하게, 펌프(634)는 물이 트레인 B RO 막(646)을 통과함에 따라 역삼투가 발생되도록 하기에 충분한 압력을 제공한다. RO 막(646)을 통과하면, 투과물은 펌프(624)를 통해 투과물 저장소(640)로 보내지는 반면에, 농축물은 펌프(638)를 통해 농축물 급수(622)로 보내진다.With continued reference to Figure 6, at the same time as the operation of the existing train A, the existing train B also operates. Train B starts when contaminated water is collected from feed water 626. The pump 628 then pressurizes the contaminated water toward the reactor 630 and the centrifuge 632 where hydrodynamic cavitation is performed. The solid is converted to a solid storage tank 636, while the rest of the water is sent through a pump 634 to the train B RO membrane 646. Very similar to train A, pump 634 provides sufficient pressure to allow reverse osmosis to occur as water passes through train B RO membrane 646. Upon passing through the RO membrane 646, the permeate is sent through the pump 624 to the permeate reservoir 640, while the concentrate is sent through the pump 638 to the concentrate feedwater 622.

도 6을 계속 참조하면, 트레인 A 및 트레인 B가 모두 완료되고, 두 트레인으로부터의 농축물이 농축물 급수(622)로 보내지면, 트레인 C가 수행될 것이다. 반응기(642)는 농축물 급수(622)로부터의 농축물을 수용하고, 그 다음 농축물은 펌프(644)를 통해 트레인 C RO 막(648)을 통하여 보내진다. 트레인 A 및 트레인 B 모두에서와 같이, 펌프(644)는 농축물이 트레인 C RO 막(648)을 통과함에 따라 역삼투가 발생되도록 하기에 충분한 압력을 생성하도록 설계된다. 트레인 C RO 막(648)을 통과함으로써 생성된 투과물은 펌프(650)를 통해 투과물 저장소(652)로 보내지는 반면에, 나머지 농축물은 펌프(654)를 통해 농축물 저장소(656)로 보내진다.With continued reference to FIG. 6, when train A and train B are both completed and concentrates from both trains are sent to the concentrate feedwater 622, train C will be performed. The reactor 642 receives the concentrate from the concentrate feedwater 622, which is then passed through a train C RO membrane 648 via a pump 644. As in both train A and train B, pump 644 is designed to generate enough pressure to allow reverse osmosis to occur as the concentrate passes through train C RO membrane 648. The permeate produced by passing through the train C RO membrane 648 is sent through the pump 650 to the permeate reservoir 652, while the remaining concentrate is passed through the pump 654 to the concentrate reservoir 656. Sent.

이제 도 7을 참조하면, 정화 및 캐비테이션을 수행하기 위해 본원에서 제공된 시스템 및 방법을 사용하는 테스트 사례로부터 취해진 데이터를 나타내는 표가 대체로 700으로 제공된다. 표(700)는 테스트 기간 동안 일별로 작동 압력을 나타낸다. 막 작동 압력은 막의 파울링 양의 지표이다. 각각의 테스트 시작 시에, 작동 압력은 330 내지 350 psi의 범위에 있었다. 각각의 테스트의 처음 4시간 동안 압력이 380 내지 390 psi로 증가한 다음, 나머지 테스트 동안 일정하게 유지되었다. 막이 점진적으로 파울링되고 있었다면, 테스트 기간의 과정에 걸쳐서 작동 압력이 점진적으로 증가하여, 각각의 테스트 작동의 종결 시에 기준값으로 복귀하지 않을 것이다. 테스트 기간 동안 작동 압력이 눈에 띄게 증가하지 않았으므로, 테스트 데이터는 명백한 막 파울링을 나타내지 않았다.Referring now to FIG. 7, a table is generally provided at 700 representing data taken from test cases using the systems and methods provided herein to perform purification and cavitation. Table 700 shows the working pressure on a daily basis during the test period. Membrane working pressure is an indicator of the membrane fouling amount. At the start of each test, the working pressure was in the range of 330 to 350 psi. During the first 4 hours of each test the pressure increased to 380 to 390 psi and then remained constant for the rest of the test. If the membrane was gradually fouling, the operating pressure would gradually increase over the course of the test period, so that it would not return to the reference value at the end of each test operation. Since the operating pressure did not increase noticeably during the test period, the test data showed no apparent membrane fouling.

이제 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 시스템에 사용되는 반응기 플레이트의 정면도가 대체로 800으로 제공된다. 도 1을 다시 참조하면, 실질적으로 균일하게 혼합된 흐름이 공기 분사기(116)로부터 반응기 플레이트(146)로 지향된다. 반응기 플레이트(146)는 유체가 통과하는 미리 결정된 크기의 중심 개구를 포함한다. 균일한 줄무늬(802)가 반응기 플레이트(146)의 면 상에 배치되고, 그 개수는 사용 사례에 따라 미리 결정되며, 유체를 균일하게 분산시키도록 구성된다. 일부 실시형태에서 줄무늬(802)는 플레이트의 면의 미리 결정된 부분에 걸쳐서 각각의 산골을 형성하는 원형 링이다. 대체로 800으로 도시된 실시형태에서, 줄무늬는 외측 반경으로부터 내향하는 플레이트의 면의 대략적으로 절반을 커버한다. 일부 선택적인 실시형태에서, 줄무늬는 캐비테이션 섹션에 대한 밀봉부로서 작용할 수 있다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 플랜지는 섹션이 용이하게 반복 가능할 수 있게 한다.Referring now to FIG. 8, a front view of the reactor plate used in the system according to one embodiment of the present invention is generally provided at 800. Referring again to FIG. 1, a substantially uniformly mixed flow is directed from air injector 116 to reactor plate 146. The reactor plate 146 includes a center opening of a predetermined size through which the fluid passes. Uniform stripes 802 are placed on the face of the reactor plate 146, the number of which is predetermined according to the use case, and is configured to disperse the fluid uniformly. In some embodiments, stripes 802 are circular rings that form each ridge over a predetermined portion of the face of the plate. In the embodiment shown generally at 800, the stripes cover approximately half of the face of the plate facing away from the outer radius. In some optional embodiments, the stripes can act as a seal to the cavitation section. As can be seen in Figure 1, the flange makes the section easily repeatable.

도 8을 계속 참조하면, 와류 생성 섹션(804)이 플레이트(146)의 중심을 향해 내향하게 배치되고, 먼저 상향하게 그리고 후방으로 경사진 다음, 연속적인 볼록한 후방 곡선으로 만곡되는 전방 에지 부분을 포함하며, 상부 에지 부분으로 실질적으로 수평으로 후방으로 연장되도록 조합되는 밸리(808) 및 피크(810)를 갖는다. 이러한 피크(810)는 "베인"으로 지칭될 수 있다. 이러한 형태는, 기포/입자 부착을 촉진시키는 원거리의 소수성 작용력을 생성하기에 충분히 작은 크기로 기포가 형성되기 시작하여, 계속적으로 변화하는 혼합 환경에서 최적 크기 및 수의 기포를 생성하도록 보장한다. 반응기 플레이트(146)는 대체로 유체 중의 유기 화합물을 분해 및/또는 산화시킬 수 있는 히드록실 라디칼의 양을 증가시키고, 캐비테이션 기포 내에 포함된 및/또는 캐비테이션 기포와 연관된 현저한 양의 산화제를 유발한다.With continued reference to FIG. 8, the vortex generating section 804 is disposed inwardly toward the center of the plate 146 and includes a front edge portion that is first inclined upward and backward, then curved with a continuous convex rear curve. And a valley 808 and a peak 810 that are combined to extend rearward substantially horizontally to the upper edge portion. This peak 810 may be referred to as a “vane”. This morphology ensures that bubbles begin to form at a size small enough to create a long-range hydrophobic action that promotes bubble / particle adhesion, thereby creating an optimal size and number of bubbles in a constantly changing mixing environment. The reactor plate 146 generally increases the amount of hydroxyl radicals capable of decomposing and / or oxidizing organic compounds in the fluid and causing a significant amount of oxidant contained within and / or associated with cavitation bubbles.

반응기 플레이트(146)는 금속 합금과 같은 캐비테이션에 대해 비교적 불투수성인 재료, 또는 일부 실시형태에서 탄성 엘라스토머 재료로 형성될 수 있다. 반응기 플레이트(146)는 다양한 상이한 형상 및 구성으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 플레이트는 와류를 유도하는 원뿔형 형상의 표면을 포함하는 원뿔형 형상일 수 있거나, 도시된 바와 같이 완전히 주기적일 수 있다. 다른 형상들이 다양하게 사용될 수도 있음을 인식해야 한다.The reactor plate 146 can be formed of a material that is relatively impermeable to cavitation, such as a metal alloy, or in some embodiments, an elastic elastomeric material. The reactor plate 146 can be implemented in a variety of different shapes and configurations. For example, the plate can be conical, including a conical surface that leads to vortices, or can be fully periodic, as shown. It should be recognized that other shapes may be used in various ways.

이제 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 지능형 플랫폼 및 자동화 하드웨어/소프트웨어 장치와 함께 유체 역학적 캐비테이션을 사용하는 유체 정화 시스템의 개략도가 대체로 900으로 도시된다. "지능형 플랫폼"은 일반적으로, 가용성 중복, 확장 가능 개방형 아키텍처, 업그레이드 가능 CPU 등을 갖는 고성능 및 고성능 시스템(예를 들어, PAC 시스템) 제어기, 프로그램 가능 논리 제어 장치와 같은 제어 장치와 관련된다. 또한, 본 발명의 실시형태에서, 효율 및 데이터 전파를 극대화하기 위해 PROFINET®을 활용하는 분산형 I/O는 I/O 유연성을 가지며, 단순한 이산형에서부터 안전성 및 프로세스 I/O에 이르기까지 폭넓은 범위의 I/O에 연결된다.Referring now to FIG. 9, a schematic diagram of a fluid purification system using hydrodynamic cavitation with an intelligent platform and automated hardware / software device, according to one embodiment of the present invention, is generally depicted at 900. “Intelligent platform” generally relates to control devices such as high-performance and high-performance system (eg, PAC system) controllers with programmable redundancy, scalable open architecture, upgradeable CPU, and the like, programmable logic control devices. In addition, in embodiments of the present invention, distributed I / O utilizing PROFINET ® to maximize efficiency and data propagation has I / O flexibility, ranging from simple discrete to safety and process I / O. It is connected to the range of I / O.

도 9에 도시된 바와 같이, PLC(902)는 다양한 밸브 및 센서 어레이에 각각 연결되는 복수의 제어기(904, 906, 908)와 전자적으로 연결된다(예를 들어, 하드와이어, 무선, Bluetooth® 등). PLC(902)는 출력 장치의 상태를 제어하기 위해 입력 장치의 상태에 관한 데이터를 지속적으로 수집하는 소프트웨어를 실행하도록 구성된다. 알려진 바와 같이, PLC는 전형적으로, (휘발성 메모리를 포함할 수 있는) 프로세서, 애플리케이션 프로그램을 포함하는 휘발성 메모리, 및 자동화 시스템의 다른 장치에 연결하기 위한 하나 이상의 입력/출력(I/O) 포트를 포함한다. 추가적으로, PLC에서는, 비즈니스 분석 애플리케이션을 위한 제어 레벨로 이용 가능한 프로세스에 관한 상황 지식에 영향을 받지 않는다. 플랫폼은 감시 제어 데이터 수집 시스템(SCADA), 제조 실행 시스템(MES), 또는 전사적 자원 관리(ERP) 시스템에서의 상위 계층 소프트웨어 기능을 더 포함할 수 있다. 선택적으로, PLC는 제어 애플리케이션에서 여러 가지 향상된 기능을 제공하도록 구성될 수 있는 다양한 구성 요소를 포함하는 "지능형 PLC"일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 지능형 PLC는 심층 통합형 데이터 히스토리안(historian) 및 분석 기능을 포함한다. 이러한 기술은 수질 정화를 위한 다양한 산업 자동화 환경에 특히 적합하지만, 이에 한정되지 않는다. 작동 시에, 자동화 시스템 상황 정보는, 예를 들어, 데이터를 생성한 장치의 표시, 지능형 PLC를 포함하는 자동화 시스템의 구조적 설명, 시스템 작동 모드 표시자, 및 프로세스 이미지 영역의 콘텐츠가 생성된 경우 생성된 제품에 관한 정보 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상황 관련된 데이터는, 프로세스 이미지 영역의 콘텐츠가 생성되는 동안 자동화 소프트웨어의 상태를 나타내는 상태 표시기 또는 지능형 PLC에 의해 활용되는 자동화 소프트웨어의 설명 중 하나 이상을 포함할 수 있다.A, PLC (902) as shown in Figure 9 is coupled to a plurality of the controllers (904, 906, 908) electrically connected to each of the various valves and the sensor array (e.g., hardwired, wireless, Bluetooth ®, etc. ). The PLC 902 is configured to run software that continuously collects data regarding the state of the input device to control the state of the output device. As is known, PLCs typically include a processor (which may include volatile memory), volatile memory containing application programs, and one or more input / output (I / O) ports for connecting to other devices in an automated system. Includes. Additionally, in PLC, it is not affected by contextual knowledge about the processes available as a control level for business analytics applications. The platform may further include higher layer software functions in a surveillance control data collection system (SCADA), manufacturing execution system (MES), or enterprise resource planning (ERP) system. Optionally, the PLC can be an "intelligent PLC" that includes various components that can be configured to provide various enhancements in control applications. For example, in some embodiments, an intelligent PLC includes deep integrated data historian and analysis functions. This technique is particularly suitable for, but not limited to, various industrial automation environments for water purification. In operation, the automation system context information is generated when, for example, the display of the device that generated the data, the structural description of the automation system including the intelligent PLC, the system operation mode indicator, and the contents of the process image area are generated. It may contain one or more of the information about the product. Additionally or alternatively, context-related data may include one or more of a description of the automation software utilized by an intelligent PLC or a status indicator indicating the state of the automation software while the content of the process image area is being generated.

도 9를 계속 참조하면, PLC는 펌프(124) 및 유체 소스(908), 센서 하우징(106), 밸브(910), 복수의 분사기 코일(110), 첨가제 포트(112), 및 다른 센서 어레이(114)에 전자적으로 연결된다. 추가적인 다운-라인 제어기(904)는 PLC와 통신 가능하게 연결되고, 첨가제 포트(112 및 138)와 추가로 통신한다. 본 발명의 선택적인 실시형태에서, 센서 어레이(106)는 유체의 모든 관련 특성을 도출하여 해당 정보를 PLC(902)로 전송하도록 구성된다. 유체의 특성에 기초하여, PLC는 정화 공정을 지원하는 작용제를 흐름 내로 방출하도록 밸브(914)에 지시하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, PLC(902)에는 유체의 수질에 관한 미리 결정된 정보가 로딩된다. 예를 들어, 선택된 유체 처리 공정의 유형, 처리될 오염물, 기존의 수질, 원하는 수질, 및 다른 변수에 따라, 고체로서 유입되거나 물 또는 다른 용매에 용해되는 불소, 염소, 브롬, 요오드, 설페이트 염, 나트륨 또는 칼륨 등과 같은 할로겐 염을 포함할 수 있는 화합물과 같은, 고상, 액상 또는 기상의 전구체 화합물의 상이한 유형 및 조합이 사용될 수 있다. 처리된 유체에 관한 데이터를 테스트 및 수집하고, 적절한 압력 및 유량이 제공될 수 있도록 보장하기 위해, 추가적인 센서 어레이(912)가 제공된다.9, the PLC includes a pump 124 and a fluid source 908, a sensor housing 106, a valve 910, a plurality of injector coils 110, an additive port 112, and other sensor arrays ( 114) electronically. An additional down-line controller 904 is communicatively connected to the PLC and further communicates with the additive ports 112 and 138. In an alternative embodiment of the invention, the sensor array 106 is configured to derive all relevant properties of the fluid and send the information to the PLC 902. Based on the properties of the fluid, the PLC is configured to direct the valve 914 to release an agent into the flow that supports the purification process. In some embodiments, PLC 902 is loaded with predetermined information regarding the water quality of the fluid. For example, depending on the type of fluid treatment process selected, contaminants to be treated, existing water quality, desired water quality, and other parameters, fluorine, chlorine, bromine, iodine, sulfate salts entering as a solid or soluble in water or other solvents, Different types and combinations of solid, liquid or gaseous precursor compounds, such as compounds that can include halogen salts such as sodium or potassium, can be used. Additional sensor arrays 912 are provided to test and collect data regarding the treated fluid and to ensure that adequate pressure and flow rates can be provided.

제1 공기 분사기(116)는 추가적인 제어기(906)와 통신함으로써, 결과적으로 PLC(902)와 통신한다. 본 발명의 선택적인 실시형태에서, PLC(902)는 필요한 캐비테이션 정도에 따라 기압을 제어하도록 구성된다. 또한, 제어기(906)는 반응기 플레이트(146) 및 배플(도시되지 않음)과 통신함으로써, 캐비테이션 정도를 변동시키도록 반응기 플레이트를 회전시키고 경사지게 한다. 제1 공기 분사기와 마찬가지로, 제2 공기 분사기(120) 및 제어 밸브(124)는 유사한 목적을 위해 제어기(906)와 통신한다.The first air injector 116 communicates with the additional controller 906 and consequently with the PLC 902. In an alternative embodiment of the present invention, PLC 902 is configured to control air pressure in accordance with the degree of cavitation required. In addition, the controller 906 communicates with the reactor plate 146 and baffle (not shown) to rotate and tilt the reactor plate to vary the degree of cavitation. Like the first air injector, the second air injector 120 and the control valve 124 communicate with the controller 906 for similar purposes.

도 9를 계속 참조하면, 추가적인 작동기(918)가 사용될 수 있으며, RO 막(924)을 통과하여 최종 용도의 정화된 물(926)이 되기 전에, 선택적인 센서 어레이(920) 및 UV 반응기(922)가 제어기에 각각 연결될 수 있다.With continued reference to FIG. 9, an additional actuator 918 may be used, and before passing through RO membrane 924 to purified water 926 for end use, optional sensor array 920 and UV reactor 922 ) May be respectively connected to the controller.

제1 및 제2 공기 분사기는 유체 중에 증기 공동(즉, 액체가 없는 작은 구역, 기포 또는 공극)을 형성하기 위해 유체 내에 캐비테이션을 유도하도록 구성되며, 이는 압력이 상대적으로 낮은 곳에서 공동의 형성을 유발하는 급속한 압력 변화를 유체가 받는 경우 발생한다. 이러한 방식으로, 분사기는 캐비테이션 기포에 포획된 증기의 해리로 인해 공정에서 자유 라디칼이 형성됨에 따라, 화학 반응을 강화하고 반응을 전파하기 위해 사용된다.The first and second air injectors are configured to induce cavitation in the fluid to form vapor cavities in the fluid (ie, small zones, bubbles or voids without liquid), which can cause the formation of cavities at relatively low pressures. Occurs when a fluid receives a rapid pressure change that causes it. In this way, injectors are used to enhance chemical reactions and propagate reactions as free radicals are formed in the process due to the dissociation of vapors trapped in cavitation bubbles.

반응기 플레이트(146)는 제1 및 제2 공기 분사기 사이의 라인(101) 내에 배치되고, PLC(902)와 통신하며, PLC(902)는 다양한 방향(예를 들어, 15도)으로 반응기 플레이트(146)를 경사지게 하도록 구성된다. 도 2와 관련하여 더 상세히 설명된 반응기 플레이트는 캐비테이션 구역(144)에서, 높은 휘발성을 갖는 대량의 미세 기포가 존재하도록 하기 위해 추가적인 캐비테이션을 유도하도록 구성된다.The reactor plate 146 is disposed within the line 101 between the first and second air injectors, and communicates with the PLC 902, and the PLC 902 can react with the reactor plate in various directions (e.g., 15 degrees). 146). The reactor plate described in more detail in connection with FIG. 2 is configured in the cavitation zone 144 to induce additional cavitation to allow the presence of large amounts of microbubbles with high volatility.

예를 들어, 나비형 밸브와 같은 추가적인 밸브(124)가 라인에 배치됨으로써, 배출구(104)로의 유체의 배출을 위해 필요한 경우 출구 압력을 강하한다. 밸브(124)는 시스템의 다른 밸브들과 마찬가지로, 완전히 자율적이도록 PLC에 통신 가능하게 연결된다.For example, an additional valve 124, such as a butterfly valve, is placed in the line, thereby lowering the outlet pressure if necessary for the discharge of fluid to the outlet 104. The valve 124 is communicatively connected to the PLC to be completely autonomous, like other valves in the system.

본 발명은 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시형태인 것으로 간주되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 본원에 개시된 이러한 실시형태로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상과 범위 내에 포함되는 모든 다양한 변형예 및 동등한 장치를 커버하도록 의도된다.While the present invention has been described in connection with what is currently considered to be the most practical and preferred embodiment, it should be understood that the invention is not limited to these embodiments disclosed herein. Rather, the invention is intended to cover all various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.

본 발명의 다양한 실시형태의 구체적인 특징부가 일부 도면에 도시될 수 있고 다른 도면에는 도시되지 않을 수 있지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 발명의 원리에 따라, 하나의 도면의 특징부(들)는 임의의 다른 도면의 특징부 중 어느 하나 또는 전부와 결합될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "구비하는", 및 "갖는"이라는 단어는 광범위하게 그리고 포괄적으로 해석되어야 하며, 임의의 물리적인 상호 연결로 한정되지 않는다. 또한, 본원에 개시된 임의의 실시형태는 가능한 유일한 실시형태인 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 변형예 및 다른 실시형태는 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함되도록 의도된다.Although specific features of various embodiments of the invention may be shown in some drawings and not in other drawings, this is for convenience only. According to the principles of the present invention, the feature (s) of one drawing may be combined with any or all of the features of any other drawing. As used herein, the words “including”, “comprising”, “having”, and “having” should be interpreted broadly and comprehensively, with any physical interconnection. It is not limited. In addition, any embodiment disclosed herein should not be construed as being the only embodiment possible. Rather, modifications and other embodiments are intended to be included within the scope of the appended claims.

Claims (15)

적어도 하나의 막을 갖는 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 방법으로서,
상기 유체 처리 시스템 내로 그리고 상기 적어도 하나의 막을 통하여 유체 흐름을 분사하기 전에, 유체 흐름을 유체 역학적으로 캐비테이션하는 단계를 포함하며,
상기 캐비테이션 반응기에서 유체 역학적 캐비테이션을 수행한 후에, 상기 유체 중의 고체 성분은 이들의 (i) 분자 구조, (ii) 전하, 또는 둘 다를 변경함으로써, 상기 성분이 서로 반발하고 상기 막의 에지의 둘레로 분산되어 파울링을 방지하는,
적어도 하나의 막을 갖는 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 방법.
A method for preventing membrane fouling in a fluid processing system having at least one membrane, comprising:
Prior to injecting a fluid stream into and through the at least one membrane, fluidically cavitation of the fluid stream;
After performing hydrodynamic cavitation in the cavitation reactor, the solid components in the fluid change their (i) molecular structure, (ii) charge, or both, so that the components repel each other and disperse around the edge of the membrane. Prevent fouling,
A method for preventing membrane fouling in a fluid processing system having at least one membrane.
제1항에 있어서,
농축물을 생성하기 위해 제1 역삼투 트레인 내로 처리될 유체를 펌핑하는 단계를 더 포함하며,
상기 역삼투 트레인은 복수의 막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 막은 상기 복수의 막 중 하나인, 방법.
According to claim 1,
Pumping the fluid to be treated into the first reverse osmosis train to produce a concentrate,
Wherein the reverse osmosis train comprises a plurality of membranes, and the at least one membrane is one of the plurality of membranes.
제2항에 있어서,
유체 역학적 캐비테이션 반응기에 상기 농축물을 수용하는 단계, 및 공기 작동기를 사용하여 상기 농축물 내로 공기의 버스트를 도입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
According to claim 2,
The method further comprising receiving the concentrate in a hydrodynamic cavitation reactor, and introducing a burst of air into the concentrate using an air actuator.
제1항에 있어서,
상기 유체 역학적 캐비테이션 반응기에서 상기 농축물을 처리하는 단계, 및 상기 농축물을 적어도 하나의 막을 통하여 보내는 단계를 더 포함하며,
상기 적어도 하나의 막은 제1 RO 막 또는 제2 RO 막을 포함하는, 방법.
According to claim 1,
Further comprising the step of treating the concentrate in the hydrodynamic cavitation reactor, and sending the concentrate through at least one membrane,
Wherein the at least one membrane comprises a first RO membrane or a second RO membrane.
제1항에 있어서,
상기 유체를 유체 역학적으로 캐비테이션한 후에 원심 분리기를 통하여 상기 유체를 유동시키는, 방법.
According to claim 1,
A method of flowing the fluid through a centrifuge after hydrodynamically caviating the fluid.
제1항에 있어서,
상기 유체는 제1 RO 처리의 생성물인 농축물이며, 상기 농축물은 제2 RO 처리를 통하여 유동되기 전에, 상기 캐비테이션 반응기를 통하여 유동되는, 방법.
According to claim 1,
The fluid is a concentrate that is the product of the first RO treatment, and the concentrate is flowed through the cavitation reactor before being flowed through the second RO treatment.
제6항에 있어서,
상기 캐비테이션 반응기를 통하여 상기 농축물을 유동시킨 후에, 고체의 혼합물이 생성되며, 상기 고체의 혼합물은 18.6:1의 칼슘: 마그네슘 정량, 및 114:1의 칼슘: 칼륨 정량을 포함하는, 방법.
The method of claim 6,
After flowing the concentrate through the cavitation reactor, a mixture of solids is produced, the mixture of solids comprising a calcium: magnesium determination of 18.6: 1 and a calcium: potassium determination of 114: 1.
적어도 하나의 막을 갖는 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 시스템으로서,
상기 유체 처리 시스템 내로 그리고 상기 적어도 하나의 막을 통하여 유체 흐름을 분사하기 전에, 유체 흐름을 캐비테이션하기 위한 유체 역학적 캐비테이션 반응기를 포함하며,
상기 캐비테이션 반응기에서 유체 역학적 캐비테이션을 수행한 후에, 상기 유체 중의 고체 성분은 이들의 (i) 분자 구조, (ii) 전하, 또는 둘 다를 변경함으로써, 상기 성분이 서로 반발하고 상기 막의 에지의 둘레로 분산되어 파울링을 방지하는,
적어도 하나의 막을 갖는 유체 처리 시스템에서 막 파울링을 방지하기 위한 시스템.
A system for preventing membrane fouling in a fluid processing system having at least one membrane, comprising:
A hydrodynamic cavitation reactor for cavitation of the fluid flow, prior to injecting the fluid flow into the fluid processing system and through the at least one membrane,
After performing hydrodynamic cavitation in the cavitation reactor, the solid components in the fluid change their (i) molecular structure, (ii) charge, or both, so that the components repel each other and disperse around the edge of the membrane. Prevent fouling,
A system for preventing membrane fouling in a fluid handling system having at least one membrane.
제8항에 있어서,
농축물을 생성하기 위해 제1 역삼투 트레인 내로 처리될 유체를 펌핑하도록 구성된 적어도 하나의 펌프를 더 포함하며,
상기 역삼투 트레인은 복수의 막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 막은 상기 복수의 막 중 하나인, 시스템.
The method of claim 8,
And at least one pump configured to pump fluid to be treated into the first reverse osmosis train to produce a concentrate,
Wherein the reverse osmosis train comprises a plurality of membranes, and the at least one membrane is one of the plurality of membranes.
제9항에 있어서,
상기 반응기는 상기 농축물을 수용하며, 공기 작동기를 사용하여 상기 농축물 내로 공기의 버스트를 도입하는, 시스템.
The method of claim 9,
Wherein the reactor receives the concentrate and introduces a burst of air into the concentrate using an air actuator.
제8항에 있어서,
상기 유체 역학적 캐비테이션 반응기 이후에 상기 농축물을 처리하기 위한 제2 막을 더 포함하는, 시스템.
The method of claim 8,
And a second membrane for treating the concentrate after the hydrodynamic cavitation reactor.
제8항에 있어서,
상기 유체로부터 입자를 제거하도록 구성된, 캐비테이션 반응기와 유체 연통하는 원심 분리기를 더 포함하는, 시스템.
The method of claim 8,
And further comprising a centrifuge in fluid communication with the cavitation reactor, configured to remove particles from the fluid.
제8항에 있어서,
제2 유체 역학적 캐비테이션 반응기, 및 적어도 하나의 막을 통하여 상기 농축물을 보내도록 구성된 유체 유입구를 더 포함하며,
상기 적어도 하나의 막은 제1 RO 막 또는 제2 RO 막을 포함하는, 시스템.
The method of claim 8,
A second fluid dynamic cavitation reactor, and a fluid inlet configured to direct the concentrate through at least one membrane,
Wherein the at least one membrane comprises a first RO membrane or a second RO membrane.
제13항에 있어서,
상기 캐비테이션 반응기를 통하여 상기 농축물을 유동시킨 후에, 고체의 혼합물이 생성되며, 상기 고체의 혼합물은 18.6:1의 칼슘: 마그네슘 정량, 및 114:1의 칼슘: 칼륨 정량을 포함하는, 시스템.
The method of claim 13,
After flowing the concentrate through the cavitation reactor, a mixture of solids is produced, the mixture of solids comprising a calcium: magnesium determination of 18.6: 1 and a calcium: potassium determination of 114: 1.
제8항에 있어서,
상기 막은 저압 막을 포함하는, 시스템.
The method of claim 8,
Wherein the membrane comprises a low pressure membrane.
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