KR20200126191A - 농축 및 담수화 장치 - Google Patents

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Abstract

농축 및 담수화 모듈이 개시된다. 농축 및 담수화 모듈은 제1전극; 상기 제1전극과 마주 배치되는 제2전극; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하며, 양이온과 음이온 중 어느 하나만이 선택적으로 투과가능한 제1이온 교환막; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에서 상기 제1이온 교환막과 마주 배치되고, 상기 제1이온 교환막보다 상대적으로 상기 제2전극에 가까이 위치하며, 상기 제1이온 교환막과 동일한 이온이 선택적으로 투과가능한 제2이온 교환막; 상기 제1이온 교환막과 상기 제2이온 교환막 사이에 제공되며, 유체가 상기 제1이온 교환막과 접촉하며 흐르는 유로를 제공하는 농축 채널; 및 상기 제1이온 교환막과 상기 제2이온 교환막 사이에 제공되며, 유체가 상기 제2이온 교환막과 접촉하며 흐르는 유로를 제공하는 담수 채널을 포함하되, 상기 담수 채널의 유로는 상기 농축 채널의 유로보다 큰 단면적을 가질 수 있다.

Description

농축 및 담수화 장치{Apparatus for concentration and desalination}
본 발명은 농축 및 담수화 장치에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 이온 농도분극을 이용하여 유체의 농축 및 담수화를 동시에 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다.
사전 농축(Preconcentration)이란 검사 및 검출 단계에 앞서 시료를 농축시켜 대상 물질의 농도를 높임으로써 검출 및 검사를 보다 용이하게 만들어주는 전처리 과정으로, 원 시료 내 물질의 농도가 검사 가능 구간의 하한에 비하여 현저히 낮을 경우 유용하게 이용된다. 이를 위한 농축 과정에는 검사라는 목적에 적합하도록, 적당한 양의 시료를 신속하게 처리해낼 수 있는 능력이 요구된다.
사전 농축 목적으로 사용되고 있는 기존 기술들에는 증발법, 추출법, 막분리형 농축법, 원심분리법 등이 있다. 그러나 이러한 농축법들은, 사전 농축에 필요한 농축 속도와 농축량이라는 두 조건들을 부분적으로만 만족시키고 있다. 이들 조건은 서로 상충되는 관계에 놓여있어, 한 쪽의 효율을 위해 다른 한 쪽의 효율을 포기해야만 한다는 문제점을 필연적으로 동반한다. 더불어 이러한 농축 기술들은 고압펌프, 원심분리기 등의 특수한 장비를 필요로 하는데, 해당 설비들은 전원 공급 문제, 휴대성의 결여 등의 다양한 요인들로 인해 작동 환경에 공간 및 장소적 제약이 존재한다는 단점이 있다. 이는 검사의 대상이 되는 표본의 채취와 실제 검사가 서로 다른 공간에서 시간 간격을 두고 이루어질 수밖에 없으며, 그에 따른 시간적/비용적 손실이 동반될 수 있음을 의미한다. 또한 농축 정도 및 양을 조절함에 있어 제한적이거나 그 과정이 추가적인 작업을 필요로 한다는 단점 역시 지니고 있어, 특정한 양이나 농도의 시료를 필요로 하는 상황 등에 대해서는 효과적이지 못하다 할 수 있다.
본 발명은 농축 및 담수 생산이 동시에 가능한 농축 및 담수화 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 농축 및 담수화 모듈은 제1전극; 상기 제1전극과 마주 배치되는 제2전극; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하며, 양이온과 음이온 중 어느 하나만이 선택적으로 투과가능한 제1이온 교환막; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에서 상기 제1이온 교환막과 마주 배치되고, 상기 제1이온 교환막보다 상대적으로 상기 제2전극에 가까이 위치하며, 상기 제1이온 교환막과 동일한 이온이 선택적으로 투과가능한 제2이온 교환막; 상기 제1이온 교환막과 상기 제2이온 교환막 사이에 제공되며, 유체가 상기 제1이온 교환막과 접촉하며 흐르는 유로를 제공하는 농축 채널; 및 상기 제1이온 교환막과 상기 제2이온 교환막 사이에 제공되며, 유체가 상기 제2이온 교환막과 접촉하며 흐르는 유로를 제공하는 담수 채널을 포함하되, 상기 담수 채널의 유로는 상기 농축 채널의 유로보다 큰 단면적을 가질 수 있다.
또한, 상기 농축 채널과 상기 담수 채널 사이에 위치하며, 상기 농축 채널의 유로를 따라 흐르는 유체와 일 면이 접촉하고, 상기 담수 채널의 유로를 따라 흐르는 유체와 일 면이 접촉하는 다공성 막을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 담수 채널의 유로는 상기 제2이온 교환막과 접촉하는 영역이 상기 다공성 막과 접촉하는 영역보다 큰 폭을 가지고, 상기 농축 채널의 유로는 상기 담수 채널의 유로가 상기 다공성 막과 접촉하는 영역과 동일한 폭을 가질 수 있다.
또한, 상기 담수 채널의 유로는 상기 제2이온 교환막과 접촉하는 영역으로부터 상기 다공성 막과 접촉하는 영역으로 갈수록 폭이 점차 감소할 수 있다.
또한, 상기 담수 채널의 유로는 상기 제2이온 교환막과 접촉하는 영역과 상기 다공성 막과 접촉하는 영역의 사이 거리가, 상기 농축 채널의 유로에서 상기 제1이온 교환막과 접촉하는 영역과 상기 다공성 막과 접촉하는 영역의 사이 거리보다 클 수 있다.
또한, 상기 제1전극은 제1직경의 원통 형상이고, 상기 제2전극은 상기 제1직경보다 큰 제2직경의 원통 형상이고, 상기 제1이온 교환막은 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하고, 상기 제1직경보다 크고 상기 제2직경보다 작은 제3직경의 원통 형상이고, 상기 제2이온 교환막은 상기 제1이온 교환막과 상기 제2전극 사이에 위치하고, 상기 제3직경보다 크고 상기 제2직경보다 작은 제4직경의 원통 형상이고, 상기 농축 채널과 상기 담수 채널은 상기 제1이온 교환막과 상기 제2이온 교환막 사이에 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 농축 및 담수화 장치는 상기 농축 및 담수화 모듈을 복수 개 포함하며, 상기 농축 및 담수화 모듈들이 기준점을 중심으로 방사상으로 배치되어, 전체적으로 원형으로 제공될 수 있다.
본 발명에 의하면, 담수 채널에 이온 결핍 영역이 형성되어, 담수 채널을 따라 흐르는 유체에 포함된 전하를 띈 입자들은 농축 채널로 이동하고, 용매는 담수 채널의 유출구로 유출되므로, 농축 채널에서는 농축액을 얻고 담수 채널에서는 담수를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈의 도면이다.
도 2는 도 1의 A-B선에 따른 농축 및 담수화 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 실제 농축 및 담수화 모듈에서 농축이 진행되는 모습을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 농축 및 담수화 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 장치에 포함된 농축 및 담수화 모듈을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 농축 및 담수화 장치를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈의 도면이고, 도 2는 도 1의 A-B선에 따른 농축 및 담수화 모듈의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 농축 및 담수화 모듈(100)은 바디(110), 제1전극(120), 제2전극(130), 제1이온 교환막(140), 제2이온 교환막(150), 그리고 다공성 막(160)을 포함한다.
바디(110)는 내부에 유체가 흐를 수 있는 복수 개의 채널(111 내지 114)이 형성된다. 구체적으로 바디(110)의 내부에는 농축 채널(111), 담수 채널(112), 제1버퍼 채널(113), 그리고 제2버퍼 채널(114)이 형성된다. 각각의 채널(111 내지 114)들은 유체가 유입되는 유입구가 일 측에 형성되고, 유체가 배출되는 배출구가 타 측에 형성된다.
제1버퍼 채널(113)은 바디(110)의 내부 일 측에 형성되고, 제2버퍼 채널(114)은 바디(110)의 내부 타 측에 형성된다. 농축 채널(111)은 제1버퍼 채널(113)과 제2버퍼 채널(114) 사이에 위치하며, 상대적으로 제1버퍼 채널(113)에 인접 위치한다. 담수 채널(112)은 농축 채널(111)과 제2버퍼 채널(114) 사이에 위치한다. 농축 채널(111)과 담수 채널(112)에는 이종의 유체가 유입될 수 있다. 이와 달리 농축 채널(111)과 담수 채널(112)에는 동종의 유체가 유입될 수 있다. 또한, 농축 채널(111)과 담수 채널(112)에는 농도가 상이한 동종의 유체가 유입될 수 있다. 또한, 농축 채널(111)과 담수 채널(112)에는 농도가 동일한 동종의 유체가 유입될 수 있다.
제1전극(120)은 제1버퍼 채널(113)의 외측에 위치한다. 제1전극(120)의 일 면은 제1버퍼 채널(113)을 따라 흐르는 유체와 접촉될 수 있다.
제2전극(130)은 제2버퍼 채널(114)의 외측에 위치한다. 제2전극(130)의 일 면은 제2버퍼 채널(114)을 따라 흐르는 유체와 접촉될 수 있다. 제2전극(130)은 접지될 수 있다.
제1이온 교환막(140)은 제1버퍼 채널(113)과 농축 채널(111) 사이에 위치하고, 일 면이 제1버퍼 채널(113)을 따라 흐르는 유체와 접촉하고, 타 면이 농축 채널(111)을 따라 흐르는 유체와 접촉한다. 제2이온 교환막(150)은 제2버퍼 채널(114)과 담수 채널(112) 사이에 위치하고, 일 면이 제2버퍼 채널(114)을 따라 흐르는 유체와 접촉하고, 타 면이 담수 채널(112)을 따라 흐르는 유체와 접촉한다.
일 예에 의하면, 제1이온 교환막(140)과 제2이온 교환막(150)은 양이온만이 선택적으로 투과가능한 Cation Exchange Membrane(CEM)이 제공된다. 때문에, 양이온만이 제1이온 교환막(140)과 제2이온 교환막(150)을 투과할 수 있으며, 음이온의 투과가 차단된다. 이 경우, 제1전극(120)에는 양전압이 인가되고, 제2전극(130)에는 음전압이 인가된다.
다른 예에 의하면, 제1이온 교환막(140)과 제2이온 교환막(150)은 음이온만이 선택적으로 투과가능한 Anion Exchange Membrane(AEM)이 제공된다. 때문에, 음이온만이 제1이온 교환막(140)과 제2이온 교환막(150)을 투과할 수 있으며, 양이온의 투과가 차단된다. 이 경우, 제1전극(120)에는 음전압이 인가되고, 제2전극(130)에는 양전압이 인가된다.
본 실시 예에서는 제1이온 교환막(140)과 제2이온 교환막(150)으로 CEM이 사용되는 것을 예를 들어 설명한다.
다공성 막(160)은 농축 채널(111)과 담수 채널(112) 사이에 위치하며, 일 면이 농축 채널(111)을 따라 흐르는 유체와 접촉하고, 타 면이 담수 채널(112)을 따라 흐르는 유체와 접촉한다. 농축 채널(111)을 따라 흐르는 유체와 담수 채널(112)을 따라 흐르는 유체는 다공성 막(160)을 투과하여 이동한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 담수 채널(112)은 농축 채널(111)에 비해 큰 단면적을 갖는다. 담수 채널(112)은 농축 채널(111) 보다 큰 단면적을 갖기 위해 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예에 의하면, 담수 채널(112)은 제2이온 교환막(150)과 접촉하는 영역(112a)이 다공성 막(160)과 접촉하는 영역(112b)에 비해 큰 폭을 가질 수 있다. 농축 채널(111)은 다공성 막(160)과 접촉하는 담수 채널(112)의 영역(112a)에 상응하는 폭을 가질 수 있다. 또한, 담수 채널(112)은 제2이온 교환막(150)과 다공성 막(160)의 사이 거리가 농축 채널(111)의 제1이온 교환막(140)과 다공성 막(160)의 사이 거리보다 크게 제공될 수 있다. 이에 의해, 담수 채널(112)은 유체가 흐를 수 있는 유로의 단면적이 농축 채널(111)보다 크게 제공되어, 농축 채널(111)보다 단위 시간당 흐를 수 있는 유체의 유량이 많다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈의 동작을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 전류의 인가로 제1전극(120)과 제2전극(130) 사이에 전기장이 형성되고, 전류의 흐름에 따라 각 채널(111 내지 114)을 따라 흐르는 유체에 포함된 이온들이 이동한다. 양이온은 제1전극(120)에서 제2전극(130) 방향으로 이동하고, 음이온은 제2전극(130)에서 제1전극(120) 방향으로 이동한다. 그러나 제1이온 교환막(140)과 제2이온 교환막(150)의 제공으로, 양이온은 투과하여 이동할 수 있는 반면 음이온은 이동이 차단된다. 이에 의해 이온 교환막(140, 150) 근처에는 이온이 밀집된 이온 밀집 영역(Ion Enrichment Zone, Z1)과 이온이 결핍된 이온 결핍 영역(Ion Depletion Zone, Z2)이 형성되는데, 이를 이온 농도 분극(Ion Concentration Polarization)이라 한다. 이중, 이온 결핍 영역(Z2)은 자유전자운반체를 모두 잃은 상태로, 전하를 띠고 있는 입자들은 동전기적(electrokinetic) 현상에 의해 이온 결핍 영역(Z2)을 통과할 수 없게 된다. 반면, 유체의 용매는 이온 결핍 영역(Z2)의 영향을 받지 않고 진행할 수 있다.
본 실시 예에서는 전기장의 형성으로, 담수 채널(112)을 흐르는 유체에 이온 결핍 영역(Z2)이 형성된다. 때문에 담수 채널(112)을 흐르는 유체에 포함된 전하를 띈 입자(P)들은 이온 결핍 영역(Z2)을 통과하지 못하고 이온 결핍 영역(Z2)의 경계면(S)을 따라 다공질 막(160)쪽으로 이동한다. 그리고 다공질 막(160)을 투과하여 농축 채널(111) 측으로 이동한다. 반면, 담수 채널(112)을 따라 흐르는 유체의 용매는 이온 결핍 영역(Z2)을 통과하여 담수 채널(112)의 유출구로 유출된다. 따라서, 담수 채널(112)에서는 전하를 띈 입자(P)들이 제거된 유체의 용매가 유출구로 유출되므로, 담수 생산이 가능하다.
한편, 농축 채널(112)을 흐르는 유체는 담수 채널(111) 측에서 전하를 띈 입자(P)들이 유입됨에 따라 농도가 상승되어 농축액이 유출구로 유출된다. 따라서, 유체의 농축이 가능하다.
유체의 농축 정도는 양 채널(111, 112)을 흐르는 유체의 유량 비로 결정되는데, 양 채널(111, 112)을 흐르는 유체의 유량 차이가 클수록 농축 채널(111)에서의 농축 정도가 높아진다. 그러나 양 채널(111, 112)에서의 유량 차이가 클 경우, 많은 유량의 유체가 흐르는 채널(112)에서 다공질 막(160)에 가하는 힘이 증가되어 채널(111, 112) 간의 압력 차가 커진다. 이러한 압력 차의 증가는 다공질 막(160)의 용매 운동 저지력을 감소시켜, 유체에 포함된 용매가 높은 압력 채널(112)에서 낮은 압력 채널(111)로 유입되어 농축액을 희석시킨다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 담수 채널(112)의 단면적을 농축 채널(111)의 단면적보다 크게 설계하였다. 이에 의해, 농축 채널(111)에 비해 담수 채널(112)에 시간당 흐를 수 있는 유체의 유량이 증가되었다. 그리고 좁은 단면적으로 농축 채널(111)을 흐르는 유체의 압력이 증가되고, 큰 단면적으로 담수 채널(112)을 흐르는 유체의 압력이 낮아져 다공질 막(160)에 가해지는 양 채널(111, 112) 간 압력차가 최소화되었다. 이로 인하여, 담수 채널(112)에서 농축 채널(111)로 용매의 유입이 최소화되어 농축 채널(111)에서의 유체의 농축 정도가 향상되고, 담수 채널(112)에서 담수의 생산성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 실제 농축 및 담수화 모듈에서 농축이 진행되는 모습을 나타내는 사진이다. 도 4를 참조하면, 담수 채널(112)을 흐르는 유체에 포함된 전하를 띈 입자들(밝은 색 영역, P)이 이온 결핍 영역(어두운 영역, Z2)을 통과하지 못하고 농축 채널(111)로 이동하여 포집되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1전극(220)과 제2전극(230) 사이에는 이온 교환막(240a 내지 240d), 농축 채널(213a 내지 213c), 다공질 막(250a 내지 250c), 그리고 담수 채널(214a 내지 214c)이 복수 개 제공될 수 있다. 구체적으로, 제1전극(220)으로부터 제2전극(230) 방향으로, 이온 교환막(240a), 농축 채널(213a), 다공질 막(250a), 그리고 담수 채널(214a)의 순서로 반복적으로 배치된다. 다공질 막(250a 내지 250c)을 사이에 두고 양 측에 배치된 농축 채널(213a 내지 213c)과 담수 채널(214a 내지 214c)간에는, 담수 채널(213a 내지 213c)을 따라 흐르는 유체에 포함된 전하를 띈 입자(P1 내지 P3)들이 이온 결핍 영역의 경계면(S1 내지 S3)을 따라 이동하고, 다공질 막(250a 내지 250c)을 투과하여 농축 채널(213a 내지 213c) 측으로 유입된다. 이에 의해 각각의 농축 채널(213a 내지 213c)에서는 농축액이 유출되고 담수 채널(213a 내지 213c)에서는 전하를 띈 입자(P1 내지 P3)들이 제거된 담수가 유출될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 농축 및 담수화 장치를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6의 장치에 포함된 농축 및 담수화 모듈을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 농축 및 담수화 장치(1000)는 복수 개의 농축 및 담수화 모듈(1100)들이 기준점(C)을 중심으로 방사상으로 배치되어 전체적으로 원형으로 제공된다. 개별 농축 및 담수화 모듈(1100)들은 도 1의 농축 및 담수화 모듈과 달리, 부채꼴 형상의 바디(1110)를 가지고, 제1전극(1120)은 제2전극(1130)에 비해 작은 폭을 갖고, 제1이온 교환막(1140)은 제2이온 교환막(1150)보다 작은 폭을 가질 수 있다.
이와 같이, 농축 및 담수화 장치(1000)는 복수 개의 농축 및 담수화 모듈(1100)이 단위 셀로 결합된 구조로, 각각의 농축 및 담수화 모듈(1100)에서 농축 및 담수 생산이 가능하다. 이에 의해 농축 및 담수화 장치(1000)는 농축 및 담수 생산 유량을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 농축 및 담수화 장치를 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 농축 및 담수화 장치(2000)는 복수 개의 농축 및 담수화 모듈(2100)들이 기준점(C)을 중심으로 방사상으로 배치되어 전체적으로 원형으로 제공된다. 농축 및 담수화 모듈(2100)은 부채꼴 형상의 바디(1110)를 가지며, 바디(1110) 내측에 도 5의 실시 예와 같이 제1전극(2220)으로부터 제2전극(2230) 방향으로, 이온 교환막, 농축 채널, 다공질 막, 그리고 담수 채널의 순서로 반복적으로 배치된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 바디(3100)는 직경이 서로 다른 두 개의 원형 형상 튜브(3110, 3120)가 결합된 구조로, 직경이 작은 튜브(3110)가 직경이 큰 튜브(3120)에 삽입된다.
제1전극(3200)은 제1직경의 원통 형상으로, 내측 튜브(3110)의 외주면을 따라 제공된다.
제2전극(3300)은 제1직경보다 큰 제2직경의 원통 형상으로, 외측 튜브(3120)의 외주면을 따라 제공된다. 제1전극(3200)은 제2전극(3300)의 내부에 위치하며, 서로 마주 배치된다.
제1이온 교환막(3400)은 제3직경의 원통 형상을 가진다. 제3직경은 제1직경보다 크고 제2직경보다 작다. 제1이온 교환막(3400)은 제1전극(3200)과 제2전극(3300) 사이에 배치되며, 상대적으로 제1전극(3200)에 인접하여 배치된다.
제2이온 교환막(3500)은 제4직경의 원통 형상을 가진다. 제4직경은 제3직경보다 크고 제2직경보다 작다. 제2이온 교환막(3500)은 제1이온 교환막(3400)과 제2전극(3300) 사이에 배치되며, 상대적으로 제2전극(3300)에 인접하여 배치된다.
다공질 막(3600)은 제5직경의 원통 형상을 가진다. 제5직경은 제3직경보다 크고 제4직경보다 작다. 다공질 막(3600)은 제1이온 교환막(3400)과 제2이온 교환막(3500) 사이에 위치하며, 상대적으로 제1이온 교환막(3400)에 인접하여 배치된다.
제1전극(3200)과 제1이온 교환막(3400) 사이 영역은 제1버퍼 채널(3111)로 제공되고, 제2전극(3300)과 제2이온 교환막(3500) 사이 영역은 제2버퍼 채널(3112)로 제공된다. 그리고 제1이온 교환막(3400)과 다공질 막(3600) 사이는 농축 채널(3113)로 제공되고, 제2이온 교환막(3500)과 다공질 막(3600) 사이는 담수 채널(3114)로 제공된다. 농축 채널(3113)은 담수 채널(3114)에 비해 작은 단면적을 갖는다.
본 실시 예에서는 제1 및 제2버퍼 채널(3111, 3112), 담수 채널(3114), 그리고 농축 채널(3113)이 원통 형상으로 제공된다. 유체들은 원통 형상의 각 채널(311 내지 3114)들을 따라 이동한다.
제1전극(3200)과 제2전극(3300) 사이에 전기장이 형성되면, 담수 채널(3114)에 이온 결핍 영역이 형성되고, 담수 채널(3114)을 따라 이동하는 유체에 포함된 전하를 띠고 있는 입자들은 이온 결핍 영역의 경계면을 따라 다공질 막(3600) 쪽으로 이동하여 농축 채널(3113)로 유입된다. 그리고 담수 채널(3114)을 따라 이동하는 유체에 포함된 용매는 담수 채널(3114)의 유출구로 유출된다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 농축 및 담수화 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 농축 및 담수화 모듈(4000)은 도 9의 농축 및 담수화 모듈(3000)과 달리 제1전극(4200)과 제2전극(4300) 사이 영역에는 직경이 서로 상이한 이온 교환막(4500a 내지 4500d)과 다공질 막(4600a 내지 4600c)이 소정 간격을 유지하며 복수 개 제공되고, 이온 교환막(4500a 내지 4500d)과 다공질 막(4600) 사이에는 농축 채널(4111a, 4111b, 4111c)과 담수 채널(4112a, 4112b, 4112c)이 순차적으로 제공된다. 다공질 막(4600a 내지 4600c)을 사이에 두고 마주 배치되는 담수 채널(4112a, 4112b, 4112c)과 농축 채널(4111a, 4111b, 4111c)은, 담수 채널(4112a, 4112b, 4112c)이 농축 채널(4111a, 4111b, 4111c)비해 큰 단면적을 갖는다.
상기 실시 예에서는, 담수 채널(4112a, 4112b, 4112c)과 농축 채널(4111a, 4111b, 4111c)이 각각 3개씩 제공되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 다양하게 확장 가능할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 농축 및 담수화 모듈
110: 바디
111: 농축 채널
112: 담수 채널
113: 제1버퍼 채널
114: 제2버퍼 채널
120: 제1전극
130: 제2전극
140: 제1이온 교환막
150: 제2이온 교환막
160: 다공성 막

Claims (7)

  1. 제1전극;
    상기 제1전극과 마주 배치되는 제2전극;
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하며, 양이온과 음이온 중 어느 하나만이 선택적으로 투과가능한 제1이온 교환막;
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에서 상기 제1이온 교환막과 마주 배치되고, 상기 제1이온 교환막보다 상대적으로 상기 제2전극에 가까이 위치하며, 상기 제1이온 교환막과 동일한 이온이 선택적으로 투과가능한 제2이온 교환막;
    상기 제1이온 교환막과 상기 제2이온 교환막 사이에 제공되며, 유체가 상기 제1이온 교환막과 접촉하며 흐르는 유로를 제공하는 농축 채널; 및
    상기 제1이온 교환막과 상기 제2이온 교환막 사이에 제공되며, 유체가 상기 제2이온 교환막과 접촉하며 흐르는 유로를 제공하는 담수 채널을 포함하되,
    상기 담수 채널의 유로는 상기 농축 채널의 유로보다 큰 단면적을 갖는 농축 및 담수화 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 농축 채널과 상기 담수 채널 사이에 위치하며, 상기 농축 채널의 유로를 따라 흐르는 유체와 일 면이 접촉하고, 상기 담수 채널의 유로를 따라 흐르는 유체와 일 면이 접촉하는 다공성 막을 더 포함하는 농축 및 담수화 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 담수 채널의 유로는 상기 제2이온 교환막과 접촉하는 영역이 상기 다공성 막과 접촉하는 영역보다 큰 폭을 가지고,
    상기 농축 채널의 유로는 상기 담수 채널의 유로가 상기 다공성 막과 접촉하는 영역과 동일한 폭을 갖는 농축 및 담수화 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 담수 채널의 유로는 상기 제2이온 교환막과 접촉하는 영역으로부터 상기 다공성 막과 접촉하는 영역으로 갈수록 폭이 점차 감소하는 농축 및 담수화 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 담수 채널의 유로는 상기 제2이온 교환막과 접촉하는 영역과 상기 다공성 막과 접촉하는 영역의 사이 거리가, 상기 농축 채널의 유로에서 상기 제1이온 교환막과 접촉하는 영역과 상기 다공성 막과 접촉하는 영역의 사이 거리보다 큰 농축 및 담수화 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극은 제1직경의 원통 형상이고,
    상기 제2전극은 상기 제1직경보다 큰 제2직경의 원통 형상이고,
    상기 제1이온 교환막은 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하고, 상기 제1직경보다 크고 상기 제2직경보다 작은 제3직경의 원통 형상이고,
    상기 제2이온 교환막은 상기 제1이온 교환막과 상기 제2전극 사이에 위치하고, 상기 제3직경보다 크고 상기 제2직경보다 작은 제4직경의 원통 형상이고,
    상기 농축 채널과 상기 담수 채널은 상기 제1이온 교환막과 상기 제2이온 교환막 사이에 제공되는 농축 및 담수화 모듈.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 농축 및 담수화 모듈을 복수 개 포함하며,
    상기 농축 및 담수화 모듈들이 기준점을 중심으로 방사상으로 배치되어, 전체적으로 원형으로 제공되는 농축 및 담수화 장치.
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