KR20200130694A - 물의 정화 및 재광물화를 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
물의 정화 및 재광물화를 위한 방법 및 장치가 개시된다. 상기 장치는 복수의 열적으로 결합된 열전 모듈뿐만 아니라 질량 및 에너지 전달을 향상시키기 위한 수단을 포함한다. 상기 방법은 매우 에너지 효율적인 정수 프로세스를 제공한다. 본 발명의 장치 및 방법은 가정용 물 소비에 적합한 속도로 정화된 및/또는 재광물화된 물을 얻기 위해 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 물의 정화 및 재광물화 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열전 셀을 포함하는 물의 정화 및 재광물화(remineralization)를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
생수(bottled water)의 소비는 세계 인구보다 훨씬 더 높은 비율로 증가하였으며, 일부 매체에서는 2005년과 2020년 사이에 8.5%의 연평균 성장률을 추정 및 예측하고 있다. 2016년에는, 리터 당 0.7 US 달러의 평균 판매 가격에 3,000억 리터의 생수가 판매되었다. 같은 해에, 판매된 생수량이 처음으로서 미국에서 탄산 음료(carbonated soft drinks)의 양을 넘었다. 본질적으로 모든 생수는 일회용 PET 병에 수용된다. 이들 PET 병 중 작은 비중만이 재활용되며, 재활용되어도, 결국 재활용된 PET는 폐기된다.
PET 병의 광범위한 사용은, 바다에서의 플라스틱 미립자와 연관되어 있다. 생수는 주로 이의 안전성 및 바람직한 맛과 냄새로 인하여 소비자에 의해 흔히 선택된다. 대부분의 선진국에 유통되는 수돗물이 생물학적 안전 요건을 충족시키지만, 다양한 화학물질과 같은 불쾌한 오염물뿐만 아니라 염소, 클로라민(chloramine) 화합물 또는 이의 유도체를 연상시키는 불쾌한 냄새를 함유할 수 있다. 개발 도상국에서의 수돗물, 강 또는 우물로부터 입수 가능한 물은 생물학적으로도 안전하지 않을 수 있다.
물의 정화 및/또는 재광물화를 위한 방법 및 장치는 특허 문헌에 기술되어 있다.
US 3,393,130은 열전 히트 펌프(thermoelectric heat pump)를 사용하여 식염수를 증류하는 장치를 기술한다. 상기 열전 히트 펌프는 동심(concentric) 방식으로 구성되어, 그 단부에서의 열 흐름은 재활용될 수 없다. 이 장치는 산업적 규모로 제조하기가 어렵다.
DE 10 2009 010 672는 열전 요소(thermoelectric element)에 의해 응축기에 결합된 풀 증발기(pool evaporator)의 배열을 기술한다. 상기 배열은 수직이며, 이는 응축기가 증발기 상부에 배치되는 것을 의미한다. 이러한 배열은 응축 유체가 트레이(tray)에 의해 캡쳐될 것을 요구하며, 이는 증기의 상향 유동을 방해할 수 있고, 또한 증발 및 응축 요소 사이에 바람직하지 않은 분리를 도입시킬 수 있다. 풀 증발기 내부의 자유 대류 열 흐름(free convective heat flow)은 느린 경향이 있는데, 이는 큰 온도 구배가 요구된다는 것을 의미하며, 낮은 히트 펌프 효율을 초래한다. 더욱이, 상기 수직 배열은 열 회로를 효율적으로 폐쇄하는 것을 불가능하게 하여, 즉 단부 고온 표면과 단부 저온 표면 사이에서 열이 교환된다.
US 6,893,540은 열전 냉각기를 포함하는 증류 유닛을 설명한다. 이 발명은 물이 비등(boil)된 다음, 응축될 것을 요구한다. 그러나, 열전 냉각기는 양 단부 사이의 온도차가 대략 30℃를 초과하는 경우에, 매우 비효율적이라는 것이 공지되어 있다. 이 문헌에 기술된 목적은 에너지 비효율적인 것으로 간주될 수 있다.
US 4,584,061은 진공 탈염화(vacuum desalinization) 장치를 기술하며, 증발 챔버 상부의 응축기에 의해 염수(salty water)가 진공 하에서 비등되고 응축된다. 문헌에 개시된 목적은, 문헌 DE 10 2009 010 672에 대해 앞서 논의된 많은 단점을 공유한다.
WO 2018/141883은 별개의, 그리고 수직으로 배열된 풀 증발 및 응축 섹션을 포함하는, 물을 증류하기 위한 장치를 기술하며, 여기서 잠열만이 부분적으로 회수된다. 상기 수직 배열에 의해, 생성된 증기는 하방으로 유동되어야 하는데, 이는 물리적으로 바람직하지 않다. 또한, 기술된 장치는 거의 100℃에서 증발에 영향을 미쳐, 탄소질 스케일(carbonaceous scale)의 형성을 유도한다. 상기 장치는 냉동 사이클을 포함하며, 고체 금속 블록으로부터 주조되거나 기계 가공되어야 하므로, 대규모의 상업용 적용에서는 비실용적이다.
US 3,212,999는 열전 활성 요소에 의해 분리된, 별개의 풀 비등(pool boiling) 및 응축 챔버를 포함하는 장치를 기술한다. 원하는 효과를 생성하기 위해서는, 수증기가 상방으로 유동한 다음, 응축 챔버 내로 하방으로 유동해야 한다. 개시된 바와 같이, 장치는 본질적으로 분해가 불가능하며, 증기의 유동은 심각하게 제한된다.
WO 1999/067004는 동일한 열전 활성 요소와 접촉하는, 2개의 별개의 증발 및 응축 챔버를 포함하는, 액체를 정화 및 냉각하기 위한 장치 및 방법을 기술한다. 장치가 모듈식인 것으로 청구되었지만, 이러한 장치 중 여러 개를 함께 배치함으로써 장치의 모듈성이 달성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
WO 2001/045816은 97 내지 100℃의 온도에서 유입수를 풀 비등시켜, 비등 및 응축을 동일한 열전 활성 요소에 상에 결합함으로써 물을 증류하기 위한 장치를 기술한다. 수증기는 여러 급격한 회전, 상방 및 하방으로의 이동을 포함하는 복잡한 구조 내부에서 유동할 것으로 예상되는데, 이는 모든 실제 적용에서 바람직한 않은 것으로 간주된다.
US 2014/0305789는 확산 갭(diffusion gap) 기화/응축에 의해 액체 혼합물로부터 성분을 분리하기 위한 장치를 기술한다. 기술된 장치는, 일련의 배열을 제공하지만, 관련된 잠열을 회수하기 위해 어떠한 활성 요소도 사용되지 않으며, 장치는 모듈식이 아니며, 분해 및 유지를 용이하게 하는 것도 아니다.
따라서, 종래 기술의 단점, 특히 처리 효율 및 유지보수를 용이하게 하는 것과 관련된 물의 정화 및/또는 재광물화를 위한 방법 및 장치를 제공할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 정화될 원수(raw water)의 공급(feed)으로부터 출발하여, 사용 지점에서 직접, 또는 그 근처에서 고품질의 물을 얻기 위한 간단하고, 에너지 효율적이고, 용이하게 유지가능하고, 저렴한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 명세서에 개시된 바와 같이, 일련의 열적으로 결합된 열전 셀 내에서 개선된 질량 및 에너지 전달 현상을 위한 요소를 통합함으로써 달성된다. 놀랍게도, 상기 요소의 통합은 비정상적으로 낮은 온도, 즉 우세한 압력에서의 물의 끓는점보다 낮은 온도에서, 원수의 전체적으로 매우 에너지-효율적인 정화 및/또는 재광물화를 가능하게 하여, 다양한 유리한 특성을 초래한다. 더욱이, 개시된 물리적 구조는 종래 기술에서 접근, 개시, 또는 해결되지 않은 내부 부분의 위생을 용이하게 한다. 통상적이지 않으며 이전에 논의되지 않은 유리한 특성은, (a) 장치의 산업적 구조, 패킹, 배송 및 확장(scale-up)에 유리한, 장치의 모듈 특성; (b) 내부 부분이 최종 사용자에 의해 손수 세척 가능하게 하거나 식기 세척기에서 세척 가능하게 하는, 장치의 해체 가능한 특성, (c) 작동 장치의 증가, 감소, 또는 수리를 위한 용이한 새로운 모듈의 추가 또는 결함이 있는 모듈의 제거, (d) 최소 습윤률(wetting rate)이 실질적으로 유용한 유량으로 낮춰지도록, 강하막(falling film) 또는 습식 증발 요소(wet evaporation element)를 포함하는 표면의 추가된 거칠기(roughness)를 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 방법 및 장치를 사용함으로써, 소싱(sourcing), 운송, 재고, 분배, 플라스틱병의 사용, 및 음용수의 판매에 대한 필요성은 실질적으로 최소화되거나 제거될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 수평 배열로 된 복수의 열전 모듈을 포함하는 물의 정화 및/또는 재광물화를 위한 장치를 제공하는 것으로, 각각의 상기 모듈은 고온 측 및 저온 측을 포함하며, 적어도 제1 고온 표면은 상기 고온 측에 열적으로 결합되고, 적어도 제1 저온 표면은 상기 저온 측에 열적으로 결합되고, 상기 고온 표면은 액체를 상기 제1 고온 표면에 접촉시키기 위한 수단을 포함하며, 상기 수단은 강하막 요소 또는 다공성, 섬유질, 프릿형(fritted), 소결, 패턴, 핀형(finned), 또는 각인형(carved) 습식 증발 요소이다.
본 발명의 장치의 바람직한 실시예에서, 상기 고온 표면과 상기 저온 표면 사이의 간격은 1 내지 40mm이다.
본 발명의 장치의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 고온 표면과 상기 저온 표면 사이의 간격은 5 내지 15mm이다.
본 발명의 장치의 또 다른 바람직한 실시예에서, 트레인(train) 내의 열전 모듈의 위치에 따라, 상기 고온 표면의 온도는 대략 30 내지 100℃, 바람직하게는 40 내지 70℃의 범위에 있고, 유사한 방식으로, 상기 트레인 내의 열전 모듈의 위치에 따라, 상기 저온 표면의 온도는 대략 10 내지 90℃, 바람직하게는 20 내지 50℃의 범위에 있다.
본 발명의 장치의 또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 장치는 UV 램프, 하이포아염소산염(hypochlorite generator) 발생기, 혼합 산화제 발생기 및 오존 발생기로 구성된 그룹으로부터 선택된 소독 요소를 더 포함한다.
본 발명의 장치의 다른 바람직한 실시예에서, 고온 표면 또는 저온 표면 중 적어도 하나는 금속 재료 또는 열가소성 폴리머 재료로 제조된다.
본 발명의 장치의 또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 금속 재료는 다양한 등급의 스테인리스 스틸, 티타늄, 구리, 알루미늄, 황동 및 청동으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 대응하는 표면은 강하막의 최소 습윤률이 감소되도록 거칠어지게 될 수 있다.
본 발명의 장치의 바람직한 실시예에서, 각각의 상기 열전 모듈은, 대향하는 측 상에 하나의 증발 하프-셀(half-cell) 및 하나의 응축 하프-셀을 포함하고, 증류 셀은 2개의 인접한(contiguous) 열전 모듈에 포함된 2개의 하프-셀의 어셈블리에 의해 구성되며, 각각의 상기 열전 모듈은, 수분, 워터 제트 또는 스프레이가 유입되지 않도록 실링 수단(sealing means)을 포함한다. 실링 수단은 접착제 또는 기계적 시일을 포함할 수 있다.
본 발명의 장치의 또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 재료는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 또는 이의 혼합물이다.
본 발명의 장치의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 재료는 구리계, 흑연계, 또는 니켈계 입자를 더 포함한다.
본 발명의 다른 목적은, 물을 정화하는 방법을 제공하는 것으로,
원수 피드(raw water feed)를 본 발명에 따른 물의 정화 및/또는 재광물화를 위한 장치에 공급하는 단계,
유입 원수 피드의 적어도 일부를 적어도 고온 표면에 접촉시키는 단계,
증기 스트림(vapor stream)을 얻기 위해, 상기 유입 원수 피드의 상기 일부의 적어도 일부를 증발시키는 단계,
상기 증기 스트림을 적어도 저온 표면으로 수송하는 단계, 및
상기 저온 표면에서 상기 증기 스트림을 응축시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 증발시키는 단계는 대략 30℃ 내지 100℃ 범위의 온도에서 수행된다.
본 발명의 방법의 또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 응축시키는 단계는 대략 10 내지 90℃ 범위의 온도에서 수행된다.
본 발명의 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 응축시키는 단계는 대략 20 내지 50℃ 범위의 온도에서 수행된다.
본 발명의 방법의 또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 방법은 상기 응축된 증기 스트림을 재광물화하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 재광물화하는 단계는 상기 장치 외부의 용기에서 수행된다.
도 1은 습식 증발 요소를 포함하는 본 발명의 장치의 바람직한 실시예의 측면도이다.
도 2는 강하막 증발 요소를 포함하는 본 발명의 장치의 바람직한 실시예의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 규칙적인 6-셀 장치의 바람직한 실시예의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 불규칙적이며 열적으로 폐쇄된 장치의 일반적인 실시예의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 정화/재광물화 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 강하막 증발 요소를 포함하는 본 발명의 장치의 바람직한 실시예의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 규칙적인 6-셀 장치의 바람직한 실시예의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 불규칙적이며 열적으로 폐쇄된 장치의 일반적인 실시예의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 정화/재광물화 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면 및 예시를 참조하여 본 발명이 설명될 것이며, 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적으로만 포함되는 것으로, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
측정 가능한 값을 언급할 때 본 명세서에서 사용된 용어, "대략(approximately)"은 특정 양으로부터 ±10%의 변동을 포함함을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "포함한다(comprises)", "갖는다(has)", "포함한다(includes)" 및 이의 접합은 "포함하지만 이에 제한되지 않는"을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "정화(purification)"는 원수 피드로부터 불순물, 미네랄 및/또는 전해질의 제거를 지칭한다. 이러한 공정에 의해 얻은 생성물은, 일반적으로 "정수(purified water)", "탈염수(demineralized water)", "증류수(distilled water)"로 공지되어 있으며, 이는 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "원수(raw water)"는 일반적으로 불순물 또는 적어도 불쾌한 물을 함유하는 액체, 예를 들어 해수, 기수(brackish water), 지하수, 수돗물, 소변 또는 빗물과 같은, 음용 불가능한(non-drinkable) 액체를 지칭한다. 용어 "불순물(impurities)"은 예를 들어 1,2-디클로로에탄, N-니트로소디메틸아민 또는 이의 유도체와 같은, 다양한 유기 또는 무기 염, 용해된 기체, 미립자 물질, 또는 물보다 더 많거나 적은 휘발성을 갖는 물질을 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "재광물화(remineralization)"는 이전에 정화된 물에 화합물을 첨가하는 것을 지칭한다. 상기 용어는 광범위한 방식으로 해석되어야 하며, 반드시 광물로 엄격하게 제한되는 것은 아니며, 오히려 수중에서 합당한 또는 바람직한 것으로 간주될 수 있는 임의의 화합물을 첨가하는 것으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 탄산염, 향료, 설탕, 착색제가 첨가될 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "열전 모듈(thermoelectric module)"은 히트 펌프로서 작용할 수 있는 펠티에 전지(Peltier cell)와 같은 열전 요소를 포함하는 장치를 지칭하며, 이는 일반적으로 저온 저장소(cold reservoir) 또는 "저온 측"으로부터 열을 전달하거나, 고온 저장소(hot reservoir) 또는 "고온 측"으로 열을 전달하고, 그리고 액체, 특히 물의 응축 및 증발에 의해, 대향하는 측 상의 각각의 하프-셀 상에 열을 공기 중에서 전달한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "셀(cell)"은 제1 열전 모듈의 고온 측에 열적으로 결합된 적어도 제1 고온 표면 및 제2 열전 모듈의 저온 측에 열적으로 결합된 적어도 제1 저온 표면을 포함하는 반복되는 유닛을 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "열적으로 결합된(thermally coupled)"은 열 에너지가 하나의 요소로부터 다른 구성요소로, 예를 들어 열 전도에 의해 전달될 수 있다는, 본 발명의 식별된 구성요소의 관계를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "수평으로 배열된(horizontally arranged)" 또는 "수평 배열(horizontal arrangement)"은 장치에서의 모든 열전 모듈 또는 셀이 실질적으로 동일한 수평면에 배치되어 있고, 이들의 고온 및 저온 측이 상기 평면에 대해 수직이라는 것을 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 "액체를 접촉시키기 위한 수단"이라는 용어는, 주어진 표면, 특히 증발 현상이 발생할 수 있는 고온 표면과 접촉하도록 액체를 구동하기 위해 사용되는 요소를 지칭한다. 예를 들어, 상기 접촉은, 액체가 자유-강하막(free-falling film)을 형성하는 표면 위로 떨어지도록 위치된 노즐 또는 도관과 같은 "액체막 증발 요소(liquid film evaporation element)"를 사용할 때, 표면과 접촉하는 액체의 자유-강하막의 형태일 수 있거나, 또는 상기 접촉은, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, "습식 증발 요소(wet evaporation element)"를 사용하여 모세관 현상에 의해 구동될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "응축 요소(condensation element)"라는 용어는, 트레이와 같은 응축된 증기 스트림을 회수하는데 사용되는 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "증발(evaporation)"은 물질의 증기압이, 우세한 압력보다 반드시 더 크거나 같지 않고, 액상으로부터 기상으로 적어도 일부 양의 상기 물질의 전이를 의미한다. 유사하게, 상기 용어 "응축(condensation)"은 물질의 증기압이, 우세한 압력보다 반드시 더 낮거나 같지 않고, 기상으로부터 액상으로 적어도 일부 양의 상기 물질의 전이를 의미한다. 이러한 방식으로, 용어 "증발" 및 "응축"은 물 및 공기를 포함하는 시스템에 널리 사용되는 "가습(humidification)" 및 "제습(dehumidification)"이라는 용어와 각각 관련된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "수증기(water vapor)" 또는 "증기 스트림(vapor stream)"은 일반적으로 기체상의 물, 및 가능하게는 공기와 같이, 응축 가능하거나, 하지 않는, 적어도 다른 기체 물질 또는 물질들을 의미한다. 용어는 물만 지칭한다는 엄격한 의미로 해석되지 않아야 한다.
도 1에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예에서, 장치는 6 내지 60개의 열역학적으로 결합된 셀, 바람직하게는 10 내지 20개의 셀의 범위의, 셀 개수 N total 의 트레인을 포함한다. 도 1에서, 셀 N 및 N+1은, 셀 N-1 및 N+2의 일부와 함께 나타나 있으며, N은 2 내지 N total -2의 범위에 있는 숫자이다. N과 같은 각 셀은, 셀 N의 내부(105)와 열을 교환하기에 적합한 적어도 하나의 고온 표면(101)을 포함하고, 셀 N의 동일한 내부(105)와 열을 교환하기에 적합한 적어도 하나의 저온 표면(103)을 포함하며, 상기 적어도 제1 고온 표면(101)은 적어도 하나의 인접한 열전 요소(106)의 적어도 고온 측(102)에 열적으로 결합되고, 상기 적어도 제1 저온 표면(103)은 적어도 하나의 다른 인접한 열전 요소(107)의 적어도 저온 측(104)에 열적으로 결합된다.
이러한 실시예에서, 트레인은 열적으로 폐쇄되지 않을 수 있으며, 이는 셀(1)의 고온 표면(101)이 외부로부터 단열될 수 있음을 의미하고, 열전 요소 이외의 가열 요소에 의해 가열되거나, 가열되지 않는 대신 증발 요소(108) 또는 도 2의 증발 요소(201)를 지지하기 위한 기계적인 요소로서 단독으로 기능할 수 있으면서, 장치 내부에서 재순환하는 물이 상기 셀(1) 내부의 원하는 증발의 적어도 일부에 영향을 미치기 위해 충분히 높은 온도에 있다. 유사하게, 셀 N total 내부의 원하는 응축의 적어도 일부에 영향을 미치기 위해, 셀 N total 의 저온 표면(103)은 냉각 팬, 수동 냉각 핀(passive cooling fin)에 의해, 또는 외부 표면을 저온의 유입 원수와 접촉함으로써 냉각될 수 있다.
상기 고온 표면(101)에서의 물의 증발은 셀의 내부(105)를 통해 상기 제1 저온 표면(103)을 향해 수송되는 증기 스트림을 생성한다. 상기 수증기는 상기 제1 저온 표면(103)에서 응축된다.
이러한 배열에서, 셀 N-1에서 방출된 열, 즉 응축에 의한 잠열은 셀 N에 의해 흡수되고, 셀 N에서 방출된 열은 셀 N+1에 의해 흡수된다. 이것은 인접한 셀 사이의 대류 및 응축 열 전달과 열전 모듈 내부의 전도성 열 전달을 나타내는 수평 화살표에 의해 도시된다. 수직 화살표는 열전 요소에 의해 소비되는 전기적 작업을 나타낸다.
상기 저온 표면(103) 및 고온 표면(101)은 실질적으로 평평할 수 있고 반드시 서로 평행할 필요는 없으며, 일반적으로 트레인에서의 임의의 다른 저온 또는 고온 표면에 반드시 평행할 필요는 없다. 임의의 하나의 셀의 저온 표면(103)과 고온 표면(101) 사이의 간격은 1 내지 40mm, 바람직하게는 5 내지 15mm이다. 상기 간격은, 피드 물에서 실질적으로 불용성인 불활성 가스, 바람직하게는 공기로 채워진 얇은 챔버를 형성하며, 가능하게는 원수에서 배기되는 가스를 더 포함한다.
수증기는 고온 표면에서 다양한 메커니즘에 의해 발생하며, 주로 챔버 내부의 물의 부분 압력보다 높은 물의 증기압으로 인한, 물의 표면 증발(skin evaporation)에 의해 발생하지만, 가능하게는 추가로 풀 비등 또는 거친 요소의 표면 상의 증기 기포의 핵형성(nucleation)에 의한 것일 수도 있다.
발생된 수증기는, 고온 표면 근처의 수분-풍부 구역으로부터 저온 표면 근처의 수분-고갈된 구역으로, 불활성 가스로 채워진 상기 챔버를 통해 다운그래디언트(downgradient) 수송된다. 상기 수증기의 수송이 자연적으로 다운그래디언트로 이루어지기 때문에, 즉 보조 또는 강제되지 않을 수 있기 때문에, 수송이 향상되도록 상기 챔버가 가능한 한 얇게 되는 것이 유리하다. 수송 속도는, 양호한 근사치로서, 상기 두께에 반비례한다.
본 명세서에 개시된 수평 트레인 구성은 얇은 챔버의 이러한 유리한 구성을 허용한다. 고온 표면(101) 및 저온 표면(103)은 각각 셀의 고온 측(102) 및 저온 측(104)에 밀접하게 접촉해야 한다. 상기 밀접한 접촉은, (a) 직접 접촉, (b) 리벳, 나사 또는 탄성 요소의 보조에 의한 가압, (c) 이완시 표면을 가압하는 케이싱의 외측으로 탄성 변형, (d) 열 전도성 그리스(grease), 접착제, 실리콘 또는 흑연의 첨가, (e) 방법 (a) 내지 (d)의 임의의 조합을 이용하여 달성될 수 있다.
응축 속도를 향상시키기 위해 증발 및 응축 표면이 서로 마주하고 가능한 한 가깝게 되는 것이 유리하다. 종래 기술의 일부 배열은, 증발 표면으로부터 멀리 떨어진 표면 상에 응축하기 위해 습한 공기가 상향으로 이동한 다음에 하향으로 이동할 것을 요구한다는 점에서 불리하다. 부과된 압력 그래디언트가 없을 때, 이는 실제적인 목적을 위해 매우 낮은 응축 속도를 초래한다.
고온 및 저온 표면의 너비 및 높이는 채용된 열전 요소의 고온 및 저온 측의 치수와 대략 일치해야 한다. 상업적으로 이용 가능한 열전 요소가 사용될 때, 너비의 범위는 전형적으로 20 내지 200mm이다. 이어서, 고온 및 저온 표면의 너비의 범위는 20 내지 250mm, 바람직하게는 20 내지 80mm이다. 높이는 유사한 값을 나타낸다.
열 구배가 단위 표면적 당 전력의 단위로 임의의 주어진 히트 플럭스(thermal flux)에 대해 가능한 한 평평하도록, 고온 및 저온 표면의 두께는 가능한 한 얇은 것이 유리하다. 표면이 예를 들어 1W/mk 이하의 낮은 열 전도도를 가질 경우, 두께는 0.1 내지 2mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.5mm이다. 표면이 높은 열 전도성, 예를 들어 50W/mK를 가질 경우, 두께는 0.1 내지 5mm, 바람직하게는 1 내지 3mm이다.
셀은, 유입 원수 피드(109)가 모세관 효과에 의해 적어도 부분적으로 상승하여 증발 요소(108)를 적어도 부분적으로 습윤함으로써, 고온 표면(101)과 피드(109) 사이의 접촉 면적을 향상시킬 수 있도록, 적어도 제1 고온 표면(101)에 결합된 다공성, 섬유질, 프릿형, 소결, 패턴, 핀형, 또는 각인형 습식 증발 요소(108)를 추가로 포함한다. 상기 증발 요소(108)는, (a) 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 불활성 폴리머, (b) 금속 또는 세라믹 스폰지, 다공성 또는 소결된 다공성 물질, (c) 엠보싱된 폴리머 또는 금속, (d) 사출 성형에서 얻어지는 패턴화된 표면, (e) 열적으로, 기계적으로 또는 화학적으로 함께 결합된 섬유로 제조될 수 있다. 상기 셀은 통기 밸브(110), 피드 분배기(111), 응축물(114)을 수집하는 수단(112), 다양한 온도계(113)뿐만 아니라 습도 센서, 압력계, 히트 플럭스 미터 등을 포함하는 다른 감지 요소 또는 장치를 더 포함할 수 있다. 트레인은 만족스러운 열 효율이 얻어지도록 외부 벽을 적어도 부분적으로 둘러싸는 단열재 또는 재료들(115)을 더 포함할 수 있다. 부가적으로, 각각의 셀 내부에서의 정확한 열 균형이 얻어질 수 있도록, 일부 부분은 대기에 노출되거나 또는 히트 싱크와 능동 또는 수동으로 접촉하게 둘 수 있다. 사실상, 각각의 히트 펌프는 (COP+1)/COP의 비율로, 흡수하는 것보다 더 많은 열을 도입하고 있다. 본 배열의 유리한 특징은, 이러한 부가적인 열이 쉽게 제어될 수 있는 가능성이다.
유입 피드(109)는, 다양한 염, 미립자 물질 또는 스케일-형성 탄산염 또는 알칼리성 양이온과 같은, 병원균(pathogen) 또는 용해되거나 용해되지 않는 비휘발성 물질을 함유할 수 있기 때문에, 상기 비휘발성 물질이 지속된 작동 동안 축적되지 않도록, 또는 축적된 경우에는 만족스럽게 제거되거나 진단될 수 있도록, 셀과, 특히 다공성, 섬유질, 프릿형, 소결, 패턴, 핀형 또는 각인형 습식 증발 요소(108)를 세척하는 것이 유리할 수 있다. 상기 세척이 효과적이도록, 유입되는 피드(109)는 제어된 방식으로 도입될 수 있고, 이에 의해 상기 셀을 범람시키고 상기 세척에 영향을 미친다. 상기 세척은 주기적으로 또는 필요하다고 판단될 때 영향 받게 될 수 있으며, 예를 들어, 사용 추정치에 따라, 또는 히트 플럭스 또는 전도성 센서를 사용하여 시행될 수 있다. 하나의 예시적인 적용에서, 열전 모듈(106)은 갑자기 역으로 작동되는데, 즉 열 에너지의 전달로부터 일(work)(예를 들어, 전기 일)을 생성하도록 허용된다. 예를 들어, 시간의 함수로서 전압 및/또는 전류의 특성 감쇠 곡선이 획득될 수 있다. 상기 특성 감쇠 곡선은 다양한 파울링(fouling) 상황과 상관될 수 있으며, 통상적으로 열 에너지의 전달은 셀의 파울링이 증가됨에 따라 더 느리다. 다른 예시적인 적용에서, 습식 증발 요소(108)에서의 물질의 축적은 상기 요소(108)를 습윤시키는 액체의 전기 전도도를 측정함으로써 측정된다. 전형적으로, 전도성은 파울링 또는 적어도 염과 같은 전도성 물질의 축적물과 양(positive)의 상관 관계를 갖는다.
대략 대기압 조건하에서 작동할 경우, 합리적으로 높은 증발 속도를 유지하면서, 그리고 다르게는 고온 표면과 저온 표면 사이에서 현열을 교환함으로써 전체 효율을 감소시킬 셀 내부의 공기의 적어도 일부를 대체하면서, 탄소질 증착물의 발생이 최소화되도록, 증발은 대략 30 내지 100℃, 바람직하게는 40 내지 70℃ 범위의 온도에서 영향 받게 될 수 있다.
응축은 대략 10 내지 90℃, 바람직하게는 20 내지 50℃ 범위의 온도에서 영향 받게 될 수 있고, 셀의 저온 표면 상의 응축 온도는 상기 셀의 고온 표면의 증발 온도보다 낮다.
임의의 주어진 셀의 임의의 두 고온 및 저온 측 사이의 온도 차이는 약 1 내지 40℃, 바람직하게는 10 내지 20℃로 하여, 상기 히트 펌프가 합리적으로 양호한 열 효율 또는 적어도 1 보다 큰, 바람직하게는 2와 7 사이의 높은 성능 계수(COP)로 작동하도록 한다. Thermonamic TEC1 시리즈와 같은 상업적으로 이용 가능한 열전 장치는, 고온 및 저온 측의 온도 차이가 5 내지 20℃의 범위에 있고 저온 측 상에서 흡수되는 열이 5 내지 50W일 때, 2 내지 5 범위의 COP 값을 얻을 수 있다.
임의의 주어진 유한 히트 플럭스(단위 표면적당 전력)에 대해, 증발 및 응축 요소 내부에 약간의 온도 구배가 존재할 것이다. 따라서, 증발 및 응축 사이의 온도 차이는 일반적으로 히트 펌프의 고온 및 저온 측 사이의 온도 차이보다 작을 것이다. 증발 및 응축 사이의 상기 온도차는 대략 0.1 내지 20℃, 바람직하게는 0.5 내지 10℃이다.
다른 열전 장치를 사용하여 다른 값을 얻을 수도 있다. 또한, 기술이나 제조의 발전은 확실히 더 효율적이고 강력한 열전 모듈을 쉽게 이용할 수 있게 할 것이다.
또 다른 실시예에서, 어떠한 추가적인 고온 표면(101) 또는 저온 표면(103)도 히트 펌프(106 또는 107)에 결합되지 않는다. 대신에, 105에서 임의의 상기 히트 펌프가 증기 및 응축물에 직접 노출된다. 이 경우, 상기 장치는 보다 용이하게 제조될 수 있다.
도 2에 도시된 다른 예시적인 실시예에서, 장치는, 유입되는 피드(202)가 액체 분배기에 의해 상부로부터 도입되고, 필름의 적어도 일부가 증발되는 각 고온 표면 상에, 물의 자유-강하막을 형성되도록, 강하막 증발 요소(201)를 포함한다. 재순환 펌프(recirculation pump)는 증발되지 않은 일부를 유입 피드로 재활용하기 위해 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 시스템의 요소 중 일부를 소독하기 위해 시스템의 적어도 하나의 지점에 부가된다. 하이포아염소산염과 같은 상기 소독제는, 예를 들어 유용한 또는 부가적인 양의 염화물을 함유할 수 있는, 염화물이 풍부한 물의 전기 분해를 통해 또는 피드 원수의 전기 분해를 통해 현장에서 생성될 수 있다.
다른 실시예에서, UV 램프, 하이포아염소산염 발생기, 혼합 산화제 발생기, 또는 오존 발생기와 같은 소독 요소가, 일부 요소를 소독하는 데 사용될 수 있도록, 적어도 하나의 셀에 포함된다.
다른 실시예에서, 적어도 제1 고온 표면 또는 적어도 제1 저온 표면은 금속 재료 또는 열가소성 폴리머 재료, 예를 들어 다양한 등급의 스테인리스 스틸, 티타늄, 구리, 알루미늄, 황동 또는 청동, 또는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌으로 제조되며, 선택적으로 구리계, 흑연계 또는 니켈계 입자와 같은 열-전도성 강화제를 포함한다. 상기 폴리머 재료를 사용하면, 예를 들어 알루미늄 또는 구리를 포함하는 베어(bare) 금속 요소에 대해 부식이 최소화된다.
또 다른 실시예에서, 상기 제1 고온 표면은, 강하막의 최소 습윤률이 감소되어, 장치 내부의 물의 정상 상태 유량이 낮아질 수 있도록, 1.2 내지 50마이크로미터의 평균 표면 거칠기(Ra)를 가질 수 있다. 최소 습윤률은, 그 위로 낙하하는 이용 가능한 표면의 거의 대부분 또는 전부를 커버하는 강하막을 생성하는 유량(단위 시간당 질량 단위 및 흐름에 수직인 단위 길이당 질량 단위)이다. 놀랍게도, 강하막의 최소 습윤률은, 커버되는 표면적의 도메인(domain)에서의 강한 히스테리시스(hysterisis)를 유량의 함수로서 나타내며, 이는 금속 재료의 표면의 대부분 또는 전부를 강하막으로 커버하기 위해 보다 높은 유량이 초기에 요구될 수 있으나, 그 후에 형성된 막을 사실상 파괴하지 않으면서 더 낮은 특정 값으로 안전하게 낮춰질 수 있다는 것을 의미한다. 상기 히스테리시스 현상으로 인해, 상기 더 낮은 특정 값은 상기 강하막을 초기에 형성하는데 필요한 유량보다 1.5 내지 5배까지 더 낮을 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 평균 표면 거칠기는 2 내지 20마이크로미터로 더 한정될 수 있으며, 상기 더 낮은 특정 값은 상기 초기 최소 습윤률보다 2 내지 3배 더 낮은 것으로 한정될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 장치의 적어도 일부 부분은 사출에 의해 일체형(one-piece)으로 성형되고, 상기 일체형 피스는 열전 모듈이 도입될 수 있는 슬릿을 포함한다.
다른 실시예에서, 장치의 적어도 일부는 탈착 가능하며 식기 세척기로 세척 가능하다. 증류 셀이 개별적으로 구성 또는 제조되지 않고, 그 대신에 2개의 인접한 하프-셀, 하나의 증발 하프-셀 및 하나의 응축 하프-셀이 조립되는 경우에만 형성(materialize)되고, 조립되고, 분해될 때는 완전히 노출된다는 것이 본 발명의 장치의 구성에 고유하다. 유리하게는, 최종 사용자는 원하는 경우 요소를 분해, 세척, 청소, 살균, 검사, 저장 및 교체할 수 있다. 전술한 바와 같이, 개시된 장치의 구별된 특징은, 동일한 모듈의 물리적인 일부이며 그 활성 표면이 각각 모듈의 반대 측 상에 있는, 2개의 인접한 하프-셀, 하나의 증발 하프-셀 및 하나의 응축 하프-셀이 본 명세서에서 기술된 방식으로 조립되어야만 형성되는 N total 증류 셀의 트레인을 포함하여, 분해될 때 상기 표면을 노출시키고, 내부의 열전 요소를 보호한다는 점에 있다. 2개의 인접한 개별 열전 모듈에 포함된 임의의 2개의 하프-셀의 조립 및 분해가 용이하게 수행될 수 있다.
다른 실시예에서, 트레인은 적어도 압축기, 진공 펌프, 이젝터, 냉각-응축 표면, 실린더 및 피스톤, 또는 유사한 수단에 연결된다. 이는 내부 압력이 미리 결정된 값, 특히 대기압과 다른 값으로 설정될 수 있게 한다.
다른 실시예에서, 트레인은 고온 또는 저온 표면 중 적어도 일부에 부착된 온도계를 더 포함한다. 상기 온도계는, 주로 각각의 열전 요소에 공급되는 전력을 제어함으로써 트레인의 정상 작동을 제어하는 처리 유닛으로 그의 온도 판독을 릴레이한다. 간단한 제어 루프에서, 고온 표면의 온도가 감소하는 경우, 대응하는 열전 요소에 공급되는 전력이 증가될 수 있다. 공급된 전력이 증가되는 경우에, 그의 저온 표면 상의 온도가 동시에 감소할 수 있다는 것이 고려되어야 한다. 대안적으로, 저온 표면의 온도가 증가하면, 대응하는 열전 요소에 공급되는 전력이 증가될 수 있다. 따라서, 처리 유닛은 트레인의 동작을 성공적으로 제어하기 위해, 완전한 트레인을 모델링해야 한다. 상기 처리 유닛은 펌프 또는 밸브를 제어함으로써 액체 레벨을, 펌프 또는 밸브를 제어함으로써 강하막의 두께를, 또는 벤트(vent)를 제어함으로써 압력을 더 제어할 수 있다.
도 3에 도시된 다른 예시적인 실시예에서, 열적으로 결합된 셀의 트레인은, 트레인이 열적으로 폐쇄되어 연속적인 경로를 기술하도록 배열되며, 즉 임의의 주어진 셀이 적어도 2개의 다른 셀과 열교환할 수 있으며, 이는 예를 들어 트레인이 직선 라인의 셀인 경우 발생할 수 있는, 저온 또는 고온 단부가 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 저온 또는 고온 단부를 포함하지 않는 이러한 배열의 일 예는, 링(ring) 또는 케이크(cake)의 형태일 수 있으며, 여기서 각각의 대략 삼각형 슬라이스는 적어도 하나의 셀을 포함한다. 간략화를 위해, 도 3의 예시적인 실시예는 6개의 셀을 도시한다. 다른 이러한 배열에서 6개보다 적거나 많은 셀이 포함될 수 있다. 각각의 상기 대략 삼각형인 슬라이스는 전술한 바와 같이 고온 표면과 저온 표면 사이에 형성된 챔버가 얇도록 되어야 한다. 챔버(302)를 통한 물질 전달이 균일하게 이루어지기 위해, 증발 및 응축이 일어나는 표면은 서로 평행할 수 있다. 두 특성은 작은 각도(θ)를 채용함으로써 이루어질 수 있다. 대안적으로 또는 동시에, 습식 증발 요소(301) 및 응축 요소(303)는 삼각형 슬라이스에 의해 주어진 각진 형상에 대응(counter-act)하도록 대응-삼각형의 모양일 수 있다. 따라서, 고온 및 저온 측이 평행하지 않은 경우에도 고온 및 저온 표면 사이의 얇은 챔버 또는 공간(302)은 평행하다. 상업적으로 이용 가능한 열전 요소가 채용될 때, 파이(pie) 중심까지의 거리에 따라, 삼각형 슬라이스의 각도(θ)는 대략 1° 내지 30°, 바람직하게는 6° 내지 15°에 도달할 수 있다. 완전한 파이는 완전 원형 아크, 즉 360°를 커버한다. 따라서, 완전한 파이의 셀의 수는 360°/θ이다. 1°는 360로, 30°은 12로, 6°는 60으로, 및 15°는 24로 변환한다. 상기 폐쇄 배열은 도 4에 도시된 바와 같이 반드시 규칙적일 필요는 없다.
도 5에 도시된 예시적인 실시예에서, 방법은, 예를 들어 해수, 기수, 지하수, 수돗물, 소변, 우수, 하수, 중수(greywaters)와 같은, 가능한 음용 불가능한, 불순하거나 또는 적어도 불쾌한 물-함유 액체(501)를 수용하는 단계를 포함한다. 상기 물-함유 액체는 즉시 또는 추가 사용을 위해 탱크(503)에 저장될 수 있다. 밸브(502)를 통해 직접적으로 또는 상기 탱크(503)로부터, 상기 물-함유 액체는 그 후 정화 유닛(504)으로 공급되며, 정화 유닛(504)은 상기 액체로부터 실질적으로 분자 물(즉, H2O) 자체 이외의 모든 화합물을 스트립(strip)하고, 이외의 모든 화합물은, 예를 들어 통상적으로 발생하는 리튬(Li+), 나트륨(Na+), 칼륨(K+), 마그네슘(Mg2+), 칼슘(Ca2+), 불화물(F-), 염화물(Cl-), 설페이트(SO4 2-), 아황산염(SO3-), 질산염(NO3-), 아질산염(NO2-), 탄산염(CO3 2-), 중탄산염(HCO3-), 인산염(HxPO4 (3-X)-), 하이포아염소산염(ClO-), 염소산염(ClO3-); 1차-, 2차-, 3차-클로라민 또는 클로로아민(H2NCl)의 이온; 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 비소(As), 수은(Hg), 납(Pb)의 금속 및 준금속 화합물, 또는 이들의 순수 이온, 수산화물, 수화물, 복합 이온 또는 유도체를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 분자 물 이외의 상기 화합물은 알콜, 산, 염기, 페놀, 오일, 탄화수소, 방향족, 왁스, 용해된 기체, 미립자 물질, 현탁된 고체, 우레아, 바이러스, 박테리아, 낭포, 병원균, 퍼플루오로옥탄산(PFOA), N-니트로소디메틸아민(NDMA), N-니트로소다이에틸아민(NDEA), 또는 다른 니트로사민과 같은 혼화성(miscible) 또는 부분-혼화성 액체를 추가로 포함할 수 있다.
화합물을 용해된 상태 또는 현탁된 상태로 유지하기에 적어도 충분한 양의 물을 갖거나, 또는 기체 상태에 있는 상기 화합물은, 연속, 배치(batch) 또는 세미-배치(semi-batch) 단계를 이어서 퍼지(505)를 통해 시스템으로부터 제거되거나 퍼징된다.
상기 단계가 연속 공정으로 이루어지면, 정화 장치에 공급되는 액체의 일부는 상기 화합물에서 풍부하게 된 후에 퍼지(505)로서 폐기된다. 예를 들어, 각 100파트(part)의 피드 원수에 대해 1파트의 오염물이 있을 수 있다. 하나 이상의 정화 단계 후에, 예를 들어, 장치 내의 일부 주어진 용기 또는 위치에서 각각의 20파트의 원수에 대해 1파트의 오염물이 남아 있을 수 있어, 즉, 장치는 사실상 순수한 물을 제거함으로써 오염물에서 원수를 성공적으로 풍부하게 하여, 이는 후속적으로 원하는 물질로서 얻어진다. 따라서, 상이한 농도의 오염물을 함유할 수 있는, 얻어진 오염물이 풍부한 물은 시스템으로부터 예를 들어, 배수로 퍼징되어, 장치 내부의 시간-평균 정상-상태 질량 균형을 유지한다.
상기 단계가 배치 또는 세미-배치 공정으로 이루어지면, 상기 화합물은 세척 단계 동안 제거될 수 있으며, 정화 유닛에서 상기 화합물로 점진적으로 풍부하게 된 일부 요소, 예를 들어 필터, 이온-교환 막 또는 수지, 물이 증발되는 용기, 또는 물이 증발되는 다공성 습식 증발 요소는, 상기 화합물을 용해, 희석 또는 끌어내(drag)도록 충분한 피드 액체로 세척된다. 대안적으로, 풍부해진 액체는 추가적인 희석 또는 세척 없이 간단히 배출될 수 있다.
다른 실시예에서, 원수에 스트리핑(stripping) 단계(510)가 적용되며, 암모니아, 산소, 이산화탄소, 벤젠, 사염화탄소, 1,2-디클로로에탄, 에틸벤젠, 톨루엔과 같이 존재할 수 있는 적어도 일부 휘발성 화합물, 또는 아트라진(atrazine), 카보푸란(carbofuran), 디쿼트(diquat) 또는 린단(lindane)과 같은 덜 휘발성일 수 있는 오염물은 적어도 부분적으로 제거된다.
상기 스트리핑 단계는 (도 5에서와 같이) 유입 원수 피드와 접촉하는 기상의 적어도 일부를 배출(vent)함으로써 수행될 수 있고, 이는 추가 정화가 적용되기 전에, 정화 단계 사이에, 또는 물이 그 비휘발성 오염물로부터 정화된 후에 수행될 수 있다. 상기 스트리핑 단계는, 전기 가열 소자를 사용하여 열전 요소의 고온 측을 가열하거나, 장치의 다른 부분으로부터 열을 회수함으로써, 보다 낮은 압력에서 플래싱하고 펌핑하거나, 보다 높은 압력으로 펌핑하고 플래싱하거나, 자연 또는 강제 대류 하에서 공기와 같은 캐리어 가스와 접촉하여 분사 또는 통기시킴으로써 가열 단계를 포함할 수 있다. 스트립 속도는 무한 희석에 대한 헨리의 법칙 근사(Henry's law approximation)에 의해 추정될 수 있다.
상기 스트리핑 단계는 잠열을 제거함으로써 이에 따라 장치에 걸쳐 열 균형을 유지하여 온도의 균등화를 도울 수 있다. 유입 유동의 대략 1%의 증발은 일반적으로 1 보다 낮고 (COP+1)/COP와 동일한 정의로 열역학적 효율의 히트 펌프에 의해 도입된 과잉 열과 대략 일치한다.
다른 실시예에서, 정화된 물은 전기 가열 요소로 가열하여 유입 원수 피드를 증발시킴으로써 얻어지고, 상기 증발은 우세한 압력에서 액체의 끓는점 또는 그 이하에서 일어날 수 있다. 생성된 증기는 주변 대기로 열을 방출함으로써 응축된다. 물의 정화는 적어도 일부 휘발성 화합물의 스트리핑 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어 CaCO3, MgCO3와 같은 용액으로부터 비가역적으로 침전된 고체 화합물을 제거할 필요가 있는 경우, 산, 염기 또는 다른 세제와 같은 화학물질이 첨가될 수 있다.
또한, 병원균 제거가 필요한 경우, 하이포아염소산염, 하이포브로마이트(hypobromite), 과산화수소와 같은 화학물질이 첨가될 수 있다.
대안적으로, 시스템의 일부는 소독 효과를 얻기 위해 UV 또는 감마선(gamma-rays)과 같은 고온 또는 방사가 적용될 수 있다.
얻어진 정수는 탱크(506)에 저장되거나 즉시 사용될 수 있다. 본 발명은 섭취될 수 있는 양호한 품질의 물을 제공한다.
상기 정수는 그의 바람직한, 쾌적한 냄새 및 향미뿐만 아니라 균형잡힌 식이에 요구되는 충분한 전해질을 제공하는 임의의 미네랄이 결여되어 있다.
상기 정수는 재광물화 단계(508)에서, 그 전해질 조성 또는 감각 수용성(organoleptic) 특성이 향상되어, 가능하게는 최상의 이용 가능한 미네랄 워터에서 발견되는 객관적 및 주관적인 특성에 도달하거나 심지어는 능가할 수 있도록 재광물화될 수 있다. 고품질 재광물화된 물(509)은 상기 방법의 최종 생성물로서 얻어진다.
재광물화는 미리 제형화된 조성물의 알약을 장치 외부의 용기에서 용해시킴으로써 수행될 수 있거나, 또는 장치 내부 또는 외부에서 인라인(in-line) 또는 용기에서 미리 제형화된 분말 또는 그 용액의 농축된 형태의 수동 또는 자동 투여(507)에 의해 수행될 수 있거나, 또는 캡슐, 포드(pod), 투과성 봉투, 이온-교환 수지, 또는 캡슐-기반 커피 기계와 유사한 방식으로 광물 및 화학물질의 미리-제형화된 조성물을 함유하는 유사한 요소를 통해 상기 정수를 안내 또는 가압함으로써 수행될 수 있다.
예를 들어, 피지(Fiji) 또는 에비앙(Evian-les-Bains)으로부터 소싱된 물이 각각의 화합물 및 가스의 정확한 양을 추가함으로써 정확하게 복제될 수 있도록, 다양한 제형의 분류가 이용될 수 있다.
실시예
에너지 성능
본 발명의 방법 및 장치의 에너지 성능은 종래 기술로부터의 물의 정화 및/또는 재광물화 장치의 에너지 성능과 비교되었다.
본 발명의 장치는 TEC1-12706 열전 요소를 사용하여 제조하였다. 실험 조건은 대략 3, 4 및 5의 COP 값에 대응하였다.
장치의 각 셀은, 밀접하게 접촉하는 기계 가공된 알루미늄과 대략 2mm 두께의 다공성 합성 시트로 제조된 습식 증발 요소, 및 유사하게 기계 가공된 알루미늄으로 제조된 응축 요소를 포함하였다. 두 요소는 각각의 열전 요소와 밀접하게 접촉하였다. 완전한 트레인은 외부 클램프에 의해 함께 가압되는 3개의 셀을 포함하였다. 각각의 알루미늄 요소를 통과하며 이에 대응하여 각각의 다공성 합성 시트와 접촉하는 피드 구멍에 연결된 호스(hose)에 의해 원수가 공급되었고, 모세관 및 습윤 효과에 의해 물을 취하면서, 습식 증발 요소가 항상 젖은 상태로 유지되도록 외부 액체 레벨을 유지하였다. 응축물은 각각의 알루미늄 요소를 통과하는 구멍에 연결된 다른 호스에 의해 유사하게 수집되어 각 응축 요소로부터 떨어지는 응축물을 수집하였다. 온도는 교정된 열전쌍(calibrated thermocouples)으로 내부적으로 측정되었고, 또한 IR 센서를 사용하여 외부적으로 측정되었다. 열 개방 루프(thermally open loop)로서, 전기 저항을 갖는 단자 열전 모듈(terminal thermoelectric module)의 저온 측에 열이 공급되었고, 열은 냉각 팬으로 다른 단자 열전 모듈의 고온 측으로부터 유사하게 제거되었다.
장치 1은 원수를 증발시키는데 사용되는 전기 가열 요소(즉, 가열 코일)이며, 응축은 별개의 동작으로 한다.
장치 2는 Kambic d.o.o.로부터 입수 가능한 DV-4 증류기이다.
장치 3은 라이프 베이시스(Life Basis)로부터 입수 가능한 4L 증류기이다.
25℃ 및 1atm에서 1kg의 물을 정화하기 위한 획득된 에너지 소비가 표 1에 도시되어 있다.
표 1- 본 발명과 종래 기술의 물 정화에 대한 비교
| 장치 1 | 장치 2 | 장치 3 | 발명 (COP = 3) |
발명 (COP = 4) |
발명 (COP = 5) |
|
| 에너지 소비 (kWh) | 0.715 | 0.750 | 0.750 | 0.218 | 0.164 | 0.131 |
15W의 열이 저온 표면에서 흡수되도록 하는 조건에서 본 발명을 사용하면, 연속 동작에서 셀당 하루에 대략 520g의 증류수가 얻어지는 것으로 발견하였다.
따라서, 본 발명의 방법은 종래 기술의 방법보다 더 에너지 효율적이다. 본 발명의 장치 및 방법은 가정용 물 소비에 적합한 속도로 정화 및/또는 재광물화된 물을 얻기 위해 사용될 수 있고, 이에 의해 포장 및 분배를 위한 PET 물질의 필요성을 감소시킨다.
표면 거칠기
상업적으로 입수 가능한 SAE 304 및 SAE 316 스테인리스 스틸 시트가 절단되었고, 표준 샘플과 비교하여 결정된 바와 같이, 대략 Ra = 12.5마이크로미터로 거칠게 하였고, 조절된 재순환 펌프, 물 저장소, 온도계 및 물 분배기를 포함하는 강하막 셋업에 배치하였다. 초기 최소 습윤은 대략 0.12kg/cm-min으로 측정되었고, 이러한 특정 셋업에서, 거칠어진 표면의 실질적인 습윤은 0.03kg/cm-min까지 유량을 낮추면서도 유지될 수 있었다. 거칠어지지 않은(즉, 매끄러운) 시트는 약 0.33kg/cm-min의 초기 최소 습윤률을 나타내었다.
실험으로부터 알 수 있는 바와 같이, 강하막 요소가 없었다면, 유량은 훨씬 더 크기가 컸을 것이다. 펌핑 전력이, 열전 요소에 공급되는 전력과 크기가 비슷하기 때문에, 이는 장치의 에너지 효율을 감소시킬 것이다. 또한, 각 셀 내부의 갭은 유량의 제곱근에 대략 비례하는 두께의 강하막을 포함하도록 더 커질 것이다. 또한, 강하막을 통한 단상(single-phase) 열 흐름은 더 두꺼운 강하막에서 감소된다.
Claims (20)
- 수평 배열로 된 복수의 열전 모듈을 포함하는 물의 정화(purification) 및/또는 재광물화(remineralization)를 위한 장치로서, 각각의 상기 모듈은 고온 측 및 저온 측을 포함하며, 적어도 제1 고온 표면은 상기 고온 측에 열적으로 결합되고, 적어도 제1 저온 표면은 상기 저온 측에 열적으로 결합되고, 상기 고온 표면은 액체를 상기 제1 고온 표면에 접촉시키기 위한 수단을 포함하며, 상기 수단은 강하막 요소 또는 다공성, 섬유질, 프릿형(fritted), 소결, 패턴, 핀형(finned), 또는 각인형(carved) 습식 증발 요소로부터 선택되는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 고온 표면은 1.2 내지 50마이크로미터의 평균 표면 거칠기를 갖는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 고온 표면은 2 내지 20마이크로미터의 평균 표면 거칠기를 갖는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고온 표면과 상기 저온 표면 사이의 간격은 1 내지 40mm인, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고온 표면과 상기 저온 표면 사이의 간격은 5 내지 15mm인, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 1에 있어서,
트레인(train) 내의 열전 모듈의 위치에 따라, 상기 고온 표면의 온도는 대략 30 내지 100℃의 범위에 있고, 유사한 방식으로, 상기 트레인 내의 열전 모듈의 위치에 따라, 상기 저온 표면의 온도는 대략 10 내지 90℃의 범위에 있는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 고온 표면의 온도는 대략 40 내지 70℃의 범위에 있고, 상기 저온 표면의 온도는 대략 20 내지 50℃의 범위에 있는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 물 정화 및/또는 재광물화 장치는, UV 램프, 하이포아염소산염 발생기(hypochlorite generator), 혼합 산화제 발생기 및 오존 발생기로 구성된 그룹으로부터 선택된 소독 요소를 더 포함하는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 1에 있어서,
각각의 상기 열전 모듈은, 대향하는 측 상에 하나의 증발 하프-셀 및 하나의 응축 하프-셀을 포함하며, 각각의 상기 열전 모듈은 실링 수단을 포함하는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고온 표면 또는 상기 저온 표면 중 적어도 하나는 금속 재료 또는 열가소성 폴리머 재료로 제조되는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 10에 있어서,
적어도 하나의 고온 표면 또는 저온 표면은 스테인리스 스틸, 티타늄, 구리, 알루미늄 또는 이의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 재료, 또는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 또는 이의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 열가소성 폴리머 재료로 제조되는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 열가소성 폴리머 재료는 구리계, 흑연계, 또는 니켈계 입자를 더 포함하는, 물 정화 및/또는 재광물화 장치. - 물을 정화하는 물 정화 방법에 있어서,
청구항 1에 기재된 물 정화 및/또는 재광물화 장치에 원수 피드(raw water feed)를 공급하는 단계,
유입 원수 피드의 적어도 일부를 적어도 고온 표면에 접촉시키는 단계,
증기 스트림(vapor stream)을 얻기 위해, 상기 유입 원수 피드의 상기 일부의 적어도 일부를 증발시키는 단계,
상기 증기 스트림을 적어도 저온 표면으로 수송하는 단계, 및
상기 저온 표면에서 상기 증기 스트림을 응축시키는 단계를 포함하는 물 정화 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 제1 고온 표면은 1.2 내지 50마이크로미터의 평균 표면 거칠기를 갖는 물 정화 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 제1 고온 표면은 2 내지 20마이크로미터의 평균 표면 거칠기를 갖는 물 정화 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 증발시키는 단계는 대략 30 내지 100℃ 범위의 온도에서 수행되는 물 정화 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 응축시키는 단계는 대략 10 내지 90℃ 범위의 온도에서 수행되는 물 정화 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 응축시키는 단계는 대략 20 내지 50℃ 범위의 온도에서 수행되는 물 정화 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 응축된 증기 스트림을 재광물화하는 단계를 더 포함하는 물 정화 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 재광물화하는 단계는 상기 물 정화 및/또는 재광물화 장치 외부의 용기에서 수행되는 물 정화 방법.
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