KR20210134371A - 물로부터의 난분해성 유기 화합물들의 제거를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

물로부터의 난분해성 유기 화합물들의 제거를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20210134371A
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테렌스 케이. 레이드
피터 지. 바우만
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아쿠아-에어로빅 시스템즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은, 미크론 이하 분말 활성탄을 사용하여, 물로부터의 그리고 특히 지하수 및 음용수로부터의, PFAS 및 다른 난분해성 유기 화합물 오염물질의 제거를 증가시키기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

Description

물로부터의 난분해성 유기 화합물들의 제거를 위한 시스템 및 방법
본 발명은, 물로부터, 퍼플루오로알킬 물질 및 폴리플루오로알킬 물질을 포함하는, 난분해성 유기 화합물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 세라믹 멤브레인 여과와 함께 미크론 이하(sub-micron) 분말 활성탄을 사용하여, 물로부터 그러한 오염물질을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 배출된 탄소의 농축 및 제거를 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
퍼플루오로옥탄 황산("PFOS") 및 퍼플루오로옥탄산("PFOA")과 같은, 그들의 전구체 및 관련 범위를 포함하는, 퍼플루오로알킬 물질 및 폴리플루오로알킬 물질("PFAS")은, 물 및 오일에 내성이 있는 화합물들이다. 이들은, 카펫, 실내 장식품 및 소방용 발포체들을 포함하는, 광범위한 산업 분야에서 사용되어 온, 인공 화합물들이다. 그러나, 그러한 화합물들은, 생물 축적성의 그리고 공지의 발암 물질이며, 그리고 물로부터의, 그리고 특히 지하수 및 음용수로부터의 그들의 제거는, 중요한 환경 문제이다. 강한 불소-탄소 결합으로 인해, PFAS 화합물들은, 생물학적 및 화학적 산화를 포함하는 통상적인 처리 방법들에 대한 내성이 있다.
물로부터의 PFAS의 제거에 대한 더욱 통상적인 접근법들 중의 하나가, 입상 활성탄("GAC") 또는 분말 활성탄("PAC") 처리 시스템들이다. 그의 이름에서 알 수 있는 바와 같이, GAC는, PFAS 및 다른 것들과 같은, 유기 난분해성 화합물들을 포함하는, 다양한 오염 물질을 제거하기 위해, 입상 활성탄을 사용한다. 일반적인 GAC 시스템에서, 탱크가, 입상 활성탄을 수용하고, 탱크는, 오염 물질들이 GAC와 반응하기 위한 충분한 시간 동안 처리될 물의 유동을 유지할 정도로 충분한 크기의 것이다. 반응 도중에, PFAS 및 다른 유기 화합물들은, 입상 활성탄의 표면에 부착되고, 즉 이들은, 입상 활성탄에 의해 흡착된다.
사용 이후에, 유기 오염 물질 화합물들의 흡착은, 시스템이 더 이상 효과적이지 않은 그러한 지점까지, 감소된다. 달리 표현하면, 오염 물질의 흡착이 요구되는 처리 요건보다 작을 때, 돌파(breakthrough)가 생긴다고 한다. 그러한 지점에서, 일반적인 시스템은, 중지되어야만 하며, 그리고 입상 활성탄은, 제거되어야만 하며 그리고 적절하게 재조정되어야만 한다. 여과되는 오염 물질에 의존하여, 소비된 GAC는, 특히 흡착된 PFAS와 함께, 수거되어야만 하며 그리고 소각되어야만 한다. 부가적으로, GAC 시스템의 급속한 돌파 그리고 빈번한 GAC 재생 및 처리의 필요성 때문에, GAC 처리를 위한 운영 비용은, 상대적으로 높다. 비교한 큰 공장 점유공간이 또한, GAC 처리 시스템들을 위해 요구된다.
오염 물질을 흡착하는 GAC의 능력, 그리고 일반적인 돌파 시간은, 탄소의 평균 입자 직경("MPD")에 관련된다. 통상적인 GAC 시스템에서, MPD는, 대략 1,600 미크론이다. 심지어 PAC를 사용하는 시스템들에서도, PAC의 MPD는, 45 미크론 이상이다. GAC 및 PAC 양자 모두에서, PFAS 흡착은, 거대-기공들(macro-pores), 미세-기공들 및 중간-기공들(meso-pores)을 포함하는, 탄소의 다공성 구조에 의해 도움을 받는다. 1차적인 흡착 메커니즘은, PFAS 제거를 위해 가장 중요한 것으로 확인된 거대 기공들 및 중간 기공들과 더불어, 오염 물질의 크기에 의존한다. GAC 및 PAC 양자 모두에 대한 더 큰 MPD와 더불어, 내부 기공들에 대한 접근이 제한되며 그리고, 탄소 입자 내부의 깊숙한 흡착을 위한 이용 가능한 표면적에도 불구하고, 돌파를 생성할 수 있다. 나타난 바와 같이, 돌파 시간은, 더 큰 MPD와 더불어 감소되며, 그리고 탄소 제거 및 폐기 비용은, 증가된다. 부가적으로, 일반적인 GAC 시스템들은, 짧은 사슬 길이(즉, 4, 6 및 7 탄소 사슬) PFAS 화합물들을 효과적으로 제거하지 못한다.
따라서, 물로부터의, 그리고 특히 지하수 및 음용수로부터의, PFAS 및 다른 난분해성 유기 화합물 오염 물질들의 제거를 증가시킬 필요성이 존재한다. 또한, 일반적인 GAC 여과 시스템들의 돌파 시간을 증가시킬 그리고 사용된 재료 폐기의 부담 및 비용을 감소시킬 필요성이 존재한다. 본 발명에서, 미크론 이하 분말 활성탄("SPAC")의 사용 및 그의 더 작은 입자 크기가, 더 낮은 사용률 및 더 빠른 흡착을 초래하는, 더 적은 용적을 필요로 하는, 더 큰 표면적 그리고 증가된 양의 중간 기공들을 제공한다는 것이, 밝혀졌다. SPAC는 또한, 공지의 처리가 그에 대해 효과적이지 않은, 짧은 사슬 PFAS를 제거하는 것에 더욱 효과적이다. SPAC 및 본 발명과 더불어 제공되는 더 큰 표면적 그리고 중간 기공들 및 거대 기공들에 대한 개선된 접근은, 주어진 양의 탄소에 기초하여 GAC의 흡착의 500배 초과까지, PFAS 흡착을 증가시키는 것으로 확인되었다. 부가적으로, 본 발명은, 폐기 비용을 감소시키기 위한, 소비된 SPAC의 농밀화 또는 농축을 제공한다.
따라서, 본 발명은, 공지의 PFAS 제거 시스템들 및 방법들의 장점들을 보존하며, 그리고 새로운 특징들 및 장점들을 또한 제공한다.
본 발명의 목적은, 물로부터, PFAS, 1, 4-디옥산, BTEX 및 기타 많은 다른 것을 포함하는, 난분해성 유기 화합물 오염 물질들을 제거하기 위해 미크론 이하 분말 활성탄("SPAC")을 사용하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, SPAC가 처리될 물의 유입수(influent)로부터 오염 물질을 흡착하기에 충분한, SPAC 및 물 슬러리에 대한 체류 시간을 제공하기 위한, 수착 반응기(sorption reactor)를, 그리고 바람직하게 가압 수착 반응기를, 제공하는 것이다.
본 발명의 부가적인 목적은, 흡착된 오염 물질을 갖는 SPAC로부터 여과된 물을 분리하기 위해 그리고 수착 반응기로 벌크 액체의 일부분을 복귀시키기 위해, 세라믹 멤브레인 필터를, 그리고 바람직하게 고속 교차 유동 세라믹 멤브레인 필터를, 사용하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은, 사용된 SPAC의 제거 및 폐기를 감소시키기 위해, SPAC 복원 및 농도를 증가시키는 것이다.
본 발명의 여전히 부가적인 목적은, 고강도 고속 교차 유동 세라믹 멤브레인 필터 그리고 누출 및 급송(bleed and feed) SPAC 보존 및 복원 시스템을 사용하여, 처리된 물이 SPAC로부터 분리될 때, 폐쇄 루프 시스템 내에 SPAC를 유지하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, SPAC 및 그의 흡착된 오염 물질들로부터 처리된 물을 여과하는 동안에, 세라믹 멤브레인 여과 시스템의 멤브레인들을 닦고 청소하는 것이다.
본 발명의 여전히 추가적인 목적은, PFAS를 포함하는 용해성 및 난분해성 유기 화합물들을 계속 제거할 수 있도록 시스템 내에 SPAC를 유지하기 위해, 세라믹 멤브레인 필터를 사용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 역류 세척(backwash) 빈도 및 역류 세척 폐기물을 감소시키기 위해, 고속 교차 유동 세라믹 멤브레인 필터를 사용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 오염 물질 흡착을 극대화하고 SPAC 사용 및 폐기를 감소시키는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은, 제거 및/또는 폐기의 빈도 및 양을 감소시키기 위해, 소비된 SPAC를 농축시키는 것이다.
본 발명의 목적들에 따라, 물로부터 오염 물질을 제거하기 위한 방법이, 제공된다. 단계들이: 처리될 물의 유입수 유동에 미크론 이하 분말 활성탄(SPAC)을 부가하는 단계; SPAC를 처리될 물과 화합시키는 단계; SPAC 및 물 혼합물 또는 슬러리를 처리를 위한 수착 반응기 내로 도입하는 단계; SPAC가 물 내의 오염 물질을 흡착하기에 충분한 체류 시간 동안, 혼합물이 상기 수착 반응기 내에 유지되는 것을 허용하는 단계; 및 상기 수착 반응기로부터 혼합물 또는 슬러리를 재생 펌프를 사용하여 교차 유동 여과로 작동하는 고속 세라믹 멤브레인 필터 유닛으로 전달하는 단계로서, 처리된 물은 투과물(permeate)로서 방출되며 그리고 SPAC 슬러리는 잔류물(retentate)로서 수착 반응기로 복귀되는 것인, 전달하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, SPAC가 돌파에 도달 시, SPAC 및 흡착된 오염 물질 농축물을 상기 세라믹 멤브레인 필터로부터 농축물 라인을 통해 제거하는 단계; 및 오염 물질 제거를 계속하기 위해 물의 유입수 유동에 새로운 SPAC를 부가하는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 추가로, 바람직한 방법에서, SPAC 및 흡착된 오염 물질은, 잔류물이 농후화될 때까지, 수착 반응기로의 유입수 유동을 종료시킴에 의해 그리고 재생 펌프의 작동을 계속함에 의해, 제거를 위해 농후화되며, 그리고 그 후에, 폐기를 위해 농축물 라인을 통해 제거된다. 세라믹 멤브레인 필터의 멤브레인들은, 대략 0.1 미크론의 공칭 기공 크기 장벽(nominal pore size barrier)을 구비한다. 바람직한 방법에서, 유입수 유동은 1 Qi이며, 그리고 SPAC 및 유입수의 혼합물은, 수착 반응기로부터 세라믹 멤브레인 필터로 유입수의 10배(10 Qi)로 펌핑된다. 또한 바람직한 것으로서, 투과물은, 세라믹 멤브레인 필터로부터 유입수 유동의 1배(1Qi)의 유량으로 방출되며, 그리고 잔류물은, 바람직하게 유입수 유동의 9배(9 Qi)인, Qr의 유량으로 수착 반응기로 복귀된다. 바람직하게, SPAC는, 대략 1 미크론 미만의 평균 입자 직경을 갖는다.
또한, 물로부터, PFAS를 포함하는, 오염 물질을 제거하기 위한 시스템이, 제공된다. 시스템은: 유입수 라인 및 유입수에 SPAC를 부가하기 위해 상기 유입수 라인과 소통 상태에 놓이는 SPAC 급송 라인과 유체 소통 상태에 놓이는, 가압 수착 반응기로서, 수착 반응기는, 처리될 물의 유입수 유동 및 미크론 이하 분말 활성탄(SPAC)을 수용하고, 수착 반응기는, 충분한 잔류 시간 동안 유입수 및 SPAC 슬러리를 유지할 수 있어서, 제거될 오염 물질이 슬러리 내의 SPAC에 의해 흡착되도록 하는 것인, 가압 수착 반응기; 상기 수착 반응기의 방출부와 소통 상태에 놓이는 슬러리 방출물 라인 및 상기 슬러리 방출물 라인 내의 재생 펌프; 상기 수착 반응기의 상기 슬러리 방출물 라인과 유체 소통 상태에 놓이는, 교차 유동 세라믹 멤브레인 필터로서, 상기 재생 펌프는, 흡착된 오염 물질을 갖는 SPAC를, 처리된 물을 투과물로서 오염 물질-흡착 SPAC로부터 분리하는, 세라믹 멤브레인 필터 유닛으로 고 유량으로 전달하는 것인, 교차 유동 세라믹 멤브레인 필터; 처리된 물을 투과물로서 제거하기 위한, 상기 세라믹 멤브레인 필터와 유체 소통 상태에 놓이는 투과물 라인; SPAC 슬러리를 상기 유입수 라인으로 복귀시키기 위해 상기 세라믹 멤브레인 필터 및 상기 수착 반응기와 유체 소통 상태에 놓이는 잔류물 라인; 및 돌파 시 SPAC를 제거하기 위한 농축물 라인을 포함한다. 바람직한 시스템은, 세라믹 멤브레인 필터가 대략 0.1 미크론의 공칭 기공 크기 장벽을 갖는 경우에, 대략 1 미크론 미만의 평균 입자 직경을 갖는 SPAC를 사용한다. 시스템의 실시예가 또한, 유입수 라인과 유체 소통 상태에 놓이는, SPAC 급송 시스템을 포함할 수 있을 것이다.
용어들에 대한 발명자의 정의
본 특허의 여러 청구항들 및/또는 명세서에 사용될 수 있는 뒤따르는 용어들은, 법률의 요건과 합치하는 그들의 가장 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다:
본 명세서에 사용되는 바와 같은 (또한 Qi로 지칭되는) "유입수" 또는 "유입수 유동"은, 오염 물질 제거 시스템 내로 도입되는, 처리될 액체(물 또는 폐수)를 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "투과물" 또는 "여과물"은, 오염 물질 제거 시스템에 의한 처리 그리고 SPAC 및 그의 흡착된 오염 물질의 분리 이후의, 처리된 유체 또는 유체 유동을 지칭할 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "잔류물" 또는 "잔류물 유동(Qr)"은, 투과물 또는 여과물이 그로부터 제거되는, SPAC 함유 벌크 액체 또는 슬러리를 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "SPAC"는, 바람직하게 목재 기반이며 그리고 바람직하게 대략 1 미크론 미만의 평균 입자 직경을 갖는, 미크론 이하, 또는 초-미세, 분말 활성탄을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "PFAS"는, 퍼플루오로옥탄 황산(PFOS) 및 퍼플루오로옥탄산(PFOA) 뿐만 아니라, 짧은 사슬 퍼플루오로알킬산(PFAA) 및 그의 전구체들을 포함하는, 넓은 범위의 퍼플루오로알킬 물질 또는 폴리플루오로알킬 물질을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 PFAS는 또한, 개괄적으로 다른 난분해성 유기 화합물들을 지칭할 수 있을 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "돌파(Breakthrough)"는, 더 이상 요구되는 그리고 효과적인 처리를 위한 충분한 수준으로 오염 물질을 흡착할 수 없는, SPAC를 지칭한다.
명세서 또는 청구범위에서 대안적인 의미가 가능한 경우, 가장 넓은 의미가, 당업자의 이해와 일치하는 것으로 의도된다. 청구범위에서 사용되는 모든 단어는, 문법, 무역 및 영어 언어의 일반적이고 관례적인 활용으로 사용되는 것으로 의도된다.
본 발명의 진술된 그리고 진술되지 않은 목적들, 특징들 및 장점들(때때로 단수로 사용되지만 복수를 배제하지 않음)은, 뒤따르는 설명 및, 유사한 참조 부호들이 다양한 도면에서 유사한 요소들을 나타내는, 도면으로부터 명백해질 것이다:
도 1은, 자체의 기본적 형태의, 본 발명의 바람직한 오염 물질 제거 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 더욱 포괄적인 바람직한 오염 물질 제거 시스템의 개략도이다.
청구되는 발명의 바람직한 실시예들 또는 가장 대표적인 예들인 것으로 현재 믿어지는 것에 대한 설명이, 아래에 기술된다. 실시예들 및 바람직한 실시예들에 대한 미래의 그리고 현재의 대안예들 및 수정예들이, 예상된다. 기능, 목적, 구조 또는 결과에 관한 비실질적인 변화를 가하는 모든 대안예들 또는 수정예들이, 본 특허의 청구 범위에 의해 커버되는 것으로 의도된다.
본 발명의 바람직한 PFAS 제거 시스템 및 방법이, 도 1에 그의 기본적 형태로 도시된다. 시스템은, 시스템 내로 처리될 물의 유입수의 유동(Qi)을 도입하는, 유입수 라인(11)을 포함한다. SPAC(12)가, 일반적으로 이하에 설명되는 바와 같은 탄소 급송 조립체 또는 다른 수단을 사용하여, SPAC 급송 라인(13)을 통해 유입수(Qi)에 부가된다. 혼합기(14)가, 선택적으로, 처리될 벌크 액체 또는 슬러리를 형성하도록 유입수와 SPAC(12)를 혼합하는 것을 돕기 위해, 포함될 수 있을 것이다. SPAC(12) 및 유입수 슬러리는, 이어서, 급송 펌프(16)에 의해 슬러리 급송 라인(15)을 통해 수착 반응기(20)로 펌핑된다. 급송 펌프(16)는, 유입수 유동 및 SPAC 슬러리를 설계 유량(Qi)으로 펌핑하도록 크기 결정된다. 급송 펌프(16)는, 슬러리 급송 라인(15)을 통해 수착 반응기(20)로, SPAC 슬러리와 함께 유입수를 Qi로 펌핑한다.
바람직한 실시예에서, 시스템들 및 방법은, 대략 1 미크론 미만의 평균 입자 직경(MPD)을 갖는, 목재 기반 SPAC(12)를 활용한다. 미크론 이하 분말 입자들의 사용은, 더 빠르고 더 효과적인 오염 물질 흡착을 허용하기 위해, 더 큰 단위 질량당 외부 표면적 그리고, 입자들 내에 내포되는 중간 기공들의 증가된 양 및 그러한 중간 기공들에 대한 증가된 접근을 제공한다. 또한, 더 큰 오염 물질 노출 및 더 낮은 활용 비율을 허용한다. 결과적으로, 이는, 무엇보다도, 짧은 사슬 PFAS 제거에 효과적인 것으로 입증되었다.
SPAC(12)는, 그의 비교적 낮은 현재 수요 때문에, 현재 비축되고 쉽게 이용 가능한 재료로 여겨지지 않는다. 그러나, 이는, GAC 및/또는 PAC로부터 용이하게 제조될 수 있으며, 당업자에 의해 이해될 것으로서, 그에 대한 많은 공지의 제조업체들이 존재한다. 일부 공지의 GAC/PAC 제조업체들은, 아스버리 카본스 인크(Asbury Carbons, Inc.), 날코 워터(Nalco Water) 및 칼곤 카본(Calgon Carbon)을 포함한다. 이들 및 다른 GAC/PAC 제조업체들은, 또한, SPAC를 생산하기 위해 이용 가능한 연삭 프로세스들을 구비한다. 예를 들어, 아스버리 카본스는, 매우 짧은 소요 시간과 더불어 GAC 또는 PAC로부터 SPAC를 생산할 수 있는, 쉽게 이용 가능한 연삭 프로세스를 구비한다. 따라서, 본 발명의 SPAC의 공급원은, 당업자들에게 쉽게 이용 가능하다.
바람직한 실시예에서, SPAC(12)는, 취급의 용이성 및 궁극적인 사용을 위해, 액체 슬러리로 제조되며 그리고 처리 현장으로 배송될 것이다. 예를 들어, 1 미크론 SPAC 및 물의 10% 슬러리(100 그램의 탄소/리터)가, 본 발명에서의 사용을 위해 바람직한 것으로 확인되었다. 이하에 설명되는 바와 같이, 본래의 SPAC(12) 슬러리는, 수착 반응기(20)로 전달될 작업 농도까지, 처리될 유입수에 의해 추가로 희석된다. SPAC 슬러리가 100 그램의 탄소/리터인 바람직한 실시예에서, 슬러리는, 수착 반응기(20) 내에서 대략 0.5 내지 2 그램의 탄소/리터로 희석된다. 이러한 농도는, 단지 예시적이며 그리고 제한이 아니다.
수착 반응기(20)는, 무엇보다도, 그 내부에서, 처리될 물이 충분한 시간 동안 SPAC(12) 또는 SPAC 슬러리와 접촉하여, PFAS가 SPAC(12)에 의해 흡착될 수 있도록 하는, 용기이다. 수착 반응기(20)는, SPAC(12) 및 처리될 물을 위한 반응 챔버로서 역할을 하여, PFAS 및 다른 오염 물질이, 수착 반응기(20) 내에서 SPAC(12)에 의해 흡착되도록 한다. 수착 반응기(20)는, SPAC/유입수 슬러리의 요구되는 및/또는 설계된 체류 시간을 제공하여, PFAS 및 다른 오염 물질이 SPAC(12)에 의해 충분히 흡착될 수 있도록 한다.
바람직한 실시예에서, 수착 반응기(20)는, 이하에 설명되는 바와 같이, 유입수 유동의 적어도 10배(10Qi)를 수용하도록 크기 결정된다. 수착 반응기(20)가 또한, PFAS 및 다른 오염 물질의 SPAC 흡착을 돕기 위한 요구되는 체류 시간을 제공하도록 크기 결정된다는 것이, 당업자에 의해 이해될 것이다. 더 큰 수착 반응기(20)는, 주어진 유동에서, 더 긴 체류 시간을 제공하는 것을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, 유입수 유동(Qi)에서 30-60분 사이의 체류 시간이, 100 갤런/분의 예시적인 유입수 유동(Qi)을 구비하는 유입수에서의, PFAS와 SPAC 사이의 반응을 위해 만족스러운 것으로 결정되었다. 요구되는 처리 파라미터들 및 유입수 유동들에 의존하여, 다른 체류 시간들이 또한, 충분할 것이다. 따라서, Qi가 100 갤런/분이며 그리고 수착 반응기(20) 내에서의 체류 시간이 1시간인 시스템에서, 수착 반응기(20)는, 적어도 6,000 갤런을 수용해야만 한다.
본 발명의 바람직한 수착 반응기(20)가, 대기에 대해 폐쇄되는 가압 탱크이다. 단락(short-circuiting)을 방지하기 위해, 배플들(baffles)(21)(도 2 참조)이, 수착 반응기(20) 내에 포함될 수 있을 것이다. 비-가압 탱크들이 활용될 수 있다는 것이, 당업자에게 이해될 것이다. 그러나, 그러한 탱크들은, 비교적 높아야만 할 것이고, 및/또는 상당히 더 큰 에너지 요건을 요구할 것이다.
SPAC는, 수착 반응기(20) 내에서 PFAS 및 다른 오염 물질을 흡착한다. 수착 반응기(20) 내에서의 충분한 체류 시간 이후에, SPAC 및 벌크 액체 반응 슬러리는, 이어서, 재생 펌프(26)를 사용하여 슬러리 방출물 라인(22)을 통해 세라믹 멤브레인 필터 유닛(30)으로 펌핑된다. 바람직한 실시예에서, 재생 펌프(26)는, 슬러리 방출물 라인(22)을 통해 세라믹 멤브레인 필터(30)로, 유입수 유동의 10배(10Qi)를 펌핑하도록 크기 결정된다.
세라믹 멤브레인 필터 유닛(30)은, 본 발명의 중요한 고유 기능을 제공한다. 첫째, 세라믹 멤브레인 필터(30)는, SPAC 및 흡착된 오염 물질을, 투과물 라인(32)을 통해 깨끗한 투과물로서 제거될 처리된 액체로부터 분리한다. 세라믹 멤브레인 필터는 또한, 유입수의 추가적 처리를 위해 SPAC 슬러리를 수착 반응기(20)로 복귀시키며, 이는 SPAC 소모를 감소시킨다. 셋째, 세라믹 멤브레인 필터(30)는 또한, 돌파 또는 고갈(exhaustion) 시, SPAC(12)를 농축 및 농후화시키는 역할을 하고, 이는, 복잡한 부가적인 장비에 대한 필요 없이, SPAC(12) 폐기를 돕는다,
바람직한 실시예에서, 세라믹 멤브레인 필터(30)는, 0.1 미크론 공칭 기공 크기 장벽을 구비한다. 작은 기공 크기는, 세라믹 멤브레인 필터(30)의 각 멤브레인을 가로질러, 높은 투과성 및 감소된 압력 손실을 야기한다. 당업자에게 이해될 것으로서, 적절한 세라믹 멤브레인 필터들(30)이, 아쿠아-에어로빅 시스템즈 인크(Aqua-Aerobic Systems, Inc.)(www.aqua-aerobic.com 참조)를 포함하는, 다수의 공급자로부터 이용 가능하다.
바람직한 실시예에서, 세라믹 멤브레인 필터(30)는, 교차 유동 여과 모드에서 작동된다. 바람직한 것으로서, 재생 펌프(26)는, SPAC/액체 슬러리를, 세라믹 멤브레인 필터(30)로, 슬러리 방출물 라인(22)을 통해, 유입수 유동 유량의 10배 또는 10 Qi로, 보낸다. 세라믹 멤브레인 필터(30)의 멤브레인들은, 처리된 액체를 SPAC 및 액체 슬러리로부터 분리한다. 처리된 물은, 바람직하게 초기 유입수 유량(Qi)과 비슷한 유량으로, 투과물 라인(32)을 통해 투과물로서 방출된다. 투과물로서 방출되지 않는 SPAC 및 벌크 액체는, 바람직하게 초기 유량의 9배 또는 9 Qi의 유량으로, 잔류물 라인(36)을 통해 잔류물(Qr)로서 세라믹 멤브레인 필터(30)로부터 방출된다. 잔류물은, 슬러리 급송 라인(15)으로 또는 직접적으로 수착 반응기(20)로, 수착 반응기(20)의 상류로 복귀된다. 무엇보다도, SPAC 가득한 잔류물 슬러리의 복귀는, 수착 반응기(20) 내의 SPAC(12)의 농도를 증가시키며, 그로 인해 적은 새로운 SPAC(12)가 시스템에 부가될 것을 요구한다. 이는 또한, SPAC(12)에 의한 향상된 PFAS 흡착을 가능하게 한다. 세라믹 멤브레인 필터(30)는 또한, 돌파 이후의 소비된 SPAC(12)를 제거하기 위한, 농축물 제거 라인(38)과 유체 소통 상태에 놓이는, 농축물 배출구(37)를 갖도록 제공된다.
중요하게, 단지 투과물로서 1 Qi 만을 제거하는 가운데, 세라믹 멤브레인 필터(30)로 10 Qi로 고속으로 슬러리를 펌핑하는 것은, 세라믹 멤브레인 필터(30) 내부의 멤브레인들(31)을 닦는다. 이는, 깨끗한 멤브레인들(31) 및 멤브레인들(31)의 높은 투과성을 유지하도록 야기한다. 이는 또한, 역류 세척 요구의 빈도를 감소시킨다. 세라믹 멤브레인 필터(30)를 통한 높은 속도는 추가로, 생물-성장에 대한 기회를 추가로 감소시키며, 이는 여과 효율을 유지하는데 도움을 주며 그리고 빈번한 역류 세척 또는 화학적 조화(conditioning)의 필요성을 감소시킨다. 바람직한 실시예에서, 10Q가 세라믹 멤브레인 필터(30)로 펌핑되는 경우, 1 Qi가 투과물로서 투과물 라인(32)을 통해 제거된다. 결과적으로, 9Q(9Qr)가, 잔류물로서 잔류물 라인(36)을 통해, 수착 반응기(20)로 복귀된다. 이러한 유동이 예시적이며 및/또는 바람직하다는 것, 그리고 다른 유량들이 본 발명과 일관적으로 사용될 수 있다는 것이, 당업자에게 이해될 것이다.
상기한 것은, 본 발명의, SPAC, 수착 반응기(20) 및 세라믹 멤브레인 필터(30)를 사용하는, PFAS 제거를 위한, 기본적 시스템 및 방법을 설명한다. 부가적으로, 본 발명의 더욱 포괄적인 시스템이, 도 2를 참조하여 여기에서 설명된다. 비록 농밀화 및 제거가 또한 도 1에 도시된 기본적 시스템의 일부이지만, SPAC 농밀화 및 제거의 시스템 및 방법이 또한, 도 2를 참조하여 설명된다.
도 2에 도시된 바와 같이, SPAC 급송 시스템(40)이, 유입수 라인(11)으로의 SPAC(12)의 직접적인 급송 및 선택적 혼합기(14)의 사용의 대체물로서, 제공된다. SPAC 급송 시스템(40)은, 탱크(41) 및 시스템 내에서의 사용을 위해 SPAC 슬러리를 혼합하는 혼합기(42)를 포함한다. 구체적으로, 바람직한 실시예에서, 10% SPAC 슬러리(예를 들어, 100 그램의 탄소/리터)가, 탱크(41)에 부가되며, 그리고 혼합기(42)에 의해 혼합된다. SPAC 슬러리는, SPAC 급송 펌프(43)를 사용하여 탱크(41)로부터 SPAC 급송 라인(13)을 통해 유입수 라인(11)으로 펌핑된다. 혼합물 또는 슬러리는, 이어서, 슬러리 급송 라인(15)을 통해, 바람직하게 Qi의 유량으로, 급송 펌프(16)를 사용하여 수착 반응기(20)로 펌핑된다. 바람직한 실시예에서, 10% SPAC 농도는, 수착 반응기(20) 내에서 대략 0.5-2 그램의 탄소/리터로 희석된다. 개략적으로 도시된 바와 같이, 바람직한 수착 반응기(20)가, 단락을 방지하도록 돕기 위한 하나 이상의 배플(21)을 포함한다. SPAC(12)가 오염 물질을 흡착하기에 충분한 체류 시간이 경과하면, 벌크 액체는, 슬러리 방출물 라인(22) 및 재생 펌프(26)를 통해, 세라믹 멤브레인 필터(30)로 펌핑된다. 다시, 바람직한 펌핑은, 세라믹 멤브레인 필터(30) 및 그에 따라 크기 결정되는 재생 펌프(26) 내로, 10 Qi에서 이다.
도 1의 실시예와 같이, 세라믹 멤브레인 필터(30)는, SPAC(12) 및 그의 흡착된 오염 물질로부터 투과물을 분리한다. 투과물은, 투과물 라인(32)을 통해 1 Qi의 유량으로 세라믹 멤브레인 필터(30)로부터 제거된다. 그러나, 본 실시예에서, 투과물 라인(32)과 유체 소통 상태에 놓이는, 투과물 탱크(50)가, 제공된다. 세라믹 멤브레인 필터(30)로부터의 투과물은, 투과물 탱크(50)로 전달되며, 그리고 처리된 방출물로서 투과물 배수구(52)를 통해 제거되거나, 또는 이하에 설명되는 바와 같은 역류 세척 시의 사용을 위해 저장될 수 있을 것이다.
도 2의 실시예에서, 역류 세척 라인(62)이, 역류 세척 시의 사용을 위해, 투과물의 제거를 위한 투과물 탱크(50)와 유체 소통 상태에 놓인다. 역류 세척 펌프(61)가 또한, 역류 세척 라인(62) 내에 제공된다. 역류 세척 라인(62)은, 역류 세척 탱크(70)와 유체 소통 상태에 놓인다. 역류 세척 탱크(70)는 이어서, 세라믹 멤브레인 필터 유닛(30)의 투과물 라인(32)과 유체 소통 상태에 놓인다. 역류 세척이 바람직하거나 요구될 때, 투과물이, 역류 세척 펌프(61)에 의해 투과물 탱크(50)로부터 역류 세척 탱크(70)로 펌핑된다. 역류 세척 탱크(70)로부터의 투과물은, 역류 세척 라인(62)으로부터, 세라믹 멤브레인 필터(30)와 소통하는 투과물 라인(32)으로 유동한다. 이는, 이하에 설명되는 바와 같이 멤브레인들(31)을 역류 세척하기 위해, 세라믹 멤브레인 필터(30)를 통한 유동을 반전시킨다.
선택적인 화학물질 급송 탱크(60)가 또한, 제공될 수 있을 것이다. 화학물질 급송 탱크(60)는, 화학물질 급송 펌프(64)를 포함하는, 화학물질 급송 라인(65)과 유체 소통 상태에 놓인다. 화학물질 급송 라인(65)은, 차례로, 역류 세척 라인(62)과 소통 상태에 놓인다. 화학물질 급송 탱크(60)는, 세라믹 멤브레인 필터(30)의 멤브레인들을 역류 세척할 때 사용될 수 있는, 화학물질의 용액을 수용한다. 그러한 화학물질은, 멤브레인을 세척하는 데 도움을 주기 위한 NaOCl 및 시트르산을 포함할 수 있을 것이다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 다른 화학물질들이, 사용될 수 있을 것이다. 따라서, 화학물질들이 역류 세척에서 사용이 요구될 때, 화학물질 용액은, 화학물질 급송 펌프(64)에 의해, 화학물질 급송 라인(65)을 통해 그리고 역류 세척 라인(62)의 투과물 유동 내로, 펌핑된다.
부가적으로, 선택적인 공기 공급원(80)이, 제공될 수 있을 것이다. 공기 공급원(80)은, 공기 공급 라인(81)과 유체 소통 상태에 놓인다. 공기 공급 라인(81)은, 역류 세척 탱크(70)및 잔류물 라인(36)과 유체 소통 상태에 놓인다. 공기 공급원(80)은, 역류 세척에서의 사용을 위해, 특정 시스템들에 제공될 수 있을 것이다. 역류 세척이 요구될 때, 공기 공급원(80)은, 압력 설정값이 도달될 때까지 공기 공급 라인(81)을 통해 역류 세척 탱크(70)를 가압하며, 그리고 이어서 공기 밸브(83)가 폐쇄된다. 이어서, 역류 세척 밸브(63)가, 개방되며, 그리고 가압된 투과물을, 멤브레인들(31)을 청소하는 것을 돕도록, 역류 세척 탱크(70)로부터 멤브레인 필터(30)를 통해 방출한다.
본 발명의 중요한 양태가, 소비된 SPAC(12)의 농밀화, 탈수, 및 제거이다. 바람직한 시스템 및 방법이, 도 2를 참조하여 설명될 것이다. PFAS 및 다른 유기 오염 물질 제거를 위해, 유입수의 유동이, Qi의 유량으로, 유입수 라인(11)에 도입된다(예를 들어, 100 갤런/분). SPAC 급송 펌프(43)를 사용하여, SPAC 용액(예를 들어, 100 그램의 탄소/리터)이, SPAC 탱크(41)로부터, 개방된 SPAC 급송 밸브(18)를 통해, SPAC 급송 라인(13)을 통해 펌핑된다. 유입수 및 SPAC 슬러리는, 급송 펌프(16)에 의해, 슬러리 급송 라인(15)을 통해 수착 반응기(20)로 펌핑된다. 슬러리는, Qi의 유량으로 수착 반응기(20) 내로 펌핑된다. SPAC(12) 및 유입수 슬러리는, 요구되는 잔류 시간 동안 수착 반응기(20) 내에서 억류되고, 그로 인해 PFAS 및 다른 오염 물질이, SPAC(12) 내로 흡착된다. 수착 반응기(20) 내의 SPAC(12) 슬러리의 농도는, 예시적인 0.5-2 그램의 탄소/리터일 수 있을 것이다.
흡착된 오염 물질을 갖는 SPAC 및 벌크 액체 슬러리는, 여과를 위해, 수착 반응기(20)로부터 세라믹 멤브레인 필터(30)로 전달된다. 구체적으로, 슬러리는, 재생 펌프(26)를 사용하여 슬러리 방출물 라인(22)을 따라, 개방된 재생 밸브(27)를 통해 세라믹 멤브레인 필터(30) 내로, 펌핑된다. 앞서 논의된 바와 같이, 재생 펌프(26)는, 유입수 유동의 10배(10 Qi)를 세라믹 멤브레인 필터(30) 내로 펌핑하도록 크기 결정된다. 세라믹 멤브레인 필터(30)의 멤브레인들은, SPAC/유입수 슬러리로부터 투과물을 분리한다.
투과물은, 세라믹 멤브레인 필터(30)로부터, 투과물 라인(32)을 경유하여, 개방된 투과물 밸브(33)를 통해, 그리고 투과물 탱크(50) 내로 방출되고, 투과물 탱크에서 투과물이 투과물 제거 라인(52)을 통해 제거될 수 있을 것이다. 잔류물은, 수착 반응기(20)로 복귀되도록, 세라믹 멤브레인 필터(30)로부터, 잔류물 라인(36) 및 개방된 잔류물 밸브(34)를 통해, 제거된다. 잔류물은, 유입수 유동의 9배 또는 9 Qi인, Qr의 유량으로 수착 반응기(20)로 복귀된다. 일반적인 여과 작동 도중에, 역류 세척 펌프(61)는 정치되고, 역류 세척 밸브(63)는 폐쇄되며, 그리고 공기 공급 밸브들(83, 84)은 폐쇄된다.
나타난 바와 같이, 본 발명의 중요한 양태가, 소비된 SPAC(12)(및 그의 흡착된 오염 물질)의 탈수, 농밀화, 및 제거이다. SPAC가 돌파에 도달되었을 때, 시스템 내로의 유입수 유동은 중지되고, 급송 펌프(16)는 정지되며, 그리고 SPAC 급송 밸브(18)는 폐쇄된다. 재생 펌프(26)는, 계속 작동하며 그리고 수착 반응기(20)로부터 10 Qi의 유량으로 슬러리를 펌핑한다. 탈수 프로세스 도중에, 세라믹 멤브레인 필터(30)는, 1 Qi의 유량으로 투과물을 계속 제거하며, 그리고 잔류물은, 9 Qi의 유량으로 수착 반응기(20)로 계속 복귀된다. 수착 반응기(20)의 크기(잔류 시간)에 기초하게 되는, 특정 양의 시간 이후에, 고갈된 SPAC는, 폐기를 위해 제거되기에 충분할 정도로, 탈수되며 그리고 농축된다. 제거될 때의 SPAC(12) 슬러리의 요구되는 농도는, 예로서, 10 그램의 탄소/리터이다. 농도가 너무 높으면, 시스템으로부터 제거되는 것이, 어렵다.
실제로, 제거를 위해 잔류물을 농축할 때, 수착 반응기(20)로의 유입수 유동 Qi이 중지된 이후에, 투과물은, 일반적으로, 전체 프로세스를 위한 1Q의 전체 요구 유량으로 제거되지 않는다. 대신에, 1Q 미만으로 낮아지며, 따라서 잔류물은, 시스템으로부터의 효과적인 제거를 위해, 너무 농후화되거나 농축되지 않게 된다.
세라믹 멤브레인 필터(30)의 멤브레인들을 역류 세척하는 것이 요구될 때, 유입수 유동은, 탈수에 대해 이상에 설명된 바와 같이, 중단된다. 재생 펌프(26)가 정지되며 그리고 배수 밸브(59)가 개방된다. 투과물 밸브(33)가 폐쇄되며 그리고 역류 세척 밸브(63 및 66)가 개방된다. 역류 세척 펌프(61)가, 투과물을 투과물 탱크(50)로부터 인출하도록, 활성화된다. 투과물은, 역류 세척 라인(62)을 따라 역류 세척 탱크(70)로 유동한다. 요구되는 경우, 화학물질이, 화학물질 급송 라인(65)을 통해 역류 세척 라인(62)을 따라, 투과물에 부가될 수 있을 것이다. 투과물 또는 화학적으로 향상된 투과물은, 역류 세척 라인(62)으로부터, 투과물 라인(32) 내로, 투과와 반대 방향 유동으로, 유동한다. 역류 세척된 투과물은, 세라믹 멤브레인 필터(30)를 통해, 여과와 반대 방향으로 진행한다. 역류 세척 액체는, 슬러리 방출물 라인(22)으로 반대 방향 유동하며, 그리고 개방된 배수 밸브(59)를 통해 제거된다.
이상의 설명은, 본 발명을 한정하는 뒤따르는 청구항들에서 사용되는 단어의 의미 또는 청구항들의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 대신에, 실질적인 변화가 아닌 구조, 기능 또는 결과에 관한 미래의 수정들이 존재할 것이라는 것 그리고 청구되는 것에 관한 모든 그러한 비실질적인 변화들은 청구항들에 의해 커버되는 것으로 의도된다는 것이, 예상된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예들이 예시되고 설명되었지만, 변화들 및 수정들이 청구된 발명으로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다는 것이, 이해될 것이다. 부가적으로, 비록 용어 "청구된 발명" 또는 "본 발명"은 때때로 본 명세서에서 단수로 사용되지만, 설명되고 청구된 바와 같이 복수의 발명이 존재한다는 것이, 이해될 것이다.
본 발명의 다양한 특징들이, 뒤따르는 청구항들에 기술된다.

Claims (12)

  1. 물로부터 오염 물질을 제거하는 방법으로서:
    1) 처리될 물의 유입수 유동에 미크론 이하 분말 활성탄(SPAC)을 부가하는 단계;
    2) SPAC를 처리될 물과 화합시키는 단계;
    3) SPAC 및 물 혼합물을 처리를 위한 수착 반응기 내로 도입하는 단계;
    4) SPAC가 물 내의 오염 물질을 흡착하기에 충분한 체류 시간 동안, 혼합물이 상기 수착 반응기 내에 유지되는 것을 허용하는 단계; 및
    5) 상기 수착 반응기로부터의 혼합물을 재생 펌프를 사용하여 교차 유동 여과로 작동하는 고속 세라믹 멤브레인 필터 유닛으로 전달하는 단계로서, 처리된 물은 투과물(permeate)로서 방출되며 그리고 SPAC는 잔류물(retentate)로서 상기 수착 반응기로 복귀되는 것인, 전달하는 단계
    를 포함하는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    1) SPAC가 돌파에 도달 시, SPAC 및 흡착된 오염 물질 농축물을 상기 세라믹 멤브레인 필터로부터 농축물 라인을 통해 제거하는 단계; 및
    2) 오염 물질 제거를 계속하기 위해 물의 유입수 유동에 새로운 SPAC를 부가하는 단계
    를 포함하는 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    유입수 유동은 1 Qi이며, 그리고 SPAC 및 유입수의 혼합물은, 상기 수착 반응기로부터 상기 세라믹 멤브레인 필터로 유입수의 10배(10 Qi)로 펌핑되는 것인, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    투과물은, 상기 세라믹 멤브레인 필터로부터 유입수 유동의 1배의 유량으로 방출되며, 그리고 잔류물은, 유입수 유동의 9배(9 Q)의 유량으로 상기 수착 반응기로 복귀되는 것인, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    SPAC는, 대략 1 미크론 미만의 평균 입자 직경을 갖는 것인, 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    SPAC 및 흡착된 오염 물질은, 잔류물이 농후화될 때까지, 상기 수착 반응기로의 유입수 유동을 종료시킴에 의해 그리고 상기 재생 펌프의 작동을 계속함에 의해, 제거를 위해 농후화되며, 그리고 그 후에, 폐기를 위해 상기 농축물 라인을 통해 제거되는 것인, 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 세라믹 멤브레인 필터는, 대략 0.1 미크론의 공칭 기공 크기 장벽(nominal pore size barrier)을 구비하는 것인, 방법.
  8. 물로부터, PFAS를 포함하는, 오염 물질을 제거하기 위한 시스템으로서:
    1) 유입수 라인 및 유입수에 SPAC를 부가하기 위해 상기 유입수 라인과 소통 상태에 놓이는 SPAC 급송 라인과 유체 소통 상태에 놓이는, 가압 수착 반응기로서, 수착 반응기는, 처리될 물의 유입수 유동 및 미크론 이하 분말 활성탄(SPAC)을 수용하고, 수착 반응기는, 충분한 잔류 시간 동안 유입수 및 SPAC 슬러리를 유지할 수 있어서, 제거될 오염 물질이 슬러리 내의 SPAC에 의해 흡착되도록 하는 것인, 가압 수착 반응기;
    2) 상기 수착 반응기의 방출부와 소통 상태에 놓이는 슬러리 방출물 라인 및 상기 슬러리 방출물 라인 내의 재생 펌프;
    3) 상기 수착 반응기의 상기 슬러리 방출물 라인과 유체 소통 상태에 놓이는, 교차 유동 세라믹 멤브레인 필터로서, 상기 재생 펌프는, 흡착된 오염 물질을 갖는 SPAC를, 처리된 물을 투과물로서 오염 물질 흡착 SPAC로부터 분리하는, 세라믹 멤브레인 필터 유닛으로 고 유량으로 전달하는 것인, 교차 유동 세라믹 멤브레인 필터;
    4) 처리된 물을 투과물로서 제거하기 위한, 상기 세라믹 멤브레인 필터와 유체 소통 상태에 놓이는 투과물 라인;
    5) SPAC를 상기 유입수 라인으로 복귀시키기 위해 상기 세라믹 멤브레인 필터 및 상기 수착 반응기와 유체 소통 상태에 놓이는 잔류물 라인; 및
    6) 돌파 시 SPAC를 제거하기 위한 농축물 라인
    을 포함하는 것인, 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    SPAC는, 대략 1 미크론 미만의 평균 입자 직경을 갖는 것인, 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 멤브레인 필터는, 대략 0.1 미크론의 공칭 기공 크기 장벽을 구비하는 것인, 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유입수 라인과 유체 소통 상태에 놓이는, SPAC 급송 시스템을 포함하는 것인, 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    제거될 오염 물질은, 퍼플루오로알킬 물질 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)을 포함하는 것인, 시스템.
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