KR20230009916A - 연속 전기 탈이온화 모듈의 향상된 염소 내성 - Google Patents
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Abstract
전기화학 수처리 디바이스가 개시된다. 디바이스는, 용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 포함하는 물의 공급원에 유체 이동 가능하게 연결될 수 있는 공급물 입구, 및 이 공급물 입구에 유체 이동 가능하게 연결될 수 있는 전기화학 분리모듈을 포함한다. 전기화학 분리모듈은 희석 구획, 농축 구획, 이 희석 구획과 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 희석 구획의 부피의 제1 부분은 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함한다. 희석 구획의 부피의 제2 부분은 공급물 입구의 원위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함한다. 제1 이온교환매체는 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 갖는다. 물에 용해된 실리카의 농도를 감소시키는 방법이 개시된다. 용해된 실리카를 함유하는 물의 처리를 용이하게 하는 방법이 개시된다.
Description
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 수중 염소로부터 열화에 대해 향상된 저항성(resistance)을 나타내는, 염소-함유 화합물을 포함하는 물로부터 오염물, 예를 들어, 용해된 실리카를 제거하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
일 양태에 따르면, 전기화학 수처리 디바이스가 제공된다. 전기화학 수처리 디바이스는 용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 포함하는 물의 공급원에 유체 이동 가능하게 연결될 수 있는 공급물 입구를 포함할 수 있다. 전기화학 수처리 디바이스는 공급물 입구에 유체 이동 가능하게 연결될 수 있는 전기화학 분리모듈을 더 포함할 수 있고, 전기화학 분리모듈은 희석 구획, 농축 구획, 이 희석 구획과 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제1 부분은 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제2 부분은 공급물 입구의 원위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함할 수 있다. 제1 이온교환매체는 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 가질 수 있다.
추가 실시형태에서, 전기화학 수처리 디바이스는 전기화학 분리모듈의 희석 구획의 하류에 유체 이동 가능하게 연결된 생성물 출구를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 이온교환매체는 제2 이온교환매체에 비해 더 큰 정도로 염소-함유 화합물의 흡수로 인한 팽윤에 저항할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 부분은 희석 구획의 부피의 약 10% 내지 약 30%를 차지하고, 제2 부분은 희석 구획의 부피의 약 70% 내지 약 90%를 차지한다.
특정 실시형태에서, 제1 이온교환매체는 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물은 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체의 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체 중 하나는 적어도 하나의 음이온교환매체와 같이 약 40% 내지 50%의 수분 함량을 갖는다.
일부 실시형태에서, 제1 이온교환매체는 수일, 수주 또는 수개월과 같은 장기간 동안 약 0.01ppm 내지 약 0.10ppm의 농도로 존재하는 염소-함유 화합물에 저항할 수 있다.
추가 실시형태에서, 제1 이온교환매체는 탄소질 흡착제와 같은 흡착제의 최대 약 10% v/v를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제2 이온교환매체는 물의 공급원으로부터 물에 용해된 실리카를 제거하기에 적합한 이온교환매체를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 제2 이온교환매체는 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물은 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체의 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체 중 하나는 적어도 하나의 음이온교환매체와 같이 약 50% 내지 60%의 수분 함량을 갖는다.
일부 실시형태에서, 제1 이온교환매체의 적어도 하나의 음이온교환매체는 제2 이온교환매체의 적어도 하나의 음이온교환매체보다 더 많은 수분 함량을 가질 수 있다. 다른 실시형태에서, 제1 이온교환매체의 적어도 하나의 양이온교환매체와 제2 이온교환매체의 적어도 하나의 양이온교환매체는 거의 동일한 수분 함량을 갖는다.
일부 실시형태에서, 제1 이온교환매체와 제2 이온교환매체 중 적어도 하나는 미세다공성 수지, 거대다공성 수지, 또는 가교 결합된 겔일 수 있다.
일부 실시형태에서, 농축 구획의 부피는 제1 이온교환매체와 실질적으로 유사한 조성을 갖는 제3 이온교환매체를 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 전기화학 분리모듈은 교대하는 일련의 양이온교환막과 음이온교환막에 의해 분리된 복수의 희석 구획과 복수의 농축 구획을 포함할 수 있다.
일 양태에 따르면, 물에 용해된 실리카의 농도를 감소시키는 방법이 제공된다. 본 방법은 용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 포함하는 물의 공급원으로부터 공급물 스트림을 전기화학 수처리 디바이스의 전기화학 분리모듈의 공급물 입구로 보내는 단계를 포함할 수 있다. 전기화학 분리모듈은 희석 구획, 농축 구획, 이 희석 구획과 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제1 부분은 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제2 부분은 공급물 입구의 원위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함할 수 있다. 제1 이온교환매체는 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 가질 수 있다. 본 방법은 용해된 실리카의 농도가 감소된 생성물 스트림과 용해된 실리카가 풍부한 농축물 스트림을 생성하기 위해 제1 전극과 제2 전극에 걸쳐 전압을 인가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 처리될 물의 공급원으로부터 공급물 스트림을 보내는 단계는 약 1ppm의 용해된 실리카 농도를 갖는 물을 보내는 단계를 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 본 방법은 약 1ppb의 용해된 실리카 농도를 갖는 생성물 스트림을 배출하는 단계를 포함한다.
일 양태에 따르면, 용해된 실리카를 함유하는 물의 처리를 용이하게 하는 방법이 제공된다. 본 방법은 용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 함유하는 물의 공급원에 연결될 수 있는 전기화학 분리모듈을 포함하는 전기화학 수처리 디바이스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 전기화학 분리모듈은 공급물 입구, 희석 구획, 농축 구획, 이 희석 구획과 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제1 부분은 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제2 부분은 공급물 입구의 원위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함할 수 있다. 제1 이온교환매체는 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 가질 수 있다. 본 방법은 물의 공급원으로부터 폐수를 전기화학 분리모듈의 공급물 입구로 보내기 위한 명령을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 방법은 용해된 실리카의 농도가 감소된 생성물 스트림과 용해된 실리카가 풍부한 농축물 스트림을 생성하기 위해 제1 전극과 제2 전극에 걸쳐 전압을 인가하기 위한 명령을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
첨부된 도면은 축척에 맞게 그려진 것이 아니다. 도면에서, 다양한 도면에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 동일한 부호로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 도면에서 모든 구성요소에 참조 부호가 표시된 것은 아닐 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 전기화학 분리모듈을 도시한다.
도 2는 일 실시형태에 따라 도 1의 전기화학 분리모듈을 포함하는 수처리 시스템을 도시한다.
도 3a는 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 희석 구획에 걸친 압력 강하를 도시한다.
도 3b는 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 농축 구획에 걸친 압력 강하를 도시한다.
도 4는 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 실리카 제거 성능을 도시한다.
도 5a는 도 3a에 도시된 것과 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 희석 구획에 걸친 압력 강하를 도시한다.
도 5b는 도 3b에 도시된 것과 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 농축 구획에 걸친 압력 강하를 도시한다.
도 6은 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대한 실리카 제거 성능을 도시한다.
도 7은 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 처리된 물 저항률을 도시한다.
도 1은 일 실시형태에 따른 전기화학 분리모듈을 도시한다.
도 2는 일 실시형태에 따라 도 1의 전기화학 분리모듈을 포함하는 수처리 시스템을 도시한다.
도 3a는 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 희석 구획에 걸친 압력 강하를 도시한다.
도 3b는 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 농축 구획에 걸친 압력 강하를 도시한다.
도 4는 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 실리카 제거 성능을 도시한다.
도 5a는 도 3a에 도시된 것과 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 희석 구획에 걸친 압력 강하를 도시한다.
도 5b는 도 3b에 도시된 것과 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 농축 구획에 걸친 압력 강하를 도시한다.
도 6은 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대한 실리카 제거 성능을 도시한다.
도 7은 상이한 이온교환매체 구성을 갖는 전기화학 분리모듈에 대해 처리된 물 저항률을 도시한다.
이온 교환은 고체(예를 들어, 이온 교환 수지)와 액체(예를 들어, 물) 간의 가역적인 이온 교환이다. 이온교환매체는 "화학 스펀지" 역할을 하기 때문에 물과 기타 액체로부터 오염 물질을 효과적으로 제거하는 데 매우 적합하다. 이온 교환 기술은 물의 탈염 및 연화, 폐수 재활용 및 기타 수처리 공정에 자주 사용된다. 이온교환매체는 또한 화학 처리, 제약, 채광, 식품 및 음료 가공과 같은 다양한 특수 응용 분야에서도 사용된다.
전기장을 사용하여 유체를 정화하는 디바이스, 즉, 전기화학 분리모듈은 용해된 이온 종을 포함하는 물과 기타 액체를 처리하는 데 사용될 수 있다. 이러한 모듈 내에는 이온 선택성 막으로 분리된 농축 구획과 희석(또는 결핍) 구획이 있다. 전기화학 분리모듈은 교대하는 전기활성 반투과성 음이온과 양이온교환막을 특징으로 할 수 있다. 막들 사이의 공간은 입구와 출구가 있는 액체 흐름 구획을 생성하도록 구성된다. 전극을 통해 부과된 인가된 전기장은 각각의 상대 전극에 끌린 용해된 이온을 음이온교환막과 양이온교환막을 통해 이동시킨다. 그 결과 일반적으로 희석 구획의 액체는 이온이 고갈되고, 농축 구획의 액체는 이온이 전달되어 풍부해지게 된다.
본 명세서에 사용된 "분리모듈", "처리 디바이스", "정화 디바이스" 또는 "장치"라는 어구는 처리될 유체로부터 임의의 바람직하지 않은 종의 농도 수준을 제거하거나 감소시키는 데 사용될 수 있는 임의의 디바이스에 관한 것이다. 적합한 처리 장치의 예로는 이온 교환 수지 디바이스, 역삼투(RO), 전기 탈이온화, 전기투석(electrodialysis), 한외여과, 정밀여과 및 용량성 탈이온화 디바이스를 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
특정 비제한적인 실시형태에서, 본 명세서에 개시된 방법 및 디바이스는 전기화학 분리모듈을 포함한다. 본 명세서에 사용된 "전기화학 분리모듈"이라는 어구는 임의의 수의 전기 구동 분리 시스템을 의미하며, 비제한적인 예로는 전기 탈이온화 디바이스, 전기투석 디바이스, 용량성 탈이온화 디바이스, 및 이들의 임의의 조합을 포함하나 이들로 제한되지 않는다. 전기화학 수처리 디바이스는 임의의 디바이스가 이러한 동작과 불일치하지 않거나 반대되지 않는 한, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법의 원리에 따라 기능하는 임의의 디바이스를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 전기화학 분리모듈은 전기화학 탈이온화 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 디바이스의 비제한적인 예로는 전기투석(ED), 역전 전기투석(EDR), 전기 탈이온화(EDI), 용량성 탈이온화, 연속 전기 탈이온화(CEDI), 및 가역적 연속 전기 탈이온화(RCEDI)를 포함한다.
전기 탈이온화(EDI)는 이온 수송에 영향을 미치기 위해 전극들 사이에 인가된 전위와 하나 이상의 이온교환매체를 사용하여 물로부터 하나 이상의 이온화되거나 이온화 가능한 종을 제거하거나 적어도 감소시키는 공정이다. 이온교환매체는 일반적으로 이온성 및/또는 이온화 가능한 종을 교대로 수집하고 방출하는 역할을 하고, 일부 실시형태에서는 이온 또는 전자 치환 메커니즘에 의해 연속적일 수 있는 이온의 수송을 용이하게 하는 역할을 한다. EDI 디바이스는 영구 또는 임시 전하의 전기화학적 활성 매체를 포함할 수 있으며, 배취(batch) 방식으로, 간헐적으로, 연속적으로 그리고/또는 역 극성 모드로 동작될 수 있다. EDI 디바이스는 성능을 달성하거나 향상시키도록 특별히 설계된 하나 이상의 전기화학 반응을 촉진하도록 동작될 수 있다. 또한, 이러한 전기화학 디바이스는 반투과성 또는 선택적으로 투과성인 이온 교환 또는 양극성 막과 같은 이온교환막을 포함할 수 있다. 연속 전기 탈이온화(Continuous Electrodeionization: CEDI) 디바이스는 이온 교환 물질을 지속적으로 재충전하면서 물 정화가 연속적으로 진행될 수 있는 방식으로 동작하는 EDI 디바이스이다. CEDI 기술에는 연속 탈이온화, 충전식 셀 전기투석 또는 일렉트로다이어레시스(electrodiaresis)와 같은 공정을 포함할 수 있다. 제어된 전압 및 염도 조건 하에서, CEDI 시스템에서, 물 분자는 분리되어, 디바이스에서 이온교환매체를 재생하여 이로부터 포획된 종의 방출을 촉진할 수 있는 수소 또는 하이드로늄 이온 또는 종 및 수산화물 또는 하이드록실 이온 또는 종을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 처리될 물 스트림은 이온교환매체의 화학적 재충전을 필요로 하지 않고 연속적으로 정화될 수 있다.
전기투석(ED) 디바이스는 ED 디바이스가 일반적으로 막 및/또는 전극 사이에 전기활성 매체를 포함하지 않는다는 점을 제외하고 CEDI와 유사한 원리로 동작한다. 전기 활성 매체가 없기 때문에 ED의 동작은 높은 전기 저항으로 인해 염도가 낮은 공급수에 의해 방해받을 수 있다. 또한, 염도가 높은 공급수에서 ED의 동작은 전류 소비를 높일 수 있기 때문에, ED 장치는 지금까지 중간 염도의 공급원수에서 가장 효과적으로 사용되어 왔다. ED 기반 시스템에서는 전기 활성 매체가 없기 때문에 물을 분리하는 것이 비효율적이어서 이러한 방식으로 동작하는 것을 일반적으로 피한다.
용량성 탈이온화(CapDI: Capacitive Deionization) 디바이스는 한 쌍의 전극을 분극시키기 위해 나노미터 크기의 기공을 갖는 한 쌍의 전극에 전압을 인가함으로써 매체, 예를 들어, 경수로부터 이온성 물질을 제거하는 데 사용된다. 이에 의해 이온성 물질은 한 쌍의 전극 중 적어도 하나의 전극의 표면에 흡착된다. CapDI 디바이스에서 낮은 DC 전압이 한 쌍의 전극에 인가되고, 용해된 이온을 함유하는 매체가 두 전극 사이를 흐른다. 매체에 용해된 음이온은 양의 전극에 흡착되어 농축되고, 매체에 용해된 양이온은 음의 전극에 흡착되어 농축된다. 예를 들어 두 전극을 전기적으로 단락시켜 역방향으로 전류를 인가하면 농축된 이온이 음의 전극과 양의 전극으로부터 탈착된다. CapDI 디바이스는 높은 전위차를 사용하지 않기 때문에 에너지 효율이 높다. CapDI 디바이스는 이온이 전극에 흡착될 때 경도 성분뿐만 아니라 바람직하지 않은 이온도 제거할 수 있다. CapDI 디바이스는 전극을 재생하기 위해 화학 물질을 사용하지 않아서 CapDI 디바이스는 환경에 미치는 영향이 상대적으로 낮다.
CEDI 및 ED 디바이스는 양으로 대전된 종 또는 음으로 대전된 종이 통과하는 것은 허용하지만 일반적으로 둘 다 통과하는 것은 허용하지 않는 선택적 투과성이 있는 막에 의해 분리된 복수의 인접한 셀 또는 구획을 갖는 분리모듈을 포함할 수 있다. 희석 또는 결핍 구획은 일반적으로 이러한 디바이스의 농축 구획 또는 농축 구획 사이에 공간을 형성한다. CEDI 또는 ED 디바이스에 사용되는 것과 같은 전기화학 분리모듈의 일 실시형태가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서, 전기화학 분리모듈(100)은 희석 구획(102), 농축 구획(104), 및 이 희석 구획(102)과 농축 구획(104)을 분리시키는 이온교환막(106)을 포함한다. 일부 실시형태에서, 각각의 구성요소 중 단 하나, 즉, 하나의 희석 구획(102), 하나의 농축 구획(104) 및 하나의 이온교환막(106)만이 있을 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기화학 분리모듈(100)은 교대하는 양이온교환막과 음이온교환막과 같은 교대하는 일련의 이온교환막(106)에 의해 분리된 복수의 희석 구획(102)과 복수의 농축 구획(104)을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 도 1에 도시된 것보다 더 많은 수의 희석 구획과 농축 구획이 있을 수 있다. 전기화학 분리모듈(100)은 각각 애노드와 캐소드로서 동작하는 제1 전극(108a)과 제2 전극(108b)에 의해 경계가 정해진다. 희석 구획(102) 내에서, 희석 구획(102)의 부피의 제1 부분은 제1 이온교환매체(110a)를 포함한다. 희석 구획(102)의 부피의 제2 부분은 제2 이온교환매체(110b)를 포함하고; 도 1의 희석 구획(102)에 존재하는 파선은 두 이온교환매체 사이의 계면에 대한 시각적 표시를 제공한다. 농축 구획(104)은 제3 이온교환매체(110c)를 포함한다.
CEDI 및 ED 디바이스에서, 직류 전류(DC) 전기장은 일반적으로 전극(애노드 또는 양의 전극, 및 캐소드 또는 음의 전극)에 인가되는 전압 및 전류의 공급원으로부터 셀에 걸쳐 인가된다. 전압 및 전류 공급원(집합적으로 "전력 공급원")은 교류 전류(AC) 전력원 또는 예를 들어 태양광, 풍력 또는 파력에서 파생된 전력원과 같은 다양한 수단에 의해 자체적으로 전력을 공급받을 수 있다. 전극/액체 계면에서 막과 구획을 통한 이온 전달을 시작 및/또는 촉진하는 전기화학 반쪽 셀 반응이 발생한다. 예를 들어, 도 1에서, 제1 전극과 제2 전극, 즉, 캐소드와 애노드에 걸쳐 전압을 인가하면, 수산화물과 수소 이온이 물 속에서 형성되어 이에 의해 물에 존재하는 이온이 반대 극성의 전극으로 이동하게 된다.
일부 실시형태에서, 전해질 구획 내에 포함된 전극의 경우, 전극/계면에서 발생하는 특정 전기화학 반응은 구획 내의 염의 농도에 의해 어느 정도 제어될 수 있다. 예를 들어, 애노드 전해질 구획으로 염화나트륨이 높은 공급물은 염소 가스와 수소 이온을 생성하는 경향이 있는 반면, 캐소드 전해질 구획으로의 이러한 공급물은 수소 가스와 수산화 이온을 생성하는 경향이 있다. 일반적으로 애노드 구획에서 생성된 수소 이온은 염화 이온과 같은 자유 음이온과 결합하여 전하 중성을 유지하고 염산 용액을 생성하며, 유사하게, 캐소드 구획에서 생성된 수산화 이온은 나트륨과 같은 자유 양이온과 결합하여 전하 중성을 유지하고 수산화나트륨 용액을 생성한다. 생성된 염소 가스와 수산화나트륨과 같은 전극 구획의 반응 생성물은 소독 목적, 막 세척 및 오염물 제거 목적 및 pH 조정 목적으로 필요에 따라 공정에서 활용될 수 있다.
CEDI 모듈은 폴리아미드와 같은 물질로 만들어진 RO 막의 하류에 사용될 수 있다. 이러한 유형의 막은 물 소독 공정에서 잔류 염소와 같은 유리 염소에 대한 허용 오차가 제한되어 있어서 RO 유닛에서 처리하기 전에 공급수에서 염소를 제거해야 한다. 그러나, 예를 들어 아황산수소나트륨과 같은 환원제를 사용하는 탈염소화 시스템에서 시스템 문제가 발생하여 미량의 유리 염소 또는 클로라민이 하류 CEDI 모듈에 도달할 수 있다. CEDI 모듈은 특정 물리적 및 화학적 특성을 갖는 막 및 이온교환매체에 대한 선택에 따라 결정된 특정 처리 응용 분야의 성능을 위해 최적화될 수 있다. 일부 경우에, 전술한 최적화는 특정 응용을 위한 적절한 양의 가교 결합을 갖는 이온교환매체를 선택하는 것을 포함할 수 있다. CEDI 모듈은 중합체 가교 결합제로서 약 1 중량% 내지 약 10 중량%의 다이비닐벤젠(DVB)을 갖는 이온교환매체를 사용할 수 있다. 비제한적인 예로서, 음이온 교환 공정에 사용되는 이온교환매체는 약 2 중량%의 DVB 함량을 가질 수 있다. 다른 비제한적 예로서, 양이온 교환 공정에 사용되는 이온교환매체는 약 8 중량%의 DVB 함량을 가질 수 있다. 가교 결합된 중량 백분율은 일반적으로 이온교환매체에 대해 지정되어 있지 않지만 대략 1:1 대응을 갖는 수분 함량으로 추론될 수 있다. 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 이온 교환 수지의 수분 함량은 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 고체 수지 매트릭스의 공극을 채우는 수화수의 양에 대한 척도이며, 물에 노출되었을 때 이온교환매체가 흡수하고 보유할 수 있는 물의 최대 중량 백분율로 고려된다. 수분 함량이 높은 수지는 폴리스타이렌 사슬을 연결하는 다이비닐벤젠의 가교 결합이 있는 폴리스타이렌으로 만들어진 매트릭스인 감소된 건조 물질을 포함한다. 증가된 수분 함량(따라서 감소된 건조 물질)은 큰 이온이 구조물 안팎으로 더 쉽게 접근할 수 있도록 하지만, 증가된 수분 함량은 수지의 물리적 강도 및 산화 공격에 대한 저항성을 감소시키며, 이 둘 모두는 일반적으로 가교 결합된 중합체 구조물에 의해 제공된다. 일부 실시형태에서, 이온교환매체의 수분 함량이 약 40 중량% 내지 약 50 중량%인 경우 이온교환매체는 "높은" 가교 결합된 함량을 갖는 것으로 고려될 수 있다. "낮은" 가교 결합된 이온교환매체는 약 50 중량% 내지 약 60 중량%의 수분 함량을 가질 수 있다.
공정수로부터 용해된 실리카를 제거하는 것은 전기 동작식 분리 디바이스(ED, EDI, CEDI 등)의 희석 구획에서 낮은 수분 함량, 고도로 가교 결합된 음이온교환매체와 비교하여 유리 염소와 같은 산화 종에 대한 민감성이 증가된 높은 수분 함량, 낮은 가교 결합된 음이온교환매체를 사용함으로써 달성될 수 있다. 사용 시, 희석 구획의 입구에 가장 가까운 이온교환매체는 공급수의 유리 염소에 의해 공격을 받을 수 있으며, 이로 인해 이온교환매체가 팽윤되고 일부 경우에는 기계적으로 열화되거나 분해되어 전체 전기화학 분리모듈을 통한 물 흐름을 막을 수 있다. 이러한 막힘은 전체 전기화학 분리모듈을 재구축하거나 교체해야 하는 영구적인 손상을 초래할 수 있다. 따라서 영구적인 손상이나 처리 성능의 손실 없이 산화 이온과 분자를 함유하는 물을 처리할 수 있는 전기화학 분리모듈 내에 하나 이상의 이온교환매체를 포함하는 것이 바람직할 것이다.
일 양태에 따르면, 용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 포함하는 물의 공급원에 유체 이동 가능하게 연결되거나 연결될 수 있는 공급물 입구, 및 이 공급물 입구에 유체 이동 가능하게 연결되거나 연결될 수 있는 전기화학 분리모듈을 포함하는 수처리 디바이스가 제공된다. 전기화학 분리모듈은 희석 구획, 농축 구획, 이 희석 구획과 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제1 부분은 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제2 부분은 공급물 입구의 원위에 위치될 수 있다. 희석 구획의 부피의 제2 부분은 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항을 갖는, 예를 들어, 염소-함유 화합물의 흡수 또는 흡착 시 팽윤 또는 균열에 대해 더 큰 저항을 갖는 제2 이온교환매체를 포함할 수 있다. 수처리 시스템은 전기화학 분리모듈의 하류에 유체 이동 가능하게 연결된 생성물 출구를 더 포함할 수 있다. 생성물 출구는 처리된 물을 추가 하류 처리 단계 또는 사용 지점으로 배출하도록 위치될 수 있다.
도 1에 도시된 전기화학 분리모듈을 포함하는 수처리 디바이스의 일 실시형태는 도 2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 처리될 용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 포함하는 물의 공급원(도시되지 않음)에 연결되거나 연결될 수 있는 공급물 입구(101)는 물의 공급원으로부터 전기화학 분리모듈(100)의 희석 구획(102)과 농축 구획(104)으로 물을 분배하도록 위치된다. 고갈 구획(102)을 통해 물이 흐를 때(도 2에 화살표로 도시됨), 이온과 기타 대전된 종은 일반적으로 DC 장과 같은 전기장의 영향 하에 농축 구획(104)으로 끌어당겨진다. 양으로 대전된 종은 다수의 결핍 구획(102)과 농축 구획(104)의 스택의 일 단부에 위치된 제2 전극(108b)과 같은 캐소드를 향해 끌어당겨지고, 음으로 대전된 종은 마찬가지로 구획의 스택의 반대쪽 단부에 위치된 제1 전극(108a)과 같은 애노드를 향해 끌어당겨진다. 제1 전극(108a)과 제2 전극(108b)은 일반적으로 결핍 구획(102) 및/또는 농축 구획(104)과의 유체 연통으로부터 부분적으로 격리될 수 있는 전해질 구획(도시되지 않음)에 수용된다. 일단 농축 구획(104)에 들어가면, 대전된 종은 농축 구획(104)을 적어도 부분적으로 형성할 수 있는 이온교환막(106)의 장벽에 의해 포획될 수 있다. 예를 들어, 음이온은 양이온교환막에 의해 제2 전극(108b)을 향해 그리고 농축 구획(104) 밖으로 더 이동하는 것이 방지될 수 있다. 희석 구획(102) 내의 처리된 물은 전기화학 분리모듈(100)의 하류에 유체 이동 가능하게 연결된 생성물 출구(112) 밖으로 배출될 수 있다. 일단 농축 구획(104)에 캡처되면, 포획된 대전된 종은 농축물 스트림에서 제거되어 폐기물 출구(114)로 배출될 수 있다.
일부 실시형태에서, 공급물 입구의 근위에 위치된 희석 구획의 부피의 부분은 공급물 입구에 근접한 부분의 하류에서 공급물 입구의 원위인 희석 구획의 부분에 있는 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항을 갖는, 예를 들어, 팽윤 또는 균열에 대해 더 큰 저항을 갖는 이온교환매체를 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제1 부분, 예를 들어, 도 1에 도시된 제1 이온교환매체(110a)를 갖는 희석 구획(102)의 제1 부분은 희석 구획의 부피의 약 10% 내지 약 30%를 차지할 수 있다. 제1 이온교환매체가 차지하는 희석 구획의 부피에 대한 선택은 전기화학 셀에서 입구 수질, 원하는 처리 수질, 유량, 및 물의 체류 시간을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 여러 요인에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 희석 구획의 부피의 제1 부분은 희석 구획의 부피의 약 10% 내지 약 30%, 희석 구획의 부피의 약 15% 내지 약 25%, 또는 희석 구획의 부피의 약 20%, 예를 들어, 희석 구획의 부피의 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25% 또는 약 30%를 차지할 수 있다. 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 공급물 입구에 더 가까이에 염소-함유 화합물과 같은 산화 종으로부터 팽윤 또는 기타 반응에 대해 더 강한 저항을 갖는 이온교환매체를 배치하면 물이 제1 이온교환매체와 접촉한 후 더 낮은 농도의 염소-함유 화합물을 가져서 희석 구획에 존재하는, 예를 들어, 희석 구획의 부피의 제2 부분에 존재하는 다른 이온교환매체를 팽윤시키거나 다른 이온교환매체의 구조적 무결성을 손상시킬 가능성이 적어질 수 있다.
일부 실시형태에서, 희석 구획의 부피의 제2 부분, 예를 들어, 도 1에 도시된 제2 이온교환매체(110b)를 갖는 희석 구획(102)의 제2 부분은 희석 구획의 부피의 약 70% 내지 약 90%를 차지할 수 있다. 예를 들어, 희석 구획의 부피의 제2 부분은 희석 구획의 부피의 약 70% 내지 약 90%, 희석 구획의 부피의 약 75% 내지 약 85%, 또는 희석 구획의 부피의 약 80%, 예를 들어, 희석 구획의 부피의 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85% 또는 약 90%를 차지할 수 있다.
본 명세서에 개시된 수처리 시스템의 일부 실시형태에서 제1 이온교환매체와 제2 이온교환매체 중 하나 또는 둘 다는 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 이온교환매체와 제2 이온교환매체 중 하나 또는 둘 모두는 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체의 혼합물일 수 있다. 각각의 유형의 이온교환매체의 특정 유형(들)과 특정 양(예를 들어, % w/w 또는 % v/v)은 처리될 물의 특성, 예를 들어, 화학적 조성에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 양이온교환매체와 음이온교환매체의 2원 혼합물은 혼합물 내 각각의 극성 매체의 동일한 양, 예를 들어, 50%일 수 있다. 대안적으로, 이온교환매체의 각각의 극성의 상대적인 양은 부분적으로 화학적 공격에 대한 저항성과 이온 수송 성능 사이의 균형에 의해 결정될 수 있다. 높은 농도, 예를 들어, 약 0.02ppm를 초과하는 농도를 갖는 산화 종, 예를 들어, 염소 또는 염소-함유 화합물을 포함하는 물에서, 제1 이온교환매체는 제2 이온교환매체의 대응하는 성분 매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 갖도록 선택된 성분 매체를 가질 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 갖는 이온교환매체, 즉, 양이온교환매체 또는 음이온교환매체는 더 높은 가교 결합된 함량을 가질 수 있고 따라서 더 낮은 수분 함량을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체 중 적어도 하나는 약 40% 내지 약 50%의 수분 함량, 예를 들어, 약 40%, 41%, 42%, 43%, 44%, 45%, 46%, 47%, 48%, 49% 또는 50%의 수분 함량을 가질 수 있다. 산화 종은 일반적으로 물 속 음이온, 예를 들어, 할로겐화물 이온 또는 과산화 이온이고, 따라서 제1 이온교환매체의 음이온 교환 수지는 약 40% 내지 약 50%의 수분 함량, 즉, 증가된 가교 결합된 함량을 가져서 물에 존재하는 산화 종의 흡수 및 산화 종으로부터 후속 팽윤 또는 손상에 저항할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 이온교환매체는 산화 종의 농도가 약 0.01ppm 내지 약 0.10ppm인 물에서 팽윤 또는 구조적 손상에 저항하여, 예를 들어, 수일 또는 수주 동안 이러한 물에 장기간 노출된 후에도 제1 이온교환매체의 팽윤 또는 구조적 손상을 감지할 수 없을 수 있다. 예를 들어, 제1 이온교환매체는 산화 종의 농도가 약 0.01ppm 내지 약 0.10ppm, 예를 들어, 약 0.01ppm 내지 약 0.10ppm, 약 0.02ppm 내지 약 0.09ppm, 약 0.03ppm 내지 약 0.08ppm, 약 0.04ppm 내지 약 0.07ppm, 또는 약 0.05ppm, 예를 들어, 약 0.01ppm, 약 0.02ppm, 약 0.03ppm, 약 0.04ppm, 약 0.05ppm, 약 0.06ppm, 약 0.07ppm, 약 0.08ppm, 약 0.09ppm 또는 약 0.10ppm인 물에서 구조적 손상에 저항할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 이온교환매체는 전기화학 분리모듈에 들어가는 물의 공급원으로부터 물의 오염물 부하를 줄이기 위해 흡착제를 더 포함할 수 있다. 흡착제는 물 처리에 유용한 임의의 적합한 흡착제, 예를 들어, 탄소질 흡착제, 예를 들어, 활성탄, 제올라이트, 금속 스폰지 또는 기타 유사한 흡착제일 수 있다. 일부 비제한적 실시형태에서, 흡착제는 고정된 입자 크기의 비드형 활성탄 흡착제일 수 있다. 예를 들어, 적합한 탄소질 흡착제는 쿠레하사(Kureha Corporation, 일본 도쿄 소재)로부터 입수할 수 있는 A-BAC-MP(평균 입자 크기 0.5mm) 또는 A-BAC-LP(평균 입자 크기 0.6mm)를 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 다른 적합한 흡착제는 이 기술 분야에 알려져 있다. 흡착제는 제1 이온교환매체에 최대 약 10% v/v 존재할 수 있고, 예를 들어, 약 1% v/v, 약 2% v/v, 약 3% v/v, 약 4% v/v, 약 5% v/v, 약 6% v/v, 약 7% v/v, 약 8% v/v, 약 9% v/v, 또는 약 10% v/v 존재할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제2 이온교환매체는 물의 공급원으로부터 물에서 실리카를 제거하기에 적합한 이온교환매체를 포함한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 희석 구획의 임의의 부분을 위한 이온교환매체를 선택하는 것은 염소에 대한 노출 시 팽윤 또는 구조적 손상에 대한 저항성과 같은 염소-함유 화합물에 대한 저항성과 이온 수송 성능 사이의 균형에 의해 결정될 수 있다. 특정 예로서, 전기화학 분리모듈의 구획들 간에 부피가 큰 양이온인 용해된 실리카를 수송하는 것은 약 5% 내지 약 10% 가교 결합된 함량을 갖는 양이온교환매체를 사용하여 달성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 실리카를 제거하는 것은 전기화학 분리모듈의 구획 내의 이온교환매체에 대한 고려사항이 아닐 수 있다. 이 구성에서, 높은 가교 결합된, 즉, 낮은 수분 함량의 이온교환매체가 전기화학 분리모듈의 농축 구획과 희석 구획 전체에 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 희석 구획의 부피의 제2 부분에 사용되는 이온교환매체, 즉, 양이온교환매체 또는 음이온교환매체는 더 낮은 가교 결합된 함량을 가질 수 있고 따라서 더 높은 수분 함량을 가질 수 있다. 이 실시형태에서, 이러한 유형의 이온교환매체는 염소-함유 화합물과 같은 산화 종의 흡수로 인한 구조적 손상에 대한 저항성보다는 이온 수송에 더 적합할 수 있다. 이러한 유형의 이온교환매체를 사용하는 수처리는 염소-함유 화합물의 농도가 희석 구획의 부피의 제1 부분에서 제1 이온교환매체에 의해 감소되는 조건 하에서 동작할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제2 부분에 있는 제2 이온교환매체의 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체 중 적어도 하나는 수분 함량이 약 50% 내지 약 60%일 수 있고, 예를 들어 수분 함량이 약 50%, 51%, 52%, 53%, 54%, 55%, 56%, 57%, 58%, 59% 또는 60%일 수 있다. 특정 실시형태에서, 적어도 하나의 음이온교환매체는 약 50% 내지 약 60%의 수분 함량을 갖는다. 희석 구획 내에서, 제1 이온교환매체의 적어도 하나의 음이온교환매체는 제2 이온교환매체의 적어도 하나의 음이온교환매체보다 더 많은 수분 함량을 가질 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 희석 구획 내의 제1 이온교환매체와 제2 이온교환매체 사이의 상대적 수분 함량과 가교 결합 정도는 희석 구획으로의 공급수의 수질과 원하는 이온 수송 성능에 기초하여 결정될 수 있다. 대부분의 염소-함유 화합물의 음이온 특성으로 인해, 제1 및 제2 이온교환매체 각각의 적어도 하나의 양이온교환매체는 일반적으로 염소-함유 화합물에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 제1 및 제2 이온교환매체에서 양이온교환매체의 수분 함량과 가교 결합 정도는 거의 동일할 수 있다. 이 상대적 비율은 성능 메트릭을 만족시키기 위해 필요에 따라 조정될 수 있으며, 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시형태는 희석 구획의 부피의 상이한 부분에서 수분 함량이 동일한 양이온교환매체를 갖는 것으로 제한되지 않는다.
본 명세서에 개시된 임의의 전기화학 수처리 디바이스의 일부 실시형태에서, 제1 이온교환매체와 제2 이온교환매체 중 하나 또는 둘 모두는 개시된 응용에 적합한 임의의 물리적 형태일 수 있다. 예를 들어, 제1 이온교환매체와 제2 이온교환매체 중 하나 또는 둘 모두는 가교 결합된 겔 매체, 미세다공성 수지 또는 거대다공성 수지를 포함할 수 있다. 형태의 선택은 전기화학적 처리 모듈의 크기, 처리될 물의 수질, 및 처리 후 원하는 물의 수질에 따라 달라질 수 있다. 비제한적인 예로서, 2.0mm 내지 3.0mm의 희석 또는 농축 구획 두께를 갖는 얇은 셀 전기화학 분리모듈에서, 높은 가교 결합된, 낮은 수분 함량(예를 들어, 수분 함량 40% 내지 50%)의 이온교환매체는 물 분리를 일으키지 않는 동작 조건 하에서 희석 구획의 제1 부분에 사용될 수 있다. 덜 가교 결합된, 더 높은 수분 함량(예를 들어, 50% 내지 60% 수분 함량)의 이온교환매체는 대부분의 실리카가 농축 구획으로 이동할 수 있는 희석 구획의 제2 부분에서 사용될 수 있다. 다른 비제한적 예로서, 약 10mm의 희석 및/또는 농축 구획 두께를 갖는 두꺼운-셀 전기화학 분리모듈에서, 유형 I 및 유형 II 강염기 음이온 수지 및 이들의 혼합물을 모두 포함하는 희석 구획의 제1 부분에 있는 이온교환매체는 물의 산화 종에 노출될 때 구조적 손상에 취약한 것으로 관찰되었다. 이 구성에서, 높은 가교 결합된 겔 이온교환매체 또는 거대다공성 이온교환매체는 이온교환매체의 구조적 무결성을 희생시키지 않고 희석 구획의 제1 부분에서 이온교환매체의 전도율과 이에 따라 이온 수송 성능을 제어하는 목적으로 사용된다.
본 명세서에 개시된 전기화학 수처리 디바이스의 일부 실시형태에서, 농축 구획의 부피는 제1 이온교환매체와 실질적으로 유사한 조성을 갖는 제3 이온교환매체를 포함한다. 제3 이온교환매체는 본 명세서에 설명된 바와 같은 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체의 혼합물과 같은 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물일 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "실질적으로 유사한"이란, 이온교환매체들 중 적어도 하나의 성분이 동일하고 10% 이내의 상대적인 양으로 존재하는, 2개의 상이한 이온교환매체의 물리적 및 화학적 조성을 말한다. 예를 들어, 농축 구획 내의 제3 이온교환매체는 희석 구획의 제1 이온교환매체 또는 제2 이온교환매체와 동일한 음이온교환매체와 양이온교환매체의 조합을 갖지만 각 성분의 질량 또는 중량 백분율은 다를 수 있다. 단순화된 예시적인 실시예로서, 제1 이온교환매체는 60 질량%의 매체(A)와 40 질량%의 매체(B)를 포함할 수 있고, 제3 이온교환매체는 50 질량%의 매체(A)와 50 질량%의 매체(B)를 포함할 수 있다. 제3 이온교환매체에 존재하는 이온교환매체의 상대적 비율은 희석 구획의 성능과 농축 구획으로부터의 농축물의 배출에 균형을 맞추고, 희석 구획과 농축 구획을 통한 압력 강하를 줄이기 위해 선택될 수 있다.
일 양태에 따르면, 물에 용해된 실리카의 농도를 감소시키는 방법이 제공된다. 본 방법은 용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 포함하는 물의 공급원으로부터 공급물 스트림을 전기화학 수처리 디바이스의 전기화학 분리모듈의 공급물 입구로 보내는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 용해된 실리카의 농도가 감소된 생성물 스트림과 용해된 실리카가 풍부한 농축물 스트림을 생성하기 위해 제1 전극과 제2 전극에 걸쳐 전압을 인가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 전기화학 분리모듈은 희석 구획, 농축 구획, 이 희석 구획과 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제1 부분은 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제2 부분은 공급물 입구의 원위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함할 수 있고, 제1 이온교환매체는 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 처리될 물의 공급원으로부터 공급 스트림을 보내는 것은 약 1ppm의 용해된 실리카 농도를 갖는 물을 보내는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 생성물 스트림을 배출하는 것은 약 1ppb의 용해된 실리카 농도를 갖는 생성물 스트림을 배출하는 것을 포함한다.
일 양태에 따르면, 용해된 실리카를 함유하는 물의 처리를 용이하게 하는 방법이 제공된다. 본 방법은 용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 함유하는 물의 공급원에 연결될 수 있는 전기화학 수처리 디바이스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 제공된 전기화학 분리모듈은 공급물 입구, 희석 구획, 농축 구획, 이 희석 구획과 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 희석 구획의 부피의 제1 부분은 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함할 수 있고, 희석 구획의 부피의 제2 부분은 공급물 입구의 원위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함할 수 있다. 제1 이온교환매체는 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 가질 수 있다. 본 방법은 물의 공급원으로부터 폐수를 전기화학 분리모듈의 공급물 입구로 보내기 위한 명령을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 방법은 용해된 실리카의 농도가 감소된 생성물 스트림과 용해된 실리카가 풍부한 농축물 스트림을 생성하기 위해 제1 전극과 제2 전극에 걸쳐 전압을 인가하기 위한 명령을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
실시예
이들 실시형태 및 다른 실시형태의 기능과 이점은 다음의 실시예로부터 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 이들 실시예는 본질적으로 예시적인 것으로 의도되며, 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않는다.
다음 실시예는 상업적 공급업체로부터 입수할 수 있는 특정 이온교환매체를 참조한다. 본 발명의 전기화학 분리모듈에 사용하기에 적합한 예시적인 양이온교환매체는, C-211 UPS(Na+ 형태의 수분 함량 42% 내지 48%, 가교 결합된 8%) 및 C-373(Na+ 형태의 수분 함량 40% 내지 45%, 가교 결합된 10%) 수지를 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않고, 여기서 두 강산성 양이온교환매체는 아보쿠아 워터 테크놀로지스사(Evoqua Water Technologies, LLC)(펜실베니아주 피츠버그 소재)로부터 입수할 수 있다. 본 발명의 전기화학 분리모듈에 사용하기에 적합한 예시적인 음이온교환매체는 유형 1 강염기성 음이온교환매체(예를 들어, DOWEX™ MARATHON™ A(Cl- 형태의 수분 함량 50% 내지 60%) 및 DOWEX™ MONOSPHERE™ 550A(Cl- 형태의 수분 함량 42% 내지 48%) 수지, 이 둘 다는 다우 케미컬 컴퍼니(Dow Chemical Company)(미시간주 미들랜드 소재)로부터 입수할 수 있음) 및 유형 2 강염기 음이온교환매체를 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 이러한 매체 유형은 단지 예시적인 실시예일 뿐이며, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 이온교환매체의 특정 유형 및/또는 제조업체에 의해 제한되지 않는다.
실시예 1
표 1은 염화 이온 흡수로 인한 매체 팽윤 및/또는 분해에 대한 저항성과 실리카 제거 성능에 대한 영향을 평가하기 위해 다양한 전기화학 분리모듈(A 내지 D)의 이온교환매체 구성 간의 비교를 보여준다.
모듈(A)에 비해 모듈(B)은 더 높은 가교 결합된 양이온 수지(C-373)를 사용했지만 동일한 음이온 수지(MARATHON™ A)이므로 이 구성은 더 낮은 가교 결합된 음이온교환매체가 전기화학 분리모듈에의 공급수에 존재하는 염소에 의해 팽윤되거나 열화되는 알려진 문제를 해결하지 않았다. 모듈 구성(C 및 D)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 희석 구획에서 압력 강하 증가의 지연된 개시를 나타내었다. 압력 강하의 지연된 개시는 모듈(A 및 B)의 이온교환매체가 전기화학 분리모듈에서 팽윤되거나 보다 신속히 구조적 무결성을 상실하여, 모듈 내에서 유입 및 유출을 제한하는 막힘을 형성하는 지점까지 균열되는 것에 기인한다. 모듈(C)은 실리카 제거 성능의 손실이 없는 반면, 모듈(D)은 도 4에 도시된 바와 같이 현저하게 더 나쁜 실리카 제거 성능을 나타냈다.
실시예
2
표 2는 표 1의 모듈(C)의 이온교환매체 구성과 이온교환매체 구성(모듈(CD)과 농축)의 변경 사항을 비교하여 염화 이온 흡수로 인한 매체 팽윤 또는 분해에 대한 저항성, 실리카 제거 성능 및 결과적인 수질을 평가한다.
도 5a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이, 모듈 구성(C 및 CD)은 둘 다 대략 3개월 동안 희석 구획(도 5a)과 농축 구획(도 5b)에서 상대적으로 안정적인 압력 강하 변화를 가졌다. 이것은 전기화학 분리모듈에 공급수에 산화 종이 존재할 때 이온교환매체의 안정성을 나타낸다. 모듈(C)은, 더 높은 가교 결합된 수지를 갖는 농축 구획의 제1 부분을 포함하고, 여기서 제1 부분은 구획 부피의 약 20%이고, 구획 부피의 나머지는 더 낮은 가교 결합된 수지를 포함한다. 모듈(CD)은 더 높은 가교 결합된 수지로 채워진 농축 구획의 전체 부피를 포함했다. 모듈 구성(CD)은 표 1의 모듈 구성(D)과 비교할 때 농도 구획에서 더 높은 가교 결합된 이온교환매체의 백분율이 높아서 압력 강하가 적은 것으로 인해 추가 테스트를 위해 선택되었다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 모듈 구성(C 및 CD)은 실리카 제거율의 비교(도 6) 및 처리된 물 저항률(도 7)에서 입증된 바와 같이 대략 동일한 성능을 나타냈다.
본 명세서에서 사용된 어구와 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용된 "복수"라는 용어는 2개 이상의 항목 또는 구성요소를 의미한다. "포함하는", "구비하는", "소유하는", "갖는", "함유하는" 및 "수반하는"이라는 용어는 본 상세한 설명 또는 청구범위 등에서 "~를 포함하되 이로 제한되지 않음"을 의미하는 개방형 용어이다. 따라서, 이러한 용어의 사용은 이후에 나열된 항목 및 이의 등가 항목, 및 추가 항목을 포함하는 것을 의미한다. "~로 이루어진" 및 "~로 본질적으로 이루어진"이라는 전이 어구만이 청구범위와 관련하여 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전이 어구이다. 청구항 요소를 수식하기 위해 청구항에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어의 사용은 그 자체가 다른 요소에 대한 하나의 청구항 요소의 우선권, 우선 순위 또는 순서를 의미하거나 또는 방법 동작이 수행되는 시간적 순서를 의미하지는 않고, 특정 이름을 가진 하나의 청구항 요소와 동일한 이름을 가진 다른 요소를 (단, 서수 용어를 사용하여) 구별하여 청구항 요소를 구별하기 위한 명칭으로 사용된다.
적어도 하나의 실시형태의 여러 양태를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 당업자에게 용이하게 일어날 수 있는 것으로 이해된다. 임의의 실시형태에서 설명된 임의의 특징은 임의의 다른 실시형태의 임의의 특징에 포함되거나 임의의 특징에 의해 대체될 수 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 발명의 일부로 의도되고 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 따라서, 전술한 상세한 설명 및 도면은 예시를 위한 것일 뿐이다.
당업자라면 본 명세서에 설명된 파라미터와 구성이 예시적이며 실제 파라미터 및/또는 구성이 개시된 방법과 물질이 사용되는 특정 응용에 따라 달라질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 당업자라면 또한 단지 일상적인 실험을 사용하여 개시된 특정 실시형태에 대한 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다.
Claims (25)
- 전기화학 수처리 디바이스로서,
용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 포함하는 물의 공급원에 유체 이동 가능하게 연결될 수 있는 공급물 입구; 및
상기 공급물 입구에 유체 이동 가능하게 연결될 수 있는 전기화학 분리모듈로서, 상기 전기화학 분리모듈은 희석 구획, 농축 구획, 상기 희석 구획과 상기 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는, 상기 전기화학 분리모듈
을 포함하되,
상기 희석 구획의 부피의 제1 부분은 상기 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함하고,
상기 희석 구획의 부피의 제2 부분은 상기 공급물 입구의 원위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함하고, 상기 제1 이온교환매체는 상기 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 갖는, 전기화학 수처리 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 전기화학 분리모듈의 희석 구획의 하류에 유체 이동 가능하게 연결된 생성물 출구를 추가로 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 이온교환매체는 상기 제2 이온교환매체에 비해 더 큰 정도로 상기 염소-함유 화합물의 흡수로 인한 팽윤에 저항하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제3항에 있어서, 상기 제1 부분은 상기 희석 구획의 부피의 약 10% 내지 약 30%를 차지하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제4항에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 희석 구획의 부피의 약 70% 내지 약 90%를 차지하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 이온교환매체는 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물을 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물은 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체의 혼합물을 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체 중 하나는 약 40% 내지 약 50%의 수분 함량을 갖는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 음이온교환매체는 약 40% 내지 약 50%의 수분 함량을 갖는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 이온교환매체는 장기간 동안 약 0.01ppm 내지 약 0.10ppm의 농도로 존재하는 염소-함유 화합물에 저항할 수 있는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 이온교환매체는 최대 약 10% v/v의 흡착제를 추가로 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 이온교환매체는 물의 공급원으로부터 물에 용해된 실리카를 제거하기에 적합한 이온교환매체를 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제12항에 있어서, 상기 제2 이온교환매체는 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물을 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제13항에 있어서, 상기 2개 이상의 이온교환매체의 혼합물은 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체의 혼합물을 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양이온교환매체와 적어도 하나의 음이온교환매체 중 하나는 약 50% 내지 약 60%의 수분 함량을 갖는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 음이온교환매체는 약 50% 내지 약 60%의 수분 함량을 갖는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제7항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 이온교환매체의 적어도 하나의 음이온교환매체는 상기 제2 이온교환매체의 적어도 하나의 음이온교환매체보다 더 많은 수분 함량을 갖는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제7항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 이온교환매체의 적어도 하나의 양이온교환매체와 상기 제2 이온교환매체의 적어도 하나의 양이온교환매체는 거의 동일한 수분 함량을 갖는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 이온교환매체와 제2 이온교환매체 중 적어도 하나는 미세다공성 수지, 거대다공성 수지 또는 가교 결합된 겔을 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농축 구획의 부피는 상기 제1 이온교환매체와 실질적으로 유사한 조성을 갖는 제3 이온교환매체를 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학 분리모듈은 교대하는 일련의 양이온교환막과 음이온교환막에 의해 분리된 복수의 희석 구획과 복수의 농축 구획을 포함하는, 전기화학 수처리 디바이스.
- 물에 용해된 실리카의 농도를 감소시키는 방법으로서,
용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 포함하는 물의 공급원으로부터 공급물 스트림을 전기화학 수처리 디바이스의 전기화학 분리모듈의 공급물 입구로 보내는 단계로서, 상기 전기화학 분리모듈은,
희석 구획, 농축 구획, 상기 희석 구획과 상기 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고,
상기 희석 구획의 부피의 제1 부분은 상기 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함하고,
상기 희석 구획의 부피의 제2 부분은 상기 공급물 입구의 원위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함하고, 상기 제1 이온교환매체는 상기 제2 이온교환매체보다 상기 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 갖는, 상기 공급물 스트림을 공급물 입구로 보내는 단계; 및
용해된 실리카의 농도가 감소된 생성물 스트림과 용해된 실리카가 풍부한 농축물 스트림을 생성하기 위해 상기 제1 전극과 제2 전극에 걸쳐 전압을 인가하는 단계
를 포함하는, 물에 용해된 실리카의 농도를 감소시키는 방법. - 제22항에 있어서, 처리될 물의 공급원으로부터 공급물 스트림을 보내는 단계는 약 1ppm의 용해된 실리카 농도를 갖는 물을 보내는 단계를 포함하는, 물에 용해된 실리카의 농도를 감소시키는 방법.
- 제22항에 있어서, 약 1ppb의 용해된 실리카 농도를 갖는 생성물 스트림을 배출하는 단계를 추가로 포함하는, 물에 용해된 실리카의 농도를 감소시키는 방법.
- 용해된 실리카를 함유하는 물의 처리를 용이하게 하는 방법으로서,
용해된 실리카와 염소-함유 화합물을 함유하는 물의 공급원에 연결될 수 있는 전기화학 수처리 디바이스를 제공하는 단계로서, 상기 전기화학 수처리 디바이스는,
공급물 입구, 희석 구획, 농축 구획, 상기 희석 구획과 상기 농축 구획 사이에 위치된 이온교환막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 희석 구획의 부피의 제1 부분은 상기 공급물 입구의 근위에 위치된 제1 이온교환매체를 포함하고, 상기 희석 구획의 부피의 제2 부분은 상기 공급물 입구의 근위에 위치된 제2 이온교환매체를 포함하고, 상기 제1 이온교환매체는 상기 제2 이온교환매체보다 염소-함유 화합물에 대해 더 큰 저항성을 갖는, 상기 전기화학 수처리 디바이스를 제공하는 단계;
상기 물의 공급원으로부터 상기 전기화학 분리모듈의 공급물 입구로 폐수를 보내기 위한 명령을 제공하는 단계; 및
용해된 실리카의 농도가 감소된 생성물 스트림과 용해된 실리카가 풍부한 농축물 스트림을 생성하기 위해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 걸쳐 전압을 인가하기 위한 명령을 제공하는 단계
를 포함하는, 용해된 실리카를 함유하는 물의 처리를 용이하게 하는 방법.
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