KR20230107642A - 약하게 이온화된 종의 향상된 제거를 위한 전기탈이온화 구성 - Google Patents
약하게 이온화된 종의 향상된 제거를 위한 전기탈이온화 구성 Download PDFInfo
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Abstract
전기화학적 수처리 장치가 개시된다. 장치는 처리될 물 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전기화학적 분리 모듈을 포함한다. 전기화학적 분리 모듈은 제1 전극, 제2 전극 및 복수의 희석 구획을 포함한다. 각각의 희석 구획은 제1 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제1 영역, 제2 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제2 영역 및 제3 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제3 영역을 포함한다. 이온 교환 매질의 제2 영역의 부피는 이온 교환 매질의 제1 영역과 제3 영역의 총 부피보다 크거나 같다. 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 용해된 붕소 함유 종 및 용해된 실리카 함유 종을 포함하는 물의 처리를 용이하게 하는 방법이 개시된다. 전기화학적 분리 모듈이 또한 개시된다.
Description
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 전기탈이온화를 사용하여 물로부터 오염물, 예를 들어, 용해된 붕소-함유 및 실리카-함유 화합물과 같은 약하게 이온화된 종을 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
양태에 따르면, 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 용해된 붕소 종, 즉, 붕소-함유 종을 갖는 처리될 물 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전기화학적 수처리 장치가 제공된다. 장치는 처리될 물 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전기화학적 분리 모듈을 포함할 수 있다. 전기화학적 분리 모듈은 제1 전극, 제2 전극 및 복수의 희석 구획을 포함할 수 있다. 각각의 희석 구획은 제1 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제1 영역, 제2 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제2 영역 및 제3 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제3 영역을 포함할 수 있다. 이온 교환 매질의 제2 영역의 부피는 이온 교환 매질의 제1 영역과 제3 영역의 총 부피보다 크거나 같을 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학적 수처리 장치는 전기화학적 수처리 장치를 통한 단일 통과에서 약 30psi 내지 70psi의 압력 강하(pressure drop)로 붕소의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다.
소정의 실시형태에서, 제2 평균 입자 크기는 제1 평균 입자 크기 및 제3 평균 입자 크기보다 작다.
일부 실시형태에서, 제1 영역 및 제2 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제2 영역 및 제3 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 영역 및 제3 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 제2 평균 입자 크기는 100㎛ 내지 400㎛의 범위이다. 일부 실시형태에서, 제1 평균 입자 크기는 500㎛ 내지 800㎛의 범위이다.
일부 실시형태에서, 이온 교환 매질의 제2 영역은 희석 구획 부피의 약 50% 내지 약 90%를 차지한다. 일부 실시형태에서, 제1 영역과 제3 영역의 총 부피는 희석 구획 부피의 약 10% 내지 약 50%이다.
일부 실시형태에서, 이온 교환 매질의 제1, 제2 또는 제3 영역 중 하나 이상은 2종 이상의 이온 교환 매질의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 매질의 제1, 제2 또는 제3 영역 중 하나 이상에서, 혼합물은 적어도 하나의 양이온 교환 수지와 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 강산 양이온 교환 수지일 수 있고, 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 강염기 음이온 교환 수지일 수 있다. 소정의 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지와 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 혼합물은 약 50% w/w의 적어도 하나의 양이온 교환 수지를 포함하고, 적어도 하나의 양이온 교환 수지와 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 혼합물은 약 50% w/w의 적어도 하나의 음이온 교환 수지를 포함한다.
일부 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 약 5% w/w 내지 15% w/w의 가교된 함량을 갖는다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 약 40% 내지 60%의 수분 함량을 갖는다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 약 1% w/w 내지 10% w/w의 가교된 함량을 갖는다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 약 40% 초과의 수분 함량을 갖는다. 예를 들어, 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 약 40% 내지 65%의 수분 함량을 갖는다.
일부 실시형태에서, 제1 영역 및 제2 영역의 부피에 대한 제3 영역의 부피는 60psi 이하의 모듈을 통한 압력 강하를 제공한다.
일부 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈은 100개 내지 150개의 전기화학적 전지(electrochemical cell)를 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 모듈은 각각 적어도 하나의 이온 교환 매질을 포함하는 복수의 농축 구획을 포함할 수 있다. 복수의 농축 구획은 희석 구획과 실질적으로 동일한 배열의 이온 교환 매질을 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 복수의 농축 구획은 제1 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질을 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 장치는 희석 구획의 유입구 및 유출구 중 하나 또는 둘 다에 배치된 제1 매질 보유 구조를 포함할 수 있다.
양태에 따르면, 수중 붕소의 감소를 촉진시키는 방법이 제공된다. 방법은 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 용해된 붕소 종을 포함하는 물 공급원에 연결 가능한 전기화학적 수처리 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 해당 전기화학적 수처리 장치는 전기화학적 분리 모듈을 포함한다. 제공되는 전기화학적 모듈은 제1 전극, 제2 전극 및 이들 사이에 있는 복수의 유체 흐름 가능하게 연결된 전기화학적 전지를 포함할 수 있되, 복수의 유체 흐름 가능하게 연결된 전기화학적 전지 각각은 적어도 이온 교환 매질의 제1층, 이온 교환 매질의 제2층 및 이온 교환 매질의 제3층을 포함하는 희석 구획을 포함한다. 이온 교환 매질의 제2층의 부피는 이온 교환 매질의 제1층 및 제3층의 총 부피보다 크거나 같을 수 있다. 이온 교환 매질의 제1층, 제2층 및 제3층은 전기화학적 수처리 장치를 통한 단일 통과에서 물로부터 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 배열될 수 있다. 방법은 물 공급원에서 전기화학적 분리 모듈의 공급 유입구로 물을 보내라는 명령(instruction)을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 방법은 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 용해된 붕소의 농도가 감소된 희석 스트림 및 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 용해된 붕소가 풍부한 농축 스트림을 생성하기 위해 제1 전극 및 제2 전극 양단에 전압을 인가하기 위한 명령을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 방법은 약 30psi 내지 70psi의 압력 강하로 전기화학적 수처리 장치를 작동시키기 위한 명령을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
양태에 따르면, 전기화학적 분리 모듈이 제공된다. 전기화학적 분리 모듈은 각각의 희석 구획의 유입구보다 먼 이온 교환 매질의 유입구 영역, 이온 교환 매질의 중간 영역 및 각각의 희석 구획의 유출구에 인접한 이온 교환 매질의 유출구 영역을 포함하는 각각의 희석 구획과 이들 사이에 복수의 희석 구획을 갖는 전극을 포함할 수 있다. 이온 교환 매질의 중간 영역은 각각의 희석 구획의 유입구 영역의 이온 교환 매질과 유출구 영역의 이온 교환 매질 사이에 배치될 수 있다. 유입구 영역의 이온 교환 매질은 인접한 이온 교환 매질 입자 사이에 획정된 제1 평균 간극 간격(average interstitial spacing)을 가질 수 있고, 유출구 영역의 이온 교환 매질은 인접한 이온 교환 매질 입자 사이에 획정된 제2 평균 간극 간격을 가질 수 있다. 중간 영역의 이온 교환 매질은 제1 및 제2 평균 간극 간격보다 큰 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 이온 교환 매질의 중간 영역의 부피는 이온 교환 매질의 유입구 영역과 유출구 영역의 총 부피보다 크거나 같을 수 있다. 전기화학적 분리 모듈은 약 30psi 내지 70psi의 압력 강하로 작동하도록 구성 및 배열될 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 평균 간극 간격은 제2 평균 간극 간격의 약 5% 이내일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈은 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 추가 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈은 복수의 농축 구획을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 희석 구획은 농축 구획의 치수보다 적어도 하나 더 큰 치수를 포함하며, 예를 들어, 희석 구획은 농축 구획보다 두꺼울 수 있다.
첨부된 도면은 축척대로 그려지지 않았다. 도면에서, 다양한 도면에 예시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 동일한 숫자로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 도면의 모든 구성요소에 레이블이 지정되어 있지는 않다. 도면에서:
도 1은 일 실시형태에 따른 전기화학적 분리 모듈을 예시하고;
도 2는 일 실시형태에 따른 도 1의 전기화학적 분리 모듈을 포함하는 수처리 시스템을 예시하며;
도 3은 일 실시형태에 따른 본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈의 개략도를 예시하고; 그리고
도 4는 일 실시형태에 따른 본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈의 이온 교환 매질 레이아웃을 예시한다.
도 1은 일 실시형태에 따른 전기화학적 분리 모듈을 예시하고;
도 2는 일 실시형태에 따른 도 1의 전기화학적 분리 모듈을 포함하는 수처리 시스템을 예시하며;
도 3은 일 실시형태에 따른 본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈의 개략도를 예시하고; 그리고
도 4는 일 실시형태에 따른 본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈의 이온 교환 매질 레이아웃을 예시한다.
이온 교환은 고체(예를 들어, 이온 교환 수지)와 액체(예를 들어, 물) 사이의 이온의 가역적 교환이다. 이온 교환 매질은 "화학적 스펀지"의 역할을 하기 때문에, 이들은 물 및 기타 액체에서 오염물을 효과적으로 제거하는 데 매우 적합하다. 이온 교환 기술은 종종 물의 탈염 및 연화, 폐수 재활용 및 기타 수처리 공정에서 사용된다. 이온 교환 매질은 또한 다양한 전문적인 응용 분야, 예를 들어, 화학 처리, 제약, 광업 및 식품 및 음료 가공에 사용된다.
전기장을 사용하여 유체를 정화하는 장치, 즉, 전기화학적 분리 모듈은 용해된 이온성 종을 포함하는 물 및 기타 액체를 처리하는 데 사용될 수 있다. 이러한 모듈 내에는 이온-선택성 막에 의해 분리된 농축 및 희석(또는 고갈) 구획이 있다. 전기화학적 분리 모듈은 전기 활성 반투과성 음이온과 양이온 교환막이 교호하는 것이 특징일 수 있다. 막 사이의 공간은 유입구 및 유출구가 있는 액체 흐름 구획을 생성하도록 구성된다. 전극을 통해 부과된 인가된 전기장은 각각의 반대-전극에 끌리는 용해된 이온을 음이온 및 양이온 교환막을 통해 이동시킨다. 이는 일반적으로 희석 구획의 액체에서 이온을 고갈시키고, 농축 구획의 액체에서 전달된 이온을 농축시킨다.
본 명세서에서 사용되는 어구 "분리 모듈", "처리 장치", "정제 장치" 또는 "기구"는 처리될 유체로부터 임의의 바람직하지 않은 종의 농축 수준을 제거하거나 또는 감소시키는 데 사용될 수 있는 임의의 장치와 관련이 있다. 적합한 처리 기구의 예는 이온-교환 수지 장치, 역삼투(reverse osmosis: RO), 전기탈이온화, 전기투석, 한외여과, 미세여과 및 용량성 탈이온화 장치를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
소정의 비제한적인 실시형태에서, 본 명세서에 개시된 방법 및 장치는 전기화학적 분리 모듈을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 어구 "전기화학적 분리 모듈"은 임의의 수의 전기 구동식(electrically-driven) 분리 시스템을 지칭하며; 비제한적인 예는 전기탈이온화(electrodeionization: "EDI") 장치, 전기투석(electrodialysis: "ED") 장치, 용량성 탈이온화(capacitive deionization: "CapDI") 장치 및 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 전기화학적 수처리 장치는 일관되지 않거나 또는 이러한 작업에 반대되지 않는 한 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법의 원리에 따라 기능하는 임의의 장치를 포함할 수 있다.
소정의 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈은 전기탈이온화(EDI) 장치(unit)를 포함할 수 있다. 이러한 장치의 비제한적인 예는 전기투석(ED), 역전기투석(electrodialysis reversal: EDR), 전기화학적 탈이온화, 용량성 탈이온화, 연속 전기탈이온화(continuous electrodeionization: CEDI) 및 가역적 연속 전기탈이온화(reversible continuous electrodeionization: RCEDI)를 포함한다.
전기탈이온화(EDI)는 이온 수송에 영향을 미치기 위해 하나 이상의 이온 교환 매질 및 전극 사이에 인가된 전위를 사용하여 물에서 하나 이상의 이온화되거나 또는 이온화 가능한 종을 제거하거나 또는 적어도 감소시키는 공정이다. 이온 교환 매질은 전형적으로 이온성, 약하게 이온화된 종 및/또는 이온화 가능한 종을 교대로 수집 및 방출하고, 일부 실시형태에서 이온 또는 전자 치환 메커니즘에 의해 연속적일 수 있는 이온의 수송을 촉진하는 역할을 한다. EDI 장치는 영구적 또는 일시적 전하의 전기화학적으로 활성인 매질을 포함할 수 있고, 배취식으로, 간헐적으로, 연속적으로 그리고/또는 역극성 모드로 작동될 수 있다. EDI 장치는 성능을 달성하거나 또는 향상시키기 위해 특별히 설계된 하나 이상의 전기화학적 반응을 촉진하도록 작동될 수 있다. 또한, 이러한 전기화학적 장치는 반투과성 또는 선택적 투과성 이온 교환 또는 양극성 막과 같은 이온 교환막을 포함할 수 있다. 연속 전기탈이온화(CEDI) 장치는 이온 교환 물질이 연속적으로 재충전되는 동안 정수(water purification)가 연속적으로 진행될 수 있는 방식으로 작동하는 EDI 장치이다. CEDI 기법은 연속 탈이온화, 충전 전지 전기투석 또는 전기투석과 같은 공정을 포함할 수 있다. 제어된 전압 및 염도 조건하에, CEDI 시스템에서, 물 분자는 장치에서 이온 교환 매질을 재생시킬 수 있는 수소 또는 하이드로늄 이온 또는 종 및 하이드록사이드 또는 하이드록실 이온 또는 종을 생성하기 위해 분할될 수 있으므로 이로부터 포획된 종의 방출을 용이하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 처리될 물 스트림은 이온 교환 매질의 화학적 재충전을 필요로 하지 않고 연속적으로 정화될 수 있다.
CEDI 및 EDI 장치에서, 직류(direct current: DC) 전기장은 전형적으로 전극(양극(anode 또는 positive electrode) 및 음극(cathode 또는 negative electrode))에 인가되는 전압 및 전류의 공급원으로부터 전지에 걸쳐 인가된다. 전압 및 전류 공급원(집합적으로 "전력 공급장치(power supply)")은 교류(alternating current: AC) 전원 또는, 예를 들어, 태양광, 풍력 또는 파력으로부터 파생된 전원과 같은 다양한 수단에 의해 자체적으로 전력을 공급받을 수 있다. 전극/액체 계면에서, 막 및 구획을 통한 이온의 전달을 개시 및/또는 촉진하는 전기화학적 반쪽-전지 반응이 발생한다. 예를 들어, 도 1에서, 제1 전극 및 제2 전극, 즉, 음극 및 양극에 전압이 인가되면, 수중에 하이드록사이드 및 수소 이온이 형성되어 물에 존재하는 이온이 반대 극성 전극으로 이동하게 할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전해질 구획 내에 포함된 전극의 경우, 전극/계면에서 발생하는 특정 전기화학적 반응은 구획의 염 농도에 의해 어느 정도 제어될 수 있다. 예를 들어, 소듐 클로라이드의 함량이 높은 양극 전해질 구획으로의 공급은 클로린 가스 및 수소 이온을 생성하는 경향이 있을 것인 반면, 음극 전해질 구획으로의 이러한 공급은 수소 가스 및 하이드록사이드 이온을 생성하는 경향이 있을 것이다. 일반적으로, 양극 구획에서 생성된 수소 이온은 전하를 중성을 유지하고 염산 용액을 생성하기 위해 클로라이드 이온과 같은 자유 음이온과 회합할 것이며, 유사하게 음극 구획에서 생성된 하이드록사이드 이온은 전하를 중성으로 유지하고 소듐 하이드록사이드 용액을 생성하기 위해 소듐과 같은 자유 양이온과 회합할 것이다. 생성된 클로린 가스 및 소듐 하이드록사이드와 같은 전극 구획의 반응 생성물은 소독 목적, 막 세척과 오염 제거 목적 및 pH 조정 목적으로 필요에 따라 공정에서 이용될 수 있다.
반도체 산업과 같은 다양한 공업용 목적으로 사용되는 물은 일반적으로 비저항(resistivity)이 18.2MΩ인 초순수(ultrapure water: UPW)와 같은 고순도의 물이다. 이러한 고순도의 물 공급원에서, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종과 같은 약하게 이온화된 종의 존재는 수많은 하류 공정, 예를 들어, 마이크로일렉트로닉스의 제조에 해로울 수 있다. 이러한 수준의 비저항을 달성하기 위해, 물은 크고 고도로 수화된 종 및 고도로 하전된 종 또는 대략 중성 pH에서만 약하게 이온화되는 종, 예를 들어, 많은 붕소-함유 종을 포함하여 가능한 많은 이온 함량이 없어야 한다. 붕소-함유 종은 전형적으로 전기화학적 제거 및 압력 구동식 제거, 예컨대, 역삼투(RO)를 포함하는 수처리 시스템을 통해 다중 통과, 즉, 직렬 통과를 사용하여 공정수, 예를 들어, 반도체 제조 공정수로부터 제거된다. 동일하거나 또는 상이한 분리 기술, 예를 들어, 2개 이상의 EDI 모듈 및/또는 하나 초과의 다른 전기화학적 분리 기법 및/또는 압력 구동식 분리의 다중-모듈 배열이 물에서 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소 및 붕소-함유 종을 제거하기 위해 사용된 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 붕소-함유 종의 제거는 직렬로 배열된 하나 이상의 EDI 모듈의 사용에 의해 달성되었다. 이러한 유형의 직렬로 배열된 EDI 시스템은 일반적으로 큰 물리적 설치 공간이 필요하고, 복잡한 배관 및 제어 체계를 가지며, 종종 여러 EDI 모듈을 통한 수압 강하가 발생하여 EDI 모듈의 상류에서 처리수의 충분한 압력을 생성하기 위해 강력한 펌핑 작업이 필요하므로 운영 비용이 증가한다. 본 개시내용의 목적은 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종을 제거하기 위한 더 나은 성능을 갖는 수처리 시스템을 현재의 제거 기술보다 더 작은 설치 공간 및 더 나은 경제성으로 제공하는 것이다.
전기화학적 수처리 장치, 예를 들어, CEDI 및 EDI 장치는 하나 이상, 즉, 양으로 하전되거나 또는 음으로 하전된 종의 통과를 허용하지만 전형적으로 둘 다를 허용하는 것은 아닌 선택적으로 투과성인 막에 의해 분리되는 복수의 인접한 전기화학적 전지 또는 구획을 갖는 복수의 전기화학적 분리 모듈을 포함할 수 있다. 희석 또는 고갈 구획은 전형적으로 이러한 장치에서 농축(concentrating 또는 concentration) 구획과 이격되어 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 전기화학적 전지는 직렬로 배열될 수 있으며, 인접한 전지의 희석 구획이 연결되고, 인접한 전지의 농축 구획이 연결된다.
공정수로부터 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종의 제거는 기존의 전기화학적 처리 용액의 것에 비해 증가된 수의 희석 및 농축 구획을 포함하는 전기화학적 분리 모듈을 갖는 전기화학적 수처리 장치를 사용함으로써 달성될 수 있다. 전형적인 전기화학적 처리 시스템에서, 전기화학적 분리 모듈은 대략 100개의 전기화학적 전지 쌍, 즉, 희석-농축 구획 쌍을 포함할 수 있으며, 이러한 전기화학적 분리 모듈 중 2개(또는 그 이상)는 처리 성능을 증가시키기 위해 직렬로 유체 흐름 가능하게 연결된다. 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소-함유 종을 충분히 제거하기 위해, 200개의 전기화학적 전지를 통한 총 물의 통과에 대해 이러한 설계의 전기화학적 수처리 장치를 2회 통과하는 것이 필요할 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 전기화학적 수처리 장치는 100개 초과의 전기화학적 전지와 같은 증가된 수의 전기화학적 전지, 예를 들어, 희석-농축 구획 쌍을 갖는 전기화학적 분리 모듈을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈은 기존의 처리 용액과 동일한 물리적 설치 공간 내에 약 100개 내지 150개의 전기화학적 전지를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈은 120개의 전기화학적 전지를 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 전기화학적 수처리 시스템은 각각 적어도 하나의 이온 교환 매질을 포함할 수 있는 복수의 농축 구획을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 농축 구획은 이온 교환 매질을 포함하지 않을 수 있다. 일부 실시형태에서, 이온 교환 매질이 존재하는 경우, 농축 구획은 본 명세서에 기재된 바와 같은 희석 구획과 실질적으로 동일한 배열의 이온 교환 매질을 포함할 수 있으며, 즉, 제1 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제1 영역, 제2 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제2 영역 및 제3 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제3 영역을 포함하는 각각의 희석 구획을 갖는다. 일부 실시형태에서, 농축 구획은 제1 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 농축 구획은 특정 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소 및 실리카의 적어도 부분적인 제거를 제공하는 더 큰 입자 크기의 이온 교환 매질을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 희석 구획은 낮거나 또는 미세한 입자 크기를 갖는 적어도 하나의 이온 교환 매질을 포함하고, 농축 구획은 본 명세서에 개시된 바와 같은 더 크거나 또는 거친 입자 크기를 갖는 적어도 하나의 이온 교환 매질을 포함한다.
일반적으로, 전기화학적 분리 모듈의 희석 구획은 농축 구획의 동일한 치수보다 적어도 하나 더 큰 치수, 예를 들어, 길이, 폭 또는 두께를 갖는다. 희석 구획과 농축 구획 사이의 상대적인 두께 차이는 생성물 흐름, 유속 및 전기화학적 분리 모듈의 내부 압력의 제어 사이의 균형을 나타낸다. 농축 구획보다 더 두꺼운 희석 구획은 유속 용량의 구획당 증가를 제공한다. 동시에, 더 얇은 농축 구획은 개선된 생성물 회수 및 전기화학적 분리 모듈 내의 압력 균형을 제공한다. 일부 실시형태에서, 희석 구획은 농축 구획 두께의 적어도 2배, 즉, 2×, 예를 들어, 적어도 2×, 적어도 2.5×, 적어도 3×, 적어도 3.5×, 적어도 4×, 적어도 4.5× 또는 적어도 5×인 두께를 가질 수 있다. 특정 실시형태에서, 희석 구획은 농축 구획보다 3x 더 두껍다.
CEDI 또는 EDI 장치에 사용되는 것과 같은 전기화학적 분리 모듈의 실시형태가 도 1에 예시되어 있다. 도 1에서, 전기화학적 분리 모듈(100)은 희석 구획(102), 농축 구획(104) 및 희석 구획(102)과 농축 구획(104)을 분리하는 이온 교환막(106)을 포함한다. 일부 실시형태에서, 각 구성요소 중 단 하나, 즉, 하나의 희석 구획(102), 하나의 농축 구획(104) 및 하나의 이온 교환막(106)이 있을 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 전기화학적 분리 모듈(100)은 교호하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막과 같은 교호하는 일련의 이온 교환막(106)에 의해 분리되는 복수의 희석 구획(102) 및 복수의 농축 구획(104)을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 도 1에 예시된 것보다 더 많은 수의 희석 구획 및 농축 구획이 있을 수 있다. 전기화학적 분리 모듈(100)은 각각 양극 및 음극으로서 작동하는 제1 전극 및 제2 전극(108a, 108b)에 의해 경계를 이룬다. 희석 구획(102) 내에서, 희석 구획 부피(102)의 제1 영역은 제1 이온 교환 매질(110a)을 포함한다. 희석 구획 부피(102)의 제2 영역은 제2 이온 교환 매질(110b)을 포함한다. 희석 구획 부피(102)의 제3 영역은 제3 이온 교환 매질(110c)을 포함한다. 예시된 바와 같이, 이온 교환 매질의 제2 영역의 부피는 이온 교환 매질의 제1 영역과 제3 영역의 총 부피보다 크거나 같다. 농축 구획(104)은 이온 교환 매질(110d)을 포함하지만, 이는 선택적이며 전기화학적 분리 모듈(100)이 작동하는 데 필요하지 않다.
전기화학적 분리 모듈에 포함되는 수처리 장치의 실시형태가 도 1에 예시되고, 도 2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 처리될 용해된 붕소-함유 종 및 선택적으로 실리카 함유 종을 포함하는 물 공급원에 연결되거나 또는 연결 가능한 공급 유입구(101)(미도시)는 물 공급원으로부터 전기화학적 분리 모듈(100)의 희석 구획(102) 및 농축 구획(104)으로 물을 분배하도록 위치된다. 고갈 구획(102)을 통해 물이 흐를 때(도 2에 화살표로 도시됨), 이온 및 다른 하전된 종은 전형적으로 DC장과 같은 전기장의 영향하에 농축 구획(104)으로 들어간다. 양으로 하전된 종은 다수의 고갈 구획(102) 및 농축 구획(104) 스택의 한쪽 끝에 위치한 제2 전극(108b)과 같은 음극을 향하여 끌어당겨 지고, 음으로 하전된 종은 마찬가지로 구획 스택의 반대쪽 끝에 위치한 제1 전극(108a)과 같은 양극을 향하여 끌어당겨 진다. 제1 전극 및 제2 전극(108a, 108b)은 전형적으로 고갈 구획(102) 및/또는 농축 구획(104)과의 유체 연통으로부터 부분적으로 단리될 수 있는 전해질 구획(미도시)에 수용된다. 일단 농축 구획(104)에 들어가면, 하전된 종은 농축 구획(104)을 적어도 부분적으로 규정할 수 있는 이온 교환막(106)의 장벽에 의해 포획될 수 있다. 예를 들어, 음이온은 양이온 교환막에 의해 제2 전극(108b)을 향해 그리고 농축 구획(104) 밖으로 더 이동하는 것을 방지할 수 있다. 희석 구획(102)의 처리수는 전기화학적 분리 모듈(100)의 하류에 유체 흐름 가능하게 연결된 생성물 유출구(112)의 밖으로 배출될 수 있다. 일단 농축 구획(104)에 포획되면, 포획된 하전된 종은 농축 스트림에서 제거되어 폐기물 유출구(114)로 배출될 수 있다.
도 1 및 도 2를 계속 참조하면, 일부 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈(100)은 희석 구획의 유입구 또는 유출구 중 하나 또는 둘 다에 배치된 매질 보유 구조(116)를 포함할 수 있다. 매질 보유 구조는 처리 동안 또는 유지 공정, 예를 들어, 역세척 또는 역류에서와 같은 전기화학적 분리 모듈의 작동 동안 이온 교환 매질의 손실을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 매질 보유 구조는 메시(mesh), 스크린 또는 다른 유사한 구조와 같은 전기화학적 분리 모듈의 유입구 또는 유출구에 가장 인접하게 위치한 이온 교환 매질보다 더 작은 크기의 임의의 적합한 구조일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈의 유입구 및 유출구 모두는 매질 보유 구조를 포함한다. 매질 보유 구조는 희석 구획 내로 또는 밖으로 물의 흐름을 제어하거나 또는 그렇지 않으면 이를 지시하는 데 도움이 되는 하나 이상의 구조적 특징을 더 포함할 수 있다.
공정수로부터 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종의 제거는 각각의 전기화학적 분리 모듈의 희석 구획 내에서 상이한 물리적 및 화학적 특성을 갖는 이온 교환 매질의 다중-영역 배열을 사용함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 각각의 희석 구획은 제1 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제1 영역, 제2 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제2 영역 및 제3 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제3 영역을 포함한다. 이온 교환 매질의 제1, 제2 및 제3 영역은 처리될 물로부터 특정 종, 예를 들어, 붕소 및 실리카의 제거를 달성하기 위한 이온 교환 매질의 임의의 실용적인 배열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 영역 및 제2 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함하며, 즉, 동일한 입자 크기 및/또는 화학적 조성을 갖는다. 일부 실시형태에서, 제2 영역 및 제3 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함하며, 즉, 동일한 입자 크기 및/또는 화학적 조성을 갖는다. 소정의 실시형태에서, 제1 영역 및 제3 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함할 수 있으며, 즉, 동일한 입자 크기 및/또는 화학적 조성을 갖는다. 당업자는 처리될 물로부터 특정 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소 및 실리카의 목적하는 제거를 달성하기 위해 제1, 제2 및 제3 영역에서 이온 교환 매질의 적절한 배열을 결정할 수 있을 것이다.
일부 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈의 희석 구획 내의 이온 교환 매질의 배열은 희석 구획의 상이한 영역 내의 이온 교환 매질 입자 사이의 간격을 특징으로 할 수 있다. 일반적으로, 이온 교환 매질은 구형 미립자 매질의 형태로 구성되며, 희석 및/또는 농축 구획에 배치될 때, 입자는 각 입자 사이에 간극 공간을 가질 것이며, 입자 간 간극 공간의 크기는 입자 직경의 함수가 된다. 예를 들어, 전기화학적 분리 모듈은 전기화학적 분리 모듈의 유입구에 대해 원위에 위치한 유출구에 인접하게 위치한 희석 구획의 유출구 영역에 일종의 이온 교환 매질 및 이온 교환 매질의 유입구와 유출구 영역 사이에 위치한 일종의 이온 교환 매질의 중간 영역을 포함할 수 있다. 유입구 영역의 이온 교환 매질은 제1 평균 간극 간격을 가질 수 있고, 유출구 영역의 이온 교환 매질은 제2 평균 간극 간격을 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "평균 간극 간격"은 인접한 개별 이온 교환 매질 입자 사이의 평균 간격을 지칭한다. 일부 실시형태에서, 중간 영역의 이온 교환 매질은 제1 및 제2 평균 간극 간격보다 큰 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 평균 간극 간격은 제2 평균 간극 간격의 약 5% 이내일 수 있다.
일부 실시형태에서, 이온 교환 매질의 제1 영역 및 이온 교환 매질의 제3 영역의 평균 입자 크기는 이온 교환 매질의 제2 영역의 평균 입자 크기보다 크다. 예를 들어, 제1 평균 입자 크기는 500㎛ 내지 800㎛, 예를 들어, 500㎛ 내지 800㎛, 550㎛ 내지 750㎛ 또는 600㎛ 내지 700㎛, 예를 들어, 약 500㎛, 약 550㎛, 약 600㎛, 약 650㎛, 약 700㎛, 약 750㎛ 또는 약 800㎛의 범위이다. 일부 실시형태에서, 제2 평균 입자 크기는 100㎛ 내지 400㎛, 예를 들어, 100㎛ 내지 400㎛, 125㎛ 내지 375㎛, 150㎛ 내지 350㎛, 175㎛ 내지 325㎛ 또는 200㎛ 내지 300㎛, 예를 들어, 약 100㎛, 125㎛, 150㎛, 175㎛, 200㎛, 225㎛, 250㎛, 275㎛, 300㎛, 325㎛, 350㎛, 375㎛ 또는 400㎛의 범위이다.
임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종의 제거 성능은 전기화학적 분리 모듈에 존재하는 이온 교환 매질의 평균 입자 크기 및 이온 교환 매질의 총 부피의 함수이다. 더 작은 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질은 일반적으로 증가된 표면적으로 인해 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종에 대해 증가된 제거 성능을 나타낸다. 더 미세한 메시 이온 교환 매질의 성능은 전기화학적 분리 모듈을 빠져나가는 물의 압력 강하를 증가시키는 개별 이온 교환 매질 입자 사이의 더 작은 간극 공간에 의해 균형을 이룬다. 더 큰 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질은 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종의 제거에 효과적이지 않지만, 일반적으로 더 낮은 압력 강하를 갖고 전기화학적 분리 모듈의 가압 시 전기화학적 분리 모듈 밖으로 운반되는 것을 방지하는 것으로 생각된다. 따라서, 일부 실시형태에서, 이온 교환 매질의 제2 영역의 부피는 이온 교환 매질의 제1 영역과 제3 영역의 총 부피보다 크거나 같을 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 매질의 제2 영역은 전기화학적 분리 모듈의 각 희석 구획의 약 50% 이상, 예를 들어, 각 희석 구획 부피의 50% 내지 95%, 예를 들어, 각 희석 구획 부피의 50% 내지 95%, 55% 내지 90%, 60% 내지 85%, 65% 내지 80% 또는 70% 내지 75%, 예를 들어, 약 50%, 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90% 또는 약 95%의 총 부피를 가질 수 있다. 이온 교환 매질의 제1 영역과 제3 영역의 총 부피는 각 희석 구획 부피의 5% 내지 약 50%, 예를 들어, 각 희석 구획 부피의 5% 내지 50%, 10% 내지 45%, 15% 내지 40%, 20% 내지 35% 또는 25% 내지 30%, 예를 들어, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45% 또는 약 20%일 수 있다. 비제한적인 예로서, 이온 교환 매질의 제2 영역은 전기화학적 분리 모듈의 각 희석 구획의 70%의 총 부피를 가질 수 있다. 이 구성에서, 이온 교환 매질의 제1 영역 및 제3 영역 부피의 총 부피는 전기화학적 분리 모듈의 각 희석 구획의 부피의 나머지 30%를 차지할 수 있다. 일부 실시형태에서, 이온 교환 매질의 제1 영역과 제3 영역의 총 부피는 균등하게 분할될 수 있다. 대안적으로, 이온 교환 매질의 제1 영역과 제3 영역의 총 부피는 상이하게 분할될 수 있으며, 즉, 이온 교환 매질의 제1 영역의 부피는 이온 교환 매질의 제3 영역보다 큰 부피를 가질 수 있거나 또는 그 반대도 가능하다.
본 명세서에 개시된 전기화학적 수처리 장치의 실시형태는 전기화학적 수처리 장치를 통한 단일 통과에서 약 30psi 내지 70psi 사이의 압력 강하로 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기화학적 수처리 장치를 통한 물의 압력 강하는 약 30psi 내지 70psi, 35psi 내지 65psi, 40psi 내지 60psi 또는 45psi 내지 50psi, 예를 들어, 30psi, 35psi, 40psi, 45psi, 50psi, 55psi, 60psi, 65psi 또는 70psi이다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 전기화학적 수처리 장치를 통한 물의 압력 강하는 희석 구획 내 이온 교환 매질 입자의 평균 크기 및 존재하는 이온 교환 매질의 총 부피의 함수이다. 특정 실시형태에서, 제1 영역 및 제3 영역의 부피에 대한 제2 영역의 부피는 60psi 이하의 모듈을 통한 압력 강하를 제공한다.
이온 교환 매질의 제1 영역 및 제3 영역에 비해 더 작은 평균 입자 크기 및 더 큰 총 부피를 갖는 이온 교환 매질의 제2 영역을 갖는 전기화학적 분리 모듈의 희석 구획 내의 영역 배열, 즉, 이온 교환 매질의 제1, 제2 및 제3 영역은 기존의 처리 기술에 비해 전기화학적 수처리 시스템의 개선된 작동을 제공한다. 전기화학적 전지 수의 증가는 전기화학적 수처리 장치를 통한 물의 체류 시간을 증가시키고, 각 전기화학적 전지를 통한 물의 흐름을 감소시킨다. 이는 결국 약하게 이온화된 종, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종에 대한 제거 성능의 손실 없이 단일 통과에서 전기화학적 수처리 장치를 통한 전체 압력 강하를 감소시킨다. 유사한 방식으로, 각 희석-농축 구획 쌍을 통한 감소된 물 흐름은 전기화학적 분리 모듈의 전극에 걸친 전기 부하를 감소시켜 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소-함유 종 및 실리카-함유 종에 대한 제거 성능의 손실 없이 작동 비용을 줄인다.
일부 실시형태에서, 본 명세서에 개시된 수처리 시스템은 이온 교환 매질의 제1 영역, 이온 교환 매질의 제2 영역 및 이온 교환 매질의 제3 영역 중 1개, 2개 또는 모두가 2종 이상의 이온 교환 매질의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 매질의 제1 영역, 이온 교환 매질의 제2 영역 및 이온 교환 매질의 제3 영역 중 1개, 2개 또는 모두가 적어도 하나의 양이온 교환 수지와 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 혼합물일 수 있다. 각 유형의 이온 교환 매질의 특정 유형(들) 및 특정 양(예를 들어, % w/w 또는 % v/v)은 화학적 조성과 같은 처리될 물의 특성에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지와 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 2성분 혼합물은 동일한 양, 예를 들어, 혼합물 내 각 극성 매질의 50%일 수 있다. 대안적으로, 이온 교환 매질의 각 극성의 상대적인 양은 부분적으로 수지 수명, 비용 및 이온 수송 성능 사이의 균형에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 강산 양이온 교환 수지이고, 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 강염기 음이온 교환 수지이다. 이러한 이온 교환 수지 유형은 단지 예시적인 예일 뿐이며, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 이온 교환 매질의 특정 유형 및/또는 제조업체에 의해 제한되지 않는다. 당업자는 특정 용도 및 목적하는 수질에 적절한 수지를 쉽게 선택할 수 있을 것이다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 이온 교환 매질, 즉, 양이온 교환 수지 또는 음이온 교환 수지는 약 1% w/w 내지 약 20% w/w, 예를 들어, 약 1% w/w 내지 약 20% w/w, 약 2% w/w 내지 약 18% w/w, 약 4% w/w 내지 약 16% w/w, 약 6% w/w 내지 약 14% w/w, 약 8% w/w 내지 약 12% w/w 또는 약 10% w/w, 예를 들어, 약 1% w/w, 약 2% w/w, 약 3% w/w, 약 4% w/w, 약 5% w/w, 약 6% w/w, 약 7% w/w, 약 8% w/w, 약 9% w/w, 약 10% w/w, 약 11% w/w, 약 12% w/w, 약 13% w/w, 약 14% w/w, 약 15% w/w, 약 16% w/w, 약 17% w/w, 약 18% w/w, 약 19% w/w 또는 약 20% w/w의 가교된 함량을 가질 수 있다. 가교는 적절한 양의 다이바이닐벤젠(DVB)과 같은 적합한 가교 화합물의 첨가에 의해 달성될 수 있다. 특정 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 5% w/w 내지 15% w/w의 가교된 함량을 갖는다. 적어도 하나의 양이온 교환 수지의 가교 백분율은 적어도 하나의 음이온 교환 수지와 동일할 수 있다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지 및 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 가교 백분율은 이온 교환 매질의 제1 영역 및 제3 영역과 이온 교환 매질의 제2 영역 간에 동일할 수 있다. 예를 들어, 희석 구획의 제1 영역 및 제3 영역에서 적어도 하나의 양이온 교환 수지의 가교 백분율은 약 10%일 수 있고, 희석 구획의 제1 영역 및 제3 영역에서 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 가교 백분율은 약 4%일 수 있다. 당업자는 이러한 매개변수가 전기화학적 수처리 장치의 성능 또는 다른 작동 매개변수를 맞추도록 조정될 수 있음을 이해할 것이다.
다른 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지 및 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 가교 백분율은 이온 교환 매질의 제1 영역 및 제3 영역과 이온 교환 매질의 제2 영역에서 동일할 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 양이온 교환 수지 및 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 가교 백분율은 이온 교환 매질의 제1 영역 및 제3 영역과 이온 교환 매질의 제2 영역 사이에서, 즉, 가교의 백분율에 따른 크기 의존성이 상이할 수 있다.
일부 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지 및 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 이의 수분 함량을 특징으로 할 수 있다. 가교된 중량 백분율은 이온 교환 매질에 대해 지정되지 않을 수 있지만 대략 1:1 대응으로 수분 함량으로부터 추론될 수 있다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 이온 교환 수지의 수분 함량은 고체 수지 매트릭스의 공극을 채우는 수화수(hydration water)의 양을 측정한 값이며, 물에 노출되었을 때 이온 교환 매질이 흡수하고 보유할 수 있는 물의 최대 중량 백분율로 간주된다. 수분 함량이 높은 수지는 더 적은 건조 물질을 포함하며, 즉, 매트릭스는 폴리스타이렌 사슬을 연결하는 다이바이닐벤젠의 가교결합이 있는 폴리스타이렌으로 만들어진다. 수분 함량의 증가(따라서 더 적은 건조 물질)는 큰 이온이 구조의 안팎으로 이동하여 더 쉽게 접근할 수 있게 하지만 수분 함량의 증가는 수지의 물리적 강도 및 산화적 공격에 대한 저항성을 감소시키며, 이들 둘 다는 일반적으로 가교된 중합체성 구조에 의해 제공된다. 일부 실시형태에서, 이온 교환 매질은 이온 교환 매질의 수분 함량이 약 40중량% 내지 약 50중량%인 경우 "높은" 가교 함량을 갖는 것으로 간주될 수 있다. "낮은" 가교 이온 교환 매질은 약 50중량% 내지 약 60중량%의 수분 함량을 가질 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 양이온 교환 수지 및 적어도 하나의 음이온 교환 수지 중 하나 또는 둘 다는 약 40% 내지 65%의 수분 함량, 예를 들어, 약 40% 내지 60%, 약 45% 내지 55% 또는 약 50%의 수분 함량, 예를 들어, 약 40%, 41%, 42%, 43%, 44%, 45%, 46%, 47%, 48%, 49%, 50%, 51%, 52%, 53%, 54%, 55%, 56%, 57%, 58%, 59% 또는 60%의 수분 함량을 가질 수 있다. 특정 실시형태에서, 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 50% 내지 55%의 수분 함량을 갖는다. 특정 실시형태에서, 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 적어도 40%, 예를 들어, 적어도 45% 내지 55% 및 최대 65%의 수분 함량을 갖는다.
양태에 따르면, 물에서 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소의 감소를 촉진시키는 방법이 제공된다. 방법은 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 용해된 붕소 종을 포함하는 물 공급원에 연결 가능한 전기화학적 수처리 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 제공되는 전기화학적 분리 모듈은 제1 전극, 제2 전극 및 이들 사이에 복수의 유체 흐름 가능하게 연결된 전기화학적 전지를 포함할 수 있다. 복수의 유체 흐름 가능하게 연결된 전기화학적 전지 각각은 적어도 이온 교환 매질의 제1층, 이온 교환 매질의 제2층 및 이온 교환 매질의 제3층을 포함하는 희석 구획을 포함한다. 이온 교환 매질의 제2층의 부피는 이온 교환 매질의 제1층 및 제3층의 총 부피보다 크거나 같고, 이온 교환 매질의 제1층, 제2층 및 제3층은 전기화학적 수처리 장치를 통한 단일 통과에서 물로부터 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 배열된다. 방법은 물 공급원에서 전기화학적 분리 모듈의 공급 유입구로 물을 보내라는 명령을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 방법은 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 용해된 붕소의 농도가 감소된 희석 스트림 및 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 용해된 붕소가 풍부한 농축 스트림을 생성하기 위해 제1 전극 및 제2 전극 양단에 전압을 인가하기 위한 명령을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 추가 실시형태에서, 방법은 약 30psi 내지 70psi의 압력 강하로 전기화학적 수처리 장치를 작동하기 위한 명령을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
양태에 따르면, 전기화학적 분리 모듈이 제공된다. 전기화학적 분리 모듈은 이들 사이에 복수의 희석 구획을 갖는 전극을 포함할 수 있다. 각각의 희석 구획은 각각의 희석 구획의 유입구에서 멀리 떨어진 이온 교환 매질의 유입구 영역, 이온 교환 매질의 중간 영역 및 각각의 희석 구획의 유출구에 인접한 이온 교환 매질의 유출구 영역을 포함할 수 있다. 유입구 영역의 이온 교환 매질은 인접한 이온 교환 매질 입자 사이에 획정된 제1 평균 간극 간격을 가질 수 있고, 유출구 영역의 이온 교환 매질은 인접한 이온 교환 매질 입자 사이에 획정된 제2 평균 간극 간격을 가질 수 있다. 중간 영역의 이온 교환 매질은 제1 및 제2 평균 간극 간격보다 큰 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 이온 교환 매질의 중간 영역의 부피는 이온 교환 매질의 유입구 영역과 유출구 영역의 총 부피보다 크거나 같을 수 있다. 전기화학적 분리 모듈은 약 30psi 내지 70psi의 압력 강하로 작동하도록 구성 및 배열될 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 평균 간극 간격은 제2 평균 간극 간격의 약 5% 이내일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈은 약하게 이온화된 종, 예를 들어, 붕소의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 구성 및 배열된다. 추가 실시형태에서, 전기화학적 분리 모듈은 복수의 농축 구획을 포함할 수 있다. 희석 구획은 농축 구획의 치수보다 적어도 하나의 더 큰 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 희석 구획은 농축 구획보다 더 두꺼울 수 있다.
실시예
이들 및 다른 실시형태의 기능 및 이점은 다음 실시예로부터 더 잘 이해될 수 있다. 이들 실시예는 본질적으로 예시적인 것으로 의도되며, 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다.
다음 실시예는 상업적 공급업체로부터 입수 가능한 특정 이온 교환 매질을 참조한다. 본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈에 사용하기에 적합한 예시적인 음이온 교환 매질은 퓨로라이트(Purolite)(펜실베니아주 발라 신위드 소재)에서 입수 가능한 SBA XFM(OH- 형태로 수분 함량, 50% 내지 55%; Cl- 형태로 수분 함량, 43% 내지 47%) 및 다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company)(미시간주 미들랜드 소재)에서 입수 가능한 DOWEX® 1X4(Cl- 형태로 수분 함량 최소 50%) 및 유형 II 강염기 음이온 교환 수지를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈에 사용하기에 적합한 예시적인 양이온 교환 매질은 에보쿠아 워터 테크놀로지스, 엘엘씨(Evoqua Water Technologies, LLC)(펜실베니아주 피츠버그 소재)에서 입수 가능한 C-373(Na+ 형태로 수분 함량 40% 내지 45%, 10% 가교 결합) 및 퓨로라이트(펜실베니아주 발라 신위드 소재)에서 입수 가능한 SAC XFM(H+ 형태로 수분 함량, 50% 내지 55%; Na+ 형태로 수분 함량, 45% 내지 50%)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이러한 매질 유형은 단지 예시적인 예일 뿐이며, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 이온 교환 매질의 특정 유형 및/또는 제조업체에 의해 제한되지 않는다.
실시예 1
이 실시예는, 예를 들어, 물로부터 붕소-함유 종의 3-로그 제거에 영향을 미치기 위해 본 명세서에 기재된 바와 같은 전기화학적 분리 모듈을 사용하는 EDI-기반의 약하게 이온화된 종 제거 시스템을 예시한다.
도 3은 본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈의 개략도를 예시하며, 표 1은 전기화학적 분리 모듈의 구조적 배열을 식별한다.
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 유입구와 유출구 사이의 총 압력 강하는 40psi 내지 60psi의 범위이고, 설치 공간은 약 14 ft2이다. 이러한 값은 더 큰 EDI 시스템 및 압력 구동식 분리, 예를 들어, RO 또는 나노여과(nanofiltration: NF)와 같은 붕소 제거를 위한 공지된 기술에 대한 개선을 나타낸다.
전기화학적 분리 모듈의 제거 성능은 희석 구획 내의 이온 교환 수지의 양 및 유형을 조정함으로써 개선될 수 있다는 가설을 세웠다. 테스트된 한 가지 가설은 붕소 및 실리카 제거를 같거나 또는 더 잘 제거하기 위해 표준 크기 수지에 대한 미세 메시 수지의 비율을 조정하는 것이었으며, 제거 성능은 일반적으로 미세 메시의 양이 증가함에 따라 증가한다는 점에 주목하였다. 표 2는 본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈에 사용되는 수지의 유형을 열거하고 있다.
사용된 이온 교환 수지는 강염기 음이온 및 강산 양이온 교환 수지로 구성된다. 표 2에서 "거침"으로 표시된 수지 혼합물은 10% 가교 결합과 함께 600㎛ 내지 700㎛의 균일한 입자 크기를 갖는 양이온 교환 수지로 구성되었다. 음이온 교환 수지는 4%의 대략적인 가교 결합과 함께 575㎛ ± 50㎛의 균일한 입자 크기로 구성되었다. 이들 수지는 에보쿠아 워터 테크놀로지스, 엘엘씨(펜실베니아주 피츠버그 소재) 및 다우 케미칼 컴퍼니(미시간주 미들랜드 소재)로부터 상업적으로 입수 가능하였다. 표 3에서 "미세"로 표시된 수지 혼합물은 H+ 형태로 150㎛ 내지 300㎛의 입자 크기 및 50% 내지 55%의 수분 함량을 갖는 양이온 교환 수지로 구성되었다. 음이온 교환 수지는 OH- 형태로 150㎛ 내지 300㎛의 입자 및 50% 내지 55%의 수분 함량으로 구성되었다. 이들 수지는 퓨로라이트 컴퍼니(펜실베니아주 발라 신위드 소재)로부터 입수 가능하였다. 수지 혼합물은 모두 양이온 수지에 대한 음이온 수지의 중량비가 50%였다.
본 개시내용의 전기화학적 분리 모듈에서, 거친 수지의 총 중량 백분율 및 비는 미세 메시 수지의 양쪽에서 기준선 값 33.33%에서 양쪽에서 15%로 감소하여 희석 구획에서 거친 수지의 총 백분율이 30%가 되었다. 미세 수지의 중량 백분율 및 비는 희석 구획 중앙의 기준선 값 33.33%에서 70%로 증가하였으며, 이 수지 구성을 붕소 제거 성능에 대해 평가하였다. 이 수지 구성은 도 4에 예시되어 있다. 표 3은 300V에서 전기화학적 분리 모듈의 전극에 인가되는 다양한 수준의 전류에서 이 평가의 결과를 열거하고 있다. 알 수 있는 바와 같이, 수지 부피가 개선된 단일 전기화학적 분리 모듈은 더 낮은 DC 전력 소비에서 실리카 및 붕소 모두에 대한 제거 성능을 개선하여 운영 비용을 낮추었다.
이러한 결과는 일반적으로 큰 인가된 전류, 즉, 13.2A보다 큰 경우에도 붕소-함유 종의 3-로그 제거를 달성하지 못하는 기존의 전기화학적 분리 기법에 대한 개선을 나타낸다.
표 4는 전기화학적 분리 모듈에서 수지 구성의 평가를 위한 급수 조건을 열거하고 있다. 표 5는 본 명세서에 기재된 개질된 수지 구성을 갖는 전기화학적 분리 모듈의 제거 성능을 보여준다. 언급한 바와 같이, 이러한 결과는 일반적으로 제2 EDI 장치 또는 다른 전기화학적 또는 압력 구동식 분리 기법, 예를 들어, RO와 같은 하나 이상의 추가적인 분리 기법을 통한 다중 통과 없이는 붕소-함유 종의 3-로그 제거를 달성하지 못하는 기존의 전기화학적 분리 기법에 대한 개선을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "복수"라는 용어는 둘 이상의 항목 또는 구성요소를 지칭한다. 용어 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "보유하는", "갖는", "함유하는(containing)" 및 "포함하는(involving)"은, 즉, 서면 설명 또는 청구범위 등에서 "~를 포함하지만 이에 제한되지 않는"을 의미하는 개방형 용어이다. 따라서, 이러한 용어의 사용은 그 이후에 열거된 항목과 이와 동등한 항목뿐만 아니라 추가적인 항목을 포함하는 것을 의미한다. "~로 이루어진" 및 "~로 본질적으로 이루어진"이라는 전환 문구만이 청구범위와 관련하여 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전환 문구이다.
청구항 요소를 수식하기 위해 청구항에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어를 사용하는 것은 그 자체로 하나의 청구항 요소가 또 다른 청구항 요소에 대한 임의의 우선 순위(priority, precedence) 또는 방법의 행위가 수행되는 시간적 순서를 의미하지 않지만, 소정의 이름을 갖는 하나의 청구항 요소를 청구항 요소를 구별하기 위해 동일한 이름을 갖는 또 다른 요소와 구별하기 위한 라벨로서만(단, 서수 용어 사용) 사용된다.
적어도 하나의 실시형태의 여러 양태를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 당업자에게 용이하게 일어날 수 있음을 이해하여야 한다. 임의의 실시형태에 기술된 임의의 특징은 임의의 다른 실시형태의 임의의 특징에 포함되거나 또는 이로 대체될 수 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시내용의 일부로 의도되고 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 예시를 위한 것일 뿐이다.
당업자는 본 명세서에 기술된 매개변수 및 구성이 예시적이며 실제 매개변수 및/또는 구성이 개시된 방법 및 물질이 사용되는 특정 적용에 따라 달라질 것임을 이해하여야 한다. 당업자는 또한 단지 일상적인 실험을 사용하여 개시된 특정 실시형태에 대한 등가물을 인식하거나 확인할 수 있어야 한다.
Claims (35)
- 약하게 이온화된 종을 갖는 처리될 물 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전기화학적 수처리 장치로서,
제1 전극, 제2 전극 및 복수의 희석 구획을 포함하는, 상기 처리될 물 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전기화학적 분리 모듈을 포함하고,
상기 희석 구획 각각은 제1 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제1 영역, 제2 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제2 영역 및 제3 평균 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질의 제3 영역을 포함하며,
이온 교환 매질의 상기 제2 영역의 부피는 이온 교환 매질의 상기 제1 영역과 상기 제3 영역의 총 부피보다 크거나 같은, 전기화학적 수처리 장치. - 제1항에 있어서, 상기 전기화학적 수처리 장치를 통한 단일 통과에서 약 30psi 내지 70psi의 압력 강하(pressure drop)로 약하게 이온화된 종의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 구성 및 배열되는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 평균 입자 크기는 상기 제1 평균 입자 크기 및 상기 제3 평균 입자 크기보다 작은, 전기화학적 수처리 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제3 영역의 이온 교환 매질은 동일한 이온 교환 매질을 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 제2 평균 입자 크기는 100㎛ 내지 400㎛의 범위인, 전기화학적 수처리 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 평균 입자 크기는 500㎛ 내지 800㎛의 범위인, 전기화학적 수처리 장치.
- 제3항에 있어서, 이온 교환 매질의 상기 제2 영역은 상기 희석 구획 부피의 약 50% 내지 약 90%를 차지하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 제1 영역과 상기 제3 영역의 총 부피는 상기 희석 구획 부피의 약 10% 내지 약 50%인, 전기화학적 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 이온 교환 매질의 상기 제1, 제2 또는 제3 영역 중 하나 이상은 2종 이상의 이온 교환 매질의 혼합물을 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 2종 이상의 이온 교환 매질의 혼합물은 적어도 하나의 양이온 교환 수지와 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 혼합물을 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 강산 양이온 교환 수지인, 전기화학적 수처리 장치.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 강염기 음이온 교환 수지인, 전기화학적 수처리 장치.
- 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양이온 교환 수지와 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 혼합물은 상기 적어도 하나의 양이온 교환 수지의 약 50% w/w를 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양이온 교환 수지와 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 혼합물은 상기 적어도 하나의 음이온 교환 수지의 약 50% w/w를 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 약 5% 내지 15% w/w의 가교 함량을 갖는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양이온 교환 수지는 약 40% 내지 60%의 수분 함량을 갖는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 약 1% 내지 10% w/w의 가교 함량을 갖는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 약 40%보다 큰 수분 함량을 갖는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 음이온 교환 수지는 약 40% 내지 65%의 수분 함량을 갖는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 부피에 대한 상기 제3 영역의 부피는 60psi 이하의 모듈을 통한 압력 강하를 제공하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학적 분리 모듈은 100개 내지 150개의 전기화학적 전지를 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 모듈은 각각 적어도 하나의 이온 교환 매질을 포함하는 농축 구획을 추가로 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제24항에 있어서, 상기 농축 구획은 희석 구획과 실질적으로 동일한 배열의 이온 교환 매질을 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제24항에 있어서, 상기 농축 구획은 제1 입자 크기를 갖는 이온 교환 매질을 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 희석 구획의 유입구 및 유출구 중 하나 또는 둘 다에 배치된 제1 매질 보유 구조를 추가로 포함하는, 전기화학적 수처리 장치.
- 물에서 약하게 이온화된 종의 감소를 촉진시키는 방법으로서,
약하게 이온화된 종을 포함하는 물 공급원에 연결 가능한 전기화학적 수처리 장치를 제공하는 단계로서,
상기 전기화학적 수처리 장치는 제1 전극, 제2 전극 및 이들 사이에 있는 복수의 유체 흐름 가능하게 연결된 전기화학적 전지를 포함하는 전기화학적 분리 모듈을 포함하되, 각각의 상기 복수의 유체 흐름 가능하게 연결된 전기화학적 전지는 적어도 이온 교환 매질의 제1층, 이온 교환 매질의 제2층 및 이온 교환 매질의 제3층을 포함하는 희석 구획을 포함하고,
이온 교환 매질의 상기 제2층의 부피는 이온 교환 매질의 상기 제1층 및 상기 제3층의 총 부피보다 크거나 같고, 이온 교환 매질의 상기 제1층, 제2층 및 제3층은 상기 전기화학적 수처리 장치를 통한 단일 통과에서 물로부터 상기 약하게 이온화된 종의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 배열되는, 상기 전기화학적 수처리 장치를 제공하는 단계; 및
상기 물 공급원에서 상기 전기화학적 분리 모듈의 유입구로 물을 보내라는 명령(instruction)을 제공하는 단계
를 포함하는, 약하게 이온화된 종의 감소를 촉진시키는 방법. - 제28항에 있어서, 약하게 이온화된 종의 농도가 감소된 희석 스트림 및 약하게 이온화된 종이 풍부한 농축 스트림을 생성하기 위해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 양단에 전압을 인가하기 위한 명령을 제공하는 단계를 더 포함하는, 약하게 이온화된 종의 감소를 촉진시키는 방법.
- 제29항에 있어서, 약 30psi 내지 70psi의 압력 강하로 상기 전기화학적 수처리 장치를 작동하기 위한 명령을 제공하는 단계를 더 포함하는, 약하게 이온화된 종의 감소를 촉진시키는 방법.
- 전기화학적 분리 모듈로서,
사이에 복수의 희석 구획을 갖는 전극으로서, 각각의 희석 구획은 각각의 상기 희석 구획의 유입구에서 멀리 떨어진 이온 교환 매질의 유입구 영역, 이온 교환 매질의 중간 영역 및 각각의 상기 희석 구획의 유출구에 인접한 이온 교환 매질의 유출구 영역을 포함하는, 상기 전극,
각각의 상기 희석 구획의 상기 유입구 영역의 이온 교환 매질과 유출구 영역의 이온 교환 매질 사이에 배치된 이온 교환 매질의 중간 영역,
인접한 이온 교환 매질 입자 사이에 획정된 제1 평균 간극 간격(average interstitial spacing)을 갖는 유입구 영역의 이온 교환 매질 및 인접한 이온 교환 매질 입자 사이에 획정된 제2 평균 간극 간격을 갖는 유출구 영역의 이온 교환 매질, 제1 및 제2 평균 간극 간격보다 큰 평균 입자 크기를 갖는 중간 영역의 이온 교환 매질
을 포함하고,
이온 교환 매질의 상기 중간 영역의 부피는 이온 교환 매질의 상기 유입구 영역과 유출구 영역의 총 부피보다 크거나 같고,
상기 전기화학적 분리 모듈은 약 30psi 내지 70psi의 압력 강하로 작동하도록 구성 및 배열되는, 전기화학적 분리 모듈. - 제31항에 있어서, 상기 제1 평균 간극 간격은 상기 제2 평균 간극 간격의 약 5% 이내인, 전기화학적 분리 모듈.
- 제31항에 있어서, 상기 전기화학적 분리 모듈은 약하게 이온화된 종의 3-로그 이상의 제거를 제공하도록 구성 및 배열되는, 전기화학적 분리 모듈.
- 제31항에 있어서, 복수의 농축 구획을 추가로 포함하는, 전기화학적 분리 모듈.
- 제33항에 있어서, 상기 희석 구획은 상기 농축 구획의 치수보다 적어도 하나 더 큰 치수를 포함하는, 전기화학적 분리 모듈.
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