KR20240033085A - 식수를 정제하기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 식수의 다단계 모듈식 정제를 위한 장치에 관한 것으로, 모듈은 중금속 제거 및/또는 중금속 제거 및 박테리아의 제거를 위한 킬레이팅 겔 또는 킬레이팅 및 살균 겔을 포함한다.
Description
본 출원은 식수의 다단계 모듈식 정제를 위한 장치에 관한 것으로, 여기서 하나의 모듈은 중금속 제거 또는 중금속 및 박테리아 제거를 위한 킬레이팅 겔 또는 킬레이팅 및 살균 겔을 포함한다.
세계 인구 증가, 세계적인 환경 오염 증가 및 높아진 품질 요건의 높아지는 필요성으로 인해, 정수의 중요성은 과소 평가될 수 없다.
물, 특히 식수의 품질은 다수의 매우 다른, 부분적으로 유해한 오염물에 의해 영향을 받을 수 있다. 되풀이하여, 특히 파이프 시스템(특히 납), 농업(예를 들어, 카드뮴), 석탄-기반 전기(수은) 또는 자연 공급원(아연, 우라늄, 란탄 계열 원소)으로부터의 중금속이 우려의 원인을 제공한다.
반면, 주로 인간 활동 기원의 많은 유기 미세 오염물이 식수에서 발견된다. 여기서 가장 현저한 대표물은 호르몬(원래 피임에 사용됨) 또는 약물 잔류물 또는 그 분해 산물 또는 농약을 포함한다.
박테리아는 식수에서 원하지 않는 물질의 제3 그룹을 구성한다. 이는 종종 가정용 수처리 장치 자체, 또는 - 특히 세계의 더 따뜻한 지역에서 - 파이프 시스템으로부터 나온다.
이 박테리아가 나타내는 가장 큰 위험은 유아와 어린 아이들 또는 예를 들어, 노인과 같은 약화된 면역 체계를 갖는 사람에 대한 것이다.
일부 국가에서는 소독을 위해 "염소"(차아염소산염)가 식수에 첨가되어 박테리아를 죽인다. 이는 무균 상태를 보장하지만 물 맛에 큰 영향을 미친다.
유해하지는 않지만 다른 바람직하지 않은 물의 성분은 경도 미네랄로서 물을 경수로 만드는 것을 담당하는 고농도의 칼슘 및 마그네슘이다. 저농도는 안전할 뿐만 아니라 반대로 인간의 건강에도 도움이 된다. 그러나 고농도(높은 물 경도)에서, 칼슘과 마그네슘은 현저한 맛의 저하뿐만 아니라, 주방과 욕실 또는 소위 온수기(보일러) 및 조리 기구의 보일러 스케일에서 원하지 않는 "물 얼룩"을 생성한다.
식수 정화를 위한 다수의 상이한, 부분적으로 보완적인 장치가 시판되고 있다. 일부 경우에, 제공되는 장비는 다른 정수 방법을 결합하지만, 개별 오염물 또는 오염물의 클래스의 완전한 소거 또는 제거의 관점에서 차이를 남긴다. 동시에, 확립된 많은 기술은 낮은 용량, 불량한 수율, 추가 오염, 높은 에너지 소비, 펌프로부터의 소음 공해 등과 같은 뚜렷한 단점을 가지고 있다.
역삼투(RO: reverse osmosis)는 정제될 물이 고압 하에서 펌핑되어 오염물을 제거하는 멤브레인을 사용한다. 오염물뿐만 아니라 중요한 미네랄도 뒤에 남겨져 다시 투석유물에서 농축된다. 이 방법은 높은 물 손실(> 80 % 투석유물), (높은 에너지 소비 및 소음 공해와 함께) 추가 펌프에 의해 제공되어야 하는 높은 동작 압력 및 칼슘 및 마그네슘의 후속 첨가에 의해 부분적으로 역전되어야 하는 특히 미네랄 제거와 같은 식수 처리에 많은 단점을 갖는다. 이러한 수많은 단점에도 불구하고, 역삼투는 사용 시점의 정수에 널리 사용된다.
산업 식품 처리 응용(와인 및 맥주 생산)에서 자주 사용되는 한외 여과는 부유 물질과 박테리아를 상대적으로 신뢰성 있게 제거하지만 중금속 또는 "염소" 제거에는 적합하지 않는다. 유기 미세 오염물도 다루어지지 않거나, 다루어진다면 매우 미미하게 다루어진다.
활성탄은 많은 가정용 정수기에서 주로 "염소" 맛을 제거하고 동시에 유기 미세 오염물을 제거하기 위해 사용된다. 활성탄은 중금속에 결합하지 않고, 물의 경도를 감소시키지 않으며, 그 구조로 인해 박테리아 성장(바이오 필름 형성)에 매우 취약하며, 이는 결국 박테리아 및 대사 물질로 식수의 오염으로 이어질 수 있다("장내 독소").
예를 들어, 중금속 제거를 위해 MetCap-T라는 이름으로 시판되는 카트리지는 킬레이팅 수지(instAction MetCap)로 채워지며, 그 생산은 DE 10 2014 012 566 A1호 및 DE 10 2016 007 662 A1호에서 설명되어 있다. 카트리지에서의 적용은 또한 DE 102016007662 A1호에서 예시적으로 설명되어 있다.
킬레이트 특성으로 인해, MetCap-T 수지는 거의 배타적으로 중금속에 결합한다. 알칼리 및 알칼리 토금속은 그 훨씬 낮은 컴플렉스 결합 상수로 인해 전혀 결합되지 않거나 단지 매우 약하게 결합되며, 중금속의 존재시에 이로 대체된다. 이러한 선택성은 연화에 사용되는 이온 교환기에 대한 선택성과 정확히 반대이다.
모든 중금속을 고용량 및 비가역적으로 결합시키는 MetCap-T 수지 유형의 특성에 추가하여, (독일 출원 10 2017 007 273.6호에 설명되어 있는 바와 같이) MetCap-T 변형은 동시에 박테리아를 제거하며, 즉, 중금속 흡수제로서의 그 기능에 추가하여 살균 효과를 갖는다.
입자 필터는 수돗물로부터 부유 물질과 입자를 제거하기 위해 정수 장치의 입력측에 종종 설치된다. 이는 주로 장치의 나머지 부분을 막힘으로부터 보호하고 그에 따라 압력 증가와 생산성 감소를 방지하는 데 사용된다.
물 연화 모듈의 일부로서의 이온 교환기는 칼슘과 마그네슘을 제거함으로써 물의 경도를 낮추는 데 사용된다. 그러나, 이러한 이온 교환기는 염소나 박테리아를 다루지 않는 것과 똑같이 미세 오염물을 다루지 않으며; 반대로, 이는 종종 바이오 필름 형성에 의해 영향을 받는다. 또 다른 단점은 특히 경수에서 낮은 용량이다.
물 연화 모듈의 사용이 특히 지시되는 경우, 이온 교환 수지의 용량은 다소 빨리 소모된다. 모든 정수 기술 중에서, 이온 교환기는 재생을 필요로 할 가능성이 단연코 높다. 이는 일반적으로 농축 식염수로 헹구어 수행된다.
이온 교환기는 칼슘 및 마그네슘 외에도 또한 중금속에 결합한다. 그러나 결합 용량이 더욱 소진될수록, 중금속은 훨씬 더 높은 농도의 칼슘 및 마그네슘 이온에 의해 대체되고 결국 결과로서 용출액에 농축된다. 궁극적으로, 이온 교환기는 칼슘 및 마그네슘보다 중금속에 대해 선택성이 결여되어 있다. 칼슘 및 마그네슘은 중금속과 직접 경쟁하기 때문에, 이는 단순한 이온 교환에서 훨씬 더 높은 농도로 인해 결합 장소에 대해 더욱 우수하다.
반대로, 상술한 MetCap-T 수지는 중금속에 선택적으로 그리고 강한 선호도로 결합하고, 건강에 좋지 않은 칼슘 및 마그네슘 이온이 대체로 결합하지 않고 통과할 수 있게 한다.
여기에 모든 양이온을 비선택적으로 결합시키는 이온 교환기와 용액으로부터 중금속을 선택적으로 또는 강한 선호도로 결합시키는 MetCap-T 킬레이트 수지 사이에 중심적이고 본질적인 차이가 있다.
상술한 실시예로부터 설명될 수 있는 바와 같이, 열거된 성분들 중 어느 것도 그 자체로 복잡하고 다층의 불순물 프로파일을 다루기에 적합하지 않거나, 역삼투(RO)와 같이, 심각한 단점을 수반한다.
이러한 이유로, 열거된 기술 중 몇몇을 결합하는 장치를 갖는 다수의 제조업체가 시장에 이미 존재한다. 단지 일 예는 입자 필터, 킬레이팅 수지 및 한외 여과 유닛이 결합된 CN 206359334 U호에 설명된 장치이다. 이 경우, "염소" 맛 및 유기 미세 오염물은 제거되지 않는다.
많은 장치는 입력측에 거친 입자 필터를 갖는다. 이는 연결된 장치를 먼지 입자로부터, 그에 따라 막힘 및 압력 증가뿐만 아니라 연관된 생산성 감소로부터 보호하는 역할을 한다. 열거된 많은 정제 모듈의 심각한 단점은 (활성탄 및 이온 교환기와 같이) 많은 부정적인 결과를 가질 수 있는 바이오 필름 형성이며, 부정적인 결과 중 일부는 여기서: 용량 감소, 여과 성능 손실, 압력 증가, 생산성 저하, 해로운 박테리아 및/또는 그 독성 대사 산물에 의한 식수의 오염, 일반적으로 식수의 품질 저하로 언급될 수 있다.
따라서, 기존 기술의 상술한 단점을 극복할 필요가 있었다.
따라서, 기존 기술의 상술한 단점을 극복할 수 있는 식수의 다단계 모듈식 정제를 위한 장치를 제공하고자 한다.
이 작업은 식수의 다단계 모듈식 정제를 위한 장치에 의해 달성되었으며, 여기서 모듈은 중금속 제거 또는 중금속 및 박테리아 제거를 위한 킬레이팅 겔 또는 킬레이팅 및 살균 겔을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 장치는 파이프를 통해 또는 직접 서로 연결되는 다른 독립적인 모듈 또는 카트리지의 조합으로 구성될 수 있다.
장치는 다른 오염물 스펙트럼을 연속적으로 다룸으로써 최고 품질 요건을 충족시키는 방식으로 다른 직교 정수 기술을 결합하고 단순화한다.
이하의 도면은 본 발명을 추가로 설명하는 역할을 한다. 이는 이하를 나타낸다:
도 1: 입자 필터, 활성탄 모듈, 물 연화 모듈, MetCap 모듈 및 RO 멤브레인 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 2: 입자 필터, 활성탄 모듈, MetCap 모듈 및 RO 멤브레인 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 3: 입자 필터, 활성탄 모듈, 물 연화 모듈, MetCap 모듈 및 UF 멤브레인 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 4: 입자 필터, 활성탄 모듈, MetCap 모듈 및 UF 멤브레인 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 5: 입자 필터, 활성탄 모듈, 물 연화 모듈 및 추가 살균 기능을 갖는 MetCap 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 6: 입자 필터, 활성탄 모듈 및 추가 살균 기능을 갖는 MetCap 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 7: 입자 필터, 물 연화 모듈 및 추가 살균 기능을 갖는 MetCap 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 8: 입자 필터 및 추가 살균 기능을 갖는 MetCap 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 1: 입자 필터, 활성탄 모듈, 물 연화 모듈, MetCap 모듈 및 RO 멤브레인 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 2: 입자 필터, 활성탄 모듈, MetCap 모듈 및 RO 멤브레인 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 3: 입자 필터, 활성탄 모듈, 물 연화 모듈, MetCap 모듈 및 UF 멤브레인 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 4: 입자 필터, 활성탄 모듈, MetCap 모듈 및 UF 멤브레인 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 5: 입자 필터, 활성탄 모듈, 물 연화 모듈 및 추가 살균 기능을 갖는 MetCap 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 6: 입자 필터, 활성탄 모듈 및 추가 살균 기능을 갖는 MetCap 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 7: 입자 필터, 물 연화 모듈 및 추가 살균 기능을 갖는 MetCap 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
도 8: 입자 필터 및 추가 살균 기능을 갖는 MetCap 모듈을 갖는 정수를 위한 장치의 개략 구조도.
카트리지는 파이프 시스템/탭 또는 상류 카트리지로부터의 물이 카트리지로 진입하여 각각의 카트리지 충진물과 접촉하는 입구 개구를 갖는다. 또한, 카트리지는 처리된 정제수가 다음 카트리지로 흐르거나 제거 지점에 도달하는 출구 개구를 갖는다.
바람직하게는, 카트리지는 서로 연결되어 있고, 개별적으로 제거, 교체 또는 재생될 수 있는 방식으로 장치에 고정된다.
장치는 바람직하게는 0.5-6 바(bar), 보다 바람직하게는 1-5 바, 가장 바람직하게는 2-4 바의 파이프 라인 압력에서 동작한다.
본원에 설명되는 장치의 핵심은 살균 기능을 갖거나 갖지 않는 독성 중금속을 제거하기 위해 킬레이팅 MetCap-T 수지로 채워진 카트리지이다. DE 특허 출원 10 2017 007 273.6호에 설명되어 있는 바와 같이, MetCap-T 수지의 살균 변형이 사용되는 경우, 박테리아를 제거하기 위한 추가 유닛이 필요하지 않다.
중앙 카트리지는 킬레이팅 수지에 의해 다루어지지 않는 특정 오염물 스펙트럼을 각각 다루는 다수의 다른 카트리지와 결합될 수 있다. 이 카트리지는 중앙 MetCap-T 카트리지의 상류 또는 하류에 있을 수 있다.
또한, 전체 장치는 탱크에 연결되거나 추출 밸브에 직접 연결될 수 있다. 장치는 또한 물 가열 시스템의 구성 요소로서 사용될 수 있다.
빈번하게 필요하게 되는 재생으로 인해, 이온 교환 수지를 갖는 카트리지에는 용이한 재생을 위한 장치가 제공된다. 이는 농축 식염수로 헹구어 달성된다. 바람직한 실시예에서, 재생에 대한 필요성은 (물의 경도, 전도도, 플로우 셀 등과 같은) 적절한 센서에 의해 결정되고 경고등에 의해 표시된다.
재생은 장치가 각각의 실시예에서 소금 또는 식염수 용액을 위한 적절한 센서 및 저장 탱크를 구비하고 있는지에 따라 수동, 반자동 또는 자동일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 물 연화 모듈은 이러한 목적을 위한 적절한 연결부 및 밸브를 구비한다. 잉여 소금은 구멍을 통해 하수관으로 또는 추출 밸브를 통해 직접 처리된다.
다른 모든 카트리지의 경우, 재생이 불가능하고 및/또는 가정용 제품으로는 기술적으로 가능하지 않다.
장치의 바람직한 실시예에서, 입자 필터의 입력은 급수 시스템에 연결되고, 그 출력은 활성탄 필터의 입력에 연결되며, 활성탄 필터의 출력은 차례로 물 연화 모듈의 입력에 연결되고, 물 연화 모듈의 출력은 MetCap 카트리지에 연결되고, MetCap 카트리지의 출력은 차례로 RO 모듈에 연결되며, RO 모듈의 출력은 추출 지점으로 흐른다(도 1 참조). 장치의 입력측의 수압이 낮으면, 펌프가 연결된다.
대안적으로, 입자 필터는 활성탄 필터에 직접 연결한 다음, MetCap 카트리지에, 그리고 마지막으로 RO 모듈에 연결될 수 있다(도 2 참조).
마지막 2개의 실시예에서, MetCap 카트리지 및 물 연화기의 순서는 또한 역전될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에서, 입자 필터는 물 연화 모듈에 연결된 활성탄 카트리지에 연결된 다음 MetCap 카트리지에, 후속하여 UF 멤브레인에 연결된다(도 3 참조). 대안적으로, 입자 필터는 또한 활성탄 카트리지, MetCap 카트리지 및 UF 멤브레인에 직접 연결될 수 있다(도 4 참조). 필요한 경우, 물 연화 모듈을 또한 MetCap 카트리지의 상류에 설치될 수 있다. 이 실시예의 이점은 장치가 낮은 배압(back pressure)을 가져 파이프라인 압력이 정규 동작에 충분하기 때문에 일반적으로 펌프가 필요하지 않다는 것이다.
추가의 바람직한 실시예에서, 입자 필터는 활성탄 카트리지 및 물 연화 카트리지에 연결되며, 이는 킬레이팅 및 살균 겔을 포함하는 MetCap 카트리지에 차례로 연결된다(도 5 참조).
대안적으로 입자 필터는 또한 활성탄 카트리지에 직접 연결될 수 있고, 활성탄 카트리지는 킬레이팅 및 살균 겔로 충진된 MetCap 카트리지에 직접 연결될 수 있다(도 6 참조).
본 실시예에서, 추가의 박테리아 제거 멤브레인이 생략될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에서, 입자 필터는 물 연화 카트리지에 직접 연결되고, 물 연화 카트리지는 킬레이팅 및 살균 겔로 충진된 MetCap 카트리지에 직접 연결된다(도 7 참조).
장치의 추가 실시예에서, 입자 필터는 킬레이팅 및 살균 겔로 충진된 MetCap 카트리지에 직접 연결된다(도 8 참조). 이 실시예는 DE 102016007662 A1호에서 설명된 카트리지와 유사하지만, 킬레이팅 및 살균 겔로 충진되는 점에서 다르다.
장치는 정제수를 저장하기 위한 인접한 탱크와 같은 다른 모든 일반적인 정제 또는 저장 모듈 또는 UV 소독(탱크에서 또는 온라인으로), 레독스 필터 등과 같은 다른 정제 기술, 또는 온수 준비에서의 추가의 사용을 위해 탄산수 생산을 위한 CO2 첨가 모듈, 후속적인 소독 또는 보존을 위한 염소화 또는 과산화수소 첨가제 등과 용이하게 결합될 수 있다.
본 장치는 후속하는 물 추출 또는 수처리 유형에 영향을 주거나 간섭하지 않는다.
장치의 성능은 추출 지점 또는 개별 모듈 사이의 지점과 같은 적절한 위치에서 적절한 센서에 의해 모니터링될 수 있다. 적절한 센서의 예는 pH 센서, 전도도 센서, 박테리아 농도 검출 센서, 이온 선택 센서, UV 센서 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 플로우 셀은 처리된 물의 양을 측정할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 카트리지가 교체 또는 재생되어야 할 때 센서는 측정된 값에 기초하여 개별 모듈의 기능을 모니터링하고 적절한 메시지를 발행하는 데이터 처리 시스템에 연결된다. 센서의 도움으로, 모듈의 교체는 또한 순전히 시간-제어 또는 볼륨-제어될 수 있다. 실시예에 따라, 데이터 처리 시스템은 물 연화 모듈의 자동 재생을 개시할 수 있거나 밸브를 폐쇄하여 모듈의 교체를 지속 작동을 위한 전제 조건으로서 강제할 수 있다.
처음으로, 본원에 설명된 장치는 가정용의 단순한 해결책으로서 식수의 포괄적인 정제를 허용하며, 이는 정제수의 품질 및 수율 또는 에너지 소비 측면에서 모든 공지된 시스템보다 우수하다.
한편, 장치는 실제로 해로운 부분적으로 독성인 물질의 제거, 그리고 다른 한편으로 맛을 개선함으로써(예를 들어, "염소"를 제거함으로써) 수질의 일반적인 개선에 집중한다.
최소 버전에서, 본 장치는 가정에서 사용하기에 적합하며 일반적인 소비에 기초한다. 더 큰 버전에서 본 장치는 또한 복수의 주거지, 주거 단지, 식당, 병원, 선박 또는 고품질 식수가 필요한 다른 시설에서 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 목적은 식수의 정제를 위한 상술한 장치의 용도이다.
Claims (12)
- 식수의 다단계 모듈식 정제를 위한 장치로서,
하나의 모듈이 중금속의 제거 또는 중금속 및 박테리아의 제거를 위한 킬레이팅 겔 또는 킬레이팅 및 살균 겔을
포함하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 중금속의 제거를 위한 상기 모듈은 입자 필터, 물 연화 모듈, 활성탄 필터 및 필터 멤브레인과 같은 다른
모듈에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
입자 필터, 활성탄, 물 연화기, 킬레이팅 겔, RO 멤브레인의 모듈들이 직렬로 연결되거나,
입자 필터, 활성탄, 물 연화기, 킬레이팅 겔, UF 멤브레인의 모듈들이 직렬로 연결되거나,
입자 필터, 활성탄, 물 연화기, 킬레이팅 및 살균 겔의 모듈들이 직렬로 연결되거나,
입자 필터, 활성탄, 킬레이팅 겔, RO 멤브레인의 모듈들이 직렬로 연결되거나,
입자 필터, 활성탄, 킬레이팅 겔, UF 멤브레인의 모듈들이 직렬로 연결되거나,
입자 필터, 활성탄, 킬레이팅 및 살균 겔의 모듈들이 직렬로 연결되는, 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 RO 모듈이 사용되지 않을 때 수돗물 시스템에 직접 연결되어 파이프라인 압력으로 동작될 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치에는 RO 모듈이 사용될 때 펌프가 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈들은 서로 독립적으로 교체 또는 재생될 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 연화 모듈은 자동, 반자동 또는 수동 재생을 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 pH 센서, 전도도 센서, UV 센서 또는 박테리아 결정을 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서는 정의된 한계가 초과되거나 언더슈팅(undershooting)될 때 경고를 발행하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 추가 요소들을 포함하는 장치. - 제10항에 있어서,
상기 추가 요소들은 물 탱크, 물 가열 시스템, (UV) 소독 시스템, 레독스 필터, CO2 투여 유닛 또는 염소화 유닛으로부터 선택되는, 장치. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 식수의 정제를 위해 사용되는 장치.
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