KR20150113118A - 재충전가능 전기화학 셀 - Google Patents

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KR20150113118A
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로버트 이 아슬
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

재충전가능한 전기화학 장치가 제공되고, 전기화학적으로 불활성인 전해질을 갖는 전해질 스트림이 양극성 막과 전극 사이의 이온 농축물 격실로 공급됨으로써, 스케일 축적에 대한 잠재성을 제거한다. 강한 또는 약한 양이온 수지가 전기화학 장치의 생성물 격실에서 사용될 때, 생성되는 산성수는 캐소드와 같은 전극 옆에 있는 이온 농축물 격실을 침지시키고 세정하기 위해 사용될 수 있다.

Description

재충전가능 전기화학 셀{RECHARGEABLE ELECTROCHEMICAL CELLS}
본 발명은 정수된 및/또는 산성인 물 및/또는 염기성인 물을 공급하기 위한 전기화학 셀 및 그의 사용 방법의 분야에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 재충전가능하고 재생 동안 오손(fouling) 및 스케일링(scaling)이 최소화되는 전기화학 셀의 분야에 관한 것이다.
물 경도 또는 총 용존 고형물(total dissolved solid, TDS)로서 측정되는, 담수원에 용해되어 있는 염은 물의 산업용, 상업용 및 가정용 사용에 문제를 야기할 수 있고, 이들 염을 제거하는 공정이 오랫동안 실시되어 왔다. 사람의 담수 사용이 증가함에 따라, 우리의 수원은 농업 유출수; 도로 염을 함유하는 도시 유출수; 대수층에의 해수의 침입을 유발하는 지하수의 과잉 양수; 및 사람의 사용을 위해 이전에 고려되지 않은 염분이 섞인 수원의 개발의 다양한 원인들로 인해 점점 더 염분이 많아지고 있다. 이와 같이, TDS 감소에 대한 요구가 장래에 증가될 것으로 예상되고, 새로운 기술들은 TDS 감소 공정의 효율 및 환경적 지속성의 개선에 대해 요구될 것이다.
미국 수돗물에서의 TDS의 수준은 일반적으로 140 내지 400 ppm의 범위에 있다. 25 ppm 초과의 TDS 농도의 예에서, 소비자에 대한 소정의 단점은 공지 사항이다. 예를 들어, 약 25 ppm 미만의 TDS 농도에서는 (무인산염 세제를 사용하는) 가정용 식기 세척기의 사용 후에 남아 있는 물 얼룩(water spot)의 모습이 크게 감소된다. 소정의 공지된 혼합 베드 수지(mixed bed resin) 상업적 기술은 간단하고 작은 설치 면적의 설계에 의해 그리고 폐기물 스트림(waste stream) 없이 넓은 범위의 유입수 조건에 걸쳐 이러한 품질의 물을 생성할 수 있지만, 최대 용량까지 로딩된 그러한 수지를 처리하기 위해, 강산 및 강염기가 필요하며, 이는 소비자 또는 소규모 상업적 응용에 적합하지 않은 작업이다.
전기화학 셀(electrochemical cell, EC)에 의해 제공되는 전기화학 반응 또한 물을 정수하는 한 방식으로서 알려져 있다. 예시적인 전기화학 셀은 본 명세서에 참고로 포함된 PCT/US2012/048922호에 개시되어 있다. 전기탈이온화(electrodeionization, EDI) 셀(또는 장치 또는 모듈)은 특히 탈이온수를 발생시키기 위해 전기화학 반응을 사용한다. 전자장치, 제약, 발전, 및 냉각탑 응용을 위한 초순수 물을 생성하기 위해 EDI 셀이 전형적으로 사용된다. EDI 모듈은 하기의 구성요소들을 포함한다: 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 위치해 있는 선택적 양이온 투과성 막(cation permeable membrane, CPM) 및 선택적 음이온 투과성 막(anion permeable membrane, APM)과 같은 이온 교환 막에 의해 분리되는 생성물 격실(product compartment) 및 농축물(또는 폐기물) 격실(concentrate (or reject) compartment). 생성물 격실 및 농축물 격실은 각각 음이온 교환 수지 비드와 양이온 교환 수지 비드의 혼합물로 채워진다. 급수(feed water)(이는 보통 초정수(ultrapurification)를 필요로 하는 역삼투(reverse osmosis, RO) 장치로부터의 물임)가 생성물 격실 및 농축물 격실 둘 모두에 들어가고, 전압이 계속하여 애노드 및 캐소드에 걸쳐 인가된다. 생성물 격실에서, 양이온이 양이온 교환 수지 비드에 결합되고, 이어서 양이온은 이들이 CPM을 가로질러 농축물 격실 내로 들어갈 때까지 캐소드의 방향으로 양이온 교환 수지 비드 상에서 여기저기로 이동한다. 또한, 생성물 격실에서, 음이온은 음이온 교환 수지 비드에 결합되고, 이어서 음이온은 이들이 APM을 가로질러 농축물 격실 내로 들어갈 때까지 양이온과 비교하여 반대 방향으로 이동한다. 농축물 격실에서, 양이온 및 음이온 둘 모두는 선택적 막들에 의해 생성물 격실 내로 통과하는 것이 방지된다. 이러한 방식으로, 생성물 격실 내의 물은 초순수 물 응용에 적용가능한 아주 낮은 TDS에 도달할 수 있다. 게다가, 인가된 전기장에 의해 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지 사이의 계면에서 물의 가수분해가 일어나서, 이들을 각각 산성 및 염기성 형태로 계속하여 재생시킨다. 그러한 작동에서는 화학물질 첨가도 높은 압력도 필요하지 않다.
강한 또는 약한 양이온 수지가 CPM 및 양극성 막(bipolar membrane)과 함께 사용될 때, 산성수가 제공될 수 있다. 전기화학 셀로부터의 산성수는, 결국, 본 명세서에 참고로 포함된 공동-양도된 미국 가출원 제61/758,467호에 서술된 바와 같이 이온 농축 격실에서 이온을 플러싱(flushing)하고 스케일(scale)을 감소시키기 위해 이온 감소 장치의 폐기물 스트림을 공급할 수 있다. 이온 감소 장치는 탈이온화 시스템, 연속 또는 배치식(batch-wise), 및 역삼투 시스템을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 강한 또는 약한 염기성 또는 음이온 수지가 APM 및 양극성 막과 함께 사용될 때에는, 염기성수가 제공될 수 있다.
전기화학 셀 그 자체를 재충전하는 것은 전기화학 셀 농축물 격실을 통한 폐기물 스트림의 전송을 요구하는데, 여기서 폐기물 스트림은 제거되는 이온 또는 고형물을 축적하고, 이는 그 후에 이온 교환 막의 오손을 야기할 수 있다. 재충전가능 전기화학 셀의 오손을 피해야 할 지속적인 필요성이 있다.
재충전가능한 전기화학 장치가 제공되는데, 그 재생 기법은 애노드액 격실(anolyte compartment) 또는 캐소드액 격실(catholyte compartment)에서 전기화학적으로 불활성인 전해질을 갖는 전해질 스트림을 사용하고 그리고/또는 캐소드액 격실에서 산성수를 사용하는 것을 포함한다.
제1 태양은 전기화학 셀을 제공하고, 전기화학 셀은 하나 이상의 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실; 캐소드액 격실 및 애노드액 격실; 양극성 막; 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 이온 교환 막; 및 캐소드 및 애노드; 및 하기 구조물들 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다: 애노드액 격실 또는 캐소드액 격실 중 어느 하나 및 양극성 막과 유체 연통하는 전해질 스트림의 폐루프, 및 이온 교환 막을 생성물 격실과 유체 연통하게 하는 슬립 스트림(slip stream).
하나 이상의 실시 형태에서 그리고 하기 변경예들 중 어느 것과 함께, 전기화학 셀은 전해질 스트림의 폐루프를 포함한다. 전해질은 셀에 전류의 인가 시에 전기화학적으로 불활성인 하나 이상의 이온을 포함할 수 있다. 전해질은 높은 하프 셀 전위(half cell potential)를 갖는 이온을 포함할 수 있다. 상세한 실시 형태에서, 전해질은 황산나트륨, 불화나트륨, 황산칼륨, 불화칼륨, 또는 이들의 조합을 포함한다.
하나 이상의 실시 형태에서, 전기화학 셀은 슬립 스트림을 포함한다.
일 실시 형태에서, 하나 이상의 이온 교환 수지는 양이온 교환 수지를 포함하고, 이온 교환 막은 양이온 투과성 막을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 하나 이상의 이온 교환 수지는 음이온 교환 수지를 포함하고, 이온 교환 막은 음이온 투과성 막을 포함한다.
하나 이상의 이온 교환 수지가 강산성 양이온 수지를 포함하고 이온 교환 막이 양이온 투과성 막을 포함하는 경우, 슬립 스트림은 생성물 격실로부터 캐소드액 격실로 산성수를 전달할 수 있다.
전기화학 셀은 하나 이상의 농축물 격실에 의해 분리되고 하나 이상의 이온 교환 수지를 함유하는 2개 이상의 생성물 격실을 포함할 수 있고, 각 생성물 격실은 이온 교환 막과 양극성 막의 쌍에 의해 경계를 이룬다.
전기화학 셀은 배치식으로 작동될 수 있다. 배치식 작동은 각 사이클 후에 한정된 양의 물을 처리하기 위해 식기 세척기 및 커피와 스티머(steamer)에서의 사용과 같은 몇몇의 유용한 소비자 응용을 발견할 수도 있다. 다른 가능한 응용은 금속 스캐빈저(metal scavenger)이다. 하나 이상의 실시 형태는, 전기화학 셀이, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는 것을 제공한다. 실시 형태에서, 전류 밀도는 재충전 모드 동안 양극성 막 및 적어도 하나의 이온 교환 막의 표면에 인접한 영역에서 용해된 이온을 용액 상태로 실질적으로 유지시키는 데 효과적인 낮은 전류 밀도이다.
다른 실시 형태는, 전기화학 셀이, 강한 양이온 수지를 함유하는 2개 이상의 생성물 격실, 추가적인 캐소드액 격실에 인접한 추가적인 캐소드, 애노드에 인접한 추가적인 애노드액 격실, 및 전해질 스트림의 폐루프를 포함하는 것을 제공하고, 전해질 스트림의 폐루프는 애노드액 격실들 중 하나 또는 둘 모두를 통해 유동한다.
다른 태양은 물을 처리하는 방법을 제공하고, 물을 처리하는 방법은 본 명세서에 제공된 전기화학 셀을 통해 물을 유동시키는 단계를 포함한다. 방법은 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는 전기화학 셀을 배치식으로 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 형태는, 재충전 모드 동안, 전해질 스트림을 애노드액 격실 및 캐소드액 격실 중 하나에 공급하는 것을 제공한다.
일 실시 형태는, 서비스 모드 동안, 생성물 격실로부터의 산성수를 슬립 스트림을 통해 캐소드액 격실로 유동시키는 것을 제공한다.
상세한 태양은 다수의 쌍으로 된 전기화학 셀을 제공하고, 다수의 쌍으로 된 전기화학 셀은 하나 이상의 이온 교환 수지를 함유하는 2개 이상의 생성물 격실; 캐소드액 격실 및 애노드액 격실; 양극성 막과 양이온 투과성 막의 2개 이상의 쌍; 캐소드 및 애노드; 및 양극성 막 및 애노드액 격실과 유체 연통하는 전해질 스트림의 폐루프를 포함하고, 전해질은 전기화학 셀에 전류의 인가 시에 전기화학적으로 불활성인 하나 이상의 이온을 포함한다. 2개 이상의 생성물 격실은 강한 양이온 수지 또는 약한 양이온 수지를 함유할 수도 있고, 전해질 스트림의 폐루프는 애노드액 격실을 통해 유동한다.
첨부 도면은 본 명세서에 기술된 발명의 더욱 명확한 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서 내에 통합되고 그 일부를 구성한다. 도면은 예시적인 실시 형태를 예시한다. 소정의 특징은 동일한 도면 부호가 그의 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면과 함께 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조하여 더욱 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은 애노드액 격실을 통한 전해질 스트림을 포함하는 폐기물 스트림의 유동을 도시하는 전기화학 셀의 실시 형태의 개략도이고, 전해질 스트림에서 전해질은 강한 양이온 수지의 재생 동안 전기화학적으로 불활성이고;
도 2는 캐노드액 격실을 통한 전해질 스트림을 포함하는 폐기물 스트림의 유동을 도시하는 전기화학 셀의 실시 형태의 개략도이고, 전해질 스트림에서 전해질은 강한 양이온 수지의 재생 동안 전기화학적으로 불활성이고;
도 3은 양이온 수지의 베드를 통한 생성물 스트림(예를 들어, 수돗물)의 서비스 유동의 방향을 도시하는 전기화학 셀의 실시 형태의 개략도이고, 여기서 산성수가 형성되고, 산성수의 일부는 캐소드액 격실로 보내지고;
도 4는 다수의 생성물 격실을 병렬로 갖는 실시 형태의 개략도이고;
도 5는 양극성 막을 갖는 강산성 양이온(strong acid cation) 교환 셀(SAC 양극성 셀)을 사용한 재충전 모드 동안 폐수 스트림(waste water stream)의 pH 대 처리량(throughput)의 그래프이고;
도 6은 SAC 양극성 셀을 이용한 재충전 모드 동안 전도도 대 처리량의 그래프이고;
도 7은 스케일 침전을 나타내지 않는 애노드에 대면하는 SAC 양극성 셀의 양극성 막의 사진이고;
도 8은 스케일 침전을 나타내지 않는 SAC 양극성 셀의 애노드의 사진이고;
도 9는 양극성 막을 갖는 약산성 양이온 교환 셀(WAC 양극성 셀)에 대해 0.369 mA/㎠의 전류 밀도에서 일련의 6회의 운전(run)에 대해 생성물 격실 입구 및 출구에 대한 칼슘 이온 농도와 함께 계산된 제거 백분율(percentage removal)의 그래프이고;
도 10은 WAC 양극성 셀의 재충전 모드 동안 0.369 mA/㎠의 전류 밀도에서 전도도 대 처리량의 그래프이고;
도 11은 0.369 mA/㎠의 일정한 전류 밀도에서 WAC 양극성 셀의 일련의 재충전 모드 동안 전압 대 처리량을 도시하고;
도 12는 양이온 투과성 막과 양극성 막의 5 세트가 존재한다는 것을 의미하는, 5-셀 쌍이라고 지칭되는 전기화학 셀의 실시 형태의 개략도이다.
도면들은 반드시 축척대로 된 것은 아니다. 도면에 사용된 유사한 도면 부호들은 유사한 구성요소들을 지칭한다. 그러나, 주어진 도면에서 구성요소를 지칭하기 위한 도면 부호의 사용은 동일한 도면 부호로 표기된 다른 도면에서의 그 구성요소를 제한하도록 의도되지 않음이 이해될 것이다.
전기화학 셀을 재충전하거나 또는 재생하기 위한 개선된 방법이 제공된다. 그렇게 제공할 때, 방법은 전극에 인접한 유체 스트림에서 스케일 형성(탄산칼슘(CaCO3), 탄산마그네슘(MgCO3) 등)의 잠재성을 실질적으로 감소시킨다. 구체적으로, 양극성 막을 이용하는 전기화학 셀은, 막의 오손 및 이온 침전의 기회를 피하기 위해 재생 동안 양극성 막과 전극 사이의 농축물 격실에서 전해질 스트림을 사용할 수 있다. 예를 들어 강산성 또는 약산성 양이온 수지가 생성물 격실에서 사용되고 시스템 내에 양이온 투과성 막이 존재할 때 애노드에 인접한 폐기물 스트림에서, 황산나트륨과 같이, 용액 상태에서 전기화학적으로 불활성인 전해질의 폐루프가 제공된다. 마찬가지로, 강염기성 또는 약염기성 양이온이 생성물 격실에서 사용되고 시스템 내에 음이온 투과성 막이 존재할 때, 전해질의 폐루프는 캐소드에 인접한 폐기물 스트림에서 제공될 것으로 고려된다. 예를 들어, 나트륨 및 황산염 이온이 불활성이기 때문에, 그 스트림에서의 유일한 전기화학 반응은 애노드에서 수소(H+) 이온 및 산소(O2) 기체를 생성하고, 한편 양극성 막에서는 수산화물 이온(OH-)이 생성된다. H+ 이온 및 OH- 이온은 재결합하여 물을 형성하고, O2 기체는 스트림의 밖으로 통기된다. 그 외에 공급된 폐기물 스트림으로부터는 칼슘 또는 다른 알칼리성 물질이 존재하지 않기 때문에, 스케일 형성의 가능성이 없다.
게다가, 강산성 양이온이 생성물 격실에서 사용될 때, 서비스 모드 동안 발생되는 산성수의 일부분은 양이온 투과성 막(CPM)과 캐소드 사이의 캐소드액 격실로 보내질 수 있고, 이전 재충전 모드 동안 형성된 임의의 스케일을 용해시키기 위해 잠시 격실에 남아 있을 수 있게 된다. 이것은 서비스 모드의 시작 시에 재생 직후에, 또는 서비스 모드 동안 일부 다른 시간 간격에서 일어날 수 있다. 캐소드 및 양이온 투과성 막을 낮은 pH의 물에 오랫동안 침지할 수 있게 하는 것은 막의 오손을 피하고 임의의 잔류 스케일을 용해시킬 것이다.
본 명세서에 제공된 방법은 재충전가능 전기화학 셀로 하여금 스케일 형성의 가능성을 제거함으로써 장기간 동안 유지보수가 필요 없도록 한다.
"전기화학적으로 불활성"이라는 것은, 전류의 인가 시에, 전기화학적으로 불활성인 전해질 스트림이 그의 이온을 용액 상태로 유지할 것임을 의미하고, 이는 그의 이온이 전극과 전자를 교환하지 않음을 의미한다. 높은, 예를 들어 2 V 이상인 하프 셀 전위를 갖는 전해조가 바람직하다. 예시적인 전해질로는, 예를 들어 황산나트륨(Na2SO4), 불화나트륨(NaF), 황산칼륨(K2SO4), 및/또는 불화칼륨(KF)이 있다. 전기화학적으로 불활성인 전해질은 전극에서 어떠한 반응도 하지 않는 임의의 이온 쌍을 포함할 것이므로, 적합한 전해질은 특정 반응/응용에 대한 표준 셀 전위 및 전체 전압에 기초하여 결정될 수 있다.
"이온 교환 막" 또는 "이온 투과성 막"이라는 언급은 선택적으로 한 종류의 이온이 통과할 수 있게 하면서 다른 이온이 통과하는 것을 방지할 수 있게 하는 막을 의미한다. 따라서, 양이온 투과성 막은 양이온이 가로지를 수 있게 하고 음이온은 가로지를 수 없게 하고, 마찬가지로, 음이온 투과성 막은 음이온이 가로지를 수 있게 하고 양이온은 가로지를 수 없게 한다. 양극성 막은 양이온 투과성 막 및 음이온 투과성 막 둘 모두를 결합한 구조물이다. 이온 투과성 막은 당업자에게 공지되어 있고, 그러한 것의 선택은 사용 환경 및 작동 조건에 기초한다. 예시적인 양이온 투과성 막은 상표명 레진테크(ResinTech) CMB-SS로 판매되고 있고, 예시적인 음이온 투과성 막은 상표명 레진테크 AMB-SS로 판매되고 있다. 예시적인 양극성 막은 상표명 네오셉타(NEOSEPTA) BP-IE로 판매되고 있다.
"생성물 격실"은 원하는 처리를 위해 수지를 유지시키는 셀의 부분으로, 그의 입구는 처리되기 위해 유입되는 물을 수용하고 그의 출구는 처리된 물을 제공한다. "농축물 격실"은 생성물 격실로부터의 폐기물 이온을 수용하고 축적하는 셀의 부분이다. 캐소드액 격실은 캐소드 옆에 있는 셀의 부분이고, 애노드액 격실은 애노드 옆에 있는 셀의 부분이다. 용액 상태의 전기화학적으로 불활성인 전해질의 폐루프는 셀 설계에 따라, 전극 격실에서의 셀의 전극들 중 하나를 지나, 즉, 애노드액 격실 또는 캐소드액 격실 중 어느 하나를 통해, 유동할 것이다. 사용되지 않는 어느 전극 격실이든지 농축물 격실로 또한 간주될 수 있지만, 일반적으로 옆에 있는 전극에 기초하여 지칭될 것이다. 추가적으로, 다수의 셀 쌍, 즉, 원하는 막들의 쌍(예컨대, 함께 사용되는 양이온 투과성 막 및 양극성 막, 또는 함께 사용되는 음이온 투과성 막 및 양극성 막)의 사용의 경우, 생성물 격실이 아닌 쌍들 사이의 임의의 격실이 폐기물 이온을 수집하기 위한 농축물 격실일 것이다.
"전류 밀도"라는 것은 전기화학 셀의 단위 단면적당 전류의 양을 의미한다. 전류 밀도의 선택은 주어진 셀 크기/응용에 대해 용해된 이온이 용액 상태로 실질적으로 유지되고 이온 교환 막 상에 침전되지 않는 것을 보장하는 것에 기초하는 것이다. 재충전 사이클의 예상된 지속 기간에 기초하여 원하는 전류 밀도가 선택될 수 있다. 일정 기간에 걸쳐 재생을 보장하기 위해 가능한 최소량의 에너지를 제공하도록 낮은 전류 밀도가 사용될 수 있다. 원하는 전류 밀도를 달성하기 위해 적합한 전류는, 예를 들어, 경도, 알칼리도, 및 유입되는 물(예컨대, 수돗물)의 TDS, 폐기물 스트림의 유량을 감안하여, 전기화학 셀의 셋업 시에 결정될 수 있다. 스케일링에 대한 잠재성의 지표로서 탄산칼슘에 관하여, 폐기물 스트림 내의 칼슘 및 탄산염의 농도가 결정되고, 농도가 그들의 용해도 한계 미만에 있는 것을 보장하도록 전류 밀도가 조정된다. 칼슘에 대해서는, 재충전 모드 동안 셀 주위의 칼슘 물질 균형이 수행될 수 있다. 캐소드액 격실을 빠져나가는 칼슘은 인가되는 전류에 직접 관련된다. 탄산염에 대해서는, 유입되는 물뿐만 아니라 캐소드에서 생성되는 수산화물의 pH 및 알칼리도의 관점에서의 평형 상수가 탄산염 농도를 추정하기 위해 사용된다.
본 명세서에 제공되는 전기화학 셀은 스케일 억제 장치를 추가로 포함할 수 있는데, 스케일 억제 장치는 양이온 투과성 막과 같은 이온 교환 막 또는 양극성 막 상에의 이온의 부착 또는 침적을, 직접 또는 간접적으로 막는 장치이다. 하나 이상의 실시 형태에서, 스케일 억제 장치는 전기화학 셀에 낮은 전류 밀도를 인가하기 위한, 전기화학 셀에 낮은 전류 밀도를 펄싱(pulsing)하기 위한, 또는 둘 모두를 위한 제어 시스템을 포함한다. 펄싱은 1 밀리초(mS) 내지 1 초(S)의 범위 내의 또는 심지어 10 내지 100 mS의 범위 내의 지속 시간 동안 일어날 수 있다. 펄싱은 매 1 밀리초 내지 1 초, 또는 심지어 10 내지 500 mS의 시간 간격으로 인가될 수 있다.
다른 스케일 억제 장치는 하나 이상의 유체 운반 층(fluid conveyance layer)일 수 있다. 하나 이상의 유체 운반 층의 표면은 채널과 같은 비평탄 표면 특징부를 포함할 수 있다. "유체 운반 층"은 그 위에 뿐만 아니라 이온 교환 막 상에의 침적물의 축적을 실질적으로 억제하는 데 효과적인 막 또는 다른 투과성 구조물이다. 하나 이상의 실시 형태는 유체 운반 층의 표면이 비평탄 표면 특징부를 포함하는 것을 제공한다. 그러한 특징부는 경계 층을 감소시킴으로써 유체 전달을 향상시킨다. 예를 들어, 비평탄 표면 특징부는 채널을 포함할 수 있다.
전기화학 셀의 "서비스 모드"라는 언급은 정수되기 위해 유입되는 물이 셀의 생성물 격실(들)에 들어가고 산성수가 생성물 격실(들)로부터 나가는 때의 지속 기간을 의미한다. 본 명세서에 제공되는 실시 형태에 따른 서비스 모드 동안, 셀로 유동하는 전류가 없다.
전기화학 셀의 "재충전 모드"라는 언급은 생성물 격실에서 물이 정수되지 않고, 폐기물 스트림이 농축물 격실(들)에 공급되며, 전류가 셀에 공급되고, 이온 교환 수지가 재생되는 때의 지속 기간을 의미한다.
본 발명의 여러 예시적인 실시 형태를 설명하기 전에, 본 발명은 하기의 설명에 기술된 구성 또는 공정 단계의 상세 내용으로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시 형태가 가능하며, 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다.
도면을 참조하면, 도 1은 일 측면에서 양이온 투과성 막(CPM)(46)에 의해 그리고 다른 측면에서 양극성 막(47)에 의해 구속되어 있는 수소 형태의 강한 양이온 수지(50)의 베드를 함유하는 생성물 격실(42)을 갖는 예시적인 전기화학 셀(40)을 도시한다. 애노드액 격실(45)은 애노드(54) 옆에 있고, 캐소드액 격실(43)은 캐소드(52) 옆에 있다. 재충전 모드 동안, 전해질 스트림(100)은 수지를 함유하지 않는 애노드액 격실(45)로 들어간다. 재생 또는 재충전 모드 동안, 전해질은 전기화학적으로 불활성이다. 폐루프(100) 순환을 유지시키기 위해 필요에 따라 펌프(102)가 사용된다. 재충전 모드 동안 발생된 임의의 기체를 배출하기 위해 통기구(104)가 사용된다. 예를 들어, 황산나트륨이 폐루프(100)에서 사용될 때, 그 스트림에서의 유일한 전기화학 반응은 애노드에서 수소(H+) 이온 및 산소(O2) 기체를 생성하고, 양극성 막에서는 수산화물 이온(OH-)이 생성된다. H+ 이온 및 OH- 이온은 재결합하여 물을 형성하고, O2 기체는 통기구(104)를 통해 통기된다. 그 외에 공급된 폐기물 스트림으로부터는 칼슘 또는 다른 알칼리성이 존재하지 않기 때문에, 스케일 형성의 가능성이 없다. 재충전 모드의 작동에서, 전류 밀도를 전극에 인가할 시에, 수지에 의해 포착된 양이온은 전기분해에 의해 발생된 H+ 이온에 의해 그리고 양극성 막에서 가수분해에 의해 발생된 H+ 이온에 의해 대체되고, 이제 CPM을 통해 캐소드를 향해 이동한다. EC 폐기물 스트림은 이온을 수용한다. 셀을 빠져나갈 시에, EC 폐기물 스트림은 셀에 들어갈 때와 비교하여 알칼리도/TDS와 연관되어 있는 더 많은 양의 이온을 함유한다. 양이온 수지는 그에 따라 다시 그의 산성 형태로 되돌아간다. EC 폐기물 스트림의 유동은 응용의 요구에 따라 다르지만, 일반적으로 EC 폐기물 스트림 유량은, 물 사용을 최소화하면서, 선택적 이온 투과성 막에 인접한 경계 층에서 낮은 용해된 이온 농도를 유지하여, 그 농도를 용해된 염이 침전될 수도 있는 농도 미만으로 유지하는 방식으로 제어되어야 한다. 재충전 모드의 끝은 단순히 산성수에 대한 요구가 재개될 때 또는 수지가 실질적으로 그들의 산성 및 염기성 형태로 되돌아갈 때일 수도 있다. 전기적 재생은 강산에 의한 화학적 재생에 대한 필요성을 제거한다. 전기화학 셀은 필요에 따라 재생될 수 있고, 이온 감소 장치의 재생과 협조될 수 있다. 전기화학 셀은 고갈(depletion)에 이르기까지 또는 단지 부분적인 고갈에 이르기까지 사용될 수 있고, 그에 따라 재충전 모드 동안 재생될 수 있다.
도 2는 일 측면에서 음이온 투과성 막(APM)(53)에 의해 그리고 다른 측면에서 양극성 막(47)에 의해 구속되어 있는 강한 또는 약한 염기성 또는 음이온 수지(51)의 베드를 함유하는 생성물 격실(42)을 갖는 전기화학 셀(60)을 도시한다. 애노드액 격실(45)은 애노드(54) 옆에 있고, 캐소드액 격실(43)은 캐소드(52) 옆에 있다. 재충전 모드 동안, 전해질 스트림(200)은 수지를 함유하지 않는 캐소드액 격실(43)로 들어간다. 재생 또는 재충전 모드 동안, 전해질은 전기화학적으로 불활성이다. 폐루프(200) 순환을 유지시키기 위해 필요에 따라 펌프(202)가 사용된다. 재충전 모드 동안 발생된 임의의 기체를 배출하기 위해 통기구(204)가 사용된다.
도 3은 일 실시 형태에 따른 전기화학 셀을 나타낸다. 그러한 셀은 전극들 사이에 단일 생성물 격실을 갖고서 또는 다수의 생성물/농축물 격실을 갖고서 사용될 수 있다. 도 3에서, 일 측면에서 양이온 투과성 막(CPM)(46)에 의해 그리고 다른 측면에서 양극성 막(47)에 의해 구속되어 있는, 예를 들어 수소 형태의 강한 양이온 수지(50)의 베드를 생성물 격실(42)에 포함하는 전기화학 셀(40)을 나타내고, 전기화학 셀에 전류가 인가되지 않을 때의 서비스 모드 동안 서비스 유동(수돗물과 같은 유입되는 물)이 도시되어 있다. 수지를 함유하지 않는 애노드액 격실(45)은 일 측면에서 애노드(54)에 의해 그리고 다른 측면에서 양극성 막(47)에 의해 구속되어 있다. 또한 수지를 함유하지 않는 캐소드액 격실(43)은 일 측면에서 캐소드(52)에 의해 그리고 다른 측면에서 CPM(46)에 의해 구속되어 있다. 서비스 모드 동안, 물은 생성물 격실(42)을 통해 유동하고, 여기서 이온은 이온 교환에 의해 제거된다. 구체적으로는, 양이온은 양이온 교환 수지에 결합되어, H+를 치환한다. 강한 양이온 교환 수지는 당업계에 공지되어 있고, 예시적인 수지로는 상표명 다우엑스(DOWEX)™ 마라톤(MARATHON)™ C로 판매되는 것이 있고, 이 수지는 스티렌-다이비닐벤젠(DVB) 겔 매트릭스를 갖는 수지이다. 서비스 모드 동안, 셀을 통과할 때 실질적으로 모든 양이온 내지 완전히 모든 양이온이 수소 이온과 교환된다. 그래서, 생성물 격실의 다른 단부(도시 생략)에서 셀을 빠져나가는 물은 산성 pH를 갖고, 이에 따라 산성수를 형성한다. 물의 유동은 응용의 요구에 따라 다르지만, 일반적으로 이온 교환 수지에 의한 양이온의 실질적인 교환을 달성하기 위해 충분한 접촉 시간이 있어야 한다. 산성수가 이온 감소 장치의 폐기물 스트림 내로 들어가기 위한 요구는, 이온 감소 장치를 통해 처리되는 체적, 시간, 폐기물 스트림의 전도도, 폐기물 스트림 내로의 이온의 속도, 랑겔리어 포화 지수(Langelier Saturation Index, LSI)에 영향을 주는 파라미터, 예컨대, 경도, 알칼리도, TDS, pH, 및 온도, 또는 이온 농축물 격실의 이온이 플러싱될 필요가 있는 임의의 다른 지표를 포함하지만 이로 한정되지 않는 많은 인자에 기초할 수 있다. 전도도는 폐기물 스트림에서의 총 이온 함량의 직접적인 척도라고 알려져 있다. 생성물 스트림(145)은 다운스트림 유동(155) 또는 슬립 스트림(150)을 공급할 수 있다. 슬립 스트림(150)은 서비스 모드 동안 생성되는 산성수의 일부분을 함유하고, 캐소드액 격실(43)로 보내져서 임의의 스케일 축적물(build-up)을 용해시킨다.
서비스 모드의 끝은 응용의 생산수(product water) 요구에 의해 또는 수지가 거의 소진되는 때에 의해 한정될 수도 있다. 수지의 소진은, 예를 들어 출구/산성수의 전도도를 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 강산성 양이온 수지 베드로부터 산성수를 생성하는 상황 하에서, 수소 이온 함량이 감소되기 때문에 수지 베드가 소진됨에 따라 전도도가 감소된다. 또한, 수지의 소진은, 예를 들어, 유입되는 수원(수돗물)의 이온 함량에 관한 정보에 기초하여 처리되는 물의 체적에 기초하여 예측될 수도 있다.
도 4에는, 다수의 격실을 병렬로 갖는 실시 형태가 도시되어 있다. 이 실시 형태에서, 하나의 애노드(54)가 제공되고 측부들(A 및 B)이 제공되어, 한 번에 하나의 측부가 작동되고 다른 측부는 재생되거나 또는 유지되도록 한다. 전기화학 셀(40)의 하나의 측부, 예컨대, 측부 "A"를 통해 작동이 수행될 수 있고, 여기서 셀은 애노드(54) 및 캐소드(52A)를 사용하여 상기 서술된 바와 같이 작동한다. 생성물 격실(42A) 내의 강한 양이온 수지(50A)는 양이온 투과성 막(CPM)(46A) 및 양극성 막(47A)에 의해 구속되어 있다. 제1 애노드액 격실(45A) 및 제1 캐소드액 격실(43A)은 수지를 함유하지 않는다. 예를 들어, 수지를 재충전하고 그리고/또는 수지를 교체하고 그리고/또는 캐소드를 대체하고 그리고/또는 어느 막이라도 대체하기 위해, 일단 측부 "A"에서 유지보수 및/또는 재생이 필요하다면, 측부 "B"가 애노드(54) 및 캐소드(52B)를 사용하여 서비스에 들어갈 수 있다. 애노드는, 예를 들어, 귀금속으로부터 제조된 값비싼 구성요소일 수 있는데, 귀금속은 셀의 다른 구성요소보다 덜 빈번하게 대체될 수 있고 도 4의 실시 형태에서의 측부들 둘 모두에 대해 사용될 수 있다. 측부 "B"에 관하여, 생성물 격실(42B) 내의 강한 양이온 수지(50B)는 양이온 투과성 막(CPM)(46B) 및 양극성 막(47B)에 의해 구속되어 있다. 제1 애노드액 격실(45A) 및 제1 캐소드액 격실(43A)은 수지를 함유하지 않는다. 측부들 "A" 및 "B" 둘 모두는 추가적인 생성물 격실 및/또는 농축물 격실(도시 생략)을 포함할 수 있다.
재충전 모드 동안, 전해질 스트림(300)은 수지를 함유하지 않는 애노드액 격실들(45A 또는 45b) 중 하나 또는 둘 모두로 들어간다. 재생 또는 재충전 모드 동안, 전해질은 전기화학적으로 불활성이다. 폐루프(300) 순환을 유지시키기 위해 필요에 따라 펌프(302)가 사용된다. 폐루프는 밸브가 형성될 수 있고, 용도에 따라, 도시된 바와 같이 직렬 유동으로 또는 병렬로 애노드액 격실들을 통해 필요에 따라 보내질 수 있다. 재충전 모드 동안 발생된 임의의 기체를 배출하기 위해 통기구(304)가 사용된다.
실시예
달리 주지되지 않는 한, 실시예 및 본 명세서의 나머지 부분에서 모든 부, 백분율, 비 등은 중량을 기준으로 하고, 실시예에서 사용된 모든 시약들은 예를 들어 미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마-알드리치 컴퍼니(Sigma-Aldrich Company)와 같은 일반적인 화학물질 공급업자로부터 획득되었거나, 그로부터 입수가능하거나, 또는 통상적인 방법에 의해 합성될 수 있다.
하기 약어들을 사용하여 실시예를 기재한다:
Figure pct00001
실시예 1 - 강산성 양이온 양극성 셀 및 황산나트륨 루프
양극성 막을 갖는 5-셀 쌍 이온 교환 셀을 설치하였다. 도 12는 양이온 투과성 막과 양극성 막의 5 세트가 존재한다는 것을 의미하는, 5-셀 쌍 전기화학 셀의 실시 형태의 개략도이다. 이 실시예에서, 이온은 강산성 양이온(SAC) 수지였다. 5개의 생성물 격실 각각은, 엑셀리온 양이온(Excellion Cation) 막 및 양극성 막에 의해, 셀 쌍 당 125 그램의 강산성 양이온 수지(SAC, 8% 가교결합, H+ 형태)를 함유하였다.
이러한 양극성 막을 갖는 강산성 양이온 교환 셀(SAC 양극성 셀)의 성능을, 4회의 서비스 사이클 및 3회의 재충전 사이클 동안 미국 코네티컷주 메리덴 수돗물(City water)로 평가하였다.
서비스 모드/사이클: 1 또는 3 갤런의 메리덴 수돗물을 0.25 gpm으로 SAC 양극성 셀의 생성물 격실을 통과시켰다. 운전을 표 1에 나타내었다.
재충전 모드/사이클: 원하는 양의 물을 1회의 서비스 모드에서 처리한 후에, 소모된 수지를 0.25A의 일정한 전류 하에서 재생시켰다. 타깃 물을 0.05 gpm으로 캐소드액 격실을 통과시켰고, 모든 농축물 격실로의 공급은 0.1 gpm이었다. 애노드 상의 스케일 형성을 피하기 위해 폐루프 황산나트륨을 0.05 gpm으로 애노드액 격실을 통과시켰다.
서비스 모드
서비스 모드 동안, 산성수의 생성이 증명되었다. 이러한 산성수는 이온 감소 장치의 폐기물 스트림 내의 이온을 플러싱하기 위해 사용될 수 있다. 표 1은 (수돗물에 존재할 때의) 생성물 격실의 입구에서의 물의 pH 및 (SAC 수지를 통과한 후의) 생성물 격실의 출구에서의 물의 pH를 제공한다. 산성수는 하나 이상의 이온 농축 격실에서 염의 침전을 방지하거나 또는 스케일을 감소시키는 데 충분한 pH를 갖는다.
[표 1]
Figure pct00002
표 2의 정보에 기초하여 LSI를 계산하여, 경수(hard water)를 SAC 양극성 셀에 의해 생성된 낮은 pH의 산성수와 비교하였다.
[표 2]
Figure pct00003
LSI <0에서의 물은 부식성인 경향이 있으며; 이러한 낮은 pH/낮은 LSI에서, 물은 임의의 탄산칼슘을 용해시킴으로써 스케일을 제거하는 능력을 가질 것이다. 탄산칼슘(CaCO3)을 용해시키는 이러한 능력은, 예를 들어, 0.78의 LSI를 갖는 경수에서는 예상치 못했을 것이다.
재충전 모드
재충전 사이클 동안, (0.369 mA/㎠의 일정한 전류 밀도로) 전압을 셀에 인가하였다. 각각의 개별 농축물 격실로부터 수집된 물인, 폐기 농축물 스트림에서의 전도도(출구 전도도)가 입구 전도도에 가깝거나 또는 시간 경과에 따라 변화 없이 유지되었을 때 재충전 사이클을 종료하였다.
도 5는 대표적인 재충전 사이클 동안의 pH 대 처리량이고, 여기서 "pH in"은 농축물 격실에 유입되는 물의 pH를 지칭하고, "pH Conc."는 셀로부터 나가는 폐기 농축물 스트림의 pH를 지칭하고, "pH Cath."는 캐소드액 격실로부터 나가는 스트림의 pH를 지칭한다. 도 6은 전도도 대 처리량을 도시하고, 여기서 KIN(μS/cm)은 유입되는 물의 전도도를 지칭하고, KOUT(μS/cm)은 (하나의 폐기 농축물 스트림 내로 수집되는) 농축물 격실의 출구에서의 전도도를 지칭한다.
전류 효율. 전류 효율은 재충전 사이클(0.369 mA/㎠의 일정한 전류에서, 0.1 gpm으로 농축물 격실을 통한 유동) 동안 통과되는 총 전류 및 재충전 사이클 후에 획득되는 이온 교환을 위해 사용되는 전류에 기초하여 계산된다. 표 3은 4 내지 6%의 범위의 전류 효율이 달성되었음을 나타낸다.
[표 3]
Figure pct00004
실시예 2 - 황산나트륨 루프
실시예 1에 따른 SAC 양극성 셀을 사용하여, 애노드액 스트림을 통한 황산나트륨 루프의 개념을 증명하였다. 애노드액 격실 및 캐소드액 격실의 각각에 대한 유동은 독립적이었으며, 유동들이 별개로 제어되었다.
재충전 모드 동안 그리고 전위장의 영향 하에서, 양극성 막과 애노드 전극 사이에 위치되는 애노드액 격실에서의 스케일 침전의 가능성은 전기화학적으로 불활성인 황산나트륨(Na2SO4) 루프의 사용에 의해 제거된다. 실시예 1의 서비스 사이클 및 재충전 사이클을 지난 후에 검사를 위해 SAC 양극성 셀을 개방하였고, 양극성 막 또는 애노드 전극 중 어느 하나 상에도 스케일 침전이 없었음을 확인하였다. 도 7은 스케일 침전을 나타내지 않는 애노드에 대면하는 양극성 막(45)의 사진이다. 도 8은 스케일 침전을 나타내지 않는 애노드(54)의 사진이다. 따라서, 애노드액 격실에서의 전기화학적으로 불활성인 전해질의 전해질의 사용은 재충전 동안 스케일 축적을 억제하는 효과적인 방식이다.
실시예 3 - 약산성 양이온 양극성 셀 및 황산나트륨 루프
이어서 실시예 1의 5-셀 쌍 이온 교환 셀을 약산성 양이온(WAC) 수지와 함께 사용하였다. 5개의 생성물 격실 각각은, 엑셀리온 양이온 막 및 양극성 막에 의해, 125 그램의 약산성 양이온 수지(푸로파인(Purofine), PFC104 플러스(plus))를 함유하였다.
이러한 약산성 양이온 교환 셀(WAC 양극성 셀)의 성능을 6회의 서비스 사이클 및 대응하는 재충전 사이클 동안 10 gpg(갤런 당 그레인의 탄산칼슘 경도) 물로 평가하였다.
서비스 모드/사이클: 1 갤런의 10 gpg 물을 0.25 gpm으로 WAC 양극성 셀의 생성물 격실을 통과시켰다.
재충전 모드/사이클: 원하는 양의 물을 1회의 서비스 모드에서 처리한 후에, 소모된 수지를 재생시켰다. 이 실시예에서, 2개의 상이한 조건들을 시험하였다: (1) 0.369 mA/㎠ 및 (2) 0.147 mA/㎠의 일정한 전류 밀도. 타깃 물을 0.05 gpm으로 캐소드액 격실을 통과시켰고, 모든 농축물 격실로의 공급은 0.1 gpm이었다. 애노드 상의 스케일 형성을 피하기 위해 폐루프 황산나트륨을 0.05 gpm으로 애노드액 격실을 통과시켰다.
서비스 모드
서비스 모드 동안, 칼슘 이온 제거 성능의 감소를 사이클마다 기재하였다. 도 9는 일련의 6회의 운전에 걸쳐 제거된, 계산된 퍼센트 칼슘 이온을 도시하고, 여기서 칼슘은 생성물 격실의 입구 및 출구의 물에서 측정된다.
0.369 mA/㎠에서의 재충전 모드
전류 밀도. 전류 밀도는 0.25 A의 일정한 전류 및 18.25 in × 5.75 in의 셀 면적을 사용하여 계산하였다. 전류/면적에 의해 계산된 결과적인 전류 밀도는 0.369 mA/㎠이었다.
이온 전도도. 재충전 사이클 동안 입구 및 출구 농축물 스트림의 이온 전도도를 측정하였다. 도 10은 전도도 대 처리량을 도시하고, 여기서 KIN(μS/cm)은 유입되는 물의 전도도를 지칭하고, KOUT(μS/cm)은 (하나의 폐기 농축물 스트림 내로 수집되는) 농축물 격실의 출구에서의 전도도를 지칭한다. 이러한 플롯으로부터, 셀이 정상 상태 거동을 달성하는 것에 가까워지고 있음을 알 수 있다.
이온 교환 및 전류 효율. 재충전 후에, 하기의 이온 교환 제거 효율을 획득하였다:
운전 1(완전 새로운 셀) = 경도의 97% 제거;
운전 2(재충전 사이클 1) = 경도의 88% 제거;
운전 3(재충전 사이클 2) = 경도의 78% 제거;
운전 4(재충전 사이클 3) = 경도의 70% 제거;
운전 5(재충전 사이클 4) = 경도의 67% 제거; 및
운전 6(재충전 사이클 5) = 경도의 59% 제거.
전류 효율은 재충전 사이클(0.25 A의 일정한 전류에서, 0.1 gpm으로 농축물 유동을 통한 유동) 동안 통과되는 총 전류 및 재충전 사이클 후에 획득되는 이온 교환을 위해 사용되는 전류에 기초하여 계산된다. 표 4는 5 내지 10%의 범위의 전류 효율이 달성되었음을 나타낸다.
[표 4]
Figure pct00005
전압. 측정된 전압으로부터 농축물 격실 상에의 침전의 조짐은 없었다. 운전 1(완전 새로운 셀에 대한 제1 운전) 이외에, 운전과 운전 사이에 전압의 현저한 증가 또는 변화는 없었다. 도 11은 0.369 mA/㎠의 일정한 전류 밀도에서 재충전 모드 동안 일련의 6회의 운전에 대한 전압 대 처리량을 도시한다.
농축물 격실에서 칼슘 이온 물질 균형. 표 5는 일련의 6회의 운전에 걸친 칼슘 2+ 이온 물질 균형을 나타내고, 여기서 칼슘은 유입되는 물에서 그리고 (하나의 폐기 농축물 스트림 내로 수집되는) 농축물 격실의 출구에서 측정되었다.
[표 5]
Figure pct00006
전압 측정치가 스케일 침전의 어떠한 조짐도 시사하지 않았다는 사실에도 불구하고, 농축물 스트림에서의 물질 균형은 Ca2+가 재충전 공정 동안 유지됨을 나타낸다. 또한, 재충전 사이클 7의 시작 시에, 농축물 격실을 지나갈 수 있는 최대 유량은 약 0.05 gpm이었는데, 이는 스케일 침전에 의해 야기되는 농축물 스트림에서의 증가된 압력 강하를 나타낸다. 운전 7은 완료되지 못했다.
농축물 스트림에서 형성되는 임의의 스케일을 제거하기 위해 셀에 대해 여러 번 산 헹굼을 실시하였고, 실험실 데이터는 농축물 스트림 내의 상당한 양의 칼슘 이온 및 나트륨 이온을 나타냈다. 유량을 회복하였고, 셀을 상이한 전류 밀도 하에서 시험할 준비가 되었다.
일련의 6회의 운전에 대한 표 6의 정보에 기초하여 농축물 격실에 대해 LSI를 계산하였다.
[표 6]
Figure pct00007
LSI>0의 경우, 물은 탄산칼슘으로 과포화되고, 스케일 침전이 일어날 수도 있다.
0.147 mA/㎠에서의 재충전 모드
서비스 모드. 일단 0.369 mA/㎠ 에서 상기 증명된 WAC 양극성 셀을 재충전하였으면, 다른 세트의 서비스 모드 및 재충전 모드를 수행하였다. 이러한 추가적인 일련의 운전에 대한 서비스 모드 동안, 탄산칼슘의 94% 감소를 관찰하였고, 이는 0.369 mA/㎠ 재충전 모드 예의 제1 사이클 동안 획득된 결과와 매우 유사한 결과이다.
전류 밀도. 전류 밀도는 0.1 A의 일정한 전류 및 18.25 in × 5.75 in의 셀 면적을 사용하여 계산하였다. 전류/면적에 의해 계산된 결과적인 전류 밀도는 0.147 mA/㎠이었다.
이온 교환 및 전류 효율. 재충전 후에, 하기의 이온 교환 제거 효율을 획득하였다:
운전 1 (산 세정 후) = 경도의 94% 제거;
운전 2 (재충전 사이클 1) = 경도의 90% 제거; 및
운전 3 (재충전 사이클 2) = 경도의 93% 제거.
전류 효율은 재충전 사이클(0.1 A의 일정한 전류에서, 0.1 gpm으로 농축물 유동을 통한 유동) 동안 통과되는 총 전류 및 재충전 사이클 후에 획득되는 이온 교환을 위해 사용되는 전류에 기초하여 계산된다. 표 7은 4 내지 9%의 범위의 전류 효율이 달성되었음을 나타낸다.
[표 7]
Figure pct00008
농축물 격실에서 칼슘 이온 물질 균형. 표 8은 1회의 운전에 대한 칼슘 2+ 이온 물질 균형을 나타내고, 여기서 칼슘은 유입되는 물에서 그리고 (하나의 폐기 농축물 스트림 내로 수집되는) 농축물 격실의 출구에서 측정되었다.
[표 8]
Figure pct00009
농축물 스트림에서의 물질 균형은 Ca2+가 재충전 공정 동안 유지됨을 나타낸다. 그러나, 더 낮은 전류 밀도(0.147 mA/㎠)에서 셀을 재충전할 시에, 농축물 스트림에 유지된 양은 0.369 mA/㎠에서 셀을 운전하는 것과 비교해서 현저하게 더 낮았다(약 64% 감소).
이는 LSI를 제어하기 위해 농축물 유량을 제어하면서 낮은 전류 밀도에서 운전함으로써 재충전 동안의 침전이 억제 또는 제어되고 그리고/또는 제거될 수 있다는 이론을 뒷받침한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "일 실시 형태", "소정 실시 형태", "하나 이상의 실시 형태" 또는 "실시 형태"에 대한 언급은, 실시 형태와 관련하여 기재된 특정한 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 여러 곳에서 "하나 이상의 실시 형태에서", "소정 실시 형태에서", "일 실시 형태에서" 또는 "실시 형태에서"와 같은 문구가 나타나는 것은 반드시 본 발명의 동일한 실시 형태를 말하고 있는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조, 재료, 또는 특성은 하나 이상의 실시 형태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 상기 방법의 설명 순서는 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되고, 방법은 기술된 작동들을, 순서를 벗어나서 또는 생략되거나 추가된 상태로 사용할 수 있다.
상기 설명이 제한이 아니라 예시하기 위한 것임을 이해하여야 한다. 상기 설명을 살펴보면 많은 다른 실시 형태가 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위의 자격을 갖는 등가물의 전체 범주와 함께, 그러한 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 전기화학 셀(electrochemical cell)로서,
    하나 이상의 이온 교환 수지를 함유하는 생성물 격실(product compartment);
    캐소드액 격실(catholyte compartment) 및 애노드액 격실(anolyte compartment);
    양극성 막(bipolar membrane);
    양이온 투과성 막(cation-permeable membrane) 및 음이온 투과성 막(anion-permeable membrane)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 이온 교환 막; 및
    캐소드(cathode) 및 애노드(anode), 및
    하기 구조물들: 애노드액 격실 또는 캐소드액 격실 중 어느 하나 및 양극성 막과 유체 연통하는 전해질 스트림의 폐루프, 및 이온 교환 막을 생성물 격실과 유체 연통하게 하는 슬립 스트림(slip stream) 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는, 전기화학 셀.
  2. 제1항에 있어서, 전해질 스트림의 폐루프를 포함하고, 전해질은 셀에 전류의 인가 시에 전기화학적으로 불활성인 하나 이상의 이온을 포함하는, 전기화학 셀.
  3. 제1항에 있어서, 전해질 스트림의 폐루프를 포함하고, 전해질은 황산나트륨, 불화나트륨, 황산칼륨, 불화칼륨, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전기화학 셀.
  4. 제1항에 있어서, 슬립 스트림을 포함하고, 하나 이상의 이온 교환 수지는 강산성 양이온 수지를 포함하고 이온 교환 막은 양이온 투과성 막을 포함하고, 슬립 스트림은 생성물 격실로부터 캐소드액 격실로 산성수를 전달하는, 전기화학 셀.
  5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 이온 교환 수지는 양이온 교환 수지를 포함하고, 이온 교환 막은 양이온 투과성 막을 포함하는, 전기화학 셀.
  6. 제1항에 있어서, 하나 이상의 이온 교환 수지는 음이온 교환 수지를 포함하고, 이온 교환 막은 음이온 투과성 막을 포함하는, 전기화학 셀.
  7. 제1항에 있어서, 하나 이상의 농축물 격실에 의해 분리되고 하나 이상의 이온 교환 수지를 함유하는 2개 이상의 생성물 격실을 포함하고, 각 생성물 격실은 이온 교환 막과 양극성 막의 쌍에 의해 경계를 이루는, 전기화학 셀.
  8. 제1항에 있어서, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는, 전기화학 셀.
  9. 제8항에 있어서, 전류 밀도는 재충전 모드 동안 양극성 막 및 적어도 하나의 이온 교환 막의 표면에 인접한 영역에서 용해된 이온을 용액 상태로 실질적으로 유지시키는 데 효과적인 낮은 전류 밀도인, 전기화학 셀.
  10. 제1항에 있어서, 강한 양이온 수지를 함유하는 2개 이상의 생성물 격실, 추가적인 캐소드액 격실에 인접한 추가적인 캐소드, 애노드에 인접한 추가적인 애노드액 격실, 및 전해질 스트림의 폐루프를 포함하고, 전해질 스트림의 폐루프는 애노드액 격실들 중 하나 또는 둘 모두를 통해 유동하는, 전기화학 셀.
  11. 물을 처리하는 방법으로서, 제1항의 전기화학 셀을 통해 물을 유동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되지 않는 서비스 모드 및 전기화학 셀에 전류 밀도가 인가되는 재충전 모드를 갖는 전기화학 셀을 배치식으로(batch-wise) 작동시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 재충전 모드 동안, 전기화학적으로 불활성인 스트림을 애노드액 격실 및 캐소드액 격실 중 하나에 공급하는, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 서비스 모드 동안, 생성물 격실로부터의 산성수를 슬립 스트림을 통해 캐소드액 격실로 유동시키는, 방법.
  15. 물을 처리하는 방법으로서, 제10항의 전기화학 셀을 통해 물을 유동시키는 단계를 포함하는, 방법.
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