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KR102162325B1 - 적층된 멤브레인 및 스페이서를 이용하는 분리를 위한 분리 시스템, 요소 및 방법 - Google Patents

적층된 멤브레인 및 스페이서를 이용하는 분리를 위한 분리 시스템, 요소 및 방법 Download PDF

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KR102162325B1
KR102162325B1 KR1020157019175A KR20157019175A KR102162325B1 KR 102162325 B1 KR102162325 B1 KR 102162325B1 KR 1020157019175 A KR1020157019175 A KR 1020157019175A KR 20157019175 A KR20157019175 A KR 20157019175A KR 102162325 B1 KR102162325 B1 KR 102162325B1
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KR
South Korea
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membrane
fluid
plate
flow path
membranes
Prior art date
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Application number
KR1020157019175A
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English (en)
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KR20150099568A (ko
Inventor
찰스 벤톤
올지카 바카진
Original Assignee
포리페라 인코포레이티드
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Publication date
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Publication of KR20150099568A publication Critical patent/KR20150099568A/ko
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Abstract

예시적인 분리 시스템은 멤브레인 플레이트 조립체의 스택을 포함한다. 예시적인 멤브레인 플레이트 조립체는 스페이서 플레이트의 대향 측들에 접합된 멤브레인을 포함할 수도 있다. 스페이서 플레이트는 멤브레인들 사이의 영역과 유체 연통하는 제1 개구와, 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역과 유체 연통하는 제2 개구를 포함할 수도 있다. 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체는 스택 내의 인접한 멤브레인용 접합 영역이 엇갈릴 수도 있도록 교번 배향을 가질 수도 있다. 이에 따라, 서로 직교할 수도 있는 2개의 격리된 유동이 제공될 수도 있다.

Description

적층된 멤브레인 및 스페이서를 이용하는 분리를 위한 분리 시스템, 요소 및 방법 {SEPARATION SYSTEMS, ELEMENTS, AND METHODS FOR SEPARATION UTILIZING STACKED MEMBRANES AND SPACERS}
상호 참조
본 출원은 2012년 12월 21일 출원된 미국 가출원 제61/745,300호의 선출원일의 이익을 청구하고, 이 미국 출원은 임의의 목적으로 그대로 본 명세서에 참조로서 합체되어 있다.
기술 분야
본 명세서에 설명된 예는 정삼투법(forward osmosis: FO), 압력 지연 삼투법(pressure retarded osmosis: PRO), 또는 일반적으로 임의의 분리 프로세스를 위해 사용될 수도 있는 분리 시스템, 요소 및 방법에 관한 것이다.
정부 후원
본 발명은 미국 국방부에 의해 수여된 계약 번호 W911NF-09-C-0079 하에서 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 특정 권리를 갖는다.
멤브레인(membrane)이 삼투법을 수행하는데 사용될 수도 있는데, 이 삼투법은 일반적으로 상이한 농도의 2개의 용액이 투과성 또는 반투과성 멤브레인의 대향 측면들 상에 배치될 때 발생한다. 2개의 용액 사이의 삼투 압력차는 희석 용액으로부터 농축 용액으로 멤브레인을 가로지르는 물의 침투를 촉진하고, 반면에 멤브레인의 선택적 특성은 이들의 각각의 용액 내에 용질(solute)을 보유한다.
플레이트 및 프레임 분리 요소는 일반적으로 멤브레인 플레이트 조립체의 스택 또는 어레이를 에워싸기 위한 플레이트 및 프레임을 포함할 수도 있다. 플레이트 및 프레임 분리 요소는 편평한 시트 멤브레인, 흡인 채널 스페이서, 편평한 시트 멤브레인 및 공급 채널 스페이서의 조합을 포함할 수도 있다.
분리 시스템, 멤브레인 플레이트 조립체, 스페이서 플레이트 및 방법의 예가 본 명세서에 설명된다. 예시적인 분리 시스템은 복수의 멤브레인 플레이트 조립체를 포함할 수도 있다. 각각의 멤브레인 플레이트 조립체는 이격 영역을 포함하는 스페이서 플레이트를 포함할 수도 있다. 스페이서 플레이트는 적어도 부분적으로 제1 개구 및 제2 개구를 형성할 수도 있다. 스페이서 플레이트는 제1 접합 영역을 갖는 제1 표면 및 제2 접합 영역을 갖는 대향하는 제2 표면을 포함할 수도 있다. 멤브레인 플레이트 조립체는 제1 접합 영역에서 제1 표면에 접합되는 제1 멤브레인을 각각 포함할 수도 있다. 멤브레인 플레이트 조립체는 제2 접합 영역에서 제2 표면에 접합되는 제2 멤브레인을 각각 포함할 수도 있다. 멤브레인 플레이트 조립체는 스택을 형성하고, 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체는 교번적인 배향을 갖는다. 제1 표면 및 제2 표면은 서로에 대해 엇갈린 위치를 가질 수도 있다. 스페이서 플레이트의 제1 개구는 제1 및 제2 멤브레인 사이의 영역과 유체 연통 하여 제1 유동 경로를 형성할 수도 있다. 분리 시스템은 스택 내에 멤브레인 요소를 유지하도록 결합된 지지 플레이트를 더 포함할 수도 있고, 지지 플레이트 중 적어도 하나는 적어도 하나의 유체 포트를 형성한다.
몇몇 예에서, 이격 영역은 양 측에 돌기, 캐비티, 텍스처(texture) 또는 이들의 조합을 포함하는 시트를 포함할 수도 있고, 돌기, 캐비티, 텍스처 또는 이들의 조합은 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인과 접촉하여, 이격 영역을 가로지르는 유동 경로를 형성한다.
몇몇 예에서, 이격 영역은 내부 멤브레인 조립체를 포함하고, 내부 멤브레인 조립체는 스페이서 플레이트의 제1 측에 제3 멤브레인을, 스페이서 플레이트의 제2 측에 제4 멤브레인을 포함한다.
몇몇 예에서, 분리 시스템은 적어도 2개의 인접한 멤브레인 표면 사이에 스페이서 시트를 더 포함할 수도 있다.
몇몇 예에서, 분리 시스템은 제1 접합 영역에서 제1 표면에 접합되고 스페이서 플레이트에 대향하는 제1 멤브레인의 측에 위치된 스페이서 시트를 더 포함할 수도 있고, 제1 멤브레인 플레이트 조립체의 제1 멤브레인에 대향하는 스페이서 시트의 측은 제2 멤브레인 플레이트 조립체의 스페이서 플레이트에 대향하는 제2 멤브레인 플레이트 조립체의 제2 멤브레인의 측과 접촉한다.
몇몇 예에서, 제2 개구는 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역과 유체 연통하여 제2 유동 경로를 형성한다.
몇몇 예에서, 제2 개구는 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들 사이 및 제3 및 제4 멤브레인 사이의 영역과 유체 연통하여 제2 유동 경로를 형성하고, 제1 개구는 제1 및 제3 멤브레인 사이 및 제2 및 제4 멤브레인 사이의 영역과 유체 연통한다.
몇몇 예에서, 제1 유동 경로는 제1 및 제3 멤브레인 사이 및 제2 및 제4 멤브레인 사이의 영역에서 제1 방향으로 유체의 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 제2 유동 경로는 제3 및 제4 멤브레인 사이 및 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역에서 제2 방향으로 유체의 유동을 용이하게 하여 제2 유동 경로를 형성하고, 제1 및 제2 방향은 직교한다.
몇몇 예에서, 적어도 하나의 유체 포트는 적어도 하나의 멤브레인 플레이트 조립체의 제1 개구와 연통하고, 다른 유체 포트는 적어도 하나의 멤브레인 플레이트 조립체의 제2 개구와 연통한다.
몇몇 예에서, 제1 및 제2 개구는 스페이서 플레이트의 상이한 에지들 상에 위치된다.
몇몇 예에서, 제1 유동 경로는 제1 및 제2 멤브레인 사이의 영역에서 제1 방향으로 유체의 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 제2 유동 경로는 인접한 플레이트 조립체들 사이의 영역에서 제2 방향으로 유체의 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 제1 및 제2 방향은 직교한다.
몇몇 예에서, 각각의 스페이서 플레이트의 제1 개구는 제1 유체용 병렬 유동 경로, 직렬 유동 경로, 또는 직렬의 병렬 유동 경로 중 임의의 하나를 형성하도록 구성된다.
몇몇 예에서, 각각의 스페이서 플레이트의 제2 개구는 제2 유체용 병렬 유동 경로, 직렬 유동 경로, 또는 직렬의 병렬 유동 경로 중 임의의 하나를 형성하도록 구성된다.
몇몇 예에서, 각각의 스페이서 플레이트의 제1 개구는 하나 이상의 지지 플레이트의 유체 포트 중 하나 이상에 결합된다.
몇몇 예에서, 각각의 스페이서 플레이트의 제2 개구는 하나 이상의 지지 플레이트의 유체 포트 중 하나 이상에 결합된다.
몇몇 예에서, 분리 시스템은 제1 유체 내에 침지되고, 각각의 제1 개구는 제1 유체에 노출된다.
몇몇 예에서, 다른 유체 포트는 제2 개구에 결합되고 제2 유체를 제공하도록 구성된다.
몇몇 예에서, 각각의 스페이서 플레이트는 사출 성형 플라스틱으로부터 형성된다.
몇몇 예에서, 제1 멤브레인 또는 제2 멤브레인 중 임의의 하나는 정삼투 멤브레인이다.
몇몇 예에서, 제1 멤브레인 또는 제2 멤브레인 중 임의의 하나는 셀룰로오스 아세테이트, 박막 합성물, 폴리아미드, 아라미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리프로필렌을 포함한다.
몇몇 예에서, 멤브레인 플레이트 조립체는 병렬 유동 경로 또는 직렬 유동 경로를 형성하도록 구성된 상호 접속부를 더 포함한다.
예시적인 방법은 복수의 멤브레인들 중 특정 멤브레인들 사이의 영역에서 제1 방향으로 제1 유체를 운반하는 단계를 포함한다. 예시적인 방법은 복수의 멤브레인들 중 다른 멤브레인들 사이의 다른 영역에서 제2 방향으로 제2 유체를 운반하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 제1 및 제2 유체는 용질을 각각 포함할 수도 있고, 용질의 농도는 제2 유체 내의 용질의 농도가 멤브레인들을 가로지르는 유체 운반에 의해 적어도 부분적으로 증가되도록 제1 유체 내에서 더 높을 수도 있다. 제1 및 제2 방향은 수직 방향일 수도 있다.
몇몇 예에서, 복수의 멤브레인들 중 특정의 멤브레인들의 적어도 쌍은 각각의 스페이서 플레이트에 접합되어 영역을 형성하고, 각각의 스페이서 플레이트는 복수의 멤브레인들 중 특정의 멤브레인들의 접합된 영역이 서로에 관해 엇갈리도록 적층된다.
몇몇 예에서, 복수의 멤브레인들 중 특정의 멤브레인들 사이의 영역은 제1 유체용 병렬 유동 경로, 직렬 유동 경로, 또는 직렬의 병렬 유동 경로 중 임의의 하나를 형성하도록 구성된다.
몇몇 예에서, 복수의 멤브레인들 중 다른 멤브레인들 사이의 영역은 제2 유체용 병렬 유동 경로, 직렬 유동 경로, 또는 직렬의 병렬 유동 경로 중 임의의 하나를 형성하도록 구성된다.
몇몇 예에서, 복수의 멤브레인들의 적어도 쌍은 각각의 스페이서 플레이트에 접합되고, 스페이서 플레이트는 사출 성형 플라스틱으로부터 형성된다.
몇몇 예에서, 멤브레인은 셀룰로오스 아세테이트, 박막 합성물, 폴리아미드, 아라미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합을 포함한다.
몇몇 예에서, 방법은 영역들 중 임의의 하나 내로 공기 기포를 도입하는 단계를 더 포함한다.
몇몇 예에서, 방법은 복수의 멤브레인들 중 특정의 멤브레인들 사이의 영역의 각각으로 병렬 유동 경로 내에서 제1 유체 또는 제2 유체 중 하나를 운반하고 복수의 멤브레인들 중 다른 멤브레인들 사이의 영역의 각각으로 직렬 유동 경로 내에서 제1 유체 또는 제2 유체 중 다른 하나를 운반하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 수직 유동 경로를 도시하는 도면이다.
도 2는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트의 평면도이다.
도 3a는 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트의 단면도이다.
도 3b는 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트의 단면도이다.
도 4는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다.
도 5는 몇몇 실시예에 따른 스택으로 배열된 다수의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다.
도 6은 몇몇 실시예에 따른 각각의 멤브레인 플레이트 조립체를 접합하는 것을 도시하는 도 5의 다수의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다.
도 7은 몇몇 실시예에 따른 멤브레인 플레이트 조립체를 적층함으로써 제공된 채널을 도시하는 도 5의 다수의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다.
도 8은 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 파단 단면도이다.
도 9는 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 파단 단면도이다.
도 10은 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트의 평면도이다.
도 11a는 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트의 단면도이다.
도 11b는 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트의 단면도이다.
도 12는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다.
도 13은 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 멤브레인 플레이트 조립체의 단면도이다.
도 14는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 단면도이다.
도 15는 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 다수의 멤브레인 플레이트 조립체 사이의 접합을 도시하는 도 14의 단면도이다.
도 16은 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 다수의 멤브레인 플레이트 조립체 사이의 접합을 도시하는 도 14의 단면도이다.
도 17은 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 단면도이다.
도 18은 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 단면도이다.
도 19는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템 내의 유동 경로를 도시하는 분리 시스템의 등각도이다.
도 20은 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 등각도이다.
도 21a는 몇몇 실시예에 따른 병렬로 적층된 분리 시스템의 단면도이다.
도 21b는 몇몇 실시예에 따른 직렬로 적층된 분리 시스템의 단면도이다.
도 21c는 몇몇 실시예에 따른 직렬 및 병렬의 조합으로 적층된 분리 시스템의 단면도이다.
도 22a는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 니플(nipple)의 등각도이다.
도 22b는 몇몇 실시예에 따른 폐쇄형 니플의 평면도이다.
도 22c는 몇몇 실시예에 따른 폐쇄형 니플의 단면도이다.
도 22d는 몇몇 실시예에 따른 개방형 니플의 평면도이다.
도 22e는 몇몇 실시예에 따른 개방형 니플의 단면도이다.
도 23은 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 등각도이다.
도 24는 몇몇 실시예에 따른 멤브레인 요소의 스키드(skid)의 등각도이다.
특정 상세가 본 발명의 실시예의 충분한 이해를 제공하기 위해 이하에 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시예는 다양한 이들 특정 상세 없이 실시될 수도 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 몇몇 경우에, 공지의 화학적 구조, 화학적 성분, 분자, 물질, 제조 성분, 제어 시스템, 전자 부품, 타이밍 프로토콜 및 소프트웨어 동작은 본 발명의 설명된 실시예를 불필요하게 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해 상세히 개시되어 있지 않다.
정삼투압(FO), 압력 지연 삼투압(PRO), 멤브레인 증류(MD), 열교환 멤브레인, 증발기 멤브레인, 접촉 멤브레인, 응축기 멤브레인 및 흡수기 멤브레인 또는 일반적으로 임의의 분리 프로세스를 위한 시스템, 장치 및 방법의 예시적인 실시예가 본 명세서 개시된다. 예는 2개의 유동 경로가 사용될 수도 있는 4 포트 분리에 사용을 위해 구성된 플레이트 및 프레임 분리 요소를 포함한다. 플레이트 및 프레임 분리 요소는 저비용, 고패킹 밀도 및 고수율 패키징을 성취할 수도 있다. 4 포트 분리는 일반적으로 멤브레인을 통해 통과하는 모든 투과물(permeate)이 유출 스트림에 기여하지는 않도록 2개의 개별 유동 경로를 수반하는 분리를 칭하도록 본 명세서에 사용된다. 대신에, 제1 유체 스트림은 제1 유체 경로를 따라 제공될 수도 있고, 제2 유체 스트림은 제2 유체 경로를 따라 제공될 수도 있다. 용어 4 포트 분리는 임의의 특정 요소 또는 분리 시스템에서 발견될 수도 있는 포트의 수를 제한하도록 의도된 것은 아니고, 몇몇 예에서 4개의 포트가 실제로 사용될 수도 있다.
도 1은 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 수직 유동 경로를 도시하는 도면이다. 본 명세서에 설명된 예시적인 멤브레인 요소는 적층형 멤브레인층을 이용할 수도 있다. 멤브레인, 예를 들어 멤브레인(113)은 유동 스페이서에 의해 다른 멤브레인으로부터 분리될 수도 있다. 유체 유동 경로는 멤브레인 스택의 일 측의 하나 이상의 점에 유입될 수도 있고, 스택의 개별측의 하나 이상의 점에서 유출할 수도 있다. 분리는 멤브레인의 대향 측들의 유체 유동들 사이에 유지될 수도 있다. 이는 몇몇 예에서 2개의 멤브레인층[예를 들어, 기낭(envelope)]의 중간에 접착제 라인에 대한 필요 없이 성취될 수도 있어, 몇몇 예에서 개량된 유동 경로를 생성한다. 하나 이상의 개구가 멤브레인 플레이트 조립체의 에지의 상당한 부분을 따라 제공될 수도 있다. 따라서, 하나 이상의 개구는 유동 경로와 동일한 폭일 수도 있어, 이에 의해 스택 내의 멤브레인 플레이트 조립체를 가로질러 균일한 속도를 용이하게 한다.
수직 유동 - 예를 들어, 멤브레인의 일 측의 평면에 평행한 제1 방향(112)으로 유동하는 흡인 유동 및 멤브레인의 다른 측에서 제1 방향(112)에 일반적으로 수직인 제2 방향(111)으로 유동하는 공급 유동 - 을 제공함으로써, 일반적으로 전체 멤브레인 표면이 유체 전달에 수반될 수도 있다(예를 들어, 정삼투법). 직교 유동은 입구 및 출구 매니폴드가 유동 경로의 전체폭을 포위하게 하여, 더 균일한 분배된 유동을 유도할 수도 있다. 이는 흡인 유체 및 공급 유체가 전체 멤브레인 표면의 어느 일 측에 균일한 유동을 갖지 않을 수도 있는 다른 유체 유동 장치와 연계된 '사구역(dead zone)'을 회피할 수도 있다. 다른 유체 유동 장치는 또한 더 높은 수두 손실을 가질 수도 있어, 분리 시스템의 더 낮은 성능을 야기한다. 직교 유동의 장점은 몇몇 예에서 2:1 내지 1:2의 제1 유동 길이 대 제2 유체 유동 길이의 비에 대해 제공될 수도 있다. 일반적으로, 직교 또는 수직 유동은 대향 측들에 상이한 유체를 갖는 멤브레인의 면적이 최대화될 수도 있도록 서로에 대해 실질적으로 90도 배향된 적어도 2개의 유동을 칭할 수도 있다. 분리 시스템에 대한 유동 경로의 다수의 실시예가 사용될 수도 있다. 몇몇 예에서, 유체 유동 경로 및 2개의 멤브레인층 사이에(예를 들어, 멤브레인 기낭 내부에) 유동하는 연계된 성분은 흡인 유체일 수도 있고, 2개의 멤브레인층의 대향측의(예를 들어, 멤브레인 기낭 외부의) 유체 유동 경로 및 연계된 성분은 공급 유체일 수도 있다. 몇몇 예에서, 반대의 경우가 이루어질 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 유체 유동 경로는 이하에 설명되는 바와 같이, 흡인 유체 유동 경로가 하나의 에지를 따라 진입하고, 멤브레인들 사이의 영역을 통해 다른(예를 들어, 대향) 에지로 유동하는 직사각형 또는 정사각형 멤브레인층 위에 제공될 수도 있다. 멤브레인은 다른 형상, 예를 들어, 5변, 6변, 8변 또는 원형 형상일 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 공급 유동 경로(111)는 흡인 유동 경로(112)로부터 분리될 수도 있고, 병류(co-current), 역류(counter-current), 직교류(orthogonal-current) 또는 이들 사이의 임의의 유동일 수 있다. 분리된 유동 경로는 일반적으로 본 명세서에서 2개의 경로(예를 들어, 유동적으로 격리된 경로) 사이에 유체 유동을 허용하지 않는 유동 경로를 칭하지만, 몇몇 예에서 수행되는 전체 분리에 중요하지 않는 소정량의 혼합 유동이 발생할 수도 있다. 몇몇 예에서, 유동은 스택의 멤브레인들을 분리할 수도 있어, 서로 교착하는 멤브레인들의 발생을 방지하거나 감소시킨다. 분리 시스템 내의 공급 유동 경로(111) 및 흡인 유동 경로(112)의 양자 모두는 병렬, 직렬 또는 병렬 및 직렬의 조합으로 서로 독립적으로 구성될 수도 있다. 멤브레인 표면에서, 흡인 및 공급 유동 경로는 서로 직교하는 멤브레인 표면에 대해 속도를 갖고 교차 유동 상태에 있을 수도 있다.
도 2는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트(100)의 평면도이다. 스페이서 플레이트(100)는 이격 영역을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 이격 영역은 분리 시트(108)에 의해 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 이격 영역은 이하에 설명되는 바와 같이, 내부 멤브레인 조립체를 포함할 수도 있다. 분리 시트(108)는 사출 성형 플라스틱, 직조 재료, 또는 2개의 멤브레인 사이의 영역의 내부에(예를 들어, 기낭 내부에) 유동 경로를 유지하는 임의의 충분히 편평한 재료로부터 형성될 수도 있다. 분리 시트(108)는 일 또는 양 측에 특징부(109)를 포함할 수도 있다. 특징부(109)는 돌기, 캐비티, 텍스처 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 특징부(109)는 이하에 설명되는 바와 같이, 이격 영역을 가로지르는 유동 경로 내에 상부 멤브레인 및/또는 하부 멤브레인과 접촉할 수도 있다. 특징부(109)는 이격 영역을 가로지르는 유동 경로 내에 난류를 생성할 수도 있다. 스페이서 플레이트(100)는 정사각형으로 도시되어 있지만, 3변, 4변, 5변, 6변 또는 그 이상의 변을 갖거나 원형인 기하학적 형상을 포함하여, 다른 기하학적 형상이 다른 예에서 사용될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
스페이서 플레이트(100)는 분리 시스템을 통한 또는 가로지르는 유체 유동을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 개구를 포함할 수도 있다. 하나 이상의 개구는 분리 시스템 내에 유동 경로를 형성하는 것을 보조할 수도 있다. 유체 유동 경로는 적층된 시스템에서 인접한 멤브레인 조립체들 사이에 병렬, 직렬 또는 병렬과 직렬의 조합일 수도 있다. 병렬인 유체 유동 경로에 의해, 각각의 멤브레인 플레이트 조립체는 공통의 개구를 공유할 수도 있고, 유체 유동은 멤브레인 플레이트 조립체들 사이에 분할될 수도 있다. 이는 최단 가능한 유동 경로 및 최저 수두 손실을 성취할 수도 있다. 직렬의(예를 들어, 사행형) 유체 유동 경로에 의해, 각각의 멤브레인 플레이트 조립체는 전체 유체 유량을 포위할 수도 있다. 이는 일반적으로 최고 가능한 유속을 성취할 수도 있다. 2개의 개별 유체 유동 경로는 이 방식으로 제공될 수도 있어, 2개의 상이한 유체, 예를 들어 흡인 유체 및 공급 유체의 유동을 용이하게 한다. 몇몇 예에서, 2개의 개별 유체 유동 경로는 직렬 및 병렬 유체 유동 경로의 상이한 조합을 구비할 수도 있다. 몇몇 예에서, 2개의 개별 유체 유동 경로는 서로 직교할 수도 있다.
몇몇 예에서, 하나 이상의 개구는 제1 유체, 예를 들어 흡인 유체용 입구 개구 및 출구 개구를 포함할 수도 있다. 하나 초과의 입구 또는 출구 개구가 제1 유체를 위해 제공될 수도 있다. 몇몇 예에서, 입구 개구 및 출구 개구는 스페이서 플레이트를 가로지르는 제1 방향에서의 제1 유체의 유동을 용이하게 하기 위해 스페이서 플레이트(100)의 대향 에지들 상에 있을 수도 있다. 입구 개구 및 출구 개구는 분리 시스템의 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역과 유체 연통할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100)는 제1 배향에 있을 수도 있고, 입구 개구는 개구(102)일 수도 있고, 출구 개구는 개구(104)일 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트는 제2 배향에 있을 수도 있고, 입구 개구는 개구(104)일 수도 있고, 출구 개구는 개구(102)일 수도 있다. 몇몇 예에서, 제2 배향은 제1 배향으로부터 스페이서 플레이트(100)의 두께를 통해(예를 들어, 평면 내에서) 제3 축에 대해 180° 회전일 수도 있다. 몇몇 예에서, 본 명세서에 설명된 요소는 멤브레인 플레이트 조립체의 스택을 포함할 수도 있고, 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들은 교번적인 배향을 갖는다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100)에 접합된 멤브레인은 서로에 대해 엇갈린 위치를 가질 수도 있다. 예를 들어, 멤브레인들이 스페이서 플레이트의 대향 측들에 접합되어 있는 위치들은 동일하지 않을 수도 있다(예를 들어, 스페이서 플레이트 상의 정대향 위치들에 있지 않음). 몇몇 예에서, 멤브레인이 스페이서 플레이트에 접합되어 있는 위치는 편심되어 있어, 인접한 스페이서 플레이트들이 스택 내에서 상이한 배향으로 배치될 때(예를 들어, 서로에 대해 180도 회전됨), 스택 내의 인접한 멤브레인들이 서로에 대해 엇갈릴 수도 있게 된다. 이 방식으로, 유동 경로는 트랩된(trapped) 특징부의 요구 없이 스페이서 플레이트가 형성되게 허용하면서(예를 들어, 스페이서 플레이트는 사출 성형될 수도 있음), 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들의 조합에 의해 형성될 수도 있다. 본 명세서에 설명된 몇몇 예는 입구 개구로서 개구(102)와 같은 특정 특징부를 언급할 수도 있고, 출구 개구로서 개구(104)와 같은 다른 특징부를 언급할 수도 있지만, 스페이서 플레이트 상의 개구 및 개구(102) 및 개구(104)와 같은 본 명세서에 설명된 다른 유동 경로는 스페이서 플레이트의 배향 또는 유동 경로의 구성에 따라 입구 또는 출구일 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
몇몇 예에서, 입구 개구, 예를 들어 개구(102)는 이격 영역(108)을 가로지르는 유동 경로 내로 이어지는 제2 도관, 예를 들어 도관(106)으로 제1 유체를 운반하는 제1 도관, 예를 들어 도관(105)에 의해 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역과 유체 연통할 수도 있다. 따라서, 예를 들어, 개구(102)는 다수의 스페이서 플레이트들을 갖는 스택 내에 있을 때 유체 매니폴드를 형성할 수도 있다. 개구(102)는 유체가 매니폴드 영역으로부터 스페이서 플레이트의 부분 아래로 통과하게 하고 개구(106)에서 스페이서 플레이트와 스페이서 플레이트에 접합된 멤브레인 사이의 영역에 진입할 수 있게 하는 개구(105, 106)와 유체 연통할 수도 있다. 이격 영역을 가로질러 이동한 후에, 제1 유체는 출구 개구(예를 들어, 104)와 유체 연통할 수도 있는 제3 도관, 예를 들어 도관(107)을 통해 스페이서 플레이트(100)에서 유출될 수도 있다. 몇몇 예에서, 입구 개구 및/또는 출구 개구는 이하에 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 유체 포트와 유체 연통할 수도 있다. 유사하게, 하나 이상의 개구는 입구 개구, 예를 들어 개구(101)와, 제2 유체, 예를 들어 흡인 유체용 출구 개구, 예를 들어 개구(103)를 포함할 수도 있다. 제2 유체용 입구 개구 및 출구 개구는 제1 유체용 입구 개구 및 출구 개구에 대해 상이한 에지에 있을 수도 있고, 서로에 대해 대향할 수도 있다. 개구(101, 103)는 다른 스페이서 플레이트와 적층될 때 다른 도관을 형성할 수도 있고, 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역과 유체 연통할 수도 있다. 예를 들어, 개구(101)(또는 103)에 유입하는 유체는 스페이서 플레이트(100)의 상부 멤브레인과 스페이서 플레이트(100) 위에 적층된 스페이서 플레이트의 하부 멤브레인 사이를 통과하는 것이 가능할 수도 있다. 개구(101)(또는 103)에 유입하는 유체는 101로부터 103으로의 방향(또는 그 반대)에서 스페이서 플레이트 사이의 영역을 횡단할 수도 있다. 이 구성은 제1 유체용 유동 경로에 직교하는 제2 유체용 유동 경로를 용이하게 할 수도 있다.
이에 따라, 도 2의 스페이서 플레이트(100)를 포함하여, 본 명세서에 설명된 스페이서 플레이트의 예는 스페이서 플레이트에 접합된 멤브레인들 사이의 영역과 유체 연통하는 제1 개구를 포함할 수도 있다. 예시적인 스페이서 플레이트는 플레이트 조립체들이 적층될 때 인접한 플레이트 조립체들 사이의 영역과 유체 연통할 수도 있는 제2 개구를 더 포함할 수도 있다.
몇몇 예에서, 하나 이상의 유체 포트는 상부 및 하부 멤브레인 요소 사이에 유체 접속부를 형성하기 위한 상호 접속부를 구비할 수도 있다. 몇몇 예에서, 상호 접속부는 원하는 방식으로 유체를 안내할 수도 있는 니플(2800)을 포함할 수도 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 니플(2800)은 멤브레인 요소의 유체 포트 내에 끼워지도록 성형될 수도 있다. 니플(2800)은 예를 들어, O-링과 같은 하나 이상의 밀봉 요소(2803)를 사용하여 멤브레인 요소에 결합될 수도 있다. 몇몇 예에서, 상부 멤브레인 요소와 하부 멤브레인 요소의 모두에 결합된 하나 이상의 밀봉 요소(2803)가 존재할 수도 있다. 예를 들어, 도 22b 및 도 22c에 도시된 폐쇄형 니플(2802)과 같은 폐쇄형 상호 접속부는 제2 멤브레인 요소로부터 제1 멤브레인 요소를 분리하는 개구를 차단할 수도 있어, 유체가 제1 멤브레인 요소로부터 제2 멤브레인 요소로 통과할 수 없게 된다. 예를 들어, 도 22a, 도 22b 및 도 22c에 도시된 개방형 니플(2801)과 같은 개방형 상호 접속부(2801)는 제2 멤브레인 요소로부터 제1 멤브레인 요소를 분리하는 개구를 통한 유체 연통을 허용하여, 유체가 제1 멤브레인 요소로부터 제2 멤브레인 요소로 통과할 수도 있게 하는 채널을 포함할 수도 있다. 2개 이상의 요소를 병렬로 접속함으로써, 이들 상호 접속부는 병렬(도 21a), 직렬(도 21b) 또는 직렬과 병렬의 조합(도 21c)으로 요소들을 구성하는데 사용될 수도 있다. 제1 유동 경로 및 제2 유동 경로는 독립적으로 구성될 수도 있다. 몇몇 예에서, 제1 유동 경로는 병렬로 구성될 수도 있고, 제2 유동 경로는 직렬로 구성된다. 이 방식으로, 직렬 유동, 병렬 유동 또는 이들의 조합이 멤브레인 요소들의 스택 사이에 설정될 수도 있다.
삼투 흐름 중에, 멤브레인 플럭스는 농도 분극(concentration polarization: CP)에 의해 상당히 감소될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 분리 시스템의 예는 농도 분극을 감소시킴으로써 멤브레인 플럭스를 증가시킬 수도 있다. 멤브레인 플럭스는 유효 삼투 구동력에 일반적으로 비례한다. 삼투 구동력은 예를 들어, 내부 CP 또는 외부 CP와 같은 CP에 의해 소산될 수도 있다. 내부 CP는 멤브레인의 지지층 및 흡인 용질의 확산의 함수일 수도 있다. 내부 CP는 일반적으로 스페이서 플레이트 기하학적 형상에 대해 비교적 일정하게 유지된다. 외부 CP는 멤브레인 두께의 외부의 경계층 내에 존재할 수도 있다. 외부 CP는 몇몇 예에서 적절한 혼합을 통해 완화될 수도 있다.
감소된 CP는 사출 성형된 플라스틱 부분으로 형성되거나 다른 재료로 스탬핑된 스페이서 플레이트를 사용하여 성취될 수도 있다. 이는 다수의 형상 및 표면 텍스처가 부품 비용의 어떠한 증가도 갖지 않고 또는 최소의 증가를 갖고 성형될 수 있기 때문에 스페이서 플레이트 기하학적 형상의 융통성을 허용할 수도 있다. 이 방식으로, 최적화된 스페이서 플레이트 표면의 제조는 부품 비용의 어떠한 증가도 갖지 않고 또는 제한된 증가를 갖고 성취될 수도 있다. 최적화된 스페이서 플레이트는 낮은 수두 손실을 유지하면서 흡인 유체 턴오버(turnover)를 증가시킴으로써 외부 CP를 유리하게 완화할 수도 있다. 이는 희석 외부 CP의 양을 감소시킬 수도 있어, 이에 의해 유효 삼투 구동력을 증가시킨다.
도 3a는 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트(100)의 단면도이다. 도 3b는 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트의 단면도이다. 스페이서 플레이트(100)는 하나 이상의 접합 영역을 갖는 제1 표면을 포함할 수도 있다. 접합 영역은 일반적으로 스페이서 플레이트(100)의 주계(perimeter)를 따를 수도 있다. 몇몇 예에서, 접합 영역은 분리 시스템의 요소, 예를 들어 멤브레인 또는 다른 스페이서 플레이트(100)가 스페이서 플레이트(100)에 결합될 수도 있는 영역일 수도 있다. 분리 시스템의 요소는 접착제(예를 들어, 감압식 접착제)를 사용하여, 용접(예를 들어, 열, 용매 또는 초음파 용접), 접착 라인, 접힘 재료 및/또는 임의의 다른 공지의 메커니즘에 의해 스페이서 플레이트(100)에 결합될 수도 있다. 결합은 유동 밀봉부를 제공할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100)의 제1 표면의 제1 접합 영역은 표면(210, 212, 214, 216)을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100)의 제1 표면의 제2 접합 영역은 표면(220, 233)을 포함할 수도 있고, 제2 축에 대해 엇갈릴 수도 있다(예를 들어, 비대칭적으로 배열됨). 제1 및 제2 접합 영역은 제1 스페이서 플레이트(100) 및 제2 스페이서 플레이트(100)를 결합하는데 사용될 수도 있다. 스페이서 플레이트(100)는 멤브레인(302)과 스페이서 플레이트(100)를 결합하기 위한 접합 영역을 또한 포함할 수도 있다. 이들 접합 영역은 제2 축에 대해 엇갈릴 수도 있는 표면(222, 231) 및 제1 축에 대해 대칭일 수도 있는 표면(234, 236)을 포함할 수도 있다.
스페이서 플레이트(100)는 제1 표면 상의 접합 영역과 유사한 접합 영역을 갖는 제2 표면을 포함할 수도 있다. 제2 표면은 제1 표면에 대해 스페이서 플레이트(100)의 대향측에 위치될 수도 있다. 제1 스페이서 플레이트(100)의 제2 표면은 이하에 설명되는 바와 같이, 제2 스페이서 플레이트(100)의 제1 표면에 접합될 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100)의 제2 표면의 제1 접합 영역은 표면(211, 213, 215, 217)을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100)의 제2 표면의 제2 접합 영역은 표면(219, 230)을 포함할 수도 있다. 스페이서 플레이트(100)는 멤브레인(303)과 스페이서 플레이트(100)를 결합하기 위한 접합 영역을 또한 포함할 수도 있다. 이들 접합 영역은 제2 축에 대해 엇갈릴 수도 있는 표면(219, 230) 및 제1 축에 대해 대칭일 수도 있는 표면(235, 237)을 포함할 수도 있다.
도 4는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다. 멤브레인 플레이트 조립체는 스페이서 플레이트(100), 제1 멤브레인(302)(본 명세서에서 또한 "상부 멤브레인"이라 칭함), 제2 멤브레인(303)(본 명세서에서 또한 "하부 멤브레인"이라 칭함) 및 스페이서 시트(304)를 포함할 수도 있다. 제1 멤브레인(302)은 제1 멤브레인(302)의 주계를 따라 스페이서 플레이트(100)의 제1 표면에 접합될 수도 있다. 제2 멤브레인(303)은 제2 멤브레인(303)의 주계를 따라 스페이서 플레이트(100)의 제2 표면에 접합될 수도 있다. 몇몇 예에서, 제1 멤브레인은 멤브레인의 전체 주계 주위에서 표면(222, 231, 234, 236) 상에 멤브레인 대 플레이트 접합부를 형성할 수도 있다. 제2 멤브레인(303)은 멤브레인의 전체 주계 주위에서 표면(219, 230, 235, 237) 상에 멤브레인 대 플레이트 접합부를 형성할 수도 있다. 몇몇 예에서, 멤브레인의 지지부측(이면)은 스페이서 플레이트(100)에 접합될 수도 있다. 이 방식으로, 멤브레인 플레이트 조립체는 공급 모드(예를 들어, FO) 모드로 외피(skin) 내에서 작동할 수도 있다. 몇몇 예에서, 멤브레인의 외피측(정면)은 스페이서 플레이트(100)에 접합될 수도 있다. 이 방식으로, 멤브레인 플레이트 조립체는 염 모드(salt mode)(예를 들어, PRO 모드)로 외피 내에서 작동할 수도 있다.
제1 멤브레인(302) 및 제2 멤브레인(303)은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 메타-아라미드(예를 들어, Nomex®) 및/또는 파라-아라미드(예를 들어, Kevlar®), 아크릴레이트-개질 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드 또는 폴리설폰, 폴리아미드, 폴리에테르설폰, 폴리아크릴로니트릴, 메타-아라미드(예를 들어, Nomex®) 및/또는 파라-아라미드(예를 들어, Kevlar®)를 갖는 박막 합성물(TFC), 아크릴레이트-개질 폴리비닐리덴 플루오라이드 폴리머 지지층, 또는 정삼투에 적합한 임의의 멤브레인을 포함하는 다양한 멤브레인 재료로부터 형성될 수도 있다. 예를 들어, 역삼투 멤브레인, 초여과 멤브레인, 멤브레인 증류 멤브레인, 또는 압력 지연 삼투 멤브레인과 같은 상이한 유형의 멤브레인이 사용될 수도 있다.
스페이서 시트(304)는 기낭 외부의 멤브레인의 2개의 층 사이의 구조화된 유동 경로를 지지하는 재료로부터 형성될 수도 있다. 스페이서 시트(304)는 직조 재료, 성형 플라스틱 재료, 또는 기낭 외부의 유동 경로를 유지하는 임의의 충분히 편평한 재료를 사용하여 구현될 수도 있다. 스페이서 시트(304)는 스페이서 플레이트(100)에 대향하는 멤브레인의 측에 위치될 수도 있다. 스페이서 시트(304)는 스페이서 플레이트(100) 또는 멤브레인의 접합 영역에 그 주계를 따라 스페이서 플레이트(100)에 결합될 수도 있다. 결합은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 접착, 용접, 기계적 체결을 포함하는 방법을 사용하여, 또는 접착제를 사용하여 성취될 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 시트(304)는 표면(219, 230) 상의 제1 스페이서 플레이트(100) 및 표면(222, 231) 상의 제2 스페이서 플레이트(100)에 결합될 수도 있다. 스페이서 시트(304)는 선택적이고, 모든 예에 포함되지는 않을 수도 있다. 스페이서 시트(304)가 없을 때, 공극(void)이 영역에 존재할 수도 있어, 유체 유동을 허용한다.
도 4를 참조하면, 몇몇 예에서, 제1 유체는 도면의 우측 및 좌측에서 유체 매니폴드에 유입할 수도 있고, 예를 들어, 개구(105, 107)를 통해 멤브레인(302, 303) 사이의 영역에 접근할 수도 있다. 제2 유체는 도면의 상부 또는 하부측에 도시된 유체 매니폴드에 유입할 수도 있고, 인접한 멤브레인 플레이트 조립체 사이의[예를 들어, 멤브레인(302, 303)의 외부의] 영역에 접근할 수도 있다. 멤브레인(302, 303)은 도 4에 도시된 스페이서 플레이트의 폭을 가로질러 플레이트에 접합될 수도 있어, 스페이서 플레이트의 상부 및 하부 에지에 도시된 매니폴드로부터의 유체가 멤브레인(302, 303) 사이의 영역으로부터 격리될 수도 있게 된다.
도 5는 몇몇 실시예에 따른 스택으로 배열된 다수의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다. 일단 적층되면, 스페이서 플레이트(100)의 하나 이상의 개구는 입구 및 출구(101, 102, 103, 104)가 서로 정렬되어 통합된 매니폴드를 형성하도록 배열될 수도 있다. 몇몇 예에서, 서로 정렬된 하나 이상의 개구는 유체가 스택 내의 각각의 멤브레인 플레이트 조립체의 스페이서 플레이트(100)의 다수의 도관과 유체 연통할 수 있게 한다. 이 방식으로, 병렬 유동이 성취될 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100) 중 하나의 개구는 모든 유체가 그 스페이서 플레이트(100)의 도관을 통해 통과하게 강요하도록 차단될 수도 있다. 이 방식으로, 직렬 유동이 성취될 수도 있다.
스페이서 플레이트(100)는 전술된 바와 같이, 이들의 접합 영역에서 플레이트들을 함께 결합함으로써 적층될 수도 있다. 주계 플레이트간 결합은 하부 플레이트(1051)(도 8 참조)의 표면(210)을 상부 플레이트(1050)의 표면(213)에 연결하고, 하부 플레이트(1051)의 표면(212)을 상부 플레이트(1050)의 표면(211)에 결합하고, 하부 플레이트(1051)의 표면(214)을 상부 플레이트(1050)의 표면(217)에 결합하고, 하부 플레이트(1051)의 표면(216)을 상부 플레이트(1050)의 표면(215)에 결합함으로써 성취될 수도 있다. 이 방식으로 스페이서 플레이트(100)의 표면들을 결합하는 것은 각각의 스페이서 플레이트(100)가 그에 인접한 스페이서 플레이트(100)에 대해 평면 내에서 180° 회전되어 있는 스페이서 플레이트(100)의 교번적인 배열을 야기할 수도 있다. 스페이서 플레이트(100)의 비대칭 디자인은 스페이서 플레이트(100) 상에 트랩된 특징부를 가질 필요 없이[예를 들어, 스페이서 플레이트(100)는 사출 성형부일 수도 있음] 단일 유형의 플레이트를 사용하여 유동 경로의 형성을 용이하게 한다는 것을 주목하라. 주계 플레이트간 결합은 외부로부터 유체 유동 경로를 분리할 수도 있다. 게다가, 내부 플레이트간 결합은 하부 플레이트(1051)의 표면(233)을 상부 플레이트(1050)의 표면(219)에, 하부 플레이트(1051)의 표면(220)을 상부 플레이트(1050)의 표면(230)에 연결함으로써 성취될 수도 있다. 내부 플레이트간 결합은 제1 유체 유동 경로 및 제2 유체 유동 경로를 분리할 수도 있다. 주계 플레이트간 결합 및 내부 플레이트간 결합의 모두는 스페이서 플레이트(100)의 전체폭을 따라 플레이트들을 연결하는 것을 포함할 수도 있다.
도 6은 몇몇 실시예에 따른 각각의 멤브레인 플레이트 조립체 사이의 접합을 도시하고 있는 도 5의 다수의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다. 스택 내의 멤브레인 플레이트 조립체는 서로에 대해 교번적인 배향에 있을 수도 있어 플레이트가 사출 성형되게 한다. 엇갈린 제2 접합 영역(공급물로부터 흡인물을 분리하는 내부 밀봉부)이 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 표면의 비대칭 배열에 의해 성취될 수도 있다. 스페이서 플레이트(100)의 표면들의 비대칭 배열은 동일 거리로 이격되어 있지만, 스페이서 플레이트(100)를 따라 상이한 지점에 위치되어 있는 스페이서 플레이트(100)의 양 측에 내부 플레이트간 접합 영역을 제공할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100)는 엇갈린 멤브레인 배열을 성취하기 위해 배향이 교번적일 수도 있다. 예를 들어, 표면(220)과 표면(233) 사이의 거리는 표면(219)과 표면(230) 사이의 거리에 동일한 거리일 수도 있다. 이는 제1 플레이트의 표면(220)이 제2 플레이트의 표면(230)과 연결되게 하고, 반면에 제1 플레이트의 표면(233)이 제2 플레이트의 표면(219)과 연결되게 할 수도 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 표면(220)은 표면(219)과 정렬되지 않을 수도 있고, 표면(233)은 표면(230)과 정렬되지 않을 수도 있다. 이 오프셋은 엇갈린 배열을 생성할 수도 있다. 이전의 예를 계속하면, 제1 플레이트의 표면(219)은 제3 플레이트의 표면(233)과 연결될 수도 있고, 제1 플레이트의 표면(230)은 제3 플레이트의 표면(220)과 연결될 수도 있다. 제2 플레이트 및 제3 플레이트는, 제1 플레이트가 제2 플레이트에 대해 180° 회전될 수도 있고 제3 플레이트가 제1 플레이트에 대해 제3 축에 대해 180° 회전될 수도 있기 때문에 정렬될 수도 있다. 표면의 비대칭 배열을 사용하고 멤브레인 플레이트 조립체를 교번함으로써, 원하는 수의 개구, 예를 들어 4개의 개구 및 원하는 수의 별개의 유동 경로, 예를 들어 2개의 별개의 유동 경로를 유지하면서, 하나의 부분으로부터 스페이서 플레이트(100)를 사출 성형하는 것이 가능할 수도 있다. 이 방식으로, 트랩된 특징부가 회피될 수도 있고, 단지 하나의 유형의 플레이트만이 멤브레인 요소 전체에 걸쳐 요구될 수도 있고, 단지 하나의 유형의 플레이트만이 멤브레인 요소 전체에 걸쳐 요구될 수도 있어, 이에 의해 제조 효율 및 패킹 밀도를 향상시킨다.
도 7은 몇몇 실시예에 따른 멤브레인 플레이트 조립체들을 적층함으로써 제공된 채널(900)을 도시하는 도 5의 다수의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다. 채널(900)은 제1 유체 또는 제2 유체와 연계될 수도 있다. 일단 적층되면, 제1 유체용 채널(900)의 어레이가 스택의 2개의 측에 있을 수도 있고, 제2 유체용 채널(900)의 어레이가 스택의 다른 2개의 측에 있을 수도 있다. 몇몇 예에서, 각각의 유체용 채널(900)의 어레이가 위치되어 있는 2개의 측은 서로 대향한다.
도 8은 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 파단 단면도이다. 몇몇 예에서, 제1 유체는 입구 개구, 예를 들어 스페이서 플레이트(100)의 개구(102, 104)에 의해 형성된 제1 입구 매니폴드(1054)로부터 제1 유체와 연계된 입구 채널(900)을 통해, 그리고 상부 스페이서 플레이트(1052)의 표면(1232) 및 하부 스페이서 플레이트(1051)의 표면(1218)에 의해 형성된 채널(1041) 내로 유입될 수도 있다. 제1 유체의 유동은 도 3a에 도시된 지점(238)에서 2개의 부분으로 분할될 수도 있다. 몇몇 예에서, 2개의 부분은 동일한 반부일 수도 있다. 제1 유체는 이어서 상부 채널(1042) 및 하부 채널(1043)에 유입될 수도 있다. 상부 채널(1042)은 상부 플레이트(1050)의 표면(229) 및 상부 플레이트(1050)의 상부 멤브레인(302)에 의해 형성될 수도 있다. 하부 채널(1043)은 하부 플레이트(1051)의 표면(221) 및 하부 플레이트(1051)의 하부 멤브레인(303)에 의해 형성될 수도 있다. 상부 채널(1042)은 상부 플레이트(1050)의 상부 멤브레인(302) 및 상부 플레이트(1050)의 하부 멤브레인(303)에 의해 형성된 내부 채널(1044)에 결합될 수도 있다. 하부 채널은 하부 플레이트(1051)의 상부 멤브레인(302) 및 하부 플레이트(1051)의 하부 멤브레인(303)에 의해 형성된 다른 내부 채널(1045)에 결합될 수도 있다.
내부 채널(1044)을 통해 이동하는 유체는 이어서 상부 플레이트(1050)의 지점(228)에서 2개의 부분으로 분할될 수도 있다. 부분은 상부 채널(1046)에 유입될 수도 있고, 부분은 하부 채널(1047)에 유입될 수도 있다. 상부 채널(1046)은 스페이서 플레이트(100)의 표면(227) 및 상부 플레이트(1050)의 상부 멤브레인(302)에 의해 형성될 수도 있다. 하부 채널(1047)은 스페이서 플레이트(100)의 표면(226) 및 상부 플레이트(1050)의 하부 멤브레인(303)에 의해 형성될 수도 있다. 상부 채널(1046) 및 하부 채널(1047)의 모두로부터의 유동은 멤브레인 플레이트 조립체를 가로질러 이동할 수도 있다. 스페이서 플레이트(100)의 지점(223)에서, 상부 채널(1046) 및 하부 채널(1047)을 통해 이동하는 유동은 재조합되고 제1 유체와 연계된 출구 채널(900)을 통해 스페이서 플레이트(100)의 출구 개구, 예를 들어 개구(102, 104)에 의해 형성된 제1 출구 매니폴드(1055)로 유출될 수도 있다.
도 9는 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 파단 단면도이다. 제2 유체는 스페이서 플레이트(100)의 입구 개구, 예를 들어 개구(101, 103)에 의해 형성된 제2 입구 매니폴드(131)로부터 제2 유체와 연계된 입구 채널(900)을 통해 유입될 수도 있다. 제2 유체는 하부 플레이트(1163)의 표면(234) 및 상부 플레이트(1162)의 표면(237)에 의해 형성된 채널 내에 트랩된 하부 플레이트(1163)의 스페이서 시트(304) 내로 운반될 수도 있다. 제2 유체는 멤브레인 플레이트 조립체를 가로질러 유동할 수도 있다. 제2 유체는 제2 유체와 연계된 출구 채널(900)을 통해 유출하고, 이어서 스페이서 플레이트(100)의 출구 개구, 예를 들어 개구(101, 103)에 의해 형성된 제2 출구 매니폴드(133)를 통해 유출할 수도 있다.
도 10은 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트(1200)의 평면도이다. 스페이서 플레이트(1200)는 전술된 스페이서 플레이트(100)와 유사하게 작동한다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 스페이서 플레이트(1200)는 비-멤브레인 재료로부터 발생하는 사공간을 최소화함으로써 멤브레인 플레이트 조립체의 패킹 밀도를 향상시킬 수도 있다. 이격 영역 내의 분리 시트(108) 대신에, 스페이서 플레이트(1200)는 그 이격 영역에 내부 멤브레인 조립체(1208)를 포함할 수도 있다. 따라서, 분리 시트(108)로부터 발생하는 사체적이 회피될 수도 있다. 멤브레인 플레이트 조립체의 패킹 밀도를 향상시키는 것에 추가하여, 이 배열은 스페이서 플레이트(1200)의 전체 치수를 증가시킴으로써 멤브레인 시트 면적을 증가시킬 수도 있다. 최소 두께 및 최대 면적 제조 요구를 여전히 만족시키면서 스페이서 플레이트(1200)의 전체 치수를 증가시키는 것이 가능할 수도 있다. 스페이서 플레이트(1200)는 또한 스페이서 플레이트(1200)를 형성하도록 요구될 수도 있는 재료, 예를 들어 플라스틱의 체적이 감소될 수도 있기 때문에 멤브레인 면적당 플레이트 비용을 저감할 수도 있다. 스페이서 플레이트(1200)는 어떠한 트랩된 특징부도 포함하지 않을 수도 있는데, 이는 간단한 2 부분 몰드 내에서 성형되게 할 수도 있다. 도시된 스페이서 플레이트(1200)는 정사각형이지만, 3변, 4변, 5변, 6변 또는 그 이상의 변을 갖거나 원형인 기하학적 형상을 포함하는 다른 기하학적 형상이 다른 예에서 사용될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
스페이서 플레이트(1200)는 제1 유체, 예를 들어 흡인 유체를 위한 입구 개구, 예를 들어 개구(1202)와, 출구 개구, 예를 들어 개구(1204)를 포함할 수도 있다. 하나 초과의 입구 또는 출구 개구가 제1 유체를 위해 제공될 수도 있다. 몇몇 예에서, 입구 개구 및 출구 개구는 스페이서 플레이트를 가로지르는 제1 방향에서 제1 유체의 유동을 용이하게 하기 위해 스페이서 플레이트(1200)의 대향 에지들 상에 있을 수도 있다. 입구 개구 및 출구 개구는 분리 시스템의 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역들과 유체 연통할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(1200)는 제1 배향에 있을 수도 있고, 입구 개구는 개구(1202)일 수도 있고, 출구 개구는 개구(1204)일 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트는 제2 배향에 있을 수도 있고, 입구 개구는 개구(1204)일 수도 있고, 출구 개구는 개구(1202)일 수도 있다. 몇몇 예에서, 제2 배향은 제1 배향으로부터 스페이서 플레이트(1200)의 180° 회전일 수도 있다. 몇몇 예는 입구 개구로서 개구(1202) 및 출구 개구로서 개구(1204)를 또는 그 반대를 도시할 수도 있지만, 개구(1202) 및 개구(1204)는 스페이서 플레이트(1200)의 배향에 따라 입구 또는 출구일 수도 있다.
몇몇 예에서, 입구 개구는 이격 영역(1208)을 가로지르는 유동 경로 내로 이어지는 제2 도관, 예를 들어 도관(1206)으로 제1 유체를 운반하는 제1 도관, 예를 들어 도관(1205)에 의해 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역과 유체 연통할 수도 있다. 이격 영역을 가로질러 이동한 후에, 제1 유체는 출구 개구와 유체 연통할 수도 있는 제3 도관, 예를 들어 도관(1207)을 통해 스페이서 플레이트에서 유출할 수도 있다. 몇몇 예에서, 입구 개구 및/또는 출구 개구는 이하에 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 유체 포트와 유체 연통할 수도 있다.
몇몇 예에서, 하나 이상의 개구는 제2 유체, 예를 들어 공급 유체를 위한 입구 개구, 예를 들어, 개구(1201)와, 출구 개구, 예를 들어 개구(1203)를 포함할 수도 있다. 하나 초과의 입구 또는 출구가 제2 유체를 위해 제공될 수도 있다. 몇몇 예에서, 입구 개구 및 출구 개구는 스페이서 플레이트(1200)를 가로지르는 제1 유체에 대해 직교 방향에서 제2 유체의 유동을 용이하게 하기 위해 스페이서 플레이트(1200)의 대향 에지들 상에 있을 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(1200)는 제1 배향에 있을 수도 있고, 입구 개구는 개구(1202)일 수도 있고, 출구 개구는 개구(1204)일 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트는 제2 배향에 있을 수도 있고, 입구 개구는 개구(1204)일 수도 있고, 출구 개구는 개구(1202)일 수도 있다. 몇몇 예에서, 제2 배향은 제1 배향으로부터 스페이서 플레이트(1200)의 180° 회전일 수도 있다. 몇몇 예는 입구 개구로서 개구(1202) 및 출구 개구로서 개구(1204) 또는 그 반대를 도시할 수도 있지만, 개구(1202) 및 개구(1204)는 스페이서 플레이트(1200)의 배향에 따라 입구 또는 출구일 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
몇몇 예에서, 입구 개구는 제1 도관, 예를 들어 도관(1212)에 의해 멤브레인과 내부 멤브레인 조립체(1208) 사이의 영역의 외부의 영역과 유체 연통할 수도 있다. 제2 유체는 제2 도관, 예를 들어 도관(1211)을 통해 멤브레인 플레이트 조립체에서 유출할 수도 있다. 몇몇 예에서, 입구 개구 및/또는 출구 개구는 이하에 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 유체 포트와 유체 연통할 수도 있다.
몇몇 예에서, 하나 이상의 개구는 병렬 유동 경로 또는 직렬 유동 경로를 형성하기 위한 상호 접속부를 구비할 수도 있다. 상호 접속부는 직렬 유동을 용이하게 하기 위해 유체가 통과할 수 없도록 개구를 차단할 수도 있다. 상호 접속부는 병렬 유동을 용이하게 하기 위해 개구를 통해 스페이서 플레이트 아래로 유동을 허용할 수도 있다. 이 방식으로, 직렬 유동, 병렬 유동, 또는 이들의 조합이 스페이서 플레이트의 스택 사이에 설정될 수도 있다. 몇몇 예에서, 상호 접속부는 원하는 방식으로 유체를 안내할 수도 있는 니플을 포함할 수도 있다.
도 11a는 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트(1200)의 단면도이다. 도 11b는 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 스페이서 플레이트(1200)의 단면도이다. 스페이서 플레이트(1200)는 하나 이상의 접합 영역을 갖는 제1 표면을 포함할 수도 있다. 접합 영역은 일반적으로 스페이서 플레이트(1200)의 주계를 따를 수도 있다. 몇몇 예에서, 접합 영역은 분리 시스템의 요소, 예를 들어 멤브레인 또는 다른 스페이서 플레이트(1200)가 스페이서 플레이트(1200)에 결합될 수도 있는 영역일 수도 있다. 분리 시스템의 요소는 접착제(예를 들어, 감압식 접착제)를 사용하여, 용접(예를 들어, 열 또는 초음파 용접), 접착 라인, 접힘 재료 및/또는 임의의 다른 공지의 메커니즘에 의해 스페이서 플레이트(1200)에 결합될 수도 있다. 결합은 유동 밀봉부를 제공할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(1200)의 제1 표면의 제1 접합 영역은 표면(1320, 1342, 1350, 1367)을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(1200)의 제1 표면의 제2 접합 영역은 표면(1325, 1340)을 포함할 수도 있고, 제2 축에 대해 엇갈릴 수도 있다(예를 들어, 비대칭적으로 배열됨). 제1 및 제2 접합 영역은 제1 스페이서 플레이트(1200) 및 제2 스페이서 플레이트(1200)를 결합하는데 사용될 수도 있다.
스페이서 플레이트(1200)는 제1 표면에 대한 유사한 접합 영역을 갖는 제2 표면을 포함할 수도 있다. 제2 표면은 제1 표면에 대해 스페이서 플레이트(1200)의 대향측에 위치될 수도 있다. 제1 스페이서 플레이트(1200)의 제2 표면은 이하에 설명되는 바와 같이, 제2 스페이서 플레이트(1200)의 제1 표면에 접합될 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(1200)의 제2 표면의 제1 접합 영역은 표면(1321, 1343, 1351, 1368)을 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(1200)의 제2 표면의 제2 접합 영역은 표면(1323, 1337)을 포함할 수도 있고, 스페이서 플레이트(1200)의 제2 축에 대해 엇갈릴 수도 있다(비대칭으로 배열됨).
스페이서 플레이트(1200)는 멤브레인(1403)과 스페이서 플레이트(1200)를 결합하기 위한 접합 영역을 또한 포함할 수도 있다. 이들 접합 영역은 제2 축에 대해 엇갈릴 수도 있는 표면(1327, 1338)과, 제1 축에 대해 엇갈릴 수도 있는 표면(1356, 1366)을 포함할 수도 있다. 스페이서 플레이트(1200)는 멤브레인(1406)과 스페이서 플레이트(1200)를 결합하기 위한 접합 영역을 또한 포함할 수도 있다. 이들 접합 영역은 제2 축에 대해 대칭일 수도 있는 표면(1329, 1333)과, 제1 축에 대해 엇갈릴 수도 있는 표면(1358, 1364)을 포함할 수도 있다. 스페이서 플레이트(1200)는 멤브레인(1408)과 스페이서 플레이트(1200)를 결합하기 위한 접합 영역을 또한 포함할 수도 있다. 이들 접합 영역은 제2 축에 대해 대칭인 표면(1330, 1334)과, 제1 축에 대해 엇갈릴 수도 있는 표면(1355, 1361)을 포함할 수도 있다. 스페이서 플레이트(1200)는 멤브레인(1410)과 스페이서 플레이트(1200)를 결합하기 위한 접합 영역을 또한 포함할 수도 있다. 이들 접합 영역은 제2 축에 대해 엇갈릴 수도 있는 표면(1323, 1337)과, 제1 축에 대해 엇갈릴 수도 있는 표면(1353, 1363)을 포함할 수도 있다.
도 12는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 멤브레인 플레이트 조립체의 등각도이다. 멤브레인 플레이트 조립체는 스페이서 플레이트(1200), 스페이서 시트(1402)(또한 본 명세서에서 "제1 스페이서 시트"라 칭함), 제1 멤브레인(1403) 및 제2 멤브레인(1410)을 포함할 수도 있다. 스페이서 시트(1402)는 전술된 스페이서 시트(304)에 유사할 수도 있다. 게다가, 제1 멤브레인(1403)(또한 본 명세서에서 "상부 외부 멤브레인"이라 칭함) 및 제2 멤브레인(1410)(또한 본 명세서에서 "하부 외부 멤브레인"이라 칭함)은 전술된 제1 멤브레인(302) 및 제2 멤브레인(303)에 유사할 수도 있다. 멤브레인 플레이트 조립체는 내부 멤브레인 조립체(1208)를 또한 포함할 수도 있다. 내부 멤브레인 조립체는 제2 스페이서 시트(1407), 제2 스페이서 시트(1407)의 제1 측 상의 제3 멤브레인(1406)(또한 본 명세서에서 "상부 내부 멤브레인"이라 칭함), 제2 스페이서 시트(1407)에 대향하는 제3 멤브레인(1406)의 측 상의 제3 스페이서 시트(1405), 제2 스페이서 시트(1407)의 제2 측 상의 제4 멤브레인(1408)(또한 본 명세서에서 "하부 내부 멤브레인"이라 칭함), 및 제2 스페이서 시트(1407)에 대향하는 제4 멤브레인(1408)의 측 상의 제4 스페이서 시트(1409)를 포함하는 다층 조립체일 수도 있다. 몇몇 예에서, 제1 멤브레인(1403), 제2 멤브레인(1410), 제3 멤브레인(1406) 및 제4 멤브레인(1408)은 정삼투 멤브레인일 수도 있다.
도 13은 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 멤브레인 플레이트 조립체의 단면도이다. 도 13은 스페이서 플레이트(1200)에 의해 점유된 비교적 작은 공간 및 멤브레인 및 스페이서에 의해 점유된 비교적 큰 공간을 도시한다. 스페이서 플레이트(1200)로부터 사공간에 대한 높은 비율의 스페이서 및 멤브레인은 소정의 공간에서 수행될 수도 있는 더 높은 패킹 밀도 및 더 높은 레벨의 분리를 야기한다.
제1 스페이서 시트(1402)의 하부면은 하부 플레이트(2184)의 상부 외부 멤브레인(1403)의 상부면과 접촉할 수도 있다(도 17 참조). 제1 스페이서 시트(1402)의 상부면은 상부 플레이트(2171)의 하부 외부 멤브레인(1410)의 하부면과 접촉할 수도 있다. 상부 플레이트(2171)는 하부 외부 멤브레인(1410)으로부터 상부 외부 멤브레인(1403)을 분리할 수도 있고, 이들 사이에 구조화된 유동 경로를 제공할 수도 있다. 제3 스페이서 시트(1405)의 하부면은 상부 내부 멤브레인(1406)의 상부면과 접촉할 수도 있다. 제3 스페이서 시트(1405)의 상부면은 상부 외부 멤브레인(1403)의 하부면과 접촉할 수도 있다. 제3 스페이서 시트(1405)는 상부 내부 멤브레인(1406)으로부터 상부 외부 멤브레인(1403)을 분리할 수도 있고, 이들 사이에 구조화된 유동 경로를 제공할 수도 있다. 제2 스페이서 시트(1407)의 하부면은 하부 내부 멤브레인(1408)의 상부면과 접촉할 수도 있다. 제2 스페이서 시트(1407)의 상부면은 상부 내부 멤브레인(1406)의 하부면과 접촉할 수도 있다. 제2 스페이서 시트(1407)는 상부 내부 멤브레인(1406)으로부터 하부 내부 멤브레인(1408)을 분리할 수도 있고, 이들 사이에 구조화된 유동 경로를 제공할 수도 있다. 제4 스페이서 시트(1409)의 하부면은 하부 외부 멤브레인(1410)의 상부면과 접촉할 수도 있다. 제4 스페이서 시트(1409)의 상부면은 하부 내부 멤브레인(1408)의 하부면과 접촉할 수도 있다. 제4 스페이서 시트(1409)는 하부 내부 멤브레인(1408)으로부터 하부 외부 멤브레인(1410)을 분리할 수도 있고, 이들 사이에 구조화된 유동 경로를 제공할 수도 있다.
도 14는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템의 단면도이다. 도 13과 같이, 도 14는 스페이서 플레이트(1200)에 의해 점유된 비교적 작은 공간 및 멤브레인 및 스페이서에 의해 점유된 비교적 큰 공간을 도시한다. 멤브레인 플레이트 조립체는 적층될 수도 있고, 이에 의해 스페이서 플레이트(1200)의 하나 이상의 개구가 서로 정렬되도록 배열될 수도 있다. 다른 예에서 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 10개의 멤브레인 플레이트 조립체 또는 그 이상을 포함하는, 임의의 수의 멤브레인 플레이트 조립체가 요소를 형성하도록 적층될 수도 있다. 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체는, 본 명세서에 설명된 예에 도시된 바와 같이, 교번적인 배향을 가질 수도 있고 서로에 대해 위치가 엇갈린 멤브레인을 가질 수도 있다. 몇몇 예에서, 서로 정렬된 하나 이상의 개구는 유체가 스택 내의 각각의 멤브레인 플레이트 조립체의 스페이서 플레이트(1200)의 다수의 도관과 유체 연통하게 할 수도 있다. 이 방식으로, 병렬 유동이 성취될 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(1200) 중 하나의 개구는 모든 유체가 그 스페이서 플레이트(1200)의 도관을 통해 통과하도록 차단될 수도 있다. 이 방식으로, 직렬 유동이 성취될 수도 있다.
스페이서 플레이트(1200)는 전술된 바와 같이, 이들의 접합 영역에서 플레이트들을 함께 결합함으로써 적층될 수도 있다. 주계 플레이트간 결합이 하부 플레이트(2184)(도 17 참조)의 표면(1320)을 상부 플레이트(2171)의 표면(1343)에 연결하고, 하부 플레이트(2184)의 표면(1342)을 상부 플레이트(2171)의 표면(1321)에 결합함으로써 성취될 수도 있다. 이 방식으로 스페이서 플레이트(1200)의 표면들을 결합하는 것은 각각의 스페이서 플레이트(1200)가 그에 인접한 스페이서 플레이트(1200)에 대해 제3 축에 대해 180° 회전되어 있는 스페이서 플레이트(1200)의 교번적인 배열을 야기할 수도 있다. 주계 플레이트간 결합은 외부로부터 유체 유동 경로를 분리할 수도 있다. 게다가, 내부 플레이트간 결합은 하부 플레이트(2184)의 표면(1340)을 상부 플레이트(2171)의 표면(1323)에, 하부 플레이트(2184)의 표면(1325)을 상부 플레이트(2171)의 표면(1337)에 연결함으로써 성취될 수도 있다. 내부 플레이트간 결합은 제1 유체 유동 경로 및 제2 유체 유동 경로를 분리할 수도 있다. 주계 플레이트간 결합 및 내부 플레이트간 결합의 모두는 스페이서 플레이트(1200)의 전체폭을 따라 플레이트들을 연결하는 것을 포함할 수도 있다.
도 15는 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 다수의 멤브레인 플레이트 조립체 사이의 접합을 도시하는 도 14의 단면도이다. 도 16은 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 다수의 멤브레인 플레이트 조립체 사이의 접합을 도시하는 도 14의 단면도이다. 스택 내의 멤브레인 플레이트 조립체의 멤브레인은 서로에 대해 엇갈릴 수도 있다. 패킹 효율을 향상시키기 위해 그리고 제조 고려사항에 기인하여 멤브레인들을 엇갈리게 하는 것이 유리할 수도 있다. 엇갈림은 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 표면의 비대칭 배열에 의해 성취될 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(1200)는 엇갈린 배열을 성취하기 위해 배향이 교번적일 수도 있다. 스페이서 플레이트(1200)의 표면들의 비대칭 배열은 동일 거리로 이격되어 있지만, 스페이서 플레이트(1200)를 따라 상이한 지점에 위치되어 있는 스페이서 플레이트(1200)의 양 측에 내부 플레이트간 접합 영역을 제공할 수도 있다. 몇몇 예에서, 스페이서 플레이트(100)는 엇갈린 배열을 성취하기 위해 배향이 교번적일 수도 있다. 예를 들어, 표면(1325)과 표면(1340) 사이의 거리는 표면(1323)과 표면(1337) 사이의 거리에 동일한 거리일 수도 있다. 이는 제1 플레이트의 표면(1325)이 제2 플레이트의 표면(1337)과 연결되게 하고, 반면에 제1 플레이트의 표면(1340)이 제2 플레이트의 표면(1323)과 연결되게 할 수도 있다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 표면(1325)은 표면(1323)과 정렬되지 않을 수도 있고, 표면(1340)은 표면(1337)과 정렬되지 않을 수도 있다. 이 오프셋은 엇갈린 배열을 생성할 수도 있다. 이전의 예를 계속하면, 제1 플레이트의 표면(1323)은 제3 플레이트의 표면(1340)과 연결될 수도 있고, 제1 플레이트의 표면(1337)은 제3 플레이트의 표면(1325)과 연결될 수도 있다. 제2 플레이트 및 제3 플레이트는, 제1 플레이트가 제2 플레이트에 대해 제3 축에 대해 180° 회전될 수도 있고 제3 플레이트가 제1 플레이트에 대해 제3 축에 대해 180° 회전될 수도 있기 때문에 정렬될 수도 있다. 표면의 비대칭 배열을 사용하고 멤브레인 플레이트 조립체를 엇갈리게 함으로써, 원하는 수의 개구, 예를 들어 4개의 개구 및 원하는 수의 별개의 유동 경로, 예를 들어 2개의 별개의 유동 경로를 유지하면서, 하나의 부분으로부터 스페이서 플레이트(1200)를 사출 성형하는 것이 가능할 수도 있다. 이 방식으로, 트랩된 특징부가 회피될 수도 있고, 이에 의해 제조 효율 및 패킹 밀도를 향상시킨다.
상부 외부 멤브레인(1403)은 스페이서 플레이트(1200)의 표면(1327, 1338, 1356, 1366) 상에 멤브레인 대 플레이트 접합부를 형성할 수도 있다. 상부 내부 멤브레인(1406)은 스페이서 플레이트(1200)의 표면(1329, 1333, 1358, 1364) 상에 멤브레인 대 플레이트 접합부를 형성할 수도 있다. 하부 내부 멤브레인(1408)은 스페이서 플레이트(1200)의 표면(1330, 1334, 1355, 1361) 상에 멤브레인 대 플레이트 접합부를 형성할 수도 있다. 하부 외부 멤브레인(1410)은 스페이서 플레이트(1200)의 표면(1323, 1337, 1353, 1363) 상에 멤브레인 대 플레이트 접합부를 형성할 수도 있다. 상부 외부 멤브레인(1403), 상부 내부 멤브레인(1406), 하부 내부 멤브레인(1408) 및 하부 외부 멤브레인(1410)을 위한 멤브레인 대 플레이트 접합부는 멤브레인의 전체 주계 주위에 제공될 수도 있다.
도 17은 몇몇 실시예에 따른 제1 축을 따른 분리 시스템의 단면도이다. 몇몇 예에서, 제1 유체, 예를 들어 흡인 유체는 입구 개구, 예를 들어 개구(1201, 1203)에 의해 형성된 입구 매니폴드(1231)로부터 멤브레인 플레이트 조립체에 유입하고, 제1 유체와 연계된 입구 채널을 통해, 그리고 상부 플레이트(2171)의 표면(1339) 및 하부 플레이트(2184)의 표면(1322)에 의해 형성된 채널(2172) 내로 이동할 수도 있다. 유체 유동 경로는 지점(1324)에서 2개의 반부로 분할될 수도 있고, 이에 의해 상부 채널(2174) 및 하부 채널(2185)에 유입한다. 상부 채널(2174)은 상부 플레이트(2171)의 표면(1336) 및 상부 플레이트(2171)의 상부 외부 멤브레인(1403)에 의해 형성될 수도 있다. 하부 채널(2185)은 하부 플레이트(2184)의 표면(1326) 및 하부 플레이트(2184)의 하부 외부 멤브레인(1410)에 의해 형성될 수도 있다.
상부 채널(2174)은 상부 플레이트(2171)의 상부 외부 멤브레인(1403) 및 상부 플레이트(2171)의 하부 외부 멤브레인(1410)에 의해 형성된 채널(2175)에 제1 유체를 안내할 수도 있다. 하부 채널(2185)은 하부 플레이트(2184)의 상부 외부 멤브레인(1403) 및 하부 플레이트(2184)의 하부 외부 멤브레인(1410)에 의해 형성된 채널(2186)에 제1 유체를 안내할 수도 있다. 채널(2175)은 이어서 상부 플레이트(2171)의 지점(1335)에서 2개의 반부로 분할될 수도 있고, 이에 의해 상부 채널(2176) 또는 하부 채널(2177)에 유입될 수도 있다. 상부 채널(2176)은 스페이서 플레이트(1200)의 표면(1333) 및 상부 플레이트(2171)의 상부 외부 멤브레인(1403)에 의해 형성될 수도 있다. 하부 채널(2177)은 스페이서 플레이트(1200)의 표면(1334) 및 상부 플레이트(2171)의 하부 외부 멤브레인(1410)에 의해 형성될 수도 있다.
상부 채널(2176)은 상부 플레이트(2171)의 상부 외부 멤브레인(1403) 및 상부 내부 멤브레인(1406)에 의해 형성된 채널(2178)에 제1 유체를 안내하고, 이에 의해 제1 유체가 제3 스페이서 시트(1405)를 통해 이동할 수도 있다. 하부 채널(2177)은 상부 플레이트(2171)의 하부 외부 멤브레인(1410) 및 하부 내부 멤브레인(1408)에 의해 형성된 채널(2179)에 제1 유체를 안내할 수도 있고, 이에 의해 제1 유체가 제4 스페이서 시트(1409)를 통해 이동할 수도 있다. 채널(2178) 및 채널(2179)을 통한 유동은 멤브레인에 접촉하는 스페이서 플레이트(1200)를 가로질러 제1 유체를 운반할 수도 있다. 스페이서 플레이트(1200)의 지점(1328)에서, 채널(2178) 및 채널(2179)은 재조합되고, 제1 유체는 출구 채널을 통한 유사한 경로를 따라 출구 개구(1203)를 통해 유출될 수도 있다. 몇몇 예에서, 출구 개구(1203)에 유입되는 유동은 상부 플레이트(2173)로부터 병합 유동과 상호 작용할 수도 있다. 상부 스트림은 이들이 모두 출구 개구, 예를 들어 개구(1201, 1203)에 의해 형성된 출구 매니폴드(1233)에 도달할 때까지 하부 스트림(2186)을 만나지 않을 수도 있다.
도 18은 몇몇 실시예에 따른 제2 축을 따른 분리 시스템의 단면도이다. 몇몇 예에서, 제2 유체, 예를 들어 공급 유체는 입구 개구, 예를 들어 개구(1202, 1204)에 의해 형성된 입구 매니폴드(1232)로부터, 제2 유체와 연계된 입구 채널을 통해 상부 플레이트(2201)의 표면(1353) 및 중앙 플레이트(2203)의 표면(1366)에 의해 형성된 채널(2202) 내로, 그리고 중앙 플레이트(2203)의 표면(1365) 및 하부 플레이트(2212)의 표면(1354)에 의해 형성된 채널(2204) 내로 유입될 수도 있다. 채널(2204)은 3개의 균일한 경로, 즉 상부 유동 경로(2204), 중앙 유동 경로(2206) 및 하부 유동 경로(2213)로 분할될 수도 있다. 상부 유동 경로(2205)는 중앙 플레이트(2203)의 표면(1362) 및 상부 내부 멤브레인(1406)에 의해 형성될 수도 있다. 중앙 유동 경로(2206)는 중앙 플레이트(2203)의 표면(1363) 및 하부 플레이트(2212)의 표면(1356)에 의해 형성될 수도 있다. 하부 유동 경로(2213)는 하부 플레이트(2212)의 표면(1326) 및 하부 내부 멤브레인(1408)에 의해 형성될 수도 있다.
채널(2202)은 상부 플레이트(2201)의 하부 외부 멤브레인(1410) 및 중앙 플레이트(2203)의 상부 외부 멤브레인(1403)에 의해 형성된 채널 내로 제2 유체를 안내할 수도 있다. 제2 유체는 이어서 중앙 플레이트(2203)의 제1 스페이서 시트(1402)를 통해 유동할 수도 있다. 상부 유동 경로(2205)는 중앙 플레이트(2203)의 상부 내부 멤브레인(1406) 및 하부 내부 멤브레인(1408)에 의해 형성된 채널(2208)로 이어질 수도 있다. 채널(2208)은 중앙 플레이트(2203)의 제2 스페이서 시트(1407)를 통해 제2 유체를 안내할 수도 있다. 채널(2208)은 이어서 중앙 플레이트(2203)의 표면(1357) 및 하부 내부 멤브레인(1408)에 의해 형성될 수도 있는 채널(2209)에 제2 유체를 안내할 수도 있다. 채널(2207, 2209, 2210)은 이어서 채널(2211) 내에서 조합할 수도 있고, 출구 개구, 예를 들어 개구(1202, 1204)에 의해 형성된 출구 매니폴드(1234)에 유출될 수도 있다.
중앙 유동 경로(2206)는 중앙 플레이트(2203)의 하부 외부 멤브레인(1410) 및 하부 플레이트(2212)의 상부 외부 멤브레인(1403)에 의해 형성된 채널(2214)에 유입될 수도 있다. 채널(114)은 하부 플레이트(2212)의 제1 스페이서 시트 채널(1402)을 통해 제2 유체를 안내할 수도 있다. 채널(2214)은 출구 개구로 제2 유체를 안내할 수도 있다.
하부 유동 경로(2213)는 하부 플레이트(2212)의 상부 내부 멤브레인(1406) 및 하부 내부 멤브레인(1408)에 의해 형성될 수도 있는 채널(2215)에 진입할 수도 있다. 채널(2215)은 하부 플레이트(2212)의 제2 스페이서 시트(1407)를 통해 제2 유체를 안내할 수도 있다. 채널(2215, 2216, 2217)은 이어서 채널(2218) 내에서 조합되고, 출구 개구로 유출할 수도 있다.
도 19는 몇몇 실시예에 따른 분리 시스템 내의 유동 경로를 도시하는 분리 시스템의 등각도이다. 하나 이상의 개구는 멤브레인 플레이트 조립체의 제1 측으로부터 멤브레인 플레이트 조립체의 제2 측으로 유체를 안내할 수도 있다. 제1 유체, 예를 들어 흡인 유체의 유동 경로는 제1 축을 따를 수도 있다. 몇몇 예에서, 제1 측 및 제2 측은 스페이서 플레이트(100)의 대향 에지들일 수도 있다. 예를 들어, 제1 유체 입구 유동 경로(2301)는 전술된 바와 같이, 분리 시스템의 외부로부터 분리 시스템의 제1 입구 매니폴드(1054)로 제1 유체를 안내할 수도 있다. 제1 유체는 입구 채널을 통해 멤브레인 플레이트 조립체에 유입하고, 제1 축을 따라 분리 시스템의 제1 출구 매니폴드(1055)를 통해 유동할 수도 있다. 제1 유체 출구 유동 경로(2302)는 분리 시스템 외부로 각각의 스페이서 플레이트(100)에서 유출하는 제1 유체를 안내할 수도 있다.
제2 유체, 예를 들어 공급 유체의 유동 경로는 제2 축을 따를 수도 있다. 몇몇 예에서, 제2 축은 제1 축에 직교할 수도 있다. 몇몇 예에서, 제2 축은 제1 축에 대해 상이한 각도에 있을 수도 있다. 몇몇 예에서, 제1 측 및 제2 측은 스페이서 플레이트(100)의 대향 에지들일 수도 있다. 예를 들어, 제2 유체 입구 유동 경로(2303)는 전술된 바와 같이, 분리 시스템의 외부로부터 분리 시스템의 제2 입구 매니폴드(131)로 제1 유체를 안내할 수도 있다. 제1 유체는 입구 채널을 통해 멤브레인 플레이트 조립체에 유입되고 제2 축을 따라 분리 시스템의 제2 출구 매니폴드(133)를 통해 유출할 수도 있다. 제2 유체 출구 유동 경로(2304)는 분리 시스템 외부로 각각의 스페이서 플레이트(100)에서 유출하는 제2 유체를 안내할 수도 있다.
몇몇 예에서, 공기 기포가 도입되어, 공급 유동 경로를 통해 유동하여, 분리 시스템 내의 멤브레인 오염의 경향을 감소시킬 수도 있다.
도 20은 몇몇 실시예에 따른 멤브레인 요소(2400)의 등각도이다. 멤브레인 요소(2400)의 조립체는 푸트 플레이트(2406)와 헤드 플레이트(2405)를 접착함으로써 완성될 수도 있다. 헤드 플레이트(2405)와 푸트 플레이트(2406)는 예를 들어, 기계적 밀봉부, 접착 밀봉부 또는 용접에 의해 밀봉될 수도 있다. 푸트 플레이트는 멤브레인 요소(2400)의 저부를 밀봉할 수도 있다. 헤드 플레이트(2405)는 스페이서 플레이트의 하나 이상의 개구를 위한 밀봉면을 제공할 수도 있고, 배관 옵션, 예를 들어 유체 포트를 공급할 수도 있다. 헤드 플레이트(2405)는 멤브레인 요소(2400)의 상부에 위치될 수도 있고, 하나 이상의 개구에 결합된 하나 이상의 유체 포트를 포함할 수도 있다. 제1 유체 포트(2401)는 제1 유체, 예를 들어 공급 유체를 수용하고, 이를 분리 시스템의 제1 입구 매니폴드(1054)에 운반하도록 제공될 수도 있다. 제2 유체 포트(2402)는 멤브레인 요소(2400)를 통해 분리 시스템의 제1 유체 매니폴드(1055) 내로 통과된 제1 유체용 출구를 제공할 수도 있다. 몇몇 예에서, 제2 유체 포트(2402)는 푸트 플레이트(2406) 상에 위치될 수도 있다. 제3 유체 포트(2403)가 제2 유체, 예를 들어 흡인 유체를 수용하고, 이를 분리 시스템의 제2 입구 매니폴드(131)에 운반하도록 제공될 수도 있다. 제4 유체 포트(2404)가 멤브레인 요소(2400)를 통해 분리 시스템의 제2 출구 매니폴드(133) 내로 통과된 제2 유체용 출구를 제공할 수도 있다. 다른 포트들이 또한 존재할 수도 있고, 또는 몇몇 예에서 다수의 포트가 입구 및 출구마다 사용된다. 도 21a는 몇몇 실시예에 따른 병렬로 적층된 멤브레인 요소(2400)의 단면도이다. 본 명세서에 설명된 분리 시스템의 예는 몇몇 예에서 패킹 밀도를 증가시키고, 수율을 증가시키고 수두 손실을 감소시키면서 4개의 포트 요소를 위한 유동 경로를 유지할 수도 있다. 이는 개량된 유동 경로에 기인하여 실질적으로 더 낮은 수두 손실을 야기할 수도 있다. 몇몇 예에서, 다수의 멤브레인 요소(2400)는 이들의 유체 포트를 정렬함으로써 결합될 수도 있다. 상부 플레이트 제1 유체 포트(2501)는 제1 멤브레인 요소(2400)의 헤드 플레이트의 제1 유체 포트(2401)에 제1 유체를 안내할 수도 있다. 제1 유체는 이어서 제1 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있다. 제1 유체는 이어서 제1 멤브레인 요소(2400)의 푸트 플레이트 상에 위치된 제2 유체 포트(2402)를 통해 제1 멤브레인 요소(2400)에서 유출함으로써 멤브레인 요소(2400)로 통과할 수도 있다. 제2 유체 포트(2402)는 제1 멤브레인 요소(2400)의 아래에 위치된 제2 멤브레인 요소(2400)의 제1 유체 포트(2401)에 결합될 수도 있다. 유사하게, 제1 유체는 제3 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있다. 병렬 구성에 대해, 모든 제1 유체 포트(2401) 및 제2 유체 포트(2402)는 각각의 멤브레인 요소(2400)의 제1 측에 있을 수도 있다. 제1 유체는 유사한 방식으로 각각의 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있고, 상부 플레이트 제2 유체 포트(2502)를 통해 배관유도될 수도 있다. 몇몇 예에서, 멤브레인 요소(2400), 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트의 유체 포트는 상호 접속부, 예를 들어 개방형 니플(2801) 또는 폐쇄형 니플(2802)을 포함할 수도 있다.
상부 플레이트 제3 유체 포트(2503)가 제1 멤브레인 요소(2400)의 헤드 플레이트의 제3 유체 포트(2403)로 제2 유체를 안내할 수도 있다. 제2 유체는 이어서 제1 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있다. 제2 유체는 이어서 제1 멤브레인 요소(2400)의 푸트 플레이트 상에 위치된 제4 유체 포트(2404)를 통해 제1 멤브레인 요소(2400)에서 유출함으로써 제2 멤브레인 요소(2400)에 통과할 수도 있다. 제4 유체 포트(2404)는 제1 멤브레인 요소(2400) 아래에 위치된 제2 멤브레인 요소(2400)의 제3 유체 포트(2403)에 결합될 수도 있다. 유사하게, 제1 유체는 제3 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있다. 병렬 구성에 대해, 모든 제3 유체 포트(2403) 및 제4 유체 포트(2404)는 각각의 멤브레인 요소(2400)의 제1 측에 있을 수도 있다. 제2 유체는 유사한 방식으로 각각의 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있고, 상부 플레이트 제4 유체 포트(2504)를 통해 배관유도될 수도 있다.
병렬 구성의 일 예에서, 하부 유체 포트를 제외한 스택의 제1 측의 모든 유체 포트는 개방형 니플(2801)을 구비할 수도 있다. 제1 측의 하부 유체 포트는 폐쇄형 니플(2802)을 구비할 수도 있다. 상부 유체 포트를 제외한 스택의 제2 측의 모든 유체 포트는 개방형 니플(2801)을 구비할 수도 있다. 제2 측의 상부 유체 포트는 폐쇄형 니플을 구비할 수도 있다.
도 21b는 몇몇 실시예에 따른 직렬로 적층된 멤브레인 요소(2400)의 단면도이다. 상부 플레이트 제1 유체 포트(2501)는 제1 멤브레인 요소(2400)의 헤드 플레이트의 제1 유체 포트(2401)로 제1 유체를 안내할 수도 있다. 제1 유체는 이어서 제1 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있다. 제1 유체는 이어서 제1 멤브레인 요소(2400)의 푸트 플레이트 상에 위치된 제2 유체 포트(2402)를 통해 제1 멤브레인 요소(2400)에서 유출함으로써 제2 멤브레인 요소(2400)로 통과할 수도 있다. 제2 유체 포트(2402)는 제1 멤브레인 요소(2400) 아래에 위치된 제2 멤브레인 요소(2400)의 제1 유체 포트(2401)에 결합될 수도 있다. 유사하게, 제1 유체는 제3 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있다. 직렬 구성에 대해, 각각의 멤브레인 요소(2400)의 제1 유체 포트(2401) 및 제2 유체 포트(2402)는 멤브레인 요소(2400)의 제1 측과 제2 측 사이에 교번할 수도 있다. 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과한 후에, 제1 유체는 그 제2 유체 포트(2402)를 통해 최종 멤브레인 요소(2400)에서 직접 유출할 수도 있고, 또는 하부 플레이트를 통해 통과할 수도 있다. 대안적으로, 제1 유체는 상부 플레이트로 재차 유도될 수도 있고, 상부 플레이트 제2 유체 포트(2502)를 통해 유출할 수도 있다.
상부 플레이트 제3 유체 포트(2503)는 제1 멤브레인 요소(2400)의 헤드 플레이트의 제3 유체 포트(2403)로 제2 유체를 안내할 수도 있다. 제2 유체는 이어서 제1 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있다. 제2 유체는 이어서 제1 멤브레인 요소(2400)의 푸트 플레이트 상에 위치된 제4 유체 포트(2404)를 통해 제1 멤브레인 요소(2400)에서 유출함으로써 제2 멤브레인 요소(2400)에 통과할 수도 있다. 제4 유체 포트(2404)는 제1 멤브레인 요소(2400) 아래에 위치된 제2 멤브레인 요소(2400)의 제3 유체 포트(2403)에 결합될 수도 있다. 유사하게, 제1 유체는 제3 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수도 있다. 직렬 구성에 대해, 각각의 멤브레인 요소(2400)의 제3 유체 포트(2403) 및 제4 유체 포트(2404)는 멤브레인 요소(2400)의 제1 측과 제2 측 사이에서 교번할 수도 있다. 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과한 후에, 제2 유체는 그 제4 유체 포트(2404)를 통해 최종 멤브레인 요소(2400)에서 직접 유출할 수도 있고, 또는 하부 플레이트를 통해 통과할 수도 있다. 대안적으로, 제2 유체는 상부 플레이트로 재차 유도될 수도 있고, 상부 플레이트 제4 유체 포트(2504)를 통해 유출할 수도 있다.
직렬 구성의 일 예에서, 스택의 제1 측의 유체 포트는 개방형 니플(2801)과 폐쇄형 니플(2802)을 구비하는 것 사이에서 교번할 수도 있다. 유사하게, 스택의 제2 측의 유체 포트는 개방형 니플(2801)과 폐쇄형 니플(2802)을 구비하는 것 사이에서 교번할 수도 있고, 제1 및 제2 측은 교번하는 유형의 니플을 가질 수도 있다. 예를 들어, 제1 측의 유체 포트가 개방형 니플(2801)을 구비할 때마다, 제2 측의 대응 유체 포트는 폐쇄형 니플(2802)을 구비할 수도 있다.
도 23은 몇몇 실시예에 따른 멤브레인 요소(2400)의 등각도이다. 몇몇 예에서, 부분 포위된 멤브레인 요소(2400)는 제1 유체 내에 침지될 수도 있다. 이 구성에서, 제1 유체와 연계된 하나 이상의 개구가 노출될 수도 있어, 이에 의해 제1 유체가 멤브레인 요소(2400)에 유입 및 유출될 수 있게 한다. 멤브레인 요소(2400)는 제2 유체를 멤브레인 요소(2400)를 통해 배관유도하기 위한 제1 유체 포트(2401) 및 제2 유체 포트(2402)를 포함할 수도 있다. 몇몇 예에서, 제1 유체는 공급 유체일 수도 있고, 제2 유체는 흡인 유체일 수도 있다. 멤브레인 요소(2400)는 공급 유체 내에 침지될 수도 있어, 공급 유체가 멤브레인 요소(2400)를 통해 통과할 수 있게 한다. 흡인 유체는 전술된 바와 같이 멤브레인 요소(2400)를 통해 배관유도될 수도 있다. 대안적으로, 전술된 바와 같이, 멤브레인 요소(2400)는 흡인 유체 내에 침지될 수도 있고, 반면에 공급 유체는 유체 포트에 의해 멤브레인 요소(2400) 내로 배관유도될 수도 있다. 멤브레인 바이오리액터를 위해 이 구성을 사용하는 것이 유리할 수도 있다.
도 24는 몇몇 실시예에 따른 멤브레인 요소(2400)의 스키드의 등각도이다. 몇몇 예에서, 다수의 멤브레인 요소(2400)는 대형 설비에서 작동을 위해 적합할 수도 있는 어레이로 결합될 수도 있다. 어레이는 멤브레인 요소(2400)를 함께 적층하고, 멤브레인 요소(2400) 어레이 사이에 유체 계면을 생성함으로써 형성될 수도 있다. 유체 인터페이스는 직렬, 병렬 또는 이들의 조합일 수도 있다. 하나 이상의 스택은 강성 단부판 및 기계적 지지부를 제공하기 위해 공통 프레임(2701) 내에 조합될 수도 있다. 상부 유체 계면(2702) 및 하부 유체 계면(2703)은 상이한 스택들 사이에 유체 계면을 제공할 수도 있어, 이에 의해 전체 어레이를 위한 유체 계면을 제공한다. 게다가, 다수의 어레이를 포함하는 스키드가 제공될 수도 있다. 스키드는 자립형 모듈일 수도 있고, 하나 이상의 유체 및 제어부가 효율적으로 실행하게 하기 위한 펌프를 제공할 수도 있다. 부가적으로, 누설 검출이 스키드 레벨에서 포함될 수도 있다. 스키드는 각각의 어레이를 병렬로 결합할 수도 있는 헤더를 가질 수도 있다. 모듈들은 유지 보수를 위해 스키드로부터 격리되어 제거될 수도 있다. 몇몇 예에서, 다수의 스키드는 대형 설비를 작동하는데 사용될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 멤브레인, 요소, 모듈 및/또는 스택의 예는 일반적으로 정삼투법을 수행하는데 사용될 수도 있다. 정삼투법은 일반적으로 흡인 용액 내의 용질이 공급 용액 내의 용질보다 큰 프로세스를 칭한다. 물은 일반적으로 공급물로부터 흡인 용액으로 정삼투 멤브레인을 횡단하여, 흡인물 내의 용질의 농도를 감소시킨다. 임의의 수의 용질이 이에 한정되는 것은 아니지만 염을 포함하는 본 명세서에 설명된 멤브레인, 장치 및 시스템을 사용하여 조작될 수도 있다. 임의의 수의 유체는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 물, 산업 폐수, 상업 폐수, 농업 폐수 및 음료수를 포함하는 공급 유체 및 흡인 유체를 구현하는데 사용될 수도 있다. 압력 지연 삼투법은 일반적으로 에너지 또는 압력이 공급 용액과 흡인 용액 사이의 삼투 압력차에 의해 구동된 유체 운반에 의해 발생되는 프로세스를 칭한다. 공급 용액은 폐수 또는 강물일 수도 있고, 흡인 용액은 해수 또는 역삼투 소금물일 수도 있다. 멤브레인 증류는 일반적으로 고온에서 액체 공급 용액으로부터의 유체가 증기로서 멤브레인을 통해 통과하고 더 저온에서 투과 용액으로 응축하는 프로세스를 칭한다. 공급물은 폐수, 해수 또는 높은 염 농도의 임의의 용액일 수도 있다.
예시적인 성능
본 명세서에 설명된 멤브레인 플레이트 조립체의 예를 사용하여 성취된 예시적인 성능 메트릭(metrics)이 이하에 제공된다. 예시적인 메트릭은 본 명세서에 설명된 조립체를 사용하여 성취 가능한 예시적인 성능의 이해를 용이하게 하도록 예로서 제공된다. 제공된 예는 단지 성취 가능한 성능 메트릭은 아니고, 모든 실시예가 설명된 성능을 성취할 수 있는 것은 아닐 수도 있다.
표 1. Porifera의 Gen 1 멤브레인 플레이트 조립체의 성능
요소당 멤브레인 면적 7.0 m2
멤브레인 유형 정삼투
작동 pH 한계 2 내지 11
5.5 wt% NaCl 흡인물 대 물을 갖는 요소에
의해 처리된 물(FO 모드)		 190 내지 240 L/h
요소의 역 염 플럭스 0.2 내지 0.6 g/L
5.5 wt% NaCl 흡인물 대 3.25% NaCl을 갖는 요소에 의해 처리된 물(FO 모드) 65 내지 75 L/h
공급물 스페이서 0.030" Fishnet
수두 손실 0.03 psi/gpm
요소 체적, 하우징을 포함함 0.03 m3
물리적 치수 16" x 18" x 7"
중량(습식) 72 lbs
재료 플라스틱 및 알루미늄
배관유도 계면 Porifera 신속 교환 매니폴드
표 2. 300 TDS 공급물 및 1 M NaCl 흡인물을 사용하여 상이한 유량을 갖는 FO 모드에서 Porifera의 Gen 1 멤브레인 플레이트 조립체의 성능
흡인 유량
(gpm)		 공급 유량
(gpm)		 25 C에서
플럭스(LMH)		 RSF(g/L) 흡인 수두
손실(psi)		 공급 수두
손실(psi)
2.0 2.0 21.9 0.46 0 0.9
4.0 4.0 25.3 0.39 0 1.2
6.0 6.0 26.7 0.39 0.3 1.5
8.0 8.0 27.3 0.31 0.7 2.1
10.0 10.0 28.0 0.35 1.2 2.1
표 3. 상업용 RO 및 FO 요소에 비교하여 Porifera의 요소의 패킹 밀도
요소 면적(m2) 패킹 밀도(m2/m3)
RO 4040 7m2 7 263.7
RO 8040 - 41m2 41 569.2
Porifea의 Gen 2 - 80m2 80 615.0
Porifea의 Gen 1 - 7m2 7 233.0
상업용 FO 8040 - 17m2 17 236.0
상업용 FO 4040 - 3m2 3 113.0
상업용 FO 4040 - 1.2m2 1.20 45.2
상기 설명으로부터, 본 발명의 특정 실시예들이 예시의 목적으로 본 명세서에 설명되었지만, 다양한 변형예가 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

Claims (29)

  1. 분리 시스템으로서,
    멤브레인 플레이트 조립체를 포함하고, 각각의 멤브레인 플레이트 조립체는
    이격 영역을 포함하는 스페이서 플레이트로서, 상기 스페이서 플레이트는 적어도 부분적으로 적어도 제1 개구 및 적어도 제2 개구를 형성하고, 상기 스페이서 플레이트는 제1 접합 영역을 갖는 제1 표면 및 제2 접합 영역을 갖는 대향하는 제2 표면을 포함하는, 스페이서 플레이트,
    제1 접합 영역에서 상기 제1 표면에 접합되는 제1 멤브레인,
    제2 접합 영역에서 상기 제2 표면에 접합되는 제2 멤브레인을 포함하고,
    상기 멤브레인 플레이트 조립체는 스택을 형성하고, 상기 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체는 교번적인 배향을 갖고, 상기 제1 표면 및 제2 표면은 서로에 대해 엇갈린 위치를 갖고,
    상기 제1 개구는 상기 제1 및 제2 멤브레인 사이의 영역과 유체 연통 하여 제1 유동 경로를 형성하고,
    스택 내에 멤브레인 요소를 유지하도록 결합된 지지 플레이트로서, 상기 지지 플레이트 중 적어도 하나는 적어도 하나의 유체 포트를 형성하는 지지 플레이트를 포함하는 분리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이격 영역은 양 측에 돌기, 캐비티, 텍스처 또는 이들의 조합을 포함하는 시트를 포함하고, 상기 돌기, 캐비티, 텍스처 또는 이들의 조합은 상기 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인과 접촉하여, 상기 이격 영역을 가로지르는 유동 경로를 형성하는 분리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이격 영역은 내부 멤브레인 조립체를 포함하고, 상기 내부 멤브레인 조립체는 상기 스페이서 플레이트의 제1 측에 제3 멤브레인을, 상기 스페이서 플레이트의 제2 측에 제4 멤브레인을 포함하는 분리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 2개의 인접한 멤브레인 표면 사이에 스페이서 시트를 더 포함하는 분리 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 접합 영역에서 제1 표면에 접합되고 상기 스페이서 플레이트에 대향하는 제1 멤브레인의 측에 위치된 스페이서 시트를 더 포함하고, 상기 제1 멤브레인 플레이트 조립체의 제1 멤브레인에 대향하는 상기 스페이서 시트의 측은 상기 제2 멤브레인 플레이트 조립체의 스페이서 플레이트에 대향하는 제2 멤브레인 플레이트 조립체의 제2 멤브레인의 측과 접촉하는 분리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 개구는 상기 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역과 유체 연통하여 제2 유동 경로를 형성하는 분리 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제2 개구는 상기 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들 사이 및 제3 및 제4 멤브레인 사이의 영역과 유체 연통하여 제2 유동 경로를 형성하고, 상기 제1 개구는 상기 제1 및 제3 멤브레인 사이 및 제2 및 제4 멤브레인 사이의 영역과 유체 연통하는 분리 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 유동 경로는 제1 및 제3 멤브레인 사이 및 제2 및 제4 멤브레인 사이의 영역에서 제1 방향으로 유체의 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 상기 제2 유동 경로는 제3 및 제4 멤브레인 사이 및 스택 내의 인접한 멤브레인 플레이트 조립체들 사이의 영역에서 제2 방향으로 유체의 유동을 용이하게 하여 제2 유동 경로를 형성하고, 상기 제1 및 제2 방향은 직교하는 분리 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유체 포트는 적어도 하나의 멤브레인 플레이트 조립체의 제1 개구와 연통하고, 다른 유체 포트는 적어도 하나의 멤브레인 플레이트 조립체의 제2 개구와 연통하는 분리 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 개구는 상기 스페이서 플레이트의 상이한 에지들 상에 위치되는 분리 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 상기 제1 유동 경로는 상기 제1 및 제2 멤브레인 사이의 영역에서 제1 방향으로 유체의 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 상기 제2 유동 경로는 인접한 플레이트 조립체들 사이의 영역에서 제2 방향으로 유체의 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 상기 제1 및 제2 방향은 직교하는 분리 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 각각의 스페이서 플레이트의 제1 개구는 제1 유체용 병렬 유동 경로, 직렬 유동 경로, 또는 직렬의 병렬 유동 경로 중 임의의 하나를 형성하도록 구성되는 분리 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 각각의 스페이서 플레이트의 제2 개구는 제2 유체용 병렬 유동 경로, 직렬 유동 경로, 또는 직렬의 병렬 유동 경로 중 임의의 하나를 형성하도록 구성되는 분리 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 각각의 스페이서 플레이트의 제1 개구는 하나 이상의 지지 플레이트의 유체 포트 중 하나 이상에 결합되는 분리 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 각각의 스페이서 플레이트의 제2 개구는 하나 이상의 지지 플레이트의 유체 포트 중 하나 이상에 결합되는 분리 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 분리 시스템은 제1 유체 내에 침지되고, 각각의 제1 개구는 제1 유체에 노출되는 분리 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 다른 유체 포트는 제2 개구에 결합되고 제2 유체를 제공하도록 구성되는 분리 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 각각의 스페이서 플레이트는 사출 성형 플라스틱으로부터 형성되는 분리 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 또는 제2 멤브레인 중 임의의 하나는 정삼투 멤브레인인 분리 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 또는 제2 멤브레인 중 임의의 하나는 셀룰로오스 아세테이트, 박막 합성물, 폴리아미드, 아라미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리프로필렌을 포함하는 분리 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 플레이트 조립체는 병렬 유동 경로 또는 직렬 유동 경로를 형성하도록 구성된 상호 접속부를 더 포함하는 분리 시스템.
  22. 복수의 멤브레인들 중 특정 멤브레인들 사이의 영역에서 제1 방향으로 제1 유체를 운반하는 단계와,
    상기 복수의 멤브레인들 중 다른 멤브레인들 사이의 다른 영역에서 제2 방향으로 제2 유체를 운반하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 유체는 용질을 각각 포함하고, 상기 용질의 농도는 상기 제2 유체 내의 용질의 농도가 상기 멤브레인들을 가로지르는 유체 운반에 의해 적어도 부분적으로 증가되도록 상기 제1 유체 내에서 더 높고,
    상기 제1 및 제2 방향은 수직 방향인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인들 중 특정의 멤브레인들의 적어도 쌍은 각각의 스페이서 플레이트에 접합되어 영역을 형성하고, 각각의 스페이서 플레이트는 상기 복수의 멤브레인들 중 특정의 멤브레인들의 접합된 영역이 서로에 관해 엇갈리도록 적층되는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인들 중 특정의 멤브레인들 사이의 영역은 제1 유체용 병렬 유동 경로, 직렬 유동 경로, 또는 직렬의 병렬 유동 경로 중 임의의 하나를 형성하도록 구성되는 방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인들 중 다른 멤브레인들 사이의 영역은 제2 유체용 병렬 유동 경로, 직렬 유동 경로, 또는 직렬의 병렬 유동 경로 중 임의의 하나를 형성하도록 구성되는 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인들의 적어도 쌍은 각각의 스페이서 플레이트에 접합되고, 상기 스페이서 플레이트는 사출 성형 플라스틱으로부터 형성되는 방법.
  27. 제22항에 있어서, 상기 멤브레인은 셀룰로오스 아세테이트, 박막 합성물, 폴리아미드, 아라미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합을 포함하는 방법.
  28. 제22항에 있어서, 상기 영역들 중 임의의 하나 내로 공기 기포를 도입하는 단계를 더 포함하는 방법.
  29. 제22항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인들 중 특정의 멤브레인들 사이의 영역의 각각으로 병렬 유동 경로 내에서 제1 유체 또는 제2 유체 중 하나를 운반하고 상기 복수의 멤브레인들 중 다른 멤브레인들 사이의 영역의 각각으로 직렬 유동 경로 내에서 제1 유체 또는 제2 유체 중 다른 하나를 운반하는 단계를 더 포함하는 방법.
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