KR20080042078A - 수명이 연장된 연수화 시스템, 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

물을 연수화시키는 장치 및 방법이 개시된다. 특히, 폐수 스트림에 이온을 첨가하지 않고서도 물을 연수화시키는 장치 및 방법이 개시된다. 이러한 장치는 일반적으로, 경수의 유입류를 수용하고 유입류의 일부를 함유하는 투과수의 유출류를 배출시키고 유입류의 일부를 포함하는 비투과수의 유출류를 배출시키도록 구성되고 배열된, 1개 이상의 나노여과 여과기 요소를 포함한다. 나노여과 여과기 요소는 전형적으로 물 및 1가 이온의 통과를 허용하지만 2가 이온의 통과를 실질적으로 억제하는 평균 기공 크기를 갖는다.

연수화, 경이온, 나노여과, 플러싱, 유동 역전

Description

수명이 연장된 연수화 시스템, 장치 및 방법{EXTENDED-LIFE WATER SOFTENING SYSTEM, APPARATUS AND METHOD}

관련 출원에 대한 교차참조

본 출원은, 본원에서 전문이 참고로 인용된, 2005년 7월 12일자로 출원된 미국 가출원 제 60/698,652 호의 이익을 주장한다.

본 발명은 물을 처리하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 음용수(potable water)를 연수화시키는 방법 및 시스템, 및 연수화 시스템의 작동수명을 연장시키는 방법 및 시스템, 특히 통상적인 연수화 시스템보다 물 손실이 적게 음용수로부터 이온을 제거하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

칼슘 및 마그네슘 이온을 높은 수준으로 함유하는 물은 "경수"로서 지칭되는데, 왜냐하면 이러한 2종의 이온은 기타 이온 및 화합물과 결합하여, 딱딱하고 흉한 물때(scale)를 형성하기 때문이다. 수많은 가정, 특히 물 공급원으로서 지하수를 사용하는 가정은, 거주지 우물 또는 상수도를 통해, 경수를 공급받는다. 경수는 피부 및 접시 주위에 흉한 막을 형성할 수 있고, 경수 침착물은 의복 상에 형성되어 변색을 초래하고 직물 연성을 감소시킬 수 있다. 또한, 몇몇 비누 및 세제 는, 경수와 함께 사용될 때에는, 연수와 함께 사용될 때만큼 잘 기능을 발휘하지 못한다. 이러한 상황에서는, 불쾌하고 흉한 비누막이 세척되는 사람 또는 물체 상에 남겨질 수 있다.

모든 가정의 약 7 내지 12％가 연수기(water softener)를 보유하고 있다. 연수기 사용률은 도시보다는 시골에서 더 높은데, 도시 거주자의 3％가 연수기를 사용하는 것으로 추정된다. 미국에서만 매년 약 백만개의 이온교환 연수기가 판매되고 있으며, 수억 달러가 염 때문에 지출되고 있다. 이러한 연수기 대부분은 지하수로부터 물을 공급받는 가정 및 소규모 사업장 내에 설치된다.

비록 이온교환 연수기가 많은 용도에 적합하다고 하더라도, 이것들은 중대한 한계점을 갖고 있다. 특히, 이온교환 연수화는 염수의 배출로 인해 배출수의 염도의 순(net)증가를 초래한다. 이러한 배출수의 염도의 순증가는 반-염수 배출 규제가 있는 지역에서는 문제가 될 수 있다. 이러한 규제는 종종 농업을 위해 배출수를 감소시키고 배출수가 사용되는 토지에 과량의 염을 첨가하는 것을 회피하고 싶어하는 지역에 존재한다. 또한, 이온교환 연수기는 수지의 재충전을 위해 나트륨염의 정기적인 교체를 필요로 하는데, 이러한 관리에는 염의 구입과 관련하여 비용이 든다.

이온교환 연수기의 한계점 뿐만 아니라 경수와 관련한 중대한 문제를 감안하여, 근래에는 비교적 저압에서 높은 효율로 거주지 물을 연수화시키는 나노여과 요소를 사용하는 연수기가 개발되고 있다. 이와 관련하여, 발명의 명칭이 "나노여과 연수화 장치 및 방법(Nanofiltration Water-Softening Apparatus and Method)"인 미국특허출원 제 09/909488 호(Muralidhara 등)는 특히 주목할만하다. 그러나 연수화 기술의 근래의 상당한 발전에도 불구하고, 나노여과 여과기 요소를 사용하여 물을 연수화시키는 개선된 방법 및 시스템에 대한 요구는 남아있고, 특히 덜 빈번하게 교체되어도 되는 보다 긴 수명을 갖는 막 요소에 대한 요구가 남아있다.

발명의 요약

본 발명의 몇몇 실시양태는 물을 연수화시키는 방법 및 시스템, 특히 이온을 폐수 스트림에 첨가하지 않고서 물을 연수화시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이러한 시스템은, 염을 폐수 스트림에 첨가하지 않고서 물을 연수화시키기 위해, 경이온(hardness ion), 특히 큰 이온(예를 들면 칼슘 및 마그네슘의 2가 이온)을 선택적으로 제거하기 위해 나노여과 여과기 요소를 사용한다.

또한, 본 발명의 기타 실시양태는 연수화 시스템에서 사용되는 나노여과 여과기 요소의 작동수명을 연장시키는 방법 및 시스템, 및 연수화 시스템의 성능을 개선하는 방법 및 시스템을 제공한다. 이러한 방법 및 시스템은 직렬로 조립된 나노여과 요소들을 1개, 2개, 더욱 전형적으로는 3개 이상 갖는 다중-요소 나노여과 시스템에서 특히 유용하다. 이러한 나노여과 연수화 시스템에서, 음용수는 제 1 나노여과 요소로 들어가서, 연수화된 투과수류와 보유된 칼슘 및 마그네슘 이온을 함유하는 농축수류로 나누어진다. 연수화된 투과수류는 사용을 위해 이송되는데 반해, 제 1 막으로부터 나온 농축수류는 제 2 나노여과 요소로 이송된다. 제 2 나노여과 요소에서, 제 1 나노여과 요소로부터 나온 농축수류는 다시 연수화된 투과수류와 보유된 칼슘 및 마그네슘 이온을 함유하는 농축수류로 나누어진다. 3-요소 시스템에서는, 제 2 나노여과 요소로부터 나온 농축수류가 제 3 나노여과 요소로 이송되는데, 여기서 이것은 다시 연수화된 투과수류와 보유된 칼슘 및 마그네슘 이온을 함유하는 농축수류로 분리된다.

다중 나노여과 요소를 사용하는 것은 유리할 수 있는데, 왜냐하면 이것은 보다 효율적인 물 사용을 허용함으로써 보다 적은 양의 물이 폐수 스트림으로 배출되게 하기 때문이다. 그러나, 각각의 후속 나노여과 요소는 점점 더 높은 농도의 칼슘 및 마그네슘을 수용하게 된다. 그 결과 다양한 문제들, 가장 특히는 막이 칼슘 및 마그네슘 침전물로써 오염되는 문제가 생길 수 있다. 따라서, 예를 들면, 3-요소 시스템에서, 제 3 요소는 이러한 나노여과 요소의 막의 표면 상에 상당한 칼슘 침전물을 보유함으로써, 막 유량(flux)이 현저하게 감소할 수 있다. 어떤 경우에는, 이러한 침전물은, 나노여과 요소가 조기 교체되어야 할 정도로 막의 오염(fouling)을 초래할 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시양태는 연수화 시스템에서 사용되는 나노여과 여과기 요소의 작동수명을 연장시키는 방법 및 시스템, 및 연수화 시스템의 성능을 개선하는 방법 및 시스템을 제공한다. 이러한 방법 및 시스템은 직렬로 조립된 나노여과 요소들을 1개, 2개, 더욱 전형적으로는 3개 이상 갖는 다중-요소 나노여과 시스템에서 특히 유용하다. 이러한 개선점들 중 하나가, 나노여과 연수화 시스템을 통한 물의 유동을 주기적으로 역전시킴으로써 막의 물때 형성 및 오염을 감소시키는 방법이다. 또한, 상기 실시양태는, 각각의 나노여과 막을 음용수로써 플러싱시켜 과량의 칼슘 및 마그네슘을 나노여과 요소로부터 제거하는 플러싱 모드를 제공한다. 특정 실시양태에서 이러한 플러싱은 나노여과 요소 내의 칼슘 및 마그네슘 침전물을 용해시키는데 있어 약한 산을 사용하는 것을 포함한다. 이어서 이러한 침전물을 시스템으로부터 제거하고 폐수 스트림에 배출시킨다.

본 발명의 몇몇 실시양태는, 이온교환 연수화에 비해 감소된 수준의 박테리아 및 발열원을 가질 수 있는 일관성 있는 연수를 제공하는 것을 포함하는, 종래의 연수화 시스템에 비해 다양한 개선점을 제공한다. 더욱이, 본 발명의 실시양태는 염을 급수장치에 첨가할 필요가 없으므로 보다 친환경적이다.

나노여과 여과기 요소는 전형적으로 물과 대부분의 1가 이온이 통과하는 것을 허용하지만 대부분의 2가 이온이 통과하는 것을 실질적으로 억제하는 평균 기공 크기를 갖는다. 따라서, 연수화 장치는 이온을 물 스트림에 첨가하지 않고, 오히려 적어도 일부의 이온을 유입수류로부터 제거하고 이것을 폐기된 비투과 유출수류로 배출시킨다. 양성으로 하전된 막을 함유하는 여과기 요소를 포함하는, 다양한 상이한 나노여과 여과기 요소가 본 발명에 사용되기에 적합하다.

본 발명의 몇몇 실시양태의 상기 요약은 본 발명의 각각의 개시된 실시양태 또는 모든 실시를 기술하는 것은 아니다. 후술되는 도면 및 상세한 설명이 이러한 실시양태를 더욱 상세하게 예시해준다.

본 발명의 실시양태는 하기 설명에 설명되어 있고, 도면에 도시되어 있다. 유사한 도면부호는 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.

도 1은 3개의 나노여과 요소를 함유하는, 본 발명의 실시에 따라 제조된 나 노여과 연수화 시스템의 단순화된 도식적인 디자인을 보여준다.

도 2는 공급수가 표준 전방향 유동하도록 작동되는, 3개의 나노여과 요소를 함유하는, 본 발명의 실시에 따라 제조된 나노여과 연수화 시스템의 단순화된 도식적인 디자인을 보여준다.

도 3은 공급수가 역방향 유동하도록 작동되는, 도 2에 도시된 나노여과 연수화 시스템의 작동의 단순화된 도식적인 디자인을 보여준다.

도 4는 물 유동이 우회하는 플러싱 모드로 작동되는, 본 발명의 실시에 따라 제조된 나노여과 연수화 시스템의 단순화된 도식적인 디자인을 보여준다.

도 5는 나노여과 요소로부터 침전물을 제거하는 산 플러싱 모드를 위해 구성되고 이러한 모드에서 작동되는, 본 발명의 실시에 따라 제조된 나노여과 연수기의 단순화된 도식적인 디자인을 보여준다.

도 6은 연수화 시스템의 유량에 대한 산 세척 효과를 보여주는 그래프이다.

도 7은 연수화 시스템을 통한 물의 유량에 대한 나노여과 요소의 플러싱 효과를 보여주는 그래프이다.

도 8은 연수화 시스템을 통한 물의 유량에 대한 플러싱 및 유동 역전의 효과를 보여주는 그래프이다.

도 9는 연수화 시스템을 통한 물의 유량에 대한 산 세척의 효과를 보여준다.

도 10은 투과수 유량 및 제거율에 대한 시간의 효과를 보여준다.

도 11은 투과수 유량 및 경도에 대한 시간의 효과를 보여준다.

도 12는 보일러 공급물의 경우 투과수 유량에 대한 시간의 효과를 보여준다.

도 13은 투과수 유량 및 경도에 대한 시간의 효과를 보여준다.

도 14는 투과수 유량 및 제거율에 대한 시간의 효과를 보여준다.

바람직한 실시양태의 상세한 설명

본 발명의 하기 설명은 본 발명의 다양한 실시양태를 설명하는 것이다. 따라서, 전술된 특정 개조양태가 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되지 않는다. 해당 분야의 숙련자라면, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않게 다양한 동등양태, 변경양태 및 개조양태가 고안될 수 있다는 것을 명백하게 알 것이며, 이러한 동등한 실시양태가 여기에 포함된다는 것이 이해될 것이다.

본 발명의 한 실시양태에서는, 물을 연수화시키는 장치 및 방법, 특히 이온을 폐수 스트림에 첨가하지 않고서 물을 연수화시키는 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시양태는 연수화 시스템에서 사용되는 나노여과 여과기 요소의 작동수명을 연장시키는 방법 및 시스템, 및 연수화 시스템의 성능을 개선하는 방법 및 시스템을 제공한다. 이러한 개선점들 중 하나가, 나노여과 연수화 시스템을 통한 물의 유동을 주기적으로 역전시킴으로써 막의 물때 형성 및 오염을 회피하는 방법이다.

또한, 본 발명의 실시양태는 각각의 나노여과 막을 음용수로써 플러싱시킴으로써 과량의 칼슘 및 마그네슘 이온을 나노여과 요소로부터 제거하는, 플러싱 모드를 제공한다. 특정 실시양태에서, 이러한 플러싱은 약한 산을 사용하여 임의의 칼슘 및 마그네슘 침전물을 용해시키고, 이어서 이러한 침전물을 시스템으로부터 제거하고 폐수 스트림으로 폐기시킴을 포함한다.

본 발명의 실시양태는 연수화 시스템에서 사용되는 나노여과 여과기 요소의 작동수명을 연장시키는 방법 및 시스템, 및 연수화 시스템의 성능을 개선하는 방법 및 시스템을 제공한다. 이러한 방법 및 시스템은 직렬로 조립된 나노여과 요소들을 1개 이상, 흔히는 2개, 더욱 전형적으로는 3개 이상 갖는 다중-요소 나노여과 시스템에서 특히 유용하다. 이러한 나노여과 연수화 시스템에서, 음용수는 제 1 나노여과 요소에 들어가서, 연수화된 투과수류와 보유된 칼슘 및 마그네슘 이온을 함유하는 농축수류로 나누어진다.

연수화된 투과수류는 사용을 위해 이송되는데 반해, 제 1 나노여과 요소로부터 나온 농축수는 제 2 나노여과 요소로 이송된다. 제 2 나노여과 요소에서, 제 1 나노여과 요소로부터 나온 농축수는 다시 연수화된 투과수류와 보유된 칼슘 및 마그네슘 이온을 함유하는 농축수류로 나누어진다. 3-요소 시스템에서는, 제 2 나노여과 요소로부터 나온 농축수가 제 3 나노여과 요소로 이송되는데, 여기서 이것은 다시 연수화된 투과수류와 보유된 칼슘 및 마그네슘 이온을 함유하는 농축수류로 분리된다.

다중 나노여과 요소가 유리할 수 있는데, 왜냐하면 이것은 보다 효율적인 물 사용을 허용함으로써 전형적으로 보다 적은 양의 물이 폐수 스트림으로 배출되게 하기 때문이다. 그러나, 각각의 후속 나노여과 요소는 점점 더 높은 농도의 칼슘 및 마그네슘을 수용하게 된다. 그 결과 다양한 문제들, 가장 특히는 막이 칼슘 및 마그네슘 침전물로써 오염되는 문제가 생길 수 있다. 따라서, 예를 들면, 3-요소 시스템에서, 제 3 요소는 이러한 나노여과 요소 내의 막의 표면 상에 상당한 칼슘 침전물을 보유함으로써, 유속이 현저하게 감소할 수 있다. 어떤 경우에는, 이러한 침전물은, 나노여과 요소가 조기 교체되어야 할 정도로 막의 오염을 초래할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시의 일반화된 도면이 도 1에 있다. 도 1에 도시된 시스템(10)은 직렬로 연결된 3개의 나노여과 요소들(12, 14 및 16)을 포함한다. 전술된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 시스템은 3개보다 많거나 적은 나노여과 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 몇몇 실시에서, 시스템(10)은 단 2개의 나노여과 요소를 포함하는 반면에, 다른 실시에서, 시스템(10)은 4개, 5개 또는 그 이상의 요소를 포함한다. 또한, 저-pH 용액으로써 나노여과 요소를 플러싱시키는 것과 같은 본 발명의 특정 양태는 단 1개의 나노여과 요소만을 사용하여 수행되기에 적합하다.

도 1의 시스템(10)은 거주지 우물 또는 상수도로부터 공급되는 물과 같은 원수의 급수장치(70)를 포함한다. 도 1 및 후속 도면들은 주요 요소들 및 이러한 요소들의 배열을 명확하게 보여주기 위해 단순화되었다. 예를 들면, 시스템(10)은 일반적으로 유동 방향의 변화를 허용하는 수많은 밸브를 포함한다. 전형적으로 이러한 밸브는 도면에는 도시되지 않지만 물의 유동 표시로부터 암시된다.

급수장치(70)로부터 공급되는 물은 전형적으로 우선 1개 이상의 예비여과기 또는 처리 단계, 예를 들면 입자상 여과기(60) 및 활성탄소 여과기(62)를 통과한다. 이러한 여과기(60, 62)는 일반적으로는 임의적이며, 나노여과 요소(12, 14, 16)의 작동수명을 현저하게 개선할 수 있다. 물은 예비여과기(60, 62)를 통과한 후, (전형적으로는 플라스틱 또는 금속 파이프 또는 튜브인) 도관(20)을 따라 이동하여 제 1 나노여과 요소(12)에 들어간다. 나노여과 요소(12)에 들어간 물은 연수화된 투과수류, 및 나노여과 요소(12)에 들어간 물보다 더 높은 경도를 갖는 연수화되지 않은 농축수류로 나누어진다. 투과수류는 나노여과 요소(12)를 빠져나가서 도관(30)에 의해 보존탱크(holding tank)(40)로 이송되거나, 예를 들면 거주지 급수장치로 직접 배관을 통해 이동함으로써, 최종 사용을 위해 직접 이송된다.

농축수류는 나노여과 요소(12)를 빠져나가서 도관(22)에 의해 제 2 나노여과 요소(14)로 이송된다. 제 2 나노여과 요소(14)에 들어간 물은 다시 투과수류와 농축수류로 나누어진다. 투과수류는 도관(32)에 의해 보존탱크(40)로 이송되거나 최종 사용을 위해 직접 이송될 수 있다. 전형적으로 도관(30 및 32)을 통과한 투과수류도 유사하게 취급되어, 공동 보존탱크로 이송되거나 급수장치로 직접 이송된다. 나노여과 요소(14)로부터 나온 농축수류는 이러한 농축수류를 나노여과 요소(16)로 이송하는 도관(24)에 의해 요소(1)를 빠져나간다. 나노여과 요소는, 요소(12)로부터 나온 농축수류보다 더 농축된 농축수류를 요소(14)로부터 받아들여, 그것을 나노여과 요소(16)로 이송한다. 나노여과 요소(16)는 다시 유입수류를 2가지의 상이한 유출수류로 분리한다. 그 중 첫번째는 연수화된 투과수류로서, 이것은 도관(34)에 의해 요소(16)를 빠져나가서, 보존탱크(40)로 들어가거나 연수로서 사용된다. 나노여과 요소(16)로부터 나온 농축수류는 도관(26)을 통해, 전형적으로는 오수관 또는 기타 폐수 목적지인 배출 목적지(50)로 배출된다.

도 2는 염, 특히 칼슘 및 마그네슘 염이 나노여과 요소 상에 침전되는 것을 억제하거나 감소시키기 위해, 나노여과 시스템(10)이 나노여과 요소(12, 14, 16)를 통한 유동을 역전시킬 수 있다는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 것과 유사한 나노여과 시스템을 도시한다. 화살표는 도 2의 시스템(10)에서의 물의 유동 방향을 나타낸다. 나노여과 연수화 시스템(10)은 물이 급수장치(70)로부터 도관(26)으로 유동하도록 허용하는 추가의 도관(25)을 포함하는데, 물은 이러한 도관을 통해 나노여과 요소(16)에 들어간 후, 나노여과 요소(14)에 들어가고, 최종적으로 나노여과 요소(12)에 들어가고, 나노여과 요소(12)를 빠져나오고, 도관(27)에 의해 배출 도관(31)으로 들어가서 배출 목적지(50)로 유도된다. 도관(34, 32 및 30)은 연수화된 투과수를 나노여과 요소로부터 계속 제거하는 반면에, 도관(24 및 22)은 나노여과 요소들을 연결시킨다.

도 2에 도시된 바와 같은 시스템의 장점은, 이것은 물 유동이 막을 통해 주기적으로 역전되도록 물 유동의 순환을 허용한다는 것이다. 제 1 기간에서, 물은 제 1 방향으로 유동하는 반면에 제 2 기간에서 물은 반대 방향으로 유동한다. 이렇게 하여, 칼슘 및 마그네슘 이온의 과다한 농축물이 최종 나노여과 막 상에서 형성되어 이온이 막 상에 침전되는 것이 회피된다. 공급수 특성에 따라, 어떤 침전물은 유동의 역전시 나노여과 막으로부터 제거될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 것과 동일한 나노여과 연수화 시스템을 도시하지만, 유동 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 나노여과 요소(12, 14, 16)를 통한 유동 순서가 역전되어 있다.

다양한 나노여과 여과기 요소가 본 발명에서 사용될 수 있다. 여과기 요소 는 적합하게 높은 유속 및 회수율을 제공하면서 비교적 저압에서 경수를 연수화하는데 사용되기에 적합해야 한다. 따라서, 모든 나노여과 요소가 적당한 경이온 제거율, 물 유속 및 물 회수율을 제공하는 것은 아니다. 적합한 나노여과 요소가 보다 상세하게 후술된다.

나노여과 요소 크기는 일반적으로 이것의 용도에 따라 선택된다. 따라서, 나노여과 요소의 길이, 너비 및 표면적은 모두, 특정 용도에 대한 연수화 장치의 적합성을 개선하도록 선택될 수 있다. 나노여과 요소는 나선형으로 권취된 막, 중공 섬유 및 관형을 포함하는 다양한 구조를 갖는다. 일반적으로 나노여과 요소는 나선형으로 권취된 막이다.

나노여과 요소는 일반적으로 2.0 제곱미터 초과 내지 40 제곱미터 미만, 더욱 전형적으로는 7 내지 40 제곱미터의 표면적을 갖는다. 나노여과 요소는, 거주지에 꼭 맞지 않는 큰 외장의 제조를 필요로 할 정도로 길어서는 안된다. 일반적으로, 나노여과 요소는, 연수화 장치가 가정의 설치 장소에 꼭 맞도록 하는 것으로 선택된다. 적합한 요소는 예를 들면 40 내지 125 센티미터의 총 여과기 길이를 가질 수 있다. 본 발명에서 사용되기에 적합한 나노여과 요소는 전형적으로 5 내지 25 ㎝의 직경을 갖는다.

연수화 장치에 사용되기에 적합한 나노여과 막은, 예를 들면, 폴리아미드 박막 복합 막인 다우 필름 텍 NF90(Dow Film Tec NF90), 폴리아미드 박막 복합 막인 다우 필름 텍 NF270, 폴리아미드 박막 복합체인 다우 필름 텍 NF 200, 방향족 폴리아미드 박막 막인 트리셉(Trisep) TS 83, 방향족 폴리아미드인 트리셉 TS 80, 및 폴리아미드 박막 복합체인 PTI-AFM NP, 및 박막 복합 폴리아미드 막인 코치 멤브레인즈(Koch Membranes) TFC-SR1을 포함한다. 약 5 내지 15％의 용질 통로, 21.4 LMH의 유량, 15 ppm의 총 경도, 3 ppm의 칼슘 이온 및 2 ppm의 마그네슘을 갖는 NF90이 특히 유용한 막인 것으로 입증되었다.

하기 표 1은 6가지의 상이한 막을 사용한 결과, 및 수돗물을 사용시 투과수 및 공급수의 경도를 분석한 것을 보여준다. 모든 실험을 실온에서 평판형(flat sheet) 막을 사용하여 70 psi에서 수행하였다.

샘플	유량(LMH)	총 경도(ppm)	칼슘(ppm)	마그네슘(ppm)
초기 공급물	N/A	182	45	17
NF90	21.4	15	3	2
NF270	38	117	32	9
NF200	9.5	101	32	5
트리셉 TS 83	15.8	61	16	5
트리셉 TS 80	18.8	40	16	0
PTI-AFM NP	26.4	117	32	9

일반적으로, 본 발명에 사용되기에 적합한 나노여과 요소는 대부분의 거주지 고객의 요구를 충족시키기에 충분히 높은 물 유속 및 회수율을 제공하기 위해서, 비교적 저압에서 나노여과 요소를 통한 충분한 물 유속과 높은 2가 이온 제거율을 갖는다. 이러한 2가 이온은 칼슘 및 마그네슘과 같은 수많은 경이온을 포함한다. 유속이란 여과기를 통한 평균 최대 유속을 의미한다. 회수율이란 연수기에 들어간 물의 양에 비해, 연수로서 회수되는 유입수의％를 의미한다. 이러한 특정 변수는 모두 개별적으로도 중요하지만, 거주지 및 소규모 사업장에서 사용되기에 적합한 연수기를 제공하기 위해서는 이러한 변수들의 조합이 특히 중요하다.

나노여과 여과기 요소는 전형적으로 물과 1가 이온이 통과하는 것을 허용하지만 2가 이온, 특히 물의 경도와 관련된 2가 이온이 통과하는 것을 실질적으로 제지하는 평균 기공 크기를 갖는다. 비록 다양한 이온이 제거율을 측정하는데 사용될 수 있지만, 이러한 결정을 하는데 적합한 이온은 칼슘 이온이다. 본 발명에 사용되기에 유용한 전형적인 나노여과 여과기 요소는 통상적으로 작동 조건에서 80％ 초과의 칼슘 이온이 여과기 요소에 통과하는 것을 제지한다. 보다 적합한 여과기 요소는 작동 조건에서 85％ 초과의 칼슘 이온이 여과기를 통과하는 것을 제지한다. 더욱 더 적합한 여과기 요소는 90％ 초과의 칼슘 이온 제거율을 갖는다. 나노여과 요소는 충분한 투과수 유량을 가져야 한다. 예를 들면, 특정 실시양태에서, 나노여과 요소를 통한 탈이온수 유량은 30 내지 60 psi에서 약 30 리터/여과기 막 제곱미터/시간(lmh)이다.

적합한 나노여과 요소는 전형적으로 20 내지 500, 더욱 더 통상적으로는 100 내지 400, 가장 통상적으로는 200 내지 300의 분자량 여과 컷-오프 직경을 갖는다. 본원에서 사용된 여과 컷-오프(분자량으로서 표현됨)는 여과 측정에서 사용되는 관례에 따르며, 고속으로 제거되는 물질의 분자량 범위를 지칭한다. 그러나, 일반적으로 컷-오프 범위 내의 분자량을 갖는 소량의 물질은 이러한 막을 통과할 것이다. 또한, 컷-오프 범위 밖에 있는 분자들은 비교적 빠른 속도로 제거될 수 있지만, 이러한 제거는 컷-오프 범위 내의 분자들보다 더 느린 속도로 일어난다. 보다 높은 분자량 컷-오프를 갖는 여과기를 사용함으로써, 물 유속을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 200 내지 300의 분자량 컷-오프 범위를 갖는 여과 요소를 사용하여, 칼슘 이온의 충분한 제거 및 적당한 물의 통과를 달성한다.

장치는 유리하게는, 유입수류에 비해 총 염 수준을 크게 증가시키지 않도록 구성된다. 따라서, 연수화 장치는 이온을 물 스트림에 첨가하지 않고, 오히려 유입수류로부터 적어도 일부의 이온을 제거하여 이것을 비투과 유출수류에 배출시킨다. 양성으로 하전된 막을 함유하는 여과기 요소를 포함하는 다양한 상이한 나노여과 여과기 요소가 본 발명에 사용되기에 적합한데, 왜냐하면 이러한 막은 일반적으로 양성 2가 경이온을 쫓아내고 막을 통한 이것의 통과를 제한하기 때문이다.

본 발명의 연수기는 일반적으로 거주지(및 유사한) 용도에 필요한 소규모로 높은 품질의 연수화를 제공하도록 디자인된다. 연수기는 통상적으로, 연수화되고 저장된 물을 함유하는 저장기 또는 압력탱크가 필요없을 정도로 충분한 물 유속을 제공한다. 따라서, 연수기는 통상적으로 전형적인 가정의 요구를 충족시키도록 적당한 즉각적인 연수화를 제공한다. 저장 탱크를 사용할 필요가 없다는 것은 고객에게 이로운 점인데, 왜냐하면 미생물에 의한 저장 탱크의 오염 가능성이 감소하기 때문이다. 또한, 저장 탱크를 사용할 필요가 없기 때문에 연수화 장치의 크기 및 비용이 감소한다. 그러나, 몇몇 용도에서는, 최대 물 수요를 충족시키도록 적어도 약간의 연수를 저장하기 위한 용기가 사용된다.

나노여과 요소의 성능 및 수명을 개선하기 위해서 다양한 예비여과기가 본 발명에 사용되기에 적합하다. 예를 들면, 나노여과 여과기 요소를 폐색시킬 수 있는 큰 현탁 물질을 제거하는데에 예비여과기가 사용될 수 있다. 본 발명에 사용되기에 적합한 기타 예비여과기는 유입수 공급원으로부터 철을 제거하는 철 예비여과기, 유입수 공급원으로부터 침강물을 제거하는 침강물 예비여과기, 유입수 공급원으로부터 염소를 제거하는 염소 예비여과기, 및 세균, 원생동물 및 기타 미생물을 제거하는 생물학적 예비여과기이다.

예비여과기를 사용하는 외에도, 물때 형성을 초래하지 않으면서 유속을 개선하기에 충분히 물을 가열하거나, 물때 형성을 억제하도록 유입수를 자기적으로 전처리함으로써, 물을 전처리하여 성능을 개선할 수 있다. 화학적 전처리와 같은 기타 전처리 단계가 본 발명의 실시에서 사용되기에 적합하다.

일반적으로, 본 발명에서 연수화되는 물은 지하수 공급원으로부터 제공되는 것과 같은 음용수이다. 예를 들면, 물은 개인 거주지 우물, (전형적으로는 지하수를 함유하는) 상수도 또는 기타 공급원으로부터 공급될 수 있다. 비록 공급된 물은 통상적으로 음용수이지만, 특정한 실시에서는 (와포자충과 같은) 오염물을 제거하는 예비여과기를 제공함으로써 비적정 음용수를 사용할 수 있다.

본 발명의 연수기는 통상적으로는, 통상적인 이온교환 연수기에 요구되는 공간과 동일하거나 더 작은 공간에 설치될 수 있는 크기를 갖는다. 따라서 이러한 연수화 장치가 기존 연수기를 대체할 수 있다. 특정 실시에서, 본 발명의 연수기는 유사한 연수화 능력을 갖는 이온교환 연수기보다 훨씬 더 작도록 구성된다. 이렇게 크기가 감소될 수 있는 이유는 본 발명의 연수기가 이온교환 매체 또는 재충전 탱크를 가질 필요가 없기 때문이다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 연수기는 전형적으로, 비교적 저압, 일반적으로는 250 psig 미만에서 작동될 수 있도록 구성되고 배열된다. 저압을 사용하므로 값비싼 가압 설비를 사용할 필요가 없다. 본 발명의 특정 실시양태는 24 시간 당 200 갤론 이상의 투과수 유출 유속을 갖도록 구성되고 배열된 장치를 제공한다. 일반적으로 이러한 장치는 분당 10 갤론 미만, 더욱 더 일반적으로는 분당 5 내지 10 갤론인 투과수 최대 유출 유속을 가질 수 있다. 연수화 장치는 일반적으로 매우 효율적이며, 유입수류의 80％ 초과를 함유하는 투과수 유출류를 생성할 수 있다. 특정 실시양태에서, 투과수 유출류는 유입수류의 90％ 초과를 함유한다. 투과수 유출류는 일반적으로 예를 들면 갤론당 1.5 그레인 미만의 경도를 가질 수 있다.

특정 실시양태에서, 막 요소들 사이의 유동을 역전시키고 농축물을 공급물로써 플러싱시켜, 개선된 성능을 달성하고 오염을 감소시켜, 지속가능한 유량을 유지하는 것을 도움으로써, 막 요소의 기능을 개선한다.

본 발명의 실시양태는, 막을 산성 용액으로써 플러싱시켜 칼슘 및 마그네슘 침전물을 용해시킴으로써, 나노여과 연수화 요소를 재생시키는 것에 관한 것이다. 산 헹굼을 전형적으로는 나노여과 시스템이 최종 사용을 위해 물을 연수화시키도록 기능하지 않는 동안에 수행하는데, 따라서 임의의 산 헹굼 기능을 예를 들면 늦은 밤과 같이 물 사용량이 적은 시간 동안 수행하도록 시간계획을 짜는 것이 바람직하다. 또한, 일반적으로 플러싱되는 나노여과 요소는, 산성 물이 최종 사용자에게 이송되지 않는 폐쇄회로에서 산이 나노여과 요소를 통해 플러싱될 수 있도록, 시스템의 나머지로부터 용이하게 단리된다. 그 대신에, 산으로써 나노여과 요소를 플러싱한 후에, 산성 물을 오수관, 전형적으로 최종 나노여과 요소로부터 농축물을 운반하는 배관과 동일한 배관을 통해 배출시킬 수 있다.

나노여과 요소를 재생시키는데 사용되는 산은 바람직하게는 식품의약국(FDA)에 의해 인간 사용이 승인된 것이며, 식품-등급인 것이다. 적합한 산은 예를 들면 아세트산, 염산 및 락트산, 및 이것들의 조합을 포함한다. 기타 적합한 산은 인산, 시트르산, 질산, 황산 등을 포함한다. 바람직한 혼합물은 예를 들면 2 내지 3％의 아세트산, 3 내지 5％의 염산, 및 0.05 내지 0.1％의 락트산을 포함한다.

적합한 pH 수준은 예를 들면 2 내지 2.5의 pH를 포함한다. 허용가능한 pH 수준은 종종 6.0 미만, 전형적으로는 5.0 미만이고, 4.0 미만일 수 있고, 몇몇 실시에서는 3.0 미만이다. 산 용액은 승온에서 보다 효과적일 수 있으므로, 시스템은 산 용액을 나노여과 요소를 통해 이송시키기 전에 산 용액을 가온시키는 가열기를 포함할 수 있다. 산 플러싱에 적합한 온도는 예를 들면 25 ℃ 초과, 30 ℃ 초과, 40 ℃ 초과, 및 50 ℃ 미만이다. 마찬가지로, 25 내지 45 ℃, 30 내지 40 ℃, 및 40 내지 45 ℃의 온도 범위가 사용될 수 있다.

도 6은 나노여과 요소로부터의 유량의 증가를 촉진하기 위해 나노여과 막을 통해 산 헹굼을 사용하는 것의 효과를 보여준다. 도 9, 10 및 11에 도시된 실험을, 막 면적이 약 22.3 제곱미터인 다우 필름 텍 NF90-4040 막을 사용하여 수행하였다. 미국 미네소타주 새비지의 수돗물을 47 psi의 압력 및 18 ℃의 온도에서 처리하였다. 막은 분당 2.25 갤론의 최초 탈이온수 유량을 가졌지만, 160 시간 동안 14,250 갤론의 물을 연수화시킨 후에는, 막은 유량이 분당 약 0.75 갤론으로 감소될 정도로 오염되었다. 오염된 막을 30 내지 45 분 동안 3 내지 5％의 염산 용액을 함유하는 물 10 갤론으로써 세척함으로써, 유량을 분당 1.25 갤론으로 증가시켰다. 오염된 막을 30 내지 45 분 동안 0.05 내지 0.1％의 락트산을 함유하는 3 내지 5％의 염산 용액 10 갤론으로써 세척함으로써, 탈이온수 유량을 분당 2.2 갤론으로 증가시켰다. 도 10은 투과수 유량 및 제거율에 대한 시간의 효과를 보여주는데, 시간 경과에 따라 유량이 감소할 때에도, 제거율은 95％를 초과하도록 유지된다는 것을 입증하며, 도 11은 투과수 유량 및 경도에 대한 시간의 효과를 보여주는데, 시간 경과에 따라 유량이 감소할 때에도, 총 투과수 경도는 약 15 ppm 미만으로 유지된다는 것을 입증한다. 도 10 및 도 11은 둘 다, 본 발명의 실시양태가 장기간의 연수화 용도에 특히 적합하다는 것을 입증한다.

몇몇 실시양태에서, 나노여과 막을 30 ℃ 이상의 온도에서 4 내지 4.5의 pH를 갖는 산성 용액으로써 100 시간 마다 5분 동안 플러싱시킨다. 또다른 실시에서는, 나노여과 막을 25 ℃ 이상의 온도에서 3 내지 3.5의 pH를 갖는 산성 용액으로써 100 시간 마다 5분 동안 플러싱시킨다. 또다른 실시에서는, 나노여과 막을 20 ℃ 이상의 온도에서 2 내지 2.5의 pH를 갖는 산성 용액으로 100 시간 마다 5분 동안 플러싱시킨다.

본 발명의 또다른 실시양태에서, 보일러의 유효 장기간 사용 기간 동안 보일러 공급수로부터 경이온을 제거하는 방법 및 장치가 제공된다. 보일러 공급수의 경도를 최소화함으로써, 보일러의 수명을 연장시킬 수 있고 보일러를 작동시키는데 드는 에너지 비용 및 화학적 처리 비용을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 실시양태는 보일러 공급수의 처리를 위해 전술된 실시양태들 중에서 임의의 하나 또는 조합을 사용한다. 또한 전술된 바와 같은 나노여과 전에, 유입된 보일러 공급수의 조성에 따라 해당 분야에 공지된 탄소 또는 기타 여과기 또는 기타 처리 방법을 사용하여, 보일러 공급수를 전처리할 수 있다. 도 12를 보자면, 투과수 유량에 대한 시간의 효과가 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 장기간 사용 후에, 즉 800 시간 초과하게 중단없이 계속 작동된 후에, 유량은 33％ 감소한다. 무기 산 또는 유사한 것으로써 처리시, 최초 유량은 복구될 수 있다. 도 13을 보면, 투과수 유량 및 경도에 대한 시간의 효과가 도시되어 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 장기간 사용 후에, 즉 800 시간 초과하게 중단없이 계속 작동된 후에, 경도는 약 8 ppm 미만으로 유지되며, 이는 보일러 공급수 용도에서의 본 발명의 방법 및 장치의 적용가능성을 보여준다. 도 14를 보자면, 투과수 유량 및 제거율에 대한 시간의 효과가 도시되어 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 장기간 사용 후에, 즉 800 시간 초과하게 중단없이 계속 작동된 후에, 제거율은 약 95％ 초과하게 유지되며, 이는 역시 보일러 공급수 용도에서의 본 발명의 방법 및 장치의 적용가능성을 보여준다.

해당 분야의 숙련자라면, 본원에서 개시된 발명의 상세한 설명 및 실시를 숙지하면, 본 발명의 기타 실시양태를 명백하게 알게 될 것이다. 이러한 상세한 설명은 단지 예일 뿐이며, 본 발명의 완전한 범주 및 개념은 후술되는 청구의 범위에 명시되어 있다.

전술된 상세한 설명에서, 본 발명은 본 발명의 특정 바람직한 실시양태에 대해 기술되었고 많은 세부사항들이 예시를 목적으로 기술되었지만, 해당 분야의 숙련자라면, 추가의 실시양태가 허용되며 본원에서 기술된 특정 세부사항은 본 발명의 기본 원칙에서 벗어나지 않게 상당히 다양하게 변경될 수 있다는 것을 명백히 알 것이다.

Claims (25)

1. (i) 적어도 제 1 나노여과 요소를 제공하고,

   (ii) 제 1 나노여과 요소와 직렬로 연결된, 적어도 제 2 나노여과 요소를 제공하고,

   (iii) 음용수 공급원을 제공하고,

   (iv) (a) 음용수를 우선 제 1 나노여과 요소에 제 1 기간 동안 통과시켜 음용수 공급원보다 더 낮은 경도를 갖는 연수의 제 1 투과 스트림 및 음용수 공급원보다 더 높은 경도를 갖는 물의 제 1 농축 스트림을 생성하고, (b) 이어서 제 1 농축 스트림을 제 2 나노여과 요소에 통과시켜 음용수 공급원보다 더 낮은 경도를 갖는 연수의 제 2 투과 스트림 및 음용수 공급원보다 더 높은 경도를 갖는 물의 제 2 농축 스트림을 생성하고,

   (v) 음용수의 유동을 역전시켜, (a) 음용수 공급원으로부터 나온 음용수를 우선 제 2 나노여과 요소에 제 2 기간 동안 통과시켜 음용수 공급원보다 더 낮은 경도를 갖는 연수의 투과 스트림 및 음용수 공급원보다 더 높은 경도를 갖는 물의 농축 스트림을 생성하고, (b) 이어서 농축 스트림을 제 1 나노여과 요소에 통과시켜 음용수 공급원보다 더 낮은 경도를 갖는 연수의 투과 스트림을 생성하고,

   단계(iv)와 단계(v)를 반복하는 것을 포함하는, 물의 연수화 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 나노여과 요소가 80％ 이상의 칼슘 이온을 제거하도 록 구성된 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 제 1 나노여과 요소가 80％ 이상의 칼슘 이온을 제거하도록 구성된 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 제 1 나노여과 요소와 제 2 나노여과 요소 사이에 제 3 나노여과 요소를 추가로 포함하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 제 1 기간이 2시간 미만 지속되는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 제 1 기간이 1시간 미만 지속되는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 제 1 기간이 30분 미만 지속되는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 제 1 기간이 10분 이상 지속되는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 제 2 기간이 2시간 미만 지속되는 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 제 2 기간이 1시간 미만 지속되는 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 제 2 기간이 30분 미만 지속되는 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 제 2 기간이 10분 이상 지속되는 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 30 초 이상의 시간 동안 나노여과 여과기 요소를 퍼징(purging)하는 것을 추가로 포함하는 방법.
14. 제 1 항에 있어서, 5 분 미만의 시간 동안 나노여과 요소를 퍼징하는 것을 추가로 포함하는 방법.
15. 제 1 항에 있어서, 연수화 기간의 10％ 미만의 시간 동안 나노여과 요소를 퍼징하는 것을 추가로 포함하는 방법.
16. 제 1 항에 있어서, 연수화 기간의 5％ 미만의 시간 동안 나노여과 요소를 퍼징하는 것을 추가로 포함하는 방법.
17. 제 1 항에 있어서, 산 조성물로 시스템을 퍼징하는 것을 추가로 포함하는 방법.
18. 제 1 항에 있어서, 산이 염산, 아세트산, 락트산 및 이것들의 조합으로 이루 어진 군에서 선택되는 방법.
19. 제 1 항에 있어서, 산이 인산, 황산, 시트르산 및 이것들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
20. (i) 80％ 이상의 칼슘 이온을 제거하도록 구성된 제 1 나노여과 요소를 제공하고,

    (ii) 제 1 나노여과 요소와 직렬로 연결된, 80％ 이상의 칼슘 이온을 제거하도록 구성된 제 2 나노여과 요소를 제공하고,

    (iii) 음용수 공급원을 제공하고,

    (iv) 제 1 기간 동안, 음용수를 제 1 나노여과 요소에 통과시키고 이어서 제 2 나노여과 요소에 보내고,

    (v) 제 1 기간보다 더 짧은 제 2 기간 동안, 음용수의 유동을 역전시켜 음용수를 제 2 나노여과 요소에 통과시키고 이어서 제 1 나노여과 요소에 보내고,

    이러한 방법의 수행 동안 단계(iv)와 단계(v)를 반복하는 것을 포함하는, 물의 연수화 방법.
21. 제 20 항에 있어서, 제 3 여과 요소를 추가로 포함하고, 상기 제 3 여과 요소는 상기 제 1 요소와 상기 제 2 요소 사이의 수류가 제 3 요소에 통과하도록 제 1 요소와 제 2 요소 사이에 위치한 방법.
22. 제 20 항에 있어서, 제 1 기간이 20 내지 30 분이고, 제 2 기간이 20 내지 30 분인 방법.
23. 제 20 항에 있어서, 산을 첨가하는 것을 추가로 포함하는 방법.
24. 제 20 항에 있어서, 유입류가 제곱인치당 10 내지 200 파운드의 압력으로 제공되는 방법.
25. 제 20 항에 있어서, 유입류가 제곱인치당 25 내지 50 파운드의 압력으로 제공되는 방법.

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