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KR20090060351A - 탈염을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

탈염을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20090060351A
KR20090060351A KR1020097008076A KR20097008076A KR20090060351A KR 20090060351 A KR20090060351 A KR 20090060351A KR 1020097008076 A KR1020097008076 A KR 1020097008076A KR 20097008076 A KR20097008076 A KR 20097008076A KR 20090060351 A KR20090060351 A KR 20090060351A
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seawater
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nanofiltration
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KR1020097008076A
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프레더릭 씨. 윌킨스
애닐 디. 자
개리 씨. 간지
Original Assignee
지멘스 워터 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명은 물을 정제하는 방법 및 시스템을 제공한다. 공급수, 예컨대, 해수는 필터, 예컨대, 미세다공성 또는 나노여과 막에 제공되어서, 전기탈이온화 시스템에 공급되어 신선한 물을 생성시키는 투과물을 생성시킨다.

Description

탈염을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DESALINATION}
본 발명은 물을 정제하는 방법 및 장치, 및 여과 및 전기탈이온화를 이용한 물의 탈염에 관한 것이다.
음용, 산업용 및 농업용의 신선한 물에 대한 증가하고 있는 세계적인 요구는 공급원으로서 해수, 기수(brackish water), 또는 그 밖의 염도 상승된 물을 사하는 정수 방법에 대한 요구가 증가하고 있다. 용존 고형물, 예컨대, 염의 제거를 통한 높은 염도의 물의 정제는 증류 및 역삼투(RO)를 포함한 몇 가지 방법으로 성취되고 있다. 이들 방법은 해수 또는 그 밖의 기수의 전처리된 공급물로 출발하고, 이어서 인간의 소비 또는 그 밖의 목적에 적합한 수준으로 물을 정수(예, 탈염)한다. 해수 및 종종 기수는 대량의 출발 재료이지만, 현재의 RO 또는 증류 기술을 사용하여 그러한 대량의 재료를 식수로 전환시키는데 요구되는 에너지는 종종 비용이 아주 비싸다.
낮은 환경적 충격을 주는 효율적인 기술이 개발될 수 있다면, 해양은 물의 무한한 공급원이다. 장치 비용이 아주 높을 수 있지만, 높은 염분수를 탈염시키는데 있어서의 지속적인 최대의 지출은 에너지이다. 에너지 효율에서의 작은 개선은 상당한 비용절감을 유도할 수 있는데, 그 이유는 탈염 시스템에 의해서 전형적으로 처리되는 물의 방대한 양 때문이다.
예를 들어, RO 공정에 의해서 해수로부터 음용수를 생산하는데 요구되는 에너지는 주로 공정 동안의 압력 손실 비효율성과 함께 해수의 삼투압을 극복하는데 요구되는 에너지로 구성된다. RO 투과물 및 RO 해수 둘 모두(종종, 시스템에 공급된 전체 물의 70%는 폐수로 손실된다)는 가압되어야 하기 때문에, RO 에너지 소모는 탈염을 위한 이론적인 열역학적 최소치보다 매우 높다. 고가의 기계적 압력 회수 장치가 가압에 요구되는 손실 에너지중 일부를 회수하고자 하는 기획에 일반적으로 요구된다.
해수는 전형적으로는 약 20,000 내지 40,000ppm(mg/l)의 전체 용존 고형물(TDS)을 함유하며, 기수 공급원은 2,000ppm 내지 20,000ppm TDS를 포함할 수 있다. 이들 용존 고형물은 다양한 일가, 이가, 다원자가, 및/또는 다가 염 또는 화학종을 포함하며, 염화나트륨이 전형적으로는 전체 고형물 함량의 약 75% 이상을 차지한다.
증발 방법, 예컨대, 증류는 음용수를 생산하는데 통상적으로 사용되고 있지만, 이들 방법은 전형적으로는 역삼투 기술을 이용하는 시스템에서 요구되는 에너지의 양보다 큰 에너지를 요한다. 추가로, 이들 시스템은 전형적으로는 복잡한 열 회수 기술을 이용하여 에너지 효율성을 개선시키고 있다. RO 또는 증류 기재 방법은 상승된 압력 또는 온도에서 작동하기 때문에, 및 높은 염분수는 매우 부식성이기 때문에, 외래 금속 및 합금은 작동 조건에 견뎌야 하며, 그로 인해서, 에너지를 절감하기 위해서 이들 공정에서 복잡한 장치를 추가해야 할 필요성이 장치에 대한 초기 비용을 증가시키며 장치에 대한 신회성을 크게 감소시킨다.
역삼투 기술은 해수로부터 이온성 화합물을 제거하는데 효과적일 수 있다. 그러나, RO 시스템의 한 가지 심각한 단점은 RO 막이 일가 염에 비해서 높은 범위로 비-일가 또는 다가 염을 선택적으로 거부한다는 것이다. 따라서, 대부분 이가 이온, 예컨대, 칼슘 및 마그네슘이 농업용으로 실질적으로 유익한 경우인 농업과 같은 적용분야에서의 정제 목적의 경우에, 이들 이온은 선택적으로 거부되어, 필요한 작동 압력 보다 더 높은 압력, 막 오염 및 스케일링에 대한 증가된 가능성 및/또는 작물 생산에서의 사용을 위한 유용한 무기물의 손실을 초래한다.
3.5% 이상의 고형물을 함유하는 해수와 1,000ppm 또는 500ppm TDS 미만의 음용수 사이의 삼투압에서의 차이는 고압을 이용하여 음용 품질의 투과물을 생산하여서 열역학적 자유 에너지 포텐셜을 간단히 극복할 것을 요한다. 실시상, 해수는 일반적으로 상승된 물 회수율로 처리되어 처리를 위해서 준비될 필요가 있는 물의 양을 감소시킴으로써 전처리 비용을 감소시키기 때문에, 요구된 삼투압은 3.5% 고형물의 해수를 처리하는데 요구된 삼투압보다 더 높다. 예를 들어, RO 시스템에서 사용된 압력은 전형적으로는 800, 900 또는 1,000psi 보다 더 크며, 높은 압력 작동, 부식 내성, 에너지 손실 회피, 및 이가 선택성 및 실리카 거부로 인한 스케일링의 방지를 실질적으로 고려하면, 약 30% 내지 40%의 물 회수율(전체 물 생산에 대한 제품 물 생산의 비율)로 제한된다. 이러한 제한은, 약 67%에서 약 33%로의 물의 회수율의 변화가 전처리 장치 비용을 두 배가 되게 하고 주어진 순수한 물 수요에 대한 전체 물 소비가 두 배가 되게 한다는 점을 고려할 때, RO 시스템에 대한 아주 높게 증가하는 전처리 및 물의 사용 비용을 초래한다. RO 막에서의 및 에너지 재사용 기술에서의 최근의 진보는 RO 시스템을 사용하여 음용수를 생산하는 파워 소비를 생산된 물 1,000갈론당 약 7 내지 14kwh(14kwh/kgal)으로 저하시킨다.
공정의 조합을 이용한 대안적인 기술이 또한 해수를 신선한 물로 전환시키는데 있어서 에너지 소모를 저하시킨다. 예를 들어, 2-경로 나노여과 시스템은 첫 번째 단계에서의 약 500psi와 두 번째 단계에서의 약 250psi의 전체 약 750psi의 작업 압력을 이용한 음용수의 생산을 가능하게 하는 것을 입증하고 있다. 에너지 사용은 작동 압력에 관한 것이기 때문에, 약 750psi의 전체 작업 압력은 800psi보다 큰 압력에서 작동하는 전형적인 RO 시스템에 비해서 더욱 에너지 효율적인 시스템을 제공한다. 이와 관련하여 부옹(Vuong)의 미국특허공보 US2003/0205526호의 교시사항을 참조할 수 있으며, 본원에서는 상기 공보를 참조로 통합한다.
해수로부터 신선한 물을 생산하는데 사용되는 또 다른 방법에서, 나노여과 기술이 RO 또는 플래쉬 증류 기술중 하나와 결부되어 사용되고 있다. 예를 들어, 하산(Hassan)의 미국특허 제6,508,936호의 교시사항을 참조할 수 있으며, 본원에서는 상기 특허를 참조로 통합한다.
발명의 요약
본 발명의 주제는, 일부의 경우에, 상호관련된 제품, 특정한 문제에 대한 대안적인 해결책, 및/또는 단일의 시스템 또는 물품의 다양한 상이한 용도와 관련될 수 있다.
본 발명의 한 가지 특징으로, 물을 정제하는 방법이 제공된다. 그러한 방법은 1,000ppm 초과의 전체 용존 고형물을 포함하는 공급수를 나노여과 장치에 제공하여 전체 용존 고형물이 감소된 제 1 여액을 생산하고, 제 1 여액을 전기탈이온화 장치에 제공하여 전체 용존 고형물 약 1,000ppm 미만을 포함하는 제 2 여액을 생산하는 하나 이상의 작업을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 해수를 탈염시키는 장치가 제공된다. 그러한 장치는 나노여과 디바이스 및 나노여과 디바이스와 유체 소통관계에 있는 전기탈이온화 디바이스를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 해수 또는 그 밖의 고염분 물 공급원을 처리하여 전체 용존 고형물을 감소시키는 방법이 제공된다. 그러한 방법은 공급수를 수처리 장치를 통해서 통과시키면서 여액의 kgal 당 약 7 kwh 미만의 양의 에너지를 장치에 가하고, 전체 용존 고형물 약 1,000ppm 미만을 포함하는 여액을 장치로부터 제거하는 하나 이상의 작업을 포함한다.
또 다른 구체예에 따르면, 본 발명은 해수를 처리하는 방법에 관한 것이다. 그러한 방법은 제 1 단계로 해수로부터 하나 이상의 비-일가 화학종의 농도를 감소시키고, 제 2 단계로 해수로부터 하나 이상의 일가 화학종의 농도를 감소시켜서 약 1,000ppm 미만의 TDS를 지니는 물을 생산하는 작업을 포함한다. 제 1 단계 및 제 2 단계는 생성물 물 kgal당 약 7kwh 미만의 에너지 소모율로 수행된다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 본 발명은 물로부터 일가 용존 화학종의 농도를 감소시켜서 부산물 스트림을 생산하고, 물로부터 이가 용존 화학종의 농도를 감소시키고, 전기탈이온화 디바이스에서 물로부터 용존 고형물의 농도를 약 1,000ppm 미만으로 감소시키는 작업을 포함하여 용존 고형물을 지니는 물을 처리하는 방법에 관한 것이다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 그 밖의 이점, 특징 및 사용은 본 발명의 비-제한 구체예에 대한 이하 기재되는 상세한 설명을 개략적이며 실제 크기가 아닌 첨부된 도면과 함께 고려할 때 자명하게 될 것이다. 명확성을 위해서, 본 기술분야의 전문가가 본 발명을 이해하는데 있어서 예시가 필요하지 않은 경우, 모든 부품을 표시하지는 않을 뿐만 아니라, 본 발명의 각각의 구체예의 모든 부품을 도시하지는 않는다.
도면에서,
도 1은 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 추가의 구체예에 따른 시스템을 예시하는 개략도이다.
상세한 설명
본 발명은 이하 설명에 기재되거나 도면에 예시된 부품의 구성 및 배열에 대한 상세한 사항으로 그 적용이 제한되지는 않는다. 본 발명은 다양한 방법으로 실행되거나 수행되는 다른 구체예도 가능하다. 또한, 본원에 사용된 문장 및 용어는 설명을 목적으로 하는 것이며, 본 발명을 제한하는 것이 아니다. "포함하는", "포함한", "지니는", "함유하는", "관련되는" 및 이들의 다양한 변화 형태의 사용은 그 후에 열거된 아이템 및 그 등가물 뿐만 아니라 추가의 아이템을 포함하는 것을 의미한다. 본 명세서 및 참고로 통합된 문서가 상충되는 개시사항을 포함하고 있는 경우에, 본 명세서가 우선한다.
음용수는 전형적으로 약 1,000 ppm미만의 TDS 함량을 지니며; 일부의 경우, 음용수는 약 500ppm 미만의 TDS 함량을 지닐 수 있다. 비-음용수의 예는 해수 또는 염수, 기수, 잡배수(gray water) 및 일부 산업용수이다. 본원에서 해수의 참조는 일반적으로 비-음용수의 다른 형태에 적용될 수 있다.
본 발명의 일부 관점은 전기탈염 및 전기화학적 시스템, 및 압력 구동 막 시스템 및/또는 수처리 시스템과 함께 조합될 수 있는 기술을 이용하는, 해수, 및 다른 비-음용수를 정제하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 전기화학적 기술은 또한 공정, 예컨대, 연속적인 탈이온화, 충진된 셀 전기투석, 일렉트로다이아레시스(electrodiaresis), 및 전류 역전 전기투석(current reversing electrodialysis)을 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "정제"는, 정제된 물이 음용 가능하고 신선한 물 목적, 예컨대, 이로 한정되는 것은 아니지만, 사람 또는 동물의 소비, 관개용 및 산업용으로 사용될 수 있게하는 수준으로, 전체 용존 고형물 함량을 감소시키고, 임의로 공급수중의 부유 고형물의 농도, 콜로이드 함량 및 이온화 및 비이온화 불순물을 감소시키는 것에 관한 것이다. 탈염은 염이 해수로부터 제거되는 정제의 형태이다. 본 발명은, 일부 관점으로, 해수의 탈염에 관한 것이다. 공급수 또는 처리되는 물은 약 3,000ppm 내지 약 40,000ppm, 또는 그 초과의 TDS함량을 지니는 물을 포함한 다양한 공급원으로부터의 물일 수 있다. 공급수는, 예를 들어, 해수, 기수, 잡배수, 산업 유출수 및 유전 회수 물일 수 있다. 공급수는 높은 수준의 일가 염, 이가 및 다가 염, 및 유기 화학종을 함유할 수 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 본 발명은 공급수가 해수 또는 기수를 처리하는 방법으로서, 그러한 공급수가 용질 혼합물을 포함하고, 그러한 용질 혼합물에서 일가 이온이 이가 및 다른 다가 이온의 농도에 비해서 더 높은 농도로 존재하는, 해수 또는 기수를 처리하는 방법에 관한 것이다. 마이크로여과 처리 또는 초여과 처리를 포함하는 임의의 초기 단계는 부유 고형물, 콜로이드 물질 및/또는 상승된 분자량의 용질을 제거하도록 제공된다. 임의 단계 후에, 이러한 구체예에서, 특정화된 전기 탈염 처리의 제 1 스테이지가 일가 이온의 분획을 선택적으로 제거하도록 제공되고, 이어서 어떠한 중간 처리 단계가 요구된 최종 정제 처리된 물을 제공하도록 제 2 막 처리 단계, 예컨대, 전기탈이온화를 포함하는 스테이지에 의해서 이어진다. 전체 공정은 30% 내지 70% 또는 그 초과의 물 회수율로 작동될 수 있다.
전기탈이온화(EDI)는 전기적인 활성 매체 및 전기 포텐셜을 이용하여 이온 수송에 영향을 줌으로써 물로부터 하나 이상의 이온화된 또는 이온화 가능한 화학종을 제거 또는 적어도 감소시키는 공정이다. 전기적인 활성 매체는 전형적으로는 이온성 및/또는 이온화 가능한 화학종을 수집하고 배출시키는 작용을 하며, 일부의 경우, 이온의 수송을 용이하게 할 수 있으며, 이는 이온 또는 전자 치환 메카니즘에 의해서 연속적일 수 있다. EDI 디바이스는 영구적 또는 일시적 전하를 지니는 전기화학적 활성 매체를 포함할 수 있으며, 배치식으로, 간헐적으로, 연속적으로, 및/또는 극성 역전 방식으로 작동할 수 있다. EDI 디바이스는 성능을 달성시키거나 향상시키도록 특별히 설계된 하나 이상의 전기화학적 반응을 촉진하도록 작동될 수 있다. 추가로, 그러한 전기 화학적 디바이스는 전기적 활성 막, 예컨대, 반투막 또는 선택적 투과 이온 교환 막 또는 바이폴라 막(bipolar membrane)을 포함할 수 있다. 연속적인 전기탈이온화(Continuous electrodeionization (CEDI)) 디바이스는 물의 정제가 연속적으로 진행되면서 이온 교환 물질이 연속적으로 재충전될 수 있는 방식으로 작동하는 본 기술분야의 전문가에게는 공지된 EDI 디바이스이다. 이에 대해서는, 예를 들어, 미국특허 제6,824,662호; 제6,312,577호; 제6,284,124호; 제5,736,023호; 및 제5,308,466호를 참조할 수 있으며, 본원에서는 상기 특허를 참조로 통합한다. CEDI 기술은 연속 탈이온화, 충진된 셀 전기투석, 또는 일렉트로다이아레시스와 같은 공정을 포함한다. 제어된 전압 및 염도 조건하에, CEDI 시스템에서, 물 분자는 분할되어 디바이스내의 이온 교환 매체를 재생시킬 수 있는 수소 또는 히드로늄 이온(hydronium ion) 또는 화학종 및 수산화물 또는 히드록실 이온 또는 화학종을 생성시키고, 그에 의해서 그로부터의 포집된 화학종의 방출을 용이하게 한다. 이러한 방법에서, 처리되는 물 스트림은 이온 교환 수지의 화학적 재충전을 필요로 하지 않으면서 연속적으로 정제될 수 있다.
전기투석(ED) 디바이스는, ED 디바이스가 막 사이에 전기활성 매체를 함유하지 않음을 제외하고는, CEDI와 유사한 원리로 작동한다. 전기활성 매체의 부재로 인해서, ED의 작동은 낮은 염도의 공급수에 의해서 장애될 수 있는데, 그 이유는 상승된 전기 저항 때문이다. 또한, 높은 염도 공급수에 대한 ED의 작동은 상승된 전기 전류 소모를 초래할 수 있기 때문에, ED 장치는 지금까지 중간 염도의 공급수 에 대해서 대부분 효과적으로 사용되었다. ED 기재 시스템에서는, 전기활성 매체가 없기 때문에, 물을 분할하는 것이 비효율적이며 그러한 방법으로의 작동은 일반적으로 회피되고 있다.
CEDI 및 ED 디바이스에서, 다수의 인접한 셀 또는 격실이 전형적으로는 양성으로 또는 음성으로 하전된 화학종중 하나를 통과시키지만, 전형적으로는 둘 다 통과시키지 않는 선택적 투과 막에 의해서 분리된다. 희석 또는 고갈(depletion) 격실은 전형적으로 그러한 디바이스내의 농축화 또는 농축 격실과 공간을 두고 있다. 물이 고갈 격실을 흐름에 따라서, 이온 및 그 밖의 하전된 화학종은 전기장, 예컨대, DC장의 영향하에 전형적으로 농축 격실내로 견인된다. 양으로 하전된 화학종은 캐소드, 전형적으로는 다중 고갈 및 농축 격실들 스택(stack)의 한 단부에 위치하는 캐소드를 향해 견인되고, 음으로 하전된 화학종은 그러한 장치의 애노드, 전형적으로는 격실들의 스택의 반대 단부에 위치하는 애노드를 향해서 유사하게 견인된다. 전극은 전형적으로는 고갈 및/또는 농축 격실과의 유체 소통이 일반적으로 부분적으로 단리되어 있는 전해질 격실에 하우징된다. 농축 격실에 포집되면, 하전된 화학종은 전형적으로는 농축 격실을 적어도 부분적으로 규정하는 선택적 투과막의 장벽에 의해서 포집된다. 예를 들어, 음이온은 전형적으로는 양이온 선택적 막에 의해서 농축 격실 밖으로 캐소드를 향해서 더 이동하는 것이 방지된다. 농축 격실에 포집되면, 포집된 하전된 화학종은 농축물 스트림으로 제거될 수 있다.
CEDI 및 ED 디바이스에서, DC 장은 전형적으로는 전극(애노드 또는 양극, 및 캐소드 또는 음극)에 가해된 전압 및 전류 공급원으로부터 셀에 가해진다. 전압 및 전류 공급원(총징하여 "파워 서플라이")에는 다양한 수단, 예컨대, AC 파워 공급원 또는 예를 들어, 태양전지, 풍력발전, 또는 파력 발전으로부터 유도된 파워 공급원에 의해서 파워가 공급될 수 있다. 전극/액체 계면에서, 막 및 격실을 통해서 이온의 전달을 개시시키고/거나 촉진시키는 전기화학적 반쪽 전지 반응이 발생된다. 전극/계면에서 발생되는 특정의 전기화학적 반응은 전극 어셈블리를 수용하고 있는 특정화된 격실내의 염의 농도에 의해서 어떠한 범위로 제어될 수 있다. 예를 들어, 애노드 전해질 격실에 대한 염화나트륨이 높은 공급물은 염소 이온과 수소 이온을 생성시키는 경향이 있을 것이지만, 캐소드 전해질 격실에 대한 그러한 공급물은 수소 가스와 수산화물 이온을 생성시키는 경향이 있을 것이다. 일반적으로, 애노드 격실에서 생성된 수소 이온은 자유 음이온, 염화물 이온와 회합하여 전하 중성을 보존하며 염산용액을 생성시키고, 캐소드 격실에서 생성된 수산화물 이온은 자유 양이온, 예컨대, 나트륨과 회합하여 전하 중성을 보존하고 수산화나트륨 용액을 생성시킬 것이다. 본 발명의 추가의 구체예에 따르면, 전극 격실의 반응 생성물, 예컨대, 생성된 염소 가스 및 수산화나트륨은 소독, 막 세정 및 오염 제거, 및 pH 조절이 요구되는 공정에서 이용될 수 있다.
본 발명의 일부 구체예에 따르면, 처리 시스템에서의 다수의 스테이지는 물을 정제하는데 이용되거나, 적어도 물속의 용존 고형물의 농도를 감소시키는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 처리되는 물은 각각의 스테이지가 한 가지 이상의 형태의 용존 고형물을 선택적으로 제거하여 정제된, 예를 들어, 탈염됨, 또는 음용 가능한 물을 생성시키도록 하는 스테이지들에서 정제될 수 있다. 일부의 경우, 하나 이상의 스테이지는 한 가지 형태의 용존 화학종을 선택적으로 채류시키는 하나 이상의 유닛 작동을 포함할 수 있으며, 그러한 용존 화학종은 이어서 하나 이상의 다른 유닛 작동을 이용하는 하나 이상의 후속된 또는 하류 스테이지에서 제거될 수 있다. 따라서, 본 발명의 정제 시스템의 일부 구체예에서, 제 1 스테이지는 한 가지 형태의 용존 화학종을 제거하거나 적어도 그의 농도를 감소시킬 수 있다. 다른 구체예에서, 제 1 스테이지는 한 가지 형태 외에 모든 용존 고형물을 제거하거나 그의 농도를 감소시킬 수 있다. 물로부터 제거되지 않고 보유된 어떠한 화학종은 이어서 하나 이상의 후속된 스테이지에서 제거되거나 그 농도가 감소된다.
본 발명의 일부 구체예는 하나 이상의 스테이지로부터의 부산물 스트림을 유리하게 이용하여 하나 이상의 다른 스테이지의 재생 또는 재충전을 수행하는 특징에 관한 것이다. 본 발명의 시스템의 하나 이상의 스테이지로부터 배출 가능한 스트림 또는 부산물 스트림은 처리되는 물로부터 제거된 높은 농도의 제 1 용존 고형물을 지닐 수 있다. 그러한 스트림내의 제 1 용존 고형물의 존재는 하나 이상의 다른 정제 스테이지에서의 다른 유닛 작동의 재생을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 전기투석 스테이지는 해수로부터 일가 화학종을 제거하거나 그의 농도를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 표 1은 전형적인 해수에 포함된 염을 구성하는 것으로 밝혀진 일차적으로 전형적인 용질의 농도를 기재하고 있다. 일가 선택적 음이온 및 양이온 교환막을 포함하는, 이들 구성물을 근거로 하고 약 67% 물 회수율로 작동하는 제 1 스테이지에서의 약 80% 전체 TDS(전체 용존 고형물) 제거율을 가정하면, 막 선택성 계수의 함수로서 스테이지로부터의 고갈 및 농축 스트림 유출물의 용질 구성(makeup)이 결정될 수 있다. 막 선택성 계수는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112009023854926-PCT00001
상기 식에서, v는 이온 화학종 i의 몰농도이고, Δv는 이온 화학종의 몰농도 변화이다. 표 2는 선택성 1(비선택성), 5, 및 10을 지니는 일가 선택성 음이온 및 양이온 막을 포함하는 제 1 스테이지 분리 장치로부터의 이온 고갈 스트림 및 이온 농축 스트림 유출물에 보유되는 용질의 계산치를 기재하고 있다. 표 2의 데이타는 약 20,000ppm TDS 및 약 67%의 가정된 회수율에 의한 생성물 물에 대해서 유도되었다.
표 1. 해수의 전형적인 조성
Figure 112009023854926-PCT00002
표 2. 2-스테이지 ED 디바이스내로 연화된 해수를 사용함으로써 얻은 고갈 및 농축 스트림 성질
Figure 112009023854926-PCT00003
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 모노선택성 막을 포함하는 디바이스의 경우에, 디바이스의 농축 격실의 오염 및 스캐일링을 유발시키는 경향이 있는 칼슘, 마그네슘, 및 설페이트와 같은 용질의 농도는 비선택성 막을 포함하는 디바이스에 비해서 농축 스트림에 비교적 낮은 농도수준으로 유지된다. 그러한 결과는 일가 선택성 막 디바이스의 사용이 염의 침전 및 기능 상실의 유도 또는 탈염 디바이스의 플러깅 없이 물 회수율을 증가시킨다는 것이다. 일가 선택성은 농축 스트림에서 중탄산염 수준을 반드시 불균형적으로 저하시킬 수 없지만, 그럼에도 불구하고, 중탄산염 화합물, 예컨대, 중탄산나트륨의 침전 잠재성이 감소되는데, 그 이유는 농축 스트림중의 칼슘 수준(예, 나트륨에 상대적)의 불균형적 저하 때문이다. 또한, 더욱 상세히 기재될 것이지만, 전해질로서 높은 염도 연화나트륨의 사용에 의한 산성 전해질 생성물이 농축물 스트림에 대한 시약 공급물로서 사용되어 농축물 스트림의 pH를 조절하고 저하시키며, 그에 의해서 중탄산염 평형을 탄산염 형태로부터 이동시킴으로써 스캐일을 형성하는 농축물 스트림중의 어떠한 잔류 중탄산칼슘의 잠재성을 억제한다.
부산물 스트림(예, 모노선택성 ED 스테이지의 농축물 스트림)은 고농도의 그러한 화학종, 예컨대, 염화나트륨을 지닐 것이며, 그러한 화학종은 이어서 처리되는 물로부터의 용존 이가 화학종을 선택적으로 제거하거나 이의 농도를 감소시키는데 임의로 이용될 수 있는 이온 교환 유닛 작동의 재생을 촉진하는데 이용될 수 있다. 게다가, 다른 형태의 유닛 작동을 포함하는 추가의 스테이지가 이용되어 고갈 스트림의 분획 또는 이의 모두로부터의 보유 화학종 및/또는 미량의 불순물을 추가로 제거하거나 이의 농도를 감소시키는데 사용되면, 제 1 스테이지의 고갈 스트림 유출물중에 보유되는 문제성 구성물이 최종 사용 전에 선택적으로 제거(예, 농작용 관개수를 위해서 제공되지 전에 선택적 이온 교환을 통해서 붕소 제거)되거나, 전체 시스템의 제 2 막 스테이지에 공급되지 전에 선택적으로 제거(예, 제 2 막 스테이지에서의 플러깅 및 스케일링의 회피를 위해서 화학적 재생 가능한 양이온 교환을 통해 칼슘 및 마그네슘 제거)될 수 있다.
제 1 모노성택성 제거 스테이지의 하류에 임의의 이온 교환 유닛을 위치시킴으로써, 이온 교환 유닛의 작동과 관련하여 추가의 공정 이익이 있다. 이온 교환기의 작동, 예를 들어, 공급원 물로부터 칼슘 및 마그네슘의 제거를 위한 양이온 교환기의 작동은, 공급원 물이 전체 염도가 높으면, 그 제거 성능이 아주 덜 효율적이다. 따라서, 제 1 염 제거 스테이지의 하류에 이온 교환기를 작동시켜서 염의 대부분이 공급원 물에 비해서 이미 제거되게 함으로써, 이온 교환기는 더 효율적으로 작동하고, 재생을 위한 화학적 요구를 줄이면서 더 우수한 품질의 유출물을 생성시킬 것이다.
게다가, 작동 유닛들의 형태를 포함하는 추가의 스테이지가 물 스트림으로부터 잔류하는 화학종을 추가로 제거하거나 이의 농도를 감소시키는데 이용되는 경우, 그로부터의 어떠한 부산물 스트림이 또한 다른 스테이지에서의 하나 이상의 다른 유닛 작동의 재생을 촉진시키는데 이용될 수 있다.
본 발명의 한 가지 특징은 처리되는 물의 정제와 연관된 전체 부산물 또는 폐수 배출 부담을 감소시키는 것에 관한 것으로 사료된다. 사실, 하나 이상의 스테이지 또는 유닛 작동으로부터의 부산물 스트림은 하나 이상의 상류 또는 하류 스테이지 또는 유닛 작동으로 유도될 수 있으며 처리되는 물과 조합되고/거나 그러한 유닛 작동의 작동을 촉진하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 특징에 따르면, CEDI 시스템을 포함한 EDI 시스템 및 기술은 비-음용수, 예를 들어, 약 5,000ppm TDS보다 큰 물을 정제하여 음용수를 생산하는 하나 이상의 기술과 조합될 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따르면, 압력 구동 분리 기술, 예컨대, 비-음용수 공급원으로부터 물중의 일정량의 TDS를 제거하기 위한 여과, 및 하나 이상의 전기-구동 분리 기술, 예컨대, 제 1 여과된 물중의 추가량의 TDS를 제거하여 종국적으로 음용수를 생성시키기 위한 전기탈이온화를 포함하는 하나 이상의 스테이지가 제공된다. 압력 구동 분리 기술은, 일부의 경우, 나노여과(NF) 시스템 및 기술을 기재로 한다. 다른 구체예에 따르면, 전기-구동 분리 기술, 예컨대, 이로 한정되는 것은 아니지만, 전기투석 또는 엘렉트로다이아레시스가, 물을 정제, 예를 들어, 탈염시키기 위해서, 예를 들어, 여과 및/또는 EDI 시스템 및 기술과 함께 이용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 전기탈이온화 시스템이 하나 이상의 용존 고형물을 우선적으로 함께 제거하는 둘 이상의 시스템과 함께 이용될 수 있다. 사실, 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따르면, 전기탈이온화 스테이지가 전기투석 스테이지 및/또는 이온 교환 스테이지와 함께 이용될 수 있다.
나노여과 기술은 초여과(ultrafiltration (UF)) 기술에 의해서 제거될 수 있는 것 보다 작은 화학종을 제거하는데 이용될 수 있지만, 역삼투 기술에 의해서 제거될 수 있는 모든 화학종을 제거하지는 못한다. 나노여과 막은 용존 화학종을 거부하거나 선택적으로 분리하는데 있어서 입체적 및 전기적 효과 둘 모두를 통합할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 나노여과 막은 또한, 예를 들어, 약 150달톤(Dalton), 또는, 일부의 경우, 약 300달톤 보다 큰 분자량을 지니는 유기분자를 포함한 비하전된 유기 분자를 제거하거나 그의 농도를 감소시킬 수 있다. 이가 및/또는 다가 이온은 전형적으로는 약 90% 초과의 비율로 제거된다. 그러나, 일부의 경우, 약 95% 초과, 및 일부의 적용에서, 약 98% 초과의 다가 화학종이 그러한 선택적 기술에 의해서 제거될 수 있다. 그러나, 나노여과는 전형적으로는 이가 또는 비-일가 이온이 아닌 일가 이온을 제거하는데는 덜 효율적이며, 예를 들어, 처리되는 공급수에 존재하는 일가 이온은 약 10% 미만, 약 25% 미만, 약 50% 미만, 약 75% 미만, 또는 약 90%미만으로 제거할 수 있다. 나노여과 막은, 예를 들어, 폴리아미드 재료를 포함한 다양한 재료로 제조될 수 있다. 이에 대해서는 미국특허 제6,723,241호 및 제6,508,936호 뿐만 아니라 미국특허공보 제2003/0205526호를 참조할 수 있으며, 본원에서는 상기 특허 및 특허공보를 참조로 통합한다.
주지된 바와 같이, 일부의 예에서, 나노여과 시스템 및 기술은 일가 이온을 효율적으로 또는 적어도 요구된 실행 및/또는 경제적인 실행 범위로 제거할 수 없다. 그러나, 해수는 전형적으로는 일가 염의 형태로 약 3/4인 TDS 함량을 지닌다. 표 1은, 반드시 모두는 아니지만, 해수중의 다양한 화학종의 전형적인 농도를 나타내고 있다.
나노여과 막을 이용하는 수처리에 요구되는 연관된 작동 압력은 RO 막을 통해서 물을 통과시키는데 요구되는 작동 압력 보다 상당히 덜할 수 있다. 그러한 RO 막에서는 일가 염이 공급물과 투과물 사이의 삼투압의 차이에 크게 기여한다. 적용에 따라서, 공급수는 약 600psi 미만의 작동 압력에서 작동하는 나노여과 디바이스에서 정제될 수 있거나; 일부의 경우는 약 500psi 미만의 작동 압력에서 작동하는 나노여과 디바이스에서 정제될 수 있거나; 다른 경우는 약 400psi 또는 그 미만의 작동 압력에서 작동하는 나노여과 디바이스에서 정제될 수 있다. 그로부터 얻어지는 투과물은 전형적으로는 유기 화학종 농도 및 이가 및 비일가 이온 농도가 약 90% 초과까지 감소되지만, 약 10% 초과의 일가 이온 구성물이 유지된다. 특정의 형태 및 공급수에 따라서, 약 25% 초과의 일가 이온이 보유되거나 유지되며; 일부의 경우, 약 50% 초과의 일가 이온이 유지되며; 다른 경우에, 약 75% 초과의 일가 이온성 구성물이 유지된다. 따라서, 해수, 기수 또는 유사한 조성을 지닌 공급수를 지니는 나노여과 디바이스가 이가 및 비-일가 이온 구성물, 및/또는 유기 구성물이 실질적으로 감소된 여액을 제공할 수 있지만, 상당한 비율의 초기 일가 이온 구성물, 예컨대, 염화나트륨을 보유할 수 있다. 공급물과 비교할 경우, 여액은 약 10% 또는 그 초과의 TDS 감소를 나타낸다(일부의 경우, 약 95%까지). 그러나, 대부분의 경우, 해수로부터의 일회-통과 나노여과여액은 사람 소비 또는 신선한 물을 요하는 사용에 부적합하고, 물을 적합하게 하기 위해서는 추가의 처리가 요구될 수 있다.
본 발명의 한 세트의 구체예에 따르면, 나노여과 스테이지로부터의 여액과 같은 생성물은 전기탈이온화 스테이지(예컨대, CEDI 디바이스)에 공급된다. 이가 및 다가 양이온, 예컨대, 전형적으로 경도에 기여하는 마그네슘 및 칼슘은 일가 선택적 ED 스테이지의 하류 중간 이온 교환 연화기 또는 나노여과 스테이지에서 대량으로 제거될 수 있다. 전기탈이온화 디바이스는 이어서 일가 양이온 및/또는 음이온, 예컨대, 염화나트륨을 제거하고, 추가로, 이가 이온이 제거된 공급수에 비해서 낮은 파워 소모율로 작동될 수 있다. 따라서, 주로 일가 염의 TDS를 함유하는 공급수는 하나 이상의 전기탈이온화 디바이스 및 하나 이상의 나노여과 디바이스를 통해서 물을 통과시킴으로써 효율적으로 정제될 수 있다. 각각의 단계에서의 일회 이상의 통과가 이용될 수 있으며, 둘 이상의 전기탈이온화 디바이스가 직렬로 또는 어떠한 적합한 배열로 사용될 수 있다. 필수적이지는 않지만, 전형적으로는, 나노여과스테이지는 전기탈이온화 스테이지에 선행된다. 그러한 형태는 하류 유닛 작동 및/또는 부품, 예컨대, 전기탈이온화 디바이스의 농축 격실 및 관련 하우징 어셈블리 뿐만 아니라, 피팅(fitting) 및 도관의 오염을 감소시키거나 이의 부재를 유도할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 나노여과 장치는 이가 및/또는 다가 이온, 예컨대, 경도-유발 화학종을 제거하는데 유익하게 사용될 수 있으며, 하나 이상의 전기탈이온화 디바이스는 일가 이온을 제거하여 오염 경향을 감소시키거나 제거하는데 유익하게 사용될 수 있다. 사실, 본 발명은 물 스트림으로부터 하나 이상의 이가 및/또는 다가 화학종을 제거하거나 적어도 이의 농도를 감소시킬 수 있는 하나 이상의 스테이지 또는 유닛 작동; 및 물 스트림으로부터 하나 이상의 일가 화학종을 제거하거나 적어도 이의 농도를 감소시킬 수 있는 하나 이상의 스테이지 또는 유닛 작동을 제공하는 시스템 및 기술에 관할 수 있다. 따라서, 그 결과 생성물 물은 음용가능하게 할 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 제 1 스테이지 또는 예비 스테이지에서 물 스트림중의 하나 이상의 화학종이 스케일을 형성하거나 막 디바이스를 오염시키는 경향을 감소시키거나 최소로 하고, 제 2 스테이지 또는 후속된 스테이지에서 일가 화학종을 제거하거나 이를 적어도 감소시킴으로써 물 스트림을 정제하는 시스템 및 기술에 관한 것이다.
제 1 스테이지, 예를 들어, 여과, 예컨대, 나노여과는 약 4.7kwh/kgal 또는 그 미만의 에너지 요건에서 작동될 수 있다. 제 2 스테이지, 예를 들어 전기화학적, 예컨대, 전기탈이온화에 의한 제 2 스테이지는 약 2.3kwh/kgal 또는 그 미만에서 작동될 수 있다. 따라서, 약 7kwh/kgal의 전체 에너지 사용이 예상될 수 있으며, 이는 다른 탈염 기술, 예컨대, 증발, RO, 2회-통과 나노여과 또는 하이브리드 나노여과/RO, 및 나노여과/증발기술에 비할 경우 에너지 소모에 있어서 현저한 감소를 제공한다.
본 발명의 하나 이상의 구체예에 따르면, 전형적으로 각각의 공급수보다 더 많은 TDS를 함유하는, 공정으로부터 유래되는 유체를 함유한 보유물(거부물) 및 농축물이 공급수 공급원에 또는 통상의 폐수 처리 설비에 배출될 수 있다. 예를 들어, CEDI 디바이스로부터의 농축 유출물은 공급물로서 재사용되거나 나노여과 디바이스에 대한 공급수와 조합될 수 있다. 일부의 경우, 예를 들어, 농축된 염수가 CEDI 디바이스의 농축물 격실로부터 생산되는 경우, 이가 및 다가 이온이 실질적으로 또는 기본적으로 없을 수 있거나 감소된 수준의 스케일-형성 화학종을 지니는 염수가 살균제, 예컨대, 이로 제한되는 것은 아니지만, 차아염소산 나트륨의 생산을 위한 염수 공급원으로서 사용될 수 있다. 연화된 염수 용액은, 예를 들어, 전기분해 디바이스를 이용할 수 있는 소독제-형성 시스템에서의 사용을 위한 전기분해 가능한 화학종의 공급원을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 특징을 이용함으로써 생산된 정제수가 이후의 소독에 의해서 유익해질 수 있다면, 준비된 연화 농축된 염수 및/또는 소독제 공급원이 저비용으로 이용될 수 있다.
공급수 처리 전에, 다수의 전처리 과정이 이용될 수 있다. 예를 들어, 전처리 기술은 어떠한 스테이지 또는 디바이스, 예컨대, 나노여과 디바이스 또는 EDI 디바이스의 효율성을 방해하거나 감소시킬 수 있는 고형물 또는 그 밖의 물질을 함유할 수 있는 공급수에 이용될 수 있다. 전처리 과정은 나노여과 디바이스 및/또는 EDI 디바이스의 상류에서 수행될 수 있고, 예를 들어, 미립자 여과, 샌드 여과(sand filtration), 카본 여과(carbon filtration), 나노여과, 예컨대, 교차 흐름 마이크로여과(cross-flow microfiltration (CMF)), 이들의 조합 및 미립자를 감소시키는 그 밖의 방법을 포함할 수 있다. 공급수의 pH 및/또는 알칼리성의 조절은 또한, 예를 들어, 산, 염기 또는 완충액의 첨가에 의해서, 또는 공기주입을 통해서 수행될 수 있다.
제 1 일가 선택성 스테이지를 포함하는 구체예의 특별히 중요한 임의적인 이점은, 그러한 시스템의 물 회수율이 현재의 기술을 이용함으로써 가능한 것보다 높기 때문에, 공급수를 처리하는데 요구된 전처리량이 크게 줄어든다는 것이다. 따라서, 요구된 전처리 장치의 양이 비례해서 감소된다. 그러한 결과는 비용 및 전처리 장치의 크기를 감소시키고/거나, 대안적으로는, 경제적으로 정상적인 실현 가능성이 없는 것으로 여겨지는 전처리 시스템의 실행을 가능하게 한다. 예를 들어, 막 마이크로여과, 즉, 대량의 미립자를 제거할 수 없을 뿐만 아니라 공급수중의 미생물 오염물 및 그 밖의 유해한 콜로이드 구성물 제거할 수 없는 기술이 통상의 덜 효과적인 샌드 여과 시스템에 대한 대용으로서 더욱 비용 효과적으로 사용될 수 있다. 이는 최종 사용 물의 품질을 개선시키면서 하류 처리 부품의 신뢰성을 증가시킨다.
본 발명의 시스템의 한 구체예가 도 1에 예시되어 있다. 시스템(100)은 하나 이상의 나노여과 디바이스(110) 뿐만 아니라 하나 이상의 전기탈이온화 디바이스(120)를 포함한다. 나노여과 디바이스(110)는 하우징에 배치된 나노여과 막을 포함한다. 전기탈이온화 디바이스(120)은 하나 이상의 애노드, 캐소드, 농축, 및 고갈 격실를 포함한다. 물 공급원은 전기탈이온화 디바이스(120)의 고갈, 농축, 및 전극 격실에 제공된다. 공급수 공급원(140)은, 예를 들어, 해양일 수 있다. 공급수는 도관(150)을 통해서 펌핑될 수 있으며, 펌프(130)에 의해서 가압되어 나노여과 디바이스(110)내의 나노여과 막을 통과한다. 전형적으로는, 펌프(130)은 공급물을 약 600psi 또는 그 미만의 작동 압력으로 가압한다. 다가 이온 함량이 감소된 나노여과 디바이스(110)로부터의 투과물은 공급 스트림으로서 도관(160)을 통해서 전기탈이온화 디바이스(120)로 통과된다. 디바이스(110)로부터의 거부 유체는 도관(170)을 통과하고, 예를 들어, 공급수 공급원(140)으로 다시 유도될 수 있다.
에너지가 보유 스트림으로부터 회수되고, 예를 들어, 공급수를 가열하고, 전기를 제공하고/거나, 다른 공정 또는 유닛 작동을 위한 에너지를 공급하는데 사용될 수 있으며, 이러한 사항은 시스템(100)과 직접적으로 연관될 필요는 없다. 도관(160)중의 물은 전기탈이온화 디바이스(120)의 고갈, 농축, 및/또는 전극 격실중 어떠한 격실에 공급될 수 있다. 전기탈이온화 디바이스(120)은 전형적으로는 가역적 전기장을 제공하도록 구성될 수 있는 전류의 공급원(도시되지 않음)에 의해서 파워 공급된다. 정제된 희석물은 도관(180)에 수용되며, 여기서, 음용수로서의 사용 또는 저장을 위해서 보내질 수 있다. 음용수는 보존되거나, 요구되는 경우, 추가로 소독된다. 전기탈이온화 디바이스(120)으로부터의 농축 스트림은 도관(190)을 통해서 폐기물로 배출될 수 있거나, 도관(192)을 통해서 시스템을 통해 재사용될 수 있거나, 도관(194)을 통해서 염수의 공급원으로 사용될 수 있다. 농축물 스트림은 해수와 유사한 염화나트륨 함량을 지닐 수 있으며, 나노여과 디바이스(110)에 대한 공급수의 공급원일 수 있다. 본 발명의 시스템 및 기술은 연속식으로 또는 배치식으로 작동할 수 있으며, 고정된 장소에서 또는 이동 플랫폼, 예컨대, 해양 선박 또는 자동차상에서 작동될 수 있다. 다중-통과 CEDI 시스템이 또한 사용될 수 있으며, 여기서, 공급물은 전형적으로는 디바이스를 통해서 2회 이상 통과되거나, 임의의 제 2 디바이스를 통해서 통과될 수 있다. 일부의 경우, 전기탈이온화 디바이스는 가열되어서, 예를 들어, 그 내부의 이온 화학종 수송 속도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 전기탈이온화 디바이스는 주위 온도에서 작동할 수 있으며; 대안적으로는, 전기탈이온화 디바이스는 약 30℃ 초과의 온도, 약 40℃ 초과의 온도, 또는 약 50℃ 초과의 온도에서 작동할 수 있다.
일부의 경우, 전기탈이온화 디바이스의 내부 전기 저항을 감소시켜서 에너지 사용을 최소로 하는 것이 요구될 수 있다. 따라서, 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따르면, 낮은 전기 저항 막은 이의 고갈 및/또는 농축 격실을 분리하거나 규정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기탈이온화 디바이스의 각각의 격실 또는 셀은 약 10mm 미만의 폭을 지니도록 구성될 수 있다. 낮은 전기 저항 막 및/또는 얇은 격실의 사용은 전기 저항 또는 부하를 감소시키는 것을 도울 수 있으며, 그에 의해서, 전기 파워 요구를 감소시키는 역할을 한다. 본 발명의 일부 구체예에 따라서 이용될 수 있는 낮은 전기 저항 막은, 예를 들어, 일본 도교 소재의 ASYOM 코포레이션(ASTOM Corporation)으로부터의 NEOSEPT A® 막으로 구입 가능한 막을 포함한다. 본 발명의 일부 구체예에서, 막간 공간은, 예를 들어, 약 0.1인치(inch) 미만, 약 0.06인치 또는 그 미만, 또는 약 0.05 인치 또는 그 미만일 수 있다.
일부 적용에서, 물중의 붕소 화학종의 농도를 농업용 및/또는 사람 소비에 적합한 것으로 사료되는 수준으로 감소시키는 것이 중요하거나 바람직할 수 있다. 예를 들어, 붕소 화학종의 요구된 농도는 바람직하게는 약 1ppm 미만일 수 있다. 일부의 경우에, 붕소 화학종의 농도는 바람직하게는 정부 및/또는 건강 기구에 의해서 제안되는 수준이거나 그 미만일 수 있다. 예를 들어, 붕소의 농도는 세계보건기구에 의해서 제안된 수준, 즉, 약 0.5ppm 또는 그 미만일 수 있다. 사실, 일부 적용에서, 처리수중의 붕소의 농도는 바람직하게는 약 0.4ppm 미만이다.
해수는 종종 예를 들어, 약 1 내지 약 4ppm의 높은 붕소 수준을 함유하기 때문에, 추천되거나 제안되는 붕소 수준이 통상의 탈염 과정을 이용해서는 달성되기가 어려울 수 있다. 유리하게는 본 발명의 시스템 및 기술은 공급수중의 붕소 화학종의 농도를 허용되는 수준으로 감소시키는데 이용될 수 있다. 사실, 본 발명의 일부 구체예는 공급 스트림중의 붕소 농도를 약 4.6ppm에서 약 0.5ppm 미만으로 감소시키는 시스템 및 기술에 관한 것이다.
낮은 에너지 비용 외에, 본 발명의 시스템 및 기술은 적은 자본, 작동 및/또는 유지비를 요할 수 있다. 예를 들어, 낮은 작동 압력에서 작동하는 성능으로 인해서, 저비용 재료, 예컨대, RO 시스템에서 전형적으로 필수적인 고압 스테인레스 스틸(stainless steel) 및/또는 티타늄 합금 대신에, 플라스틱 파이핑이 본 발명의 시스템에서 사용될 수 있다.
해수를 정제하기 위해서는, 물이 그 용존 성분으로부터 분리되어야 한다. 이러한 분리를 수행시키는데 요구되는 에너지는 공급수(해수)와 생성물(신선한 물) 사이의 삼투압 차이를 극복시키는데 요구되는 에너지의 양이다.
해수의 삼투압, Psw은 하기 반트 호프 방정식(van't Hoff equation)에 의해서 측될 수 있다: Psw = c*R*T, 여기서, c는 이온 몰 농도이고, R은 가스 함량, 0.082 리터-바/온도-몰(liter-bar/degree-mole)이고, T는 절대 온도 K, T = 300 K (약 27℃)이다. 해수중의 이온 염 농도는, 순수한 염화나트륨 용액을 가정하면, 약 1.12mol/리터이다. 따라서, 삼투압은 약 400 psi (1.12*0.082*300 = 27.6 bar)인 것으로 측정된다.
탈염 에너지 요구는 전형적으로 시간당 정제수 1,000 갈론이다. 해수를 탈연시키는데 요구되는 이론적인 최소 에너지의 산정량은, 약 400psi의 경막압력(NF 막의 경우) 및 100%의 펌프 효율을 가정하면, 다음과 같이 측정되는 경우, 약 2.9 kwh/kgal (또는 약 0.77 kwh/m3)이다:
Figure 112009023854926-PCT00004
해수를 탈염시키는데 사용된 방법(열 또는 압력 구동)은 요구된 최소 에너지와는 독립적인 것으로 사료된다.
실시예 1
본 발명의 시스템 및 방법과의 RO-기재 시스템의 상태의 비교는 달성 가능한 에너지 절감을 예시하고 있다. 통상의 RO-기재 시스템은 다음과 같은 계산에 의해서 알 수 있는 바와 같이 약 19.2 kwh/kgal을 요한다. 계산에서, 가정된 경막 압력은 약 900psi이고, 가정된 펌프 효율은 약 85%이며, 가정된 물 회수율은 약 40%이다.
추가로, 약 41.67gpm의 유입 유속의 경우에, 약 16.67gpm의 투과물과 약 25gpm의 거부물이 생산된다. 에너지 회수 기술이 이용되지 않은 것으로 가정된다.
Figure 112009023854926-PCT00005
그러나, 에너지 회수 기술이 이용되는 경우에, 계산된 에너지 요건은 감소할 수 있다. 에너지 회수 어셈블리 또는 기술의 예는 예를 들어, 터빈, 예컨대, 펠톤 휠(Pelton wheel) 또는 압력 교환 디바이스를 포함한다. 두 가지 형태의 디바이스 모두 고압 거부 스트림으로부터 에너지를 회수하고, 그러한 에너지를 RO-디바이스의 공급 스트림에 전달할 수 있다. 펠톤 휠 어셈블리는 전형적으로 회수율이 약 80% 효율이며, 긍적적인 대체 시스템은 전형적으로 약 90% 내지 약 95% 회수 효율을 요구한다.
전체 파워 소비에 대한 에너지 회수율의 효과를 계산하기 위해서, 약 40%의 파워가 투과물 스트림에서 소비되는 것으로 가정되며(0.4*19.2 kwh/kgal = 7.68 kwh/kgal), 약 60%의 파워가 거부 스트림에서 소비되는 것으로 가정된다(0.6*19.2 = 11.52 kwh/kgal). 이를 가정하면, 예를 들어, 거부 스트림중의 약 93%의 에너지가 회수될 수 있으며, 약 7%는 소비된다(0.07*11.52 = 0.81 kwh/kgal). 따라서, 에너지 회수 기술을 이용한 RO 디바이스의 전체 파워 소비는 약 7.68+0.81 = 8.49 kwh/kgal이다.
실시예 2
나노여과 및 전기탈이온화 디바이스의 조합을 포함하는 시스템을 이용한 해수의 탈염에 요구되는 전체 에너지의 양을 산정하기 위해서, 각각에 대한 에너지 요구를 독립적으로 측정하고 이어서 합하였다.
NF 디바이스와 연관된 에너지 요구는 하기 계산에 의해서 알 수 있는 바와 같이 약 10.7 kwh/kgal (약 2.8 kwh/m3)인 것에 가깝다.
Figure 112009023854926-PCT00006
이러한 산정치는 경막 압력이 약 500psi이고, 펌프 효율이 약 85% 펌프 효율이며, 물 회수율이 약 40%임을 가정함으로써 유도되었다. 이러한 산정치는 추가로 약 16.67gpm의 투과물과 약 25gpm의 거부물을 생산하는 약 41.67gpm의 유입 유속을 기초로 하였다. 에너지 회수 기술이 이용되지 않았다.
에너지 회수 기술이 또한 RO-기재 디바이스에 관한 상기 방법과 유사하게 나노여과 디바이스에서 이용될 수 있다. 추가로, 유사한 가정이 회수 효율과 관련하여 이용될 수 있다: 약 40%의 파워가 투과물 스트림에 의해서 소비되는 것으로 가정되고(0.4*10.7 kwh/kgal = 4.28 kwh/kgal), 약 60%의 파워가 거부 스트림에 의해서 소비되는 것으로 가정된다(0.6*10.7 = 6.42 kwh/kgal). 거부물중의 약 93%의 어네지가 회수되면, 약 7%가 소비되는 것으로 가정된다(0.07*6.42 = 0.45 kwh/kgal). 따라서, 나노여과 디바이스와 연관된 소비 파워는 약 4.73 kwh/kgal (4.28+0.45 = 4.73 kwh/kgal)일 것이다.
RO 시스템 보다 더 적은 에너지를 소비하게 하기 위해서, 나노여과 및 CEDI 스테이지를 포함하는 탈염 시스템은 합해서 RO 시스템 단독 보다 더 적은 에너지를 소비하게 하는 것이 요구될 것이다. 상기된 바와 같이, 나노여과 스테이지는 약 4.7kwh/kgal를 소비하지만, RO 시스템의 전체 에너지 소비는 약 8.5kwh/kgal이다. 따라서, RO 시스템 보다 낮은 전체 에너지 소비를 나타내게 하기 위해서, CEDI 스테이지의 파워 소비는 바람직하게는 약 3.8kwh/kgal 또는 그 미만이다.
나노여과 시스템이 해수 공급중중에 함유된 유입 전체 용존 고형물의 약 91%를 거부하면, 하류 CEDI 모듈은 물이 500ppm TDS의 음용수 표준에 부합되게 하기 위해서 바람직하게는 약 90%의 잔류 TDS를 제거할 것이다. 따라서, RO 시스템에 경쟁적이게 하게 위해서, CEDI 모듈은 생산되는 물의 kgal당 약 3.8kwh 미만을 이용함으로써 그러한 고형물의 양을 제거하는 것을 필요로 할 수 있다.
실시예 3
시스템은 해수가 약 500ppm TDS 미만의 수준으로 정제(탈염화)될 수 있는 경우를 측정하도록 작동되었다. 시스템은 상기 에너지 요구에 부합(약 3.8 kwh/kgal미만)되는 나노여과 디바이스 및 CEDI 디바이스로 구성된다. 인공 해수는 미국 오하이오 멘토 소재의 아쿠아리움 시스템즈(Aquarium Systems)로부터 구입할 수 있는 INSTANT OCEAN® 합성 해양 염 혼합물로부터 제조하였다.
나노여과 및 CEDI 디바이스는 하기 조건하에 작동되었다:
폐쇄 루프가 나노여과 및 CEDI 디바이스 둘 모두에 이용되었다. 나노여과 생성물 물과는 분리된 CEDI 디바이스용 전극 격실 공급수가 RO 물로부터 제조되었으며, H2SO4를 첨가하여 pH를 약 2로 하였다. 공급수 칼슘 함량은 CaCO3로 측정되는 경우 약 50mg/l였다.
나노여과 디바이스는 미국 미시간 미드랜드 소재의 더 다우 케미칼 캄파니(The Dow Chemical Company)로부터 구입 가능한 FELMTEC® NF90 (4x40) 막을 사용하였다. 나노여과 디바이스내로의 유입수 스트림은 약 500psi로 가압되고, 약 45.5 mS/cm의 전도성을 지녔다. 나노여과 디바이스로부터의 투과물은 약 3.25 l/m의 유속에서 약 4.2 mS/cm의 전도성을 지녔다. 거부 유속은 약 36 l/m이다. 디바이의 정격 작동 온도는 약 23℃이다.
스택 A(낮은 전기 저항) 및 스택 B(표준)로 지정된 두 상이한 CEDI 디바이스를 평가하였다. 스택 A 및 B 각각은 각 스테이지에 10 셀 쌍으로 2-스테이지 중복된 경로로 20 셀 쌍으로 구성되었다. 흐름 경로 길이는 약 28인치이다. 스택들은 또한 이리듐 산화물-기재 애노드, 스테인레스 스틸 캐소드, 및 미국 미시간 미드랜드 소재의 더 다수 케미칼 캄파니로부터 구입할 수 있는 DOWEX™ MARATHON 강염기 음이온/강산 양이온 수지의 약 50/50 혼합물을 사용한다. 스택 A 와 스택 B의 각각의 내부 막 공간은 약 0.06인치이다. 스택 A는 교대 이온 교환 막(alternating ion exchange membrane)을 포함한다.
두 모듈 모두의 작동 조건 및 성능이 하기 표 2에 요약되어 있다. 표 2에 기재된 에너지 요구 데이타는 파워 서플라이 효율을 고려하지 않는다.
데이타는 스택 A가 스택 B에 비해서 바람직한데, 그 이유는 스택 A는 약 40% 적은 에너지를 사용하면서도 유사한 속도에서 유사한 품질의 생성물을 생성하기 때문이다.
따라서, 나노여과 디바이스가 약 4.7kwh/kgal을 요하여 약 90% 제거 미만의 요구된 성능을 달성함을 가정하면, 나노여과 및 CEDI 디바이스를 포함한 시스템은 약 7kwh/kgal의 파워 소모를 나타낼 것이다.
이러한 전체 에너지 요구는 통상의 RO-기재 시스템의 에너지 요구에 비해서 약 15% 적다.
표 3. CEDI 스택 A 및 B의 작동 및 측정된 파라메터
작동 또는 측정 파라메터 스택 A 스택 B
희석 격실을 통한 유속(ml/min) 280 280
농축 격실을 통한 유속(ml/min) 72 73
전극 격실을 통한 유속(ml/min) 250 200
공급물 스트림 전도성(mS/cm) 4.2 4.2
생성물 전도성(μS/cm) 570 550
희석 격실 압력 강하(psi) 5.6 7.5
농축 격실 압력 강하(psi) 2.2 3.6
전극 격실 압력 강하(psi) 6.4 8.9
적용된 전극 포텐셜(VDC) 17.15 26.6
셀 쌍 전압(VDC) 13.5 22.0
셀 쌍당 전압(VDC) 0.675 1.1
전류 소비(A) 0.84 0.83
에너지 소비(kwh/kgal) 2.5 4.2
작동 시간(h) 175 274
생성물 TDS(ppm) 240 232
실시예 4
본 실시예는 해수중의 용존 고형물의 농도를 감소시키는데 사용될 수 있는 본 발명의 추가의 구체예를 기재하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 시스템은 하나 이상의 일가 화학종-감소 스테이지와 하나 이상의 이가 화학족-감소 스테이지의 하류에 배치된 하나 이상의 전기탈이온화 스테이지를 포함할 수 있다.
일가 감소 스테이지는 일가 화학종, 예컨대, 이로 한정되는 것은 아니지만, 염화나트륨의 농도를 감소시키는 어떠한 유닛 작동을 포함할 수 있다. 일가 용존 고형물의 농도를 감소시키는 역할을 할 수 있는 유닛의 예는, 이로 한정되는 것은 아니지만, 전기투석 및 일렉트로다이아레시스 디바이스를 포함한다.
이러한 일가 화학종 감소 스테이지는 상승된 물 회수율, 예를 들어, 일가 화학종 대 비-일가 화학종과 관련한 막의 선택성 효율에 따라서 약 60% 내지 70% 또는 그 초과에서 작동할 수 있다. 이러한 작동은 막 디바이스를 스케일링하거나 오염시키는 비일가 또는 다가 화학종에 대한 가능성을 피하는 것에 기인하며, 그 이유는 이들의 농도가 일가 화학종과 동일한 비율로 증가하지 않기 때문이다. 그러한 디바이스는 다른 공정, 예컨대, 비-선택적 ED 또는 증류에 비해서 오염 및 스케일링 경향이 많이 덜하며, 일가 화학종에 비해서 다가 화학종 및 오염물을 선택적으로 농축시키는 NF 및 RO와 같은 공정에 비해서 오염 및 스케일링 경향이 아주 많이 덜하다. 상승된 물 회수율로 작동시킴으로써, 예를 들어 전처리 장치 및 재료에 대한 용적 요건을 감소시킴으로써 공정이 더욱 효율적일 뿐만 아니라, 전체 공정에 요구되는 전체 물의 양이 감소되고 있으며, 이는 수자원이 부족한 지역에서 특히 중요한 사항이다. 또한, 높은 물 회수율로 작동시킴으로써, 디바이스의 농축 스트림중의 농도가 증가하여, 디바이스가 특정의 환경에 더 유용하게 한다. 예를 들어, 약 67%의 회수율로 약 3.33%의 공급물 염도상에서 작동시킴으로써, 농축 스트림이 약 10% 염의 농도로 얻어질 수 있다. 우세한 일가 이온이 상기 농축 스트림에 선택적으로 전달되는 경우에, 생성되는 스트림은 약 10% 농도의 우세하게 순수한 일가 (예, 염화나트륨) 스트림일 수 있다. 그러한 스트림은 배출되는 이온 교환 컬럼을 재생시키기 위해서, 염수 세정제로서의 사용을 위해서, 결정 염을 효율적으로 생성시키기 위한 결정화기에 공급하기 위해서, 및/또는, 예를 들어, 소독 또는 pH 조절을 위한 염소 및 가성(caustic)을 생산하기 위한 추가의 전기화학적 공정에서 부분적으로 사용될 수 있다. 추가로, 농축된 염은 ED 디바이스 자체의 전해질 격실에 재사용될 수 있으며, 부산물 염소 및 가성물은 별도의 가성물/염소 생산 시스템에 대한 필요 없이 생산되고 탈염되는 공급수중의 기존 염이 아닌 첨가된 화학약품를 제공할 필요가 없게 한다.
일가 화학종 제거 단계는 일가 양이온 일가 음이온 또는 일가 음이온 및 양이온 둘 모두를 선택적으로 제거하는 막을 이용할 수 있다. 칼슘 및 설페이트 염을 포함하는 공급물로부터 순수한 염화나트륨을 생성시키는 것이 요구되는 경우, 시스템은 일가 선택적 음이온 막 및 양이온 막 둘 모두를 포함할 수 있다. 대안적으로 대상이 단지 설페이트 수준의 우려 없이 순수한 나트륨 이온을 포함하는 농축물을 생성시키는 것이면, 시스템은 단지 일가 선택적 양이온 막을 포함할 수 있다.
일가 선택적 제거 스테이지로부터의 부분적으로 탈염된 생성물은 이어서 이가 화학종, 예컨대, 이로 한정되는 것은 아니지만, 칼슘 및 마그네슘 염의 농도를 감소시키는 어떠한 유닛 작동을 포함할 수 있는 이가-감소 스테이지에 전송될 수 있다. 그러한 경도 유발 화학종의 농도를 감소시키는 역할을 할 수 있는 유닛 작동의 예는, 이로 한정되는 것은 아니지만, 이온 교환 장치, 특히, 양이온 교환 매체를 이용하는 양이온 교환 컬럼을 포함한다. 또한, 선택적 흡수제 및 음이온 선택적 매체를 포함한 이온 교환 매체가 사용되어 물로부터의 문제성 미량 이온, 예컨대, 잔류 붕소 및 중탄산염 뿐만 아니라, 이가 음이온, 예컨대, 설페이트를 선택적으로 제거할 수 있다. 염수 재생 단계뿐만 아니라 산 또는 가성 재생 단계를 요하는 선택적 흡수제의 경우, 산 및 가성은 또한 임의로 제 1 모노선택적 막 스테이지로부터의 제1 스테이지 농축물 유출물로부터 얻은 농축된 순수한 염 용액으로부터 제조될 수 있다.
도 2에 기재된 구체예는 다른 스테이지중의 한 스테이지로부터의 부산물 스트림을 이용하여 그 작동을 촉진시키는 것을 추가로 예시하고 있다. 예시적으로 나타낸 바와 같이, 일가 감소 스테이지는 처리되는 물의 염화나트륨 농도를 감소시킬 수 있으며, 전형적으로 염화나트류 풍부 폐 스트림으로서 배출되는 농축된 부산물 스트림중에 그러한 화학종을 수집할 수 있다. 이러한 부산물 스트림은 이가-감소 스테이지중의 양이온 교환 매체를 재생시키는데 이용될 수 있다. 최종 스테이지는 추가로 어떠한 요구되지 않은 화학종의 농축을 감소시키고 물이 음용 가능하게 하는 폴리싱 스테이지로서 사려될 수 있다. 이러한 스테이지로부터의 부산물 스트림은 처리되는 물에 재도입되거나 그와 혼합될 수 있거나 배출될 수 있다. 따라서, 예시된 구체예는 유리하게는 전체 배출 부담을 감소시킬 수 있다. 일부 예에서, 이가 제거 스테이지를 재생시키기 위해서 그러한 농축물 스트림을 이용하는 것은 실행 불가능할 것이지만, 일가 선택적 디바이스가 전형적으로는 상승된 농도에서 작동하기 때문에, 이온 교환기의 효율적 재생의 실현성은 가능하게 된다. 또한, 가능성은 세정용 산, 가성, 및 염소의 생산; 위생처리, 소독, 및 특정의 선택적 이온 교환기, 예컨대, 붕소 선택적 이온 교환 매체의 재생에 대한 보조가 가능하다.
모노선택적 막 디바이스로부터의 생성물 물은 추가의 처리를 요하지 않으면서 특정의 목적에, 예컨대, 일가 이온에 상대적인 특정한 수준의 이가 이온을 유리하게 유지하는 농업용 물로 직접적으로 사용될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 생성물 물이 약 90% 탈염되고, 물이 미량의 원소 및 이가 화학종이 없거나 감소된 수준으로 그들을 지니는 경우에, 제 2 스테이지로부터의 생성물 물은 직접적으로 사용될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 제 2 스테이지로부터의 생성물은, 예를 들어, 물의 경우에 높은 수준의 순도로 추가로 탈염되는 비-선택성 ED 또는 EDI 막을 포함한 제 3 막 분리 장치에 전송될 수 있다. 그러한 경우에, 제 3 스테이지로부터의 농축 용액은 전형적으로는 기본적으로 단지 하나의 형태의 일가 이온을 함유하며, 그에 의해서 제 3 스테이지가 스케일링되거나 오염될 가능성이 낮으며, 높은 수율의 농축물이, 예를 들어, 공급수와 유산한 농도로 재사용되어 일가 선택적 디바이스의 제 1 스테이지의 농축물 스트림를 공급할 수 있다. 최종 결과는 상이한 최종 사용을 위한 다양한 형태의 물을 제공할 수 있는 전체 공정이며, 그러한 시스템은 오염 또는 스케일링의 경향이 없는 높은 효율성 조건하에 작동되고, 물 회수율은 통상의 탈염 기술에 비해서 월등히 높고, 재생, 미량원소의 제거, 소독, pH 조절, 및 세정을 위한 요구된 보조 화학물질이 공급수의 이온 구성으로부터 제공된다.
본 발명의 하나 이상의 구체예의 기재된 몇가지 특징으로 볼 때, 다양한 변화, 변경, 및 개선이 용이하게 발생될 것이라는 것이 본 기술분야의 전문가에게는 인지될 수 있을 것이다. 그러한 변화, 변경, 및 개산은 본 개시사항의 일부이며, 본 발명의 사상 및 범위내에 있는 것이다. 따라서, 상기된 설명 및 도면은 단지 예시를 위한 것이다.

Claims (25)

  1. 약 1,000ppm 초과의 전체 용존 고형물을 포함하는 공급수를 나노여과 디바이스에 제공하여 전체 용존 고형물이 감소된 제 1 여액을 생산하고, 제 1 여액을 전기탈이온화 디바이스에 제공하여 약 1,000ppm 미만의 전체 용존 고형물을 포함하는 제 2 여액을 생산함을 포함하여, 물을 정제하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 공급수가 해수, 기수(brackish), 또는 유전 회수 물(oil field recovery water)인 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 약 90% 초과의 어떠한 다가 이온이 나노여과 디바이스에 의해서 제거되는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 나노여과 디바이스가 약 600psi의 상류 압력에서 작동하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 공급수중의 붕소 함량을 약 0.5ppm 미만으로 감소시킴을 추가로 포함하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 약 7kwh/kgal 미만의 전체 속도로 에너지를 소비하는 방 법.
  7. 제 1항에 있어서, 제 2 여액이 약 500ppm 또는 그 미만의 전체 용존 고형물을 포함하는 방법.
  8. 염수를 탈염시키는 장치로서,
    나노여과 디바이스 및 나노여과 디바이스와 유체 소통관계에 있는 전기탈이온화 디바이스를 포함하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 나노여과 디바이스의 상류에 배치되고, 층상 필터, 마이크로필터, 역류 마이크로필터, 침전 탱크 및 폭기장치(aerator)로 이루어진 군으로부터 선택되는 전처리 디바이스를 추가로 포함하는 장치.
  10. 제 8항에 있어서, 전기탈이온화 디바이스가 약 10mm 미만의 두께를 지니는 희석 셀을 포함한 CEDI 디바이스를 포함하는 장치.
  11. 제 8항의 다수의 장치를 포함하는 시스템.
  12. 해수를 처리하여 전체 용존 고형물을 감소시키는 방법으로서,
    해수를 수처리 장치에 통과시키면서 여액 kgal 당 약 7kwh 미만의 양의 에너 지를 장치에 가하고; 약 1,000ppm 미만의 전체 용존 고형물을 포함하는 여액을 장치로부터 제거함을 포함하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 수처리 장치가 나노여과 디바이스 및 전기탈이온화 디바이스를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 여액이 약 500ppm미만의 전체 용존 고형물을 포함하는 방법.
  15. 제 1 스테이지로 해수로부터 하나 이상의 비-일가 화학종의 농도를 감소시키고, 제 2 스테이지로 해수로부터 하나 이상의 일가 화학종의 농도를 감소시켜 1,000ppm 미만의 TDS를 갖는 물을 생산함을 포함하여, 해수를 처리하는 방법으로서, 제 1 스테이지 및 제 2 스테이지가 생성 수 kgal 당 약 7kwh 미만의 순수 에너지 소비 속도로 수행되는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 제 1 스테이지가 나노여과 디바이스를 포함하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 제 2 스테이지가 전기탈이온화 디바이스를 포함하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 전기탈이온화 디바이스로부터의 농축물 스트림이 제 1 스테이지 상류의 해수와 혼합되는 방법.
  19. 해수로부터 일가 용존 화학종의 농도를 감소시켜서 부산물 스트림을 생성시키고, 해수로부터 이가 용존 화학종의 농도를 감소시키고, 전기탈이온화 디바이스에서 물로부터 용존 고형물의 농도를 약 1,000ppm미만으로 감소시킴을 포함하여, 용존 고형물을 지니는 해수를 처리하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 일가 용존 화학종의 농도를 감소시키는 작업이 전기투석 디바이스를 사용함을 포함하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 이가 용존 화학종의 농도를 감소시키는 작업이 양이온 교환 컬럼을 사용함을 포함하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 부산물 스트림으로 양이온 교환 컬럼을 재생시킴을 추가로 포함하는 방법.
  23. 제 15항에 있어서, 제 1 스테이지가 압력-구동 막 시스템을 포함하는 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 압력-구동 막 시스템이 나노여과 장치, 마이크로여과 장 치 및 초여과 장치중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  25. 제 19항에 있어서, 물로부터 이가 용존 화학종의 농도를 감소시키는 단계가 나노여과 장치, 마이크로여과 장치 및 초여과 장치로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 압력-구동 장치를 통해서 수행되는 방법.
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