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KR102786651B1 - 전해조 성능 개선을 위한 공정 스트림 조성의 조정 - Google Patents

전해조 성능 개선을 위한 공정 스트림 조성의 조정 Download PDF

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KR102786651B1
KR102786651B1 KR1020207027889A KR20207027889A KR102786651B1 KR 102786651 B1 KR102786651 B1 KR 102786651B1 KR 1020207027889 A KR1020207027889 A KR 1020207027889A KR 20207027889 A KR20207027889 A KR 20207027889A KR 102786651 B1 KR102786651 B1 KR 102786651B1
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조슈아 그리피스
사이먼 피. 듀크스
리-쉬앙 리앙
대런 데일
마이클 제이. 쇼
폴 베도스
조지 와이. 구
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에보쿠아 워터 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

전기염소화 시스템은 공급 유체 공급원과 생성물 유체 출구 사이에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전해조, 및 상기 전해조의 상류에서 공급 유체의 pH를 증가시키거나 상기 공급 유체에서 1가 이온 대 2가 이온의 비율을 증가시키도록 구성된 서브 시스템을 포함한다.

Description

전해조 성능 개선을 위한 공정 스트림 조성의 조정
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 번호 62/635,731(발명의 명칭: "REGULATION OF PROCESS STREAM COMPOSITION FOR IMPROVED ELECTROLYZER PERFORMANCE", 출원일: 2018년 2월 27일)에 대한 35 U.S.C.§119(e) 하의 우선권을 주장하고, 이 기초출원은 전체 내용이 모든 목적을 위해 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
기술 분야
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 일반적으로 전기화학 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 전기염소화 셀 및 장치 및 이를 이용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전극에서 화학 반응에 의해 공급 스트림으로부터 생성물 용액을 생산하는 데 사용되는 전기화학 장치는 산업 및 도시 구현예에서 널리 사용된다. 반응의 예는 다음을 포함한다:
A1. 염화나트륨과 물로부터 차아염소산 나트륨을 생성하는 전기염소화.
애노드에서의 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e-
캐소드에서의 반응: 2Na+ + 2H2O + 2e- → 2NaOH + H2
용액에서: Cl2 + 2OH- → ClO- + Cl- + H2O
전체 반응: NaCl + H2O → NaOCl + H2
E0 ox = -1.36V(염소 생성)
E0 red = -0.83V(수소 생성)
E0 셀 = -2.19V
A2. 침전 반응 조건.
수산화마그네슘: Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2
탄산칼슘: Ca2+ + CO3 2 - → CaCO3
B. 애노드와 캐소드를 분리하는 양이온 교환 막을 사용하여 염화나트륨과 물로부터 수산화나트륨과 염소의 생성:
애노드에서의 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e-
캐소드에서의 반응: 2H2O + 2e- → 2OH- + H2
전체 반응: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2
C. 전극들을 분리하는 양성자 투과 막을 사용하여 에너지를 저장하는 바나듐 산화 환원 배터리:
충전 동안:
제1 전극에서의 반응: V3+ + e- → V2+
제2 전극에서의 반응: V4+ → V5+ + e-
방전 동안:
제1 전극에서의 반응: V2+ → V3+ + e-
제2 전극에서의 반응: V5+ + e- → V4+
일부 구현예에서, 전기염소화 장치는 해수에 존재하는 염화나트륨으로부터 차아염소산 나트륨을 생성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 전기화학 셀(electrochemical cell)이 제공된다. 전기화학 셀은 입구, 출구 및 중심 축을 갖는 하우징, 및 상기 중심 축을 중심으로 상기 하우징 내에 실질적으로 동심으로 배치된 애노드-캐소드 쌍을 포함하고, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이에 활성 영역을 형성하고, 상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 것의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖고, 상기 애노드-캐소드 쌍은 모든 유체가 상기 활성 영역을 통해 축 방향으로 전기화학 셀을 통과하도록 구성되고 배열된다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 적어도 약 2㎜-1의 전체 전극 패킹 밀도를 갖는다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은, 전기화학 셀 내에 배치되고 중심축을 따라 전기화학 셀의 일부를 통한 유체의 흐름을 차단하도록 구성된 중심 코어 요소를 더 포함하고, 중심 코어 요소는 애노드-캐소드 쌍의 적어도 하나의 전극에 연결되지 않는다.
일부 실시형태에서, 애노드-캐소드 쌍은 중심 축을 중심으로 나선형으로 감겨진다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 하나 이상의 나선형으로 감긴 바이폴라 전극(spiral-wound bipolar electrod)을 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 애노드는 전기화학 셀의 길이를 따라 캐소드로부터 측 방향으로 변위된다.
일부 실시형태에서, 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 강성 전극이다. 애노드와 캐소드는 각각 티타늄 플레이트를 포함할 수 있고, 애노드의 표면은 백금과 혼합 금속 산화물로 구성된 군에서 선택된 내산화성 코팅으로 코팅될 수 있다. 애노드와 캐소드는 각각 티타늄, 니켈 및 알루미늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 애노드의 표면은 백금, 혼합 금속 산화물, 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 금 및 은으로 구성된 그룹에서 선택된 내산화성 코팅으로 코팅될 수 있다. 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 유체 투과성일 수 있고/있거나 천공된 티타늄 플레이트를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 갭 거리를 유지하도록 구성된 분리기를 더 포함하고, 분리기는 활성 영역을 통한 전해질 용액의 흐름을 위해 개방된다. 분리기는 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 것의 에지(edge)와 맞물리는 슬롯(slot)을 갖는 스포크(spoke)를 갖는 허브(hub)를 포함할 수 있다. 허브는 애노드와 캐소드 중 하나의 것을 전류원에 전기적으로 연결하도록 구성된 전기 커넥터를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 중 하나와 전기적으로 접촉하는 스포크를 포함하는 허브를 더 포함한다. 스포크는, 애노드와 캐소드 중 하나의 것의 에지와 맞물리고 나선형으로 감긴 애노드-캐소드 쌍의 선회부(turn)들 간의 갭을 유지하는 슬롯을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 중심 코어 요소는 애노드-캐소드 쌍의 최내측 권선 내에 배치된 비-전도성 코어를 포함한다.
일부 실시형태에서, 애노드-캐소드 쌍은 복수의 동심 전극 튜브, 및 인접한 전극 튜브들 사이에 형성된 갭을 포함한다. 복수의 동심 전극 튜브는 복수의 애노드 전극 튜브와 복수의 캐소드 전극 튜브 중 하나를 포함할 수 있다. 복수의 애노드 전극 튜브와 복수의 캐소드 전극 튜브 중 하나는 강성 전극일 수 있다.
일부 실시형태에서, 복수의 동심 튜브 전극은 복수의 애노드 전극 튜브와 복수의 캐소드 전극 튜브를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 전류(DC 및/또는 AC)가 애노드 전극 튜브로부터 전해질 용액을 통해 캐소드 전극 튜브로 한번 통과하여 흐를 수 있도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 애노드 전극 튜브와 캐소드 전극 튜브 사이에 배치된 바이폴라 전극 튜브를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 애노드 전극 튜브는 애노드 전극 튜브와 동일한 직경을 갖는 캐소드 전극 튜브로부터 전기화학 셀의 길이를 따라 측 방향으로 변위된다. 전기화학 셀은 애노드 절반과 캐소드 절반을 포함하는 전극 튜브를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 각각 동심으로 배열된 인접한 쌍의 애노드 전극 튜브와 캐소드 전극 튜브 사이에 배치된 복수의 바이폴라 전극 튜브를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 복수의 애노드 전극 튜브와 복수의 캐소드 전극 튜브 중 적어도 하나는 천공되고 및/또는 유체 투과성이다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 인접한 전극 튜브들 사이에 위치된 적어도 하나의 분리기를 더 포함하고, 적어도 하나의 분리기는 인접한 전극 튜브들 사이의 갭을 형성하고 유지하도록 구성된다. 분리기는 인접한 전극 튜브들 사이에 형성된 갭을 통해 전해질 용액이 흐르도록 개방될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 복수의 동심 전극 튜브의 에지에 전기적으로 결합된 스포크를 포함하는 금속 허브를 더 포함한다. 각각의 스포크는 복수의 동심 전극 튜브의 에지와 맞물리는 슬롯을 포함할 수 있으며, 복수의 동심 전극 튜브에서 인접한 전극 튜브들 사이에 갭을 유지할 수 있다.
일부 실시형태에서, 중심 코어 요소는 전기화학 셀의 최내측 동심 튜브 전극의 단부 내에 배치된 단부 캡을 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 장방형 단면을 갖는다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 중 하나와 전기적으로 연통하는 전기 커넥터를 더 포함하고, 전기 커넥터는 전해질 용액에 의한 화학적 공격에 대해 상이한 정도의 저항성을 갖는 적어도 2개의 재료를 포함한다. 적어도 2개의 재료는 제1 재료 및 제2 재료를 포함할 수 있고, 전기 커넥터는 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체를 포함할 수 있다. 유체 투과성 몸체는 복수의 구멍을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 하나 이상의 기계적 체결구를 사용하여 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체에 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 몸체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 압축 끼워 맞춤을 사용하여 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체에 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 몸체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체의 에지에 형성된 나사산을 사용하여 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체에 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 몸체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 제2 재료로 형성된 몸체의 원통형 부분에 형성된 나사산을 사용하여 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체에 결합된 제2 재료로 형성된 몸체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 제1 재료로 형성된 몸체에 용접된 제2 재료로 형성된 몸체를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 전기화학 셀을 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 전기화학 셀은 입구, 출구, 및 중심축을 갖는 하우징, 및 상기 중심축을 중심으로 상기 하우징 내에 실질적으로 동심으로 배치된 애노드-캐소드 쌍을 포함하고, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이에 활성 영역을 형성하고, 상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 것의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖고, 상기 애노드-캐소드 쌍은 모든 유체가 활성 영역을 통해 축 방향으로 전기화학 셀을 통과하도록 구성되고 배열된다. 시스템은 전기화학 셀과 유체 연통(fluid communication)하는 전해질 공급원을 더 포함한다. 전기화학 셀은 전해질 공급원으로부터 전해질로부터 하나 이상의 반응 생성물을 생성하고 하나 이상의 반응 생성물을 출력하도록 구성된다. 시스템은 전기화학 셀에 의해 출력되는 하나 이상의 반응 생성물에 대한 사용 지점을 더 포함한다. 하나 이상의 반응 생성물은 소독제를 포함할 수 있다. 소독제는 차아염소산 나트륨을 포함하거나 본질적으로 이로 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전해질 공급원은 염수와 해수 중 하나를 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 선박과 석유 플랫폼 중 하나에 포함된다.
일부 실시형태에서, 사용 지점은 냉각수 시스템과 밸러스트 탱크 중 하나를 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 지상 기반 석유 시추 시스템에 포함되며, 여기서 사용 지점은 석유 시추 시스템의 다운홀(downhole)이다.
또 다른 양태에 따르면, 전기화학 셀이 제공된다. 상기 전기화학 셀은 하우징 내에 배치된 캐소드 및 애노드를 포함하고, 상기 캐소드와 애노드 사이에는 갭이 형성되고, 상기 캐소드와 애노드 각각은 아치형 부분을 포함하고, 상기 애노드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 크고, 상기 캐소드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 크며, 상기 캐소드와 애노드는 모든 유체가 상기 갭을 통해 축 방향으로 전기화학 셀을 통과하도록 구성되고 배열된다.
일부 실시형태에서, 애노드는 아치형 베이스로부터 연장되는 복수의 플레이트를 포함하고, 캐소드는 아치형 베이스로부터 연장되는 복수의 플레이트를 포함하고, 애노드의 복수의 플레이트는 캐소드의 복수의 플레이트와 인터리브된다(interleaved).
또 다른 양태에 따르면, 전기화학 셀이 제공된다. 상기 전기화학 셀은 하우징 내에 배치된 캐소드 및 애노드를 포함하고, 상기 캐소드와 애노드 사이에는 갭이 형성되고, 상기 캐소드와 애노드 각각은 상기 하우징의 내부 표면의 각 부분에 순응하는 부분을 포함하고, 상기 애노드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 크고, 상기 캐소드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 크며, 상기 캐소드와 애노드는 모든 유체가 상기 갭을 통해 축 방향으로 전기화학 셀을 통과하도록 구성되고 배열된다. 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 주름진 부분을 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 전기염소화 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 공급 유체 공급원과 생성물 유체 출구 사이에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전해조, 및 상기 전해조의 상류에서 공급 유체의 pH를 증가시키거나 상기 공급 유체에서 1가 이온 대 2가 이온의 비율을 증가시키도록 구성된 서브 시스템을 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템은, 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는 입구를 갖고, 공급 유체를 잔류물과 투과물로 분리하도록 구성되고, 잔류물에서는 투과물보다 2가 이온 대 1가 이온의 비율이 더 높고, 투과물을 상기 전해조의 입구에 제공하도록 구성된 투과물 출구를 갖는 나노 여과 유닛을 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 나노 여과 유닛은 공급 유체에서 1가 이온 농도보다 2% 내지 10% 더 낮은 1가 이온 농도를 갖는 투과물을 생성하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 상기 나노 여과 유닛은 공급 유체에서 2가 이온 농도보다 50% 내지 90% 더 낮은 2가 이온 농도를 갖는 투과물을 생성하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템은 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 입구, 하나 이상의 1가 선택 막, 및 상기 전해조의 입구와 유체 연통하는 농축물 스트림 출구를 갖는 전기 투석 유닛을 포함한다. 상기 전기 투석 유닛은 공급 유체를 희석물 스트림과 농축물 스트림으로 분리하고, 희석물 스트림으로부터 농축물 스트림으로 1가 이온을 우선적으로 수송하도록 구성될 수 있다. 상기 전기 투석 유닛은 농축물 스트림에서 1가 이온의 농도를 공급 액체에 비해 3% 내지 400%만큼 증가시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템은 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 입구, 하나 이상의 바이폴라 막, 및 공급 유체에 비해 증가된 산도를 갖는 유체 스트림을 상기 전해조의 입구에 제공하도록 구성된 출구를 갖는 전기 투석 유닛을 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템은 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 입구, 하나 이상의 바이폴라 막, 및 공급 유체에 비해 증가된 산도를 갖는 유체 스트림을 상기 전해조의 상류에 배치된 나노 여과 유닛의 입구에 제공하도록 구성된 출구를 갖는 전기 투석 유닛을 포함한다. 상기 나노 여과 유닛은 유체 스트림을 잔류물과 투과물로 분리하도록 구성될 수 있으며, 상기 잔류물에서는 투과물보다 2가 이온 대 1가 이온의 비율이 더 높고, 상기 나노 여과 유닛은 투과물을 전해조의 입구에 제공하도록 구성된 투과물 출구를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템은 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 입구, 및 전기 투석 유닛과 유체 연통하는 출구를 갖는 나노 여과 유닛을 포함하고, 상기 전기 투석 유닛은 하나 이상의 1가 선택 막, 및 상기 전해조의 입구와 유체 연통하는 농축물 스트림 출구를 포함한다. 상기 시스템은, 상기 전기 투석 유닛과 상기 전해조 사이에 유체 연통하는 산소 포화 유닛을 추가로 포함할 수 있고, 상기 산소 포화 유닛은 농축물 스트림이 상기 전해조의 입구로 들어가기 전에 농축물 스트림에 산소를 첨가하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템은 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 입구, 하나 이상의 1가 선택 막, 나노 여과 유닛의 입구와 유체 연통하는 희석물 스트림 출구, 상기 나노 여과 유닛의 투과물 출구와 유체 연통하는 농축물 스트림 입구, 및 상기 전해조의 입구와 유체 연통하는 농축물 스트림 출구를 갖는 전기 투석 유닛을 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 공급 유체의 pH를 증가시키거나 공급 유체에서 1가 이온 대 2가 이온의 비율을 증가시켜 변성된 공급 유체를 형성하도록 공급 유체 공급원과 전해조 사이에 유체 연통하는 서브 시스템을 동작시키는 단계, 및 상기 변성된 공급 유체를 상기 전해조에 도입하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는 나노 여과 유닛에서 공급 유체를 잔류물과 투과물로 분리하는 단계를 포함하고, 잔류물에서는 투과물보다 2가 이온 대 1가 이온의 비율이 더 높다. 상기 방법은 공급 유체에서 1가 이온 농도보다 2% 내지 10% 더 낮은 1가 이온 농도를 갖는 투과물을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 공급 유체에서 2가 이온 농도보다 50% 내지 90% 더 낮은 2가 이온 농도를 갖는 투과물을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는 하나 이상의 1가 선택 막을 갖는 전기 투석 유닛에서 공급 유체를 처리하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 공급 유체를 희석물 스트림과 농축물 스트림으로 분리시키는 단계, 및 상기 전기 투석 유닛에서 희석물 스트림으로부터 농축물 스트림으로 1가 이온을 우선적으로 수송하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 농축물 스트림에서 1가 이온의 농도를 공급 액체에 비해 3% 내지 400%만큼 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는 하나 이상의 바이폴라 막을 갖는 전기 투석 유닛에서 공급 유체를 처리하는 단계, 및 공급 유체에 비해 증가된 산도를 갖는 유체 스트림을 상기 전기 투석 유닛의 출구로부터 상기 전해조의 입구에 제공하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는 하나 이상의 바이폴라 막을 갖는 전기 투석 유닛에서 공급 유체를 처리하는 단계, 및 공급 유체에 비해 증가된 산도를 갖는 유체 스트림을 상기 전기 투석 유닛의 출구로부터 상기 전해조의 상류에 배치된 나노 여과 유닛의 입구에 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 나노 여과 유닛을 사용하여 유체 스트림을 잔류물과 투과물로 분리하는 단계로서, 잔류물에서는 투과물보다 2가 이온 대 1가 이온의 비율이 더 높은, 상기 유체 스트림을 분리하는 단계, 및 투과물을 상기 전해조의 입구에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는 전기 투석 유닛과 유체 연통하는 출구를 갖는 나노 여과 유닛에서 공급 유체를 처리하는 단계로서, 상기 전기 투석 유닛은 하나 이상의 1가 선택 막을 포함하는, 상기 공급 유체를 처리하는 단계, 및 상기 전기 투석 유닛으로부터 상기 전해조의 입구에 농축물 스트림을 전달하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 농축물 스트림이 상기 전해조의 입구로 들어가기 전에 농축물 스트림에 산소를 첨가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는 하나 이상의 1가 선택 막을 갖는 전기 투석 유닛에서 공급 유체를 처리하는 단계, 상기 전기 투석 유닛으로부터 나노 여과 유닛의 입구로 희석물 스트림을 전달하는 단계, 상기 나노 여과 유닛으로부터 상기 전기 투석 유닛의 농축물 스트림 입구로 투과물을 전달하는 단계, 및 상기 전기 투석 유닛으로부터 상기 전해조의 입구로 농축물 스트림을 전달하는 단계를 포함한다.
첨부된 도면은 축척에 맞게 그려진 것이 아니다. 도면에서, 다양한 도면에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호로 표시된다. 명확성을 위해 모든 도면에서 모든 구성 요소에 참조 부호가 표시된 것은 아니다.
도 1a는 다중 튜브 동심 튜브 전해조 셀의 일 실시형태의 사시도;
도 1b는 도 1a의 동심 튜브 전해조 셀의 측면도;
도 1c는 도 1a의 동심 튜브 전해조 셀의 단면도;
도 2는 직렬로 유체 흐름 가능하게 연결된 20개의 전기화학 셀을 포함하는 전해조 시스템을 도시하는 도면;
도 3a는 대표적인 전해조 시스템 파라미터의 표를 도시하는 도면;
도 3b는 대표적인 전해조 시스템 질량 흐름률의 표를 도시하는 도면;
도 3c는 전해조 시스템에서 대표적인 수소 부피 생성율의 표를 도시하는 도면;
도 3d는 전해조 시스템에서 대표적인 질량 생성율의 표를 도시하는 도면;
도 4는 나노 여과를 통해 전해조 시스템의 공급 스트림 조성을 조절하는 시스템을 도시하는 도면;
도 5는 예시적인 나노 여과 시스템에서 선택된 화합물의 제거율을 도시하는 도면;
도 6은 전기 투석을 통해 전해조 시스템의 공급 스트림 조성을 조절하는 시스템을 도시하는 도면;
도 7a는 예시적인 전기 투석 모듈로부터 해수 농축물에서 총 TDS의 함수로서 Cl- 및 SO4 2-의 상대적 레벨을 도시하는 도면;
도 7b는 예시적인 전기 투석 모듈에서 담수화 백분율의 함수로서 Cl- 및 SO4 2-의 상대적 레벨을 도시하는 도면;
도 8a는 예시적인 전기 투석 모듈로부터 해수 농축물에서 총 TDS의 함수로서 선택된 양이온의 상대적 레벨을 도시하는 도면;
도 8b는 예시적인 전기 투석 모듈에서 담수화 백분율의 함수로서 선택된 양이온의 상대적 레벨을 예시하는 도면;
도 9a는 전기 투석을 통해 전해조 공급 스트림 pH를 조절하는 시스템을 도시하는 도면;
도 9b는 도 9a의 바이폴라 전기 투석 모듈을 보다 상세히 도시하는 도면;
도 10은 나노 여과를 통해 전해조 공급 스트림 pH를 조절하는 시스템을 도시하는 도면;
도 11a는 나노 여과와 전기 투석을 결합하여 전해조 공급 스트림을 조절하는 시스템을 도시하는 도면;
도 11b는 나노 여과와 전기 투석을 결합하여 전해조 공급 스트림을 조절하는 다른 시스템을 도시하는 도면;
도 12a는 반응 생성물 저감을 위해 구성된 전해조와 결합된 공급 스트림 조성을 조절하는 시스템을 도시하는 도면;
도 12b는 전해조에 대한 상이한 공급 용액의 수소 저감의 상대적 성능을 도시하는 도면;
도 13은 본 명세서에 개시된 전기화학 셀 및 시스템의 실시형태의 제어 시스템을 도시하는 도면;
도 14는 도 13의 제어 시스템을 위한 메모리 시스템을 도시하는 도면;
도 15a는 재순환 전해조 시스템의 성능을 평가하기 위한 테스트 시스템의 설정을 도시하는 도면;
도 15b는 도 15a의 시스템에 사용되는 공급 용액의 조성을 도시하는 도면; 및
도 15c는 도 15a의 시스템을 테스트한 결과를 도시하는 도면.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 이하의 설명에서 제시되거나 도면에 도시된 구성 요소의 구성 및 배열의 상세로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니다. 본 명세서에서 "구비하는", "포함하는", "갖는", "함유하는", "수반하는" 및 이들의 변형어를 사용하는 것은 이후에 나열된 항목 및 그 등가물 및 추가 항목을 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서는 전기염소화 셀 및 전기염소화 장치를 포함하는 시스템의 다양한 실시형태를 설명하지만, 본 명세서는 전기염소화 셀 또는 장치를 포함하는 시스템으로 제한되지 않으며, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 다수의 목적 중 임의의 목적에 사용되는 전해 및 전기화학 셀을 포함하는 시스템에도 적용 가능하다.
현재 상업적으로 전기염소화 셀은 일반적으로 2개의 전극 배열, 즉 동심 튜브(CTE)와 병렬 플레이트(PPE) 중 하나에 기초한다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 일반적으로 차아염소산 나트륨과 같은 소독제를 생성하기 위한 전기화학 장치를 포함하는 시스템에 관한 것이다. "전기화학 장치" 및 "전기화학 셀"이라는 용어 및 이의 문법적 변형어는 "전기염소화 장치" 및 "전기염소화 셀" 및 이의 문법적 변형어를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 전기화학 셀의 양태 및 실시형태는 하나 이상의 전극을 포함하는 것으로 설명된다.
본 명세서에 개시된 시스템에 포함된 전기화학 셀의 실시형태는 금속 전극, 예를 들어, 하나 이상의 애노드, 하나 이상의 캐소드 및/또는 하나 이상의 바이폴라 전극을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "금속 전극"이라는 용어 또는 그 문법적 변형어는 하나 이상의 금속, 예를 들어, 티타늄, 알루미늄 또는 니켈로 형성되거나, 이를 포함하거나, 이로 구성된 전극을 포함하는 것으로 이해되어야 하지만, "금속 전극"이라는 용어는 다른 금속 또는 합금으로 구성된 것을 포함하는 전극을 배제하는 것은 아니다. 일부 실시형태에서, "금속 전극"은 상이한 금속의 다수의 층을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 하나 이상의 실시형태에서 사용되는 금속 전극은, 예를 들어, 전해질 용액에 의한 화학적 공격에 저항성이 높은 금속 또는 금속 산화물, 예를 들어, 티타늄, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 은, 금 또는 다른 코팅 재료 층으로 코팅된, 고전도성 금속, 예를 들어, 구리 또는 알루미늄의 코어를 포함할 수 있다. "금속 전극"은, 예를 들어, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 은, 금 또는 다른 코팅 재료를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 산화 방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 혼합 금속 산화물은 루테늄, 로듐, 탄탈륨(선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금된 것), 티타늄, 이리듐, 아연, 주석, 안티몬, 티타늄-니켈 합금, 티타늄-구리 합금, 티타늄-철 합금, 티타늄-코발트 합금 또는 다른 적절한 금속 또는 합금 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 사용되는 애노드는 이리듐, 루테늄, 주석, 로듐 또는 탄탈륨(선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금된 것) 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들 및/또는 백금으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 캐소드는 이리듐, 루테늄 및 티타늄 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들 및/또는 백금으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 전극은 티타늄, 탄탈륨, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐 및/또는 실리콘 중 하나 이상의 것의 베이스를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 시스템에서 임의의 전기화학 셀을 위한 전극은 플레이트, 시트, 포일, 압출 및/또는 소결로서 형성되거나 이로부터 형성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템에 포함된 전기화학 셀의 일부 양태 및 실시형태는 강성 전극을 포함하는 것으로 설명된다. 이 용어가 본 명세서에서 사용될 때, "강성" 물체는 정상 동작 온도 및/또는 상승된 온도에서 적용된 힘이 없는 상태에서 그 형상을 유지하는 물체이다. 이 용어가 본 명세서에 사용될 때 "강성 전극"은 스페이서를 요구함이 없이 본 명세서에 개시된 전기화학 셀 및 장치의 다양한 실시형태에서 인접한 전극들 또는 전극 권선들 사이에 그 형상 및 분리 거리를 유지하도록 할 만큼 충분한 기계적 강직성을 갖는 것으로 간주된다. 예를 들어, 금속 코팅을 포함하는 가요성 필름은 이 용어가 본 명세서에서 사용될 때 "강성 전극"인 것으로 간주되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용된 "튜브"라는 용어는 원통형 도관을 포함하지만, 다른 단면 기하 형상을 갖는 도관, 예를 들어, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 장방형 기하 형상 또는 임의의 규칙적인 또는 불규칙적인 다각형 형상의 단면 기하 형상을 갖는 도관을 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 "동심 튜브" 또는 "동심 나선"이라는 용어는 공통 중심 축을 공유하는 튜브 또는 인터리브된 나선을 포함하지만, 동심 튜브 또는 인터리브된 나선 세트의 각 동심 튜브 또는 인터리브된 나선의 중심일 수 있지만 반드시 중심일 필요는 없는 공통 축을 둘러싸는 튜브 또는 인터리브된 나선을 배제하는 것은 아니다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 셀의 중심축으로부터 중심축에 수직으로 형성된 평면의 전기염소화 셀의 주변을 향해 지나가는 선은 다수의 전극 플레이트를 통과한다. 다수의 전극 플레이트는 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 및/또는 다수의 바이폴라 전극을 포함할 수 있다. 중심축은 전기화학 셀을 통한 유체의 평균 흐름 방향과 평행할 수 있다.
다수의 애노드 또는 캐소드 튜브 전극을 포함하는 본 명세서에 개시된 시스템에 포함된 전기화학 셀의 실시형태에서, 다수의 애노드 튜브 전극은 총괄적으로 애노드 또는 애노드 튜브로 지칭될 수 있으며, 다수의 캐소드 튜브 전극은 총괄적으로 캐소드 또는 캐소드 튜브로 지칭될 수 있다. 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극을 포함하는 시스템에 포함된 전기화학 셀의 실시형태에서, 다수의 애노드 튜브 전극 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극은 본 명세서에서 애노드-캐소드 쌍으로 지칭될 수 있다.
동심 튜브 전극, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 바와 같은 하나 이상의 애노드 및/또는 캐소드를 포함하는 본 명세서에 개시된 시스템에 포함된 전기화학 셀의 일부 양태 및 실시형태에서, 전극은 유체가 전기화학 셀의 중심축과 평행한 방향으로 전극들 사이의 하나 이상의 갭을 통과하도록 구성되고 배열된다. 동심 튜브 전극, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 바와 같은 하나 이상의 애노드 및/또는 캐소드를 포함하는 전기화학 셀의 일부 양태 및 실시형태에서, 전극은 모든 유체가 전기화학 셀의 중심축과 평행한 방향으로 전극들 사이의 하나 이상의 갭을 통해 전기화학 셀로 도입되도록 구성되고 배열된다.
전기염소화 셀은 해양, 연안, 도시, 산업 및 상업용 응용에 사용된다. 예를 들어, 전극 간 이격 거리, 전극 두께 및 코팅 밀도, 전극 면적, 전기 연결 방법 등과 같은, 복수의 동심 전극 튜브를 포함하는 전기염소화 셀의 설계 파라미터는 다른 구현을 위해 선택될 수 있다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 전극의 수, 전극들 사이의 공간, 전극 재료 또는 스페이서 재료, 전기염소화 셀 또는 전극 코팅 재료 내로 통과 수로 제한되는 것은 아니다.
PCT 출원 PCT/US2016/018210은 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 병합된다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 전해조 공급 스트림의 조성을 조정하기 위한 시스템 및 공정을 포함한다. 이러한 기법을 사용하면 침전 형성률을 줄이고 전해조에서 생성되는 차아염소산염의 농도를 높일 수 있다.
시스템 성능을 개선하기 위해 동심 튜브 전해조(concentric tubular electrolyzer: CTE) 셀을 구성하는 것은 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 병합된 US 62/633,790에서 논의되어 있다. 다양한 배열의 전기화학 셀을 포함하는 전해조 시스템(예를 들어, 다수의 CTE 셀을 포함하는 CTE 시스템)은 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 병합된 PCT 출원 PCT/US2019/019072에 개시되어 있다. 그러나 셀 배열에 더하여 CTE 시스템 성능은 공급 스트림 조성에 크게 의존한다.
CTE 시스템은 예를 들어 아래 표 1과 표 2에 제시된 바와 같이 다양한 조성에 걸쳐 해수 공급 스트림에서 동작하도록 의도되었다. 해수에 용해된 다양한 고형물의 농도는 위치에 따라 다를 수 있지만, 해수의 하나의 예는 다음 성분을 포함할 수 있다:
일반적인 해수 성분 및 농도
일반 이름 기호 ㎎/ℓ(ppm)
염소 Cl 19,350
나트륨 Na 10,750
황산염 SO4 2,700
마그네슘 Mg 1,290
칼슘 Ca 410
칼륨 K 380
중탄산염 HCO3 140
브로민화물 Br 65
스트론튬 Sr 13
알루미늄 Al 1.9
실리콘 Si 1.1
불화물 F .8
질산염 NO3 .8
붕소 B .4
바륨 Ba .2
철 Fe .1
망간 Mn .1
구리 Cu .1
리튬 Li .1
인 P .06
요오드 I .04
은 Ag .02
비소 As <.01
아질산염 NO2 <.01
아연 Zn <.01
합계: 35,000
(H 및 O 제외)
다른 위치에 있는 해수의 다른 이온 성분은 아래 표 2에 제시된다:
해수의 주요 이온 조성(㎎/ℓ)
이온 일반적인
해수		 지중해 쿠웨이트에 있는 아라비아만 제다(Jeddah)에 있는 사해
염소(Cl-) 18,980 21,200 23,000 22,219
나트륨(Na+) 10,556 11,800 15,850 14,255
황산염(SO4 2-) 2,649 2,950 3,200 3,078
마그네슘(Mg2+) 1,262 1,403 1,765 742
칼슘(Ca2+) 400 423 500 225
칼륨(K+) 380 463 460 210
중탄산염(HCO3 -) 140 - 142 146
스트론튬(Sr2+) 13 - - -
브로민화물(Br-) 65 155 80 72
붕산염(BO3 3-) 26 72 - -
불소(F-) 1 - - -
규산염(SiO3 2-) 1 - 1.5 -
요오드(I-) <1 2 - -
다른 성분 - - - -
총 용해 고형물(TDS) 34,483 38,600 45,000 41,000
CTE 시스템에서 해수로부터 NaOCl을 생성하기 위한 전체 전기화학 반응 조건은 수식 세트(A1 및 A2)에서 본 명세서의 배경 란에 나열되어 있다.
해수에서 NaOCl을 생성하는 CTE 시스템의 애노드에서 주요 반응 생성물은 Cl2이다. 애노드 전류와 용액 내 NaCl 농도는 Cl2가 생성되는 율을 조정하고, 이는 이어서 용액에서 형성되는 NaOCl의 양을 결정한다. 시스템의 부피 흐름률에 대해 형성된 NaOCl의 양은 전체 생성물의 강도를 나타낸다.
해수에서 NaOCl을 생성하는 CTE 시스템의 캐소드에서 주요 반응 생성물은 H2와 OH-이다. 전류 및 그리하여 캐소드 전류 밀도는 이들이 생성되는 율을 조정하고, 이러한 생성율은 시스템 내 pH에 영향을 미친다.
해수의 벌크(bulk) pH는 일반적으로 7.5 내지 8.4이지만, 위 반응의 역학은 다른 요인과 함께 시스템 내 pH를 결정한다.
용해도를 넘어 H2가 CTE 셀에서 생성될 때 H2는 배출되어 유체 부피를 변위시켜 캐소드를 폐색(blinding)한다. 동일한 OH- 생성율을 유지하면서 국소 유체 부피를 줄이면 캐소드에서 국소 pH가 증가한다.
난류 및 이에 따른 혼합율은 속도의 함수이기 때문에 CTE 셀의 캐소드에서 국소 OH- 농도도 또한 속도의 함수이다. 따라서 흐름률을 줄이면 국소 캐소드 pH도 증가한다.
pH 임계값이 8인 경우 해수는 CaCO3로 과포화된다. pH 임계값이 10.7 내지 11인 경우 Mg(OH)2가 형성되기 시작한다. 이 두 종은 모두 CTE 셀의 성능을 저하시킨다.
용액에서 Mg2+ 및 Ca2+의 농도가 변경되면 또한 침전 형성률과 침전 형성량이 변한다.
공정 스트림의 TDS가 변하면, 그 전도율에 영향을 미치고, 이에 따라 셀 전압과 전도율은 서로 상반되기 때문에 전해조의 전체 전력 소비량에 영향을 미친다.
현재 에보쿠아(Evoqua) 기술의 CTE 셀이 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있다. 유압식으로 직렬 연결된 20개의 CTE 셀을 포함하는 예시적인 시스템이 도 2에 도시되어 있다. 특히 주목되는 파라미터는 해수의 부피 흐름률(도 3a), 도 3b의 질량 흐름률, H2의 부피 생성율(도 3c) 및 도 3d의 질량 생성율을 포함한다.
2m/s 내지 3m/s의 유속에서 도 2에 도시된 시스템은 Na+ 농도가 약 10,000 내지 16,000ppm, Cl- 농도가 약 18,000 내지 23,000ppm, Mg2+ 농도가 약 750ppm 내지 1,800ppm, 및 Ca2+ 농도가 약 200ppm 내지 500ppm인 공급 스트림을 가정하면 자가 세정 동작이 가능하다.
이러한 공급 조건에서 약 2,000ppm 내지 약 3,000ppm의 NaOCl 출력 농도를 달성할 수 있다. 다시, 이 생성물 강도는 이론적으로 침전 형성률 및 용액 내 NaCl의 양에 의해 제한된다. 전기염소화 시스템의 성능을 향상시키려면, 예를 들어,
Figure 112020102663240-pct00001
(pH 조정 또는 Mg2 +/Ca2 + 제거를 통해) 침전을 완화시킬 수 있고; 및/또는
공급 스트림에서 NaCl의 농도를 높일 수 있다.
공정 스트림 조성의 조정
2가 경도를 보상하고/하거나 1가 염 농도를 향상시키는 기법이 존재한다. 그러나 위에서 설명한 시스템의 경우 많은 프로세스가 비실용적이다. 적합한 프로세스와 부적합한 프로세스의 예가 아래에 나열된다.
부적합한 프로세스:
스케일링 방지제 투여: 처리할 물질에 대한 시약 비용이 엄청나다.
킬레이트화: 처리할 물질에 대한 시약 비용이 엄청나다.
증류: 필요한 부피를 처리하는 데 드는 에너지 비용은 엄청나다.
전기 탈이온화(EDI): 공정 범위를 벗어난 낮은 경도 공급이 필요하다.
이온 교환: 유인 작업이 필요하고; 재생 화학물질의 비용과 위험한 특성이 엄청나다.
석회 연화/클라크 공정: 유인 작업이 필요하고; 처리 질량 및 슬러지 처리 비용이 엄청나다.
자성 수처리(AMT): 입증되지 않은 공정, 지원 데이터가 거의 없다.
적합한 프로세스:
산 투여: 산 주입은 pH를 감소시켜 스케일링 형성을 완화할 수 있다.
용량성 탈이온화(CAPDI): 2가를 줄이고 1가 이온 농도를 높일 수 있고; 상대적으로 낮은 에너지(주기적 흡착/탈착)
나노 여과/역삼투: 2가 이온 농도를 감소시키는 동시에 1가 이온 농도를 동시에 감소시킬 수 있고; 상대적으로 낮은 에너지
전기 투석(ED): 1가 이온을 선택적으로 수송하고/하거나 산을 생성할 수 있다.
비-제한적인 실시형태
도 4는 나노 여과(NF)를 통해 공급 스트림 조성을 조절하는 시스템을 도시한다. 2가 경도, 구체적으로 Mg2+ 및 Ca2+를 감소시켜 전해조 침전을 방지하기 위해 NF를 사용하는 것은 신규한 것으로 여겨진다. NF 유닛은 해수를 잔류물과 여과물로 분리하고, 잔류물에서는 여과물보다 2가 이온 대 1가 이온의 비율이 더 높다. NF 유닛의 여과물 출구는 전해조의 입구에 여과물을 제공한다. 이러한 NF 시스템에 대한 참조 데이터는 도 5에 포함되어 있다(문헌[Telzhensky, M., Birnhack, L., Lehmann, O., Windler, E., Lahav, O. Selective separation of seawater Mg2+ ions for use in downstream water treatment processes. Chemical Engineering Journal 175 (2011) 136-143]으로부터 인용함).
이 구성에서 1가 이온 농도는 약 2% 내지 10%만큼 감소될 수 있는 반면, 2가 이온 농도는 약 50% 내지 90%만큼 감소될 수 있다.
도 6은 전기 투석(ED)을 통해 공급 스트림 조성을 조절하는 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은 1가 선택 막을 사용하여 희석물로부터 농축물 스트림으로 1가 이온을 우선적으로 수송한다. 이러한 프로세스에 대한 참조 데이터는 도 7a 내지 도 8b에 포함된다. 도 7a 내지 도 7b는 1가 선택 막을 사용하는 ED 시스템의 일례의 성능을 도시한다. 처리량이 증가하면(TDS가 감소하거나 또는 담수화도가 증가하면) 높은 TDS 제거/담수화율이 달성될 때까지 1가 이온(Cl, Na, K)은 희석물로부터 농축물 스트림으로 빠르게 이동하는 반면, 2가 이온(SO4, Mg, Ca)은 농축물 스트림에 남아 있다. 이 구성에서 농축물 스트림에서 1가 이온 농도는 약 3% 내지 400%만큼 증가될 수 있으며, 2가 이온 종의 농도는 동시적으로 변하지 않다.
도 9a는 ED를 통해 전해조 공급 스트림 pH를 조절하는 시스템을 도시한다. 이 시스템은 바이폴라 막을 사용하여 H+ 및 OH-를 생성한다(도 9a). H+는 전해조(도 9b) 또는 NF 모듈(도 10)에서 pH를 조절하는 데 사용될 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 전해조 공급 스트림을 조절하기 위해 NF 및 ED를 결합시킨 시스템을 도시한다. 도 11a의 시스템에서, NF는 2가 경도를 줄이기 위해 사용된다. NF의 잔류물 스트림은 1가 선택 ED 모듈의 희석물 및 농축물 스트림을 모두 공급한다. 브로민화물 이온이 농축물 스트림을 통과할 때 1가 선택 ED 모듈의 희석물 스트림은 음용수 또는 냉각수와 같은 다른 응용 분야에 사용될 수 있다. 감소된 2가 및 증가된 1가 이온 농도를 갖는 농축물 스트림은 전해조의 공급 스트림으로 사용될 수 있다.
도 11b의 시스템에서, 1가 선택 ED 모듈의 희석 스트림은 먼저 공급 스트림에서 1가 이온의 농도를 감소시키기 위해 사용된다. ED 장치의 희석물 스트림은 2가 경도를 줄이기 위해 NF 모듈의 공급물로 사용된다. NF 모듈의 투과물은 ED 장치의 농축물 스트림에 공급되어 1가 이온의 전체 농도를 보존한다.
도 12a는 반응 생성물 저감을 위한 특징을 포함하는 전해조와 결합된 공급 스트림 조성을 조절하는 시스템을 도시한다. 다양한 공급 조성, 특히 해수 및 염수에 대해 반응 생성물 저감을 비교한 이전 실험에 따르면 Mg2+ 경도가 존재하면 캐소드 마스킹이 발생하고 동작 전류 밀도를 약 2,200A/m2로부터 200A/m2로 감소(도 12b)시킴과 동시에 산소 소비로부터 수소 생성으로 이동하는 일이 발생한 것으로 밝혀졌다. 도 12b에서, 산소 소비로부터 수소 생성으로 이동하는 것은 각 라인에 표시된 변곡점에서 발생한다. "염수 -3m/s, 1바(bar)의 공기" 라인은 전혀 개선되지 않은 성능을 나타낸다. "염수 -3m/s, 6.9바의 O2" 라인은 완전히 실현된 성능 향상을 나타낸다. "해수 -3m/s, 5바의 O2"라인은 Mg 간섭으로 인한 성능 저하를 보여준다. 2가 경도, 특히 Mg2+를 제거함으로써, 예를 들어, 도 12a에 도시된 나노 여과 유닛을 사용하면, 수소 없이 NaOCl을 생성할 수 있는 전해조 시스템이 가능하다. 산소 포화기는 또한 전기화학 반응기 공급 스트림에 산소를 도입하여 용해된 H+와 반응시켜 물을 형성하고 H+가 용액으로부터 나오는 것을 방지하기 위해 제공될 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템의 실시형태의 다양한 요소의 동작을 모니터링하고 제어하는 데 사용되는 제어기는 컴퓨터 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어기의 다양한 양태는 예를 들어 도 13에 도시된 것과 같은 범용 컴퓨터 시스템(1000)에서 실행되는 특수 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1000)은 예를 들어 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 메모리, 또는 데이터를 저장하기 위한 다른 장치와 같은 하나 이상의 메모리 장치(1004)에 연결된 프로세서(1002)를 포함할 수 있다. 메모리(1004)는 일반적으로 컴퓨터 시스템(1000)의 동작 동안 프로그램 및 데이터를 저장하는 데 사용된다. 컴퓨터 시스템(1000)의 구성 요소는 (예를 들어, 동일한 기계 내에 통합된 구성 요소들 간) 하나 이상의 버스 및/또는 (예를 들어, 별도의 이산 기계에 존재하는 구성 요소들 간) 네트워크를 포함할 수 있는 상호 연결 메커니즘(1006)에 의해 결합될 수 있다. 상호 연결 메커니즘(1006)은 시스템(1000)의 시스템 구성 요소들 간에 통신(예를 들어, 데이터, 명령어)을 교환할 수 있다. 컴퓨터 시스템(1000)은 또한 하나 이상의 입력 장치(1008), 예를 들어, 키보드, 마우스, 트랙볼, 마이크로폰, 터치 스크린, 및 하나 이상의 출력 장치(1010), 예를 들어, 인쇄 장치, 디스플레이 스크린 및/또는 스피커를 포함한다.
출력 장치(1010)는 또한 공급원으로부터의 생성된 물(예를 들어, 기수 또는 해수)을 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기염소화 시스템으로 또는 사용 지점으로 도입하고/하거나 펌프의 속력을 제어하는 데 이용될 수 있는 밸브, 펌프 또는 스위치를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서(1014)는 또한 컴퓨터 시스템(1000)에 입력을 제공할 수 있다. 이러한 센서는 예를 들어 압력 센서, 화학 농도 센서, 온도 센서, 유체 흐름률 센서, 또는 전기염소화 시스템의 운영자에 관심 있는 임의의 다른 파라미터에 대한 센서를 포함할 수 있다. 이러한 센서는 유용할 수 있는 시스템의 임의의 부분에 위치될 수 있는 데, 예를 들어, 사용 지점 및/또는 전기염소화 시스템의 상류에, 또는 공급원과 유체 연통하는 곳에 위치될 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(1000)은 상호 연결 메커니즘(1006)에 더하여 또는 이의 대안으로 컴퓨터 시스템(1000)을 통신 네트워크에 연결하는 하나 이상의 인터페이스(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
도 14에 보다 상세히 도시된 저장 시스템(1012)은 일반적으로 프로세서(1002)에 의해 실행될 프로그램 또는 이 프로그램이 처리할 정보를 규정하는 신호를 저장하는 컴퓨터 판독 가능 및 기록 가능 비-휘발성 기록 매체(1102)를 포함한다. 매체는 예를 들어 디스크 또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 일반적으로, 동작 시, 프로세서는 비-휘발성 기록 매체(1102)로부터 다른 메모리(1104)로 데이터를 판독하고, 이에 의해 매체(1102)보다 프로세서에 의해 정보에 더 빨리 액세스할 수 있다. 이 메모리(1104)는 일반적으로 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 또는 정적 메모리(SRAM)와 같은 휘발성 랜덤 액세스 메모리이다. 이 메모리는 도시된 바와 같이 저장 시스템(1012) 또는 메모리 시스템(1004)에 위치될 수 있다. 프로세서(1002)는 일반적으로 집적 회로 메모리(1104) 내 데이터를 조작한 다음 처리가 완료된 후 데이터를 매체(1102)에 복사한다. 매체(1102)와 집적 회로 메모리 소자(1104) 사이의 데이터 이동을 관리하기 위한 다양한 메커니즘이 알려져 있으며, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 이로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 특정 메모리 시스템(1004) 또는 저장 시스템(1012)으로 제한되지 않는다.
컴퓨터 시스템은 예를 들어 주문형 집적 회로(ASIC)와 같이 특별히 프로그래밍된 특수 목적 하드웨어를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 이러한 방법, 동작, 시스템, 시스템 요소 및 이들의 구성 요소는 위에서 설명된 컴퓨터 시스템의 일부로서 또는 독립적인 구성 요소로서 구현될 수 있다.
컴퓨터 시스템(1000)은 예로서 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태가 실행될 수 있는 하나의 유형의 컴퓨터 시스템으로서 도시되어 있지만, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 도 13에 도시된 컴퓨터 시스템에서 구현되는 것으로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 도 13에 도시된 것과 상이한 아키텍처 또는 구성 요소를 갖는 하나 이상의 컴퓨터에서 실행될 수 있다.
컴퓨터 시스템(1000)은 높은 레벨의 컴퓨터 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍 가능한 범용 컴퓨터 시스템일 수 있다. 컴퓨터 시스템(1700)은 또한 특별히 프로그래밍된 특수 목적 하드웨어를 사용하여 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1000)에서, 프로세서(1002)는 일반적으로 인텔사(Intel Corporation)로부터 이용 가능한 잘 알려진 펜티엄TM 또는 코어TM 클래스 프로세서와 같은 상업적으로 이용 가능한 프로세서이다. 프로그래밍 가능한 논리 제어기를 포함하여 다른 많은 프로세서가 이용 가능할 수 있다. 이러한 프로세서는 일반적으로 마이크로소프트사(Microsoft Corporation)로부터 이용 가능한 예를 들어 Windows 7, Windows 8, 또는 Windows 10 운영 체제, 애플 컴퓨터(Apple Computer)사로부터 이용 가능한 MAC OS System X, 선 마이크로시스템즈(Sun Microsystems)사로부터 이용 가능한 Solaris 운영 체제, 또는 다양한 소스로부터 이용 가능한 UNIX일 수 있는 운영 체제를 실행한다. 다른 많은 운영 체제가 사용될 수 있다.
프로세서와 운영 체제는 함께 하이 레벨의 프로그래밍 언어로 된 응용 프로그램을 작성하는 컴퓨터 플랫폼을 규정한다. 본 발명은 특정 컴퓨터 시스템 플랫폼, 프로세서, 운영 체제 또는 네트워크로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 또한, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태가 특정 프로그래밍 언어 또는 컴퓨터 시스템으로 제한되지 않는다는 것을 명백히 이해할 수 있을 것이다. 또한, 다른 적절한 프로그래밍 언어 및 다른 적절한 컴퓨터 시스템이 또한 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
컴퓨터 시스템의 하나 이상의 부분은 통신 네트워크에 연결된 하나 이상의 컴퓨터 시스템(도시되지 않음)에 걸쳐 분산될 수 있다. 이러한 컴퓨터 시스템은 또한 범용 컴퓨터 시스템일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 양태는 하나 이상의 클라이언트 컴퓨터에 서비스(예를 들어, 서버)를 제공하거나 분산 시스템의 일부로서 전체 작업을 수행하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 시스템 간에 분산될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태에 따라 다양한 기능을 수행하는 하나 이상의 서버 시스템 간에 분산된 구성 요소를 포함하는 클라이언트-서버 시스템에서 수행될 수 있다. 이러한 구성 요소는 통신 프로토콜(예를 들어, TCP/IP)을 사용하여 통신 네트워크(예를 들어, 인터넷)를 통해 통신하는 실행 가능 코드, 중간 코드(예를 들어, IL) 또는 해석된 코드(예를 들어, 자바(Java))일 수 있다. 일부 실시형태에서, 컴퓨터 시스템(200)의 하나 이상의 구성 요소는 예를 들어 셀룰러 전화 네트워크를 포함하는 무선 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 구성 요소와 통신할 수 있다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 임의의 특정 시스템 또는 시스템 그룹에서 실행되는 것으로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 또한, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 임의의 특정 분산 아키텍처, 네트워크 또는 통신 프로토콜로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 SmallTalk, Java, C++, Ada 또는 C#(C-Sharp)와 같은 객체 지향 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍될 수 있다. 다른 객체 지향 프로그래밍 언어도 또한 사용될 수 있다. 대안적으로, 기능적, 스크립팅 및/또는 논리적 프로그래밍 언어, 예를 들어, 래더 논리 회로(ladder logic)도 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 프로그래밍되지 않은 환경(예를 들어, 브라우저 프로그램의 창에서 볼 때, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 측면을 렌더링하거나 다른 기능을 수행하는 HTML, XML 또는 다른 형식으로 작성된 문서)에서 구현될 수 있다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 프로그래밍된 또는 프로그래밍되지 않은 요소, 또는 이들의 임의의 조합으로서 구현될 수 있다.
실시예:
도 15a는 테스트된 재순환 전해조 시스템을 도시한다.
이 설정에서 3.5% 인스턴트 오션(Instant Ocean)
Figure 112020102663240-pct00014
합성 해수 용액(도 15b)이 생성물 탱크 내에 준비되었다. 이 용액은 전력이 셀에 걸쳐 인가된 동안 다양한 시간 기간(도 15c, 7분 내지 120분) 동안 전해조를 통해 재순환되었다. H2 가스가 생성되면서 배출되었고 NaOCl 생성물이 축적되도록 하였다.
배경 논의에 따르면 H2를 배출하면 캐소드의 폐색이 방지되어 벌크값(bulk value) 근처에 국소 pH를 유지하고 Mg(OH)2 스케일을 완화할 수 있다고 믿어진다. 확인으로서, 벌크 pH는 8.6 내지 8.8로 측정되었으며, 관찰 가능한 침전물이 형성되지 않았다.
지속적인 동작 후, NaOCl 생성물 강도는 요오드 적정을 통해 측정되었다. 약 750ppm 내지 6,200ppm의 생성물 강도(도 15c)가 달성되었다. 이러한 결과는 현재의 기술에 비해 상당한 개선을 나타낸다.
공급 스트림 조성을 조정하는 것을 통해, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 유사하거나 더 큰 성능을 달성할 수 있을 것으로 예상된다.
본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용된 "복수"라는 용어는 둘 이상의 항목 또는 구성 요소를 의미한다. "포함하는", "구비하는", "운반하는", "갖는", "함유하는" 및 "수반하는"이라는 용어는 상세한 설명 또는 청구 범위 등에서 개방형 용어, 즉, "~을 포함하되 이로 국한되지 않는" 것을 의미하는 것이다. 따라서, 이러한 용어의 사용은 이후에 나열된 항목 및 이와 등가 항목 및 추가 항목을 포괄하는 것으로 의도된다. "~로 구성된" 및 "본질적으로 ~로 구성된"이라는 전이 어구만이 청구 범위와 관련하여 각각 폐쇄형 또는 반 폐쇄형 전이 어구이다. 청구범위에서 청구항 요소를 수식하는 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어를 사용하는 것 자체가 하나의 청구항 요소가 다른 청구항 요소보다 우선권, 우선 순위, 또는 순서를 갖는 것을 나타내거나 방법 동작이 수행되는 시간적 순서를 의미하는 것이 아니고, 이는 단지 특정 이름을 가진 하나의 청구항 요소를 동일한 이름을 가진 다른 요소와 (서수 용어를 사용하여) 구별하여 청구항 요소들 간을 구별하기 위한 표지로서 사용된 것이다.
이와 같이 적어도 하나의 실시형태의 여러 양태를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 쉽게 발생할 수 있는 것으로 이해된다. 임의의 실시형태에서 설명된 임의의 특징은 임의의 다른 실시형태의 임의의 특징에 포함되거나 대체될 수 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 발명의 일부로 의도되고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예시적인 것일 뿐이다.

Claims (26)

  1. 전기염소화 시스템으로서,
    공급 유체 공급원과 생성물 유체 출구 사이에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전해조; 및
    전기 투석 유닛 및 나노 여과 유닛을 포함하는 서브 시스템;
    을 포함하며,
    상기 전기 투석 유닛은 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는 입구, 하나 이상의 바이폴라 막(bipolar membrane), 및 상기 공급 유체에 비해 증가된 산도를 갖는 유체 스트림을 상기 전해조의 상류에 배치된 나노 여과 유닛의 입구에 제공하도록 구성된 출구를 가지며,
    상기 나노 여과 유닛은 상기 유체 스트림을 잔류물과 투과물로 분리하도록 구성되고, 상기 잔류물에서는 상기 투과물보다 2가 이온 대 1가 이온의 비율이 더 높고, 상기 투과물을 상기 전해조의 입구에 제공하도록 구성된 투과물 출구를 포함하는, 전기염소화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노 여과 유닛은 상기 공급 유체에서 1가 이온 농도보다 2% 내지 10% 더 낮은 1가 이온 농도를 갖는 투과물을 생성하도록 구성된, 전기염소화 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나노 여과 유닛은 상기 공급 유체에서 2가 이온 농도보다 50% 내지 90% 더 낮은 2가 이온 농도를 갖는 투과물을 생성하도록 구성된, 전기염소화 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전기 투석 유닛은 상기 공급 유체를 희석물 스트림과 농축물 스트림으로 분리하고, 상기 희석물 스트림으로부터 상기 농축물 스트림으로 1가 이온을 우선적으로 수송하도록 구성된, 전기염소화 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전기 투석 유닛은 상기 농축물 스트림에서 1가 이온의 농도를 상기 공급 유체에 비해 3% 내지 400%만큼 증가시키도록 구성된, 전기염소화 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 서브 시스템은 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 입구, 및 전기 투석 유닛과 유체 연통하는 출구를 갖는 나노 여과 유닛을 포함하고, 상기 전기 투석 유닛은 하나 이상의 1가 선택 막 및 상기 전해조의 입구와 유체 연통하는 농축물 스트림 출구를 포함하는, 전기염소화 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전기 투석 유닛과 상기 전해조 사이에 유체 연통하는 산소 포화 유닛을 추가로 포함하고, 상기 산소 포화 유닛은 농축물 스트림이 상기 전해조의 입구로 들어가기 전에 산소를 상기 농축물 스트림에 첨가하도록 구성된, 전기염소화 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 서브 시스템은 상기 공급 유체 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는 입구, 하나 이상의 1가 선택 막, 나노 여과 유닛의 입구와 유체 연통하는 희석물 스트림 출구, 상기 나노 여과 유닛의 투과물 출구와 유체 연통하는 농축물 스트림 입구, 및 상기 전해조의 입구와 유체 연통하는 농축물 스트림 출구를 갖는 전기 투석 유닛을 포함하는, 전기염소화 시스템.
  9. 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    공급 유체 공급원과 전해조 사이에 유체 연통하는 서브 시스템을 동작시키는 단계로서, 상기 서브 시스템은 전기 투석 유닛 및 나노 여과 유닛을 포함하고, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는:
    하나 이상의 바이폴라 막을 갖는 전기 투석 유닛에서 상기 공급 유체를 처리하고, 상기 공급 유체에 비해 증가된 산도를 갖는 유체 스트림을 상기 전기 투석 유닛의 출구로부터 상기 전해조의 상류에 배치된 나노 여과 유닛의 입구에 제공하는 단계,상기 나노 여과 유닛을 사용하여 상기 유체 스트림을 잔류물과 투과물로 분리하고, 상기 잔류물에서는 상기 투과물보다 2가 이온 대 1가 이온의 비율이 더 높고, 상기 투과물을 상기 전해조의 입구에 제공하여 변성된 공급 유체를 형성하는 단계를 포함하며, 그리고
    상기 변성된 공급 유체를 상기 전해조에 도입하는 단계를 포함하는, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공급 유체에서 1가 이온 농도보다 2% 내지 10% 더 낮은 1가 이온 농도를 갖는 투과물을 생성하는 단계를 포함하는, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 공급 유체에서 2가 이온 농도보다 50% 내지 90% 더 낮은 2가 이온 농도를 갖는 투과물을 생성하는 단계를 포함하는, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 공급 유체를 희석물 스트림과 농축물 스트림으로 분리하는 단계, 및 상기 전기 투석 유닛에서 상기 희석물 스트림으로부터 상기 농축물 스트림으로 1가 이온을 우선적으로 수송하는 단계를 포함하는, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 농축물 스트림에서 1가 이온의 농도를 상기 공급 유체에 비해 3% 내지 400%만큼 증가시키는 단계를 포함하는, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는 전기 투석 유닛과 유체 연통하는 출구를 갖는 나노 여과 유닛에서 상기 공급 유체를 처리하는 단계로서, 상기 전기 투석 유닛은 하나 이상의 1가 선택 막을 포함하는, 상기 공급 유체를 처리하는 단계, 및 농축물 스트림을 상기 전기 투석 유닛으로부터 상기 전해조의 입구로 전달하는 단계를 포함하는, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 농축물 스트림이 상기 전해조의 입구로 들어가기 전에 산소를 상기 농축물 스트림에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 서브 시스템을 동작시키는 단계는 하나 이상의 1가 선택 막을 갖는 전기 투석 유닛에서 상기 공급 유체를 처리하는 단계, 희석물 스트림을 상기 전기 투석 유닛으로부터 나노 여과 유닛의 입구로 전달하는 단계, 상기 나노 여과 유닛으로부터 상기 전기 투석 유닛의 농축물 스트림 입구로 투과물을 전달하는 단계, 상기 전기 투석 유닛으로부터 상기 전해조의 입구로 농축물 스트림을 전달하는 단계를 포함하는, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TR2022013104A2 (tr) * 2022-08-19 2022-09-21 Tuerkiye Bilimsel Veteknolojik Arastirma Kurumu Rodyumun zengi̇nleşti̇ri̇lmesi̇ ve geri̇ kazanimi i̇çi̇n membran ve katodi̇k i̇ndi̇rgeme hi̇bri̇t si̇stemi̇

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100874269B1 (ko) * 2007-04-19 2008-12-16 (주) 테크윈 전처리 공정을 포함한 고효율 해수 전해장치 및 전해방법
US20090281480A1 (en) * 2005-07-05 2009-11-12 David Orlebeke Oxygenation of aqueous systems
JP2010504200A (ja) 2006-09-20 2010-02-12 シーメンス ウォーター テクノロジース コーポレイション 脱塩のための方法及び装置
JP2012217906A (ja) 2011-04-07 2012-11-12 Mitsubishi Electric Corp 活性酸素生成装置及び給湯装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07148420A (ja) * 1993-11-30 1995-06-13 Tokuyama Corp 酸及びアルカリの回収方法
CA2227398A1 (en) * 1997-01-23 1998-07-23 K.N. Mani Apparatus and process for electrodialysis of salts
JP3553775B2 (ja) * 1997-10-16 2004-08-11 ペルメレック電極株式会社 ガス拡散電極を使用する電解槽
WO2007132477A1 (en) * 2006-05-11 2007-11-22 Raman Ahilan A pretreatment process for the saline water feeds of desalination plants
US10252923B2 (en) 2006-06-13 2019-04-09 Evoqua Water Technologies Llc Method and system for water treatment
US20080277341A1 (en) * 2007-05-10 2008-11-13 Nai-Jen Huang Method for Making Reverse Osmosis Permeate Water and Mineral Water From Deep Seawater
MX2010003086A (es) * 2007-09-21 2010-08-10 Siemens Water Tech Corp Sistema de baja energia y metodo para desalinar agua de mar.
RU2403301C1 (ru) * 2009-04-24 2010-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Читинский государственный университет (ЧитГУ) Способ активационного выщелачивания металлов из руд и концентратов
WO2013023249A1 (en) 2011-08-17 2013-02-21 Ahilan Raman Process and system for producing sodium chloride brine
JP5873771B2 (ja) 2012-07-06 2016-03-01 水ｉｎｇ株式会社 有機性廃水の処理方法及び処理装置
JP6179784B2 (ja) 2012-08-16 2017-08-16 ラマン, アヒランRAMAN, Ahilan 塩化ナトリウム鹹水の製造方法及びシステム
US20140227151A1 (en) 2013-02-14 2014-08-14 Board Of Regents, The University Of Texas System Recovery and purification of monovalent salt contaminated with divalent salt
US20140290484A1 (en) 2013-03-27 2014-10-02 Cameron Solutions, Inc. System and Method For Treating A Saline Feed Stream To An Electro-Chlorination Unit
KR102809284B1 (ko) 2015-09-18 2025-05-16 에보쿠아 워터 테크놀로지스 엘엘씨 전기화학 전지에서의 반응 생성물을 약화시키기 위한 인시투 전달 시스템
JP6738145B2 (ja) 2015-12-22 2020-08-12 学校法人福岡大学 次亜塩素酸ソーダの製造方法及び次亜塩素酸ソーダの製造装置
CN107265734B (zh) * 2017-08-03 2020-07-10 国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所 一种反渗透浓海水处理系统和方法
EP3724133A4 (en) 2018-02-22 2021-08-11 Evoqua Water Technologies LLC CONFIGURATIONS OF AN ELECTROCHLORINATION SYSTEM FOR GENERATING SOLUTIONS WITH HIGH PRODUCT STRENGTH

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090281480A1 (en) * 2005-07-05 2009-11-12 David Orlebeke Oxygenation of aqueous systems
JP2010504200A (ja) 2006-09-20 2010-02-12 シーメンス ウォーター テクノロジース コーポレイション 脱塩のための方法及び装置
KR100874269B1 (ko) * 2007-04-19 2008-12-16 (주) 테크윈 전처리 공정을 포함한 고효율 해수 전해장치 및 전해방법
JP2012217906A (ja) 2011-04-07 2012-11-12 Mitsubishi Electric Corp 活性酸素生成装置及び給湯装置

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