KR20150144335A - 삼투 장치 - Google Patents

Abstract

삼투 요소는 중앙 투과 튜브 및 막 요소를 포함하고, 막은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 단부는 중앙 튜브에 인접하여 위치하기 위한 상측 단부를 가지며, 제 2 단부는 반대편 단부에 배치되고, 제 1 단부는 물이 제 1 단부를 통해 유동하도록 하는 소재를 포함하고, 제 2 단부는 물이 제 1 단부를 통해 유동하도록 하는 제 1 단부로부터 연장되는 2 이상의 인접 투과 스페이서를 포함하고, 투과 스페이서는 2 개의 인접 투과 스페이서의 맞은편 면들에 부착되는 반투과성 막을 포함하며, 제 1 단부는 상측 단부 부근으로부터 연장되는 배리어를 포함하고, 중앙 튜브는 외측벽, 및 중앙 투과 튜브의 길이 방향으로 각각 연장되는 제 1 채널과 제 2 채널을 규정하면서 길이 방향으로 연장되는 내측 분리대를 포함하고, 1 이상의 제 1 구멍이 외측벽을 통해 제 1 채널로부터 연장되고 1 이상의 제 2 구멍이 외측벽을 통해 제 2 채널로부터 연장된다.

Description

삼투 장치{Osmosis apparatus}

본 발명은 막 요소, 중앙 튜브, 중앙 튜브 및 막을 갖는 삼투 요소, 삼투 요소를 포함하는 삼투 장치, 및 플랜트에 관한 것으로, 특히 압력 지연 삼투 (pressure-retarded osmosis, PRO) 응용 분야에 한정되는 것은 아니다.

삼투는 물이 저농도 및 고농도를 갖는 용액 사이에서 반투과성 막을 통해 이동하는 공지의 현상이다. 정삼투 (forward osmosis) 에서, 물은 저농도 용액으로부터 고농도 용액으로 움직이는 반면, PRO 삼투에서는 물의 유동률이 감소될 수 있다. 고농도 측에 충분한 압력을 가함으로써, 삼투수 유동은 반전될 수 있고 물이 반투과성 막을 가로질러 고농도로부터 저농도 용액으로 이동될 수 있다. 상기 기술은 수처리 및 담수화를 포함하는 다양한 분야에서 그 용도가 알려져 있다. 압력 지연 삼투 역시 발전 분야에 적용되고 있고, 압력 지연 삼투에서 담수원으로부터의 삼투에 의해 해수 용액의 압력이 증가하게 되고, 상기 압력은 터빈을 구동하는데 이용된다.

공지의 삼투 시스템에서, 나선형으로 감싼 삼투 요소를 이용하는 것은 잘 알려져 있고, 삼투 요소 각각은 복수의 기본적인 다층 구조의 블럭이 반복된 순서로 포함된다. 통상의 이러한 블럭은 여러 겹으로 접혀 공급 시트가 되는 1 장의 반투과성 막을 포함한다. 반투과성 막 시트의 면적은 보통 공급 시트 스페이서 면적의 2 배이다. 반투과성 막이 공급 시트 스페이서로 접히게 되면, 공급 시트 스페이서는 접혀진 반투과성 막 시트를 2 개의 리프 (leaf) 로 분리시킨다. 공급 시트는 자유 용매가 반투과성 막의 표면을 따라 유동하도록 구성된다. 반투과성 막은 용질이 유동하는 것을 방지하도록 형성된다. 내측 공급 스페이서와 함께 이러한 샌드위치된 절곡된 반투과성 막은 그 다음 공간화된 투과 스페이서 사이에 배치된다. 투과 스페이서의 면적은 보통 일차원에서 반투과성 막의 절곡된 리프의 면적보다 더 크기 때문에, 절곡된 반투과성 막 및 관련 공급 스페이서가 공간화된 투과 스페이서 사이에 배치되면, 투과 스페이서로 구성되는 꼬리 부분만이 끼워진 투과 스페이서 및 반투과성 막으로부터 연장된다. 막을 가로질러 공급되는 공급수는 반투과성 막의 용질 저지 막과 접촉하면서 공급 스페이서를 따라 유동할 수 있다. 이와 같은 다수의 기본 블럭은, 중앙 튜브 둘레로 나선형으로 감싸지게 되어 각 투과 스페이서의 꼬리는 각 기본 블럭에 의해 생성된 산출수 (water product) 를 지정된 측부 구멍을 통해 중앙 튜브로 배출시킨다. 공급수는 튜브에 평행한, 감싸진 공급 스페이서의 길이 방향 차원을 따라 일반적으로 이동하도록 강제되고, 반투과성 막을 통해 투과 스페이서로 유동이 스며들게 하며 중앙 튜브를 향해 나선 방향으로 지속되게 된다.

종래 기술에서 나선형으로 감겨진 막은 가압된 공급 염수가 탈수되고 담수 생성물을 생산하는 역삼투 공정에서 작동하도록 설계된다. 체적에 대해 높은 막 면적을 필요로 하는 타 응용 분야에서 기능하기 위해, 이러한 막은 US 4,033,878 에서 교시하는 바와 같은 몇몇 변형예를 필요로 한다. 본 문헌은 유체 유동이 중앙 튜브로부터 지정된 측부 구멍을 통해 나선형으로 감겨진 막의 투과 스페이서로 유동해 나가도록 강제하기 위해 중앙 튜브 내부에 위치한 배리어를 교시한다. 투과 스페이서 내의 단향성의 구불구불한 유동 경로는, 중앙 튜브의 길이 방향 축에 대해 일반적으로 수직인 방향으로 투과 스페이서 내에서 연장되는, 유동 차단 접착 선에 의해 형성된다. 이러한 추가적인 접착 선은 앞서 설명한 바와 같은 각각의 나선형으로 감긴 기본 블럭을 2 개의 영역으로 분할한다. 중앙 튜브에서의 모든 유체 유동은 제 1 영역에서 차단되고 중앙 튜브로부터 투과 스페이서의 꼬리로 강제되고, 차단 접착선을 따라 구불구불한 패턴으로 유동하고 차단 수단을 넘어선 지점에서 중앙 튜브로 되돌아가며, 제 2 영역의 투과 스페이서의 꼬리를 통해 중앙 튜브로 다시 배출된다. US 4,033,878 은 직렬 연결로 연결된 이러한 삼투 요소의 트레인을 추가로 교시한다. US 4,033,878 에 따르면, 상기 요소의 트레인의 소정의 요소 내에서, 차단 수단 이전의 중앙 튜브의 제 1 부분 내의 전체 유동은 차단 수단을 넘어서 중앙 튜브의 제 2 부분에 도달하기 위해 반드시 경로가 바뀌어야 하고 나선형으로 감긴 막을 통해 유동해야만 한다. 이러한 직렬식 경로는, 시스템의 성능을 높은 유동률을 지원하는 것으로 특정하는 요소들 사이에서, 강한 압력 하강 및 부등한 (unequal) 압력 및 유동 분배를 야기하게 된다.

US 8,354,026 은 중앙 튜브를 가로지르는 천공된 수직 차단 수단을 실시함으로써 이러한 직렬식 구조에 대한 개선예를 나타낸다. 차단 수단을 통과하는 미세 내측 튜브-션트 (tube-shunt) 는 공통의 중앙 튜브를 따라 연결된 모든 막 요소를 통해 평행한 유동을 가능케 한다. 이는 중앙 튜브 직경 내에 수용되어야 하는 다수의 튜브-션트를 필요로 한다. 내측 튜브-션트는 교대식 구조로 배치되고, 각각은 중앙 튜브의 차단된 영역을 바이패스한다. 그 결과 유체 유동 경로를 따라 급격한 직경 수축 및 급격한 직경 팽창이 빈번히 일어나게 된다. 유체가 메인 중앙 튜브를 떠나 튜브-션트로 진입하면 유동 경로를 따라 급격한 직경 감소가 있게 되고 유체가 튜브-션트를 떠나 중앙 튜브의 다음 차단 영역으로 진입하면 급격한 직경 팽창이 있게 된다. 이는 공통의 중앙 튜브 라인을 따라 삼투 요소 사이에서 강한 압력 손실과 추가적인 부등한 유동 분배를 야기하게 된다. 게다가, 다수의 튜브-션트의 사용은 메인 중앙 튜브의 단면에 대한 비효과적 사용에 해당한다. 중앙 튜브 내에 2 개의 평행한 튜브를 수용하기 위해서, 그들의 최대 직경은 중앙 튜브 직경의 절반보다 작아야 한다. 그 결과, 각 튜브-션트의 단면을 합한 면적은 중앙 튜브의 단면적보다 훨씬 작다.

본 발명은, 중앙 투과 튜브 및 막 요소를 포함하는 삼투 요소로서, 막은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 단부는 중앙 튜브에 인접하여 위치하기 위한 상측 단부를 가지며, 제 2 단부는 반대편 단부에 배치되고, 제 1 단부는 물이 제 1 단부를 통해 유동하도록 하는 소재를 포함하고, 제 2 단부는 물이 제 1 단부를 통해 유동하도록 하는 제 1 단부로부터 연장되는 2 이상의 인접 투과 스페이서를 포함하고, 투과 스페이서는 2 개의 인접 투과 스페이서의 맞은편 면들에 부착되는 반투과성 막을 포함하며, 제 1 단부는 상측 단부 부근으로부터 연장되는 배리어를 포함하고, 중앙 튜브는 외측벽, 및 중앙 투과 튜브의 길이 방향으로 각각 연장되는 제 1 채널과 제 2 채널을 규정하면서 길이 방향으로 연장되는 내측 분리대를 포함하고, 1 이상의 제 1 구멍이 외측벽을 통해 제 1 채널로부터 연장되고 1 이상의 제 2 구멍이 외측벽을 통해 제 2 채널로부터 연장되는, 삼투 요소를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제 1 측면에 따르면, 중앙 투과 튜브 및 막 요소를 포함하는 삼투 요소로서, 막은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 단부는 중앙 튜브에 인접하여 위치하기 위한 상측 단부를 가지며, 제 2 단부는 반대편 단부에 배치되고, 제 1 단부는 물이 제 1 단부를 통해 유동하도록 하는 소재를 포함하고, 제 2 단부는 물이 제 1 단부를 통해 유동하도록 하는 제 1 단부로부터 연장되는 2 이상의 인접 투과 스페이서를 포함하고, 투과 스페이서는 2 개의 인접 투과 스페이서의 맞은편 면들에 부착되는 반투과성 막을 포함하며, 제 1 단부는 상측 단부 부근으로부터 연장되는 배리어를 포함하고, 중앙 튜브는 외측벽, 및 중앙 투과 튜브의 길이 방향으로 각각 연장되는 1 이상의 제 1 채널과 1 이상의 제 2 채널을 규정하면서 길이 방향으로 연장되는 내측 분리대를 포함하고, 1 이상의 제 1 구멍이 외측벽을 통해 1 이상의 제 1 채널로부터 연장되고 1 이상의 제 2 구멍이 외측벽을 통해 1 이상의 제 2 채널로부터 연장되는, 삼투 요소가 제공된다.

제 1 채널 및 막 요소 그리고 제 2 채널 및 막 요소 사이에서 물이 이동할 수 있도록 막 요소는 중앙 투과 튜브 주변에 감싸지게 될 수 있고, 배리어는 1 이상의 제 1 구멍 및 1 이상의 제 2 구멍 사이에서 제 1 단부를 통해 물이 유동하는 것을 방지하도록 배치된다.

배리어는 접착 선을 포함할 수 있다.

각 투과 스페이서는 투과 스페이서와 반투과성 막의 공통 단부를 따라 연장되는 접착선에 의해 인접한 반투과성 막에 부착될 수 있다.

삼투 요소는 인접한 투과 스페이서에 부착된 반투과성 막 사이에 위치하는 공급 스페이서를 포함할 수 있다.

제 1 단부는 복수의 투과 스페이서를 포함할 수 있다.

1 이상의 제 1 구멍 및 1 이상의 제 2 구멍은 길이 방향 및/또는 각 방향으로 오프셋될 수 있다.

삼투 요소는 복수의 제 1 구멍 및 복수의 제 2 구멍 중 1 이상을 포함할 수 있다.

1 이상의 제 1 채널 및 1 이상의 제 2 채널 사이에서 유동 연결이 일어나지 않도록 길이 방향 분리대가 배치될 수 있다.

1 이상의 제 1 채널 및 1 이상의 제 2 채널은 중앙 튜브의 길이를 따라 실질적으로 일정한 단면을 가질 수 있다.

본 발명의 제 2 측면에 따르면 본 발명의 제 1 측면에 따른 삼투 요소를 복수로 포함하는 삼투 장치가 제공된다.

인접 삼투 요소의 중앙 투과 튜브들은 커넥터를 통해 연통할 수 있고, 커넥터는 1 이상의 제 1 채널 및 1 이상의 제 2 채널과 동일한 단면을 갖는 1 이상의 제 1 커넥터 채널 및 1 이상의 제 2 커넥터 채널을 갖는다.

삼투 요소는 압력 용기에 위치될 수 있다.

삼투 장치는 압력 용기로 고농도 용액을 공급하는 1 이상의 제 1 입구 및 삼투 요소로 저농도 물을 공급하는 1 이상의 제 2 입구를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 3 측면에 따르면 본 발명의 제 2 측면에 따른 삼투 장치를 포함하는 삼투 플랜트가 제공된다.

삼투 플랜트는 파워 플랜트를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 4 측면에 따르면 삼투 플랜트를 이용하여 전력을 생성하는 방법으로서, 삼투 플랜트는 본 발명의 제 1 측면에 따른 삼투 요소를 복수로 포함하고, 삼투 요소는 압력 용기에 위치하며, 압력 용기는 압력 용기에 연결되는 1 이상의 제 1 입구, 삼투 요소에 연결되는 1 이상의 제 2 입구, 및 압력 용기로부터의 출구를 포함하고, 상기 방법은 제 1 입구로 고농도 용액을 공급하는 단계, 출구에서 압력 상승을 일으키기 위해 제 2 입구로 저농도 물을 공급하는 단계, 및 출구로부터 발전 장치로 고농도 용액의 일부를 공급하는 단계를 포함하는, 삼투 플랜트를 이용하여 전력을 생성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참고하여 단지 예시적인 형태로 이하 설명될 것이다.
도 1 은 PRO 파워 플랜트의 개략도이고,
도 2 는 본 발명을 구현하는 삼투 요소의 개략도이며,
도 3 은 도 2 의 A-A 선 상의 영역이고,
도 4 는 도 2 의 B-B 선 상의 영역이며,
도 5 는 1 이상의 도 2 의 삼투 요소를 포함하는 삼투 장치의 단면도이고,
도 6 은 제 1 구조로 연결된 1 쌍의 삼투 요소의 개략도이며,
도 7 은 적합한 구조로 연결된 4 개의 삼투 요소의 개략도이고,
도 8 은 제 2 구조로 연결된 1 쌍의 삼투 요소의 개략도이며,
도 9a 및 9b 는 삼투 장치용 유동 구조의 개략도이고,
도 10a 내지 10j 는 도 3 의 압력 요소의 길이 방향 중앙관의 대안적인 수직 단면도이며,
도 11 은 도 3 의 압력 요소의 대안적인 길이 방향 중앙관의 종단면도이고,
도 12 는 도 11 의 중앙관을 포함하는 삼투 요소의 개략도이며, 그리고
도 13 은 대안적인 투과 스페이서의 사시도이다.

이제 도면을 구체적으로 참고하여, 보여지는 상세한 설명은 예시에 의한 것이고 단지 본 발명의 바람직한 실시예의 설명적인 논의를 위한 것이며, 본 발명의 원리 및 개념적 양상의 가장 유용하고 용이하게 이해될 수 있는 설명이 될 수 있도록 설명된다는 점은 중요하다. 이와 관련하여, 본 발명을 근본적으로 이해하기 위해 필요한 것보다 더 상세하게 본 발명의 구조적인 세부사항을 나타내기 위한 어떠한 시도도 이루어지지 않을 것이며, 상세한 설명 및 그에 부대하는 도면들은 본 발명의 다양한 유형들이 실제 어떻게 실시될 수 있을지를 통상의 기술자에게 있어서 명백하게 할 것이다.

본 발명의 하나 이상의 실시예를 구체적으로 설명하기 이전에, 본 발명은 이하 상세한 설명에서 제시되거나 도면에서 도시된 구성요소의 구조 및 배치의 구체적 사항에 대한 적용예에 한정되는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예에 적용가능하고 또는 다양한 방법으로 실시 또는 실행될 수 있다. 또한, 여기에서 채용된 어법 및 용어는 설명하기 위한 것이고 한정하는 것으로 여겨져서는 안된다는 점이 이해되어야 한다.

이제 도 1 을 참조하면, PRO 파워 플랜트의 개략적인 도시가 도면부호 10 으로 나타난다. 담수 및 해수는 공급부 (11, 12) 에서 각각 도입되고, 적절한 필터 (13, 14) 에서 여과된다. 여과된 해수 및 담수는 삼투 요소 (15) 로 공급되고, 그 곳에서 담수 유동으로부터의 물은 막 (16) 을 통해 해수 유동으로 이동하고, 해수 유동에서 압력을 증가시킨다. 가압된 해수 유동의 약 1/3 은 터빈 (17) 로 긍급되고, 약 2/3 은 연결부 (18) 를 통해 압력 교환기 (19) 로 도시된 바와 같이 되돌아가고, 압력 교환기 (19) 에서 유입 해수 공급은 가압된다. 최종 염수는 도면부호 20 에서 도시된 바와 같이 방출된다.

이제 도 2 를 참조하면, 본 발명을 구체화하는 삼투 요소가 도면부호 30 에서 도시된다. 삼투 요소 (30) 는 단부 영역 (32a, 32b) 사이에서 길이 방향으로 연장하는 제 1 채널 (31a) 및 제 2 채널 (32b) 을 갖는 중앙 튜브 (31) 를 포함한다. 단부 영역 (31a, 31b) 각각은 채널 (31a, 31b) 의 결합된 폭보다 더 큰 직경을 갖는다. 채널 (31a, 31b) 이 연통되지 않도록, 채널 (31a, 31b) 은 중앙 분리대 (33) 에 의해 분리되어 있다. 길이 방향으로 오프셋된 위치에서, 각 채널 (31a, 31b) 은 1 이상의 구멍을 가지고 본 예시에서는 중앙 튜브 (31) 의 외측벽 (35) 을 통해 연장하는 각각의 구멍 (34a, 34b) 의 집합체를 갖는다. 도 3 에 나타나는 본 예시에서, 구멍들 사이에서 오버랩되는 길이 방향 부분이 없도록 구멍 (34a, 34b) 은 길이 방향으로 오프셋 되어 있다. 도 3 및 4 에서 나타나는 바와 같이, 본 예시에서 중앙 튜브 (31) 는 단면에서 원형이다. 구멍 (34a, 34b) 은 각 방향으로 오프셋되어 있고, 본 예시에서는 약 120 도이다. 튜브 (31) 의 마주하는 측 상에서, 구멍은 일렬로 있을 수 있고, 구멍 (34a, 34b) 사이에서 직접적인 유동을 방지하는 기 제공된 배리어 (45) (하단 참조) 와 길이 방향으로 오버랩될 수 있으며, 길이 방향 축과 평행하게 조정될 필요가 없고, 그리고 적절하게 다른 방식으로 일반적으로 배치될 수 있음은 당연할 수 있다. 도 2 내지 4 에 나타난 바와 같이, 단면 영역에서 실질적인 변화가 없도록 채널 (31a, 31b) 은 길이를 따라 실질적으로 동일한 단면을 갖고, 따라서 압력 강하 및 유동 불균일성을 피하거나 최소화하게 된다. 본 예시에서, 채널 (31a, 31b) 는 동일 크기이나, 이하에서 나타나는 바와 같이 상이하게 치수화될 수도 있다.

구멍 (34a, 34b) 사이에서 유동 경로를 제공하기 위해 막 요소 (40) 가 제공된다. 도 2 내지 4 에서, 막 요소 (40) 는 풀린 상태에서 도시되어 있다. 화살표 (C) 로 도시된 바와 같이, 삼투 요소 (30) 를 조립하기 위해 막 요소 (40) 는 중앙 튜브 (31) 주변에 감기거나 감싸지게 된다. 막 요소 (40) 는 복수의 층 (41a) 를 포함하고, 각 층은 다공성 소재처럼 투과 스페이서를 포함하며, 투과 스페이서를 통해 물은 용이하게 통과하거나 유동할 수 있다. 막 요소 (4) 는, 중앙 튜브 (31) 와 인접하게 위치하기 위한 상측 단부를 갖는, 제 1 근위측 단부 (41) 를 포함하여, 막 요소가 중앙 튜브 (31) 주변에 감싸질 때 제 1 단부 (41) 는 중앙 튜브 (31) 에 인접하게 위치한다. 제 1 단부 (41) 는 중앙 투과 튜브 (31) 주변에서 1 회 이상 확실히 연장하기에 충분한 길이를 갖는다 (즉, R 이 중앙 투과 튜브 (31) 의 직경일 때 제 1 단부는 2πR 의 길이를 갖는다). 제 1 단부 (41) 에서 층 (41a) 이 같이 결합된다. 상측 단부에 대해 제 1 단부 (41)의 반대측 단부에 위치한, 제 2 단부 (42) 에서, 투과 스페이서 (41a) 는 분리되고, 각 반투과성 막이 한 쌍의 리브 (43b, 43c) 를 형성하면서, 막 (43) 의 절곡선 (43a) 이 제 1 단부 (41) 를 향하게 위치하도록, 절곡된 반투과성 막 (43) 이 인접한 투과 스페이서 (41a) 사이에 위치한다. 막 (43) 의 각 리프 (43b, 43c) 는, 주변 접착 선 (44) 을 포함하는 배리어에 의해, 도 3 에 나타난 바와 같이 인접한 투과 스페이서 층 (41a) 에 결합된다. 접착 선 (44) 은 제 2 단부에서 막 (43) 및 투과 스페이서 (41a) 의 공통 단부를 따라, 그리고 제 1 단부 (41) 에서 투과 스페이서 단부를 따라 비투과성 또는 적어도 내투수성 배리어를 제공한다. 막 (43) 근처로 물의 유동을 자유롭게 하기 위해서, 공급 스페이서 (49) 가 인접 리프 (43b, 43c) 사이에 위치하여 리프 (43b, 43c) 가 분리되도록 고정한다. 공급 스페이서 (49) 는, 예를 들어, 플라스틱 그리드를 포함할 수 있다.

물이 제 1 단부 (41) 내에서 구멍 (34a) 로부터 구멍 (34b) 로 직접 유동하는 것을 방지하기 위해, 배리어는, 제 1 근위 단부 (41) 의 제 1 영역 (41b, 41c) 을 규정하면서 중앙 튜브 (31) 에 인접하게 위치한 상측 단부 근처로부터 원위, 즉 단부 (46) 바깥으로 향하는 방향으로 막 요소의 일반적으로 중심방향으로 연장하는 중앙 접착선을 포함한다. 미접착 갭 (47) 이 원위 단부 (46) 및 접착 선 (45) 사이에 남겨지게 된다. 접착 선 (45) 이 이와 같이 위치하여, 막 요소 (40) 가 중앙 튜브 (30) 을 감싸게 될 때, 접착 선 (45) 은 구멍 (34a, 34b) 사이에서 배리어를 형성하게 된다. 채널 (34a, 34b) 사이의 물의 유동은 화살표 (48) 로 나타낸 바와 같이 막 요소 (40) 를 통해 접착선 (45) 단부 주변으로 루프화된 경로를 따르도록 강제된다. 구멍 (34a, 34b) 의 크기, 면적 및 위치는 중앙 튜브 (31) 및 막 요소 (40) 사이의 원하는 유동율에 따라 선택될 수 있다. 막 요소는, 제 1 근위 단부 (41) 를 형성하기 위해 결합되는 복수의 투과 스페이서 층 (41a) 을 갖는 것으로 설명되었으나, 제 1 단부 (41) 가 일체식으로 형성되거나 또는 제 2 단부 (42) 로부터 분리되어 형성되거나, 또는 다른 방식으로 형성되는 것은 당연할 수 있다.

따라서, 저농도 염수가 중앙 튜브 (31) 의 제 1 채널 (31a) 을 통해 공급될 때, 물의 일부는 구멍 (34a) 을 통해 막 요소 (40) 의 제 1 영역 (41b) 으로 이동하게 된다. 접착선 (45) 은 물이 막 요소 (40) 의 제 2 단부 (42) 로 이동하고 분리된 층 (41a) 을 따라 유동하도록 강제한다. 제 2 단부 (42) 내에서, 물의 일부는 공급 스페이서 (49) 를 따라 유동하면서 반투과성 막 (43) 을 통해 고농도 염수로 이동할 수 있다. 남은 물은 막 요소 (40) 의 제 2 영역 (41c) 으로, 구멍 (34b) 을 통해, 그리고 제 2 채널 (31b) 로 이동할 수 있다.

도 5 는 삼투 요소 (30) 를 포함하는 삼투압 용기를 나타낸다 (실제로, 이하 논의되는 바와 같이, 압력 용기는 2 이상의 삼투 요소 (30) 를 수용할 수 있다). 도 5 에서 보는 바와 같이, 삼투 요소 (30) 는 단부 캡 (52) 에 의해 폐쇄되는 외측 용기 (51) 를 갖는 압력 용기 (50) 내에 장착되어 있다. 막 요소 (40) 는 중앙 튜브 (31) 주변에 감싸지게 되고 원통형 케이싱 (미도시) 내에 수용된다. 제 1 입구 (53) 는 가압 하에 압력 용기 (50) 로 고농도 염수를 공급하고, 압력 용기에서 고농도 염수는 공급 스페이서 (49) 를 통해 용기의 길이 방향으로 이동하고 출구 (54) 를 통해 배출된다. 커넥터 (55) 는 삼투 요소 (30) 의 단부 영역 (32a, 32b) 에 수용되도록 도시되어 있으며, 유사하게, 채널 (31a) 은 채널 (55a) 과 연통되고 채널 (31b) 은 채널 (55b) 과 연통되도록, 중앙 분리대 (55c) 에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 채널 (55a, 55b) 을 포함한다. 삼투 요소 (30) 로 저농도 염수의 공급을 제공하기 위해, 단부 커넥터가 도면부호 60 으로 나타나는 바와 같이 제공되고, 각각은 채널 (55a) 과 연통하는 제 2 입구 포트 (61) 및 채널 (55b) 과 연통하는 출구 포트 (62) 를 갖는다. 압력 용기 (50) 가 복수의 삼투 요소를 수용하는 곳에서는, 단부 영역 (32a, 32b) 은 상이한 삼투 요소에 속하게 될 것이다.

따라서, 작동 중에, 담수 또는 저농도 염수가 단부 커넥터 (60) 의 입구 포트 (61) 로 공급되고 삼투 요소 (30) 의 채널 (31a) 을 이동하게 된다. 담수는 구멍 (34a) 를 통해, 그리고 층 (41a) 을 통해 일반적으로 나선 방향으로 이동한다. 해수, 또는 고농도 용액은, 입구 (53) 에서 가압 하에 압력 용기로 도입되고, 스페이서 (49) 에 의해 규정된 공간을 따라 압력 용기의 길이 방향을 따라 유동한다. 담수는 막 요소 (40) 로부터 반투과성 막 (43) 을 통해 해수로 분산되고, 그에 따라 출구 공급부 (54) 에서 압력을 증가시키게 된다.

본 발명의 이점은 복수의 삼투 요소 (30) 가, 도 6 내지 9 에 도시된 바와 같이, 요구되는 작동에 따라 대안적인 구조로 연결될 수 있다는 점이다. 도 6 및 7 은 커넥터 (70) 를 통해 연결된 2 개의 삼투 요소 (30) 를 나타낸다. 커넥터 (70) 는 단부 영역 (32a, 32b) 내에서, 바람직하게는 밀봉식 끼워 맞춤을 제공하기 위해, 단단히 끼워지도록 바깥 둘레치수를 갖는다. 커넥터 (70) 는 채널 (31a, 31b) 및 중앙 분리대 (33) 와 동일 치수를 갖는 중앙 칸막이 (72) 에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 채널 (71a, 71b) 을 갖는다. 커넥터 (70) 는 따라서 어떠한 협착 또는 유동 단절을 야기하지 않으면서 인접한 삼투 요소 (30) 사이에서 연속된 연결을 제공한다. 채널 (71a, 71b) 이 채널 (31a, 31b) 과 정확하게 위치정렬하는 것을 보장하기 위해, 내측 끼워 맞춤 요소 (미도시) 가 삼투 요소 (30) 및 커넥터 (70) 에 제공될 수 있다. 바람직하게는, 물론, 커넥터 (70) 는 중앙 투과 튜브 (31) 의 외측 면과 결합되도록 치수화될 수 있다.

도 6 에서, 삼투 요소 (30) 는 병렬로 효과적으로 연결되어 있다. 각 요소에서, 물은 채널 (31a) 로부터 구멍 (34a) 를 통해 이동하고, 막 요소 (40) 를 통해 유동하며, 구멍 (34b) 를 통해 채널 (31b) 로 되돌아온다. 본 병렬식 연결의 이점은 물에 있어서 압력 강하 및 마찰을 최소로 하며 순탄한 유동을 가능하게 한다는 점이며, 제 1 삼투 요소의 구멍 (34a) 을 통과하지 못하면 다음 삼투 요소로 내려가게 된다. 상기 하류 유동 중 일부는 다음 삼투 요소의 구멍 (34a) 의 집합체를 통해 그것의 해당 막 요소 (40) 로 향할 수 있고 상기 하류 유동 중 일부는 그 다음의 일렬형 삼투 요소로 순탄하게 유동을 더 지속할 수 있다. 본 예시에서 물은 채널 (31a, 31b) 을 따라 서로 반대 방향으로 유동하나, 유동은 적절하게 배치될 수 있다.

도 7 은 도 6 과 유사하지만, 병렬 구조로 연결된 4 개의 삼투 요소를 나타내고, 해당 구조에서 물은 채널 (31a, 31b) 를 다라 동일한 방향으로 유동한다. 도면에 나타난 예시값에서, 4 (l/s; litres/second) 가 채널 (31a) 로 공급된다. 1 (l) 가 각 삼투 요소 (30) 의 막 요소 (40) 로 흐르고, 그 중 0.8 (l/s) 가 반투과성 막 (43) 을 통해 흐르며 0.2 (l/s) 는 구멍 (34b) 을 통해 채널 (31b) 로 되돌아온다. 본 예시에서, 병렬 구조의 이점은 분명하다. 물의 압력 및 유동은 동일 압력 용기 안의 삼투 요소 중에서 심지어 분리되고 중앙 투과 튜브 (31) 및 커넥터 (70) 를 통해 공통의 연결을 공유하여, 동일한 체적의 물이 각 삼투 요소를 통해 유동해 나가게 된다.

도 8 에서, 인접한 삼투 요소 (30) 는 대안적인 미러-이미지 구조로 연결되어 있다.

도 9a 및 9b 는 삼투 장치에 있어서 2 개의 상이한 유동 구조를 나타낸다. 도 9a 는 도 5 의 압력 용기의 배치를 효과적으로 보여주는데, 상기 압력 용기의 배치는, 하나의 해수 또는 고농도 염수 입구 (92) 및 하나의 출구 (93) 와 함께, 양단으로부터 기 연결된 삼투 요소 (30) 로 공급하는 2 개의 담수 또는 저농도 염수 입구 (90) 및 열의 각 단부에서 삼투 요소로부터 유사하게 배출되는 2 개의 출구 (91) 를 갖는다. 도 9b 는 해수 입구 (92) 가 삼투 장치의 중앙 지점에 위치하고, 2 개의 출구 (93) 가 장치의 맞은편 양단에 제공되는 대안적인 구조를 나타낸다. 본 구조는, 예를 들어, 해수가 4 개의 삼투 요소를 흐른 후에 소망하는 수준의 투과가 일어나지만 압력 용기가 8 개의 삼투 요소를 가지고 있는 곳에서 바람직할 수 있다. 본 경우에서, 해수는 중앙으로 공급되고 도면에서 나타나는 바와 같이 좌우로 유동하여, 출구에 도달하기 전에 소망하는 개수의 삼투 요소와 상호작용하게 된다.

중앙 투과 튜브 (31) 는, 도 10a 내지 10i 에서 나타나는, 어떠한 적합한 단면 그리고 소망하는 바에 따른 어떠한 적합한 길이 방향 분리대의 배치, 그리고 대안적인 변형예를 가질 수 있다. 도 10a 내지 10d 는, 10e 로 나타낸 도 2 의 원형 튜브와 대비되게, 정사각형, 삼각형, 나란한 원형 채널, 및 타원형 튜브 단면을 나타낸다. 중앙 튜브는 2 개 이상의 채널을 가질 수 있고, 예를 들어 도 10f 및 10g 에서 나타낸 바와 같이 3 개 또는 4 개일 수 있다. 2 개 이상의 채널을 포함하는 실시예에서, 어떠한 단일의 채널은 막 요소 (40) 에 저농도 염수를 공급하는, 채널 (31) 로 작동하거나, 막 요소 (40) 로부터 배출하는, 채널 (31b) 로 작동할 수 있다. 압력 및 유동 분배를 최적화하고 삼투 효과를 최대화하기 위해서, 단일의 삼투 요소 내의 복수 개의 막 요소 (40) 로부터, 어떠한 단일의 막 요소 (40) 를 특정 채널과 연관짓는 방식으로, 막 요소 (40) 는 그들 각각의 부재 (41) 를 통해 중앙 튜브 (31) 에 부착될 수 있다. 도 10h 내지 10j 에서 도시된 바와 같이, 채널은, 각 채널에서 소망되거나 기대되는 물의 유동에 근거하여 상이한 단면적을 가질 수 있다. 중앙 투과 튜브 (31) 의 단면이 무엇이건 간에, 삼투 장치의 길이를 따라 일관된 단면을 유지하기 위해, 인접한 투과 튜브 (31) 를 연결하는 커넥터 (70) 는 투과 튜브 대비 동일한 내부 단면을 가져야 한다는 점은 당연할 것이다.

채널은 곧을 필요가 없다. 도 11 은 중앙 분리대 (33') 가 나선인 대안적인 중앙 튜브 (30') 를 나타내며, 그리하여 채널 (31'a, 31'b) 은 한 쌍의 상호 맞물림 나선 채널을 포함한다. 도 12 에 나타난 바와 같이 중앙 튜브 (31') 는 라비린스 (labyrinth) 를 형성하기 위한 복수의 교대의 접착 선 (45'a, 45'b) 을 갖는 막 요소 (40') 와 함께 이용될 수 있다. 접착 선 (45'a, 45'b) 의 간격은 중앙 배리어 (33') 의 나선 높이의 일부 또는 배수로 선택된다. 본 예시에서 복수의 접착 선 (45'a, 45'b, 45'c, 45'd) 등에 의해 강요되는 라비린스 유동 경로는 막 요소 (40) 내에서 웨이브 패턴을 갖는 유동 패턴을 형성한다. 웨이브 패턴 유동은 중앙 튜브 (30') 에서 멀리 떨어진 "미니머스" ("minimas") 와 같은 유턴 (U-turn) 및 중앙 튜브 (30') 에 인접한 "맥시머스" ('maximas") 와 같은 유턴에 의해 특징화된다. 복수의 구멍 배열은, 삼투 과정의 전체 효과를 추가로 향상시키거나 최적화하기 위해, 2 개의 채널 (31'a, 31'b) 사이에서 유동 연결을 형성할 수 있고, 추가로 물을 공급하거나 또는 막 요소로부터 해당 채널로 물을 배출하는 하나 이상의 근위 "맥시머스" 영역 주변의 막 요소에서 웨이브 패턴화된 유동을 형성할 수 있다.

중앙 튜브 (31) 또는 막 (43) 인근의 막 요소 (40) 에서 물 유동을 향상시키거나 또는 더 용이하게 하기 위해, 각 투과 스페이서는 다양한 두께를 가질 수 있다. 한 예시적인 스페이서가 도 13 에 도면부호 80 으로 나타나 있다. 스페이서 (80) 는 일반적으로 쐐기형 구조를 가지고, 페이스부 (81) 로부터 팁부 (82) 로 테이퍼져 있다. 배리어 (45) 와 균등한, 배리어 (83) 는 스페이서 내에서 팁부 (82) 로부터 페이스부 (81) 를 향해 연장된다. 막 요소 (40) 와 유사한 막 요소가 복수의 투과 스페이서 (80) 으로부터 형성될 수 있다. 투과 스페이서 내에서 가능한 한 큰 체적을 갖는 것이 바람직하지만, 막 요소가 감길 준비가 되어 있을 때 중앙 투과 튜브 (31) 에 근접하여 가용할 수 있는 상대적으로 제한된 공간은 투과 스페이서의 실질적인 두께를 제한한다. 도 13 에서 나타난 바와 같이 투과 스페이서에 변화하는 두께를 제공함으로써, 두께는 주변부를 향해 최대화될 수 있다.

삼투가 발생하는 소망하는 면적을 제공하기 위해 막 요소 (30) 를 포함하는 플랜트는 이러한 요소를 다수로 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 막 요소는 172 (㎡) 의 면적을 가질 수 있고, 압력 용기의 집합체, 또는 '트레인' 은 각각이 8 개의 삼투 요소를 포함하는 50 개의 압력 용기를 포함할 수 있다. 따라서, 각 트레인은 약 68,800 (㎡) 의 막 면적을 가지고, 플랜트는 복수의 이러한 트레인을 이용할 수 있다.

따라서, 여기서 설명된 삼투 요소 및 장치는 전력을 공급하기 위한, 도 1 에서 나타난 바와 같은 플랜트에서 이용될 수 있다. 따라서 도 1 의 삼투 요소 (15) 는 앞서 설명한 바와 같은 삼투 용기의 트레인을 포함할 수 있다. 삼투 요소의 중앙 투과 튜브 (31) 로 저농도 염수 또는 담수를 공급함으로써, 그리고 압력 용기 (50) 로 고농도 염수 또는 해수를 공급함으로써, 압력 용기 출구에서 적합한 압력 증가가 발생하여, 출구로부터 고농도의 용액의 일 부분이 터빈 (17) 과 같은 발전 장치로 공급될 수 있다.

본 발명이 발전용 PRO 플랜트에서의 용도를 참고하여 설명되었음에도 불구하고, 여기서 설명된 삼투 요소 및 막 요소는, 담수화, 수처리, 및 산업용 탈수 및 농축 과정을 포함하는 어떠한 적절한 목적으로도 이용될 수 있다는 점은 당연할 수 있다.

상기 상세한 설명에서, 실시예는 예시 또는 발명의 실행을 말한다. "하나의 실시예", "어떤 실시예" 또는 "몇몇 실시예" 와 같은 다양한 양태는 필연적으로 모두 동일한 실시예를 말하는 것이 아니다.

본 발명의 다양한 특징이 한 실시예의 내용에서 설명될 수 있음에도 불구하고, 특징들은 역시 분리되어 제공될 수 있거나 어떠한 적합한 조합으로 제공될 수 있다. 역으로, 본 발명이 명료성을 위해 분리된 실시예의 내용에서 설명될 수 있음에도 불구하고, 본 발명은 역시 단일의 실시예로 실시될 수 있다.

또한, 본 발명은 다양한 방법으로 실시 또는 실행될 수 있고, 본 발명은 앞서 명세서에서 개요화한 것과 다른 실시예로 실행될 수 있다는 점은 이해되어야 한다.

여기서 사용된 기술적 그리고 과학적 용어의 의미는, 달리 규정되지 않는 이상, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해될 수 있어야 한다.

Claims (17)

1. 중앙 투과 튜브 및 막 요소를 포함하는 삼투 요소로서,
   막은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 단부는 중앙 튜브에 인접하여 위치하기 위한 상측 단부를 가지며, 제 2 단부는 반대편 단부에 배치되고, 제 1 단부는 물이 제 1 단부를 통해 유동하도록 하는 소재를 포함하고, 제 2 단부는 물이 제 1 단부를 통해 유동하도록 하는 제 1 단부로부터 연장되는 2 이상의 인접 투과 스페이서를 포함하고, 투과 스페이서는 2 개의 인접 투과 스페이서의 맞은편 면들에 부착되는 반투과성 막을 포함하며, 제 1 단부는 상측 단부 부근으로부터 연장되는 배리어를 포함하고,
   중앙 튜브는 외측벽, 및 중앙 투과 튜브의 길이 방향으로 각각 연장되는 1 이상의 제 1 채널과 1 이상의 제 2 채널을 규정하면서 길이 방향으로 연장되는 내측 분리대를 포함하고, 1 이상의 제 1 구멍이 외측벽을 통해 1 이상의 제 1 채널로부터 연장되고 1 이상의 제 2 구멍이 외측벽을 통해 1 이상의 제 2 채널로부터 연장되는, 삼투 요소.
2. 제 1 항에 있어서,
   1 이상의 제 1 채널 및 막 요소 그리고 1 이상의 제 2 채널 및 막 요소 사이에서 물이 이동할 수 있도록 막 요소는 중앙 투과 튜브 주변에 감싸지게 되고, 배리어는 1 이상의 제 1 구멍 및 1 이상의 제 2 구멍 사이에서 제 1 단부를 통해 물이 유동하는 것을 방지하도록 배치된 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   배리어는 접착 선을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 한 항에 있어서,
   각 투과 스페이서는 투과 스페이서와 반투과성 막의 공통 단부를 따라 연장되는 접착선에 의해 인접한 반투과성 막에 부착되는 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 한 항에 있어서,
   인접한 투과 스페이서에 부착된 반투과성 막 사이에 위치하는 공급 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 한 항에 있어서,
   제 1 단부는 복수의 투과 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 한 항에 있어서,
   1 이상의 제 1 구멍 및 1 이상의 제 2 구멍은 길이 방향 및/또는 각 방향으로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 한 항에 있어서,
   복수의 제 1 구멍 및 복수의 제 2 구멍 중 1 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 한 항에 있어서,
   1 이상의 제 1 채널 및 1 이상의 제 2 채널 사이에서 유동 연결이 일어나지 않도록 길이 방향 분리대가 배치되는 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 한 항에 있어서,
    1 이상의 제 1 채널 및 1 이상의 제 2 채널은 중앙 튜브의 길이를 따라 실질적으로 일정한 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 삼투 요소.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 한 항에 따른 삼투 요소를 복수로 포함하는 삼투 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    인접 삼투 요소의 중앙 투과 튜브들은 커넥터를 통해 연통하고, 커넥터는 1 이상의 제 1 채널 및 1 이상의 제 2 채널과 동일한 단면을 갖는 1 이상의 제 1 커넥터 채널 및 1 이상의 제 2 커넥터 채널을 갖는 것을 특징으로 하는 삼투 장치.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    삼투 요소는 압력 용기에 위치하는 것을 특징으로 하는 삼투 장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    압력 용기로 고농도 용액을 공급하는 1 이상의 제 1 입구 및 삼투 요소로 저농도 물을 공급하는 1 이상의 제 2 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투 장치.
15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 한 항에 따른 삼투 장치를 포함하는 삼투 플랜트.
16. 제 15 항에 있어서,
    파워 플랜트를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼투 플랜트.
17. 삼투 플랜트를 이용하여 전력을 생성하는 방법으로서, 삼투 플랜트는 제 1 항 내지 제 11 항 중 한 항에 따른 삼투 요소를 복수로 포함하고, 삼투 요소는 압력 용기에 위치하며, 압력 용기는 압력 용기에 연결되는 1 이상의 제 1 입구, 삼투 요소에 연결되는 1 이상의 제 2 입구, 및 압력 용기로부터의 출구를 포함하고,
    상기 방법은
    제 1 입구로 고농도 용액을 공급하는 단계,
    출구에서 압력 상승을 일으키기 위해 제 2 입구로 저농도 물을 공급하는 단계, 및
    출구로부터 발전 장치로 고농도 용액의 일부를 공급하는 단계를 포함하는, 삼투 플랜트를 이용하여 전력을 생성하는 방법.

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