KR102599813B1 - 전기화학적 분리장치용 서브 블록 실링 - Google Patents

Abstract

전기화학적 분리 장치는 제1 전극, 제2 전극, 및 번갈아 배열된 고갈 격실 및 농축 격실을 각각 가지며 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 프레임 및 채널 부분을 각각 포함하는 복수의 서브 블록을 포함하는 셀 스택을 포함한다. 제1 재료로 형성된 내부 시일은 셀 스택 내의 인접한 서브 블록들 사이의 채널 부분들 사이에 그들과 접촉하여 배치되며, 인접한 서브 블록들 내의 고갈 격실들과 농축 격실들 사이의 누출을 방지하도록 구성된다. 제1 재료와 상이한 적어도 하나의 재료 파라미터를 갖는 제2 재료로 형성된 외부 시일은 셀 스택 내의 인접한 서브 블록들의 프레임들 사이에 그들과 접촉하여 배치되고, 전기화학적 분리 장치의 내부 체적으로부터 전기화학적 분리 장치의 외부로의 누출을 방지하도록 구성된다.

Description

전기화학적 분리장치용 서브 블록 실링

관련 출원

본 출원은 미국 가출원 제62/531,030호(출원일: 2017년 7월 11일, 발명의 명칭: "SUBBLOCK SEALING IMPROVEMENTS FOR CROSS FLOW ED MODULES")에 대하여 35 U.S.C. §119(e)에 따른 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 그 전문이 본 명세서에 참조로 원용된다.

개시내용의 기술분야

본 명세서에 개시된 양태들과 실시형태들은 전반적으로 전기화학적 막 시스템 및 상기 시스템의 제조방법에 관한 것이다.

전기장을 이용한 유체 정화용 장치는 용해된 이온 종을 함유하는 물 및 기타 액체를 처리하는 데 사용될 수 있다. 이런 식으로 물을 처리하는 두 유형의 장치가 전기탈이온 장치 및 전기투석 장치이다. 이 장치들 내부에는 이온선택성 막에 의해 분리된 농축 격실 및 희석 격실이 있다. 전기투석 장치는 번갈아 배치된 전기활성 반투성 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 일반적으로 포함한다. 막들 사이의 공간은 유입구 및 유출구를 갖는 액체 유동 격실을 생성하도록 구성된다. 전극을 통해 인가된 전기장은 각각의 상대전극으로 끌어당겨진 용해 이온이 음이온 및 양이온 교환막을 통해 이동하게 한다. 이로써 일반적으로 희석 격실의 액체는 이온이 고갈되고, 농축 격실의 액체는 전달된 이온이 풍부해지게 된다.

전기투석 장치와 유사한 구조의 장치가 역 전기투석(reverse electrodialysis: RED) 장치로서 사용될 수 있다. 두 세트의 격실에 이온선택성 막에 의해 분리된 상이한 이온 농도의 유체, 예를 들어 바닷물과 강물이 공급된다. 농도 및 화학적 전위의 차이는 각 막을 가로질러 전압 차이를 초래하며, 이는 결과적으로, 장치 내의 막의 총 개수에 대해 합산될 때, 격실 및 막의 스택을 경계짓는 2개의 전극에서 발생된 전압 전위가 된다.

하나 이상의 양태에 따르면, 전기화학적 분리 시스템은 제1 전극, 제2 전극, 제1 프레임에 의해 지지되는 복수의 번갈아 배치된 고갈 격실 및 농축 격실을 획정하는 제1 셀 스택(cell stack)을 가지며, 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치된 제1 전기화학적 분리 모듈 유닛, 및 제1 전기화학적 분리 모듈 유닛에 인접하고 이와 협력하며, 제2 프레임에 의해 지지되는 복수의 번갈아 배치된 고갈 격실 및 농축 격실을 획정하는 제2 셀 스택을 가지며, 제1 전기화학적 분리 모듈 유닛과 제2 전극 사이에 위치된 제2 전기화학적 분리 모듈 유닛을 포함할 수 있다.

하나 이상의 양태에 따르면, 전기화학적 분리 시스템을 조립하는 방법은 제1 전극과 제2 전극 사이의 용기에서 제1 프레임에 의해 둘러싸인 제1 셀 스택을 갖는 제1 전기화학적 분리 모듈 유닛을 장착하는 단계, 및 제1 전기화학적 분리 모듈 유닛과 제2 전극 사이의 용기에서 제2 프레임에 의해 둘러싸인 제2 셀 스택을 갖는 제2 전기화학적 분리 모듈 유닛을 장착하는 단계를 포함할 수 있다.

하나 이상의 양태에 따르면, 전기화학적 분리 모듈 유닛은 복수의 번갈아 배치된 고갈 격실 및 농축 격실을 획정하는 셀 스택, 및 셀 스택을 둘러싸며, 셀 스택을 통한 유체 유동을 용이하게 하도록 구성된 매니폴드 시스템을 포함하는 프레임을 포함할 수 있다.

하나 이상의 양태에 따르면, 전기화학적 분리를 위한 유동 분배기는 제1 방향으로 배향되고 전기화학적 분리 장치의 적어도 하나의 격실에 공급물을 전달하도록 구성된 복수의 제1 통로, 및 제2 방향으로 배향되고 복수의 제1 통로 및 전기화학적 분리 장치와 연관된 유입구 매니폴드와 유체 연통하는 복수의 제2 통로를 포함할 수 있다.

하나 이상의 양태에 따르면, 전기 화학적 분리 시스템은 제1 전극, 제2 전극, 제1 및 제2 전극 사이에 위치된 복수의 번갈아 배치된 고갈 격실 및 농축 격실을 포함하는 제1 전기화학적 분리 모듈 유닛, 복수의 번갈아 배치된 고갈 격실 및 농축 격실을 포함하며, 제1 전기화학적 분리 모듈 유닛과 협력하여 배열되고 제1 전기화학적 분리 모듈 유닛과 제2 전극 사이에 위치되는 제2 전기화학적 분리 모듈 유닛, 및 시스템 내에서 전류 손실을 감소시키도록 구성된 제1 및 제2 전기화학적 분리 모듈 유닛 사이에 및 인접하게 배치된 스페이서를 포함할 수 있다.

하나 이상의 실시형태들에 따르면, 전기 정화 기기 또는 장치로도 지칭될 수 있는 모듈식 전기화학적 분리 시스템은 다양한 처리 공정의 효율과 전반적인 유연성을 향상시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 직교류 전기투석(ED) 장치와 같은 직교류 전기화학적 분리 장치는 종래의 판틀형 장치에 대한 매력적인 대안으로서 구현될 수 있다. 직교류 장치는 US 8,627,560 B2, US 8,741,121 B2 및 US 9,782,725에 기재되어 있으며, 이들 모두는 모든 목적을 위해 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시형태는 하우징 내에 포함될 수 있는 유체를 전기적으로 정화할 수 있는 장치뿐만 아니라 그 제조 방법 및 사용 방법에 관한 것이다. 정화될 액체 또는 다른 유체는 정화 장치에 들어가서, 전기장의 영향 하에서 이온-고갈된 액체를 생성하도록 처리된다. 유입 액체로부터의 종을 수집하여 이온 농축된 액체를 생성한다.

하나 이상의 실시형태에 따르면, 전기화학적 분리 시스템 또는 장치는 모듈식일 수 있다. 각 모듈 유닛은 일반적으로 전체 전기화학적 분리 시스템의 서브 블록으로서 기능할 수 있다. 모듈 유닛은 임의의 원하는 수의 셀 쌍을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 모듈 유닛 당 셀 쌍의 수는 분리 장치 내의 셀 쌍의 총 수와 총 통과 횟수에 따라 달라질 수 있다. 또한 교차 누출 및 기타 성능 기준을 테스트할 때 허용가능한 고장률로 프레임에 열적으로 결합되고 포팅될 수 있는 셀 쌍의 수에 따라 달라질 수 있다. 이 수치는 제조 공정의 통계 분석을 기반으로 하며 공정 제어가 개선됨에 따라 증가할 수 있다. 일부 비제한적인 실시형태에서, 모듈 유닛은 약 50 내지 약 100개의 셀 쌍을 포함할 수 있다. 모듈 유닛은 개별적으로 조립되며 더 큰 시스템에 통합되기 전에 누출, 분리 성능 및 압력 강하와 같이 품질 관리 테스트를 거칠 수 있다. 일부 실시형태에서, 셀 스택은 독립적으로 테스트될 수 있는 모듈 유닛으로서 프레임에 장착될 수 있다. 이어서, 전기화학적 분리 장치에서 전체적으로 의도된 수의 셀 쌍을 제공하기 위해 복수의 모듈 유닛이 함께 조립될 수 있다. 일부 실시형태에서, 조립 방법은 일반적으로 제2 모듈 유닛 상에 제1 모듈 유닛을 배치하고, 제1 및 제2 모듈 유닛 상에 제3 모듈 유닛을 배치하며, 원하는 수의 복수의 모듈 유닛을 얻기 위해 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 조립체 또는 개별 모듈 유닛은 작동을 위해 압력 용기에 삽입될 수 있다. 모듈 유닛 사이 또는 모듈 유닛 내에 차단 막 및/또는 스페이서를 배치함으로써 다중-통과 유동 구성이 가능할 수 있다. 모듈식 접근 방법은 시간 및 비용 절감 측면에서 생산성을 향상시킬 수 있다. 모듈방식은 개별 모듈 유닛의 진단, 격리, 제거 및 교체를 허용함으로써 시스템 유지보수를 용이하게 할 수 있습니다. 개별 모듈 유닛은 전기화학적 분리 공정을 용이하게 하기 위해 매니폴드 및 유동 분배 시스템을 포함할 수 있다. 개별 모듈 유닛은 중앙 매니폴드 및 전체 전기화학적 분리 공정과 연관된 다른 시스템과 유체 연통될 수 있을 뿐만 아니라 서로간에도 유체 연통될 수 있다.

하나 이상의 양태에 따르면, 전기화학적 분리 장치는 셀 스택을 포함할 수 있다. 셀 스택은 복수의 정렬된 셀 쌍을 더 포함할 수 있고, 복수의 정렬된 셀 쌍 각각은 제1 방향으로 유체 유동을 제공하도록 구성되고 배열된 이온 농축 격실, 및 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 유체 유동을 제공하도록 구성되고 배열된 이온 희석 격실을 포함한다.

하나 이상의 양태에 따르면, 전기화학적 분리 장치가 제공된다. 전기화학적 분리 장치는 제1 전극, 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 번갈아 배열된 고갈 격실 및 농축 격실을 각각 가지며 프레임 및 채널 부분을 각각 포함하는 복수의 서브 블록을 포함하는 셀 스택을 포함한다. 제1 재료로 형성된 내부 시일(internal seal)은 셀 스택 내의 인접한 서브 블록들 사이의 채널 부분들 사이에 그들과 접촉하여 배치되며, 인접한 서브 블록들 내의 고갈 격실들과 농축 격실들 사이의 누출을 방지하도록 구성된다. 제1 재료와 상이한 적어도 하나의 재료 파라미터를 갖는 제2 재료로 형성된 외부 시일은 셀 스택 내의 인접한 서브 블록들의 프레임들 사이에 그들과 접촉하여 배치되고, 전기화학적 분리 장치의 내부 체적으로부터 전기화학적 분리 장치의 외부로의 누출을 방지하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 외부 시일은 내부 시일보다 누출없이 외부 시일을 가로질러 더 높은 압력을 견디도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 내부 시일은 채널 부분이 깊이가 약 1㎜ 미만인 싱크(sink)를 나타내는 조건 하에서 고갈 격실과 농축 격실 사이의 누출을 방지하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 외부 시일은 프레임이 깊이가 약 250㎛ 미만인 피트(pit)를 나타내는 조건 하에서 전기화학적 분리 장치의 내부 체적으로부터의 누출을 방지하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 내부 시일은 폐쇄 셀 실리콘 폼을 포함한다.

일부 실시형태에서, 내부 시일은 폐쇄 셀 실리콘 폼의 복수의 개별 섹션(separate section)을 포함한다.

일부 실시형태에서, 장치는 내부 시일의 인접 섹션들 사이에 배치된 내부 체적 변위 섹션을 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 내부 체적 변위 섹션은 내부 시일의 섹션과 동일한 재료 또는 더 연질의 재료로 형성된다.

일부 실시형태에서, 외부 시일은 실리콘 고무 시트로 형성된다.

일부 실시형태에서, 외부 시일 내에 프레임의 폐쇄 부분에 걸쳐 개구가 형성된다.

일부 실시형태에서, 장치는 전극을 수용하는 단부 블록, 프레임 및 채널 부분에 걸쳐 단부 블록의 일 면에 결합된 스페이서를 포함하는 단부 블록에 인접한 서브 블록, 스페이서와 단부 블록 사이에 형성된 O-링 홈, 및 O-링 홈 내에 배치된 O-링을 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 장치는 단부 블록과 단부 블록에 인접한 서브 블록 사이에 형성된 복수의 O-링 홈을 갖는, 전극을 수용하는 단부 블록, 및 각 O-링 홈에 배치된 O-링을 더 포함한다.

다른 양태에 따르면, 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법이 제공된다. 방법은 제1 재료로 형성된 내부 시일의 섹션을 유지하도록 구성된 절제부를 갖는 지그 내에 내부 시일의 섹션을 배치하는 단계, 채널 부분 및 프레임을 포함하는 전기화학적 분리 장치의 서브 블록을 지그 상에 배치하는 단계, 내부 시일의 섹션들을 서브 블록의 측면상의 채널 부분에 부착하는 단계, 서브 블록을 지그로부터 제거하는 단계, 및 제1 재료와 상이한 적어도 하나의 재료 파라미터를 포함하는 제2 재료로 형성된 외부 시일을 서브 블록의 측면상의 프레임에 적용하는 단계를 포함한다.

일부 실시형태에서, 방법은 제1 재료로부터 내부 시일의 섹션을 형성하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 방법은 제1 재료보다 단단한 제2 재료로부터 외부 시일을 형성하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 방법은 프레임의 노출된 영역 위에 배치될 외부 시일의 위치에서 외부 시일 내에 개구를 형성하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 제1 재료로부터 내부 시일의 섹션을 형성하는 단계는 실리콘 폼으로부터 내부 시일의 섹션을 형성하는 단계를 포함한다.

일부 실시형태에서, 제2 재료로부터 외부 시일을 형성하는 단계는 실리콘 고무 시트로부터 외부 시일을 형성하는 단계를 포함한다.

일부 실시형태에서, 방법은 내부 시일의 인접한 섹션들 사이의 지그 내에 체적 변위 재료의 섹션을 배치하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 방법은 체적 변위 재료의 섹션을 서브 블록의 측면상의 채널 부분에 부착하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 장치는 전기장을 사용하여 유체를 정화하기 위한 전기투석 장치이다.

일부 실시형태에서, 장치는 상이한 이온 농도를 갖는 2개 이상의 유체 스트림으로부터 전력을 생성하기 위한 역 전기투석 장치이다.

이들 예시적인 양태 및 실시형태들의 또 다른 양태, 실시형태 및 이점들이 이하에서 상세하게 논의된다. 본 명세서에 개시된 실시형태는 본 명세서에 개시된 원리 중 적어도 하나와 일치하는 임의의 방식으로 다른 실시형태와 조합될 수 있고, "실시형태", "일부 실시형태", "대안적인 실시형태", "다양한 실시형태", "하나의 실시형태" 등의 지칭은 상호 배타적일 필요는 없으며 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시형태에 포함될 수 있음을 나타내도록 의도된다. 본 명세서에서 이러한 용어의 출현이 반드시 모두 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니다.

첨부도면은 축척에 맞게 도시된 것이 아니다. 도면에서, 여러 도면에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 유사한 도면부호로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 도면에서 모든 구성 요소에 도면부호가 표시되는 것은 아니다. 도면에서,
도 1A는 전기투석 장치의 서브 블록의 예를 도시한 도면;
도 1B는 하우징 내로 삽입되기 전의 도 1A의 8개의 서브 블록의 스택을 도시한 도면;
도 1C는 투명한 외피를 갖는 조립된 ED 장치를 도시한 도면;
도 1D는 불투명 외피를 갖는 조립된 ED 장치를 도시한 도면;
도 2a는 ED 장치의 서브 블록에서의 잠재적 누설 경로를 도시한 도면;
도 2b는 ED 장치의 서브 블록 상에 배치된 실링 개스킷의 실시형태를 도시한 도면;
도 2c는 도 2b의 실링 개스킷 상에 배치된 양이온 교환막을 도시한 도면;
도 3은 4개의 서브 블록을 갖는 ED 장치의 분해도를 도시한 도면;
도 4a는 경화 동안 서브 블록의 에폭시 층에서 형성될 수 있는 싱크를 도시한 도면;
도 4b는 경화 동안 서브 블록의 에폭시 층에서 형성될 수 있는 싱크의 다른 예시이며;
도 4c는 경화 동안 서브 블록의 에폭시 층에서 형성될 수 있는 싱크의 다른 예시이고;
도 5는 ED 장치의 셀 스택의 인접한 서브 블록들 사이에 배치될 실링 솔루션의 일 실시형태를 도시한 도면;
도 6a는 도 5의 실링 솔루션을 ED 장치의 서브 블록에 적용하는 방법에서의 일 동작을 도시한 도면;
도 6b는 도 5의 실링 솔루션을 ED 장치의 서브 블록에 적용하는 방법에서의 다른 일 동작을 도시한 도면;
도 6c는 도 5의 실링 솔루션을 ED 장치의 서브 블록에 적용하는 방법에서의 다른 일 동작을 도시한 도면;
도 6d는 도 5의 실링 솔루션을 ED 장치의 서브 블록에 적용하는 방법에서의 다른 일 동작을 도시한 도면;
도 6e는 도 5의 실링 솔루션을 ED 장치의 서브 블록에 적용하는 방법에서의 다른 일 동작을 도시한 도면;
도 7a는 제1 서브 블록의 프레임의 면상의 실링 솔루션의 다른 실시형태의 일부를 도시한 도면;
도 7b는 제2 서브 블록의 프레임의 면상의 실링 솔루션의 다른 실시형태의 일부를 도시한 도면;
도 7c는 제2 서브 블록에 장착된 제1 서브 블록을 도시한 도면;
도 8a는 서브 블록의 면에 결합된 스페이서의 아래에서 본 도면;
도 8b는 도 8a의 서브 블록의 면에 결합된 스페이서의 사시도;
도 8c는도 8a의 서브 블록의 면에 결합된 스페이서의 평면도;
도 9a는 에폭시가 포팅된 도 8a의 서브 블록의 아래에서 본 도면;
도 9b는 에폭시가 포팅된 도 8a의 서브 블록의 위에서 본 도면;
도 9c는 서브 블록의 내부 부분에 대한 접근을 허용하도록 절단된 도 8a의 서브 블록의 스페이서를 도시한 도면;
도 10a는 ED 장치의 단부 블록의 실시형태를 도시한 도면;
도 10b는 양이온 교환막이 장착된 도 10a의 단부 블록을 도시한 도면;
도 10c는 O-링을 포함하는 도 10b의 단부 블록을 도시한 도면;
도 11은 도 10a 내지 도 10c의 단부 블록에 장착된 도 8a 내지 도 8c의 스페이서의 단면도;
도 12a는 단부 블록의 면에 형성된 2개의 O-링 홈을 포함하는 ED 장치의 단부 블록의 실시형태를 도시한 도면;
도 12b는 O-링 홈에 O-링이 배치된 도 12a의 단부 블록을 도시한 도면;
도 13은 ED 장치의 단부 블록에 대해 배치된 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같은 스페이서를 포함한 서브 블록을 포함하는 조립된 ED 장치를 도시한 도면;
도 14a는 ED 장치 내의 압력으로 인한 ED 장치의 단부 블록의 변위의 유한 요소 해석(finite element analysis: FEA)의 결과를 도시한 도면;
도 14b는 ED 장치 내의 압력으로 인해 ED 장치의 단부 블록에서 발달된 응력의 FEA 결과를 도시한 도면;
도 15a는 ED 장치의 단부 블록용 보강판을 도시한 도면;
도 15b는 조립된 ED 장치의 단부 블록에 장착된 도 15a에 도시된 바와 같은 보강판을 도시한 도면;
도 16은 보강판의 상이한 두께 및 상이한 두께를 갖는 단부 블록의 변위에 대한 FEA 결과를 도시한 도면;
도 17A는 성형된 개스킷의 실시형태에 대한 리브 프로파일 형상을 도시한 도면;
도 17B는 성형된 개스킷의 다른 실시형태에 대한 리브 프로파일 형상을 도시한 도면;
도 18은 성형된 개스킷 상의 리브의 가능한 레이아웃을 도시한 도면; 및
도 19는 본 명세서에 개시된 특징들을 포함하는 ED 장치의 테스트 결과를 도시한 도면.

본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 아래의 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성의 세부 사항 및 구성요소의 구성으로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 다른 실시형태가 가능하고 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다.

전기탈이온화(electrodeionization: EDI)는 전기 활성 매질과 전위를 사용하여 이온 수송에 영향을 미침으로써 물에서 하나 이상의 이온화된 또는 이온화 가능한 종을 제거하거나 적어도 감소시키는 공정이다. 전기 활성 매질은 전형적으로 이온 종 및/또는 이온화 가능한 종을 교대로 수집 및 방출하고, 일부 경우에 이온 또는 전자 치환 메커니즘에 의해 연속적일 수 있는 이온의 수송을 용이하게 하는 역할을 한다. EDI 장치는 영구 전하 또는 임시 전하의 전기화학적 활성 매질을 포함할 수 있으며, 배치 방식으로, 간헐적으로, 연속적으로 및/또는 심지어 극성 역전 모드로도 작동될 수 있다. EDI 장치는 성능을 달성하거나 향상시키도록 특별히 설계된 하나 이상의 전기화학 반응을 촉진시키도록 작동될 수 있다. 또한, 이러한 전기화학 장치는 전기활성 막, 예컨대 반투성 또는 선택적 투과성의 이온 교환막 또는 양극성 막을 포함할 수 있다. 연속 전기탈이온(continuous electrodeionization: CEDI) 장치는 이온 교환 물질이 연속적으로 재충전되는 동안 수질 정화가 연속적으로 진행될 수 있는 방식으로 작동하는 통상의 기술자에게 공지된 EDI 장치이다. CEDI 기술은 연속 탈이온화, 충전된 셀 전기투석 또는 일렉트로다이어레시스(electrodiaresis)와 같은 공정을 포함할 수 있다. 제어된 전압 및 염도 조건 하에서, CEDI 시스템에서는, 물 분자가 분리되어 수소 또는 하이드로늄 이온/종 및 수산화물 또는 수산기 이온/종을 발생시켜 장치 내의 이온 교환 매질을 재생시킴으로써 그로부터 포획된 종의 방출을 용이하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 처리될 물 스트림은 이온 교환 수지의 화학적 재충전 없이도 연속적으로 정화될 수 있다.

전기투석(ED) 장치는 CEDI와 유사한 원리로 작동하지만, ED 장치는 일반적으로 막 사이에 전기활성 매질을 포함하지 않는다. 전기활성 매질이 없기 때문에, 높은 전기 저항으로 인해 염도가 낮은 급수에서 ED의 작동이 방해받을 수 있다. 또한, 고염도 급수에서의 ED의 작동은 전류 소비를 증가시킬 수 있기 때문에, ED 장치는 지금까지 중간 염도의 원수에 가장 효과적으로 사용되어 왔다. ED 기반 시스템에서는, 전기활성 매질이 없기 때문에, 물의 분해는 비효율적이며 이러한 형태의 작동은 일반적으로 회피된다.

CEDI 및 ED 장치에서, 전형적으로 복수의 인접한 셀 또는 격실은 양 또는 음으로 하전된 종의 통과를 허용하지만 일반적으로 양쪽 모두의 통과는 허용하지 않는 선택적 투과성 막에 의해 분리된다. 전형적으로 희석 또는 고갈 격실은 이러한 장치에서 농축화 또는 농축 격실과 이격되어 있다. 일부 실시형태에서, 셀 쌍은 한 쌍의 인접한 농축 및 희석 격실을 지칭할 수 있다. 물이 고갈 격실을 통해 흐를 때, 이온 종 및 다른 하전된 종은 전형적으로 직류장과 같은 전기장의 영향으로 농축 격실로 끌려들어간다. 양으로 하전된 종은 전형적으로 다수의 고갈 및 농축 격실의 스택의 일 단부에 위치한 음극을 향하여 끌어당겨지고, 음으로 하전된 종은 마찬가지로 전형적으로 격실의 스택의 대향 단부에 위치한 이러한 장치의 양극을 향하여 당겨진다. 전극은 전형적으로 고갈 및/또는 농축 격실과의 유체 연통으로부터 부분적으로 분리되는 전해질 격실에 수용된다. 일단 농축 격실에 있게 되면, 하전된 종은 전형적으로 농축 격실을 적어도 부분적으로 획정하는 선택적 투과성 막의 장벽에 의해 포획된다. 예를 들어, 음이온은 전형적으로 양이온 선택 막에 의해 농축 격실로부터 음극으로 더 이동하는 것이 방지된다. 농축 격실에서 일단 포획되면, 포획된 하전 종은 농축물 스트림에서 제거될 수 있다.

CEDI 및 ED 디바이스에서, 직류장은 전형적으로 전극(애노드 또는 양극, 및 캐소드 또는 음극)에 인가된 전압 및 전류원으로부터 셀에 인가된다. 전압 및 전류원(통칭하여 "전원") 자체는 AC 전원, 또는 태양, 풍력 또는 파력으로부터 유도된 전원과 같은 다양한 수단에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 전극/액체 계면에서, 막 및 격실을 통한 이온의 전달을 개시 및/또는 촉진하는 전기화학적 반-전지 반응이 발생한다. 전극/계면에서 발생하는 특정 전기화학적 반응은 전극 어셈블리를 수용하는 특수 격실에서 염의 농도에 의해 어느 정도 제어될 수 있다. 예를 들어, 염화나트륨이 많은 양극 전해질 격실로의 공급은 염소 가스 및 수소 이온을 생성하는 경향이 있는 반면, 음극 전해질 격실로의 공급은 수소 가스 및 수산화물 이온을 생성하는 경향이 있을 것이다. 일반적으로, 양극 격실에서 생성된 수소 이온은 전하 중성을 보존하고 염산 용액을 생성하기 위해 염화 이온과 같은 자유 음이온과 결합할 것이며, 유사하게 음극 격실에서 생성된 수산화물 이온은 전하 중성을 보존하고 수산화나트륨 용액을 생성하기 위해 나트륨 이온과 같은 자유 양이온과 결합할 것이다. 생성된 염소 가스 및 수산화나트륨과 같은 전극 격실의 반응 생성물은 소독 목적으로, 막 세정 및 오염 제거 목적으로 그리고 pH 조정 목적으로 필요한 공정에서 사용될 수 있다.

판틀형(plate-and-frame) 및 나권형(spiral wound) 설계는, 전기투석(ED) 및 전기탈이온(EDI) 장치를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 유형의 전기화학적 탈이온화 장치에 사용되어 왔다. 시중에서 판매되는 ED 장치는 일반적으로 판틀형 설계이지만, EDI 장치는 판틀형 및 나권형 구성 모두 구할 수 있다.

희석 스트림 및 농축 스트림이 수직 방향으로 흐르는 "직교류" 전기투석(ED) 장치는 선행 특허에 기술되어 있다. 장치의 셀 쌍의 스택은 서브 블록이라고 하는 하나 이상의 모듈 유닛들로부터 조립될 수 있다. 도 1A는 서브 블록의 예를 도시한다. 도 1B는 하우징 내로 삽입되기 전의 8개의 서브 블록의 스택을 도시한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "셀 스택"은 단일 또는 다수의 서브 블록의 스택을 의미한다. 도 1C는 투명한 외피를 갖는 조립된 ED 장치를 도시한다. 도 1D는 불투명 외피를 갖는 조립된 ED 장치를 도시한다.

직교류 ED 장치의 셀 스택에서 인접한 서브 블록들 사이에 시일을 제공하는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 시일은 ED 장치의 희석 스트림과 농축 스트림 사이의 혼합을 초래하고 ED 장치의 효율을 감소시킬 수 있는 누출을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 시일은 또한 셀 스택의 내부에서 외부로의 유체 누출을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. ED 장치의 희석 스트림과 농축 스트림 사이의 혼합을 초래할 수 있는 내부 교차 누출 경로와 ED 장치로부터 누출의 경로는 도 2a에 도시된 예시적인 서브 블록(105)에 도시되어 있다.

ED 장치의 셀 스택에서 서브 블록들 사이를 실링하는 하나의 방법이 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있다. 이 방법은 실리콘 개스킷(110)을 제1 서브 블록(105)의 표면에 놓는 단계, 개스킷(110)의 절제부(115)를 제1 서브 블록의 포트와 정렬시키는 단계, 양이온 교환막(CEM)(120) 하나를 개스킷(110) 위에 놓는 단계, CEM(120) 위에 또 다른 실리콘 개스킷(110)(도시되지 않음)을 놓는 단계, 그리고 마지막으로 제2 서브 실리콘 블록(도시되지 않음)을 제2 실리콘 개스킷 위에 놓는 단계를 포함한다. 이 절차는 셀 스택 내의 인접한 서브 블록 쌍마다 반복될 수 있다. 도 2a 및 도 2b의 절제부(115)는 원형으로 도시되어 있지만, 일반적으로는 서브 블록(105)의 매니폴드 포트(125)의 형상(도 2a에 도시된 바와 같은)과 일치하도록 실질적으로 삼각형이다. 개스킷(110)의 절제부(115)와 개스킷(110)의 중앙 개방 영역은 금형 절단될 수 있다.

도 3은 4개의 서브 블록을 포함하는 ED 장치의 셀 스택의 분해도를 도시한다. 4개의 서브 블록(105)은 2개의 단부 판(205) 사이에 배치된다. 전극(210) 및 전극 스크린(215)은 단부 판(205)과 서브 블록(105)의 스택 사이에 배치된다. 2-패스 시스템을 생성하기 위해, 서브 블록간 시일 중 하나는, 유동을 차단하는 G10 유리섬유 시트(220)와, CEM(120)과 G10 시트(220) 사이를 실링하기 위한 제3 개스킷(110)을 포함한다.

서브 블록(105)을 제조하는 동안, 에폭시(105B)는 예를 들어 NORYL® 수지로 형성된 프레임(105A)에 포팅되어(도 2a) 프레임(105A)에 이온 교환막을 고정시킬 수 있다. 일부 경우에, 프레임(105A)에 포팅된 에폭시는 경화 동안 수축하여 에폭시 층에서 싱크 또는 함몰부를 야기할 수 있다. 이들 싱크 또는 함몰부는 에폭시와 프레임과의 또는 서브 블록(105)을 관통하여 포트를 형성하는 튜브와의 사이의 계면에 인접하여 위치될 수 있다. 도 4a 내지 도 4c는 포팅 공정 동안 에폭시(105B)에서 형성될 수 있는 싱크의 예를 도시한다. 이들 싱크는 ED 셀 스택에서 희석 스트림과 농축 스트림 사이의 누출 경로를 제공할 수 있다. 평평하지 않고 예측이 불가능할 정도로 고르지 못한 표면에 대한 실링은 어려운 작업임이 입증되었다. 서브 블록(105)의 에폭시(105B)의 싱크는 예를 들어, 깊이가 약 200㎛ 내지 약 500㎛이거나 또는 일부 경우 깊이가 최대 약 1㎜일 수 있으며, 인접한 서브 블록(105) 사이의 실링 솔루션이 대처해야만 하는 문제를 제시한다. 개스킷(110)과 같은 실리콘 폼 개스킷은 높은 압축률을 가지며, 에폭시(105B)에서 피크 및 밸리의 형태를 취하는 것이 가능하지만, 이러한 개스킷을 이용하는 실링 솔루션이 딱히 견고한 것은 아니다. 본 명세서에 개시된 대안적인 실링 수단은 현재의 실링 수단에 비해 개선된 것이다.

ED 장치 셀 스택의 희석 스트림과 농축 스트림 사이의 혼합을 초래할 수 있는 내부 누출을 방지하고, 외부 누출, 즉 셀 스택의 내부 체적으로부터 외부로의 유체의 누출을 방지하기 위하여, 여러 실링 솔루션이 유리하게 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 내부 누출 경로는 주로 서브 블록(105)에서 에폭시 포팅을 가로지르는 것일 수 있는 반면, 외부 누출 경로는 주로 서브 모듈(105)의 프레임 부분(105A)의 표면 또는 면을 가로지르는 것일 수 있다. 내부 누출과 외부 누출은 상이한 압력 구배에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 단일 서브 블록에서 희석 격실 매니폴드와 농축 격실 매니폴드 사이의 압력 차이는 약 4psi (27.6kPa)와 약 10psi (69kPa) 사이일 수 있다. 따라서 희석 격실과 농축 격실 사이의 내부 누출을 방지하기 위한 실링 솔루션은 최대 약 10psi의 압력을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. ED 디바이스 셀 스택의 내부와 외부 환경 사이의 압력 차이로 인해 외부 누출이 발생할 수 있으며, 이때 압력 차이는 약 50psi (345kPa)와 약 75psi (517kPa) 사이일 수 있다. 따라서 외부 누출을 방지하기 위한 실링 솔루션은 이러한 더 높은 압력을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 내부 누출을 방지하기 위한 실링 솔루션은 에폭시 포팅의 싱크(깊이 약 200㎛ 내지 약 500㎛ 또는 최대 깊이 1㎜)에 적합하게 설계되어야 하고, 외부 누출을 방지하기 위한 실링 솔루션은 서브 모듈(105)의 프레임 부분(105A)의 표면 또는 면에 존재할 수 있는 불규칙한 부분 또는 피트에 적합하도록 설계해야 하며, 이때 불규칙한 부분 또는 피트의 깊이는 최대 약 100㎛ 또는 일부 경우에는 최대 약 250㎛일 수 있다.

내부 및 외부 누출에 대한 상이한 고려 사항을 다루는 실링 솔루션의 일례가 도 5에 도시되어 있다. 도 5의 실링 솔루션은 서브 블록(105)의 에폭시 포팅 층(105B) 상에 배치되고 희석 및 농축 격실을 위한 매니폴드 포트(125)를 둘러싸는 내부 저압 시일 섹션(505)을 포함한다. 내부 저압 시일 섹션(505)은 약 10A의 쇼어 경도 및 약 2㎜의 두께를 갖는 유연한 폐쇄 셀 실리콘 폼(foam)의 후면에 접착제가 있는 섹션일 수 있다. 내부 저압 시일 섹션(505)은 실리콘 폼으로 형성되는 것으로 제한되지 않는다. 임의의 적합한 재료, 예를 들어, 적절한 듀로미터 등급(경도)과 장치에서 처리될 유체에 대한 내화학성을 갖는 임의의 적합한 엘라스토머가 사용될 수 있다. 셀 스택의 조립 시, 내부 저압 시일 섹션(505)은 두께가 약 0.4㎜ 내지 약 1.5㎜로 압축될 수 있다. 내부 저압 시일 섹션(505)은 채널 부분이 깊이 약 200㎛ 내지 약 500㎛ 또는 깊이 약 1㎜ 미만의 싱크를 나타내는 조건 하에서 고갈 격실과 농축 격실 사이의 누출을 방지하도록 구성될 수 있다.

내부 체적 변위 섹션(510)은 에폭시 포팅(105B)의 표면상에서 내부 저압 시일 섹션들(505) 사이에 배치될 수 있다. 내부 체적 변위 섹션(510)은 인접한 서브 블록들 사이의 부분을 채울 수 있는데, 만약 그렇지 않다면, 정체된 유체가 작동 중에 축적되게 할 수도 있을 것이다. 내부 체적 변위 섹션(510)은 내부 저압 시일 섹션(505)과 유사한 재료 또는 더 부드러운 재료로 형성될 수 있으며, 또한 후면에 접착제가 있을 수 있다. 저압 시일 섹션(505) 및 내부 체적 변위 섹션(510)은 서브 블록(105)의 유입구 및 유출구 채널 부분에 배치되지만, 서브 블록(105) 내의 막의 활성 영역을 덮지 않는다. 서브 블록에서 막의 활성 영역은 도 6d에 105D로 도시되어 있다. 서브 블록(105)의 유입구 및 유출구 채널 부분은 막(105D)의 활성 영역을 둘러싸는 영역(105C)을 차지한다.

서브 블록(105)의 프레임 부분(105A)에는 별도의 외부 고압 시일(515)이 배치된다. 외부 고압 시일(515)은 내부 저압 시일 섹션(505)보다 단단한 물질, 예를 들어 약 70A의 쇼어 경도 및 약 0.8㎜ 내지 약 1㎜의 두께를 갖는 실리콘 고무로 형성될 수 있다. 외부 고압 시일(515)은 실리콘 고무 시트 형태일 수 있다. 외부 고압 시일(515)은 비다공성(비발포성) 실리콘 고무 시트 형태일 수 있다. 외부 고압 시일(515)은 프레임이 최대 깊이 약 100㎛ 또는 깊이 약 250㎛ 미만의 피트를 나타내는 조건에서 전기화학적 분리 장치의 내부 체적으로부터의 누출을 방지하도록 구성될 수 있다. 외부 고압 시일(515)은 실리콘 고무로 형성되는 것으로 제한되지 않는다. 임의의 적합한 재료, 예를 들어, 적절한 듀로미터 등급(경도)과 장치에서 처리될 유체에 대한 내화학성을 갖는 임의의 적합한 엘라스토머가 사용될 수 있다. 개구(520)가 외부 고압 시일(515)에 형성되어, 셀 스택을 함께 유지하기 위한 타이로드(tie rod)를 수용할 수 있는 또는 전기 연결부의 통과를 위한 도관(525)을 위한 개구부를 제공할 수 있다. 개구(520)는 또한 외부 고압 시일(515)의 단면적을 감소시킴으로써, 조립시 및 외부 고압 시일(515)의 압축을 용이하게 하기 위하여 셀 스택을 가로질러 압축력 인가 시에, 단위 면적당 더 높은 압력이 외부 고압 시일(515)에 가해질 수 있다. 도관을 포함하지 않는 프레임의 부분에 걸쳐 외부 고압 시일(515)에 형성된 개구(520)는 프레임(105A)의 폐쇄 섹션 또는 노출된 영역에 걸쳐 형성된 것으로 간주될 수 있다. 셀 스택의 조립시, 외부 고압 시일(515)은 예를 들어 약 50%만큼 압축될 수 있다.

도 5의 실링 솔루션을 서브 블록(105)에 적용하는 방법이 도 6a 내지 도 6e에 도시되어 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 내부 저압 시일 섹션(505) 및 내부 체적 변위 섹션(510)은 이들 섹션을 수용하기 위해 절제부(610)를 갖는 지그(605)에 배치될 수 있다. 내부 저압 시일 섹션(505) 및 내부 체적 변위 섹션(510)은 후면에 접착제가 있는 측면들이 위를 향하도록 지그(605)에 배치될 수 있다. 도 6b는 지그(605)에 배치된 내부 저압 시일 섹션(505) 및 내부 체적 변위 섹션(510)을 도시한다. 다음으로, 실링 솔루션이 부착될 서브 블록(105)은, 도 6c에 도시된 바와 같이, 내부 저압 밀봉 섹션(505) 및 내부 체적 변위 섹션(510)이 배치된 지그(605) 상으로 하강된다. 정렬 핀(610)은 지그(605)에 포함될 수 있고, 그리고 서브 블록(105)을 내부 저압 시일 섹션(505) 및 내부 체적 변위 섹션(510)에 적절하게 정렬시키기 위해 서브 블록 프레임(105A)의 개구와 협력할 수 있다. 도 6d는 내부 저압 시일 섹션(505) 및 내부 체적 변위 섹션(510)이 서브 블록(105)의 하부 표면에 부착되도록 지그(605) 상에 장착된 서브 블록을 도시한다. 서브 블록(105)은 지그(605)로부터 제거되어 도 6e에 도시된 바와 같이 구성되는 모듈 어셈블리로 도입될 수 있다. 서브 블록(105) 위에 외부 고압 시일(515)의 정렬을 용이하게 하기 위해, 제거 가능한 정렬 핀(615)이 서브 블록(105)의 도관(525)(도 5 참조)에 배치될 수 있다. 외부 고압 시일(515)은 서브 블록(105)의 프레임 부분(105A)에 수동으로 적용될 수 있고, 그 후 정렬 핀(615)이 제거될 수 있다.

외부 고압 시일(515)은 상이한 실시형태에서 상이한 형상을 가질 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시형태에서, 외부 고압 시일(515)은 원형 주변부 및 도관(525) 주위에 형성된 개구(520), 그리고 프레임(150A) 표면의 노출된 영역에 걸친 개구를 갖는다. 도 6e에 도시된 실시형태에서, 외부 고압 시일(515)은 프레임(105A)의 도관(525) 주위에 형성된 개구 이외의 개구(520)를 갖지 않는 비원형의 주변부를 포함한다.

외부 고압 시일 장치의 대안적인 실시형태가 도 7a 내지 도 7c에 도시되어 있다. 도 7a 내지 도 7c에 도시된 실시형태에서, 제1 서브 블록(105)의 프레임(105A)의 제1 표면(상부 또는 하부)은 암형 슬롯(705)(도 7a)을 포함한다. 제1 서브 블록(105)의 프레임(105A)의 제1 표면에 대향하여 배치될 제2 서브 블록(105)의 프레임(105A)의 제2 표면(하부 또는 상부)은 O-링 홈(715)을 형성하는 수형 돌출부(710)를 포함한다(도 7b). 도 7c는 O-링 홈(715) 내에 O-링(720)을 배치한 채로 제2 서브 블록(105)의 프레임(105A)에 장착된 제1 서브 블록(105)의 프레임(105A)을 도시한다. 도 7a 내지 도 7c의 실시형태들은, 프레임들(105A)이 직접 접촉하여 배치됨으로써, 인접한 서브 블록들(105) 사이의 간격을 최소화하여 더 작은 셀 스택을 형성할 수 있다는 점에서 도 5의 실시형태보다 이점을 가질 수 있다.

다른 양태에 따르면, ED 장치의 셀 스택의 단부에서 서브 모듈(105)을 전극(210) 및 연관된 스크린(215)(도 3 참조)을 수용하는 단부 판(205)(본 명세서에서 단부 블록(205)이라고도 지칭됨)에 실링하는 개선된 방법이 제공된다. 이 방법은 포팅 전에 스페이서(805)를 서브 블록 프레임(105A)의 최상면에 결합하는 단계를 포함한다. 스페이서(805)는 예를 들어 핫-멜트 접착제 또는 에폭시를 사용하여 서브 블록 프레임(105A)에 결합될 수 있다. 서브 블록 프레임(105A)에 결합된 스페이서(805)의 예가 아래에서 본 도면은 도 8a에, 사시도는 도 8b에, 그리고 평면도는 도 8c에 도시된다.

스페이서(805)가 부착된 서브 블록(105)은 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 에폭시가 포팅되고, 내부 서브 블록 격실에 접근하기 위하여 워터젯으로 절개된다(도 9c).

O-링 홈(1005)을 갖는 단부 블록(205)이 도 10a에 도시된 바와 같이 전극 및 스크린과 조립된다. 양이온 교환막(CEM)은 도 10b에 도시된 바와 같이 전극 조립체 위에 배치된다. O-링(1010)은 도 10c에 도시된 바와 같이 CEM을 속박하면서 전극 조립체 주위에 에둘러 배치된다. 이어서 서브 블록(105) 및 스페이서(805) 조립체가 도 10d에 도시된 바와 같이 단부 블록(205) 위에 배치된다. 스페이서(805) 및 O-링(1010)이 내부에 배치된 단부 블록(205)의 단면도가 도 11에 도시되어 있다.

페이스 시일 O-링 홈(1205)을 갖는 단부 블록(205)의 대안적인 실시형태가 도 12a에 도시되어 있다. O-링(1210)이 설치된 어셈블리 타이로드(1215)에 장착된 단부 블록(205)의 대안적인 실시형태가 도 12b에 도시되어 있다.

전술한 바와 같이 스페이서(805)를 포함하는 완전히 조립된 ED 장치(1300)가도 13에 도시되어 있다. 유지 특징부, 예를 들어 너트(1305)를, 조립된 ED 장치(1300)의 어느 한 단부의 타이 바(1215)상에 체결하는 것은 ED 장치(1300)의 셀 스택에서 인접한 서브 블록들(105) 사이의 시일을 압축하는 압축력을 제공한다.

다른 양태에 따르면, ED 장치(1300) 내의 내부 압력으로 인한 작동 중 해당 ED 장치의 엔드 블록(205)의 변형이 누출의 잠재적 원인일 수 있다는 것이 발견되었다. 단부 블록(205)의 변형은 ED 장치(1300) 내의 실링 개스킷에 가해지는 압력을 약화시켜 잠재적으로 내부 또는 외부 누출을 야기할 수 있다. 1.5 인치(3.8㎝) 두께의 폴리염화비닐(PVC)로 형성된 단부 블록(205)의 일 실시형태에 대해 유한 요소 해석(FEA)이 수행되었고, 도 14a 및 도 14b에 도시된 변위 및 응력 분포가 얻어졌다. ED 장치(1300)의 단부 블록(205)의 변형을 감소시키기 위해, 단부 블록은, 예를 들어 도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같은 G10 유리 섬유(1505)의 판으로 보강될 수 있다. G10 유리 섬유는 알루미늄과 비슷한 항복 강도를 갖지만 부식성이 낮고 전도성이 낮은 등의 특성이 있어 ED 장치의 단부 블록을 보강하기 위해서는 알루미늄 또는 기타 금속에 비해 탁월한 선택이다. G10 판은 성형 또는 기계가공되고 속박 실링 특징부(1510), 예를 들어 나사 또는 볼트에 의해 단부 블록(205)에 고정될 수 있다.

PVC 및 G10 보강판의 여러 두께 및 구성에 대해 FEA가 수행되었으며, 중요한 측정 기준은 판 중심에서의 결과적인 변위이다. 이 해석의 결과는 도 16에 도시되어 있다. 해석을 기반으로 1 인치(2.54cm) 두께의 G10 보강판이 있는 1 인치 두께의 PVC가 선택되었는데, 이는 이 구성이 단부 블록의 중심에서 150㎜ 내지 200㎜ 거리 범위에서 실링 특징부에 대하여 (비용 대비) 최소 변위를 나타내었기 때문이다.

다양한 대안적/추가적 특징 또는 방법이 상기 개시된 실링 구성 및 방법과 함께 또는 그 대안으로서 이용될 수 있음을 이해해야 한다.

실링 특징부를 가진 성형된 개스킷:

일 실시형태에서, 실리콘 폼 또는 다른 적절한 재료를 사용하여, 전술한 내부 저압 시일 섹션(505), 내부 체적 변위 섹션(510) 또는 외부 고압 시일(515) 중 하나 이상에 대해, 금형 절단된 개스킷 대신에 성형 개스킷이 사용될 수 있다. 이것은 개스킷의 표면에 실링 특징부 또는 리브를 생성할 수 있게 하며, 여기에 압축력이 집중되어 개스킷 재료를 변형시키고 실링에 영향을 줄 수 있다. 도 17A 및 도 17B는 성형된 리브(1700)에 대한 가능한 리브 프로파일 형상을 도시한다. 도 18은 이들 리브 특징부(1700)가 개스킷(1800) 상에 배치될 수 있는 위치의 가능한 레이아웃을 도시한다. 리브(1700)는, 압축 균형 및 실링 여유를 위한 추가 리브와 함께, 서브 블록의 활성 영역뿐만 아니라 각 포트 주위에 배치될 것이다. 리브(1700)는 비압축시 최대 약 2㎜의 높이를 가질 수 있고 이때 개스킷(1800)의 비 리브 부분의 두께는 약 200㎛ 이다. 압축 하에서 리브(1700)는 개스킷(1800)의 비 리브 부분과 유사한 두께를 갖도록 압축될 것이다.

서브 블록들 사이의 영구 접착제:

다른 실시형태에서, 접착제(예를 들어, 에폭시, 실온-가황 실리콘(RTV), 핫 멜트 접착제 등)가 인접한 서브 블록의 서브 블록 면 사이에 사용되며, 이는 몇 가지 장점과 단점을 제공한다. 접착제는 에폭시 면 변형에 부합할 수 있기 때문에 견고한 시일을 제공할 수 있다. 접착제는 프레임에 결합되어 더 높은 압력에서도 물이 통과하기 어렵게 할 수 있다. 접착제는 개스킷처럼 실링하기 위해 압축이 필요하지 않다. 그러나, 인접한 서브 블록들이 서로 접착되면, 서브 블록의 모듈식 장점이 감소될 수 있다. 현재 설계에서 스택의 서브 블록이 손상되면 쉽게 교체할 수 있다. 접착제를 사용하여 인접한 서브 블록을 결합하면 손상된 서브 블록을 쉽게 교체할 수 없다. 접착제 물질은, 예를 들어 x-y 테이블상의 분배 장치를 사용하여, 서브 블록 표면상에 비드 형태로 배치될 수 있다.

정의된 코너 변위:

다른 실시형태에서, 서브 블록은 실리콘이 라이닝된 평판에 포팅되어 에폭시가 경화될 때 플레이트가 제거되고 실리콘으로 인해 박리될 수 있다. 돌출부는 포팅 플레이트에 통합되어 서브 블록의 에폭시 면에 획정된 오목부를 형성할 수 있다. 표면적은 낮지만, 이 오목부는 오버몰딩된 개스킷을 고정시키는 특징을 제공할 수 있다. 이 방법은 영구 접착제 방법과 결합될 수 있다.

개스킷 재질로 코팅된 막:

다른 실시형태에서, 외부를 따라 개스킷 재료를 갖는 특수한 막 조각이 실리콘 폼 개스킷과 동일한 기능을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 개스킷 재료가 통합된 막 조각은 단일 삽입가능 조각으로 하여 제조를 단순화할 수 있다.

액체 실리콘 또는 UV 경화 에폭시와 같은 대체 서브 블록 접착제:

서브 블록에 사용되는 현재 접착제는 희석 스트림과 농축 스트림의 성공적인 분리를 제공하는 몇 가지 바람직한 속성을 나타내는 에폭시의 특수 혼합물이다. 에폭시는 그 점도로 인해 가는 유동 채널로 침투해 스며들 수 있으며, 화학 반응은 100℃ 미만으로 유지되므로 포획된 물이 증기로 바뀌지 않고 기포를 형성하지 않으며, 에폭시가 워터젯 절단 시에 매우 깔끔하게 절단되기에 충분한 정도로 경화된다. 다른 실시형태에서, 실리콘계 에폭시 대체물 또는 UV 경화될 수 있는 에폭시는 서브 블록의 표면상에 실링하기 위한 보다 균일한 표면을 제공할 수 있다.

가공되어 깎일 솟아오른 포팅:

이것은 정의된 코너 변위 방법과 반대되는 접근 방식이다. 포팅 플레이트에 정의된 오목부는 포팅이 완료될 때 에폭시가 서브 블록 프레임의 표면으로부터 떨어져 있도록 사용될 수 있다. 그 후 이 에폭시는 프레임과 동일한 높이로 가공되어 깎여서 매우 평평한 실링할 표면을 제공한다.

에폭시 스킨 코트:

다른 실시형태에서, 제1 라운드의 에폭시 포팅이 스택 채널들을 서로 분리하기 위해 적용된 후, 2차 공정을 사용하여 경화된 에폭시 위에 제2의 매우 얇은 새로운 에폭시 층을 적용할 수 있으며, 이는 수축이 덜 발생하여 실링하기에 더 균일한 표면을 제공한다.

개스킷 스크린:

다른 실시형태에서, 서브 블록에서 사용되는 것과 매우 유사한 플라스틱 메쉬 스크린으로 제조된 스페이서가 메쉬가 내장된 주변부에 적용된 고무 개스킷 재료와 함께 사용될 수 있다. 이들은 적층되면 시일을 제공한다. 이들은 현재의 실리콘 개스킷을 대체할 것이며, CEM은 그 중간에 있다.

실시예 1:

본 명세서에 기재된 바와 같이 내부 저압 시일 섹션, 내부 체적 변위 섹션, 외부 고압 시일, 보강 단부 판, 및 전극 서브 모듈과 인접한 서브 모듈 사이의 스페이서 및 O-링을 포함하는 ED 장치의 실시형태의 성능을 이러한 개선 사항이 없는 ED 장치의 성능과 비교하였다. 농축물(농축 스트림)에서 생성물(희석 스트림)로의 전도율의 여러 레벨에서 전류 효율간의 비교가 수행되었다. 결과는 도 19의 차트에 도시되어 있다. 본 명세서에 개시된 개선 사항을 갖는 ED 장치(도 19의 최적화된 모듈)는 변형되지 않은 ED 장치와 유사한 전류 효율을 나타냈다. 이러한 결과는 ED 장치의 누설 가능성을 감소시키는 기능을 포함시키는 것이 장치의 성능을 크게 저하시키지 않음을 보여준다.

실시예 2:

도 13과 관련하여 개시된 바와 같은 ED 장치를 구성하고 누출에 대한 압력 테스트를 실시했다. 20 PSID (138㎪)에서 50,000 회, 30 PSID (207㎪)에서 50,000 회의 연속 사이클 테스트 후에 외부 누출이 관찰되지 않았다.

본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 전기투석 장치로 제한되지 않는다. 모든 전기화학적 분리 장치는 본 명세서에 개시된 특징 및 방법으로부터 득을 볼 수 있다. 전기화학적 분리 장치는 전기투석, 전기투석 역전, 연속 탈이온화, 연속 전기 탈이온화, 전기 탈이온화, 전기투석 및 용량성 탈이온화를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 본 명세서에 개시된 특징 및 방법으로부터 득을 볼 수 있는 다른 전기화학 장치는 유동 배터리, 연료 전지, 전기 염소화 셀 및 가성 염소 셀을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에 사용된 용어 "복수"는 둘 이상의 항목 또는 성분을 지칭한다. 발명의 설명에서든 또는 청구범위 등에서든 "포함하는", "포함하는", "지니는", "갖는", "함유하는" 및 "수반하는" 이라는 용어는 개방형 용어, 즉 "을(를) 포함하지만 그에 한정되지 않는다"는 의미이다. 따라서, 이러한 용어의 사용은 이후에 열거된 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가 항목을 포함하는 것으로 의도된다. 청구범위와 관련하여, "(으)로 구성되는" 및 "(으)로 본질적으로 구성되는"의 이행구만이 각각 폐쇄 또는 반-폐쇄된 이행구이다. 청구항 요소를 수정하기 위해 청구항에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어를 사용하는 것은 그 자체로는 한 청구항 요소의 다른 청구항 요소에 대한 우선 순위, 상위 또는 순서, 또는 방법의 동작이 수행되는 시간적 순서를 의미하지 않으며, 단지 특정 명칭을 갖는 하나의 청구항 요소를 (서수 용어의 사용을 제외하고는) 동일한 명칭을 갖는 다른 요소와 구별함으로써 청구항 요소들을 구별하기 위한 표시로서 사용될 뿐이다.

Claims (20)

1. 전기화학적 분리 장치로서,
   제1 전극;
   제2 전극;
   상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 번갈아 배열된 고갈 격실 및 농축 격실을 각각 가지며, 프레임 및 채널 부분을 각각 포함하는 복수의 서브 블록을 포함하는 셀 스택(cell stack);
   상기 셀 스택 내의 인접한 서브 블록들 사이의 상기 채널 부분들 사이에 그들과 접촉하여 배치되며, 상기 인접한 서브 블록들 내의 고갈 격실들과 농축 격실들 사이의 누출을 방지하도록 구성된, 제1 재료로 형성된 내부 시일(internal seal); 및
   상기 셀 스택 내의 상기 인접한 서브 블록들의 상기 프레임들 사이에 그들과 접촉하여 배치되고, 상기 전기화학적 분리 장치의 내부 체적으로부터 상기 전기화학적 분리 장치의 외부로의 누출을 방지하도록 구성된, 상기 제1 재료와 상이한 적어도 하나의 재료 파라미터를 가지며, 상기 제1 재료보다 단단한 제2 재료로 형성된 외부 시일을 포함하는, 전기화학적 분리 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 시일은 상기 내부 시일보다 누출없이 상기 외부 시일을 가로질러 더 높은 압력을 견디도록 구성되는, 전기화학적 분리 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 내부 시일은 상기 채널 부분이 깊이가 1㎜ 미만인 싱크를 나타내는 조건 하에서 상기 고갈 격실과 농축 격실 사이의 누출을 방지하도록 구성되는, 전기화학적 분리 장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 외부 시일은 상기 프레임이 깊이가 250㎛ 미만인 피트를 나타내는 조건 하에서 상기 전기화학적 분리 장치의 내부 체적으로부터의 누출을 방지하도록 구성되는, 전기화학적 분리 장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 내부 시일은 폐쇄 셀 실리콘 폼을 포함하는, 전기화학적 분리 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 내부 시일은 폐쇄 셀 실리콘 폼의 복수의 개별 섹션(separate section)을 포함하는, 전기화학적 분리 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 내부 시일의 인접 섹션들 사이에 배치된 내부 체적 변위 섹션을 더 포함하는, 전기화학적 분리 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 내부 체적 변위 섹션은 상기 내부 시일의 섹션과 동일한 재료 또는 더 연질의 재료로 형성되는, 전기화학적 분리 장치.
9. 제5항에 있어서, 상기 외부 시일은 실리콘 고무 시트로 형성되는, 전기화학적 분리 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 외부 시일 내에 프레임의 폐쇄 부분에 걸쳐 개구가 형성되는, 전기화학적 분리 장치.
11. 제1항에 있어서,
    전극을 수용하는 단부 블록;
    상기 프레임 및 채널 부분에 걸쳐 상기 단부 블록의 일 면에 결합된 스페이서를 포함하는 상기 단부 블록에 인접한 서브 블록;
    상기 스페이서와 상기 단부 블록 사이에 형성된 O-링 홈; 및
    상기 O-링 홈 내에 배치된 O-링을 더 포함하는, 전기화학적 분리 장치.
12. 제1항에 있어서,
    전극을 수용하는 단부 블록으로서, 상기 단부 블록과 상기 단부 블록에 인접한 서브 블록 사이에 형성된 복수의 O-링 홈을 갖는, 상기 단부 블록, 및
    각 O-링 홈에 배치된 O-링을 더 포함하는, 전기화학적 분리 장치.
13. 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법으로서,
    제1 재료로 형성된 내부 시일의 섹션을 유지하도록 구성된 절제부를 갖는 지그 내에 상기 내부 시일의 상기 섹션을 배치하는 단계;
    채널 부분 및 프레임을 포함하는 상기 전기화학적 분리 장치의 서브 블록을 상기 지그 상에 배치하는 단계;
    상기 내부 시일의 상기 섹션들을 상기 서브 블록의 측면상의 상기 채널 부분에 부착하는 단계;
    상기 서브 블록을 상기 지그로부터 제거하는 단계; 및
    상기 제1 재료와 상이한 적어도 하나의 재료 파라미터를 포함하고, 상기 제1 재료보다 단단한 제2 재료로 형성된 외부 시일을 상기 서브 블록의 상기 측면상의 상기 프레임에 적용하는 단계를 포함하는, 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법.
    
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 재료로부터 상기 내부 시일의 상기 섹션을 형성하는 단계를 더 포함하는, 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법.
15. 삭제
16. 제14항에 있어서, 상기 프레임의 노출된 영역 위에 배치될 상기 외부 시일의 위치에서 상기 외부 시일 내에 개구를 형성하는 단계를 더 포함하는, 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법.
    
17. 제14항에 있어서, 상기 제1 재료로부터 상기 내부 시일의 상기 섹션을 형성하는 상기 단계는 실리콘 폼으로부터 상기 내부 시일의 상기 섹션을 형성하는 단계를 포함하는, 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법.
    
18. 제17항에 있어서, 상기 제2 재료로부터 상기 외부 시일을 형성하는 상기 단계는 실리콘 고무 시트로부터 상기 외부 시일을 형성하는 단계를 포함하는, 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법.
19. 제13항에 있어서, 상기 내부 시일의 인접한 섹션들 사이의 상기 지그 내에 체적 변위 재료의 섹션을 배치하는 단계를 더 포함하는, 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 체적 변위 재료의 섹션을 상기 서브 블록의 상기 측면상의 상기 채널 부분에 부착하는 단계를 더 포함하는, 전기화학적 분리 장치의 단부 블록에 시일을 적용하는 방법.