전기 멤브레인 방법 및 장치 document_id A220623020273

종래 기술에서, 전기 탈이온화 및 전기투석과 같은 전기 멤브레인 공정은 널리 공지되어 있다. 상기와 같은 공정에서 공급액은 탈염되고 그의 이온 내용물은 저 부피, 고 농도 액으로 이동한다. 이러한 공정들은 산업적으로, 예를 들어 화학 산업 및 마이크로전자공학 및 반도체 산업에 의해 발생하는 수성 폐기물의 처리에 적용된다. 일부의 공정에서, 전극이 담긴 전해질은 농축액 자체일 수 있지만, 상기 공정이 장치에 손상을 입힐 수 있는 이온을 함유하는 공급액의 처리를 수반하는 경우, 상기 전극을 상기 전해질 안팎으로 이온이 통과하는 것을 막는 멤브레인에 의해 농축물 스트림으로부터 분리시키는 것이 보다 통상적이다. 음이온 교환 멤브레인, 양이온 교환 멤브레인, 2 극성 이온 교환 멤브레인 및 다공성 멤브레인을 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 플루오라이드는 반응에 이어서 기체 세정 플랜트에서의 용해의 결과로서 수성 불화수소산을 생산하는 반도체 장치 제조 산업의 부산물로서 발생한다. 상기와 같은 액체는 전극을 멤브레인에 의해 손상 용액과 분리시키는 장치를 사용하는 전기 멤브레인 공정에 의해 처리하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 기법은 이온이 전해질 내로 이동하는 것을 실질적으로 방지하지만, 불행하게도 상기 불화수소산과 같은 종들이 상기 멤브레인의 통과에 의해서뿐만 아니라 봉인 부근의 누출에 의해서 여전히 전해질 내로 들어갈 수 있으므로 상기 전극 손상의 문제를 완전히 해결하지는 못한다. 상술한 불화수소산 함유 공급물의 처리 시스템에서, 상기 농축물 용액은 매우 높은 농도의 상기 산을 함유할 것이다. 실제로, HF의 전해질 내로의 이동은, 상기 전해질 중의 HF 농도가 수일 내에 수천 ppm까지 상승할 수 있는 정도로 일어나는 것으로 밝혀졌으며, 이러한 조건 하에서 대부분의 통상적인 양극 물질은 급속하게 용해될 것이다. 제안되어 온 상기 문제에 대한 해법들은 상기 이온의 손상 효과에 대해 내성이 있는 물질의 사용, 예를 들어 전극, 특히 양극의 경우 백금의 사용, 또는 전해질을 염기성으로 유지시키기 위한 강 염기, 예를 들어 수산화 나트륨 또는 상기 플루오라이드 이온을 착화시키기 위한 작용제의 첨가이다. 그러나, 지금까지, 불화수소산 함유 용액에 안정한, 경제적으로 가치있는 양극 물질은 발견되지 않았으며, 충분 량의 강 염기와 같은 화학물질의 첨가도 또한 과도하게 비싸거나 오염의 관점에서 바람직하지 못한 것으로 간주된다. 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제들을 경감시키고자 하는 것이다. 발명의 요약 본 발명에 따라, 전기 멤브레인 설비에서 전해질 용액으로부터 이온화 가능한 불순물을 제거하기 위한 장치를 제공하며, 이때 상기 장치는 하나 이상의 전해질 용액 스트림을 상기 설비의 음극(cathode)과 양극(anode) 사이에서 운반하기 위한 수단, 및 전류의 인가 시 선택된 이온을 상기 전해질 용액으로부터 별도의 스트림 내로 이동시키기 위한 수단을 포함한다. 따라서 본 발명은 기존의 전기 멤브레인 설비를 매우 적게 변경시키면서, 값비싼 전극 물질의 사용이 요구되지 않고 전해질 용액에의 물질 첨가가 요구되지 않는다는 점에서 경제적으로 유리한, 전해질 용액으로부터 불순물을 제거하기 위한 편리한 방법을 제공한다. 전해질 용액의 제 1 스트림은 음극과 양극 사이에서 음극과 접촉되어 운반될 수 있으며, 전해질 용액의 제 2 스트림은 음극과 양극 사이에서 양극과 접촉되어 운반될 수 있다. 이들 2 개의 스트림은 합류하여 루프(loop)를 형성할 수 있으며, 따라서 상기 전해질 용액은 상기 음극과 양극 사이를 재순환한다. 한편으로, 상기 제 1 및 제 2 스트림은 각각 별도로 각각의 루프로 재순환할 수도 있다. 상기 전해질 용액의 재순환 덕분에, 상기 장치는 다량의 용액을 사용하지 않는다. 따라서, 본 발명의 상기 태양은 또한 전해질 용액을 음극과 양극 사이에서 재순환시키기 위한 수단, 및 전류의 인가 시 선택된 이온을 상기 전해질 용액으로부터 별도의 스트림 내로 이동시키기 위한 수단을 포함하는, 전기 멤브레인 설비에서 이온화 가능한 불순물을 전해질 용액으로부터 제거하기 위한 장치를 제공한다. 이해하는 바와 같이, 본 발명에 사용된 "불순물"이라는 용어는 의도에 의해 제공되는 것이 아닌, 전해질 용액 중의 임의의 이온화 가능한 종들을 의미한다. 선택된 이온을 이동시키기 위한 수단은 음극에 인접한 음이온 교환 멤브레인 및/또는 양극에 인접한 양이온 교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 상기와 같은 멤브레인들은 광범위하게 입수할 수 있다. 특히, 각각의 상기 멤브레인을 전극과 직접 접촉시킬 수 있다. 이는 적합한 이온 전도가 일어날 수 있게 한다. 한편으로, 각각의 상기 멤브레인을 액체 투과성 이온 전도 물질에 의해 전극과 전기화학적으로 접촉시킬 수 있다. 상기 액체 투과성 이온 전도 물질은 적합하게는 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유 및 이온 교환 폼 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 배열에서, 액체 투과성 음이온 전도 물질을 음극과 접촉시키고, 액체 투과성 양이온 전도 물질을 양극과 접촉시킬 수 있다. 상기 이온 전도 물질의 두께를 수 센티미터에서 0까지 조절할 수 있으며, 0인 경우를 제로 갭 시스템이라 칭한다. 하나의 특정한 배열에서, 선택된 이온을 전해질 용액에서부터 별도의 스트림으로 이동시키기 위한 이온 이동 수단은 음이온만을 이동시키도록 적합화 될 수 있으며, 또 다른 배열에서는, 선택된 이온을 전해질 용액으로부터 별도의 스트림으로 이동시키기 위한 이온 이동 수단은 양이온만을 이동시키도록 적합화 될 수 있다. 한편으로, 및 특히 바람직한 배열에서는, 선택된 이온을 전해질 용액으로부터 별도의 스트림으로 이동시키기 위한 이온 이동 수단이 양이온과 음이온을 모두 이동시키도록 적합화 된다. 상기 선택된 이온을 편의상 전기 멤브레인 설비의 농축물 스트림 내로 이동시킬 수 있다. 상기 농축물 스트림은 상기 전기 멤브레인 설비에 의해 공급액으부터 제거되는 이온을 함유하는 농축물 스트림일 수 있다. 본 발명에서 상기 전해질 용액은 전극을 담거나 접촉하는 용액으로서 정의되며 임의의 용액, 예를 들어 비 제한적으로 증류수 또는 탈이온수를 포함할 수 있다. 본 발명의 두 번째 태양에 따라, 상기에서 정의한 바와 같은 장치를 포함하여, 전기 멤브레인 설비를 제공한다. 상기 전기 멤브레인 설비는 예를 들어 자체가 액체 폐기물 처리 시스템의 일부일 수 있는 전기 탈이온화 및/또는 전기 투석 설비일 수 있다. 상기 장치는 특히 폐 플루오라이드 처리 시스템의 일부인 전기 멤브레인 설비에 유용하다. 본 발명의 세 번째 태양에 따라, 전기 멤브레인 설비에서 이온화 가능한 불순물을 전해질 용액으로부터 제거하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 설비에 전류의 인가 시 선택된 이온을 상기 전해질 용액으로부터 별도의 스트림으로 이동시키도록 적합화 된 수단을 제공하고, 하나 이상의 전해질 용액 스트림을 상기 설비의 양극과 음극 사이에서 운반하고, 상기 전류를 인가시킴을 포함한다. 상기 방법은 음이온만, 또는 양이온만, 또는 특히 바람직하게는 음이온과 양이온을 모두 이동시키도록 적합화 된 수단을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법이 선택된 이온을 전기 멤브레인 설비의 농축물 스트림으로 이동시키는 단계를 포함하는 것이 특히 편리하다. 상기 방법은 또한 단일의 전해질 용액 스트림을 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 용액은 탈이온수 또는 증류수를 포함한 수용액을 포함할 수 있다. 본 발명의 네 번째 태양에 따라, 상기 열거한 바와 같이, 이온화 가능한 불순물을 전기 멤브레인 설비의 전해질 용액으로부터 제거하기 위한 공정을 수행하는 단계를 포함하는 전기 멤브레인 공정을 제공한다. 상기 전기 멤브레인 공정은 예를 들어 전기 탈이온화 및/또는 전기 투석 공정일 수 있으며, 이러한 공정은 자체가 액체 폐기물 처리 공정의 일부일 수 있다. 상기 액체 폐기물 처리 공정은 폐 플루오라이드 처리 공정일 수 있다. 본 발명의 장치 태양과 관련하여 상술한 특징들을 공정 태양에 동등하게 적용시킬 수 있으며, 이와 역도 또한 같다.