KR102578933B1 - 전기화학 차아염소산염 생성 동안 수소 감소에 대한 지속 가능한 레독스 물질 공급에 대한 펄스 전력 공급 - Google Patents

전기화학 차아염소산염 생성 동안 수소 감소에 대한 지속 가능한 레독스 물질 공급에 대한 펄스 전력 공급 Download PDF

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사이먼 폴 듀크스
조슈아 그리피스
마이클 제이. 쇼
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에보쿠아 워터 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

수용액을 전기화학 전지에 도입하는 단계, 애노드와 캐소드에 걸쳐 전류를 인가하여서 생성물을 제조하는 단계, 전압, 용존 수소 또는 수용액의 조건을 모니터링하는 단계 및 측정된 매개변수 중 하나에 반응하여 전류를 펄스 파형으로 인가하는 단계를 포함하는 전기화학 전지를 조작하는 방법이 개시되어 있다. 애노드 및 캐소드를 포함하는 전기화학 전지, 전기화학 전지에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 출구를 갖는 수용액의 공급원, 매개변수를 측정하기 위한 센서 및 매개변수 측정에 반응하여 애노드 및 캐소드가 펄스 파형으로 전류를 인가하게 하도록 구성된 조절장치를 포함하는 전기화학 시스템이 개시되어 있다. 전기화학 전지 내의 수소 가스의 축적을 억제하는 방법이 또한 개시되어 있다. 전기화학 전지의 조작을 용이하게 하는 방법이 또한 개시되어 있다.

Description

전기화학 차아염소산염 생성 동안 수소 감소에 대한 지속 가능한 레독스 물질 공급에 대한 펄스 전력 공급
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에 미국 가출원 제62/468,544호(발명의 명칭: "Implementation of Feedback Control for Improved Electrochemical System Design", 출원일: 2017년 3월 8일), 미국 가출원 제62/467,518호(발명의 명칭: "Half-Cell Electrochemical Configurations for Self-Cleaning Electrochlorination Devices", 출원일: 2017년 3월 6일) 및 미국 가출원 제62/469,224호(발명의 명칭: "Pulsed Power Supply for Sustainable Redox Agent Supply for Hydrogen Abatement During Electrochemical Hypochlorite Generation", 출원일: 2017년 3월 9일)에 대한 우선권을 주장하며, 이들 기초 출원은 각각 모든 목적을 위해 본 명세서에 참고로 그들의 전문이 원용된다.
기술분야
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 일반적으로 전기화학 장치, 및 더 구체적으로 전기염소화(electrochlorination) 전지 및 장치, 이의 조작 방법 및 이를 사용하는 시스템에 관한 것이다.
일 양태에 따르면, 전기화학 전지를 조작하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 수용액을 전기화학 전지에 전기화학 전지의 애노드와 캐소드 사이에 도입하는 단계, 전기화학 전지 내의 수용액으로부터 생성물 화합물을 생성하기에 충분한 전압에서 전류를 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가하는 단계, 상기 전압, 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 및 수소 가스 제조와 연관된 수용액의 조건으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 매개변수를 모니터링하는 단계 및 미리 결정된 범위의 밖인 적어도 하나의 매개변수에 반응하여 전류를 펄스 파형으로 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가시키는 단계를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 방법은 전기화학 전지에 도입되는 수용액의 유량, 용존 산소 농도, 용존 수소 농도, pH, ORP 및 온도로 이루어진 군으로부터 수용액의 조건을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 수용액의 조건에 기초하여 전류의 펄스의 기간, 펄스 전류의 입사의 속도 및 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가된 전류의 규모 중 하나 이상을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 수용액의 조건에 기초하여 수용액의 도입 속도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 방법은 전기화학 전지에서의 수소 가스의 생성을 방지하기에 충분한 미리 결정된 범위를 선택하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 수용액의 유량, 상기 전압 및 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 중 적어도 하나에 기초하여 전류의 펄스의 기간, 펄스 전류의 입사의 속도 및 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가된 전류의 규모 중 하나 이상을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 전기화학 전지로부터의 생성물 용액의 유량, 생성물 용액 내의 생성물 화합물의 농도 및 수용액 내의 클로라이드의 농도 중 적어도 하나 이상에 기초하여 전기화학 전지로의 수용액의 도입 속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 방법은 산화제를 전기화학 전지의 상류에서 수용액에 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 산화제를 도입하는 단계는 기체 산소, 오존, 공기, 산소 농후 공기 및 과산화수소 중 하나 이상을 수용액에 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 약 0.5V 내지 4.0V의 범위 밖인 전압에 반응하여 전류를 펄스 파형으로 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 전기염소화 전지에서 수소 가스의 축적을 억제하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 액체 전해질을 전기염소화 전지로 전기염소화 전지의 애노드와 캐소드 사이에 도입하는 단계, 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가된 전압, 전기염소화 전지에서 생성된 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도, 및 전기염소화 전지에 도입된 액체 전해질의 유량, 용존 산소 농도, 용존 수소 농도, pH, ORP 및 온도로 이루어진 군으로부터 선택된 액체 전해질의 조건으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 매개변수를 모니터링하는 단계 및 전기염소화 전지 내에 수소 가스의 생성을 방지하기에 충분한 범위의 밖인 매개변수에 반응하여 전류를 펄스 파형으로 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 하우징 내에 배치된 입구, 출구, 애노드 및 캐소드를 갖는 하우징을 포함하는 전기화학 전지, 전기화학 전지의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 출구를 갖는 수용액의 공급원, 전압 및 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도의 적어도 하나를 측정하도록 구성되고 배열된 제1 센서, 및 제1 센서에 전기로 연결 가능하고, 미리 결정된 한계치를 초과하는 전압 및 용존 수소 농도 중 적어도 하나에 반응하여 전류가 펄스 파형으로 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가되게 하도록 구성된 조절장치를 포함하는 전기화학 시스템이 제공된다.
상기 시스템은 수용액의 유량, 용존 산소 농도, 용존 수소 농도, pH, ORP 및 온도로 이루어진 군으로부터 선택된 수용액의 조건을 측정하도록 구성되고 배열된 제2 센서를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 시스템은 제2 센서에 전기로 연결 가능하고, 미리 결정된 범위의 밖인 수용액의 조건에 반응하여 전류가 펄스 파형으로 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가되게 하도록 구성된 조절장치를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 시스템은 제2 센서에 전기로 연결 가능하고, 수용액의 조건에 기초하여 전기화학 전지로의 수용액의 도입 속도를 조절하도록 구성된 조절장치를 포함할 수 있다.
조절장치는 전기화학 전지의 조작 동안 캐소드에서의 수소의 축적을 발생시키기에 충분한 미리 결정된 범위의 밖인 생성물 용액 중의 용존 수소 농도에 반응하여 전류가 펄스 파형으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가되게 하도록 구성될 수 있다. 조절장치는 수용액의 유량, 전압, 수용액 중에 용해된 산소의 농도 및 수용액 중에 용해된 수소의 농도 중 적어도 하나에 기초하여 전류의 펄스의 기간, 펄스 전류의 입사의 속도 및 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가된 전류의 규모 중 하나 이상에서 애노드 및 캐소드를 조절하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 시스템은 전기화학 전지의 상류에서 수용액의 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 산화제의 공급원을 더 포함할 수 있다. 산화제의 공급원은 과산화수소를 전기화학 전지의 출구로부터 수용액의 공급원에 전달하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 시스템은 전기화학 전지에 존재하는 수소 가스의 양, 수용액 중에 용해된 수소의 농도, 수용액 중에 용해된 산소의 농도 및 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액 중에 용해된 산소의 농도 중 적어도 하나에 기초하여 수용액으로의 산화제의 도입 속도를 조절하도록 구성된 조절장치를 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 생성물 용액에서의 유량, pH, ORP, 온도 및 생성물 화합물의 농도로 이루어진 군으로부터 선택된 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액의 조건을 측정하도록 구성되고 배열된 제3 센서를 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 시스템은 제3 센서에 전기로 연결 가능하고, 생성물 용액의 조건에 기초하여 전기화학 전지로의 수용액의 도입 속도를 조절하도록 구성된 조절장치를 포함할 수 있다.
수용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
더욱 또 다른 양태에 따르면, 전기화학 전지의 조작을 용이하게 하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 전기화학 시스템을 제공하는 단계, 액체 전해질을 전기화학 전지의 입구에 연결하기 위한 명령을 제공하는 단계 및 전기화학 전지의 출구를 사용의 지점에 연결하기 위한 명령을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 전기화학 시스템은 하우징 내에 배치된 입구, 출구, 애노드 및 캐소드를 갖는 하우징을 포함하는 전기화학 전지, 전압 및 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되고 배열된 제1 센서, 전기화학 전지의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 액체 전해질의 조건을 측정하도록 구성되고 배열된 제2 센서(상기 조건은 액체 전해질의 유량, 용존 산소 농도, 용존 수소 농도, pH, ORP 및 온도로 이루어진 군으로부터 선택됨), 및 제1 센서 및 제2 센서 중 하나 이상에 전기로 연결 가능한 조절장치(상기 조절장치는 미리 결정된 범위 밖인 전압, 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 및 액체 전해질의 조건 중 적어도 하나에 반응하여 전류가 펄스 파형으로 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가되도록 구성됨)를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 시스템을 제공하는 단계는 전기염소화 전지를 포함하는 전기화학 시스템을 제공하는 단계를 포함하고, 액체 전해질을 전기화학 전지의 입구에 연결하기 위한 명령을 제공하는 단계는 클로라이드 함유 수용액을 전기화학 전지의 입구에 연결하기 위한 명령을 제공하는 단계를 포함한다.
본 개시내용은 상기 양태 및/또는 실시형태 중 임의의 하나 이상의 모든 조합, 및 상세한 설명에 기재된 실시형태 중 임의의 하나 이상 및 임의의 실시예와의 조합을 고려한다.
수반된 도면은 비율 조정하여 작도되도록 의도되지 않는다. 도면에서, 다양한 도면에 예시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 유사한 숫자로 표시된다. 명확화를 기하기 위하여, 모든 구성요소가 모든 도면에서 표기되지 않을 수도 있다. 도면에서,
도 1은 전기화학 전지를 실행할 때 경험하는 시간 경과에 따른 인가된 전압의 변화의 그래프;
도 2는 전기화학 전지의 일 실시형태의 등측도 도면;
도 3은 전기화학 시스템의 실시형태의 일부의 도식적 예시도;
도 4는 전기화학 시스템의 또 다른 실시형태의 일부의 도식적 예시도;
도 5는 전기화학 시스템의 또 다른 실시형태의 일부의 도식적 예시도;
도 6은 전기화학 시스템의 실시형태의 도식적 예시도;
도 7은 전기화학 시스템의 또 다른 실시형태의 도식적 예시도;
도 8은 염도마다 용액 전도도의 그래프;
도 9는 시험 데이터를 얻기 위해 사용된 실험적 전기화학 전지의 도식적 예시도;
도 10a는 예시적인 전기화학 전지의 하나의 실험 실행에 따른 시간 경과에 따른 인가된 전류의 그래프;
도 10b는, 도 10a의 실험 실행 동안 측정된 바와 같은, 시간 경과에 따른 검출된 전압의 그래프;
도 11a는, 예시적인 전기화학 전지의 또 다른 실험 실행에 따른, 시간 경과에 따른 인가된 전류의 그래프;
도 11b는, 도 11a의 실험 실행 동안 측정된 바와 같은, 시간 경과에 따른 검출된 전압의 그래프;
도 12는, 예시적인 전기화학 전지의 또 다른 실험 실행 동안 측정된 바와 같은, 시간 경과에 따른 검출된 전압의 그래프;
도 13a는 일 실시형태에 따른 전기화학 전지의 도식적 예시도;
도 13b는 일 실시형태에 따른 전기화학 전지의 도식적 예시도;
도 14a는 일 실시형태에 따른 매개변수의 소정의 세트에서 조작되는 시스템의 IV-곡선도;
도 14b는 또 다른 실시형태에 따른 매개변수의 소정의 세트에서 조작되는 시스템의 IV-곡선도;
도 14c는 또 다른 실시형태에 따른 매개변수의 소정의 세트에서 조작되는 시스템의 IV-곡선도;
도 14d는 더욱 또 다른 실시형태에 따른 매개변수의 소정의 세트에서 조작되는 시스템의 IV-곡선도;
도 15a는 전기화학 전지의 일 실시형태의 일부의 도식적 예시도;
도 15b는 전기화학 전지의 또 다른 실시형태의 일부의 도식적 예시도;
도 15c는 전기화학 전지의 또 다른 실시형태의 일부의 도식적 예시도;
도 15d는 전기화학 전지의 더욱 또 다른 실시형태의 일부의 도식적 예시도;
도 16a는 다양한 염도의 용액을 실행하는 전기화학 전지에서의 면적당 채널 저항의 그래프; 및
도 16b는 다양한 염도의 용액을 실행하는 전기화학 전지에서의 직경당 채널 저항의 그래프.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 일반적으로 소독제, 예컨대 차아염소산나트륨을 생성하기 위한 전기화학 장치 및 이러한 장치에서 제조된 수소의 감소의 방법에 관한 것이다. 용어 "전기화학 장치" 및 "전기화학 전지" 및 이의 문법 변형어는 "전기염소화 장치" 및 "전기염소화 전지" 및 이의 문법 변형어를 포함하도록 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 하나 이상의 전극을 포함하는 것으로 기재된다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "금속 전극" 또는 이의 문법 변형어는 하나 이상의 금속, 예를 들어, 티탄, 알루미늄 또는 니켈로부터 형성되거나, 이들을 포함하거나, 이들로 이루어진 전극을 포함하도록 이해되지만, 용어 "금속 전극"은 다른 금속 또는 합금을 포함하거나 이들로 이루어진 전극을 배제하지는 않는다. 몇몇 실시형태에서, "금속 전극"은 상이한 금속의 다수의 층을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태 중 임의의 하나 이상에서 사용된 금속 전극은, 전해질 용액에 의한 화학 공격에 대한 높은 저항을 갖는 금속 또는 금속 산화물, 예를 들어, 티탄, 백금, 혼합 금속 산화물(mixed metal oxide: MMO), 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈룸, 팔라듐, 이리듐, 은, 금, 또는 다른 코팅 재료의 층에 의해 코팅된, 구리 또는 알루미늄과 같은 고전도도 금속의 코어를 포함할 수 있다. "금속 전극"은 내산화성 코팅, 예를 들어, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈룸, 팔라듐, 이리듐, 은, 금, 또는 다른 코팅 재료(이들로 제한되지는 않음)에 의해 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 사용된 혼합 금속 산화물은 루테늄, 로듐, 탄탈룸(선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금됨), 티탄, 이리듐, 아연, 주석, 안티몬, 티탄-니켈 합금, 티탄-구리 합금, 티탄-철 합금, 티탄-코발트 합금, 또는 다른 적절한 금속 또는 합금 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 사용된 애노드는 백금 및/또는 이리듐, 루테늄, 주석, 로듐 또는 탄탈룸 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들(선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금됨)에 의해 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 사용된 캐소드는 백금 및/또는 이리듐, 루테늄 및 티탄 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들에 의해 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 사용된 전극은 티탄, 탄탈룸, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 및/또는 실리콘 중 하나 이상의 염기를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 전기화학 전지에 대한 전극은 플레이트, 시트, 포일(foil), 압출물(extrusion) 및/또는 소결물(sinter)로서 또는 이들로부터 형성될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "관"은 원통형 도관을 포함하지만, 다른 단면 기하구조를 갖는 도관, 예를 들어, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 장박형 기하구조 또는 어떠한 규칙적인 또는 불규칙적인 다각형으로 형상화되는 단면 기하구조를 갖는 도관을 배제하지 않는다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "동심 관" 또는 "동심 나선"은 공통 중앙 축을 공유하는 관 또는 끼워진 나선을 포함하지만, 동심 관 또는 끼워진 나선의 세트에서 각각의 동심 관 또는 끼워진 나선에 반드시 중앙이 아닌 공통 축을 둘러싸는 관 또는 끼워진 나선, 또는 서로 오프셋인 축을 갖는 관 또는 끼워진 나선을 배제하지 않는다.
본 개시내용은 전기염소화 전지 및 전기염소화 장치의 다양한 실시형태를 기재하지만, 본 개시내용은 전기염소화 전지 또는 장치에 제한되지 않고, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 다수의 목적 중 임의의 하나에 사용된 전해질 및 전기화학 전지에 적용 가능하다.
전기염소화 전지는 통상적으로 해양, 연안, 자치제, 산업 및 상업 분야에 사용된다. 전기염소화 전지의 설계 매개변수, 예를 들어, 전극간 간격, 전극의 두께 및 코팅 밀도, 전극 면적, 전기 연결의 방법 등은 상이한 분야에 선택될 수 있다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 전극의 수, 전극 사이의 간격, 전극 재료, 전극 사이의 임의의 스페이서의 재료, 전기염소화 전지 내의 통과의 수 또는 전극 코팅 재료로 제한되지는 않는다.
전극에서 화학 반응을 생성하는 전기화학 장치는 산업 및 자치제 실행에 광범위하게 사용된다. 현재의 전기염소화 모듈에 대한 설계 및 제어는 상당한 기간 동안 고정되어 있는다. 이 시스템에서 전기화학 전지 기능에 관한 2가지의 산업적 우려는 캐소드 스케일링 및 수소 생성이다. 이들 문제를 완화하는 것의 관습적인 방법은 생성될 수 있는 차아염소산염의 전체 농도를 제한한다. 차아염소산염을 효율적으로 생성하면서 이들 우려 둘 다를 해결하는 시스템의 필요성이 있다.
전기염소화 시스템은 일반적으로 공급된 염수, 기수 또는 해수일 수 있지만, 공급물 용액은 제한이 아니다. 해수는 일반적으로 약 3.0% 내지 4.0%의 염도를 갖고, 예를 들어, 해수는 약 3.5%, 3.6% 또는 3.7%의 염도를 가질 수 있다. 해수는 나트륨, 클로라이드, 마그네슘, 설페이트 및 칼슘을 포함하는 용존 이온을 포함한다. 해수는 황, 칼륨, 브로마이드, 탄소 및 바나듐 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 해수는 약 35,000㎎/ℓ의 전체 용존 고체(total dissolved solid: TDS) 함량을 가질 수 있다. 염수는 일반적으로 약 3.5% 초과의 염도를 갖는다. 예를 들어, 염수는 약 4.0%, 4.5%, 5.0%, 7.5% 또는 약 10%의 염도를 가질 수 있다. 염수는 약 35,000㎎/ℓ 초과의 TDS 함량을 가질 수 있다. 포화 염수는 약 25.0% 이하의 염도를 가질 수 있다. 기수는 일반적으로 3.5% 미만의 염도를 갖는다. 기수는 약 3.0%, 2.5%, 2.0% 또는 1.0%의 염도를 가질 수 있다. 기수는 약 35,000㎎/ℓ 미만의 TDS 함량을 가질 수 있다. 예를 들어, 기수는 약 1,000㎎/ℓ 내지 약 10,000㎎/ℓ의 TDS 함량을 가질 수 있다.
공급물 용액은 도 8의 그래프에 도시된 바와 같은 전도도를 가질 수 있다. 일반적으로, 공급물 스트림의 전도도는 염도에 따라 약 0 내지 25S/㎝일 수 있다. 약 0.5% 내지 2.0%의 염도를 갖는 기수는 약 0.5S/㎝ 내지 약 4.0S/㎝, 예를 들어, 약 0.8S/㎝ 또는 약 3.0S/㎝의 전도도를 가질 수 있다. 약 3.5%의 염도를 갖는 해수는 약 4.5S/㎝ 내지 5.5S/㎝, 예를 들어, 약 5.0S/㎝ 또는 약 4.8S/㎝의 전도도를 가질 수 있다. 약 5.0% 내지 10%의 염도를 갖는 염수는 약 7S/㎝ 내지 13.0S/㎝, 예를 들어, 약 12.6S/㎝의 전도도를 가질 수 있다. 약 25%의 염도를 갖는 포화 염수는 약 20.0S/㎝ 내지 약 23.0S/㎝, 예를 들어, 약 22.2S/㎝의 전도도를 가질 수 있다. 일반적으로, 염도 및 전도도는 도 8의 그래프의 선형 관계식을 따를 수 있다: y = 0.9132x + 1.6332(식 중, y는 전도도(S/㎝)이고, x는 퍼센트 염도(%NaCl)임).
염수 기반 시스템에 대해, 조작 동안 pH가 변하면서, 전기염소화 시스템의 조작은 애노드에서의 Cl2 및 산(예를 들어, HCl) 생성 및 캐소드에서의 하이드록사이드 및 H2 가스 생성을 발생시킬 수 있다. 염화나트륨 및 물로부터의 차아염소산나트륨의 생성을 위한 전기화학 반응(전기염소화)은 하기를 포함한다:
애노드에서의 반응:
캐소드에서의 반응:
용액 중:
전체 반응:
이 반응에서, 기재된 전기 전위는 반응물질 및 생성물의 1M 농도(활성)의 조건, 및 표준 조건(25℃ 및 1atm) 하에 있다.
상기 반응으로부터, 염화나트륨 및 물로부터의 차아염소산나트륨의 전기화학 제조의 부산물이 수소라는 것을 볼 수 있다. 전기염소화 전지에서의 수소의 제조는 바람직하지 않다. 수소의 농도가 물 중의 수소의 용해도 한계를 초과하도록 충분한 수소가 제조되는 경우, 수소는 수소 가스로서 발생할 수 있고, 이는 폭발 위험을 부여한다. 전기염소화 전지에 존재하는 수소 가스는 또한 전지에서의 전해질과의 접촉으로부터 전기염소화 전지의 전극의 일부를 차폐시킬 수 있어서, 유효 전극 면적을 감소시키고 차아염소산나트륨 생성 효율을 감소시킨다. 추가로, 전기염소화 전지에서의 전극이 대개 형성되는 티탄과 같은 재료로의 수소의 확산은 전극의 취화를 발생시키고, 전극의 기계적 실패에 대한 가능성을 증가시킬 수 있다.
H2 가스의 생성은 폭발 한계 아래로 수소를 제거하거나 희석시키기 위한 장치 및 방법의 사용을 필요로 한다. 염화나트륨 및 물로부터의 차아염소산나트륨의 생성을 위한 전기염소화 시스템은 이에 따라 통상적으로 용액 및/또는 대기로부터 수소를 제거하거나, 수소 가스의 농도를 이것이 점화할 수 있는 농도 아래로 적어도 유지시키도록 가스-액체 분리장치 및/또는 취입기가 장착된다. 그러나, 이 가스-액체 분리장치 및/또는 취입기는 전기염소화 시스템의 자본 및 조작 비용을 증가시킨다.
수소 가스 제조를 제한하는 하나의 접근법은 국제 출원 공보 WO 제2017/049052호(모든 목적을 위해 본 명세서에서 그 전문이 참고로 포함됨)에 일반적으로 기재된 바와 같이 시스템으로 산화제를 도입하는 것이다. 산소의 환원 반응은 수소 형성의 것보다 더 낮은 전위를 갖는다. 반응은 하기와 같다:
제2 반응은 물 감소 기전이다. 클로라이드 함유 수용액에 대한 산소의 첨가는 이에 따라 애노드 및 캐소드에서의 염소 및 하이드록사이드 생성 반응이
A1: 애노드에서의 반응:
C1: 캐소드에서의 반응:
로부터
A1: 애노드에서의 반응:
C2: 캐소드에서의 반응:
로 변하게 할 수 있다:
클로라이드 함유 수용액에 대한 산소의 첨가는 이 반응에서의 수소의 생성 및/또는 축적을 제거할 수 있고, 또한 염소 및 하이드록사이드의 제조에 필요한 전압을 반 초과로 감소시킬 수 있다. 클로라이드 함유 수용액에 대한 산소의 첨가는 이에 따라 전기염소화 전지에서의 염화나트륨 및 물로부터의 차아염소산나트륨의 생성의 부산물로서의 수소의 형성 및/또는 축적을 감소시키거나 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 차아염소산나트륨 생성 공정이 더 에너지 효율적이게 만들 수 있다.
주변 온도 및 압력에서의 순수한 물 중의 최대 산소 용해도가 오직 대략 5 내지 10ppm이므로, 산소 공급은 도전일 수 있다. 산소의 낮은 용해도를 극복하기 위한 하나의 접근법은 대기압 하에 수용액 중의 산화제의 용해도와 비교하여 수용액 중의 산화제의 용해도를 증가시키도록 대기압보다 큰 압력 하에 산소를 주입하는 것이다. 그러나, 소정의 시스템은 압력에 대한 물리적 제한을 가질 수 있다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 전기 에너지의 도입을 통한 화학 화합물의 형성을 위한 전기화학 전지, 및 이러한 전기화학 전지를 구성하고 조작하는 방법을 포함한다. 클로라이드 함유(예를 들어, 염화나트륨 함유) 수용액, 예를 들어, 해수, 기수 또는 염수로부터 차아염소산나트륨을 생성하도록 구성된 전기염소화 전지를 구체적으로 언급할 수 있지만, 개시된 특징 및 방법은 또한 전기화학 전지의 다른 형태에서의 사용을 위해 그리고 다른 화학 화합물의 제조를 위해 고려된다.
일반적으로, 제조된 차아염소산염의 전체 농도에 영향을 미치는 다수의 매개변수 사이의 상호작용이 있다. 이러한 매개변수는, 예를 들어, 공급물 조성, 전극 설계, 인가된 전류/전압, pH, 유량, 산화제 농도 및 온도를 포함한다. 이들 매개변수 중 하나 이상은 적합한 생성물을 생성시키도록 제어될 수 있다. 추가적으로, 이들 매개변수 중 하나 이상은 바람직하지 않은 효과, 예를 들어, 수소 생성을 제한하도록 제어될 수 있다.
전기화학 전지 시스템 성능은 공급물 스트림의 조성에 따라 달라질 수 있다. 공급물 조성을 제어함으로써, 차아염소산염 생성의 농도를 증가시키고, 원치않는 효과, 예컨대 수소 생성을 감소시킬 수 있다. 임의의 특정한 이론에 구속되고자 바라지 않으면서, 애노드 전류 및 용액 중의 NaCl의 농도가 Cl2가 제조되는 속도에 효과를 가질 수 있고, 이는 결국 용액 중에 형성된 NaOCl의 양에 효과를 가질 수 있다고 여겨진다. 따라서, 시스템의 용적측정 유량에 비해 형성된 NaOCl의 양은 애노드 전류 및 공급물 조성을 제어함으로써 증가될 수 있다. 캐소드에서, 전류 및 전류 밀도는 H2 및 OH-가 제조되는 속도에 효과를 가질 수 있다. 이들 제조 속도는 결국 시스템 내에 pH 및 침전물 형성에 효과를 가질 수 있다.
공급물 스트림은 식염수 수용액, 예를 들어, 해수, 기수 또는 염수를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 공급물 스트림 내의 NaCl 농도의 제어는 형성된 NaOCl의 양을 제어할 수 있다. 약 10,000 내지 16,000ppm의 Na+ 농도 및 약 18,000 내지 약 23,000ppm의 Cl- 농도를 갖는 표준 공급물 조성에 의해, NaOCl 제조는 Na+ 및 Cl-의 농도의 증가에 의해 증가될 수 있다. 이러한 표준 공급물 조성에 의해, 약 2,000ppm 이하의 NaOCl 출력량 농도가 달성될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 공급물 조성은 산 투입에 의해 제어될 수 있다. 산 주입은 pH를 감소시킬 수 있어서, 원치않는 부산물의 형성을 제한한다. 몇몇 실시형태에서, 공급물 스트림의 pH는 센서에 의해 측정될 수 있다. 측정은 pH 측정에 반응하여 산을 갖는 공급물 스트림을 투입하도록 구성된 산 주입 시스템과 통신할 수 있다. 공급물 조성은 본 명세서에 개시된 바와 같이 pH를 제어하는 임의의 다른 방법에 의해 제어될 수 있다.
소정의 실시형태에서, 생성물 용액의 일부는 공급물 스트림으로 재순환될 수 있다. 생성물 용액은 산화제로서 재순환될 수 있는, 예를 들어, H2O2를 포함할 수 있다. 재순환 대 공급물 스트림의 비율은, 예를 들어, 제어 밸브에 의해 제어될 수 있다. 공급물 스트림으로의 생성물 용액의 일부를 재순환시킴으로써, 제조된 차아염소산염의 전체 농도는 증가할 수 있다. 생성물의 재순환의 이용은 안정한 차아염소산염 생성물을 제조하기에 필요한 전기화학 전지의 필요한 수를 감소시킬 수 있어서, 시스템의 전체 풋프린트를 감소시키고 최종 사용에 대한 옵션을 증가시킨다.
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 전극의 스케일링을 약화하거나 완화하거나 최소화하거나 방지하거나 제거하기 위한 특징을 갖는 전기화학 전지를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, pH 제어는 캐소드에서의 원치않는 부산물의 침전을 제한할 수 있다. 관습적인 전기화학 전지의 조작 동안, 캐소드에서의 국소 pH는 11에 도달하거나 이를 초과할 수 있다. 이러한 높은 국소 pH는 Mg 및 Ca 이온을 침전시킬 수 있어서, 전극에서 스케일링을 생성한다. 몇몇 실시형태에서, 캐소드에서의 국소 pH는 약 8 내지 9 사이로 제어된다. 전기화학 전지 내의 평균 pH는 약 6 내지 9, 예를 들어, 약 7 내지 8 사이로 제어될 수 있다.
pH의 피드포워드 제어는 실행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 공급물의 pH는 센서에 의해 측정된다. 시스템의 하나 이상의 매개변수는 pH 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 전극에서의 공급물 조성, 유량, 인가된 전류/전압 또는 산화제 농도는 pH를 원하는 범위 내에 제어하도록 조정될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, pH는 pH 조정제, 예를 들어, 광산 또는 부식제, 예컨대 NaOH의 첨가에 의해 제어될 수 있다. 측정은 pH를 제어하도록 하나 이상의 조작 매개변수를 조정할 수 있는 주입 시스템과 통신할 수 있다. 주입 시스템은 공급물 용액 또는 전기화학 전지 내의 용액의 pH를 제어할 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, pH의 피드백 제어는 실행될 수 있다. 예를 들어, 생성물의 pH는 센서에 의해 측정될 수 있다. 하나 이상의 매개변수는 기재된 바와 같이 조정될 수 있거나, 측정은 기재된 바와 같이 조정될 수 있는 주입 시스템과 통신할 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은, 예를 들어, 전극에서 국소 pH를 제어함으로써, 캐소드에서의 수소 가스의 생성 또는 축적을 완화하거나 최소화하거나 방지하거나 제거하도록 애노드 및 캐소드의 주기적인 극성 역전을 이용할 수 있다. 몇몇 전기화학 전지에서, 극성은 스케일링을 감소시키기 위한 조작의 긴 기간 후, 예를 들어, 12시간마다 또는 조작의 격일마다 역전된다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 극성은 수소 가스 형성을 제한하도록 더 자주 역전될 수 있다. 예를 들어, 극성은 시스템 조건에 따라 수소 가스의 형성을 제한하도록 수분마다 역전될 수 있다.
수소 가스의 형성을 제한하기 위한 극성의 역전은 또한 스케일링의 형성을 제한할 수 있다. 전기화학 전지의 조작 동안, 국소화된 산 생성은 통상적으로 애노드에서 발생하는 한편, 수소 및 부산물은 캐소드에서 축적한다. 극성을 역전시킴으로써, 산은 이전의 캐소드(현재는-애노드)에서 생성될 수 있어서, 수소 가스의 국소화된 생성을 제한하고, 캐소드에서 침전한다. 현재는-애노드에서의 산 생성은 또한 국소화된 pH를 제어할 수 있어서, 전극에서의 부산물의 추가의 침전을 최소화하고, 스케일링을 방지한다.
극성 역전 순서는 대칭적으로 또는 비대칭적으로 발생할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 극성은 몇 분마다, 예를 들어, 2분, 5분, 10분, 15분, 20분, 30분, 40분, 50분 또는 60분마다 역전된다. 몇몇 실시형태에서, 극성은 몇 분마다, 예를 들어, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 5시간, 6시간, 7시간, 8시간, 9시간, 10시간, 11시간, 12시간, 18시간 또는 24시간마다 역전된다. 각각의 극성 역전은 몇 분 내지 수 시간 지속할 수 있다. 극성 역전 사이클의 유형 및 길이는 제한이 아니다. 일반적으로, 극성 역전 사이클의 유형 및 길이는 전기화학 전지의 공급물 조성 및 조건에 따라 달라질 수 있다. 극성 역전의 유형 및 길이는 전기화학 전지 내의 평균 pH 또는 애노드 또는 캐소드에서의 국소화된 pH에 따라 달라질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 극성 역전은 원하는 범위 밖인 pH 측정에 반응하여 실행될 수 있다.
온도는 생성물 형성 및 반응 속도에 대한 효과를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 온도는 약 -2 내지 45℃ 사이로 제어된다. 이 온도 범위 밖에서, 공급물 용액은 불안정한 부산물을 형성하도록 전극 촉매와 반응할 수 있다. 온도의 피드백 또는 피드포워드 제어는 실행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 공급물 또는 생성물 용액의 온도는 온도계에 의해 측정된다. 시스템의 하나 이상의 매개변수는 온도 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 유량, pH, 온도 또는 용존 산소 농도는 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 온도는, 예를 들어, 열 교환기에 의해 조정될 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 전기화학 전지에서의 수소 가스의 형성 및/또는 전기화학 전지에서의 전해질 중에 용해된 수소를 약화하거나 완화하거나 최소화하거나 방지하거나 제거하기 위한 특징을 갖는 전기화학 전지를 포함한다. 수소 감소의 실행은 (선택적으로, 압력의 함수로서) 전류 밀도, 유량, 용존 수소 농도, 및/또는 용존 산소 농도의 함수일 수 있다. 더욱이, 수소 가스 생성은 전기화학 전지에서 캐소드에 근접한 용액의 온도, pH, 조성 및 산화-환원 전위의 함수일 수 있다. 이 매개변수 사이의 관계는 전류 및 전압을 스캐닝하고 IV-곡선을 작도함으로써 정량화될 수 있다. 물 생성으로부터 H2 제조로의 전이점은 IV-곡선으로부터 확인될 수 있다. IV-곡선은 전압이 수소 가스의 제조를 나타내는 한계치를 초과할 때 변곡점을 나타낸다. 전체 시스템 성능은 상기 언급된 매개변수를 조정함으로써 보정될 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 생성물 화합물을 생성하기에 충분한 전압에서 전류를 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 전류는 변화가 필요할 때까지 일정한 모드에서 인가될 수 있다. 예를 들어, 전류는 극성 역전 또는 애노드 및 캐소드가 인가되거나 전류가 펄스 파형으로 인가될 때까지 끊임없이 인가될 수 있다. 이러한 변화는, 예를 들어, 수소 가스가 캐소드에서 생성될 수 있다는 것을 하나 이상의 매개변수가 나타낼 때 발생할 수 있다.
일반적으로, 안전성 수단으로서, H2 가스 방출은 모니터링되고 제어될 수 있다. H2 가스는 센서에 의해 측정될 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법 중 하나 이상은 생성물에서 또는 시스템 내에 H2 가스의 높은 측정에 반응하여 실행될 수 있다.
애노드와 캐소드에 걸친 전압은 수소 가스가 전기화학 전지에서 생성되기 시작할 때를 결정하기 위해 측정될 수 있다. 매개변수, 예컨대 유체의 온도, pH 및 조성은 수소 가스가 생성되기 시작하는 전압에 영향을 미칠 수 있다. 압력은 유체에서 산소의 확산율을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 증가된 압력, 유량 및 와류는 수소 가스가 생성되기 시작하는 전압에 또한 효과를 가질 수 있다. 도 14a 내지 도 14d의 그래프에 도시된 것처럼, IV-곡선에서의 변곡점은 수소 가스가 생성되는 전압을 나타낸다.
도 14a에 제시된 데이터는 변하는 압력에서의 3.1m/s의 유량에 대한 변곡점의 변화(약 1.0V 내지 약 1.5V)를 보여준다. 도 14b에 제시된 데이터는 변하는 유량에서의 약 1.4bar의 압력에서 주입된 산소에 대한 변곡점의 변화(약 0.8V 내지 약 1.1V)를 보여준다. 약 6.9bar에서 도입된 공기는 1.4 bar에서 주입된 산소와 유사한 용존 산소 함량을 생성시킬 수 있다. 도 14c에 제시된 데이터는 변하는 유량에서의 약 3.1bar에서 주입된 산소에 대한 변곡점의 변화(약 1.0V 내지 약 1.3V)를 보여준다. 도 14d에 제시된 데이터는 변하는 유량에서의 약 6.9bar에서 주입된 산소에 대한 변곡점의 변화(약 1.0V 내지 약 1.5V)를 보여준다.
몇몇 실시형태에서, 전압은 전기화학 전지에서 수소 가스 생성을 제한하도록 임의의 상기 확인된 범위 내에 또는 그 아래에서 유지될 수 있다. 전압은 유량에 따라 1.4bar에서의 산소 또는 6.9bar에서의 공기를 도입하는 시스템에 대해 약 0.8V, 0.9V, 1.0V 또는 1.1V 아래에서 유지될 수 있다. 전압은 유량에 따라 약 3.1bar에서의 산소를 도입하는 시스템에 대해 약 1.0V, 1.2V 또는 1.3V 아래에서 유지될 수 있다. 전압은 유량에 따라 약 6.9bar에서의 산소를 도입하는 시스템에 대해 약 1.0V, 1.1V, 1.2V, 1.3V, 1.4V 또는 1.5V 아래에서 유지될 수 있다. 전압은 전압에 따라 약 3.1m/s의 유량을 실행하는 시스템에 대해 약 1.0V, 1.1V, 1.2V, 1.3V, 1.4V 또는 1.5V 아래에서 유지될 수 있다. 추가의 매개변수는 도 14a 내지 도 14d에 도시된 그래프로부터 결정될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 조건은 수소 가스의 무형성과 연관된 미리 결정된 매개변수 내에 시스템을 유지시키도록 제어된다. 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 인가된 전류는 수소 가스 생성을 발생시킬 수 있는 매개변수 표시 조건에 반응하여 변경되거나 역전될 수 있다. 시스템 매개변수에 따르면, 조건은 약 4.0V, 3.0V, 2.0V, 1.5V, 1.0V 또는 0.5V 미만의 전압을 유지시키도록 제어될 수 있다. 매개변수는 약 1.5V 내지 약 0.5V의 전압을 유지시키도록 제어될 수 있다. 매개변수는 약 1.5V 내지 약 4.0V의 전압을 유지시키도록 제어될 수 있다. 매개변수는 약 0.5V 내지 약 4.0V의 전압을 유지시키도록 제어될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 공정 용액에 대한 산화제(예를 들어, 산소)의 첨가는 이 반응에서 수소의 생성 및/또는 축적을 제거할 수 있다. 산화제의 첨가는 또한 염소 및 하이드록사이드의 생성에 필요한 전압을 반 초과로 감소시킬 수 있다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, 산화제의 첨가는 전기염소화 전지에서의 염화나트륨 및 물로부터의 차아염소산나트륨의 생성의 부산물로서의 수소의 형성 및/또는 축적을 감소시키거나 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 차아염소산나트륨 생성 공정이 더 에너지 효율적이게 만들 수 있다.
공기 또는 산소 이외에 또는 이에 대한 대안으로서, 산화제는 산소 농후화 공기, 오존, 이산화탄소, 과산화수소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질산, 아산화질소, 질산염, 황산, 퍼옥시황산, 퍼옥시모노황산, 6가 크롬 화합물, 과망간산염 화합물, 과붕산나트륨, 질산칼륨, 또는 공지된 임의의 다른 공지된 산화 화합물 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 산화제는 기상, 고상 또는 액상 물질일 수 있다. 산화제는 전기화학 전지의 생성물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화제는 전기화학 전지에 의해 제조된 H2O2일 수 있다. 산화제는 유리 수소를 생성하기 위해 물 분자로의 통과로부터 전자를 가로채도록 충분히 낮은 환원 전위를 갖는 임의의 화학 화합물을 포함할 수 있다. 산화제는 표준 수소 전극에 비해 -0.8277볼트보다 덜 음수인 환원 전위를 갖는 임의의 화학 화합물을 포함할 수 있다. 산화제의 환원 전위는 촉매의 농도, 온도 및 효과와 같은 운동역학 인자에 기초하여 변할 수 있다.
공정 용액으로의 산화제의 도입은 용액을 산화제 가스와 접촉시키는 것 또는 용액으로 산화제 함유 액체를 주입하는 것을 포함할 수 있다. 산화제는 공급물 스트림 또는 또 다른 공정 용액에 도입될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 산화제 가스는 산소 함유 가스이다. 산화제 함유 액체는 산소 함유 액체일 수 있다.
용존 산소 농도의 제어는 실행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 용존 산소 농도는 공급물 중에 또는 센서를 갖는 시스템 내에 측정될 수 있다. 측정은 시스템 내의 용존 산소의 농도를 제어하도록 용액 중의 산소 가스 또는 용존 산소를 도입할 수 있는 주입 시스템과 통신할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 용존 산소 농도는 약 1 내지 100ppm 내에 있도록 제어된다. 용존 산소 농도는 적어도 약 1ppm, 5ppm, 10ppm, 20ppm, 30ppm, 40ppm, 50ppm, 60ppm, 70ppm, 80ppm, 90ppm, 95ppm 또는 100ppm으로 제어될 수 있다. 용존 산소 농도는 압력 하의 산화제의 주입 또는 압력 하의 수용액의 도입에 의해 증가될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 산화 환원 전위(oxidation reduction potential: ORP)는 공급물 중에, 시스템 내에 또는 센서를 갖는 생성물에서 측정될 수 있다. 시스템의 임의의 하나 이상의 매개변수는 ORP 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 용존 산소 농도, 유량, pH, 온도 또는 공급물 조성은 ORP 측정에 반응하여 조정될 수 있다.
시스템 내의 용액의 조성은 공급물 스트림의 유량 또는 유속을 변경함으로써 변경될 수 있다. 일반적으로, 유량 또는 유속의 증가는 시스템 내의 용액의 와류 및 혼합을 증가시킬 수 있다. 반응이 통상적으로 전기화학 전지의 애노드 또는 캐소드에서 국소로 발생하므로, 와류의 증가는 시스템 내의 용액 조성 및 pH를 정상화시키는 데 효과를 가질 수 있다. 특히, 와류 또는 유량의 증가는 생성물, 예를 들어, H2O2 또는 NaOCl의 제조의 속도를 증가시키고, 원치 않는 수소 가스의 생성의 속도를 감소시킬 수 있다.
유량 또는 유속의 피드백 또는 피드포워드 제어는 실행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 공급물의 유량 또는 유속은 유량계에 의해 측정된다. 시스템의 하나 이상의 매개변수는 유량 또는 유속 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 유량 또는 유속, pH, 온도 또는 용존 산소 농도는 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 측정은 필요한 바대로 유량 또는 유속을 제어하도록 순환 펌프와 통신될 수 있다. 유량은 약 0.1 내지 10㎥/hr 사이로 제어될 수 있다. 유량은 0.1㎥/hr, 0.5㎥/hr, 1.0㎥/hr, 2.0㎥/hr, 3.0㎥/hr, 4.0㎥/hr, 5.0㎥/hr, 6.0㎥/hr, 7.0㎥/hr, 8.0㎥/hr, 9.0㎥/hr, 9.5㎥/hr 또는 10㎥/hr이도록 제어될 수 있다.
유속은 약 1.0m/s 내지 4.0m/s 사이로 제어될 수 있다. 유속은 약 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s 또는 4.0m/s이도록 제어될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유속은 약 2.0 내지 2.5m/s 사이로 제어될 수 있다. 유속은 약 2.5m/s 내지 3.0m/s 사이로 제어될 수 있다. 유속은 약 3.0m/s 내지 3.5m/s 사이로 제어될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유속은 약 2.0m/s, 2.1m/s, 2.2m/s, 2.3m/s, 2.4m/s, 2.5m/s, 2.6m/s, 2.7m/s, 2.8m/s, 2.9m/s, 3.0m/s, 3.1m/s, 3.2m/s, 3.3m/s, 3.4m/s 또는 3.5m/s이도록 제어될 수 있다. 유량 또는 유속은 와류 및 혼합을 증가시키거나 감소시키도록 필요한 바대로 증가되거나 감소될 수 있다. 예를 들어, 동심 관 전기염소화 전지는 공급물로서 해수와 해양 및 연안 분야에서 사용될 수 있다. 전지를 통한 액체 속력은 약 2.1m/s일 수 있어서, 전극 표면에 대한 파울링 및 스케일링에 대한 가능성을 감소시킬 수 있는 고도로 와류하는 흐름을 생성시킨다.
추가적으로, 생성물의 또는 시스템 내의 하나 이상의 매개변수는 유량 또는 유속의 필요한 조정을 결정하도록 측정될 수 있다. 예를 들어, 유량 또는 유속은 시스템 내의 국소 pH 또는 생성물의 조성의 측정에 기초하여 증가되거나 감소될 수 있다. 유량 또는 유속은 증가될 수 있고, 여기서 시스템 내의 국소 pH는 pH를 중화시키도록 광범위하게 변하거나, 생성물의 측정은 전극의 스케일링이 있을 수 있다는 것을 나타낸다.
몇몇 실시형태에서, 시스템의 pH 및 캐소드에서의 국소 pH는 유량 또는 유속을 조정함으로써 제어될 수 있다. 공급물 물의 벌크 pH는 일반적으로 중성 범위이다. 예를 들어, 해수의 pH는 통상적으로 약 7.5 내지 8.4이다. 그러나, 전기화학 전지 내에 발생하는 반응의 운동역학은 시스템 내에 pH를 끌어올릴 수 있다. 이전에 기재된 바와 같이, 캐소드 주위의 국소 pH는 10 또는 11을 초과할 수 있다. 캐소드에서의 국소 OH- 농도는 속력을 증가시킴으로써(즉, 와류 및 혼합) 증가될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유량은 캐소드에서의 국소 OH- 농도를 증가시키도록 증가된다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, 유량 또는 유속은 캐소드에서 국소 pH를 감소시키도록 증가될 수 있다.
이의 용해도 초과의 농도에서, H2는 이것이 생성되면서 가스 분출될 수 있어서, 유체 용적을 대체시키고 캐소드를 안 보이게 한다. 몇몇 실시형태에서, 유량 및 유속은 캐소드에서의 국소 유체 용적을 감소시키도록 제어될 수 있다. 동일한 OH- 제조 속도를 유지시키면서 국소 유체 용적을 감소시킴으로써, 캐소드에서의 국소 pH는 증가될 수 있다. 유량 및 유속은 전극에서 반응을 위한 적절한 용적을 보장하도록 제어될 수 있다.
시스템 및 방법은 제어된 전류 밀도에서 조작될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전류 밀도는 수소 생성을 억제하면서 생성물 용액을 생성시키도록 제어된다. 유도된 수소 생성에 상응하는 전류 밀도는 다른 매개변수에 따라 변할 수 있다. 일 예에서, 대기압에서 공기에 노출된 예시적인 공급물 스트림(염수)에 대해, 수소 생성은 약 -200A/㎡의 전류 밀도에서 시작할 수 있다. 반대로, 6.9bar에서 공기에 노출되는 동일한 공급물 스트림에 대해, 수소 생성은 약 -2,250A/㎡까지 시작하지 않을 수 있다. 따라서, 공급물 내의 용존 산소의 상승된 압력은 전류 밀도의 상당한 변화 및 수소 생성의 발생 전에 생성될 수 있는 차아염소산나트륨의 양의 결과로 발생한 증가를 제공할 수 있다. 유사하게, 공급물 스트림의 유량 또는 산소화의 증가는 전기화학 장치가 더 높은 전류 밀도에서 조작되고, 이에 따라 수소 생성이 시작하기 전에 더 많은 생성물 용액을 생성하게 허용할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전류 밀도는 수소 생성을 억제하면서 생성물 용액을 생성하도록 최적화(즉, 증가)된다. 매개변수에 따라, 전류 밀도는 약 -200A/㎡ 내지 -3,000A/㎡의 범위일 수 있다.
전류는 높은 선형 유속에 의해 조작함으로써 증가될 수 있다. 특정한 이론에 구속됨이 없이, 공급물 스트림의 증가된 유량에 의해 수소와의 반응에 의해 소모된 산소가 새로운 공급물에 의해 더 빨리 보충될 수 있다고 여겨진다. 공급물 스트림의 유량의 증가는 이에 따라 전극이 더 높은 전류 밀도에서 조작되고, 수소 생성이 시작하기 전에 더 많은 생성물 용액을 생성하도록 제공할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 증가된 산소화는, 예를 들어, 유량의 증가 또는 공급물 스트림 내의 산화제의 이용가능성의 증가에 의해 유사하게 전류를 증가시킬 수 있다.
애노드-캐소드 쌍에 걸친 전류는 생성물 용액을 생성하기에 충분한 전압에서 인가될 수 있다. 일반적으로, 전기화학 전지는 모든 또는 실질적으로 모든 수소가 공급물 스트림에 의해 공급된 산소와 반응하게 하는 인가된 전류/전압에서 조작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 인가된 전류/전압은 유리 수소의 생성을 제한하도록 제어될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전류 및 전압은 전극 쌍에 걸쳐 전기 센서에 의해 측정될 수 있다. 예를 들어, 퍼텐쇼스탯(potentiostat)은 전기 매개변수를 측정하고 전류-전압 곡선을 생성하도록 사용될 수 있다. 시스템의 임의의 하나 이상의 매개변수는 전기 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 인가된 전류 및 전압은 따라서 조정될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유량 또는 공급물 조성(예를 들어, 산화제 농도)은 전기 매개변수 측정에 반응하여 조정될 수 있다.
추가적으로, 공급물 스트림의 전체 용존 고체(TDS)의 변동은 이의 전도도에 영향을 미칠 수 있다. 전지 전압 및 전도도는 역관련된다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, 전기화학 전지의 전체 전력 소모는 공급물 스트림에서의 TDS 농도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 공급물 스트림 TDS 농도는 해수, 기수 또는 염수를 선택적으로 도입함으로써 제어될 수 있다. 공급물 스트림 또는 생성물 스트림의 전도도는 센서에 의해 측정될 수 있다. 시스템의 임의의 하나 이상의 매개변수는 전도도 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유량, 공급물 조성 또는 pH는 전도도 측정에 반응하여 조정될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 산화제는 공급물 스트림 내의 산화제의 포화 한계에 도달하도록 과잉투입될 수 있다. 이전에 기재된 바와 같이, 산소의 용해도 한계는 전기화학 전지 내의 수소의 생성 및/또는 축적을 제거하는 것에 도전일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 용존 산소 농도는 공급물 스트림 압력의 증가 또는 주입된 산화제(예를 들어, 산소 또는 공기)의 압력의 증가에 의해 증가될 수 있다. 산소 과잉투입의 양은, 예를 들어, 전기화학 전지 내의 흐름 조건 또는 와류, 전기화학 전지 내의 산소의 확산율, 조작 전류, 캐소드 면적 등에 따라 달라질 수 있다.
산화제는 대기압 하의 용액 중의 산화제의 용해도와 비교하여 공급물 스트림 또는 공정 용액 중의 산화제의 용해도를 증가시키도록 대기압보다 큰 압력 하에 주입될 수 있다. 예를 들어, 산소, 공기 및/또는 또 다른 산화제는 약 1bar 게이지 내지 약 7bar 게이지, 약 3bar 게이지 내지 약 5bar 게이지의 상승된 압력에서, 또는 산화제의 원하는 양을 용액에 도입하기에 바람직한 임의의 다른 압력에서 공급물 스트림으로 도입될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 산소화된 공급물이 전기화학 전지에 진입하면서, 산화제는 전기화학 전지에서 마이크로버블을 형성할 수 있다. 산소화된 수용액에 인가된 압력은 산화제에 대한 도입 또는 노출 동안 공급물 스트림에 인가된 압력에 비해 감소될 수 있다.
소정의 실시형태에 따르면, 전극은 전기화학 반응을 저해하는 인자, 예컨대 분극 및 표면 흡착을 제한하거나 제거하도록 펄스 파형으로 전력을 인가할 수 있다. 펄스 파형에서의 전력의 인가는 전극 표면 상의 분극을 최소화하고, 흡착으로 인한 전극 표면의 차단을 완화시킬 수 있다. 일반적으로, 캐소드가 용존 산소를 감소시키도록 사용될 때, 이의 표면은 이온 종에 의해 차단될 수 있다. 전압의 상응하는 증가는 일정한 전류를 유지시키도록 필요하다. 감소된 표면 촉매작용 부위는 전극에서 증가된 전류 밀도 또는 전위를 발생시킬 수 있다.
전극 상의 일시적인 표면 흡착 블록은 역전될 수 있다. 임의의 특정한 이론에 구속되고자 바라지 않으면서, 펄스 파형의 인가는 아마도 일시적인 표면 흡착 블록으로부터 생겨서 고갈을 극복할 수 있다고 여겨진다. 펄스 파형은 전기분해 반응이 분극, 표면 흡착, 및 활성 모드와 수동 모드 사이에 진동을 유발하는 다른 공정으로부터 생긴 전극 표면 불활성화를 피하도록 전자를 전달할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 펄스 파형은 반응 효율을 개선하도록 비전기화학 펄스를 전기화학 펄스와 커플링함으로써 인가될 수 있다.
펄스 DC 파형은 전기화학 반응에 대한 간헐적 반응 및 완화 모드를 제공하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 펄스 파형은 정상 상태 DC 조작 동안 "활성" 상태와 "탈활성화" 상태 사이에 전극을 가역적으로 교대시킴으로써 인가될 수 있다. 펄스 파형은 임의의 전기화학 반응에 인가될 수 있다. 펄스 파형은 임의의 전극에, 코팅된 촉매에 또는 달리 인가될 수 있다. 펄스 파형은 바람직하지 않은 부산물, 예를 들어, 수소를 생성하는 경향이 있는 화학물질, 예컨대 차아염소산염을 생성하도록 전기화학을 이용할 때 특히 유리할 수 있다. 펄스 파형은 H2 가스의 형성을 방지하도록 촉매 전극이 용액 중의 레독스 분자와 반응할 때 인가될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 활성 상태 및 탈활성화 상태는 각각 인가된 전류의 규모의 증가/감소를 포함할 수 있다. 활성 상태 및 탈활성화 상태는 온/오프 모드 조작을 포함할 수 있다. 활성 상태 및 탈활성화 상태는 전기 전류의 역전을 포함할 수 있어서, 애노드 및 캐소드 전극은 주기적으로 기능을 역전시킨다. 펄스 파형에서 조작함으로써, 전기분해 전지는 덜한 전위에 의해 실행될 수 있다. 펄스 파형의 형상은 비제한적이다. 형상은 구형파, 사인파, 삼각파 또는 다른 형상을 포함할 수 있다. 펄스는 대칭적 또는 비대칭적일 수 있다. 예를 들어, 펄스 형상은 랜덤 파형 생성의 결과일 수 있다. 펄스 사이의 시기는 규칙적 또는 불규칙적일 수 있다.
펄스 파형은 수소의 생성을 제한하면서 용존 산소의 감소를 최적화시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 펄스는 수소가 생성되는 것을 계산될 때까지 또는 수소가 검출될 때까지 가능한 한 길게 실행되도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전력은 500초 미만, 200초 미만 또는 100초 미만의 펄스에서 인가된다. 예를 들어, 전류는 각각의 펄스에 대해 약 90초, 80초, 70초, 60초, 50초, 40초, 30초, 20초 또는 10초의 기간을 갖는 펄스 모드에서 실행될 수 있다. 추가적으로, 이러한 펄스 전력 공급은 1.6볼트 미만, 1.5볼트, 1.3볼트 또는 1.0볼트의 캐소드 전위를 발생시킬 수 있다. 펄스 시기 및 캐소드 전위의 다른 실시형태는 도 1에 제시된 데이터로부터 외삽될 수 있다. 예를 들어, 전력은, 도 1에 도시된 바와 같이, 전압을 상응하는 캐소드로 제한하도록 0초 내지 500초 지속하는 펄스로 인가될 수 있다.
전극 설계는 본 명세서에 기재된 하나 이상의 매개변수에 영향을 미칠 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 용존 산소 농도는 다공성 탄소계 전극을 사용함으로써 증가될 수 있다. 탄소계 전극은 약 10㎡/g 미만의 비표면적을 가질 수 있다. 이러한 전극에서 통과된 전류 밀도는 일반적으로 낮지만, 각각의 전체 전류 밀도는 일반적으로 5,000A/㎡ 미만이다. 몇몇 실시형태에서, 전체 전류 밀도는 4,000A/㎡ 미만, 3,000A/㎡ 미만, 2,000A/㎡ 미만, 1,500A/㎡ 미만 또는 1,000A/㎡ 미만이다.
몇몇 실시형태에서, 촉매는 수소의 생성 및/또는 축적을 완화시키도록 전극의 표면에 도입될 수 있다. 촉매는 용존 산소 및 생성된 수소로부터의 물의 형성을 촉진시키도록 사용될 수 있다. 통상적으로, 촉매는 캐소드의 표면에서 도입될 수 있고, 여기서 수소 가스가 생성된다. 촉매는 백금 시리즈 금속, 귀금속, 희토 금속, 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예시적인 촉매는 희토 금속 산화물, 예를 들어, 이리듐 및 루테늄 산화물, 및 다른 혼합 금속 산화물(MMO)을 포함한다. 촉매는 주석, 티탄, 탄탈룸 또는 안티몬을 포함할 수 있다. MMO는 백금을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 코팅은 전착 또는 열 증착을 통해 증착될 수 있다.
다공성 탄소계 전극은, 백금 촉매와 조합될 때, 불량한 기계적 강도, 촉매 불안정성 및 전극 봉쇄를 겪을 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 비다공성일 수 있다. 예를 들어, 전극은 백금 도금된 티탄 전극일 수 있다. 기하학적 표면적을 갖는 백금 도금된 티탄 전극은 상기 기재된 임의의 접근법, 즉 공급물 스트림 또는 산화제 압력의 증가, 높은 선형 유속에서의 조작 또는 펄스 파형 전원 장치의 인가와 조합될 수 있다.
전극 표면적 대 용적 비는 전극 두께, 전극간 간격, 및 전체 전지 크기와 같은 인자의 선택을 통해 조작될 수 있다. 전극 조성 및 표면적은 극성 역전을 허용하도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 애노드 및 캐소드는 실질적으로 동일한 면적을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 애노드 및 캐소드는 둘 다 촉매에 의해 코팅된다. 전극 둘 다의 실질적으로 동일한 면적 및 촉매 조성은 애노드 및 캐소드의 상호교환성을 촉진하여서, 전극의 극성 역전이 스케일링을 완화시키도록 허용한다.
시스템은 또한 효율적인 펄스 전력 공급을 촉진하도록 설계될 수 있다. 펄싱 동안 탈활성화된 전극은 조작 중이 아닐 때 또는 반대의 전위에서 회복될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 개시된 시스템은 각각의 애노드 및 캐소드에서 다수의 전극을 함유할 수 있다. 조작 동안, 하나의 전극은 또 다른 전극이 탈활성화되면서 활성화될 수 있고, 즉 조작에 대해 회복한다. 각각의 전극의 활성화 상태 및 탈활성화된 상태는 가역적일 수 있다. 펄스 사이에, 이전에 탈활성화된 전극은 활성화될 수 있는 한편, 이전에 활성화된 전극은 회복을 위해 탈활성화될 수 있다.
예시적인 전기화학 전지(100)는 도 2에 도시되어 있다. 전기화학 전지(100)는 하우징 내에 배치된 애노드(102) 및 캐소드(103)를 포함한다. 전극은 도 2에 도시된 바와 같이 직렬로 배열될 수 있다. 몇몇 전기화학 전지에서, 전극은 도 15a 내지 도 15d의 실시형태에 도시된 바와 같이 병렬로 배열될 수 있다. 전극은 직렬의 직접 흐름, 분할 흐름, 통합 흐름 또는 이들의 조합을 통해 유체 연통할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 유체로 분리되거나, 하나 이상의 이온 연결부, 예를 들어, 염 브리지(salt bridge) 또는 이온 투과성 막에 의해 연결될 수 있다. 이온 투과성 막은 1가 이온에 선택적일 수 있다.
본 명세서에 기재된 시스템 및 방법에서 사용하기 위한 전기화학 전지는 동심 관 전극(concentric tube electrode: CTE), (예를 들어, 병렬 플레이트 전기염소화(parallel plate electrochlorination: PPE) 전지에 배열된) 평평한 전극, 나권형 전극, 방사상 배열된 전극 또는 인터리브 전극을 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 단일 통과 또는 다중 통과 장치일 수 있다. 전극은 밸브 금속 기판, 예를 들어, 티탄, 탄탈룸 또는 니오븀을 포함할 수 있다. 전극은 경질 금속 전극일 수 있다. 전극은 압출에 의해 형성될 수 있다. 전극은 시트 금속의 벤딩, 예를 들어, 시트 금속의 그것 자체 위로의 폴딩에 의해 형성될 수 있다. 전극은 가스 확산 전극, 예를 들어, 다공성 가스 확산 전극일 수 있다. 예시적인 전기화학 전지는 국제 출원 공보 WO 제2017/049052호(모든 목적을 위해 본 명세서에서 그 전문이 참고로 포함됨)에 더 자세히 기재되어 있다.
전극은 단극성 또는 이극성일 수 있다. 전극은 전류가 전극 사이에 1회 통과로 흐르도록 배열될 수 있다. 전류는 애노드로부터 캐소드로 흐를 수 있다. 대안적으로, 전극은 전류가 장치를 통한 1회 초과의 통과로 흐르도록 배열될 수 있다. 이러한 장치는 외부 전극 및 내부 전극을 함유할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 외부 전극 중 하나는 애노드로서 작용하도록 내부 표면에 코팅된다. 다른 전극은 비코팅되거나 (예를 들어, 극성 역전을 허용하도록) 코팅될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 내부 전극은 이극성 전극일 수 있어서, 내부 전극의 외부 표면의 일부는 코팅될 수 있고, 남은 부분은 비코팅될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 전류는, 코팅된 부분으로 내부 전극을 따라, 코팅된 외부 전극으로부터 내부 전극의 비코팅된 부분으로 전해질을 통해 흐르고, 이후 마지막으로 뒤로 전해질에 걸쳐 비코팅된 외부 전극으로 흐를 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 전극은 전류가 다수의 외부 전극 및 하나의 내부 전극을 갖는 장치를 통한 다중 통과로 흐르도록 배열될 수 있다. 코팅된 및 비코팅된 외부 전극을 교대시키고 일치 간격에서 내부 전극을 코팅함으로써, 전류는 다중 통과로 전해질을 통해 뒤로 및 앞으로 흐를 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 외부 전극 및 내부 전극은 극성 역전을 허용하도록 코팅된다. 다중 통과를 허용함으로써, 소독제(예를 들어, 차아염소산나트륨)의 전체 제조 속도는 인가된 전류의 비례 증가 없이 증가될 수 있다. 전기 전류의 증가는 DC 전원 장치로부터 전기염소화 전지로의 더 큰 와이어 또는 버스 바(bus bar), 전지에서의 더 큰 전기 연결장치 및 전극에 더 두꺼운 티탄을 요할 것이다.
동일한 전류에 대해, 다중 통과 장치는 단일 통과 전지보다 더 높은 제조 속도를 달성할 수 있다. 그러나, 전체 전압 하강은 다중 통과 장치에 더 높고, 통과의 수에 대략 비례할 수 있다. 동일한 제조 속도에 대해, 다중 통과 전지는 더 낮은 전류를 요할 수 있어서, 통과의 수에 대략 역비례한다. 추가적으로, 동일한 동력 출력(kW)에 대해, 전원 장치 비용은 출력 전압보다 출력 전류에 더 민감할 수 있어서, 다중 통과 전지를 선호한다.
몇몇 실시형태에서, 시스템은 병렬로 배열된 전극의 세트를 포함할 수 있다. 전극의 세트는 병렬로 전기 연결될 수 있고, 일 세트는 DC 전원 장치로부터의 포지티브 출력에 연결되고, 또 다른 세트는 네거티브 출력에 연결된다. 몇몇 실시형태에서, 사이의 전극은 양극성일 수 있다. 평평한 전극의 세트는, 각각의 전극의 양측이 전해질 용액에 노출되고 따라서 전극 반응에서 침전되도록 배열될 때, 장치의 단위 용적당 활성 전극 면적의 더 높은 패킹 밀도를 허용할 수 있다. 더 치밀한 패킹 및 다중 통과는 더 높은 압력 하강을 발생시킬 수 있다.
전극은 환경 밖으로부터 전극을 전기적으로 격리시키도록 그리고 전기화학 전지를 통해 통과하는 전해질의 유체 압력을 견디도록 설계된 하우징 내에 수용될 수 있다. 하우징은 원통형인 또는 실질적으로 원통형인 용기일 수 있다. 하우징은 전해질 용액에 비전도성, 화학적으로 비반응성일 수 있고, 시스템 압력을 견디도록 충분한 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징은, 필요할 수 있는 것처럼, 압력 하에 산화제의 주입에 의해 알맞도록, 10bar 게이지 이하 또는 16bar 게이지 이하를 견디도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유체가 중심 아래로 흐르는 것 및 전극 사이의 갭을 우회하는 것을 방지하는, 고체 코어, 중앙 코어 부재 또는 유체 흐름 디렉터(fluid flow director)가 제공될 수 있다. 스페이서는 고정된 분리를 유지시키도록 애노드와 캐소드 사이에 제공될 수 있다. 중앙 가스 도관은 산소가 물을 제조하도록, 예를 들어, 전지에서 전기염소화 반응에서 제조되는 수소와 조합될 수 있도록 산소 전달에 제공될 수 있다. 전지에서 처리를 겪은 전해질과 같은 유체는 하우징에서 유체 채널을 통해 흐를 수 있다. 예를 들어, 유체는 전기화학 전지의 중앙 장축에 평행하거나 적어도 실질적으로 평행한 방향에서 지향될 수 있다.
다수의 애노드 또는 캐소드 전극을 포함하는 본 명세서에 개시된 실시형태에서, 다수의 애노드 전극은 총체적으로 애노드 또는 애노드 관이라 칭해질 수 있고, 다수의 캐소드 전극은 총체적으로 캐소드 또는 캐소드 관이라 칭해질 수 있다. 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 전극을 포함하는 실시형태에서, 다수의 애노드 전극 및/또는 다수의 캐소드 전극은 총체적으로 본 명세서에서 애노드-캐소드 쌍이라 칭해질 수 있다.
전기 연결은 전극과 동일한 재료, 예를 들어, 티탄으로 형성될 수 있는 하나 이상의 전도성 브리지에 의해 전극 쌍 사이에 이루어질 수 있다. 전기화학 전지는 유체 채널에 의해 캐소드로부터 분리된 복수의 애노드를 포함할 수 있다. 전기화학 및 화학 반응은 생성물 용액, 예를 들어, 소독을 위한 차아염소산나트륨을 생성하도록 전극의 표면에서 그리고 벌크 용액 중에 발생한다.
나권형, 동심, 방사상 배열된, 그리고 인터리브된 전극을 포함하는 전기화학 전지는 국제 출원 공보 WO 제2016/133985호(모든 목적을 위해 본 명세서에서 그 전문이 참고로 포함됨)에 더 자세히 기재되어 있다.
소정의 양태에 따르면, 전기화학 시스템이 제공된다. 전기화학 시스템은 전기염소화 시스템 또는 화학 반응으로부터 전기 에너지를 생성하거나 전기 에너지의 도입을 통해 화학 반응을 촉진할 수 있는 임의의 다른 전기화학 시스템일 수 있다. 전기화학 시스템은 전기화학 전지, 수용액의 공급원, 하나 이상의 센서 및 조절장치를 포함할 수 있다.
전기화학 시스템은 하나의 예시적인 실시형태는, 800에 일반적으로 표시된, 도 3에 예시되어 있다. 도 3에서, 부재(1000)는 수용액으로부터 생성물 화합물의 제조를 위한 전기화학 전지를 나타낸다. 몇몇 실시형태에서, 생성물 화합물은 염소계 화합물, 예를 들어, 소독제를 포함한다. 생성물 화합물은 과산화수소를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 수용액은 클로라이드 함유 수용액을 포함한다. 수용액은 처리되어야 하는 물, 예를 들어, 식염수 수용액, 예컨대, 해수, 염수 또는 기수를 포함할 수 있다.
전기화학 전지(1000)는 상기 개시된 전기화학 전지의 임의의 실시형태와 유사할 수 있다. 전기화학 전지(1000)의 하우징(1005)은 입구(1010) 및 출구(1015)를 포함한다. 다양한 개시된 전기화학 전지와 관련하여 상기 기재된 바와 같은 애노드-캐소드 쌍은 하우징(1005) 내에 배치된다. 수용액의 공급원(900)은 전기화학 전지(1000)의 입구(1010)에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한(그리고 조작 시, 유체 흐름 가능하게 연결된) 출구(905)를 포함한다.
산화제의 공급원(805)은 전기화학 전지(1000)의 입구(1010)의 상류에서 유체 흐름 가능하게 연결 가능하다(그리고 조작 시, 유체 흐름 가능하게 연결된다). 산화제의 공급원(805)은 직접적으로 수용액의 공급원(900)에 유체 흐름 가능하게 연결 가능하거나 연결될 수 있거나, 수용액의 공급원(900)과 전기화학 전지(1000)의 입구(1010) 사이에 유체 흐름 가능하게 연결 가능하거나 연결된 도관(815)에서 주입 지점(810)에 유체 흐름 가능하게 연결 가능하거나 연결될 수 있다. 전기화학 전지(1000)의 출구(1015)는 예를 들어, 도관(820)을 통해 저장 탱크 또는 사용의 지점(1100)에 유체 흐름 가능하게 연결 가능하다(그리고 조작 시, 유체 흐름 가능하게 연결된다).
다양한 펌프는 관여된 다양한 수용액의 흐름을 발생시키도록 시스템(800)의 부분에 포함될 수 있지만, 명확성의 목적을 위해 예시되어 있지 않다. 시스템(800)의 일부 및 관여된 다양한 수용액의 다양한 조작 매개변수를 측정할 수 있는 다양한 센서는 또한 존재할 수 있지만, 명확성의 목적을 위해 도 3으로부터 생략된다.
조작 시, 수용액은 수용액의 공급원(900)으로부터 도관(815)을 통해 전기화학 전지(1000)의 입구(1010)로 흐를 수 있다. 산화제의 공급원(805)로부터의 산화제는 수용액에 도입될 수 있다. 산화제의 공급원(805)으로부터의 산화제는 직접적으로 수용액의 공급원(900)에 그리고/또는 전기화학 전지(1000)의 상류에서 도관(815)에 도입될 수 있고, 여기서 이것은 전기화학 전지(1000)에 흐르는 수용액과 혼합된다. 전기화학 전지(1000)에서, 생성물 용액은 수용액으로부터 생성된다. 생성물 용액은 전기화학 전지(1000)로부터 출구(1015)를 통해 그리고 도관(820)을 통해 저장 탱크 또는 사용의 지점(1100)으로 흐른다.
산화제의 공급원(805)은 수용액, 예를 들어, 물 또는 수용액에 가스 산화제, 예를 들어, 공기 또는 순수한 산소를 혼합하기 위한 시스템을 포함할 수 있다. 산화제의 공급원(805)은 수용액의 공급원(900)으로부터, 예를 들어, 도관(910)을 통해 또는 도관(815)으로부터의 가지를 통해 산화제가 첨가되는 수용액을 수용할 수 있다. 산화제의 공급원(805)은, 예를 들어, 용존 공기 부유 펌프, 미세 버블 관형 확산기, 에어레이션 용기, 혼합 용기, 벤투리, 또는 전기화학 전지의 상류에서 산화제를 수용액과 혼합하도록 구성된 산소화 시스템의 다른 형태를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 도 4에 예시된 바와 같이, 산화제의 공급원(805)은 도관(815)에 인라인으로 있을 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 산화제의 공급원은 산화제로서 전기화학 전지(1000)의 생성물을 재순환시키도록 배열된 도관(835)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 전기화학 전지(1000)는, 도 5에 예시된 바와 같이, 하우징(1005)에서 입구(1010)와 출구(1015) 사이에 하나 이상의 산화제 주입 지점(825)을 더 포함한다. 산화제 주입 지점(825)은 하우징(1005)의 길이를 따라 실질적으로 균등하게 이격될 수 있다. 이 추가적인 산화제 주입 지점(825)은 오직 원하는 정도로 그리고 원하는 바대로 전기화학 전지(1000)로의 추가적인 산화제의 도입을 제공할 수 있다. 예를 들어, 산화제가 가스, 예컨대 공기 또는 산소를 포함하는 경우, 전기화학 전지(1000)의 입구(1010)로 너무 많은 산화제를 도입하는 것이 바람직하지 않을 수 있는데, 왜냐하면 이것이 전기화학 전지(1000)에서 가스 버블로서 용액으로부터 나오고, 애노드 또는 캐소드의 일부를 차폐하여서, 생성물을 생성하기에 이용 가능한 전극 면적을 감소시키기 때문이다.
다수의 산화제 주입 지점(825)의 포함은 전기화학 전지의 길이에 걸쳐 수소와 반응하기에 바람직할 수 있는 것보다 입구(1010)에서 더 적은 양의 산화제의 도입을 제공할 수 있다. 추가적인 산화제는 전기화학 전지(1000)에서 수소와의 반응을 통해 입구(1010)를 통해 도입되는 산화제의 소실을 구성하도록 추가적인 산화제 주입 지점(825)에서 도입될 수 있다. 하우징(1005)에서의 다수의 산화제 주입 지점(825)의 이용은 전기화학 전지(1000)의 길이를 따라 산화제의 실질적으로 균등한 농도의 유지를 수월하게 할 수 있다. 하우징(1005)에서의 다수의 산화제 주입 지점(825)의 이용은, 예를 들어, 전기화학 전지(1000) 내에 유체 흐름에 대한 적은 와류 및 소량의 혼합 또는 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number)로 인해 입구(1010)를 통해 도입된 산화제가 도달하지 않는 전기화학 전지(1000)에서의 원하는 부위로의 산화제의 전달을 수월하게 할 수 있다.
사용의 지점(1100)은 갑판 시스템, 굴착 플랫폼 시스템, 수중 스포츠 시스템(예를 들어, 수영장 또는 분수), 식수 시스템, 또는 유정 굴착 시스템의 다운홀을 포함할 수 있다. 사용의 지점(1100)은 선박 또는 해상 기반 플랫폼의 냉각 물 시스템 또는 선박의 밸러스트 탱크를 포함할 수 있다.
예시적인 전기화학 시스템의 또 다른 실시형태는, 1200에 일반적으로 표시된, 도 6에 예시되어 있다. 시스템(1200)은 상기 개시된 전기화학 전지의 임의의 실시형태와 유사할 수 있는 전기화학 전지(1000)를 포함한다. 산화제의 공급원 또는 산화 시스템(805)은 전기화학 전지(1000)의 상류에서 도관(815)에 배치될 수 있다. 수용액의 공급원(900)은 탱크로서 예시되어 있다. 사용의 지점(1100)은 전기화학 전지(1000)의 하류에 배치될 수 있다. 하우징 또는 저장 탱크(1105)는 전기화학 전지(1000)와 사용의 지점(1100) 사이에 배치될 수 있고, 사용의 지점(1100)에 전기화학 전지(1000)에서 생성된 생성물의 원하는 양을 투입하도록 개방되거나 폐쇄되거나 조정될 수 있는 (표기되지 않은) 밸브에 의해 사용의 지점(1100)에 연결될 수 있다.
다양한 펌프는 시스템을 통한 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 하나 이상의 센서는, 예를 들어, 하나 이상의 전기화학 시스템에서의 전기화학 전지에 도입되는 수용액, 전기화학 전지에 내부인 유체, 사용의 지점에서의 액체, 또는 전기화학 전지에서 제조되거나 생성된 생성물 용액의, 시스템을 통해 흐르는 유체의 하나 이상의 매개변수를 모니터링할 수 있다. 이 매개변수는, 예를 들어, 유량, 이온 농도, 염소 농도, 산소 농도, 수소 농도, pH, 전기 매개변수, 온도, 산소 환원 전위(ORP) 또는 임의의 관심 대상의 다른 매개변수를 포함할 수 있다. 추가적인 센서는 전기화학 전지 자체의 매개변수, 예를 들어, 전기화학 전지에서의 애노드-캐소드 쌍에 걸친 전류 및/또는 전압, 전기화학 전지의 또는 이것 내의 온도, 또는 전기화학 전지를 통한 전해질의 유량을 모니터링할 수 있다.
펌프 및 센서는 센서 및 펌프와 통신하고 펌프 및 원하는 조작 매개변수를 달성하기 위한 시스템의 다른 부재의 조작을 제어하는 제어 시스템 또는 조절장치와 통신할 수 있다.
본 명세서에 개시된 전기화학 시스템의 다양한 조작 매개변수는 전기화학 시스템의 상이한 부분에 위치한 다양한 센서에 의해 측정된 다양한 매개변수에 기초하여 연관된 제어 시스템 또는 조절장치에 의해 제어되거나 조정될 수 있다. 조절장치는 수용액의 유량, 수용액 내의 클로라이드의 농도 또는 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액에 대한 사용의 지점에서의 액체의 산화-환원 전위 중 적어도 하나 이상에 기초하여 시스템의 전기화학 전지에 도입되는 수용액으로의 산화제의 도입을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 전기화학 전지에서 생성된 생성물 화합물의 농도에 적어도 기초하여 수용액으로의 산화제의 도입을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 전기화학 전지의 하우징의 출구에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 사용의 지점에서의 액체의 산화-환원 전위에 적어도 기초하여 전기화학 전지에서 생성된 생성물 화합물의 농도를 조절하도록 추가로 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 조절장치는 전기화학 전지의 조작 동안 수소 가스의 형성을 방지하기에 충분한 양으로 산화제를 수용액에 도입하도록 구성될 수 있다.
조절장치는 전기화학 전지에서의 온도, 수용액의 pH, 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액의 pH, 수용액 또는 생성물 용액의 유량, 수용액 또는 생성물 용액의 ORP, 또는 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가된 전류 또는 전압 중 적어도 하나 이상에 기초하여 수용액으로의 산화제의 도입 또는 전기화학 전지로의 수용액의 도입을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 전기화학 전지에 존재하는 가스 수소의 양, 수용액 중에 용해된 수소의 농도, 수용액 중에 용해된 산소의 농도 또는 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액 중에 용해된 산소의 농도 중 적어도 하나 이상에 기초하여 수용액으로의 산화제의 도입 또는 전기화학 전지로의 수용액의 도입을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다.
조절장치는 수용액의 유량 또는 수용액으로의 산화제의 도입 속도에 기초하여 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 전류를 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 전기화학 전지에서의 수소 가스 생성을 감소시키거나 방지하거나 억제하도록 애노드 및 캐소드의 극성을 역전시키도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 예를 들어, 조절장치는 미리 결정된 한계치를 초과하는 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 측정된 전압 또는 용존 수소 농도에 반응하여 전극의 극성을 역전시키도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 조절장치는 전기화학 전지에서의 수소 가스의 생성을 방지하도록 애노드 및 캐소드의 극성을 프로그래밍되거나 구성될 수 있다.
조절장치는 본 명세서에 개시된 바와 같이 전류가 펄스 파형으로 인가되게 하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 전극에 의해 인가된 전류를 변화시키거나 변경하거나 조절하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 조절장치는 전류의 펄스의 기간을 조절하도록 구성된다. 조절장치는 추가적으로 또는 대안적으로 펄스 전류의 입사의 속도를 조절할 수 있다. 펄스의 기간 및/또는 입사의 속도는 (예를 들어, 필요한 바대로 또는 센서에 의해 필요하다고 결정된 바대로) 규칙적인 또는 불규칙적인 간격으로 발생할 수 있다. 조절장치는 애노드와 캐소드에 걸쳐 인가된 전압을 조절할 수 있다. 조절장치는 전기화학 전지로의 수용액의 유량, 애노드와 캐소드에 걸쳐 측정된 전압 또는 생성물 용액에서의 수소 가스 농도에 반응하여 인가된 전류, 인가된 전압 또는 펄스 파형을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 적어도 하나의 공정 용액의 유량, pH 측정, 온도 측정 또는 산화-환원 전위에 반응하여 인가된 전류, 인가된 전압, 전극의 극성 또는 펄스 파형을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 적어도 하나의 공정 용액의 용존 산소 농도 또는 용존 수소 농도에 반응하여 인가된 전류, 인가된 전압, 전극의 극성 또는 펄스 파형을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 조절장치는 수소 가스의 생성 또는 축적을 감소시키거나 방지하거나 억제하도록 전류를 펄스 파형으로 인가하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 예를 들어, 조절장치는 전기화학 전지의 조작 동안 수소 가스의 생성을 발생시키기에 충분한 미리 결정된 한계치를 초과하는 수소 가스 농도에 반응하여 전류를 펄스 파형으로 인가하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 조절장치는 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 수소 가스 축적을 억제하도록 전류를 펄스 파형으로 인가하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다.
조절장치는 전기화학 전지 내의 수소 가스의 생성을 방지하기에 충분한 인가된 전류, 인가된 전압, 전극의 극성 또는 펄스 파형을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 인가된 전류, 인가된 전압, 전극의 극성 또는 펄스 파형은, 예를 들어, 전기화학 전지 내의 흐름 조건 또는 와류, 전기화학 전지 내의 산소의 확산율, 조작 전류, 캐소드 면적 등에 따라 달라질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 조절장치는 전기화학 전지 내의 수소 가스의 생성을 방지하기에 충분한 양으로 수용액의 하나 이상의 조건을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 수용액의 유량 또는 조성을 조절하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있어서, 이용 가능한 산화제는 전기화학 전지에서 제조된 생성물 화합물의 분량과 대략 화학량론적인 양으로 제공된다. 수용액의 조절은, 예를 들어, 전기화학 전지 내의 흐름 조건 또는 와류, 전기화학 전지 내의 산소의 확산율, 조작 전류, 캐소드 면적 등에 따라 달라질 수 있다. 수용액의 조성은 하나 이상의 화합물, 예를 들어, pH 균형화제 또는 산화제에 의한 투입에 의해 조절될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 조절장치는 전기화학 전지 내의 수소 가스의 생성을 방지하기에 충분한 양으로 산화제를 수용액에 도입하도록 추가적으로 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 조절장치는 전기화학 전지에서 제조된 생성물 화합물의 분량과 대략 화학량론적인 양으로 산화제를 수용액에 도입하고, 잠재적으로 산화제를 화학량론적 양 초과로 과잉투입하도록, 예를 들어, 전기화학 전지의 캐소드(들)에서의 충분한 산화제 이용가능성을 제공하여서 수소가 조작 동안 캐소드(들)에서 생성되지 않도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 산소 과잉투입의 양은, 예를 들어, 전기화학 전지 내의 흐름 조건 또는 와류, 전기화학 전지 내의 산소의 확산율, 조작 전류, 캐소드 면적 등에 따라 달라질 수 있다. 조절장치는 산화되는 전기화학 전지에서 실질적으로 모든 유리 수소를 제공하기에 충분한 양으로 산화제를 수용액에 도입하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다.
일반적으로, 조절장치는 수소 가스의 생성을 제한하거나 방지하도록 어떤 변화를 만들도록 프로그래밍될 수 있다. IV-곡선에서, 전압의 변화는 수소 가스의 생성을 나타낼 수 있다. 따라서, 조절장치는 수소 가스의 생성을 나타낼 수 있는 한계 아래로 수소 가스 제조(또는 미리 결정된 한계치 전압)를 나타내는 전압을 유지시키는 조건을 제어하게 할 수 있다. 수소 가스 생성이 일반적으로 온도, pH, ORP, 용존 산소 농도 및 용존 수소 농도와 같은 조건에 따라 달라지므로, 이들 매개변수 중 임의의 하나 이상은 시스템 내의 수소 가스의 제한된 제조 또는 제조 없음을 나타내는 미리 결정된 범위 내에 유지되도록 제어될 수 있다.
시스템의 다양한 부재의 조작을 모니터링하고 제어하기 위한 조절장치는 컴퓨터화된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 조절장치로부터의 명령에 반응하여 작용하도록 구성된 아웃풋 장치는 공급원으로부터 전기화학 시스템으로 수용액(예를 들어, 염수, 기수 또는 해수)을 도입하도록 그리고/또는 펌프의 속도를 제어하도록 사용될 수 있는 밸브, 펌프 또는 스위치를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서는 또한 조절장치로의 입력을 제공할 수 있다. 이 센서는, 예를 들어, 압력 센서, 화학 농도 센서, 온도 센서, 또는 시스템에 대한 관심 있는 임의의 다른 매개변수에 대한 센서일 수 있는, 예를 들어, 센서를 포함할 수 있다. 이 센서는, 예를 들어, 전기화학 전지 내의 생성물 용액과 유체 연통하는 또는 애노드 또는 캐소드에 근접한 용액과 유체 연통하는 사용의 지점의 상류에서, 그리고/또는 수용액의 공급원과 유체 연통하는 전기화학 전지의 입구의 상류에서 유용할 것인 시스템의 임의의 부분에 배치될 수 있다. 또한, 조절장치는 조절장치를 개시된 상호접속 기구(interconnection mechanism) 이외의 또는 이것에 대한 대안으로 통신 네트워크로 연결하는 하나 이상의 인터페이스(도시 생략)를 함유할 수 있다.
도 6에 도시된 예시적인 시스템을 다시 참조하면, 시스템(1200)은 센서로부터의 데이터에 기초하여 시스템(1200)의 부품의 조작 매개변수를 조정할 수 있는 제어 시스템 또는 조절장치(2000)에 데이터를 공급할 수 있는 다수의 센서(S1 내지 S6)를 포함할 수 있다.
센서는 수소 가스 농도를 측정하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 수소 가스를 측정하기 위한 센서는 생성물 용액과 유체 연통할 수 있다. 예를 들어, 센서는 수소 가스가 생성되는 경향이 있는 캐소드의 하류에 있을 수 있다. 센서는 수소 가스가 위험한 한계치 농도로 축적될 때를 결정하도록 제공될 수 있다. 수소 가스 농도를 측정하기 위한 센서는 미리 결정된 한계치를 초과하는 이단위 경도 농도(divalent hardness concentration)에 반응하여 전극의 극성을 역전시키도록, 인가된 전류 또는 전압을 변형시키도록(예를 들어, 펄스 파형을 인가하도록), 또는 수용액 또는 산화제의 도입 속도를 변형시키도록 사용될 수 있는 조절장치에 데이터를 제공하도록 사용될 수 있다.
센서는 열 교환기의 제어를 위한 피드백을 제공할 수 있는 열 교환기(1210)의 하류에 온도 센서(S1)를 포함할 수 있고, 온도 센서(S1)는 애노드 및 캐소드의 극성을 역전시키도록, 펄스 파형의 전류를 변형시키거나 인가하도록, 전기화학 전지로의 수용액의 도입 속도를 조정하도록, 수용액으로의 산화제의 투입량을 조정하도록, 또는 온도 측정에 반응하여 취해질 수 있는 임의의 다른 작용을 하도록 조절장치가 사용할 수 있는 데이터를 제공하도록 사용될 수 있는 전기화학 전지(1000) 내에 또는 상에 있다. 시스템은 생성물이 사용의 지점(1100)에 투입되어야 할 때 및 얼마나 많이 투입되는지를 결정하도록 사용될 수 있는 조절장치에 대한 피드백을 제공할 수 있는 사용의 지점(1100) 내의 또는 상의 온도 센서(S1)를 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, pH 센서(S2)는 전기화학 전지(1000)의 상류에 그리고/또는 하류에 제공될 수 있고, 전기화학 전지(1000)에 진입하는 수용액 및/또는 전기화학 전지(1000)를 빠져나가는 생성물 용액의 pH를 원하는 범위 내에 유지시키도록 pH 조정 시스템(1205)의 조작을 조정하도록 사용될 수 있는 조절장치에 대한 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, pH 조정 시스템(1205)은 전기화학 전지(1000)에 진입하는 수용액의 pH를 약 4 내지 약 10 사이로 유지시키도록 조작될 수 있다. pH 센서(S2)는 애노드 및 캐소드의 극성을 역전시키도록, 펄스 파형의 전류를 변형시키거나 인가하도록, 전기화학 전지로의 수용액의 도입 속도를 조정하도록, 수용액으로의 산화제의 투입량을 조정하도록, 또는 pH 측정에 반응하여 취해질 수 있는 임의의 다른 작용을 하도록 조절장치가 사용할 수 있는 데이터를 제공하도록 사용될 수 있다.
시스템(1200)은 pH 조정제의 공급원, 예를 들어, 광산 또는 부식제, 예컨대 NaOH를 포함하는 pH 조정 시스템(1205) 및 열 교환기(1210)를 포함할 수 있다. pH 조정 시스템(1205)은 수용액의 pH를, 전기화학 전지(1000) 내의 수소 가스의 형성이 억제되기에 충분히 높은 pH로, 그리고/또는 전기화학 전지(1000) 내의 수용액으로부터 마그네슘의 침전이 억제되기에 충분히 낮은 pH로, 전기화학 전지(1000) 내의 생성물의 원하는 종의 생성을 위한 반응이 양호하게 하는 pH로 조정될 수 있다. pH 조정 시스템(1205)은 수용액의 pH를, 예를 들어, 약 2 내지 약 14 또는 약 7 내지 약 10의 pH로 조정할 수 있다. 열 교환기는 수용액의 온도를 전기화학 전지(1000) 내의 원하는 반응 운동역학을 발생시키는 온도로 조정하도록 그리고/또는 수용액 내의 산소 또는 수소의 용해도를 조정하도록 사용될 수 있다.
용존 산소 센서(S3)는 수용액 중의 용존 산소 수준을 측정하도록 사용될 수 있다. 용존 수소 센서(S3)는 수용액 중의 용존 수소 수준을 측정하도록 사용될 수 있다. 용존 산소 또는 수소 센서는 시스템의 전극에서의 또는 생성물 용액 중의 산소 또는 수소를 측정할 수 있다. 조절장치는 원하는 범위 내에 전기화학 전지에 도입되는 수용액 중의 용존 산소 수준을 유지시키도록 산화제의 공급원 또는 산화 시스템(805)을 제어하도록 수용액 중의 용존 산소 또는 수소 수준의 표시를 이용할 수 있다. 조절장치는 원하는 범위 내에 전기화학 전지에 도입되는 수용액 중의 용존 산소 수준을 측정하도록 산화제의 공급원 또는 산화 시스템(805)을 제어하도록 수용액 중의 용존 산소 또는 수소 수준의 표시를 이용할 수 있다.
흐름 센서(S4)는 펌프(P)의 조작, 산화제의 공급원 또는 산화 시스템(805), 및/또는 전기화학 전지(1000)의 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 인가된 전류 또는 전압을 제어하도록 이 데이터를 사용할 수 있는 조절장치에 생성물 용액 유량 데이터를 제공할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 흐름 센서는 조절장치에 수용액 유량 데이터를 제공할 수 있다.
전기 미터(electrical meter)(S5), 예를 들어, 퍼텐쇼스탯은 전기 매개변수를 측정하고/하거나, 수용액 또는 생성물 용액의 전류-전압 곡선을 생성하도록 사용될 수 있고, 이 곡선은 전기화학 전지가 원하는 범위에서 조작되는지에 대한 정보를 얻도록 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 원하는 범위는 이단위 경도 농도가 미리 결정된 한계치보다 낮게 떨어져서, 전기화학 전지 내에 수소 가스가 생성되지 않는 것이다. 몇몇 실시형태에서, 원하는 범위는 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 수소가 수용액 중에 공급된 산소와 반응하는 것이다. 전기 계량기(S5)로부터의 데이터는 펌프(P)의 조작(즉, 전기화학 전지로의 수용액의 도입 속도), 산화제의 공급원 또는 산화 시스템(805), 및/또는 전기화학 전지(1000)의 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 인가된 전류 또는 전압을 제어하도록 조절장치에 의해 이용될 수 있다. 전기 계량기(S5)로부터의 데이터는 애노드 및 캐소드의 극성을 역전시키거나 펄스 파형의 전류를 변형시키거나 인가하도록 조절장치에 의해 사용될 수 있다.
산화 환원 전위(ORP) 미터(S6)는 생성물 용액이 사용의 지점(1100)으로 투입될 때 그리고 얼마나 많이 투입되는지를 결정하기 위해 조절장치에 의해 사용될 수 있는 사용의 지점(1100)에서의 액체의 ORP의 판독을 얻도록 제공될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 산화 환원 전위(ORP) 미터는 전기화학 전지로의 수용액의 도입 속도를 조절하도록 조절장치에 의해 사용될 수 있는 생성물 용액의 ORP의 판독을 얻도록 제공될 수 있다.
시스템(1200)은 생성물 용액으로부터 잔류 수소를 제거하도록 사용될 수 있는 가스 분리 칼럼(1215)을 더 포함할 수 있다. 탈출 루프(breakout loop)(1220)는 생성물 용액의 샘플링 및/또는 추가적인 또는 대안적인 센서, 예를 들어, 생성물 용액 중의 염소, 산소, 또는 수소 수준을 측정하기 위한 센서의 첨가를 허용하도록 제공될 수 있다.
시스템(1200)의 다양한 부품은 서로와 라인으로 순차적으로 반복될 수 있다. 예를 들어, 시스템(1200)은 열 교환(1210), pH 조정 시스템(1205), 산화제의 공급원 또는 산화 시스템(805), 전기화학 전지(1000), 및 가능하게는 서로와 라인으로 순차적으로 배열된 펌프(P)를 포함하는 다수의 반복 하위시스템을 가질 수 있다.
전기화학 시스템의 또 다른 실시형태는 도 7에서 일반적으로 1300으로 표시된다. 시스템(1300)은 동일한 표시자로 표기된 도 6의 시스템(1200)과 유사한 부품을 포함한다. 시스템(1300)은 시스템(1300)이 "배출 방출(feed & bleed)" 시스템이라는 점에서 시스템(1200)과 다르지만, 시스템(1200)은 시스템의 "관류(once through)" 유형이다. 시스템(1300)에서, 전기화학 전지(1000)에 의해 생성된 생성물 용액은 일부 생성물 용액을 저장 탱크(1105) 및/또는 사용의 지점(1100)으로 배출시키는 것이 바람직할 때까지 루프(L) 주위에서 순환한다. 생성물 용액이 루프(L)로부터 제거되면서 또는 제거된 후, 추가적인 수용액은 수용액의 공급원(900)으로부터 루프(L)에 도입될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 또는 전기염소화 전지 및 장치는 더 큰 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은 해상 기반 시스템, 예를 들어, 선박 또는 오일 리그(rig)이고, 다른 실시형태에서 육상 기반 빌딩, 예를 들어, 발전소, 유정 굴착 설비 또는 시스템, 또는 다른 산업 설비이다. 다른 실시형태에서, 시스템은 수영장, 또는 물을 처리하거나 소독하기 위한 소독제와 같은 시스템에서의 전기화학 장치의 하나 이상의 생성물을 사용하는 식수, 폐수 또는 산업용 물 처리 공정을 위한 처리 시스템이거나 이들을 포함할 수 있다.
이러한 시스템은 공정 액체 또는 전해질을 배수시킬 수 있고, 이는 몇몇 실시형태에서 시스템에 대해서 외부 및/또는 내부에 있는 공급원으로부터의 해수, 기수 또는 염수이다. 예를 들어, 시스템이 해상 기반 시스템인 경우, 외부 공급원은 해양일 수 있고, 내부 공급원은, 예를 들어, 선박에서의 밸러스트 탱크일 수 있다. 육상 기반 시스템에서, 외부 공급원은 해양일 수 있고, 내부 공급원은 시스템에서 수행된 산업용 공정으로부터 폐기수일 수 있다.
하나 이상의 전기화학 시스템은 수용액으로부터 생성물 용액, 예를 들어, 염소화 물 및/또는 차아염소산나트륨을 포함하는 용액을 제조하고, 이것을 사용의 지점으로 분포시킬 수 있다. 사용의 지점은 시스템에 대한 냉각수의 공급원, 선박의 밸러스트 탱크에 대한 소독제의 공급원, 유정 굴착 시스템의 다운홀, 또는 염소계 소독 용액이 사용될 수 있는 임의의 다른 시스템일 수 있다.
실시예
상기 기재된 실시형태 및 본 발명의 다른 실시형태의 기능 및 이점은 하기 실시예로부터 추가로 이해될 수 있고, 이는 본 발명의 하나 이상의 시스템 및 기법의 이익 및/또는 이점을 추가로 예시하지만, 본 발명의 완전한 범위를 예시하지 않는다.
실시예 1: 시간 경과에 따른 인가된 전압의 변화
전기화학 전지를 본 명세서에 개시된 바대로 실행하였다. 구체적으로, DC 전류를 산소 가스에 의해 100psi에서 포화된 3.5% NaCl 용액에 인가하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전압을 내지 500초 내에 1.6볼트로 증가시켰다. 수소 가스는 이것이 용액으로부터 생성되면서 검출되었다.
도 1에 도시된 바와 같이, DC 전류가 200초 이하의 기간에 의해 펄스로서 인가되는 경우 캐소드 전위는 -1.5볼트 내로 제한된다. 100초 이하에서, 전압은 -1.3볼트 미만으로 제한된다. 50초 이하에서, 전압은 -1.0볼트 미만으로 제한된다.
따라서, 전류를 제한된 펄스로 인가할 수 있어서, 더 적은 전위로 전기화학 전지를 실행할 수 있게 한다. 펄스 파형은 수소 가스 생성을 제한하면서 생성물 화합물의 생성이 가능하게 한다.
실시예 2: 수소 생성
전기화학 전지를 본 명세서에 개시된 바대로 실행하였다. 예시적인 실험적 전기화학 전지의 도식적 예시는 도 9에 도시되어 있다. 전기화학 전지는 Pt 도금된 Ti 메쉬로부터 제조된 애노드-캐소드 쌍을 포함하였다. Ag/AgCl로부터 제조된 기준 전극은 전기 전위 데이터를 수집하도록 흐름 라인에서 제공되었다. 95psi 산소 가스에서 가압된 3.5% w/w의 NaCl 및 물 용액은 약 2m/s의 선속도에서 전기화학 전지를 통해 펌프질되었다.
약 500초 후, 수소 가스는 배출 라인에서 검출되었다. 수소 생성의 발생은 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 약 -1.6볼트 전위에서 발생했다. 유사한 조건 하에, 전류는 전기화학 전지 내에 수소 생성을 제한하도록 500초 미만 동안 인가될 수 있다.
실시예 3: ±1A(±1,000A/㎡)에서의 역전된 펄스 전력 공급
전기화학 전지를 실시예 2에 개시된 바대로 실행하였다. 전극은 역전된 펄스 전력 공급에 의해 조작되었다. 음의 펄스에서, 지정된 애노드는 차아염소산염 및 산소의 부산물을 생성한다. 애노드 반응은 하기와 같다:
펄스 모드에서의 1A 전류(1,000A/㎡)는 50초의 기간을 갖는 펄스로 실행되었다. 전기화학 전지의 전극에 걸친 전압은 도 10a에 도시되어 있다. 수소는 18,000초 동안 검출되지 않았다. 차아염소산염 생성 전류 효율은 전체 160ppm의 차아염소산나트륨이 17리터의 저장소에서 측정될 때 약 59%이었다.
펄스 파형은, 도 10b에 도시된 바와 같이, 시간 경과에 따른 전기화학 전지 내의 전압의 일정한 절대값 및 안정한 전위에 의해 전기화학 전지를 조작하는 것을 허용한다. 펄스 파형의 전류를 인가함으로써, 전기화학 전지는 생성된 전압 하강 및 수소 가스 제조 없이 연장된 시간 기간 동안 실행될 수 있다.
실시예 4: ±1.3A(±1,300A/㎡)에서의 역전된 펄스 전력 공급
전기화학 전지를 실시예 3에 개시된 바대로 실행하였다. 펄스 전류는 도 11a에 도시된 바와 같이 ±1.3A(±1,300A/㎡)에서 인가되었다. 수소는 13,000초 동안 검출되지 않았다. 전체 차아염소산나트륨은 17리터의 저장소에서 220ppm인 것으로 검출되었다. 전극 또는 전기화학 전지 사이의 전압의 절대값은 도 11b에 도시된 바와 같이 일정하게 있었다.
실시예 5: ±1.75A(±1,750A/㎡)에서의 역전된 펄스 전력 공급
전기화학 전지를 실시예 3에 개시된 바대로 실행하였다. 산소는 100psi에서 가압되었다. 펄스 전류는 50초 지속하는 펄스로 ±1.75A(±1,750A/㎡)에서 인가되었다. 수소는 약 10% 내지 15%의 하한 폭발 한계(Lower Explosive Limit: LEL)에서 배출 라인에서 검출되었다.
실행이 진행되면서, 용액은 산소에 의해 포화되었다. 수소는 약 1,500초에서 0% LEL에 도달할 때까지 감소하였다. 전압은 도 12에 도시된 바와 같이 안정화되었다. 수소는, 시스템이 산소에 의해 가압되는 한, 0%의 LEL에 있었다.
약 2,200초에서, 시스템 압력은 방출되고, 용존 산소 농도는 유의미하게 감소하였다. 전압은 수소 생성의 검출에 상응하여 이 지점에서 증가하였다.
산소는 시스템으로 재도입되었다. 수소 검출은 포화에 도달하는 용존 산소 농도에 의해 감소하였다.
따라서, ±1.75A(±1750A/㎡)의 전류에서, 수소 생성은 본 명세서에 기재된 바와 같이 전기화학 전지에 도입된 NaCl의 수용액으로 포화 중인 용존 산소를 도입함으로써 억제될 수 있다.
실시예 6: 과산화수소 생성
H2O2 생성 반응(+0.682V)은 H2O 생성 반응(+0.4V)보다 더 에너지상 양호하다. 인가된 전위를 이동시킴으로써, H2O2를 제조시키도록 개시된 전기화학 전지의 반응 화학을 이동시킬 수 있다.
전극 면적은 인가된 전류 밀도에 따라 달라진다. (100%의 패러데이 효율(Faradic efficiency)을 가정하여) 1㎏당 1.57kA/h의 반응, 및 1㎏/h의 생성 속도에 대해, 0.71㎡의 전극 면적이 기대될 수 있다(1.57kA/(2.2kA/㎡)).
도 13a에 도시된 예시적인 실시형태에서, 물 및 용존 산소는 높은 속력(2m/s 초과)에서 전기화학 전지를 통해 흐른다. 각각의 전극에서의 반응 화학은 하기와 같다:
애노드: (산소 생성)
캐소드: (산소 소모)
도 13b에 도시된 예시적인 실시형태에서, 해수 및 용존 산소는 높은 속력(2m/s 초과)에서 전기화학 전지를 통해 흐른다. 각각의 전극에서의 반응 화학은 하기와 같다:
애노드: (염소 생성)
캐소드: (산소 소모)
과산화수소는 전기화학 전지에서 수소 가스 형성을 완화시키도록 물 및 용존 산소로부터 생성될 수 있다.
실시예 7: 단위 길이당 저항
다양한 채널 면적을 갖는 전기화학 전지에서의 단위 길이당 채널 저항은 표준 온도 및 압력(1ATM, 20℃)에서 다양한 수용액을 실행하여 계산되었다. 결과는 도 16a 및 도 16b의 그래프에 도시되어 있다. 면적당 저항(Ω/㎟)에 대한 해수(3.7% 염도) 추세선은 도 16a에서 중심 시리즈로 도시되어 있다. 채널 직경당 저항(Ω/㎜)에 대한 해수(3.7% 염도) 추세선은 도 16b에서 중심 시리즈로 도시되어 있다. 해수 시리즈 위에서, 해수보다 더 적은 염도(0.5% 내지 2.0%)를 갖는 수용액에 대한 저항(Ω)은 증가하는 채널 면적(㎟) 또는 직경(㎜)에 대해 작도된다. 해수 시리즈 아래에서, 해수보다 더 큰 염도(5.0% 내지 25%)를 수용액에 대한 저항(Ω)은 증가하는 채널 면적(㎟) 또는 직경(㎜)에 대해 작도된다.
그래프에 도시된 바대로, 단위 길이당 저항은 증가하는 염도 및 증가하는 채널 면적에 따라 감소하는 경향이 있다. 고염도 수용액과 사용하도록 설계된 본 명세서에 개시된 전기염소화 전지는 이의 기능을 방해하는 약화하는 저항의 우려 없이 증가하는 채널 면적이 제공될 수 있다. 따라서, 서로로부터 멀리 배치된 제1 챔버 및 제2 챔버를 전기염소화 전지는 해수로부터 NaOCl을 생성하는 데 유리할 수 있다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 하기 설명에 기재되거나 도면에 예시된 부품의 구성 및 배열의 상세내용으로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어법 및 전문용어는 설명의 목적을 위한 것이고, 제한으로 고려되지 않아야 한다. 본 명세서에서 "포함하는", "보유하는", "갖는", "함유하는", "수반하는" 및 이의 변형어의 사용은 이하 기재된 항목 및 이의 균등물, 및 추가적인 항목을 포함하도록 의도된다.

Claims (25)

  1. 전기화학 전지를 조작하는 방법으로서,
    클로라이드 함유 수용액을 전기화학 전지에 상기 전기화학 전지의 애노드와 캐소드 사이에 도입하는 단계;
    상기 전기화학 전지 내의 상기 수용액으로부터 생성물 화합물을 생성할 수 있는 전압에서 전류를 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가하는 단계로서, 상기 생성물 화합물은 차아염소산염인, 상기 인가하는 단계;
    상기 전압, 상기 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 및 수소 가스 생성과 제조와 연관된 수용액의 조건으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 매개변수를 모니터링하는 단계로서, 상기 수용액의 조건은 상기 전기화학 전지에 도입되는 수용액의 유량, 용존 산소 농도, 용존 수소 농도, pH, ORP 및 온도로 이루어진 군으로부터 선택되는, 모니터링하는 단계; 및
    미리 결정된 범위의 밖인 상기 적어도 하나의 매개변수에 반응하여 상기 전류를 펄스 파형으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가하는 단계로서, 전력이 0볼트 초과 1.6볼트 미만의 캐소드 전위에서 0초 초과 500초 미만의 펄스로 인가되는, 인가하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 수용액의 조건에 기초하여 상기 전류의 펄스의 기간, 펄스 전류의 주파수 및 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가된 펄스 전류의 규모 중 하나 이상을 제어하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수용액의 조건에 기초하여 상기 수용액의 도입 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지 내의 수소 가스의 생성을 방지할 수 있는 상기 미리 결정된 범위를 선택하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수용액의 유량, 상기 전압 및 상기 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전류의 펄스의 기간, 펄스 전류의 주파수 및 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가된 펄스 전류의 규모 중 하나 이상을 제어하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지로부터의 생성물 용액의 유량, 상기 생성물 용액 내의 생성물 화합물의 농도 및 상기 수용액 내의 클로라이드의 농도 중 적어도 하나 이상에 기초하여 상기 수용액의 도입 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 산화제를 상기 전기화학 전지의 상류에서 상기 수용액에 도입하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 산화제를 수용액에 도입하는 단계는 기체 산소, 오존, 공기, 산소 농후 공기 및 과산화수소 중 하나 이상을 상기 수용액에 도입하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 0.5V 내지 4.0V의 범위 밖인 전압에 반응하여 전류를 펄스 파형으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지를 조작하는 방법.
  11. 전기염소화 전지에서 수소 가스의 축적을 억제하는 방법으로서,
    액체 전해질을 전기염소화 전지에 상기 전기염소화 전지의 애노드와 캐소드 사이에 도입하는 단계로서, 상기 액체 전해질은 클로라이드 함유 수용액인 상기 도입하는 단계;
    상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가된 전압, 상기 전기염소화 전지에서 생성된 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도, 및 상기 전기염소화 전지에 도입되는 액체 전해질의 유량, 용존 산소 농도, 용존 수소 농도, pH, ORP 및 온도로 이루어진 군으로부터 선택된 액체 전해질의 조건으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 매개변수를 모니터링하는 단계로서, 상기 생성물은 차아염소산염인, 상기 모니터링하는 단계; 및
    상기 전기염소화 전지 내의 수소 가스의 생성을 방지할 수 있는 범위의 밖인 상기 매개변수에 반응하여 전류를 펄스 파형으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가하는 단계로서, 전력이 0볼트 초과 1.6볼트 미만의 캐소드 전위에서 0초 초과 500초 미만의 펄스로 인가되는, 인가하는 단계를 포함하는, 전기염소화 전지에서 수소 가스의 축적을 억제하는 방법.
  12. 전기화학 시스템으로서,
    하우징 내에 배치된 입구, 출구, 애노드 및 캐소드를 갖는 하우징을 포함하는 전기화학 전지;
    상기 전기화학 전지의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 출구를 갖는 클로라이드 함유 수용액의 공급원;
    전압 및 상기 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되고 배열된 제1 센서로서, 상기 생성물은 차아염소산염인, 상기 제1 센서;
    상기 수용액의 유량, 용존 산소 농도, 용존 수소 농도, pH, ORP 및 온도로 이루어진 군으로부터 선택된 상기 수용액의 조건을 측정하도록 구성되고 배열된 제2 센서; 및
    상기 제1 센서에 전기로 연결 가능하고, 미리 결정된 한계치를 초과하는 전압 및 용존 수소 농도 중 적어도 하나에 반응하여 전류가 펄스 파형으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가되게 하되, 전력이 0볼트 초과 1.6볼트 미만의 캐소드 전위에서 0초 초과 500초 미만의 펄스로 인가되게 하도록 구성된 조절장치를 포함하는, 전기화학 시스템.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서, 상기 제2 센서에 전기로 연결 가능하고, 미리 결정된 범위의 밖인 수용액의 조건에 반응하여 전류가 펄스 파형으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가되게 하도록 구성된 조절장치를 더 포함하는, 전기화학 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제2 센서에 전기로 연결 가능하고, 상기 수용액의 조건에 기초하여 상기 전기화학 전지에의 상기 수용액의 도입 속도를 조절하도록 구성된 조절장치를 더 포함하는, 전기화학 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 조절장치는 상기 전기화학 전지의 조작 동안 상기 캐소드에서의 수소의 축적을 발생시킬 수 있는 미리 결정된 범위의 밖인 상기 생성물 용액 중의 용존 수소 농도에 반응하여 상기 전류가 펄스 파형으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가되게 하도록 구성된, 전기화학 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 조절장치는 상기 수용액의 유량, 상기 전압, 상기 수용액 중에 용해된 산소의 농도 및 상기 수용액 중에 용해된 수소의 농도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전류의 펄스의 기간, 펄스 전류의 주파수 및 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가된 펄스 전류의 규모 중 하나 이상에서 상기 애노드 및 캐소드를 조절하도록 구성된, 전기화학 시스템.
  18. 제12항에 있어서, 상기 전기화학 전지의 상류에서 상기 수용액의 공급원에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 산화제의 공급원을 더 포함하는, 전기화학 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 산화제의 공급원은 과산화수소를 상기 전기화학 전지의 상류에서 상기 수용액의 공급원에 전달하도록 구성되고 배열된, 전기화학 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 상기 전기화학 전지에 존재하는 수소 가스의 양, 상기 수용액 중에 용해된 수소의 농도, 상기 수용액 중에 용해된 산소의 농도 및 상기 생성물 용액 중에 용해된 산소의 농도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 수용액으로의 산화제의 도입 속도를 조절하도록 구성된 조절장치를 더 포함하는, 전기화학 시스템.
  21. 제12항에 있어서, 상기 생성물 용액에서의 유량, pH, ORP, 온도 및 생성물 화합물의 농도로 이루어진 군으로부터 선택된 생성물 용액의 조건을 측정하도록 구성되고 배열된 제3 센서를 더 포함하는, 전기화학 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제3 센서에 전기로 연결 가능하고, 상기 생성물 용액의 조건에 기초하여 상기 전기화학 전지에의 상기 수용액의 도입 속도를 조절하도록 구성된 조절장치를 더 포함하는, 전기화학 시스템.
  23. 제12항에 있어서, 상기 수용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함하는, 전기화학 시스템.
  24. 전기화학 전지의 조작을 용이하게 하는 방법으로서,
    전기화학 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 전기화학 시스템은,
    하우징 내에 배치된 입구, 출구, 애노드 및 캐소드를 갖는 하우징을 포함하는 전기화학 전지;
    전압 및 상기 전기화학 전지에서 생성된 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 중 적어도 하나를 측정하도록 구성하고 배열된 제1 센서로서, 상기 생성물은 차아염소산염인, 상기 제1 센서;
    액체 전해질의 유량, 용존 산소 농도, 용존 수소 농도, pH, ORP 및 온도로 이루어진 군으로부터 선택되는, 상기 전기화학 전지의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 액체 전해질의 조건을 측정하도록 구성하고 배열된 제2 센서로서, 상기 액체 전해질은 클로라이드 함유 수용액인, 상기 제2 센서; 및
    미리 결정된 범위의 밖인 전압, 상기 생성물 용액 중의 용존 수소의 농도 및 상기 액체 전해질의 조건 중 적어도 하나에 반응하여 전류가 펄스 파형으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 인가되게 하되, 전력이 0볼트 초과 1.6볼트 미만의 캐소드 전위에서 0초 초과 500초 미만의 펄스로 인가되도록 구성된, 상기 제1 센서 및 제2 센서 중 하나 이상에 전기로 연결 가능한 조절장치를 포함하는, 상기 전기화학 시스템을 제공하는 단계;
    상기 액체 전해질을 상기 전기화학 전지의 상기 입구에 연결하기 위한 명령을 제공하는 단계; 및
    상기 전기화학 전지의 상기 출구를 사용 지점에 연결하기 위한 명령을 제공하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지의 조작을 용이하게 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 시스템을 제공하는 단계는 전기염소화 전지를 포함하는 전기화학 시스템을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 액체 전해질을 전기화학 전지의 상기 입구에 연결하기 위한 명령을 제공하는 단계는 클로라이드 함유 수용액을 상기 전기화학 전지의 상기 입구에 연결하기 위한 명령을 제공하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지의 조작을 용이하게 하는 방법.
KR1020197026414A 2017-03-06 2018-03-06 전기화학 차아염소산염 생성 동안 수소 감소에 대한 지속 가능한 레독스 물질 공급에 대한 펄스 전력 공급 KR102578933B1 (ko)

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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3053495A1 (en) * 2017-03-06 2018-09-13 Evoqua Water Technologies Llc Pulsed power supply for sustainable redox agent supply for hydrogen abatement during electrochemical hypochlorite generation
IT201800006544A1 (it) * 2018-06-21 2019-12-21 Anodo per evoluzione elettrolitica di cloro
WO2020075202A1 (en) * 2018-10-09 2020-04-16 Atmonia Ehf. Electrochemical reactions with cyclic varied potential
DE102018009448A1 (de) * 2018-12-04 2020-06-04 Heinz Günther Römer Eintauch-Elektrolysezelle
US11491443B2 (en) * 2019-04-04 2022-11-08 Hamilton Sundstrand Corporation Process water gas management of electrochemical inert gas generating system
WO2020220130A1 (en) 2019-04-29 2020-11-05 Spa Logic, Inc. Water sanitation system and method
AU2020287598A1 (en) * 2019-06-03 2021-12-16 Garwood Medical Devices, Llc Autonomous hydrogen evolution reaction threshold detection method and device
JP2021046568A (ja) * 2019-09-17 2021-03-25 富士電機株式会社 過酸化水素生成装置
KR20210036724A (ko) * 2019-09-26 2021-04-05 주식회사 엘지화학 전기분해용 전극
CN111778514A (zh) * 2019-11-18 2020-10-16 山东新日电气设备有限公司 一种智能调节电流密度的次氯酸钠制备系统
CN111411367A (zh) * 2020-04-13 2020-07-14 深圳安吉尔饮水产业集团有限公司 自适应活氧浓度发生装置
WO2021211743A1 (en) * 2020-04-15 2021-10-21 Synexis Llc Alternating current electrocatalytic dry hydrogen peroxide generating devices and methods of use thereof
CN111960510B (zh) * 2020-07-29 2022-06-21 上海电力大学 一种电池极片固定装置及其使用方法
CN111876791A (zh) * 2020-08-04 2020-11-03 湖南匡楚科技有限公司 一种制备次氯酸水的控制方法
US20240076790A1 (en) * 2021-01-11 2024-03-07 Totalenergies Onetech Self-cleaning co2 reduction system and related methods
JP7257467B2 (ja) * 2021-08-27 2023-04-13 本田技研工業株式会社 水電解システム及び水電解システムの制御方法
CN113984855B (zh) * 2021-10-22 2024-01-23 福建福清核电有限公司 一种放射性废气中目标气体浓度测量方法及装置
CN114401591B (zh) * 2022-01-10 2023-06-02 奥特斯科技(重庆)有限公司 用于部件承载件制造、系统和方法中的含金属流体的再生器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005230707A (ja) * 2004-02-20 2005-09-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 電気化学反応方法及び該装置
US20150266753A1 (en) 2007-06-04 2015-09-24 Global Water Holdings, Llc Aqueous treatment apparatus utilizing precursor materials and ultrasonics to generate customized oxidation-reduction-reactant chemistry environments in electrochemical cells and/or similar devices

Family Cites Families (75)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5146599A (ja) * 1974-10-21 1976-04-21 Maruzen Oil Co Ltd Kakumakudenkaiho
US4101394A (en) 1975-05-09 1978-07-18 Ppg Industries, Inc. Electrolytic method
US4118307A (en) * 1977-02-14 1978-10-03 Diamond Shamrock Corporation Batch sodium hypochlorite generator
GB2048944A (en) * 1979-04-30 1980-12-17 Spirig Ernst Electrolysis apparatus
IT1155444B (it) * 1982-12-23 1987-01-28 Zanussi A Spa Industrie Dispositivo e procedimento elettrolitico per la produzione di acqua di cloro
US4532018A (en) * 1983-09-06 1985-07-30 Olin Corporation Chlor-alkali cell control system based on mass flow analysis
NL8501104A (nl) * 1985-04-15 1986-11-03 Tno Werkwijze voor het elektrolytisch bereiden van hypochloriet in stromend zouthoudend water, alsmede een voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze geschikte inrichting.
US6638413B1 (en) 1989-10-10 2003-10-28 Lectro Press, Inc. Methods and apparatus for electrolysis of water
US5288373A (en) 1990-03-15 1994-02-22 Xinyu Yang Process of removing cyanide from waste water
CA2057826C (en) * 1991-01-03 1998-09-01 Donald W. Dubois Method of operating chlor-alkali cells
EP0569596A4 (en) * 1991-11-22 1993-12-22 Techno Excel Kabushiki Kaisha Apparatus for generating electrolytic water
US5324398A (en) * 1992-06-19 1994-06-28 Water Regeneration Systems, Inc. Capacitive discharge control circuit for use with electrolytic fluid treatment systems
AUPM498394A0 (en) * 1994-04-12 1994-05-05 Berrett Pty Ltd Electrolytic water treatment
JP3344828B2 (ja) * 1994-06-06 2002-11-18 ペルメレック電極株式会社 塩水の電解方法
JP3677330B2 (ja) * 1995-10-23 2005-07-27 ホシザキ電機株式会社 食塩水の電解方法
US5616234A (en) * 1995-10-31 1997-04-01 Pepcon Systems, Inc. Method for producing chlorine or hypochlorite product
US5965004A (en) * 1996-03-13 1999-10-12 Sterling Pulp Chemicals, Ltd. Chlorine dioxide generation for water treatment
JP3729432B2 (ja) * 1996-08-29 2005-12-21 クロリンエンジニアズ株式会社 次亜塩素酸塩の製造装置
JPH10140384A (ja) * 1996-09-15 1998-05-26 Yoshiya Okazaki 電解による強アルカリ水と次亜塩素酸殺菌水の同時生成装置
JPH11229168A (ja) * 1998-02-17 1999-08-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 過酸化水素発生装置
TW477833B (en) * 1998-02-27 2002-03-01 Amano Corp Apparatus for producing electrolytic water
AU3991699A (en) * 1998-05-14 1999-11-29 Upscale Water Technologies, Inc. Electrodes for electrolytic removal of nitrates from water, methods of making same, and apparatus incorporating said electrodes
JP2002219464A (ja) * 2001-01-30 2002-08-06 Nec Corp 電解処理方法および処理装置
US20020139689A1 (en) * 2001-02-01 2002-10-03 Vadim Zolotarsky Electrode coating and method of use in a reverse polarity electrolytic cell
JP2002285369A (ja) * 2001-03-23 2002-10-03 Permelec Electrode Ltd 過酸化水素水及び次亜ハロゲン化物の製造用電解槽及び方法
JP3906088B2 (ja) * 2002-02-04 2007-04-18 三洋電機株式会社 水処理装置
US7413637B2 (en) * 2002-05-17 2008-08-19 The Procter And Gamble Company Self-contained, self-powered electrolytic devices for improved performance in automatic dishwashing
JP2005081169A (ja) * 2003-09-04 2005-03-31 Sanyo Electric Co Ltd 水処理装置
JP4399221B2 (ja) 2003-09-24 2010-01-13 シンワ工業株式会社 水素水給水装置
WO2006002406A2 (en) * 2004-06-23 2006-01-05 Del Industries, Inc. Water treatment apparatus utilizing ozonation and electrolytic chlorination
US20100250449A1 (en) * 2004-10-26 2010-09-30 Kevin Doyle Inline chlorinator with integral control package, heat dissipation and warranty information accumulator
EP1819410B1 (en) * 2004-10-26 2019-03-13 Pentair Water Pool and Spa, Inc. Inline chlorinator with integral control package and heat dissipation
WO2006058369A1 (en) * 2004-12-01 2006-06-08 Poolrite Equipment Pty Ltd Reversible polarity electrode systems
KR100663256B1 (ko) * 2004-12-22 2007-01-03 주식회사 미즈이엔지 온사이드형 과산화수소 생성장치 및 공급장치
US7393440B2 (en) 2005-05-09 2008-07-01 National Research Council Of Canada Hydrogen generation system
US20070007146A1 (en) * 2005-07-07 2007-01-11 Severn Trent Water Purification, Inc. Process for producing hypochlorite
EP1966413B1 (en) * 2005-12-20 2017-06-21 Ceramatec, Inc. Electrolytic process to produce sodium hypochlorite using sodium ion conductive ceramic membranes
US7604720B2 (en) * 2006-04-29 2009-10-20 Electrolytic Technologies Corp. Process for the on-site production of chlorine and high strength sodium hypochlorite
US7754064B2 (en) * 2006-09-29 2010-07-13 Eltron Research & Development Methods and apparatus for the on-site production of hydrogen peroxide
JP5105406B2 (ja) * 2007-02-27 2012-12-26 学校法人同志社 逆電解用電極
WO2009011841A1 (en) * 2007-07-13 2009-01-22 Ceramatec, Inc. Cleansing agent generator and dispenser
CA2763550A1 (en) 2008-05-28 2009-12-23 Miox Corporation Reverse polarity cleaning and electronic flow control systems for low intervention electrolytic chemical generators
US20100044241A1 (en) * 2008-08-25 2010-02-25 Justin Pendleton Methods for Producing Sodium Hypochlorite with a Three-Compartment Apparatus Containing a Basic Anolyte
US20100078331A1 (en) * 2008-10-01 2010-04-01 Scherson Daniel A ELECTROLYTIC DEVICE FOR GENERATION OF pH-CONTROLLED HYPOHALOUS ACID AQUEOUS SOLUTIONS FOR DISINFECTANT APPLICATIONS
JP5361325B2 (ja) * 2008-10-17 2013-12-04 有限会社スプリング 溶存水素飲料水の製造装置及びその製造方法
JP2011089512A (ja) * 2009-10-20 2011-05-06 Elson Kk 内燃機関用燃焼改善システム及び内燃機関用燃焼改善方法
US8419948B2 (en) 2009-11-22 2013-04-16 United Laboratories International, Llc Wastewater treatment
US20110135562A1 (en) * 2009-11-23 2011-06-09 Terriss Consolidated Industries, Inc. Two stage process for electrochemically generating hypochlorous acid through closed loop, continuous batch processing of brine
DE102010010905A1 (de) * 2010-03-08 2011-09-08 FuMA-Tech Gesellschaft für funktionelle Membranen und Anlagentechnologie mbH Mehr-Kammer-Elektrolyse von wässrigen Salzlösungen unter Verwendung dreidimensionaler Elektroden
ITMI20101100A1 (it) * 2010-06-17 2011-12-18 Industrie De Nora Spa Sistema per la generazione elettrochimica di ipoclorito
WO2012019016A2 (en) * 2010-08-06 2012-02-09 Miox Corporation Electrolytic on-site generator
FR2965281B1 (fr) * 2010-09-27 2013-05-03 Pool Technologie Procede de gestion de la frequence d'inversion d'un reacteur electrochimique
US20120175267A1 (en) * 2011-01-10 2012-07-12 Sai Bhavaraju Control of ph kinetics in an electrolytic cell having an acid-intolerant alkali-conductive membrane
WO2012142435A2 (en) * 2011-04-15 2012-10-18 Advanced Diamond Technologies, Inc. Electrochemical system and method for on-site generation of oxidants at high current density
WO2012145645A1 (en) 2011-04-20 2012-10-26 Eau Technologies, Inc. Independent production of electrolyzed acidic water and electrolyzed basic water
WO2012166997A2 (en) * 2011-05-31 2012-12-06 Clean Chemistry, Llc Electrochemical reactor and process
CN102897874A (zh) 2011-07-29 2013-01-30 通用电气公司 制备杀菌剂的方法
US9028689B1 (en) * 2011-10-04 2015-05-12 Global Water Holdings, Llc Electric arc for aqueous fluid treatment
WO2013082811A1 (en) * 2011-12-09 2013-06-13 General Electric Company An apparatus and method for electrochemical production of oxidant related compounds
CA2863322A1 (en) * 2012-01-30 2013-08-08 Hydronovation, Inc. Performance enhancement of electrochemical deionization devices by pre-treatment with cation exchange resins
ITMI20121048A1 (it) 2012-06-18 2013-12-19 Industrie De Nora Spa Cella elettrolitica dotata di coppie concentriche di elettrodi
CA2926075C (en) * 2012-10-05 2023-02-14 Geofrey SHOWALTER Transformerless on-site generation
US9163319B2 (en) * 2012-11-02 2015-10-20 Tennant Company Three electrode electrolytic cell and method for making hypochlorous acid
US9815714B2 (en) * 2012-12-11 2017-11-14 Slate Group, Llc Process for generating oxygenated water
US9944543B2 (en) 2013-06-10 2018-04-17 Morinaga Milk Industry Co., Ltd. Power control device and control method for power control device
US9222182B2 (en) * 2013-06-14 2015-12-29 Simple Science Limited Electrochemical activation device
JP6487217B2 (ja) * 2014-02-06 2019-03-20 有限会社ターナープロセス 遊離塩素濃度を制御する方法および装置、ならびにそれらを用いた殺菌方法および殺菌装置
US10633749B2 (en) 2014-07-23 2020-04-28 Board Of Trustees Of Michigan State University Electrolyzer reactor and related methods
EP3292582B8 (en) 2015-02-17 2022-05-18 Evoqua Water Technologies LLC Reduced volume electrochlorination cells
EP3350130A4 (en) 2015-09-18 2019-03-13 Evoqua Water Technologies LLC IN-SITU DISTRIBUTION SYSTEMS FOR REDUCING REACTION PRODUCT IN ELECTROCHEMICAL CELLS
IL250182B (en) * 2016-01-18 2020-10-29 Magen Eco Energy A C S Ltd chlorinator
TWM535715U (zh) * 2016-04-27 2017-01-21 Liu Te-Hui 一種用於電解槽的擾流產生裝置以及使用該擾流產生裝置的二氧化氯水溶液生產設備
MX2018013566A (es) 2016-05-06 2019-06-03 H2Enviro Llc Aparato electroquimico para producir desinfectante.
CA3053495A1 (en) * 2017-03-06 2018-09-13 Evoqua Water Technologies Llc Pulsed power supply for sustainable redox agent supply for hydrogen abatement during electrochemical hypochlorite generation
JP2021038720A (ja) * 2019-09-04 2021-03-11 日野自動車株式会社 排気浄化システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005230707A (ja) * 2004-02-20 2005-09-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 電気化学反応方法及び該装置
US20150266753A1 (en) 2007-06-04 2015-09-24 Global Water Holdings, Llc Aqueous treatment apparatus utilizing precursor materials and ultrasonics to generate customized oxidation-reduction-reactant chemistry environments in electrochemical cells and/or similar devices

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