KR102652496B1 - 고강도 생성물 용액을 생성하기 위한 전기염소화 시스템 구성 - Google Patents

고강도 생성물 용액을 생성하기 위한 전기염소화 시스템 구성 Download PDF

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KR102652496B1
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조슈아 그리피스
사이먼 피. 듀크스
폴 베도즈
피터 지. 로저스
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에보쿠아 워터 테크놀로지스 엘엘씨
에보쿠아 워터 테크놀로지스 리미티드
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Abstract

전기염소화 시스템은 공급 유체 공급원, 생성물 유체 출구, 및 상기 공급 유체 공급원과 상기 생성물 유체 출구 사이에 유체 흐름 가능하게 연결된 복수의 전기화학 셀을 포함한다. 상기 시스템은 제1 전류 밀도 또는 제1 흐름률 중 하나에서 상기 복수의 전기화학 셀 중 적어도 하나의 셀을 동작시키고, 각각의 제1 전류 밀도 또는 제1 흐름률과 상이한 제2 전류 밀도 또는 제2 흐름률에서 상기 복수의 전기화학 셀 중 다른 셀을 동작시키도록 구성된다.

Description

고강도 생성물 용액을 생성하기 위한 전기염소화 시스템 구성
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 번호 62/633,790(발명의 명칭: "CTE SYSTEM CONFIGURATIONS FOR THE GENERATION OF HIGHER PRODUCT STRENGTH SOLUTIONS", 출원일: 2018년 2월 22일)의 35 U.S.C.§119(e) 하의 우선권을 주장하고, 이 기초출원은 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 원용된다.
기술 분야
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 일반적으로 전기화학 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 전기염소화 셀 및 장치 및 이를 이용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전극에서 화학 반응에 의해 공급 스트림으로부터 생성물 용액을 생산하는 데 사용되는 전기화학 장치는 산업 및 도시 구현예에서 널리 사용된다. 반응의 예는 다음을 포함한다:
A. 염화나트륨과 물로부터 차아염소산 나트륨을 생성하는 전기염소화.
애노드에서의 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e-
캐소드에서의 반응: 2Na+ + 2H2O + 2e- → 2NaOH + H2
용액에서: Cl2 + 2OH- → ClO- + Cl- + H2O
전체 반응: NaCl + H2O → NaOCl + H2
E0 ox = -1.36V(염소 생성)
E0 red = -0.83V(수소 생성)
E0 셀 = -2.19V
B. 애노드와 캐소드를 분리하는 양이온 교환 막을 사용하여 염화나트륨과 물로부터 수산화나트륨과 염소의 생성:
애노드에서의 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e-
캐소드에서의 반응: 2H2O + 2e- → 2OH- + H2
전체 반응: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2
C. 전극들을 분리하는 양성자 투과 막을 사용하여 에너지를 저장하는 바나듐 산화 환원 배터리:
충전 동안:
제1 전극에서의 반응: V3+ + e- → V2+
제2 전극에서의 반응: V4+ → V5+ + e-
방전 동안:
제1 전극에서의 반응: V2+ → V3+ + e-
제2 전극에서의 반응: V5+ + e- → V4+
일부 구현예에서, 전기염소화 장치는 해수에 존재하는 염화나트륨으로부터 차아염소산 나트륨을 생성하는 데 사용될 수 있다. 해수에 용해된 다양한 고형물의 농도는 위치에 따라 다를 수 있지만 해수의 하나의 예는 다음 성분을 포함할 수 있다:
일반적인 해수 성분 및 농도
일반 이름 기호 mg/l(ppm)
염소 Cl 19,350
나트륨 Na 10,750
황산염 SO4 2,700
마그네슘 Mg 1,290
칼슘 Ca 410
칼륨 K 380
중탄산염 HCO3 140
브롬화물 Br 65
스트론튬 Sr 13
알루미늄 Al 1.9
실리콘 Si 1.1
불화물 F .8
질산염 NO3 .8
붕소 B .4
바륨 Ba .2
철 Fe .1
망간 Mn .1
구리 Cu .1
리튬 Li .1
인 P .06
요오드 I .04
은 Ag .02
비소 As <.01
아질산염 NO2 <.01
아연 Zn <.01
합계: 35,000
(H 및 O 제외)
본 발명의 일 양태에 따르면, 전기화학 셀(electrochemical cell)이 제공된다. 전기화학 셀은 입구, 출구 및 중심 축을 갖는 하우징, 및 상기 중심 축을 중심으로 상기 하우징 내에 실질적으로 동심으로 배치된 애노드-캐소드 쌍을 포함하고, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이에 활성 영역을 형성하고, 상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 것의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖고, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 활성 영역을 통해 축 방향으로 전기화학 셀을 통과하도록 모든 유체를 지향시키도록 구성되고 배열된다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 적어도 약 2㎜-1의 전체 전극 패킹 밀도를 갖는다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은, 전기화학 셀 내에 배치되고 중심축을 따라 전기화학 셀의 일부를 통한 유체의 흐름을 차단하도록 구성된 중심 코어 요소를 더 포함하고, 중심 코어 요소는 애노드-캐소드 쌍의 적어도 하나의 전극에 연결되지 않는다.
일부 실시형태에서, 애노드-캐소드 쌍은 중심 축을 중심으로 나선형으로 감겨진다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 하나 이상의 나선형으로 감긴 바이폴라 전극을 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 애노드는 전기화학 셀의 길이를 따라 캐소드로부터 측 방향으로 변위된다.
일부 실시형태에서, 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 강성 전극이다. 애노드와 캐소드는 각각 티타늄 플레이트를 포함할 수 있고, 애노드의 표면은 백금과 혼합 금속 산화물로 구성된 군에서 선택된 내산화성 코팅으로 코팅될 수 있다. 애노드와 캐소드는 각각 티타늄, 니켈 및 알루미늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 애노드의 표면은 백금, 혼합 금속 산화물, 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 금 및 은으로 구성된 그룹에서 선택된 내산화성 코팅으로 코팅될 수 있다. 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 유체 투과성일 수 있고/있거나 천공된 티타늄 플레이트를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 갭 거리를 유지하도록 구성된 분리기를 더 포함하고, 분리기는 활성 영역을 통한 전해질 용액의 흐름을 위해 개방된다. 분리기는 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 것의 에지(edge)와 맞물리는 슬롯(slot)을 갖는 스포크(spoke)를 갖는 허브(hub)를 포함할 수 있다. 허브는 애노드와 캐소드 중 하나의 것을 전류원에 전기적으로 연결하도록 구성된 전기 커넥터를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 중 하나와 전기적으로 접촉하는 스포크를 포함하는 허브를 더 포함한다. 스포크는, 애노드와 캐소드 중 하나의 것의 에지와 맞물리고 나선형으로 감긴 애노드-캐소드 쌍의 선회부(turn)들 간의 갭을 유지하는 슬롯을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 중심 코어 요소는 애노드-캐소드 쌍의 최내측 권선 내에 배치된 비-전도성 코어를 포함한다.
일부 실시형태에서, 애노드-캐소드 쌍은 복수의 동심 전극 튜브, 및 인접한 전극 튜브들 사이에 형성된 갭을 포함한다. 복수의 동심 전극 튜브는 복수의 애노드 전극 튜브와 복수의 캐소드 전극 튜브 중 하나를 포함할 수 있다. 복수의 애노드 전극 튜브와 복수의 캐소드 전극 튜브 중 하나는 강성 전극일 수 있다.
일부 실시형태에서, 복수의 동심 튜브 전극은 복수의 애노드 전극 튜브와 복수의 캐소드 전극 튜브를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 전류(DC 및/또는 AC)가 애노드 전극 튜브로부터 전해질 용액을 통해 캐소드 전극 튜브로 한번 통과하여 흐를 수 있도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 애노드 전극 튜브와 캐소드 전극 튜브 사이에 배치된 바이폴라 전극 튜브를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 애노드 전극 튜브는 애노드 전극 튜브와 동일한 직경을 갖는 캐소드 전극 튜브로부터 전기화학 셀의 길이를 따라 측 방향으로 변위된다. 전기화학 셀은 애노드 절반과 캐소드 절반을 포함하는 전극 튜브를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 각각 동심으로 배열된 인접한 쌍의 애노드 전극 튜브와 캐소드 전극 튜브 사이에 배치된 복수의 바이폴라 전극 튜브를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 복수의 애노드 전극 튜브와 복수의 캐소드 전극 튜브 중 적어도 하나는 천공되고 및/또는 유체 투과성이다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 인접한 전극 튜브들 사이에 위치된 적어도 하나의 분리기를 더 포함하고, 적어도 하나의 분리기는 인접한 전극 튜브들 사이의 갭을 형성하고 유지하도록 구성된다. 분리기는 인접한 전극 튜브들 사이에 형성된 갭을 통해 전해질 용액이 흐르도록 개방될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 복수의 동심 전극 튜브의 에지에 전기적으로 결합된 스포크를 포함하는 금속 허브를 더 포함한다. 각각의 스포크는 복수의 동심 전극 튜브의 에지와 맞물리는 슬롯을 포함할 수 있으며, 복수의 동심 전극 튜브에서 인접한 전극 튜브들 사이에 갭을 유지할 수 있다.
일부 실시형태에서, 중심 코어 요소는 전기화학 셀의 최내측 동심 튜브 전극의 단부 내에 배치된 단부 캡을 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 장방형 단면을 갖는다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 중 하나와 전기적으로 연통하는 전기 커넥터를 더 포함하고, 전기 커넥터는 전해질 용액에 의한 화학적 공격에 대해 상이한 정도의 저항성을 갖는 적어도 2개의 재료를 포함한다. 적어도 2개의 재료는 제1 재료 및 제2 재료를 포함할 수 있고, 전기 커넥터는 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체를 포함할 수 있다. 유체 투과성 몸체는 복수의 구멍을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 하나 이상의 기계적 체결구를 사용하여 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체에 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 몸체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 압축 끼워 맞춤을 사용하여 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체에 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 몸체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체의 에지에 형성된 나사산을 사용하여 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체에 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 몸체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 제2 재료로 형성된 몸체의 원통형 부분에 형성된 나사산을 사용하여 제1 재료로 형성된 유체 투과성 몸체에 결합된 제2 재료로 형성된 몸체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 셀은 제1 재료로 형성된 몸체에 용접된 제2 재료로 형성된 몸체를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 전기화학 셀을 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 전기화학 셀은 입구, 출구, 및 중심축을 갖는 하우징, 및 상기 중심축을 중심으로 상기 하우징 내에 실질적으로 동심으로 배치된 애노드-캐소드 쌍을 포함하고, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이에 활성 영역을 형성하고, 상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 것의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖고, 상기 애노드-캐소드 쌍은 활성 영역을 통해 축 방향으로 전기화학 셀을 통과하도록 모든 유체를 지향시키도록 구성되고 배열된다. 시스템은 전기화학 셀과 유체 연통하는 전해질 공급원을 더 포함한다. 전기화학 셀은 전해질 공급원으로부터 전해질로부터 하나 이상의 반응 생성물을 생성하고 하나 이상의 반응 생성물을 출력하도록 구성된다. 시스템은 전기화학 셀에 의해 출력되는 하나 이상의 반응 생성물에 대한 사용 지점을 더 포함한다. 하나 이상의 반응 생성물은 소독제를 포함할 수 있다. 소독제는 차아염소산 나트륨을 포함하거나 본질적으로 이로 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전해질 공급원은 염수와 해수 중 하나를 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 선박과 석유 플랫폼 중 하나에 포함된다.
일부 실시형태에서, 사용 지점은 냉각수 시스템과 밸러스트 탱크 중 하나를 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 지상 기반 석유 시추 시스템에 포함되며, 여기서 사용 지점은 석유 시추 시스템의 다운홀(downhole)이다.
또 다른 양태에 따르면, 전기화학 셀이 제공된다. 전기화학 셀은 하우징에 배치된 캐소드 및 애노드를 포함하고, 상기 캐소드와 애노드 사이에는 갭이 형성되고, 캐소드와 애노드 각각은 아치형 부분을 포함하고, 애노드의 활성 표면적은 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 크고, 캐소드의 활성 표면적은 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 크며, 캐소드와 애노드는 갭을 통해 축 방향으로 전기화학 셀을 통과하도록 모든 유체를 지향시키도록 구성되고 배열된다.
일부 실시형태에서, 애노드는 아치형 베이스로부터 연장되는 복수의 플레이트를 포함하고, 캐소드는 아치형 베이스로부터 연장되는 복수의 플레이트를 포함하고, 애노드의 복수의 플레이트는 캐소드의 복수의 플레이트와 인터리브(interleaved)된다.
또 다른 양태에 따르면, 전기화학 셀이 제공된다. 전기화학 셀은 하우징에 배치된 캐소드 및 애노드를 포함하고, 상기 캐소드와 애노드 사이에는 갭이 형성되고, 캐소드와 애노드 각각은 하우징의 내부 표면의 각 부분에 순응하는 부분을 포함하고, 애노드의 활성 표면적은 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 크고, 캐소드의 활성 표면적은 하우징의 내부 표면의 표면적보다 더 크며, 캐소드와 애노드는 갭을 통해 축 방향으로 전기화학 셀을 통과하도록 모든 유체를 지향시키도록 구성되고 배열된다. 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 주름진 부분을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 동심 튜브 전극(concentric tube electrode: CTE) 셀 시스템에서 CTE 셀을 통한 흐름 속도 및 CTE 셀의 전극에 적용되는 전류 밀도를 변화시킴으로써, 스케일 형성을 유발하는 요인을 줄여 생성물 강도가 더 높은 새로운 시스템을 구축할 수 있다.
일 양태에 따르면, 전기염소화 시스템이 제공된다. 시스템은 공급 유체 공급원, 생성물 유체 출구, 및 공급 유체 공급원과 생성물 유체 출구 사이에 유체 흐름 가능하게 연결된 복수의 전기화학 셀을 포함한다. 시스템은 제1 전류 밀도 또는 제1 흐름률 중 하나에서 복수의 전기화학 셀 중 적어도 하나를 동작시키고, 각각의 제1 전류 밀도 또는 제1 흐름률과 상이한 제2 전류 밀도 또는 제2 흐름률에서 복수의 전기화학 셀 중 다른 셀을 동작시키도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 복수의 전기화학 셀은 유체 흐름 가능하게 직렬로 연결된 직렬 전기화학 셀이다.
일부 실시형태에서, 복수의 전기화학 셀은 유체 흐름 가능하게 병렬로 연결된 병렬 전기화학 셀이다.
일부 실시형태에서, 복수의 전기화학 셀은 유체 흐름 가능하게 병렬로 연결된 하나 이상의 병렬 전기화학 셀과 유체 흐름 가능하게 직렬로 연결된 하나 이상의 직렬 전기화학 셀을 포함한다.
일부 실시형태에서, 복수의 전기화학 셀은 전기적으로 직렬로 연결된다.
일부 실시형태에서, 복수의 전기화학 셀은 전기적으로 병렬로 연결된다.
일부 실시형태에서, 복수의 전기화학 셀은 전기적으로 병렬로 연결된 하나 이상의 전기화학 셀과 전기적으로 직렬로 연결된 하나 이상의 전기화학 셀을 포함한다.
일부 실시형태에서, 복수의 전기화학 셀은 복수의 전기화학 셀 중 다른 셀과 전기적으로 독립적인 하나 이상의 전기화학 셀을 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제1 전류 밀도에서 제2 전기화학 셀의 유체 흐름 가능하게 상류의 제1 전기화학 셀을 동작시키고, 제2 전류 밀도에서 제2 전기화학 셀을 동작시키도록 구성된 제어기를 더 포함하고, 제1 전류 밀도는 제2 전류 밀도보다 더 높다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제1 전기화학 셀과 제2 전기화학 셀 사이에 유체 흐름 가능하게 배치된 제3 전기화학 셀을 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 제어기는 제1 전류 밀도보다 더 낮고 제2 전류 밀도보다 더 높은 제3 전류 밀도에서 제3 전기화학 셀을 동작시키도록 추가로 구성된다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제2 전기화학 셀의 유체 흐름 가능하게 하류에 배치된 제4 전기화학 셀을 더 포함하고, 제어기는 제2 전류 밀도에서 제4 전기화학 셀을 동작시키도록 추가로 구성된다.
일부 실시형태에서, 시스템은 펌프를 더 포함하고, 제어기는 펌프가 공급 유체 공급원으로부터 제1, 제2, 제3 및 제4 전기화학 셀 각각을 통해 제1 흐름률에서 유체를 흐르게 하도록 추가로 구성된다.
일부 실시형태에서, 복수의 전기화학 셀은 유체 흐름 가능하게 직렬로 연결된 복수의 직렬 전기화학 셀과 공급 유체 공급원 사이에 유체 흐름 가능하게 병렬로 연결된 제1 그룹의 병렬 전기화학 셀을 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제1 흐름률에서 병렬 전기화학 셀의 그룹의 각 전기화학 셀을 동작시키고, 제2 흐름률에서 복수의 직렬 전기화학 셀의 각 전기화학 셀을 동작시키도록 구성된 제어기를 더 포함하고, 제1 흐름률은 제2 흐름률보다 더 작다.
일부 실시형태에서, 병렬 전기화학 셀의 그룹의 각 전기화학 셀로부터의 유체 출구 도관들은 복수의 직렬 전기화학 셀의 단일 유체 입력 도관으로 결합된다.
일부 실시형태에서, 제어기는 제1 전류 밀도에서 병렬 전기화학 셀의 그룹의 각 전기화학 셀 및 복수의 직렬 전기화학 셀의 각 전기화학 셀을 동작시키도록 추가로 구성된다.
일부 실시형태에서, 제어기는 제1 전류 밀도에서 병렬 전기화학 셀의 그룹의 각 전기화학 셀을 동작시키고, 제2 전류 밀도에서 복수의 직렬 전기화학 셀의 각 전기화학 셀을 동작시키도록 추가로 구성된다.
일부 실시형태에서, 제1 전류 밀도는 제2 전류 밀도보다 더 크다.
일부 실시형태에서, 시스템은 복수의 전기화학 셀의 유체 출구에 유체 흐름 가능하게 연결된 생성물 탱크를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 생성물 탱크의 유체 출구에 연결된 유체 입구, 및 생성물 탱크의 유체 입구에 연결된 유체 출구를 갖는 병렬 전기화학 셀을 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제1 전류 밀도 및 제2 전류 밀도와 상이한 제3 전류 밀도에서 병렬 전기화학 셀을 동작시키도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제1 흐름률 및 제2 흐름률과 상이한 제3 흐름률에서 병렬 전기화학 셀을 동작시키도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제1 전류 밀도 또는 제2 전류 밀도 중 하나에서 병렬 전기화학 셀을 동작시키도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제1 흐름률 또는 제2 흐름률 중 하나에서 병렬 전기화학 셀을 동작시키도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 전기염소화 시스템이 제공된다. 시스템은 공급 유체 공급원, 생성물 유체 출구, 공급 유체 공급원의 유체 출구에 유체 흐름 가능하게 병렬로 연결된 한 쌍의 병렬 전기화학 셀, 한 쌍의 병렬 전기화학 셀과 생성물 유체 출구 사이에 유체 흐름 가능하게 직렬로 연결된 직렬 전기화학 셀, 및 제1 전류 밀도 또는 제1 흐름률 중 하나에서 한 쌍의 병렬 전기화학 셀을 동작시키고, 제1 전류 밀도 또는 제1 흐름률과 상이한 제2 전류 밀도 또는 제2 흐름률에서 직렬 전기화학 셀을 동작시키도록 구성된 제어기를 포함한다.
일부 실시형태에서, 제어기는 동일한 전류 밀도에서 한 쌍의 병렬 전기화학 셀 및 직렬 전기화학 셀의 각 전기화학 셀을 동작시키도록 구성된다.
또 다른 양태에 따르면, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다. 방법은 시스템의 제1 전기화학 셀 및 제2 전기화학 셀을 통해 공급 유체를 흐르게 하는 단계를 포함하고, 제2 전기화학 셀은 제1 셀의 각각의 전류 밀도 또는 흐름 속도와 상이한 전류 밀도 또는 상이한 흐름 속도 중 하나에서 동작된다.
일부 실시형태에서, 방법은 제1 전기화학 셀 및 제2 전기화학 셀을 통해 공급 유체를 직렬로 흐르게 하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제1 전기화학 셀을 통해 및 제2 전기화학 셀을 통해 공급 유체를 병렬로 흐르게 하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제1 및 제2 전기화학 셀과 직렬로 제3 전기화학 셀을 통해 공급 유체를 흐르게 하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제1 및 제2 전기화학 셀 모두로부터 제3 전기화학 셀로 공급 유체를 흐르게 하거나 또는 제3 전기화학 셀로부터 제1 및 제2 전기화학 셀 모두로 공급 유체를 흐르게 하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 제3 전기화학 셀을 통한 공급 유체의 흐름 속도는 제1 및 제2 전기화학 셀을 통한 공급 유체의 흐름 속도의 합이다.
일부 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3 전기화학 셀 각각은 동일한 전류 밀도에서 동작된다.
일부 실시형태에서, 방법은 동일한 흐름 속도에서 제1 및 제2 전기화학 셀을 통해 공급 유체를 흐르게 하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제2 전기화학 셀보다 더 높은 전류 밀도에서 제1 전기화학 셀을 동작시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제1 전기화학 셀을 통한 공급 유체의 흐름 속도보다 더 높은 흐름 속도에서 제2 전기화학 셀을 통해 공급 유체를 흐르게 하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제2 전기화학 셀의 출구로부터 제2 전기화학 셀의 입구로 공급 유체를 재순환시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제2 전기화학 셀보다 더 높은 전류 밀도에서 제1 전기화학 셀을 동작시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제2 전기화학 셀의 출구로부터 제1 전기화학 셀의 입구로 공급 유체를 재순환시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제2 전기화학 셀보다 더 높은 전류 밀도에서 제1 전기화학 셀을 동작시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 생성물 탱크로부터 제1 전기화학 셀로, 제1 전기화학 셀로부터 제2 전기화학 셀을 통해, 그리고 제2 전기화학 셀로부터 다시 생성물 탱크로 공급 유체를 흐르게 하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제2 전기화학 셀보다 더 높은 전류 밀도에서 제1 전기화학 셀을 동작시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제1 전기화학 셀로부터 생성물 탱크로 공급 유체를 흐르게 하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 생성물 탱크로부터 제2 전기화학 셀을 통해 그리고 다시 생성물 탱크로 공급 유체를 재순환시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 제2 전기화학 셀보다 더 높은 전류 밀도에서 제1 전기화학 셀을 동작시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 전기염소화 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다. 방법은 하나 이상의 전기화학 셀을 포함하는 전해조를 통해 공급 유체를 제1 흐름률에서 흐르게 하여 생성물 용액을 생성하는 단계, 제1 흐름률에서 동작하는 전해조로부터 생성물 탱크로 생성물 용액을 흐르게 하는 단계, 제1 흐름률보다 더 높은 제2 흐름률에서 생성물 탱크로부터 전해조를 통해 그리고 다시 생성물 탱크로 생성물 용액을 재순환시키는 단계, 및 제2 흐름률보다 더 높은 제3 흐름률에서 생성물 탱크로부터 전기염소화 시스템의 출구를 통해 사용 지점으로 생성물 용액을 흐르게 하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 개시된 방법의 실시형태는 공급 유체로부터 적어도 3000ppm의 NaOCl 농도를 갖는 생성물 용액을 전기화학적으로 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법의 실시형태는 공급 유체로부터 적어도 6000 ppm의 NaOCl 농도를 갖는 생성물 용액을 전기화학적으로 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
첨부된 도면은 일정한 축척에 따라 그려진 것이 아니다. 도면에서, 다양한 도면에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호로 표시된다. 명확함을 위해 모든 도면에서 모든 구성 요소에 참조 부호가 표시된 것은 아니다.
도 1a는 동심 튜브 전해조 셀의 일 실시형태의 사시도;
도 1b는 도 1a의 동심 튜브 전해조 셀의 측면도;
도 1c는 도 1a의 동심 튜브 전해조 셀의 단면도;
도 2a는 다중-튜브 동심 튜브 전해조 셀의 일 실시형태의 사시도;
도 2b는 도 2a의 동심 튜브 전해조 셀의 측면도;
도 2c는 도 2a의 동심 튜브 전해조 셀의 단면도;
도 3은 20-셀 전해조 시스템의 다양한 설계 파라미터를 나열한 표를 예시하는 도면;
도 4는 전해조 시스템의 셀들 사이의 유체 연결 방식의 상이한 배열 예를 예시하는 도면;
도 5는 전해조 시스템의 셀들 사이의 전기적 연결 방식의 상이한 배열 예를 예시하는 도면;
도 6은 전해조 시스템의 셀들 사이의 상이한 배열 재순환 라인의 예를 예시하는 도면;
도 7은 생성물 탱크로부터 전해조 시스템의 전기화학 셀을 통한 유체의 재순환을 예시하는 도면;
도 8은 일회성(once-through) 전해조 시스템의 예를 도시하는 도면;
도 9는 공급 및 배출(feed-and-bleed) 전해조 시스템의 예를 도시하는 도면;
도 10은 직렬로 연결된 복수의 CTE 셀을 포함하는 일회성 전해조 시스템의 예를 도시하는 도면;
도 11은 직렬로 연결된 복수의 CTE 셀을 포함하는 일회성 전해조 시스템의 다른 예를 도시하는 도면;
도 12는 병렬로 동작되는 제1 복수의 CTE 셀 및 직렬로 동작되는 제2 복수의 CTE 셀을 포함하는 일회성 전해조 시스템의 예를 도시하는 도면;
도 13은 직렬로 연결된 복수의 CTE 셀을 포함하는 일회성 전해조 시스템의 다른 예를 도시하는 도면;
도 14는 직렬로 동작되는 제1 복수의 CTE 셀 및 생성물 탱크로부터 공급 및 배출 라인에 배치된 병렬 CTE 셀을 포함하는 전해조 시스템의 예를 도시하는 도면;
도 15a는 공급 및 배출 전해조 시스템의 다른 예를 도시하는 도면;
도 15b는 도 15a의 시스템의 동작 파라미터의 표를 도시하는 도면;
도 16은 본 명세서에 개시된 전기화학 셀 및 시스템의 실시형태를 위한 제어 시스템을 예시하는 도면; 및
도 17은 도 16의 제어 시스템을 위한 메모리 시스템을 도시하는 도면.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 이하의 설명에서 제시되거나 도면에 도시된 구성 요소의 구성 및 배열의 세부 사항으로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니다. 본 명세서에서 "구비하는", "포함하는", "갖는", "함유하는", "수반하는" 및 이들의 변형어를 사용하는 것은 이후에 나열된 항목 및 그 등가물 및 추가 항목을 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서는 전기염소화 셀 및 전기염소화 장치를 포함하는 시스템의 다양한 실시형태를 설명하지만, 본 명세서는 전기염소화 셀 또는 장치를 포함하는 시스템으로 제한되지 않으며, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 다수의 목적 중 임의의 목적에 사용되는 전해 및 전기화학 셀을 포함하는 시스템에도 적용 가능하다.
현재 상업적으로 이용 가능한 전기염소화 셀은 일반적으로 2개의 전극 배열, 즉 동심 튜브(CTE)와 병렬 플레이트(PPE) 중 하나에 기초한다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 일반적으로 차아염소산 나트륨과 같은 소독제를 생성하기 위한 전기화학 장치를 포함하는 시스템에 관한 것이다. "전기화학 장치" 및 "전기화학 셀"이라는 용어 및 이의 문법적 변형어는 "전기염소화 장치" 및 "전기염소화 셀" 및 이의 문법적 변형어를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 전기화학 셀의 양태 및 실시형태는 하나 이상의 전극을 포함하는 것으로 설명된다.
본 명세서에 개시된 시스템에 포함된 전기화학 셀의 실시형태는 금속 전극, 예를 들어, 하나 이상의 애노드, 하나 이상의 캐소드 및/또는 하나 이상의 바이폴라 전극을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "금속 전극"이라는 용어 또는 그 문법적 변형어는 하나 이상의 금속, 예를 들어, 티타늄, 알루미늄 또는 니켈로 형성되거나, 이를 포함하거나, 이로 구성된 전극을 포함하는 것으로 이해되어야 하지만, "금속 전극"이라는 용어는 다른 금속 또는 합금으로 구성된 것을 포함하는 전극을 배제하는 것은 아니다. 일부 실시형태에서, "금속 전극"은 상이한 금속의 다수의 층을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 하나 이상의 실시형태에서 사용되는 금속 전극은 고전도성 금속의 코어를 포함할 수 있으며, 여기서 고전도성 금속은, 예를 들어, 전해질 용액에 의한 화학적 공격에 저항성이 높은 금속 또는 금속 산화물, 예를 들어, 티타늄, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 은, 금 또는 다른 코팅 재료 층으로 코팅된 구리 또는 알루미늄을 포함할 수 있다. "금속 전극"은, 예를 들어, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 은, 금 또는 다른 코팅 재료로 제한되지 않는 산화 방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 혼합 금속 산화물은 루테늄, 로듐, 탄탈륨(선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금된 것), 티타늄, 이리듐, 아연, 주석, 안티몬, 티타늄-니켈 합금, 티타늄-구리 합금, 티타늄-철 합금, 티타늄-코발트 합금 또는 다른 적절한 금속 또는 합금 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 사용되는 애노드는 이리듐, 루테늄, 주석, 로듐 또는 탄탈륨(선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금된 것) 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들 및/또는 백금으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 캐소드는 이리듐, 루테늄 및 티타늄 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들 및/또는 백금으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 전극은 티타늄, 탄탈륨, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐 및/또는 실리콘 중 하나 이상의 것의 베이스를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 시스템에서 임의의 전기화학 셀을 위한 전극은 플레이트, 시트, 포일, 압출 및/또는 소결로서 형성되거나 이로부터 형성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템에 포함된 전기화학 셀의 일부 양태 및 실시형태는 강성 전극을 포함하는 것으로 설명된다. 이 용어가 본 명세서에서 사용될 때, "강성" 물체는 정상 동작 온도 및/또는 상승된 온도에서 적용된 힘이 없는 상태에서 그 형상을 유지하는 물체이다. 이 용어가 본 명세서에 사용될 때 "강성 전극"은 스페이서를 요구함이 없이 본 명세서에 개시된 전기화학 셀 및 장치의 다양한 실시형태에서 인접한 전극 또는 전극 권선들 사이에 형상 및 분리 거리를 유지하도록 할 만큼 충분한 기계적 강직성을 갖는 것으로 간주된다. 예를 들어, 금속 코팅을 포함하는 가요성 필름은 이 용어가 본 명세서에서 사용될 때 "강성 전극"인 것으로 간주되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용된 "튜브"라는 용어는 원통형 도관을 포함하지만, 다른 단면 기하 형상을 갖는 도관, 예를 들어, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 장방형 기하 형상 또는 임의의 규칙적인 또는 불규칙적인 다각형 형상의 단면 기하 형상을 갖는 도관을 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 "동심 튜브" 또는 "동심 나선"이라는 용어는 공통 중심 축을 공유하는 튜브 또는 인터리브된 나선을 포함하지만, 동심 튜브 또는 인터리브된 나선 세트의 각 동심 튜브 또는 인터리브된 나선의 중심일 수 있지만 반드시 중심일 필요는 없는 공통 축을 둘러싸는 튜브 또는 인터리브된 나선을 배제하는 것은 아니다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 셀의 중심축으로부터 중심축에 수직으로 형성된 평면의 전기염소화 셀의 주변을 향해 지나가는 선은 다수의 전극 플레이트를 통과한다. 다수의 전극 플레이트는 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 및/또는 다수의 바이폴라 전극을 포함할 수 있다. 중심축은 전기화학 셀을 통한 유체의 평균 흐름 방향과 평행할 수 있다.
다수의 애노드 또는 캐소드 튜브 전극을 포함하는 본 명세서에 개시된 시스템에 포함된 전기화학 셀의 실시형태에서, 다수의 애노드 튜브 전극은 총괄적으로 애노드 또는 애노드 튜브로 지칭될 수 있으며, 다수의 캐소드 튜브 전극은 총괄적으로 캐소드 또는 캐소드 튜브로 지칭될 수 있다. 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극을 포함하는 시스템에 포함된 전기화학 셀의 실시형태에서, 다수의 애노드 튜브 전극 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극은 본 명세서에서 애노드-캐소드 쌍으로 지칭될 수 있다.
동심 튜브 전극, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 바와 같은 하나 이상의 애노드 및/또는 캐소드를 포함하는 본 명세서에 개시된 시스템에 포함된 전기화학 셀의 일부 양태 및 실시형태에서에서, 전극은 전기화학 셀의 중심축과 평행한 방향으로 전극들 사이의 하나 이상의 갭을 통해 유체를 지향시키도록 구성되고 배열된다. 동심 튜브 전극, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 바와 같은 하나 이상의 애노드 및/또는 캐소드를 포함하는 전기화학 셀의 일부 양태 및 실시형태에서, 전극은 전기화학 셀의 중심축과 평행한 방향으로 전극들 사이의 하나 이상의 갭을 통해 전기화학 셀로 도입되도록 모든 유체를 지향시키도록 구성되고 배열된다.
전기염소화 셀은 해양, 연안, 도시, 산업 및 상업용 응용에 사용된다. 예를 들어, 전극 간 이격 거리, 전극 두께 및 코팅 밀도, 전극 면적, 전기 연결 방법 등과 같은, 복수의 동심 전극 튜브를 포함하는 전기염소화 셀의 설계 파라미터는 다른 구현을 위해 선택될 수 있다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 전극의 수, 전극들 사이의 공간, 전극 재료 또는 스페이서 재료, 전기염소화 셀 또는 전극 코팅 재료 내로 통과 수로 제한되는 것은 아니다.
PCT 출원 PCT/US2016/018210은 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 병합된다.
CTE 셀에 대한 하나의 주된 고려 사항은 생성될 수 있는 차아염소산염의 전체 강도를 제한하는 캐소드 스케일링에 대한 것이다. 캐소드에서 국소 pH가 10.7 내지 11에 가까워지면 용액 내 마그네슘이 침전되어 수산화마그네슘을 형성하고 전극 표면을 폐색한다. 특정 이론에 얽매이지 않고 CTE 셀의 캐소드에서 다음과 같은 반응이 발생하여 스케일이 생성될 수 있는 것으로 생각된다:
CaCl2 + 2HCO3 + 2 NaOH → CaCO3 + 2H2O- + 2NaCl
2NaOH + MgCl2 → 2NaCl + MG(OH)2
또한 과도한 수소(부피 감소) 및 고온(더 빠른 속도)이 존재하는 것으로 인해 스케일 가능성이 증가할 수도 있다. 스케일 침전물이 지속적으로 형성되면 스케일 침전물은 CTE 전극 갭을 폐색하여 시스템이 고장나게 할 수 있다.
스케일을 방지하기 위한 두 가지 조치는 다음과 같다:
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난류: 2 m/s 초과의 속도는 스케일을 클리닝하는 것으로 고려된다.
전류 밀도: 3000 A/㎡는 공칭이지만 약 1500 A/㎡로 감소될 수 있다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 시스템의 CTE 셀에 스케일이 축적됨이 없이 이전에 달성할 수 있었던 것보다 더 높은 농도의 NaOCl을 갖는 생성물을 생산하기 위해 다수의 CTE 셀을 포함하는 시스템을 동작시키기 위해 제공된다. 양태 및 실시형태는 적절한 흐름 속도 및 전류 밀도를 사용하여 CTE 셀의 적절한 구성을 선택함으로써 이러한 장점을 달성할 수 있다. 셀 스케일이 없이 높은 생성물 농도를 달성하기 위해 선택되거나 조정될 수 있는 다른 파라미터는 급수 조성(예를 들어, TDS, pH 등) 및/또는 속도(예를 들어, 온도, 흐름률 등)를 포함한다.
셀 디자인의 또 다른 양태는 부피가 큰 설치 공간에 대한 것인데, 이는 설치 공간이 클수록 상대적 운영 비용(OPEX)이 더 높기 때문이다. 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 이전 기술의 CTE 셀은 약 0.02㎥의 부피 내에 약 0.138㎡의 애노드 표면적을 포함했다. 그러나, 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 다수의 교번하는 동심 애노드와 캐소드를 포함하는 현재 기술의 CTE 셀은 동일한 부피 내에 약 0.85㎡의 애노드 표면적을 포함한다. 이는 동일한 부피의 설치 공간에 대해 대략 6x 증가를 나타낸다.
일부 예에서, 고온(40℃ 내지 45℃)에서 및 평균 용존 고형물(TDS) 수준보다 더 높은 해수 지역에서 동작하는 이전 기술의 CTE 셀은 생산될 수 있는 차아염소산 나트륨 생성물의 농도, 및 스케일을 피하기 위해 유지되어야 하는 흐름률이 제한되었다. 중동(Middle East) 지역에 위치된 이전 기술의 CTE 셀의 시설의 일례에서 셀은 1000ppm NaOCl을 갖는 생성물 용액을 생산할 수 있으나, 3000 A/㎡의 전류 밀도를 사용하여 8 ㎥/hr의 흐름률에서 동작되었고 여전히 스케일이 축적되었고 이 스케일은 매 2개월 내지 3개월마다 수행되는 클리닝 작업으로 제거되었다. 유사한 조건 하에서, 현재 기술의 CTE 셀은 1000ppm NaOCl을 갖는 생성물 용액을 생산할 수 있고 7.5㎥/h의 흐름률에서 동작할 수 있으며, 동작 8개월 후 스케일 축적으로 인한 클리닝이 필요치 않았다. 또 다른 예에서, 전체 내용이 본 명세서에 병합된 PCT 출원 번호 PCT/US2018/027564에 설명된 현재 기술의 CTE 셀은 동일한 고온/높은 TDS 해수에서 동작하여 2 내지 3 m/s 및 3000 A/㎡의 흐름 속도에서 동작하면서 2500 내지 3000ppm NaOCl을 갖는 생성물 용액을 생산할 수 있으며 자체 클리닝이 가능하여 스케일을 생성하지 않는다.
본 명세서에 개시된 상이한 전기화학 셀 구성은 상이한 설계 파라미터에 따라 동작할 수 있다. 도 3은 직렬로 동작하는 20개의 전기화학 셀을 각각 포함하는 4개의 상이한 예시적인 시스템의 설계 파라미터를 나열한 표를 포함한다. 실시예 1은 직경이 약 50mm이고 길이가 약 1m인 2-튜브 전기화학 셀을 포함하는 시스템이다. 실시예 2는 직경이 약 50mm이고 길이가 약 1.2m인 3-튜브 전기화학 셀을 포함하는 시스템이다. 실시예 3은 직경이 약 100mm이고 길이가 약 1.2m인 3-튜브 전기화학 셀을 포함하는 시스템이다. 실시예 4는 직경이 약 100mm이고 길이가 약 1.2m인 5-튜브 전기화학 셀을 포함하는 시스템이다. 각각의 예시적인 시스템의 NaOCl 생산(도 3의 생산율(PROD.RATE), 셀 출력(CELL OUTPUT) 파라미터)은 각 전기화학 셀의 전극에 걸쳐 3000 A/㎡ 전류 밀도를 가정하여 계산되었다. 각각의 실시예는 전기화학 셀에 걸친 관련 압력 강하 및 그 기계적 강도에 기초하여 설정될 수 있는 권장되는 최대 흐름률, 및 전기화학 셀에서 스케일이 축적되는 것을 방지하는 율로 설정될 수 있는 권장되는 최소 흐름률을 갖는다. 시스템은 셀을 통과하는 흐름률이 최소값(도 3의 한계 트립(LIMIT TRIP) 파라미터) 아래로 떨어지면 전기화학 셀로 전류의 흐름을 차단하는 안전 장치로 동작될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전해조 시스템의 실시형태는 예를 들어 모든 셀이 동일한 흐름 속도 및 전류 밀도에서 동작하는, 직렬로 배열된 20개의 전기화학 셀을 포함할 수 있다. 3000 A/㎡의 전류 밀도는 일 실시예이다. 다른 시스템은 1500 내지 3000 A/㎡, 3000 내지 6000 A/㎡, 500 내지 1500 A/㎡ 또는 0 내지 500 A/㎡의 전류 밀도에서 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기화학 셀을 통과하는 액체의 흐름 속도는 2 내지 3 m/s일 수 있지만, 다른 실시예에서는 0.5 내지 2 m/s, 3 내지 6 m/s 또는 10 내지 15 m/s일 수 있다. 도 3에서 상이한 실시형태의 식별은 이들 실시형태가 각각 별개라는 것을 나타내기 위해 의도된 것이 아니다. 예를 들어, 실시형태 1 내지 실시형태 4 중 하나 이상의 실시형태의 전류 밀도에서 동작하는 전기화학 셀을 포함하는 전해조 시스템은 실시형태 5 내지 실시형태 9 중 임의의 실시형태의 셀 속도에서 동작할 수 있다.
전해조 시스템의 실시형태는 유체 흐름 가능하게 및/또는 전기적으로 직렬로 및/또는 병렬로 연결될 수 있는 다수의 전기화학 셀을 포함할 수 있다. 도 4는 전해조 시스템에서 전기화학 셀들 사이의 유체 연결 방식의 4가지 상이한 배열 예를 예시한다. 도 4의 모든 예에서, 셀(1, 2 및 3)은 각각의 흐름 면적에 따라 동일하거나 다른 흐름 속도를 가질 수 있고, 각각의 전극 면적에 따라 동일하거나 다른 전류 밀도를 가질 수 있다. 도 4에 예시된 예는 인접한 셀들 사이의 연결만을 보여주는 것으로 이해되어야 한다. 도 4에 예시된 예는, 인접한 전기화학 셀이 도 4에 예시된 하나 이상의 예에 따라 유체 흐름 가능하게 연결된 상태에서 더 많은 수, 예를 들어, 20개 이상의 전기화학 셀을 갖는 전해조 시스템을 포함하는 것으로 확장될 수 있다,
전해조 시스템의 인접한 전기화학 셀들에 전력을 연결하는 방식의 상이한 배열이 도 5에 도시된 예에서 예시된다. 도시된 바와 같이, 인접한 전기화학 셀은 전기적으로 직렬로, 병렬로, 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있거나, 또는 별도의 전용 전력원에 의해 각각 전력이 공급될 수 있다. 도 5의 모든 예에서, 셀(1, 2 및 3)은 각각의 전극 면적에 따라 동일하거나 상이한 전류 밀도를 가질 수 있다. 도 5에 예시된 예는, 인접한 전기화학 셀들이 도 5에 예시된 하나 이상의 예에 따라 전기적으로 연결된 상태에서 더 많은 수, 예를 들어, 20개 이상의 전기화학 셀을 갖는 전해조 시스템을 포함하는 것으로 확장될 수 있다.
본 명세서에 개시된 전해조 시스템의 일부 실시형태에서, 유체는 하류 전기화학 셀의 출력과 상류 전기화학 셀의 입구 사이에서 재순환될 수 있다. 도 6은 전해조 시스템에서 전기화학 셀을 통해 유체를 재순환하는 3개의 실시예를 예시한다. 실시예 1에서, 상류 셀은 출구로부터 상류 셀의 입구로 적어도 일부 유체를 재순환하는 재순환 라인을 포함할 수 있는 반면, 하류 셀은 재순환 라인에 연결되지 않는다. 실시예 2에서, 하류 셀은 출구로부터 하류 셀의 입구로 적어도 일부 유체를 재순환시키는 재순환 라인을 포함할 수 있는 반면, 상류 셀은 재순환 라인에 연결되지 않는다. 실시예 3에서, 하류 셀은 하류 셀의 출구로부터 상류 셀의 입구로 적어도 일부 유체를 재순환시키는 재순환 라인을 포함할 수 있다. 도 6에 예시된 각각의 실시예에서, 재순환은 각각의 흐름 면적에 따라 동일하거나 상이한 흐름 속도를 갖고 각각의 전극 면적에 따라 동일하거나 상이한 전류 밀도를 갖는 하나 이상의 셀에 대해 발생할 수 있다. 재순환은 도 6에 도시된 제한된 수뿐만 아니라 다수의 전기화학 셀을 통해 수행될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 도 6의 셀(1) 또는 셀(2) 중 하나는 유체 흐름 가능하게 직렬로 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전기화학 셀로 대체될 수 있다.
본 명세서에 개시된 전해조 시스템의 실시형태는 하나 이상의 전기화학 셀로부터 처리된 유체를 수신하는 생성물 탱크를 포함할 수 있다. 도 7의 예에 도시된 바와 같이, 생성물 탱크는 하나 이상의 셀에 의해 공급될 수 있으며, 하나 이상의 셀은 생성물 탱크로부터 재순환된다. 하나 이상의 셀은 각각의 흐름 면적에 따라 동일하거나 상이한 흐름 속도를 가질 수 있으며, 각각의 전극 면적에 따라 동일하거나 상이한 전류 밀도를 가질 수 있다. 재순환은 도 7에 도시된 하나의 셀뿐만 아니라 다수의 전기화학 셀을 통해 수행될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 도 7의 셀(1) 또는 셀(2) 중 하나는 유체 흐름 가능하게 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전기화학 셀로 대체될 수 있다.
도 8은 직렬로 연결된 3개의 현재 기술의 CTE 셀(305)로 구성된 일회성 전해조 시스템을 도시한다. 펌프(310)는 공급 액체의 공급원(315)으로부터 셀(305)을 통해 공급 액체, 예를 들어, 해수, 염수 또는 기수를 펌핑하도록 구성되고 배열된다. 본 명세서에 개시된 상이한 실시형태에서 펌프(310) 또는 임의의 펌프는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있는 데, 예를 들어, 하나 이상의 품질 표시기에 대한 유량계 또는 다른 센서, 예를 들어, 펌프를 통과하는 유체의 pH, 온도, 산화 환원 전위(ORP), 전도율 또는 용존 산소를 측정하는 센서를 포함할 수 있다. 펌프(310) 및 임의의 포함된 센서는 제어 시스템의 동작을 모니터링하고 제어하기 위해, 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같은 제어 시스템과 통신할 수 있다. 다른 실시형태에서, 전해조 시스템은 제어기를 이용하지 않고, 오히려 시스템의 셀을 통한 흐름 속도와 셀의 전류 밀도가 일정한 값으로 설정되고 동작된다.
셀에서 생성된 염소화 액체는 생성물로 사용될 때까지 생성물 탱크(320)에 저장될 수 있다. 셀에서 생성된 염소화 액체는 예를 들어 약 3000ppm의 NaOCl 농도를 가질 수 있다. 이러한 구성에서 공칭 흐름 속도는 2 내지 3 m/s, 예를 들어, 2 m/s 또는 2 m/s 이상일 수 있고, 공칭 전류 밀도는 3000 A/㎡일 수 있고, 그리고 공칭 전극 면적은 약 18개의 이전 기술의 셀과 동일할 수 있다. 본 명세서에 개시된 상이한 실시형태 중 임의의 실시형태에서 생성물 탱크(320) 또는 임의의 생성물 탱크는 하나 이상의 센서(S), 예를 들어, 하나 이상의 품질 표시기에 대한 유량계 또는 다른 센서를 포함할 수 있는 데, 예를 들어, pH, 온도, 산화 환원 전위(ORP), 전도율 또는 생성물 탱크(320)에 들어가거나 존재하는 유체의 용존 산소를 측정하는 센서를 포함할 수 있다. 생성물 탱크(320)에 포함된 임의의 센서는 제어 시스템의 동작을 모니터링하고 제어하기 위해, 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같은 제어 시스템과 통신할 수 있다. 추가 탱크, 밸브 또는 펌프가 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있는 바와 같이 도 8에 도시된 시스템에 포함될 수 있거나 또는 적절한 위치에 본 명세서에 개시된 임의의 다른 시스템에 포함될 수 있는 것으로 이해된다.
도 9는 셀(305)에서 생성된 염소화된 액체가 재활용 라인(425)을 통해 펌프(310)로 들어가는 공급 액체와 혼합되도록 상류로 복귀될 수 있는 공급 및 배출 전해조 시스템을 도시한다. 재활용 라인(425)은 하나 이상의 펌프 및/또는 밸브(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 다시, 공칭 흐름 속도는 2 내지 3 m/s, 예를 들어, 2 m/s 또는 2 m/s 이상일 수 있으며, 공칭 전류 밀도는 3000 A/㎡일 수 있다. 이러한 구성에서, 생성된 생성물 유체에서 차아염소산염의 전체 강도는 예를 들어 최대 약 6000ppm NaOCl 이상까지 증가될 수 있지만, 위에서 설명한 바와 같이 용액 강도와 pH가 증가함에 따라 캐소드 스케일이 발생함을 고려해야 한다.
상기로부터 그리고 온도/H2 생산을 제어하면 pH 증가를 보상하여 더 높은 생성물 강도를 달성하기 위해 대안적인 시스템 배향을 구상할 수 있다. 이러한 시스템은 이전 기술에 비해 여전히 전체 설치 공간이 더 작을 수 있다.
도 10은 직렬로 연결된 복수의, 예를 들어, 6개 이상의 또는 최대 20개 이상의 현재 기술의 CTE 셀(305)로 구성된 일회성 전해조 시스템을 도시하지만, 이러한 시스템은 직렬로 연결된 6개 미만의 셀(305), 예를 들어, 4개 또는 5개의 셀(305)을 가질 수도 있는 것으로 이해된다. 더 낮은 전류 밀도, 예를 들어, 1500 A/㎡, 1000 A/㎡ 또는 500 A/㎡는 pH 증가를 보상하기 위해 공급 입구에 더 가까운 시스템 시작 부분의 셀에서보다 시스템의 단부 부분의 셀의 전극에 적용된다. 인가된 전류 밀도는 가장 먼 상류 셀(305)에서 가장 높은 값, 예를 들어, 2500 A/㎡로부터 떨어질 수 있고, 예를 들어, 직렬로 연결된 제2 및 제3셀(305)에서 2000 A/㎡ 및 1500 A/㎡로 떨어질 수 있다. 인가된 전류 밀도는 하류의 셀로 갈수록 계속해서 떨어지거나 또는 인접한 하류 셀(305)에 대해서는 일정한 값, 예를 들어, 1500 A/㎡, 1000 A/㎡ 또는 500 A/㎡를 달성할 수 있다. 유체 흐름 속도는 시스템의 각 셀(305)에 대해 동일할 수 있으며, 예를 들어, 2 내지 3 m/s, 2 m/s 또는 2 m/s 이상일 수 있다.
다른 실시형태에서, 도 10에 도시된 것과 유사한 시스템이 제공될 수 있지만, 모든 셀(305)의 전류 밀도는, 도 8 및 도 9의 시스템에서 셀의 공칭 전류 밀도 미만으로 감소될 수 있고, 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이 1500 A/㎡로 감소될 수 있다. 유체 흐름 속도는 시스템의 각 셀(305)에 대해 동일할 수 있으며, 예를 들어, 2 내지 3 m/s, 2 m/s 또는 2 m/s 이상일 수 있다.
일부 실시형태에서, CTE 셀의 시스템에서 하나 이상의 셀을 통과하는 유체의 흐름 속도는 스케일링을 감소시키거나 방지하는 수준으로 조정될 수 있다. 직렬로 연결된 다수의 CTE 셀을 포함하는 시스템에서, 더 높은 pH를 갖는 유체를 처리할 것으로 예상되는 셀, 예를 들어, 시스템의 하류 부분에 있는 셀은, 더 낮은 pH를 갖는 유체를 처리할 것으로 예상되는 셀, 예를 들어, 시스템의 상류 부분에 있는 셀을 통과하는 유체의 흐름 속도보다 더 높은 수준으로 설정된 셀을 통과하는 유체의 흐름 속도에서 동작될 수 있다. 일부 실시형태에서, 이것은 병렬로 연결된 상류 CTE 셀 및 직렬로 연결된 하류 CTE 셀을 동작함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 4개의 상류 셀(305U) 및 2개 이상의 하류 셀(305D)이 있다. 하류 셀의 그룹에 대한 유체 입구는 상류 셀의 결합된 유체 출구와 유체 연통한다. 제1 그룹 또는 제1 병렬 쌍의 상류 셀은 제2 그룹 또는 제2 병렬 쌍의 상류 셀의 상류에서 유체 연통한다. 제2 병렬 쌍의 상류 셀의 출구로부터의 유체 흐름은 결합되어 하류 셀의 그룹 중 제1 셀의 입구로 들어간다. 하류 셀의 그룹 중 제1 셀로 들어가는 유체의 흐름 속도는 제2 병렬 쌍의 상류 셀의 출구에서 나가는 유체의 흐름 속도의 합이다. 적어도 제2 하류 셀 및 일부 실시형태에서, 2개 초과의 추가 하류 셀이 하류 셀의 그룹 중 제1 셀의 하류에 직렬로 연결된다. 각각의 상류 셀을 통과하는 유체 흐름 속도는 2 내지 3 m/s, 예를 들어 2 m/s 또는 2 m/s 이상일 수 있다. 각각의 하류 셀을 통과하는 유체 흐름 속도는 4 내지 6 m/s, 예를 들어, 4 m/s 또는 4 m/s 이상일 수 있다. 각각의 상류 셀 및 각각의 하류 셀에 인가되는 전류 밀도는 예를 들어 3000 A/㎡일 수 있다. 다른 실시형태에서, 상류 셀의 전극에 걸쳐 인가되는 전류 밀도는 하류 셀의 전극에 걸쳐 인가되는 전류 밀도보다 더 높거나 더 낮을 수 있다. 도 12에 도시된 것과 유사한 시스템은 상류 셀의 각 그룹에서 병렬로 연결된 2개 초과의 셀을 포함할 수 있고, 및/또는 병렬 셀의 2개 초과의 그룹을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 일부 실시형태에서, 병렬 CTE 셀 또는 상이한 직렬 배열된 CTE 셀의 그룹에서 상이한 CTE 셀의 전류 밀도 및/또는 흐름률은 상이하다.
예를 들어, 도 10 및 도 11에 도시된 것과 같은 직렬 구성의 CTE 셀을 통과하는 유체 흐름의 속도는 또한 예를 들어 도 13 또는 도 14에 도시된 것과 같은 시스템에서 셀을 통한 공칭 유체 흐름보다 증가될 수 있다. 셀을 통한 유체 흐름 속도가 더 높으면 각각의 셀이 여전히 스케일링이 거의 또는 전혀 나타나지 않으면서 도 10 또는 도 11의 시스템의 셀보다 더 높은 전류 밀도에서 동작할 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 더 높은 흐름 속도는 4 내지 6 m/s, 예를 들어, 4 m/s 또는 4 m/s 이상일 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이 더 높은 유체 흐름에서 동작하는 직렬로 연결된 셀에 인가된 전류 밀도는 예를 들어 3000 A/㎡일 수 있다. 인가된 전류 밀도는 도 13에 도시된 바와 같이 더 높은 유체 흐름 속도에서 동작하는 직렬 배열된 셀 각각에서는 동일할 수 있으나, 다른 실시형태에서 상이한 셀에서는 상이할 수 있는데, 예를 들어, 다른 셀보다 더 하류에 있는 셀에서는 더 낮고, 시스템에서 다른 셀의 상류에 있는 셀에서는 더 높을 수 있다.
다른 실시형태에서, CTE 셀은 공급 및 배출 유체 라인에 제공될 수 있다. 공급 및 배출 유체 라인은 처리된 유체를 생성물 탱크에 제공하는 직렬로 연결된 복수의, 예를 들어, 2개, 3개 이상의 CTE 셀을 포함하는, 도 8에 도시된 것과 같은 시스템의 생성물 탱크로 유체를 제거 후 복귀시킬 수 있다. 병렬 CTE 셀이 생성물 탱크로부터의 유체를 처리하고 재순환시키는 일 실시형태의 일 구성은 도 14에 도시되어 있다. 생성물 탱크(320)로부터 병렬 CTE 셀(905), 펌프(910), 공급 및 배출 유체 라인(915)을 통해 유체를 처리 및 재순환시키면 직렬 CTE 셀(305)에서 스케일링이 발생할 위험을 증가시키지 않으면서 생성물 탱크(320)에서 NaOCl의 농도를 증가시킬 수 있다. 직렬 CTE 셀(305)은 2 내지 3 m/s, 예를 들어, 2 m/s 또는 2 m/s 이상의 공칭 유체 흐름 속도 및 3000 A/㎡의 공칭 전류 밀도에서 동작할 수 있다. 병렬 CTE 셀(905)은 X m/s의 유체 흐름 및 Y A/㎡의 전류 밀도에서 동작할 수 있다. X 및 Y의 값은 생성물 탱크(320)에서 예를 들어 원하는 NaOCl 농도에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시형태에서 병렬 CTE 셀(905)을 통과하는 유체 흐름은 2 내지 3 m/s, 예를 들어 2 m/s 또는 2 m/s 이상일 수 있고 또는 4 내지 6 m/s, 예를 들어, 4 m/s 또는 4 m/s 이상일 수 있다. 병렬 CTE 셀의 전극에 걸쳐 인가되는 전류 밀도는 예를 들어, 1500 A/㎡, 2000 A/㎡, 2500 A/㎡ 또는 3000 A/㎡, 1500 A/㎡ 미만 또는 3000 A/㎡ 초과 중 임의의 것일 수 있다. 생성물 탱크(320)에서 액체 내 NaOCl의 농도는 병렬 CTE 셀(905)을 통해 생성물 탱크 액체를 재순환시키는 것에 의해 예를 들어 3000ppm 이상, 예를 들어, 최대 6000ppm 이상으로 설정되거나 유지될 수 있다. 시스템은 유체가 직렬 CTE 셀(305)을 통해 흐르는 것과 동일한 속도, 예를 들어, 2 내지 3 m/s, 2 m/s 또는 2 m/s 이상에서 생성물 탱크로부터 회수된 처리된 유체로 정상 상태 조건에서 동작할 수 있다. 시스템은 생성물 탱크에서 NaOCl 농도를 구축하기 위해 유체가 직렬 CTE 셀(305)을 통해 흐르는 것보다 더 낮은 속도로 생성물 탱크로부터 회수된 처리된 유체로 동작할 수 있고 또는 생성물 탱크에서 NaOCl의 농도를 낮추기 위해 선택적으로 병렬 CTE 셀(905)을 통한 흐름을 중단한 상태에서, 유체가 직렬 CTE 셀(305)을 통해 흐르는 것보다 더 높은 속도로 생성물 탱크로부터 회수된 처리된 유체로 동작할 수 있다.
공급 및 배출 유형의 전기화학 셀 시스템의 다른 실시형태가 도 15a에 예시되어 있다. 이 구성에서 밸브(CV1 및 CV2)는 개방되어 있는 반면, 밸브(CV3 및 CV4)는 폐쇄되어 있다. 유체 흐름 가능하게 및/또는 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 결합된 하나 이상의 CTE 셀을 포함할 수 있고, 전술한 임의의 실시형태에 따라 배열된 CTE 셀의 그룹을 포함할 수 있는 전해조는 펌프(A)를 통해 동작하며 생성물 탱크가 충전될 때까지 시스템의 입구로부터 공급 유체를 끌어온다. 탱크 충전 또는 보충 동작(make-up operation) 동안 펌프(A)는 예를 들어 12 ㎥/hr에서 동작하며 또는 2 내지 3 m/s에서 전해조를 통해 유체를 흐르게 할 수 있다. 생성물 탱크에서 NaOCl의 공칭 농도는 약 1500 내지 1800ppm일 수 있다. 생성물 탱크가 가득 차면 밸브(CV1)가 폐쇄되고 밸브(CV3)가 개방된다. 전해조는 펌프(A)를 통해 다시 동작되고, 생성물 탱크 내 유체 용액은 전해조를 통해 다시 생성물 탱크로 재활용된다. 재활용 동작 동안 동작은 전해조의 CTE 셀의 자체 클리닝을 향상시키기 위해 더 높은 흐름 속도에 있을 수 있다. 일부 경우에 재활용 동작 동안 전해조를 통한 유체 흐름 속도는 4 내지 5 m/s일 수 있고(펌프(A)는, 예를 들어, 24 ㎥/hr에서 동작함) 다른 경우에는 더 높을 수 있다. 최대 유체 흐름 속도는 전해조의 CTE 셀의 압력 등급에 따라 달라질 수 있다. 이 시스템은 더 높은 생성물 강도를 달성하기 위해 지속적으로 동작될 수 있다. 일부 경우에 NaOCl 생성물 강도는 3,000ppm에 도달할 수 있다. 다른 경우에는 더 높은 NaOCl 농도가 달성될 수 있다. 생성물 탱크에서 NaOCl의 최고 농도는 최대 자체 클리닝 속도에 대해 Mg와 Ca 침전 간의 균형에 따라 달라질 수 있다. 생성물을 사용 지점까지 투여하기 위해 밸브(CV1 및 CV2)는 폐쇄되는 반면, 밸브(CV3 및 CV4)는 개방된다. 그런 다음 펌프(A 및 B)를 사용하여 벌크 생성물 탱크 용액을 사용하여 사용 지점에 외부 충격 용량(shock dose)을 가한다. 도 15b의 표는 보충 동작, 재활용 동작 및 충격 용량 동작 동안 예시적인 흐름률 및 밸브 및 전해조 조건을 도시한다.
일부 실시형태에서, 예를 들어, 도 15a에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 임의의 시스템의 생성물 탱크 또는 생성물 탱크(들)는 경사진, 예를 들어, 원추형 측벽(325) 및 예를 들어 밸브(CV5)로 개방 또는 폐쇄될 수 있는 침전물 출구(330)를 갖는 하부 단부를 포함할 수 있다. 칼슘 및 마그네슘 침전물은 차아염소산 나트륨 또는 해수보다 비중이 더 높으며, 생성물 탱크에 침전되는 경향이 있을 수 있다. 침전된 침전물은 원하는 간격으로 또는 허용할 수 없는 수준에 도달한 후에, 예를 들어, 유체에 의해, 예를 들어, 펌프(A)를 통해 생성물 탱크로 펌핑되는 해수에 의해 생성물 탱크로부터 플러싱(flush)될 수 있다. 생성물 탱크를 플러싱하는 동안 밸브(CV5)를 개방하면 침전물이 외부로 흐를 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템은 일부 실시형태에서 시스템 외부 및/또는 내부의 공급원으로부터 해수, 염수 또는 기수인 공급물, 공정 액체 또는 전해질을 끌어올 수 있다. 예를 들어, 시스템이 해상 기반 시스템인 경우 외부 소스는 해양일 수 있고, 내부 소스는 예를 들어 선박의 밸러스트 탱크일 수 있다. 지상 기반 시스템에서 외부 소스는 해양일 수 있고, 내부 소스는 시스템에서 수행되는 산업 공정으로부터 발생하는 기수성 폐수일 수 있다. 본 명세서에 개시된 전기염소화 시스템은 공급원으로부터 물로부터 염소화된 물 및/또는 차아염소산 나트륨을 포함하는 용액을 생성할 수 있고 이를 사용 지점으로 분배할 수 있다. 사용 지점은 시스템을 위한 냉각수 공급원, 선박의 밸러스트 탱크용 소독제 공급원, 석유 시추 시스템의 다운홀, 또는 염소 처리된 물이 유용할 수 있는 임의의 다른 시스템일 수 있다. 다양한 펌프, 예를 들어, 펌프(310 및 910)는 시스템을 통한 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 하나 이상의 센서는 시스템을 통해 흐르는 유체의 하나 이상의 파라미터, 예를 들어, 이온 농도, 염소 농도, 온도 또는 임의의 다른 관심 파라미터를 모니터링할 수 있다. 펌프 및 센서는 원하는 동작 파라미터를 달성하기 위해 센서 및 펌프와 통신하고 펌프 및 시스템의 다른 요소의 동작을 제어하는 제어 시스템 또는 제어기와 통신할 수 있다.
시스템의 다양한 요소의 동작을 모니터링하고 제어하는 데 사용되는 제어기는 컴퓨터 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어기의 다양한 양태는 예를 들어 도 16에 도시된 것과 같은 범용 컴퓨터 시스템(1000)에서 실행되는 특수 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1000)은 예를 들어 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 메모리, 또는 데이터를 저장하기 위한 다른 장치와 같은 하나 이상의 메모리 장치(1004)에 연결된 프로세서(1002)를 포함할 수 있다. 메모리(1004)는 일반적으로 컴퓨터 시스템(1000)의 동작 동안 프로그램 및 데이터를 저장하는 데 사용된다. 컴퓨터 시스템(1000)의 구성 요소는 (예를 들어, 동일한 기계 내에 통합된 구성 요소들 간) 하나 이상의 버스 및/또는 (예를 들어, 별도의 이산 기계에 존재하는 구성 요소들 간) 네트워크를 포함할 수 있는 상호 연결 메커니즘(1006)에 의해 결합될 수 있다. 상호 연결 메커니즘(1006)은 시스템(1000)의 시스템 구성 요소들 간에 통신(예를 들어, 데이터, 명령어)을 교환할 수 있다. 컴퓨터 시스템(1000)은 또한 하나 이상의 입력 장치(1008), 예를 들어, 키보드, 마우스, 트랙볼, 마이크로폰, 터치 스크린, 및 하나 이상의 출력 장치(1010), 예를 들어, 인쇄 장치, 디스플레이 스크린 및/또는 스피커를 포함한다.
출력 장치(1010)는 또한 공급원으로부터의 생성된 물(예를 들어, 기수 또는 해수)을 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기염소화 시스템으로 또는 사용 지점으로 도입하고/하거나 펌프의 속력을 제어하는 데 이용될 수 있는 밸브, 펌프 또는 스위치를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서(1014)는 또한 컴퓨터 시스템(1000)에 입력을 제공할 수 있다. 이러한 센서는 예를 들어 압력 센서, 화학 농도 센서, 온도 센서, 유체 흐름률 센서, 또는 전기염소화 시스템의 운영자에 관심 있는 임의의 다른 파라미터에 대한 센서를 포함할 수 있다. 이러한 센서는 유용할 수 있는 시스템의 임의의 부분에 위치될 수 있는 데, 예를 들어, 사용 지점 및/또는 전기염소화 시스템의 상류에, 또는 공급원과 유체 연통하는 곳에 위치될 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(1000)은 상호 연결 메커니즘(1006)에 더하여 또는 이의 대안으로 컴퓨터 시스템(1000)을 통신 네트워크에 연결하는 하나 이상의 인터페이스(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
도 17에 보다 상세히 도시된 저장 시스템(1012)은 일반적으로 프로세서(1002)에 의해 실행될 프로그램 또는 이 프로그램이 처리할 정보를 규정하는 신호를 저장하는 컴퓨터 판독 가능 및 기록 가능 비-휘발성 기록 매체(1102)를 포함한다. 매체는 예를 들어 디스크 또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 일반적으로, 동작 시, 프로세서는 비-휘발성 기록 매체(1102)로부터 다른 메모리(1104)로 데이터를 판독하고, 이에 의해 매체(1102)보다 프로세서에 의해 정보에 더 빨리 액세스할 수 있다. 이 메모리(1104)는 일반적으로 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 또는 정적 메모리(SRAM)와 같은 휘발성 랜덤 액세스 메모리이다. 이 메모리는 도시된 바와 같이 저장 시스템(1012) 또는 메모리 시스템(1004)에 위치될 수 있다. 프로세서(1002)는 일반적으로 집적 회로 메모리(1104) 내 데이터를 조작한 다음 처리가 완료된 후 데이터를 매체(1102)에 복사한다. 매체(1102)와 집적 회로 메모리 소자(1104) 사이의 데이터 이동을 관리하기 위한 다양한 메커니즘이 알려져 있으며, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 이로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 특정 메모리 시스템(1004) 또는 저장 시스템(1012)으로 제한되지 않는다.
컴퓨터 시스템은 예를 들어 주문형 집적 회로(ASIC)와 같이 특별히 프로그래밍된 특수 목적 하드웨어를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 이러한 방법, 동작, 시스템, 시스템 요소 및 이들의 구성 요소는 위에서 설명된 컴퓨터 시스템의 일부로서 또는 독립적인 구성 요소로서 구현될 수 있다.
컴퓨터 시스템(1000)은 예로서 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태가 실행될 수 있는 하나의 유형의 컴퓨터 시스템으로서 도시되어 있지만, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 도 16에 도시된 컴퓨터 시스템에서 구현되는 것으로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 도 16에 도시된 것과 상이한 아키텍처 또는 구성 요소를 갖는 하나 이상의 컴퓨터에서 실행될 수 있다.
컴퓨터 시스템(1000)은 높은 수준의 컴퓨터 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍 가능한 범용 컴퓨터 시스템일 수 있다. 컴퓨터 시스템(1700)은 또한 특별히 프로그래밍된 특수 목적 하드웨어를 사용하여 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1000)에서, 프로세서(1002)는 일반적으로 인텔사(Intel Corporation)로부터 이용 가능한 잘 알려진 펜티엄TM 또는 코어TM 클래스 프로세서와 같은 상업적으로 이용 가능한 프로세서이다. 프로그래밍 가능한 논리 제어기를 포함하여 다른 많은 프로세서가 이용 가능할 수 있다. 이러한 프로세서는 일반적으로 마이크로소프트사(Microsoft Corporation)로부터 이용 가능한 예를 들어 Windows 7, Windows 8, 또는 Windows 10 운영 체제, 애플 컴퓨터(Apple Computer)사로부터 이용 가능한 MAC OS System X, 선 마이크로시스템즈(Sun Microsystems)사로부터 이용 가능한 Solaris 운영 체제, 또는 다양한 소스로부터 이용 가능한 UNIX일 수 있는 운영 체제를 실행한다. 다른 많은 운영 체제가 사용될 수 있다.
프로세서와 운영 체제는 함께 고급 프로그래밍 언어로 된 응용 프로그램을 작성하는 컴퓨터 플랫폼을 규정한다. 본 발명은 특정 컴퓨터 시스템 플랫폼, 프로세서, 운영 체제 또는 네트워크로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 또한, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태가 특정 프로그래밍 언어 또는 컴퓨터 시스템으로 제한되지 않는다는 것을 명백히 이해할 수 있을 것이다. 또한, 다른 적절한 프로그래밍 언어 및 다른 적절한 컴퓨터 시스템이 또한 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
컴퓨터 시스템의 하나 이상의 부분은 통신 네트워크에 연결된 하나 이상의 컴퓨터 시스템(도시되지 않음)에 걸쳐 분산될 수 있다. 이러한 컴퓨터 시스템은 또한 범용 컴퓨터 시스템일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 양태는 하나 이상의 클라이언트 컴퓨터에 서비스(예를 들어, 서버)를 제공하거나 분산 시스템의 일부로서 전체 작업을 수행하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 시스템 간에 분산될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태에 따라 다양한 기능을 수행하는 하나 이상의 서버 시스템 간에 분산된 구성 요소를 포함하는 클라이언트-서버 시스템에서 수행될 수 있다. 이러한 구성 요소는 통신 프로토콜(예를 들어, TCP/IP)을 사용하여 통신 네트워크(예를 들어, 인터넷)를 통해 통신하는 실행 가능 코드, 중간 코드(예를 들어, IL) 또는 해석된 코드(예를 들어, 자바(Java))일 수 있다. 일부 실시형태에서, 컴퓨터 시스템(200)의 하나 이상의 구성 요소는 예를 들어 셀룰러 전화 네트워크를 포함하는 무선 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 구성 요소와 통신할 수 있다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 임의의 특정 시스템 또는 시스템 그룹에서 실행되는 것으로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 또한, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시형태는 임의의 특정 분산 아키텍처, 네트워크 또는 통신 프로토콜로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 SmallTalk, Java, C++, Ada 또는 C#(C-Sharp)와 같은 객체 지향 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍될 수 있다. 다른 객체 지향 프로그래밍 언어도 또한 사용될 수 있다. 대안적으로, 기능적, 스크립팅 및/또는 논리적 프로그래밍 언어, 예를 들어, 래더 논리 회로(ladder logic)도 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 프로그래밍되지 않은 환경(예를 들어, 브라우저 프로그램의 창에서 볼 때, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 측면을 렌더링하거나 다른 기능을 수행하는 HTML, XML 또는 다른 형식으로 작성된 문서)에서 구현될 수 있다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시형태는 프로그래밍된 또는 프로그래밍되지 않은 요소, 또는 이들의 임의의 조합으로서 구현될 수 있다.
실시예
병렬 공급 및 배출 개념(예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같은 것)의 입증으로서, 3.5% 합성 해수를 갖는 생성물 탱크를 각각 2000 및 3000 A/㎡ 전류 밀도에서 단일 CTE 셀에 걸쳐 재순환시켰다. 이후 생성물 강도는 침전물이 형성됨이 없이 약 800, 1300, 2200, 3500 및 6100 ppm의 NaOCl 농도를 달성하면서 시간이 지남에 따라 증가하였다.
본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용된 "복수"라는 용어는 둘 이상의 항목 또는 구성 요소를 의미한다. "포함하는", "구비하는", "운반하는", "갖는", "함유하는" 및 "수반하는"이라는 용어는 상세한 설명 또는 청구 범위 등에서 개방형 용어, 즉, "~을 포함하되 이로 국한되지 않는" 것을 의미하는 것이다. 따라서, 이러한 용어의 사용은 이후에 나열된 항목 및 이와 등가 항목 및 추가 항목을 포괄하는 것으로 의도된다. "~로 구성된" 및 "본질적으로 ~로 구성된"이라는 전이 어구만이 청구 범위와 관련하여 각각 폐쇄형 또는 반 폐쇄형 전이 어구이다. 청구범위에서 청구항 요소를 수식하는 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어를 사용하는 것 자체가 하나의 청구항 요소가 다른 청구항 요소보다 우선권, 우선 순위, 또는 순서를 갖는 것을 나타내거나 방법 동작이 수행되는 시간적 순서를 의미하는 것이 아니고, 이는 단지 특정 이름을 가진 하나의 청구항 요소를 동일한 이름을 가진 다른 요소와 (서수 용어를 사용하여) 구별하여 청구항 요소들 간을 구별하기 위한 표지로서 사용된 것이다.
이와 같이 적어도 하나의 실시형태의 여러 양태를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 쉽게 발생할 수 있는 것으로 이해된다. 임의의 실시형태에서 설명된 임의의 특징은 임의의 다른 실시형태의 임의의 특징에 포함되거나 대체될 수 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 발명의 일부로 의도되고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예시적인 것일 뿐이다.

Claims (49)

  1. 전기염소화 시스템으로서,
    공급 유체 공급원;
    생성물 유체 출구;
    상기 공급 유체 공급원과 상기 생성물 유체 출구 사이에 유체 흐름 가능하게 연결된 복수의 전기화학 셀(electrochemical cell)로서, 상기 복수의 전기화학 셀은 유체 흐름 가능하게 병렬로 연결된 적어도 2개의 제1 전기화학 셀 및 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀의 하류에 유체 흐름 가능하게 직렬로 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 전기화학 셀을 포함하는 상기 복수의 전기화학 셀;
    상기 복수의 전기화학 셀의 유체 출구에 유체 흐름 가능하게 연결된 생성물 탱크;
    상기 공급 유체 공급원과 상기 복수의 전기화학 셀 사이에 유체 흐름 가능하게 배치된 제1 밸브 및 제1 유체 펌프;
    상기 생성물 탱크의 출구를 상기 제1 유체 펌프의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결시키는 재순환 도관;
    상기 생성물 탱크의 출구 및 상기 제1 유체 펌프의 입구 사이의 상기 재순환 도관에 배치된 제2 밸브;
    상기 생성물 탱크의 출구와 상기 제1 유체 펌프의 입구 사이의 상기 재순환 도관 중 일 지점에 유체 흐름 가능하게 연결된 생성물 출구 도관;
    상기 생성물 출구 도관에 배치된 제2 유체 펌프 및 제3 밸브; 및
    상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브가 개방되고 상기 제1 유체 펌프는 상기 복수의 전기화학 셀, 상기 생성물 탱크, 상기 재순환 도관, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 통해 유체를 펌핑하는 제1 재순환 작동 모드에서 상기 시스템이 작동하도록 구성하며, 상기 제1 밸브는 폐쇄되고 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브는 개방되며, 상기 제2 유체 펌프는 상기 생성물 탱크로부터 사용 지점까지 유체를 펌핑하는 제2 투여 작동 모드에서 상기 시스템이 작동하도록 구성하는 제어기를 포함하고,
    상기 시스템은 제1 전류 밀도 및 제1 흐름률에서 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀을 작동시키고, 각각 상기 제1 전류 밀도 및 상기 제1 흐름률과 상이한 제2 전류 밀도 및 제2 흐름률에서 상기 제2 전기화학 셀을 작동시키도록 구성된, 전기염소화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기화학 셀 중 적어도 2개는 전기적으로 병렬로 연결된, 전기염소화 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기화학 셀은 전기적으로 직렬로 연결된 전기화학 셀 및 전기적으로 병렬로 연결된 전기화학 셀을 포함하는, 전기염소화 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기화학 셀 중 적어도 2개는 전기적으로 직렬로 연결된, 전기염소화 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기화학 셀은 전기적으로 병렬로 연결된 전기화학 셀과 함께 전기적으로 직렬로 연결된 전기화학 셀을 포함하는, 전기염소화 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기화학 셀은 상기 복수의 전기화학 셀 중 다른 셀과 전기적으로 독립적인 하나 이상의 전기화학 셀을 포함하는, 전기염소화 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 전류 밀도에서 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀을 작동시키고, 상기 제2 전류 밀도에서 상기 제2 전기화학 셀을 작동시키도록 추가로 구성되며, 상기 제1 전류 밀도는 상기 제2 전류 밀도보다 더 높은, 전기염소화 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀과 상기 제2 전기화학 셀 사이에 유체 흐름 가능하게 배치된 제3 전기화학 셀을 추가로 포함하는, 전기염소화 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 전류 밀도보다 더 낮고 상기 제2 전류 밀도보다 더 높은 제3 전류 밀도에서 상기 제3 전기화학 셀을 작동시키도록 추가로 구성된, 전기염소화 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 전기화학 셀의 하류에 유체 흐름 가능하게 배치된 제4 전기화학 셀을 더 포함하되, 상기 제어기는 상기 제2 전류 밀도에서 상기 제4 전기화학 셀을 작동시키도록 추가로 구성된, 전기염소화 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 펌프를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 펌프가 상기 제1 흐름률에서 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀을 통해 상기 공급 유체 공급원으로부터 유체를 흐르게 하고 상기 제2 흐름률에서 상기 제2 전기화학 셀, 상기 제3 전기화학 셀 및 상기 제4 전기화학 셀 각각을 통해 유체를 흐르게 하도록 추가로 구성되고, 상기 제2 흐름률은 상기 제1 흐름률보다 더 큰, 전기염소화 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀 중 각각이 상기 제1 흐름률에서 작동하고 상기 제2 전기화학 셀이 상기 제2 흐름률에서 작동하도록 추가로 구성하고, 상기 제1 흐름률은 상기 제2 흐름률보다 작은, 전기염소화 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀 각각으로부터의 유체 출구 도관은 상기 제2 전기화학 셀의 단일 유체 입력 도관으로 결합되는, 전기염소화 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 전류 밀도는 상기 제2 전류 밀도보다 더 큰, 전기염소화 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 생성물 탱크의 유체 출구에 연결된 유체 입구, 및 상기 생성물 탱크의 유체 입구에 연결된 유체 출구를 갖는 병렬 전기화학 셀을 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 전류 밀도 및 상기 제2 전류 밀도와 상이한 제3 전류 밀도에서 상기 병렬 전기화학 셀을 동작시키도록 추가로 구성된, 전기염소화 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 흐름률 및 상기 제2 흐름률과 상이한 제3 흐름률에서 상기 병렬 전기화학 셀을 동작시키도록 추가로 구성된, 전기염소화 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 전류 밀도 또는 상기 제2 전류 밀도 중 어느 하나에서 상기 병렬 전기화학 셀을 동작시키도록 추가로 구성된, 전기염소화 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 흐름률 또는 상기 제2 흐름률 중 어느 하나에서 상기 병렬 전기화학 셀을 동작시키도록 추가로 구성된, 전기염소화 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제어기가 상기 시스템을 상기 제2 투여 작동 모드에서 작동시키고 상기 제1 유체 펌프가 상기 제3 밸브를 통해 상기 생성물 탱크로부터 사용 지점까지 유체를 펌핑하도록 추가로 구성될 때 상기 제1 유체 펌프의 출구를 상기 제3 밸브의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결시키는 도관을 추가로 포함하는, 전기염소화 시스템.
  21. 전기염소화 시스템으로서,
    생성물 유체 출구;
    공급 유체 공급원과 상기 생성물 유체 출구 사이에 유체 흐름 가능하게 연결된 복수의 전기화학 셀(electrochemical cell)로서, 상기 복수의 전기화학 셀은 유체 흐름 가능하게 병렬로 연결된 적어도 2개의 제1 전기화학 셀 및 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀의 하류에 유체 흐름 가능하게 직렬로 유체 흐름 가능하게 연결된 제2 전기화학 셀을 포함하는 상기 복수의 전기화학 셀;
    상기 복수의 전기화학 셀의 유체 출구에 유체 흐름 가능하게 연결된 생성물 탱크;
    상기 생성물 탱크의 출구를 상기 복수의 전기화학 셀의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결시키는 재순환 도관;
    상기 생성물 탱크의 출구와 상기 복수의 전기화학 셀의 입구 사이의 상기 재순환 도관 중 일 지점에 유체 흐름 가능하게 연결된 생성물 출구 도관; 및
    유체가 상기 복수의 전기화학 셀, 상기 생성물 탱크, 상기 재순환 도관을 통해 펌핑되는 제1 재순환 작동 모드 및 유체가 상기 생성물 출구 도관을 통해 상기 생성물 탱크로부터 사용 지점까지 펌핑되는 제2 투여 작동 모드에서 상기 시스템이 작동되도록 구성하는 제어기를 포함하고,
    상기 시스템은 제1 전류 밀도 및 제1 흐름률에서 상기 적어도 2개의 제1 전기화학 셀을 작동시키고, 각각의 상기 제1 전류 밀도 및 상기 제1 흐름률과 상이한 제2 전류 밀도 및 제2 흐름률에서 상기 제2 전기화학 셀을 작동시키도록 구성된, 전기염소화 시스템.
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