KR20100100753A

KR20100100753A - 호흡할 산소가 없는 환경에서의 산소 및/또는 수소 제조 장치

Info

Publication number: KR20100100753A
Application number: KR1020107007602A
Authority: KR
Inventors: 에이. 코헨 빈요민
Original assignee: 에이. 코헨 빈요민
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-09-15
Also published as: JP2010537944A; CN101835707A; WO2009035526A2; US20110135563A1; CA2698530A1; WO2009035545A2; WO2009035525A2; US7794865B2; JP2010537819A; WO2009035545A9; US20090272273A1; WO2009035525A9; EP2188209A2; US20090071471A1; EP2188208A2; CA2698529A1; KR20100111659A; US20090074654A1; WO2009035526A9; US7579103B2

Abstract

호흡용 산소가 실질적으로 없는 대기에서 산소를 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

호흡할 산소가 없는 환경에서의 산소 및/또는 수소 제조 장치{APPARATUS FOR PRODUCING OXYGEN AND/OR HYDROGEN IN AN ENVIRONMENT DEVOID OF BREATHABLE OXYGEN}

관련 출원들에 대한 상호참조사항:

본 출원은, 2007년 9월 7일자로 출원되고, 본 명세서의 참고문헌을 이루는, 미국 가출원(Provisional Application) 제60/967,756호에 대한 우선권을 주장한다.

발명의 분야:

본 발명은, 산소가 없는 대기에서 사용될 수 있도록, 물 및 공기로부터 산소를 발생시키기 위한 필터재에 연결된 유닛 내에 산소 전달 화학 챔버를 포함하여 구성되는 산소 발생 장치에 관한 것이다.

발명의 배경:

본 발명은, 일반적으로는 화학적 기반의 산소-발생 장치에, 특히, 물로부터 산소를 유리시키기(liberating) 위한 필터재를 포함하여 구성되는 카트리지(cartridge)에 연결된 산소 발생 화학 챔버를 포함하는 새롭고 유용한 인공 호흡 장치(respirator)에 관한 것이다. 화학 챔버는, 그로부터 발생된 산소가 본 발명의 필터재로 흐르도록 배치된다. 또한, 본 발명의 필터재를 포함하는 카트리지는 사람이 호기(날숨)가 필터재 위로 흐르고 필터재에 의해 발생된 산소가 그 사람의 흡입 경로로 되돌아 흐르도록 배치된다.

화학적 산소 발생기들은, 항공에서와 같이 팽창되는 중에 긴급 보충용 산소를 필요로 하는 상황들에서 사용되는 것이 일반적인데, 알칼리금속의 염소산염 또는 과염소산염의 분해에 기반한 산소 발생 조성물들이, 예를 들어 여객기에서 호흡용 산소의 긴급 공급원으로서 오랫동안 사용되어 왔다. 이와 같은 용도의 산소는 적절히 높은 순도의 것이어야만 한다. 예를 들어, SAE의 기준인 항공 기준 AS8010C가 항공 용도에서 호흡용으로 사용되는 산소에 자주 적용된다.

오늘날 시장에서 입수 가능한 화학적 산소 발생기들은 일반적으로 염소산 나트륨, 과염소산 칼륨 및 과염소산 리튬을 산소의 원천으로 이용한다. 염소산염 또는 과염소산염은 분해되어 산소를 방출한다. 일반적인 화학적 산소 발생기에 있어서, 염소산 나트륨 캔들(candle)은 스테인레스 철 용기(canister)에 내장되어 있고, 산소는 분해를 지속시키기 위한 추가적인 열을 공급하기 위해 일반적으로 사용되는 철분말(iron powder)과 같은 연료의 존재하에 염소산 나트륨의 분해에 의해 발생된다. 그러나, 이 산소 발생기들은 또한 부반응을 통해 수백 ppm까지의 독성 염소 가스와 몇몇 유기 오염물질들을 발생시킨다. 산소와 함께 발생되는 독성 염소 가스는 산소를 호흡용으로 만들기 위해서 제거되어야 한다.

이러한 산소 발생 시스템들에서 염소 가스를 흡수하기 위해 자주 사용되는 홉칼라이트가 있는 캐스트(cast) 필터나 그래뉼 베드(granular bed) 필터와 같은 필터들은 나름의 문제점들을 가지고 있다. 예를 들어, 홉칼라이트 그래뉼 베드 필터는 진동에 의한 충격에 취약한데, 항공기의 화학적 산소 발생기들은 진동에 자주 노출되므로 문제가 될 수 있다. 진동이 일어나는 동안에, 그래뉼들이 서로 마멸되어 그래뉼들의 입자 크기가 점차 감소되고 필터의 베드가 더 단단히 다져져서 필터의 베드의 바닥에 정착되면서 필터 구실을 못하게 할 수 있는 채널(channel)을 만든다. 마멸, 정착 및 채널링(channeling)의 결과를 피하기 위해서, 필터 베드는 그 사이에 세라믹 섬유나 유리 섬유 패드층이 있는 수 개의 홉칼리이트 그래뉼 레이어들로 채워지는 것이 보통이다. 그러나, 필터의 격실(compartments)내에 홉칼라이트 레이어들을 고르게 채우는 것은 어려우며 조립 공정이 더디고 지난한 것이 일반적이다. 홉칼라이트 사이의 필터 패드들은 매우 무겁다. 이 점이 개인용으로 덜 사용되게 만든다.

오늘날 시장에서 입수 가능한 다른 화학적 산소 발생 장치들은 과염소산염들을 사용하지 않으므로 염소 가스를 생성하지 않는다. 그러나, 이들 또한 문제점을 안고 있다. 예를 들어, 바륨 퍼옥사이드, 리튬 퍼옥사이드 및 칼슘 퍼옥사이드가 산소 발생 조성물 내의 염소산 나트륨의 기능을 완화시키기 위한 억제제로서 코발트 옥사이드와 함께 사용되어 왔다. 그러나, 바륨 퍼옥사이드는 독성이어서 바륨 퍼옥사이드를 포함하는 사용한 또는 소모된 산소 발생기들을 폐기하는 비용이 들 수 있다. 리튬 퍼옥사이드 및 칼슘 퍼옥사이드는 매우 강력한 억제제들이어서, 예를 들어, 산소 발생 조성물들에 몇 분의 1 퍼센트와 같이 소량으로만 사용될 수 있는데, 산소 발생 조성물들에 이 억제제들을 균일하게 분포시키는 것은 매우 어렵다. 리튬 퍼옥사이드는 또한 습기 및 이산화탄소를 흡착하면 케이크화되는 경향이 있어서 이것이 혼합을 더욱 어렵게 만든다. 코발트 옥사이드를 촉매로, 그리고 리튬 퍼옥사이드나 칼슘 퍼옥사이드를 첨가제로 함유하는 포뮬레이션을 만들기 위해서는, 오랫동안 완전히 혼합하는 것이 각 롯트(lot) 내의 그리고 하나의 로트와 다음 로트 간의 차이를 줄이는데 대단히 중요하다. 칼슘 하이드록사이드의 분해는 또한 몇몇 용도에서는 바람직하지 못한 물을 생성한다. 칼슘 하이드록사이드는 또한 다른 촉매가 존재하지 않으면 최소한의 촉매 활성을 가진다.

코발트 옥사이드 및 칼슘 하이드록사이드로 배합된 산소 발생 조성물들 내의칼슘 하이드록사이드는 비교적 강한 억제제이기 때문에, 불완전한 혼합으로 인해 생긴, 코발트 옥사이드가 고농도이고 칼슘 하이드록사이드가 저농도인 국부적인 영역들은 코발트 옥사이드가 저농도이고 칼슘 하이드록사이드가 고농도인 다른 국부적인 영역들보다 훨씬 더 높은 분해율을 가진다. 이리하여 리튬 하이드록사이드 및 칼슘 하이드록사이드 기반의 산소 발생 조성물들의 포뮬레이션들은, 산소 발생 조성물들 내에서의 성분들의 불균일한 분포로 인해, 로트 내 그리고 로트 마다 성능이 비교적 큰 차이를 보이는 것이 일반적이다.

그러므로, 제거할 필요가 없거나 폐기가 어렵지 않은 장치로서 지속적이고 많은 양의 산소를 생성할 수 있는 산소 발생 장치가 필요한 것이다. 본 발명은 종래 기술의 문제점들을 해결하며, 환자가 호흡하기에 필요한 적당한 산소 레벨을 유지시켜 줄 수 있는 진정으로 휴대용 산소 발생 시스템인 화학적 원리의 산소 발생 장치를 제공한다. 본 발명은 아래 부분에 설명되어 있다.

발명의 요약:

본 발명의 목적은, 산소가 없는 대기에서 호흡용 산소를 생성할 수 있는 호흡 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 덩치가 크고 무거운 부품들이 필요치 않아 진정으로 휴대가 가능한 호흡용 산소를 생성하는 휴대용 호흡 장치를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명은 물로부터 산소를 발생시킬 수 있는 필터재에 연결된 화학 챔버를 사용하여 산소 가스가 없는 대기에서 산소 및/또는 수소를 생성하기 위한 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 화학적으로 발생된 산소와 함께 소변으로부터 정화된 물을 이용함으로써 산소가 없는 대기에서 호흡용 산소를 생성할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 이러한 유형의 장치는, 산소를 발생하기 위한 (호기의 응축 수증기로서의) 물을 생성하는데 우주복 내에 보유된 소변이 쉽게 이용될 수 있는 우주 탐사에 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 본 발명의 장치를 사용하여 산소가 없는 대기에서 산소를 생성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 구체예는, 두 챔버로 분리된 하우징 어셈블리를 포함하여 구성되며, 산소가 실질적으로 없는 환경에서 산소를 생성하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 제1 챔버는 복수의 반복적인 촉매성의, 한외 여과(ultra filtration)하며 튜브형(tubular) 및 고형 프레임과 연계하여 과산화 수소를 발생시키는 스크린들을 포함하여 구성된다. 반복적인 유닛들은 교대 패턴으로 배열되며, 2 분자 산소 및 수소와, 2 분자 산소를 한외 여과하기 위한 제올라이트 함유 스크린과, 과산화수소를 발생시키기 위한 다이루테늄/다이루테늄/제올라이트 함유 스크린을 포함하여 구성된다. 분리기(separator)에 의해 제1 챔버와 분리되는 제2 챔버는 과산화수소와 같은 액체 반응물과 상호작용하여 산소를 발생시키는 MnO₂와 같은 촉매를 포함하여 구성된다.

제1 챔버의 반복 유닛은, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 적어도 하나의 유형의 음전성인(electronegative) 이온을 포함하여 구성되는, 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름을 포함하여 구성된다. 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 음전성인 이온들은 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름과 직접 접촉하에 있다. 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름은 나노탄소 튜블 메쉬 네트워크와, 다이루테늄/다이루테늄 분자들이 부착되어 있는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름의 반대측 표면에 연결되는, 루테늄 이온 포집용 사이드로포어(siderophore) 판 또는 중공(hollow) 튜브를 더 포함하여 구성될 수 있다. 사이드로포어 판 또는 중공 튜브는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름으로부터 이탈된 자유 루테늄 이온들을 포집할 수 있도록 이온적으로 하전되어 있다.

다이루테늄/다이루테늄 스크린 가까이에 있으며 그리고 사이드로포어가 있는 스크린의 면을 마주하는 것이 3 개의 스크린 시리즈 중에서 제2 스크린이다. 제2 스크린은, 나노탄소 튜블 메쉬 네트워크가 형성되도록 그 표면에 부착되거나(되고) 매립된(embedded) 복수의 나노탄소 튜블들과, 나노탄소 튜블들과 직접 접촉하에 있는 적어도 하나의 제올라이트 결정체를 포함하여 구성되는 합성 필름이다. 이 합성 필름은 직경이 약 0.1 내지 3.0 nm인 다수의 세공들을 가지며 나노탄소 튜블들에 부착된 제올라이트 결정체들은 합성 필름의 세공들의 적어도 일부와 중첩된다.

제올라이트 결정체들이 있는 합성 필름 가까이에 있는 것이, 제올라이트 결정체들과 다이루테늄/다이루테늄 착물들을 모두 포함하여 구성되는, 3 스크린 반복 유닛의 최종 스크린이다. 합성 필름/ 제올라이트 및 다이루테늄/다이루테늄 착물들은 수소 및 산소로부터 과산화수소를 발생시킨다. 화학 챔버나 제1 및 제2 스크린들로부터 발생된 수소 및 산소와 발생된 과산화수소는 제2 챔버로 유도될 수 있으며, 거기에서 매립된 촉매와 종국적으로 반응하여 산소가 추가로 발생된다.

반복 유닛의 제3 스크린의 제올라이트 결정체들과 다이루테늄/다이루테늄 착물들은 그 스크린의 작은 중앙 패치에 국부적으로 존재하거나 전체적으로 고르게 분산될 수 있다. 또한, 반복 유닛의 제3 스크린에는, 루테늄 이온들이 사람에게 노출되지 않는 것을 보장하기 위해, 선택적으로 사이드로포어 판이 구비될 수 있다.

다수의 반복 유닛들은 연속적으로 배열되어, 개인 휴대 장치, 우주복 또는 구획된 영역의 희박한 대기에서 호흡용 산소를 공급할 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 반복 유닛들은 산소 생성 성능이 고갈될 때 교체될 수 있도록 카트리지로 배열될 수 있다. 특수한 장비 없이 개인들의 호흡을 돕기 위해 산소가 없는 구획된 대기를 공조하기(condition) 위해서는, 물로부터의 산소 생성과 MnO₂와 과산화수소의 촉매 반응으로부터의 산소 생성을 병용하는 것으로 충분하다.

본 발명은 또한, 물 또는 물의 공급원으로서의 소변과 본 발명의 장치를 사용하여 호흡용 산소가 없거나 고갈된 환경에서 산소를 생성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 장치를 아래의 도면과 연계하여 발명의 상세한 설명에서 보다 자세히 설명할 것이다.

도 1은, 본 발명의 필터재의 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름의 정면 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 필터재의 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 사이드로포어 판을 포함하여 구성되는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름의 배면 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 필터재의 제올라이트 결정체들을 포함하여 구성되는 제2 스크린의 표면 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 제올라이트 결정체들과 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 제3 스크린의 표면 사시도이다.
도 5는, 프레임에 셋팅된 제올라이트 결정체들을 포함하여 구성되는 제2 스크린의 정면 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 필터재의 프레임에 연결된 플로우 튜브와 스크린의 정면 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 스크린들의 프레임에 연결된 플로우 튜브와 카트리지의 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 하우징 어셈블리의 사시도이다.
도 9는, 본 발명의 하우징 어셈블리의 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 3 개의 스크린들을 포함하여 구성되는 하나의 반복 단위의 확대도이다.

발명의 상세한 설명:

본 발명은, 산소가 희박한 환경에서 호흡용 산소를 생성할 수 있는 산소 발생 장치에 관한 것으로서, 과산화수소로와 촉매로부터 산소가 생성되고 물이 쪼개진다. 본 발명의 장치는, 하나의 화학 챔버와, 교대로 반복되는 스크린들을 포함하여 구성되는 반복 유닛들을 포함하는 촉매/여과 챔버를 가진 2-챔버 시스템이다.

각 반복 유닛은, 물과 과산화수소로부터의 산소 생성이 최적화될 수 있도록 특정하게 배열된 3 개의 상이한 유형의 스크린들을 포함하여 구성된다. 제2 스크린과 제2 스크린의 필터재는 상호 보완적으로 작동하도록 설계되어, 물로부터 2 분자 산소 및 수소를 화학적으로 생성하고 스크린 위로 지나가는 공기로부터 산소를 효과적으로 여과한다. 즉, 반복 유닛의 제1 스크린은 촉매적으로 물을 2 분자 물과 수소로 쪼개며, 제2 스크린은, 제1 스크린에서 물을 쪼개면서 생성된 산소를 여과해내는, 제1 스크린 가까이에 있는 한외 여과 스크린이다.

제3 또는 최종 스크린은 제2 스크린 가까이에 연속적으로 배열되어 산소 및 수소로부터 과산화수소를 발생시키도록 설계된다. 이 스크린은, 단일 스크린에 특정하게 배열된 제2 스크린의 제올라이트 결정체와 제1 스크린의 다이루테늄 착물의 조합물을 포함하여 구성된다. 이러한 배열에서, 단일 스크린에 배열된 다이루테늄 착물과 제올라이트 결정체들은 상호 보완하여 수소 및 산소를 과산화수소로 변환하는 촉매 효능을 발휘한다. 그리하여 반복 유닛의 제3 스크린에 의해 생성된 과산화수소는 훨씬 더 많은 산소를 생성하기 위해 제2 챔버에 사용될 수 있다.

재활용되는 과산화수소는 생성된 물과 함께 추출되며, 이 수성 용액은 다시 재사용하기에 바람직한 농도의 과산화수소로 정화 및 농축된다. 안트라퀴논 작업용액(working solution)을 수소화 반응기로 되돌려서 순환 및 그 혼합물을 완성한다. 교대 유닛들 내의 스크린들의 특정한 배열 및 설계로 인해, 필터들의 기능을 저하시키는 것으로 알려진, 제2 스크린의 한외 여과재 상에 물이 과도하게 생성되는 것은 물론이고, 산소 발생 필터들의 분해를 야기할 수도 있는 산소 발생 중의 라디칼 중간체들의 증가가 방지된다.

본 발명의 장치는, 생명이 유지될 수 있도록 호흡용 산소로 공기를 조절하기 위해 산소가 없는 환경에 설치될 수 있는, 수중 또는 수상용 헬멧, 우주복 또는 단독 유닛 내의 휴대용 호흡 장치로서 사용될 수 있도록 설계된다.

반복 유닛들의 스크린들은 각각, 카트리지에 들어맞게 구성되거나 헬멧, 우주복, 단독 유닛 내로 직접 밀어넣을 수 있는 튜블형 및 고형 프레임을 가진다. 카트리지는 (만일 사용된다면) 반복 유닛들을 수용하도록 설계될 수 있으며, 위치와 생성되는 산소의 양에 따라, 그 크기가 약 1 인치 미만 내지 몇 피트의 범위 내에 있을 수 있다. 달리 말하면, 우주선과 같은 커다란 선실을 공조하기 위해서는 길이가 몇 피트인 반복 유닛들을 가진 하나 또는 그 보다 많은 단독 유닛들이 요구될 수 있다.

본 발명의 제2 챔버는, 그 내부에 침착되거나(deposed) 바람직하게는 제2 챔버의 벽들 내에 매립된 촉매를 포함하여 구성된다. 제2 챔버에 공급되는 것은 촉매와 상호작용하여 산소를 발생하는 적어도 하나 이상의 화합물이다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 제2 챔버에 사용되는 촉매는 이산화망간, 은 또는 그 혼합물이다. 과산화수소와 반응하는 다른 촉매들이 본 발명의 제2 챔버에 사용될 수 있으며 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 여긴다. MnO₂가 제2 챔버의 촉매로서 특히 바람직하다.

운반선에 승선하여 배설한 소변은 본 발명의 산소 생성에 이용될 수 있는 물을 포함하고 있다. 그러나, 소변 내의 물은 본 발명의 제2 챔버에 사용될 수 있는 특정 촉매와 접촉하에 있다. MnO₂는 염소 가스, 하이포염소산 또는 THM을 방출하는 경향이 덜 하므로, 전극으로 기능할 때, 염소 이온이 존재하더라도 물의 전기분해(산소 발생)가 우선하여 일어나며, 염소 가스나 하이포염소산의 발생이 억제된다.

촉매로서 제2 챔버에 매립된 MnO₂는 과산화수소의 분해속도를 크게 증가시킨다. 만일 고강도 과산화수소(High strength peroxide) (고품질 과산화수소(HTP: High-test peroxide)로도 불림)가 생성되었다면, 압력이 상승되어 종국적으로 용기가 파손되는 것을 막기 위해 구멍이 있는 용기에 보관되어야 한다. 본 발명자들은, 바람직하게는 6 % 내지 45 %, 더 바람직하게는 8 %의 저농도 과산화수소를 사용하여 이처럼 휘발성인 액체를 저장하기 위해 구멍과 고압 안전 시스템이 필요치 않게 하였다.

과산화수소의 일반적인 농도는 "20 부피"인데, 이것은 과산화수소 1 부피가 분해될 때 20 부피의 산소가 생성된다는 것을 의미한다. 과산화수소의 20 "부피" 농도는 1.67 몰/dm3 (몰농도) 또는 약 6 %와 같다.

상술한 바와 같이, 촉매는 제2 챔버 전체에 걸쳐 고르게 분산되거나 제2 챔버의 벽들에 매립될 수 있다. 과산화수소를 챔버 내로 점적시킴(drip)에 따라 이것이 촉매와 반응하여 산소가 발생한다. 과산화수소 외에도, 사용되는 촉매에 따라 추가적인 화합물들이 사용될 수 있으며, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 여긴다. 과산화수소는 펌프에 의해 조절되는 과산화수소 공급 라인을 통해 제2 챔버로 투입된다. 그리하여, 생성된 산소는 챔버로부터 사이펀(siphon)으로 빨려 나가서 (헬멧 내에서) 호흡용으로 사용되거나, 반복 유닛들로부터 생성된 산소와 혼합되어 처리될 환경으로 배출되거나, 추후 사용하기 위해 저장된다.

본 발명의 하나의 구체예에서, 본 장치는, 호기를 환자로부터 튜블형 프레임으로 모아 흐르게 하여 거기에서 본 발명의 유닛들로 분산되게 하는, 마우스피스 및/또는 헬멧을 가진 우주복으로 구성된다. 그리하여 호기 및/또는 정화된 소변으로부터의 수증기가 본 발명의 필터재를 가로질러/통과하여 흐르면서 산소와 수소로 화학적으로 쪼개진다. 그 다음에, 산소 흐름은 호흡용으로 환자에게 직접 역순환되거나 제2 챔버에 의해 생성된 산소와 합쳐져서 추후 사용하기 위해 저장되거나 아니면 주위 환경으로 배출된다.

제1 챔버의 반복 유닛들의 제1 및 제2 스크린들은, 각 스크린의 프레임의 중공 부분 및 전체 장치와 통하고 있는 복수의 블로우-바이 가속 노즐들(blow-by accelerator nozzles)을 더 포함하여 구성된다. 블로우-바이 가속 노즐들은 주위로부터 제1 및 제2 스크린들로 공기를 공급하는 수단이 된다. 블로우-바이 가속 노즐들외에도, 본 장치는 프레임과 통하며 복수의 블로우-바이 가속 노즐들과 교차하게 위치하는 복수의 스캐빈저 노즐들(scavenger nozzles)을 또한 포함한다. 복수의 가속 노즐들(필터 챔버의 필터재 표면을 가로지르는 공기 흐름과 평행함)과 복수의 스캐빈저 노즐들(필터 위 공기 흐름으로부터 미반응 공기흐름, 부생성물들 및 과잉 전하 증가를 제거함)를 조합함으로써 필터재를 계속 작동시키기 위한 공기 흐름을 제공하고 미반응 공기흐름, 부생성물들, 산소 및 수소를 프레임 내로 포집하여 사용하거나(하고) 장치 밖으로 배출한다.

필터재를 가로지르는 공기 흐름을 촉진하기 위해, 블로우-바이 가속 노즐들은, 프레임에 부착된 폭이 넓은 단부와, 블로우-바이 액셀러레이터 노즐들로부터의 공기가 필터재 위로 흐를 수 있도록 적어도 부분적으로 필터재 위에 위치하는 폭이 좁은 단부를 가지도록 설계될 수 있다. 본 발명의 스캐빈저 노즐들은, 반대로 설계될 수 있다. 즉, 스캐빈저 포트들은, 프레임에 부착된 폭이 좁은 단부와, 블로우-바이 가속 포트들로부터의 미반응된 공기 흐름 및 부생성물들이 스캐빈저 포트들에 의해 포집되어 프레임으로 보내져서(channeled) 사용되거나(되고) 본 발명의 장치 밖으로 배출되도록 적어도 부분적으로 필터재 위에 위치하는 폭이 넓은 단부를 가질 수 있다.

제1 및 제2 챔버들로부터 생성된 가스들은 추후 사용될 수 있도록 저장 용기에 저장될 수 있다. 여기에서, 추가적인 공기의 흐름이 전부 활용되고 과잉 2 분자 산소가 생성될 수 있도록 몇 개의 카트리지가 연속적으로 사용될 수 있다. 더 나아가, 상술한 바와 같이, (즉, 외계 환경에서와 같이 습기가 적거나 없는 환경들에서) 본 장치는 필터들이 소변으로부터 정화된 물로부터 2 분자 산소를 생성하도록 설계될 수 있다. 모든 이러한 구성들은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 여기며 본 발명의 화학 챔버는 물론이고 촉매 스크린 및 여과 스크린을 사용하도록 설계된다.

교대하는 필터재의 제1 스크린은, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과, 필름에 직접 부착되는, 적어도 하나의 유형의 음전성인 이온을 포함하여 구성되는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름이다. 제1 스크린 가까이에 연속적으로 배열되는 제2 스크린은, 합성 필름 내에 부착/매립되며 중심에 배열된 나노탄소 튜블들과 직접 접촉하에 있는 적어도 하나의 제올라이트 결정체를 포함하여 구성되는 합성 필름으로 만들어진다. 이 합성 필름은 직경이 약 0.1 nm 내지 약 3.0인 다수의 세공들을 포함하여 구성된다. 제올라이트 결정체들은 나노탄소 튜블들에 부착되며 세공들의 적어도 일부와 중첩된다. 이러한 구조체가 단일 반복 유닛을 형성하는 것이며 주어진 공급원으로부터 높은 수율의 산소를 생성하기 위해서 연속적으로 배치될 수 있다.

이 합성 필름은 직경이 약 0.1 nm 내지 약 3.0인 다수의 세공들을 포함하여 구성된다. 제올라이트 결정체들은 나노탄소 튜블들에 부착되며 세공들의 적어도 일부와 중첩된다. 이러한 구조체가 단일 반복 유닛을 형성하는 것이며 주어진 공급원으로부터 높은 수율의 산소를 생성하기 위해서 연속적으로 배치될 수 있다.

제1 스크린에 사용된 독특한 다이루테늄/다이루테늄 분자는 몇 개의 루테늄 원자들을 포함한다. 화학적으로 "루테늄"은 우랄 산맥과 북미 및 남미에서 다른 백금계 금속들과 함께 광석들에서 일반적으로 발견된다. 소량이지만 상업적으로 중요한 양이 또한 온타리오주 서드베리(Sudbury,Ontario)에서 채굴된 펜틀란다이트(pentlandite)와, 남 아프리카의 파이록세나이트 매장물에서 발견된다.

암모늄 루테늄 클로라이드를 감소시켜서 파우더가 만들어지도록 수소가 사용된다. 그 다음에, 이 파우더는 파우더 야금 기술에 의해 통합된다. 역사적으로, 루테늄은 원(crude) 백금을 용해하고 남는 잔류물로서 인식되었다. 루테늄은 전이금속이며 대부분의 전이금속들이 그러하듯 우수한 루이스 산이다. 즉, 이들은 루이스 염기로서 작용하는 많은 분자들 또는 이온들로부터 기꺼이 전자들을 받아들인다. 루이스 염기가 그것의 전자쌍을 루이스 산에게 공여할 때, 루이스 산에 배위하여 배위 공유 결합을 형성한다라고 말한다. 루이스 염기들이 루이스 산으로서 작용하는 금속들에 배위하여 일체적인 구조 단위를 형성할 때, 배위 화합물이 형성된다. 이러한 유형의 화합물, 즉 착물에 있어서, 루이스 염기들은 리간드라고 불리며, 이와 같은 리간드들은 양이온, 음이온 또는 중성으로 하전될 수 있다.

본 발명의 루테늄 착물의 다른 부분은 폴리옥소메탈레이트들 즉 "POM"이다. 하나의 류(class)로서, POM들은 촉매로 사용하기에 매우 기능성이어서 산화 반응에서의 반응물로서의 산소 및/또는 과산화수소 분자를 활성화시킨다. 그러나, 촉매로서 분자들을 포함하는 루테늄을 사용함에 따른 주요한 문제점들 중 하나는 루테늄 촉매의 변성(degeneration)과, 촉매로부터 이탈/분해될 수 있는 이온들과 접촉하는 것들에 대한 루테늄 독성의 위험이다. 본 발명의 필터재 설계에 있어서, 독특하게 설계된 사이드로포어를 사용함으로써 이러한 문제점들 중 일부를, 그리고 사이드로포어 및 이와 접촉하에 있는 나노탄소 튜블들을 전기적으로 하전시킴으로써 이러한 문제점들 중 일부를 극복한다.

본 발명의 반복 유닛의 제1 스크린은, 붕소-도핑된 합성 탄소 박막과, 루테늄 착물과는 반대 쪽인 합성 탄소 필름의 면에 결합된 하전판(charged plate)을 포함하여 구성된다. 붕소-도핑된 합성 탄소 박막과 하전판은 모두 사이드로포어들로서 승수적으로(synergistically) 기능한다. 사이드로포어는, 자유 하전 이온들(free charged ions)을 끌어당겨서 결합시키는 화합물이다. 달리 말하면, 사이드로포어는, 이온들이 필터재들을 통과해서 필터로부터 나와 사람의 공기 흐름으로 이어지기 전에, 자유 하전 이온들을 포집하는 착물이다. 따라서, 본 발명의 다이루테늄/다이루테늄 착물로부터 이탈될 수 있는 여하한 루테늄 양이온들을 포집하는 것은, 산소를 발생시키기 위한 촉매로서 루테늄을 사용하는 단점들을 극복하고, 그에 따라 루테늄 독성에 대한 예방 수단을 제공한다.

본 발명의 하나의 구체예는, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과, 탄소 필름에 직접적으로 또는, 선택적으로, 중간 화합물 및/또는 구조체를 통해 부착된, 적어도 하나의 유형의 음전성 이온을 가지는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름을 포함하여 구성되며, 수원(water source)으로부터 산소 및/또는 수소 가스로 쪼개기 위한 필터재를 제공한다. 본 발명의 다이루테늄/다이루테늄 분자들이 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름과 직접 접촉하든, 하나의 중간 화합물 및/또는 구조체를 통해 부착되든, 이들은 이온 결합, 공유 결합 및/또는 배위 착물 결합된다.

본 발명의 하나의 구체예에서, 본 발명의 다이루테늄/다이루테늄 분자들 각각의 하나의 다이루테늄 분자는, 다음의 식 (I): [Ru₂(CO)₄(u-n² ^-O₂CR)₂L₂]_x 을 가지며, 여기서, u 는, [Ru₂(EDTA)₂]^2-, (CO)₄, F^-, CO₃ ^-2, NO⁺(양이온), 수소-결합된 방향족/카복실산-(이중 결합된 산소 또는 그 안의 사이트들에서, 중합으로서 복수의 결합들이나 단일 결합을 위한 것임), 에틸렌다이아민, 음이온성 리간드들로서의 할라이드들(halides), 카복실산(carboxylic acid), 불포화 탄화수소들, 금속 중심에 선형으로 또는 구부러지게(bent) 배위된 질산, 부타다이엔, 카복실레이트 리간드들, 음이온성 (RO- 및 RCO₂ ^-2 (여기서, R 은 H 또는 알킬 기임) 또는 중성 리간드들 (R₂, R₂S, CO, CN^-), CH₃CN (아세토니트릴), NH₃ (암모니아 아민) F^-, Cl^-, "스콜피오네이트 리간드(Scorpionate Ligand)"로서의 트리스(피라졸릴)보레이트들(tris(pyrazolyl)borates) [3개의 피라졸들(pyrazoles)에 결합된 하나의 붕소이며; 이 화합물의 "집게들(pincers)"은 하나의 금속을 결합시킬 수 있는 피라졸 기들 ( C ₃ H ₄ N ₂ ) 중 2 개의 질소 헤테로 원자들(nitrogen hetero atoms)을 가리킴] 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택되는, 브리징 리간드(bridging ligand)이고, 바람직하게는, [Ru₂(EDTA)₂]^2- 이며;

n 은, 적어도 2 이고, 분자의 덴티시티(denticity) (즉, 동일한 중심 원자에 부착된 특정 리간드의 도너 기들(donor groups)의 수)에 좌우되며;

[Ru₂(Ph₂PCH₂CH₂PPh₂)(EDTA)]²⁺, C₆H₆, R₂C=CR₂ (여기서, R 은, H 또는 알킬임), 1,1-비스다이페닐포스피노 메탄, 바람직하게는 트라이덴테이트(tridentate)를 [다이엔] 결합시키는 다이에틸렌트라이아민 들(bonds), 바람직하게는 트라이덴테이트를 [다이엔] 결합시키는 트라이아자사이클로노난(triazacyclononane), 트라이페닐포스핀(triphenylphosphine) 및 그 혼합물들이고;

CR 은, 카복실산, 카복실레이트 리간드들, 음이온성 (RO^- 및 RCO₂ ^- (여기서, R 은 알킬 기임)) 또는 중성 리간드들 (R₂, R₂S, CO^-, CN^- (여기서, R 은 알킬 기임)) 및 그 혼합물들이며; 그리고 x 는, 약 1 내지 약 30, 바람직하게는, 1 내지 약 20, 그리고 더욱 바람직하게는, 1 내지 약 10이다.

본 발명의 다이루테늄/다이루테늄 분자들의 다른 분자는, 유효한 촉매에서 Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉O₃₄)₂ ^-14 로 변환될 수 있는 다음의 식 (II): [WZnRu^III ₂(OH)(H₂O)(ZnW₉O₃₄)₂] 을 가지는 다이루테늄-치환된 폴리옥소메탈레이트(diRuthenium-substituted polyoxometalate)이다. 다이루테늄 분자에서 각 루테늄 간의 거리는, 약 2.0 옹스트롬(angstroms) 내지 약 3.0 옹스트롬, 바람직하게는, 약 2.25 옹스트롬 내지 약 3.0, 그리고 더욱 바람직하게는, 약 2.50 옹스트롬 내지 약 2.80 옹스트롬이다.

그 전체가 본 명세서의 참고문헌을 이루는, Shannon 등의 미국 특허 제7,208,244호에 기술되어 있는, 다이-루테늄-치환된 폴리옥소메탈레이트들은, 본 발명의 필터재의 이점들을 제공하기 위해 상술한 바와 같은 붕소-도핑된 탄소 박막과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 필터재는, 다이루테늄/다이루테늄 분자가 부착된 제1 스크린의 반대쪽 표면에 연결된, 루테늄 이온 포집 사이드로포어 판을 더 포함하여 구성된다. 사이드로포어 판은, 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름으로부터 이탈된 자유 루테늄 이온들을 포집하도록 이온적으로 하전된다. 사이드로포어 판은, 음 또는 양으로 하전된 이온들 및 레진 클레이(resin clay)로 구성되는 그러한 군으로부터 선택될 수 있으며, 클레이는 복수의 세공들을 가지는 하나의 중공 튜블형 판으로 성형된다. 특히, 사이드로포어 판들은, 폴리설피네이트 함침된(impregnated) 레진 판들, 에틸렌다이아민테트라아세트산 (EDTA) 함유 판들 및 그 혼합물들일 수 있다.

탄소 도핑된 필름의 나노튜블들(nanotubules)의 일 단부에 부착되고, 사이드로포어 판의 적어도 일부는 박막에 직접 부착되거나(되고) 매립된다. 이러한 설계는, 사이드로포어 판로 하여금 자유 루테늄 이온들을 포집하여 이들과 이온 결합할 수 있게 한다. 위에서 설명한 바와 같이, 이것은 필터재가 호흡용 산소를 제조하기 위해 사용될 때 필수적이다. 필터재에 의해 생성된 산소가 호흡용으로 사용되지 않고 대신에 산업 공정에 사용되는 구체예에서는, 사이드로포어 판이 덜 중요하다.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름은, 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크를 더 포함하여 구성될 수 있다. 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크의 나노튜블들은, 약 20 나노미터 내지 약 450 나노미터, 바람직하게는 20 나노미터 내지 약 250 나노미터, 그리고 더욱 바람직하게는 약 20 나노미터 내지 약 100 나노미터의 직경을 가진다. 2 분자 산소 및/또는 수소를 생성하기 위해 수소-산소 결합들이 더 쉽게 쪼개지도록 만들기 위해, 물의 산소-수소 결합들을 불안정화시키기 위해 사용되는 극도로 낮은 저항 흐름(extremely low resistance flow)으로 각 튜블이 전류를 운반할 수 있도록 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크가 설계된다. 따라서, 이러한 결합들을 분열시키기 위해 필요한 에너지와 시간이 더 적으며, 그에 따라 2 분자 산소를 생성하는 것이 더 빠르고 더 쉽게 된다. 나노튜블형 네트워크는 약 0.2 내지 약 5.0 미크론(microns) 만큼 지지 POM 매트릭스(supporting POM matrix) 위로 뻗어 있다.

다이루테늄을 탄소 박막에 부착시키는 것은 탄소를 기판(substrate)에 부착시키는 것으로 시작한다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 규소 기판(silicon substrate) 또는 그 동등물이, 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CDV)에 의한 탄소 원자들로 하여금 기판 표면에 코어(core)를 형성하여 사면체 배위된 Sp³ 궤도 네트워크를 만들도록(initiating) 하는데 사용된다. CDV는, 프리커서(precursor) 가스들로서 수소와 메탄을 사용하고, "가열 방법(heated methodology)"을 사용한다. 가열 방법은, 예를 들어, 대부분 "메틸 라디칼"인 반응성 종(reactive species)을 확산시켜 기판 표면과 상호작용하도록 만들기 위해 필라멘트(filament)를 사용할 수 있다. 일단 완료되면, 박막 표면은 주로 단일 C-H 결합들을 가지는 3차 탄소 원자들이다.

탄소 박막을 도핑하는 것은, 붕소, 불소 및/또는 질소를 사용하여 완료될 수 있다. 도핑 레벨(doping level)의 농도들이 증가됨으로써, 다이아몬드의 절연체 특성(insulator behavior)은 반도체의 특성 그리고 나아가 완전히 금속의 특성으로 바뀐다. 전기 화학 측면에서, 도핑 레벨은, 다이아몬드 레벨의 낮은 저항 강하(low ohmic drop)를 가져오도록 충분하여야 하되, 결정 구조를 변형시키거나 교란시켜서 도핑 합성(doping synthesis) 동안에 흑연 상(graphite phase)이 유도되지 않도록 충분히 낮아야 된다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 탄소는 음이온으로서의 불소로 음성 도핑된다. 즉, F^- 원자는 잉여 전자를 가지며, 0.35 eV의 붕소에 비해 약 .028 내지 0.32 eV의 약간 낮은 에너지 레벨을 가질 것이다.

일반적으로, 탄소-불화물 결합(carbon-fluoride bond)은 공유 결합이며 매우 안정하다. 오르가노플루오린은 독성 불화물이 방출될 위험이 없으므로 의약과 같은 용도에 안전하게 사용될 수 있다. 그러나, 방향성 고리에 탄화불소를 사용하는 것이 유용하긴 하나, 체내 효소들이 이들 중 몇몇을 독성인 에폭사이드들로 대사 작용하므로 안전 문제가 제기된다. 파라(para) 위치에 플루오린이 치환될 때, 방향성 고리는 보호되며 에폭사이드는 더 이상 생성되지 않는다. 유기화합물들에 있어서 수소를 불소로 치환하면 매우 많은 종류의 화합물들이 생긴다. 추정컨대 의약 화합물의 1/5과 농약 화합물의 30 %가 불소를 함유한다. -CF₃ 및 -OCF₃ 족(moiety), 보다 최근에는 SF₅ 기들로 더 많은 변종 화합물들이 만들어진다. 또한, BF₃와 같은 불소 원자들로 도핑된 붕소를 활용함에 있어서, BF₃는 다음의 반응에 의해 제조된다.

B₂0₃ + HF -> 2BF₃ = 3H₂O

또한, B₂0₃ 및 HF 가스는 기화되어 메탄과 상호작용하며, 불소를 함유하는 화합물들로 어떠한 것이 사용되는 지가 중요하며, 불소를 함유하는 화합물들은 분자마다 적어도 하나의 탄소-금속 결합을 가지는 것이 필수적이다.

생성된 박막은, 본 발명의 경우에서는, 붕소-도핑된 합성 다이아몬드(탄소)로 구성된 껍질처럼 하나의 반도체로서 기능한다. 이 박막은, 양이온 종들처럼 톱질대(sawhores) 모양의 구조체에 결합된 음전성 족(moiety)을 증폭시키는 유도 효과를 가지는 반도체로서 기능하는 다이루테늄 톱질대 코어 분자에 불소를 정착시키는 닻(anchor)으로서 사용된다. 다이아몬드 또는 그라핌(grapheme) 구조의 탄소는 sp³ 혼성되는 반면에, 붕소 (탄소 즉, 다이아몬드가 아님)는 sp² 혼성된다. 본 발명에서, 이러한 배열이 박막에 전도성을 일으켜서 닻으로서의 기재가 되도록 함은 물론이고, 한편으로는 동시에 산소 발생 전극을 위한 하이드록실 라디칼로서 기능하도록 한다. 붕소 원자들에 의한 도핑의 유효 범위는 스크린 크기 1 cm 당 약 2100 ppm 내지 약 6,800 ppm이다.

달리 말하면, 본 발명에서, 붕소 도핑 원자들은 모두 실온에서 원자가 전자대의 말단 위로 약 0.35 eV에서 전자대를 형성하는 전자 수용체들로서 기능하며, 원자가 전자대 전자들의 몇몇이 붕소 수용체로 여기되어(promoted) 도핑제 전자대에는 자유 전자들을 그리고 불소 이온의 원자가 전자대에는 구멍 공백들을 남긴다. 이와 같은 도핑 레벨 없다면, 다이아몬드(탄소 필름)는 원자가 전자대로부터 전류가 흐르게 하는 전도 전자대까지의 커다란 원자가 전자대 갭들을 가지는 부도체나 절연체이다. 금속들에 있어서는, 그와 같은 조절이 결여되어 있고 리간드 구조가 매우 근접한 루테늄 원자들의 반발력에 의해 변형되어 있기 때문에 원자가 전자대와 전도 전자대 사이에 전자대 갭이 없다. 그러나, BDDSTF를 사용하여 도핑함에 있어서, 붕소/F^-로 탄소 매트릭스 시트를 도핑함으로써 전도가 가능하지만, 변형된 에너지 하에서라면, 본 발명자는 이 에너지 변형을 동일한 루테늄 원자들 사이의 반반력을 흡수하는 것으로 이해한다. 또한, BDDSTF는 발생된 최종 생성물인 산소를 얼마간 배척할 것이므로, 이온 보관소로서의 이러한 방호 기능이 산소 저장고로서 기능한다.

생성된 박막은 반도체로서 기능한다. 그것의 반도체 효과 외에도, 붕소-도핑된 합성 다이아몬드(탄소) 박막으로 된 스크린은 톱질대 방향으로 루테늄 착물들의 정렬을 유지시키고, 물이 20 리터/분 그리고/또는 4 리터/25초보다 더 빨리 본 발명의 필터재를 가로질러 흐를 때 POM이 과도하게 분리되거나 꼬이는 것을 막아주기 위한 닻으로서 사용된다. 그러므로, 붕소-도핑된 탄소 박막은 반도체 특성을 제공할 뿐만 아니라, 다이루테늄 분자들이 높은 유속하에서 뒤틀리는 것을 막아준다. 또한, 불소와 함께 붕소-도핑된 탄소 박막은, 내부의 구형 리간드들 모두는 물론, 톱질대 방향으로 정렬된 루테늄 착물에 결합된 음전성 족(moiety)을 증폭시키는 유도 효과를 일으키면서, 한편으로는 외부 구형 결합으로서 다이루테늄-POM 쪽으로 비슷하게 뻗어나간다.

"톱질대 분자(Sawhorse molecule)"는, 공유적으로 또는 이온적으로 그리고/또는 배위 착물화(coordination complexing)에 의해 POM 분자에 결합/착화된다. 특히, 톱질대 분자와 POM 분자의 사이의 결합 방법(bonding technique)은, 착물이 POM과의 착화되기 위해 톱질대에 부착된 F^-로부터의 유도 효과를 이용하기 때문에 이온결합과 유사하다. 화학에서의 유도 효과는, 실험적으로 관찰할 수 있는, 정전기 유도(electrostatic induction)에 의해 한 분자 내에 있는 원자들의 사슬을 통한 전하 전달 효과이다(IUPAC 정의). 치환기(substituent)가 발휘하는 순 극성 효과(net polar effect)는 유도 효과와 공명 효과(mesomeric effect)의 합이다. 두 개의 상이한 원자들 사이의 s-결합 내의 전자 구름은 균일하지 않으며, 2 원자들 중 더 음전성인 원자쪽으로 약간 변위된다. 이로 인해, 더 음전성인 원자(본 발명의 경우에는 F^-)가 약간 음성 전하(d-)를 가지며, 다른 원자가 약간 양성 전하(d+)를 가지는 지속적인 결합 극성화 상태가 야기된다. 만약 음전성 원자 (F^-)가 그리하여 일반적으로 탄소인 원자들의 사슬[톱질대의 리간드 지점들에서의 카복실산의 O₂RC 유도체들]에 합류하면, POM 쪽으로 전달되어 -I 효과로도 알려져 있는 전자-회수(electron-withdrawing) 유도 효과를 나타낸다.

만약 순수하게 "POM 종(species)에 이온 결합된 톱질대"가 본 발명에 사용되면, 루테늄 톱질대 코어 사이에 추가적으로 공지된 브리징 리간드들은 음이온 [Ru₂(EDTA)₂]^2- [Ru₂(EDTA)₂]^2-으로서 제공되고, 브리징 리간드는 ([Ru₂(Ph₂PCH₂CH₂PPh₂)(EDTA)]²⁺와 같은) 양이온으로서 사용되며, 이것은 그 다음에 트라이에틸렌 다이아민, H₂NCH₂CH₂CH₂NH₂과 아마이드를 형성함으로써 결합될 수 있다. 이것은 2 분자 코어와 루테늄 치환 폴리옥소메탈레이트 (RPOM), WZnRu₂ ^III(OH)(H₂O(ZnW₉O₃₄)₂]¹¹를 결합시키기 위한 특이적인 리간드(specific ligand)로서 사용된다. 이것은, a) 톱질대 분자를 제거하지(decimate) 않도록 하기 위해, 그리고 B) 최종 생성물로서 고순도(>97%)의 산소를 발생시키기 위한 전자-발생 능력에 기여하도록 하기 위해 행해진다. 이것은, 금속 카바이드 중간체(metal carbide intermediary)가 사용되는 경우는 그러하지 아니하지만, 큰 반발 변형(repulsive strain) 하에서도 추가적인 루테늄 원자들을 아주 근접하게 하여 달성될 수 있다.

다이아몬드 또는 흑연 구조 내의 탄소는 sp³ 혼성화되는(hybridized) 반면, 붕소 (비 탄소, 즉, 비-다이아몬드)는 sp² 화학종이다. 상술한 탄소 및 붕소의 특이적인 혼성화 상태들은, 박막이 정착시키는 기재로서 그리고 산소 발생 전극으로서 기능하도록 박막에 전도성을 제공함에 있어서 중요하다. 상술한 목적에 효과적이도록, 박막은 0.1 cm의 박막 (스크린) 크기에 약 2100 ppm 내지 약 6,800-ppm 사이의 범위 내에서 붕소-도핑되어야 한다.

본 발명의 반복 유닛의 제2 스크린은, 나노탄소 튜블 메쉬 네트워크를 형성하도록 거기에 부착되거나(되고) 매립된 복수의 나노탄소 튜블들을 가지는 합성 필름을 더 포함하여 구성된다. 본 발명의 합성 필름은, SiO₄, AlO₄, 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택된다. 제올라이트들의 결정 구조는, 일반적으로 사면체 구조 내에 4개의 산소 원자들(-2 원자가)로 둘러싸인 하나의 규소 원자(+4 원자가)로 구성되는 반복 유닛들을 토대로 한다. 사면체 전체 원자가를 0(zero)으로 만드는 2개의 Si 원자들이 하나의 산소 분자를 공유한다. 알짜 전하(net charge) -1이 생기며, 그에 따라 (아래에 더 설명될) 제올라이트들의 양이온 교환 특성(cation exchange properties)이 증가된다. 합성 필름은, 사이드로포어가 부착되는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름의 표면에 인접하게 위치된다. 본 발명의 합성 필름은, 거기에 부착되고 그리고/또는 매립된 나노탄소 튜블 메쉬 네트워크와 직접 접촉하는 적어도 하나의 제올라이트 결정체를 더 포함하여 구성된다. 합성 필름은, 직경이 약 0.1 내지 약 3.4 nm, 바람직하게는, 약 0.1 nm 내지 약 3.0 nm 그리고 더욱 바람직하게는, 약 2.0nm 내지 약 2.9 nm 인, 복수의 세공들을 가진다.

제올라이트들은 일반적으로 마이크로-다공성(micro-porous) 구조들을 가지는 수화 알루미노실리케이트 광물들이다. 따라서, 본 발명의 합성 제올라이트 합성 필름은, 제올라이트의 세공들에 들어갈 수 있는 분자 또는 이온 종의 최대 크기가 통상적으로 구멍의 링 크기에 의해 정의되는 체(sieve)의 터널들(tunnels)의 직경들에 의해 제어되는, 분자체로서 작용한다. 예를 들어, 8-고리 구조를 가지는 제올라이트 착물은, 8개의 사면체 배위결합 규소 (또는 알루미늄) 원자들과 8개의 산소 원자들로 만들어진 하나의 폐쇄된 루프(closed loop)이며, 그 자체가 복수의 세공들을 포함하여 구성된다. 바꿔 말하면, 제올라이트 합성 필름의 내부 세공 부피(internal pore volume) 내로의 특정 이온들의 진입(entry)을 제어하는 제올라이트 합성 필름의 구멍들의 크기는, 고리에 있는 T 원자들 (T = Si 또는 Al)과 산소의 수에 의해 정해진다. 구멍들은 극대(> 12 원자 고리), 대(12 원자 고리), 중(10 원자 고리) 또는 소(8 원자 고리)로 분류된다. 구멍 크기들은, 제올라이트 A와 같은 8 고리 구조의 경우 약 0.4 nm, ZSM-5와 같은 10 고리 구조의 경우 약 0.54 nm, 그리고 제올라이트 X 및 ZSM-12와 같은 12 고리 구조의 경우 약 7.4 nm의 범위내에 있으며, 이들 모두가 본 발명에 사용될 수 있다.

합성 필름 그 자체는, 산소 체거름 효과(oxygen sieving effect) [O₂ = 2.96 Å 및 N₂ = 3.16 Å]를 제공하는 약 0.1 내지 약 3.0 nm의 직경을 가지는 복수의 세공들을 포함하여 구성된다. 나노탄소 튜블들에 부착된 제올라이트 결정체들은 세공들의 적어도 일부에 포개어진다. 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름은, 부착된 탄소 나노튜블들과 제올라이트 결정체들을 가지는 박막 합성 필름(thin synthetic film)과 함께, 본 발명의 필터재를 만들기 위해 사용될 수 있는 하나의 반복 유닛을 구성한다.

본 발명에 사용되는 제올라이트들은, TO₄ 사면체 원자배열(여기서, T 는, Si 또는 Al 임)로 구성된 결정 구조를 가진다. 많은 수의 자연적으로 존재하는 제올라이트들외에도 광범위한 합성 제올라이트들이 또한 있다. 상술한 바와 같이, 제올라이트들의 결정 구조는, 하나의 사면체 원자배열로 4개의 산소 원자들(-2 원자가)에 의해 둘러싸인 하나의 규소 원자 (+4 원자가)로 구성되는 반복 유닛들을 토대로 한다. 각 산소 원자는, 2 Si 원자들에 의해 공유되어, 제올라이트에 그것의 사면체 구조와 0의 알짜 전하를 부여한다. (+3의 원자가를 가지는) 알루미늄이 사면체 원자배열에 치환될 때, 제올라이트는 -1의 알짜 전하를 가질 것이다. 이 음 전하는, 제올라이트들의 양이온 교환 특성의 증가를 가져온다. 제올라이트들은 또한 그들의 독특한 결정 구조들의 결과로서 나타나는, 높은 다공성(porosity) 뿐 아니라 아주 균일하게 구획된(very uniform defined) 세공 크기들을 또한 가진다. 이러한 이유 때문에, 제올라이트들은 분자체로서 유용하다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 본 발명의 제2 및 제3 스크린들에 사용되는 제올라이트 결정체들은, 합성 필름의 세공들의 적어도 일부에 포개어지도록 나노탄소 튜블 메쉬 네트워크의 나노탄소 튜블들에 직접 부착된다. 이러한 구성(configuration)은, 물 분자들의 제올라이트/나노튜블들(그리고 상술한 다이루테늄 착물)과의 반응으로부터 발생된 산소 및/또는 수소로 하여금 합성 필름의 세공들을 통해 흘러서, 수집되고 주어진 목적을 위해 사용되게 한다. 다이루테늄/다이루테늄 함유 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름과, 합성 필름에 있는 세공들의 적어도 일부에 포개어지는 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크에 부착된 제올라이트 결정체들을 포함하는 합성 필름의 결합체(combination)가 본 발명의 필터재의 하나의 반복 유닛을 형성한다.

그러나, 쪼개지지 않은 물이 종종 어떤 제올라이트들의 세공들을 막아버려서, 이 제올라이트들은 종종 오염되어 그들의 분리 특성을 잃어버린다. 물의 수소/산소 결합을 불안정하게 하여, 필터재의 다이루테늄 분자들이 물을 산소와 수소로 분해하기를 더 쉽게 만들기 때문에, 본 발명의 필터재의 구조는, 관형 메쉬 네트워크에 부착된 제올라이트들로 하여금 오랜 기간 동안 "막히지 않고(unclogged)" 남아있게 한다. 다이루테늄 분자들에 의해 분해되는 물이 많을수록, 더 많은 산소/수소가 발생되고, 더 적은 물이 본 발명의 합성 필름의 나노튜블들에 부착된 제올라이트의 세공들을 막는데 쓰인다. 일단 산소 및/또는 수소가 발생되면, 그것은 포집되어 호흡, 저장 또는 산업적 용도들을 위해 사용될 수 있다.

사용되는 제올라이트들의 세공 크기 또한 중요하다. 만약 세공들이 너무 크면, 물이 제올라이트 필터를 통과할 수 있고, 산소와 수소로 여과되지 않을 수 있으며, 세공들이 너무 작으면, 생성된 산소 및/또는 수소가 사용될 수 있도록 필터를 통과하지 못하고 그곳에 보존될 수 있다. 그러므로, 크기에 따라 다른 것들을 배제시키면서 특정 분자들만의 흡착을 가능하게 하기 위해 제올라이트들의 세공 개구(pore opening)를 미세 조정할(fine-tune) 수 있는 것이 중요하다. 제올라이트의 세공 크기를 변경시키는 하나의 방법은, 교환할 수 있는 양이온을 하나의 양이온으로부터 다른 양이온으로 변경시키는 것이다. 예를 들어, 제올라이트 A에서 Na+ 이온들이 Ca++ 이온들에 의해 대체될 때, 유효 구멍 크기가 증가한다. 이것은 또한 제올라이트에서 Al/Si 비율을 변경시킴으로써 달성될 수 있다. Si 대 Al의 비율의 증가는, 단위 셀 크기를 약간 감소시키고, 교환할 수 있는 양이온들의 수를 감소시켜서, 채널들(channels)을 자유롭게 하고 제올라이트의 특성을 더 소수성으로 만들 것이다.

본 발명에 사용되는 제올라이트는, 바람직하게는, 주로 알루민-실리케이트들(alumin-silicates)로 구성되며, 여기서 알루미나 기판(alumina substrate)은, 몇몇 원자들은 통과시키나 다른 것들은 차단시켜서 그런 식으로 선택된 최종 생성물을 제조하는 분자체들의 역할을 하는 알루미나 세공들을 포함한다. 이 출원의 목적을 위해, "분자체"라는 용어는, 주로 크기 배제 프로세스(size exclusion process)을 토대로 하여 분자들을 선택적으로 선별하는 특별한 특성을 가리킨다. 본 발명에 사용될 수 있는 제올라이트들은, 함수(hydrous) 알루미늄 실리케이트 광물들의 패밀리(family), 일반적으로 알칼리 금속들 및 알칼리 토금속들(그 분자들이 나트륨, 칼륨, 칼슘, 스트론튬, 또는 바륨의 양이온들을 둘러쌈), 또는 상응하는 합성 화합물(synthetic compound) 중 어느 하나를 포함한다.

합성 필름의 표면에 매립된 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크는, 제올라이트 코팅 합성 필름의 표면 위로 약 0.1 내지 약 7 밀리미터, 바람직하게는, 약 0.2 내지 약 6 밀리미터 그리고 더욱 바람직하게는, 약 0.2 내지 약 5 밀리미터 뻗어 있다. 다이루테늄 함유 탄소-도핑 필름과 결합된 나노튜블들과 마찬가지로, 나노탄소 튜블들은 약 20 나노미터 내지 약 450 나노미터의 직경을 가질 수 있다. 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크는, 전자-빔 리소그래피(electron-beam lithography), 원자력 마이크로스코피(atomic force microscopy), 화학 충전 분자 잉크(chemically charged molecular ink), 결정 자기-조립(crystallization self-assembly), 시드 자기-조립(seeded self-assembly), 그리고/또는 그 혼용 방법들과 함께, 그것이 매립되는 합성 필름의 세공들에 영향을 주지 않는 여하한 다른 방법(procedure)을 사용하여 합성 필름의 표면에 매립될 수 있다.

본 발명의 필터재가 적절한 배열(arrangement)을 가지는 것을 보장하기 위해 사용될 수 있는 하나의 방법은, 집속 이온 빔(Focused Ion Beam: FIB)을 초고분해능 주사 전자 현미경(ultra-high-resolution SEM)과 통합시킨 FEI 830 듀얼 빔 시스템(FEI 830 Dual Beam System)을 사용하는, "IBM 알마덴의 재료 특성 평가 및 분석 실험(IBM Almaden's Materials Characterization and Analysis Lab)"에 의한 매립 공정(embedding process) 동안에 직접 눈으로 관찰하는 것(direct visualization)이다. 이 방법은 분석자로 하여금 밀링(milling) 또는 증착 과정을 수행하면서 특정 사이트의 이미지를 포착할 수 있게 한다. 탄소 박막을 만드는데 있어서, 박막은, 먼저 붕소-도핑된 박막에 매립될 나노탄소 튜블들을 위한 앞구멍(initial hole)을 파내기 위해 가속 갈륨 이온들(accelerated gallium ions)에 의해 밀링된다(milled). 일단 밀링이 완료되면, 아르곤과 같은 불활성 가스를 박막 표면에 펌핑하면서(pump), 탄소 금속 산화물을 하나의 패턴과 탄소 튜블들의 하부를 형성하기 위해 밀링된 구역 내에 증착시킨다. 갈륨 이온들에 의해 박막에 미리 형성된 나노탄소 튜블 오목부(nanocarbon tubule concavity) 위의 아르곤 가스 표면에 추가적인 탄소 도핑 원자들이 증착된다. 증착은 ALD (원자 층 증착) 또는 CVD의 어느 하나에 의해 완료될 수 있으며, 탄소 튜블들이 박막 외부의 최심부(the innermost point)로부터 바깥쪽으로 연장되면서 동심 패턴(concentric pattern)으로 놓인다. 일단 탄소 나노튜블이 완성되면, 탄소 나노튜블들 내에서 전류가 도입되도록 탄소 나노튜블의 말단부는 개방된 채로 남겨진다. 그 다음에 다이루테늄 분자들을 준비된 표면 위에 분무된다.

그와 달리, 탄소 붕소-도핑된 불화물 필름을 만들기 위해 사용되는 방법은, Ar-F₂ 가스 혼합물에 흑연과 h-BN으로 구성되는 복합 타겟(composite target)을 사용하여 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링법(radio frequency magnetron sputtering)에 의한 것일 수 있다. 고형 아르곤 매트릭스(solid argon matrix)내의 불화수소(hydrogen fluoride)의 광분해(photolysis)에 의해 만들어진 Ar-F₂ 가스 혼합물은, 아르곤 플루오로하이드라이드 (HArF)의 형성을 가져온다. 이것이 형성된 후에, 탄소 도핑된 불화물 박막은, X-선 회절, 프리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy) 및/또는 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)에 의해 특성이 파악될 수 있다. 이러한 절차들(procedures)에 대한 설명은, "무선 주파수 마그네트론 스퍼터링법에 의한 붕소 탄소 나이트라이드 박막의 제조(Preparation of boron carbon nitride thin films by radio frequency magnetron sputtering), Applied Surface Science, Volume 252, Issue 12, 15 April 2006, Pages 4185-4189, Lihua Liu, Yuxin Wang, Kecheng Feng, Yingai Li, Weiqing Li, Chunhong Zhao, Yongnian Zhao", 및 "안정된 아르곤 화합물(A stable argon compound), Leonid Khriachtchev, Mika Pettersson, Nino Runeberg, Jan Lundell & Markku Rasanen, Department of Chemistry, PO Box 55 (A.I.Virtasen aukio 1), FIN-00014 University of Helsinki, Finland, Nature 406, 874-876 (24 August 2000)"에서 찾을 수 있다.

다이루테늄 박막 스크린 및 제올라이트 합성 필름은 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름 또는 제올라이트 합성 필름의 중심 구역으로부터 시작하여 외곽으로 이어지는 이격된 동심원들 형태로 구성될 수 있다.

본 발명의 제1 챔버 내의 반복 유닛들의 제1 및 제2 스크린들 전체는, 제올라이트 합성 필름 스크린이 다이루테늄 붕소-도핑된 박막 스크린 가까이 위치하여 다이루테늄 스크린이 공기 흐름에 가깝도록, 즉, 공기 흐름이 다이루테늄 스크린과 먼저 접촉하도록 설계되어 있다. 이러한 식으로 공기 흐름에 함유된 (그리고/또는 외부 공급원으로부터 공급되는) 수분은 전기화학적으로 도움을 받아서 물의 산소 및 수소로의 분해가 증강되며 제2 스크린은 물이 쪼개져서 발생된 산소/수소를 여과해내는 기능을 한다. 제올라이트 및 다이루테늄 스크린들은 협력하여(in tandem) 작용하며 제3 스크린은 수소 및 산소로부터 과산화수소를 발생시킨다. 다이루테늄 벽들에 결합되고 둘러싸인 제올라이트 센터를 사이에 낀 다이루테늄 센터 및 바깥쪽 경계부의 정확성과 결합면은 FTIR에 의한 포스트프로덕션법(postproduction)과 X선 결정법에 의해 분석될 수 있다.

본 발명의 구체예들은 본 발명을 더 잘 설명하기 위해 첨부된 도면들과 연계되어 설명되는 것이며, 여하한 식으로든 본 발명을 한정하는 것으로 간주되지 않아야 한다.

도 1은, 본 발명의 필터재(10)의 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름의 정면 사시도이다. 도 1에 도시되어 있고 상술한 바와 같이, 스크린을 만드는 메쉬형 재료(mesh-like material)는, 상부(55), 저부(60), 우측면(45) 및 좌측면(50)을 가지는 탄소 붕소-도핑된 스크린(15)이다. 원형, 달걀형, 타원형, 평행사변형, 특히 정사각형, 직사각형 및 삼각형과 같은 다른 형상들이 또한 본 발명의 범위 내에 있다.

도 1은, 단지 설명의 목적을 위해 직사각형 스크린을 보여주나, 다른 형상들도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 스크린의 중심점(central point)으로부터 시작되어 밖을 향해 방사상으로 뻗어서 동심 배열(concentric arrangement)로 성기게 채워진 코일 구조(loosely packed coil structure)를 형성하는 나노탄소 튜블들(20)은 탄소 붕소-도핑된 스크린(15)에 집어 넣어지거나 매립된다. 나노탄소 튜블들이 동심으로 배치되어 있기는 하나, 그와 달리 탄소 나노튜블들은 탄소 붕소-도핑된 스크린(15)의 디자인과 형상에 따라 여러 가지 패턴들로 배치될 수 있다. 나노튜블들의 여러 가지 배열들은, 스크린의 여러 가지 형상들과 마찬가지로, 역시 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

무수한 붕소 원자들(25)이 탄소 붕소-도핑된 스크린(15) 전체에 걸쳐 분산되어 있다. 이러한 붕소 원자들(25)은, 스크린 전체에 걸쳐 고르게 분산될 수 있거나 나노탄소 튜블들의 구역 내에 집중될 수 있다. 나노탄소 스크린(15)의 거의 중심 구역에 적어도 하나의 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(POM) 착물(40)이 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 하나의 구체예에서, 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(POM) 착물(40)은, POM(30)에 부착된 다이루테늄 톱질대 분자(35)를 포함하여 구성된다. 다이루테늄 톱질대 분자(35)는 스크린에 인접하게 위치되어 있는 반면, POM(30)은 스크린의 면으로부터 뻗어 있다. 이러한 배열은 본 발명의 필터재의 반복 유닛의 제1 스크린의 구조적 배열(structural arrangement)을 구성한다.

도 2는, 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 사이드로포어(115)를 포함하여 구성되는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름(100)의 배면 사시도이다. 본 발명의 탄소 붕소-도핑된 스크린은, 상부(105), 저부(110), 좌측면(120) 및 우측면(125)을 가진다. 사이드로포어(115)는 스크린의 저부(110)에 위치하는 것으로 도 2에 나타나 있으나, 스크린의 형상과 나노튜블들의 배열에 따라 사이드로포어(115)가 스크린의 다른 부분들에 위치하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 탄소 붕소-도핑된 스크린(15)은, 도 1에 도시되고 위에서 설명한 바와 같이, 탄소 나노튜블들(20)과 적어도 하나의 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(POM) 착물(40) 뿐만 아니라 붕소 원자들(25)도 포함한다.

사이드로포어(115)는, 복수의 세공들을 가지는 중공 관형 구조의 형태일 수 있으며, 여기서 사이드로포어(115)의 적어도 하나의 단부는, 나노탄소 튜블들의 적어도 하나의 단부와 직접 연통된다. 그와 달리, 사이드로포어(115)는, 이온적으로 하전된 판의 형태일 수 있다. 둘 중 어느 것의 형태이든, 필터재에 의해 생성된 산소를 호흡하는 환자가 자유 루테늄 이온들을 흡입하는 것을 막기 위해, 필터재로부터 이탈될 수 있는 루테늄 이온들과 같은 하전 이온들(charged ions)을 포집하도록 설계되어 있다. 판형 또는 중공 관형 사이드로포어(115) 중 어느 것이든, 함침(impregnated) 폴리설피네이트 레진, 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA) 및 그 혼합물들로 만들 수 있다.

도 3은, 제올라이트 결정체들을 포함하여 구성되는, 본 발명의 합성 필름(200)의 표면의 사시도이다. 이것은 필터의 반복 유닛의 다음 스크린이며, 도 2에 도시되어 있는, 사이드로포어를 가지는 붕소-도핑된 탄소 필름의 배면을 향하게 위치된다. 합성 필름(200)은 상부(205), 저부(210), 우측면(220) 및 좌측면(225)을 가지며 직사각형 형태로 나타나 있다. 제1 스크린과 마찬가지로, 합성 스크린은, 원형, 달걀형, 타원형, 평행사변형, 특히 정사각형, 직사각형 및 삼각형과 같은 다른 형상들도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 즉, 도 3은, 단지 설명의 목적을 위해 직사각형 스크린을 보여주나, 다른 형상들도 본 발명의 범위 내에 있다.

도 1 및 도 2의 붕소-도핑된 탄소 필름과 마찬가지로, 도 3의 합성 필름은, 거기에 매립되거나 집어 넣어지는 탄소 나노튜블들(215)을 가진다. 합성 스크린은 또한, 나노튜블들(215)과 직접 접촉하거나 합성 필름과 직접 접촉하거나 또는 모두와 직접 접촉하는, 제올라이트 결정체들(240)을 가진다.

도 4는, 제올라이트 결정체들 및 다이루테늄/다이루테늄 분자들을 포함하여 구성되는 본 발명의 제3 스크린(300)의 표면 사시도이다. 이것은 (도 1의) 다이루테늄/다이루테늄 착물(40)과 도 3의 합성 스크린 내에 집어 넣어지거나/매립된 (도 3에 보이는) 제올라이트(240)의 조합물이다. 제3 스크린(300)은, 스크린으로부터 이탈될 수 있는 여하한 자유 루테늄 이온들을 포집하기 위한 사이드로포어(115)를 선택적으로 포함할 수 있다.

도 5는, 프레임(130)에 고정된 제올라이트 결정체들을 포함하여 구성되는 제2 스크린의 정면 사시도이다. 본 발명의 반복 유닛의 제2 스크린/프레임(130)은 둘다 구조물이며, 필터 스크린의 여러 구역들로의 중공 관형 가스 통로로서 기능한다. 프레임에는 폭이 넓은 단부(155)와 폭이 좁은 단부(140)를 가지는 여러 개의 블로우-바이 노즐들(blow-by nozzles)(145)이 구비된다. 블로우-바이 노즐들의 폭이 넓은 단부(155)는 프레임(135)에 연결되며, 여기서 폭이 좁은 단부(140)가 제올라이트 결정 스크린(170) 위로 뻗어 있다. 환자가 대기로부터 들이마셨다가 내쉰 것이든, (도 6에 도시된) 팬 모터로부터 만들어진 것이든, 공기가 프레임(135)으로 흘러감에 따라, 적어도 일부 공기가 블로우-바이 노즐(155)의 폭이 넓은 단부를 통과하여 제올라이트 결정 스크린(170) 위에 위치된 폭이 좁은 단부(140)를 빠져 나간다. 촉매 스크린으로부터 물을 분해시켜 얻은 산소 및 수소에 추가되는 산소는 이 공기로부터 얻어진다.

프레임(140)에는, 프레임(140)에 부착되는 폭이 좁은 단부(180)와 제올라이트 결정 스크린(170) 위로 뻗어 있는 폭이 넓은 단부(185)를 가지는, 스캐빈저들(175)이 또한 구비된다. 상술한 바와 같이, 스캐빈저들(175)의 이러한 특수 형태는, 스크린을 통과하지 않는 폐 가스들(waste gases) 뿐만 아니라 산소, 과량의 물, 과량의 가스들, 축적된 표면 정전기 전하들(built up surface electrostatic charges)이, 스캐빈저들(175)의 폭이 넓은 단부(185)로 그리고 프레임(135)으로 끌려들어 오게 하여, 수집되고 그리고/또는 필터재로부터 방출되게 한다. 블로우 바이 노즐들(145) 맞은 편 스크린 위에 위치된 폭이 넓은 단부(185)와, 프레임(140)에 부착된 폭이 좁은 단부(180)를 가지도록 스캐빈저들이 특수하게 설계되는데, 설계된 수축부(designed constriction)가 프레임의 그 위치에서 공기 흐름을 가속시켜서, 상술한 바와 같이 가스들을 빨아들일 수 있는 스캐빈저 노즐들로의 흡입(suction)을 용이하게 한다.

블로우-바이 노즐들(145)도 또한, 들어오는 공기를 노즐들(145) 밖으로 스크린(170)을 가로질러 나아가게 하도록 특별히 설계되어 있다. 즉, 블로우-바이 노즐들(145)의 폭이 넓은 단부(155)가 프레임(140)에 부착되어 있어서, 블로우-바이 노즐들(145)로 들어가는 공기의 통로는, 스크린(170) 위로 빠져나가는, 폭이 좁은 단부(140)쪽으로 수축된다. 수축된 통로로 인해 스크린 위로 빠져나오는 공기 흐름은 들어갈 때보다 더 높은 가속도로 빠져나오게 된다. 프레임(130)에는, 제1 연결부(connection)(150)와, 도 6에 도시되어 있고 상술한 바와 같은 두 갈래 액셀러레이터에 연결되도록 설계된 제2 연결부(190)가 또한 구비되어 있다. 도 3에 도시되어 있는 필터와 마찬가지로, 합성 필름(170)은, 거기에 도시되어 있는 것과 동일한 구성요소들, 즉, 그것과 결합된 제올라이트 원자들(160) 및 동심 배열로 배치된 나노튜블들(165)을 가진다. 도 6에 도시된 공급 튜브가 지점들(150 및 190)에서 프레임에 부착될 수 있다.

도 1과 도 2에 도시되어 있는 다이루테늄 착물(40)을 가지는 반복 유닛의 붕소-도핑된 탄소 제1 스크린도 상기 도 5에 도시된 바와 같이 프레임 내에 배치된다. 즉, 도 1과 도 2에 도시되어 있는 붕소-도핑된 탄소 스크린은, 스캐빈저들과 블로우-바이 노즐들을 가지는 프레임에 셋팅된다.

도 6은, 본 발명의 필터재의 스크린의 프레임에 연결된 플로우 튜브(305)가 있는 스크린의 전면 사시도이다. 플로우 튜브(305)는 제1 분기부(310)과 제2 분기부(315)로 둘로 갈라지는 메인 공급 튜브(355)를 가진다. 제1 분기부(310)는, 이 제1 분기부(31)를 빠져나가는 공기/유체 흐름이 도 5에 도시된 스캐빈저 노즐들로 흐르도록 구성된 프레임 부착 지점(335)에 연결된다. 제2 분기부(315)는, 이 제2 분기부를 빠져나가는 공기/유체 흐름이 블로우 바이 노즐들(355)로 흐르도록 구성된 프레임 연결 지점(330)에 부착된다. 블로우 바이 노즐들(355)은 공기가 합성 필름의 표면을 가로질러 빠져나갈 때 공기의 흐름을 더 가속시킬 수 있도록 설계되어있다. 동일한 구성이 도 1 및 도 2에 도시된 제1 스크린에도 적용된다.

도 7은, 본 발명의 스크린들의 프레임에 연결된 플로우 튜브(305)가 있는 카트리지의 단면도이다. 플로우 튜브(305)는, 본 발명의 반복 단위들의 제1 및 제2 스크린에 연결되도록 설계된, 분기부(310)와 분기부(315)에 공급한다. 스크린(410)은 전체 프레임(415)에 내장되어 최종적으로는 카트리지 하우징(405)에 들어 맞게된다.

도 8은, 본 발명의 하우징 어셈블리(450)의 사시도이다.

도 9는, 분리기(515)에 의해 분리되는 제1 챔버(505)와 제2 챔버(510)을 가지는 하우징 어셈블리(500)를 도시하고 있다. 하우징 어셈블리(500)에 부착되어 있는 것은, 팬(520), 제1 펌프(545) 및 제2 펌프(540)를 작동하기 위한 구동 모터(525)이다. 팬에 부착되어 있는 것은, 제1 챔버 내로 연장되며, 반복 유닛들(585)의 스크린들 각각에 공기를 제공하도록 설계된, 복수의 연장부들을 가지도록 구성된 공기 튜브(560)이다. 단지 설명할 목적으로, 제1 챔버(505) 내에 하나의 반복 유닛이 도시되어 있는 것이고, 실제로는 여러 개의 반복 유닛들이 연달아 배치될 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 제1 펌프(540) 및 제2 펌프(545)는, 팬(520)을 작동하는, 동일한 구동 모터(525)에 의해 구동되도록 구성된다. 이와 달리, 펌프들(540, 545) 각각 또는 모두를 구동하도록 별개의 구동 모터들이 제공될 수 있다. 제1 펌프(540)는 제1 챔버(505) 내로, 그리고 분리기를 통과하여, 제2 챔버(510) 내로 연장되는 배출 튜브(exhaust tube)(535)와 연통된다. 배출 튜브(535)는 각 챔버 내에서 생성된 산소 및/또는 수소를 배출 튜브(535) 내로 그리고 하우징 어셈블리 밖으로 끌어낼 수 있도록 배출 튜브(535)의 길이에 걸쳐 배치된 복수의 세공들(565)을 갖도록 구성된다. 배출 튜브(535)는 주위 환경으로 직접 또는 호흡 장치로 또는 차후 사용 목적의 저장 용기로 배출할 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에서, 배출 튜브(535)는 제1 펌프와 직접 연통하고 있다. 펌프가 작동되면, 제1 및 제2 챔버로부터 튜브 내로 가스들을 끌어들이는 흡입이 배출 튜브(535) 내에서 일어난다. 상술한 바와 같이, 이러한 가스들을 획득하는 것이 용이하도록, 배출 튜브(535)는 그 길이에 걸쳐 분포된 다수의 세공들을 갖도록 구성된다. 제1 펌프(540)은 기압펌프(pneumatic pump) 또는 원심펌프일 수 있다.

또한, 하우징 어셈블리는 그것의 챔버들 내로 연장되는 물 공급 튜브(555)와 과산화수소 공급 튜브(556)를 구비하도록 구성된다. 과산화수소 공급 튜브(556)는 제1 챔버 내로 그리고 분리기(515)를 통과하여 제2 챔버 내로 연장된다. 과산화수소 공급 튜브(556)는 제2 챔버(510) 내의 과산화수소 분배 공급기(570)에서 끝난다. 과산화수소 분배 공급기(570)는, 제2 챔버(510) 내에 과산화수소를 분무하는 복수의 스프레이 노즐들(630)을 갖도록 구성된다.

물 공급 튜브(555)는 제1 챔버(505) 내로 연장되고 물 분배 공급기(605)에서 끝난다. 물 분배 공급기(605)는, 제1 챔버 내에서 반복 유닛들(585) 내의 스크린들 위로 물을 분무하는 복수의 스프레이 노즐들(635)을 갖도록 구성된다. 그리하여 물이 2 분자 산소 및 수소로 쪼개져서 제1 챔버 내로 배출되고 가스 배출 튜브(535) 내로 끌려들어가서 하우징 어셈블리 밖으로 배출된다.

과산화수소 공급 튜브(556)와 물 공급 튜브(555)는 모두 제2 펌프와 직접 연통된다. 제2 펌프가 작동되면, 과산화수소는 과산화수소 공급부로부터 과산화수소 공급 튜브(556)내로 그리하여 과산화수소 분배 공급기(570)로 펌핑되어, 거기에서 제2 챔버(510) 내로 배출된다. 일단 제2 챔버 내로 배출되면, 과산화수소는 제2 챔버의 벽들에 매립된 촉매(580)과 반응한다.

본 발명의 하나의 구체예에서, 제2 챔버의 벽에 매립된 촉매는 MnO₂이며 과산화수소와 접촉하여 산소를 생성시킨다. 산소 생성률은 제2 챔버의 벽 내의 촉매 부하량과 챔버에 첨가되는 과산화수소의 양에 비례한다.

유사하게, 제2 펌프 (또는 이와 달리 별개의 펌프)가 작동되면, 물이 물 공급부로부터 물 공급 튜브(555) 내로 그리하여 물 분배 공급기(635) 내로 펌핑되어, 거기에서 제1 챔버로 배출된다. 일단 제1 챔버(505) 내로 배출되면, 물은 상술한 바와 같이 반복 유닛들(585) 내의 스크린들과 반응한다. 물 공급은 대기로부터 또는 소변을 여과하여 또는 이와 달리 물이 부산물인 화학 반응으로부터 공급될 수 있다.

상술한 바와 같이, 반복 유닛들의 제3 스크린은 산소와 수소로부터 과산화 수소를 생성한다. 일단 과산화수소가 생성되면, 그것은 반복 유닛을 벗어나 제1 챔버에 축적된다. 반복 유닛을 벗어난 과산화수소는 분리기 표면의 한쪽 끝에 축적된다. 제1 챔버로부터 제2 챔버 내로 개방되는 일방 플랩 밸브(one-way flap valve)(575)는 경사진 분리기(515)의 최저 지점 근처에 위치한다. 과산화수소가 분리기의 최저 지점에 축적됨에 따라, 일방 플랩 밸브(575)가 제2 챔버 쪽으로 개방되어 과산화수소가 제2 챔버 내로 점적되게 만든다. 그리하여 제2 챔버에서 과산화수소는 촉매와 반응하여 2 분자 산소와 수소가 생성된다. 생성된 수소는, 구동 모터나 장치의 다른 부품들에 에너지를 공급하기 위해, 수소 연료 전지에 공급되도록 사용될 수 있다. 만일 무중력 상태가 발생하거나 통이 뒤집힐지라도 과산화수소가 제1 챔버로 역류하지 못하도록, 플랩 밸브는 제2 챔버 내로 개방되는 일방 밸브일 것이 필수적이다.

도 10은 3 개의 스크린들(605, 610, 615)을 포함하여 구성되는 반복 유닛(585)과 본 발명의 반복 유닛 내에서의 그 배열에 대한 확대도이다.

또한, 본 발명은 상술한 본 발명을 사용하여 희박한 대기에서 2 분자 산소 및/또는 수소를 생성하는 방법에 관한 것이기도 하다.

상기 설명은 많은 세부사항들을 포함하나, 이러한 세부사항들이 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 단지 그 바람직한 구체예들의 예시들로서만 해석되어야 한다. 이 분야의 통상적 지식을 가진 자들은 본 명세서에 첨부되어 있는 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위와 정신 내에서 많은 다른 실시예들을 구상하게 될 것이다.

Claims

하우징을 포함하여 구성되며;
상기 하우징은 제1 챔버와 제2 챔버로 분리되며;
상기 제1 챔버는 복수의 반복 유닛들을 포함하여 구성되는 촉매성 필터재를 포함하여 구성되며;
상기 반복 유닛은,
다이루테늄/다이루테늄 분자들과 적어도 하나의 유형의 음전성 이온을 포함하여 구성되는 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름을 포함하여 구성되며, 상기 다이루테늄/다이루테늄 분자들과 상기 음전성 이온들이 상기 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름과 직접 접촉하고 있으며, 상기 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름이 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크와 루테늄 이온 포집용 사이드로포어를 더 포함하여 구성되는 제1 스크린과,
나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크를 형성하도록 합성 필름의 표면에/위에 부착되고(거나) 매립된 복수의 나노탄소 튜블들과, 상기 나노탄소 튜블들과 직접 접촉하에 있는 적어도 하나의 제올라이트 결정체를 포함하여 구성되는 합성 필름을 포함하여 구성되며, 상기 합성 필름이, 직경이 약 0.1 내지 약 3.0 nm인, 다수의 세공들을 포함하여 구성되며, 상기 나노탄소 튜블들에 부착된 상기 제올라이트 결정체가 상기 세공들의 적어도 일부와 중첩되는 제2 스크린과,
나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크를 형성하도록 합성 필름의 표면에/위에 부착되고(거나) 매립된 복수의 나노탄소 튜블들과, 합성 필름의 상기 표면과 가까이 접촉하게 위치하는 다이루테늄/다이루테늄 분자들 및 제올라이트를 포함하여 구성되는 과산화수소 발생용 합성 필름을 포함하여 구성되는 제3 스크린을 포함하여 구성되며;
상기 제2 챔버는 산소 발생 액체와 접촉하여 산소를 발생시키기 위한 촉매를 포함하여 구성되는, 산소가 실질적으로 없는 환경에서의 산소 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 챔버 내의 상기 촉매가 이산화망간, 은 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되고, 상기 산소 발생 액체가 과산화수소인, 산소 제조 장치.
제2항에 있어서, 상기 촉매가 이산화망간이며 상기 제2 챔버의 내부 표면에 매립되는, 산소 제조 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 챔버의 반복 유닛들의 제1, 제2 및 제3 스크린이 부분적으로 속이 비어 있는 프레임을 더 포함하여 구성되는, 산소 제조 장치.
제4항에 있어서, 상기 프레임과 연통하는 복수의 블로우-바이 가속 노즐들 과 상기 프레임과 연통하는 복수의 스캐빈저 노즐들을 더 포함하여 구성되며,
상기 블로우-바이 노즐들은 상기 블로우-바이 노즐들로부터의 공기가 상기 표면 위로 흐르도록 구성되며,
상기 복수의 스캐빈저 노즐들은 상기 복수의 블로우-바이 노즐들로부터 실질적으로 반대 편에 위치하며, 상기 스크린들의 표면 위로 흐르는 상기 블로우-바이 노즐들로부터의 미반응된 공기 흐름 및 부생성물들은 상기 스캐빈저 노즐들에 의해 포집되어, 상기 장치에 의해 사용되거나(되고) 상기 장치 밖으로 방출되도록 상기 프레임 내로 보내어지는, 산소 제조 장치.
제5항에 있어서, 상기 불로우-바이 가속 포트들로부터의 공기가 상기 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름 위로 흐르게 하기 위해서, 상기 블로우-바이 가속 포트들이 상기 프레임에 부착된 폭이 넓은 단부와 상기 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름 위에 적어도 부분적으로 위치하는 폭이 좁은 단부를 가지는, 산소 제조 장치.
제6항에 있어서, 상기 블로우-바이 노즐들로부터의 미반응된 공기 흐름 및 부생성물들이 상기 스캐빈저 노즐들에 의해 포집되어, 상기 장치에 의해 사용되거나(되고) 상기 장치 밖으로 방출되도록 상기 프레임 내로 보내어지게 하기 위해서, 상기 스캐빈저 포트들이 상기 프레임에 부착된 폭이 좁은 단부와 상기 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름 위에 적어도 부분적으로 위치하는 폭이 넓은 단부를 가지는, 산소 제조 장치.
각 다이루테늄/다이루테늄 분자의 하나의 다이루테늄 분자가 하기 식 (I)을 가짐.
[Ru₂(CO)₄(u-n² ^-O₂CR)₂L₂]_x (I)
[상기 식에서, u 는, [Ru₂(EDTA)₂]^2-, (CO)₄, F^-, Co₃ ^-2, NO⁺(양이온), 수소-결합된 방향족/카복실산-(이중 결합된 산소 또는 그 안의 사이트들에서, 중합으로서 복수의 결합들이나 단일 결합을 위한 것임), 에틸렌다이아민, 음이온성 리간드들로서의 할라이드들, 카복실산, 불포화 탄화수소들, 금속 중심에 선형으로 또는 구부러지게(bent) 배위된 질산, 부타다이엔, 카복실레이트 리간드들, 음이온성 (RO- 및 RCO₂ ^-2 (여기서, R 은, H 또는 탄화수소임) 또는 중성 리간드들 (R₂, R₂S, CO, CN^-), CH₃CN (아세토니트릴), NH₃ (암모니아 아민) F^-, Cl^-, 트리스(피라졸릴)보레이트들 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군(group)으로부터 선택되는 브리징 리간드(bridging ligand)이고, 바람직하게는, [Ru₂(EDTA)₂]² 이며;
n 은, 적어도 2 이고, 분자의 덴티시티(denticity) [즉, 동일한 중심 원자에 결합된 특정 리간드의 도너 기들(donor groups)의 수]에 좌우되며;
L 은, [Ru₂(Ph₂PCH₂CH₂PPh₂)(EDTA)]²⁺, C₆H₆, R₂C=CR₂ (여기서, R 은, H 또는 알킬임), 1,1-비스다이페닐포스피노 메탄, 다이에틸렌트라이아민 [다이엔] 결합들(bonds), 바람직하게는, 트라이덴테이트(tridentate), 트라이아자사이클로노난(triazacyclononane) [다이엔] 결합들, 바람직하게는, 트라이덴테이트, 트라이페닐포스핀(triphenylphosphine) 및 그 혼합물들로 구성되는 그러한 군으로부터 선택되는 리간드이고;
CR 은, 카복실산, 카복실레이트 리간드들(carboxylate ligands), 음이온성 [RO^- 및 RCO₂ ^- (여기서, R 은 알킬 기임)] 또는 중성 리간드들 [R₂, R₂S, CO^-, CN^- (여기서, R 은 알킬 기임)] 및 그 혼합물들이며; 그리고
x 는, 1과 약 30 사이임]
식 (I)의 상기 다이루테늄/다이루테늄 분자들이 다음의 식 (II)을 가지는 다이루테늄-치환 폴리옥소메탈레이트(diRuthenium-substituted polyoxometalate)에 결합됨.
[WZnRu^III ₂(OH)(H₂O)(ZnW₉O₃₄)₂] (II)
제1항에 있어서, 상기 사이드로포어가 함침된(impregnated) 폴리설피네이트 레진 판, 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA) 및 그 혼합물들로 구성되는 군으로부터 선택되는, 산소 제조 장치.
제10항에 있어서, 상기 다이루테늄/다이루테늄의 각 루테늄 간의 거리가 2.75 옹스트롬(angstroms)인, 산소 제조 장치.
제11항에 있어서, 상기 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크의 상기 나노튜블들의 직경이 약 20 나노미터 내지 약 450 나노미터인, 산소 제조 장치.
제12항에 있어서, 상기 합성 필름이 SiO₄, AlO₄, 및 그 혼합물들인, 산소 제조 장치.
제13항에 있어서, 상기 합성 필름의 상기 표면에 매립된 상기 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크가 상기 표면 위로 약 0.2 내지 약 5 밀리미터 뻗어 있는, 산소 제조 장치.
제14항에 있어서, 상기 나노탄소 튜블형 메쉬 네트워크가, 상기 다공성 붕소-도핑된 탄소 필름의 중심 구역으로부터 시작하여 외곽으로 이어지는 이격된 동심원들 형태로 구성되는, 산소 제조 장치.
제15항에 있어서, 상기 제올라이트 포함 합성 필름의 상기 표면에 매립된 나노탄소 튜블들이 동심원들 형태로 구성되는, 산소 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 카트리지가 상기 장치로부터 탈착가능하며 탈착가능한 카트리지 케이스를 위한 하나의 삽입부를 더 포함하여 구성되며,
상기 카트리지 케이스는 복수의 슬롯들과 상기 카트리지 케이스의 한쪽에서 다른 쪽으로 뻗어 있는 공간을 가지도록 구성되어,
상기 복수의 슬롯들은 상기 반복 유닛들을 수용하도록 구성되며, 상기 공간은 상기 필터재의 적어도 일부를 상기 소스에 노출시키록 구성되는, 산소 제조 장치.
제8항에 있어서, 식 (II)의 다이루테늄-치환된 폴리옥소메탈레이트가 Na₁₄[Ru₂Zn₂(H₂O)₂(ZnW₉O₃₄)₂]인, 산소 제조 장치.
제1항의 상기 장치를 포함하여 구성되는 산소가 실질적으로 없는 환경에서의 호흡 장치.
제19항에 있어서, 포유동물의 소변으로부터 물을 만들기 위한 필터를 더 포함하여 구성되며, 소변을 정화하여 만들어진 수증기가 상기 필터 위로 흘러서 호흡용 산소가 생성되도록, 상기 필터는 상기 필터 챔버와 유체 연통되는(fluid communication), 호흡 장치.
물 저장조, 대기 및/또는 호기(exhailed air)로부터의 수증기가 상기 제1 챔버 내로 흘러서 상기 반복 유닛들과 반응하여 산소 및/또는 수소 가스가 생성되는 제19항의 상기 호흡 장치를 사용하는 단계를 포함하여 구성되는, 산소가 실질적으로 없는 환경에서의 2 분자 산소 제조 방법.
제21항에 있어서, 소변으로부터 물을 만들기 위한 상기 필터로부터의 수증기가 또한 상기 제1 챔버 내로 흘러서 상기 반복 유닛들과 반응하여 산소 및/또는 수소 가스가 생성되는, 산소 제조 방법.