KR20110081148A - 전기화학적 구동 펌프 - Google Patents

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KR20110081148A KR1020117005871A KR20117005871A KR20110081148A KR 20110081148 A KR20110081148 A KR 20110081148A KR 1020117005871 A KR1020117005871 A KR 1020117005871A KR 20117005871 A KR20117005871 A KR 20117005871A KR 20110081148 A KR20110081148 A KR 20110081148A
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얀 리우
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다이오넥스 코포레이션
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Abstract

물 생성구역, 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역, 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키는 양이온 교환 장벽, 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극, 생성구역에 인접하게 배치된 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키는 음이온 교환 장벽, 및 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 연속 전기화학적 펌프. 시료 농축기로의 사용. 펌프를 위한 피드백 루프. 중간 피스톤을 있거나 없는 펌프 출구 측에 있는 저장조.

Description

전기화학적 구동 펌프{ELECTROCHEMICALLY DRIVEN PUMP}
본 발명은 전기화학적 펌프라고도 칭하는 전기화학적으로 구동되는 펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LC 또는 기타 액체 시료 분석시스템에서 액체를 이송하기에 적합한 펌프에 관한 것이다.
다양한 액체 펌프가 분석시스템에서 액체 시료들을 이송하기 위하여 사용된다. 예를들면, 액체크로마토그래피 (LC)에서, 이온-교환 수지로 채워진 크로마토그래피 칼럼과 같은 분리 매체인 고정상 및 고정상으로부터의 용리액을 수정 및/또는 감시하는 연결장치들을 통하여 액상 용리액을 이송하는 펌프가 사용된다. 이러한 펌프는 바람직하게는 쉽고도 정확하게 제어될 수 있는 정적 유동을 생성한다. 또한, 작은 입자들 또는 비드 충전 베드 형태인 분리 매질은 액체 유동에 높은 저항으로 작용한다. 따라서, 펌프는 높은 배압 예를들면 1000 psi 이상의 배압을 극복하면서 용리액을 이송하여야 한다. 전형적인 액체크로마토그래피 펌프는 피스톤, 밀봉 체, 체크밸브 등의 부품으로 이루어진 기계적이며, 이중-피스톤 타입이다. 수만 회 정도의 장기간 사용이라는 엄격한 요건을 충족하고 유지하기 위하여, 이동 및 고정부품들은 상당한 내구성을 가져야 한다. 따라서 펌프 설계 및 구조재료 및 조립은 LC 시스템에 있어서 가장 고가의 요소이다.
종래, LC에서의 유량은 통상 약 1-2 ml/분이다. 더욱 새로운 방법들은 매우 작은 내경 (예를들면 100 내지 400 μm)의 분리 칼럼을 사용하며 매우 낮은 유량 (예를들면 < 10 μL/분)에서 분리과정이 운전된다. 이러한 낮은 유량에서 운전되는 (a) 안정적이고 쉽고도 정확하게 제어되는, (b) 높은 배압을 극복하며 유동을 유지할 수 있고, (c) 종래 LC 펌프보다 저렴하게 제조되고 내구성이 개선된 펌프의 필요성이 존재한다.
연속 전기화학적 펌프가 제공되며, 이는 출구를 가지는 물 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역; 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며 주로 히드로늄 이온 형태인 교환능 이온을 가지며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역 에 인접하게 배치된 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며 주로 수산화 이온 형태인 교환능 이온을 가지며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성된다.
출구를 가지는 수성 액체 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 물을 가지는 양극구역; 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역에 인접하게 배치되며 물을 가지는 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 전기화학적 펌프를 이용하여 물을 생성하는 방법이 제공되며, 이는 음극구역에서 수산화 이온 및 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 양극 및 음극구역들에 있는 물, 양이온 및 음이온 교환 장벽들을 거쳐 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계; 전기화학적으로 물을 생성하기 위하여, 생성된 수산화 이온을 음이온 교환 장벽을 거치고, 생성된 히드로늄 이온을 양이온 교환 장벽을 거쳐 생성구역으로 통과시키는 단계; 및 생성된 물을 스트림으로 생성구역 외부로 유동시키는 단계로 구성된다.
분석시스템에서의 연속 전기화학적 농축기가 제공되며, 이는 출구를 가지는 물 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역; 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역에 인접하게 배치된 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극; 및 물 생성구역 출구와 유체 소통되는 검출기로 구성되며, 생성구역출구 및 검출기 사이에 상기 물 생성구역 출구로부터 공급되는 시료 외에 시료 공급을 위한 시료 주입기가 존재하지 않는다.
출구를 가지는 수성 액체 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 분석대상 음이온- 및 양이온-함유 물 시료의 제1부분을 가지는 양극구역; 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역에 인접하게 배치되며 분석대상 음이온- 및 양이온-함유 물 시료의 제2부분을 가지는 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 농축기를 이용하여 물 시료의 분석대상 음이온 및 양이온을 농축하고 검출하는 방법이 제공되며, 이는 음극구역에서 수산화 이온 및 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 양극 및 음극구역들에 있는 제1 및 제2 물 시료 부분들, 및 양이온 및 음이온 교환 막들을 거쳐 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계; 통과된 분석대상 양이온 및 음이온을 포함한 물 생성물 시료를 전기화학적으로 생성하기 위하여, 생성된 수산화 이온 및 물 시료에 있는 분석대상 음이온을 음이온 교환 장벽을 거치고, 생성된 히드로늄 이온 및 물 시료에 있는 분석대상 양이온을 양이온 교환 장벽을 거쳐 생성구역으로 통과시키는 단계; 및 생성된 물 생성물 시료를 스트림으로 생성구역으로부터 물 생성물 시료에 있는 분석대상 양이온 및 음이온을 검출하는 검출기로 유동시키는 단계로 구성되며, 생성구역 및 검출기 사이에 임의 추가적인 시료가 주입되지 않는다.
연속 전기화학적 펌프 시스템이 제공되며, 이는 출구를 가지는 물 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역; 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역 에 인접하게 배치된 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극; 물 생성구역과 유체 소통하는 출구 도관; 및 출구도관과 유체 소통하는 유동 제어기로 구성된다.
출구를 가지는 수성 액체 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 물을 가지는 양극구역; 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역에 인접하게 배치되며 물을 가지는 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 전기화학적 펌프를 이용하여 물을 생성하는 방법이 제공되며, 이는 음극구역에서 수산화 이온 및 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 양극 및 음극구역들에 있는 물, 양이온 및 음이온 교환 장벽들을 거쳐 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계; 전기화학적으로 물을 스트림으로 생성하기 위하여, 생성된 수산화 이온을 음이온 교환 장벽을 거치고, 생성된 히드로늄 이온을 양이온 교환 장벽을 거쳐 생성구역으로 통과시키는 단계; 및 생성된 물 스트림을 생성구역 출구로부터 유동시키는 단계; 및 생성구역 하류에서 생성된 물의 유량을 결정하는 단계로 구성된다.
연속 전기화학적 펌프가 제공되며, 이는 출구를 가지는 물 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역; 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역 에 인접하게 배치된 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극; 및 물 생성구역 및 출구 사이에 배치되며 생성구역에서 생성된 물을 반대 측과 이격시키며 생성된 물에 의해 인가된 압력을 전달하는 피스톤으로 구성된다.
피스톤, 액체 피스톤 반대 측에 있는 다른 액체를 가지는 수성 액체 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 물을 가지는 양극구역; 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역에 인접하게 배치되며 물을 가지는 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 전기화학적 펌프를 이용하여 물을 생성하는 방법이 제공되며, 이는 음극구역에서 수산화 이온 및 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 양극 및 음극구역들에 있는 물, 양이온 및 음이온 교환 장벽들을 거쳐 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계; 및 생성된 수산화 이온을 음이온 교환 장벽을 거치고, 생성된 히드로늄 이온을 양이온 교환 장벽을 거쳐 생성구역으로 통과시켜 전기화학적으로 물을 생성하고 피스톤 반대 측에 있는 유체를 유동시키기 위하여 피스톤 일 측에 압력을 인가하는 단계로 구성된다.
연속 전기화학적 펌프가 제공되며, 이는 (a) 출구를 가지는 물 생성구역, (b) 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역, (c) 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽, (d) 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극, (e) 생성구역 에 인접하게 배치된 음극구역, (f) 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽, (g) 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극, (h) 물 생성구역 출구와 유체 소통하며 이로부터 하류에 있는 유체 저장용기로 구성된다.
수성 액체 생성구역; 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 물을 가지는 양극구역; 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 생성구역에 인접하게 배치되며 물을 가지는 음극구역; 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극; 및 생성구역 출구 하류에 있는 다른 액체 저장조로 구성되는 전기화학적 펌프를 이용하여 물을 생성하는 방법이 제공되며, 이는 (a) 음극구역에서 수산화 이온 및 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 양극 및 음극구역들에 있는 물, 양이온 및 음이온 교환 장벽들을 거쳐 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계, 및 (b) 전기화학적으로 물을 생성하기 위하여, 생성된 수산화 이온을 음이온 교환 장벽을 거치고, 생성된 히드로늄 이온을 양이온 교환 장벽을 거쳐 생성구역으로 통과시키는 단계; 및 저장조에 있는 다른 액체 일부를 변위시키기 위하여 생성된 물을 다른 액체 조정조로 유동시키는 단계로 구성된다.
본 발명에 따른 낮은 유량에서 운전되는 (a) 안정적이고 쉽고도 정확하게 제어되는, (b) 높은 배압을 극복하며 유동을 유지할 수 있고, (c) 종래 LC 펌프보다 저렴하게 제조되고 내구성이 개선된 펌프를 제공한다.
도 1, 2, 3A 및 3B, 4는 본 발명에 의한 장치의 개략도이다.
도 5-8은 본 발명에 의한 장치 및 방법을 적용한 개략적인 실험 결과 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 전기화학적 펌프 (“ECP”)라고도 칭하는 전기화학적으로 구동되는 펌프에 관한 것이고 더욱 상세하게는 LC 또는 기타 액체 시료 분석시스템에서 액체를 이송하기에 적합한 펌프에 관한 것이다.
일 예에서, ECP는 (a) 출구를 가지는 수성 액체 생성 구역; (b) 생성 구역 일면에 인접된 양극 구역; (c) 양극 구역을 생성 구역으로부터 이격시키며 주로 히드로늄 이온 형태인 교환능 이온을 가지는 양이온 교환막; (d) 양극 구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; (e) 생성 구역 반대 면에 인접된 음극 구역; (f) 음극 구역으로부터 생성 구역을 이격시키며 주로 수산화 이온 형태인 교환능 이온을 가지는 음이온 교환막; 및 음극 구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극을 포함한다.
본 발명인 ECP는 예를들면 0.001 내지 100 μL/분, 및 더욱 상세하게는 약 1-10 μL /분과 같은 낮은 구동속도를 이용하는 분석시스템 (예를들면, LC 시스템)에 특히 유효하다. 이러한 시스템은 액체가 유동하는 모세관 분리칼럼 (예를들면 내경이 100 내지 400 μm)을 사용한다. LC 시스템에서, 이러한 고정상은 예를들면 US 공개 2006-0057733에 개시된 모세관 단면 칼럼에 배치되는 크로마토그래피 분리매질을 포함한다. 적합하게는, 크로마토그래피 매질 패킹은 이온교환수지 또는 유통형 다공성 모노리스 크로마토그래피 매질이다.
ECP의 일 예의 개략도는 도 1에 도시된다. ECP는 원통 또는 직사각형을 포함한 임의 적합한 단면의 비-전도성 벽을 가지는 하우징 (10)을 포함한다. 하우징 (10) 내부에는 물 생성 구역 (12)이 구성되며 출구 도관 (16)과 연결된 포트 또는 출구 (14)를 가진다. 구역 (12) 일면에는 이온교환막 (18) 및 다른 면에는 이와 이격되며 통상 평행하며 막 (18)과 반대 전하의 교환능 이온을 가지는 이온교환막 (20)이 구성된다. 막들 (18, 20)은 적합한 전하를 띠는 장벽 부품 형태이며, 양전하 또는 음전하 이온 중 하나를 통과시키지만 다량의 액체 유동은 저지된다. 막들 (18, 20) 측면에는 구역들 (22, 24)이 구성되며, 이들은 ECP에 대한 물 소스로 사용되는 물 소스 (water source) 저장조들 (26, 28)을 각각 포함한다. 전극들 (30, 32)은 각각 막들 (18, 20)과 전기적으로 소통하며, 바람직하게는 각각 구역들 (22, 24)에 인접 또는 내부에 배치된다. 전극들 (30, 32)은 직류전원장치 (미도시)와 연결됨으로써 분극된다. 도시된 바와 같이, 구역 (22)에 있는 전극 (30)은 양극이며 구역 (24)에 있는 전극 (32)는 음극이다. 이러한 구성에서, 양전하를 띠는 전극 (30)에 가장 인접하는 이온교환막 (18)은 주로 히드로늄 이온 형태를 가지는 양이온 교환막이다. 유사하게, 전극 (32)이 음극이면, 막 (20)은 주로 수산화 이온 형태를 가지는 음이온 교환막이다.
도시된 바와 같이, 물 스트림은 라인 36에서 구역 22로 흐르고 적당한 내부 튜브 (미도시)에 의해 구역 (26)을 통과하여 라인 (38)에서 방출된다. 흐름은 역방향일 수 있고 또는 각각의 저장조에서 독립적인 물 소스가 적용될 수 있다. 또한, 일부 시스템에서, 구역 (22, 24)에 있는 물 저장조들은 필요에 따라 주기적으로 주입되는 실질적으로 비-유동성 저장조일 수 있다. 이러한 시스템에서, 예를들면 열교환기를 이용한 외부 냉각을 통하여 물 저장조들에서 형성되는 산소 및 수소 가스 거품들을 소포시킬 수 있고, 및/또는 이렇게 형성된 가스 거품들을 제거하기 위하여 통풍구가 제공될 수 있다.
도시된 바와 같이 전극들 (30, 32)이 막들 (18, 20)으로부터 떨어져 있다고 가정하면, 전하를 띠는 다리구조체를 포함시켜 전극들 및 막들 사이 이온교환경로를 생성시켜 전극들 및 막들 사이 장치 내 이온이동성을 촉진시켜 전기저항을 줄이는 것이 바람직하다. 전극들 및 막들 사이 간격들을 이어주는 적합한 구조체는 이온교환 스크린, 이온교환수지 베드, 또는 유통형 이온교환 모노리스를 포함한다. 이러한 이온교환구조체에 충분한 다공성을 제공하여 저장조들 (26, 28)의 물이 막들 (18, 20)과 접촉할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 양극구역이라고 칭할 수 있는 도시된 구역 (22)에 있는 다리구조체는 주로 히드로늄 이온 형태의 양이온-교환 물질이며, 음극구역이라고도 불리는 구역 (24)에 있는 다리구조체는 주로 수산화 이온 형태의 음이온-교환 물질이다. 간략한 설명을 위하여, 이들 이온 교환 다리구조체는 도 1에서 도시되지 않는다.
다른 예에서, 전극들은 이들 인접 막들과 직접 접촉될 수 있다. 이러한 예에서, 전하를 띠는 다리구조체는 생략될 수 있으며 바람직하게는 전극들은 충분히 다공성을 가져 저장조들 (26, 28)에 있는 물들은 전극을 통하여 유동되어 막들과 접촉될 수 있다.
선택적이지만, 전극들 및 인접 막들 사이 전하를 띤 다리구조체를 배치하는 이유와 유사하게 이온 이동성을 촉진시키기 위하여 물 생성 구역 (12)에 이온-전도성 다리구조체를 포함하는 것이 바람직하다. 설명을 단순화 시키기 위하여, 본 개시에서는 구역 (12)에 있는 양이온-교환 물질을 언급한다. 생성 구역 (12)에 있는 다리구조체는 구역 (22, 24)에 있는 것과 유사한 물리적 구조를 가지는 각각 주로 히드로늄 또는 수산화 이온 형태의 양이온- 또는 음이온-교환 물질일 수 있다. 달리, 또한 생성 구역 (12)에 있는 다리구조체는 하나는 양이온-교환물질이고 다른 하나는 음이온-교환물질인 두 층의 이온교환물질로 형성될 수 있다. 본 예에서, 다리물질의 각 층은 동일 전하의 막들에 인접하게 놓일 수 있다. 따라서, 음이온-교환 물질은 음이온교환막에 인접하고 양이온-교환물질은 양이온 교환막에 인접할 수 있다. 또 다른 예에서, 음이온- 및 양이온 교환물질의 혼합물, 예를들면 패킹 베드에 있는 수산화 및 히드로늄 형태의 음이온- 및 양이온 교환 비드들이 생성 구역 (12)에서 이온 다리구조체로 적용될 수 있다. 설명을 간단히 하기 위하여, 생성 구역 (12)에서의 다리구조체는 도 1에 도시되지 않는다.
도 1 예에서 각 요소들의 물리적 구조는 본원에 참조로 포함되는 U.S. 특허 5,352,360 (‘360 특허’)의 도 1-4에 도시된 샌드위치 타입의 막 서프레서 (suppressor) 의 구조와 유사하다. 막 서프레서에서, 외부 구역은 재생 구역이며 중앙 채널을 통하여 흐르는 용리액으로부터 막을 통과한 용리액 이온을 제거한다. 반대로, 본 발명의 ECP는 중앙 채널에서 양극 및 음극에서의 전기화학반응으로 물이 생성된다. 또한, 본 장치의 구조는 공개 WO 2004/024301 A1의 도 4와 유사하다. 본 장치는 전해 용리액 생성기이며 중앙 생성 구역 외부에 있는 저장조는 산, 염기 또는 염으로 충전되어 중앙 채널에서 전기화학적으로 산 또는 염기가 생성된다. 서프레서 및 용리액 생성기 장치 및 본 발명의 ECP에서, 전기분해는 양극 및 음극에서 수행된다.
(양전하를 띠는) 양극구역 (22)에서, 양극 (26)에 인접하여 다음과 같은 반응이 일어나 히드로늄 이온이 생성되어 막 (18)을 통과한다:
6H2O → 4H3O+ + O2 + 4e- (1)
(음전하를 띠는) 음극구역 (24)에서, 음극 (32)에 인접하여 다음과 같은 반응이 일어나 수산화 이온이 생성되어 막 (20)을 통과한다:
4e- + 4H2O → 4OH- + 2H2 (2)
중앙 물-생성 구역 (12)에서, 다음 반응으로 물이 생성된다:
OH- + H3O+ → 2H2O (3)
전류가 인가되면 도 1의 ECP가 전극들은 분극되고, 양극 (30)에서 생성된 히드로늄 이온은 (존재한다면) 이온-수송 다리구조체를 통과하고 양이온-교환막 (18)을 통과하여 물-생성 구역 (12)로 들어간다. 동시에, 음극 (32)에서 생성된 등가 개수의 수산화 이온들은 존재한다면 이온-수송 다리구조체 및 음이온-교환막 (20)을 통과하여 물-생성 구역 (12)에 들어가고 여기에서 히드로늄 이온과 결합하여 식 (3)에서 나타낸 바와 같이 물을 형성한다.
공지된 전기분해 원리에 따라, 96,500 쿨롱 (1 패러데이)의 축적된 전류는 구역 (12)에서 1몰 (18g)의 물을 생성한다. 본원에서, 생성 구역 (12)로 수송되는 물은 패러데이 물이라 칭한다. 히드로늄 이온 및 수산화 이온 양자는 강하게 결합된 수화수 (water of hydration)를 가진다. 이러한 이유로 물에서의 수소이온은 H3O+ (히드로늄 이온)이라고 칭한다. 이렇게 강하게 결합된 수화수 역시 구역 (12)로 수송된다. 또한, 막을 통하여 이동되는 이온들은 상당한 량의 물을 구역 (12)로 “끌고 간다”. 본원에서 이는 전기삼투적 수송 물이라 칭한다. 구역 (12)가 상당히 안정적인 치수라고 가정하면 (즉 상당히 팽창 또는 축소되지 않는), 이들 3 종류의 물은 단일 출구 도전 (16)으로 물 흐름을 일으킨다. 이러한 방식으로, ECP는 물을 LC 시스템 또는 기타 등등, 특히 모세관 치수를 가지는 시스템에 물을 공급할 수 있으며, 이는 ECP 양극 및 음극 사이에 흐르는 전류에 따라 유량은 정확하게 제어될 수 있다.
구역 (12)에서 생성된 물은 LC 시스템 예를들면 본원에 참조로 포함되는 ‘360 특허에서 기술된 이온 크로마토그래피 시스템에서 적합하게 사용된다. 이러한 측면에서, 저장조들 (26, 28)은 고-순도의 물 즉 실질적으로 탈-이온 물을 전달한다. 도 1의 예에서, 저장조들은 오염물들이 시료이온들의 크로마토그래피 검출과 상당히 간섭되지 않는 극미량 예를들면 약 0.01 ppm 이하의 이온 오염물을 포함한다.
바람직한 ECP 예에서 실질적으로 순순한 물이 생성되므로, 양이온 교환막은 주로 히드로늄 이온 형태의 교환능 이온들을 포함하고 음이온 교환막은 주로 수산화 이온 형태의 교환능 이온들을 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 “주로 히드로늄 이온 형태”는 최소한 51% 및 바람직하게는 최소한 90 내지 99 내지 99.9% 또는 이상의 교환능 이온들이 히드로늄 이온 형태인 것이다. 유사하게, 용어 “주로 수산화 이온 형태”는 음이온 교환막에서의 교환능 이온이 최소한 51% 및 바람직하게는 최소한 90 내지 99 내지 99.9% 또는 이상의 수산화 이온 형태인 것이다.
상기와 같이, ECP는 LC 또는 기타 분석시스템에서 펌프로 사용될 수 있다. 일 특정 LC 시스템인, 서프레서 방식 이온 크로마토그래피 (IC) 시스템이 ‘360 특허에 도시된다. ECP는 본 특허 도 1에 도시된 펌프 15을 대체할 수 있다. 이러한 IC 시스템에서와 같이, 본원의 생성 구역 (12)는 액체시료 주입기 상류에 있고 이와 유체 연통된다. 또한, ‘360 특허의 IC 시스템에서와 같이, 본 시스템은 시료 주입기 하류에 크로마토그래피 칼럼 형태의 크로마토그래피 분리기, 용리액을 억제하기 위하여 크로마토그래피 칼럼 하류에 서프레서, 및 서프레서 하류에 시료 검출기 (예를들면 전도도 검출기)를 포함한다. 본 시스템에서, 하류에 있는 검출기는 서프레서와 유체 연통되며, 중간 크로마토그래피 및 선택적으로 이로부터 하류에 있는 서프레서를 가진다. 바람직한 예에서, ECP는 시료주입기 상류에 배치된 펌프를 대체하여 시료를 크로마토그래피 칼럼으로 이송하기 위한 물 용리액을 제공한다. 바람직하게는, ECP는 시료주입기 상류의 유일한 펌프이고 즉 물을 구역들 (22, 24)에 제공하기 위한 임의 펌프를 배제한다.
상기된 바와 같이, 전형적인 물 소스는 탈-이온화 물이라고 하더라도 오염물을 포함할 수 있어 ECP 펌프는 순수를 생성할 수 없다. 이러한 측면에서, 구역 (12)에서 방출되어 도관 (16)에 흐르는 물은 수백 마이크로 지멘스 또는 이상의 전도도를 가질 수 있다. 또한, 막들은 완전한 히드로늄 이온 및 수산화 이온 형태가 아닐 수 있어 오염 양이온 및 음이온이 화학적으로 구역 (12)에 있는 액체로 유입될 수 있어 전도도를 높일 수 있다. ECP 생성 스트림에서 이러한 이온 오염물로 인한 크로마토그래피 검출 간섭을 피하기 위하여, 작은 폴리싱 탈-이온 장치 예를들면 탈-이온 칼럼이 ECP 출구 하류에 배치될 수 있다. 막들 및 저장조들이 상대적으로 순수한 형태로 제조되는 경우, 이러한 폴리싱 탈-이온 장치에서의 부담은 상대적으로 낮아 본 장치는 교환이 이루어지기 전에 장시간 사용 가능하다.
이온 오염물로부터의 크로마토그래피 간섭을 피하는 다른 방법은 생성 구역 하류에 있는 저장조의 다른 유체를 변위시키는 물을 생성하기 위하여 ECP를 적용하는 것이다. 유체 변위시스템은 US 특허번호 6,436,719에 개시되며 참조로 포함된다. 일 예에서, 피스톤은 생성 구역에서 생성되는 것과 다른 용액의 저장조에 인접하여 ECP 출구 측에 배치된다. 적합하게 변위되는 다른 용액은 탈-이온 물 또는 산, 염기 또는 염 용리액 또는 유기용매 또는 유기용매와 수용액의 혼합물일 수 있다. 변위되는 용액은 분석시스템으로 이송된다. 용어 “피스톤”은 종래 피스톤, 신축성 블래더, 막 또는 기타 등등 또는 ECP에서 발생된 액체 압력을 생성 구역 출구 측에 있는 이러한 저장조로 전달 예를들면 분석시스템으로의 유동을 일으킬 수 있는 기타 부재를 포함한다. 만일 고-순도의 물이 변위되고 이송되면, 저장조는 고-순도의 물로 채워진다. ECP 생성 구역의 물 출력은 피스톤에 압력을 인가하고 ECP에서 피스톤 반대 측에 있는 액체 유량 제어에 의한 속도로 저장조에 있는 액체를 밀어낸다. ECP가 저장조 내용물을 모두 방출시키기 전에, 저장조는 재충전되어 순수로 채워진 다른 저장조로 변경된다. 저장조는 임의 유체를 담을 수 있으므로, ECP는 물 이송 외에도 사용될 수 있다. 원칙적으로, 이는 대기압 또는 가압 조건 하에 있는 임의 유체의 제어 유동 수단을 제공한다.
변위시스템의 다른 예에서, US 특허번호 6,436,719에 개시되지만, 피스톤이 생성 구역 및 다른 액체의 저장조 사이에 배치되지 않는다. 따라서 생성된 물은 변위되는 액체와 직접 접촉된다. 일 예에서, 생성 구역에서 생성된 물은 저장조 출구보다 더 높은 저장조 입구를 통하여 액체 저장조로 흘러 생성된 물이 아닌 저장조 유체는 저장조 밖으로 유동된다.
본 발명에 따른 시스템은 바람직하게는 물을 모세관 LC 시스템, 특히 모세관 이온 크로마토그래피 시스템에 이송할 수 있는 치수로 구성된다. 이러한 측면에서, 도 1에 도시된 유형의 장치에서 막들은 시트들로 구성되며 적합한 치수는 다음과 같다: 저장조들 (26, 28)을 위한 각각의 구역들 (22, 24)은 1 내지 2000 마이크로 리터, 바람직하게는 5 내지 500, 더욱 바람직하게는 20 내지 200 μL. 유사하게, 물 생성 구역 (12)은 0.1 내지 1000 μL 및 바람직하게는 10 내지 100 μL. 막들 (18, 20)은‘360 특허의 서프레서와 비교하여 본 장치의 치수가 상당히 줄어든 것을 제외하고는 ‘360 특허에 도시된 유형 및 거기에 도시된 이온교환 스크린일 수 있다.
도관 (16)은 적합하게는 모세관 치수 예를들면 10 내지 500 μm ID이다. 샌드위치 타입의 막 서프레서와 비교하여, 물 생성 구역 (12)으로 들어가는 유일한 물 소스는 이온 및 분자들이 막들 (18, 20)을 유통한 후 ECP에 의해 생성된 물이라는 점을 이해하여야 한다. 따라서 운전 중에는 구역 (12)으로 흐르는 별도의 유체 소스는 없고, 액체 유동을 위한 유일한 개방 포트는 도관 (16)에 이어지는 출구 (14)이다. 다른 포트가 구역 (12)에 포함될 수 있으나 이는 구역을 채우거나 다리구조체를 적합한 형태로 전환시키기 위한 것이다.
상기 치수를 가지는 ECP는 다른 유형의 하우징에 포함된 약 0.01 내지 1000 μL, 바람직하게는 1 내지 50 μL의 크로마토그래피 칼럼 또는 크로마토그래피 매질로 제공하기 위하여 사용된다.
원하는 유량을 제공하기 위한 전기분해를 위하여 전극들 사이에 충분한 전류가 인가되어야 한다. 전형적인 모세관 LC 운전을 위하여, 전형적인 유량은 최소한 0.01 μL/분 내지 10 μL /분 또는 이상의 유량 50 μL /분이다. 전류를 최소화 하기 위하여, 바람직하게는 유량은 5 μL /분 이하이다. 유량을1 μL /분으로 가정하면, 16-89 밀리암페어 범위의 전류로 충분하다.
본 발명에 의한 ECP (“펌프 1”)의 특정 예는 약간 다르기는 하지만 ‘360 특허의 서프레서 방식 IC 시스템에 대한 도 1-4에서의 서프레서로 도시된 것과 유사한 구조를 사용한다. ECP는 상기 특허에서 도 1의 펌프 (17)을 대체한다. ‘360 특허의 도 3을 참조하면, 하전 스크린 (32)을 포함한 가스켓 (30)에서의 유동 채널은 본원 도 1의 생성 구역 (12)에 해당된다; 각각의 하전 스크린 (41, 43)을 포함한 가스켓들 (38, 40)에서의 유동 채널들은 각각 본원 도 1의 구역들 (22, 24)에 해당된다; 이온 교환막들 (34, 36)은 각각 막들 (18, 20)에 해당되고, 전극들 (42, 44)은 각각 본원 도 1의 전극들 (30, 32)에 해당된다. 펌프 1 예에서, (a) 양극구역 (22)에서 전극 (30) 및 막 (18) 사이에 있는 스크린 형태의 다리구조체 (도 1에서 미도시)는 양이온 교환 스크린이며; (b) 막 (18)은 양이온 교환막이고; (c) 양이온 교환 스크린 (도 1에서 미도시)은 중앙 생성 구역 (12)에 놓이고; (d) 막 (20)은 음이온 교환막 (‘360 특허에서 도 1의 음극에 인접한 양이온 교환막을 대체)이며; 및 (e) 음극구역 (28)에서 전극 (32) 및 막 (20) 사이에 있는 스크린 형태의 다리구조체 (도 1에서 미도시)는 음이온 교환 스크린이다. 본 ECP 치수는 본원에 기재된다. 입구 포트 없이 구역 (12)에서의 유일한 단일 출구 포트 (16)은 운전 중 개방된다.
도 2는 Dionex 코포레이션의 Atlas® 서프레서를 변경시켜 제조된 본 발명에 따른 ECP를 도시한 것이고, 본원에서 “펌프 2”으로 표시된다. 원통형 단면으로 구성된다. 도 1과 동일한 부분은 동일 부호로 표시된다. 예시된 부품들은 도시되지 않은 원통형 하우징에 배치된다. 양극챔버 (22)는 양이온 교환막 (18)과 직접 접촉되는 양극 (30)을 포함한다. 적합한 양극 (30) 형태는 주름진 전도성 금속 예를들면 백금 와이어이다. 양이온-교환 모노리스 또는 H+ 형태의 이온교환수지 베드 (40)가 생성챔버 (12)에 배치되어 이온 전달 특성을 제공하여 막들 사이 이동성을 촉진시킨다. 외부로부터의 물은 라인 (44)에서 양극구역 (22)로 공급되어 라인 (46)을 순환하여 양 저장조들에 물이 제공된다. 물은 라인 (48)을 통하여 구역 (44)를 빠져나간다. 물 소스의 흐름은 역방향이거나 또는 ECP에서 재순환될 수 있다. 또한 각 구역들에서 개별적인 물 스트림 또는 비-유동 저장조가 구역 (22 및/또는 24)에서 적용될 수 있다.
펌프 2에서, 물 생성챔버에 배치되는 양이온 교환 모노리스 디스크들은 본원에 참조로 포함되는 U.S. 특허 6,610,546에 개시된 공정에 따라 유사하게 제조될 수 있다. 양이온 교환 모노리스 제조용 기본 재료는 시트 또는 로드 형상의 다공성 폴리에틸렌이며 바람직하게는 약 35 μm (Porous Technologies)의 다공성을 가진다. 기초 재료의 바람직한 다공성 범위는 5 μm -100 μm이다. 상기 재료들은 디스크 형상의 작은 조각들로 절단되어 염화메틸렌 용매 중 40-60% w/w 스틸렌 (바람직한 범위는 20-100% 그라프트 수준) 용액에 함침된다. 일 예에서, 그라프트 공정 전 시트 재료는 바람직하게는 1.6 mm 두께를 가진다. 그라프트는 10,000 rad/시간 조사량의 감마선을 질소분위기에서 약48-120 시간 동안 80-90 oF에서 조사하여 달성된다. 이후 재료는 염화메틸렌 또는 적합한 용매 중 10% w/w 클로로설폰산에4 시간 동안 약 40 oC에서 함침된다. 이후 재료는 30 분 동안 55 oC에서 1M KOH에 담기고 D1 수로 린스하고 세척된다.
다른 ECP와 같이, 펌프 (2)가 운전되는 동안, 생성 물은 생성 구역 (12)에서 유일한 개방구인 포트 (14)를 통하여 라인 (16)으로 방출된다. 그러나, 도시되지는 않지만 구역 (12)에 예를들면 모노리스 또는 패킹 베드 (40)의 이온-교환을 원하는 이온 형태로 전환시키거나 구역 (12)에 있는 빈 구역을 세척하고 신속하게 대체하기 위한 제2의 포트가 추가될 수 있다.
도시된 바와 같이, 물은 구역 (22, 24)에 있는 소스 저장조들로 이송된다. 도시되지 않지만 펌프가 물을 이들 구역들로 제공한다. 적합한 펌프는 물을 수 ml/분 속도로 상당한 배압 (예를들면, <50psi)을 극복하며 유량의 10%까지 변동되며 이송할 수 있다. 간단한 연동식 펌프가 이용될 수 있다. 그러나, Dionex GP 40 구배 펌프와 같은 고 성능 펌프가 특정 용도에 사용될 수 있다.
조절 가능한 전류원 예를들면 Keithley 220 프로그램 전류원이 운전 중 ECP 전류 공급에 적용될 수 있다. 본 부품은 도 1 및 2에 도시되지 않는다.
도 3A 및 3B를 참조하면, 도 1의 ECP를 적용한 테스트 시스템이 도시된다. 동일부분들은 동일부호가 표기된다. 저장조 (60)로부터 물이 펌프 (62)에 의해 라인 (36)에 있는 유동 제한기를 거쳐 구역 (24)로 및 이로부터 구역들 (22)로 이송되고 라인 (38)로 방출된다. 라인 (16)에서 생성된 물 흐름은 시료 주입기 (66)을 거쳐 검출기 (68, 예를들면 전도도 검출기)로 유동된다. 도 3B는 검출기 (68)로부터의 재생라인 (72)을 포함하여 일부 물을 구역 (24)로 제공하는 것이 다르다. 원하는 경우, 도시되지 않지만 작은 탈-이온 장치가 라인 (16) 및 재생라인 (72)에 배치될 수 있다 (LC 경우, 크로마토그래피 칼럼 (미도시)가 주입기 (66) 및 검출기 (68) 사이에 배치된다. 서프레서 방식 IC의 경우, 서프레서 (미도시)가 크로마토그래피 칼럼 및 검출기 (68) 사이에 추가로 배치된다).
펌프 (1)보다 펌프 (2)의 이점은 펌프 (2)는 더 높은 압력에서 더 양호하게 운전된다는 것이다.
ECP의 다른 예는 ‘360 특허의 도 8에 도시된 전기분해 서프레서와 유사한 구조인 실질적으로 동심원 튜브로 형성된다. 본원 도 4에 도시된 바와 같이, 동심원 튜브 ECP는 내부 전극 (50)인 적합한 불활성 전도성 금속 와이어를 내부 이온 교환막 (52)에 삽입하고, 이 자체는 적당한 길이의 약간 더 큰 직경의 외부 이온교환막 (54)에 삽입된다. 전체 조립체는 적합한 치수의 전도성 금속 (예를들면 스테인리스 강) 튜브 (56)에 감싸진다. 외부 튜브 (56) 자체는 전극으로 기능하며, 단부들에서 연결되어 두 막들 사이 (환형) 및 외부 막 및 스테인리스 강 케이스 사이 공간 에서 내부 전극 및 내부 막 사이 유동 채널이 가능하다. 상기 타입의 내부 수송 다리구조체는 동심 튜브들 사이 하나 이상의 유동 채널들에 삽입될 수 있다.
도시되지 않은 다른 예에서, 본 발명의 ECP (예를들면 도 1, 2, 3A, 3B 및 4)는 물 시료에 있는 음이온 및/또는 양이온 불순물을 검출하기 위한 농축기 (concentrator)로 사용될 수 있다. 본원에서 기술된 임의 ECP 예들은 농축기로 사용될 수 있다. 본 시스템에서, 양극 및 음극구역에 있는 물은 두 부분의 물 시료 저장조를 구성한다. 물 시료의 양이온 및 음이온 불순물은 검출되는 분석대상물이다. 이때, 검출기는 물 생성구역 출구와 유체 소통된다. 분석대상물-함유 물 시료는 양극 및 음극구역에 있으므로, 물 생성구역 출구 및 검출기 사이에 시료주입기는 존재하지 않는다.
농축기 운전에 있어서, 물 시료는 양극 및 음극구역에 있는 물 저장조에 분할된다. 음극구역에 있는 물 시료에서 전기분해에 의해 수산화 이온이 생성되고 본 구역에 있는 음이온 분석대상물은 이온 교환장벽을 통과하여 생성구역에 있는 물로 이동된다. 양극구역에 있는 물 시료에서 전기분해에 의해 히드로늄 이온이 생성되고 본 구역에 있는 분석대상물은 양이온 교환장벽을 통과하여 생성구역에 있는 물로 이동되어 상기와 같이 물이 생성된다. 오염 양이온 및 음이온 분석대상물을 함유한 생성된 물 시료는 검출기로 흐른다. 생성구역 및 검출기 사이 시료는 추가로 주입되지 않는다. 일 예에서, 양이온 교환장벽은 주로 히드로늄 이온 형태인 교환능 이온들을 포함하며 음이온 교환장벽은 주로 수산화 이온 형태인 교환능 이온들을 포함한다.
ECP가 농축기로 사용되는 방법은 다음과 같다. 관심있는 물 흐름에서, 불순물 전해질 농도는 c 유닛/ml’ 이라고 가정한다. 본 설명을 위하여 ‘c’을 기술하기 위한 유닛을 언급할 필요는 없다. 물 흐름이 ECP 전극구역에 유량 ‘V’ ml/분으로 인가된다고 가정한다. 따라서 전극구역을 통과하는 불순물 함량은 ‘Vc’ 유닛/분이다.
전극구역은 관심있는 물 흐름으로 채워지고, 전류가 ECP에 인가되어 중앙구역에서 유동이 발생된다. ECP로부터의 유량은 ‘p’ ml/분으로 나타낸다. 전형적인 ECP 운전에서, ‘V’는 ‘p’보다 매우 크다. V/p가 1000이라고 가정한다 [‘V’가 1 ml/분이고 ‘p’가 1 마이크로 리터/분으로 주어지는 경우 합리적인 수치].
ECP로 제공되는 물에 있는 분석대상 이온들 농도는 매우 낮기 때문에, 막을 거쳐 중앙구역으로 가는 이온들의 대부분은 히드로늄 및 수산화 이온이다. 그러나 강제전류는 불순물 이온들을 중앙구역으로 운반한다. 모든 분석대상 이온들이 잡혀서 중앙구역으로 수송된다면 이상적이다. 그러나, 10% 분석대상물만이 잡히고 나머지는 빠져나간다고 가정하면, 중앙구역으로 수송되는 함량은 ‘Vc’의 10% 또는 0.1 Vc 유닛/분이다. ECP로부터 유동이 ‘p’으로, 또한 p=V/1000으로 가정하면 (물질균형으로부터) 0.1 Vc (중앙구역으로 유입되는 함량)은 방출 함량 즉 ‘pC’와 동일하여야 하며, 이때 ‘C’는 중앙구역을 나가는 용액에 있는 분석대상 농도이다.
따라서 0.1Vc = pC
또는 0.1Vc = (V/1000)C
그러므로 C = 100c
이러한 가정들 하에서, 분석대상물의 백배 농도가 달성된다. 이러한 농축된 분석대상 흐름은 전도도 셀에 의해 검출될 수 있으며 따라서 검출 가능성을 높이거나 또는 이온 크로마토그래피 시스템에 있는 주입기의 시료 루프로 들어간다.
도시되지 않은 다른 예에서, 본 발명의 ECP는 ECP 물 생성구역의 출구 도관과 유체 소통하는 유동 조절기와 결합하여 사용될 수 있다. 일 예에서, 유동 조절기는 피드백 회로를 포함한다. 예를들면, 유동 센서가 ECP 출구 도관에서의 유량을 측정하고 적당한 제어전자회로들은 인가 전류를 조절하기 위하여 일정한 전류원으로 피드백을 제공함으로써 ECP펌프는 제어되고 고정된 출력 유량을 제공할 수 있다. 이는 예를들면 막 투과로 인하여 양극 및 음극구역에서 생성구역으로 상당한 유동이 있을 때 유용하다.
본 발명을 설명하기 위하여, 하기 비-제한적 예들이 제공된다.
실시예 1
본 예는 ECP 실시예 펌프 1을 이용한다.
ECP 펌프 1은 Dionex SRS 서프레서에 사용된 것과 유사한 부품들을 사용하여 제조되었다. Dionex SRS 서프레서의 일반적인 제조방법은 미국특허 5,352,360의 도 2에 기술된 전해 서프레서 예와 유사하다. 부품 과련 인자들 및 이들 기능은 미국특허 5,352,360에 개시되며 이는 본원에 참조로 포함된다.
도 1에 도시된 ECP 펌프 1에서, 음이온 SRS 서프레서 (ASRS) 크로마토그래피 유출액 채널은 입구 포트를 끼워 중앙 물 생성구역 (12)로 사용되었다. 물 생성구역은 중앙 공동을 형성하는 크로마토그래피 유출액 가스켓에 의해 부분적으로 경계되었다. 유통형 술폰화 양이온 교환 스크린이 공동에 배치되었다. 두 개의 이온 교환막 시트들이 중앙 물 생성구역 반대 측을 따라 연장되어 가스켓과 함께 중앙 물 생성구역 외주를 형성하였다. ASRS 양극 재생채널은 그대로 ECP 양극구역 (22)으로 사용되었다. ECP 음극구역 (24)은 ASRS 음극 재생채널을 바꾸어 제조되었다. ASRS 음극 재생채널에서 술폰화 양이온 교환막 및 스크린은 아민화 음이온 교환막 및 스크린으로 대체되었다. ECP 양극 및 음극 구역들의 유체 입구 및 출구 포트들은 ASRS 양극 및 음극 재생채널의 입구 및 출구포트들과 유사한 방식으로 제조되었다.
도 3A를 참조하면, 펌프 62는 Dionex GP 40을 사용하였다. 구역들 (22, 24) 저장조들은 탈-이온 물을 포함하였다. GP 40으로부터 유입된 물은 약 130 나노 지멘스 정도로 물 전도도를 감소시키는 (작은 혼합 수지 베드(미도시)) 탈-이온 장치를 통과하였다.
이후 물은 적당한 유량으로 X 지점에서 압력을 상당히 높은 수준(600 내지 1200 psi, 유량에 따라 다름)으로 상승시키는 유동 제한기 (63) (수 미터의 PEEK 튜브, ID는 0.005 인치)를 통과하였다.
제한기 (63)에서 나온 물은 구역들 (22, 24)을 통과하고 전해 가스와 함께 폐액으로 방출되었다.
ECP 출구 도관 (17)은 ECP를 25 마이크로 리터의 명목상 부피를 가지는 시료 루프가 구비된 종래 IC 주입밸브 (66)로 연결하였다.
전도도 셀 이상의 경로는 목적에 따라 달라졌다.
만일 목적이 대기로 방출되는 경우의 ECP 유량 측정이라면 도 3A가 사용되었다.
그러나 목적이 배압에 대한 유량 측정이면, 전도도 셀 (66) 출구는 T-부품에 의해 재생라인 (72) X- 지점에서 시스템으로 다시 연결되었다. 본 구성에서, ECP는 X-지점에서 배압이 걸리는 경우를 극복하여 작동된다. 또한, 본 배압은 Dionex GP 40을 사용하여 유동 측정이 이루어지는 동안 일정 수준으로 유지되어야 한다. 상당한 배압을 극복하여 본 유동을 유지하기 위한 성능이 결합된 유동의 안정성 및 정확성은 더욱 간단한 펌프 이상으로 이를 선택하는 이유들이다.
이러한 구성을 적용하여 ECP 이송 속도는 3개의 다른 배압에서 측정되었다: 각각 0.2, 0.3 및 0.4 ml/분의 GP 40 유량에 의해 발생된 638, 950 및 1223 psi.
ECP 출력 측정
두 가지 방법으로 ECP 이송 속도를 결정하였다.
방법 1. 시료-루프 내용물의 전체적인 배출
본 방법은 시료 루프의 전체 내용물 (0.01M KCl)을 이송시키는데 필요한 시간을 측정하였다.
측정은 시료 루프를 시스템으로 전환시키고 루프 내용물이 전도도 셀을 통과하고 ECP 유출액 전도도가 초기 수준으로 돌아올 때까지 유지하는 것으로 구성된다 (하기 도 5).
도 5는 3 종류의 전류들: 10, 20 및 30 밀리암페어에서 운전되는 ECP에 의한 시료-루프 내용물의 배출을 도시한다. 시료-루프 (명복상 부피 25 μL)는 (실험적으로) 27 μL로 측정되었다. μL/분 단위의 유량은 본 부피를 루프 내용물의 방출-시간-간격으로 나누어 결정되었다. 본 시간은; 전도도 곡선의 상승 부분 절반까지의 시간 및 전도도 곡선의 하강 부분 절단까지의 시간 사이의 차이이다.
방법 2. 단기 시료 펄스의 통과시간
본 방법에서 시료 루프는 짧게 시스템에 전환시키고 (0.1 분) 다시 제거하였다. ECP의 전형적인 유량에서 이러한 짧은 전해질 펄스가 전도도 셀에 도달하는 것은 수분 소요된다. 이러한 지연을 펄스의 “통과시간” 으로 칭하고 시스템 소프트웨어를 사용하여 시료 밸브 및 전도도 셀 사이 KCl의 이러한 짧은 펄스의 통과시간이 정확하게 측정된다. 이러한 측정 및 제1 방법에 의한 측정을 결합하여 이러한 통과시간을 유량으로 정확하게 해석할 수 있다. 본원에서 제시된 대부분의 유량은 방법 2에 의해 결정되었다.
방법 3. 계량 방법
유량 측정의 가장 정확한 방법은 ECP로부터의 생성물을 계량하는 것이다. 그러나 적절하게 정확히 계량될 수 있는 함량의 물을 축적하기에 수 시간의 수집시간이 필요한 매우 느린 방법이다. 따라서 ECP의 ‘즉각적’인 유량 측정에는 적절하지 않다. 통과시간 측정방법과 결합되면 계량방법은 통과시간방법을 정확하게 보정할 수 있는 수단을 제공한다.
실시예 2 ECP 작동의 예
펌프 1: 대기압에서 유량 대 전류
표 1은 대기로 방출되는 펌프 1의 6 유형의 다른 전류들에서의 유량 측정 결과를 요약한 것이다.
각 전류에 대하여 2번째 칼럼은 측정된 유량을 3번째 칼럼은 패러데이 유량 (참고 “이송 기작”)을 나타낸다. 측정 유량은 패러데이 유량으로 나누면 패러데이 당 수송되는 물의 총 몰수 (패러데이 및 수화 및 전기삼투의 합)을 얻는다 (칼럼 4)
Figure pct00001
도 6은 유량의 인가 전류에 대한 선형 의존성을 보이며 ECP 출력 제어를 위한 간단한 방법을 제안한다.
펌프 2: 유량 대 전류 및 인가 배압
ECP 펌프 2는 Dionex 음이온 Atlas 전해 서프레서 (AAES)에서 사용된 것과 유사한 부품을 이용하여 제조되었다. Dionex 음이온 Atlas 전해 서프레서의 일반적인 제조방법은 미국특허 6,610,546의 도 6에 기술된 전해 서프레서 예와 유사하다. 부품 과련 인자들 및 이들 기능은 미국특허 6,610,546에 개시되며 이는 본원에 참조로 포함된다.
도 2에 도시된 ECP 펌프 2에서, 중앙 물 생성구역 (12)은 원통형 공동 (직경 6mm, 길이 10mm)이며 입구포트 및 출구포트를 가진다. 입구포트는 장치가 전기화학적 펌프로 사용될 때 끼워진다. 공동은 6개의 술폰화 양이온 교환 모노리스 디스크 (직경 6mm 및 두께 0.16mm)로 채워졌다. AAES 양극 재생챔버는 그대로 ECP 양극구역 (22)으로 사용되었다. ECP 음극구역 (24)은 AAES 음극 재생챔버를 바꾸어 제조되었다. AAES 음극 재생챔버에서 술폰화 양이온 교환막 및 모노리스 디스크는 아민화 음이온 교환막 및 모노리스 디스크로 대체되었다. AAES 양극 및 음극 재생챔버의 입구 및 출구포트들은 ECP 양극 및 음극 구역들의 유체 입구 및 출구 포트들로서 사용되었다.
도 2에 도시된 펌프 2의 제1 테스트의 하나는 40 mA 전류에서 대기로 방출되며 운전되는 수 시간 동안에 걸친 안정성을 조사하는 것이다.
표 2는 테스트 결과를 보인다. 펌프는 이러한 시간 간격에 걸쳐 매우 안정한 유동을 보이며 실험 펌프들에 있어서 전형적이었다
Figure pct00002
(7.13분의 통과시간은 유량 1.55μL/분으로 해석된다)
표 3은 5 유형의 다른 전류 및 0 (대기), 638, 950 및 1223 psi 배압에서 운전되는 펌프 2에 의한 유동 측정 결과를 요약한 것이다. 칼럼 3은 여러 전류 및 배압에서 측정된 유량을 나열한 것이다. 칼럼 4는 소위 막 투과라고 칭하는 정성 값을 나열한 것이다. 막 투과에 대한 설명은 하기된다.
모든 막들, 특히 수화수를 포함한 것들은 압력 하에 있는 물이 이들에 강제될 때 수압 “누출”이 생길 수 있다; 역 삼투로 알려진 기술은 이러한 특성에 기초한 것이다. 결과적으로, ECP가 배압을 극복하며 이송할 때, 막들을 통한 물의 역류를 기대할 수 있다. 이를 유동 막 누설 또는 막 투과라 칭한다. 이는 전기화학적 펌프로부터 감산되는 유동이다. 이러한 일 조의 실험들 목적은 막 투과를 측정하는 것이었다.
특정 전류 및 배압에서 막 투과는 다음과 같이 계산된다.
ECP가 대기압으로 이송할 때 막 투과는 0이라 가정하면 표 3에서 첫 5개 유량들은 여러 전류에서의 전기화학적으로-생성된 유량을 나타낸다.
예로써 30 mA 및 638 psi 배압 측정을 취하면, 유량은 1.06 μL/분이다. 이것은 30 mA 및 0 배압에서 측정된 유량보다 작다. 이러한 차이는 막 투과로 기인된다. 칼럼 4에 나열된 모든 값들은 이러한 방식으로 계산된 것이다.
Figure pct00003
막 투과가 상당한 유동일 수 있지만, ECP는 여전히 상업적 장치로 유용하고 특히 막 구조체 및 두께를 변경시켜 투과를 감소시킬 수 있기 때문이다. 또한 배압에 무관하게 전류에 대한 유량의 단순한 의존성 (도 7)은 긍정적이다. 막 누설을 통한 물의 손실은, ECP 펌프는 제어 가능하고 일정한 유량 출력을 제공하기 위하여 유동을 측정하는 유동 센서 및 일정한 전류원에 피드백을 제공하여 인가 전류를 조절할 수 있는 제어전자회로를 사용하여 보충될 수 있다는 점을 지적하고자 한다. 하나의 유동 센서는 SENSIRION AG (쥐리히, 스위스)에서 제조된 ASL1600 매질 이격 액체용 유량계이다. 미국특허 4,532,811 및 6,813,944에 기술된 유형의 유량계 및 제어기 역시 사용될 수 있다.
표 4는 가장 높은 배압 1223 psi에서 측정된 통과시간 측정에서 얻은 데이터를 나열한 것이다. 2회 실시된 실제 통과시간들을 포함시켜 ECP의 놀라운 유량 안정성을 보인다.
통과시간이 약 74분인 가장 낮은 전류에서, 최소한 74분 이후 두 측정이 이루어졌고, 두 측정들 사이 일치는 매우 주목할 만하다.
Figure pct00004
펌프 3: 유량 대 전류 및 배압
펌프 3은 펌프 2와 동일하지만 구역 B가 더 짧아 (5 mm) 펌프 2보다 더 높은 전류에서의 운전이 가능하다.
표 5 및 6 및 도 8은 각각 0 및 1223 psi 배압에서의 유동 측정 결과를 나타낸 것이다. 통과시간의 3회 측정 데이터 (칼럼 3)가 포함되어 이들 ECP에서 전형적인 유동 안정성을 보인다. 여러 정류에서 ECP에 인가된 전압 (칼럼 2)이 나열된다.
Figure pct00005
Figure pct00006
펌프 3에서, 막 투과는 펌프 2보다 더 높고 전류에 비례한다; 펌프 2에서 막 투과는 전류에 독립적이다. 이러한 거동은 다음과 같이 설명될 수 있다.
펌프 3에서, 구역 (22) 부피는 펌프 2의 약 50%이므로 임의의 전기적 가열이 더 낮은 부피에 인가되어 이로 인해 구역 (22)의 내용물에 대한 더한 가열을 기대할 수 있다. 또한 전류 증가에 따른 상승 가열효과를 기대할 수 있다. 이러한 구역 (22)에서의 온도 상승은 더 높은 막 온도에 이르러 압력이 막을 거쳐 강제할 때 물에 대한 점성적 끌기를 줄인다. 이는 막 투과가 펌프 2에서 보다 더 높은 이유 및 전류에 비례하는 것을 설명할 수 있다.
ECP에 의해 생성된 물의 품질(quality) 에 대한 결론
본 발명의 설명은 ECP가 순수한 물을 이송할 수 있다는 것을 의미한다. 실제로는, ECP 펌프 생성물은 수백 마이크로 지멘스의 전도도를 가질 수 있다. 이는 여러 이론적 이유가 존재한다. 우선, 막들은 완전한 히드로늄 및 수산화 이온 형태가 아니며 오염 양이온 및 음이온이 전기화학적으로 구역 (22)의 유체로 유입되어 전도도를 상승시킨다. 구역 (B)로부터의 상대적으로 작은 유동을 고려하면, 오염 이온들의 작은 플럭스는 ECP 생성물 전도도를 관찰될 수 있는 수준으로 쉽게 상승시킬 수 있다. 펌프 1과 같은 장치에서, 전체 막 면적이 전기화학적 이온 플럭스에 노출되며, 계속적인 ECP 운전으로 신속하게 오염 이온들이 제거된다. 그러나, 펌프 2및 3과 같은 펌프에서는 양극 및 음극챔버에 있는 이온 교환막의 상당 면적이 전기장으로부터 차폐되고 (클램프로 인함), 차폐 체적으로부터 이온 제거는 확산 제어되고 상대적으로 느리다. 따라서 막들이 초기에 이상적인 형태가 아니라면, 불량한 품질의 물 생성물이 일정시간 지속될 것이다. 구역 (22)에 있는 이온 교환 물질이 고분자 파편을 침출시키는 경향이 있다면 이 또한 추가적인 전도도의 근원이 될 것이다.
또한 ECP 물 생성물이 결코 순수할 수 없다고 기대되는 근본적인 이유가 존재한다. 전극구역들 (22, 24)을 채우기 위한 절대 순수를 생산하기가 쉽지 않다; 이러한 물은 언제나 일정 수준의 오염 이온들을 함유한다. 이러한 이온들은 히드로늄 및 수산화 이온과 함께 구역 (22)으로 이송되고 전도도를 상승시킬 것이다.
상기 오염물을 가정하면, ECP를 상기한 바와 같이 사용 가능한 물 펌프로 적용할 수 있는 방안들이 있다. 논의된 바와 같이, 먼저 작은 탈-이온 칼럼 (또는 기타 탈-이온 장치)를 ECP 출구에 간단히 부착하는 것이다. 막들 및 전극을 채우는 물이 상대적으로 순수한 물로 준비된다면 이러한 세척 베드에 대한 부담은 상대적으로 낮고 교환이 필요하기까지 오랜 시간 사용될 수 있다.
ECP 방법 및 펌프에 대한 이점들은 다음과 같다:
(1) 소형이다.
(2) 쉽게 제조된다.
(3) 모터, 체크 밸브, 피스톤 또는 기타 내구성에 제한이 있는 기타 이동부품들이 불요하다.
(4) 유동은 쉽고도 정확하게 제어된다.
(5) 상당한 배압을 극복하고 펌핑이 가능하다.
(6) 간단한 변경을 통하여 (예를들면 액체 피스톤), 제어방식으로 임의 유체를 이송할 수 있다.
(7) 유체를 제어하면서 저 유량이 목적일 때 넓은 응용 범위를 가질 수 있다.

Claims (25)

  1. (a) 출구를 가지는 물 생성구역.
    (b) 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역,
    (c) 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며 주로 히드로늄 이온 형태인 교환능 이온을 가지며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽,
    (d) 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극,
    (e) 상기 생성구역 에 인접하게 배치된 음극구역,
    (f) 상기 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며 주로 수산화 이온 형태인 교환능 이온을 가지며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽, 및
    (g) 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는, 연속 전기화학적 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양극 및 음극구역들에 물 저장조들이 더욱 포함되는, 연속 전기화학적 펌프.
  3. 제1항에 있어서,
    (h) 상기 생성구역출구 하류에서 이와 유체 소통하는 시료주입기, 및
    (i) 상기 시료주입기 하류에서 이와 유체 소통하는 시료검출기를 더 포함하는, 분석시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    (j) 상기 시료주입기 및 상기 검출기 사이에 배치되며 상기 시료주입기 및 검출기와 유체 소통되는 분석시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전기화학적 펌프는 상기 시료주입기 상류의 유일한 펌프인, 분석시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 생성구역출구 및 상기 시료주입기 사이에 배치되며 상기 출구 및 시료주입기와 유통 소통되는 이온 제거장치를 더욱 포함하는, 분석시스템.
  7. 출구를 가지는 수성 액체 생성구역; 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 물을 가지는 양극구역; 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 상기 생성구역에 인접하게 배치되며 물을 가지는 음극구역; 상기 음극구역으로부터 상기 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 전기화학적 펌프를 이용하여 물을 생성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 음극구역에서 수산화 이온 및 상기 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 상기 양극 및 음극구역들에 있는 물, 상기 양이온 및 음이온 교환 장벽들을 거쳐 상기 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계,
    (b) 전기화학적으로 물을 생성하기 위하여, 상기 생성된 수산화 이온을 상기 음이온 교환 장벽을 거치고, 상기 생성된 히드로늄 이온을 상기 양이온 교환 장벽을 거쳐 상기 생성구역으로 통과시키는 단계, 및
    (c) 상기 생성된 물을 스트림으로 상기 생성구역 외부로 유동시키는 단계로 구성되는, 물을 생성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 액체 시료를 상기 생성된 물 스트림을 주입 주입하는 단계 및 상기 액체 시료를 검출하는 단계를 더욱 포함하는, 물을 생성하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 시료 주입 전에, 상기 생성구역을 빠져나가는 생성된 물 스트림에서 이온들을 제거하는 단계를 더욱 포함하는, 물을 생성하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 양이온 교환 장벽은 주로 히드로늄 이온 형태인 교환능 이온을 가지며, 음이온 교환 장벽 주로 수산화 이온 형태인 교환능 이온을 가지는, 물을 생성하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 물이 생성되는 동안, 상기 전기화학적 펌프 외부의 물 소스로부터 어떠한 물도 상기 생성구역을 거쳐 유동하지 않는, 물을 생성하는 방법.
  12. (a) 출구를 가지는 물 생성구역,
    (b) 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역,
    (c) 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽,
    (d) 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극,
    (e) 상기 생성구역에 인접하게 배치된 음극구역,
    (f) 상기 음극구역으로부터 상기 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽,
    (g) 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극, 및
    (h) 상기 물 생성구역 출구와 유체 소통되는 검출기로 구성되며, 상기 생성구역 출구 및 상기 검출기 사이에 상기 물 생성구역 출구로부터 공급되는 시료 외에 시료 공급을 위한 시료 주입기가 존재하지 않는, 분석시스템에서의 연속 전기화학적 농축기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 양극 및 음극구역들에서 시료 저장조들이 더욱 포함되는, 연속 전기화학적 농축기.
  14. 출구를 가지는 수성 액체 생성구역; 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 분석대상 음이온- 및 양이온-함유 물 시료의 제1부분을 가지는 양극구역; 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 상기 생성구역에 인접하게 배치되며 상기 분석대상 음이온- 및 양이온-함유 물 시료의 제2부분을 가지는 음극구역; 상기 음극구역으로부터 상기 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 농축기를 이용하여 물 시료의 분석대상 음이온 및 양이온을 농축하고 검출하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 음극구역에서 수산화 이온 및 상기 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 상기 양극 및 음극구역들에 있는 제1 및 제2 물 시료 부분들, 및 상기 양이온 및 음이온 교환 막들을 거쳐 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계,
    (b) 상기 통과된 분석대상 양이온 및 음이온을 포함한 물 생성물 시료를 전기화학적으로 생성하기 위하여, 상기 생성된 수산화 이온 및 물 시료에 있는 분석대상 음이온을 상기 음이온 교환 장벽을 거치고, 상기 생성된 히드로늄 이온 및 물 시료에 있는 분석대상 양이온을 상기 양이온 교환 장벽을 거쳐 상기 생성구역으로 통과시키는 단계, 및
    (c) 상기 생성된 물 생성물 시료를 스트림으로 상기 생성구역으로부터 상기 물 생성물 시료에 있는 분석대상 양이온 및 음이온을 검출하는 검출기로 유동시키는 단계로 구성되며, 상기 생성구역 및 상기 검출기 사이에 임의 추가적인 시료가 주입되지 않는, 물 시료의 분석대상 음이온 및 양이온을 농축하고 검출하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 양이온 교환 장벽은 주로 히드로늄 이온 형태인 교환능 이온을 가지며, 음이온 교환 장벽 주로 수산화 이온 형태인 교환능 이온을 가지는, 물 시료의 분석대상 음이온 및 양이온을 농축하고 검출하는 방법.
  16. (a) 출구를 가지는 물 생성구역,
    (b) 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역,
    (c) 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽,
    (d) 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극,
    (e) 상기 생성구역 에 인접하게 배치된 음극구역,
    (f) 상기 음극구역으로부터 상기 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽,
    (g) 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극,
    (h) 상기 물 생성구역과 유체 소통하는 출구 도관, 및
    (i) 상기 출구도관과 유체 소통하는 유동 제어기로 구성되는, 연속 전기화학적 펌프 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 양극 및 음극구역들에 물 저장조들이 더욱 포함되는, 연속 전기화학적 펌프 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    (j) 상기 생성구역출구 도관 하류에서 이와 유체 소통하는 시료주입기, 및
    (k) 상기 시료주입기 하류에서 이와 유체 소통하는 시료검출기를 더 포함하는, 분석시스템.
  19. 제16항에 있어서, 전원을 더욱 포함하며 상기 유동 제어기는 전원에 대한 유동 제어 피드백회로를 더욱 포함하는, 연속 전기화학적 펌프 시스템.
  20. 출구를 가지는 수성 액체 생성구역; 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 물을 가지는 양극구역; 상기 양극구역을 사익 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 상기 생성구역에 인접하게 배치되며 물을 가지는 음극구역; 상기 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 전기화학적 펌프를 이용하여 물을 생성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 음극구역에서 수산화 이온 및 상기 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 상기 양극 및 음극구역들에 있는 물, 상기 양이온 및 음이온 교환 장벽들을 거쳐 상기 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계,
    (b) 전기화학적으로 물을 스트림으로 생성하기 위하여, 상기 생성된 수산화 이온을 상기 음이온 교환 장벽을 거치고, 상기 생성된 히드로늄 이온을 상기 양이온 교환 장벽을 거쳐 상기 생성구역으로 통과시키는 단계,
    (c) 상기 생성된 물 스트림을 상기 생성구역 출구로부터 유동시키는 단계, 및
    (d) 상기 생성구역 하류에서 상기 생성된 물의 유량을 결정하는 단계로 구성되는, 물을 생성하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전극들 사이 통과하는 전류를 제어하기 위하여 상기 전극들에 대한 전원에 상기 결정 단계로부터의 정보를 피드백 하는 단계를 더욱 포함하는, 물을 생성하는 방법.
  22. (a) 출구를 가지는 물 생성구역,
    (b) 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역,
    (c) 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽,
    (d) 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극,
    (e) 상기 생성구역에 인접하게 배치된 음극구역,
    (f) 상기 음극구역으로부터 상기 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽,
    (g) 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극, 및
    (h) 상기 물 생성구역 및 출구 사이에 배치되며 상기 생성구역에서 생성된 물을 반대 측과 이격시키며 상기 생성된 물에 의해 인가된 압력을 전달하는 피스톤으로 구성되는, 연속 전기화학적 펌프.
  23. 피스톤, 상기 액체 피스톤 반대 측에 있는 다른 액체를 가지는 수성 액체 생성구역; 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 물을 가지는 양극구역; 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 상기 생성구역에 인접하게 배치되며 물을 가지는 음극구역; 상기 음극구역으로부터 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 및 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극으로 구성되는 전기화학적 펌프를 이용하여 물을 생성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 음극구역에서 수산화 이온 및 상기 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 상기 양극 및 음극구역들에 있는 물, 상기 양이온 및 음이온 교환 장벽들을 거쳐 상기 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계, 및
    (b) 상기 생성된 수산화 이온을 음이온 교환 장벽을 거치고, 상기 생성된 히드로늄 이온을 양이온 교환 장벽을 거쳐 상기 생성구역으로 통과시켜 전기화학적으로 물을 생성하고 상기 피스톤 반대 측에 있는 유체를 유동시키기 위하여 상기 피스톤 일 측에 압력을 인가하는 단계로 구성되는, 물을 생성하는 방법.
  24. (a) 출구를 가지는 물 생성구역,
    (b) 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치된 양극구역,
    (c) 상기 양극구역을 상기 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽,
    (d) 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극,
    (e) 상기 생성구역에 인접하게 배치된 음극구역,
    (f) 상기 음극구역으로부터 상기 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽,
    (g) 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극,
    (h) 상기 물 생성구역 출구와 유체 소통하며 이로부터 하류에 있는 유체 저장용기로 구성되는, 연속 전기화학적 펌프.
  25. 수성 액체 생성구역; 상기 생성구역 일면에 인접하게 배치되며 물을 가지는 양극구역; 상기 양극구역을 생성구역으로부터 이격시키며, 양이온은 통과시키지만 음이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 양이온 교환 장벽; 상기 양극구역과 전기적으로 소통하는 제1 전극; 상기 생성구역에 인접하게 배치되며 물을 가지는 음극구역; 상기 음극구역으로부터 상기 생성구역을 이격시키며, 음이온은 통과시키지만 양이온은 통과시키지 않고 다량의 액체 유동을 저지할 수 있는 음이온 교환 장벽; 상기 음극구역과 전기적으로 소통하는 제2 전극; 및 상기 생성구역 출구 하류에 있는 다른 액체 저장조로 구성되는 전기화학적 펌프를 이용하여 물을 생성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 음극구역에서 수산화 이온 및 상기 양극구역에서 히드로늄 이온이 생성되도록, 상기 양극 및 음극구역들에 있는 물, 상기 양이온 및 음이온 교환 장벽들을 거쳐 상기 제1 및 제2 전극 사이 전류를 통과시키는 단계, 및
    (b) 전기화학적으로 물을 생성하기 위하여, 상기 생성된 수산화 이온을 상기 음이온 교환 장벽을 거치고, 상기 생성된 히드로늄 이온을 상기 양이온 교환 장벽을 거쳐 상기 생성구역으로 통과시키는 단계; 및
    (c) 상기 저장조에 있는 다른 액체 일부를 변위시키기 위하여 상기 생성된 물을 상기 다른 액체 저장조로 유동시키는 단계로 구성되는, 물을 생성하는 방법.
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