KR20200089325A - 산화제 농도 제어를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

전해조에서의 산화제 생성 또는 전해질 농도의 비율과 무관하게, 살균제의 일정한 농도를 유지하도록 전해조에서의 전해를 제어하기 위한 방법 및 장치.

Description

산화제 농도 제어를 위한 방법 및 장치

본 발명은 산화제의 제조를 위한 전해조(electrolytic cell)에서 2상류(two-phase flow)의 산화제 농도 제어에 관한 것이다.

이하의 설명은 다수의 공보 및 참고문헌을 언급한다. 본원에서 그러한 공보에 대한 설명은 본 발명과 관련된 과학적 원리의 배경에 대한 이해를 원활하게 하기 위해 제공되며, 그러한 공보가 특허성 결정 목적을 위한 선행 기술임을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 각각의 그러한 공보는 본원에 참조로 포함된다.

염소 및 다른 혼합된 산화제 용액의 제조를 위해 치수 안정성 애노드(dimensionally stable anode: DSA)를 사용하는 전해 기술이 수년 동안 사용되었다. 치수 안정성 애노드는 "전극 및 이를 제조하는 방법"이라는 명칭의 Beer의 미국 특허 제3,234,110호에 기재되어 있으며, 여기서 귀금속 코팅이 티타늄 기판 위에 도포된다.

막을 갖는 전해조의 일 실시예는 "막을 갖는 전극 셀 및 이를 제조하기 위한 방법"이라는 명칭의 deNora 등의 미국 특허 RE 32,077에 기재되어 있으며, 여기서 원형의 치수 안정성 애노드가 애노드의 둘레에 둘러싸이는 막과 함께 사용되고, 캐소드는 애노드/막 조립체의 둘레에 동심으로 위치된다.

막이 없는 치수 안정성 애노드를 갖는 전해조는 "물을 살균하기 위한 전해 방법 및 전해조"라는 명칭의 Gram 등의 미국 특허 제4,761,208호에 기재되어 있다.

산화제 제조를 위해 통상적으로 사용되었던 상업용 전해조는 전해 장치를 통하는 흐름을 생성하기 위해 선택적으로 적절한 압력 하에 있는 관류(flow-through) 구성을 사용한다. 이러한 구성의 전해조의 실시예는 "전극 및 이를 포함하는 전해조"라는 명칭의 Prasnikar 등의 미국 특허 제6,309,523호, 및 "증가된 오존 함량을 갖는 살균 용액을 생성하기 위한 전해조"라는 명칭의 Baker 등의 미국 특허 제5,385,711호에 기재되어 있다.

전형적으로, 2가지 제어 방식 중 하나가 시스템을 통하는 연속적인 흐름을 사용하는 상업용 현장 염소 생성 시스템에서 사용된다. 이러한 방식은 고정된 산화제 생산율을 유지하면서, 운영비 측면에서 가동 성능을 최적화하기 위해 사용된다.

캘리포니아주 캠벨의 Process Solutions Inc.(PSI)는 전해조로 유입되는 전해질 농도가 일정하도록 일정한 공급 염수 및 유체 흐름을 사용하지만, 그 이후에 산화제 농도를 유지하도록 전압을 제어한다. 주로 캐소드 전극 상의 탄산칼슘 스케일 형성을 통해, 전극이 오염됨에 따라, 시스템에서의 전기 저항의 증가를 극복하기 위해 전압이 증가된다. 이러한 방식으로, 증가된 전력 소비를 사용하여 전해질 변환 효율이 유지된다.

MIOX Corporation의 전해질 현장 발생기에 사용되는 전형적인 제어 방식은 “적은 유지보수 현장 발생기”라는 명칭의 Sanchez 등의 미국 특허 제7,922,890호에 기재되어 있다. 이러한 제어 방식은 전해조로 유입되는 정확하고 안정적인 물 유량을 유지하는 공정을 사용한다. 시스템의 전압은 고정된다. 가변 속도 염수 펌프로부터의 완전 포화된 염수가 물 유체 흐름에 유입되고, 이에 따라 전해질에 유입되어, 전해조에 유입된다. 전해조의 고정 전류량은 고정 농도의 산화제를 생성한다. 전해조의 전류량이 적은 경우, 제어 시스템은 염수 펌프가 속도를 증가시키게 함으로써, 전해조로 유입되는 전해질의 염수 농도를 증가시키고, 결과적으로, 전원 공급 장치로부터 전해조로의 인출 전류량(amperage draw) 및 전해질의 전도율을 증가시킨다. 이러한 방식에서, 전해질 농도는 전해조에서 정확한 전류량을 유지하기 위해 가변될 수 있다. 유량 및 인가되는 전압과 함께 전류량이 일정하게 유지되는 경우, 산화제 농도가 일정하게 유지될 수 있다. 전력 변환 효율이 유지되는 동안, 전해질 변환 효율은 가변될 수 있다. 유사한 제품은 소위 염수 펌프 시스템, 또는 BPS이다. BPS는 경질 플라스틱 케이스에 하우징되며, 염수 펌프, 전원 공급 장치, 및 전해조를 포함한다. 그러나, 이러한 시스템은 정속도 전해질 펌프를 사용한다. 이러한 시스템은 전해질을 제조하기 위해 조작자가 염 및 물을 정확하게 혼합함으로써, 산화제 농도가 정확하게 산출될 수 있게 해야 한다. 일정한 산화제 농도를 유지하기 위한 제어 방식은 없었다.

본 발명의 실시형태는 살균제의 제조를 위한 전해 시스템에서 제조되는 살균제의 농도를 제어할 수 있다. 다른 제어 방식과 대조적으로, 산화제 생산율 및 가동 효율은 주요한 파라미터가 아니다. 본 발명의 실시형태는 전해조에서 생성되는 산화제의 농도를 제어한다. 정확한 산화제 농도를 제어함으로써, 사용자에 의한 주입 용량(dosing)은 일정하다. 저소득 환경에서는, 전해질을 제조하기 위해 혼합되는 염 및 물이 수동으로 혼합될 수 있으므로, 부정확하게 혼합될 수 있다. 본 발명의 실시형태는 염 및 물을 함께 혼합함으로써 전해질 용액을 제조할 때 인적 오류를 보정할 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 전해질 변환 효율 또는 전력 변환 효율은 주요한 파라미터가 아니다. 전해질 염수 농도가 낮으면, 산화제 생산율은 낮아진다. 이는 용액의 전기 전도율이 낮으므로, 전원으로부터 더 적은 전류량을 인출하기 때문이다. 본 발명의 실시형태는 전해조에서의 전해질의 체류 시간을 증가시키고, 이에 따라 더 많은 염수를 산화제로 변환시켜서 산화제의 농도를 증가시킴으로써, 산화제 농도를 유지하기 위한 전해질 유량을 감소시킨다. 반대로, 전해질 농도가 높은 경우, 산화제 생산율은 높아지고, 제어 방식은 공칭으로 5,000 mg/l 농도로 산화제의 정확한 농도를 유지하도록 전해질 유량을 증가시킨다.

본 발명의 이점은 전해질 공급 농도, 인가되는 전압, 또는 전해조를 통하는 유량과 관계없이 살균제의 농도의 개선된 안정성을 포함하므로, 낮은 교육 환경에서 사용되거나, 군대에 의해 사용되거나, 재난 구호 환경에서 사용되는 시스템에서, 그리고 작동의 간단함 및 내고장성이 중요한 다른 적용예에서, 부정확성이 보정될 수 있고, 조작자가 불충분하게 훈련된 환경에서 시스템을 보다 간단하게 작동시킬 수 있게 한다. 이러한 구성으로, 가동 효율은 내고장성과 균형을 이룬다. 이러한 적용예에서, 훈련되지 않은 조작자에 의한 일정한 산화제 주입 용량을 보장하기 위해서는 일정한 산화제 농도가 중요하다. 질병 관리 예방 센터(CDC) 및 세계 보건 기구(WHO)에 따르면, 의료용 표면을 세척하기 위한 적절한 용량은 5,000 밀리그램/리터(mg/l) 또는 백만분율(ppm)이다. 예를 들어, 이는 의료 영역 및 표면, 사람의 유해, 및 2015년경 아프리카에서 발생한 것과 같은 발병된 에볼라에 활성으로 노출된 다른 표면을 살균하기 위해 사용되는 권장 용량이다. 본원에 설명되는 제어 방식은 이러한 공칭 농도를 갖는 살균제를 제조한다. 제어 방식은 임의의 효과적인 농도, 전형적으로 10,000 밀리그램/리터 미만의 일정한 산화제를 제조하도록 구성될 수 있다.

활성 에볼라와 같은 위협이 환경에 존재하는 경우, 사람들이 가정 환경에서 이들의 손을 세척하기 위해, 그리고 일반적인 살균을 위한 다른 적용예를 위해, 전형적으로 500 ppm의 농도가 권장된다. 500 ppm에서, (5,000 ppm의) 순수 살균제에 물 10을 첨가하도록 사용자에게 안내하여 약 500 ppm 농도의 살균제를 달성하는 것이 용이하다. 사람의 섭취를 위해 의도된 물(즉, 식수)을 처리하는 경우, (5,000 mg/l의) 순수 살균제 1을 물 1000에 첨가하기 위해 측정 장치(예를 들어, 티스푼 또는 다른 측정 용기)를 통해 살균제 1을 첨가하도록 사용자에게 안내하는 것이 용이하다. 이 경우, 처리될 1 리터의 물에 1 밀리리터(ml)의 살균제가 첨가된다. 결과적으로, 5 mg/l 용량의 살균제가 물에 첨가된다. 이는 미군이 현장 처리수에 사용하는 전형적인 용량이다. 식수가 되도록 처리될 일반적인 지표수 또는 지하수에서, 5 mg/l 용량은 대부분의 물을 마시기에 안전하게 할 것이다. 지방 자치의 처리수에서 미국 환경 보호국(USEPA)의 최대 권장 잔류 값은 4.0 mg/l이다. 물의 안전성이 가장 중요한 재난 구호 상황이나 저소득 환경에서, 5 mg/l의 용량은 전형적으로, 원수 중의 산화제 요구 물질로 인해 4.0 mg/l 미만의 염소 잔류 값을 야기할 것이다. 5.0 mg/l 용량에서, 대부분의 물은 물을 마시기에 안전하도록 보장하게 돕는 양의(positive) 염소 잔류 값을 가질 것이다.

본 발명의 다른 이점 및 새로운 특징, 그리고 추가적인 적용 가능성의 범위는 첨부된 도면과 함께 고려되는 이하의 상세한 설명에서 부분적으로 설명될 것이며, 이하의 검토 시에 당업자에게 부분적으로 명백해지거나, 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 이점은 특히, 첨부된 청구범위에서 언급되는 수단 및 조합에 의해 실현 및 달성될 수 있다.

본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 발명의 여러 실시형태를 도시하며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면은 단지 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 목적이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 도면으로서:
도 1은 시스템의 흐름도 도면이다.
도 2는 12, 15, 및 18 그램/리터의 염수 농도에서, 시간에 따른 농도를 나타내는 그래프 도면이다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 예시적인 실시형태이다. 시스템(10)은, 전해조(12), 전해질 펌프(16), 전원 공급 장치(14), 제어 회로(24), 전해질 탱크(18) 및 산화제 탱크(26)를 포함한다. 전해질(20)은 물, 및 물에 용해되는 할로겐 염(통상적으로 염화나트륨)을 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 전해질 농도는 약 15 그램/리터(g/l)의 염화나트륨이며, 전형적으로, 알려진 양의 물 중의 정확한 양의 염(염화나트륨)을 측정함으로써 수동으로 정해진다. 그러나, 조작자가 물에 염을 얼마나 정확하게 혼합하는지에 따라, 전해질의 농도는 10 g/l 미만 내지 22 g/l 초과로 폭넓게 달라질 수 있다. 전원 공급 장치(20)는 110/220 VAC 단상 전기원과 같은 통상적인 라인 전원으로부터, 또는 배터리, 발전기, 및 태양 전지와 같은 다른 전원으로부터 이의 전력을 얻을 수 있다. 예를 들어, 출력 전력은 공칭으로 12 V 직류(VDC)일 수 있으며, 제어 패널(24)에 공급된다. 또한, 제어 패널(24)은 직류 전력 단자(30)를 포함할 수 있다. 자동차 배터리, 태양 전지판, 또는 다른 직류 전원과 같은, 직류 전원이 이러한 전력 단자(30)에 연결될 수 있다. 제어 회로(34) 및 전해질 펌프(16)로의 전력이 제어 패널(24) 내에 제공될 수 있다. 또한, 제어 패널(24)은 주 전원 스위치(32)를 포함할 수 있다.

주 전원 스위치(32)의 활성화 시에, 제어 회로(34)에 의해 전해질 펌프(16)가 활성화될 수 있다. 전해질 펌프(16)는 예를 들어, DC 모터 또는 스테퍼 모터 또는 다른 유형의 가변 속도 모터일 수 있는 가변 속도 모터를 구비한 연동 펌프와 같은 양변위 펌프이다. 전해질 펌프(16)가 작동하기 시작함에 따라, 오염물 또는 용해되지 않은 염을 제거하도록 돕고, 전해질 펌프(16)의 수명을 연장시키도록 도울 수 있는 선택적인 필터(22)를 통하여 전해질(20)이 흡인된다. 그 다음, 전해질(20)은 전해질 펌프(16)를 통하여 진행되어 전해조(12)에 유입된다. 제어 패널(24) 내의 제어 회로(34)로부터의 전력이 전해조(12)에 인가된다. 전해조(12) 내의 전해질은 산화제 탱크(26)로 이송되는 산화제(28)로 변환된다. 산화제(28)로의 전해질(20)의 변환은 강력한 살균 용액을 생성하는 잘 알려진 화학 반응이다. 산화제(28)는 사람이 섭취하기 위한 식수로 만들기 위해 오염된 담수원을 살균하기 위해 사용될 수 있거나, 의료 환경에서 표면을 살균하기 위해 사용될 수 있거나, 강력한 살균제 용액이 필요한 다른 적용예에 사용될 수 있다. 그러나, 적절한 용량의 살균제가 해당 적용예에 인가되도록 하기 위해, 일반적으로, 살균제의 농도는 일정하고 안정적인 것이 중요하다.

본 발명의 예시적인 실시형태에서, 제어 패널(24)은 전해조(12)에 인가되는 전류를 측정하는 제어 회로(34)를 포함한다. 전해질 용액(20)의 유량 및 전류는 전해조(12)로부터 유동하는 살균제 용액(28)의 농도를 결정한다. 양변위 전해질 펌프(16)의 경우, 유량은 전해질 펌프(16)의 속도에 의해 정밀하게 제어된다. 예시적인 실시형태에서, 전해질 용액(20)의 염도, 또는 염수 농도는 염 및 물이 조작자에 의해 혼합되는 경우 조작자에 의해 이미 결정되었다. 전해조(12)에 인가되는 전류량, 및 전해질 펌프(16)의 속도를 통해, 살균 용액(28)의 농도가 결정될 수 있다. 이러한 데이터의 일 실시예가 도 2에 제시된다. 도 2는 전해질 펌프(16)의 속도가 제어기(34)에 의해 제어된 3개의 상이한 염수 농도에 대한 산화제(28)의 농도를 나타낸다. 데이터가 나타내는 바와 같이, 산화제의 농도는 전해질의 염수 농도와 무관하게, 5,000 내지 6,000 mg/l 범위로 유지된다. 전해조(12)에서의 인출 전류량으로 측정되는 바와 같은, 전해질의 전도율이 증가함에 따라, 전해질 펌프(16)의 속도가 증가하여 전해조에서의 산화제의 유량을 증가시킨다. 전류량이 감소함에 따라, 전해질 펌프(16)에 의해 유량이 감소됨으로써, 최종 농도는 약 5,000 mg/l로 고정되어 유지된다. 결과적인 수식은 다음과 같다:

농도, mg/l = (생산율, mg/분) / (유량, l/분)

위의 수식의 검토로부터, 동일한 산화제 농도를 유지하기 위해서는, 산화제 생산율이 증가함에 따라, 전해질의 유량이 증가해야 하고, 그 반대도 마찬가지이다. 제어 보드(34)의 소프트웨어 로직은, 전해조(12)의 전류량을 모니터링하여, 전해질 펌프(16)의 속도를 제어함으로써 전해질 유량을 이에 따라 증가 또는 감소시키도록 프로그래밍된다.

본 발명은 특히 이러한 바람직한 실시형태를 참조하여 상세하게 설명되었지만, 다른 실시형태가 동일한 결과를 달성할 수 있다. 본 발명의 변경 및 변형은 당업자에게 명백할 것이며, 이러한 모든 변형 및 등가물을 포함하도록 의도된다. 위에서 인용된 모든 특허 및 공보의 전체 개시물은 본원에 참조로 포함된다.

Claims (15)

1. 살균제의 제조를 위한 장치로서,
   (a) 전해질 소스와 유체 연통하는 입력 포트, 및 출력 포트를 갖는 전해질 펌프;
   (b) 상기 전해질 펌프의 상기 출력 포트와 유체 연통하는 입력 포트를 갖고, 산화제 출력 포트를 가지며, 전기 에너지 소스로부터 전기 에너지를 수신하는 전해조;
   (c) 상기 전해조에서 배출되는 상기 산화제의 산화제 농도가 미리 결정된 상한과 하한 사이에서 유지되도록, 상기 전해조에 의해 소비되는 전기 에너지의 전류량에 응답하여 상기 전해질 펌프를 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는,
   살균제의 제조를 위한 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전해질 펌프는 양변위 펌프를 포함하는, 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전해질 펌프는 연동 펌프를 포함하는, 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어 시스템은 상기 전해조에 의해 소비되는 전기 에너지의 전류량이 증가하는 경우, 상기 전해질 펌프의 유량을 증가시키도록 상기 전해질 펌프를 제어하는, 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어 시스템은 상기 전해조에 의해 소비되는 전기 에너지의 전류량이 감소하는 경우, 상기 전해질 펌프의 유량을 감소시키도록 상기 전해질 펌프를 제어하는, 장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제어 시스템은 상기 전해조에 의해 소비되는 전기 에너지의 전류량이 감소하는 경우, 상기 전해질 펌프의 유량을 감소시키도록 상기 전해질 펌프를 제어하는, 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제어 시스템은 프로그래밍된 디지털 제어기를 포함하는, 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어 시스템은 전자 회로를 포함하는, 장치.
9. 살균제의 제조를 위한 장치로서,
   (a) 입력 포트 및 출력 포트를 갖는 전해질 펌프;
   (b) 상기 전해질 펌프의 상기 입력 포트와 유체 연통하는 전해질 저장소;
   (c) 전해조로의 전해질의 유량이 상기 전해질 펌프의 유량에 의해 결정되도록 상기 전해질 펌프와 유체 연통하고, 살균제 출력 포트를 갖는 전해조;
   (d) 상기 살균제 출력 포트와 유체 연통하는 살균제 저장소;
   (e) 상기 전해조에 의해 소비되는 전력을 나타내는 신호를 생성하는 전력 감시 장치;
   (f) 상기 신호에 응답하여 상기 전해질 펌프의 유량을 제어하는 제어 시스템을 포함하는,
   살균제의 제조를 위한 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 전력 감시 장치는 상기 전해조로의 전류를 나타내는 신호를 생성하는, 장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 전해조는 상기 전해질 펌프의 상기 출력 포트와 유체 연통하는, 장치.
12. 제9항에 있어서,
    상기 전해조는, 상기 전해질 저장소로부터의 유체가 상기 전해질 펌프의 상기 입력 포트에 도달하기 전에 상기 전해조를 통과하도록 상기 전해질 저장소 및 상기 전해질 펌프와 유체 연통하는, 장치.
13. 제9항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 전해조에 의해 소비되는 전력이 증가함에 따라 증가하는 전해질 펌프 유량을 제공하는, 장치.
14. 제9항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 전해조에 의해 소비되는 전력이 감소함에 따라 감소하는 전해질 펌프 유량을 제공하는, 장치.
15. 제13항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 전해조에 의해 소비되는 전력이 감소함에 따라 감소하는 전해질 펌프 유량을 제공하는, 장치.

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