KR20210089637A - 전기화학적 유동 반응기 - Google Patents

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마이클 데이비드 혼
비타 바야트사르마디
테오 로도폴로스
존 츠아나크트시디스
다야란 로메쉬 구나세가람
크리스티안 호르넝
대런 프라저
딜런 말리
앤드류 조셉 어반
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커먼웰쓰 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치 오가니제이션
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Abstract

본 개시는 연속 유동 전기화학적 관형 반응기와 같은 전기화학적 유동 반응기에 관한 것이다. 본 개시는 또한 전기화학적 유동 반응기를 포함하는 프로세스, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 전기화학적 유동 셀은 반응 챔버, 제1 정적 혼합기 전극, 제2 상대 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 분리기를 포함할 수 있다.

Description

전기화학적 유동 반응기
본 개시는 연속 유동 전기화학적 관형 반응기와 같은 전기화학적 유동 반응기에 관한 것이다. 본 개시는 또한 전기화학적 유동 반응기를 포함하는 프로세스, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연속 유동 반응기는 일반적으로, 반응물 유체가 연속적으로 공급되어 생성물을 형성하는 화학 반응을 겪는 반응 챔버를 포함하며, 생성물은 반응 챔버로부터 연속 배출 스트림으로 제공된다. 반응 챔버는 전형적으로, 예를 들어 쉘-앤드-튜브식 열 교환기(shell-and-tube heat exchanger) 구성에서, 가열/냉각제 유체에 침지되어 반응으로의/반응으로부터의 열 전달을 용이하게 한다.
연속 유동 반응기는 충전 층 반응 챔버(packed bed reaction chamber)를 이용할 수 있으며, 반응 챔버는 화학 반응이 일어날 수 있는 촉매 표면을 제공하는 고체 촉매 입자로 충전된다. 충전 층 반응 챔버와 접촉하기 전에 유체 스트림을 사전 혼합하고 이러한 챔버의 하류에서 반응기 튜브의 중앙 영역과 외부 영역 사이에서 열을 전달하기 위해 정적 혼합기가 사용될 수 있다. 정적 혼합기는 유체 유동을 차단하여 충전 층 반응 챔버에서 반응하기 전에 반응물의 혼합을 촉진하고 이러한 챔버의 하류에서 바람직한 열 및 물질(mass) 전달 패턴을 촉진하는 고체 구조체를 포함한다.
전기화학적 유동 반응기는, 용존 금속 이온의 전착에 의해 용존 금속을 제거하여 전기화학적 유동 반응기 내에 수용된 전극의 표면 상에 고체 금속 생성물을 형성하기 위해 유체 스트림의 처리에 사용되었다. 수처리를 위한 전기화학적 유동 반응기는 희박한/낮은 농도의 용존 금속 이온을 갖는 수성 유체 스트림으로부터 용존 금속을 제거함에 있어서 높은 효율 및 제어를 위해 넓은 표면적 전극을 갖는 저유동 시스템을 지향해 왔다. 전기화학적 유동 반응기는 또한 다양한 생성물의 전기합성에 사용되고, 특히 반응물 또는 중간 생성물을 형성하는 데 사용된다.
효율적인 혼합, 높은 물질 전달 및/또는 산업 응용을 위한 다목적 작동을 제공하기 위한 대안적이거나 개선된 전기화학적 유동 반응기에 대한 필요성이 있다.
본원에 언급된 어떠한 선행 기술 간행물도 임의의 이러한 문헌이 호주 또는 임의의 다른 국가에서 당해 기술분야의 통상적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하는 것이 아님이 이해될 것이다.
본 발명자들은 대안적인 전기화학적 유동 반응기에 대한 연구 및 개발에 착수했으며, 효율적인 혼합, 높은 물질 전달, 및/또는 산업 응용에 사용하기 위한 다목적 작동을 달성하기 위해 정적 혼합기가 전기화학적 유동 반응기 내에서 전극으로서 작동하도록 구성될 수 있다는 것을 발견했다. 전기화학적 유동 반응기는 투과성 멤브레인(permeable membrane)에 의해 상대 전극으로부터 분리된 정적 혼합기 전극을 포함할 수 있다. 정적 혼합기 전극은 효과적인 성능을 제공하면서 물질 전달 및 카오스 이류(chaotic advection)를 향상시키도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 정적 혼합기 부분을 포함하는 전극일 수 있다.
일 양태에서, 전기화학적 유동 셀이 제공되며, 이 전기화학적 유동 셀은,
반응 챔버;
제1 전극;
제2 전극; 및
제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 분리기로서, 제1 전극과 접촉하는 제1 유체 스트림을 수용하도록 구성된 반응 챔버 내의 제1 채널, 및 제2 전극과 접촉하는 제2 유체 스트림을 수용하도록 구성된 반응 챔버 내의 제2 채널을 적어도 부분적으로 한정하는, 분리기를 포함하며,
분리기는 유체 스트림들 사이의 유체 교환을 제한하면서, 유체 스트림들을 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 이온 연통을 허용하는 투과성 멤브레인을 포함하고,
제1 전극은 제1 전극의 길이를 따른 복수의 위치에서 제1 유체 스트림을 복수의 서브-스트림(sub-stream)으로 분할하는 복수의 분할 구조체(splitting structure)를 한정하는 정적 혼합기 부분을 포함한다.
일 구현예에서, 전기화학적 유동 셀은 연속 유동 관형 반응기이다.
일 구현예에서, 제1 전극의 정적 혼합기 부분의 직경은 제1 채널의 직경과 대략 동일할 수 있다. 제1 전극은 분리기와 접촉하도록 배열될 수 있다. 분리기 및 제2 전극은 제1 전극의 중심 종축과 동심 및 동축으로 배열될 수 있다. 분리기 및 제2 전극은 실질적으로 원통형일 수 있다. 제2 전극은 반응 챔버의 벽의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 정적 혼합기 부분을 포함하는 제1 전극은 제1 전극의 길이를 따른 복수의 위치에서 유체 스트림을 복수의 서브-스트림으로 분할하는 복수의 분할 구조체를 한정함으로써 물질 전달 및 카오스 이류를 향상시키도록 구성될 수 있다.
일 구현예에서, 정적 혼합기 부분의 인접한 분할 구조체는 정적 혼합기 부분의 중심 종축을 중심으로 상이한 회전 각도로 배열될 수 있다. 정적 혼합기 부분은 정적 혼합기 부분의 길이를 따라 연속적으로 배열된 복수의 실질적으로 유사한 구조 모듈을 포함할 수 있다. 정적 혼합기 부분을 포함하는 제1 전극은 제1 유체 스트림이 제1 전극의 정적 혼합기 부분을 따라 주어진 길이 내에서 분할되는 횟수에 대응하는 200 m-1 초과로 제1 유체 스트림을 분할함으로써 카오스 이류를 향상시키도록 구성될 수 있다.
다른 구현예에서, 정적 혼합기 부분을 포함하는 제1 전극은 적어도 약 10,000의 페클레(Pe) 수로 작동하도록 구성된다. 정적 혼합기 부분을 포함하는 제1 전극은 약 100 내지 100,000의 제1 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)로 작동하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 부분을 포함하는 제1 전극은 적어도 약 0.1 ㎖/min의 제1 유체 스트림에 대한 체적 유량을 제공하기 위해 제1 채널 내에서 작동하도록 구성될 수 있다.
다른 양태에서, 본원에 설명된 바와 같은 전기화학적 유동 셀의 임의의 양태, 구현예 또는 실시예에 따른 제1 전기화학적 유동 셀을 적어도 포함하는 전기화학적 유동 시스템이 제공된다.
일 구현예에서, 전기화학적 유동 시스템은 본원에 설명된 바와 같은 전기화학적 유동 셀의 임의의 양태, 구현예 또는 실시예에 따른 제1 및 제2 전기화학적 유동 셀을 포함한다. 복수의 유동 라인은 제1 전기화학적 유동 셀의 제1 채널이 제2 전기화학적 유동 셀의 제2 채널과 유체 연통하고 제1 전기화학적 유동 셀의 제2 채널이 제2 전기화학적 유동 셀의 제1 채널과 유체 연통하도록, 제1 전기화학적 유동 셀을 제2 전기화학적 유동 셀에 연결하도록 제공될 수 있다.
일 구현예에서, 전기화학적 유동 시스템은,
유체 스트림들의 유체 유동을 제공하기 위한 펌프;
전극들을 통한 전류 또는 전극들에 인가되는 전압을 제어하기 위한 전원 공급장치;
농도, 유량, 온도, 압력 및 체류 시간을 포함하는 시스템의 하나 이상의 파라미터를 제어하기 위한 제어기를 추가로 포함한다.
다른 양태에서, 본원에 설명된 바와 같은 전기화학적 유동 셀, 반응기 또는 그의 시스템의 임의의 양태, 구현예 또는 실시예에 따른 전기화학적 유동 셀을 포함하는, 유체 스트림의 전기화학적 처리를 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 폐수의 처리, 유체 스트림으로부터 용존 금속 이온의 제거, 또는 유체 스트림으로부터 금속의 회수를 위한 것일 수 있다.
상기 방법의 일 구현예에서, 정적 혼합기 부분을 포함하는 제1 전극을 포함하는 전기화학적 유동 셀은 하기 중 적어도 하나를 제공하도록 작동될 수 있다:
제1 유체 스트림이 제1 전극의 정적 혼합기 부분을 따라 주어진 길이 내에서 분할되는 횟수에 대응하는 200 m-1 초과로 제1 유체 스트림을 분할함으로써 카오스 이류;
적어도 약 10,000의 페클레(Pe) 수;
약 100 내지 100,000의 제1 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위);
적어도 약 0.1 ㎖/min의 제1 유체 스트림에 대한 체적 유량;
제1 및 제2 전극에 약 1 ㎂ m-2 내지 약 1000 A m-2의 전류 밀도.
상기 방법은 본원에 설명된 바와 같은 전기화학적 유동 셀의 임의의 양태, 구현예 또는 실시예에 따른 제1 및 제2 전기화학적 유동 셀의 작동을 포함할 수 있으며, 복수의 유동 라인은 제1 전기화학적 유동 셀의 제1 채널이 제2 전기화학적 유동 셀의 제2 채널과 유체 연통하고 제1 전기화학적 유동 셀의 제2 채널이 제2 전기화학적 유동 셀의 제1 채널과 유체 연통하도록, 제1 전기화학적 유동 셀을 제2 전기화학적 유동 셀에 연결한다.
다른 양태에서, 본원에 설명된 바와 같은 전기화학적 유동 셀, 반응기 또는 그의 시스템의 임의의 양태, 구현예 또는 실시예에 따른 전기화학적 유동 셀을 포함하는, 생성물의 전기화학적 합성을 위한 방법이 제공된다.
다른 양태에서, 본원에 설명된 바와 같은 임의의 양태, 구현예 또는 실시예에 따른 전기화학적 유동 셀, 반응기 또는 그의 시스템을 포함하는, 유체 스트림으로부터 화학종의 제거를 위한 방법이 제공된다. 화학종은 유체 스트림에 용해된 금속 종일 수 있다.
전기화학적 유동 셀, 반응기 또는 시스템의 다른 양태, 구현예 및 실시예가 본원에 설명되어 있다는 것이 이해될 것이다.
본 개시의 바람직한 구현예는 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 하기와 같이 추가로 설명 및 예시된다:
도 1은 일부 구현예에 따른 전기화학적 유동 셀의 개략도를 도시하고;
도 2는 일부 구현예에 따른 분리기를 갖는 전기화학적 유동 셀의 개략도를 도시하고;
도 3a는 일부 구현예에 따른 정적 혼합기 전극의 사시도를 도시하고;
도 3b는 도 3a의 정적 혼합기 전극의 정적 혼합기 부분의 사시도를 (별도로) 도시하고;
도 3c는 도 3a의 정적 혼합기 전극의 정적 혼합기 부분의 단면도를 (별도로) 도시하고;
도 3d는 도 3a의 정적 혼합기 전극의 정적 혼합기 부분의 측면도를 (별도로) 도시하고;
도 4a는 일부 구현예에 따른 전기화학적 유동 셀의 사시도를 도시하고;
도 4b는 분해된 구성에 있어서의 도 4a의 유동 셀의 사시도를 도시하고;
도 4c는 도 4a의 유동 셀의 단면도를 도시하고;
도 5는 도 4a의 유동 셀의 단부 캡의 사시도를 도시하고;
도 6은 일부 구현예에 따른, 2 개의 전기화학적 유동 셀을 포함하는 전기화학적 유동 시스템의 개략도를 도시하고;
도 7은 (a) -1.4 V, (b) -1.6 V, (c) -1.8 V, 및 (d) -2 V(0.001 M K3[Fe(CN)6])의 일정한 전위에서, 정지 모드로 50 초, 및 10 내지 400 mL min-1의 일정한 유량으로 50 초의 간격을 갖는 100 초 이내의 시간대전류 응답을 도시하고;
도 8은 (a) -1.4 V, (b) -1.6 V, (c) -1.8 V, 및 (d) -2 V(0.01 M K3[Fe(CN)6])의 일정한 전위에서, 정지 모드로 50 초, 및 10 내지 400 mL min-1의 일정한 유량으로 50 초의 간격을 갖는 100 초 이내의 시간대전류 응답을 도시하고;
도 9는 (a) -1.4 V, (b) -1.6 V, (c) -1.8 V, 및 (d) -2 V(0.1 M K3[Fe(CN)6])의 일정한 전위에서, 정지 모드로 50 초, 및 10 내지 400 mL min-1의 일정한 유량으로 50 초의 간격을 갖는 100 초 이내의 시간대전류 응답을 도시하고;
도 10은 3 개의 상이한 Cu2+ 농도의 0.01 M 황산 용액으로부터 구리 이온의 제거 시의 전기화학적 유동 셀의 효율을 도시하고;
도 11은 (a) 정적 혼합기 작업 전극의 사전 및 사후 프로세스의 광학 이미지, (b) EDS 분석, 및 (c 내지 e) 5 시간 전기분해 후의 정적 혼합기 전극의 SEM 이미지를 도시하며;
도 12는 전기화학적 유동 셀의 분리된 구성 구현예에 따른 24 시간 작동에 걸친 구리 농도 대 시간을 도시한다.
본 개시는 효율적인 혼합, 높은 물질 전달 및/또는 산업 응용을 위한 다목적 작동을 제공할 수 있는 전기화학적 유동 반응기를 발견하기 위해 착수된 조사와 관련되는 하기의 다양한 비제한적인 구현예를 설명한다. 놀랍게도, 효율적인 혼합, 높은 물질 전달, 및/또는 산업 응용에 사용하기 위한 다목적 작동을 달성하기 위해, 정적 혼합기 부분을 포함하는 전극이 전기화학적 유동 셀 내에 구성될 수 있다는 것이 발견되었다. 정적 혼합기 부분을 포함하는 전극이 물질 전달 및 카오스 이류를 향상시키도록 구성된 경우에, 효율적인 전기화학적 반응기가 제공될 수 있다는 것도 발견되었다. 시스템 작동 및 성능을 중심으로 한 놀라운 추가 이점은 정적 혼합기 부분을 포함하는 전극과 상대 전극 사이에 분리기를 구성하여, 이온 연통하고 별도의 유체 채널에 있는 각각의 전극을 제공함으로써 발견되었다.
용어
본 명세서 전체에 걸쳐, 달리 구체적으로 언급되지 않거나, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 단일 단계, 물질 조성, 단계의 그룹 또는 물질 조성의 그룹에 대한 언급은 이러한 단계, 물질 조성, 단계의 그룹 또는 물질 조성의 그룹 중 하나 및 복수(즉, 하나 이상)를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본원에 사용된 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥상 명백하게 달리 지시되지 않는 한, 복수 양태를 포함한다. 예를 들어, "a"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라, 2 개 이상을 포함하고; "an"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라, 2 개 이상을 포함하며; "the"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라, 2 개 이상을 포함하는 등등이다.
용어 "및/또는", 예를 들어 "X 및/또는 Y"는 "X 및 Y" 또는 "X 또는 Y"를 의미하며, 두 의미 모두 또는 어느 하나의 의미에 대한 명시적인 지지를 제공하는 것으로 간주된다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 다르게 언급되지 않는 한, 전형적으로 지정된 값의 +/-10%, 예를 들어 +/-5%를 지칭한다.
본 명세서 전체에 걸쳐, 단어 "포함하다(comprise)", 또는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"과 같은 변형은 언급된 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소, 정수 또는 단계의 그룹을 포함하지만, 임의의 다른 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소, 정수 또는 단계의 그룹을 배제하지 않는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
당업자라면, 본원의 개시는 구체적으로 설명된 것 이외의 변경 및 변형을 허용한다는 것을 이해할 것이다. 본 개시는 이와 같은 모든 변경 및 변형을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시는 또한 본 명세서에서 개별적으로 또는 집합적으로 지칭되거나 나타낸 모든 단계, 특징, 조성물 및 화합물과, 상기 단계 또는 특징의 모든 조합 또는 임의의 2 개 이상을 포함한다.
본원에 설명된 본 개시의 각 실시예는 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 각각 및 모든 다른 실시예에 준용되어야 한다. 본 개시는 단지 예시의 목적으로 의도된, 본원에 설명된 특정 실시예에 의해 범위가 제한되지 않아야 한다. 기능적으로 동등한 생성물, 조성물 및 방법은 본원에 설명된 바와 같은 본 개시의 범위 내에 있는 것이 명백하다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 설명된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 하기에 설명되어 있다. 상충되는 경우에, 정의를 포함하여, 본 명세서가 우선할 것이다. 또한, 재료, 방법 및 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
전기화학적 유동 반응기
반응 챔버; 정적 혼합기 부분을 포함하는 제1 전극; 제2 전극; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 분리기를 포함하는 전기화학적 유동 셀이 제공될 수 있다.
분리기는 제1 전극과 접촉하는 제1 유체 스트림을 수용하기 위한 반응 챔버 내의 제1 채널, 및 제2 전극과 접촉하는 제2 유체 스트림을 수용하기 위한 반응 챔버 내의 제2 채널을 적어도 부분적으로 한정할 수 있다. 분리기는 유체 스트림을 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 이온 연통을 허용한다는 것이 이해될 것이다. 분리기는 유체 스트림 사이의 유체 교환을 제한하는 투과성 멤브레인일 수 있다. 정적 혼합기 부분은 제1 전극의 길이를 따른 복수의 위치에서 유체 스트림을 복수의 서브-스트림으로 분할하는 복수의 분할 구조체를 한정할 수 있다. 전극의 일부로서의 정적 혼합기 부분은 전기 전도성이라는 것이 이해될 것이다. 전기화학적 유동 셀의 추가 구현예 및 세부사항은 하기와 같이 설명된다.
도 1을 참조하면, 전기화학적 유동 셀(100)(분리기가 도시되지 않음)은 제1 전극(104) 및 제2 전극(106)을 포함하는 반응 챔버(102)를 포함한다. 제2 전극(106)은 도 1에 도시된 바와 같이 반응 챔버(102)의 벽의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 제1 전극(104)은 정적 혼합기를 포함할 수 있다. 제2 전극(106)은 정적 혼합기를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(104, 106)은 하나가 다른 하나를 둘러싸는 상태로, 또는 나란한 구성으로, 동심으로 배열될 수 있다.
전원 공급장치(110)는 각각의 제1 및 제2 전기 전도체 또는 케이블(114, 116)을 통해 제1 및 제2 전극(104, 106)에 연결되어 전극(104, 106)에 전위차 또는 전압을 인가할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 전극(104)은 애노드(anode)로서 작용할 수 있고, 제2 전극(106)은 캐소드(cathode)로서 작용할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 전극(104)은 캐소드로서 작용할 수 있고, 제2 전극(106)은 애노드로서 작용할 수 있다. 일부 구현예에서, 음의 전위가 제1 전극(104)에 인가될 수 있고, 양의 전위가 제2 전극(106)에 인가될 수 있다. 일부 구현예에서, 양의 전위가 제1 전극(104)에 인가될 수 있고, 음의 전위가 제2 전극(106)에 인가될 수 있다.
제1 및 제2 전극(104, 106)은 전기 전도성 재료로 형성될 수 있거나, 전기 전도성 표면 코팅을 포함할 수 있다. 전극(104, 106)의 추가 특성은 다양한 구현예 및 실시예에 따라 하기에서 설명된다.
펌프(120)는 제1 전극(104)을 통해 또는 그 주위로 유체를 유동시키기 위해 제1 유체 유동 라인(124)을 거쳐 반응 챔버(102)의 제1 유입구(134)를 통하여 반응 챔버(102) 내로 유체를 유동시키도록 배열될 수 있다. 펌프(120)는 또한 제1 전극(104)과 제2 전극(106) 사이로 유체를 유동시키기 위해 제2 유체 유동 라인(126)을 거쳐 반응 챔버(102)의 제2 유입구(136)를 통하여 반응 챔버(102) 내로 유체를 유동시키도록 배열될 수 있다. 다음에, 유체는 제1 전극(104)에 인접한 제1 유출구(144) 및 제2 전극(106)에 보다 가까운 제2 유출구(146)를 통해 반응 챔버(102) 밖으로 유동할 수 있다.
일부 구현예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 유동 라인(124, 126)에는 유체가 제1 펌프(120) 및 제2 펌프(122)와는 독립적으로 공급될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 및 제2 유동 라인(124, 126)은 반응 챔버(102)에 상이한 유체를 제공할 수 있다. 유동 라인(124, 126)은 예를 들어 파이프 또는 튜브를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 일부 구현예에 따른 전기화학적 유동 셀(200)이 제공된다(분리기가 도시됨). 유동 셀(200)은 도 1과 관련하여 설명된 유동 셀(100)과 유사하고, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 번호가 사용된다. 유동 셀(100)에 도시되고 상기에 열거된 구성요소에 부가하여, 유동 셀(200)은 분리기(202)를 포함한다. 도 2에 도시된 구현예에 있어서의 분리기는 제1 및 제2 전극(104, 106) 사이에서 제2 전극(106)에 인접한 제2 유체로부터, 제1 전극(104) 내부, 그 주위 또는 그에 인접한 제1 유체를 적어도 부분적으로 분리한다. 분리기(202)는 반응 챔버(102)의 벽과 협력하여 제1 채널(204) 및 제2 채널(206)을 한정할 수 있다. 제1 전극(104)은 제1 채널(204)에 배치될 수 있고, 제2 전극(106)은 제2 채널(206)에 배치되거나 제2 채널(206)의 벽을 형성할 수 있다. 유입구(134, 136) 및 유출구(144, 146)는 제1 유체가 제1 채널(204)을 통해 유동하고 제2 유체가 제2 채널(206)을 통해 유동하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 채널(204)과 제2 채널(206)의 측방향 단면적 사이의 비율은 예를 들어 0.01 내지 100, 0.1 내지 10, 0.5 내지 5, 0.3 내지 1, 0.5 내지 0.9, 0.5 내지 1.5, 또는 0.8 내지 1.2의 범위일 수 있다.
분리기(202)는 전극(104, 106) 사이에서의 전하의 유동을 허용할 수 있지만, 유체의 벌크(bulk)가 분리기(202)를 통과하는 것을 제한할 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(202)는 제1 및 제2 전극(104, 106) 사이의 이온 연통을 허용할 수 있다. 예를 들어, 이온은 제1 채널(204)로부터 채널 유체(206)로, 또는 제2 채널(206)로부터 제1 채널(204)로 통과하도록 허용될 수 있는 한편, 유체의 다른 구성요소는 분리기(202)를 통과하는 것을 방지당하거나 실질적으로 제한당할 수 있다. 일부 구현예에서, 소량의 유체가 분리기(202)를 통과할 수 있지만, 분리기(202)는 분리기(202)를 통한 유체 유동을 실질적으로 방해하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(202)는 투과성 멤브레인, 반투과성 멤브레인 또는 선택적 투과성 멤브레인을 포함할 수 있다. 분리기(202)의 특성은 다양한 구현예에 따라 하기에서 더욱 상세하게 설명된다.
일부 구현예에서, 분리기(202) 및 반응 챔버(102)의 벽은 나란한 관계로 채널(204, 206)을 한정하도록 배열될 수 있다. 분리기(202)는 실질적으로, 채널(204, 206) 사이에서 연장되는 평면형일 수 있다. 일부 구현예에서, 채널(204, 206)은 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 채널(206)은 제1 채널(204)을 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 및 제2 채널(204, 206)은 동심으로 배열될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 채널(204)은 분리기(202)의 내부면에 의해 완전히 한정될 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(202) 및 챔버(102)는 실질적으로 원통형일 수 있다. 일부 구현예에서, 챔버(102)는 분리기(202)와 실질적으로 동축일 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 전극(106)은 제1 전극(104)과 실질적으로 동축일 수 있다. 일부 구현예에서, 챔버(102)의 벽 및 분리기(202)는 모두 실질적으로 원통형이고, 제1 전극(104)의 중심 종축과 동축일 수 있다.
일부 구현예에서, 분리기(202)는 분리기(202)의 표면적을 증가시키기 위해 표면 변화부(variation) 또는 기복부(undulation)를 한정할 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(202)는 주름질 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(202)는 실질적으로, 종방향 주름(corrugation)을 갖는 원통형일 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(202)는 실질적으로, 원주방향 주름을 갖는 원통형일 수 있다.
제1 전극(104)(및/또는 제2 전극(106))은 유체의 벌크와 전극 표면 사이에서 정적 혼합기를 통해 유동하는 유체의 혼합뿐만 아니라, 유체 자체 내의 혼합을 촉진하도록 구성된 기하구조를 갖는 구조체를 한정하는 정적 혼합기 부분(예를 들어, 정적 혼합기 요소 또는 SME)을 포함할 수 있다. 제1 전극은 정적 혼합기 전극일 수 있다. 정적 혼합기 전극(104)은 카오스 이류를 통한 철저한 혼합을 촉진하기 위해 전극(104)의 길이를 따른 다수의 상이한 분할 위치에서 유동을 분할하도록 구성될 수 있다.
정적 혼합기는 유동을 분할하기 위해 분할 위치에 배열된 복수의 분할 구조체를 한정할 수 있다. 분할 구조체는 유동을 상이한 각도로 분할하기 위해 상이한 위치에 상이한 방위각으로 배열될 수 있다. 일부 구현예에서, 분할 구조체는 각각의 분할 위치에서 유동을 2 개의 서브-스트림으로 분할하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 분할 구조체는 각각의 분할 위치에서 유동을 적어도 3 개의 서브-스트림, 예컨대 3 개, 4 개, 5 개, 6 개, 7 개 또는 8 개의 서브-스트림으로 분할하도록 구성될 수 있다.
정적 혼합기의 기하구조는 특정 유체의 특성에 기초하여 카오스 이류를 향상시키도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기의 구조는 교차하는 블레이드(blade) 또는 베인(vane), 스트럿(strut), 요철부(asperity), 기복부 및 돌출부, 나선부, 주름형 플레이트, 개방형 구성, 폐쇄형 구성, 기공, 채널, 구멍, 튜브 및 다층 디자인 중 하나 이상을 포함하는 요소의 네트워크를 포함할 수 있다.
기하구조는 혼합기의 길이를 따라 규칙적으로 반복될 수 있거나, 크기, 유형 및/또는 형상이 다를 수 있다. 기하구조는 또한 혼합기의 스케일로부터 나노미터까지 그 특성 길이가 다를 수 있으며, 그 사이의 모든 길이 스케일에서 특징이 제공될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 일부 구현예에 따른 정적 혼합기 전극(104)이 도시되어 있다. 전극(104)은 제1 단부 부분(334)과 제2 단부 부분(344) 사이에서 연장되는 정적 혼합기 부분(304)을 포함한다. 단부 부분(334, 344)은 정적 혼합기를 통해 유체를 지향시키기 위한 튜브 또는 파이프를 한정할 수 있다.
제1 단부 부분(334)은 도 1 및 도 2와 관련하여 전술한 유동 셀(100, 200)과 같은 유동 셀의 제1 유입구(134)를 한정할 수 있고, 제2 단부 부분(344)은 유동 셀의 제1 유출구(144)를 한정할 수 있다. 단부 부분(334, 344)은 또한 전극(104)을 전원(110)에 연결하기 위한 전기 접촉 영역을 제공할 수 있다.
정적 혼합기 부분(304)은 일부 구현예에 따른 기하구조를 보다 명확하게 나타내기 위해, 단부 부분(334, 344) 없이 도 3b 내지 도 3d에 도시되어 있다. 정적 혼합기 부분(304)은 일 단부로부터 다른 단부로 연장되는 정적 혼합기 부분의 중심 종축 주위로 각각의 후속 모듈이 이전 모듈에 대해 90°만큼 회전되는 반복적인 모듈로 배열된 복수의 직선형 분할 구조체를 포함한다. 정적 혼합기 부분(304)은 정적 혼합기 부분(304)의 길이를 따른 복수의 분할 위치에서 유동을 분할 및 재조합함으로써, 중심 종축을 따른 대체적인 방향으로 정적 혼합기 부분(304)을 통해 유동하는 유체의 카오스 이류를 촉진한다. 분할 구조체는 각각의 분할 위치에서 유동을 복수의 서브-스트림으로 분할하고, 이어서 서브-스트림은 다음 분할 위치에서 다음 분할 구조체에 의해 분할되기 전에 재조합된다.
유동이 분할 및 재조합될 때마다, 유동의 벌크로부터의 상이한 유체 부분이 전극(104)의 표면과 접촉하게 되며, 정적 혼합기의 길이를 따라 유동을 다수 회 분할함으로써, 전극(104)과 접촉하는 유체의 양이 증가된다.
일부 구현예에서, 정적 혼합기 전극(104)의 직경은 분리기(202)의 내경에 근접할 수 있다. 즉, 제1 전극(104)은 분리기(202) 내에 밀착 끼워맞춰질 수 있다. 제1 전극(104)의 정적 혼합기 기하구조의 외부 엔벨로프(outer envelope)는 분리기(202)에 의해 한정된 내부 체적을 실질적으로 완전히 차지할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 전극(104)의 체적은 채널(204)의 내부 체적의 1% 내지 99%, 선택적으로 10% 내지 90%, 20% 내지 80%, 30% 내지 70%, 또는 40% 내지 60%의 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 전극(104)의 체적은 채널(204)의 내부 체적의 적어도 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, 또는 99%일 수 있다. 정적 혼합기의 추가 특성은 다양한 구현예에 따라 하기에서 설명된다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 일부 구현예에 따른 전기화학적 유동 셀(400)이, 조립된 구성(도 4a), 분해된 구성(도 4b) 및 단면(도 4c)으로 도시되어 있다. 유사한 구성요소는 유사한 참조 번호로 표시되고, 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 유동 셀(100, 200) 및 구성요소, 또는 도 3a 내지 도 3d와 관련하여 설명된 정적 혼합기 전극(104)의 임의의 특징을 포함할 수 있다.
유동 셀은 제1 전극(104), 제2 전극(106), 및 제1 전극(104)과 제2 전극(106) 사이에 배열된 분리기(202)를 포함할 수 있다. 제1 전극(104)은 예를 들어 도 3a 내지 도 3d와 관련하여 설명된 바와 같이 정적 혼합기 전극(104)을 포함할 수 있다.
분리기(202)는, 실질적으로 원통형이고 제1 전극(104)의 정적 혼합기 부분(304)을 밀착하여 둘러싸고 있는 투과성, 반투과성 또는 선택적 투과성 멤브레인을 포함할 수 있다. 분리기(202) 및 제1 전극(104)은 제1 채널(204)을 한정하도록 협력할 수 있으며, 제1 채널(204)을 따라 유체가 유동하고, 제1 전극(104)과 접촉하며, 정적 혼합기 부분(304)에 의해 혼합될 수 있다(도 4c 참조).
제2 전극(106)은 또한 실질적으로 원통형이고, 분리기(202) 및 제1 전극(104)을 둘러싸는 반응 챔버(102)의 외벽을 한정할 수 있다. 분리기(202) 및 제2 전극(106)은 제2 채널(206)을 한정하도록 협력할 수 있으며, 제2 채널(206)을 따라 유체가 유동하고, 제2 전극(106)과 접촉할 수 있다(도 4c 참조).
분리기(202) 및 제2 전극(104)은 제1 전극(104)의 중심 종축과 실질적으로 동심 및/또는 동축으로 배열될 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 분리기(202) 및 전극(104, 106)은 도 5에 더욱 상세하게 도시된 2 개의 대향 단부 캡(500)에 의해 제자리에 유지된다. 각각의 단부 캡(500)은 분리기 안착부(separator seat)(502), 제1 전극 안착부(electrode seat)(504) 및 제2 전극 안착부(506)를 한정하는 본체(501)를 포함한다.
제2 전극 안착부(506)는 제2 전극(106)의 단부의 적어도 일부를 수용하도록 구성된 본체(501)의 환형 리세스(annular recess)에 의해 한정된다. 유동 셀(400)은 제2 전극(106)과 제2 전극 안착부(506) 사이에 시일(seal)을 형성하기 위해 제2 전극(106)과 각 단부 캡(500) 사이에 배치된 제2 전극 개스킷(electrode gasket)(426)을 포함할 수 있다(도 4b 참조).
분리기 안착부(502)는 분리기(202)의 제1 단부 부분(232) 또는 제2 단부 부분(242)을 각각 수용하도록 구성된 환형 리세스(또는 일부 구현예에서, 원형 리세스)에 의해 한정된다(도 4b 참조). 본체(501)는 분리기 안착부(502)와 제2 전극 안착부(506) 사이에 위치된 개구(516) 및 개구(516)로부터의 통로를 한정하여 제2 유출구(136) 또는 제2 유입구(146)를 각각 한정한다.
제1 전극 안착부(504)는 제1 전극(104)의 각각의 단부 부분(334, 344)을 수용하도록 구성된 원통형 보어 또는 통로에 의해 한정된다. 제1 전극 안착부(504)는 제1 전극 안착부(504)에 제1 전극(104)을 위치시키는 것을 돕기 위해 본체(501)의 일 측부 상의 모따기부(chamfer)(514)에 의해 둘러싸일 수 있다. 통로는 모따기부(514)로부터 본체(501)의 다른 측부 상의 제1 전극 안착부 개구(524)까지 연장될 수 있다(도 4b 참조). 제1 전극(104)의 제1 및 제2 단부 부분(334, 344)은 통로 및 개구(524)를 통해 연장되고, 각각 제1 유입구(134) 또는 제1 유출구(144)를 한정할 수 있다.
단부 부분(334, 344)과 단부 캡(500) 사이에는, 밀봉 플레이트 또는 글랜드(gland)(410) 및 제1 전극 개스킷(424)에 의해 시일이 형성될 수 있다(도 4b 참조). 글랜드(410)는 단부 부분(334, 344)의 적어도 일부의 통과를 허용하기 위한 전극 개구(414), 및 복수의 체결구(fastener)(412)를 수용하기 위한 복수의 체결구 개구부(fastener aperture)(도시되지 않음)를 한정할 수 있다. 단부 캡(500)의 본체(501)는 체결구(412)를 수용하도록 구성된 대응하는 복수의 체결구 리세스(512)를 한정할 수 있다. 체결구(412)는 체결구 리세스(512)와 (예를 들어 나사부에 의해) 결합하여, 글랜드(410)를 단부 캡(500)에 맞닿게 끌어당겨서 단부 캡(500)과 글랜드(410) 사이에서 그리고 단부 부분(334, 344)에 맞닿게 제1 전극 개스킷(424)을 압축하며, 이에 의해 제1 전극(104)과 단부 캡(500) 사이에 시일을 형성한다.
단부 캡(500)은 단부 캡(500) 사이에서, 그리고 각각의 단부 캡(500)의 본체(501)에 한정된 대응하는 복수의 타이 로드 개구(tie rod opening)(542)를 통해 연장되는 복수의 타이 로드(tie rod)(440)에 의해 함께 유지될 수 있다. 타이 로드(440)는 각 타이 로드(440)의 각 단부에서 타이 로드 체결구(442)를 수용하여 단부 캡(500)을 서로를 향해 끌어당기고 분리기(202)와 제1 및 제2 전극(104, 106)을 단부 캡 사이에 유지하여 반응 챔버(102) 및 유동 셀(400)을 한정하도록 구성될 수 있다.
전기화학적 유동 셀(100, 200 및 400)은 제1 전극(104) 및/또는 제2 전극(106)과 접촉하는 유체의 체적을 증가시키기 위해, 예를 들어 카오스 이류 등에 의해 유체의 향상된 혼합을 촉진하는 제1 전극(104)(및/또는 제2 전극(106))의 정적 혼합기 기하구조로 인해 종래의 전기화학적 유동 셀과 비교하여 전기화학적 반응에 있어서의 개선된 효율을 허용할 수 있다.
전기화학적 유동 셀(200 및 400)은 유체 스트림이 분리기(202)의 양측의 채널(204, 206)로 실질적으로 분리된 상태로 유지될 수 있다는 점에서 추가적인 이점을 제공할 수 있다. 이것은 전기화학적 반응이 여전히 일어날 수 있게 하면서, 독립적인 투입 유체가 실질적으로 분리된 상태로 유지될 수 있게 한다. 예를 들어, 일부 프로세스에서, 예를 들어 금속 이온과 같은 특정 물질이 전착을 통해 전극(104, 106) 중 하나의 표면 상에 침착될 수 있다.
도 6을 참조하면, 일부 구현예에 따른 전기화학적 유동 시스템(600)이 도시되어 있다. 시스템(600)은, 직렬로 배열되고 각각 2 개의 전원 공급장치(110a 및 110b)에 의해 전력이 공급되는 제1 유동 셀(200a) 및 제2 유동 셀(200b)을 포함한다. 그러나, 일부 구현예에서는, 단일 전원 공급장치(110)가 두 유동 셀(200a, 200b) 모두에 전력을 공급할 수 있다. 전기화학적 유동 셀(200a, 200b)은 유동 셀(200 또는 400)과 실질적으로 유사할 수 있으며, 도 2 내지 도 5와 관련하여 전술한 구성요소의 임의의 특징을 포함할 수 있다.
시스템(600)은 제1 유체를 제1 공급원(투입부 1)으로부터 제1 유동 셀(200a)의 제1 유동 라인(124a)을 통해 제1 유동 셀(200a)의 제1 유입구(134a) 내로 공급하는 제1 펌프(120), 및 제2 유체를 제2 공급원(투입부 2)으로부터 제1 유동 셀(200a)의 제2 유동 라인(126a)을 통해 제1 유동 셀(200a)의 제2 유입구(136a) 내로 공급하는 제2 펌프(122)를 포함할 수 있다. 제2 유동 셀(200b)의 제1 및 제2 전극(104b, 106b)에는 제1 유동 셀(200a)의 제1 및 제2 전극(104a, 106a)에 인가되는 전압에 대해 반대 극성인 전압이 공급될 수 있다.
시스템(600)은 제1 유동 셀(200a)의 제1 유입구(134a) 내로 유동하는 제1 유체가 제1 채널(204a)을 통해 그리고 제1 유동 셀(200a)의 제1 유출구(144a)를 통해 외부로 유동하고; 다음에, 제2 유동 라인(126b)을 통해 제2 유동 셀(200b)의 제2 유입구(136b) 내로 유동하며; 제2 유동 셀(200b)의 제2 채널(206b)을 통해 그리고 제2 유출구(146b)를 통해 외부로 제1 저장소(배출부 1) 내로 유동하도록 구성될 수 있다. 또한, 시스템(600)은 제1 유동 셀(200a)의 제2 유입구(136a) 내로 유동하는 제2 유체가 제2 채널(206a)을 통해 그리고 제1 유동 셀(200a)의 제2 유출구(146a)를 통해 외부로 유동하고; 다음에, 제1 유동 라인(124b)을 통해 제2 유동 셀(200b)의 제1 유입구(134b) 내로 유동하며; 제2 유동 셀(200b)의 제1 채널(204b)을 통해 그리고 제1 유출구(144b)를 통해 외부로 제2 저장소(배출부 2) 내로 유동하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 유체 공급원은 구리와 같은 오염 금속을 포함할 수 있으며, 제1 유체 공급원으로부터 오염물질을 제거하고 오염물질을 제2 유체로 전달하는 것이 요망될 수 있다. 시스템(600)을 통해 유동될 때, 오염물질은 제1 유체로부터 제1 유동 셀(200a)의 제1 전극(104a) 상에 침착될 것이며, 제1 유동 셀(200a)을 통과한 후에 제1 유체에 임의의 오염물질이 남아있는 경우, 오염물질은 제1 유체가 제2 유동 셀(200b)의 제2 채널(206b)을 통해 유동함에 따라 제2 유동 셀(200b)의 제2 전극(106b) 상에 또한 침착될 것이다. 제2 유체는 제1 유동 셀(200a)의 제2 채널(206a) 및 제2 유동 셀(200b)의 제1 채널(204b)을 통과하여, 전기적 접촉을 허용하고 각각의 유동 셀(200a, 200b)에 대한 갈바닉 회로(galvanic circuit)를 완성할 것이다.
종래의 시스템에서, 오염물질이 전착을 통해 전극 상에 축적되었을 때, 전극은 시스템으로부터 제거되고, 침착된 오염물질이 전극의 표면으로부터 기계적으로 제거된다. 그러나, 시스템(600)이 이용되는 경우에는, 전극을 제거할 필요가 없다.
오염물질이 제1 유동 셀(200a)의 제1 전극(104a) 및 제2 유동 셀(200b)의 제2 전극(106b) 상에 침착되면, 제1 유체가 제1 유동 셀(20a)의 제2 채널(206a) 및 제2 유동 셀(200b)의 제1 채널(204b)을 통해 유동하고, 제2 유체가 제1 유동 셀(200a)의 제1 채널(204a) 및 제2 유동 셀(200b)의 제2 채널(206b)을 통해 유동하도록, 유동 라인(124a, 126a)을 교환(swapping)하거나 인라인 밸브 또는 게이트(gate)(도시되지 않음)를 사용함으로써, 유체 공급원이 전환될 수 있다. 이러한 방식으로, 오염물질이 제1 유동 셀(200a)의 제1 전극(104a) 및 제2 유동 셀(200b)의 제2 전극(106b)의 표면으로부터 제거될 것이며, 보다 많은 오염물질이 제1 유체로부터 제거되고, 제1 유동 셀(200a)의 제2 전극(106a) 및 제2 유동 셀(200b)의 제1 전극(104b) 상에 침착될 것이다.
전기화학적 유동 시스템(600)은 전극 상에 침착된 재료가 특정 임계치에 도달했을 때 전극의 물리적 제거 및 교체를 필요로 하는 종래의 시스템과 비교하여, 유체 경로를 전환하기 위해 비교적 짧은 중단으로 전기화학적 반응이 무기한으로 진행될 수 있게 한다.
전기화학적 관형 반응기
전기화학적 유동 반응기, 예를 들어 전술한 전기화학적 유동 셀은 연속 유동 전기화학적 관형 반응기의 형태로 제공될 수 있다. 연속 유동 전기화학적 관형 반응기는 전기화학적 유동 셀에 대해 본원에 설명된 바와 같은 임의의 구현예 또는 실시예에 따라 제공될 수 있다.
관형 반응기는 다양한 형태, 신장 및 구성으로 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 관형 반응기는 원형 또는 비원형 형상의 반응기 챔버를 포함할 수 있거나, 반응기 챔버는 원형 또는 비원형 원주 형상(circumferential shape)을 갖는 하나 이상의 유체 채널을 포함할 수 있다. 비원형 형상의 예는 직사각형, 이등변 삼각형, 타원형, 사다리꼴 및 육각형을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 관형 반응기 또는 반응기 챔버는 실질적으로 원형 또는 원통형 형상을 갖는다.
연속 유동 전기화학적 관형 반응기는 적어도 하나의 상대 전극으로부터 이격된 적어도 하나의 정적 혼합기 전극을 수용하기 위해 반응기 챔버를 한정하는 반응기 하우징을 포함할 수 있다. 정적 혼합기 전극은 본원에 설명된 바와 같은 정적 혼합기 부분 또는 정적 혼합기 요소를 포함하는 전극에 의해 제공될 수 있다. 정적 혼합기 부분 또는 정적 혼합기 요소, 또는 그것 상의 임의의 코팅의 적어도 일부는 전기 전도성일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 반응기는 또한, 전극 사이에 전기적 연결을 제공하면서, 정적 혼합기 전극을 상대 전극으로부터 유체적으로 분리하기 위한 분리기로서의 역할을 하는 투과성 멤브레인을 포함한다. 반응기는 상대 전극을 수용하는 유체 채널과 별도인, 정적 혼합기 전극을 수용하기 위한 유체 채널을 제공할 수 있다. 한 쌍의 전극은 관형 반응기에서 전기화학적 반응을 유도하기 위한 캐소드 및 애노드 쌍을 제공할 수 있다. 정적 혼합기 전극 및 상대 전극은 전기화학적 셀에서의 전류 흐름에 따라 캐소드 또는 애노드가 될 수 있다. 예를 들어, 전극 쌍은 전류 흐름을 전환함으로써 반전될 수 있다. 또한 정적 혼합기 전극은 물질 전달 및 카오스 이류를 향상시키도록 구성될 수 있다.
관형 반응기는 적어도 제1 유체 스트림이 정적 혼합기 전극을 가로질러 유동하여 유출구에서 빠져나가기 전에 카오스 이류 및 전기화학적 반응을 겪게 하도록 구성된다는 것이 이해될 것이다. 관형 반응기의 각 유체 채널은 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 가질 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
반응기는 서로 유체 연통하는 하나 이상의 챔버 섹션을 포함할 수 있다. 정적 혼합기 전극은 연속 유동 전기화학적 반응기 내로 삽입하기 위한 교체 가능한 전극으로서 구성되거나, 영구적인 전극으로서 구성될 수 있다. 하나 이상의 반응기, 또는 반응기의 하나 이상의 챔버 섹션은 직렬 또는 병렬 작동을 위해 구성될 수 있다.
반응 챔버(102), 분리기(202) 및 전극(104, 106)의 길이는 2 ㎜ 내지 100 m, 10 ㎜ 내지 10 m, 50 ㎜ 내지 1 m, 100 ㎜ 내지 500 ㎜, 또는 200 ㎜ 내지 300 ㎜의 범위일 수 있다. 반응기 하우징 또는 챔버는 직경이 5 ㎜ 내지 5 m일 수 있으며, 상대 및 작업 전극은 효과적인 전기화학적 배열을 유지하도록 크기설정된다. 일부 구현예에서, 반응기의 종횡비(L/d)는 적어도 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 또는 100일 수 있다.
분리기
분리기(202)는 이온 이송을 허용하지만 유체 유동을 방해하는 임의의 다공성 재료를 포함할 수 있다. 분리기는 투과성 멤브레인, 반투과성 멤브레인 또는 선택적 투과성 멤브레인을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(202)는 하기의 재료 중 임의의 하나 이상으로 형성될 수 있다: 부직포 섬유(면, 나일론, 폴리에스터, 유리), 중합체 필름(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리염화비닐), 세라믹 및 자연 발생적인 물질(고무, 석면, 목재). 일부 구현예에서, 분리기(202)는 20 Å 미만의 기공을 갖는 중합체 재료를 포함할 수 있다. 분리기(202)는 건식 및/또는 습식 제조 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. 부직포 분리기(202)는 방향성 또는 랜덤 배향된 섬유의 제조된 시트(sheet), 웨브(web) 또는 매트(mat)를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 분리기(202)는 미세다공성 구조체 내에 포함된 고상 및 액상을 포함하는 함침형 액체 멤브레인(supported liquid membrane)을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 분리기(202)는 고체 전해질로서 작용하는 이온 전도체를 생성하는 알칼리 금속 염과 복합체를 형성하는 중합체 전해질을 포함할 수 있다. 고체 이온 전도체는 분리기 및 전해질 둘 모두로서의 역할을 할 수 있다.
분리기(202)는 단일 재료 층 또는 다중 재료 층으로 형성될 수 있다.
일부 구현예에서, 분리기(202)는 세라믹, 유리, 플라스틱, 서멧(cermet) 및 이들의 조합과 같은 분말 재료를 멤브레인 구조체 내로 소결시킴으로써 제조될 수 있다.
일부 구현예에서, 분리기(202)는 유체 유동을 방해하면서 이온을 통과시키도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 분리기(202)는 소량의 유체가 통과하게 할 수 있다.
분리기(202)는 제1 전극(104) 주위에 밀착 끼워맞춰지도록 구성된 내경을 가질 수 있다. 예를 들어, 분리기(202)의 내경은 0.5 ㎜ 내지 5 m, 5 ㎜ 내지 1 m, 또는 5 ㎜ 내지 10 ㎜의 범위일 수 있다.
분리기(202)의 두께는 다공도에 따라 달라질 수 있다. 나노 다공성 분리기의 경우, 두께는 1 미크론 내지 100 미크론일 수 있고, 미세다공성 멤브레인의 경우, 두께는 100 미크론 내지 10 ㎜일 수 있다. 분리기 재료 내의 평균 기공 크기는 10 Å 내지 100 미크론으로 다양할 수 있다.
투과성 멤브레인은 일반적으로 전기화학적 유동 셀에 필요한 전기적 연결을 유지하면서 정적 혼합기 전극 및 상대 전극 각각에 대해 별도의 유체 채널을 확립한다는 것이 이해될 것이다. 투과성 멤브레인은 일반적으로 이온의 이송을 허용하면서 멤브레인을 통한 유체의 유동을 저해한다. 예를 들어, 작동 동안에 정적 혼합기 전극이 음의 전극(즉, 캐소드)으로서 작동되고, 상대 전극이 양의 전극(즉, 애노드)으로서 작동된다면, 양의 상대 전극(즉, 애노드)을 가로질러 유동하기 위한 애노드액(anolyte) 유체 스트림과는 상이한 특정 응용을 위해, 정적 혼합기 전극(즉, 캐소드)을 가로질러 유동하기 위한 캐소드액(catholyte) 유체 스트림이 준비될 수 있다. 다시 말해서, 투과성 멤브레인은 2 개의 전극 사이의 이온 연통을 허용하여 전기적 연결을 제공하면서, 캐소드와 애노드 각각을 지나서 유동하는 2 개의 개별 유체 스트림을 분리시키며, 이는 성능 이점 및 프로세스 유연성을 제공한다.
투과성 멤브레인은 상대 전극으로부터 정적 혼합기 전극을 분리하기 위해 관형 반응기를 따라 동심으로 위치될 수 있다. 반응기는 하나의 전극을 수용하는 내부 동축 유동 통로, 및 다른 전극을 수용하는 외부 동심 유동 통로를 포함할 수 있다. 정적 혼합기 전극은 내부 동축 유동 통로, 외부 동심 유동 통로, 또는 내부 동축 유동 통로 및 외부 동심 유동 통로 둘 모두에 수용될 수 있다. 유동 통로는 본원에서 유체 채널로도 지칭될 수 있다.
분리기는 반투과성 멤브레인일 수 있다. 반투과성 멤브레인은 정적 혼합기 전극을 밀착하여 둘러싸는 다공성 관형 필름, 다공성 세라믹 필터 튜브 또는 다공성 플라스틱 튜브일 수 있다. 반투과성 멤브레인은 분리된 정적 혼합기 전극과 상대 전극 사이의 전기적 연통을 유지하기 위해 멤브레인을 가로지르는 이온의 이송을 가능하게 하면서, 유체가 멤브레인을 통과하는 것을 실질적으로 제한한다는 점이 이해될 것이다.
분리기는 선택적 투과성 멤브레인일 수 있다. 선택적 투과성 멤브레인은 멤브레인을 통해, 예를 들어 특정 유체 또는 이온이 이송되게 하는 데 있어서의 선택성을 제공할 수 있다. 선택적 투과성 멤브레인은 멤브레인을 통과할 수 있는 것을 선택적으로 제한하는 한편, 분리된 정적 혼합기 전극과 상대 전극 사이의 전기적 연통을 유지하기 위해 멤브레인을 가로지르는 특정 이온의 이송을 가능하게 한다는 것이 이해될 것이다.
각각의 별도의 유동 통로에는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구가 제공된다는 것이 이해될 것이다. 내부 동축 유동 통로 및 외부 동심 유동 통로에는 별도의 유체 스트림이 제공될 수 있다. 예를 들어, 정적 혼합기 전극을 수용하는 내부 동축 유동 통로에는 캐소드액 유체 스트림이 제공될 수 있고, 상대 전극을 수용하는 외부 동심 유동 통로에는 애노드액 유체 스트림이 제공될 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 정적 혼합기 전극은 또한 실질적으로 관형 반응기의 축을 따라 동축으로 정렬될 수 있다.
정적 혼합기 전극
상기에서 논의된 바와 같이, 제1 전극(104) 또는 제2 전극(106), 또는 제1 및 제2 전극(104, 106) 둘 모두는 정적 혼합기 부분을 포함할 수 있으며, 정적 혼합기 부분은 정적 혼합기 부분을 통해 또는 그 주위로 유동하는 유체의 혼합을 촉진하기 위한 기하구조를 한정한다. 이것은 정적 혼합기 전극 또는 SME로 지칭될 수 있다.
반응기는 하나 초과의 정적 혼합기 전극 및/또는 하나 초과의 상대 전극을 포함할 수 있다. 상대 전극은 또한 정적 혼합기 전극에 의해 제공될 수 있으며, 예를 들어 전기화학적 유동 반응기의 캐소드 및 애노드는 각각 별도의 정적 혼합기 전극에 의해 제공될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 내부 동축 유동 통로 내에 동심으로 수용될 수 있고, 상대 전극은 외부 동심 유동 통로 내에 수용될 수 있다.
정적 혼합기 전극은 전기 전도성 표면을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 정적 혼합기 전극은 애노드 또는 캐소드로서 작동될 수 있고, 이는 인가되는 전류 흐름의 방향에 의해 좌우된다. 전기화학적 유동 셀의 경우, 일반적으로 애노드는 산화가 일어나고 반응물에 의해 전자가 방출되는 양의 전극이고, 캐소드는 환원이 일어나고 다른 반응물에 의해 전자가 소비되는 음의 전극이라는 것이 이해될 것이다.
정적 혼합기 전극은 1 ㎂ m-2 내지 약 1000 A m-2 범위의 전류 밀도를 어느 전극에든 제공할 수 있는 재료로 준비될 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드(scaffold)는 분말, 시트, 로드(rod) 또는 빌릿(billet), 반금속 또는 도핑된 또는 낮은 밴드갭 반도체, 금속 코팅 입자, 전도성 세라믹으로서의 전기 전도성 재료, 예를 들어 전도성 탄소 재료, 예컨대 흑연, 유리질 탄소 또는 붕소-도핑된 다이아몬드, 금속, 합금 또는 금속간화합물을 포함할 수 있다. 스캐폴드는 대안적으로 비-전기 전도성 재료로 제조되고 이어서 전기 전도체로 코팅될 수 있다. 비-전도성 재료는 미립자 비-전도체, 예컨대 플라스틱, 세라믹, 유리 또는 미네랄, 열경화성 수지, 열가소성 수지 및 천연 제품, 예컨대 고무 및 목재일 수 있다. 전기 전도성 코팅은 금속, 금속 합금, 금속간화합물, 전도성 화합물로 형성되거나, 전술한 바와 같은 임의의 전기 전도성 재료로 형성될 수 있다.
정적 혼합기 전극은 밀링, 절단, 드릴링, 선삭(turning), 스피닝(spinning), 벤딩(bending) 및 트위스팅(twisting)과 같은 가공 기술 중 하나 또는 이들의 조합을 사용하는 절삭 제조(subtractive manufacturing)에 의해, 주조, 성형 또는 단조에 의해, 압출에 의해, 프레싱(pressing)에 의해, 마이크로전자기계 시스템 기계가공(MEMS), 적층 제조 프로세스, 레이저 또는 e-빔 용접, 선택적 레이저 소결, 선택적 레이저 용융, 직접 금속 레이저 소결, 레이저 엔지니어링 정형 가공(laser engineered net shaping), 재료 압출, 시트 라미네이션(sheet lamination), 중합 및 광중합, 재료 또는 바인더 제팅(material or binder jetting), 및 프린팅에 의해 제조될 수 있다.
일부 구현예에서, 정적 혼합기 전극의 본체 또는 스캐폴드는 전기 전도성, 예를 들어 니켈, 티타늄 또는 스테인리스강과 같은 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 일부 구현예에서, 전극 표면에 전도성 코팅이 도포될 수 있으며, 예를 들어 티타늄 스캐폴드가 백금으로 코팅된다. 코팅은 금속, 반금속, 또는 도핑된 또는 낮은 밴드갭 반도체, 전도성 세라믹 또는 화합물, 전도성 형태의 탄소(예를 들어, 흑연, 그래핀 또는 도핑된 탄소 재료), 전도성 중합체(예를 들어, 폴리아닐린), 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 코팅은 하기 중 하나 이상에 의해 표면에 도포될 수 있다: 전기화학적 프로세스, 금속 용사(metal spraying), 저온 분사(cold spraying), 화학적 또는 물리적 증착, 딥 코팅(dip coating), 분무 코팅, 스핀 코팅(spin coating), 소결 또는 다른 열 처리(thermal processing), 또는 적절한 재료의 얇은 층이 도포되게 하는 임의의 이와 같은 프로세스.
정적 혼합기 전극은 메인 유동에 대해 횡방향으로, 예를 들어 정적 혼합기 전극의 중심 종축에 대해 반경방향 및 접선방향 또는 방위각 방향으로 유체를 재분배하기 위한 열 및 물질 전달 특성을 포함하여 혼합을 향상시키도록 구성될 수 있다. 특히, 정적 혼합기 전극은 카오스 이류를 향상시킴으로써, 확산에 의해 부과되는 반응 속도에 대한 제한을 감소시키도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 전기화학적 반응을 용이하게 하고 반응물 분자가 정적 혼합기 전극의 표면과 보다 자주 접촉하도록 유동 혼합을 향상시키기 위해, 가능한 한 큰 표면적이 유동에 제공되는 것을 보장하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극에는, 특정 응용과 상관 관계를 갖도록 다양한 기하학적 구성 또는 종횡비가 제공될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 유체 스트림의 난류, 혼합 및 물질 전달 특성을 향상시키도록 구성될 수 있다. 구성은 또한 효율성, 화학 또는 전기화학적 반응의 정도, 또는 압력 강하(동시에 사전결정된 유량을 유지함), 체류 시간 분포 또는 열 및 물질 전달 계수와 같은 다른 특성을 향상시키도록 설계될 수 있다.
정적 혼합기 전극은 복수의 통로 섹션을 한정하는 전기 전도성 일체형 스캐폴드를 포함할 수 있으며, 복수의 통로 섹션은, 예를 들어 각각의 통로 섹션 사이로 유동하는 유체 스트림을 분할함으로써, 물질 전달 및 카오스 이류를 향상시키도록 구성된다. 스캐폴드 표면의 상당 부분은 전기 전도성일 수 있다.
정적 혼합기 전극은 길이를 따라 동축으로, 그리고 유동 통로의 직경을 가로질러 횡방향으로 연장되도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 정적 혼합기 전극의 엔벨로프는 내부 동축 유동 통로의 길이를 따라 동축으로, 그리고 내부 동축 유동 통로의 직경을 가로질러 횡방향으로 연장되어 내부 동축 유동 통로를 실질적으로 점유하도록 구성될 수 있다.
제1 전극(104)은 분리기(202) 내에 밀착 끼워맞춰지도록 구성된 외경을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(104)의 외경은 0.5 ㎜ 내지 5 m, 5 ㎜ 내지 1 m, 또는 5 ㎜ 내지 10 ㎜의 범위일 수 있다. 제1 및 제2 전극이 서로 동심 및 동축으로 배열되는, 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 설명된 유동 셀(400)과 같은 구현예에서, 제2 전극(106)의 내경은 0.5 ㎜ 내지 5 m, 5 ㎜ 내지 1 m, 또는 10 ㎜ 내지 20 ㎜의 범위일 수 있다.
분리기(202)의 내경과 제2 전극(106)의 내경의 비율은 예를 들어 0.02 내지 0.99, 0.1 내지 0.9, 0.3 내지 0.7, 또는 0.4 내지 0.6의 범위일 수 있다.
정적 혼합기 전극의 전기 전도성 일체형 스캐폴드는, 내부 동축 유동 통로 전체에 걸쳐 분포되고 내부 동축 유동 통로를 통해 유동하는 유체의 카오스 이류를 유도하도록 구성된 고체 전기 전도성 요소의 연속적인 네트워크를 포함할 수 있다. 고체 전기 전도성 요소의 연속적인 네트워크는 내부 동축 유동 통로를 통해 유동하는 유체의 카오스 이류를 유도하기 위한 복수의 개구부를 한정하도록 구성된 상호연결된 세그먼트의 격자에 의해 제공될 수 있다.
정적 혼합기 전극은 하기의 일반적이고 비제한적인 예시적 구성 중 하나 이상으로부터 선택된 구성으로 제공될 수 있다:
● 나선부를 갖는 개방형 구성;
● 블레이드를 갖는 개방형 구성;
● 주름형-플레이트;
● 다층 디자인;
● 채널 또는 구멍을 갖는 폐쇄형 구성;
● 스트럿, 요철부, 기복부 및 돌출부의 인터로킹 네트워크(interlocking network).
일 구현예에서, 정적 혼합기 전극의 스캐폴드는 하나 이상의 유체 반응물의 혼합을 용이하게 하도록 구성된 복수의 통로를 한정하는 복수의 일체형 유닛을 갖는 메시 구성(mesh configuration)으로 제공될 수 있다.
다른 구현예에서, 정적 혼합기 전극은 반응기 챔버를 통해 유동하는 유체의 혼합을 촉진하기 위한 복수의 개구부를 한정하도록 구성된 상호연결된 세그먼트의 격자에 의해 제공된 스캐폴드를 포함할 수 있다. 스캐폴드는 또한 유체 혼합뿐만 아니라 열 및 물질 전달을 촉진하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 정적 혼합기 전극은 카오스 이류, 및 예를 들어 횡단면, (유동에 대한) 횡방향 또는 국부적인 난류 혼합과 같은 난류 혼합을 향상시키도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드의 기하구조는 국부적인 유동 방향을 변경하거나, 정적 혼합기 요소의 종축을 따라 주어진 길이 내에서 특정 횟수 초과로, 예컨대 100 m-1 초과, 선택적으로 200 m-1 초과, 선택적으로 400 m-1 초과, 선택적으로 800 m-1 초과, 선택적으로 1500 m-1 초과, 선택적으로 2000 m-1 초과, 선택적으로 2500 m-1 초과, 선택적으로 3000 m-1 초과, 선택적으로 5000 m-1 초과로, 유동을 분할하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드의 기하구조 또는 구성은 정적 혼합기의 주어진 체적 내에서 특정 수 초과, 예컨대 100 m-3 초과, 선택적으로 1000 m-3 초과, 선택적으로 1×104 m-3 초과, 선택적으로 1×106 m-3 초과, 선택적으로 1×109 m-3 초과, 선택적으로 1×1010 m-3 초과의 유동 분할 구조체를 포함할 수 있다.
정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드의 기하구조 또는 구성은 관형 반응기와 같은 반응기 셀의 채널을 수반하도록 구성될 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 용어 "관형"은 비원형 구성, 예를 들어 타원형을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드는 복수의 세그먼트로 형성되거나 이를 포함할 수 있다. 세그먼트의 일부 또는 전부는 직선형 세그먼트일 수 있다. 세그먼트의 일부 또는 전부는 예를 들어 직사각형 프리즘과 같은 다각형 프리즘을 포함할 수 있다. 스캐폴드는 복수의 평면형 표면을 포함할 수 있다. 직선형 세그먼트는 서로에 대해 경사질 수 있다. 직선형 세그먼트는 예를 들어 2 개, 3 개, 4 개, 5 개 또는 6 개의 상이한 각도와 같이, 스캐폴드의 종축에 대해 다수의 상이한 각도로 배열될 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드는 반복적인 구조체를 포함할 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드는 스캐폴드의 종축을 따라 주기적으로 반복되는 복수의 유사한 구조체를 포함할 수 있다. 기하구조 또는 구성은 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드의 길이를 따라 일관될 수 있다. 기하구조는 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드의 길이에 따라 달라질 수 있다. 직선형 세그먼트는 하나 이상의 곡선형 세그먼트에 의해 연결될 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드는 하나 이상의 나선형 세그먼트를 포함할 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드는 일반적으로 나선체를 한정할 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드는 나선체의 표면에 복수의 개구부를 포함하는 나선체를 포함할 수 있다.
정적 혼합기 전극의 치수는 응용에 따라 달라질 수 있다. 정적 혼합기 전극, 또는 정적 혼합기 전극을 포함하는 반응기는 관형일 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 반응기 튜브는 예를 들어 1 내지 5000, 2 내지 2500, 3 내지 1000, 4 내지 500, 5 내지 150, 또는 10 내지 100 범위의 직경(㎜ 단위)을 가질 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 반응기 튜브는 예를 들어 적어도 약 1, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 250, 500, 또는 1000의 직경(㎜ 단위)을 가질 수 있다. 정적 혼합기 전극 또는 반응기 튜브는 예를 들어 약 5000, 2500, 1000, 750, 500, 250, 200, 150, 100, 75, 또는 50 미만의 직경(㎜ 단위)을 가질 수 있다. 정적 혼합기 전극, 또는 정적 혼합기 전극을 포함하는 반응기 챔버의 종횡비(L/d)는 특정 반응에 대한 산업적 스케일 유량에 적합한 범위로 제공될 수 있다. 종횡비는 예를 들어 약 1 내지 1000, 5 내지 750, 10 내지 500, 25 내지 250, 50 내지 150, 또는 75 내지 125의 범위일 수 있다. 종횡비는 예를 들어 약 1000, 750, 500, 250, 200, 150, 125, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 또는 2 미만일 수 있다. 종횡비는 예를 들어 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100 초과일 수 있다. 종횡비는 상기의 "미만" 및 "초과" 값 중 임의의 2 개의 값의 범위로 제공될 수 있다.
정적 혼합기 전극은 층류 유량 또는 난류 유량에 대해, 혼합과, 열 및 물질 전달과 같은 특성을 향상시키도록 구성될 수 있다. 중공 파이프에서 유동하는 뉴턴 유체(Newtonian fluid)의 경우, 층류 및 난류 유동과 레이놀즈 수(Reynolds number)(Re) 값의 상관 관계는 전형적으로 Re가 2300 미만인 경우에 층류 유량을 제공하고, 2300 < Re < 4000인 경우에 전이 유량을 제공하며, 일반적으로 Re가 4000 초과인 경우에 난류 유량을 제공할 것이라는 점이 이해될 것이다. 정적 혼합기 전극은 난류 유동을 생성하기 위한 이러한 전형적인 Re 값을 감소시킨다는 것이 이해될 것이다. 정적 혼합기 전극은 층류 또는 난류 유량에 대해, 혼합, 반응 정도, 열 및 물질 전달, 카오스 이류 및 압력 강하 중 하나 이상으로부터 선택된 특성을 향상시키도록 구성될 수 있다. 특정 유형의 전기화학적 반응을 더욱 향상시키는 것은 그 자체의 특정 고려사항을 필요로 한다는 것이 이해될 것이다. 튜브에서의 유동의 경우, 레이놀즈 수는 Re = ρuDH/μ로 정의될 수 있다(ρ는 kg.m-3 단위의 유체 밀도이고, u는 m.s-1 단위의 유체의 평균 속도이고, DH는 미터 단위의 파이프의 수력학적 직경이며, μ는 Pa.s 단위의 유체의 동적 점도임).
일 구현예에서, 정적 혼합기 전극은 적어도 0.01, 0.1, 1, 5, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, 또는 15000의 Re로 작동하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 약 0.1 내지 2000, 1 내지 1000, 10 내지 800, 또는 20 내지 500의 Re 범위로 작동하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 약 1000 내지 15000, 1500 내지 10000, 2000 내지 8000, 또는 2500 내지 6000의 Re 범위로 작동하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 전술한 "적어도" 값 중 임의의 2 개의 값 사이의 범위의 Re로 작동하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 정적 혼합기 전극은 연속체에서의 이송 현상에 관한 다른 부류의 무차원수인 페클레 수(Pe)에 의해 기술될 수 있다. 페클레 수는 유동에 의한 물리량의 이류 속도 대 적절한 구배에 의해 구동되는 동일한 양의 확산 속도의 비율을 제공한다. 화학종 또는 물질 전달의 맥락에서, 페클레 수는 레이놀즈 수(Re)와 슈미트 수(Schmidt number)(Sc)의 곱이다. 열 유체의 맥락에서, 열 페클레 수는 레이놀즈 수(Re)와 프란틀 수(Prandtl number)(Pr)의 곱과 동등하다. 페클레 수는 Pe = 이류 이송 속도/확산 이송 속도로 정의된다. 물질 전달의 경우, 이는 PeL = Lu/D = ReL.Sc로 정의된다. 열 전달의 경우, 이는 PeL = Lu/α = ReL.Pr로 정의되며, 여기서 α = k/ρcp이다. L은 특성 길이이고, u는 국부 유동 속도이고, D는 물질 확산 계수이고, α는 열 확산율이고, ρ는 밀도이며, cp는 열 용량이다. 정적 혼합기 전극은 보다 균일한 체류 시간 분포를 제공하고 분산을 감소시키도록 확산에 비해 카오스 이류를 향상시키기 위해 보다 높은 페클레 값을 제공하도록 구성될 수 있다. 다시 말해서, 적어도 본원에 설명된 바와 같은 일부 구현예 및 실시예에 따르면, 보다 높은 페클레 값을 제공하기 위한 정적 혼합기 전극의 구성은 개선된 성능 및 프로세스 제어를 제공할 수 있다.
일 구현예에서, 정적 혼합기 전극은 적어도 100, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 50000, 75000, 100000, 250000, 500000, 106, 또는 107의 페클레(Pe) 값으로 작동하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 약 108, 107, 106, 500000, 250000, 100000, 75000, 50000, 25000, 20000, 15000, 10000, 5000, 2000, 또는 1000 미만의 페클레(Pe) 값으로 작동하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 요소는 약 103 내지 108, 103 내지 107, 또는 104 내지 106의 Pe 범위로 작동하도록 구성될 수 있다. 정적 혼합기 요소는 상기의 상한 및/또는 하한 값 중 임의의 2 개의 값 사이의 Pe 범위로 작동하도록 구성될 수 있다.
전극을 수용하는 유동 통로에 대한 정적 혼합기 전극의 체적 변위 %는 약 1 내지 90, 5 내지 70, 10 내지 30, 또는 5 내지 20의 범위일 수 있다. 전극을 수용하는 유동 통로에 대한 정적 혼합기 전극의 체적 변위 %는 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 또는 5% 미만일 수 있다. 전극을 수용하는 유동 통로에 대한 정적 혼합기 전극의 체적 변위 %는 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60%, 70%, 또는 80% 초과일 수 있다. 체적 변위 %는 상기의 "미만" 및 "초과" 값 중 임의의 2 개의 값의 범위로 제공될 수 있다.
정적 혼합기 전극의 구성은 반응기에서의 열 및 물질 전달 특성, 예를 들어 출구 단면에서의 온도차 감소를 향상시키도록 제공될 수 있다. 정적 혼합기 전극의 열 및 물질 전달은 예를 들어, 약 20℃/㎜, 15℃/㎜, 10℃/㎜, 9℃/㎜, 8℃/㎜, 7℃/㎜, 6℃/㎜, 5℃/㎜, 4℃/㎜, 3℃/㎜, 2℃/㎜, 또는 1℃/㎜ 미만의 온도차를 갖는 단면 또는 횡방향 온도 프로파일을 제공할 수 있다.
정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드는 사용 시에 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(즉, 압력차 또는 배압)(Pa/m 단위)가 이들 사이의 임의의 값 또는 임의의 값의 범위를 포함하여, 약 0.1 내지 1,000,000 Pa/m(또는 1 MPa/m) 범위에 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)는 약 500,000, 250,000, 100,000, 50,000, 10,000, 5,000, 1,000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, 또는 5 Pa/m 미만일 수 있다. 예를 들어, 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)는 적어도 약 10, 100, 1000, 5,000, 10,000, 50,000, 100,000, 또는 250,000일 수 있다. 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)는 상기의 상한 및/또는 하한 값 중 임의의 2 개의 값의 범위로 제공될 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)는 약 10 내지 250,000, 100 내지 100,000, 또는 1,000 내지 50,000의 범위일 수 있다. 정적 혼합기 전극은 특정 유량에 대해 더 낮은 압력 강하를 제공하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 본원에 설명된 바와 같은 정적 혼합기 전극, 반응기, 시스템 및 프로세스에는 산업 응용에 적합한 파라미터가 제공될 수 있다. 상기의 압력 강하는 체적 유량이 적어도 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50 ㎖/min인 경우에 유지될 수 있다.
일 구현예에서, 정적 혼합기 전극은 적어도 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 또는 1000 ㎖/min의 체적 유량으로 작동하도록 구성될 수 있다. 다른 구현예에서, 체적 유량은 약 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 40, 30, 20, 10, 또는 5 ㎖/min 미만일 수 있다. 유량은 이들 상한 및/또는 하한 값 중 임의의 2 개의 값에 의해 제공된 범위, 예를 들어 약 50 내지 400, 10 내지 200, 또는 20 내지 200의 범위일 수 있다.
정적 혼합기 전극은 연속 유동 전기화학적 반응기 또는 그의 챔버를 위한 모듈식 인서트(modular insert)로서 구성될 수 있다. 정적 혼합기 전극은 인라인 연속 유동 전기화학적 반응기 또는 그의 챔버와 함께 사용하도록 구성될 수 있다. 인라인 연속 유동 전기화학적 반응기는 재순환 루프 반응기(recycle loop reactor) 또는 단일 패스 반응기(single pass reactor)일 수 있다.
정적 혼합기 전극의 구성은 정적 혼합기 전극의 표면에서의 반응물의 접촉 및 활성화를 향상시키기 위한 반응물의 혼합 구성을 향상시키는 데 사용될 수 있는 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics; CFD) 소프트웨어를 사용하여 결정될 수 있다.
정적 혼합기 전극은 적층 제조된 정적 혼합기 전극일 수 있다. 선택적으로 촉매 및/또는 내식성 코팅을 갖는 정적 혼합기 전극의 적층 제조는 효율적인 혼합, 열 및 물질 전달, 전기화학적 반응 또는 추가적인 촉매 반응을 위해 구성된 정적 혼합기 전극을 제공할 수 있다. 적층 제조 프로세스는 정적 혼합기 전극이 신뢰성 및 성능에 대해 물리적으로 시험되고, 선택적으로 적층 제조(예를 들어, 3D 프린팅) 기술을 사용하여 추가로 재설계 및 재구성될 수 있게 한다. 적층 제조는 정적 혼합기 전극의 예비 설계 및 시험과, 추가 재설계 및 재구성에 있어서의 유연성을 제공한다. 전자 빔 3D 프린터 또는 레이저 빔 3D 프린터가 사용될 수 있다. 3D 프린팅을 위한 적층 재료는 예를 들어 순수 금속, 예컨대 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 또는 합금, 예컨대 티타늄 합금계 분말(예를 들어, 45 내지 105 마이크로미터의 직경 범위), 코발트-크롬 합금계 분말(예를 들어, FSX-414 또는 Stellite S21) 또는 스테인리스강 또는 알루미늄-규소 합금 또는 임의의 니켈계 합금(예를 들어, Inconel, Hastelloy)일 수 있다. 레이저 빔 프린터와 연관된 분말 직경은 전형적으로 전자 빔 프린터와 함께 사용되는 것보다 작다. 대안적으로, 스캐폴드는 플라스틱 또는 유리와 같은 불활성 재료로 적층 제조된 후에, 적절한 전기 전도성 재료로 코팅될 수 있다. 전기 전도성 표면에 부가하여, 정적 혼합기 전극 또는 그의 스캐폴드는 필요한 특정 반응 또는 응용에 따라, 선택적으로 촉매 재료를 추가로 포함할 수 있다.
상대 전극
상대 전극은 전기 전도성이라는 것이 이해될 것이다. 상대 전극은 애노드 또는 캐소드로서 작동될 수 있고, 이는 인가되는 전류 흐름의 방향에 의해 좌우된다. 상대 전극은 정적 혼합기 전극에 대해 전술한 바와 같은 임의의 구현예 또는 실시예에 따라 구성되거나, 그에 따른 재료로 구성될 수 있다.
상대 전극이 전기 전도성 표면을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 상대 전극은 1 ㎂ m-2 내지 약 1000 A m-2 범위의 전류 밀도를 어느 전극에든 제공할 수 있는 재료로 준비될 수 있다. 상대 전극은 분말, 시트, 로드 또는 빌릿, 반금속 또는 도핑된 또는 낮은 밴드갭 반도체, 금속 코팅 입자, 전도성 세라믹으로서의 전기 전도성 재료, 예를 들어 전도성 탄소 재료, 예컨대 흑연, 유리질 탄소 또는 붕소-도핑된 다이아몬드, 금속, 합금 또는 금속간화합물을 포함할 수 있다. 상대 전극은 비-전기 전도성 재료로 제조되고 전기 전도체로 코팅될 수 있다. 비-전도성 재료는 미립자 비-전도체, 예컨대 플라스틱, 세라믹, 유리 또는 미네랄, 열경화성 수지, 열가소성 수지 및 천연 제품, 예컨대 고무 및 목재일 수 있다. 전기 전도성 코팅은 금속, 금속 합금, 금속간화합물, 전도성 화합물로 형성되거나, 상대 전극 또는 정적 혼합기 전극에 대해 전술한 바와 같은 임의의 전기 전도성 재료로 형성될 수 있다.
반응기 및 단부캡 구성
반응기는 반응기 하우징, 제1 전극, 제2 전극, 분리기, 및 1 개 또는 2 개의 선택적인 단부캡을 포함하는 조립체로서 제공될 수 있다. 단부캡은 반응기 하우징을 밀봉하도록 구성될 수 있고, 선택적으로 반응기의 조립 및 작동 시의 구조적 지지 및 정렬 지지를 위해 제1 전극, 제2 전극, 분리기 중 하나 이상과 연관되도록 추가로 구성될 수 있다.
일 구현예에서, 관형 반응기는 제1 및 제2 단부 캡을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 단부 캡 각각은 반응기 하우징의 대향 단부를 고정하고 정적 혼합기 전극, 상대 전극 및 분리기의 반응기에서의 배열을 지지하도록 협동적으로 구성된다.
단부 캡은 정적 혼합기 전극 및/또는 상대 전극의 일체형 부분일 수 있다(예를 들어, 단부 캡은 전극 중 하나의 일부로서 제조될 수 있음). 단부 캡은 전기화학적 유동 셀 또는 연속 유동 전기화학적 관형 반응기의 일체형 부분으로서 제공될 수 있다(예를 들어, 전기화학적 유동 셀 전체가 적층 제조에 의해 제조됨).
단부 캡은 본원에 설명된 바와 같은 임의의 다른 구현예 또는 그 실시예에 따라 제공될 수 있다.
전기화학적 유동 시스템
연속 유동 전기화학적 반응을 제공하기 위한 시스템은 본원에 설명된 바와 같은 임의의 하나 이상의 양태, 구현예 또는 실시예에 따른 전기화학적 유동 셀 또는 전기화학적 관형 반응기를 포함할 수 있다.
시스템은 반응기를 통해 하나 이상의 유체 반응물 및 이들의 임의의 생성물에 대한 유체 유동을 제공하기 위한 펌프를 추가로 포함할 수 있다. 시스템은 유체 스트림과 전극의 계면에서 전기화학적 반응을 유도하기 위해 전극에 인가되는 전압 또는 전극을 통해 흐르는 전류를 제공 및 제어하기 위한 전기 유닛을 추가로 포함할 수 있다. 시스템은 하나 이상의 유체 반응물, 또는 이들의 공급원 또는 생성물의 농도, 유량, 온도, 압력 및 체류 시간으로부터 선택된 시스템의 파라미터 중 하나 이상을 제어하기 위한 제어기를 추가로 포함할 수 있다.
반응기 시스템은 하나의 유동 셀 조립체, 또는 병렬 또는 직렬로 셋업된 다수의 조립체를 포함할 수 있다. 각각의 셋업에서 전극의 극성은 각각의 셀에서 동일한 방식으로 또는 교대 방식으로 연결될 수 있으며, 여기서 외부 전극은 교대로 애노드, 캐소드, 애노드, 캐소드, ...(또는 그 반대)이고, 내부 전극은 교대로 캐소드, 애노드, 캐소드, 애노드, ...(또는 그 반대)이다. 시스템은 이러한 극성의 임의의 조합으로 셋업될 수 있다. 시스템의 각 셀에 인가되는 전압 또는 전류의 크기는 동일할 수 있거나 다를 수 있으며, 시스템의 셀을 통한 펌핑 속도는 동일할 수 있거나 다를 수 있다.
반응기 시스템은, 예를 들어 재생 가능한 에너지원으로부터, 시변 전력 입력(time-varying power input)을 수용하도록 구성 및 제어될 수 있다. 예를 들어, 반응물 유량은 전기분해에 이용 가능한 전력에 따라 달라질 수 있고, 그에 따라 유동 반응기는 전원이 변동될 때 작동 상태를 유지한다.
반응기의 종횡비는 예를 들어, 정적 혼합기 전극 모듈이 반응기 내로 삽입되도록 구성될 수 있도록 정적 혼합기 전극에 대해 이전에 설명된 것과 유사할 수 있다.
반응기는 반응기, 챔버 섹션, 정적 혼합기 또는 그의 유체 구성요소의 온도를 제어하기 위한 선택적인 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 교환기는 쉘 앤드 튜브식 열 교환기 디자인 또는 구성일 수 있다.
본 개시는 또한 연속 유동 전기화학적 반응 프로세스를 위한 시스템을 제공하며, 상기 시스템은
본원에 설명된 바와 같은 임의의 구현예 또는 실시예에 따른 하나 이상의 정적 혼합기 전극을 포함하는 연속 유동 전기화학적 반응기;
반응기를 통해 하나 이상의 유체 반응물 및 이들의 임의의 생성물에 대한 유체 유동을 제공하기 위한 펌프;
반응물 농도, 유량, 전류 흐름, 인가 전압, 압력 및 체류 시간으로부터 선택된 시스템의 파라미터 중 하나 이상을 제어하기 위한 제어 수단을 포함한다.
시스템은 반응기 또는 그의 유체 구성요소의 온도를 제어하기 위한 선택적인 열 교환기를 포함할 수 있다.
시스템은 임의의 하나 이상의 유체 반응물 또는 이들의 생성물에 대한 농도를 식별 및 결정하는 데 사용될 수 있는 분광계(spectrometer)를 추가로 포함할 수 있다.
반응기, 반응기 챔버, 챔버 섹션 및 정적 혼합기 전극 중 하나 이상은 이들이 각각 상호 보완적으로 연관되도록 모듈 형태로 제공될 수 있다. 시스템은 유사하거나 상이한 내부 및/또는 외부 구성을 가질 수 있는 복수의 반응기를 포함할 수 있다. 반응기는 직렬 또는 병렬로, 또는 둘 모두의 조합으로 작동할 수 있다. 시스템, 반응기 또는 각 챔버 섹션은 반응물의 공급을 제공하거나, 생성물을 얻거나, 다양한 반응물 및/또는 생성물을 재순환시키기 위해 하나 이상의 유입구 및 유출구를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
반응기 또는 시스템은 챔버 섹션에 제공되고 챔버 섹션에서 생성되는 다양한 반응물, 반응물 공급원, 중간 생성물 또는 원하는 생성물을 재순환시키도록 설계될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 반응기 또는 시스템은 다양한 디자인 및 형태, 예를 들어 관형 반응기의 형태로 제공될 수 있다. 다른 구현예에서, 반응기는 단일 패스 반응기이다.
시스템 및 프로세스는 석탄 가스화기, 정수 및 수도관망(reticulation), 전해조 및/또는 천연 가스 개질기, 화학적 합성 및 정화 등을 포함하는 시스템 및 프로세스와 같은 보다 복잡한 시스템에도 통합될 수 있다.
전기화학적 응용
본원에 설명된 바와 같은 임의의 구현예 또는 실시예에 따른 전기화학적 유동 반응기, 전기화학적 유동 셀 또는 연속 유동 전기화학적 관형 반응기는 금속 회수, 유출수(effluent) 및 광산 폐수로부터의 중금속 및 귀금속 회수, 폐수 처리, 물 소독 또는 정수(예를 들어, 음용수), 및 고형 폐기물(예를 들어, 슬러지, 미광(tailing) 및 폐기 생성물)로부터의 금속 회수, 및 다양한 생성물의 전기합성(예를 들어, 가스 생성, 에너지 저장 및 변환, 시약 재생 및 중합)을 포함하는 다양한 응용에 사용될 수 있다.
정적 혼합기 전극을 포함하는 반응기는 연속 유동 전기화학적 반응 시스템 및 프로세스에서 사용하기 위한 것일 수 있다. 프로세스는 인라인 연속 유동 프로세스일 수 있다. 인라인 연속 유동 프로세스는 재순환 루프 또는 단일 패스 프로세스일 수 있다. 일 구현예에서, 인라인 연속 유동 프로세스는 단일 패스 프로세스이다.
상기에 언급된 바와 같이, 정적 혼합기 전극을 포함하는 전기화학적 반응기는 연속적인 방식으로 반응을 수행할 수 있다. 전기화학적 반응기는 단상 또는 다상의 공급물 및 생성물 스트림을 사용할 수 있다. 일 구현예에서, 기질 공급물(substrate feed)(하나 이상의 반응물을 포함함)은 연속 유체 스트림, 예를 들어 a) 적절한 용매 내의 용질로서의 기질, 또는 b) 공용매를 갖거나 갖지 않는 액체 기질 중 어느 하나를 포함하는 액체 스트림으로서 제공될 수 있다. 유체 스트림은 하나 이상의 가스상 스트림, 예를 들어 수소 가스 또는 그의 공급원에 의해 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 기질 공급물은 압력 구동 유동을 사용하여, 예를 들어 펌프에 의해, 반응기 내로 펌핑된다. 다른 구현예에서, 기질 공급물은 유체 스트림에 현탁된 고체에 의해 제공될 수 있고, 또 다른 구현예에서 반응물 유체 스트림은 고체, 액체 및 가스를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 본원에 설명된 바와 같은 임의의 구현예 또는 그의 실시예에 따른 전기화학적 유동 셀 또는 연속 유동 전기화학적 관형 반응기를 포함하는, 유체 스트림의 전기화학적 처리를 위한 방법이 제공된다.
상기 방법은 정적 혼합기 전극의 표면 상에 금속 및/또는 금속 화합물을 포함하는 고체 침착물을 형성하기 위해 정적 혼합기 전극 및 상대 전극을 가로질러 직류를 인가함으로써 유체 스트림으로부터 용존 금속 이온을 제거하기 위한 것일 수 있다. 상기 방법은 광산 미광으로부터 얻어진 유체 스트림으로부터 금속을 회수하기 위한 것일 수 있다. 상기 방법은 반응기 시스템에 대해 전술한 바와 같이 병렬 및/또는 직렬로 작동하는 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 방법은 직렬로 작동된다.
일 실시예에서, 상기 방법은 적어도 제1 및 제2 연속 유동 전기화학적 관형 반응기를 포함하고, 각각의 반응기는 하나의 전극을 수용하는 내부 동축 유동 통로 및 다른 전극을 수용하는 외부 동심 유동 통로를 한정하기 위해 투과성 멤브레인이 상대 전극으로부터 정적 혼합기 전극을 분리하도록 구성되며, 각각의 유동 통로는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 갖는다. 상기 방법은 제1 관형 반응기의 정적 혼합기 전극 상에 금속을 로딩하면서, 제2 관형 반응기의 정적 혼합기 전극 상에 이전에 로딩된 금속을 제거하도록 반전되는 전극의 극성을 갖는 제2 반응기를 직렬로 제공하는 것을 가능하게 할 수 있다.
이러한 상기 방법의 추가 실시예에서, 제1 유체 스트림은 제1 관형 반응기의 내부 동축 유동 통로 내로 도입될 수 있고, 그의 배출물은 제2 관형 반응기의 외부 동심 유동 통로 내로 도입될 수 있다. 제2 유체 스트림은 제1 관형 반응기의 외부 동심 유동 통로 내로 동시에 도입될 수 있고, 그의 배출물은 제2 관형 반응기의 내부 동축 유동 통로 내로 도입될 수 있다. 제1 관형 반응기는 고체 금속 종을 축적하기 위해 환원 하에 있는 제1 정적 혼합기 전극을 갖도록 작동될 수 있고, 제2 관형 반응기는 그것 상에 존재하는 임의의 금속 종을 제거하기 위해 산화 하에 있는 제2 정적 혼합기 전극을 갖도록 작동될 수 있다.
본원에 설명된 바와 같은 다양한 구현예 또는 실시예에 따른 전기화학적 유동 반응기 및 그의 시스템의 다른 이점은 전기화학적 유동 셀 또는 관형 반응기가 분해되고 캐소드를 교체할 필요가 없다는 것과, 환원 반응에서 캐소드로서의 정적 혼합기 전극 상에 형성된 금속, 금속 화합물 또는 다른 금속 함유 생성물을 제거하기 위해 전류를 전환하고 상이한 유체 스트림으로 전환함으로써 직렬로 또는 반전 모드로 작동할 수 있는 유연성을 제공한다는 것이다.
본 개시는 또한 하나 이상의 유체 반응물의 반응에 의해 생성물을 합성하기 위한 프로세스를 제공하며, 상기 프로세스는
본원에 설명된 임의의 구현예 또는 실시예에 따른 정적 혼합기 전극 또는 시스템을 포함하는 연속 유동 전기화학적 반응기를 제공하는 단계;
적어도 제1 유체 반응물을 반응물 유입구를 통해 반응기에 제공하는 단계;
정적 혼합기 전극을 통해 적어도 제1 유체 반응물의 유동 및 반응을 제공하기 위해 반응기 또는 그의 제어 수단을 작동시키는 단계; 및
적어도 제1 반응물의 반응 생성물을 포함하는 배출 스트림을 얻는 단계를 포함한다.
전류 흐름, 압력, 및 재료 및 반응물의 농도/양과 같은, 프로세스에 사용되는 다양한 파라미터 및 조건은 합성될 생성물, 전기화학적 반응 또는 관련된 메커니즘, 반응물 공급원, 또는 사용되는 반응기 유형 및 그의 재료 및 구성을 포함하는 프로세스의 다양한 변수에 따라 선택될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 하나 이상의 유체 반응물 또는 공용매(예를 들어, 불활성 담체) 등이 가스, 액체, 고체 또는 이들의 조합인 경우에 차이가 존재할 수 있다.
전기화학적 유동 반응기는 어느 전극에서도 1 ㎂ m-2 내지 약 1000 A m-2 범위의 전류 밀도로 작동될 수 있다. 전류 밀도(A m-2 단위)는 예를 들어 약 1000, 500, 200, 100, 50, 20, 10, 5.0, 2.0, 1.0, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.01, 0.005, 0.002, 0.001, 0.0005, 0.0002, 0.0001, 0.00005, 0.00002, 0.00001, 0.000005, 0.000002, 또는 0.000001 미만일 수 있다. 전류 밀도(A m-2 단위)는 예를 들어 약 0.000002, 0.000005, 0.00001, 0.00002, 0.00005, 0.0001, 0.0002, 0.0005, 0.001, 0.002, 0.005, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10, 20, 50, 100, 200, 또는 500 초과일 수 있다. 전류 밀도는 상기 값 중 임의의 값으로부터 선택된 2 개의 값의 임의의 범위로 제공될 수 있다. 다양한 응용 및 구성은 상이한 전류 밀도를 적용할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
일부 실시예에서, 전극을 가로질러 인가되는 전압은 약 2.0, 1.8, 1.6, 1.4, 1.2, 1.0, 0.8, 0.6, 0.4, 또는 0.2 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 전극을 가로질러 인가되는 전압은 적어도 약 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 또는 1.8일 수 있다. 전압은 이러한 상한 및/또는 하한 값 중 임의의 2 개의 값에 의해 제공되는 범위에 있을 수 있다.
일 실시예에서, 전기화학적 유동 반응기의 작동 성능은 그의 회수 효율에 의해 측정될 수 있다. 회수 효율은 전기화학적 유동 셀에 의해 유체로부터 제거될 수 있는, 유체에 존재하는 용존 금속 종과 같은 화학종(예를 들어, 오염물질)의 양을 포함한다. 일 실시예에서, 유체로부터 회수된(또는 제거된) 오염물질의 %로 측정된 회수 효율은 적어도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 또는 99이다. 일부 실시예에서, 임의의 회수 효율은 약 48 시간, 36 시간, 24 시간, 12 시간, 6 시간, 3 시간, 2 시간, 또는 1 시간 미만의 지속시간(duration)에 걸친 연속 작동(예를 들어, 재순환 루프 반응기에서의 재순환)으로부터 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 용존 금속 종(예를 들어, 구리 종)과 같은 화학종(예를 들어, 오염물질)은 화학종이 약 1, 0.5, 0.1, 0.05, 0.01, 0.005, 0.001, 0.0005, 0.0001, 0.00005, 또는 0.00001 미만의 농도(mol/L 단위)로 유체에 존재하는 경우에 유체로부터 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 용존 금속 종과 같은 화학종(예를 들어, 오염물질)은 화학종이 약 0.0001, 0.0005, 0.001, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 또는 0.5 초과의 농도(mol/L 단위)로 유체에 존재하는 경우에 유체로부터 제거될 수 있다. 제거된 화학종은 이들 상한 및/또는 하한 범위 중 임의의 2 개 사이의 농도일 수 있다. 상기 회수 효율 및/또는 재순환 지속시간은 임의의 이러한 화학종(예를 들어, 오염물질) 농도에 적용될 수 있다. 예를 들어, 반응기, 시스템 또는 그의 방법의 작동 성능은 약 0.01 mol/L 미만의 초기 농도를 갖는 유체로부터 용존 금속 종의 적어도 약 50%의 회수 효율을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 회수 효율은 약 0.005 mol/L 미만의 초기 농도를 갖는 유체로부터 용존 금속 종의 적어도 약 60%일 수 있다. 다른 실시예에서, 회수 효율은 약 0.001 mol/L 미만의 초기 농도를 갖는 유체로부터 용존 금속 종의 적어도 약 70%일 수 있다. 다른 실시예에서, 회수 효율은 약 0.0005 mol/L 미만의 초기 농도를 갖는 유체로부터 용존 금속 종의 적어도 약 80%일 수 있다. 다른 실시예에서, 회수 효율은 약 0.0001 mol/L 미만의 초기 농도를 갖는 유체로부터 용존 금속 종의 적어도 약 90%일 수 있다.
다른 실시예에서, 용존 금속 종(예를 들어, 구리 종)과 같은 화학종(예를 들어, 오염물질)은 화학종이 약 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 10, 5 또는 1, 또는 그 미만의 초기 농도(ppm 단위)로 유체에 존재하는 경우에 유체로부터 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 용존 금속 종과 같은 화학종(예를 들어, 오염물질)은 화학종이 약 5, 10, 25, 50, 75, 100, 250, 500, 750 또는 1000, 또는 그 초과의 초기 농도(ppm 단위)로 유체에 존재하는 경우에 유체로부터 제거될 수 있다. 제거된 화학종은 이들 상한 및/또는 하한 범위 중 임의의 2 개 사이의 유체의 초기 농도일 수 있다. 일 실시예에서, 유체로부터 회수된(또는 제거된) 오염물질의 %로 측정된 회수 효율은 적어도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 또는 99이다. 일부 실시예에서, 임의의 회수 효율은 약 48 시간, 36 시간, 24 시간, 12 시간, 6 시간, 3 시간, 2 시간, 또는 1 시간 미만의 지속시간에 걸친 연속 작동(예를 들어, 재순환 루프 반응기에서의 재순환)으로부터 제공될 수 있다. 상기 회수 효율 및/또는 재순환 지속시간은 임의의 이러한 화학종(예를 들어, 오염물질) 농도에 적용될 수 있다. 예를 들어, 반응기, 시스템 또는 그의 방법의 작동 성능은 약 3 시간 미만의 연속 작동 동안에 용존 금속 종의 약 100 ppm의 초기 농도를 갖는 유체로부터 용존 금속 종의 적어도 약 50%의 회수 효율을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 회수 효율은 약 24 시간 미만의 연속 작동 동안에 약 100 ppm의 초기 농도를 갖는 유체로부터 용존 금속 종의 적어도 약 95%일 수 있다.
상기 프로세스와 관련된 온도(℃)는 -50 내지 400의 범위일 수 있거나, 그 사이의 임의의 정수이거나 임의의 정수의 범위일 수 있다. 예를 들어, 온도(℃)는 적어도 약 -50, -25, 0, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 또는 350일 수 있다. 예를 들어, 온도(℃)는 약 350, 300, 250, 200, 150, 100, 또는 50 미만일 수 있다. 온도는 또한 대략 임의의 이들 값으로 제공되거나, 임의의 이들 값 사이의 범위, 예컨대 약 0 내지 250℃, 약 25 내지 200℃, 또는 약 50 내지 150℃의 범위로 제공될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 프로세스는 적어도 0.01, 0.1, 1, 5, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, 또는 15000의 Re를 제공하도록 작동될 수 있다. 상기 프로세스는 약 0.1 내지 2000, 1 내지 1000, 10 내지 800, 또는 20 내지 500의 Re 범위로 작동될 수 있다. 상기 프로세스는 약 1000 내지 15000, 1500 내지 10000, 2000 내지 8000, 또는 2500 내지 6000의 Re 범위로 작동될 수 있다. 상기 프로세스는 상기의 "적어도" 값 중 임의의 2 개의 값에 의해 제공된 Re 범위로 작동될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 프로세스는 적어도 100, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 50000, 75000, 100000, 250000, 500000, 106, 또는 107의 페클레(Pe) 값으로 작동될 수 있다. 상기 프로세스는 약 108, 107, 106, 500000, 250000, 100000, 75000, 50000, 25000, 20000, 15000, 10000, 5000, 2000, 또는 1000 미만의 페클레(Pe) 값으로 작동될 수 있다. 상기 프로세스는 약 103 내지 108, 103 내지 107, 또는 104 내지 106의 Pe 범위로 작동될 수 있다. 상기 프로세스는 상기의 상한 및/또는 하한 값 중 임의의 2 개의 값 사이의 Pe 범위로 작동될 수 있다.
상기 프로세스는 이들 사이의 임의의 값 또는 임의의 값의 범위를 포함하여, 약 0.1 내지 1,000,000 Pa/m(또는 1 MPa/m) 범위의 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(또는 배압)(Pa/m 단위)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)는 약 500,000, 250,000, 100,000, 50,000, 10,000, 5,000, 1,000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, 또는 5 Pa/m 미만일 수 있다. 예를 들어, 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)는 적어도 약 10, 100, 1000, 5,000, 10,000, 50,000, 100,000, 또는 250,000일 수 있다. 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)는 상기의 상한 및/또는 하한 값 중 임의의 2 개의 값의 범위로 제공될 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 정적 혼합기 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)는 약 10 내지 250,000, 100 내지 100,000, 또는 1,000 내지 50,000의 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 본원에 설명된 바와 같은 정적 혼합기 전극, 반응기, 시스템 및 프로세스에는 산업 응용에 적합한 파라미터가 제공될 수 있다. 상기의 압력 강하, 또는 그의 범위는 체적 유량이 적어도 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 500, 1000 ㎖/min인 경우에 유지될 수 있다.
일 구현예에서, 체적 유량은 적어도 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 또는 1000 ㎖/min으로 제공될 수 있다. 다른 구현예에서, 체적 유량은 약 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 40, 30, 20, 10, 또는 5 ㎖/min 미만으로 제공될 수 있다. 유량은 이들 상한 및/또는 하한 값 중 임의의 2 개의 값에 의해 제공된 범위, 예를 들어 약 50 내지 400, 10 내지 200, 또는 20 내지 200의 범위일 수 있다.
상기 프로세스는 약 0.1 초 내지 약 60 분 범위의 정적 혼합기 또는 반응기에서의 평균 체류 시간을 포함할 수 있다. 평균 체류 시간은 예를 들어 약 60 분, 45 분, 30 분, 15 분, 10 분, 5 분, 1 분, 30 초, 10 초, 또는 5 초 미만일 수 있다. 평균 체류 시간은 예를 들어 약 1 초, 5 초, 10 초, 30 초, 1 분, 5 분, 10 분, 15 분, 30 분 또는 45 분 초과일 수 있다. 평균 체류 시간은 이전에 언급된 이들 값 중 임의의 2 개의 값으로부터 선택된 범위로 제공될 수 있다. 예를 들어, 평균 체류 시간은 5 초 내지 10 분, 1 초 내지 5 분, 또는 1 분 내지 60 분의 범위일 수 있다.
상기 프로세스는 적어도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 98, 또는 99의 패러데이 효율(Faradaic efficiency)(관심 반응에 관여하는 통과 전하 %)을 제공할 수 있다. 상기 프로세스는 99, 98, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 또는 10 미만의 패러데이 효율(관심 반응에 관여하는 통과 전하 %)을 제공할 수 있다. 상기 프로세스는 상기의 상한 및/또는 하한 값 중 임의의 2 개의 값에 의해 제공된 범위의 패러데이 효율(관심 반응에 관여하는 통과 전하 %)을 제공할 수 있다.
애노드액 및/또는 캐소드액 스트림은 임의의 적합한 용매, 전기활성 종 및 지지 전해질을 포함할 수 있다. 용존 화학종의 농도는 십억분율(parts per billion)로부터 그의 용해도 한계(리터 당 수십 몰)까지 변할 수 있다. 용존 화학종에 부가하여, 유체 스트림은 다수의 상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다: 용해되지 않은 고체(예를 들어, 유체 스트림에 현탁된 고체), 비혼화성 액체 및 가스. 따라서, 유체 스트림은 수성 또는 비수성 용매, 분자 용매, 용융 염, 이온성 액체, 초임계 용매 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 용존 화학종은 용액 중의 이온, 분자 또는 실질적으로 이온 쌍일 수 있다. 이들은 용존 고체, 가스, 혼화성 액체 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 존재하는 다른 상은 현탁 고체 또는 겔, 유기 또는 무기 중합체, 천연 생성물, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이들은 유동 및/또는 전기화학적 활동의 작용에 의해 의도적으로 도입되거나 생성된 가스 또는 증기일 수 있다. 다른 실시예에서, 유체는 액체 또는 복합 액체, 예컨대 고체의 용해 및/또는 현탁을 포함하는 액체이다.
일 구현예에서, 본원에 설명된 바와 같은 임의의 양태, 구현예 또는 그의 실시예에 따른 전기화학적 유동 셀 또는 그의 시스템을 포함하는, 유체 스트림으로부터 화학종의 제거를 위한 방법이 제공될 수 있다. 화학종은 유체 스트림에 용해된 금속 종일 수 있다. 전기화학적 유동 셀의 성능과 관련된 임의의 상기 구현예 또는 실시예가 이러한 구현예에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
실시예
본 개시는 하기의 실시예에 의해 추가로 설명된다. 하기의 설명은 특정 구현예를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 상기 설명에 대해 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 점이 이해되어야 한다.
실시예 1
셀 내로의 전해질 유동을 제어하기 위한 연동 펌프(들)(120)(Masterflex L/S Variable-Speed Drive w/ Remote I/O; 600 rpm)를 포함하는 액체 공급 라인, 및 인가된 전기화학적 전위/셀을 통해 흐르는 전류를 제어하기 위한 전원 공급장치(110)(Autolab 302N potentiostat from Metrohm Autolab BV, Utrecht, The Netherlands)와 함께, 분리기(200)(도 2)를 포함하는 전기화학적 유동 반응기가 준비되었다.
작업 전극으로서의 적층 제조된 금속 정적 혼합기 전극(SME)(104, 204)을, 작업 구획을 한정하는 분리 모드 구성의 관형 다공성 중합체 분리기(202)(GenPore Reading, USA) 내에 밀착 끼워맞추었다. 전극의 양 단부에 있는 2 개의 포트는 유체 유동을 위한 연결을 제공하도록 디자인에 통합된다. 유체는 이러한 튜브를 통해 작업 구획으로 들어간다. 모든 정적 혼합기와 마찬가지로, 용액의 운동량은 용액이 혼합기 표면의 많은 경사면을 지나 유동함에 따라 혼합을 유도한다. 이러한 특정 실험에서 유리질 탄소로 제조된 불활성 관형 상대 전극(102)은 분리기로부터 짧은 거리에서 작업 구획을 둘러싸서, 적은 체적의 상대 구획을 생성하고 셀의 외부 케이싱을 형성한다. 전체 조립체는 2 개의 단부 캡(500)을 사용하여 밀봉된다(도 4a, 도 4b 및 도 4c). 단부 캡 내로 기계가공된 포트(144)는 상대 전극 구획 내로의 유체 유동을 제공한다. 이러한 구성은 실험에서 요구되는 경우에 상이한 유체가 2 개의 구획에서 사용될 수 있게 한다.
셀이 작동하는 효율은, 다양한 유량에서 측정된 한계 전류를 동일한 용액에서 회전하는 디스크 전극(Rotating disk electrode; RDE)의 결과와 비교함으로써 평가될 수 있다. 이러한 비교는 성능의 유용한 지표이며, 정적 혼합기 표면에서의 유체역학적 상태에 대한 어떠한 결론을 도출하는 데 사용되지는 않는다.
본 전기화학적 유동 반응기의 2 개의 구성의 성능을 평가하기 위해, 백금 코팅된 정적 혼합기 전극(예를 들어, 작업 전극) 및 유리질 탄소 튜브(예를 들어, 애노드)를 사용하여 지지 전해질로서 0.5 M의 염화칼륨에서 페리시안 화합물(ferricyanide)([Fe(CN)6]3+) 용액(10-3 내지 10-1 M)의 전기화학적 환원을 조사하는 일련의 실험을 수행하였다. 반응기의 분리된 구성에 대한 전형적인 환원 반응은 하기와 같이 수행하였다.
시간대전류 측정을 100 초에 걸쳐 셀에 인가되는 -1.4 V, -1.6 V, -1.8 V 및 -2 V의 전위 단계로 수행하였으며, 셀은 정지 모드로 처음 50 초 간격(즉, 0 mL min-1)과, 10 내지 400 mL min-1의 일정한 유량으로 마지막 50 초 간격 동안 작동되었다(도 7 내지 도 9). 모든 유량에 대해 정상 상태 전류가 관찰되었으며, 유량을 증가시킴으로써, 기록된 전류가 모든 전위 단계에서 증가했다. 기록된 전류는 전위가 증가함에 따라 증가했지만, -1.8 V 및 -2 V가 인가되었을 때 유동 셀을 빠져나가는 용액에서 일부 기포가 관찰되었다. 이러한 실험 셋업에서의 이러한 보다 높은 전위에서, [Fe(CN)6]3+ 환원에 부가하여, 수소 발생이 캐소드에서 일어나고, 이는 분석을 복잡하게 할 수 있다.
실험 결과는 반응이 물질 이송에 의해 제한되는 보다 낮은 농도의 전기활성 이온(즉, 0.001 및 0.01 M의 [Fe(CN)6]3+)에서, 전기화학적 유동 셀 구성은 반응 속도를 유의미하게 향상시킨다. 반응이 물질 이송 및 동역학적 인자(혼합 제어)에 의해 제어되는 보다 높은 농도(즉. 0.1 M의 [Fe(CN)6]3+)에서, 반응 속도에 대한 향상은 더 적으며, 정적 혼합기 전극을 사용하는 경우에 1.5 내지 3.7 더 빠르다.
실시예 2
전기화학적 유동 셀의 분리된 구성 구현예에 있어서 10 내지 1000 mL min-1 범위의 유량으로 스테인리스강 정적 혼합기 전극(즉, 작업 전극) 및 유리질 탄소 튜브(즉, 애노드)를 사용하여, 0.01 M의 H2SO4에 10 내지 100 ppm의 Cu2+를 포함하는 산성 오염 용액으로부터 구리 이온의 제거에 대한 전기화학적 유동 셀의 효율을 평가하였다. 도 10에 도시된 바와 같이, 50 mL min-1을 초과하여 유량을 증가시킴으로써, 제거 효율이 감소했으며, 이는 환원 반응을 완료하기 위한 작업 전극의 표면 상에서의 전기활성 이온의 체류 시간이 감소했기 때문이다(도 10a 및 도 10b). 반면에, 유량 증가에 의해, 작업 전극을 통과하는 전하가 증가되었고, 따라서 전류 회수가 증가된다(도 10c 및 도 10d). 그러나, 유량 증가는 전극 표면에서의 전기활성 이온의 체류 시간의 감소로 인한 효율 감소를 초과하는 지점까지 효율적이다.
실시예 3
전기화학적 유동 셀이 일정한 체적의 오염된 수용액으로부터 구리 이온을 얼마나 효과적으로 제거할 수 있는지를 보여주기 위해, 철저한 전기분해 실험도 수행하였다. 구리로 오염된 물의 2 리터 용액(즉, 0.01 M의 H2SO4에서의 100 ppm의 CuSO4.4H2O)을 24 시간 동안 50 mL min-1의 일정한 유량으로 전기화학적 유동 셀을 사용하여 처리하였다. 광학 이미지 및 SEM/EDS 결과에서는, 정적 혼합기 작업 전극 상으로의 구리 이온의 침착을 확인하였으며(도 11), ICP-MS 결과에서는, 전기화학적 유동 셀의 분리된 구성에서 24 시간 내에 구리 농도의 99.7% 감소가 달성된 것으로 나타났다(도 12).

Claims (29)

  1. 전기화학적 유동 셀로서,
    반응 챔버;
    제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 분리기로서, 상기 제1 전극과 접촉하는 제1 유체 스트림을 수용하도록 구성된 상기 반응 챔버 내의 제1 채널, 및 상기 제2 전극과 접촉하는 제2 유체 스트림을 수용하도록 구성된 상기 반응 챔버 내의 제2 채널을 적어도 부분적으로 한정하는, 분리기를 포함하며,
    상기 분리기는 상기 유체 스트림들 사이의 유체 교환을 제한하면서, 상기 유체 스트림들을 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전기적 연통을 허용하는 투과성 멤브레인(permeable membrane)을 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 제1 전극의 길이를 따른 복수의 위치에서 상기 제1 유체 스트림을 복수의 서브-스트림(sub-stream)으로 분할하는 복수의 분할 구조체(splitting structure)를 한정하는 정적 혼합기 부분을 포함하는, 전기화학적 유동 셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기화학적 유동 셀은 연속 유동 관형 반응기인, 전기화학적 유동 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 전극의 정적 혼합기 부분의 직경은 상기 제1 채널의 직경과 대략 동일한, 전기화학적 유동 셀.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 분리기와 접촉하여 배열되는, 전기화학적 유동 셀.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기 및 제2 전극은 상기 제1 전극의 중심 종축과 동심 및 동축으로 배열되는, 전기화학적 유동 셀.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기 및 제2 전극은 실질적으로 원통형인, 전기화학적 유동 셀.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 반응 챔버의 벽의 적어도 일부를 형성하는, 전기화학적 유동 셀.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분의 인접한 분할 구조체는 상기 정적 혼합기 부분의 중심 종축을 중심으로 상이한 회전 각도로 배열되는, 전기화학적 유동 셀.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분은 상기 정적 혼합기 부분의 길이를 따라 연속적으로 배열된 복수의 실질적으로 유사한 구조 모듈을 포함하는, 전기화학적 유동 셀.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분을 포함하는 상기 제1 전극은 상기 제1 유체 스트림이 상기 제1 전극의 정적 혼합기 부분을 따라 주어진 길이 내에서 분할되는 횟수에 대응하는 200 m-1 초과로 상기 제1 유체 스트림을 분할함으로써 카오스 이류(chaotic advection)를 향상시키도록 구성되는, 전기화학적 유동 셀.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분을 포함하는 상기 제1 전극은 적어도 약 10,000의 페클레(Pe) 수로 작동하도록 구성되는, 전기화학적 유동 셀.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분을 포함하는 상기 제1 전극은 약 1000 내지 100,000의 상기 제1 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)로 작동하도록 구성되는, 전기화학적 유동 셀.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분을 포함하는 상기 제1 전극은 적어도 약 0.1 ㎖/min의 상기 제1 유체 스트림에 대한 체적 유량을 제공하기 위해 상기 제1 채널 내에서 작동하도록 구성되는, 전기화학적 유동 셀.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 제1 전기화학적 유동 셀을 적어도 포함하는, 전기화학적 유동 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 제2 전기화학적 유동 셀; 및
    상기 제1 전기화학적 유동 셀의 제1 채널이 상기 제2 전기화학적 유동 셀의 제2 채널과 유체 연통하고 상기 제1 전기화학적 유동 셀의 제2 채널이 상기 제2 전기화학적 유동 셀의 제1 채널과 유체 연통하도록, 상기 제1 전기화학적 유동 셀을 상기 제2 전기화학적 유동 셀에 연결하는 복수의 유동 라인을 추가로 포함하는, 전기화학적 유동 시스템.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 유체 스트림들의 유체 유동을 제공하기 위한 펌프;
    상기 전극들을 통한 전류 또는 상기 전극들에 인가되는 전압을 제어하기 위한 전원 공급장치;
    농도, 유량, 온도, 압력 및 체류 시간을 포함하는 상기 시스템의 하나 이상의 파라미터를 제어하기 위한 제어기를 추가로 포함하는, 전기화학적 유동 시스템.
  17. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 유동 셀, 또는 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 포함하는, 유체 스트림의 전기화학적 처리를 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 방법은 폐수의 처리, 유체 스트림으로부터 용존 금속 이온의 제거, 또는 유체 스트림으로부터 금속의 회수를 위한 것인, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 방법은 상기 제1 유체 스트림으로부터 용존 금속 종의 제거를 위한 것이며, 상기 금속 종의 제거는 상기 제1 전극의 정적 혼합기 부분의 표면 상에서 일어나는, 방법.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분을 포함하는 상기 제1 전극을 포함하는 상기 전기화학적 유동 셀은 상기 제1 유체 스트림이 상기 제1 전극의 정적 혼합기 부분을 따라 주어진 길이 내에서 분할되는 횟수에 대응하는 200 m-1 초과로 상기 제1 유체 스트림을 분할함으로써 카오스 이류를 향상시키도록 작동되는, 방법.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분을 포함하는 상기 제1 전극을 포함하는 상기 전기화학적 유동 셀은 적어도 약 10,000의 페클레(Pe) 수를 제공하도록 작동되는, 방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기 부분을 포함하는 상기 제1 전극을 포함하는 상기 전기화학적 유동 셀은 약 1000 내지 100,000의 상기 제1 전극을 가로지르는 압력 강하(Pa/m 단위)를 제공하도록 작동되는, 방법.
  23. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기화학적 유동 셀은 적어도 약 0.1 ㎖/min의 상기 제1 유체 스트림에 대한 체적 유량을 제공하도록 작동되는, 방법.
  24. 제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유체 스트림은 약 0.01 미만의 농도(mol/L 단위)로 용존 금속 종을 포함하는, 방법.
  25. 제17항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기화학적 유동 셀은 상기 제1 유체 스트림에 초기에 존재하는 오염물질 또는 금속 종의 적어도 약 90%의, 상기 제1 유체 스트림에서의 오염물질 또는 금속 종의 회수 효율을 제공하도록 작동되는, 방법.
  26. 제17항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기화학적 유동 셀은 상기 정적 혼합기 전극 및 상대 전극에 1 ㎂ m-2 내지 약 1000 A m-2 범위의 전류 밀도를 제공하도록 작동되는, 방법.
  27. 제17항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 제1 및 제2 전기화학적 유동 셀의 작동을 포함하며, 복수의 유동 라인은 상기 제1 전기화학적 유동 셀의 제1 채널이 상기 제2 전기화학적 유동 셀의 제2 채널과 유체 연통하고 상기 제1 전기화학적 유동 셀의 제2 채널이 상기 제2 전기화학적 유동 셀의 제1 채널과 유체 연통하도록, 상기 제1 전기화학적 유동 셀을 상기 제2 전기화학적 유동 셀에 연결하는, 방법.
  28. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 유동 셀, 또는 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 포함하는, 생성물의 전기화학적 합성을 위한 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 전기화학적 유동 셀의 제1 채널에서 하나 이상의 반응물을 포함하는 제1 유체 스트림을 반응시키고, 상기 반응의 생성물을 포함하는 배출 스트림을 얻는 단계를 포함하는, 방법.
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