KR20240018636A - 알루미늄-물 반응으로부터 물 소비를 감소시키고 활성화 금속을 회수하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
알루미늄-물 반응으로부터 물 소비를 감소시키고 활성화 금속을 회수하기 위한 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
알루미늄-물 반응, 수소 기체 생성, 및 활성화 금속의 회수에 관련된 시스템 및 방법이 일반적으로 기재되어 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2021년 6월 10일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 63/209,342를 35 U.S.C. § 119(e) 하에 우선권 주장하며, 이의 개시내용은 그의 전문이 본원에 참조로 포함된다.
기술 분야
알루미늄-물 반응, 수소 기체 생성, 및 활성화 금속의 회수에 관련된 시스템 및 방법이 일반적으로 기재된다.
수소 기체는 화석 연료에 비해 보다 지속 가능한 에너지 경제를 약속하는 무-배출 연료로 잘 인식되어 왔다. 금속을 수반하는 산화-환원 반응은 필요에 따라 수소를 생성할 수 있어, 수소를 고압에서 기체 또는 액체로 저장하는 데 따른 비용 및 안전 우려를 제거한다. 예를 들어, 알루미늄 (Al)은 디젤 연료보다 약 2배, 리튬 이온보다 40배 더 큰 에너지 밀도를 가지며, 실온 및 대기압에서 물과 반응하여 수소를 생성한다. 그러나, 알루미늄을 대량 연료 공급원으로 사용하면 물 소비와 연관된 특정 문제가 발생한다.
요약
알루미늄-물 반응, 수소 기체 생성, 및 활성화 금속의 회수에 관련된 시스템 및 방법이 일반적으로 기재된다. 본 개시내용의 주제는 일부 경우에 상호 연관된 생성물, 특정 문제에 대한 대안적인 해결책, 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 물품의 복수의 다른 용도를 수반한다.
일부 실시양태에 따르면, 다음을 포함하는, 수소 기체를 생성하는 방법이 기재된다: 알루미늄 및 활성화 조성물을 포함하는 활성화된 알루미늄 조성물을 반응 챔버에서 물 및 이온성 염, 수산화물 및 산의 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 용액과 반응시켜 수소 기체 및 1종 이상의 반응 생성물을 생성하는 것; 및 활성화된 알루미늄을 물과 반응시킨 후 활성화 조성물을 포함하는 별도의 상을 형성하는 것.
특정 실시양태에서, 다음을 포함하는 시스템이 기재된다: 알루미늄 및 활성화 조성물을 포함하는 활성화된 알루미늄 조성물을 함유하도록 구성된 제1 저장소; 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 함유하도록 구성된 제2 저장소; 및 제1 저장소 및 제2 저장소와 유체 연통하는 반응 챔버, 여기서 제1 저장소는 활성화된 알루미늄을 반응 챔버로 분배하도록 구성되고, 여기서 제2 저장소는 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 반응 챔버로 분배하도록 구성되며, 여기서 반응 챔버는 활성화된 알루미늄이 반응 챔버에서 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 존재 하에 물과 반응하여 수소 기체 및 1종 이상의 반응 생성물을 생성하도록 구성됨.
일부 실시양태에 따르면, 다음을 포함하는 시스템이 기재된다: 알루미늄 및 활성화 조성물을 포함하는 활성화된 알루미늄 조성물을 함유하도록 구성된 제1 저장소; 물 및 물에 용해된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 포함하는 용액을 함유하도록 구성된 제2 저장소; 제1 저장소 및 제2 저장소와 유체 연통하는 반응 챔버, 여기서 제1 저장소는 활성화된 알루미늄을 반응 챔버로 분배하도록 구성되고, 여기서 제2 저장소는 상기 용액을 반응 챔버로 분배하도록 구성되며, 여기서 반응 챔버는 활성화된 알루미늄이 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 존재 하에 물과 반응하여 수소 기체 및 1종 이상의 반응 생성물을 생성하도록 구성되고, 여기서 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 양은, 활성화된 알루미늄이 물과 반응한 후 활성화 조성물이 별도의 상을 형성하도록 하기에 충분한 것임; 활성화 조성물을 1종 이상의 반응 생성물로부터 분리하도록 구성된 분리 시스템; 및 반응 챔버와 유체 연통하는 회수 챔버, 여기서 회수 챔버는 반응 챔버로부터 활성화 조성물의 별도의 상을 수용하도록 구성된 것임.
첨부된 도면과 함께 고려할 때 본 개시내용의 다양한 비-제한적 실시양태의 하기의 상세한 설명으로부터 본 개시내용의 다른 이점 및 신규 특색이 명백해질 것이다. 본 명세서 및 참조로 포함된 문서가 상충 및/또는 모순된 개시내용을 포함하는 경우, 본 명세서가 우선할 것이다.
개략적이고 비례에 맞게 그려진 것으로 의도되지 않은 첨부된 도면을 참조로 본 개시내용의 비-제한적 실시양태가 예로서 기재될 것이다. 도면에서, 예시된 각각의 동일한 또는 거의 동일한 구성요소는 전형적으로 단일 숫자로 표현된다. 명확성을 위해, 모든 구성요소가 모든 도면에서 표지되지는 않고, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 본 개시내용을 이해하게 하는 데 예시가 필수적이지 않은 경우에 본 개시내용의 각각의 실시양태의 모든 구성요소가 제시되지도 않는다. 도면에서:
도 1a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 및 반응 챔버를 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 1b는, 특정 실시양태에 따른, 도 1a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 2a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 제3 저장소, 및 반응 챔버를 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 2b는, 특정 실시양태에 따른, 도 2a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 3a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 반응 챔버, 및 분리 시스템을 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 3b는, 특정 실시양태에 따른, 도 3a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 4a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 하나 이상의 프로세서, 반응 챔버, 및 분리 시스템을 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 4b는, 특정 실시양태에 따른, 도 4a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 5a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 하나 이상의 프로세서, 반응 챔버, 분리 시스템, 및 회수 챔버를 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 5b는, 특정 실시양태에 따른, 도 5a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 6은, 특정 실시양태에 따른, NaOH의 존재 하에 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응의 수소 수율 분율을 pH의 함수로서 도시하고;
도 7은, 특정 실시양태에 따른, NaOH의 존재 하에 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응의 반응 생성물을 도시하며;
도 8은, 특정 실시양태에 따른, NaOH의 존재 하에 활성화된 알루미늄을 물과 반응시키기 위한 시스템의 개략적인 흐름도를 도시하고;
도 9a는, 특정 실시양태에 따른, 알루미늄-물 반응 후 활성화 조성물의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 도시하며;
도 9b는, 특정 실시양태에 따른, 도 9a에 도시된 활성화 조성물의 에너지-분산형 X-선 분광법 (EDS) 원자 맵(atomic map)을 도시하고;
도 10a는, 특정 실시양태에 따른, 이온성 염, 수산화물 또는 산 없이 알루미늄-물 반응으로부터 생성된 응집체의 SEM 이미지를 도시하며;
도 10b는 도 10a에 도시된 응집체의 EDS 원자 맵을 도시한다.
도 1a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 및 반응 챔버를 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 1b는, 특정 실시양태에 따른, 도 1a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 2a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 제3 저장소, 및 반응 챔버를 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 2b는, 특정 실시양태에 따른, 도 2a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 3a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 반응 챔버, 및 분리 시스템을 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 3b는, 특정 실시양태에 따른, 도 3a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 4a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 하나 이상의 프로세서, 반응 챔버, 및 분리 시스템을 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 4b는, 특정 실시양태에 따른, 도 4a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 5a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소, 제2 저장소, 하나 이상의 프로세서, 반응 챔버, 분리 시스템, 및 회수 챔버를 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시하고;
도 5b는, 특정 실시양태에 따른, 도 5a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 6은, 특정 실시양태에 따른, NaOH의 존재 하에 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응의 수소 수율 분율을 pH의 함수로서 도시하고;
도 7은, 특정 실시양태에 따른, NaOH의 존재 하에 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응의 반응 생성물을 도시하며;
도 8은, 특정 실시양태에 따른, NaOH의 존재 하에 활성화된 알루미늄을 물과 반응시키기 위한 시스템의 개략적인 흐름도를 도시하고;
도 9a는, 특정 실시양태에 따른, 알루미늄-물 반응 후 활성화 조성물의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 도시하며;
도 9b는, 특정 실시양태에 따른, 도 9a에 도시된 활성화 조성물의 에너지-분산형 X-선 분광법 (EDS) 원자 맵(atomic map)을 도시하고;
도 10a는, 특정 실시양태에 따른, 이온성 염, 수산화물 또는 산 없이 알루미늄-물 반응으로부터 생성된 응집체의 SEM 이미지를 도시하며;
도 10b는 도 10a에 도시된 응집체의 EDS 원자 맵을 도시한다.
알루미늄 금속 및 물은 반응 (1) 및 (2)에 도시된 아래 발열 반응 중 하나에 따라 반응하여 수소 기체를 생성한다:
2Al + 4H2O → 3H2 + 2AlO(OH) + Q1 (1)
2Al + 6H2O → 3H2 + 2Al(OH)3 + Q2 (2),
식 중 Q1 및/또는 Q2는 반응 정도에 따라 840 kJ 내지 880 kJ의 열이다. 그러나, 주변 조건 하에서, 알루미늄이 대기 산소에 노출될 때 알루미늄의 표면 상에 산화물 층이 형성되어, 밑에 있는 순수 알루미늄 금속이 물과 실질적으로 반응하는 능력을 방해한다. 알루미늄의 결정립 경계 및/또는 하위 결정립 경계에 침투하기 위해 활성화 조성물을 사용하여, 산화물 층을 파괴하고 알루미늄과 물 사이의 반응을 촉진할 수 있다.
본 발명자들은, 연료 공급원으로서 알루미늄의 최대 잠재력을 달성하는 데 있어서의 장애물은 알루미늄과 물 사이의 반응이 완료된 후 활성화 조성물을 쉽게 회수할 수 없다는 것임을 깨달았다. 활성화 조성물의 구성요소 (예를 들어, 갈륨 및/또는 인듐)는 반응 과정 동안 서로 분리되어, 이들의 각각의 융점을 증가시킬 수 있고; 활성화 조성물의 구성요소 중 하나 이상 (예를 들어, 갈륨)의 산화를 가능하게 하고/거나; 활성화 조성물의 하나 이상의 구성요소를 반응 생성물에 분산된 미세액적에 분산시킬 수 있는데, 이들 모두는 반응 생성물의 혼합물로부터 활성화 조성물의 분리를 복잡하게 할 수 있다. 활성화 조성물을 회수하는 기존의 방법은 복잡하고 비효율적인 화학적 공정을 사용하므로, 회수 수율이 낮다. 이는 본원에 개시된 기계적 분리 기반 공정과 대조된다.
연료 공급원으로서 알루미늄의 잠재력을 실현하는 것과 관련된 또 다른 장애물은 알루미늄과 물 사이의 반응이 수소의 최대 수율에 도달하기 위해 반응 (1) 또는 (2)에서 화학양론에 의해 제안된 것보다 상당한 양의 과잉의 물을 필요로 한다는 것이다. 예를 들어, 일부 기존의 경우에, 거의 10배의 화학양론적 물 비율이 사용될 때까지 최대 수소 수율이 달성되지 않는다. 많은 과량의 물을 요구하는 것은 알루미늄과 물을 모두 저장하는 폐쇄형 시스템 전력 응용분야에 비현실적이다. 더욱이, 그러한 시스템의 에너지 밀도 및 비에너지(specific energy)는 상당히 감소하며, 그 결과 알루미늄은 덜 실용적인 연료 옵션이 된다.
본 발명자들은 활성화된 알루미늄 조성물을 이온성 염 (예를 들어, NaCl), 수산화물 (예를 들어, NaOH), 및/또는 산 (예를 들어, HCl)의 존재 하에 물과 반응시키면 물 소비도 줄이면서 알루미늄을 활성화하는 데 사용된 활성화 조성물을 회수할 수 있게 하는 직렬 효과를 제공한다는 것을 실현하고 인식하였다. 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 존재 하에 활성화된 알루미늄을 물과 반응시키는 것은 활성화 조성물의 구성요소들이 서로 분리되는 것을 방지하고 활성화 조성물이 다수의 밀도-구동 기계적 공정을 통해 과잉의 반응물 및/또는 다른 반응 생성물로부터 분리될 수 있게 한다. 활성화 조성물은 가격이 비싸고 대량으로 환경에 해로울 수 있으므로, 활성화 조성물을 회수하는 것이 유리하다. 또한, 활성화된 알루미늄과 물의 반응 동안 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 포함시키면 수소 수율을 높일 수 있다. 예를 들어, 본원에 더 자세히 설명된 바와 같이, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 이온성 양이온 및/또는 이온성 음이온 (예를 들어, Na+, Cl-)은 활성화 조성물의 표면에 부착될 수 있다. 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 이온성 양이온 및/또는 음이온은, 활성화 조성물이 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응 후 콜로이드성 조성물을 유지하도록 활성화 조성물의 제타 전위 및/또는 표면 장력에 유리하게 영향을 미칠 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "이온성 염"은 관련 기술분야에서의 일반적인 의미로 주어지며 일반적으로 양이온 및 음이온의 이온성 집합으로 이루어진 화학적 화합물을 지칭한다. 용어 "수산화물"은 또한 관련 기술분야에서의 일반적인 의미로 주어지며 일반적으로 화학식 OH-를 갖는 이원자성 음이온을 포함하는 화학적 화합물을 지칭한다. 일부 실시양태에서, 수산화물은 염기 (예를 들어, 브뢴스테드-로우리(Bronstead-Lowry) 염기와 같이 양성자를 수용할 수 있거나, 루이스 염기와 같이 전자쌍을 공여할 수 있는 화학적 화합물)일 수 있다. 특정 실시양태에서, 수산화물은 이온성 염일 수 있다. 용어 "산"은 또한 관련 기술분야에서의 일반적인 의미로 주어지며 일반적으로 양성자를 공여할 수 있거나 (즉, 브뢴스테드-로우리 산), 전자쌍을 수용할 수 있는 (즉, 루이스 산) 화학적 화합물을 지칭한다. 일부 실시양태에 따르면, 산은 이온성 염일 수 있다.
활성화된 알루미늄 조성물과 물 사이의 반응 후 활성화 조성물을 분리하고/거나 회수하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 실시양태에 따르면, 아래에서 더 자세히 설명된 바와 같이, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 사용은 유리하게는 활성화 조성물이 상 분리되도록 허용하여, 활성화 조성물이 반응물 및 반응 생성물보다 더 조밀하기 때문에 단순한 기계적 분리를 통해 활성화 조성물의 분리 및 회수를 가능하게 한다. 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 이온성 양이온 (예를 들어, Na+) 및/또는 이온성 음이온 (예를 들어, Cl-)와 같은, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 하나 이상의 구성요소는, 활성화 조성물이 알루미늄을 활성화함에 따라, 활성화 조성물의 표면 상에 부착될 수 있고/거나 달리 응집될 수 있다. 활성화 조성물의 표면에 대한 이온성 양이온의 부착은 활성화 조성물의 구성요소의 분리 및/또는 산화를 방지하여, 활성화 조성물의 간단한 기계적 분리를 가능하게 한다.
이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 사용은 또한 수소의 최대 수율에 도달하는 데 필요한 물 소비의 양을 감소시킬 수 있거나, 반대로 주어진 양의 물에 대한 수소 수율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 특정 비-제한적 실시양태에서, 수산화물 (예를 들어, NaOH)이 사용되어 물 반응물의 알칼리도를 증가시켜, 반응 (2)에 도시된 바와 같이 Al(OH)3의 형성을 유리하게 하고, 반응을 완료시킬 수 있다. 반응 (1)에 도시된 바와 같이, AlOOH가 형성되는 특정 실시양태에서, 물은 반응 생성물의 층들 사이에 삽입될 수 있어, 물이 알루미늄 연료에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시양태에서, 활성화 조성물의 별도의 상은 추가적인 상에 분산된 활성화 조성물의 콜로이드성 응집체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 추가적인 상은 1종 이상의 반응 생성물 (예를 들어, 반응 (1) 및 (2)에 도시된 바와 같이 AlO(OH), Al(OH)3), 미반응 물, 및/또는 과잉의 및/또는 남은 이온성 염, 수산화물 및/또는 산 (예를 들어, 물에 용해되고/거나 현탁됨)을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 1종 이상의 반응 생성물의 결정화를 피하면서 1종 이상의 반응 생성물로부터 활성화 조성물의 분리를 용이하게 하기 위해 활성화 조성물 및 1종 이상의 반응 생성물의 혼합물을 겔 상태로 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 활성화 조성물 및 1종 이상의 반응 생성물을 포함하는 혼합물은 겔 상태를 유지하기 위해 다양한 적합한 양 중 임의의 것의 물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 혼합물은 혼합물의 전체 중량에 대하여 1 중량% 이상, 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 또는 20 중량% 이상의 양으로 물을 포함한다. 특정 실시양태에서, 혼합물은 혼합물의 전체 중량에 대하여 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량%, 10 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하의 양으로 물을 포함한다. 상기 언급된 범위들의 조합도 가능하다 (예를 들어, 혼합물은 혼합물의 전체 중량에 대하여 1 중량% 이상 내지 25 중량% 이하의 양으로 물을 포함하고, 혼합물은 습윤된 활성화 조성물의 전체 중량에 대하여 10 중량% 이상 내지 15 중량% 이하의 양으로 물을 포함한다). 다른 범위도 가능하다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 시스템은 활성화 조성물을 1종 이상의 반응 생성물로부터 분리하도록 구성된 분리 메커니즘 (예를 들어, 분리 시스템)을 포함할 수 있다. 다양한 적합한 분리 시스템 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 분리 시스템은 중력-기반 시스템 및/또는 분리 깔때기-기반 시스템이다. 예를 들어, 중력-기반 시스템은, 반응 챔버와 분리 시스템 사이에 계단식(step-wise) 유체 연결부를 포함할 수 있으며, 여기서 반응 챔버의 적어도 일부는 중력의 방향에 대해 분리 시스템보다 더 큰 높이에 위치되어, 활성화 조성물의 별도의 상이 중력의 힘 하에서 분리 시스템으로 수직 하향 유동하게 한다. 일부 실시양태에서, 분리 깔때기가 사용될 수 있는데, 여기서 분리 깔때기는 추가적인 상으로부터 활성화 조성물의 별도의 상을 분리하기 위해 추출을 수행하도록 구성된다. 일부 실시양태에 따르면, 활성화 조성물을 분리하기 위해 전기장이 인가될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 활성화 조성물 및 1종 이상의 반응 생성물에 전기습윤을 실시할 수 있다. 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 활성화 조성물은 이온성 용액의 존재 하에 전자 이중 층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 활성화 조성물은 알칼리성 용액에서 적어도 부분적으로 양으로 하전될 수 있거나 또는 산성 용액에서 적어도 부분적으로 음으로 하전될 수 있다. 일부 이러한 실시양태에서, 활성화 조성물을 분리하기 위해 외부 전기장 (예를 들어, 전기습윤)이 인가될 수 있다.
추가적인 상으로부터 활성화 조성물을 분리한 후, 활성화 조성물은 반응 챔버 및 분리 시스템과 유체 연통하는 회수 챔버로 유동될 수 있다. 일부 실시양태에서, 회수 챔버는 활성화 조성물의 별도의 상을 수용하고 습윤된 활성화된 조성물을 유지하도록 구성된다. 일부 실시양태에 따르면, 활성화 조성물의 하나 이상의 구성요소의 산화 및/또는 분리를 피하기 위해 분리 후 활성화된 조성물을 실질적으로 건조시키는 것을 피하는 것이 유리할 수 있다.
특정 실시양태에서, 시스템의 회수 챔버는 또한 알루미늄-물 반응을 위한 추가적인 알루미늄의 후속 활성화에 사용하기 위해 활성화 조성물을 재활용하도록 구성될 수 있다.
일부 실시양태에 따르면, 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응 후 유리하게는 많은 양의 활성화 조성물이 회수될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응 후 활성화 조성물의 95% 이상, 96% 이상, 97% 이상, 98% 이상, 99% 이상, 또는 99.9% 이상이 회수된다. 일부 실시양태에서, 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응 후 활성화 조성물의 100% 이하, 99.9% 이하, 99% 이하, 98% 이하, 97% 이하, 또는 96% 이하가 회수된다. 상기 언급된 범위들의 조합도 가능하다 (예를 들어, 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응 후 활성화 조성물의 96% 이상 내지 100% 이하가 회수되고, 활성화된 알루미늄과 물 사이의 반응 후 활성화 조성물의 98% 이상 내지 99.9% 이하가 회수된다).
특정 실시양태에 따르면, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 존재 하에 활성화된 알루미늄 조성물을 물과 반응시켜 수소 기체를 생성하는 방법이 본원에 기재된다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 방법은 활성화된 알루미늄 조성물 (예를 들어, 활성화 조성물에 의해 활성화된 알루미늄) 및 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 반응 챔버에 분배하는 것을 포함한다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 활성화된 알루미늄 조성물은 제1 저장소로부터 반응 챔버로 분배될 수 있고, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산은 제2 저장소로부터 반응 챔버로 분배될 수 있다.
일부 실시양태에서, 방법은 알루미늄 및 활성화 조성물을 포함하는 활성화된 알루미늄 조성물을 반응 챔버에서 물 및 이온성 염, 수산화물 및 산의 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 용액과 반응시키는 것을 포함한다. 수소 기체 및 1종 이상의 반응 생성물 (예를 들어, 반응 (1) 및 (2)에 도시된 바와 같이 AlO(OH), Al(OH)3)은 활성화된 알루미늄 조성물과 물 및 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 포함하는 용액의 반응의 결과로서 생성될 수 있다. 수소 기체는 예를 들어 반응 챔버와 유체 연통하는 하나 이상의 기체 배출구를 포함하는 다양한 적합한 수단 중 임의의 것을 통해 반응 챔버로부터 제거될 수 있다. 특정 실시양태에서, 반응으로부터의 발열 열 (예를 들어, 반응 (1) 및 (2)에 도시된 바와 같이 Q1, Q2)은 회수되어 예를 들어 가열 펌프와 같은 하나 이상의 응용분야 및/또는 직접적인 가열 응용분야에 사용될 수 있다.
일부 실시양태에 따르면, 방법은 활성화된 알루미늄 조성물을 물과 반응시킨 후 활성화 조성물을 포함하는 별도의 상을 형성하는 것을 포함한다. 이론에 얽매이기를 바라지 않고 본원에 설명된 바와 같이, 이온성 양이온 (예를 들어, Na+) 및/또는 이온성 음이온 (예를 들어, Cl-)의 활성화 조성물의 표면에의 부착으로 인해 활성화 조성물을 포함하는 별도의 상이 형성된다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 바와 같이, 활성화 조성물의 별도의 상은 이어서 기계적 분리를 통해 1종 이상의 반응 생성물로부터 분리될 수 있다. 특정 실시양태에서, 활성화 조성물의 별도의 상은 이어서 회수 챔버로 유동되며, 여기서 활성화 조성물은 또 다른 알루미늄-물 반응에 사용하기 위해 후속적으로 회수되고/거나 재활용될 수 있다.
이온성 염, 수산화물 및/또는 산은 임의의 바람직한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산은 용액 (예를 들어, 물 또는 수용액)에 용해되고/거나 현탁된다. 다른 실시양태에서, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산은 고체 물질로 제공된다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산은, 물 및 활성화된 알루미늄이 반응할 적절한 반응 챔버에 첨가될 수 있는 분말로 제공될 수 있다.
특정 실시양태에 따르면, 이온성 염은 NaCl, KCl, NaHCO3, MgCl2, CaCl2, 및/또는 Al2(SO4)3를 포함한다. 다른 이온성 염도 가능하다.
일부 실시양태에서, 수산화물은 NaOH, KOH, Ca(OH)2, 및/또는 Mg(OH)2를 포함한다. 다른 수산화물도 가능하다.
특정 실시양태에서, 산은 HCl, H2SO4, 및/또는 CH3COOH를 포함한다. 다른 산도 가능하다.
상기 설명된 바와 같이, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산은 용액 (예를 들어, 물 또는 수용액)에 용해될 수 있다. 이온성 염, 수산화물 및/또는 산은 다양한 적합한 농도 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 용액 (예를 들어, 물 또는 수용액)에 용해된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 농도는 0.1 M 이상, 0.5 M 이상, 1 M 이상, 1.5 M 이상, 2 M 이상, 2.5 M 이상, 3 M 이상, 3.5 M 이상, 4 M 이상, 4.5 M 이상, 5 M 이상, 6 M 이상, 7 M 이상, 8 M 이상, 9 M 이상, 또는 그 이상이다. 특정 실시양태에서, 용액에 용해된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 농도는 용액 중 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 용해도 한계 이하이다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 용액 (예를 들어, 물 또는 수용액)에 용해된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 농도는 10 M 이하, 9 M 이하, 8 M 이하, 7 M 이하, 6 M 이하, 5 M 이하, 4.5 M 이하, 4 M 이하, 3.5 M 이하, 3 M 이하, 2.5 M 이하, 2 M 이하, 1.5 M 이하, 1 M 이하, 0.5 M 이하, 또는 그 이하이다. 상기 언급된 범위들의 조합도 가능하다 (예를 들어, 용액 중 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 농도는 0.1 M 이상 내지 용액 중 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 용해도 한계 이하이고, 용액 중 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 농도는 4 M 이상 내지 6 M 이하이다). 다른 범위도 가능하다.
본원에 기재된 바와 같이, 알루미늄은 활성화 조성물로 활성화될 수 있다. 특정 실시양태에서, 활성화 조성물은 알루미늄의 결정립 경계 및/또는 하위 결정립 경계 내로 침투하여 알루미늄 상에 형성된 산화물 층을 파괴함으로써, 알루미늄과 물 사이의 반응을 용이하게 할 수 있다.
활성화 조성물은 다양한 적합한 물질 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 활성화 조성물은 갈륨 및/또는 인듐을 포함한다. 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 갈륨 및/또는 인듐은 알루미늄의 하나 이상의 결정립 경계 및/또는 하위 결정립 경계를 통해 침투할 수 있다. 활성화 조성물은 공융 조성물일 수 있거나, 또는 예를 들어 갈륨 및 인듐의 공융 조성물을 포함하는 공융 조성물에 가까울 수 있다. 이러한 한 실시양태에서, 활성화 조성물은 갈륨 및 인듐을 포함할 수 있으며, 여기서 활성화 조성물의 일부는 약 70 중량% 내지 80 중량% 갈륨 및 20 중량% 내지 30 중량% 인듐의 조성물을 가질 수 있지만, 다른 중량 백분율도 가능하다.
특정 실시양태에서, 활성화 조성물은 알루미늄과의 합금에 혼입될 수 있다. 금속 합금은 다양한 적합한 양 중 임의의 것으로 임의의 활성화 조성물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 금속 합금은 금속 합금의 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상, 1 중량% 이상, 5 중량% 이상, 15 중량% 이상, 30 중량% 이상, 또는 45 중량% 이상의 활성화 조성물을 포함한다. 특정 실시양태에서, 금속 합금은 금속 합금의 전체 중량을 기준으로 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 20 중량% 이하, 10 중량% 이하, 5 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하의 활성화 조성물을 포함한다. 상기 언급된 범위들의 조합도 가능하다 (예를 들어, 금속 합금은 금속 합금의 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상 내지 50 중량% 이하의 활성화 조성물을 포함하고, 금속 합금은 금속 합금의 전체 중량을 기준으로 1 중량% 이상 내지 10 중량% 이하의 활성화 조성물을 포함한다). 다른 범위도 가능하다.
활성화된 알루미늄은 임의의 바람직한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 활성화된 알루미늄은 슬러리 내에 분산된 복수의 활성화된 알루미늄 입자를 포함하는 슬러리로서 제공된다. 다른 실시양태에서, 활성화된 알루미늄은 고체 형태 (예를 들어, 분말)의 복수의 활성화된 알루미늄 입자로서 제공된다. 활성화된 알루미늄 입자는 구형과 같은 규칙적인 형상일 수도 있거나, 또는 불규칙한 형상의 덩어리일 수도 있다. 활성화된 알루미늄 입자의 크기는 균일할 수 있거나 다양할 수 있다. 대안적으로, 활성화된 알루미늄 입자는 원하는 응용분야를 위한 임의의 적절한 크기 분포를 갖는 분말과 같은 보다 연속적인 형태로 제공될 수 있다.
활성화된 알루미늄 입자는 다양한 적합한 최대 특유의 치수 (예를 들어, 직경, 길이, 높이, 폭) 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 활성화된 알루미늄 입자는 100 마이크로미터 이하, 90 마이크로미터 이하, 80 마이크로미터 이하, 70 마이크로미터 이하, 60 마이크로미터 이하, 50 마이크로미터 이하, 40 마이크로미터 이하, 30 마이크로미터 이하, 20 마이크로미터 이하, 또는 그 이하의 평균 최대 특유의 치수를 갖는다. 특정 실시양태에서, 활성화된 알루미늄 입자는 10 마이크로미터 이상, 20 마이크로미터 이상, 30 마이크로미터 이상, 40 마이크로미터 이상, 50 마이크로미터 이상, 60 마이크로미터 이상, 70 마이크로미터 이상, 80 마이크로미터 이상, 90 마이크로미터 이상, 또는 더 큰 평균 최대 특유의 치수를 갖는다. 상기 언급된 범위들의 조합도 가능하다 (예를 들어, 활성화된 알루미늄 입자는 10 마이크로미터 이상 내지 100 마이크로미터 이하의 평균 최대 특유의 치수를 갖고, 활성화된 알루미늄 입자는 40 마이크로미터 이상 내지 60 마이크로미터 이하의 평균 최대 특유의 치수를 갖는다). 다른 범위도 가능하다.
활성화된 알루미늄이 슬러리로서 제공되는 특정 실시양태에서, 복수의 활성화된 알루미늄 입자는 임의의 적절한 담체 유체에 현탁될 수 있다. 예를 들어, 일부 예에서, 담체 유체는 전단 담화 유체일 수 있지만, 본 개시내용은 전단 담화 유체를 사용하는 것에만 제한되지는 않는다. 본원에서 사용된 바와 같이, 구절 "전단 담화 유체"는 관련 기술분야에서의 일반적인 의미로 주어지며 일반적으로 전단 변형 하에서 점도가 감소하는 유체를 지칭한다. 다양한 적합한 전단 담화 유체 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 담체 유체는 미네랄 오일, 카놀라 오일, 및/또는 올리브 오일과 같은 오일을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 담체 유체는 그리스, 알콜, 또는 물 반응성 입자를 담체 유체에 현탁시킬 수 있는 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 담체 유체는 흄드 실리카 증점제, 또는 다른 적절한 증점제를 포함한다.
슬러리는 중량 기준으로 담체 유체에 대한 활성화된 알루미늄 입자의 임의의 적절한 비율을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 슬러리 중 담체 유체에 대한 활성화된 알루미늄 입자의 비율은 슬러리의 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 활성화된 알루미늄 입자 대 유체 담체의 중량비가 90:10인 슬러리는 페이스트로 특징화될 수 있는 반면, 50:50 비율의 슬러리는 보다 쉽게 유동할 수 있다. 일부 응용분야에서는, 활성화된 알루미늄 입자 대 유체 담체의 비율이 10:90만큼 낮은 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 활성화된 알루미늄 입자 대 유체 담체의 중량비는 약 10:90 내지 90:10일 수 있지만, 상기 언급된 것보다 더 크거나 작은 다른 적절한 범위도 고려된다. 일부 실시양태에서, 슬러리는 콜로이드 밀에서 생성될 수 있지만, 본 개시내용은 이와 관련하여 제한되지 않으므로 임의의 적절한 밀링 및/또는 혼합 공정을 사용하여 슬러리를 생성하는 다른 방법도 고려된다.
일부 실시양태에서, 액체 연료 공급원으로서 슬러리의 사용은 고체 연료 공급원 (예를 들어, 벌크 알루미늄 금속)과 비교하여 더 높은 포장 분율, 저장 용이성 (예를 들어, 복잡한 형상을 갖는 물품 및/또는 용기 내), 낮은 손실로 액체 연료 공급원을 펌핑하는 능력, 및/또는 더 높은 저장 안정성을 포함하는 상당한 이점을 제공한다. 특정 실시양태에서, 슬러리는 물 및 담체 유체로 분산된 물 반응성 입자 사이의 더 큰 표면 영역 접촉으로 인해 거의 즉각적으로 물과 반응하여, 이에 따라 더 높은 반응 속도 (고체 연료 공급원을 사용하는 것과 비교하여) 및 제어된 수소 유동 속도를 제공할 수 있다. 액체 연료 공급원과 물 사이의 반응은 또한 두 반응물 스트림이 서로 혼합되는 것을 단순히 방지함으로써 신속하게 중단될 수도 있다.
도면으로 돌아가서, 특정한 비-제한적 실시양태가 더 자세히 기재된다. 본 개시내용은 본원에 기재된 특정 실시양태에만 제한되지 않으므로 이러한 실시양태와 관련하여 기재된 다양한 시스템, 구성요소, 특색, 및 방법은 개별적으로 및/또는 임의의 원하는 조합으로 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 및 반응 챔버(106)를 포함하는 시스템(100)의 개략적인 상면도를 도시한다. 도 1b는 도 1a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시한다. 도 1a-1b에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 연결부(101) (예를 들어, 제1 저장소(102) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101a) 및 제2 저장소(104) 및 반응 챔버(106)을 연결하는 연결부(101b))를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 따르면, 제1 저장소(102)는 활성화된 알루미늄 조성물을 함유하도록 구성된다. 특정 실시양태에서, 본원에 기재된 바와 같이, 활성화된 알루미늄 조성물은 알루미늄 및 활성화 조성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 활성화된 알루미늄 조성물은 슬러리 내에 분산된 복수의 활성화된 알루미늄 입자를 포함하는 슬러리를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 저장소(102)는 활성화된 알루미늄 조성물을 반응 챔버(106)로 분배하도록 구성된다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 활성화된 알루미늄 조성물은 연결부(101a)를 통해 제1 저장소(102)에서 반응 챔버(106)로 유동할 수 있다. 활성화된 알루미늄이 어떤 형태로 제공되는지에 따라, 연결부(101a), 및/또는 본원에 기재된 임의의 다른 연결부는 하나 이상의 밸브, 댐퍼, 펌프, 다른 작동식 유압 장치, 컨베이어, 스쿠프-기반 분배 시스템, 및/또는 제1 저장소 또는 챔버 내에 함유된 물질의 원하는 양을 시스템의 또 다른 저장소 또는 챔버에 분배할 수 있는 임의의 다른 적절한 유형의 구성을 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 제2 저장소(104)는 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 함유하도록 구성된다. 일부 실시양태에서, 제2 저장소(104)는 물 및 물에 용해되고/거나 현탁된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 포함하는 용액을 함유하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 물 및 이온성 염을 포함하는 용액은 농축된 해수일 수 있다. 아래에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 제2 저장소(104)는 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 고체 형태 (예를 들어, 분말)로 함유하도록 구성될 수 있고, 고체 물질은 제2 저장소(104)에서 및/또는 반응 챔버(106)에서 수화될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제2 저장소(104)는 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 반응 챔버(106)로 분배하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산 (예를 들어, 물 및 물에 용해되고/거나 현탁된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 포함하는 용액)은 연결부(101b)를 통해 제2 저장소(104)에서 반응 챔버(106)로 유동할 수 있다. 다른 실시양태에서, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산은 제2 저장소(104)에서 반응 챔버(106)로 고체 형태 (예를 들어, 분말)로 분배될 수 있다. 특정 실시양태에 따르면, 활성화된 알루미늄과 반응하는 데 사용되는 물은 반응 챔버에 존재할 수 있고/거나 임의의 원하는 농도로 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 함유하는 용액으로서 반응 챔버에 존재할 수 있고/거나 제2 저장소(104)로부터 분배될 수 있다.
도 2a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 제3 저장소(105), 및 반응 챔버(106)을 포함하는 시스템(200)의 개략적인 상면도를 도시한다. 도 2b는 도 2a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시한다. 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 및 반응 챔버(106)는 도 1a-1b에 관하여 상기 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 도 2a-2b에 도시된 바와 같이 연결부(101) (예를 들어, 제1 저장소(102) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101a), 제2 저장소(104) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101b), 제3 저장소(105) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101c), 및 제3 저장소(105) 및 제2 저장소(104)를 연결하는 연결부(101f))는 상기 기재된 연결부 중 임의의 것일 수 있다.
특정 실시양태에서, 시스템은 활성화된 알루미늄과 반응하는 데 사용되는 별도의 부피의 물을 함유하도록 구성될 수 있는 제3 저장소(105)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제3 저장소(105)는 물을 반응 챔버(106)에 분배하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 물은 연결부(101c)를 통해 제3 저장소(105)에서 반응 챔버(106)로 유동할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제3 저장소(105)에서 반응 챔버(106)로 분배되는 물은 물 및 제2 저장소(104)에서 반응 챔버(106)로 분배된 물에 용해되고/거나 현탁된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 포함하는 용액으로부터의 물에 추가될 수 있다.
일부 실시양태에 따르면, 제3 저장소(105)는 또한 물을 제2 저장소(104)로 분배하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 물은 연결부(101f)를 통해 제3 저장소(105)에서 제2 저장소(104)로 유동할 수 있다. 이러한 일부 실시양태에서, 물은 제2 저장소(104)에 함유된 고체 형태의 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 용해할 수 있다. 그러나, 물을 제2 저장소에 제공하기 위해 물의 별도의 공급원이 사용되는 실시양태도 고려된다.
본원에 기재된 다양한 실시양태에서, 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 및/또는 제3 저장소(105)는 원하는 응용분야에 따라 다양한 적합한 형상, 크기, 및/또는 부피 중 임의의 것을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1a-1b에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 반응 챔버(106)을 포함한다. 상기 설명된 바와 같이, 반응 챔버(106)는 제1 저장소(102) (예를 들어, 연결부(101a)를 통해) 및 제2 저장소(104) (예를 들어, 연결부(101b)를 통해)와 유체 연통한다. 도 2a-2b에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(106)는 제3 저장소(105) (예를 들어, 연결부(101c)를 통해)와 유체 연통한다.
반응 챔버(106)에 물질을 제공하기 위한 특정 구성에 관계없이, 반응 챔버(106)는 활성화된 알루미늄 조성물 (예를 들어, 제1 저장소(102)에서 분배됨)이 이온성 염, 수산화물 및/또는 산 (예를 들어, 제2 저장소(104)에서 분배됨)의 존재 하에 반응 챔버(106)에서 물과 반응하여 수소 기체 및 1종 이상의 반응 생성물을 생성하도록 구성될 수 있다.
일부 실시양태에 따르면, 제2 저장소(104)에서 반응 챔버(106)로 분배되는 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 양은 활성화된 알루미늄 조성물이 반응 챔버(106)에서 물과 반응한 후 활성화 조성물이 별도의 상을 형성하게 하기에 적어도 충분한 양이다. 이론에 얽매이기를 바라지 않고 본원에 설명된 바와 같이, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 이온성 양이온 (예를 들어, Na+) 및/또는 이온성 음이온 (예를 들어, Cl-)은 활성화 조성물이 알루미늄을 활성화함에 따라 활성화 조성물의 표면 상에 부착될 수 있고/거나 응집될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이온성 양이온 및/또는 이온성 음이온의 부착 및/또는 응집은 활성화 조성물의 구성요소가 분리되거나 산화되는 것을 방지하여, 물과의 반응에 의해 알루미늄이 소비된 후 활성화 조성물이 하나 이상의 별도의 상을 형성하게 된다. 일부 실시양태에 따르면, 활성화 조성물은 1종 이상의 추가적인 물질로부터 추가로 분리될 수 있는 물질의 하나 이상의 거대 크기 비드를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 1b를 참조하면, 활성화된 알루미늄 조성물이 물과 반응한 후, 반응 챔버(106)는 활성화 조성물의 별도의 상(152) 및 추가적인 상(150)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 추가적인 상(150)은 다음 구성요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 1종 이상의 반응 생성물 (예를 들어, 반응 (1) 및 (2)에 도시된 바와 같이 AlO(OH), Al(OH)3), 미반응 물, 및/또는 과잉의 및/또는 남은 이온성 염, 수산화물 및/또는 산 (예를 들어, 물에 용해되고/거나 현탁됨).
특정 실시양태에서, 활성화 조성물(152)의 별도의 상은 중력 방향(175)에 대해 반응 챔버(106)의 저부로 유리하게는 하향 유동할 수 있다. 이론에 얽매이기를 바라지 않고, 활성화 조성물의 별도의 상(152)의 하나 이상의 구성요소 (예를 들어, 갈륨 및/또는 인듐)의 분자량은 추가적인 상(150)의 구성요소의 각각의 분자량보다 크다. 따라서, 추가적인 상(150)보다 무거운 활성화 조성물의 별도의 상(152)은 추가적인 상(150)으로부터 유리하게는 쉽게 분리가능하다.
도 3a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 반응 챔버(106), 및 분리 시스템(108)을 포함하는 시스템(300)의 개략적인 상면도를 도시한다. 도 3b는 도 3a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시한다. 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 및 반응 챔버(106)는 도 1a-1b와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 도 3a-3b에 도시된 바와 같은 연결부(101) (예를 들어, 제1 저장소(102) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101a), 제2 저장소(104) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101b), 및 반응 챔버(106) 및 분리 시스템(108)을 연결하는 연결부(101d))는 상기 기재된 연결부 중 임의의 것일 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 분리 시스템(108)은 다양한 적합한 분리 메커니즘 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서 그리고 도 3b에 도시된 바와 같이, 분리 시스템(108)은 중력-기반 분리 시스템을 포함한다. 예를 들어, 도 3b를 참조하면, 활성화 조성물의 별도의 상(152)은 연결부(101d)를 통해 분리 시스템(108)으로 중력(175)에 대해 하향 방향으로 유동함으로써 추가적인 상(150)으로부터 분리될 수 있다. 특정 실시양태에서, 연결부(101d)로 이어지는 반응 챔버(106)의 배출구 포트는, 반응물 및/또는 반응 생성물이 반응 후 및/또는 반응 동안 위치될 것으로 예상되는 높이 아래의 반응 챔버(106)의 부분에 위치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 연결부(101d)로부터 이어지는 분리 시스템(108)의 유입구 포트는 활성화 조성물의 별도의 상(152)의 분리를 위한 임계 높이에서 또는 그 아래의 유사한 높이에 상응하게 위치될 수 있다. 특정 실시양태에 따르면, 분리 시스템(108)은 중력(175)에 대해 하향 방향으로 반응 챔버(106) 아래에 위치된다. 본원에 설명된 바와 같이, 분리 깔대기-기반 시스템과 같은 다른 분리 시스템 또는 외부 전기장의 인가도 사용될 수 있지만, 본 개시내용은 이와 관련하여 제한되는 것을 의미하지 않는다.
도 4a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 하나 이상의 프로세서(110), 반응 챔버(106), 및 분리 시스템(108)을 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시한다. 도 4b는 도 4a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시한다. 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 및 반응 챔버(106)는 도 1a-1b와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 분리 시스템(108)은 도 3a-3b와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 도 4a-4b에 도시된 바와 같은 연결부(101) (예를 들어, 제1 저장소(102) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101a), 제2 저장소(104) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101b), 및 반응 챔버(106) 및 분리 시스템(108)을 연결하는 연결부(101d))는 상기 기재된 연결부 중 임의의 것일 수 있다.
일부 실시양태에서, 하나 이상의 프로세서 (예를 들어, 프로세서(110a) 및 프로세서(110b))는 실행될 때 반응 챔버(106)로 진입하는 제1 저장소(102)로부터의 활성화된 알루미늄 조성물의 양 및/또는 제2 저장소(104)로부터의 이온성 염, 수산화물 및/또는 산 (예를 들어, 물 및 물에 용해되고/거나 현탁된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 포함하는 용액) 뿐만 아니라 시스템의 임의의 다른 저장소로부터의 임의의 다른 적절한 물질의 양을 제어하도록 구성된 지시를 실행가능한 프로세서를 포함하는 상응하는 메모리와 연관된다. 특정 실시양태에서, 하나 이상의 프로세서는 이들의 각각의 저장소로부터 반응 챔버로 진입하는 물질의 양에 더하여 물질의 유동 속도를 제어할 수 있다.
실시양태에 따라, 하나 이상의 프로세서는, 예를 들어 하나 이상의 펌프 (예를 들어, 진공 펌프), 밸브, 컨베이어 시스템을 포함하는 상응하는 저장소로부터 반응 챔버로 물질을 분배하기 위한 임의의 적절한 분배 시스템, 및/또는 이전에 기재된 바와 같은 임의의 다른 적절한 분배 시스템을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 프로세서(110a)는 제1 저장소(102)와 연관될 수 있고 (예를 들어, 반응 챔버(106)로 진입하는 활성화된 알루미늄 조성물의 양 및/또는 유동 속도를 제어하기 위해), 프로세서(110b)는 제2 저장소(104)와 연관될 수 있다 (예를 들어, 반응 챔버(106)로 진입하는 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 양 및/또는 유동 속도를 제어하기 위해). 도면에 도시되지는 않았지만, 프로세서는 또한 예를 들어 제3 저장소(105)에서 반응 챔버(106)로 진입하는 물의 양 및/또는 유동 속도를 제어하기 위해 제3 저장소(105)와 연관될 수 있다.
도 5a는, 특정 실시양태에 따른, 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 하나 이상의 프로세서(110), 반응 챔버(106), 분리 시스템(108), 및 회수 챔버(112)를 포함하는 시스템의 개략적인 상면도를 도시한다. 도 5b는 도 5a의 시스템의 개략적인 측면도를 도시한다. 제1 저장소(102), 제2 저장소(104), 및 반응 챔버(106)는 도 1a-1b와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 분리 시스템(108)은 도 3a-3b와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 하나 이상의 프로세서(110)는 도 4a-4b와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 도 5a-5b에 도시된 바와 같은 연결부(101) (예를 들어, 제1 저장소(102) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101a), 제2 저장소(104) 및 반응 챔버(106)를 연결하는 연결부(101b), 반응 챔버(106) 및 분리 시스템(108)을 연결하는 연결부(101d), 분리 시스템(108) 및 회수 챔버(112)를 연결하는 연결부(101e), 및 회수 챔버(112) 및 제1 저장소(102)를 연결하는 연결부(101g))는 상기 기재된 연결부 중 임의의 것일 수 있다.
일부 실시양태에서, 회수 챔버(112)는 반응 챔버(106)로부터 활성화 조성물의 별도의 상(152)을 수용하도록 구성된다. 특정 실시양태에서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 분리 시스템(108)을 통해 다른 상(150)으로부터 분리된 활성화 조성물의 별도의 상(152)은 연결부(101e)를 통해 분리 시스템(108)에서 회수 챔버(112)로 유동할 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성화 조성물의 별도의 상(152)을 회수한 후, 활성화 조성물은 연결부(101g)를 통해 제1 저장소(102)로 재활용되어, 활성화된 알루미늄과 물 사이의 후속 반응을 위해 더 많은 알루미늄을 활성화하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 회수 챔버(112)는 또한 추가적인 상(150)의 하나 이상의 구성요소 (예를 들어, 1종 이상의 반응 생성물, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산)를 수용하도록 구성될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 시스템은 별도의 물질을 수용하도록 각각 구성된 복수의 회수 챔버, 예를 들어 활성화 조성물의 별도의 상(152)을 수용하도록 구성된 제1 회수 챔버, 1종 이상의 반응 생성물 (예를 들어 반응 (1) 및 (2)에 도시된 바와 같은 AlO(OH), Al(OH)3)을 수용하도록 구성된 제2 회수 챔버, 및 과잉의 및/또는 남은 이온성 염, 수산화물 및 산 (예를 들어, 물에 용해되고/거나 현탁됨)을 수용하도록 구성된 제3 회수 챔버를 포함할 수 있다.
아래 실시예는 본 개시내용의 특정 실시양태를 예시하기 위한 것이지만, 본 개시내용의 전체 범주를 예시하는 것은 아니다.
실시예 1
아래 실시예에는 액체 금속 합금으로서 활성화 갈륨-인듐 합금의 기계적인 회수를 가능하게 하기 위해 알루미늄-물 반응 환경에 다양한 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 첨가하는 것의 효능이 기재되어 있다. NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2, 및 NaHCO3를 포함하는 염을 미리 탈이온수에 0.1 M 내지 5 M 범위의 몰 농도로 0.2 M 단위로 용해시켜 다양한 이온성 수용액을 제조하였다. 각각의 용액은 단일 염 종을 함유하도록 제조하였다. 이온성 염 및 농도의 각각의 조합에 대해, 갈륨-인듐-활성화된 알루미늄 0.3 g을 100 mL 삼각 플라스크(Erlenmeyer flask) 내 용액 10 mL에서 반응시켰다. 플라스크의 상단 개구부를, 직경 3 mm의 작은 개구부를 제외하고 덮어, 수소가 빠져나가게 하고 동시에 플라스크 내 물의 증발 속도를 늦출 수 있었다. 모든 반응은 초기 온도 20℃ 및 압력 1 atm에서 각각 수행하였다. 상기 열거된 염 및 농도의 모든 조합에서, 각각의 플라스크의 저부에서 용액으로부터 액체 갈륨-인듐이 생기는 것으로 관찰되었다. 각각의 경우에, 알루미늄-물 반응의 완료 후 액체 금속 합금을 수집하였고, 최소 48시간 동안 탈이온수에 담그고, 건조시키고, 칭량하였다. 각각의 시도에 대해, 수집된 공융의 양을 알루미늄 함량이 공지된 처리된 알루미늄의 초기 질량과 비교하여, 갈륨-인듐 회수 분율의 계산이 가능하였다. 모든 경우에, 계산된 회수 분율은 1 (즉, 활성화 화합물의 완전한 회수)의 오차 막대 (±0.05) 내에 있었다.
한 시도에서, 3g의 활성화된 알루미늄을 20 mL의 3.9 M NaCl 용액에서 반응시켰으며, 그 외에는 이전에 열거된 실험과 유사한 조건이었다. 48시간 후, 주사기를 사용하여 액체 금속을 벌크 용액으로부터 물리적으로 분리하고 추가 48시간 동안 탈이온수에 담갔다. 액체 금속을 건조하고 칭량하였으며, 최종 보고된 질량은 예상 0.248 g 중 0.247 g이었으며, 그 결과 회수 분율은 0.996 ± 0.008이었다.
이 접근법의 효능은 또한 초기 pH가 7이 아닌 이온성 용액에서도 입증되었다. 먼저, 10 mL의 0.1 M NaOH 용액 (pH 13)을 제조하였고 100 mL 삼각 플라스크에서 0.3 g의 활성화된 알루미늄과 반응시켰으며 그 외에는 상기 논의한 실험과 유사한 조건이었다. 도 7에 도시된 바와 같이, 반응이 완료됨에 따라, 액체 금속이 반응 생성물로부터 생겨 기계적으로 분리 가능한 비드로 합쳐졌으며, 이의 최후 질량 및 회수율은 1의 오차 막대 (±0.05) 이내인 것으로 측정되었다. 1 M HCl 용액 (pH 0)을 사용하여 유사한 실험을 수행하여, 기계적으로-분리 가능한 액체 금속 합금으로서 활성화 갈륨 및 인듐이 - 오차 막대 (±0.05) 내에서 - 다시 완전히 회수되었다.
별도의 시도에서, 다양한 농도로 NaOH 용액을 수반하는 반응에 대해 수소의 양을 측정하였다. 이 경우 알루미늄-물 반응은 반응이 등색적으로 (즉, 일정한 부피) 완료되도록 동봉된 반응 챔버에서 수행하였다. 챔버 내의 압력 및 온도를 반응 전반에 걸쳐 측정하였으며 챔버에 존재하는 수소의 양을 계산하는 데 사용하였다. 한 세트의 시도에서, 반응 용액의 부피는 5 mL로 일정하게 유지하였고, 반응된 활성화된 알루미늄의 질량도 0.9 g으로 일정하게 유지하였다. 입력 수용액의 이온 강도 - 및 따라서 pH -만 NaOH의 농도에 따라 달라졌다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이온 강도를 증가시키면 동일한 부피의 물에 대해 생성되는 수소의 양이 증가하는 추가 이점이 있다. 반응성은, 반응으로부터 측정된 수소를 반응 챔버에 도입된 알루미늄의 양에 대한 이론적인 화학량론적 수소 수율로 나눈 비율로 얻는다. NaOH는 도 8에 요약된 프로세스를 사용하여 관찰된 현상을 사용하는 시스템으로부터 재생될 수 있다.
갈륨-인듐 합금 회수에서 이온 강도의 중요성은 이온성 수용액 중 반응 생성물을 동등한 용질 농도의 비-이온성 수용액과 비교함으로써 입증되었다. 구체적으로, 0.3 g의 활성화된 알루미늄 펠릿을 10 mL의 다음 수용액과 개별적으로 반응시키는 실험을 수행하였다: 탈이온수 (pH 7), 3 M 글루코오스 용액, 3 M 수크로오스 용액, 3 M NaCl, 및 3 M KCl. 탈이온수, 3 M 글루코오스 용액, 및 3 M 수크로오스 용액과의 반응에서 - 용질이 이온으로 해리되지 않아 이온 강도가 모두 0임 - 액체 갈륨-인듐 합금이 관찰되지 않았거나 반응이 완료된 후 추출될 수 없었다. 3 M NaCl 및 3 M KCl 용액 - 두 용액 모두 3 M에 해당하는 이온 강도를 가짐 - 과의 반응에서 액체 갈륨-인듐 합금은 오차 막대 (±0.05) 내에서 1에 해당하는 회수 분율로 회수되었다.
마지막으로, 비-이온성 초기 반응 조건 하에 (즉, 초기에 pH 7에서 탈이온수와 반응한 활성화된 알루미늄), 인듐은 반응 과정에 걸쳐 초기 갈륨-인듐 합금으로부터 탈합금(dealloy)하여, 0.1-10 마이크로미터 범위의 평균 특유의 직경을 갖는 고체 인듐 응집체의 형성을 유도할 수 있다는 것이 보여졌다. 도 10a는 응집체의 SEM 이미지를 도시하고 도 10b는 높은 인듐 농도를 보여주는 동일한 샘플의 ZAF-보정된 EDS 원자 맵을 도시한다. 이러한 인듐 응집체는 벌크 반응 생성물에서 이동성이 제한되어 있어, 이들을 기계적 수단을 사용하여 분리하기 어렵게 한다. 본원에 논의된 방법은 이러한 탈합금이 발생하는 것을 방지하고 갈륨-인듐 합금이 반응 내내 액체로 유지되게 하여 반응이 완료되면 쉽게 분리가능하게 한다. 도 9a는 갈륨-인듐 합금이 액상으로 존재함을 나타내는, 이온 강도가 0.1 M인 NaOH 용액 중 활성화된 알루미늄-물 반응의 부산물의 SEM 이미지를 도시한다. 동일한 샘플에 대한 도 9b의 ZAF-보정된 EDS 원자 맵은 알루미늄 샘플을 처리하기 위해 초기에 사용된 갈륨-인듐 합금의 원래 조성과 일치하는 비율로 갈륨 및 인듐이 액체 응집체에 존재함을 나타낸다.
본원에 기재된 실시양태는 실시예가 제공한 방법으로 구현될 수 있다. 방법의 일부로 수행되는 작업은 임의의 적합한 방식으로 배열될 수 있다. 따라서, 실시양태는, 예시적인 실시양태에서는 순차적 작업으로 도시되었더라도, 일부 작업을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과 다른 순서로 작업이 수행되도록 구성될 수 있다.
또한 일부 작업은 "사용자"가 얻는 것으로 기재된다. "사용자"는, 일부 실시양태에서, 단일 개인일 필요는 없으며 "사용자"에게 귀속되는 작업은 개인들의 팀에 의해 및/또는 개인이 컴퓨터-보조 도구 또는 다른 메커니즘과 조합하여 수행될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
본 개시내용의 몇몇 실시양태가 본원에 기재되고 예시되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 기능을 수행하고/거나 본원에 기재된 결과 및/또는 하나 이상의 이점을 수득하기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이고, 각각의 이러한 변동 및/또는 변형은 본 개시내용의 범주 내인 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 관련 기술분야의 기술자는 본원에 기재된 모든 파라미터, 치수, 물질, 및 구성이 예시적인 것으로 의도된다는 것과 실제 파라미터, 치수, 물질 및/또는 구성은 본 개시내용의 교시가 사용되는 특정 응용분야 또는 응용분야들에 의존적일 것임을 쉽게 인지할 것이다. 관련 기술분야의 기술자는 본원에 기재된 개시내용의 구체적인 실시양태에 대한 다수의 등가물을 인식하거나, 또는 일상적일 뿐인 실험을 사용하여 이를 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 상기 실시양태가 예로서만 제시된다는 것과 첨부된 청구범위 및 그의 등가물의 범주 내에서, 본 개시내용이 구체적으로 기재되고 청구된 바와 다른 방식으로 실행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 개시내용은 본원에 기재된 각각의 개별적인 특색, 시스템, 물품, 물질, 및/또는 방법에 관한 것이다. 추가적으로, 2개 이상의 이러한 특색, 시스템, 물품, 물질, 및/또는 방법의 임의의 조합이, 이러한 특색, 시스템, 물품, 물질, 및/또는 방법이 서로 모순되지 않는다면, 본 개시내용의 범주 내에 포함된다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은 단수형은, 명확하게 달리 나타내지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은 구절 "및/또는"은 이렇게 연결된 요소들, 즉, 일부 경우에는 공동으로 존재하고, 다른 경우에는 분리되어 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 명확하게 달리 나타내지 않는 한, 구체적으로 확인되는 요소와 관련되는지 또는 관련되지 않는지와 관계 없이 "및/또는" 문구에 의해 구체적으로 확인되는 요소 이외에 다른 요소가 임의적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비-제한적 예로서, 개방형 언어, 예컨대 "포함하는"과 함께 사용되는 경우에 "A 및/또는 B"를 언급하는 것은, 한 실시양태에서는 B가 없는 A (B 이외의 요소를 임의적으로 포함함); 또 다른 실시양태에서는 A가 없는 B (A 이외의 요소를 임의적으로 포함함); 또 다른 실시양태에서는 A 및 B 둘 다 (다른 요소를 임의적으로 포함함) 등을 지칭할 수 있다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, "또는"은 상기 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록 내의 항목을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉 다수의 요소 또는 요소 목록 중 적어도 하나, 및 임의적으로는 추가적인 열거되지 않은 항목을 포함할 뿐만 아니라, 하나 초과를 또한 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 명확하게 달리 나타낸 항목, 예컨대 "오직 하나의" 또는 "정확하게 하나의" 또는 청구범위에서 사용되는 경우에 "로 이루어진"만 다수의 요소 또는 요소 목록 중 정확하게 하나의 요소를 포함한다는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에 사용된 바와 같은 용어 "또는"은 배타성의 용어, 예컨대 "어느 하나", "하나의", "오직 하나의", 또는 "정확하게 하나의"가 선행하는 경우에 배타적인 양자택일 (즉, "하나 또는 다른 하나이지만, 둘 다는 아님")을 나타내는 것으로 해석되어야만 한다. 청구범위에서 사용된 경우의 "로 본질적으로 이루어진"은 특허법 분야에서 사용되는 바와 같은 그의 일반적인 의미를 가져야 한다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록과 관련된 구절 "적어도 하나"는 요소 목록 내의 요소 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소 목록 내에 구체적으로 열거된 적어도 하나의 각각의 모든 요소를 반드시 포함하지는 않고, 요소 목록 내의 요소의 임의의 조합을 배제하지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 정의는 구절 "적어도 하나"가 지칭하는 요소들의 목록 내에서 구체적으로 확인되는 요소 이외에, 구체적으로 확인되는 이러한 요소와 관련되는지 또는 관련되지 않는지와 관계 없이, 요소가 임의적으로 존재할 수 있는 것을 또한 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나" (또는, 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는, 등가적으로 "A 및/또는 B" 중 적어도 하나)는 한 실시양태에서는 B가 존재하지 않는, 적어도 하나이고, 임의적으로는 1개 초과를 포함하는 A (그리고 B 이외의 요소를 임의적으로 포함함); 또 다른 실시양태에서는 A가 존재하지 않는, 적어도 하나이고, 임의적으로는 1개 초과를 포함하는 B (그리고 A 이외의 요소를 임의적으로 포함함); 또 다른 실시양태에서는 적어도 하나이고, 임의적으로는 1개 초과를 포함하는 A 및 적어도 하나이고, 임의적으로는 1개 초과를 포함하는 B (그리고 다른 요소를 임의적으로 포함함) 등을 지칭할 수 있다.
청구범위, 뿐만 아니라 상기 명세서에서, 모든 연결구, 예컨대 "포함하는", "포괄하는" "지니는", "갖는", "함유하는", "수반하는", "보유하는" 등은 개방형인 것으로, 즉 포함하지만 제한되지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허청 특허 심사 절차 편람의 섹션 2111.03에 기재된 바와 같이, 연결구 "로 이루어진" 및 "로 본질적으로 이루어진"만 각각 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 연결구이어야 한다.
Claims (35)
- 하기를 포함하는, 수소 기체를 생성하는 방법:
알루미늄 및 활성화 조성물을 포함하는 활성화된 알루미늄 조성물을 반응 챔버에서 물 및 이온성 염, 수산화물 및 산의 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 용액과 반응시켜 수소 기체 및 1종 이상의 반응 생성물을 생성하는 것; 및
활성화된 알루미늄을 물과 반응시킨 후 활성화 조성물을 포함하는 별도의 상을 형성하는 것. - 제1항에 있어서, 활성화된 알루미늄을, 반응시키기 전에 제1 저장소로부터 반응 챔버로 분배하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 이온성 염, 수산화물 또는 산을, 반응시키기 전에 제2 저장소로부터 반응 챔버로 분배하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 물을, 반응시키기 전에 제3 저장소로부터 반응 챔버로 분배하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 활성화 조성물이 갈륨 및/또는 인듐을 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 용액이 이온성 염을 포함하는 것인 방법.
- 제6항에 있어서, 이온성 염이 NaCl, KCl, NaHCO3, MgCl2, 및/또는 CaCl2를 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 용액이 수산화물을 포함하는 것인 방법.
- 제8항에 있어서, 수산화물이 NaOH, KOH, Ca(OH)2, 및/또는 Mg(OH)2를 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 용액이 산을 포함하는 것인 방법.
- 제10항에 있어서, 산이 HCl, H2SO4, 및/또는 CH3OOH를 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 용액 중 이온성 염, 수산화물 또는 산의 농도가 0.1 M 이상 내지 용액 중 이온성 염, 수산화물 또는 산의 용해도 한계 이하인 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 활성화된 알루미늄을 물과 반응시킨 후 습윤된 활성화 조성물을 유지하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 활성화 조성물의 별도의 상을 형성하는 것이, 활성화된 알루미늄 및 물의 1종 이상의 반응 생성물로부터 활성화 조성물을 분리하는 것을 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 활성화 조성물을 포함하는 별도의 상을 반응 챔버로부터 회수 챔버로 유동시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 하기를 포함하는 시스템:
알루미늄 및 활성화 조성물을 포함하는 활성화된 알루미늄 조성물을 함유하도록 구성된 제1 저장소;
이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 함유하도록 구성된 제2 저장소; 및
제1 저장소 및 제2 저장소와 유체 연통하는 반응 챔버, 여기서 제1 저장소는 활성화된 알루미늄을 반응 챔버로 분배하도록 구성되고, 여기서 제2 저장소는 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 반응 챔버로 분배하도록 구성되며, 여기서 반응 챔버는 활성화된 알루미늄이 반응 챔버에서 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 존재 하에 물과 반응하여 수소 기체 및 1종 이상의 반응 생성물을 생성하도록 구성된 것임. - 제16항에 있어서, 제2 저장소가, 활성화된 알루미늄이 물과 반응한 후 활성화 조성물이 별도의 상을 형성하도록 하기에 충분한 양으로 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 반응 챔버로 분배하도록 구성된 것인 시스템.
- 제16항 또는 제17항에 있어서, 활성화 조성물을 1종 이상의 반응 생성물로부터 분리하도록 구성된 분리 시스템을 추가로 포함하는 시스템.
- 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 챔버와 유체 연통하는 회수 챔버를 추가로 포함하며, 여기서 회수 챔버는 반응 챔버로부터 활성화 조성물의 별도의 상을 수용하도록 구성된 것인 시스템.
- 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 물을 함유하도록 구성된 제3 저장소를 추가로 포함하며, 여기서 제3 저장소는 물을 반응 챔버로 분배하도록 구성된 것인 시스템.
- 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산이 물에 용해되는 것인 시스템.
- 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 활성화 조성물이 갈륨 및/또는 인듐을 포함하는 것인 시스템.
- 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 저장소에 배치된 이온성 염을 추가로 포함하는 시스템.
- 제23항에 있어서, 이온성 염이 NaCl, KCl, NaHCO3, MgCl2, 및/또는 CaCl2를 포함하는 것인 시스템.
- 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 저장소에 배치된 수산화물을 추가로 포함하는 시스템.
- 제25항에 있어서, 수산화물이 NaOH, KOH, Ca(OH)2, 및/또는 Mg(OH)2를 포함하는 것인 시스템.
- 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 저장소에 배치된 산을 추가로 포함하는 시스템.
- 제27항에 있어서, 산이 HCl, H2SO4, 및/또는 CH3COOH를 포함하는 것인 시스템.
- 제16항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 챔버로 진입하는 활성화된 알루미늄, 이온성 염, 수산화물 및/또는 산, 및/또는 물의 양을 제어하도록 구성된 하나 이상의 프로세서를 추가로 포함하는 시스템.
- 제21항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 물에 용해된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 농도가 0.1 M 이상 내지 물 중 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 용해도 한계 이하인 시스템.
- 하기를 포함하는 시스템:
알루미늄 및 활성화 조성물을 포함하는 활성화된 알루미늄 조성물을 함유하도록 구성된 제1 저장소;
물 및 물에 용해된 이온성 염, 수산화물 및/또는 산을 포함하는 용액을 함유하도록 구성된 제2 저장소;
제1 저장소 및 제2 저장소와 유체 연통하는 반응 챔버, 여기서 제1 저장소는 활성화된 알루미늄을 반응 챔버로 분배하도록 구성되고, 여기서 제2 저장소는 상기 용액을 반응 챔버로 분배하도록 구성되며, 여기서 반응 챔버는 활성화된 알루미늄이 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 존재 하에 물과 반응하여 수소 기체 및 1종 이상의 반응 생성물을 생성하도록 구성되고, 여기서 이온성 염, 수산화물 및/또는 산의 양은, 활성화된 알루미늄이 물과 반응한 후 활성화 조성물이 별도의 상을 형성하도록 하기에 충분한 것임;
활성화 조성물을 1종 이상의 반응 생성물로부터 분리하도록 구성된 분리 시스템; 및
반응 챔버와 유체 연통하는 회수 챔버로서, 반응 챔버로부터 활성화 조성물의 별도의 상을 수용하도록 구성된 회수 챔버. - 제31항에 있어서, 활성화 조성물이 갈륨 및/또는 인듐을 포함하는 것인 시스템.
- 제31항 또는 제32항에 있어서, 이온성 염이 NaCl, KCl, NaHCO3, MgCl2, 및/또는 CaCl2를 포함하는 것인 시스템.
- 제31항 또는 제32항에 있어서, 수산화물이 NaOH, KOH, Ca(OH)2, 및/또는 Mg(OH)2를 포함하는 것인 시스템.
- 제31항 또는 제32항에 있어서, 산이 HCl, H2SO4, 및/또는 CH3COOH를 포함하는 것인 시스템.
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