KR100478427B1 - 유체에불용성인매연입자등의물질의전기화학적전환을위한반응기및그의방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전환 방법은 하나 이상의 작동 전극(12), 하나 이상의 대극(13), 및 하나 이상의 이온 선택성 전해질(1)로 이루어지는 내부 회로(이때, 내부 회로에는 전기화학적 과정을 위하여 충분한 전기 전압차가 인가됨)를 함유하는 반응 지대로 유체의 유동이 통과되는 단계를 포함하는, 유체에 불용성인 물질(21)을 유체에 가용성인 물질로의 전기화학적 전환을 위한 반응기 및 그의 방법; 및 연도 가스로부터 매연 입자의 제거 및 폐수로부터 오일의 제거를 위한 그의 용도에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질이 되게 하는 전기화학적 전환 방법; 전기화학적 반응기; 상기 방법을 실시할 때 사용하기 위한 및 전기화학적 반응기에서 사용하기 위한 이온 선택성 전해질, 전극, 및 이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물, 연도(flue) 가스로부터 매연 입자 및 폐수 중의 오일을 제거하기 위한 상기 방법 및 반응기의 용도에 관한 것이다.
오늘날 연소에 의해 발생하는 연도 가스로부터 매연 입자 등, 예를 들면 디젤 엔진으로부터 나온 배기 가스 등을 제거하기 위한 방법은 전형적으로 특정한 필터 상에 수집된 매연 입자의 순수한 화학적/촉매적 연소 과정에 근거한다. 화학적/촉매적 연소 과정은 대형 디젤 엔진의 배기계에서 통상 도달할 수 있는 보통 약 300 ??의 온도 보다 높은 400 ?? 이하의 온도에서는 충분히 고속으로 진행하지 않는다는 단점이 있다. 동시에 연소계 또는 엔진에서 가능한 고 효율을 달성하고자 하는 노력은 연도 가스의 온도를 가능한 낮게 하고자 하는 방향으로 이끈다. 특히 연소된 물질 및 매연 입자들은 결과적으로 필터에 축적되며, 이로 인하여 수집된 매연 입자를 제거하거나 연소시키기 위하여 필터를 주기적으로 재생시켜야 한다. 재생은 전형적으로 몇 시간 간격, 즉 버스 등의 경우 운행일 동안 수회로 수행되어야 한다. 재생은 전형적으로 필터를 버너 또는 전기 가열 요소로 가열시킴으로서 시작된다. 재생 기간에 걸쳐, 배기 가스 유동은 필터 유니트를 통과하여야 하며, 이로 인하여 배기 가스는 여과되지 않는다. 별법으로, 엔진은 재생 기간 동안 정지해 있어야 한다. 재생은 전형적으로 수 분 내지 20 분 이하가 소요된다. 운행일 동안 필터에 적재됨으로써, 막힘으로 인하여 카운터 압력이 증가한다. 이로 인하여 엔진의 작동에 대한 바람직하지 않은 영향을 갖는다. 더우기, 수집된 탄소의 연소로부터 열이 발생하는 결과로서 필터 유니트의 과열이 발생하게 되는 위험이 높다. 이로 인하여, 가장 통상적으로 사용되는 세라믹 필터 재료에서의 열적 응력 때문에 용융 또는 크랙킹이 일어날 위험이 따른다.
<선행 기술의 기술>
EP 532 031호는 디젤 엔진으로부터 나온 배기 가스에서 미립자상 물질을 수집하기 위한 필터를 재생하기 위한 디젤 연료에 근거한 버너 시스템을 기술한다. 수집된 물질을 버너로 가열함으로써 발화시킨다. 그러나, 이 시스템은 연속적으로 작동될 수 없다는 단점이 있다.
WO 95/02 117호에는 디젤 엔진으로부터 나온 배기 가스에서 미립자상 물질을 수집하기 위한 필터를 개시한다. 수집된 매연의 발화 온도까지 필터 몸체를 전기적으로 가열시켜 상기 필터를 재생시킨다. 별법으로, 디젤 연료 버너를 사용하여 미립자상 물질의 발화를 개시할 수 있다. 이 시스템은 연속적으로 기능하는 시스템은 아닌데, 이는 재생을 위하여 주기적으로 운행에서 제외하여야 하기 때문이다.
WO 94/16 204호는 주로 지게차 및 거리에서 사용하고자 하는 것은 아닌 다른 디젤 연료 차량에서 나온 배기물에서 사용하기 위한 필터 시스템을 개시한다. 필터의 재생은 연소용 공기 및 수집된 물질을 발화 온도까지 가열하기 위한 전력을 외부 공급원으로부터 공급하는 장치에서 실시된다. 따라서, 재생이 일어나는 동안 차량을 운행시키지 않아야 한다.
미국 특허 번호 제4 946 609호에는 첨가제를 연료 또는 윤활유에 첨가하여 촉매적 연소 동안 온도가 낮아지는 시스템을 개시한다. 이로써, 필터는 약 300 ??에서 자가 세정돼야 한다. 그러나, 첨가제에 대한 투여 시스템이 도입되어야 한다는 사실로 인하여 시스템은 복잡해진다. 이외에, 첨가제의 잔류로 인하여 필터 막힘의 위험이 잠재적으로 증가하며, 첨가제의 방출로 인한 외부 환경 오염의 위험이 존재한다.
미국 특허 번호 제4 902 487호에는 비교적 고 함량의 질소 산화물이 배기 가스 중에서 요구되는 필터 시스템을 개시하고 있다. 이들 산화물은 활성 산화제로서 기능하여 매연 입자의 촉매적 연소에 대한 최소 온도를 줄일 수 있다. 그러나, 275 ??를 넘는 온도에서 필터의 자가 세정을 달성하기 위하여 매연의 양에 대한 질소 산화물 함량의 적당한 고 비율이 필수적이다. 따라서, 상기 시스템은 단지 배기 가스 중에서 매연 함량이 낮은 상태에서 만족스럽게 유지되는 시스템에서 기능한다. 추가로, 바람직하게 않게 고함량의 질소 산화물을 가진 배기 가스가 방출된다.
미국 특허 출원 번호 제4 310 406호는 탄소 등의 입상이 폐수의 전기화학적 정제에서 전극으로서 사용되는 시스템(여기에서, 전기화학적 반응을 이용하여 용액 중의 오염물, 필수적으로 금속 이온을 전극 재료 상에 수집되는 불용성 미립자상 물질로 전환시킴)을 기술한다. 불용성 물질이 가용성 물질로 전환되는 반대 과정은 알 수 없고 제시되지도 않는다.
독일 특허 DE 42 36 711 A1호에서는 배기 가스 중의 매연 함량을 모니터하기 위한 측정 장치를 기술한다. 이 장치는 산소 이온 전도성 전해질 및 금속성 또는 세라믹성 작동 전극 및 기준 전극을 갖는 전기화학적 측정 전지를 기초로 한다. 이 장치는 작동 전극 상에 침착된 매연 및 매연이 없는 기준 전극에 의해 유발된 전력차를 측정한다. 이 장치는 일정 온도까지 가열되어야 한다. 이 장치는 배기 가스에 의해 제거되는 가용성 물질로 매연을 전환시키지 못한다.
<본 발명의 기술>
본 발명의 목적은 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키기 위한 개선된 방법 및 그의 장치를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 연도 가스에 불용성인 탄소 함유 매연 입자를 이산화탄소로 전환시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
더우기, 특히 본 발명의 목적은 물 중에 분산된 오일 점적을 이산화탄소 및 물로 전환시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
<유체에 불용성인 물질의 전기화학적 전환 방법>
본 발명의 한 면에 따르면, 상기 목적은
(a) 유체 유동을 (i) 유체에 불용성 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키는, 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 하나 이상의 작동 전극,
(ii) 작동 전극에서 전기화학적 과정의 균형을 맞추는, 상기 전극에서의 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 하나 이상의 대극, 및
(iii) 작동 전극 및 대극에서의 전기화학적 과정 사이에 한 종류 이상의 이온을 선택적으로 전달하는, 하나 이상의 이온 선택성 전해질
을 포함하거나, 바람직한 실시태양에서는 (i), (ii) 및 (iii)으로 이루어지는, 내부 회로를 포함하는 반응 지대로 전달시키는 단계(이때, 반응 지대에서는 도입된 불용성 물질을 작동 전극으로부터 전기화학적 반응 거리 내로 이동시켜 전기화학적 과정이 일어날 수 있게 하며, 작동 전극 및 대극을 경유하여 상기 내부 회로는 외부 전류원에 연결됨),
(b) 외부 전류원을 경유하여 내부 회로에 전기화학적 과정으로 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키기에 충분한 전압차를 인가시키는 단계,
(c) 유체에 가용성인 물질을 유동하는 유체와 함께 반응지대로부터 운반하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전기화학적으로 전환시키는 방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 방법에 따르면, 유체에 불용성인 물질은 하나 이상의 전기적 과정에서 미립자상으로 만들어져 유체에 가용성인 물질로 전기화학적으로 전환된 후 유동하는 유체와 함께 전달되어 나갈 수 있다.
상기 방법은 다수의 장점, 즉 종래에 사용된 연소 기술에서보다 낮은 온도에서 전환이 일어날 수 있고, 불용성 물질에 바람직하지 않은 첨가제를 첨가하지 않으며, 유체에 바람직하지 않는 질소 산화물을 첨가하지 않는 등의 장점을 갖는다.
더우기, 본 발명에 따른 전기화학적 전환은 연속식이어서 사용된 수집 필터를 재생하기 위하여 공지 기술에서는 필수적인 바람직하지 않은 운행 중단을 피할 수 있다.
마찬가지로, 전기화학적 전환에 의한 에너기 소모가 낮다는 장점이 있다.
본 발명의 바람직한 실시태양은 청구 범위에서 언급된다.
<내부 회로>
본 발명에 따르면, 하나 이상의 작동 전극, 하나 이상의 대극, 및 하나 이상의 이온 선택성 전해질로 이루어진 내부 회로를 포함하는 반응 지대로 유체 유동을 통과시켜 작동 전극 또는 대극에서 생성되는 하나 이상의 종류의 이온을 이온 선택성 전해질을 통하여 전달시킬 수 있으며, 전자를 외부 전류원에 전달하거나 및(또는) 외부 전류원으로부터 전기적으로 펌핑시킬 수 있다.
<작동 전극>
본 발명에 따른 작동 전극의 예는 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시킬 수 있는 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 전극이다.
이러한 전극은 숙련가에게 공지되어 있으며, 예를 들면 문헌["Handbook of Batteries and Fuel Cells" Ed.: David Linden, McGraw-Hill, 1984]에서 기술된 바와 같이 제조할 수 있다.
한 실시태양에 따르면, 작동 전극은 전기 전도성 물질, 예를 들면 금속성 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 전이 금속을 포함하는 금속성 물질이 바람직하며, 바람직하게는 전이 금속은 주기율표에서 8족에 속한다. 특히, 금속성 물질이 백금족 금속 Ni, Pt, Rh 및 Pd, 및 그의 합금으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 이에 의해 작동 전극이 산화 및 환원과 같은 많은 종류의 전기화학적 반응에 대해 우수한 촉매 효과를 가질 수 있다.
또다른 실시태양에 따르면, 작동 전극이 페로브스카이트 등의 세라믹 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 세라믹 재료는 특정한 반응에 대하여 특정한 전기촉매적 성질을 나타내고 산화 조건하에서 화학적 안정성이 우수한 저렴한 전극 재료이며, 이에 의해 작동 전극이 특정 성질을 갖는 만족스럽게 특성화된 세라믹 물질로 생성될 수 있다.
특히, 작동 전극은 도핑된 페로브스카이트 구조(ABO3), 예컨대 스트론튬으로 도핑된 란타늄 망가나이트, 스트론튬으로 도핑된 란타늄 휘코발트광, 스트론튬으로 도핑된 란타늄 페라이트, 또는 그의 혼합물을 포함하는 세라믹 재료로 이루어지며, 이에 의해 특정 반응, 특히 산소가 관여하는 반응에 대하여 전도성 및 전기촉매적 활성에 관하여 특정 성질을 갖는 전극을 제조할 수 있다.
작동 전극은 예를 들면 만족스럽게 정의된 입도, 전형적으로 바람직한 평균 세공 크기 보다 약간 큰 입도를 갖는 금속 분말로부터 분말 야금법에 의해 제조될 수 있다. 프레싱화 및 소결화는 바람직한 다공도가 유지되면서 최종 구조가 적당한 기계적 안정성에 도달될 때까지 제조 동안 조절한다.
작동 전극은 또한 바람직한 안료를 분말 형태로 도포함으로써 제조할 수 있다. 페인팅, 스크린 프린팅 또는 다른 실크스크린인쇄 기술에 의해 도포시킬 수 있다. 도포 후, 전극을 소결시켜 결합제 및 용매를 열분해 또는 연소시킨다. 소결 상태를 적당히 조절하여, 바람직한 다공도를 갖는 금속성 구조를 얻는다.
금속성 분말 대신에, 도포 후 수소 함유 분위기에서 가열시켜 금속이 유리되는 것이 감소되는, 금속 산화물 분말을 사용할 수 있다.
세공 대신에, 작동 전극은 선판술 에칭 기술, 물 분사 충격법, 또는 레이저 부식 등의 공지의 기술에 의해 제조된, 개구 또는 기계에 의한 구멍의 형태로 공동을 가질 수 있다. 대극에는 또한 세공 또는 기계에 의한 구멍 등의 적당한 공동이 제공되어 반응 지대를 통하여 연도 가스가 바람직하게 유동되게 한다.
<애노드로서 작용하는 작동 전극>
작동 전극에서의 전기화학적 과정은 작동 전극이 애노드 또는 캐소드로서 작용하는지에 의해, 그리고 어떤 종류(들)의 이온 선택성 전해질(들)에 의해 작동 전극에 전달되는 가에 의해 정의된다.
작동 전극이 애노드로서 작용할 때, 가용성 물질(OX)로의 불용성 물질(RED)의 산화가 일어난다. 이런 전환에서는, 불용성 물질은 환원 형태(RED)로 존재하는 것으로 간주되며, RED는 산화에 의해 산화 형태(OX)로 산화된다.
본 발명의 바람직한 실시태양에서는, 이온 선택성 전해질은 각각 산소 이온 전도체 또는 수소 이온 전도체로 이루어진다. 이러한 실시태양에서는, OX로의 RED의 산화는 하기 일반적인 반응식에 따라 일어나는 것으로 추정된다.
산소 이온 전도체: RED + nO2- = OX + 2ne-
수소 이온 전도체: RED + nH2O = OX + 2ne- + 2nH+
<캐소드로서 작용하는 작동 전극>
작동 전극이 캐소드로서 작용할 때, 유사하게 언급된 바람직한 실시태양에서 하기 일반적인 반응식에 따라 일어나는 것으로 추정되는, 가용성 물질(RED)로의 불용성 물질(OX)의 환원이 발생한다:
산소 이온 전도체: OX + 2ne- = RED + nO2-
수소 이온 전도체: OX + 2nH+ + 2ne- = RED + nH2
당연한 일로서 숙련가는 산소 이온 및 수소 이온 이외의 이온들이 바람직한 전기화학적 과정에 따라 기타 이온 선택성 전해질에 의해 작동 전극 및 대극 사이에서 선택적으로 전달되는 유사한 전기화학적 산화 및 환원에 대한 반응식을 설정할 수 있다.
<대극>
본 발명에 따른 대극의 예는 작동 전극에서 전기화학적 과정의 균형을 맞추는, 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 전극이다.
이러한 전극은 숙련가에게 알려져 있다. 이들은 작동 전극과 동일하거나 상이할 수 있으며, 이들은 작동 전극에 대해서 언급한 것과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 경우에 작동 전극 및 대극은 표기된 전극 재료를 나타낸다.
바람직한 실시태양에 있어서, 대극은 백금으로 구성되어 특히 화학적 및 열적으로 안정한 대극이 얻어진다.
<캐소드로서 작용하는 대극>
대극이 캐소드로서 작용할 때, 대극에서의 전기화학적 과정은 대극이 하나 이상의 관여 반응물로 전자를 전달하는 과정을 포함한다.
이온 선택성 전해질이 산소 이온 전도체 또는 수소 이온 전도체인 바람직한 실시태양에서, 하기 반응식에 따라 산소가 산소 이온으로 환원되거나 또는 물로 환원되는 것으로 추정된다.
산소 이온 전도체: n/2O2 + 2ne- = nO2-
수소 이온 전도체: n/2O2 + 2nH+ + 2ne- = nH2O
<애노드로서 작용하는 대극>
대극이 애노드로서 작용할 때, 대극은 하나 이상의 관여 반응물로부터 전자를 수용한다. 이온 선택성 전해질이 산소 이온 전도체 또는 수소 이온 전도체인 언급된 바람직한 실시태양에서는, 하기 반응식에 따라 산소 이온이 산소로 산화되거나, 또는 물이 산소 및 수소 이온으로 산화되는 것으로 추정된다:
산소 이온 전도체: nO2- = n/2O2 + 2ne-
수소 이온 전도체: nH2O = n/2O2 + 2nH+ + 2ne-
당연한 일로서 숙련가는 산소 이온 및 수소 이온 이외의 이온들이 바람직한 전기화학적 과정에 따라 다른 이온 선택성 전해질에 의해 작동 전극 및 대극 사이에서 선택적으로 전달되는 대극에서의 유사한 전기화학적 환원 및 산화에 관한 반응식을 설정할 수 있을 것으로 언급되어야 한다.
<이온 선택성 전해질>
본 발명에 따른 이온 선택성 전해질의 예는 작동 전극 및 대극에서의 전기화학적 과정 사이에 1종 이상의 이온을 선택적으로 전달하는 전해질로서, 이에 의해 예를 들면 상기에서 언급한 바와 같이 산소 이온 O2- 및 수소 이온 H+ 등의 과정에 관여하는 이온들이 이들이 생성되는 한 전극으로부터 이들이 소모되는 또다른 전극으로 전달될 수 있다.
우연히 존재하는 이온을 고려하지 않고, 이온이 각각 작동 전극 및 대극에서의 전기화학적 과정에 참여할 수 있는 한정된 이온 선택성 전해질이 존재한다.
산소 이온-전도성 이온-선택성 전해질이 선택된다면, 이산화탄소로의 탄소의 전기화학적 산화는 애노드로서 작용하는 작동 전극에서 발생되며 캐소드로서 작용하는 대극에서는 산소 이온으로의 산소의 전기화학적 환원이 발생하고 대극(캐소드)으로부터 산소 이온-전도성 이온-선택성 전해질을 통하여 작동 전극(애노드)로의 산소 이온의 전달이 발생하는 것으로 추정되며, 작동 전극에서 하기 반응식에 따라 산소 이온이 애노드로의 전자의 방출하에서 탄소와 반응할 것이다.
- 산소 이온 전도성 전해질의 경우:
애노드: C + 2O2- = CO2 + 4e-
캐소드: O2 + 4e- = 2O2-
합: C + O2 = CO2
수소 이온-전도성 이온-선택성 전해질이 선택된다면, 이산화탄소로의 탄소의 전기화학적 산화는 수소 이온의 생성 하에서 작동 전극(애노드)에서 발생하는 것으로 추정된다. 이들은 수소 이온-전도성 이온-선택성 전해질을 통하여 대극(캐소드)로 전달될 것이며, 이곳에서 이들은 하기 반응식에 따라 물을 형성하면서 산소와 반응할 것이다.
- 수소 이온-전도성 전해질의 경우:
애노드: C + 2H2O = CO2 + 4H+ + 4e-
캐소드: O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
합: C + O2 = CO2
양 경우에, 생성된 산소 이온 및 수소 이온은 이온 선택성 전해질을 통하여 전달되는 반면, 전자는 외부 전기 회로를 통하여 전기적으로 전달되거나 펌핑된다.
수소 이온-전도성 전해질을 사용하는 경우, 반응을 지속시키기 위하여 물을 적용하는 것이 필수적이다. 물이 유체에 아직 존재하지 않는다면, 그 결과로서 물을 첨가하는 것이 필수적이다. 물이 전형적으로 탄소 함유 물질의 연소 과정으로부터 존재할 것이다.
적당한 전해질은 숙련가에게 공지되어 있으며, 예를 들면 문헌[B.C.H. Steele: Oxygen Ion Conductors and Their Technological Applications. Solid State Ionics Symposium, E-MRS Conference on Advanced Materials (ICAM 1991) Strasbourg, France, 27-31 May 1991]을 참고한다.
산소 이온-전도성 이온-선택성 전해질의 예는 예를 들면 형석 구조를 갖는 도핑된 산화물, 바람직하게는 이산화지르코늄(ZrO2), 이산화세륨(CeO2) 또는 이산화토륨(ThO2)을 기초로 하며, 여기에서, 저가의 금속 산화물을 갖는 도핑물을 래티스 구조 안의 산소 자리 상에 공간을 도입한다.
구체적인 예들은 산화이트륨으로 도핑된 이산화지르코늄 또는 산화갈도리늄으로 도핑된 이산화세륨을 포함한다.
다른 예들은 비스무쓰 산화물(Bi2O3), 도핑된 페로브스카이트, 특히 바룸 세라이트(BaCeO3) 및 바륨 토레이트(BaThO3)를 기초로 한 도핑된 산화물이다.
더우기, 전이 금속 및 희토류 금속 기재 블라운밀레라이트 구조(A2B2O5)를 갖는 산화물을 언급할 수 있다.
마지막으로, 도핑된 페로브스카이트, 도핑된 LaGaO3의 또다른 부류가 문헌[H.L. Tuller: Ionic and Mixed Conductors: Materials Design and Optimization. High Temperature Electrochemistry: Ceramics and Metals, Proceedings of the 17th Ris?? International Symposium of Materials Science, Denmark 2-6 September 1996]에 의해 언급된다.
수소 이온-전도성 이온-선택성 전해질의 예는 NAFION 등의 퍼플루오로화 술포네이트 중합체이며, 문헌[J. Kjaer 등., Solid State Ionics, 46, (1991), 164-173] 등을 참조한다.
추가로, 문헌[T. Yajima, H. Iwahara, Solid State Ionics, 47, (1991), 117-124]에서 보듯 도핑된 스트론튬- 및 바륨 세라이트를 언급할 수 있다.
또한, 도핑된 바륨 토레이트 및 주석 치환 모르데나이트와 같은 페로브스카이트, ??"-알루미나, 및 NASICON를 언급할 수 있다.
<선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물>
바람직한 실시태양에서는 내부 회로가 하나 이상의 작동 전극, 하나 이상의 대극, 및 전해질 및 전극 재료의 혼합물 상태로 제공된 하나 이상의 이온 선택성 전해질로 이루어진다.
전해질 및 전극 재료의 혼합물은 입도가 10-100 ㎛인 이온 선택성 전해질 재료를 입도가 1-10 ㎛인 전극 재료와, 서로 접촉시키지 않고 전극 재료 입자가 이온 도전성 전해질 재료 입자의 표면 상에 기본적으로 침착되게 하는 비율로 혼합하여 그 혼합 재료가 이온 전도성 전해질 재료의 전도도와 동일한 크기 지수의 전기 전도도를 얻는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
이로써, 유체에 불용성인 물질이 내부 회로의 모든 곳에서 수집되어 전환될 수 있어 반응기 부피당 고 전환 용량을 갖는 특히 콤팩트(compact)한 전기화학적 반응기를 얻을 수 있다.
일반적으로, 전해질 및 전극 재료의 혼합물은 많은 전극 재료를 포함하여 전기화학적 반응이 일어날 수 있는 접촉 점의 수가 충분히 달성된다. 일반적으로, 보다 많은 양이 전극 재료 입자 사이의 직접적인 전기 접촉을 야기하여 재료 안에 전기 단락을 유발하기 때문에 상기 재료는 25 체적% 미만으로 함유된다.
상기 재료가 전극 재료 3-15 체적%를 함유하는 것이 바람직한데, 이로 인하여 전극 재료가 전해질 재료 입자의 표면 상에 산별 입자로서 위치하여 전극 재료 입자 사이에 전기적 접촉이 없게 될 수 있다. 이러한 직접적인 전기 접촉으로 인하여 전극 입자 사이에 전기 단락이 발생하여 전기화학적 반응이 일어나는 것을 방지될 것이다.
전해질 전극 재료 혼합물의 예는 불용성 물질이 재료 안으로 투과하게 하는 크기의 개방 공동을 갖는 재료이다.
공동의 크기는 10-100 ㎛인 것이 바람직하다.
<세공 크기가 감소되는 재료>
특히 바람직한 실시태양에서, 한 연장 방향에 있는 전해질 및 전극 재료의 혼합물은 세공 크기가 100 내지 10 ㎛로 감소하며 가지며, 이로 인하여 불용성 물질의 큰 고체 및 큰 액체 입자, 및 중간 크기 및 작은 크기 입자 모두가 효과적으로 및 동시에 유체의 동일 유동 방향에서 전환될 수 있다.
예를 들면, 유체의 유동 방향으로 세공 크기가 감소되는 상태로 재료를 배향시킴으로써, 큰 입자는 먼저 큰 세공 안에서 전환될 것이며, 그 후 중간 크기 및 소입자는 연이어 크기가 보다 작은 세공 안에서 전환될 것이다.
세공 크기가 작아지는 재료는 숙련가에게 널리 알려진 방법, 예를 들면 세공 크기가 단계적으로 도약하거나 막힘없이 변화하는 층상 구조를 제작함에 의해 생성될 수 있다.
<불활성 물질 중에 흡수되거나 겔 안에 결합된 이온 선택성 전해질>
이온 선택성 전해질의 예는 또한 액체 전해질이 선택적으로 바람직한 이온을 전달시킬 수 있는 다공질의 불황성 물질 안에 흡수된 액체 전해질, 또는 바람직한 물리적 형상 및 세공 구조를 갖는 겔의 형태인 전해질이다.
<전기화학적 반응 거리>
본 발명에 따르면, 도입된 불용성 물질은 전기화학적 반응이 일어날 수 있는 방식으로 작동 전극으로부터 전기화학적 반응 거리 내로 옮겨진다. 따라서, 작동 전극 상에 충분한 전력의 형태로 충분한 에너지가 과정에 적용된다면, 불용성 물질이 바람직한 전기화학적 과정에 따라 전환될 수 있음이 확실하다.
본 발명에 따르면, "전기화학적 반응 거리"는 각각 작동 전극 및 불용성 물질 사이 및 이온 선택성 전해질 및 불용성 물질 사이의 전자 및 이온의 전달이 바람직한 전기화학적 반응(들)의 적당한 반응 속도를 제공하는 거리를 의미한다.
적당한 반응 속도를 제공하는 대표적인 전기화학적 반응 거리는 10 ㎛ 미만, 바람직하게는 1-10 ㎛의 거리이며, 이 거리에 의해 1-10 mg 탄소/초/반응기 면적(m2)(즉, 거시적인 노출 작동 전극 면적)의 전환 속도가 달성된다. 반응기 면적은 전형적으로 다공질 작동 전극의 총면적 보다 작다.
<개방된 공동>
반응 지대가 하나 이상의 닫혀진 경계, 및 유체와 교통하는 하나 이상의 개구를 함유하는 하나 이상의 개방된 공동을 포함하며, 이로 인하여 유체에 불용성인 물질이 트랩되어 전환되는 공동 안으로 투과할 수 있다.
경계가 닫혀진 공동은 하나 이상의 전극 재료, 하나 이상의 이온 선택성 전해질 재료 또는 그의 혼합물로 이루어지며, 전극 재료의 예는 작동 전극 및 대극 재료 모두가 될 수 있으며, 이로 인하여 이온 선택성 전해질로부터 전기화학적 전환이 발생하는 공동으로의 특히 효율적인 이온 전달을 얻을 수 있다.
특히 바람직한 실시태양에서는, 경계가 닫혀진 공동은 이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물로 이루어진다.
일반적으로 개방된 공동은 숙련가에게 그 자체로 공지된 방식으로 제공될 수 있다. 예들은 평활하거나 불규칙한 표면을 갖는 망상 조직, 천공, 세공 또는 기타 개구의 기계적, 화학적 또는 광학적 제조법을 포함한다. 그러나, 다른 제조 방법도 가능할 수 있다.
화학적 제조 방법에 관하여, 특히 문헌[R. J. Brook(ed.): "Concise Encyclopaedia of Advanced Ceramic Materials", Pergamon Press, Series on: Advances in Material Science and Engineering, 1991]에서 기술된 바와 같이 조절된 소결화에 의한 제조법을 언급할 수 있다.
조절된 소결화는 금속성(분말 야금) 및 세라믹 구조물의 제조 분야에서 사용될 수 있다. 가장 중요한 파라미터는 원료 분말의 입도이다. 입도가 클수록 최종 구조물에서 세공 크기가 클 것이다. 추가로, 소결화 온도가 조절 인자로서 사용된다. 통상, 밀집한 세공이 없는 구조에 도달하기 위해 소결하는 것을 목표로 하나, 통상적인 소결 온도(하소화) 부근의 온도까지 분말을 예열시켜 얻은 것과 같은 비교적 입도가 큰 원료 분말을 사용함으로써 밀집한 구조까지 분말을 소결하지 않으며 구조 중에 세공이 남아 있게 할 수 있다. 입도 이외에 세공 크기는 또한 넓은 한계 내에서 소결 조건에 의해 제어될 수 있는데, 이는 일반적으로 소결 온도 및 소결 시간이 감소하면 다공도가 증가하기 때문이다. 마지막으로, 다공도는 세공 형성제, 즉 세라믹 구조물의 형성 동안 첨가되나 소결 동안 증발하거나 연소하여 구조 중에 세공을 남기는 첨가제에 의해 영향을 받을 수 있다. 적당한 세공 형성제로서, 왁스, 중합체, 섬유 재료 또는 다른 재료 등의 유기 재료를 사용할 수 있다.
<공동의 크기 및 수>
숙련가에게 그 자체로 공지된 방식으로 공동의 크기 및 수를 선택할 수 있으며, 공동의 크기는 바람직한 크기를 갖는 입자가 공동 안에 트랩되는 방식으로 선택되고 공동의 수는 전극의 바람직한 표면적 및 결과적으로 반응 지대의 바람직한 전환 성능이 얻어지는 방식으로 선택될 수 있다.
일반적으로, 개방 공동은 유체에 불용성인 물질이 공동 안으로 투과하게 하는 크기를 갖는다. 평균적인 견해로부터, 평균 공동 크기는 불용성 물질의 평균입자 직경으로서 크기 보다 약간 크거나 또는 동일한 크기 지수이어야 한다.
공동의 크기는 전형적으로 10-100 ㎛의 범위 내에 있어 유체가 공동 안으로 경우에 따라 공동을 관통하여 통과할 수 있는 반면 유체에 불용성인 물질은 트랩되어 전환될 수 있다.
유체에 불용성인 물질의 트랩화는 예를 들면 공동의 벽 상에 불용성 물질의 흡착에 의해 발생하여 특히 개구의 크기 보다 상당히 작은 크기를 갖는 입자가 트랩될 수 있고 전환될 수 있다.
예를 들면, 불용성 물질이 개구에서 트랩되는 반면 유체는 그 위를 유동하는 방식으로, 서로 연속하여 여러개의 전극 재료를 쌓아 올림으로써 개구의 크기가 연속적으로 또는 불연속적으로 감소한다는 점에서 트랩화가 또한 초래될 수 있다.
디젤 배기 가스로부터의 매연 입자의 전기화학적 전환의 경우, 공동 크기가 1-50 ㎛, 바람직하게는 1-10 ㎛의 범위 내에 놓여 있는 것이 바람직하다.
<외부 회로>
본 발명에 따르면, 내부 회로는 작동 전극 및 대극을 경유하여 내부 회로는 외부 전류원에 연결되어 전류원과 내부 회로 사이에 전자가 교환되게 한다.
전류원의 예는 숙련가에 공지된 전류원, 예를 들면 이들이 소정의 전압을 전달할 수 있고 전류 수준이 넓은 한계치 사이에서 변하더라도 이 전압을 일정하게 유지할 수 있는 방식으로 제어되며 조정되는 표준 전류원이다.
외부 회로가 도선을 따라 전류원 및 내부 회로 사이에 전자의 교환을 일으킬 수 있는 것이 바람직하나 유도 교환의 가능성도 있다.
전류원은 직류원일 수 있거나 또는 교류원일 수 있다.
한 실시태양에서는, 전류원 및 내부 회로 사이의 전자의 교환이 한 전류 방향으로 발생하며 이에 의해 작동 전극 및 대극이 일정한 분극도를 갖고 언제든지 이들이 애노드 또는 캐소드로서 작용한다. 결과적으로, 상이한 전기화학적 반응들이 2개의 전극에서 발생할 수 있으며, 그의 조건을 최적화시킬 수 있다.
또다른 실시태양에서는, 전류원 및 내부 회로 사이의 전자의 교환은 교류 전류 방향에서 발생하며, 이에 의해 작동 전극 및 대극은 전류원과 동일 주파수를 사용하여 그의 분극도가 변하여 교대로 애노드 및 캐소드로서 작용한다. 따라서 전기화학적 전환은 양 전극에서 발생할 수 있으며, 유체에 불용성인 물질의 전기화학 전환에 대한 효율적인 작동 전극 면적이 증가할 수 있다. 본 실시태양에서는, 작동 전극 및 대극이 동일한 것이 바람직하다.
교류원을 사용할 때, 주파수는 전형적으로 1 내지 1000 Hz, 바람직하게는 10 내지 100 Hz의 범위 내에 있어서, 시간에 따라 전극의 효율성을 감소시킬 수 있는 영구적인 변화 또는 분극화가 일어나지 않을 수 있다.
<인가된 전압차>
본 발명에 따르면, 내부 회로는 전기화학적 과정이 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키기에 충분한 전압차로 인가된 외부 전류원을 경유한다.
본 발명에 따르면, "충분한 전압차"는 바람직한 전기화학적 반응에 대한 전기화학적 전위와 반응의 활성 에너지에 해당하는 분극화 방지성을 극복하기 위하여 필수적인 가능한 과전압의 합을 넘는 전압을 의미한다.
작동 전극, 이온 선택성 전해질 및 대극의 층상 구조를 포함하는 내부 회로의 경우, 전압이 1 내지 25 V, 바람직하게는 1 내지 5 V의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물을 포함하는 내부 회로의 경우, 전압이 5 내지 500 V, 바람직하게는 10 내지 100 V의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
전류는 반응 지대의 크기에 의존한다. 전형적으로, 전류는 1 내지 1000 mA/반응 지대 면적(cm2), 바람직하게는 10 내지 100 mA/cm2이다.
<유동하는 유체에 불용성인 물질>
유동하는 유체에 불용성인 물질 및 유동하는 유체의 예는 1상은 유동하는 유체가 기체 또는 액체의 형태를 구성하고, 다른 상은 유동하는 유체에 불용성인 고체 또는 액체의 형태인 물질을 구성하는 하나 이상의 2상 시스템이다.
2상 시스템이 에어로졸 및 공기 중의 오일의 구름과 같은 기체 중의 액체, 탄소 함유 공기 중의 분진으로 이루어진 스모크와 같은 기체 중의 고체, 또는 그의 혼합물; 물 중의 탄소 함유 물질의 현탁액과 같은 액체 중의 고체, 및 물 중의 오일의 에멀젼과 같은 액체 중의 액체 또는 그의 혼합물에서 선택되는 것이 바람직하다.
특정한 실시태양에서는, 유체 중에 불용성인 물질은 매연으로 이루어지며, 유체는 내연 엔진으로 부터 나온 배기 가스로 이루어진다.
또다른 특정한 실시태양에서는, 유체에 불용성인 물질은 오일로 이루어지며, 유체는 폐수로 이루어진다.
<유체>
유체의 예는 불용성 물질의 불활성 담체로서 작용하는 유체이거나, 또는 전기화학적으로 전환될 수 있는 물질, 예를 들면 기체상 탄화수소류(예: 내연 엔진으로부터 나온 미연소 탄화수소류)를 추가로 완전히 또는 부분적으로 포함하는 유체이다.
<온도>
전기화학적 전환은 매우 넓은 온도 범위 내에서 수행될 수 있다. 일반적으로, 고온이 유리할 것이라는 이유로 반응 속도는 온도가 증가하면서 증가한다. 그러나, 많은 전기화학적 반응은 실온에서 이미 충분한 속도로 진행할 수 있다.
이온 선택성 전해질로서 세라믹 재료의 산소 이온-전도체가 사용되는 경우, 이용가능한 온도 범위는 전해질 재료의 이온 전도도에 의해 한정될 것이다. 이런 이유로, 이온 전도도는 온도와 함께 강하게 증가한다. 이것은 도핑된 산화세륨 등을 기초로 한 반응기의 경우 하한은 전형적으로 약 200 ??일 것이고, 전도도는 10-4 내지 10-5 s/cm인 것을 의미한다. 약 800 ?? 이상의 온도에서, 상당한 전기 전도도가 유도되며, 이는 반응기의 단락으로 작용할 것이어서 전기화학적 전환의 효율성을 크게 감소시킬 것이다.
다른 유형의 이온 선택성 전해질을 선택함으로써, 고온과 저온 모두가 가능하다.
<압력 범위>
반응기에서 사용된 압력은 한계가 넓다. 실시예에서 나타낸 전환은 대기압에 근접한 기체 및 액체 압력에서 수행되었다. 그러나, 고압 및 저압 모두의 사용을 방해하는 것은 없다.
디젤 엔진에서 나온 배기 가스로부터 매연 입자를 제거함으로써 내부 회로 위의 카운터 압력이 약 30 mbar를 넘지 않아야 하며, 카운더 압력이 높을수록 엔진 성능에 대한 부정적인 영향을 미칠 것이다.
<개시>
전기화학적 전환은 시작할 유체의 도입과 동시에 전압을 연결하여 즉시 시작할 수 있다. 따라서, 실질적인 개시 과정의 문제는 없다. 그러나 일부 경우에, 반응기 온도가 유동 유체와 동일한 온도에 도달할 때까지 활성이 충분한 수준에 도달하지는 않을 것이다.
<유체에 불용성인 물질의 전환을 위한 전기화학적 반응기>
본 발명의 또다른 면에서, 본 발명의 목적은
(a) 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키는, 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 하나 이상의 작동 전극,
(b) 작동 전극에서 전기화학적 과정의 균형을 맞추는, 상기 전극에서의 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 하나 이상의 대극, 및
(c) 작동 전극 및 대극에서의 전기화학적 과정 사이에 하나 이상 유형의 이온을 선택적으로 전달시키는 하나 이상의 이온 선택성 전해질
을 포함하거나, 또는 한 바람직한 실시태양에서 (a), (b) 및 (c)로 이루어지는 내부 회로를 포함하며, 도입된 불용성 물질이 작동 전극으로부터 전기화학적 반응 거리 내에 옮겨져 전기화학적 과정이 진행할 수 있고, 작동 전극 및 대극을 경유하여 내부 회로가 외부 전류원에 연결되는 반응 구역
이 위치하고, 유체를 도입하기 위한 입구 및 도입된 유체를 방출하기 위한 출구를 갖는 반응 챔버
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키기 위한 전기화학적 반응기를 제공함으로써 얻어진다.
반응기를 제작하는 바람직한 실시태양이 청구 범위에서 언급된다.
<추가의 잇점>
본 발명에 따른 방법 및 반응기에 의해 선행 기술에 비해 많은 다른 잇점을 얻는다.
예를 들면, 연도 가스로부터 매연 입자를 제거하기 위한 반응기는 약 250 ?? 이상의 온도에서 자가 세정하며, 연료 또는 윤활유에 잠재적으로 해롭고 비용이 증가하는 첨가제를 첨가시킬 필요가 없으며, 반응기는 연도 가스 중의 질소 산화물의 함량에 독립적으로 작용한다. 유사하게, 반응기는 매우 넓은 한계의 매연 함량 및 매연 입자의 크기 내에서 기능할 수 있을 것이다. 추가로, 반응기는 재생을 위해 주기적으로 운행을 중지할 필요가 없다. 필터에서의 온도는 비교적 일정하다. 도입된 연도 가스의 온도가 단지 약간 변하기만 할 것이며, 재생 사이클에 의해 유발된 잠재적으로 위험한 고수준에 도달하지는 않을 것이다. 반응기 상의 압력 강하는 또한 일정하게 낮으며, 매연 입자의 축적으로 인하여 증가하지 않을 것이다.
전류를 연결함과 동시에 연도 가스가 도입된다는 점에서 전기화학적 전환이 시작된다는 추가의 잇점이 있다. 따라서, 먼저 반응기가 작동하기 위하여 반응기를 예열시킬 필요성이 없다.
조만간 공동 안의 가능한 막힘 물질이 전환되어 유체와 함께 옮겨질 것이라는 의미에서 보수가 필요없다.
축적된 매연의 경우 공간 및 필터 용량이 필요하지 않음에 따라 반응기는 비교적 작은 컴팩트한 반응기로서 제작될 수 있는 것이 또한 유리하다. 이로 인하여 재료 소비가 작고 결과적으로 저가의 반응기가 된다. 더우기 물리적 크기가 작을수록 현행의 시스템에서 연도 가스에 대한 배기계, 예를 들면 디젤 파워 차량의 배기계에 반응기를 맞추는 것이 용이하다.
유체에 용해된 다른 전기화학적으로 전환가능한 물질이 전환될 수 있는 잇점도 있다.
본 발명을 하기 도면을 참조하여 하기에서 보다 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 반응기의 한 실시태양의 개략적인 횡단면을 도시한다.
도 2는 도 1에서 도시된 직사각형 단면의 확대도를 도시한다.
도 3은 도 2에서 도시된 원형 구역(III)의 확대도를 도시한다.
도 4, 5 및 6은 작동 전극 및 이온 선택성 전해질의 개략적인 별법의 실시태양을 도시한다.
도 7은 다공질 이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물을 포함하는 내부 회로의 한 실시태양의 개략도이다.
도 8은 다공질 이온 선택성 전해질 및 전극 재료 혼합물이 다공질 불활성 담체에 의해 옮겨지는, 도 7에서 도시된 내부 회로의 한 실시태양의 개략도를 도시한다.
도 9는 도 7에서 도시된 원리에 따라 제작된 전기화학적 반응기의 주사 전자 현미경을 사용하여 취해진 현미경 사진을 도시한다.
도 10은 반응 구역이 각각의 구조가 도 7에서 도시된 구조를 갖는, 3개층으로 이루어진 층상 구조로 구성되는, 내부 회로의 한 실시태양의 개략도를 도시한다.
도 11은 도 4에서 도시된 것에 해당하는 내부 회로 상에 직접 인가된 전압의 함수로서 이산화탄소의 생성 측정치를 도시한다.
도 12는 도 7에 도시된 것에 해당하는 내부 회로 상에 직접 인가된 전압의 함수로서 이산화탄소 생성의 측정치를 도시한다.
도 13은 도 7에서 도시된 것과 등가인 2개의 내부 회로의 접촉에 대한 은 도선의 패턴을 도시한다.
도 14는 도 13에서 도시된 하나의 내부 회로 상에 인가된 AC 전압의 함수로서 이산화탄소의 생성의 측정치를 도시한다.
도 15는 도 13에서 도시된 다른 내부 회로 상에 인가된 AC 전압의 함수로서 이산화탄소 생성의 측정치를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 반응기의 한 실시태양의 개략적인 횡단면을 도시한다.
전기화학적 반응기는 금속 시트 등으로 제조될 수 있는 반응 챔버(50)을 포함한다. 챔버에는 유체에 불용성인 물질(21)을 함유하는 유체 도입용 입구(20)이 설치되어 있다. 추가로, 챔버에는 전환된 물질을 함유하는 유체 방출용 출구(40)이 설치되어 있다.
동시에 유체 유동을 차단하는, 현탁액(53)을 격리시켜 챔버로부터 전기적으로 절연된 상태로 현탁되는 내부 회로가 반응 챔버 내에 위치하여 있다. 내부 회로는 작동 전극(12), 대극(13), 및 작동 전극 및 대극 사이에 이온을 선택적으로 전달시킬 수 있는 이온 선택성 고체 상태 전해질(11)로 이루어진다.
내연 엔진에서 얻은 배기 가스 및 주로 배기 가스 중의 매연 입자(21)의 형태인 미연소 탄소 함유 물질은 입구(20)을 통하여 반응기 안으로 나아가며(상단 화살표로 도시됨), 그 후 배기 가스 및 전환된 물질이 출구(40)을 통하여 외부로 전달된다.
<작동 전극 및 대극>
도시된 실시태양에서는, 작동 전극(12) 및 대극(13)은 상이하나, 이들은 동일할 수도 있다.
작동 전극은 세공의 수 및 세공 크기가 표면적을 충분히 크게 유지하여 바람직한 크기를 갖는 입자가 통과되게 하는 두께가 0.05-1mm인 다공질 금속성 층으로 이루어진다. 주사 전자 현미경에 의해, 작동 전극은 전형적으로 세공 크기가 20-40 ㎛이고, 세공 밀도가 1000 세공/작동 전극 면적(cm2)이다.
<이온 선택성 전해질>
이온 선택성 전해질은 20% 산화가도리늄으로 도핑된 산화세륨인 다공질 고체 상태 산소 이온-전도체이다[미국 시애틀 소재 시애틀 스페셜티 세라믹스사(현재는 프락사 스페셜티 세라믹스사) 제품]. 재료를 1550 ??에서 3시간 동안 하소시켜 세공 크기가 5-10 ㎛가 되게 한 후 1500 ??에서 프레싱 및 소결 후 세공 크기가 1-10 ㎛가 되게 하였다.
본원에서 더 상세히 설명되지는 않은 별법의 실시태양에서, 이온 선택성 전해질은 세공 크기가 1-10 ㎛인 술폰화 퍼플루오로중합체인 고체 상태 수소 이온-전도체이었다[상표명 Nafion(등록상표)으로 듀퐁사에서 시판됨].
<외부 전류원>
도시된 실시태양에서는, 내부 회로는 전류원(30)에 연결된 도선(301 및 302)(그 중 하나는 직류원일 수 있거나 또는 교류원일 수 있음)을 경유한다. 도선(301 및 302)는 격리된 공급 관통물(51 및 52)를 경유하여 챔버 벽을 관통하여 지나간다.
본원에서 개시된 실시태양에서는, 전류원은 직류원이고, 작동 전극은 플러스 애노드로서 작용하며, 대극은 마이너스 캐소드이다.
전류원이 교류원이라면, 작동 전극 및 대극은 기본적으로 동일할 것이며, 교류의 주파수에 해당하는 주파수를 갖는 애노드 및 캐소드로서 교대로 작용할 것이다. 전기화학적 반응은 전류원이 직류원일 때와 동일할 것이다.
작동 전극 및 대극 상의 전압차는 바람직한 전기화학적 과정이 일어나게 하는 활성 에너지가 충분히 존재하는 방식으로 선택된다. 전기화학적 반응기의 경우, 층상 구조물의 연도 가스 중의 매연 입자의 전환은 만족스러운 전환 속도를 달성하기 위하여 전압차가 일반적으로 1 볼트 이상, 전형적으로는 5 볼트인 것을 나타낸다.
<개시 및 조작>
연도 가스를 입구(20) 안으로 도입하고 동시에 작동 전극(12) 및 대극(13) 상에 5볼트의 전압을 가함으로써 반응기의 운전을 시작한다. 250-300 ??의 온도가 운전 시작시 이미 가능한 높은 전환 속도를 얻기 위하여 당연히 유리할 수 있지만, 미리 반응기의 온도를 250-300 ?? 등의 온도로 올리는 것이 필수적인 것은 아니다.
조작시에, 연도 가스는 입구(20)으로 연속적으로 통과한다. 연도 가스는 다공질 작동 전극에 있는 개구(14)를 통과하여 작동 전극 및 이온 선택성 전해질이 서로 닿는 부위에서 연도 가스에 불용성인 매연 입자(21)은 작동 전극으로부터 전기화학적 반응 거리 내로 옮겨지게 된다. 이 거리 안에서, 매연 입자는 이온 선택성 전해질에 의해 전달되는 산소 이온과 반응하며, 과량의 전자는 작동 전극으로 전달된다. 하나 이상의 반응 단계에 있는 하나 이상의 전기화학적 과정에 관여함으로써 매연 입자는 이산화탄소로 전환된다.
<잔류 시간 및 공동 크기>
반응 지대에서의 매연 입자의 적당한 잔류 시간을 얻기 위하여, 이온 선택성 전해질의 공동의 크기는 작동 전극 내의 개구를 통과하여 전해질로 가는 매연 입자의 적당한 잔류가 달성되는 방식으로 선택된다.
제공된 입도 분포를 위한 바람직한 전환 속도는, 적당하게 큰 표면적이 매연 입자가 작동 전극과 전자를 교환할 수 있고 이들이 이온 선택성 전해질로부터 전달된 바람직한 이온과 반응할 수 있는 반응 지대에서 얻어지는 방식으로 작동 전극 내의 공동의 수 및 크기를 선택함으로써 달성된다.
충분한 전환 속도에 도달할 수 있기 위하여, 더 많은 내부 회로를 직렬 또는 병렬로 설정하는 것이 유리할 것이다.
내부 회로를 통과한 후에, 불용성 매연 입자는 이산화탄소로 전환되어 연도 가스(40)과 함께 반응기를 떠난다.
<작동 전극의 상세한 설명>
도 2는 도 1에서 도시된 직사각형 구역의 확대도를 도시한다. 적당한 크기를 갖는 매연 입자(21)이 작동 전극(12)에 있는 세공(14) 내로 투과하여 이들은 전해질(11)에 있는 보다 소세공(15)에 의해 중단된다. 연도 가스는 작동 전극 및 이온 선택성 전해질에 있는 화살표에 의해 지시된 방향에 있는 세공을 통하여 장애받지 않고 통과한다. 작동 전극으로부터 반응 거리 내에 있는 매연 입자(21)은 이온 선택성 전해질(11)로부터 전달된 산소 이온을 사용하여 이산화탄소로 전환되며, 이산화탄소는 유동하는 유체와 함께 전달되어 나간다.
작동 전극에 있는 세공 크기 보다 크기가 큰 매연 입자는 작동 전극 내로 투과할 수 없으며 따라서 전기화학적으로 전환되지 않을 것이다.
도 3은 도 2에서 도시된 원형 구역(III)의 확대도를 도시한다. 매연 입자(21)은 작동 전극(12)의 세공(14) 안에 위치하며, 이온 선택성 전해질(13)과 접촉하여 매연 입자(21)은 연도 가스와 교통하는 경계가 열려진 개방 공동 안에 "잡혀" 있게 된다. 이렇게 하여 매연 입자는 작동 전극(12)와 전자를, 전해질(11)과 산소 이온을, 공동의 내부 및 외부에서 연도 가스와 이산화탄소를 교환하여 전기화학적으로 전환될 수 있다.
연도 가스에서의 산소 함량이 매우 낮다면, 챔버(도시되지 않음) 내에 있는 측면 채널을 통하여 과외의 공기를 첨가하는 것이 필수적이다. 유사하게, 과외의 물 또는 다른 반응물을 첨가할 수 있으며, 물은 원래 유체 내에서 충분한 양으로 존재하지 않는다.
<내부 회로의 별법의 실시태양>
도 4, 5 및 6은 작동 전극 및 이온 선택성 전해질의 별법의 실시태양을 개략적으로 도시한다.
도 4는 작동 전극(12) 및 이온 선택성 전해질(11)이 세공(14 및 15)의 형태인 유체를 전달할 수 있는 개구를 가지며, 개구는 도 2에서 도시된 비교적 직선의 채널 대신에 고르지 않은 경계를 갖는다.
도 5 및 도 6은 공동의 경계가 각각 고르지 않고 직선인, 작동 전극 및 이온 선택성 전해질의 2개의 별법의 실시태양을 도시한다.
따라서, 본 발명의 범위내에서 가장 편리한 형상의 공동이 선택될 수 있다.
<이온 선택성 전해질 재료 및 전극 재료의 혼합물>
도 7은 다공질 이온 선택성 전해질 재료 및 전극 재료의 혼합물을 포함하는 내부 회로의 한 실시태양의 개략도를 도시한다.
내부 회로는 여기에서는 동일한 것으로서 도시된, 비교적 소입자의 작동 전극 재료(12) 및 대극 재료(13)과 혼합된 비교적 큰 입자의 이온 전도성 전해질(11)로 제작된다. 기본적으로, 이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물은 전기적으로 직렬 및 병렬로 연결되는 전기화학적 소 반응기의 더미(stack)로서 기능하며, 여기에서 소 반응기용 작동 전극 입자(12)는 동시에 또다른 소 반응기용 대극 입자(13)으로서 작용할 것이다.
매연 입자(21)은 다공질 구조인 공동(14) 내에 트랩되어 이들은 도 3의 토론에서 기술된 바와 같이 전기화학적으로 전환된다.
전기화학적 전환의 산물인 연도 가스 및 전환된 매연 입자는 혼합 구조 중의 세공을 관통하여 통과할 수 있다.
도 8은 이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 다공질 혼합물이 유체가 이를 통하여 전달되어 나갈 수 있는 개구 또는 채널(161)을 갖는 다공질 불활성 담체(61) 상에 지지되는, 도 7에서 도시된 내부 회로의 한 실시태양의 개략도를 도시한다. 다공질 담체 재료는 유체가 통과될 수 있는 반면, 담체 재료는 불용성 물질(21)을 보유하여 반응기의 반응부에서 물질을 용해시키기 위하여 전기화학적으로 전환시킬 수 있다.
도 9는 도 7에서 도시된 원리에 따라 제작된 전기화학적 반응기의 주사 전자 현미경에서 취해진 현미경 사진을 도시한다. 이온 선택성 전해질 재료로서 산소 이온 전도체인 20 원자% 산화가도리늄(CGO)으로 도핑된 산화세륨을 사용하였으며, 전극 재료로서 20 원자% 산화스트론튬(LSM)으로 도핑된 란타늄 망가네이트를 사용한다.
도 10은 각 층이 도 7에서 도시된 구조를 갖는 3층의 층상 구조물로 반응 구역이 제작되는, 내부 회로의 한 실시태양의 개략도를 도시한다. 최하층(17)에서,평균 세공 크기는 작아서 불용성 물질의 가장 작은 입자가 트랩되어 전기화학적으로 전환된다. 중간층(18)은 어느정도 세공의 크기가 커서 가장 작은 입자(21)이 구조를 통과하도록 하나 보다 큰 입자는 트랩된다. 가장 큰 입자는 세공 크기가 큰 상단층(19)에서 전환된다.
이러한 층상 구조는 여러개의 층에서 입도가 상이한 원료 분말을 사용하여 제작될 수 있다. 원료 물질에서 더 큰 입도를 선택하는 경우, 최종 구조에서 세공 크기는 더 커지게 된다.
내부 회로의 층상 구조는 3층 보다 더 적거나 3층 이상으로 구성될 수 있다.
<실시예 1>
작동 전극, 이온 선택성 전해질, 및 대극의 샌드위치 구조로서 제작된 내부 회로를 갖는 전기화학적 반응기
본 발명을 예시하기 위하여, 이온 선택성 전해질을 미국 시애틀 소재의 시애틀 스페셜티 세라믹스사(현재는 프락사 스페셜티 세라믹스사)제인 20 원자% 산화가도리늄으로 도핑된 산화세륨으로부터 제조하였다(이하에서 CGO로 표기). 분말의 입도를 1550 ??에서 3시간 동안 열처리에 의해 조절함으로써 5-10 ㎛의 분말 평균 입도를 얻었다. 전자 주사 현미경으로 입도를 측정하였다. 분말을 100 MPa에서 프레스하여 1.5 mm 두께를 갖는 판을 만들어 1500 ??에서 1시간 동안 소결시켰다. 이렇게 얻은 다공질 이온 선택성 전해질을, 브러시를 사용하여 상표명이 Demetron(등록상표) M8005 하에 독일 데구사에서 시판하는 백금 페이스트로 페인트하여 다공질 백금 전극을 설치한 후 전극을 갖는 이온 선택성 전해질을 1시간 동안 800 ??에서 소결시켰다. 전극 및 이온 선택성 전해질의 세공 크기는 0.5-5 ㎛이었다.
이렇게 제작된 내부 회로를 전극 상에 도선을 사용하여 설치하고 브랜드 다니카 TPS 23A, +/- 30V, 2A의 실험실용 전류원에 연결하고, 전압을 조절하였다.
그 후 완전한 장치를 퍼니스 내에 놓고 질소 중의 산소 20%의 기체 유동 내에서 약 300 ??까지 가열시킨 후 독일 데구사 제품인 Printex(등록상표) L 유형의 카본 블랙을 첨가하였다.
도 11은 내부 회로 상에 직접 인가된 전압의 함수로서 이산화탄소의 발생의 측정치를 도시한다. 다공질의 층상 구조는 도 4에서 도시된 구조에 해당한다.
도시된 데이타는 300 ??의 퍼니스 온도에서 도 1에서 출구(40)에 해당하는 출구 유동에서 질량 분광기로 측정하였다.
퍼니스의 온도를 250 ??까지 낮춤으로써, 탄소의 전환 속도는 약 15% 정도 감소하였다.
0 내지 400 Hz의 주파수 범위 내에 있는 교류를 사용함으로써, 주파수가 증가하였을 때 전환 속도에서 약간의 그러나 뚜렷하지는 않는 증가가 감지되었다. 0 Hz(직류)에서 약 20 Hz까지의 주파수 범위 내에서 증가가 가장 크며, 그 후 전환 속도는 거의 일정하다.
<실시예 2>
이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물로 구성된 내부 회로를 갖는 전기화학적 반응기
실시예 1에서 기술한 바와 같이 제조된 열처리 CGO 분말을 1200 ??에서 3시간 동안 열처리된, 미국 시애틀 소재의 시애틀 스페셜티 세라믹스(현재는 파락사 스페셜티 세라믹스)사로부터 구입한 20 원자% 스트론튬으로 도핑된 란타늄 망가나이트의 유사하게 열처리된 분말(이하에서 LSM으로 표기)과 혼합하였다. 약 6 체적%에 해당하는 LSM 6.5 중량%를 함유하는 분말 혼합물을 100 MPa에서 판이 되게 프레스하고 1 시간 동안 800 ??에서 소결시켰다. 소결화 후, 소결된 재료 내의 세공 크기는 0.4-4 ㎛이었다.
도 7에서 도시된 내부 회로에 해당하는 백금 전극을 제공하지 않고, 판을 실시예 1에서 기술한 바와 동일한 퍼니스에 설치하였다.
전류원으로서 덴마크의 캄파니 레오모터사로부터 구입한 브랜드 렌쯔의 변형된 주파수 전환기를 사용하였으며, 내부 회로에는 0.1-400 Hz의 가변성 주파수에서 1-400 볼트의 전압 및 750 와트의 출력이 인가될 수 있었다.
도 12는 내부 회로에 인가된 전압의 함수로서 이산화탄소 생성의 측정치를 도시한다.
예측한 바와 같이, 실시예 1에서와 같이 작동 전극 및 대극 사이에 위치한 이온 선택성 전해질 재료로 이루어진 내부 회로에 비하여 다공질의 이온 선택성 전해질 및 전극 재료 혼합물로 이루어진 내부 회로에 대해 상당한 정도로 높은 전압 수준이 필요하다.
또한, 반응이 진행될 수 있는 상당히 높은 효율적인 표면적으로 인하여 반응 속도는 보다 높다. 0 부터 400Hz까지의 사용된 주파수 범위에서, 주파수가 증가할 때 약간의 그러나 뚜렷하지는 않는 전환 속도에서의 증가가 검출된다. 0 부터 약 20 Hz까지의 주파수 범위에서 증가가 가장 크며 그 후 전환 속도는 거의 일정하다.
실시예 1 및 실시예 2에서 전환 속도가 증가하면 내부 회로에서의 전류 수요가 증가하게 된다는 것을 주목할 수 있었다. 첨가된 탄소가 충분히 연소할 때 전류가 강하게 감소한다.
<실시예 3>
불활성 담체 상의 CGO- 및 LSM-분말의 다공질 혼합물
CGO-분말 및 LSM-분말의 혼합물을 실시예 2에서 기술된 바와 같이 제조하였다. ICI사로부터 구입한 분산화제, KD-4를 사용하여 혼합물을 에탄올 중에 분산시킨 후, 이를 부직 석영 섬유의 불활성 담체 상에 침착시켰다. 이어서 침착된 분말 혼합물 및 담체를 2시간 동안 800 ??에서 소결시킨 후 양자를 실시예 1에서 기술한 바와 같이 퍼니스 내에 놓았다.
실시예 2에서 기술한 바와 같이 제조된, 내부 회로의 경우와 유사한 결과를 탄소의 전환에 대해 얻었다.
<실시예 4>
이온 선택성 전해질 재료 및 전극 재료 혼합물로 제작된 내부 회로를 갖는 전기화학적 반응기
본 실시예에서는, 미국 시애틀 소재의 프락사 스페셜티 세라믹스사(전에는 시애틀 스페셜티 세라믹스)로부터 구입한 10 원자% 산화가도리늄으로 도핑된 산화세륨(이후에 CGO-10으로 표기)을 산소 이온 전도성 전해질 재료로서 사용하였다. CGO-10-분말을 3시간 동안 1500 ??에서 열처리하여 입도를 조절하였다. CGO-10 분말을 실시예 2에서 기술한 바와 같이 약 4.5 체적%에 해당하는 5 중량% LSM-분말과 혼합하였다.
3mm 두께의 2개 판을 65 MPa의 압력에서 혼합물로부터 프레스하여 3시간 동안 950 ??에서 소결시켰다.
소결된 판에 도 13에서 도시된 바와 같이 그의 표면 상에 은 페이스트(Demetron, Leitsilber 200, Prod. No. 6200 0007)를 페인팅하여 전류 도선을 위한 접촉점을 제공하였다.
제1 판(201) 상에, 은 도선(203)을 대향하는 모서리에 배치하였다.
제2 판(202) 상에, 은 도선(204)를 간헐적인 패턴으로 배치하여 제1 판(201)의 경우 보다 상당히 짧은 전류 길이를 제공하였다.
은 도선은 50 Hz로 고정되고 2 내지 250 V로 가변성인 AC 전원(RKT-2, IMPO 전자 A/S, Odense, Denmark)에 연결된 와이어를 사용하여 접촉시켰다.
판을 실시예 2에서 기술된 것과 같은 퍼니스에서 하나씩 시험하였다.
디젠 엔진의 배기계에서 수집된 매연을 반응기를 통하여 기체 스트림에 첨가하였다.
포우리어 변환 적외선 분광계에 있는 기체 유동 셀을 통하여 반응기(도 1에서의 출구(40)과 동일)에서 나온 배기 가스를 끌어들임으로써 CO2-발생을 모니터하였다.
도 14는 제1 판(201) 상에 인가된 50 Hz AC 전압의 함수로서 이산화탄소의 발생을 도시한다. 이로부터 약 150V의 한계 전압에서 이산화탄소의 발생이 급격하게 증가함으로 알 수 있다.
도 15는 제2 판(202) 상에 인가된 50 Hz AC 전압의 함수로서 이산화탄소의 발생을 도시한다. 이로부터 간헐적인 은 도선 패턴에 의해 제공된 보다 짧은 전류 통로에 해당하는, 약 35V의 한계 전압, 즉 판(201)의 경우 보다 낮은 전압에서 이산화탄소의 발생이 급격하게 증가함을 알 수 있다.
<실시예 5>
폐수 중의 오일의 정제용의 전기화학적 반응기
듀퐁사로부터 구입한 Nafion(등록상표) 유형의 퍼플루오로화 술포네이트 막의 수소 이온-전도성 선택성 전해질을 함유하는 내부 회로를 갖는 전기화학적 반응기를 제작하였다. 전해질에 실시예 1에서 기술한 바와 같이 백금 페이스트로 페인트하여 다공질 전극을 제공하였다.
실시예 1에서 언급한 바와 같이 반응기에 전압을 인가하였다.
물 중의 1% 오일의 분산액을 반응기를 통하여 전달시켰으며, 유동수 및 반응기는 퍼니스에서 약 90 ??까지 가열시켜 반응 속도를 증가시켰다. 물은 반응기를 통과할 수 있는 반면, 오일 점적은 트랩되어 이산화탄소로 전기화학적으로 전환되었다.
전환은 하기 반응식을 따르는 것으로 추정된다:
애노드 : CnH(2n+2) + (2n)H2O = nCO2 + (6n+2)H+ + (6n+2)e-
캐소드 : 1/2(3n+1)O2 + (6n+2)H+ + (6n+2)e- = (3n+1)H2O
합 : CnH(2n+2) + 1/2(3n+1)O2 = nCO2 + (n+1)H2
O
<실시예 6>
조작시 에너지 소비
조작시 본 발명에 따른 반응기의 에너지 소비를 예시하기 위하여, 체제는 180 kW를 연속적으로 운반하고 전형적으로 0.015 g/s의 매연 생산량(m)에 해당하는 매연 0.3g/kWh를 만들어내는 디젤 엔진일 수 있다. 순수한 탄소로서 상기량의 매연이 전체 전기화학적으로 전환되는 것으로 가정하면, 파라데이 상수(F) 및 전환시의 전자수(n)을 사용하여 매연의 양은 반응기를 통하여 하기식으로 계산된 전류에 해당할 것이다:
I = n * m * F/Mc = 4 * 0.015 * 96500/12 = 483 A
상기 식에서, Mc는 탄소의 원자 중량이다.
3V의 전압에서, 이것은 약 1.5 kW에 해당하며 출력의 1 % 미만이다.
Claims (44)
- (a) 유체 유동을 (i) 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키는, 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 하나 이상의 작동 전극(12),(ii) 작동 전극에서 전기화학적 과정의 균형을 맞추는, 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 하나 이상의 대극(13), 및(iii) 작동 전극 및 대극에서의 전기화학적 과정 사이에 한 종류 이상의 이온을 선택적으로 전달하는, 하나 이상의 이온 선택성 전해질(11)을 포함하는, 내부 회로를 포함하는 반응 지대로 전달시키는 단계(이때, 반응 지대에서는 불용성 물질이 상기 전극 및 전해질의 하나 이상의 개방되고 관통된(through-going) 공동 안으로 도입되고 작동 전극으로부터 전기화학적 반응 거리 내로 옮겨져 전기화학적 과정이 진행될 수 있게 하며, 작동 전극 및 대극을 경유하여 상기 내부 회로는 외부 전류원(30)에 연결됨),(b) 외부 전류원을 경유하여 내부 회로에, 전기화학적 과정으로 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키기에 충분한 전압차를 인가시키는 단계,(c) 유체에 가용성인 물질을 유동하는 유체(40)와 함께 반응지대로부터 운반해 나가는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체에 불용성인 물질(21)을 유체에 가용성인 물질로 전기화학적으로 전환시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 반응 지대가, 하나 이상의 닫혀진 경계(11, 12, 13), 및 유체와 교통하는 하나 이상의 개구(14, 15)를 포함하는 하나 이상의 개방 공동을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 공동의 닫혀진 경계는 하나 이상의 전극 재료(12, 13), 하나 이상의 이온 선택성 전해질 재료(11), 또는 그의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 공동의 닫혀진 경계는 이온 선택성 전해질 및 전극 재료 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 공동의 크기가 10 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 전기화학적 과정이 산화, 환원 또는 그의 조합인 전극 과정으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 내부 회로가 작동 전극 및 대극을 경유하여 외부 전류원에 커플링되어 한 방향으로 전자의 흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 작동 전극 및 대극을 경유하여 내부 회로가 외부 전류원에 커플링되어 교류 방향으로 전자의 흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 유체가 산소를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 유체가 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 유체에 불용성인 재료 및 유체가, 하나 이상의 2상 시스템으로 이루어지고, 1상은 기체 또는 액체의 형태인 유체를 구성하고 제2상은 유체에 불용성인 고체 또는 액체의 형태인 물질에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제11항에 있어서, 2상 시스템이 에어로졸 및 공기 중의 오일 구름과 같은 기체 중의 액체, 공기 중의 탄소 함유 분진으로 이루어진 스모크와 같은 기체 중의 고체, 또는 그의 혼합물; 물 중의 탄소 함유 물질의 현탁액과 같은 액체 중의 고체, 및 물 중의 오일의 에멀젼과 같은 액체 중의 액체, 또는 그의 혼합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 유체에 불용성인 물질이 매연으로 이루어지고, 유체가 내연 엔진으로부터 나온 배기 가스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 유체에 불용성인 물질이 오일로 이루어지고, 유체가 폐수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- (a) 유체에 불용성인 물질을 유체에 가용성인 물질로 전환시키는, 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 하나 이상의 작동 전극(12),(b) 작동 전극에서 전기화학적 과정의 균형을 맞추는, 하나 이상의 전기화학적 과정으로 및(또는) 그로부터 전자를 전달시킬 수 있는 하나 이상의 대극(13), 및(c) 작동 전극 및 대극에서의 전기화학적 과정 사이에 하나 이상 유형의 이온을 선택적으로 전달하는 하나 이상의 이온 선택성 전해질(11)을 포함하는 내부 회로를 포함하며, 도입된 불용성 물질이 상기 전극 및 전해질의 하나 이상의 개방되고 관통된 공동 안으로 도입되고 작동 전극으로부터 전기화학적 반응 거리 내에 옮겨져 전기화학적 과정이 진행할 수 있고, 작동 전극 및 대극을 경유하여 내부 회로가 외부 전류원(30)에 연결되는 반응 구역이 위치하고, 유체를 도입하기 위한 입구(20) 및 도입된 유체를 방출하기 위한 출구(40)을 갖는 반응 챔버(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체에 불용성인 물질(21)을 유체에 가용성인 물질로 전환시키기 위한 전기화학적 반응기.
- 제15항에 있어서, 반응 구역이 하나 이상의 닫혀진 경계(11, 12, 13), 및 유체에 연결되는 하나 이상의 개구(14, 15)를 포함하는 하나 이상의 개방 공동(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제16항에 있어서, 공동의 닫혀진 경계가 하나 이상의 전극 재료(12, 13), 하나 이상의 이온 선택성 전해질 재료(11), 또는 그의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제16항에 있어서, 공동의 닫혀진 경계가 이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 공동의 크기가 10 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 전류원이 직류원인 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 전류원이 교류원인 것을 특징으로 하는 반응기.
- 하나 이상의 개방되고 관통된 공동을 갖는 고체 상태 이온 전도체를 함유하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행할 때 사용하거나 또는 제15항 내지 제21항에 따른 전기화학적 반응기에서 사용하기 위한 이온 선택성 전해질.
- 제22항에 있어서, 고체 상태 이온 전도체가 산소 이온 전도성인 것을 특징으로 하는 전해질.
- 제22항에 있어서, 고체 상태 이온 전도체가 산화가도리늄(Gd2O3)으로 도핑된 이산화세륨(CeO2), 산화이트륨(Y2O3)으로 도핑된 이산화지르코늄(ZrO2 ), 또는 그의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전해질.
- 제22항에 있어서, 고체 상태 이온 전도체가 수소 이온 전도성인 것을 특징으로 하는 전해질.
- 제22항에 있어서, 고체 상태 이온 전도체가 ??"-알루미나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전해질.
- 제22항에 있어서, 고체 상태 이온 전도체가 술폰화된 퍼플루오로중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전해질.
- 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 상태 이온 전도체가 크기가 10 내지 100 ㎛인 개방 공동을 갖는 것을 특징으로 하는 전해질.
- 하나 이상의 개방되고 관통된 공동을 갖는 금속 또는 세라믹 재료로부터 선택된 전기 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시할 때 또는 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 반응기에서 작동 전극 또는 대극으로서 사용하기 위한 전극.
- 제29항에 있어서, 크기가 10 내지 100 ㎛인 공동을 갖는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제29항 또는 제30항에 있어서, 전기 전도성 물질이 스트론튬으로 도핑된 란타늄 망가나이트인 것을 특징으로 하는 전극.
- 입자 크기가 10-100 ㎛인 이온 선택성 전해질 재료를 입자 크기가 1-10 ㎛인 전극 재료와, 서로 접촉하지 않고 전극 재료 입자가 이온 선택성 전해질 재료 입자의 표면 상에 필수적으로 침착되게 하는 비율로 혼합하여 그 혼합 재료가 이온 선택성 전해질 재료의 전도도와 동일한 크기 지수의 전기 전도도를 얻는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시할 때 또는 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 반응기에서, 내부 회로로서 사용하기 위한 이온 선택성 전해질 및 전극 재료의 혼합물.
- 제32항에 있어서, 20 체적% 미만의 전극 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료.
- 제32항 또는 제33항에 있어서, 혼합 재료가 크기가 10 내지 100 ㎛인 개방 공동을 갖는 것을 특징으로 하는 재료.
- 제32항에 있어서, 한 확장 방향으로 100 내지 10 ㎛로 감소하는 세공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 재료.
- 연도(flue) 가스로부터 매연 입자를 제거하는 데 사용되는 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 반응기.
- 폐수로부터 오일을 제거하는 데 사용되는 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 반응기.
- 연도 가스로부터 매연 입자를 제거하는 데 사용되는 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따른 이온 선택성 전해질.
- 연도 가스로부터 매연 입자를 제거하는 데 사용되는 제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따른 전극.
- 연도 가스로부터 매연 입자를 제거하는 데 사용되는 제32항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 이온 선택성 전해질 및 전극 재료 혼합물.
- 폐수로부터 오일을 제거하는 데 사용되는 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따른 이온 선택성 전해질.
- 폐수로부터 오일을 제거하는 데 사용되는 제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따른 전극.
- 폐수로부터 오일을 제거하는 데 사용되는 제32항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 이온 선택성 전해질 및 전극 재료 혼합물.
- 제33항에 있어서, 3 체적% 내지 15 체적%의 전극 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료.
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