KR20190121370A - 격리된 전극을 갖는 폐수 처리용 전기화학 전지 스택 - Google Patents
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Abstract
폐수 처리용 전기화학 전지 스택이 개시되며 이는 고체 고분자 멤브레인, 멤브레인의 각각의 측면에 인접한 양극 촉매층 및 음극 촉매층, 촉매층들 각각의 옆에 배치되는 개방형 공극 매쉬 및 각각의 개방형 공극 메쉬 옆에 배치되는 압축 프레임을 갖는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함한다. 커버는 스택 내의 2개의 이웃한 전기화학 전지들의 압축 프레임들 사이에 배치되며 그것에 의해 2개의 이웃한 전기화학 전지들 사이의 거리에 걸치는 인클로저를 형성하며 그것에 의해 스택이 침지되는 반응기 탱크 내의 용액으로부터 음극 촉매층 또는 양극 촉매층을 격리시킨다.
Description
본 발명은 폐수(wastewater) 처리를 위한 전기화학 전지 스택에 관한 것이고, 특히 본 발명은 전기화학 전지의 하나의 전극이 그것을 폐수로부터 또는 반응기 탱크 내의 임의의 다른 용액으로부터 격리시키는 커버에 의해 보호된 채로, 반응기 탱크에 침지되는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 유기 및 무기 오염물질의 제거를 위한 전기화학 전지 스택에 관한 것이다.
새로운 폐수 처리 솔루션들, 특히 비용 효과적이고, 지속 가능하고, 2차 오염을 생성하지 않고, 수질 기준들을 준수하고 최소 동작 및 유지 요건들을 갖는 수처리 시스템들에 대한 수요에 있어서 상당한 성장이 존재한다. 폐수를 처리하는 바람직한 접근법은 예를 들어 전기화학 산화를 통한, 비-화학적 산화에 의한 것이다. 전기화학 산화는 광범위한 오염물질 예컨대 잔류성 유기 오염물질, 다이옥신, 질소 종(species)(예를 들어, 암모니아), 의약품, 병원균, 미생물 및 다수의 우선 오염물질 및 살충제를 제거 시에 효과적이다.
플로우-스루(flow-through) 평행 플레이트들, 분할 챔버들, 팩형(packed) 베드 전극들, 스택형 디스크들, 동심원 실린더들, 이동식 베드 전극들 및 필터-프레스를 포함하는 다양한 전지 구성들은 폐수 처리의 직접 및 간접 전기화학 산화를 위해 개발되었다.
폐수 처리용 전해조의 하나의 구성은 예를 들어, 출원인의 특허 공개 WO2012167375에 설명되는 바와 같은 고체 고분자 전해질(solid polymer electrolyte(SPE))을 사용한다. 시스템은 음극 가스 확산층 및 음극 촉매층을 갖는 음극, 양극 확산층 및 양극 촉매층을 갖는 양극 및 양극층 및 음극층을 분리시키는 고체 고분자 멤브레인 전해질을 포함하는 전해 전지(electrolytic cell)를 포함한다. 폐수는 양극 유체 전달층 옆에 배치되는 양극 유동장(flow field) 플레이트에 제공되는 유동장 채널들을 통해 그것을 지향시킴으로써 양극 유체 전달층으로/으로부터 균일하게 전달된다. 폐수의 전기화학 처리 동안에 생성되는 수소 가스는 음극으로부터 수집되고 음극 유체 전달층 옆에 배치되는 유동장 플레이트에 제공되는 유동장 채널들에 의해 전해 전지 밖으로 지향된다. 시스템은 스택들로 그리고 직렬 및/또는 병렬 배열들로 다수의 전해 전지들을 포함할 수 있고 음극액 또는 다른 지지 전해질 없이 동작할 수 있다.
출원인은 전기화학 전지 스택이 처리될 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지되는 출원인의 특허 출원 WO2017123969에 개시되는 바와 같은, 시스템을 더 개발하였으며, 여기서 각각의 전기화학 전지는 고체 고분자 전해질(SPE) 멤브레인 및 양극 및 음극 촉매층들 - 각각의 촉매층은 고체 고분자 전해질 멤브레인의 일 측면에 인접함 -, 그리고 개방형 공극 메쉬들 - 각각의 개방형 공극 메쉬는 촉매층에 인접함 -을 포함한다. 시스템은 압축 프레임들을 더 포함하며, 각각의 프레임은 개방형 공극 메쉬에 인접하고 그것의 둘레(perimeter)에 의해 구획되는(delimited) 영역 내에 펼쳐지는 압축 아암들을 가지며, 압축 아암들은 연결 부위들에서 서로 연결된다. 시스템은 연결 부위들에서 압축 프레임들의 아암들에 제공되는 홀들을 통해, 개방형 공극 메쉬들에 제공되는 홀들을 통해 그리고 촉매 코팅된 멤브레인을 통해 돌출하여 2개의 압축 프레임들 사이의 고체 고분자 전해질 멤브레인, 촉매층들 및 개방형 공극 메쉬들을 압축하는 패스너들을 더 포함한다. 이러한 시스템은 유동장 플레이트들 및 무작위의, 이종 다공성 매체(가스 확산층들)의 제거로 인하여 더 낮은 동작 비용으로 더 높은 오염물질 제거율을 달성하는 것으로 증명되었다. 시스템은 낮은 전압 동작 및 에너지 소비를 제공하고 가변적인 유출 유동율들(effluent flow rates)에서 동작할 수 있다.
전기화학 전지 스택이 출원인의 동시-계류중인 특허 출원에 설명되는 것과 같은, 처리될 폐수에 노출되는 음극 및 양극 촉매층들 둘 다를 갖는 반응기 탱크에 침지되는 시스템에서, 양극에서 폐수의 산화 동안에 형성되는 중간 시약들은 음극 촉매의 작용을 없앨 수 있다. 더욱이, 양극 측면 상에서 산화되고 1차 오염물질이 실질적으로 없지만, 산화 과정의 중간 시약들을 잠재적으로 포함할 수 있는 폐수는 음극 촉매와 접촉할 수 있고 중간 시약들은 감소될 수 있으며, 그것에 의해 양극 측면 상에 발생하는 세정 산화 과정을 반전시킨다. 더욱이, 일부 경우들에서, 예를 들어 암모니아를 포함하는 폐수의 처리의 경우에서, 염화나트륨(NaCl)이 반응기 탱크에 첨가되어 원 위치에(in-situ) 차아염소산염(hypochlorite)의 형성을 유도하고 오염된 물의 간접 산화를 완료한다. 이들 경우들에서, 염화나트륨 중 일부는 반응기 탱크 내의 처리된 물에 남아 있을 수 있고 처리된 물을 처리된 물 수집 탱크로 이송하는 유출구 배관을 통해 탱크로부터 폐기될 수 있다. 염화나트륨은 높은 전도성을 갖고 따라서 일부 경우들에서 처리 시스템 하류의 배관을 부식시키는 위험을 내포할 수 있다.
따라서, 전기화학 전지 스택이 반응기 탱크에 침지되는 시스템의 성능은 반응기 탱크 내의 벌크 용액으로부터 양극 또는 음극을 격리시킴으로써 더 개선될 수 있다. 본 발명은 본원에 설명되는 바와 같은 수개의 이점들을 제공하는 이러한 요구들을 해결한다.
본 발명은 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 폐수 처리용 전기화학 전지 스택을 설명하며, 전기화학 전지는 고체 고분자 전해질 멤브레인, 고체 고분자 전해질 멤브레인의 제1 측면에 인접한 양극 촉매층 및 제1 측면에 대향하는, 고체 고분자 전해질 멤브레인의 제2 측면에 인접한 음극 촉매층을 포함한다. 전기화학 전지는 양극 촉매층에 인접한 제1 개방형 공극 메쉬 및 음극 촉매층에 인접한 제2 개방형 공극 메쉬, 양극 촉매층에 인접한 제1 개방형 공극 메쉬에 인접한 제1 압축 프레임 및 음극 촉매층에 인접한 제2 개방형 공극 메쉬에 인접한 제2 압축 프레임을 더 포함하며, 압축 프레임들 각각은 프레임의 둘레에 의해 구획되는 영역 내에 펼쳐지는 압축 아암들을 가지며, 압축 아암들은 연결 부위들에서 서로 연결된다. 패스너들은 연결 부위들에서 제1 및 제2 압축 프레임들의 압축 아암들에 제공되는 홀들을 통해, 제1 및 제2 개방형 공극 메쉬들에 제공되는 홀들을 통해 및 고체 고분자 전해질 멤브레인 그리고 양극 및 음극 촉매층들을 통해 돌출한다. 패스너들은 압축 프레임들과 함께 2개의 압축 프레임들 사이의 고체 고분자 전해질 멤브레인, 촉매층들 및 개방형 공극 메쉬들을 압축하기 위한 힘을 제공한다. 커버는 전지의 양극 촉매층 측면 상에 배치되는 제1 압축 프레임에 또는 전지의 음극 촉매층 측면 상에 배치되는 제2 압축 프레임에 부착되어 스택이 반응기 탱크 내에 침지될 때 그 내의 용액으로부터 양극 또는 음극 촉매층을 격리시킴으로써 그들을 보호하기 위한 인클로저를 형성한다.
이러한 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 커버는 스택 내의 전기화학 전지의 양극 또는 각각의 음극 촉매층에 대한 폐수, 양극 용액 또는 음극 용액의 액세스를 허용하기 위한 개구를 구비하는 일 측면을 갖는다. 커버는 폐수, 양극 용액 또는 음극 용액을 커버에 의해 형성되는 인클로저로 공급하기 위한 유입구 파이프, 커버에 의해 형성되는 인클로저로부터 양극 촉매 또는 음극 촉매에서 형성되는 반응 생성물(reaction products)을 제거하기 위한 유출구 파이프 및 커버에 의해 형성되는 인클로저로부터 가스들을 제거하기 위한 배기 파이프를 더 포함한다.
스택은 개구를 구비하는 커버의 측면과 그러한 측면 옆의 압축 프레임 사이에 시일(seal)을 더 포함한다.
커버는 비-전도성 재료로 이루어진다.
스택은 이웃한 전기화학 전지로부터 소정 거리에 스택 내의 전기화학 전지를 유지시키는 적어도 하나의 로드를 통해 연결되는 복수의 전기화학 전지들을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 전기화학 전지 스택은 2개의 전기화학 전지들을 포함하는 적어도 하나의 반복 유닛을 포함하며, 각각의 전기화학 전지는 고체 고분자 전해질 멤브레인, 고체 고분자 전해질 멤브레인의 제1 측면에 인접한 양극 촉매층 및 제1 측면에 대향하는, 고체 고분자 전해질 멤브레인의 제2 측면에 인접한 음극 촉매층을 포함한다. 각각의 전기화학 전지는 양극 촉매층에 인접한 제1 개방형 공극 메쉬 및 음극 촉매층에 인접한 제2 개방형 공극 메쉬, 제1 개방형 공극 메쉬에 인접한 제1 압축 프레임 및 제2 개방형 공극 메쉬에 인접한 제2 압축 프레임을 더 포함하며, 압축 프레임들 각각은 프레임의 둘레에 의해 구획되는 영역 내에 펼쳐지는 압축 아암들을 가지며, 압축 아암들은 연결 부위들에서 서로 연결된다. 패스너들은 연결 부위들에서 제1 및 제2 압축 프레임들의 압축 아암들에 제공되는 홀들을 통해, 제1 및 제2 개방형 공극 메쉬들에 제공되는 홀들을 통해 및 고체 고분자 전해질 멤브레인 그리고 양극 및 음극 촉매층들을 통해 돌출하고 압축 프레임들과 함께, 전기화학 전지의 구성요소들을 압축하기 위해 필요한 힘을 제공한다. 스택은 스택 내의 전기화학 전지들을 연결하고 반복 유닛 내의 제2 전기화학 전지로부터 소정의 거리에 반복 유닛 내의 제1 전기화학 전지를 유지시기 위한 적어도 하나의 로드를 더 포함함으로써, 제1 전기화학 전지의 양극 측면은 제2 전기화학 전지의 양극 측면에 대면하거나 제1 전기화학 전지의 음극 측면은 제2 전기화학 전지의 음극 측면을 대면한다.
이러한 실시예에서, 커버는 반복 유닛의 2개의 이웃한 전기화학 전지들의 압축 프레임들 사이에 배치되고, 2개의 이웃한 전지들 사이의 거리에 걸치는 인클로저를 형성하여 그것에 의해 반응기 탱크 내의 용액으로부터 반복 유닛의 2개의 이웃한 전기화학 전지들의 양극 촉매층들 또는 음극 촉매층들을 격리시킨다.
일 실시예에서, 스택의 반복 유닛 내의 전기화학 전지들은 반복 유닛의 제1 전기화학 전지의 음극 촉매층 옆의 개방형 메쉬에 인접한 압축 프레임이 스택 내의 반복 유닛의 제1 전기화학 전지를 이웃하고 있는 반복 유닛의 제2 전기화학 전지의 음극 촉매층 옆의 개방형 메쉬에 인접한 압축 프레임을 대면하도록 위치된다.
이러한 실시예에서, 커버는 반복 유닛의 이웃한 전기화학 전지들의 압축 프레임들 사이에 배치되고 커버는 음극 용액을 커버에 의해 형성되는 인클로저로 공급하기 위한 유입구 파이프(inlet pipe), 커버에 의해 형성되는 인클로저로부터 음극 촉매에서 형성되는 반응 생성물을 제거하기 위한 유출구 파이프(outlet pipe), 커버, 서로 대향하는 제1 측면 및 제2 측면에 의해 형성되는 인클로저로부터 가스들을 제거하기 위한 배기 파이프(vent pipe)를 가지며, 각각의 측면은 2개의 이웃한 전지들의 음극 촉매층들에 대한 음극 용액의 액세스를 허용하는 개구들 구비한다.
다른 실시예에서, 스택 내의 전기화학 전지들은 반복 유닛의 제1 전기화학 전지의 양극 촉매층 옆의 개방형 메쉬에 인접한 압축 프레임이 스택 내의 반복 유닛의 제1 전기화학 전지를 이웃하고 있는, 반복 유닛의 제2 전기화학 전지의 양극 촉매층 옆의 개방형 메쉬에 인접한 압축 프레임을 대면하도록 위치된다.
이러한 실시예에서, 커버는 양극 촉매 옆의, 반복 유닛 내의 제1 및 제2 전기화학 전지들의 압축 프레임들 사이에 배치되고 커버는 폐수 또는 양극 용액을 커버에 의해 형성되는 인클로저로 공급하기 위한 유입구 파이프, 커버에 의해 형성되는 인클로저로부터 양극 촉매층에서 형성되는 반응 생성물들을 제거하기 위한 유출구 파이프 및 커버, 서로 대향하는 제1 측면 및 제2 측면에 의해 형성되는 인클로저로부터 가스들을 제거하기 위한 배기 파이프를 가지며, 각각의 측면은 반복 유닛 내의 2개의 이웃한 전지들의 양극 촉매층들에 대한 폐수 또는 양극 용액의 액세스를 허용하는 개구를 구비한다.
커버가 2개의 대향 측면들을 구비하는 실시예들에서, 각각의 측면은 개구를 가지며, 시일(seal)은 커버의 각각의 측면과 그러한 특면 옆의 압축 프레임 사이에 배치된다.
모든 제시된 실시예들에서, 고체 고분자 전해질 멤브레인은 음이온 고체 고분자 전해질 또는 양이온 고체 고분자 전해질일 수 있고 커버는 비-전도성 재료로 이루어진다.
본 발명은 또한 여기서 설명되는 적어도 하나의 전기화학 전지들의 스택을 포함하는 폐수의 처리를 위한 시스템을 지칭하며, 스택들은 폐수 또는 음극 용액을 포함하는 반응기 탱크에 침지된다. 스택들은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
폐수 처리용 방법이 또한 설명되며, 방법은 하기 단계들을 포함한다:
a. 양극 측면 상의 스택 내의 적어도 하나의 전기화학 전지의 압축 프레임에 부착되는 커버를 포함하는, 적어도 하나의 전기화학 전지 스택을 제공하는 단계, 커버는 전기화학 전지의 양극 촉매층 측면을 대면하는 개구를 갖는 일 측면을 가지며, 스택은 처리될 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지됨,
b. 양극 용액을 커버 및 압축 프레임에 의해 형성되는 인클로저에 공급하는 단계,
c. 전기화학 전지들에 걸쳐 전압을 공급하는 단계, 및
d. 전기화학 전지들을 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 폐수 내의 오염물질을 분해시키는 단계.
폐수 처리용 방법이 또한 설명되며, 방법은 하기 단계들을 포함한다:
a. 양극 측면 상의 스택 내의 적어도 하나의 전기화학 전지의 압축 프레임에 부착되는 커버를 포함하는, 적어도 하나의 전기화학 전지 스택을 제공하는 단계 - 커버는 전기화학 전지의 양극 촉매층 측면을 대면하는 개구를 갖는 일 측면을 가지며, 스택은 음극 용액을 포함하는 반응기 탱크에 침지됨 -,
b. 처리될 폐수를 커버 및 압축 프레임에 의해 형성되는 인클로저에 공급하는 단계
c. 전기화학 전지들에 걸쳐 전압을 공급하는 단계, 및
d. 전기화학 전지들을 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 폐수 내의 오염물질을 분해시키는 단계.
본 발명의 다른 실시예에 따른 폐수 처리용 다른 방법은 하기 단계들을 포함한다:
a. 음극 측면 상의 스택 내의 적어도 하나의 전기화학 전지의 압축 프레임에 부착되는 커버를 포함하는 적어도 하나의 전기화학 전지 스택을 제공하는 단계 - 커버는 전기화학 전지의 음극 촉매층 측면을 대면하는 개구를 갖는 일 측면을 가지며, 스택은 처리될 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지됨 -,
b. 음극 용액을 압축 프레임에 부착되는 커버에 의해 형성되는 인클로저에 공급하는 단계,
c. 전기화학 전지들에 걸쳐 전압을 제공하는 단계, 및
d. 전기화학 전지들을 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 폐수 내의 오염물질을 분해시키는 단계.
폐수 처리용 다른 방법이 개시되며 하기 단계들을 포함한다:
a. 2개의 전기화학 전지들 및 반복 유닛의 2개의 이웃한 전기화학 전지들의 압축 프레임들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 적어도 하나의 반복 유닛을 제공하는 단계 - 커버는 그것의 2개의 대향 측면 각각 상에 개구를 가지며, 각각의 개구는 2개의 이웃한 전지들 중 하나의 음극 촉매층 측면을 대면하며, 스택은 처리될 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지됨 -,
b. 음극 용액을 2개의 이웃한 전지들의 압축 프레임들 및 커버에 의해 형성되는 인클로저에 공급하는 단계,
c. 반복 유닛의 전기화학 전지들에 걸쳐 전압을 제공하는 단계, 및
d. 전기화학 전지들을 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 폐수 내의 오염물질을 분해시키는 단계.
폐수 처리용 방법이 개시되며 하기 단계들을 포함한다:
a. 2개의 전기화학 전지들 및 반복 유닛의 2개의 이웃한 전기화학 전지들의 압축 프레임들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 적어도 하나의 반복 유닛을 제공하는 단계 - 커버는 그것의 2개의 대향 측면 각각 상에 개구를 가지며, 각각의 개구는 2개의 이웃한 전지들 중 하나의 음극 촉매층 측면을 대면하며, 스택은 처리될 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지됨 -,
b. 양극 용액을 2개의 이웃한 전지들의 압축 프레임들 및 커버에 의해 형성되는 인클로저에 공급하는 단계,
c. 반복 유닛의 전기화학 전지들에 걸쳐 전압을 제공하는 단계, 및
d. 전기화학 전지들을 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 폐수 내의 오염물질을 분해시키는 단계.
폐수 처리용 방법이 개시되며 하기 단계들을 포함한다:
a. 2개의 전기화학 전지들 및 2개의 이웃한 전기화학 전지들의 압축 프레임들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 적어도 하나의 반복 유닛을 제공하는 단계 - 커버는 그것의 2개의 대향 측면 각각 상에 개구를 가지며, 각각의 개구는 2개의 이웃한 전지들 중 하나의 양극 촉매층 측면을 대면하며, 스택은 음극 용액을 포함하는 반응기 탱크에 침지됨 -,
b. 폐수를 반복 유닛의 2개의 이웃한 전지들의 2개의 압축 프레임들 및 커버에 의해 형성되는 인클로저에 공급하는 단계,
c. 전기화학 전지들에 걸쳐 전압을 제공하는 단계, 및
d. 전기화학 전지들을 전기 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 폐수 내의 오염물질을 분해시키는 단계.
도면들은 본 발명의 특정의 바람직한 실시예들을 예시하지만, 본 발명의 사상 및 범위를 임의의 방식으로 제한하는 것으로서 간주되어서는 안된다.
도 1은 본 시스템에서 사용되는 폐수 처리용 전기화학 전지의 분해도를 예시한다.
도 2는 본 시스템에 따른, 스택에서 2개의 이웃한 전지들의 음극들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 전기화학 전지 스택의 개략도를 예시한다.
도 3은 반응기 탱크 및 도 2에 예시된 전기화학 전지 스택을 포함하는 폐수 처리용 모듈의 분해도를 예시한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 개략도를 예시한다.
도 5는 본 발명에 따른 2개의 이웃한 전지들 사이에 배치될 수 있는 커버의 분해도를 예시한다.
도 6은 본 발명에 따른, 반응기 탱크 내의 폐수에 침지되는 스택 내의 2개의 이웃한 전지들의 양극들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 전기화학 전지들 스택의 개략도를 예시한다.
도 7은 폐수가 커버 및 2개의 이웃한 전지들에 의해 형성되는 인클로저를 통해 순환되는, 반응기 탱크에서, 음극 용액에 침지되는 스택 내의 2개의 이웃한 전지들의 양극들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 전기화학 전지 스택의 개략도를 예시한다.
도 8은 스택 내의 전지들 각각의 음극 측면 상에 배치되는 커버를 갖는 전기화학 전지 스택의 개략도를 예시한다.
도 9는 도 8에 예시되는 바와 같은 스택 내의 전기화학 전지들 중 하나에 부착될 수 있는 커버의 분해도를 예시한다.
도 1은 본 시스템에서 사용되는 폐수 처리용 전기화학 전지의 분해도를 예시한다.
도 2는 본 시스템에 따른, 스택에서 2개의 이웃한 전지들의 음극들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 전기화학 전지 스택의 개략도를 예시한다.
도 3은 반응기 탱크 및 도 2에 예시된 전기화학 전지 스택을 포함하는 폐수 처리용 모듈의 분해도를 예시한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 개략도를 예시한다.
도 5는 본 발명에 따른 2개의 이웃한 전지들 사이에 배치될 수 있는 커버의 분해도를 예시한다.
도 6은 본 발명에 따른, 반응기 탱크 내의 폐수에 침지되는 스택 내의 2개의 이웃한 전지들의 양극들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 전기화학 전지들 스택의 개략도를 예시한다.
도 7은 폐수가 커버 및 2개의 이웃한 전지들에 의해 형성되는 인클로저를 통해 순환되는, 반응기 탱크에서, 음극 용액에 침지되는 스택 내의 2개의 이웃한 전지들의 양극들 사이에 배치되는 커버를 포함하는 전기화학 전지 스택의 개략도를 예시한다.
도 8은 스택 내의 전지들 각각의 음극 측면 상에 배치되는 커버를 갖는 전기화학 전지 스택의 개략도를 예시한다.
도 9는 도 8에 예시되는 바와 같은 스택 내의 전기화학 전지들 중 하나에 부착될 수 있는 커버의 분해도를 예시한다.
특정 용어(terminology)가 본 명세서에서 사용되고 아래에 제공되는 정의들에 따라 해석되도록 의도된다. 게다가, 하나의("a") 및 포함한다("comprises")와 같은 용어들은 개방형(open-ended)으로서 해석되어야 한다. 또한, 본원에 인용되는 모든 미국 특허 공개들 및 다른 참조문헌들은 전체적으로 참조로 통합되도록 의도된다.
본원의 SPE는 고체 고분자 전해질을 나타내고 임의의 적합한 이온 전도성 이오노머(ionomer)(음이온 또는 양이온, 유기 또는 무기 형태 중 어느 한쪽), 예컨대 Nafion®일 수 있다. 따라서, SPE 전기화학 전지는 전기 에너지가 (양극 전압이 전지의 양극에 인가되는) 원하는 전기화학 반응을 수행하기 위해 공급되는 전해질로서 SPE를 포함하는 전지이다.
본 시스템에 사용되는 폐수 처리를 위한 일 예시적 전기화학 전지는 도 1에서 그 분해도로 예시된다. 전기화학 전지(100)는 촉매 코팅 멤브레인(102)(CCM)을 포함하며 이는 그것의 양 측면들 각각 상에 촉매층(106)으로 코팅되는 고체 고분자 전해질 멤브레인(104)으로 구성된다. 멤브레인의 제1 측면 상의 하나의 촉매층(106)만 도 1에 도시되며, 예를 들어 이것은 양극 촉매층일 수 있지만, 당업자는 멤브레인의 대향 측면이 또한 이러한 예에서 음극 촉매층일 수 있고, 양극 촉매층과 실질적으로 동일한 영역(area)을 가질 수 있는 촉매층으로 코팅된다는 점을 용이하게 이해할 것이다. 이러한 맥락에 있어서, 본 개시에서, 전기화학 전지의 활성 영역(active area)은 양극 측면 상에 촉매층으로 코팅되는 멤브레인(또는 대안적인 실시예들에서 아래에 더 설명되는 바와 같은 개방형 공극 메쉬)의 영역으로서 정의되고 음극 활성 영역은 음극 측면 상에 촉매층으로 코팅되는 멤브레인(또는 개방형 공극 메쉬)의 영역으로서 정의된다. 예시된 실시예에서, 고체 고분자 전해질 멤브레인(104)은 아래에서 더 설명되는 바와 같은 전기화학 전지의 조립 동안에 멤브레인을 통한 패스너들(122)의 관통을 허용하는 홀들(105)을 구비한다. 대체 실시예들에서, 고체 고분자 전해질 멤브레인(104)은 홀들로 사전 제작되지 않고, 이러한 경우, 패스너들은 전기화학 전지의 조립 과정 동안에 멤브레인을 관통한다. 전기화학 전지는 CCM의 각각의 측면 상에, 촉매 코팅 멤브레인(102) 옆에 배치되는, 개방형 공극 메쉬들(108 및 110), 및 각각의 개방형 공극 메쉬들(108 및 110) 옆에 각각 배치되는 압축 프레임들(112 및 114)을 더 포함한다. 개방형 공극 메쉬들(108 및 110)은 메쉬의 상대적으로 큰 다공성(porosity)을 허용하는 개방형 공극들을 구비하는 메쉬들이고 그들은 또한 전기화학 전지의 조립 동안에 패스너들(122)의 관통을 허용하는 홀들(116)을 구비한다. 개방형 공극 메쉬들(108 및 110) 각각의 영역은 멤브레인의 촉매 코팅 영역인 전기화학 전지의 각각의 양극 활성 영역 및 음극 활성 영역과 실질적으로 동일하다. CCM(102)의 주변부의 영역(128)은 그것의 둘레를 따라서, 촉매로 코팅되지 않고 전기 절연 기능을 갖는다.
예시된 예에서 4개의 측면들을 갖는 직사각형의 형상을 갖는 압축 프레임들(112 및 114)은 연결 부위들(120)에서 서로 연결되고 압축 프레임의 4개의 측면들 사이의 영역 내에서 펼처지는 압축 아암들(118)을 각각 구비한다. 홀들(119)은 전기화학 전지의 조립 동안에 패스너들(122)의 관통을 허용하기 위해 연결 부위들(120)에서 압축 프레임들에 제공된다. 연결 부위들은 각각의 압축 프레임의 4개의 측면들 사이의 영역 내에 분산된다. 압축 프레임들(112 및 114)은 일반적으로 DC 전원인, 전원과의 전기 연결들을 만들기 위한 리드들(130)을 구비한다. 당업자는 압축 프레임들(112 및 114)이 본 도면들에 예시된 직사각형 형상 이외의 상이한 형상을 가질 수 있고 압축 아암들(118) 및 연결 부위들(120)이 그것의 둘레에 의해 구획되는 영역 내의 각각의 압축 프레임에 대해 분산된다는 점을 이해할 것이다. 직사각형 형상의 압축 프레임의 경우, 프레임의 둘레는 그것의 측면들에 의해 정의된다.
도 1 내지 도 3에서, 패스너들(122)은 요구되는 압축력을 보장하기 위해 너트들(126)과 협력하는 나사식 볼트들로서 예시되지만, 당업자는 임의의 다른 패스너들, 예를 들어 리벳들이 개방형 공극 메쉬들 및 CCM 상에 압축 프레임들에 의해 가해지는 압축력을 제공하기 위해 사용될 수 있고 그러한 패스너들이 요구되는 압축력을 보장하기 위해 너트들(126)과 같은 임의의 추가적인 요소들을 필요로하지 않을 수 있다는 점을 용이하게 이해할 것이다.
SPE 멤브레인(104)은 전극들(멤브레인의 양극 및 음극 측면 상의 촉매층들) 사이에 감소된 갭을 제공한다. 본 발명에서, 촉매층들을 지지하는 가스 확산층들이 존재하지 않고 전극들은 이러한 실시예에서, 멤브레인의 하나의 측면 상에 각각 증착되는, 양극 및 음극 촉매층들(106)만을 포함하며, 이는 또한 더 낮은 동작 비용에 기여한다. 개방형 공극 메쉬들(108 및 110)은 로컬 전류 수집을 제공하고, 그들의 상대적으로 높은 다공성으로 인해, 촉매층들 상의 반응 부위들로/부위들로부터 오염된 물 및 처리된 물의 용이한 접근 및 촉매층 옆에 형성되는 가스들의 용이한 제거를 허용한다. 압축 프레임들(112 및 114)은 개방형 공극 메쉬들(108 및 110)에 대한 주변 전류(perimeter current) 수집을 허용하고 그들의 압축 아암들(118)은 주로 압축 아암들 및 각각의 연결 부위들의 분포로 인해 전체 양극 및 각각의 음극 활성 영역에 걸쳐 개방형 공극 메쉬들, 멤브레인 및 촉매층들의 실질적으로 균일한 압축을 달성한다. 압축 프레임들(112 및 114)은 예를 들어, 0.5 mm 내지 5 mm의 두께를 갖는 전도성 금속들 또는 세라믹들로 이루어진다. 당업자는 연결 부위들의 수 및 압축 프레임들의 종횡비가 변할 수 있고 개방형 공극 메쉬들 및 CCM의 실질적으로 균일한 압축을 허용하고 상이한 크기들의 상업적으로 이용 가능한 고체 고분자 멤브레인들을 수용하도록 구성될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
개방형 공극 메쉬들(108 및 110)은 위에 언급된 목적들을 위해 상대적으로 높은 다공성을 갖는다. 본 발명의 맥락에서, 다공성은 개방 영역과 메쉬의 체적 사이의 비율로서 정의된다. 사용될 수 있는 메쉬들의 타입들은 250 미크론 내지 550 미크론 사이의 메쉬 두께, 22 미크론 내지 50 미크론 사이의 섬유 직경 및 50% 내지 85 %의 다공성을 갖는 Bekaert에 의해 공급되는 소결 티타늄 섬유 메쉬 및 10 미크론 내지 5,000 미크론 사이의 메쉬 두께, 30%와 95% 사이의 다공성, 평방 인치 당 약 33개의 개구 내지 493개의 개구 및 LWD(다이아몬드의 원 방향)에 대해 0.075 인치 내지 0.289 인치 사이 그리고 SWD(다이아몬드의 단 방향)에 대해 0.032 인치 내지 0.2 인치 사이의 치수들을 갖는 다이아몬드 형상 개구들을 갖는 0.04 인치 내지 0.055 인치의 스트랜드 폭(strand width)을 갖는 Dexmet에 의해 공급되는 익스팬디드(expanded) 금속 메쉬를 포함하지만 이에 제한되지 않으며, 여기서 LWD 및 SWD는 예를 들어, 공급자의 웹사이트 상에 설명되는 바와 같은, 다이아몬드 형상 개구들의 대각선들의 치수들이다. 바람직하게는, 개방형 공극 메쉬들은 전도성 금속들 또는 세라믹들로 이루어지고 10 미크론 내지 5,000 미크론 사이의 두께 및 약 30% 내지 95% 사이의 다공성을 갖는다.
전기화학 전지는 연결 부위들(120)에서 압축 아암들(118)에 제공되는 홀들(119), 개방형 공극 메쉬들(108 및 110)에 제공되는 홀들(116), 촉매층들(106) 및 고체 고분자 전해질 멤브레인(104)에 제공되는 홀들(105)을 통과하는 패스너들(122)을 사용하여, 개방된 공극 메쉬들(108 및 110) 사이 및 압축 프레임들(112 및 114) 사이에서 CCM(102)을 압축함으로써 함께 조립된다. 고체 고분자 전해질 멤브레인(104)이 임의의 홀들을 포함하지 않을 때, 패스너들(122)은 전기화학 전지가 조립될 때 멤브레인을 통해 직접 관통할 수 있다. 패스너들(122)은 패스너들로부터 압축 아암들(118)로 압축력을 펼치는 와셔들(washers)(124)을 구비할 수 있거나 대안적으로 압축력의 퍼짐(spreading)을 허용하는 형상을 가질 수 있다.
패스너들(122), 와셔들(124) 및 너트들(126)은 비-전도성 재료들로 이루어진다. 본 발명의 전기화학 전지에서, 패스너들(122)은 연결 부위들, 개방형 공극 메쉬들 및 CCM을 통해 관통하여 전기화학 전지의 전체 활성 영역에 걸쳐 압축력의 실질적으로 균일한 분포를 보장하고 전극들 사이의 감소된 갭을 유지시킨다. 이것은 전기화학 전지의 압축이 스프링 장착 볼트들을 통한 프레임들의 주변 압축에 의해서만 달성되어 SPE를 통한, 보다 구체적으로 SPE 멤브레인을 통한 임의의 압축 수단의 관통을 회피하는 기존의 종래 기술에서 설명되는 압축 시스템들과 상이하다.
본 시스템에서 사용되는 전기화학 전지 스택이 도 2에 예시된다. 스택(200)은 위에 설명된 도 1에 예시된 것과 동일한 구성을 갖는 복수의 전기화학 전지들(100)을 포함한다. 전지들은 개별 전기화학 전지들(100) 사이에 요구되는 간격을 제공하는 적어도 하나의 로드(rod)(202)를 통해 서로 연결된다. 예시된 스택은 6개의 전기화학 전지들을 포함하지만, 당업자는 본 발명에 따른 스택이 더 많은 전기화학 전지들 또는, 일부 매우 작은 스케일의 응용들을 위해, 6개 미만의 전기화학 전지들을 포함할 수 있다는 점을 용이하게 이해할 것이다. 바람직한 실시예들에서, 하나의 스택은 50개의 전지들을 포함하지만, 스택들은 약 500개의 개별 전기화학 전지들까지 포함할 수 있다. 커버들(260)은 이웃한 전지들(100) 사이에 배치되어 아래에서 추가적으로 설명되고 도 4에 예시되는 바와 같은 반응기 탱크 내의 용액으로부터 2개의 이웃한 전지들의 음극들을 격리시킨다.
본 발명의 실시예들에서 추가적으로 예시되는 바와 같이, 스택으로 조립될 때, 전기화학 전지들은 하나의 전기화학 전지의 양극 측면이 이웃한 전지의 음극 측면을 대면하고 있거나 하나의 전기화학 전지의 음극 측면이 이웃한 전지의 음극 측면을 대면하고 있고 하나의 전기화학 전지의 양극 측면이 이웃한 전기화학 전지의 양극 측면을 대면하고 있도록 배열될 수 있다.
폐수 처리용 모듈(300)은 분해도로, 도 3에 예시되는 바와 같은 반응기 탱크에 침지되는 전기화학 전지 스택(200)을 포함한다. 스택(200)은 스택 내의 전기화학 전지들 각각의 하나의 전극(아래에서 추가적으로 설명되는 바와 같은, 양극 또는 음극)이 반응기 탱크에 포함되는 폐수 및 오염물질 또는 용액에 직접 노출되는 반면에 다른 전극이 커버에 의해 반응기 탱크 내의 폐수 또는 용액으로부터 격리되도록 반응기 탱크(302) 내에 포함된다. 모듈(300)은 공급 포트들(예시되지 않음) 및 가스 배기 포트들(314)을 구비하는 외부 리드(304) 및 또한 공급 포트들(예시되지 않음) 및 가스 배기 포트들(316)을 구비하는 내부 리드(306)를 더 포함하며, 두 내부 및 외부 리드들은 그것의 상부 부분에서 반응기 탱크(302)를 커버하여 폐수 및 스택(200)을 수용하고 모듈로부터의 방출을 제어한다. 모듈(300)은 수위(water level)가 원하는 임계값 아래에 있을 때 스택 동작이 정지되는 것을 보장하기 위해 레벨 센서(306)를 구비하며, 이는 저항성 번아웃(burnout) 및 불균일 수화(hydration)로부터 멤브레인 및 전극 시스템에 대한 보호를 제공한다. 반응기 탱크 내에서, 탱크 내의 수위를 모니터링하기 위해 사용되는 레벨 센서(308)는 튜브(310) 내에 수용된다. 모듈(300)은 탱크 내의 레벨이 미리 결정된 레벨에 도달할 때 반응기 탱크로의 폐수의 흐름을 정지시키기 위한 레벨 스위치(312)를 더 구비한다.
2개의 이웃한 전지들 사이에 배치되는 커버들은 도 2 및 도 3에서 계략적으로만 예시되고 당업자는 각각의 커버가 추가적인 요소들, 예를 들어 아래에서 추가적으로 설명되고 도 5 및 도 9에서 예시되는 바와 같은 유입구 및 유출구 파이프들 그리고 배기 파이프를 포함할 수 있다는 점을 용이하게 이해할 것이다.
양극 및 음극 둘 다가 폐수, 보다 구체적으로는 암모니아를 포함하는 폐수에 직접 노출되게 하는 종래 기술로부터의 전기화학 전지 스택 내의 개별 전기화학 전지 레벨에서 발생하는 반응들의 개략적인 검토에서, 양극 상의 전기화학 산화 과정은 사용되는 고체 고분자 전해질(SPE)의 타입, 촉매의 선택, 및 폐수 용액의 조성에 따라 특정 반응들과의 직접, 간접 표면 매개 산화, 및 간접 2차 산화제 매개 산화의 범주들에 속한다. 양전하 캐리어는 양이온 SPE를 사용하여 전달되는 반면 음전하 캐리어는 음이온 SPE를 사용하여 전달된다. 양극 측면 상에서, 오염된 폐수가 양극 촉매층에 노출될 때, 스텝형 산화 과정이 발생하며 이는 양이온 SPE에 대한 방정식 1 내지 3 및 음이온 SPE에 대한 방정식 6 및 7 각각에서 도시된 바와 같은 직접, 간접 표면 매개 산화 또는 간접 2차 산화제 매개 산화를 수반한다.
양이온 SPE-기반 전지의 경우, 폐수(예를 들어 암모니아 오염물질을 갖는 폐수)가 양극 촉매층에 노출될 때, 방정식 1에 도시된 바와 직접 산화, 또는 방정식들 2(a) 및 2(b)에서 또는 방정식들 3(a) 및 3(b)에서 도시된 바와 같은 간접 산화를 수반하는 스텝형 산화 과정이 양극에서 발생한다:
방정식 1: 암모니아의 직접 산화(양극 반반응(half-reaction)):
[0001] 방정식 2: (a) 물로부터의 히드록실 표면 종들의 생성 및 (b) 표면 히드록실 종들을 통한 암모니아의 산화를 통한 암모니아의 간접 산화(양극 반반응):
방정식 3: (a) NaCl로부터의 차아염소산염 종들의 생성 및 (b) 차아염소산염을 통한 암모니아의 간접 산화를 통한 암모니아의 간접 2차 산화제 매개 산화(양극 반반응):
양극 반반응이 방정식들 1 또는 2에서 예시되는 양이온 SPE-기반 전기화학 전지의 경우, 음극 반응은 방정식 4에 예시된 바와 같이, SPE를 걸쳐 수송되는 양성자들로부터 수소의 직접 생성을 수반한다:
양극 반반응이 방정식 3에 예시되는 양이온 SPE-기반 전기화학 전지의 경우, 음극 반응은 방정식 5(a)에 예시된 바와 같이, SPE에 걸쳐 나트륨 이온들의 수송을 통해 수산화나트륨의 직접 생성을 수반한다. 그 다음, 수산화나트륨은 방정식 5(b)에 예시된 바와 같이, 염 및 물을 개질시키기 위해 양극 반응의 생성물들과 용액에서 후속 반응을 겪는다.
방정식 5:
대안적으로, 음이온 SPE-기반 전기화학 전지의 경우, 폐수(이 경우 암모니아 오염물질)가 양극 촉매층에 노출될 때, 스텝형 간접 산화 과정이 양극에서 발생하며, 방정식 6 및 방정식 7 각각에서 도시된 바와 같은 히드록실 표면 종 또는 차아염소산염을 수반한다:
방정식 6: 표면 하이드록실 종을 통한 암모니아의 간접 산화(양극 반반응):
방정식 7: (a) SPE에 걸쳐 Cl 이온 수송으로부터의 차아염소산염 종들의 생성 및 (b) 차아염소산염을 통한 암모니아의 간접 산화를 통한 암모니아의 간접 산화(양극 반반응):
양극 반반응이 방정식 6으로 예시되는 음이온 SPE-기반 전기화학 전지의 경우, 음극 반응은 방정식 8에 예시된 바와 같이, 물로부터의 하이드록실 전하 캐리어들 및 수소의 생성을 수반한다:
양극 반반응이 방정식 7로 예시되는 음이온 SPE-기반 전기화학 전지의 경우, 음극 반응은 방정식 9에 예시된 바와 같이, 염화나트륨 및 물로부터 염소 이온 전하 캐리어들 및 수소의 생성을 수반한다:
방정식들 1 내지 3 및, 방정식들 6 및 7에 각각 도시되는 반응들은 양극 반반응들(half-reactions)이고, 당업자가 알고 있는 바와 같이, 많은 경우들에서 반응들에 다수의 중간 단계들이 존재하고 그 결과 많은 중간 종들이 존재할 수 있을 것이다. 그러나, 그러한 중간 종들은 전형적으로 탄소 함유 오염물질들에 대해 CO2, 질소 함유 오염물질들에 대해 N2 및 황 함유 오염물질들에 대해 SOx를 포함하는 최종 생성물로 일반적으로 산화된다.
음극에서, 오염물질들은 또한 음극 촉매층과 접촉할 때 환원될 수 있고 그러한 환원 반응들은 또한 폐수 오염물질들의 스텝형 제거 및 양극에 형성되는 중간 화합물의 산화를 도울 수 있다.
양극 및 음극 모두가 반응기 탱크 내의 폐수에 직접적으로 노출되는 전기화학 전지들의 스택의 시스템에서, 종래 기술에서 설명되는 바와 같이, 양극에서 생성되거나 폐수 내의 배경 종들(background species)로서 존재하는 중간 종들 중 일부는 전체적으로 산화되지 않고 폐수에 의해 운반될 수 있고 음극에 도달하여 그것의 작용을 없앤다. 예를 들어, 배경 유기 종들은 음극 상에서 중합될 수 있고/있거나 용액 내의 미량 금속들은 음극 상에 전착되어 그것이 방정식들 5(a), 5(b), 8, 및 9에 도시된 원하는 전기화학 반응들을 수행하는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 암모니아 간접 산화 과정의 경우에서 음극에서 발생하는 폐수 환원 과정은 탱크 내의 폐수와 혼합될 수 있으며 따라서 음극에 도달하고 폐수로부터 암모니아를 제거 시에 시스템의 효율을 감소시킬 수 있는 전체 암모니아 산화 반응으로부터의 중간 암모니아 산화 생성물들을 전기화학적으로 환원시킬 수 있다.
암모니아의 간접 산화 동안에, 염(NaCl)은 오염된 폐수에 첨가되어 양극에서 산화되고 폐수 내의 암모니아 오염물질들을 산화시킬 수 있는 원 위치에(in-situ) 차아염소산염 종들을 생성하기 위해 사용된다. 폐수로부터의 염은 탱크 내의 오염 제거된 물과 혼합되고 정수(clean water)를 탱크로부터 도시 폐수 처리장과 같은 선택된 배출 위치로 수송하는 배관에 도달할 수 있으며, 이는 배관 부식을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 위에 제시된 모든 단점들을 해결하고 그것에 의해 시스템의 제거율을 더 증가시키며, 그것에 의해 본 발명은 스택 내의 전기화학 전지들 중 적어도 하나의 양극, 또는 각각의 음극이 탱크 내의 용액으로부터 격리되는 시스템을 설명한다.
본 시스템의 제1 실시예는 도 4에 개략적으로 예시된다. 시스템은 음극 측면("C")이 서로 대면하는 2개의 전기화학 전지들(410 및 420)을 포함하는 반복 유닛(400)을 포함하는 스택을 갖는 것으로 예시되고, 당업자는 본 발명에 따른 스택이 하나의 반복 유닛(400) 내의 전기화학 전지들의 각각의 양극이 그것 옆에 위치되는 반복 유닛 내의 전기화학 전지들 중 하나의 양극에 대면하도록 적어도 하나의 로드(402)를 통해 함께 조립되는 더 많은 반복 유닛들(400)을 포함할 수 있다는 점을 이해할 것이다.
각각의 2개의 전기화학 전지들(410 및 420) 각각은 각각의 양극 촉매층(412 및 422)을 갖는 일 측면 상에 그리고 각각의 음극 촉매층(413 및 423)을 갖는 다른 측면 상에 코팅되는 각각의 고체 고분자 전해질 멤브레인(411 및 421)으로 구성되는 촉매 코팅 멤브레인(CCM)을 포함한다. 각각의 전기화학 전지는 촉매 코팅 멤브레인의 각각의 측면 상에, 양극 및 각각의 음극 촉매층들 옆에 배치되는 각각의 개방형 공극 메쉬들(414 및 415, 424 및 425) 및 개방형 공극 메쉬 옆에 각각 배치되는 각각의 압축 프레임들(416 및 417, 426 및 427)을 더 포함한다. 도 2와 관련하여 설명되고, 도 4에 더 예시되는 바와 같이, 전지들은 개별 전지들(410 및 420) 사이에 일부 간격을 제공하는 로드들(402)을 통해 서로 연결된다. 도 4에서, 조립체가 2개의 로드들(402)을 갖는 것으로 예시되는 경우에도, 당업자는 적어도 하나의 로드(402)가 스택 내의 전기화학 전지들을 그들 사이에 원하는 간격으로 위치시키기 위해 요구된다는 점을 이해할 것이다.
커버(460)는 2개의 전기화학 전지들(410 및 420) 사이에 배치되며, 2개의 이웃한 전기화학 전지들(410 및 420) 각각의 음극 측면 상의 개방형 공극 메쉬 옆에 각각 배치되는 압축 프레임들(417 및 427)을 연결한다. 커버는 이들 전기화학 전지들의 음극들 사이에, 폐수에 불투과성이고 그것에 의해 음극들을 탱크 내의 폐수로부터 격리시키는 인클로저(490)를 생성한다. 도 4의 조립체의 개략적인 예시는 2개의 압축 프레임들(416 및 417)과 고분자막(411) 사이 그리고 각각의 프레임들(426 및 427)과 고분자막(421) 사이의 갭을 도시하고, 당업자는 축을 따르는 촉매층들 및 개방형 공극 메쉬들의 치수들이 매우 작고(예를 들어, 5 mm 미만) 압축 시스템이 이들 요소들을 함께 함축하기 때문에, 압축 프레임들(416 및 417)과 멤브레인(411) 사이, 그리고 각각의 압축 프레임들(426 및 427)과 멤브레인(421) 사이에 매우 작은 갭이 있다는 점을 이해할 것이다. 멤브레인들(411 및 421)의 일부 부분들은 활성 영역들(멤브레인들의 촉매 코팅 영역들)을 넘어서 연장되고 압축 프레임들 사이에 개재되어 그들을 서로 전기적으로 격리시킨다.
반복 유닛들(400)로부터 형성되는 전체 스택은 오염된 폐수(450)를 포함하는 탱크(430)에 침지된다.
음극 용액(470)은 인클로저(490)에 공급되고 음극 측면에서 발생하는 반응들의 생성물(480)은 인클로저로부터 제거된다. 암모니아 제거 과정 동안에, 예를 들어, 염(NaCl) 및 물을 포함하는 용액(470)은 인클로저(490)에 공급된다. 염소 이온들(Cl-)은 폐수로부터의 암모니아 산화 및 제거를 위해 더 사용되는 차아염소산(HClO)을 형성하는 음이온 교환 멤브레인을 통해 양극 측면으로 전달된다. 음극 측면상에서 발생하는 반응들의 생성물(480)(예를 들어 NaOH를 포함함)은 인클로저 밖으로 플러싱된다. 배기 오리피스(475)는 음극 측면 상에서 발생하는 반응들 동안에 생산되는 가스들(예컨대 수소)의 제거를 허용하기 위해 제공된다.
커버(460)의 3차원도가 도 5에 예시된다. 커버는 서로 대향하는 2개의 측면들(461 및 462)을 갖는 몸체(466)를 포함하며, 이는 도 4에 예시된 실시예의 조립된 스택에서, 2개의 이웃한 전기화학 전지들 각각의 음극 측면을 대면하는 압축 프레임들 옆에 배치된다. 각각의 측면들(461 및 462) 각각은 조립된 스택 내의 전기화학 전지의 음극 측면에 대한 유입구 파이프(464)를 통해 도입되는 음극 용액의 액세스를 허용하는 개구(467) 및 폐수가 반응기 탱크로부터 커버 및 조립된 스택 내의 이웃한 전지들의 압축 프레임들에 의해 형성되는 인클로저(490)로 누설되는 것을 방지하고 음극 용액이 인클로저(490)로부터 반응기 탱크로 누설되는 것을 방지하는 시일(463)을 구비한다. 커버는 음극 용액(470)이 인클로저 내로 유입될 수 있는 유입구 파이프(464), 및 음극 촉매에서 발생하는 반응들의 생성물(480)이 인클로저 밖으로 유출될 수 있는 유출구 파이프(465)를 구비한다. 배기 파이프(476)는 인클로저(490)로부터 배기 오리피스(475)를 통해 대기 또는 가스 저장 탱크로 가스의 배기를 허용하기 위해 제공된다. 유입구 파이프(464), 및 유출구 파이프(465) 및 배기 파이프(476)는 커버의 몸체에 나사 결합될 수 있으며, 그들은 커버의 몸체와 함께 성형되거나 이에 용접될 수 있다. 커버 상의 유입구 및 유출구 파이프들의 위치는 본 발명의 상이한 실시예들의 스택 설계에 따라 변할 수 있지만, 일반적으로 커버들은 각각 유입구 파이프, 유출구 파이프 및 배기 파이프를 구비한다는 것이 이해되어야 한다.
도 4에 예시되는 전기화학 전지들은 출원인의 동시-계류중인 출원 제62/279,631호에 설명되고 도 1에 예시되는 것과 유사한 구조를 갖는다. 이것은 본 발명의 모든 실시예들에 적용된다.
도 4에 예시되는 스택 내의 전기화학 전지들은 2개의 이웃한 전기화학 전지들의 음극들이 서로 대면하고 커버(460)에 의해 형성되는 인클로저(490)에 노출되어 그것에 의해 탱크 내의 폐수 용액으로부터 격리되도록 배열된다. 도 6에서 개략적으로 예시되는 본 발명의 더 다른 실시예에서, 전기화학 전지들은 2개의 이웃한 전기화학 전지들(510 및 520)의 양극 측면들("A")이 서로 대면하도록 하여 스택으로 조립됨으로써, 전기화학 전지들(510 및 520)의 양극 측면들 상의 촉매층들은 2개의 이웃한 전지들의 압축 프레임들과 함께 커버(560)에 의해 형성되는 인클로저(590)에 노출되고, 그것에 의해 탱크 내의 폐수 용액(550)으로부터 격리된다. 도 6은 각각의 전기화학 전지 또는 커버의 구조에 대한 추가 상세들을 도시하지 않지만, 이러한 실시예의 전기화학 전지들이 도 1 내지 도 5에 예시되는 전기화학 전지들과 동일한 구조를 가지며, 보다 구체적으로 2개의 개방형 공극 메쉬들과 2개의 압축 프레임들 사이에 배치되는 촉매 코팅 멤브레인 및, CCM, 메쉬들 및 스택 압축을 보장하기 위한 압축 프레임들에 의해 형성되는 조립체를 통해 돌출하는 패스너를 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 커버(560)는 도 5에 예시되는 커버와 유사한 구조를 갖는다.
도 6에 예시된 실시예에서, 적어도 하나의 반복 유닛(500)을 포함하는 스택은 반응기 탱크(530) 내의 폐수(550)에 침지된다. 커버(560)는 2개의 이웃한 전기화학 전지들(510 및 520)의 압축 프레임들 사이에 배치되며, 이는 각각의 전기화학 전지의 양극("A") 측면 상에 위치된다. 커버(560)는 이들 2개의 전기화학 전지들의 양극들(양극 촉매층들)을 반응기 탱크 내의 폐수로부터 격리시키는 인클로저(590)를 형성한다. 이러한 실시예에서, 폐수 내의 오염물질들은 전기화학 전지들의 음극("C") 측면 상에서 환원되는 반면에, 예를 들어 H2O 그리고, 일부 경우들에서, 전해질 예컨대 NaOH 또는 H2SO4 를 포함하는 양극 용액(570)은 인클로저(590)로 도입되어 전기화학 전지들(510 및 520)의 양극들에 도달한다. 양극 측면 상에서, 물은 전기 분해되어 음극 측면을 교차하는 양성자들을 형성한다. 음극 측면 상에서, 양성자들은 폐수 화합물들(예컨대 질산염, 아질산염 또는 요소)의 전기환원에 참여한다. 반응 생성물들(580)은 인클로저(590) 밖으로 유출된다. 반응 가스들(O2, N2 등)은 배기 오리피스(575)를 통해 인클로저 밖으로 배기된다.
도 7에 예시된 실시예에서, 적어도 하나의 반복 유닛(600)을 포함하는 스택은 반응기 탱크(630) 내의 음극 용액(650)에 침지된다. 커버(660)는 2개의 이웃한 전기화학 전지들의 양극들(양극 촉매층들)을 반응기 탱크 내의 용액으로부터 격리시키는 인클로저(690)를 생성하기 위해, 그들의 양극("A") 측면 상의, 2개의 이웃한 전지들(610 및 620)의 압축 프레임들(예시되지 않음) 사이에 배치된다. 폐수(670)의 스트림은 인클로저(690)로 도입되고 폐수는 전기화학 전지들의 양극들에서 산화됨으로써 오염물질들은 제거되고, 정수(clean water)(680)의 스트림은 인클로저(690) 밖으로 유출된다. 배기 오리피스(675)는 양극 측면들 상에서 발생하는 반응들 동안에 생산되는 가스들의 제거를 허용하기 위해 제공된다. 도 7에 예시되는 실시예의 구조는 도 6에 예시되는 실시예의 구조와 동일하며 단지 차이는 도 7의 반응기 탱크 내의 용액이 폐수 대신에 음극 용액이고 양극 용액 대신에 폐수가 인클로저(690)를 통해 순환된다는 것이다.
전기화학 전지들(610 및 620)의 양극 및 음극에서 발생하는 반응들은 도 4에 예시되는 실시예에서 발생하는 반응들과 유사하다. 암모니아 제거 과정의 경우, 예를 들어, 탱크 내의 음극 용액(650)은 염(NaCl) 및 물을 포함한다. 염소 이온들(Cl-)은 폐수로부터의 암모니아 산화 및 제거를 위해, 양극 측면 상에서, 추가적으로 사용되는 차아염소산(HClO)을 형성하는 음이온 교환 멤브레인을 통해 양극 측면으로 전달된다. 음극 측면 상에서 발생하는 반응들의 생성물(예를 들어 NaOH를 포함함)은 탱크 내에 잔류한다. 음극 측면 상에서 발생하는 반응들 동안에 형성되는 수소는 반응기 탱크의 상단으로부터 배기되거나 캡처된다.
본 발명의 다른 실시예는 도 1에 예시되는 전기화학 전지와 유사한 구조를 갖는 전기화학 전지들(710 및 720)을 포함하는 스택(700)을 도시하는 도 8에 예시된다. 당업자는 스택이 필요에 따라 단지 하나의 전기화학 전지 또는 더 많은 전지들을 포함할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 스택이 하나보다 많은 전기화학 전지를 포함하는 경우, 전기화학 전지들은 하나의 전기화학 전지의 양극 측면(A)이 스택 내의 이웃한 전기화학 전지의 음극 측면(C)을 대면하도록 배열되는 것이 바람직하지만, 다른 배열들이 또한 가능하며 그것에 의해 하나의 전기화학 전지의 양극은 이웃한 전지의 양극을 대면하고 있고 하나의 전기화학 전지의 음극은 이웃한 전지의 음극을 대면하고 있다. 스택(700)은 반응기 탱크(730) 내의 폐수(750)에 침지된다. 각각의 커버(760A, 760B)는 음극 측면 상의 각각의 전기화학 전지(710, 720)의 압축 프레임(예시되지 않음)에 부착된다. 음극 용액(770)은 각각의 커버들(760A, 760B)과 음극 측면 상에 배치되는 전기화학 전지들의 압축 프레임들 사이에 형성되는 인클로저들(790A, 790B)로 공급되고 음극들에서 발생하는 반응들로 인하여 형성되는 반응 생성물 스트림들(780A 및 780B)은 인클로저들로부터 제거된다.
폐수 내의 오염물질들은 양극 촉매 상에서 발생하는 산화 반응들에 의해 제거되고 멤브레인에 걸쳐 양극 측으로 교차하는 음극 상에 형성되는 중간 생성물들은 또한 오염물질들의 제거에 기여하며, 예를 들어 도 4에 예시된 실시예의 경우의 양극에서 발생하는 암모니아 산화와 관련하여 설명되는 과정과 유사하다. 도 8의 개략적인 도면에 도시되지는 않았지만, 커버들(760A, 760B)은 각각의 인클로저들(790A, 790B)로부터 가스들의 배기를 허용하기 위해 배기 오리피스들을 구비하며, 이는 도 9에 예시되는 배기 오리피스(775)와 유사하다.
예시되지 않은 본 발명의 다른 실시예에서, 하나의 전기화학 전지의 양극이 이웃한 전지의 음극을 대면하는 전기화학 전지 스택은 양극 측면 상의, 그것의 압축 프레임에 부착되는 커버를 갖는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하거나 바람직하게는 양극 측면 상의 그들 각각의 압축 프레임에 부착되는 커버를 각각 갖는 스택 내의 더 많은 또는 모든 전기화학 전지들을 포함한다. 양극 용액 또는 폐수는 도 6 및 도 7에 예시되는 실시예들과 관련하여 설명되는 바와 유사한 방식으로, 이와 같이 형성되는 인클로저(들)에 공급될 수 있다.
도 8에 예시되는 실시예에서 전기화학 전지의 음극들을 격리시키기 위해 사용되는 커버들(760A 및 760B)은 도 5에 예시되는 커버(460) 이외의 상이한 구조를 갖는다. 그러한 커버는 도 9의 커버(760)로서 예시된다. 커버(760)는 개구(767)를 구비하는 하나의 개방 측면(761)만을 갖는 몸체(766)를 가지며, 이는 도 8에 예시되는 실시예의 조립된 스택에서, 전기화학 전지의 음극 측면을 대면하는 압축 프레임 옆에 배치된다. 개방 측면(761)은 반응기 탱크로부터 커버 및 음극 상에 배치되는 전기화학 전지의 압축 프레임에 의해 형성되는 인클로저(790)로의 폐수의 누출을 방지하고, 음극 측면 상에 배치되고 인클로저(790)로부터 반응기 탱크로의 음극 용액의 누출을 방지하는 시일(763)을 구비한다. 측면(761)에 대향하는 측면(762)은 임의의 개구가 없는 연속 패널이고 반응기 탱크로부터의 임의의 폐수가 인클로저(790)에 도달하는 것을 방지한다. 커버는 음극 용액이 인클로저로 유입될 수 있는 유입구 파이프(764), 및 음극에서 발생하는 반응들의 생성물들이 인클로저 밖으로 유출될 수 있는 유출구 파이프(765)를 구비한다. 배기 파이프(776)는 인클로저(790)로부터 배기 오리피스(775)를 통해 대기 또는 가스 저장 탱크로 가스들의 배기를 허용하기 위해 제공된다.
폐수 처리 시스템은 도 3에 예시된 하나보다 많은 모듈(300)을 포함할 수 있다. 오염된 폐수는 홀딩 탱크에 저장되며 여기로부터 그것은 모듈들(300)의 반응기 탱크들로 펌핑되며 여기서 그것은 오염물질들을 제거하기 위해 처리된다. 일부 실시예들에서, 반응기 탱크는 재순환 펌프 또는 교반 메커니즘을 포함할 수 있거나 생성 가스들을 사용하여 탱크 내의 폐수를 혼합하는 것을 도울 수 있다. 시스템이 하나보다 많은 모듈(300)을 포함하는 경우, 모듈들(300) 내의 스택들은 예를 들어 출원인의 공동-소유된 미국 특허 출원 번호 제14/648,414호에 예시되는 바와 같이, 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
여기서 제시되는 실시예들에서, 각각의 전기화학 전지는 도 1에 예시된 바와 같은 촉매 코팅 멤브레인(CCM)을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 양극 및 음극 촉매들은 전기화학 전지가 함께 조립될 때 예를 들어 멤브레인을 대면하는 개방형 공극 메쉬들의 측면들 상에 증착될 수 있다. 더욱이, 다른 실시예들에서, 양극 촉매는 멤브레인의 일 측면 상에 증착될 수 있고 음극 촉매는 전기화학 전지가 함께 조립될 때 멤브레인의 다른 측면을 대면하는 개방형 공극 메쉬의 측면 상에 증착될 수 있거나 음극 촉매는 멤브레인의 일 측면 상에 증착될 수 있고 양극 촉매는 전기화학 전지가 함께 조립될 때 멤브레인의 다른 측면을 대면하는 개방형 공극 메쉬의 측면 상에 증착될 수 있다. 모든 실시예들에서, 시스템의 균일한 압축 시스템에 의해 고정되는 전극들(멤브레인의 양극 및 각각의 음극 측면 옆에 배치되거나 그들 상에 증착되는 촉매층들) 사이에 감소된 갭이 존재한다.
본 발명의 모든 실시예들에서, "전극"에 관하여 그것은 양극이 실제로 양극 촉매층이고 음극이 음극 촉매층이도록 전극이 가스 확산층을 포함하지 않으므로 촉매층으로 이해된다. 양극 및 음극 촉매들은 백금, 이리듐, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 코발트, 니켈을 포함하는 백금-유도 합금들, 철 및 철 합금들, 구리 및 구리 합금들, 혼합 금속 산화물들, 다이아몬드, 및 세라믹 유도 촉매들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 촉매 재료들을 포함할 수 있다. 본 기술에 공지된 바와 같이, 지지 촉매들의 사용은 촉매 재료들의 분산 및 따라서 활용을 개선시킬 수 있고 또한 특정 촉매들과 지지체 사이의 상호작용은 촉매 활성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 촉매 재료들의 리스트와 결합하여 사용될 수 있는 촉매 지지체들의 예들은 티타늄, 니오븀, 니켈, 철, 흑연(graphite), 혼합 금속 산화물들, 및 세라믹들을 포함한다. 양극 및 음극 촉매들은 또한 스테인리스 스틸 또는 흑연을 포함할 수 있다.
본 발명에서 설명되는 커버들은 비-전도성 재료, 예컨대 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 PVDF, 또는 다른 그러한 플라스틱 재료들로 이루어진다.
폐수 처리를 위한 본 전기화학 전지 및 그것을 동작시키는 방법의 이점들은 종래 기술의 솔루션들과 비교하여 다수이다. 이들 장점들은 (1) 동작 동안 음극의 파울링(fouling) 및 독작용(poisoning)을 방지하기 위해 처리될 폐수로부터 음극 전극의 격리, (2) 양극 상에 온-디맨드(on-demand) 차아염소산을 생성하기 위해 음극 상의 폐루프 고농도 염수의 사용을 허용하는 음이온 타입의 SPE 재료들과의 조합, 및 (3) 음극이 환원 예컨대 예를 들어 암모니아로의 요소 환원에 의해 폐수 전처리를 수행하는 것을 허용하며 그 다음, 생성물 암모니아가 산화를 위해 양극 인클로저를 통해 흐르도록 하기 위한 양극의 격리.
2017년 3월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/465,448호의 개시는 그 전체가 본원에 통합된다.
본 발명의 특정 요소들, 실시예들 및 응용들이 도시되고 설명되었지만, 물론, 본 발명은 수정들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 것 없이, 특히 이전 기술의 관점에서 당업자에 의해 이루어질 수 있으므로 여기에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 그러한 수정들은 여기에 첨부된 청구항들의 영역(purview) 및 범위 내에 있도록 고려되어야 한다.
Claims (21)
- 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 폐수 처리용 전기화학 전지 스택에 있어서, 상기 전기화학 전지는:
a. 고체 고분자 전해질 멤브레인;
b. 상기 고체 고분자 전해질 멤브레인의 제1 측면에 인접한 양극 촉매층 및제1 측면에 대향하는, 상기 고체 고분자 전해질 멤브레인의 제2 측면에 인접한 음극 촉매층;
c. 상기 양극 촉매층에 인접한 제1 개방형 공극 메쉬 및 상기 음극 촉매층에 인접한 제2 개방형 공극 메쉬;
d. 상기 제1 개방형 공극 메쉬에 인접한 제1 압축 프레임 및 상기 제2 개방형 공극 메쉬에 인접한 제2 압축 프레임 - 상기 압축 프레임들 각각은 상기 프레임의 둘레에 의해 구획되는 영역 내에 펼쳐지는 압축 아암들을 가지며, 상기 압축 아암들은 연결 부위들에서 서로 연결됨 -;
e. 상기 연결 부위들에서 상기 제1 및 제2 압축 프레임들의 상기 압축 아암들에 제공되는 홀들을 통해, 상기 제1 및 제2 개방형 공극 메쉬들에 제공되는 홀들을 통해 그리고 상기 고체 고분자 전해질 멤브레인 및 상기 양극 및 음극 촉매층들을 통해 관통하는 패스너들을 포함하며,
커버는 상기 양극 또는 상기 음극 촉매층을 격리시키기 위한 인클로저를 형성하기 위해 상기 제1 압축 프레임 또는 상기 제2 압축 프레임에 부착되는, 전기화학 전지 스택. - 제1항에 있어서,
상기 커버는 폐수, 음극 용액 또는 양극 용액을 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저로 제공하기 위한 유입구 파이프 -일 측면은 상기 스택 내의 전기화학 전지의 상기 양극 또는 음극 촉매층에 대한 상기 폐수, 양극 용액 또는 음극 용액의 액세스를 허용하기 위한 개구를 구비함 -, 상기 양극 촉매 또는 상기 음극 촉매에서 형성되는 반응 생성물을 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저로부터 제거하기 위한 유출구 파이프 및 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저로부터 가스들을 제거하기 위한 배기 파이프를 갖는, 전기화학 전지 스택. - 제2항에 있어서,
상기 개구를 구비하는 상기 커버의 상기 측면과 그 측면 옆의 압축 프레임 사이에 시일(seal)을 더 포함하는, 전기화학 전지 스택. - 제1항에 있어서,
상기 커버는 비-전도성 재료로 이루어지는, 전기화학 전지 스택. - 제1항에 있어서,
상기 스택 내의 하나의 전기화학 전지를 이웃한 전기화학 전지로부터 소정의 거리에 유지시키는 로드를 통해 연결되는 복수의 전기화학 전지들을 포함하는, 전기화학 전지 스택. - 2개의 전기화학 전지들을 포함하는 적어도 반복 유닛을 포함하는 페수 처리용 전기화학 전지 스택에 있어서, 각각의 전기화학 전지는:
a. 고체 고분자 전해질 멤브레인;
b. 상기 고체 고분자 전해질 멤브레인의 제1 측면에 인접한 양극 촉매층 및 상기 제1 측면에 대향하는, 상기 고체 고분자 전해질 멤브레인의 제2 측면에 인접한 음극 촉매층;
c. 상기 양극 촉매층에 인접한 제1 개방형 공극 메쉬 및 상기 음극 촉매층에 인접한 제2 개방형 공극 메쉬;
d. 상기 제1 개방형 공극 메쉬에 인접한 제1 압축 프레임 및 상기 제2 개방형 공극 메쉬에 인접한 제2 압축 프레임 - 상기 압축 프레임들 각각은 상기 프레임의 둘레에 의해 구획되는 영역 내에 펼쳐지는 압축 아암들을 가지며, 상기 압축 아암들은 연결 부위들에서 서로 연결됨 -;
e. 상기 연결 부위들에서 상기 제1 및 제2 압축 프레임들의 상기 압축 아암들에 제공되는 홀들을 통해, 상기 제1 및 제2 개방형 공극 메쉬들에 제공되는 홀들을 통해 그리고 상기 고체 고분자 전해질 멤브레인 및 상기 양극 및 음극 촉매층들을 통해 관통하는 패스너들을 포함하며,
상기 스택은:
- 상기 스택 내의 상기 전기화학 전지들을 연결시키고 상기 반복 유닛 내의 제1 전기화학 전지를 상기 반복 유닛 내의 제2 전기화학 전지로부터 소정 거리에 유지시킴으로써, 상기 제1 전기화학 전지의 상기 양극 측면이 상기 제2 전기화학 전지의 상기 양극 측면을 대면하거나 상기 제1 전기화학 전지의 상기 음극 측면이 상기 제2 전기화학 전지의 음극 측면을 대면하도록 하는 적어도 하나의 로드; 및
- 상기 반복 유닛의 상기 2개의 전기화학 전지들 사이의 상기 거리에 걸치는 인클로저를 형성하여 그것에 의해 상기 반응기 탱크 내의 상기 용액으로부터 상기 반복 유닛의 상기 2개의 전기화학 전지들의 상기 양극 촉매층들 또는 상기 음극 촉매층들을 이격시키는, 상기 반복 유닛의 상기 2개의 전기화학 전지들의 상기 압축 프레임들 사이에 배치되는 커버를 더 포함하는, 전기화학 전지 스택. - 제6항에 있어서,
상기 커버는 양극 용액, 폐수, 또는 음극 용액을 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저로 제공하기 위한 유입구 파이프, 상기 양극 촉매 또는 상기 음극 촉매에서 형성되는 반응 생성물을 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저로부터 제거하기 위한 유출구 파이프, 및 상기 커버, 서로 대향하는, 제1 측면 및 제2 측면에 의해 형성되는 상기 인클로저로부터 가스들을 제거하기 위한 배기 파이프를 포함하며, 각각의 측면은 상기 반복 유닛의 상기 2개의 전기화학 전지들 각각의 상기 양극 촉매층 또는 각각의 상기 음극 촉매층에 대한 상기 양극 용액 또는 폐수 또는 상기 음극 용액의 액세스를 허용하는 개구를 구비하는, 전기화학 전지 스택. - 제7항에 있어서,
상기 커버의 각각의 측면과 그 측면 옆의 상기 압축 프레임 사이에 시일을 더 포함하는, 전기화학 전지 스택. - 제6항에 있어서,
상기 고체 고분자 전해질 멤브레인은 음이온 고체 고분자 전해질인, 전기화학 전지 스택. - 제6항에 있어서,
상기 고체 고분자 전해질 멤브레인은 양이온 고체 고분자 전해질인, 전기화학 전지 스택. - 제6항에 있어서,
상기 커버는 비-전도성 재료로 이루어지는, 전기화학 전지 스택. - 제1항의 적어도 하나의 전기화학 전지 스택을 포함하는 폐수 처리용 시스템에 있어서, 상기 스택들은 폐수 또는 음극 용액을 포함하는 반응기 탱크에 침지되는, 시스템.
- 제12항에 있어서,
상기 스택들은 직렬 또는 병렬로 연결되는, 시스템. - 제6항의 적어도 하나의 전기화학 전지 스택을 포함하는 폐수 처리용 시스템에 있어서, 상기 스택들은 폐수 또는 음극 용액을 포함하는 반응기 탱크에 침지되는, 시스템.
- 제14항에 있어서,
상기 스택들은 직렬 또는 병렬로 연결되는, 시스템. - 폐수 처리용 방법에 있어서, 하기 단계들: 즉,
a. 처리될 상기 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지되는 제1항의 적어도 하나의 전기화학 전지를 제공하는 단계,
b. 양극 용액을 상기 양극 측면 상의 상기 제1 압축 프레임에 부착되는 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저에 공급하는 단계,
c. 상기 전기화학 전지에 걸쳐 전압을 제공하는 단계, 및
d. 상기 전기화학 전지를 전류 밀도에서 작동시켜 그것에 의해 상기 폐수 내의 상기 오염물질을 분해시키는 단계를 포함하는, 방법. - 폐수 처리용 방법에 있어서, 하기 단계들: 즉,
a. 음극 용액을 포함하는 반응기 탱크에 침지되는 제1항의 적어도 하나의 전기화학 전지를 제공하는 단계,
b. 처리될 폐수를 상기 양극 측면 상의 상기 제1 압축 프레임에 부착되는 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저에 공급하는 단계,
c. 상기 전기화학 전지에 걸쳐 전압을 제공하는 단계, 및
d. 상기 전기화학 전지를 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 상기 폐수 내의 상기 오염물질을 분해시키는 단계를 포함하는, 방법. - 폐수 처리용 방법에 있어서, 하기 단계들: 즉,
a. 처리될 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지되는 제1항의 적어도 하나의 전기화학 전지를 제공하는 단계,
b. 음극 용액을 상기 음극 측면 상의 상기 제2 압축 프레임에 부착되는 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저에 제공하는 단계,
c. 상기 전기화학 전지에 걸쳐 전압을 제공하는 단계, 및
d. 상기 전기화학 전지를 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 상기 폐수 내의 상기 오염물질을 분해시키는 단계를 포함하는, 방법. - 폐수 처리용 방법에 있어서, 하기 단계들: 즉,
a. 처리될 상기 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지되는 제6항의 적어도 하나의 반복 유닛을 제공하는 단계,
b. 음극 용액을 상기 반복 유닛의 상기 제1 전기화학 전지의 상기 제2 압축 프레임 및 상기 반복 유닛의 상기 제2 전기화학 전지의 상기 제2 압측 프레임에 부착되는 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저에 제공하는 단계,
c. 상기 제1 및 상기 제2 전기화학 전지들에 걸쳐 전압을 인가하는 단계, 및
d. 상기 전기화학 전지들을 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 상기 폐수 내의 상기 오염물질을 분해시키는 단계를 포함하는, 방법. - 폐수 처리용 방법에 있어서, 하기 단계들: 즉,
a. 처리될 상기 폐수를 포함하는 반응기 탱크에 침지되는 제6항의 적어도 하나의 반복 유닛을 제공하는 단계,
b. 양극 용액을 상기 반복 유닛의 상기 제1 전기화학 전지의 상기 제1 압축 프레임 및 상기 반복 유닛의 상기 제2 전기화학 전지의 상기 제1 압측 프레임에 부착되는 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저에 제공하는 단계,
c. 상기 전기화학 전지에 걸쳐 전압을 인가하는 단계, 및
d. 상기 전기화학 전지를 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 상기 폐수 내의 상기 오염물질을 분해시키는 단계를 포함하는, 방법. - 폐수 처리용 방법에 있어서, 하기 단계들: 즉,
a. 음극 용액을 포함하는 반응기 탱크에 침지되는 제6항의 적어도 하나의 반복 유닛을 제공하는 단계,
b. 폐수를 상기 반복 유닛의 상기 제1 전기화학 전지의 상기 제1 압축 프레임과 상기 반복 유닛의 상기 제2 전기화학 전지의 상기 제1 압측 프레임 사이에 부착되는 상기 커버에 의해 형성되는 상기 인클로저에 제공하는 단계,
c. 상기 전기화학 전지에 걸쳐 전압을 인가하는 단계, 및
d. 상기 전기화학 전지를 전류 밀도에서 동작시켜 그것에 의해 상기 폐수 내의 상기 오염물질을 분해시키는 단계를 포함하는, 방법.
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