KR20200095491A - 유체 오염 제거 장치 - Google Patents

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Abstract

복수의 3차원 개방 구조(3DOS) 기질이 그 안에서 이격되는 용기 본체를 갖는 유체 오염 제거 장치로서, 용기 본체를 통하여 유동하는 오염된 유체는 3DOS 기질과 접촉된다. 유체 역학적 캐비테이션을 유도하기 위해, 공기와 함께/공기 없이 오염된 유체를 분사하도록 구성된 노즐이 용기 본체의 주위에 배치된다. 기질은 오염된 유체가 이를 통하여 유동할 수 있도록, 다공성 및 투과성일 수 있으며, 기공을 통하는 유체 흐름 통로는 난류 및 캐비테이션 유도 흐름 상태에 노출되는 오염된 유체의 체적을 확장시킨다. 또한, 3DOS 기질은 화학 반응을 일으키도록 하나 이상의 유형의 촉매로 코팅될 수 있다. 따라서, 다공성 표면 상에서 받는 화학 반응과 함께, 유체 역학적 캐비테이션 형성 상태에 대한 오염된 유체의 확장된 노출은, 증가된 수의 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물이 박멸 및/또는 변화될 수 있게 함으로써, 오염 제거를 향상시킨다.

Description

유체 오염 제거 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 11월 16일자로 출원된 미국 가출원 제62/587,043호, 및 2018년 3월 12일자로 출원된 미국 가출원 제62/641,677호의 이익을 주장하며, 이들은 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 유체 오염 제거에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 기존의 유체 오염 제거 방법을 향상시키기 위한 3차원 개방 구조화 재료의 사용에 관한 것이다.
유체, 특히 물과 같은 액체는 유독성 종 및 다른 원치 않는 유기 화합물로 오염되기 쉽다. 따라서, 이러한 오염된 유체를 오염 제거하고 처리하기 위해 다양한 산업에서 사용되는 여러 가지 방법이 있다. 이들 방법은 초음파 처리, 유체 역학적 캐비테이션(cavitation), 및/또는 특히 촉매를 통해 보조되는 화학 반응의 사용을 포함한다.
그러나, 이러한 기존의 방법 중 몇몇은 흔히 물리적 및/또는 공간적 제약으로 인해 이들의 효과가 제한적이다. 예를 들어, 유체 흐름 난류의 증가, 및 가스 공극/기포 또는 캐비테이션의 발생에 의존하는 유체 역학적 캐비테이션은, 흔히 캐비테이션이 발생하는 특정 국부적 영역을 오염 제거하는 것으로 제한된다. 따라서, 효과적인 오염 제거가 수행되기 위해서는, 유체 흐름의 상당 부분이 캐비테이션에 노출되어야 한다. 다른 예로서, 촉매를 사용하여 그러한 원치 않는 화학 물질을 박멸하거나 변형시키는 화학 반응을 일으킴으로써 이들을 안전하게 만드는 것이다. 흔히, 단일 또는 균일한 유형의 촉매가 사용되며, 이는 원치 않는 화합물의 일부를 표적화하는데에만 효과적일 수 있다.
따라서, 유독성 종 및 다른 원치 않는 유기 화합물의 박멸을 개선하기 위해, 기존의 오염 제거 방법을 향상시키는 것을 포함하여, 여전히 액체를 효과적으로 오염 제거할 필요가 있음을 이해해야 한다. 본 발명은 이러한 필요성 및 다른 것들을 해결한다.
간략하게, 그리고 일반적인 표현으로, 본 발명은 오염된 유체에 포함된 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물의 박멸을 촉진시키기 위한 하나 이상의 3차원 개방 구조화(3DOS) 기질(substrate)을 포함하는 유체 오염 제거 장치를 제공한다. 장치는 난류(turbulent flow)를 유도하도록 구성된 하나 이상의 노즐을 통하여 오염된 유체를 유입시키도록 구성된 본체를 포함할 수 있으며, 오염된 유체는 배출구를 통해 배출되기 전에, 본체에 걸쳐서 유동함에 따라 하나 이상의 3DOS 기질과 접촉된다. 3DOS 기질은 다공성 및 투과성일 수 있으며, 다공성은 유동 난류에 노출되는 유체 흐름의 체적을 확장시킬 수 있게 함으로써, 캐비테이션을 추가로 유도하여, 유독성 종 및 원치 않는 유기 화학 물질의 분해 및/또는 변화를 촉진할 수 있다. 또한, 3DOS 기질은 이의 외부 및 내부 표면 상에서 화학 반응을 일으키도록 구성된다. 따라서, 3DOS 기질은 오염된 유체에 포함된 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물의 박멸을 향상시키기 위한 수단을 제공한다.
예시적인 실시형태의 상세한 양태에서, 하나 이상의 흡입구 개구가 본체의 주위에 배치되며, 해당 노즐이 각각의 상기 흡입구 개구 내에 삽입되어 고정될 수 있다. 각각의 노즐은, 각각의 3DOS 기질의 내부 및/또는 외부 표면 상에 충돌하도록 지향되면서 난류를 유도하는 방식으로 오염된 유체를 분무하도록 구성된다. 노즐은 예를 들어, 3DOS 기질을 통하는 유체 흐름에 평행하게 또는 직교하게 임의의 방향으로 배향된 노즐 개구부를 가질 수 있으며, 상기 노즐 개구부를 통하여 오염된 유체를 분무한다. 노즐은 상이한 구성, 배향, 크기일 수도 있으며, 3DOS 기질로 지향될 때 분무 방사를 변동시키고 오염된 유체의 오염 제거를 최적화하기 위해, 개수 및 위치가 변동될 수도 있다.
보다 구체적으로는, 예시적인 실시형태에서, 3DOS 기질은 Kanthal® 브랜드를 포함하는 페크랄로이(fecralloy)로도 알려진, FeCrAl과 같은 금속 합금으로 이루어질 수 있다. 금속 합금은 금속 발포체(foam)로 구성될 수 있거나, 높은 탄성, 인장 강도, 및 내열성과 같은, 금속 발포체와 유사한 특성으로 구성될 수 있다. 이러한 특성은 사용되는 임의의 다른 유체 오염 제거 수단에 따라 변동될 수도 있다. 3DOS 기질은, 통상적인 금속 및 세라믹 발포체, 와이어 메시, 및 다른 망상 재료에서 볼 수 있는 바와 같은, 개방형 및 폐쇄형 기공을 포함하는, 미크론 내지 밀리미터 범위의 개방된 기공 크기에 따라, 규정된 레벨의 다공성, 투과성, 및 만곡성(tortuosity)으로 구성될 수도 있다. 다공성은 3DOS 기질 내의 유체 흐름 경로(흐름 패턴)를 한정할 수 있어서, 난류 상태를 겪는 유체의 체적을 확장시킬 수 있게 하므로, 유체 내에서 유체 역학적 캐비테이션에 대한 노출을 증가시킴으로써, 원치 않는 유독성 화학 물질의 추가적인 박멸을 야기할 수 있다. 3DOS 기질은 화학 반응이 진행될 수 있는 이의 외부 및/또는 내부 표면 상의 활성 지점을 추가로 제공함으로써, 원치 않는 유독성 화학 물질의 박멸을 또한 야기한다. 또한, 3DOS 기질은 원통 및/또는 원뿔형-단부 원통을 포함하는 복수의 형상 및 크기로 구성될 수 있거나, 노즐로부터의 유체 흐름을 수용하도록 성형된 시트로 구성될 수 있다.
예시적인 실시형태의 상세한 양태에서, 3DOS 기질은 화학적으로 변형된 표면을 갖는 금속 발포체로서 구성될 수 있어서, 상기 표면 상에서 발생하는 화학 반응을 활성화 및 강화함으로써, 유체 흐름에서의 유독성 화학 물질의 화학적 박멸을 보조한다. 추가적으로, 발포체 재료는 이에 제한됨이 없이, 알루미늄 또는 실리콘 산화물과 같은 세라믹과 같은 임의의 비금속성 재료로 이루어질 수 있으며, 개방된 기공 구조의 망상 탄소 또는 석영일 수 있다. 또한, 변형된 표면의 특성 및 유독성 종 간의 화학적 또는 물리적 상호 작용의 결과로서, 기질의 표면은 유독성 화학 물질 종을 특이적으로 포획하여 제거하도록 변형될 수 있다.
예시적인 실시형태의 다른 상세한 양태에서, 3DOS 기질은 이의 외부 및/또는 내부 표면 상에서 화학 반응을 일으키는 기능을 강화하기 위한 촉매로 코팅될 수 있다. 또한, 3DOS 기질은 선택적 촉매 시스템을 포함할 수 있으며, 유체의 특정 오염물을 박멸하거나 변화시키는 상이한 화학 반응을 촉진 및 가속화하도록, 다양한 유형의 촉매가 3DOS 기질의 상이한 부분에 코팅된다. 또한, 기질의 흡입구에서 촉매로 코팅된 3DOS 기질, 이어서 특정 화학 물질의 흡수 및/또는 흡착을 가능하게 하기 위한 재료로 코팅된 표면은 원치 않는 오염물의 제거를 극대화할 것이다.
예시적인 실시형태의 또 다른 상세한 양태에서, 유체 오염 제거 장치는 서로 순차적으로 결합된 복수의 개별적인 오염 제거 본체를 포함할 수 있으며, 각각의 오염 제거 본체는, 1) 유체 역학적 캐비테이션을 유도하도록 구성된 흡입구 노즐; 및 2) 3DOS 기질 구역을 포함한다. 따라서, 캐비테이션 형성 상태에 노출되는 오염된 유체의 체적은 유체가 각각의 오염 제거 본체를 통하여 순차적으로 유동함에 따라 증가된다.
예시적인 실시형태의 또 다른 상세한 양태에서, 3DOS 기질은 맨드릴(mandrel)을 통해 권취되거나 맨드릴 없이 권취되는 파상 및/또는 평활한 금속 스트립을 포함할 수 있으며, 이는 금속 발포체 특성을 갖는 금속 합금의 사용에서 전술한 것과 유사한 효과를 제공한다. 금속 스트립은, 상이한 각도로 배치된 파상 금속 스트립(예를 들어, 셰브런 파상(chevron corrugations)), 천공된 파상 금속 스트립, 및 상이한 길이의 금속 스트립을 포함할 수 있다.
예시적인 실시형태의 또 다른 상세한 양태에서, 3DOS 기질은 원통에 권취되거나, 용기 본체 내에 충전층(packed bed)으로서 배치되는 와이어 메시(wire mesh)를 포함할 수 있으며, 이는 금속 발포체 또는 파상 금속 스트립의 사용에서 전술한 것과 유사한 효과를 제공한다.
예시적인 실시형태의 또 다른 상세한 양태에서, 유체 오염 제거 장치는 UV 스펙트럼 조사 반응기 챔버와 함께 사용될 수 있으며, 유체는 반응기 챔버를 통하여 유동하고, 살균용 UV 광원으로부터의 UV 광에 의해 표적화된다. 반응기 챔버는 UV 광이 오염된 유체에 충돌할 수 있도록 하기 위한 석영 벽을 가질 수 있다. 또한, 3DOS 기질은 UV 광이 오염된 유체에 계속 충돌할 수 있도록 하기 위한 석영 재료로 제조될 수 있다. 3DOS 기질은 석영 지지 스트럿(strut) 상에 용융된 복수의 석영 입자, 또는 석영 비드(bead) 또는 입자의 충전층일 수 있으며, 어느 방법이든지 유체가 난류 상태에 노출되는 체적을 확장시킨다.
예시적인 실시형태의 또 다른 상세한 양태에서, 시스템은 유체가 연속적인 흐름 또는 맥동(pulse) 흐름으로 이를 통하여 유동함에 따라, 유체를 오염 제거하도록 구성될 수 있다. 실시형태는 (1) 연속적인 흐름, (2) 맥동 흐름, 또는 (3) 연속적인 흐름 및 맥동 흐름 모두를 포함할 수 있다.
종래기술과 대비하여 달성되는 장점 및 본 발명을 요약하기 위한 목적으로, 본 발명의 특정한 장점이 본원에서 설명되었다. 물론, 본 발명의 임의의 특정 실시형태에 따라 이러한 모든 장점이 반드시 달성될 필요는 없을 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들어, 당업자라면, 본원에서 교시되거나 제시될 수 있는 바와 같은 다른 장점을 반드시 달성할 필요 없이, 본원에서 교시된 바와 같은 하나의 장점 또는 장점의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 본 발명이 구현되거나 수행될 수 있음을 인식할 것이다.
이러한 모든 실시형태는 본원에 개시된 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 본 발명의 이러한 실시형태 및 다른 실시형태는 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시형태의 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백해질 것이며, 본 발명은 개시된 임의의 특정한 바람직한 실시형태로 제한되지 않는다.
이제 본 발명의 실시형태가 이하의 도면을 참조하여 실시예로서만 설명될 것이며, 도면으로서:
도 1은 본 발명에 따른 유체 오염 제거 장치의 측면 절개 사시도로서, 노즐을 통하여 본체에 유입되어 다수의 3DOS 기질과 접촉되는 오염된 유체를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 유체 오염 제거 장치의 측면 절개 사시도로서, 노즐이 오염된 유체를 상이한 배향으로 본체 내로 분무하여 원통형 본체와 함께 원뿔형 헤드를 갖는 3DOS 기질 상에 충돌하는 것을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 유체 오염 제거 장치의 측면 절개 사시도로서, 노즐이 오염된 유체를 상이한 배향으로 본체 내로 분무하여 균일한 직경의 원통형 본체를 갖는 3DOS 기질 상에 충돌하는 것을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 유체 오염 제거 장치의 측면 절개 사시도로서, 배관 시스템을 통하여 유동하여 3DOS 기질과 접촉되는 오염된 유체를 도시하며, 노즐은 유체 흐름 방향에 직교하는 방향으로 배향된 노즐 개구부를 갖는다.
도 5는 무작위 공간 구성의 기공을 갖는 개방-셀 발포체 구조물을 도시한다.
도 6은 조직화된 공간 구성의 기공을 갖는 금속 발포체로서 구현된 3DOS 기질을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 유체 오염 제거 장치를 도시하며, 흡입구 구역 및 3DOS 기질 구역, 그리고 연결된 배관을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 유체 오염 제거 장치를 도시하며, 순차적으로 배치된 복수의 오염 제거 본체를 도시하고, 각각의 오염 제거 본체는 흡입구 구역 및 3DOS 기질 구역을 포함한다.
도 9는 권취될 때 맨드릴에 부착되는 천공된 파상 금속 스트립을 도시한다.
도 10은 맨드릴 없이 원통형 형태로 권취된 파상 금속 스트립을 도시한다.
도 11은 맨드릴을 통해 권취되거나 맨드릴 없이 권취되고 층으로 결합될 수 있는 천공된 파상 금속 스트립을 도시한다.
도 12는 맨드릴을 통해 권취되거나 맨드릴 없이 권취되고 층으로 결합될 수 있는 파상 금속 스트립을 도시한다.
도 13은 천공된 파상 금속 스트립을 도시하며, 파상은 각진 셰브런 방식으로 정렬되며, 이러한 금속 스트립은 층으로 결합될 수 있고, 맨드릴을 통해 권취되거나 맨드릴 없이 권취될 수 있다.
도 14는 3DOS 기질에 걸쳐서 난류 방식으로 오염된 유체를 분무하기 위한 흡입구 오리피스(orifice) 또는 벤투리(venturi)를 포함하는, 유체 오염 제거를 위한 UV 반응기 챔버의 측면 절개 사시도이다.
도 15는 도 14의 유체 오염 제거 장치의 측면 절개도로서, 석영 스트럿에 부착된 석영 입자를 포함하는 3DOS 기질을 도시하며, 반응기 챔버의 주위에 UV 램프가 배치된다.
도 16은 도 14의 유체 오염 제거 장치의 측면 절개도로서, 충전층 방식으로 배치된 석영 입자 또는 비드를 포함하는 3DOS 기질을 도시하며, 반응기 챔버의 주위에 살균용 UV 광이 배치된다.
도 17은 오염된 유체에서 원치 않는 생물학적 화합물 및 종을 박멸하기 위한 스펙트럼의 최적의 UV 광 파장을 도시한다.
도 18은 피크 효율을 나타내는, UV 파장과 대비한 살균 효율의 그래프 표현을 도시한다.
도 19는 벤투리 노즐을 통하는 유체 흐름의 묘사이며, 결과적인 압력 곡선 위에 중첩된 캐비테이션 기포 경로 또는 궤적을 도시한다.
도 20은 오리피스를 통하는 유체 흐름의 묘사이며, 결과적인 압력 곡선 위에 중첩된 캐비테이션 기포 경로 또는 궤적을 도시한다.
이제 도면을 참조하면, 특히 도 1을 참조하면, 복수의 3차원 개방 구조(3DOS) 기질(14)이 그 안에서 이격된 본체(10)를 갖는 유체 오염 제거 장치가 도시되며, 본체(10)를 통하여 유동하는 오염된 유체(12)는 3DOS 기질(14)과 접촉된다. 노즐(16)은 본체(10)의 주위에 배치된 흡입구 개구 내에 삽입되어 고정될 수 있으며, 유체 역학적 캐비테이션(18)의 발생을 유도하기 위해, 공기와 함께/공기 없이 오염된 유체를 분사(28)하도록 구성될 수 있다. 기질(14)은 오염된 유체가 이를 통하여 유동(12)할 수 있도록, 다공성 및 투과성일 수 있으며, 기공을 통하는 유체 흐름 통로는 난류 및 캐비테이션 유도 흐름 상태에 노출되는 오염된 유체의 체적을 확장시킨다. 또한, 3DOS 기질(14)은 하나 이상의 유형의 촉매로 코팅될 수 있으며, 오염된 유체와 다공성 표면 사이의 상호 작용은 화학 반응을 일으킬 수 있다. 따라서, 다공성 표면 상에서 수행되는 화학 반응과 함께, 유체 역학적 캐비테이션에 의한 가스 공극의 형성 및 내파(implosion)에 대한 오염된 유체의 확장된 노출은, 증가된 수의 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물이 박멸 및/또는 변화될 수 있게 함으로써, 유동 유체(12)의 오염 제거를 향상시킨다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 예시적인 실시형태는, 각각의 본체의 주위에 배치된 흡입구 개구 내에 삽입되어 고정되는 하나 이상의 노즐(16, 42, 46)을 통하여 오염된 유체를 수용하는 봉입 용기(enclosure)를 한정하는 본체(10, 40)를 도시한다. 각각의 노즐은 외부 유체 소스와 본체(10, 40) 사이의 유체 흐름 통로, 예를 들어 배관 시스템을 한정한다. 오염된 유체는 본체(10, 40)를 통하여 유동하며, 유체의 적어도 일부분은 하나 이상의 배출구(예를 들어, 도 7의 참조 문자(207))를 통하여 본체에서 배출되기 전에, 하나 이상의 3차원 개방 구조화 기질(14, 44, 52)을 통하여 유동한다. 유체 흐름의 망상 변위는 본체(10, 40)의 종축(Ax)(22)에 평행한 방향이다. 각각의 노즐은 오염된 유체를 균일한 방식으로 분무하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 실제 유체 흐름 분포는 이의 난류로 인해 불균일할 수도 있다.
예시적인 실시형태에서, 유체 흐름 변위는 흡입구 개구(들)(16, 42, 46) 및 배출구 개구(들)(도시되지 않음)의 위치에 기초하며, 유체는 흡입구 개구로부터 배출구 개구로 유동한다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 본체 내의 오염된 유체의 흐름은 연속적인 흐름 및/또는 맥동형 흐름일 수 있다. 또한, 추가적인 또는 대안적인 실시형태에서, 흡입구 개구(들)는 다른 유형의 배관 부속품과 같은, 유체를 수용하기 위한 다른 수단과 정렬되거나 삽입될 수 있다. 본체(10, 40)는 종축(22)(Ax)과 평행한 종방향 구역(24, 48)을 포함할 수 있으며, 본체는 제1 단부(26, 50) 및 제2 단부(도시되지 않음)를 포함하는 대향 단부를 더 포함할 수 있다. 본체는 관형 형상 또는 임의의 다른 형상으로 구성될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 오염된 유체는 용기 본체(10)의 종방향 구역(24)의 주위에 배치된 분사 노즐(16)(각각의 흡입구 개구 내에 삽입됨)을 통해 본체 내에 유입된다. 각각의 분사 노즐(16)은, 종축(22)에 직교하게 배향됨으로써, 3DOS 기질(14) 및 용기 본체(10)를 통하는 유체 흐름에 직교하게 오염된 유체를 분무하도록 구성된 노즐 개구부를 포함한다. 용기 본체 내에 유입되는 유체의 예시적인 상태는 3.5 리터/분 내지 5.0 리터/분의 물 유량에 대한 0.2 MPa 내지 0.55 MPa 범위의 압력을 포함한다.
대조적으로, 이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 본체(40)는 대향 측면(50) 중 하나에 배치된 평행 분무 분사 노즐(42), 및 종방향 구역(48) 상에 배치된 직교 분무 분사 노즐(46)을 포함하며, 3DOS 기질(들)(44, 52)은 본체(40)의 단면, 및 각각의 종방향 구역(48)에 걸친 특정 길이의 유체 통로를 커버한다. 도 2의 3DOS 기질(44)은 원뿔형 흡입구 부분을 포함하는 반면에, 도 3에 도시된 3DOS 기질(52)은 균일한 직경을 갖는 원통이다. 어느 본체(10, 40)이든지 노즐의 수 및 위치는, 오염된 유체를 최적으로 오염 제거하는 방식으로 각각의 3DOS 기질(들)을 향하여 유체를 분무하여 각각의 3DOS 기질(들) 상에 충돌시키도록 변동될 수 있다(아래에 추가로 설명됨).
또한, 노즐 유형 및 크기는 각각의 흡입구 개구(16, 42, 46)에 대해 변동될 수 있으므로, 오염 제거되는 유체에서의 3DOS 기질의 성능에 영향을 준다. 예를 들어, 벤투리 노즐은 난류가 증가함에 따라 유체가 분사/분산되도록 촉진하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 노즐은, 분무 패턴이 변화됨으로써 유체 흐름 난류에 영향을 줄 수 있도록, 슬릿, 원뿔형, 또는 유사한 형상일 수 있는 노즐 개구부를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 노즐 개구부는, 유체의 흐름 패턴이 3DOS 기질로 지향되어, 유체 흐름이 3DOS 기질의 외부 및/또는 내부 표면 상에 충돌할 수 있게 하도록 구조화될 수 있다(아래에 추가로 설명됨). 또한, 각각의 노즐 개구부는, 오염된 유체가 각각의 3DOS 기질의 흡입구 구역에 걸쳐서 균일하게 상호 작용하도록 오염된 유체를 분무하도록 구성될 수 있다. 주어진 유체 오염 제거 장치는 본 발명으로부터 벗어남이 없이, 이러한 노즐의 개수 및 위치의 임의의 조합과 더불어, 이러한 노즐 크기, 배향, 및 흡입구 구조물의 다양한 조합을 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
이제 도 4를 참조하면, 대안적인 실시형태에서, 오염 제거 조립체는, 오염된 유체가 내부에서 유동(62)하는 연속적인 배관(60)의 배관 구역 내에 포함될 수 있으며, 배관(60)은 종축(Ay)(68)과 평행한 유체 흐름 경로를 한정한다. 오염 제거 조립체는, 오염된 유체 및/또는 공기를 중압 또는 고압으로 분사하는 것을 포함할 수 있는, 유체 난류를 증가시키기 위한 분사 노즐로 구성된 하나 이상의 흡입구(64) 및 하나 이상의 3DOS 기질(66)을 포함한다.
도 1 내지 도 4를 계속 참조하면, 3DOS 기질(들)(14, 44, 52, 66)은 강성 다공성 재료로 이루어질 수 있으며, 3DOS 기질과의 액체 상호 작용은 다공성에 기초하여 증가된다. 개방 구조는 기질의 공극 체적에 따르며, 즉 3DOS 기질에서 점유된 공극 공간의 총 체적에 따른다. 예시적인 실시형태에서, 3DOS 기질은 예를 들어, Kanthal® 브랜드로 상업적으로 입수 가능한 FeCrAl과 같은 금속 합금을 포함한다. 금속 합금은 금속 발포체(예를 들어, 금속 스펀지)로서 구성될 수 있거나, 높은 다공성, 탄성, 인장 강도, 및 우수한 내열성과 같은, 금속 발포체에서 확인되는 것과 유사한 특성을 나타낼 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 3DOS 기질은 세라믹 발포체로 구성될 수 있다. 다공성, 투과성, 및 만곡성과 같은 특성은 5 미크론 내지 5 밀리미터 범위의 개방된 기공 크기에 따라 구성될 수 있다. 또한, 다공성을 포함하는 3DOS 기질의 특성은 예를 들어, 흡입구로부터 배출구까지의 이의 길이에 걸쳐서, 기질의 주위에서 변동될 수 있다.
대안적인 또는 추가적인 실시형태에서, 발포체 재료는 이에 제한됨이 없이, 알루미늄 또는 실리콘 산화물과 같은 세라믹과 같은, 임의의 비금속성 재료로 이루어질 수 있거나/이루어질 수 있고, 개방된 기공 구조의 망상 탄소 또는 석영일 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 3DOS 기질은 금속 본체 내에서 상호 연결된 기공 망으로 이루어진 개방-셀 기공을 사용할 수 있으므로, 유체가 상기 3DOS 기질 내에서 그리고 상기 3DOS 기질을 통하여 통과할 수 있게 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 셀은 부분적으로 차단될 수 있지만, 완전히 폐쇄되지 않을 수 있으므로, 유체가 그 안에서 계속 유동할 수 있게 한다. 또한, 셀은 3DOS 기질 내에서 무작위로 배치될 수 있거나(도 5), 조직화된 구성으로 배치될 수 있다(도 6). 발포체 셀은 공칭으로, 인치당 10 기공(ppi) 내지 50 ppi 범위의 개방도를 포함할 수 있지만, 발포체 재료의 선택 및 흡입구 작용 압력에 따라, 100 ppi만큼 높을 수 있다. 또한, 금속 발포체의 상대 밀도의 예시적인 범위는 3DOS 구조물을 구성하는 금속 밀도의 2% 내지 15%일 수 있다. 금속 산화물 발포체 구조물은 상대 ppi 및 밀도의 유사한 범위에 걸쳐서 사용될 수 있다. 상대 밀도의 다른 예시적인 범위는 3% 내지 20% 범위의 세라믹 발포체, 및 3% 내지 4% 범위의 탄소 발포체를 포함할 수 있다. 상대 밀도는, 3DOS 구조물(즉, 기공 없음)을 구성하는 고체 재료의 밀도로 나눈 3DOS 구조물(명시된 다공성을 가짐)의 밀도이다. 3DOS 구조물의 다공성은 상대 밀도에 기초하여 결정될 수 있다.
3DOS 구조물은 삼각형에서부터 원형에 이르기까지 다양한 형상의 개방 셀 구조물로 추가로 구성될 수 있으며, 이에 따라 흡입구 유체 역학적 캐비테이션을 나타내는 기능을 향상시키는 상기 3DOS 기질을 통하여 흐름 패턴을 제어 및/또는 지향시키기 위한 수단을 제공한다. 따라서, 난류 및 유발되는 유체 역학적 캐비테이션 형성 시에, 오염된 유체는 3DOS 기질 내의 개방 구조물에 의해 한정된 유체 흐름 패턴으로 인해, 3DOS 구조물 전체에 걸쳐서 유체 역학적 캐비테이션을 확장시키는 방식으로, 3DOS 기질을 통과하여 3DOS 기질에서 배출되도록 구성될 수 있다. 따라서, 추가적인 감압 영역이 형성됨으로써, 유체 내의 유체 역학적 캐비테이션이 발생하도록 추가로 유도한다(아래에 설명됨). 또한, 3DOS 기질 내의 유체 흐름 경로(패턴)는 기질 외부 및/또는 내부 표면과 유체 사이의 상호 작용을 증가시킴으로써, 상기 외부 및/또는 내부 표면 상에서 발생하는 화학 반응 및/또는 흡수/흡착을 촉진시킨다(아래에 설명됨). 전술한 바와 같이, 상호 연결되는 기공 망 또는 망상형 주름(reticulation)은 다양한 만곡성 및 투과성으로 추가로 구성될 수 있으며, 이에 따라 오염된 유체가 3DOS 기질 내의 기공에 노출되는 길이 및 정도에 영향을 주고, 이는 기질 표면과의 상호 작용을 향상시키도록 조작될 수 있다.
3DOS 기질은, 오염된 유체와 기질 표면 사이의 상호 작용을 향상시키고, 난류 및/또는 유체 역학적 유도 상태에 대한 유체의 노출을 확장시키기 위해, 상이한 형상, 크기, 및 공극률일 수 있다. 전술한 바와 같이, 3DOS 기질을 위한 기공 크기는 미크론 내지 밀리미터로 다양할 수 있으며, 명시된 크기는 본체의 흡입구에서 유체 역학적 캐비테이션을 유발하는 유체의 유속, 점도 및 흡입구 압력에 기초한다. 전술한 바와 같이, 예시적인 흡입구 흐름 상태는 3.5 리터/분 내지 5.0 리터/분의 물 유량에 대한 0.2 MPa 내지 0.55 MPa를 포함할 수 있으며, 오염된 유체의 점도는 물의 점도(20℃에서의 lcP)와 유사할 수 있다. 3DOS 기질의 벽 두께는 인치당 명시된 기공(ppi), 및 상호 연결된 기공의 밀도에 기초하여 한정될 수 있으며, 이러한 사양은 주어진 기질의 크기 및 다공성(공극률)에도 영향을 준다. 또한, 주어진 3DOS 기질의 다공성은 예를 들어, 3DOS 기질에 걸쳐서 증가, 감소 또는 불균일하게 변동되는, 이의 길이에 걸쳐서 변동될 수 있으므로, 이에 대해 화학 반응이 진행되는 활성 지점의 수 및/또는 난류의 정도를 조작할 수 있고, 예를 들어 활성 지점의 수 및 난류를 증가시킬 수 있다. 이러한 변동되는 다공성은 상이한 방법에 의해 제조될 수 있는, 셀 구성 및 발포체 조성을 변동시킴으로써 달성될 수 있으며, 이에 따라 기공 크기 범위 및 상대 밀도에서의 편차를 도입할 수 있다.
전술한 바와 같이, 3DOS 기질의 구조물은 도 3에 도시된 바와 같이, 균일한 직경을 갖는 원통일 수 있다(52). 다른 실시예로서, 3DOS 기질의 구조물은 도 1, 도 2, 및 도 4에 도시된 바와 같이, 일 단부에서 원뿔형일 수 있다(14, 44, 66). 원통형이 아닌 본체(반응기) 설계가 사용된 경우, 반응기(본체)는 3DOS 기질의 시트를 또한 포함할 수 있다. 3DOS 기질의 구조물은 오염 제거를 지원하는 유체 흐름 난류 및 유체 역학적 캐비테이션을 촉진시키는 임의의 형상일 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 3DOS 기질은, 1) 유체가 특정 유량으로 유동하고, 2) 유체 내에서 유체 역학적 캐비테이션의 형성을 유도하기 위한 최소 구동력(압력차)을 유지하도록 보장하기 위해, 이를 통하여 유동하는 유체에 대해 발생되는 배압을 제한하도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 3DOS 기질은 유체 역학적 캐비테이션 형성 상태에 노출되는 유체의 체적을 확장시키도록 보조할 수 있다. 유체 역학적 캐비테이션은 유체 중의 미세 기포의 형성, 성장, 및 후속적인 붕괴로서, 밀리초 내에 체적당 많은 양의 에너지를 방출시킨다. 유체 내에서 이러한 미세 기포 또는 가스 공극의 형성은 국부적인 감압 지점에 의해 유도될 수 있다. 3DOS 기질과 관련하여, 3DOS 기질 내에서 기질 벽에 걸친 유체의 속도의 결합 작용은 각각의 표면에 걸친 유체 흐름의 항력으로 인해 상기 벽의 하류 측에서 압력 강하를 야기하고, 이에 따라 캐비테이션 형성을 야기한다. 후속적인 주변 압력의 증가는 이러한 가스 공극의 내파(즉, 붕괴된 미세 기포)를 야기하며, 이는 (이에 제한됨이 없이) 각각 10 MPA 내지 500 MPa, 및 1000 K 내지 10,000 K 범위의 국부적인 압력 및 온도를 야기할 수 있다. 붕괴된 미세 기포 상태의 결과로서, 유독성 종 및/또는 원치 않는 유기 화합물을 변화 및/또는 박멸시킬 수 있는 고유한 화학 반응이 발생할 수 있다. 화학 반응은 부분적으로, 유체(예를 들어, 물)로부터 형성된 라디칼로 인해, 및/또는 유체(예를 들어, 물)에 용해된 미량 화학 물질로 인해, 발생할 수 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 각각, 벤투리 노즐(도 19)에서의 그리고 오리피스(도 20)를 통하는 압력 곡선 위에 중첩되는 캐비테이션 기포 경로 또는 궤적의 묘사가 도시된다. 도 19에 도시된 바와 같이, 벤투리 노즐을 통하는 유체 흐름은 저압 영역에 노출된 더 큰 단면적을 야기하는 반면에, 오리피스를 통하는 유체 흐름(도 20)은 오리피스 구멍의 주위에 저압 영역을 생성한다.
유체 역학적 캐비테이션을 사용하여 유체를 오염 제거하는 효율은 난류 상태에 충분히 노출되는 유체 체적의 정도에 따라 좌우된다. 따라서, 3DOS 기질의 사용은, 1) 기질 내에 포함된 상호 연결된 공극, 및 2) 3DOS 기질이 전반적으로 유체 흐름에 제공하는 반 장벽(semi barrier)에 기초하여, 이러한 난류 상태에 노출되는 유체의 체적을 확장시킴으로써, 흡입구 노즐에 의해 생성되는 캐비테이션 형성 상태를 확장시킨다. 또한, 흐름 경로 내의 3DOS 기질 벽/구조물 및 유속에 따라, 3DOS 기질 내에서 지속적인 캐비테이션이 발생할 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 배관 시스템(202)에 연결되어 유체 오염 제거를 위해 3DOS 기질(들)을 사용하는 효율을 평가하기 위한 실험 테스트를 수행하도록 구성된 예시적인 오염 제거 장치(200)가 도시된다. 장치(200)는 유체 내에서 유체 역학적 캐비테이션을 유도하도록 구성된 노즐(도시되지 않음)을 포함하는 2" 흡입구 구역(204), 및 내부에 3DOS 기질을 포함하도록 구성된 더 큰 4" 구역(206)을 포함한다. 장치에 연결된 배관(202)은 1/4 인치이다. 예시적인 실험 테스트에서, 배관(202) 및 장치(200)를 통하여 유동하는 유체는 4개의 할로겐화 탄화수소의 수용액이다. 물은 500 gpd의 속도 및 0.00527 MPa의 압력으로 흡입구 노즐(204)을 통하여 유입된다. 실험 테스트는, 1) 유체가 3DOS 기질과 부딪치지 않고, 흡입구 노즐에 의해 유도된 유체 역학적 캐비테이션만을 사용함으로써, 그리고 2) 유체 역학적 캐비테이션을 유도하고, 약 50 ppi의 FeCrAl 발포체 구조물을 포함하는 3DOS 기질 구역을 통하여 유체를 후속적으로 유동시킴으로써, 달성되는 수용액의 오염 제거를 평가하였다. 실험 테스트로부터의 결과는 아래와 같다:
(노즐을 통한) 유체 역학적 캐비테이션 단독( 3DOS 기질 없음)
Figure pct00001
3DOS 기질과 함께 (노즐을 통한) 유체 역학적 캐비테이션
Figure pct00002
테스트 결과는, (흡입구 노즐을 통해) 유체 내에서 유체 역학적 캐비테이션을 유도하고 후속적으로 3DOS 기질 구역을 통하여 유체를 유동시키는 경우, 오염물 농도의 감소가 증대되었음을 나타낸다. 구체적으로는, 테스트 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 결합되는 유체 역학적 캐비테이션 및 페크랄로이 발포체로 인해 각각의 할로겐화 오염물의 현저한 감소가 이루어지며, 이는 페크랄로이 발포체 없이는 유체 역학적 캐비테이션이 생성할 수 없다. 발포체의 추가에 의해 나타나는 기여는, 흡입구로부터 배출구까지의 저압 강하 또는 유사한 압력차로 유체가 유동할 수 있고, 위의 실험에서 입증된 바와 같은 유체 역학적 캐비테이션을 겪을 수 있는, 망상 형상, 즉 발포체, 또는 천공된 재료, 또는 메시형 재료에서 발견되는 바와 같은, 다수의 공극 또는 개방 공간을 갖는 여러 구조물 중 어느 하나에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 테스트 결과는, 하나 이상의 3DOS 기질에 걸쳐서 난류 및 압력차로 이러한 유체를 유동시키는 경우, 난류의 노출 및 이에 따른 캐비테이션 형성을 확장시킴으로써, 유체의 오염 제거를 개선할 수 있음을 입증한다.
이제 도 8을 참조하면, 추가적인 또는 대안적인 실시형태에서, 유체 오염 제거 장치(208)는 순차적인 방식으로 서로 결합된 복수의 개별적인 오염 제거 본체(210, 212, 214)를 포함할 수 있다. 제1(210) 및 마지막(214) 순차적인 본체는 배관 시스템(228, 230)과 같은 유체 격납용기 시스템에 연결될 수 있는 반면에, 각각의 쌍의 순차적인 본체들 사이의 연결부는 이를 통하여 유동하기 위한 유체 경로를 형성한다. 각각의 오염 제거 본체(210, 212, 214)는, 유체가 각각의 오염 제거 본체에 진입함에 따라 유체 내에서 유체 역학적 캐비테이션을 유도하도록 구성된 노즐(도시되지 않음)을 갖는 흡입구(216, 220, 224)를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 오염 제거 본체(210, 212, 214)는, 유체가 각각의 오염 제거 본체를 통하여 유동함에 따라 유체와 부딪치는 3DOS 기질 구역(218, 222, 226)을 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 오염 제거 본체(210, 212, 214)를 순차적으로 배치함으로써, 캐비테이션 형성 상태에 노출되는 유체의 체적을 추가로 확장시키고, 이에 따라 유체의 오염 제거를 향상시킨다. 도 8에 도시된 바와 같이, 배관 시스템(228)을 통해 유동하는 유체는 제1 흡입구(216) 노즐을 통해 제1 오염 제거 본체(210)로 진입하며, 캐비테이션 형성은 제1 노즐에 의해 유도되고, 유체가 제1 3DOS 기질 구역(218)을 통하여 유동함에 따라 유체에 걸쳐서 확장된다. 유체는 제1 오염 제거 본체(210)에서 배출되어 제2(212) 및 제3(214) 오염 제거 본체를 통하여 순차적으로 유동하며, 각각의 오염 제거 본체는 각각의 흡입구(220, 224) 노즐을 통해 캐비테이션 형성을 유도하고, 이러한 캐비테이션 형성 상태를 각각의 3DOS 기질 구역(222, 226)을 통해 유체 내에서 확장시킨다. 유체는 제3 오염 제거 본체(214)에서 배출된 후에, 배관 시스템(230)에 진입한다.
도 8을 계속 참조하면, 흡입구 노즐은, 유체 내에서 캐비테이션 형성을 유도하고, 각각의 3DOS 기질(들)에 걸쳐서 유체를 균일하게 분포시키는, 균일하게 분포된 방식으로 유체를 분무하도록 구성될 수 있다. 이는 유체 역학적 캐비테이션을 생성하는 여러 방법 중 어느 하나에 의해 달성될 수 있으며, 이 중 2개의 실시예가 도 19 및 도 20에 도시된다. 추가적으로, 제1 오염 제거 본체에 진입하기 전에 배관 시스템에서의 유체의 압력은, 모든 오염 제거 본체에 걸친 압력 강하를 고려하여, 오염 제거 장치(208)의 배출 시에 최소 요구 압력(즉, 마지막 순차적인 오염 제거 본체의 하류의 배관 시스템에서의 압력)을 충족시키기에 충분하게 높다. 각각의 오염 제거 본체에 걸친 압력 손실은 유체가 각각의 흡입구 노즐을 통해 유동함에 따른 압력 강하, 및 각각의 3DOS 기질에 걸친 압력 강하를 포함할 수 있다.
추가적인 또는 대안적인 실시형태에서, 3DOS 기질은, 원치 않는 화학 물질이 화학 반응을 겪어서 공정에서 박멸되거나 변화될 수 있게 하는 추가적인 활성 지점을 제공하도록 보조할 수 있다. 이러한 반응의 실시예는 촉매 반응, 즉 기질 상에 코팅된 촉매를 통해 가속화되는 화학 반응을 포함한다. 또한, 3DOS 기질은 상이한 유형의 촉매가 주어진 기질의 상이한 영역에 도포되는 선택적 촉매 시스템을 사용할 수 있다. 이는 주어진 유형의 촉매에 의한 이전의 반응에 의해 손상되지 않거나 유독성을 유지하는 원치 않는 유독성 종 및/또는 유기 화합물을 주어진 3DOS 기질이 특이적으로 표적화할 수 있게 한다. 예를 들어, 하나의 유형의 촉매는 기질의 흡입구에서 화학 반응을 일으키도록 3DOS 기질 상에 코팅될 수 있는 반면에, 상이한 유형의 촉매는, 남아 있는 또는 결과적인 원치 않는 화학 물질 및 화합물에 대해 상이한 일련의 화학 반응을 일으키도록 동일한 3DOS 기질의 다른 단부에 코팅될 것이다.
3DOS 기질의 표면 상에 코팅되거나 분무(또는 결합)될 수 있는 이러한 촉매/재료의 실시예는 페로브스카이트(perovskite), 알루미나, 및/또는 유사한 재료와 같은 산화물을 포함하며, 이는 원치 않는 또는 유독성 종이 활성화를 위한(화학 반응을 위한) 더 낮은 에너지를 필요로 할 수 있거나 흡착/흡수를 야기할 수 있는 활성 표면으로서 작용할 수 있고, 원치 않는/유독성 종의 상호 작용을 추가로 향상시킨다. 추가적인 촉매 실시예는 코팅된 표면 상의 귀금속 또는 비-귀금속 종과 같은 촉매 종의 도포를 포함하며, 코팅된 표면은 알루미나 또는 유사한 촉매 지원 재료일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 산화물 또는 유사한 재료는 활성화를 위한 에너지를 감소시키기 위해 촉매가 혼입될 수 있는 표면으로서 작용하도록 기질의 표면 상에 코팅되거나 분무(또는 결합)될 수 있는 반면에, 다른 재료는 촉매의 활성을 향상시키도록 분무되거나 코팅될 수 있다. 변형된 금속 발포체 표면 3DOS 기질 상에서 발생하는 반응의 일 실시예는 임의의 촉매 탄화수소 산화 공정과 유사한, 산화물 표면, 용존 산소, 및/또는 유독성 탄화수소 사이의 산화 반응일 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 주어진 3DOS 기질의 흡입구만이 화학 반응을 가속화하기 위한 촉매와 함께 도포될 수 있다. 대신에, 주어진 기질의 나머지 표면은 원치 않는 유독성 종 및/또는 유기 화합물의 제거 공정을 완료하기 위해, 촉매 지점에서 생성된 종 및/또는 화합물을 흡수 또는 흡착하는 재료로 코팅되거나 처리될 수 있다. 제올라이트 및 금속유기 구조(MOF) 화학 물질은 이러한 흡수 및/또는 흡착을 보조하는 기질 상에 코팅될 수 있는 재료의 실시예이다.
3DOS 기질의 사용은 기존의 유체 오염 제거 방법의 임의의 조합과 함께 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 유체 역학적 캐비테이션, 초음파 처리, 촉매 반응, 및 흡수/흡착이 모두 함께 사용되는 경우, 3DOS 기질이 사용될 수 있다.
대안적인 또는 추가적인 실시형태에서, 각각의 흡입구를 위한 분사 노즐은 중압 또는 고압의 공기와 함께 오염된 유체를 분사함으로써, 유체 흐름 난류를 증가시키도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 각각의 3DOS 기질 표면 상에 작용하는, 액적, 공극, 및/또는 다양한 압력의 영역을 야기한다. 오염된 유체를 분무할 때 흡입구 노즐에 공기를 포함시킴으로써, 유체가 이를 통하여 유동함에 따라 3DOS 기질 내에 공극의 영역을 포함하도록 보조한다. 따라서, 유체 흐름 난류를 증가시킴으로써, 이러한 분사 노즐은, 1) 3DOS 기질 상에 직접 분무함으로써 유체 역학적 캐비테이션 형성을 유도할 수 있게 하고, 2) 오염된 유체와 3DOS 기질 사이의 상호 작용을 증가시켜서 원치 않는 화학 물질과 관련된 화학 반응이 수행될 수 있게 한다. 공기는 외부 공기 공급기로부터 수용되어 액체 공급 흐름으로 분사될 수 있다.
또한, 도 9 내지 도 13을 참조하면, 이에 제한됨이 없이, 파상 및/또는 평활한 금속 스트립을 권취하는 단계를 포함하는 여러 방법 중 어느 하나에 의해 생성된 파상 금속 구조물의 사용은, 금속 발포체로서 구성된 금속 합금 대신에 사용될 수 있거나, 또는 이러한 금속 발포체와 함께 사용될 수 있다. 마찬가지로, 일련의 권취된 파상 및/또는 평활한 금속 스트립을 포함하는 단일체의 장치는, 이전에 금속 발포체가 제공하는 것으로 설명되었던 매우 동일한 목적을 제공하기 위해, 금속 발포체 대신에 사용될 수 있다. 단일체는 맨드릴(120)을 통해 권취될 수 있거나(도 9), 맨드릴 없이 권취될 수 있으며(도 10), (도 3에 도시된 3DOS 기질(52)과 유사한) 배관 직경 또는 내부 용기 본체와 일치하는 주어진 치수로 권취될 수 있다. 또한, 대향 각도로 정렬된 상이한 금속 스트립, 다양한 길이의 금속 스트립으로부터의 파상, 및/또는 대체 길이/각도의 스트립을 사용하는 것과 같은, 상이한 구성으로 맨드릴 또는 장치 중심을 따라 금속 스트립이 권취될 수 있다. 권취될 수 있는 금속 스트립의 유형은, 파상 또는 유사하게 변형된 금속 스트립 층(도 12), 천공된 파상 금속 스트립 층(도 11), 및/또는 파상 또는 변형이 함께 중첩되지 않는 층, 즉 파상/변형이 함께 붕괴되지 않음으로써 (금속 스트립 층들 사이에) 원하는 원래의 개방 구조물을 유지하여, 평활한 금속 스트립이 필요하지 않을 수 있는 층을 포함한다. 또한, 셰브런(도 13) 또는 헤링본의 형상과 같은, 각진 파상 금속 스트립의 사용은 천공과 함께 무작위로 또는 균일하게 제자리에 사용될 수 있거나, 시트의 구역 내에서 변동될 수 있다. 대안적인 실시형태에서, 파상 및/또는 각진 파상 금속 스트립은 맨드릴의 둘레에 권취되는 대신에 서로의 위에 적층될 수 있으며, 스트립은 중첩 없이 적층된다. 파상의 각도는 인치당 다양한 기공(ppi)과 일치하도록 변동될 수 있으며, 즉 큰 ppi 내지 작은 ppi로 변동될 수 있다. 촉매 및 흡착/흡수 표면을 포함하는, 금속 발포체에 대해 전술한 특성을 유지하기 위한 파상 금속 단일체 표면의 처리가 사용될 수 있다. 또한, 달성되는 오염 제거의 정도를 조작하기 위해, 전술한 파상 및/또는 평활한 금속 스트립의 사용, 다양한 각도, 금속 스트립 길이 등의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 어쨌든, 발포체 또는 적층 스트립이 사용된 경우, 본체(반응기)의 전체 단면이 3DOS 기질에 완전히 노출됨으로써, 3DOS 기질을 통하여 유동하지 않게 유동 액체가 우회하는 임의의 가능성을 없앤다.
또한, 금속 스트립의 대안은, 금속 발포체를 통하는 흐름과 유사한 방식으로 층 내로의 그리고 층을 통하는 산란 흐름을 야기하는 다양한 형상 및 구성을 갖는 원통으로 권취될 수도 있는 와이어 메시의 사용일 수 있다. 대안적으로, 와이어 메시는 원하는 3차원 개방 구조물을 제공하기 위해 와이어 메시의 충전층을 형성하도록 구현될 수 있다. 마찬가지로, 이러한 표면은 금속 발포체 표면 및 금속 스트립에 대해 설명된 것과 유사한 방식으로 변화될 수 있으므로, 주어진 구역의 길이에 걸친 다양한 특징을 포함하는, 촉매 및 흡착/흡수 특성을 향상시킬 수 있다.
이제 도 14를 참조하면, 반응기 챔버(100), 및 반응기 챔버(100)의 구역 내에 배치된 3DOS 기질(106)을 포함하는 본 발명에 따른 유체 오염 제거 장치의 대안적인 실시형태가 도시된다. 반응기는 금속 및/또는 자외선(UV) 투과 재료, 예를 들어 석영(102)을 포함할 수 있다. 반응기 챔버 및 기질 모두에 대한 석영(102)의 사용은 UV 스펙트럼 방사선이 그 안에서의 유체 흐름에 노출될 수 있게 하며, UV의 램프/소스는 반응기의 외부에 그리고 반응기의 주변에 위치될 수 있다. 따라서, 석영 반응기의 전체 외부 표면이 UV 방사선에 노출된다.
유체에서 발견되는 생물학적 종 및/또는 매우 안정한 유기 화합물을 박멸하기 위해, UV 스펙트럼 방사선에 유체를 노출시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 생물학적 종 및/또는 안정한 유기 화합물을 효과적으로 박멸하기 위한 UV 파장의 범위는 도 17 및 도 18에 도시된다. 이러한 UV 스펙트럼 조사는, 살균용 UV 광원으로부터의 차단되지 않은 UV 광이 유동 유체를 관통할 수 있게 하는 석영 벽을 가진 반응기를 사용함으로써 달성될 수 있다.
UV 광의 존재 하에서, 3DOS 기질과 함께 (난류 방식으로 유체를 분사하는 것에 의해) 캐비테이션 공정을 결합함으로써, 이러한 원치 않는 재료의 박멸의 완료가 달성될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 유체가 3DOS 구조물을 통과함에 따라 유체 내로 그리고 유체 전체에 걸쳐서 UV 광이 관통할 수 있게 하는 요구 때문에, 상기 3DOS에 대한 재료 선택은 위에 제시된 재료 선택(예를 들어, 금속 합금)보다는 석영일 것이다. 이제 도 15 및 도 16을 참조하면, 석영 3DOS는, 1) 비드, 파편 또는 펠릿과 같은 석영 입자(114)의 충전층(도 16), 또는 2) 석영 입자(108)를 고정된 위치에 견고하게 유지시키는 구조물(110)의 구현(도 15)의 형태를 취할 수 있다. 어느 접근법이든지 캐비테이션의 강화, 난류 유체 흐름 경로, 및 살균용 UV 광원(112)에 의한 UV 광으로의 연속적인 노출을 조합한 동일한 목적을 제공할 것이다. 또한, 어느 접근법이든지, 석영 3DOS는 다공성 구조물을 포함할 수 있다. 이제 도 14를 참조하면, 석영 3DOS 구조물은 반응기 내의 각각의 O-링 개스킷을 위한 경판의 홈 내에 끼워 맞추도록(116) 구성될 수 있으며, 반응기의 입구에서 유체 역학적 캐비테이션을 가능하게 하는 흡입구 오리피스 또는 벤투리(104)와 정렬될 수 있다.
전술한 내용으로부터, 본 발명은 복수의 3차원 개방 구조(3DOS) 기질이 그 안에서 이격되는 본체를 갖는 유체 오염 제거 장치를 제공하며, 본체를 통하여 유동하는 오염된 유체는 3DOS 기질과 접촉된다는 점을 이해해야 한다. 노즐은 본체의 주위에 배치된 흡입구 개구 내에 삽입되어 고정될 수 있으며, 유체 역학적 캐비테이션의 발생을 유도하기 위해, 공기와 함께/공기 없이 오염된 유체를 분사하도록 구성될 수 있다. 기질은 오염된 유체가 이를 통하여 유동할 수 있도록, 다공성 및 투과성일 수 있으며, 기공을 통하는 유체 흐름 통로는 난류 및 캐비테이션 유도 흐름 상태에 노출되는 오염된 유체의 체적을 확장시킨다. 또한, 3DOS 기질은 하나 이상의 유형의 촉매로 코팅될 수 있으며, 오염된 유체와 다공성 표면 사이의 상호 작용은 화학 반응을 일으킬 수 있다. 따라서, 다공성 표면 상에서 수행되는 화학 반응과 함께, 유체 역학적 캐비테이션에 의한 가스 공극의 형성 및 내파에 대한 오염된 유체의 확장된 노출은, 증가된 수의 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물이 박멸 및/또는 변화될 수 있게 함으로써, 유동 유체의 오염 제거를 향상시킨다.
본 발명은 본 발명의 이해가 전해질 수 있도록 현재의 바람직한 실시형태와 관련하여 위에서 설명되었다. 그러나, 본 발명이 적용될 수 있는, 본원에 구체적으로 설명되지 않은 다른 실시형태가 존재한다. 따라서, 본 발명은 도시된 형태로 제한되는 것으로 이해되어서는 안되며, 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
본 발명은 예시적인 실시형태만을 참조하여 상세하게 개시되었지만, 당업자는 본원에서 설명된 특징의 임의의 조합 및 모든 조합을 포함하도록, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 다른 실시형태가 제공될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 유체 오염 제거 장치로서,
    이를 통하는 유체 흐름을 가능하게 하는 봉입 용기를 한정하는 본체로서, 상기 본체는 대향 단부를 갖는, 본체;
    오염된 유체 소스에 결합되고, 상기 봉입 용기 내로 유체 흐름을 유입시키기 위해 상기 본체에 결합되는 흡입구 개구로서, 상기 흡입구 개구는 상기 봉입 용기 내의 상기 흡입구 개구에서 배출될 때 유체 역학적 캐비테이션을 발생시키도록 구성되는, 흡입구 개구;
    상기 봉입 용기 내에 배치된 3차원 개방 구조화(3DOS) 기질로서, 상기 3DOS 기질은 인치당 10 기공(ppi) 내지 50 ppi 범위의 개방도를 갖고, 2% 내지 20%의 상대 밀도를 가지며, 상기 3DOS 구조물은 상기 흡입구 개구에 인접하게 위치됨으로써, 상기 3DOS 기질이 상기 유체 흐름 내의 상기 유체 역학적 캐비테이션을 상기 3DOS 기질 내로 확장시켜서, 상기 오염된 유체에 포함된 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물의 박멸을 가능하게 하는, 3차원 개방 구조화(3DOS) 기질; 및
    상기 봉입 용기로부터 상기 유체 흐름을 배출하기 위한 배출구 개구를 포함하며,
    상기 흡입구 개구 및 상기 배출구 개구는 상기 봉입 용기에 걸쳐서 상기 유체 흐름을 지향시키도록 구성되는,
    유체 오염 제거 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체 흐름은 3.5 리터/분 내지 5.0 리터/분의 물 유량에 대해 0.2 MPa 내지 0.55 MPa 범위의 압력으로 상기 본체 내에 유입되는, 유체 오염 제거 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3DOS 기질은, 그 안에서 확장된 상기 유체 역학적 캐비테이션이 10 내지 500 MPa의 국부적인 압력 및 1000 내지 10,000 K의 국부적인 온도를 야기하도록 구성되는, 유체 오염 제거 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡입구 개구는 벤투리 노즐인, 유체 오염 제거 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡입구 개구는 상기 본체의 제1 대향 단부에 결합되며, 상기 유체 흐름 방향과 정렬되게 배향된 노즐 개구부를 갖는, 유체 오염 제거 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체에 결합된 제2 흡입구 개구를 더 포함하며,
    상기 제2 흡입구 개구는 상기 유체 흐름 방향에 직교하게 배향된 노즐 개구부를 갖는, 유체 오염 제거 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 본체에 결합된 복수의 흡입구 개구를 더 포함하며,
    상기 복수의 흡입구 개구는 상기 유체 흐름 방향에 직교하게 배향된 노즐 개구부를 각각 갖는, 유체 오염 제거 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체 흐름이 상기 봉입 용기 내의 상기 흡입구 개구에서 배출될 때 유체 역학적 캐비테이션 형성을 향상시키도록 공기와 함께 상기 봉입 용기 내에 유입될 수 있게 하기 위해, 상기 흡입구 개구가 공기 공급기에 결합되는, 유체 오염 제거 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 3DOS 기질은 2% 내지 15%의 상대 밀도를 갖는 금속 발포체로서 구성된 금속 합금을 포함하는, 유체 오염 제거 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 3DOS 기질은 파상 금속 구조물을 포함하는, 유체 오염 제거 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 3DOS 기질은 3% 내지 4%의 상대 밀도를 갖는 탄소 발포체를 포함하는, 유체 오염 제거 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 3DOS 기질은 3% 내지 20%의 상대 밀도를 갖는 세라믹 발포체를 포함하는, 유체 오염 제거 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 3DOS 기질은 서로 간에 상이한 개방도 및 상대 밀도로 각각 구성된 복수의 구역을 한정하는, 유체 오염 제거 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 3DOS 기질은 상기 오염된 유체에 포함된 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물의 박멸을 가능하게 하는 화학 반응을 일으키기 위해, 촉매로 코팅된 다공성 표면을 한정하는, 유체 오염 제거 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 흡입구 및 배출구 개구는 연속적인 배관 구역을 형성하기 위해, 배관 시스템에 결합되어 배관 시스템과 정렬되는, 유체 오염 제거 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 본체는, 상기 본체의 주위에 배치된 살균용 UV 광원이 상기 유체 흐름 상에 UV 방사선을 충돌시킬 수 있게 하기 위한 석영 재료를 포함하며,
    상기 3DOS 기질은, 상기 살균용 UV 광원이 상기 유체 흐름 상에 UV 방사선을 충돌시킬 수 있게 하기 위한 석영 재료를 포함하는, 유체 오염 제거 장치.
  17. 유체 오염 제거 방법으로서,
    유체 소스로부터 봉입 용기 내로 오염된 유체를 흡입구 개구를 통해 유입시키는 단계로서, 상기 흡입구 개구는 이를 통하는 유체 흐름을 가능하게 하는 상기 봉입 용기를 한정하는 본체에 결합되는, 단계;
    상기 봉입 용기 내의 상기 흡입구 개구에서 배출될 때 유체 역학적 캐비테이션을 발생시키는 단계;
    상기 봉입 용기 내에 배치된 3차원 개방 구조화(3DOS) 기질 내로 상기 유체 역학적 캐비테이션을 확장시키는 단계로서, 상기 3DOS 기질은 인치당 10 기공(ppi) 내지 50 ppi 범위의 개방도를 갖고, 3% 내지 15%의 상대 밀도를 가지며, 상기 3DOS 구조물은 상기 흡입구 개구에 인접하게 위치됨으로써, 상기 3DOS 기질이 상기 유체 흐름의 상기 유체 역학적 캐비테이션을 상기 3DOS 기질 내로 확장시켜서, 상기 오염된 유체에 포함된 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물의 박멸을 가능하게 하는, 단계; 및
    배출구 개구를 통해 상기 봉입 용기로부터 상기 유체 흐름을 배출하는 단계를 포함하며,
    상기 흡입구 개구 및 상기 배출구 개구는 상기 봉입 용기에 걸쳐서 상기 유체 흐름을 지향시키도록 구성되는,
    유체 오염 제거 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 유체 흐름은 3.5 리터/분 내지 5.0 리터/분의 물 유량에 대해 0.2 MPa 내지 0.55 MPa 범위의 압력으로 상기 본체 내에 유입되는, 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 3DOS 기질은 상기 오염된 유체에 포함된 유독성 종 및 원치 않는 유기 화합물의 박멸을 가능하게 하는 화학 반응을 일으키기 위해, 촉매로 코팅된 다공성 표면을 한정하는, 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 본체는 상기 유체 흐름 방향에 직교하게 배향된 노즐 개구부를 갖는 제2 흡입구 개구에 결합되는, 방법.
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