(57)【要約】媒介型電気化学的酸化は、生物系廃棄物、医療、感染性、病理学関連、動物、衛生、死体関連、船舶、獣医、医薬品、および複合廃棄物を取り扱い、酸化分解する。電解質は陽極隔室(25)で生成する、可逆的レドックス対の酸化型を含む。レドックス対の酸化型は陽極酸化(25)あるいは他のレドックス対の酸化型との反応により生成する。レドックス対の酸化型化学種は生物系廃棄物分子を酸化し、還元され、再び酸化される。レドックスサイクルは、酸化されうる廃棄物および中間反応生成物のすべてが酸化されるまで続く。室温と1000℃の間の温度により、ダイオキシンまたはフランの生成が回避される。
2005505398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルに電解質を配置すること、電解質をイオン選択膜または半透膜を用いて陽極液部分と陰極液部分に分けること、陽極液部分と陰極液部分の間に直流電圧を印加すること、陽極液部分に生物系廃棄物材料を入れること、および媒介型電気化学的酸化(MEO)プロセスで生物系廃棄物材料を陽極液部分で酸化することを含み、陽極液部分が水溶液中に媒介物質として酸化性化学種をさらに含み、電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である生物系廃棄物材料を処理し、酸化する方法。
【請求項２】
媒介物質が表Iに記載される媒介物質の群から選択される請求項1に記載の方法。
【請求項３】
酸化性化学種が、水溶液中でアデンダ原子としてタングステン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、あるいはこれらの組合せを含む、錯体アニオンのレドックス対であるタイプIのイソポリアニオン媒介物質の群の1つまたは複数から選択される請求項1に記載の方法。
【請求項４】
酸化性化学種が、水溶液中で、タイプIのイソポリアニオンにヘテロ原子として表IIに列挙されるいずれかの原子を単独でまたはそれらの組合せで組み込むことにより形成されるタイプIのヘテロポリアニオンの群の1つまたは複数から選択される請求項1に記載の方法。
【請求項５】
酸化性化学種が、水溶液中で、表Iと表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子元素を含む任意のヘテロポリアニオンの群の1つまたは複数から選択される請求項1に記載の方法。
【請求項６】
酸化性化学種が、表IおよびIIに記載されるアニオンレドックス対媒介物質の組合せからなる群から選択され、レドックス対の還元型が電気化学セル内の陽極液部分で再酸化される請求項1に記載の方法。
【請求項７】
電解質に触媒添加剤を入れることにより、その添加剤は生物系廃棄物材料の酸化に直接関与しないようにしておくが、媒介型電気化学的プロセスの速度に寄与することをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項８】
比較的酸化状態の高い媒介物質化学種の酸化型の寿命の短さを克服し、安定化させるために、電解質に安定化化合物を加えることをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項９】
酸化性化学種は表Iに記載されたものであり、それぞれの化学種には通常の原子価状態と、より高い原子価の酸化性の状態があり、通常の原子価状態の化学種から電気化学セルで電子を剥ぎ取ることにより、酸化性の、より高い電子価状態の酸化性化学種を作り出すことをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
酸化性化学種が、1M、25℃およびpH1で少なくとも1.7ボルトの酸化電位を示し、ヒドロキシまたはペルヒドロキシルフリーラジカルを生成させることができるレドックス対化学種であるスーパー酸化剤であり、スーパー酸化剤と水を反応させることによりフリーラジカルの2次的酸化剤を作り出すことをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
アルカリ溶液を用いること、塩基で促進されるエステル加水分解である脂肪のけん化により誘導される、生物系廃棄物材料の分解を促進すること、および、動物性脂肪を温苛性アルカリ水溶液に導入することによる、動物性脂肪からの石鹸の製造に似たプロセスで、水溶性の脂肪酸のアルカリ金属塩とグリセリンを生成させることをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
生物系廃棄物材料の酸化によるCO2を吸収させるためにアルカリ陽極液溶液を用いること、および、後に電気化学セルを通して循環し、過炭酸塩酸化剤を生成する重炭酸塩/炭酸塩溶液を生成させることをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１３】
酸化剤がスーパー酸化剤であり、水溶液中で、炭酸塩、アジ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、亜硫酸塩、硫酸塩、亜セレン酸塩、チオシアン酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物、およびギ酸塩の酸化性化学種から、無機フリーラジカルを生成させることをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１４】
膜が、微孔プラスチック、イオン選択性、多孔セラミックまたは焼結ガラスフリットである請求項1に記載の方法。
【請求項１５】
電極上にセルの能力を制限する表面膜が形成されるのを遅らせるために、直流電圧以外にAC電圧を印加することをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１６】
陽極液に有孔バスケットを配置すること、およびそのバスケットに生物系廃棄物材料を保持することをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１７】
陰極液がHNO3、またはNO3-塩を含み、陰極液部分に酸素を加えることをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
媒介物質が、表Iに記載される単純なアニオン;アデンダ原子として、タングステン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、あるいはこれらの組合せを含むタイプIのイソポリアニオン;ヘテロ原子として、表IIに列挙される元素のいずれかを単独でもしくはそれらの組合せで、前記イソポリアニオンに組み込むことにより形成されるタイプIのヘテロポリアニオン;あるいは表IおよびIIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子を含む任意のヘテロポリアニオンである請求項1に記載の方法。
【請求項１９】
媒介物質の酸化型の生成を促進するために、陽極液が電気化学セルに入る前に、温度を0℃と、陽極液部分の温度の間に調節すること、および、温度を0℃と陽極液反応室に入る陽極液部分の沸点より下の間で調節し、望みの化学反応を望みの速度で行わせることをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項２０】
陽極液部分に超音波エネルギーを投入すること、超音波エネルギーで細胞膜内の局所的温度を、数千度を超えるまでに瞬間的に上昇させることにより、生物系廃棄物材料の細胞膜を破ること、そして細胞膜の破壊を引き起こすことをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項２１】
陽極液部分に紫外エネルギーを導入すること、および、そこで過酸化水素とオゾンをヒドロキシルフリーラジカルに分解することをさらに含むことにより、電子を消費する寄生反応生成物であるオゾンと過酸化水素を、さらなる電子を消費することなく、有効な2次的フリーラジカル酸化剤に変換することによって、プロセスの効率を上げる請求項1に記載の方法。
【請求項２２】
生物系廃棄物材料または反応生成物が水溶性でなく、混和しない層を形成する傾向があるときに、水溶液内で生物系廃棄物材料または中間段階反応生成物の分散を促進するために、陽極液部分に界面活性剤を添加することをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項２３】
過臭素酸をさらに含み、ステンレススチール製品を分解する請求項1に記載の方法。
【請求項２４】
低温で運転し、ダイオキシンおよびフランの生成を避けながら、酸化性化学種で特定の有機分子を攻撃することをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項２５】
生物系廃棄物材料を有機化合物へと分解すること、および、媒介物質として単純および/または錯体アニオンのレドックス対媒介物質、あるいは無機フリーラジカルを用いて有機化合物を攻撃し、有機フリーラジカルを生成することをさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項２６】
生物系廃棄物材料を処理し酸化することが、動物廃棄物を処理し酸化することを含む請求項1に記載の方法。
【請求項２７】
通常の原子価状態の媒介物質アニオンを、電気化学セルで媒介物質アニオンから電子を剥ぎ取ることにより、より高い原子価状態に上げることをさらに含み、媒介物質に存在するより弱いレドックス対の酸化型が同様の陽極酸化により、あるいは存在するより強いレドックス対の酸化型との反応により生成し、レドックス対の酸化型化学種が生物系廃棄物材料分子を酸化し、それら自身はそれらの還元型に変換され、その後それらは前記の機構によって酸化され、レドックスサイクルが続く請求項1に記載の方法。
【請求項２８】
電気化学セルを通して電解質中の媒介物質酸化性化学種アニオンを循環させ、可逆的レドックス対の還元型を酸化型に陽極酸化すること、1次的酸化過程として電解質の陽極液部分でアニオンを生物系廃棄物と接触させること、1M、25℃およびpH1で1.7ボルトの閾値を超える酸化電位をもつスーパー酸化剤が存在してフリーラジカル酸化剤による2次的酸化過程があること、エネルギー源から陽極液部分にエネルギーを加え2次的酸化過程を促進すること、陽極液部分の過酸化水素およびオゾンをヒドロキシルフリーラジカルに分解すること、および2次的酸化過程の酸化効果を増加させることを含む、生物系廃棄物を処理し酸化する方法。
【請求項２９】
エネルギーを加えることが陽極液部分を紫外エネルギーで照射することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項３０】
エネルギーを加えることが、超音波エネルギー源を陽極液部分中に導入すること、生物系廃棄物の細胞膜に照射すること、細胞膜内の局所的温度を瞬間的に上げること、細胞膜の破壊を引き起こすこと、ならびに陽極液部分で細胞の内容物が酸化性化学種によりよく曝されるようにすることを含む請求項28に記載の方法。
【請求項３１】
媒介物質酸化性化学種が、表Iに記載される単純なアニオンのレドックス対媒介物質;Mo、W、V、Nb、Taにより形成されるタイプIのイソポリアニオン、もしくはこれらの混合物;場合により表IIに列挙される元素(ヘテロ原子)のいずれかを単独もしくはそれらの組合せで、前記イソポリアニオンに組み込むことにより形成されるタイプIのヘテロポリアニオン;または表Iおよび表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子元素を含む任意のヘテロポリアニオン;あるいはこれらの包括的な群のいずれかまたはすべてから選ばれる媒介物質酸化性化学種の組合せである請求項1に記載の方法。
【請求項３２】
廃棄物-陽極液の混合物を電気化学セルを通して循環させて、陽極酸化で、あるいは電極液に加えられ電気化学セルで陽極酸化されたより強力なレドックス対の酸化型との反応で、in situな可逆的レドックス対の酸化型を生成させることにより、分解される廃棄物にin situに見出される酸化剤化学種を用いて生物系廃棄物材料を分解することをさらに含む請求項28に記載の方法。
【請求項３３】
NaOHまたはKOHおよびこれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ電解質を、媒介物質酸化性化学種と共に用いることをさらに含み、媒介物質レドックス対の還元型が、生物系廃棄物材料を望ましく酸化できるだけ十分に前記電解質に溶解する請求項28に記載の方法。
【請求項３４】
媒介物質化学種と生物系廃棄物分子の、水素イオンを生じるレドックス反応の酸化電位が電解質のpHに反比例するので、レドックス対媒介物質を適切に選択して、電解質のpHを大きくすることで、必要な電位を下げることにより、分解される生物系廃棄物の単位質量あたりの消費電力を減らす請求項28に記載の方法。
【請求項３５】
電解質が、酸性、アルカリ性および中性電解質ならびにこれらの混合物から選ばれる水溶液である請求項28に記載の方法。
【請求項３６】
エネルギーを加えることが、陽極液に分散する廃棄物を減容するために、超音波エネルギーを用いて微視的な泡の膨張と破裂を引き起こすことを含む請求項28に記載の方法。
【請求項３７】
装置を変更することなく媒介物質酸化性化学種を入れ替えることをさらに含み、電解質が酸、中性またはアルカリ水溶液である請求項28に記載の方法。
【請求項３８】
生物系廃棄物を処理し酸化することが、死体関連廃棄物を処理し酸化することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項３９】
生物系廃棄物を処理し酸化することが、軍用艦船、潜水艦、駆逐艦、巡洋艦および空母から出る廃棄物を処理し酸化することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項４０】
生物系廃棄物を処理し酸化することが、商用船舶、クルーズ船、タンカー、貨物船、釣舟、レクリエーション用船舶およびハウスボートから出る廃棄物を処理し酸化することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項４１】
生物系廃棄物を処理し酸化することが、獣医業関連廃棄物を処理し酸化することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項４２】
電解質の陽極液部分と陰極液部分を、水素またはヒドロニウムイオン透過膜、微孔ポリマー、多孔セラミックまたはガラスフリット膜を用いて隔てることをさらに含む請求項28に記載の方法。
【請求項４３】
陽極液で最も高い酸化電位をもつレドックス対の酸化型を生成させるのに十分な電位レベルで電気化学セルに電圧を加えること、生物系廃棄物を陽極液部分に導入すること、酸化されうる分子との接触により1種または複数の可逆的レドックス対の還元型を生成させること、すなわち可逆的レドックス対の酸化型のそれらの還元形への還元を同時に伴い、酸化されうる材料を酸化する反応をさらに含み、エネルギーを加えることが、電解質中の過酸化水素を瞬間的に1000気圧で4800℃まで加熱することにより、過酸化水素をヒドロキシルフリーラジカルに解離させて2次的な酸化過程を促進し、こうして酸化過程を増加させる、陽極液に連結した超音波源を備えることを含む請求項28に記載の方法。
【請求項４４】
水素イオンを生じるレドックス反応の酸化電位がpHと反比例の関係にあることをさらに含む請求項43に記載の方法。
【請求項４５】
プロセスが0℃のわずかに上から電解質の沸点のわずかに下までの温度で実施される請求項28に記載の方法。
【請求項４６】
プロセスを実施する温度が変えられる請求項45に記載の方法。
【請求項４７】
生物系廃棄物を処理し酸化することが、固体廃棄物を処理し酸化することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項４８】
生物系廃棄物を処理し酸化することが、液体廃棄物を処理し酸化することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項４９】
生物系廃棄物を処理し酸化することが、液体と固体の組合せを処理し酸化することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項５０】
酸化性化学種と分解中に生物系廃棄物から放出される他の化学種との組合せにより生じる沈澱を除去し、処理することを必要とすることをさらに含む請求項28に記載の方法。
【請求項５１】
電解質の陰極液部分をさらに含み、電解質の陽極液と陰極液部分が、互いに独立しており、また酸、アルカリまたは中性塩の水溶液を含む請求項28に記載の方法。
【請求項５２】
電解質の陰極液部分を膜で陽極液部分から隔てること、膜を挟んで0.5アンペア/平方センチメートルより大きく、またそれを超えると少量の金属アニオンが膜を通して漏れる可能性がある限界近くの電流密度で電気化学セルを運転すること、ならびに金属アニオンを樹脂カラムを通して回収することをさらに含み、こうして陽極液部分の材料の分解速度をより大きくすることができる請求項28に記載の方法。
【請求項５３】
陰極溶液が水溶液をさらに含み、その溶液中の電解質が酸、アルカリまたは強い酸と塩基との中性塩からなり、さらに、陰極液にHNO3またはNO3-が見出されるときはこの溶液に酸素を加えること、電気化学セルの陰極部分の伝導度を望ましく保つように陰極液中の電解質濃度を制御すること、亜硝酸および少量の窒素酸化物NOxを酸化するように陰極溶液を激しく攪拌するために、機械的混合および/または超音波エネルギーにより誘起される微視的泡の形成と破裂を与えること、亜硝酸および少量のNOxの酸化を促進するために、陰極液部分に空気を導入すること、ならびに陰極液部分で発生する水素を、空気と水素を放出する前に希釈することを含む請求項28に記載の方法。
【請求項５４】
電気化学セル、電気化学セルに配置される電解質水溶液、セルを陽極液および陰極液室に分解し、電解質を陽極および陰極水溶液部分に分けるために電気化学セルに配置される水素またはヒドロニウムイオン透過または選択膜、それぞれ電気化学セルの陽極液および陰極液室に、また電解質の陽極液および陰極液部分に配置される陽極および陰極をさらに備える電極、電解質の陽極液と陰極液部分の間に直流電圧を印加するために陽極と陰極の間に接続される電力供給源を備え、陽極液部分の生物系廃棄物材料を媒介型電気化学的酸化(MEO)プロセスにより酸化し、酸化性化学種として用いられる可逆的レドックス対を生成するために水溶液中に媒介物質をさらに含み、電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である、生物系廃棄物材料を処理し酸化するための装置。
【請求項５５】
生物系廃棄物材料を収容するために陽極液室に配置される有孔バスケットをさらに備える請求項54に記載の装置。
【請求項５６】
生物系廃棄物材料の酸化に直接関与しないが、媒介型電気化学的プロセスの速度に寄与するために電解質に入れられる添加剤、ならびに電解質中で酸化性化学種として用いられる可逆的レドックス対の酸化型の、比較的高い酸化状態の化学種を安定化させるために、電解質に入れられる安定剤化合物をさらに含む請求項54に記載の装置。
【請求項５７】
酸化性化学種が、表Iに記載される単純なアニオンのレドックス対媒介物質;Mo、W、V、Nb、Taにより形成されるタイプIのイソポリアニオン、もしくはこれらの混合物;表IIに列挙されるヘテロ原子元素を前記イソポリアニオンに組み込むことにより形成されるタイプIのヘテロポリアニオン;または表Iおよび表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子元素を含む任意のヘテロポリアニオン;あるいはこれらの包括的な群のいずれかまたはすべてから選ばれる媒介物質化学種の組合せである請求項54に記載の装置。
【請求項５８】
酸化性化学種がスーパー酸化剤であり、スーパー酸化剤と陽極水溶液との反応により、陽極液部分に含まれる2次的酸化剤を作り出すことをさらに含む請求項54に記載の装置。
【請求項５９】
生物系廃棄物材料の分解を助け、CO2を吸収し、電気化学セルを通して循環させるアルカリ金属重炭酸塩/炭酸塩を生成し、そして過炭酸酸化剤を生成するように、陽極液部分がアルカリ溶液を含む請求項54に記載の装置。
【請求項６０】
ステンレススチール製品を分解するために陽極液部分が過臭素酸をさらに含む請求項54に記載の装置。
【請求項６１】
陽極液部分が、炭酸塩、アジ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、亜硫酸塩、硫酸塩、亜セレン酸塩、チオシアン酸塩、塩化物、臭化物、およびヨウ化物化学種から誘導され、スーパー酸化剤が生成させる水溶液中の無機フリーラジカル、酸化剤を生成する2次的酸化過程に関与するための、1M、25℃およびpH1で1.7ボルトの閾値を超える酸化電位をもつアニオン(すなわち、スーパー酸化剤)、ならびに酸化過程を補助し生物系廃棄物材料をより単純で小さな分子構造の有機化合物に分解するための有機フリーラジカルをさらに含む請求項54に記載の装置。
【請求項６２】
陽極液に分散する個々の第2段階の廃棄物を減容するために微視的な泡を発生させ破裂させる超音波エネルギー源を陽極液室の内部または近くにさらに備える請求項54に記載の装置。
【請求項６３】
膜が微孔ポリマー、多孔セラミックまたはガラスフリットからなる請求項54に記載の装置。
【請求項６４】
電極上にセルの能力を制限する表面膜が形成されるのを遅らせるために、直流電圧以外にAC電圧を印加するためのAC源をさらに備える請求項54に記載の装置。
【請求項６５】
陰極液タンクに連結する空気分散器をさらに備えることにより、空気に含まれる酸素が、HNO3またはNO3-塩が陰極液に存在する場合に陰極反応により生成する、亜硝酸および少量の窒素酸化物(NOx)を酸化する請求項54に記載の装置。
【請求項６６】
酸化性化学種のそれぞれに、レドックス対の還元型である通常の原子価状態、ならびに、電気化学セルで通常の原子価状態の化学種から電子を剥ぎ取り、減らすことにより作り出される、酸化性化学種のより高い原子価で酸化性の状態の、レドックス対の酸化型がある請求項54に記載の装置。
【請求項６７】
陽極液部分がアルカリ溶液であり、水素イオンを生成するレドックス反応の酸化電位がpHと反比例の関係にあり、このことが生物系廃棄物を分解するのに必要とされる電力を減少させる請求項54に記載の装置。
【請求項６８】
ダイオキシンおよびフランの生成を避けるように十分低い温度で運転しながら、酸化性化学種が特定の有機分子を攻撃する請求項54に記載の装置。
【請求項６９】
電力供給源が、陽極液で最も高い酸化電位を有するレドックス対の酸化型を生成させるのに十分な電位レベルで電気化学セルに電圧を加え、陽極液が電気化学セルに入る前に熱交換器で陽極液の温度を0℃と陽極液の沸点のわずかに下の間に制御して、アニオンレドックス対媒介物質の酸化型の生成を促進し、また陽極液反応室に入るときの陽極液の温度を0℃と沸点のわずかに下の間の範囲に調節するための、陽極液室に連結する熱交換器をさらに備える請求項54に記載の装置。
【請求項７０】
酸化性化学種が、水溶液中でアデンダ原子としてタングステン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、あるいはこれらの組合せを含む、錯体アニオンのレドックス対媒介物質であるタイプIのイソポリアニオンの1種または複数である請求項54に記載の装置。
【請求項７１】
酸化性化学種が、ヘテロ原子として表IIに列挙される元素を単体またはそれらの組合せで前記イソポリアニオンに組み込むことにより形成される、タイプIのヘテロポリアニオンの1種または複数である請求項70に記載の装置。
【請求項７２】
酸化性化学種が、表Iおよび表IIに含まれる少なくとも1種のヘテロ原子元素を含むヘテロポリアニオンの1種または複数である請求項54に記載の装置。
【請求項７３】
酸化性化学種が、生物系廃棄物材料を分解している間にin situに見出されるより高い原子価状態の化学種である請求項54に記載の装置。
【請求項７４】
生物系廃棄物材料が、医薬品製造工程廃棄屑、廃棄医薬品、動物廃棄物、死体関連廃棄物、軍用艦または商業船舶からの廃棄物、または獣医業からの廃棄物、医療廃棄物、感染性廃棄物、病理学関連廃棄物あるいは衛生廃棄物である請求項54に記載の装置。
【請求項７５】
膜が、陽極液部分と陰極液部分を隔てるが、同時に水素またはヒドロニウムイオンが陽極液から陰極液に透過できる、水素またはヒドロニウムイオン半透過性またはイオン選択性の、微孔ポリマー、多孔セラミックまたはガラスフリット膜である請求項54に記載の装置。
【請求項７６】
水素イオンを生成するレドックス反応の酸化電位がpHと反比例の関係にあり、生物系廃棄物が液体または固体、あるいはこれらの組合せであり、また酸化性化学種が装置の他の要素を変更することなく入れ替えできる請求項54に記載の装置。
【請求項７７】
過酸化水素およびオゾンを2次的酸化剤としてのヒドロキシルフリーラジカルに分解し、2次的酸化剤による陽極液室での生物系廃棄物材料の酸化を通じてエネルギーを回収することによりプロセスの効率を上げるために、陽極液室に連結する紫外源をさらに備える請求項54に記載の装置。
【請求項７８】
過酸化水素をヒドロキシルフリーラジカルに解離させて酸化性化学種の濃度および廃棄物分解速度を増加させるように、過酸化水素含有電解質を1000気圧で4800℃まで加熱することにより2次的酸化過程を促進し、また生物系材料の細胞膜に照射して細胞膜内の温度を瞬間的に数千度を超えるまでに上昇させることにより細胞膜の破壊を引き起こして、陽極液で細胞の内容物が酸化性化学種によりよく曝されるようにするために、陽極液に連結する超音波源をさらに備える請求項54に記載の装置。
【請求項７９】
微視的泡の破裂を引き起こして陽極液に分散する個々の第2段階の廃棄物の減容を実施するために、陽極液に通じる超音波源による、超音波エネルギーの使用をさらに含む請求項54に記載の装置。
【請求項８０】
陽極液部分の大部分と有孔バスケットを保持する陽極液反応室をさらに含み、また反応室に連結しCO2を大気に放出するための外部CO2排気口、陽極液部分に液体、固体、または液体および固体の混合物として廃棄物を挿入できるようにする、反応室に付いたヒンジ付き蓋、反応室に連結する陽極液ポンプ、陽極液ポンプに連結し、塩化物および処理中の生物系廃棄物に存在する他の沈澱生成アニオンを除去することにより、不安定なオキシ化合物の生成を防ぐための無機化合物の除去および処理システムをさらに備える請求項54に記載の装置。
【請求項８１】
排気口に連結する洗浄器/吸収カラムを備える放出気体浄化システム、陽極液反応室に連結する凝縮器をさらに備えることにより、非凝縮性不完全酸化生成物である低分子量有機物および一酸化炭素は気体浄化システムにより大気への放出が許容されるレベルまで低減され、陽極液放出気体は、凝縮器からの非凝縮体が流れ分配システムを通して気体浄化システムの下側部分に導入され、また電気化学セルから直接、新たに酸化された少量の陽極液の側流がカラムの上側部分に導入される気体浄化システムで接触し、結果的に気体相は、それが下向きに流れる陽極液を通してカラムを上昇するときに、酸化性媒介物質化学種と連続的に反応し、さらに有機化合物除去システムおよび無機化合物の除去および処理システムに対する排出、および陽極液システムの排出のための外部排出口を備え、有機化合物回収システムは、無害でさらなる処理を必要としない生物系材料、および減容された形で使用される予定である生物系材料を回収するために用いられる請求項80に記載の装置。
【請求項８２】
陽極液が膜の陽極室側のポンプにより電気化学セルを通して反応室に循環しているとき、選択された温度範囲に陽極液を加熱または冷却するために連結された温度制御ユニット、陽極液のフラッシングのためのフラッシュ口をさらに備え、また出て行く固体粒子の大きさを直径約1mmに制限するためにフィルタが反応室の底部にある請求項80に記載の装置。
【請求項８３】
電気化学セルへの直流が、AC電力供給源により電力を供給されるDC電力供給源により流され、DC電力供給源がDC10V以下で作動する低電圧高電流供給源であり、AC電力供給源が、比較的小さいユニットでは約AC110V線、比較的大きなユニットでは約AC240Vで作動する請求項54に記載の装置。
【請求項８４】
ステンレススチール、PTFE、PTFE被覆管、ガラスおよびセラミック、ならびにこれらの組合せからなる群から選択される、酸化性電解質に耐性がある材料からなる、電解質を閉じ込める境界をさらに備える請求項54に記載の装置。
【請求項８５】
陰極液ポンプに連結する陽極液回収システム、電気化学セルの陰極液部分に連結する陰極液タンク、陰極液タンクに連結し陰極液部分の温度を変えるための温度制御ユニットをさらに備え、陰極液部分の大部分は陰極液タンクにあり、電解質の陰極液部分が陰極液タンクに流入し、さらに陰極液タンクに連結し、陰極液タンクに空気を導入するための空気分散器を備える請求項54に記載の装置。
【請求項８６】
アニオンを捕捉し、陰極液電解質から回収して陽極液室へアニオンを再導入するための陽極液回収システム、陰極液タンクに連結し大気への放出前に気体を浄化するための放出気体浄化システム、および放出気体浄化システムに連結し大気に気体を放出するための排気口をさらに備え、放出気体浄化システムからの浄化気体はシステムに導入された空気の未反応成分と合わせて大気排気口47から排出される請求項85に記載の装置。
【請求項８７】
陰極液タンクのフラッシングを容易にするための陰極液タンク上のネジ蓋、陰極液タンクに連結し陰極液を攪拌するためのミキサ、陰極液タンクに連結し、陰極液を電気化学セルへと戻し循環させる陰極ポンプ、陰極液を排出するための排出口、陰極液システムのフラッシングのためのフラッシュ口、およびハウジングに連結し、陰極液タンクに空気を導入するための空気分散器をさらに含み、ポンプにより電解質の陰極液部分が膜の陰極側で電気化学セルを通して循環し、酸化性気体と電解質の陰極液部分との接触が、機械的および/または超音波混合により気体/液体の接触を促進することにより向上する請求項85に記載の装置。
【請求項８８】
電気化学セルが廃棄物分解速度を上げるために約0.5アンペア/cm2を超える大きな膜電流密度で運転され、また膜を通しての陰極液への媒介物質イオンの移動が増える結果になり、さらに陰極液側に位置する陽極液回収システム、陰極液側にあり放出気体および水素を希釈し除去するための空気分散器を含み、プロセスの効率またはセルの稼動性を維持するために、媒介物質酸化剤イオンの一部が膜を横切り、陽極液回収システムにより除去される請求項54に記載の装置。
【請求項８９】
モニタに表示される情報に応じて、キーボードを通して制御装置に命令を入力するための、セルに接続された制御装置、マイクロプロセッサ、モニタおよびキーボード、制御装置にあり装置の運転ステップを順番にたどるプログラムをさらに備え、プログラムには、運転者が従う標準的な運転シーケンスが予めプログラムされているか、あるいは他の運転シーケンスを選択し、制御装置では、安全で信頼できる運転が確保される範囲内で、運転者がシーケンスを選択できるようになっており、制御装置は、ポンプ、ミキサ、温度制御、紫外源、超音波源、CO2排気口、空気分散器、ならびに電気化学セルへの電力を調節するデジタル命令を送り、制御装置はコンポーネントからコンポーネントの応答と状況を受け取り、制御装置はデジタル命令をセンサに送ってセンサの応答によりセンサの情報を入手し、装置のセンサはコンポーネントの状態についてのデジタル情報を与え、センサは流量、温度、pH、CO2排気、酸化度、および空気分散などを測定し、制御装置は、1個の電気化学セルの、あるいは複数のセルで構成される場合には個々のセルの、またセル内部の陽極と参照電極の間の電位、ならびに各セル内の電極の間を流れている電流についての状況情報を受け取る請求項54に記載の装置。
【請求項９０】
電解質が入った電気化学セル、および有孔バスケットを囲む、金属または高強度プラスチックで作られたハウジング、電力コードをもつAC電力供給源、AC電力供給源に接続され、電気化学セルに直流を流すDC電力供給源、命令およびデータを入力するための制御キーボード、システムの運行と機能を表示するモニタスクリーン、バスケットを有する陽極液反応室、生物系廃棄物材料の処理状況に関する情報を表示する状況ライト、陰極液表面より下で陰極液タンクに空気を導入するための空気分散器、陽極液反応室からCO2が放出されうるようにハウジングに組み込まれたCO2排気口、陰極液タンクからの大気中への気体の放出を容易にする大気排気口、開いて陽極液反応室のバスケットに生物系廃棄物を入れるためのヒンジ付き蓋、ヒンジ付き蓋に連結するロック式止め金具を備え、また陽極液反応室中に、酸、アルカリ、または中性塩電解質水溶液および媒介する酸化剤化学種溶液があり、この溶液では媒介物質レドックス対の酸化剤型は最初に存在していてもよく、あるいは廃棄物を導入し、そして電気化学セルにDC電力を与えた後で電気化学的に生成してもよい生物系廃棄物分解システム。
【請求項９１】
陽極液が室温、運転温度または中間の温度であるときに廃棄物が導入され、生物系廃棄物材料が大気圧で陽極液の沸点より低い温度で急速に酸化され、さらに電解質の陽極液部分を循環させるポンプ、電気化学セルの流路を詰まらせるほど大きい固体粒子が反応室から出て行かないようにするインラインフィルタ、残渣を塩の形で安定化し、それを周期的に取り除くことができ、陽極液反応室に連結する無機化合物の除去および処理システムと排出口、ならびにタンクの洗浄およびメンテナンスのために開放することが可能であり、陰極液タンクに取り付けられた取り外し可能な蓋を備える請求項90に記載の装置。
【請求項９２】
運転者が制御キーボードで「オン」ボタンを入れること、マイクロプロセッサ内蔵システム制御装置がプログラムを走らせ運転シーケンスを制御すること、モニタスクリーンが適切なシーケンスのプロセスステップを表示すること、パネル上の状況ライトがプロセスの状況を知らせること、蓋を開き液体、固体、もしくは液体と固体の混合物として生物系廃棄物をバスケットに入れること、廃棄物の固体部分を残し、バスケットを通して液体部分を陽極液反応室に流れ込ませること、廃棄物がバスケットに入れられた後、ロック式止め金具を作動させること、陽極液および陰極液の循環を開始させるポンプを運転すること、循環がシステム全体で安定するとミキサを作動させること、流れが安定すると温度制御ユニットをオンにすること、そして陽極酸化および電解質加熱プログラムを開始すること、制御装置プログラムにより決められた電位と電流密度になるように電気化学セルに電圧を加えること、反応性が比較的高い廃棄物成分が酸化され、その結果残りの廃棄物が次第に反応性を失うにつれ、ますます激しい酸化条件を課して、比較的一定の反応速度であるような、予め決められた廃棄物分解速度プロフィールを維持するように、プログラム化された電力および電解質の昇温を用いること、超音波および紫外システムを陽極液反応室および陰極液タンクで始動させること、陽極液反応室での生物系廃棄物酸化過程によるCO2を放出すること、空気拡散器および大気排気口を陰極液システムで稼動させること、セル電圧および電流によりプロセスの進行を制御装置でモニタすること、CO2、COおよび酸素含有量のためにCO2、COおよびO2ガス組成をモニタすること、生物系廃棄物を水とCO2に分解すること、後者はCO2排気口から排出されること、空気分散器が陰極液タンクに空気を引き込むこと、そして大気排気口から余分な空気を排出すること、望みの廃棄物分解度が達成されたことを酸化センサで確認すること、システムを待機状態に置くこと、そして制御装置キーボードシステムのオペレータを用いてシステムを停止することを含む生物系廃棄物酸化方法。
【請求項９３】
システムを1日中待機モードに置き、生物系廃棄物が1日を通して発生する毎にそれを加えること、仕事時間外にシステムを完全に活動させること、システムを低温、大気圧で運転し生物系廃棄物の分解中に有毒化合物を発生させないこと、プロセスを室内で行えるようにすること、システムを1人の開業医用の十分に小さいユニットと病院の焼却炉代替用の十分に大きいユニットの間の大きさにすること、CO2排気口を通して陽極液システムからCO2酸化生成物を放出すること、ならびに大気排気口を通して陰極液タンクから放出気体生成物を排気することをさらに含む請求項92に記載の方法。
【請求項９４】
反応速度、反応熱および類似の廃棄物の特性に応じて、媒介物質レドックス対がほとんどあるいは全く酸化剤型を含まない、室温またはより低温のシステムに廃棄物を導入することをさらに含む請求項92に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、以後一まとめにして生物系廃棄物と呼ばれる、医療廃棄物、感染性廃棄物、病理学関連廃棄物、動物廃棄物、衛生廃棄物、死体関連廃棄物、軍用艦廃棄物(潜水艦および水上艦)、商業船舶廃棄物(クルーズ船、タンカー、貨物船、釣舟、レクリエーション用船舶およびハウスボート)、獣医廃棄物、医薬品廃棄物、および複合廃棄物(たとえば、前記のいずれか同士あるいは他の非生物系廃棄物との混合物)を含み、しかしこれらに制限はされない生物系廃棄物の、媒介型電気化学的酸化(mediated electrochemical oxidation、MEO)分解のための方法および装置に関する。これらに制限はされないが、以下の法令および法規のいずれかにより考慮されている廃棄物として、生物系廃棄物の範囲および定義をさらに明確にするために、以下の文書がこの定義に追加される。
* New Jersey State Statute(ニュージャージー州法)、「Comprehensive Regulatory Medical Waste Management Act(包括的規制による医療廃棄物取扱法)」、P.L.1989、c.34(C.13.1E-48.13)
* New York State Environmental Conservation Law(ニューヨーク州環境保全法)、TITLE 15、「STORAGE,TREATMENT,DISPOSAL AND TRANSPORTATION OF REGULATED MEDICAL WASTE(規制医療廃棄物の保管、取扱い、処理および輸送)」、Section 27-1501.Definitions
* New York State Public Health Law(ニューヨーク州公衆衛生法)、TITLE XIII、「STORAGE,TREATMENT AND DISPOSAL OF REGULATED MEDICAL WASTE」(規制医療廃棄物の保管、取扱い、処分および輸送)、Section 1389-aa.Definitions
* CALIFORNIA HEALTH AND SAFETY CODE(カルフォルニア州安全衛生条例)、SECTION 117635、「Biohazardous Waste(バイオハザード廃棄物)」、Title 25 Health Services、Part I
* Texas Department of Health(テキサス州立保健局)、Chapter 1 Texas Board of Health(テキサス州保健局)」、Definition,Treatment,and Disposition of Special Waste from Health Care-Related Facilities(ヘルスケア関連施設から出る特殊廃棄物の定義、取扱い、および処分)、Section 1.132 Definitions
* 40 C.F.R.(連邦規則集)60.51(c)PROTECTION OF ENVIRONMENT(環境保護);Standards of performance for new stationary sources(新しい固定汚染源の履行基準)
* 40 C.F.R.(連邦規則集)240.101 PROTECTION OF ENVIRONMENT(環境保護);Guidelines for the thermal processing of solid wastes(Section P only)(固形廃棄物の熱処理指針(セクションPのみ))
* 49 C.F.R.(連邦規則集)173.134 TRANSPORTATION(輸送);Class 6、Division 6.2-Definitions,exceptions and packing group assignments(定義、例外および包装グループ指定)
* 33 C.F.R.(連邦規則集)151.05 TITLE 33??NAVIGATION AND NAVIGABLE WATERS;VESSELS CARRYING OIL,NOXIOUS LIQUID SUBSTANCES,GARBAGE,MUNICIPAL OR COMMERCIAL WASTE,AND BALLAST WATER?;Definitions(medical waste only)(航行および可航水域;オイル、有害液体物質、ごみ、都市または商業廃棄物およびバラスト水を運ぶ船舶;定義(医療廃棄物のみ))
【０００２】
生物系廃棄物は今日の技術社会にとって比較的新しい問題である。管理された方法で取り扱われなければならない材料のその適用範囲において、この廃棄物の定義は広がりつつある。前記の州法令と米国連邦法のリストは、重複しているものの、どの1つの法令も法規もこの発明が適用されるすべての材料を網羅していないので、材料を正確に定義するために必要である。
【背景技術】
【０００３】
本出願は、2001年4月24日に出願された米国仮出願No.60/285,708の利益を主張する。
【０００４】
米国における生物系廃棄物の処理コストは、産業界で年間数十億ドルである。必要な装置の資本コストは数億ドルになる。この部類の廃棄物が発生しそれを取り扱うすべての機関および事業は、効果的で費用の掛からない廃棄物処理を安全に行わなければならない。最近、生物系廃棄物の処理に対する関心が高まってきた。この廃棄物の処理の2つの主な方法は焼却と埋め立て投棄である。生物系廃棄物を取り扱う改良された方法が求められている。
【非特許文献１】
New Jersey State Statute(ニュージャージー州法)、「Comprehensive Regulatory Medical Waste Management Act(包括的規制による医療廃棄物取扱法)」、P.L.1989、c.34(C.13.1E-48.13)
【非特許文献２】
New York State Environmental Conservation Law(ニューヨーク州環境保全法)、TITLE 15、「STORAGE,TREATMENT,DISPOSAL AND TRANSPORTATION OF REGULATED MEDICAL WASTE(規制医療廃棄物の保管、取扱い、処理および輸送)」、Section 27-1501.Definitions
【非特許文献３】
New York State Public Health Law(ニューヨーク州公衆衛生法)、TITLE XIII、「STORAGE,TREATMENT AND DISPOSAL OF REGULATED MEDICAL WASTE」(規制医療廃棄物の保管、取扱い、処分および輸送)、Section 1389-aa.Definitions
【非特許文献４】
CALIFORNIA HEALTH AND SAFETY CODE(カルフォルニア州安全衛生条例)、SECTION 117635、「Biohazardous Waste(バイオハザード廃棄物)」、Title 25 Health Services、Part I
【非特許文献５】
Texas Department of Health(テキサス州立保健局)、Chapter 1 Texas Board of Health(テキサス州保健局)」、Definition,Treatment,and Disposition of Special Waste from Health Care-Related Facilities(ヘルスケア関連施設から出る特殊廃棄物の定義、取扱い、および処分)、Section 1.132 Definitions
【非特許文献６】
40 C.F.R.(連邦規則集)60.51(c)PROTECTION OF ENVIRONMENT(環境保護);Standards of performance for new stationary sources(新しい固定汚染源の履行基準)
【非特許文献７】
40 C.F.R.(連邦規則集)240.101 PROTECTION OF ENVIRONMENT(環境保護);Guidelines for the thermal processing of solid wastes(Section P only)(固形廃棄物の熱処理指針(セクションPのみ))
【非特許文献８】
49 C.F.R.(連邦規則集)173.134 TRANSPORTATION(輸送);Class 6、Division 6.2-Definitions,exceptions and packing group assignments(定義、例外および包装グループ指定)
【非特許文献９】
33 C.F.R.(連邦規則集)151.05 TITLE 33??NAVIGATION AND NAVIGABLE WATERS;VESSELS CARRYING OIL,NOXIOUS LIQUID SUBSTANCES,GARBAGE,MUNICIPAL OR COMMERCIAL WASTE,AND BALLAST WATER?;Definitions(medical waste only)(航行および可航水域;オイル、有害液体物質、ごみ、都市または商業廃棄物およびバラスト水を運ぶ船舶;定義(医療廃棄物のみ))
【特許文献１】
米国特許第4,686,019号
【特許文献２】
米国特許第4,749,519号
【特許文献３】
米国特許第4,874,485号
【特許文献４】
米国特許第4,925,643号
【特許文献５】
米国特許第5,364,508号
【特許文献６】
米国特許第5,516,972号
【特許文献７】
米国特許第5,745,835号
【特許文献８】
米国特許第5,756,874号
【特許文献９】
米国特許第5,810,995号
【特許文献１０】
米国特許第5,855,763号
【特許文献１１】
米国特許第5,911,868号
【特許文献１２】
米国特許第5,919,350号
【特許文献１３】
米国特許第5,952,542号
【特許文献１４】
米国特許第6,096,283号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、生物系材料などの廃棄物の、媒介型電気化学的酸化(MEO)のための方法および装置に関し、以後一まとめにして生物系廃棄物と呼ばれ、医療廃棄物、感染性廃棄物、病理学関連廃棄物、動物廃棄物、衛生廃棄物、死体関連廃棄物、軍用艦廃棄物(潜水艦および水上艦)、商業船舶廃棄物(クルーズ船、タンカー、貨物船、釣舟、レクリエーション用船舶およびハウスボート)、獣医廃棄物、医薬品廃棄物、および複合廃棄物(たとえば、前記のいずれか同士あるいは他の非生物系廃棄物との混合物)からなる生物系廃棄物に、これに制限はされないが、特に適用される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
媒介型電気化学的酸化過程は、1種または複数のレドックス対を含む電解質を含み、少なくとも1種のレドックス対の酸化型は、電気化学セルの陽極(anode)での陽極酸化による生成する。存在する他のレドックス対の酸化型は、同様の陽極酸化、あるいは必要なレドックス反応を実施しうる存在する他のレドックス対の酸化型との反応のいずれかにより生成する。レドックス対の酸化型の化学種は、生物系廃棄物分子を酸化し、それら自身はそれらの還元型に変換され、その後それらは前記の機構のいずれかにより再び酸化され、中間反応生成物を含めて、酸化されうる廃棄物のすべての化学種が望みの度合いの酸化を受けるまで、レドックスサイクルは続く。このように、レッドクス化学種イオンは、廃棄物分子から陽極への電子移動(すなわち、廃棄物の酸化)を「媒介する」と考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
電気化学セルの膜(たとえば、微孔(microporous)プラスチック、焼結ガラスフリット、多孔セラミックなど)が陽極と陰極を隔てることにより、陰極での酸化性化学種の寄生還元(parasitic reduction)を防いでいる。好ましいMEDプロセスでは、表I(単純なアニオンのレドックス対媒介物質)に記載される媒介物質化学種;Mo、W、V、Nb、およびTaにより形成されるタイプIのイソポリアニオン(IPA)、ならびにこれらの混合物;表IIに列挙される元素(ヘテロ原子)のいずれかを単独であるいは組合せて前記イソポリアニオンに組み込むことにより形成されるタイプIのヘテロポリアニオン(HPA);表Iおよび表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロポリ原子(すなわち、元素)を含む任意のタイプのヘテロポリアニオン;あるいはこれらの包括的な群のいずれかあるいはすべてから選ばれる媒介物質化学種の組合せ;が使用される。
【０００８】
単純なアニオンのレドックス対媒介物質
表Iは、好ましいMEOプロセスで使用される単純なアニオンのレドックス対媒介物質を示しており、「化学種」は、媒介物質の特性元素(たとえば、Fe)の還元(たとえば、Fe+3)あるいは酸化剤(たとえば、FeO4-2)型のいずれかとしてMEOプロセスで用いうる、各化学元素に特有なイオンを定めており、また「特定レドックス対」は、MEOプロセスに求められる、これら化学種の還元および酸化型の特定の組合せ(たとえば、Fe+2/FeO4-2)を定めている。陽極液(anolyte)に溶ける化学種は、通常の字体で表Iに示されており、一方、溶けないものは下線付き太字体で示されている。この特許で請求されるMEOプロセスの特徴は以下のパラグラフで明細に記載される。
【０００９】
陽極液は、それらの酸化型で、媒介物質化学種と呼ばれる、単一の多価元素アニオン(たとえば、Ag+2、Ce+4、Co+3、Pb+4など)、多価元素の不溶性酸化物(たとえば、PbO2、CeO2、PrO2など)、もしくは多価元素の単純なオキソアニオン(オキシアニオンとも呼ばれる)(たとえば、FeO4-2、NiO4-2、BiO3-、など)のいずれかからなるレドックス対を1種または複数含む。媒介物質の酸素でない多価元素成分は媒介物質化学種の特性元素と呼ばれる。我々は、単純なオキソアニオンを、次のセクションで検討される複雑な(すなわち、ポリオキソメタレート(polyoxometallate、POM))アニオンのレドックス対媒介物質とではなく、単純なアニオンのレドックス対媒介物質と共にグループ化することを選択し、それらをまとめて単純なアニオンのレドックス対媒介物質と呼ぶ。
【００１０】
本プロセスの一実施形態では、レドックス対の酸化および還元型のいずれも陽極液に可溶である。対の還元型は、(複数の)セル陽極で酸化型に陽極酸化され、次にそれが、陽極液に溶けたか、あるいは陽極液に漬かった廃棄物粒子表面に位置する、廃棄物分子を酸化すると同時に、その酸化剤はその還元型に還元され、その結果MEOプロセスが、(複数の)セル陽極でのこの化学種の再酸化で再び始まる。このタイプ(すなわち、還元および酸化型が陽極液に溶ける)の、これほど強力でない他のレドックス対が存在する場合、それらも直接陽極酸化を受けるか、あるいは陽極酸化されたより強力な酸化剤が、廃棄物分子でなくそれらを酸化しうる。より弱い(複数の)レドックス対は、それらの酸化電位が、廃棄物分子との望ましい反応を実施するのに十分であるように選択される。すべてのレドックス対の酸化型化学種が生物系廃棄物分子を酸化し、それら自身はそれらの還元型に変換され、次にそれらは前記の機構のいずれかにより再び酸化され、レドックスサイクルは、中間反応生成物を含めて、すべての酸化されうる廃棄物化学種が望みの度合いの酸化を受けるまで続く。
【００１１】
前のセクションに記載されたMEOプロセスの好ましい形態では、レドックス対の化学種が酸化および還元型の両方共陽極液に可溶であるが、これは本特許で請求される唯一の運転形態ではない。レドックス対の還元型が陽極液に溶ける(たとえば、Pb+2)が、酸化型は溶解しない(たとえば、PbO2)場合、次の過程が起こる。不溶性の酸化剤が、陽極酸化により陽極の表面層として、あるいは、少なくとも1つは陽極酸化により生成した、必要なレドックス反応を実施しうる、存在する他のレドックス対の酸化型と反応することにより、陽極液そのものの至る所で生成する。酸化されうる廃棄物は、陽極液に可溶であるか、微細な粒径でそこに分散している(たとえば、エマルジョン、コロイドなど)かのいずれかであるので、不溶性酸化剤(たとえば、PbO2)粒子の表面との接触は十分に行われる。廃棄物と酸化剤粒子の反応で、廃棄物は酸化され、廃棄物と反応する酸化剤粒子の、陽極液に漬かった表面上の不溶性酸化剤分子は、それらの可溶性の型に還元され、陽極液に戻り、再度酸化されることによりMEOプロセスを続けるために利用される。
【００１２】
MEOプロセスの別の変形形態で、レドックス対の還元型が陽極液に不溶である(たとえば、TiO2)が、酸化型は可溶である(たとえば、TiO2+2)場合、次の過程が起こる。レドックス対の可溶(すなわち酸化)型が、陽極液に漬かった酸化剤粒子表面の不溶性(すなわち還元型)レドックス対分子と、少なくとも1つは陽極酸化により生成し、還元および酸化型共陽極液に溶け、必要なレドックス反応を実施しうる、存在する他のレドックス対の可溶性酸化型と反応することにより生成する。このようにして生成する可溶性酸化型化学種は、陽極液に溶け込み、次にそれらはすでに記載されたようにして廃棄物分子を酸化し、それら自身はレドックス対の不溶型に変換され、その結果レドックスMEOサイクルの出発点に戻る。
【００１３】
この主張において用いられる電解質は、酸、アルカリ、および中性塩の水溶液(たとえば、硫酸、水酸化カリウム、硫酸ナトリウム水溶液など)と分類されるものから選ばれる。
【００１４】
所定のレドックス対あるいはレドックス対の混合物(すなわち、媒介物質化学種)は、異なる電解質と共に用いられるであろう。
【００１５】
電解質組成物は、還元型で存在する少なくとも1種の媒介物質化学種を含む化合物の、実際に確かめられた適当な溶解性に基づいて選択される(たとえば、硫酸が硫酸第二鉄と共に用いられるであろう、など)。
【００１６】
陽極液中の媒介物質化学種含有化合物の濃度は、0.0005モル(M)から飽和点までの範囲であろう。
【００１７】
陽極液中の電解質濃度は、媒介物質化学種含有化合物の溶解性にそれが与える影響により、また用いられている所定の媒介物質化学種に対して電気化学セルにおいて望ましい、陽極溶液の伝導度により支配されるであろう。陰極液中の電解質濃度は、電気化学セルにおいて望ましい、陰極液の伝導度へのその影響により支配されるであろう。
【００１８】
電気化学セルが運転される温度は、約0℃から、電解質溶液の沸点のわずかに下までの範囲であろう。低温で運転して、単純な、および/または複雑なレドックス対媒介物質を用い、特定の有機分子を酸化性化学種で攻撃することにより、ダイオキシンとフランの生成が防止される。
【００１９】
MEOプロセスは大気圧で運転される。
【００２０】
媒介物質化学種は、それらが電解質と反応してフリーラジカル(たとえば、O2H(ペルヒドロキシル)、OH(ヒドロキシル)、SO4(硫酸)、NO3(硝酸)など)を生成できるかどうかに基づいて区別される。このような媒介物質化学種は、本明細書では、「スーパー酸化剤」(super oxidizer、SO)として分類され、少なくともCe+3/Ce+4レドックス対(すなわち、1モル、25℃およびpH1で、1.7ボルト)に等しい酸化電位を通常示す。
【００２１】
電気化学セルの電極間の電位は、陽極液に存在し、媒介物質化学種としての役目をする最も反応性の高い(複数の)レドックス対の酸化電位、およびセル内の抵抗損に基づいている。特定の電解質組成物の場合には、セルの性能を制限する、電極上の表面膜の生成を遅らせるために、低レベルのAC電圧がDC電圧の上に印加される。関心のある電流密度の範囲内では、電位は約2.5から3.0ボルトであろう。
【００２２】
錯体アニオンのレドックス対媒介物質
MEOプロセスの酸化性化学種の好ましい特性は、それが酸化および還元状態のいずれでも陽極水溶液に溶解することである。金属酸化物とオキソアニオン(オキシアニオン)塩の大多数は不溶であるか、あるいは不十分なまたは限られた溶解性しか示さない。しかし、前期遷移元素(early transition elements)は、ポリオキソメタレート(POM)と呼ばれ、広いpH範囲に渡って水溶液に非常によく溶ける1クラスの独立したポリマー構造体を自発的に生成しうる。本明細書において関心のある単純な4面体オキソアニオンの重合には、金属Mの配位数6への増加、ならびにMO6八面体からなる端および角の部分の結合が含まれる。クロムは配位数4に限られ、CrO4四面体に基づくPOMは、表Iに含まれる二クロム酸イオン[Cr2O7]-2に限られている。POMはそれらの化学組成に基づいて、次の一般式により示される2つのサブクラス、イソポリアニオン(IPA)とヘテロポリアニオン(HPA)に分けられる。
イソポリアニオン(IPA)    -    [MmOy]p-
および
ヘテロポリアニオン(HPA)    -    [XxMmOy]q-      (m>x)
アデンダ(addenda)原子Mは通常、モリブデン(Mo)もしくはタングステン(W)、またまれにバナジウム(V)、ニオブ(Nb)、もしくはタンタル(Ta)、あるいはそれらの最も高い(d0)酸化状態にあるこれらの元素の混合物である。IPAおよびHPAでアデンダ原子としての役を果たしうる元素は、イオン半径と電荷の都合のよい組合せ、ならびにdπ-pπのM-O結合形成能力の両方をもつものに限られるようである。しかし、ヘテロ原子Xにはこのような制限はなく、表IIに列挙される任意の元素でありうる。
【００２３】
POMには、複数の酸化状態を示す、アデンダ原子および表IIに列挙されるヘテロ原子の酸化/還元を含む非常に多くの化学的性質がある。いくつかのPOM(すなわち、IPAとHPAの両方)に組み込まれたアデンダ原子Mの部分的還元により、強く着色した化学種が生成し、一般的に「ヘテロポリブルー」と呼ばれる。構造の違いに基づいてPOMを2つのグループ、タイプIとタイプIIに分けることができる。タイプIのPOMは、それぞれが1個の末端オキソ酸素原子をもつMO6八面体からなり、一方タイプIIは2つの末端オキソ酸素原子をもつ。タイプIIのPOMは、d0電子配置をもつアデンダ原子だけを収容できるが、タイプI、たとえば、ケギン(XM12O40)、ドーソン(X2M18O62)、ヘキサメタラート(M6O19)、デカタングステン酸(W10O32)などは、d0、d1、およびd2電子配置をもつアデンダ原子を収容できる。したがって、タイプIの構造は容易に可逆的なレドックス反応を受けるが、タイプIIの構造ではこの能力が構造的な制限により除外される。したがって、MEOプロセスに利用しうる酸化性化学種は、タイプIのPOM(すなわち、IPAおよびHPA)であり、アデンダ原子Mは、W、Mo、V、Nb、Ta、あるいはこれらの組合せである。
【００２４】
ポリアニオンの大きな負電荷はしばしば、異常に高い酸化状態のヘテロ原子を安定化するので、前記のタイプIのPOM以外に、MEO酸化剤の第2の部類が生じる。表IIに列挙され、また表Iにも単純なアニオンのレドックス対媒介物質として列挙される任意のへテロ元素Xを含むタイプIまたはタイプIIのHPAもまた、MEOプロセスで酸化性化学種として機能しうる。
【００２５】
陽極液は、それぞれが、W、Mo、V、Nb、Taもしくはこれらの組合せをアデンタ原子として含む前記タイプIのPOM、あるいはヘテロ原子(X)として表IおよびIIの両方に含まれる任意の元素を有するHPAのいずれかからなり、電解質(たとえば、硫酸など)に可溶である1種または複数の錯体アニオンのレドックス対を含む。
【００２６】
この主張において用いられる電解質は、酸、アルカリ、および中性塩の水溶液(たとえば、硫酸、水酸化カリウム、硫酸ナトリウム水溶液など)と分類されるものから選ばれる。
【００２７】
所定のPOMレドックス対あるいはPOMレドックス対の混合物(すなわち、媒介物質化学種)は、異なる電解質と共に用いられるであろう。
【００２８】
電解質組成物は、還元型のPOM媒介物質化学種を含み、また存在する他の媒介物質化学種の酸化を行うのに十分な酸化電位のレドックス対の一部分である少なくとも1種の化合物の溶解性を実際に確かめることに基づいて選択される。
【００２９】
陽極液中のPOM媒介物質化学種含有化合物の濃度は、0.0005Mから飽和点までの範囲であろう。
【００３０】
陽極液中の電解質濃度は、POM媒介物質化学種含有化合物の溶解性にそれが与える影響により、また用いられている所定のPOM媒介物質化学種に対して、望ましいセル電圧でセル電流を望ましいものとする、電気化学セルにおいて望ましい、陽極溶液の伝導度により支配されるであろう。
【００３１】
電気化学セルが運転される温度は、約0℃から電解質溶液の沸点のわずかに下までの範囲であろう。
【００３２】
MEOプロセスは大気圧で運転される。
【００３３】
POM媒介物質化学種は、それらが電解質と反応してフリーラジカル(たとえば、・O2H、・OH、・SO4、・NO3など)を生成できるかどうかに基づいて区別される。このような媒介物質化学種は、本明細書では、「スーパー酸化剤」(SO)として分類され、少なくともCe+3/Ce+4レドックス対(すなわち、1モル、25℃およびpH1で、1.7ボルト)に等しい酸化電位を通常示す。
【００３４】
電気化学セルの電極間の電位は、陽極液に存在し、媒介物質化学種としての役目をする最も反応性の高い(複数の)POMレドックス対の酸化電位、およびセル内の抵抗損に基づいている。関心のある電流密度の範囲内では、電位は約2.5から3.0ボルトであろう。
【００３５】
単純および錯体アニオンの混合レドックス対媒介物質
単純および錯体アニオンのレドックス対媒介物質の組合せに対する好ましいMEOプロセスでは、合わせて混合して系の陽極液を形成することができる。結果としてのMEOプロセスの特徴は前記と同様である。
【００３６】
MEOプロセスで複数の酸化剤化学種を用いることにより、次の利点の得られる可能性がある。
全体の廃棄物分解速度は、媒介物質「A」を陽極酸化し、媒介物質「B」を酸化し、そして酸化された媒介物質「B」が生物系廃棄物を酸化する反応速度が十分迅速であって、この一連の3段階反応を合わせた速度が、媒介物質「A」または「B」を陽極酸化し、そして酸化された媒介物質「A」または「B」が生物系廃棄物をそれぞれ酸化する一連の2段階反応より速いようであれば、増加するであろう。
媒介物質「B」のコストが、媒介物質「A」のそれより十分に小さければ、前記の一連の3段階反応の使用は、より高価な媒介物質「A」の必要量がより少なくなることと工程損失に関連するコストの低下により、結果として廃棄物分解のコストを低下させるであろう。この例、銀に関連するコストを低下させ、ペルオキシ硫酸塩だけのMEOプロセスの酸化速度の遅さを克服するために、銀(II)-ペルオキシ硫酸塩媒介物質系を使用すること。
MEOプロセスは、それぞれが異なるタイプの化学結合を選択的に攻撃する複数の媒介物質の使用により、結果として酸化系が非常に「非選択的」になるため、生物系廃棄物に存在する分子結合のタイプの差異に「鈍感である」。
【００３７】
陽極液のさらなる特徴
本発明のMEOプロセスの好ましい一実施形態では、陽極水溶液中に1種または複数の単純なアニオンのレドックス対媒介物質が存在する。MEOプロセスの好ましい実施形態では、陽極水溶液中に1種または複数の錯体アニオン(たとえば、POM)のレドックス対媒介物質が存在する。MEOプロセスの別の好ましい実施形態では、陽極水溶液中に1種または複数の単純なアニオンのレドックス対および1種または複数の錯体アニオン(たとえば、POM)のレドックス対が存在する。
【００３８】
本発明のMEOプロセスでは、分解される廃棄物にin situに見出される、表Iに列挙されるいかなる酸化剤化学種も利用される。たとえば、生物系廃棄物が陽極液内のMEOプロセス条件下でPb+2イオン源になる鉛化合物もまた含んでいる場合、電気化学セルを通して廃棄物-陽極液の混合物は循環させられるであろう。可逆的な鉛レドックス対の酸化型は、電気化学セル内での陽極酸化によるか、あるいはその代わりに、より強力なレドックス対の酸化型が、もし陽極液に存在し、また電気化学セル内で陽極酸化されるならば、それと反応することによるかのいずれかで生成するであろう。こうして、鉛はまさに、単純なアニオンのレドックス対化学種として機能することにより有機廃棄物成分を分解し、鉛だけが処理されるべきものとして残される。本特許に記載されるアニオンレドックス対媒介物質の1種または複数を加えることにより、前記のMEOプロセはさらに向上するであろう。
【００３９】
本発明のMEOプロセスでは、電解質水溶液の陽極液部分のアニオンレドックス対媒介物質には、温度および特定の(複数の)媒介物質の溶解度に応じて、酸性、中性またはアルカリ性溶液が使用されるであろう。基本的なMEOプロセスで使用されるアニオン酸化剤は、好ましくは、特定の有機分子を攻撃する。ヒドロキシルフリーラジカルは優先的に、芳香環および不飽和炭素-炭素結合含む有機分子を攻撃する。したがって、非常に望ましくない芳香族化合物、クロロフェノールあるいはテトラクロロジベンゾダイオキシン(ダイオキシン)などの酸化生成物は生成すると、優先的にヒドロキシルフリーラジカルにより攻撃され、これらの化合物が有意な量まで蓄積されないようにするであろう。ヒドロキシルフリーラジカルより酸化電位が低いフリーラジカルでさえ、四塩化炭素およびポリクロロビフェニール(PCB)におけるもののような炭素-ハロゲン結合を優先的に攻撃する。
【００４０】
少なくともCe+3/Ce+4レドックス対のそれ(すなわち、1.7ボルト)に等しい酸化電位をもち、また時に約50℃より高く(しかし電解質の沸点よりは低く)加熱する必要があるいくつかのレドックス対は、2次的な酸化過程を開始することができ、それらの酸化型の媒介物質イオンは陽極水溶液と相互作用して、2次的な酸化剤フリーラジカル(たとえば、・O2H、・OH、・SO4、・NO3など)あるいは過酸化水素を生成する。本発明におけるこのような媒介物質化学種は、本明細書では、この2次的な酸化過程を開始することができない「基本的酸化剤」とそれらを区別するために、「スーパー酸化剤」(SO)として分類される。
【００４１】
この特許で対象とされる酸化剤化学種(すなわち、原子番号が90未満の特性元素)は、表I(単純なアニオンのレドックス対媒介物質)に記載されるもの;Mo、W、V、Nb、Ta、もしくはこれらの組合せによりアデンダ原子として形成されるタイプIのIPA;表IIに列挙される元素(ヘテロ原子)のいずれかを単独でもしくはそれらの組合せで前記IPAに組み込むことにより形成されるタイプIのHPA;または表Iと表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子(すなわち、元素)を含む任意のHPA;あるいはこれらの包括的な群のいずれかあるいはすべてから選ばれる媒介物質化学種である。
【００４２】
それぞれの酸化剤アニオン元素は、通常の原子価状態(normal valence state、NVS)(すなわち、レドックス対の還元型)ならびにNVS化学種が電気化学セルを通過するときに、それらから電子を剥ぎ取ることにより作り出される、より高い原子価状態(HVS)(すなわち、レドックス対の酸化型)をもつ。本発明のMEOプロセスは、広い範囲のアニオン酸化剤を用いる。好ましい実施形態では、装置を変えることなく、基本的なMEOプロセスで用いられるこれらのアニオン酸化剤を交換することができる。
【００４３】
MEOプロセスの好ましい実施形態では、基本的なMEOプロセスが、陽極液中のいくつかのレドックス対(たとえば、Cu+3)の酸化型の短い寿命をより安定な錯体(たとえば、[Cu(IO6)2]-7)、[Cu(HteO6)2]-7)の形成により克服するのに役立つ、テルル酸または過ヨウ素酸イオンなどの添加物を導入することにより変更される。テルル酸または過ヨウ素酸イオンはまた、それらが単純なアニオンのレドックス対媒介物質(表I参照)の酸化型であるから、MEOプロセスに直接関与することもでき、このクラスの酸化剤についてすでに記載されたものと同じ仕方で生物系廃棄物の酸化に関与するであろう。
【００４４】
アルカリ電解質
好ましい一実施形態では、媒介物質化学種と共に、制限はしないが、NaOHまたはKOHの水溶液などのアルカリ電解質を用い、前記媒介物質レドックス対の還元型が前記電解質に十分な溶解性を示して生物系廃棄物の望みの酸化が実用的な速度で進むようにすることにより、基本的なMEOプロセスにおけるコスト低減が実現されるであろう。水素イオンを生じるレドックス反応(すなわち、媒介物質化学種と生物系廃棄物分子の両方の反応)の酸化電位は電解質のpHに反比例するので、レドックス対媒介物質を適切に選択すると、電解質のpHを大きくすることにより、望みの酸化過程を実施するのに必要な電位をできるだけ低くし、分解される生物系廃棄物の単位質量あたりの消費電力を減らすことが可能である。
【００４５】
アルカリ陽極液(たとえば、NaOH、KOHなど)が用いられる場合、脂肪酸の水溶性アルカリ金属塩(すなわち石鹸)とグリセリンを生成する脂肪酸のけん化(すなわち、塩基促進エステル加水分解)、動物性脂肪を温苛性アルカリ水溶液に導入することによる、動物性脂肪からの石鹸の製造に似たプロセス、から利益を得られる。
【００４６】
本発明では、アルカリ陽極液が用いられる場合、生物系廃棄物の酸化により生じるCO2は陽極液と反応してアルカリ金属の重炭酸塩/炭酸塩を生成する。重炭酸/炭酸のイオンは陽極液内を循環し、それらは、電気化学セル内での陽極酸化によるか、あるいは別の仕方として、より強力なレドックス対媒介物質の酸化型が陽極液に存在すればそれと反応することによるかのいずれかで、可逆的に過炭酸イオンに酸化される。こうして、炭酸は、まさに単純なアニオンのレドックス対媒介物質として機能することにより、廃棄物酸化生成物から、さらなる生物系廃棄物を分解することができる酸化性化学種を生成する。
【００４７】
MEO電解質のさらなる特徴
本発明の好ましい一実施形態では、陰極液および陽極液は、膜により隔てられた別々のものであるため、それらは、電荷質濃度、組成、またはpH(すなわち、酸性、アルカリ性、または中性)などの性質を共有する必要はない。プロセスは、生物系廃棄物の分解の間、約0℃から用いられる電解質の沸点のわずかに下までの温度範囲で運転される。
【００４８】
紫外/超音波エネルギーにより促進されるMEOプロセス
過酸化水素のヒドロキシルフリーラジカルへの分解は、紫外(UV)照射により促進されることがよく知られている。したがって、本発明のMEOプロセスを用いて得られる、生物系廃棄物の分解速度は、さらなるヒドロキシルフリーラジカルの生成を促進する反応室陽極液のUV照射により増大するであろう。好ましい実施形態では、UV照射は、陽極液室の内部の、あるいはそれに隣接したUV源を用いて、陽極液室に入射される。UV照射は、媒介物質レドックス対の酸化型により生成した2次的酸化剤により生じた過酸化水素を、ヒドロキシルフリーラジカルに分解する。その結果として、過酸化水素の生成に費やされたエネルギーが陽極液室の生物系材料の酸化により回収されるので、MEOプロセスの効率が増加する。
【００４９】
さらに、好ましい実施形態では、超音波エネルギーが、細胞膜を破り、生物系材料を陽極液内に分散させるために、陽極液室に加えられるであろう。超音波エネルギーは、細胞壁で吸収され、細胞壁のすぐ近くの局所的温度は数千度を超えるまでに上昇し、結果として細胞壁が破壊される。これは実質的に、MEO酸化剤化学種による酸化の効率、ならびにMEOプロセス全体の効率を上昇させる。別の実施形態では、超音波エネルギーが陽極液室に導入される。ソニックホーン(sonic horn)から発する急速に振動する圧力波により形成される微小な泡の破裂は、4800℃と1000気圧の、極端に短命で局在化された状態を陽極液内に作り出すことができる衝撃波を発生する。これらの条件下で、水分子は水素原子とヒドロキシルフリーラジカルに分解する。局在化された熱の急激な上昇の消失時に、ヒドロキシルフリーラジカルは、生物系廃棄物と前記の反応をするか、あるいは互いに結合して、次にそれ自体さらなる生物系廃棄物を酸化するであろう別の過酸化水素を生成するであろう。
【００５０】
別の好ましい実施形態では、陽極液中に存在する、第2の(すなわち生物系廃棄物)相をなす個々のものの寸法を小さくして、陽極液に漬かった廃棄物の全表面積、従ってまた単位時間に酸化される廃棄物の量を増やすことにより、陽極液に溶解しない生物系廃棄物の分解速度が上がる。適切な界面活性剤または乳化剤の導入により、陽極水溶液内で、混和しない液体を極めて微細なスケールに分散させることができる。コロイドミルなどを用いる激しく機械的な混合、あるいは前記の超音波エネルギーで誘起される微小な泡の破裂作用による微小なスケールでの混合などでも、陽極液に分散する第2段階をなす廃棄物の個々の容積寸法を望ましく減らすのに用いることができるであろう。組織(tissue)系廃棄物の大部分は、様々な細胞破壊方法を用いて、半硬質固体から液体相に転換されて、前記のように処理できるようになるであろう。これらの方法の例は、様々なロータとステータからなるホモジナイザを用いる機械的剪断、ならびに、前記の破裂により生成する衝撃波が、4800℃の急激な温度上昇により促進されて、細胞壁を剪断する超音波装置(すなわち、超音波破砕機(sonicator))である。原形質の約67%は普通の水であり、これは単に陽極水溶液の一部分になり、さらなる処理を必要としないので、細胞原形質が陽極液全体に散らばることで、実際の廃棄物の質量と容積が直ちに減少する。生物系廃棄物から直接放出され、および/または水素を含む廃棄物の酸化反応生成物として生じた水の量が、許容されないレベルまで陽極液を希釈した場合、必要量の水を除去するために、任意選択の気化室の温度を単に上げること、および/または圧力を下げることにより陽極液を容易に元に戻すことができる。前記の分散方法のいずれかを用いて、原形質の可溶性成分は、分子のレベルで陽極液全体にすぐに分散し、一方不溶性成分は、極めて微細な第2段階として陽極液全体に分散するので、無傷の細胞の形態で可能なものを超える、廃棄物と陽極液の接触界面が、従ってまた生物系廃棄物が分解される速度とMEOの効率が大幅に増加するであろう。
【００５１】
フリーラジカルにより促進されるMEOプロセス
フリーラジカル(たとえば、・O2H、・OH、・SO4、・NO3など)が有機化合物を開裂させ酸化する、本発明で用いられる酸化過程の主たるものは、次々と小さな鎖状の炭化水素化合物を生じる。生成する中間化合物は、継起する反応の間に、二酸化炭素と水へと容易に酸化される。
【００５２】
無機フリーラジカルは、本発明のMEOプロセスの水溶液を用いる形態で発生するであろう。フリーラジカルは、炭酸、アジ化物、亜硝酸、硝酸、リン酸、亜リン酸、亜硫酸、硫酸、亜セレン酸、チオシアン酸、塩化物、臭化物、ヨウ化物、およびギ酸イオンから誘導された。スルフヒドリル(sulfhydryl)のような有機のフリーラジカルは、基本的なMEOプロセスを用いて生成するであろう。本発明のMEOプロセスが生物系材料に適用された場合、それらは生物系廃棄物材料を有機化合物に分解し、その有機化合物を、単純および/または錯体アニオンのレドックス対媒介物質、あるいは無機フリーラジカルのいずれかを用いて攻撃して、有機のフリーラジカルを生成する。無機フリーラジカルは有機フリーラジカルを生成し、これは酸化過程に寄与し、MEOプロセスの効率を上げる。
【００５３】
鋭利物(sharp)のMEOプロセス
本発明で用いられるMEOプロセスの好ましい実施形態では、酸化性媒介物質化学種として過臭素酸イオンが生成し、これらに制限されないが、注射針、外科用メス、および縫合針を含む鋭利物などのステンレススチール製品を分解するために用いられるであろう。
【００５４】
要約
本発明のこれらおよびさらなる他の目的と特徴は、特許請求の範囲および図と共に、前記および以後に記載される明細書を含む開示において明らかである。
【００５５】
好ましい実施形態の詳細な説明
MEO化学
この特許に記載される、媒介型電気化学的酸化(MEO)プロセスの化学では、表I(単純なアニオンのレドックス対媒介物質)に記載される酸化剤化学種(すなわち、原子番号90未満の特性元素);Mo、W、V、Nb、Ta、またはこれらの組合せによりアデンダ原子として形成されるタイプIのIPA;表IIに列挙される元素(ヘテロ原子)のいずれかを単独でもしくはそれらの組合せで前記IPAに組み込むことにより形成されるタイプIのHPA;または表Iと表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子(すなわち元素)を含むHPA;あるいはこれらの包括的な群のいずれかあるいはすべてから選ばれる媒介物質化学種の組合せ;が用いられる。陽極液と陰極液は全く異なるものなので、両方の系が同じ電解質を含む必要はない。各電解質は、他方と独立に、典型的には硝酸、硫酸、またはリン酸であるがこれらには制限されない酸;典型的には水酸化ナトリウムまたはカリウムであるがこれらには制限されないアルカリ;典型的には前記の強い無機酸のナトリウムまたはカリウム塩であるがこれらには制限されない中性塩;の水溶液からなる。
【００５６】
MEO装置は、それが、単なる排水、フラッシング、そして好みの媒介物質/電解質の系によるシステムの再充填により、媒介物質イオンと電解質の数多くの選択を受け入れられるという点で独特である。
【００５７】
様々な媒介物質イオンに関する説明の冗長さと類似性のために、鉄と硝酸の組合せだけを詳細に記載する。しかし、硝酸(HNO3)中の第二鉄/鉄酸、(Fe+3)/(FeO4-2)レドックス対の反応についての以下の記載はまた、このセクションの始めに記載された前記酸化剤化学種と電解質のすべてにも当てはまることが理解されるべきである。さらに、前記のフリーラジカルを生成する、鉄酸イオンと電解質水溶液との相互作用についての以下の記載はまた、スーパー酸化剤として分類されるのに十分な、少なくともCe+3/Ce+4レドックス対のそれ(すなわち、1モル、25℃およびpH1で、1.7ボルト)に等しい酸化電位を通常もつ前記媒介物質のすべてに当てはまる。
【００５８】
図1は、生物系廃棄物を分解するためのMEO措置を概略的に示している。電気化学セルの陽極25で、Fe(III)イオン(Fe+3、第二鉄)がFe(VI)イオン(FeO4-2、鉄酸)へと酸化される。
Fe+3 + 4H2O  →  FeO4-2 + 8H+ + 3e-
【００５９】
陽極液の温度が十分に高く、通常は50℃を超えると、Fe(VI)化学種は陽極水溶液の水とレドックス反応を起こしうる。水の酸化は一連の反応で進行し、様々な中間反応生成物を作り出し、それらのいくつかは互いに反応する。これらの中間反応生成物のいくつかは、これらに制限されないが、ヒドロキシル(・OH)および過酸化水素すなわちペルヒドロキシル(・HO2)フリーラジカルを含む非常に反応性が高いフリーラジカルである。さらに、媒介する酸化剤化学種イオンは、酸または中性塩電解質中に存在するアニオン(たとえば、NO3-、SO4-2、またはPO4-3など)と相互作用して、典型的には・NO3であるがこれに制限されないフリーラジカルを生成し、あるいはそれらのアニオンはセルの陽極で直接酸化されうる。反応室5の陽極液を紫外線で照射して(紫外源11参照)中間反応生成物である過酸化水素分子を2個のこのフリーラジカルに開裂させることにより、ヒドロキシルフリーラジカルの総数を増やすことができる。前記の破裂により発生する衝撃波により誘起される超音波振動(超音波源9参照)によってもまた、4800℃の温度と1000気圧への急激な上昇により促進されて、フリーラジカルの総数は増えるであろう。
【００６０】
これらの2次的酸化化学種は有機材料を酸化することができるので、生物系材料を酸化するためにFe(VI)と一緒に働く。
【００６１】
酸化剤は生物系廃棄物と反応してCO2と水を生成する。これらの過程は反応室5で、システムの陽極側の陽極液で起こる。非鉄系MEOシステムへの第二鉄イオンの添加はまた、これが、非鉄MEOシステム単独に比べて生物系廃棄物酸化の全体としての速度が増大する可能性があるという理由で提案されている。(ここで再び、この第二鉄/鉄酸のレドックス対についての記載はまたこのセクションの始めに記載された前記酸化剤化学種のすべてに当てはまることが理解されるべきである。)電気化学的にFeO4-2イオンを生成し、そしてこのFeO4-2イオンが媒介物質イオンをより高い原子価に酸化する2段階反応が、媒介物質イオンそれ自体の電気化学的直接酸化より速ければ、その場合、生物系廃棄物分解速度の、全体としての増加が見られる。
【００６２】
膜27は、電気化学セル25の陽極および陰極室を隔てる。水素イオン(H+)またはヒドロニウムイオン(H3O+)は、(複数の)陽極と(複数の)陰極、それぞれ26と28の間に印加されるdc電力供給源29による電位により、膜27を透過する。陰極液では、このH+イオンと硝酸の間の反応により硝酸が亜硝酸に還元される。
3HNO3 + 6H+ + 6e-  →  3HNO2 + H2O
酸素が、液面より低く位置する空気分散器(air sparge)37を通して陰極液に導入され、硝酸が再生される。
3HNO2 + 3/2O2  →  3HNO3
【００６３】
全プロセスの結果、生物系廃棄物が二酸化炭素、水、および溶液中の、または沈殿としての少量の無機化合物に変換され、この無機化合物は、無機化合物除去および処理システム15により抜き取られるであろう。
【００６４】
MEOプロセスは、生物系廃棄物の完全な分解が影響または変更を受けて、生物系廃棄物の分解は不完全であるが、a)生物系材料が無害でありさらなる処理を必要としない、b)生物系材料が減容された形で使用される予定で、その目的のために回収すると思われる時点でプロセスを停止するまで、進められよう。
【００６５】
図1を参照すると、生物系廃棄物は、液体、固体、あるいは固体と液体の混合物であってよい。ヒンジ付き蓋1が持ち上げられる。生物系廃棄物が、反応室5の固体廃棄物バスケット3の上部に入れられ、その固体廃棄物はそのまま残り、廃棄物の液体部分は陽極液に流れ込むであろう。装置は、廃棄物と接触する酸化性化学種の濃度ができるだけ大きくなるように、電解質の陽極液部分を、直接電気化学セル25から反応室5を通して連続的に循環させている。インラインフィルタ6は、電気化学セル25の流路を詰まらせるほど大きい固体粒子が、反応室5から出て行かないようにしている。酸化性化学種と、反応室5内の条件で気体である不完全酸化生成物との接触は、気体/液体の接触を促進する通常の技術(たとえば、超音波振動9、機械的混合7)を用いることにより高められうる。陽極液または陰極液と接触する装置の表面はすべて、ステンレススチール、ガラス、または非反応性ポリマー(たとえば、PTFE、PTFE被覆管など)からなる。
【００６６】
陽極液循環システムは、ポンプ19、ならびに、廃棄物の流れの中に存在しうる、ハロゲン、イオウ、リン、窒素などのアニオン、あるいはこれらを含むアニオンと、媒介物質または電解質イオンが反応する結果として生成する不溶性無機化合物を除去することにより、不安定なオキシ化合物(たとえば過塩素酸塩など)の生成を防ぐ、除去および処理システム15(たとえば、フィルタ、遠心、液体サイクロンなど)を含む。次に陽極液は電気化学セル25に戻り、酸性化化学種が再生成され、これで陽極液システム(A)の循環が完了する。
【００６７】
連続的にあるいはバッチ方式で、反応室のバスケット3に廃棄物を加えることができる。陽極液は、運転温度で、あるいはより低い温度で運転を開始して、温度制御21により特定の廃棄物流に対する望みの運転温度まで後で上げる。陽極液で電気化学的に生成する酸化性化学種の濃度を、システムのdc電力供給源29により、電気化学セル25に供給される電流を制御することにより、ゼロとその廃棄物流にとって望ましい最高の運転濃度との間の予め決められたある値に制限して、廃棄物を装置に導入することもできる。電解質は、媒介物質化学種の水溶液と選択された化学種に相応しい電解質からなり、約0℃から電解質溶液の沸点のわずかに下、通常100℃未満までの温度範囲内で、望みの廃棄物分解速度(たとえば、最も速い、最も経済的など)に最もよく導くある温度または温度プロフィールで運転される。用いられる酸、アルカリ、または中性塩の電解質は、化学種が存在することになる条件により決まるであろう。
【００６８】
ハロゲン、特に塩素ならびにそれらと銀媒介物質イオンとの有害な相互作用に相当の注意が注がれてきたが、これは、次の2つの理由によって、本発明では、ずっと関心度または重要性が低い。第1に、本明細書で想定している生物系廃棄物は通常、引用特許が対象とするハロゲン化溶剤および神経剤(nerve agent)に比べて、比較的少量のこれらハロゲン元素を含んでいる。第2に、本特許の請求範囲の媒介物質化学種の広範な性質(たとえば、酸化電位、化合物の溶解性、コストなど)により、生物系廃棄物を経済的に酸化する(すなわち、分解する)能力は維持したままで、不溶性化合物の生成を避ける、沈殿物から媒介物質を容易に回収する、あるいは不溶性化合物を単に廃棄物として処理しうるだけ十分に安価なものとするかのいずれかである、単一の媒介物質または媒介物質の混合物を選択できる。
【００６９】
無機化合物残渣は、必要であれば、周期的メンテナンスの間に処理システム15からフラッシングにより除かれる。正当な理由があれば、不溶性無機化合物は、いくつかの化学的または電気化学的方法のいずれか1つを用いて、水溶性化合物に変換される。
【００７０】
廃棄物分解過程は、いくつかの電気化学的および物的方法によりモニタされるであろう。様々なセル電圧(たとえば、開回路、参照電極に対する陽極、イオン特異性電極など)が、陽極液に溶けた、あるいはそれに漬かった還元剤(すなわち、生物系廃棄物)の量と相関がある、酸化型と還元型の媒介物質イオンの濃度比についての情報をもたらす。色の変化が、媒介物質化学種のその酸化および還元状態の間の変化に伴っていれば(たとえば、ヘテロポリブルーなど)、電流ゼロの状態のもとでの酸化状態に関連する色の消失速度を、存在する還元剤(すなわち、酸化されうる廃棄物)の量の大まかな目安として用いることができるであろう。媒介物質に色の変化が起こらない場合、単にpH指示薬の酸化電位相当物として役立つように、別の媒介物質を選択することができるであろう。このような指示体には、作用している媒介物質と生物系化学種のそれの間の酸化電位をもち、また酸化状態の変化に関連する色の変化をすることが求められるであろう。
【００７１】
陽極反応室から出る気体は、生物系廃棄物の炭素質材料の完全および不完全燃焼(すなわち酸化)によるCO2とCO、ならびに可能性として陽極での水分子の酸化による酸素からなるであろう。標準的麻酔学の実践は、これら3種の気体が、運転している室の条件で日常的にリアルタイムでモニタされることを求めており、また他の多くの呼吸関連医療の実践もまたこれらの気体のリアルタイムのモニタを求めている。このために、燃焼生成物の存在による陽極液放出ガスの連続的定量モニタリングにそのまま利用できる小型ガスモニタを製造する発達した産業が存在する。通常同じ様に正確でなくより多量の試料を必要とするが、これらと同じ気体のモニタが、煙道ガス分析をするために、炉およびボイラの保守管理業界で用いられる。
【００７２】
米国特許第4,686,019号、4,749,519号、4,874,485号、4,925,643号、5,364,508号、5,516,972号、5,745,835号、5,756,874号、5,810,995号、5,855,763号、5,911,868号、5,919,350号、5,952,542号、および6,096,283号の全体が関連技術の参照により本明細書に含まれる。
【００７３】
MEO装置
図1「MEO装置図」に示されるMEO装置の概略図は、生物系廃棄物の分解へのMEOプロセスの適用を示している。MEO装置は、陽極液と陰極液溶液からなる電解質溶液を含む2つの独立した閉ループシステムからなる。陽極液と陰極液溶液は、陽極液(A)システムと陰極液(B)システムにそれぞれ含まれている。これらの2つのシステムが以下のパラグラフで詳細に記載される。
【００７４】
陽極液(A)
陽極液の大部分は陽極液反応室5にある。ヒンジ付き蓋1が持ち上げられ、生物系廃棄物が、液体、固体、あるいは液体と固体の混合物として、反応室5の固体廃棄物バスケット3に入れられる。生物系廃棄物が液体だけである場合、液体が、ヒンジ付き蓋1を操作する必要なしに反応室5にポンプで送られるように、反応室5が連続的投入装置をもつように改修される。陽極液部分の電解質溶液は、たとえばFe+3/FeO4-2レドックス対アニオンならびに2次的な酸化性化学種(たとえば、フリーラジカル、H2O2など)を含む。陽極液の大部分は陽極液反応室5にある。陽極液は、ポンプ19により、膜27の陽極26側で電気化学セル25を通って反応室5へと循環する。電気化学セル25の膜27は、電解質の陽極液部分と陰極液部分を隔てる。フィルタ6が反応室5の底部にあって、固体粒子の粒径を約1mmまでに(すなわち、電気化学セル25の陽極液流路の最小寸法より小さく)制限している。小さな温度制御ユニット21と22が、選択された温度範囲に陽極液を加熱または冷却するために、流路に連結している。熱交換器23は電気化学セルに流入する陽極液の温度を下げ、熱交換器24は、陽極液が陽極液反応室5に流入する前に温度を上げるかまたは下げる。電気化学セル25は、AC電力供給源30により電力を供給されるDC電力供給源29により電圧を加えられる。DC電力供給源29は、この範囲に制限はされないが、通常はDC10V未満で作動する低電圧高電流供給源である。AC電力供給源30は、比較的小さいユニットでは典型的なAC110V線、比較的大きなユニットではAC240Vで作動する。
【００７５】
低温でプロセスを実施して、熱活性化される寄生反応が酸化剤を消費する速度を低下させることにより、本明細書でそう呼ばれる、レドックス対の酸化型を電気化学的に産出すること(すなわち陽極酸化)によって生成する酸化剤化学種の総数を増加させることができる。正当な理由があれば、セル内の陽極液温度を望ましいレベルまで下げるために、熱交換器23を電気化学セル25のすぐ近くの上流に置いてもよい。望みの速度で望みの化学反応が起こるように、約0℃から、通常は100℃未満である電解質の沸点のわずかに下までの望ましい温度範囲内に、反応室の陽極液温度を制御するために、別の熱交換器24を陽極液反応室入口のすぐ近くの上流に置いてもよい。
【００７６】
電解質を閉じ込める境界は、酸化性電解質に耐性がある材料(たとえば、ステンレススチール、PTFE、PTFE被覆管、ガラスなど)からなる。システムの陽極液システム(A)で起こる酸化過程の結果生じる、陽極液の運転温度および圧力では気体の反応生成物は、凝縮器13に排出される。比較的容易に凝縮する不完全酸化生成物は、陽極液から放出された気体の流れから凝縮器13で分離されて、さらなる酸化のために、陽極液反応室5に戻される。凝縮しない不完全酸化生成物(たとえば、低分子量有機物、一酸化炭素など)は、気体浄化システム16によって、大気に放出しても許容されるレベルまで減らされる。気体浄化システム16は、ほとんどの種類の生物系廃棄物で、分解用MEO装置に必要なコンポーネントではない。
【００７７】
気体浄化システム16がMEO装置に組み込まれている場合、陽極液から放出されたガスは、凝縮器13からの非凝縮体が、気体浄化システム16の流れ分配システムを通してカラムの下側部分に導入され、また電気化学セル25から直接、新たに酸化された少量の陽極液の側流がカラムの上側部分に導入される、放出気体浄化システム16の向流気体洗浄システム内で接触する。こうすることで、気体相は、それが下向きに流れる陽極液を通してカラムを上昇するときに、酸化性媒介物質化学種と連続的に反応するであろう。これらの条件下で、カラムの最上部からまさに出て行こうとする気体は、酸化されうる化学種の濃度が最低であり、また酸化剤化学種の濃度が最高の陽極液と接触するであろうから、存在する空気汚染物質を、大気に放出しても許容されるレベルまで減らすことが促進されるであろう。カラム内の気体-液体の接触は、影響のある背圧を陽極液流システム内に生じないと思われるいくつかのよく確立された方法(たとえば、充填カラム、脈流、超音波混合など)により促進されるであろう。特異な廃棄組成物が、より通常の大気汚染関連技術によって、より容易に除去できる可能性がある、例外的な気体生成物を発生することがある。このようなやり方を、向流カラムから排出される気体を処理する仕上げ過程として、前記システムと直列に、あるいは利点があれば、その代わりに用いることができるであろう。酸化過程の主な生成物は、CO2、および水(わずかな量のCOと無機塩を含む)であり、CO2はシステムから14で排気される。
【００７８】
任意選択の、無機化合物除去および処理システム15は、処理されている生物系廃棄物に痕跡量を超えるハロゲン、あるいは沈殿を生成する他のアニオンが存在する場合に用いられ、不安定なオキシ化合物(たとえば、過塩素酸塩など)の生成を妨げる。
【００７９】
MEOプロセスは、生物系廃棄物の完全な分解が影響または変更を受けて、生物系廃棄物の分解が不完全な時点でプロセスを停止するまで、進められよう。プロセスを停止する理由は、a)生物系材料が無害でさらなる処理を必要としない、あるいはb)生物系材料が減容された形で使用される予定で、その目的であれば回収してもよいであろう、ということである。有機化合物回収システム17はこの過程を実施するために用いられる。
【００８０】
陰極液システム(B)
陰極液の大部分は陰極液タンク31にある。陰極液部分の電解質は、ポンプ43により、膜27の陰極28側で電気化学セル25を通って循環している。陰極液部分の電解質は、陰極液タンク31に流入する。小さな温度制御ユニット45および46が、選択された温度範囲に陰極液を加熱または冷却するために、陰極液の流路に連結されている。空気分散器37を通して陰極タンク31に外気が導入される。空気に含まれる酸素は、陰極反応により生成した、亜硝酸および少量の窒素酸化物(NOx)を硝酸とNO2にそれぞれ酸化する。ミキサ35による気体/液体接触を促進する通常の技術(たとえば、超音波振動48、機械的混合35)を用いて、酸化性気体と亜硝酸の接触を促進させることができる。硝酸でない陰極液を用いるシステムでもまた、水素のような放出気体を希釈し除去するために空気分散器を必要とするであろう。放出気体浄化システム39は、望ましくない気体生成物(たとえば、NO2など)を除去するために使用される。浄化された気体の流れは、システムに導入された空気の未反応成分と合わせて、大気排気口47を通して放出される。
【００８１】
任意選択の陽極液回収システム41は陰極側に位置している。いくつかの媒介物質酸化剤イオンは膜27を横切ることがあり、この選択肢は、プロセスの効率またはセルの操作性を維持するために、それらを陽極液回収システム41により除去する必要がある場合に、あるいはそれらの経済的価値によりそれらの回収が必要とされる場合に利用することができる。電気化学セル25を膜27の通常の電流密度より大きくして(すなわち、約0.5アンペア/cm2を超える)運転すると、廃棄物分解速度は増加するが、膜を通しての陰極液への媒介物質イオンの移動が増える結果にもなるであろう。電気化学セル25をこの様に運転すると、経済的優位性がありうる。媒介物質化学種の置換コストあるいは除去/回収コストが、電気化学セル25の廃棄物処理速度(すなわち、酸化速度)を上げることによるコスト利得より小さい場合は常に、それは有利である。この運転上の選択肢を用いることにより、電気化学セル25を大きくすることによる資本コストの増加を避けることができる。
【００８２】
MEO制御装置
運転者はMEO装置(図1)を、図2「MEO制御装置」に示されるMEO制御装置を用いて運転する。マイクロプロセッサ内蔵制御装置49は、モニタ51とキーボード53に接続されている。運転者は、モニタ51に表示される情報に応じて、キーボード53を通して制御装置49に命令を入力する。制御装置49は、MEO装置の運転ステップを順番に並べるプログラムを走らせる。プログラムには、運転者が従う標準的な運転シーケンスが予めプログラムされているか、あるいは運転者が自分自身で運転シーケンスを選択するであろう。制御装置49では、安全で信頼できる運転が確保される範囲内で、運転者が彼自身のシーケンスを選択できるようになっているであろう。制御装置49は、MEO装置の様々なコンポーネント、すなわちポンプ19および43、ミキサ7および35、温度制御21、22、45、46、紫外源11、超音波源9および48、CO2排気口14、空気分散器37、ならびに電気化学セル25に、電力(AC 30とDC 29)を調節するデジタル命令を送る。制御装置はコンポーネントからコンポーネントの応答と状況を受け取る。制御装置は、センサの応答によりセンサの情報を入手するために、センサにデジタル命令を送る。MEO装置のセンサは、様々なコンポーネントの状態についてのデジタル情報を与える。センサは流量59、温度61、pH63、CO2排気65、酸化度合い67、空気分散器センサ69などを測定する。制御装置49は、1個の電気化学セルの、あるいは複数のセルで構成される場合には個々のセルの、また(複数の)セル内部の(複数の)陽極と参照電極の間の電位(電位計57)、ならびに各セル内の電極の間を流れている電流(電流計55)についての状況情報を受け取る。
【００８３】
システムモデル例
好ましい実施形態である「MEOシステムモデル1.0」(図3「MEOシステムモデル」に示される)は、医療診察室または実験室で使用される大きさである。好ましい他の実施形態では、外部の配置構成と大きさは異なるが、図1に示される内部の機能とコンポーネントは本質的に同じである。図3の好ましい実施形態は、金属または高強度プラスチックからなり、電気化学セル25、電解質および有孔バスケット3を囲むハウジング72を備える。AC電力は電力コード78によりAC電力供給源30に供給されている。モニタスクリーン51が、システムに関する、また処理されている廃棄物に関する情報を表示するためにハウジング72に組み込まれている。さらに、制御キーボード53が、システムに情報を入力するためにハウジング72に組み込まれている。ハウジング72にそれらを組み込むことなく、モニタスクリーン51および制御キーボード53をシステムに付けてもよい。好ましい実施形態では、状況ライト73が、生物系廃棄物材料の処理状況に関する情報を表示するために、ハウジング72に組み込まれている。空気分散器37が、陰極液表面より下で陰極液タンク31に空気が導入されうるように、ハウジング72に組み込まれている。さらに、CO2排気口14が、内部に収納された陽極液反応室からCO2が放出されうるように、ハウジング72に組み込まれている。好ましい実施形態では、ハウジングは、陽極液および陰極液が通過する(複数の)フラッシュ路18および(複数の)排水路12を含めて、MEO廃棄物処理システムを洗浄する手段を含む。好ましい実施形態では、さらに、陰極液タンク31からの大気中への気体の放出を容易にする大気排気口47が含まれる。他の好ましい実施形態のシステムは、本質的に似ているが、病室、手術室、実験室、焼却炉代替ユニットなどの、より大量の廃棄物を取り扱うためにスケールアップされる。
【００８４】
システムは命令およびデータ入力のための制御キーボード53をもつ。オン/オフのボタン74は、装置に電源を入れ、切るのに用いられる。システムの運転と活動を表示するためのモニタスクリーン51がある。キーボード53およびモニタスクリーン51の下に、オン、オフおよび待機用の状況ライト73がある。ヒンジ付き蓋1が開かれ、生物系廃棄物が室5のバスケット3に入れられる。蓋の止め具2が蓋の開き具合を規制する。ヒンジ付き蓋1は制御装置49により操作されるロック式止め金具76を備えている。室5には、酸、アルカリ、または中性塩電解質水溶液、ならびに媒介する酸化剤化学種溶液があり、この溶液では媒介物質レドックス対の酸化剤型は最初に存在していても、あるいは廃棄物を導入し、そして電気化学セル25にDC電力30を与えた後で電気化学的に生成してもよい。同様に、廃棄物は、陽極液が室温、運転温度またはある最適な中間の温度であるときに導入されるであろう。DC電力供給源30は、電気化学セル25に直流を流す。ポンプ19は電解質の陽極液部分を循環させ、生物系廃棄物材料は100℃未満の温度と大気圧で急速に酸化される。インラインフィルタ6は電気化学セル25の流路を詰まらせるほど大きい固体粒子が、反応室5から出て行かないようにしている。酸化過程は、材料がCO2、水、およびいくらかのCOと無機塩になるまで、それらをどんどん小さい分子に細分化し続けるであろう。残渣は塩の形で安定化され、無機化合物除去および処理システム15ならびに排水出口12を通して周期的にそれを取り除くことができる。反応室5および31にそれらを導入するための配管と同じものを用いて、用途または分解する材料を変える場合、電解質を異なる電解質に置き換えることができる。陰極液タンク31にはネジ蓋33(図1に示される)があり、これにより保守管理者が洗浄およびメンテナンスのためにタンク31を開放することが可能である。
【００８５】
任意選択で、生物系廃棄物が1日を通して発生する毎にそれを加えつつMEO装置を待機モードに置いておき、仕事時間外にそのユニットを完全に活動させることができる。電力消費が少なく、また媒介する酸化剤化学種および電解質の損失が非常に少ないというMEOプロセスの有利な性質により、任意選択で、1日中ずっと生物系廃棄物を低速度で分解するように、1日中装置を低レベルで運転してもよい。
【００８６】
装置がコンパクトであることにより、それは診察室および手術室用として理想的であり、同様に、実験室および病院の手術室でない室の活動による大容積の投入に使用するのに適している。プロセスは低温、大気圧で作動し、生物系廃棄物の分解中に有毒化合物を生成しないので、プロセスを室内で実施できる。システムは、病院の焼却システムを置き換えるのに十分なだけ大型化することができる。陽極液システムAの酸化生成物であるCO2は、CO2排気口14から排気される。陰極液システムBの放出気体生成物は、示されるように大気排気口47から排気される。
【００８７】
MEOプロセス運転ステップ
MEOプロセスの運転ステップは、図4「MEOシステム運転ステップ」に示されている。このMEO装置は、ハウジング72に収容されている。MEOシステムは、81で、運転者が制御キーボード53で「オン」ボタン74(状況ライト73)を入れることによる開始される。82で、マイクロプロセッサ内蔵システム制御装置49が、運転の全シーケンスを制御するプログラムを走らせる。モニタスクリーン51が固有のシーケンスのプロセスステップを表示する。パネル上の状況ライト73がMEO装置の状況を知らせる(たとえば、オン、オフ、準備よし、待機)。83で、蓋1が開かれ、生物系廃棄物(これは液体、固体、および混合物でありうる)がバスケット3に入れられ、その上に廃棄物の固体部分は残り、液体部分はバスケットを通して陽極液に流れ込む。ロック式止め金具76が作動する。85で、ポンプ19と43が、87で陽極液、また89で陰極液の循環をそれぞれ始める。電解質の循環がシステム全体で安定すると、91および93で、ミキサ7および35が運転を始める。廃棄物の特性に応じて(たとえば、反応速度、反応熱など)、廃棄物を、媒介物質レドックス対がほとんどあるいは全く酸化剤型でなく、室温またはより低温の陽極液システムに導入することが望ましいであろう。流れが安定すると、95/97で、温度制御ユニット21、22、45、および46がオンにされ、予め決められた陽極酸化および電解質加熱プログラムが開始される。94で、電気化学セル25に電圧が加えられ(セルへの命令56により)、制御装置プログラムにより決められた電位57と電流55密度になる。プログラム化された電力および電解質の昇温を用いて、反応性が比較的高い廃棄物成分が酸化され、その結果残りの廃棄物に段々と反応性がなくなったら、ますます激しい酸化条件を求めて、比較的一定の反応速度であるような、予め決められた廃棄物分解速度プロフィールを維持することが可能である。99および101で、これらの選択肢が制御装置プログラムで選ばれると、超音波9および48ならびに紫外システム11が陽極反応室5および陰極液反応室31で始動する。103で、CO2排気口14が機能して、陽極液反応室5での生物系廃棄物酸化過程によるCO2が放出される。105で、空気拡散器37および大気排気口47が陰極液システムで稼動する。分解過程の進行は、CO2、COおよび酸素含有量について陽極液から放出される気体組成をモニタする(センサ65を用いて)だけでなく、様々なセル電圧および電流55、57(たとえば、開回路、参照電極に対する陽極、イオン特異性電極など)により、制御装置でモニタされる(酸化センサ67)であろう。
【００８８】
生物系廃棄物は水とCO2に分解されており、103で、後者はCO2排気口14から排出されている。105で、空気分散器37が空気を陰極液タンク31に引き込み、余った空気は大気排気口47から排出される。107で、望みの度合いの廃棄物分解が達成されたと酸化センサ65および67が判断すると、109で、システムは待機状態に移る。111で、システムの運転者は制御装置キーボード53を用いてシステムの停止を実行する。
【００８９】
以下の実施例は本プロセスの応用と装置を例示する。
【実施例１】
【００９０】
原形質の分解:
文献に、67重量パーセントの水、29重量パーセントの有機固体および4重量パーセントの無機物からなると記載されるヒトの原形質の電気化学的酸化を分析することにより、医療/病理学関連廃棄物について装置の性能パラメータを見積もることができる。これらの有機固体はタンパク質(15重量パーセント)、脂質(13重量パーセント)および炭水化物(1重量パーセント)からなる。この分析では、タンパク質はコラーゲン(C102H149O38N31)であり、脂質、または脂肪(C57H110O6)、炭水化物はグルコース単位(C6H12O6)であり、また酸化生成物はH2O、CO2およびNO2であると仮定される。3ボルトのセル電位と85パーセントの電流効率を仮定して、1kgのヒト原形質を酸化するのに8.2kWhを必要とする。この電力がセルを通過するのに必要な時間は、(1)セルの電極表面積(すなわち、セパレータの面積に等しいと仮定される)、(2)セパレータの許容最大電流密度、および(3)3ボルトの電力供給源の電流容量と(4)配電システムの電流輸送容量により決まる。
【００９１】
陽極液は、1ないし22Mの範囲の硝酸、通常は約4ないし8Mの硝酸、0.01Mから飽和溶液までの可溶性鉄(第二鉄)塩、通常は0.5Mの可溶性第二鉄塩(通常は硝酸第二鉄であるが、これに制限されない)である。0.1Mから飽和溶液までの範囲の、他の可溶性媒介物質塩の添加により増強される場合、可溶性鉄塩の濃度の下限を0.001Mまで下げてもよい。陰極液は、1ないし22Mの範囲の硝酸、通常は約4ないし8Mの硝酸である。装置は、約0℃と100℃のわずかに下の間で運転される。別の酸の場合として、Fe+3に対するのと同じ濃度範囲でこれらに溶ける媒介物質に対して、1〜19Mの範囲の硫酸およびリン酸。
【実施例２】
【００９２】
効率がよく環境に対して安全な生成物:
MEOプロセスは、すべてが環境に持ち込んでも無害であると規制機関により想定されているCO2、水、および痕跡量の無機塩を生成する。本発明のMEOプロセスを用いるコストは、焼却および埋め立てによる方法と競合する。MEOプロセスは、この廃棄物(たとえば、組織、体液など)の主な部分を構成する水が、無害であり、あるいは媒介物質酸化性化学種を求めて競合する寄生反応よりもむしろ実際には2次的酸化性化学種源でもあるという理由で、生物系廃棄物の分解に比類なく適している。さらに、廃棄物流路の水成分を雰囲気温度から電解質運転温度まで加熱する(すなわち、80℃の最大温度上昇)ためにMEOプロセスに供給されなければならないエネルギーは、オートクレーブで必要とされる水のエンタルピー増加あるいは焼却に基づくプロセスに比べると取るに足りない。
【実施例３】
【００９３】
無害な室内運転:
本システムは、それが、システムのすぐ近くで働く人々、ならびに医療条件で治療されている人々と共存しなければならない病院の部屋または実験室などの室内環境で作動するように作られるという理由で、従来技術に比べて独特である。このシステムは人が存在するスペースでの室内使用、ならびに焼却炉の建物に類似の産業上の作業スペースに適している。
【実施例４】
【００９４】
継承して安全な運転:
本システムは、限られた運転技術を必要とするように作られる。システムの制御装置は、運転者を通常の運転サイクル、ならびに利用しうる様々な選択肢により誘導するようにプログラムされている。システムにはその運転サイクル中にアクセス可能なため、部屋の環境と両立しうる状態のままで、処理中の廃棄物にさらなる生物系廃棄物を加えることができる。新しい生物系廃棄物が運転中にシステムに追加されようとするとき、運転者はその選択肢を選ぶ。システムの制御装置はシステムの運転ステップをステップ83に戻す。それは、ステップ85、87、89、91、93、94、95、97、99、101を停止し、ステップ103および105を活動状態に維持する。制御装置はロック付き止め金具76を開放し、運転者はさらに生物系廃棄物を加えるであろう。彼が追加するのを完了した後、彼は再スタートの選択肢を選ぶ。システムはこれらのステップを通して元に戻り、廃棄物の処理を継続する。
【実施例５】
【００９５】
化学反応は安全である:
本システムは、使用されようとする環境で取り扱って安全な材料を用いて作動するように作られる。生物系廃棄物は、よく使用される電解質と反応して室内環境に問題を生じるであろう揮発性化合物を生成する物質をほとんど、あるいは全く含まない。システムは、約0℃から、通常100℃より低い、電解質の沸点のわずかに下までの温度、ならびに大気圧で作動し、このことは室内に共存しうる性質に寄与している。
【実施例６】
【００９６】
環境に優しい装置(green machine):
生物系廃棄物で使用するために作られた新規なシステムの単純さにより、既存の廃棄物処理より、運転してより経済的で、使用してより清潔なシステムが作り出される。大量のハロゲンを処理する必要がないので、従来のMEOシステムとの比較で、システムの複雑さは少なくなっている。本システムは、環境に害がないシステムという意味で、真に「環境に優しい装置」である。
【実施例７】
【００９７】
システムの順応性:
本システムは、生物系廃棄物の流れの選択された組成にシステムを合わせるように、電解質の組成を変えることができるように作られる。システムには、陽極液および陰極液を別々にフラッシュし排水するための出入口が設けられている。
【実施例８】
【００９８】
システムの副生成物は安全である:
本システムの順応性により、電解質の効率を著しく向上させる1種より多い媒介物質が導入できるようになっている。さらに、それは電解質を溶液中の塩素イオンに対して鈍感にする(すなわち、不安定な過塩素酸化合物の生成を防ぎ易くなる)。
【００９９】
本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、特許請求の範囲に定められる本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の変更および変形形態を構成することができる。
【０１００】
我々はMEOプロセスおよびその様々な化学的ステップを説明し、我々はそれを正確であると信じている。しかし、プロセスが、表明された我々の説明と異なる場合でも、我々はすべての請求範囲を有効なものとして主張する。
【０１０１】
我々は、このセクションで与えられた理論的な説明は正しいと信じるが、それらに拘束されることは望まない。
【０１０２】
新規な生物系廃棄物材料システムの重要な特徴と要素のいくつかには以下が含まれる。
【０１０３】
1.電気化学セルに電解質を配置すること、電解質をイオン選択膜または半透膜を用いて陽極液部分と陰極液部分に分けること、陽極液部分と陰極液部分の間に直流電圧を印加すること、陽極液部分に生物系廃棄物材料を入れること、および媒介型電気化学的酸化(MEO)プロセスで生物系廃棄物材料を陽極液部分で酸化することを含み、陽極液部分が媒介物質を水溶液中にさらに含み、電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である生物系廃棄物材料を処理し酸化する方法。
【０１０４】
2.パラグラフ1の方法:
a.陽極液部分は、水溶液中に、表Iに記載される群から選択される、1種または複数の単純なアニオンの媒介物質イオン化学種をさらに含み、電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である。
b.酸化性化学種は、水溶液中で、アデンダ原子としてタングステン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、あるいはこれらの組合せを含む、1種または複数のタイプIのイソポリアニオン(すなわち、錯体アニオンのレドックス対媒介物質)から選択され、電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である。
c.酸化性化学種は、水溶液中で、前記タイプIのイソポリアニオンにヘテロ原子として表IIに列挙されるいずれかの原子を単独でまたはそれらの組合せで組み込むことにより形成される、1種または複数のタイプIのヘテロポリアニオンから選択され、電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である。
d.酸化性化学種は、水溶液中で、表Iと表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子(すなわち元素)を含む、1種または複数の任意のヘテロポリアニオンから選択され、電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である。
e.酸化性化学種が、前の4つのパラグラフ(2a、2b、2c、2d)のいずれかまたはすべてから選ばれるアニオンレドックス対媒介物質の組合せから選択される。
f.電解質に触媒添加剤を入れ、その添加剤は生物系廃棄物材料の酸化に直接関与しないようにしておくが、媒介型電気化学的プロセスの速度に寄与すること。
g.単純および錯体アニオンレドックス対媒介物質の比較的高い酸化状態の化学種の酸化型の寿命の短さを克服し安定化させるのに役立つ、テルル酸または過ヨウ素酸イオンなどの安定化化合物を電解質に加えること。
h.酸化性化学種は、90より小さい原子番号をもち、表Iに記載されるものである。
i.それぞれの化学種には通常の原子価状態と、より高い原子価の酸化性状態があり、通常の原子価状態の化学種から電気化学セルで電子を剥ぎ取ることにより、酸化性の、より高い電子価状態の酸化性化学種を作り出すことをさらに含むこと。
k.酸化性化学種が、ヒドロキシまたはペルヒドロキシルフリーラジカルを生成させることができるレドックス対化学種であるスーパー酸化剤(SO)(少なくともCe+3/Ce+4レドックス対のそれ(すなわち、1.7ボルト)に等しい酸化電位を通常示す)であり、SOと水を反応させることにより2次的酸化剤を作り出すことをさらに含む。
l.脂肪のけん化(すなわち、塩基促進エステル加水分解)により誘導される、生物系廃棄物材料の分解を促進して、動物性脂肪を温苛性アルカリ水溶液に導入することによる、動物性脂肪からの石鹸の製造に似たプロセスで、水溶性の、脂肪酸のアルカリ金属塩(すなわち石鹸)とグリセリンを生成させるためにアルカリ溶液を用いること。
m.CO2を吸収するアルカリ陽極液溶液を用い、生物系廃棄物の酸化から、後に電気化学セルを通して循環し、過炭酸酸化剤を生成する重炭酸/炭酸溶液を生成させること。
n.スーパー酸化剤が、水溶液中で、これらに制限はされないが、炭酸、アジ化物、亜硝酸、硝酸、亜リン酸、リン酸、亜硫酸、硫酸、亜セレン酸、チオシアン酸、塩化物、臭化物、ヨウ化物、およびギ酸酸化性化学種などから無機フリーラジカルを生成させること。
o.レドックス対の還元型が電気化学セル内の陽極液側で再酸化される。
p.膜(陽極および陰極溶液の間のセパレータ)は、微孔プラスチック、焼結ガラスフリット、多孔セラミックなどでありうる。
q.電極上にセルの能力を制限する表面膜が形成されるのを遅らせるための、DC電圧に被せてのAC電圧の印加。
r.陽極液に有孔バスケットを配置すること。
s.陰極液部分に酸素を付加すること(これは、HNO3、またはNO3-塩に対してだけ必要である)。
t.表Iに記載されるもの(単純なアニオン);アデンダ原子として、タングステン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、あるいはこれらの組合せを含むタイプIのイソポリアニオン;ヘテロ原子として、表IIに列挙される元素のいずれかを単独でもしくはそれらの組合せで、前記イソポリアニオンに組み込むことにより形成されるタイプIのヘテロポリアニオン;表Iおよび表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子(すなわち元素)を含む任意のヘテロポリアニオン。
u.アニオンレドックス対媒介物質の酸化型の生成を促進するために、陽極液が電気化学セルに入る前に、その温度を調節する(たとえば、0℃と、沸点よりわずかに下の間)。
v.望みの化学反応を望みの速度で行わせるために、電気化学セルに入る陽極液の温度を下げることに続いて、陽極液反応室に入る陽極液の温度を調節する(たとえば、0℃と、沸点よりわずかに下の間)。
【０１０５】
3.パラグラフ1の方法:
a.超音波エネルギーで細胞膜内の局所的温度を数千度を超えるまでに瞬間的に上昇させることにより、生物系廃棄物材料の細胞膜を破り、細胞膜を破壊させる超音波エネルギーを陽極液部分に投入すること。
b.陽極液部分に紫外エネルギーを投入し、そこで過酸化水素およびオゾンをヒドロキシルフリーラジカルに分解することで、電子を消費する寄生反応生成物(すなわち、オゾンと過酸化水素)を、さらなる電子を消費することなく、有効なフリーラジカル(すなわち、2次的)酸化剤に変換することによって、MEOプロセスの効率を上げること。
c.生物系廃棄物材料または反応生成物が水溶性でなく、混和しない層を形成する傾向があるときに、水溶液内で、生物系廃棄物または中間段階反応生成物の分散を促進するために、陽極液部分に添加される界面活性剤を用いること。
d.過臭素酸を用い、そしてステンレススチール製品(たとえば、背景技術で参照される法令および法規に定められる鋭利物)を分解する。
e.単純および/または複雑なレドックス対媒介物質を用い、低温で運転し、ダイオキシンおよびフランの生成を避けながら、酸化性化学種で特定の有機分子を攻撃すること。
f.生物系廃棄物材料を有機化合物へと分解すること、そして単純および/または錯体アニオンのレドックス対媒介物質、あるいは有機フリーラジカルの生成に向かう無機フリーラジカルを用いて有機化合物を攻撃すること。
g.生物系廃棄物材料を処理し酸化することが、これまでに参照された生物系廃棄物の定義により定められる動物廃棄物を処理し酸化することを含む。
h.通常の原子価状態(NVS)のアニオンをより高い原子価状態に上げること、また電気化学セルでNVSアニオンから電子を剥ぎ取ること;存在する他のどのレドックス対の酸化型も、同様の陽極酸化、あるいは存在する他のレドックス対の酸化型との反応により生成する。レドックス対の酸化型化学種は生物系廃棄物分子を酸化し、それら自身はそれらの還元型に変換され、その後それらは前記の機構のいずれかによって再酸化され、レドックスサイクルが続く。
i.電気化学セルを通してアニオンを循環させ、可逆的レドックス対の還元型を酸化型に陽極酸化すること。
j.陽極液部分でアニオンを生物系廃棄物材料と接触させること。
k.電気化学セルを通してアニオンを循環させること。
l.2次的酸化過程に、1.7ボルトの閾値を超える酸化電位をもつアニオン(すなわち、スーパー酸化剤)が関与し、酸化剤を生成すること。
m.紫外(UV)エネルギー源を陽極液部分に加え、2次的酸化過程を促進し、過酸化水素とオゾンをヒドロキシルフリーラジカルに分解し、こうして酸化過程を増加させること。
n.超音波エネルギー源を陽極液に導き、生物系廃棄物の細胞膜に照射し、細胞膜内の局所的温度を瞬間的に上げて、細胞膜の破壊を引き起こし、陽極液部分で細胞の内容物が酸化性化学種によりよく曝されるようにする。
o.本特許で対象とする酸化性化学種(すなわち、原子番号が90未満の特性元素)は、表Iに記載されるもの(単純なアニオンのレドックス対媒介物質);Mo、W、V、Nb、Taにより形成されるタイプIのIPA、もしくはこれらの混合物;もしよければ表IIに列挙される元素(ヘテロ原子)のいずれかを単独でもしくはそれらの組合せで、前記IPAに組み込むことにより形成されるタイプIのHPA;または表Iおよび表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子(すなわち、元素)を含む任意のHPA;あるいはこれらの包括的な群のいずれかまたはすべてから選ばれる媒介物質酸化性化学種の組合せ;である。
【０１０６】
4.さらに以下を含む、パラグラフ1の方法:
a.廃棄物-陽極液の混合物を電気化学セルを通して循環させて、陽極酸化、あるいはより強力なレドックス対の酸化型が電極液に加えられ電気化学セルで陽極酸化されたとして、それとの反応により、in situな可逆的レドックス対の酸化型を生成させることで、分解される廃棄物にin situに見出される酸化剤化学種を用いて、生物系廃棄物材料を分解すること。
b.これらに制限されないが、NaOHまたはKOHなどのアルカリ電解質を、媒介物質化学種と共に用い、前記媒介物質レドックス対の還元型が、生物系廃棄物材料の望みの酸化を実用的な速度で進ませることができるだけ十分に前記電解質に溶解する。水素イオンを生じるレドックス反応(すなわち、媒介物質化学種と生物系廃棄物分子の両方の反応)の酸化電位は、電解質のpHに反比例するので、媒介物質レドックス対を適切に選択して、電解質のpHを大きくすることにより、望みの酸化過程を実施するのに必要な電位をできるだけ小さくすることができるので、分解される生物系廃棄物の単位質量あたりの消費電力が減少する。
c.水溶液は、これらに制限されないが、硝酸、硫酸、もしくはリン酸などの酸、またはこれらの混合物;あるいはこれらに制限されないが、水酸化ナトリウムもしくは水酸化カリウムなどのアルカリ、またはこれらの混合物;あるいはこれらに制限されないが、硝酸、硫酸、もしくはリン酸ナトリウムもしくはカリウムなどの中性塩、またはこれらの混合物;から選択される。
d.陽極液に分散する個々の第2段階の廃棄物を望ましく減容するために用いられる、超音波エネルギーが引き起こす微視的な泡の破裂の利用。
【０１０７】
5.さらに以下を含む、パラグラフ1の方法:
a.好ましい実施形態では、装置を換えることなく酸化性化学種を入れ替えること。
b.電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である。
【０１０８】
6.さらに以下を含む、パラグラフ1の方法:
a.生物系廃棄物を処理し酸化することが、これまでに参照された生物系廃棄物の定義により定められる死体関連廃棄物を処理し酸化することを含む。
b.生物系または産業系有機廃棄物材料を処理し酸化することが、これらに制限はされないが、潜水艦、駆逐艦、巡洋艦および空母などの軍用艦船から出る廃棄物を処理し酸化することを含む。
c.生物系廃棄物を処理し酸化することが、これらに制限はされないが、クルーズ船、タンカー、貨物船、釣舟、レクリエーション用船舶およびハウスボートなどの商用船舶から出る廃棄物を処理し酸化することを含む。
d.生物系廃棄物を処理し酸化することは、これまでに参照された生物系廃棄物の定義により定められる獣医業関連廃棄物を処理し酸化することを含む。
e.陽極液部分と陰極液部分を、水素またはヒドロニウムイオン透過膜、あるいは微孔ポリマー、多孔セラミックまたはガラスフリット膜を用いて隔てること。
f.陽極液で最も高い酸化電位をもつレドックス対の酸化型を生成させるのに十分な電位レベルで電気化学セルに電圧を加えること。
g.生物系廃棄物材料を陽極液部分に導入すること。
h.酸化されうる分子との接触により1種または複数の可逆的レドックス対の還元型を生成させること、すなわち可逆的レドックス対の酸化型の、それらの還元形への還元を同時に伴い、酸化されうる材料を酸化する反応。
i.電解質中の過酸化水素を瞬間的に1000気圧で4800℃まで加熱して、過酸化水素をヒドロキシルフリーラジカルに解離させて2次的な酸化過程を促進することにより酸化過程を増加させる、陽極液に連結する超音波源。
j.水素イオンを生じるレドックス反応の酸化電位がpHと反比例の関係にある。
k.プロセスが0℃のわずかに上から、通常100℃より低い、電解質の沸点のわずかに下までの温度で実施されることを特徴とするパラグラフ1の方法。
l.プロセスを実施する温度は変えられる。
m.生物系廃棄物を処理し酸化することが、固体廃棄物を処理し酸化することを含む。
n.生物系廃棄物を処理し酸化することが、液体廃棄物を処理し酸化することを含む。
o.生物系廃棄物を処理し酸化することが、液体と固体の組合せを処理し酸化することを含む。
p.酸化性化学種と分解中に生物系廃棄物から放出される他の化学種との組合せにより生じる沈澱を除去し処理すること。
【０１０９】
7.陽極および陰極溶液の両方が同じ電解質を含む必要はなく、むしろそれぞれの電解質システムは他方から独立していてよく、通常は硝酸、硫酸またはリン酸であるがこれらに制限はされない酸;通常は水酸化ナトリウムもしくはカリウムであるがこれらに制限はされないアルカリ;あるいは通常は前記の強酸のナトリウムもしくはカリウム塩であるがこれらに制限はされない中性塩;の水溶液からなるということをさらに含むパラグラフ1の方法。
【０１１０】
8.膜を挟んで0.5アンペア/平方センチメートルより大きい電流密度で、これは、それを超えると金属アニオンが膜を通して少量漏れる可能性がある限界であるが、電気化学セルを運転すること、および金属アニオンを樹脂カラムなどの装置を通して回収すること、こうして陽極液室の材料の分解速度をより大きくすることをさらに含むパラグラフ1の方法。
【０１１１】
9.パラグラフ1の方法:
a.陰極溶液が水溶液をさらに含み、その溶液中の電解質は、通常は硝酸、硫酸またはリン酸であるがこれらに制限はされない酸;あるいは通常は水酸化ナトリウムもしくはカリウムであるがこれらに制限はされないアルカリ;あるいは通常は前記の強酸のナトリウムもしくはカリウム塩であるがこれらに制限はされない中性塩からなる。
b.陰極液部分に酸素を付加すること(これは、HNO3またはNO3-塩に対してだけ必要である)。
c.陰極液中の電解質濃度は、電気化学セルで望ましい、陰極溶液の伝導度へのその効果により支配されるであろう。
d.硝酸が陰極電解質に用いられたとき、硝酸および少量の窒素酸化物を酸化することが望ましい場合、超音波エネルギーにより誘起される微視的泡の破裂が陰極溶液を激しく混合するために用いられるであろう。
e.硝酸および少量の窒素酸化物を酸化することが望ましい場合、機械的混合が陰極溶液を激しく混合するために用いられるであろう。
f.陰極液反応と陰極液にあるHNO3またはNO3-塩により生成する亜硝酸および少量の窒素酸化物(NOx)の酸化を促進するために、陰極溶液に空気が導入される。
g.空気が、陰極液部分で発生する水素を放出する前に希釈するために、陰極溶液に導入される。
【０１１２】
10.電気化学セル、電気化学セルに配置される電解質水溶液、セルを陽極液および陰極液室に分解し、また電解質を陽極液および陰極液部分に分けるために化学セルに配置される水素またはヒドロニウムイオン透過膜、電気化学セルで、陽極液および陰極液室に、また電解質の陽極液および陰極液部分にそれぞれ配置される陽極および陰極をさらに備える電極、電解質の陽極液と陰極液部分の間に直流電圧を印加するために陽極と陰極の間に接続される電力供給源、生物系廃棄物材料を収容するために陽極液室に配置される有孔バスケットを備え、生物系廃棄物材料を媒介型電気化学的酸化(MEO)プロセスにより陽極液部分で酸化し、陽極液部分が水溶液中に媒介物質をさらに含み、電解質が酸性、中性またはアルカリ性水溶液である、生物系廃棄物材料を処理し酸化するための装置。
【０１１３】
11.パラグラフ10の装置:
a.生物系廃棄物材料の酸化に直接関与しないが、電解質に入れられ、媒介型電気化学的プロセスの速度に寄与するための添加剤。
b.電解質中で酸化性化学種として用いられる可逆的レドックス対または対の酸化型の、より高い酸化状態の化学種を安定化させるための化合物。
c.本特許で対象とする酸化性化学種(すなわち、原子番号が90未満の特性元素)は、表Iに記載されるもの(単純なアニオンのレドックス対媒介物質);Mo、W、V、Nb、Taにより形成されるタイプIのIPA、もしくはこれらの混合物;もしよければ表IIに列挙される元素(ヘテロ原子)のいずれかを単独でもしくはそれらの組合せで、前記IPAに組み込むことにより形成されるタイプIのHPA;または表Iおよび表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子(すなわち、元素)を含む任意のHPA;あるいはこれらの包括的な群のいずれかまたはすべてから選ばれる媒介物質酸化性化学種の組合せ;である。
d.酸化性化学種がスーパー酸化剤であり、スーパー酸化剤と陽極水溶液との反応により、2次的酸化剤を作り出すことをさらに含む。
e.生物系廃棄物材料の分解を助けるアルカリ溶液。
f.CO2を吸収し、電気化学セルを通して循環し過炭酸酸化剤を生成するアルカリ金属重炭酸塩/炭酸塩を生成するアルカリ溶液。
g.ステンレススチール製品(たとえば、鋭利物)を分解するための過臭素酸。
h.スーパー酸化剤が、水溶液中で、炭酸、アジ化物、亜硝酸、硝酸、亜リン酸、リン酸、亜硫酸、硫酸、亜セレン酸、チオシアン酸、塩化物、臭化物、ヨウ化物、および化学種から生成させる無機フリーラジカル。
i.MEOプロセスを補助し、生物系廃棄物材料をより単純な(すなわち、より小さな分子構造の)有機化合物に分解する有機フリーラジカル。
j.酸化剤を生成する2次的酸化過程に関与する、1.7ボルトの閾値を超える酸化電位をもつアニオン(すなわち、スーパー酸化剤)。
k.本特許で対象とする酸化性化学種(すなわち、原子番号が90未満の特性元素)は、表Iに記載されるもの(単純なアニオンのレドックス対媒介物質);Mo、W、V、Nb、Taにより形成されるタイプIのIPA、もしくはこれらの混合物;もしよければ表IIに列挙される元素(ヘテロ原子)のいずれかを単独でもしくはそれらの組合せで、前記IPAに組み込むことにより形成されるタイプIのHPA;または表Iおよび表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子(すなわち、元素)を含む任意のHPA;あるいはこれらの包括的な群のいずれかまたはすべてから選ばれる媒介物質酸化性化学種の組合せ;である。
l.陽極液に分散する個々の第2段階の廃棄物を望ましく減容するために用いられる、超音波エネルギーが引き起こす微視的な泡の破裂の利用。
m.膜は、微孔ポリマー、多孔セラミックまたはガラスフリットでありうる。
n.電極上にセルの能力を制限する表面膜が形成されるのを遅らせるための、DC電圧に被せてのAC電圧の実行可能な印加。
o.外気が空気分散器を通して陰極液タンクに導入され、空気に含まれる酸素が、陰極反応により生成する、亜硝酸および少量の窒素酸化物(NOx)を酸化する(これは、HNO3またはNO3-塩が陰極液に存在する場合にだけ必要である)。
【０１１４】
12.パラグラフ10の装置:
a.酸化性化学種のそれぞれが、通常の原子価状態(すなわち、レドックス対の還元型)とより原子価の高い酸化性の状態をもち、電気化学セルで通常の原子価状態の化学種から電子を剥ぎ取り減らすことにより、酸化性化学種の、より原子価の高い酸化性の状態(すなわち、レドックス対の酸化型)を作り出すことをさらに含むこと。
b.水素イオンを生成するレドックス反応の酸化電位がpHと反比例の関係にあり、このことが生物系廃棄物を分解するのに必要とされる電力を減少させるという理由で、アルカリ溶液で使用できる化学種を用いること。
c.さらなる酸化性化学種、およびダイオキシンおよびフランの生成を避けるように十分低い温度で運転しながら、その酸化性化学種で特定の有機分子を攻撃すること。
d.これまでに参照された生物系廃棄物の定義により定められる医療用の鋭利物を処理するための過臭素酸。
e.陽極液で最も高い酸化電位を有するレドックス対の酸化型を生成させるのに十分な電位レベルで電気化学セルに電圧を加えること。
f.電気化学セルに入る前に熱交換器で陽極液の温度を、0℃と沸点のわずかに下の間で調節してアニオンレドックス対媒介物質の酸化型の生成を促進する。
g.熱交換器で陽極液反応室に入る陽極液の温度(たとえば、0℃と沸点のわずかに下の間)を調節して、望みの化学反応を望みの速度で行わせる。
【０１１５】
13.パラグラフ10の装置:
a.酸化性化学種が、水溶液中でアデンダ原子としてタングステン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、あるいはこれらの組合せを含む、1種または複数のタイプIのイソポリアニオン(すなわち、錯体アニオンのレドックス対媒介物質)であり、電解質は酸性、中性またはアルカリ性水溶液である。
b.酸化性化学種が、水溶液中で、前記タイプIのイソポリアニオンにヘテロ原子として表IIに列挙されるいずれかの原子を単独でまたはそれらの組合せで組み込むことにより形成される、1種または複数のタイプIのヘテロポリアニオンであり、電解質は酸性、中性またはアルカリ性水溶液である。
c.酸化性化学種が、水溶液中で、表Iと表IIの両方に含まれる少なくとも1種のヘテロ原子(すなわち元素)を含む、1種または複数の任意のヘテロポリアニオンであり、電解質は酸性、中性またはアルカリ性水溶液である。
d.酸化性化学種が、前の3つのパラグラフ(13a〜c)のいずれかまたはすべてから選ばれるアニオンレドックス対媒介物質の組合せである。
e.酸化性化学種が、生物系廃棄物材料を分解している間にin situに見出される化学種のより高い原子価状態である。
f.電解質が、酸性、中性、またはアルカリ性水溶液である。
【０１１６】
14.以下をさらに含む、パラグラフ10の装置:
a.水溶液は、これらに制限されないが、硝酸、硫酸、もしくはリン酸などの酸;これらに制限されないが、水酸化ナトリウムもしくは水酸化カリウムなどのアルカリ;あるいはこれらに制限されないが、硝酸、硫酸、もしくはリン酸ナトリウムもしくはカリウムなどの中性塩;から選択される。
b.生物系廃棄物材料が、医薬品製造工程廃棄屑(abatement)、廃棄医薬品である。
c.生物系廃棄物材料が、これまでに参照された生物系廃棄物の定義により定められる動物廃棄物である。
d.生物系廃棄物材料が、これまでに参照された生物系廃棄物の定義により定められる死体関連廃棄物である。
e.生物系廃棄物材料が、これらに制限はされないが、潜水艦、駆逐艦、巡洋艦および空母などの軍用艦船から出る廃棄物である。
f.生物系廃棄物材料が、これらに制限はされないが、商用船舶、クルーズ船、タンカー、貨物船、釣舟、レクリエーション用船舶およびハウスボートなどの非軍事用艦船から出る廃棄物である。
g.生物系廃棄物材料が、これまでに参照された生物系廃棄物の定義により定められる獣医業からの廃棄物である。
h.陽極液部分と陰極液部分を隔てるが同時に水素またはヒドロニウムイオンが陽極液から陰極液に透過できる、水素またはヒドロニウムイオン半透過、微孔ポリマー、多孔セラミックまたはガラスフリット膜をもつ。
i.水素イオンを生成するレドックス反応の酸化電位がpHと反比例の関係にある。
j.生物系廃棄物が液体廃棄物である。
k.生物系廃棄物が液体と固体の組合せである。
l.好ましい実施形態では、装置を換えることなく酸化性化学種を入れ替えられる。
【０１１７】
15.以下をさらに含む、パラグラフ10の装置:
a.陽極液室に連結し、そこで過酸化水素およびオゾンをヒドロキシルフリーラジカルに分解し、これらの2次的酸化剤による陽極液室での生物系廃棄物材料の酸化を通じてエネルギーを回収することによりMEOプロセスの効率を上げる紫外源11。
b.陽極液室に連結し、過酸化水素含有電解質を1000気圧で4800℃まで加熱することにより過酸化水素をヒドロキシルフリーラジカルに解離させて2次的酸化過程を促進し、こうして酸化過程を増加させる超音波源9。
d.陽極液室に連結し、生物系材料の細胞膜に照射して細胞膜内の温度を瞬間的に上昇させることにより細胞膜の破壊を引き起こし、陽極液で細胞の内容物が酸化性化学種によりよく曝されるようにする超音波エネルギー源9。
e.陽極液室に連結し、超音波エネルギーで細胞膜内の局所的温度を数千度を超えるまでに瞬間的に上昇させることにより、生物系廃棄物材料の細胞膜を破り、そして細胞膜の破壊を引き起こす超音波エネルギー源9。
f.陽極液に分散する個々の第2段階の廃棄物を望ましく減容するために用いられる、超音波エネルギー源9による、超音波エネルギーが引き起こす微視的な泡の破裂の利用。
g.陽極液部分の大部分と有孔バスケット3を収容する反応室5。
h.CO2を自動的に放出するためのCO2排気口14。
i.ハウジングに連結し、大気にCO2を放出する外部CO2排気口14。
j.反応室に取り付けられ、陽極液部分に液体、固体、または液体および固体の混合物として廃棄物を挿入できるようにするヒンジ付き蓋1。
k.陽極液ポンプに連結し、処理されている生物系廃棄物に存在する塩化物および他の沈澱生成アニオンが痕跡量を超えて存在すると使用されて不安定なオキシ化合物(たとえば、過塩素酸塩)の生成を防ぐ、無機化合物除去および処理システム15。
l.放出気体浄化システム16が洗浄器/吸収カラムを備える。
m.陽極液反応室に連結する凝縮器13。
n.非凝縮性不完全酸化生成物(たとえば、低分子量有機物および一酸化炭素など)は、気体浄化システム16により大気への放出が許容されるレベルまで低減される。
o.気体浄化システム16は、ほとんどの種類の生物系廃棄物の分解で、MEOプロセスの必要なコンポーネントではない。
p.気体浄化システム16が、MEOシステムに組み込まれれている場合、陽極液放出気体は、凝縮器13からの非凝縮体が流れ分配システムを通して気体浄化システム16の下側部分に導入され、また電気化学セル25から直接、新たに酸化された少量の陽極液の側流がカラムの上側部分に導入される気体浄化システム16で接触し、結果的に気体相は、それが下向きに流れる陽極液を通してカラムを上昇するときに、酸化性媒介物質化学種と連続的に反応する。
q.有機化合物除去システム17および無機化合物除去および処理システム15に対する排出、および陽極液システムの排出のための外部排出口12。
r.有機化合物回収システム17は、a)無害でさらなる処理を必要としない生物系材料、およびb)減容された形で使用される予定でありその目的であれば回収してもよい生物系材料を回収するために用いられる。
s.任意選択の無機化合物除去および処理システム15は、処理されている生物系廃棄物に存在する塩化物および他の沈澱生成アニオンが痕跡量を超えて存在すると使用されて不安定なオキシ化合物(たとえば、過塩素酸塩)の生成を防ぐ。
t.小さな温度制御ユニット21および22は陽極液を選択された温度範囲に加熱または冷却するために流路に連結される。
u.陽極液は膜27の陽極26側のポンプ19により電気化学セル25を通して反応室5に循環する。
v.陽極システムのフラッシングのためのフラッシュ口18。
w.フィルタ6が、固体粒子の大きさを直径約1mmに制限するために反応室5の底部にある。
x.電気化学セル25の膜27が、電解質の陽極液部分と陰極液部分を隔てる。
y.電気化学セル25が、AC電力供給源30により電力を供給されるDC電力供給源29により、電圧を加えられる。
z.DC電力供給源29は、この範囲に制限はされないが、通常DC10V未満で作動する低電圧高電流供給源である。
aa.AC電力供給源29は、比較的小さいユニットでは通常AC110V線で、比較的大きなユニットではAC240Vで作動する。
bb.電解質を閉じ込める境界は酸化性電解質に耐性がある材料(たとえば、ステンレススチール、PTFE、PTFE被覆管、ガラスおよびセラミック)からなる。
cc.陽極液室に連結する電気化学セル25。
【０１１８】
16.パラグラフ10の装置:
a.陰極液ポンプ(43)に連結する陽極液回収システム41。
b.陰極液タンクに連結し陰極液部分の温度を変えるための温度制御ユニット45。
c.電気化学セルの陰極液部分に連結する陰極液タンク31。
d.陰極液部分の大部分は陰極液タンク31にある。
e.電解質の陰極液部分が陰極液タンク31に流入する。
f.陰極液タンクに連結し陰極液タンクに空気を導入するための空気分散器37。
g.アニオンを補足し、陽極液室へアニオンを再導入するか、陰極液電解質から廃棄するための陽極液回収システム41。
h.陰極液タンクに連結し、大気への放出前に気体を浄化するための放出気体浄化システム39。
i.放出気体浄化システムに連結し大気に気体を放出するための大気排気口47。
j.放出気体浄化システム39からの浄化気体はシステムに導入された空気の未反応成分と合わせて大気排気口47から排出される。
k.陰極液タンクのフラッシングを容易にするための陰極液タンク上のネジ蓋33。
l.陰極液タンクに連結し陰極液を攪拌するためのミキサ35。
m.陰極液タンクに連結し、陰極液を電気化学セルへと戻し循環させる陰極液ポンプ43。
n.陰極液を排出するための排出口12。
o.陰極液システムのフラッシングのためのフラッシュ口18。
p.ハウジングに連結し陰極液タンク31に空気を導入するための空気分散器37。
q.電解質の陰極液部分は、ポンプ43により膜27の陰極28側で電気化学セル25を通して循環する。
r.小さな温度制御ユニット45および46は、陰極液を選択された温度範囲に加熱または冷却するために陰極液流路に連結されている。
s.酸化性気体と電解質の陰極液部分との接触を、ミキサ35(たとえば、超音波振動48、機械的混合35など)により気体/液体の接触を促進させる通常の技術を用いて向上させることができる。
t.電気化学セル25を通常より大きな膜27電流密度(すなわち、約0.5アンペア/cm2を超える)で運転すると、廃棄物分解速度が大きくなるが、また膜を通しての陰極液への媒介物質イオンの移動が増える結果になるであろう。
u.任意選択の陽極液回収システム41は陰極液側に位置する。
v.硝酸でない陰極液を用いるシステムでも、水素などの放出気体を希釈し、除去するために空気分散器を必要とすることがある。
w.いくつかの媒介物質酸化剤イオンは膜27を横切ることがあり、この選択肢は、プロセスの効率またはセルの操作性を維持するために、それらを陽極液回収システム41により除去する必要がある場合に、あるいはそれらの経済的価値によりそれらの回収が必要とされる場合に利用することができる。
x.電気化学セル25を通常より大きな膜27電流密度(すなわち、約0.5アンペア/cm2を超える)で運転すると、廃棄物分解速度は増加するであろうから、電気化学セル25を大きくすることによる資本コストの増加を避けることができる。
y.電気化学セル25を通常より大きな膜電流密度(すなわち、約0.5アンペア/cm2を超える)で運転すると経済的効率が向上するであろう。
【０１１９】
17.パラグラフ10の装置:
a.運転者はMEO装置(図1)を、図2「MEO制御装置」に示されるMEO制御装置を用いて運転する。
b.マイクロプロセッサ内蔵制御装置49は、モニタ51とキーボード53に接続されている。
c.運転者は、モニタ51に表示される情報に応じて、キーボード53を通して制御装置49に命令を入力する。
d.制御装置49は、MEO装置の運転ステップを順番に並べるプログラムを走らせる。
e.プログラムには、運転者が従う標準的な運転シーケンスが予めプログラムされているか、あるいは運転者が自分自身で運転シーケンスを選択するであろう。
f.制御装置49では、安全で信頼できる運転が確保される範囲内で、運転者が彼自身のシーケンスを選択できるようになっているであろう。
g.制御装置49は、MEO装置の様々なコンポーネント、すなわちポンプ19および43、ミキサ7および35、温度制御21、22、45、46、紫外源11、超音波源9および48、CO2排気口14、空気分散器37、ならびに電気化学セル25に、電力(AC 30とDC 29)を調節するデジタル命令を送る。
h.制御装置はコンポーネントからコンポーネントの応答と状況を受け取る。
i.制御装置は、センサの応答によりセンサの情報を入手するためにセンサにデジタル命令を送る。
j.MEO装置のセンサは、様々なコンポーネントの状態についてのデジタル情報を与える。
k.センサは流量59、温度61、pH63、CO2排気65、酸化度合い67、空気分散器センサ69などを測定する。
l.制御装置49は、1個の電気化学セルの、あるいは複数のセルで構成される場合には個々のセルの、また(複数の)セル25内部の(複数の)陽極と参照電極の間の電位(電位計57)、ならびに各セル内の電極の間を流れている電流(電流計55)についての状況情報を受け取る。
m.好ましい実施形態である「MEOシステムモデル1.0」(図3「MEOシステムモデル」に示される)は、医療診察室または実験室で使用される大きさである。好ましい他の実施形態では、外部の配置構成と大きさは異なるが、図1に示される内部の機能とコンポーネントは本質的に同じである。
n.図3の好ましい実施形態は、金属または高強度プラスチックからなり、電気化学セル25、電解質および有孔バスケット3を囲むハウジング72を備える。
o.AC電力は電力コード78によりAC電力供給源30に供給されている。
p.モニタスクリーン51が、システムに関する、また処理されている廃棄物に関する情報を表示するためにハウジング72に組み込まれている。
q.制御キーボード53が、システムに情報を入力するためにハウジング72に組み込まれている。
r.ハウジング72にそれらを組み込むことなく、モニタスクリーン51および制御キーボード53をシステムに付けてもよい。
s.システムは命令およびデータ入力のための制御キーボード53をもつ。
t.システムの運転と活動を表示するためのモニタスクリーン51。
u.オン、オフおよび待機用の状況ライト73がキーボード53およびモニタスクリーン51の下にある。
v.好ましい実施形態では、状況ライト73が、生物系廃棄物材料の処理状況に関する情報を表示するために、ハウジング72に組み込まれている。
w.空気分散器37が、陰極液表面より下で陰極液タンク31に空気が導入されうるように、ハウジング72に組み込まれている。
x.CO2排気口14が、内部に収納された陽極液反応室からCO2が放出されうるように、ハウジング72に組み込まれている。
y.好ましい実施形態では、ハウジングは、陽極液および陰極液が通過する(複数の)フラッシュ路18および(複数の)排水路12を含めて、MEO廃棄物処理システムを洗浄する手段を含む。
z.好ましい実施形態では、さらに、陰極液タンク31からの大気中への気体の放出を容易にする大気排気口47が含まれる。
aa.ヒンジ付き蓋1が開かれ、生物系廃棄物が室5のバスケット3に入れられる。
bb.蓋の止め具2が蓋の開き具合を規制する。
cc.ヒンジ付き蓋1は制御装置49により操作されるロック式止め金具76を備えている。
dd.室5には、酸、アルカリ、または中性塩電解質水溶液、ならびに媒介する酸化剤化学種溶液があり、この溶液では媒介物質レドックス対の酸化剤型は最初に存在していても、あるいは廃棄物を導入し、そして電気化学セル25にDC電力30を与えた後で電気化学的に生成してもよい。
ee.廃棄物は、陽極液が室温、運転温度またはある最適な中間の温度であるときに導入されるであろう。
ff.DC電力供給源30は、電気化学セル25に直流を流す。
gg.ポンプ19は電解質の陽極液部分を循環させ、生物系廃棄物材料は100℃未満の温度と大気圧で急速に酸化される。
hh.インラインフィルタ6は電気化学セル25の流路を詰まらせるほど大きい固体粒子が、反応室5から出て行かないようにしている。
ii.残渣は塩の形で安定化され、無機化合物除去および処理システム15ならびに排水出口12を通して周期的にそれを取り除くことができる。
jj.反応室5および31に導入するためにこれと同じ配管を通して、電解質を置き換えることができる。
kk.陰極液タンク31にはネジ蓋33(図1に示される)があり、これにより保守管理者が洗浄およびメンテナンスのためにタンク31を開放することが可能である。
ll.任意選択で、生物系廃棄物が1日を通して発生する毎にそれを加えつつMEO装置を待機モードに置いておき、仕事時間外にそのユニットを完全に活動させることができる。
mm.プロセスは低温、大気圧で作動し、生物系廃棄物の分解中に有毒化合物を生成しないので、プロセスを室内で実施できる。
nn.システムは、病院の焼却システムを置き換えるのに十分なだけ大型化することができる。
oo.陽極液システムAの酸化生成物であるCO2は、CO2排気口14から排気される。
pp.陰極液システムBの放出気体生成物は、示されるように大気排気口47から排気される。
【０１２０】
18.パラグラフ10の装置:
a.MEO装置は、ハウジング72に収容されている。
b.MEOシステムは、81で、運転者が制御キーボード53で「オン」ボタン(状況ボタン73)を入れることにより開始される。
c.82で、マイクロプロセッサ内蔵システム制御装置49が、運転の全シーケンスを制御するプログラムを走らせる。
d.モニタスクリーン51が固有のシーケンスのプロセスステップを表示する。
e.パネル上の状況ライト73がMEO装置の状況を知らせる(たとえば、オン、オフ、準備よし、待機)。
f.蓋1が開かれ、生物系廃棄物(これは液体、固体、および混合物でありうる)がバスケット3に入れられ、その上に廃棄物の固体部分は残り、液体部分はバスケットを通して陽極液に流れ込む。
g.廃棄物がバスケットに入れられた後、ロック式止め金具76が作動する。
h.85で、ポンプ19と43が、87で陽極液、また89で陰極液の循環をそれぞれ始める。
i.電解質の循環がシステム全体で安定すると、91および93で、ミキサ7および35が運転を始める。
j.廃棄物の特性に応じて(たとえば、反応速度、反応熱など)、廃棄物を、媒介物質レドックス対がほとんどあるいは全く酸化剤型でなく、室温またはより低温の陽極液システムに導入することが望ましいであろう。
k.流れが安定すると、95/97で、温度制御ユニット21、22、45、および46がオンにされ、予め決められた陽極酸化および電解質加熱プログラムが開始される。
l.94で、電気化学セル25に電圧が加えられ(セルへの命令56により)、制御装置プログラムにより決められた電位57と電流55密度になる。
m.プログラム化された電力および電解質の昇温を用いて、反応性が比較的高い廃棄物成分が酸化され、その結果残りの廃棄物に段々と反応性がなくなったら、ますます激しい酸化条件を求めて、比較的一定の反応速度であるような、予め決められた廃棄物分解速度プロフィールを維持することが可能である。
n.これらの選択肢が制御装置プログラムで選ばれると、99および101で、超音波9および48ならびに紫外システム11が陽極反応室5および陰極液タンク31で始動する。
o.103で、CO2排気口14が機能して、陽極液反応室5での生物系廃棄物酸化過程によるCO2が放出される。
p.105で、空気拡散器37および大気排気口47が陰極液システムで稼動する。
q.分解過程の進行は、CO2、COおよび酸素含有量について陽極液から放出される気体組成をモニタする(センサ65を用いて)だけでなく、様々なセル電圧および電流55、57(たとえば、開回路、参照電極に対する陽極、イオン特異性電極など)により、制御装置でモニタされる(酸化センサ67)であろう。
r.生物系廃棄物は水とCO2に分解されており、103で、後者はCO2排気口14から排出されている。
s.105で、空気分散器37が空気を陰極液タンク31に引き込み、余った空気は大気排気口47から排出される。
t.107で、望みの度合いの廃棄物分解が達成されたと酸化センサ67が判断すると、109で、システムは待機状態に移る。
u.111で、システムの運転者は制御装置キーボード53を用いてシステムの停止を実行する。
【０１２１】
本発明が特定の実施形態を参照して記載されたが、特許請求の範囲に定められる本発明の範囲から逸脱することなく本発明の変更および変形形態を構成することができる。
【０１２２】
【表１Ａ】
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【０１２３】
【表１Ｂ】
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【０１２４】
【表１Ｃ】
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【０１２５】
【表１Ｄ】
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【０１２６】
【表１Ｅ】
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【０１２７】
【表１Ｆ】
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【０１２８】
【表１Ｇ】
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【０１２９】
【表１Ｈ】
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【０１３０】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の一般的な実施形態(図に示されたすべてのコンポーネントをすべての状況で必ずしも用いる必要はないという前提で)による、生物系廃棄物材料分解用システムを概略的に示す「MEO装置図」である。
【図２】本発明のための制御装置の一般的な実施形態(図に示されたすべてのコンポーネントをすべての状況で必ずしも用いる必要はないという前提で)による、MEO電気および電子システムを概略的に示す「MEO制御装置」である。
【図３】好ましい実施形態を概略的に示す「MEOシステム」である。
【図４】MEO装置で用いられる手順の一般化されたステップ(図に示されたすべてのコンポーネントをすべての状況で必ずしも用いる必要はないという前提で)を概略的に示す「MEO運転手順」を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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