CN113165915A - 电极催化剂层及涂覆有电极催化剂的杀菌水生成模块 - Google Patents

电极催化剂层及涂覆有电极催化剂的杀菌水生成模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电极催化剂层，其中，催化剂层(112，122)涂覆在用于生成杀菌水的电极的外表面，并被形成为在所述电极(110，120)的外表面具有预定厚度，并且由铱(Ir)、钯(Pd)和钽(Ta)组成，所述钯(Pd)具有10～30％的重量比，所述铱(Ir)和钽(Ta)具有总和为70～90％的重量比。

Description

电极催化剂层及涂覆有电极催化剂的杀菌水生成模块
技术领域
本发明涉及一种由钯(Pd)、铱(Ir)和钽(Ta)组成的电极催化剂层，以及涂覆有所述电极催化剂的杀菌水生成模块，具体地，涉及以特定比例组合钯(Pd)、铱(Ir)和钽(Ta)，从而可以长时间维持混合氧化剂(Mixed Oxidant,MO)的生成的电极催化剂以及包含其的杀菌水生成模块。
背景技术
近期，随着人们的收入增长，生活水平也逐渐提高，因此不仅对更清洁或者更高品质的饮用水有需求，对于更清洁或者更高品质洗涤水等一般家庭用水等的需求也在日益增长。因此，随着人们对水的净化和杀菌的关注程度提高，具有净化和杀菌作用的各种设备已得到开发，尤其，智能马桶和净水器已经得到广泛的开发并且普及到了每个家庭。
通常，净化功能利用各种过滤器等实现，杀菌功能则主要通过使用以含氯杀菌剂为代表的化学杀菌剂或者利用臭氧、紫外线、超声波等的杀菌装置来实现。
但是，在使用化学杀菌剂的情况下，这种传统的杀菌装置必须通过额外添加杀菌剂来进行杀菌，因此必须附带地执行过滤工艺，而在使用杀菌装置的情况下，由于需要安装用于产生臭氧或紫外线等的单独的设备，因此具有设备复杂并且增加安装费用负担的问题。
另一方面，已经提出了将经过电解的含有氯离子的水用作杀菌水的杀菌水制造装置，并且提出了在用于电解的电极板上设置由氧化铱、氧化钽及铂构成的涂层的电极。
这些电极虽然具有氯的产生效率高于镀铂电极的优点，但是具有氯的产生效率将随着使用次数的反复而逐渐降低，并且最终会降低至30％以下的问题，即具有寿命短的致命性问题。
已公开的相关的现有技术有韩国公开专利第10-2010-0067829号，其公开了一种“具备电极杀菌模块的杀菌装置”，包括：主体，用于容纳杀菌液；以及至少一个电极杀菌模块，所述电极杀菌模块交替地连接到正极或负极的电源单元，并且设置在主体内，其中，电极杀菌模块的导电基质上涂覆有催化剂单元。
但是，在如上所述的现有技术中，仅列出了可以涂覆在催化剂层上的组分的种类，而全然未公开其具体的组分和比率。
因此，近期对于使得利用电解原理的杀菌装置在保持初始效率的同时最大化使用寿命的催化剂层的组分及组分比率的要求正在增长。
(专利文献1)韩国公开专利第10-2010-0067829号
发明内容
技术课题
本发明为解决如上所述的现有技术中的问题而提出，提供一种即使长时间使用也不易于使涂覆在电极板上的催化剂层被洗脱的具有增加耐久性的催化剂层的组分和组分比率。
此外，本发明旨在提供一种即使长时间使用也可以维持杀菌水的特定MO浓度以上的值，从而能够延长使用寿命的催化剂层的组分和组分比率。
课题解决方案
本发明是提供一种电极催化剂层，其中，催化剂层112和122涂覆在用于生成杀菌水的电极110和120的外表面，并被形成为在所述电极110和120的外表面具有预定厚度，并且由铱(Ir)、钯(Pd)及钽(Ta)组成，所述钯(Pd)形成为具有10～30％的重量比，所述铱(Ir)和钽(Ta)具有总合为70～90％的重量比。
此外，所述催化剂层112和122优选以60％的铱(Ir)、20％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成。
此外，所述催化剂层112和122优选以50％的铱(Ir)、30％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成。
此外，所述催化剂层112和122优选以70％的铱(Ir)、10％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成。
此外，所述催化剂层112和122的厚度优选为0.3～5um。
此外，所述杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)的浓度优选形成为保持在0.5ppm以上。
另一方面，本发明提供一种杀菌水生成模块，所述杀菌水生成模块100，包括：
作为以预定间隔隔开的一对电极110和120，一对电极110和120由氧化电极和还原电极构成
；电流控制单元130，用于使电流流过所述电极110和120中的每个；以及杀菌水生成单元140，其上安装有所述一对电极，并且用于将供应到所述一对电极之间的原水生成为杀菌水。
此外，所述一对电极110和120分别具有板状，沿竖直方向或水平方向直立放置，并且优选将原水供应到所述预定间隔内。
此外，所述电流控制单元130优选用于控制正向电极和反向电极在所述一对电极110和120以预定时间间隔反复，通过调节施加到所述一对电极110和120的电流的大小，控制由所述杀菌水生成单元140生成的杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)浓度。
此外，所述预定时间为10秒，形成为反复1～60次的10秒钟为正向电位、10秒钟为静止的状态，并且反复1～60次的10秒钟为反向电位、10秒钟为静止的状态，并且供应到所述杀菌水生成单元140的原水优选以0.3～1.5LPM(Liter Per Minute；升/分钟)的速度供应。
发明效果
如上所述的本发明具有以下效果。
在本发明中，由于涂覆在电极上的催化剂层由铱(Ir)、钯(Pd)及钽(Ta)以特定比例组成，因此即使在反复无数次循环之后，催化剂层仍能保持在不被剥离的状态，因此耐久性可得到改善。
此外，即使反复无数次循环，MO浓度也可以保持在0.5ppm以上，因此可发挥延长使用寿命的效果，从而可以给消费者提供经济效率优异的杀菌水生成模块。
附图说明
图1的a是涂覆有根据本发明的催化剂层的氧化电极和还原电极的平面图，图1的b是涂覆有催化剂层的氧化电极的示意性立体图；
图2是根据本发明的氧化水生成模块的分解立体图；
图3是根据本发明的氧化水生成模块的示意性立体图；
图4是为了设定杀菌水的浓度而进行微生物评估的实验数据表；
图5示出了在本发明的催化剂层的比较例中使用仅由铱(Ir)和钽(Ta)组成的催化剂层时的根据周期的MO浓度变化的曲线图；
图6示出了图5的比较例的催化剂层的状态，a示出了用电子显微镜观察到的电极顶部的图片(左)和电极顶部的光谱分析图表(右)，图6的b示出了用电子显微镜观察到的电极底部的图片(左)和电极底部的光谱分析图表(右)；
图7的A为本发明的第一实施例，示出了以60％的铱(Ir)、20％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成催化剂层时的杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)浓度变化的图表，B为本发明的第二实施例，示出了以50％的铱(Ir)、30％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成催化剂层时的杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)浓度变化的图表，C示出了以70％的铱(Ir)、10％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成催化剂层时的杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)浓度变化的图表；
图8是示出实测图7的每个实施例的实验时使用的电极材料的重量比的XRF数据的表；
图9是在本发明的第一实施例分析电极的光谱的图表。
具体实施方式
以下，将参照附图描述根据本发明的电极催化剂层以及涂覆有所述电极催化剂的杀菌水生成模块。此外，根据本发明的杀菌水生成模块可以应用于智能马桶盖、加湿净化器、净水器和离子水机，但不限于此，并且可以应用于需要执行杀菌的任何装置。
电极催化剂层及杀菌水生成模块的结构
图1的a是涂覆有根据本发明的催化剂层和的氧化电极110和还原电极120的平面图，图1的b是涂覆有催化剂层的氧化电极的示意性立体图。
参照图1的a和b，根据本发明的杀菌水生成模块100包括一对电极，一对电极由发生氧化反应的氧化电极(Oxidation electrode)110和发生还原反应的还原电极(Reduction electrode)120构成。此时，氧化电极110和还原电极120可以分别由钛构成，并且其厚度可以形成为0.5～2mm。
此外，氧化电极110和还原电极120中的每一个在一侧设置有延伸部，以与稍后将描述的电流控制单元130电连接。延伸部可以设置有通孔，用于与电流控制单元130稳定地电连接，并且也可以通过通孔物理地固定。虽然图1的a和b仅示出了具备延伸部的形状，但是其形状可以根据设计者的选择来改变。
图1的b示出了涂覆有催化剂层112的氧化电极110，催化剂层可以通过电镀、化学气相沉积、喷涂和使用刷子的涂漆技术等涂覆在电极上。此时，催化剂层可以形成为0.3～5um的厚度，并且用于与电流控制单元130进行连接的延伸部上可以不形成催化剂层。虽然在图1的b中仅描述了氧化电极110，但是还原电极120也可以具有相同的结构，稍后将描述催化剂层112的具体组成和组成比率。
图2是根据本发明的氧化水生成模块的分解立体图，图3是根据本发明的氧化水生成模块的示意性立体图。
参照图2和图3，根据本发明的氧化水生成模块100包括氧化电极110、还原电极120、电流控制单元130以及杀菌水生成单元140。
氧化电极110和还原电极120分别以延伸部朝向上方的方式设置，并且板状的电极分别沿垂直方向直立设置。此时，氧化电极110和还原电极120之间可以形成预定空间，原水供应到所述空间，从而可以通过所供应的原水与电极110和120之间的化学反应来生成杀菌水。
另一方面，氧化电极110和还原电极120可以由水平方向设置，而不是由垂直方向直立设置，只要采用一对氧化电极110和还原电极120彼此间隔且面对设置的结构，可以根据设计者的选择适当地改变布置。
电流控制单元130执行将电流施加到氧化电极110和还原电极120的电源的作用。此外，电流控制单元130控制正向电位和反向电位以预定的时间间隔反复，并且通过调节施加到电极110和120的电流的强度，可以控制由杀菌水生成单元140生成的杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)浓度。更具体地，电流控制单元130可以根据原水的TDS浓度调节电流强度，例如，当原水中的TDS浓度为300mg/L时，可以通过施加0.2～1A的电流使杀菌水的生成浓度保持在1ppm以上。另一方面，将电流的强度增加到大于该范围时，可促进电极110和120以及催化剂层112和122的劣化。
杀菌水生成单元140是用于临时储存所供应的原水的空间，并且可以设置有进水口144和排水口142。此时，进水口和排水口的位置可以彼此改变。杀菌水生成单元140可以被分离并组装成第一框架140a和第二框架140b，并且可以在第一框架140a和第二框架140b之间嵌入氧化电极110和还原电极120之后组装并密封。此时，在杀菌水生成单元140的上部的一侧可以形成有开口，使得电极110和120的延伸部向外侧突出，并且可以具备固定构件146，以便物理地固定氧化电极110和还原电极120。固定构件146上可以形成狭缝，以便插入并固定电极110和120中的每个的延伸部，并且随着电极110和120中的每个的延伸部被插入并固定在狭缝中，氧化电极110和还原电极120可以保持具有预定间隔的状态。此外，可以通过固定构件146起到防止用于密封的液体粘合剂(例如，环氧树脂)等渗入杀菌水生成单元。
电极催化剂层的组成和比率
图4是为了设定杀菌水的浓度而进行微生物评估的实验数据表。参照图4，为了设定杀菌水的适当浓度，进行了微生物评估，基于名为‘大肠杆菌(E.coli)’的微生物的存活数判断杀菌水的适当浓度。图4中的‘ND’表示未检测到(Not Detected)，TNTC(TooNumerous To Count)表示E.coli的数目太多以至于无法计数。
在MO浓度的目标浓度为0.5ppm的情况下，当杀菌水与微生物接触时，微生物立即被杀灭，并且在MO浓度为0.5ppm以上的情况下，均示出了相同的结果。由此可知，直饮机类型的杀菌水的MO浓度最优选为0.5ppm。
图5示出了在本发明的化剂层的比较例中使用仅由铱(Ir)和钽(Ta)构成的催化剂层时的根据周期的MO浓度变化的曲线图。在图5所示的比较例中，在1000～1500个周期(cycles)期间，杀菌水的MO浓度已降低至0.5ppm以下，这是明显低于目标值60,000个周期(cycles)的寿命。与此同时，在使用仅由铱(Ir)和钽(Ta)构成的催化剂层的比较例中，寿命明显短于稍后将描述的本发明的第一实施例至第三实施例的寿命。
作为参考，有关图5的实验条件，原水供应速度为1LPM(Liter Per Minute，升/分钟)，1cycle表示10秒钟的正向电位和10秒钟的静止状态，2cycle表示10秒钟的反向电位和10秒钟的静止状态，连续地反复这些步骤。并且，可以反复1～60次正向电位和1～60次反向电位。
图6示出了图5的比较例的催化剂层的状态，a示出了用电子显微镜观察到的电极顶部的图片(左)和电极顶部的光谱分析图表(右)，图6的b示出了用电子显微镜观察到的电极底部的图片(左)和电极底部的光谱分析图表(右)。
如上所述，氧化电极110和还原电极120由垂直方向直立设置，因此相比之下，电极下部与原水直接接触比电极上部更频繁。此时，在施加反向电位的过程中，电极110和120下部的催化剂层可能被熔化和洗脱，当催化剂层被洗脱时，意味着用于产生杀菌水的催化剂已经消失，因此具有杀菌水的生成效率非常低的问题。
观察图6的电极上部和电极下部的光谱分析图表，上部可观察到铱(Ir)和钽(Ta)的光谱，但是在下部未观察到铱(Ir)和钽(Ta)的光谱，这表明，催化剂层已被熔化和洗脱。即，作为比较例的仅由铱(Ir)和钽(Ta)组成的催化剂层会随着周期的反复而消失，由此可知寿命非常短。
图7的A为本发明的第一实施例，示出了以60％的铱(Ir)、20％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成催化剂层时的杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)浓度变化的图表，B为本发明的第二实施例，示出了以50％的铱(Ir)、30％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成催化剂层时的杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)浓度变化的图表，C示出了以70％的铱(Ir)、10％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比组成催化剂层时的杀菌水的混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)浓度变化的图表。
其中，关于混合氧化剂(MO，Mixed Oxidant)，杀菌水的种类包括OCl-、NaOCl、HOCl等，它们通过原水中含有的Cl-离子的氧化反应产生杀菌水。
参照图7可知，与图5和6的比较例不同的是，即使达到60,000个周期(cycles)以上的目标，在第一实施例至第三实施例中均可保持在0.5ppm以上。其中，将作为第一实施例的催化剂层以60％的铱(Ir)、20％的钯(Pd)以及20％的钽(Ta)的重量比构成时，即使达到90,000个周期(cycles)以上，也可以将MO浓度维持在0.5ppm以上，由此可知，寿命和耐久性远远优于前述的比较例。
图8是示出实测图7的每个实施例的实验时的重量比的XRF数据的表，其与图7的比率非常相似，因此可以看出几乎没有误差。
图9是在本发明的第一实施例分析电极的光谱的图表。对比地参照图9和图6，可从氧化电极110观察到铱(Ir)、钯(Pd)及钽(Ta)，即使反复周期(cycle)，形成催化剂层的铱(Ir)、钯(Pd)及钽(Ta)也没有被剥离，这表明，杀菌水生成模块的耐久性非常卓越，同时具有使用寿命更佳延长的组成。
以上，在本说明书中以附图所示的实施例为参考进行了描述，使得本领域技术人员能够容易理解并再现本发明，但这仅仅是示例，本领域技术人员应理解，基于本发明的实施例可进行各种变型并实施其它等同的实施例。因此，本发明的保护范围应由权利要求书确定。
附图标记说明
110：氧化电极 120：还原电极
130：电流控制单元 140：杀菌水生成单元
146：固定构件。

Claims (10)

1.一种电极催化剂层，其中，
催化剂层(112，122)涂覆在用于生成杀菌水的电极(110,120)的外表面，
形成为在所述电极(110，120)的外表面具有预定厚度，并且由铱、钯和钽组成，
所述钯具有10～30％的重量比，所述铱和钽具有总合为70～90％的重量比。
2.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其中，
所述催化剂层(112，122)以60％的铱、20％的钯以及20％的钽的重量比组成。
3.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其中，
所述催化剂层(112，122)以50％的铱、30％的钯以及20％的钽的重量比组成。
4.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其中，
所述催化剂层(112，122)以70％的铱、10％的钯以及20％的钽的重量比组成。
5.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其中，
所述催化剂层(112，122)的厚度为0.3～5um。
6.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其中，
所述杀菌水的混合氧化剂浓度保持在0.5ppm以上。
7.一种包括如权利要求1所述的电极催化剂层的杀菌水生成模块，其中，所述杀菌水生成模块(100)包括：
作为以预定间隔隔开的一对电极110和120，一对电极110和120由氧化电极和还原电极构成；
电流控制单元(130)，用于使电流流过所述电极(110，120)中的每个；以及
杀菌水生成单元(140)，安装有所述一对氧化电极(110)和还原电极(120)，并且用于将供应到所述一对电极之间的原水生成为杀菌水。
8.根据权利要求7所述的杀菌水生成模块，其中，
所述一对电极(110,120)分别具有板状，沿垂直方向或水平方向直立设置，并且原水供应到所述预定间隔内。
9.根据权利要求7所述的杀菌水生成模块，其中，
所述电流控制单元(130)用于控制正向电位和反向电位在所述一对氧化电极(110)和还原电极(120)以预定的时间间隔反复，
通过调节施加到所述一对电极(110,120)的电流的大小，控制由所述杀菌水生成单元(140)生成的杀菌水的混合氧化剂浓度。
10.根据权利要求9所述的杀菌水生成模块，其中，
所述预定时间为10秒，形成为反复1～60次的10秒钟为正向电位、10秒钟为静止的状态，并且反复1～60次的10秒钟为反向电位、10秒钟为静止的状态，
供应到所述杀菌水生成单元(140)的原水以0.3～1.5升/分钟的速度供应。
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