KR0160564B1 - 전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/환원하기위한 사이클론 전해조와 그 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해액 중에 존재하는 반응물을 전기화학적으로 산화/환원하여 원하는 최종산물을 얻기 위한 방법으로 사용하는 전해구조의 구조에 관한 것으로서 전해액에서 전기화학적으로 반응물의 산화/환원을 위하여 사이클론 전해조와 전해액 탱크, 펌프로 구성되고 전해조에는 전원장치와 상호 교환 가능한 양극, 음극이 설치된 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/환원하기 위한 사이클론 전해조와 그 운전방법

제1도는 사이클론 전해조의 구조, 모양 및 전해액의 흐름을 나타내는 개략도이고,

제2도는 내부 원통 전극의 단면 및 측면도이며,

제3도는 사이클론 전해조내에 분리막을 사용할 때의 구조, 모양 및 전해조의흐름을 나타내는 개략도이고,

제4도는 사이클론 전해조를 사용하여 비교적 고농도의 금과 동 혼합용액을 전기분해하였을 때 시간에 따른 금속이온 농도의 변화를 보여주는 그래프이며,

제5도는 사이클론 전해조를 사용하여 비교적 저농도의 금과 동 혼합용액을 전기분해하였을 때 시간에 따른 금속이온 농도의 변화를 보여주는 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전해조 2 : 외부 원통형 전극

3 : 내부 원관형 전극 4 : 펌프

5 : 전원 장치 6 : 전해액 탱크

7 : 기공 8 : 절연체

9 : 분리막

본 발명은 전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/환원하기 위한 사이클론 전해조와 그 운전방법에 관한 것이다.

최근 자원의 재활용이나 환경오염이 중요한 문제로 대두되고 있다.

예를 들면 각종 전자제품에 사용되는 회로기판(printed circuit board)등을 포함하는 전자부품 스크랩(scrap), 화학공장에서 많이 나오는 폐촉매 등으로부터 유가금속을 재활용하거나 도금공장이나 섬유공장 외 기타공장의 폐수와 사진 현상시 나오는 폐수에는 중금속이 다량 함유되어 있으므로 이들 유가금속의 효율적인 회수는 자원의 재활용면이나 환경오염 측면에서 앞으로 매우 중요하다.

이들을 처리하는 일반적인 방법으로는 파쇄한 후 주로 산이나 알칼리 등을 용매로 침출하고 화학적 침전 혹은 전기분해법을 사용하여 유가금속을 회수하고 있다.

그리고 위에서 언급한 유가금속이나 중금속의 회수뿐만 아니라 일반적인 무기화합물 또는 유기화합물의 처리 및 생산에 부분적으로 전기분해에 의한 방법이 사용되고 있지만 시간이 오래 걸리거나 효율이 낮으며 많은 공간을 차지하는 등의 단점이 있다.

즉, 종래 전해액 중의 반응물로부터 전기분해를 하여 최종산물을 얻는 전해조는 여러 가지 형태가 있으나 가장 일반적인 것으로 사각의 전해조내에 평행판의 양극과 음극이 교대로 배열되어 있는 구조를 갖고 있으며, 그 외에 유동층형태(fluidized-bed type), 충진형태(packed-bed type) 그리고 회전원주형태(rotating cylinder type) 등이 있다.

상기 평행판 형태의 전극을 사용하는 경우, 물질이동이 확산에만 의존하므로 교반이나 기체의 주입 등의 방법으로 용액을 강제대류시켜 물질이동 속도를 높일 수 있으나 고전류밀도로 작업하기에는 한계가 있다.

또한 상기 유동층이나 충진층형태의 경우 전극면적을 넓혀 반응속도를 증가시키기는 하나 아직 개발단계이고 광범위한 물질을 대상으로 하기에는 문제점이 있다.

또한 회전원주형태의 경우 작업 자체가 주로 회분식(batch-type)인 관계로 작업을 연속적으로 수해할 수 없는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 작은 공간을 차지하면서 빠른 시간내에 금속을 포함하는 무기물 혹은 유기화합물을 전기분해를 통하여 최종산물을 얻을 수 있는 사이클론 전해조 및 그 운전방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 전해액에서 전기화학적으로 반응물의 산화/환원을 위하여 전해액 탱크, 펌프, 전원장치 그리고 양극과 음극이 설치된 사이클론 전해조에 있어서, 한쪽 극은 외부 원통형 전극으로서 전해조 내벽에 밀착되어 설치되고, 상기 외부 원통형 전극 안에 내부 원관형 전극을 반대극성으로 설치하되, 상기 각 전극은 전원의 극성을 반대로 연결함에 따라 상호 극성이 바뀌어 바뀐 극성으로서의 역할 교환이 가능하게 설치하며, 상기 내부 원관형 전극 중앙은 전해액이 흐르도록 가운데에 빈공간을 형성하고, 전극면적을 넓히기 위한 미세한 기공을 외면에 형성한 것을 특징으로 하는 전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/환원하기 위한 사이클론 전해조를 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 다른 목적은 전해조내에 양극과 음극의 분리가 필요한 경우, 분리막을 두 극 사이에 설치하여 양극전해액과 음극전해액을 각각 따로 외부 원통형 전극과 내부 원관형 전극에 접선방향으로 주입하여 반응시킨 후 한쪽은 위로, 다른 쪽은 아래로 분리하는 흐름을 갖게 함을 특징으로 하는 전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/환원하기 위한 사이클론 전해조의 운전방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 또 다른 목적은 전해액을 외부 원통형 전극과 내부 원관형 전극의 접선방향으로 주입하여 전해액의 난류현상을 이용하여 물질이동을 증가시켜 고전류밀도하에서 조업함을 특징으로 하는 전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/환원하기 위한 사이클론 전해조의 운전방법을 제공함으로써 달성된다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 전해액 중의 반응물을 전기화학적으로 산원/환원하여 목적하는 최종산물을 작은 공간을 차지하면서 고전류밀도하에서 빠르게 그리고 효율적으로 생산하는 사이클론 전해조(1)의 구성에 대한 것으로, 제1도는 사이클론 전해조(1)의 구조, 모양 및 전해액의 흐름을 나타내는 개략도를 도시하고 있는데, 전극재료는 반응물질에 따라 임의로 제작 가능하며, 한쪽 극은 외부 원통형 전극(2)으로서, 전해조(1) 내벽에 절연체(도시없음)로 절연 밀착되어 설치되고, 이 외부 원통형 전극(2) 안에 내부 원관형 전극(3)을 설치함으로써 외부 원통형 전극(2)의 극과 반대 극성을 가지는 다른 극을 형성하고 내부 원관형 전극(3) 중앙은 전해액이 전해조(1)의 위쪽으로 흐르도록 비어 있다.

이때 상기 각 전극은 전원의 극성을 반대로 연결함에 따라 상호 극성이 바뀌어 바뀐 극성으로서의 역할 교환이 가능하다.

제2도는 내부 원통 전극의 단면 및 측면도를 도시하고 있는데, 내부원통형 전극(3)의 외면에는 전극면적을 넓히기 위하여 미세한 기공(7)이 형성되어 있다.

전해조(1)의 하단은 원뿔을 뒤집어서 붙인 모양으로 되어 있고 전해액이 주입되면 제1도에 도시되어 있는 양극에서 산화/환원반응이 진행되고 전해액은 둘로 나뉘어져 일부는 아래로, 나머지는 상단 전극인 내부 원관형 전극(3)의 내부를 지나 위로 빠져 나간다.

이 경우 전해액 중에서 반응이 완전히 끝나면 폐액으로 버리고, 만약 반응이 완결되지 않으면 목적하는 반응전도까지 펌프(4)를 사용하여 재순환 시킨다.

제3도는 사이클론 전해조(1)내에 분리막(9)을 사용할 때의 구조, 모양 및 전해조(1)의 흐름을 나타내는 개략도를 도시하고 있는데, 전해조(1)내에 양극과 음극의 분리가 필요한 경우, 분리막(separator : 9)을 두 극 사이에 설치하여 양극 전해액과 음극전해액을 각각 따로 외부 원통형 전극(2)과 내부 원관형 전극(3)에 접선방향으로 주입하여 반응시키고 분리하여 재순환시켜 목적하는 반응정도까지 반응을 계속할 수 있다.

즉, 양극과 음극의 분리가 필요한 경우, 분리막(9)을 설치하여 각극의 전해액을 각각 외부 원통형 전극(2)과 내부 원관형 전극(3)에 주입하여 한쪽은 위로, 다른쪽은 아래로 분리하는 흐름을 갖게 할 수 있는 것이다.

또한 사이클론 전해조(1)를 직렬 혹은 병렬로 연결하여 사용 가능하며, 전극의 교체가 필요한 경우 다른 전해조로 우회(by-pass)시켜 사이클론 전해조내의 전극을 분리하여 새로운 전극을 설치한 후 재사용 할 수 있다.

제4도는 사이클론 전해조(1)를 사용하여 비교적 고농도의 금과 동 혼합용액을 전기분해하였을 때 시간에 따른 금속이온 농도의 변화를 보여주는 그래프이며, 제5도는 사이클론 전해조(1)를 사용하여 비교적 저농도의 금과 동 혼합용액을 전기분해하였을 때 시간에 따른 금속이온 농도의 변화를 보여주는 그래프를 도시하고 있다.

도면 중 미설명부호(8)은 내부 원관형 전극(3)의 절연체이고, (4)는 펌프, (5)는 전원장치, (6)은 전해액 탱크이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하겠다.

제1도에서 나타낸 사이클론 전해조(1)를 사용하여 외부 원통형 전극(2) 내벽을 음극으로, 그리고 내부 원관형 전극(3)을 양극으로 사용하여 금속의 전기분해를 실시하였다.

사이클론 전해조(1)의 음극은 구리이고, 바깥쪽은 아크릴 재질이며, 양극은 흑연 재질로 제2도에서와 같은 형태로 제작하였다.

전해액은 금이 용해되어 있는 용액으로서 금의 초기농도가 비교적 높은 465ppm과 930ppm 두 경우에 대하여 실험하였고, 나머지 실험조건은 표 1에 나타난 것 중 조건 1과 같다.

제1도에서와 같이 펌프(4)를 사용하여 계속 순환시켰으며, 시간에 따른 용액중 금의 양을 도시한 제4도에서 보면 1시간 이내에 금이 99% 이상 환원됨을 알 수 있다.

또한 금의 초기 농도가 낮고 구리가 함유되어 있는 혼합용액에서 표 1의 조건 2로 전해한 경우 시간에 따른 용액중 금속 양의 변화를 도시한 제5도에서 보면 금과 구리 모두 1시간 이내에 99% 이상의 높은 환원율을 보인다.

조건 1과 조건 2에 의한 실시예에 의하면 전해시 사이클론 전해조(1)를 이용하면 용액중의 금속 환원이나 회수에 효율적임을 알 수 있다.

따라서 상기와 같은 본 발명은 금속 침출액에서 금속을 환원시키거나 중금속이 함유되어 있는 폐수에서 금속을 제거하는 등의 용도로 사이클론 전해조가 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

Claims (3)

1. 전해액에서 전기화학적으로 반응물의 산화/환원을 위하여 전해액탱크(6), 펌프(4), 전원장치(5) 그리고 양극과 음극이 설치된 사이클론 전해조(1)에 있어서, 한쪽 극은 외부 원통형 전극(2)으로서 전해조(1) 내벽에 밀착되어 설치되고, 상기 외부 원통형 전극(2) 안에 내부 원관형 전극(3)을 반대극성으로 설치하되, 상기 각 전극은 전원의 극성을 반대로 연결함에 따라 상호 극성이 바뀌어 바뀐 극성으로서의 역할 교환이 가능하게 설치하며, 상기 내부 원관형 전극(3) 중앙은 전해액이 흐르도록 가운데에 빈공간을 형성하고, 전극면적을 넓히기 위한 미세한 가공(7)을 외면에 형성한 것을 특징으로 하는 전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/화원하기 위한 사이클론 전해조.
2. 전해조(1)내에 양극과 음극의 분리가 필요한 경우, 분리막(9)을 두 극 사이에 설치하여 양극전해액과 음극전해액을 각각 따로 외부 원통형 전극(2)과 내부 원관형 전극(3)에 접선방향으로 주입하여 반응시킨 후 한쪽은 위로, 다른 쪽은 아래로 분리하는 흐름을 갖게 함을 특징으로 하는 전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/환원하기 위한 사이클론 전해조의 운전방법.
3. 전해액을 외부 원통형 전극(2)과 내부 원관형 전극(3)의 접선방향으로 주입하여 전해액의 난류현상을 이용하여 물질이동을 증가시켜 고전류밀도하에서 조업함을 특징으로 하는 전기화학적 방법으로 용액중의 반응물을 산화/환원하기 위한 사이클론 전해조의 운전방법.