KR0168037B1 - 액중 이온 분리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용액중에 전극을 대향설치하고 이 대향 전극에 전압을 인가하여 액중의 이온을 양극과 음극으로 분리배출되게 하는 액중 이온 분리 장치의 고효율화에 관한 것으로, 팔라듐(Pd)이 함유된 백금(Pt) 합금으로 전극을 형성하여 액중 석출이 거의 없게 함으로써 전극 수명을 대폭 연장시키고, 전극의 형상은 유통개부(16)를 갖거나 그물 코를 갖는 그물 전극(22)으로 구성하여 수류의 속도를 줄이고 또한 전극간의 이격거리를 좁혀 적은 소비전력으로 고효율화하고, 인가 전압은 구형파 펄스 또는 이와 유사한 파형의 전원을 사용하여 매우 효율적으로 이온을 집속하고 또한 전극 표면으로의 고형 불순물 부착(scale) 속도를 크게 줄이도록 하고, 공급수 중에 이온화가 용이한 소금(NaCl)이나 염화칼륨(KCl)등을 첨가하여 높은 살균력을 얻을 수 있도록 하고, 또한 배출 이온수를 오존화 및 자화수(磁化水)화 하도록 한 것이다.

Description

액중 이온 분리 장치

제1도는 종래 이온수 장치의 분해 사시도.

제2도는 종래 이온수 장치에 인가하는 전원의 파형도.

제3도는 종래 이온수 장치에 사용된 평판형 전극의 배치상태 평면도.

제4도는 본 발명 일 실시예로 적용한 전극의 구조도.

제5도는 본 발명 의 단면 구성도.

제6도는 본 발명 이온수 장치에 실제 적용한 펄스 전원의 파형도.

제7도는 본 발명 이온수 장치에 적용할 수 있는 직류전원 파형도.

제8도는 본 발명 이온수 장치에 적용하는 펄스 전원 회로도.

제9도는 본 발명에서 평활콘덴서가 없을 때의 출력 전원의 파형도.

제10도는 본 발명 다른 실시예로 적용하는 자화수 장치의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A : 종래 이온수 장치 B : 본 발명 이온수 장치

2 : 금수구 4, 6 : 출수구

8 : 절연 케이스 10 : 이온 교환막

12, 18 : 양전극 14, 20 : 음전극

16 : 유통개부(구멍) 22, 22 : 그물 전극

본 발명은 용액중에 전극을 대향설치하고, 이 대향 전극에 소정의 전압을 인가하여 액중의 이온이 양전극과 음전극으로 분리배출되게 하는 액중 이온 분리장치의 고 효율화에 관한 것이다.

액중의 이온을 분리하여 알카리성 음용수로 사용하는 통상의 이온수 장치는 이미 일본을 비롯한 외국은 물론 국내에서도 생산, 판매되고 있는 실정이다.

알카리성 이온수는 질병에 약한 산성체질을 질병에 강한 알카리성 체질로 개선시켜 준다는 임상보고(물과 우리생활 중, 제6장 알카리성 활성수를 음용하면 이렇게 변한다 문성명 譯, 日本 의학박사 林秀光 原著)가 있으며, 알카리성 식품 예컨데 감자, 미역, 우유 등이 현대인에 매우 필요한 식품인 것응 이미 상식으로 통하고 있다.

그리고, 부차적으로 생산되는 산성수는 소독작용이 있기 때문에 손발이나 얼굴의 세척용이나 식품, 식기의 세척에 응용되고 있으나 이와 같은 통상의 이온수 장치는 그 목적이 오로지 음용(飮用)을 위한 알칼리수 제조에 목적이 있어서 이온 발생농도가 pH 4~10 정도로 높지 못하다.

제1도는 출력 이온농도가 비교적 낮은 통상의 이온수 장치(A)를 도시한 분해 사시도로, 급수구(2)와 양극수(알칼리수) 배출구(4) 및 음극수(산성수) 배출구(6)를 갖는 절연 케이스(8) 내부에 이온 교환막(10)을 설치하고, 이온 교환막(10)의 좌, 우측에 전원이 공급되는 평판형의 양전극(12) 및 음전극(14)을 평형 설치하여 마주보게 한 것으로, 급수구(2)를 통하여 공급되는 공급수(수도물 등) 중의 이온들이 전계(電界)에 의해 분리되어 각각 출수구(4)로 알칼리수가 배출되고, 또 다른 출수구(6)로 산성수가 배출되는 구성이다.

상기한 통상의 이온수 장치(A)는 양전극 재질로 페라이트(ferrite)를 사용하고 음전극 재질로 스텐레스(stainless)를 사용하므로 비교적 낮은 전류에서는 효과적으로 사용할 수 있으나, 높은 전류에서는 양전극의 재료로 사용된 페라이트가 액중 석출(Fraday 석출법칙) 분리되어 나가므로 전극이 수명이 짧고 안정성에 문제가 있으며, 전극(12)(14)으로 인가하는 전원 파형은 제2도와 같이 전파 정류된 맥류 성분의 일부를 사용하므로 액중 이온집속을 위한 효과적인 파형으로 되지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 이상과 같은 통상의 액중 이온 분리 장치를 개선하여 고효율화 함으로서 초 고농도의 이온수를 제조함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 액중 석출이 거의없는 팔라듐(Pd)이 함유된 백금(Pt) 합금으로 전극을 형성하여 수명을 대폭 연장시키고, 평판전극에 수류가 유통되는 적정 개부(구멍)을 형성하거나, 또는 그물코(mesh)를 갖는 그물 전극으로 하거나, 또는 전극을 내, 외부에 이중으로 설치하여 외부 전극에는 수류(水流)가 유통되는 개부(구멍)를 형성하고 내부 전극은 그물 코(mesh)를 갖는 그물 전극으로 구성함으로써 수류의 속도를 줄이고 또한 전극간의 이격거리를 좁혀 적은 소비전력으로 고효율화하고, 인가 전압은 구형파 펄스 또는 이와 유사한 파형의 전원을 사용하여 전극 표면으로의 고형 불순물 부착(scale) 속도를 크게 줄이면서 효율적으로 이온을 집속하도록 하고, 공급수 중에 이온화가 용이한 소금(NaCl)이나 염화칼륨(KCl)등을 첨가하여 높은 농도의 이온수를 얻도록 하고, 또한 배출 이온수를 오존화 및 자화수(磁化水)화 하도록 한 것으로 이하 본 발명의 바람직한 실시에를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

① 전극재질결정

이미 전술했듯이, 출력 이온 농도가 낮은 통상의 이온수 장치(A)는 양전극(12) 재질로 페라이트(ferrite)를 사용하기 때문에 출력 이온을 고농도화 하기 위해 높은 전류를 공급하면 페라이트로 된 전극재질이 수중에서 분리석출되어 전극(12)의 사용수명이 짧아지는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점은 본 발명인에 의해 발명된 특수 백금합금 전극을 사용하므로 전극의 충분한 수명연장과 안전성을 확보할 수 있었으며, 본 특수 백금합금 전극에 대한 구체적인 내용과 특징은 본 발명인이 국내 특허로 출원한백금합금으로된 액중 오존발생장치의 대향전극(특허출원 제94-20560호)에 자세히 기술되어 있다.

상기 특허 출원에 의하면 대향전극 물질로 백금(Pt)에 팔라듐(Pd)을 중량비로 0.05%~15% 정도로 혼합하여서 된 백금합금을 사용하면 전극에 높은 전류를 인가하더라도 전극의 분리석출이 크게 감소되거나 방지되어 수명이 2500시간 이상(전극 두께 0.1㎜, 인가 전류 2.0A, 처리수는 물, 처리수량은 2LPM)으로 연장되어 매우 유용한 것이 확인되었다.

② 전극의 형태결정

종래의 출력 이온농도가 비교적 낮은 통상의 이온수 장치(A)는 제3도와 같이 평판형으로 된 양전극(12)과 음전극(14)이 이온 교환막(10)의 양측에 좁은 간격으로 각각 설치되는바, 전극(12)(14)의 평면적은 가능한 넓게하고 전극(12)(14)의 이격거리는 좁게 설치하여 전극(12)(14)간의 전기저항이 감소되게 함으로서 낮은 전압으로도 작동시킬 수 있어 낮은 전력으로 높은 효율을 얻도록 하고 있다.

그러나 이와 같은 경우 전극(12)(14)이 좁게 설치되므로 전극(12)(14)간에 수류(水流)의 와류가 크게 형성되며, 따라서 전극(12)(14) 주변에 수직으로 이동해야 하는 이온류를 난류화하여 이온 집속효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 있는 것으로 실험결과 확인되었다(참조:문재덕, 우정욱 共著:수전해 오존발생장치에 미치는 평판전극상의 유통개부의 효과, 대한 전기학회 논문지, 44, 11 (1995) 1539-1544)

상기와 같은 문제점(와류 발생은 제4도와 같이 양전극(12)과 음전극(14)에 적절한 크기(면적=w×1)의 구멍(유통개부:16)을 다수 형성한 전극(18)(20)이나, 또는 그물(mesh) 전극(22)을 사용하여 전극간의 수류 속도를 크게 줄임으로서 해결할 수 있으며, 이러한 경우 전극(18)(20)간의 이격거리(D)를 상대적으로 더욱 좁힐 수 있어서 낮은 인가 전압에서 작동되게 되어 전력 효율이 크게 향상되는 장점이 있다.

이때 유통개부(16)의 모양이나 크기는 처리수량과 전극(18)(20)간의 이격거리(D)에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 또한 출력 이온농도에 따라서도 적절히 가변 조절할 수 있으나 실험결과 전극(18)(20)간의 이격거리(D)와 비슷한 폭(w)으로 설정하는 (D=w)이 유효하였다(참조:상기 문재덕, 우정욱 共著 논문 참조).

또한, 유통개부(16)를 갖는 전극(12)(14)의 내측에 이와 유사한 구조의 전극 이를 테면 그물 모양(mesh type)의 전극(22)을 이온 교환막(10)의 양측에 작은 간격(d)을 두거나 또는 밀착시켜 설치함으로서 통상의 이온수 장치(A)에 비해 2/3~1/2 정도로 소비전력을 크게 줄일 수 있으며 전력소모나 이온발생 효율면에서도 매우 증진된 결과를 얻을 수 있었다.

또한, 전계에 의해 유통개부(16)를 갖는 전극(18)(20)이나 그물 전극(22) 부근으로 집속되어 온 이온들이 공간전하의 제한을 받지 않게 되므로 이온 발생농도가 더욱 증진됨을 실험결과 확인할 수 있었다.

왜냐하면, 통상의 이온수 장치(A)의 경우 전계에 의해 집속되어 온 역극성의 이온들이 전극(12)(14) 부근의 공간에 밀집되고, 밀집된 이온들의 전하(공간전하라고 한다)가 다음에 이동되어 오는 동일 극성의 전하를 배척하여 그 이동해 오는 것을 방해(Coulomb 척력이 작용)하는 작용(공간전하 제한효과)을 하므로 이온 집속효율이 크게 감소되어 출력 이온농도가 낮게 된다.

그러나 평판전극(12)(14)에 유통개부(16)를 형성하거나 그물 형태의 전극(22)을 추가 설치함으로서 전극(18)(20)(22)(24) 서로간의 이격거리를 크게 줄일 수 있음은 물론 전극(18)(20)(22)(24)에 형성된 다수의 구멍을 통하여 고 이온농도의 수류의 이동도 가능하게 되어 공간전하의 제한작용(척력)이 매우 작아지므로 이온 발생효율(이온 집속효율)이 크게 증진된다.

또한, 그물 젼극(22)(24)을 이온 교환막(10)의 양측면에 접촉시키거나 거의 접촉되게 하는 경우 이온 집속효과를 더욱 증진시킬 수 있으며, 전술한 바와 같이 내부에 위치하는 한 쌍의 그물 전극(22)(24)으로 이온을 강력하게 집속하고, 집속된 밀집이온을 그물 전극(22)(24)의 바깥에 위치하는 평판전극(18)(20)으로 인출되게 유도함으로써 내부 그물 젼극(22)(24)간의 공간 전하밀도를 크게 줄일 수 있으며, 이에 따라 공간전하 제한효과가 무시되어 효율이 1.3배~1.6배로 더욱 증진됨을 실험결과 확인하였다.

이때 내부 그물 전극(22)(24)간에 인가하는 전압 Vg와 외부 평판전극(18)(20)간 인가하는 전압 Vp는 단일 전원화할 수도 있으며, 출력 이온 용량과 필요농도, 전극(18)(20)(22)(24)의 크기와 간격(D, d)에 따라 적절한 전압값으로 설정할 수 있으나 VgVp로 함이 전하의 이동상 기본적이다.

그리고 Vp와 Vg는 맥류 또는 펄스파 전압을 사용할 수 있으며, 특히 그물 전극(22)에 인가하는 전압 Vg는 제6도나 제9도와 같은 펄스파 전압을 사용하는 것이 효과적이었다.

③ 전원의 파형결정

전술했듯이, 통상의 이온수 장치(A)의 전원파형은 제2도에 나타내듯이 출력 이온 농도조절을 위하여 사인파의 일부(맥류)로서 공급된다.

그러나, 본 이온수 장치(B)의 전극(18)(20)(22)(24)에 인가하는 전원은 제7도와 같이 동작원리상 가장 이상적인 직류전원을 인가하고, 인가하는 직류전압의 전위차를 조절하여 출력 이온농도를 용이하게 제어할 수도 있으나, 직류전원을 직접 사용할 수 없는 것은 수도물 중에 입자상태의 불순물이 다량(약 0.5g/ℓ) 포함되어 있고 상기 불순물은 수십 시간내에 전극(18)(20)(22)(24)의 전체 표면으로 달라 붙으면서(scale) 전류의 흐름을 거의 차단하여 더 이상의 사용을 불가능하게 만드는 문제점이 있음을 확인하였다(참조:문재덕, 김용 共著:수분해 오존발생장치의 전극선 비대현상과 자기회복현상, 대한 전기학회논문지, 40, 6 (1991) 626~629).

그러나, 이와 같은 문제점은 제6도와 같은 구형파 펄스 또는 이와 유사한 파형의 전원을 이용함으로서 매우 효율적으로 이온을 집속할 수 있을 뿐 아니라 전극(18)(20)(22)(24) 표면으로의 고형 불순물 부착속도를 매우 크게 줄일 수 있음이 실험결과 확인되었다.

왜냐하면, 펄스파형을 인가 작용시킴으로써 직류보다 수배의 큰 전류(또는 전력)를 순간적으로 공급함으로서 이온 집속 효율은 올리면서도 전체 평균전력은 직류보다 낮거나 비슷한 값을 갖게 할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

한편, 제7도와 같은 직류전압의 경우 직류전력 P_dc는 식(1)과 같이 표시된다.

(단 t_p=t_on+t_off)

즉, t(전압 인가시간)는 고정되어 있고 V(인가 전압)만 가변할 수 있게 되어 I(인가 전류)는 자동 종속되나, 식(2)에서 펄스전력인 P_pluse의 경우는 V_P(또는 I_P)를 최대(보통 직류전압의 2배 정도)로 하고 t_p를 적절히 가변함으로서 큰 순시 전력(평균값은 P_dc와 거의 동일하거나 조금 큰 정도로 임의설정)을 얻을 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 효과적인 전압파형(P_P)을 발생시키기 위해서는 제8도와 같은 전자회로를 이용할 수 있다.

즉, 교류전원(ac)을 정류기(R)을 통하여 정류한 후 평활 콘덴서(Cf)로 평활하고, 적정주기(t=t_on+t_off의 t_off주기)로 트리거(trigger) 시킬 수 있는 트리거 회로(T)에 의해 반도체 스위칭 전력제어소자(Tr, IGBT)로 상기 직류전압을 펄스화시키면 된다.

이때 비교적 부피가 크고, 가격이 비싼 평활 콘덴서(Cf)를 제거하면 제9도와 같은 출력 전압파형(Pac)이 발생되며, 이 펄스파형을 본 발명 액중 이온분리장치(I_Z)의 전원으로 사용할 수도 있게되나, 대전력 고 이온 농도 출력시에는 제6도의 펄스 전압파형(P_P)보다 효율적이지 못하다.

또한, 본 발명에서 효과적인 펄스전원의 파형폭( 파형의 듀티비duty rate:t_on및 t_off의 비율)은 전자제어회로(Tr)나 LC 발진소자(L)(C)를 적절히 조절함으로서 매우 용이하면서 효과적으로 출력 이온농도를 조절할 수 있게 된다.

그리고, 제6도와 제9도에서는 구형파(square wave)로 나타내었으나 실제로는 과도적 현상(exponential rising and falling, 그리고 over and/or under shoots)을 갖는 파형으로 나타나며, 펄스의 듀티비는 전극의 형태와 크기 및 출력 용량에 따라 최적의 조건으로 가변할 수 있으며, 실험결과 t_on=10^-3~10³s(초)로 하고, t_off=10^-4~10²s(초)의 범위가 비교적 유효하였다.

④ 첨가물

한편, 특수 목적으로 매우 높은 농도의 이온수를 얻기 위해서는 수중에서 용이하게 이온화가 가능하여 이온원의 농도를 높일 수 있는 물질 예컨데 소금(NaCl)이나 염화칼륨(KCl) 등을 공급수 중에 첨가함으로서 이온수의 농도를 더욱 높힐 수 있다.

즉, NaCl이 수중에 들어가면 결합력이 약해져서 낮은 인가전압에서도 위의 식 (3), (4)와 같이 Na⁺나 K⁺, 그리고 Cl^-로 쉽게 분해되어 Na⁺와 K⁺는 음전극(20)으로, 그리고 Cl^-은 양전극(18)으로 집속되어 이온수 농도를 크게 증가시킬 수 있게 된다.

이때 특히 양전극(20)에는 많은 량의 Cl^-을 함유하게 됨은 물론 식(5)와 같이 부수적으로 생성되는 산소(O₂)가 포화 상태로 농축되고, 미량의 발생기 산소(O)도 발생하게 되어 살균소독 효과를 더욱 크게 향상시킬 수 있게 된다.

이때 금수구(2)로 투입하는 첨가물의 종류와 필요 이온 농도, 그리고 적용조건에 따라 다소간의 차이가 있으나, 약 1%~8% 정도의 중량비로 투입하면 고도의 살균효과도 실험결과 얻을 수 있었다.

⑤ 이온수의 오존화

한편, 음이온의 경우 살균 능력이 있어서 그대로 살균소독수로 사용할 수도 있으나, 필요에 따라서는 더욱 강력한 살균 소독수로서의 능력이 필요한 경우도 있게 된다. 이러한 경우에는 음이온수 출수구(6)에 본 발명인의 특허(액중 오존발생장치, 특허 제54405호)인 수중 오존발생장치를 설치함으로써 음이온수를 식(6)과 같이 다시 오존화하여 음이온수

중에 다량의 오존을 함유(오존:0.1~5ppmm)시켜 바이러스는 물론 이끼, 곰팡이, 조류 등까지도 확실히 말살할 수 있는 오존의 살균능력을 추가함으로써 더욱 확실히 살균능력을 갖게 할 수 있으며, 이때 소금(NaCl)을 오존수에 추가하면 살균능력을 더욱 증가시킬 수 있다(內藤茂三, 志賀一三 共著, 水中の미생물に 對する オゾソ살균효과, 일본식품공확회지, 29, 1 (1982) 1~10).

그리고, 종래 살균능력이 전혀없는 양이온수의 경우에도 양이온수 배출구(4)에 수중오존발생장치를 설치하여 다량의 산소와 오존을 함유시킴으로서 살균능력을 같게할 수 있으며, 필요에 따라 적절히 작동(또는 정지)시킴으로서 살균수화(또는 종래 알칼리수)하여 더욱 다목적수로 적용할 수 있게 된다.

⑥ 이온수의 자화수화

한편, 양이온수는 각종 식물의 발아 및 생장촉진 작용이 있으나, 필요에 따라서는 더욱 효과적인 발아 촉진 및 균일화와 생장촉진 작용을 갖게할 필요가 있다.

이와 같은 경우에는 양이온수의 출수구(4)에 본 발명인의 실용신안출원 제94-4263호 오존 정수장치에 제시한 자화수 장치를 부설함으로서 양이온수를 추가로 자화수화(磁化水化)할 수 있다.

왜냐하면, 자화수는 세포체내의 흡수가 빨라서 식물의 발아나 생장촉진 효과가 크기 때문이다(高橋不二雄 著:磁氣と生物, 제7장:자화수의 불가사의 1986).

또한, 음이온수의 경우도 같은 방법으로 자화수화할 수 있게 된다. 이때 적용되는 자화수 장치는 제10도와 같이 강력한 펄스전류(Ic)를 효과적으로 사용하여 자화의 효율을 종래의 영구자석에 비해 크게 증가시킨 것으로, 구체적인 구성과 작용효과는 상기 출원서에 자세히 기술되어 있다. 이렇게 함으로써 식물의 뿌리나 줄기에 흡수를 더욱 용이하게 하며 발아속도 및 생장을 더욱 촉진시킬 수 있게 되고, 살균 소독효과도 동시에 갖게 된다.

미 설명 부호(9)는 뚜껑, (11)(13)은 전극의 단자, (14)는 전극단자 출구, (31)은 자화코일뭉치, (32)는 펄스제어전원, (41)은 자심 코어이다.

이와같이 개선된 본 발명이 이온수 장치(B)는 초 고농도의 이온수 즉, pH 2~3의 초강 산성수와 pH 11~12의 초강 알카리수를 분리 배출시킬 수 있게 된다. 이렇게 얻어진 초강 산성수는 여러 가지 세균의 살균소독은 물론이거니와 곰팡이, 이끼, 조류 및 해충의 구제에 까지 사용할 수 있어서 2차 공해를 유발하지 않는 농약대용, 축산폐수의 살균처리, 탈취(냄새처리) 등의 용도로 적용가능하며, 다시 오존화 또는 자화수(磁化水)화 함으로써 더욱 다목적으로 적용이 가능해진다.

한편, 초강 알카리수는 특수 목적의 사람(주로 환자)이나 가축의 음용수나, 식물의 특수 재배용(수경이나 관수용 등)으로도 적용될 수 있으며, 수중 이온 발란스조절, 산성토질의 중화 등의 용도로 사용될 수 있으며, 다시 오존화 또는 자화(磁化)함으로서 살균소독 기능을 추가로 갖게되어 식물체의 종료나 종자소독, 발아 및 생장촉진 등 더욱 더 여러 목적으로 폭넓게 사용할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 급수구(2)와 출수구(4)(6)를 갖는 케이스(8)내에 이온 교환막(10)이 설치하고, 이온 교환막(10)의 양측에 평판형의 양전극(12)과 음전극(14)이 평형 설치된 통상의 액중 이온수 장치에 있어서, 페라이트 재질로 된 양전극을 팔라듐(Pd)이 함유된 백금(Pt)합금으로 하고, 양전극(18) 또는 음전극(20) 또는 이들 모두에 다수의 구멍(16)을 개설하고, 양전극(18)과 음전극(20) 단자간에 펄스파 전압(P_ac)(P_P)을 인가하여서 된 액중 이온 분리장치.
2. 제1항에 있어서, 양전극(18)과 음전극(20)의 내측에, 또는 양전극(18)과 음전극(20) 대신에 한쌍의 그물 전극(22)(24)을 설치하고, 그물 전극(22)(24)에 펄스파 전압(P_ac)(P_P)을 인가하여서 된 액중 이온 분리장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급수에 소금(NaCl)이나 염화칼륨(KCl)을 첨가함을 특징으로 하는 액중 이온 분리장치.
4. 제1, 2, 3항 중 어느 한 항에 있어서, 음이온수나 양이온수 또는 모두를 오존화시킨 것을 특징으로 하는 액중 이온 분리장치.
5. 제1, 2, 3항 중 어느 한 항에 있어서, 음이온수나 양이온수 또는 모두를 자화수(磁化水)시킨 것을 특징으로 하는 액중 이온 분리장치.