KR100346824B1

KR100346824B1 - 고효율 전해수 제조 장치

Info

Publication number: KR100346824B1
Application number: KR1019990044562A
Authority: KR
Inventors: 문재덕
Original assignee: 문재덕
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2002-08-03
Also published as: WO2001027037A1; AU3078900A; CN1379737A; JP2003516216A; KR20010037187A; EP1235751A1

Abstract

본 발명은 고효율 전해수 제조장치에 관한 것으로, 대향전극의 재질을 팔라듐이 함유된 백금합금전극으로 형성하여 전극의 수명을 연장시키고, 이 대향전극에 개구부를 설치함으로서 수류의 속도와 공간전하효과를 줄여서 고농도의 전해수가 생성되게 고효율화하고, 인가 전압은 구형파 펄스를 사용하여 전기 물리 화학적 작용과 전해작용이 용이하게 발생하게 하고, 전극의 불순물 부착을 줄이도록 인가펄스전압의 극성을 교번 인가하고, 공급수 중에 소금 등을 첨가하여 강알카리성수와 강산성수를 얻을 수 있도록 하고, 또한 분리막을 제거하여 중성수를 얻는 것은 물론 수소이온농도(pH)를 조절할 수 있게 한 것이다.

Description

고효율 전해수 제조 장치{High Efficiency Electrolytic Cell and System}

본 발명은 수중에 설치된 분리막의 좌우에 대향전극을 대향설치하고, 이 대향전극의 재질을 팔라듐이 함유된 백금합금으로 형성하여 수중으로 전극의 석출소모가 거의 없게 함으로써 전극의 수명을 대폭 연장시키고, 또한 이 대향전극에 개구부를 두거나 또는 이 대향전극의 내부 또는 외부에 추가의 대향전극을 설치함으로서 수류의 속도와 공간전하효과를 줄이면서도 전극간의 이격 거리를 좁혀 적은 소비전력으로 고효율화하고, 이 대향전극에 소정의 펄스전압을 인가하여 수중에서 효과적인 고전압방전과 전해작용을 일으키게 하여 수중에 고농도의 이온과 강산화성 물질을 함유되게 하는 고농도 전해수 및 중성수 제조방법 및 그 장치의 고효율화에 관한 것이다.

통상의 수중에 전해수를 발생시키는 방법은 수중에 분리막을 설치하고 이분리막의 좌우에백금이 도금된 티탄늄판 또는 페라이트재질로 된 평판형 대향전극을 설치하고, 이 대향전극간에 직류전압을 인가하여 출구에서 산성수와 알카리성수가 발생되게 하는 방법이다. 그러나, 이 경우 전극의 수명이 짧고 충분히 높은 전압을 인가할 수 없어서 효율 또한 높지 못하기 때문에 고농도의 산성수나 알카리성수를 얻을 수가 없는 것이었다.

이와 같은 전해수 발생 방법은 수중에서 이온(양이온, 즉 Ca⁺⁺, Fe⁺⁺, Mg⁺⁺, Cu^-등의 금속 mineral ion들과, 음이온, 즉 Cl^-, SiO₂ ^-, SO₃ ^-등)을 발생시킬 뿐만 아니라 강산화성 물질(O,O₃, H₂O₂, HClO, 등)을 발생시키기 때문에 매우 효과적이고 경제적이며, 살균소독, 탈취, 탈색등 강력한 산화작용 등을 이용하여 상, 하수 처리, 식품보관과 살균처리, 농산물이나 어물의 살균처리, 산업폐수처리, 악취와 휘발성 유기 공해물질(VOCs) 처리, 농약 대용 그리고 제약이나 식품제조공정 중의 살균처리, 나아가 의사의 손 살균세척이나 의료기구(칼, 가위, 등)와 의료장치(위 및 질 내시경 등)의 살균소독용 장치로서도 응용될 수 있는 등 여러 분야에 다양하게 적용될 수 있는 기술이다.

이와 같은 다양한 분야에 적용하기 위한 통상의 기술 중 전기방전을 이용하여 발생된 공기오존을 수중에 함입 시키는 방법은 산포기와 송풍기를 사용해야 하기 때문에 기술적(산포 효율, 오존 피폭, 구멍막힘, 소음, 등) 및 경제적 문제점이 있는 것이다.

도 1은 출력 전해농도가 비교적 낮은 종래 전해수 발생장치(가)를 도시한 것으로 급수관(4)과 전해수 배출관(6)(8)과 절연케이스(9)내부에 평판전극(1)(3)과 중심에 분리막(2)을 적정거리로 이격시켜 평행으로 대향 설치한 것으로, 급수관(4)을 통해 공급되는 공급수가 평판전극(1)(3)간을 통과할 때 인가하는 직류전압(Vdc) 에 의해 전해되어 산성수와 알카리수가 발생 되어 각각 배출관(6)(8)을 통해 전해수가 배출되는 구성이다.

상기한 종래 전해수 발생장치(가)는 평판전극(1)(3)에 도 2와 같이 직류전압(Vdc)이 인가되기 때문에 두 평판전극(1)(3)에서 급수가 전해되어 매우 약한 산성수와 알카리수가 각각 발생되어 나오게 되어 있으며, 평판전극(1)(3)간의 이격 거리도 가능한 한 낮은 인가 직류전압(Vdc)에서 작동시키기 위해 매우 좁게 설정(0.01∼2mm)된 것이다.

그래서 높은 직류전압을 인가할 수 없기 전해수 발생 능력이 비교적 약하고, 또한 급수량를 상대적으로 줄이고 인가 직류전압을 증가시켜도 많은 이온 및 강산화성 물질을 발생시키지도 않으며, 또한 평판전극(1)(3)간의 좁은 공간에 많은 전류가 흐르고 따라서 전류의 자승에 비례한 많은 열(전류에 의한 Joule 열)이 발생되어 반응식 1과 같이 강산화성 물질의 열분해가 촉진 되어 배출 전해수 농도는 근본적으로 크게 증가시킬 수 없는 것이었다.

2O₃-----→ 3O₂---------(1)

4HClO -----→2H₂O₂+ Cl₂---------(2)

2H₂O₂-----→2H₂O + O₂---------(3)

또한, 전해수 발생장치의 전극재질로서는 페라이트(ferrite)나 순수백금(Pt) 또는 티탄(Ti) 전극상에 백금(Pt)을 증착시킨 것을 사용하고 있어서 높은 직류전압을 인가하는 중형 또는 대형의 전해수 발생장치로서의 사용에는 전극의 수명이 길지 못한 단점은 물론 고농도의 전해수 발생장치로서도 단점이 있는 것이었다.

본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결함은 물론 통상의 전해수 발생장치의 전극의 구성과 구조형태와, 인가전원의 형태와 주기와 크기, 전극재질을 개선하여 고효율화 함으로써 고농도의 이온 및 강산화성 물질이 다량 함유된 전해수 제조는 물론 중성수도 제조함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 강산화성 물질 발생전극(양전극)은 수중 Faraday석출이 거의 없는 팔라듐(Pd)이 함유된 백금(Pt)합금전극으로 하거나 강유전체와 열팽창계수가 비슷한 금속(예, dumet, Al 등)상에 강 유전체 박층(薄層)을 형성하여 강산화성 물질 발생전극의 수명을 대폭적으로 연장시키고, 외부전극은 평판형으로 형성하고 내부전극은 수류(水流)가 유통되는 개부(流通開部, slit)를 갖는 평판형이나, 세편대(細片帶, small strip)형이나 세선(細線, fine wire)형이나 그물(mesh)전극으로 구성함으로써 내부전극간의 수류의 속도와 전극간의 이격(離隔) 거리를 좁혀 적은 소비전력으로도 고효율화하고, 인가 전압은 구형파펄스(square wave pulse) 또는 이와 유사한 파형의 갖는 전압을 적정주기로 시분제어(時分制御, sequence control)하여 인가함으로서 물속에서 기체방전(전극 표면에서의 산소 방전분해) 및 수전해(水電解) 작용을 용이하게 발생시키게 함은 물론, 인가 펄스전압을 교번(交番)하게 함으로서 전극 표면으로의 고형 불순물 부착(scale)속도를 크게 줄이게 하고, 공급수중에 고농도의 전해수가 생성되게 함은 물론 강산화성 물질 중의 하나인 HClO가 형성되기 위하여 필요한 Cl 함유 첨가물(예 NaCl, KCl 등와 같은 시약)을 첨가하여 고농도의 강산화성 물질(oxident)을 용존(溶存)한 강산성수와 강알카리성수는 물론 중성수까지도 얻도록 한 것이다.

이와 같은 본 발명 전해수 제조장치는 발생 전해수량을 증가시키기 위하여 본 발명 전해수 제조장치 여러 개를 병열로 구성하거나, 또는 발생 전해농도를 증가시키기 위하여 본 발명 전해수 제조장치 여러 개를 직열로 구성하여 사용할 수도 있게 되나, 구체적인 실시 예는 생략한다.

도 1 - 종래 전해수 발생장치 구성도.

도 2 - 종래 전해수 발생장치에 인가하는 전원의 파형도.

도 3 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 전해수 제조장치 구성도.

도 4 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 구형파 펄스전원 파형도.

도 5 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 반파 펄스전원 파형도.

도 6 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 고농도 전해수 제조장치의 구성도.

도 7 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 펄스전원 회로도.

도 8 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 삼펄스 전원 파형도.

도 9 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 시분제어 삼펄스 전원 파형도.

도 10 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 시분제어 삼펄스 전원의 다른 파형도.

도 11 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 시분제어 삼펄스 전원의 회로도.

도 12 - 본 발명 일 실시 예로 적용한 중성수 제조장치.

도 13 - 수도수를 급수할 때 발생하는 전해농도 그래프.

도 14 - 미량 소금 용존 수도수을 급수할 때 발생하는 전해농도 그래프.

도 15 - 수도수를 급수할 때 배출수의 pH 그래프.

도 16 - 미량 소금 용존 수도수을 급수할 때 배출수의 pH 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(가)---종래 전해수 발생장치 구성도

(나)---본 발명 일 실시 예로 적용한 전해수 제조장치 구성도

(다)---본 발명 고농도 전해수 제조장치 구성도

(라)---본 발명 중성수 제조 및 pH 조절 수단이 부가된 고농도 전해수 제조장치 구성도

(1)(3)---대향전극 (2)---분리막

(5)(7)---전극단자 (4)---급수관

(6)(8)---배출관 (9)---절연케이스

(11)---음 대향전극 (12)---분리막

(13)---양 대향전극 (14)---소수조

(15)---양 전극 단자 (17)---음 전극 단자

(16)---음 전극수 배출관 (18)---양 전극수 배출관

(21)---외부 음극전극 (23)---외부 양극전극

(Vps)---종래 전해수 발생장치에 인가하는 펄스 파형

(Vp₊)---정극성 펄스전압 (Vp)---구형파 펄스전압

(Vp_-)---부극성 펄스전압 (Vpac)---반파 펄스전압

(ton)---펄스전압 작동시간 (toff)---펄스전압 미작동시간

(d)--- 전극간격 (D)---수류폭

(A)---음 전극수 영역 (A')---내부 음 전극수 영역

(B)---양 전극수 영역 (B')---내부 양 전극수 영역

(Vp_B)---B쪽 펄스전압 (Vp_A)---A쪽 펄스전압

(V_G)---내부 펄스전압 (M)---중성수 제조수단

(W_B)---양 전극수(강산성수) (W_A)---음 전극수(강알카리수)

(W_C)---혼합수(중성수)

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

① 전극의 구성과 형태

종래 전해수 발생장치 (가)의 출력 전해수의 농도가 낮은 문제점을 보완하기 위하여 전해수가 제조되는 대향전극에 더 높은 전압을 인가하여 높은 전류가 흐르게 하는 것이 필요하다.

이와 같은 본 발명 일 실시 예로 적용한 전해수 제조장치 (나)의 인가전원으로는 도 4의 구형파 펄스전압(Vp)이나 도 5의 반파 펄스전압(Vpac)이 적용될 수 있다.

그러나, 이 경우 대향전극(11)(13)표면에 급수중의 불순물이 크게 부착(scale)하여 수 십시간 이내에 전류가 급격히 감쇄되면서 전해수 발생의 중단을 가져오게 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 전극(11)(13)의 극성을 반전시켜 주는 것이 필요하다.

즉, 양 대향전극(13)에 부극성(음극성)의 전압을 인가하고, 음 대향전극(11)에 정극성(양극성)의 전압을 인가하되, 두 대향전극(11)(13)간의 인가전원 극성을 적정시간간격(수 십초∼수 십분 정도)으로 교번(交番)하여 주는 수단이 필요하며, 이때 당연히 전해수 배출구도 바뀌게 되므로 이에 대한 수단(전자변 등을 사용 자동 변환장치 부설 등)이 필요하게 된다.

본 발명 일 실시 예로 적용한 전해수 제조장치 (나)는 도 3과 같이 그물형으로 된 양 그물전극(13)과 음 그물전극(11)이 분리막(12)의 양측에 좁은 간격으로 각각 대향 설치되는 바, 두 전극(11)(13)의 평면적은 가능한 넓게 하고 이격(離隔) 거리(d)는 좁게 설치하여 두 전극(11)(13)간의 전기저항이 감소되게 함으로서 가능한 한 낮은 전압으로도 효과적으로 전해시킬 수 있게 하였다.

그러나, 이와 같은 경우 두 대향전극간(d)이 좁게 설치되므로 이 두 전극(11)(13)간에 수류(水流)가 와류(渦流)로 형성되며, 따라서 두 전극(11)(13) 주변에 수직으로 이동해야하는 전류를 난류화하여 생성된 강산화성 물질들이 쉽게 분해되어 전해효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 두 전극간(d)에각각 반대편으로 분리 이동되어 온 반대 극성 이온들이 공간전하로 작용하여 전극간의 전압을 상대적으로 감쇄시키는 공간전하 제한작용(space charge limitting action)을 받게되어 전해작용을 더욱 크게 감소시키게 된다.

상기와 같은 문제점은 도 4와 같이 두 전극을 유통개부(流通開部)를 갖는 구조인 그물전극(11)(13)을 사용하여 전극간격(d)는 작게 하면서도 상대적인 수류폭(D)을 크게 하여 두 그물전극(11)(13)간에서 제조된 전해수가 그물구멍(유통개부)을 통하여 폭이 넓은 외측(D)으로 유출되어 나오게 함으로서 전극간의 수류 속도와 난류를 크게 줄임으로서 해결할 수 있으며, 이러한 경우 두 그물전극(11)(13)간의 이격 거리(d)를 더욱 좁힐 수 있어서 낮은 인가 전압에서도 상대적으로 더 높은 전압 및 전류 상태로 작동되게 되어 매우 효과적인 수중방전 발생과 전해작용을 일으킬 수 있음은 물론 소모전력도 줄이게 되어 전해효율도 매우 크게 향상되는 장점이 있다.

이때, 전극간격(d)은 분리막(12)의 양측에 근접하게 하거나 또는 분리막(12)에서 비교적 크게 격리시킬 수도 있으며, 이 전극 간격(d)값은 필요 배출 전해농도와 배출 전해수량 등에 따라 임의 결정할 수 있다.

한편, 본 발명의 도 3은 대향전극(11)(13)이 유통개부가 형성된 평판형으로 구성되어 있으나, 양전극(13)을 선이나 선형으로 구성된 원통형 또는 세편대로 구성된 원통형 전극으로 하고 음전극(11)을 그물형 또는 선형으로 구성된 동심원통형 전극으로 구성해도 동일한 전해수 제조장치가 된다. 이 경우의 구체적인 실시 예는 생략한다.

그러나 도 3의 본 발명 일 실시 예로 적용한 전해수 제조장치 (나)는 도 1의 종래 전해수 발생장치 (가)에 비해서는 고농도의 전해수를 얻을 수 있으나, 아직도 충분하지 못하다.

왜냐하면 전극간격(d)이 좁아지면 수류 속도가 빨라지고 구형파 펄스전압(Vp)의 상대적 증가(電界 즉, Vp/d의 증가)에 따라 전류밀도(이온밀도) 또한 높아져서 공간전하 제한작용이 커지기 때문에 인가되는 전압이 상대적으로 작아져서 효과적으로 전해수를 발생시킬 수 없게 되기 때문이다.

즉, 본 발명 일 실시 예로 적용한 전해수 제조장치 (나)의 경우 구형파 펄스전압(Vp)이 인가되면 정전력(Coulomb 인력)에 의해 집속되어 온 역극성의 전하(방전에 의하거나 전해된 이온과 수중에 존재했든 이온 등)들이 두 전극(11)(13)부근의 공간에 밀집하여 존재되고, 밀집된 이들 전하(空間電荷, space charge)가 다음에 이동되어 오는 동일 극성의 전하를 배척(Coulomb 斥力)하여 더 이상의 추가이온의 이동을 방해하는 작용(공간전하 制限作用)을 하게 되어 전류가 감소되며, 따라서 이온 및 강산화성 물질의 발생 효율도 크게 감소되기 때문이다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명 일 실시 예로 적용한 전해수 제조장치 (나)의 구성을 도 6과 같은 구성으로 개량하였다. 즉, 음 대향전극(11)의 외측에 외부 음극전극(21)을 그리고 양 대향전극(13)의 외측에 외부 양극전극(23)을 추가로 부설함으로서 양 대향전극(13)과 분리막(12)간과 음 대향전극(11)과 분리막(12)간의 밀집전하들이 B쪽 펄스전압(Vp_B)과 A쪽 펄스전압(Vp_A)에 의한정전력(Coulomb 인력)으로 급속히 각각 양 전극수 영역(B')와 음 전극수 영역(A')쪽의 외부 즉, A 및 B영역으로 인출시킴으로 두 전극(11)(13)간의 전하를 크게 감쇄시켜 공간전하 제한작용을 크게 감소시켜서 동일 구형파 펄스전압(Vp)에서 상대적으로 큰 전계(電界, E = Vp/d)를 얻게 하여 이온 및 강산화성 물질의 발생능력과 효율을 크게 개선하였다.

이렇게 함으로서 좁은 두 전극(11)(13) 간의 밀집 전하뿐만 아니라 이온 및 강산화성 물질이 용존된 전해수가 용이하게 각각 추가의 외부 음극전극(21)과 외부 양극전극(23)쪽 즉, 음 전극수 영역(A)와 양 전극수 영역(B)으로 유출되어 난류와 공간전하 제한작용은 물론 반응식 1과 같은 열분해 작용도 크게 감소시켜 더욱 효과적으로 이온 및 강산화성 물질이 발생 용존된 전해수가 제조되게 된다.

이렇게 전극(11)(13)의 형상을 그물형이나 세선형 또는 세편대형으로 하고 또 전극간격(d)을 좁게 하는 것은 두 전극(11)(13)간에 고전압방전도 효과적으로 발생시키기 위함이다. 즉, 방전은 날카로운 곳(예, 피뢰침)이나 직경이 작은 것(예, 가는 선이나 세대)에서는 비교적 낮은 전계에서도 용이하게 발생하게 된다. 특히 수중의 양 그물전극(13)상에는 고전압펄스가 인가되면 전해작용에 의해 반응식 2와 같이 산소분자(O₂)가 발생된다.

2H₂O -→ 2H₂(음 전극 상) + O₂(양 전극 상)

이 산소분자는 기체이기 때문에 물분자에 비해 유전율이 매우 낮기 때문(물과 산소의 유전율비는 80 대 1)에 대부분의 전압이 산소분자에 인가되어 산소분자가 방전(放電)으로 파괴되어 다음의 반응식 3과 같이 아기산소(O)나 활성종(OH radical)이 만들어지게 된다.

O₂-→ O + O ---------(1)

H₂O -→ OH + H---------(2)

O₃-→ O + O₂---------(1)

HClO -→ OH + Cl ---------(2)

H₂O₂-→ OH + OH ---------(3)

상기 아기산소(O)가 다시 반응식 4와 같이 다른 인접 산소분자(O₂)와 결합하여 강산화성 물질(O₃, HClO, H₂O₂, O 등)이 만들어지게 된다. 이때 직류전원(direct current power)이나 교류전원(alternate current power), 그리고 기타 다른 전원(맥류나 고주파전원 등)에 비해 펄스전원의 경우 전압상승시간(voltage rising time)을 매우 짧게 제어할 수 있어서 낮은 전력으로 순간적인 고전압방전을 일으킬 수 있게 되어 강산화성 물질(O₃, HClO, H₂O₂, O 등)을 고효율로 만들 수 있기 때문에 매우 효과적이면서도 경제적이다. 이에 대한 자세한 것은 다음의 펄스전원 인가수단에서 설명된다.

이때, 대향전극(11)(13)을 그물(mesh)형으로 하거나 세선(fine wire) 또는 세편대(fine stripe)형으로 하는 경우, 선이나 세편대의 굵기나 간격 그리고 편대(stripe)의 폭은 인가전압의 형태나 크기 또는 발생 전해수 농도나 수량, 전극의 수명과 장치의 용도, 크기 및 가격 등에 따라 가변 조절하게 된다.

왜냐하면, 전극재질이 가격이 비싼 백금족의 합금(Pt+Pd)을 사용하기 때문이며, 다만 가격이 싸고 긴 수명을 요구하지 않는 소규모장치인 경우에나 또는 짧은 주기의 수명으로 자주 갈아줄 수 있는 경우에는 다른 형태나 재질의 금속(예, SUS 등) 또는 합금 또는 백금족의 합금(Pt+Pd)의 다른 금속상의 도금 또는 피막형으로 하여 사용할 수도 있게 된다.

또한, 분리막(12)은 두 영역 (A'), (B') 간의 이온들의 통과성이 좋으면서도 물이 서로 혼합되지 않는 특성을 갖는 것이 좋으며, 통상의 이온교환 수지계가 사용될 수 있으나, 경우에 따라서는 천이나 수지 또는 세라믹 등도 사용할 수 있다.

② 펄스전원의 형태와 주기 및 인가수단

종래의 전해수 발생장치 (가)에도 구형파 펄스전원(도 4)(도 5)을 사용하면 수중방전 발생 및 전해작용을 일으킬 수 있음이 실험결과 확인되었으나, 대향전극이 평판형이기 때문에 비효율적이 다.

그러나, 본 발명 일 실시 예로 적용한 전해수 제조장치 (나)의 구성을 도 6과 같은 구성으로 개량하여 음 대향전극(11)의 외측에 외부 음극전극(21)을 그리고 양 대향전극(13)의 외측에 외부 양극전극(23)을 추가로 부설함으로서 양 대향전극(13)과 분리막(12)간과 음 대향전극(11)과 분리막(12)간의 간격(d)을 좁게조절할 수 있게 하거나, 또는 대향전극(11)(13)을 날카롭게 또는 직경이 작은 그물형이나 세선형 또는 세편대형으로 구성하여 구형파 펄스전원(도 4)(도 5)을 인가하면 대향전극(11)(13)의 표면에서 매우 높은 전계(電界, electric field, E = Vp/d)가 형성되어 수중방전 발생 및 전해작용을 더욱 효과적으로 일으킬 수 있게 되며 큰 전류도 얻을 수 있게 되어 이온 및 강산화성 물질의 발생능력과 발생효율을 더욱 크게 개선되게 된다.

왜냐하면, 대향전극(13)(11)간의 간격(d)을 좁게 하고 직류보다 수배의 큰 전압을 순간적으로 공급할 수 있는 구형파 펄스전원(도 4)(도 5)을 인가하면 매우 강하고 효과적인 전해작용을 발생시켜 효율은 올리면서도 전체 평균 소모전력은 직류전원 보다 낮게 할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 또한 대향전극(13)(11)을 날카롭게 또는 직경이 작은 그물형이나 세선형 또는 세편대형으로 구성하여 구형파 펄스전원(도 4)(도 5)을 인가하면 매우 효과적인 수중 방전발생 및 전해작용 즉, 반응식 3과 4와 같은 작용이 발생되어 전해효율을 더욱 높게 할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

한편, 맥류전압의 경우 전력 P_c는 P_dc= VIt와 같이 표시되나, 도 4와 같은 펄스전력(P_p)일 경우에는 P_p= V_pI_pt_p와 같이 표시된다. 여기서 t_p=t_on+ t_off으로, t_p는 펄스전압 한 주기 작동시간,t_on는펄스전압 작동시간, 그리고t_off는 펄스전압 미작동시간을 나타낸다.

맥류전력 P_c의 경우는 t(전압 작동시간)는 고정하고 V(인가 전압)만 가변하게 되어 I(인가 전류)는 자동종속(발전소에서 고정)되나, 펄스전력 P_p의 경우는 V_p와 I_p를 최대(보통직류의 V와 I의 2배정도)로 하고 t_p를 적절히 가변 함으로써 큰 순시전력(瞬時電力)을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 인가전력을 t_on으로 가변 시킴으로써 출력수의 전해농도를 임의로 조절할 수도 있는 장점이 있다.

이와 같은 효과적인 전압 파형(V_p)을 발생시키기 위해서는 도 7과 같은 전자회로를 이용할 수 있다. 즉, 교류전원(ac)을 변압기(LT)를 이용하여 적정전압으로 변환하고 정류기(R)를 통하여 정류한 후 평활 콘덴서(Cf)로 평활하고, 적정주기(t_p,t_on또는 t_off의주기)로 트리거(trigger)시킬 수 있는 트리거 회로(T, trigger circuit)에 의해 반도체 스위칭 전력제어소자(Tr, IGBT)로 상기 직류전압을 펄스화 시키면 도 4와 같은 구형파 펄스전압(Vp)이 발생된다. 이때 비교적 부피가 크고, 가격이 비싼 평활 콘덴서(Cf)를 제거하면 도 5와 같은 출력 전압 파형(Vpac)이 발생되며, 이들 펄스 파형을본 발명 전해수 제조장치(나)의 전원으로 사용할 수도 있다.

그러나, 본 발명 고농도 전해수 제조장치 (다)의 경우, 세 개의 전원(V_G, Vp_A, Vp_B)이 필요하게 되며, 이 경우 V_G나 Vp_A과 Vp_B는 각각 도 8과 같은 파형의 전압을 사용할 수 있다. 그러나 더욱 효과적인 고전압방전 및 전해작용을 위해서는 도 9와 같이 Vp_A와 Vp_B및 V_G를 교대로 인가하거나, 또는 도 10과 같이 V_G는 계속 인가하나 Vp_B와 Vp_A는 교대로 인가하는 수단 즉, 시분제어 (sequence control)할 수도 있는 전원의 경우가 더욱 유효하다.

이 때 Vp_A,Vp_B그리고 V_G를 발생하기 위한 전원 회로도의 일 예는 도 11과 같으며, 기본동작원리는 도 7과 같으나 한 개의 저압변압기(LT)를 사용하고 3개의 펄스발생회로를 직열로 구성하여 트리거회로(T)를 적정 시분 제어함으로써 도 8, 도 9, 도 10와 같은 펄스전압을 발생시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 효과적인 펄스전원의 파형 폭(파형의 시비율<duty rate> : (t_p=t_on+ t_off)중의t_on과 t_off의 비율)은 트리거회로(T)의 신호파(signal)를 적절히 제어 조절함으로서 매우 용이하면서 효과적으로 출력 전해농도를 조절할 수 있게 된다.

이때, 내부 전극(11)(13)에 인가하는 전압 V_G와 외부 전극(21)(23)간에 인가하는 전압 Vp_A또는 Vp_B는 발생 전해수 용량과 필요 전해농도, 전극들(11)(13)(21)(23)의 크기와 간격(D, d)에 따라 적절한 전압값으로 설정할 수 있으며, V_G와 Vp_A와 Vp_B의 값은 대개 20∼1000V정도가 실용적이나, 특수목적을 위해서는 증감할 수 있다. 즉, 고 순도의 순수(純水)의 경우는 이보다 더 높은 전압이 요구될 수도 있으며, 초소형의 장치에는 이보다 더 낮은 전압이 사용될 수도 있다.

그리고, 도 8과 도 10에서는 구형파(square wave)로 나타내었으나, 실제 반도체 전원회로에서 발생하는 펄스는 약간의 과도적 현상(exponential rising andfalling, 그리고 over and/or under shoots)을 갖는 파형으로 나타나며, 펄스의 시비율(duty rate)은 전극의 형태와 크기 및 출력 전해수 용량에 따라 최적의 조건으로 가변할 수 있으며, 실험결과 t_on= 10^-2~ 10⁴s(초)로 하고, t_off= 10^-4~ 10²s(초)의 범위가 비교적 유효하나, 필요와 목적에 따라 증감 가변 할 수도 있다.

③ 전극재질결정

통상의 전해수 발생장치 (가)는 양(陽) 전극(3)의 재질로 페라이트나 백금도금 티탄늄(Ti)을 사용하기 때문에 높은 전류를 공급하면 전극재질이 수중에서 분리 석출(析出, Faraday 법칙) 소모되어 전극(3)의 사용수명이 짧아지는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점은 대향전극 물질로 백금(Pt)에 팔라듐(Pd)을 적정량( 이때의 최적조건은 0.5∼8wt% 정도이나, 0.05∼30wt%의 범위 내에서 유용하게 사용 가능하다.)으로 혼합하여서 된 백금합금(Pt+Pd)을 사용하면 전극(3)에 100V이상의 높은 전압(통상의 전해수 발생장치(가)의 경우 20V 이하)을 인가하더라도 전극의 분리석출이 크게 감소되어 수명이 4000시간 이상으로 연장되어 매우 유용한 것이 실제 적용 실험결과 확인되었다.

따라서, 직접 이온 및 강전해성 물질을 생성시키는 양 전극(13)이나 외부 양전극(23)의 경우 전술한 팔라듐이 합금 된 백금 재질로, 또는 백금이나 백금족의 합금(Pt+Pd)의 도금 또는 피막형을 사용하는 것이 매우 유용하다. 그러나, 가격이 싸고 긴 수명을 요구하지 않는 즉 필요 전해량이 매우 적은 소규모장치인 경우에는양 전극(13)(23)을 가격이 싼 스텐레스(SUS)나 다른 형태나 재질의 금속 또는 합금을 사용할 수도 있으나, 이 경우 자주 양 전극(13)(23)을 교환해 주어야 한다. 그러나, 음전극(11)(21)의 경우는 스텐레스 등과 같은 재질을 사용해도 유효하다.

또한, 이와 같이 펄스전압을 인가하는 경우에는 금속 전극 상에 비유전율(比誘電率, ε_r)이 매우 높은 강유전체 물질(ferroelectric material)을 피복하는 경우도 전극물질의 석출소모가 적게 된다. 왜냐하면, 전극의 석출소모는 Faraday의 석출법칙에서 직류전류(I)에 비례하기 때문에 펄스전압의 경우 직류 전류분(直流電流分)을 매우 적게 함으로서 전극의 석출소모량을 줄일 수 있게 된다.

이 경우는 펄스전압의 시비율(duty rate)이 적은 비교적 높은 주파수가 효과적이게 되며, 강 유전체의 비유전율은 물의 비유전율(ε_r=80)에 비해 클수록 또한 강 유전체 층이 얇을수록 효과적이게 되며, 또한 전극 상에 적정크기의 요철(凹凸)이 있는 것이 방전발생과 전해작용에 효과적이다.

또한, 강유전체 구형체(ferroelectric pellet or bead)를 내ㆍ외부 전극간(D, d)에 일부 또는 전체적으로 충진 설치하는 것도 전해작용을 증가시킬 수 있기 때문에 동일효과를 얻을 수 있게 된다.

④ 출력전해수의 특성제어 및 첨가물제어

본 발명 고농도 전해수 제조장치 (다)에 적정형태의 전원(도 8, 도 9, 도 10)을 인가하고 적정전압(또는 전류)의 크기를 설정하여 작동시키면 영역 B의 양전극 배출관(18)에서는 전해수가 배출되고 영역 A의 음전극 배출관(16)에서도 공급수의 일부가 배출된다. 그런데 음 대향전극(11)과 양 대향전극(13)가 구조상 그물전극형태이며 또한 (D)>(d)이기 때문에 내부 음 전극수 영역(A')과 내부 양 전극수 영역(B')에는 큰 전계강도(E=V_G/d)로 되어 음 대향전극(11)과 양 대향전극(13)상에는 강한 부분방전현상과 전해작용이 일어나게 되어 전기 물리 화학적 반응(electrophysicochemical reaction)이 매우 강력하게 일어나서 다음 반응식 5, 6과 같이 전해작용이 일어나서 오존(O₃)과 산소(O₂)와 아기산소(O)와 부차적으로 과산화수소(H₂O₂)와 같은 강산화성 물질들이 매우 효과적으로 생성되게 된다.

6H₂O ------→ 6H₂+ O₂+ O₃+ O

H₂O + O ----→ H₂O₂

이때 내부 음 전극수 영역(A')에 있던 수중 양이온(예 Cl^-, SiO₂ ^-, SO₃ ^-등)은 내부 양 전극수 영역(B')으로 정전력(Coulomb 인력)에 의해 이동하게 되고, 같은 원리로 내부 양 전극수 영역(B')에 있던 수중양이온(Ca⁺⁺, Fe⁺⁺, Mg⁺⁺, Cu^-등의 금속 mineral ion들)이 내부 음 전극수 영역(A')로 이동되어, 상호 이온 분리작용도 함께 발생하게 된다.

또한 이때, 외부 음극전극(21)과 외부 양극전극(23)에도 적정전압을 인가하면 각각 내부 음 전극수 영역(A')과 내부 양 전극수 영역(B')에 있던 각각의 이온들이 음 전극수 영역(A)와 양 전극수 영역(B)로 다시 유출되게 되어 각각 음 전극 배출관(16)과 양 전극 배출관(18)을 통해 배출되게 된다.

따라서 양 전극 배출관(18)쪽의 출력수인 양극수는 강산화성 물질들(다량의 O₃, 그리고 미량의 O₂, O, H₂O₂등)을 많이 포함한 전해 산성수(acid water, 음이온이 많이 함유된 물)가 배출되게 되고, 음전극 배출관(16)쪽의 출력수인 음극수는 알카리수(alkari water, 양이온이 많이 함유된 물)가 배출되게 된다.

배출수중의 강산화성 물질(O₃, O₂, O, H₂O₂등)의 량과 이온농도는 인가전원의 전압의 크기(V_G, Vp_A, Vp_B)나 주기 (특히 t_on)등을 수동 및 자동(자동제어회로 이용 등)으로 제어함으로서 용이하게 조절할 수 있게 된다. 또한, 전극(11)(13)(21)(23)의 크기나 전극간격(d)나 수류폭(D) 또는 수류량을 가변 시킴으로써 조절할 수도 있다.

한편, 반응식 7과 같이 Cl^-가 함유 또는 생성 가능한 물질 예컨데, 수도물이나 소금(NaCl)이나 염화칼륨(KCl) 등이 공급수 중에 존재하면 강산화성 물질과 이온농도가 더욱 높아질 수 있다.

NaCl -----→ Na⁺+ Cl^----------(1)

KCl --------→ K⁺+ Cl^----------(2)

즉, NaCl이 수중에 들어가면 상호결합력이 약해져서(수중에서는 1/80이 됨) 낮은 인가전압에서도 위의 반응식 7과 같이 Na⁺나 K⁺, 그리고, Cl^-로 쉽게 분해되어 Na⁺와 K⁺는 음전극(11)(21)으로, 그리고 Cl^-은 양전극(13)(23)으로 이동 집속되어, 전류 및 이온농도를 크게 증가시킬 수 있게 된다.

이때, 특히 양 전극수 영역(B)와 내부 양극수 영역(B')에는 많은 량의 Cl^-을 함유하게 되며, 또 반응식 8과 같이 H₂O가 전해되어 생성된 OH가 Cl과 결합하여 반응식 9와 같이 HClO(강산화성 물질)를 생성하게 되어 양 전극수 영역(B)에는 HClO가 많이 함유된 강산화성 물질(다량의 HClO, 그리고 미량의 O_2,O₃, H₂O₂,O 등)을 생성하게 되어 더욱 다양하게 적용할 수 있게 된다.

H₂O -----→ OH + H

OH + Cl -----→ HClO

왜냐하면, 산성수(또는 알카리수)중 강산화성 물질인 HClO이 많이 함유된 경우 그 살균력이 6시간정도 지속되나, 산성수(또는 알카리수)중 강산화성 물질인 O_3가많이 함유된 경우 그 살균력이 15분정도로 매우 짧게 지속되기 때문에 그 용도 또한 더욱 다양, 즉, O_3가많이 함유된 경우에는 주로 식품등의 살균소독용 세척수로 HClO이 많이 함유된 경우에는 주로 농약 대용 등으로 사용할 수도 있게 되는 매우 유용한 것이다.

이때, 급수관으로 공급되는 물은 주로 수도수나 지하수 등이 될 수 있으나, 필요와 목적에 따라서는 다양한 수용액(증류수나 시약 용존수 용액 등)이 사용될 수도 있다. 또한 이 수용액 또는 수중에 투입하는 첨가물(NaCl, KCl 등)은 종류와 필요 이온농도, 그리고 적용조건에 따라 다소간의 차이가 있으나, 약 0.01 ~ 1 wt% 정도의 중량비로 투입하는 것이 효과적이고 경제적임을 실험결과 확인할 수 있었다.

통상의 전해수 장치의 경우는 양전극 출수관과 음전극 출수관에서 통상 pH 4∼6정도의 산성수와 pH 8∼10정도의 알카리수가 배출되며, 주로 약 알카리수의 음용 목적으로 사용되고 있다.

또한, 최근 일본에서 개발된 고농도의 산성 전해수 장치의 경우도 양 전극(陽電極)을 티탄(Ti)위에 백금(Pt)을 피복(도금 등)한 평판형 전극을 분리막(이온교환 수지) 양측에 설치하고 인가전압이 10∼20V(전압이 20V이상이 되면 전극의 수명이 급격히 짧아진다.)정도의 직류를 사용하여 전해작용(약 3V이상에서 일어나는 전해작용(electrolysis))의 원리만을 이용하는 통상의 이온수 장치와 동일 구조이며, 양과 음전극 출수관으로부터 pH 2∼4 및 pH 10∼12정도의 고농도의 이온수가 배출되게 되어 있다. 이 경우 pH 2∼4의 강산성수장치가 살균소독 등의 목적으로 현재 개발 중에 있으나, 전해농도와 강산화성 물질량의 조절이 불가능하며, 또한 강산화성 물질로는 주로 HClO만이 함유되어 있기 때문에 실적용상 많은 제한이 있게 되는문제점이 있다.

⑤ 중성수 제조 수단

일반적으로 전해장치는 전해수를 생성 배출시키기 때문에 중성수(pH 6∼8 정도)을 얻을 수는 없는 것이다. 즉 종래 전해수 발생장치 (가)의 배출수는 pH4∼6인 반면에 본 발명 고농도 전해수 제조장치(다)의 배출수는 pH2∼4의 강 전해수이며 이의 조절이 불가능하기 때문에 실적용상 용도와 적용특성에 따른 제한이 있다.

따라서, 본 발명 고농도 전해수 제조장치 (다)의 경우 이를 해결하기 위하여 도 12에서와 같이 영역A로부터 배출되는 음 전극수(강알카리수)(W_A)와 영역B에서 배출되는 양 전극수(강산성수)(W_B)를 두 출수관(16)(18)으로부터 혼합 중성화하는 수단(M)을 적용함으로서 처음의 급수관(4)의배출수와 같은 pH7의 중성수(W_C)는 물론 약알카리수와 약산성수도 만들 수 있게 된다.

이와 같이 중성수(W_C)는 pH 7의 중성수가 되나, 이때 방전 및 전해에 의해 생성된 다량의 산화물질(이때의 강산화성 물질은 주로 O₃와O₂그리고 미량의 HClO와 H₂O₂O)은 도 15와 같이 다소 감소하나 상당량이 그대로 중성수중에 남게되어 살균소독작용은 충분(0.3ppmm의 농도로 대장균을 10초간에 99.9% 사멸)히 갖게 된다. 따라서 이 경우의 중성수는 가정용, 영업소(식당, hotel, 이미용소, 병원, 또는 학교 등), 산업체용 또는 가축용의 정수장치나 살균소독수장치 등 다양한 분야에도유용하게 적용 될 수 있는 것이다.

이때 사용되는 중성수 생성수단(M)으로는 단지 전해수 제조장치 (다)(라) 내에 혼합조의 설치만으로도 되나, 목적과 필요에 따라 적절한 방법 및 장치가 추가로 사용될 수도 있다. 또 혼합하는 W_A또는 W_B의 량과 pH에 따라 W_C는 중성수 뿐만 아니라, 다양하게 약산성수 또는 약알카리성 수(水)로 pH를 임의로 조절시킬 수 있게 된다.

한편, 이와 같이 중성수(W_C)가 최종적으로 만들어지는 것은 본 발명의 전해수 제조장치(나)나 (다)에서 이온 분리막(12)을 제거하고 배출관(16)(18)을 합쳐서 한 개로 함으로서도 가능하며, 이 경우 더욱 간단히 전해효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 분리막(12)의 존재로 말미암은 문제점(막수명, 막막힘, 막저항에 의한 전력소모 증대, 막 가격 등)도 없어지기 때문에 더욱 효과적이고 경제적으로 된다.

따라서, 본 발명의 전해수 제조장치 (나)나 고농도 전해수 제조장치 (다)는 다양한 목적이나 응용분야에 매우 유효하게 적용할 수 있게됨은 물론, 배출수의 특성도 더욱 고농도의 전해수(다량의 mineral 등 포함)와 고농도의 강산화성 물질 용존수(다량의 HClO와 미량의 H₂O₂, O₃, O, O₂등, 또는 다량의 O₃와 미량의 HClO, H₂O₂, O, O₂등)가 얻어지고 또한 고농도의 강산성수와 강알카리수 즉, pH 2∼12사이의 임의의 값으로 조절하여 사용할 수도 있게 되는 매우 유용한 것이다.

이때, 전해수중 강산화성 물질인 HClO가 많이 함유된 경우 그 살균력이 6시간정도 지속되나, 전해수중 강산화성 물질인 O₃가 많이 함유된 경우 그 살균력이 15분 정도로 매우 지속되는 존속특성이 있기 때문에 그 용도 또한 더욱 다양하게 사용할 수도 있게 되는 매우 유용한 것이다.

이와 같이 개선된 본 발명 고농도 전해수 제조장치 (다)는 수도수를 사용하는 경우 도 13과 같은 전해수 발생특성을 보여주며, 수도수에 미량의 소금을 혼합시키는 경우 도 14와 같이 매우 높은 강산화성 물질을 함유수가 제조 되게 되며, 이는 종래 전해수 발생장치 (가)에 의해 생성되는 것보다 각각 3배 및 15배의 강력한 초고농도 전해수를 생성하게 되는 장점이 있을 뿐만 아니라, 도 16와 같이 초고농도의 전해수 즉, pH 2∼4의 강산성수(W_B)와 pH 10∼12 의 강알카리수(W_A)와 그리고, 중성수(W_C)를 각각 분리 배출시킬 수 있게 된다.

이렇게 하여 얻어진 전해수는 모두 강산화성 물질을 함유하고 있기 때문에 살균소독, 탈취, 탈색, 강력한 산화작용 등을 이용하여 상하수 처리, 음용수나 정수장치 및 고도정수 제조시의 처리, 육류나 식품보관 및 살균처리, 농산물이나 어류의 살균처리, 산업폐수나 산업배수 처리, 유해 유기기체 처리, 농약대용, 그리고 제약이나 식품제조공정 중의 처리, 나아가 최근에는 의료기구(예, 의사나 병원관계자 및 식당 식품 제조자 등 손의 살균소독처리, 환자나 의사의 의류, 치과 구강살균소독 및 세척수 등)로서도 응용되는 등 여러 분야에 다양하고 폭넓게 사용 및 적용되고 있다.

또한, 이 전해수중에는 급수관(4)으로부터 초기 투입된 미량의 첨가제(KCl 또는 NaCl 등)가 모두 고전압방전에 의해 분해되거나 전해 분리되어 이온화되어 없어지기 때문에 이들 첨가제로부터 야기 발생되는 문제점(염해 등)도 해결되기 때문에 더욱 다양하게 적용될 수 있다.

또한, 강산성수(W_B)는 여러 가지 세균의 살균소독은 물론이거니와 곰팡이, 이끼, 조류 및 해충의 구제에까지 사용할 수 있어서 이차 공해를 유발하지 않는 농약 대용, 축산폐수의 살균처리, 탈취처리, 의료용(치과의 구강 살균 및 세척기, 위나 장 또는 질 세척기, 병원의 세균 감염 벽 등) 등의 더욱 여러 분야에 다목적으로 적용이 가능해진다.

한편, 강알카리수(W_A)는 특수 목적으로 사람이나 가축의 음용수나, 식물의 특수 재배용수(수경이나 관수 용 등)등으로도 적용될 수 있으며, pH 조절 즉, 강산성수의 중화, 산성토질의 중화, 산성화된 양액 재배(수경재배 등)수의 중화 등의 용도로 사용될 수 있으며, 식물체의 발아 및 생장 촉진수 등 여러 목적으로 폭넓게 사용할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 전해수 제조장치 (나)와 본 발명 고농도 전해수 제조장치 (다)의 경우 강 알카리 이온수(W_A)중에도 도 13과 도 14에서 나타냈듯이 다소의 강산화성 물질(O₃, HClO, H₂O₂등)을 미량 함유시킬 수도 있게 되어 더욱 다목적수로 적용할 수 있게 된다.

Claims

급수관과 배출관을 갖는 절연케이스내에 평판형 대향전극이 분리막을 사이에 두고 대향설치되고 이 대향전극간에 전압(Vdc)을 인가하는 전해수 발생장치에 있어서, 상기 평판형 대향전극의 일부 또는 전부가 개구부를 가지거나 세선형이나 세대형 또는 그물형으로 되어 있고, 양전극재질을 팔라듐(Pd)이 함유된 백금(Pt)합금으로 형성하고, 양전극과 음전극의 단자간에 직류전압(Vdc) 또는 펄스전압(Vp)을 인가하는 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고농도 전해수 제조장치.
제1항에 있어서, 대향전극과 분리막이 각각 원통형상으로 된 것을 특징으로 하는 고농도 전해수 제조장치.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 대향전극 각각의 외측에 전극이 추가 설치되고, 이 추가전극과 대향전극간에 전압을 인가할 수 있는 전압인가수단이 구비된 것을 특징으로 하는 고농도 전해수 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 전압 상승시간이 빠른 펄스전압을 양전극과 음전극간에 인가하는 수단과, 펄스전압의 펄스주기가 시분제어(sequence control)되고 교번 인가하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 고농도 전해수 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,상기 대향전극 전체의 재질이 팔라늄(Pd)이 합금된 백금(Pt+Pd) 그 자체이거나 또는 이것으로 대향전극의 표면에 도금 또는 피복하여 대향전극으로 사용하는 것을 특징으로 하는 고농도 전해수 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 대향전극에 강유전체를 전체 또는 부분적으로 피복하거나 전극간(D, d)에 부분적 또는 전체적으로 강유전성 물체를 충진시킨 것을 특징으로 하는 고농도 전해수 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 두 대향전극간의 이온 분리막을 제거하여 강산화성 물질이 용존된 중성수(W_C)를 배출구로 배출하게 하는 것을 특징으로 하는 고농도 전해수 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 배출관으로 배출되는 강알카리수(W_A)와 강산성수(W_B)를 섞어 중성수(W_A)를 만들뿐만 아니라 pH를 조절할 수 있는 수단이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 고농도 전해수 제조장치.