KR100447692B1 - 산성수및알칼리수생산용전해조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산성수 및 알칼리수를 제조하기 위한 전해조를 개시한다. 최소의 통전량을 사용하여 필요로 하는 산성수 및 알칼리수를 제조하기 위해 필요한 최소량이 공급되는 초순수로 고순도의 산성수 및 고순도의 알칼리수를 균형 좋게 제조할 수 있는 산성수 및 알카리수 제조용 전해조를 제공한다. 전해조는 제 1 이온 교환막(5)에 의해 분리되는 양극 챔버(6)와 보조 음극 챔버(7)를 구비하는 산성수 전해 제조 유니트(3)와, 제 2 이온 교환막(8)에 의해 분리되는 음극 챔버(10)와 보조 양극 챔버(9)를 구비하는 알칼리수 전해 제조 유니트(4)를 포함한다. 독립적으로 제어 가능한 전원은 또한 두 유니트의 각각으로 전원을 공급하도록 제공된다. 순수(純水)의 공급량 및 통전량은 필요로 하는 산성수 및 알칼리수의 양에 따라서 설정된다. 따라서, 초순수 및 전력의 비경제적인 소모를 회피할 수 있다.

Description

산성수 및 알칼리수 제조용 전해조

본 발명은 금속으로 오염되지 않은 고순도의 산성수(acidic water) 및/또는 알칼리수(alkaline water)를 제조하기 위한 전해조에 관한 것이다. 이렇게 제조된 고순도의 산성수 및/또는 알칼리수는, 예를 들어 반도체 및 액정 등과 같은 전자기기를 세정하기 위해 사용된다.

전자 부품의 제조나 세정에 있어서, 종래부터 이들 용도를 위해 특별히 준비된 매체로는, 예를 들어 황산, 불화 수소산, 과산화수소 및 염산 등이 사용되어 왔다. 이들 세정 매체는 적용하고자 하는 용도에 따라 적합하게 계속 사용되고 있다. 그러나, 상기 세정 매체는 화학 공정으로 제조된 제품을 특별히 정제하여 얻는다. 정제 작업은 예를 들어 제조 중에 사용된 촉매 등에서 화학 제품에 혼입하는 금속 성분을 제거하는 단계를 포함하기 때문에 복잡하다. 결과적으로, 정제된 제품을 비싸지게 된다. 또한, 정제 작업이 주의깊게 수행한다고 해도, 이렇게 정제된 제품은 전자 기기의 고도화에 따라 요구되는 허용 가능한 불순물 순도의 감소를 항상 만족시키지는 못한다. 따라서, 새로운 대체 방안이 필요하게 되었다.

이와 같은 대체 방안 중의 하나는 오존수의 사용이다. 특히, 전기 분해에 의해 제조된 고농도의 오존수는 예를 들어 전자 기기의 세정 용도로서 매우 효율적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 오존수 단독의 사용만으로는 불충분하며, 예를 들어 산화 작용 및 환원 작용과 같은 오존수가 가지지 못한 하나 이상의 작용을 가지고, 또한 금속 성분을 전혀 포함하지 않는 처리액의 필요성이 높아지고 있다.

이와 같은 처리액 중에는 이른바 산성수 또는 초산성수(ultra-acidic water)가 있다. 산성수는 일반적으로 pH가 3 이하이고, 산화 환원 전위(ORP : oxidation-reduction potential)는 1.2V 이상이며, 산화능을 가지고 있다. 그 결과, 산성수는 예를 들어, 유기물을 분해하거나, 금속 석출물을 용해하여 불순물을 제거하는 것과 같은 효과를 가지며, 또한 전자 기기의 세정 등에도 사용할 수 있게 되었다.

전해조에서 산성수의 제조와 동시에, pH가 10 이상이고 ORP가 0 V 이하인 알칼리수도 전해조의 음극 챔버에서 부산물의 형태로 제조된다. 세정 등에 이 알칼리수를 이용하는 것은 실용화 단계에 도달하였다.

이들 변형된 산성수 및 알칼리수(전해 활성수 또는 전해 이온수)는 예를 들어 고순도의 산, 알칼리, 및 과산화수소 등과 같은 시약과 동일한 정도의 세정 효과를 가진다. 전해 활성수는 현저하게 저가이기 때문에, 상당히 큰 비용 감소를 달성할 수 있다.

산성수 및 알칼리수의 전해 제조시에, 두 챔버형의 전해조는 일반적으로 다이아프램으로 작용하는 이온 교환막에 의해 양극 챔버와 음극 챔버로 분리되어 사용된다. 이러한 형태의 전해조를 사용하여 전기 분해를 수행하기 위해서는, 전해액에 이온 전도성을 부여하기 위해 적합한 지지 전해질이 첨가된다. 그러나, 이렇게 제조된 세정수는 대부분 내부에 남아 있는 전해질을 포함하거나 또는 전해액에 의해 전해조 본체의 내벽을 구성하는 재료의 용해에 의해 금속 이온 및 입자로 오염된 채로 제조된다. 이와 같이 오염된 세정수가 반도체나 액정 등과 같은 전자 기기를 세정하기 위해 사용된다면, 세정액에 함유된 금속 이온 및 다른 불순물이 반도체의 표면에 부착되어 절연 불량을 초래하는 문제점을 발생시킨다.

따라서, 예를 들어 전자 기기의 세정용에 사용하기 위한 고순도의 산성수 및 알칼리수를 제조하기 위해서는, 전해는 내부에 용해된 전해질을 포함하지 않은 전해액을 사용하고 이온 교환막을 사용하여 수행하므로써 막 자체가 고체 전해질처럼 기능하도록 한다. 이 방법에서, 초순수(超純水)가 양극액 및 음극액으로 사용되면, 공급 원료로 사용되는 양극액 및 음극액 내로 또는 이렇게 제조된 산성수 및 알칼리수 내로 불순물이 거의 도입되지 않는다. 즉, 소정의 고순도의 산성수 및 알칼리수를 제조할 수 있게 된다.

상술한 전해에서, 양극 챔버에서의 산성수(양극수: anode water)를 제조하는 효율 및 음극 챔버에서의 알칼리수(음극수: cathode water)를 제조하는 효율은 공급수의 종류와, 전극 촉매의 종류, 및 전류 밀도를 포함하는 전해 조건 등에 따라서 변화한다. 더욱이, 산성수 및 알칼리수의 소정량은 의도하는 목적에 따라 변화한다. 따라서, 단일 전해조(두 챔버 또는 세 챔버 전해조중 어떤 것이라도)가 동시에 산성수 및 알칼리수를 생성하는 경우, 둘 중 하나는 너무 많이 제조되는 경향이 있으며 따라서 경비가 증가한다. 산성수 및 알칼리수를 필요로 하는 양 만큼 제조하기 적합하게 제어하는 것이 바람직하지만, 이와 같은 제어는 사실상 종래 장치에서 불가능하다.

고순도의 산성수 및 고순도의 알칼리수를 제조하기 위해 사용되는 종래의 전해조에서, 전해는 단일 전해조의 양극측 및 음극측에 필요에 따라서 물, 특히 초순수를 첨가하면서 수행되고, 이에 의해 단일 전해조에서 산성수 및 알칼리수를 동시에 얻는다. 이 기술은 일반적으로 알칼리수를 과도하게 생성하며, 과도한 알칼리수는 버려지게 된다. 그러나, 초순수가 전해액으로 사용되는 경우, 이 초순수 자체가 매우 비싸고 또한 제조하기 위해 많은 시간이 요구되기 때문에 과잉의 제조물, 즉 알카리수를 버리는 것은 매우 비경제적이다.

또한, 상술한 종래의 전해조는 비록 매우 적은 양이지만, 전극 물질이 이온 교환막을 통해서 대향하는 전극측으로 이동하여 이렇게 제조된 전해수의 순도를 저하시킨다고 하는 문제점이 남아 있다. 이러한 전극 물질의 용해가 대략 최대 수십 ppb 정도로 발생하기 때문에, 이들에 대한 오염은 이온 교환수와 동일한 레벨에 있는 순도를 갖는 원료수가 사용되는 통상의 용도에는 아무런 문제도 발생하지 않는다. 그러나, 전극 물질에 대한 오염은 전자 기기 세정용 산성수 또는 알칼리수에 의한 허용 가능한 불순물 레벨을 초과한다.

따라서 본 발명의 목적은 종래 기술에 대한 상술한 문제점을 해결하는 산성수 및 알칼리수를 제조하기 적합한 전해조, 즉 초순수의 전해에 의해 제조되는 산성수 및 알카리수의 균형을 유지하면서 각각 필요한 양 만큼의 산성수 및 알칼리수를 제조할 수 있는 전해조를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이에 의해 이렇게 제조된 모든 전해수는 과잉 제조물을 폐기하지 않고도 효과적으로 사용할 수 있고, 또한 전극 물질의 용해에 의해 초래되는 오염을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 두 챔버형 다전극 전해조의 일 실시예를 도시하는 개략적인 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 세 챔버형 다전극 전해조의 일 실시예를 도시하는 개략적인 종단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 전해조 본체 2 : 격벽

3 : 산성수 전해 제조 유니트 4 : 알칼리수 전해 제조 유니트

5 : 제 1 양이온 교환막 6 : 양극 챔버

7 : 보조 음극 챔버 8 : 제 2 양이온 교환막

9 : 보조 양극 챔버 10 : 음극 챔버

11 : 양극 12 : 보조 음극

13 : 보조 양극 14 : 음극

15 : 양극액 입구 16 : 양극액 출구

17 : 보조 음극액 입구 18 : 보조 음극액 출구

19 : 보조 양극액 입구 20 : 보조 양극액 출구

21 : 음극액 입구 22 : 음극액 출구

23 : 제 1 전원 24 : 제 2 전원

31 : 전해조 본체 32 : 제 1 양이온 교환막

33 : 제 2 양이온 교환막 34 : 양극 챔버

35 : 중간 챔버 36 : 음극 챔버

37 : 스페이서 38 : 양극

39 : 보조 음극 40 : 보조 양극

41 : 음극 42 : 양극액 입구

43 : 양극액 출구 44 : 중간 챔버 전해액 입구

45 : 중간 챔버 전해액 출구 46 : 음극액 입구

47 : 음극액 출구 48 : 제 1 전원

49 : 제 2 전원

본 발명의 상술한 목적은 초순수의 전해에 의해 양극을 갖는 양극 챔버에서는 산성수를, 음극을 갖는 음극 챔버에서는 알칼리수를 제조하기 위한 전해조를 제공하므로써 달성되고, 상기 전해조는 제 1 이온 교환막에 의해 분리되는 양극 챔버와 보조 음극을 갖는 보조 음극 챔버를 구비하는 산성수 전해 제조 유니트와, 제 2 이온 교환막에 의해 분리되는 음극 챔버와 보조 양극을 갖는 보조 양극 챔버를 구비하는 알칼리수 전해 제조 유니트와, 상기 산성수 전해 제조 유니트와 상기 알칼리수 전해 제조 유니트의 각각에 전원을 공급하기 위해 독립적으로 제어 가능한 전원을 포함한다. 이 전해조는 두 챔버형 또는 세 챔버형 전해조중 어떤 구성일 수 있다.

본 발명의 전해조의 특징은 산성수 제조용 전원과 알칼리수 제조용 전원이 독립적으로 제어되는 것이다. 이는 산성수 제조용 및 알칼리수 제조용 전기량이 각각 최적의 값으로 독립적으로 유지 가능하게 한다. 다른 말로 하면, 전해조는 산성수가 제조되는 산성수 전해 제조 유니트와 알칼리수가 제조되는 알칼리수 전해 제조 유니트를 포함한다. 양극 챔버에서 원하는 고순도의 산성수가 제조되는 산성수 전해 제조 유니트에서, 초순수는 단지 양극 챔버에만 공급된다. 또한, 상기 유니트의 전원은 원하는 양 만큼의 산성수를 얻기 위해서 필요한 양 만큼만 전류를 공급하도록 제어된다. 음극 챔버에서 원하는 고순도의 알칼리수가 제조되는 알칼리수 전해 제조 유니트에서, 초순수는 단지 음극 챔버에만 공급된다. 또한, 상기 유니트의 전원은 원하는 양 만큼의 알칼리수를 얻기 위해서 필요한 양 만큼의 전류를 공급하도록 제어된다.

따라서, 초순수는 소정량의 고순도의 산성수 및 알칼리수를 제조할 수 있을 만큼의 최소량만 공급된다.

본 발명의 장치는 두 챔버형 전해조 또는 세 챔버형 전해조의 어떤 것이라도 좋다. 본 발명의 장치가 두 챔버형 전해조로 구성되는 경우, 산성수를 제조하기 위한 제 1 전해조와 알칼리수를 제조하기 위한 제 2 전해조를 구비한다. 상기한 두 구성 요소의 전해조는 독립적으로 배치될 수도 있거나, 또는 두 구성 요소의 전해조가 격벽에 의해 분리되는 다전극 전해조를 구성하도록 일체로 될 수도 있다. 제 1 전해조의 음극 챔버와 제 2 전해조의 양극 챔버는 각각 보조 음극 챔버 및 보조 양극 챔버로 기능한다. 초순수가 보조 전극 챔버에 공급되는 것이 바람직하지만,비교적 값싼 물, 예를 들면, 이온 교환수나 다른 순도가 거의 동등한 물(水)은 보조 전극실에 공급될 수도 있다. 그 이유는 이들 챔버가 고순도의 산성수 및 알칼리수를 제조하기 위해 사용되지 않기 때문이다. 다전극 전해조를 구성하는 제 1 전해조 및 제 2 전해조가 독립적으로 또는 일체로 배치되던지의 여부와 무관하게, 불필요한 에너지의 소비를 회피하기 위하여 보조 음극 챔버의 음극과 보조 양극 챔버의 양극을 동일한 전위를 갖도록 조절하는 것이 바람직하다.

두 챔버형 전해조에서, 산성수 전해 제조 유니트의 보조 음극 챔버에는 전해액을 공급할 필요는 없다. 이는 양이온의 투과와 함께 양이온의 배수(몰(mole))의 물이 양극 챔버에서 음극 챔버로 이동하기 때문이다. 물을 보조 음극 챔버에 공급하는 경우에, 물은 초순수일 필요는 없고, 비교적 저가, 예를 들면 이온 교환수 또는 순도에서 거의 동등한 다른 물이라도 좋다. 또한, 알칼리수 전해 제조 유니트의 보조 양극 챔버에도 초순수를 공급하지 않아도 좋다.

소정량의 산성수에 대응하는 전류를 산성수 전해 제조 유니트의 양극과 보조 음극 챔버의 음극을 통해서 인가하고, 상기 소정량의 산성수에 대응한 최소량의 초순수를 산성수 전해 제조 유니트의 양극 챔버에 공급하면서 전해가 수행된다. 그 결과, 양극 챔버에서 필요로 하는 양의 산성수는 쓸모없는 초순수와 전력을 소비하지 않고 제조할 수 있다. 알칼리수도 동일한 방식으로 제조된다. 즉, 알칼리수 전해 제조 유니트에서 계산된 양의 초순수 및 전류를 공급하면서 전해를 수행하고, 이에 의해 알카리수 전해 제조 유니트의 음극 챔버에서 필요로 하는 충분한 알카리수가 쓸모없는 초순수와 전력을 소비하지 않고 제조할 수 있다.

본 발명의 전해조가 세 챔버형 전해조로 구성되는 경우, 상술한 바와 같이 보조 음극 챔버 및 보조 양극 챔버로 기능하는 중간 챔버가 산성수 제조용 양극 챔버와 알칼리수 제조용 음극 챔버 사이에 배치된다. 종래의 두 챔버형 전해조는 양극액에 용출한 양극 물질이 양이온 교환막을 통하여 양이온에 침투하는 이행 물의 이동에 의해 음극 챔버에 도입된다고 하는 문제점이 있다. 그러나 세 챔버형 전해조에서는 미량의 양극 물질이 중간 챔버에 도입되는 경우에도, 양극 물질은 양이온 교환막을 통하여 음극 챔버로는 거의 이동하지 않는다. 또한, 이것은 음극 챔버에서 제조되는 알칼리수가 오염되는 것을 방지한다. 중간 챔버는 소정의 산성수와 알칼리수를 제조하기 위해 직접적으로 관여하지는 않으며, 내부에서 전해 반응을 일으킬 필요는 없다. 그것보다는, 내부에서 전해 반응이 발생하는 것을 방지하고 따라서 불필요한 물질의 발생을 방지하도록 중간 챔버의 양극 및 음극을 동일한 전위로 조절하는 것이 바람직하다. 전해 반응이 중간 챔버에서는 일어나지 않기 때문에, 불필요한 이온은 생성되지 않고 이온 교환막을 침투하는 이온의 양은 증가하지 않는다. 그러므로, 이온 교환막의 오염이 방지된다.

상기한 세 챔버형 전해조에서, 전해는 또한 양극 챔버의 양극과 중간 챔버의 보조 음극을 통해서, 및 중간 챔버의 보조 양극과 음극 챔버의 음극을 통해서 소정량의 산성수 및 알칼리수에 대응하는 전류를 인가하면서 수행된다. 전해는 또한 소정량의 산성수 및 알칼리수를 제조하기 위해 필요한 최소량 만큼의 초순수를 양극 챔버 및 음극 챔버로 공급하면서 수행된다. 그 결과, 양극 챔버 및 음극 챔버에서 쓸모없는 초순수 및 전력 소비없이 소정량 만큼만의 산성수 및 알칼리수가 제조된다. 중간 챔버에 이온 교환수를 공급할 수도 있다.

본 발명에서, 각종 내성에 우수한 과불화 탄소(perfluorocarbon) 양이온 교환막은 양극 챔버와 음극 챔버로, 또는 양극 챔버와 중간 챔버와 음극 챔버로 전해조를 분할하기 위해 격벽으로 사용하는 것이 바람직하다. 과불화 탄소 양이온 교환막은 두 종류, 즉 술폰산염형 과불환 탄소 양이온 교환막과 카르복실화형 과불화 탄소 양이온 교환막으로 분류된다. 상기 양이온 교환막이 매우 높은 내성을 가지고 있기 때문에, 안정한 전해 작업이 가능하다. 그러나, 본 발명에서 산성수 및 알칼리수를 제외하고는 이온 교환막을 손상시키는 부식 물질이 생성되지 않기 때문에, 경제성을 고려하면 내식성은 약간 떨어지지만 값이 싼 탄화수소형 양이온 교환막을 사용할 수도 있다.

산성수 제조용 양극 챔버에서 사용되는 양극은 산성수를 제조하는 중에 양극액으로 용해되지 않는 양극 물질의 코팅을 갖는 것이 바람직하다. 양극 재료의 예로서는 백금, 루테늄, 이리듐, 로듐, 팔라듐 및 오스뮴 등과 같은 백금족 금속과, 산화 루테늄과 산화 이리듐과 같은 백금족 금속 산화물을 포함한다. 알칼리수 제조용 음극 챔버에서 사용되는 음극은 음극 물질로서 백금 또는 산화 루테늄을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 물질은 음극 물질로 사용할 때, 극단적으로 감소된 전해액의 소모를 나타낸다. 상기 물질이 낮은 과전압을 가지기 때문에, 이들의 사용은 감소된 전압에서 전해를 수행하는 것이 적합하다. 스테인레스 스틸, 니켈 또는 티타늄 등과 같은 금속이, 예를 들어 백금 또는 산화 루테늄 대신에 음극으로 사용되면, 과전압이 크게되는 전해 전압을 상승시켜서 전력 비용이 증가할 뿐만 아니라,음극이 전해에 의해서 상당히 소모되어 제조되는 알칼리수에 금속 이온이 도입되게 된다. 이렇게 제조된 알칼리수를 반도체 또는 액정 등을 세정하기 위해 사용하면 금속 이온에 의한 절연 불량을 일으킬 위험이 증가된다.

사용되는 음극 집전체는 지르코늄으로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 지르코늄 이외의 스테인레스 스틸이나 니켈로 형성된 집전체가 음극액 내에서 상당히 용해되지 않고, 또한 이와 같은 집전체를 사용하여 얻어진 알칼리수는 전자 기기의 세정에 사용하기에 부적합하기 때문이다.

보조 양극 챔버, 보조 음극 챔버 또는 중간 챔버에 사용되는 전극은 통상의 물 전해를 생기게 하는 정도의 촉매 성능을 갖는 것이 바람직한데, 그 이유는 이런 전극은 산성수 또는 알칼리수의 제조에 직접 관여하지 않기 때문이다. 상기 챔버에 사용하기 전극을 선택하기 위해서는, 제조될 산성수 및 알칼리수를 오염시키지 않는 특성은 촉매 성능 보다 더 중요하다. 예를 들어, 백금, 산화 이리듐, 또는 산화루테늄 등의 백금족 금속 또는 금속 산화물을 구비하는 전극이 보조 양극 챔버 또는 중간 챔버의 음극으로 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 이들은 단지 음이온만을 용해할 뿐이며, 이는 보조 양극 챔버 또는 중간 챔버와 알칼리수 제조용 음극 챔버사이에 배치된 양이온 교환막을 거의 침투하지 않는다. 따라서, 음극 챔버 내의 알칼리수가 오염으로부터 보호된다.

상술한 바와 같이, 산성수 전해 제조 유니트의 양극 및 보조 음극을 통해서 흐르는 전류와, 알칼리수 전해 제조 유니트의 보조 양극 및 음극을 통해서 흐르는 전류는 독립적으로 제어 가능하다. 하나의 DC 전원이 상기 두 전류 흐름을 독립적으로 제어하기 위해 사용될 지라도, 독립적인 전원은 사용할 수도 있다. 후자의 경우, 양극액용 전원과 음극액용 전원은 각각 항상 마이너스와 플러스가 되도록 조절하여 동일 전위를 갖는 중간 챔버 또는 지점이 접지될 수 있도록 한다. 이 장치는 전체적으로 전압이 낮다는 점에서 유리하다. 또한, 상업적으로 이용가능한 전원을 용이하게 조합하여 사용할 수도 있다. 따라서, 경비 절감이 얻어진다.

이렇게 하여 제조된 산성수와 알칼리수가 미소량의 불순물로 양이온과 음이온을 포함하는 경우가 있다. 이와 같은 양이온 또는 음이온 불순물은 본 발명에 따라 얻어진 산성수 또는 알칼리수를 양이온 수지 또는 음이온 수지로 충진되고 전해조의 외측에 설치된 컬럼(column)을 통과시켜 제거할 수 있으며, 따라서 보다 높은 순도의 산성수 또는 알칼리수를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 두 챔버형 다전극 전해조의 일 실시예를 도시하는 개략적인 종단면도이다.

전해조 본체(1)는 격벽(2)에 의해 산성수 전해 제조 유니트(3)와 알칼리수 전해 제조 유니트(4)로 분할된다. 산성수 전해 제조 유니트(3)는 제 1 양이온 교환막(5)에 의해 양극 챔버(6)와 보조 음극 챔버(7)로 분할되는 한편, 알칼리수 전해 제조 유니트(4)는 제 2 양이온 교환막(8)에 의해 보조 양극 챔버(9)와 음극 챔버(10)로 분할된다. 제 1 양이온 교환막(5)은 다공성 불활성 물질을 갖는 양극(11)과 다공성 백금을 갖는 보조 음극(12)을 가지며, 양극(11) 및 보조 음극(12)은 각각 양극 챔버측 및 보조 음극 챔버측 상에서 상기 막(5)과 밀접하게 접촉하고 있다. 제 2 양이온 교환막(8)은 다공성 불활성 물질을 갖는 보조양극(13)과 다공성 백금을 갖는 음극(14)을 가지며, 보조 양극(13) 및 음극(14)은 각각 보조 양극 챔버측 및 음극 챔버측 상에서 상기 막(8)과 밀접하게 접촉하고 있다.

양극 챔버(6)와, 보조 음극 챔버(7)와, 보조 양극 챔버(9)와, 음극 챔버(10)는 각각 각 챔버의 바닥판과 상부판에 형성된 양극액 입구(15)와 양극액 출구(16)와, 보조 음극액 입구(17)와 보조 음극액 출구(18)와, 보조 양극액 입구(19)와 보조 양극액 출구(20) 및, 음극액 입구(21)와 음극액 출구(22)를 갖는다. 또한, 제 1 전원(23)은 양극(11)과 보조 음극(12)에 접속되는 한편, 제 2 전원(24)은 보조 양극(13)과 음극(14)에 접속된다. 보조 음극(12) 및 보조 양극(13)은 도선으로 서로 접속되어 동일한 전위로 유지된다.

상술한 구성을 갖는 전해조 본체(1)에서 고순도의 산성수 및 알칼리수를 제조하기 위해서는, 전해를 개시하기 전에 소정의 산성수 및 알칼리수의 양에 따라 공급될 초순수와 전기량을 계산한다. 그 후에, 제 1 전원(23)에 공급되는 전류는 소정량의 산성수에 상당하는 양만큼 양극(11)과 보조 음극(12)을 통전되며, 제 2 전원(24)에서 공급되는 전류는 소정량의 알칼리수에 상당하는 양만큼 보조 양극(13)과 음극(14)을 통해서 통전된다. 동시에, 초순수는 소정량의 산성수에 상당하는 양만큼 양극액 입구(15)를 통해서 양극 챔버(6)에 공급되고, 또한 초순수는 소정량의 알칼리수에 상당하는 양만큼 음극액 입구(21)를 통해서 음극 챔버(10)에 공급된다. 값싸고 비교적 고순도인, 예를 들면 이온 교환수(ion-changed water)인 전해액(純水: pure water)은 보조 음극 챔버(7) 및 보조 양극 챔버(9)에 공급된다.

그 결과, 산성수 및 알칼리수는 각각 양극 챔버(6) 및 음극 챔버(10)에서 소정량 만큼만 제조된다. 다른 한편, 상기 산성수 및 알칼리수는 각각 최소량의 초순수 및 전기를 사용하여 제조된다.

도 2는 본 발명에 따른 세 챔버형 다전극 전해조의 일 실시예를 도시하는 개략적인 종단면도이다.

전해조 본체(31)는 제 1 양이온 교환막(32)과 제 2 양이온 교환막(33)에 의해서 양극 챔버(34), 중간 챔버(35) 및 음극 챔버(36)로 분할된다. 중간 챔버(35)내측의 대부분의 공간은 스페이서(37)에 의해 점유된다. 제 1 양이온 교환막(32)은 각각 양극 챔버측 및 중간 챔버측 상에서 막(32)과 밀접하게 접촉하는 다공성 양극(38) 및 보조 음극(39)을 가진다. 제 2 양이온 교환막(33)은 각각 중간 챔버측 및 음극 챔버측 상에서 막(33)과 밀접하게 접촉하는 다공성 보조 양극(40) 및 다공성 음극(41)을 가진다.

양극 챔버(34)와, 중간 챔버(35) 및, 음극 챔버(36)는 각각 각 챔버의 바닥판과 상부판에 형성된 양극액 입구(42)와 양극액 출구(43)와, 중간 챔버 전극액 입구(44)와 중간 챔버 전극액 출구(45) 및, 음극액 입구(46)와 음극액 출구(47)를 가진다. 또한, 제 1 전원(48)은 양극(38) 및 보조 음극(39)에 접속되는 한편, 제 2 전원(49)은 보조 양극(40) 및 음극(41)에 접속된다. 보조 음극(39)과 보조 양극(40)은 서로 도선으로 접속되어 동일한 전위로 유지된다.

상술한 구성을 갖는 전해조 본체(31)에서 고순도의 산성수 및 알칼리수를 제조하기 위해서, 도 1에 도시한 장치의 경우에서와 마찬가지로 전해를 개시하기 전에 소정의 산성수 및 알칼리수의 양에 따라 공급될 초순수와 전기량을 계산한다. 그런 후에, 제 1 전원(48)에서 공급되는 전류는 소정량의 산성수에 상당하는 양만큼 양극(38)과 보조 음극(39)을 통해서 통전되고, 제 2 전원(49)에서 공급되는 전류는 소정량의 알칼리수에 상당하는 양만큼 보조 양극(40)과 음극(41)을 통해서 통전된다. 동시에 도 1에 도시한 장치에서의 경우에서와 마찬가지로 초순수는 소정량의 산성수 및 알칼리수에 상당하는 양만큼 양극 챔버(34) 및 음극 챔버(36)에 공급된다. 이온 교환수 등이 중간 챔버(35)에 공급된다.

따라서, 산성수 및 알칼리수는 각각 양극 챔버(34) 및 음극 챔버(36)에서 소정량 만큼만 제조된다. 다른 한편, 상기 산성수 및 알칼리수는 각각 최소량의 초순수 및 전기를 사용하여 제조된다.

본 발명에 따른 전해조를 사용하여 산성수 및 알칼리수를 제조하는 방법의 일 실시예를 이하에서 설명한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석해서는 안된다.

<제 1 실시예>

도 1에 도시한 전해조를 산성수 및 알칼리수를 제조하기 위해 사용한다.

나피온(117: Nafion, E. I. du Pont de Nemours & Co.에서 제조)은 양이온 교환막으로 사용된다. 이리듐 산화물 촉매를 지지하는 티타늄으로 형성된 다공성 양극과, 백금 촉매를 지지하는 티타늄으로 형성된 음극은 각각 양극측과 음극측에 밀접하게 접촉하여 양이온 교환막에 부착된다.

박스형 전해조는 불소 수지로 형성된 격벽에 의해서 두 부분으로 분할되어산성수 전해 제조 유니트와 알칼리수 전해 제조 유니트로 구성되는 다전극 전해조를 형성한다. 양극과 음극을 밀접하게 부착한 양이온 교환막은 상기 두 장치의 각각에 고정되고 이에 의해 산성수 전해 제조 유니트를 양극 챔버 및 보조 음극 챔버로, 알칼리수 전해 제조 유니트를 보조 양극 챔버 및 음극 챔버로 분할한다.

필요한 초순수 및 전기량은 각각 420 ℓ /hr 및 420 ℓ /hr의 소정의 산성수 및 알칼리수의 양에 의거하여 계산한다. 따라서, 산성수를 제조하기 위해 공급되는 계산된 초순수 및 전기량은 각각 420 ℓ /hr 및 120 A인 반면에, 알칼리수를 제조하기 위해 공급되는 것은 각각 120 ℓ /hr 및 60 A이다.

각각의 계산된 양만큼 초순수는 양극 챔버 및 음극 챔버에 공급되는 한편, 제 1 및 제 2 전원을 사용하여 양극과 보조 음극을 통해서 및 보조 양극과 음극을 통해서 전류를 통전한다. 그 결과, 소정량 만큼 양극 챔버에서 산성수가 제조되고, 소정량 만큼 음극 챔버에서 알칼리수가 제조된다. 이렇게 하여 제조된 산성수와 알칼리수는 각각 각 요소에 대해서 100 ppt 이하의 불순물 함유량을 가진다.

<제 1 비교예>

제 1 실시예에서 제조한 것과 마찬가지로 밀접하게 부착된 양극과 음극을 갖는 양이온 교환막을 사용하여 양극 챔버와 음극 챔버로 구성되는 전해조를 형성하였다. 전류가 120 A/hr로 양극과 음극을 통하여 통전되는 반면에, 초순수는 각각 420 ℓ /hr 및 420 ℓ /hr의 비율로 양극 챔버 및 음극 챔버에 공급된다. 그 결과, 산성수 및 알칼리수는 각각 420 ℓ /hr 및 420 ℓ /hr의 비유로 제조된다. 이렇게 제조된 산성수 및 알칼리수의 양은 독립적으로 증가되거나 감소될 수는 없다. 즉,알칼리수는 소정량 보다 더 많은 양이 제조된다. 이렇게 제조된 산성수 및 알칼리수는 각각 100 ppt 이하의 불순물 함유량을 가진다.

상술한 바와 같이, 초순수의 전해에 의해 양극 챔버에서는 산성수를, 음극 챔버에서는 알칼리수를 제조하기 위한 본 발명의 전해조는 제 1 이온 교환막에 의해 분리되는 양극 챔버와 보조 음극 챔버를 갖는 산성수 전해 제조 유니트와, 제 2 이온 교환막에 의해 분리되는 음극 챔버와 보조 양극 챔버를 갖는 알칼리수 전해 제조 유니트와, 각각 산성수 전해 제조 유니트와 알칼리수 전해 제조 유니트에 전원을 공급하기 위한 제 2 독립적으로 제어 가능한 전원을 포함한다.

본 발명에서, 산성수 및 알칼리수는 각각 산성수 전해 제조 유니트와 알칼리수 전해 제조 유니트에서 제조된다. 각각 고체 전해질로서 기능하는 이온 교환막을 격벽으로 사용한다. 또한, 독립적으로 제어 가능한 전원은 각 유니트에 전력을 공급하기 위해서 제공된다. 두 유니트가 독립적으로 제어 가능하기 때문에, 제조될 산성수 및 알칼리수의 소정량에 따라 공급되는 초순수와 전기량은 각각 산성수 제조와 알칼리수 제조에 대해 독립적으로 제어되어 고정된다. 또한, 각각의 이온 교환막이 전해액으로서 기능하기 때문에, 별도의 전해액을 첨가할 필요는 없다. 즉, 첨가된 전해액에 의해 제조된 산성수 및 알칼리수의 오염을 초래하는 것과 같은 종래 장치에서의 문제점이 해결되며, 고순도의 산성수 및 고순도의 알칼리수를 얻을 수 있다. 따라서, 값비싼 초순수를 최소량만 사용하여, 고순도의 산성수 및 알칼리 수를 종래 기술과 비교하여 매우 저렴한 비용으로 효율적으로 제조할 수 있다. 사용된 전기량 또한 제조될 산성수 및 알칼리수에 의해서 최소화된다. 따라서, 상기한 두 가지 측면에서 경제적인 작업이 가능하다.

본 발명의 전해조가 두 챔버형 또는 세 챔버형 전해조중 어느 하나로 제조할 수 있을지라도, 각각의 전해조는 상술한 이유로 각각 필요 최소량 만큼의 초순수 및 전기를 사용하여 소정량의 산성수 및 알칼리수를 제조하도록 작동한다. 두 챔버형 전해조의 경우에, 전해조(전해조 유니트)가 격벽 등에 의해 분리되기 때문에 불순물의 이동이 방지되어, 고순도의 산성수 및 알칼리수를 제조할 수 있다. 세 챔버형 전해조의 경우, 양극 챔버에서 음극 챔버로의 불순물의 이동은 중간 챔버의 존재로 인하여 방지되므로, 고순도의 산성수 및 알칼리수를 얻을 수 있다.

두 챔버형 전해조와 세 챔버형 전해조 각각은 보조 음극 및 보조 양극이 동일한 전위를 가지도록 작동되는 것이 바람직하다. 이와 같은 전위 제어는 주로 두 챔버형 전해조의 경우에 에너지의 낭비를 회피하려는 의도이고, 세 챔버형 전해조의 경우에 중간 챔버에서 발생하는 불필요한 반응을 억제하려는 의도이다.

본 발명이 특정 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련자에게는 본 발명의 정신 및 범주로부터 이탈하지 않고 본원의 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 것은 명백하게 이해된다.

Claims (15)

1. 초순수의 전해에 의해 양극을 갖는 양극 챔버에서는 산성수를, 음극을 갖는 음극 챔버에서는 알칼리수를 제조하기 위한 전해조에 있어서,

   상기 전해조는 제 1 이온 교환막에 의해 분리되는 양극 챔버와 보조 음극을 갖는 보조 음극 챔버를 구비하는 산성수 전해 제조 유니트와, 제 2 이온 교환막에 의해 분리되는 음극 챔버와 보조 양극을 갖는 보조 양극 챔버를 구비하는 알칼리수 전해 제조 유니트와, 상기 산성수 전해 제조 유니트와 상기 알칼리수 전해 제조 유니트의 각각에 전원을 공급하기 위해 독립적으로 제어 가능한 전원을 포함하는 산성수 및 알칼리수 제조용 전해조.
2. 제 1 항에 있어서, 보조 음극 챔버의 음극과 보조 양극 챔버의 양극을 동일한 전위를 가지도록 조절하는 수단을 부가로 포함하는 산성수 및 알칼리수 제조용 전해조.
3. 초순수의 전해에 의해 양극을 갖는 양극 챔버에서는 산성수를, 음극을 갖는 음극 챔버에서는 알칼리수를 제조하기 위한 두 챔버형 전해조에 있어서,

   상기 전해조는 제 1 이온 교환막에 의해 양극 챔버와 보조 음극을 갖는 보조 음극 챔버로 분리하는 제 1 전해조 유니트와, 제 2 이온 교환막에 의해 음극 챔버와 보조 양극을 갖는 보조 양극 챔버로 분리하는 제 2 전해조 유니트와, 상기 제 1전해조 유니트와 제 2 전해조 유니트의 각각에 전원을 공급하기 위해 독립적으로 제어 가능한 전원을 포함하는 산성수 및 알칼리수 제조용 두 챔버형 전해조.
4. 초순수의 전해에 의해 양극을 갖는 양극 챔버에서는 산성수를, 음극을 갖는 음극 챔버에서는 알칼리수를 제조하기 위한 세 챔버형 전해조에 있어서,

   상기 전해조는 제 1 및 제 2 이온 교환막에 의해 양극 챔버와, 보조 양극과 보조 음극을 갖는 중간 챔버와, 음극 챔버로 분할되고,

   상기 양극 챔버의 양극과 중간 챔버의 보조 음극은 제 1 이온 교환막과 밀접하게 접촉하며,

   상기 음극 챔버의 음극과 중간 챔버의 보조 양극은 제 2 이온 교환막과 밀접하게 접촉하고,

   상기 전해조는 중간 챔버의 보조 양극과 보조 음극을 동일한 전위를 갖도록 조절하기 위한 수단과, 양극 챔버의 양극과 중간 챔버의 보조 음극을 통해서 흐르는 전류의 양을 독립적으로 제어하고, 중간 챔버의 보조 양극과 음극 챔버의 음극을 통해서 흐르는 전류의 양을 독립적으로 제어하기 위한 수단을 부가로 구비하는 산성수 및 알칼리수 제조용 세 챔버형 전해조.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 산성수 전해 제조 유니트는 상기 알칼리수 전해 제조 유니트와는 독립적으로 위치하는 산성수 및 알칼리수 제조용 전해조.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 산성수 전해 제조 유니트는 격벽을 통해서 상기 알칼리수 전해 제조 유니트와 인접하는 산성수 및 알칼리수 제조용 전해조.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 음극 챔버의 음극과 보조 양극 챔버의 양극은 전기적으로 접속되는 산성수 및 알칼리수 제조용 전해조.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 챔버의 양극과 보조 음극 챔버의 보조 음극은 제 1 이온 교환막과 밀접하게 접촉하고, 음극 챔버의 음극과 보조 양극 챔버의 양극은 제 2 이온 교환막과 밀접하게 접촉하는 산성수 및 알칼리수 제조용 전해조.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 독립적으로 제어 가능한 전원은 제 1 및 제 2 전원을 구비하는 산성수 및 알칼리수 제조용 전해조.
10. 제 3 항에 있어서, 상기 보조 음극 챔버의 음극 및 보조 양극 챔버의 양극을 동일한 전위를 가지도록 조절하는 수단을 부가로 포함하는 산성수 및 알칼리수 제조용 두 챔버형 전해조.
11. 제 3 항에 있어서, 상기 보조 음극 챔버의 음극과 보조 양극 챔버의 양극은 전기적으로 접속되는 산성수 및 알칼리수 제조용 두 챔버형 전해조.
12. 제 3 항에 있어서, 상기 양극 챔버의 양극과 보조 음극 챔버의 보조 음극은 제 1 이온 교환막과 밀접하게 접촉하고, 상기 음극 챔버의 음극과 보조 양극 챔버의 양극은 제 2 이온 교환막과 밀접하게 접촉하는 산성수 및 알칼리수 제조용 두 챔버형 전해조.
13. 제 4 항에 있어서, 상기 중간 챔버는 상기 양극 챔버와 상기 음극 챔버 사이에 배치되는 산성수 및 알칼리수 제조용 세 챔버형 전해조.
14. 제 4 항에 있어서, 상기 전류의 양을 독립적으로 제어하기 위한 상기 수단은 독립적으로 제어 가능한 제 1 및 제 2 전원을 포함하는 산성수 및 알칼리수 제조용 세 챔버형 전해조.
15. 제 4 항에 있어서, 상기 중간 챔버의 보조 양극 및 보조 음극은 전기적으로 접속되는 산성수 및 알칼리수 제조용 세 챔버형 전해조.