KR100479644B1 - 전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치,이온수기 및 용존산소 정수기 - Google Patents

전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치,이온수기 및 용존산소 정수기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기분해시킬 원수를 집수하는 소정크기의 수용공간을 가지는 다수개의 하우징 공간을 양극실과 음극실로 구획하고, 원수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되는 이온교환막과,양극실 및 음극실의 일측에 각각 형성되어 원수를 공급하는 제1, 제2 급수구와, 양극실의 타측에 형성되어 산소 및 산성 이온수를 배출하는 제1 배출구 및 음극실의 타측에 형성되어 수소 및 알카리 이온수를 배출하는 제2 배출구를 포함하는 전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치, 이온수기 및 용존산소 정수기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극실 방향의 이온교환막 표면에 외부 전원의 양극에 연결되는 양극판의 전극 표면을 접촉고정시키고, 음극실 방향의 이온교환막 표면에 외부 전원의 음극에 연결되는 음극판을 접촉고정시킨다.
따라서, 전해질을 첨가하거나 혹은 첨가하지 않고도, 이온교환막의 양측 표면에 접촉된 양극과 음극이 낮은 전류 및 전압으로 순도가 높은 전기분해 이온수 및 고농도의 산소를 제조할 수 있게 된다.

Description

전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치, 이온수기 및 용존산소 정수기{Electrolysis apparatus and electrolyzed water generator, oxygen dissolved water purifier and ionizer using thereof}
본 발명은 전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치, 이온수기 및 용존산소 정수기에 관한 것으로, 특히, 이온교환막의 양측 표면에 양극과 음극을 접촉고정하여 전해질의 첨가여부에 관계없이 낮은 전류 및 전압으로 전기분해를 행할 수 있는 전기분해장치와 이를 이용하여 강전해수 또는 음용 이온수 등을 생성하는 전기분해수 생성장치, 이온수기 및 용존산소 정수기에 관한 것이다.
일반적으로, 전기분해의 방법에는 양극실과 음극실을 한쌍으로 이루어 전해질을 첨가하거나 첨가하지 아니하여 전기분해 시켜주는 기존의 2실형 전기분해장치와, 양극실과 음극실에 중간실을 형성하여, 이 중간실에 고체 전해질이나 액체 전해질을 충진하거나 순환시켜 전기분해수를 얻어내는 3실형 전기분해장치가 사용되어 왔다. 이들 전기분해장치 중 2실형 전기분해장치의 경우에는 양극과 음극 사이의 거리에서 발생되는 저항을 줄이기 위하여 양극과 음극사이의 거리를 1mm 정도 또는 그 이내로 줄여서 음용 이온수를 생성하는 데 사용하여 왔다. 하지만 이 경우 전기분해를 위한 수십 볼트(V)의 전압이 요구될 뿐만 아니라, 역삼투압 방식 등의 필터를 통과한 순도가 높은 원수를 전기분해 시킬 때에는 역부족이었다. 또한 저항을 줄이기 위한 다른 방법으로 NaCl 등의 전해질을 첨가하여 살균능력이 있는 전해 산성 이온수를 생성하고자 할 때에도 높은 전압이 여전히 요구되는 동시에 염소가스 등의 유해가스 생성이 문제시 되어 왔다. 3실형의 경우에는 전기분해시 사용되는 전압을 일정정도 낮추어 주기는 했으나 산성 이온수 알카리성 이온수 등의 어느 한쪽만의 생성을 목적으로 할 경우에는 제조비용 등의 면에서 적당하지 아니하였다.
또한 최근 들어, 공업적 이용은 물론 환경친화적인 에너지원으로 사용되는 산소를 효율적으로 생산하기 위한 산소발생장치의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 산소발생장치를 구현하기 위해, 크게 압력순환 흡착방식, 멤브레인(membrane) 투과방식 및 일반적인 전기분해방식 등이 이용되고 있다.
압력순환 흡착방식은 대기 중의 공기를 제올라이트에 통과시켜 대기 구성성분의 78%인 질소를 흡착시킨 후 나머지의 산소를 분리하는 방식으로, 소형 산소발생장치에 주로 사용되는 방식이다. 압력순환 흡착방식에서 생성되는 산소의 농도는 80∼90% 정도의 효율을 가지고 있다고 발표되고 있으나 이는 이상적인 상태에서 나타나는 효율이며, 실제로는 대부분의 구성성분, 특히 제올라이트의 수명과 성능이 주위환경의 영향 때문에 효율이 더욱 떨어지는 것으로 나타나고 있다. 또한, 압력순환 흡착방식은 콤프레셔를 사용하여 가압하기 때문에 산소 토출 압력이 비교적 높은 특징을 가지고 있으나, 장치의 구조가 다른 방식에 비하여 복잡하고 제올라이트의 질소배출 소음과 콤프레셔의 진동음이 심하게 발생되며, 습기나 열에 약하다는 단점을 가지고 있다.
멤브레인 투과방식은 중공사막을 이용하여 산소를 분리하는 방식으로, 산소가 전체 생성기체의 40%에 불과하여 효율면에서 떨어진다는 문제점을 가지고 있다.
기존의 일반적 전기분해방식을 이용한 산소발생장치는 인가되는 전류와 전압을 낮추기 위하여 전해조에 KOH, NaOH 등의 전해질을 첨가하여 전해분해시 발생되는 산소가스와 수소가스 중 산소가스를 취하는 방식이다. 그러나, 이러한 방식은 전기분해시 첨가된 전해질이 소진되면 이를 다시 보충해야 하고, 장비의 유지 및 보수를 별도로 해주어야 하는 사용상의 불편함이 있다. 또한, 사용 용도 및 구조에 따라 전해질이 미치는 영향에 대한 안전성도 고려해야 한다는 부담을 가지고 있다.
이러한 산소발생장치는 주로 공업적, 의료목적으로 사용되어왔지만, 최근 가정의 쾌적한 환경조성을 위한 공기정화방식의 추가기능으로, 그리고 건강의 증진을 위하여 발생된 산소를 기존의 정수기의 정수된 물에 용존시키는 것 등으로 사용되고 있다. 하지만 기존의 산소발생방식은 상기와 같은 문제점을 안고 있어 사용상에 있어 큰 불편함을 포함하고 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 전해질의 첨가여부에 관계없이 이온교환막을 중심으로 양극과 음극을 최대한 밀착시켜 낮은 전류 및 전압으로 원수를 전기분해시킬 수 있는 전기분해장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2 목적은 본 발명의 전기분해장치를 이용하여 의료, 살균, 세정 등의 목적에 사용할 수 있는 산성 이온수를 생성하고, 의료, 음용, 세정 등의 목적으로 활용할 수 있는 알카리성 이온수 등을 생성할 수 있는 전기분해수 생성장치 및 이온수기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제3 목적은 전기분해장치에서 발생된 산소를 정수 처리된 음용수에 용존시켜 음용으로 사용할 수 있는 용존산소 정수기를 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전기분해시킬 원수를 집수하기 위한 일정 크기의 공간을 가지고, 서로 대칭되게 형성되어 결합되는 복수개의 하우징과; 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되어 하우징의 공간을 양극실과 음극실로 구획하고, 원수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 이온교환막과; 하우징의 양극실 방향으로 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 양극에 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 원수를 전기분해시켜 산성 이온수 및 산소를 생성시키는 양극판과; 하우징의 음극실 방향으로 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 음극에 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 원수를 전기분해시켜 알카리 이온수 및 수소를 생성시키는 음극판과; 양극실 및 음극실의 일측에 각각 형성되어 양극실 및 음극실로 원수를 공급하는 제1 및 제2 급수구와; 양극실의 일측에 형성되어 양극실에서 생성된 산소 및 산성 이온수를 배출하는 제1 배출구; 및 음극실의 일측에 형성되어 음극실에서 발생된 수소 및 알카리 이온수를 배출하는 제2 배출구로 이루어진 것을 특징으로 한다. 부가적으로, 양극실에서 발생되는 산소가스를 사용하기 위하여 양극실의 일측에 형성되는 산소가스의 배출을 위한 제3 배출구를 별도로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 전기분해수 생성장치에 있어서, 전해질 수용액을 보관 저장하는 전해질 탱크와; 전해질 탱크에 보관 저장된 전해질 수용액을 지정된 경로로 순환 공급하는 펌프와; 펌프를 통해 공급되는 전해질 수용액을 원수와 전기분해시켜 전해 이온수를 생성하고, 반응후의 전해질 수용액을 전해질 탱크로 배출시키는 전기분해장치를 포함하고, 전기분해장치는 전기분해시킬 원수 및 전해질 수용액을 집수하기 위한 일정 크기의 공간을 가지고, 서로 대칭되게 형성되어 결합되는 복수개의 하우징과; 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되어 하우징의 공간을 전해질실과 전해실로 구획하고, 원수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 이온교환막과; 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 양극 및 음극에 각각 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 전해질 수용액을 통해 원수를 전기분해시켜 전해 이온수를 생성시키는 복수개의 전극판과; 전해질실의 일측에 형성되어 펌프를 통해 전해질 탱크에 보관 저장된 전해질 수용액을 공급하는 전해질 수용액 투입구와; 전해질실의 타측에 형성되어 전해질실에서 전기분해 반응후 남은 전해질 수용액을 전해질 수용액 배출관을 통해 전해질 탱크로 배출시키는 전해질 수용액 배출구와; 외부로부터 인가되는 원수를 전해실로 공급하는 원수 급수구; 및 전해실에서 생성된 전해 이온수를 배출하는 전해 이온수 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 이온수기에 있어서, 원수 공급관을 통해 공급되는 원수를 전기분해시켜 알카리 이온수를 생성하는 이온수 생성장치를 포함하고, 이온수 생성장치는 전기분해시킬 원수를 집수하기 위한 일정 크기의 공간을 가지고, 서로 대칭되게 형성되어 결합되는 복수개의 하우징과; 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되어 하우징의 공간을 양극실과 음극실로 구획하고, 원수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 이온교환막과; 하우징의 양극실 방향으로 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 양극에 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 원수를 전기분해시켜 산성 이온수 및 산소를 생성시키는 양극판과; 하우징의 음극실 방향으로 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 음극에 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 원수를 전기분해시켜 알카리 이온수 및 수소를 생성시키는 음극판과; 양극실 및 음극실의 일측에 각각 형성되어 양극실 및 음극실로 원수를 공급하는 제1 및 제2 급수구와; 양극실의 일측에 형성되어 양극실에서 생성된 산성 이온수를 배출하는 제1 배출구; 및 음극실의 일측에 형성되어 음극실에서 발생된 알카리 이온수를 배출하는 제2 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 용존산소 정수기에 있어서, 정수를 집수하는 정수 탱크와; 제1 정수 공급관에 의해 정수 탱크에 연결되어 있으며, 정수 탱크로부터 유입된 정수를 일정한 온도로 냉각시킨 냉수를 집수하는 냉수 탱크; 및 제1 정수 공급관 및 제1 솔레노이드 밸브를 통해 정수 탱크에 연결되어 있으며, 정수 탱크로부터 유입된 정수를 전기분해시켜 산소를 발생시키고, 산소를 냉수 탱크에 유입시켜 산소를 냉수에 용존시키는 산소발생장치를 포함하고, 산소발생장치는 전기분해시킬 정수를 집수하기 위한 일정 크기의 공간을 가지고, 서로 대칭되게 형성되어 결합되는 복수개의 하우징과; 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되어 하우징의 공간을 양극실과 음극실로 구획하고, 정수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 이온교환막과; 하우징의 양극실 방향으로 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 양극에 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 정수를 전기분해시켜 산성 이온수 및 산소를 생성시키는 양극판과; 하우징의 음극실 방향으로 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 음극에 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 정수를 전기분해시켜 알카리 이온수 및 수소를 생성시키는 음극판과; 양극실 및 음극실의 일측에 각각 형성되어 양극실 및 음극실로 정수를 공급하는 제1 및 제2 급수구와; 양극실의 일측에 형성되어 양극실에서 생성된 산소가스를 냉수 탱크로 배출하는 제1 배출구와; 음극실의 일측에 형성되어 음극실에서 발생된 알카리 이온수를 배출하는 제2 배출구; 및 양극실의 초과 원수를 음극실로 배출하는 제3 배출구로 이루어지고, 양극실에 형성된 제3 배출구와 음극실에 형성된 제2 급수구가 연결되어 정수 탱크에서 양극실로 유입된 정수가 제2 솔레노이드 밸브에 의해 음극실로 투입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 산소발생장치는 전해질을 첨가하지 않고 물을 전기분해하여 산소를 발생시키는 원리를 제시한다. 또한, 본 발명의 산소발생장치는 전극의 개수와 인가되는 전류의 값을 조절하여 산소의 발생량을 조절할 수 있고, 전극간에 이온교환막을 삽입하여 이온교환막 양측 표면에 전극이 접촉고정되게 함으로써 낮은 전류로도 산소발생효율을 극대화할 수 있으며, 전기분해시 열을 적게 발생시킨다는 특징을 가지고 있다. 본 발명에 따른 전기분해 기술을 이용하면 순도가 100%에 지극히 가까운 고농도의 산소를 제조할 수 있으며, 전기분해에 사용되는 물의 순도가 높은 순수(역삼투압 방식의 필터를 통과한 순수)일 경우에도 산소를 발생시키는데 전혀 문제가 없을 뿐 아니라, 보다 높은 순도의 산소를 제조할 수 있다는 특징이 있다.
이하, 본 발명에 따른 전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치, 이온수기 및 용존산소 정수기에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기분해장치(100)의 구성도로서, 본 전기분해장치(100)는 제1 및 제2 하우징(10, 20), 양극판(30), 음극판(40), 이온교환막(50), 실링부재(60a, 60b), 제1 및 제2 급수구(70a, 70b), 제1 배출구(80a) 및 제2 배출구(80b)를 포함하여 구성되어 있다.
제1 및 제2 하우징(10, 20)은 전기분해장치(100)의 전체적인 외형을 구성하는 것으로, 일정 크기의 공간(10a, 20a)이 형성되어 있다. 일정 크기의 공간(10a, 20a)은 양극판(30) 및 음극판(40)에 의해 구획되며, 양극판(30)을 경계로 형성된 공간을 양극실(10a), 음극판(40)을 경계로 형성된 공간을 음극실(20a)로 정의한다.
이온교환막(50)의 양측면에 양극판(30)과 음극판(40)이 접촉고정되어 있다. 본 발명의 전기분해장치(100)는 전해질을 첨가하지 않는 경우에도 전기분해를 행할 수 있도록 구현되었기 때문에, 전기분해시 발생되는 저항을 줄이고 전압을 최소로 낮추기 위하여 양극판(30)과 음극판(40)을 이온교환막(50)의 양측면 접촉고정시킨 구조로 이루어져 있다. 전기분해시 양극판(30)과 음극판(40)간의 전기적 저항은 1.5Ω미만이 되도록 구현하는 것이 바람직하다. 양극판(30)과 음극판(40)은 외부 전원의 양극과 음극에 각각 연결된다.
전극[즉, 양극판(30) 및 음극판(40)]은 산화납(PbO2), 백금(Pt), 산화백금(PtO2), 팔라듐옥사이드(PdO2), 이리듐옥사이드(IrO2), 스테인레스 스틸(stainless steel), 탄소강, 금, 은, 동, 흑연, 유리질 카본 등의 재질로 구현할 수 있으며, 비용절감을 위하여 티타늄으로 된 모재에 전술한 재질을 도금하거나 코팅하는 방식으로 사용할 수 있다. 전극의 형태에는 구현 방식에 따라 평판 타입(plate type), 메쉬 타입(mesh type), 섬유 타입(fiber type) 등이 있다. 또한, 양극판(30) 및 음극판(40)은 일정 크기로 타공(예컨대, 100개의 구멍)을 형성하여 이온교환 및 발생되는 가스의 배출통로로 이용하고, 타공의 크기를 작게 구현하고 전극 면적 전반에 골고루 분포시켜 목적하는 전해효율 및 산소발생을 극대화시키는 것이 바람직하다. 양극판(30) 및 음극판(40)의 구조는 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 양극판(30) 및 음극판(40)은 일정 크기의 타공(31)과 외부 전원에 연결하기 위한 연결부(32)로 이루어져 있으며, 전기분해의 효율을 극대화시키기 위해 타공(31)의 수와 전극면적의 비율을 고려하여 제작하는 것이 바람직하다.
이온교환막(50)은 양극실(10a)과 음극실(20a)간 물의 이동을 차단하고 양이온 또는 음이온만을 통과시키는 것으로, 불소계 수지가 코팅된 마이크로필터형 양이온교환격막, 불소계 수지가 코팅된 마이크로필터형 음이온교환격막, 불소계 양이온교환막, 불소계 음이온 교환막 등이 사용될 수 있지만, 본 발명에서는 전도성이 뛰어난 불소계 양이온교환막 또는 불소계 음이온 교환막을 사용하는 것이 바람직하다.
도 1에는 제1 및 제2 하우징(10, 20)의 간격이 소정 길이만큼 이격된 것으로 도시되었지만, 이는 양극판(30), 음극판(40) 및 이온교환막(50)의 결합관계를 나타내기 위한 것이다. 만약, 양극판(30)과 음극판(40)의 단자를 다른 방향으로 노출시킬 경우에는 상기된 이격은 필요하지 않게 된다. 본 발명에 있어서, 양극판(30)과 음극판(40)의 두께는 0.5mm이고, 이온교환막(50)은 0.05mm로 구현되어 있기 때문에 제1 및 제2 하우징(10, 20)은 거의 밀착되게 결합되도록 구현되어 있다. 또한, 양극실(10a) 및 음극실(20a)에 존재하는 원수 또는 가스(즉, 산소 및 수소)가 누설되지 않도록 양극실(10a) 및 음극실(20a) 주변을 실링부재(60a, 60b)(예컨대, 오링)로 실링 처리하는 것이 바람직하다.
양극실(10a)과 음극실(20a)의 일측 하단에는 물을 공급하기 위한 제1 및 제2 급수구(70a, 70b)가 각각 형성되어 있으며, 양극실(10a)의 상단 일측에는 전기분해에 의해 발생된 산소가스 및 산성 이온수를 배출하기 위한 제1 배출구(80a)가 형성되어 있고, 음극실(20a)의 상단 일측에는 발생된 수소가스 및 알카리 이온수를 배출하기 위한 제2 배출구(80b)가 형성되어 있다. 여기에서, 제1 및 제2 급수구(70a, 70b), 제1 배출구(80a) 및 제2 배출구(80b)는 설계자의 선택에 의해 임의의 위치에 구현할 수 있음은 물론이다. 다만, 제1 배출구(80a) 및 제2 배출구(80b)는 가스의 특성상 상단에 구현하는 것이 바람직하다. 부가적으로, 양극실에서 발생되는 산소가스를 사용하기 위하여 양극실의 일측에 형성되는 산소가스의 배출을 위한 제3 배출구를 별도로 형성할 수 있다. 전기분해를 위하여 사용되는 물은 수도수(tap water), 순수(R/O water) 및 초순수(deionized water) 등이 사용될 수 있지만, 고순도의 산소가스를 제조할 목적일 경우에는 순수 또는 초순수를 사용하는 것이 바람직하다.
외부에서 전원이 인가되면 전기분해장치(100)의 양극판(30) 및 음극판(40)에서 전기분해반응이 일어난다.
[양극(anode) 반응]
H2O ⇒ H+ + OH-
4OH- ⇒ O2(g) + 2H2O + 4e-
2H2O ⇒ O2(g) + 4H+ + 4e-
2H2O - 4e- ⇒ 4H+ + O2(g)
2H2O - 2e- ⇒ H2O + 2H+
H2O + O2(g) - 2e- ⇒ O3 + 2H+
[음극(cathode) 반응]
H2O ⇒ H+ + OH-
2H2O + 2e- ⇒ H2(g) + 2OH-
2H+ + 2e- ⇒ H2(g)
H2O + e- ⇒ H + OH-
H+ + e- ⇒ H
즉, 양극실(10a)에서는 수소 이온과 산소가스가 발생되고, 음극실(20a)에서는 수산이온과 수소가스가 발생된다. 양극실(10a) 및 음극실(20a)에서 발생된 산소가스 및 수소가스는 각각의 배출구(80a, 80b)를 통해 지정된 경로로 배출된다. 본 발명에서는 이온교환막(50)의 양측 표면에 양극판(30)과 음극판(40)이 접촉고정되어 있으므로 낮은 전류 및 전압으로도 양질의 전기분해수와 순도가 높은 산소 및 수소가스를 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기분해장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기분해장치의 구성도이다. 즉, 도 3은 2쌍의 전극을 사용한 전기분해장치(300)를 예시한 것이고, 도 4는 3쌍의 전극을 사용한 전기분해장치(400)를 예시한 것으로써, 산소가스 및 수소가스의 발생량을 증가시키고자 할 때 전극의 수를 조절한 예를 나타낸 것이다. 부가적으로, 본 발명에 따른 전기분해장치(100, 300, 400)는 전해질을 첨가하지 않지만, 전해효율을 극대화시키기 위해 전해질을 첨가할 수 있음은 물론이다. 도 3 및 도 4에 도시된 전기분해장치(300, 400)는 도 1의 전기분해장치(100)와 양극실, 음극실 및 전극의 개수만 차이날 뿐, 그 외의 구성은 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명에 따른 전기분해장치를 이용한 전기분해수 생성장치(500)의 구성도로서, 전해질을 첨가한 경우를 예시한 것이며, 도 5의 전기분해수 생성장치(500)에서 사용되는 전기분해장치(530)는 도 1의 전기분해장치(100)와 구성이 동일하다. 다만, 도 1의 전기분해장치(100)에서의 제1 급수구(70a)가 전해질 수용액 투입구로, 제1 배출구(80a)가 전해질 수용액 배출구로, 양극실(10a)이 전해질실(즉, 전해질이 공급되는 공간)로, 음극실(20a)이 전해실(즉, 전기분해 원수가 공급되는 공간)로, 제2 급수구(70b)가 원수 급수구로, 제2 배출구(80b)가 전해 이온수 배출구로 용도가 변경된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전기분해수 생성장치(500)는 전해질 수용액을 보관 저장하는 전해질 탱크(510)와, 전해질 탱크(510)에 보관 저장된 전해질 수용액을 지정된 경로로 순환 공급하는 펌프(520)와, 펌프(520)를 통해 공급되는 전해질 수용액을 원수와 전기분해시켜 전해 이온수를 생성하고, 반응후 전해질 수용액을 전해질 탱크(510)로 배출시키는 전기분해장치(530)를 포함하여 구성되어 있다. 여기에서, 전해질 탱크(510)와 펌프(520), 펌프(520)와 전기분해장치(530)의 전해질 수용액 투입구(70a)는 전해질 수용액 공급관(511)에 의해 연결되고, 전기분해장치(530)의 전해질 수용액 배출구(80a)는 전해질 수용액 배출관(512)에 의해 전해질 탱크(510)에 연결되고, 전기분해장치(530)의 원수 급수구(70b)는 원수 공급관(513)에 연결되어 원수를 전기분해장치(530)의 전해실(20a)로 공급하고, 전기분해장치(530)에 의해 전기분해되어 생성된 전해 이온수는 전해 이온수 배출구(80b)에 연결된 전해 이온수 공급관(514)을 통해 외부로 배출되도록 구현되어 있다. 또한, 도 5에 도시된 양극판(30) 및 음극판(40)은 하나의 예시에 불과하며, 생성시키고자 하는 전해 이온수에 따라 그 위치가 바뀌거나 극성이 바뀔 수 있다.
전극판(30, 40)에 특정 전극을 연결시키고 원구 급수구(70b)를 통해 전해실(20a)로 원수를 공급함과 동시에 펌프(520)를 가동시켜 전해질 탱크(510)에 보관 저장된 전해질 수용액을 전해질 수용액 공급관(511)을 통해 전해질실(10a)로 공급하면, 전기분해장치(530)의 전해실(20a)에서는 전기분해반응이 발생되어 전해실(20a)에서 전해 이온수가 생성된다. 전해실(20a)에서 생성되는 전해 이온수는 전극판(30, 40)의 극성에 따라 강산성 전해 이온수 또는 강알카리성 전해 이온수가 생성된다. 즉, 전해실(20a)의 극성을 양극으로, 전해질실(10a)의 극성을 음극으로 구현한 경우 전해실(20a)에서는 강산성 전해 이온수가 생성되고, 반대로 전해실(20a)의 극성을 음극으로, 전해질실(10a)의 극성을 양극으로 구현한 경우 전해실(20a)에서는 강알카리성 전해 이온수가 생성된다. 따라서, 본 전기분해수 생성장치(500)의 전해실(20a) 및 전해질실(10a)의 극성을 조절함으로써, 원하는 전해 이온수(즉, 강산성 전해 이온수, 강알카리성 전해 이온수)를 얻을 수 있다. 여기에서, 전해질실(10a)로 공급되는 전해질 수용액은 전기분해반응에 이용되고, 반응후 다시 전해질 탱크(510)로 유입되도록 구현되어 있고, 펌프(520)에 의해 다시 전해질실(10a)로 순환 공급된다.
도 6은 본 발명에 따른 전기분해장치를 이용한 이온수기(600)의 구성도이다. 도 6의 이온수기(600)에 사용되는 전기분해장치(610)는 이온수 생성장치로서 사용되며, 도 1의 전기분해장치(100)와 구성이 동일하다. 다만, 제2 배출구(80b)가 이온수 배출구로 용도가 변경된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전기분해장치(610)의 제1 및 제2 급수구(70a, 70b)는 원수 공급관(611)에 각각 연결되어 원수를 공급받는다. 부가적으로, 제1 급수구(70a)로 유입되는 원수는 레귤레이터(612)에 의해 공급량이 조절되도록 구현할 수 있다. 이온수 배출구(80b)는 이온수 공급관(613)을 통해 생성된 이온수를 외부로 배출시킨다. 양극실(10a) 및 음극실(20a)로 공급되는 원수의 경로는 도 6에 도시된 것에 한정되지 않으며, 다양한 경로로 선택 가능하다. 예를 들어, 양극실(10a)로 원수를 공급하고, 양극실(10a)에서 다시 음극실(20a)로 원수가 공급되도록 구현할 수 있다.
양극판(30) 및 음극판(40)을 외부 전원에 연결시켜 양극판(30)과 음극판(40)에 전류를 인가하고, 양극실(10a) 및 음극실(20a)로 원수를 공급하면, 전기분해반응에 의해 양극실(10a)에서는 산소가 발생되어 배출되고 산소가 빠진 산성 이온수가 생성되고, 음극실(20a)에서는 수소가 발생되어 배출되고, 수소가 빠진 알카리 이온수가 생성된다. 음극실(20a)에서 생성된 알카리 이온수는 이온수 공급관(613)을 통해 외부로 배출되어 활용할 수 있다.
참고적으로, 알카리 이온수는 만성변비, 만성설사, 장내 이상발효, 소화불량, 위산과다, 천식, 알카리성 체질 등에 아주 효과가 좋다고 보고되고 있으며, 의료분야의 전반에 걸쳐 그 이용이 점진적으로 확대되어 가고 있는 실정이다.
도 6에 도시된 이온수기(600)는 알카리 이온수만을 활용하는 것으로 도시하였지만, 이는 알카리 이온수를 활용할 수 있음을 강조하기 위한 것으로, 양극실(10a)에서 생성된 산성 이온수를 별도의 탱크에 집수하여 활용할 수 있음은 물론이다. 참고적으로, 산성 이온수는 피부미용, 습진, 무좀치료, 꽃꽂이, 분재, 감기예방 양치질 및 치은염 등에 효과가 뛰어나다.
본 실시예에서의 이온수기(600)에는 한 쌍의 전극을 사용한 전기분해장치(610)가 구현되어 있지만, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 두 쌍 또는 세 쌍의 전극을 사용한 전기분해장치를 통해 보다 많은 이온수를 생성할 수 있도록 구현할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예에 있어서, 본 발명의 전기분해장치는 정수기는 물론, 공기청정기용 산소발생장치, 에어컨용 산소발생장치, 의료용 산소발생장치 및 산업용 폐수 처리장치 등 다양한 분야에서 적용 가능하다.
도 7은 본 발명에 따른 전기분해장치를 이용한 용존산소 정수기(700)의 구성도로서, 본 실시예에 따른 용존산소 정수기(700)는 정수 탱크(710), 냉수 탱크(720) 및 전기분해장치(730)를 포함하여 구성되어 있다. 용존산소 정수기(700)에 사용되는 전기분해장치(730)는 산소발생장치로서 사용되며, 도 1의 전기분해장치(100)와 제1 급수구(70a)의 위치만 다르고 배수구(70c)가 부가되었을 뿐 그 외의 구성은 동일하다.
정수 탱크(710)와 냉수탱크(720), 정수 탱크(710)와 전기분해장치(730)의 제1 급수구(70a)는 제1 정수 공급관(711)에 의해 연결되어 있으며, 정수 탱크(710)와 전기분해장치(730)의 제1 급수구(70a)를 연결하는 제1 정수 공급관(711)은 정수의 공급량을 조절하고 공급된 정수의 역류를 방지하기 위한 제1 솔레노이드 밸브(712)에 의해 연결되어 있다. 따라서, 정수 탱크(710)에 집수된 정수의 대부분은 냉수 탱크(720)에 유입되고, 일부는 제1 솔레노이드 밸브(712)를 통해 전기분해장치(730)의 양극실(10a)에 유입된다.
양극실(10a)에 유입된 정수는 제2 정수 공급관(731) 및 제2 솔레노이드 밸브(732)를 통해 음극실(20a)로 투입되도록 구현한다. 즉, 양극실(10a)로 유입된 정수를 음극실(20a)에 투입하도록 양극실(10a)의 일측 상단에 형성된 배수구(70c)와 음극실(20a)의 일측 하단에 형성된 제2 급수구(70b)를 제2 정수 공급관(731)에 의해 연결시킨다..음극실(20a)의 일측 상단에는 발생된 수소가스 및 이온수(즉, 수소가스가 빠진 알카리 이온수)를 배출하기 위한 제2 배출구(80b)가 형성되어 있다. 또한, 양극실(10a)의 일측 상단에는 발생된 산소를 배출하기 위한 제1 배출구(80a)가 형성되어 있고, 제1 배출구(80a)는 산소 공급관(733)을 통해 냉수 탱크(720)에 연결되어 있으며, 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(734)가 산소 공급관(733) 사이에 형성되어 있다. 여기에서, 양극실(10a)에 유입된 정수를 음극실(20a)로 투입하는 이유는 양극실(10a) 및 음극실(20a)에 정수를 채운 후 전기분해반응을 일으키게 하기 위함이며, 양극실(10a) 및 음극실(20a)에 정수가 동시에 유입되도록 구현할 수 있음은 물론이다.
도 7의 용존산소 정수기는 일반적인 정수기에 본 발명의 전기분해장치(730)를 적용한 실시예를 도시한 것으로, 정수 탱크(710)를 구비하지 않고 필터를 통해 원수를 정수하는 장치에도 적용할 수 있음은 물론이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전기분해장치를 이용한 용존산소 정수기에 대한 동작관계를 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 정수 탱크(710)에 집수된 일정량의 정수를 제1 정수 공급관(711) 및 제1 솔레노이드 밸브(712)를 통해 전기분해장치(730)의 양극실(10a)로 유입시키고, 양극실(10a)에 유입된 정수 중 용량을 초과하는 정수는 배수구(70c)에 연결된 제2 정수 공급관(731) 및 제2 솔레노이드 밸브(732)를 통해 음극실(20a)에 공급된다. 양극실(10a) 및 음극실(20)에 일정 용량의 정수가 유입되면, 제1 솔레노이드밸브(712)와 제2 솔레노이트 벨브(732)가 닫히며, 양극판(30) 및 음극판(40)을 외부 전원에 연결시켜 양극판(30)과 음극판(40)에 전류를 공급시킨다.
양극판(30) 및 음극판(40)에 전류가 공급되면 전기분해반응이 일어나고, 전기분해반응에 의해 양극실(10a)에서는 산소가스가 발생되고, 음극실(20a)에는 수소가스가 발생된다. 음극실(20a)에서 발생된 수소가스는 제2 배출구(80b)를 통해 외부로 배출되고, 양극실(10a)에서 발생된 산소가스는 산소 공급관(733) 및 체크 밸브(734)를 통해 냉수 탱크(720)에 유입된다. 부가적으로, 냉수 탱크(720)에 유입되는 산소가스는 냉수 탱크(720)에 집수된 정수(즉, 냉수)에 다공성의 용존장치(735)를 통과시켜 용존되도록 구현할 수도 있다. 용존장치(735)는 마이크로 필터로 구현할 수 있으며, 마이크로 필터는 마이크로 단위의 얇은 막이 겹겹이 적재되어 있는 형태로 형성되어 있고, 물과 산소가 마이크로 단위의 막을 통과하면서 세밀하게 분리되고 마이크로 단위로 분리된 물과 산소가 혼합되어 산소가 물에 용존되는 원리로 이루어져 있다. 마이크로 필터의 크기는 0.1∼20㎛ 범위의 다양한 필터를 사용할 수 있다. 따라서, 냉수 탱크(720)의 냉수는 산소를 다량 함유한 용존 정수가 되어 음용으로 활용된다.
본 실시예에서의 용존산소 정수기(700)에는 한 쌍의 전극을 사용한 전기분해장치(730)가 구현되어 있지만, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 두 쌍 또는 세 쌍의 전극을 사용한 전기분해장치를 통해 보다 많은 산소를 발생시켜 정수에 용존시킬 수 있도록 구현할 수 있음은 물론이다.
이상의 설명은 하나의 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며 첨부한 특허청구범위 내에서 다양하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전기분해장치에 의하면, 전해질을 첨가하거나 혹은 첨가하지 않고도, 이온교환막의 양측 표면에 양극과 음극을 접촉시켜 낮은 전압으로 양질의 전기분해수와 고농도의 산소가스를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전기분해장치를 전기분해수 생성장치에 이용함으로써, 전기분해장치의 양극실과 음극실로 유입된 원수를 전기분해시켜 전해질을 사용할 경우의 산성이온수는 살균, 세정 등의 효과가 있고, 알카리성 이온수는 의료, 세정 등의 목적으로 사용할 수 있는 효과가 있다. 또한 전해질을 첨가하지 않고 음극실에서 생성된 알카리 이온수를 의료용 또는 음용으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전기분해장치를 용존산소 정수기에 이용함으로써, 전기분해장치에서 발생된 산소를 정수에 용존시켜 산소가 다량 함유한 용존 정수를 음용으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기분해장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 양극판 및 음극판의 구성도이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기분해장치의 구성도이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기분해장치의 구성도이고,
도 5는 본 발명에 따른 전기분해장치를 이용한 전기분해수 생성장치의 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 전기분해장치를 이용한 이온수기의 구성도이고,
도 7은 본 발명에 따른 전기분해장치를 이용한 용존산소 정수기의 구성도이다.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10, 20: 하우징 30: 양극판
40: 음극판 50: 이온교환막
60a, 60b: 실링부재 70a, 70b: 급수구
80a, 80b: 배출구 100, 300, 400, 530, 610, 730: 전기분해장치
500: 전기분해수 생성장치 600: 이온수기
700: 용존산소 정수기

Claims (17)

  1. 전기분해시킬 원수를 집수하는 소정크기의 수용공간을 가지는 다수개의 하우징 공간을 양극실과 음극실로 구획하고, 원수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되는 이온교환막과,양극실 및 음극실의 일측에 각각 형성되어 원수를 공급하는 제1, 제2 급수구와, 양극실의 타측에 형성되어 산소 및 산성 이온수를 배출하는 제1 배출구 및 음극실의 타측에 형성되어 수소 및 알카리 이온수를 배출하는 제2 배출구를 포함하는 전기분해장치에 있어서,
    상기 양극실 방향의 이온교환막 표면에 외부 전원의 양극에 연결되는 양극판의 전극 표면을 접촉고정시키고, 음극실 방향의 이온교환막 표면에 외부 전원의 음극에 연결되는 음극판을 접촉고정시킴을 특징으로 하는 전기분해장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 전기분해시킬 원수 및 전해질 수용액을 집수하기 위한 일정 크기의 공간을 가지고, 서로 대칭되게 형성되어 결합되는 복수개의 하우징과, 이 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되어 상기 하우징의 공간을 전해질실과 전해실로 구획하고, 원수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 이온교환막으로 이루어진 전기분해장치를 포함하는 전기분해수 생성장치에 있어서,
    상기 이온교환막의 표면에 접촉고정 고정되고, 외부 전원의 양극 및 음극에 각각 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 전해질 수용액을 통해 상기 원수를 전기분해시켜 전해 이온수를 생성시키는 복수개의 전극판과,
    전해질 수용액을 보관 저장하는 전해질 탱크와;
    상기 전해질 탱크에 보관 저장된 상기 전해질 수용액을 지정된 경로로 순환 공급하는 펌프와;
    상기 전해질실의 일측에 형성되어 전해질 수용액이 공급되도록 하는 전해질 수용액 투입구와;
    상기 전해질실의 타측에 형성되어 전해질실에서 전기분해 반응후 남은 전해질 수용액을 전해질 수용액 배출관을 통해 전해질 탱크로 배출시키는 전해질 수용액 배출구와;
    상기 전해실로 원수가 공급되게 하는 원수 급수구와;
    상기 전해실에서 생성된 전해 이온수가 배출되게 하는 전해 이온수 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 이용한 전기분해수 생성장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 전기분해시킬 원수를 집수하기 위한 일정 크기의 공간을 가지고, 서로 대칭되게 형성되어 결합되는 복수개의 하우징과, 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되어 상기 하우징의 공간을 양극실과 음극실로 구획하고, 원수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 이온교환막과, 양극실 및 음극실의 일측에 각각 형성되어 상기 양극실 및 음극실로 상기 원수를 공급하는 제1 및 제2 급수구와, 양극실의 일측에 형성되어 양극실에서 생성된 산성 이온수를 배출하는 제1 배출구와, 음극실의 일측에 형성되어 음극실에서 발생된 알카리 이온수를 배출하는 제2 배출구를 포함하는 전기분해장치를 이용한 이온수기에 있어서,
    상기 하우징 양극실 방향의 이온교환막 표면에 양극판을 접촉고정시켜, 외부 전원의 양극에 연결되어 전원이 인가되면 원수공급관으로 공급되는 원수를 전기분해시켜 산성 이온수 및 산소를 생성시키며, 하우징 음극실 방향의 이온교환막 표면에 음극판을 접촉고정시켜, 외부 전원의 음극에 연결되어 전원이 인가되면 원수를 전기분해시켜 알카리 이온수 및 수소를 생성시키는 전기분해장치를 이용한이온수기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서, 상기 제1 급수구를 통해 상기 양극실로 공급되는 상기 원수는 레귤레이터에 의해 공급량이 조절되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 이용한 이온수기.
  14. 용존산소 정수기에 있어서,
    정수를 집수하는 정수 탱크;
    제1 정수 공급관에 의해 상기 정수 탱크에 연결되어 있으며, 상기 정수 탱크로부터 유입된 정수를 일정한 온도로 냉각시킨 냉수를 집수하는 냉수 탱크; 및
    상기 제1 정수 공급관 및 제1 솔레노이드 밸브를 통해 상기 정수 탱크에 연결되어 있으며, 상기 정수 탱크로부터 유입된 정수를 전기분해시켜 산소를 발생시키고, 상기 산소를 상기 냉수 탱크에 유입시켜 상기 산소를 냉수에 용존시키는 산소발생장치를 포함하고,
    상기 산소발생장치는
    전기분해시킬 정수를 집수하기 위한 일정 크기의 공간을 가지고, 서로 대칭되게 형성되어 결합되는 복수개의 하우징;
    상기 하우징의 결합 부분에 삽입 고정되어 상기 하우징의 공간을 양극실과 음극실로 구획하고, 정수의 이동을 차단하고 음이온 또는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 이온교환막;
    상기 하우징 양극실 방향의 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 양극에 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 상기 정수를 전기분해시켜 산성 이온수 및 산소를 생성시키는 양극판;
    상기 하우징 음극실 방향의 이온교환막 표면에 접촉고정되고, 외부 전원의 음극에 연결되어 전원이 인가됨과 동시에 상기 정수를 전기분해시켜 알카리 이온수 및 수소를 생성시키는 음극판;
    상기 양극실 및 음극실의 일측에 각각 형성되어 상기 양극실 및 음극실로 상기 정수를 공급하는 제1 및 제2 급수구;
    상기 양극실의 일측에 형성되어 상기 양극실에서 생성된 산소가스를 상기 냉수 탱크로 배출하는 제1 배출구;
    상기 음극실의 일측에 형성되어 상기 음극실에서 발생된 알카리 이온수를 배출하는 제2 배출구; 및
    양극실의 초과 원수를 상기 음극실로 배출하는 제3 배출구로 이루어지고,
    상기 양극실에 형성된 상기 제3 배출구와 상기 음극실에 형성된 상기 제2 급수구가 연결되어 상기 정수 탱크에서 양극실로 유입된 상기 정수가 제2 솔레노이드 밸브에 의해 상기 음극실로 투입되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 이용한 용존산소 정수기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 양극판 및 음극판은 산화납(PbO2), 백금(Pt), 산화백금(PtO2), 팔라듐옥사이드(PdO2), 이리듐옥사이드(IrO2), 스테인레스 스틸(stainless steel), 탄소강, 금, 은, 동, 흑연, 유리질 카본 중 어느 하나의 재질로 구현하거나 티타늄으로 된 모재에 상기 재질 중 어느 하나를 도금 또는 코팅하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 이용한 용존산소 정수기.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 음극판 및 양극판은 다수개의 타공이 형성된 평판 타입, 메쉬 타입 및 섬유 타입 중 어느 하나로 구현하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 이용한 용존산소 정수기.
  17. 제14항에 있어서, 상기 이온교환막은 마이크로필터형 양이온교환격막과 마이크로필터형 음이온교환격막의 결합형태 및 불소계 양이온교환막과 불소계 음이온 교환막의 결합형태 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 이용한 용존산소 정수기.
KR10-2002-0081824A 2002-12-20 2002-12-20 전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치,이온수기 및 용존산소 정수기 KR100479644B1 (ko)

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