KR100634889B1 - 차아염소산나트륨 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포화소금물을 사용하여 차아염소산나트륨이 발생가능 하도록 전해반응기의 하우징부 내측에 수소 이동홈을 형성하고 전극판의 유효 전극 면적이 최대화 되도록 함으로써, 전체적인 전해 반응 효율을 향상시키고, 별도의 가성소다의 투입 없이 격막식 1차 전해셀에 의해 가성소다를 분리 생산하여 소금용액 속의 칼슘, 마그네슘과 같은 스케일 유발 물질을 제거하여 스케일을 최소화하여 생산량을 최대화할 수 있는 하이브리드형 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것이다.

양전극, 음전극, 전극판, 차아염소산나트륨

Description

차아염소산나트륨 발생장치{An Electrolytic Apparatus For Producing Sodium Hypochloride}

도 1은 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 전체적인 구성을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 1차 전해반응기를 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 전극판을 도시한 사시도.

도 4는 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 2차 전해반응기를 도시한 사시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 1차 전해반응기 110 : 양전극

120 : 음전극 130 : 분리막

200 : 하우징부 220 : 수소 이동홈

300 : 전극판 310 : 전해질 유로

본 발명은 포화소금물을 사용하여 차아염소산나트륨이 발생가능 하도록 전해반응기의 하우징부 내측에 수소 이동홈을 형성하고 전극판의 유효 전극 면적이 최대화 되도록 함으로써, 전체적인 전해 반응 효율을 향상시키고, 별도의 가성소다의 투입 없이 격막식 1차 전해반응기에 의해 가성소다를 분리 생산하여 소금용액 속의 칼슘, 마그네슘과 같은 스케일 유발 물질을 제거하여 전극의 스케일을 최소화하여 생산량을 최대화할 수 있는 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 차아염소산나트륨(NaOCl, Sodium Hypochloride)은 정수장, 하수처리장의 살균장치, 일반화학공장의 냉각용수 보일러, 담수화 공정 처리수, 발전소의 냉각수 처리, 음용수 처리, 수영장 및 제지, 가정용 표백제로 사용되는 강한 염소취를 갖는 무색 투명 액체이다.

상기한 차아염소산나트륨을 발생시키기 위해서는 소금물을 전기분해하기 위한 전해장치를 필요로 하며, 상기한 전해장치는 양전극에서의 연속적인 산화, 환원반응으로 인하여 내구성이 낮은 단점이 있으므로 이를 해결하기 위해서 내구성이 우수하고 전해전력소비량이 적은 전극과, 국부적인 과열이 없고 전해질 농도분포가 균일한 전해장치를 필요로 하였다.

종래에는 차아염소산나트륨을 생성하기 위해서 일정 농도의 소금물을 전해장치 내부로 공급한 뒤, 전기분해시키면 차아염소산나트륨 용액과 수소가 발생 되었으며, 발생된 차아염소산나트륨을 필요한 곳에 공급하여 사용해왔다.

상기한 전기분해 반응이 실시되는 전해장치 내부에는 화학 반응에 의해 수소 가스가 필연적으로 발생 되며, 상기한 수소 가스가 전해장치 내부에 구비된 전극판의 상측으로 모이게 됨으로써, 전극판 면적의 약 10% 가량 사용할 수 없어 전체 전극판의 유효 면적을 100% 활용하지 못하는 실정이었다.

이로 인해 다수의 전극판이 설치되는 전해장치의 전체적인 효율이 저하되는 문제점이 발생 되었다. 또한 유입수는 연수기를 설치하여 경도를 제거했지만 소금용액에 포함된 경도 즉 칼슘, 마그네슘은 제거하지 못하므로 전극의 스케일의 원인이되고 세척해야 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소금용액에 포함된 스케일 유발 물질을 제거할 수 있도록 한 1차 전해반응기와 2차 전해반응기로 구성되어 있고, 전해반응기 내부에 설치되는 전극판의 유효 전극 면적을 최대로 사용 가능하도록 수소 이동 홈이 형성된 차아염소산 나트륨 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치는 원통형으로 형성되는 공동(空洞)의 양전극, 상기 양전극을 내부에 수용하고 동축상에 설치되는 음전극, 상기 양전극과 음전극 사이의 공간에 배치되며 기공이 형성된 분리막을 포함하며 소금물 공급펌프로부터 공급된 포화소금물을 전기분해하는 1차 전해반응기; 및 상기 1차 전해반응기에서 생성된 물질이 이동 가능하도록 형성된 연결라인의 단부에 설치된 하우징부의 내부에 소정간격을 두고 다수개가 횡방향으 로 설치되되 좌측 또는 우측 단부의 상하측이 일정영역 절단 형성된 전해질 유로가 구비된 전극판, 상기 하우징부 내부에서 발생되는 수소가스로 인한 전극판의 유효 전극면적이 감소되는 것을 방지 가능하도록 상기 전극판이 설치된 하우징부의 내측 상면을 따라 다수개의 수소 이동홈이 형성된 2차 전해반응기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 1차 전해반응기에서 생성된 가성소다가 염소발생을 위해 필수적으로 필요한 소금용액에 용해된 칼슘과 마그네슘 이온과 결합하여 염을 생성함으로써 2차 전해반응기의 전극에 스케일이 방지되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 상기 전극판에 형성된 전해질 유로는 전해액과의 접촉되면서 면적이 최대가 되게 우회되도록 좌우 교번되어 반복 설치되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 상기 전극판의 전해질 유로는 직사각형 형태로 절단 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 분리막은 다공질 세라믹막인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 1차 반응기의 상기 양전극은 루테늄이나 이리듐을 코팅한 티탄재질로 되며, 상기 음전극은 티탄재질인 것을 특징으로 한다.

2차 전해반응기의 전극은 양전극과 음전극 구분없이 모두 루테늄이나 이리듐을 코팅한 DSA 전극을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부된 도 1은 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 전체적인 구성 을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 1차 전해반응기를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 전극판을 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 2차 전해반응기를 도시한 사시도이다.

첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하면, 원통형으로 형성되는 공동(空洞)의 양전극(110)과, 상기 양전극(110)을 내부에 수용하고 동축상에 설치되며 티탄 재질로 이루어진 음전극(120)과, 상기 양전극(110)과 음전극(120) 사이의 공간에 배치되며 기공이 형성된 분리막(130)을 포함하는 1차 전해반응기(100)가 구비된다.

상기 양전극(110)은 티탄의 외부에 루테늄이나 이리듐을 코팅한 DSA(Dimensionally Stable Anode)전극을 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 DSA전극은 산소발생에 대한 과전압이 비교적 낮으며, 산소가 발생 되는 전위 전후에서 발생 되는 강력한 산화력을 갖는 여러 형태의 활성산소에 의해 전극표면에서의 전극 독성 유기물 자체도 산화되는 특성이 있다.

또한 상기한 DSA전극은 표면 자체가 일종의 세라믹이어서 일반 금속 전극에 비해 산화나 부식현상의 억제가 가능하다.

특히, 본 발명은 포화소금물을 사용하도록 구성되어 있기 때문에 양전극(110)에서 상기와 같은 DSA전극을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 양전극(110)과 분리막(130) 사이에는 양전해실(140)이 형성되고, 상기 분리막(130)과 음전극(120) 사이에는 음전해실(150)이 형성되도록 구성된다.

상기 양전극(110)은 양전해실(140)로 이동될 수 있도록 다수의 통공(111)이 형성된다.

상기 음전해실(150)의 상부와 하부는 각각 희석조(20)와 연결되어 유로가 형성된다.

상기 1차 전해반응기(100)의 하측에는 소금물 공급펌프(10)가 설치되어 상기 1차 전해반응기(100)로 공급되도록 구성된다.

상기 1차 전해반응기(100)에서 생성된 물질이 이동 가능하도록 형성된 연결라인의 단부에 설치된 하우징부(200)의 내부에 다수개가 횡방향으로 설치되되 상기 전극판()에 형성된 좌측 또는 우측 단부의 상하측이 일정 영역 절단 형성된 전해질 유로(310)는 전해액과의 접촉면적이 최대가 되게 우회되도록 좌우 교번되어 반복설치되게 된다.

상기 전극판(300)은 전해질 유로(310)가 형성된 부분과 미형성된 부분이 교대로 반복 설치되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기와 같이 전극판(300)이 설치됨으로써 전해질의 안정적인 흐름이 형성되어 각 전극판(300)의 일 측면을 따라 전해질이 유동하게 된다.

상기 전극판(300)의 전해질 유로(310)는 직사각형 형태로 절단 형성되는 것이 바람직하다.

상기 하우징부(200) 내부에서 발생 되는 수소가스에 의한 전극판(300)의 유효 전극면적이 감소 되는 것을 방지 가능하도록 상기 전극판(300)이 설치된 하우징부(200)의 내측 상면을 따라 다수개의 수소 이동홈(210)이 형성된 2차 전해반응기(400)를 포함하여 구성된다.

상기 수소 이동홈(210)을 형성한 이유는 상기 전극판(300)의 전해 반응에 의해 수소가 발생될 때 상기 전극판(300)을 따라 기포가 커지면서 상부로 상승하게 되는데, 이와 같은 기포는 전류의 흐름을 방해하며, 기포로 인한 저항이 증가하게 된다. 즉, 저항이 증가하게 되면 주울열에 의해 국부적인 온도가 상승하여 생성된 차아염소산나트륨이 분해되기 때문에 전해질의 균일한 분포와 전극판(300)의 면적을 100% 활용하기 위해서 수소 이동홈(210)을 형성한다.

상기와 같은 본 발명에 의한 차아염소산나트륨 발생장치의 작동 상태를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하면, 소금물 공급펌프(30)에서 공급된 포화 소금물이 1차 전해반응기(100)의 음극실하부로 공급되며, 1차 전해반응기(100) 내부에서 포화소금물의 전기분해반응경로 및 생성된 전해질의 이동경로를 설명하면 다음과 같다.

소금물 공급펌프(30)에서 공급된 포화소금물은 하부 음전해실입구(151)를 통해서 상부음전해실 출구(152)를 거쳐 가성소다가 다량 포함된 음전해질이 희석조(20)로 유입되어 소금용액의 칼슘과 마그네슘과 결합하여 희석조(20) 하부로 침전되고 이 음전해질이 하부 양전해실입구(141)로 유입되어 염소를 발생시키고 이 양전해질은 다량의 소금용액을 포함한 채로 상부 양전해실출구(142)를 통하여 2차 전해반응기(400)로 유입되어 3%의 염수로서 2차 전해반응기(400)에서 0.8%의 차아염소산나트륨을 발생시키게 된다.

염이 생성되는 침전반응은 다음과 같다.

2NaOH + Ca(Mg)Cl₂ → Ca(Mg)(OH)₂ ↓+ 2NaCl　

1차 전해반응기(100)의 양전극(110)은 금속 도전체인 지지관(112)과 연결되어 있으며, 전원 인가부(160)에 전원을 인가하게 되면 지지관(112)을 통해 양전극(110)으로 전원이 인가되게 된다. 양전극(110) 및 음전극(120)에 전원을 인가하게 되면 양전해실(140)과 음전해실(150)에서 전기분해반응이 일어나서 양전해실(140)에서는 산성수가 발생되고 음전해실(150)에서는 알카리수가 생성된다.

이때 전기를 인가할 경우 음전해실(150)에서 일어나는 반응은

2H₂O + 2Na⁺ + 2e　 → 2NaOH + H₂

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-　 이고,

양전해실(140)에서 일어나는 반응은

2Cl^- - 2e → Cl₂

2H₂O - 4e → 4H⁺ + O₂

Cl₂ + H₂O　↔　HClO + HCl　 이다.

여기서 음전해실(140)에서 생성된 가성소다(NaOH) 및 수소가 다시 양전극(110)으로 통과하여 생성된 염소(Cl₂)가 합쳐져서 연결라인을 따라 2차 전해반응기(400)로 공급된다.

이때, 1차 전해반응기(100)의 음전해실(150)에서 생성된 가성소다(NaOH)는 소금용액에 들어 있던 칼슘 및 마그네슘과 결합하여 염을 형성하게 된다. 또한, 상기 1차 전해반응기(100)에서 생성된 가성소다가 2차 전해반응기(400)의 소금용액에 용해된 칼슘과 마그네슘 이온과 결합하여 염을 생성함으로써 2차 전해반응기(400) 내에서의 스케일 발생을 방지되도록 한다. 2차 전해반응기(400) 내에서도 가성소다가 발생되어 스케일 발생이 방지되게 되므로 스케일 발생을 최대로 억제할 수 있게 된다.

상기 2차 전해반응기에서의 작동 상태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부된 도 3 내지 도 4를 참조하면, 1차 전해반응기(100)(도 1참조)에서 공급된 전해액이 연결라인을 따라 이동되어 2차 전해반응기(400)의 내부로 유입된다.

2차 전해반응기(400) 내부로 공급된 전해액은 일 방향으로 다수개가 배치된 전극판(300)의 전해질 유로(310)를 따라 이동하되 상기 전극판(300)은 전해질 유로(310)가 형성된 부분과 미형성된 부분이 교대로 반복 설치되어 있어서 전해질의 흐름이 각 전극판(300)의 측면을 따라 흐르게 되어 상기 전해질 유로(310)를 통과하는 전해질의 흐름이 국부적인 데드공간(Dead Space) 없이 유동 가능해진다. 화살표로 도시한 것은 전해질의 흐름을 나타낸 것이다.

이와 동시에 1차 전해반응기(100)에서 공급된 미반응 소금용액과 차염은 2차 전해반응기(400)로 유입되어 다시 차아염소산나트륨(NaOCl)이 발생되고, 수소가스는 상부로 상승하여 하우징부(200)의 내측에 형성된 다수개의 수소 이동홈(210)으로 별도의 수소 유로를 형성하면서 흐르게 된다.

상기 수소 이동홈(210)은 전극판(300)과 전해액이 반응하면서 발생 되는 수소 가스가 별도로 영역으로 이동할 수 있도록 형성된 것으로서, 상기 전극판(300)이 전해액과 100% 접촉이 이루어져서 전극판(300)을 완전하게 사용가능하며, 스케일의 생성을 방지하고 전극판(300)의 유효 전극 면적을 최대로 하여 사용가능해 진다.

상기 2차 전해반응기(400)에서 발생된 차아염소산 나트륨은 별도의 라인을 통해 수영장, 냉각탑등의 살균수로 사용하거나 악취제거나 탈취를 필요로 하는 곳에 사용할 수 있다.

따라서, 포화소금물의 사용에 따른 스케일 생성에 구애받지 않고 차아염소산나트륨의 발생이 이루어진다.

한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치는 포화소금물 사용에 따른 전극판의 스케일 생성이 방지됨은 물론 전극판의 유효 전극 면적 감소 없이 효율을 최대로 하여 사용가능한 효과가 있다.

또한, 포화소금물의 전환율을 최대로 하여 사용 가능하고, 전기에너지 소모가 최소화되며 탈취와 살균이 가능한 산성수와 알칼리수를 생성하여 음용수, 수영장, 냉각탑 등의 수처리 등에 사용 가능한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 원통형으로 형성되는 공동(空洞)의 양전극, 상기 양전극을 내부에 수용하고 동축상에 설치되는 음전극, 상기 양전극과 음전극 사이의 공간에 배치되며 기공이 형성된 분리막을 포함하며 소금물 공급펌프로부터 공급된 포화소금물을 음극전해실을 거쳐 희석조를 통과하여 양극전해실로 전기분해하는 1차 전해반응기; 및

   상기 1차 전해반응기에서 생성된 물질이 이동 가능하도록 형성된 연결라인의 단부에 설치된 하우징부의 내부에 소정간격을 두고 다수개가 횡방향으로 설치되되 좌측 또는 우측 단부의 상하측이 일정영역 절단 형성된 전해질 유로가 구비된 전극판, 상기 하우징부 내부에서 발생되는 수소가스로 인한 전극판의 유효 전극면적이 감소되는 것을 방지 가능하도록 상기 전극판이 설치된 하우징부의 내측 상면을 따라 다수개의 수소 이동홈이 형성된 2차 전해반응기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 발생장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 1차 전해반응기에서 생성된 가성소다가 상기 2차 전해반응기로 공급되어 상기 2차 전해반응기 내의 소금용액에 용해된 칼슘과 마그네슘 이온과 결합하여 염을 생성함으로써 스케일이 방지되는 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 발생장치.
3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전극판에 형성된 전해질 유로는 전해액과의 접촉되면서 면적이 최대가 되게 우회되도록 좌우 교번되어 반복 설치되는 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 발생장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 전극판의 전해질 유로는 직사각형 형태로 절단 형성되는 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 발생장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   분리막은 다공질 세라믹막인 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 발생장치.

Images