KR100754274B1 - 사이클론형 전기분해용 전해조 - Google Patents

사이클론형 전기분해용 전해조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해용액이 전해조 내부에서 회전하면서 전기분해 처리되는 사이클론형 전기분해용 전해조에 대한 것으로서, 공동이 형성된 원통형 외부 전극, 외부 전극의 공동 내에서 외부 전극과 동축방향으로 배치되는 원통형 내부 전극, 외부 전극의 하단부에 형성되고 외부 전극과 내부 전극 사이의 공동 내에서 어느 한 방향으로 전해질 용액이 회전하도록 전해질 용액을 유입시키는 유입구 및 외부 전극의 상단부에 형성되고 전해질 용액의 회전 방향에 맞추어 전해질 용액을 유출시키는 유출구를 포함한다.
전해조, 전기분해, 원통형 전극, 회전

Description

사이클론형 전기분해용 전해조{Cyclonic Electrolysis Cell}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사이클론형 전기분해용 전해조의 측단면도,
도 2는 본 발명의 사이클론형 전기분해용 전해조의 하부 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사이클론형 전기분해용 전해조의 측단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 전해조 120a: 내부 전극(음극)
120b: 외부 전극(양극) 130: 원통형 공간
140: 유입구 145: 분사노즐
150: 유출구 160: 냉각용 공동
200: 전해조 210a: 내부 전극(음극)
210b: 외부 전극(양극) 220: 양이온 이온교환막
230a: 양극 챔버 230b: 음극 챔버
240a: 제 2 유입구 240b: 제 1 유입구
245a, 245b: 분사노즐 250a: 제 1 유출구
250b: 제 2 유출구 260: 냉각용 공동
본 발명은 전기분해용 전해조에 대한 것으로서, 특히 전해용액이 전해조 내부에서 회전하면서 전기분해 처리되는 사이클론형 전기분해용 전해조에 대한 것이다.
염수를 전기분해하면 다음 반응식에 따라, 염소, 수산화나트륨 및 수소:
2NaCl + 2H2O ⇒ 2NaOH + Cl2 + H2
또는, 선택적으로, 다음 반응식에 따라 차아염소산 및 수소가 발생된다는 것은 당해 기술분야에 공지되어 있다.
Cl2 + H2O ⇒ HOCl + Cl- + H+
전기분해 하는데 사용되는 방법 및 장치는 다양하게 변화되어 왔으나, 원하는 양의 생성물을 얻기 위해서는 대형 탱크와 복수의 양극 및 음극이 필요하다는 사실은 변하지 않고 있다. 종래의 전기분해 장치에서 각 전극은 강 또는 스테인리스 강 스크린 또는 천공된 시트의 보조 음극으로 둘러싸이고 부가된 음극에 의해 더 둘러싸인 막대기 모양의 양극을 가지고 있다. 양극은 비다공성 탄소의 제 1층 및 다공성 탄소의 제 2층에 의해 둘러싸인 구리와 같은 금속 도체의 철심으로 구성 된다. 그러나 이러한 종래의 기술은 복수의 전극이 사용되는 탱크를 갖는 대형 전해조에 대한 부피가 크고, 고가이며 비효율적이라는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 부피를 줄일 수 있는 구조의 전기분해용 전해조를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 구조를 가지고 저가인 전기분해용 전해조를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 구조를 가지면서도 고효율을 가지는 전기분해용 전해조를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 목적은 공동이 형성된 원통형 외부 전극, 외부 전극의 공동 내에서 외부 전극과 동축방향으로 배치되는 원통형 내부 전극, 외부 전극의 하단부에 형성되고 외부 전극과 내부 전극 사이의 공동 내에서 어느 한 방향으로 전해질 용액이 회전하도록 전해질 용액을 유입시키는 유입구 및 외부 전극의 상단부에 형성되고 전해질 용액의 회전 방향에 맞추어 전해질 용액을 유출시키는 유출구를 포함하는 사이클론형 전기분해용 전해조에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 공동이 형성된 원통형 외부 전극, 외부 전극의 공동 내에서 외부 전극과 동축방향으로 배치되는 원통형 내부 전극, 외부 전극과 내부 전극 사이에 배치되는 막, 외부 전극의 하단부에 형성되고 외부 전극과 막 사이의 공동 내에서 어느 한 방향으로 회전하도록 제 1 전해질 용액을 유입시키는 제 1 유입구, 외부 전극 및 막의 하단부에 형성되고 내부 전극과 막 사이의 공동 내에서 어느 한 방향으로 회전하도록 제 2 전해질 용액을 유입시키는 제 2 유입구, 외부 전극의 상단부에 형성되고 제 1 전해질 용액의 회전 방향에 맞추어 제 1 전해질 용액을 유출시키는 제 1 유출구 및 외부 전극 및 막의 상단부에 형성되고 제 2 전해질 용액의 회전 방향에 맞추어 제 2 전해질 용액을 유출시키는 제 2 유출구를 포함하는 사이클론형 전기분해용 전해조에 의해 달성된다. 이때 막은 이온 교환막인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 사이클론형 전기분해용 전해조에서 유입구는 분사 노즐을 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 분사 노즐에 의해 분사되는 전해질 용액의 압력은 2 내지 3 bar 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 사이클론형 전기분해용 전해조에서 내부 전극 내부에는 냉각용 공동이 형성되어 있고, 냉각용 공동에 공기 또는 냉각 용매가 순환하도록 하는 냉각 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 사이클론형 전기분해용 전해조가 직렬로 연결되어 있는 사이클론형 다단식 전해장치에 의해 달성된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가 장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 사이클론형 전기분해용 전해조(100)의 측단면도이다. 본 실시예에서 전해조(100)는 전기분해되는 용액(이하, 전해용액)의 통로를 제공하는 원통형 공간(130)을 가지며, 그 원통형 공간(130)의 경계는 공동을 가지는 원통형 양극인 외부 전극(120b) 및 양극 내에 배치되고 공동을 가지는 원통형 음극인 내부 전극(120a)으로 이루어진다. 원통형 공간(130)에는 이러한 경계 이외에도 바닥과 덮개가 형성된다. 도 1에는 원통형 공간 속으로 전해용액을 유입하기 위한 전해조(100) 하부의 유입구(140) 및 처리된 전해용액을 유출하기 위한 전해조 상부의 유출구(150)가 도시되어 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 전해조(100)를 유입구(140) 높이에서 본 단면도이다. 유입구(140)는 양극(120b)과 음극(120a) 사이의 공간에 전해용액을 유입시킬 때 도 1에서 보여지는 바와 같이 유입된 전해용액이 원통형 공간(130) 내부를 회전할 수 있도록 구성한다. 즉, 전해용액을 원통의 중심축으로 또는 하방에서 상방으로 유입시키는 것이 아니라 원통의 측부를 통해 원통의 상부 단면에서 볼 때 원통 의 중심축으로부터 30도에서 80도 정도의 방향으로 전해용액을 유입시킨다.
이 경우 전해용액이 원통형 공간(130) 내부로 유입할 때부터 유출될 때까지 원통 내부를 계속적으로 회전할 수 있도록 전해용액의 유입시 일정한 압력으로 유입시키는 것이 바람직하다. 따라서, 유입구(140)에는 일정한 분사압력을 줄 수 있는 분사노즐(145)을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 이때 분사노즐(145)의 분사압력은 전해조(100)의 크기에 따라 달라질 수 있으나, 본 실시예에서는 2 ~ 3 bar 정도의 압력으로 분사시킨다.
원통 내부에서의 전해용액 회전이 더욱 용이해 질 수 있도록 이러한 분사 노즐(145)을 가지는 유입구(140)를 2개 이상 설치할 수 있다. 아울러 전해용액의 회전을 방해하지 않기 위하여 구체적으로 도시하지는 않았으나 유출구(150) 또한 유입구(140)와 비슷한 방향으로 형성되는 것이 바람직하며, 유입구(140)와 마찬가지로 2개 이상으로 형성할 수 있다. 유출구(150)는 원통 내부의 전해용액 회전 흐름을 방해하지 않도록 유입구보다 직경이 크게 형성하는 것이 바람직하다.
전해조(100)의 원통형 공간(130) 내부에서 전해용액을 회전하게 하는 구성을 통해 원통의 수직 방향으로 전해용액이 통과할 때보다 전해용액이 두 전극 사이를 통과하는 거리가 길어지게 된다. 즉 전해용액이 회전하도록 함으로써 회전하지 않는 전해조보다 훨씬 작은 높이를 가지면서도 처리효율은 동등하거나 향상시킬 수 있게 된다.
음극인 내부 전극(120a)의 내부는 공동(160)을 형성하여 자연스러운 공기의 통로를 만들어 주거나, 환기 장치 또는 냉각수 순환 장치와 같은 냉각 수단을 설치 함으로써 전기분해로 인해 온도가 상승하게 되는 전해조를 냉각시키는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 사용되는 음극(120a)은 SUS316 강을 사용하고, 양극(120b)은 백금, 이리듐 산화물, 팔라듐, 니켈 산화물 또는 이들의 조합으로 코팅된 티타늄을 사용하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 사이클론형 전기분해용 전해조(200)를 도시하고 있다. 전해조(200)는 전해용액이 통과하는 원통형 공간(230a, 230b)의 경계를 정하는 공동을 가진 원통형 양극인 외부 전극(210b) 및 양극 내에 동축적으로 배치되는 원통형 음극인 내부 전극(210a)을 포함한다. 원통형 공간(230a, 230b) 내부에는 음극(210a)과 양극(210b) 사이에 원통형 공간을 음극 챔버(230b)와 양극 챔버(230a)로 나누는 양이온 이온교환막(220)이 배치된다.
전해조(200)의 하부에는 음극 챔버(230b)와 양극 챔버(230a) 각각에 전해용액을 유입시키기 위한 제 1 유입구(240b) 및 제 2 유입구(240a)가 형성되고, 상부에는 음극 챔버(230b)와 양극 챔버(230a)에서 각각 처리된 전해용액을 배출하기 위한 제 1 유출구(250a) 및 제 2 유출구(250b)가 형성된다. 제 1 및 제 2 유입구(240a, 240b)와 제 1 및 제 2 유출구(250a, 250b)는 전해용액이 음극 챔버(230b)와 양극 챔버(230a) 각각에서 회전할 수 있도록 도 2에서 본 바와 같은 방향으로 각각 형성된다. 제 1 및 제 2 유입구(240a, 240b)에는 각각 노즐(245a, 245b)을 형성한다. 또한 제 1 및 제 2 유입구(240a, 240b)와 제 1 및 제 2 유출구(250a, 250b) 각각은 전해용액의 회전을 더욱 용이하도록 하기 위해 각각 2 이상으로 형성 할 수도 있다.
원통형 음극(210a)에는 제 1 실시예에서와 마찬가지로 냉각용 공동(260)을 형성하고, 냉각 수단을 결합시킬 수 있다. 통상적으로, 양극(210b)은 약 4인치의 지름, 음극(210a)은 2인치의 지름 및 이온 교환막(220)은 3인치의 지름의 원통일 수 있다.
전해용액에는 고농도(28g/l이상)의 활성 염소를 함유하는 차아염소산으로 전환되는 염수가 사용된다. 통상적으로 저 염소 농도(15g/l 미만)의 경우에는 막이 불필요하다.
본 실시예에서 사용되는 음극(120a)은 SUS316 강을 사용하고, 양극(120b)은 백금, 이리듐 산화물, 팔라듐, 니켈 산화물 또는 이들의 조합으로 코팅된 티타늄을 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예는 알칼리 금속 염수(NaCl 용액)를 전기분해함으로써 활성 염소를 갖는 차아염소산을 생산하는데 사용될 수 있다. 염수를 전해조의 원통형 공간 내부로 유입시키고 공지된 펌프장치를 사용하여 전해조를 통과시킨다. 전압을 음극과 양극에 가하면 다음과 같은 반응식에 의해 양극 또는 양극 챔버에서 활성 염소를 갖는 차아염소산(HClO), ClO2, O3 등이 발생되고, 음극 또는 음극 챔버에서 수소와 수산화나트륨이 발생된다.
전해용액을 전기분해할 경우, 양극과 음극에는 하기의 반응식과 같은 반응이 진행되는데, 이와 같이 전기분해가 일어나는 동안 양극에서는 살균용 차아염소산이 생성되고, 음극에서는 수소 발생과 아울러 생성된 수산화 이온(OH-)으로 인하여 강알카리성으로 변하게 되고, 생성된 수산화 이온은 해수 중 용존되어 있는 나트륨이온과 반응하여 수산화나트륨(NaOH)를 생성되게 된다.
양극반응: 2Cl-2 → Cl2 + 2e-
Cl2 + H2O → HClO + Cl- + H+
HClO + H2O → ClO2 + 3H + 3e
2H2O → O2 + 4H +4e
O2 + H2O → O3 + 2H + 2e
음극반응: 2H2O + 2Na+ + 2e- → 2NaOH + H2↑
이온 막이 형성된 전기분해용 전해조의 경우 전기분해 처리된 전해용액은 양극 챔버에 대한 제 2 유출구(250b)에서는 차아염소산(HClO), ClO2, O3 을 함유하고, 음극 챔버에 대한 제 1 유출구(250a)에서는 수산화나트륨을 함유하고 있다. 따라서, 제 2 유출구(250b)에서 얻은 전해용액은 살균제로서 사용될 수 있으며, 제 1 유출구(250a)에서 얻은 전해용액은 세정 용액으로 사용될 수 있게 된다. 특히 제 2 유출구(250b)에서 바로 빠져나온 전해용액에는 Cl, ClO, O, O2 등의 라디칼과 H2O2가 함유되어 있으며, 이를 현장에서 곧바로 사용하면 살균 효율을 더욱 높일 수 있게 된다. 본 실시예에 따른 전기분해용 전해조는 소형화할 수 있는 점이 장점이므로 살균하여야 할 장치에 바로 본 실시예에 따른 전기분해용 전해조를 결합하여 사용할 수 있어 살균 효율이 더욱 높아지게 되는 장점이 있다.
아울러 본 실시예에서 사용한 양이온 이온교환막(220) 대신 음이온 이온교환막을 사용한다면 제 2 유출구(250b)에서는 염소 함유 물질이 발생하지 않는다. 대신 살균하여야 할 대상에 바로 본 실시예에 따른 전기분해용 전해조를 결합하여 살균 작용을 가진 라디칼 만으로 살균을 하도록 구성할 수 있다. 이는 살균 용액에 염소가 들어가지 않으므로 식품의 살균에 사용할 경우에는 매우 유용하다.
본 발명의 제 3 실시예는 복수의 제 2 실시예에 따른 사이클론형 전기분해용 전해조가 직렬로 연결되어 있는 사이클론형 다단식 전해장치이다. 첫번째 전해조의 제 1 유출구는 두번째 전해조의 제 1 유입구로 연결되어 있는 구조이다. 본 실시예에 따른 전해장치는 수산화나트륨의 농도를 원하는 수준으로 높일 수 있다. 첫번째 전해조의 제 2 유출구는 두번째 전해조의 제 2 유입구로 연결될 수도 있으나, 차아염소산의 농도를 높일 필요가 없는 경우 각 전해조의 제 2 유입구는 처리되지 않은 전해용액을 유입하고 각 전해조의 제 2 유출구는 다른 전해조에 연결되지 않고 바로 살균제 등으로 사용될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기분해용 전해조는 종래보다 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 전기분해용 전해조는 간단한 구조를 가지고 저가인 동시에 효율이 높은 이점이 있다.

Claims (14)

  1. 공동이 형성된 원통형 외부 전극;
    상기 외부 전극의 공동 내에서 상기 외부 전극과 동축방향으로 배치되는 원통형 내부 전극;
    상기 외부 전극의 하부에 형성되고 상기 외부 전극과 상기 내부 전극 사이의 공동 내에서 어느 한 방향으로 전해질 용액이 회전하도록 전해질 용액을 유입시키는 유입구; 및
    상기 외부 전극의 상부에 형성되고 상기 전해질 용액의 회전 방향에 맞추어 상기 전해질 용액을 유출시키는 유출구를 포함하는 사이클론형 전기분해용 전해조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구는 분사 노즐을 포함하는 사이클론형 전기분해용 전해조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분사 노즐에 의해 분사되는 전해질 용액의 압력은 2 내지 3bar 인 사이클론형 전기분해용 전해조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 전극의 내부에는 냉각용 공동이 형성되어 있는 사이클론형 전기분해용 전해조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각용 공동에 공기 또는 냉각 용매가 순환하도록 하는 냉각 수단을 더 포함하는 사이클론형 전기분해용 전해조.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유입구와 상기 유출구는 각각 복수 개인 사이클론형 전기분해용 전해조.
  7. 공동이 형성된 원통형 외부 전극;
    상기 외부 전극의 공동 내에서 상기 외부 전극과 동축방향 배치되는 원통형 내부 전극;
    상기 외부 전극과 내부 전극 사이에 배치되는 막;
    상기 외부 전극의 하단부에 형성되고 상기 외부 전극과 상기 막 사이의 공동 내에서 어느 한 방향으로 회전하도록 제 1 전해질 용액을 유입시키는 제 1 유입구;
    상기 외부 전극 및 상기 막의 하단부에 형성되고 상기 내부 전극과 상기 막 사이의 공동 내에서 어느 한 방향으로 회전하도록 제 2 전해질 용액을 유입시키는 제 2 유입구;
    상기 외부 전극의 상단부에 형성되고 상기 제 1 전해질 용액의 회전 방향에 맞추어 상기 제 1 전해질 용액을 유출시키는 제 1 유출구; 및
    상기 외부 전극 및 상기 막의 상단부에 형성되고 상기 제 2 전해질 용액의 회전 방향에 맞추어 상기 제 2 전해질 용액을 유출시키는 제 2 유출구
    를 포함하는 사이클론형 전기분해용 전해조.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 유입구 및 상기 제 2 유입구는 분사 노즐을 포함하는 사이클론형 전기분해용 전해조.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분사 노즐에 의해 분사되는 전해질 용액의 압력은 2 내지 3bar 인 사이클론형 전기분해용 전해조.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 내부 전극의 내부에는 냉각용 공동이 형성되어 있는 사이클론형 전기분해용 전해조.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉각용 공동에 공기 또는 냉각 용매가 순환하도록 하는 냉각 수단을 더 포함하는 사이클론형 전기분해용 전해조.
  12. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 유입구와 상기 유출구는 각각 복수 개인 사이클론형 전기분해용 전해조.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 막은 이온 교환막인 사이클론형 전기분해용 전해조.
  14. 복수의 제 7 항에 의한 사이클론형 전기분해용 전해조가 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 사이클론형 다단식 전해장치.
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