KR100947254B1 - 원통형 전기분해 셀 반응기 - Google Patents

원통형 전기분해 셀 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원통형 전기분해 셀 반응기에 관한 것으로, 그 목적은 유가금속을 함유하고 있는 폐액중에서 유가금속을 회수시 단위 전류당 유가금속의 석출효율을 높이기 위해 음극 대비 양극의 면적을 크게 한 원통형 전극셀 반응기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 내경에 불용성양극층(11)이 코팅되어 전원이 연결된 원통형 양극(1)과; 원통형 양극(1)의 상부와 하부에 각각 설치된 상부 및 하부 절연체(2, 3)와; 상부 및 하부 절연체(2, 3) 간을 관통하여 형성되어 전원이 연결된 원기둥형 음극(4)과; 상기 음극의 하부를 밀봉 지지하도록 설치된 하부지지체(5)와; 상기 원통형 양극(1)의 둘레 일측면을 관통하여 폐액을 공급하도록 형성된 유입관(6)과; 상기 원통형 양극(1)의 둘레 타측면을 관통하여 유가금속이 회수된 폐액을 배출하도록 구성된 배출관(7)으로 구성되어 유가금속을 함유하고 있는 폐액중 유가금속을 전기분해하도록 구성된 원통형 전기분해 셀 반응기를 특징으로 한다.
전기분해, 원형전극셀, 유가금속, 귀금속, 석출

Description

원통형 전기분해 셀 반응기{Cylindrical electrolysis cell reactor}
본 발명은 원통형 전기분해 셀 반응기에 관한 것으로, 자세하게는 도금과 같은 공정에서 발생한 폐액속에 함유되어 있는 유가금속을 추출시 추출효율을 높이기 위해 양극과 음극의 면적 비율을 조절하여 단위 전류 당 유가금속의 석출량을 극대화한 전기분해 반응장치에 관한 것이다.
도금과 같은 공정에서 발생하는 수세수 또는 자동차용 촉매와 석유화학공업용 촉매 등에는 다량의 귀금속이 함유되어 있기 때문에 이것을 회수하는 것은 자원 절약 차원에서 매우 중요한 일이다. 그러나, 기존에 이러한 귀금속을 회수하는 방법으로는 전기회수법, 이온교환수지법, 금속치환법과 같은 방법들이 사용되어 왔다.
상기 방법 중 전기회수법에 의한 방법은 전극을 이용하여 귀금속을 회수하는데 50 ~ 50,000 PPM정도의 농도를 갖는 귀금속에 대해서 저렴한 비용으로 귀금속을 회수할 수 있으며 0.5 %정도의 편차로 약 97%의 회수율로 회수가 가능하다.
이와 같은 방법을 이용하기 위해서는 폐액을 1차로 전처리하여 회수하고자 하는 유가금속의 회수효율을 저해하는 불순물을 제거한 상태에서 전기분해장치에 공급하여 양극과 음극을 통전하면 전기분해 반응에 의해 음극에 유가금속이 석출 또는 흡착되어 유가금속을 저렴하게 회수할 수 있다.
이러한 전기분해장치의 구성을 살펴보면 통상의 전해조내에 음극과 양극을 형성하는 적어도 한 쌍의 전극판을 설치하고, 각 전극판에 전기를 공급하여 전해조내의 물속에 들어있는 물질을 전기분해하게 된다. 이러한 전기분해장치는 격막의 유무에 따라, 음극과 양극 사이에 격막을 갖는 격막식과, 격막을 갖지 않는 무격막식으로 분류할 수 있고, 전극의 배치형식에 따라, 한 쌍의 전극을 수직으로 나열한 직립식 또는 단극식과, 복수의 전극쌍을 수평으로 배열한 수평식 또는 복극식으로 분류할 수 있다.
하지만 그러나 회수에 100시간이상이 걸리기 때문에 회수하는 속도가 늦으며 batch운전이기 때문에 자동화라인에는 설치가 불가능하며 무엇보다도 50PPM 이하의 저농도에서는 회수가 안되는 치명적인 약점을 갖는다.
또한 일반적인 전기분해 장치는 음극에서의 석출효율이 떨어지는 단점이 있는데, 그 이유는 양극의 크기와 음극의 면적 차이에 기인한다. 구체적으로 유가금속의 석출효율은 양극이 음극에 비해 크면 석출효율이 높게 나타나는데, 이와 같이 단위 전류당 유가금속의 석출효율을 높이기 위해서는 평판형태로 된 양극의 크기를 크게 하여야 하는데, 양극의 크기가 커짐에 따라 전해조 크기가 함께 커져야 한다. 하지만 이러한 전해조의 대형화는 기타 장치 구성과의 연계시 설계에 많은 어려움이 있어 현실적으로 적합하지 않다는 문제점이 있다.
또한 종래의 전해조는 보통 일정량의 폐액을 공급 후 반응시키는 것으로, 공급된 전해액 즉, 폐액의 전기분해가 종료되면 새로 폐액을 공급해야 하므로 연속적인 유가금속의 석출이 어렵다는 공정상의 문제점도 있다.
또한 유가금속이 석출된 음극의 교체를 위해서는 반응조를 분해하는 등의 구조적인 문제점도 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 유가금속을 함유하고 있는 폐액중에서 유가금속을 회수시 단위 전류당 유가금속의 석출효율을 높이기 위해 음극 대비 양극의 면적을 크게 한 원통형 전극셀 반응기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유가금속을 함유하고 있는 폐액중에서 유가금속을 회수시 회수효율을 높이기 위해 음극 대비 양극의 면적을 크게 함과 동시에 연속적으로 폐액을 공급 받아 유가금속을 회수하는 원통형 전극셀 반응기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 폐액으로부터 유가금속을 석출시 음극만을 교체하는 구조로 된 원통형 전극셀 반응기를 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 내경에 불용성양극층이 코팅되어 전원이 연결된 원통형 양극과;
원통형 양극의 상부와 하부에 각각 설치된 상부 및 하부 절연체와;
상부 및 하부 절연체 간을 관통하여 형성되어 전원이 연결된 원기둥형 음극과;
상기 음극의 하부를 밀봉 지지하도록 설치된 하부지지체와;
상기 원통형 양극의 둘레 일측면을 관통하여 폐액을 공급하도록 형성된 유입관과;
상기 원통형 양극의 둘레 타측면을 관통하여 유가금속이 회수된 폐액을 배출하도록 구성된 배출관으로 구성되어 유가금속을 함유하고 있는 폐액중 유가금속을 전기분해하도록 구성된 원통형 전기분해 셀 반응기를 제공함으로써 달성된다.
상기 원통형 양극, 상부 및 하부 절연체, 원기둥형 음극, 하부지지체, 유입관 및 배출관을 단위 원통형 전기분해 셀 반응기로 하여, 이웃하는 단위 원통형 전기분해 셀 반응기 간을 유입관 및 배출관을 연장 또는 연결 배관을 사용하여 연결하고, 그 연장된 유입관 및 배출관 또는 연결 배관 사이에 폐액의 유로를 개폐하는 밸브를 설치하여 단위 원통형 전기분해 셀 반응기를 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 다수개 연결하여 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 상부 및 하부 절연체의 중앙부에는 원기둥형 음극이 관통되는 홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 불용성양극층은 IrO2 코팅층으로 이루어지고, 원통형 양극 재질은 티타늄(Titanium) 재질로 이루어지고, 원기둥형 음극 재질은 티타늄(Titanium) 또는 SUS 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 폐액은 연속적으로 공급되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 원통형 양극의 내경 면적과 원기둥형 음극의 외경면적은 양극의 면적이 음극보다 9배에서 11배 크도록 형성한 것을 특징으로 한다.
상기 원통형 양극의 일측에 형성된 유입관은 하부에 형성되고 타측에 형성된 배출관은 상부에 형성하여 폐액의 유로가 하부에서 상부로 흐르도록 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 하부지지체, 유입관 및 배출관은 절연체로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전기분해 방식에 의해 유가금속이 함유된 폐액중에서 유가금속을 석출시 원통형 전기분해 셀 반응기의 구조가 원기둥 음극과 이를 둘러싼 원통 구조의 양극으로 구성하고 그 사이 공간으로 폐액이 연속 공급되도록 함으로써 양극의 크기를 음극보다 크게 설계함에 있어 종래 평판형으로 양극을 크게할 때 보다 전체 반응장치의 크기가 커지지 않아도 다양한 설계가 가능하다는 장점이 있고,
또한 특정 반응공간을 가지는 반응기와 달리 원통형 유로 구조를 통해 연속적으로 폐액을 공급하면서 연속 석출이 가능하다는 장점과,
폐액으로부터 석출된 폐액이 원기둥 형상의 음극에 표면에 석출되어 있을 경우 간단하게 유가금속이 표면에 석출된 음극만을 교체함으로써 지속적인 전기분해 반응에 의한 유가금속 석출이 가능하다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 원통형 전기분해 셀 반응기의 개략적인 구조를 보인 절개 상태의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 유체의 흐름을 본 평단면도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 구성은 내경에 불용성양극층(11)이 코팅된 원통형 양극(1)과; 원통형 양극(1)의 상부와 하부에 각각 설치되고 중앙부에 음극이 관통되는 홀(21, 31)을 구비한 상부 및 하부 절연체(2, 3)와; 상부 및 하부 절연체(2, 3)의 중앙부에 형성된 홀(21, 31)간을 관통하여 설치된 원기둥형 음극(4)과; 상기 음극의 하부를 밀봉 지지하도록 설치된 하부지지체(5)와; 상기 원통형 양극(1)의 둘 레 일측면을 관통하여 폐액을 공급하도록 형성된 유입관(6)과; 상기 원통형 양극(1)의 둘레 타측면을 관통하여 유가금속이 회수된 폐액을 배출하도록 구성된 배출관(7)으로 구성된다.
또한 본 발명은 상기 원통형 양극(1), 상부 및 하부 절연체(2, 3), 원기둥형 음극(4), 하부지지체(5); 유입관(6) 및 배출관(7)을 단위 원통형 전기분해 셀 반응기로 하여, 이웃하는 단위 원통형 전기분해 셀 반응기 간을 유입관(6) 및 배출관(7)을 연장 또는 연결 배관을 사용하여 연결하고, 그 연장된 유입관(6) 및 배출관(7) 또는 연결 배관 사이에 폐액의 유로를 개폐하는 밸브(8)를 설치하여 단위 원통형 전기분해 셀 반응기를 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 다수개 연결하여 구성할 수 있다.
상기 불용성양극층(11)은 IrO2 코팅층으로 이루어진 불용성 전극층으로 구성된 것이다. 이와 같이 양극층의 내경에 IrO2 를 코팅하는 이유는 전기분해 반응시 이와 같은 물질로 코팅을 해야만 전극물질이 전해액 내로 녹지 않기 때문이다. 즉, 다른 합금 양극보다 산소 과전압이 낮으며, 도금욕에서의 촉매의 용출이 없고 고 전류 밀도에서의 전해가 가능하기 때문이다.
상기 원통형 양극(1) 재질은 티타늄(Titanium) 재질을 사용한다. 이와 같이 티타늄 재질을 사용하는 이유는 부식성이 강한 물질이기 때문이다.
상기 원기둥형 음극(4) 재질은 티타늄(Titanium) 또는 SUS 재질을 사용한다. 이와 같이 티타늄 재질 또는 SUS(Stainless Steel) 재질을 사용하는 이유는 음극은 전자를 받는 곳이기(도금이 되는곳) 때문에 일반적인 금속 물질이면 된다.
상기 원통형 양극(1) 및 원기둥형 음극(4)은 전원공급장치에 각각의 극에 전원이 인가되어 통전되면 양극에서 폐액을 통해 음극으로 전류가 흐르고 이로 인해 전해액인 폐액중에 함유되어 있는 유가금속 이온이 양극 및 음극 반응에 의해 음극에 석출되게 된다. 기본 반응식은 다음과 같다.
(반응식)
CuO + 2H+ → Cu2+ + 2H20
CuSO4 + 2H+ → Cu2+ + H2SO4
본 발명에 의해 석출되는 유가금속으로는 니켈, 금, 은, 구리 등등으로 음극쪽에서 전자를 얻거나, 자기장에 의해 음극(-)으로 이동하여 환원 석출된다.
상기 하부지지체(5)는 절연체로 이루어지고, 용접 또는 수밀구조를 갖는 볼 트 너트 결합 등을 포함하는 체결구에 의한 체결로 설치된다. 이와 같은 하부지지체에 음극이 지지됨으로써 상부쪽으로 간단히 음극을 빼내어 음극상에 석출된 유가금속을 제거한후 다시 간단하게 삽입하면 지속적인 전기분해 반응을 하여 유가금속을 석출하게 된다.
상기 유입관(6) 및 배출관(7)는 절연체로 구성하여 폐액의 유로가 통전되는 것을 방지한다.
상기 유입관으로 유입되는 폐액은 전기분해 반응시 반응효율을 높이기 위해 1차로 전처리하여 회수하고자 하는 유가금속의 회수효율을 저해하는 불순물을 제거한 상태에서 유입되는 폐액이다. 이러한 폐액에는 유가 금속의 성분이 주성분이고, 이것을 녹이는 주성분은 황산이나, 염산같은 농도가 높은 산(acid)을 쓰고 있다. 따라서 전해질(electrolyte) 농도는 충분하기 전기 반응을 일으키는데 충분하다.
또한 상기 원통형 양극의 내경 면적과 원기둥형 음극의 외경면적은 적어도 양극의 면적이 음극보다 9배에서 11배정도 크도록 한다. 이를 위해 본 발명은 반응 면적을 크게 하여 활성표면적을 증대시킨 전극 구조를 가지도록 양극과 음극의 비율을 조절한 것으로, 양극의 반응면적이 클때 음극에 석출되는 유가금속이 효율적으로 증가하게 된다. 특히 원통형과 원기둥형으로 양극과 음극을 설계시 이러한 면적 비율을 고려하면서도 반응기 설계가 용이하게 되고, 연속식으로 반응기 구성이 용이하게 된다. 이를 위해 원통형 전극의 면적 비율을 1 : 9 ~ 11로 하였으며, 이 에 따라 단위면적당 전류가 음극보다 작아지게 되면서, 반응 면적이 커지는 효과 때문에 도금 효율이 좋아져서 석출되는 양이 많아진다. 즉, 이와 같은 비율을 가질때 유입되는 폐액 일정량 기준 단위 전류당 유가금속의 석출효율이 가장 높았다.
또한 상기에서 유입되는 폐액의 유속은 10~20ml/min 정도 되도록 한다. 이와 같이 유속을 한정한 이유는 이와 같은 유속일때 전극의 크기 즉, 대비 전류 밀도 20~40 mA/cm2일 때 전류 효율이 가장 좋게 나왔으며, 연속식으로 흐르게 될 경우 10~20ml/min일 경우가 도금 효율이 좋게 나왔다. 즉, 이와 같은 유속보다 작으면 유가금속 석출이후에도 전기분해가 일어나게 되고, 너무 빠르면 유가금속이 석출되기 전에 배출되기 때문이다.
상기에서 원통형 양극의 일측에 형성된 유입관은 하부에 형성되고 배출관은 상부에 형성한 이유는 하부로 유입된 폐액이 그 수위가 높아지면서 원기둥형 음극과 골고루 반응한 후 배출되도록 하기 위함이다, 이와 같은 구성을 가지면 유입되는 폐액 일정량 기준으로 단위 전류당 유가금속의 석출효율이 가장 높았지기 때문이다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 전기분해 셀 반응기가 다수개 설치된 모습을 보인 예시도이다. 도시된 바와 같이 직병렬로 구성된 한 실시예에 따라 도시한 것 인데, 본 발명은 2개 이상의 전기분해 셀 반응기를 단위 전기분해 셀 반응기로 하여 다수개의 단위 전기분해 셀 반응기를 직렬 병렬 또는 직병렬로 설치하여 시스템을 구성할 수 있다.
이와 같이 다수개의 전기분해 셀 반응기를 직병렬로 설치하고 유로상에 다수개의 밸브(8)를 유입관 전단 또는 배출관 후단의 연결배관 또는 연장된 유입관 및 배출관에 설치함으로써 폐액을 동시에 여러개의 단위 전기분해 셀 반응기에서 전기분해 반응시킬수 있을 뿐만 아니라 이전 단위 전기분해 셀 반응기에서 미처 석출하지 못한 유가금속을 추가적으로 석출할 수 있다.
또한 전술한 바와 같이 음극을 교체시 교체대상 반응기의 유로상에 있는 밸브를 개폐한 상태에서 음극을 교체후 밸브를 열어줌으로써 지속적으로 전기분해 반응에 의한 유가금속 석출이 가능하기 때문이다.
또한 도 3에서는 양극 또는 음극에 편의상 전원공급장치로부터 연결된 전원 인가선이 미도시 되었으나 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결된 전원연결선이 연결되어야 함은 당연한 구성이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그 와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 원통형 전기분해 셀 반응기의 개략적인 구조를 보인 절개 상태의 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 유체의 흐름을 본 평단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 원통형 전기분해 셀 반응기가 다수개 설치된 모습을 보인 예시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 원통형 양극 (2, 3) : 상부 및 하부 절연체
(4) : 원기둥형 음극 (5) : 하부지지체
(6) : 유입관 (7) : 배출관
(8) : 밸브 (9) : 연결배관
(11) : 불용성양극층 (21, 31) : 홀

Claims (8)

  1. 내경에 불용성양극층(11)이 코팅되어 전원이 연결된 원통형 양극(1)과;
    원통형 양극(1)의 상부와 하부에 각각 설치된 상부 및 하부 절연체(2, 3)와;
    상부 및 하부 절연체(2, 3) 간을 관통하여 형성되어 전원이 연결된 원기둥형 음극(4)과;
    상기 음극의 하부를 밀봉 지지하도록 설치된 하부지지체(5)와;
    상기 원통형 양극(1)의 둘레 일측면을 관통하여 폐액을 공급하도록 형성된 유입관(6)과;
    상기 원통형 양극(1)의 둘레 타측면을 관통하여 유가금속이 회수된 폐액을 배출하도록 구성된 배출관(7)으로 구성하되,
    상기 폐액은 연속적으로 공급되도록 구성하여 유가금속을 함유하고 있는 폐액 중 유가금속을 전기분해하도록 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 전기분해 셀 반응기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 원통형 양극(1), 상부 및 하부 절연체(2, 3), 원기둥형 음극(4), 하부지지체(5), 유입관(6) 및 배출관(7)을 단위 원통형 전기분해 셀 반응기로 하여, 이웃하는 단위 원통형 전기분해 셀 반응기 간을 유입관(6) 및 배출관(7)을 연장 또는 연결배관(9)을 사용하여 연결하고, 그 연장된 유입관(6) 및 배출관(7) 또는 연결 배관 사이에 폐액의 유로를 개폐하는 밸브(8)를 설치하여 단위 원통형 전기분해 셀 반응기를 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 다수개 연결하여 구성한 것을 특징으로 하는 원통형 전기분해 셀 반응기.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 상부 및 하부 절연체(2, 3)의 중앙부에는 원기둥형 음극이 관통되는 홀(21, 31)이 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 전기분해 셀 반응기.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 불용성양극층(11)은 IrO2 코팅층으로 이루어지고, 원통형 양극(1) 재질은 티타늄(Titanium) 재질로 이루어지고, 원기둥형 음극(4) 재질은 티타늄(Titanium) 또는 SUS 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전기분해 셀 반응기.
  5. 삭제
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 원통형 양극의 내경 면적과 원기둥형 음극의 외경면적은 양극의 면적이 음극보다 9배에서 11배 크도록 형성한 것을 특징으로 하는 원통형 전기분해 셀 반응기.
  7. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 원통형 양극의 일측에 형성된 유입관은 하부에 형성되고 타측에 형성된 배출관은 상부에 형성하여 폐액의 유로가 하부에서 상부로 흐르도록 구성한 것을 특징으로 하는 원통형 전기분해 셀 반응기.
  8. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 하부지지체, 유입관 및 배출관은 절연체로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전기분해 셀 반응기.
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