KR100991936B1 - 전기분해 살균수 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물을 전기 분해하여 살균수로 만들 때, 전기분해 전극 효율의 두 요인인 전극 성분과 연속 가동으로 누적되는 스케일을 해결하여 전기분해 전극의 효율을 개선함과 동시에 스케일로 인한 불필요한 전류 소모량을 억제할 수 있는 전기분해 살균수 제조장치에 관한 것이다.

Description

전기분해 살균수 제조장치 { An apparatus and method for making sterilizable water using electrolysis }
본 발명은 물을 전기 분해하여 살균수를 만드는 장치와 이 장치로 살균수를 만들 때 전기분해 전극의 효율을 높여 살균수 제조장치의 경제적 가치를 높이기 위해서 전기분해 전극 효율의 주요 요인인 전극 성분과 연속 가동으로 누적되는 스케일의 두 가지 요인을 해결한 전기분해 살균수 제조장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기 분해에 사용되는 전극의 연속적인 사용으로 인하여 발생하는 전극 마모를 견디는 성분으로 전극을 만들고, 나아가 전극 표면과 전극 주변에 생기는 스케일로 인해 전류의 흐름이 방해되어 전기 분해를 계속하면서 전극을 사용할수록 전기분해 효율이 전극 초기와 비교하여 떨어지는 현상을 개선함과 동시에 스케일로 인한 불필요한 전류 소모량을 억제할 수 있는 전기분해 살균수 제조장치에 관한 것이다.
물을 정화하고 살균하는데 전기 분해가 이용되면서 전극의 성분으로 티타늄과 백금 화합물을 사용한 전극이 많이 사용되고 있지만 상기 성분의 전극으로 효율을 일정 이상 올리는 것이 어려웠고 또한, 물을 전기 분해를 하기 위해 필요했던 물속의 전해질인 이온들 때문에 생기는 스케일을 해결하기 위한 방법으로 현재까지는 전기분해 전극에 인가되는 전류의 극성을 바꿔주거나, 또는 약품으로 전극을 세척하는 것 외에는 특별한 방법이 없었다.
또한 상기와 같이, 전극의 전류 극성을 바꾸는 방법에 있어서 극성 변경에 대한 내구성을 가진 전극 및 별도의 전류 공급장치가 필요했으며 이에 따른 비용상승이라는 문제도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 새로운 성분으로 전극을 만들어 전기분해 효율을 올리고, 기존 전기분해 장치의 전극 구조 및 배열 그리고 전극에 공급되는 전류를 (+),(-)로 순차적으로 바꾸어 주는 전극 절체형 전류 공급장치까지 그대로 사용하면서 전기분해 전극의 스케일을 감소시키는 전기분해 살균수 제조장치를 제공하는데 목적이 있다.
정리하면, 대부분의 전기분해 장치에 적용이 가능하고, 전기분해 효율은 높이고 스케일은 감소시키는 방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 전기분해 살균수 제조장치의 구성은, 물을 담는 용기 안에 설치되는 적어도 한 쌍의 전극, 상기 전극에 전류를 흐르게 하는 전류 제어 회로, 전자기장을 발생시켜 상기 전극의 스케일 발생을 억제하기 위해 한 쌍의 전극 주위에 소정 거리 이격되어 설치된 적어도 하나의 전도체, 상기 전도체에 전류를 흘려 줄 수 있는 직류 공급제어 PCB를 포함하고, 상기 전극 중 적어도 하나의 전극 성분은 지르코늄, 지르코늄화합물, 티타늄, 티타늄화합물로 구성되는 그룹에서 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 한 쌍의 전극 중 하나는 지르코늄 또는 지르코늄화합물을 사용하고, 다른 하나는 티타늄 또는 티타늄화합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 한 쌍의 전극은 그물형, 평판형, 다수의 홀이 형성된 평판형, 슬릿이 있는 판형, 원통형 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극 표면의 일부 또는 전체에 코팅층이 형성되고, 상기 코팅층의 성분은 백금화합물, 이리듐화합물, 주석화합물, 티타늄화합물, 팔라듐화합물, 탄탈륨화합물, 로듐화합물, 루테늄화합물로 구성되는 그룹으로부터 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 한 쌍의 전극에 전류를 (+),(-)로 일정 시간 간격으로 극성을 바꾸면서 흐르게 하는 전류 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 일정 시간 간격은 3초 내지 15초 사이인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 한 쌍의 전극에 전류를 임의의 시간 간격으로 (+),(-) 극성을 바꾸면서 흐르게 하는 전류 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 한 쌍의 전극에 극성 변환 없이 동일 극성으로 흐르게 하는 전류 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 하나의 전도체에 (-)전류를 흐르게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 하나의 전도체에 (+)전류를 흐르게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 하나의 전도체에 (+),(-) 전류를 흐르게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 하나의 전도체의 성분으로 티타늄, 지르코늄, 티타늄나이트라이드(질화티타늄), 스테인리스 강, 세라믹, 탄탈륨, 니켈, 주석, 팔라듐, 로듐 또는 그 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 하나의 전도체의 표면의 일부 또는 전체에 코팅층이 형성되고, 상기 코팅층의 성분은 백금화합물, 이리듐화합물, 주석화합물, 티타늄화합물, 팔라듐화합물, 탄탈륨화합물, 로듐화합물, 루테늄화합물 또는 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적어도 하나의 전도체는 막대형, 볼트형, 핀형, 브러쉬형, 판형 또는 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 한다.
삭제
한 쌍 이상의 전극들로 구성된 전기분해 모듈이 설치된 용기, 즉, 반응조 안에서 발생하는 이온들의 결합을 방해하는 전도체를 설치하여 전기분해 전극과 전극 주변에서 이온들의 결합으로 생길 수 있는 스케일의 생성을 억제하면서 전류의 흐름을 원활하게 유지하여 전극의 수명도 연장할 수 있다.
간략히 설명하면, 상기 전도체에 (-)전류를 흘려 줄 수 있는데, 전기 분해시 사용하는 직류 전류를 공급하는 전원 제어 공급 PCB에서 (-)전류를 상기 전도체에 연결하여 사용하면 된다. 물론 (+)전류도 가능하며 (+),(-) 전류의 조합도 가능하다.
이를 좀더 자세히 설명하면, 전기분해 전극에 전류가 흐르면서 전기 분해가 일어나는데 이때 전류는 시간의 함수이다. 즉, 전류의 흐름이 시간에 따라 변화를 하게 되면 상기 전도체 주변에는 전기장이 생기고 이 전기장은 다시 자기장을 유도하는 전자기장의 원리에 의해 전기 분해가 일어나는 용기 내에서 자기장이 생겨서 이온들의 결합 극성에 영향을 주어 이온 결합을 막아 스케일의 생성을 감소시킬 수 있다.
그리고 상기와 같이 전도체로 자기장을 유도할 수도 있으며, 상기와 같은 전도체가 아닌 형태로도 가능하다. 다시 말하면, 전기분해 반응조 바닥면 아래쪽에 전기장을 만들어 낼 수 있는 회로를 구성하여 이를 통해 전기장에서 자기장을 유도하여 전기 분해시 발생하는 이온들의 극성을 인위적으로 배열하고 정렬시켜서 이온 결합력을 현저히 떨어뜨림으로써 스케일을 감소시키는 것이 가능하다.
또한, 상기 전도체에 인가된 전류 때문에 이온들이 상기 전도체 주변에 모이는 현상을 이용하여 전기분해 전극과 전극 주변의 스케일이 감소 될 수 있다.
정리하면, 물을 전기 분해할 때 생기는 이온들의 극성에 영향을 주어 이온들의 결합을 방해하여 스케일의 주요 원인인 이온 결합을 감소시키는 전기분해 살균수 제조장치를 제공한다.
본 발명에 의한 전기분해 살균수 제조장치에서는, 물을 전기 분해하여 살균수를 만들 때, 기존 성분의 전극보다 효율이 나은 전극을 만들고, 전기분해 장치의 전극과 전극 주변에서 생기는 스케일의 주요 원인인 이온 결합을 방해하여 스케일을 감소시켜 전기 분해시 전류가 잘 흘러서 전기 분해가 잘 일어나도록 해준다.
결국, 전극의 우수한 전기분해 효율과 전기분해 전극과 전극 주변에서 스케일의 생성을 방해하여 전기분해 전극의 수명을 늘리는 당연한 결과로 연결되어 원가 절감 및 기타 부수적인 경제적인 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 의한 실시 예 중의 하나로 일반적인 전기분해 반응조에 전도체로서 하나의 핀 전극을 설치한 용기의 분해도이다.
도 2는 본 발명에 의한 실시 예 중의 하나로 일반적인 전기분해 반응조에 설치하는 전도체로서 삼각형 전도체의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 실시 예 중의 하나로 일반적인 전기분해 반응조에 설치하는 전도체로서 브러쉬형 전도체의 예시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 실시 예 중의 하나로 일반적인 전기분해 반응조에 설치하는 전도체로서 좁은 판형 전도체의 예시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 실시 예 중의 하나로 일반적인 전기분해 반응조에 설치하는 전도체로서 넓은 판형 전도체의 예시도이다.
물을 전기 분해하여 살균수가 만들어지는 과정을 살펴보면 아래와 같다.
일반적으로 물을 전기분해 하면, 양극에서의 산화반응과 음극의 환원반응에 의해 다음과 같이 오존, 과산화수소가 생성된다.
[양극, Anode]
H2O ⇒ H+ + (OH)ads + e-
(OH)ads ⇒ (O)ads or O2 + H+ + e-
(O)ads + O2 ⇒ O3
[음극, Cathode]
O2 + 2H+ + 2e- ⇒ H2O2
OH라디칼은 H2O2가 약산으로 물과 반응할 때 부분적으로 HO2 - (hydroperoxide ion)으로 해리되면서 다음과 같이 생성된다.
H2O2 + H2O ⇔ HO2 - + H3O-
O3 + HO2 - ⇒ ⊙OH + O2 - + O2
O3 + O2 - ⇒ O3 - + O2
O3 - + H+ ⇔ ⊙HO3
⊙HO3 ⇒ ⊙OH + O2
물에서 O3 의 산화반응은 크게 O3 분자에 의한 직접적인 반응과 O3 의 분해에 의해 생성된 OH라디칼의 간접적인 반응으로 나누어진다.
정리하면, 물이 전기 분해되어 형성된 O와 O2 분자가 결합하여 오존이 형성된다. 다음으로, 산소의 전기 분해에 의해서, 또는 오존의 분해에 의해 생성된 중간 산물인 OH 라디칼의 결합에 의해서 과산화수소가 생성된다.
그리고 수중에 존재하는 Cl- 이온이 Cl2로 결합한 이후에 H2O와 반응하여 HOCl이 생성된다.
상기 OH 라디칼은 순간적으로 생성되었다가 사라지기 때문에 직접적으로 측정은 불가능하지만, 오존이 수중에 존재하는 경우, OH- 또는 과산화수소의 짝염기인 HO2 -와 반응하여 라디칼 체인 사이클을 형성하며 최종적으로는 OH 라디칼을 생성한다.
살균수와 접촉하는 미생물은 생성된 혼합 산화제에 의하여 불활성화되거나 제거된다. 즉, 박테리아는 전기적 흡착(electrosorption)에 의해 제거되고, 기타 미생물은 e-과의 반응에 의한 직접적인 전기 분해반응으로 제거된다. 이를 더욱 자세하게 살펴보면, 아래의 반응식과 같다.
(반응식 1)
박테리아(Microorganism) ⇒ 전기적 흡착(Electrosorption) ⇒ 불활성
M + O3 ⇒ 불활성(Inactivaton)
M + OH- ⇒ 불활성(Inactivaton)
M + HOCl ⇒ 불활성(Inactivaton)
(반응식 2)
미생물(Microorganics) e- ⇒ M-
M + O3 ⇒ Product
M + OH- ⇒ Product
M + HOCl ⇒ Product
즉, 물을 전기 분해하는 동안 생긴 혼합 산화제(O3, H2O2, HOCl, OH 라디칼)에 의하여 산화 및 살균 작용이 원활하게 이루어진다. 상기 전기 분해가 이루어진 후에는 잔류성이 높은 HOCl과 음이온에 의하여 높은 살균력이 유지되는 살균수가 만들어진다.
상기에서 언급한 혼합 산화제(MO, Mixed Oxidants)를 측정하여 전기분해 전극의 효율을 살펴보면 아래와 같다.
구분 티타늄 티타늄/지르코늄 지르코늄
MO(ppm) 0.48 0.67 0.80
효율 100% 139% 166%
상기 표의 내용은 상온에서 수돗물 300cc를 도 1의 용기에 담아서 18V 직류 전압을 가해서 30초간 작동한 후 MO의 농도를 10회 측정한 평균값이다.
상기 표에서 나타난 결과는 전기분해 전극의 성분으로 지르코늄이 우수하다는 것을 알 수 있다.
구분(간격) 3초 5초 15초 30초 45초 60초
MO(ppm) 2.58 2.58 1.98 1.84 1.64 1.63
효율 158% 158% 121% 112% 100% 100%
상기 표의 내용은 상온에서 수돗물 300cc를 도 1의 용기에 담은 후, 18V 직류 전압을 가하면서 전류의 절체 시간 간격을 3초, 5초, 15초, 30초, 45초, 60초로 해서 2분간 작동한 후, MO의 농도를 10회 측정한 평균값이다.
상기 표에서 나타난 결과는 전류의 절체 시간이 짧을수록 효율이 우수하다는 것이다.
이하에서는 이와 같은 전기분해 효율이 우수한 전극 성분을 이용하면서 전기분해 전극과 전극 주변에 생기는 스케일을 감소시키는 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 전기분해 살균수 제조장치 및 방법의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 전기분해 살균수 제조장치 중 하나를 예로 구현한 전기분해 장치의 분해도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시 예에 의하면 물을 전기 분해하는 용기 안의 한 쌍의 전극(21,23)은 지르코늄 또는 지르코늄 화합물의 얇은 평판에 수직으로 다이아몬드 형태의 구멍을 낸 후 늘린(expaned) 그물형에 백금족 화합물을 코팅했고, 전도체로 핀 형태의 전극(이하 핀전극,(26))을 설치하고, 상기 한 쌍의 전극(21.23)에 직류 전류를 인가하면 물속 이온들에 의해 물이 전기 분해가 된다. 그리고 상기 핀 전극(26)엔 직류 공급제어 PCB에서 (-)전류를 연결하여 전기 분해가 진행되는 동안 계속 같은 극성의 전류를 연결해 준다. 물론 상기 핀 전극(26)에 인가되는 전류는 (+)전류도 가능하며 (-),(+) 전류의 조합도 가능하다.
앞서 서술한 것처럼, 물의 전기 분해가 이루어지는 동안 핀 전극(26)에 변화하는 전류가 흐르게 되면서 전기장에 의한 자기장이 전자기장의 이론에 의해 생성된다. 이 자기장은 물속 이온들이 가지고 있는 극성에 영향을 주어 이온들의 결합인 스케일의 생성을 방해한다. 또한, 상기 핀 전극에 인가한 전류 때문에 이온들이 상기 핀 전극 주변에 모이게 되어 스케일 생성을 감소시킨다.
또 다른 실시 예로는 상기와 같은 핀 전극(26)을 하나 이상으로 두어 같은 작용을 증대하여 시행하는 방법이 가능하며, 전도체의 모양은 상기처럼 핀 전극(26)의 형태뿐만 아니라, 도2, 도3, 도4, 도 5에서 예시 한 삼각형, 브러쉬형, 좁은 판형, 넓은 판형 등 다양한 형태가 가능하며, 전기 분해시 상기 전기분해 반응조 안의 이온들에게 자기장으로 영향을 줄 수 있는 전자기장 생성 장치 또는 회로도 가능할 것이다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
11: 전기분해 반응조 전면 12: 전기분해 반응조 후면
13: 전기분해 반응조 좌측면 14: 전기분해 반응조 우측면
15: 전기분해 반응조 바닥면 21: 하부 전극
22: 전극 지지부재 23: 상부 전극
24: 전극용 볼트 25: 전극용 너트
26: 핀 전극 30: 직류 공급제어 PCB

Claims (19)

  1. 전기분해 살균수 제조장치에 있어서,
    물을 담는 용기 안에 설치되는 적어도 한 쌍의 전극;
    상기 전극에 전류를 흐르게 하는 전류 제어 회로;
    전자기장을 발생시켜 상기 전극의 스케일 발생을 억제하기 위해 한 쌍의 전극 주위에 소정 거리 이격되어 설치된 적어도 하나의 전도체; 및
    상기 전도체에 전류를 흘려 줄 수 있는 직류 공급제어 PCB;를 포함하고,
    상기 적어도 한 쌍의 전극 성분은 지르코늄, 지르코늄화합물, 티타늄, 티타늄화합물로 구성되는 그룹에서 적어도 하나 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 전극 중 하나의 전극은 지르코늄 또는 지르코늄화합물을 사용하고, 다른 하나의 전극은 티타늄 또는 티타늄화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 전극은 그물형, 평판형, 다수의 홀이 형성된 평판형, 슬릿이 있는 판형, 원통형 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 표면의 일부 또는 전체에 코팅층이 형성되고,
    상기 코팅층의 성분은 백금화합물, 이리듐화합물, 주석화합물, 티타늄화합물, 팔라듐화합물, 탄탈륨화합물, 로듐화합물, 루테늄화합물로 구성되는 그룹으로부터 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 전극에 전류를 (+),(-)로 일정 시간 간격으로 극성을 바꾸면서 흐르게 하는 전류 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 일정 시간 간격은 3초 내지 15초 사이인 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도체에 (+) 또는 (-) 전류를 선택적으로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도체의 성분으로 티타늄, 지르코늄, 티타늄나이트라이드(질화티타늄), 스테인리스 강, 세라믹, 탄탈륨, 니켈, 주석, 팔라듐, 로듐 또는 그 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도체의 표면의 일부 또는 전체에 코팅층이 형성되고, 상기 코팅층의 성분은 백금화합물, 이리듐화합물, 주석화합물, 티타늄화합물, 팔라듐화합물, 탄탈륨화합물, 로듐화합물, 루테늄화합물 또는 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도체는 막대형, 볼트형, 핀형, 브러쉬형, 판형 또는 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 전기분해 살균수 제조장치
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