KR101055990B1 - 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치 및 그 제거방법 - Google Patents

Abstract

개시된 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치는 칼슘 이온 및 중탄산 이온이 함유된 용수가 수용되며, 음극으로 기능하는 반응기와, 상기 반응기의 내면에 대응하도록 상기 반응기 내에 수용된 양극과, 상기 반응기 및 상기 양극에 각각 연결되어 전류를 인가하는 직류 전원 및 상기 반응기의 하면에 연통 가능하게 결합되며, 상기 전류 인가에 의하여 상기 용수로부터 석출된 스케일이 배출되는 스케일 배출관을 포함할 수 있다. 이에 의하면, 양극 및 음극에 전류를 인가함에 의하여 상기 음극에서 용수 내에 함유된 경도 성분을 석출한 후 배출할 수 있으므로, 종래와 같은 용수의 빈번한 교체나 화학 약품의 사용을 제거할 수 있어 경제적이며 친환경적인 장점을 제공할 수 있다.

Description

전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치 및 그 제거방법{APPARATUS FOR REMOVING SCALE BY ELECTROCHEMICAL REACTION AND METHOD THEREOF}

본 발명은 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치 및 그 제거방법에 관한 것으로서, 특히 자연수 중에 함유된 칼슘 이온 등의 경도 성분에 의하여 생성되는 스케일을 전기화학적 반응에 의해 제거하기 위한 장치 및 그 제거방법에 관한 것이다.

자연에 존재하는 용수는 칼슘 이온이나 마그네슘 이온 등과 같은 경도 성분을 함유하고 있기 때문에 이를 직접 발전 용수로 사용할 경우, 보일러나 냉각 설비 등에서 스케일을 형성하여 효율 저하와 펌프 동력비 증가 등의 문제를 야기시킨다.

특히, 개방 순환 냉각수 계통에서는 용수의 일부가 연속적으로 증발되기 때문에 보급수와 함께 들어온 경도 성분이 농축되어 스케일 발생이 빈번히 문제되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 일반적으로 상기 스케일의 발생 을 방지하기 위하여, 수중에 분산제나 스케일 억제제와 같은 수용성 화학약품을 주입하거나, 일정 수준 이상으로 수중 불순물 등이 농축되면 새로운 용수로 교체하여 경도 성분에 의한 열 전달면에서의 스케일 발생을 방지하고 있다.

그러나, 상기와 같은 방법 중 상기 용수를 새로이 교체하는 것은 용수의 소비량이 증가하게 되어 비경제적인 문제점이 있고, 수용성 화학약품의 사용은 환경 오염을 야기시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 경제적이고 환경 오염을 방지할 수 있는 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치 및 그 제거방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치는 칼슘 이온 및 중탄산 이온이 함유된 용수가 수용되며, 음극으로 기능하는 반응기와, 상기 반응기의 내면에 대응하도록 상기 반응기 내에 수용된 양극과, 상기 반응기 및 상기 양극에 각각 연결되어 전류를 인가하는 직류 전원 및 상기 반응기의 하면에 연통 가능하게 결합되며, 상기 전류 인가에 의하여 상기 용수로부터 석출된 스케일이 배출되는 스케일 배출관을 포함할 수 있다.

상기 반응기 내에는 초음파 발진기의 전원 공급에 의하여 진동을 발생시키는 초음파 진동자가 더 설치될 수 있다.

상기 양극은 내식성 재질일 수 있다.

상기 양극에는 반응 촉진을 위하여 티타늄에 이리듐과, 백금 및 팔라듐 중 적어도 하나가 코팅될 수 있다.

상기 스케일 배출관을 통해 배출되는 스케일은 탄산 칼슘일 수 있다.

상기 반응기에는 상기 용수의 알카리도를 보충하기 위하여 중탄산 이온 또는 탄산 이온 중 어느 한 이온을 주입하기 위한 이온 주입관이 더 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 전기화학적 스케일 제거방법은 칼슘 이온 및 중탄산 이온이 함유된 용수를 음극 및 양극이 형성된 전기화학 반응기에 공급하는 단계와, 상기 전기화학 반응기에 직류 전원을 인가하는 단계와, 상기 중탄산 이온이 상기 음극에서 생성된 수산화기와 반응하여 탄산 이온으로 변환되는 음극 반응 단계와, 상기 탄산 이온이 상기 칼숨 이온과 반응하여 탄산 칼슘으로 석출되는 단계 및 상기 석출된 탄산 칼슘을 배출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 탄산 칼슘 석출 단계 및 상기 배출 단계 사이에는 상기 음극에 부착된 상기 탄산 칼슘을 탈착을 촉진시키기 위해 초음파 진동을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 수산화기는 상기 용수 내에 존재하는 용존 산소의 환원 반응에 의해 생성될 수 있다.

상기 상기 수산화기는 상기 용수의 전기분해 반응에 의하여 생성될 수 있다.

본 발명에 따른 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치 및 그 제거방법에 의하면, 양극 및 음극에 전류를 인가함에 의하여 상기 음극에서 용수 내에 함유된 경도 성분을 석출한 후 배출할 수 있으므로, 종래와 같은 용수의 빈번한 교체나 화학 약품의 사용을 제거할 수 있어 경제적이며 친환경적인 장점을 제공할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치 및 그 제거방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 스케일 제거장치(100)는 반응기(110)와, 양극(120)과, 직류 전원(130) 및 스케일 배출관(150)을 포함할 수 있다.

상기 반응기(110)는 칼슘 이온이나 중탄산 이온이 함유된 용수가 수용되는 곳으로서, 스테인레스 강이나 탄소강의 재질로 이루어질 수 있다.

상기 반응기(110)는 그 자체가 음극으로서 기능할 수 있다.

상기 양극(120)은 상기 반응기(110) 내에 설치되되, 상기 반응기(110)의 내면에 대응되도록 배치될 수 있다.

상기 양극(120)은 티타늄이나 스테인레스강 등의 내식성 재질로 이루어질 수 있으며, 반응 촉진을 위해 이리듐, 백금, 팔라듐 중 적어도 하나 이상이 코팅될 수 있다.

상기 직류 전원(130)은 상기 음극인 반응기(110) 및 상기 양극(120)에 연결되어 0~30V 이내의 전류를 인가할 수 있다.

상기 스케일 배출관(150)은 상기 반응기(110)의 하면에 연통 가능하게 결합되어 상기 반응기(110) 내의 이물질 등을 외부로 배출시킬 수 있다.

상기 반응기(110) 내에는 외부의 초음파 발진기(140)에 연결되어 상기 초음파 발진기(140)의 전원 공급에 의하여 진동을 발생시키는 초음파 진동자(141)가 설치될 수 있다.

상기 초음파 진동자(141)는 상기 반응기(110)의 내면에 대응하여 배치될 수 있다.

상기 반응기(110)에는 내부로 용수를 공급하기 위한 공급관(170)이 연통 가능하게 결합되며, 상기 공급관(170)을 통해 상기 반응기(110) 내의 용수에 알카리도를 보충하기 위한 탄산 이온 또는 중탄산 이온이 주입될 수 있다.

상기 반응기(110)에는 상기 용수가 처리된 후 처리수가 배출되는 처리수 배출관(160)이 설치될 수 있다.

상기와 같은 구조의 스케일 제거장치(100)는 상기 반응기(110)에 용수가 유입되면, 음극으로 기능하는 상기 반응기(110) 및 양극(120)에 전류를 인가한다.

상기 음극(110) 및 상기 양극(120) 사이에 전류가 인가되면, 양극(120)에서는 수소 양이온이 발생하게 되고, 음극(110)에서는 용수 내의 용존 산소 및 물의 환원 반응으로 수산화기가 발생된다. 용존 산소의 환원 반응은 다음 식과 같이 수산화기(OH^-)를 발생시킨다.

O₂ + 2H₂O +4e^- → 4OH^-

여기서, 수중 용존 산소의 확산이 상기 반응의 율속단계(rate controlling step)가 된다.

상기 음극(110)과 상기 양극(120) 사이의 전위차를 더 크게 하게 되면, 물의 전기분해 반응이 진행되어 다음의 식과 같이 수산화기가 발생된다.

2H₂O + e^- → 1/2H₂ + OH^-

상기 음극에서 발생된 수산화기는 용수 중에 함유된 중탄산 이온과 반응하여 다음 식과 같이 탄산 이온이 생성된다.

HCO₃ ^- + OH^- → CO₃ ^2- + H₂O

이렇게 생성된 탄산 이온은 상기 용수 중에 함유된 칼슘 이온과 반응하여 다음 식과 같이 탄산 칼슘이 생성된다.

Ca²⁺ + CO₃ ^2- → CaCO₃ (solid)

상기 탄산 칼슘은 스케일로써 상기 음극(110)에 부착된 상태로 석출되는데, 상기 초음파 진동자(141)에 의한 진동이나 음극(110)에서 발생된 수소 기체의 압력에 의하여 상기 음극(110) 표면으로부터 상기 탄산 칼슘을 분리시켜 스케일 배출관(150)을 통해 외부로 배출시키게 된다.

여기서, 상기 탄산 칼슘의 석출은 상기 탄산 칼슘의 과포화도가 1을 초과한 경우에 결정핵의 형성 및 성장이 진행되어 이루어진다.

도 2는 도 1의 스케일 제거장치에서 전기화학적 반응이 일어남에 따라 포화도의 변화량을 나타낸 그래프이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 스케일 제거장치(100)에서 상기의 반응이 일어남에 따라 수산화기의 생성량 증가 및 온도의 증가가 수반되는데, 상기 수산화기의 생성량이 증가에 의해 전체 용수 내의 pH가 증가하고, 용수의 온도가 증가함에 따라 탄산 칼슘의 포화도가 증가하여 상기 탄산 칼슘의 석출량이 증가하게 된다.

도 3 및 도 4는 도 1의 스케일 제거장치에 의하여 용수 중 스케일 제거 성능을 시험한 그래프로서, 도 3은 시간 경과에 따른 음극 전위의 변화량을 나타낸 도면이고, 도 4는 시간 경과에 따른 칼슘 이온의 변화량을 나타낸 도면이다.

여기서, 상기 시험에 사용한 용수는 pH 9.1, 전기전도도 2,200μS/cm, 수온 30℃, 나트륨 이온 668.72 ppm as CaCO₃, 칼슘 이온 472,80 ppm as CaCO₃, 중탄산 이온 402.40 ppm as CaCO₃, 염소 이온 446.31 ppm as CaCO₃, 황산 이온 439.96 ppm as CaCO₃ 이고, 반응기에 통과하는 용수 유량은 50L/min이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 양극(120) 및 상기 음극(110)으로 전류가 인가되면, 상술한 바와 같이 음극(110)에는 탄산 칼슘이 석출되어 부착되게 된다.

그러면, 상기 탄산 칼슘은 저항체로서 작용하여 시간이 경과할수록 음극 전위값을 낮추다 어느 시점부터는 대략 일정하게 유지된다.

이때, 용수 중에 있던 칼슘 이온은 상기 탄산 이온과 반응하여 상기 탄산 칼슘을 생성하는데 사용되므로 시간이 경과할수록 그 양이 적어지게 된다.

따라서, 본 발명의 스케일 제거장치(100)에 의하면, 용수 중에 함유된 경도 성분을 직류 전원(130)에 의해 전류의 인가에 의하여 고체 상태로 석출하여 제거할 수 있으므로, 종래와 같은 용수의 빈번한 교체나 화학 약품의 사용에 의한 환경 오염을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 스케일 제거방법은 용수 공급 단계(S1)와, 직류 전원 인가 단계(S2)와, 음극 반응 단계(S3)와 탄산 칼슘 석출 단계(S4) 및 탄산 칼슘 배출 단계(S6)를 포함할 수 있다.

상기 탄산 칼슘 석출 단계(S4) 및 배출 단계(S6) 사이에는 초음파 진동 인가 단계(S5)가 더 개재될 수 있다.

상기 용수 공급 단계(S1)는 칼슘 이온 및 중탄산 이온이 함유된 용수를 전기화학적 반응기에 공급하는 단계이다.

상기 전기화학적 반응기에는 음극 및 양극이 구비되는데, 상기 음극은 상기 반응기 자체일 수 있으며, 상기 양극은 상기 반응기 내면에 소정 간격 이격되어 대응되도록 상기 반응기 내에 배치될 수 있다.

상기 직류 전원 인가 단계(S2)는 상기 음극 및 양극이 구비된 전기화학적 반응기에 전류를 인가하는 단계이다.

상기 음극 반응 단계(S3)는 수산화기 및 탄산 이온이 생성되는 단계이다.

즉, 상기 직류 전원의 인가에 의하여 양극에서는 수소 양이온이 발생되고, 음극에서는 상기 용수 내의 용존 산소 및 물의 환원반응으로 수산화기가 발생된다.

상기 수산화기는 용수 중에 함유된 중탄산 이온과 반응하여 탄산 이온을 발생시킨다.

상기 탄산 칼슘 석출 단계(S4)는 상기 음극 반응 단계에서 생성된 탄산 이온이 용수 중에 함유된 칼슘 이온과 반응하여 탄산 칼슘으로 석출되어 상기 음극 표면에 부착되는 단계이다.

상기 음극 표면에 부착된 탄산 칼슘은 상기 양극에서 발생된 수소 기체의 기압에 의하여 분리될 수 있다.

상기 초음파 진동 인가 단계(S5)는 상기 음극 주변에 배치된 초음파 진동자에 의해 발생된 진동에 의하여 상기 음극 표면에 부착된 탄산 칼슘을 떨어뜨리는 단계로서, 이는 상기 수소 기체에 의한 탄산 칼슘의 분리를 촉진시킬 수 있다.

이는 상기 양극에서 발생된 수소 기체에 의하여 탄산 칼슘을 분리시키는 것을 도와주기 위함이다.

상기 탄산 칼슘 배출 단계(S6)는 상기 반응기의 하부에 연결된 스케일 배출관을 통해 상기 음극 표면으로부터 떨어져 침전된 탄산 칼슘을 외부로 배출하는 단계이다.

상기와 같은 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거방법에 의하면, 스케일 억제제와 같은 화학 약품의 주입이나 주기적인 용수 교체와 같은 지속적인 수질 관리의 노력없이도 전기화학적 방법에 의하여 수중의 스케일 유발 물질을 제거해줄 수 있기 때문에 용수, 특히 냉각수 처리 공정 운전의 효율화를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 도 1의 스케일 제거장치에서 전기화학적 반응이 일어남에 따라 포화도의 변화량을 나타낸 그래프.

도 3은 도 1의 스케일 제거장치에 의하여 용수 중 스케일 제거 성능을 시험한 그래프로서, 시간 경과에 따른 음극 전위의 변화량을 나타낸 도면.

도 4는 도 1의 스케일 제거장치에 의하여 용수 중 스케일 제거 성능을 시험한 그래프로서, 시간 경과에 따른 칼슘 이온의 변화량을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 반응에 의한 스케일 제거방법을 순차적으로 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100... 스케일 제거장치 110... 반응기

120... 양극 130... 직류 전원

140... 초음파 발진기 141... 초음파 진동자

150... 스케일 배출관

Claims (10)

1. 칼슘 이온 및 중탄산 이온이 함유된 용수가 수용되며, 음극으로 기능하는 반응기;

   상기 반응기의 내면에 대응하도록 상기 반응기 내에 수용된 양극;

   상기 반응기 및 상기 양극에 각각 연결되어 전류를 인가하는 직류 전원;

   상기 반응기 내에 설치되며, 초음파 발진기의 전원 공급에 의하여 진동을 발생시킴으로써 상기 음극에 부착된 탄산 칼슘의 탈착을 촉진시키는 초음파 진동자; 및

   상기 반응기의 하면에 연통 가능하게 결합되며, 상기 전류 인가에 의하여 상기 용수로부터 석출된 스케일이 배출되는 스케일 배출관을 포함하는 스케일 제거장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 양극은 내식성 재질인 것을 특징으로 하는 스케일 제거장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 양극에는 반응 촉진을 위하여 티타늄에 이리듐과, 백금 및 팔라듐 중 적어도 하나가 코팅된 것을 특징으로 하는 스케일 제거장치
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 스케일 배출관을 통해 배출되는 스케일은 탄산 칼슘인 것을 특징으로 하는 스케일 제거 장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 반응기에는 상기 용수의 알카리도를 보충하기 위하여 중탄산 이온 또는 탄산 이온 중 어느 한 이온을 주입하기 위한 이온 주입관이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 스케일 제거장치.
7. 칼슘 이온 및 중탄산 이온이 함유된 용수를 음극 및 양극이 형성된 전기화학 반응기에 공급하는 단계;

   상기 전기화학 반응기에 직류 전원을 인가하는 단계;

   상기 중탄산 이온이 상기 음극에서 생성된 수산화기와 반응하여 탄산 이온으로 변환되는 음극 반응 단계;

   상기 탄산 이온이 상기 칼슘 이온과 반응하여 탄산 칼슘으로 석출되는 단계;

   상기 음극에 부착된 상기 탄산 칼슘의 탈착을 촉진시키기 위해 초음파 진동을 인가하는 단계; 및

   상기 석출된 탄산 칼슘을 배출하는 단계를 포함하는 스케일 제거방법.
8. 삭제
9. 청구항 7에 있어서,

   상기 수산화기는 상기 용수 내에 존재하는 용존 산소의 환원 반응에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 스케일 제거방법.
10. 청구항 7에 있어서,

    상기 수산화기는 상기 용수의 전기분해 반응에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 스케일 제거방법.

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