KR101081447B1 - 막-전극 어셈블리, 이를 이용하는 전해 유닛, 전해수 분사장치, 및 살균 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 막대형 또는 원통형의 형상을 갖는 제1전극, 상기 제1전극의 외연을 피복하는 스트립 형상 격막(diaphragm), 및 상기 스트립 형상 격막의 표면에 배치되는 제2전극을 갖는 막-전극 어셈블리; 막-전극 어셈블리를 포함하는 전해 유닛; 전해 유닛을 포함하는 전해수 분사 장치; 및 막-전극 어셈블리를 이용하는 살균 방법을 제공한다.

전해수, 전해 유닛, 막-전극 어셈블리

Description

막-전극 어셈블리, 이를 이용하는 전해 유닛, 전해수 분사 장치, 및 살균 방법{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, ELECTROLYTIC UNIT USING THE SAME, ELECTROLYTIC WATER EJECTING APPARATUS, AND METHOD OF STERILIZATION}

본 발명은 살균과 클리닝 등에 이용되는 전해수를 분사하는데 이용되는 막-전극 어셈블리, 그 구조를 채택하는 전해수 분사 장치(전해수 분무기), 및 이들을 이용하는 살균 방법에 관한 것이다.

살균제/소독제 용제

하이포아염소산나트륨, 하이포아염소산칼슘, 및 디클로로이소시아누르산 나트륨(sodium dichloroisocyanurate) 등의 염소 화합물 살균제가 다양한 환경에서 살균제/소독제로 광범위하게 이용되어 왔다. 이 중에서, 하이포아염소산나트륨을 포함하는 하이포아염소산염이 비용 및 효과의 관점에서 일반적으로 이용된다. 그러나, 임상 분야 및 식품 산업을 포함하는 다양한 분야에서 요구되는 살균/소독 효과에서의 개선을 달성하기 위해 많은 제안들이 있었다(예를 들어, 일본공개특허공보 2001-253803호, 일본공개특허공보 2001-342496호, 및 일본공개특허공보 2002-145710호 참조).

보통, 그러한 조성물은 그러한 성분을 물에 첨가하거나 각각의 성분을 포함하는 수용액을 혼합함으로써 만들어진다.

대체물로서 전해수의 사용

그러나, 많은 양의 염소 화합물 살균제의 사용은 문제를 일으킨다. 예를 들어, 식재료를 대량으로 취급하는 공장 및 도매 상점에서, 100ppm을 초과하는 농도를 갖는 하이포아염소산나트륨을 이용하여 클리닝을 행한다. 그러나, 이러한 클리닝은 식재료의 맛을 해치고 위험(THM의 증가)를 야기시키기 때문에 문제가 있는 것으로 여겨진다.

주로 이러한 문제를 해소하기 위하여, 농업, 식품, 임상, 및 기타 분야에서 예를 들어 전기분해에 의해 생성되는 전해수의 유용성에 대한 집중적인 연구가 행해져왔다. 전해수 또는 오존 함유수로의 대체가 일본에서 진행되고 있다. 청정 에너지인 전기 에너지가 이용되어, 반응을 제어하면서 전극 표면에서의 화학 반응을 통해 수소, 산소, 오존, 과산화수소 등을 합성할 수 있다. 특히 애노드(anode)에서의 산화 반응은 수 처리에 유효한 산화제(유효 염소, 및 오존과 같은 과산화물)를 산출하며 어떤 경우에는 OH 라디칼과 같은 활성 물질을 생성한다(옴샤(ohm-sha)의 Basic Knowledge of Strongly Acidic Electrolytic Water).

전해수의 우수한 살균/소독 작용에 관심이 모아지고, 임상 활동 및 가정에서 물(water)의 이용에 대해 연구가 행해지고 있다. 연구되고 있는 이용예로는 환부, 절개부, 정적 카테터의 경피적 개구부의 살균/소독, 그리고, 부엌용구 유아용 품 및 가구 등의 가정용 용구 및 물건, 화장실 설비 및 욕조와 같은 가정 설비의 살균/소독을 들 수 있다. 그러한 전해수는 용해시 용질 생성 이온, 예를 들어 염화나트륨이 pH 조정을 위한 산(acid)과 함께 선택적으로 부가된 물(전기분해될 물)을 전기분해함으로써 얻어진다.

전해수의 종류

식품 첨가제로 이용되는 것 외에도, 전해수는 다른 용도에도 이용가능하다. 물만을 포함하는 전해 셀(cell)에서, 다음의 애노드 반응은 산소를 발생시키게 된다.

2H₂O = O₂ + 4H⁺ + 4e (1)

그러나, 일부 촉매 및 전기분해 조건에서는 다음의 반응이 진행되어 오존을 산출한다.

3H₂O = O₃ + 6H⁺ + 6e (2)

따라서, 오존이 용해된 오존 함유수가 합성될 수 있다.

물이 염산 또는 그에 부가된 염소 이온을 포함하는 경우, 식(3) 및 (4)에 따라 하이포아염소산이 산츨된다.

Cl^- = Cl₂ + 2e (3)

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO (4)

물이 황산을 포함하는 경우, 식(5)로 표현되는 반응이 진행되어 과황산을 산출한다.

2SO₄ ^{2 -} = S₂O₈ ^{2 -} + 2e (5)

탄산염 이온이 존재하면, 식(6)으로 표현되는 반응이 진행되어 과탄산을 산출한다.

2CO₃ ^{2 -} = C₂O₆ ^{2 -} + 2e (6)

캐소드(cathode) 반응을 통해, 과잉 수소가 용해된 물인 수소수(hydrogenous water), 알칼리 이온수 등을 합성하는 것이 가능하다.

2H⁺ + 2e = H₂ (7)

2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^- (8)

또한, 과산화수소 등도 합성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 식품 첨가제로서 허가된 산성수 외에도, 적절히 선택된 전해질을 이용하여 2 이상의 과산화물을 포함하는 전해수가 생성될 수 있다.

전해수의 특성 (참조: 2004년, NTS Inc .의

Characteristics of Water and New application Techniques )

식품 첨가제로서 허용되어 온 3가지의 전해수가 있다.

a) 약알칼리 전해 하이포아염소산염 수(첨가제명, 전해 하이포아염소산나트륨 수; 20-200ppm; pH>7.5; 격막(diaphragm)을 이용하지 않는 0.2-2% 수성 염화나트륨 용액으로부터 산출됨)

b) 약산성의 전해수(첨가제명, 약산성 하이포아염소산 수, 10-30ppm, pH=5-6.5, 격막을 이용하지 않고 2-6% 염산으로부터 산출됨)

c) 강산 전해수(첨가제명, 강산 하이포아염소산 수, 20-60ppm, pH<2.7; 격막 타입 셀에서 0.2% 이하의 낮은 수성 염화나트륨 용액으로부터 산출됨)

이러한 종류의 전해수 중의 산성수는 다음의 장점을 지닌다.

(1) THM이 산성 조건에서는 발생할 확률이 작기 때문에 산성수는 안정성 면에서 우수하다.

(2) 저항성 박테리아가 발생할 확률이 적고 현장 관리가 용이하다.

(3) 이 물은 알칼리 전해수와의 조합 처리에 이용될 수 있다.

(4) 이 물은 수돗물처럼 이용될 수 있고 손이나 손가락에 냄새를 남기지 않는다.

(5) 즉시 이 물을 사용하기에 좋다(살균 시간이 짧다)

하이포아염소산나트륨 용액을 이용하는 통상적인 처리에서는, 식품첨가제로서 당해 화합물을 200ppm 농도까지 사용하는 것이 허용되어 왔다. 그러나, 이 화합물은 식품의 맛을 훼손시키고 잔존감(residual tendency)을 남긴다. 한편, 비록 사용하는데 장치의 초기 투자를 필요로 하기는 하지만, 그러한 종류의 전해수는 저농도로도 높은 살균 효과를 가져 유익하다.

오존 함유수의 특징

하이포아염소산염을 장기적으로 사용하면, 이러한 화합물에 내성을 갖는 박테리아를 생기게 하여, 그 살균 효과에 관해서는 의심되는 바가 있다. 한편, 오존 함유수는 식품 첨가제 목록에 있어 왔으며 식품 저장/생산 공정에서 살균제로서의 이용에 대하여 미국 FDA의 승인(2001)을 얻었다. 오존 함유수는 식품 공장의 살균 및 식품 자체의 살균용으로 많이 적용되어 왔다. 최근에, 오존 함유수가, 피부의학, 안과학, 및 치과학과 같은 임상 분야에서 지금까지 사용된 살균수에 비해 효과면에서 동등하거나 그 이상이며 생체에 부과하는 부담을 줄이는 효과가 있다는 사실에 관심이 집중되고 있다.

오존 함유수는 다음과 여타의 장점을 갖는다.

(1) 오존의 살균 효과(OH 라디칼)는 세포벽을 산성 파괴하는데 기초한 것이며 이는 이러한 무차별적 활성은 저항성 박테리아를 생성하지 않는 것으로 생각된다.

(2) 오존은 잔존감을 남기지 않는다.

오존 함유수가 필요에 따라 잔존감을 갖는 산화제(예를 들어 하이포아염소산염, 과황산염, 또는 과탄산염)과 조합하여 이용되는 경우, 더 효율적인 살균 처리가 가능하다.

오존 함유수를 생산하기 위한 통상의 프로세스

오존 함유수는 일반적으로 방전 타입 오존 가스 생성기를 이용하여 통상적으로 생산되어 왔다. 수 ppm의 농도를 갖는 오존 함유수는 이 프로세스에 의해서 용이하게 생산될 수 있으며, 물 정화 처리 및 식품 클리닝의 분야에서 이용되고 있다. 그러나, 이 장치는 다음의 이유로, 우수한 순간 반응성을 갖고, 고농도 오존 함유수를 생성하는 간편형 오존 함유수 생산 장치로서 이용하기에는 적합하지 않았다.

(1) 오존 함유수 생산은 두 단계, 즉 먼저 가스로서 오존을 생성하고 다음에 그 가스를 물에 용해시키는 단계를 필요로 한다.

(2) 오존 함유수는 후술할 전해 프로세스에 의해 생산되는 것보다 낮은 농도를 가지며, 따라서 물에 고압 분사하여 용해시켜 생산되어야 한다.

(3) 오존 생성을 위한 전원은 고압 및 고주파이어서 사이즈 감소가 힘들다.

(4) 방전에 기초한 오존 함유수 생산 장치에서, 오존 가스 생성 능력이 안정화되기에 특정 기간(몇분의 대기시간)이 요구되어 소정 농도를 갖는 오존 함유수를 순간적으로 제조하는 것은 힘들다.

전해 오존 생산 프로세스

전해 프로세스는 전력소비율 면에서 방전 프로세스에 비해 열등하다. 그러나, 전해 프로세스의 특징은 고농도 오존 가스 및 오존 함유수가 용이하게 얻어진다는 데에 있다. 따라서 전해 프로세스는 예를 들어 전자 부품의 클리닝과 같은 특별한 분야에서 일반적으로 이용된다. 이 프로세스의 원리에 기인하여 직류 저전압 전원이 채택되기 때문에, 이 장치는 순간 반응성 및 안정성 면에서 우수하며 소형 오존 가스 생성기 또는 소형 오존 함유수 생산 장치로서 이용될 것이 예상된다. 용도에 따라, 구동 모드는 배터리 구동, 전력 생성 구동, 및 AC-DC 변환 구동 중으로부터 선택될 수 있다.

오존 가스를 효율적으로 생성하기 위하여, 적절한 촉매 및 전해질을 선택하는 것이 필수적이다. 공지의 전극 재료는 백금, α-납 다이옥사이드, β-납 다이옥사이드, 탄화플루오르가 주입된, 유리질 카본, 및 다이아몬드 등과 같은 귀금속을 포함한다. 전해질로서, 황산, 인산, 플루오르화 족(group) 등을 포함하는 수용액이 이용되어 왔다. 그러나, 이러한 전해질은 취급성이 좋지 않아 광범위하게 이용되고 있지 않다. 솔리드 폴리머 전해질을 격막으로서 채택하며 순수한 물이 원재료로 사용되는 물 전해 셀은, 그러한 관점에서 관리하기가 용이하여 일반적으로 이용된다[J. Electrochem. Soc., 132,367(1985)]. 촉매로서 채택되어 온 납 다이옥사이드가 이용될 때, 중량으로 12% 이상의 농도를 갖는 오존 가스가 얻어진다.

직접 합성 시스템(direct synthesis system)이라 불리우는 시스템에서, 전극 주변에 위치된 용액은 충분한 속도로 흐르게 되어 기화하기 전에 오존을 오존 함유수로서 취한다(일본공개특허공보 평8-134677호). 또한, 순수한 물 외의 원수(raw water)가 전해 시스템에 공급되는 경우에, 귀금속 전극 촉매 자체의 활성은 물의 성질에 의해 영향받는다. 수명 및 효율성과 같은 전해 성능은 변화한다는 사실에 주목할 필요가 있다. 일본공개특허공보 평9-268395호는 도전성 다이아 몬드가 기능수(오존 포함)를 생산하기 위한 전극으로서 유용함을 개시하고 있다.

소형 장치의 개발

임상 활동이나 가정에서 살균/소독을 용이하게 수행하도록 하기 위해 휴대형 소형 전해수 분무기가 제안되어 왔다(참고문헌 1 내지 3 참조). 그러한 소형 장치는 가정 또는 사업적 목적 또는 예컨대 손이나 손가락과 같은 인체의 살균이나 소독을 위해서, 냄새제거, 살균, 또는 내부설비나 물 관련 설비나 식기류나 의복의 표백 등에 광범위하게 이용될 수 있다.

[참고문헌 1] 일본공개특허공보 2000-79393호

[참고문헌 2] 일본공개특허공보 2000-197889호

[참고문헌 3] 일본공개특허공보 2001-276826호

이 외에도: 일본공개특허공보 2004-129954호(전기분해에 필요한 전력을 생성하는 디바이스를 갖는 장치); 일본공개특허공보 2004-130263호(셀 실린더 부분의 부피와 피스톤 용량의 비율, 단면 등이 특정의 값인 장치); 일본공개특허공보 2004-130264호(pH 조정자, 계면활성제, 염소 화합물 및 물을 포함하는 전해용 원수가 이용되어 3-8.5의 pH를 갖는 전해수를 획득하는 장치); 일본공개특허공보 2004-130265호(JP-A-2004-130264에 따른 전해수가 거품 상태에서 이용됨); 일본공개특허공보 2004-130266호(전극에 대한 전압 적용의 방향이 교대로 바뀜); 일본공개특허공보 2004-148108호(전압에 인가될 전압이 가변임); 일본공개특허공보 2004-148109호(흡입 통로에 전극을 갖는 장치); 일본공개특허공보 2003-93479호 및 일본공개특 허공보 2002-346564호(분무부에서 원통형 전극을 갖는 분리 타입); 및 일본공개특허공보 2001-47048호(분무를 하지 않는 기간 동안에 막힘이 방지되며 모터를 구비하는 건(gun) 타입)이 공지되어 있다.

지금까지 제안된 소형 전해 분무기의 전해 유닛은 다음의 문제점을 지닌다.

(1) 순수한 물, 우물물, 또는 수돗물이 원재료로 이용되는 경우, 용액은 강한 저항성을 가지고 따라서 전해의 효율이 낮아진다.

(2) 비록 도전성을 부여하기 위해 통상적으로 전해질이 첨가되지만, 셀 전압을 감소시키기 위해 전극은 서로 가깝게 배치되어 있다. 이 때문에, 셀 구조가 복잡해진다.

(3) 일부 용도에서는, 전해질 첨가가 배제되어야 한다.

(4) 비록 이온 교환막 등의 이용이 이온 전도성을 증가시키고 이는 반응 효율을 높일 것으로 기대되지만, 막 등을 전극과 결합하는 것은 어렵다.

(5) 막은 통상적으로 비(非)다공성이며 전해질 용액의 공급과 산물의 제거를 촉진하기 위하여 통상적으로 다공성의 전극과 조합하여 이용된다. 따라서 전극의 형상은 복잡하다.

(6) 비록 이온 교환 능력을 갖는 입자들이 전극 사이의 공간에 패킹될 수도 있지만, 이러한 구성은 조립 및 구조상 많은 제한을 갖는다.

(7) 섬유질의 거미줄(web) 모양의 다공성 재료가 이용될 수도 있다. 그러나, 이러한 재료는 프로세싱이 어렵고 가용성이 나쁘다는 단점을 갖는다.

(8) 많은 분사 장치에서, 파이프 및 부재는 원통형이고, 따라서, 전극은 그 에 적합한 형상, 예를 들어 막대 또는 원통형이 바람직하다. 따라서, 그러한 형상을 갖는 전극의 조합을 채택하는 장치에 대한 요구가 있어 왔다.

이러한 문제점들이 극복된다면, 전해 분무기의 이용은 확산되리라고 생각된다.

예를 들어, 참고문헌 1은, 도2에서, 서로 평행으로 배치된 판상의 애노드(41) 및 판상의 캐소드(42)를 포함하는 실시형태를 개시한다. 그러나, 이 실시형태는 다음의 문제점을 갖는다. 전극 자체의 고정이 힘들다. 이 실시형태는 격막을 포함하지 않기 때문에, 두 전극을 가깝게 배치하는 것이 힘들고 이는 더 높은 전압을 요구하도록 하는 경향이 있다. 또한, 유동율 제어가 힘들다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 이러한 다수의 문제점들을 해소할 수 있으며 용이하게 생산가능하고 높은 성능을 나타내는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 상기 어셈블리를 채택하는 전해 유닛 및 전해수 분사 장치 및 살균 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 전해수 분사 장치는 수용액을 원재료로서 전기분해하고, 그에 따라 산출된 전해수는 상기 장치에 의해 즉시 분사되어 이용될 수 있다.

본 발명의 발명자들은 이 문제를 해결하기 위해 많은 연구를 행했다. 그 결과, 다음의 막-전극 어셈블리, 전해 유닛, 전해수 분사 장치, 및 전해수를 이용한 살균 방법에 의해 전술한 목적이 달성될 수 있음을 발견했다. 이러한 발견에 따라, 본 발명이 달성된다.

본 발명은 주로 다음의 항목에 관한 것이다.

1. 막대형 또는 원통형의 형상을 갖는 제1전극; 상기 제1전극의 외연(periphery)을 피복하는 스트립 형상 격막(diaphragm); 및 상기 스트립 형상 격막의 표면에 배치되는 제2전극을 포함하는 막-전극 어셈블리.

2. 1항에 있어서, 상기 스트립 형상 격막은 상기 격막의 부분들 사이에 공간을 형성하도록 상기 제1전극의 외연을 피복하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.

3. 1항 또는 2항에 있어서, 상기 스트립 형상 격막은 상기 제1전극의 외연을 나선형으로 피복하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.

4. 막대형 또는 원통형의 형상을 갖는 제1전극, 상기 제1전극의 외연을 피복하는 스트립 형상 격막, 및 상기 스트립 형상 격막의 표면에 배치된 제2전극을 포함하는 막-전극 어셈블리; 상기 막-전극 어셈블리가 그 안에서 고정되는 튜브; 및 상기 튜브 내에서 상기 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나에 연결되는 전기 공급 단자를 포함하는 전해 유닛.

5. 원수(raw water)를 포함하는 용기; 4항에 따른 전해 유닛; 및 상기 전해 유닛으로 상기 원수를 전기분해함으로써 생성되는 전해수를 분사하는 헤드를 포함하는 전해수 분사 장치.

6. 전해수로 살균하는 방법으로서, 막대형 또는 원통형의 형상을 갖는 제1전극, 상기 제1전극의 외연을 피복하는 스트립 형상 격막, 및 상기 스트립 형상 격막 의 표면에 배치된 제2전극을 포함하는 막-전극 어셈블리로 원수를 전기분해하여 전해수를 생성하는 단계; 및 상기 전해수를 살균될 물질에 분사하는 단계를 포함하는 전해수 살균 방법.

본 발명을 이하 상세히 설명한다.

본 발명의 막-전극 어셈블리는 막대형 또는 원통형 전극(이하, 막대 전극이라 함), 전극의 외연을 피복하는 스트립 형상 격막, 및 격막의 표면에 배치된 역전극(counter electrode)을 포함한다. 역전극이 배치되는 격막의 표면은 막대 전극에 대향하는 표면의 이면이다. 이 막-전극 어셈블리에서, 막대 전극, 격막, 및 역전극은 서로 결합되어 있다. 이 때문에, 일단 생산된 어셈블리는 취급이 용이하다. 이 어셈블리는 간단한 작업, 예를 들어 막대 전극 주변에 스트립 형상의 격막 및 역전극을 나선형으로 권회(winding)하거나 또는 막대 전극을 스트립 형상 격막 및 역전극에 의해 피복하는 작업에 의해 생산될 수 있다. 본 발명에서 "나선형"이라는 용어는 격막 및 역전극이 막대 전극의 주변에 연속적으로 비스듬하게 배치되는 구성을 의미하는 용어이다.

이 막-전극 어셈블리를 생산함에 있어, 막대 전극의 주변은 스트립 형상의 격막으로 피복되고, 역전극은 격막의 표면에 배치된다. 스트립 형상 격막은, 막대 전극의 외연이 격막으로 나선형으로 피복되는 것이 바람직하다. 나선형 피복의 경우에, 수직 방향으로 인접하는 스트립 형상 격막의 일부는 서로 중첩될 수도 있다. 다른 방법으로는, 수직 방향으로 인접하는 스트립 형상 격막의 일부는 이들 사이에 갭(gap)을 남기도록 배치될 수도 있다. 어셈블리는 하나의 격막을 포 함하는 것이 바람직하다. 그러나, 격막의 갯수는 하나에 한정되는 것은 아니고, 2 이상의 링 형상 격막이 수평적으로 배치되어 이들 사이에 공간을 남기면서 막대 전극의 외연을 피복할 수도 있다.

통상의 시트 형상 격막을 막대 전극 주위에 권회할 때에도, 막대 전극을 시트로 원활하게 피복할 수 없고, 그에 따라 막-전극 어셈블리는 밀착성이 불충분하다. 반면에, 본 발명에 따르면, 스트립 형상 격막이 채택되어 막대 전극의 주위에 배치되기 때문에, 높은 밀착성을 갖는 막-전극 어셈블리를 얻을 수 있다.

역전극은, 와이어 형상으로 격막의 주위에 권회될 수도 있다. 이와는 달리, 역전극은 도금에 의해 격막의 표면에 형성될 수도 있고, 또는 호일(foil) 형태로 격막 표면에 배치될 수도 있다. 와이어 형상의 역전극이 권회되는 경우, 격막의 형상에 부합되도록 역전극을 권회하는 것이 바람직하다. 즉, 격막이 나선형일 때에는 역전극이 나선형으로 권회되고, 링 형상의 격막이 배치되는 때에는 역전극이 링 배열로 감기는 것이 바람직하다.

이 막-전극 어셈블리는 다른 부재와 결합된 격막을 포함한다. 이 때문에, 어셈블리가 소망의 어떠한 전해 유닛 또는 전해 장치에 장착될 때 이 어셈블리를 단지 조합시키는 것만으로, 막대 전극 및 격막에 의해 그로부터 분리된 역전극이 전해 유닛 등에 장착될 수 있다. 또한, 두 전극이 격막을 통해 밀착하기 때문에, 도전성을 부여하기 위해 전해용 원수에 전해질을 용해시킬 필요가 없다. 또한, 두 전극 사이의 전압 강하는 거의 0이며 전기분해는 저비용으로 행해질 수 있다.

이 막-전극 어셈블리는, 막-전극 어셈블리; 어셈블리가 고정되는 튜브; 및 튜브에서 막대 전극 및/또는 역전극과 연결되는 하나 또는 둘의 전기 공급 단자를 포함하는 전해 유닛을 구성하는데 이용될 수 있다.

이 전해 유닛에서, 원수는 튜브를 통과하고 막대 전극 및 역전극에 접촉하게 되어, 오존 함유수, 산성수, 알칼리수 등(이하 전해수라 칭함) 중의 임의의 것을 생산한다. 그에 따라 생산된 전해수는 다양한 용도로 이용 가능하며, 오존, 래디칼 등의 적절 농도는 용도에 따라 다르다. 오존 등의 농도는 단위 시간당 튜브를 통해 흐르는 원수의 양에 의존한다. 따라서, 튜브 내에서 막대 전극의 직경을 조절함으로써 원수가 흐르는 단면의 면적이 조절될 수 있다. 그에 따라, 다양한 용도 각각에 적합한 농도를 갖는 전해수가 생산될 수 있다.

저장될 원수를 포함하는 용기 및 헤드를 포함하는 전해수 분사 장치에 이 전해 유닛이 장착되고 원수가 흡입되어 튜브를 통과할 때, 원수는 전해 유닛의 막대 전극 및 역전극에 접촉하게 되고 전기분해된다. 그 결과, 오존과 같은 활성 물질이 고농도로 효율적으로 합성되어 살균/표백 능력을 갖는 전해수를 산출한다. 이 전해수는, 경우에 따라, 예를 들어 펌프와 같은 보조 구동원에 의해 원자화 상태 또는 액체 상태로 헤드의 노즐을 통해 외부로 방출된다.

본 발명의 방법 및 본 발명의 전해수 분사 장치는 가정 또는 사업적 목적의 내부 설비, 물 관련 설비, 식탁용 식기류, 의복 등의 탈취, 살균 또는 표백에 이용되거나, 예를 들어 손이나 손가락같은 인체의 살균 또는 멸균 등에 광범위하게 이용될 수 있다. 전술한 설명으로부터 명백하듯이, 본 발명의 방법에서 "살균"이라는 용어는 살균 외에도 탈취, 표백, 멸균 등의 행위를 의미한다.

본 발명에서, 조건을 조절함에 따라 다음과 같은 높은 활성의 전해수가 생성될 수 있다.

(1) 알칼리 전해수(전해질 선택(염화물 외에도, 황산염, 탄산염 등)에 따라 2 이상의 과산화물을 포함하는 전해수)

(2) 산성 전해수(전해질 선택(염화물 외에도, 황산염, 탄산염 등)에 따라 2 이상의 과산화물을 포함하는 전해수)

(3) 고농도 오존 함유수(잔존 경향이 없고, 하이포아염소산 시스템의 살균 활성의 10배 이상의 살균 활성을 갖고, 표백 효과를 가짐; 오존 반감 기간은 공존하는 물질에 의존하여 연장되며, 효과 유지가 향상됨)

(4) 신규한 합성 전해수(신규한 살균 효과는, 살균 능력 개선의 목적으로 pH 조정을 위한 유기산/계면활성제를 부가하거나 예를 들어 살균 능력 또는 상쾌감을 개선시킬 목적으로 알콜 등을 부가함으로써 생성된다)

막대 전극, 이 전극의 외연을 피복하는 스트립 형상 격막, 및 이 격막의 표면에 배치되는 역전극을 포함하는 본 발명의 막-전극 어셈블리는, 격막이 두 개의 전극으로 결합된 어셈블리이다. 따라서, 이 어셈블리는 취급이 용이하고 다양한 전해수 생산 장치에 장착될 수 있다.

어셈블리가 튜브 내에 장착될 때, 획득될 전해수 내에 전해적으로 생성된 물질의 농도는, 막대 전극의 직경을 조정함으로써 원하는 값으로 조정될 수 있다.

생성된 전해수를 처리하고자 하는 물질에 또는 그 위에 분사 또는 분무함으로써, 그 물질은 원하는 농도의 전해적으로 생성된 물질로 살균될 수 있다.

발명의 상세한 설명

본 발명의 구성요소를 이하 설명한다. 그러나, 본 발명은 다음 사항에 한정되는 것은 아니다.

애노드 재료

본 발명에서 막대 전극 또는 역전극 중 하나가 애노드일 수 있다. 그러나, 일반적으로, 막대 전극은 애노드이고 역전극은 캐소드이다.

산화용 애노드 촉매의 예로는 산화납, 산화주석, 백금 등의 귀금속, DSA(주로 귀금속 산화물로 구성된 전극), 카본, 및 도전성 다이아몬드를 들 수 있다. 부식 저항성의 관점에서, 백금이나 이리듐과 같은 귀금속, 그러한 귀금속의 산화물, 또는 도전성 다이아몬드를 전극 촉매로서 이용하는 것이 바람직하다. 전극 베이스로서 이용되는 재료는, 긴 수명을 획득하고 처리될 표면이 오염되는 것을 방지한다는 관점에서, 부식 저항성을 가져야 한다. 티타늄 또는 니오븀과 같은 밸브 금속 또는 그들의 합금을 애노드 베이스로서 이용하는 것이 바람직하다. 애노드 재료는, 메쉬, 파이프, 막대, 또는 비즈(beads)와 같이 일반적으로 이용되는 임의의 원하는 형상을 갖는 그러한 베이스의 표면에 퇴적될 수 있다.

촉매의 존재는 애노드의 일부로서 충분하고, 베이스는 부분적으로 노출될 수도 있다.

다이아몬드는, 그 전기적 전도성이 도핑에 의해 조절될 수 있기 때문에 어느 정도 유망한 전극 재료로 간주된다. 다이아몬드 전극은 물 분해 반응에 있어 비활성이다. 산화 반응에서 다이아몬드 전극은 산소 외에도 오존 및 과산화수소를 생성하는 것으로 보고되어 왔다. 도전성 다이아몬드가 이용될 때, 전기분해 반응은 더 용이하게 진행하고 전기분해의 산물로서의 그 과산화물은 매우 효율적으로 생산된다. 또한, 다이아몬드 전극에서, 전술한 전기분해적으로 산출된 물질 외에도 OH 라디칼 및 산화된 형태의 전해질이 산출된다. 따라서, OH 라디칼 또는 산화된 형태의 살균/표백 효과와 전기분해적으로 산출된 물질의 살균/표백 효과가 상승적으로 이용될 수 있다.

도전성 다이아몬드가 이용되는 경우, 유용한 기재(base)의 예로는 Nb, Ta, Zr, Ti, Mo, W, 흑연, 및 다양한 카바이드 및 Si(단결정 및 다결정)을 들 수 있다. 용도에 따라서 적합한 것이 선택될 수 있다.

캐소드 재료

캐소드 반응은 주요한 반응으로서 수소 발생을 들 수 있다. 따라서, 수소에 의해 부서지지 않는 전극 촉매가 바람직하다. 그러한 바람직한 전극 촉매의 예로는 백금 족 금속, 니켈, 스테인리스 스틸, 티타늄, 지르코늄, 금, 은, 카본, 및 다이아몬드를 들 수 있다. 캐소드 기재로서는, 스테인리스 스틸, 지르코늄, 카본, 니켈, 티타늄 등을 이용하는 것이 바람직하다. 많은 경우에, 본 발명의 장치의 전극은 과산화물 또는 오존 함유수에 접촉하도록 배치된다. 따라서, 우수한 산화 저항성을 갖는 재료를 채택하는 것이 바람직하다.

격막 재료

전극 반응에 의해 생성되는 활성 물질이 안정하게 유지되기 위해, 중성의 격막 또는 이온 교환막이 이용될 수 있다. 격막은 플루오르화 수지막이나 탄화수소 막 중 어느 것일 수도 있다. 그러나, 오존과 과산화물에 의한 부식에 대한 저항성의 관점에서, 전자(前者)의 막이 바람직하다. 이온교환막은 애노드 또는 캐소드에서 생성되는 물질이 대향 전극에서 소비되는 것을 방지하는 기능을 할 뿐만 아니라, 액체가 낮은 전도성을 가질 때라도 전기분해가 빠르게 진행되는 것을 가능하게 하는 가능을 한다. 따라서, 예를 들어 순수한 물과 같이 낮은 전도도를 갖는 원재료를 이용하는 경우, 이온 교환막이 바람직하다.

기체/액체 투과성을 향상시킬 수 있기 때문에, 격막의 표면이 오목부 및 돌기부를 갖도록 하거나 전극 표면에 개구부를 형성하는 것이 바람직하다.

막-전극 어셈블리

막-전극 어셈블리에서 막대 전극의 길이 및 직경은, 분무에 의해 분사되는 원하는 물의 양 및 탱크의 용량에 따라 선택된다. 통상적으로, 그 길이는 10-300mm이 바람직하고, 그 직경은 0.5-10mm이 바람직하다. 막대 전극은 원, 정사각형, 타원 등으로부터 선택된 단면 형상 또는 중공(中空)의 원통 또는 프리즘의 형상이 바람직하다. 그러나, 전극의 형상은 이에 한정되지 않는다.

격막의 표면이 오목부 및 돌기부를 갖도록 하거나 전극 표면에 개구부를 형 성하는 것이 기체/액체 투과성의 향상에 효과적이다. 중공의 재료의 경우에, 전극 표면에 개구부를 형성하는 것이 기체/액체 투과성의 향상에 효과적이다.

물 흐름을 보장하기 위해, 격막의 인접하는 부분 사이에 갭을 남기도록 하면서 막대 전극 주변에 격막을 권회하는 것이 바람직하다. 격막은 갭을 남기지 않고 권회될 수도 있다.

스트립 형상의 격막은 0.1-2mm 범위의 두께 및 0.2-20mm 범위의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 격막의 폭이 하한치보다 작은 경우에, 물리적 강도가 충분하지 않아서 이 격막은 권회 작업(winding operation)에서 파손되기 쉽다. 격막이 너무 넓은 경우에는 전기분해를 위한 원재료, 및 갭을 통한 전기분해의 산물의 움직임이 허용되지 않아서, 전압의 증가 및 잔류 효율의 감소를 초래한다. 갭의 폭은 0.1-10mm이 바람직하다.

또한, 어셈블리의 가스-액체 투과성을 향상시키기 위해 미리 스트립 형상 격막에 개구부를 형성하는 것이 바람직하다. 각각의 개구부의 사이즈는 개구부의 외연의 길이로 1-10mm이 바람직하다.

어셈블리는, 막대 전극 상에 있는 2 이상의 링 형상 스트립 격막 및 각각의 격막의 주위에 권회된 역전극을 포함하는 구조를 가질 수도 있다.

격막이 나선형으로 권회되는 경우, 권회의 각도는 막대 전극의 직경, 격막의 폭, 및 격막 갭에 의해 정해진다. 예를 들어, 격막의 폭, 격막 갭, 및 막대 전극의 직경은 각각 2mm, 0.5mm, 및 2mm이며, 각도는 약 20도이다. 전술한 바와 같이, 링 형상 격막은 그들간에 갭을 남기도록 수평으로(각도 0도) 배치될 수도 있 다.

격막 및 와이어 전극이 권회되기 시작하는 부분에 대응하는 막대 전극의 단부는, 공급 라인과의 연결을 위한 공간을 보장하기 위해서, 미리 작은 두께로 컷팅되어야 한다. 이는 이러한 컷팅이, 공급 라인에 연결된 어셈블리 부분이 흡입-통로 튜브 내에 하우징되는 것을 가능하게 하기 때문이다.

역전극은 와이어 전극이 바람직하다. 역전극은, 막대 전극과 접촉하기 않도록 하기 위해 격막보다 작은 폭을 가져야 하는 것이 바람직하다. 와이어 형태로 되는 것 이외에, 역전극은 작은 폭으로 컷팅된 호일 또는 금속 거즈일 수도 있다. 그 중 어느 경우라도, 역전극은 격막에 배치된다. 다른 방법으로는, 전술한 바와 같이, 역전극은 도금에 의해 격막의 표면에 형성되는 것일 수도 있다.

촉매층이 격막의 일측에 형성되고 촉매층을 갖는 측이 바깥을 향하도록 이 격막이 막대 전극의 주위에 권회된다. 이 방법은, 촉매층이 캐소드로 기능하여 어셈블리를 용이하게 하고 그에 따른 전해 유닛이 균등한 전류 분배를 가지며 셀 전압의 감소를 획득할 수 있기 때문에 바람직하다.

촉매층을 형성하기 위하여, 예를 들어 무(無)전해 도금 또는 PVD와 같은 기존의 방법이 이용될 수 있다. 이 구성에서도, 막대 전극과의 결합을 개선할 목적으로 금속 와이어를 권회하는 것이 바람직한 경우도 있다.

전해 유닛

막-전극 어셈블리는 튜브 형상의 원수 흡입 통로에 연결되는 것이 가능한 튜 브 내에 고정되어, 전해 유닛을 구성한다. 그러나, 이 튜브는 막-전극 어셈블리의 일부분만을 둘러싸도록 배치될 수도 있다. 튜브는 어셈블리가 그 안에 하우징되도록 하는 충분한 직경을 갖는다. 그러나, 너무 큰 두께는 튜브 내에서 흐름 속도의 감소를 초래한다. 오존 함유수를 합성하는 경우, 예를 들어, 흐름 속도의 감소는 가스-액체 접촉의 효율을 감소시키고 따라서 고농도 전해수를 획득하는데에 적합하지 않다. 따라서, 원하는 농도를 갖는 전해수를 산출하도록 튜브의 직경을 선택하는 것이 바람직하다. 농도 조절은 튜브 직경 선택 뿐만 아니라 막대 전극의 직경 선택에 의해서도 행해질 수 있다.

어셈블리가 튜브 내에 배치되지 않는 경우, 산출되는 전해수의 대부분은 분무 통로로 보내질 수 없고, 전해수 수율의 감소 및 농도의 감소를 초래한다.

튜브의 재료는 PP, PVC 또는 PE와 같은 탄화수소 수지, 플루오르화 수지, 금속 등이 바람직하다. 전해 유닛 부분의 용량이 조절될 수 있기 때문에, 열 수축성을 갖는 튜브가 바람직하다. 튜브의 벽 두께는, 전해 유닛에서 생성된 열을 신속히 제거한다는 관점에서는 작은 것이 바람직하다. 그러나, 기계적 강도 또한 필요하기 때문에, 그 벽 두께는 0.05mm부터 2mm까지가 바람직하다.

후술할 분무기 구조에서, 먼저 분사되는 물은 충분히 전해되지 않은 원수이다. 이러한 관점에서, 전해 유닛에 존재하는 물의 양 및 파이프의 다른 부분의 용량은 작은 것이 바람직하다. 그러나, 너무 얇은 파이프는 충분한 양의 물이 흡입될 수 없을 가능성을 초래한다.

적절한 치수를 갖는 부재들의 예는, 100mm의 길이 및 2mm의 외부 직경을 갖 는 막대 전극, 2mm의 폭, 0.5mm의 갭, 및 0.35mm의 두께를 갖는 격막, 및 0.4mm의 직경을 갖는 와이어 전극(역전극)을 들 수 있다. 이 경우, 5mm의 내부 직경을 갖는 튜브가 이용될 때, 행해져야 할 회전의 수는 약 24이고 공간 부피는 약 0.9mL이다. 따라서, 분사기가 1회 동작에 의해 분사하는 물의 양이 1mL일 때, 예비 분사(트리거 동작)를 위한 약 1회 동작 후에 새로운 전해수는 이용될 수 있다.

바람직하게는 전극으로부터 각각 연장하는 2개의 공급 라인은, 라인이 서로 접촉하는 것을 방지하도록 절연 재료로 피복되어 있다. 튜브의 밖으로 유도된 공급 라인은 열 수축성을 피복 튜브로 외부가 피복되어 융접(fusion-bonded)되며, 유닛 내에서 전해수 통로와는 분리되는 것이 바람직하다.

오존 함유수를 합성하는 경우, 전해 유닛에서 분무 노즐로 연장하는 파이프의 길이가 너무 짧으면, 이 경우 오존이 충분히 용해되지 않은 원수가 분사되기 때문에 바람직하지 않다. 가스/액체 접촉의 기간이 연장될수록, 원수 내의 가스 상태 오존의 용해는 더 진행되고 그 합성 효율은 더 높아질 수 있다. 이 때문에, 파이프의 최적의 길이는, 0.1 내지 10초의 접촉 시간을 갖도록 조절되는 것이 바람직하다.

원수 용기

원수를 저장하는 용기의 재료는 원수에 의해 손상되지 않는 것들 중에서 선택된다. 특별한 문제점이 없을 때에는 이 재료는 PE 수지일 수 있다.

원수 및 생성된 전해수

수돗물, 우물물 등이 원수로서 이용되는 경우에, 그러한 물은 낮은 전도도를 갖기 때문에 셀 전압에서의 저항 손실은 무시할 만한 것이 아니다. 따라서, Na₂SO₄, K₂SO₄, NaCl, KCl, 또는 Na₂CO₃와 같은 염을 전해질로서 용해시킴으로써 전도도를 높이는 것이 바람직하다. 이러한 염은 전기분해시 과산화물을 산출하고 그에 따라 지속적인 살균 효과를 부여한다. 농도는 0.01-10g/L의 범위가 바람직하다. 이온 교환막이 격막으로 이용될 때, 염 용해가 불필요한 경우가 있다.

수돗물, 우물물, 또는 바닷물과 같이 많은 양의 금속 이온을 함유하는 원수를 이용하는 경우, 수산화물 또는 탄산염이 캐소드의 표면에 퇴적되어 반응을 방해할 가능성이 있다. 또한, 실리카와 같은 산화물이 애노드 표면에 퇴적된다. 이러한 문제점을 제거하기 위하여, 캐소드 및 애노드에서 각각 산성화 및 알칼리화가 발생하는 곳에 적절한 시간 간격(1분 내지 1시간)으로 역전류를 흘린다. 그 결과, 가스 분출 및 원수의 흐름에 의해 가속되는 동안 퇴적물을 제거하기 위한 반응은 용이하게 진행된다.

생성될 전해수의 조성 및 농도는 원하는 용도에 따라 조절될 수 있다. 전해수가 식품 처리에 쓰여질 경우에는, 알칼리성 전해 하이포아염소산염 수, 약산성 전해수, 또는 오존 함유수로서 생산되어야 한다. 전해수가 살균/표백에 쓰여질 경우에는, 처리될 물질에 따라서 과산화물이 적절히 선택될 수도 있다. 하이포아염소산의 경우, 그 농도는 1-100ppm일 수도 있다. 오존 함유수는 1-20ppm의 농도 를 가질 수도 있다. 과황산 및 과탄산의 농도는 각각 1-100ppm 및 1-100ppm일 수도 있다.

하이포아염소산이 전해적으로 산출되는 경우, 산성 용액의 전기분해는 하이포아염소산염보다 많은 양의 하이포아염소산을 산출하며, 알칼리성 수용액의 이용은 하이포아염소산보다 많은 양의 하이포아염소산염을 산출한다. 살균 활성은 용액의 성질에 따라서 변한다. 일반적으로, 산성 용액은 종종 알칼리성 용액보다 높은 살균 활성을 갖는다. 특히, 포자(spores) 등의 제어에서, 산성 용액은 알칼리성 용액보다 높은 살균 활성을 갖는다. 그에 반해, 곰팡이에 대한 살균 활성에 관해서는, 알칼리성 수용액이 산성 수용액보다 활성이 크다. 따라서, 용액의 성질은, 분사를 통해 처리될 물질에 따라 산성인지 알칼리성인지 적절히 조정되어 향상된 살균 활성을 부여해야 한다.

산도를 과도하게 높이기 위해 강산을 용액에 부가함으로써 용액이 산성화되는 경우에, 하이포아염소산은 분해되어 염소 가스를 생성하고, 그 결과, 하이포아염소산의 살균 활성을 일으키는 산화력이 감소된다. 하이포아염소산의 산화력을 유지하면서 살균 활성을 증가시키기 위해, 용액이 20℃에서 3-7의 pH를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 용액이 그러한 pH를 갖도록 제어하기 위해서, 용액의 pH 조정의 용이성의 관점에서 낮은 해리도를 갖는 수용성 유기 약산을 이용하는 것이 바람직하다. 수용성 유기산의 예는 숙신산, 젖산, 초산, 구연산, 및 타르타르산을 포함한다.

용액을 알칼리화하기 위해서, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 탄산암모늄 등을 이용하는 것이 바람직하다. 그러한 탄산염은 전기분해에 의해 과탄산으로 산화된다.

살균 활성을 더 향상시키기 위해, 계면활성제가 용액에 부가될 수도 있다. 용액에 계면활성제를 부가하는 것은 전기분해 후 분사를 통해 처리될 물질을 적셔 주는 용액의 능력을 개선시킬 뿐만 아니라, 곰팡이와 세균의 세포막에 대한 용액의 친화성을 개선시킨다. 따라서, 살균 효과는 더 개선된다.

계면활성제의 이용가능한 예로는, 알킬벤젠술포닉산염 및 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르 황산염과 같은 음이온 계면활성제, 벤잘코늄 염화물과 같은 양이온 계면활성제, 아민 산화물(예를 들어 알킬디메틸아민 산화물)과 같은 양쪽성 계면활성제, 폴리글리세롤 지방산 에스테르 및 알킬글리코사이드와 같은 비이온 계면활성제를 들 수 있다. 용액 내의 계면활성제의 농도는 바람직하게는 중량으로 0.01-10% 정도가 바람직하다.

이러한 성분 외에도, 예를 들어 살균 활성과 상쾌감을 개선할 목적으로 알콜을 용액에 부가할 수도 있다. 또한, 필요에 따라, 예를 들어 향수, 착색제, 계면활성제 이외의 살균제, 농후제(thickener), 엔자임, 표백제, 킬레이트 시약, 염소 화합물 이외의 전해질, 빌더(builder), 방부제, 및 방청제(rust preventive)가 첨가될 수도 있다. 저장 안정성의 관점에서, 전기분해될 물이 방부제를 포함하는 것이 특히 바람직하다.

트리거 분무 기능을 갖는 헤드

도1 및 3에 나타난 바와 같이, 배터리가 하우징될 수 있는 헤드에 트리거 분무기가 고정되어 있다. 이 장치는 전원으로서 배터리를 채택하지 않고, 트리거 동작에 의해 전기분해를 위한 전력을 생성하는 장비를 구비할 수도 있다. 배터리 구동의 경우, 배터리는 충전가능한 2차 배터리일 수도 있다. 또한, AC 전력원으로부터 DC 전력을 공급할 수 있는 어댑터를 갖는 장치를 동작시키는 것도 가능하다.

인가될 전압 및 전류의 값은, 분사될 물질과 탈취 및 살균 등의 목적에 적합한 소정의 살균 활성을 얻기에 적합한 농도, 및 전기분해될 용액의 부피에 따라 적합하게 결정된다. 한번의 트리거 동작은 바람직하게는 0.1-1cc의 분사를 야기하고, 전극 사이에는 약 3-25V의 전압이 인가된다. 전극에 인가될 전압을 변화시키는 장비가 회로 내에 배치될 수도 있다.

전기 분해 조건과 관련하여, 온도 및 전류 밀도는, 산출된 과산화물의 활성 및 안정성의 관점에서, 바람직하게는 각각 5-40℃ 및 0.01-1A/cm²이다.

전극에 대한 전압 인가를 개시/종결하는 스위치는 바람직하게는 트리거 분무기에 배치되어, 바람직하게는 장치가 이용 중일 때에만 전압이 인가되도록, 즉, 트리거를 당기면 자동적으로 스위치 온 되고 트리거를 되돌리면 스위치 오프되도록 한다.

본 발명의 분무기는 분사 동작시에 전기분해를 위한 전력을 생성하는 디바이스를 가질 수도 있다. 이러한 디바이스의 예로는, 트리거와 연동하는 모터를 들 수 있다. 이러한 모터는 통상적으로 트리거 분무기에 배치된다.

본 발명의 분사 장치는 전기분해가 행해지는 것을 표시하는 수단을 가질 수 있다. 이러한 수단의 예는, 트리거 동작에 의해 전압 인가 동안에 온(on)으로 되는 LED 램프를 포함한다. 예를 들어 배터리 소진 등의 이유로, 지정된 전류가 흐르지 않는 때에, LED 램프를 스위치 오프(off)하는 기능이 부가될 수도 있다.

본 발명의 전해수 생산/분사 장치의 실시형태는 다음의 구조에 의해 작동한다. 이 장치는 트리거 동작에 의해 스위치 온 되어, 전류가 회로를 통해 흐르도록 한다. 그 결과, 전극을 통해 전류가 흐른다. 이 동작에서, 튜브에 존재하는 원수는 거의 순간적으로 전기분해되고 피스톤/실린더 구조에 의해 헤드의 노즐을 통해 외부로 분사 또는 분무된다. 즉, 본 발명의 이러한 분무기에서, 분사 동작(즉, 트리거 동작)과 동시에 전기분해가 행해진다. 전기분해에 의해 산출된 전해수는 트리거 동작 개시 후 1초 이내에 분사되기 시작하는 것이 바람직하다.

도면에 나타낸 실시형태 외에도, 분무기로서 트리거 분무를 구비한 본 발명 전해수 산출/분사 장치의 다양한 실시형태가 존재한다. 또한, 다양한 구조를 갖는 트리거 분무가 존재한다. 트리거 분무는 그 구조에 따라 내부의 액체 통로, 트리거의 받침점 등이 상이하다. 그러나, 어떠한 소망의 트리거 분무라도 본 발명의 분무기에 채택될 수 있다.

다음으로, 도면에 나타낸 실시형태와 관련하여 본 발명의 실시형태의 전해수 분사 장치(전해수 분무기)를 설명한다.

도1은 본 발명의 전해수 분무기의 제1실시형태를 나타내는 개략적인 수직 단 면도이다.

도1에 나타난 전해수 분무기는, 원수(2)를 포함하는 용기(3), 및 이 용기(3)의 상부 개구부에 연결된 헤드(4)를 포함한다. 용기(3)의 재료는 강성 재료일 수도 있고 연성 재료일 수도 있다. 그러나, 용기(3)는 다양한 강성 수지, 금속, 유리, 및 세라믹 중의 임의의 것과 같은 강성 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 용기(3)의 용량은 바람직하게는 10-1000ml, 더 바람직하게는 200-500ml이다. 원수(2)는 순수한 물일 수 있으며 또는 거기에 예를 들어 염화나트륨, 염화칼륨, 및 염화마그네슘 등의 하나 이상의 전해질을 용해시킨 것일 수도 있다.

용기(3)에 흡입 튜브(5)가 배치되어 있다. 튜브(5)의 하단부는 내부에 있으며 원수(2)를 향해 개방되어 있고, 상단부는 감소된 직경을 가지며 헤드(4) 쪽으로 신장된다. 도면에 나타낸 실시형태에서의 흡입 튜브(5)가 감소된 직경 부분을 갖지만, 이러한 감소된 직경 부분은 항상 필요한 것은 아니며, 튜브는 동일한 직경을 갖는 튜브일 수도 있다.

애노드(막대 전극), 캐소드(역전극), 및 격막을 포함하는 전해 유닛(6)이 흡입 튜브(5) 내에 하우징된다. 도2에 나타난 바와 같이, 이 전해 유닛(6)은, 예를 들어, 촉매가 퇴적된 금속 막대 전극인 애노드(7); 애노드(7) 주위에 권회된 스트립 형상의 이온 교환막인 격막(8); 및 격막(8) 주위에 권회된 금속 와이어를 포함할 수도 있다.

흡입 튜브(5)의 감소된 직경인 상부는 수직 채널(10)으로서 기능하며, 그 상단은 헤드(4) 내의 수평 채널(11)에 연결되어 있다.

수평 채널(11)의 타단에, 분무 노즐(12)이 배치되어 있다. 트리거 암(13)의 받침점(14)은 분무 노즐(12)의 약간 안쪽에 배치되어, 트리거 암(13)이 받침점(14) 주위를 선회하며 움직인다. 트리거 암(13)은 내부로 연재하는 피스톤 막대(15)에 연결되어, 트리거 암(13)의 움직임에 따라 피스톤 로드(15)가 실린더(16) 내에서 이동한다.

부호(17)은 트리거 암(13)과 접촉하도록 배치된 트리거-연관 스위치를 나타내고, 부호(18)은 헤드(4) 내에 배치된 전원 배터리를 나타내며, 부호(19)는 전기분해가 진행 중인 때에만 온(on) 인 LED를 나타낸다.

상기한 구성을 갖는 전해수 분무기(1)를 손에 잡고, 집게손가락과 가운데손가락을 이용하여 트리거 암(13)에 내측 방향의 힘을 가한다. 그 결과, 트리거 암(13)은 받침점(14) 주위를 선회하여 이동하며, 트리거-연관 스위치(17)는 온 되며 전압이 전해 유닛(6)에 인가된다. 그와 동시에 실린더(16) 내의 피스톤이 이동하여 용기(3)에 있는 원수(2)를 흡입 튜브(5) 내의 전해 유닛(6)으로 유도하며, 이 원수는 전기분해되어 전해수를 생성한다. 이 전해 유닛(6) 내의 애노드(7)은, 예를 들어, 그 표면에 퇴적된 전도성 다이아몬드 층과 같은 촉매를 갖는다. 따라서, 높은 농도로 용해된 오존 또는 다른 활성 물질을 함유하는 전해수가 획득된다.

산출된 전해수는 수직 채널(10) 및 수평 채널(11)을 통해 순간적으로 통과하며 분무 노즐(12)을 통해, 살균될 물질에 대해, 미도시의 외부 공기 흡입 개구부를 통해 도입되는 공기와 함께 분무된다.

도2는 도1에 나타난 막-전극 어셈블리와 상이한 막-전극 어셈블리 실시형태 의 일부를 나타내는 확대도이다. 이 실시형태는 도1에 나타난 막-전극 어셈블리의 개량이다. 도1과 유사한 부재는 유사한 부호로 표시되며 그에 대한 설명은 여기서는 생략한다.

단일의 흡입 튜브(5)를 채택하였던 도1에 나타낸 실시형태와 달리, 도2에 나타낸 실시형태는, 헤드에 연결된 제1 흡입 튜브(5a)의 하단부가, 제1 흡입 튜브(5a)의 외경과 동일한 내경을 갖는 제2 흡입 튜브(5b)에 결합되어 있다. 애노드에 대한 전기 공급 단자(7a) 및 금속 와이어는 이 결합된 부분을 통해 외부로 유도된다.

도3은 본 발명의 전해수 분무기의 또다른 실시형태를 나타내는 개략적인 수직 단면도이다. 이 실시형태는 도1에 나타난 제1실시형태의 개량이다. 도1과 유사한 도면부호는 유사한 부호로 나타내고 그에 대한 설명은 여기서는 생략한다.

제1실시형태와 같은 전해수 분무기(1)에서, 전해수가 산출되어 트리거 암(13)에 집게손가락과 가운데손가락으로 트리거 암(13)에 내측 방향의 힘을 가함으로써 노즐(12)로부터 분사된다. 이와 달리, 이 실시형태에 따른 전해수 분무기(1a)에서는, 헤드(4a)가 아래로 가압되어, 하단이 감소된 직경을 갖는 흡입 튜브(5a)에서 전해 유닛(6a)에 의해 원수(2)가 전기분해된다. 따라서, 전해수가 생성되어 노즐(12a)을 통해 살균될 물질에 분무된다.

전술한 제1 및 제2실시형태는, 도2에 나타난 바와 같이, 금속 와이어를 포함하는 캐소드(9)가 격막(8)의 주위에 권회되어 있는 전해 유닛(6)을 채택한다. 그러나, 도4에 나타난 바와 같이, 캐소드는, 금속 와이어를 권회하지 않고 호일(9a) 을 접착함으로써 구성될 수도 있다.

도5는 흡입 튜브에 연결된 전해 유닛을 나타내는 도이다.

이 도면은, 제1 흡입 튜브(22) 및, 거기에 하우징된, 막대 전극의 주변을 스트립 형상 격막으로 나선형으로 피복하고 격막의 표면에 역전극을 배치함으로써 획득한 막-전극 어셈블리(21)를 포함하는 전해 유닛(23)이, 고정을 위한 수축 튜브(24)를 이용하여 제2 흡입 튜브(25)에 연결되는 실시형태를 나타낸다.

전해 유닛(23)의 상단은 고정용 수축 튜브(24)의 상단에 삽입되며, 제2 흡입 튜브(25)는 수축 튜브(24)에 삽입되어 제2 흡입 튜브(25)의 하단이 전해 유닛(23)의 상단에 접촉하거나 또는 그 근방에 오게 된다. 그 뒤, 고정용 수축 튜브(24)는 열적으로 수축되어 전해 유닛(23)과 제2 흡입 튜브(25)를 연결한다. 도면부호(26 및 27)는 전원 회로로부터 신장하는 구리 배선을 나타낸다. 구리 배선은 원 재료 용기의 상부에만 배치되어 가능한 한 액체와 접촉하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

도6a 및 도6b는 각각 막대 전극의 구조의 예 및 그와 공급 부재의 접속의 예를 나타내는 도면이다.

도6a에 나타난 바와 같이, 막대 전극(7)의 상단부의 주변은 절단되어 공급 라인 고정부(31)를 형성한다. 공급 라인 고정부(31)의 약간 아래에 위치한 막대 전극(7)의 그 부분의 주변은 절단되어 제1 격막/와이어 전극 고정부(32)를 형성한다. 또한, 막대 전극(7)의 하단부의 주변은 절단되어 제2 격막/와이어 전극 고정부(33)를 형성한다.

공급 라인(34)은 도6b에 나타난 바와 같이 공급 라인 고정부(31)에 연결 및 고정된다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 격막을 통해 권회된 와이어 전극의 권회 개시부 및 권회 종결부는 제1 격막/와이어 전극 고정부(32) 및 제2 격막/와이어 전극 고정부(33)에 각각 고정된다.

와이어 전극 및 격막의 권회는, 와이어 전극의 단부를 제1 또는 제2 격막/와이어 전극 고정부(32 또는 33)와 체결시킴으로써 원활하게 행할 수 있다. 이러한 방법 외에도, 제1 또는 제2 격막/와이어 전극 고정부(32 또는 33)와 연관된 와이어 전극의 그 단부가 열 수축성 튜브에 고정되는 방법이 이용될 수도 있다.

또한, 와이어 전극의 개시부를 권회하는 것이 적절한 방식으로 고리로 만들어지고 이 고리가 격막 또는 막대 전극에 고정되는 방법이 이용될 수도 있다.

도7은, 도2 및 4에 나타난 막-전극 어셈블리와 상이한 막-전극 어셈블리를 나타낸다.

도7에 나타난 막-전극 어셈블리(41)는, 촉매가 퇴적된 금속 막대 전극인 애노드(42); 애노드(42)의 주위에 권회된 스트립 형상의 이온교환막인 격막(43); 및 격막(43) 주위에 권회된 금속 와이어를 포함하는 캐소드(44)를 포함한다.

도7에 나타난 실시형태는, 애노드(42)의 하부 및 상부에 각각 배치되는 제1 고정 튜브(45) 및 제2 고정 튜브(46)를 갖는다.

도8은 도2 및 4에 나타난 막-전극 어셈블리와는 상이한 막-전극 어셈블리 실시형태를 나타내는 개략도이다.

이 실시형태는, 막대 애노드(51), 일정한 간격으로 배치되고 애노드의 외연 을 피복하는 3개의 링 형상 격막(52), 및 격막(52) 주위에 각각 권회된 3개의 와이어 캐소드(53)를 포함한다. 이 3개의 캐소드(53)는 컨덕터 와이어(54)로 서로 연결되어 있으며, 전원 공급 단자(55)는 막대 애노드(51)에 연결되어 있다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실시예1

도전성 다이아몬드 촉매(도펀트 붕소 농도 500ppm)가 퇴적된, 니오븀으로 만들어진 막대(직경 2mm; 길이 5cm)가 애노드로서 이용되었다. 이온 교환막(DuPont사에 의해 제조된 Nafion 350; 두께 0.35mm; 폭 2mm)이 애노드 주위에 격막으로서 권회되어 있다. 시판의 백금 와이어(직경 0.4mm)가 캐소드로서 격막에 권회되어 애노드-막-캐소드 어셈블리를 얻는다. 그 안에 고정된 이 막-전극 어셈블리를 포함하는 전해 유닛은, 도1에 나타난 바와 같이, 트리거 타입 분무기에서 흡입부에 부착된 PE 수지 튜브에 연결된다. 9V 각형 배터리가 트리거 타입 분무기의 헤드에 장착되어 있다. 회로 부분에서, 전극 단자는 가변 저항 및 배선을 갖는 스위치에 연결되어 있다. 용기는 500cc의 순수한 물로 채워져 있다.

트리거가 당겨졌고, 회로는 스위치 온 되며 전류는 배터리와 셀 사이에 흘렀다. 그와 동시에, 순수한 물이 분사되었다. 분사된 물의 양은 약 0.5cc였으며, 이 동작을 통해 흐른 전기의 양은 0.2C(0.5s×0.4A)이었다. 셀의 단자 전압은 9V였다. 이 동작은 100회 반복적으로 행해졌다. 그 결과, 약 50cc에 달하는 분사된 용액의 오존 농도는 5ppm이었다(전류 효율의 8%에 대응됨). 트리거 동작은 2000회 반복되었으며, 그로 인해 얻어지는 오존 함유수의 농도는 약 5ppm이었다.

각각의 실시예에서, 오존 농도, 하이포아염소산 농도, 과황산 농도, 및 과탄산 농도는 자외선 분광 광도계를 이용하여 요오드화칼륨을 이용한 요오드 적정에 의해 측정된다.

실시예2

용기가 0.1g/L 염화나트륨을 포함하는 수돗물로 채워진 점을 제외하고는 실시예1에서와 동일한 테스트를 행하였다. 그 결과, 산출된 용액에서의 오존 농도 및 하이포아염소산 농도는 각각 3ppm 및 0.5ppm이었다(각각, 5% 및 0.3%의 전류 효율에 대응됨). 셀의 단자 전압은 7.5V였으며, 전류는 0.4A였다. 트리거 동작은 2000회 반복되었다. 그 결과, 이러한 가수분해 산물에 대한 전류 효율은 각각의 초기값과 거의 동일하였다. 칼슘 및 마그네슘 합성물의 퇴적이 캐소드에서 소량 관찰되었다.

실시예3

산화이리듐(5g/m²) 촉매가 퇴적된 티타늄 재질의 막대가 애노드로 사용되고 0.1g/L 염화나트륨을 포함하는 수돗물이 이용된 점을 제외하고는 실시예1과 동일한 테스트를 행하였다. 그 결과, 셀의 단자 전압은 5.5V였고 전류는 0.45A였다. 산출된 용액에서의 하이포아염소산 농도 및 오존 농도는 각각 10ppm 및 0.1ppm 이하였다.

실시예4

백금 촉매(20g/m²)가 퇴적된 티타늄 재질의 막대가 애노드로 이용된 점을 제외하고는 실시예1과 동일한 테스트를 행하였다. 그 결과, 셀의 단자 전압은 6V였으며 전류는 0.4A였다. 용액의 오존 농도는 1ppm이었다. 트리거 동작은 2000회 반복되었다. 그 결과, 오존 농도는 0.5ppm으로 감소되었다.

실시예5

백금 촉매(20g/m²)가 퇴적된 티타늄 재질의 막대가 애노드로 이용되고 0.1g/L 염화나트륨을 포함하는 수돗물이 이용된 점을 제외하고는 실시예1과 동일한 테스트를 행하였다. 그 결과 셀의 단자 전압은 5.5V였고 전류는 0.45A였다. 산출된 용액의 하이포아염소산 농도 및 오존 농도는 각각 3ppm 및 1ppm이었다.

실시예6

실시예1에서와 동일한 막대 전극이 이용되었다. 이온 교환막의 스트립 들(Nafion 350, DuPont사 제조, 두께 0.35mm, 폭 2mm)의 각각은 링으로 미리 형성되어 애노드에 격막으로서 배치된다. 시판의 은 와이어(직경 0.4mm)는 각각 격막 링 주위에 캐소드로서 연속적으로 권회되어 도8에 나타난 바와 같은 애노드-막-캐소드 어셈블리를 생성한다. 그 안에 고정된 이 막-전극 어셈블리를 포함하는 전해 유닛이 실시예1에서와 같은 방식으로 평가되었다. 그 결과, 100회 동작 반복에 의해 분사되고 50cc에 이르는 용액의 오존 농도는 4ppm이었다(전류 효율의 6%에 대응됨).

비교예1

도9에 나타난 전해수 분무기가 이용되었다. 이 전해수 분무기(1a)는, 흡입 튜브(5a)가 도1의 흡입 튜브보다 짧다는 점 및 전해 유닛(6)이 분무기에서 유동체 통로로서 기능하는 튜브로부터 떨어져 배치되어 있다는 점에서 도1에 나타난 전해수 분무기와 상이하다. 이 분무기는 실시예1에서와 같은 방식으로 평가되었다. 그 결과, 100회 동작 반복에 의해 분사되고 50cc에 이르는 용액에서의 오존 농도는 0.3ppm이었다.

본 발명을 특정의 실시형태를 참조하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 본질 및 범위에서 벗어남이 없이 다양한 변형 및 개조가 가능함은, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에게는 자명하다.

도1은 본 발명의 전해수 분무기의 제1실시형태를 도시하는 개략적인 수직 단면도이다.

도2는 도1에 도시된 막-전극 어셈블리와 상이한 막-전극 어셈블리 실시형태의 일부를 도시하는 확대도이다.

도3은 본 발명의 전해수 분무기의 다른 실시형태를 도시하는 개략적인 수직 단면도이다.

도4는 도2에 나타난 막-전극 어셈블리 실시형태와 상이한 부분을 도시하는 확대도이다.

도5는 흡입 튜브에 연결되는 전해 유닛을 도시하는 도이다.

도6a 및 도6b는 각각, 막대 전극의 구조의 예와, 그것과 공급 부재의 연결의 예를 도시하는 도이다.

도7은 도2 및 4에 나타난 막-전극 어셈블리와 상이한 막-전극 어셈블리를 도시하는 도이다.

도8은 막-전극 어셈블리의 또다른 실시형태를 도시하는 개략도이다.

도9는 비교예1에서 이용된 전해수 분무기를 도시하는 개략적인 수직 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명

1: 전해수 분무기

2: 원수(raw water)

3: 용기

4: 헤드

5: 흡입 튜브

6: 전해 유닛

7: 애노드(막대 전극)

8: 격막(diaphragm)

9: 캐소드(역전극)

12: 분무 노즐

13: 트리거 암(trigger arm)

17: 트리거-연관 스위치

Claims (6)

1. 막대형 또는 원통형의 형상을 갖는 제1전극;

   상기 제1전극의 외연을 피복하는 스트립 형상 격막(diaphragm); 및

   상기 스트립 형상 격막의 표면에 배치되는 제2전극

   을 포함하며,

   상기 제1전극의 주위에, 스트립 형상 격막을 간격을 주어 피복하는 막-전극 어셈블리.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 스트립 형상 격막은 상기 제1전극의 외연을 나선형으로 피복하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
4. 막대형 또는 원통형의 형상을 갖는 제1전극, 상기 제1전극의 외연을 피복하는 스트립 형상 격막, 및 상기 스트립 형상 격막의 표면에 배치된 제2전극을 포함하는 막-전극 어셈블리;

   상기 막-전극 어셈블리가 그 안에서 고정되는 튜브; 및

   상기 튜브 내에서 상기 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나에 연결되는 전기 공급 단자

   를 포함하는 전해 유닛.
5. 원수(raw water)를 포함하는 용기;

   제4항에 따른 전해 유닛; 및

   상기 전해 유닛으로 상기 원수를 전기분해함으로써 생성되는 전해수를 분사하는 헤드

   를 포함하는 전해수 분사 장치.
6. 전해수로 살균하는 방법으로서,

   막대형 또는 원통형의 형상을 갖는 제1전극, 상기 제1전극의 외연을 피복하는 스트립 형상 격막, 및 상기 스트립 형상 격막의 표면에 배치된 제2전극을 포함하는 막-전극 어셈블리로 원수를 전기분해하여 전해수를 생성하는 단계; 및

   상기 전해수를 살균될 물질에 분사하는 단계

   를 포함하는 전해수 살균 방법.

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