KR101254889B1 - 활성산소 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

도전성 고분자를 포함하는 복수의 기재로 이루어지는 음극(4)과, 도전성을 갖는 양극(5)과, 양극 사이(4, 5)에 산소를 용존하는 물(1)을 통하여 통전시키는 전원(3)과, 물(1)을 저장하는 물받이부(2)를 구비하고, 음극(4)은, 판 형상의 복수의 기재(4a)가 간격을 두고 물받이부(2)에 입설 배치되어 이루어지고, 양극(5)은, 복수의 기재(4a)에 걸쳐서, 또한 복수의 기재(4a)와 직교하는 양태로 배치되어 있는 활성산소 생성 장치.

Description

활성산소 생성 장치{ACTIVE OXYGEN GENERATOR}
본 발명은, 활성산소를 효율 좋게, 연속적으로 발생하는 장치에 관한 것으로, 특히 그 소형화 및 간이화를 실현할 수 있는 구조에 관한 것이다.
활성산소를 생성하는 수단으로서, 방전이나 광촉매를 이용하는 방법 등이 있다. 그러나 전자(前者)는 전력량이 많고, 고전압 입력에 대한 안전성의 확보도 필요해 진다. 또한, 후자는 그 효과를 올리기 위해 자외선의 광원을 필요로 하고, 장치가 대형화하거나, 자외선의 인체에 대한 영향도 간과할 수 없다. 또한, 수중에서 전기를 이용한 전기 분해에 의해 활성산소를 생성하는 수단도 보이지만, 부생성물로서 바람직하지 않는 수소나 염소가 많이 발생한다. 이와 같은 문제를 해결하는 수단으로서, 양극과 활성산소 발생능을 갖는 도전성 고분자(이하 도전성 고분자로서 기재한다)를 담지시킨 음극과의 사이에, 미약 전류를 통전시킴에 의해 수소나 염소의 발생을 억제하고, 활성산소를 유의(有意)하게 발생시키는 수단도 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1).
[특허문헌]
특허 문헌 1: 일본 특허 제3492327호 공보(도 1 등)
도전성 고분자는, 산화환원 반응의 반응성에 우수하고, 그 도전성 고분자로부터 수중의 용존 산소에 전자가 공여(供與)되고, 산소를 환원하여 활성산소를 생성한다. 이와 같은 산화환원능을 갖는 폴리아닐린에 전기적으로 환원 전위를 주어 연속적으로 전자 공급을 행하면, 수중에서 활성산소가 계속 생성되게 된다. 이와 같은 방식에서, 활성산소 생성량을 고효율화하기 위해, 전극대(電極對)를 적층하고, 양극에 대해 도전성 고분자를 담지(擔持)한 음극을 복수 대향(對向)한 장치가 있다. 그러나, 적층되는 음극은 양극과의 전극 사이 거리가 떨어져 가기 때문에, 양극으로부터의 거리가 멀수록 활성산소 생성량은 적어지고, 생성에 기여하는 음극은, 대부분이 양극과 인접하는 음극으로 되어 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 활성산소 생성 장치의 소형화 또는 간이화를 도모하면서, 활성산소를 효율 좋게 연속적으로 발생할 수 있는 활성산소 생성 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 활성산소 생성 장치는, 도전성 고분자를 포함하는 복수의 기재(基材)로 이루어지는 음극(陰極)과, 도전성을 갖는 양극(陽極)과, 상기 양(兩) 극(極) 사이에 산소를 용존하는 물을 통하여 통전시키는 전원과, 상기 물을 저장하는 물받이부를 구비하고, 상기 음극은, 판 형상의 상기 복수의 기재가 간격을 두고 상기 물받이부에 입설(立設) 배치되어 이루어지고, 상기 양극은, 상기 복수의 기재에 걸쳐서, 또한 상기 복수의 기재와 직교하는 양태로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극의 수중에 침지하고 있는 표면적을, 상기 음극의 수중에 침지하고 있는 표면적으로 대해 개략 동등 또는 동등 이하로 한 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 활성산소 생성 장치에 의하면, 복수의 기재(음극)에 대해 공통의 양극을 이용할 수 있기 때문에, 전극의 구성을 소형화 및 간이화하고, 게다가 활성산소량을 증대시킬 수 있다.
또한, 양극의 수중에 침지하고 있는 표면적을, 음극의 수중에 침지하고 있는 표면적에 대해 개략 동등 또는 동등 이하로 함으로써, 음극에서 생성된 활성산소가 양극에서 소비되는 것이 저감되어, 결과적으로 활성산소량을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에서의 활성산소 생성 장치의 단면 모식도.
도 2는 실시의 형태 1에서의 양극과 음극의 표면적비에 대한 활성산소 발생량을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 2에서의 활성산소 생성 장치의 구성 모식도.
도 4는 실시의 형태 2의 변형예를 도시하는 활성산소 생성 장치의 단면 모식도.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 3에서의 활성산소 생성 장치의 구성 모식도.
이하, 본 발명에 관한 활성산소 생성 장치의 실시의 형태를 설명한다. 또한, 각 실시의 형태에서의 활성산소 생성 장치는, 산소를 용존하는 물(1)(에, 도전성 고분자를 포함하는 기재로 이루어지는 음극(4)과, 도전성을 갖는 양극(5)을 침지시켜, 음극(4)과 양극(5)의 사이를 통전시킴으로써 활성산소를 생성하는 점에서 공통되어 있다.
실시의 형태 1.
도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 활성산소 생성 장치의 구성을 도시하는 단면 모식도이다. 이 활성산소 생성 장치는, 도전성 고분자를 포함하는 판 형상의 기재(4a)로 된 음극(4)과, 도전성을 갖는 양극(5)과, 양(兩) 전극(4, 5) 사이에 산소를 용존하는 물(1)을 통하여 통전시키는 전원(3)과, 물(1)을 저장하는 물받이부(2)를 구비하고 있다. 그리고, 전원(3)에 의해, 물받이부(2) 내에 저장된 물(1)을 통하여, 음극(4)과 양극(5)의 사이를 통전함으로써 활성산소를 생성한다.
음극(4)은, 판 형상(원판 형상, 각판(角板) 형상 등)으로 형성된 복수의 기재(4a)로 구성되어 있고, 판 형상의 하나의 양극(5)이 복수의 기재(4a)에 걸쳐서, 또한 복수의 기재(4a)의 각 판면 방향과 직교하도록, 물받이부(2)의 저부에 배치되어 있다. 즉, 음극(4)이 되는 복수의 기재(4a)에 대해, 공통의 양극(5)이 직교하는 양태로 마련되어 있다.
또한, 물받이부(2) 내에 저장된 물(1)에 침지하고 있는 양극(5)의 표면적은, 물(1)에 침지하고 있는 음극(4)의 표면적(음극(4)을 구성하는 각 기재(4a)의 물(1)에 침지하고 있는 표면적을 합산한 값)에 대해 개략 동등하거나 또는 작게 한다. 이와 같이 함으로써, 양극(5)에서 생성되는 물질의 양을 적게 하고, 음극에서 생성된 활성산소가 양극측의 생성물질과 반응하여 소비되는 것을 저감하여, 결과적으로 본 장치에서의 활성산소의 생성량을 증대시킬 수 있다.
또한, 도 1의 구성에서, 복수 있는 각 기재(4a)끼리(음극(4)끼리)의 거리는, 양극(5)과 각 기재(4a)(음극(4))와의 거리보다도 길게 하는 것이 바람직하다. 이것은, 전자(前者)의 거리의 쪽이 후자보다 짧은 경우, 수중에 공급되는 전류량은 감소하고, 전자(電子)의 분포는 균일지 않게 되기 때문에, 생성되는 활성산소량이 감소하기 때문이다.
음극(4)을 구성하는 기재(4a)에는, 도전성 고분자가 함유되어 있다. 그 기재(4a)는, 카본, 백금 담지 티탄, 도전성 수지 등의 도전성 재료 외에, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), ABS 수지, PP(폴리프로필렌) 등의 절연성의 재료로 형성할 수 있다. 또한, 기재(4a) 자체가 도전성 고분자라도 좋다. 도전성 고분자는, 예를 들면, 폴리아닐린, 폴리아닐린 유도체, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리아세틸렌 중의 적어도 하나의 재료로 이루어진다.
양극(5)을 구성한 기재는, 카본, 백금 담지 티탄, 도전성 수지중 어느 하나 이상으로 형성할 수 있고, 그 표면 저항치를 10-3 내지 105Ω/㎝의 범위로 하는 것이 바람직하다.
표면 저항치가 낮으면 전류는 흐르기 쉬워지기 때문에, 양 극(兩極)에서의 반응은 촉진한다. 또한, 표면 저항치가 105Ω/㎝ 이상이 되면 통전 전류는 최대로 수십㎂가 되고, 활성산소의 생성량이 거의 검출할 수 없는 레벨로 된다.
상기한 활성산소 생성 장치에 의하면, 음극(4)의 표면에 함유되어 있는 도전성 고분자로부터, 물(1) 중에 용존하고 있는 산소에 전자가 공여되어, 슈퍼옥시드, 히드록실 래디칼, 과산화수소 등의 활성산소가 생성된다. 한편, 양극(4)의 표면에서는 수중의 전자(電子)가 빼앗겨서 산소가 생성되지만, 그 밖에도 혼입되어 있는 불순물과 반응하여, 예를 들면 차아염소산 등이 생성된다. 활성산소는 차아염소산과 반응하여 물로 되돌아오기 때문에, 양극(5)에서의 생성물이 많으면, 수중에 존재하는 활성산소량은 감소한다. 그 때문에, 양극(5)과 음극(4)의 사이에 격막(膈膜)을 설치하고 각각의 전극측에서의 생성물을 분리하는 것이 일반적으로 행하여진다. 그러나, 본 발명에서는 격막을 사용하지 않고, 수중에 침지하고 있는 양극(5)의 면적(표면적)을, 수중에 침지하고 있는 음극(4)의 면적(표면적)과 개략 동등하거나 그것보다도 작게 함으로써, 활성산소량이 감소하는 것을 억제하고 있다.
다음에, 양극(5)과 음극(4)의 표면적비(表面的比)와 활성산소 생성량과의 관계를 나타낸다. 도 2는, 카본으로 이루어지는 양극(5)과, 카본 크로스에 폴리아닐린을 담지한 복수의 기재로 이루어지는 음극(4)을 사용하고, 음극(4)의 표면적을 51㎠ 로 고정하고, 양극(5)의 표면적을 변화시켜서 1.4VvsAgCl 인가한 때의 6시간 후의 과산화수소 생성량을 도시한 것이다. 또한, 「1.4VvsAgCl」이란, 염화은(AgCl) 전극을 참조 전극으로서 이용하여, 어느 하나의 전극(예를 들면 양극)의 전극 전위를, 0으로 하여, 1.4V 인가한 것이다.
이때의 전극 사이 거리(음극(4)과 양극(5)의 거리)는 5㎜이고, 물(1)로는 수돗물을 이용하여 측정을 실시하였다. 도 2로부터, 음극(4)에 대해 양극(5)의 표면적이 크면 활성산소량이 감소하는 것을 알 수 있다. 이것은, 음극(4)에서 생성한 활성산소는 양극(5)에 접촉하면 소멸하여 버리기 때문에, 양극(5)의 표면적이 음극(4)보다 크면 음극(4)에서 생성한 활성산소가 양극(5)에 의해 소멸하여 버리는 양이 증가하기 때문에, 결과로서 물(1) 중의 활성산소량은 감소한다. 또한, 음극(4)의 표면적이 양극(5)의 표면적보다 커도, 음극(4)에서부터 생성된 활성산소량에는 큰 변화는 보이지 않았다. 따라서, 활성산소 생성량을 증대시키는데에는, 양극(5)의 수중에 침지하고 있는 표면적을, 음극(4)의 수중에 침지하고 있는 표면적과 개략 동등하거나 동등 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 음극(4)에 대해 양극(5)의 표면적을 작게 한 경우는, 음극(4)의 표면적에 따라 활성산소가 생성된 양이 감소한다. 따라서, 양극(5)의 수중에 침지하고 있는 표면적을, 음극(4)의 수중에 침지하고 있는 표면적과 개략 동등하게 함으로써 가장 스페이스 효율이 좋아지고, 예를 들면 같은 크기인 장치와 비교하면 보다 활성산소 생성량이 큰 장치를 얻을 수 있고, 또한, 같은 활성산소 생성량의 장치에 비하면 보다 소형의 장치를 얻을 수 있다. 또한, 활성산소의 발생 효율을 생각하면, 음극(4)과 양극(5) 사이의 거리는 최대라도 10㎝로 하는 것이 바람직하다.
실시의 형태 1의 활성산소 생성 장치에 의하면, 복수의 기재(4a)(음극(4))에 대해 공통의 양극(5)을 이용할 수 있기 때문에, 전극(4, 5)의 구성을 소형화 및 간이화할 수 있다. 그에 더하여, 활성산소 발생 부분인 음극(4)의 면적을 크게 할 수 있기 때문에, 활성산소 생성량을 증대시킬 수 있다.
또한, 양극의 수중에 침지하고 있는 표면적을, 음극의 수중에 침지하고 있는 표면적에 대해 개략 동등 또는 동등 이하로 함으로써, 음극에서 생성된 활성산소가 양극에서 소비되는 것이 저감되기 때문에, 결과적으로 활성산소량을 증대시킬 수 있음과 함께, 활성산소 생성 장치의 소형화에도 기여할 수 있다.
실시의 형태 2.
다음에, 본 발명의 실시의 형태 2에 관해 설명한다. 도 3은, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 활성산소 생성 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 여기서는, 수평 방향에 축방향을 갖는 도전성의 축(6)을 물받이부(2) 상방에 회전 가능하게 배치하고, 축(6)에는 판 형상(바람직하게는 원판 형상)의 복수의 기재(4a)를, 간격을 두고 배치하여 음극(4)을 형성하고 있다. 이 음극(4)은, 각 기재(4a)의 일부가 물받이부(2)에 저장된 물(1)에 침지하도록 설치되고, 축(6)의 회전에 수반하여 각 기재(4a)의 물(1)에 침지하고 있는 면이 회동하는 구성으로 되어 있다. 따라서, 음극(4)이 회전함으로써, 각 기재(4a)의 표면은 물(1)과 대기를 교대로 접촉하게 된다.
한편, 판 형상의 양극(5)은, 그 평면부를 축(6)의 축방향에 따라 평행하게 되고, 물받이부(2)에 입설(立設) 배치되어 있다. 즉, 공통의 양극(5)이, 복수의 기재(4a)에 걸쳐서, 또한 복수의 기재(4a)의 각 판면 방향과 직교하도록 배치되어 있다.
음극(4)을 구성하고 있는 기재(4a)에는 도전성 고분자가 함유되어 있고, 그 기재는 카본, 백금 담지 티탄, 도전성 수지 등의 도전성 재료 외에 PET, ABS, PP 등의 절연성의 재료로 할 수 있다. 또한, 그 기재(4a) 자체가 도전성 고분자라도 좋다.
한편, 양극(5)은 카본, 백금 담지 티탄, 도전성 수지중 어느 하나 이상의 기재로 형성할 수 있다. 여기서도, 수중에 침지하고 있는 양극(5)의 표면적은, 수중에 침지하고 있는 음극(4)의 표면적과 동등하거나 그보다 작게 한다.
도 4는 실시의 형태 2의 다른 예를 도시하는 활성산소 생성 장치의 단면 모식도이고, 도 4(a)가 정면도를, 도 4(b)가 측면도를 도시하고 있다. 도 4에서, 음극(4)의 구성은 도 3의 경우와 같다. 한편, 양극(5)은, 음극(4)의 주위를 덮는 통형(筒型) 형상으로 형성되어 배치되어 있다. 단, 양극(5)의 내측의 음극(4)에도 물(1)이 침지하도록, 양극(5)을 망 형상 또는 다공질 재료로 형성하고 통수성을 확보할 필요가 있다. 또한, 양극(5)을, 원통 형상의 측면만으로 형성하고, 음극(4과고 대향하는 그 밖의 면은 원통 형상을 유지하기 위한 테두리체로서 구성해도 좋다. 테두리체에는 개구부를 형성하고, 원통 형상의 내부에 물이 유입하도록 구성함에 의해, 양극(5)은 판 형상의 것을 둥글게 할 뿐으로 형성할 수 있기 때문에 저비용으로 형성할 수 있다.
실시의 형태 2의 활성산소 생성 장치에 의하면, 실시의 형태 1의 효과에 더하여, 음극(4)의 각 기재(4a)의 표면이 물과 대기를 교대로 접촉함으로써, 기재(4a)의 표면에서의 활성산소의 발생 효율이 향상한다.
또한, 회전기구를 갖음에 의해, 전극(음극(4), 양극(5)) 설치 양태의 자유도가 증가하고, 그에 의해 활성산소 생성 장치를 소형화하는 것도 가능해진다.
실시의 형태 3.
계속해서, 본 발명의 실시의 형태 3에 관해 도 5를 이용하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시의 형태 3에서의 활성산소 생성 장치의 구성 모식도이다. 이 활성산소 생성 장치는, 물받이부(2)에, 물(1)의 유수구(流水口)(7)와 배수구(排水口)(8)를 갖고 있다. 또한, 수평 방향에 축 방향을 갖는 도전성의 축(6)을 물받이부(2) 상방에 회전 가능하게 배치하고, 축(6)에는, 판 형상(바람직하게는 원판 형상)의 복수의 기재(4a)를, 간격을 두고 배치하여 음극(4)을 형성하고 있다. 이 음극(4)은, 도 4와 마찬가지로 각 기재(4a)의 일부가 물받이부(2)에 저장된 물(1)에 침지하도록 설치되고, 축(6)의 회전에 수반하여 각 기재(4a)의 물(1)에 침지하고 있는 면이 회동한 구성으로 되어 있다. 또한, 각 기재(4a)와 직교한 물받이부(2)의 저면 또는 측면의 일부를 도전성 재료로 형성하여, 그 도전성 재료 부분에 양극(5)으로서의 기능을 주고 있다.
여기서도, 물받이부(2)의 양극(5)으로서 작용하는 도전성 재료부의 물(1)에 침지하고 있는 표면적은, 물(1)에 침지하고 있는 음극(4)의 표면적과 동등하거나 또는 그보다 작게 한다. 또한, 양극(5)과 각 기재(4a)(음극(4))의 거리를, 기재(4a)(음극(4))사이의 거리보다도 단축한다.
실시의 형태 3의 활성산소 생성 장치에 의하면, 물(1)은 물받이부(2)의 유수구(7)로부터 유입(流入)하고, 일정량만큼 물받이부(2) 내에 저수되고, 음극(4) 표면에 함유되어 있는 도전성 고분자로부터, 용존하고 있는 산소에 전자가 공여되고, 슈퍼옥시드, 히드록실 래디칼, 과산화수소 등의 활성산소가 생성된다. 생성된 활성산소에 의해, 물받이부(2) 내의 물(1)은 항균, 위생화 되어 잉여분은 배수구(8)로부터 배출된다.
또한, 음극(4)이 수중과 대기 중을 교대로 왕복하기 때문에, 음극(4)에서의 활성산소의 발생 효율이 향상한다.
또한, 전극(음극(4), 양극(5))의 배치의 자유도가 증가함에 의해, 장치를 간이하면서 소형으로 할 수도 있다.
1 : 산소를 용존하는 물
2 : 물받이부
3 : 전원
4 : 음극
4a : 음극을 구성하는 판 형상의 기재
5 : 양극
6 : 도전성의 축
7 : 유입구
8 : 배수구

Claims (10)

  1. 도전성 고분자를 포함하는 복수의 기재로 이루어지는 음극과, 도전성을 갖는 양극과, 상기 양(兩) 극 사이에 산소를 용존하는 물을 통하여 통전시키는 전원과, 상기 물을 저장하는 물받이부를 구비하고,
    상기 음극은, 판 형상의 상기 복수의 기재가 간격을 두고 상기 물받이부에 입설 배치되어 이루어지고,
    상기 양극은, 상기 복수의 기재에 걸쳐서, 또한 상기 복수의 기재와 직교하는 양태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 양극의 수중에 침지하고 있는 표면적을, 상기 음극의 수중에 침지하고 있는 표면적에 대해 동등 또는 동등 이하로 하고 있는 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 양극과 상기 음극을 구성하는 각 기재의 거리는, 상기 음극 기재 끼리의 사이의 거리보다도 짧은 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 양극은, 상기 물받이부의 내측 저면에 따라, 또는 상기 물받이부에 입설(立設)하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 양극은, 상기 음극의 전체를 덮는 상자 형상 또는 통 형상인 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 양극은, 상기 물을 저장하는 용기의 일부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 음극은, 수평 방향에 배치된 도전성의 축을 통하여 적층되어 있고, 상기 도전성의 축을 중심으로 상기 수중과 대기중과의 사이를 회전하는 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    도전성 고분자를 포함하는 상기 기재의 표면은, 10-3 내지 105Ω/㎝의 표면 저항치인 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 도전성 고분자는 폴리아닐린, 폴리아닐린 유도체, 폴리피롤, 폴리티오펜 또는 폴리아세틸렌 중 적어도 하나의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 음극과 상기 양극과의 사이의 거리가, 0.5 내지 10㎝인 것을 특징으로 하는 활성산소 생성 장치.
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