KR101336024B1

KR101336024B1 - 전해수를 이용한 산소 발생 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101336024B1
Application number: KR1020110058245A
Authority: KR
Inventors: 박수길; 윤수진; 양정진; 신현수; 김정식
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2013-12-03
Also published as: KR20120138854A

Abstract

전해식으로 제조된 전해수를 전해액으로 사용하여 2차 전해 장치를 통해 산소를 발생시키기 위한 전해수를 이용한 산소 발생 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명은 본 발명에 따른 산소 발생 방법은 전해염을 투입하여 농도 0.01% ~ 1%의 범위내의 원수를 유입 받아, 10 ㅧ 10 cm² 전극 면적당 8 ~ 10V 전압 범위 내에서 1차로 전위를 인가함으로서 전해 과정을 수행하는 1차 전해 과정; 및 1차 전해과정 후에 생성된 환원수에 10 ㅧ 10 cm² 전극 면적당 12 ~ 15V 전압 범위 내에서 2차로 전위를 인가함으로서 산소를 발생시키는 2차 전해 과정을 포함한다.

Description

전해수를 이용한 산소 발생 방법 및 장치{method for oxygen generating using electrolyzed water and apparatus for performing the same}

본 발명은 전해수를 이용한 산소 발생 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 전해식으로 제조된 전해수를 전해액으로 사용하여 2차 전해 장치를 통해 산소를 발생시키기 위한 전해수를 이용한 산소 발생 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 환경 오염에 의한 실내 대기오염의 문제점이 제기되면서 실내 환경 개선에 필요한 장치 등이 관심을 갖기 시작하였다. 이에 따라 실내 공기를 개선하기 위한 산소 발생기, 공기 청정기 등의 공기 정화 장치의 개발이 활발하고, 가정용 및 공공 기관용등으로 이러한 공기 정화 장치가 많이 보급되고 있는 실정이다.

이러한 공기 정화 장치에서 공기를 정화하고 산소를 발생시키기 위하여 멤브레인 방식 또는 전기분해방식이 많이 사용되고 있는 데, 이와 관련하여 대한민국공개 특허 제 10-2008-0035847 호, 일본 공개 특허 제 2008-51453 호에는 전기분해방식 공기 정화 장치에 관한 기술이 공개되어 있고, 대한민국등록실용신안 제 20-0307369호 및 대한민국등록 실용신안 제 20-0354683 호에 산업용 산소발생장치가 개시된 바 있다.

즉, 산소 발생 장치는 제올라이트를 흡착제로 사용하는 압력순환흡착(Pressure swing adsorption; 이하 PSA라함)방식이 일반적이며, 멤브레인이나 평막등의 분리막을 사용하는 멤브레인 방식, 전기분해방식(전해식) 등으로 구분된다.

PSA방식은 제올라이트(Zeolite)라는 특수 물질을 이용하여 기체가 흡착했을 때 기체 성분에 따라 붙는 것들과 안 붙는 것들의 차이를 이용한다. 제올라이트에 산소가 가장 늦게 흡착되게 되고 이렇게 흡착된 산소를 뿜어주면서 산소를 발생시키는 것이다.

멤브레인 방식은 기체 분리막 방식이라고도 하는데, 기체 혼합물 중 특정 기체성분만을 분리해낼 수 있는 분리막을 이용하여 산소를 생산하는 방식이다. 막을 이용한 기체분리는 막에 대한 선택적인 가스투과 원리에 의하여 진행된다. 즉, 기체 혼합물이 막 표면에 접촉하였을 때 기체성분은 막 속으로 용해되어 확산하게 되는데 이 때 각각의 기체성분의 용해도와 투과도는 막 물질에 대하여 서로 다르게 나타나게 되는 것을 이용하는 것이다. 예를 들면 헬륨, 수증기 등은 쉽게 투과하는 기체성분들인 반면 메탄, 질소 등은 매우 느리게 투과하는 기체성분들이다. 이러한 원리로 산소와 질소, 이산화탄소와 메탄 등을 막을 이용하여 분리하여 산소를 발생시키는 것이다.

그러나, 종래의 제올라이트를 이용한 PSA방식 및 분리막을 이용하는 멤브레인 방식 등의 산소 발생장치는 수분에 민감하여 일정기간이 경과하면 산소 발생 효율과 발생된 산소의 순도가 저하되는 문제점을 야기하며, 특히 PSA 방식은 압축기를 사용함으로서 소음 발생의 문제점이 있다.

또한 종래의 전해식 산소 발생기의 경우 고 농도의 알칼리 용액을 사용하는 문제점으로 주변 장치의 부식과 전해질의 농도 변화에 따른 전극 수명 단축과 염의 석출 등의 문제점을 안고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것이다. 클로라이드가 포함되어 있지 않은 전해염을 사용하여 전해식으로 제조된 전해수를 전해액으로 사용하는 2차 전해식의 산소 발생장치를 제공함으로써 소음의 발생을 최대한 억제하고 전해액의 부식과 염 석출 등의 문제점을 해결하며, 인체에 해로운 클로린 가스를 형성하지 않는 환경 친화적인 전해수를 이용한 산소 발생 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명에 따른 산소 발생 방법은, 전해염을 투입하여 농도 0.01% ~ 1%의 범위내의 원수를 유입 받아, 10 × 10 cm² 전극 면적당 8 ~ 10V 전압 범위 내에서 1차로 전위를 인가함으로서 전해 과정을 수행하는 1차 전해 과정; 및 1차 전해과정 후에 생성된 전해수를 취하여 10 × 10 cm² 전극 면적당 12 ~ 15V 전압 범위 내에서 2차로 전위를 인가함으로서 산소를 발생시키는 2차 전해 과정을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 1차 전해 과정에서 투입되는 전해염은 염소(Cl)를 포함하지 않는 질산 나트륨(NaNO₃), 탄산칼슘(CaCO₃), 불화나트륨(NaF), 황산나트륨(NaSO₄), 브론산나트륨(NaBr), 요오드화 나트륨(NaI)중 어느 하나인 것이다.

또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 내부에는 원수가 유입되는 유입관의 수직방향으로 이온 투과형 격막이 형성되며, 이온 투과형 격막의 내측 및 외측으로 전해용 전극이 형성되어 전해 동작을 수행하기 위한 전해장치;

전해장치의 외측에 형성되어 전해 장치내에 형성된 전해용 전극에 전원을 공급하기 위한 전원장치; 그리고,

전해장치에 저장된 원수를 공급하고, 전해장치에서 전해된 전해수를 배출하여 2차 전해조로 공급받으며, 일측에 발생된 산소를 외부로 배출하기 위한 산소 토출구가 형성된 저장부를 포함한다.

바람직하게, 전해 장치에 사용되는 전해용 전극은 티타니움 메쉬(mesh)에 산화백금(PtO₂₎를 코팅한 전극이다.

본 발명은 전해식의 산소 발생장치인 PSA 방식의 단점인 압축기 등에 의한 소음 발생의 문제점을 해결하고, 전해식 산소 발생기에서 발생할 수 있는 고 농도의 알칼리 전해액의 부식과 염 석출 등의 문제점을 해결하기 위하여 전해식으로 제조된 전해수를 전해액으로 사용한다. 전해식의 전해수를 제조할　때 클로라이드가 포함되어 있지 않은 전해염을 사용함으로서 인체에 해로운 클로린 가스를 형성하지 않아 환경 친화적인 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전해 과정을 거쳐 산소를 발생시키는 장치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2(a)와 (b)는 도 1의 산소 발생 장치에서 전해 과정에서 첨가되는 염의 종류에 따른 ORP 변화 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 산소 발생 장치의 전해 과정에서 형성된 산화수와 환원수에 대한 산소 발생 전위 측정 결과에 대한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 산소발생장치의 전해 과정에서 형성된 환원수의 ORP값에 따른 환원 전류 측정 결과에 대한 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 전해수를 이용한 전해식 산소 발생기를 설명하기 위한 모식도로서, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(100)는 원수를 산화수와 환원수로 제조하는 1차 전해 과정 및 1차 전해 과정에서 생성된 전해수를 다시 전해하여 산소를 발생시키는 2차 전해 과정을 수행한다. 본 발명에 따른 산소를 발생시키는 장치는 도 1에서 보는 바와 같이, 원수를 전해하기 위한 전해장치(110)의 내부에는 원수가 유입되는 유입관(118)의 수직방향으로 이온 투과형 격막(116)이 형성되며, 이온 투과형 격막(116)의 내측 및 외측으로 전해용 전극(114,115)이 형성된다. 전해용 전극(114, 115)은 전해장치(110)의 외측에 형성되어 전원을 공급하는 전원장치(113)와 전기적으로 연결된다.

또한, 전해장치(110)는 원수를 보관하는 저장부(112)로 부터 유입관(118)을 통하여 원수를 유입 받고, 배출관(119)을 통하여 전해된 전해수를 다시 저장부(112)에 저장시키도록 구성된다. 유입관(118)에는 저장부(112)에 보관된 원수를 전해장치(110)에 유입시키기 위한 모터(120)가 형성된다. 또한, 저장부(112)의 일측에는 발생된 산소를 외부로 배출하기 위한 산소 토출구(117)가 형성된다.

본 발명에 따른 전해식 산소 발생 장치에서 전해용 전극(114,115)은 티타니움 메쉬(mesh)에 산화백금(PtO₂₎를 코팅한 전극을 사용하는 것이 바람직하지만 일반적으로 전해 장치에 사용되는 전극을 사용하여도 무방하다.

또한, 저장부(112)에 저장된 원수에는 전해 작용을 원활하게 하기 위한 전해염을 첨가하게 되는 데, 저장부(112)에 첨가되는 전해염은 염소(Cl)를 포함하지 않는 질산 나트륨(NaNO₃), 탄산칼슘(CaCO₃), 불화나트륨(NaF), 황산나트륨(NaSO₄), 브론산나트륨(NaBr), 요오드화 나트륨(NaI)등을 사용할 수 있으며, 전해염이 투입된 이후의 원수의 농도는 0.01% ~ 1%가 되는 범위가 바람직한데, 원수에 포함된 전해염의 농도가 1% 이상의 과 농도에서는 전해수의 농도 증가에 따른 염 석출이 발생 할 수 있으며, 0.01% 이하의 농도에서는 전해수의 형성이 이루어지지 않아 전해 장치(110)로 투입되었을 경우 과전압을 형성할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 산소발생장치(100)의 전해장치(110)의 전해과정은 저장부(112)의 원수를 모터(120)의 동작으로 유입관(118)을 통하여 유입받아 1차적으로 전위를 인가하여 전해 과정을 수행하고, 1차 전해 과정에서 전해장치(110)에 형성된 산화수는 배출관(119)을 통하여 다시 저장부(112)에 유입된다.

1차 전해 과정에서 인가되는 전압은 전극의 크기에 따라 변화 될 수 있으며, 10 × 10 cm²의 전극 면적을 기준으로 약 8 ~ 10 V의 전압을 인가한다. 전압 인가 과정에서 8V 이하 영역에서는 생성되는 전해수(산화수)의 산화 환원 전위(ORP)값이 낮아 2차 전해 과정에서 인가되는 전압을 증가시켜 효율을 감소시키며, 10V 이상의 전압을 인가할 경우 전해 과정에서 가스 발생을 야기하여 수소 발생의 원인이 되기도 한다. 이와 같은 원인은 전해과정에서 전해액 농도에 따른 과전압의 범위를 설정하는 것이 중요하다는 것을 의미한다. 즉, 1차 전해 과정에서는 과전압이 형성되기 이전까지의 전압이 인가되는 것이 중요한 것이다.

1차 전해과정을 수행하여 저장부(112)에 저장된 전해수는 모터(120)의 동작으로 유입관(118)을 통하여 전해장치(110)로 유입되고, 유입된 전해수에 전위를 인가하여 2차 전해 과정을 수행하여 산소를 발생시키게 된다.

1차 전해 과정에서 생성된 전해수 중 산화수만이 전해 장치(110)의 내부로 재 유입되며, 이 산화수에 약 12V ~ 15V의 전압을 인가함으로서 산화수가 전해되어 산소를 발생한다. 이 과정에서 산화수에 인가되는 12V 이하의 전압은 산소 발생 효율을 감소시키고, 15V 이상의 전압은 상대 전극에서 수소 발생의 원인이 되며, 과전압으로 인한 전극 싸이클 성능 감소의 원인과 효율 감소의 원인이 된다.

도 2는 전해 과정에서 염의 특성에 따른 산화수의 산화 환원 전위(ORP)값을 비교한 결과로서 (a)는 음이온의 특성을 관찰하기 위해 양이온에 나트륨(Sodium)을 포함하고 있는 염을 전해한 결과이다. 산화 환원 전위(ORP)의 차이는 클로라이드의 유무에 따라 차이를 보이는 것을 확인할 수 있으며, (b)의 그림 역시 양이온의 특성을 관찰하기 위해 음이온으로 콜로라이드(Chloride)를 포함하고 있는 염을 전해함으로서 함유하고 있는 염의 특성에 따라 산화 환원 전위(ORP)의 차이를 나타낸다.

도 2를 참조하면 전해염의 양이온의 특성보다는 음이온의 특성이 산화 환원 전위(ORP)의 변화에 큰 영향을 미치며, 클로라이드의 유무에 의한 산화 환원 전위(ORP)차이를 보이는 결과를 얻을 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 산소발생장치에서는 는 클로라이드에 의해 형성되는 HOCl(차염소산)에 의한 부식 등을 방지하기 위해 클로라이드를 포함하지 않는 염을 사용하고자 한다.

상기의 전해수 제조 장치를 통해 측정된 산소 발생 전위의 측정 결과 도면 3과 같이 환원수를 이용한 산소 발생 전위가 낮아짐을 확인 할 수 있다. 이를 통해 환원수의 전해식 산소 발생 장치의 전해액으로서의 충분한 이용이 가능하며, 산성수 보다 환원수의 산소 발생 작용이 용이함은 전해 반응에 의해 환원수에 형성된 이온의 특성에 의해 다음과 같은 <식 1>을 통해 유추 할 수 있다.

2OH^- → H₂O +1/2O₂ + 2e^-<식1>

도 3은 전해 장치(110)에 의하여 형성된 산화수의 산화 환원 전위(ORP)값으로 환원된 환원수의 ORP값이 낮을수록 전극 표면에서 형성되는 산소 발생에 의한 전류량이 증가함을 확인 할 수 있다. 이를 통해 환원수의 산화 환원 전위(ORP)값이 산소 발생에 영향을 미치며 그 값이 클수록 산소 발생에 유리함을 확인 할 수 있다.

본 발명에 따른 전해수를 이용한 산소발생 장치는 이온 투과성의 격막을 이용하여 1차 전해수를 제조하고, 이를 순환시키고 전압을 증가시켜 2차 전해 절차를 통해 산소를 발생시키는 구조를 갖는다. 즉, 전해염이 투입된 원수를 1차, 2차 또는 3차의 다단계 전해 과정을 거쳐 ORP를 변화시켜 산소를 발생시키는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims

ⅰ)전해염을 투입하여 전해염의 농도가 0.01wt% ~ 1wt%의 범위내로 되게 원수를 유입 받아, 10 × 10 cm² 전극 면적당 8 ~ 10V 전압 범위 내에서 1차로 전위를 인가함으로서 전해 과정을 수행하는 1차 전해 과정; 및
ⅱ)상기 1차 전해과정 후에 생성된 전해수를 다시 유입받아 10 × 10 cm² 전극 면적당 12 ~ 15V 전압 범위 내에서 2차로 전위를 인가함으로서 산소를 발생시키는 2차 전해 과정을 포함하는 전해수를 이용한 산소 발생 방법으로서, 상기 1차 전해 과정에서 투입되는 전해염은 염소(Cl)를 포함하지 않는 질산 나트륨(NaNO₃), 탄산칼슘(CaCO₃), 불화나트륨(NaF), 황산나트륨(NaSO₄), 브론산나트륨(NaBr), 요오드화 나트륨(NaI)중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전해수를 이용한 산소 발생 방법.
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