KR101336052B1 - 염소가스와 수소가스의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소가스와 염소가스의 생성효율이 종래보다도 높은 염소가스와 수소가스의 제조방법을 제공하도록 하는 것으로, 식염을 함유한 물을 무격막으로 전기분해하여, 발생되는 염소가스(1)와 수소가스(2)를 비중차에 의해 분리해서 회수하도록 하였다. 이 염소가스와 수소가스의 제조방법에서는 식염을 함유한 물을 무격막으로 전기분해함에 따라 양극에서의 염소가스(Cl2)와 음극에서의 수소가스(H2)가 액상에서 기상으로 이행했을 때에 혼합하게 되지만, 이 염소가스와 수소가스의 휘발 혼합기를 비중차(염소가스2.49＞수소가스0.069)에 의해 분리해서 회수하도록 하여, 무격막의 전기분해를 이용하더라도 염소가스와 수소가스를 분리해서 회수할 수 있다.

Description

염소가스와 수소가스의 제조방법 {Producing method of chlorine gas and hydrogen gas}
본 발명은 염소가스와 수소가스의 제조방법, 및 이를 이용한 배수처리 방법에 관한 것이다.
종래, 식염수를 전기분해해서 가성(苛性)소다, 염소, 수소를 제조(전해소다공업)하는 방법으로는 이온교환막법, 격막법, 수은법이 있으며, 아래와 같이 설명될 수 있다(비특허문헌1).
즉, 우리나라(일본)에서는 대부분이 이온교환막법으로 이루지며, 이온교환막법의 식염 전해의 원리를 설명하자면, 양극측과 음극측을 특수한 수지인 이온교환막으로 구분한 것이 이온교환막법이다. 이 이온교환막은 음이온(마이너스이온)을 차단하고, 양이온(플러스이온)만을 통과시키는 특수한 성질을 가지고 있다.
이온교환막법 식염 전해에서는 양극이 있는 양극실에는 식염수를, 음극이 있는 음극실에는 물을 주입하고 이것에 전기를 흐르게 함으로써 전기분해하여, 염소, 가성소다, 수소를 생성시킨다.
양극실은 식염수 용액으로 가득 채워져 있기 때문에 나트륨이온Na+와 염화물이온Cl-가 존재한다. 전기를 통하게 하면 이온의 이동이 일어나는데, 나트륨이온Na+는 플러스이온이기 때문에 양극실에서 이온교환막을 통과해서 음극실로 들어간다. 한편 염화물이온Cl-는 마이너스 이온이기 때문에 양극실에 머물러, 양극에서 마이너스의 전자를 방출해서 염소가스(Cl2)가 된다.
한편, 음극실에서는 주입된 물이 일부 수소이온H+와 수산화물이온OH-로 나뉘어져 있어, 수소이온이 음극에서 전자를 얻어 수소가스(H2)가 된다. 남은 수산화물이온OH-는 양극실로 끌려가지만, 이온교환막에서 차단되어 음극실에 머물러 양극측에서 이동해 온 나트륨이온Na+와 결합해서 가성소다(수산화나트륨 NaOH)가 된다.
그렇지만, 수소가스와 염소가스의 생성효율이 별로 높지 않은 문제가 있었다.
인터넷: 전해 소다 공업의 제조원리<http://www.jsia.gr.jp/explanation_03.html>
따라서, 본 발명은 수소가스와 염소가스의 생성효율이 종래보다도 높은 염소가스와 수소가스의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 다음과 같은 기술적 수단을 강구하였다.
(1)본 발명의 염소가스와 수소가스의 제조방법은 식염을 함유한 물을 무격막(無膈膜)으로 전기분해하고, 발생되는 염소가스와 수소가스를 비중차(比重差)에 의해 분리하여 회수하도록 한 것을 특징으로 한다.
이 염소가스와 수소가스의 제조방법에서는 식염을 함유한 물을 무격막으로 전기분해함으로써 양극에서의 염소가스(Cl2)와 음극에서의 수소가스(H2)가 액상(液相)에서 기상(氣相)으로 이행했을 때에 혼합하게 되지만, 이 염소가스와 수소가스의 휘발 혼합기(混合氣)를 비중차(염소가스2.49＞수소가스0.069)에 의해 분리해서 회수하도록 하고 있어서, 무격막의 전기분해를 이용하더라도 염소가스와 수소가스를 분리해서 회수할 수 있다.
비중차에 따라 분리하는 구체적인 양태로서 예를 들면 2라인(系統)의 분기 유로의 고저차이를 이용할 수 있는데, 상측의 유로에 비중이 작은 수소가스가 이행해가고, 하측의 유로에 비중이 큰 염소가스가 이행해가게 된다.
그리고, 무격막 방식의 전기분해에서는 유격막 방식보다도 전류의 통과효율이 높기 때문에(격막은 전류의 흐름을 저해한다), 수소가스와 염소가스의 보다 효율적인 발생을 도모할 수 있다. 즉, 무격막의 전기분해에 의해 전류의 통과효율을 높게 한 상태에서 염소가스와 수소가스를 각각으로 분리해서 회수할 수 있다.
여기서, 휘발가스에 불활성가스(질소가스, 알곤가스, 탄산가스 등)을 첨가하면, 예측하지 못한 폭발사고를 억제할 수 있다.
(2)상기 수소가스와 염소가스를 반응시켜서 염화수소가스를 생성시키도록 해도 좋다.
이와 같이 구성하면, 염화수소가스(HCl)가 생성될 때에 반응 생성열이 발생하게 되어(아래에 기재된 화학식 참조), 이 생성열을 에너지로 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 생성열에 의해 물을 가열해서 증기를 발생시키고, 이 증기를 가압하여서 발전에 이용할 수 있다.
1/2Cl2(gas)+1/2H2(gas)→HCl(gas)+92.3kJ/몰
여기에서, 수소가스와 염소가스의 반응을 개시시키기 위해 예를 들면, 자외선UV를 조사할 수 있다.
(3)생성된 상기 염화수소 가스를 물에 용해시켜서 염산을 생성시키고, 상기 염산 중 일부를 전기분해로 사용하도록 해도 좋다.
이와 같이 구성하면, 염화수소가스를 물에 피드백해서 이루어지는 염산을 무격막의 전기분해에서의 염소이온(Cl-)의 공급원으로서 순환 이용할 수 있다.
(4)상기 염소가스를 물 또는 수산화나트륨에 용해시키도록 해도 좋다.
이와 같이 구성하면 차아염소산(HOCl) 함유수를 제조할 수 있다. 한편, 수소가스는 봄베에 압입하거나 수소 흡장 합금에 흡수시키거나 해서 저장할 수 있다.
(5)이 배수처리방법은 상기 물로서 배수를 정화하도록 하였다.
이와 같이 구성하면 전기분해에 의해 발생된 염소(Cl2)와 물과의 반응으로 생성된 차아염소산(HOCl)에 의해 배수중의 오염성분을 산화분해 해서 정화해 갈 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 구성으로 이루어져 다음과 같은 효과를 갖는다.
무격막의 전기분해에 의해 전류의 통과 효율을 높게 한 상태에서 염소가스와 수소가스를 각각 분리해서 회수할 수 있기 때문에 수소가스와 염소가스의 생성 효율이 종래보다도 높은 염소가스와 수소가스의 제조방법을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 염소가스와 수소가스의 제조방법 및 배수처리 방법 중 실시형태 1을 설명하는 도면이고,
도2는 본 발명의 염소가스와 수소가스의 제조방법 및 배수처리방법 중 실시형태 2를 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.
(실시형태 1)
도1에서 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 염소가스(1)(Cl2)와 수소가스(2)(H2)의 제조방법은, 식염을 함유한 물을 무격막으로 전기분해하여, 발생되는 염소가스와 수소가스를 비중차에 의해 분리해서 회수하도록 한다.
구체적으로는 식염수 전해조에서는 막대모양의 양극의 외주를 원통모양의 음극이 둘러싸도록 배치되어 있다. 그리고 상기 식염수 전해조의 상방에, 가스 비중차 분리탑을 배치하도록 되어 있다.
비중차(比重差)에 의해 분리하는 구체적인 양태로서 가스 비중차 분리탑에는 2라인(系統)의 분기 유로의 고저 차이를 이용하고 있어서, 상측의 유로(3)에 비중이 작은 수소가스(비중0.069)가 이행해 가고, 하측의 유로(4)에 비중이 큰 염소가스(비중2.49)가 이행해 가게 된다. 그리고 또한, 블로어로 염소가스와 수소가스의 유인 작용을 미치게 할 수도 있다.
그리고, 상기 염소가스는 수산화나트륨(NaOH)에 용해시키도록 하여, 차아염소산(HOCl) 함유수(NaClO水)를 제조할 수 있다. 한편, 수소가스는 고압펌프(P)를 이용해 수소가스 봄베로 압입하여서 저장하도록 한다.
상기 물로서 배수를 정화하도록 하여, 염소가스(Cl2)와 수소가스(H2)의 제조방법과 함께 배수처리방법으로서도 기능하도록 하고 있어 전기분해에 의해 발생된 염소(Cl2)와 물과의 반응에 의해 생성된 차아염소산(HOCl)에 의해 배수중의 오염성분을 산화분해 해서 정화해 갈 수 있는 이점을 갖는다.
여기서, 휘발가스에 불활성가스(질소가스, 아르곤가스, 탄산가스 등)를 첨가하면, 예측하지 못한 폭발 사고를 억제할 수 있다(미도시).
이어서, 본 실시형태의 염소가스와 수소가스의 제조방법의 사용상태를 설명한다.
이 염소가스(1)(Cl2)와 수소가스(2)(H2)의 제조방법에서는 식염을 함유한 물을 무격막으로 전기분해함에 따라 양극에서의 염소가스와 음극에서의 수소가스(H2)가 액상에서 기상으로 이행했을 때에 혼합하게 되는데, 이 염소가스와 수소가스의 휘발 혼합기를 비중차(염소가스2.49＞수소가스0.069)에 의해 분리해서 회수하도록 하여, 무격막의 전기분해를 이용하더라도 염소가스와 수소가스를 분리해서 회수할 수 있어서 수소가스와 염소가스의 생성효율이 종래보다 더 높은 이점을 갖는다.
그리고, 무격막 방식의 전기분해에서는 유격막 방식보다도 전류의 통과효율이 높기 때문에(격막은 전류의 흐름을 저해한다) 수소가스와 염소가스의 보다 효율적인 발생을 도모할 수 있다. 즉, 무격막의 전기분해에 의해 전류의 통과효율을 높게 한 상태에서 염소가스와 수소가스를 각각 분리해서 회수할 수 있는 이점을 갖는다.
(실시형태 2)
이어서 실시형태 2를 실시형태 1과의 상이점을 중심으로 설명한다.
도2에서 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 염소가스(1)와 수소가스(2)의 제조방법은 반응조에서 상기 수소가스(H2)와 염소가스(Cl2)를 반응시켜서 염화수소가스(HCl)를 생성시키도록 한다. 수소가스와 염소가스의 반응을 개시시키기 위해서 자외선UV를 조사하도록 한다. 이와 같이 함으로써 염화수소가스가 생성될 때에 반응 생성열이 발생하게 되고(다음에 기재된 화학식 참조), 이 생성열을 에너지로 이용할 수 있다.
1/2Cl2(gas)+1/2H2(gas)→HCl(gas)+92.3kJ/몰
구체적으로는 냉각조에 있어서 고온이 된 염화수소 가스의 열을 냉각수(수돗물)로 전열하고 이에 따라 승온된 냉각수를 반송해서 온수로서 이용하도록 한다.
이어서 염산수 생성조에 있어서, 생성된 상기 염화수소 가스를 물에 용해시켜서 염산을 생성시키고 상기 염산의 일부를 전기분해에서 사용하도록 한다. 이와 같이 함으로써 염화수소가스를 물에 피드백하여 용해해서 이루어지는 염산을 무격막의 전기분해에서의 염소이온(Cl-)의 공급원으로서 순환이용할 수 있는 이점을 갖는다.
상기 물로서 배수를 정화하도록 하여, 염소가스(Cl2)와 수소가스(H2)의 제조방법과 함께 배수처리방법으로서도 기능하도록 하고 있어 전기분해에 의해 발생된 염소(Cl2)와 물과의 반응에 의해 생성된 차아염소산(HOCl)에 의해 배수중의 오염성분을 산화 분해해서 정화해 갈 수 있는 이점을 갖는다.
(실시형태 3)
상기 염화수소가스의 반응 생성열에 의해 물을 가열하여서 증기를 발생시키고, 이 증기를 가압해서 발전에 이용하도록 한다(미도시).
수소가스와 염소가스의 생성효율을 종래보다 더 높임으로써 예를 들면 에너지 효율이 우수한 배수처리 그 밖의 용도에 적용할 수 있다.
1; 염소가스
2; 수소가스

Claims (5)

  1. 식염을 함유한 물을 무격막으로 전기분해하고, 발생되는 염소가스(1)와 수소가스(2)를 비중차에 따라 분리해서 회수하도록 한 것을 특징으로 한 염소가스와 수소가스의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수소가스(2)와 염소가스(1)를 반응시켜서 염화수소가스를 생성시키도록 한 염소가스와 수소가스의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 생성된 상기 염화수소가스를 물에 용해시켜서 염산을 생성시키고, 상기 염산 중 일부를 전기분해에서 사용하도록 한 염소가스와 수소가스의 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 염소가스(1)를 물 또는 수산화나트륨에 용해시키도록 한 염소가스와 수소가스의 제조방법.
  5. 제3항에 기재된, 상기 염화수소 가스가 용해된 물로서 배수를 정화하도록 한 배수 처리방법.
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