KR101352887B1

KR101352887B1 - 수전해 이온수 발생장치

Info

Publication number: KR101352887B1
Application number: KR1020110081188A
Authority: KR
Inventors: 문상봉
Original assignee: 문상봉
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2014-01-23
Also published as: KR20120139515A

Abstract

이 발명은 알카리수 및/또는 산성수를 동시에 또는 한 개씩 개별적으로 연속하여 생성함과 더불어 음극실 내의 음극에 형성된 칼슘 및 마그네슘 성분을 제거할 수 있는 구조를 갖는 수전해 이온수 발생장치에 관한 것이다. 이 발명의 수전해 이온수 발생장치(200)는 전기분해셀(210)과, 전기전해셀(210) 내의 전극에 전류를 공급하기 위한 직류전원 공급장치(220)와, 외부의 시수를 공급받아 양극액을 저장하는 양극액 저장조(230)와, 음극액을 저장하는 음극액 저장조(240)와, 외부의 시수를 공급받아 양극액 저장조(230) 내의 양극액이나 음극액 저장조(240) 내의 음극액을 공급하거나 배출하기 위해 유동시키는 제1, 제2 유동수단(250, 260), 및 양극액 또는 음극액을 유동시키며 또한 전기전해셀(210)에서 생성된 산성수 또는 알카리수를 유동시키기 위한 다수개의 유동라인(순환라인, 공급라인, 배출라인)들을 갖도록 구성된다.

Description

수전해 이온수 발생장치{Electrolytically Ionized Water Generator}

이 발명은 수전해 이온수 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알카리수 및/또는 산성수를 동시에 또는 한 개씩 개별적으로 연속하여 생성함과 더불어 음극실 내의 음극에 형성된 칼슘 및 마그네슘 성분을 제거할 수 있는 구조를 갖는 수전해 이온수 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 이온수 발생장치는 격막을 사이에 두고 양극실과 음극실 간에 물을 통과시키면서 직류전류를 인가함으로써, 양극실에서는 산성을 가지는 물인 산성수가 생성되고, 음극실에서는 알카리성을 가지는 물인 알카리수를 생성하도록 구성된다. 이러한 이온수 발생장치를 통해서 발생하는 산성수는 살균 목적을 위해 이용되고, 알카리수는 오염물의 세정 및 금속의 방청 등에 이용되고 있다.

도 1은 일반적인 물을 전기분해하여 산성수와 알카리수를 제조하는 전기분해장치의 원리도이다. 한편, 산성수와 알카리수를 제조하는 방법에 관한 선행기술들은 도 1에 도시된 바와 같은 전기분해장치를 이용하는 것 이외에도 다수 존재하며, 이들의 원리는 다음과 같다.

산성수와 알카리수는 양극과 음극이 격막으로 나누어진 2실형 전해조를 통해 제조된다. 즉, 공급하는 물에 전해질로 염화물(염소이온)이 존재하는 경우, 양극실 내의 양극에서는 염소이온(Cℓ^-)이 산화되어 염소(Cℓ₂) 가스가 발생되고(반응식1), 또한 동시에 물이 산화되어 산소(O₂)가 발생된다(반응식 2). 이때, 염소와 산소의 발생 비율은 양극 전극의 전기화학 촉매에 의해 결정되며, 물 내에 2,000ppm NaCl의 농도를 가지는 경우 염소 기준 발생 효율은 약 20~30% 수준이다. 생산된 산소는 물에 용해되지 않고(용해도 8ppm) 기체화 되어 전기분해셀의 외부로 배출된다. 그런데, 염소는 물에 용해되어(용해도 약 10,000ppm) 물과 반응하여 차아염소산(HClO 또는 HOCl)과 염산(HCl)이 된다(반응식 3~5). 그 결과, 양극실 내의 물은 산성화하고, 용존산소(DO)와 산화환원 전위(ORP)가 상승하며, 유효 염소농도가 20 ~ 10,000에 달하게 된다. 상기와 같은 전해조의 양극실에서의 반응형태를 아래의 반응식으로 각각 나타내었다.

[반응식 1]

[반응식 2]

[반응식 3]

[반응식 4]

[반응식 5]

또한, 음극실 내의 음극에서는 물(H₂O)이 환원되어 수소(H₂)와 수산이온(OH^-)이 발생하고(반응식 6), 발생 수소가 용존산소와 반응하여 DO(용존산소)와 ORP(산화환원 전위)가 감소하게 된다. 그로 인해, 음극실 내의 음극에서는 높은 알칼리성(pH11 ~ 13)을 나타내는 강알칼리성 전해수가 생성된다. 음극에서의 반응은 아래의 반응식 6과 같다.

[반응식 6]

결국, 상기와 같은 전해조의 양극실에서는 염소 및 염소화합물을 함유하는 산성수가 얻어지고, 음극실에서는 알카리수가 얻어진다.

만약, 양극과 음극의 사이에 격막이 없는 무격막 조건일 경우에는 양극과 음극의 반응 생성물들이 혼합된다. 그런데, 일반적으로 음극에서의 물 환원시 전기분해 효율이 양극에서의 물 산화 전기분해 효율보다 우수하기 때문에, 전해분해 생성물은 약알칼리성(pH8 ~ 9)을 나타낸다. 이러한 무격막 상태에서 전기분해하여 얻어진 전해수는 차아염소산 나트륨을 희석한 액과 같은 것으로 간주하여 전해차아수로도 불리고 있다.

그런데, 도 1과 같은 전기분해장치를 이용할 경우에는 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 물의 전기분해과정에서 필연적으로 산성수와 알카리수가 동시에 생성된다는 것이다. 이렇게 알카리수와 산성수가 항상 동시에 생성되기 때문에, 알카리수와 산성수를 동시에 원하는 경우가 아니면, 한쪽의 생성수가 폐수로 발생하는 문제점을 가지고 있다. 즉, 산성수만 필요한 경우에는 동시에 발생하는 알카리수가 폐수가 되고, 알카리수만 필요한 경우에는 동시에 발생하는 산성수가 폐수가 되는 문제점을 가지고 있다.

또한, 도 1과 같은 전기분해장치를 이용할 경우에는 다음과 같은 다른 문제점이 있다. 즉, 물중에는 자연에서 용해된 Ca²⁺ 또는 Mg²⁺ 성분이 약 10 ~ 100ppm 존재한다. 여기서, 양이온 성분 Ca²⁺ 및 Mg²⁺는 전기장에 이끌려 음극으로 이동한다. 그로 인해, 음극 표면에서의 pH가 반응식 6에 의해 생성된 OH^-에 의해 pH12 이상으로 상승하게 된다. 또한, 음극 표면으로 이동한 Ca²⁺ 또는 Mg²⁺는 전극반응에서 발생한 OH^-와 반응하여(반응식 7 및 반응식 8), 음극 표면에는 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)과 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 등의 침전물이 생성된다. 이렇게 음극 표면에 부착된 칼슘과 마그네슘은 전류의 이동을 방해하고 전기분해 효율을 감소시켜, 산성수 및 알카리수를 효율적으로 제조하는데 문제를 일으킨다. 상기의 반응식 7 및 반응식 8은 다음과 같다.

[반응식 7]

[반응식 8]

상기와 같이 전극의 표면에 Ca(OH)₂와 Mg(OH)₂의 침전물 형성에 영향을 주는 변수는 pH로서, 이들의 상관식은 용해도적 Ksp로부터 구할 수 있으며, 그 식은 아래 수식 1과 같다.

[수식 1]

칼슘수산화물 Ca(OH)₂의 Ksp는 9x10^-7이고, 마그네슘수산화물 Mg(OH)₂의 Ksp는 4x10^-12이다(Y. Ogata외, J. Electrochem. Soc., 136, 91, (1989)). 이러한 결과로부터 50ppm의 Ca과 50ppm의 Mg는 약 pH11 ~ 12 이상에서 침전물이 형성됨을 알 수 있다. 따라서, 전극에 부착된 칼슘 및 마그네슘을 효과적으로 제거하는 것이 바람직한데, 일반적인 전극에 부착된 칼슘 및 마그네슘을 제거하는 방법으로는 전극에 역전류를 공급하는 방법, 산성의 용액을 이용하여 세정하는 방법 등이 일반화되어 있다.

상기와 같이 필요한 용도에 따라 한 종류(산성수 또는 알카리수)의 이온수를 제조하고 효과적으로 스케일을 제거하는 것이 필수적이지만, 앞서 기술한 선행기술들은 두 종류의 이온수를 동시에 제조하는 것이 불가피하며, 또한 스케일을 제거하기 위해서도 부가적인 장치들이 필요하기 때문에 쉽게 장치를 선택하는데 장애가 되고 있다.

상기와 같이 이온수 제조장치에서 가장 중요한 점은 원하는 이온수, 예를 들면 산성수 또는 알카리수만을 선택적으로 생성할 수 있고, 또한 물의 전기분해과정에서 필연적으로 발생하는 음극의 표면에 부착된 칼슘 및 마그네슘을 쉽게 제거할 수 있도록 구성해야 한다. 그런데, 상기와 같은 문제점 때문에, 지금까지 저렴하고 안정적이며 효율성을 갖는 이온수 제조장치가 개발된 적이 없었으며, 이와 같은 시도를 갖는 것 중에서 어떤 것도 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 알카리수 및/또는 산성수를 동시에 또는 한 개씩 개별적으로 연속하여 생성함과 더불어 음극실 내의 음극에 형성된 칼슘 및 마그네슘 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 구조를 갖는 수전해 이온수 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 이 발명의 수전해 이온수 발생장치는, 전기분해셀과, 전기전해셀 내의 전극에 전류를 공급하기 위한 직류전원 공급장치와, 외부의 시수를 공급받아 양극액을 저장하는 양극액 저장조와, 외부의 시수를 공급받아 음극액을 저장하는 음극액 저장조와, 양극액 저장조 내의 양극액이나 음극액 저장조 내의 음극액을 공급하거나 배출하기 위해 유동시키는 제1 유동수단 및 제2 유동수단, 및 양극액 또는 음극액을 선택적으로 유동시키며 또한 전기전해셀에서 생성된 산성수 또는 알카리수를 선택적으로 유동시키기 위한 다수개의 유동라인을 포함하며, 전기분해셀은 양극이 설치된 양극실과, 음극이 설치된 음극실, 및 양극실과 음극실을 구분하면서 양극실 내의 양이온 성분이 음극실로 이동 가능한 양이온 교환막을 구비하며, 다수개의 유동라인은 양극실의 산성수가 음극액 저장조를 거쳐 음극실에 공급되어 음극에 형성된 스케일을 제거하는데 이용되는 산성수 공급라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 다수개의 유동라인은 양극실의 산성수를 양극액 저장조로 배출하여 다시 양극실로 순환시키기 위한 산성수 순환라인과, 양극실의 산성수를 별도의 사용목적으로 배출하는 산성수 배출라인을 포함한다.

또한, 이 발명의 다수개의 유동라인은 음극실의 알카리수를 음극액 저장조로 배출하여 다시 음극실로 순환시키기 위한 알카리수 순환라인과, 음극실의 알카리수를 별도의 사용목적으로 배출하는 알카리수 배출라인을 포함한다.

이 발명의 양극 및 음극은 액체 및 가스가 투과 가능한 망 또는 메쉬 형태를 갖되, 양극은 백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐, 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속으로 구성된 합금이고, 음극은 백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐, 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속으로 구성된 합금일 수 있다.

이 발명의 양이온 교환막은 고체 고분자 전해질로서, 그 두께가 50 ~ 900㎛일 수 있다. 여기서, 양이온 교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동 가능 하도록 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성되거나, 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 가질 수 있다.

이 발명은 알카리수 및/또는 산성수를 동시에 또는 한 개씩 개별적으로 연속하여 생성할 수 있다. 즉, 이 발명은 단일상의 이온수(필요로 하는 알카리수 및/또는 산성수)를 연속적으로 생성하되, 불필요한 알카리수 또는 산성수에 대해서는 연속적으로 생성하지 않기 때문에 물의 사용량을 대폭 줄이는 효과가 있다.

또한, 이 발명은 음극실 내의 음극에 형성된 칼슘 및 마그네슘의 스케일을 별도의 장치를 부가하지 않고, 물의 전기분해과정에서 생성된 산성수를 이용해 효과적으로 제거할 수 있으므로, 효과대비 장치의 제조단가를 절감하는 효과가 있다.

도 1은 전해질(예, NaCl)이 첨가된 물을 전기분해하여 산성수와 알카리수를 제조하는 전기분해장치의 원리도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 수전해 이온수 발생장치의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 3은 이 발명에 따른 발명예과 비교예의 이온수 성능을 비교한 그래프이며,
도 4는 이 발명에 따른 발명예과 비교예의 전기분해셀의 전압을 비교한 그래프이다.

아래에서, 이 발명에 따른 수전해 이온수 발생장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다. 그러나 이 발명의 구성이 아래에서 설명된 내용으로 제한되어 해석되어서는 아니된다.

도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 수전해 이온수 발생장치(200)의 구성관계를 도시한 개략도이다.

이온수 발생장치(200)의 구조 및 구성 재료

도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 이온수 발생장치(200)는 전기분해셀(210)과, 전기전해셀(210) 내의 전극에 전류를 공급하기 위한 직류전원 공급장치(220)와, 외부의 시수를 공급받아 양극액을 저장하는 양극액 저장조(230)와, 외부의 시수를 공급받아 음극액을 저장하는 음극액 저장조(240)와, 양극액 저장조(230) 내의 양극액이나 음극액 저장조(240) 내의 음극액을 공급하거나 배출하기 위해 유동시키는 제1, 제2 유동수단(250, 260), 및 양극액 또는 음극액을 유동시키며 또한 전기전해셀(210)에서 생성된 산성수 또는 알카리수를 유동시키기 위한 다수개의 유동라인(순환라인, 공급라인, 배출라인)들을 갖도록 구성된다.

전기분해셀(210)은 양극(211)이 설치된 양극실(212)과, 음극(213)이 설치된 음극실(214), 및 양극실(212)과 음극실(214)을 구분하면서 양극실(212) 내의 양이온 성분이 음극실(214)로 이동 가능한 양이온 교환막(215)으로 구성된다.

양극실(212)에는 제1 유동수단(250)을 거쳐 양극액 저장조(230)와 연결되어 양극액 저장조(230) 내의 양극액을 공급받는 양극액 공급라인(S271)과, 양극실(212)에서 생성된 산성수를 양극액 저장조(230)로 배출하여 순환시키는 산성수 순환라인(S272)이 설치된다. 한편, 음극실(214)에는 제2 유동수단(260)을 거쳐 음극액 저장조(240)와 연결되어 음극액 저장조(240) 내의 음극액을 공급받는 음극액 공급라인(S273)과, 음극실(214)에서 생성된 알카리수를 음극액 저장조(240)로 배출하여 순환시키는 알카리수 순환라인(S274)이 설치된다.

양극액 저장조(230)에는 수돗물(전해질이 포함될 수 있음)을 공급받는 시수 공급라인(S275)과, 전기분해셀(210)의 양극실(212)에서 발생하여 배출되는 산성수를 공급받는 산성수 순환라인(S272)이 설치된다. 또한, 양극액 저장조(230)에는 양극(211)에서 발생한 가스를 배출하는 가스 배출라인(S276)과, 제1 유동수단(250)을 거쳐 양극실(212)과 연결되어 양극액을 배출하는 양극액 배출라인(S277)이 설치된다. 한편, 양극액 배출라인(S277)에는 제1 유동수단(250)을 통해 양극액 저장조(230) 내의 양극액을 양극실(212)로 공급하는 양극액 공급라인(S271)과, 양극액을 별도의 사용목적으로 배출하는 산성수 배출라인(S278)과, 음극실(214)에 생성된 스케일을 제거하기 위해 양극액 저장조(230) 내의 양극액을 음극실(214)로 공급하기 위해 음극액 저장조(240)와 연결되는 산성수 공급라인(S279)이 설치된다.

음극액 저장조(240)에는 수돗물(전해질이 포함될 수 있음)을 공급받는 시수 공급라인(S281)과, 전기분해셀(210)의 음극실(214)에서 발생하여 배출되는 알카리수를 공급받는 알카리수 순환라인(S274)과, 음극실(214)에서 생성된 스케일을 제거하기 위해 양극액 저장조(230)의 양극액을 음극실(214)로 공급하기 위해 상기 양극액을 공급받는 산성수 공급라인(S279)이 설치된다. 또한, 음극액 저장조(240)에는 음극(213)에서 발생한 가스를 배출하는 가스 배출라인(S282)과, 제2 유동수단(250)을 거쳐 음극실(214)과 연결되어 음극액을 배출하는 음극액 배출라인(S283)이 설치된다. 한편, 음극액 배출라인(S283)에는 제2 유동수단(260)을 통해 음극액 저장조(240) 내의 음극액을 음극실(214)로 공급하는 음극액 공급라인(S273)과, 음극액을 별도의 사용목적으로 배출하는 알카리수 배출라인(S284)이 설치된다.

전기분해셀(210) 내의 양극(211)과 음극(213)은 액체 및 가스가 투과 가능한 망, 메쉬 등이 적합하며, 평판형 전극도 가능하다. 여기서, 양극(211)과 음극(213)에 적합한 재질로는 티타늄(titanium), 탄탈륨(tantalum), 니켈 등이며, 전극촉매 기능을 부여하기 위해 백금족을 열분해 방법이나 전기도금 등의 방법으로 코팅하는 것이 바람직하다.

양극실(212) 내의 양극(211)은 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속으로 구성된 합금이 바람직하다. 한편, 음극실(214) 내의 음극(213)은 수소 발생을 위한 촉매로 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속으로 구성된 합금이 바람직하다.

양이온 교환막(215)은 고체 고분자 전해질로서, 그 두께가 50 ~ 900㎛인 것이 바람직하다. 그 이유는 그 두께가 50㎛ 이하로 지나치게 얇으면 기계적 및 화학적인 손상의 우려가 있고, 그 두께가 900㎛ 이상으로 두께우면 저항이 커져 전압이 급상승하기 때문이다. 더 바람직하기로는 50㎛ ~ 200㎛이다.

그리고, 양이온 교환막(215)은 음이온(anions)은 이동이 불가능한 반면에, 양이온(cation), 즉 수소이온은 이동이 가능해야 하며, 또한 온도에 대한 내열성과 전기화학적인 산화환원 분위기에서 내구성을 가져야 한다. 따라서, 양이온 교환막(215)은 상기와 같은 기능 및 요구사항을 만족시킬 수 있도록, 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동 가능 하도록 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 내열성과 내산화성이 우수한 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것이다. 이와 같은 계열의 대표적인 양이온 교환막(215)은 듀폰사(E. I. du Pont deNemours and Company, Wilmington, Del.)의 "상품명 NAFION"이 있다.

전기분해셀(210)은 아크릴 수지, 아세탈 수지, PVC(polyvinylchloride) 수지, CPVC(chlorinated PVC) 수지, PVDF(polyvinylidene difluoride) 수지, Teflon(또는 PTFE, polytetrafluoroethylene) 수지, 불소계(fluoropolymer) 수지, 또는 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지 등의 고분자 재질로 성형하여 제작하거나, 티타늄과 같이 내식성이 있는 금속 재질로도 제작할 수 있다.

직류전원 공급수단(220)은 전기분해셀(210)에 공급하는 직류 전류 공급기로서, 2차 배터리를 이용하거나 AC 전원으로부터 DC 전력을 공급할 수 있는 전력변환 장치를 이용하는 것도 가능하다.

스케일 제거 방법

시수 공급라인(S275)에 전해질(예를 들면, NaCl, KCl, Na₂CO₃, K₂CO₃) 등을 포함시켜 양극액 저장조(230)를 거쳐 양극실(212)로 공급하면, 이들 전해질의 음이온 성분(예를 들면, Cl^-, CO₃ ^2-) 등은 양극(211)에서 반응하여 염소 또는 CO₂ 가스(Na₂CO₃, K₂CO₃전기분해시 발생하는 생성물)와 물이 분해한 산소 가스가 생성된다(반응식 1 및 반응식 2). 물의 분해 반응에 의해 양극실(212)에는 H⁺가 다량으로 존재하게 되어 양극실(212)은 산성화되며, 전류 공급량의 조절에 의해 약 pH2 이하까지 낮아지게 된다.

그런데, 음극의 표면에 부착된 스케일 제거에 사용가능한 pH는 4이하이면 가능하다. 따라서, 앞서 언급한 바와 같이, 양극실(212)의 pH4 이하의 양극액을 산성수 공급라인(S279)을 통해 음극액 저장조(240)를 거쳐 음극실(214)로 공급함으로써 음극(213)의 표면에 부착된 스케일을 제거할 수 있다.

아래에서는 상기와 같이 구성된 이 실시예의 수전해 이온수 발생장치의 다양한 운전방법에 대해 설명한다.

경우 1. 산성수 및 알카리수를 동시에 생성하는 운전 방법

정상운전시

도 2에 도시된 수전해 이온수 발생장치를 이용하여 산성수 및 알카리수를 동시에 생성하는 운전 방법은 다음과 같다.

시수에는 전해질 MX가 첨가된다. 전해질 표현식 MX에서 X는 염화물(Cl^-), 탄산이온(CO₃ ^2-), 중탄산이온(HCO₃ ^-) 중 어느 하나의 성분이고, M은 알카리 금속의 나트륨이온(Na⁺), 칼륨이온(K⁺) 중 어느 하나의 성분이다. 따라서, 전해질 MX는 상기와 같은 성분들이 선택 결합된 무기물로 사용이 가능하다.

전해질 MX가 포함된 시수는 시수 공급라인(S275)을 통해 양극액 저장조(230)에 공급된 후, 펌프 등의 제1 유동수단(250)을 통해 전기분해셀(210)의 양극실(212)로 공급되며, 공급과 동시에 전기분해를 수행하면 양극(211)에서는 산성수가 생성되어 양극액의 pH가 4이하에 도달하게 된다. 한편, 양극액 저장조(230) 내에 저장된 물이 적정 pH에 도달하면, 산성수 배출라인(S278)에 설치된 밸브(V278)를 열어 필요한 곳으로 강산성수를 공급할 수 있다. 여기서, 시수는 시수 공급라인(S275)에 설치된 밸브(V275)를 오픈함으로써 양극액 저장조(230)에 공급된다.

또한, 시수(전해질 MX가 포함될 수도 있지만, 포함되지 않아도 무관)는 다른 시수 공급라인(S281)을 통해 음극액 저장조(240)에 공급된 후, 펌프 등의 제2 유동수단(260)을 통해 전기분해셀(210)의 음극실(214)로 공급되며, 공급과 동시에 전기분해를 수행하면 음극(213)에서는 OH^-가 생성되어 pH가 12이상까지 상승하게 된다. 한편, 음극액 저장조(240) 내에 저장된 물이 적정 pH에 도달하면, 알카리수 배출라인(S284)에 설치된 밸브(V284)를 열어 필요한 곳으로 알카리수를 공급할 수 있다. 여기서, 시수는 시수 공급라인(S281)에 설치된 밸브(V281)를 오픈함으로써 음극액 저장조(240)에 공급된다.

다음의 표 1은 산성수 및 알카리수를 동시에 생성하기 위한 정상운전시의 밸브의 상태를 표시한 것이다.

V271	V278	V279	V275	V273	V284	V281
On	On	Off	On	On	On	On

비가동시

비가동시에는 음극(213)의 표면에 부착된 스케일 제거를 수행한다. 먼저, 음극액 저장조(240) 내에 있는 모든 용액을 제2 유동수단(260)을 이용해 배출한다. 즉, 밸브(V284)를 오픈하여 알카리수 배출라인(S284)을 통해 배출한다. 도 2에서는 표시하지 않았지만 전기분해셀(210)에서 직접 외부로 배출하는 것도 가능하다.

그 후, 양극액 저장조(230) 내에 저장된 pH4 이하의 물을 제1 유동수단(250)을 이용해 산성수 공급라인(S279)을 통해 음극액 저장조(240)로 공급한다. 여기서, 산성수 공급라인(S279)에 설치된 밸브(V279)를 오픈함으로써 물을 음극액 저장조(240)로 공급할 수 있다. 그런 다음, 음극액 저장조(240) 내로 유동하여 저장된 산성수를 제2 유동수단(260)을 이용해 음극실(214)로 공급하여 음극(213)의 표면에 부착된 스케일을 제거한다.

다음의 표 2는 비가동시에 음극실(214)에 저장된 알카리수를 배출한 후, 산성수를 이용해 음극실(214)을 세정함에 있어서의 밸브의 상태를 표시한 것이다.

V271	V278	V279	V275	V273	V284	V281
Off	Off	On	Off	On	Off	Off

상기와 같은 방법을 통한 스케일의 제거 주기는 1일 1회 이상이 바람직하다.

경우 2. 산성수만을 생성하는 운전 방법

정상운전시

도 2에 도시된 수전해 이온수 발생장치를 이용하여 산성수만을 생성하는 운전 방법은 다음과 같다.

초기에 전해질이 있는 물을 양극액 저장조(230)에 공급하고, 저장된 물을 제1 유동수단(250)을 통해 양극실(212)에 계속 공급하면서 전기분해를 수행하고, 이때 초기에 전해질이 있는 물을 양극액 저장조(230)에 공급하고, 저장된 물을 제1 유동수단(250)을 이용해 양극실(212)에 계속 공급하면서 전기분해를 수행한다. 또한, 물을 음극액 저장조(240)에 공급하고, 저장된 물을 제2 유동수단(260)을 이용해 음극실(214)에 계속 공급하면서 전기분해를 수행한다. 그러다가 양극액 저장조(230)의 pH가 일정조건, 예를 들어 pH4에 도달하면 시수 공급라인(S275)의 밸브(V275)와 산성수 배출라인(S278)의 밸브(V278)를 오픈하여 연속 운전을 한다. 그로 인해, 산성수 배출라인(S278)을 통해 생성된 산성수가 연속적으로 배출된다. 한편, 알카리수 배출라인(S284)에 설치된 밸브(V284)를 닫고, 음극실(214)의 알카리 용액을 배출하지 않고 계속 순환시킨다.

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다음의 표 3은 산성수만을 생성하기 위한 정상상태에서의 밸브의 상태를 표시한 것이다.

V271	V278	V279	V275	V273	V284	V281
On	On	Off	On	On	Off	Off

비가동시

경우 1의 비가동시와 동일하다.

경우 3. 알카리수만을 생성하는 운전 방법

정상운전시

도 2에 도시된 수전해 이온수 발생장치를 이용하여 알카리수만을 생성하는 운전 방법은 다음과 같다.

초기에 전해질이 있는 물을 양극액 저장조(230)에 공급하고, 저장된 물을 제1 유동수단(250)을 이용해 양극실(212)에 계속 공급하면서 전기분해를 수행한다. 또한, 물을 음극액 저장조(240)에 공급하고, 저장된 물을 제2 유동수단(260)을 이용해 음극실(214)에 계속 공급하면서 전기분해를 수행한다. 그러다가 음극액 저장조(240)의 pH가 일정조건에 도달하면 시수 공급라인(S281)의 밸브(V281)와 알카리수 배출라인(S284)의 밸브(V284)를 오픈하여 연속 운전을 한다. 그로 인해, 알카리수 배출라인(S284)을 통해 생성된 알카리수가 연속적으로 배출된다. 한편, 산성수 배출라인(S278)에 설치된 밸브(V278)를 닫고, 양극실(212)의 산성 용액을 배출하지 않고 계속 순환시킨다.

다음의 표 4는 알카리수만을 생성하기 위한 정상운전시의 밸브의 상태를 표시한 것이다.

V271	V278	V279	V275	V273	V284	V281
On	Off	Off	Off	On	On	On

비가동시

경우 1의 비가동시와 동일하다.

[발명예 1]

도 2와 같이 구성된 수전해 이온수 발생장치를 제작하여 평가했다.

(1) 전기분해셀

가. 양극과 음극의 사이즈: 100cm²

나. 양극액 저장조와 음극액 저장조의 크기: 1liter

다. 공급전류량: 10A

라. 양극실 및 음극실의 시수 공급량: 10L/min

(2) 운전상태

가. 상기 언급한 경우 1과 같이 수행하였다.

나. 전기분해 시간: 8시간

다. 스케일 제거를 위한 세척시간: 8시간

(3) 성능측정

가. 정상상태에서의 산성수 및 알카리수의 pH를 측정하여 도 3의 발명예 1로 표기하였다.

나. 스케일의 형성 유무를 판단하기 위하여 전압을 측정하였으며, 도 4의 발명예 1로 표기하였다.

[발명예 2]

발명예 1과 같은 수전해 이온수 발생장치를 이용해 상기 언급한 경우 2에 대하여 실험을 수행하였다.

[발명예 3]

발명예 1과 같은 수전해 이온수 발생장치를 이용해 상기 언급한 경우 3에 대하여 실험을 수행하였다.

[비교예 1]

(1) 전기분해셀

발명예 1과 동일한 구성 및 조건에서 수행하였다.

(2) 운전방법

발명예 1과 동일하게 수행하였으며, 스케일 제거 실험을 수행하지 않았다. 즉, 양극액 저장조(230)의 양극액을 음극액 저장조(240)로 공급하는 산성수 공급라인(S279)의 밸브(V279)를 오프(off)시켜 양극액의 공급라인을 차단하였다.

(3) 성능측정

가. 정상상태에서의 산성수 및 알카리수의 pH를 측정하여 도 3의 비교예 1로 표기하였다.

나. 스케일의 형성 유무를 판단하기 위하여 전압을 측정하였으며, 도 4의 비교예 1로 표기하였다.

[결과]

(1) 발명예 2와 발명예 3에서는 발명예 1과 동일한 결과를 얻었다. 이에, 발명예 1로서 비교예 1과 비교하였다.

(2) 도 3에서 알 수 있듯이, 이 발명의 수전해 이온수 발생장치를 이용할 경우에는 전기분해셀에서 발생하는 알카리수와 산성수의 pH가 장기간 안정적인 성능을 보여준 반면에, 기존의 이온수 발생장치(비교예 1)를 이용할 경우에는 약 2일부터 전기분해셀에서 생성되는 알카리수와 산성수의 pH가 불안정하였다.

(3) 도 4에서 알 수 있듯이, 전극의 스케일에 대한 영향을 전압을 측정하여 검토해 본 바, 이 발명의 발명예들에서는 전압값이 안정적인 반면에, 비교예 1에서는 2일 이후 전압값이 불안정하였다.

[결론]

(1) 이 발명은 산성수 및 알카리수를 동시에 생산가능하며, 또한 알카리수 또는 산성수를 단독으로 생산 가능한 구조임을 알 수 있었다.

(2) 이 발명의 발명예 1에서와 같이 산성수 및 알카리수를 동시에 생산하는 경우 장기간 사용하더라도 pH값이 안정하여, 이 발명의 스케일 제거 방법이 매우 효과적임을 알 수 있으며, 경제적으로 파급효과가 매우 클 것으로 추정된다.

이상에서 이 발명의 수전해 이온수 발생장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 발명예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

200 : 수전해 이온수 발생장치 210 : 전기분해셀
220 : 직류전원 공급장치 230 : 양극액 저장조
240 : 음극액 저장조 250 : 제1 유동수단
260 : 제2 유동수단

Claims

물을 전기분해하여 알카리수 또는 산성수를 단독으로 연속적으로 생성하거나, 알카리수 및 산성수를 동시에 연속적으로 생성하는 수전해 이온수 발생장치로서,
전기분해셀과, 상기 전기분해셀 내의 전극에 전류를 공급하기 위한 직류전원 공급장치와, 외부의 시수를 공급받아 양극액을 저장하는 양극액 저장조와, 외부의 시수를 공급받아 음극액을 저장하는 음극액 저장조와, 상기 양극액 저장조 내의 양극액이나 상기 음극액 저장조 내의 음극액을 공급하거나 배출하기 위해 유동시키는 제1 유동수단 및 제2 유동수단, 및 상기 양극액 또는 상기 음극액을 선택적으로 유동시키며 또한 상기 전기분해셀에서 생성된 산성수 또는 알카리수를 선택적으로 유동시키기 위한 다수개의 유동라인을 포함하며,
상기 전기분해셀은 양극이 설치된 양극실과, 음극이 설치된 음극실, 및 상기 양극실과 상기 음극실을 구분하면서 상기 양극실 내의 양이온 성분이 상기 음극실로 이동 가능한 양이온 교환막을 구비하며,
상기 다수개의 유동라인으로서,
상기 양극실에는 상기 제1 유동수단을 거쳐 상기 양극액 저장조와 연결되어 상기 양극액 저장조 내의 상기 양극액을 공급받는 양극액 공급라인과, 상기 양극실에서 생성된 산성수를 상기 양극액 저장조로 배출하여 순환시키는 산성수 순환라인이 설치되며, 상기 음극실에는 상기 제2 유동수단을 거쳐 상기 음극액 저장조와 연결되어 상기 음극액 저장조 내의 음극액을 공급받는 음극액 공급라인과, 상기 음극실에서 생성된 알카리수를 상기 음극액 저장조로 배출하여 순환시키는 알카리수 순환라인이 설치되며,
상기 양극액 저장조에는 상기 시수를 공급받는 시수 공급라인과, 상기 양극에서 발생한 가스를 배출하는 가스 배출라인과, 제1 유동수단을 거쳐 상기 양극실과 연결되어 상기 양극액을 배출하는 양극액 배출라인이 설치되며, 상기 양극액 배출라인에는 상기 양극액을 별도의 사용목적으로 배출하는 산성수 배출라인과, 상기 음극실에 생성된 스케일을 제거하기 위해 상기 양극액 저장조 내의 상기 양극액을 상기 음극실로 공급하기 위해 상기 음극액 저장조와 연결되는 산성수 공급라인이 설치되며,
상기 음극액 저장조에는 상기 시수를 공급받는 시수 공급라인과, 상기 음극에서 발생한 가스를 배출하는 가스 배출라인과, 상기 제2 유동수단을 거쳐 상기 음극실과 연결되어 상기 음극액을 배출하는 음극액 배출라인이 설치되며, 상기 음극액 배출라인에는 상기 음극액을 별도의 사용목적으로 배출하는 알카리수 배출라인이 설치되는 것을 특징으로 하는 수전해 이온수 발생장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 양극 및 상기 음극은 액체 및 가스가 투과 가능한 망 또는 메쉬 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 수전해 이온수 발생장치.
청구항 6에 있어서,
상기 양극은 백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐, 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속으로 구성된 합금인 것을 특징으로 하는 수전해 이온수 발생장치.
청구항 6에 있어서,
상기 음극은 백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐, 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속으로 구성된 합금인 것을 특징으로 수전해 이온수 발생장치.
청구항 1에 있어서,
상기 양이온 교환막은 고체 고분자 전해질로서, 그 두께가 50 ~ 900㎛인 것을 특징으로 하는 수전해 이온수 발생장치.
청구항 9에 있어서,
상기 양이온 교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동 가능 하도록 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 이온수 발생장치.
청구항 9에 있어서,
상기 양이온 교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수전해 이온수 발생장치.