KR101362966B1

KR101362966B1 - 염화나트륨 수용액으로부터 고농도 차아염소산 수용액을 얻기 위한 전극 구조물 및 이를 이용한 살균수 제조 방법

Info

Publication number: KR101362966B1
Application number: KR1020110114047A
Authority: KR
Inventors: 김희우
Original assignee: 김희우
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2014-02-12
Also published as: KR20130049032A

Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 차아염소산 살균수 제조 방법은 염화나트륨과 유기산을 포함하는 살균용 첨가제 조성물을 전해조 내의 물에 투입하여 용해시켜 약산성의 수용액을 얻는 단계, 이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 전극을 양극 전극으로 하고 티타늄 전극을 음극 전극으로 하여 양극 전극과 음극 전극이 서로 대향하도록 구성된 전극 구조물에 직류 전압을 인가하여 전해조 내에서 약산성의 수용액을 전기 분해하는 단계 및 약산성의 수용액이 전기 분해되어 pH 4.5 ~ 6.5이고 잔류 염소량이 10 ppm ~ 200 ppm 인 차아염소산 살균수가 생성되면 상기 전극 구조물에 인가되던 직류 전압을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

염화나트륨 수용액으로부터 고농도 차아염소산 수용액을 얻기 위한 전극 구조물 및 이를 이용한 살균수 제조 방법{Electrodes structure for high concentration hypochlrous acid solution from soidum chloride solution and method for manufacturing sterilized water using the same}

본 발명은 차아염소산 살균에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 차아염소산 수용액을 얻기 위한 전극 구조물에 관한 것이다.

살균 소독제로서 염소계 살균 소독제는 유리염소성분이 세균의 세포막의 투과성에 장애를 주고 원형질 성분을 산화시키며 효소반응을 저해함으로써 강력한 살균력을 발휘하며, 실제로 인체의 면역 시스템에서도 백혈구의 일종인 호중구(Neutrophils)에서 차아염소산(HOCl)을 만들어 세균을 파괴시키는 것을 알려져 있다.

염소계 살균 소독제는 흔히 락스라고 알려진 차아염소산나트륨(NaOCl)이나, 이산화염소(ClO₂), 염소 가스(Cl₂), 차아염소산(HOCl), 차아염소산 이온(OCl^-) 등의 형태로 살균에 이용되고 있다.

염소를 물에 주입하면 가수분해 반응이 일어나서 차아염소산(HOCl)과 수소 이온(H⁺), 염소 이온(Cl^-)로 나타나는데, pH가 알칼리성으로 되면 차아염소산이 다시 차아염소산 이온(OCl^-)과 수소 이온(H⁺)로 더 분해된다.

염소계 살균 소독제는 염산을 전기 분해하거나, 소금을 물에 녹인 염수를 전기 분해하여 차아염소산을 얻거나 염소산염을 출발 물질로 하여 이산화염소 용액 형태로 제공될 수도 있다. 예를 들어 염수를 이용한다면, 염수 내에 음전극과 양전극을 설치하고 전류를 인가하면 오존, 과산화수소, OH 라디컬, 차아염소산, 차아염소산나트륨 등의 산화제가 생성된다.

차아염소산과 차아염소산 이온을 유리 염소라고 하며, 수중에 잔류하는 염소, 차아염소산, 차아염소산 이온을 유리 잔류 염소라고 한다. 유리 잔류 염소는 물 속에서 발생기 산소를 유발할 수 있으며, 염소 자체는 살균력이 없으나 발생기 산소에 의해 살균 효과를 일으키는 것으로 알려져 있다.

차아염소산은 세균에 대해서 차아염소산 이온보다 80배 정도 높은 살균력을 가지므로(미국 EPA 가이드라인 1999년판), 차아염소산 농도가 높을수록 살균력이 높다고 할 수 있다. 차아염소산은 0.2ppm 정도에서 10분 이내에 병원성 미생물을 100% 사멸시킬 수 있다고 알려져 있다.

유리 잔류 염소는 pH 4.5~6.5 정도의 약산성 내지 미산성 영역에서 가장 높은 비율로, 95% ~ 100%의 비율로 차아염소산의 형태로 존재한다. pH 8 이상에서는 차아염소산나트륨의 농도가 강해지고 차아염소산 비율은 약 50% 이하에 불과하여 살균력이 저하되며, pH 3 이하에서는 차아염소산 비율이 70% 이하로 떨어지고 또한 유독한 염소 가스가 발생하기 시작한다.

문제는 종래에 염산과 같은 활성이 강한 무기산을 이용하여 pH를 조정할 경우에, 차아염소산 농도가 가장 높은 중성 pH 영역을 유지하기 어렵다는 점이다. pH 8 정도의 염소 살균수 수용액에 염산과 같은 pH 조정제를 첨가하면 pH가 낮아지지만, 약염기 상태에서 pH 조정제의 미량 첨가에도 급격하게 pH가 변할 수 있다.

또한, 가정이나 사무실 등에서 간편하게 사용하기에는, 염산 등의 강산은 취급하기 어렵다.

또 다른 문제는 전기 분해 시에 통상적으로 음극 전극에 수용액 속의 금속 이온이 석출하여 달라붙고 양극 전극에서는 전극을 이루는 금속이 용해되기 때문에, 두 전극에 전압의 극성을 교변하여 인가하거나 백금과 같이 반응성이 낮은 물질을 코팅한 전극을 이용한다. 이 경우, 전압 극성을 교변하는 회로가 더 필요하거나, 또는 고가의 전극을 사용하여야 하므로, 전체적으로 비용이 상승한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 중성 내지 약산성 pH 영역의 차아염소산 살균수를 쉽게 얻기 위한 전극 구조물을 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 중성 내지 약산성 pH 영역의 차아염소산 살균수를 쉽게 얻기 위한 전극 구조물을 이용하여 차아염소산 살균수를 생성하는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 차아염소산 살균수 제조 방법은

염화나트륨과 유기산을 포함하는 살균용 첨가제 조성물을 전해조 내의 물에 투입하여 용해시켜 약산성의 수용액을 얻는 단계;

이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 전극을 양극 전극으로 하고 티타늄 전극을 음극 전극으로 하여, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극이 서로 대향하도록 구성된 전극 구조물에 직류 전압을 인가하여 상기 전해조 내에서 상기 약산성의 수용액을 전기 분해하는 단계; 및

상기 약산성의 수용액이 전기 분해되어 pH 4.5 ~ 6.5이고 잔류 염소량이 10 ppm ~ 200 ppm 인 차아염소산 살균수가 생성되면 상기 전극 구조물에 인가되던 직류 전압을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 차아염소산 살균수 제조 방법은,

사용자가 원하는 시간, 투입한 살균용 첨가제 조성물의 양, 물의 양, 물의 종류, 사용자가 원하는 pH 범위 중 적어도 하나의 조건 또는 조건들의 조합에 따라 전기 분해를 위해 상기 전극 구조물에 직류 전압을 인가하는 시간을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 차아염소산 살균수 제조 장치는

수용된 물에 염화나트륨과 유기산을 포함하는 살균용 첨가제 조성물을 용해시켜 얻은 약산성의 수용액을 전기 분해하기 위한 전해조;

상기 전해조 내에 수용액 속에 잠기며 이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 전극을 양극 전극으로 하고 티타늄 전극을 음극 전극으로 하여 상기 양극 전극과 상기 음극 전극이 서로 대향하도록 구성된 전극 구조물; 및

상기 전극 구조물의 양극 전극 및 음극 전극에 소정의 직류 전압을 인가하는 회로부를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 살균용 첨가제 조성물은

살균수로 만들고자 하는 물의 전기전도도에 따라 염화나트륨 80 - 98 중량%, 분말 상의 유기산 2 - 20 중량%가 혼합되도록, 염화나트륨을 포함하는 제1 제품과 유기산을 포함하는 제2 제품을 혼합하여 생성될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 살균용 첨가제 조성물은

살균수로 만들고자 하는 물의 전기전도도에 따라 염화나트륨 84 - 90 중량%, 분말 상의 유기산 10 - 16 중량%가 혼합되도록, 염화나트륨을 포함하는 제1 제품과 유기산을 포함하는 제2 제품을 혼합하여 생성될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 회로부는

미리 초기 조건(default)으로서 지정된 시간, 또는 사용자가 지정한 시간 동안 상기 직류 전압을 상기 전극 구조물에 인가하도록 제어하는 타이머 스위치를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 타이머 스위치는

사용자가 원하는 시간, 투입한 살균용 첨가제 조성물의 양, 물의 양, 물의 종류, 사용자가 원하는 pH 범위 중 적어도 하나의 조건 또는 조건들의 조합에 따라 전기 분해를 위해 상기 전극 구조물에 직류 전압을 인가하는 시간을 결정하도록 동작할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 타이머 스위치는,

투입한 살균용 첨가제 조성물의 양에 따라 사용자가 값을 선택하는 투입량 선택 스위치;

필요한 살균수의 양에 따라 사용자가 값을 선택하는 살균수량 선택 스위치;

원하는 pH 값에 따라 사용자가 값을 선택하는 pH 선택 스위치; 및

물의 종류에 따라 사용자가 값을 선택하는 수질 선택 스위치 중 적어도 하나를 포함하며,

상기 타이머 스위치는 상기 살균용 첨가제 조성물의 투입량이 적을수록, 상기 필요한 살균수의 양이 많을수록, 상기 원하는 pH 값이 높을수록, 물의 전기전도도가 낮을수록 상기 전극 구조물에 직류 전압을 인가하는 시간을 늘리도록 동작할 수 있다.

본 발명의 살균 소독제 조성물에 따르면, 살균 소독제 조성물을 증류수 내지 중성의 수도수에 지정된 중량비로 용해시킨 수용액을 전해한 살균수 속에 유리 염소가 높은 비율로 존재하는 pH 농도인 4.5~6.5 사이에서 나타날 수 있다.

따라서, 가정이나 사무실에서 소량으로 살균수를 생성하여 사용하고자 할 때에, 특별한 제어 장치나 센서 없이 적정 pH의 강력한 차아염소산 살균수를 쉽게 얻을 수 있다. 또한 최대한 높은 농도의 유리 염소를 얻을 수 있으므로, 적은 양의 살균 소독제를 용해시키더라도 높은 살균력을 나타낼 수 있다.

본 발명의 차아염소산 살균수 생성 방법에 따르면, 염산과 같은 취급이 위험한 강산 또는 락스로 알려진 차아염소산나트륨 수용액과 같은 강염기를 원물질로 하지 않고도 차아염소산 살균수를 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 차아염소산 살균수 생성 방법에 따르면, 전기 분해 시에 염소 가스 또는 수소 가스의 생성을 억제하고, 전극에 염이 부착되는 것을 억제하며, 전극의 금속 성분이 살균수에 석출되는 경향이 낮으면서도, 효율적이고 저렴한 전극 구조물을 통해 차아염소산 살균수를 생성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 살균 소독제 조성물을 수도수 또는 증류수에 지정된 중량비로 용해시킨 수용액을 전극 구조물을 이용하여 전기 분해하는 것을 예시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 살균 소독제 조성물을 이용하여 살균 소독제를 제조하는 방법을 예시한 순서도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 살균용 첨가제 조성물은 염화나트륨의 함량이 80% 이상인 천일염 또는 99% 이상인 정제염과 같은 제1 제품 분말과, 비타민C 또는 구연산, 주석산 중에서 선택되는 고체 형태의 유기산을 함유하는 제2 제품 분말을 소정의 비율로 혼합하여 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 살균용 첨가제 조성물은 증류수, 수도물, 정제수, 먹는 샘물과 같은 상수(W)에 소정의 비율로 용해된 수용액을 전해하였을 때에 얻는 살균수가 pH 4.5~6.5 범위이고, 그 잔류 염소 농도는 10 ~ 200 ppm 범위일 수 있다.

식품의약품안정청의 고시에 의한 살균소독제의 용도에 따른 유효 염소 농도는 과일, 채소 등의 신선섭취 음식에 대해서는 100 ppm 이하, 식기류 및 조리 기구, 시설 및 설비에 대해서는 200 ppm 이하 등으로 지정되어 있다.

또한, 음용수 적합 기준에 따르면, 유효 염소의 양은 5 ppm 이하인데, 그 이상의 농도에서는 물에서 염소 냄새를 느낄 수 있고, 암모니아와 같은 유기물과 만나 트리할로메탄(THM) 등의 발암성 물질을 생성할 수 있어 음용수로 적합하지 않다. 본 발명의 살균용 첨가제 조성물을 이용하여 제조된 살균수는 목표하는 유리 잔류 염소 농도가 10 ppm 이상으로서, 음용수를 목적으로 하지 않으며, 과일이나 채소, 식기류, 기구, 가구, 실내 등의 소독, 세척, 살균을 목적으로 한다. 다만, 농도에 따라 음용은 하지 못하더라도 피부에 적용할 수는 있으므로, 세안이나 세수, 족욕 등에 이용할 수 있다.

유효 염소량은 살균용 첨가제 안의 모든 형태의 염소의 양을 의미한다. 유리 잔류 염소는 염소 이온(Cl-)과 차아염소산 이온(OCl-)을 총칭한다.

차아염소산 이온은 잔류 염소의 형태 중에 가장 강력한 산화력을 가진다. 차아염소산 이온은 상온에서 0.1 ppm의 농도일 때에, E. Coli(대장균)을 2분 내에 99% 사멸시킬 수 있고, 1 ppm의 농도일 때에는 1분 이내에 99%를 사멸시킬 수 있다. 고등생물인 곰팡이나 녹조류의 경우에는 1 ppm을 3~5시간 이상 지속하여야 하는 것으로 알려져 있다.

유리 잔류 염소는 pH에 따라 존재 형태가 다른데, 강산 조건 하에서는 차아염소산 이온이 극히 적고 주로 염소 이온으로 존재하며, 약산과 중성 조건에서는 염소 이온이 적고 주로 차아염소산 이온으로 존재한다. 알칼리 조건에서는 염소 이온이 극히 적고, 차아염소산이온은 대부분 나트륨과 반응하여 차아염소산나트륨으로 존재하므로 차아염소산 이온으로는 대단히 적다. 따라서, 유리 잔류 염소가 최대한 차아염소산 이온의 형태로 존재하도록 pH를 조정할 필요가 있다.

또한 차아염소산 이온이 강력한 살균 소독 능력이 있지만 수중에서 암모니아와 같은 유기물과 결합하여 트리클로라민과 같은 독성물질을 생성할 위험이 있는 만큼, 신체에 대한 위험성이 끊임없이 우려되고 있기 때문에, 유효 염소량은 가급적 줄이면서 유리 잔류 염소량은 늘릴 필요가 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 살균용 첨가제 조성물은 미리 정해진 중량의 물에 미리 정해진 살균용 첨가제 조성물을 쉽게 용해시킬 수 있도록, 1회 분량을 정제로 제조하거나, 또는 1회 분량씩 낱개 포장할 수 있다.

본 발명의 살균용 첨가제 조성물은 살균수로 만들고자 하는 물의 전기전도도에 따라 염화나트륨 80 - 98 중량%와, 분말 상의 유기산 2 - 20 중량%가 혼합되도록, 제1 제품 분말과 제2 제품 분말을 혼합하여 조성될 수 있다.

실시예에 따라 본 발명의 살균용 첨가제 조성물은 전기전도도가 상대적으로 낮은 순수의 경우에는 바람직하게는 염화나트륨 84 - 90 중량%, 분말 상의 유기산 10-16 중량%가 혼합되도록, 전기전도도가 상대적으로 높은 수도물의 경우에는 바람직하게는 염화나트륨 82 - 88 중량%, 분말 상의 유기산 12-18 중량%가 혼합되도록, 제1 제품 분말과 제2 제품 분말을 혼합하여 조성될 수 있다.

또한, 예를 들어, 제1 제품으로 천일염을 채택할 경우에는 정제염을 이용할 경우보다 더 1.2배 많은 중량을 혼합할 수 있다.

또한 본 발명의 살균용 첨가제 조성물은 살균용 첨가제를 용해시킬 물의 전기전도도에 따라 염화나트륨과 유기산의 혼합비가 달라지도록 조성될 수 있다. 예를 들어 살균용 첨가제 조성물이 전기전도도 0.1 uS/cm의 증류수에 사용될 때에는 바람직하게는 염화나트륨 88 중량%, 유기산 12 중량%를 혼합한 것일 수 있고, 전기전도도 170 uS/cm의 수도수에 용해될 때에는 바람직하게는 염화나트륨 84 중량%, 유기산 16 중량%를 혼합한 것일 수 있다.

살균수의 용도에 따라, 예를 들어 세면, 세척, 청소 용도일 경우에, 살균용 첨가제 조성물은 계면활성제를 함유하는 제3 제품 분말을 더 포함할 수 있다.

바람직한 계면활성제는 양쪽성 계면활성제, 양이온 계면활성제 및 비이온 계면활성제 중에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.

실시예에 따라, 본 발명의 살균용 첨가제 조성물은 예를 들어 탄산수소나트륨과 같은 탄산 발포제를 함유하는 제4 제품 분말을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 탄산 발포제의 탄산 발생 작용에 의해 pH가 높아질 수 있으므로, 유기산의 혼합비도 높아질 수 있다.

실시예에 따라, 본 발명의 살균용 첨가제 조성물은 정제(tablet) 형태로 제조될 수 있고, 나아가 주요 원료 물질들로써 두 개 이상의 원료 층들을 만들고, 원료 층들 사이에 수용성의 고분자 물질, 예를 들어, 젤라틴, 녹말 등으로 된 분리층을 삽입한 상태로 정제로 제조하여, 원료 물질 간의 반응성을 줄여 보존성을 더 확보할 수 있다. 이 경우, 염화나트륨을 포함하는 제1 제품 분말로써 제1 원료 층을 만들고, 유기산을 포함하는 제2 제품 분말로써 제2 원료 층을 만들 수 있다.

이에 따라, 일반 사용자가, 후술할 본 발명의 전극 구조물을 가진 전해조에 지정된 종류의 물을 넣고, 물이 든 전해조에 단순히 본 발명의 살균용 첨가제 조성물을 넣고 용해시킨 다음, 전해조를 동작시키는 것만으로, 최적의 pH에서 강력한 살균력을 가지는 차아염소산 살균수를 얻을 수 있다.

이하에서, 본 발명의 살균용 첨가제 조성물을 기초로 살균수를 생성하는 과정을 상술한다.

본 발명의 살균용 첨가제 조성물을 상수에 첨가하여 용해시키면 거의 대부분의 염화나트륨(NaCl)과 분자량이 작은 유기산(RCOOH)은 다음과 같이 이온화된다.

NaCl ↔ Na⁺ + Cl^-

RCOOH ↔ RCOO^- + H⁺

이러한 수용액은 소정 중량비로 염화나트륨과 혼합된 유기산에 의해 pH 4 정도의 약산성을 나타내며, 전기 분해를 실시하면 전극 주위에서 다음과 같은 전해 반응들이 각각 일어날 수 있다.

<양극>

2Cl^- ↔ Cl₂ + 2e^-

Cl₂ + H₂O ↔ HOCl + H⁺ Cl^-

HOCl ↔ OCl^- + H⁺

2H₂O ↔ 4H⁺ + O₂ + 4e^-

<음극>

RCOO^- + Na⁺ ↔ RCOONa

Na⁺ + OCl^- ↔ NaOCl

2H₂O + 2e^- ↔ H₂ + 2OH^-

2H⁺ + 2e^- ↔ H₂

염소 이온은 양극으로 이동한 후 염소 분자로 되었다가, 염소 분자가 곧바로 물과 반응하여 차아염소산이 생성된다. 차아염소산은 차아염소산 이온과 수소로 해리될 수 있지만 살균용 첨가제 수용액이 약산성이기 때문에 그 비율은 적은 편이고 유리 잔류 염소의 대부분은 차아염소산으로 존재한다.

나트륨 이온은 음극으로 이동한 후 차아염소산 이온과 결합하여 차아염소산나트륨을 생성할 수 있으나 차아염소산 이온 자체가 적어 대체로 유기산 이온과 결합한다.

한편, 전기 분해 시에 오존(O₃), 과산화수소(H₂O₂), OH 라디컬(˙OH)도 함께 생성될 수 있으며, 이들이 살균 작용을 도울 수 있다. 그러나, 본 발명의 살균용 첨가제 조성물은 차아염소산을 중심으로 살균 작용을 수행하기 위한 것으로, 오존, 과산화수소, OH 라디컬의 생성은 억제되는 것이 바람직하다.

양극과 음극에서, 물 분자는 각각 느리게 분해되어 산소 가스나 수소 가스를 생성할 수 있다.

양극에서는 산소 가스의 발생 전위가 염소 가스의 발생 전위보다 낮기 때문에, 일반적으로 염소 가스보다 산소 가스의 발생이 좀 더 용이할 수 있다. 따라서 동일한 전류 밀도 하에서 양극에서 산소 가스가 발생하는 만큼 염소 가스의 발생이 방해받을 수 있다. 나아가, 물 분자의 전기 분해로 인해 산소 가스와 함께 발생하는 수소 이온이 pH를 원하는 범위보다 낮추는 효과를 가져온다. 이러한 이유로 인해 산소 발생이 억제되어야 차아염소산 생성이 좀더 효율적으로 이루어질 수 있다.

음극에서는 수소 가스와 수산기(OH^-)의 생성에 따라, 주변 용액의 산도는 전기 분해가 진행되면서 높아진다. 양극에서 물 분자의 전기 분해가 억제되면 전체 용액의 산도도 천천히 높아질 수 있다.

따라서, 원하는 pH를 얻기 위해서는 전기 분해를 수행하는 시간을 제어할 필요가 있을 수 있다. 다만, 전기 분해를 지속하는 시간에 따른 pH 변화는 초기에는 상대적으로 급격하지만 시간이 지날수록 점점 완만해진다.

종래에 전기 분해에 이용되는 전극들은 탄소 전극, 백금 전극, 또는 백금으로 코팅한 티타늄 전극 등이 있다.

탄소 전극은 양극, 즉 산화 전극으로 쓸 경우에, 산소 과전위 값이 커서 염소 가스의 발생을 좀더 원활하게 할 수 있다.

백금 전극은 내식성과 내화학성이 좋아 양극 전극 및 음극 전극으로 널리 이용되는데, 백금 원료가 비싸기 때문에 백금 전극 대신에 백금을 코팅한 티타늄 전극을 이용하기도 한다. 이렇게 표면을 백금으로 코팅한 전극은 통상적으로 과전위 값이 낮기 때문에 낮은 전압에서 산소가 발생하기 좋은 대신 염소는 발생하기 어려워 차아염소산 발생 용도로 부적합하고, 비록 내산화성이 좋지만 발생한 산소와 백금 전극이 반응하는 것을 완전히 막을 수는 없다. 한편 백금 분말을 코팅한 전극은 표면적이 넓어지면서 산소에 대한 과전압이 높아져 산소 발생 문제를 해결하였지만 높은 전압을 인가할 경우 높은 전류 밀도로 인해 산화 반응에 약하다.

한편, 음극 전극은 환원 전극으로서 금속이 석출되는 문제가 있다. 이를 방지하기 위해, 강제로 스케일을 제거하거나, 극판을 교체하거나, 인가되는 극성을 교변하는 등의 대책이 필요하다.

이러한 문제에 대응하기 위해 본 발명의 실시예에서는, 양극 전극은 용해 내지 침식을 방지하고 산소 발생을 억제하며 염소 발생을 강화하기 위해 이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 기판을 이용하고, 음극 전극은 스케일 현상을 방지하기 위해 양극 전극에 비해 전기전도도가 상대적으로 낮고 수용액 내에서 불용성인 티타늄 기판을 이용한다. 실시예에 따라서, 양극 전극은 탄소 코팅을 한 티타늄 기판 또는 탄소 전극을 이용할 수 있다.

티타늄 전극은 기계적 강도가 높고 전류 분배가 일정하며 불용성이기는 하나, 전기 전도도가 낮아 전체적으로 전기 분해 효율을 떨어뜨리므로 통상적으로 물의 전기 분해에 환원 전극으로 이용되지 않는다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는 오히려 이러한 점을 이용하여 티타늄 전극을 음극 전극으로 이용한다. 티타늄 전극의 내식성과 낮은 전기 전도도 덕분에 음극에서 금속 이온의 석출 현상이나, 유기물의 흡착, 수소의 발생이 극적으로 감소된다.

나아가 차아염소산의 발생이 일어나는 양극 전극으로서 이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 전극은 높은 전기 전도도를 가지므로 차아염소산을 잘 생성할 수 있다. 다만 전기 전도도가 낮은 티타늄 음극 전극과 짝을 이루었기 때문에 높은 전류 밀도를 얻기 어려워 차아염소산 생성이 다소 느릴 수 있으나 큰 차이를 만들지 않는다. 오히려 이러한 전극은 양극에서 전극 코팅의 용해나 침식을 줄이는 효과가 있어, 결과적으로 전극 수명을 늘릴 수 있다.

전체적으로 음극 전극을 상대적으로 전기 전도도가 낮은 티타늄 전극으로 구현하고, 양극 전극을 상대적으로 전기 전도도가 높은 이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 전극으로 구현함으로써, 차아염소산 생성의 효율을 크게 떨어뜨리지 않으면서 전극 수명을 크게 늘리고 살균수 내에 불순물을 없앨 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 있어서, 음극 전극과 양극 전극은 순티타늄 와이어(직경 0.1~0.5mm)를 일반적인 스테인레스 망(mesh) 직조기에서 셀 공극을 0.15(100mesh)~ 1.2mm(16mesh), 공간 비율을 50％ 내외로 하여 평직 사각 그물형태로 직조하여 메쉬 형태로 제작하여 필요한 크기로 절단한 다음 절단된 전극재료에 접지용 볼트를 끼울 수 있게 일정 간격으로 직경 2~10mm 규격으로 타공을 한 것으로서, 여기서 추가로 양극 전극은 이리듐옥사이드를 1~5(미크롬 ㎛) 두께로 이온도금하여 제조할 수 있다.

나아가, 실시예에 따라, 음극 전극과 양극 전극은 0.1 ~ 10 mm 이격될 수 있다. 이 경우, 음극 전극과 양극 전극이 판 전체에 대하여 서로 일정한 간격을 유지할 수 있도록 전극 사이에 전극 분리망을 더 삽입할 수 있다. 전극 분리망은 내산성, 내식성을 가지고 인체에 전혀 무해한 실리콘, PP, 테프론 소재의 부도체를 망 형태로 제작한 것일 수 있다. 전극 분리망의 셀 공극은 전극의 메쉬 셀보다 큰 3 ~ 15mm 이며, 전극에 인가되는 전하의 세기, 전극의 크기에 따라 전극 분리망의 두께는 0.1 ~ 5mm로 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 살균용 첨가제 조성물을 수도수 또는 증류수에 지정된 중량비로 용해시킨 수용액을 전극 구조물을 이용하여 전기 분해하는 것을 예시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 살균용 첨가제 조성물(10a, 10b)은 분말상으로(10a) 또는 정제(10b)로 제공된다. 살균용 첨가제 조성물은, 염화나트륨 100 중량부에 대해, 전해조(30)에 수용되어 살균수로 만들고자 하는 물의 전기전도도에 따라 유기산 10 내지 20 중량부가 혼합되도록 정제 소금과 유기산 분말을 혼합하여 조성될 수 있다. 이러한 조성비는 염화나트륨 84 - 90 중량%와 유기산 10 - 16 중량%를 혼합한 것에 상응할 수 있다.

전해조(30)에 수용된 순수, 증류수, 생수 또는 수도수의 전기전도도는 0.1 ~ 200 uS/cm 정도이며, 물 속에 미네랄, 유기물, 소독용 염소 등이 많을수록 그 값이 높아질 수 있다.

전해조(30)의 적절한 위치, 예를 들어 바닥면에는 물 속에 완전히 잠기도록 양극 전극(21)과 음극 전극(22)을 포함하는 전극 구조물(20)이 설치된다. 전극 구조물(20)의 양극 전극(21)은 이리듐옥사이드로 코팅된 백금 전극이고, 음극 전극(22)은 무코팅 티타늄 전극이다.

전해조(30) 외부에서 전극 구조물(20)에 직류 전압을 인가하는 회로부(40)와 전원부(50)가 있다. 회로부(40)는 구동 회로(41), 안전 회로(42)를 포함할 수 있다.

구동 회로(41)는 전원부(50)가 제공하는 전압을 기초로 전극(21, 22)에 투입할 전해 전압을 생성하는 승압 회로나, 펄스 전압을 생성하는 펄스 회로로 구현될 수 있다. 구동 회로(41)가 인가하는 전해 전압은 물의 전기전도도나 조성물의 투입량 등에 따라 1.25 ~ 40 V의 범위에서 선택될 수 있다.

안전 회로(42)는 조성물(10)이 과다 투입되었다거나 하여 과전류가 흐를 경우에 동작을 중단시킬 수 있다. 전원부(50)는 1차 전지, 2차 전지뿐 아니라, 태양광과 같은 재생 에너지 또는 상용 AC 전력을 의미할 수 있다.

실시예에 따라 회로부(40)는 타이머 스위치(43)를 더 포함할 수 있다. 타이머 스위치(43)는, 미리 초기 조건(default)으로서 지정된 시간, 또는 단순히 사용자가 지정한 시간 동안 전해 동작을 하도록 구현될 수도 있지만, 실시예에 따라서는 조성물(10)의 투입량과 물의 양에 따라 미리 결정된 조건에 의해 전해 동작 시간을 결정하도록 구현될 수도 있다.

예를 들어, 타이머 스위치(43)는 투입한 조성물(10)의 양, 예를 들어 계량 스푼의 투입 횟수나, 정제의 투입 갯수에 따라 사용자가 그 값을 선택하는 투입량 선택 스위치(431), 필요한 살균수의 양에 따라 사용자가 그 값을 선택하는 살균수량 선택 스위치(432), 원하는 pH 값을 선택하는 pH 선택 스위치(433) 내지, 물의 종류를 선택하는 수질 선택 스위치(434)를 포함할 수 있고, 이러한 선택 스위치들(431, 432, 433, 434)을 통해 선택된 값들의 조합에 의해 결정된 동작 시간만큼 구동 회로(41)를 동작시킬 수 있다.

투입량 선택 스위치(431)는 조성물(10)의 투입량이 많을수록 동작 시간을 줄이며, 살균수량 선택 스위치(432)도 살균수의 양이 많을수록 동작 시간을 늘린다.

pH 선택 스위치(433)는, 차아염소산의 비율이 가장 높은 pH 범위가 다소 약산성에서 미산성의 범위라는 점에서, 예를 들어 pH가 다소 높아 차아염소산 비율이 다소 낮더라도 살균수의 적용 대상이 중성에 가까운 pH를 요구할 경우에 pH가 높도록 동작 시간을 늘린다.

수질 선택 스위치(434)는 투입한 물의 전기전도도에 따라, 전기전도도가 높을수록 동작 시간을 줄인다.

이렇게, 사용자가 조성물(10)의 투입량, 살균수의 양, 물의 종류, 원하는 pH 중 적어도 한 가지 조건을 지정하면, 타이머 스위치(43)가 지정된 조건에 따라 결정된 시간 동안 구동 회로(41)를 동작시키고, 유리 잔류 염소량 10 ppm 이상이면서 pH가 4.5~6.5 사이의 살균수를 얻을 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 살균용 첨가제 조성물을 이용하여 살균 소독제를 제조하는 방법을 예시한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 살균용 첨가제 조성물을 이용한 살균 소독제 제조 방법은 먼저 단계(S21)에서, 살균수로 만들고자 하는 물의 전기전도도에 따라 염화나트륨 80 - 98% 중량%와 유기산 2 - 20 중량%가 혼합되도록 정제 소금과 유기산 분말을 혼합하여 분말상 또는 정제 형태로 미리 준비된 살균용 첨가제 조성물을 전해조 내의 물에 투입하여 용해시켜 약산성의 수용액을 얻는다.

단계(S22)에서, 전해조 내에서 약산성의 염화나트륨 수용액 속에 잠겨 있는 전극 구조물(20)에 직류 전압을 인가한다.

실시예에 따라, 전극 구조물(20)은 이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 전극을 양극 전극(21)으로 하고 티타늄 전극을 음극 전극(22)으로 할 수 있다. 전극 구조물(20)의 양극 전극(21)과 음극 전극(22)은 0.1mm ~ 10mm 이격될 수 있다. 전극 구조물(20)에 인가되는 직류 전압은 1.25V ~ 40V 중에 선택될 수 있다.

선택적인 단계(S23)에서, 사용자가 원하는 시간, 투입한 살균용 첨가제 조성물의 양, 물의 양, 물의 종류, 원하는 pH 범위 중 적어도 하나의 조건을 사용자로부터 입력받는다.

단계(S24)에서, 단계(S23)에서 입력된 조건들 중 적어도 하나의 조건에 따라 정해지는 시간, 또는 디폴트로서 미리 정해진 시간이 흐르면, 전극 구조물(20)에 인가되던 직류 전압을 차단한다. 단계(S23)에서 최종적으로 얻는 살균수의 pH는 4.5 ~ 6.5의 범위 내에 있고, 유리 잔류 염소량은 10 ppm 이상이 될 수 있다.

아래는 중량비를 달리한 살균용 첨가제 조성물과, 이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 기판 양극 전극과 티타늄 기판 음극 전극에 직류 전압을 인가하는 무격막 전기 분해조를 이용하여 살균수를 생성할 경우에 유리 잔류 염소의 발생 효율 및 pH 값을 테스트한 결과이다.

<실험예>

이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 기판을 양극 전극으로 하고 티타늄 기판을 음극 전극으로 하며, 각 전극은 55 파이 매쉬 형상으로 제조된다. 전해조 내에 두 전극 기판이 0.8mm 간격으로 마주하도록 지름 약 10 cm의 원형 전극 구조물 4 세트가 나란히 배치된 상태에서, 두 전극 사이에 9 V의 직류 전압이 인가된다.

살균용 참가제 조성물들은 염화나트륨:구연산이 각각 98:2 중량%, 96:4 중량%, 94:6 중량%, 92:8 중량%, 90:10 중량%, 88:12 중량%, 86:14 중량%, 84:16 중량%, 82:18 중량%, 80:20 중량%로 혼합되도록 분말 상의 정제 소금과 무수 구연산을 혼합한 것들이다.

전해조에 전기 전도도 0.1 uS/cm 이상의 실험실용 증류수 0.5 리터를 넣고, 전해조의 물에 본 발명의 살균용 첨가제 조성물들을 매번 0.5 g 투입한 후, 전해조의 전극에 9V의 전압과 2A의 전류가 5분 동안 인가되었을 때에 유효 염소량과 pH 값을 매 차례 측정한 결과는 아래 표 1과 같다. 측정치들은 모두 평균 값이다.

배합비 NaCl:구연산 (중량%)	유효염소 농도 (ppm/L)	수소이온농도 (pH)	비고
98:2	151	8.17
96:4	126	7.62
94:6	119	7.24
92:8	115	6.82
90:10	110	6.35	HOCl 농도가 가장 높은 구간 (pH 4.5 ~ 6.5)
88:12	103	5.57
86:14	96	5.00
84:16	92	4.70
82:18	86	4.47
80:20	80	4.31

표 1을 참조하면, 구연산을 유기산으로서 염화나트륨에 혼합한 조성물을 용해시킨 수용액을 전기 분해하도록 하였을 경우에, 잔류 염소량 중에 차아염소산 비율이 가장 높은 pH 값 4.5~6.5 범위 이내이면서, 가능하면 짧은 동작 시간 내에, 가능하면 높은 유리 잔류 염소량을 달성할 수 있는 살균용 첨가제 조성물의 배합비를 찾을 수 있다.

염화나트륨:구연산이 각각 90:10 중량%, 88:12 중량%, 86:14 중량%, 84:16 중량%로 혼합되었을 때에 유효 염소농도 약 96 - 110 ppm/L와 pH 4.5 ~ 6.5 범위를 얻을 수 있다.

이러한 데이터는 물 0.5 리터를 기준으로 한 것이므로, 가정에서 스프레이에 넣을 증류수 한 컵 정도의, 예를 들어 250 ml 정도의 살균수를 만드는 경우라면, 염화나트륨:구연산 = (84-90):(10-16) 중량%로 혼합된 살균용 첨가제 조성물을 증류수에 용해한 다음, 약 2~3분 정도 본 발명의 전해 동작이 필요할 것으로 예측할 수 있다.

또한, 수도물의 경우에는, 표 1의 경우에 비하여, 동일한 배합비에서 좀더 높은 유효 염소량과 좀더 높은 pH 값을 나타내는 경향이 있다. 따라서, 수도물을 살균수로 만들고자 할 경우에는 염화나트륨 배합율이 좀더 낮고 유기산은 좀더 높은 예를 들어 염화나트륨:구연산 = (82-88):(12-18) 중량%로 혼합된 살균용 첨가제 조성물을 이용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.

10 살균용 첨가제 조성물 20 전극
21 양극 전극 22 음극 전극
30 전해조 40 회로부
41 구동 회로 42 안전 회로
43 타이머 스위치 431 투입량 선택 스위치
432 살균수량 선택 스위치 433 pH 선택 스위치
434 수질 선택 스위치 50 전원부

Claims

염화나트륨과 유기산을 포함하는 살균용 첨가제 조성물을 전해조 내의 물에 투입하여 용해시켜 약산성의 수용액을 얻는 단계;
이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 전극, 탄소 코팅된 티타늄 전극 또는 탄소 전극을 양극 전극으로 하고 티타늄 전극을 음극 전극으로 하여, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극이 서로 대향하도록 구성된 전극 구조물에 직류 전압을 인가하여 상기 전해조 내에서 상기 약산성의 수용액을 전기 분해하는 단계; 및
상기 약산성의 수용액이 전기 분해되어 pH 4.5 ~ 6.5이고 잔류 염소량이 10 ppm ~ 200 ppm 인 차아염소산 살균수가 생성되면 상기 전극 구조물에 인가되던 직류 전압을 차단하는 단계를 포함하는 차아염소산 살균수 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
사용자가 원하는 시간, 투입한 살균용 첨가제 조성물의 양, 물의 양, 물의 종류, 사용자가 원하는 pH 범위 중 적어도 하나의 조건 또는 조건들의 조합에 따라 전기 분해를 위해 상기 전극 구조물에 직류 전압을 인가하는 시간을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차아염소산 살균수 제조 방법.
수용된 물에 염화나트륨과 유기산을 포함하는 살균용 첨가제 조성물을 용해시켜 얻은 약산성의 수용액을 전기 분해하기 위한 전해조;
상기 전해조 내에 수용액 속에 잠기며 이리듐옥사이드 코팅된 티타늄 전극, 탄소 코팅된 티타늄 전극 또는 탄소 전극을 양극 전극으로 하고 티타늄 전극을 음극 전극으로 하여 상기 양극 전극과 상기 음극 전극이 서로 대향하도록 구성된 전극 구조물; 및
상기 전극 구조물의 양극 전극 및 음극 전극에 소정의 직류 전압을 인가하는 회로부를 포함하는 차아염소산 살균수 제조 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 살균용 첨가제 조성물은
살균수로 만들고자 하는 물의 전기전도도에 따라 염화나트륨 80 - 98 중량%, 분말 상의 유기산 2 - 20 중량%가 혼합되도록, 염화나트륨을 포함하는 제1 제품과 유기산을 포함하는 제2 제품을 혼합하여 생성되는 것을 특징으로 하는 차아염소산 살균수 제조 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 살균용 첨가제 조성물은
살균수로 만들고자 하는 물의 전기전도도에 따라 염화나트륨 84 - 90 중량%, 분말 상의 유기산 10 - 16 중량%가 혼합되도록, 염화나트륨을 포함하는 제1 제품과 유기산을 포함하는 제2 제품을 혼합하여 생성되는 것을 특징으로 하는 차아염소산 살균수 제조 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 회로부는
미리 초기 조건(default)으로서 지정된 시간, 또는 사용자가 지정한 시간 동안 상기 직류 전압을 상기 전극 구조물에 인가하도록 제어하는 타이머 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차아염소산 살균수 제조 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 타이머 스위치는
사용자가 원하는 시간, 투입한 살균용 첨가제 조성물의 양, 물의 양, 물의 종류, 사용자가 원하는 pH 범위 중 적어도 하나의 조건 또는 조건들의 조합에 따라 전기 분해를 위해 상기 전극 구조물에 직류 전압을 인가하는 시간을 결정하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 차아염소산 살균수 제조 장치.
청구항 7에 있어서, 상기 타이머 스위치는,
투입한 살균용 첨가제 조성물의 양에 따라 사용자가 값을 선택하는 투입량 선택 스위치;
필요한 살균수의 양에 따라 사용자가 값을 선택하는 살균수량 선택 스위치;
원하는 pH 값에 따라 사용자가 값을 선택하는 pH 선택 스위치; 및
물의 종류에 따라 사용자가 값을 선택하는 수질 선택 스위치 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 타이머 스위치는 상기 살균용 첨가제 조성물의 투입량이 적을수록, 상기 필요한 살균수의 양이 많을수록, 상기 원하는 pH 값이 높을수록, 물의 전기전도도가 낮을수록 상기 전극 구조물에 직류 전압을 인가하는 시간을 늘리도록 동작하는 것을 특징으로 하는 차아염소산 살균수 제조 장치.