KR101398341B1 - 전기 화학적 물 준비용 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산성수 정화용 전해 장치에 관한 것으로, 음극, 양극 및 이온 교환막을 포함하고, 이온 교환막은 음극과 양극 사이에 배치되고 적어도 그의 림의 전체 외주를 따라 부착되며, 음극 격실 또는 양극 격실에 연결되는 다수의 입구(5) 및 출구(7)가 전해 장치의 상부 및 하부 림을 따라 배치되되 이상적으로는 층류 프로파일을 갖는 플러그 유동이 음극 격실 및 양극 격실에 형성되도록 배치되는 전해 장치에 관한 것이다.

전해 장치, 산성수, 정화

Description

전기 화학적 물 준비용 장치{DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL WATER PREPARATION}

본 발명은, 음극, 양극 및 이온 교환막(ion exchange membrane)을 포함하고, 이온 교환막은 음극과 양극 사이에 배치되고 적어도 주변 영역에서 연속하여 유지되며, 전해 장치의 상부 주변 영역 및 하부 주변 영역에는 음극 및 양극 격실에 플러그 유동(plug flow)이 형성되도록 음극 및/또는 양극 격실에 연결된 다수의 공급 입구 및 배출 출구가 구비되는, 산성수의 정화를 위한 전해 장치(electrolysis device)에 관한 것으로, 이상적인 경우에서 층류 프로파일(laminar profile)의 특징을 갖는 전해 장치에 관한 것이다.

현재 잔류 노천 채굴 지점(open-cast mining site)에서 황산수(sulphuric water)의 정화는 대량의 물의 필요로 인해 필요시 외부로부터의 물에 의해 조절되는 플러딩(flooding)에 의해 주로 행해지고 있다. 하지만, 이러한 공정은 사용가능한 물 공급량, 이송에 소모되는 노력 및 염기 완충능(base capacity to be buffered)에 의해 상당히 제한된다. 라이밍(liming)에 의한 잔류 노천 채굴 지점의 정화는 대부분의 경우에 염기성 물질(basic substance)의 높은 화학량적 과잉(stoichiometric excess)으로 인해 불충분하다.

독일 특허 공보 제DE 19624023 B1호는 정화시킬 물에 어떠한 첨가제도 혼합시키지 않고서 행하는 산성수 정화 공정을 개시하고 있다. 표준 중화와는 대조적으로, 정화 효과는 높은 pH 수치를 갖는 물에 알칼리 용액을 첨가함으로써 달성되는 것이 아니라, 하기의 총 반응식에 기재된 바와 같이 전해 공정의 음극 부분 반응의 전기 화학적 분리에 의해 양자를 분리시킴으로써 달성된다:

(1) 4H⁺ + 4e^- -> 2H₂

(2) 4H₂O + 4e^- -> 2H₂ + 4OH^-

이와 유사하게, 물에 용해된 산소의 수산화 이온으로의 동시 전기 화학적 환원은 일반적으로 중화 효과를 갖는다.

(3) 2H₂O + O₂ + 4e^- -> 4OH^-

하지만, 반응식 (3)은 음극 물 정화에 거의 기여하지 못한다. 전해셀(electrolysis cell)의 양극과 음극 격실 사이에 이온 교환막을 사용하게 되면, pH 수치의 상승을 위해(그리고 관련 중금속 이온 및 알루미늄의 가수 분해 및 침전을 위해) 물의 염 함량(salt content)이 또한 상당히 저감되는 현상이 추가로 발생된다. 이를 위해서, 음극 물 정화 공정은 양극 합성 공정과 결합된다. 만일 황산 이온이 있다면, 다음의 반응이 양극측에서 일어날 수 있다.

(4) 2H₂O -> 4H⁺ + O₂ + 4e^-

(5) 2SO₄ ^{2 -} -> S₂O₈ ^{2 -} + 2e^-

반응식 (4)에 따른 반응에서, 형성 양자(forming proton)는 양극 격실로 유입되는 황산 이온에 의해 포화되며, 이때 우선 황산이 형성되어 농축된다. 두번째 경우에, 황산 이온은 산화되어 과황산염을 제공하며 양극 격실에서 농축(enrichment)된다. 후속 공정에서는, 이러한 생성물들을 회수할 수 있다. 이와 유사하게, 음극 반응에서 형성된 수소를 생성물로서 활용할 수도 있다.

영국 공개 특허 공보 제GB 2057507 A호 또는 독일 공개 특허 공보 제DE 36 14 005 A1호는 일반적으로 전술한 공정들에 적합한 전해 장치를 개시하고 있다. 염소-알칼리(chlor-alkali) 전해 플랜트의 산업 용도로 알려져 있는 전해셀이 독일 특허 공보 제DE 196 41 125호, 제DE 197 40 637호 또는 제DE 196 41 125호에 개시되어 있다. 다른 구성 부품들 중에서, 이러한 셀은 각각 음극 및 양극을 내장하는 음극 및 양극 격실에 의해 구성된다. 전극들 사이에 이온 교환막이 위치되며, 각각의 격실의 내부는 전극에 의해 전극 챔버와 전극 후방 챔버(electrode back chamber)로 세분된다. 전극 챔버는 막에 의해 제한되며, 전극 및 전극 후방 챔버는 전극 및 각각의 후방 셀 벽에 의해 제한된다. 각각의 셀은 공급 입구(feed inlet) 및 배출 출구(discharge outlet)를 구비한다.

이러한 이론적으로 알려진 공정 및 공지된 장치의 단점은, 예컨대 염소-알칼리 전해와 같이 종래의 전해 공정에 비해 이온 농도가 아주 낮은 유체를 정화시키기 위해서는, 공지된 전해 장치에 아주 높은 전압을 인가시켜야 한다는 점이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 낮은 이온 농도의 유체에 적합하고 특정 작동 모드에서 낮은 에너지 소비의 특징을 갖는 장치를 제공하는 데 있다.

이러한 목적은, 본 발명에 따르면, 음극과, 양극과, 음극과 양극 사이에 배치되고 적어도 주변 영역에서 연속하여 유지되는 이온 교환막을 포함하는 물 정화용 전해 장치에 의해 달성된다. 전해 장치의 상부 주변 영역 및 하부 주변 영역은 음극 및/또는 양극 격실을 통한 유체의 유동을 보장하기 위해서 다수의 공급 입구 및 배출 출구를 구비한다.

플러그 유동으로 기재될 수 있는, 비교적 좁은 체류 시간 스펙트럼을 갖는 광범위한 층류 유동 프로파일이 본 발명에 따른 장치에 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이러한 장치의 작동은 우수한 분해 결과와 함께 낮은 전력 소비를 산출하였다. 낮은 전력 소비에서 안정된 층류 유동을 발생시키기 위해서, 이온 교환막으로부터의 최대 전극 거리는 5 mm이고 최소 1.5 mm이다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 전해 장치는 개별 셀의 조립체로서 구성된다. 이러한 개별 셀은 본질적으로 2개의 격실로 구성되며, 격실의 최외측 림(rim)은 외주 플랜지로서 구비되고, 이러한 림에 이어서 셀의 후위 벽에 접하는 외주 가장자리에 후속하는 셀 림이 구비된다. 전극은 각각의 셀 후위 벽에서 내부 상으로 웹에 의해 부착되고, 웹의 대향측, 즉 이온 교환막과 대면하는 전극측에는 이온 교환막의 고정 및 동력 전달을 위해 스페이서가 배치된다. 이러한 방식으로, 전극과 양극 및 음극 격실은 다수의 평행한 부 격실(sub-compartment)로 세분된다.

특정 작동 모드에서, 이러한 다수의 개별 셀은 지지 구조체에서 평면 평행 위치로 서로 연이어 매달려 서로 지지되며, 동력은 연이어 수직 방향으로 이온 교환막 및 전극 표면으로 전달된다.

바람직한 방식에 따르면, 공급 입구 및 배출 출구는 이온 교환막으로부터 볼 때 전극 후방에 배치되며, 적어도 하나의 공급 입구 및 하나의 배출 출구가 각각의 부 격실에 할당된다. 다른 개선점에 따르면, 셀의 후위 벽과 전극 사이의 공간, 즉 전극 후방 챔버는 특정 작동 모드에서 물이 약간의 주변 유동(peripheral flow)을 제외하고는 전극과 이온 교환막 사이의 공간으로 유동되도록 비활성 재료로 90% 이상 충진된다. 이상적인 경우, 전극 후방 챔버는 완전히 패킹(packing)된다.

유체의 공급 및 배출에 대한 유동 구성을 개선시키기 위해서, 비활성 재료는 공급 입구 및 배출 출구의 영역에서 하나 이상의 채널이 상부 및 하부 셀 벽과 평행하게 형성되도록 성형되거나, 하나 이상의 채널이 상부 및 하부 셀 벽과 평행하게 형성되게 하기에 적합한 개구를 구비한다. 이렇게 되면, 유체는 각각의 전극의 가장자리와 셀의 림 사이에 형성된 간극을 통해 유동될 것이다. 이상적인 경우에, 전극의 상부 및 하부 가장자리와 셀의 림 사이의 간극은 최소 0.5 mm의 폭이고 최대 5 mm의 폭이다.

음극 격실의 체적 유량이 매우 크기 때문에, 음극은 또한 상부 및 하부 가장자리에 개구, 구멍 등을 구비한다. 따라서, 음극 후방 챔버로 유입되는 물은 공급 라인의 압력을 증대시킬 필요없이 음극 격실로 적절하게 유동될 수 있다.

이상적인 경우에서, 본 발명에 따른 장치의 양극은 전신 금속 메시(expanded metal mesh)로 구성되고, 음극은 평면 금속 시트(plane metal sheet)로서 구성된다. 전극 후방 챔버를 충진하는 패킹 부재는 바람직하게는 전극 후방 챔버의 탈수 및 부식 방지를 위해 수직 가장자리를 따라 경사진다(bevelled).

또한, 본 발명은, 압력 여과기(filter press)로서 구성되고 서로 연이어 정렬되는 다수의 개별 셀로 구성되는 물 정화용 전해 장치에 관한 것이다. 이러한 개별 셀의 각각은 양극 및 음극 격실과 그들 사이에 배치되는 다이아프램 또는 이온 교환막을 구비한다. 각각의 개별 셀은 쌍극성 셀 벽에 의해 인접 셀로부터 분리된다. 양극 및 음극 격실은, 유체 투과성 및 탄성을 갖고 이온 교환막 고정 역할을 하는 매트(mat)로 충진될 수 있다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 이온 교환막과 대면하는 전극측에 이온 교환막 고정 및 동력 전달의 역할을 하는 스페이서가 배치되며, 이러한 스페이서에 의해 전극과 이온 교환막 사이의 공간과 전극이 다수의 부 격실로 세분되고, 각각의 부 격실은 적어도 하나의 공급 입구 및 하나의 배출 출구를 구비한다.

이러한 전해 장치는, 이온 교환막과 전극 사이의 공간 위아래에 배치되는 밀봉 부재를 구성하되, 다수의 공급 입구 및 배출 출구가 밀봉 부재를 통해 연장되고 이상적인 경우에는 볼트에 의해 밀봉 부재에 고정될 수 있도록 구성함으로써 개선될 수 있다.

도 1은 전해셀의 평면도이다.

도 2는 도 1의 선 A를 따라 도시한 전해셀의 공급 입구 영역의 단면도이다.

도 3은 도 1의 선 B를 따라 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 전해셀 2: 셀 플랜지

3: 볼트 관통부 4: 상부 셀 가장자리

5: 공급 입구 6: 하부 셀 가장자리

7: 배출 출구 8: 부 격실

9: 음극 격실 10: 음극

11: 이온 교환막 12: 음극 챔버

13: 음극 후방 챔버 14: 패킹 부재

15: 채널 16: 가장자리 간극

17: 개구 18: 양극 격실

19: 양극 20: 접촉 스트립

21: 웹 22: 양극 챔버

23: 스페이서

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예들을 도시하고 있다. 도 1은 전해셀(1)을 평면도로 도시하고 있다. 외주 셀 플랜지(2)에는 규칙적으로 이격된 볼트 관통부(3)가 구비된다. 도 1에 도시되지 않은 상부 셀 가장자리(4)에는 다수의 공급 입구(5)가 구비된다. 역시 도시되지 않은 하부 셀 가장자리(6)에는 동일한 수의 배출 출구(7)가 구비된다.

전체 전해셀(1)은 부 격실(sub-compartment)(8)들로 세분되며, 각각의 부 격실(8)에는 공급 입구(5) 및 배출 출구(7)가 구비된다. 도 2에 따른 단면도는 전해셀(1)의 공급 입구 영역을 선 A를 따른 수직 단면도로 도시하고 있다. 음극 격실(9)은 음극(10)과 이온 교환막(11) 사이에 음극 챔버(12)를 구비한다. 삼각형 단면의 채널(15)이 셀 가장자리(6) 아래에 형성되도록 공급 입구(5) 쪽으로 각도를 이루며 절단된 플라스틱 패킹 부재(packing element)(14)가 음극 후방 챔버(13) 내에 삽입된다. 음극 후방 챔버(13)의 폐쇄는 셀의 유체가 채널(15)의 영역에서 음극(10)의 개구(17) 및 가장자리 간극(16)을 통해 음극 챔버(12)로 완전히 전환되도록 한다. 셀의 후위 벽은 추가로 접촉 스트립(20)을 보이고 있으며, 이러한 접촉 스트립은 전기 전도성을 보장하도록 인접 전해셀(1)들을 연결시킨다.

양극 격실(18) 및 일체 구성 부품의 구성은 본질적으로 동일하다. 가장자리 간극(16)에 인접하여 양극(19)에는 추가의 개구(17)가 구비되지 않는데, 왜냐하면 음극측에서 보다 체적 유량이 작기 때문이다.

도 3은 도 1의 선 B를 따른 단면도를 도시하고 있다. 전극의 후방 챔버에 삽입된 패킹 부재(14)가 도시되어 있으며, 모든 패킹 부재(14)는 정확히 하나의 부 격실(8)을 충진시키고, 부 격실(8)은, 전극을 지지하고 각각의 셀 격실의 후위 벽에 연결되는 웹(21)에 의해 형성된다. 음극 챔버(12) 및 양극 챔버(22)에서 웹(21)의 영역에 스페이서(23)가 배치되며, 이러한 스페이서는 이온 교환막(11)을 국소적으로 고정시킨다.

Claims (13)

1. 개별 셀의 조립체를 형성하고,

   각각의 셀은 음극과; 양극과; 전극을 포함하는 음극과 양극 사이에 배치되고 주변 영역에서 연속하여 유지되는 이온 교환막을 포함하는 물 정화용 전해 장치에 있어서,

   전해 장치의 상부 주변 영역 및 하부 주변 영역은 다수의 공급 입구 및 배출 출구를 구비하고,

   셀의 후위 벽과 전극 사이의 공간은 특정 작동 모드에서 물이 약간의 주변 유동을 제외하고는 전극과 이온 교환막 사이의 공간으로 유동되도록 비활성 재료로 90% 이상 충진되는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
2. 제1항에 있어서,

   (a) 전해 장치는 본질적으로 2개의 격실로 구성되는 개별 셀의 조립체로서 구성되고,

   (b) 격실의 최외측 림은 외주 플랜지로서 구비되고, 상기 림에 이어서 셀의 후위 벽에 접하는 외주 가장자리에 후속하는 셀 림이 구비되며,

   (c) 전극은 각각의 셀 후위 벽에서 내부 상으로 웹에 의해 부착되고, 웹의 대향측에는 이온 교환막 고정 및 동력 전달을 위해 스페이서가 배치되며,

   (d) 전극과 각각의 전극과 이온 교환막 사이에 형성된 양극 챔버 및 음극 챔버는 다수의 평행한 부 격실로 세분되는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
3. 제2항에 있어서,

   적어도 하나의 공급 입구 및 하나의 배출 출구가 각각의 부 격실에 할당되는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
4. 제1항에 있어서,

   비활성 재료는 공급 입구 및 배출 출구의 영역에서 하나 이상의 채널이 셀 벽과 평행하게 형성되도록 성형되거나, 하나 이상의 채널이 셀 벽과 평행하게 형성되게 하기에 적합한 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
5. 제1항에 있어서,

   전극의 상부 및 하부 가장자리와 셀의 림 사이의 간극은 최소 0.5 mm의 폭이고 최대 5 mm의 폭인 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
6. 제1항에 있어서,

   음극은 공급 입구 및 배출 출구에 대향된 상부 및 하부 가장자리에서 개구, 구멍 등을 구비하는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
7. 제1항에 있어서,

   양극은 전신 금속 메시로 구성되고, 음극은 평면 금속 시트로서 구성되는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
8. 제1항에 있어서,

   전극 후방 챔버의 탈수를 위해 패킹 부재가 수직 가장자리를 따라 경사지는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
9. 제1항에 있어서,

   전해 장치는 압력 여과기(filter press)로서 구성되고 서로 연이어 정렬되는 다수의 개별 셀로 구성되며, 상기 개별 셀의 각각은 양극 및 음극 격실과 그들 사이에 배치되는 다이아프램 또는 이온 교환막을 구비하고 쌍극성 셀 벽에 의해 인접 셀로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
10. 제9항에 있어서,

    이온 교환막과 대면하는 전극측에 이온 교환막 고정 및 동력 전달의 역할을 하는 스페이서가 배치되며, 상기 스페이서에 의해 전극과 이온 교환막 사이의 공간과 전극이 다수의 부 격실로 세분되고, 각각의 부 격실은 최소한 하나의 공급 입구 및 하나의 배출 출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
11. 제9항에 있어서,

    이온 교환막과 전극 사이의 공간 위아래에 배치되는 밀봉 부재는, 공급 입구 및 배출 출구가 상기 밀봉 부재를 통해 연장되고 이상적인 경우에는 상기 밀봉 부재에 볼트에 의해 고정될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
12. 제9항에 있어서,

    이온 교환막까지의 수직 전극 거리는 5 mm 내지 1.5 mm인 것을 특징으로 하는 물 정화용 전해 장치.
13. 삭제

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