KR101437763B1 - 금속 다공성 시라우드 양극 시스템 및 이를 포함하는 전해환원장치 - Google Patents

Abstract

금속다공성 시라우드 양극 시스템 및 이를 포함하는 전해환원장치가 개시된다. 반응매질이 포함되어 산화반응이 일어나는 전해환원장치에 사용되는 양극에 있어서, 양극은 반응매질에 침지되어 상기 양극을 둘러싸되, 다공성으로 이루어진 금속재질로 된 시라우드로 구성된 것을 특징으로 한다.
다공성 금속을 시라우드 재질로 하여 음극에서 발생하여 전달되는 산소이온의 측면투과가 가능하여 양극에서의 산화반응 면적이 넓어지므로 전류밀도가 높아지고 공정의 속도를 높이는 효과가 있다. 그리고 부식이 자주 발생하는 용융염 상부부위는 내부식성 재질을 사용하여 부식방지, 기계적 강도가 우수한 효과를 제공한다.

Description

금속 다공성 시라우드 양극 시스템 및 이를 포함하는 전해환원장치{Porous metal shroud system for anode of electrolytic reduction apparatus}

본 발명은 전해환원장치의 음극으로부터 금속산화물에서 발생한 산소이온을 효과적으로 양극체로 전달하여 산소가스를 배출하는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다공성 금속재질의 시라우드를 이용하여 양극체에서 산소기체를 많이 발생하도록 하여 공정속도를 높일 수 있는 금속 다공성 시라우드 양극 시스템 및 이를 포함하는 전해환원장치에 관한 것이다.

종래의 전해환원장치에서는 그 공정 중에, 양극 주위에 비다공성 시라우드를 사용하여 양극에서 발생하는 산소가스를 포집하여 배출시키는 방식을 많이 사용하였다.

이때, 비다공성 시라우드를 사용하는 경우 부식의 우려가 없다는 장점이 있으나, 산소이온이 시라우드가 위치하는 양극의 측면으로는 이동할 수 없고 개방되어 있는 하단 만으로만 이동이 가능하므로 실제로 이용되는 양극의 산화 반응면적은 제한되게 된다.

뿐만 아니라 비다공성 시라우드의 재질로 사용되는 세라믹은 기계적 강도가 약하여 원격운전이 필요한 경우 파손가능성이 크다는 문제점이 있다.

이하 도 1은 종래의 전해환원장치 내부 구조도 이다.

도 1을 참고하면, 전해 환원조(101) 내의 전해질 용액(102)에 기준전극(140)을 이용하여 음극과 양극의 반응전압을 측정한다. 산화환원 반응을 위해서는, 음극(130)과 양극(150)에 전압 또는 전류를 공급하여, 전해환원 반응을 일으킨다.

이때, 음극(130)에는 용융염(102)의 양이온이 환원되어 생성된 금속환원제에 의하여 금속 재질의 음극 바스켓에 담긴 금속산화물이 금속으로 전환되고, 양극(150)에서는 금속산화물에서 용융염을 통해 전달된 산소이온이 산화되어 생성된 기체가 비다공성 시라우드(160)를 통해 산소가스 배출구(123)로 배출된다.

즉 전해환원장치의 음극(130)에서는 금속산화물이 전기 화학적 반응에 따라 금속으로 전환되고 음극(130)의 금속산화물에서 빠져 나온 산소이온은 양극(150)에서 산화되어 비다공성 시라우드(160)로부터 산소가스 배출구(123)로 기체가 배출되는 방식이다.

이때, 전해환원공정의 효율은 음극의 금속산화물에서 발생하는 산소이온이 얼마나 효과적으로 양극에 전달되어 산소가스로 배출되는지가 핵심이다. 하지만 이와 같은 비다공성 시라우드(160)는 양극의 측면으로부터 산소가 이동 할 수 없고, 열려있는 하단 만으로만 이동이 가능하므로 실제로 이용되는 면적은 제한되어 있으며, 산화반응면적도 적다. 따라서 산소이동이 측면에서도 이동 가능하도록 면적을 넓힘으로써 산화반응면적을 넓히며, 공정의 효율을 높이는 연구가 시급한 실정이다.

본 발명의 목적은 전해환원공정의 양극에서 발생하는 산소기체를 위한 시라우드의 재질을 종래의 비다공성 세라믹에서 다공성 금속재질로 대체하여 금속재질의 시라우드를 이용함으로써 기계적 강도가 우수하여 원격조작기를 이용하여야 하는 대형공정에서도 사용이 적합하며, 다공성 구조이기 때문에 산소이온의 투과가 가능하여 전류밀도 향상과 공정속도를 높이는 금속 다공성 시라우드 양극 시스템 및 이를 포함하는 전해환원장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 반응매질이 포함되어 산화반응이 일어나는 전해환원장치에 사용되는 양극에 있어서, 양극은 반응매질에 침지되어 양극을 둘러싸되, 다공성으로 이루어진 금속재질로 된 시라우드로 구성되었다.

양극은 반응매질에 일부가 침지되어 산화반응이 일어나는 양극체, 양극체를 지지해주며 수직으로 연결된 양극봉, 양극봉을 감싸서 지지해주며, 그 상부에 산소가스배출구가 형성된 양극연결파이프, 양극봉을 감싸도록 형성된 부식방지용 세라믹으로 구성된다. 양극체에서 산화되어 생성된 기체가 양극연결 파이프 내부를 통하여 산소가스 배출구로 산소가 배출되는 것을 특징으로 하며, 부식방지용 세라믹의 하단지름을 양극연결파이프의 내경과 동일하게 하여 산소가스 흐름을 최소화하여 양극연결파이프 내벽 부식방지를 한다.

반응 매질이 포함되어 산화 반응이 일어나는 양극을 포함하는 전해환원장치에 있어서,

양극은 반응매질에 침지되어 양극을 둘러싸되, 다공성으로 이루어진 금속재질로 된 시라우드를 포함하는 전해 환원장치이다. 전해환원장치의 내부는 비활성 기체로 채워지는 것을 특징으로 한다.

금속재질의 시라우드를 이용하는 것뿐만 아니라 부식방지용 세라믹을 양극파이프 내부에 삽입 하기 때문에 원격조작기를 이용하여야 하는 대형공정에서도 사용이 적합하다.

또한 다공성 구조이기 때문에 산소이온의 측면 투과가 가능하여 산화반응면적이 넓어지며, 전류밀도 향상, 공정속도를 높이는 효과를 제공하는 것에 있다.

도1은 종래의 전해환원장치 내부 구조도 이다.
도2는 전해환원장치 내부 구조도 이다.
도3은 금속다공성 시라우드 양극 시스템의 상세도이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 2는 전해환원장치의 내부 구조도 이다. 전해환원조(101) 내의 전해질 용액 용융염(102)에 기준전극(140)을 이용하여 음극(130)과 양극체(127)의 반응전압을 측정한다.

음극(130)과 양극체(127)에 전압 또는 전류를 공급하여, 전해환원 반응을 일으킨다. 이때, 음극(130)에는 용융염(102)의 양이온이 환원되어 생성된 금속환원제에 의하여 금속재질 음극 바스켓에 담긴 금속산화물이 금속으로 전환되면서 산소이온이 발생한다. 음극(130)에서 빠져 나온 산소이온은 시라우드(121)로 둘러싸인 양극체(127)에서 산화되며, 산화되어 생성된 산소가 산소가스 배출구(123)로 배출된다.

즉 전해환원장치의 음극(130)에서는 금속산화물이 전기 화학적 반응에 따라 금속으로 전환된다. 그리고 음극(130)의 금속산화물(132)에서 빠져 나온 산소이온은 양극(120)에서 산소가스로 산화되어 산소가스 배출구(123)로 배출된다.

또한, 시라우드(121)는 다공성 금속재질을 특징으로 한다. 다공성 금속재질을 사용하였기 때문에 백금의 측면 방향에서도 산소이온의 투과가 가능하며 산화반응 면적을 넓힘으로써 효율을 높이는 특징을 가지고 있다.

도 3은 금속다공성 시라우드 양극 시스템 (A)의 내부 상세도(B)이다.

금속다공성 시라우드 양극 시스템 (A)은 양극체(127)와 시라우드Shroud(121)로 구성되어있다. 양극(120)은 양극봉(126), 산소가스 배출구(123), 양극연결파이프(122), 양극체(127), 부식 방지용 세라믹(124)으로 구성되어있다. 용융염에 잠기는 부분(H)에는 시라우드(121)가 양극체(127)를 둘러싸고 있으며, 시라우드(121)는 금속 다공성 재질을 이용한다. 다공성 구조로 인해 양극체(127)의 측면 방향에서도 산소이온의 투과가 가능하므로 산화반응 면적을 넓힘으로써 효율을 높일 수 있다.

여기서 말하는 시라우드라 함은 금속 다공성 재질로 양극체를 감싸는 것을 뜻한다.

양극체(127)에서 발생하는 산소기체는 산소이동공간(128)을 지나 양극연결파이프(122)의 산소배출구(123)로 산소를 배출시킨다. 상부로 이동하면서 발생하는 부식을 방지하기 위하여 양극연결 파이프(122)의 내부에 세라믹(124)을 삽입하고 파이프에 나온 턱으로 고정한다. 양극체에서 발생한 산소가스가 양극연결 파이프(122)와 부식 방지용 세라믹(124) 사이로 흘러 들어가 금속재질의 양극연결파이프(122) 내벽을 부식 시키는 것을 방지하기 위하여 부식방지용 세라믹(124)의 하단의 지름을 양극연결 파이프(122)의 내경과 동일하게 하여 산소가스의 흐름을 최소화 한다.

양극연결파이프(122)는 양극봉(126)을 지지하고 산소가 산소가스 배출구(123)을 통해 나갈 수 있는 통로 역할을 하며, 용융염에 잠기는 부위는 다공성 금속재질을 이용함으로써 산소이온의 투과가 측면에서도 가능하며, 전류밀도를 향상시킬 뿐만 아니라 공정의 효율개선을 할 수 있는 특징을 가지고 있다.

10: 종래의 전해환원장치 내부구조도 100: 전해환원장치 내부구조도
101: 전해환원조 102: 용융염
120: 양극 121: 시라우드
122: 양극연결 파이프 123: 산소가스배출구
124: 부식방지용 세라믹 126: 양극봉
127: 양극체 128: 산소이동공간
130: 음극 140: 기준전극 150: 양극 160: 비다공성 시라우드
A: 금속다공성 시라우드 양극 시스템
B: 금속다공성 시라우드 양극 시스템 의 내부 상세도
H: 용융염에 잠기는 높이

Claims (6)

1. 반응매질이 포함되어 산화반응이 일어나는 전해환원장치에 사용되는 양극에 있어서,
   상기 양극은
   상기 양극을 둘러싸되, 다공성으로 이루어지며, 금속재질로 된 시라우드;
   상기 반응매질에 일부가 침지되어 산화반응이 일어나는 양극체;
   상기 양극체를 지지해주며 수직으로 연결된 양극봉;
   상기 양극봉을 감싸서 지지해주며, 그 상부에 산소가스배출구가 형성된 양극연결파이프; 및
   상기 양극봉을 감싸도록 형성된 부식방지용 세라믹;
   을 포함하며, 상기 부식방지용 세라믹의 지름을 상기 양극연결파이프의 내경과 동일하게 하여 산소가스 흐름을 최소화하여 상기 양극연결파이프 내벽 부식방지를 특징으로 하는 금속 다공성 시라우드 양극 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 양극체에서 산화되어 생성된 기체가 상기 양극연결 파이프 내부를 통하여 상기 산소가스 배출구로 산소가 배출되는 것을 특징으로 하는 금속 다공성 시라우드 양극 시스템.
4. 삭제
5. 반응매질이 포함되어 산화 반응이 일어나는 양극을 포함하는 전해환원장치에 있어서,
   상기 양극은
   상기 양극을 둘러싸되, 다공성으로 이루어지며, 금속재질로 된 시라우드;
   상기 반응매질에 일부가 침지되어 산화반응이 일어나는 양극체;
   상기 양극체를 지지해주며 수직으로 연결된 양극봉;
   상기 양극봉을 감싸서 지지해주며, 그 상부에 산소가스배출구가 형성된 양극연결파이프; 및
   상기 양극봉을 감싸도록 형성된 부식방지용 세라믹;
   을 포함하며, 상기 부식방지용 세라믹의 지름을 상기 양극연결파이프의 내경과 동일하게 하여 산소가스 흐름을 최소화하여 상기 양극연결파이프 내벽 부식방지를 특징으로 하는 전해 환원장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 전해환원장치의 내부는 비활성 기체로 채워지는 것을 특징으로 하는 전해환원장치.

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