KR101587577B1 - 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3격실로 이루어진 염화물 수용액의 전기분해용 격막식 전기분해조에 관한 것으로, 그 목적은 2개의 양이온교환막으로 이루어진 3격실 전해조를 구비하여 염화물 수용액의 전기분해시 양극과 음극 반응으로 생성된 물질간의 pH 차이를 완충할 수 있는 중성영역의 pH를 가지는 중간실을 두어 양극실 염화물 속에 포함된 불순물이 양이온교환막 내부에 축적되지 않고 중간실을 통해 배출되도록 한 차염발생장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 염화물 수용액의 전기분해를 이용한 차염발생장치에 있어서, 전해조 본체 내부에 양극과 음극이 설치되고, 양극과 음극 사이에 2장의 양이온교환막이 설치되어 전해조 본체 내부를 양극실(15), 음극실(17) 및 중간실(16)로 분할 구성한 3격실 전해조(1)와; 상기 양극실(15)로 양극수를 순환공급하는 양극수조(2)와; 상기 음극실(17)로 음극수를 순환공급하는 음극수조(3)와; 상기 중간실(16)로 염용액을 순환공급하는 염용액저장수조(4);를 포함하여 구성된 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치를 발명의 특징으로 한다.

Description

3격실 전해조를 이용한 차염발생장치{Sodium hypochlorite generator using electrolyzor with 3-compartment}
본 발명은 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치에 관한 것으로, 자세하게는 염화물 수용액을 전기분해하는 전해조 내부에 2장의 양이온교환막을 이용하여 pH가 중성영역인 중간실을 형성하여 소금 속에 포함된 Ca+2 이온 등의 불순물이 응집되지 않고 배출되도록 하여 양이온교환막의 오염을 방지하고 내구성을 높인 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치에 관한 것이다.
염화물 수용액의 전기분해공정은 화학공업산업에서 염소, 알카리용액(NaOH, KOH 등), 염산, 차아염소산염, 수소 등을 생산하는 주요 설비이며, 그 외 해수전기분해를 통한 살균소독기술의 적용(발전소 냉각수계통, 선박평형수처리, 해수담수화 살균소독기술 등) 및 농식품 및 식자재 살균소독을 위한 전기분해수 제조, 상수도 등의 살균소독용 차아염소산나트륨 발생장치 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
특히, 이러한 염화물의 전기분해공정에 사용되는 격막식 전해조의 경우 대체로 양이온교환막을 격막으로 사용하여 양극쪽으로는 염화물 수용액을 공급하고 음극쪽으로는 물(H2O)를 공급하여 적용하는 공정이 적용되고 있다. 이러한 염화물 수용액 중 가장 대표적인 것이 염화나트륨(NaCl) 수용액이다.
이러한 염화나트륨 수용액의 전기분해 공정은 격막식 전해조에 직류전원이 공급되면, 양극실에서는 양극반응을 통해 염소이온(Cl-)이 염소가스(Cl2)로 전환되며, 나트륨이온(Na+)은 양이온교환막을 통해 음극실로 이동되게 된다.
음극실에서는 음극반응을 통해 물(H2O)이 수소가스(H2)와 수산화이온(OH-)으로 전환되고 수산화이온(OH-)은 양극실에서 넘어온 나트륨이온(Na+)과 평형을 이루어 가성소다(NaOH)를 생산하게 된다.
일반적인 화학공업에서의 염수전해반응에서는 이렇게 생산된 염소가스(Cl2)와 가성소다(NaOH) 및 염소가스(Cl2)와 가성소다(NaOH)를 반응시켜 생산하는 차아염소산나트륨(NaOCl), 염소가스(Cl2)와 수소가스(H2)를 반응시켜 생산하는 염산(HCl)을 각각의 용도에 맞게 사용하고 있다.
하지만 상기한 종래 격막식 전해조의 가장 큰 문제점은 염수 내에 존재하는 칼슘(Ca+2) 등의 불순물에 의한 막의 오염현상이다.(도 4 참조)
즉, 전기분해과정에서 양극쪽에서는 부반응으로 수소이온(H+)이 생산되어 낮은 pH(5 이하)를 유지하고(필요에 따라서 임의로 pH를 조절하여 2 이하를 유지하기도 한다.), 음극에서는 생산된 가성소다(NaOH)에 의해 pH가 12 이상을 유지하게 되는데, 막을 경계로 이러한 pH의 차는 막 내부에서 pH 구배를 형성하게 되고(도 5 참조) 이에 따라 불순물 양이온들이 막 내부에 축적되어 막 오염에 따른 전압상승 및 효율저하의 원인이 된다.
도 5에 이러한 막 내부의 pH 구배와 막오염 현상을 설명하고 있다. 도 5에서는 양극측(Anode Side)과 음극측(Cathode Side)에 위치한 막(Position in membrane)의 단면을 나타내었고 그 내부의 pH 구배를 도시하였다. 그리고 염용액내에 포함될 수 있는 불순물(Fe, Ni, Mg, Ca, Ba, Sr)과 그 불술물이 응집되는 pH 영역(↕)을 도시하였다. 염용액에 가장 많이 포함된 불순물은 Ca+2과 Mg+2이라고 볼 수 있으며, 특히 Ca+2의 경우 도면에 나타나듯이 응집영역은 pH 9~12 사이로 막 내부의 pH 구매영역과 일치한다. 따라서 불순물 중 Ca+2 이온이 막 내부의 축척가능성이 가장 높으며 이러한 성분에 의한 막오염이 가장 큰 문제로 대두된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 일반적인 방법으로는 응집, 필터링, 흡착 등의 공정을 이용하여 유입되는 염수 중 칼슘(Ca+2) 등의 불순물을 사전에 제거하는 공정이 있는데 이러한 공정을 적용하기 위해서는 복잡한 구성요소를 구비하여야 한다는 단점이 있다.
또한 일반적인 화학산업에서의 격막식 염수전해공정에서는 염화물의 전환율을 높이기 위해 전해 후 배출 염용액을 재순환하게 되고, 재순환시에 상기와 같은 불순물 처리공정에 산화제의 유입을 막기 위해 재환원하는 공정이 추가하게 되어 구성이 더욱 복잡해지고, 유지관리 포인터 및 비용이 증가하게 되는 문제점을 내포하고 있다.
한국 등록특허공보 등록번호 10-1373389(2014.03.05.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1187435(2012.09.25.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1361651(2014.02.05.) 한국 공개특허공보 공개번호 10-2013-0110359(2013.10.10.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 2개의 양이온교환막으로 이루어진 3격실 전해조를 구비하여 염화물 수용액의 전기분해시 양극과 음극 반응으로 생성된 물질간의 pH 차이를 완충할 수 있는 중성영역의 pH를 가지는 중간실을 두어 양극실 염화물 용액 속에 포함된 불순물이 양이온교환막 내부에 축적되지 않고 중간실을 통해 배출되도록 한 차염발생장치를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 염화물 수용액의 전기분해를 이용한 차염발생장치에 있어서, 전해조 본체 내부에 양극과 음극이 설치되고, 양극과 음극 사이에 2장의 양이온교환막이 설치되어 전해조 본체 내부를 양극실, 음극실 및 중간실로 분할 구성한 3격실 전해조와; 상기 양극실로 양극수를 순환공급하는 양극수조와; 상기 음극실로 음극수를 순환공급하는 음극수조와; 상기 중간실로 염용액을 순환공급하는 염용액저장수조;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치를 제공함으로써 달성된다.
바람직한 실시예로, 상기 양이온교환막은 과불소계 양이온교환막 또는 부분불소계 양이온교환막일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 양이온교환막 중 중간실과 음극실을 구획하는 막은 일가선택성을 갖는 양이온교환막일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 중간실은 두 개의 양이온교환막이 근접되게 구성하여 미세유로 형태로 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 중간실에는 양이온에 대한 이온 구배를 보충할 수 있는 이온수용체가 충전될 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 이온수용체는 양이온교환수지, 음이온교환수지 중에서 선택된 어느 하나 또는 혼합된 것을 사용할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 중간실은 pH가 10 이하로 유지되도록 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 양극은 Ti 모재에 백금족이 코팅된 불용성전극으로 구성하고, 음극은 Ti, 스테인레스강, Ni 합금, 탄소강 중에서 선택된 하나 이상으로 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 양극실에 순환 공급되는 양극수는 염화물 수용액이고, 상기 중간실에 순환공급되는 염용액은 상기 염화물과 동일한 양이온성분을 가지며 물속에 해리되어 이온상태로 존재하는 전해질 용액이고, 상기 음극실에 순환공급되는 음극수는 순수한 물 또는 일부 알카리용액 일 수 있다.
바람직한 실시예로, 중간실의 pH는 염용액저장수조의 염용액을 순환공급하는 중간실 순환배관 상에 설치된 pH조절장치에 의해 염용액의 pH를 조절 후 공급되도록 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 양극실로 공급된 염화물 수용액의 농도가 중간실에 공급된 염용액의 농도보다 낮게 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 양극수조에는 양극수를 순환공급하는 양극수 순환배관과, 외부에서 염화물 수용액을 보충하는 염화물 수용액 공급배관 및 외부로 Cl2를 배출하는 Cl2 배출배관이 형성되고, 상기 음극수조에는 음극수를 순환공급하는 음극수 순환배관과, 외부에서 물(H2O)을 보충하는 물공급 배관, 외부로 H2와 알카리용액을 배출하는 수소배출배관 및 알카리용액 배출배관이 형성될 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 중간실에서 배출된 염용액은 중간실 순환배관상에 설치되어 중간실에서 농축되어 배출된 칼슘을 포함한 불순물을 제거하는 염용액 정제기;를 더 포함하여 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 중간실과 염용액저장수조 간을 연결하는 중간실순환배관상의 일지점 또는 염용액저장수조 내에 설치되는 제 1 수분제거유닛;을 더 포함하여 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 양극실과 양극수조 간을 연결하는 양극수 순환배관상의 일지점 또는 양극수조 내에 설치되는 제 2 수분제거유닛;을 더 포함하여 구성할 수 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따르면 전해조에서 염화물 수용액의 전기분해시 격막 내부에 축적되는 염화물 수용액 속에 포함된 Ca2+ 등의 불순물이 응집되지 않고 pH가 중성영역을 가지는 중간실에서 외부로 배출되도록 함으로써 전압상승 및 효율저하를 방지하여 안정적인 전기분해 반응이 지속되도록 함으로써 양이온교환막의 교체주기를 획기적으로 증대시켜 내구성을 높이고 이로 인해 차염발생장치의 운전비용을 절감시킬 수 있다는 장점과,
또한 기존에는 Ca2+ 등의 불순물에 의한 응집 현상 때문에 사용이 불가능했던 해수를 포함하여 스케일 유발물질인 칼슘 등이 다량 함유된 염수에서도 3격실 전해조를 구비한 차염발생장치를 사용할 수 있게 되었다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 3격실 전해조를 구비한 차염발생장치의 전체 구성도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 3격실 전해조의 구성을 보인 개략적인 구성도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 3격실 전해조 내부의 전해과정을 보인 개념도이고,
도 4는 종래 일반적인 격막식 전해조 내부의 전해과정을 보인 개념도이고,
도 5는 종래의 격막식 전해조에서 막단면에서의 pH구배와 불순물이 응집되는 pH 영역을 표시한 개념도이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부 도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 3격실 전해조를 구비한 차염발생장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 3격실 전해조의 구성을 보인 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 3격실 전해조 내부의 전해과정을 보인 개념도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3격실 차염발생장치는 2개의 양이온교환막으로 전해조 본체(11) 내부 공간을 양극실(15), 음극실(17) 및 중간실(16)로 분할되는 3격실 전해조(1)를 구비한다.
3격실 전해조의 양극실(15)로는 양극수조(2)의 양극수가 양극수 순환배관(201)을 따라 순환하여 공급되고, 음극실(17)에는 음극수조(3)의 음극수가 음극수 순환배관(301)을 따라 순환하며, 중간실(16)로는 염용액저장수조(4)를 통해 별도의 염용액이 중간실 순환배관(401)을 따라 공급되어 순환되도록 구성된다.
상기 중간실(16)에 공급되는 염용액이라 함은 상기한 염화물과 동일한 양이온성분을 가지며 물속에 해리되어 이온상태로 존재하는 전해질 용액을 말한다.
상기 양극수조에는 양극수 순환배관(201) 외에 외부에서 염화물 수용액을 보충하는 염화물 수용액 공급배관(202)과 외부로 양극수조에서 발생된 Cl2를 배출하는 Cl2 배출배관(203)이 형성된다.
상기 음극수조에는 음극수 순환배관(301) 외에 외부에서 물(H2O)을 보충하는 물공급 배관(302)과 외부로 음극수조에서 발생된 H2 및 알카리용액을 각각 배출하는 수소배출배관(303) 및 알카리용액 배출배관(304)이 형성된다.
상기와 양극실(15)로 공급되는 양극수(염화물 수용액) 내의 칼슘과 같은 경도성 물질은 중간실로 이동되고 중간실의 pH가 10 이하로 유지됨으로 침적되지 않고 제거될 수 있다.
이때 양극실로 공급되는 염화물 수용액의 농도를 중간실보다 낮게 유지함으로 양극실에서 중간실로 양이온이 이동할 때 물이 함께 이동되는데 이러한 농도구배는 삼투압에 의해 중간실로 물의 이동을 더욱 증가시킴으로 양극수에서 물과 염화물과의 밸런스를 유지하는데 기여한다.
이때 중간실의 pH를 10 이하로 유지하기 위해 중간실과 연결된 중간실 순환배관(401)상에 별도의 pH조절장치(19)를 두는 것이 바람직하다.
또한, 중간실에서 배출된 염용액은 중간실 순환배관(401) 상에 염용액 정제기(5)를 두어 중간실에서 농축되는 칼슘 등의 불순물을 제거하도록 구성한다.
또한, 중간실(16)에는 양극실에서 양이온과 함께 넘어온 물을 제거하기 위해 중간실 순환배관(401) 또는 염용액저장수조(4) 내에서 물을 제거할 수 있는 제 1 수분제거유닛(6)을 둘 수 있다.
또한 양극실(15)에서도 염소가스와 이동되는 양이온으로 인해 양극수조의 염화물 농도가 떨어지고 물과 염화물의 밸런스가 틀어지게 되는데 이를 방지하기 위해 양극수 순환배관(201) 또는 양극수조(2) 내에 제 2 수분제거유닛(7)을 설치하여 구성할 수 있다.
이러한 제 1 수분제거유닛(6)과 제 2 수분제거유닛(7)은 전기분해과정에서 소모되는 염화물과 물의 밸런스 상 염화물의 소모량이 더욱 높음으로 인해 농도가 틀어지게 되는 현상을 방지하기 위해 염화물 수용액 내의 물을 일부 증발시켜 용액 농도에 대한 밸런스를 유지하는 역할을 수행한다.
이하 구체적으로 상기 본 발명의 한 실시예에 따른 3격실 전해조(1)를 설명한다.
3격실 전해조의 구성은 전해조 본체(11) 내부에 양극(12)과 음극(13)이 설치되고, 이 양극과 음극 사이에 2장의 양이온교환막(14a,14b)이 설치되어 전해조 본체(11) 내부를 양극실(15), 중간실(16) 및 음극실(17)로 분할된 3개의 격실로 분할 구성된다.
상기 2개의 양이온교환막(14a, 14b)은 전해조 본체 내부 공간을 3개의 격실로 만들기 위해 미도시된 지지체에 의해 지지구성되어 전해조 본체에 설치될 수 있다.
상기 양극은 Ti 모재에 백금족이 코팅된 DSA(Dimension Stable Anode, 불용성 양극)를 사용하고, 음극은 Ti, STS(Stainless Steel, 스테인레스 강), Ni 합금, 탄소강 중에서 선택된 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 양극실(15)은 하부에 연통된 양극수 순환배관을 통해 염화물 수용액이 공급되도록 구성하고, 중간실(16)은 하부에 연통된 중간실 순환배관을 통해 염화물 수용액과 동일한 양이온을 함유한 염용액이 공급되도록 구성하고, 상기 음극실(17)은 하부에 연통된 음극수 순환배관을 통해 순수한 물 또는 일부 알카리를 포함한 용액이 공급되도록 구성한다.
또한 상기 양극실(15), 중간실(16) 및 음극실(17) 상부에는 각각 배출배관이 형성되어 각각 전해반응 및 막에 의한 투과로 생성되거나 이동된 물질이 포함된 용액이 각각 별도로 배출되도록 구성된다. 이때 양극수에 포함된 Ca+2 이온 등의 불순물은 일부가 중간실(16)로 넘어가지만 음극실(17)로는 넘어가지 못하고 중간실(16)의 배출배관을 통해 배출되게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 3격실 전해조의 양극실(15)에는 공급된 염화물이 양극반응에 의해 Cl- 이온은 Cl2로 전환되고, 염화물의 양이온은 양극실(15)과 중간실(16)을 구획하고 있는 양이온교환막을 투과하여 양극실(15)에서 중간실(16)로 이동된다. 이때 일부의 양극반응은 H2O가 반응하여 H+ 이온과 O2를 발생시켜 양극실(15)의 pH는 낮아지게 된다.
또한 상기 중간실(16)에는 염용액을 공급하면 양극실(15)의 염의 양이온은 중간실(16)과 음극실(17)을 구획하고 있는 양이온교환막을 투과하여 음극실(17)로 이동한다. 이때 Ca+2과 같은 불순물 양이온은 양극실(15)에서 중간실(16)로는 넘어 올 수 있으나, 중간실(16)에서 음극실(17)로는 넘어가지 못하고 중간실에서 배출되게 된다. 이는 상대적으로 불순물의 농도가 낮고, 이온의 크기가 커 이동도가 낮기 때문이다. 이러한 현상은 하기에 설명될 일가선택성막의 사용으로 더욱 효과가 나타날 수 있다.
또한 상기 음극실(17)에 물 또는 알카리 수용액이 공급되면 음극반응에 의해 H2O이 H2 가스와 OH- 이온을 생성하게 되고, OH-는 중간실(16)에서 넘어온 염의 양이온에 의해 알카리 용액을 형성하게 된다.
또한 상기 양극실(15)과 중간실(16) 및 음극실(17)을 각각 구획하는 양이온교환막(14a, 14b)은 수중에 양이온을 선택적으로 투과할 수 있는 막으로 음이온은 투과되지 않는 특성을 가지고 있으나, 이러한 선택성이 완전하다고는 할 수 없다. 이로 인해 일반적인 격막식 전기분해의 과정에서는 양극실에서의 음극실로의 이온의 이동은 염의 양이온과 일부 H+이온이 막의 이온선택성에 의해 이동된다. 또한 음극실에서는 높은 OH-이온 농도를 가지고 있어 양이온교환막임에도 불구하고 Dannan평형을 맞추기 위해 일부가 양극실로 넘어가게 된다. 이러한 현상으로 도 5에서와 같이 막내부에 pH 영역을 형성하게 된다. 본 발명의 구성과 같은 3격실의 경우, 중간실에는 동일하게 양극실로부터는 일부의 H+이온이 공급되고, 음극실로부터는 전술한 Donnan평형에 의해 일부 OH-이온이 넘어와 중성화되어 기존 전해조에 비해 pH 구배에 대한 완충역할을 수행할 수 있고, 특히 중간실에서는 고농도의 이온농도를 유지함으로 기존 전해조에 비해 이온의 이동도가 낮아 pH 10 이하의 영역을 유지할 수 있게 된다.
이 때문에 해수 등에 칼슘 등과 같은 스케일 유발물질이 다량 함유된 염수에서는 이러한 효과로 인해 기존에 격막형으로 적용이 불가능한 부분이 가능하게 된다.
상기 양이온교환막은 바람직하게는 과불소계 양이온교환막 또는 부분불소계 양이온교환막을 사용하게 되는데 이는 전술하였듯이 양극반응에 의해 Cl-가 산화력이 매우 높은 Cl2로 전환됨에 따라 이러한 산화제에 대한 내구성확보를 위해 사용하게 된다.
특히, 중간실과 음극실을 구획하는 막은 일가선택성을 갖는 양이온교환막을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 양극실에서 일부 중간실로 넘어온 Ca+2 등의 다가이온 불순물이 중간실에서 바로 배출되지 못하고 중간실에서 음극실로 넘어가면서 기존 전해조와 동일하게 중간실과 음극실에 접한 양이온교환막 내부에 축척되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
상기 중간실은 두 개의 양이온교환막을 근접되게 설치하여, 두 개의 양이온교환막 사이 공간이 미세유로 형태로 구성할수도 있다. 이와 같이 두 개의 양이온교환막을 근접되게 설치하고 그 사이에 형성된 공간부인 미세유로를 두어 중간실로 사용함에 따라 기존 전해조에 비해 극간 거리의 차이를 최소화 할 수 있고, 이로 인해 전력소비량의 증가를 방지할 수 있다. 또한, 미세유로를 통해 모세관 현상으로 중간실로 용액이 공급되고 배출됨에 따라 기존 전해조에서 추가적인 동력의 증가가 필요하지 않다는 장점을 가지게 된다.
또한 중간실에는 양이온에 대한 이온 구배(차이)를 보충할 수 있는 이온수용체(18)가 충전되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이때 이온수용체는 양이온교환수지, 음이온교환수지 중 선택된 하나 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
이와 같이 중간실에 이온수용체를 채우므로 기존 전해조에 비해 3격실 전해조로 구성하였을 때 전극간 거리가 멀어지게 됨으로 발생되는 전기저항의 증가를 보상함으로 전력소비량의 증가를 막고, 양극실과 음극실 사이의 이온의 이동에 있어서 이온에 대한 농도구배에 대한 보상을 해줌으로 인해 중간실의 pH 조절이 더욱 용이하게 이루어 질 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
또한 본 발명은 상기 중간실(16)에 유입되는 염용액을 공급시 배관상에 별도로 pH를 조절하도록 약품주입장치와 같은 pH조절장치(19)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 이하 설명한다.
이하 실시예에 따른 염화물 수용액의 전기분해 반응은 가장 대표적인 염화물 수용액인 염화나트륨(NaCl) 수용액을 참조하여 설명하도록 한다.
우선 소금물이 외부에서 공급되는 염화물 수용액 공급배관(202)을 통해 양극수조(2)로 공급되고 양극수조(2)에 공급된 소금물은 양극수로 양극실(15)을 순환하게 된다.
이때 양극실(15)에서는 양극반응에 의해 염소가스(Cl2)가 생성되고, 나트륨이온(Na+)은 양극실(15)과 중간실(16)을 구획하는 일측 양이온교환막(14a)을 통해 중간실(16)로 이동되게 된다. 생성된 염소가스(Cl2)는 양극수조(2)에서 기체상태로 분리된 후 Cl2 배출배관(203)을 따라 배출되어 별도의 기액접촉반응기(도시생략)로 이동된다.
상기 음극수조(3)로는 음극수(순수한 물)가 물공급 배관(302)을 통해 공급되어 음극실(17)로 순환하게 되고, 순환되는 음극수는 음극실(17)에서 음극의 전극반응을 통해 수산화이온(OH-)과 수소가스(H2)를 생성하고 중간실(16)과 음극실(17)을 구획하는 타측 양이온교환막(14b)에 의해 중간실(16)에서 음극실(17)로 이동하는 나트륨이온(Na+)과 만나 가성소다(NaOH)를 생성하여 음극수조(3)에 저장된다.
일정한 농도의 가성소다는 NaOH 배출배관(304)을 통해 배출된 후 별도로 기액접촉반응기(도시생략)로 이동되어 양극수조(2)에서 공급되는 염소가스(Cl2)와 반응하여 차아염소산나트륨(NaOCl)을 생성하게 된다.
이때 기액접촉반응기로 배출되는 가성소다(NaOH)의 양 만큼 음극수조(3)에는 물공급 배관(302)을 통해 순수한 물(H2O)이 재공급되며 계속적인 전극반응을 통해 일정한 농도의 가성소다를 생성할 수 있게 되고, 부산물로 생성된 수소가스는 수소배출배관(303)을 통해 외기로 배출되어 처리된다.
상기 중간실(16)은 염화나트륨(NaCl)과 동일한 양이온성분을 가지며 물속에 해리되어 이온상태로 존재하는 NaCl, Na2SO4, Na2CO3 등과 같은 전해질 용액 중 선택된 어느 하나 이상의 나트륨염이 공급된다. 이러한 염용액이 순환하며 양극실(15)에서 넘어온 나트륨이온(Na+)을 음극실(17)로 이동하는 역할을 수행하고, 부가적으로 이동되는 칼슘(Ca+2) 등의 스케일 유발 불순물들은 양극실(15)에서 중간실(16)로 일측 양이온교환막(14a)를 통해 이동하지만 음극실(17)로는 이동되지 않고 중간실(16)에서 중간실 순환배관(401)을 통해 배출하게 된다.
이상의 실시예에 따른 설명에서는 염화물 수용액을 염화나트륨 수용액에 한정하여 설명하였으나, 전술하였듯이 다양한 염화물 수용액에 적용이 가능하다. 예를 들어 염화칼륨(KCl)을 염화물 수용액으로 전기분해하는 공정을 설명하면, 양극으로는 염화칼륨(KCl) 수용액이 공급되고, 전기분해반응을 통해 양극에서는 동일하게 Cl2를 생성하고, K+이온은 양이온교환막을 통해 양극실에서 중간실로, 중간실에서 음극실로 이동하게 되며, 음극실에서는 물의 전기분해를 통해 H2와 OH-를 생성하여 K+와 만나 KOH를 형성하게 되는 반응이 일어난다. 이때 중간실로 공급하는 염용액은 KCl, K2SO4, K2CO3 등의 전해질 용액을 사용할 수 있다.
이와 같이 다른 염화물 수용액을 적용하였을 경우에도 전기분해반응은 동일하게 일어나고, 단 양이온교환막을 통해 이동되는 양이온의 종류가 차이가 있으며, 이에 따른 중간실로 공급되는 염용액의 차별성을 가진고, 음극실에서 생성되는 알카리용액의 종류에서 차별성이 있다는 것 이외에 동일하게 이루어지며, 본 발명에서 해결하고자 하는 불순물의 응집제어는 동일한 발명의 효과를 가진다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
(1) : 3격실 전해조 (2) : 양극수조
(3) : 음극수조 (4) : 염용액저장수조
(5) : 염용액정제기 (6) : 제 1 수분제거유닛
(7) : 제 2 수분제거유닛 (11) : 전해조 본체
(12) : 양극 (13) : 음극
(14a, 14b) : 양이온교환막 (15) : 양극실
(16) : 중간실 (17) : 음극실
(18) : 이온수용체 (19) : pH조절장치
(201) : 양극수순환배관 (202) : NaCl 공급배관
(203) : Cl2 배출배관 (301) : 음극수순환배관
(302) : 물공급 배관 (303) : 수소배출배관
(304) : NaOH 배출배관 (401) : 중간실순환배관

Claims (15)

  1. 염화물 수용액의 전기분해를 이용한 차염발생장치에 있어서,
    전해조 본체 내부에 양극과 음극이 설치되고, 양극과 음극 사이에 2장의 양이온교환막이 설치되어 전해조 본체 내부를 양극실, 음극실 및 중간실로 분할 구성한 3격실 전해조와;
    상기 양극실로 양극수를 순환공급하는 양극수조와;
    상기 음극실로 음극수를 순환공급하는 음극수조와;
    상기 중간실로 염용액을 순환공급하는 염용액저장수조;를 포함하여 구성되되,
    상기 양극실에 순환공급되는 양극수는 염화물 수용액이고, 상기 중간실에 순환공급되는 염용액은 상기 염화물과 동일한 양이온성분을 가지며 물속에 해리되어 이온상태로 존재하는 전해질 용액이고, 상기 음극실에 순환공급되는 음극수는 순수한 물 또는 일부 알카리용액인인 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양이온교환막은 과불소계 양이온교환막 또는 부분불소계 양이온교환막인 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양이온교환막 중 중간실과 음극실을 구획하는 막은 일가선택성을 갖는 양이온교환막인 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.

  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간실은 두 개의 양이온교환막이 근접되게 설치되어 미세유로 형태로 구성한 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간실에는 양이온에 대한 이온 구배를 보충할 수 있는 이온수용체가 충전된 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 이온수용체는 양이온교환수지, 음이온교환수지 중에서 선택된 어느 하나 또는 혼합된 것을 사용되는 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간실은 pH가 10 이하로 유지되도록 구성한 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극은 Ti 모재에 백금족이 코팅된 불용성전극으로 구성하고, 음극은 Ti, 스테인레스강, Ni합금, 탄소강 중에서 선택된 하나 이상으로 구성한 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간실의 pH는 염용액저장수조의 염용액을 순환공급하는 중간실 순환배관 상에 설치된 pH조절장치에 의해 염용액의 pH를 조절 후 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극실로 공급된 염화물 수용액의 농도가 중간실에 공급된 염용액의 농도보다 낮게 구성한 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극수조에는 양극수를 순환공급하는 양극수 순환배관과, 외부에서 염화물 수용액을 보충하는 염화물 수용액 공급배관 및 외부로 Cl2를 배출하는 Cl2 배출배관이 형성되고,
    상기 음극수조에는 음극수를 순환공급하는 음극수 순환배관과, 외부에서 물(H2O)을 보충하는 물공급 배관, 외부로 H2와 알카리용액을 배출하는 수소배출배관 및 알카리용액 배출배관이 형성된 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간실에서 배출된 염용액은 중간실 순환배관상에 설치되어 중간실에서 농축되어 배출된 칼슘을 포함한 불순물을 제거하는 염용액 정제기;를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  14. 청구항 1 또는 13에 있어서,
    상기 중간실과 염용액저장수조를 연결하는 중간실 순환배관상의 일지점 또는 염용액저장수조 내에 설치되는 제 1 수분제거유닛;을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극실과 양극수조간을 연결하는 양극수 순환배관상의 일지점 또는 양극수조 내에 설치되는 제 2 수분제거유닛;을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 3격실 전해조를 이용한 차염발생장치.

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