KR101624095B1

KR101624095B1 - 해수 전해 시스템 및 해수 전해 방법

Info

Publication number: KR101624095B1
Application number: KR1020157027022A
Authority: KR
Inventors: 히로시 미즈타니; 히로유키 다카나미; 다츠야 마츠무라; 겐지 나카무라; 다카시 이케
Original assignee: 미츠비시 쥬코 칸쿄 카가쿠 엔지니어링 가부시키가이샤
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2016-06-07
Also published as: AU2011333018C1; TWI504784B; MY164970A; CN105239090A; AU2011333018B2; BR112013010763B1; WO2012070468A1; KR20150116914A; KR101585304B1; CN105239090B; CN103201412A; CL2013001175A1; BR112013010763A2; CN103201412B; AU2011333018A1; KR20130079569A; TW201235512A

Abstract

이 해수 전해 장치는, 산화이리듐을 함유하는 코팅재가 피복된 티탄으로 이루어지는 양극 (A) 과, 음극 (C) 을 함유하는 전극 (30) 과, 양극 (A) 및 음극 (C) 을 수납하는 전해조 본체 (20) 와, 양극 (A) 및 음극 (C) 사이에 양극 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상이 되도록 통전하는 전원 장치 (40) 를 구비하고, 전해조 본체 (20) 내의 해수를 전기 분해한다.

Description

해수 전해 시스템 및 해수 전해 방법{SEAWATER ELECTROLYSIS SYSTEM AND SEAWATER ELECTROLYSIS METHOD}

본 발명은, 해수에 전기 분해를 실시함으로써 차아염소산을 발생시키는 해수 전해 장치를 구비한 해수 전해 시스템, 및 해수 전해 방법에 관한 것이다.

종래, 해수를 다량으로 사용하는 화력 발전소, 원자력 발전소, 해수담수화 플랜트, 화학 플랜트 등에 있어서는, 그 취수구나 배관, 복수기, 각종 냉각기 등의 해수와 접촉하는 부분의 조류 (藻類) 나 패류의 부착 번식이 큰 문제로 되고 있다.

이 문제를 해결하기 위해서, 천연의 해수에 전기 분해를 실시함으로써 차아염소산을 생성하고, 당해 차아염소산을 취수구 중에 주입함으로써 해양 생물의 부착을 억제하는 해수 전해 장치가 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

즉, 이 해수 전해 장치는, 케이스상을 이루는 전해조 본체 내에 전극으로서의 양극·음극이 배치된 구조를 이루고 있으며, 당해 전해조 본체 내에 해수가 유통된다. 해수 중에는 염화물 이온 및 수산화 이온이 존재하기 때문에, 양극·음극 사이에 전류를 통전하면, 양극에서는 염소가 생성되고, 음극에서는 수산화나트륨이 생성된다. 그리고, 염소와 수산화나트륨이 반응함으로써, 해양 생물의 부착 억제 효과를 갖는 차아염소산이 생성된다.

여기서, 상기 해수 전해 장치의 전해조 내에 배치되는 전극, 특히 양극으로는, 일반적으로 티탄 기판에 백금을 주체로 한 복합 금속, 즉, 백금 주체 코팅재를 코팅한 것이 사용되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조).

또, 아직 해수 전해 장치로서 실용화된 사례는 없지만, 전기 분해의 양극의 코팅재로서 산화이리듐을 주체로 한 복합 금속, 즉, 산화이리듐 주체 코팅재를 적용하는 것이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 3 참조).

또, 해수담수화 장치 등의 해수 농축 장치로부터 배출되는 염분 농도가 높은 농축수를 처리수로서 사용하는 해수 전해 장치도 알려져 있다. 이 해수 전해 장치는, 농축수를 전기 분해함으로써 생성되는 전해 처리수 중의 차아염소산의 농도를 높임으로써 소비 전력을 저감시키고, 해수 전해 장치의 효율화, 소형화를 도모한 것이다 (예를 들어, 특허문헌 4 참조).

일본 특허공보 제3389082호 일본 공개특허공보 2001-262388호 일본 공개특허공보 평8-85894호 일본 공개특허공보 평9-294986호

그런데, 백금 주체 코팅재를 사용한 전극에 있어서는, 전기 분해시에 양극 근방에서 발생하는 산소나, 음극 근방에서 발생하는 스케일 (칼슘, 마그네슘 등) 의 영향에 의해, 전극의 소모가 빠르게 진행되어 버린다. 그 때문에, 전극 세정이나 전극 교환을 빈번하게 실시할 필요가 있어, 메인터넌스 비용이 많이 소요되어 버린다.

또, 전극 표면에서의 전류 밀도가 높을수록 염소 발생 효율이 높아진다고 생각된다. 이 경향은 해수 전해 장치에 해수 농축수를 도입하여 차아염소산을 발생시키는 경우에도 동일하게 나타난다.

그러나, 전류 밀도가 증대되면, 양극 근방에서 발생하는 산소나 음극 근방에서 발생하는 스케일의 양도 증가하기 때문에, 오히려 전극의 소모가 빠르게 진행되어 버린다. 그 때문에, 백금 주체 코팅재를 사용한 전극에서는, 전극 표면에서의 전류 밀도를 높게 하지는 못하고, 예를 들어 전류 밀도의 최대치를 15 A/d㎡ 정도로 억제하는 것이 기술 상식으로 되어 있었다.

이와 같이 전기 분해의 전류 밀도를 억제할 필요가 있기 때문에, 해수로부터 충분한 차아염소산을 발생시키기 위해서는 수많은 전극을 배치할 필요가 있어, 장치의 제조 비용 증대, 장치의 대형화를 초래해 버린다.

본 발명은 이와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 전극의 내구성의 향상을 도모할 수 있음과 함께, 염소 발생 효율의 저하를 억제하는 것이 가능한 해수 전해 장치, 해수 전해 시스템 및 해수 전해 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

여기서, 발명자들이 상기 해수 전해 장치의 전극에 대해 예의 연구를 거듭한 결과, 산화이리듐 주체 코팅재를 피복한 양극에서는, 백금 주체 코팅재를 피복한 종래의 전극의 기술 상식에 반하여, 15 A/d㎡ 를 초과하는 전류 밀도를 통전하는 것이 전극의 내구성의 향상 및 염소 발생 효율의 저하의 억제에 유효하다는 지견을 얻었다.

즉, 본 발명에 관련된 해수 전해 장치는, 산화이리듐을 함유하는 코팅재가 피복된 티탄으로 이루어지는 양극과, 음극을 포함하는 전극과, 상기 양극 및 상기 음극을 수납하는 전해조 본체와, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 양극 (兩極) 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상이 되도록 통전하는 전원 장치를 구비한다.

본 발명에 관련된 해수 전해 방법은, 상기 전해조 본체 내에 해수를 유통시키고, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 양극 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상이 되도록 통전하여, 상기 전해조 본체 내의 해수를 전기 분해한다.

본 발명에 있어서는, 전극 표면에서의 전류 밀도가 종래의 15 A/d㎡ 보다 큰 20 A/d㎡ 이상으로 되어 있기 때문에, 전기 분해에 수반하여 음극에서 발생하는 수소 가스의 양이 종래에 비해 증대된다. 이 다량의 수소 가스에 의해, 전극의 세정 효과가 발현되기 때문에, 양극에 대한 망간 스케일의 부착, 및 음극에서의 칼슘, 마그네슘 등의 스케일의 부착을 방지할 수 있다. 또, 양극 부근에서 발생하는 산소의 양도 증대되지만, 산화이리듐은 산소에 대한 충분한 내구성을 구비하고 있기 때문에, 당해 산소에 의해 전극이 소모되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전원 장치에 의해 통전되는 상기 양극 및 상기 음극 표면의 전류 밀도는, 20 A/d㎡ 이상 40 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되어도 된다. 바람직하게는 20 A/d㎡ 이상 30 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되어도 된다.

전류 밀도가 지나치게 큰 경우, 예를 들어 40 A/d㎡ 를 초과하는 경우에는, 양극 및 음극에서의 스케일 발생량이 수소의 세정 효과의 유효한 범위를 초과해 버린다. 이에 대하여 본 발명에서는, 전류 밀도의 상한치를 40 A/d㎡ 로 하고, 바람직하게는 30 A/d㎡ 로 하고 있기 때문에, 수소에 의해 세정 효과를 유효하게 발현시킬 수 있어, 양극 및 음극에서의 스케일 부착을 효과적으로 방지하는 것이 가능해진다.

본 발명에 관련된 해수 전해 장치는, 복수의 상기 전해조 본체와, 이들 전해조 본체끼리에 있어서의 상기 해수의 유출구와 유입구를 접속하는 접속관과, 상기 접속관 내의 가스를 제거하는 가스 제거 수단을 추가로 구비해도 된다.

전류 밀도를 높게 할수록 음극에서의 수소 발생에 의해 액가스비가 저하되기 때문에, 염소 발생 효율이 저하되어 버린다. 이에 대하여, 접속관에 형성된 가스 제거 수단에 의해 특히 수소 가스를 제거함으로써, 전해조 내를 소정의 액가스비 이하로 억제하여 효율 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 관련된 해수 전해 시스템은, 상기한 본 발명에 관련된 해수 전해 장치와, 상기 전해조 본체에 도입되어야 할 해수 중에 함유되는 염화물 이온의 농도를 높이는 농축 수단을 구비한다.

본 발명에 관련된 해수 전해 방법은, 전기 분해해야 할 해수 중에 함유되는 염화물 이온의 농도를 높이고, 염화물 이온 농도를 높인 해수를 상기 전해조 본체 내에 유통시키며, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 통전하여 상기 전해조 본체 내의 해수를 전기 분해한다.

본 발명에 있어서는, 해수 전해 장치에 염화물 이온 농도, 전기 전도도를 높인 농축수를 도입한다. 또한, 양극의 코팅재에 산화이리듐이 함유되기 때문에, 전극 표면에서의 전류 밀도를 높게 설정할 수 있고, 생성되는 전해 처리수에 함유되는 차아염소산의 농도를 높일 수 있다. 즉, 전극의 단위 면적당 차아염소산의 발생량을 증가시킴으로써, 전극 면적을 저감시킬 수 있고, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전원 장치에 의해 통전되는 상기 양극 및 상기 음극 표면의 전류 밀도는, 20 A/d㎡ 이상 60 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되어도 된다. 바람직하게는 20 A/d㎡ 이상 50 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되어도 된다.

전류 밀도가 지나치게 큰 경우, 예를 들어 60 A/d㎡ 를 초과하는 경우에는, 양극 및 음극에서의 스케일 발생량이 수소의 세정 효과의 유효한 범위를 초과해 버린다. 이에 대하여 본 발명에서는, 전류 밀도의 상한치를 60 A/d㎡ 로 하고, 바람직하게는 50 A/d㎡ 로 하고 있기 때문에, 수소에 의해 세정 효과를 유효하게 발현시킬 수 있어, 양극 및 음극에서의 스케일 부착을 효과적으로 방지하는 것이 가능해진다.

본 발명에 관련된 해수 전해 시스템은, 상기 전기 분해 후의 해수로부터 상기 음극에 있어서 생성된 수소 가스를 분리하는 수소 분리 수단을 추가로 구비해도 된다. 이로써, 수소 가스에 의한 세정 효과를 더욱 효과적으로 발현시킬 수 있어, 양극 및 음극에서의 스케일 부착을 유효하게 방지할 수 있다.

본 발명에 관련된 해수 전해 장치에 있어서, 상기 코팅재에는 탄탈의 산화물이 첨가되어도 된다.

산소에 대한 내구성이 높은 탄탈을 상기 코팅재에 첨가함으로써, 양극에서 발생하는 산소에 대한 내구성을 향상시키고, 전극의 이상 소모를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명에 관련된 해수 전해 장치에 있어서, 상기 전극은, 상기 해수의 유통 방향 일방측 부분이 상기 양극으로 됨과 함께 타방측 부분이 상기 음극으로 된 복수의 이극 (二極) 전극판을 포함하고, 이들 이극 전극판을 상기 유통 방향으로 간격을 두고 배열하여 이루어지는 전극군이 서로 평행을 이루도록 복수 배치되고, 서로 평행하게 이웃하는 상기 전극군끼리의 상기 이극 전극판이 상기 양극과 상기 음극을 대향시켜 배치되어도 된다.

이와 같이, 양극 및 음극을 갖는 이극 전극판을 집약적으로 배치함으로써, 장치 자체의 소형화를 도모할 수 있다.

또, 각 이극 전극판은 해수의 유통 방향을 따라 배치되어 있기 때문에, 해수의 유통이 방해되지 않는다. 이로써, 해수의 유속을 높게 유지할 수 있기 때문에, 당해 해수에 의한 전극에 대한 스케일 부착의 방지 효과를 유효하게 얻을 수 있다.

또한, 서로 평행하게 이웃하는 전극군끼리의 양극 및 음극이 대향하고 있기 때문에, 이들 양극 및 음극 사이에 통전함으로써, 전극 사이를 유통하는 해수에 대해 효율적으로 전기 분해를 실시하는 것이 가능해진다.

본 발명에 관련된 해수 전해 장치에 있어서, 각 상기 전극군에 있어서의 상기 유통 방향으로 이웃하는 상기 이극 전극판끼리의 간격은, 서로 평행하게 이웃하는 상기 전극군끼리의 간격의 8 배 이상이어도 된다.

유통 방향으로 이웃하는 이극 전극판끼리의 간격이 작은 경우에는, 이들 이극 전극판끼리의 사이를 유통하는 전류, 즉, 전기 분해에 대한 기여가 작은 미주 전류가 발생한다. 이 미주 전류는 전극 표면에서의 전류 밀도가 높아질수록 현저해진다. 이에 대하여, 상기와 같이 유통 방향으로 이웃하는 이극 전극판끼리의 간격의 적정화를 도모함으로써, 당해 미주 전류의 발생을 억제하고, 해수 전해 효율의 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 해수 전해 장치는, 상기 전해조 본체의 유출구로부터 유출되는 전기 분해 후의 상기 해수를, 상기 전해조 본체의 유입구로부터 유입되기 전의 상기 해수에 혼합시키는 순환 유로를 구비해도 된다.

전류 밀도를 높게 하면 할수록 전극 표면에 대한 스케일의 부착이 염려된다. 그러나, 전기 분해 후의 해수를 순환 유로를 통해 전기 분해 전의 해수에 혼합함으로써, 해수 전해 장치의 전해조를 통과한 해수 중에 함유되는 스케일 성분에 의한 종정 (種晶) 효과가 얻어지기 때문에, 전극 표면에 스케일 부착을 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 전극에 대한 스케일의 부착을 방지하여, 전극의 내구성의 향상 및 염소 발생 효율의 저하의 억제를 도모할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 관련된 해수 전해 시스템의 제 1 실시형태를 나타내는 모식도이다.
도 2 는 제 1 실시형태에 있어서의 해수 전해 장치를 나타내는 종단면도이다.
도 3 은 해수 전해 장치의 주요부를 확대하여 본 도이다.
도 4 는 전원 장치에 있어서의 정전류 제어 회로의 정전류 제어 커브를 설명하는 그래프이다.
도 5 는 본 발명에 관련된 해수 전해 시스템의 제 2 실시형태를 나타내는 모식도이다.
도 6 은 제 2 실시형태의 변형예를 나타내는 모식도이다.
도 7 는 본 발명에 관련된 해수 전해 시스템의 제 3 실시형태를 나타내는 모식도이다.
도 8 은 제 3 실시형태에 있어서의 수소 분리 장치를 나타내는 개략도이다.
도 9 는 염소 발생 효율 측정 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10 은 전극 소모량 측정 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해 도 1 로부터 도 4 를 참조하여 설명한다.

제 1 실시형태의 해수 전해 시스템 (100A) 은, 해수가 유통하는 취수용 수로 (1) 로부터 해수를 취수하고, 해수 전해 장치 (10) 로 해수를 전기 분해한 후, 처리된 해수를 취수용 수로 (1) 에 주입하는 시스템이다.

이 해수 전해 시스템 (100A) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 해수 전해 장치 (10) 와, 저류 탱크 (50) 와, 취수부 (60) 와, 주수부 (70) 를 구비하고 있다. 저류 탱크 (50) 는, 해수 전해 장치 (10) 로 전기 분해된 해수 (W) 가 저류된다. 취수부 (60) 는, 해수 전해 장치 (10) 에 취수용 수로 (1) 로부터 해수 (W) 를 도입한다. 주수부 (70) 는, 저류 탱크 (50) 의 해수 (W) 를 취수용 수로 (1) 에 주입한다.

해수 전해 장치 (10) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 전해조 본체 (20), 전극 지지 상자 (26), 단자판 (28, 29) 및 복수의 전극 (30) 을 포함하고 있다.

전해조 본체 (20) 는, 양단이 개구하는 대략 통상의 외통 (21) 을 구비하고 있고, 외통 (21) 의 일단에는 그 일단측의 개구를 폐색하는 상류측 뚜껑부 (22) 가 형성되어 있다. 또한, 외통 (21) 의 타단에는 그 타단측의 개구를 폐색하는 하류측 뚜껑부 (24) 가 형성되어 있다. 전해조 본체 (20) 는, 이들 외통 (21), 상류측 뚜껑부 (22) 및 하류측 뚜껑부 (24) 에 의해 소정의 내압 강도가 확보되어 있다.

또, 상류측 뚜껑부 (22) 에는, 전해조 본체 (20) 내외를 연통하는 유입구 (23) 가 형성되어 있고, 하류측 뚜껑부 (24) 에는 전해조 본체 (20) 내외를 연통하는 유출구 (25) 가 형성되어 있다. 즉, 전해조 본체 (20) 에 있어서는, 상류측 뚜껑부 (22) 의 유입구 (23) 로부터 해수 (W) 가 도입되고, 그 해수 (W) 가 외통 (21) 내를 유입구 (23) 측으로부터 유출구 (25) 측을 향해 일방향으로 유통한 후, 그 유출구 (25) 로부터 전해조 본체 (20) 밖으로 유출된다. 이하에서는 전해조 본체 (20) 내의 유입구 (23) 측을 상류측, 유출구 (25) 측을 하류측이라고 칭한다.

전극 지지 상자 (26) 는, 예를 들어 플라스틱 등의 전기 절연재로 구성된 통상을 이루는 부재로서, 해수 (W) 의 유통 방향으로 연재 (延在) 하도록 전해조 본체 (20) 내에 수납되어 있다. 이 전극 지지 상자 (26) 는, 복수의 고정 부재 (27) 를 개재하여 상류측 뚜껑부 (22) 및 하류측 뚜껑부 (24) 에 고정되어 있다. 또, 전극 지지 상자 (26) 의 내부에는, 전극 (30) 을 지지하기 위한 지지 바 (26a) 가 복수 형성되어 있다.

단자판 (28, 29) 은, 전극 지지 상자 (26) 내에 지지되는 전극 (30) 에 대해 전해조 본체 (20) 외부로부터의 전류를 공급하는 역할을 갖고 있으며, 상기 전극 지지 상자 (26) 의 양단에 1 쌍이 배치되어 있다.

전극 (30) 은 판상을 이루고 있으며, 상기 전극 지지 상자 (26) 의 지지 바 (26a) 에 복수가 배열 상태로 고정 지지되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 이 전극 (30) 으로서, 이극 전극판 (31), 양극판 (32) 및 음극판 (33) 의 3 종류가 사용되고 있다.

이극 전극판 (31) 은, 전극 기판으로서의 티탄 기판을 2 개의 부분으로 나누고, 그 일방을 양극 (A), 타방을 음극 (K) 으로 한 구조를 갖고 있다. 즉, 이극 전극판 (31) 은, 그 일단측 반의 영역이 산화이리듐을 함유하는 코팅재 (산화이리듐 주체 코팅재) 가 표면에 피복된 양극 (A) 으로 되어 있고, 타단측 반의 영역은 상기 산화이리듐 주체 코팅재가 표면에 피복되지 않은 음극 (K) 으로 되어 있다.

또, 양극판 (32) 은, 상기 티탄 기판의 표면 전체에 산화이리듐 주체 코팅재가 피복된 구조를 이루고 있고, 그 양극판 (32) 전체가 전기 분해시의 양극 (A) 으로서 기능한다. 한편, 음극판 (33) 으로는, 코팅이 실시되지 않은 티탄 기판이 채용되어 있고, 그 음극판 (33) 전체가 전기 분해시의 음극 (K) 으로서 기능한다.

또한, 상기 산화이리듐 주체 코팅재는, 산화이리듐의 함유량이 질량비로 50 ％ 이상으로 설정되어 있고, 바람직하게는 60 ％ ∼ 70 ％ 의 범위로 설정되어 있다. 이로써, 산화이리듐에 의한 피복 효과를 양호하게 얻을 수 있다.

또, 산화이리듐 주체 코팅재에는 탄탈이 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 이 산화이리듐 주체 코팅재에는 백금이 함유되어 있지 않은 것이 바람직하다.

여기서, 전극 지지 상자 (26) 내에 있어서의 3 종류의 전극 (30) 의 배열 구조에 대해 설명한다. 이극 전극판 (31), 양극판 (32) 및 음극판 (33) 은 각각 전극 지지 상자 (26) 내의 지지 바 (26a) 에 고정 지지되어 있다.

상기 전극 (30) 중 이극 전극판 (31) 은, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 양극 (A) 을 액입구측을 향함과 함께, 음극 (K) 을 액출구측을 향하고, 그 연재 방향이 해수 (W) 의 유통 방향을 따르도록 복수 배열되어 있다. 또, 이들 이극 전극판 (31) 은, 상기 유통 방향으로 간격을 두고 직렬적으로 배열됨으로써 전극군 (M) 을 구성하고 있다. 그리고, 이와 같은 전극군 (M) 은, 서로 평행을 이루도록 간격을 두고 복수 형성되어 있으며, 즉, 서로 병렬적으로 복수 형성되어 있다.

여기서, 서로 평행하게 이웃하는 전극군 (M) 끼리는 상대적으로 상기 유통 방향으로 이극 전극판 (31) 의 2 분의 1 피치분만큼 어긋난 상태로 배치되어 있다. 이로써, 서로 평행하게 이웃하는 전극군 (M) 끼리의 이극 전극판 (31) 은, 양극 (A) 과 음극 (K) 이 대향 상태가 된다. 또, 본 실시형태에 있어서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 각 전극군 (M) 에 있어서의 상기 유통 방향으로 이웃하는 이극 전극판 (31) 끼리의 간격 (d1) 은, 서로 평행하게 이웃하는 전극군 (M) 끼리의 간격, 즉, 서로 평행하게 이웃하는 이극 전극판 (31) 끼리의 간격 (d2) 의 8 배 이상으로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 이극 전극판 (31) 의 하류측에는 복수의 양극판 (32) 이 해수 (W) 의 유통 방향을 따라 서로 평행하게 배열되고, 이극 전극판 (31) 의 상류측에는 복수의 음극판 (33) 이 해수 (W) 의 유통 방향을 따라 서로 평행하게 배열되어 있다.

양극판 (32) 은, 그 하류측 단부가 1 쌍의 단자판 (28, 29) 중 하류측에 있는 단자판 (29) 에 접속되어 있고, 이들 양극판 (32) 의 상류측 단부는 각각 상기 이극 전극판 (31) 의 음극 (K) 과 유통 방향으로 직교하는 방향으로 대향하고 있다. 요컨대, 양극판 (32) 의 상류측 단부와 이극 전극판 (31) 의 음극 (K) 은, 유통 방향으로 직교하는 방향에서 봐서 중첩되도록 서로 어긋나게 배치되어 있다. 또한, 음극판 (33) 은, 그 상류측 단부가 1 쌍의 단자판 (28, 29) 중 상류측에 있는 단자판 (28) 에 접속되어 있고, 이들 음극판 (33) 의 하류측 단부는 각각 상기 이극 전극판 (31) 의 양극 (A) 과 유통 방향으로 직교하는 방향으로 대향하고 있다. 요컨대, 음극판 (33) 의 하류측 단부와 이극 전극판 (31) 의 양극 (A) 은, 유통 방향으로 직교하는 방향에서 봐서 중첩되도록 서로 어긋나게 배치되어 있다.

전원 장치 (40) 는, 해수 (W) 의 전기 분해에 제공되는 전류를 공급하는 장치로서, 직류 전원 (41) 과, 정전류 제어 회로 (42) 를 구비하고 있다. 직류 전원 (41) 은, 직류 전력을 출력하는 전원으로서, 예를 들어 교류 전원으로부터 출력되는 교류 전력을 직류로 정류하여 출력해도 된다.

정전류 제어 회로 (42) 는, 직류 전원 (41) 으로부터 공급되는 직류 전력을 정전류로서 출력하는 회로로서, 전류 통전 구간의 전기 저항의 변화에 관계없이 당해 전류 통전구간에 소정의 정전류를 출력 가능하게 되어 있다. 즉, 이 정전류 제어 회로 (42) 는, 직류 전원 (41) 으로부터 직류 전력이 입력되었을 때, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 당해 직류 전력의 전압치를 진폭 ΔV 의 범위에서 제어함으로써, 정전류 제어 커브 상의 원하는 전류치를 정전류로서 출력한다.

이와 같은 정전류 제어 회로 (42) 에서는, 1 쌍의 리드선 (43, 44) 을 개재하여 양극 (A) 이 하류측의 단자판 (29) 에 접속됨과 함께, 음극 (K) 이 상류측의 단자판 (28) 에 접속되어 있다. 이로써, 정전류 제어 회로 (42) 에서 생성되는 정전류가 단자판 (28, 29) 을 개재하여 전극 (30) 에 통전된다.

여기서, 본 실시형태의 전원 장치 (40) 에 있어서는, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 20 A/d㎡ ∼ 40 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 30 A/d㎡ 의 범위가 되도록 정전류 제어 회로 (42) 가 정전류를 생성한다. 즉, 전해조 본체 (20) 내에서의 전극 (30) 의 표면적에 따른 정전류를 생성하여 당해 정전류를 전극 (30) 에 공급함으로써, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도를 20 A/d㎡ ∼ 40 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 30 A/d㎡ 의 범위로 하고 있다.

또한, 종래부터 사용되고 있는 백금을 주체로 한 복합 금속 (백금 주체 코팅재) 을 코팅한 전극에 있어서는, 전류 밀도의 증가에 수반하여 전극의 소모를 진행시키는 산소나 스케일의 양도 증가하기 때문에, 그 전류 밀도의 최대치를 15 A/d㎡ 정도로 설정하고 있다. 이에 대하여, 본 실시형태에 있어서는, 종래보다 전류 밀도가 높은 20 A/d㎡ ∼ 40 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 30 A/d㎡ 의 범위에서 전기 분해를 실시하는 것으로 하고 있다.

저류 탱크 (50) 는, 상기 해수 전해 장치 (10) 에 있어서의 전해조 본체 (20) 의 유출구 (25) 로부터 유출되는 해수 (W) 가 일시적으로 저류되는 탱크로서, 전해조 본체 (20) 의 유출구 (25) 에 접속되는 중간 유로 (51) 를 통해서 내부에 해수 (W) 가 도입된다.

취수부 (60) 는, 취수 유로 (61), 제 1 펌프 (62), 제 1 유량계 (64) 및 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 를 포함하고 있다.

취수 유로 (61) 는 일단이 취수용 수로 (1) 에 접속됨과 함께, 타단이 해수 전해 장치 (10) 에 있어서의 전해조 본체 (20) 의 유입구 (23) 에 접속된 유로이다.

제 1 펌프 (62) 는, 이 취수 유로 (61) 의 중도에 형성되어 있으며, 당해 제 1 펌프 (62) 가 취수용 수로 (1) 의 해수 (W) 를 일정한 출력으로 퍼올림으로써, 이 해수 (W) 가 상기 유입구 (23) 에 도입된다.

제 1 유량계 (64) 는, 취수 유로 (61) 의 하류측에 형성되어 있으며, 당해 취수 유로 (61) 를 통과하는 해수 (W) 의 유량 (Q₁) 을 검출한다.

또, 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 는, 취수 유로 (61) 에 있어서의 제 1 유량계 (64) 의 상류측에 형성된 밸브로서, 제 1 유량계 (64) 가 검출하는 해수 (W) 의 유량 (Q₁) 에 기초하여 개폐 제어된다. 이로써, 취수 유로 (61) 및 전해조 본체 (20) 의 해수 유통 영역의 면적비에 따라 취수로를 유통하는 해수 (W) 의 유량을 조정함으로써, 전해조 본체 (20) 내를 유통하는 해수 (W) 의 유속을 임의로 조정할 수 있다.

본 실시형태의 해수 전해 장치 (10) 에 있어서는, 전해조 본체 (20) 내를 유통하는 해수 (W) 의 유속이 적어도 0.7 m/s 이상이 되도록 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 가 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 의 개폐 제어에 의해 전해조 본체 (20) 내에서의 해수 (W) 의 유속을 조정할 뿐만 아니라, 예를 들어 제 1 펌프 (62) 의 출력을 제어함으로써 전해조 본체 (20) 내에서의 해수 (W) 의 유속을 조정해도 된다.

주수부 (70) 는, 주수 유로 (71), 제 2 펌프 (72), 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 및 제 2 유량계 (74) 를 포함하고 있다.

주수 유로 (71) 는 일단이 저류 탱크 (50) 에 접속됨과 함께 타단이 취수용 수로 (1) 에 접속된 유로이다.

제 2 펌프 (72) 는, 이 주수 유로 (71) 의 중도에 형성되어 있으며, 당해 제 2 펌프 (72) 가 저류 탱크 (50) 내의 해수 (W) 를 일정한 출력으로 보냄으로써, 이 해수 (W) 가 취수용 수로 (1) 에 도입된다.

제 2 유량계 (74) 는, 주수 유로 (71) 에 있어서의 유로의 하류측에 형성되어 있으며, 당해 주수 유로 (71) 를 통과하는 해수 (W) 의 유량 (Q₂) 을 검출한다.

또, 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 는, 주수 유로 (71) 에 있어서의 제 2 유량계 (74) 의 상류측에 형성된 밸브로서, 제 2 유량계 (74) 가 검출하는 해수 (W) 의 유량 (Q₂) 에 기초하여 개폐 제어된다. 이로써, 취수용 수로 (1) 에 주입되는 해수 (W) 의 유량이 조정된다. 또한, 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 의 개폐 제어에 의해 취수용 수로 (1) 에 대한 해수 (W) 의 주입량을 조정할 뿐만 아니라, 예를 들어 제 2 펌프 (72) 의 출력을 제어함으로써 취수용 수로 (1) 에 대한 해수 (W) 의 주입량을 조정해도 된다.

다음으로, 본 실시형태의 해수 전해 장치 (10) 의 작용, 및 해수 전해 장치 (10) 를 사용한 해수 (W) 의 전해 방법에 대해 설명한다.

취수용 수로 (1) 를 유통하는 해수 (W) 중 일부는, 취수부 (60) 에 의해 해수 전해 장치 (10) 의 전해조 본체 (20) 의 유입구 (23) 로부터 전해조 본체 (20) 내에 도입된다. 즉, 취수용 수로 (1) 의 해수 (W) 가 제 1 펌프 (62) 에 의해 취수 유로 (61) 내로 퍼올려짐으로써, 당해 취수 유로 (61) 를 통해 전해조 본체 (20) 내로 해수 (W) 가 도입된다. 이로써, 전해조 본체 (20) 내의 전극 (30) 이 해수 (W) 에 침지된다. 이 때, 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 가 제 1 유량계 (64) 가 검출하는 유량에 따라 개폐됨으로써, 전해조 본체 (20) 내에 있어서 유통 방향으로 유통하는 해수 (W) 의 유속이 원하는 값으로 조정된다.

이와 같이 전해조 본체 (20) 내를 유통하는 해수 (W) 에는, 전극 (30) 에 의해 전기 분해가 실시된다. 즉, 전원 장치 (40) 에 있어서의 직류 전원 (41) 의 직류 전력에 기초하여 정전류 제어 회로 (42) 에서 원하는 정전류가 생성되고, 당해 정전류가 리드선 (43, 44) 을 통해 단자판 (28, 29) 에 공급된다. 이들 단자판 (28, 29) 을 통해 공급되는 전류는, 전해조 본체 (20) 내를 양극판 (32), 이극 전극판 (31), 음극판 (33) 으로 순차 직렬로 유통해간다.

구체적으로는, 정전류 제어 회로 (42) 로부터 양극판 (32) 으로 유통된 전류가 해수 (W) 를 통해 이극 전극판 (31) 의 음극 (K) 에 도달하면, 이 이극 전극판 (31) 내를 유통함으로써 당해 이극 전극판 (31) 의 양극 (A) 에 도달하고, 그 후, 이 양극 (A) 에 대향하는 다른 이극 전극판 (31) 의 음극 (K) 에 해수 (W) 내를 유통하여 도달한다. 이와 같이, 전류가 양극판 (32) 으로부터 복수의 이극 전극판 (31) 을 순차 유통하고, 최종적으로는 음극판 (33) 까지 유통한다. 또한, 이 때의 전류의 각 전극 (30) 표면에 있어서의 전류 밀도는, 정전류 제어 회로 (42) 에 의해, 20 A/d㎡ ∼ 40 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 30 A/d㎡ 의 범위로 제어된다.

이와 같이 해수 (W) 에 통전되는 전류는, 상기 정전류 제어 회로 (42) 의 작용에 의해, 해수 (W) 의 전기 저항의 변화에 관계없이 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 일정해진다. 즉, 전해조 본체 (20) 내를 유통하는 해수 (W) 는 그 전기 저항의 값이 시시각각 변화하지만, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 정전류 제어 회로 (42) 가 전압을 소정의 진폭 ΔV 로 제어함으로써, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도를 일정하게 유지한다.

상기와 같이 전극 (30) 사이의 해수 (W) 내를 전류가 유통함으로써 해수 (W) 에 대해 전기 분해가 실시된다.

즉, 양극 (A) 에 있어서는, 하기 (1) 식에 나타내는 바와 같이, 해수 (W) 중의 염소 이온으로부터 전자 e 가 빼앗겨 산화가 일어나 염소가 생성된다.

[수학식 1]

2Cl^- → Cl₂ + 2e … (1)

한편, 음극 (K) 에 있어서는, 하기 (2) 식에 나타내는 바와 같이, 해수 (W) 중의 물에 전자가 부여되어 환원이 일어나 수산화 이온과 수소 가스가 생성된다.

[수학식 2]

2H₂O + 2e → 2OH^- + H₂ ↑ … (2)

또, 하기 (3) 식에 나타내는 바와 같이, 음극 (K) 에서 생성된 수산화 이온은 해수 (W) 중의 나트륨 이온과 반응하여 수산화나트륨이 생성된다.

[수학식 3]

2Na⁺ + 2OH^- → 2NaOH … (3)

또한, (4) 식에 나타내는 바와 같이, 수산화나트륨과 염소가 반응함으로써, 차아염소산, 염화나트륨 및 물이 생성된다.

[수학식 4]

Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O … (4)

이와 같이, 해수 (W) 의 전기 분해에 기초하여 해양 생성물의 부착에 대해 억제 효과를 갖는 차아염소산이 생성된다.

그리고, 전기 분해가 실시된 해수 (W) 는, 전해조 본체 (20) 의 유출구 (25) 로부터 유출되고, 중간 유로 (51) 를 통과하여 저류 탱크 (50) 에 일시적으로 저류된다. 그 후, 저류 탱크 (50) 내의 해수 (W) 는, 주수부 (70) 를 통해 취수용 수로 (1) 에 주입된다. 즉, 저류 탱크 (50) 내의 차아염소산을 함유한 해수 (W) 가 제 2 펌프 (72) 가 가동됨으로써, 주수 유로 (71) 를 통해 취수용 수로 (1) 에 주입된다. 이 때, 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 가 제 2 유량계 (74) 가 검출하는 유량에 따라 개폐됨으로써, 취수용 수로 (1) 에 대한 차아염소산을 함유하는 해수 (W) 의 유량이 조정된다.

여기서, 일반적으로 산화이리듐 주체 코팅재를 피복한 양극 (A) 에는, 전기 분해시에 해수 (W) 중에 함유되는 망간 이온에서 기인한 망간 스케일이 부착된다. 이 망간 스케일의 부착에 의해 양극 (A) 의 소모가 진행되어 버리고, 또한 전극 (30) 표면의 촉매 활성이 저하되기 때문에, 염소 발생 효율이 저하되어 버린다는 문제가 생긴다. 또, 음극 (K) 은, 해수 (W) 중에 함유되는 마그네슘이나 칼슘에서 기인한 스케일이 부착되고, 이 스케일에 의해 역시 전극 (30) 의 소모가 진행되어 버린다.

이에 대하여, 상기 실시형태에 의하면, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 종래의 15 A/d㎡ 보다 큰 20 A/d㎡ 이상으로 설정되어 있기 때문에, 전기 분해에 수반하여 음극 (K) 에서 발생하는 수소 가스의 양이 종래에 비해 증대된다. 이 다량의 수소 가스에 의해, 전극 (30) 의 세정 효과가 발현되기 때문에, 양극 (A) 에 대한 망간 스케일의 부착, 및 음극 (K) 에서의 칼슘, 마그네슘 등의 스케일의 부착을 방지할 수 있다.

또한, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도의 증가에 의해, 양극 (A) 부근에서 발생하는 산소의 양도 증대되지만, 산화이리듐은 산소에 대한 충분한 내구성을 구비하고 있기 때문에, 당해 산화이리듐을 함유하는 코팅재로 피복된 양극 (A) 이 산소에 의해 소모되어 버리는 것을 방지할 수 있다.

또한, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 지나치게 큰 경우, 예를 들어 40 A/d㎡ 를 초과하는 경우에는, 양극 (A) 및 음극 (K) 에서의 스케일 발생량이 수소의 세정 효과의 유효한 범위를 초과해 버린다. 이에 대하여, 본 실시형태에서는 전류 밀도의 상한을 40 A/d㎡ 로 하고 있기 때문에, 수소에 의해 세정 효과를 유효하게 발현시켜, 양극 (A) 및 음극 (K) 에서의 스케일의 부착을 효과적으로 방지할 수 있다. 또, 전류 밀도의 상한을 30 A/d㎡ 로 했을 때에는, 수소에 의한 세정 효과를 보다 유효하게 발현시킬 수 있어, 스케일의 부착을 효과적으로 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 양극 (A) 의 코팅재에 산화이리듐이 함유되고, 또한 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 20 A/d㎡ ∼ 40 A/d㎡ 의 범위, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 30 A/d㎡ 로 설정되어 있기 때문에, 수소 가스에 의한 세정 효과를 유효하게 얻을 수 있다. 이로써, 전극 (30) 에 대한 스케일의 부착을 방지할 수 있기 때문에, 전극 (30) 의 내구성의 향상 및 염소 발생 효율의 저하의 억제를 도모하는 것이 가능해진다.

따라서, 해수 전해 장치 (10) 의 메인터넌스성을 향상시킬 수 있는 것 외에, 높은 염소 발생 효율에 의해 전극 (30) 의 수를 줄일 수 있어, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

또, 양극 (A) 을 피복하는 산화이리듐 주체 코팅재에 탄탈의 산화물을 첨가한 경우에는, 당해 탄탈이 산소에 대해 높은 내구성을 발휘하기 때문에, 양극 (A) 근방에서 발생하는 산소에 의한 전극 (30) 의 이상 소모를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 이 산화이리듐 주체 코팅재에 백금을 함유시키지 않음으로써, 비용의 저감을 도모할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 이극 전극판 (31) 을 직렬적으로 배치하여 전극군 (M) 을 구성하는 것과 함께 이 전극군 (M) 을 서로 평행하게 배열함으로써, 다수의 이극 전극판 (31) 을 집약적으로 배치하고 있기 때문에, 염소의 총발생량을 크게 담보하면서 장치 자체의 소형화를 도모할 수 있다.

또, 각 이극 전극판 (31) 은 해수 (W) 의 유통 방향을 따라 배치되어 있기 때문에, 해수 (W) 의 유통이 방해되지 않는다. 이로써, 해수 (W) 의 유속을 높게 유지할 수 있어, 전극 (30) 에 대한 스케일 부착의 방지 효과를 유효하게 얻을 수 있다.

그리고, 서로 평행하게 이웃하는 전극군 (M) 끼리의 양극 (A) 및 음극 (K) 이 대향하고 있는 점에서, 이들 양극 (A) 및 음극 (K) 사이에 통전함으로써, 전극 (30) 사이를 유통하는 해수 (W) 에 대해 효율적으로 전기 분해를 실시할 수 있다.

여기서, 해수 (W) 의 유통 방향으로 이웃하는 이극 전극판 (31) 끼리의 간격이 작은 경우에는, 이들 이극 전극판 (31) 끼리의 사이를 유통하는 전류, 즉, 전기 분해에 대한 기여가 작은 미주 전류가 발생한다. 이 미주 전류는 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 높아질수록 현저해져, 해수 전해 효율의 저하를 초래해 버린다.

이에 대하여, 본 실시형태에 있어서는, 각 전극군 (M) 에 있어서의 유통 방향으로 이웃하는 이극 전극판 (31) 끼리의 간격 (d1) 이, 서로 평행하게 이웃하는 전극군 (M) 끼리의 간격 (d2) 의 8 배 이상으로 설정되어 있고, 즉, 유통 방향으로 이웃하는 이극 전극판 (31) 끼리의 간격의 적정화가 도모되고 있기 때문에, 상기 미주 전류의 발생을 억제하여, 해수 전해 효율의 저하를 방지할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 관련된 제 2 실시형태의 해수 전해 시스템 (100B) 에 대해 도 5 를 참조하여 설명한다. 또한, 제 2 실시형태에 있어서는, 제 1 실시형태와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.

도 5 에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시형태의 해수 전해 시스템 (100B) 은, 취수부 (60) 의 취수 유로 (61) 와 주수부 (70) 의 주수 유로 (71) 사이에, 주수 유로 (71) 의 해수 (W) 를 취수 유로 (61) 에 혼합시키는 순환부 (80) 를 구비하고 있다. 이 순환부 (80) 는, 순환 유로 (81) 와, 제 3 유량계 (84) 와, 제 3 개폐 제어 밸브 (83) 를 포함하고 있다.

순환 유로 (81) 는 일단이 주수 유로 (71) 에 접속됨과 함께 타단이 취수 유로 (61) 에 접속된 유로이다. 본 실시형태에 있어서는, 순환 유로 (81) 의 일단은 주수 유로 (71) 에 있어서의 제 2 펌프 (72) 와 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 사이에 접속되어 있고, 그 순환 유로 (81) 의 타단은 취수 유로 (61) 에 있어서의 제 1 펌프 (62) 와 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 사이에 접속되어 있다.

제 3 유량계 (84) 는, 순환 유로 (81) 의 중도에 형성되어 있고, 당해 순환 유로 (81) 를 통과하는 해수 (W) 의 유량 (Q₃) 을 검출한다.

또, 제 3 개폐 제어 밸브 (83) 는, 순환 유로 (81) 에 있어서의 제 3 유량계 (84) 의 하류측에 형성된 밸브로서, 제 3 유량계 (84) 가 검출하는 해수 (W) 의 유량 (Q₃) 에 기초하여 개폐 제어된다. 이로써, 주수 유로 (71) 로부터 순환 유로 (81) 를 통해 취수 유로 (61) 로 순환되는 해수 (W) 의 유량을 임의로 제어할 수 있다.

이와 같은 해수 전해 시스템 (100B) 에 있어서는, 저류 탱크 (50) 에 저류된 전기 분해 후의 해수 (W) 가 제 2 펌프 (72) 에 의해 주수 유로 (71) 내에 도입되면, 당해 해수 (W) 는 순환 유로 (81) 의 일단이 접속된 주수 유로 (71) 의 분기부에 있어서, 주수 유로 (71) 를 유통하는 해수 (W) 와 순환 유로 (81) 를 유통하는 해수 (W) 로 분류 (分流) 된다.

순환 유로 (81) 를 통과한 해수 (W) 는, 당해 순환 유로 (81) 의 타단에서 취수 유로 (61) 내로 도입된다. 즉, 순환 유로 (81) 를 통과한 전기 분해 후의 해수 (W) 가 취수 유로 (61) 를 통과하는 전기 분해 전의 해수 (W) 에 합류하여, 다시 전해조 본체 (20) 내에 도입된다. 이 때, 제 3 개폐 제어 밸브 (83) 가 제 3 유량계 (84) 가 검출하는 유량에 따라 개폐됨으로써, 취수 유로 (61) 를 유통하는 해수 (W) 에 합류하는 전기 분해 후의 해수 (W) 의 유량을 조정할 수 있다.

이와 같이, 전해조 본체 (20) 의 유출구 (25) 로부터 유출된 전기 분해 후의 해수 (W) 가 순환 유로 (81) 를 유통함으로써, 전해조 본체 (20) 의 유입구 (23) 로부터 재유입된다.

여기서, 전기 분해 후의 해수 (W) 내에는, 전기 분해시에 발생한 망간, 마그네슘, 칼슘 등의 스케일 성분이 존재하고 있다. 이와 같은 해수 (W) 가 다시 전해조 본체 (20) 내에 도입됨으로써, 상기 스케일 성분에 의한 종정 효과에 의해, 전극 (30) 표면에 대한 스케일 부착을 방지할 수 있다. 즉, 스케일 성분이 종정이 되어, 새롭게 생성되는 스케일은 당해 종정에 부착되어 가기 때문에, 전극 (30) 표면에 대한 스케일의 석출을 회피할 수 있다. 이로써, 전극 (30) 의 내구성의 향상 및 염소 발생 효율의 저하의 억제를 도모하는 것이 가능해진다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명했지만, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 한, 이들에 한정되지 않고, 다소의 설계 변경 등도 가능하다.

예를 들어, 해수 전해 시스템 (100B) 에 있어서는, 주수부 (70) 로부터 취수용 수로 (1) 에 주입되는 해수 (W) 의 차아염소산 농도가 대체로 2500 ppm 정도로 되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 생성되는 차아염소산의 총량은, 전원 장치 (40) 로부터 전극 (30) 에 공급되는 전류의 총량에 대체로 비례한다. 따라서, 전극 (30) 에 공급한 전류량을 기록함으로써, 발생한 차아염소산의 총량을 파악할 수 있다. 또, 취수용 수로 (1) 에 주입되는 해수 (W) 의 차아염소산 농도는, 발생한 차아염소산의 총량을 취수용 수로 (1) 에 주입되는 해수 (W) 의 유량 (Q₂) 으로 나눔으로써 산출할 수 있다. 따라서, 차아염소산의 총량에 따라, 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 를 제어하여 취수용 수로 (1) 에 주입되는 해수 (W) 의 유량 (Q₂) 을 결정함으로써, 당해 해수 (W) 내의 차아염소산 농도를 상기 2500 ppm 으로 용이하게 조정할 수 있다.

또, 예를 들어 변형예로서 도 6 에 나타내는 바와 같이, 해수 전해 장치 (10) 가 복수의 전해조 본체 (20) 를 갖고 있고, 이들 전해조 본체 (20) 끼리의 유출구 (25) 와 상기 유입구 (23) 를 접속하는 접속관 (85) 과, 접속관 (85) 내의 가스를 제거하는 가스 제거 수단으로서의 가스 제거 밸브 (86) 가 형성되어 있어도 된다. 또한, 가스 제거 밸브 (86) 는, 개폐 제어 가능하게 된 밸브로서, 전해조 본체 (20) 내의 압력이 소정의 고압으로 상승했을 경우에 당해 가스 제거 밸브 (86) 가 개방되어 해수 (W) 중의 가스가 방출된다.

전류 밀도를 높게 할수록 음극 (K) 에서의 수소 발생에 의해 액가스비가 저하되기 때문에, 염소 발생 효율이 저하되어 버리지만, 상기 접속관 (85) 에 형성된 가스 제거 밸브 (86) 에 의해 특히 수소 가스를 제거함으로써, 전해조 본체 (20) 내를 소정의 액가스비 이하로 억제하여 효율 저하를 방지할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에 있어서는, 전극 (30) 으로서 이극 전극판 (31) 을 사용한 예에 대해 설명했지만, 예를 들어, 이극 전극판 (31) 을 사용하지 않고 양극판 (32) 과 음극판 (33) 을 대향 배치하고, 이들 양극판 (32) 과 음극판 (33) 사이의 해수 (W) 에 전류를 통전해도 된다. 또, 이들 양극판 (32) 과 음극판 (33) 을 교대로 배치하고, 서로 이웃하여 대향하는 양극판 (32) 과 음극판 (33) 사이의 해수 (W) 에 전류를 통전해도 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서 이극 전극판 (31) 은, 양극 (A) 을 액입구측을 향함과 함께 음극 (K) 을 액출구측을 향하여 배치되어 있지만, 양극 (A) 을 액출구측을 향함과 함께 음극 (K) 을 액입구측을 향하여 배치해도 된다.

다음으로, 본 발명에 관련된 제 3 실시형태의 해수 전해 시스템 (100C) 에 대해 도 7 및 도 8 을 참조하여 설명한다. 또한, 제 3 실시형태에 있어서도, 제 1 실시형태와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.

도 7 에 나타내는 바와 같이, 제 3 실시형태의 해수 전해 시스템 (100C) 은, 해수 전해 장치 (10) 와, 취수부 (60) 와, 수소 분리 장치 (90) 와, 저류 탱크 (50) 와, 주수부 (70) 와, 순환부 (80) 를 구비하고 있다. 취수부 (60) 는, 해수 전해 장치 (10) 에 취수용 수로 (1) 로부터 해수 (W) 를 도입한다. 수소 분리 장치 (90) 는, 해수 전해 장치 (10) 로부터 배출된 전해 처리수 (E) 중의 수소를 분리한다. 저류 탱크 (50) 는 해수 전해 장치 (10) 로 전기 분해된 전해 처리수 (E) 가 저류된다. 주수부 (70) 는 저류 탱크 (50) 의 전해 처리수 (E) 를 취수용 수로 (1) 에 주입한다. 순환부 (80) 는 전해 처리수 (E) 를 해수 전해 장치 (10) 에 순환시킨다. 취수부 (60) 에는 담수화 장치 (65) 가 형성되어 있다.

여기서, 본 실시형태의 전원 장치 (40) 에 있어서는, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 20 A/d㎡ ∼ 60 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 50 A/d㎡ 의 범위가 되도록 정전류 제어 회로 (42) 가 정전류를 생성한다. 즉, 전해조 본체 (20) 내에서의 전극 (30) 의 표면적에 따른 정전류를 생성하여 당해 정전류를 전극 (30) 에 공급함으로써, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도를 20 A/d㎡ ∼ 60 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 50 A/d㎡ 의 범위로 하고 있다.

또한, 종래부터 사용되고 있는 백금을 주체로 한 복합 금속 (백금 주체 코팅재) 을 코팅한 전극에 있어서는, 전류 밀도의 증가에 수반하여 전극의 소모를 진행시키는 산소나 스케일의 양도 증가하기 때문에, 그 전류 밀도의 최대치를 15 A/d㎡ 정도로 설정하고 있다. 이에 대하여, 본 실시형태에 있어서는, 종래보다 전류 밀도가 높은 20 A/d㎡ ∼ 60 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 50 A/d㎡ 의 범위에서 전기 분해를 실시하는 것으로 하고 있다.

취수부 (60) 는, 취수 유로 (61), 제 1 펌프 (62), 담수화 장치 (65), 제 1 유량계 (64), 및 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 를 포함하고 있다.

담수화 장치 (65) 는, 역침투막 (RO 막) 을 이용하여 해수를 담수 (탈염수) 와 농축수 (C) 로 분리하는 장치이다. 담수화 장치 (65) 에 의해 분리된 담수는, 담수 라인 (66) 을 통해 담수 탱크 (도시 생략) 에 보내지고, 농축수 (C) 는 취수 유로 (61) 의 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 를 통해 해수 전해 장치 (10) 에 도입된다.

본 실시형태의 해수 전해 장치 (10) 에 있어서는, 전해조 본체 (20) 내를 유통하는 농축수 (C) 의 유속이 적어도 0.7 m/s 이상이 되도록 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 가 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 의 개폐 제어에 의해 전해조 본체 (20) 내에서의 농축수 (C) 의 유속을 조정할 뿐만 아니라, 예를 들어 제 1 펌프 (62) 의 출력을 제어함으로써 전해조 본체 (20) 내에서의 농축수 (C) 의 유속을 조정해도 된다.

수소 분리 장치 (90) 는, 상기 해수 전해 장치 (10) 에 있어서의 전해조 본체 (20) 의 유출구 (25) 로부터 유출되는 전해 처리수 (E) 에 함유되는 수소 가스를 분리하는 장치이다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 수소 분리 장치 (90) 는, 상부에 배기통 (91) 이 형성된 수액조 (受液槽) (92) 와, 중간 유로 (8) 를 통해 전해조 본체 (20) 의 유출구 (25) 와 접속되고, 수액조 (92) 의 내부 상방의 기상부 (92a) 에 전해 처리수를 끌어들이는 도입관 (93) 과, 도입관 (93) 의 도중에 형성된 스프레이 노즐 (94) 과, 수액조 (92) 의 내부 하방의 액상부 (92b) 에 형성된 교반기 (95) 를 구비하고 있다.

스프레이 노즐 (94) 은, 도입관 (93) 에 도입된 전해 처리수 (E) 를 수액조 (92) 의 내부 상방의 기상부 (92a) 에 분사한다. 교반기 (95) 는, 스크루 (96) 와, 이 스크루 (96) 를 회전시키는 모터 (97) 로 이루어지고, 수액조 (92) 의 액상부 (92b) 에 모인 액체를 교반한다. 또, 수액조 (92) 의 하부에는 전해 처리수가 배출되는 배출구 (98) 가 형성되어 있다.

저류 탱크 (50) 는, 수소 분리 장치 (90) 에 있어서의 배출구 (98) 로부터 배출되는 전해 처리수 (E) 가 일시적으로 저류되는 탱크이다.

순환부 (80) 는, 주수 유로 (71) 를 흐르는 전해 처리수 (E) 를 취수부 (60) 의 취수 유로 (61) 에 순환시키는 부위이다. 이 순환부 (80) 는, 순환 유로 (81) 와, 제 3 유량계 (82) 와, 제 3 개폐 제어 밸브 (83) 를 포함하고 있다.

순환 유로 (81) 는 일단이 주수 유로 (71) 에 접속됨과 함께 타단이 취수 유로 (61) 에 접속된 유로이다. 본 실시형태에 있어서는, 순환 유로 (81) 의 일단은 주수 유로 (71) 에 있어서의 제 2 펌프 (72) 와 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 사이에 접속되어 있고, 그 순환 유로 (81) 의 타단은 취수 유로 (61) 에 있어서의 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 와 제 1 유량계 (64) 사이에 접속되어 있다.

제 3 유량계 (82) 는, 순환 유로 (81) 의 중도에 형성되어 있고, 당해 순환 유로 (81) 를 통과하는 전해 처리수 (E) 의 유량 (Q₃) 을 검출한다.

또, 제 3 개폐 제어 밸브 (83) 는, 순환 유로 (81) 에 있어서의 제 3 유량계 (82) 의 하류측에 형성된 밸브로서, 제 3 유량계 (82) 가 검출하는 전해 처리수 (E) 의 유량 (Q₃) 에 기초하여 개폐 제어된다. 이로써, 주수 유로 (71) 로부터 순환 유로 (81) 를 통해 취수 유로 (61) 로 순환되는 전해 처리수 (E) 의 유량을 임의로 제어할 수 있다.

다음으로, 본 실시형태의 해수 전해 시스템 (100C) 의 작용, 및 해수 전해 시스템 (100C) 을 사용한 해수 (W) 의 전해 방법에 대해 설명한다.

취수용 수로 (1) 를 유통하는 해수 (W) 중 일부는 취수부 (60) 에 의해 담수화 장치 (65) 에 도입된다. 즉, 취수용 수로 (1) 의 해수 (W) 가 제 1 펌프 (62) 에 의해 취수 유로 (61) 내로 퍼올려짐으로써, 당해 취수 유로 (61) 를 통해 담수화 장치 (65) 내에 해수 (W) 가 도입된다. 이로써, 해수 (W) 는 담수와 농축수 (C) 로 분리된다.

담수화 장치 (65) 는, 해수 (W) 에 압력을 가하여 RO 막에 통과시켜, 해수 (W) 의 염분을 농축하고 담수를 여과한다. 이로써, 해수 (W) 의 염화물 이온 농도는, 예를 들어 20,000 ㎎/ℓ 로부터 30,000 ∼ 40,000 ㎎/ℓ 까지 농축되어 농축수 (C) 가 생성된다. 담수는 담수 라인 (66) 을 통해 담수를 저류하는 담수 탱크 (도시 생략) 에 보내지고, 농축수 (C) 는 취수 유로 (61) 를 통해 전해조 본체 (20) 내에 도입된다.

이로써, 전해조 본체 (20) 내의 전극 (30) 이 농축수 (C) 에 침지된다. 이 때, 제 1 개폐 제어 밸브 (63) 가 제 1 유량계 (64) 가 검출하는 유량에 따라 개폐됨으로써, 전해조 본체 (20) 내에 있어서 유통 방향으로 유통하는 농축수 (C) 의 유속이 원하는 값으로 조정된다.

이와 같이 전해조 본체 (20) 내를 유통하는 농축수 (C) 에는, 전극 (30) 에 의해 전기 분해가 실시된다. 즉, 전원 장치 (40) 에 있어서의 직류 전원 (41) 의 직류 전력에 기초하여 정전류 제어 회로 (42) 에서 원하는 정전류가 생성되고, 당해 정전류가 리드선 (43, 44) 을 통해 단자판 (28, 29) 에 공급된다. 이들 단자판 (28, 29) 을 통해 공급되는 전류는, 전해조 본체 (20) 내를 양극판 (32), 이극 전극판 (31), 음극판 (33) 으로 순차 직렬로 유통해간다.

구체적으로는, 정전류 제어 회로 (42) 로부터 양극판 (32) 으로 유통된 전류가 농축수 (C) 를 통해 이극 전극판 (31) 의 음극 (K) 에 도달하면, 이 이극 전극판 (31) 내를 유통함으로써, 당해 이극 전극판 (31) 의 양극 (A) 에 도달하고, 그 후, 이 양극 (A) 에 대향하는 다른 이극 전극판 (31) 의 음극 (K) 에 농축수 내를 유통하여 도달한다. 이와 같이, 전류가 양극판 (32) 으로부터 복수의 이극 전극판 (31) 을 순차 유통하고, 최종적으로는 음극판 (33) 까지 유통한다. 또한, 이 때의 전류의 각 전극 (30) 표면에 있어서의 전류 밀도는, 정전류 제어 회로 (42) 에 의해, 20 A/d㎡ ∼ 60 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 50 A/d㎡ 의 범위로 제어된다.

이와 같이 농축수 (C) 에 통전되는 전류는, 상기 정전류 제어 회로 (42) 의 작용에 의해, 농축수 (C) 의 전기 저항의 변화에 관계없이 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 일정해진다. 즉, 전해조 본체 (20) 내를 유통하는 농축수 (C) 는, 그 전기 저항의 값이 시시각각 변화하지만, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 정전류 제어 회로 (42) 가 전압을 소정의 진폭 ΔV 로 제어함으로써, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도를 일정하게 유지한다.

상기와 같이, 전극 (30) 사이의 농축수 내를 전류가 유통함으로써 농축수 (C) 에 대해 전기 분해가 실시된다.

즉, 양극 (A) 에 있어서는, 제 1 실시형태에 있어서의 (1) 식에 나타내는 바와 같이, 농축수 (C) 중의 염화물 이온으로부터 전자 e 가 빼앗겨 산화가 일어나 염소가 생성된다.

한편, 음극 (K) 에 있어서는, 제 1 실시형태에 있어서의 (2) 식에 나타내는 바와 같이, 농축수 (C) 중의 물에 전자가 부여되어 환원이 일어나 수산화 이온과 수소 가스가 생성된다.

또, 제 1 실시형태에 있어서의 (3) 식에 나타내는 바와 같이, 음극 (K) 에서 생성된 수산화 이온은 농축수 중의 나트륨 이온과 반응하여 수산화나트륨이 생성된다.

또한, 제 1 실시형태에 있어서의 (4) 식에 나타내는 바와 같이, 수산화나트륨과 염소가 반응함으로써, 차아염소산, 염화나트륨 및 물이 생성된다.

이와 같이, 농축수 (C) 의 전기 분해에 기초하여, 해양 생성물의 부착에 대해 억제 효과를 갖는 차아염소산이 생성된다.

차아염소산의 농도는, 농축수 (C) 의 염화물 이온 농도가 30,000 ∼ 40,000 ㎎/ℓ 까지 높여져 있는 점에서, 2,500 ∼ 5,000 ppm 으로 되는 것이 바람직하다.

그리고, 전기 분해가 실시된 농축수 (C) 는, 수소 가스와 함께 전해 처리수 (E) 로서 전해조 본체 (20) 의 유출구 (25) 로부터 유출되어, 중간 유로 (8) 를 통과하여 수소 분리 장치 (90) 에 유입된다.

수소 가스 및 전해 처리수 (E) 로 이루어지는 기액 혼합 유체는, 수소 분리 장치 (90) 의 도입관 (93) 에 도입되고, 스프레이 노즐 (94) 에 의해 수액조 (92) 의 기상부 (92a) 에 분사된다. 이로써 기포로서 전해 처리수 (E) 에 혼입된 수소 가스가 탈기 처리되어, 배기통 (91) 으로부터 배기된다.

한편, 전해 처리수 (E) 는, 수액조 (92) 의 액상부 (92b) 에 저류된다. 저류된 전해 처리수 (E) 는, 교반기 (95) 에 의해 교반된다. 즉, 전해 처리수 (E) 는, 모터 (97) 에 의해 회전하는 스크루 (96) 에 의해 생긴 선회류에 의해 강제적으로 교반된다. 이로써, 전기 분해에 수반하여 발생하는 스케일이 수액조 (92) 의 저부에 퇴적되는 것이 방지된다. 수액조 (92) 에 일단 저류된 전해 처리수 (E) 는, 수액조 (92) 의 저부에 형성된 배출구 (98) 로부터 배출되어, 저류 탱크 (50) 에 도입된다.

저류 탱크 (50) 에 일시적으로 저류된 전해 처리수 (E) 가 제 2 펌프 (72) 에 의해 주수 유로 (71) 내에 도입되면, 전해 처리수 (E) 는 순환 유로 (81) 의 일단이 접속된 주수 유로 (71) 의 분기부에 있어서, 주수 유로 (71) 를 유통하는 전해 처리수 (E) 와 순환 유로 (81) 를 유통하는 전해 처리수 (E) 로 분류된다.

주수 유로 (71) 를 유통하는 전해 처리수 (E) 는, 취수용 수로 (1) 에 주입된다. 즉, 저류 탱크 (50) 내의 차아염소산을 함유한 전해 처리수 (E) 가 제 2 펌프 (72) 가 가동됨으로써, 주수 유로 (71) 를 통해 취수용 수로 (1) 에 주입된다. 이 때, 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 가 제 2 유량계 (74) 가 검출하는 유량에 따라 개폐됨으로써, 취수용 수로 (1) 에 대한 차아염소산을 함유하는 전해 처리수 (E) 의 유량이 조정된다.

여기서, 생성되는 차아염소산의 총량은, 전원 장치 (40) 로부터 전극 (30) 에 공급되는 전류의 총량에 대체로 비례한다. 따라서, 전극 (30) 에 공급한 전류량을 기록함으로써, 발생한 차아염소산의 총량을 파악할 수 있다. 또, 취수용 수로 (1) 에 주입되는 전해 처리수 (E) 의 차아염소산 농도는, 발생한 차아염소산의 총량을 취수용 수로 (1) 에 주입되는 해수 (W) 의 유량 (Q₂) 으로 나눔으로써 산출할 수 있다. 따라서, 차아염소산의 총량에 따라, 제 2 개폐 제어 밸브 (73) 를 제어하여 취수용 수로 (1) 에 주입되는 전해 처리수 (E) 의 유량 (Q₂) 을 결정함으로써, 당해 전해 처리수 (E) 내의 차아염소산 농도를 조정할 수 있다.

한편, 순환 유로 (81) 를 유통하는 전해 처리수 (E) 는, 당해 순환 유로 (81) 의 타단에서 취수 유로 (61) 내로 도입된다. 즉, 순환 유로 (81) 를 통과한 전해 처리수 (E) 가 취수 유로 (61) 를 통과하는 해수 (W) 에 합류하여, 다시 전해조 본체 (20) 내에 도입된다. 이 때, 제 3 개폐 제어 밸브 (83) 가 제 3 유량계 (82) 가 검출하는 유량에 따라 개폐됨으로써, 취수 유로 (61) 를 유통하는 해수 (W) 에 합류하는 전해 처리수 (E) 의 유량을 조정할 수 있다.

이와 같이, 전해조 본체 (20) 의 유출구 (25) 로부터 유출된 전해 처리수 (E) 가 순환 유로 (81) 를 유통함으로써, 전해조 본체 (20) 의 유입구 (23) 로부터 재유입된다.

상기 실시형태에 의하면, 해수 전해 장치 (10) 에 염화물 이온 농도, 전기 전도도를 높인 농축수 (C) 를 도입한다. 또한, 양극 (A) 의 코팅재에 산화이리듐이 함유되기 때문에, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도를 20 A/d㎡ ∼ 60 A/d㎡ 의 범위, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 50 A/d㎡ 로 설정할 수 있고, 생성되는 전해 처리수 (E) 에 함유되는 차아염소산의 농도를 높일 수 있다. 즉, 전극의 단위 면적당 차아염소산의 발생량을 증가시킴으로써, 전극 면적을 저감시킬 수 있고, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

또, 하구 부근, 만내의 해수는 염화물 이온 농도가 통상적인 해수보다 연하고, 전기 전도도도 낮기 때문에, 전극의 이상 소모 등에 의해, 운전의 안정성이 문제가 되는 경우가 있었지만, 농축수 (C) 를 해수 전해 장치 (10) 에 통과시킴으로써, 염소 이온 농도, 전기 전도도를 높일 수 있기 때문에, 처리 성능의 안정화를 도모할 수 있다.

또, 상기 증대한 수소 가스는, 수소 분리 장치 (90) 에 의해 탈기되기 때문에, 수소 가스가 저류 탱크 (50) 를 경유하여 후단 (後段) 의 제 2 펌프 (72) 나 배관을 손상시키지 않는다.

또, 순환부 (80) 를 형성함으로써, 전기 분해시에 발생한 망간, 마그네슘, 칼슘 등의 스케일 성분이 전해 처리수 (E) 와 함께 전해조 본체 (20) 내에 도입된다. 이와 같이 스케일 성분을 함유한 전해 처리수 (E) 가 다시 전해조 본체 (20) 내에 도입됨으로써, 상기 스케일 성분에 의한 종정 효과에 의해, 전극 (30) 표면에 대한 스케일 부착을 방지할 수 있다. 즉, 스케일 성분이 종정이 되어, 새롭게 생성되는 스케일은 당해 종정에 부착되어 가기 때문에, 전극 (30) 표면에 대한 스케일의 석출을 회피할 수 있다. 이로써, 전극 (30) 의 내구성의 향상 및 염소 발생 효율의 저하의 억제를 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 지나치게 큰 경우, 예를 들어 60 A/d㎡ 를 초과하는 경우에는, 양극 (A) 및 음극 (K) 에서의 스케일 발생량이 수소의 세정 효과의 유효한 범위를 초과해 버린다. 이에 대하여, 본 실시형태에서는 전류 밀도의 상한을 60 A/d㎡ 로 하고 있기 때문에, 수소에 의해 세정 효과를 유효하게 발현시켜, 양극 (A) 및 음극 (K) 에서의 스케일의 부착을 효과적으로 방지할 수 있다. 또, 전류 밀도의 상한을 50 A/d㎡ 로 했을 때에는 수소에 의한 세정 효과를 보다 유효하게 발현시킬 수 있어, 스케일의 부착을 효과적으로 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 양극 (A) 의 코팅재에 산화이리듐이 함유되고, 또한 전극 (30) 표면에서의 전류 밀도가 20 A/d㎡ ∼ 60 A/d㎡ 의 범위, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 50 A/d㎡ 로 설정되어 있기 때문에, 수소 가스에 의한 세정 효과를 유효하게 얻을 수 있다. 이로써, 전극 (30) 에 대한 스케일의 부착을 방지할 수 있기 때문에, 전극 (30) 의 내구성의 향상 및 염소 발생 효율의 저하의 억제를 도모하는 것이 가능해진다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 해수 (W) 를 농축하여 농축수 (C) 를 생성하는 수단으로서 RO 막을 사용한 담수화 장치 (65) 를 채용했지만, 농축수 (C) 를 생성하는 수단은 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 증류법을 사용하여 해수 (W) 를 농축하는 방법을 채용해도 된다.

또, 수소 가스가 혼입된 전해 처리수 (E) 로부터 수소 가스를 분리하는 방법으로는, 본 실시형태에 기재한 바와 같은 스프레이 노즐 (94) 을 사용한 수소 분리 장치 (90) 에 한정되지 않고, 기액 혼합 유체를 기체와 액체로 분리할 수 있으면, 예를 들어 원심 분리기 등을 이용한 기액 분리 장치를 채용할 수도 있다.

또한, 기액 분리 장치로서의 수소 분리 장치 (90) 를 별도로 형성하지 않고, 저류 탱크 (50) 에, 예를 들어 저류 탱크 (50) 의 액상 중에 공기를 공급함으로써 수소 가스를 희석하는 기액 분리 기능을 부가함으로써 수소를 분리해도 된다.

또, 전극 (30) 표면에 대한 스케일 부착이 문제가 되지 않으면, 순환부 (80) 를 형성하지 않고, 모든 전해 처리수 (E) 를 취수용 수로 (1) 에 공급해도 된다.

실시예

이하, 실시예에 대해 설명한다.

(염소 발생 효율 측정 시험)

해수 (W) 및 농축수 (C) 를 전기 분해할 때에 있어서의 전극 표면의 전류 밀도와 염소 발생 효율의 관계를 조사하는 시험을 실시하였다.

전극 면적이 50 × 50 ㎜ 의 판상을 이루는 양극판 및 음극판을 준비하고, 5 ㎜ 의 간격을 두고 대향 배치시켰다. 양극판으로는, 산화이리듐 (IrO₂) 을 질량비로 50 ％ 이상 함유하는 코팅재를 티탄 기판에 피복한 것을 사용하였다. 또, 음극판으로는 코팅재를 피복하지 않은 티탄 기판을 사용하였다.

해수 (W) 의 염화물 이온 농도는 20,000 ㎎/ℓ 로 하고, 농축수 (C) 의 염화물 이온 농도는 30,000 ∼ 40,000 ㎎/ℓ 로 하였다.

이들 양극판 및 음극판을 해수 (W) 및 농축수 (C) 중에 침지하고, 당해 해수 (W) 및 농축수 (C) 를 250 ㎖/min 의 유량으로 유통시켜, 양극판 및 음극판 사이에 통전함으로써 전기 분해를 실시하였다. 그리고, 각 전류 밀도에 있어서의 염소 발생 효율을 측정하였다.

또한, 염소 발생 효율이란, 유통시키는 전류의 전류 밀도에 기초하여 이론상 발생할 수 있는 염소량에 대한 실제로 발생하는 염소량의 비율을 의미하고 있다.

이 염소 발생 효율의 측정 결과를 도 9 에 나타낸다.

도 9 에 나타내는 바와 같이, 해수 (W), 농축수 (C) 모두 전류 밀도가 20 A/d㎡ 미만인 경우에는, 전류 밀도가 커짐에 따라 염소 발생 효율이 상승한다.

농축 없음의 해수 (W) 의 경우, 전류 밀도가 20 A/d㎡ ∼ 30 A/d㎡ 시에는 염소 발생 효율은 일정해지고, 전류 밀도가 30 A/d㎡ 를 초과하면 염소 발생 효율이 서서히 저하되어 간다. 또, 전류 밀도가 20 A/d㎡, 30 A/d㎡ 시의 염소 효율은 96 ％ 로 가장 높은 값이 얻어졌다.

또한, 백금을 함유하는 코팅재를 사용한 전극에 있어서 기술 상식으로 되어 있던 전류 밀도가 15 A/d㎡ 인 경우에는, 염소 발생 효율은 93 ％ 였다.

이 점에서, 해수 (W) 의 경우에 있어서도, 산화이리듐을 함유하는 코팅재를 사용한 전극에 있어서는, 전류 밀도를 20 A/d㎡ ∼ 30 A/d㎡ 의 범위로 설정함으로써, 높은 염소 발생 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 이것은, 발생하는 수소 가스의 양이 증대되었기 때문에, 당해 수소 가스에 의한 양극판 및 음극판의 스케일 세정 효과가 얻어진 것에서 기인한다고 생각된다.

여기서, 전류 밀도가 클수록 이론상 발생할 수 있는 염소의 양은 증대되어 간다. 따라서, 염소 발생 효율이 동일한 값을 나타내는 경우라도 전류 밀도가 큰 것이 보다 많은 염소가 발생하게 된다.

따라서, 전류 밀도를 40 A/d㎡ 로 했을 때에는, 염소 발생 효율은 93 ％ 로 전류 밀도 15 A/d㎡ 시와 동등한 효율을 나타내지만, 염소 발생량은 전류 밀도 40 A/d㎡ 인 경우 쪽이 전류 밀도 15 A/d㎡ 인 경우에 비해 큰 것이 된다. 따라서, 전류 밀도를 40 A/d㎡ 로 하는 것은, 염소 발생량의 관점에서 유효하다고 할 수 있다. 한편, 전류 밀도가 40 A/d㎡ 를 초과하면, 수소 가스의 세정 효과가 유효하게 작용하는 범위를 초과해버려, 염소 발생 효율이 15 A/d㎡ 인 경우보다 저하되어 버린다. 따라서, 전류 밀도의 상한은 40 A/d㎡ 로 하는 것이 바람직하고, 이로써, 염소 발생 효율을 높게 유지하면서, 발생하는 염소의 양을 많이 확보할 수 있는 것을 알 수 있었다.

농축수 (C) 의 경우, 전류 밀도가 20 A/d㎡ ∼ 50 A/d㎡ 시에 염소 발생 효율은 일정하고, 전류 밀도가 60 A/d㎡ 시에도 염소 발생 효율은 93 ％ 로 높은 효율을 유지하고 있었다.

이 점에서, 농축수 (C) 의 경우에는, 전류 밀도를 20 A/d㎡ ∼ 60 A/d㎡ 의 범위로 설정함으로써, 높은 염소 발생 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있고, 농축 없음의 경우와 비교하여 전류 밀도를 높게 할 수 있는 것을 알 수 있었다.

이상과 같이, 염소 발생 효율 측정 시험에 의해, 해수 전해 장치 (10) 에 농축수 (C) 를 도입함으로써 전기 분해시의 전극 표면에서의 전류 밀도를 20 A/d㎡ ∼ 60 A/d㎡, 바람직하게는 20 A/d㎡ ∼ 50 A/d㎡ 의 범위로 설정함으로써 높은 염소 발생 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 전기 분해를 장시간 계속하면 전극이 서서히 소모되어 가기 때문에, 측정 결과를 나타내는 도 9 의 커브는 보다 가파르게 된다고 생각된다. 따라서, 특히 전극이 소모된 후에는, 전류 밀도를 상기 범위로 설정하는 것이 더욱 유효하다는 것을 추인할 수 있다.

(전해 수명 시험 결과)

해수 (W) 의 전기 분해시의 전류 밀도와 촉매 유지량의 관계를 조사하는 시험을 실시하였다.

염소 발생 효율 측정 시험과 마찬가지로, 전극 면적이 50 × 50 ㎜ 의 판상을 이루는 양극판 및 음극판을 준비하고, 5 ㎜ 의 간격을 두고 대향 배치시켰다. 양극판으로는, 산화이리듐 (IrO₂) 을 질량비로 50 ％ 이상 함유하는 코팅재를 티탄 기판에 피복한 것과, 백금 (Pt) 을 함유하는 코팅재를 티탄 기판에 피복한 것의 2 종류를 사용하였다. 또, 음극판으로는 코팅재를 피복하지 않은 티탄 기판을 사용하였다.

이들 양극판 및 음극판을 각각 해수 (W) 중에 침지하고, 당해 해수 (W) 를 250 ㎖/min 의 유량으로 유통시키며, 양극판 및 음극판 사이에 통전함으로써 전기 분해를 실시하였다. 그리고, 각 전류 밀도에 있어서의 촉매 유지량을 시간과 함께 측정하였다.

또한, 촉매 유지량이란, 전기 분해 후에 유지되는 전극의 촉매량을 의미하고 있고, 시간과 함께 촉매 유지량이 작아지면 그만큼 전극이 소모된 것이 된다. 이 촉매 유지량의 측정 결과를 도 10 에 나타낸다.

도 10 에 나타내는 바와 같이, 양극판으로서 백금을 함유하는 코팅재를 사용했을 경우 (Pt/Ti) 에는, 촉매 유지량은 시간과 함께 서서히 저하되어 가고, 특히, 전류 밀도가 클수록 촉매 유지량의 저하가 현저해지는 것을 알 수 있었다.

한편, 양극판으로서 산화이리듐을 함유하는 코팅재를 사용했을 경우 (IrO₂) 에는, 시간이 경과해도 촉매 유지량이 저하되지 않는다.

이로써, 산화이리듐을 함유하는 코팅재를 사용한 양극판은, 백금을 함유하는 코팅재를 사용한 양극판에 비해, 전극의 내구성이 높은 것을 알 수 있었다.

산업상의 이용 가능성

A … 양극
K … 음극
M … 전극군
W … 해수
C … 농축수
10 … 해수 전해 장치
20 … 전해조 본체
30 … 전극
31 … 이극 전극판
32 … 양극판
33 … 음극판
40 … 전원 장치
60 … 취수부
65 … 담수화 장치 (농축 수단)
70 … 주수부
80 … 순환부
81 … 순환 유로
90 … 수소 분리 장치 (수소 분리 수단)
100A, 100B, 100C … 해수 전해 시스템

Claims

산화이리듐을 함유하는 코팅재가 피복된 티탄으로 이루어지는 양극과, 음극과, 상기 양극 및 상기 음극을 수납하는 전해조 본체와, 상기 양극 및 상기 음극에 통전하는 전원 장치를 구비하는 해수 전해 장치와,
상기 전해조 본체의 유출구로부터 유출되는 전기 분해 후의 상기 해수를, 상기 전해조 본체의 유입구로부터 유입되기 전의 상기 해수에 혼합시키는 순환 유로를 구비하는 해수 전해 시스템으로서,
상기 양극 및 상기 음극 사이에 양극 (兩極) 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상 40 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되도록 통전하여, 상기 전해조 본체 내의 해수를 전기 분해하는, 해수 전해 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전원 장치에 의해 통전되는 상기 양극 및 상기 음극 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상 30 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되는, 해수 전해 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 코팅재에 탄탈의 산화물이 첨가되어 있는, 해수 전해 시스템.
제 1 항에 있어서,
전극은, 상기 해수의 유통 방향 일방측 부분이 상기 양극으로 됨과 함께 타방측 부분이 상기 음극으로 된 복수의 이극 전극판을 포함하고,
이들 이극 전극판을 상기 유통 방향으로 간격을 두고 배열하여 이루어지는 전극군이 서로 평행을 이루도록 복수 배치되며,
서로 평행하게 이웃하는 전극군끼리의 상기 이극 전극판이 상기 양극과 상기 음극을 대향시켜 배치되어 있는, 해수 전해 시스템.
제 4 항에 있어서,
각 상기 전극군에 있어서의 상기 유통 방향으로 이웃하는 상기 이극 전극판끼리의 간격이, 서로 평행하게 이웃하는 상기 전극군끼리의 간격의 8 배 이상으로 설정되어 있는, 해수 전해 시스템.
제 1 항에 있어서,
복수의 상기 전해조 본체와,
이들 전해조 본체끼리에 있어서의 상기 해수의 유출구와 유입구를 접속하는 접속관과,
상기 접속관 내의 가스를 제거하는 가스 제거 수단을 추가로 구비하는, 해수 전해 시스템.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 해수 전해 시스템을 사용한 해수 전해 방법으로서,
상기 전해조 본체에 해수를 도입하고,
상기 양극 및 상기 음극 사이에 양극 (兩極) 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상 40 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되도록 통전하여, 상기 전해조 본체 내의 해수를 전기 분해하고,
상기 전해조 본체의 유출구로부터 유출되는 전기 분해 후의 상기 해수를, 상기 전해조 본체의 유입구로부터 유입되기 전의 상기 해수에 혼합시키는, 해수 전해 방법.
산화이리듐을 함유하는 코팅재가 피복된 티탄으로 이루어지는 양극과, 음극과, 상기 양극 및 상기 음극을 수납하는 전해조 본체와,
상기 양극 및 상기 음극에 통전하는 전원 장치를 갖는 해수 전해 장치와,
상기 전해조 본체에 도입되어야 할 해수 중에 함유되는 염화물 이온의 농도를 높이는 농축 수단과,
상기 전해조 본체로부터 배출된 전기 분해 후의 해수를, 상기 전해조 본체에 도입되어야 할 해수에 혼합시키는 순환 유로를 구비하는 해수 전해 시스템으로서,
상기 양극 및 상기 음극 사이에 통전하여, 상기 전해조 본체 내의 해수를 전기 분해하는, 해수 전해 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 전원 장치에 의해 통전되는 상기 양극 및 상기 음극 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상 60 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되는, 해수 전해 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 전원 장치에 의해 통전되는 상기 양극 및 상기 음극 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상 50 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되는, 해수 전해 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 전기 분해 후의 해수로부터 상기 음극에 있어서 생성된 수소 가스를 분리하는 수소 분리 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 해수 전해 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 코팅재에 탄탈의 산화물이 첨가되어 있는, 해수 전해 시스템.
제 8 항에 있어서,
전극은, 상기 해수의 유통 방향 일방측 부분이 상기 양극으로 됨과 함께 타방측 부분이 상기 음극으로 된 복수의 이극 전극판을 포함하고,
이들 이극 전극판을 상기 유통 방향으로 간격을 두고 배열하여 이루어지는 전극군이 서로 평행을 이루도록 복수 배치되며,
서로 평행하게 이웃하는 전극군끼리의 상기 이극 전극판이, 상기 양극과 상기 음극을 대향시켜 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 해수 전해 시스템.
제 13 항에 있어서,
각 상기 전극군에 있어서의 상기 유통 방향으로 이웃하는 상기 이극 전극판끼리의 간격이, 서로 평행하게 이웃하는 상기 전극군끼리의 간격의 8 배 이상으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 해수 전해 시스템.
제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 해수 전해 시스템을 사용한 해수 전해 방법으로서,
전기 분해해야 할 해수 중에 함유되는 염화물 이온의 농도를 높이고,
염화물 이온 농도를 높인 해수를 상기 전해조 본체에 도입하며,
상기 양극 및 상기 음극 사이에 통전하여, 상기 전해조 본체 내의 해수를 전기 분해하고,
상기 전해조 본체로부터 배출된 전기 분해 후의 해수를, 상기 전해조 본체에 도입되어야 할 해수에 혼합시키는, 해수 전해 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 전원 장치에 의해 통전되는 상기 양극 및 상기 음극 표면의 전류 밀도가 20 A/d㎡ 이상 60 A/d㎡ 이하의 범위에 포함되는, 해수 전해 방법.