KR101659884B1 - 교류전원을 이용한 습식 오존 발생장치와 이를 채용한 습식 살균처리장치 - Google Patents

교류전원을 이용한 습식 오존 발생장치와 이를 채용한 습식 살균처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류전원을 이용하여 오존을 발생시키는 전해 금속판 표면에 생성되는 결석현상을 획기적으로 줄이고, 또한 전해 금속판 표면이 항상 깨끗하고, 습식 단위 전해셀의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있는 교류전원 혹은 반파형 교류전원을 이용한 습식 오존 발생장치와 이를 채용한 습식 살균처리장치를 제안한다.

Description

교류전원을 이용한 습식 오존 발생장치와 이를 채용한 습식 살균처리장치{WET MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, STERILIZER USING THE SAME}
본 발명은 교류전원을 이용한 습식 오존 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교류전원을 이용하여 오존을 발생시킴으로써 전해 금속판(전극) 표면에 생성되는 결석을 획기적으로 줄이고, 또한 전해 금속판 표면이 항상 깨끗하고 단위 전해셀의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있는 교류전원 혹은 반파형 교류전원을 이용한 습식 오존 발생장치와 이를 채용한 습식 살균처리장치에 관한 것이다.
오존 발생장치는 대기 중에서 오존을 발생시켜 오존을 통해 공기나 컵과 같은 그릇 혹은 용기를 살균시키기 위한 건식 오존 발생장치와, 수중에서 오존을 발생시켜 오존을 통해 식수를 살균할 수 있는 습식 오존 발생장치로 구분된다.
본 발명은 습식 오존 발생장치와 관련되며, 특히 교류전류를 이용한 습식 오존 발생장치와 관련된다. 오존 발생장치와 관련된 종래기술로는 등록특허 제10-0753233호, 및 등록특허 제10-0228865호를 참조할 수 있고, 전기 화학적 오존 발생용 막 전즉 접합체에 관해서는 등록특허 제10-0930360호를 참조해 볼 수 있다.
일반적으로 습식 전해법에서, 정류전원을 공급하여 물을 전기분해하면 원소 성분인 O2와 H2로 분해되며, 적절한 조건하에서 오존(O3)이 생성되며 전기분해에 의한 방전식은 다음과 같다.
반응식 1: 3H2O(3 x H2O) = O3 + 3 x H2 :△H_298=207.5㎉
양극에서 음극으로 각각 일어나는 전기 화학적 반응을 표현하면 반응식은 아래의 반응식 2 내지 4와 같다.
반응식 2: 양극 2HO2 →2H2 + O2(E0=1,23V)
반응식 3: 양극 3H2O →3H2 + O3(E0=1,51V)
반응식 4: 음극 H+ +e →1/2H2(E0=0.0V)
전기분해에 의한 습식 오존발생을 위하여 막 전극 접합체(electrode membrene assembly)로 퍼플로로계 설폰닉 산(per fluorocarbon ssulfonic asid membrene 이하 "멤브레인"이라 함)이 사용된다.
도 1(습식 오존발생용 단위 단위 전해셀의 단면도)에 도시된 바와 같이 습식 단위 전해셀 조립체(10)는 수소이온(Proton) 전도성이 높은 고분자막을 양극판(10, Anode frame, 티탄늄으로 코팅됨)에서 음극판(50, Cathode frame, 티탄늄으로 코팅됨)까지 밀착 적층되어 이루어진 습식 단위 전해셀을 직렬로 다층으로 적층하여 구성되고, 전원은 연속성을 가진 정류전원을 사용한다.
도 1에서, 참조번호 20은 백금족 코팅 티탄늄재 양극측 전원공급관(Anode support collector), 50은 티탄늄 재질의 음극판(Cathode frame), 40은 백금족 코팅 티탄늄 재질의 음극측 전류 공급관(Cathode support collector), 30은 양 전원공급관 사이에서 밀착되는 막 전극 접합체(membrane electode assembly, 이하 "멤브레인"이라 함)이다.
상기한 종래의 정류전원을 이용한 습식 단위 전해셀 조립체(10)의 단점은 전해질을 강하게 교반 또는 정역방향으로 연속성 정류전원을 가하더라도 전해질(물) 속에 용해되어 있는 양이온 금속 및 미네랄들이 시간의 흐름에 따라 전극표면과 멤브레인 사이에 불용성 결석형태로 부착되면서 성장한다.
이 결석은 전기의 흐름을 방해하여 전기화학 촉매 전극의 수명을 급속히 단축시켜 오존발생이 중지되고, 또한 전원공급 접점부위의 저항을 증가시켜 전기 흐름을 방해하며, 또 전기적 접점 부위에 탄화현상을 만들어 통전 불량이 되면서 단위 전해셀의 수명을 단축시킨다.
전기화학 촉매전극으로 백금속 산화물 촉매로는 루테늄(Ru) 또는 리디늄(Ir)의 금속 및 산화물이 주목받고 있는데, Ru는 특히 가격이 저렴하고, 산소발생에 대한 초기에는 가장 우수한 활성을 나타낸다.
그러나, Ru는 직류 연속성 정류전원이 인가될 때 소모되면서 시간경과와 함께 과전압이 증가하여 촉매가 소모되는 단점을 가지고 있다.
이와 같은 수명단축의 원인은 밀착된 전해셀의 전극과 멤브레인 사이에서 전해질 교반이 거의 이루어지지 않아 전해 분극현상이 일어나며 전해 극간 밀착으로 인하여 열에너지의 냉각 발산이 원활하게 이루어지지 않아 양/음극판과 고분자 멤브레인 표면에 전류 과부하가 발생되면서 양/음극판에 코팅된 전술한 전극의 소모가 촉진되어 전해셀의 수명을 단축시키기 때문이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명은 오존 발생 시 촉매금속 표면에 발생하는 결석 생성을 억제시킴으로써 오존 발생 습식 단위 전해셀의 신뢰성을 높이고, 단위 전해셀의 수명을 크게 연장시킬 수 있는 교류전원을 이용한 습식 오존 발생장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 습식 오존발생 단위 전해셀에 교류전원을 공급함에 있어 반파 교류전원을 공급하여 오존을 발생시킬 수 있는 교류전원을 이용한 습식 오존 발생장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 교류전원을 이용한 습식 오존발생 단위 전해셀을 이용한 습식 살균처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 주 목적의 해결수단으로서,
전기화학적 습식 단위 전해셀의 배열순서는 전원접점부사이에 전해 금속판이 배치되고, 양 전원접점부와 전해 금속판 사이에 배치되는 멤브레인으로 이루어진 오존발생 습식 단위 전해셀 조립체와;
상기 양 전원접점부에 전기적으로 연결되는 전원공급장치에 의해 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 목적의 해결수단은,
전기화학적 오존발생을 위한 습식 단위 전해셀에 있어서,
양 금속판(전극)사이에 멤브레인이 배치되는 습식 단위 전해셀 조립체와;
상기 양 금속판에 교류전원을 공급하는 전원공급장치에 의해 구현될 수 있다.
상기 전원공급장치에 의해 공급되는 전압은 교류전원 혹은 반파 교류전원 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전원공급장치에 의해 공급되는 전원은 정/역방향으로 공급하되 중간에 휴지시간을 가질 수 있다.
본 발명은 전기화학 단위 전해셀에 있는 양이온 교환 멤브레인이 양전하만 흐르는 액상 전해질 반도체 정류역활을 하므로 교류전원을 사용하여도 오존발생이 잘 되며 전해 금속판 표면에 결석현상이 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 전해 금속판 표면이 항상 깨끗하고 촉매 소모가 거의 되지 않아 단위 전해셀의 수명을 크게 연장시킬 수 있다,
또한 본 발명은 반파형 교류를 정역방향으로 주기적으로 공급하면, 촉매 금속 표면에 결석현상(스케일)이 발생을 획기적으로 줄일 수 있고, 또 전해 분극현상이 발생하지 않으며 전기적 쇼트현상도 없어 오존발생에 따른 신뢰성을 획기적으로 높일 수 있다.
도 1은 종래의 습식 오존 발생 습식 단위 전해셀의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 오존 발생 습식 단위 전해셀 조립체의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 오존 발생 습식 단위 전해셀 조립체를 채용한 오존 발생장치의 분해사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 A-A선을 따라 절취한 요부 평단면도이다.
도 5는 본 발명의 오존 발생 습식 단위 전해셀 조립체를 채용한 오존 발생장치를 제조하여 이를 주방용 싱크대 음식물 쓰레기 여과통에 설치한 것을 보여주는 요부단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따라 오존 발생 습식 단위 전해셀에 공급되는 교류전원의 파형도이다.
이하, 본 발명의 교류전원을 이용한 오존 발생용 단위 전해셀과 그 채용예의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 오존 발생 습식 단위 전해셀의 결합상태를 보인 단면도이다.
본 발명에 따른 전기 화학적 오존발생 습식 단위 전해셀 조립체(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 양 전원접점부(110)사이에 전해 금속판(120)이 배치되고, 각 전원접점부(110)와 전해 금속판(120) 사이에 배치되는 각각의 양이온 교환 멤브레인(130)으로 이루어진 오존발생 습식 단위 전해셀 조립체(100)와, 상기 양 전원접점부(110)에 전기적으로 연결되는 전원공급장치(300)로 구성된다.
상기 양 전원접점부(110)는 교류 전원공급장치(300)로부터 공급되는 전원 케이블(참조번호 미표기)과 연결되는 막(membrene)으로 전해 금속판(120)과는 재질적으로 차이가 있다.
상기 전해금속판(120)은 도전성을 지닌 재질이면 좋고, 보다 바람직하게는 텅스턴 혹은 티탄늄(백금족 코팅 티탄늄재 포함)으로 코팅된 Ru일 수 있다.
상기 전해금속판(120)은 기존에는 음극과 양극의 전극으로 사용하지만 본 발명은 하나의 전해금속판(120)을 사용함으로 제조 비용을 낮추면서도 오존을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 전원공급장치(300)는 직류를 교류로 정류하는 정류회로를 포함하고 있다.
상기한 전원공급장치(300)는 일 예로, 본 발명에서는 교류전원 6~12V의 교류전원을 공급하는 것으로 예시하지만 이는 한정하는 의미가 아니며 본 발명의 습식 오존 발생용 단위 전해셀은 사용목적과 용도에 따라 변경될 수 있다.
상기 전원공급장치(300)는 전원을 단위 전해셀로 공급함에 있어 도 6(a)에 도시된 바와 같이 일정주기로 양극과 음극전원이 양 전원접점부에 교대로 인가될 수 있거나 혹은 도 6(b)에 도시된 바와 같이 반파 교류전원을 공급할 수 있다.
한편, 반파 교류전원을 공급함에 있어 도 6(c)에 도시된 바와 같이 일정한 시간동안 휴지(休止)시간을 가지면서 전원을 공급할 수 있다.
전원공급이 휴지되는 동안에는 결석이 전해질(물)에 용해되어 해리가 되어지므로 전해셀 전극의 수명을 연장시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 6(c)에서 교류전원의 공급시간 "8~15분" 및 휴지시간 "2~5분"은 후술하는 음식물 쓰레기 여과통의 살균을 위해 본 발명을 기초로 개발된 습식 살균처리장치(200, 도 3 참조)의 운전예를 예시한 것이다.
또한 도 2의 본 발명은 전해 금속판(120)에 교류전원공급장치(300)와 전기적으로 연결(도 2의 점선으로 도시된 부분)하고 양 전원접점부(110)를 통해 교류전원을 공급하면. 양측의 멤브레인(130)에서 교대로 오존이 발생될 수 있어 오존발생 효과를 배가시킬 수 있다.
그러나, 시간이 경과하면 정류전원을 사용하는 오존발생 습식 전해셀(도 1 참조)에 비해 결석 생성은 지연되지만 시간이 경과하면 일부 결석이 생성될 수 있는데 그럼에도 전해 금속판(120)에 교류전원공급장치의 전원을 연결하는 것은 종래의 습식 오존 발생 전해셀에 비해 더 유용하다.
그러므로 초기에 오존 발생 시 전술한 본 발명의 오존발생 습식 전해셀은 양 전원접점부(110)와 전해 금속판(120)에 교류 전원공급장치(300)의 전원을 도 2의 점선과 같이 연결하여 운전하고, 일정기간이 경과한 뒤에는 전해 금속판(120)과 연결된 교류전원공급장치(300)의 전원을 탈락시키는 운전방법이 유용하다.
전술한 바와 같이 전해 금속판(120)은 양측의 전원접점부(110)에 교대로 음극과 양극으로 바뀌면서 공급되는 전원에 의해 양측의 양이온 교환 멤브레인(130)에서 오존(O3)이 발생될 수 있다.
따라서, 전해 금속판(120)은 극성이 음극과 양극이 교대로 바꾸게 되어 물속에 용해된 양이온 금속 및 미네랄들이 시간의 흐름에 따라 전극표면과 양이온 교환 멤브레인 사이에 결석형태로 부착되는 것을 상당히 지연시킬 수 있다.
결국, 이러한 작용은 결석(스케일)발생을 억제하므로 전기의 흐름을 방해하지 않게 되고, 전기화학 촉매 전극인 전해 금속판의 수명을 연장시킬 수 있으며, 결국 실질적인 오존 발생부인 단위 전해셀의 수명을 연장시킬 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 기술적 특징을 이용하면 정류전원에 의한 오존발생 단위 전해셀에 공급되는 전원을 교류전원 혹은 반판 교류전원을 공급하면 기존의 오존발생 단위 전해셀의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있다.
또한 반파 교류를 정/역방향으로 주기적으로 공급하면 촉매 금속 표면에 결석현상(스케일)이 발생되지 않을 뿐만 아니라 전해 분극현상이 발생하지 않아 전기적 쇼트현상도 발생되지 않는다.
이하에서는 전술한 본 발명에 따른 교류전원을 이용한 오존 발생 습식 단위 전해셀 조립체의 채용 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명에 따른 교류전원을 이용한 오존 발생 습식 단위 전해셀을 살균처리장치로 제조하여 이를 도 5에 도시된 바와 같이 주방의 음식물 쓰레기 여과통(400) 살균처리장치로 적용한 예를 보여준다.
음식물 쓰레기 여과통(400) 살균처리장치 채용한 것을 이하에서는 여과통 살균장치(도 3 참조)로 약칭하여 부른다.
여과통 살균장치(200)는 전술한 교류전원을 이용한 오존발생 습식 단위 전해셀 조립체(100)를 수용하는 몸통(220)과, 상기 단위 전해셀 조립체(100)를 몸통(220)속에 조립하기 위해 몸통(220)에 개폐가능하게 결합되는 뚜껑(210)과, 상기 몸통(220)을 여과통(400)에 고정시키기 위한 체결부재(230)를 포함한다.
상기 몸통(220)은 도 5에 도시된 바와 같이 음식물 쓰레기 여과통(400)의 하부에 저류되는 하수속에 침지되도록 체결부재(230)로 고정된다.
상기 몸통(220)에는 상부에 나선 체결에 의해 뚜껑(210)이 결합되고, 뚜껑(210)을 오픈하면 상기 몸통(220)속으로 전술한 습식 단위 전해셀 조립체(100)를 삽입하여 조립할 수 있다.
상기 뚜껑(210)에는 뚜껑(210)을 몸통(220)에 분해 및 조립하기 위한 공구 결합홈(213)과, 몸통(220)의 안치부(220a)속으로 유체가 출입할 수 있는 구멍(212) 및 몸통(220)에 나선 체결되어지는 나사산(211)을 갖추고 있다.
상기 몸통(220)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기한 습식 단위 전해셀(100)이 안착되는 안치부(220a)가 마련되어 있고, 몸통(220)의 바닥면에 양 전원접점부(110)에 전원이 공급되도록 전기적으로 연결되는 통전단자(225)가 배치되어 교류전원을 상기 전원접점부(110)로 공급할 수 있다. 상기 오존발생 습식 단위 전해셀 조립체(100)는 상기 안치부(220a)에 의해 움직이지 않도록 몸통(220)속에 위치될 수 있다.
상기 몸통(220)은 그 외벽에 나선체결에 의해 상기한 양 전원접점부(110)의 표면을 가압할 수 있는 가압볼트(223)가 마련될 수 있다.
상기 전원접점부(110)는 몸통(220)의 안치부(220a)속에 삽입될 때 소정의 유격이 요구되므로 전원접점부(110)와 전해 금속판(120) 및 양이온 교환 멤브레인(130)의 밀착도를 가압볼트(223)의 체결력으로 조절할 수 있다.
상기한 몸통(220)은 뚜껑(210)이 결합된 상태로 음식물 쓰레기 여과통(400)의 바닥면(도면번호 미표기)에 위치된다.
도 3에서, 미설명 참조번호 215는 교류 전원공급장치(300)로부터 공급되는 전원 케이블이 연결되는 통전단자이고, 224와 231은 체결나사산이며, 221은 몸통(220)의 안치부(220a)속으로 유체가 출입하는 구멍이다.
상기한 체결부재(230)는 내부가 빈 튜브형상으로, 상기 몸통(220)의 나사산(224)과 나선체결되며, 체결시 내부에 통전단자(225)가 위치되어 체결부재(230)에 의해 통전단자(225)에 접촉되는 것을 차단한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 교류전원을 이용한 오존 발생 습식 단위 전해셀은 본 발명의 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 전술한 음식물 쓰레기 여과통 살균장치와 같이 다양한 용도로 응용되거나 변경하여 실시할 수 있을 것이나 그와 같은 응용예와 변경예는 본 발명자가 의도하는 진정한 의미의 기술적 사상과 이하의 특허청구범위에서 정의하는 범위에 포함된다는 것을 미리 밝혀두는 바이다.
100: 단위 전해셀 조립체 110: 전원접점부
120: 전해 금속판 130: 양이온 교환 멤브레인
200: 교류전원 공급장치 210: 뚜껑
213: 공구 결합홈 212, 221: 구멍
223: 가압볼트 224. 231: 나사산
225: 통전단자 220: 몸통
220a: 안치부 221: 구멍
230: 체결부재 231: 나사산
400: 음식물 쓰레기 여과통

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 습식 살균처리장치에 있어서,
    전해 금속판(120)의 양 측벽에 양이온 교환 멤브레인(130)과 전원접점부(110)가 각각 대칭적으로 중첩되게 결합되어 구성된 오존발생 단위 전해셀 조립체(100)와;
    상기 오존발생 단위 전해셀 조립체를 수용하는 안치부(220a)를 갖추고, 상기 안치부속에 삽입된 양 전원접점부(110)와 전기적으로 접지되는 통전단자(225)와, 상기 양 전원접점부(110)와 전해금속판(120)간의 간격을 조정하기 위하여 전원접점부(110)의 배면을 가압하도록 나선결합되는 가압볼트(223)와, 상기 안치부(220a)속으로 유체가 출입하는 구멍을 포함하는 몸통(220)과;
    상기 통전단자(225)에 전기적으로 연결되어 교류 전원을 공급하는 교류 전원공급장치(300)와;
    상기 몸통(220)의 안치부(220a)에 나선체결되고, 상기 안치부(220a)속으로 유체가 유입되는 구멍을 포함하는 뚜껑(210)과;
    상기 몸통(220)이 음식물 쓰레기 여과통(400)속에 저류되는 하수속에 침지되도록 상기 음식물 쓰레기 여과통(400)을 관통한 상기 몸통(220)에 나선체결되어 상기 몸통을 고정시키는 체결부재(230)로 구성된 것을 특징으로 오존을 이용한 습식 살균처리장치.
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