KR101714587B1 - 고효율 차아염소산나트륨 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 현장발생형 무격막식 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것으로, 특히 사계절(四季節) 내내 안정적으로 차아염소산나트륨을 생산할 수 있는 고효율의 현장발생형 무격막식 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것이다.

Description

고효율 차아염소산나트륨 발생장치{High-Efficiency On-Site Device for Production of Sodium Hypochlorite}

본 발명은 현장발생형 무격막식 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것으로, 특히 사계절(四季節) 내내 안정적으로 차아염소산나트륨을 생산할 수 있는 고효율의 현장발생형 무격막식 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것이다.

차아염소산나트륨(NaOCl, 이하 “차염”이라고도 함) 발생 장치는 희석 염수(적정 농도의 소금물(NaCl))를 격막(이온교환막)이 없는 일련의 전극을 통과시키는 과정에서 전극 양단에 부가된 직류전류(DC)를 이용해서 소금과 물을 전기분해 하여 소량의 수소가스와 차아염소산나트륨을 만들어 내는 장치로서 상기와 같이 생산된 차아염소산나트륨은 염소의 안전한 형태로서 소독이 필요한 현장의 염소소독을 위하여 사용된다.

차아염소산나트륨 발생장치는 소독이 필요한 현장으로, 국내에 약 200 여개의 정수장에 설치되어 운영되고 있다. 상기 장치는 통상적으로 1일 1회 또는 2회 정도 간헐적으로 운전되는데, 우리나라는 사계절이 있어서 차아염소산나트륨 발생장치의 운전효율이 떨어지고, 전극이 손상되거나 부산물이 다량 생성되는 문제점이 있다.

즉, 현장 발생형 차아염소산나트륨 발생장치는 전기분해조 내부의 온도가 외부 기온에 절대적으로 영향을 받는데, 동절기에는 전기분해조 내부 수온이 4 ~ 10℃ 정도이므로 초기 운전시 전극손상이 초래되고, 하절기에는 전기분해조 내부의 수온이 25 ~ 35℃ 정도이므로 고온으로 인한 소독부산물(클로레이트, 브로메이트)의 발생이 많아지는 문제점이 있다.

대한민국 실용신안등록 20-0337319 대한민국 특허등록 10-1146762

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 단순히 히터 또는 열교환기를 채용한 차아염소산나트륨 발생장치가 개발되었으나, 장시간의 히터 사용에 따른 비용상승의 문제와, 효과적이지 못한 열교환방식에 의해 발생하는 비효율성 또는 부산물(클로레이트, 브로메이트 등) 발생의 문제가 여전히 존재하고 있다.

이에 본 발명은 기존의 히터와 열교환기 사용 방식의 문제점인 많은 에너지 소비로 인한 생산 원가 상승과 운영 비용이 상승하는 점을 개선하고 순도 높은 차아염소산나트륨을 사계절 내내 저비용으로 안정적으로 생산할 수 있는 고효율 차아염소산나트륨 발생 장치를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

포화염수 공급관이 연결된 염수 저장조;

상기 포화염수 공급관과 연결되는 희석수 공급관1;

상기 포화염수 공급관의 포화염수 및 희석수 공급관1의 희석수가 혼합된 희석염수를 제1전기분해조로 공급하는 희석염수 공급관;

희석염수 공급관에 설치된 히터;

상기 희석염수 공급관을 통해 유입되는 희석염수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 발생시키도록 직렬로 연결되는 제1전기분해조 및 제2전기분해조;

상기 제1전기분해조 및 제2전기분해조 사이에 설치되어 상기 제1전기분해조에서 상기 제2전기분해조로 이동하는 차아염소산나트륨 용액을 냉각시켜 배출하는 제1열교환기;

상기 제1열교환기로부터 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 제1전기분해조 및 제2전기분해조로 분할 공급할 수 있는 자동밸브가 구비된 차아염소산나트륨 용액 공급관:

상기 제2전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 냉각시켜 배출하는 제2열교환기;

상기 제1열교환기 및 제2열교환기에 순차적으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급관;

상기 제2열교환기로부터 냉각수를 배출하며, 3방향 솔레노이드밸브가 구비된 냉각수 배출관;

상기 희석수 공급관1으로 연결되며 상기 3방향 솔레노이드밸브로부터 배출되는 냉각수를 희석수로 공급할 수 있는 희석수 공급관2;

상기 제1전기분해조에 연결된 수소 배출관1 및 제2전기분해조에 연결된 수소 배출관2를 구비하는 것을 특징으로 하는 현장발생형 무격막 차아염소산나트륨 발생장치를 제공한다.

또한 본 발명은

포화염수 및 희석수가 혼합된 희석염수를 제1전기분해조로 공급하여 차아염소산나트륨 용액을 생성시키는 단계;

상기 차아염소산나트륨 용액을 제1열교환기로 냉각시키고 제2전기분해조로 공급하여 차아염소산나트륨 용액을 생성시키는 단계;

상기 제2전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 제2열교환기로 냉각시키고 배출하는 단계를 포함하는 차아염소산나트륨 용액 제조방법으로

제1열교환기에 의해 냉각된 차아염소산나트륨 용액의 일부를 제1전기분해조로 재순환시킴으로써 제1전기분해조의 급격한 온도 상승을 막고, 부산물의 생성을 줄이며,

제1전기분해조 및 제2전기분해조에서 수소를 직접 배출시킴으로써 전기분해조의 진동을 최소화하고 전기분해 시 발생하는 반응열을 즉시 배출하여 부산물의 발생 가능성을 낮추는 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 제조방법을 제공한다.

본 발명은, 기존의 열교환기 사용방식의 문제점인 많은 에너지 소비로 인한 생산 원가와 운영 비용이 상승하는 문제점이 효과적으로 해결될 수 있다. 특히 봄과 가을뿐만 아니라 추운 동절기 및 더운 하절기에도 저비용에 효율적으로 차아염소산나트륨을 생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 제1전기분해조로 냉각된 차아염소산나트륨 용액을 순환시키는 방식을 채택하여 희석 염수와 냉각된 차아염소산나트륨 용액을 직접 접촉되도록 함으로써 희석 염수의 온도는 필요한 만큼 상승시키고, 전기분해조 온도 및 상기 전기분해조 내의 차아염소산나트륨 용액의 온도 또한 원하는 온도로 내릴 수 있어서, 제1전기분해조의 온도를 효과적으로 조절할 수 있는 효과가 있다. 따라서 제1전기분해조의 클로레이트와 같은 부산물의 생성을 억제할 수 있고, 제1전기분해조의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다. 본 발명은 클로로레이트 등의 부산물이 적은 차아염소산나트륨을 생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 자동 밸브를 사용하여 순환 차아염소산나트륨 용액의 바이패스 유량을 조절하여 희석 염수와 생산 차아염소산나트륨의 접촉 유량을 조절함으로써 가장 효율적인 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 수소를 차아염소산나트륨 용액과 분리 배출함으로써 수소 가스가 전해수와 같이 이동함으로 인하여 발생하는 진동을 제거하고, 전기분해시 발생하는 반응열을 즉시 배출할 수 있으므로, 전기분해조 및 열교환기의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 차아염소산나트륨 발생장치의 일예를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 차아염소산나트륨 발생장치의 다른 일예를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 차아염소산나트륨 발생장치의 또 다른 일예를 나타내는 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 일예를 나타내는 구성도이다.

도 1에 의하면 본 발명은 희석수 및 포화염수가 혼합된 희석염수를 무격막식 전기분해조인 제1전기분해조에 공급하여 차아염소산나트륨 생성 반응을 진행한다. 제1전기분해조에서 생성된 차아염소산나트륨과 미반응 염화나트륨을 포함하는 용액은 추가로 차아염소산나트륨 생성반응을 진행시키기 위하여 제2전기분해조로 유입시키기 전에 제1열교환기를 이용하여 용액의 온도를 낮추어 준다. 이렇게 냉각된 차아염소산나트륨 용액은 차아염소산나트륨 용액 공급관을 통하여 제2전기분해조로 공급된다.

본 발명의 차아염소산나트륨이 정수장에 설치되는 경우 상기 열교환기에 냉각수로 공급되는 물은 정수지 물을 활용할 수 있다.

상기 차아염소산나트륨 용액 공급관은 자동밸브가 구비되어 있어서 차아염소산나트륨 용액의 전부를 제2전기분해조로 공급하거나, 일부를 제2전기분해조로 공급하고 일부를 제1전기분해조로 순환시킬 수 있다. 제1전기분해조로 순환된 차아염소산나트륨 용액은 충분히 온도가 낮아서 제1전기분해조에 공급되는 희석염수와 혼합되어 희석염수의 온도를 낮추어주어 제1전기분해조 내부 용액의 온도를 낮추어 줄 수 있으며, 또한 염수의 농도를 낮추어 전기분해에 따른 온도 상승 정도를 낮추어 줄 수 있다.

일반적으로 전기분해조 내부에서 차아염소산나트륨 용액을 포함하는 전해수 흐름방향으로 일련의 전극을 거치면서 단계별로 온도가 상승되는데, 내부의 온도 구배가 큰 경우 스케일 발생 가능성이 높아지는 문제점이 있다. 이에 반해 본 발명의 제1전기분해조의 경우 희석염수의 온도가 낮고, 염수의 농도가 낮아서 스케일 발생 가능성이 낮고, 부산물인 클로레이트 발생이 적다는 장점이 있다.

제2전기분해조에서는 염수가 추가로 전기분해되어 차아염소산나트륨이 생성된다. 본 발명의 제2전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액은 제2열교환기에서 냉각되어 차아염소산나트륨 저장탱크로 이송됨으로써 저장탱크에서 차아염소산나트륨의 분해반응이 억제되어 보다 고순도의 차아염소산나트륨 용액을 얻을 수 있는 장점이 있다.

필요한 경우, 제2열교환기에서 배출되는 냉각된 차아염소산나트륨 용액의 일부를 제2전기분해조로 재순환시킴으로써 제2전기분해조의 온도를 낮추고 차아염소산나트륨 생성 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 제1전기분해조 및 제2전기분해조는 수소 배출관1 및 수소 배출관2가 각각 연결되어 있어서 전기분해에 의해 생성되는 수소를 차아염소산나트륨 용액과 별도로 배출시킨다.

종래기술의 경우 전기분해조에서 생성된 수소가 차아염소산나트륨 용액과 함께 전기분해조 내부를 경유하여 하나의 관으로 배출되는데 이러한 용액의 흐름 시 플럭추에이션(fluctuation)이 심하여 전기분해조를 손상시킬 수 있고 열교환기의 열교환효율을 저하시킬 수 있다. 이에 반해 본 발명의 차아염소산나트륨 발생장치는 수소를 별도로 배출함으로써 차아염소산나트륨 용액의 흐름에 따른 플럭추에이션이 감소하여 전기분해조의 손상을 줄여서 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다. 이때 전기분해조 내부의 반응열도 함께 배출되어 전기분해조 내부의 온도를 낮추어주는 효과도 있다.

본 발명의 경우 특히 제1전기분해조 및 제2전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 2 이상의 열교환기를 사용하여 적절하게 온도를 콘트롤하며 냉각시키는 방식이다. 이 경우 차아염소산나트륨 용액의 흐름 중에 수소 가스가 포함되어 있다면 온도 제어도 용이하지 않고 진동에 의한 장비의 손상도 발생하므로, 본 발명자들은 수소를 전기분해조로부터 우선적으로 배출시킴으로써 이러한 문제점을 해결한 것이다.

수소 배출관1 및 수소 배출관2는 하나의 배출관으로 이어져서 배출될 수 있으며 상기 배출관의 말단부에 음압을 발생시키는 브로어를 설치하여 수소 배출을 보다 용이하게 하고, 수소 가스의 실내유출 가능성을 차단할 수 있다.

본 발명은 제1열교환기 및 제2열교환기에 순차적으로 냉각수를 공급하여 제1전기분해조 및 제2전기분해조에서 배출되는 고온의 차아염소산나트륨 용액의 온도를 낮추어 주고, 제2열교환기에 연결된 냉각수 배출관으로 더워진 냉각수가 배출되도록 하였다.

전기분해조에 공급되는 희석염수의 바람직한 온도는 15~20℃이다.

한편, 현장발생형 차아염소산나트륨 발생장치는 정수장과 같이 차아염소산나트륨이 필요한 현장에 설치되는 것으로, 현장의 온도가 낮은 동절기에는 포화염수 및 희석수의 온도가 15℃ 미만이므로 이의 온도를 높여 줄 필요가 있다. 본 발명의 경우 상기 제2열교환기의 냉각수 배출관으로부터 배출되는 더워진 냉각수를 희석수 공급관2를 통하여 희석수 공급관1에 공급하여 희석수로 활용함으로써 최종적으로 전기분해에 적합한 온도를 갖는 희석염수를 공급할 수 있다. 즉, 추가적인 열에너지의 제공없이 희석염수의 온도를 높여서 전기분해를 수행할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 차아염소산나트륨 발생장치는 희석염수 공급관에 히터를 구비하여, 동절기 차아염소산나트륨 발생장치의 가동 초기에 제1전기분해조로 공급되는 희석염수의 온도를 전기분해에 적합한 15℃로 높여줄 수 있다. 상기 히터는 가동 초기 5~10분 사용하고, 그 이후는 열교환기에서 배출되는 더워진 냉각수를 활용함으로써 에너지 비용을 줄일 수 있다.

하절기에는 상기 냉각수는 외부로 배출된다.

본 발명은 차아염소산나트륨 용액의 순환 및 냉각수의 활용 등을 온도센서 및 자동밸브를 통하여 컨트롤함으로써 차아염소산나트륨 발생장치를 효율적으로 운전할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 다른 일예로 도 1의 장치에서 제1열교환기 및 자동밸브 사이에 추가로 제3열교환기를 포함하는 차아염소산나트륨 발생장치를 도시하고 있다.

도 2의 장치의 경우 제3열교환기가 추가로 구비되어 제1열교환기로부터 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 추가로 냉각시킨 후 제2전기분해조로 이송시키게 된다. 그 결과 제1전기분해조에서 생성된 고온의 차아염소산나트륨 용액의 온도를 충분히 낮추어 제2전기분해조로 공급하게 됨으로써 제2전기분해조의 손상 및 부산물의 생성을 충분히 억제할 수 있는 장점이 있다. 또한 충분히 냉각된 차아염소산나트륨 용액의 일부를 제1전기분해조로 순환시킴으로써 제1전기분해조의 손상 및 부산물 생성을 억제할 수 있다.

상기 제3열교환기의 경우 냉각수를 냉각시키는 별도의 칠러(chiller)가 연결되어 있어서, 필요에 따라 칠러에 의한 추가 냉각 기능을 수행할 수 있다. 예를들면, 하절기에 제1열교환기에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액의 온도가 높은 경우, 칠러를 사용하여 차아염소산나트륨 용액의 온도를 충분히 낮추어 준다.

본 발명은, 하절기에 희석염수의 온도가 지나치게 높은 경우, 차아염소산나트륨 발생장치의 제1전기분해조에 전기를 인가하지 않은 상태에서 칠러를 가동한 제3열교환기에 희석염수를 통과시켜서 온도를 15℃로 낮추어 준 후 자동밸브를 통해 제1전기분해조로 순환시킨 후 전기분해를 진행하여 제1전기분해조의 손상의 줄이고 전기분해 효율을 높일 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 또 다른 일예로 도 2의 장치에서 추가로 칠러에 연결된 제4열교환기를 포함하는 차아염소산나트륨 발생장치의 구성도이다. 상기 제4열교환기는 희석수를 냉각시키는 역할을 함으로써 외부 온도가 높은 하절기에도 15℃로 냉각된 희석염수를 제1전기분해조로 공급할 수 있다.

본 발명의 차아염소산나트륨 발생장치는 필요시 3개 이상의 전기분해조를 구비할 수 있으며 상기 전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액의 냉각을 위하여 각각 열교환기를 연결할 수 있다.

또한 본 발명은

포화염수 및 희석수가 혼합된 희석염수를 제1전기분해조로 공급하여 차아염소산나트륨 용액을 생성시키는 단계;

상기 차아염소산나트륨 용액을 제1열교환기로 냉각시키고 제2전기분해조로 공급하여 차아염소산나트륨 용액을 생성시키는 단계;

상기 제2전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 제2열교환기로 냉각시키고 배출하는 단계를 포함하는 차아염소산나트륨 용액 제조방법으로

제1열교환기에 의해 냉각된 차아염소산나트륨 용액의 일부를 제1전기분해조로 순환시킴으로써 제1전기분해조의 급격한 온도 상승을 막고, 부산물의 생성을 줄이며,

제1전기분해조 및 제2전기분해조에서 수소를 직접 배출시킴으로써 전기분해조의 진동을 최소화하고 전기분해 시 발생하는 반응열을 즉시 배출하여 부산물의 비율을 줄이는 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명의 방법은 추가로 칠러를 구비한 제3열교환기를 제1열교환기 후단에 설치하여 제1전기분해조에서 생산된 차아염소산나트륨 용액을 온도를 충분히 낮추어 제2전기분해조로 공급하는 방법을 제공한다.

국내에 설치된 차아염소산나트륨 발생기의 설치 환경은 동절기의 경우 전기분해조의 수온은 실내온도와 비슷한 수준이므로 약 4℃~10℃ 정도의 수온을 유지하게 되는데, 이는 차아염소산나트륨 발생기 초기 가동 시 저수온에 의한 전극의 손상을 초래할 수 있다. 하절기의 경우 실내 온도가 30℃ 이상 온도가 올라가게 되므로 초기 고수온으로 인해 유해물질이 다량 생성될 수 있다. 이에 대해 본 발명의 차아염소산나트륨 발생장치를 사용하면, 동절기 및 하절기 차아염소산나트륨 발생장치 운전 초기의 문제점을 해결 할 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 차아염소산나트륨 발생장치 및 방법에 의하여 사계절 안정적이고 효율적으로 순도높은 차아염소산나트륨을 생산할 수 있다.

Claims (6)

1. 포화염수 공급관이 연결된 염수 저장조;
   상기 포화염수 공급관과 연결되는 희석수 공급관1;
   상기 포화염수 공급관의 포화염수 및 희석수 공급관1의 희석수가 혼합된 희석염수를 제1전기분해조로 공급하는 희석염수 공급관;
   희석염수 공급관에 설치된 히터;
   상기 희석염수 공급관을 통해 유입되는 희석염수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 발생시키도록 직렬로 연결되는 제1전기분해조 및 제2전기분해조;
   상기 제1전기분해조 및 제2전기분해조 사이에 설치되어 상기 제1전기분해조에서 상기 제2전기분해조로 이동하는 차아염소산나트륨 용액을 냉각시키고 배출하는 제1열교환기;
   상기 제1열교환기로부터 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 제1전기분해조 및 제2전기분해조로 분할 공급할 수 있는 자동밸브가 구비된 차아염소산나트륨 용액 공급관:
   상기 제2전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 냉각시키고 배출하는 제2열교환기;
   상기 제1열교환기 및 제2열교환기에 순차적으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급관;
   상기 제2열교환기로부터 냉각수를 배출하며, 3방향 솔레노이드밸브가 구비된 냉각수 배출관;
   상기 희석수 공급관1으로 연결되며 상기 3방향 솔레노이드밸브로부터 배출되는 냉각수의 일부를 희석수로 공급할 수 있는 희석수 공급관2;
   상기 제1전기분해조에 연결된 수소 배출관1 및 제2전기분해조에 연결된 수소 배출관2를 구비하는 것을 특징으로 하는 현장 발생형 무격막 차아염소산나트륨 발생장치
2. 청구항 1에 있어서, 제1열교환기와 자동밸브 사이에 구비된 제3열교환기를 추가로 포함하는 차아염소산나트륨 발생 장치
3. 청구항 2에 있어서, 상기 제3열교환기의 냉각수를 냉각시키기 위한 칠러를 추가로 포함하는 차아염소산나트륨 발생 장치
4. 청구항 3에 있어서, 상기 칠러에 연결되고, 희석수를 냉각시키는 제4열교환기를 추가로 포함하는 차아염소산나트륨 발생 장치
5. 청구항 1에 있어서, 수소 배출관1 및 수소 배출관2가 하나의 배출관으로 연결되고, 상기 배출관의 말단부에 음압을 발생시키는 브로어를 추가로 포함하는 차아염소산나트륨 발생 장치
6. 포화염수 및 희석수가 혼합된 희석염수를 제1전기분해조로 공급하여 차아염소산나트륨 용액을 생성시키는 단계;
   상기 차아염소산나트륨 용액을 제1열교환기로 냉각시키고 제2전기분해조로 공급하여 차아염소산나트륨 용액을 생성시키는 단계;
   상기 제2전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액을 제2열교환기로 냉각시키고 배출하는 단계를 포함하는 차아염소산나트륨 용액 제조방법으로
   제1열교환기에 의해 냉각된 차아염소산나트륨 용액의 일부를 제1전기분해조로 재순환시킴으로써 제1전기분해조의 급격한 온도 상승을 막고, 부산물의 생성을 줄이며,
   제1전기분해조 및 제2전기분해조에서 수소를 직접 배출시킴으로써 전기분해조의 진동을 최소화하고 전기분해 시 발생하는 반응열을 즉시 배출하여 부산물의 비율을 줄이는 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 제조방법
   

Images