KR101732850B1 - 차아염소산나트륨 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기분해시 발생되는 수소를 기액분리기 내부에 수소 저장필터를 구비하여 제거할 수 있는 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것으로서, 유입된 해수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 생성하는 해수전해셀; 및 상기 해수전해셀에 연결되어 상기 해수전해셀로부터 차아염소산나트륨이 포함된 혼합기체를 전달받아 차아염소산나트륨과 부수적 발생 기체인 수소를 분리시키는 기액분리기를 포함하며, 상기 기액분리기는, 분리기 몸체와; 상기 분리기 몸체 내에 수용되어 혼합유체에 포함된 수소가스만을 투과시키는 수소투과필터와; 상기 수소투과필터의 내부 공간에 수용되어 상기 수소투과필터를 투과한 수소가스를 저장하는 수소저장필터를 포함하여 이루어진다.

Description

차아염소산나트륨 발생장치{sodium hypochlorite generation apparatus}
본 발명은 전기분해시 발생되는 수소의 처리 기능을 갖는 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기액분리기 내부에 수소 저장필터를 구비하여 수소를 제거할 수 있는 차아염소산나트륨 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 차아염소산나트륨 발생장치는 염수나 해수를 전기분해하여 차아염소산나트륨(Sodium Hypochlorite; NaOCl)을 발생시키는 장치로서, 이때 발생되는 차아염소산나트륨은 정수장이나 하수처리장 및 수영장의 살균처리, 발전소의 냉각수 또는 선박의 밸러스트수 처리 등에 사용될 수 있다.
차아염소산나트륨 발생장치 가동시 전해모듈에서 해수 또는 염수를 전기분해시키면 염소, 수소 및 산소가스가 발생되며, 염소가스는 바로 물(H2O)에 용해되거나 OH-와 반응하여 차아염소산나트륨으로 전환된다. 그리고 용해되지 않는 수소와 산소가스는 기액분리기를 통하여 대기중으로 방출된다.
즉, 해수나 희석염수(적정농도의 소금물(NaOCl))를 격막(이온교환막)이 없는 일련의 전극을 통과시키는 과정에서 전극 양단에 부가된 직류전류(DC)를 이용해서 소금을 전기분해하고, 이를 물과 반응시켜 소량의 수소가스와 차아염소산나트륨(NaOCl)을 만들어 낼 수 있으며, 상기와 같은 방법에 의해 만들어진 차아염소산나트륨은 염소의 안전한 형태로서 소독이 필요한 현장의 염소소독을 위하여 최종 사용된다.
이러한 비격막식 차아염소산나트륨 발생방법에 의해 차아염소산나트륨을 발생시킬 때, 전기분해조에서의 전기분해공식은, "NaCl + H2O → NaOCl + H2 + 소량의 열"과 같은 공식으로 이루어진다.
즉, 전기분해법에 의한 해수 및 염수의 처리시 음극 반응의 부산물로서 수소 가스가 발생하게 되는데, 이러한 수소 가스는 통상 폭발 한계가 공기에 대해서는 4% ~ 75% 이고, 산소(O2)에 대해서는 3.4% ~ 95%가 된다.
따라서, 전기분해시 발생되는 수소가스를 폭발한계의 미만으로 희석하거나, 또는 폭발한계를 초과하도록 처리하여 배출함으로써 폭발위험으로부터 안전하게 처리할 필요가 있다.
이때 수소가스의 경우는 농도가 4% 이상이 되면 폭발 위험성이 있기 때문에 배출시 송풍기로 공기를 강제 공급하여 수소가스의 농도가 4% 이상이 되지 않도록 희석하여 배출시킨다.
그러나 차아염소산나트륨 발생장치는 수소 가스 발생으로 항상 위험성이 존재하기 때문에 근본적인 위험성을 막기 위해 발생하는 수소가스를 제거함으로써 차아염소산나트륨 발생장치의 수소 가스 발생으로 인한 위험을 감소시킬 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 기액분리기 내에 수소 저장 필터를 구성하여 전기분해모듈에서 발생하는 수소가스를 제거하여 위험성을 획기적으로 감소시킬 수 있는 차아염소산나트륨 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치는 유입된 해수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 생성하는 해수전해셀; 및 상기 해수전해셀에 연결되어 상기 해수전해셀에서 차아염소산나트륨이 생성될 때 부수적으로 생성되는 부생성물인 수소를 분리시키는 기액분리기를 포함하며, 상기 기액분리기는, 분리기 몸체와; 상기 분리기 몸체 내에 수용되어 전해수에 포함된 수소가스만을 투과시키는 수소투과필터와; 상기 수소투과필터의 내부 공간에 수용되어 수소투과필터를 투과한 수소가스를 저장하는 수소저장필터를 포함하여 이루어지는 것을 구성의 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 세부적 구성의 특징은 상기 수소 저장필터가 수소와 화학적 결합을 이룰 수 있는 마그네슘, 티탄계, 희토류계 합금 중 어느 하나의 금속에서 선택되는 물질을 포함하는 나노 세공체로 이루어지는 점이다.
본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 세부적 구성의 특징은 상기 저장필터가 탄소나노튜브, (CH2)4O의 구조를 갖는 THF(Tetrahydrofuran) 수화물, 다공성 물질인 MOF(Metal organic framework: 메조다공성 금속유기골격체) 중 선택되는 어느 하나의 물질을 포함하는 점이다.
본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 세부적 구성의 특징은 상기 저장필터가 방사형, 적층형, 허니컴(honeycomb) 구조 중 어느 하나의 구조로 이루어진 점이다.
본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 세부적 구성의 특징은 상기 기액분리기에 연결되어 분리된 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거유닛을 더 포함하는 점이다.
본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 세부적 구성의 특징은 상기 기액분리기로부터 분리된 액체를 저장하기 위한 액체저장조가 포함된 점이다.
본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 세부적 구성의 특징은 상기 기액분리기와 상기 액체저장조 사이에 상기 기액분리기 내부의 압력을 조절하기 위한 압력조절기가 더 구비되는 점이다.
본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치는 기액분리기 내에 수소 저장 필터를 구성하여 전기분해모듈에서 발생하는 수소가스를 제거함으로서 수소 가스에 의한 폭발 위험성을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차아염소산나트륨 발생장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차아염소산나트륨 발생장치 중 기액분리기의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 3은 기액분리기 내의 수소투과필터와 수소저장필터의 배치상태를 나타내기 위한 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 차아염소산나트륨 발생장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 차아염소산나트륨 발생장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치의 구성 및 그에 따른 동작에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차아염소산나트륨 발생장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 발생장치(100)는 해수유입부(110)로부터 유입된 해수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 생성하는 해수전해셀(120); 및 상기 해수전해셀(120)에 연결되어 상기 해수전해셀(120)에서 차아염소산나트륨이 생성될 때 부수적으로 생성되는 부생성물인 수소를 분리시키는 기액분리기(130)를 포함하여 구성된다.
해수 공급부(110)를 통해 유입된 해수에 포함된 해양 미생물들은 전처리필터(111)에 의해 필터링된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차아염소산나트륨 발생장치 중 기액분리기의 구성을 나타낸 예시도이다. 도시된 바와 같이, 기액분리기(130)는 분리기 몸체(131)와; 상기 분리기 몸체(131) 내에 수용되어 전해수에 포함된 수소가스만을 투과시키는 수소투과필터(132)와; 상기 수소투과필터(132)의 내부 공간에 수용되어 수소투과필터(132)를 투과한 수소가스를 저장하는 수소 저장필터(133)를 포함하여 이루어진다. 기액분리기(130)의 상부 일측에 형성된 유입구(134)를 통해 해수전해셀(120)로부터 기체가 혼합된 액체가 유입된다. 기액분리기(130)에 의해 분리된 액체는 하부에 형성된 배출구(135)를 통해 배출된다. 기액분리기(130)에 의해 분리된 기체는 상부에 연결된 기체 이송관을 통해 후단으로 배출된다.
상기 기액분리기(130)에는 분리된 가스에 포함된 수분을 제거하기 위한 수분제거유닛(150)이 연결될 수 있다.
상기 기액분리기(130)로부터 분리된 액체는 액체저장조(140)에 저장된다.
상기 기액분리기(130)와 상기 액체저장조(140) 사이에는 상기 기액분리기(130) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력조절기(180)가 구비된다. 한편, 기액분리기(130)를 통한 기체의 분리를 원할하게 하기 위해 기액분리기(130)에 공기를 제공하는 블로우어(152)를 구비할 수 있다.
도 3은 상기 기액분리기(130)내의 수소투과필터(132)와 수소저장필터(133)의 배치상태를 나타내기 위한 나타낸 예시도이다. 수소저장필터(133)는 수소투과필터(132)의 내부 공간에 삽입되어 기액분리기(130)에 고정될 수 있다. 수소투과필터(132)의 표면에는 액체는 통과하지 못하고 기체만이 통과할 수 있는 미세기공이 형성되어 있다. 이때, 수소저장필터(133)는 중심축(136)에 삽입되어 고정볼트(137)에 의해 기액분리기(130)의 중심에 고정된다.
통과한 기체는 기체 종류에 따라 폭발의 위험성이 있게 된다. 그 이유는 기체와 액체가 혼합유체에서 분리된 기체의 조성 자체가 폭발범위에 포함될 수 있으며, 또한 구조적 특징과 수소 투과필터(132) 재질에 따른 기체의 선택도에 따라 투과된 기체가 폭발범위 이내의 조성을 가질 수 있다. 수소투과필터(132)를 통과한 기체가 폭발범위 이내에 머무러지 않도록 순도를 조절하기 위해, 상기 기액분리기 몸체(131)의 하부 일측에 외기를 공급하는 기체유입구(도시되지 않음)를 구성하였다. 이때 공급되는 기체는 경우에 따라 건조 공기가 아닌 불활성 기체를 공급할 수도 있으나 바람직하게는 블로우어(152)를 이용하여 수분이 제거된 건조공기를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 수소저장필터(133)는 수소와 화학적 결합을 이룰 수 있는 마그네슘, 티탄계, 희토류계 합금 중 어느 하나의 금속에서 선택되는 수소저장합금 물질을 포함하는 나노 세공체로 이루어질 수 있다. 본 발명에서는 각 공정의 특성에 따라 선별이 가능하므로 별도로 미세 기공의 크기 등에 대한 범위를 한정하지는 않는다.
상기 수소저장필터(133)는 탄소나노튜브, (CH2)4O의 구조를 갖는 THF(Tetrahydrofuran) 수화물, 다공성 물질인 MOF(Metal organic framework: 메조다공성 금속유기골격체) 중 선택되는 어느 하나의 수소저장합금 물질을 포함할 수 있다.
수소저장합금(미도시)은 수소와 반응하면 수소를 저장하여 금속수소화물을 생성하고, 금속수소화물을 가열하거나 금속수소화물이 주변과 압력의 차가 발생하는 경우 저장되었던 수소가 탈착되는 금속화합물으로써, 금속의 종류에 따라 수소를 저장 또는 탈착하는 양이 변동된다. 수소저장합금은 Ti계, Mn-Ni계, Zr-Cr-Fe계 등 조성되는 금속 종류에 따라 여러 종류가 마련될 수 있다. 또한, 수소저장합금은 수소 저장 시 수소와 접촉면적을 증가시켜 저장효율을 높이기 위해 분말형태로 마련된다. 수소저장합금은 예를 들면 AB2 또는 AB5 계열의 것을 포함하는 다양한 공지된 재료들이 사용될 수 있다.
상기 수소저장필터(133)는 방사형, 적층형, 허니컴(honeycomb) 구조 중 어느 하나의 구조로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차아염소산나트륨 발생 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 차아염소산나트륨 발생장치(100')는 밸러스트수 공급부(114), 해수전해셀(120), 기액분리장치(130)을 구비한다.
상기 해수전해셀(120)은 밸러스트수 공급부(114)로부터 전처리 필터(115)를 거쳐 유입되는 밸러스트수 또는 냉각수(이하 밸러스트수라 함)를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 생성한다.
밸러스트수 공급부(114)와 해수전해셀(120)을 연결하는 밸러스트수 공급라인(116)에 설치된 밸러스트수 공급펌프(113)에 의해 필요한 양의 밸러스트수가 해수전해셀(120)로 공급된다. 전처리 필터(115)는 밸러스트수에 포함된 불순물을 여과 및 제거하는 역할을 한다.
해수전해셀(120)은 양극 및 음극 전극을 각각 구비하며, 유입된 밸러스트수를 정류기(121)에서 공급되는 직류 전원으로 전기분해함으로써 차아염소산나트륨을 발생시킨다. 전기분해에 의해 염수를 차아염소산나트륨으로 생성할 때, 수소가스가 함께 발생된다.
상기와 같이 해수전해셀(120)에서 전기분해되어 수소가스를 포함하는 혼합유체를 전해수 공급라인(122)을 통해 기액분리장치(130)로 공급된다.
상기 기액분리장치(130)에서는 공급된 혼합유체에 포함된 수소가스를 기액분리방법에 의해 분리하고, 분리된 차아염소산나트륨 용액은 액체저장조(140)로 공급된다.
상기와 같은 차아염소산나트륨 발생장치(100')는 선박에 이용되는 밸러스트수를 처리하기 위한 용도로 사용될 수 있다.
선박에서는 밸러스트 탱크(230)에 밸러스트수를 저장한 상태로 운반하는데, 밸러스트수는 선박의 무게 중심을 하부로 이동시켜서 선박의 복원력와 추진력을 확보할 수 있게 하는 역할을 한다.
화물을 하역(unloading)할 때 항만에서 밸러스트 탱크(230)에 바닷물을 적재하고 다른 항만에서 화물을 적재(loading)할 때 밸러스트 탱크(230)에 적재된 바닷물을 버리게 된다. 이때 밸러스트수와 함께 배출된 외래 해양 생물과 세균 등의 오염물질이 토착 생태계를 교란하고 파괴하는 등의 부작용이 심각하다.
전 세계의 바다에서 이렇게 운반되는 밸러스트수는 매년 100억톤에 이르며 매일 3천 여종 이상의 외래종들이 불가피하게 운반된다. 따라서, 선박의 밸러스트수로 인한 해양오염 및 생태계 파괴를 방지하기 위해 선박에 밸러스트수를 유입 및 방출하기 전에 밸러스트수에 대한 살균 및 소독을 위한 장치의 필요성이 있다.
도 4는 차아염소산나트륨 발생장치(100')가 밸러스트수 처리장치(200)의 밸러스트수 유입단에 설치된 경우를 나타낸 것으로서 이 외에도, 본 발명의 제3 실시예로, 도 5에 도시된 바와 같이, 차아염소산나트륨 발생장치(100')가 밸러스트수 처리장치(200')의 밸러스트수 유출단에 설치될 수도 있다.
즉, 도 4를 참조하면, 밸러스트수가 밸러스트수 유입라인(211)을 따라 이동되고, 불순물 여과를 위한 전처리 필터(210)를 경유하여 밸러스트 탱크(230)에 유입되기 전단에 차아염소산나트륨 발생장치(100')의 기액분리장치(130)에서 분리되어 액체저장조(140)에 저장되어 있던 차아염소산나트륨 용액은 살균수 공급라인(141)을 통해 자동투입기(220)에 혼합되어 밸러스트 탱크(230)로 유입된다.
도 5를 참조하면, 밸러스트 탱크(230)로부터 밸러스트수 배출라인(231)을 따라 이동되는 밸러스트수가 외부로 배출되기 전 차아염소산나트륨 발생장치(100')의 기액분리장치(130)에서 분리되어 액체저장조(140)에 저장되어 있던 차아염소산나트륨 용액은 살균수 공급라인(141)을 거쳐 자동투입기(220)에 혼합되어 배출된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 제2, 제3 실시 예에 따른 차아염소산나트륨 발생장치(100')를 밸러스트수 처리장치(200)에 적용함으로써, 밸러스트수가 살균 및 소독되어 이의 배출로 인한 해양오염 및 생태계 파괴를 방지할 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100: 차아염소산나트륨 발생장치 200: 밸러스트 수 처리부
110: 해수공급부 120: 해수전해셀
130: 기액분리기 131: 기액분리기 몸체
132: 수소투과필터 133: 수소저장필터
134: 유입구 135: 배출구
136: 중심축 137: 고정볼트
140: 액체저장조 150: 수분제거유닛
160: 수소저장조 180: 압력조절기

Claims (7)

  1. 유입된 해수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 생성하는 해수전해셀;
    상기 해수전해셀에 연결되어 상기 해수전해셀에서 차아염소산나트륨이 생성될 때 부수적으로 생성되는 부생성물인 수소를 분리시키는 기액분리기;
    상기 기액분리기로부터 분리된 액체를 저장하기 위한 액체저장조; 및
    상기 기액분리기와 상기 액체저장조 사이에는 상기 기액분리기 내부의 압력을 조절하기 위해 압력조절기를 포함하여 이루어지는 차아염소산나트륨 발생장치에 있어서,
    상기 기액분리기는,
    분리기 몸체와;
    상기 분리기 몸체에 대해 동심원을 갖는 중공(中空)의 원통 형상으로 이루어져, 상기 해수전해셀로부터 유입된 전해수에 포함된 수소가스만을 투과시키는 수소투과필터와;
    (CH2)4O의 구조를 갖는 THF(Tetrahydrofuran) 수화물 성분을 포함하고, 상기 분리기 몸체 중심축 외면으로부터 등간격을 이루며 방사형으로 돌출됨과 동시에 상기 분리기 몸체 중심축의 길이 방향으로 연장 형성되어, 상기 분리기 몸체의 상단부에 구비된 고정볼트에 의해 상기 수소투과필터의 내부 공간에 고정되며, 상기 수소투과필터를 투과한 수소가스를 흡착하여 저장하는 수소저장필터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차아염소산나트륨 발생장치.
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