KR101760635B1 - 초미세기포 수소기체 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초미세 기포 수소기체 제조장치에 관한 것으로서, 전해장치 기술분야에 속한다. 상기 장치는 각각 급수구와 출수구가 설치되는 물저장용기를 포함하고, 상기 물저장용기 내에 적어도 한 쌍의 캐소드와 애노드가 설치되며, 쌍을 이룬 캐소드와 애노드 사이는 투수성 다공막이 간극 없이 협지되고, 상기 투수성 다공막이 상기 캐소드 또는 애노드와 마주보는 측면의 면적은 상기 캐소드 또는 애노드가 투수성 다공막과 마주보는 측면의 면적보다 작다. 상기 투수성 다공막의 두께는 5mm 미만이다. 상기 장치는 다량의 초미세기포 수소기체를 생성할 수 있는 동시에 산소기체의 발생량은 매우 적다.

Description

초미세기포 수소기체 제조장치{EXCESS MICROBUBBLE HYDROGEN PREPARATION DEVICE}
본 발명은 수소기체 제조장치에 관한 것으로서, 전해장치 기술분야에 속한다.
전해수를 통한 수소기체(및 산소기체)의 제조는 광범위하게 응용되고 있다. 두 전극 간에 직류 전해 전압을 인가하여 물을 전기 분해 시, 캐소드가 수소기체를 석출하고, 애노드가 산소기체를 석출하는 과정이 발생한다. 전해수로 수소기체를 제조하는 방법은 통상적으로 무격막 전해, 격막 전해, 고체 중합체 전해질 전해수 수소(산소) 제조 기술 등 다양한 방식이 있다. 현재 전해수 장치를 통해 1m3의 수소기체를 제조하는 실제 전기에너지의 소모량은 약 4.5~5.5kWㆍh이다. 이론적으로, 전해수로 수소를 제조하는 효율은 50% 정도이나, 실제 효율은 이러한 이론값에 훨씬 못 미치며(약 20~30%), 따라서 주로 고순도 수소기체를 제조하는 경우에 응용된다.
한편, 수소기체를 풍부하게 함유한 물은 또한 일종의 환원수이기도 하며, 그 산화 환원 전위가 매우 낮거나 내지는 음의 값이다. 국내외의 다량의 과학연구 성과를 통해 고농도 수소 환원수를 음용할 경우 인체 내에서 발생되는 유해 활성산소를 효과적으로 제거할 수 있어 건강에 유익한 것으로 증명되었다.
현재 수소 환원수를 제조하는 방법은 매우 많으며, 예를 들어 고압을 통해 수소기체를 알루미늄박류의 저장용기 중에 압축 주입하는 수소(기체) 환원수; 격막 또는 무격막, 이전극법 또는 삼전극법으로 제조되는 수소수; 다공성 극성 물질(예를 들어 활성탄)을 담체로 하여, 수소기체를 저장한 후 수중에서 서서히 방출하는 특수 흡수 저장법으로 제조되는 수소수; 특수 용도로 사용되는 고농도 수소수(산화 환원 전위가 -500mv 이하이고, 용해 수소 농도가 1000PPB 이상) 등등이다.
그러나, 상기한 종래의 전해수로 수소기체를 제조할 경우, 첫째, 다량의 산소기체가 동시에 생성되고; 둘째, 수소기체 발생량이 충분하지 못하며 또한 기포가 비교적 크다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술문제는 다량의 초미세기포 수소기체를 생성하면서 산소기체의 생성은 비교적 적은 장치를 제공하고자 하는데 있다.
상기 기술문제를 해결하기 위하여, 본 발명이 제시하는 기술방안은 다음과 같다.
초미세기포 수소기체 제조장치는 각각 급수구와 출수구가 설치되는 물저장용기를 포함하며, 상기 물저장용기 내에 적어도 한 쌍의 캐소드와 애노드가 설치되고, 쌍을 이룬 캐소드와 애노드 사이는 투수성 다공막이 간극 없이 협지되며, 상기 투수성 다공막이 상기 캐소드 또는 애노드와 마주보는 측면의 면적은 상기 캐소드 또는 애노드가 투수성 다공막과 마주보는 측면의 면적보다 작고, 상기 투수성 다공막의 두께는 5mm보다 작다.
상기 기술 방안 중 상기 투수성 다공막은 투수막 또는 투수성 격막이라고도 칭하며, 이는 물분자가 투과할 수 있는 격막으로서, 그 투수 공경은 밀리미터급에서 나노급까지이고, 일상 수처리에 사용되는 각종 여과막, 예를 들어 한외여과막(UF), 나노여과막(NF), 미세여과막(MF) 등을 포함한다.
상기 본 발명의 기술방안의 개선으로, 상기 투수성 다공막의 투수 공경은 2밀리미터보다 작거나 같고, 1나노미터보다 크거나 같다.
상기 본 발명의 기술방안의 개선은 또한, 상기 캐소드와 애노드 중의 표면이 개구된다.
상기 본 발명의 기술방안의 또 다른 개선으로, 상기 투수성 다공막과 상기 캐소드와 애노드 중의 최소 면적의 비는 4:5~3:5이다.
상기 본 발명의 기술방안의 또 다른 개선으로, 상기 캐소드, 애노드 전극은 직류전원을 이용하여 전기가 공급된다.
상기 본 발명의 기술방안의 또 다른 개선으로, 상기 캐소드 전극은 원형 티타늄 베이스에 백금 산화물을 코팅하여 제조된 불활성 전극이고, 상기 애노드 전극은 석묵, 활성탄 등 탄질 재료로 제조되는 불활성 전극이며, 상기 투수성 다공막은 평균 소수성 공경이 0.01~0.05미크론인 원형 평면 한외여과막이다.
상기 본 발명의 기술방안의 또 다른 개선으로, 상기 투수성 다공막은 단층 또는 다층이다.
본 발명의 초미세기포 수소기체 제조장치의 유익한 효과는 다음과 같다. 전해수는 다량의 수소기체를 위주로 하는 초미세 기포를 형성할 수 있다. 상기 유익한 효과의 메커니즘 설명은 아래의 구체적인 실시예 중의 관련 제조 메커니즘 분석을 참조한다.
이하 첨부도면을 결합하여 본 발명의 초미세기포 수소기체 제조장치에 대해 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예의 초미세기포 수소기체 제조장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 초미세기포 수소기체 제조장치의 변화된 구조도이다.
실시예 1
본 실시예의 초미세기포 수소기체 제조장치는 도 1을 참조하면, 각각 급수구(5)와 출수구(6)가 설치된 물저장용기(1)를 포함하며, 물저장용기(1)는 개방형 용기이다. 물저장용기(1) 내에 한 쌍의 캐소드(2), 애노드(3)가 설치되며, 이러한 한 쌍의 캐소드(2)와 애노드(3) 사이에 투수성 다공막(4)이 간극 없이 협지되고, 투수성 다공막(4)이 캐소드(2) 또는 애노드(3)와 마주보는 측면의 면적은 캐소드(2) 또는 애노드(3)가 투수성 다공막(4)과 마주보는 측면의 면적보다 작다. 본 실시예의 투수성 다공막과 캐소드 및 애노드 중의 최소 면적의 비는 4:5(3:5일 수도 있다)이다. 투수성 다공막(4)의 두께는 4mm(일반적으로 5mm보다 작아야 한다)이다. 투수성 다공막(4)의 투수 공경은 2밀리미터보다 작거나 같고, 1나노미터보다는 크거나 같다.
본 실시예의 캐소드(2)는 원형 티타늄 베이스에 백금 산화물을 코팅하여 제조된 불활성 전극이고, 애노드(3)는 석묵, 활성탄 등 탄소재질의 재료로 제조되는 불활성 전극이며, 투수성 다공막(4)은 평균 소수성 공경이 0.01~0.05 미크론인 단층 원형 평면 한외여과막을 사용한다.
본 실시예의 캐소드(2), 애노드(3)는 직류전원으로 전기를 공급한다.
본 실시예의 초미세기포 수소기체 제조장치의 제조 원리를 분석하면 다음과 같다.
1. 투수성 다공막(4)의 외연측에서, 캐소드(2), 애노드(3) 두 전극 사이는 무격막 전해 방식을 나타나며, 캐소드는 수소를 석출하고, 애노드는 산소를 석출한다. 그러나 전극 간의 간격이 매우 좁기 때문에, 전해 반응은 일반적인 경우보다 격렬하며, 매우 작은 전해 전압만으로도 매우 큰 전해 전류를 발생시킬 수 있다.
2. 무간극(영간격)으로 비개구 캐소드, 애노드 두 전극 내에 협지되는 투수성 다공막(4)은 무수한 미세 공극으로 구성되는 박형 저수 입체 공간을 형성하며, 물분자는 각각의 미세공 공간 내에 한정되어 전기분해된다. 영간격 전기 분해이기 때문에, 캐소드(2)가 수소기체를 석출하고 애노드(3)가 산소기체를 석출하는 과정이 진행되기 어려워, 이온 형태로 미세공 공간에 동적으로 존재하거나, 또는 물로 결합 환원된 후, 다시 수소이온과 수산근 이온으로 전기분해될 수밖에 없다. 이와 같이 반복한 결과, 투수성 다공막 내부에 격렬하게 반응하는 플라즈마 유사 형태(기체상태, 원자상태, 이온상태가 공존)의 환경이 형성되어 국부적으로 압력과 온도가 상승하며, 투수성 다공막(4)의 외연측과 캐소드, 애노드 두 전극 사이의 공간을 비교해보면 일정 정도의 압력차와 온도차가 존재하게 된다. 따라서, 미세공 공간 내에 한정되어 다양한 형태로 공존하는 수소 산소이온 등은 투수성 다공막(4)의 방사상 외측을 따라 확산되고, 투수성 다공막(4) 외연과 두 전극 사이 공간의 무격막 전해 반응에 투입된다.
3. 투수성 다공막(4) 중 확산 이온이 투입되므로, 투수성 다공막(4)의 외연과 캐소드, 애노드 전극 사이 공간의 무격막 전해 반응이 더욱 격렬해진다. 수소는 분자량이 작기 때문에, 이 격렬한 반응 중 음극 전자를 더욱 쉽게 획득하여 수소기체로 상변이 되어 흘러나오게 되며, 수중에는 통상적인 전해 방법보다 훨씬 많은 수소기체(기포)가 생성된다.
4. 애노드(3)의 탄소재료 자체의 강렬한 흡착 작용으로 인해, 수중에 생성되는 산화 인자가 크게 감소함으로써 산소기체의 생성이 대폭 감소한다.
이상의 분석으로 알 수 있듯이, 본 실시예의 초미세기포 수소기체 제조장치는 수중에 다량의 수소기체를 위주로 하는 초미세기포가 형성될 수 있다.
실시예 2
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 초미세기포 수소기체 제조장치와 실시예 1의 변화는 1) 캐소드(2)와 애노드(3) 중의 표면이 개구되고; 2) 물저장용기(1)는 밀폐형 용기라는데 있다.
본 발명의 세척용수 제조장치는 상기 실시예의 구체적인 기술방안에 국한되지 않으며, 예를 들어 1) 캐소드(2)와 애노드(3)는 두 쌍 또는 두 쌍 이상일 수 있고; 2) 투수성 다공막(4)은 이층 또는 다층 한외여과막이 적층되어 이루어진 것일 수 있으며; 3) 한외여과막의 형상은 사각형 등일 수 있다. 동등한 교체로 형성되는 기술방안은 모두 본 발명이 요구하는 보호범위에 속한다.

Claims (7)

  1. 각각 급수구와 출수구가 설치되는 물저장용기를 포함하고, 상기 물저장용기 내에 적어도 한 쌍의 캐소드와 애노드가 설치되며,
    쌍을 이룬 캐소드와 애노드 사이는 투수성 다공막이 간극 없이 협지되고, 상기 투수성 다공막이 상기 캐소드 또는 애노드와 마주보는 측면의 면적은 상기 캐소드 또는 애노드가 투수성 다공막과 마주보는 측면의 면적보다 작고, 상기 투수성 다공막의 두께는 5mm보다 작은 것을 특징으로 하는 초미세기포 수소기체 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 투수성 다공막의 투수 공경은 2밀리미터보다 작거나 같고, 1나노미터보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초미세기포 수소기체 제조장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 캐소드와 애노드 중의 표면이 개구되는 것을 특징으로 하는 초미세기포 수소기체 제조장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 투수성 다공막과 상기 캐소드와 애노드 중의 최소 면적의 비는 4:5~3:5인 것을 특징으로 하는 초미세기포 수소기체 제조장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드, 애노드 전극은 직류전원을 이용하여 전기가 공급되는 것을 특징으로 하는 초미세기포 수소기체 제조장치.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 원형 티타늄 베이스에 백금 산화물을 코팅하여 제조된 불활성 전극이고, 상기 애노드 전극은 석묵, 활성탄 등 탄질 재료로 제조되는 불활성 전극이며, 상기 투수성 다공막은 평균 소수성 공경이 0.01~0.05미크론인 원형 평면 한외여과막인 것을 특징으로 하는 초미세기포 수소기체 제조장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 투수성 다공막은 단층 또는 다층인 것을 특징으로 하는 초미세기포 수소기체 제조장치.
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