KR101762506B1 - 고효율 염수 전기분해 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온교환막, 전극, 지지체 및 집전판을 순서대로 포함하는 단위셀을 포함하는 염수 전기분해 장치로서, 상기 지지체의 전극측에는 요철 모양의 유로가 형성되어 있고, 상기 유로의 표면에는 친수성 고분자로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 염수 전기분해 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 반응 효율을 극대화시킨 염수 전기분해 장치를 제공함으로써 염소 또는 가성소다의 생산을 위한 전력 소모를 줄일 수 있어 각종 화학 산업 분야에 폭넓게 활용될 수 있다.

Description

고효율 염수 전기분해 장치{HIGH EFFICIENT BRINE ELECTROLYSIS APPARATUS}
본 발명은 염수를 효율적으로 전기분해하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염수 전기분해의 반응효율 증대를 위하여 전기분해 셀 내부의 유로 표면을 친수성 고분자 물질로 코팅하여 유로에서 생성되는 기포 발생을 억제하고 반응물질 간 열 및 물질전달 속도를 높임으로써 에너지 소비를 줄인 염수 전기분해 장치에 관한 것이다.
해수 등의 저가의 염수를 전기분해시켜 수산화물, 수소 및 염소를 생산하는 기술은 널리 알려져 있으며, 통상 클로르-알칼리(chlor-alkali) 공정이라고도 불리는 전기분해 공정은 이미 수십여년 간의 상업운전으로 성능 및 기술의 신뢰성이 입증된 공정이라 할 수 있다.
종래 염수 전기분해 공정으로는 전기 분해방법에 따라 격막법, 수은법 및 이온교환막법을 들 수 있는데, 격막법이 가장 널리 사용되고는 있지만, 생산되는 가성 소다의 농도가 10~12%로 낮고, 미반응 식염을 다량 함유하며, 염소 생산량당 소모 에너지가 이온교환막법보다 높아, 최근에는 이온교환막법에 대한 연구가 계속되고 있다.
상기 이온교환막법은 격막법에서 사용되는 아스베스트 막 대신에 양이온만을 통과시키는 플루오르 수지를 주체로 한 대표적으로 나피온(Nafion)과 같은 양이온교환막을 사용하는데, 막을 통과하는 것은 Na+뿐이므로 음극에 대해 식염의 혼입이 없고, 가성소다의 농도가 20~40%로 높으므로 격막법처럼 식염을 농축 분리할 필요가 없다. 그러나, 상기 이온교환막법에서는 유체가 유로를 이동하면서 유체 내부에 다수의 기포가 생성되는데, 이러한 기포가 전극과 유체 사이에서 반응을 방해하는 역할을 하여 전체적으로 전기분해 효율이 감소 되고 이에 따라 전력 소모량이 늘어나는 원인이 되고 있다.
상기 문제점을 해결하고자 다양한 유로 설계를 통해 유체의 흐름을 바꾸어 기포의 발생을 최소화하고 반응효율을 증대시키기 위한 연구가 계속되고 있는데, 하지만, 최근까지 전산유체역학(CFD) 방법을 활용하여 어느 정도 최적 설계안이 제시됨에 따라 유로설계의 물리적 변경만으로는 유체의 흐름을 최적화시켜 반응효율을 증대하는 데 한계가 있었다.
따라서, 상기 염수 분해장치에 있어서, 유로설계의 변경 이외의 방법으로 유체 흐름을 최적화하여 반응효율을 증대시키고 전력 소모량의 감소를 달성할 수 있는 다른 방법에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다.
한국특허공개공보 2002-0039334 한국특허공개공보 2014-0047371
Advanced Chlor-Alkali Technology, Jerzy Chilstunoff, DOE Award 03EE-2F/ED190403, Los Alamos National Laboratory, 2004
따라서, 본 발명은 이온교환막법을 채용하는 염수 전기분해 장치를 사용함에 있어서, 가성소다, 염소 등을 생산하기 위해 요구되는 전력을 최대한 감소시키기 위한 염수 전기분해 장치를 제공하는 것을 본 발명의 과제로 삼는다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이온교환막, 전극, 지지체 및 집전판을 순서대로 포함하는 단위셀을 포함하는 염수 전기분해 장치를 제공하는데, 상기 지지체의 전극측에는 요철 모양의 유로가 형성되어 있고, 상기 유로의 표면에는 친수성 고분자로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 염수 전기분해 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시태양에 의하면, 상기 지지체는 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등과 같은 케톤계 고분자, 또는 폴리테르라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE) 등과 같은 불소계 고분자 등의 재질을 사용할 수 있으며, 상기 지지체 상의 요철 모양의 유로는 3~5mm의 평균 깊이로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 지지체 상의 요철 모양의 유로의 표면에 도포되는 친수성 고분자는 특별히 이에 제한되지는 않지만, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 또는 폴리우레탄(PU) 계열의 고분자인 것이 바람직하고, 상기 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 계열의 친수성 고분자는 중량평균분자량 120,000-350,000인 인 것을 사용할 수 있고, 상기 폴리우레탄(PU) 계열의 친수성 고분자는 중량평균분자량 5,000-7,000인 것을 사용할 수 있다.
상기 친수성 고분자는 습식 코팅법(Wet Coating) 또는 건식 코팅법(Dry coating)에 의해 도포될 수 있으며, 상기 유로의 요철의 저부에 1~3mm의 평균 두께로 도포되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이온교환막은 특별히 이에 제한되지는 않지만, 불소계 또는 하이드로카본계 고분자로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명의 염수 전기분해 장치를 이용함으로써 염수로부터 최소의 전력으로 염소, 수소 및 가성소다를 생산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응 효율을 극대화시킨 염수 전기분해 장치를 제공함으로써 염소 또는 가성소다의 생산을 위한 전력 소모를 줄일 수 있어 각종 화학 산업 분야에 폭넓게 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 염수 전기분해 장치의 구성요소를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 염수 전기분해 장치 중의 지지체에 형성된 유로를 보다 자세히 나타내기 위한, 지지체의 정면도 및 평면도이다.
도 3은 실제로 구현한 본 발명 염수 전기분해 장치의 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 기술하고자 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
본 발명에 따른 염수 전기분해 장치는 하기 표 1에서 보는 바와 같은 3가지 전기분해 방법 중 이온교환막법에 의한 것이다. 하기 표 1은 각 방법의 1톤의 염소 생산을 위한 전력사용량(kWh/tCl2)및 미국에서의 시장 점유율을 나타내었다.
전기분해 기술 에너지 소비량
(kWh/tCl2)		 미국 시장 점유율
격막법 2,900 70%
수은법 3,700 18%
이온교환막법 2,500 12%
본 발명에서 채용하고 있는 전기분해 기술은 상기 표 1 중 이온교환막법으로서, 단위 염소 생산을 위한 전력 사용량이 가장 낮다는 점이 고려되었다. 이온교환막법을 사용하는 전기분해 장치의 구성요소들은 도 1과 같으며, 하기와 같은 반응식에 의해 반응이 진행된다.
2H2O+2e-→H2(g)+2OH- 환원전극(음극) 반응
2Cl-(aq)→Cl2(g)+2e- 산화전극(양극) 반응
2NaCl + 2H2O→Cl2(g)+H2(g)+2NaOH 전체 반응
도 1에 제시된 바와 같이, 본 발명의 염수 전기분해 장치는 연료전지 셀과 같은 형태를 취하고 있으며, 이온교환막(1), 전극(2, 5), 지지체(3) 및 집전판(4)을 순서대로 포함하는 단위셀을 포함하며, 상기 집전판(4)은 전기 공급을 위해 구비되며, 상기 지지체(3) 상에 요철 모양의 유로가 형성되어 반응물의 투입, 화학반응 및 생성물의 배출이 원활하게 일어나도록 구성되어 있다. 또한, 상기 지지체는 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등과 같은 케톤계 고분자, 또는 폴리테르라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE) 등과 같은 불소계 고분자로 이루어져 있고, 상기 유로는 도 2에서 보는 바와 같이, 지지체(3)의 전극측 표면에 요철 모양으로 형성되어 있으며, 상기 유로의 표면에는 아크릴계 고분자 또는 우레탄계 고분자 등의 친수성 고분자로 코팅되어 있는데, 상기 친수성 고분자의 예로는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA: polymethylmethacrylate) 또는 폴리우레탄(PU: polyurethane)을 들 수 있다.
도 1의 공정에서 전기분해 장치("전기분해 셀"로도 명명)의 양극(anode)(2)에는 고농도 염화나트륨이 염화나트륨 투입라인(6)을 통해 투입이 되고, 염소이온(Cl-)은 염소가스(Cl2)로 산화된 후 전기분해 셀의 염소가스 배출라인(7)을 통해 외부로 배출된다. 상기 반응을 통해 생성된 염소가스는 이후 염소가스 단독 혹은 수소와의 반응을 통해 고순도 염산을 생산하는데 활용된다.
도 1의 공정에서 전기분해 셀의 음극(cathode)(5)에는 물 공급라인(9)을 통해 전기분해를 위한 물이 공급되는데, 투입되는 물 분자는 환원되어서 수산화이온(OH-)이 되며 수산화이온은 다시 나트륨이온(Na+)과 만나 가성소다(NaOH)를 형성한다. 상기 전기분해 셀에서 전기분해 반응에 의해 발생된 가성소다는 가성소다 배출라인(8)을 통해 외부로 배출되어 다른 유용한 용도로 활용된다. 상기 전기분해 공정에서는 음극에서 생성되는 수소기체와 수산화물이 양극에서 생성되는 염소기체와 다시 섞여 반응하는 것을 막기 위해서 양극(2)과 음극(5) 사이에 양이온교환막(1)을 구성한다. 본 전기분해 셀에 설치되는 양이온교환막(1)의 재질로는 불소계 또는 하이드로카본계 고분자 등의 재질이 사용가능하다. 전기분해 공정을 통해 생산된 수산화물, 염소 및 수소는 이후 염소와 수소의 반응에 의한 염산의 제조, 염소와 수산화물의 반응에 의한 차아염소산나트륨의 제조에 활용이 가능하다.
도 3에는 상술한 전기분해 셀 장치를 실제로 구현한 실물의 사진을 도시하였다.
본 발명의 염수전기분해 셀은 종래 수은법 및 격막법과 비교하여 장치의 단가는 높지만 전기분해를 위한 전력사용량이 타 기술 대비 매우 낮아서 최근 관련산업 현장에 많이 적용되고 있는데, 많은 연구들이 고효율 전극 및 분리막 개발과 함께 반응효율의 극대화를 위한 유로(flow path)의 설계에 초점이 맞추어져 있다. 유로 설계의 경우, 기술의 특성상 매우 미세한 유체의 유동에 대한 흐름 제어가 필요한데 대부분의 연구에서는 이를 위해 다양한 유로를 설계(원료 물질 투입위치 및 방법 등 포함)하는 방법으로 반응효율의 극대화를 달성하고자 한다.
본 발명에서는 이러한 반응효율 극대화를 위한 유로설계에 있어서 전기분해 셀 내부 유체의 흐름을 최적화하는 방식이 아닌 유로의 표면을 화학적으로 개질함으로써 유체의 유동성 및 열, 물질 전달 성능을 향상시키고자 하였다. 종래의 이온교환막 형태의 전기분해 셀의 경우에는 유체가 유로를 이동하면서 유체 내부에 다수의 기포가 생성되고 생성된 기포는 전극과 유체 사이에서 반응을 방해하는 역할을 하여 전체적으로 전기분해 효율이 감소되는 문제가 제기되었다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하고자 상술한 바와 같이, 유로설계의 물리적 변경이 아닌, 유로의 표면을 화학적으로 코팅함으로써 유로 내부의 유체 흐름 최적화를 달성하고자 하였다. 본 발명에 있어서, 상기 유로의 요철은 특별히 이에 제한되지는 않지만, 3~5mm의 평균 깊이로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
구체적으로는 전기분해 장치 중 지지체의 전극측 표면에 형성되어 있는 유로의 내부 표면을 친수성 고분자인 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA: polymethylmethacrylate) 또는 폴리우레탄(PU: polyurethane) 계열의 고분자로 코팅하여 유체의 반응으로 발생되는 기포의 발생을 억제하였다. 그리고 이를 통해 종래 기술의 유로에서 발생된 미세 기포로 인하여 열 및 물질 전달에 방해가 되었던 문제를 해결하여 전기분해속도를 향상시킬 수 있었고, 이를 통해 전기분해 에너지 사용량을 크게 낮추었다.
상기 유로의 표면에 코팅되는 친수성 고분자인 폴리메틸메타아크릴레이트 및 폴리우레탄의 화학 구조식은 하기 화학식 1과 같다.
[화학식 1]
Figure 112015092992517-pat00001
상기 물질은 모두 화학적으로 안정하며, 100℃ 이하에서 사용이 가능하기 때문에 전기분해 공정의 장기운용성 및 설비 안정성에는 문제가 없다. 또한, 상기 친수성 고분자는 유로의 요철의 저부로부터 약 0.5~3.5mm, 바람직하게는 약 1~3mm의 평균 두께로 코팅되도록 하여 종래 전극 및 가스켓(gasket) 등의 사용에는 문제가 없도록 하였다.
또한, 본 발명의 염수 전기분해 장치의 온도는 외부 열원 등을 사용하여 20~90℃를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 좀 더 구체적으로 기술하고자 하는 것일뿐, 이들 실시예로 인해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1:
도 3에서 보는 바와 같이, 하루 200g의 가성소다 생산이 가능한 전기분해 셀을 구성하였다. 전기분해 셀에 적용된 이온교환막은 나피온(Nafion) 212 막(IEC=0.9meq/g)을 적용하였다. 원료 물질의 투입을 위해 공급 유속이 개별 제어되는 SIMDOS 10 Diaphragm metering pump(최대 유속(120mL/min))를 사용하여 실험을 하였다. 실험을 위한 전극으로는 티타늄 재질 전극(유효반응면적=25cm2)을 사용하였고, 인가전력은 24W를 사용하여, 28℃에서 측정하였다. 상기 전기분해 셀에서 케톤계 고분자 재질의 지지체 상에 형성된 유로의 표면은 대표적 친수성 고분자인 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)(시그마-알드리치 사 제조, 중량평균분자량 120,000) 필름으로 코팅되었으며 상기 조건 하에서 운전을 하였을 때 전력 사용량 및 염소 생산량 등은 하기 표 2와 같다.
실시예 2:
상기 실시예 1에 있어서 유로의 표면을 폴리우레탄(시그마-알드리치 사 제조, 중량평균분자량 6,000) 필름으로 코팅한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시한 운전 결과를 표 2에 나타내었다.
비교예 1:
상기 실시예 1 및 2와는 달리, 유로의 표면을 친수성 고분자로 코팅하지 않은 경우를 비교예 1로 하여 운전 결과를 표 2에 나타내었다. 상술한 점 외에는 실시예 1과 동일한 장치 및 방법으로 운전하였다.
비고
 유로 표면개질 성능시험 결과
코팅 유무 재질 염소 생산량
(liter/day)		 인입 전력
(W)		 에너지 사용량
(kW/kgNaOH)
실시예 1 ○ PMMA 30.5 24 2.10
실시예 2 ○ PU 30.1 24 2.08
비교예 1 × - 27.5 24 2.32
본 발명에 따른 다양한 성능 실험 결과, 유로의 표면이 친수성 고분자로 코팅되지 않은 비교예 대비 PMMA 및 PU 물질로 코팅된 실시예 1, 2의 경우에는, 동일한 인입전력 조건 하에서 단위시간당 염소 생산량이 약 10% 이상 향상되었고, 동일한 양의 가성소다 생산을 위한 에너지 사용량(전기분해 에너지)의 경우에도 비교예 대비 10% 이상 낮은 것으로 확인되어 본 발명의 유로 표면개질의 우수한 효과를 확인할 수 있었다.
실시예 3~4, 비교예 2~3:
전기분해 셀의 온도에 따른 염소 생산량 및 에너지 사용량을 비교해보고자 전기분해 셀의 온도를 달리하여 실험해 보았다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서 전극 및 반응물의 온도를 제어하기 위하여 가열 플레이트를 구성하여 전기분해 셀의 온도를 60℃로 향상시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시한 운전 결과를 표 3에 나타내었다.
<실시예 4>
상기 실시예 3에서 전기분해 셀의 온도를 90℃로 향상시킨 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 실시한 운전결과는 표 3과 같다.
<비교예 2>
상기 실시예 3에 있어서 유로의 표면이 친수성 고분자로 코팅되지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 실시한 운전결과는 표 3과 같다.
<비교예 3>
상기 실시예 4에 있어서 유로의 표면이 친수성 고분자로 코팅되지 않은 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 실시한 운전결과는 표 3과 같다.
비고
 유로 표면개질 성능시험 결과
코팅 유무 재질 염소 생산량
(liter/day)		 전기분해 셀 온도(℃) 인입 전력
(W)		 에너지 사용량
(kW/kgNaOH)
실시예 1 ○ PMMA 30.5 28 24 2.10
실시예 3 ○ PMMA 37.8 60 24 1.86
실시예 4 ○ PMMA 62.0 90 24 1.54
비교예 2 × - 35.2 60 24 2.01
비교예 3 × - 54.1 90 24 1.85
전기분해 셀의 온도에 따른 실험 결과, 상기 표 3의 실시예 및 비교예 모두 전기분해 셀의 온도가 증가될수록 염소 생산량이 증가하고 동일 가성소다 생산을 위한 에너지 사용량은 감소하였다. 특히, 실시예 4의 경우 전기분해 셀의 온도를 90℃까지 올릴 경우 종래 실시예 1과 대비하여 에너지 사용량이 약 25% 감소한 반면(2.10→1.54kW/kgNaOH), 동일한 온도 상승 조건(28→90℃)하에서 유로의 표면 코팅이 없는 경우(비교예 3)에는 에너지 사용량 감소폭이 약 20%로 상승폭이 다소 둔화되었다. 이는 전기분해 셀의 고온 운전시 유로 내부에서 발생된 기포가 실시예의 경우 표면 코팅으로 인하여 대부분 제거되어 반응효율이 증대된 반면, 표면에 친수성 코팅을 하지 않은 경우에는 생성된 기포로 인하여 반응이 제한을 받아 그 효과가 감소하기 때문으로 사료된다.
1: 이온교환막
2: 전극(양극)
3: 유로가 형성되어 있는 지지체
4: 집전판
5: 전극(음극)
6: NaCl 투입라인
7: 염소가스 배출라인
8: 가성소다 배출라인
9: 물 공급라인

Claims (10)

  1. 이온교환막, 전극, 지지체 및 집전판을 순서대로 포함하는 단위셀을 포함하는, 염수로부터 염소, 수소 및 가성소다를 생산하는 염수 전기분해 장치로서,
    상기 지지체는 케톤계 고분자 또는 불소계 고분자를 포함하는 재질로 이루어진 것이며,
    상기 지지체의 전극측에는 요철 모양의 유로가 형성되어 있고,
    상기 유로의 요철은 3~5mm의 평균 깊이로 형성되어 있으며,
    상기 유로의 요철의 저부의 표면에는 친수성의 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 또는 폴리우레탄(PU) 고분자가 1~3mm의 평균 두께로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 염수 전기분해 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 고분자는 중량평균분자량 120,000-350,000인 인 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 또는 중량평균분자량 5,500-6,500인 폴리우레탄(PU)인 것을 특징으로 하는 염수 전기분해 장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 고분자는 습식 코팅법(Wet Coating) 또는 건식 코팅법(Dry coating)에 의해 도포된 것을 특징으로 하는 염수 전기분해 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온교환막은 불소계 또는 하이드로카본계 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 염수 전기분해 장치.
  10. 삭제
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