KR101840592B1 - 하이브리드 전기분해 장치 및 이를 이용한 전기분해 방법 - Google Patents

하이브리드 전기분해 장치 및 이를 이용한 전기분해 방법 Download PDF

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KR101840592B1
KR101840592B1 KR1020170030322A KR20170030322A KR101840592B1 KR 101840592 B1 KR101840592 B1 KR 101840592B1 KR 1020170030322 A KR1020170030322 A KR 1020170030322A KR 20170030322 A KR20170030322 A KR 20170030322A KR 101840592 B1 KR101840592 B1 KR 101840592B1
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유진석
박진영
송영현
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정주영
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한양대학교 산학협력단
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    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 공급챔버로부터 전기분해의 대상이 되는 대상물을 전달받아 상기 대상물을 전기분해하여 배출챔버로 전달하는 하이브리드 전기분해 장치에 관한 것으로서, 제1 양극부, 제1 음극부 및 상기 제1 양극부와 상기 제1 음극부 사이에 배치되는 제1 격막을 구비하고, 상기 제1 양극부, 상기 제1 음극부 및 상기 제1 격막이 배치되는 제1 공간을 형성하는 제1 모듈; 및 상기 대상물이 유입 및 유출될 수 있는 제2 공간을 형성하는 제2 모듈;을 포함하며, 상기 제1 공간은, 상기 제1 격막을 기준으로 상기 제1 양극부가 배치되는 공간인 제1-1 공간 및 상기 제1 격막을 기준으로 상기 제1 음극부가 배치되는 공간인 제1-2 공간을 구비하며, 상기 대상물은, 상기 공급챔버로부터 상기 제1-1 공간으로, 상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2 공간으로, 상기 제2 공간으로부터 상기 제1-2 공간으로, 상기 제1-2 공간으로부터 상기 배출챔버로 순차적으로 이동되어 전기분해되는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

하이브리드 전기분해 장치 및 이를 이용한 전기분해 방법{Hybrid electrolysis apparatus and electrolysis method using thereof}
본 발명은 하이브리드 전기분해 장치 및 이를 이용한 전기분해 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공급챔버로부터 전기분해의 대상이 되는 대상물을 전달받아 상기 대상물을 전기분해 하여 배출챔버로 전달하는 하이브리드 전기분해 장치 및 이를 이용한 전기분해 방법에 관한 것이다.
현재, 해수 담수화 이후에 발생하는 농축수는 해양으로 그대로 방류되고 있다.
고농도의 알칼리수, 즉 수산화나트륨(NaOH)를 회수하기 위한 방법으로는 증발법, 연못법 등이 있으나 증발법의 경우 많은 일사량이 필요하며 넓은 부지가 요구되므로 대한민국의 겨울철에는 조건에 맞지 않는다. 또한, 비용적인 측면에서 배출구 시설비용, 이송비용 그리고 모니터링 비용이 발생하며 고염분의 농축수를 해양에 그대로 방류하게 되면 주변 지역의 pH와 염분 함량에 영향을 미쳐 주변 환경을 악화시킨다.
고농도의 알칼리수를 회수하기 위한 또 다른 방법으로는 수은법(Mercury cell), 이온교환막법(ion-exchange membrane cell) 및 격막법(diaphragm process)이 있다.
그러나, 수은법의 경우, 수득되는 알칼리수의 농도가 작고, 수은 배출 문제가 있으며, 이온교환막법은 친환경적이지만 농축수와 같이 불순물 함량이 많은 염수의 경우 이온교환막의 공극이 작아 오염물질에 의해 공극이 막히는 문제가 있어 고도의 전처리 과정이 필요한 문제가 있다.
격막법의 경우에는 수산화이온(OH-)의 농도가 다른 전기분해 방법에 비해 낮은 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 고 농도의 알칼리수를 수득할 수 있는 동시에, 친환경적이며, 농축수의 분순물 함량을 낮추는 고도의 전처리 과정이 간소화될 수 있는 하이브리드 전기분해 장치 및 이를 이용한 전기분해 방법을 제공하고자 함이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 공급챔버로부터 전기분해의 대상이 되는 대상물을 전달받아 상기 대상물을 전기분해 하여 배출챔버로 전달하는 하이브리드 전기분해 장치에 관한 것으로서, 제1 양극부, 제1 음극부 및 상기 제1 양극부와 상기 제1 음극부 사이에 배치되는 제1 격막을 구비하고, 상기 제1 양극부, 상기 제1 음극부 및 상기 제1 격막이 배치되는 제1 공간을 형성하는 제1 모듈; 및 상기 대상물이 유입 및 유출될 수 있는 제2 공간을 형성하는 제2 모듈;을 포함하며, 상기 제1 공간은, 상기 제1 격막을 기준으로 상기 제1 양극부가 배치되는 공간인 제1-1 공간 및 상기 제1 격막을 기준으로 상기 제1 음극부가 배치되는 공간인 제1-2 공간을 구비하며, 상기 대상물은, 상기 공급챔버로부터 상기 제1-1 공간으로, 상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2 공간으로, 상기 제2 공간으로부터 상기 제1-2 공간으로, 상기 제1-2 공간으로부터 상기 배출챔버로 순차적으로 이동되어 전기분해 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 하이브리드 전기분해 장치를 이용하여 전기분해의 대상이 되는 대상물을 대상물을 전기분해 하는 전기분해 방법에 관한 것으로서, 상기 대상물을 공급챔버로부터 상기 하이브리드 전기분해 장치로 공급하는 공급단계; 및 상기 하이브리드 전기분해 장치에 전류를 인가하는 전류인가단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기분해 장치 및 이를 이용한 전기분해 방법에 따르면, 고 농도의 알칼리수를 수득할 수 있으며, 본 전기분해 장치의 설비 구축 및 운영 비용이 이온교환막법에 비해 저렴하다는 장점이 있다.있는 동시에, 친환경적이며, 전기분해 전 농축수의 분순물 함량을 낮추는 고도의 전처리 과정이 간소화될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기분해 장치의 개략 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기분해 장치의 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기분해 장치에서 대상물이 이동되는 것을 도시한 개략 단면 전개도.
도 4는 기존 격막법 전기분해 장치와 하이브리드 전기분해 장치의 주된 퍼포먼스 결과 비교이다.
도 5는 기존 격막법 전기분해 장치와 하이브리드 전기분해 공정간의 NaOH 농도 분석 결과이다.
도 6은 기존 격막법 전기분해 장치와 하이브리드 전기분해 장치 간 염소제거율 비교 그래프이다
도 7은 기존 격막법 전기분해 장치와 하이브리드 전기분해 장치 간 반응기 내부 온도 비교 그래프이다.
도 8은 전류밀도에 따른 퍼포먼스 분석 결과이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 공급챔버로부터 전기분해의 대상이 되는 대상물을 전달받아 상기 대상물을 전기분해 하여 배출챔버로 전달하는 하이브리드 전기분해 장치에 관한 것으로서, 제1 양극부, 제1 음극부 및 상기 제1 양극부와 상기 제1 음극부 사이에 배치되는 제1 격막을 구비하고, 상기 제1 양극부, 상기 제1 음극부 및 상기 제1 격막이 배치되는 제1 공간을 형성하는 제1 모듈; 및 상기 대상물이 유입 및 유출될 수 있는 제2 공간을 형성하는 제2 모듈;을 포함하며, 상기 제1 공간은, 상기 제1 격막을 기준으로 상기 제1 양극부가 배치되는 공간인 제1-1 공간 및 상기 제1 격막을 기준으로 상기 제1 음극부가 배치되는 공간인 제1-2 공간을 구비하며, 상기 대상물은, 상기 공급챔버로부터 상기 제1-1 공간으로, 상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2 공간으로, 상기 제2 공간으로부터 상기 제1-2 공간으로, 상기 제1-2 공간으로부터 상기 배출챔버로 순차적으로 이동되어 전기분해 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 제1 격막은, 이온교환막인 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 제2 모듈은, 상기 제2 공간 상의 상기 대상물을 전기분해 하도록 제2 양극부 및 제2 음극부를 구비할 수 있다.
또, 상기 제2 모듈은, 상기 제2 양극부와 상기 제2 음극부 사이에 배치되는 제2 격막을 더 구비하며, 상기 제2 공간은, 상기 제2 격막을 기준으로 상기 제2 양극부가 배치되는 공간인 제2-1 공간 및 상기 제2 격막을 기준으로 상기 제2 음극부가 배치되는 공간인 제2-2 공간을 구비하고, 상기 대상물은,
상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2-1 공간으로, 상기 제2-1 공간으로부터 제2-2 공간으로, 상기 제2-2 공간으로부터 상기 제1-2 공간으로 순차적으로 이동되어 전기분해 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 대상물이 상기 상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2-1 공간으로 이동되도록 상기 제1-1 공간과 상기 제2-1 공간을 연결하는 제1 연결공간을 형성하는 제1 연결부; 및 상기 대상물이 상기 상기 제2-2 공간으로부터 상기 제1-2 공간으로 이동되도록 상기 제2-2 공간과 상기 제1-2 공간을 연결하는 제2 연결공간을 형성하는 제2 연결부;를 더 포함할 수 있다.
또, 상기 제2 격막은, 상기 대상물이 상기 제2-1 공간으로부터 상기 제2-2 공간으로 이동되도록, 상기 제2-1 공간으로부터 상기 제2-2 공간으로의 상기 대상물의 이동을 허여할 수 있다.
또, 상기 제1 격막 및 상기 제2 격막은, 공극을 가지며, 상기 제1 격막의 공극의 크기는, 상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2-1 공간으로의 상기 대상물의 이동을 유도하도록, 상기 제1 연결공간의 크기, 상기 제2 격막의 공극의 크기 및 상기 제2 연결공간의 크기보다 작을 수 있다.
또, 상기 제2 격막은, 상기 제2-1 공간 상의 상기 대상물의 수면의 높이가 상기 제2-2 공간 상의 상기 대상물의 수면의 높이보다 높게 형성되도록 하는 공극의 크기를 구비할 수 있다.
또, 상기 제1 격막의 공극의 크기는, 0.1 마이크론이고, 상기 제2 격막의 공극의 크기는, 10 마이크론일 수 있다.
또, 상기 제1 양극부 및 상기 제2 양극부는, 티타늄(titanium)에 산화이리듐(iridium oxide) 또는 산화루테늄(ruthenium oxide)을 코팅하여 형성될 수 있다.
또, 상기 제1 양극부와 제2 양극부는, 티타늄(titanium)을 사용할 수 있다.
또, 상기 제1 음극부와 제2 음극부는, 티타늄(titanium)에 산화이리듐(iridium oxide) 또는 산화루테늄(ruthenium oxide)을 코팅하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 하이브리드 전기분해 장치를 이용하여 전기분해의 대상이 되는 대상물을 전기분해 하는 전기분해 방법에 관한 것으로서, 상기 대상물을 공급챔버로부터 상기 하이브리드 전기분해 장치로 공급하는 공급단계; 및 상기 하이브리드 전기분해 장치에 전류를 인가하는 전류인가단계;를 포함할 수 있다.
또, 상기 공급단계는. 상기 하이브리드 전기분해 장치의 제1 공간의 부피가 200ml인 것을 기준으로, 상기 대상물을 상기 하이브리드 전기분해 장치로 5 내지 30ml/min으로 공급할 수 있다.
또, 상기 전류인가단계는, 상기 하이브리드 전기분해 장치의 제1 공간의 부피가 200ml인 것을 기준으로, 50mA/㎠ 내지 150mA/㎠로 전류를 인가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기분해 장치를 높이방향 상부에서 아래를 향해 바라보는 것을 도시한 개략 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기분해 장치의 수평방향의 개략 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기분해 장치에서 대상물이 이동되는 것을 도시한 수직방향의 개략 단면 전개도이다.
도 4는 기존 격막법 전기분해 장치와 하이브리드 전기분해 장치의 주된 퍼포먼스 결과 비교이고, 도 5는 기존 격막법 전기분해 장치와 하이브리드 전기분해 공정간의 NaOH 농도 분석 결과이다.
도 6은 기존 격막법 전기분해 장치와 하이브리드 전기분해 장치 간 염소제거율 비교 그래프이고, 도 7은 기존 격막법 전기분해 장치와 하이브리드 전기분해 장치 간 반응기 내부 온도 비교 그래프이며, 도 8은 전류밀도에 따른 퍼포먼스 분석 결과이다.
첨부된 도면은, 본 발명의 기술적 사상을 더욱 명확히 표현하기 위해, 본 발명의 기술적 사상과 관련성이 떨어지는 구성은 간략히 표현하거나 생략하였다.
우선 방향에 대한 용어를 정의하자면, 수평방향은 지면과 수평하는 방향을 의미하고, 수직방향은 지면과 수직하는 방향을 의미할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기분해 장치는 공급챔버(C1)로부터 전기분해의 대상이 되는 대상물을 전달받아 상기 대상물을 전기분해 하여 배출챔버(C2)로 전달할 수 있다.
상기 대상물은 전기분해의 대상이 되는 대상으로서, 일례로, 해수 또는 해수가 전처리된 해수의 농축수일 수 있다.
다만, 상기 대상물은 해수 또는 해수의 농축수에 한정되지 않으며, 전기분해가 일어날 수 있는 대상이라면 상기 대상물에 해당할 수 있다.
다만, 설명의 편의를 위해 상기 대상물은 염화나트륨(NaCl)이 포함된 염화나트륨 수용액임을 가정하고 설명하겠다.
일례로, 상기 공급챔버(C1)는 상기 하이브리드 전기분해 장치로 상기 대상물을 공급하는 챔버일 수 있다.
일례로, 상기 대상물은 상기 공급챔버(C1)에 저장될 수 있으며, 상기 공급챔버(C1)에서 전처리(불순물 제거)될 수 있다.
일례로, 상기 공급챔버(C1) 상의 상기 대상물은 공급관(P1)을 통해 상기 하이브리드 전기분해 장치로 유입될 수 있다.
일례로, 상기 배출챔버(C2)는 상기 하이브리드 전기분해 장치에서 전기분해된 상기 대상물을 수용하는 챔버일 수 있다.
일례로, 상기 하이브리드 전기분해 장치 상의 상기 대상물은 배출관(P2)을 통해 상기 배출챔버(C2)로 유입될 수 있다.
일례로, 상기 대상물은 상기 배출챔버(C2)에 저장될 수 있으며, 다시 상기 공급챔버(C1) 또는 상기 하이브리드 전기분해 장치로 이동되어 전처리 또는 전기분해될 수 있다.
일례로, 상기 하이브리드 전기분해 장치는 제1 양극부(110), 제1 음극부(120) 및 상기 제1 양극부(110)와 상기 제1 음극부(120) 사이에 배치되는 제1 격막(130)을 구비하고, 상기 제1 양극부(110), 상기 제1 음극부(120) 및 상기 제1 격막(130)이 배치되는 제1 공간(S1)을 형성하는 제1 모듈(100)을 포함할 수 있다.
여기서, 일례로, 상기 제1 공간(S1)은 상기 제1 격막(130)을 기준으로 상기 제1 양극부(110)가 배치되는 공간인 제1-1 공간(S1-1) 및 상기 제1 격막(130)을 기준으로 상기 제1 음극부(120)가 배치되는 공간인 제1-2 공간(S1-2)을 구비할 수 있다.
일례로, 상기 대상물은 상기 공급챔버(C1)로부터 상기 제1 공간(S1)으로 공급되어, 상기 제1 양극부(110) 및 상기 제1 음극부(120)의 전류 인가에 의해 전기분해 될 수 있다.
이때, 아래의 반응식과 같이, 상기 제1 양극부(110)가 배치된 상기 제1-1 공간(S1-1) 상의 상기 대상물은 전기분해에 의해 염소가스(Cl2)가 발생되고, 상기 제1 음극부(120)가 배치된 상기 제1-2 공간(S1-2) 상의 상기 대상물은 전기분해에 의해 수소가스(H2)와 알칼리인 수산화나트륨(NaOH)이 생성될 수 있다.
[반응식]
양극: 2Cl- → Cl2 + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
전체반응식: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2
여기서, 일례로, 상기 제1-1 공간(S1-1)에서는 염소가스가 발생하는 반응과, 물(H2O)의 분해에 의해 산소가 발생하는 반응이 경쟁적으로 작용하게 되는데, 염소에 대한 촉매 역할을 통해 염소가스의 발생을 유도하기 위하여, 상기 제1 양극부(110)는 산화이리듐으로 코팅된 티타늄 전극(Ti/IrO2)일 수 있다.
한편, 일례로, 상기 제1 격막(130)은 복수의 공극을 구비하는 막일 수 있다.
또한 일례로, 상기 제1 격막(130)은 이온교환막(ion-exchange membrane)일 수도 있다.
일례로, 상기 제1 격막(130)은 나트륨이온(Na+)의 통과를 허여하되, 수산화이온(OH-)의 통과를 최소화하거나 방지할 수 있는 이온교환막일 수 있다.
따라서, 상기 제1-1 공간(S1-1) 상의 나트륨이온(Na+)은 상기 제1-1 공간(S1-1)으로부터 상기 제1 격막(130)의 공극을 통해 통과하여 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 이동될 수 있으며, 상기 제1-2 공간(S1-2)에서 수산화이온과 결합하여 수산화나트륨이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 격막(130)의 공극의 크기는 매우 작을 수 있으며, 일례로, 0.1 마이크론일 수 있다.
따라서, 상기 제1-1 공간(S1-1) 상의 상기 대상물에 이물질이 있는 경우, 상기 제1 격막(130)의 공극은 이물질에 의해 막히는 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 하이브리드 전기분해 장치는 상기 대상물이 상기 제1 공간(S1)으로 유입 및 유출될 수 있는 제2 공간(S2)을 형성하는 제2 모듈(200)을 더 포함할 수 있다.
일례로, 상기 하이브리드 전기분해 장치는 상기 제1-1 공간(S1-1)과 상기 제2 공간(S2)을 연결하는 제1 연결공간(S3)을 형성하는 제1 연결부(300) 및 상기 제1-2 공간(S1-2)과 상기 제2 공간(S2)을 연결하는 제2 연결공간(S4)을 형성하는 제2 연결부(400)를 더 포함할 수 있다.
그 결과, 상기 공급챔버(C1)로부터 상기 제1-1 공간(S1-1)으로 이동된 상기 대상물은 상기 제1-1 공간(S1-1)으로부터 상기 제1 연결공간(S3)을 통과하여 상기 제2 공간(S2)으로 이동될 수 있고, 상기 제2 공간(S2)으로 이동된 상기 대상물은 상기 제2 연결공간(S4)을 통과하여 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 이동될 수 있다.
따라서, 상기 제1-1 공간(S1-1)상의 나트륨이온은 상기 제1 격막(130)을 통해 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 이동될 수 있고, 상기 대상물의 이물질은 상기 제1-1 공간(S1-1)으로부터 상기 제2 공간(S2)으로, 상기 제2 공간(S2)으로부터 상기 제1-2 공간(S1-2)으로, 상기 제1-2 공간(S1-2)으로부터 상기 배출챔버(C2)로 순차적으로 이동될 수 있다.
그 결과, 상기 제1 격막(130)의 공극이 상기 대상물의 이물질에 의해 막히는 현상을 방지할 수 있다.
나아가, 일례로, 상기 제2 모듈(200)은 상기 제2 공간(S2) 상의 상기 대상물을 전기분해하도록 제2 양극부(210) 및 제2 음극부(220)를 구비할 수 있다.
즉, 상기 제2 모듈(200)은 상기 대상물이 이동되는 이동경로는 제공할 뿐만 아니라 상기 제2 양극부(210) 및 상기 제2 음극부(220)를 통하여 상기 제2 공간(S2) 상의 상기 대상물을 전기분해 할 수 있다.
따라서, 상기 대상물은 상기 제1 모듈(100) 및 상기 제2 모듈(200) 상에서 전기분해 된다는 점에서, 상기 대상물에 대한 전기분해 효율을 높일 수 있다.
일례로, 상기 제2 양극부(210)는 상기 제1 양극부(110)와 마찬가지로 이리듐으로 코팅된 티타늄 전극(Ti/IrO2)일 수 있다.
나아가, 일례로, 상기 제2 모듈(200)은 상기 제2 양극부(210)와 상기 제2 음극부(220) 사이에 배치되는 제2 격막(230)을 더 구비할 수 있으며, 상기 제2 공간(S2)은 상기 제2 격막(230)을 기준으로 상기 제2 양극부(210)가 배치되는 공간인 제2-1 공간(S2-1) 및 상기 제2 격막(230)을 기준으로 상기 제2 음극부(220)가 배치되는 공간인 제2-2 공간(S2-2)을 구비할 수 있다.
일례로, 상기 제1 연결부(300)의 상기 제1 연결공간(S3)은 상기 제1-1 공간(S1-1)과 상기 제2-1 공간(S2-1)을 연결할 수 있고, 상기 제2 연결부(400)의 상기 제2 연결공간(S4)은 상기 제2-2 공간(S2-2)과 상기 제1-2 공간(S1-2)을 연결할 수 있다.
일례로, 상기 제2 격막(230)은 상기 제2 양극부(210)가 배치된 상기 제2-1 공간(S2-1) 상의 상기 대상물이 전기분해되어 발생된 염소가스(Cl2)와 상기 제2 음극부(220)가 배치된 상기 제2-2 공간(S2-2) 상의 상기 대상물이 전기분해되어 발생된 수소가스(H2)가 서로 혼합되는 것을 줄이거나 방지할 수 있다.
또한, 일례로, 상기 제2 격막(230)은 상기 대상물이 상기 제2-1 공간(S2-1)으로부터 상기 제2-2 공간(S2-2)으로 이동되도록 상기 제2-1 공간(S2-1)으로부터 상기 제2-2 공간(S2-2)으로의 상기 대상물의 이동을 허여할 수 있다.
일례로, 상기 제2 격막(230)은 상기 대상물이 통과될 수 있는 크기의 복수의 공극을 구비할 수 있다.
그 결과, 상기 제1-1 공간(S1-1) 상의 상기 대상물은 상기 제1-1 공간(S1-1)으로부터 상기 제2-1 공간(S2-1)으로, 상기 제2-1 공간(S2-1)으로부터 상기 제2-2 공간(S2-2)으로, 상기 제2-2 공간(S2-2)으로부터 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 순차적으로 이동되어 전기분해 될 수 있다.
일례로, 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기는 상기 제1 격막(130)의 공극의 크기보다 클 수 있다.
따라서, 상기 대상물의 이동 흐름은 상기 제1-1 공간(S1-1)으로부터 상기 제2-1 공간(S2-1)으로, 상기 제2-1 공간(S2-1)으로부터 상기 제2-2 공간(S2-2)으로, 상기 제2-2 공간(S2-2)으로부터 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 순차적으로 형성될 수 있다.
여기서, 일례로, 상기 제1 격막(130)의 공극의 크기, 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기, 상기 제1 형성공간의 크기 및 상기 제2 형성공간의 크기를 상대적으로 비교하자면, 상기 제1 격막(130)의 공극의 크기는 상기 제1 연결공간(S3)의 크기, 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기 및 상기 제2 연결공간(S4)의 크기보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기는 상기 제1 연결공간(S3)의 크기 및 상기 제2 연결공간(S4)의 크기보다 작을 수 있다.
따라서, 따라서, 상기 대상물의 주된 이동 흐름은 상기 제1-1 공간(S1-1)으로부터 상기 제2-1 공간(S2-1)으로, 상기 제2-1 공간(S2-1)으로부터 상기 제2-2 공간(S2-2)으로, 상기 제2-2 공간(S2-2)으로부터 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 순차적으로 형성될 수 있다.
일례로, 상기 제1 격막(130)은 상기 제1-1 공간(S1-1) 상의 상기 대상물이 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 이동될 수 있는 공극의 크기를 가질 수도 있으나, 즉, 상기 제1 격막(130)은 상기 대상물이 통과될 수 있는 크기의 공극을 구비할 수 있으나, 상기 제1 격막(130)의 공극의 크기가 상기 제1 연결공간(S3)의 크기, 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기 및 상기 제2 연결공간(S4)의 크기보다 작다는 점에서, 상기 대상물의 주된 이동 흐름은 상기 제1-1 공간(S1-1)으로부터 상기 제2-1 공간(S2-1)으로, 상기 제2-1 공간(S2-1)으로부터 상기 제2-2 공간(S2-2)으로, 상기 제2-2 공간(S2-2)으로부터 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 순차적으로 형성될 수 있다.
그 결과, 상기 제1 격막(130)의 공극이 상기 대상물이 함유하는 이물질에 의해 막히는 현상을 완화하거나 방지할 수 있다.
또한, 일례로, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기는 상기 제2-1 공간(S2-1) 상의 상기 대상물이 상기 제2-2 공간(S2-2)으로 이동될 수 있는 크기이되, 상기 제2-1 공간(S2-1) 상의 상기 대상물의 수면(M)의 높이가 상기 제2-2 공간(S2-2) 상의 상기 대상물의 수면(M)의 높이보다 높게 구현되도록 하는 크기일 수 있다.
일례로, 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기는 10 마이크론일 수 있다.
그 결과, 상기 제1-1 공간(S1-1)과 상기 제2-1 공간(S2-1) 상의 상기 대상물의 수면(M)의 높이는 각각 상기 제1-2 공간(S1-2)과 상기 제2-2 공간(S2-2) 상의 상기 대상물의 수면(M)의 높이보다 높을 수 있다.
따라서, 상기 제2 격막(230)을 기준으로 상기 제2-1 공간(S2-1) 및 상기 제2-2 공간(S2-2) 상의 상기 대상물의 수면(M)의 높이 차이로 인해, 상기 제2 공간(S2) 상의 상기 대상물은 상기 제2-1 공간(S2-1)으로부터 상기 제2-2 공간(S2-2)으로 이동되려고 하며, 이러한 흐름으로 인해, 상기 제2-1 공간(S2-1) 상에 존재하는 상기 나트륨이온은 상기 제2-2 공간(S2-2)으로 이동되고, 상기 제2-2 공간(S2-2) 상의 수산화이온이 상기 제2-1 공간(S2-1)으로 역류하는 것은 감소되거나 방지될 수 있다.
즉, 제2 격막(230) 부근에 발생될 수 있는 난류현상을 방지할 수 있으며, 난류현상으로 인한 수산화이온의 역류현상을 방지할 수 있다는 점에서, 고 농도의 수산화나트륨을 수득할 수 있다.
또한, 마찬가지로, 상기 제1 격막(130)을 기준으로 상기 제1-1 공간(S1-1) 및 상기 제1-2 공간(S1-2) 상의 상기 대상물의 수면(M)의 높이 차이로 인해, 상기 제1-1 공간(S1-1) 상에 존재하는 상기 나트륨이온은 상기 제1-2 공간(S1-2)으로 이동되고, 상기 제1-2 공간(S1-2) 상의 수산화이온이 상기 제1-1 공간(S1-1)으로 역류하는 것은 감소되거나 방지될 수 있다.
즉, 제1 격막(130) 부근에 발생될 수 있는 난류현상을 방지할 수 있으며, 난류현상으로 인한 수산화이온의 역류현상을 방지할 수 있다는 점에서, 고 농도의 수산화나트륨을 수득할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 하이브리드 전기분해 장치 상에 유입된 상기 대상물의 주된 흐름은, 상기 하이브리드 전기분해 장치에 펌프 등과 같이 상기 대상물의 흐름을 유도할 수 있는 별도의 동력장치가 설치될 필요 없이, 오로지 상기 제1 격막(130)의 공극의 크기, 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기, 상기 제1 연결공간(S3)의 크기 및 상기 제2 연결공간(S4)의 크기의 차이만으로 구현될 수 있다.
나아가, 제1-1 공간(S1-1)과 상기 제1-2 공간(S1-2) 간의 상기 대상물의 수면(M)의 높이 차 및 상기 제2-1 공간(S2-1)과 상기 제2-2 공간(S2-2) 간의 상기 대상물의 수면(M)의 높이 차로 수산화이온이 역류되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 일 실시예인 전기분해 방법에 대하여 설명하겠다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 방법은 상기 하이브리드 전기분해 장치를 이용하여 전기분해의 대상이 되는 상기 대상물을 전기분해하는 방법으로서, 상기 대상물을 상기 공급챔버(C1)로부터 상기 하이브리드 전기분해 장치로 공급하는 공급단계 및 상기 하이브리드 전기분해 장치에 전류를 인가하는 전류인가단계를 포함할 수 있다.
여기서, 수득되는 수산화나트륨의 농도는 상기 공급챔버(C1)로부터 상기 하이브리드 전기분해 장치로 유입되는 상기 대상물의 유입유량과, 전류밀도에 의해 결정될 수 있다.
상기 하이브리드 전기분해 장치로 유입되는 상기 대상물의 유입유량은 상기 하이브리드 전기분해 장치에서 머무르는 상기 대상물의 체류시간을 결정하며, 체류시간이 길면(유입유량이 작으면) 충분한 전기분해 반응이 수행되므로 수득되는 수산화나트륨의 농도가 증가하는 반면, 상기 하이브리드 전기분해 장치의 온도가 지나치게 상승하여 안전성에 문제가 생기는 단점이 있다.
이에 반해 체류시간이 짧으면(유입유량이 크면) 수득되는 수산화나트륨의 농도는 감소하는 반면, 상기 대상물이 냉각수와 같은 역할을 하게 되어 반응기의 온도 상승을 억제할 수 있다는 장점이 있다. 상기 하이브리드 전기분해 장치는 상기 대상물을 상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2-1 공간으로, 상기 제2-1 공간으로부터 상기 제2-2 공간으로, 상기 제2-2 공간으로부터 상기 제1-2 공간으로, 순차적으로 이동시키므로 상기 대상물의 체류시간(전기분해 되는 시간)이 길어질 수 있어 고 농도의 수산화나트륨을 수득할 수 있음과 동시에 온도 상승을 방지할 수 있다.
따라서한편, 상기 하이브리드 전기분해 장치의 온도를 적절한 범위 내에서 유지하는 것과 동시에 고농도의 수산화나트륨을 수득하기 위해서는, 상기 하이브리드 전기분해 장치로 유입되는 상기 대상물의 유입유량을 적절하게 조절하는 것이 필요하며, 아래의 실시예들의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 유입유량은 상기 하이브리드 전기분해 장치의 상기 제1 공간(S1)의 부피가 200ml인 것을 기준으로 5 내지 30ml/min인 것이 바람직하다.
또한, 수산화나트륨의 농도는 전류밀도의 조절을 통해서 조절할 수 있는데, 전류밀도가 커질수록 수산화나트륨의 농도가 상승하는 경향을 보인다.
그러나, 일정 수치 이상의 전류밀도가 가해지면 투입되는 전류가 전기분해 반응에 사용되지 않고 상기 하이브리드 전기분해 장치의 온도 상승에 사용되어 에너지 손실을 발생시키는 바, 전류밀도를 적절하게 조절하는 것이 필요하다.
따라서, 아래의 실시예의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 전류밀도는 50 내지 150 ㎃ /㎠ 인 것이 바람직하다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 방법의 실시예들을 자세히 설명하겠다.
우선, 상기 제1 공간(S1) 및 상기 제2 공간(S2)의 부피, 즉 상기 제1 공간(S1) 상에 저장될 수 있는 상기 대상물의 최대부피 및 상기 제2 공간(S2) 상에 저장될 수 잇는 상기 대상물의 최대부피는 각각 200ml인 것을 기준으로 실험을 하였다.
상기 제1 모듈(100)의 상기 제1 격막(130)의 공극의 크기는 0.1 마이크론이며 PTFE (polytetrafluoroethylene)재질이고, 상기 제2 모듈(200)의 상기 제2 격막(230)의 공극의 크기는 10 마이크론이며 PTFE (polytetrafluoroethylene)재질이다.
상기 대상물을 상기 하이브리드 전기분해 장치로 유입시키고, 그 다음 제어부(미 도시)를 통해 전류밀도를 50 내지 150 mA/cm2으로 인가한다.
실시예 1: 상기 하이브리드 분해장치로부터 수득되는 수산화나트륨의 농도 측정
선행연구와의 비교를 위해 도 4에 다음을 나타내었다. 실험 1,2,3 은 single reactor(격막법에 의한 것으로서 상기 제1 모듈(100)과 분리하여 상기 제2 모듈(200)에만 독립적으로 상기 대상물을 유입시킴)로 운전한 결과이며, 실험 4,5 는 상기 제1 모듈(100)과 상기 제2 모듈(200)을 포함하는 상기 하이브리드 전기분해 장치(double reactor)에 대상물을 유입시킨 결과이다.
실험결과, 상기 single reactor보다 double reactor(상기 하이브리드 전기분해장치)가 수산화나트륨을 2배 가까이 높은 농도로 수득할 수 있었다.
실시예 2: 체류 시간 증대로 인한 NaOH 농도 측정
도 5에 나타난 바와 같이, single reactor 및 double reactor에 각각 체류하는 시간에 따른 수산화나트륨의 농도를 측정하였다.
single reactor의 경우 약 2.3%의 수산화나트륨의 최대 농도가 측정되었으나, double reactor에서는 4%에 근접한 수산화나트륨의 최대 농도가 측정되었다.
따라서, 상기 하이브리드 전기 분해 장치(double reactor)의 운전시의 체류 시간은 50 내지 200 HRT (유량 5 내지 30 mL/min)가 적절함을 알 수 있다.
실시예 3: 염소 이온 제거율 측정
염소 이온 제거율은 Hach 시험 분석법을 이용하여 분석하였다.
고농도의 염소이온과 황화물의 양을 포함하고 있으므로, 2000배 이상의 희석 후 분석하였다.
도 6에 따르면, 염소제거율은 double reactor 가 single reactor 보다 현저히높으며, 이는 상기 제1-2 공간(S1-2)부로부터 상기 제1-1 공간(S1-1)부로 상기 수산화이온이 역류하는 것을 방지하기 때문이다.
실시예 4: 전류밀도 산정
도 8 은 상기 하이브리드 전기 분해 장치(double reactor)에서 각 전류밀도 별 퍼포먼스의 변화를 나타내고 있다. 전류밀도가 증가할수록 수산화나트륨의 농도는 증가함을 알 수 있다.
반면에, 전류밀도 증가로 인한 상기 하이브리드 전기분해 장치의 내부 온도 또한 증가함을 알 수 있다. 상기 하이브리드 전기분해 장치는 아크릴 재질로 구성될 수 있고, 상기 하이브리드 전기분해 장치의 내부 온도가 90 ℃ 이상으로 증가하면 상기 하이브리드 전기분해 장치의 melting 현상이 발생될 수 있다. 이로 미루어 보아, 전류밀도는 50-150 mA/ cm2 이 적절함을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
C1: 공급챔버
C2: 배출챔버
100: 제1 모듈
200: 제2 모듈
300: 제1 연결부
400: 제2 연결부

Claims (13)

  1. 공급챔버로부터 전기분해의 대상이 되는 대상물을 전달받아 상기 대상물을 전기분해하여 배출챔버로 전달하는 하이브리드 전기분해 장치에 있어서,
    제1 양극부, 제1 음극부 및 상기 제1 양극부와 상기 제1 음극부 사이에 배치되는 제1 격막을 구비하고, 상기 제1 양극부, 상기 제1 음극부 및 상기 제1 격막이 배치되는 제1 공간을 형성하는 제1 모듈; 및
    상기 대상물이 상기 제1 공간으로부터 유입 및 상기 제1 공간으로 유출될 수 있는 제2 공간을 형성하는 제2 모듈;을 포함하며,
    상기 제1 공간은,
    상기 제1 격막을 기준으로 상기 제1 양극부가 배치되는 공간인 제1-1 공간 및 상기 제1 격막을 기준으로 상기 제1 음극부가 배치되는 공간인 제1-2 공간을 구비하며,
    상기 제2 모듈은,
    상기 제2 공간 상의 상기 대상물을 전기분해하도록 제2 양극부, 제2 음극부 및 상기 제2 양극부와 상기 제2 음극부 사이에 배치되는 제2 격막를 구비하며,
    상기 제2 공간은,
    상기 제2 격막을 기준으로 상기 제2 양극부가 배치되는 공간인 제2-1 공간 및 상기 제2 격막을 기준으로 상기 제2 음극부가 배치되는 공간인 제2-2 공간을 구비하고,
    상기 대상물은,
    상기 공급챔버로부터 상기 제1-1 공간으로,
    상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2-1 공간으로,
    상기 제2-1 공간으로부터 상기 제2-2 공간으로,
    상기 제2-2 공간으로부터 상기 제1-2 공간으로,
    상기 제1-2 공간으로부터 상기 배출챔버로 순차적으로 이동되어 전기분해되는,
    하이브리드 전기분해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 격막은,
    이온교환막인,
    하이브리드 전기분해 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 대상물이 상기 제1-1 공간으로부터 상기 제2-1 공간으로 이동되도록 상기 제1-1 공간과 상기 제2-1 공간을 연결하는 제1 연결공간을 형성하는 제1 연결부; 및
    상기 대상물이 상기 제2-2 공간으로부터 상기 제1-2 공간으로 이동되도록 상기 제2-2 공간과 상기 제1-2 공간을 연결하는 제2 연결공간을 형성하는 제2 연결부;를 더 포함하는,
    하이브리드 전기분해 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 격막은,
    상기 대상물이 상기 제2-1 공간으로부터 상기 제2-2 공간으로 이동되도록,
    상기 제2-1 공간으로부터 상기 제2-2 공간으로의 상기 대상물의 이동을 허여하는,
    하이브리드 전기분해 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 격막은,
    상기 제2-1 공간 상의 상기 대상물의 수면의 높이가 상기 제2-2 공간 상의 상기 대상물의 수면의 높이보다 높게 형성되도록 하는 공극의 크기를 구비하는,
    하이브리드 전기분해 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 격막은,
    상기 제1-1 공간 상의 상기 대상물의 수면의 높이가 상기 제1-2 공간 상의 상기 대상물의 수면의 높이보다 높게 형성되도록 하는 공극의 크기를 구비하는,
    하이브리드 전기분해 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 격막의 공극의 크기는,
    0.1 마이크론이고,
    상기 제2 격막의 공극의 크기는,
    10 마이크론인,
    하이브리드 전기분해 장치.

  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극부는,
    티타늄(titanium)에 산화이리듐(iridium oxide) 또는 산화루테늄(ruthenium oxide)을 코팅하여 형성되는,
    하이브리드 전기분해 장치.
  11. 제1항에 따른 하이브리드 전기분해 장치를 이용하여 전기분해의 대상이 되는 대상물을 전기분해하는 전기분해 방법에 있어서,
    상기 대상물을 공급챔버로부터 상기 하이브리드 전기분해 장치로 공급하는 공급단계; 및
    상기 하이브리드 전기분해 장치에 전류를 인가하는 전류인가단계;를 포함하는,
    전기분해 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공급단계는.
    상기 하이브리드 전기분해 장치의 제1 공간의 부피가 200mL인 것을 기준으로,
    상기 대상물을 상기 하이브리드 전기분해 장치로 5 내지 30mL/min으로 공급하는,
    전기분해 방법.
  13. 삭제
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JP2017031467A (ja) * 2015-07-31 2017-02-09 株式会社東芝 光電気化学反応装置

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