KR101898536B1 - 선박 평형수 전기분해용 전극 - Google Patents

선박 평형수 전기분해용 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베이스 전극; 및 상기 베이스 전극의 상부에 위치하는 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 제1금속-제2금속산화물 합금인 선박 평형수 전기분해용 전극에 관한 것으로, 촉매층으로 제1금속-제2금속산화물 합금을 사용함으로써, 금속과 금속산화물 간의 상호작용인 Bifunctional 효과를 이용하여, 활성 개선을 통한 염소 발생 반응을 촉진시킬 수 있다.

Description

선박 평형수 전기분해용 전극{An Electrode for Electrolysis of Ballast Water}
본 발명은 선박 평형수 전기분해용 전극에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 염소 발생 반응을 촉진시킬 수 있는 촉매층을 포함하는 선박 평형수 전기분해용 전극에 관한 것이다.
일반적으로 선박 평형수(Ballast Water)란, 선박의 안전하고 효율적인 운항을 위해 배 안에 채우는 바닷물을 말한다. 배가 싣고 있던 화물을 내리면 줄어든 무게만큼 물 위로 떠오르게 되고, 이에 따라 무게중심이 높아지면 좌우 흔들림이 증가하게 된다. 이 상태에서 운항할 경우 자칫 전복사고로 이어질 수도 있다.
도 1은 일반적인 선박 평형수를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 선박(10)은 선체 내부에 화물탱크(11)외에 물탱크(12)를 설치하고, 선박 평형수를 담아 배의 무게 중심이 아래쪽으로 있도록 함으로써 물 속에 어느 정도 잠기게 한다.
또한, 선박의 한쪽 측면에만 화물이 많이 실려 있다면 반대쪽 밸러스트 탱크에 물을 채워 좌우 균형을 맞추기도 한다. 더 나아가 선박 평형수는 선박의 운항 효율을 높이기 위해서도 필요한데, 배가 어느 정도 잠겨 있어야 프로펠러가 수면 아래에서 동작할 수 있게 되므로 효율적으로 운항가능하기 때문이다.
이러한, 선박 평형수는 선박 운항을 위해 필수적이기는 하나, 오늘날 해양 생태계 파괴의 주범이라는 오명을 안고 있으며, 선박 평형수에 포함된 다양한 해양 생물이 다른 국가 해안으로 이동해 생태계를 교란시킬 수 있기 때문이다.
예를 들어 A라는 나라에서 화물을 하역한 뒤 그 나라 바닷물을 싣고 왔다가, B라는 나라 해안에 선박 평형수로 싣고 온 바닷물을 배출하면서 A국 연안에 서식하는 각종 생물이 B국 연안으로 이동하게 되어, 타국에서 온 외래종 해양생물들이 토착 생태계를 교란하고 파괴하는 것이다.
이러한 문제점으로 인하여, 2012년 이후 건조되는 신조선, 2017년 이후에는 현재 운항하는 모든 선박에 선박 평형수 처리시스템을 설치하는 것이 의무화되었으며, 이에 따라 선박 평형수 처리를 위한 효율적인 기술이 요구되고 있다.
일반적인 선박 평형수 처리기술로는 전기분해(직관식, 사이드스트림식), 자외선(UV), 오존, 필터방식, 원심분리, 열처리 등 다양한 처리 방식이 제안되고 있다.
최근 가장 많이 채택되는 방식은 전기분해 방식으로, 이중 직접 전기분해 방식은 해수를 전기분해하여 생성된 차아염소산류(HClO, NaClO), OH 라디칼 또는 전위차에 의해, 직접소독 의한 소독을 통해 평형수를 살균 처리하는 방식이다.
종래 직접 전기 분해 방식은 해수분해 공정과 같이 산소나 염소가 발생하는 전해공정을 이용하며 금속 티타늄을 기판으로 하여 기판 표면에 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 백금족 금속의 산화물인 전극활성물질(촉매층)을 증착시켜 제조한 전극을 사용하는 것이 일반적이다.
산화이리늄과 같은 백금족 금속 복합 산화물을 촉매층으로서 코팅한 전극은 산소 발생에 대한 과전압이 비교적 낮으며, 전극 표면에 전극 독성 유기물 자체도 산화되며, 산소나 염소 용액 분위기에서 매우 오랜 시간 건전성을 유지할 수 있는 불용성 전극으로 알려져 있다.
이와 같은 불용성 전극은 산소나 염소가 발생하는 분위기에서 사용되는 비소모성 양극(Insoluble Anode)을 의미하는 것으로 용액에 녹지 않기 때문에, DSA(Dimensionally Stable Anode) 전극이라 부르기도 하며, 산화물이 혼합된 코팅층을 이용하기 때문에 MMO(Mixed Metal Oxide) 전극이라 부르기도 한다.
이때, 상술한 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 백금족 금속의 산화물과 같은 촉매층은 높은 염소 생성 및 환원 반응을 유도하기 위해 사용되고 있으며, 따라서, 이들 촉매층의 활성을 개선하기 위한 연구가 진행되고 있으나, 만족할 만한 성과는 없는 상황이다.
따라서, 활성 개선을 통한 염소 발생 반응을 촉진시킬 수 있는 촉매제의 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허 10-2013-0130504
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 활성 개선을 통한 염소 발생 반응을 촉진시킬 수 있는 촉매층을 포함하는 선박 평형수 전기분해용 전극을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 베이스 전극; 및 상기 베이스 전극의 상부에 위치하는 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 제1금속산화물-제2금속산화물 합금인 선박 평형수 전기분해용 전극을 제공한다.
삭제
또한, 본 발명은 상기 제1금속산화물은 IrO2 또는 RuO2이고, 상기 제2금속산화물은 TiO2인 선박 평형수 전기분해용 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속산화물-제2금속산화물 합금은 제1금속산화물층 및 상기 제1금속산화물층의 상부에 위치하는 제2금속산화물층을 포함하는 선박 평형수 전기분해용 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속산화물-제2금속산화물 합금은 제1금속산화물층 및 상기 제1금속산화물층의 상부에 위치하는 제2금속산화물 아일랜드 패턴을 포함하는 선박 평형수 전기분해용 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속산화물-제2금속산화물 합금은 제1금속산화물 아일랜드(Island) 패턴 및 상기 제1금속산화물 아일랜드(Island) 패턴의 상부에 위치하는 제2금속산화물 아일랜드(Island) 패턴을 포함하는 선박 평형수 전기분해용 전극을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 촉매층으로 제1금속산화물-제2금속산화물 합금, 예를 들면, IrO2/TiO2 합금 또는 RuO2/TiO2 합금을 사용함으로써, 금속산화물과 금속산화물 간의 상호작용인 Bifunctional 효과를 이용하여, 활성 개선을 통한 염소 발생 반응을 촉진시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 선박 평형수를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극을 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극을 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극을 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매층을 도시한 실사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 촉매층의 염소 발생 반응(ClER, Chlorine Evolution Reaction)을 도시하는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극을 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극(100)은 베이스 전극(110) 및 상기 베이스 전극(110)의 상부에 위치하는 촉매층(120, 130)을 포함하며, 상기 촉매층(120, 130)은 제1금속산화물-제2금속산화물 합금인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 베이스 전극(110)은 일반적인 Ti 전극이 바람직하나, 다만, 본 발명에서 상기 베이스 전극의 재질을 제한하는 것은 아니다.
또한, 상기 제1금속산화물-제2금속산화물 합금(120, 130)은 제1금속산화물(120)과 제2금속산화물(130)을 포함하는 합금으로 이루어지며, 이때, 상기 제1금속산화물(120)은 IrO2 또는 RuO2인 것이 바람직하며, 상기 제2금속산화물(130)은 TiO2인 것이 바람직하다.
삭제
또한, 본 발명에서 상기 제1금속산화물-제2금속산화물 합금(120, 130)을 제조하는 것은, 불활성 가스를 통한 열처리법, 아크 용융법, 전기도금법, 유기 계면활성제를 이용한 합성법 또는 전기증착법 등에 의하여 형성할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 제1금속산화물-제2금속산화물 합금의 제조방법을 제한하는 것은 아니다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극(100)의 제1금속산화물-제2금속산화물 합금은 제1금속산화물층(120) 및 상기 제1금속산화물층(120)의 상부에 위치하는 제2금속산화물층(130)으로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명의 제1실시예에서 상기 제1금속산화물 및 상기 제2금속산화물은 플레이트 타입으로 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 경우, 금속 티타늄을 기판으로 하여 기판 표면에 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 백금족 금속의 산화물인 전극활성물질(촉매층)을 증착시켜 제조한 전극을 사용하는 것이 일반적이다.
즉, 상기 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 백금족 금속의 산화물과 같은 촉매층은 높은 염소 생성 및 환원 반응을 유도하기 위해 사용되고 있으나, 촉매층의 활성을 개선함에 있어서, 만족할 만한 성과는 없는 상황이다.
하지만, 본 발명에서는 촉매층으로 제1금속산화물-제2금속산화물 합금, 예를 들면, IrO2/TiO2 합금 또는 RuO2/TiO2 합금을 사용함으로써, 금속산화물과 금속산화물 간의 상호작용인 Bifunctional 효과를 이용하여, 활성 개선을 통한 염소 발생 반응을 촉진시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극을 도시하는 단면도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극은 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예와 동일할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극(200)은 베이스 전극(210) 및 상기 베이스 전극(210)의 상부에 위치하는 촉매층(220, 230)을 포함하며, 상기 촉매층(220, 230)은 제1금속산화물-제2금속산화물 합금인 것을 특징으로 한다.
이는 상술한 바와 동일하므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극(200)의 제1금속산화물-제2금속산화물 합금은 제1금속산화물층(220) 및 상기 제1금속산화물층(220)의 상부에 위치하는 제2금속산화물 아일랜드 패턴(130)으로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명의 제2실시예에서 상기 제1금속산화물은 플레이트 타입으로 구성되고, 상기 제2금속산화물은 상기 제1금속산화물층의 상부에 위치하는 아일랜드(Island) 타입으로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극을 도시하는 단면도이다. 본 발명의 제3실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극은 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예와 동일할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극(300)은 베이스 전극(310) 및 상기 베이스 전극(310)의 상부에 위치하는 촉매층(320, 330)을 포함하며, 상기 촉매층(320, 330)은 제1금속산화물-제2금속산화물 합금인 것을 특징으로 한다.
이는 상술한 바와 동일하므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 선박 평형수 전기분해용 전극(300)의 제1금속산화물-제2금속산화물 합금은 제1금속산화물 아일랜드(Island) 패턴(220) 및 상기 제1금속산화물 아일랜드(Island) 패턴(220)의 상부에 위치하는 제2금속산화물 아일랜드(Island) 패턴(130)으로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명의 제3실시예에서 상기 제1금속산화물은 아일랜드(Island) 패턴 타입으로 구성되고, 상기 제2금속산화물은 상기 제1금속산화물의 아일랜드(Island) 패턴의 상부에 위치하는 아일랜드(Island) 타입으로 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 설명하기로 한다.
[실시예]
제1금속산화물의 제1금속으로 이리듐 폴리크리스탈(polycrystal)을 사용하고, 제2금속산화물로 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)를 준비하였다. 상기 제2금속산화물 전구체 0.05M 용액에서 20㎕를 제1금속의 표면에 로딩하여 건조시켰다.
그 후 H2Ar 혼합 가스로 열처리하여, 제1금속산화물의 상부에 제2금속산화물이 위치하는 형태의 촉매층을 수득하였다.
[비교예]
촉매층으로, IrO2 플레이트(plate)를 사용하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매층을 도시한 실사진이다.
도 5에 도시된 바와 같이, IrO2 플레이트(plate)의 상부에 TiO2가 아일랜드(Island) 타입으로 로딩(loading)되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 촉매층의 염소 발생 반응(ClER, Chlorine Evolution Reaction)을 도시하는 그래프이다.
먼저, 본 발명의 실시예, 즉, IrO2 플레이트(plate)의 상부에 TiO2가 아일랜드(Island) 타입으로 로딩(loading)된 촉매층의 경우, 제1금속산화물과 제2금속산화물 사이의 상호작용으로 인한 Bifunctional 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 경우, 본 발명에 따른 비교예, 즉, IrO2 플레이트(plate)를 촉매층으로 사용한 것과 비교하여, 염소 발생 반응(chlorine evolution reaction) 활성이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에서는 촉매층으로 제1금속산화물-제2금속산화물 합금, 예를 들면, IrO2/TiO2 합금 또는 RuO2/TiO2 합금을 사용함으로써, 금속산화물과 금속산화물 간의 상호작용인 Bifunctional 효과를 이용하여, 활성 개선을 통한 염소 발생 반응을 촉진시킬 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. 선박 평형수를 처리하기 위한 선박 평형수 전기분해용 전극에 있어서,
    베이스 전극;
    상기 베이스 전극의 상부에 위치하는 제1금속산화물층; 및
    상기 제1금속산화물층의 상부에 위치하는 제2금속산화물층을 포함하고,
    상기 선박 평형수를 처리하는 것은 해수를 전기분해하여 생성된 차아산염소산류에 의해 상기 선박 평형수를 살균처리하는 것이고,
    상기 제1금속산화물층은 염소발생반응(chlorine evolution reaction) 활성을 향상시키고,
    상기 제1금속산화물은 IrO2 또는 RuO2이고, 상기 제2금속산화물은 TiO2인 선박 평형수 전기분해용 전극
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 베이스 전극;
    상기 베이스 전극의 상부에 위치하는 제1금속산화물층; 및
    상기 제1금속산화물층의 상부에 위치하는 제2금속산화물층을 포함하고,
    상기 제1금속산화물은 IrO2 또는 RuO2이고, 상기 제2금속산화물은 TiO2이며,
    상기 제1금속산화물층은 염소발생반응(chlorine evolution reaction) 활성을 향상시키는 전기분해용 전극.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2금속산화물층은, 상기 제1금속산화물층의 상부에 위치하는 제2금속산화물 아일랜드 패턴인 전기분해용 전극.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1금속산화물층은, 제1금속산화물 아일랜드(Island) 패턴이고,
    상기 제2금속산화물층은, 상기 제1금속산화물 아일랜드(Island) 패턴의 상부에 위치하는 제2금속산화물 아일랜드(Island) 패턴인 전기분해용 전극.
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