KR102024357B1 - 플라스틱 자성체 cnt 복합 전극촉매 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 전기분해장치 - Google Patents

플라스틱 자성체 cnt 복합 전극촉매 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 전기분해장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물 전기분해시 전극 촉매 표면에 자기장이 형성되도록 하여 전기분해 속도 향상과 효율을 증대시키며 접촉 이온을 증가시켜 효율이 증대되는 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법은, 자성체 분말 40 ~ 46중량%에 CNT 54 ~ 60중량%의 비율로 교반 혼합하여 코팅하는 제1 단계; 2개의 열 압착롤을 통과시켜 판상 펠렛을 제조하고, 온도 120℃에서 건조하여 수분을 제거하는 제2 단계; 내화학성이 우수한 고분자 플라스틱 PP, PE, SEBS 중 택 1 소재와 제2 단계에서 제조된 판상 펠렛을 혼합하는 제3 단계; 제3 단계의 혼합된 소재를 싱글 압출기로 플라스틱 자성체 CNT 펠렛을 생산하는 제4 단계; 및 제4 단계의 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 트윈 압출기로 압출하여 고분자 플라스틱 내에 자성체인 페라이트와 CNT를 기계적 분산시키는 제5 단계; 를 포함한다.

Description

플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 전기분해장치{PLASTIC MAGNET CNT COMPOSITE ELECTRODE CATALYST AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물 전기분해시 전극촉매 표면에 자기장이 형성되도록 하여 전기분해 속도 향상과 효율을 증대시키며 접촉 이온을 증가시켜 효율이 증대되는 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 수소 에너지는 미래의 궁극적인 청정에너지원 중 하나로 꼽히고 있다. 수소 에너지의 원료가 되는 물은 지구상에 풍부하게 존재하며, 연소 시에 극소량의 질소와 물만 생성되고 공해물질은 발생되지 않으므로 대체 에너지로 각광받고 있다.
수소 에너지를 얻는 방법은 여러 방법이 있는데 대부분 백금족 전극 촉매를 활용해 물을 전기분해하여 이용하고 있다. 하지만, 백금족 전극촉매는 고가이므로 경제성이 떨어진다.
종래에는 물 전기분해 효율을 증대시키기 위해 전극촉매 좌우 또는 상하에 자석을 설치한 경우가 있지만, 플라스틱 전극촉매에 전기전도성 특성과 자성체 특성이 결합된 일체형 복합 전극촉매는 없었다.
또한, 전자파 차폐용으로 CNT(cabon nano tube)와 자성체를 컴파운딩한 제품이 있으나 CNT의 함량이 적고 표면 저항이 높아 물 전기분해 전극촉매로 적용이 어려우며 대부분 코팅용으로 사용되고 있다.
그리고 CNT 분산은 초음파를 이용하거나 계면활성제를 사용하였고, 산성계열에 전처리 후 초음파 분산 방법으로 분산시켰으나 CNT 표면 특성을 변화시켜 물리적 성질을 저하시키는 문제점이 있다.
물론, 계면활성제를 사용한 CNT 분산은 20중량%의 고함량 CNT를 컴파운딩할 수 있으나 물 전기분해 전극촉매로 사용시 계면활성제가 빠져나와 플라스틱 전극촉매로의 사용이 어려웠다.
KR 등록특허 제10-1666881호(2016.10.11) KR 등록특허 제10-1666884호(2016.10.11) KR 등록특허 제10-1902859호(2018.09.20)
본 발명은 종래와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안한 것으로, 물 전기분해시 전극촉매 표면에 자기장이 형성되도록 하여 전기분해 속도 향상과 효율을 증대시키며 접촉 이온을 증가시켜 효율이 증대되는 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 자기장을 형성하여 자속밀도를 활용하고 초음파의 공동현상으로 물을 분해하여 에너지 저감 및 고효율의 전기분해 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법은,
자성체 분말 40 ~ 46중량%에 CNT 54 ~ 60중량%의 비율로 교반 혼합하여 코팅하는 제1 단계;
2개의 열 압착롤을 통과시켜 판상 펠렛을 제조하고, 온도 120℃에서 건조하여 수분을 제거하는 제2 단계;
내화학성이 우수한 고분자 플라스틱 PP, PE, SEBS 중 택 1 소재와 제2 단계에서 제조된 판상 펠렛을 혼합하는 제3 단계;
제3 단계의 혼합된 소재를 싱글 압출기로 플라스틱 자성체 CNT 펠렛을 생산하는 제4 단계; 및
제4 단계의 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 트윈 압출기로 압출하여 고분자 플라스틱 내에 자성체인 페라이트와 CNT를 기계적 분산시키는 제5 단계; 를 포함함을 특징으로 한다.
또한, 제1 단계에 있어서,
상기 자성체 분말은 페라이트이며, 페라이트 40 ~ 46 중량%에 RPM 10 ~ 15로 교반하고, 전분 점성이 있는 물을 스프레이 분사하며 CNT를 조금씩 소분하여 투입하되, CNT 총 중량이 1000g일 때 CNT 소분 투입은 10분 동안 이루어져 페라이트 주변을 감싸지도록 함을 특징으로 한다.
또한, 제1 단계에 있어서, 스프레이 분사하는 물은 전분 성분의 고형분이 0.2 ~ 0.5중량%임을 특징으로 한다.
또한, 제2 단계에 있어서,
열 압착롤의 간격은 1mm이고, 온도는 110 ~ 120℃이며, RPM 10 전후로 실시하여 판상 펠렛의 크기가 가로, 세로 6 ~ 10mm, 두께 1mm로 제조함을 특징으로 한다.
또한, 제3 단계에 있어서,
판상 펠렛 48 ~ 50중량%와 고분자 플라스틱 50 ~ 52중량%를 혼합하여 최종 비율이 CNT 27 ~ 30중량%, 자성체 페라이트 20 ~ 23중량%, 고분자 플라스틱 50중량%가 되도록 함을 특징으로 한다.
또한, 상기 자성체 분말은 알리코 자석, 사마륨 코발트 자석, 네오디늄 자석 중 어느 하나임을 특징으로 한다.
또한, 전기 전도성과 자성체 강화를 위해 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 코발트, 마그네슘, 주석, 납, 스트론튬, 네오디늄 중 어느 하나의 금속계 파우더를 추가함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 이용한 전기분해장치는,
물이 담기는 전해조;
플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매로 이루어져 전해조 내에 설치되는 셀스택;
셀트택과 전기적으로 연결되는 전원 공급부;
셀스택 하부에 구비되는 진동자;
진동자와 전기적으로 연결되는 발진기 및 컨트롤러; 를 포함함을 특징으로 한다.
또한, 상기 셀스택은 수직으로 세워 측 방향으로 병렬 설치하고, (+)극과 (-)극의 간격은 0.5 ~ 5mm, 셀트택과 진동자의 간격은 10 ~ 15mm임을 특징으로 한다.
본 발명의 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매는 물 전기분해시 전극촉매에 자기장 특성으로 과전위에 따른 에너지 효율 개선 및 수전해 특성을 상승시킬 수 있고, 고가의 백금속 전극촉매를 대체하여 경제성과 생산성이 개선되는 효과가 있다.
또한, 고주파 대역에서 우수한 전자파 차폐특성으로 IT, 가전, 국방 등 다양한 분야에 응용하여 적용할 수 있다.
또한, 물 전기분해 시 여러 저항 중 발생되는 수소 및 산소에 의한 기포 저항을 초음파 진동으로 인해 외부로 빠르게 배출시켜 기포로 인해 가려지는 전해질과 전극 간의 접촉면적을 극대화시키고, 전극촉매 표면에 응집되는 기포층과 물속의 전해질이 응집되는 것을 방지하여 고효율의 효과를 얻을 수 있는 장점이 있으며, 이러한 복합 시스템은 금속계 전극촉매, 플라스틱 CNT 전극촉매, 플라스틱 금속 CNT 복합 전극촉매 등에도 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매의 제조과정을 도시한 공정도.
도 2는 본 발명에 따른 복합시스템의 전기분해장치 구조를 도시한 계략도.
이하, 본 발명에 따른 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매의 제조과정을 도시한 공정도로서, 자성체 분말과 CNT를 혼합하는 제1 단계; 판상 펠렛을 제조하는 제2 단계; 고분자 플라스틱과 판상 펠렛을 혼합하는 제3 단계; 싱글 압출기로 플라스틱 자성체 CNT 펠렛을 제조하는 제4 단계; 트윈 압출기로 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 제조하는 단계; 를 포함한다.
[제1 단계] 자성체 분말에 CNT를 혼합하여 코팅하는 단계
자성체 분말 40 ~ 46중량%에 CNT 54 ~ 60중량%의 비율로 RPM 10 ~ 15로 교반하여 혼합한다. 상기 자성체 분말은 페라이트가 사용된다. 자성체인 페라이트는 금속 성분의 산화철 화합물로 입자 크기는 1 ~ 40㎛ 크기를 사용했고, CNT는 MW CNT(Multi Wall CNT)로 CNT 순도 95 ~ 99중량%에 CNT 제조 시 잔류 촉매인 Ke, Ni, Co 등의 1 ~ 5중량%의 MW-CNT를 사용하여 자성체를 중심으로 MW CNT에 잔류 촉매와의 인력적인 작용으로 캡슐 타입에 판상 자성체 CNT 펠렛을 제조한다. 이와 같이 제조된 제품은 우수한 전자파 차폐 특성으로 1GHz 인가 시 70 ~ 80dB의 특성을 가질 수 있다.
전극촉매의 특성 유지를 위해 표면 전기저항이 0.5Ω/□ 이하가 되어야 하고, 플라스틱 자석에 사용되는 페라이트의 잔류 자속밀도(br)는 36,000 ~ 4,400 GAUSS로 밀도는 4.7 ~ 5.1, 보자력iHC는 2,800 ~ 5,000oersted, 퀴리 온도 460℃에 페라이트 분말로 성분은 SrCo₃·6Fe₂O₃ 또는 BaCo₃·6Fe₂O₃ 중 택1 성분으로, 전기 전도성을 유지하며 자성체의 잔류 자속밀도Br이 300 ~ 500Gauss가 되도록 페라이트 분말을 첨가하며 본 발명은 SrCo₃·6Fe₂O₃(스트론튬 자석분말)을 사용하였다.
페라이트 40 ~ 46 중량%에 RPM 10 ~ 15로 교반하고, 전분 점성이 있는 물을 스프레이 분사하여 자성체 페라이트 표면에 점착제 역할을 부여하며, CNT 54 ~ 60중량%를 10분 동안 조금씩 소분하여 투입하면서 스프레이 분사가 동시에 이루어지도록 한다. CNT 총 중량이 1000g일 때 전분 점성의 물은 50 ~ 55g이 소모되며 CNT 소분 투입은 10분 동안 이루어져 페라이트 주변을 감싸지도록 한다.
CNT 함량이 60중량% 이상이면 전기 전도성은 향상될 수 있으나 고분자 플라스틱 소재와 압출 및 사출시 생산이 어렵고 사출 제품에 크랙이 발생할 수 있고, 자성체 분말이 40중량% 이하이면 자성체 특성인 잔류 자속 밀도가 저하되어 본 발명의 목적에 도달할 수 없다.
자성체 페라이트와 CNT를 동시에 혼합 후 전분 점성이 있는 물을 스프레이 분사하면 비중 차이로 인해 자성체 페라이트와 CNT가 층간 분리되어 문제될 수 있다.
그리고 CNT 투입시간이 10분 이하이면 CNT에 번들(Bundle) 현상이 스프레이 분사된 전분 점성 특성의 물로 인해 CNT만 뭉치는 문제가 있고, 자성체 페라이트 표면을 균일하게 감싸지 못하여 고분자 플라스틱과 압출, 사출 시 분산성을 저감시킨다.
또한, 교반 시 RPM이 15 이상이면 자성체 페라이트 표면과 CNT가 분리될 수 있고, CNT를 소분 투입 완료 후 5분 정도 같은 속도 RPM 10 ~ 15로 추가 교반한다. 추가 교반은 자성체 페라이트를 중심으로 CNT가 골고루 감쌀 수 있도록 하는 것이며, 추가 교반을 하지 않으면 불규칙하게 감싸져 고분자 플라스틱의 분산성을 저감시킨다. 추가 교반 시간은 5분 이상이면 오히려 CNT가 박리되거나 분리될 수 있다.
스프레이 분사하는 물은 전분 성분의 고형분이 0.2 ~ 0.5중량%로써, 0.2중량% 이하이면 점착 특성이 약하여 자성체 페라이트를 중심으로 CNT 파우더가 분리될 수 있고, 0.5중량% 이상이면 분산성에 문제가 있을 수 있으므로 바람직하게는 0.4중량%가 우수한 특성을 발휘한다.
[제2 단계] 판상 펠렛을 제조하는 단계
2개의 열 압착롤을 통과시켜 판상 펠렛을 제조하고, 온도 120℃에서 건조하여 수분을 제거한다.
여기서 열 압착롤의 간격은 1mm이고, 온도는 110 ~ 120℃이며, RPM 10 전후로 실시하여 제조되는 판상 펠렛의 크기가 가로, 세로 6 ~ 10mm, 두께 1mm가 되도록 한다.
압착롤 간격이 1mm 이하이면 압착 강도가 약하여 분산성이 떨어지고, RPM 속도는 10 전후로 1회만 실시한다.
상기 온도는 일부의 수분을 제거하기 위함이고, 전분 점성에 물이 점착제 역할을 하여 1회 이상 실시하면 오히려 분산성을 저감시킨다.
판상 펠렛은 챔버 온도 120℃에서 수분 함량이 0.1중량% 이하가 되도록 하고, 수분 함량이 0.1중량% 이상이면 압출시 탄화 현상이 느려져서 사출시 가로로 인한 제품 특성을 나쁘게 하고, 물 전기분해 전극촉매 및 전자파 차폐 소재의 성능을 저감시킨다.
[제3 단계] 고분자 플라스틱과 판상 펠렛을 혼합하는 단계
내화학성이 우수한 고분자 플라스틱 PP, PE, SEBS 중 택 1 소재와 제2 단계에서 제조된 판상 펠렛을 혼합한다.
판상 펠렛 48 ~ 50중량%와 고분자 플라스틱 50 ~ 52중량%를 혼합하여 최종 비율이 CNT 27 ~ 30중량%, 자성체 페라이트 20 ~ 23중량%, 고분자 플라스틱 50중량%가 되도록 혼합한다.
물 전기분해 전극촉매 및 전자파 차폐 소재의 기본은 전기 전도성이 우수한 특성이 되어야 하므로 CNT 함량이 27중량% 이하이면 표면저항을 상승시킬 수 있고, CNT 함량이 30중량% 이상이면 제품 생산에 문제가 발생할 수 있으며, 자성체 페라이트 23중량% 이상이면 잔류 자속 밀도는 향상시킬 수 있으나 상대적으로 CNT 함량이 줄어들 수 있다. 또한, 택 1 된 고분자 수지는 50중량% 이하이면 압출 및 사출 시 제품이 미성형 될 수 있다.
[제4 단계] 싱글 압출기로 플라스틱 자성체 CNT 펠렛을 제조하는 단계
제3 단계의 혼합된 소재를 스크류 온도 220 ~ 250℃의 싱글 압출기로 2회에 걸쳐 압출 후 펠렛을 제조한다.
1차 싱글 압출 시 택 1 된 고분자 소재 50중량%와 제2 단계에서 제조된 판상 펠렛 28 ~ 30중량%의 비율로 실시하고, 1차 싱글 압출기에서 제조된 펠렛에 제2 단계에서 제조된 판상 펠렛 20중량%를 추가 혼합한 후 2차 싱글 압출기에서 펠렛을 생산한다.
스크류 온도가 220℃ 이하이면 극미량의 전분 성분과 수분으로 인해 탄화현상이 느려질 수 있고, 점착제 특성이 유지되어 분산성을 저하시킬 수 있다. 또한, 완전 탄화시 분산성을 증대시킬 수 있다.
판상 펠렛을 한 번에 택 1된 고분자 수지와 혼합 후 생산을 하면 부피 및 밀도의 차이로 CNT와 자성체 페라이트가 투입구에서 층 분리되거나 쏠림 현상으로 압출 생산이 어렵게 된다.
[제5 단계] 트윈 압출기로 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 제조하는 단계
제4 단계의 플라스틱 자성체 CNT 펠렛을 트윈 압출기로 압출하여 고분자 플라스틱 내에 자성체인 페라이트와 CNT를 기계적 분산시킨다.
제4 단계에서 생산된 4mm 전후의 펠렛을 트윈 압출기 스크류 온도 210 ~ 230℃에서 자성체 페라이트 CNT를 고분자 플라스틱 중 택 1된 소재 내에서 완전 분산될 수 있도록 압출하여 4mm 크기의 펠렛을 제조한다.
이와 같이 전 단계에서 싱글 압출 2회 그리고 본 단계의 트윈 압출 1회로 기계적 분산을 실시하면 전기 전도성과 자성체 특성이 증가된 펠렛을 얻을 수 있다.
아울러 상기 자성체 분말은 알리코 자석, 사마륨 코발트 자석, 네오디늄 자석 등이 사용될 수 있으며, 전기 전도성과 자성체 강화를 위해 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 코발트, 마그네슘, 주석, 납, 스트론튬, 네오디늄 등의 금속계 파우더를 추가할 수 있음을 밝혀둔다.
본 발명은 상기에서 제조된 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 사출하여 물 전기분해 전극촉매와 전자파 차폐 제품을 제조하여 비교 및 테스트를 실시하였으며, 사출시 사출기 스크류 온도는 210 ~ 250℃로 하였다.
[실험 1]
플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 가로 100mm, 세로 100mm, 두께 6mm 제작하여 아래 비율 데이터로 실험하였다.
A B C D

비율(중량%)		 CNT 30
자성체 페라이트 20
고분자 PP 50		 CNT 27
자성체 페라이트 23
고분자 PP 50		 CNT 20
자성체 페라이트 30
고분자 PP 50		 CNT 30
고분자 PP 70
표면저항(Ω/□) 0.21 0.30 1.42 0.34
시편 무게(g) 71.2 71.4 77.1 58.7
잔류 자속밀도
Br (Gauss)		 465 473 498 -
상기 데이터는 5회 측정한 평균 수치임.
상기 실험결과 동일한 사이즈에 사출 시편으로 A와 D를 비교 시 동일한 CNT 함량 30중량% 시 표면저항이 A가 우수했으며, 이것은 자성체 페라이트의 비중(4.7 ~ 5.1)이 동일한 규격 내에서 자성체 CNT가 밀도를 증가시켜 CNT와 CNT의 접점을 강화시키고 분산성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, A와 C를 비교할 때, 자성체 페라이트 함량이 시편의 무게인 내부 밀도를 증가시켜 잔류 자속 밀도를 향상시킬 수 있으나, 물 전기분해 전극촉매에 적용시 물 전기분해의 선행조건은 비표면적이 넓고 표면 저항이 작아야 하며 자성체에 자기장이 보조 역할을 하였을 때 효율 증대가 가능하므로 바람직하게는 A 데이터가 우수한 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
[실험 2]
플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매에 전자파 차폐 특성 실험
실험 1의 데이터로 실험규격은 ASTM D4955에 준하여 한국전자 통신 연구원(ETRI) 실험을 하였다.
A B C D
1GHz 78.4dB 75.3dB 58.8dB 66.2dB
전자파 차폐 실험결과 B와 D 비교시 표면 저항이 비슷했을 때 자성체 페라이트가 첨가된 B에 전자파 차폐 특성이 우수하고, C와 D 비교시 자성체 페라이트보다는 고함량 CNT 표면 전기 저항을 개선시킨 후 자성체 페라이트를 첨가하는 것이 더 우수한 특성을 갖음을 알 수 있다.
[실험 3]
물 전기분해에 자기장 특성으로 인한 물 전기분해량 실험
실험 1의 데이터 시편 A, B, D를 각각 2장씩 2mm 간격으로 결착하고 각각에 (+)극과 (-)극을 연결하여 절연용기에 물 4000g을 넣고 전극촉매를 투입한 후 DC12V를 인가하여 실험하였다.
물의 온도는 20℃로 TDS가 118ppm의 수돗물을 사용한다.
E는 금속계 촉매인 Ti(티타늄) 0.5mm 두께의 평판으로 가로 100mm, 세로 100mm에 Ir(이리듐) 2㎛가 코팅된 금속촉매로 상기와 같이 (+)극 1장, (-)극 1장을 2mm 간격으로 결합한다.
A B C D(금속계)
DC12V 인가 시 전류(A) 1.74 1.63 1.18 1.12
60분 후 물 전기분해량(g) 23.5 21.7 19.3 18.5
물 전기분해는 전해질 및 물의 온도에 따라 다소 차이가 있을 수 있으며, 5회 실험한 평균 수치임.
상기 실험 결과 A와 D 비교시 표면 저항 개선과 자기장 특성이 물 전기분해의 효율을 증가시키고 이것은 플라스틱 자성체 CNT 전극촉매 내에 자기력 형성이 이온의 움직임을 증가시켜 효율이 상승됨을 알 수 있다. 또한, A와 D는 동일한 CNT 30중량%인 플라스틱 A가 D보다 21% 이상의 효율이 상승되었고, 비교 결과도 비표면적이 넓은 CNT 특성 및 전극촉매 내의 자기력 형성이 물 전기분해의 효율을 26% 향상시킴을 알 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 복합시스템의 전기분해장치 구조를 도시한 계략도로서, 도면에 도시된 바와 같이 물이 담기는 전해조(10); 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매(21)로 이루어져 전해조 내에 설치되는 셀스택(20); 셀스택(20) 하부에 구비되는 진동자(30); 진동자(30)와 전기적으로 연결되는 초음파 발진기(40) 및 컨트롤러; 셀트택(20)과 초음파 발진기(40)에 전기적으로 연결되는 전원 공급부(50); 를 포함한다.
상기 전해조(10)는 금속계를 사용할 경우 물 전기분해 시 강력한 산화, 환원의 특성으로 인해 내부의 절연코팅이 손상되고 물속의 전해질로 인해 누설전류가 발생할 수 있으므로 절연 플라스틱 용기를 사용하여 전기 소모량을 줄일 수 있도록 한다. 절연 플라스틱 용기는 PP, PE, PS, PC, ABS, PAEE, PET, SEBS, PA66 등 다양한 소재를 사용할 수 있으나 내화학성이 우수한 PP, PE, SEBS 중 택 1 된 소재를 사용함이 바람직하다.
상기 셀스택(20)은 상술한 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매(21)가 이용되었으나, 금속계 전극촉매, 플라스틱 CNT 전극촉매, 플라스틱 금속 CNT 복합 전극촉매 등도 적용 가능하다. 여기서 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매(21)는 CNT 30중량%, 자성체 페라이트 20중량%, 고분자 플라스틱 PP 50중량%로 제조된 펠렛을 사출기 온도 210 ~250℃에서 사출 성형되어 가로 100mm, 세로 100mm, 두께 6mm로 생산된다. 물론, 제품의 용도와 적용되는 물의 양에 따라 달라질 수 있음을 당연할 것이다.
이와 같이 생산된 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매(21)는 (+)극에 1장, (-)극에 1장씩 2mm 간격으로 설치하되, 수량은 여러 장 병렬식으로 사용할 수 있으며 전극촉매의 간격은 적용되는 용도에 따라 0.5 ~ 5mm까지 가능하다.
여기서 상기 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매(21)는 수직으로 세워 측 방향으로 연속 설치한다. 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매(21)를 수평으로 설치할 경우 진동자(30)에 의한 효능이 저감된다.
물 전기분해 시 (-)극은 환원 전극으로 수소가 발생되고 (+)극은 산화전극으로 산소가 발생되며, HNO₃,HCl, H₂SO₄, KOH, NaOH, NaCl, KCl 외 강산성 계열에 오폐수 또는 특수한 물 분해 산화 전극촉매(+)는 금속계 촉매를 사용할 수도 있음을 밝혀둔다.
상기 진동자(30)는 셀스택(20)의 하부에 설치된다. 셀스택(20)과 진동자(30)의 간격은 10 ~ 15mm가 되도록 한다. 이때, 10mm 이하이면 셀스택(20)과 간격이 가까워 전기적인 문제가 발생할 수 있고, 15mm 이상이면 물 분해 및 수소, 산소 발생 효율이 저감될 수 있다.
상기 발진기(40) 및 컨트롤러는 진동자(30)와 전기적으로 연결된다. 상기 발진기(40)는 주파수 대역 3.5 ~ 5kHz에 3 ~ 50W가 가능한 것을 사용하되, 적용되는 용도에 따라 선택적으로 적용될 수 있으며, 바람직하게는 DC 12V - 0.5A에 소비전력 6W가 될 수 있는 발진기(40)와 주파수 대역이 2MHz인 것을 사용한다.
상기 전원 공급부(50)는 셀스택(20)과 진동자(30)에 각각 전기적으로 연결되며, DC12V에 SMPS를 각각 사용하고, ON/OFF 및 수위센서, 타이머 등 적용 용도에 따라 각종 센서를 추가하여 설치한다. 이러한 전원 공급부(50)는 전해조(10)의 외부에 설치된다.
이와 같은 전기분해장치는 수소/산소 발생기, 오폐수 정화기, 풋스파(Foot spa), 가습기, 공기청정기, 살균장치, 항균장치, 세척기 등의 다양한 제품에 사용될 수 있다.
[실험 4]
물 전기분해량 Test
(1) 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 사이즈는 가로 100mm, 세로 100mm, 두께 6mm로 (+)극에 1장, (-)극에 1장씩 결합된 셀스택 사용
(2) 인가 전원은 셀스택에 DC12V SMPS발진기에 DC12V SMPS
(3) 진동자 주파수는 2MHz
(4) 전해조 용기는 PP로 4,000g의 수돗물(온도 20℃, TDS 118ppm)
A. CNT 30중량%, 자성체 페라이트 20중량%, PP 50중량%
B. CNT 30중량%, PP 70중량%
C. 금속계 촉매는 Ti(티타늄) 0.5mm 두께의 평판으로 가로 150mm, 세로 100mm의 IR(이리듐) 2㎛가 코팅된 것으로 (+)극에 1장, (-)극에 1장을 2mm 간격으로 결합.
A B C
셀스택에 DC12V 인가시 전류(A) 1.74 1.18 1.12
셀스택에 DC12V 인가 60분 후
물 전기분해량(g)		 23.5 19.3 18.5
셀스택과 발진장치에 DC12V 인가
60분 후 물 전기분해량(g)		 29.3 21.8 20.5
상기 데이터는 같은 조건으로 5회 측정된 평균수치임.
상기 실험 결과 A와 B는 셀스택에만 DC12V의 전원을 인가하고 60분 후 물 전기분해량을 비교 시 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매인 A가 B보다 21%의 효율이 더 좋고, 셀스택과 발진장치에 DC12V의 전원을 동시에 인가했을 때 A가 24%, B가 13%, C가 10%의 추가 상승효과가 있으며, 진동자 설치 시 금속계인 C보다 CNT계인 B의 상승효율이 더 우수했음을 알 수 있다.
CNT의 넓은 비표면적 특성으로 특히 CNT계인 B보다 CNT와 자성체계 A가 상승폭이 탁월한 것은 자성체 전극촉매와 초음파 진동 시 발생되는 공동현상과의 상용성이 우수하였을 나타내고, 초음파 진동자에 의해 분해된 물과의 접촉이 더 활발하고 자기장 특성이 추가된 A는 원활한 이온의 흐름으로 물 전기분해의 효율을 상승시켰음을 알 수 있다.
[실험 5]
동일한 소비전력 인가 시 자성체와 초음파가 미치는 영향 비교
Total 소비전력 60분 후
물 전기분해량

자성체
CNT		 A 데이터(자성체 포함) 중
셀스택에만 DC12V, 1.74A 전원 인가		 20.8W 23.5g
A 데이터 중 셀스택에는 DC10V, 1.48A의
정전류, 정전압 전원 인가
발진장치에 DC12V, 0.5A 전원 인가
20.8W
24.6g

비자성체
CNT		 B 데이터(자성체 없음) 중
셀스택에만 DC12V, 1.18A 전원 인가		 14.16W 14.2g
B 데이터(자성체 없음) 중 셀스택에는 DC12V, 0.68A의 정전류, 정전압 전원 인가(8.16A)
발진장치에 DC12V, 0.5A 전원 인가(6W)
14.16W		 19.3g
상기 데이터는 같은 조건으로 5회 측정된 평균 수치로 물 전기분해 시 수소, 산소 발생량에 따라 물속의 전해질은 상대적으로 증가함으로 결과치에 다소 차이는 있을 수 있다.
실험 결과 비자성체 CNT 전극촉매는 동일한 소비전력 인가 시 초음파 진동에 의한 물 분해 효율은 상승되었고, 또한, 비 자성체보다 자성체 CNT 전극촉매의 효율이 우수하였다.
즉, 자성체와 초음파 상용성에 따른 효율성 증대가 가능하였다.
10 : 전해조
20 : 셀스택
21 : 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매
30 : 진동자
40 : 발진기
50 : 전원 공급부

Claims (8)

  1. 자성체 분말 40 ~ 46중량%에 CNT 54 ~ 60중량%의 비율로 교반 혼합하여 코팅하는 제1 단계;
    2개의 열 압착롤을 통과시켜 판상 펠렛을 제조하고, 온도 120℃에서 건조하여 수분을 제거하는 제2 단계;
    내화학성이 우수한 고분자 플라스틱 PP, PE, SEBS 중 택 1 소재와 제2 단계에서 제조된 판상 펠렛을 혼합하는 제3 단계;
    제3 단계의 혼합된 소재를 싱글 압출기로 플라스틱 자성체 CNT 펠렛을 생산하는 제4 단계; 및
    제4 단계의 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 트윈 압출기로 압출하여 고분자 플라스틱 내에 자성체인 페라이트와 CNT를 기계적 분산시키는 제5 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 단계의 자성체 분말은 페라이트이며, 페라이트 40 ~ 46 중량%에 RPM 10 ~ 15로 교반하고, 전분 점성이 있는 물을 스프레이 분사하며 CNT를 조금씩 소분하여 투입하되, CNT 총 중량이 1000g일 때 CNT 소분 투입은 10분 동안 이루어져 페라이트 주변을 감싸지도록 함을 특징으로 하는 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제2 단계의 열 압착롤의 간격은 1mm이고, 온도는 110 ~ 120℃이며, RPM 10 전후로 실시하여 판상 펠렛의 크기가 가로, 세로 6 ~ 10mm, 두께 1mm로 제조함을 특징으로 하는 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제3 단계의 판상 펠렛 48 ~ 50중량%와 고분자 플라스틱 50 ~ 52중량%를 혼합하여 최종 비율이 CNT 27 ~ 30중량%, 자성체 페라이트 20 ~ 23중량%, 고분자 플라스틱 50중량%가 되도록 함을 특징으로 하는 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매 제조방법.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매.
  6. 물이 담기는 전해조;
    자성체 분말 40 ~ 46중량%에 CNT 54 ~ 60중량%의 비율로 교반 혼합하여 코팅하고 2개의 열 압착롤을 통과시켜 판상 펠렛을 제조한 후 온도 120℃에서 건조하여 수분을 제거한 다음 내화학성이 우수한 고분자 플라스틱 PP, PE, SEBS 중 택 1 소재와 상기 수분이 제거된 판상 펠렛을 혼합하여 싱글 압출기로 생산한 플라스틱 자성체 CNT 펠렛을 트윈 압출기로 압출하여 고분자 플라스틱 내에 자성체인 페라이트와 CNT를 기계적 분산시켜 제조한 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매로 이루어져 전해조 내에 설치되는 셀스택;
    셀스택과 전기적으로 연결되는 전원 공급부;
    셀스택 하부에 구비되는 진동자;
    진동자와 전기적으로 연결되는 발진기 및 컨트롤러; 를 포함함을 특징으로 하는 플라스틱 자성체 CNT 복합 전극촉매를 이용한 전기분해장치.
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