KR102289793B1 - 살균용 전해수의 제조 방법 및 그 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 살균용 전해수 제조장치는 원수를 여과 처리하는 여과 공정부; 상기 원수로부터 강알칼리수를 생성하는 강염기성 음이온 교환수지를 포함하는 강염기성 음이온 교환수지탑 및 상기 원수로부터 약알칼리수를 생성하는 약염기성 음이온 교환수지를 포함하는 탈음이온공정부; 상기 강알칼리수를 전기 분해하며, 제1 산화 전극 및 제1 환원 전극을 포함하는 제1 전해조부 및 상기 약알칼리수를 전기 분해하며, 제2 산화 전극 및 제2 환원 전극을 포함하는 제2 전해조부를 포함하는 전해액 발생부; 상기 제1 전해조부의 제1 환원 전극으로부터 발생한 제1 전해액을 응축하여 강알칼리 전해액를 제조하는 제1 흡착부 및 상기 제2 전해조부의 제1 환원 전극으로부터 발생한 제2 전해액을 흡착 응축하여 약알칼리 전해액을 제조하는 제2 흡착부를 포함하는 흡착부; 및 상기 흡착부에 응축된 상기 강알칼리 전해액을 저장하기 위한 제1 저장조 및 상기 흡착부에 응축된 상기 약알칼리 전해액을 저장하기 위한 약알칼리 저장소를 포함하는 전해액저장부를 포함하며, 상기 제1 산화 전극 및 상기 제2 산화 전극의 각 표면 외측상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 제1 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 금속화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 제2 금속화합물을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다. 이에 따라, 알칼리 전해액 제조 장치의 수명 특성이 보다 향상될 수 있다.
Description
본 발명은 살균용 전해수의 제조 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 우수한 살균력을 갖는 알칼리 이온 수용액의 제조 장치에 관한 것이다.
물의 전기분해에 의해 전해수, 즉 산성수와 알카리수를 제조하는 것이 널리 알려져 있으며, 산성의 전해수는 예를 들어 차아염소산의 산화력에 의해 우수한 살균성을 나타내므로 의료기관에서 소독 등의 용도로 사용되고, 알카리성 전해수는 음료수안에 함유되는 칼슘, 나트륨, 마그네슘, 칼륨 등의 미네랄분이 양이온으로 존재하기 때문에, 이 알카리성 전해수를 음용하면 위장내의 이상발효나 소화불량, 설사, 위산과다 등을 억제한다는 의료효과가 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 전해수를 제조하는 종래 방법으로는 음이온 투과막 등의 이온 투과성 격막을 통해 대향 배치된 한 쌍의 전해실에 각각 전극을 배치하고, 각 전해실에 각각 원수를 공급하는 동시에, 양 전극 사이에 전압을 인가하여, 양극측의 전해실에서는 차아염소산을 포함하는 산성의 전해수를 얻게 되고, 음극측의 전해실로부터는 알카리성 전해수를 얻는 전해수 생성 방법이 알려져 있다.
전해수는 아토피와 같은 피부염, 피부 미백, 노화, 생활 습관병 등에 효과가 있고, 노화 방지와 보습 효과로 화장품에도 사용될 수 있으며, 반도체 및 디스플레이의 기술 분야에서 초순수보다 탁월한 세정력을 가지며, 농업분야에서 성장 촉진 및 병충해에 대한 예방 효과가 있으며, 식품류의 장기 원형 보존성에서 우수한 효과를 가진다.
전해수가 인체에 침투하기 위해서는 전해수에 포함된 물 분자의 클러스터의 크기가 감소되어야 하며, 물 분자의 클러스터의 크기가 감소되기 위해서는 전해수 내에 수소가 다량으로 함유되고 알칼리성이 커저야 한다.
다만, 상기 전해수 내에 수소가 다량으로 함유되고 알칼리성이 커질수록 이를 제조하기 위한 전해조에 포함된 음극 및 양극의 수명이 감소되는 문제가 존재하였다.
대한민국 특허출원 10-2001-0070717호인 전기석을 이용하여 약알칼리수를 생성하는 정수기를 개시하고 있으나, 전해조에 포함된 전극의 수명을 고려한 전해조는 개시된 바가 없다.
본 발명의 일 과제는 알칼리성 전해수의 제조 수명이 증가된 전해조를 제공하는 것이다.
1. 물을 전기 분해하여 고농도의 알칼리 전해액을를 제공하는 알칼리 전해액 제조장치에 있어서,
원수를 여과 처리하는 여과 공정부;
상기 원수로부터 강알칼리수를 생성하는 강염기성 음이온 교환수지를 포함하는 강염기성 음이온 교환수지탑 및 상기 원수로부터 약알칼리수를 생성하는 약염기성 음이온 교환수지를 포함하는 탈음이온공정부;
상기 강알칼리수를 전기 분해하며, 제1 산화 전극 및 제1 환원 전극을 포함하는 제1 전해조부 및 상기 약알칼리수를 전기 분해하며, 제2 산화 전극 및 제2 환원 전극을 포함하는 제2 전해조부를 포함하는 전해액 발생부;
상기 제1 전해조부의 제1 환원 전극으로부터 발생한 제1 전해액을 응축하여 강알칼리 전해액를 제조하는 제1 흡착부 및 상기 제2 전해조부의 제1 환원 전극으로부터 발생한 제2 전해액을 흡착 응축하여 약알칼리 전해액을 제조하는 제2 흡착부를 포함하는 흡착부; 및
상기 흡착부에 응축된 상기 강알칼리 전해액을 저장하기 위한 제1 저장조 및 상기 흡착부에 응축된 상기 약알칼리 전해액을 저장하기 위한 약알칼리 저장소를 포함하는 전해액저장부를 포함하며,
상기 제1 산화 전극 및 상기 제2 산화 전극의 각 표면 외측상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 제1 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 금속화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 제2 금속화합물을 포함하는 코팅층을 포함하는, 알칼리 전해액 제조장치:
<화학식 1>
TiaOb
<화학식 2>
TiO2
상기 화학식 1 중,
a는 1이고, b는 1 초과 2 미만의 유리수이다.
2. 위 1에 있어서, 상기 제1 그래핀은 평면 구조를 가지며, 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물은 상기 분지된 구조 내에 분포되며,
상기 평면 구조는 서로 접촉하는 복수의 그래핀 입자를 포함하는, 알칼리 전해액 제조 장치.
3. 위 1에 있어서, 상기 제1 환원 전극 및 상기 제2 환원 전극의 각 표면 외측상에 배치되며 분지(branched structure)를 가지는 제2 그래핀; 및 상기 제2 그래핀의 구조 내에 분포되는 하기 화학식 3로 표시되는 제3 금속화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 제4 금속화합물을 포함하는 코팅층을 포함하는, 알칼리 전해액 제조장치:
4. 위 3에 있어서, 상기 제2 그래핀은 구형 구조가 응집된 클러스터 구조를 가지며, 상기 제3 금속 화합물 및 상기 제4 금속 화합물은 클러스터 구조 내에 분포되며, 상기 구형 구조 및 상기 클러스터 구조는 서로 접촉하는 복수의 그래핀 입자를 포함하는, 알칼리 전해액 제조 장치.
5. 위 1에 있어서, 상기 여과 공정부 및 상기 탈음이온공정부를 연결하며, 상기 여과 공정부로부터 상기 탈음이온공정부에 포함된 강염기성 음이온 교환수지탑 및 약염기성 음이온 교환수지탑 각각으로 주입되는 여과된 원수의 주입량을 조절하는 분할 주입 장치를 더 포함하는, 알칼리 전해액 제조 장치.
6. 위 5에 있어서, 상기 분할 주입 장치는 강염기성 음이온 교환수지탑으로 주입되는 관의 수직 단면적 대 약염기성 음이온 교환수지탑으로 주입되는 관의 수직 단면적의 비가 3:7인, 알칼리 전해액 제조 장치.
본원 알칼리 전해액 제조 장치는 산화 전극 및 환원 전극이 분지 구조(branched structure)를 가지는 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 특정 화학식으로 표시되는 금속화합물을 포함하 여 고농도의 전해액으로 인해 전극이 부식되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 알칼리 전해액 제조 장치를 나타내는 개략적인 모형도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 제1 전해조부 및 제2 전해조부를 나타내는 계략적인 모식도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 제1 전해조부 및 제2 전해조부를 나타내는 계략적인 모식도이다.
본 발명에서는 물을 전기 분해하여 고농도의 전해액을를 제공하는 고농도 전해액 제조장치에 있어서, 원수를 여과 처리하는 여과 공정부; 상기 원수로부터 강알칼리수를 생성하는 강염기성 음이온 교환수지를 포함하는 강염기성 음이온 교환수지탑 및 상기 원수로부터 약알칼리수를 생성하는 약염기성 음이온 교환수지를 포함하는 탈음이온공정부; 상기 강알칼리수를 전기 분해하며, 제1 산화 전극 및 제1 환원 전극을 포함하는 제1 전해조부 및 상기 약알칼리수를 전기 분해하며, 제2 산화 전극 및 제2 환원 전극을 포함하는 제2 전해조부를 포함하는 전해액발생부; 상기 제1 전해조부의 제1 환원 전극으로부터 발생한 제1 전해액을 응축하여 강알칼리 전해액를 제조하는 제1 흡착부 및 상기 제2 전해조부의 제1 환원 전극으로부터 발생한 제2 전해액을 흡착 응축하여 약알칼리 전해액을 제조하는 제2 흡착부를 포함하는 흡착부; 및 상기 흡착부에 응축된 상기 강알칼리 전해액을 저장하기 위한 제1 저장조 및 상기 흡착부에 응축된 상기 약알칼리 전해액을 저장하기 위한 약알칼리 저장소를 포함하는 전해액저장부를 포함하며, 상기 제1 산화 전극 및 상기 제2 산화 전극의 각 표면 외측상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 제1 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 구조 내에 분포되는 화학식 1로 표시되는 제1 금속화합물 및 화학식 2로 표시되는 제2 금속화합물을 포함하는 코팅층을 포함하는, 알칼리 전해액 제조장치가 제공된다.
<화학식 1>
TiaOb
<화학식 2>
TiO2
상기 화학식 1 중,
a는 1이고, b는 1 초과 2 미만의 유리수이다.
본원 알칼리 전해액 제조장치는 강산이 생성되는 제1 산화 전극 및 제2 산화 전극 외측 표면을 분지 구조를 가지는 그래핀 및 상기 분지 구조 내에 분포되는 화학식 1로 표시되는 제1 금속 화합물 및 화학식 2로 표시되는 제2 금속 화합물을 포함하는 코팅층을 포함하므로, 상기 강산에 의해 제1 산화 전극 및 제2 산화 전극이 손상되는 문제를 방지할 수 있다. 종래, 알칼리 전해액 제조 장치는 산화 전극에서 생성되는 강산에 의해 산화 전극이 손상되는 문제가 존재하였으며, 그 결과 산화 전극이 훼손되어 산화 반응이 수행될 수 없으면 환원 반응 또한 진행될 수 없기 때 단기간에 수시로 산화 전극을 교체해야 하는 문제가 존재하였다. 그러나 본원 알칼리 전해액 제조 장치는 상기 코팅층을 포함하는 제1 산화 전극 및 제2 산화 전극을 포함하여, 상기 산화 전극의 수명을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 알칼리 전해액 제조 장치의 수명이 증가하여 장시간 동안 효과적으로 알칼리 전해액을 제조할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명의 바람직한 실시예들을 제시하나, 이들 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예들에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 알칼리 전해액 제조 장치를 나타내는 개략적인 모형도이다.
본원 알칼리 전해액 제조 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 고농도 전해액 제조장치는, 크게, 여과공정부(100); 탈음이온공정부(200); 전해액발생부(300); 흡착부(400); 및 전해액저장부(500);를 포함한다.
여과공정부(100)는 원수를 여과처리 하는 부분이고, 탈음이온공정부(200)는 물속의 음이온을 제거하여 알칼리 이온수를 만드는 공정이며, 전해액발생부(300)는 상기 탈음이온공정부에서 음이온이 제거된 이온수에 수소를 발생시킬 수 있는 전해액발생부(300에 의해 발생한 수소를 물속에 혼합시켜서 실제로 전해액을를 발생시키는 부분이다.
예를 들어, 여과공정부(100)는 여과공정부(100)로 주입되는 원수를 여과하여 상기 원수에 포함된 불순물을 제거한다.
예를 들어, 원수는 저장탱크나, 별도의 수도꼭지에 연결하여 공급되는 형태일 수도 있으며, 여기에서 언급하는 원수는 수도수, 생수, 약수, 지하수 등 정수 과정을 통해 사람이 음용할 수 있는 물을 말한다.
예를 들면, 여과공정부(100)는 모래탑 및 활성탄탑 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 여과 공정부(100)는 모래탑 및 활성탄탑을 모두 포함하며, 여과공정부(100)로 주입된 상기 원수는 상기 모래탑 및/또는 상기 활성탄탑을 거치면서 여과 처리될 수 있다.
예를 들어, 상기 원수를 공급하기 위하여 여과공정부(100)는 원수공급부를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 원수공급부는 상기 원수를 공급하기 위한 배관일 수도 있고, 또는 상기 원수가 저장되어 있는 저장조가 될 수 있다. 예를 들어, 상기 원수공급부가 상기 저장조를 포함하는 경우 급수펌프가 추가로 설치될 수도 있다.
상기 여과공정부(100)는 원수를 지하수 등으로 사용할 경우에는 모래탑, 활성탄탑, 막분리 등을 통해 여과된 원수가 탈음이온공정부(200) 로 보내어진다.
예를 들어, 상기 원수가 수도수인 경우에는 여과공정을 거치지 않고, 바로 탈음이온공정부(200)로 보내질 수 있다.
예를 들어, 여과 처리된 상기 원수는 탈음이온공정부(200)로 주입될 수 있다. 탈음이온공정부(200)는 강염기성 음이온 교환수지를 포함하고 있는 강염기성음이온교환수지탑과 약염기성 음이온 교환수지를 포함하고 있는 약염기성음이온교환수지탑을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 여과된 원수가 상기 강염기성 음이온 교환수지탑 및 상기 약염기성 음이온교환수지탑을 SV 1~40으로 통과되면, 상기 여과된 원수 중의 Na+ 이온이나 Ca+2 이온 같은 양이온은 제거되지 않고, Cl-, SO4 -2, PO4 -3, CO3 -2, HCO3 -1 등의 음(-)이온만이 제거된 물을 얻는다.
이때, 원수는 분리되어 강염기성 음이온교환수지탑 및 약염기성 음이온교환수지탑으로 각각 통탑할 수 있다. 예를 들어, 원수는 주입 장치를 통해 강염기성 음이온교환수지탑 및 약염기성 음이온교환수지탑 각각으로 특정 비율로 분리되어 주입될 수 있다. 예를 들면 상기 분할 주입 장치는 관의 수직 단면적을 서로 상이하게 조절하여 강염기성 음이온교환수지탑 및 약염기성 음이온교환수지탑으로 주입되는 각 원수의 양을 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 분할 주입 장치의 강염기성 음이온교환수지탑으로 주입되는 관의 수직 단면적 대 약염기성 음이온교환수지탑으로 주입되는 관의 수직 단면적의 비는 3:7일 수 있다.
예를 들어 강염기성 음이온교환수지탑으로 주입되는 원수 대 약염기성 음이온교환수지탑으로 주입되는 원수의 비율은 3:7일 수 있다. 상기 원수를 상기 비율로 분리되어 주입될 때, 강 알칼리수를 전기분해하는 제1 전해조부(310)에서 제1 산화 전극(311) 및 제1 환원 전극(313)이 제2 전해조부(320) 보다 먼저 훼손되어 이들을 포함하는 알칼리 전해액 제조장치의 수명이 감소되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들어, 강염기성 음이온교환수지로는 트리메틸암모늄기를 가진 DIAION SA10A, SA11A, SA12A수지와 디메틸에탄올암모늄기를 가진 DIAION SA20A, SA21A수지 및 Amberlite IRA400, Amberlite IRA402, AmberliteIRA410, Amberlite IRA411이 이용될 수 있다.
예를 들어, 약염기성 음이온교환수지로는 아크릴계의 DIAION WA10, WA11과, 스틸렌계의 WA20, WA21, WA30수지 및 Ambelite 1R45, Ambelite 1R4B등이 이용될 수가 있다.
예를 들어, 여과공정부(100)를 통해 여과된 원수(예를 들어, 지하수 혹은 수도수)를 상기 강염기성음이온교환수지탑에 제공하여 강염기성 음이온 교환수지를 통해 탈 음이온화된 pH 9.5 ~ 13.0의 강알칼리수를 획득할 수 있다. 예를 들어, 여과공정부(100)를 통해 여과된 원수(예를 들어, 지하수 혹은 수도수)를 상기 약염기성음이온교환수지탑에 제공하여 약염기성 음이온 교환수지를 통해 탈음이온화된 pH 7.2 ~ 9.5의 약알칼리수를 획득할 수 있다.
전해액 발생부(300)는 pH 9.5 ~ 13.0의 강알칼리수 및 pH 7.2 ~ 9.5의 약알칼리수를 각각 전기 분해하기 위한 제1 전해조부(310) 및 제2 전해조부(320)를 포함한다.
탈 음이온화된 알카리수는 전해조부(310)로 보내어져, 전기분해를 통하여 음극에서 발생한 수소를 pH 9.5~13.0의 강알칼리수 또는 pH 7.2~9.5의 약알칼리수에 용해하여 pH 9.5~13.0의 강알칼리전해액과와 pH 7.2~9.5의 약알칼리전해액을를 얻는다.
일반적으로, 물을 전기 분해하면,
산화 전극에서는 H2O → 1/2 O2 + 2H+ + 2e-의 반응이 일어나고,
환원 전극에서는 2H2O + 2e- → H₂ + 2OH-의 반응이 일어나게 된다.
따라서, 산화 전극에서는 산소(O2)가 발생하나, 환원 전극에서는 수소(H2)가 발생하여 0.1PPM 이상의 용존수소가 함유된 전해액을 얻을 수 있고, 동시에 산화 전극에서는 수소이온이 환원 전극에서는 수산화이온이 발생한다.
상기 수소이온은 물을 산성으로, 상기 수산화이온은 물을 알카리성으로 변화시키지만 이들은 동일한 양으로 존재하므로 물의 수소이온농도(pH)는 전체적으로 변화하지 않는다.
그러나, 본원 알칼리 전해액 전조 장치는 강염기성 음이온 교환수지를 사용하여,
R-OH형 + Cl-1 -> R-Cl형 + OH- 또는 R-OH형 + SO4 -2 -> R-SO₄형+ 2OH- 로 되어, OH- 이온 때문에 물은 pH=9.5~14의 알칼리 수를 얻을 수 있게 된다.
또한, 약염기성 음이온교환수지를 사용하면,
R-OH형 + CO3 -2 -> R-CO3형 + OH- 또는 R-OH형 + HCO3 - -> R-HCO3형 + OH-로 되어, OH-이온 때문에 물은 pH = 7.2~9.5의 알칼리 수를 얻을 수 있게 된다.
종래 기술의 경우, 이렇게 만들어진 물 pH=7.2 ~ 9.5의 알칼리수와 pH=9.5 ~13의 알칼리수를 이용하여, 전해액을를 제조하는 물로 사용함으로서, 그동안 전해액을를 제조하는 데에 있어서 가장 문제가 되었던 CaCO₃와 같은 불용성 물질의 생성으로 인한 수소 가스의 흡착 응축 설비인 활성탄 다공질체 흡착장치의 기능이 떨어지는 것을 방지할 수가 있었다. 그러나 전해조부에 알칼리수가 도입됨에 따라, 제조된 알칼리수에 포함된 수소이온 온도가 증가함에 따라, 전해조부에 포함된 산화 전극 및 환원 전극이 손상되는 문제가 발생하였으며, 이로 인해 알칼리 전해액 제조 장치의 수명이 급격하게 감소되는 문제가 존재하였다.
이에, 본원 알칼리 전해액 제조 장치는 산화 전극 및 환원 전극의 표면 외측 상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 그래핀; 및 상기 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 특정 화학식을 만족하는 2종 이상의 금속화합물을 포함하는 코팅층을 포함하여, 전기 분해 효율을 저하시키지 않으면서도, 전해액 제조 장치의 수명을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 제1 전해조부(310)는 제1 산화 전극(311) 및 제1 환원 전극(313)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 전해조부(320)는 제2 산화 전극(321) 및 제2 환원 전극(323)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 제1 산화 전극(311) 및 제2 산화 전극(321)은 제1 산화 전극(311) 및 제2 산화 전극(321)의 표면 외측 상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 제1 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 금속화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 제2 금속화합물을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
TiaOb
<화학식 2>
TiO2
상기 화학식 1 중,
a는 1이고, b는 1 초과 2 미만의 유리수이다.
예를 들면, 제1 환원 전극(312) 및 제2 환원 전극(322)은 제1 환원 전극(312) 및 제2 환원 전극(322)의 표면 외측 상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 제2 그래핀; 및 상기 제2 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 하기 화학식 3로 표시되는 제3 금속화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 제4 금속화합물을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다.
<화학식 3>
CrcOd
<화학식 4>
Cr2O3
상기 화학식 3 중,
c는 2이고, d는 2 초과 3 미만의 유리수이다.
제1 산화 전극(311), 제1 환원 전극(312), 제2 산화 전극(321), 제2 환원 전극(322) 및 이들의 각 표면의 외측 상에 배치된 코팅층에 대해서는 후술한다.
예를 들면, 흡착부(400)는 전기 분해를 통하여 환원 전극에서 발생한 전해액을 흡착 응축하는 다공질체의 전해액농축흡착물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 흡착부(400)는 전기 분해를 통하여 제1 환원 전극(313)에서 발생한 제1 전해액을 흡착 응축 설비인 제1 흡착부 및 전기 분해를 통하여 제2 환원 전극(323)에서 발생한 제2 전해액을 흡착 응축 설비인 제2 흡착부 다공질체의 농축흡착물을 포함하여 구성하게 된다.
본 발명에서는 전기분해로 생성된 수소가 금방 물 또는 대기로 방출 소멸되는 것을 방지하기 위하여, 흡착부(400)로 보내어 흡착부에 포함된 농축흡착부가 수소를 실리카 구조물과 카본이 주성분인 활성탄 분말 또는 섬유상을 압축하여 블록화하여 수소를 물속에서 저장이 가능토록 하였으며, 이 밖에도 마그네슘을 주원료로 판, 입자상 및 알맹이로 만들어 일정용기에 넣고 물을 접촉하여 수소를 발생하도록 하였다.
예를 들어, 제1 전해조부(310) 및 제2 전해조부(320)는 전기적 성질을 가진 이온만 통과할 수 있는 격막에 의해 산화 전극실과 환원 전극실으로 구분되어 있다.
제1 전해조부(310) 및 제2 전해조부(320)에 각각 상기 탈음이온화된 알카리수를 채우고, 전기분해를 시작하면, 전해 용기의 내부에 전해 가스가 충만하고, 이 가스압에 의해 전해 가스가 농축흡착부의 내부에 충전되어, 무수한 작은 공간에 저장된다.
상기 상태에서, 급수용 밸브를 개방하면, 알칼리수가 전해조의 내부에 도입되고, 농축흡착부의 수로를 흐르는 과정에서, 전해 가스의 기포를 빨아들이고, 수소 가스를 용해하여 전해액을를 고농도를 유지하도록 한다.
농축된 알칼리 전해액은 pH에 따라서 강알칼리 저장조(510)와 약알칼리 저장조(520)에 각각 분리 저장된다.
상기 전해액은 pH에 따라서 강알칼리저장조(510)와 약알칼리저장조(520)에 분리 저장되며, 산화 전극실에서 생성된 산소는 산소토출구를 통해 외부로 배출되며, 산성수(pH 1~6)는 별도의 산성수 저장조에 저장되어 진다.
예를 들면, 전해액저장부(500)는 농축흡착부에 응축된 고농도의 pH 9.5 ~ 13.0의 강알칼리 전해액을 저장하는 제1 저장조(510)와 pH 7.2~9.5의 약알칼리 전해액을 저장하는 제2 저장조(520)를 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 물을 전기분해하여 산소와 수소를 발생하는 전해액발생부(300)와, 상기 전해액발생부(300)로부터 발생한 수소를 용해시켜 전해액을 생성하는 알칼리 전해액 제조장치에 있어서, 미리 전처리 공정으로서, 음이온교환수지를 이용하는 공정을 추가하여 고농도의 전해액을를 지속적으로 대량 생산할 수 있으나, 전해액의 농도가 높아짐에 따라, 전해액발생부(300)에 포함된 산화 전극 및 환원 전극이 쉽게 부식되어 알칼리 전해액 제조 장치의 수명이 감소되는 문제가 존재하였다.
이에, 본원 알칼리 전해액 제조 장치는 산화 전극 및 환원 전극이 분지 구조(branched structure)를 가지는 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 특정 화학식으로 표시되는 금속화합물을 포함하 여 고농도의 전해액으로 인해 전극이 부식되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 제1 전해조부 및 제2 전해조부를 나타내는 계략적인 모식도이다.
도 2를 참고하면, 제1 전해조(310) 및 제2 전해조(320)는 제1 산화 전극(311) 및 제2 산화 전극(321)의 각 표면 외측상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 제1 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 금속화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 제2 금속화합물을 포함하는 코팅층(312, 322)을 각각 포함할 수 있다.
<화학식 1>
TiaOb
<화학식 2>
TiO2
상기 화학식 1 중,
a는 1이고, b는 1 초과 2 미만의 유리수이다.
예를 들면, 상기 제1 그래핀은 평면 구조를 가지며, 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물은 상기 분지된 구조 내에 분포되며, 상기 평면 구조는 서로 접촉하는 복수의 그래핀 입자를 포함할 수 있다.
예를 들면, 제1 산화 전극(311) 및 제2 산화 전극(321)이 제1 그래핀, 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물을 포함하는 코팅층(312, 322)을 각각 포함하는 경우, 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물에 의해 제1 산화 전극(311) 및 제2 산화 전극(321)이 훼손되는 것을 방지하면서도, 제1 그래핀에 의해 전기 분해 효율이 저하되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들면, 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물은 고농도의 전해액이 산화 전극와 접촉하는 비율을 감소시켜, 산화 전극이 훼손되는 것을 방지하며, 그래핀은 우수한 전기도도를 통해 전기 분해 효율이 저하되는 문제를 효과적으로 보완할 수 있다.
예를 들면, 제1 산화 전극(311) 및 제2 산화 전극 상(321)에 코팅층(312, 322)을 형성하기 위하여, 제1 그래핀, 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물을 포함하는 제1 복합체를 형성한 후, 상기 제1 복합체를 상기 산화 전극 상에 도포한 후 소정의 온도로 가열하여 코팅할 수 있다.
예를 들면, 상기 소정의 온도는 코팅층을 형성하기에 적절한 온도이면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 120 내지 200℃일 수 있다.
예를 들면 상기 제1 복합체는 TiO2로 표시되는 제2 금속화합물에 탄소 공급원 기체로 이루어진 반응 가스를 공급하고 열처리하는 단계 이후에 질소, 헬륨 및 아르곤으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 불활성 기체를 이용한 냉각 단계를 더 거쳐 제조될 수 있다.
예를 들면, 냉각 단계는 상온(20 내지 25℃)으로 조절하는 단계를 말한다. 탄소 공급원 기체는 질소, 헬륨, 아르곤으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 불활성 기체를 포함할 수 있다.
예를 들어 TiO2로 표시되는 제2 금속화합물이 배치된 반응기에 먼저 메탄을 공급하고 열처리온도(T)까지 승온 처리할 수 있다. 열처리 온도(T)까지의 승온 시간은 10분 내지 4시간이고 열처리온도(T)는 700 내지 1100℃ 범위일 수 있다. 열처리온도(T)에서 반응 시간 동안 열처리를 실시할 수 있다. 반응시간은 예를 들어 4 내지 8시간일 수 있다. 열처리된 결과물을 상온으로 냉각시켜 복합체를 제조할 수 있다. 열처리온도(T)에서 상온까지 냉각하는 과정에 걸치는 시간은 예를 들어 1 내지 5시간일 수 있다.
탄소 공급원 기체는 예를 들어 메탄; 메탄과 이산화탄소의 혼합 기체; 또는 메탄과, 이산화탄소와 수증기의 혼합기체일 수 있다. 메탄과 이산화탄소의 혼합 기체에서 메탄과 이산화탄소의 몰비는 1 : 0.2 : 2.5 이다.
상술한 탄소 공급원 기체의 기상 반응을 통하여 TiO2로 표시되는 제2 금속화합물 및 그 환원 생성물인 TiaOb(a는 1이고, b는 1 초과 2 미만의 유리수임)로 표시되는 제1 금속화합물을 포함하는 복합체가 얻어진다.
제1 전해조(310) 및 제2 전해조(320)는 제1 환원 전극(313) 및 제2 환원 전극(323)의 각 표면 외측상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 제2 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 하기 화학식 3로 표시되는 제3 금속화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 제4 금속화합물을 포함하는 코팅층(312, 322)을 각각 포함할 수 있다.
<화학식 3>
CrcOd
<화학식 4>
Cr2O3
상기 화학식 3 중,
c는 2이고, d는 2 초과 3 미만의 유리수이다.
예를 들면, 상기 제2 그래핀은 구형 구조가 응집된 클러스터 구조를 가지며, 상기 제3 금속 화합물 및 상기 제4 금속 화합물은 클러스터 구조 내에 분포되며, 상기 구형 구조 및 상기 클러스터 구조는 서로 접촉하는 복수의 그래핀 입자를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 산화 전극과 달리 환원 전극은 티타늄 산화물이 아닌 크롬 산화물을 포함함으로써, 환원 전극의 보호 특성이 보다 향상될 수 있다.
예를 들면, 상기 산화 전극과 달리 환원 전극의 표면 상에 배치되는 제2 그래핀은 평면 구조가 아닌 구형 구조가 응집된 클러스터 구조를 가지므로, 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 금속 화합물 및 상기 화학식 4로 표시되는 제4 금속 화합물에 의해 환원 반응 효율이 저하되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들면, 제2 그래핀, 제3 금속 화합물 및 제4 금속 화합물을 포함하는 코팅층을 제1 환원 전극(313) 및 제2 환원 전극(323) 상에 코팅층을 형성하는 방법은 제1 산화 전극(311) 및 제2 산화 전극(321) 상에 코팅층을 형성하는 방법과 동일하게 제2 그래핀, 제3 금속 화합물 및 제4 금속 화합물을 포함하는 복합체를 제조한 후, 이를 제1 환원 전극(313) 및 제2 환원 전극(323) 상에 도포한 후 이를 소정의 온도로 가열하여 수행될 수 있다.
예를 들면, 환원 전극의 표면에 코팅되는 복합체는 Cr2O3로 표시되는 제3 금속화합물이 배치된 반응기에 먼저 수소를 공급하고 열처리온도(T)까지 승온 처리할 수 있다. 열처리 온도(T)까지의 승온 시간은 10분 내지 4시간이고 열처리온도(T)는 700 내지 1100℃ 범위일 수 있다. 열처리온도(T)에서 일정 반응 시간 동안 열처리한 후 메탄 가스를 공급하고 잔여 반응 시간 동안 열처리를 실시할 수 있다. 반응시간은 예를 들어 4 내지 8시간일 수 있다. 열처리된 결과물을 상온으로 냉각시켜 복합체를 제조할 수 있다. 냉각하는 과정에서 질소를 공급한다. 열처리온도(T)에서 상온까지 냉각하는 과정에 걸치는 시간은 예를 들어 1 내지 5시간일 수 있다.
본 발명의 전처리 공정은 일반적인 전기 분해에 의한 전해액의 제조 방법에는 모두 적용이 가능한 공정의 발명이다.
이하 제조예와 실험예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 아래 실시예는 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위한 것이며, 어떠한 경우라도 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.
<산화 전극 및 환원 전극의 제조>
TiO
2
및 그래핀의 복합체
TiO2 입자를 반응기 내에 위치시킨 다음, 반응기 내로 CH4를 약 300sccm, 1atm에서 약 30분 동안 공급한 조건에서 반응기 내부 온도를 1000℃로 상승시켰다.
이어서 상기 온도에서 7시간 동안 유지하여 열처리를 수행하였다. 이어서 반응기 내부 온도를 상온(20 내지 25℃)으로 조절하여 TiO2 입자 및 그 환원 생성물인 TiOx (1<z<2) 입자가 그래핀에 매립된 복합체를 얻었다.
SEM을 통해 상기 TiO2 및 그래핀의 복합체를 관찰하면, TiO2 및 그래핀의 복합체는 평면 구조를 가지고 있었다.
Cr
2
O
3
및 그래핀의 복합체
Cr2O3 입자를 반응기 내에 위치시킨 다음, 반응기 내로 H2를 약 300sccm, 1atm에서 약 30분 동안 공급한 조건에서 반응기 내부 온도를 1000℃로 상승시켰다.
이어서 상기 온도에서 CH4 약 300sccm, 1atm에서 약 30분 동안 공급하면서, 7시간 동안 유지하여 열처리를 수행하였다. 이어서 반응기 내부 온도를 상온(20 내지 25℃)으로 조절하여 Cr2O3 입자 및 그 환원 생성물인 Cr2Oz (2<z<3) 입자가 그래핀에 매립된 복합체를 얻었다.
SEM을 통해 상기 Cr2O3 및 그래핀의 복합체를 관찰하면, Cr2O3 및 그래핀의 복합체는 구형 구조가 응집된 클러스터 구조를 가지고 있었다.
TiO
2
및 그래핀의 복합체가 코팅된 산화 전극
상기 TiO2 및 그래핀의 복합체를 산화 전극 표면에 산화 전극 전체 중량의 5중량%가 되도록 도포하였다.
이어서, 90℃로 가열하여 상기 TiO2 및 그래핀의 복합체가 코팅된 산화 전극을 제조하였다.
Cr
2
O
3
및 그래핀의 복합체가 코팅된 산화 전극
상기 Cr2O3 및 그래핀의 복합체를 산화 전극 표면에 산화 전극 전체 중량의 5중량%가 되도록 도포하였다.
이어서, 90℃로 가열하여 상기 Cr2O3 및 그래핀의 복합체가 코팅된 산화 전극을 제조하였다.
TiO
2
및 그래핀의 복합체가 코팅된 환원 전극
상기 TiO2 및 그래핀의 복합체를 환원 전극 표면에 환원 전극 전체 중량의 5중량%가 되도록 도포하였다.
이어서, 110℃로 가열하여 상기 TiO2 및 그래핀의 복합체가 코팅된 환원 전극을 제조하였다.
Cr
2
O
3
및 그래핀의 복합체가 코팅된 환원 전극
상기 Cr2O3 및 그래핀의 복합체를 환원 전극 표면에 환원 전극 전체 중량의 5중량%가 되도록 도포하였다.
이어서, 110℃로 가열하여 상기 Cr2O3 및 그래핀의 복합체가 코팅된 환원 전극을 제조하였다.
실험예 1
지하수를 모래탑으로 여과한 후 강염기성 음이온교환수지인 DIAION SA21A수지탑에 SV 40으로, 약염기성 음이온교환수지인 DIAION WA20수지탑에 SV 30으로 통탑하여 각각 pH 9.5 ~ 13.0의 물 및 pH 7.5~9.3의 물을 얻었다. 이 경우, 강염기성 음이온 교환수지로 주입되는 여과된 지하수의 주입량 대 염기성 음이온 교환수지로 주입되는 여과된 지하수의 주입량의 비는 7:3 이었다.
pH 9.5 ~ 13.0의 물 및 pH 7.5~9.3의 물을 각각 상기 상기 TiO2 및 그래핀의 복합체가 코팅된 산화 전극을 10g 사용한 제1 전해조 및 제2 전해조에 주입하여, 강알칼리성 전해액 및 약알칼리성 전해액을 제조하였다.
전기분해 반응을 계속 수행하며, 더 이상 전해액이 제조된지 않는 시점까지의 시간을 측정하여, 하기 표 1에 기재하였다.
수명은 후술한 코팅층을 포함하지 않은 전극을 사용한 비교 실험예에서 소요된 시간을 기준으로 상대적으로 소요된 시간을 표시하였다.
실험예 2 내지 7 및 비교 실험예 1 내지 6
상기 산화 전극 및 환원 전극의 종류; 및 강염기성 음이온 교환수지로 주입되는 여과된 지하수의 주입량 대 염기성 음이온 교환수지로 주입되는 여과된 지하수의 주입량의 비를 하기 표 1과 같이 변경한 점을 제외하고 실험예 1과 동일한 방법으로 더 이상 전해액이 제조된지 않는 시점까지의 시간을 측정하여, 하기 표 1에 기재하였다.
하기 표 1에서 TiO2는 TiO2 및 그래핀의 복합체로 코팅된 전극을 의미하며, Cr2O3는 Cr2O3 및 그래핀의 복합체 코팅된 전극을 의미한다.
| 구분 | 지하수 공급비 | 산화 전극 코팅층 |
환원 전극 코팅층 |
수명(%) | |
| 강염기성 음이온 교환수지 | 약염기성 음이온 교환수지 | ||||
| 실험예 1 | 7 | 3 | TiO2 | - | 205 |
| 실험예 2 | 6 | 4 | TiO2 | - | 152 |
| 실험예 3 | 5 | 5 | TiO2 | - | 148 |
| 실험예 4 | 4 | 6 | TiO2 | - | 135 |
| 실험예 5 | 3 | 7 | TiO2 | - | 132 |
| 실험예 6 | 7 | 3 | TiO2 | Cr2O3 | 184 |
| 실험예 7 | 7 | 3 | TiO2 | TiO2 | 162 |
| 비교실험예 1 | 7 | 3 | - | - | 100 |
| 비교실험예 2 | 7 | 3 | - | Cr2O3 | 105 |
| 비교실험예 3 | 7 | 3 | - | TiO2 | 103 |
| 비교실험예 4 | 7 | 3 | Cr2O3 | - | 110 |
| 비교실험예 5 | 7 | 3 | Cr2O3 | Cr2O3 | 120 |
| 비교실험예 6 | 7 | 3 | Cr2O3 | TiO2 | 112 |
위 실시예 데이터를 통하여, TiO2 그래핀 복합체가 코팅된 산화 전극 을 사용할 경우 알칼리 전해액 제조 장치의 수명이 향상됨을 확인할 수 있었다.
또한, 강염기성 음이온 교환수지 및 약염기성 음이온 교환수지로 주입되는 여과된 지하수의 주입량 비가 7:3인 경우, 알칼리 전해액 제조 장치의 수명 특성이 더욱더 향상될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.
Claims (6)
- 물을 전기 분해하여 고농도의 알칼리 전해액을 제공하는 알칼리 전해액 제조장치에 있어서,
원수를 여과 처리하는 여과 공정부;
상기 원수로부터 강알칼리수를 생성하는 강염기성 음이온 교환수지를 포함하는 강염기성 음이온 교환수지탑 및 상기 원수로부터 약알칼리수를 생성하는 약염기성 음이온 교환수지를 포함하는 탈음이온공정부;
상기 강알칼리수를 전기 분해하며, 제1 산화 전극 및 제1 환원 전극을 포함하는 제1 전해조부 및 상기 약알칼리수를 전기 분해하며, 제2 산화 전극 및 제2 환원 전극을 포함하는 제2 전해조부를 포함하는 전해액 발생부;
상기 제1 전해조부의 제1 환원 전극으로부터 발생한 제1 전해액을 응축하여 강알칼리 전해액를 제조하는 제1 흡착부 및 상기 제2 전해조부의 제1 환원 전극으로부터 발생한 제2 전해액을 흡착 응축하여 약알칼리 전해액을 제조하는 제2 흡착부를 포함하는 흡착부; 및
상기 흡착부에 응축된 상기 강알칼리 전해액을 저장하기 위한 제1 저장조 및 상기 흡착부에 응축된 상기 약알칼리 전해액을 저장하기 위한 약알칼리 저장소를 포함하는 전해액저장부를 포함하며,
상기 제1 산화 전극 및 상기 제2 산화 전극의 각 표면 외측상에 배치되며, 분지 구조(branched structure)를 가지는 제1 그래핀; 및 상기 제1 그래핀의 분지 구조 내에 분포되는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 금속화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 제2 금속화합물을 산화 전극 전체
중량의 5중량%가 되도록 포함하는 코팅층을 포함하고,
<화학식 1>
TiaOb
<화학식 2>
TiO2
상기 화학식 1 중,
a는 1이고, b는 1 초과 2 미만의 유리수이다;
상기 제1 환원 전극 및 상기 제2 환원 전극의 각 표면 외측상에 배치되며 분지(branched structure)를 가지는 제2 그래핀; 및 상기 제2 그래핀의 구조 내에 분포되는 하기 화학식 3로 표시되는 제3 금속화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 제4 금속화합물을 환원 전극 전체 중량의 5중량%가 되도록 포함하며,
<화학식 3>
CrcOd
<화학식 4>
Cr2O3
상기 화학식 3 중,
c는 2이고, d는 2 초과 3 미만의 유리수이다;
상기 여과 공정부 및 상기 탈음이온공정부를 연결하며,
상기 여과 공정부로부터 상기 탈음이온공정부에 포함된 강염기성 음이온 교환수지탑 및 약염기성 음이온 교환수지탑 각각으로 주입되는 여과된 원수의 주입량을 조절하는 분할 주입 장치를 더 포함하고,
상기 분할 주입 장치는 강염기성 음이온 교환수지탑으로 주입되는 지하수의 주입량 대 약염기성 음이온 교환수지탑으로 주입되는 지하수의 주입량의 비가 7:3이 되도록 조절하는 것인, 알칼리 전해액 제조 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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