KR102480938B1

KR102480938B1 - 전해수를 전기 화학으로 생성하는 방법

Info

Publication number: KR102480938B1
Application number: KR1020167026071A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 프리다; 토스텐 마티; 바바라 버렌트-프리다; 안드레아 슈미트; 린다 히슈
Original assignee: 콘디아스 게엠베하
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2022-12-23
Also published as: WO2015128076A1; DE102014203374A1; DE102014203374B4; US20160362310A1; KR20160124873A; US10807887B2

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 이온-선택적 멤브레인 (30)에 의해 서로 분리된 애노드 챔버 및 캐소드 챔버를 가진 전극 장치 (10)에 전해수를 전기 화학으로 생성하는 방법에 관한 것이다. 애노드 챔버에는 적어도 하나의 애노드 (2)가 적어도 하나의 측면 상에 접해 있으며, 그리고 캐소드 챔버에는 적어도 하나의 캐소드 (2)가 적어도 하나의 측면 상에 접해 있다. 방법에서, a) 전해액이 위치한 곳에, 물, 특히 증류수 또는 초순수는 애노드 챔버를 통과하고, b) 물, 특히 증류수 또는 초순수는 캐소드 챔버를 통과하고, c) 물, 특히 증류수 또는 초순수는 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버에 혼합되고, 그리고 특히 난류가 일어나며, 그리고 d) 캐소드 챔버에 전해수가 형성되는 방식으로 애노드 및 캐소드에는 전기 전압이 인가된다.

Description

전해수를 전기 화학으로 생성하는 방법 {METHOD FOR ELECTROCHEMICALLY PRODUCING ELECTROLYZED WATER}

본 발명은 전극 장치 내의 전해수 (electrolyzed water)의 전기 화학 생성 방법에 관한 것이고, 또한 그러한 방법을 수행하는 전극 장치에 관한 것이기도 하다.

전해수 또는 알칼리수는 많은 기술 분야, 특히 반도체 기술에서 표면을 깨끗이 하기 위해 현재 사용되고 있다. 상기 전해수를 만들어 내는 전극 장치들은 예를 들어, US 6,565,736 B2 및 US 7,074,316 B2로부터 공지되어 있다. 생성 방법은 예를 들어 논문, Journal clean technology, edition of September 2001, 7 (3), 페이지 215 내지 223에서, "Electrolyzed Water as an alternative for environmentally - benign semiconductor cleaning chemicals"에 매우 명확하게 기술되어 있다.

종래에, 전해수 또는 알칼리수는 이온-선택적 멤브레인들 (ion-selective membranes)에 의해 서로 분리되는 전기분해 셀들 (electrolysis cells)에서 일반적으로 만들어진다. 상기 장치의 캐소드는 제 1 챔버에 위치된다. 추가 셀은 애노드를 포함한다. 종래에, 양 전극들은 예를 들어, 백금 메쉬 (mesh) 전극들 또는 백금 티타늄 전극들로서 구성된다. 애노드 챔버와 캐소드 챔버 사이에는 어떠한 전극도 위치하지 않은 중간 챔버가 위치한다.

애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 초순수 (ultrapure water) 또는 탈이온수로 채워져 있는 반면, 중간 챔버는 유입된 전해액을 포함한다. 전해액들은 물에 이온들로서 용해되며, 그리고 전극들 사이에 인가된 전기 전압에 의한 전계로 이동하며, 그리고 각각 제공된 이온-선택적 멤브레인을 통과하되, 원하는 전해수가 캐소드 챔버에 형성되는 방식으로 통과할 수 있다.

그러나, 분할된 전기 분해 셀 및 이러한 방법 절차의 이러한 분할은 수많은 단점들을 가진다. 특히, 캐소드 챔버에 결과적으로 위치된 촉매 (catalyte)의 탈이온수는 실제 전기 화학 반응 존으로부터 메쉬 전극에 의해 분리된다. 그러므로, 전극에서 형성된 이온들은 특히 확산에 의해 혼합되고, 특히 각각의 다른 이온들과 접촉하여야 한다. 그러나, 전극의 영역에서, 개별적인 챔버들에서 탈이온수의 유속은 추가적인 혼합이 거의 일어나지 않는 방식으로 매우 낮다. 이는 원하는 전해수가 단지 매우 천천히 생성될 수 있음을 의미한다. 추가적인 단점은 백금 전극들 또는 백금 티타늄 전극들의 일반적인 사용이며, 이때 상기 백금 전극들 또는 백금 티타늄 전극들은 캐소드 사용에도 불구하고 시스템이 셧 오프된 후에, 금속 이온들을 현저하게 자유롭게 할 수 있다. 생성 공정은 전해수에 의해 깨끗해져야 하는 반도체 구성요소들에 의해 민감하게 영향을 받는다.

셀 전압을 가능한 한 낮게 달성하기 위하여, 각각의 전극들은 각각의 챔버에 접해 있는 멤브레인의 부근에 배치된다. 우수한 혼합을 달성하기 위하여, 그 후에 각각의 액체가 통과할 수 있는 메쉬 전극들이 단지 사용될 수 있다. 그러나, 이들 전극들은, 덜 효율적인 이온 수율 및 불충분하게 낮은 산화 환원 전위 (redox potential)를 이끌어 내는 유체 역학적 단점들을 가진다.

게다가, 중간 챔버 및 애노드 챔버로부터 빠져나가는 액체가 빈번하게 적절한 방식으로 (logical manner) 추가로 사용될 수 없고, 빈번하게 비싸고 복잡한 방식으로 처리되어야 한다는 점이 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 보다 효율적으로 전해수를 발생시킬 수 있고, 동시에 처리되어야 할 물의 양을 현저하게 줄일 수 있는 방법을 제안하는 것에 있다.

본 발명은 적어도 하나의 이온-선택적 멤브레인에 의해 서로 분리된 애노드 챔버 및 캐소드 챔버를 가진 전극 장치에 전해수를 전기 화학으로 생성하는 방법에 의해 언급된 목적을 달성하고, 이때 상기 애노드 챔버에는 적어도 하나의 애노드가 적어도 하나의 측면 상에 접해 있으며 (bordered), 그리고 상기 캐소드 챔버에는 적어도 하나의 캐소드가 적어도 하나의 측면 상에 접해 있는, 전기 화학 생성 방법에 있어서,

a) 전해액이 위치한 곳에, 물, 특히 증류수 또는 초순수는 상기 애노드 챔버를 통과하고,

b) 물, 특히 증류수 또는 초순수는 상기 캐소드 챔버를 통과하고,

c) 상기 물, 특히 상기 증류수 또는 상기 초순수는 상기 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버에 혼합되고, 그리고 특히 난류가 일어나며,

d) 상기 캐소드 챔버에 전해수가 형성되는 방식으로 애노드 및 캐소드에는 전기 전압이 인가된다.

그러한 방법은 종래 기술로부터 알려진 방법에 비해 수많은 이점들을 가진다. 우선, 전극 장치는 3 개의 별개의 챔버들을 더 이상 가질 필요가 없이, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버가 갖춰진 것으로 충분하다. 적어도 하나의 측면 상에서 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에는 각각의 애노드 또는 캐소드가 경계를 이루고 있기 때문에, 각각의 챔버를 통과한 물은, 종래 기술로부터 알려진 장치들의 메쉬 전극들의 경우와 같은 전극에 의해 실제 전기 화학 반응 존으로부터 더 이상 분리되지 않는다.

게다가, 물은 2 개의 챔버들 중 적어도 하나에 혼합되고, 특히 난류가 일어난다. 이러한 효과는 전기 분해에서 형성된 가스 버블들에 의해 강화된다. 가스 버블들의 부력 (buoyancy) 때문에, 이들은 추가 혼합이 일어나고, 발생된 가스 버블 양은 전류 밀도에 의존한다. 그러므로, 선택된 전류 (전극 장치가 동작됨)가 커질수록, 가스 버블들은 보다 많이 형성되고, 혼합도 더 커지고 양호해진다. 이로부터, 각각의 전극에서 형성된 이온들이, 종래 기술에서 알려진 바와 같이 주로 확산-제어 처리를 통한 경우에서보다 물에서 보다 빠르게 현저히 분배될 수 있다는 결론을 얻는다. 이러한 혼합 덕분에, 인기 있는 "알칼리수"는 상당히 짧은 시간으로 요구된 품질로 형성되고, 이는 이미 제 1 에너지 절약을 달성한다. 또한, 하나의 애노드 챔버 및 하나의 캐소드 챔버만을 가진 2 개 구성요소의 전극 장치만 필요로 하는 점은 전기 에너지의 추가적인 절약을 이끌어낸다. 게다가, 처리될 폐수의 양은 덜 한데, 이는 애노드 챔버를 통해 흐르는 물만이 가능하다면 폐수로서 처리될 필요가 있기 때문이다.

게다가, 본 발명은 애노드 챔버, 캐소드 챔버, 및 상기 애노드 챔버와 상기 캐소드 챔버 사이에 배치되고 이온-선택적 멤브레인에 의해 서로 각각 분리된 중간 챔버를 가진 전극 장치에 전해수 및 오존수를 전기 화학으로 생성하는 방법에 의해 논의가 되고 있는 목적을 달성하고, 이때 상기 애노드 챔버에는 적어도 하나의 애노드가 적어도 하나의 측면 상에 경계를 이루고 있으며, 그리고 상기 캐소드 챔버에는 적어도 하나의 캐소드가 적어도 하나의 측면 상에 경계를 이루고 있는, 전기 화학 생성 방법에 있어서,

a) 물, 특히 증류수 또는 초순수는 상기 애노드 챔버를 통과하고 그리고 상기 캐소드 챔버를 통과하고,

b) 전해액이 위치한 곳에 물, 특히 증류수 또는 초순수는 상기 중간 챔버를 통과하고,

c) 상기 물, 특히 상기 증류수 또는 상기 초순수는 상기 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버에 혼합되고, 특히 난류가 일어나며,

d) 상기 캐소드 챔버에 전해수가 형성되고 상기 애노드 챔버에 오존수가 형성되는 방식으로 애노드 및 캐소드에는 전기 전압이 인가된다.

2 개의 챔버 장치의 에너지 이점이 이러한 장치에 의해 손실되지만, 동시에 캐소드 챔버 내의 원하는 전해수와 더불어 애노드 챔버 내의 오존수는 유사하게 적절히 생성될 수 있고, 청정제 (cleaning agent)로서 그리고 특히 살균제로서 사용될 수 있다. 혼합에 의해, 특히 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버에서 각각의 액체의 난류가 일어남으로써 이들 2 개의 생성물들의 생성에서의 증가된 효율성은 추가로 달성된다. 게다가, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내의 물이 전기 화학 반응 존으로부터 각각의 전극에 의해 더 이상 분리되지 않는 점이 또한 있는데, 이는 이러한 구성에서 또한 종래 기술로부터 알려진 메쉬 전극들이 사용될 필요가 없기 때문이다.

방법의 예시적인 구성에서, 탈염수 (demineralizing water)는 전기분해 셀의 애노드 챔버를 직접 통과한다. 이러한 경우, 대략 14 mA 퍼 (per) cm²의 전류 밀도에 대응하는 대략 2 암페어의 전류 정도에서의 전기 분해에 의해, 애노드에서, 오존은 검출가능하게 발생되고, 물에 용해된다. 이러한 경우에서, 오존 생성은 증가하는 전류에 따라 선형으로 증가한다. 선택된 단위 시간당 발생된 오존 양은 이러한 경우에서 챔버들을 통과한 액체의 체적 유량 (volumetric flow rate)의 크기와는 사실상 관계없다. 모든 경우들에서, 서로 다른 체적 유량들에서, 서로 다른 유체 역학 상태들이 일어나며, 그 결과 가스 오존은 거의 물에서 용해될 수 있다. 보다 높은 체적 유량은 각각의 챔버 내에서 보다 큰 난류들을 일으키고 이로 인해 애노드 표면에서 발생된 오존의 보다 작은 가스 버블들을 일으킨다. 보다 작은 가스 버블들로 인해, 가스 오존과 주변 물 사이의 접촉 면적 또는 경계 면적은 보다 많은 오존이 물에서 용해될 수 있는 방식으로 증가된다.

기설정된 물의 양에서 가능한 한 많은 오존을 용해시키기 위해, 결과적으로, 물의 유속을 감소시켜 이로써 물이 애노드 표면과의 접촉을 가능한 한 오래 유지시키는 것을 확보하는 것이 반드시 바람직한 것으로 아니다. 소정의 환경 하에서, 유속이 보다 커지게 하는 것을 선택하는 것이 보다 합리적이며, 그리고 이로써 오존의 보다 큰 일부가 물에 용해될 수 있다. 이러한 방식으로 충분한 오존 농도가 물에서 달성될 수 없는 경우, 물은 다시 애노드 챔버를 통과될 수 있고, 이로써, 오존 농도는 증가된다. 그러나, 이러한 경우에서, 주목해야 하는 바와 같이 물에서의 오존은 산소로 자연적으로 분해된다.

전극 장치의 실제 구성에 상관없이, 애노드 및/또는 캐소드가 구조체를 가진 전극 표면을 가지되, 각각의 전극 표면과 각각의 챔버의 맞은 편의 측면 사이의 거리가 적어도 하나의 방향으로 반복적으로 증가 및 감소되는 방식으로 가질 시에 이점이 있는 것으로 입증되었고, 상기 구조체는 전극 표면의 적어도 30%, 바람직하게 적어도 50%, 더 바람직하게 적어도 60%, 더 바람직하게 적어도 75%, 및 특히 바람직하게 적어도 90%를 형성하고, 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버 내의 물은 전극 표면의 구조체에 의해 혼합되고, 특히 난류가 일어난다. 이러한 경우에서 구조체는 바람직하게 적어도 0.2 mm의 깊이를 가진다. 이는 챔버의 전극 표면과 맞은 편의 측면 사이의 거리가 저어도 하나의 방향으로 적어도 0.2 mm만큼 반복적으로 증가 및 감소된다는 것을 의미한다.

전극 표면은 여기에서 전극의 실제 표면, 다시 말해 전극 장치의 명시된 사용 동안 액체와 접촉하게 되는 표면을 의미하기 위해 취급된다. 구조체가 예를 들어, 전극 내로 도입된 적어도 하나의 직사각형 그루브인 경우, 이러한 그루부의 바닥 또는 베이스뿐만 아니라 그루브의 측면 벽들도 전극 표면의 일부로서 포함되는데, 이는 그들이 전극 장치의 명시된 사용 동안 액체와 접촉하게 되기 때문이다. 그러므로, 전극 표면은 평면 표면과 비교할 시에 상기 구조체에 의해 증가된다. 이러한 경우에서 구조체는 특히, 동일 외부 치수들을 가진 평면 표면과 비교할 시에 전극 표면적을 증가시키는 모든 것, 특히 높은 곳들 (elevations) 및/또는 움푹한 곳들 (depressions)을 의미하는 것으로 취급된다. 전극과 동일한 외부 치수들을 가진 평면 표면은 이하에서 전극의 기저 면적 (basal area)을 나타내고, 그러므로 정의에 의해 어떠한 유형의 구조체들도 가지지 않는다.

애노드 및/또는 캐소드의 전극 표면들의 이러한 구성에 의하여, 각각의 챔버 내의 액체의 충분한 혼합은 이미 별도의 구성요소들, 예를 들어 필요한 고정형 난류 발생기들 (static turbulators) 등 없이 이미 달성된다. 그 결과, 우선적으로 필요한 구조적 요소들의 수는 감소되며, 그리고 둘째로, 전기분해에 대해 이용가능한 전극 표면적은 효율적으로 증가가 달성되는 방식으로 증가된다. 그렇게 함으로써 예를 들어, 확산 등의 질량 이동 현상 (mass transport phenomena)이 전기 화학 효율성을 제한시키는 것으로 간주되지 않게 하기 위하여 필요한, 충분한 혼합 및 난류가 달성된다. 이러한 경우에 애노드 및 캐소드는 동일하거나 그렇지 않으면 서로 다른 구조체들로 형성될 수 있다. 이들은 추가로 동일하거나 서로 다른 물질들로 만들어질 수 있다.

이러한 경우에서 전극 표면에서의 구조체는 전극 표면과, 전극 맞은 편의 측면 상의 연속-흐름 챔버에 접해 있는 제 2 측면 사이의 거리가 적어도 하나의 방향을 따라 반복적으로 증가 및 감소되는 방식으로 구성된다. 이러한 적어도 하나의 방향은 예를 들어, 흐름-통과 (flow-through) 방향일 수 있다. 구조체는 임의의 원하는 형상들을 사실상 가질 수 있는 다수의 오목부들을 바람직하게 포함한다. 서로 동일하거나 서로 다르도록 구성될 수 있는 복수의 오목부들이 계속하여 적어도 하나의 방향을 따라 배치되는 경우, 이는, 전극 표면과 연속-흐름 챔버의 제 2 측면 사이의 거리가 반복적으로 증가 및 감소되는 원하는 효과를 이끌어 낸다.

상기 거리가 단지 이러한 한 방향보다 많은 방향으로 반복적으로 증가 및 감소될 시에 이점이 있는 것으로 입증되었다. 바람직한 실시예에서, 전극 표면에는, 전극 표면과 연속-흐름 챔버의 맞은 편의 제 2 측면 사이의 거리가 전극 표면과 평행하게 뻗어나간 각각의 방향으로 반복적으로 증가 및 감소되는 것을 확보하는 구조체가 구비된다. 이러한 경우에서, 또한 전극 표면이 맞은 편의 측면 벽과 접촉되는 방식으로 거리가 제로가 되는 영역들이 있는 것을 생각해 볼 수도 있다. 이러한 경우에서, 전극 장치의 2 개의 전극들 사이의 전기 절연이 여전하게 유지되는 것은 매우 중요하다. 전극 표면과 맞은 편의 제 2 측면 사이의 공간이 제로로 되는 영역들은 예를 들어 선형 방식으로 배치될 수 있거나, 또는 연속-흐름 챔버에 걸쳐 아일랜드-방식으로 분배될 수 있다. 구조체 및 또한 구조체를 형성하는 구조적 요소들의 실제로 선택된 형상은 이러한 경우에 원하는 반응들, 선택된 액체들에, 그리고 또한 요구된 유동 체적들 및 인가된 전기 전압들에 그리고 전기 전류에 의존한다.

이미 기술된 바와 같은, 구조체는 이러한 출원의 정황에서 다수의 구조적인 요소들로 구성될 수 있고, 그러므로 전극 표면과 연속-흐름 챔버의 맞은 편의 측면 사이의 거리가 변화되고, 다시 말해, 그러므로 적어도 하나의 방향을 따라 반복적으로 증가 및 감소되는 전극 표면의 일부를 의미하도록 취급된다.

여기에서 기술된 바와 같은 전극 장치들에서, 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버는 각각의 전극에 의해 적어도 하나의 측면 상에 접해 있다. 이는, 특히 이들 챔버들에서, 예를 들어 종래 기술로부터 알려진 천공된 전극들의 경우와 달리, 액체의 흐름-통과 방향이 전극 표면과 평행하게 이어진다는 것을 필연적으로 분명하게 의미한다.

애노드 표면 및/또는 캐소드 표면에서의 구조체는 예를 들어 가변 폭 및/또는 깊이를 가질 수 있는 다수의 오목부들 또는 그루브들 또는 릴들 (rills)을 바람직하게 가진다. 이들은 정의된 폭 및 깊이를 가진 채널들일 수 있고, 여기에서 또한 폭 및/또는 깊이는 각각의 채널들의 코스에서 변화할 수 있다. 또한, 일정한 폭 및 깊이를 가진 채널들이 가능하다. 채널들은 서로 평행하거나, 바람직하게 90°각도로 서로 교차하여 배치될 수 있거나, 또는 예를 들어, 파도 형상으로 또는 곡선으로 배치될 수 있다. 개별적인 오목부들, 릴들, 그루브들 또는 채널들 사이의 거리들은 전체 전극 표면에 걸쳐 등거리가 되도록 또는 변화되도록 선택될 수 있다. 이로써, 예를 들어, 각각의 전극 표면의 다른 영역들에 있는 경우보다 구조체를 형성하는 요소들이 애노드 및/또는 캐소드의 전극 표면의 일부 영역들에 많이 존재할 시에 이점이 있을 수 있다. 이러한 방식으로, 목표가 된 방식으로, 각각의 챔버들을 통해 흐르는 액체의 난류 및 우수한 혼합을 가진 영역들이 달성되어, 잔잔한 층류 (calm and laminar flow)의 영역들과 번갈아 나타난다. 바람직한 실시예에서, 구조체는 특히 서로 겹쳐질 수 있고, 예를 들어 구형 표면 세그먼트들의 형상으로 형성될 수 있는 다수의 오목부들을 가진다. 결과적으로 이들은 오목부들이고, 이때 상기 오목부들에서 애노드 및/또는 캐소드의 전극 표면은 구형 표면 세그먼트 방식으로, 바람직하게 내부 방향으로 곡선화되고, 다시 말해 전극 맞은 편의 각각의 챔버의 벽으로부터 멀어지는 방향으로 곡선화된다. 복수의 오목부들이 서로 겹쳐지는 경우, 이는 각각의 오목부를 둘러싼 각각의 경계선이 원형이 아니라는 것을 의미한다. 게다가, 상기와 같은 라인은 일정한 평면으로 이루어져 있지 않다. 명백하게, 구형 표면 세그먼트 형상으로 구성되는 것이 아니라, 예를 들어 다각형, 포물면 또는 불규칙한 형상을 가지는 오목부들 역시 생각해볼 수 있다. 여기에서 또한, 결과적으로 정의된 구역 섹션에서 보다 많은 오목부들이 이용가능한 오목부 밀도가 큰 영역들은 오목부 밀도가 낮은 영역들 (단위 면적당 오목부들의 수가 보다 작음)과 번갈아가며 나타날 수 있다. 또한 이러한 방안에 의해, 각각의 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버의 내부에서의 흐름은 영향을 받을 수 있고, 목표가 된 방식으로 원하는 파라미터들로 설정될 수 있다.

방법의 바람직한 실시예에서, 서로 다른 수량 (volume of water)은 전극 장치의 서로 다른 챔버들을 통과한다. 특히 음극액 플럭스 (catholyte flux)가 전기 화학적으로 활성 전극 표면들 상에서 직접 진행하고, 바람직하게 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 둘 다에서 액체의 충분하고 우수한 혼합 및 난류가 일어나기 때문에, 각각의 챔버들에 유동 체적들을 서로 매칭시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 애노드 챔버에서, 전해액과 함께 혼합된 상대적인 소량의 물에서 이온들 및 반응 생성물들의 수 및 밀도를 생성하는 것은 가능하며, 그러므로 이때 상기 이온들 및 반응 생성물들은 캐소드 챔버에 존재되어야 하고, 원하는 품질로 전해수의 생성에 필요하다. 그에 이어, 가능하다면 단위 시간당 현저하게 작은 양의 액체가 원하는 전해수가 생성되는 캐소드 챔버에 있는 경우보다 애노드 챔버를 통과될 필요가 있다.

이 경우에서 이점을 가지는 것으로 입증된 바와 같이, 캐소드 챔버 또는 애노드 챔버 각각을 통과할 시에, 물은 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버 각각을 많이, 특히 2 번 초과, 바람직하게 5 번 초과, 특히 바람직하게 10 번 초과를 통과한다. 또한, 전해수가 캐소드 챔버에 형성되고 오존수가 애노드 챔버에 형성되는 방식으로, 본 발명의 추가 예시적인 실시예에 따른 방법이 사용될 시에, 전극 장치의 서로 다른 챔버들을 통해 서로 다른 액체 양을 지나가게 하는 것이 이점을 가진다. 이러한 경우에서, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버가 원하는 최종 생성물의 생성을 위해 사용되기 때문에, 보다 높은 유동 체적 (flow volume)이 (예를 들어 그 경우에 중간 챔버에 있는 것보다) 애노드 챔버뿐만 아니라 캐소드 챔버에서 확보되었을 시에 이점을 가지며, 이때 상기 중간 챔버에는 이러한 경우에 전해액과 혼합된 초순수가 도입된다. 이러한 방식으로, 사용된 전극 장치 및 방법에 관계없이, 가능하다면 비싸고 복잡한 방식으로 처리되어야 하는 폐수 체적을 과감하게 줄이는 것이 가능하고, 그 결과 비용 및 에너지 소비는 낮아지며, 동시에 환경적으로 만족감 (acceptability)은 증가된다.

바람직하게, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 다양한 전극들은 서로 다른 구조체들을 가진다. 그 결과, 2 개의 챔버들에서 동일하거나 적어도 사실상 동일한 압력에서, 서로 다른 액체 체적들이 각각의 챔버들을 통과할 수 있는 방식으로, 개별적인 챔버들이 서로 다른 체적들을 가지는 것은 가능하다.

바람직하게, 전해액은 암모늄 이온들을 형성하며, 그리고 바람직하게 수산화암모늄이다. 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버를 통과한 물이 각각의 챔버를 다수 번, 특히 2 번을 통과할 시에 이점을 가지는 것으로 입증되었다. 이러한 방식으로, 각각의 물은 보다 크게 농축된 전해수 또는 보다 크게 농축된 오존수가 각각의 다른 챔버들을 통한 유동 체적 없이 증가되는 것으로 달성될 수 있는 방식으로, 농축될 수 있다. 그 결과, 사실상 서로 완전히 무관하게, 애노드 챔버에서의 오존수 및 캐소드 챔버에서의 전해수의 만들어진 농도들을 설정할 수 있는 것은, 전극 장치의 3 개의 챔버 변형물의 경우에서, 처리되어야 하는 폐수의 양을 과감하게 증가시킴 없이, 특히나 가능하다. 명백하게, 이러한 이점은 또한 연속되게 배치된 복수의 애노드 챔버들 또는 캐소드 챔버들 각각을 사용하여 달성될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 방법을 수행하는 전극 장치에 의해 추가로 논의가 되고 있는 목적을 달성하고, 이때 애노드 및/또는 캐소드는 각각의 챔버를 통해 흐르는 물을 혼합시켜 특히 난류를 일으키는 전극 표면에서의 구조체를 가진다. 그러한 전극 장치의 경우에서, 애노드 및 캐소드가 서로 다른 구조체들을 가질 시에 이점이 있는 것으로 입증되었다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 유동 체적, 원하는 농도 및 사용된 이온들에 의존한 각각의 요구들 및 요건들에 전극 표면들을 맞추는 것은 가능하다.

애노드 및 캐소드가 다이아몬드 전극들일 시에 이점이 있는 것으로 입증되었다. 다이아몬드 전극들은 원칙적으로 종래 기술로부터 알려져 있고, 그리고 3 차원 기본 본체 (three-dimensional base body)의 표면 상에서 미세 결정체의 다이아몬드 층을 가진다. 전기 화학 반응들이 전위 제어 하에 진행되고, 예를 들어 금속, 흑연 또는 혼합된 산화물 전극들에 존재하는 종래의 촉매 반응적인 활성 전극 물질에서, 대향 (counter) 전극에 대해 전극 표면에서의 전계의 발달은 구조체에 의해 영향을 받는다. 전계의 강도는 전해액 이온들의 공간적으로 동질하지 않은 형성이 일어나는 방식으로, 각각의 전극의 표면을 따라 결과적으로 변화한다. 상기 물질들이 본 명세서에 기술된 장치에 적절하고 본 명세서에 기술된 방법을 수행하는데 적절할 시에도, 다이아몬드 전극들은 이들 물질들에 대해 선호되어야 한다. 다이아몬드 전극들은 다결정체의 다이아몬드 층이 도포된 기판, 예를 들어 실리콘으로 구성된 기본 본체를 가진 전극들이다. 이들 비-촉매 반응적인 활성 전극들은, 구조화됨에도 불구하고, 전계의 균질한 분배가 전극의 표면에서 일어나는 방식으로 전류 제어 하에 동작될 수 있다. 그러므로, 이러한 방식으로 본 발명의 이점들은 단점들 없이, 현저하게 동질하지 않은 영역 (field) 분배 및 수반된 동질하지 않은 이온 발생이 일어남으로 인하여 구현된다.

게다가, 본 명세서에 기술된 실시예의 경우에서, 멤브레인들은, 예를 들어 종래 기술의 메쉬 전극들에 있는 경우보다 큰 표면적에 걸쳐 전극들에 인접한다. 그러므로, 우선적으로, 전극과 멤브레인 사이의 접촉이 개선되며, 그리고 두 번째로 이들이 노출된 멤브레인의 열 및/또는 기계 부하가 감소된다.

본 발명의 예시적인 실시예는 이하의 첨부 도면의 도움으로 보다 상세하게 설명될 것이며, 도면에서:
도 1a 내지 1d는 서로 다른 시야로 바라본 본 발명의 예시적인 제 1 실시예에 따른 전극 장치에 대한 전극을 도시한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 예시적인 추가 실시예에 따른 전극 장치를 통한 2 개의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 추가 예시적인 실시예에 따른 방법에 대한 전극 장치의 개략적이 이미지를 도시한다.

도 1a는 보이는 전극 표면 (4)을 구비한 전극 (2)을 도시한다. 전극 표면 (4)은 다수의 오목무들 (6)을 가지며, 이때 상기 오목부들은 도시된 예시적인 실시예에서 구형 표면 세그먼트 형상으로 구성된다. 오목부들 (6)은 서로 전극 표면 (4)의 구조체 (8)를 형성한다. 볼 수 있는 바와 같이, 개별적인 오목부들 (6)은 서로 겹쳐지게 되어, 이로써, 도 1a에 도시된 오목부들 (6)의 경계 라인들은 정확하게 원형이 되지 않는다.

도 1b는 전극 (2)을 측면도로 도시한 것이다. 측면도에서 서로 다른 깊이들로 도시되고 인접하게 배치된 개별적인 오목부들 (6)이 보일 수 있다. 개별적인 오목부들 (6) 사이에는 전극 표면 (4)이 어떠한 오목부들 (6)도 없는 영역들이 있다. 전극 (2)은 이미 나타낸 바와 같은 이점들을 가진 다이아몬드 전극이 바람직하다.

도 1c는 도 1a의 라인 A-A을 따른 단면 이미지이다. 본 명세서에서 볼 수 있는 바와 같이, 개별적인 오목부들 (6)은 서로 겹쳐지게 되어, 이로써, 2 개의 인접한 오목부들 (6) 사이에 형성된 구조체들은 예를 들어 오목부들 (6)의 2 개의 인접한 라인들 사이에 존재하는 바와 같이, 전극 표면 (4)의 전체 높이에 이르지 않는다.

도 1d는 다수의 오목부들 (6)을 가진 전극 (2)의 개략적인 3D 도면을 도시한다. 분명하게, 오목부들 (6)은 또한 서로 다른 기하학적인 형태를 가질 수 있고, 규칙적으로 배치될 필요는 없다.

도 2a 및 2b는 하우징 (12)에 배치된 전극 장치 (10)를 단면으로 통과한 이미지들을 도시한다. 하우징 (12)은 나타낸 예시적인 실시예에서, 2 개의 챔버 하우징들 (14)을 포함하고, 이때 상기 챔버 하우징들은 2 개의 커버 판들 (16)에 의해 측면에서 덮여진다. 도 2a는 전극 장치 (10)를 길이 방향으로 통과한 섹션을 도시한다. 2 개의 챔버 하우징들 (14)은 공급부 (22) 및 유출구 (24)를 각각 가지는 것으로 도시될 수 있다. 각각의 측면에 배치된 커버 판들 (16)은 전기 연결부 (20)를 가지며, 상기 전기 연결부를 통하여 전기 전압은 전극들 (2)로 전달될 수 있다. 2 개의 전극들 (2)은 접촉 스프링들 (26) 및 접촉 판들 (28)을 통해 전기 연결부들 (20)로 전기적으로 연결된다. 전극들 (2)에는 이러한 방식으로 전기 전류 및 전압이 공급될 수 있다. 2 개의 전극들 (2) 사이에는 멤브레인 (30)이 있고, 이때 상기 맴브레인은 2 개의 챔버들, 즉 애노드 챔버 및 캐소드 챔버를 서로 분리시킨다.

도 2a에 도시된 전극 장치 (10)는 단지 하나의 애노드 챔버 및 하나의 캐소드 챔버를 가진다. 처리될 액체는 각각의 공급부 (22)를 통해 각각의 챔버 내로 들어가서, 각각의 챔버에 속하는 전극 (2)과 접촉하게 되거나, 전극들 (2)을 통해 만들어진 전계와 적어도 접촉하게 된다. 그 결과, 전기 화학 처리가 수행된다. 그 후에, 각각의 액체는 각각의 유출구 (24)를 통해 다시 빠져나간다. 그러므로, 도 2a에 명확하게 도시되지 않은 2 개의 챔버들은 각각의 전극 (2)에 의해 각각의 외부 측면 상에서 그리고 멤브레인 (30)에 의해 맞은 편의 편의 내부 측면 상에 제한되고, 이때 상기 멤브레인은 특히 바람직하게 이온-선택적 멤브레인일 수 있다.

도 2b는 챔버 하우징들 (14) 및 커버 판들 (16)을 구비한 전극 장치 (10)를 단면으로 통과한 이미지를 도시한다. 여기에서도, 전극들 (2), 접촉 스프링들 (26), 접촉 판들 (28) 및 전기 연결부들 (20)이 도시된다. 멤브레인 (30)은 2 개의 전극들 (2) 사이에서 이어지고, 이때 멤브레인은 도 2b에 또한 존재한 2 개의 챔버들을 서로 분리시킨다.

도 2b에서, 추가로, 보어홀들 (18)은 커버 판들 (16)에 도시되고, 상기 커버 판들을 통하여 보어홀 스크류들 (32)이 커버 판들 (16) 및 챔버 하우징들 (14)을 서로 확실하게 유지시키는 것을 확보하기 위하여 처리된다. 도 2b에서, 구조체 (8)는 전극 표면 (4)을 형성하는 전극 (2)의 각각의 내부 측면에서 도시될 수 있다.

도 3은 전극 장치 (10)를 통한 개략적인 섹션을 도시한다. 전극 장치 (10)는 2 개의 챔버들을 가지고, 이때 상기 2 개의 챔버들 중 좌측 편에 있는 것은 캐소드 챔버 (34)이며, 그리고 우측 편에 있는 것은 애노드 챔버 (36)이다. 캐소드 챔버 (34)에는 탈이온화된 및/또는 탈염된 물이 공급부 (22)를 통해 공급된다. 애노드 챔버 (36)의 공급부 (22)를 통하여 물은 공급되고 이곳에서는 전해액이 위치되고, 이 경우에 상기 전해액은 암모늄 이온들을 형성한다. 캐소드 챔버 (34)와 애노드 챔버 (36) 사이에는 멤브레인 (30)이 위치되고, 상기 멤브레인은 이온에 민감하도록 구성된다.

캐소드 챔버에서, 캐소드 (2)에 의해 공급된 전자들과 더불어 물은 H₂ 분자들 및 OH^- 이온들로 쪼개진다. 다음 것은 여기에 적용된다: 6H₂O+6e^- → 3H₂+6OH^-.

이와 달리, 애노드 챔버 (36)에서, 물은 전자들의 방출로 오존 및 H+ 이온들로 쪼개지고, 이때 상기 전자들은 애노드 (2)에 의해 수용된다. 여기에서 다음의 것이 적용된다: 3H₂O → 6H⁺+O₃+6e^-.

이온-선택적 멤브레인 (30)은 양의 이온들만 멤브레인 (30)을 통과할 수 있는 방식으로 이 경우에 구성된다. 이들은 본 경우에 수소 이온들 H⁺ 및 또한 암모늄 이온들 NH₄ ⁺이다. 이러한 방식으로 캐소드 챔버 (34)의 그리고 애노드 챔버 (36)의 유출구들 (24)에 도시되고 이들 유출구들 (24)을 통해 각각의 챔버를 빠져나가는 조성물들이 형성된다.

2 전극, 애노드, 캐소드 4 전극 표면
6 오목부 8 구조체
10 전극 장치 12 하우징
14 챔버 하우징 16 커버 판
18 보어홀 20 전기 연결부
22 공급부 24 유출구
26 접촉 스프링 28 접촉 판
30 멤브레인 32 스크류
34 캐소드 챔버 36 애노드 챔버

Claims

전기 화학 생성 방법에서,
적어도 하나의 이온-선택적 멤브레인 (ion-selective membrane) (30)에 의해 서로 분리된 애노드 챔버 및 캐소드 챔버를 가진 전극 장치 (10)에 전해수 (electrolyzed water)를 전기 화학으로 생성하는 방법으로서, 상기 애노드 챔버에는 적어도 하나의 애노드 (2)가 적어도 하나의 측면 상에 접해 있으며 (bordered), 그리고 상기 캐소드 챔버에는 적어도 하나의 캐소드 (2)가 적어도 하나의 측면 상에 접해 있으며, 여기서 적어도 하나의 측면 상에서 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에는 각각의 애노드 또는 캐소드가 경계를 이루고 있으며, 여기서 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 전극들은 서로 다른 구조체를 가지며; 여기서 상기 전기 화학 생성 방법은:
a) 전해액이 위치한 곳에, 물은 상기 애노드 챔버를 통과하고,
b) 물은 상기 캐소드 챔버를 통과하고,
c) 상기 물은 상기 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버에 혼합되고,
d) 상기 캐소드 챔버에 전해수가 형성되는 방식으로 애노드 및 캐소드에는 전기 전압이 인가되며,
여기서, 상기 애노드 챔버 및/또는 상기 캐소드 챔버를 통과한 물은 각각의 챔버를 다수 번 통과하는, 전기 화학 생성 방법.
전기 화학 생성 방법에서,
애노드 챔버, 캐소드 챔버, 및 상기 애노드 챔버와 상기 캐소드 챔버 사이에 배치되고 이온-선택적 멤브레인 (30)에 의해 서로 각각 분리된 중간 챔버를 가진 전극 장치 (10)에 전해수 및 오존수를 전기 화학으로 생성하는 방법으로서, 상기 애노드 챔버에는 적어도 하나의 애노드가 적어도 하나의 측면 상에 접해 있으며, 그리고 상기 캐소드 챔버에는 적어도 하나의 캐소드가 적어도 하나의 측면 상에 접해 있으며, 여기서 적어도 하나의 측면 상에서 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에는 각각의 애노드 또는 캐소드가 경계를 이루고 있으며, 여기서 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 전극들은 서로 다른 구조체를 가지며; 여기서 상기 전기 화학 생성 방법에 있어서,
a) 물은 상기 애노드 챔버를 통과하고 그리고 상기 캐소드 챔버를 통과하고,
b) 전해액이 위치한 곳에 물은 상기 중간 챔버를 통과하고,
c) 상기 물은 상기 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버에 혼합되며,
d) 상기 캐소드 챔버에 전해수가 형성되고 상기 애노드 챔버에 오존수가 형성되는 방식으로 애노드 및 캐소드에는 전기 전압이 인가되며,
여기서, 상기 애노드 챔버 및/또는 상기 캐소드 챔버를 통과한 물은 각각의 챔버를 다수 번 통과하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 애노드 (2) 및/또는 상기 캐소드 (2)는 구조체 (8)를 가진 전극 표면 (4)을 가지되, 상기 전극 표면 (4)과 각각의 챔버의 맞은 편의 측면 사이의 거리가 적어도 하나의 방향을 따라 반복적으로 증가 및 감소되는 방식으로 가지고,
상기 구조체 (8)는 상기 전극 표면 (4)의 적어도 30%를 형성하고, 상기 애노드 챔버 및/또는 상기 캐소드 챔버 내의 물은 상기 전극 표면 (4)의 구조체 (8)에 의해 혼합되는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
서로 다른 수량 (volumes of water)이 상기 전극 장치 (10)의 서로 다른 챔버들을 통과하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 애노드 챔버 또는 상기 캐소드 챔버 각각을 물이 통과하되, 상기 캐소드 챔버 또는 상기 애노드 챔버 각각을 2번 초과하여 통과하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전해액은 암모늄 이온들을 형성하는, 전기 화학 생성 방법.
삭제
청구항 1 또는 청구항 2에 따른 방법을 수행하는 전극 장치 (10)에 있어서,
애노드 (2) 및/또는 캐소드 (2)는 전극 표면 (4) 상에 구조체 (8)를 가지되, 상기 전극 표면 (4)과 각각의 챔버의 맞은 편의 측면 사이의 거리가 적어도 하나의 방향을 따라 반복적으로 증가 및 감소되는 방식으로 가지고, 그 결과 각각의 챔버를 통해 흐르는 물은 혼합되는, 전극 장치 (10).
청구항 8에 있어서,
상기 애노드 (2) 및 상기 캐소드 (2)는 서로 다른 구조체들 (8)을 가지는, 전극 장치 (10).
청구항 8에 있어서,
상기 애노드 (2) 및 상기 캐소드 (2)는 다이아몬드 전극들인, 전극 장치 (10).
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 물은 증류수 (distilled water) 또는 초순수 (ultrapure)인, 전기 화학 생성 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 c) 단계에서 난류 (turbulent flow)가 일어나는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 구조체 (8)는 상기 전극 표면 (4)의 적어도 50%를 형성하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 구조체 (8)는 상기 전극 표면 (4)의 적어도 60%를 형성하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 구조체 (8)는 상기 전극 표면 (4)의 적어도 75%를 형성하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 구조체 (8)는 상기 전극 표면 (4)의 적어도 90%를 형성하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 애노드 챔버 및/또는 상기 캐소드 챔버 내의 물은 상기 전극 표면 (4)의 구조체 (8)에 의해 혼합되고, 난류가 일어나는, 전기 화학 생성 방법.
삭제
청구항 5에 있어서,
상기 애노드 챔버 또는 상기 캐소드 챔버 각각을 물이 통과하되, 상기 캐소드 챔버 또는 상기 애노드 챔버 각각을 5 번 초과하여 통과하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 애노드 챔버 또는 상기 캐소드 챔버 각각을 물이 통과하되, 상기 캐소드 챔버 또는 상기 애노드 챔버 각각을 10 번 초과하여 통과하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 암모늄 이온은 수산화암모늄인, 전기 화학 생성 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 애노드 챔버 및/또는 상기 캐소드 챔버를 통과한 물은 각각의 챔버를 2 번을 통과하는, 전기 화학 생성 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 각각의 챔버를 통해 흐르는 물은 혼합되고 난류가 일어나는, 전극 장치 (10).