KR20010001690A - 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는방법 - Google Patents

중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20010001690A
KR20010001690A KR1019990021083A KR19990021083A KR20010001690A KR 20010001690 A KR20010001690 A KR 20010001690A KR 1019990021083 A KR1019990021083 A KR 1019990021083A KR 19990021083 A KR19990021083 A KR 19990021083A KR 20010001690 A KR20010001690 A KR 20010001690A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water
heavy water
anode
chamber
cathode
Prior art date
Application number
KR1019990021083A
Other languages
English (en)
Inventor
정흥섭
이태임
Original Assignee
정흥섭
이태임
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 정흥섭, 이태임 filed Critical 정흥섭
Priority to KR1019990021083A priority Critical patent/KR20010001690A/ko
Publication of KR20010001690A publication Critical patent/KR20010001690A/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B5/00—Water
    • C01B5/02—Heavy water; Preparation by chemical reaction of hydrogen isotopes or their compounds, e.g. 4ND3 + 7O2 ---> 4NO2 + 6D2O, 2D2 + O2 ---> 2D2O
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/037—Electrodes made of particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/042—Electrodes formed of a single material
    • C25B11/043—Carbon, e.g. diamond or graphene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/061—Metal or alloy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/061—Metal or alloy
    • C25B11/063—Valve metal, e.g. titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/081—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the element being a noble metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C25B11/093—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds at least one noble metal or noble metal oxide and at least one non-noble metal oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C25B11/097—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds comprising two or more noble metals or noble metal alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)

Abstract

본 발명은 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 이 시스템을 사용하여 중수를 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 전기화학적 시스템의 전해조에서 양극을 가지는 양극실 및 음극을 가지는 음극실에 입상 전극이 배치되고, 양극으로는 티타늄 모재에 산소과전압이 낮은 귀금속류의 전기화학 촉매가 코팅된 불용성 전극이 사용된다. 본 발명은 입상 전극을 배치함으로써 고전류밀도에서 운전하면서도 저전류밀도 특성을 가질 수 있고, 또한, 상기에서 언급한 양극을 사용함으로써 전해 전압의 전압특성이 양호하여 낮은 전압으로 운전할 수 있다. 따라서, 본 발명은 초기 설비 투자비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 저감(운전비용 저감) 효과를 얻을 수 있다.

Description

중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는 방법{ Electrochemical System And Method For Producing Heavy Water}
본 발명은 원자력 발전소의 원자로에서 감속제로 사용되는 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 이 시스템을 사용하여 중수를 생산하는 방법에 관한 것으로서, 특히, 티타늄의 모재에 산소과전압이 낮은 귀금속(noble metal)의 전기화학 촉매가 코팅된 양극을 가지고, 양극실 및 음극실에 배치된 유동상 입상 전극을 가지는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 이 시스템을 사용하여 중수를 생산하는 방법에 관한 것입니다.
중수(D2O)를 생산하기 위한 방법은 일반적으로 크게 전기화학적 방법, 화학적 치환 방법 및 증류법으로 분류될 수 있다.
일반적으로, 전기화학적 방법에 의한 중수의 생산 방법은, 0.015%~0.02%의 중수를 포함하는 천연수에 전해 전류를 공급하여, 이온화 경향이 큰 H2O의 분해가 D2O의 분해보다 빠른 성질을 이용하여 H2및 O2가 생성, 밖으로 제거되도록 함으로써, 잔류하는 물 중에 중수의 농도를 증가시키는 방법이다. 이 전기화학적 방법은 다른 방법에 비하여 다음과 같은 장점을 가지고 있다. 즉, 첫째로, 분리도가 약 10으로서 다른 방법(화학적 치환 방법, 증류법)의 분리도가 1~2인 것에 비하여 훨씬 크기 때문에 일반물에서 중수를 분리하기가 쉽고, 둘째로, 조작(Operation)이 쉬운 특징이 있다.
반면에, 전기화학적 방법은 전기분해 비용이 높아 생산 규모의 제한을 받는다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 현재까지의 전기화학적 생산 방법의 주된 개발 방향은 중수를 포함하는 천연수의 전기분해 비용 절감 또는 천연수로부터 중수의 효율적인 생산 방법을 찾는 것이다.
한편, 전해조 구성에 관한 특허 또는 특허출원으로는 양이온 교환막을 가지는 전해조에서 중수를 생산하는 방법에 관한 것(일본 특허 공개 소57-194032, 미국특허 4,054,496)이 있고, 전기 분해시 물에 전해질을 넣어 전해 전압을 감소시켜 중수를 생산하는 방법(일본 특허 공고 소49-10586) 등이 있다.
전기화학적 공정 구성에 관한 특허 또는 특허출원의 예로는 기능이 다른 두대의 전해조를 이용하여 중수를 생산하는 방법에 관한 것(일본 특허 공개 소51-4494)과 전해조, 분리조, 연료전지로 시스템을 구성하여 중수를 생산하는 방법에 관한 것(일본 특허 공개 평8-109005)이 있다.
전기화학적 방법과 다른 방법을 혼합한 공정 개발의 예로는 분해공정과 증류공정을 혼합한 공정에 관한 것(일본 특허 공개 소56-40401)과 전기 분해공정과 증류 공정을 혼합한 공정에 관한 것(BE 874047 A)과 전기분해공정과 촉매교환 공정의 혼합 공정을 이용하여 중수를 추출하는 공정에 관한 것(EP 4731 A) 등이 있다.
또한, 주 생산 공정은 중수가 아닌 다른 것이나 특수한 환경하에서 전환하여 중수를 생산하는 방법으로 수소를 생산하는 전체 공장에서 하계 시즌에 전해조의 용도를 변경하여 암모니아와 중수를 생산하는 방법에 관한 것(DE 2714968 A)과 물 전기 분해시 음극 측에 존재하는 중수 함유 알칼리성 물에 이산화탄소를 넣어 중수를 회수하는 방법(일본 특허 공개 소61-146701) 등에 관한 것이 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술은 전기화학적 방법의 문제점인 높은 전기분해 비용을 근본적으로 저감시키는 방향, 즉, 전해조의 개선을 이루는 것이 아니라 전해공정의 주변 기술을 보완함으로써 중수의 생산 원가의 전기 에너지 저감 효과는 5% 이내에 불과하다.
따라서, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 방법의 높은 전기분해 비용을 근본적으로 저감시킬 수 있는 방법 및 시스템이 있다면 매우 유익할 것이다.
본 발명의 목적은 중수를 생산하기 위한 전기화학적 방법의 높은 전기분해 비용을 근본적으로 저감시킬 수 있는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 이 시스템을 사용하여 중수를 생산하는 방법을 제공하는 것이다. 즉, 고전류밀도에서 운전하면서도 저전류밀도 특성을 가지고, 전해 전압의 전압특성이 양호하여 낮은 전압으로 운전할 수 있으므로, 초기 설비 투자비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 저감(운전비용 저감) 효과를 얻을 수 있는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 이 시스템을 사용하여 중수를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 시스템의 개념도를 나타낸 것이다.
* 도면부호에 대한 간단한 설명 *
1 : 천연수 스트림 2, 3 : 유입 스트림
4, 16 : 피드백 스트림 5 : 양극
6 : 음극 7, 8 : 입상 전극
9, 10 : 유출 스트림 13, 18 : 기체-액체 분리관
15 : 수소 배출관 17 : 산소 배출관
11, 19 : 중수 배출관 14 : 혼합기
12 : 최종 스트림 20 : 전해조
21 : 분리막
상기 목적은 본 발명의 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는 방법에 의하여 달성된다. 본 발명의 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템은 양극을 가지는 양극실, 음극을 가지는 음극실, 양극실 및 음극실에 배치된 유동상 입상 전극 및 양극실과 음극실을 분리하는 분리막으로 구성된 전해조를 포함한다. 여기에서, 유동상 입상 전극은 활성탄 분말, 전도성 흑연 분말, 전기화학적 활성이 있는 분말 또는 입상 형태가 바람직하며, 양극은 불용성 전극으로서 티타늄 모재에 산소과전압이 낮은 귀금속류의 전기화학 촉매가 코팅된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 중수를 생산하기 위한 방법도 제공한다. 본 발명의 중수를 생산하기 위한 과정은 다음과 같다.
즉, 상기와 같은, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템을 준비하고, 양극실 유입 스트림 및 음극실 유입 스트림을 통하여 중수를 포함하는 물을 상기 전해조의 양극실 및 음극실에 공급한다. 이어서, 양극실의 양극 및 음극실의 음극에 소정의 전류를 공급함으로써 양극실의 양극에서 전극반응에 의하여 물을 전기분해하여 산소와 산성수를 생성하게 하고, 음극실의 음극에서 전극반응에 의하여 물을 전기분해하여 수소와 알칼리성수를 생성하게 한다. 다음으로, 양극실에서 처리되어 유출되는, 산소를 함유하는 산성수에서 산소를 기체-액체 분리관을 사용하여 분리하여 배출하고, 산성수를 다시 양극실에 유입시키기 위하여 피드백시킨다.
마찬가지로, 음극실에서 처리되어 유출되는, 수소를 함유하는 알칼리성수에서 수소를 기체-액체 분리관을 사용하여 분리하여 배출하고, 알칼리성수를 다시 음극실에 유입시키기 위하여 피드백시킨다.
그리고, 양극실 및 음극실에서의 산성수 및 알칼리성수에서 중수의 농도가 제품으로 사용할 수 있을 정도 이상이 될 때까지 피드백을 계속 시킨 후, 기체 액체 분리관들에서 분리된, 산성수 및 알칼리성수의 일부 또는 전부를 전해조로부터 배출한다.
배출된 산성 중수와 알칼리성 중수는 서로 혼합하여 제품으로 사용하거나, 이온교환수지를 통과시켜 pH를 중성 또는 중성 근처로 조절하여 제품으로 사용할 수 있다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
일반적으로, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템은 양극, 분리막, 음극 등을 포함하며, 양극 및 음극의 각 전극과 분리막 사이의 간격은 통상적으로 2 mm이다. 이 때, 전해 전압은 각 구성요소의 전압의 합이다.
Vt= Va- (-Vc) + (Vs-a) + (Vs-c) + Vm.......... (1)
Va또는 Vc= a + b x I ....................... (2)
P = Vtx A/1000 (kWh) ....................... (3)
여기에서, Vt는 조 전체에 소요되는 전해 전압(Volt),
Va는 양극의 전압,
(-Vc)는 음극의 전압,
(Vs-a)는 양극실에서 전해질에 의한 전압 강하(Volt),
(Vs-c)는 음극실에서 전해질에 의한 전압 강하,
Vm는 분리막에 의한 전압 강하
a, b는 임의의 상수(실험값)
I는 전해조에 공급되는 전류밀도(= 전류/전극면적(A/m2))
A는 전해조에 공급되는 전류량(Ampare)
공급되는 전류가 같다고 가정할 때, 고전류밀도에서 운전하면 전해 설비가 작아질 수 있고, 반면에 저전류밀도에서 운전하면 전해 설비가 커지게 된다. 한편, 고전류밀도에서의 운전은 저전류밀도에서의 운전에 비하여 전압이 상대적으로 커지게 된다. 즉, 고전류밀도에서의 운전은 설비 투자비가 저렴해지지만, 운전비용이 많이 들며, 저전류밀도에서의 운전은 설비 투자비가 커지지만 운전비용이 낮아진다.
전해조에 공급되는 에너지 총량 P는 식(3)과 같으며, 현실적으로 소모되는 에너지량을 줄이는 방법 중 가장 적절한 방법은 전류밀도를 낮추어 설계를 하거나 전압특성이 우수한 전극을 채용해야 한다. 그러나, 저전류밀도에서 운전하려면 전해 설비의 규모가 커지게 되어 건설비용이 높아지게 되는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템에서 전해조의 양극실 및 음극실에 각각 양극 및 음극을 배치할 뿐만 아니라 유동상 입상 전극을 배치한다. 양극실 및 음극실에 각각 양극 및 음극과 함께 배치된 입상 전극에 의하여 전극의 면적이 커지게 되어 고전류밀도에서 운전하면서도 저전류밀도 특성을 가지게 된다. 또한, 본 발명은 양극으로서 티타늄 모재에 산소과전압이 낮은 귀금속류의 전기화학 촉매가 코팅된 것을 사용한다. 이에 의하여, 전해 전압의 전압특성이 양호하여 낮은 전압으로 운전할 수 있다.
따라서, 본 발명은 초기 설비 투자비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 저감(운전비용 저감) 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템의 개념도를 도 1에 나타내었으며, 도 1을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
중수가 0.015%~0.02% 존재하는 천연수(1)는 양극실 유입 스트림(2) 및 음극실 유입 스트림(3)을 통하여 각각 전해조(20)의 양극실 및 음극실로 유입된다. 여기에서, 스트림은 중수를 포함하는 천연수와 같은 물의 흐름을 의미하며, 이 물의 흐름은 유동관과 같은 통로에 의하여 형성될 수 있다. 천연수는 각 스트림(2, 3)에 별개로 유입될 수 있으며, 또한, 천연수 스트림(1)이 양극실 유입 스트림(2) 및 음극실 유입 스트림(3)으로 분기되어 각각 양극실 및 음극실로 유입될 수도 있다. 도 1에서는 후자의 형태를 도시하였다. 한편, 천연수(1)의 유입과 함께 전해조(20)의 양극 및 음극에 소정의 전압하에서 소정의 전류를 흘려준다.
양극실 유입 스트림(2)에 의하여 양극실에 유입된 천연수(1)는 이온화도에 따라 H+및 OH-이온으로 해리된다. 해리된 OH-이온은 양극에서 전극반응을 하여 산소를 생성하고, 양극의 천연수(1)는 남은 H+이온 때문에 산성을 띄게 된다. H2O는 D2O에 비하여 이온화 경향이 크고 전기분해 속도가 빠르므로 천연수를 전기분해하면 H2O가 먼저 전기분해되어 D2O가 농축된다. 즉, 전해조(20)의 양극실로 유입된 천연수(1)는 양극에서 산소가 생성된 만큼 중수가 농축된 산성수로 변하게 된다.
전해조(20)의 양극실 유출 스트림(9)은 산성수와 산소를 포함하고 있으며, 이것들은 기체-액체 분리관(18)에서 분리되어 산소는 산소 배출 스트림(17)을 통하여 배출되고, 산성수는 양극실 피드백 스트림(16)을 통하여 전해조(20)의 양극실로 유입되는 스트림(2)으로 피드백된다. 또한, 분리된 산성수는 전해조(20)로 피드백되지 않고 양극실 중수 배출 스트림(19)을 통하여 전해조(20)의 외부로 배출될 수도 있다. 산성수를 전해조(20)로 피드백시킬 것인지 양극실 중수 배출 스트림(19)을 통하여 전해조(20)의 외부로 배출시킬 것인지 또는 피드백되는 산성수의 양과 배출되는 산성수의 양은 기체-액체 분리관(18)에서 조절된다. 예를 들어, 일정 시간 동안 산성수를 전해조(20)의 외부로 배출시키지 않으면서 전해조(20)로만 피드백시킨다.
그러면, 피드백되는 정도에 따라 양극실에서 생성되는 산소의 양은 증가하고, 생성된 산소는 기체-액체 분리관(18)에서 산소 배출 스트림(17)을 통하여 외부로 배출됨으로써 산성수의 산성도가 증가함과 더불어 산성수에 포함된 중수의 비율이 상승하게 된다. 산성수의 산성도가 증가함에 따라 양극에서의 수용액에는 H+이온의 농도가 높아지게 되고 OH-이온의 농도가 낮아지게 된다.
그러면, 기체-액체 분리관(18)을 통하여 분리된, 중수의 농도가 매우 높은 산성수 즉, 중수라고 말할 수 있는 산성수를 피드백시킴과 더불어 일정량을 양극실 중수 배출 스트림(19)으로 배출시킨다. 산성수의 피드백 및 배출은 설치된 밸브(도시되지 않음)에 의해 조절될 수 있다. 산성수의 배출 시기는 일정시간 경과후로 하거나 산성수의 밀도를 측정하여 결정할 수 있다. 이 때, 양극실 유입 스트림(2)을 통하여 천연수(1)를 유입시킬 수 있다. 이 경우, 양극실 중수 배출 스트림(19)을 통하여 일정 속도로 중수가 배출됨과 동시에 양극실 유입 스트림(2)을 통하여 천연수(1)가 유입된다. 이 때, 각 배출량 및 유입량은 양극실 중수 배출 스트림(19)의 산성수의 중수 농도가 만족스러운 정도가 되도록 조절될 수 있다. 이렇게 각 배출량 및 유입량을 조절함으로써 연속 공정에 의하여 천연수로부터 중수를 생산할 수 있다. 이러한 연속 공정의 장점은 운전의 초기를 제외하고는 정상 상태(stationary state)에서 운전할 수 있으므로 운전이 용이하고 효율적이며, 운전비용이 적게 든다는 것이다.
반면에, 산성수의 피드백과 동시에 양극실 중수 배출 스트림(19)으로 중수를 배출시키지 않고, 산성수에서 중수의 농도가 일정 이상이 될 때까지 산성수를 계속 피드백시키고, 산성수에서 중수의 농도가 일정 이상이 되면, 산성수의 피드백을 멈추고, 중수가 포함된 산성수를 양극실 중수 배출 스트림(19)을 통하여 배출할 수도 있다. 이러한 뱃치 공정은 운전의 효율성이 떨어지고 운전 비용이 많이 든다는 단점이 있으나 연속공정에 비하여 높은 농도의 중수를 얻을 수 있다.
이렇게 하여 얻은 중수를 포함하는 산성수는 양이온 교환 수지를 통과시킴으로써 산성도를 감소시켜 pH를 중성 또는 중성 근처까지 조절할 수 있다. 그리하여 제품으로 바로 사용할 수 있다.
한편, 음극실 유입 스트림(3)에 의하여 음극실에 유입된 천연수(1)는 이온화도에 따라 H+및 OH-이온으로 해리된다. 해리된 H+이온은 음극에서 전극반응을 하여 수소를 생성하고, 음극의 천연수(1)는 남은 OH-이온 때문에 알칼리성을 띄게 된다. H2O는 D2O에 비하여 이온화 경향이 크고 전기분해 속도가 빠르므로 천연수를 전기분해하면 H2O가 먼저 전기분해되어 D2O가 농축되므로, 전해조(20)의 음극실로 유입된 천연수(1)는 음극에서 수소가 생성된 만큼 중수가 농축된 알칼리성수로 변하게 된다.
전해조(20)의 음극실 유출 스트림(10)은 알칼리성수와 수소를 포함하고 있으며, 이것들은 기체-액체 분리관(13)에서 분리되어 수소는 수소 배출 스트림(15)을 통하여 배출되고, 알칼리성수는 음극실 피드백 스트림(4)을 통하여 전해조(20)의 양극실로 유입되는 스트림으로 피드백된다. 또한, 분리된 알칼리성수는 전해조(20)로 피드백되지 않고 음극실 중수 배출 스트림(11)을 통하여 전해조(20)의 외부로 배출될 수도 있다. 알칼리성수를 전해조(20)로 피드백시킬 것인지 음극실 중수 배출 스트림(11)을 통하여 전해조(20)의 외부로 배출시킬 것인지 또는 피드백되는 알칼리성수의 양과 배출되는 알칼리성수의 양은 기체-액체 분리관(13)에서 조절된다. 예를 들어, 일정 시간 동안 알칼리성수를 전해조(20)의 외부로 배출시키지 않으면서 전해조(20)로만 피드백시킨다.
그러면, 피드백되는 정도에 따라 음극실에서 생성되는 수소의 양은 증가하고, 생성된 수소는 기체-액체 분리관(13)에서 수소 배출 스트림(15)을 통하여 외부로 배출됨으로써 알칼리성수의 알칼리도가 증가함과 더불어 알칼리성수에 포함된 중수의 비율이 상승하게 된다. 알칼리성수의 알칼리도가 증가함에 따라 음극에서의 수용액에는 OH-이온의 농도가 높아지게 되고 H+이온의 농도가 낮아지게 된다.
그러면, 기체-액체 분리관(13)을 통하여 분리된, 중수의 농도가 매우 높은 알칼리성수 즉, 중수라고 말할 수 있는 알칼리성수를 피드백시킴과 더불어 일정량을 음극실 중수 배출 스트림(11)으로 배출시킨다. 알칼리성수의 피드백 및 배출은 설치된 밸브(도시되지 않음)에 의해 조절될 수 있다. 알칼리성수의 배출 시기는 일정시간 경과후로 하거나 산성수의 밀도를 측정하여 결정할 수 있다. 이 때, 음극실 유입 스트림(3)을 통하여 천연수(1)를 유입시킬 수 있다. 이 경우, 음극실 중수 배출 스트림(11)을 통하여 일정 속도로 중수가 배출됨과 동시에 음극실 유입 스트림(3)을 통하여 천연수(1)가 유입된다. 이 때, 각 배출량 및 유입량은 음극실 중수 배출 스트림(11)의 알칼리성수의 중수 농도가 만족스러운 정도가 되도록 조절될 수 있다. 이렇게 각 배출량 및 유입량을 조절함으로써 연속 공정에 의하여 천연수로부터 중수를 생산할 수 있다. 이 경우 스트림(11)에서 중수의 농도가 99.7% 이상이고, pH는 11정도이다.
또한, 알칼리성수의 피드백과 동시에 음극실 중수 배출 스트림(11)으로 중수를 배출시키지 않고, 알칼리성수에서 중수의 농도가 일정 이상이 될 때까지 알칼리성수를 계속 피드백시키고, 알칼리성수에서 중수의 농도가 일정 이상이 되면, 알칼리성수의 피드백을 멈추고, 중수가 포함된 알칼리성수를 음극실 중수 배출 스트림(11)을 통하여 배출하는 뱃치 공정에 의하여 중수를 생산할 수도 있다.
이러한 중수를 포함하는 알칼리성수를 음이온 교환 수지를 통과시킴으로써 알칼리도를 감소시켜 pH를 중성 또는 중성 근처, 예를 들어, pH 7.5로 조절할 수 있으며, 이러한 pH 7.5의 중수는 제품으로 바로 사용할 수 있다.
한편, 이온 교환 수지에 의하여 생산된 중수의 pH를 조절하지 않고, 중수가 포함된 산성수(19)와 알칼리성수(11)를 혼합기(14)에서 혼합하여 pH를 중성 또는 중성 근처로 조절할 수 있다. 그리하여 생산된 중성의 중수는 최종 스트림(12)을 통하여 외부로 배출되어 제품화된다.
상기와 같은 본 발명의 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템은, 양극실 및 음극실에 분말 또는 입상 형태의 유동상 입상 전극(7, 8)을 포함한다. 이러한 유동화 전해조(20)에 공급된 고전류밀도의 전류는 입상 전극(7, 8)에 의해 분산되어 저전류밀도의 특성을 가지게 되어 결국 에너지 효율이 높아지게 된다. 즉, 입상 전극에 의하여 전극의 면적이 커지게 되어 저전류밀도의 특성을 가지게 된다. 이러한 유동상 입상 전극(7, 8)은 활성탄 분말, 전도성 흑연 분말, 전기화학적 활성이 있는 분말 또는 입상 형태로 양극실 및 음극실에 존재한다. 가장 바람직한 입상 전극은 전기화학적 활성이 있는 물질로서, Ebnox(헤라우스사(독일)의 상품명; 구형으로 된 Ti) 모재에 Sn과 Ir이 코팅된 것이다. 이 때, 코팅되는 Sn과 Ir은 Sn-Ir 합금의 형태이거나 Sn-Ir의 복합 산화물의 형태일 수 있다.
전해조(20)의 양극실 및 음극실에 있는 입상 전극(7, 8)이 전해조로 유입되는 천연수의 스트림에 의하여 양극실 및 음극실로부터 유출 또는 유실되는 것을 방지하기 위하여, 양극실 및 음극실의 입구 및 출구 각각에 입상 전극의 형태에 따라 적절한 형태의 막 또는 망을 설치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 입상 전극이 입자가 다소 큰 입상 형태인, Sn-Ir이 코팅된 Ebnox라면 금속망을 설치하는 것으로 족하지만, 입자가 작은 분말 형태라면 그물망의 눈이 분말보다 작은 그물을 사용하거나 입자가 매우 작은 경우라면 수용액(물에 포함된 이온들 포함)은 통과하지만 입자는 통과할 수 없는 막을 사용하여야 할 것이다.
본 발명의 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템에서 사용하는 양극(5)은 불용성 전극으로서, 티타늄의 모재에 산소과전압이 낮은 전극촉매인 귀금속류의 전기화학 촉매가 코팅된 전극이 바람직하다. 이러한 귀금속의 예로는 Ir, Pt, Au, Ag 등이 있다. 귀금속류의 전기화학 촉매는 단일의 귀금속류 및 그것의 산화물, 둘 이상의 귀금속류의 합금, 둘 이상의 귀금속류의 복합 산화물 및 이것들에 Sn이 첨가된 것들로부터 선택될 수 있다. 특히 물의 전기분해에 적합한 전극으로는 티타늄 모재에 Sn-Ir 복합 산화물이 코팅된 것이 바람직하다.
본 발명의 전기화학적 시스템에서 사용하는 음극(6)은 수소과전압이 낮은 철, 스테인레스 스틸, 또는 니켈을 사용할 수 있으며, 니켈 모재에 니켈과 수소 과전압이 낮은 귀금속류의 산화물이 코팅된 것이 바람직하다.
본 발명의 전기화학적 시스템에서 사용하는 분리막(16)은 일반적으로 석면으로 된 다이아프램막(Diaphram), 양이온 교환막, 음이온 교환막, 다공성의 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등이 사용될 수 있다. 이중 막의 전기저항이 낮은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명을 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명의 설명 및 예시를 위하여 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예 1
1. 전해조의 구성
가. 양극(5) : 티타늄 모재에 Sn-Ir 복합 산화물을 코팅한 것을 사용
나. 음극(6) : 니켈 모재에 니켈과 수소 과전압이 낮은 루테늄의 산화물을 코팅한 것을 사용
다. 입상 전극(7, 8) : Ebnox(상품명; 헤라우스사(독일)의 상품명; 구형으로 된 Ti) 모재에 Sn과 Ir을 코팅한 것.
라. 분리막(21) : 양이온 교환막
마. 전해조의 구조 :
① 유동상 전해조로 물이 공급되는 입구와 출구에 금속망을 설치하여 입상 전극(7, 8)의 유출을 방지함.
② 양극(5)과 분리막(21) 사이의 거리는 2 mm임.
③ 음극(6)과 분리막(21) 사이의 거리는 2 mm임.
④ 전극(5, 6)의 크기는 10 cm(가로) x 10 cm(세로) x 1 mm(두께) 임.
2. 운전절차
가. 천연수를 정제하여 유기물 등을 제거한다.
나. 정제한 천연수(1)를 양극실 유입 스트림(2) 및 음극실 유입 스트림(3)을 통하여 공급한다.
다. 양극실 유출 스트림(9) 및 음극실 유출 스트림(10)으로 물이 유출되면, 전류공급장치(Power supply)를 사용하여 전류 100A를 양극(5) 및 음극(6)에 공급한다.
라. 1일 동안 양극실 중수 배출 스트림(19) 및 음극실 중수 배출 스트림(11)에 유체가 흐르는 것을 차단하고, 계속 피드백시키면서 운전한다.
마. 1일 이후에 양극실 중수 배출 스트림(19) 및 음극실 중수 배출 스트림(11)으로 유출되는 유량을 최초에 양극실 유입 스트림(2) 및 음극실 유입 스트림(3)으로 들어가는 유량의 1/10,000 수준으로 하여 중수를 전해조로부터 배출시킨다. 이 때, 연속 공정을 수행하기 위하여 천연수를 양극실 유입 스트림(2) 및 음극실 유입 스트림(3)을 통하여 전해조로부터 배출되는 중수의 유량과 동일한 유량으로 전해조의 양극실 및 음극실로 유입시킨다.
바. 양극실 중수 배출 스트림(19) 및 음극실 중수 배출 스트림(11)으로 유출된 산성 중수와 알칼리성 중수를 혼합기(14)에서 혼합한 다음, 완제품 이송 스트림(12)을 통하여 완제품을 이송한다. 이 때, 스트림(12)에서 중수를 샘플링하여 중수의 농도를 분석한다.
3. 분석방법
가. 전해조, 조전압, 전류 등을 측정한다.
나. 질량 분석분광기(Mass Spectroscopy)를 사용하여 H2O, HDO, D2O를 분석한다.
실시예 2
양극으로 RuO2-TiO2로 된 전극을 사용한 것을 제외하고 전해조 구성은 실시예 1과 동일하며, 운전방법 및 분석방법은 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 3
입상 전극(7, 8)을 사용하지 않은 것을 제외하고 전해조 구성은 실시예 1과 동일하며, 운전방법 및 분석방법은 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예 1
전해조 구성에서 입상 전극(7, 8)을 사용하지 않았고, 양극으로 RuO2-TiO2로 된 전극을 사용하였으며, 운전방법 및 분석방법은 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
상기 실시예 1~3 및 비교예 1의 결과를 표 1에 나타내었다.
양극(5) 입상전극(7, 8) 실험 결과
조전압(V) 스트립(12)에서의 중수 농도(중량%)
실시예 1 Sn-Ir 산화물 사용 8 78.9
실시예 2 RuO2-TiO2 사용 10 76.7
실시예 3 Sn-Ir 산화물 - 12 69.1
비교예 1 RuO2-TiO2 - 15 64.3
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템의 전해조에서 입상전극 및 양극으로서 Sn-Ir 복합 산화물을 사용함으로써 조전압을 낮출 수 있고, 또한, 생산되는 중수의 농도를 높일 수 있다.
양극으로서 Sn-Ir 복합 산화물을 사용하고 입상 전극을 사용하는 실시예 1과 양극으로서 Sn-Ir 복합 산화물을 사용하지만 입상 전극을 사용하지 않는 실시예 3을 비교하면, 입상전극을 사용하지 않는 실시예 3에 비하여 입상전극을 사용하는 실시예 1의 전기화학적 시스템은 동일한 전류가 흐르는 조건에서 조전압을 낮게 유지할 수 있으므로(실시예 3에서는 조전압이 12V인데 비하여, 실시예 1에서는 조전압이 8V임) 에너지 효율이 좋을 뿐만 아니라 생산되는 중수의 농도가 더 높으므로(실시예 3에서는 중수의 농도가 69.1%인데 비하여, 실시예 1에서는 78.9%임) 양질의 중수를 생산할 수 있다. 즉, 본 발명의 전기화학적 시스템에서 사용되는 입상 전극은 생산 비용 및 효율 면에서 유익한 결과를 가져다 줄 뿐만 아니라 생산되는 제품(중수)의 품질 면에서 우수성을 가져다 준다. 양극으로서 본 발명의 양극 물질인 Sn-Ir 복합 산화물을 사용하지 않고 통상의 양극 물질인 RuO2-TiO2를 사용하면서, 입상 전극을 사용하는 실시예 2와 입상 전극을 사용하지 않는 비교예 1을 비교하여도 상기의 결과와 동일한 결론을 얻을 수 있다.
한편, 입상전극을 사용하면서, 양극으로서 본 발명의 양극 물질인 Sn-Ir 복합 산화물을 사용하는 실시예 1과 통상의 양극 물질인 RuO2-TiO2를 사용하는 실시예 2를 비교하면, 동일한 전류(100A)가 흐르는 상태에서, 실시예 1의 전기화학적 시스템에서는 8V의 조전압이 걸리고 실시예 2의 것에서는 10V의 조전압이 걸리며, 또한, 중수의 농도는 실시예 1에서 78.9%이고 실시예 2에서 76.7%이므로, 앞에서 말한 바와 같이, 본 발명의 전기화학적 시스템에 사용되는 양극은 에너지 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 생산되는 제품의 품질을 향상시킨다고 할 수 있다. 또한, 실시예 3과 비교예 1을 비교하여도 상기와 동일한 결론을 얻을 수 있다는 것은 자명할 것이다.
한편, 원자력 발전소의 원자로에서 사용되는 중수의 농도는 99% 정도이며, 상기 실시예들 및 비교예에서 중수의 농도는 이보다 작은 것으로 나타났다. 그러나, 이것은 중수를 포함하는 산성수 및 알칼리성수의 혼합에 의한 중화로 인하여 생성되는 경수(H2O) 때문에 중수의 농도가 감소하는 현상때문이다. 따라서, 양극 및 음극에서 생성된 산성수 및 알칼리성수를 혼합하지 않고 이온교환수지를 사용하여 pH를 중성으로 조절하면 중수의 농도 감소가 발생하지 않으므로 원자로에서 사용할 수 있을 정도의 중수의 농도를 얻을 수 있다.
본 발명은 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템의 전해조에서 양극을 가지는 양극실 및 음극을 가지는 음극실에 입상 전극을 배치함으로써 고전류밀도에서 운전하면서도 저전류밀도 특성을 가질 수 있고, 또한, 양극으로서 티타늄 모재에 산소과전압이 낮은 귀금속류의 전기화학 촉매가 코팅된 것을 사용함으로써 전해 전압의 전압특성이 양호하여 낮은 전압으로 운전할 수 있어, 초기 설비 투자비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 저감(운전비용 저감) 효과를 얻을 수 있다.

Claims (18)

  1. 양극을 가지는 양극실;
    음극을 가지는 음극실;
    상기 양극실 및 상기 음극실에 배치된 유동상 입상 전극; 및
    상기 양극실과 상기 음극실을 분리하는 분리막으로 구성된 전해조를 포함하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극은 불용성 전극으로서 티타늄 모재에 산소과전압이 낮은 귀금속류의 전기화학 촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 귀금속류의 전기화학 촉매는 단일의 귀금속류 및 그것의 산화물, 둘 이상의 귀금속류의 합금, 둘 이상의 귀금속류의 복합 산화물 및 이것들에 Sn이 첨가된 것들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 귀금속류의 전기화학 촉매는 Sn-Ir의 합금 또는 복합 산화물인 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유동상 입상 전극은 활성탄 분말, 전도성 흑연 분말, 전기화학적 활성이 있는 분말 또는 입상 형태인 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유동상 입상 전극은 상기 전기화학적 활성이 있는 입상 형태로서, 구형으로 된 티타늄 모재에 Sn-Ir의 합금 또는 복합 산화물이 코팅된 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 양이온교환막 또는 음이온교환막인 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 음극은 니켈 모재에 니켈과 수소과전압이 낮은 귀금속류의 산화물이 코팅된 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    중수를 포함하는 물이 상기 전해조의 양극실 및 음극실로 각각 유입되는 양극실 유입 스트림 및 음극실 유입 스트림;
    상기 양극실에서 처리되어 산소를 함유하는 물이 상기 양극실로부터 유출되는 양극실 유출 스트림;
    상기 양극실에서 처리되어 유출되는 물에서 산소를 분리하는 기체-액체 분리관;
    상기 산소를 분리하는 기체-액체 분리관으로부터 분기되고, 분리된 산소를 배출하는 산소 배출 스트림;
    상기 산소를 분리하는 기체-액체 분리관으로부터 분기되고, 중수가 농축된 물을 상기 전해조의 양극실로 유입하는 스트림으로 피드백시키는 양극실 피드백 스트림;
    상기 산소를 분리하는 기체-액체 분리관으로부터 분기되고, 중수가 농축된 물을 배출하는 양극실 중수 배출 스트림;
    상기 음극실에서 처리되어 수소를 함유하는 물이 상기 음극실로부터 유출되는 음극실 유출 스트림;
    상기 음극실에서 처리되어 유출되는 물에서 수소를 분리하는 기체-액체 분리관;
    상기 수소를 분리하는 기체-액체 분리관으로부터 분기되고, 분리된 수소를 배출하는 수소 배출 스트림;
    상기 수소를 분리하는 기체-액체 분리관으로부터 분기되고, 중수가 농축된 물을 상기 전해조의 음극실로 유입하는 스트림으로 피드백시키는 음극실 피드백 스트림;
    상기 수소를 분리하는 기체-액체 분리관으로부터 분기되고, 중수가 농축된 물을 배출하는 음극실 중수 배출 스트림;
    을 더 포함하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 양극실 중수 배출 스트림으로부터 배출된, 중수가 농축된 물과 상기 음극실 중수 배출 스트림으로부터 배출된, 중수가 농축된 물을 혼합하는 혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 양극실 중수 배출 스트림으로부터 배출된, 중수가 농축된 산성 물을 통과시켜 산성을 감소시키는 양이온 교환 수지 및 상기 음극실 중수 배출 스트림으로부터 배출된, 중수가 농축된 알칼리성 물을 통과시켜 알칼리성을 감소시키는 음이온 교환 수지 중 최소한 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템.
  12. 중수(D2O)를 포함하는 물(H2O)에서 상기 H2O를 전기분해하여 제거하고 중수를 농축함에 의하여, 중수를 생산하는 방법에 있어서,
    양극을 가지는 양극실; 음극을 가지는 음극실; 상기 양극실 및 상기 음극실에 배치된 유동상 입상 전극; 및 상기 양극실과 상기 음극실을 분리하는 분리막으로 구성된 전해조를 포함하는, 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템을 준비하는 단계;
    양극실 유입 스트림 및 음극실 유입 스트림을 통하여 중수를 포함하는 물을 상기 전해조의 양극실 및 음극실에 공급하는 단계;
    상기 양극실의 양극 및 상기 음극실의 음극에 소정의 전류를 공급함으로써 상기 양극실의 양극에서 전극반응에 의하여 물을 전기분해하여 산소와 산성수를 생성하고, 상기 음극실의 음극에서 전극반응에 의하여 물을 전기분해하여 수소와 알칼리성수를 생성하는 단계;
    상기 양극실에서 처리되어 유출되는, 산소를 함유하는 산성수에서 산소를 기체-액체 분리관을 사용하여 분리하여 배출하고, 산성수를 다시 상기 양극실에 유입시키기 위하여 피드백시키는 단계;
    상기 음극실에서 처리되어 유출되는, 수소를 함유하는 알칼리성수에서 수소를 기체-액체 분리관을 사용하여 분리하여 배출하고, 알칼리성수를 다시 상기 음극실에 유입시키기 위하여 피드백시키는 단계; 및
    상기 양극실 및 상기 음극실에서의 산성수 및 알칼리성수에서 중수의 농도가 제품으로 사용할 수 있을 정도 이상이 될 때까지 상기 피드백을 계속 시킨 후, 상기 기체 액체 분리관들에서 분리된, 산성수 및 알칼리성수의 일부 또는 전부를 상기 전해조로부터 배출하는 단계
    를 포함하는, 중수를 생산하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 양극은 불용성 전극으로서 티타늄 모재에 산소과전압이 낮은 귀금속류의 전기화학 촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 유동상 입상 전극은 활성탄 분말, 전도성 흑연 분말, 전기화학적 활성이 있는 분말 또는 입상 형태인 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하는 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 산성수 및 알칼리성수를 상기 전해조로부터 배출하는 단계는 상기 산성수 및 상기 알칼리성수의 일부를 상기 전해조로부터 배출하는 경우, 상기 산성수 및 상기 알칼리성수의 배출량과 동일한 량의 새로운 물을 상기 피드백되는 산성수 및 알칼리성수와 함께 상기 전해조의 양극실 및 음극실로 유입시키며, 이 때, 상기 산성수 및 상기 알칼리성수의 배출량 및 상기 전해조의 양극실 및 음극실로 새롭게 유입되는 물의 양은 정상 상태에서, 배출되는 산성수 및 알칼리성수의 중수 농도가 제품으로 사용할 수 있을 정도 이상이 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하는 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 전해조로부터 배출되는 산성수 또는 알칼리성수를 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지를 통과시켜 산성도 또는 알칼리도를 감소시켜 pH를 중성 또는 중성에 가까운 상태로 조절하는 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하는 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 양극실로부터 배출된 산성수 및 상기 음극실로부터 배출된 알칼리성수를 혼합기에서 혼합함으로써 pH를 중성 또는 중성에 가까운 상태로 조절하는 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하는 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 양극실 및 상기 음극실에서의 산성수 및 알칼리성수에서 중수의 농도가 제품으로 사용할 수 있을 정도 이상이 될 때까지 상기 피드백을 계속 시킨 후, 상기 기체 액체 분리관들에서 분리된, 산성수 및 알칼리성수의 일부 또는 전부를 상기 전해조로부터 배출하는 단계에서 배출 시기를 중수의 밀도에 의하여 판단하는 것을 특징으로 하는, 중수를 생산하는 방법.
KR1019990021083A 1999-06-08 1999-06-08 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는방법 KR20010001690A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019990021083A KR20010001690A (ko) 1999-06-08 1999-06-08 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019990021083A KR20010001690A (ko) 1999-06-08 1999-06-08 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20010001690A true KR20010001690A (ko) 2001-01-05

Family

ID=19590677

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019990021083A KR20010001690A (ko) 1999-06-08 1999-06-08 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20010001690A (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100625083B1 (ko) * 2005-05-12 2006-09-20 한국원자력연구소 ｐＨ가 조절된 단일 전해액의 배출만을 갖는 ｐＨ 조절용이온교환 분리막 전해방법과 그 장치
KR100704440B1 (ko) * 2005-02-28 2007-04-06 (주)엘켐텍 다공성 전극 촉매층을 갖는 막전극접합체의 제조방법
KR20160037936A (ko) * 2013-07-31 2016-04-06 인두스트리에 데 노라 에스.피.에이. 중수의 전해농축 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3974048A (en) * 1974-05-03 1976-08-10 Atomic Energy Of Canada Limited Apparatus and method of producing heavy water involving catalytic-electrolytic exchange processes
JPH0826703A (ja) * 1994-07-08 1996-01-30 Permelec Electrode Ltd 重水素の濃縮方法及び装置
JPH08323154A (ja) * 1995-05-31 1996-12-10 Permelec Electrode Ltd 重水素の濃縮方法及び装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3974048A (en) * 1974-05-03 1976-08-10 Atomic Energy Of Canada Limited Apparatus and method of producing heavy water involving catalytic-electrolytic exchange processes
JPH0826703A (ja) * 1994-07-08 1996-01-30 Permelec Electrode Ltd 重水素の濃縮方法及び装置
JPH08323154A (ja) * 1995-05-31 1996-12-10 Permelec Electrode Ltd 重水素の濃縮方法及び装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100704440B1 (ko) * 2005-02-28 2007-04-06 (주)엘켐텍 다공성 전극 촉매층을 갖는 막전극접합체의 제조방법
KR100625083B1 (ko) * 2005-05-12 2006-09-20 한국원자력연구소 ｐＨ가 조절된 단일 전해액의 배출만을 갖는 ｐＨ 조절용이온교환 분리막 전해방법과 그 장치
KR20160037936A (ko) * 2013-07-31 2016-04-06 인두스트리에 데 노라 에스.피.에이. 중수의 전해농축 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5376240A (en) Process for the removal of oxynitrogen species for aqueous solutions
US5628888A (en) Apparatus for electrochemical treatment of water and/or water solutions
US5871623A (en) Apparatus for electrochemical treatment of water and/or water solutions
CA2915763C (en) Electrolytic enrichment method for heavy water
US5980703A (en) Electrolytic cell for producing acidic water and alkaline water
US4311569A (en) Device for evolution of oxygen with ternary electrocatalysts containing valve metals
US4528083A (en) Device for evolution of oxygen with ternary electrocatalysts containing valve metals
EP0216413B1 (en) A process and an apparatus for the preparation of a disinfectant for water, such as drinking- or swimming-water
JP3048612B2 (ja) 電解オゾン発生装置
JP3007137B2 (ja) 電解オゾン発生方法及び装置
CN101260530A (zh) 用于间接电氧化合成有机物电解再生媒质的装置及工艺
US20230129237A1 (en) Water-processing electrochemical reactor
JPH03111587A (ja) 二酸化炭素還元用電解槽
US5607562A (en) Electrolytic ozone generator
CN102839389B (zh) 一种膜法金属氯化物电积精炼生产方法
US20050011753A1 (en) Low energy chlorate electrolytic cell and process
WO2001004383A1 (fr) Procede d'electrolyse de chlorure alcalin
CN205204884U (zh) 一种处理高盐工业废水的多电极多隔膜电解槽
KR20010001690A (ko) 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는방법
US4725341A (en) Process for performing HCl-membrane electrolysis
Adams et al. Electrochemical oxidation of ferrous iron in very dilute solutions
US20230136422A1 (en) Advanced Commercial Electrolysis of Seawater to Produce Hydrogen
CN210122499U (zh) 一种连续式电催化反应系统
CN116157554A (zh) 用于运行电解设备的方法以及电解设备
WO2020105369A1 (ja) 水素製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
NORF Unpaid initial registration fee