KR20010093147A

KR20010093147A - 수용액의 정화 및 화학물질의 합성을 위한 전해 장치 및방법

Info

Publication number: KR20010093147A
Application number: KR1020017007130A
Authority: KR
Inventors: 귈레르모다니엘 자피; 놀만 엘. 웨인버그
Original assignee: 추후제출; 자피 워터 퓨리피케이션 시스템즈, 인코포레이티드
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2001-10-27
Also published as: ZA200105137B; KR20000047427A; US6328875B1; AP0102197A0; AR021567A1; EA200100620A1; KR100432971B1; HK1042683A1; US6315886B1; CR6382A; KR100379123B1

Abstract

제지공장, 음식물 가공 공장 및 섬유제조 공장 등으로부터 나오는 폐수나 지하수등의 오염된 수용성 메디아의 전기적 정화방법은 진보된, 보다 경제적인 개방형 전극셀 디자인으로 용이하게 정화, 탈색, 살균되어 지는데, 여기서 전극셀은 양극과 음극이 분리되거나 분리되지 않은 디자인이 모두 해당되고, 단극형이나 쌍극형으로 결합된 셀이다. 매우 좁은 모세(capillary) 극간 전극으로 이루어질 때, 특히 상대적으로 낮은 전도성의 처리 용액일 때 좀더 경제적인 운전이 보장된다. 이 새로운 셀 디자인은 또한 유기화합물이나 차아염소산염 표백제와 그 밖의 산화물과 같은 무기화합물의 전기적 합성에도 유용하다.

Description

수용액의 정화 및 화학물질의 합성을 위한 전해 장치 및 방법{Electrolytic Apparatus, Methods for Purification of Aqueous Solutions and Synthesis of Chemicals}

인구가 증가하고 물의 공급이 제한된 곳에서 폐수는 가치 있는 자원일 수 있다. 폐수의 재사용은 제한된 담수공급에 대한 완화와 더불어 강과 호수에 방출되는 오염물을 감소시켜 수질을 향상시킬 수 있다. 폐수는 농작물이나 조경용 관개용수, 지표수 충전수, 또는 레크리에이션용으로 재생/재이용할 수 있다.

마시기에 적당한 물을 준비하는 것은 생존하는데 있어서 필수적인 것이다. 자연적으로 존재하는 물의 질은 장소에 따라 변화하고, 박테리아, 균류(fungi), 포자류(胞子, spore), 그리고 은 분생아포(crypto sporidium)와 같은 유기체; 염류(salts), 중금속 이온, 유기물 그리고 다른 오염화합물 을 자주 제거해주는 것을 필요로 한다.

지난 몇 년 동안, 산업폐수처리를 위한 수많은 1,2차 그리고 3차 처리공정이 적용되어져왔고 안전한 음용수 공급을 위한 지표수의 정수, 도심지 공급수의 처리 등도 이루어져왔다.

이들 방법들은 주로 분쇄(comminution), 침강(sedimentation), 슬러지 소화(sludge digestion), 활성슬러지 여과,(activated sludge filtration), 생물학적 산화(biological oxidation), 질산화(nitrification) 등과 같은 기계/생물학적 복합공정이다. 또한, 다른 몇가지의 예를 들자면, 화학적 첨가물이 사용되는 응집(flocculation) 그리고 응결(coagulation), 침전(precipitaion), 여과, 염소를 이용한 방법, 오존(ozone), 펜톤산화물, 역삼투압(reverse osmosis), UV 살균법(UV sterilization) 등과 같은 물리/화학적 공정들도 널리 쓰이고 있다.

전기화학적 기술을 이용한 방법 또한 도시 상수도 처리를 포함한 산업폐수 및 지표수의 정화공정에 많이 제안되고 있다. 계속된 사용증가에도 불구하고, 물/배출수 처리공정에서 전기화학의 역할은 현재까지, 앞에서 명시된 물리적, 생물학적 그리고 화학적 공정에 비해 비교적 낮은 편이다. 어떤 경우에는 대체 기술이 초기 자본비 및 에너지 소비의 관점에서 더 경제적인 것으로 밝혀졌다. 예전의 전기화학을 이용한 처리방법들은 자본 그리고 운전비용에 있어서 염소소독, 오존, 응집 등과 같은 기존의 방법에 비해 경쟁력이 없었다.

초기 전기화학 공정에서는 전도도를 변화시키기 위해 보조 전해질을 필요로 했고 이로 인해 운전비의 증가, 그리고 부산물의 처리 등의 또 다른 문제들이 일어났고 어떤 분야에서는 오염물의 농도를 정부 규제치 이하로 낮추기에는 역부족이었다. 이전의 전기화학을 이용한 처리공정은 유기 오염물의 완전한 분해(mineralization), 그리고 산업폐수에 있어서 정부기준에 준하는 색도제거를 실질적으로 처리할 수 있을만한 신뢰성를 충분히 지니고있지 못했다.

수계 내의 오염물 처리에 있어서 전기화학은 앞서 말한 결점에도 불구하고 아주 유망한 최상의 기술로 여겨지고 있다. 따라서 효율적이고 안전한 전기화학적 셀(cell)의 구성, 거대한 용량을 지닌 산업폐수처리, 수계로 방출되는 방출수의 처리, 마시기에 적절한 도시 상수를 만들기 위한 수처리를 포함한 오염된 지표수의 처리공정의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 전기화학적 셀(cell) 구성은 화학적인 생성물의 전기합성에 유용할 것이다.

본 발명은 일반적으로 수용성 용액의 정수 및 유용한 화학물질의 합성/조제와 관련이 있고, 구체적으로 말하자면, 전기화학을 이용한 방법, 그리고 음용수, 산업폐수, 지표수내의 오염원의 전기적 정수 뿐만 아니라, 예를 들면, 유기 및 무기 화학물과 같은 유용한 생성물에 대한 (전기합성) 전기화학적인 합성을 위한 효율적이며 경제적이고 안전한 전해장치와도 관련이 있다.

본 발명과 그 특성에 대한 이해를 돕기위해 다음의 도안들을 이용한다.

도 1은 직접 주입식, 개방형의, 전기화학적 셀의 누출량이 제어되는 발명품을 구체화하여 묘사한 측면도이다. 여기서 전극은 수평 방향으로 집수탱크 위에 위치한다.

도 2는 도 1의 전기화학적 셀의 측면도에서 전극이 수직 방향으로 배치된 것이다.

도 3은 직접 주입식, 개방형의, 전기화학적 셀의 누출량이 제어되는 발명품을 구체화하여 묘사한 측면도이다. 여기서 전극은 개방형의 셀 하우징 내부에 위치한다.

도 4는 도 1의 전극 셀 스택의 분해도이다.

도 5는 단극형으로 연결된 발명품의 전극 스택의 측면도이다.

도 6은 양극형으로 연결된 발명품의 전극 스택의 측면도이다.

도 7은 분리기(separator)로 구획된 전극 스택의 측면도이다.

도 8은 단극 배열로 연결된 다공성 전극 스택을 가진 개방형 전기화학적셀의 측면 입면도이다.

도 9는 양극 배열로 연결된 다공성 전극 스택을 가진 개방형 전기화학적셀의 측면 입면도이다.

도 10은 실험Ⅰ에서 수행된 것으로, 전기 정화방식의 발명방법에 의하여 처리된 페놀 수용액의 실험결과를 나타내었다.

본 발명은 주로 유기/무기 화학복합물을 포함한 광범위한 화학/생물학적 오염물로 구성된 폐수를 포함하는 수처리와 관련되어서 더욱 새롭게 발전된 전기정화기술이다. 대표적인 무기 오염물은 암모니아(ammonia), 히드라진(hydrazine), 황화물(sulfides), 아황산염(sulfites), 아질산염(nitrites), 질산염(nitrates), 아인산염(phosphites) 등이 있다. 유기물질에는 유기 금속 화합물(organometallic compound), 섬유염료, 탄수화물(carbohydrates), 식품가공업에서 발생되는 지방 및 단백질, 리그닌(lignin)과 색도 유발물질을 포함하는 펄프(pulp), 제지(paper mills)폐수와 같은 유해 방출물, 병원균 포함하는 일반적인 오염물 즉, 박테리아(박테리아), 진균류(fungi), 곰팡이(mold), 포자(spore), 포낭(cysts),원생동물(protozoa) 그리고 바이러스(virus)와 같은 전염성 물질 등이 있다.

본 발명품을 사용하여 처리할 수 있는 모든 오염물들을 명확히 증명하는 것은 비효율적일지도 모르지만, 우리가 주장하는 표현 즉, "오염된 전해용액 물질" 또는 다른 여러 용어들은 유기, 무기 또는 생물학적 오염물이든지 아니든지 간에 모든 오염물들을 포함하려는 의도가 있다.

본 발명품의 실행을 위한 전기정화 방법 및 장치에 있어서 , 낮게는 <1 ppm, 높게는 >300,000ppm까지의 범위를 가지는 하나 또는 그이상의 모든 유기/무기/생물학적 오염물을 포함하는 어떠한 물을 효과적으로 정화할 수 있는 능력이 주목할만한 부분이다.

대부분의 오염 화합물에 있어서 원하는 화학적 변화를 달성하기 위해 필요한 것은 전력뿐이다. 개선된 셀(cell) 디자인에서는 수돗물의 전도도 정도만 있어도 운전이 충분히 가능하다. 그러므로 오염물/오염물질의 처리를 위한는 전도도를 얻기 위한 첨가물의 주입은 필요치 않거나 , 반드시 요구되는 것은 아니다. 본 발명품의 강점중의 하나는 거의 모든 운전사례에서 고형물 및 부산물이 발생하지 않아 비싼 폐기물 처리비가 필요 없다는 점에 있다. 본 발명의 개선된 전기화학적 공정에는 완벽 또는 실질적인 색도 제거; 염소처리(chlorination), 오존처리(ozonation) 그리고 응집처리와 같은 기존의 방법에 비해서 가격경쟁력이 있고, 정부규제치 만족시키는 처리효율을 지녔고 유기오염물 및 복합오염물의 완전한 분해 및 생물학적 오염물의 완전한 파괴를 달성할 수 있다.

따라서, 적어도 한 개의 양극과 한 개의 음극이 전해반응조 구역내에 전극으로서 위치하는 전해셀(electrolysis cell)을 공급하는 것은 본 발명에 있어서 가장 중요한 목적중에 하나이다. 전극은 가능한 충분히 밀착시켜서 배치한다. 이는 셀에 걸리는 전압 및 저항 손실을 최소화시키는 능력을 가진 전극간 간극을 제공 할 뿐만아니라 , 별도의 전해질 및 전류의 공급 없이 전도도를 유지하기 위한 것이다. 오염된 액체 전해질(오염된물)은 직접 급수방법을 통해 전극간 간극부분으로 공급된다. 전해구역(electrolyzer zone) 내의 수용 성전해질의 체류시간을 규제하는 방법을 제공한다. 전해셀이 전기적 정화를 할때, 전해질은 직접적인 전기화학 그리고/또는 화학적인 방법을 이용하여 셀내부에 유입되는 오염물을 보다 덜 위험한 물질로 변형시키기 위해 충분한 시간 동안 전해구역(electrolyzer zone)내에 남아있다. 부가적으로 전해구역에서 빠져나가는 정화된 액체전해질(처리수)을 수집하기 위한 방법을 규정한다. 본 발명에 따른 전해셀이 "개방형태(open configuration)"를 지닌 것 또한 중요하다.

본 발명(전기화학적 셀)과는 별도로 다음 내용들은 실용적이고 효율적인 운전을 위한 방법이다. 오염된 액체 전해액을 펌프 또는 중력을 이용하여 전기화학적 셀로 직접 공급; 폭기(aeration), pH 조절(pH adjustment), 히팅(heating), 큰 입자물질의 여과(filtering)와 같은 전처리; pH 조절과 냉각(cooling), 또는 마실 수 있는 물로 적용하기 위한 염소소독(잔류물 소독)과 같은 후처리 등과 같은 방법들이 있다. 더불어, pH 센서(sensors), UV 및 가시광선, 생물학적 오염물질 센서(biological contaminants sensor), 온도 센서 등의 센서(sensor) 및 마이크로프로세서(microprocessor) 컴퓨터를 이용한 in-line monitoring 방식의 자동 공정제어장치를 이용한 방법이 있다.

본 발명에 있어서 물을 정화하기위한 시스템을 공급하는 것은 아직까지 남은 목적이고 다음과 같은 내용들이 포함된다:

(ⅰ) 전해 셀은 적어도 한 개의 양극과 한 개의 음극으로 전해반응조 구역내에 전극으로서 위치한다. 전극은 셀에 걸리는 전압과 저항을 줄이기 위해 상호간에 충분히 가까운 간격으로 부착된다. 또한 오염된 액체 전해질(처리원수)을 전해반응조 구역내에 직접 공급 하는방법도 포함된다. 전해셀은 특성은 개방형태(open configuration)에 있다.

(ⅱ) 제어 밸브(Control valve)는 오염 전해액을 관로를통해 전극으로 직접 공급될때의 흐름을 조절하는데 그 목적이 있다.

(ⅲ) 오염 전해액을 펌프를 사용하여 관로를 통해 공급하는 것도 포함되고 또,

(ⅳ) 정류기(rectifier)가 전해 셀에 직류전기(DC power)를 공급하는 방법이 포함된다.

정화시스템은 센서를 통한 입력내용을 센서와 컴퓨터에 의해 받는 것과 전류밀도(current density), 오염된 물의 전해 셀로 흘러가는 유속(flow rate), 온도, 그리고 오염 전해액의 pH 중 적어도 한 개의 운전상태를 제어하는 output을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 선택적 구성요소에는 전기화학적으로 생산된 기체 부산물의 취급에 관한 사항, 및 여과, pH 조절 그리고 온도조절 등에서 선택된 오염 전해액의 전처리 방법도 있다.

앞에서도 언급되었지만 본 발명의 전기화학적 셀의 가장 색다른 것은 "개방형태"에 있다. 상세 설명(specification)과 청구범위(claim)에 나타냈듯이 "개방형태"라는 표현 또는 그것에서 변화된 것들은 누수(leakage) 또는 처리된/오염된 전해액의 배출 그리고 기체/휘발성 부산물의 제어에 알맞은 전기화학적 셀 디자인들로 정의된다. 위의 정의는 기존의 폐쇄 전기화학적 셀, 그리고 기존의 간접적 방법을 이용하여 전극에 전해질을 공급하는 탱크형태의 셀이 앞으로는 제거 또는 제외되는 것을 의미하는 의도가 포함되어있다. 폐쇄형태를 지닌 전기화학적셀은 많은 양의 기계부품에 의해 합성되고 셀내에서의 전해질 누출방지를 위해 O-ring과 가스켓을 사용하는, 밀봉된 스택(stack) 구조로 셀이 형성된다. 위와같은 폐쇄형 전기화학적 셀은 일반적으로 closed plate과 frame 형태의 셀에서 찾아볼 수 있다. 셀을 전해질의 누출 그리고 발생가스의 대기로의 누출을 방지하기 위해서 아주 꼭 조여지고 내구력을 요하는 밀봉을 필요로 한다. 따라서 위의 전기화학적 셀은 소요되는 초기 설비비, closed plate과 frame 형태의 셀을 분해할 때 파손되는 셀의 프래임과 가스켓의 교체 비용 등이 상당히 많이 든다.

본 발명에서의 전기화학적 셀은 폐쇄되지 않고 "개방"상태이기 때문에 액체 전해질의 누출, 기체상의 부산물, 밀봉된 셀 디자인, 가스켓, O-ring들을 포함한 다른 밀봉제의 필요성이 완전히 사라지게 된다. 그 대신에 셀의 구성 부품은 클램프(clamps), 볼트(bolts), 이음보(ties), 끈(straps), 또는 상호간에 물리는 조립형태, 등을 이용한 여러 가지의 기계(기구)적인 방법으로 필요에 의해 사용되고 이로인해 구성부품들은 서로 아주 근접(조여진)한 형태로 유지되고 있다. 위의 결과에서 볼 수 있듯이 새로운 "개방 형태"의 셀은 초기 셀 비용, 재생비, 그리고 유지비 등이 최소화되어질 수 있다.

이런 개방형 셀에서 전해질은 전극표면의 상대적인 중앙부위에 위치한 공급기 피더(feeder)에 의해 직접 전해조내의 전극으로 공급되어진다. 예를 들자면 오염액(원수)은 아주 좁은 전극의 간극(gap)또는 공극(space)으로 흘러들어 전극과 접촉하게된다. 이 시점에 오염물질은 덜 위험한 물질로 직접 변환되거나 화학적 산화물 또는 환원물로 자체적인 변환이 이루어 진다. - 염소(chlorine) 또는 차아염소산(hypochlorite)과 같은 표백제(bleach) ; 수소, 산소 또는 오존, 과산화물(e.g. 과산화수소, 수산기, etc.)과 같은 반응적 산화물. 그리고 이산화탄소(carbon dioxide), 황산염(sulfate), 수소, 산소 또는 질소와 같은 화학적으로 적은 독성을 지닌 물질로 변형된다. 어떤 경우에서는 처리되는 용액속의 오염물 구성에 따라 일정량의 저농도 염화 나트륨(sodium chloride), 철염 또는 다른 촉매 염(catalytic salt)을 셀에 의한 처리가 이루어지기 전이나 처리 중에 첨가해주는 것이 바람직할 때가 있다. 예를 들어, 이러한 물질들의 첨가는 활성염소를 생산하여 처리수 중에 소독제의 잔류 농도를 제공하거나 전기적으로 생성되어진 과산화수소로 팬톤 반응물(Fenton's reagent)의 형성을 촉진시키기 위한 철의 생성에 사용되어질 수 있다. 마찬가지로 산소 또는 공기가 수계로 유입되면서 과산화물의 발생능력을 높일 수 있다.

전해질은 양압(positive pressure) 상태로, 스택으로 이루어진 전극으로 직접 공급되기 때문에 전해반응시에 수소 또는 산소와 같은 기체들에 의해 발생되는 절연 브랭킷(insulative blanket) 또는 방울포켓(bubble pocket)이 전극표면에 축적되는 경향은 별로 나타나지 않는다. 전극의 기체블라인딩(gas blinding) 현상은 전류의 흐름에 대한 내부저항을 증대시키며 결과적으로 전류 및 에너지소비량을 증가시킨다. 그렇지만 본 발명에서 사용하는 직접적인 전해질의 흐름 및 전극간 간극내 유체의 동적인 흐름은 기체브랭킷 효과를 감소시키며 결과적으로 셀의 전압을 감소시킨다.

처리를 필요로 하는 용액은 펌핑(pumping) 또는 중력의 흐름에 의해 셀을 통과하고, 전극간 간극을 통과한 후 중력에 의해 전해구역을 통과하고 셀 아래에 위치한 저장조로 흘러가게 되고 후처리, 예를 들어 자연 배수구로 방류된다. 이와는 대조적으로 전해반응에 의해 발생된 분해되지 않은 기체는 채집 또는 차후 공정을 위해 대기 또는 기체수집기나 후드(hood)로 배출된다.

아래에 설명하는 직접 공급방식의 "개방형태" 전기화학적 셀은 기존의 셀 하우징(housing) 또는 탱크(tank)를 제거하기 위한 대체 방법으로 바람직하고 아래에서 더욱 자세하게 나타내고 있다. 상세 설명 및 청구범위에서 나타나는 "개방형태"이라는 표현은 앞서 말한 정의와 더불어 개방 탱크 또는 개방셀 하우징의 내부 구역에 배치된 직접 공급 전극을 이용한 전기화학적 셀 디자인을 포함하는 의도가 있다. 개방탱크형 전기화학적셀의 대표적인 예는 미국 특허 4,179,347 (크루즈 외., Krause et al) 즉, 폐수가 흐르는 수계를 살균하는 연속 시스템에서 볼 수 있다. 여기서 사용된 셀탱크는 윗면이 개방되었고 옆면과 바닥이 있고 간격이 있는 전극은 탱크의 내부에 위치하고 있다. 크루즈 등에 의하면 이 방법에서는 탱크내에 위치한 전극에 오염된 용액을 직접 공급하는 대신 원수가 초기에 탱크의 끝부분에 유입되어 내부 격벽( baffle)에 의해 유동이 일어나고 이로 인해 수평하게 놓인 전극의 위 아래로 통과하거나 사이로 지나가게 된다. 그러므로, 전해질을 압력을 받는 스택의 전극으로 직접 이동시키는 대신 강제적으로 전극의 간극 사이에 인접한 본 발명에 의한 양극과 음극사이를 통해 전달된다. 또한, 크루즈 등의 개방탱크셀에서 전해질은 용액이 잔류하고 있는 탱크 바닥부분의 전극의 위치선정에 의한 범람(flooding)효과를 통해 전극과 간접적으로 접촉한다. 특히, 이 수동성의 범람 효과는 오염물질이 낮은 농도로 존재할 때에 오염물질을 효율적으로 처리하기에 필요한 질량이동조건(mass transport condition)을 이루기에는 적당하지 않다. 따라서, 전해 반응에 의한 기체 부산물질들은 전극표면에 가스버블 블랭킷을 생성할 수 있다. 결과적으로 내부에 높은 저항이 생길 것이고 이것은 셀 전압 및 에너지 소비를 증가시킨다.

따라서 , 본 발명의 상세 설명과 청구범위에 나타낸 "개방형태 "라는 표현은 스택형의 전극이 개방된 탱크/하우징의 내부에 위치하고 있고 전극에 오염된 용액을 직접 공급하는 전기화학적셀을 의미하는 것을 포함하려는 의도를 담고 있다. 처리수를 하우징에 직접 공급하게 되면 그것은 저장조의 역할을 하지 못하고 범람 효과에 의해 전극과 수동적으로 접촉하게 될 것이다.

본 발명에서 "개방 형태"라는 표현은 전기화학적 셀과 전체 정수시스템에 인접한 운전자의 부상 가능성을 최소화하기 위해 튐 방지장치(splash guard), 보호물(shield) 그리고 망(cage)과 같은 안전장치도 고려하는 의도를 담고 있다.그러므로, 예를들면 전해 셀의 제한 또는 작은 방에 있는 본발명의 전체 정화시스템 역시도 상세 설명과 청구범위에 나타낸 "개방 형태"의 뜻 안에 포함되는 것을 의도하고 있다.

또 다른 형태의 전기화학적 셀 디자인은 미국 특허 4,048,047에서 벡크 등(Beck et al)에 의해 발표되었다. Beck et al의 셀 디자인은 0.05에서 2.0mm의 전극간 간격을 제공하는 간극제(spacer)에 의해 분리되는 원형 전극판으로 이루어져 있다. 액체 전해질은 스택으로 이뤄진 전극판 중앙의 개방된 관로를 따라 직접 공급되고 이는 스택의 바깥쪽으로 흘러내린다. 그리고 스택전극은 기체 반응물, 증기 또는 반응 생성물의 유실을 방지하는 후드를 포함하는 폐쇄 하우징과 결합되어있다. 벡크 등의 셀은 본 발명의 "개방 형태" 셀의 기준(성능)에는 못 미친다.

높은 경제성을 지닌 본 발명에서의 개선된 "개방 형태"의 전기화학적셀의 디자인은 그것이 회분식(batch) 또는 연속식 이건 ,기존 셀의 프래임과 판, 탱크형셀, 폐쇄형 셀을 제거하는 데에 기초를 둔다고 말한바 있다. 이것 역시도 상세 설명과 청구범위에 나타낸 "개방 형태"의 표현에서 이해될 수 있듯이 전기화학적 셀은 장애물(barrier), 칸막이(partitions), 격벽(baffles)과 같은 여러 가지의 삽입물에 의해 변경될 수 있고 어떤 경우에서는 셀 전극에 가까이 또는 주변의 모서리에 위치될 수 있다. 이러한 변경은 전해질의 순환과 방향 그리고 체류/보류 시간을 증가시켜 결과적으로 셀내에 있는 전해질의 체류시간 및 배출시간에 영향을 준다. 부분적 개방이 이루어진 변형된 전기화학적 셀 임에도 불구하고 전극에 대해 충분히 접근하기가 쉽도록 되어있을 때 "개방 형태"의 의미에 포함된다. 변경된 형태를포함하는 청구범위에 있는 "개방 형태"의 정의에서 대표적인 변형 전기화학적 셀 디자인(전극이 충분히 접근이 가능하도록 하는 전극을 가지고있는)에서, 소위 "스위스 롤 셀(Swiss roll cell)"이라 불려지는 디자인은 전극 위에 다른 전극을 포개놓고 동심(同心) 형태로 말게되고 이때, 폐쇄관(closed tubular) 형태의 전극은 제거되면서 "개방형태 스위스 롤 셀"이 형성된다.

더 넓은 범위의 화학적/생물학적 수중 오염물, 그리고 계속해서 변화하는 농도(저농도에서 몇천 ppm까지)를 제거할 수 있고 기존의 정수 시스템에 비해 가격 경쟁력과 더욱 높은 에너지효율을 지니고 있는 효율적인 전기화학적 셀 디자인을 제공하는 것은 본 발명에서 남아있는 과제이다. 본 발명의 전기화학적 셀 시스템과 방법은 경제적인 면에서 상당히 향상되어졌고 화학공장, 섬유공장, 제지제조공장, 식품가공공장 등에서 발생된 많은 양의 산업폐수를 처리할 수 있는 준비가 되어있다. 낮은 셀 전압과 높은 전류밀도는 높은 경제성을 지닌 좁은 모세관형태의 간극으로 이루어진 전극을 가진 단극형 개방 전기화학적 셀로 이뤄낼 수 있었다. 일반적으로 전극간 간격의 넓이는 보조 전해질 또는 전류 집전자를 오염된 용액에 첨가하지 않고도 원하는 전도도를 이룰 수 있게 충분히 좁다. 그러므로 오염 용액에 전류집전자 역할을 하는 보조 전해질을 첨가할 필요성은 배제될 수 있다.

본 발명에서 오염 용액의 전기정화를 위한 방법으로 더욱 경제적이고 안전한 연속, 반연속 또는 회분식 방법을 다음과 같은 순서에 의해 제공하는 것이 앞으로의 목적이다.

(ⅰ) 적어도 한 개의 양극과 한 개의 음극이 전극으로서 전해반응조 구역내에위치하는 전해 셀의 공급. 전극은 셀에 걸리는 전압과 저항을 줄이기 위해 상호간에 충분히 가까운 간격으로 부착된다. 또한 이미 전해질을 함유한 오염된 용액(처리원수)을 전해반응조 구역내에 직접 공급 하는방법도 가능하다. 셀의 전해반응은 앞에 설명된 "개방 형태"에 의해 특성이 나타난다.

(ⅱ) 오염된 액체 전해질을 전해 구역에 직접 공급하는 것과

(ⅲ) 액체 전해질내의 오염물을 변형시키거나 파괴하기 위해 전해 셀의 전극에 전압을 교차되게 걸어준다.

공정 내에서는 전해셀에서 정화된 전해질을 회수하는 단계가 포함되는 것이 일반적이다. 그렇지만 본 발명에서는 정화된 용액을 유역(流域;watershed)으로 직접 배수 또는, 선택적으로 다른 후처리 장치로 방류하는 것도 포함한다.

앞에서 언급했듯이 본 발명에서의 처리 방법은 단극 또는 양극형태를 지닌 개방형 전해 셀에서 이루어진다. 위에서 정의된 바와같이 개방된 형태로 인해 본 발명에서의 전기화학적 셀은 단극형 디자인으로 손쉽게 만들어질 수 있다. 본 장치의 가장 큰 장점중의 하나는 비교적 낮은 전도도를 가진 오염 용액을 전해하기 위해 높은 전류밀도가 요구되는 상황에서도 낮은 전압을 유지한다는 것이다. 특히, 대형 시설의 전류집전을 위한 전도체(busbar)와 정류기(rectifier) 비용을 최소화하기 위해 사용하는 본 발명의 개선된 전기화학적 셀은 단극 형태를 가지는 것이 좋다.

전형적으로 단극형 개방 셀 디자인에서 전기적 연결은 각각의 전극과 이루어져있다. 이와는 반대로 양극형에서는 마지막 전극에만 전기가 연결되어진다. 그러나 실험실 규모에서 파일럿 규모로 증대시킬 경우, 그리고 개방형 상업규모 셀에적용시킬 경우, 전극표면적의 증대가 요구된다. 본 발명에 있어 더욱 효율적인 셀 디자인 그리고 설치비 및 운영비용을 셀의 증가로 얻을 수 있다면 아주 유리할 것이다.

그러므로 이 발명의 발상에 맞는 더욱 경제적인 개방형 전해 셀을 제공하는 것이 근본적인 목적이다. 다중의 다공성 전극은 서로 인접하여 배치되고, 겹겹이 쌓는 형태(이하 스택)로 수직 또는 수평으로 포개져있다. 일반적으로 그물 또는 스크린 형태를 가진 다공성 전극은 전기적으로 접촉하고있고, 각각의 전극 스택은 전압을 공급하기 위한 단일 공급용 전극을 필요로 한다. 그러므로, 전극을 이러한 대표적인 형태로 정렬함으로써, 외부 전기적 접촉수를 늘리지 않고도(필요한 전력을 공급하지 않고도) 전극표면적이 현저히 증가된다. 전극 접촉 비용의 최소화 층을 이룸으로써 전극 구매 자본을 절감시킬 수 있음을 알수 있다. 전극을 쌓게되면 연결비용이 최소화됨과 동시에 전극 구매비용 감소를 실현할 수 있다. 또다른 잇점으로는 낮은 셀 전압에의한 개방형 셀의 운전 효율성 증가, 전력소비의 감소 및 낮은 운전비용을 들 수 있다. 따라서 본 발명은 전해셀이 전해구역에 위치해있는 최소 한 개의 음극과 한 개의 양극으로 구성되는 "개방 셀" 형태를 장착하는 것을 의도한다. 적어도 한 개의 전극은 서로 인접하여 위치하고 전기적으로 접촉을 하고있는 다수의 전도성 다공 요소로 이루어져있다. 또한, 전극의 전해구역에 액체 전해질 용액을 직접주입 하고 전해구역내 전해 용액의 체류시간을 조절하는 방법도 있다.

대안으로서, 여러개의 전도력이 있고 다공성인 요소로 구성되어 있는 전극은고체이며 비다공성의 전도성 전극요소와 조합될 수 있다.

다음은 요염된 액상 용액을 전기정화하는 방법이며 다음과 같은 순서로 이루어진다 :

(ⅰ) 개방형태의 셀은 최소 한 개의 음극과 한 개의 양극으로 구성되어 있고 전해구역에 위치해 있다. 그리고 전극들 중 적어도 하나는 망 또는 스크린 형태로 서로 인접해 있고 전기적으로 접촉하는형태의 다수의 전도성 다공 요소로 구성되어 있어야한다. 오염물질을 변형시키기 위해 전극의 전해구역에 액체 전해질 용액을 직접주입하고 전해구역 내 전해 용액의 체류시간을 조절한다.

(ⅱ) 오염된 액체 전해질 용액은 (ⅰ)의 전해셀로 유입되어지고

(ⅲ) 액체 전해 용액속의 전해질내 오염물질을 변형시키기 위해 전해셀의 전극에 전압을 걸어준다.

본 발명품의 향상된 전기정화 방법은 금속이온에 의해 오염된 액체 용액을 처리할 수 있을것으로 예상한다. 이들 금속이온들은 가끔, 도금조 유출수, 금속증류조(stripping bath), 살충제 제조 및 페인트, 그리고 합성약품에 의해 격리된 금속물질, 계면활성제 또는 환원 제 등에서 나오는 독성물질이다. 본 발명의 전기정화 방법은 전해셀 내에서의 추가적 처리를 위해 합성약품, 계면활성제 또는 환원제를 파괴하여 그 속의 유해한 금속을 방출한다. 또한, 금속 회수 셀로 이송하여 오염된 용액에서 금속을 분리하는 방법도 있다.

"오염된 용액의 전기적정화"와 같은 앞서 밝힌 전해셀의 주요 기능 이외에 본 발명의 개방형 셀은 다른 유용한 곳에도 적용할 수 있다. 대표적인 예로 요오드산염 및 과요오드산염, 이산화염, 과산화황산염 그리고 카르복시산 전해의 콜베(Kolbe)법에 의한 이합체(dimers) 또는 활성 올레핀(olefin)의 수력전기이합(electrohydrodimeriza -tion), 수소와 산소를 형성하기 위한 물의 전해 등 과같은 무기 및 유기성 복합물의 전기화학적 합성이 있다.

그러므로, 본 발명품의 또다른 주요 목적은 유용한 생산물을 생산하기위한 전기합성 공정을 제공하는데 있고 다음과 같은 단계로 이루어진다 :

(ⅰ) 개방형태의 셀은 최소 한 개의 음극과 한 개의 양극으로 구성되어 있고 전해구역에 위치해 있다. 그리고 전극들 중 적어도 하나는 망 또는 스크린 형태로 서로 인접해 있고 전기적으로 접촉하는형태의 다수의 전도성 다공 요소로 구성되어 있어야한다. 전해 구역내의 전극에 전해용액을 직접주입할 수 있고 전해구역내의 전해용액의 체류시간을 조절할 수 있어야한다.

(ⅱ) (i)의 전해셀에 무기염, 표백제 제조시 발생하는 알카리 금속염 용액, 과요오드산염을 만들 때 발생하는 요오드산염, 액체 산성 요액 등과 같은 전기활성물질로 이루어진 전해질을 투입한다.

(ⅲ) 유용한 화학적 생성물을 형성하기 위해 전해셀의 전극에 전압을 통과시켜 전해용액을 전해한다.

본 발명품의 구성은 다공성 격막(膈膜) 또는 선택적 투과막으로 이루어진 전해셀에 의한 유용한 생산물의 전기합성 방법을 포함한다.

다시 도 1로 돌아가면, 앞서 설명하였듯이, 주입부 22를 통과한 폐수는 12에해당되며, 오염된 수용액의 정화를 위한 전해셀 10으로 도해된다. 폐수 12는 전기분해 반응의 가스상의 부산물-대기중으로 방출되는 산소 및 수소 16-을 고려한 완전 개방형 셀 10의 전해조 14 내에서 처리된다. 전기분해반응 동안에 생성된 유해 가스가 대기중으로 배출되는 것을 피하기 위하여 그 가스를 수집할 수 있는 몇몇 사례가 타당성을 가질 수 있다. 예를 들면, 염소는 소금물이나 해수 등에 포함된 유출수가 전해되는 동안 양극에서 발생될 수도 있다. 이를테면, 그러한 가스들은 전기화학적 셀 10에 인접하여 위치하는 기존의 진공 후드장치(나타내지 않음)에 의해 회수될 수 있다.

전해조 14는 도 1과 도 4에서 수평방향으로 나타낸 스택 17을 포함하며, 적어도 하나의 음극 18과 적어도 하나의 양극 20 으로 이루어진다. 예컨대 양극 20은 사용할 때마다 조림된 전극 스택 17 안에서 전극, 간극재 및 분리기 등의 조립품을 잡아주기 위한 종판(end plates) 21로서의 역할을 하기도 한다. 비전도성 전극 간극재 23은 인접한 양극과 음극 사이의 공간과 전극들 사이에 기대되는 전극의 극간을 갖도록 위치한다. 반면 도 1과 도 4는 단지 음극 18 반대편의 양극과 중앙의 음극만을 나타내고 있는데, 이를테면, 이는 구조적으로 안정한 조립품으로 구성요소들을 유지하기 위해 스택과 종판면을 통하는 볼트 조임 방식(25)으로 각각의 교차되는 양극, 간극재, 음극 등으로부터 만들어질 수 있는 전극 스택들로 이해될 수 있다.

종판면, 전극, 간극재들은 일반적으로 직사각형 평면 형태를 취한다. 한편, 대안으로서 가능한 정사각형, 둥근(round)형, 원(circular) 형태 등의 몇몇 기하학적 모양과 크기도 발명의 범위에 포함된다. 오염된 수용성 전해액은 공급라인 22를 통하여 전해조 14내의 전극으로 직접 주입된다. 공급라인 22는 양극/종판 21의 중앙에 위치하는 것으로 나타난다. 고형으로 평면인 전극은 망/스크린-형태의 재료가 더 적합하다. 이는 수용성 전해액에 들어간 전극 스택들이 전극과 직접적으로 교전할 수 있게 해주며, 그 전극들의 테두리 쪽으로 스택들 내에서 각각의 전극 표면을 따라 방사형으로 흐를 수 있게 해준다. 게다가 유입되는 용액은 보통 축 방향으로(axially) 혹은 전극 평면의 세로축에 수직으로 흐르게 되며, 그래서 공정(process) 상에서 오염된 수용액은 전극표면이 최대화되도록 분수대 효과(fountain-like effect)현상으로 전극 스택을 통과하거나 넘쳐 동시에 분수처럼 떨어지게 된다. 정화된 물 24는 개방형 집수조 26내에 수집되거나 원래의 유역으로 흘러들어갈 수 있도록 유출 라인(나타내지 않음)에 깔때기 모양으로 할 수 있다.

도 1~4에 나타낸 것처럼, 전해조 내로의 오염된 수용액의 직접 주입은 반드시 전극 스택들의 중앙에서 이루어지도록 위치할 필요는 없다라고 이해될 수 있다. 오염된 수용액은 전극 스택의 바닥으로부터 혹은 전극의 평면 형태의 표면에 사선이나 둔각으로 주입되므로, 대안적인 직접 주입 방식은 주입지점을 바꾸어 주는 것을 포함한다. 이 밖에도 직접 주입구는 오염된 용액이 전극 스택의 가장자리에까지 운반될 수 있도록 전극의 평면형 표면의 가장자리를 축으로 할 수도 있다.

전해조 14내에 오염된 수용액의 체류시간을 조절하고, 여기서 나오는 정화된 물 24 의 누출량을 제거하기 위한 적절한 방법으로는 기존 설계(나타내지 않음)의밸브 28 그리고/혹은 펌프를 이용한 방법 등이 있다. 전극 스택에 직접 유입되거나 정화된 물로서 스택에 존재하는 원수(오염된 물)의 유량은 기본설계의 유량 제어 밸브 28을 수동이나 자동으로 조절될 수 있다. 유량(리터/분)은 전해조 내에 존재하는 처리된 용액을 시간에 따라 오염물질을 효율적으로 파괴시키기에 충분하도록 조정된다. 기술면에 있어서 본 발표의 장점되는 것은 본 발명의 전기화학절 셀의 성능을 인지할 수 있는 일반기술자가 전해조 내에 용액의 이동경로를 증가시키는 것과 같은 대안적인 방법들에 의해서 최적화할 수도 있다는 것이다. 이를 테면, 격벽장치(baffle)를 설치함으로서 전해조 내에서 용액의 체류시간을 증가시킬 수 있다. 대안적인 방법들로 전해조 내에서의 체류시간을 감소시키기 위해서 전극의 표면적을 증대시키는 것도 포함된다. 실제로, 기술적인 면에서 숙련되고 셀의 성능을 인지할 수 있는 전기화학자는 더 높은 전류밀도로 증가시킬 수도 있다.

셀의 기하학적 형상 때문에, 실제적으로 임의의 전극 재료가 단극형과 양극형 모두에서 기존의 방식대로 사용할 수 있다. 여기서 전극 재료는 평면시트, 망의 형태로 금속들-그래파이트, 유리탄소, 그물모양의 유리탄소 그리고 입자상 탄소와 같은 거품이나 이밖의 다른 물질들-을 포함한다. 또한 이는 적합한 절연, 전도체 등에 의해 두 금속층이 분리되어 이루어진 이층 구조와 같이 이들 전극 재료들의 조합도 포함한다.

유용한 양극의 대표적인 예로서, 일반적으로 알려진 것들로 내부식성 금속 양극, 차원적으로 안정한 양극, 탄소, 유리탄소 및 그래파이트를 포함하는 양극, 도료된 다이아몬드 양극, 화학양론적으로 티타늄 산화물을 포함하는 양극, 그리고 납산화물을 포함하는 양극 등이 있다. 좀더 특정적으로 대표적인 예로는 디에스에이-산소(DSA-O2)라는 상표 하에 이용 가능한 백금을 입힌 티타늄 내부식성 금속 양극들, 그리고 다른 양극으로 뉴욕 랭카스터의 일렉트로신세시스(ESC)사로부터 이용되었던 것과 같은 펠트, 거품, 스크린과 같은 넓은 표면적(high surface area)을 지닌 양극 등이 있다. 다른 양극 재료들로는 루테늄 산화물(ruthenium oxide)로 입혀진 티타늄, 백금/이리듐 산화물로 입혀진 티타늄, 이리듐 산화물로 입혀진 티타늄, 산화은으로 입혀진 은 금속(siver metal), 주석 산화물로 입혀진 티타늄, 니켈 Ⅲ 산화물이 입혀진 니켈, 금, 화학양론적 티타늄 산화물과 특히 소위 마그넬리(Magneli) 상으로 불리우는 분자식이 TiOx(여기서 X는 대략 1.67~1.9 정도의 범위)인 티타늄 산화물 등이 있다. 화학양론적으로 가장 적절한 티타늄 산화물은 산화 티타늄(Ti4O7)이다. 마그넬리 상의 티타늄 산화물과 그 제조방법은 본 문헌의 내용과 유사한 미국 특허 4,422,917 (헤이필드, Hayfield)에 기술되어 있다. 이것들은 또한 에보넥스(Ebonex )상표로 상업적으로 이용되고 있다. 산화납(PbO2), 산화루테늄(RuO2), 산화이리듐(IrO2), 산화주석(SnO2), 산화은(Ag2O), 산화티타늄(Ti4O7), 기타 등과 같은 전기 촉매적 금속 산화물들이 양극으로서 사용되는데, 이러한 산화물들을 다양한 양이온과 음이온들로 입히는 것(doping)은 본 발명품의 정화반응에 있어서의 전기 촉매적 산화 반응성, 안정성, 혹은 전도성을 더욱 더 증가시키기 위한 것이다. 적합한 양극 재료의 선정은 처리되는 비용이나 용액 내에서 양극 재료의 안정성과 높은 효율성을 지닐수 있도록 하는 전기 촉매적 특성 등을 고려하여 이루어진다.

적합한 음극 재료로는 납, 은, 강철, 니켈, 구리, 백금, 아연, 주석들의 금속 뿐 아니라 탄소, 그래파이트, 에보넥스, 다양한 합금, 기타 등등의 금속들이 포함된다. 가스 확산 전극은 또한 본 발명품의 방법에 있어서 유용한 점이다. 이 점에 있어서, 수소 방출을 최소화하고/하거나 셀 전압을 낮추기 위해 산소나 공기를 유용한 양의 과산화물로 전환시키는데 음극을 사용하기도 한다. 양극이든 음극이든, 전극 재료는 표면적이 크거나 작거나 전기촉매제로 코팅되기도 한다. 예를 들면, 넓은 금속 스크린, 금속비드, 그래파이트 비드, 탄소 팰트, 혹은 그물모양의 유리탄소 등의 표면적이 더욱 큰 전극들은 수용성 전해에 있어서 저농도로 존재할 때 독성이나 유해한 기질의 파괴에 있어서 그 효율을 높히는데 있어서 특히 유용하다.

구체적인 양극과 음극 재료는 가격, 안정성 그리고 전기촉매의 영역을 근거로하여 선택되어진다. 예를 들면, 일반적인 전기화학적 기술을 가진 사람이라면 염화물(chloride)을 염소(chlorine)로; 물을 오존(ozone)으로; 산소 또는 공기를 과산화수소(hydrogen peroxide) 또는 펜톤 시약 및 천천히 용해되는 철(iron)을 함유하는 금속 양극을 이용해 전기화학적으로 발생시킨 수산기(hydroxyl radical)로 ;질산(nitrate)에서 질소(nitrogen)로, 할로겐원소를 함유한 유기화합물(organohalogen)에서 할로겐화물(halide) 이온으로 그리고 낮은 독성을 지닌 유기물로; 변화시키기 위해 어떤 전극재료를 선택할 것인지를 인지할 것이다;

전기촉매 양극 및 음극재료 선택의 특별한 중요성은, 복잡한 성상을 가진 오염복합물질을 함유하는 용액을 처리할 때 일어난다. 즉, 전극재료가 오염물질을 짝 파괴(paired destruction)할 수 있게 선택될 수 있다. 예를 들어, 유기물, 미생물그리고 질산 오염물질로 오염된 수계는 미생물의 파괴와 유기물의 산화를 위한 반응성의 산소를 생산하는 니오븀(Nb, niobium) 또는 에보넥스에 입혀진 백금같은 양극(anode)에 의해 짝 파괴 방법을 이용하여 하나의 전기화학적 셀로 동시에 처리될 수 있다. 덧붙여서, 위와같은 셀에 질산을 처리하기 위해서 납(lead) 또는 다른 전기촉매적 금속으로 디자인된 음극(cathod)을 사용할 수 있다.

앞에서 언급했듯이, 비전도성의 간극재(spacer)는 전극 상호간에 공간 또는 가까이 붙어있는 양극과 음극간에 공간을 형성한다. 간극재(23)는 비전도성이며 폴리프로필렌(polypropylene)과 폴리에틸렌(polyethylene)과 같은 폴리올레핀(polyolefin)계 중합체(polymeric)로 직조되어진 다공성 스크린 절연 망(mesh)으로 이루어지는데, 그 두께는 전극간의 간격의 넓이를 결정한다. 대체 간극재로 셀의 이온 전도도를 효과적으로 증대시켜 셀의 전압과 운전비용을 감소시킬 수 있는 이온성 중합체(ionic polymer)를 쓰는 것 도 가능하다. 양이온(cation)과 음이온(anion) 교환수지층(exchange resin beds)과 같은 적당한 용적을 지닌 이온-교환(ion-exchange)수지는 전극사이의 간극에 고정된다.

대부분의 적용 사례에서 전극간 간극의 범위는 전극이 합선을 일으키지 않는, 거의 0에 가까운 최소의 간격부터 약 2mm 정도가 된다. 더 자세히 말한다면, 이 매우 작은 모세관크기의 간극은 가급적 0.1에서 1.0mm 정도의 범위를 갖는다. 아주작은 전극간 간극은 전류를, 비전도성의 매체 통로로의 이동을 가능하게 한다. 예를 들어 유기화합물로 오염된 물에서의 경우이다. 그러므로, 본 발명에서는 액상 매개체의 이온 전도도를 증가시키기 위해 전류를 운반하는 무기염을 첨가하지 않고서도오염물의 파괴가 가능하게 되었다. 더욱이, 아주 좁은 전극간 간극은 낮은 운전비는 물론이고, 에너지 소비량의 감소를 유발하는 낮은 전압상태를 유지할 수 있는 아주 중요한 이점을 제공한다. 그러므로, 본 발명에서의 개방형 전기화학적 셀과 아주 좁은 전극간 간격의 결합으로 인해 운전비의 감소는 물론, 낮은 초기투자비용도 가능해진다. 이 성과는 특히, 청구범위 공정에 의거, 음용수, 폐수 처리에서와 같이 큰 용량의 시스템에서 중요하다.

도 2는 본 발명에서 다른 형태의 전기화학적 셀 형태를 나타낸 것이다. 여기서도 역시 전해구역 30은 개방 형태로 되어있다. 전해질 32는 수직 방향으로 이루어진 스택전극 34에 직접 공급된다. 결과적으로 처리된 36용액은 주로 스택전극 34의 양쪽 위와 아래의 주변 모서리로 빠져 나오게된다. 이것은 처리되어지는 용액의 체류시간을 제어하기 위해, 예를 들어, 격벽(baffles)의 사용에 의해 변형이 이뤄질 수 있다. 정화된 용액은 전해 구역 30 밑에 있는 용기 38에 모아진다.

도 3은 본 발명에서 3번째의 다른 셀 형태를 나타낸 것이고 여기서 전해 구역 40은 개방 하우징/탱크 44의 내부에 위치되어진 (위에서 언급한)스택전극 42로 이루어져 있다. 하우징 44는 상단부위가 개방되어있어 전해 반응에서 발생된 수소, 산소와 같은 기체 부산물들은 대기 중으로 방출되거나 후드(나타나 있지 않음)와 같은 적절한 장치의 도움으로 포집 할 수 있도록 한다. 오염된 액체 전해질 46은 개방 하우징 44의 스택전극 42로 직접 공급되고 다른 탱크셀과는 다르게 탱크에 공급되어진 용액에 전극이 담겨지기(immerse) 때문에 용액을 간접적으로 받아드린다. 정화된 물 48은 중력에 의해 하우징 44의 안쪽 바닥에서 모아지게 되고 배출되게된다.

본 발명의 개방형 전기화학적 셀의 장점 중에 가장 중요한 것 중 하나는 단극 또는 양극형태로 쉽게 개조할 수 있는 능력이다. 도 5에 개방형 단극형 전기화학적 셀을 설명했다. 도 5의 단극형 셀에서 양극 52, 54 그리고 56은 각각 전류 공급원으로서의 전기 연결부위를 필요로 하고 이 경우에 있어서는 전도체 58을 평범한 "외부(external)" 공급 라인을 사용한다. 유사하게 음극 60과 62는 각각 전기 연결부위를 필요로 하고 이것은 일반적 전도체 64를 통해 볼 수 있다. 각각의 전극 양면은 같은 극성으로 활성화되어있는 것은 단극셀 디자인 특징 중에 하나이다.

일반적으로 도시상수도 수처리는 물의 정화는 대규모로 이뤄지기 때문에 전력의 소비를 최소화하기 위해 셀의 최소 전압을 유지하는 것이 필수적이다. 본 발명에 있어서 단극 개방형셀의 디자인 및 아주 좁은 전극간 간격의 결합은 낮은 초기투자비는 물론 낮은 내부 저항에 의한 낮은 운전비용, 낮은 셀 전압 그리고 높은 전류밀도를 제공한다. 이 결합은 낮은 전도도를 지닌 오염된 용액 매개물(비극성, 유기용매로 오염된 용액)을 본 발명에서의 일정한 셀의 형태와 조화를 이뤄 전류 집전기의 역할을 하는 무기 염류의 첨가 없이 사용할 때 특히 그 성능이 나타난다.

개방형, 단극형, 그리고 본 발명에서의 아주 좁은 전극간 간격을 지닌 전기화학적 셀(누수 제어)들은 미국 특허 4,048,047의 벡크 등의 셀에 비춰서 유일한 것이다. 벡크 등의 폐쇄 형태의 전기화학적 셀은 각각의 전극에 대한 외부 전기 접촉과 관련된 높은 전류밀도로 단극성 연결(monopolar connection)을 이뤄내기가 아주 힘들고 비용이 많이 든다. 이와는 반대로 본 발명에서의 개방형 전기화학적 셀은,셀이 단극형 또는 양극형 디자인을 가지고 있는 것과 관계없이 사용이 용이하다. 그러므로 폐쇄형태를 지닌 벡크 등의 단극형 전기화학적 셀은 본 발명에서의 발전된 전기화학적 셀 또는 대용량 정수 공정에 사용되는 비전기화학적(non-electrochemical) 기술에 비해 비경제적며 가격경쟁력 또한 가지고 있지 않다 앞에서 나타냈을 때, 매우 좁은 모세관의 전극 내부 간격을 갖는 이 발명품의 개방형 배열과 누출량을 제어하는 전기화학셀은 양극형 배열에 쉽게 채택될 수 있다. 도 6은 개방형 배열의 양극형 셀을 나타내고(70), 현재의 발명에 따라서 두 개의 전극/끝 판(76, 78)을 통하여 단지 두 개의 "외부" 전기적 접촉(72, 74)만을 요구한다. 양극형 셀의 각각의 내부 전극(80, 82, 84)은 반대편에서 서로 다른 극성을 지닌다. 양극형 셀은 전극 스택의 각각 셀내에서 같은 전류를 효과적으로 이용하는데 있어서 매우 경제성을 지니는 반면, 발명의 중요한 점은 매우 좁은 전극내부 간격을 사용하여 상대적으로 전도성이 없는 미디어(media)를 통과한 전류의 흐름에 의해 용액을 처리하는 것과 관련된다. 즉, 오염된 수용액은 대략 수돗물의 경우와 비슷한 정도로 상대적으로 낮은 전도성을 지닐수 있다. 이러한 용액의 효과적인 처리를 위하여는 높은 전류밀도에서 운전하는 것이 바람직하다. 발명품의 단극형 셀배열은 바람직한 낮은 셀전압과 높은 전류밀도에서 운전하는 것이 가능하다. 구체적으로 나타내지는 않았지만 발명품의 전해식셀에서 직류전원공급장치, 교류전원공급장치, 펄스 전원공급장치 그리고 배터리 전원공급장치 등을 포함한 표준화된 전원공급장치가 사용된다.

이 발명은 또한 오염된 전해질 수용액의 살수방법으로 많은 열린 구멍이나 세공을 지닌 파이프(81)나 오염된 전해질 수용액의 주입구부터 전해구역내의 전극 스택 깊은곳까지 확장된 공급튜브를 지닌 개발형 배열의 전기화학셀을 계획하였다. 이는 단위 전극에 일정한 유량으로 용액을 공급할 수 있다. 특별히 많은 전극을 포함한 스택에 대하여 매우 유용하고, 이들은 충분한 공극과 직경 그리고 길이를 갖는 금속이나 플라스틱재질의 다공성 튜브가 단극형, 양극형에 적용된다. 그 한 예는 개방형 배열의 스위스롤 셀이다. 단위전극이 커다란 표면적을 갖는 여러 겹으로 된 셀 스택의 경우에는 1개 이상의 다공성 살수튜브가 제공되고 이들은 주입구의 도관에 함께 다기관 형태로 연결될 것이다.

현재 발명품은 개방형 구조와 2단 형태 그리고 누출량을 제어하는 전기화학셀은 낮은 전류밀도에서 경제적인 운전을 고려한다면 이전에 검토된 것보다 이온 전도도가 큰 공정의 수용액 정수에서 가장 효과적으로 사용될수 있다. 각각의 보기에서 이 발명품의 개방형 전기화학셀은 그들이 단극형이건 양극형이건 전기적 연결을 쉽게할 수 있다.

가장 바람직하게, 정수와 같은 큰 용량의 적용은 경제적으로 매력을 갖기 위하여 낮은 건설비과 운영비를 요구한다. 이들 발명자들은 정밀한 기계적인 구성부품, 밀봉, 값비싼 멤브레인과 셀 분리대에 대한 필요를 제거하여 건설비의 많은 부분을 감소시킬수 있음을 알아냈다. 낮은 운영비용은 좁은 전극간 간격으로 부터의 낮은 전압과 셀멤브레인과 분리대의 제거 즉 분리되어있지 않은 전기화학셀에 의한 낮은 저항(IR)에 의해 얻어질수 있었다. 그러나 작은 전극간 간격은 또한 낮은 전해질 농도를 갖는 유기성 미디어에서와 다양한 전극과 절연물질 등을 이용하여 이발명품의 셀의 운전을 가능하게 만들었다. 멤브레인이나 셀 분리체 같은 양전해질과 음전해질사이에 칸막이를 갖는 셀 구분자를 사용하는 경우만 제외하고, 이런 많은 응용은 이 개방형 셀 구조의 발명품에 쉽게 채택될수 있다. 이 전기화학셀 발명품에 대한 유용한 적용의 예는 멤브레인이나 분리체의 사용목적이 음극에서 양극처리되어 생산된 물질의 환원과 양극에서 음극처리되어 생산된 물질의 산화를 방지하는 경우에서의 전기화학적 합성에서의 중간생성물들의 반응도 포함할 것이다.

도 7은 개방형 구조로서 양극(90), 중심부(96)와 끝판(92, 94)의 음극, 전극사이에 위치한 양이온 교환 멤브레인(98, 100)를 갖는 전기화학셀의 대표적인 예이다. 멤브레인(98,100)은 셀내에서 용액이 멤브레인 중심에서 열려진 102를 통한여 흘려질때 양전해질과 음전해질이 섞이는 것을 방지한다.

다이아프램이나 분리체 등을 사용한 전기화학셀의 구성은 비록 다공성 다이아프램 형태의 분리체가 사용된다 할지라도 오히려 이온교환막을 장착한다. 넓은 범위의 불활성재료가 상업적으로 얻어질수 있고, 미세공을 지닌 얇은 필름인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴-디플루오라이드, 폴리비닐 클로라이드, 폴리테트라플루오로-에틸렌(PTFE), 폴리머 석면 브렌드 등이 다공성 다이아프램과 분리체로 유용하다.

유용한 양이온과 음이온 형태의 선택성 투과막은 뉴욕주 호포지(Hauppauge)의 알에이아이 연구사(RAI Research Corp.)의 레이포르(Raipore) 상표와 이.아이 듀퐁(E.I. Dupont), 토쿠야마 소다(Tokuyama Soda), 아사히 유리(Asahi Glass) 등과 같은 많은 제작사와 공급사로부터 상업적으로 얻어질수 있다. 일반적으로 불소재질의 이들 막은 그들의 전적인 안정성 때문에 가장 효과적이다. 특별히 선택성 투과 이온교환막의 유용한 부분은 나피온(Nafion)상표로 이.아이 듀퐁으로부터 얻어지는 퍼플루오로설포닉 산(perfluorosulfonic acid) 멤브레인이다. 현재의 발명품은 또한 고체고분자 전해질 조성내에 형성된 막과 전극을 생각하고 있다. 즉 최소한 양극과 음극중의 전극중 하나 또는 양극과 음극 둘다 이온교환막에 결합되어 통합된 구성을 형성한다.

앞에서 논의된 본 발명품의 형상에서 전극 스택에 관해 언급하였다. (도 1, 도 2의 17 과 34) 이러한 전극 스택들은 개별적인 하나의 양극과 하나의 음극이 서로 좁은 간극을 두고 분리되어 있다. 도 4는 자체적인 전기접촉 19를 가지고있는 단일 평면 스크린 요소로 이루어진 음극 18 로 구성된 대표적인 전극 스택의 분해조립도 이다. 음극 18의 양쪽면에 부착된 비전도성 다공 간극재 23은 인접해있는 마지막 양극 20에서 음극 요소들을 분리를 위해 필요한 상호전극간 간극을 제공한다. 반면에 도 4는 마지막 양극 20 사이에 위치한 하나의 양극 스크린을 가진 전극 스택을 나타내는 그림이다. 본 발명품의 대용량 상업시스템과 상업용 세미-파일럿 규모 셀은 주로 단극 배열에서 외부 전기 접촉을 하는 가지각색의 대체 양극과 음극으로 이루어진 셀 스택으로 구성되어있다는 것을 알아야한다.

그러나 본 발명에 있어서 규모를 증대한 전해셀은 증가된 전극 표면적을 필요로하고 이는 경제적인 방법 즉, 도 8과 도 9에서와 같은 다수의 개별 다공 전극요소을을 스택으로 쌓음으로써 이루어낼 수 있다. 다중 전극 요소는 전도성 다공 구성요소로 이루어져있다. 예를 들어, 망 또는 스크린은 단극(도 8) 그리고 양극(도9)의 개방형 셀 구성으로 서로 인접하여 있고 전기적으로도 접촉하고 있다.

개방형 셀의 각각 또는 양쪽 양극과 음극은 다중 전극 구성요소로 디자인되어 있을 수 있다. 즉, 다중 전극 구성요소로 이루어진 양극 스택은 전기적으로 접촉되어 고정되어있고 단일 전극 구성으로 이루어진 음극에 인접되어 위치할 수 있다(반대의 경우도 마찬가지이다). 이것은 도 8에 잘 나타나있다. 다공성 음극으로 도식되어진(공극이 없는 판 전극으로 이루어져 있을 수도 있다) 단일 음극 구성요소 108 사이에 있는 다중 다공 양극 구성요소 106과 마지막 판 105 사이에 위치한, 단극 개방셀 104로 이루어져 있다. 양극 106은 다공성 비전도 간극재 107로 음극 108과 분리되어있다. 양극 스택 106은 전압을 양쪽면에서 같은 스택내에서 접촉하고있는 다른 전극 요소에 보내기 위해 단일 공급전극 110만 있어도 되는 유리한 면이 있다. 이런 방법으로 전극 구성요소들을 쌓게 되면 전기 공급원 113에 접촉되는 외부 전기 공급원 112의 개수를 늘리지 않고도 효과적인 전극 표면적을 상당히 늘릴 수 있다. 이것은 외부 전기 단자비용을 줄일 수 있을 뿐만아니라 낮은 셀 전압과 전기의 소비에 의한 낮은 운전비용에 의해 운전 효율도 향상시킬 수 있다.

예를들어, 전극의 전도성 다공 요소는 금속 또는 탄소로 직조될 수 있고 스폰지와 같은 특성을 지닌 니켈 포말(nickel foam)과 같은 금속 포말, 다공성 금속판(perforated metal plate), 용접된 철사 직물(welded wire cloth), 직조된 철사 직물(woven wire cloth), 팽창된 금속(expanded metal), 탄소 펠트(carbon felt), 직조해서 만든 카본 직물(woven carbon cloth), 그물망 형태의 투명한 탄소(reticulated vitreous carbon)의 형태로 있을 수 있다. 상업적으로 이용할 수있는 대표적인 다공성 금속판은 일정하고 정확한 크기의 구멍패턴으로 된 낮은 탄소 강철 시트(low carbon steel sheet)와 미세하게 에칭(etch)된 316 스텐인레스 스틸등이 있다. 직조된 철사 직물은 304 스테인레스 스틸 직물과 스테인레tm 스틸로 짠(knitted) 철사 그물(mesh) 등이 있다. 철사 직물(wire cloth)는 금속 철사에로 직조 또는 용접하여 형성된 재료이고 각종 망 크기로 존재한다. 또한 304 스테인레스 스틸 타입 등급도 존재한다. 팽창된 금속은 가느다랗게 찢어지고(slited) 잡아늘려진 금속 판으로 이루어져 있다. 금속판/시트는 가볍고, 구멍의 모양이 다이아몬드 트러스 패턴(diamont truss pattern)으로 되어있어 강한 강도를 가지고 있다. 이들은 보편적으로 탄소 강철(carbon steel)과 304 타입 스테인레스 스틸로 직조된다.

본 발명에서 각기 다른 다공성 재료를 단일 셀의 전극 요소로 사용하는 이유는 단일 셀에서 복합 산화/환원 효과를 이뤄내기 위함이다. 예를 들어서, 전극의 전도성 공극요소의 공극 밀도는 1에서 500 mesh/선형인치(linear inch)의 범위에 들 수 있다. 또한 전도성 공극 요소는 10에서 약 90 퍼센트 정도 범위의 개방 면적(open area)를 가질 수 있다. 어떤 요소들, 예를 들어 거품(foams)은 공극이 1에서 1000 pores/선형인치(lineal inch) 그리고 5에서 85 퍼센트의 밀도를 가지고 있을 수 있다. 전극 요소들은 스택의 모든 구성 요소에 올바른 전기 연결성을 확보하기위해 간단하게는 폐쇄된 전기 접촉원에 쌓여있거나 공급용 전극에 용접될 수 있다.

도 9 또한 도 8과 비슷한 개방형 전해 셀 디자인 114를 보여주지만 단극형 구조로 이루어져 있다. 그러나 양극형 구조에서는 다수의 다공성 전극 요소로 이루어진 중간에 들어가는 모든 전극 스택 116로 나타내어 진다. 각각의 전극 스택중 개별적인 요소들은 같은 스택 내의 다른 구성요소들과 전기적으로 접촉하고 있다. 전력은 마지막 양극판 118을 통해 셀로 공급되어진다. 스택 116은 다공성 간극재 120에 의해 서로 간격을 두게된다.

"공급"전극을 사용할 때와 사용하지 않을 때의 최적 전극요소의 개수는 각각의 다공성 전극요소의 두께, 처리가 이루어지는 용액의 전도도 그리고 전체적인 최적 셀 디자인 등을 포함하는 많은 변수를 지닌 함수이다. 공급 전극(도 8)을 포함한 전극 요소의 개수는 1에서 100 범위에 있으며, 더 명확하게 하자면 1에서 10개의 범위에 들 수 있다. "공급"전극은 개별 전극요소와 같은 재료 또는 다른 재료로 만들어질 수 있고, 전해 상태에 의해 안정된 상태로 있고 전기적으로 전도성을 지닌다.

용액의 정수에 있어서 발명품은 낮은 전도도를 갖는 용액의 처리도 가능하다. 그러나 알카리 금속염인 황산나트륨, 염화나트륨, 인산나트륨이나 황산칼륨, 염화칼륨, 인산칼륨과 같은 불활성이며 용해성 염의 매우 낮은 농도의 첨가를 필요로 할 경우도 있다. 또한 안전한 4가의 암모니움 염이 이용될 수 있다. 앞에서 언급했을 때 적절한 크기의 이온교환수지 구슬은 전극사이에 전도도를 증가시키기 위하여 삽입될 수 있다. 이는 셀 전압의 추가적인 감소를 가져와 전체 운전비용감소를 제공할 것이다.

셀내로 들어간 오염 용액은 온도범위가 어는점 근처에서 끓는점까지일 수 있고 좀더 세밀하게 40℃에서 약 90℃까지 가능하다. 높은 온도는 셀전압을 낮추고, 오염물의 파괴속도를 증가시키는 잇점이 있을 수 있다. 이런 높은 온도는 특히 음용수의 정수 경우처럼 용액의 전도도가 낮을때는, 만약 필요하다면 유입되는 용액의 예열에 의해 얻어지거나 셀에서 IR 가열을 통해 얻어질 수 있다. 셀내에서의 셀전압과 셀내의 체류시간을 적절히 조절하므로서 위에 제시한 온도 범위를 맞출 수 있다.

오염된 용액의 정수를 위해 발명품의 구체적인 설명으로써, 통째로 된 셀에서와 같이, 다양하고 유용한 양극과 음극 물질들이 전해과정에서 발생될 것이고, 다음으로 그들은 오염물의 화학적파괴와 수용액의 정수를 도울 것이다. 그들은 산소, 오존, 과산화 수소, 하이드록시 라디칼과 그 밖의 산화력이 큰 물질들을 포함한다. 공정에서 중요하다 할지라도, 소금물이나 바닷물을 처리할 때 전해를 통해 덜 바람직한 물질인 염소나 차아염소산(표백제)을 발생된다. 유독성 유기물과 미생물에 의해 오염된 수용액의 오염제거, 색도제거 그리고 살균공정의 성공을 위한 어떤 특정한 활동기작을 고수하는 것을 바라지는 않을지라도, 앞에서 언급했던 것들을 포함한 몇몇 공정은 동시에 일어날 것이다. 그들은 양극에서 오염물의 직접산화에 국한되지 않고, 음극에서 직접 환원에 의한 오염물의 파괴, 양극에서 발생된 미세 산소기포에 의한 공급된 물속에서의 산화, 산소나 수소의 미세기포에 의한 공급된 물속에서의 휘발성분의 탈기, 셀내에서의 IR가열, 개방형 셀을 빠져나온 물속에서의 폭기 등을 포함한다.

광범위한 화합물, 미생물 그리고 앞에서 언급했던 또 다른 유해물질이 성공적으로 여기서 언급된 공정들에 의해서 발명품의 개방형 셀 배열에서 파괴된다. 대표적인 예는 사슬형 알콜, 페놀, 질산화된 또는 할로겐화된 방향성 화합물 등을 포함한다. 색도의 감소나 완벽한 제거는 얻어질수 있고 아울러 바이러스의 파괴를 포함한 소독이 얻어진다.

수용액상에는 도금조 유출수(plating bath effluent), 금속 스트리핑조(metal stripping baths), 살충제 제조(biocide formulations), 페인트 등과 같은 이온상태의 독성 금속물질을 포함하는 여러 가지의 금속 염들이 존재하고있으며 이런 물질들은 이온교관 또는 기존의 화학적/전기화학적 방법으로는 제거하거나 회수하기가 힘들다. 이런 금속들 중에는, 몇 가지의 예로 백금, 은 그리고 금 과 같은 고가의 금속을 포함하고 있을 뿐만 아니라 동, 니켈, 코발트, 그리고 주석과 같은 값싼 금속들도 들어있다. 이러한 금속들의 수계로의 허용배출농도에 대한 정부의 규제는 갈수록 강화되고 있다. 이러한 용해성 금속에는 합성물질, 계면활성제, 환원제 그리고 다른 비슷한 형태의 재료와 같은 다른 물질들이 존재하기 때문에 그에 대한 처리가 때때로 쉽지 않다.

따라서 본 발명품은 유해금속 이온으로 오염된 수용액을 개방형 전해셀을 이용하여 앞에서 언급된 방법으로 전기정화 할 수 있다. 이 방법을 이용하면 개방형 셀의 음극에서 일어나는 금속 환원 반응을 이용하여 용액을 처리할 수 있을 뿐만 아니라 도금조 유출수(plating bath effluent), 금속 스트리핑조(metal stripping baths), 살충제 제조(biocide formulations), 페인트 그리고 오염된 산업 폐수의 처리도 가능하고 거기서, 금속들은 각종 복합화합물, 계면활성제 또는 환원제 등에의해 금속 이온 반응을 막기 위해 격리된다(sequestered). 복합 화합물을 포함하는 용액성분은 초기에 전기화학적으로 분해되고 이로 인해 폐수내의 금속물을 회수하거나 제거할 수 있게 된다. 대표적인 복합물에는 시안화물(cyanides), 시안화제이철(ferricyanides), 티오황산염(thiosulfates,) 이미드(imides), 주석산(tartaric acid), 구연산(citric acid) 그리고 젖산(lactic acid)과 같은 수산화카르복시산(hydroxycarboxylic acids) 등이 있다. 이 방법은 이온화된 금속을 셀 내에서의 환원 또는 제거/회수를 하기위해 효과적으로 방출할 수 있다. 다른 방법으로, 부분적으로 처리된 수용액은 개방형 셀의 외부에서 이온교환(ion exchange), 염기에 의한 침전, 금속 회수용 레노베르 인터내셔날에 의해 생산된 레노셀 제이 같은 전기화학셀에서의 전해 등을 이용해 계속해서 처리할 수 있다. 후자의 방법은 금속을 고표면적 음극에 도금할 수 있도록 허용한다.

아래의 특별한 예는 발명품의 다양한 구성을 언급하지만, 이는 그들의 이해를 위한 단순한 설명을 목적으로 하고 조건이나 범위에 대한 전적인 정의를 의미하지는 않는다.

실험 1

개방형 구조를 지닌 단극형 전기화학 셀은 윗판과 아랫판이 스테인레tm스틸 316재질로 직경 12.065㎝, 두께 0.95㎝의 판형 전극으로 구성되었으며, 이는 음극 전원에 연결되었다. 중앙부의 음극은 스택사이에 위치하고, 스테인레스스틸 316재질의 망사형으로 7.8 × 7.8mesh/㎝, 선경 0.046㎝, 내부간격 0.081㎝, 공간면적 41%를 갖고 있다. 니오비움에 백금을 입힌 두 개의 양극은 로드 아일랜드의 블랙빈센트 금속회사제품으로 니오비움본체에 635㎛두께로 백금이 양면에 입혀져 있으며, 0.051㎝ 두께와 0.159㎝길이의 다이아몬드 형태의 내부모양을 지닌 망 형태이다. 음극과 양극사이에 위치한 간극은 폴리프로필렌 재질로 직조된 망으로 8.27 × 8.27mesh/㎝, 선경 0.0398㎝, 내부간격 0.084㎝, 공간면적 46 퍼센트이며, 오하이오주 클리브랜드의 맥매스터-카사 제품이다. 전극사이의 간격은 대략 0.04㎝이고, 폴리프로필렌 망의 두께로 결정되었다. 전기화학 셀의 개략적인 모형은 후드를 생략한 도면의 Fig. 1과 같다. 유리재질의 집수조와 셀사이에서의 용액 순환은 에이씨-3씨-엠디 마치(AC-3C-MD March)의 원심펌프를 이용하였으며, 이때 유량은 1ℓ/min이었다. 셀사이에 공급되는 전원은 소렌센 디씨알 60-45비(Sorensen DCR 60-45B)를 사용하였다.

시험용액은 페놀 1그램을 수돗물에 녹여 1리터 용액을 준비하였다. 용액은 셀에 정전류 25암페어(amps)가 흐르는 동안 순환하며 공급되었다. 초기에 맑던 용액은 처리과정에서 약 2-3분후 붉은 색으로 변하였으며, 이는 퀴논 형태의 중간생성물이 존재함을 나타내었다. 초기 전압은 35V에서 급격하게 8-9V로 감소하였고, 용액의 온도는 56-58℃에서 안정되었다. 시료는 주기적으로 채취되어 총 유기탄소(TOC)를 측정하였다. 결과는 도 10에 나타내었고, 총 유기탄소감소는 페놀이 다양한 산화과정을 거친후 이산화 탄소로 변화하여 제거되는 것으로 사료된다.

실험 2

섬유염색폐수에서의 색도제거를 알아보기 위하여 0.1g의 섬유 염색제 트레이드마크 레마졸 블랙 비(RemazolTM Black B)(호치스트 셀래네스, Hoechst Celanese)와 0.1g의 계면활성제 트레이드마크 터지톨 15-에스-5(TergitolTM 15-S-5)(유니온 카바이드, Union Carbide) 그리고 1g 염화나트륨을 수돗물에 녹여 1리터 용액을 준비하였다.

시험용액의 조성은 레마졸 블랙이 낮은 농도에서도 용액에 매우 높은 색도를 나타내는 섬유 염료공정에서 형성되어 배출되는 폐수와 유사하다. 레마졸 블랙은 섬유염료에서 처리하기가 특히 어렵다. 이전에 Remazol Black를 처리하기 위해 사용되었던 오존에 의한 방법이나 차아염소산 표백방법은 만족스러운 색도제거를 하지 못하였다.

레마졸 블랙을 포함한 위의 용액은 위의 실험 1에서 설치된 단극형 셀에서 25amps의 전류로 전해 처리하였다. 셀 전압은 25V였고 용액의 온도는 52℃ 용액의 초기 색깔은 암청색이었고, 전해가 시작되어 10분이 경과 후 분홍색으로 변화하였고, 30분이 지나서는 거의 색이 없어졌다.

실험 3

다음 실험은 지하수에서의 오염물질 제거를 알아보기 위하여 수행되었다. 휴믹산은 전형적인 지하수 오염물질이며, 식물이 분해되는 과정에서 생산된다. 휴믹산을 포함한 지하수는 낮은 농도에서도 높은 색도를 나타내고, 이들 색도는 제거하기가 극히 어렵다.

암갈색 용액은 용액의 전기전도도를 증가시키는 어떠한 첨가물도 없는 휴믹산 나트륨 염(알드리치. Aldrich) 30ppm을 포함하도록 수돗물을 이용하여 준비하였다.

용액은 실험1에서와 같은 방법으로 단극형 셀에서 순환하며 흘려주었지만, 단지 셀은 1개의 양극과 2개의 음극만으로 구성되었다. 10amps 의 일정한 전류가 2.5시간동안 흘렀으며, 이때의 셀 전압은 24-25V였고, 온도는 58℃에 도착하였다. 실험의 마지막에서 용액은 완전히 깨끗하게 되었으며, 이는 휴믹산의 효과적인 파괴를 알수 있었다.

실험 4

다음은 전해식 셀에 의한 식품가공공장에서 배출되는 폐수의 이 발명품에 의한 처리 효력과 살균방법 그리고 화학적산소요구량(COD)의 감소를 알아보기 위하여 실험을 하였다.

맥시칸 맥아를 제조하는 회사의 폐수 250ml를 실험1에서 적용했던 개방형 전기화학셀을 양극면적을 6 ㎠로 달리하여 비슷한 형태의 단극형을 사용하여 처리하였다. 실험의 목적은 화학적산소요구량감소, 색도의 부분적 또는 완전한 감소, 미생물과 냄새의 제거였다.

1 amps의 전류를 150분 동안 흘려주었고, 초기의 22V전압은 17.5V로 떨어졌고, 용액의 온도는 44℃에 도달하였다. 실험결과는 아래 표에 나타내었다.

표
	초기	최종
화학적산소요구량	1,700 ppm	27 ppm
색깔	노란-오렌지색	무색
미생물	활동성 있음	살균됨
냄새	있음	없음

실험 5

다음은 이 발명품의 단방향 형태에서 전해셀의 효력과 색도제거 방법을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다.

수돗물에 15ppm의 메틸 바이올렛(Methyi violet)염료를 포함한 어두운 자주빛 용액을 실험 1에서 적용했던 것과 비슷한 단극형, 개방형 전기화학셀에 단방향 통과방법으로 250ml/분 유량으로 흘려주었다. 실험의 목적은 색도의 완전한 감소를 얻는데 있었다.

25 amp의 전류가 흘려주었고, 전압은 25V였으며, 용액의 온도는 65℃에 도달하였다.

셀을 한번 통과한 후 맑은 용액이 얻어졌다.

실험 6

다음은 차아염소산 나트륨과 같은 화학물질의 전기합성에 개방형 구조의 전기화학셀의 이용을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다.

실험1의 전기화학셀은 양극을 엘텍크 시스템(Eltech Systems)에서 생산된 상표 디에스에이(DSA)양극과 같이 촉매적으로 염소를 발생하는 양극으로 교체하여 수정, 제작되었다. 리터당 염화나트륨 10g을 포함한 소금물이 전해 영역에 유도되어, 염소는 양극에서 발생되었고, 수산화나트륨이 음극에서 생산되었다. 염소와 가성소다는 다음으로 셀에서 반응하여 차아염소산나트륨 표백제의 묽은 용액이 생산되었다.

실험 7

서로 인접하여 위치하고 전기적으로 접촉하고 있는 다수의 전도성 다공성 요소로 이루어진 전극으로 개방형 셀을 실증하기 위해서 Fig. 8과 같은 단극형 셀을이용하여 실행하였다. 셀은 백금/니오븀(Pt/Nb) 재질의 10 스트랜드(strands)/선형인치(linear inch)로 직조된 망 형태의 양극으로 이루어져 있다. 두 개의 백금/니오븀 스크린은 전기적으로 연결되어있고 세 번쩨 전극위에 공급전극으로써 올려지고(stacked) 이들은 디씨(DC) 전기 공급원의 플러스 터미널(positive terminal)에 연결된다. 음극은 한 개의 니켈 스크린이며 디씨 전기 공급원의 마이너스 터미널(negative terminal)에 연결된다.

처리가 되어질 전해질은 전도도가 없는 60 oC의 니켈도금 배출수 1리터에 염화나트륨 5g을 넣었고 60g의 니켈염(nickel sodium), 25g의 하이포아인산염 (hypophosphite)이 포함되어 있으며 이 전해질의 화학적산소요구량는 20,000 ppm이다. 전해실험은 셀 전압 5.5V, 55mA/cm2에서 이루어졌으며 원수 화학적산소요구량 농도의 10%가 될 때까지 이루어졌다. 그리고 배출수 속에 남아있는 대부분의 니켈을 도금하기(plate out)위해 고표면적 탄소 음극을 가지고 있는 전기화학적 셀을 이용하여 처리를 하였다.

이 실험으로 전도도가 없는 도금조 배출수속의 복합물질의 처리 그리고 도금을 이용한 회수를 위한 금속이온의 방출을 입증한다.

발명품이 다양하게 구체화되는 동안, 그들을 간단하게 도식하였다. 따라서 많은 대안, 수정 그리고 변화가 전술한 모습의 상세도를 그리는 과정에서 예술적 기교가 숙련된 사람에 의해 명확화 될 것이다. 그리고 이는 그 결과 생각에 해당하고 있는 것과 청구 범위를 넓히는 것에 관한 이런 모든 대안과 변화를 포함하게 될 것이다.

Claims

개방형 구조를 가지며, 전해조 내에 위치하는 전극들로써 하나 이상의 양극과 음극을 포함하는 전해 셀로서,

상기 전극들은 셀의 전압과 저항손실을 최소화하기 위한 전극간 간격을 유지하도록 서로 좁혀진 형태이며; 상기 전해조 내에 위치한 상기 전극들에 전해 용액에 직접 주입하는 수단 및 상기 전해조 내의 상기 수용성 전해액의 체류시간을 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 상기 개방형 구조는, 상기 전해조로부터의 전해 용액 및/또는 가스상 부산물들의 누출량을 조절하는 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 오염된 수용액의 처리를 위한 전기적 정화 셀인 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 유기 또는 무기 화합물을 생산하는 전기적 합성 셀인 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 상기 전극들은, 단극 또는 양극 배열로 연결된 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 5 항에 있어서, 상기 전극들 중 하나 이상의 전극은, 서로 다른 전극과 인접하며 서로 전기적인 접촉을 하고 있는 복수의 전도성 다공 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 6 항에 있엉서, 상기 전극들의 상기 전도성 다공 요소들은, 금속 또는 탄소로부터 제조된 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 6 항에 있어서, 상기 전극들의 전도성 다공 요소들은, 다공성 금속, 용접된 철사 망, 직조 철사 망, 팽창된 금속, 탄소 모전(毛氈), 직조된 탄소망, 그물망 형태의 투명 탄소 그리고 금속성 포말로 구성된 그룹으로부터 선택된 한 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 6 항에 있어서, 상기 복수의 전도성 다공 요소들을 포함하는 전극들은, 공급 전극과, 상기 공급 전극과 전기적으로 연결된 1 내지 100개의 부가적 전도성 다공 요소들을 갖는 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 상기 체류시간을 조절하는 수단은, 펌핑(pumping), 조절벨브 또는 펌핑과 조절벨브의 조합인 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 상기 전극들에 균일한 전해 용액을 공급하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 상기 양극은, 활성 산소 종류들을 생성하기 위한 전기적 촉매인 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 12 항에 있어서, 전기촉매 양극은, 귀금속, 주석 산화물, 이산화납, 화학양론적 티타늄 산화물과 도포된 다이아몬드들로 구성된 그룹으로부터 선택된 한 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 상기 음극은, 질산염 파괴를 위한 전기적 촉매인 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 상기 음극은 산소가 물 또는 과산화수소로 환원에 적합한 가스 확산 음극인 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 분리되지 않은 전기화학적 셀인 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 양극전해액(anolyte)과 음극전해액(catholyte)의 구획을형성하기 위한 셀 분리 물질이 상기 양극과 음극 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, pH, UV 및 가시광전도도, 수소 및 염소로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 센서를 갖는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 직류전원공급장치, 교류전원공급장치, 펄스전원공급장치와 전지전원공급장치로 구성된 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 전원공급장치를 갖는 것을 특징으로 하는 전해 셀.
제 1 항에 있어서, 상기 전해 셀의 전해 용액의 유량, 온도 및 전해액의 pH로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 상기 전해 셀 내의 작동 조건을 제어하도록, 센서 수단과, 상기 센서 수단으로부터의 인풋을 받아들이고 받아들인 데이터를 제어하여 아웃풋을 생산하는 컴퓨터화 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 전해 셀.
오염된 수용액의 전기적 정화 방법으로서,

(ⅰ) 전해조 내에 위치하는 전극들로써, 하나 이상의 양극과 하나 이상의 음극으로 구성된 개방형 구조를 포함하는 전해셀을 제공하는 단계로서, 상기 전극들은셀의 전압과 저항손실을 최소화하는 전극간 간격을 유지하도록 서로 좁혀진 형태이며; 상기 전해조 내의 상기 전극들에 오염된 전해 용액을 직접 주입하는 수단과, 오염물질의 변형을 위해서 상기 전해조 내 상기 전해 용액의 체류시간을 조절하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 단계;

(ⅱ)오염된 수용성 전해 용액을 (i)의 전해 셀로 도입하는 단계;

(ⅲ)오염된 수용액을 전해시키거나 오염물질을 변형시키기 위해 상기 전해 셀의 전극을 통하여 전압을 걸어주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 전해 셀의 개방형 구조는, 전해 용액 및/또는 가스상의 부산물의 누출량을 조절하는 것을 수 있는 것이 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 전해 셀의 전극들은 단극 또는 양극에 연결된 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 전해 셀의 전극 중 하나 이상은, 서로 다른 전극과 인접하며 서로 전기적인 접촉을 하고 있는 복수의 전도성 다공 요소들을 포함하는것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 전극들로 직접 주입된 수용성 전해 용액은, 유기 화합물, 무기화합물, 미생물, 바이러스, 금속이온 및 그 혼합물들로 이루어진 그룹에서 선택된 오염물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 수용성 전해 용액은 박테리아, 포자, 포낭, 원생동물, 곰팡이 및 그들의 혼합물들로 구성된 그룹으로부터 선택된 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 21 항에 있어서, 수용성 전해 용액은, 염료 또는 색깔을 띄는 오염물질을 포함한 전해 셀 내부로 유입되며, 상기 전해 셀로부터 회수되는 변형된 수용성 전해 용액은 색을 띄지 않는 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 21 항에 있어서, 전해는, 오염물질의 파괴를 강화하기 위한 양의 전류 운반체를 수용성 전해 용액에 도입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 28 항에 있어서, 상기 전류 운반체는 알카리 물질 또는 산, 산염 및 산성 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 산성 물질인 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 21 항에 있어서, 정화된 용액속에 활성 할로겐 잔류물을 공급하도록 염을 오염된 수용성 전해 용액에 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 21 항에 있어서, 전해 셀 내에 유입시킨 수용성 전해 용액은 금속이온으로 오염된 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 31 항에 있어서, 상기 금속이온은, 도금조 유출수, 금속 증류조(stripping bath), 살충제 조제물 및 페인트제로부터의 독성 금속물질이고, 상기 금속은 합성약품, 계면활성제 또는 환원제에 의해 격리된 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
제 32 항에 있어서, 전해 셀 내에서 변형되는 합성약품, 계면활성제 또는 환원제는, 전해 셀에서의 추가적인 처리를 위해서 또는 금속 회수 셀로 이송되도록 금속이온들을 방출하는 것을 특징으로 하는 전기적 정화 방법.
화학물질의 전기 합성 방법에 있어서,

(i) 전해조 내에 위치하는 전극들로써, 하나 이상의 양극과 하나 이상의 음극으로 구성된 개방형 구조를 포함하는 전해셀을 제공하는 단계로서, 상기 전극들은 셀의 전압과 저항손실을 최소화하는 전극간 간격을 유지하도록 서로 좁혀진 형태이며; 상기 전해조 내의 상기 전극들에 오염된 전해 용액을 직접 주입하는 수단과, 오염물질의 변형을 위해서 상기 전해조 내 상기 전해 용액의 체류시간을 조절하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 단계;

(ii) 전기활성 물질로 구성된 용액을 포함하는 전해질을 (i)의 전해 셀로 유입하는 단계; 및

(iii) 상기 전해 셀의 전극으로 전압을 흘려보내 내부에 있는 전해질을 전기분해하여 유용한 생산물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 합성 방법.
제 34 항에 있어서, 상기 전극들은 단극 또는 양극 배열로 연결된 것을 특징으로 하는 전기 합성 방법.
제 35 항에 있어서, 상기 전극들 중 하나 이상은, 복수의 전도성 다공 요소들에 인접하고 서로 전기적인 접촉을 하고 있는 것을 특징으로 하는 전기 합성 방법.
제 36 항에 있어서, 상기 전극들의 전도성 다공 요소들 금속 또는 탄소로 제조된 것을 특징으로 하는 전기 합성 방법.
제 34 항에 있어서, 상기 전해질은 염 또는 산 수용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 합성 방법.
제 34 항에 있어서, 유용한 생산물은 무기 또는 유기화합물인 것을 특징으로 하는 전기 합성 방법.
제 34 항에 있어서, (i)의 전해 셀은 다공성 격판 또는 선택적 투과막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 합성 방법.