KR20070004819A - 전기화학 공정용 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 랙에 보호된 평면 애노드의 패키지와 프레임에 보호된 애노드에 삽입된 평면 캐소드의 패키지를 포함하는, 산소 발생 전기화학 공정용 유한 전극간 갭- 전지에 관한 것이다. 캐소드 패키지는 리프팅 장치에 의해 애노드 패키지와 개별적으로 또는 결합적으로 취급할 수 있다. 전지는 금속 전해 추출 공정 및 마이크로전해에 의한 석회수의 연화 공정에서 특히 유용하다.

애노드 랙, 캐소드 프레임, 리프팅 장치, 전해 추출, 마이크로 전해, 수 연화.

Description

전기화학 공정용 전지{Cell for electrochemical processes}

본 발명은 애노드(anode)에서 산소가 발생하는 전기화학 공정용의 미분할 전지에 관한 것이며; 특히 당해 전지는 금속 전해 추출 공정 또는 산업적인 수처리, 예를 들면, 식수 연화에 사용될 수 있다.

애노드의 반응이 산소 발생을 유도하는, 산업적인 전기화학 분야에서의 저전류 밀도(0.5 내지 1kA/㎡)에서 수행하는 몇 가지 공정이 공지되어 있으며; 이러한 적용 유형은 고전류 밀도의 사용 및/또는 유해하고 부식성인 염소 등의 기체의 발생으로 인해 한동안 관련 전지 디자인의 매우 정밀한 개발이 필요하였던, 다른 통상적인 전기화학 공정과는 대조적으로, 현재 기술 상황으로서, 단일의 개별적으로 처리된 전극이 하우징된, 포괄적인 형태의 개방 수반(水盤; basin) 속에서 수행된다. 이는 예를 들면, 금속 광석의 공격으로부터 수득한 욕으로부터의 전기금속성 침착(deposition)의 경우(전해 추출 등)이다: 이러한 경우, 일반적으로 산소 발생에 사용되는 납 애노드의 불량한 치수 안정성은, 필요한 생성물을 구성하는 금속 피막이 성장하는 캐소드(cathode)의 안정성과는 별도로, 상이한 공정 단계에서의 전극 위치 지정(positioning) 및 전극 내부의 갭의 개별적인 조절에 있어서의 융통성이 감지 가능한 이점으로 나타나는 전지의 자연적인 개발을 유도한다. 그러나, 특히 보다 널리 퍼진 납 애노드에 대한 대체물로서 촉매적 도료로 활성화된 티탄의 치수적으로 안정한 애노드의 도입으로 인해 이러한 신규한 발생 애노드의 보다 높은 가격의 보다 신속한 회수를 위해 침착용 전지의 보다 높은 효율성 및 생산성을 감안하여, 전통적인 전해 추출 전지 기하를 재고하는 것이 이제 바람직하게 되었다. 특히, 시장에서는 보다 높은 투자 가격에서도 이의 도입을 보다 수익성 있게 만들기 위하여, 신규한 티탄 애노드의 가장 유리한 특성, 즉 보다 낮은 전지 전압의 이점을 취하도록 하는 신규한 전지 디자인을 필요로 한다. 이러한 공정의 종류를 특징으로 하는 특히 감소된 전류 밀도(0.2 내지 0.5kA/㎡)에서는, 이러한 작업이 분명히 쉬운 일이 아니다.

신규한 전지 디자인을 필요로 하는 산소 발생 저전류 밀도 전기화학 공정의 몇 가지 기타 예는 특히 수처리 분야에서 설명될 수 있다. 특정 관련 예는 마이크로전해(microelectrolysis)에 의한 석회수의 연화이다. 석회수 마이크로전해는 탄산염 및 중탄산염 이온성 화학종 사이의 평형을 국소적으로 이동시켜 탄산칼슘 및/또는 탄산마그네슘이 캐소드에 침착되도록 하고; 매우 불량한 전해질 전도율로 인하여 최소 전류 밀도(어떠한 경우이든 20A/㎡ 미만, 통상적으로 1A/㎡ 미만)에서 수행되는, 전해 공정으로부터 발생한 국소적 캐소드 알칼리화는 중탄산염을 카보네이트 이온으로 국소적으로 전환시켜, 난용성 탄산칼슘 및/또는 탄산마그네슘으로서 캐소드 표면에 침전을 발생시킨다. 프랑스 특허원 제2 743 800호에 기재된 당해 공정은 특히 소화용수 분야에서 화학적 유형(모래 또는 석회유의 존재하에 가성 소다를 사용) 또는 물리적 유형(이온 교환 수지 사용)의 연화 처리에 대한 매우 강한 경쟁적 방법이다. 당해 공정의 비용은 그럼에도 불구하고 이러한 목적을 위하여 현재 사용되고 인용한 프랑스 특허원에 기재되어 있는 실린더형 반응기의 불량한 효율성으로 인하여, 매우 높다.

본 발명의 목적은 선행 기술분야의 한계를 극복하는 산소 발생 저전류 밀도 공정용 전기화학 전지를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 전기 효율성, 플랜트 면적당 생산성, 조작 융통성 및 취급 및 유지 편의성 면에서 최적의 특성을 나타내는, 산소 발생 저전류 밀도 공정, 예를 들면, 금속 전해 추출 또는 식수 처리 공정용 전기화학 전지를 제공하는 것이다.

본 발명

한 측면에서, 본 발명은 상호 삽입된 애노드 패키지와 캐소드 패키지를 포함하는, 상향 전해질 유동에 의해 교차되기에 적합한 전기화학 전지로 이루어져 있다. 캐소드 패키지는 바람직하게는 2개의 상부 지점에서 캐소드 프레임(frame)에 보호된(secured) 한 열의 수직 평면 캐소드로 이루어져 있고; 애노드 패키지는 차례로 캐소드 프레임에 볼트로 조여지거나 가역적인 방식으로 고정된, 바람직하게는 애노드 랙(rack)에 대한 2개 이상의 상부 지점 및 2개의 하부 지점에 보호된 한 열의 수직 평면 애노드로 이루어져 있다. 캐소드 프레임은 단일 조작으로 전체 캐소드 패키지의 위치 지정을 위하여 적합한 리프팅 수단(예: 데릭 또는 고가이동 기중 기)을 통하여 취급되기에 적합하다. 추가로, 캐소드 프레임에 애노드 랙을 가역적으로 고정시킬 수 있게 되면 캐소드 패키지를 단독으로 또는 전극 패키지와 함께 동시에 취급하는 것이 가능하다. 바람직한 양태에서, 평면 캐소드는 스테인레스 강 또는 니켈 시트로 이루어진다. 특히 바람직한 양태에서, 애노드는 산소 발생을 위한 촉매적 피막으로 덮혀진, 밸브 금속, 바람직하게는 티탄으로 이루어진다.

본 발명의 전지는 애노드 및 캐소드 패키지를 함유하기에 적합한 수반에 의해 또는 예를 들면, 볼트로 조여지거나 애노드 랙에 보호된 측벽을 함유함으로써 경계가 정해질 수 있다. 후자의 경우, 전지에는 자체의 기저부가 제공되지 않고, 전지를 그 위치에 존재하는 적합한 회수 수반, 예를 들면, 원추형 기저부 홉퍼 탱크(hopper tank) 위에 위치시킨다. 당해 용액은 통상적으로 수처리 플랜트, 예를 들면, 석회수 연화에, 그리고 일반적으로 분말형 캐소드 생성물이 제거되어야 하는 경우(이는 유리하게는 유리하게는 탱크 기저부에서 회수된다)에 적합하다.

바람직한 양태에서, 본 발명의 전지는 애노드 버스-바(bus-bar) 및 캐소드 버스-바를 바람직하게는 상부 구역에 포함한다. 캐소드 버스-바는 바람직하게는 캐소드 프레임에 캐소드를 고정시키는 구역에 관계된다.

바람직한 양태에서, 삽입된 기하에 따르는 애노드 및 캐소드 패키지 위치 지정은 절연 물질의 적합한 가이드, 바람직하게는 애노드 랙(여기서, 캐소드는 어셈블리 상에 맞추어질 수 있다)에 고정된 플라스틱 가이드에 의해 용이하게 된다.

추가의 측면에서, 본 발명은 각각 서로 삽입된 수직 애노드 및 캐소드를 포함하는, 애노드 패키지와 캐소드 패키지를 포함하는 전기화학 전지에 침착되는 금 속 이온을 함유하는 욕에서 전해에 의해 수행되는 금속 전해 추출 공정에 관한 것이다.

추가의 측면에서, 본 발명은 각각 서로 삽입된 수직 애노드 및 캐소드를 포함하는, 애노드 패키지와 캐소드 패키지를 포함하는 전기화학 전지에서의 마이크로전해에 의한 석회수 연화 공정에 관한 것이다.

본 발명은 첨부한 도면을 참고로 하여 기재할 것이며, 단 이는 예를 들기 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 전지의 상면도이다.

도 2는 본 발명의 전지의 캐소드의 정면도이다.

도 3은 본 발명의 전지의 제1 양태의 측면도이다.

도 4는 본 발명의 전지의 제2 양태의 측면도이다.

도 1에는, 본 발명의 전지의 상면도가 나타나 있으며, 이의 외부 함유 수반은 나타내지 않았다. 전지는 한 열의 평면 애노드(101), 예를 들면, 당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같은, 산소 발생용 귀금속 산소계 촉매 피막을 갖는 티탄 애노드로 이루어진, 애노드 패키지가 보호되어 있는 애노드 랙(100)을 포함한다. 애노드(101)는 바람직하게는 천공된 구조, 예를 들면, 메쉬(mesh) 또는 확장된 쉬트이다. 랙(100)은 또한 애노드(101)에 삽입된 위치에서 캐소드의 정확한 삽입을 유리하게 하기에 적합한, 예를 들면, 플라스틱 물질로 제조된 일련의 절연 가이드(102)를 또한 포함한다.

애노드 패키지에 겹쳐져서, 프레임에 보호되어 있는 캐소드 패키지가 나타나 있으며, 이의 상부 종방향 바(200) 및 상부 횡방향 바(201)가 나타나 있다. 그러나, 캐소드 프레임을 구성하는 종방향 바 및 횡방향 바의 수는 전체 전지 치수에 따라 변화할 수 있다. 캐소드 프레임에, 특히 도면에 나타낸 양태에 따라, 종방향 바(200)에, 예를 들면, 스테인레스 강 또는 니켈 고체 시트로 이루어진 한 열의 평면 캐소드(203)가 보호되어 있다. 캐소드 프레임에 대한 하나의 캐소드(203)의 고정점을 십자 모양(204)으로 나타내고; 따라서 도면은 각각의 캐소드가 각각의 종방향 바(200)당 하나의, 2개의 상부 지점에서 캐소드 프레임에 보호되어 있음을 나타낸다. 당업자라면 관련 프레임에 캐소드 패키지를 보호하는 몇 개의 상이한 만족스러운 용액을 찾아낼 수 있겠지만, 2개 이상의 상부 고정점 및 2개 이상의 하부 고정 지점을 제공하는 용액이 바람직하다.

격막이 삽입되지 않은, 도면에 나타낸 바와 같은 애노드 및 캐소드 패키지의 위치 지정은 한정된 극간 갭 미분할 유형의 전지 기하를 결정하며; 저항 강하 및 이에 따른 전기화학 공정의 저항성 페널티의 대부분을 결정하는 극간 갭은 매우 제한된 저항성으로 달성될 수 있는 구조 덕분에 매우 낮은 값에서 유지될 수 있다. 금속 전착 공정의 경우, 최소의 극간 갭은, 임시의 방식에서도 국소 단락 현상을 결정하는, 캐소드에 축적되는 제품이 대향 애노드에 닿지 않도록 방지할 필요에 의해 제한된다. 비전도성 캐소드 침착물을 생성하는 공정의 경우, 수 마이크로전해의 경우와 마찬가지로, 이러한 구속은 덜 엄격하고, 간극 갭은 매우 낮은 값(15 내지 30mm)으로 감소될 수 있다. 애노드 랙(100) 및 캐소드 프레임 종방향 바(200)는 볼트(205)에 의해 가역적으로 고정된다. 이는 적합한 리프팅 수단에 의해 애노드 및 캐소드의 2개의 전극 패키지의 동시 삽입 또는 추출을 가능하게 한다. 또한, 볼트 회수장치(205)는 예를 들면, 캐소드 패키지의 단독 취급을 가능하게 한다. 유사한 조작 융통성의 이점은 당업자에게 명백하다: 예를 들면, 캐소드 패키지는 생성물을 회수하는 단일 블록으로서 추출될 수 있지만(반면, 선행 기술분야에서는 단일 캐소드의 개별적인 회수를 제공한다), 보다 정교한 애노드 패키지를 취급할 필요는 없다. 대체 방법으로서, 캐소드 패키지 추출 및 상이한 지지체 위에서의 이의 위치 지정은 함유 수반에 자리잡은 상태로 잔존하여, 캐소드 패키지 회수 이후에 용이하게 개별적으로 접근 가능하게 되는, 애노드에 대한 유지 작업을 수행하기에 편리할 수 있다.

종방향 바(200)는 전지 캐소드 버스-바로서 동시에 작용할 수 있거나, 예를 들면, 구리로 제조된 외부 버스-바에 직접 연결시킬 수 있다.

바람직한 양태에서, 애노드 랙(100)에 전기적으로 연결된 동일한 애노드 버스-바 또한 나타내지는 않았지만 전지의 상부에 존재한다.

도 2는 캐소드 프레임 종방향 바(200)에 2개의 상부 지점에서 보호된, 캐소드(203)의 정면도를 나타낸다. 애노드 랙(100)에 보호되어 있으며 정확한 위치 지정 및 인접 애노드(나타내지 않음)에 대한 이의 정렬을 유리하게 하는 절연 가이드(102) 역시 나타나 있다.

도 3은 본 발명의 전지의 제1 양태를 나타내며; 이전의 도면에 대한 일반적인 부재는 동일한 참조 번호로 나타낸다. 모든 면에서 완전히 개방된, 예시된 구조는 적합한 형상 및 크기의 외부 함유 수반으로 삽입되기에 적합하다. 전극 패키지로 이루어진 전지 코어는 어쨌든 이의 한계를 정하는 수반으로부터 용이하게 제거 가능한 구조가 되는 결과를 낳고; 함유 수반은 종종 상대적 전기화학 플랜트의 고정된 설치물인 한편, 도 3에 나타낸 구조는 촉매적 재활성화 및 플랜트 자치로부터 전체적으로 독립적인 부위에서의 유지의 기타 유형으로 구성되거나 처리될 수 있다. 다수의 경우, 예를 들면, 전기금속적 적용에 대한 경우, 선행 기술분야의 전극으로 이전에 사용된 수반은 후자를 도 3에 나타낸 구조로 대체시켜 재사용할 수 있다.

다른 경우, 그 위치에 존재하는 함유 수반은 통상적으로 원추형 기저부를 갖고 감소된 높이의 측벽을 갖는 홉퍼 탱크일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 전지는 예를 들면, 애노드 랙(100)에 볼트로 조여진 측벽(103)이 도 3에 배치된 부재에 첨가된, 도 4에 나타낸 양태에 따라 구성할 수 있다. 도 4에서는 또한 전지의 상부 위의 바람직하게는 조절 가능한 오버플로우(302)로부터 공급된, 공급 노즐(300) 및 추출 다기관(301) 등의, 전지의 기타 임의 부재가 나타나 있고; 당해 전지를 사용하기에 적합한 전기화학 방법은 사실상 기저로부터 상부로 느린 상향 동작으로 순환된 전해질 위에서 바람직하게는 수행된다. 조절 가능한 오버플로우는 당업자에게 공지된 바와 같이, 분포를 가능한 한 균일하게 하도록 전해질 내부 동작을 조절하는 데 사용될 수 있다. 바람직한 양태에서, 추출 다기관(301)은 전지 구조를 보충하는 동일한 관 내에서 수득된다.

본 발명의 전지는 금속 제1 전착의 모든 일반적인 공정에서 사용되며; 전지 전압의 결과적인 감소가 존재하는 제한된 전극간 갭 및 용적 단위당 높은 활성 면적에 의해 고려되는 높은 생산성은, 이러한 경우 기존의 납 애노드보다 고가이지만 에너지 절감을 고려하여 유리한, 귀금속 산화물 활성화 티탄 전극의 사용을 보다 유리하게 하도록 한다. 감소된 저항성 페널티는 또한 고전적인 금속 전해 추출(예를 들면, 100A/㎡ 보다는 500A/㎡)보다 높은 전류 밀도에서 공정을 수행하도록 할 수 있다. 전극 패키지의 모듈 기하는 또한 사이클당 생산성 면에서 최대의 조작 융통성을 가능하게 하는데, 이는 한 쌍의 애노드 및 캐소드가 제조 요건에 따라, 보다 많은 수 또는 보다 적은 수의 전극을 갖는 전지를 조적함으로써 그 내부에서 재통합되거나 공정으로부터 용이하게 배제될 수 있기 때문이다. 전지는 또한 몇 가지 수처리 공정, 특히 석회수의 연화에서 자연적으로 사용된다. 이러한 경우, 전지에는 상부 구역에서, 바람직하게는 상부 배출구 다기관을 공급하는 오버플로우를 통하여, 느린 상향 순환(직접적으로는, 채류 시간 10 내지 15분)을 유지시키는, 하부로부터 연화되는 물을 공급하여 목적하는 생성물(예를 들면, 칼슘 및 마그네슘 함량이 90% 감소된 연수)을 수득하는 것이 특히 중요하다. 조절된 공정 조건에 의해, 언급된 프랑스 특허원 제2 743 800호에 기재된 바와 같은 탄산염으로 이루어진 캐소드 침착물이 캐소드 표면과 분리되어 물을 한번 더 오염시키는 것을 방지할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 현상이 발생하는 경우, 매우 느린 상향 동작의 물 순환은 분리된 침착물 규모가 떨어져서 생성물과 혼합되는 것을 피하는, 함유 수반의 기저에 침강하도록 할 수 있다.

캐소드 표면은 예를 들면, 브러슁, 진동 유도 및/또는 압축 공기 처리 등의 기계적 수단에 의해 애노드 랙(100)과 캐소드 프레임 사이의 구속(205)을 풀 때, 캐소드 패키지를 단독으로 들어올려서 주기적으로 정화시킬 수 있다.

당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명은 보고된 실시예를 달리 변형 또는 개질시켜 실시할 수 있다.

이전의 설명은 본 발명을 제한하는 것을 의도하지는 않으며, 이는 이의 영역을 벗어나지 않고 상이한 양태에 따라 사용될 수 있고, 이의 범위는 첨부한 청구항에 의해 단일적으로 규정된다.

본원의 상세한 설명 및 청구항 전반에 걸쳐, 용어 "포함" 및 "포함하는" 및 "포함하다" 등의 이의 변형어는 다른 부재 또는 첨가제의 존재를 배제시키려는 것이 아니다.

Claims (14)

1. 애노드 랙(anode rack)에 보호된 수직 평면 애노드로 이루어진 애노드 패키지와 캐소드 프레임(cathode frame)에 보호되고 상기 애노드에 삽입된 수직 평면 캐소드로 이루어진 캐소드 패키지를 포함하는, 애노드에서 산소를 발생시키는 전기화학 공정용, 유한 극간 갭 미분할 전지(cell)로서,

   애노드 랙 및 캐소드 프레임에 캐소드 패키지의 개별적 추출 또는 애노드 패키지와 캐소드 패키지의 동시 추출이 양자 택일로 가능하게 되도록, 가역 방식으로 상호 고정하기 위한 수단이 제공되는 전지.
2. 제1항에 있어서, 임의로 조절 가능한 오버플로우(overflow)를 통하여 공급된 하부 공급 다기관 및 상부 전해질 배출구를 추가로 포함하는 전지.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 애노드 랙의 상부에 보호된 애노드 버스-바(bus-bar)를 포함하는 전지.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 애노드가 산소 발생용 귀금속 산화물계 촉매 피막 및 티탄 또는 밸브 금속 기재를 포함하는 전지.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 애노드 랙이, 2개의 상부 지점 및 2개의 하부 지점을 포함한, 4개 이상의 지점에서 애노드 랙에 고정되어 있는 전지.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 애노드 랙이 애노드에 대하여 삽입된 위치에서 캐소드를 정렬시키기 위한 임의로 플라스틱 물질로 이루어진 절연 가이드를 포함하는 전지.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 평면 캐소드가 스테인레스 강 또는 니켈 시트의 형태로 존재하는 전지.
8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 평면 캐소드가 캐소드 버스-바와 전기적으로 연결된 2개 이상의 지점에서 캐소드 프레임으로 보호되어 있는 전지.
9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 외부 함유 수반(basin)을 추가로 포함하는 전지.
10. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 애노드 랙에 고정된 측벽을 추가로 포함하는 전지.
11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 따르는 전지를 사용하는 침착 욕의 전해를 포함하는, 금속 전해 추출방법.
12. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 따르는 전지의 기저로부터 공급된 탄산칼슘 및/또는 탄산마그네슘을 함유하는 물을, 평면 캐소드에 탄산칼슘 및/또는 탄산마그네슘을 침착시키고 상부로부터 연수를 추출하여 마이크로전해시킴을 포함하는, 수 연화방법.
13. 제12항에 있어서, 캐소드 패키지를 주기적으로 추출한 다음, 평면 캐소드에 침착된 탄산칼슘 및/또는 탄산마그네슘을 제거함을 포함하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 탄산칼슘 및/또는 탄산마그네슘 제거가 기계적 수단으로 수행되는 방법.

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