KR20070078823A - 전해수 생성장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해수생성장치의 가동시간 누적에 따라 전극표면 등에 부착하는 스케일의 양이 지역별 수질이나 전해질의 순도에 따라 다르게 나타나지만, 이에 구애되지 않고 적기에 전극 등을 세정할 수 있게 하여 전극 등의 과 세정이나 세정부족에 의한 열화와 기능저하를 방지할 수 있는 전해수생성장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서, 전극 간에 흐르는 전해전류 값을 검출수단에 의하여 검출하고, 스케일의 부착 증가에 따라 전해전류가 하강하고 산성전해수의 유효염소량이 감소하는 관계에서, 유효염소량이 품질관리수준이하로 떨어지게 되는 전해전류 하한치 이전에서 세정제액에 의한 세정수단을 작동하여 전극표면 등에 부착한 스케일을 제거한다.

전해수 생성장치, 세정, 전해전류, 유효염소량, 세정제의 순환

Description

전해수 생성장치{Apparatus for producing Electrolyzed water}

도 1은 본 발명의 전해수생성장치의 구성도

도 2는 전류의 강하에 따른 전해수 유효염소량의 저하 관계를 나타내는 도면

도 3은 본 발명 전해수생성장치의 제어방법을 나타내는 플로우 챠트

〈도면의 주요부분에 대한 부호 설명〉

10...급수관, 11...급수펌프, 13...급수조절변,14...피전해수도입관, 15...유량센서

20...전해조제액탱크, 21...전해조제액, 22...전해조제액펌프, 24...혼합희석부

30...세정제액탱크, 31...세정제액, 32...세정제액펌프, 34...세정제액투입부

40...유격막전해조, 41...음극, 42...양극, 43...이온투과격막, 44,45...전극실,

46,47...전해수도출관, 50,60,70...유로절환변,52,62...전해수주출관,

50a,60a,70a...유입구, 50b,60b,70b,70c...유출구, 53...세정제액유출관,

63...세정액제유출관, D...세정제액합수부, 73...세정제액회수관

81...헹굼수배수관 90,,,전원공급부, 91...전류센서,100...제어회로,

110...작동판넬

본 발명은 전해수생성장치에 관한 것으로서, 상세하게는 생성장치의 사용시간 누적에 따라 전극표면, 이온투과 격막, 유로 및 부품의 표면상에 부착, 퇴적하는 비전도성물질을 세정 제거할 수 있는 전해수생성장치에 관한 것이다.

전해수생성장치는 원수를 전해조에 공급하고 전극에 직류를 인가하여 전해수를 생성하는 장치로서 전해조내의 전극사이에 이온투과성 격막의 유무, 원수에 첨가하는 전해조제의 종류와 첨가여부에 따라 각종의 기능수를 생성하게 되어 산업적으로 유효하게 이용된다. 예를 들면, 유격막 전해조에서 소금을 첨가한 원수를 전해하면 양극측에서는 살균, 소취 기능을 갖는 강산성전해수(=차아염소산수)가 생성되어 식품위생, 의료, 농축산 병해방제 등에 유효하게 사용되고 있고, 음극 측에서는 유화, 세정기능을 갖는 강알칼리성전해수가 생성되어 금속 등의 표면세정, 세탁 등에 이용되고 있으며, 무격막전해조에 소금을 첨가한 원수를 전해하면 차아염소산 나트륨수가 생성되어 살균소독수로 이용된다. 소금과 같은 전해조제를 첨가하지 아니한 유격막전해조 생성장치에서는 음극 측에서는 건강음용수인 약알칼리성수, 양극 측에서는 피부미용에 좋은 약산성수가 생성된다.

상기 전해수생성장치의 사용상의 최대의 문제점은 원수에 용해 함유되어 있는 칼슘, 마그네슘 양이온의 수산화물, 탄산화물과 기타 비전도성물질(이하 스케일 이라고 한다)이 음극표면에 부착 퇴적하여 전해전압을 상승과 전해전류의 강하를 일으켜 전해효율이 저하되어 생성전해수의 품질을 떨어뜨리며, 종내에는 전극을 열화 시키어 수명을 단축시키고 이온투과격막, 부품 등에 많은 양이 퇴적하면 장치의 가동이 불능상태에 이르게 된다는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로는 전극의 극성전환방법, 강산성전해수의 전해조내의 환류방법, 세정제의 전해조 내 투입방법 등에 의한 전극 세정이 이루어져 왔다. 그러나 극성전환방식은 역전으로 양극이 음극으로 됨으로서 전극원판에 도금이나 코팅된 고가의 백금, 이리듐, 팔라듐 등이 용이하게 탈리되어 전극의 유효수명이 단축되며, 음극에는 스테인리스스틸, 페라이트 등 비교적 저렴한 음극전용의 전극을 사용할 수 없게 되어 생성단가를 높이게 되고, 전극이외의 이온투과격막, 기타 세밀한 부품에 부착하는 스케일은 제거할 수가 없었다. 염산, 구연산 등의 세정제 투입에 의한 세정방법에 있어서도 전해조를 전해수생성장치로부터 탈리하여 별도 세정하는 등 세정제의 투입방법과 세정 후의 헹굼과정이 장치의 운전과 연계하여 일괄 자동화되어 있지 못하였다. 또한 가동시간 누적이나 통수량에 의하여 일정시간 간격으로 세정을 행하는 것은, 원수의 수질이나 첨가하는 전해조제의 순도에 따라 전기의 기간 내에 스케일 부착량이 달라지기 때문에 세정의 과불급을 초래할 수 있는 단점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명자는 전해수생성장치의 다년간의 운전경험과 시험에 의하여 전기 장치의 경제적이고 안정적인 전해수생성을 위해서는 전극을 포함하여 이온투과격막, 유로 및 부품 등에 부착하는 스케일의 제거도 동시에 이루어져야 한다는 것과 이를 위해서는 세정제액을 피전해수도입관에 투입하여 전해조를 경유하여 절환변을 통해서 회수하고 재투입하는 순환시스템의 채용이 가장 바람직한 방법이라는 것을 지득하였고, 전극에 부착하는 스케일 양이 증가함에 따라, 전류전압가변공급방식의 전원공급장치에서는 전해전류의 강하와 전해전압의 상승이 일어나면서, 생성되는 산성전해수의 유효염소량 또한 저하하게 되는데, 전해전류의 강하와 유효염소량의 저하에는 일정한 관계가 있음을 알게 되었다.

이러한 지견하에서 유효염소량이 생성전해수의 품질관리기준이하로 생성되는 전해전류 값이 나타나는 시기에 세정제를 투입 제거함으로서 전극의 세정을 과부족 없이 실시하게 되어 생성전해수의 품질을 보증함과 동시에, 전극의 열화를 최대한 방지하여 수명을 보증하고, 스케일이 각종 부품에 퇴적하여 생기는 유수저항이나 부품의 부조한 작동으로 인해 발생하는 기계적 고장을 방지하는 할 수 있는 전해수생성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기위하여, 본 발명에 따른 전해수생성장치는 한 쌍의 음극과 양극사이에 이온투과 격막에 의하여 음극실과 양극실로 구획된 전해조; 원수와 전해조제액 및 세정제액을 전해조에 공급할 수 있는 급수관 및 피전해수도입관, 전해조제용액 투입부, 세정제액투입부; 생성전해수의 주출관과 세정제액회수로 및 헹굼수의 배수로를 전해수 생성 과정별로 절환시켜 주는 절환변; 전극과 각 부에 전류를 공급하는 전원공급부 와 전극 간에 흐르는 전류치를 감지하는 전류센서; 각종 센서의 정보를 수신하고 각부에 작동을 송신하는 마이크로컴퓨터가 내장된 제어회로와 생성장치의 운전의 개시와 정지 등을 행하고 운전상태를 표시하여 주는 조작판넬로 구성되어 있다.

상기 전해수생성장치의 가동으로 원수에 전해조제액이 투입되어 피전해수도입관을 통해 피전해수가 전해조에 공급되어 전해전류가 인가되면 양극실에서는 산성전해수, 음극실에서는 알칼리성전해수가 생성된다. 전해수 생성이 진행됨에 따라 원수나 전해조제에 함유되어 있는 스케일원인 물질인 탄산칼슘 등이 전극에 부착하게 되며, 이는 전해저항을 높이고 전해전류가 흐르기 어렵게 하여 전해효율을 떨어뜨려 생성되는 산성전해수의 유효염소함량을 저하시킨다. 스케일 부착량이 증가함에 따라 전해전류의 강하와 산성전해수의 유효염소량감소가 심화되기 때문에 전해전류가 미리 정하여진 수치 이하로 강하하는 것이 전류센서에 감지되면, 제어회로에 의하여 원수공급 및 전해조제용액의 투입을 중단하여 전해수생성을 중지한다. 이후 염산, 구연산 등의 산성 수용성 세정제액을 피전해수도입관을 통하여 전해조에 공입하고, 전해조로부터 배출된 세정제액은 세정제액 탱크에 회수하여 이를 재투입하는 순환과정을 일정시간 실시하여 전해조내의 전극과 이온투과격막을 비롯하여 피전해수도입관의 경로와 세정제액의 회수경로에 배설되어 있는 급수조절변, 유량센서, 절환변 등 주요 부품에 부착한 스케일을 제거할 수 있게 되어 스케일 부착으로 의한 전해효율의 저하, 전극의 열화를 방지하고 장치의 운전이 원활하게 된다. 세정제가 전해조 내에 남아있게 되면, 다음과정이 전해수생성단계로의 복귀 시 잔류 세정제에 의하여 전극간 전류치가 최대 설정치 이상으로 상승하게 되어 전원부에 고장을 일으키게 되므로, 세정 후에는 세정제액의 투입을 중지하고 원수만을 급수관에 공급하여 전해조 내부, 유로 등을 헹구는 과정을 거치게 되면 원래의 전해수 생성 상태로 복귀하게 됨으로서 정상적인 운전이 가능하게 된다.

이하, 본 발명에 의하여 구체화한 전해수생성장치의 바람직한 실시예를 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전해수생성장치의 구성도이다. 도시된 바와 같이 전극 전류 센서91와 세정제액투입시스템30∼34을 구비한 것을 특징으로 한다. 도 2는 전해전류치의 강하에 따른 산성전해수 유효염소량의 저하 관계를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명 전해수생성장치의 제어방법을 나타내는 플로우 챠트이다.

도시 된 바와 같이 전해수생성장치의 전원스위치(도시되지 않음)를 켜면, 운전대기상태(S-1)로 되고 운전조작 판넬110의 운전버튼을 눌러 운전을 개시(S-2단계)하게 되면, 원수급수용 전자변12이 열리고 급수펌프11와 전해조제액펌프22가 가동되어 전해조제액21이 혼합희석부24에서 원수에 첨가된다. 전해조제액으로는 일가염화물인 염화나트륨(NaCl)이나 염화칼륨(KCl)의 10％ ∼ 포화수용액이 사용되며 바람직한 농도는 20％내외이다. 원수에 전해조제액이 첨가된 피전해수의 전해조제액의 농도는 0.05 ∼ 0.1％가 바람직한 수준이다.

피전해수는 피전해수도입관14을 통하여 전해조40에 유입된다. 유량센서15는 피전해수도입관14을 흘러 전해조40에 유입되는 피전해수의 유량을 감지(S-3)하여 제어회로100에 송신하여 미리 기억시켜 놓은 수치에 대비하여 적정수준여부를 판별 하고 적정수준이면 직류전원장치90로 하여금 전극41,42에 전해전류을 인가(S-4)하도록 한다. 피전해수유량이 적정수준이하이면 운전대기상태(S-1)로 돌아가게 된다.

전류센서91는 전극 간에 흐르는 전류량을 감지(S-5)하여 전류치를 제어회로90에 송신하고 제어회로90는 미리 기억시켜 놓은 수치에 대비하여 적정수준이면 전해수생성단계(S-6)로 진입하게 된다.

전해조에 공급된 피전해수는 양극42이 식설되어 있는 양극실45에서 전해되어 염화나트륨의 염소이온(Cl-)은 양극42에 전자를 내어주고 산화되어 염소(Cl2)가 되고, 염소가 물에 용해되어 차아염소산(HOCl)과 염산(HCl)이 생성되어 양극실45로부터 도출되는 전해수(이후 「산성전해수」라고 한다)는 pH 2.2 ∼ 2.7,유효염소농도가 20∼120ppm의 차아염소산수가 되어 살균.소취기능을 갖게 된다.

2Cl- → Cl2 + 2e- , Cl2 + H2O → HOCl + HCl

음극41이 식설되어 있는 음극실44 측에서는 피전해수의 나트륨이온이 환원되어 물과 반응하여 수산화나트륨(NaOH)이 생성되어 음극실44로부터 도출되는 전해수(이후 「알칼리성전해수」라고 한다)는 액성은 pH11.0 ∼11.5의 강알칼리성으로 되며 세정.유화기능을 갖게 된다.

2Na+ + 2H2O + 2e- → 2NaOH + H2

산성전해수는 도출관46을 통해 제1절환변50에 의하여 주출관52으로 취수되고, 알칼리성전해수는 도출관47을 통해 제2절환변60에 의하여 주출관62으로 취수된다. 산성전해수 취수 시 제1절환변50의 임펠라55는 임펠라 축 모타50M에 의하여 실선방향으로 되어 있어 유입구50a는 유출구50b와 접속 상태로 되기 때문에 주출관52 로 취수된다. 알칼리성전해수도 전기의 산성전해수와 같은 원리로 제2절환변60의 임펠라66가 실선방향으로 되어 있어 유입구60a는 유출구60b와 접속 상태로 되기 때문에 주출관62로 취수된다.

전해수생성장치의 가동시간이 누적됨에 따라 원수 및 전해조제에 함유되어 있는 탄산칼슘 등의 스케일 원인 물질이 전해에 의하여 탄산칼슘 등으로 되어 전극41,42과 이온투과격막43에 부착하게 되면 전해전압이 상승하게 되고 전해전류가 흐르기 어렵게 되어 전해효율이 저하하게 된다.

Ca(HCO3)2 → CaCO3 + 2H2O + CO2

특히 산성전해수의 가장 중요한 품질관리 대상인 유효염소량이 현저히 낮아져 살균력 저하 현상이 일어나게 된다. 도 2에 예시된 바와 같이 0.1％ 소금용액의 피전해수를 양극 유효면적이 300cm²인 전해조 에 분당 2.5ℓ의 유량으로 유입시키고, 전류밀도 5A/dm², 최대15암페어(A)의 가변전류를 인가할 수 있는 직류전원공급장치(SMPS)로 전해할 경우에 있어서, 전해가 진행되어 스케일이 전극 등에 부착하게 되면 전극간 전류치가 강하되기 시작하여 초기 15A에서는 유효염소농도90ppm의 산성전해수가 생성되나, 13A에서는 60ppm, 11A에서는 50ppm, 10A에서는 45ppm의 산성전해수가 생성된다.

산성전해수의 차아염소산 농도가 50ppm이하가 되면 병원성 미생물 중 소독저항성이 강한 Clostridium속 균, Bacillus속 균 등 아포 형성균에 대해서는 유효한 소독효과가 나타나지 않게 됨으로, 50ppm 이상의 산성전해수 생성이 유지 될 수 있 도록 하는 것이 긴요하다.

본 발명의 전해수생성장치에서는 유효염소량이 50ppm이하인 산성전해수가 생성되지 않도록 하기 위하여 전류센서91가 전극 간 전류치(이하 Av라고 한다)를 감지하여 Av가 12A 이상이면 전해수생성을 계속하고, Av가 11A이상 12A(V1)이하가 되면 세정단계(S-7)로 전환하여 전극을 세정하고 헹굼단계(S-8)를 거쳐 전극을 활성화 시키어 재 전해수생성단계(S-6)로 진입하여 전해수를 생성하게 하였다. Av가 11A(V2)이하에서는 작동판넬110의 액정화면에 저전류가 표시되고 운전대기상태(S-1)로 된다. Av가 11A(V2)이하로 되는 것은 전극에 코팅된 금속산화막이 상당량 마멸 소모되었기 때문이므로 신품으로 교환하는 것이 바람직하다.

상기의 전류치와 유효염소량과의 관계는 하나의 일례에 불과한 것이며, 운전개시 시의 전류치와 스케일 부착에 따른 전류치의 강하 정도는, 전극의 전류밀도와 전극면적에 의한 최대공급전류치, 원수의 수질 및 전해조제의 농도 등에 따라 다양하게 나타날 수 있기 때문에 제어회로의 제어치 메모리는 사전 시뮬레이션 시험에 의하여 설정하여야한다.

세정단계(S-7)에서는 제어회로100는 전원장치90으로 하여금 전극41,42에의 전류를 차단하고 급수펌프11와 전해조제액펌프22의 가동을 중지시키고, 세정제액 공급시스템을 가동시키게 된다. 즉, 세정제액펌프32의 가동과 동시에 전자변33을 오픈하여 세정제액이 세정제액투입부34와 피전해수도입관14를 통해 전해조로 공급된다. 전극41,42, 이온투과격막43 등에 부착한 스케일은 세정제액에 용해되어 제거되기 시작한다. 전해조40를 통과한 세정제액은 도출관46,47, 제1절환변50, 제2절환 변60, 배출관53, 63 및 제2절환변70을 거쳐 세정제액회수관73을 통하여 세정제액탱크30로 회수된다. 세정제액의 투입과 회수과정에서 유량센서, 절환변, 각 유로에 부착되어 있는 스케일도 제거된다. 세정제액의 회수는 제어회로90의 작동지시에 의하여 제1절환변50, 제2절환변60의 임펠라55,66가 전해수 취수 때와는 달리 점선방향으로 90도 회전하여 유출구가 각각 50b,60b에서 50c, 60c로 바뀌었고, 제3절환변70의 임펠라77가 실선방향으로 설정되기 있기 때문이다. 배출관53은 D의 지점에서 배출관63과 합류한다.

세정제액으로는 염산(HCl) 또는 구연산(C4H6O3(COOH)2)을 사용할 수 있으며, 농도는 염산의 경우는 1 ∼ 5％, 구연산의 경우에는 2 ∼ 10％의 것이 사용되며. 바람직하게는 각각 2 ∼ 3％, 5 ∼ 8％의 농도로 설정하는 것이 좋다. 스케일 성분 중의 하나인 탄산칼슘(CaCO3)은 염산과 반응하여 염화칼슘(CaCl2)으로 변화하여 액 중에 용해된다.

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2CO3

세정단계(S-7)를 5 ∼ 10분간 지속하면 스케일 제거가 충분히 달성될 수 있다.

본 발명의 전해수생성장치에서는 세정제액을 순환시스템 하에서 사용하기 때문에 세정제를 생성장치의 외방에 배출할 필요가 없어 적은 분량으로 세정이 가능하고 반복 사용이 가능한 장점을 가지고 잇다.

세정단계(S-7)가 끝나면 각 유로 및 부품, 전해조 내, 전극, 이온투과격막 등에 남아 있는 세정제액을 씻어내는 헹굼단계(S-8)로 진입하게 되는데, 이는 제어 회로90의 작동지시에 의거 세정제액펌프32의 가동을 정지시키고 전자변33을 닫고 하고 급수펌프11을 가동시켜, 원수만 급수관10과 피전해수도입관14를 통해 공급되기 때문이다. 세정제액을 씻어낸 헹굼수는 세정제액의 회수과정과 동일한 유로를 통하여 제3절환변70에 이르게 되고, 제3절환변의 임펠라77은 축 모타 70M에 의하여 점선방향으로 90도 각도 회전하여 유입구70a는 유출구70c와 접속하게 되어 배수로81로 배수된다. 헹굼과정은 1 ∼ 2분이면 헹굼 목적을 충분히 달성할 수 있다.

헹굼단계(S-8)가 생략되면 잔류하고 있는 전해조제에 의하여 전극 간의 전류치가 전원공급장치에서 공급할 수 있는 최대전류치 이상인 과전류가 흘러 고장이 발생할 수 있고, 생성전해수의 품질에도 영향을 미치게 된다.

헹굼단계(S-8)가 완료되면 전해조제액펌프22가 작동되고 전자변23이 열리어 전해조제용액21이 공급됨으로서 초기의 운전개시단계(S-2)로 복귀하게 되어 전해수가 생성 취수된다.

상기의 세정(S-7) 및 헹굼단계(S-8)를 거치게 되면 전극, 이온투과격막에 부착된 스케일을 포함하여 세정제액투입부34 이후에 배설되어 있는 각종 부품인 급수조절변13, 유량센서15, 전해수도출관46,47, 절환변50,60,70 등에 부착한 스케일이 세정제거 됨으로서, 전극의 기능이 원상으로 회복하고 부품의 작동불량에 의한 생성장치의 가동중지를 사전에 예방할 수 있게 된다.

상기의 실시 예는 유격막 강전해수생성장치(전해조제 첨가)에 관한 일예이나, 본 발명은 유격막 약전해수생성장치(전해조제 불 첨가), 무격막 전해차아수 생성장치에도 동일하게 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전해수생성장치의 전해수 생성 가동시간 누적에 따라 전극 및 기타부분에 부착하는 스케일을 세정제액으로 제거함에 있어 세정시기를, 전극에 부착하는 스케일이 허용량이상이 되기 전으로 하기위하여 이 시점에서의 전극전류 값을 미리 제어회로에 기억시킨 수치에 대비하여 이에 도달하였을 때로 하고, 세정제투입 및 회수와 헹굼을 일괄 자동시스템으로 실시할 수 있게 함으로서, 종래의 방법인 전해조를 정기적으로 생성장치에서 탈리하여 세정액에 침지 세정하는 관리상의 불편함과 과 세정 혹은 세정부족에 의한 전극의 열화 및 기능저하 문제를 해소하여, 전극을 최적의 상태에서 장기간 사용할 수 있게 함으로서 경제성을 높이고, 생성전해수의 품질을 보증하는 전해수생성장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 원수 또는 원수에 전해조제를 첨가한 피전해수를 한 쌍의 전극을 수용하는 전해조에 연속적으로 공급하고 전기의 한 쌍의 전극 간에 전류 전압 가변공급 방식의 전원공급장치에 의하여 전류를 인가하여 전기의 피전해수를 전해하는 전해수생성장치에 있어서, 전기 한 쌍에 부착하는 스케일 양에 따라 변화하는 전기 전극 간에 흐르는 전류치를 검출하는 검출수단과, 전기 전류치가 제어회로에 미리 기억시켜 놓은 수치와 일치하는 시점에서 세정제액을 전기의 전해조 내에 투입하는 세정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전해수생성장치
2. 청구항 1의 세정수단에 있어서, 전기의 전해조 내에 투입된 세정제액을 세정제액 탱크에 환류시키어 재차 전기 전해조 내에 투입하는 것을 연속적으로 행함으로서 세정제액을 순환시키는 세정액순환수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전해수생성장치
3. 청구항 1 또는 2에 기재된 세정수단에 있어서, 전기의 전해조 내를 세정한 후 전해조 내에 잔류하거나 전극에 부착되어 있는 세정제액을 원수로 헹구어 전기의 헹굼수를 전기의 전해수생성장치의 외방으로 배출하는 배출수단을 갖는 것을 특징으로 하는 전해수생성장치

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