KR20070088411A - 개선된 이온수 생성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존 이온수기의 전해조의 효율을 높이도록 무격막 방식의 전해장치와 격막 방식의 전해장치를 결합하여 고안한 발명으로써, 전원을 인가하였을 때 수중에 전기장을 형성해주는 전극(1)과; 무수히 많은 미세한 구멍으로 이루어져 있어서 물속의 용존 이온은 통과시키지만 물분자는 이동하지 못하는 격막(2); 전극(1)과 격막을 포함하고 있는 전해조(3); 전해조(3)내부에 격막(2)으로 구분되는 전극실(4); 전해조(3)안으로 물을 공급하는 입수관(5); 알카리수를 배출하는 알카리수배출구(61); 산성수를 배출하는 산성수배출구(62); 로 구성됨으로써, 무전해 방식의 전해장치가 갖는 왕성한 물분자 분해능력으로 다수의 물분자를 분해해서 이온화 한 다음에 격막 방식의 전해장치로 H⁺이온과 OH^-이온을 이동시켜서 알칼리수와 산성수를 생성하면 수중에 격막 방식의 전해장치로 전해할 때에 무격막 방식의 전해장치를 작동시키지 않은 물보다 훨씬 많은 이온들을 함유하고 있기 때문에 보다 많은 양을 처리할 수 있게 되어서 단위 시간당 생성되는 알칼리수와 산성수의 양이 더 많아져서 효율성을 높일 수 있는 이온수기를 구현할 수 있다.

이온수, 알칼리수, 산성수, 전해, 격막, 무격막

Description

개선된 이온수 생성 장치{The High Efficiency Ionizing System}

도 1은 종래 기술에 대한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 개선된 이온수 생성 전해조의 제 1실시예에 대한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 개선된 이온수 생성 전해조의 제 2실시예에 대한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 개선된 이온수 생성 전해조에 사용되는 전극의 평면도와 측면도

도4a는 평판형 전극의 평면도와 측면도

도 4b는 규칙적인 선형 전극의 평면도와 측면도

도 4c는 불규칙적인 선형 전극의 평면도와 측면도

도 4d는 그물형 전극

도 5는 전극에서의 전기장과 등전위면을 보여주는 개념도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 전극 2: 격막

3. 전해조 통체 4: 전극실

5: 입수구 6: 출수구

본 발명은 알카리수와 산성수를 만드는 이온수기에 사용되는 전해조를 성능을 획기적으로 개선한 전해장치에 관한 것이다.

일반적으로 이온수기에 사용되는 격막방식의 전해방식은 도 1에 도시된 바와 같이 물 분자를 전기분해하여 전극 사이의 격막을 중심으로 (+)전극쪽으로는 OH^-, (-) 전극쪽으로는 H⁺ 이온이 이동함으로써 (+)극쪽의 물은 산성수, (-)극쪽의 물은 알카리수로 생성된다. 하지만, 일반적으로 사용되는 전해조의 전극 구조로는 물 분자를 효과적으로 분해할 수 없기 때문에 물 분자를 분해하기 보다는 극히 일부의 물분자를 분해하고 대부분은 원래의 물속에 용존하는 OH^-, H⁺ 이온을 (+), (-) 전극으로 각각 이동시키는데 불과하기 때문에 전해 효율이 매우 낮은 기존의 전해 방식으로는 효과적인 전해를 하기가 힘들어 단위시간당 처리할 수 있는 수처리 용량이 매우 적은 단점이 있다.

무격막 방식의 전해장치는 상대적으로 격막 방식의 전해장치보다는 효율이 높지만 알카리수와 산성수로 분리하지 못하고 단지 물분자를 분해해서 많은 수의 음이온을 만드는데 초점이 맞추어져 있다.

따라서 격막 방식의 전해장치로는 전해 효율이 매우 낮고, 무격막 방식의 전해장치로는 생성된 물의 다양한 활용이 불가능하다.

본 발명은 상기한 종래의 이온수기의 극히 낮은 전해 효율로 인한 수처리 용량의 한계를 해소하기 위해 고안된 것으로, 입수되는 물을 무격막 전해장치에 의해서 물 분자를 분해해서 물속의 OH^-, H⁺ 이온의 수를 급격하게 늘려준 다음에 격막에 의해서 OH^-, H⁺ 이온을 분리하면, 단지 물속에 존재하는 OH^-, H⁺ 이온을 단지 격막방식의 전해장치로만 분리하는 것에 비해서 훨씬 많은 양의 OH^-, H⁺ 이온을 격막에 의해서 분리하기 때문에 생성되는 이온수(알카리수와 산성수)의 생성량이 훨씬 많아지고, 수처리 용량을 증가시키는데 그 목적이 있다.

또한, 지금까지는 평판 형태의 전극을 사용하였는데 반하여 전극의 형태를 개선함으로 인해서 전해효율을 높이는데 목적이 있다. 전기적 에너지에 의해서 물분자를 분해하기 위해서는 물분자를 분해할 수 있는 일정수준의 임계 에너지 이상의 전기에너지를 공급받아야 하는데 평판 형태의 전극을 사용하면 넓은 면에 골고루 전기에너지가 퍼지게 되어 단위 면적당 받는 전기에너지의 크기가 물 분자를 분해하기에는 다소 약하다. 따라서 전해장치에 사용되는 전극의 형태를 개선해서 전해 효율을 극대화하여 다량의 물을 이온화하는데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 제 1실시예는,

물을 전기분해하는 복수개의 전극(1);

물분자보다 미세한 구멍으로 이루어져있어서 물분자는 통과시키지 못하면서 물 분자보다 크기가 작은 이온들은 통과시킬 수 있는 복수개의 격막(2);

을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 전해장치에 의해 달성될 수 있다.

또한 상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 제 2실시예는,

물을 전기분해하는 복수개의 전극(11);

물속의 이온을 통과시킬 수 있는 격막(2);

전극과 격막을 포함하고 있는 격막 방식 전해조 통체(32)와;

물을 전기분해하는 무격막 방식 전해조 내부의 복수개의 전극(12);

전극을 포함하고 있는 무격막 방식 전해조의 통체(31);

그리고 격막 방식 전해조와 무격막 방식 전해조를 연결해주는 배관(5);

을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 전해장치에 의해서 달성될 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 2는 본 발명에 따른 살균세척장치의 제 1실시예에 대한 단면도이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 개선된 전해장치의 제 1실시예(A1)는,

물속에서 전해를 할 수 있도록 전기를 공급하는 전극(1)과; 물분자보다 작은 미세한 구멍으로 구성되어 있어서 물분자는 통과시키지 못하고 물분자보다 작은 이온들만 통과시켜서 물에 용존해 있는 이온들을 이동시킬 수 있는 격막(2); 전극(1)과 격막(2)을 포함하고 있는 전해조 통체(3), 전해조로 물이 들어가는 입수구(5); 알칼리수와 산성수로 생성되어 배출되는 출수구(6), 전극의 전해작용의 동작을 제어하는 제어부(7); 전극에 전기를 공급하는 전원공급기(8)로 구성된다.

전극(1)은 백금이나 이리듐 등의 백금족 금속 그 자체이거나 티타늄이나 스테인리스 재질에 백금이나 이리듐 등의 백금족 금속 혹은 그 혼합물이 도금되어 있다.

전해조 통체(3)는 금속 혹은 합성수지 재질이며 전극과 격막을 포함하고 입수구(5)와 출수로(6)로 연결되어 물이 전해조로 들어와서 전해작용에 의해서 산성수와 알칼리수로 변한 후에 각각의 출수구(61,62)로 배출되게 된다.

입수구(5)는 전해조(3) 내부로 물을 공급한다. 입수구(5)는 각 전극실(4)로 골고루 물을 분배한다. 원활한 전해작용이 일어나기 위해서는 각 전극실(4)에 물이 골고루 공급되어야 한다.

격막(2)은 물속의 이온들이 이온들의 극성에 의해서 Cathode(+극)와 Anode(-극)쪽 전극실(4)로 각각 이동할 수 있도록 하는 역할을 한다. 격막(2)은 얇은 막으로 이루어져 있는데 막을 현미경으로 보면 매우 미세한 구멍이 무수히 존재한다. 이 구멍들은 물 분자보다 크기가 작기 때문에 물 분자는 통과시키지 못하면서도 물 분자보다 크기가 작은 이온들은 통과시킬 수 있는데, 이러한 격막의 특징으로 인해 서 전극(1)의 -극 쪽에 있는 물은 H+이온들이 격막을 통과하면서 모이게 되면서 pH가 높은 알칼리수가 되며, +극 쪽에 있는 물은 OH-이온들이 격막을 통과해서 모이게 되면서 pH가 낮은 산성수가 된다.

제 1실시예의 핵심 기술은 전극실(4)에 있다. 전극실(4)은 격막식 전해조(3)에서 격막(2)으로 구분되는 전해가 일어나는 공간인데, 전해조는 전체가 통으로 되어 있고 격막(2)에 의해서 몇개의 전극실(4)로 구분되어 있다. 즉, 전해조 내부에서 격막(2에 의해서 구분되는 공간이 전극실(4)이다.

기존의 격막식 전해장치는 하나의 전극실(4)에 하나의 전극이 들어 있었다. 반면에 본 발명은 하나의 전극실(4)에 극성이 다른 두 개 이상의 전극이 들어있다. 하나의 전극실(4)에 두 개 이상의 전극이 들어있다는 것은, 동시에 두개의 전극실(4)을 구분하는 격막(2)이 없다는 것과 같다. 예를 들어 첨부된 도 1의 제 3번 전극실(413)과 제 4번 전극실(414)을 구분하는 제 3번째 격막(23)을 제거하면 첨부된 도 2의 제 3번째 전극실(423)과 같이 두 개의 전극을 가진 전극실(423)이 되는 것이다. 이렇게 하나의 전극실(4)에 두개 이상의 전극(1)이 존재하게 되면 그 전극실(423)은 무격막 방식의 전해조와 같은 역할을 하게 되는 것이다.

격막이 없는 무격막 전해방식은 격막식 전해장치에 비해서 H₂O로 구성된 물분자를 분해하는 능력을 훨씬 좋게 할 수 있다. 전기장의 크기는 전극간의 거리에 반비례하는데 격막(2)이 없으면 물분자가 분해되는데 방해가 되는 장애물이 없기 때문에 전해를 좀 더 용이하게 할 수 있다. 또한 격막이 없으면 전극간의 간격을 더욱 좁게 할 수 있기 때문에 전기장의 크기를 크게 할 수 있다. 또한 양 전극간에 걸리는 전력량은 동일한데 양 전극의 면적을 좁게 하면 단위 면적당 받는 전기적 에너지의 크기가 커지기 때문에 물 분자가 깨어지기 위한 충격에너지를 충분하게 공급할 수 있기 때문에 물 분자를 분해하기가 더욱 용이해진다. 격막(2)의 역할은 수중에 존재하는 H⁺, OH^-를 비롯한 여러 이온상태의 물질들을 양 전극(Cathode와 Anode)으로 이동시켜 알칼리수와 산성수를 얻는 것이며, 전기분해를 하는데 도움을 주는 것은 아니기 때문에 전기분해 능력과 격막(2)의 역할이 직접적으로 연관이 있는 것은 아니다.

산성수와 알카리수를 분리해서 배출해야 하기 때문에 격막 방식의 전해조는 출수구(6)가 두 개로 구성되어 있다. 전해조 내부의 격막(2)에 의해서 Anode(-)전극쪽에는 H⁺이온들이 많이 있기 때문에 Anode전극쪽의 출수구(62)로는 알칼리수가 배출되고, Cathode(+)전극쪽에는 OH-이온들이 많이 있기 때문에 Cathode 전극쪽의 출수구(61)로는 산성수가 배출된다.

한편, 첨부된 도 3의 본 발명에 따른 살균세척장치의 제 2실시예에 대한 단면도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 제 2실시예(A2)는,

물 분자를 분해해서 물속에 다량의 H+, OH-이온을 생성하기 위한 무격막 전해방식으로 구성된 제 1전해조(31)와 격막(2)에 의해서 제 1전해조에서 생성된 H⁺, OH_-을 다량 포함하고 있는 물을 알칼리수와 산성수로 분리 생성하기 위한 격막 방식 전해조(32)로 구성된 제 2전해조로 구성되며, 제 1전해조(31)는 물분자를 분해하기 위해서 물속에 전기를 공급하기 위한 전극(12)이 전해조(32)내부에 설치되어 있고, 제 2전해조는 물속에 전기장을 형성하는 전극(11)과; 물속 이온들을 분리시키기 위한 격막(2); 전해조(32); 출수구(6); 전극의 전해작용의 동작을 제어하는 제어부(7); 전극에 전기를 공급하는 전원공급기(8)로 구성된다.

상기 전해조(3), 전극실(4), 입수구(5) 및 출수구(6)는 전술한 제 1실시예에서 이미 설명하였으므로 반복 설명은 생략한다.

제1전해조(31)는 무격막 방식 전해조로 구성되어 물분자를 분해해서 H+, OH- 이온을 다량 생성해서 제 2전해조(32)로 H⁺, OH^- 이온이 풍부한 물을 공급한다.

용존하는 H⁺와 OH^- 이온이 풍부한 물이 격막 방식의 전해조인 제 2전해조(32)로 공급되면 양 전극과 격막에 의해서 분리되는 H⁺, OH^-이온의 양이 훨씬 많기 때문에 기존 방식보다 훨씬 많은 양의 알카리수와 산성수를 얻을 수 있으며, 기존의 방식보다 훨씬 신속하게 이온수를 얻을 수 있다.

개선된 이온수 생성장치를 구현하기 위해서는 상기의 제1실시예(A1)과 제 2실시예(A2)의 방법뿐만 아니라 전극의 모양에 의해서도 구현할 수 있다. 상기의 전극형태는 제 1실시예(A1)과 제 2실시예(A2)의 구현 방법에 적용해서도 개선된 성 능을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 기존의 전해조에 적용하여도 성능 개선을 할 수 있다.

첨부된 도 4a, 도 4b, 도4c, 도4d는 본 발명에 의해서 구현된 전해조에 사용될 수 있는 전극의 평면도이다. 도4a는 기존 방법에서 사용되는 평판형 전극(151), 도4b는 선형전극이 동일한 라인폭(d2)와 라인간 간격으로 구성되어 있는 규칙적인 선형 전극(152), 도4c는 선형전극의 라인폭(d2)과 라인간 간격이 불규칙하게 구성되어 있는 불규칙적인 선형 전극(153), 그리고 도 4d는 전극이 그물형태로 구성되어있는 그물형 전극(154)이다.

전기에너지에 의해서 물을 전기분해하기 위해서는 물 분자가 분해되기에 충분할 정도로 높은 전기에너지를 공급해야 한다. 하지만, 평판형 전극은 전극판의 모든 부분에 전기 에너지가 넓게 퍼지기 때문에 공급되기 때문에 전극에 높은 전기에너지를 공급하더라도 단위면적당 전기에너지가 낮았기 때문에 전해효율이 낮았다. 반면에 동일한 전기에너지를 공급하면서 단위면적당 전기에너지를 높게 할 수 있기 때문에 전해 효율이 높아지게 된다.

첨부된 도 5는 선형 전극의 측면을 보여주고 있다. Cathode전극(C1)의 한 포인트인 C11에 의한 Anode전극(C2)측에서의 전기장은 거리가 가장 짧은(d4) C21에서 가장 강력하다. 따라서 C11에 의한 전기장은 C21에만 작용하게 되어 좁은 공간에서 전기적 에너지가 집약되어 단위면적당 높은 전기 에너지를 갖는다. 전체적으로 동일한 전기에너지를 사용하면서도 이러한 방법으로 물분자에 공급되는 전기에너지의 양을 많게 하여 물분자가 분해되는데 필요한 만큼의 임계 전기에너지 이상을 공급하여 물분자의 분해를 더욱 용이하게 하여 전해효율을 높일 수 있다.

이러한 전기적 특성은 다양한 선형 전극과 그물형 전극에서 일어날 수 있으며, 평판형 전극과 선형 전극, 그리고 그물형 전극을 함께 사용했을 때에도 이러한 현상이 일어날 수 있다.

물의 전해를 통해서 얻는 이온수와 전해수는 실생활에 매우 다양한 활용을 할 수 있다. 하지만 지금까지의 방법으로는 전해효율이 매우 낮기 때문에 많은 양의 이온수와 전해수를 얻기 위해서는 전극의 수도 많아져야 하고 전기 시스템의 규모가 커져야 하기 때문에 경제적 이유에서 상용화하기가 힘들었다.

본 발명은 전해효율은 높지만 격막이 없기 때문에 산성수와 알카리수를 생성할 수 없는 무격막 방식의 전해장치를 통해서 얻은 다량의 H⁺와 OH^-이온을 포함하고 있는 물을 격막 방식의 전해조에 공급함으로 인해서, 격막 방식의 전해조에서 기존의 방식보다 훨씬 많은 H⁺, OH^-이온을 양 전극으로 이동시켜서 보다 빠르게, 보다 많은 양의 알카리수와 산성수를 생성할 수 있게 된다.

또한 전극의 모양을 평판형에서 선형과 그물형으로 개선함으로 인해서 단위면적당 받는 전기에너지의 크기를 더욱 많게 하여 물분자의 분해를 용이하게 하여 전해 효율을 높일 수 있다.

Claims (9)

1. 물을 전기분해해서 알카리수와 산성수 등의 이온수를 생성하는 전해장치에 있어서

   전해조(3)내부에서 격막(2)으로 구분되는 공간인 전극실(4)에서 전해조 (3)내부의 다수의 전극실(4) 중에서 적어도 한곳 이상의 전극실(4) 내부에 두 개 이상의 전극(1)이 들어있는 것을 특징으로 하는 전기분해장치
2. 물을 전기분해해서 알카리수와 산성수 등의 이온수를 생성하는 격막 방식의 전해조(32)와 격막 없이 물을 전기분해해서 다양한 이온 및 분자를 함유하는 기능수를 생성하는 무격막 방식의 전해조(31)를 연결하여 구성하는데 있어서,

   무격막 방식의 전해조(31)에서 전해된 물을 격막 방식의 전해조(32)의 입수부로 공급해서 격막 방식의 전해조(32)에서 다시 전기 분해할 수 있도록 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치
3. 제 1항과 제 2항에 있어서 각각의 전극(1)에 인가되는 전원의 극성이 0.1초~10분 간격으로 바뀌는 것을 특징으로 하는 전기분해장치
4. 제 1항과 제 2항에 있어서 각 전극과 전극의 간격은 0.1mm~200mm인 것을 특징으로 하는 전기분해장치
5. 격막 방식의 전해조 혹은 무격막 방식의 전해조에 사용하는 전극에 있어서 각 전극의 형태는 평판형, 불규칙한 선형, 규칙적인 선형, 그물형을 사용할 수 있다.
6. 제 5항에 있어서 각 전극의 재질은 백금이나 이리듐 등의 백금족 금속 그 자체이거나 티타늄이나 스테인리스 그 자체 혹은 티타늄이나 스테인리스에 백금이나 이리듐 등의 백금족 금속을 도금하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
7. 제 5항에 있어서 전극의 두께(d1)는 0.1mm~10mm인 것을 특징으로 한다.
8. 제 5항에 있어서 불규칙한 선형, 규칙적인 선형, 그물형 전극에서 전극의 라인 두께(d2)는 0.01mm~30mm인 것을 특징으로 한다.
9. 제 5항에 있어서 각 전극과 전극의 간격은 0.1mm~200mm인 것을 특징으로 한다.

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