KR20070092931A

KR20070092931A - 수처리 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20070092931A
Application number: KR1020070024429A
Authority: KR
Inventors: 문상봉; 이태임; 윤상엽; 오진석; 서현미; 문상용; 심현조
Original assignee: (주)엘켐텍
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2007-09-14
Also published as: KR100768096B1

Abstract

이 발명은 복극식 전극구조를 가지는 전기분해 수처리 장치를 이용하여 물의 살균 및 수질을 개선시키는 것으로, 중대형 수조(수영장, 욕조, 빌딩의 급수조) 및 소형 수조(가정용 욕조)의 물을 살균 및 정화할 수 있는 수처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이 발명은 순환수의 흐름 방향에 평행하게 제1, 제2 전해장치 2개를 시리즈(series) 방식으로 설치하고, 제1 전해장치에서 발생한 살균제에 포함된 미반응 소금물과 순환수에 존재하는 유기물, 염소화합물이 복극으로 구성된 전극 사이를 통과하면서 수조 순환수의 수질이 개선되도록 수영장 순환수를 제2 전해장치의 전극사이로 통과시켜, 수영장 순환수 중의 유기물, 결합염소, 제1 전해장치에서 유입되는 미 반응된 소금을 효과적으로 제거한다.

Description

수처리 장치 및 그 방법{Apparatus for purifying water and method thereof}

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 수처리 장치를 대형 수조(수영장)에 설치한 상태를 도시한 개략도이고,

도 2는 도 1에 도시된 수처리 장치를 구성하는 제1 전해장치의 구성관계를 도시한 분해 사시도이고,

도 3은 도 1에 도시된 수처리 장치를 구성하는 제2 전해장치의 설치형태를 도시한 사시도이고,

도 4는 도 3에 도시된 제2 전해장치의 구성관계를 도시한 분해 사시도이며,

도 5는 도 4에 도시된 제2 전해장치의 설치형태를 도시한 상세도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

22 : 연수기 24 : 소금물 저장조

25 : 펌프 26 : 제1 전해장치

28 : 혼합 살균제 저장조 29 : 혼합 살균제 펌프

30 : 제2 전해장치

이 발명은 복극식 전극구조를 가지는 전기분해 수처리 장치를 이용하여 물의 살균 및 수질을 개선시키는 것으로, 중대형 수조(수영장, 욕조, 빌딩의 급수조) 및 소형 수조(가정용 욕조)의 물을 살균 및 정화할 수 있는 수처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

중대형 수조의 수처리는 매우 중요하여 많은 이용자에게 안전을 위협할 수 있으며, 따라서, 물의 살균, 위험한 유해 물질 처리, 특히 수영장의 경우 갑작스러운 유영객의 증가(오염물 원의 증가)등에 효율적으로 대처해야 한다.

중대형 수조(수영장, 욕조, 빌딩의 급수조)는 살균을 법으로 규제하고 있으며, 현재 적용하고 있는 기술 중에서 염소 소독법은 차아염소산나트륨(NaOCl)의 약품을 이용한 소독 방법으로 경제성이 우수하고, 높은 잔류성 등의 장점 때문에 널리 이용되고 있다. 그러나 처리과정에서 트리할로메탄(THM), 클로라민(chloramine)과 같은 강독성 부산물이 생성되며, 오일(oil), 그리스(grease) 또는 콜로이드성 물질이 물에 포함되어 있는 경우에는 소독효과가 크지 않은 단점이 있다.

Judd 등(S.J.Judd, chemosphere 51,2003,869-879)은 수영을 목적으로 하는 유영객으로부터 일반적으로 유영자 1인당 탄소성분 4980ppm, 질소성분 7890ppm의 오염물이 수영장의 풀 내로 유입되는 것을 보고하였으며, S.K.Golfinopoulos( S.K.Golfinopoulos, Water Research 36,2002, 2856-2868)는 탄소성분과 소독 약품 인 차아염소산나트륨의 농도로 인해 인체 유해물질인 트리할로메탄(THM)이 발생할 수가 있음을 다음의 반응식 1로 제시하였다.

여기서, R_THM은 트리할로메탄(THM) 발생속도, Q(THM)은 트리할로메탄(THM) 제거량, TOC은 총 탄소의 농도, NaOCl은 차아염소산나트륨의 농도, ka3, a1, a2는 실험 상수이다.

차아염소산나트륨과 유기물의 반응에 의해 발생된 트리할로메탄(THM)은 공기보다 무거우며, 또한 인체에 유해한 물질로 구분되어 있다. 이러한 특성 때문에 수영장 근처에서 염소취 냄새가 나타나는 원인이 되며, 이를 정량적으로 분석한 보고가 있다. 수영장내 트리할로메탄(THM)의 분포가 수영장의 물은 물론이고, 수영장 풀의 주변은 58 micro-gram/m³, 수영장 고객 접수대는 25 micro-gram/m³, 수영장 수처리를 위한 지하 기계실은 23 micro-gram/m³로 오염되어 있음을 G. Fantuzzi(G. Fantuzzi et al., The Science of the Total Environment, 264, 2001, 257-265)등이 보고하고 있다.

또한, 상기 반응식 1로부터 급격한 유영객의 증가로 트리할로메탄(THM)의 증가가 예측되며, 이는 수영장 내의 공기질 및 수질을 더욱 더 악화시킬 수 있다.

이같이, 염소약품을 사용하는 수영장은 살균 목적은 어느 정도 해결할 수 있지만 부산물의 증가는 매우 심각한 문제를 가지고 있다.

이에 염소약품의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전기분해를 이용한 소독의 방법을 수영장에 적용시킬 수 있다. 이 방법은 소금물을 전기분해하여 발생된 살균액(차아염소산나트륨, 오존, 이산화염소 등)을 수영장의 순환수 내에 공급하여 살균하는 방법으로서, 발생된 살균액의 주성분은 차아염소산나트륨이다. 이 같은 기술로는 대한민국 특허출원 제2002-0029093호 및 제2000-0075734호가 있다. 이 기술들은 제1 전해조와 제2 전해조를 평행(병렬)하게 연결하여 살균효율을 증진시키는 것을 목적으로 하는 것으로서, 살균효과를 증가시킬 수는 있지만, 수영장의 순환수 내에 소금이 유입됨에 따른 부식의 문제점과, 오염물 및 트리할로메탄 등의 감소를 위한 근본적인 해결책이 될 수 없는 문제점이 있다.

또 다른 문제점으로는 전해조 장치의 크기가 경제적인 규모 이상으로 커지는 점으로, 이 문제점을 예를 들어 설명하고자 한다. 잔류염소 농도는 수영장 내에서 유영을 하는 유영객의 숫자에 의해 크게 영향을 받으며, 특히 성수기(여름철)에 유영객이 갑자기 늘어나는 경우 순간적으로 많은 양의 잔류염소가 요구된다. 잔류염소(HClO, ClO^- , Cl₂ )의 상태는 물의 pH값에 의해 결정된다. 수영장 풀의 수질관리 기준의 수소이온농도는 pH = 5.8 ∼ 8.6 이고, 중간값인 pH = 7.2 에서는 잔류염소는 x__HClO ≒ 65%, x__ClO- ≒ 35%의 상태로 존재한다.

만약, 수영장 내로 유영객수가 200명이 갑자기 늘어난다고 가정하면 약 200gr의 염소가 필요하며, 이때 전기분해 장치에 공급해야할 이론적인 전류의 양은 반응식 2로부터 얻을 수 있다.

상기 반응식 2에서 R_C 는 필요전기량으로 단위는 Coulomb 이며, R__Cl2는 필요 잔류염소량(gr), M__HClO 는 HClO의 분자량, x__HClO는 HClO의 중량분율, M__ClO는 ClO의 분자량, x__ClO 는 ClO의 중량분율, N_adv는 아보가드로수(數)로 6.022 x 10 ²³이며, C는 전자 및 양자의 전하량으로 값은 1.602 x 10^-19이다.

여기서, 공급한 전류량에 대한 염소의 발생효율을 η[%] 라고 하면, 실제로 필요한 전류량은 다음의 반응식 3으로부터 얻을 수 있다.

효율(η)은 전극의 전극 촉매 및 전해액의 NaCl 농도 등에 의해 결정되는 상수로서, 일반적으로는 약 15[%] 정도 값을 갖으며, 따라서 η= 15를 대입하여 반응식 4로부터 통전량(쿨롱)을 얻을 수 있다.

따라서, 이만큼의 전기량의 전류를 흐르게 하면, 풀 내의 물의 잔류염소농도 는 평균이 0.6 [ppm]이 된다. 기존 500톤 규모의 수영장의 경우 전기분해 셀에 공급하는 통전이 252[A] 이므로, 상기 반응식 4에서 구한 값 통전량(쿨롱, Ampare*sec)을 통전 전류량 252[A]로 나누면 통전시간을 반응식 5에서 얻을 수 있다.

즉, 약 163분 정도의 통전을 행함으로써, 전기분해에 의해 잔류염소농도가 상승하여, 풀의 잔류염소농도를 기준 농도인 0.6[ppm]으로 할 수가 있다. 따라서, 유영객이 수영장 내에서 유영을 하는 순간부터 약 2시간 반 이상의 시간이 요구되기 때문에, 유영객이 1시간 내외로 수영하는 시간을 감안하면 적절히 수질 변동에 대응을 할 수가 없다. 따라서, 상기 기술들의 경우 적절한 수질 오염 변동에 따른 대처가 늦어질 수가 있다.

한편, 전기분해장치의 규모를 키우는 경우, 예를 들어 30분 내에 유영객의 급격한 변화에 대응하도록 전해조의 크기를 키우는 경우 필요한 전류량은 다음의 반응식 6으로부터 얻을 수 있다.

만약 전기분해장치의 전류밀도 설계기준을 0.1[A/cm²] 이라고 하면 다음의 반응식 7로부터 전기분해장치의 총괄면적이 구해진다.

13700[cm²]의 총괄면적은 단위 전해셀 크기(전극의 크기)가 1000[cm²]인 경우 약 14장의 적층된 전극구조를 필요로 하며, 셀 에너지 소모의 증가 및 설치비 증가 등의 문제점이 발생된다.

물을 정화하는 관점에서 전해질, 예를 들면 소금물을 사용하지 않고 전기화학적으로 트리할로메탄을 제거하기 위한 방안이 D. E. Kimbrougha 등(David Eugene Kimbrougha,*, I.H. Suffetb, "Electrochemical removal of bromide and reduction of THM formation potential in drinking water",Water Research 36 (2002) 4902-906)의해 제시되었지만, 상업적으로 적용을 위한 전극의 형태, 구조, 운전조건 등은 제시되지 않았다.

이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점인 순간적인 수질 오염의 변동에 대처, 효율적인 살균 및 오염된 물의 정화를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 살균제 발생을 목적으로 하는 제1 전해장치와 물의 정화를 목적으로 하는 제2 전해장치를 이용하여, 중대형 및 소형 저수조의 순환수 중에 포함된 유기물, 결합염소 등을 처리하되, 전해장치를 단독으로 설치하는 경우에 발생하는 배관 부식을 야기하는 미반응 소금을 제거함과 더불어 저수조의 급격한 수질 변동에 효과 적으로 대처할 수 있는 수처리 장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이 발명에 따른 수처리 장치는, 살균 정화수단으로 제1 전해수단(제1 전해장치)과 물에 있는 유기물을 분해 정화시키는 제2 전해수단(제2 전해장치)으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이 발명의 제1 전해장치와 제2 전해장치는 오염물 부하 변동에 쉽게 대처가 가능하도록 복극을 가지는 다수개의 복극전극과, 다수개의 복극전극의 최외측 양측에 각각 설치되어 외부 전원(Power Supply)의 +, - 단자와 연결되는 터미널 전극을 가지는 것을 특징으로 한다.

복극(Bipolar Electrode)은 한 개의 전극을 기준으로 통전시 산화특성과 환원특성을 동시에 가지는 전극을 의미하며, 이에 대한 상대적인 개념으로 한 개의 전극이 산화특성만 갖거나 또는 환원특성만 갖는, 즉 한 가지 특성만 가지는 단극이 있다. 단극은 일반적으로 +극(산화 전극) 또는 -극(환원 전극)으로 형성되기 때문에, 주어진 환경하에서 복극보다 2배의 전극이 많이 필요하여 설치비가 증가하게 되고, 또한 이에 따른 설치 공간이 큰 단점이 있다. 따라서, 복극으로 설계하면 유영객 증가에 따른 급격한 부하량 증가에 효과적으로 대응하기가 쉬워진다.

또한, 이 발명에 따르면, 제1 전해장치는 살균목적의 약 4% 소금물을 전기분해하는데 적합한 전극촉매를, 제2 전해장치는 수질 정화를 목적으로 담수(1,000PPM이하의 소금 농도)를 전기분해하는데 적합한 전극촉매를 가지는 것을 특징으로 한 다.

또한, 이 발명은 유영자가 적을 경우 제1 전해수단에서 생성된 살균제를 저장하였다가 수조 내부의 잔류염소농도센서와 연동되어 수조 내부의 잔류염소 수치에 따른 살균제를 제2 전해수단에 공급하는 살균제 저장수단(저장조, 펌프 등)을 더 포함할 수 있다.

제1, 제2 전해수단의 복극전극은 한면은 산화 반응이 다른쪽 면은 환원이 일어나는 1개의 모재로 구성될 수 있다. 이 때, 제1, 제2 전해수단의 복극전극간의 간격은 3 ~ 10 mm인 것이 바람직하다.

이 발명에 따른 수처리 방법은 상기와 같이 구성된 수처리 장치를 이용하는 것으로서, 소금물 생성수단(소금물 포화조, 저장조 등)을 통해 소금물을 생성하는 단계와, 소금물 생성수단에서 공급되는 소금물을 제1 전해수단에서 전기분해하여 살균제를 생성하는 단계와, 제1 전해수단에서 생성된 살균제를 살균제 저장수단에 저장하는 단계, 및 순환라인에서 분기된 분기라인을 따라 유동하는 물에 살균제 저장수단에 저장되었다가 수조 내부의 잔류염소 수치에 따라 공급되는 살균제를 제2 전해수단에서 혼합하고 전기분해하여 물을 살균 및 정화시킨 후 다시 수조로 복귀시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아래에서, 이 발명에 따른 수처리 장치 및 그 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 수처리 장치를 대형 수조(수영장)에 설치한 상태를 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 수 처리 장치는 풀(10) 등의 대형 수조에 설치되는 것으로서, 살균 목적의 제1 전해장치(26)와 수 정화 목적의 제2 전해장치(30) 등을 구비한다. 그리고 풀(10)에는 순환 펌프(16)에 의해 다량의 물을 순환시키는 주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5)이 설치되어 있다(도면중 이중실선 표시).

이 실시예에 따른 제1 전해장치(26)의 운전 순서는 다음과 같다.

주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5) 중에 설치된 열교환기(20) 후단의 분기점(E)에서 분기된 라인(s15)은 개폐밸브(b)를 거친 후, 수영장의 순환수 중에 존재하는 이물질을 제거하는 연수기(22)를 거친다. 연수기(22)에서 이물질이 제거된 물 라인(s16)은 분기점(C)에서 두 개의 라인(s17, s18)으로 분기된다. 한 쪽의 라인(s18)은 소금물 저장조(24)와 연결되어 소금을 포화시키며, 포화된 소금물은 펌프(25)에 의해 소금물 라인(s19)을 통해 제1 전해장치(26)로 공급되는데, 이때 연수기(22)의 후단 물 라인(s16)에서 분기됐던 라인(s17)과 합체점(D)에서 합체된다. 합체된 라인(s20)의 소금물의 농도는 3 ~ 4%로 물 라인(s17)과 소금물 라인(s19)의 혼합비율을 약 10:1 정도에서 조절하여 맞춘다. 3 ~ 4 % 소금물은 라인(s20)을 따라 제1 전해장치(26)로 직접 공급되어 전기분해 반응에 의해 염소를 포함하는 혼합 살균제가 된다. 생성된 혼합 살균제는 제1 전해장치(26)의 배출 라인(s21)을 통해 혼합 살균제 저장조(28)에 공급된다. 혼합 살균제 저장조(28)에 저장되어 있던 혼합 살균제는 풀(10) 내부의 잔류염소농도센서(도시안됨)와 연동되어 풀(10) 내부의 잔류염소 수치에 따라 혼합 살균제 펌프(29)에 의해 살균제 공급라인(s22)을 거쳐 제2 전해장치(30)로 공급된다.

한편, 제1 전해장치(26)에 사용할 물을 공급하는 방법으로는 풀(10) 내부의 물의 균형을 맞추는 것을 목적으로 유입되는 시수라인(s12)을 사용할 수 있다. 즉, 시수라인(s12)에서 밸런싱 탱크(12)로 공급되는 물 공급라인(s13)에서 일부라인을 분기점 A에서 분기시켜 제1 전해장치(26)와 연결되는 공급 라인(s14)과 밸브(a)를 설치하여 소금을 용해시키는 물로 이용할 수 있다. 그러나, 시수라인(s12)을 이용하는 방법은 물의 온도가 겨울철의 경우 10 ℃이하로, 제1 전해장치(26)에 직접 사용하는 경우 전해효율이 저하되어 사용상에 제약이 있어, 수영장 주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5)에서 분기하는 것이 바람직하다.

이 실시예에 따른 제2 전해장치(30)의 운전 순서는 다음과 같다.

주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5) 중에 설치된 열교환기(20) 후단의 분기점(F)에서 분기된 라인(s23)은 개폐밸브(c)를 거친 후, 순환 라인(s23)을 거쳐 제2 전해장치(30)에 유입된다. 이때, 주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5) 중에 설치된 개폐밸브(e)를 이용해 물의 순환라인(s4)을 차단한다.

또한, 제2 전해장치(30)에는 혼합 살균제 저장조(28)에 저장된 혼합 살균제가 혼합 살균제 펌프(29)에 의해 공급되며, 살균제에는 유효염소 외에 미반응 소금이 약 1% 존재한다. 이때, 제2 전해장치(30)에서의 소금물 농도는 주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5)의 물과 제1 전해장치(26)의 미반응 소금물이 섞여 약 1,000 ppm이 된다. 제2 전해장치(30)에 유입된 수영장 순환수는 전기분해에 의해 유기물, 총질소 등이 분해되어 물이 정화된다. 정화된 물은 제2 전해장치(30)의 배출 라인(s24)의 개폐밸브(d)를 거쳐 주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5)의 합체점(G)에서 합 체되어 풀(10)에 공급된다.

이 실시예에 따른 수처리 장치는 다음과 같이 동작한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 풀(10)에는 순환 펌프(16)에 의해 다량의 물을 순환시키는 주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5)이 설치되어 있다(도면중 이중실선 표시). 풀(10)의 물은 순환 펌프(16)에 의해 순환되고, 크기가 큰 오염물은 스크린 필터(14)에 의해 제거되고, 미세 콜로이드성 유기물 등과 같은 오염물은 샌드 필터(18)에 의해 제거된다. 그리고 샌드 필터(18)를 거친 물은 열교환기(20)에서 승온된 후에 다시 풀(10)로 순환된다.

이 실시예에 따른 제1 전해장치(26)와 제2 전해장치(30)는 통전시 복극(bipolar)을 가지는 다수개의 복극전극과 다수개의 복극전극의 최외측 양측에 각각 설치되어 외부 전원(Power Supply)의 +, - 단자와 연결된 전극, 즉 터미널 전극으로 구성된다. 이 실시예의 복극을 가지는 전극은 1개의 모재(Substrate, 예를 들면 금속자체, 티타늄, 탄탈늄 등)에 한쪽 면은 산화 반응이 일어나는 촉매를, 다른 한쪽 면에는 환원 반응이 일어나는 촉매를 갖게 구성한다. 기존의 복극의 전극은 일반적으로 서로 다른 특성을 가지는 전극을 웰딩과 같은 물리적 결합 또는 폭발용접과 같은 화학적 결합을 통하여 구성하였으나, 이 실시예는 단일 금속을 모재로 한다. 이종 금속을 결합한 복극을 구성하는 경우 전극의 치수(Dimension)가 균일하지 않게 되어 불균일한 전류분포를 유도하고, 불균일한 분포는 다시 국부적인 반응 불균일을 일으켜 전체효율을 감소시킨다.

이 발명의 복극(bipolar)은 티타늄, 탄탈륨 등의 모재에 일측은 산화 전기화 학 촉매를, 다른 측은 환원 전기화학 촉매를 적용한다. 염소 반응 또는 산소 반응이 일어나는 산화 반응측의 전극은 루테륨, 이리듐, 백금, 로듐, 팔라듐 등의 백금족 귀금속을 적절히 혼합하여 고온 산화처리에 의해 코팅 처리되며, 음극은 자체 모재를 이용하거나, 철, 니켈, 백금 등의 금속을 적절히 혼합하여 도금 또는 고온 산화처리에 의해 코팅 처리된다. 외부전원과 연결되는 + 터미널 전극은 산화 전기화학 촉매로 루테륨, 이리듐, 백금, 로듐, 팔라듐 등의 백금족 귀금속을 적절히 혼합하여 고온 산화처리에 의해 코팅하며, - 터미널 전극은 자체 모재를 이용하거나, 철, 니켈, 백금 등의 금속을 적절히 혼합하여 도금 또는 고온 산화처리에 의해 코팅 처리된다.

도 2는 도 1에 도시된 수처리 장치를 구성하는 제1 전해장치의 구성관계를 도시한 분해 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전해장치는 복극(bipolar) 전극(116)과 양쪽 단에 설치되어 외부 전원(Power Supply)의 +, - 단자와 연결된 터미널 전극(112, 117)이 유체의 이동방향에 수직하는 방향으로 배열 배치된다. 터미널 전극(112, 117)과 복극 전극(116)의 사이에는 다수의 전극가이드(118)가 삽입되어 전극간의 간격이 조절되며, 또한 전극간의 전압분포가 일정하게 조절된다. 터미널 전극(112)에는 외부 전원(Power Supply)의 +단자와 연결되는 터미널(106)과, 소금물이 유입되는 소금물 유입라인(104)을 가지고 있다. 도면부호 114는 다수의 복극 전극(116)을 가지는 전해조 틀이며, 도면부호 110, 119는 터미널 전극(112, 117)과 전해조 틀(114)을 유지하는 외부 틀로서, 이러한 외부 틀(110, 119)은 양극측과 음극측 터미널 전극(112, 117)의 외부에 설치되어 볼트 구멍(119a)을 통하여 전체의 구성요소를 고정하게 된다.

제1 전해장치(26)는 살균제 생산을 목적으로 하는 전해조로서, 전기화학 반응을 일으키기 위해 터미널 전극(112, 117)에 외부전원과 연결하여 전기를 공급한다. 전기를 공급하면 양극과 음극에서 각각 산화 반응과 환원 반응이 일어나며, 살균제가 발생한다. 이때, 일어나는 전기화학 반응은 다음과 같다.

양극에서는 반응식 8, 반응식 9 및 반응식 10의 산화 반응이 일어난다.

또한, 음극에서는 반응식 11의 환원 반응이 일어난다.

제1 전해장치의 복극(bipolar)은 상기 반응식에서와 같이 살균제인 염소를 효율적으로 발생시키기 위한 전극촉매 구조를 제공한다. 티타늄, 탄탈륨 등의 단일 모재에 일측은 산화 전기화학 촉매를, 다른 측은 환원 전기화학 촉매를 적용한다. 산화 전기화학 촉매는 염소 반응이 효율적으로 일어나게 하기 위하여, 루테륨, 주석, 이리듐, 백금, 로듐, 팔라듐 등의 백금족 귀금속을 적절히 혼합하여 고 온 산화처리에 의해 코팅 처리되며, 환원 전기화학 촉매는 자체 모재를 이용하거나, 철, 니켈, 백금 등의 금속을 적절히 혼합하여 도금 또는 고온 산화처리에 의해 코팅 처리된다. 바람직하게는 산화 전극 촉매극에는 염소과전압이 낮은 루테늄, 산소분위기에서 내구성이 우수한 주석-이리듐을 70:30으로 혼합한 비율의 전극이 바람직하며, 환원 촉매는 수소 발생에 적합한 자체 모재나 백금을 전기 도금한 것이나, 고온 산화시킨 산화물 형태의 전극이 바람직하다. 전극을 제작하는 방법은 환원 촉매 전구체를 먼저 일측에 적용을 한 후, 나머지 일측은 산화 촉매를 적용한다.

외부전원과 연결되는 + 터미널 전극은 일측에만 산화 전기화학 촉매로 루테륨, 이리듐, 백금, 로듐, 팔라듐 등의 백금족 귀금속을 적절히 혼합하여 고온 산화처리에 의해 코팅하며, - 터미널 전극은 자체 모재를 이용하거나, 철, 니켈, 백금 등의 금속을 적절히 혼합하여 도금 또는 고온 산화처리에 의해 코팅 처리된다. 바람직한 촉매의 형태는 상기 복극의 적용과 같다.

상기 반응식 8 내지 반응식 10의 전기분해 반응에 필요한 전위는 전극의 형태 및 구조에 관계없이 단일셀 기준으로 약 5 ~ 10 volts D.C.(직류)가 적당하다. 10 volt 이상에서는 전기분해에너지가 과다하게 소비되어 운전비용이 증가하며, 5 volt 미만에서는 전기분해 반응 효율이 급격히 감소하므로 전극의 개수가 증가하게 되어 전해장치 관련 장치비가 증가하게 된다. 또한, 전류는 전류밀도 기준으로 0.1 A/cm² ~ 1.5 A/cm² 가 적합하다. 이때, 전류밀도가 1.5 A/cm² 보다 크면 전극 의 부식속도가 증가하게 되고, 0.1 A/cm²이하에서는 전류효율이 낮아 많은 전극이 필요하게 되며, 따라서 낮은 전압에서와 같이 전극의 필요 수량이 증가하게 되어 장치비가 증가하게 된다.

전극과 전극간의 간격은 3 ~ 10 mm가 적절하며, 3 mm보다 작으면 쉽게 물속에 있는 하드니스가 전극에 부착되어 전류의 이동을 방해하며, 10 mm보다 크면 전압이 상승하여 터미널 전극에 열이 발생하게 되어 화재의 위험이 존재하게 된다. 이때, 가장 최적의 전극간 거리는 4 mm이다.

또한, 제1 전해장치(26)에 공급하는 소금물의 농도는 1 ~ 4 %가 적절하다. 1 %이하 소금물 농도에서는 전류효율이 크게 떨어지고, 전압이 상승하며, 발생하는 살균제 중 차아염소산 농도가 1000 ppm 미만이 되며, 소금의 전환효율이 40 %이하로 감소하게 되어 제1 전해장치(26)에서의 살균제 발생효율이 급격히 감소한다. 또한, 4 %이상에서는 미반응 소금이 배출되어 수영장의 배관으로 유입됨에 따라 배관의 부식을 증가시킬 수 있다.

제1 전해장치(26)에 공급하는 소금물의 온도는 25 ℃ ~ 32 ℃가 적합하다. 25℃ 보다 낮은 소금물 온도에서는 소금물의 전환효율 및 전기 분해 효율이 감소하고, 32 ℃ 보다 높은 소금물 온도에서는 생성된 차아염소산 농도가 아염소산으로 전환반응이 일어나 살균제의 효율이 감소하게 된다.

도 3은 도 1에 도시된 수처리 장치를 구성하는 제2 전해장치의 설치형태를 도시한 사시도이다. 도 3에 도시한 라인부호(s3, s4, s5, s22, s23, s24)는 도 1 에서 언급한 부호와 동일하다. 라인부호 s22는 혼합 살균제의 투입구로 미반응 소금물이 중량비로 약 1 % 존재하며, 주순환 라인(s3-s23-s24-s5)과 섞여 약 100 ~ 1000 ppm의 소금물을 유지한다.

제2 전해장치(30)에서 일어나는 전기화학 반응은 미량의 소금이온이 함유된 물을 무격막 상태에서 전기분해하는 반응으로, 이 일련의 반응으로 발생한 각 라디칼 및 염소, 산소화합물들은 강력한 산화력을 지니고 있어, 이 산화력을 바탕으로 각종 유기물이 산화분해 된다. 물 중에 존재 가능한 라디칼, 염소 및 산소화합물은 다음과 같은 반응에 의해 생성된다.

반응식 12는 물이 분해가 되면서 발생한 전자가 외부회로를 통하여 전극 쪽으로 이동하는 반응에 관한 것이다.

반응식 13은 반응식 12에 의해 발생한 수산화이온이 매우 강한 OH라디칼로 변환되는 반응에 관한 것이다.

반응식 14는 음극에서 산소가 전자를 받아 환원되는 반응에 관한 것이다.

반응식 15는 음극에서 물의 분해로 인하여 자유라디칼 H· 가 형성되는 반응 에 관한 것이다.

반응식 16은 상기 반응에서 생성된 OH라디칼과 H라디칼이 상호 반응하여 일련의 고활성 라디칼들을 생성시키는 반응에 관한 것이다.

알칼리 염화물과 알칼리토금속 염화물들이 용해되어 있으면, 음극에서는 수산화물이, 양극에서는 염소가 생성되며, 발생한 염소는 반응식 17과 같이 부분적으로 분리된다.

이러한 반응식 12 내지 반응식 17과 같은 일련의 반응으로 발생한 각 라디칼 및 염소, 산소화합물들은 강력한 산화력을 지니고 있어, 이 산화력을 바탕으로 각종 유기물이 산화 분해된다. 또한, 각종 금속류는 물속에서 대부분 양이온 상태로 존재하게 되는데, 이러한 양전하를 띠는 중금속이온들은 음전하를 띠는 전자와 반응하여 환원되면서 중성화 또는 독성이 없는 상태로 전환되어 유독성 중금속이온이 제거된다. 이때의 반응식은 다음과 같다.

도 4는 도 3에 도시된 제2 전해장치의 구성관계를 도시한 분해 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 복극(bipolar) 전극(222)과 양쪽 단에 설치되어 외부 전원(Power Supply)의 +, - 단자와 연결된 터미널 전극(218, 226)은 전해조 틀(210)의 내부(224)에 설치되어 유체의 이동방향에 수직하는 방향으로 배열 설치된다. 터미널 전극(218, 226)과 복극 전극(222)의 사이에는 다수의 전극가이드(도면안됨)가 삽입되어 전극간의 간격이 조절되며 전극간의 전압분포가 일정하게 조절된다. 도면부호 212는 전해조 틀(210)을 구성하는 외부덮개이다. 전해조 틀(210)과 외부덮개(212)는 볼트 구멍(214)을 통하여 전체의 구성요소를 고정하게 된다. 터미널 전극(218, 226)에는 외부 전원(Power Supply)의 단자와 연결되는 터미널(220, 228)을 가지고 있다. 부호 216은 터미널 전극(218, 226)의 터미널(220, 228)을 유도하는 구멍으로, 그 구멍(216)에는 외부로 누수 방지를 목적으로 하는 오링(도시안됨)이 삽입된다.

제2 전해장치(30)는 물을 정화하는 것을 목적으로 하며, 제1 전해장치(26)의 복극(bipolar)과 달리 효율적으로 유기물 분해를 위한 산소 및 산소 라디칼을 발생시키기 위한 전극촉매 구조를 제공한다. 즉, 티타늄, 탄탈륨 등의 단일 모재에 일측은 산화 전기화학 촉매를, 다른 측은 환원 전기화학 촉매를 적용한다. 산화 전기화학 촉매는 제 1전해장치(26)의 복극 전극을 사용해도 가능하나, 산소 및 산소 라디칼 반응이 일어나, 루테늄 등이 용출되기 때문에 내구성에 문제를 가져올 수 있다. 따라서, 산소 및 산소 라디칼 반응을 효율적으로 일어나게 하기 위하여, 이리듐, 탄탈, 로듐 등의 백금족 귀금속을 적절히 혼합하여 고온 산화처리에 의해 코팅 처리되며, 환원 촉매는 자체 모재를 이용하거나, 철, 니켈, 백금 등의 금속을 적절히 혼합하여 도금 또는 고온 산화처리에 의해 코팅 처리된다. 바람직하게는 산화 전극 촉매극에는 산소과전압이 낮은 이리듐-탄탈륨을 50:50으로 혼합한 비율의 전극이 바람직하며, 환원 촉매는 수소 발생에 적합한 자체 모재나 백금을 전기 도금한 것이나, 고온 산화시킨 산화물 형태의 전극이 바람직하다. 전극을 제작하는 방법은 제1 전해장치에서의 복극 전극 제작과 동일한 방법으로 환원 촉매 전구체를 먼저 일측에 적용을 한 후, 나머지 일측은 산화 촉매를 적용한다. 제2 전해장치의 최 외곽에 설치되는 외부전원과 연결되는 + 터미널 전극은 일측만 복극의 산화 촉매 전극에 사용되는 전기화학 촉매를 동일하게 사용하며, - 터미널 전극 역시 복극의 환원 전극촉매에 사용된 것을 사용한다.

상기의 전기분해 반응을 일으키기 위한 필요 전위는 전극의 형태 및 구조에 관계없이 단위셀 기준으로 약 10 ~ 30 volts D.C.(직류)가 적당하다. 30 volt 이상에서는 전기분해에너지가 과다하게 소비되어 운전비용이 증가하고, 10 volt 미만에서는 전기분해 반응 효율이 급격히 감소하여 유기물의 분해 등을 효과적으로 수행할 수 없다. 전류는 전류밀도 기준으로 0.01 A/cm² ~ 0.2 A/cm² 가 적합하다. 이때, 전류밀도가 0.2 A/cm² 보다 크면 전극의 부식속도가 증가하게 되며, 0.01 A/cm²이하에서는 전류효율이 낮아 유기물의 분해가 어렵게 된다. 전극과 전극간의 간격은 3 ~ 10 mm가 적절하며, 3 mm보다 작으면 쉽게 물속에 있는 하드니스가 전극에 부착되어 전류의 이동을 방해하고, 10 mm보다 크면 전압이 상승하여 터미널 전극에 열이 발생하게 되어 화재의 위험이 존재하게 된다.

또한, 제2 전해장치(30)에 공급하는 소금물의 농도는 1 %미만이 적당하다. 1 %이상에서는 물의 분해반응보다 염소이온의 염소로 산화 반응이 쉽게 일어나, 유기물 분해에 한계를 갖는다. 제2 전해장치(30)에 공급하는 소금물의 온도는 32 ℃ 이하가 적합하다. 32℃보다 높은 온도에서는 산소 및 라디칼 반응이 일어나기가 어렵다.

도 5는 도 4에 도시된 제2 전해장치의 설치형태를 도시한 상세도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 전해장치(30)내 전극의 배열 및 전극의 형태는 전술한 바와 같다. 도 5에서의 플랜지(302, 316)는 차단밸브 설치를 위한 것이며, 도면부호 304, 306, 314는 스페어용 노즐로서, 제2 전해장치(30)내 전극의 오염물 부착시 세척액을 공급하기 위한 것이다. 도면부호 310은 제1 전해장치(26)에서 발생한 살균액을 저장한 저장조에서 펌프 등의 이송펌프에 의해 공급하는 노즐이다. 그리고 도면부호 308, 312는 수영장의 순환 배관과 같은 직경의 배관이다.

아래에서는 종래기술에 따른 수처리 장치가 설치된 풀의 수처리 결과와, 앞서 설명한 실시예와 같이 구성된 수처리 장치가 설치된 풀의 수처리 결과를 비교하여 그 일례로 설명한다. 그러나 이 발명이 이러한 일례로 그 범위가 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 이 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

[발명예] 제1 전해장치와 제2 전해장치가 설치된 수처리 장치

가. 제1 전해장치의 제작

(1) 전극의 크기(활성면적) : 티타늄 1.2mm 두께, 크기 20cm*30cm

(2) 복극식 전극의 개수 : 3개

(3) 전해조의 구조 : 도 2

(4) 복극 전극의 제작

가) 모재(Substrate) : 티타늄 1.2 mm 두께, 크기 30 cm * 40 cm

나) 양극측 촉매 및 제조방법

촉매 : 루테늄-이리듐 70:30 중량비

제조방법 : 반복 고온 산화 처리

다) 음극측 촉매 및 제조방법

촉매 : 백금 코팅

제조방법 : 고온 산화 처리

나. 제2 전해장치의 제작

(1) 전극의 크기(활성면적) : 티타늄 1.2 mm 두께, 크기 20 cm * 30 cm

(2) 복극식 전극의 개수 : 3개

(3) 전해조의 구조 : 도 4

(4) 복극 전극의 제작

가) 모재(Substrate) : 티타늄 1.2 mm 두께, 크기 30 cm * 40 cm

나) 양극측 촉매 및 제조방법

촉매 : 이리듐-탄탈륨 50:50 중량비

제조방법 : 반복 고온 산화 처리

다) 음극측 촉매 및 제조방법

촉매 : 백금 코팅

제조방법 : 고온 산화 처리

라. 제1 전해장치와 제2 전해장치의 배열

(1) 배열방법 : 직렬식(series) 배열

(2) 설치도 : 도 1

(3) 제1 전해장치의 살균제 저장조 유무 : 1톤 액체 저장조

마. 수질평가

(1) 평가장소 : 서울시 수영장내 6곳

(2) 측정위치 : 풀내 (도 1의 10)

(3) 측정결과는 다음의 표 1(서울시 수영장 6곳의 수질 측정결과)과 같다.

[비교예] 일반적인 수처리 장치

일반적인 수처리 장치는 도 1에서 제1 전해장치(26), 제2 전해장치(30) 및 그와 관련된 연수기(22), 소금물 저장조(24), 펌프(25), 혼합 살균제 저장조(28) 및 혼합 살균제 펌프(29) 등이 제외된 구성관계를 갖는다. 이러한 구성요소들이 제외된 일반적인 수처리 장치의 작동관계를 도 1을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

풀(10)에는 순환 펌프(16)에 의해 다량의 물을 순환시키는 주순환 라인(s1-s2-s3-s4-s5)이 설치되어 있다(도면중 이중실선 표시). 풀(10)의 물은 순환 펌프(16)에 의해 순환되고, 크기가 큰 오염물은 스크린 필터(14)에 의해 제거되며, 미세 콜로이드성 유기물 등과 같은 오염물은 샌드 필터(18)에 의해 제거된다. 그리고 샌드 필터(18)를 거친 물은 열 교환기(20)에서 승온된 후에 다시 풀(10)로 순환된다. 풀(10)을 살균할 목적으로 도 1의 혼합 살균제 저장조(28) 대신 일반적으로 사용하고 있는 차아염소산나트륨 5% 저장조를 설치하고, 풀 내부의 염소센서(도시안됨)와 연동시켜 풀 내의 수치에 따라 차아염소산나트륨을 펌프에 의해 수영장의 주순환 라인으로 공급한다. 이때, 수질 평가 항목 및 방법은 발명예와 동일하다. 아래의 표 2는 일반적으로 사용되는 수처리 장치를 사용하였을 때의 수질측정결과이다.

위의 표 1, 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 발명예가 비교예에 비해 해당 수질평가항목의 측정값이 더 우수함을 알 수 있다.

이 발명은 제1 전해장치에서 발생한 살균제가 시리즈(series) 방식으로 설치된 제2 전해장치의 전극사이로 통과하는 방식으로, 중대형 수조의 물을 처리함에 있어 순환처리경로에서 물을 항상 살균처리하면서, 수조 내부의 물의 수질변동에 따라 제1 전해장치에 의해 제조된 살균제를 필요시에 순환처리경로에 추가 공급할 수 있게 되므로, 물을 항상 양호한 수질로 유지할 수 있도록 한다.

또한, 이 발명은 물을 직접 전기화학적 반응기에 접촉시킴으로써, 물 내에 존재하는 유기물, 잔류염소, 미반응 소금물을 제거하여, 수영장의 경우 수영장내 수질과 대기질을 양호하게 유도하여 유영하는 유영자에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있도록 한다.

Claims

수조에 저장된 물을 살균하고 정화시키기 위해 순환시키는 순환라인과, 상기 순환라인에 설치되어 순환되는 물을 살균하고 정화시킨 후 다시 수조로 복귀시키는 살균 정화수단을 포함하는 수처리 장치에 있어서,

상기 살균 정화수단은,

상기 순환라인에서 분기된 분기라인을 따라 공급되는 물을 이용하여 소금물을 생성하는 소금물 생성수단과,

상기 소금물 생성수단에서 공급되는 소금물을 전기분해하여 살균제를 생성하며, 통전시 복극(bipolar)을 가지는 다수개의 복극전극과, 상기 다수개의 복극전극의 최외측 양측에 각각 설치되어 외부 전원(Power Supply)의 +, - 단자와 연결되는 터미널 전극을 구비한 제1 전해수단, 및

상기 순환라인에서 분기된 분기라인을 따라 유동하는 물에 상기 제1 전해수단에서 공급되는 살균제를 혼합하고 전기분해하여 물을 살균 및 정화시킨 후 다시 수조로 복귀시키며, 통전시 복극(bipolar)을 가지는 다수개의 복극전극과, 상기 다수개의 복극전극의 최외측 양측에 각각 설치되어 외부 전원(Power Supply)의 +, - 단자와 연결되는 터미널 전극을 구비한 제2 전해수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1 전해수단에서 생성된 살균제를 저장하였다가 상기 수조 내부의 잔류염소농도센서와 연동되어 상기 수조 내부의 잔류염소 수치에 따른 살균제를 상기 제2 전해수단에 공급하는 살균제 저장수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 제1, 제2 전해수단의 복극전극은 한면은 산화 반응이 다른 쪽 면은 환원이 일어나는 1개의 모재로 구성되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 제1, 제2 전해수단의 복극전극간의 간격은 3 ~ 10 mm인 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
청구항 2에 기재된 수처리 장치를 이용하는 수처리 방법으로서,

상기 소금물 생성수단을 통해 소금물을 생성하는 단계와,

상기 소금물 생성수단에서 공급되는 소금물을 상기 제1 전해수단에서 전기분해하여 살균제를 생성하는 단계와,

상기 제1 전해수단에서 생성된 살균제를 상기 살균제 저장수단에 저장하는 단계, 및

상기 순환라인에서 분기된 분기라인을 따라 유동하는 물에 상기 살균제 저장 수단에 저장되었다가 상기 수조 내부의 잔류염소 수치에 따라 공급되는 살균제를 상기 제2 전해수단에서 혼합하고 전기분해하여 물을 살균 및 정화시킨 후 다시 수조로 복귀시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
청구항 5에 있어서,

상기 제1 전해수단의 전기분해 반응에 필요한 전위는 5 ~ 10 volts D.C.(직류)이고, 전류는 전류밀도 기준으로 0.1 A/cm² ~ 1.5 A/cm²인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 제1 전해수단에 공급하는 소금물의 농도는 1 ~ 4 %인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,

상기 제1 전해수단에 공급하는 소금물의 온도는 25 ℃ ~ 32 ℃인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
청구항 5에 있어서,

상기 제2 전해수단의 전기분해 반응에 필요한 전위는 20 ~ 40 volts D.C.(직 류)이고, 전류는 전류밀도 기준으로 0.01 A/cm² ~ 0.2 A/cm²인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 제2 전해수단에 공급하는 소금물의 농도는 1% 미만인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,

상기 제2 전해수단에 공급하는 소금물의 온도는 32 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.