KR20070117523A

KR20070117523A - 수도수 전해에 의한 오존수 및 차아염소산수 발생용 전해셀및 복합산화제 전극

Info

Publication number: KR20070117523A
Application number: KR1020070120387A
Authority: KR
Inventors: 김한주; 김희정; 홍경미
Original assignee: 김한주
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2007-12-12

Abstract

본 발명은 수 처리나 반도체 세척에 이용되는 오존(O₃)과 차아염소산(HOCl)을 수도수에서 발생시키는 직접 전해 방식의 전극 및 전해셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Electrostatic Spray Deposion(ESD) 코팅법으로 귀금속류 혼합물질을 적정비율로 혼합하여 제조된 전극을 사용하여 수도수를 직접전해처리하여 오존수 및 차아염소산수를 생성하는 전해셀에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 전해셀의 구성 및 전극 제조방법에 있어서 탄탈륨 산화물(Ta₂O₅), 산화주석(SnO₂), 이리듐(Ir)등을 적정비율로 혼합하여 ESD 코팅하는 단계, 제조된 전극을 사용하여 수도수를 직접전해하는 전해셀 제조 단계, 상기 단계 후 수영장 처리시스템이나, 자판기 저장탱크 살균소독장치, 가정용 정수기 및 가습기 물 저장탱크 살균 소독장치로 응용되는 것에 특징이 있다.

오존수, 차아염소산수, 백금, 산화탄탈륨, 산화주석, 산화이리듐, 전해셀

Description

수도수 전해에 의한 오존수 및 차아염소산수 발생용 전해셀 및 복합산화제 전극 {Electrolysis cell for ozone water and hypo-chlorite water generation by top water electrolysis and mixed oxidant electrode}

본 발명은 살균 탈취수용 전해셀 및 이에 사용되는 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 티타늄에 백금을 코팅한 것을 모재로 하여 그 표면에 백금과 귀금속류인 탄탈륨 산화물(Ta₂O₅), 산화주석(SnO₂), 이리듐(Ir)등을 적정비율로 혼합한 물질을 ESD코팅하여 저렴한 단가로 오랜 수명과 뛰어난 성능을 가지고 산업적, 상업적 이용가치를 높일 수 있는 전극을 제조하는 것과, 본 전극을 이용하여 전해셀을 구성하여 기존의 황산전해질이나 염화나트륨계 전해질이 아닌, 수도수를 전해질로 사용하여 직접전기분해에 의한 오존수 및 차아염소산수를 발생시키는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 수 처리나 반도체 세척은 염소계 약제를 용해시켜 사용하였으나 근래에 오면서 오존(O₃)이나 차아염소산(HOCl)이 많이 사용되고 있다. 이는 오존과 차아염소산의 강력한 살균력과 탈취력 때문이다. 보편적으로 오존은 대전하는 전극 간에 유리나 세라믹스 등의 유전체를 씌우고, 산소함유기체를 전극 간에 흘려서 6~18kV의 교류 고전압을 유도시키는 무성방전식을 많이 사용하고 있다.

현재 오존과 차아염소산과 같은 물질을 생성하기 위해 여러 방향으로 연구되었고 있으며, 대한민국 출원번호 10-1999-0015452와 출원번호 10-2004-0017407에서 오존발생기에 관한 것이 공개된 바 있고, 상기 공개발명과 유사한 발명으로 출원번호 20-2000-0002592와 출원번호 20-2000-0036560에서는 산업용 오존발생장치를 제공하고 있다.

그러나, 상기와 같은 방법들은 무성방전식을 이용한 것으로 제조 시 해로운 금속먼지와 질소산화물 등이 발생하게 되고, 대기 중 높은 오존 가스 농도로 인해 인체에 해로운 영향을 미칠 수 있는 우려가 있다. 또한 오존수로 이용할 시에는 생성된 오존 가스를 다시 수중에 녹여 사용해야 하므로 그에 따른 제조비용이 추가 되며, 그 때 오존 가스는 대부분 공기 중에 날아가 오존수의 농도를 발생 오존 가스농도에 비해 현저히 떨어진다.

한편, 상기와 같은 문제점을 보안하기 위해 전기 분해 방식에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 황산의 전기 분해에 의해 오존이 생성되는 것은 1840년 처음 발견되었고 최근 고체 전해질을 이용한 새로운 전해식 오존발생장치가 연구 개발되고 있으며 본 연구에서는 수도수에서 직접 전기 분해를 해서 오존수를 생성하기 때문에 직접 전해 방식이라고 명명하기로 하였다. 이 직접 전해 방식은 앞서 언급한 무성방전식 비해서 소비 전력이 크지만 장치가 간단하고 소형화가 용이하므로 설비 비가 작고 질소 산화물이 생성되지 않는 특징을 가진다.

이러한 직접 전해 방식에서 일반적으로 이산화 납 전극이나 DSA전극 등이 사용되고 있다. 이산화 납 전극을 특히 오존 발생 효율이 뛰어나기 때문에 다량의 오존수를 필요로 하는 공업용으로 주로 사용되지만 전극을 오랜 시간 사용하게 되면 납 성분이 검출되는 문제점을 가지고 있다.

DSA(dimensional stable anode)전극은 티타늄의 독특한 전기화학적 특성으로 인해 chlorine(염소), chlorite(염소산염) 및 hypo-chlorite(차아염소산염) 생산설비에 우수한 에너지 효율적인 소재로서 사용되고 있다. 그러나, 오존 발생 효율은 현저히 떨어지기 때문에 오존 발생을 위한 장치에는 적합하지 않다.

비싼 비용으로 산업적으로는 잘 사용되지 않지만 오존 발생 효율이 좋아서, Pt 전극 또한 종종 사용되기도 하는데, 앞서 언급한 대로 백금의 국제시세가 점점 오르면서 제조단가의 상승으로 수익성이 없는 실정이다. 이에 대체품의 개발이 시급한 실정이다.

상기와 같은 직접 전해 방식에 대하여 대한민국 출원번호 10-2003-0041566에서 전기분해식 오존발생장치가 제안되었으나, 전극의 화학적 불안정으로 인해 제품으로서의 적용성이 낮은 문제점이 있다

따라서, 직접 전해 방식에서 기존 전극에 비해 보다 오존과 차아염소산의 발생 효율이 뛰어나며, 화학적으로 안정하여 오랜 수명을 가질 수 있는 전극을 개발 하는 것이 요구되고 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제시된 것으로, 제조단가를 낮추면서도 오존과 차아염소산의 발생효율이 뛰어나고 사용수명이 길어 산업적, 상업적 이용가치를 높일 수 있는 전극을 제공하고자 한다.

상기한 목적달성을 위하여 본 발명은 티타늄 모재에 백금 전해코팅 후, 탄탈륨 산화물(Ta₂O₅), 산화주석(SnO₂), 이리듐(Ir)등을 전극 안정제로 백금과 함께 사용하여 ESD코팅함을 특징으로 한다. 또한, 본 전극을 사용하여 구성된 전해셀에 수도수를 직접전기분해 함으로써, 기존의 황산이나 염화나트륨과 같은 전해질을 사용하지 않고, 오존과 차아염소산이 포함된 소독수가 발생된다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자는 종래의 Pt 전극에 주목하여 고가의 Pt전극을 저렴하게 이용하기 위한 방법을 모색하여 백금을 코팅하는 방법을 연구하기에 이르렀다.

우선 전극재료로서 전도성이 좋고 높은 산소 과전압을 갖는 비활성 금속이어야 하고, 오존과 차아염소산 발생시 안정해야 하는 조건을 충족시키는 물질로 티타늄 전극을 선택하였다.

티타늄은 단가가 싸고 내부식성이 강하고 부식이 균일하게 이루어지는 등의 장점이 있는 것으로 알려져 있지만 그 자체만으로는 오존과 차아염소산을 발생시킬 수 없 다. 따라서 티타늄을 이용하여 백금을 코팅하여 사용하였으나, 오존과 차아염소산의 발생량은 다소 안정되었으나 일정 시간 경과 후 백금성분이 석출되면서 전극의 수명이 길지 못한 단점을 보였다. 따라서, 본 발명자는 백금을 전해코팅 후 백금과 전극 안정제 물질로써 탄탈륨 산화물(Ta₂O₅), 산화주석(SnO₂), 이리듐(Ir)등을 사용하여 ESD코팅하는 방법을 적용하여 보았다.

또한, 전해셀 구성시 양극실에는 수도수가 음극실에는 음극전해질이 통과하게 설계하여, 양극실에서 제조된 소독수를 직접 사용할수 있도록 고안하였다.

상기에서 설명한 바와 같이, 기존에 존재하는 Pt전극은 가격이 고가이여서 생산성이 떨어지고 Pt전극만으로는 오존과 차아염소산 발생 효율이 우수하지만 수명이 짧은 점과 비교하여, 본 발명의 전극은 백금뿐만 아니라 가격이 저렴한 다른 귀금속류를 이용해 전극 안정제 역할을 함으로써 전극을 안정하게 하고 수명을 연장 시켜줄 뿐만 아니라 제조단가도 낮추어 공업적으로 생산 가능할 뿐만 아니라, 기계적 물성개선 측면에서도 우수한 효과를 볼 수 있다. 또한, 수도수를 직접전해 하여 오존수 및 차아염소산수를 발생하기 때문에 친환경적이며, 인체에 무해한 살균소독장치가 될것으로 기대된다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 먼저 기판에 코팅을 하기 전에 에칭을 한다. 여기서, 에칭 전에 전극 표면의 유기물질을 완전히 제거해 준 뒤 에칭 과정을 실행한다. 그 이유는 전극에 에칭을 함으로써 생기게 되는 깊은 크랙에 코팅 용액이 깊숙이 침투할 수 있고, 이를 통해 코팅 물질의 흡착이 더 잘 이뤄지게 하기 위함이다.

이때, 에칭은 환기가 잘 이루어지는 곳에서 35% 염산을 사용하여 25~80에서 10~60분 담가둔다. 상기 염산은 금속을 부식하는 성질이 있기 때문에 에칭 물질로써 적당하며, 에칭온도는 80이상인 경우에는 부식의 가속화로 조직관찰이 불가능할 뿐 아니라, 유독가스가 발생할 수 있고, 25이하인 경우에는 부식성이 현저히 감속하므로, 에칭온도는 25~80가 적당하다.

또한, 에칭시간이 60분 이상인 경우에는 과부식이 일어날 수 있고, 10분 이하인 경우에는 에칭 진전 정도가 낮기 때문에, 에칭시간은 10~60분으로 하는 것이 바람직하다.

그러나, 염산 에칭 시 염산에 의해 생기게 되는 클로르 가스를 통해 호흡이 곤란해 위험해 질 수도 있으므로 반드시 환기를 잘 이루어지는 곳에서 해야 하며 클로르 가스는 금속을 부식시키는 힘을 가지고 있으므로 기기들이 회손 될 수 있으므로 중요 기기가 없는 곳에서 실험을 해야 한다.

이렇게 얻어진 전극은 초음파세척을 통해 전극에 남아 있는 클로라이드 이온을 제거해 준다.

상기 에칭 된 티타늄 메쉬 전극에 백금 전해 코팅할 물질은 염화백금산 1~10g을 증류수 50ml에 혼합비로 첨가하여 10~60분 교반 제조한 후, 전해 코팅은 양극에 DSA전극, 음극에 티타늄 메쉬를 놓고 제조한 백금용액을 전해질로 하여 전류 1~5A를 주어 전극을 제조한다.

백금 코팅이 된 전극에 산화코팅한 물질의 제조는 알코올 혼합물을 용매로 하여 백금과 탄탈륨 에톡사이드, 틴 클로라이드, 이리듐클로라이드 등의 시약을 적정비율로 혼합하여 제조한 후 혼합이 쉽게 되지 않기 때문에 2~3일동안 교반하여 제조한다.

백금과 탄탈륨 에톡사이드, 틴 클로라이드, 이리듐클로라이드 등의 혼합비율은 1:3~1:9의 중량비가 바람직하다.

이어서, 도1에 나타낸 ESD 코팅 장비를 가지고 상기 코팅액을 백금전극에 코팅한다. 전극에 코팅 용액이 어느 정도 흡착되게 하기 위해 공기 중에 자연 건조한 후, 200~400에서 소성시킨 후, 500~600에서 소성시킨다. 다시 상기 코팅하고 자연 건조한 후 소성과정을 반복하여 적당한 코팅 두께를 0.1~4로 조절한다. 0.1보다 적으면 수명에 문제가 있고, 4보다 크면 전기적 저항뿐만 아니라 지지체 층인 Ti 메쉬층과 코팅된 물질과의 결착력 한계에 의한 내구성 저하가 나타난다. 또한 자연건조를 하는 이유는 코팅층에 갑작스런 고온소결은 전극표면을 불균일한 형상이 이루어지기 때문이다.

마지막으로 100~700에서 최종적으로 소결한다. 이때, 소결 온도가 700 이상이면 티타늄 메쉬가 티타늄산화물이 되면서 절연체가 되고, 100이하면 산화물이 생성되지 않기 때문에 소결 온도는 100~700가 바람직하다.

상기와 같이 제조된 전극을 가지고 도2에 도시한 바와 같이 전해셀을 구성한 다. 전해셀의 구성은 본 전극과 양이온 교환막, 탄소 또는 백금 전극을 사용하여 구성하며, 양극 전해질은 수도수, 음극 전해질은 염화나트륨 또는 전도성이 우수한 전해질을 사용한다. 이때 전기분해 전압은 1.6V ~ 6.0V가 바람직하다. 이는 1.6V 이하에서는 오존이 발생되지 않으며, 6.0V 이상에서는 전극에 부하가 걸려 수명에 문제가 야기되기 때문이다.

본 전극으로 구성된 전해셀은 오존발생기 및 차아염소산 발생기등에 사용될수 있다. 보다 구체적으로는 가정용 정수기의 과일세척용 및 정수기 내부 살균 장치, 자판기용 물 저장탱크 및 배관 살균소독용, 가습기의 물 저장 탱크의 살균 소독용 전해셀로 직접 사용이 가능하다.

도 1은 ESD 코팅 장치의 구조도.

도 2는 제조된 전극을 가지고 제작된 전해셀 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : Spray Gun 2 : Power Supply

3 : Control Panel 4 : Feed Hopper

5 : Precursor Solution

6 : Grounded Workpiece

7 : Voltage Cable 8 : Air Lines

11 : Anode 12 : Cathode

13 : Membrane 14 : Top water

15 : Top water + NaCl

Claims

기판이 되는 티타늄 메쉬를 염산 에칭을 하는 에칭단계;

상기 단계와는 별도로 전해 코팅할 백금용액과 산화 코팅할 백금과 탄탈륨 산화물(Ta₂O₅), 산화주석(SnO₂), 이리듐(Ir)등을 적정비율로 혼합하여 알코올에 용해시켜 용액을 제조하는 코팅액 제조단계;

상기 에칭된 티타늄 메쉬에 제조한 백금용액으로 전해코팅하는 단계;

상기 백금용액이 전해코팅된 티타늄 메쉬 표면에 산화코팅 혼합물에 ESD법으로 코팅단계;

그 후 코팅된 전극을 자연건조하고, 소성하고, 다시 ESD코팅과 소성과정을 반복하는 코팅두께조절단계;

마지막으로, 반복단계를 거친 전극을 가열하여 굳게 하는 소결단계;

제조된 전극을 사용하여 전해셀을 구성하는 단계;

구성된 전해셀에, 양극에는 수도수, 음극에는 음극전해질을 순환하여 양극에서 오존수 및 차아염소산 수를 발생시키는 단계;

상기단계후 전해셀을 이용하여 살균소독장치에 응용하는 방법.
제 1항에 있어서,

백금 전해 코팅단계는 에칭된 티타늄 메쉬 전극에 할 물질은 염화백금산 2g을 증류수 50ml에 혼합비로 첨가하여 10~60분 교반 제조한 후, 전해 코팅은 양극에 DSA전극, 음극에 티타늄 메쉬를 놓고 제조한 백금용액을 전해질로 하여 전류 1~5A를 공급하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법
제 1항에 있어서,

백금 코팅이 된 전극에 산화코팅한 물질을 알코올 혼합물을 용매로 하여 백금과 탄탈륨 에톡사이드, 틴 클로라이드, 이리듐클로라이드등의 시약을 1:3~1:9의 중량비로 혼합하여 제조한 후 혼합이 쉽게 되지 않기 때문에 2~3일동안 교반하여 제조하는 방법.
제 1항에 있어서,

제조된 전극을 이용하여 전해셀 구성시 양극전해질을 수도수를 사용하는 방법 및 음극전해질을 염화나트륨 또는 황산전해질을 사용하는 방법.
제 1항에 있어서,

전해셀 구동시 전압을 1.6V ~ 6.0V로 사용하여 양극에서 오존수 및 차아염소산수가 발생되는 방법.
제 1항에 있어서,

전해셀을 이용하여 수영장 정화시스템, 자판기 저장탱크 살균, 정수기 내부 살균 및 오존수 이용시스템, 가습기 내부 탱크 살균장치등에 응용방법.