KR20120002074A - 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치 - Google Patents

고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고농도의 차아염소산나트륨 용액을 연속적으로 제조할 수 있도록 함과 더불어 차아염소산나트륨 용액의 제조 과정에서 발생되는 부산물을 안전하게 처리 및 재활용이 가능한 차아염소산나트륨 수용액 제조장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 염화나트륨(NaCl) 수용액과 물을 제공받아 전기 분해하여 염소 가스와 수소 가스 및 수산화나트륨(NaOH)을 생성하는 전기분해반응부; 상기 전기분해반응부에 의해 생성된 염소 가스 및 저농도의 염화나트륨 수용액을 제공받아 이 염소 가스와 염화나트륨 수용액을 분리하는 제1기액분리부; 상기 제1기액분리부에 의해 분리된 염소 가스를 제공받아 저장하는 제1저장부; 상기 전기분해반응부에 의해 생성된 수소 가스 및 수산화나트륨 수용액을 제공받아 이 수산화나트륨 수용액과 수소 가스를 분리하는 제2기액분리부; 상기 제2기액분리부에 의해 분리된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 저장하는 제2저장부; 상기 제1저장부에 저장된 염소 가스와 상기 제2저장부에 저장된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 고압 저온의 환경에서 상호 반응시켜 차아염소산나트륨 수용액을 생성하는 저온 반응부; 그리고, 상기 저온 반응부에서 생성된 차아염소산나트륨 수용액을 제공받아 저장하는 제3저장부:를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치가 제공된다.

Description

고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치{device for high density NaOCl solution}
본 발명은 차아염소산나트륨 용액 제조장치에 관한 것으로써, 더욱 구체적으로는 고농도의 차아염소산나트륨 용액을 연속적으로 제조할 수 있도록 함과 더불어 차아염소산나트륨 용액의 제조 과정에서 발생되는 부산물을 안전하게 처리 및 재활용이 가능하도록 한 새로운 구조의 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 발전소에서는 발전장치의 발전과정에서 발생되는 폐증기를 복수 시키기 위하여 바닷물을 냉각수로 사용하고 있다.
이러한 복수 장치에 사용되는 냉각수는 해서생물, 생작물 즉 해조류, 조개류 등의 알 또는 포자를 살균처리하기 위하여 해수 전해조로써 바닷물을 전기분해한 후 차아염소산나트륨을 발생시켜 처리하고 있다.
상기한 바와 같은 차아염소산나트륨(NaOCl)은 공업용의 고농도 차아염소산나트륨 용액의 생산설비에서는 다양한 방식이 사용되고 있으나, 발전소 등과 같이 현장에서 즉시 제조 및 활용하는 연속식 처리설비에서는 대부분 전기분해 방식을 이용하여 제조하고 있다.
이러한 전기분해 방식은 내식성을 지니는 백금, 이리듐, 팔라듐, 타이타늄 등의 내화학성을 지니는 희토류 금속을 사용하는 양전극 및 일반 금속의 음전극 사이에 식염수(NaCl)를 통과시키면서 전력을 인가하여 차아염소산나트륨을 얻는 방법을 취하고 있다.
상기와 같은 기존의 방식은 양전극과 음전극 사이를 통과하는 식염수의 농도 및 유속, 공급되는 전력량에 따라 전기분해의 양이 결정됨과 더불어 최종적으로 얻어지는 차아염소산나트륨의 농도가 결정된다.
특히, 일반적인 기존 방식의 차아염소산나트륨 제조장치의 경우 수 ppm~수십 ppm 정도의 저농도 수처리 용도로 사용되는 것으로써 대용량의 처리가 필요한 경우 취수량 및 사용전력량과 전기분해 반응조의 크기가 커져야 하는 문제점을 가진다.
또한, 제조 완료된 차아염소산나트륨의 용액에 식염성분이 포함되는 문제 및 차아염소산나트륨 용액의 제조 도중 발생되는 수소 등의 부산물에 대한 처리 문제가 상존하며, 결과적으로 부산물의 처리과정에서 설비의 안정성에 영향을 주게 된 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술에 따른 각종 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 고농도의 차아염소산나트륨 용액을 연속적으로 제조할 수 있도록 함과 더불어 차아염소산나트륨 용액의 제조 과정에서 발생되는 부산물을 안전하게 처리 및 재활용이 가능하도록 한 새로운 구조의 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고농도 차아염소산나트륨 용액 제조장치에 따르면 서로 대응되는 한 쌍의 전극을 가지며, 염화나트륨(NaCl) 수용액과 물(H2O)을 제공받아 전기 분해하여 염소(Cl) 가스와 수소(H2) 가스 및 수산화나트륨(NaOH)을 생성하는 전기분해반응부; 상기 전기분해반응부에 의해 생성된 염소 가스 및 저농도의 염화나트륨 수용액을 제공받아 이 염소 가스와 염화나트륨 수용액을 분리하는 제1기액분리부; 상기 제1기액분리부에 의해 분리된 염소 가스를 제공받아 저장하는 제1저장부; 상기 전기분해반응부에 의해 생성된 수소 가스 및 수산화나트륨 수용액을 제공받아 이 수산화나트륨 수용액과 수소 가스를 분리하는 제2기액분리부; 상기 제2기액분리부에 의해 분리된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 저장하는 제2저장부; 상기 제1저장부에 저장된 염소 가스와 상기 제2저장부에 저장된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 고압 저온의 환경에서 상호 반응시켜 차아염소산나트륨 수용액을 생성하는 저온 반응부; 그리고, 상기 저온 반응부에서 생성된 차아염소산나트륨 수용액을 제공받아 저장하는 제3저장부:를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전기분해반응부는 양전극 및 음전극이 서로 대응되게 설치되면서 반응 공간을 형성하는 반응조와, 상기 반응조 내부를 양전극이 설치된 공간 및 음전극이 설치된 공간으로 구획하면서도 이온의 통과는 가능한 이온교환막(ion exchange membrane)과, 상기 반응조 중 양전극이 설치된 공간과 연통되면서 염화나트륨(NaCl) 수용액을 제공받는 제1유입관로 및 저농도의 염화나트륨 수용액과 염소 가스를 배출하는 제1유출관로와, 상기 반응조 중 음전극이 설치된 공간과 연통되면서 물을 제공받는 제2유입관로 및 수소 가스와 수산화나트륨 수용액을 배출하는 제2유출관로를 포함하는 이온교환막식 전해조임을 특징으로 한다.
또한, 상기 저온 반응부는 상기 제1저장부에 저장된 염소 가스와 상기 제2저장부에 저장된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 반응시키는 반응조와, 상기 반응조 내의 온도를 설정 온도 이하의 환경으로 만드는 쿨링 유닛과, 상기 제1저장부에 저장된 염소 가스를 버블 상태로 상기 반응조 내에 제공되도록 하는 버블러를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1기액분리부에서 염소 가스가 분리된 저농도의 염화나트륨 수용액을 제공받아 이 저농도의 염화나트륨 수용액을 고체 상태의 염화나트륨으로 제공하여 포화 염화나트륨 수용액을 얻은 후 상기 포화 염화나트륨 수용액을 상기 전기분해반응부로 제공하는 포화 식염수 반응조가 더 포함되어 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2기액분리부에서 수산화나트륨 수용액이 분리된 수소 가스를 제공받고, 상기 수소 가스를 이용하여 전력을 생산하여 상기 전기분해반응부의 각 전극의 보조전원으로 사용되도록 제공하는 연료전지부가 더 포함되어 구성됨을 특징으로 하며, 상기 연료전지부는 상기 제2기액분리부로부터 수소 가스를 제공받아 저장하는 수소 가스 저장탱크와, 상기 수소 가스 저장탱크에 저장된 수소 가스를 공급받는 양전극와, 외부로부터 수분을 함유한 공기를 제공받는 음전극으로 구성되어 전력을 생산하는 연료전지(PEMFC;Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 상기 연료전지를 통해 생산된 전력을 배터리 매니지먼트 시스템(BMS;Battery Management System)을 통해 저장한 후 상기 전기분해반응부의 각 전극의 보조전원으로 사용되도록 제공하는 배터리 블록을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 해수(海水)를 제공받아 전기분해하여 고농도의 염화나트륨 수용액을 생성하는 해수용 전기분해부가 더 포함되어 구성되며, 상기 해수용 전기분해부는 전기분해용 탱크와, 상기 전기분해용 탱크 내의 양측 끝단에 각각 위치되는 양전극 및 음전극과, 상기 전기분해용 탱크 내에 순차적으로 번갈아가면서 반복 설치되는 복수의 양이온교환막 및 음이온교환막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이와 함께, 상기 해수용 전기분해부는 복수로 제공되며, 각 해수용 전기분해부 간은 직렬식으로 연결되도록 배치됨을 특징으로 한다.
이상에서 설명된 바와 같은 본 발명의 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는 염소 가스와 수산화나트륨 수용액을 각각 구분하여 추출한 후 서로 간을 반응시켜 차아염소산나트륨 수용액이 생성되도록 함으로써 고농도(수백 ppm~10% 정도의 농도)의 차아염소산나트륨 수용액을 얻을 수 있게 된 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는 포화 식염수 반응조의 추가적인 제공에 의해 포화 식염수의 제조를 위한 염화나트륨의 불필요한 배출이 발생되지 않고, 이로 인한 염화나트륨의 사용량을 저감할 수 있게 된 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는 연료전지부의 추가적인 제공에 의해 수소 가스를 재활용하여 사용될 수 있게 됨으로써, 상기 수소 가스를 대기 중으로 배출함에 따른 안전 사고의 위험 및 상기 수소 가스를 폐기물로 처리하기 위한 별도의 처리 장치를 추가로 설비하지 않더라도 된다는 비용의 절감을 이룰 수 있게 된 효과를 가지며, 특히 전력 비용을 절감할 수 있게 된 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는해수용 전기분해부의 추가적인 제공에 의해 해수로부터 고농도의 식염수를 얻을 수 있게 되어 생산비용의 절감을 이룰 수 있게 된 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치를 설명하기 위해 나타낸 시스템 구성도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치 중 포화 식염수 반응조를 설명하기 위해 나타낸 시스템 구성도
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치 중 연료전지부를 설명하기 위해 나타낸 시스템 구성도
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치 중 해수용 전기분해부를 설명하기 위해 나타낸 시스템 구성도
도 5는 도 4의 다른 실시 형태를 설명하기 위해 나타낸 시스템 구성도
이하, 본 발명의 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
첨부된 도 1과 같이 본 발명의 실시예에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는 크게 전기분해반응부(100)와, 제1기액분리부(200)와, 제1저장부(300)와, 제2기액분리부(400)와, 제2저장부(500)와, 저온 반응부(600) 및 제3저장부(700)를 포함하여 구성됨을 제시한다.
이를 각 구성별로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 전기분해반응부(100)는 물(H2O)과 염화나트륨(NaCl) 수용액(이하, “식염수”라 함)을 제공받아 전기분해하여 염소(Cl) 가스와, 수소(H2) 및 수산화나트륨(NaOH)를 생성하는 일련의 구성이다.
상기한 전기분해반응부(100)는 반응조(110)와, 이온교환막(120)과, 제1유입관로(130) 및 제1유출관로(140)와, 제2유입관로(150) 및 제2유출관로(160)로 구성된다.
여기서, 상기 반응조(110)는 외부로부터 밀폐된 반응 공간을 형성하는 구성이며, 상기 반응조(110)의 내부 양측 공간에는 양전극(111) 및 음전극(112)이 각각 서로 대응되게 설치된다.
이때, 상기 양전극(111)은 내화학성을 지니는 희토류 금속재질로 형성되고, 상기 음전극은 일반금속(예컨대, 타이타늄) 재질로 형성된다.
그리고, 상기 이온교환막(ion exchange membrane)(120)은 물이나 가스 등의 유체에 대한 흐름은 차단하면서도 이온(양이온 및 음이온 모두)의 통과가 가능하도록 이온교환수지를 막 모양으로 성형 제조한 것으로써, 상기 반응조(110) 내부를 양전극(111)이 설치된 공간(이하, “제1반응공간”이라 함) 및 음전극(112)이 설치된 공간(이하, “제2반응공간”이라 함)으로 구획하도록 설치된다. 상기한 이온교환막(120)에 대하여는 이미 널리 알려진 기술이기 때문에 그의 구체적인 성분이나 원리에 대한 설명은 생략하도록 한다.
그리고, 상기 제1유입관로(130)는 상기 반응조(110) 중 제1반응공간과 연통되면서 식염수를 제공받는 일련의 구성이고, 상기 제1유출관로(140)는 제2반응공간과 연통되면서 염소 가스를 배출하는 일련의 구성이다.
그리고, 상기 제2유입관로(150)는 상기 제2반응공간과 연통되면서 물을 제공받는 일련의 구성이고, 상기 제2유출관로(160)는 상기 제2반응공간과 연통되면서 수소 가스와 수산화나트륨 수용액을 배출하는 일련의 구성이다.
다음으로, 상기 제1기액분리부(200)는 상기 전기분해반응부(100)에 의해 생성된 염소 가스 및 저농도의 식염수를 제공받아 이 염소 가스와 식염수를 서로 분리하는 일련의 구성이다.
상기한 바와 같은 제1기액분리부(200)는 첨부된 도 1과 같이 내측 하부 공간에 저농도의 식염수가 저장될 수 있도록 탱크 형상으로 형성된다.
이와 함께, 상기 제1기액분리부(200)의 하단에는 상기 전기분해반응부(100)에 일단이 연결된 제1유출관로(140)의 타단이 연결됨과 더불어 상기 제1기액분리부(200)의 상단에는 상기 염소 가스의 배출을 위한 제1염소가스용 유동관로(210)의 일단이 연결되며, 상기 제1염소가스용 유동관로(210)의 타단은 상기 제1저장부(300)에 연결된다.
이때, 상기 제1염소가스용 유동관로(210)에는 염소 가스의 강제 펌핑을 위한 펌프(211)가 구비됨과 더불어 상기 염소 가스의 유동을 제어하는 각종 개폐밸브(212)(예컨대, 체크밸브 등)가 설치된다.
다음으로, 상기 제1저장부(300)는 상기한 바와 같이 제1기액분리부(200)로부터 제1염소가스용 유동관로(210)를 통해 유동되는 염소 가스를 제공받아 저장하는 일련의 구성이다.
즉, 상기 제1기액분리부(200)를 통해 저농도의 식염수가 분리된 염소 가스는 상기 제1저장부(300)에 일시적으로 저장된 상태에서 후술될 저온 반응부(600)로 제공되는 것이다.
이때, 상기 제1저장부(300)에는 상기 저온 반응부(600)로 상기 염소 가스를 제공하기 위한 제2염소가스용 유동관로(310)의 일단이 연결되며, 상기 제2염소가스용 유동관로(310)에는 펌프(311) 및 개폐밸브(312)가 설치된다.
다음으로, 상기 제2기액분리부(400)는 상기 전기분해반응부(100)에 의해 생성된 수소 가스 및 수산화나트륨 수용액을 제공받아 이 수산화나트륨 수용액과 수소 가스를 분리하는 일련의 구성이다.
상기한 바와 같은 제2기액분리부(400)는 첨부된 도 1과 같이 내측 하부 공간에 저농도의 수산화나트륨 용액이 저장될 수 있도록 탱크 형상으로 형성된다.
이와 함께, 상기 제2기액분리부(400)의 하단에는 상기 전기분해반응부(100)에 일단이 연결된 제2유출관로(160)의 타단이 연결됨과 더불어 상기 수산화나트륨 수용액을 제2저장부(500)로 제공하기 위한 제1수산화나트륨용 유동관로(410)가 연결되고, 상기 제2기액분리부(400)의 상단에는 상기 수소 가스의 배출을 위한 수소가스용 유동관로(420)가 연결된다.
이때, 상기 제1수산화나트륨용 유동관로(410)에는 수산화나트륨 수용액의 유동을 제어하는 개폐밸브(412)가 설치된다.
다음으로, 상기 제2저장부(500)는 상기 제2기액분리부(400)에 의해 분리된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 저장하는 일련의 구성이다.
즉, 상기 제2기액분리부(400)를 통해 수소 가스가 분리된 수산화나트륨 수용액은 상기 제2저장부(500)에 일시적으로 저장된 상태에서 후술될 저온 반응부(600)로 제공되는 것이다.
이때, 상기 제2저장부(500)에는 상기 저온 반응부(600)로 상기 수산화나트륨 수용액을 제공하기 위한 제2수산화나트륨용 유동관로(510)의 일단이 연결되며, 상기 제2수산화나트륨용 유동관로(510)에는 펌프(511) 및 개폐밸브(512)가 설치된다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2저장부(500)에 쿨링 유닛(530)이 더 구비됨을 제시한다. 이때, 상기 쿨링 유닛(530)은 수산화나트륨 수용액을 일차적으로 저온화시킨 후 상기 저온 반응부(600)로 제공되도록 함으로써 연속적인 작업의 진행이 가능하도록 하는 역할을 수행한다.
다음으로, 상기 저온 반응부(600)는 상기 제1저장부(300)에 저장된 염소 가스와 상기 제2저장부(500)에 저장된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 고압 저온의 환경에서 상호 반응시켜 차아염소산나트륨 수용액을 생성하는 일련의 구성이다.
상기한 저온 반응부(600)는 반응조(610)와, 쿨링 유닛(620)과, 버블러(630)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 반응조(610)는 외부로부터 폐쇄된 공간을 제공하는 탱크로써, 상기 제1저장부(300)에 저장된 염소 가스와 상기 제2저장부(500)에 저장된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 서로 간을 반응시키는 역할을 수행한다.
그리고, 상기 쿨링 유닛(620)은 상기 반응조(610) 내의 온도를 4℃ 이하로 유지할 수 있도록 하는 구성으로써, 통상의 냉각기(열교환기)가 될 수 있다.
그리고, 상기 버블러(630)는 상기 제1저장부(300)로부터 반응조(610) 내로 제공되는 염소 가스가 버블 상태로 상기 반응조(610) 내에 제공될 수 있도록 하는 일련의 구성으로써, 상기 반응조(610) 내에 저장된 수산화나트륨 수용액 내에 잠긴 상태로 설치된다.
이때, 상기 염소 가스를 버블 상태로 반응조(610) 내에 제공하는 이유는 상기 수산화나트륨 수용액과의 더욱 원활한 반응이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.
특히, 상기한 저온 반응부(600)의 반응조(610) 내부는 고압 상태(예컨대, 2~5kgf/㎠ 정도의 압력 상태)로 유지되도록 함이 바람직하며, 이를 위해 상기 반응조(610)에는 압력 배출을 위한 배출관로(611)가 더 포함되어 구성된다. 이때, 상기한 배출관로(611)에는 압력에 따라 선택적으로 관로를 개폐하는 압력밸브(612)가 설치된다.
상기 배출관로(611)는 상기 제1저장부(300)와 연통되도록 구성됨으로써 배출관로(611)를 통해 배출되는 염소 가스가 다시금 제1저장부(300) 내에 저장될 수 있도록 하여 대기 중으로의 방출에 따른 환경 오염 문제가 방지될 수 있도록 함이 바람직하다.
다음으로, 상기 제3저장부(700)는 상기 저온 반응부(600)를 통해 생성된 차아염소산나트륨 수용액을 제공받아 저장하는 일련의 구성으로써, 상기 저온 반응부(600)의 반응조(610)와는 차아염소산나트륨 수용액용 유동관로(710)를 통해 서로 연통되도록 구성된다.
이때, 상기 차아염소산나트륨 수용액용 유동관로(710)에는 솔레노이드밸브(712)가 구비됨으로써 상기 차아염소산나트륨 수용액의 선택적인 유동이 이루어질 수 있도록 구성된다.
하기에서는, 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 차아염소산나트륨 수용액 제조장치의 작용을 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 전기분해반응부(100)를 구성하는 반응조(110)의 제1반응공간 내로는 제1유입관로(130)를 통해 포화농도의 식염수가 공급되고, 상기 반응조(110)의 제2반응공간 내로는 제2유입관로(150)를 통해 일반 수도물이 공급된다.
이의 상태에서 양전극(111)에 전력이 인가되면, 전기분해에 의한 극간 반응이 발생되면서 상기 식염수와 물은 염소 가스와 수산화나트륨 수용액 및 수소 가스로 각각 분해된다.
이때, 상기 식염수로부터 분해된 나트륨 이온(Na+)은 이온교환막(120)을 통과한 후 음전극(112)이 설치된 제2반응공간으로 제공되어 해당 공간 내의 물과 반응하여 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 생성하게 된다.
또한, 이의 과정에서 상기 나트륨 이온이 분리된 염소 이온(Cl-)은 가스 상태로 상기 양전극(111)이 설치된 제1반응공간 내에 잔류하면서 저농도 상태의 식염수와 함께 제1유출관로(140)를 통해 제1기액분리부(200)로 제공되고, 상기 나트륨 이온에 의해 생성된 수산화나트륨 수용액 및 이의 과정에서 발생되는 잔여 수소 이온(H+)은 상기 제2반응공간 내에 잔류하면서 제2유출관로(160)를 통해 제2기액분리부(400)로 제공된다.
다음으로, 상기 제1기액분리부(200)로 제공된 염소 가스(Cl2) 및 저농도 식염수는 상기 제1기액분리부(200)에서 서로 분리되며, 계속해서 상기 염소 가스(Cl2)는 제1저장부(300)에 저장된다.
또한, 상기 제2기액분리부(400)로 제공된 수소 가스(H2) 및 수산화나트륨 수용액(NaOH)은 제2기액분리부(400)에서 서로 분리되며, 계속해서 상기 수산화나트륨 수용액은 제2저장부(500)에 저장된다. 이때, 상기 제2저장부(500)에 구비된 쿨링 유닛(530)은 상기 수산화나트륨 수용액의 온도를 4℃ 이하의 저온 상태로 유지시키도록 동작된다.
다음으로, 상기 제1저장부(300)에 저장된 염소 가스 및 제2저장부(500)에 저장된 수산화나트륨 수용액은 각각 저온 저장부(600)를 이루는 반응조(610) 내로 제공된다.
이때, 상기 수산화나트륨 수용액은 상기 반응조(610) 내에 용액 상태로 저장되며, 상기 염소 가스는 버블러(639(를 통과하는 과정에서 버블화된 상태로 상기 수산화나트륨 수용액 내로 제공됨으로써 서로 간의 화학적 반응에 따른 고농도의 차아염소산나트륨이 생성된다.
또한, 이때에는 저온 반응부(600)를 구성하는 쿨링 유닛(620)의 동작에 의해 상기 반응조(610) 내부는 저온 상태를 이룸과 더불어 계속적인 염소 가스의 유입으로 인해 상기 반응조(610) 내부는 고압 상태를 이루게 되며, 상기한 염소 가스와 수산화나트륨 수용액의 반응 정도는 온도에 반비례하고 압력에 비례함을 고려할 때 더욱 원활한 차아염소산나트륨으로의 반응이 이루어질 수 있게 된다.
물론, 상기한 과정에서 반응조(610) 내부가 상기 염소 가스의 계속적인 유입으로 인해 설정된 압력(예컨대, 2~5kgf/㎠ 정도의 압력)을 초과하게 되면, 상기 반응조(610)와 연결된 배출관로(611)의 압력밸브(612)가 개방되면서 상기 배출관로(611)를 통한 염소 가스의 배출이 이루어짐으로써 상기 반응조(610) 내부는 항상 적정한 고압 상태(2~5kgf/㎠ 정도의 압력 상태)를 유지할 수 있게 된다.
그리고, 전술한 일련의 과정을 통해 저온 반응부(600)에서 생성된 차아염소산나트륨 수용액은 차아염소산나트륨 수용액용 유동관로(710)를 통해 제3저장부(700)로 제공된다.
결국, 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는 염화나트륨 수용액과 물 간의 전기분해 과정 도중에 차아염소산나트륨 수용액이 생성되도록 한 것이 아니라, 염소 가스와 수산화나트륨 수용액을 각각 구분하여 추출한 후 서로 간을 반응시켜 차아염소산나트륨 수용액이 생성되도록 함으로써 더욱 고농도(예컨대, 수백 ppm~10% 정도의 농도)의 차아염소산나트륨 수용액을 얻을 수 있게 된다.
즉, 최종적으로 생성되는 차아염소산나트륨 수용액에는 식염수 성분이 포함되지 않기 때문에 고농도의 차아염소산나트륨 수용액을 얻을 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 전술한 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치의 각 구성들 중 제1기액분리부(200)에서 염소 가스가 분리된 저농도의 식염수를 재사용하기 위한 구조가 더 포함되어 구성됨을 제시한다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에서는 첨부된 도 2와 같이 포화 식염수 반응조(810)를 추가로 제공함으로써 상기 저농도의 식염수가 다시금 포화 식염수를 이룰 수 있도록 한 후 전기분해반응부(100)로 제공되도록 한 것이다.
이때, 상기 포화 식염수 반응조(810)의 내부에는 상기 포화 식염수 반응조(810) 내부의 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 구획하는 구획망(811)이 설치되고, 상기 구획망(811)의 상측에는 고체 상태의 염화나트륨이 저장되어 있도록 구성된다.
이와 함께, 상기 포화 식염수 반응조(810)의 상단으로는 복수의 노즐을 가지는 다기관(manifold)(812)으로 구성되고, 상기 다기관(812)은 상기 제1기액분리부(200)의 하부측 공간과 연통되도록 구성되며, 상기 포화 식염수 반응조(810)의 하단에는 상기 전기분해반응부(100)의 제1유입관로(130)와 연통되는 연결관(813)이 설치된다.
따라서, 전기분해반응부(100)에서 일부의 나트륨이 분해됨과 더불어 제1기액분리부(200)를 통해 일부의 염소가 분해된 저농도의 식염수는 상기 포화 식염수 반응조(810)를 거치는 과정에서 포화 상태를 이루게 되고, 계속해서 제1유입관로(130)를 통해 전기분해반응부(100) 내로 제공되기 때문에 포화 식염수의 제조를 위한 염화나트륨의 불필요한 배출이 발생되지 않고, 이로 인한 염화나트륨의 사용량을 저감할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 전술한 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치의 각 구성들 중 제2기액분리부(400)에서 수산화나트륨 수용액으로부터 분리된 수소 가스를 재사용하기 위한 구조가 더 포함되어 구성됨을 제시한다.
즉, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 첨부된 도 3과 같이 연료전지부(820)를 추가로 제공함으로써 버려지는 수소 가스를 이용한 전력 생산이 이루어질 수 있도록 하여 전기분해반응부(100)의 각 전극(111,112)에 대한 보조전원으로 사용될 수 있도록 하며, 상기 수소 가스가 대기중으로 배출됨에 따른 폭발의 위험성이나 대기 오염의 문제점이 방지될 수 있도록 한 것이다.
상기한 연료전지부(820)는 수소 가스 저장탱크(821)와, 연료전지(PEMFC;Proton Exchange Membrane Fuel Cell)(822) 및 배터리 블록(battery block)(823)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 수소 가스 저장탱크(821)는 상기 제2기액분리부(400)로부터 수소 가스를 제공받아 저장하는 탱크이다.
또한, 상기 연료전지(822)는 상기 수소 가스 저장탱크(821)에 저장된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 일련의 구성으로써, 상기 수소 가스를 공급받는 양전극(824)과, 외부로부터 수분을 함유한 공기를 제공받는 음전극(825)으로 구성된다. 이러한 연료전지의 구조에 대하여는 널리 알려진 바와 같다.
또한, 상기 배터리 블럭(823)은 상기 연료전지(822)를 통해 생산된 전력을 배터리 매니지먼트 시스템(BMS;Battery Management System)(826)을 통해 저장한 후 상기 전기분해반응부(100)을 이루는 각 전극(111,112)의 보조전원으로 사용되도록 제공하는 일련의 구성으로써 통상의 충전식 배터리를 의미한다.
따라서, 전술한 바와 같은 연료전지부(820)의 추가적인 제공에 의해 수소 가스를 재활용하여 사용될 수 있게 됨으로써, 상기 수소 가스를 대기 중으로 배출함에 따른 안전 사고의 위험 및 상기 수소 가스를 폐기물로 처리하기 위한 별도의 처리 장치를 추가로 설비하지 않더라도 된다는 비용의 절감을 이룰 수 있게 된 장점을 가지며, 특히 차아염소산나트륨의 생산과정에서 가장 큰 비용의 부분을 차지하는 전력 비용을 절감할 수 있게 된 장점을 가진다.
한편, 본 발명의 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치가 해양과 가까운 발전설비 혹은, 해양설비(예컨대, 선박 등) 등에 사용될 경우 첨부된 도 4와 같이 해수를 이용하여 수산화나트륨 수용액을 생성할 수 있도록 한 구조가 더 포함되어 구성됨을 제시한다.
즉, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 첨부된 도 4와 같이 해수용 전기분해부(830)를 추가로 제공함으로써 차아염소산나트륨 수용액의 제조에 사용되는 식염수의 공급양을 줄일 수 있도록 함으로써 생산비용이 절감될 수 있도록 한 것이다.
이때, 상기 해수용 전기분해부(830)는 해수(海水)를 제공받아 전기분해하여 고농도의 식염수를 생성할 수 있도록 한 것으로써, 전기분해용 탱크(831)와, 양전극(832) 및 음전극(833)과, 복수의 양이온교환막(834) 및 복수의 음이온교환막(835)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 양이온교환막(Positive Ion membrane)(834)은 양이온만 통과되도록 구성된 막이고, 상기 음이온교환막(Negative Ion membrane)(835)은 음이온만 통과되도록 구성된 막이다.
여기서, 상기 전기분해용 탱크(831)는 수평 상태로 뉘어진 탱크로 형성하고, 상기 양전극(832) 및 음전극(833)은 상기 전기분해용 탱크(831) 내의 양끝 부위에 서로 대응되게 각각 구비하며, 상기 각 양이온교환막(834) 및 각 음이온교환막(835)은 상기 전기분해용 탱크(831) 내의 음전극(833)(혹은, 양전극)으로부터 순차적으로 번갈아가면서 반복 설치하여 구성된다.
이때, 해수는 상기 각 양이온교환막(834)과 음이온교화막(835) 사이 사이로 제공되도록 구성하며, 상기 전기분해용 탱크(831) 내에서 생성된 고농도의 식염수는 제1유입관로(130)를 통해 전기분해반응부(100) 내로 제공되도록 구성된다.
물론, 전술한 바와 같은 해수용 전기분해부(830)가 구비될 경우 이전 실시예의 포화 식염수 반응조(810)는 생략되도록 구성할 수도 있다.
또한, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 해수용 전기분해부(830)는 첨부된 도 4와 같이 단일의 구조로 제공될 수도 있지만, 첨부된 도 5와 같이 복수의 구조로 제공될 수도 있다.
이때, 상기 해수용 전기분해부(830)가 복수로 제공된다면 상기 각 해수용 전기분해부(8300 간은 직렬식으로 연결되도록 배치함으로써 더욱 고농도의 식염수를 얻을 수 있도록 함이 바람직하다.
결국, 전술한 각 실시예와 같이 본 발명에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는 고농도의 차아염소산나트륨 용액을 연속적으로 제조할 수 있음과 더불어 차아염소산나트륨 용액의 제조 과정에서 발생되는 부산물을 안전하게 처리 및 재활용이 가능하게 된 장점을 가지는 유용한 발명이라 볼 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는 전술한 실시예와 같이 발전소용으로만 적용되는 것으로 한정되지는 않는다.
즉, 선박의 밸러스트용 수처리 설비 분야에 적용될 수도 있고, 목욕탕이나 수영장 등의 다중 이용 시설의 수처리 설비 분야에 적용될 수도 있으며, 상수도나, 중수도 및 폐수처리 등의 수처리 설비 분야에 적용될 수도 있고, 각종 식음료용 수처리 설비 분야에 적용될 수도 있는 것이다.
이렇듯, 본 발명에 따른 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치는 다양한 수처리 설비 분야에 모두 적용이 가능한 유용한 발명임은 자명하다.
100. 전기분해반응부 110. 반응조
120. 이온교환막 130. 제1유입관로
140. 제1유출관로 150. 제2유입관로
160. 제2유출관로 200. 제1기액분리부
210. 제1염소가스용 유동관로 300. 제1저장부
310. 제2염소가스용 유동관로 400. 제2기액분리부
410. 제1수산화나트륨 유동관로 420. 수소가스용 유동관로
500. 제2저장부 510. 제2수산화나트륨 유동관로
211,311,511. 펌프 212,312,412,512. 개폐밸브
600. 저온 반응부 610. 반응조
611. 배출관로 612. 압력밸브
520,620. 쿨링유닛 630. 버블러
700. 제3저장부 710. 차아염소산나트륨 수용액용 유동관로
712. 솔레노이드밸브 810. 포화 식염수 반응조
811. 구획망 812. 다기관
813. 연결관 820. 연료전지부
821. 수소가스 저장탱크 822. 연료전지
823. 배터리블록 826. 배터리 매니지먼트 시스템
830. 해수용 전기분해부 831. 전기분해용 탱크
834. 양이온교환막 835. 음이온교환막
111,824,832. 양전극 112,825,833. 음전극

Claims (8)

  1. 서로 대응되는 한 쌍의 전극을 가지며, 염화나트륨(NaCl) 수용액과 물(H2O)을 제공받아 전기 분해하여 염소(Cl) 가스와 수소(H2) 가스 및 수산화나트륨(NaOH)을 생성하는 전기분해반응부;
    상기 전기분해반응부에 의해 생성된 염소 가스 및 저농도의 염화나트륨 수용액을 제공받아 이 염소 가스와 염화나트륨 수용액을 분리하는 제1기액분리부;
    상기 제1기액분리부에 의해 분리된 염소 가스를 제공받아 저장하는 제1저장부;
    상기 전기분해반응부에 의해 생성된 수소 가스 및 수산화나트륨 수용액을 제공받아 이 수산화나트륨 수용액과 수소 가스를 분리하는 제2기액분리부;
    상기 제2기액분리부에 의해 분리된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 저장하는 제2저장부;
    상기 제1저장부에 저장된 염소 가스와 상기 제2저장부에 저장된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 고압 저온의 환경에서 상호 반응시켜 차아염소산나트륨 수용액을 생성하는 저온 반응부; 그리고,
    상기 저온 반응부에서 생성된 차아염소산나트륨 수용액을 제공받아 저장하는 제3저장부:를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기분해반응부는
    양전극 및 음전극이 서로 대응되게 설치되면서 반응 공간을 형성하는 반응조와,
    상기 반응조 내부를 양전극이 설치된 공간 및 음전극이 설치된 공간으로 구획하면서도 이온의 통과는 가능한 이온교환막(ion exchange membrane)과,
    상기 반응조 중 양전극이 설치된 공간과 연통되면서 염화나트륨(NaCl) 수용액을 제공받는 제1유입관로 및 저농도의 염화나트륨 수용액과 염소 가스를 배출하는 제1유출관로와,
    상기 반응조 중 음전극이 설치된 공간과 연통되면서 물을 제공받는 제2유입관로 및 수소 가스와 수산화나트륨 수용액을 배출하는 제2유출관로를 포함하는 이온교환막식 전해조임을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응부는
    상기 제1저장부에 저장된 염소 가스와 상기 제2저장부에 저장된 수산화나트륨 수용액을 제공받아 반응시키는 반응조와,
    상기 반응조 내의 온도를 설정 온도 이하의 환경으로 만드는 쿨링 유닛과,
    상기 제1저장부에 저장된 염소 가스를 버블 상태로 상기 반응조 내에 제공되도록 하는 버블러를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1기액분리부에서 염소 가스가 분리된 저농도의 염화나트륨 수용액을 제공받아 이 저농도의 염화나트륨 수용액을 고체 상태의 염화나트륨으로 제공하여 포화 염화나트륨 수용액을 얻은 후 상기 포화 염화나트륨 수용액을 상기 전기분해반응부로 제공하는 포화 식염수 반응조가 더 포함되어 구성됨을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2기액분리부에서 수산화나트륨 수용액이 분리된 수소 가스를 제공받고, 상기 수소 가스를 이용하여 전력을 생산하여 상기 전기분해반응부의 각 전극의 보조전원으로 사용되도록 제공하는 연료전지부가 더 포함되어 구성됨을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료전지부는
    상기 제2기액분리부로부터 수소 가스를 제공받아 저장하는 수소 가스 저장탱크와,
    상기 수소 가스 저장탱크에 저장된 수소 가스를 공급받는 양전극와, 외부로부터 수분을 함유한 공기를 제공받는 음전극으로 구성되어 전력을 생산하는 연료전지(PEMFC;Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와,
    상기 연료전지를 통해 생산된 전력을 배터리 매니지먼트 시스템(BMS;Battery Management System)을 통해 저장한 후 상기 전기분해반응부의 각 전극의 보조전원으로 사용되도록 제공하는 배터리 블록을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    해수(海水)를 제공받아 전기분해하여 고농도의 염화나트륨 수용액을 생성하는 해수용 전기분해부가 더 포함되어 구성되며,
    상기 해수용 전기분해부는 전기분해용 탱크와, 상기 전기분해용 탱크 내의 양측 끝단에 각각 위치되는 양전극 및 음전극과, 상기 전기분해용 탱크 내에 순차적으로 번갈아가면서 반복 설치되는 복수의 양이온교환막 및 음이온교환막을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 해수용 전기분해부는 복수로 제공되며, 각 해수용 전기분해부 간은 직렬식으로 연결되도록 배치됨을 특징으로 하는 고농도 차아염소산나트륨 수용액 제조장치.
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