KR20120016165A - 살균제 발생장치 - Google Patents

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KR20120016165A
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KR1020120003999A
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문상봉
이태임
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김은수
류택형
최윤기
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(주)엘켐텍
문상봉
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Abstract

본 발명은 비전도성부와 전도성부를 가지는 복극식 전극에 관한 것으로, 이같은 전극으로 수소 취화 현상을 방지하고, 전류 누설 억제가 가능하여 전극의 효율 및 내구성을 대폭 개선하였다.

Description

살균제 발생장치{The unit for generating the disinfectants}
본 발명은 전기화학적 현장형 살균제 발생기와 관련한 것으로, 더욱 상세히는 소금물 (또는 아염소산)을 무격막법으로 전기분해하여 차아염소산(또는 이산화염소)를 생산하는 전극, 전해조, 전기분해 시스템에 관한 것으로, 수영장, 정수장, 냉각탑, 밸러스트수 등의 살균 목적에 적용 가능하다.
살균력이 우수한 염소 또는 이산화염소는 저장 및 이송에 많은 어려움, 안전상 및 경제상의 이유로 전해질(염수 또는 아염소산)을 현장에서 전기분해하여 살균제(차아염소산 또는 이산화염소)를 제조하는 발생기가 널리 보급되고 있다.
전기화학적으로 현장에서 살균제를 제조하는 방법은 널리 알여져 있지만, 아직 해결해야 할 문제가 많이 존재한다.
이하에서는 소금물을 전기분해하여 차아염소산을 제조하는 방법으로 설명하고자 하나, 본 발명이 소금물을 전기분해하는 경우에 국한하지 않는다.
도 1은 전기분해셀(100) 내에서의 천연 해수 또는 인공 염수를 전기분해하는 원리를 보여주고 있다.
전기분해 단위셀(100)은 양극(110)과 음극(120)으로 구성되며, 양극(110)과 음극(120) 사이에 소금물을 통과시키면서 직류 전류(I)를 인가하면, 다음과 같은 전극 반응이 일어난다.
양극(110)에서는 하기 반응식 1, 2와 같은 반응이 발생한다.
[반응식 1]
2H2O → O2↑＋ 2H＋＋ 2e-
[반응식 2]
2Cl- → Cl2＋2e-
음극(120)에서는 하기 반응식 3과 같은 반응이 발생하다.
[반응식 3]
2H2O ＋2e-→ H2↑＋ 2OH-
용액 내에서는 하기 반응식 4와 같은 반응이 발생한다.
[반응식 4]
Cl2＋ H2O ⇔ HClO＋H+ + Cl-
양극(110) 표면에서는 물 또는 염소이온이 전자를 잃으면서 산소 가스(O2)와 염소 가스(Cl2）가 발생하며, 이때 산소 가스(O2)와 염소가스(Cl2）의 생성 비율은 양극(110)에 적용되는 전극 촉매에 의해 결정된다. 음극(120) 표면에서는 물 분자가 전자를 받아 수소 가스（H2）가 생성된다. 양극(110)에서 생성된 염소 가스는 용액 내에서 계속 물과 반응하여 차아염소산(HClO)이 생성된다.
한편, 음극(120) 표면에서는 반응식 3에 의해 생성된 OH-에 의해 pH 가 상승 하고, 소금물에 있는 Ca2 + 또는 Mg2 +과 반응하여(반응식 5와 반응식 6), 수산화 마그네슘 과 수산화 칼슘등이 생성된다. 이 생성물들은 고형물로 전극 표면에 침전되어 석회질 막을 형성하여 전류의 흐름을 방해한다.
[반응식 5]
OH- + Mg2 + → Mg(OH)2
[반응식 6]
2OH- + Ca2 +→ Ca(OH)2
이같이 인공 염수 또는 해수를 사용하는 전기분해 셀(100)은 소금물 중에 존재하는 불순물 칼슘과 마그네슘이 음극(120) 표면에 스케일 형태로 축적되어, 이를 주기적으로 제거해야 하는 문제를 가지고 있다. 이로 인해 부수적인 설비 및 보수 유지 비용이 증가하게 된다.
일반적으로 필요로 하는 살균제를 대량으로 얻기 위해서는 도 1의 전기화학 단위셀을 다수로 적층하여 사용하며, 적층 방법은 외부전원과의 연결 방법에 따라 단극식을 구성하거나, 복극식으로 구성한다. 전기화학 단위셀을 다수개 적층한 것을 전해조라 한다.
도 2는 단극식과 복극식의 전해조이다. (가)로 표시된 단극식 전해조(210)는 외부 전원(212)의 + 터미널(214)과 전해조(210) 내 양극(+ 표시, 218) 각각에, 외부 전원(212)의 - 터미널(216)과 전해조(210) 내 음극(- 표시, 220) 각각에 연결되는 방식으로 전해조(210) 내 모든 전극과 외부 전원 터미널이 많은 연결 부위를 가지고 있어, 부식성 강한 전해질과 폭발성 가스인 수소의 누설 위험성을 내포하고 있으며, 제작 비용이 매우 높은 단점을 갖는다.
(나)의 복극식 전해조(230)은 양극 터미날 전극(238)과 음극 터미널 전극(240), 그리고 가운데 복극식 전극(242)로 구성되어 있다. 외부 전원(232)의 + 터미널(234)은 전해조(230) 내 터미널 양극(+ 표시, 238)에, 외부 전원(232)의 - 터미널(236)은 전해조(230) 내 터미널 음극(- 표시, 240) 각각에 연결되는 방식으로 연결 부위가 단극식에 비하여 매우 적다. 여기서 복극식 전극(242)이란 양극과 음극의 두 개의 극성이 한 전극에 존재하는 의미로 사용된다.
그러나, 복극식 전해조(230)은 구조가 매우 간단하나, 전류 누설에 의한 전류효율 저하의 문제를 가지고 있다. 바람직한 전류의 흐름은 n 전극과 n+1 전극 사이, n+1 전극과 n+2 전극사이에, 즉 서로 인접한 전극 사이에서만 전류가 흘러야 하나, n 전극과 n+2 전극 사이, 또는 n 전극과 음극 터미널 전극(240)에도 전류가 흐른다. 이를 누설전류라 하며, 이 누설 전류는 반응에 참가하지 못하는 전류로, 이는 전류 손실을 의미하고, 전류효율의 저하를 의미한다.
복극식 전극(242)의 다른 문제는 음극에서 발생하는 수소 가스에 의한 전극의 모재로의 수소 침투가 일어날 수 있다. 예를 들면 모재가 티타늄(Ti)인 경우 티타늄 원자 한 개당 수소 원자 두 개와 결합하여, 이론상으로 약 4.2 wt % 수소 취입이 일어나게 된다. 이로 인한 부피 팽창과 내구성 저하를 야기한다.
복극을 가지는 대표적인 특허로는 대한민국 특허 출원번호 10-2006-0100055 (발명의 명칭: 복극식 전기분해시스템을 이용한 선박 밸러스트수 살균장치, 출원인:창원환경 산업 주식회사)와 미합중국특허 6,379,525 (발명의 명칭: Enhanced electrolyzer, 출원인: Exceltec International Corporation)과 미합중국특허 4,783,246 (발명의 명칭: Bipolar rapid pass electrolytic hypochlorite generator, 출원인: ELTECH Systems Corporation)등이 있으나 상기 언급한 문제를 해결하지 못하고 있다.
도 3은 기존의 미합중국특허 6,379,525와 미합중국특허 4,783,246의 전극구조로 전해조내의 유체의 흐름 방향이 양극과 음극이 교차로 배열된 복극 전극을 통과하는 구조를 갖는 것이 특징으로 다른 복극식 전극의 예를 보여주고 있으나, 복극식 전극 가지는 문제인 누설 전류와 수소 취화 현상의 억제 문제를 해결하지 못했다.
상기 언급한 문제점을 정리하면 다음과 같다. 첫째, 복극식 전극에서 전류 누설로 인한 전류 효율 감소가 발생하여, 전기분해셀의 장치비 및 운전비의 상승의 문제가 있다. 둘째, 복극식 전극에서 -극 측(환원측, 수소발생측)의 수소 취화 현상으로 인한 전극의 구조 변화 및 이로 인한 내구성 저하의 문제가 있다. 세째, 전해조내 음극에 축적되는 스케일로 인한 제거 주기가 빈번해져, 전극의 수명 감소, 운전비용의 상승 등의 문제가 있다.
본 발명은 소금물을 전기분해하여 차아염소산의 살균제를 발생하는 전기분해셀에 관한 것으로, 전기분해 효율을 높여 전극의 활성면적을 최소화(또는 전기분해셀의 크기 최소화)하는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 복극식의 전기분해 셀에서 발생하는 누설전류를 제거하는 수단을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 복극식 전극에서 발생하는 수소취화 현상을 제거하는 수단을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 복극식 전기분해 셀에서 발생하는 하드니스의 생성을 억제하고 효과적으로 제거하는 수단을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 소금물을 전기분해하여 차아염소산의 살균제를 발생하는 전해조는 양극 터미날 전극과 음극 터미널 전극, 그리고 가운데 복극식 전극으로 구성된 것이 특징이다.
전해조는 누설전류의 이동을 막기 위해 프레임 내 전극의 2면 이상을 고정하는 홈 구조를 제공하는 것이 특징이다.
양극 터미날 전극과 음극 터미널 전극, 그리고 가운데 복극식 전극은 전도성 활성 촉매부과 비전도부로 구성되며, 전도성 활성 촉매부는 전기화학 촉매 반응(산화 반응 또는 환원 반응)가 적용되며, 비전도성 부는 전기적 반응이 일어나지 않는 곳으로 비전도성 세라믹 또는 고분자로 코팅된 것이 특징이다.
음극은 수소에 의한 수소 취화 현상을 방지하기 위하여 촉매가 코팅된 전극을 갖는 것이 특징이다.
살균수 발생 시스템은 운전 및 정지 동안 전해조에서 생성된 살균수 등으로 재순환 배관을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명으로 인해 소금물을 전기분해하여 차아염소산의 살균제를 발생하는 전기분해셀에 있어서 효과적으로 전기분해 효율을 높이고, 누설전류를 제거하고, 또한 복극식 전극에서 발생하는 수소 취화 현상을 제거하고, 하드니스의 생성을 억제하여, 설치비 및 운전비의 절감을 물론이고, 운전 및 보수유지가 간편하게 되어, 관련 산업 분야에 크게 이바지할 것이다.
도 1은 전기분해셀(100) 내에서의 천연 해수 또는 인공 염수를 전기분해 원리도이다.
도 2는 단극식과 복극식의 전해조이다.
도 3은 기존 선행 기술(미합중국특허 6,379,525와 미합중국특허 4,783,246)의 전극구조도이다.
도 4는 본 발명(400)의 전해조로, 외부에서 볼 때 외형도이다.
도 5는 본 발명의 전해 장치의 디멘젼(Dimension)을 설명하기 위한 구조도이다.
도 6는 도 4의 전해조 일부를 절개한 절개도이다.
도 7은 본 발명의 전해조(400)에 설치되는 전극부(460)에서의 전극의 배열도이다.
도 8은 본 발명의 전해조의 운영을 위한 시스템(800)의 한 예시도이다.
도 9은 본 발명의 전해조의 운영을 위한 시스템(900)의 또 다른 한 예시도이다.
도 10은 동일한 전류조건에서 실시예 1과 비교예 1의 성능-전압-을 비교한 것이다.
도 11은 동일한 전류조건에서 실시예 1과 비교예 1의 성능-염소 발생 농도-을 비교한 것이다.
도 12는 동일한 전류조건에서 실시예 1과 비교예 1의 성능-전류효율-을 비교한 것이다.
도 13은 실시예 1과 비교예 1의 전해조 내 Ca/Mg의 축적율을 비교한 것이다.
도 14은 비교예 1에 의해 운전된 전해조 내 음극으로 음극의 수소취화에 의한 전극의 디멘젼(Dimension) 변형 사진이다.
아래에서, 본 발명에 따른 복극식 전극, 전해조, 살균제 발생 시스템 및 그 제조 및 구성 방법과 이를 구비한 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 4에서 도 8까지 표시된 숫자는 동일한 부품의 기호를 의미한다. 도 4는 본 발명(400)의 전해조로, 외부에서 볼 때 외형도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 전해조는 전해질 도입부(410), 전해조(420), 살균제 배출부(430)로 구성되며, 도입부(410)와 전해조(420), 전해조(420)과 배출부(430)사이에 이음부(440)가 있다. 전해조(420)의 외부에는 외부전원과의 연결을 위한 터미널(450)이 있다.
도 5는 본 발명의 전해 장치의 디멘젼(Dimension)을 설명하기 위한 구조도이다. 전해질 도입부(410)은 외부 연결 배관과의 접속과, 전해질 유입을 유도하는 도입관(412)과, 도입관(412)에서 전해조(420)로 와류 없이 유체가 완만하게 흐르게 하는 경사를 가지는 유도관(414)으로 구성된다. 살균제 배출부(430)는 전해조(420)에서 발생한 살균제를 배출하기 위한 것으로, 와류 없이 유체가 완만하게 흐르게 하는 배출 유도관(432)과 외부 연결 배관과 접속과, 동시에 살균제를 배출하는 배출관(434)로 구성된다.
도 에서와 같이 전해질 도입관(412)의 유효 직경은 D1이며, 길이는 l1 이다. 유도관(414)의 길이는 l2 이며, 전해조(420)의 유효 직경은 D2이고, 길이는 l3 이다. 살균제 배출을 위한 배출 유도관(432)의 길이는 l4 이며, 배출관(434)의 유효 직경은 D3이고, 길이는 l5 이다. 여기서 언급하는 유효 직경이란 배관의 형태(예를들면, 직사각형등)에 상관없이 이를 원으로 가정하여 표현한 것을 의미한다. 에를 들면 직사각형 배관의 유효직경은 (가로+세로)/2로 표현된다.
전해질 도입관(412)과 전해조(420)의 직경 비 D1/D2 와 살균제 배출 유도관(432)과 전해조(420)의 직경 비 D3/D2는 1~100 사이를 갖는다. D2/D1 와 D2/D3가 1 이하에서는 물리적인 의미를 갖지 못하며, 100 이상에는 전해질 도입부(410)와 살균제 배출부(430) 사이의 유속이 급격히 변화하여 전해질중에 존재하는 입자의 축적이 전해조(420) 내에서 일어나 전류의 흐름을 방해할 수 있다.
유도관(414)의 길이는 l2, 배출 유도관(432)의 길이 l4 는 0 ~ 200 mm 사이의 값이면 적절하다. 200 mm 이상에서는 배관의 불필요한 부분으로 인하여 전기분해 셀 (400)의 차지하는 공간이 커지는 단점이 있다.
도 6는 도 4의 전해조 일부를 절개한 그림으로 (나)는 (가)의 부분 확대도이고, (라)는 (다)의 부분 확대도이다. (라)는 전해조 프레임(420) 안쪽 면 구조도로, 유체가 흐르는 흐름 필드(452)와 전극 고정을 위한 (상부 와 하부에 위치) 홈(454)이 있다.
전해조 프레임(420)은 전해조내 전해질의 외부 누설을 방지하고, 전극을 고정하고, 전극에서의 전류 누설을 방지하는 기능을 갖는다.
전해조 프레임 내부 홈(454)은 전극의 거리 유지 및 움직임을 방지하여 전극을 고정하고, 전극의 상부와 하부 2개의 면을 보호하여 전극의 끝 면을 통한 전류 누설을 방지하는 기능을 한다.
전해조 프레임 내부 홈(454)을 이용한 전극의 고정 방법은 기존 선행 기술의 전극과 전극 사이를 스페이서로 유지하는 방법에 비하여, 전해조내 스케일 발달을 보다 잘 억제할 수 있다. 전해조내의 유체 흐름 필드(452)에 방해물이 존재하는 경우 방해물 주변에서 발생하는 에디(와류)에 의해 국부적으로 pH 값이 생성하며, 스케일이 생성하기 시작하여, 전 면으로 확산되므로 유체 흐름 필드(452)에는 유체의 흐름에 방해물이 없는 것이 바람직하다.
상부와 하부 홈(454)의 깊이는 전체 전극 면의 10 % 내로 조절한다. 10 % 이상은 전극면의 활성면적이 줄어들어 경제적 관점에서 바람직 하지않다.
홈과 홈 사이 즉, 전극과 전극간의 간격은 0.5 ~ 5 mm가 적절하며, 0.5 mm보다 작으면 하드니스가 전극에 부착되는 경우 전류의 이동을 방해하며, 5 mm보다 크면 전압이 상승하여 터미널 전극에 열이 발생하게 되어 화재의 위험이 존재하게 된다.
유체 흐름 필드(452), 즉 전극과 전극 사이에 흐르는 유속은 0.01~1m/min이 바람직하다. 유속이 0.01 m/min 이하에서는 반응식 3에 의한 OH- 이온의 농도 구배가 커져 하드니스가 발달하기 쉬우며, 1.0 m/min 이상에서는 유입되는 유속보다 빠른 경우가 존재하는 경우로 비현실적인 파라미터값이 된다.
전해조 프레임(420)과 외부 배관과의 연결을 위한 이음부(440)는 플랜지 타입 또는 접착제에 의한 접착도 가능하며, 모양, 크기, 방법에 제한을 두지 않는다.
도 7은 본 발명의 전해조(400)에 설치되는 전극부(460)에서의 전극의 배열도이다.
전극부(460)은 다수의 복극 전극(470), 제 1 터미널 전극(462)과 제 2의 터미널 전극(464)로 구성된다.
제 1 터미널 전극(462)과 제 2의 터미널 전극(464)은 복극 전극(466)의 최 외측 양측에 각각 설치되어 외부 전원의 +, - 단자와 연결된다. 외부 전원의 +, - 단자와 연결된 제 1 터미널 전극(462) 또는 제 2 터미널 전극(464)의 표면이 +극 인 경우에는 산화촉매를, -극인 경우는 환원 촉매를 코팅한다.
제 1 터미널 전극과 제 2의 터미널 전극은 복수개의 접촉 단자부(468)가 존재하며, 접촉부는 100 cm2당 10개 이내가 바람직하다. 10개 이상이면 전극면에 공급하는 전류밀도가 균일하게 되어 전기 분해 성능이 증진되나, 접촉 부위가 많아져 경제적 관점에서 비용 상승의 문제가 발생한다.
전극(462, 464, 470)의 형상은 플레이트(plate), 메쉬(mesh), 펀치(punch)형등이 가능하나, 플레이트 전극 구조가 바람직하다. 모재에 구멍이 형성된 메쉬 또는 펀치 구조는 유체 흐름에서 많은 와류를 형성시켜, 하드니스 생성이 쉽게 발생한다.
복극 전극(470)은 통전시 양극과 음극을 동시에 두 개의 극성을 가지며 단일 모재(Substrate, 예를 들면 금속자체, 티타늄, 탄탈늄 등)에 한면은 산화 반응 촉매 다른 쪽 면은 환원촉매로 구성된다. 기존 선행 기술(도 3)에서와 같은 복극 전극은 일반적으로 서로 다른 금속을 물리적 또는 화학적 결합을 통하여 구성 가능하나, 이종 금속을 결합한 복극 전극을 구성하는 경우 접합면에서 전극의 치수(Dimension)가 균일하지 않게 되어 불균일한 전류분포를 유도하고, 불균일한 분포는 다시 국부적인 반응 불균일을 일으켜 전체효율을 감소시키므로 가공성 및 경제성 관점에서 단일 금속을 모재로 하는 것이 바람직하다.
복극 전극(470) 및 제 1 터미널 전극(462)의 산화 촉매로는 염소 반응에 적합한 루테륨, 이리듐, 백금, 로듐, 팔라듐 등의 백금족 귀금속을 1개 또는 1개 이상 적절히 혼합하여 고온 산화처리에 의해 코팅 처리하여 제조 한다.
복극 전극(470) 및 제 2 터미널 전극(464)은 수소의 금속내로의 취화를 막고, 수소를 효과적으로 발생을 위해 자체 모재를 이용할 수도 있지만 바람직하게는 코팅시 입자 배열이 치밀하여 수소의 침투가 어려운 백금, 철, 니켈등을 1 개 또는 1개 이상 혼합한 도금 또는 고온 산화처리에 의해 코팅하는 것이 바람직 하다.
전극(462, 464, 470)은 전도성 활성 촉매부(472)과 비전도부(474)로 구성된다. 전도성 활성 촉매부는 전기화학 촉매 반응(산화 반응 또는 환원 반응)이 일어나는 곳이며, 비전도부는 전기적 반응이 일어나지 않는 곳으로 전류 누설을 억제한다.
비전도부(474)는 비전도성 고분자 또는 세라믹 막으로 코팅하여 끝 부분에서의 전류 누설을 방지 할 수 있다. 바람직하게는 액체상 용액을 경화하여 얻을 수 있는 제품이면 바람직하다.
비전도부(474)의 넓이는 전극(462, 464, 470) 면적의 10% 이내로 유지하는 것이 바람직하다. 10% 이상은 활성면적이 작게되어 경제적 관점에서 비용 상승이 일어나게 된다.
비전도부(474)의 두께는 비전도성의 효가가 일어나는 0.001 mm 이상이면 바람직하다. 두께의 최대 값은 도 6의 홈 가공허용 오차 범위내에서 결정된다.
도 8은 본 발명의 전해조의 운영을 위한 시스템(800)의 한 예로, 시스템(800)은 전해조(810), 살균제 저장조(820), 순환펌프(830)으로 구성된다.
4% 소금물 농도의 인공염수 또는 천연 해수 l801과 전해조(820)에서 발생한 살균제를 분기한 l805를 혼합배관 m801에서 혼합한 l802를 전해조(810)에 공급한다. 전해조(820)에서 발생한 살균제 l803은 분배배관 s801에서 l805와 l804로 분기하여, l805는 순환펌프(830)을 통해 혼합배관 m801로, l804는 살균제 저장조(820)로 공급한다.
순환되는 l805의 양은 도 6에서 상술한 전해조(810) 내의 유체 선속도가 0.01~1m/min이면 바람직하다.
도 9은 본 발명의 전해조의 운영을 위한 시스템(900)의 또 다른 한 예로, 시스템(900)은 전해조(910), 살균제 저장조(920), 순환펌프(930)으로 구성된다.
4% 소금물 농도의 인공염수 또는 천연 해수 l901과 살균제 저장조(920) 내의 살균제를 공급한 l904를 혼합배관 m901에서 혼합한 l902를 전해조(910)에 공급한다. 전해조(920)에서 발생한 살균제 l903은 살균제 저장조(820)로 공급한다.
순환되는 l904의 양은 도 6에서 상술한 바와 같이 전해조(910) 내의 유체 선속도가 0.01~1m/min이면 바람직하다.
또한 순환되는 l904는 전해조(910)의 운전 유무에 관계없이 운전된다. 전해조(910) 운전시에는 전해조(910) 내의 유체 선속도를 유지하여 스케일의 축적을 방지하며, 전해조(910) 정지시에는 전해조(910) 내의 전극에 축적된 스케일을 제거할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 여러 구현예를 실시예에 기초하여 설명하도록 하며, 다만 이하의 실시예에 의해서 본 발명의 범위를 제한하거나 축소하여 해석할 수 없다.
실시예 1: 본 발명의 전기분해셀을 이용한 염소산이온 제조
1. 전해조 구조
Figure pat00001
2. 전해조 운전조건
파라메터 값
전류밀도 0.1 A/cm2
전해질 소금 3% 수용액(인천 연안수)
전해조내 전해질의 선속도 0.7 m/min
3. 성능분석
파라메터 분석방법 분석간격(시간) 결과
전압 멀티미터로 측정 1시간 도 10에 실시예1로 표시
염소농도 요오드적정법 1시간 도 11에 실시예1로 표시
전류효율 식 1에 의해 계산 1시간 도 12에 실시예1로 표시
Ca/Mg 농도 Chlorophonazo colorimetric methods, Hach DR 2800 측정장비 1일 도 13에 실시예1로 표시
(1) 전류효율의 측정
전류효율은 가해준 전류(I)에 대하여 발생된 차아염소산의 실제값을 이론양으로 나눈 것으로 다음식에 의해 값을 얻을 수 있다. 여기서 F는 파라데이상수로 96500（C）, ρ는 실제잔류염소농도(ppm,mg/L), V는 전기분해 셀에 공급한 물의 수량(L), I는 통전전류(A), t는 전기분해 시간(s)이다.
[수학식 1]
전류효율（％）＝（F×ρ×V）／（35500（mg）×I×t）｝×100
(2) Ca/Mg의 축적
전해질 도입부(410)와 살균제 배출부(430)의 샘플링 부분에서 샘플을 일정량 취수하여 Ca, Mg의 양을 측정하여 Ca, Mg의 축적을 계산한다.
비교예
[비교예1]
1. 전해조 구조
Figure pat00002
2. 전해조 운전조건
파라메터 값
전류밀도 0.1 A/cm2
전해질 소금 3% 수용액(인천 연안수)
전해조내 전해질의 선속도 0.1 m/min
3. 성능분석
파라메터 분석방법 분석간격(시간) 결과
전압 멀티미터로 측정 1시간 도 10에 비교예1로 표시
염소농도 요오드적정법 1시간 도 11에 비교예1로 표시
전류효율 식 1에 의해 계산 1시간 도 12에 비교예1로 표시
Ca/Mg 농도 Chlorophonazo colorimetric methods, Hach DR 2800 측정장비 1일 도 13에 실시예1로 표시
아래와 같은 발명의 효과를 확인할 수 있었다.
1. 수소 취화 현상의 개선
실시예 1과 비교예 1에서 약 1개월간 실험을 수행한 결과 비교예 1 의 전극이 수소 취화 현상에 의해 도 14의 사진에서와 같이 변형이 일어났으나, 본 발명의 실시예 1 에서는 변화가 없었다.
2. 전류 누설의 개선
실시예 1과 비교예 1의 전해조 운전 결과로 전압, 염소농도, 전류효율등을 도 10, 도 11, 도 12에 나타내었다. 도 10은 동일한 전류조건에서 실시예 1과 비교예 1의 전압을 비교한 것으로, 전압에 큰 차이는 없으나, 도 11과 도 12에서와 같이 염소농도와 전류 효율의 경우에는 2배 차이가 났으며, 이로부터 실시예 1과 비교예 1의 차이인 누설 방지의 구조로 인한 전류 효율의 개선 효과가 크게 나타났음을 알 수 있다.
3. 스케일 발생의 개선
도 13에서 실시예 1과 비교예 1의 전해조 운전 결과에 의한 Ca/Mg의 축적율을 비교하였다. 도에서와 같이 본 발명 실시예1에 의한 전해조 구조(전해조내 전극사이의 거리등을 유지하는 스페이서가 없이 전해조 프레임의 홈구조에서 전극을 고정한 구조)는 Ca/Mg이 전해조에서 축적되지 않고, 쉽게 배출됨을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. (A) 전해질 도입부, (B) 살균제 배출부, (C) 상기 전해질 도입부 및 상기 살균제 배출부 사이에 위치한 전해조, (D) 상기 전해질 도입부 및 상기 전해조를 연결하는 제1 이음부, (E) 상기 살균제 배출부 및 상기 전해조를 연결하는 제2 이음부, (F) 상기 전해조에 연결된 외부 전원 연결용 터미널을 포함하는 염수 또는 해수 전기분해 시스템으로서;
    상기 전해조는 (C-1) 양극 터미널 전극, (C-2) 음극 터미널 전극, (C-3) 상기 양극 터미널 전극 및 상기 음극 터미널 전극 사이에 위치한 복수 개의 복극식 전극으로 구성되어 있고;
    상기 양극 터미널 전극, 상기 음극 터미널 전극, 및 상기 복극식 전극 각각은 (i) 산화촉매 또는 환원촉매가 적용된 전도성 활성 촉매부로 이루어진 중심부 및 (ii) 상기 중심부를 둘러싸는 비전도부로 구성된 외부로 구성되어 있으며;
    상기 복수 개의 복극식 전극 각각의 전도성 활성 촉매부는 이종 금속을 결합한 형태가 아닌 단일 모재, 상기 단일 모재의 일면에 코팅된 산화촉매, 상기 단일 모재의 타면에 코팅된 환원촉매로 구성되어 있고;
    상기 제1 이음부 및 상기 제2 이음부는 상기 양극 터미널 전극, 상기 음극 터미널 전극, 상기 복수 개의 복극식 전극이 인입됨으로써 서로 이격되어 고정될 수 있는 복수 개의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비전도부는 고분자 또는 비전도성 세라믹 막으로 구성된 것을 특징으로 하는 전기분해 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비전도부의 면적이 전체 전극의 면적대비 10%인 것을 특징으로 하는 전기분해 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화촉매로는 루테륨, 이리듐, 백금, 로듐, 팔라듐 중에서 선택된 1개 이상인 것을 특징으로 하는 전기분해 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 환원촉매로는 백금, 철, 니켈 중에서 선택된 적어도 1개 이상인 것을 특징으로 하는 전기분해 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117419980A (zh) * 2023-09-25 2024-01-19 中国石油大学(华东) 一种管道电化学充氢装置

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