KR20130103875A

KR20130103875A - 미산성 차아염소산수의 제조방법 및 이의 장치

Info

Publication number: KR20130103875A
Application number: KR1020120024850A
Authority: KR
Inventors: 김태형; 김유이
Original assignee: (주)미라클린
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2013-09-25

Abstract

본 발명에서 개시하는 미산성 차아염소산수의 제조방법은 원수를 전기분해하여 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수를 제조하고, 희석염산을 전기분해하여 염소가스를 생성하는 단계와, 상기 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수와 상기 염소가스를 서로 교반하여 차아염소산수를 생산하는 단계를 포함한다.

Description

미산성 차아염소산수의 제조방법 및 이의 장치 {MANUFACTURING METHOD OF WEAK-ACIDIC HYPOCHLOROUS ACID WATER AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 미산성 차아염소산수의 제조방법에 관한 것으로, 특히 고농도의 미산성 차아염소산수를 대량으로 생산해낼 수 있는 제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법을 실행가능한 장치에 관한 것이다.

식품기구의 살균이나 식품첨가물 등의 다양한 용도로 널리 사용되는 차아염소산수(hydrochlorous acid water)는 인체에 무해하면서도 뛰어난 살균력을 갖는다.

이러한 차아염소산수를 제조하는 일반적인 방법으로는 식품의약안전청의 공전에 따라 염산을 무격막 전해조에서 전기분해하는 것이다. 이와 관련된 국내 선행기술로는 예를 들어 국내특허 제0592331호(2006. 6. 15 등록), 국내특허 제0634889호(2006. 10. 10 등록) 등이 개시되어 있다. 통상적으로, 이러한 전기분해법은 2~6% 염산의 희석염산을 무격막 전해조에 투입하여 전해한 후에 다량의 물로 희석하여 미산성 차아염소산 용액을 얻는다. 이의 반응 화학식은 다음과 같다:

양극(+)에서의 반응:

2HCl → 2H⁺ ＋ 2Cl^- (식 1)

2Cl- → Cl₂ ＋ 2e^- (식 2)

2Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl (식 3)

음극(-)에서의 반응:

HCl → H⁺ + Cl^- (식 4)

2H⁺ + 2e^- → H₂ (식 5)

전체 반응:

2HCl + H₂O → HOCl + HCl + H₂ (식 6)

한편, 높은 효율을 가지며 식품의약안전청 규격에 의해 정의된 미산성 차아염소산수의 적정 pH 범위는 5.0~6.5이며, 또한 실제 사용할 경우 요구되는 미산성 차아염소산수의 유효염소농도는 식품기구의 살균용으로서는 30~200ppm 정도, 식품 첨가물용으로서는 10~30ppm 정도이다.

그런데, 전술한 상기 식 1~6에 의한 일반적인 전기분해법은 외부에서 지속적으로 투입되는 염산을 연속하여 전기분해하게 되는데, 전기분해반응이 가능한 시간이 매우 짧아 전기분해 용량이 한정되어 있으므로, 전해조에 투입된 염산의 일부 상당량이 그냥 미전해 상태로 배출되는 경우가 많다. 그리고, 이렇게 배출된 염산 고유의 높은 산성도를 갖는 상기 미전해 염산은 전해조에서의 반응으로 생성되는 차아염소산수에 합류되어버림으로써, 결국 생산되는 전체 차아염소산수의 pH는 급격히 저하하여 5.0 이상으로 유지하기가 어렵게 될 뿐만 아니라 유효염소농도 또한 매우 낮아진다. 더욱이, 식품기구의 살균용으로 적합한 영역의 유효염소농도로 높이기 위해 전해조에 투입되는 염산량을 증가시키면, 전술한 바와 같은 미전해 염산이 크게 증가하여 pH가 더욱 급격히 저하한다. 뿐만 아니라, 생산된 차아염소산수에는 다량의 염산이 함유되어 있어 이로부터 염소가스가 발생하여 냄새가 심하게 나고 인체에 무척 해롭다.

따라서, 요구되는 pH를 유지하면서도 높은 유효염소농도를 갖는 미산성 차아염소산수의 제조방법이 요구된다.

이에, 본 발명은 고농도의 미산성 차아염소산수를 대량으로 생산해낼 수 있는 제조방법과 상기 제조방법을 실행가능한 장치를 제공하기 위한 것이다.

이에 따라, 본 발명의 일 관점에 의한 미산성 차아염소산수의 제조방법은 원수를 전기분해하여 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수를 제조하고, 희석염산을 전기분해하여 염소가스를 생성하는 단계와, 상기 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수와 상기 염소가스를 서로 교반하여 차아염소산수를 생산하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 미산성 차아염소산수의 제조장치는 희석염산이 저장되는 원료탱크(15)와, 상기 원료탱크(15)로부터 공급되는 상기 희석염산을 전기분해하여 염소가스를 생성하는 염산 전해조(17)와, 원수를 공급하는 원수공급장치(11)와, 상기 원수를 전기분해하여 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수를 제조하는 원수 전해조(12)와, 상기 염산 전해조(17) 및 원수 전해조(12)로부터 각각 공급되는 상기 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수와 상기 염소가스를 서로 교반하여 차아염소산수를 생산하는 교반기(19)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 생산되는 차아염소산수의 농도를 제어하기 위해 상기 염산 전해조(17) 및 원수 전해조(12)로 각각 공급되는 상기 희석염산 및 원수 중의 하나 이상의 공급량을 가변적으로 조절하는 정량펌프(14, 16)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 먼저 원수를 전기분해하여 미용해 상태의 수산기(OH^-)를 크게 증가시킨 후 이러한 원수를 염산의 전기분해로 생성된 염소가스에 투입함으로써, 상기 원수에 대한 염소가스의 용해도를 크게 증가시켜 미산성을 유지하면서도 고농도의 차아염소산수를 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 의한 미산성 차아염소산수의 제조장치의 개략 구조도.

본 발명자들은 상기 식 3에 표기된 바와 같은 염소가스가 물에 가수분해되어 용해되는 과정을 연구한 결과, 물이 용해되지 않은 알칼리 수산기, 즉 OH^-기를 많이 함유할수록 물에 대한 염소가스의 용해도는 증가한다는 사실을 발견하였다. 이러한 염소 용해도의 증가는 곧 생산되는 차아염소산(hydrochlorous acid: HClO) 양의 증가로 직결된다.

더 상세히 설명하면, 25℃ 대기압 하에서, 1ℓ의 물은 3.26ｇ 또는 1.02L의 염소가스를 용해하며(Wiberg 2001, p. 409 참조), 이의 용해과정은 상기 식 3과 같다. 식 3을 참조하면, 식 3에서 우측으로의 변환은 염소성분이 형식산화상태에서 증가 및 감소 모두를 하는 이른바 불균등화반응(disproportionation)이다.

상기 식 3에 간단히 나타낸 물에 대한 염소가스의 용해 메커니즘은 하기 식 7과 같이 더욱 상세하게 나타내어진다:

Cl₂ ＋ 2OH^- → ClO^- ＋ Cl^- ＋ H₂O (식 7)

즉, 염소분자(Cl₂)는 2개의 염소원자(Cl)가 공유결합함으로써 2개의 전자가 결핍된 상태로 존재하며, 이에 따라 이러한 염소분자가 물에 접촉하면, 상기 7에 나타내는 바와 같이 물에 극히 적은 개수로 존재하는, 즉 물에 미용해된 상태의 수산기(OH^-)로부터 지속적으로 전자를 공급받게 되고 전자를 잃은 상기 수산기(OH^-)는 차아염소산(HClO)으로 변환된다. 따라서, 물이 미용해 상태의 알칼리 수산기(OH^-)를 많이 함유하고 있으면 있을수록 그만큼 물에 대한 염소가스의 용해도는 상기 식 7에 의하여 더욱 증가될 수 있는 것이다.

그러나, 물에 존재하는 미용해 상태의 수산기(OH^-)는 극히 적으므로, 이의 개수를 공업적으로 늘릴 필요가 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 물의 전기분해과정을 나타낸 하기 식 8~10에 따라 물을 염소가스에 투입하기 이전에 먼저 전기분해함으로써 물이 함유하는 수산기(OH^-)를 크게 증가시킨다. 그리고, 이렇게 증가된 수산기(OH^-)를 갖는 물과 염소가스의 반응은 생산되는 차아염소산(HClO) 량의 증가를 낳는다.

음극(-)에서의 반응:

4H₂O ＋ 4e^- → 2H₂ ＋ 4OH^- (식 8)

양극(+)에서의 반응:

2H₂O → O₂ ＋ 4H⁺ ＋ 4e^- (식 9)

전체반응 :

6H₂O → 2H₂ ＋ O₂ ＋ 4OH^- ＋ 4H⁺ (식 10)

이와 같이, 본 발명에서는 먼저 원수를 전기분해하여 미용해 상태의 수산기(OH^-)를 크게 증가시킨 후, 이러한 원수를 염산의 전기분해로 생성된 염소가스에 투입함으로써, 상기 원수에 대한 염소가스의 용해도를 크게 증가시켜 고농도의 차아염소산수를 얻는 것이다.

이러한 본 발명의 바람직한 구현예를 도 1을 참조하며 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 구현예를 도시하는 개략 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 장치(10)는 희석염산이 저장되어 공급되는 원료탱크(15)와, 이러한 원료탱크(15)의 하류측에 연결되어 이로부터 연속적으로 유동되게 공급되는 상기 희석염산을 전기분해하는 염산 전해조(17)와, 원수를 공급하는 원수공급장치(11)와, 상기 원수를 전기분해하는 원수 전해조(12)를 포함한다. 이때, 상기 희석염산은 식품의약안전청의 관련규정에 따른 2~6%의 희석염산임이 바람직하며, 이외에도 공지된 모든 희석염산으로 될 수 있다.

상기 염산 전해조(17)에서는 공지된 무격막 전해조의 형태로서 원료탱크(15)로부터 희석염산을 공급받아 식 1~6에서 전술하였듯이 상기 희석염산을 전기분해하고 이에 의해 염소가스가 생성된다. 이때, 이러한 염소가스 외에도 수소가스, 염산, 정제수 등이 생성될 수 있다. 또한, 상기 희석염산은 정량펌프(16)에 의해 그 공급량이 조절됨으로써 추후 생산되는 차아염소산수의 농도를 조절할 수 있다.

또한, 상기 원수 전해조(12)는 마찬가지로 공지된 무격막 전해조의 형태로서 원수공급장치(11)로부터 원수를 공급받아 식 8~10에서 전술하였듯이 상기 원수를 전기분해하고 이에 의해 미용해 상태의 수산기(OH^-)의 농도가 크게 증가된 원수가 만들어진다. 이때, 본 발명에서의 원수는 수도수 또는 지하수로 될 수 있고 이외에도 공지된 모든 물이 될 수 있다. 또한, 일 예로서 원수가 상기 수도수일 경우, 수도수 중에 미량 포함된 Cl^- 이온이 상기 전기분해중에 양극에서 산화되어 ClO^-를 함유하는 살균수로 되고, 이로써 상기 원수의 살균효과를 가질 수 있어 오염을 방지할 수 있다. 또한, 상기 원수에는 전기분해가 용이하게 일어날 수 있도록 NaCl, KOH, H₂SO₄, NaNO₃, KNO₃ 또는 미네랄 등의 공지된 물질이 첨가될 수도 있다.

그리고, 상기 염산 전해조(17) 및 원수 전해조(12)에서 각각 생성된 염소가스와 고농도의 미용해 수산기(OH^-) 함유 원수는 모두 교반기(19)로 공급되어 서로 교반된다. 이러한 교반과정에서 식 7에서 전술하였듯이 상기 염소가스가 수산기(OH^-)의 농도가 크게 증가된 상기 원수와 접촉함으로써 상기 원수에 대한 염소가스의 용해도가 크게 증가하므로, 이에 따라 대량의 차아염소산이 생성되고 결국 고농도의 차아염소산수가 생산된다. 또한, 이렇게 생산된 상기 고농도의 차아염소산수는 종래와 같이 미전해된 염소의 혼입의 염려가 전혀 없으므로 pH 5.0~6.5 미산성 영역의 값을 유지하게 된다. 또한, 다른 일 실시예로서, 일상용도와 같이 저농도(예를 들어, 10~30ppm)의 차아염소산수를 필요로 하는 경우에는 정량펌프(16)를 제어하여 상기 원수의 공급량을 증가시킴으로써 달성될 수 있다.

이상 전술하였듯이, 본 발명은 먼저 원수를 전기분해하여 미용해 상태의 수산기(OH^-)를 크게 증가시킨 후 이러한 원수를 염산의 전기분해로 생성된 염소가스에 투입함으로써 상기 원수에 대한 염소가스의 용해도를 크게 증가시켜 미산성을 유지하면서도 고농도의 차아염소산수를 생산할 수 있다.

이상, 본 발명의 구현예들 및 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

10: 미산성 차아염소산수의 제조장치 11: 원수공급장치
12: 원수 전해조 14: 정령펌프
15: 원료탱크 17: 염산 전해조
19: 교반기

Claims

원수를 전기분해하여 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수를 제조하고, 희석염산을 전기분해하여 염소가스를 생성하는 단계와;
상기 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수와 상기 염소가스를 서로 교반하여 차아염소산수를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미산성 차아염소산수의 제조방법.
희석염산이 저장되는 원료탱크(15)와;
상기 원료탱크(15)로부터 공급되는 상기 희석염산을 전기분해하여 염소가스를 생성하는 염산 전해조(17)와;
원수를 공급하는 원수공급장치(11)와;
상기 원수를 전기분해하여 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수를 제조하는 원수 전해조(12)와;
상기 염산 전해조(17) 및 원수 전해조(12)로부터 각각 공급되는 상기 증가시킨 농도의 미용해 수산기(OH^-)를 함유하는 원수와 상기 염소가스를 서로 교반하여 차아염소산수를 생산하는 교반기(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미산성 차아염소산수의 제조장치.
제2항에 있어서,
상기 생산되는 차아염소산수의 농도를 제어하기 위해 상기 염산 전해조(17) 및 원수 전해조(12)로 각각 공급되는 상기 희석염산 및 원수 중의 하나 이상의 공급량을 가변적으로 조절하는 정량펌프(14, 16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미산성 차아염소산수의 제조장치.