KR20150062360A - 고효율 오존 발생 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 오존 발생 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 전기분해법을 이용해 오존을 발생시키는 데 있어서, 물을 전도도가 낮은 상태로 정화하는 정화단계 및 막-전극 집합체를 통해 오존을 발생시키는 오존 발생단계를 포함하되, 상기 정화단계는 축전식 탈염공정, 역삼투막 공정 및 전기투석 중 어느 하나를 이용하여 전도도가 낮은 물로 정화하며, 상기 오존 발생단계는 막-전극 집합체는 양극 및 음극 사이에 고체 고분자 전해질 격막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템을 제공한다.

Description

고효율 오존 발생 시스템 {High efficiency ozone generator system}

본 발명은 고효율 오존발생 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 전기분해법을 이용해 오존을 발생시킬 수 있는 오존 발생 시스템에 관한 것이다.

오존은 특유한 냄새 때문에 '냄새를 맡다'를 뜻하는 그리스어 ozein을 따서 명명된 것으로, 이러한 오존은 산소의 동소체로서 분자기호 O₃, 분자량 48, 비중 1.7인 담청색 기체로서 불소(F) 다음가는 강한 산화력으로 유기물을 분해하여 살균, 탈색, 탈취 및 BOD, COD를 제거하므로 각종 수처리에 응용된다.

오존은 물속에서 산소보다 용해도가 크고 자기분해 후 생성되는 OH기 (Hydroxyl Radicals)가 유기물과 빠르게 반응하며 반응 후 냄새나 색깔을 남기지 않고 화학적 성질을 남기지 않으므로 2차 공해를 유발하지 않는다.

또한, 상기 오존은 상온에서 약간 청색을 띠는 기체이나, 액체가 될 때는 흑청색, 고체가 될 때는 암자색을 띤다. 특이한 냄새가 나며, 공기 속에 0.0002부피%만 존재해도 냄새를 감지할 수 있다. 기체는 물에 잘 녹지 않으며, 0 ℃에서 1 부피의 물에 0.494 부피밖에 녹지 않으며, 물에 녹은 오존은 서서히 분해한다.

이러한 오존은 크게 기상 제조법과 전해 제조법을 이용하여 제조될 수 있다.

기상 제조법은 에너지 효율이 높지만, 고전압이나 순산소를 필요로 하여, 비교적 대용량의 제조장치에 이용된다. 기상 제조법에서는, 오존수가 최종 제품의 경우, 기액(氣液) 반응조에서 물과 접촉시켜 오존 함유수를 얻는다.

전해 제조법은, 물의 전기 분해에 의해 수중에서 오존을 생성시키는 방법으로 수십 볼트 이하의 저전압 전원과 전해 셀에 의해 물을 원료로 하여 직접 오존수를 제조하는 방법으로, 고순도의 오존수를 비교적 용이하게 얻을 수 있고, 또한 제조장치는 기본적으로 전해 셀과 전원만의 단순 구성이기 때문에, 소량과 중량의 용량 제조에 적합하다.

상기 오존 발생 반응은 양극에서 산소 발생 반응과의 경합반응이며, 발생 전위가 낮은 산소가 우선적으로 생성되기 때문에 그 오존 발생효율은 낮다고 볼 수 있다. 이에 따라 오존 발생 효율을 높일 필요성이 있다.

대한민국공개특허 제2011-0013177호는 물의 전기 분해에 의해, 오존수를 생성하는 것을 가능하게 하는 전해용 전극 재료 및 전해용 전극, 또한 당해 전해용 전극의 제조 방법을 제공하는 데, 백금 및 은으로 이루어지는 합금이며, 은의 농도를 1중량% 이상 50중량% 이하로 하는 전해용 전극 재료를 기체의 표면에 형성된 표면층으로서 사용함으로써, 당해 전해용 전극에 의한 전기 분해에 있어서, 저전류 밀도로 효율적으로 오존이나 OH 라디칼 등의 활성 산소종을 생성하는 데, 상기 특허는 오존의 발생효율을 높였다고는 하나 만족할 만큼으로 고효율의 오존을 발생시키지 못하는 단점이 있다.

따라서, 오존을 발생시킴에 있어서 고효율의 오존 발생시킬 수 있는 기술 개발이 요구되었다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 여러 종류가 함유된 물을 전처리 공정을 통해 고효율의 오존수를 제공할 수 있는 시스템을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 제조능력을 떨어뜨리는 일 없이 간편한 방법에 따라 고효율이고 또한 저비용으로 생산할 수 있는 오존수 발생장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전기분해법을 이용해 오존을 발생시키는 데 있어서, 물을 전도도가 낮은 상태로 정화하는 정화단계 및 막-전극 집합체를 통해 오존을 발생시키는 오존 발생단계를 포함하되, 상기 정화단계는 축전식 탈염공정, 역삼투막 공정 및 전기투석 중 어느 하나를 이용하여 전도도가 낮은 물로 정화하며, 상기 오존 발생단계는 막-전극 집합체는 양극 및 음극 사이에 고체 고분자 전해질 격막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 전도도가 1 uS/cm ~ 60 uS/cm 인 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 정화단계에서 축전식 탈염공정은 두 개의 전극을 이용하는 데, 상기 두개의 전극은 흡착 매체가 형성되며 제1전극은 카본재질 또는 양이온 교환수지가 형성된 막을 포함하여, 제2전극은 카본재질 또는 음이온 교환 수지로 형성된 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 고체 고분자전해질 격막은 양극 또는 음극의 적어도 어느 한쪽의 한쪽면 또는 전체면에 양이온 교환 수지의 분산액을 도포, 소성하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 오존 발생단계에서 상기 양극은 PbO₂ 또는 BDD(boron doped diamond)의 채전극인 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 오존 발생단계에서 상기 음극은 stainless steel, titanium, silver 및 aluminium 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 고효율 오존 발생 시스템은 여러 종류의 물질이 함유된 물을 전처리 공정을 통해 고효율의 오존수를 제공할 수 있는 시스템을 제공한다.

또한 본 발명에 따른 고효율 오존 발생 시스템은 전도도가 낮은 물로 변환시켜 오존 생성속도를 높여 고효율의 오존수를 제고하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 고효율 오존 발생 시스템은 즉시 전해 반응 사이트인 양 전극면에 도달하여, 단시간에 전해 셀외로 배출되어, 오존을 함유하는 물 즉 오존수를 고효율로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 오존발생 과정의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 막-전극 집합체를 통해 오존을 발생시키는 데 있어 전도도에 따른 오존 발생속도를 나타낸 것이다.
도 3는 실시예 1 및 비교예 1에서의 오존 발생속도를 그래프로 나타낸 것이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 발명은 오존 발생 시스템에 관한 것으로, 전기분해법을 이용해 오존을 발생시키는 데 있어서, 물을 전도도가 낮은 상태로 정화하는 정화단계 및 막-전극 집합체를 통해 오존을 발생시키는 오존 발생단계를 포함하되, 상기 정화단계는 축전식 탈염장치를 이용하여 전도도가 낮은 물로 정화하며, 상기 오존 발생단계는 막-전극 집합체는 양극 및 음극 사이에 고체 고분자 전해질 격막이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 오존발생 과정의 개략도를 나타낸 것이다.

본 발명은 정화단계 및 오존발생단계로 하여 물에서부터 전기분해를 통해 오존을 발생시킬 수 있다.

본 발명에 따른 정화단계는 축전식 탈이온화(capacitive deionization, CDI) 공정으로 이루어질 수 있는 데, 도 1에 도시된 바와 같이 두 전극에 반대 전하를 가하여 두 전극 사이를 지나가는 물로부터 이온을 제거하여 전도도가 낮은 물을 얻는 공정으로서 전기투석법에 일종이라고 할 수 있다.

CDI 공정은 축전기 탈염장치로 가열기/고압 펌프 등을 사용하지 않기 때문에 훨씬 단순하고 공정 자체의 오염을 최소화할 수 있다. 이러한 CDI 공정에서 가장 중요한 점은 해수나 폐수 등의 물에서 이온을 가능한 많이 제거하기 위해서는 전기저항성이 낮고 높은 비표면적 및 기공율을 갖는 전극을 제조하는 것이다.

이러한 CDI 공정은 두 개의 전극 사이로 물이 흘러가도록 함으로써 물에 존재하는 이온을 제거하는 것으로 상기 두 개의 전극은 흡착 매체가 형성되는 데, 제1전극은 카본재질의 전극 또는 양이온 교환 수지로 형성된 막을 포함하며, 상기 두 개의 전극 중 제2 전극은 카본 재질 또는 음이온 교환 수지로 형성된 막을 포함할 수 있다.

따라서, 전원이 공급되고 물을 두 개의 전극 사이로 흘려 보냈을 때 탈염이 이루어져 전도도가 낮은 물로 정화될 수 있다.

또한, 상기 정화단계는 역삼투막 공정 또는 전기투석 공정으로도 물의 전도도를 낮출 수 있다.

상기 역삼투막 공정은 농도차가 있는 용액을 반투막으로 분리해 놓으면 일정한 시간이 경과한 뒤 저농도 용액의 물이 고농도 용액쪽으로 이동하여 수위차가 발생한다. 이러한 현상을 삼투현상이라 하고, 이 때 발생하는 수위차를 삼투압이라 한다. 반면에 다시 고농도 용액에 삼투압 이상의 압력을 가하면 저농도 용액쪽으로 물이 이동하게 된다. 이러한 현상을 역삼투현상이라 하며 이 때 사용하는 반투막을 역삼투막이라고 한다.

역삼투현상을 이용하여 물질을 분리하는 과정은 역삼투막의 물리화학적 특성, 분리대상 물질의 물리화학적 특성, 압력차를 추진력으로 하는 세 가지의 조합에 의하여 이루어진다. 상기 역삼투막 공정은 유기화합물보다 무기화합물을, 비전해질보다 전해질을 더 잘 분리시키며, 전해질 중에서도 하전이 높고, 이온반지름이나 분자의 크기가 클수록 분리가 더 잘 된다. 역삼투막이 여과할 수 있는 영역은 입자성 물질은 물론, 입자의 크기가 가장 작은 1 이하의 이온성 물질까지도 제거할 수 있다. 이에 따라 물에 포함된 이온성 물질을 제거하면서 전도도가 낮은 물을 제조할 수 있다.

또한, 전기투석은 음양 두 이온의 한 쪽만을 통하고, 한 쪽은 통하지 않는 막(이온 교환 수지를 막상으로 성형한 것)을 투석막이라 하고, 이 막을 번갈아 배열하고 그 양단에 직류로 전압을 흐르게 하면 두 이온은 각각의 막을 투과하여 이동하고 탈염수와 농축액이 번갈아 셀내에 생긴다. 이러한 방법을 전기투석이라고 한다.

상기 전기투석은 전해질을 함유한 콜로이드 용액을 투석할 때 격막을 통하여 직류를 흘려 투석 속도를 촉진시키는 조작을 말한다. 해수에서 염류를 제거하는 경우, 양이온을 통하는 막과 음이온을 통하는 막을 어긋나게 나열하여 다수의 방으로 구분하고, 양끝의 방에 전극을 놓고 전압을 걸면 액체 속의 양이온은 음극으로 음이온은 양극을 향하여 이동하지만 이온 교환막의 체질 작용에 의하여 염류의 농축액과 희석액이 번갈아 생성되고 염분이 농축, 제거될 수 있다.

상기 정화단계를 통해 전도도가 낮은 물의 전도도는 1 uS/cm ~ 60 uS/cm 인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 사용되는 물, 즉 원료수로서는, 해수, 수돗물 또는 염소 또는 차아염소산염을 함유하는 물을 사용할 수 있으며, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.

상기 정화단계를 통해 전도도가 낮은 물을 형성시킨 다음에는 오존 발생단계를 갖는다. 상기 오존 발생단계는 물의 전기분해를 통해 오존을 발생시킨다.

전도도가 낮은 순수(純水, pure water)를 이용한 오존수 제조 전해에서는 물의 전도도가 낮기 때문에, 단순히 양극과 음극을 수중에 설치한 것만으로는 전해 반응이 진행되지 않는다. 그 때문에 수소이온의 이동 경로로서 음극/양극간에 고체 고분자전해질 격막이 삽입되고, 전해 셀은, 양극 및 음극과 이들에 끼워진 고체 고분자전해질 격막을 기능 요소로서 구성될 수 있다.

오존의 생성은 양극에서 발생될 수 있는 데, 양극에서는 오존과 산소가 동시에 발생되며 이러한 반응식은 아래와 같다.

오존 생성 반응(양극) : 3H₂O = O₃ + 6H⁺ +6e^-

E⁰ = +1.51V

산소 발생 반응(양극) : 2H₂O = O₂ + 4H⁺ + 4e^-

E⁰ = +1.23V

수소 발생 반응(음극) : 2H⁺ + 2e^- =H₂

상기 오존 발생 반응은 하단의 산소 발생 반응과의 경합하여 반응하며, 발생 전위가 낮은 산소가 우선적으로 생성되기 때문에 그 전류 효율은 낮다.

이에 따라 본 발명에서는 막-전극 집합체를 통해 오존을 발생시키는 데 있어, 전도도가 낮은 물을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 오존생성에서 물속에 존재하는 전도성 물질은 오존생성을 억제하는 효과가 있어서 전도도가 낮은 물을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 막-전극 집합체를 통해 오존 발생은 전해질이 포함되어 있는 물에 격막을 형성하여 전기분해가 이루어지는 것이 아니라, 전도도가 낮은 물을 오존 발생장치에 투입하고 고체 전해질 격막을 형성함으로써 오존 생성속도를 더 높이고자 한다.

오존의 발생은 본 발명에서 이용되는 막-전극 집합체를 통해 오존을 발생시킬 수 있는 데, 상기 막-전극 집합체는 양극 및 음극 사이에 고체 고분자 전해질 격막이 형성되어 있는 것이 특징이다.

이러한 구성은 전기분해가 이루어짐에 있어서 물이 전해질을 이룰 필요가 없으며 상기 고체 고분자 전해질 격막이 전해질 역할을 하는 것이다.

도 2는 본 발명의 막-전극 집합체를 통해 오존을 발생시키는 데 있어 전도도에 따른 오존 발생속도를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 막-전극 집합체를 통해 물을 전기분해 실험을 실시하였는 데, 인가전류 0.3A, 회분식 실험으로 30mL를 이용하였으며 전도도의 조절은 KH₂PO₄를 이용하였다. 이 실험을 통해 알 수 있는 것은 물의 전도도가 낮아질수록 오존의 생성속도를 증가한다는 것을 알 수 있다.

이에 따라 본 발명은 정화단계를 통해 물의 전도도를 낮춘 뒤에 오존발생단계에서 막-전극 집합체로부터 오존을 발생시키게 되면 이전보다 휠씬 많은 양의 오존을 생성시킬 수 있게 된다.

상기 막-전극 집합체는 전극 사이에 고체 고분자전해질 격막이 형성되어 있다. 상기 고체 고분자전해질 격막은 양극 또는 음극의 적어도 어느 한쪽의 한쪽면 또는 전체면에 양이온 교환 수지의 분산액을 도포, 소성하여 형성시킬 수 있다.

또한, 오존 발생단계에서의 양극은 양극으로 이용될 수 있는 재료로 비제한 적으로 사용될 수 있으며, 상기 양극의 표면층은 산소 발생을 억제하는 목적으로 PbO₂ 또는 BDD(boron doped diamond)를 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 오존발생을 증가시키기 위해서 채전극 형태의 양극을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 오존 발생단계에서 상기 음극은 stainless steel, titanium, silver 및 aluminium 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 자세히 설명한다.

실시예 1

정화단계

일반 수돗물을 이용하여 전도도가 낮은 물로 형성하는 데, 축전식 탈염공정을 이용하는 데, 두 개 전극은 제1전극이 카본재질의 전극 혹은 양이온 교환 수지로 형성된 막을 포함하며 제2 전극은 카본재질의 전극 혹은 음이온 교환 수지로 형성된 막을 포함하도록 하여 축전식 탈염공정을 실시하였다.

오존 발생단계

니오브판에 보론 도프 다이아몬드(boron doped diamond)(BDD)를 약 8.0g/㎡ 단위면적 중량으로 채형태 양극에 코팅하였다. 또한, SUS304의 판재를 양극과 동일 형상으로 가공하여 음극으로 하였다. 게다가, 음극의 한쪽면에는 양이온 교환수지 5% 분산액(상품명: 나피온 DE520, 듀퐁(주)의 등록상표)을 도포하고, 200℃에서 소성하여 고체 고분자전해질 격막을 제조하였다.

상기 양극, 음극 및 고체 고분자전해질 격막을 조합하여 막-전극 접합체를 구성하였다. 이 접합체를 수지제의 케이싱에 조립해 넣어 전해 셀로 하고, 양극 및 음극의 양측에 통전 부재를 통해 통전하였으며, 정화단계를 통해 정화된 물을 흘려보냈다.

유량은 200mL/min으로 흘려보내며, 오존수 발생단계에서의 인가전류는 1A로 하였다.

비교예 1

일반 수돗물을 축전식 탈염공정 오존수 발생을 실시하였는 데, 상기 오존 발생은 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하되, 양극은 백금 및 은이 1:1의 중량비율로 이루어진 합금으로 음극은 백금으로 하여 제조하였다.

실시예 1 및 비교예 1에서 물에 대한 오존 발생실험을 실시하였는 데, 도 3을 참조하면 알 수 있듯이 실시예 1에서 오존 발생속도가 비교예 1에 비해 5배나 향상된 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (6)

1. 전기분해법을 이용해 오존을 발생시키는 데 있어서,
   물을 전도도가 낮은 상태로 정화하는 정화단계 및
   막-전극 집합체를 통해 오존을 발생시키는 오존 발생단계를 포함하되,
   상기 정화단계는 축전식 탈염공정, 역삼투막 공정 및 전기투석 중 어느 하나를 이용하여 전도도가 낮은 물로 정화하며,
   상기 오존 발생단계는 막-전극 집합체는 양극 및 음극 사이에 고체 고분자 전해질 격막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전도도는 1 uS/cm ~ 60 uS/cm 인 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 정화단계에서 축전식 탈염공정은 두 개의 전극을 이용하는 데, 상기 두개의 전극은 흡착 매체가 형성되며 제1전극은 카본재질 또는 양이온 교환수지가 형성된 막을 포함하여, 제2전극은 카본재질 또는 음이온 교환 수지로 형성된 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   고체 고분자전해질 격막은 양극 또는 음극의 적어도 어느 한쪽의 한쪽면 또는 전체면에 양이온 교환 수지의 분산액을 도포, 소성하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 오존 발생단계에서 상기 양극은 PbO₂ 또는 BDD(boron doped diamond)의 채전극인 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 오존 발생단계에서 상기 음극은 stainless steel, titanium, silver 및 aluminium 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고효율 오존 발생 시스템.

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