KR20170035901A - 이산화염소의 촉매 또는 전기촉매 생성 - Google Patents
이산화염소의 촉매 또는 전기촉매 생성 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전극 소자에 관한 것이며, 상기 전극 소자는: 밸브 금속 기판; 상기 기판에 도포된 제 1 촉매 성분으로서, 애노드 분극 하에서 수용액으로부터 산소를 방출시키는데 적합한, 상기 제 1 촉매 성분; 산성 환경에서 염소산염 용액으로부터 이산화염소를 생성하기에 적합한 제 2 촉매 성분을 포함하며; 상기 제 1 촉매 성분과 제 2 촉매 성분은 서로 전기적으로 절연된다. 본 발명은 또한 그러한 전극 소자를 포함하는 전극 셀과, 그러한 전극 소자를 포함하는 전기화학 셀을 제공하는 단계를 포함하는 촉매 성분 상에 이산화염소를 생성하기 위한 공정을 포함한다.
Description
본 발명은 이산화염소(ClO2)의 생산에 관한 것으로, 특히 이산화염소의 생산을 위한 적절한 전극 소자 및 촉매 공정에 관한 것이다.
전통적으로, ClO2는 염소산 나트륨(NaClO3)과 같은 수용액 내 염소산 금속과 황산, 인산 또는 염산과 같은 비교적 강한 산(acid)과의 반응으로 상업적으로 마련되어왔다.
일반적으로, ClO2를 생성하는 공정은 알칼리 금속 또는 다른 환원제의 할로겐화 염을 또한 포함하는 알칼리성 염소 함유 공급원료로서, 일반적으로 NaClO3를 사용한다. 그러한 ClO2 생산 공정을 위한 염소산 나트륨 공급원료는 일반적으로 염화나트륨 염수를 널리 알려진 방식으로 전기 분해하여 생성된다. 염화물이 환원제로서 사용되는 경우, 염수와 염소산염의 혼합물이 하나 이상의 반응기에 직접 공급되고, 공급원료는 원하는 산과 접촉하고 반응하여 ClO2를 형성한다. 환원제에 대한 필요성과 함께 예를 들면 5-10N의 높은 산성도가 요구되기 때문에, NaClO3로부터 ClO2의 소량 생산은 실행되지 않는다. 강산에서 염소산 나트륨의 전기 화학적 또는 촉매적 환원을 통한 ClO2 생성 공정의 예는 예를 들어 US4501824, US426263, US4381290, 및 US4362707에 보고되어 있다. 이러한 종래 기술의 제시는 별도의 환원제를 필요로 하지 않지만, 공정 중에 산의 화학적 공급을 여전히 요구한다.
본 발명은 개선된 이산화염소의 생산을 위한 적절한 전극 소자 및 촉매 공정을 제공한다
본 발명의 다양한 양태들이 첨부된 청구 범위에 기재되어있다.
한 양태에서, 본 발명은 전극 소자에 관련하며, 상기 전극 소자는, 밸브 금속 기판; 상기 기판에 도포된 제 1 촉매 성분으로서, 애노드 분극(anodic polarisation) 하에서 수용액으로부터 산소를 방출시키는데 적합한, 상기 제 1 촉매 성분; 산성 환경에서 염소산염 용액으로부터 이산화염소를 생성하기에 적합한 제 2 촉매 성분을 포함하며; 상기 제 1 촉매 성분과 제 2 촉매 성분은 서로 전기적으로 절연되어있다.
상기한 배열로 인하여, 양성자의 결과적인 생성을 갖는 산소의 애노드 전개(anodic evolution)는 제 2 촉매 성분의 표면에서 용액의 국부적인 pH의 저하를 가져온다. 다시 말해서, 전기화학적 애노드 반응은 어떠한 외부적인 산의 외부적 첨가 없이도 염소산염을 이산화염소로 촉매 환원시키는데 적합한 산 농도를 생성한다. 따라서, 본 발명의 전극 소자는 물과 염소산염 용액에서만 출발하는 이산화염소를 생성하기에 적합하며, 따라서 황산과 같은 강한 무기산의 취급을 피한다.
여기에서는, 전극 소자로, 단일의 독립형 부분(single stand-alone piece)으로 배열된 2 개의 별개의 촉매 성분들을 포함하는 일체형 전극을 의도하고 있으며, 2 개의 촉매 성분들은 적절한 절연 스페이서에 의해 이격되어 있거나, 또는 밀접한 접촉 상태이지만 서로 전기적으로 절연되어있다.
한 실시예에서, 상기 전극 소자의 제 2 촉매 성분은 세라믹 지지체 상에 지지된다. 예를 들면, 세라믹 지지체는 증류 안장(distillation saddles)과 같은 분리된 세라믹 매체 형태가 될 수 있다.
다른 실시예에서, 전극 소자의 제 2 촉매 성분은 금속 지지체 상에 지지된다.
이러한 제 2 촉매 성분은 이산화염소의 생성을 향상시키기 위해 낮은 전위로 선택적으로 분극될 수 있다.
한 실시예에서, 전극 소자의 제 2 촉매 성분은 전원공급장치에 연결된다.
한 실시예에서, 전극 소자의 제 1 촉매 성분은 귀금속 산화물을 포함한다.
한 실시예에서, 본 발명에 따른 전극 소자에서, 제 2 촉매 성분은 산화 루테늄, 산화 이리듐, 산화 팔라듐, 산화 로듐 및 산화 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 귀금속 산화물의 혼합물이다. 선택적으로, 제 2 촉매 성분은 또한 밸브 금속 산화물을 포함한다.
한 실시예에서, 전극 소자의 제 2 촉매 성분은 세라믹 또는 금속 시트 또는 메시(mesh) 또는 다공성 물질의 형태이다.
다른 양태에서, 본 발명은 전술한 바와 같은 적어도 하나의 전극 소자를 포함하는 전해 셀에 관한 것이다.
한 실시예에서, 전해 셀에는, 기판 및 제 2 촉매 성분에 도포된 개재된(intercalated) 제 1 촉매 성분의 어레이로서 배치된 전극 소자가 제공되고, 제 1 및 제 2 촉매 성분은 상호 절연된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 촉매 성분 상에 이산화염소를 생성시키는 공정에 관한 것으로서, 상기 공정은:
- 적어도 하나의 캐소드 및 제 1 항에 기재된 적어도 하나의 전극 소자를 애노드로서 포함하는 전기화학 셀을 제공하는 단계;
- 염소산염 용액을 함유하는 수성 공급원료를 상기 셀에 공급하는 단계;
- 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 전류를 통과시킴으로써 상기 공급원료를 전기분해하는 단계로서, 그에 의해 상기 제 1 촉매 성분의 표면 상에 산소 및 산성을 형성시키고 상기 제 2 촉매층의 표면 주변에 산성을 공급하는, 상기 분해 단계;
- 상기 촉매층 상에 생성된 이산화염소를 제거하고 회복하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 용액은 40 ℃ 내지 90 ℃의 온도에서 전기분해된다.
다음의 예들은 본 발명의 특정 실시예들을 설명하기 위해 포함되며, 그의 실용성이 청구된 범위의 값에서 대부분 입증되었다. 당업자는 후술하는 예들에서 개시되는 구성 및 기술이 본 발명의 실행에서 잘 기능하는 본 발명자들에 의해 개발된 구성과 기술들을 나타낸다는 것을 인정해야 하지만, 당업자는 본 개시의 관점에서 개시된 특정 실시예들에서 많은 변경들이 이루어질 수 있다는 것을 인정해야하며, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 동일하거나 유사한 결과를 여전히 얻을 수 있다는 것을 인정해야한다.
도 1은 시간의 함수로서 이산화염소의 농도 증가를 도시한 도면.
예
애노드로서 직경 0.5cm의 코팅된 티타늄 로드(titanium rod)를 포함하는 전기화학 셀이 마련되었다. 애노드의 코팅은 2:1 몰 비의 이리듐과 탄탈의 혼합된 산화물 10 g/m2로 구성되었다. 제 2 촉매 요소에 대한 지지체로서 작용하는 코팅된 티타늄 확장된 메시는 상기 로드 둘레에 감겨있으며 그 사이에 스페이서가 배치되어 전기 절연을 제공한다. 티타늄 메시의 코팅은 1:2 몰 비인 10 g/m2의 RuO2/RhO2로 이루어졌다. 2M NaClO3 용액이 전해질 공급원료로서 공급되었다. 반응은 61℃의 온도에서 50㎃/cm2의 애노드 전류 밀도에서 행해졌다.
테스트는 5시간 동안 실행되었다. 샘플은 1 시간마다 채취되었으며 UV/VIS 분광광도계(Hach DR 5000)로 특성화되었다. 도 1은 시간의 함수로서 이산화염소의 농도 증가를 도시한다.
이전의 설명은 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않았으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 상이한 실시예들에 따라 사용될 수 있고, 그 범위는 유일하게 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.
본 출원의 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, "포함하다"와 "포함하는"및 "포함하고"와 같은 그 변형은 다른 요소들, 구성들 또는 추가적인 공정의 단계들의 존재를 배제하고자 하는 것으로 의도되지 않는다.
문서, 실행, 재료, 장치, 물품 등의 논의는 본 발명에 대한 전후상황을 제공하기 위한 목적으로만 본 명세서에 포함된다. 이들 사안들 중 일부 또는 전부가 선행 기술 근거의 일부를 형성하거나 본 출원의 각 청구항의 우선권 날짜 이전에 본 발명과 관련된 분야에서 통상적인 일반적 지식이었던 것들은 제시되거나 나타내지 않았다.
Claims (10)
- 전극 소자에 있어서:
- 밸브 금속 기판;
- 상기 기판에 도포된 제 1 촉매 성분으로서, 애노드 분극(anodic polarisation) 하에서 수용액으로부터 산소를 방출시키는데 적합한, 상기 제 1 촉매 성분;
- 산성 환경에서 염소산염 용액으로부터 이산화염소를 생성하기에 적합한 제 2 촉매 성분을 포함하며,
상기 제 1 촉매 성분과 제 2 촉매 성분은 서로 전기적으로 절연되는, 전극 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 촉매 성분은 세라믹 지지체 상에 지지되는, 전극 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 촉매 성분은 금속 지지체 상에 지지되는, 전극 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 촉매 성분은 전원공급장치에 연결되는, 전극 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 촉매 성분은 귀금속 산화물을 포함하는, 전극 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 촉매 성분은 산화 루테늄, 산화 이리듐, 산화 팔라듐, 산화 로듐 및 산화 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 귀금속 산화물의 혼합물이며, 선택적으로 밸브 금속 산화물을 포함하는, 전극 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 촉매 성분은 시트(sheet), 메시(mesh) 또는 다공성 물질의 형태로 있는, 전극 소자. - 제 1 항에 기재된 적어도 하나의 전극 소자를 포함하는 전해 셀.
- 제 8 항에 있어서,
상기 전극 소자들은 서로 간에 절연된 기판들과 제 2 촉매 성분들에 도포되는 개재된(intercalated) 제 1 촉매 성분의 어레이로서 배치되는, 전해 셀. - 촉매 성분 상에 이산화염소를 생성하기 위한 공정에 있어서:
- 적어도 하나의 캐소드 및 제 1 항에 기재된 적어도 하나의 전극 소자를 애노드로서 포함하는 전기화학 셀을 제공하는 단계;
- 염소산염 용액을 함유하는 수성 공급원료를 상기 셀에 채우는 단계;
- 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 전류를 통과시킴으로써 상기 공급원료를 전기분해하는 단계로서, 그에 의해 상기 제 1 촉매 성분의 표면 상에 산소 및 산성을 형성하고 상기 제 2 촉매층의 표면과 근접하게 접촉하여 산성을 형성하는, 상기 분해 단계; 및
- 상기 촉매층 상에 생성된 이산화염소를 제거하고 회복하는 단계를 포함하는, 이산화염소 생성 공정.
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