KR20200136960A - 물을 과산화수소로 변환하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

물을 과산화수소 (H2O2)로 변환하는 방법 및 장치에서, 코로나 방전 영역은 제 1 전극(10)과 제 2 전극(6) 사이에 생성되며, 이들 중 하나는 절연되고 다른 하나는 절연되지 않으며, 각 전극의 각각의 표면은 서로 마주보도록 위치한다. 제 1 전극(10)은 회전하여 제 1 전극(10)과 제 2 전극(6) 사이의 상대 회전을 유도하고; 액체가 제 2 전득과 대향하는 제 1 전극(10)의 표면의 회전축(4)에 가까운 쪽으로 이송되고, 제 1 전극(10)의 회전에 의한 원심력의 작용에 의해 액체는 코로나 방전 영역(9)을 통해 제 1 전극(10)의 주변을 향하여 바깥쪽으로 진행한다.

Description

물을 과산화수소로 변환하는 방법 및 장치
본 발명은 산업 및 가정에서의 적용에 적합한 과산화수소(H2O2) 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.
미국 특허 제9,610,559호 및 미국 특허 출원 공개 제2017/0335471호에는 적어도 하나는 절연되는 한 쌍의 전극 사이에 형성된 코로나 방전 영역을 통해 수증기를 이송시켜 수증기를 H2O2로 변환하는 원리에 기초한, 물을 H2O2로 변환하는 장치가 개시되어 있다.
이러한 장치의 단점은, 온도가 800℃에 도달하는 코로나 방전 스트리머와의 상호작용 시에 증기 분자의 일부 그룹이 증발하기 때문에, 증기를 발생시키기 위해 통상의 증류되지 않은 수도물을 사용하는 것이 불가능하다는 것이다.
물에 용해된 Ca 및 Mg 염은 고체 상으로 변하여 스케일 증착물로서 전극 상에 침전되므로, 전극의 주기적인 세정을 필요로 하기 때문이다.
H2O2로의 변환을 위해 통상적인 물을 사용할 수 없다는 것은 채소, 과일, 베리 종류(berries) 및 꽃, 온실 및 고정식 및 이동식 식품 냉장고의 살균과 같은 응용분야에 대한 적용 가능성을 상당히 감소시킨다. 다량의 증류수의 사용이 공정 비용을 증가시키기 때문이다.
코로나 방전을 이용하여 물을 H2O2로 변환하는 기존의 이론에 의하면, 전체 소비 에너지의 5% 만이 H2O2의 생성에 직접 사용되고 나머지 95%는 손실된다.
따라서 고 에너지 소비공정인 고농도 H2O2를 생산하는데 있어 문제 중 하나는 전극의 제한된 표면에서 열이 강하게 방출된다는 것이다.
본 발명의 목적은 변환 장치를 단순화함과 함께 그 사용 분야를 확장하는 것이다.
본 발명의 목적은, 1차적으로 H2O2로의 변환을 위해 수증기의 사용을 포기하고, 대신에, 전극들 중 하나 위에 수층(water layer)이 다른 전극에 대향하는 측면을 따라 배치되게 하여, 수층 상부와 다른 전극 사이에 에어 갭(air gap)이 유지되고, 그 내부에서 코로나 방전이 일어나도록 함으로써 달성된다.
따라서, 물의 층과 공기의 층이 코로나 방전 영역을 동시에 통과하게 된다.
전체 코로나 방전 전류는, 실질적인 전극으로 사용되는, 수층을 통해 흐른다.
본 발명에 의해 제안된 방법에서, 물이 공급되는 전극은 다른 고정 전극에 대해 회전하며, 물은 그 회전 전극의 회전축에 가까운 부분에 공급된다.
원심력의 작용 하에서 일어나는 코로나 방전의 직접 세그먼트에서의 방향각의 변화로 인해, 수층을 이루는 액체의 흐름은 전극 끝단을 향해 전진하며, 수층의 두께는 물의 양, 전극 표면 및 그 회전 속도에 의해 두께가 결정된다.
원심력에 의해 작은 분산 액적들(small dispersion drops)이 전극 끝단들로부터 분리되면서, 회전 전극에서의 물이 제거된다. 따라서, 코로나 방전에서 작은 분산 액적이 증발되는 것을 피하기 위해, 코로나 방전 영역 밖에서 분무화(atomization)가 수행된다.
실제 적용함에 있어, 회전 전극의 외경이 고정 전극의 외경보다 클 것이 요구된다.
본 발명은, 변환 장치의 단순화를 실현함과 동시에, 고농도의 H2O2를 얻기 위해 코로나 방전의 강도를 증가시킬 때 전극으로부터 발생하는 뜨거운 열을 제거하는 문제를 해결하는 것이다.
일 실시예로서, 상기의 해결책은 상기 전극에 액체를 공급하여 H2O2로 변환하고 또한 이들을 냉각시키기 위한 단일 액체 용기를 사용한다는 발상에 기초한다.
또한, 전극을 냉각하기 위해 사용된 액체는 그 용기 내로 제거(이송)된다.
액체가 용기 내에서 가열되기 때문에, 공급된 액체는 외부 냉각기를 통과한다.
동시에, 용기 내의 액체는, 저전위 단자와 회전 전극 사이의 전기분해가 일어나는 동안, 고 AC 전압 발생기에서 회전 전극으로 저전위를 전달하기 위해 사용된다.
고 전위 전극의 냉각과 저 전위 전극의 냉각을 위해 동시에 공급되는 액체의 단일 용기를 사용하는데 있어, 저항 디커플링이 요구된다.
이 디커플링은 고 전위 전극으로 액체가 공급되고, 상기 액체가 전기 절연 물질로 만들어진 채널을 통해 상기 용기로 제거(이송)되는 것에 의해 달성되며, 이때 액체는 저항기로서 사용된다. 10 cm의 길이 및 1.5 mm의 내경을 갖는 채널은 10 M Ω의 저항을 갖는다.
본 발명에 따른 방법을 실현하는 변환 장치는 상부, 중앙부 및 하부를 포함하는 본체를 포함한다.
상부는 전력 공급 단자 및 차축이 체결되는 축을 갖는 전기 모터, 냉각 윤곽(cooling contour) 및 냉각 윤곽에 냉각액을 공급하고 냉각 윤곽에서 냉각액을 제거하는 채널을 갖는 고전위 정지 전극, 고전위 전극 아래에 있는 절연체, 차축에 체결되는 편향 벽을 가지는 회전 전극, 및 고전위 전극에 대향하는 회전 전극의 측면에 액체를 공급하기 위한 채널을 보유한다.
본체의 중앙부는 H2O2 수집기, 변환 장치 외부로 H2O2 제거를 위한 홀, 고전위 전극에 대향하는 회전 전극의 측면으로 냉각액을 공급하기 위한 채널, 몸체의 하부에 위치한 용기로의 액체(H2O) 유입구, 및 냉각 윤곽으로부터 이 용기로 냉각액을 제거하기 위한 채널로부터 액체를 제거하기 위한 홀을 보유한다.
또한, 몸체의 하부는 유입구와 유출구를 갖는 압축기와, 차축의 하부에 체결되는 로터를 보유한다.
상기 몸체의 외측에는 전압 공급 단자를 보유한 고 AC 전압 발생기와, 고전압 전극에 연결된 고전위 출력부, 및 액체 용기의 하부에 장착된 저전위 단자에 연결된 저전위 출력부가 있다.
또한, 외부 냉각기는 본체 외부에 위치하고, 외부 냉각기의 입력부는 채널을 통해 압축기의 출력부에 연결되고, 외부 냉각기의 출력부는 분배 채널을 통해 전극들에 액체를 공급하기 위한 채널에 연결된다.
본 발명을 이해하기 위해 그리고 실제로 어떻게 수행될 수 있는지를 파악하기 위해서, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 실시예들이 대표 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 물을 H2O2로 변환하는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 개략적으로 도시한다.
도면을 참조하면, 물을 H2O2로 변환하는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치가 도시되어 있다. 상기 장치는: 본체(1), 피딩 단자(3) 및 축(4)을 갖는 전기 모터(2), 축(4)에 고정된 전기 전도성 재료로 형성된 차축(5), 고 전위 정지 전극(6), 상기 전극(6)의 냉각 윤곽(7), 절연체(8), 차축(5)에 고정되어 제 1 전극을 구성하는 디스크 형상이며 편향벽(11)을 갖는 회전 전극(10), 회전 전극(10)과 편향 벽(11)은 전기 전도적으로 접촉하며, 윤곽(7)으로부터 냉각액을 제거하기 위한 채널(12), 윤곽(7)으로부터 액체 용기(17)로 냉각액을 제거하기 위한 유출구(13), 전력 공급 단자(15)를 갖는 고 AC 전압 발생기(14), 액체 용기(17) 내부에 장착된 저 전위 단자(16), 차축(5)의 하부에 고정된 임펠러(19)를 갖는 압축기(18), 압축기(18)의 유입구(20) 및 유출구(21), 압축기(18)의 유출구(20)에 연결된 외부 냉각기(23)의 유입구 채널(22), 용기(17)로의 액체 공급을 위한 물 유입구를 구성하는 개구부(24), 외부 냉각기(23)의 유출구 및 전극(6, 10)으로의 액체 공급을 위한 채널(26, 29, 30)에 연결된 분배 채널(25), H2O2 제거를 위한 수집기(28) 및 수집기(28)로부터 H2O2 를 변환 장치 외부로 제거하기 위한 유출구(27)를 포함한다.
변환 장치의 작용은 다음과 같다:
H2O는 개구부(24)를 통해 용기(17)에 공급되어, H2O2 수집기(28)의 바닥의 레벨 아래로 용기(17)를 채운다.
그 후에, 전력이 단자(3)를 통해 모터(2)에 공급되고, 또한 전력이 단자(15)를 통해 고 AC 전압 발생기(14)에 공급된다.
고 AC 전압 발생기(14)의 고 전압 출력은 제 2 전극을 구성하는 고 전위 전극(6)에 연결되고, 발생기(14)의 저 전압 출력은 저 전위 단자(16)에 연결되고 용기(17) 내의 액체를 통해 전극(10)에 전기적으로 연결됨으로써, 절연체(8)와 회전 전극(10) 사이에 배리어 코로나 방전 영역(barrier corona discharge zone)(9)이 생성된다.
모터(2)가 켜지면, 압축기(18)가 작동하고, 이에 의해 액체가 용기(17)로부터 유출구(20)를 통해 공급되기 시작한다. 압축기(18)의 임펠러(19)의 회전은 원심력을 발생시키고, 그 힘에 의해 액체가 용기(17)로부터의 압축기(18)의 유출구(21)로부터 채널(22)을 통해 외부 냉각기(23)의 유입구로 유동하게 한다.
냉각된 액체는 냉각기(23)의 출구으로부터 분배 채널(25)과 채널(30)을 통해 절연체(8)와 대향하는 회전 전극(10)의 측면의, 회전 전극(10)의 축에 가까운 영역으로 공급된다. 이 액체는 전극(10)의 회전에 의해 발생되는 원심력에 의해 전극(10)의 표면 위로 퍼져 층을 이루는데, 이 때 층의 두께는 액체의 양, 전극(10)의 표면 및 그 회전 속도에 따라 달라진다.
원심력의 작용 하에서, 회전하는 액체 층은 디스크 끝단으로 전진되고, 전극(10)의 끝단으로부터 액체가 분리되기 때문에, 이 수층(water layer)은 작은 분산 액적(small dispersed drops)으로 변환되어 용기(28) 내로 떨어지는데, 이 용기(28) 내에서 이 액적은 액상의 H2O2 로 형성되며, 유출구(27)를 통해 변환 장치 외부로 제거된다.
동시에, 액체는 용기(17)로부터 외부 냉각기(23) 및 채널(25, 29)을 통해 고전위 전극(6)의 냉각 윤곽(7)으로 운반되고, 그 액체는 고전위 전극(6)으로부터 본체(1)의 중앙의 채널(12) 및 개구부(13)를 통해 용기(17)로 복귀한다.
동시에, 액체는 용기(17)로부터 냉각기(23) 및 채널(25, 26)을 통해 회전 전극(10)의 절연체(8)와 대향하지 않는 측면에도 도달한다.
이 액체는 그 회전으로 인해 전극(10) 전체에 퍼져, 전극(10)을 냉각시킨 다음 용기(17)로 복귀하는데, 이때, 벽(11)이 이러한 과정에서 이 액체가 용기(28)에 도달하는 H2O2로 변환된 액체와 혼합되는 것을 실질적으로 방지하게 한다.
상기 용기(17) 내의 액체의 양은 용기(28)에 도달하는 H2O2의 양만큼 지속적으로 감소되기 때문에, 작동하는 동안, 일정 모드 또는 진동 모드로 작동하는 외부의 선량계(dosimeter)에 의해 용기(17) 내의 액체의 레벨은 일정하게 유지되어야 한다. 변환 장치의 전체 작업 사이클 동안 액체 레벨을 일정하게 유지하는 것은, 예를 들어, 미국 특허 제2017/0335471호에 설명된 바와 같이, 기본적인 요건으로서, 이에 대한 추가 참조가 이루어질 수 있다.
H2O2는 용기(28)의 부피에 따라 연속적으로 또는 주기적으로 용기(28)로부터 제거될 수 있다. 변환 장치 본체(1)는 공기 유입구와 유출구를 갖지 않기 때문에, 코로나 방전영역(9)에서 발생된 오존(O3)은 외부 환경에 도달하지 않고 본체(1) 내부를 순환한다.
본 발명자들은 다음과 같은 사양으로 변환 장치의 개발 프로토타입을 구축하였다:
1. 절연층의 물질 유리
2. 전극들 사이의 거리 1 mm
3. 전극 회전 속도 2000 RPM
4. AC 전압 소스 진폭 ± 5 kV
5. AC 전압 소스 주파수 40 kHz
6. 물 소비량 300 mL/h
7. 변환 장치 배출구에서의 H2O2 농도 100 ppm
H2O2의 농도는 공급된 전력의 함수로서, 공급된 전력의 95%는 열로서 소모되며 단지 5%만이 H2O2의 생성에 기여한다. 따라서, 제안된 바와 같은 고농도의 H2O2(l00ppm)를 생성하기 위해서는 많은 양의 소모열이 발생되고 소산 되어야 한다. 실제 적용함에 있어 이를 달성하는 가장 좋은 방법은 본원에서 설명된 것과 같은 냉각방식이다. 그러나, 제조자 또는 최종 사용자가 단지 2ppm 정도와 같이 훨씬 작은 농도로도 충분히 목적을 달성할 수 있는 경우에는, 비례적으로 전류를 감소, 즉, 100ppm의 농도에 대해 요구되는 것에 비해 50배 만큼 전력을 감소시킬 수 있다. 그렇게 하면, 가열 효과는 상당히 감소되며, 이에 의해 외부 냉각의 필요 없이 주변 공기 유동에 의해 충분한 냉각을 달성할 수 있다.

Claims (12)

  1. 물을 과산화수소(H2O2)로 변환하는 방법으로서,
    하나는 절연되고 다른 하나는 절연되지 않으며 각각의 표면이 서로 대향하고 있는 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 코로나 방전 영역을 생성하는 단계;
    제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 상대 회전을 유도하기 위해 제 1 전극을 회전시키는 단계; 및
    제 2 전극에 대향하는 제 1 전극 표면의 회전 축에 근접한 부분으로 액체수(liquid water)를 이송하여, 제 1 전극의 회전에 의해 야기된 원심력의 작용 하에 액체수가 코로나 방전 영역을 통해 제 1 전극의 주변부를 향해 외측으로 전진하도록 하는 단계; 를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 전극의 끝단들로부터 H2O2를 분무(atomization)하는 것을 통해 제1 전극의 표면으로부터 H2O2를 제거하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, H2O2는 코로나 방전 영역 외부로 분무되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 마주하지 않는 전극들의 각 표면에 공급되는 냉각액을 이용하여 전극을 냉각하는 단계; 를 포함하는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 제 1 전극 상에 배출되는 액체수와 냉각액은 공통의 용기로부터 외부의 냉각기를 통해 공급되는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 냉각액은 상기 공통의 용기로 복귀하는, 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 고전압이 인가된 전극을 냉각시키기 위한 냉각액을 전기 절연물질로 이루어진 채널을 통해 공급 및 제거하는 단계; 를 포함하는, 방법.
  8. 물을 과산화수소로 변환하는 장치로서,
    한 쌍의 전극(6, 10)을 상단에 포함하는 중공의 본체(1)로서, 한 쌍의 전극 중 하나는 절연되고 다른 하나는 절연되지 않고, 각 전극의 표면은 마주보도록 위치하고, 각 전극의 표면들 사이에는 갭이 형성되어, 고 AC 전압이 한 쌍의 전극(6, 10)을 가로질러 인가될 때 코로나 방전 영역(9)이 상기 갭 내에 생성되도록 하는, 본체(1);
    디스크 형태이며 전기 절연 물질로 형성되고, 본체(1)의 상단에 결합되는 전기 모터(2)의 축에 회전 가능하게 결합되는 차축에 동심으로 고정되는, 제 1 전극(10);
    절연체(8)에 장착되고, AC 전압 발생기(14)의 고 전압 출력단이 연결되도록 구성되는, 제 2 전극(6);
    중공체(1)의 하단에 배치되는 용기(17);
    용기와 전극들 사이에 배치되어, H2O2를 상기 장치의 외부로 제거하도록 구성되는, H2O2 유출구(27);
    용기에 물을 공급하도록 구성된 물 유입구(24); 및
    본체 내부에 위치하며 그 하단을 향해 연장되며, AC 전압 발생기의 저전압 출력이 연결되도록 구성된, 전기 단자(16); 를 포함하고,
    제 1 전극(10)의 외경은 제 2 전극(6)의 외경보다 크며,
    액체수는 제 1 전극의 회전 축에 근접한 제 2 전극에 대향하는 제 1 전극의 표면의 축에 가까운 쪽으로 이송되고, 이에 의해 액체수는 제 1 전극의 회전에 의해 야기되는 원심력의 작용 하에서 코로나 방전 영역을 통해 제 1 전극의 주변부를 향해 외측으로 전진하는, 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 전극 냉각액이 전극의 서로 대향하지 않는 각 표면에 공급되는, 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 고전압이 인가된 전극을 냉각시키기 위한 냉각액을 전기 절연성 물질로 이루어진 채널을 통해 공급 및 제거하도록 구성된 압축기(18); 를 더 포함하는, 장치.
  11. 제8항에 있어서, 용기로부터 물을 수용하고, H2O2로의 변환을 위해 그리고 전극의 표면을 냉각하기 위해 냉각된 액체를 공급하도록 구성된 외부 냉각기(23); 를 더 포함하는, 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 전기 절연 재료로 형성되고, 고전압이 공급되는 전극을 냉각시키기 위한 액체를 전달 및 제거하도록 구성된 채널(12);을 더 포함하는, 장치.
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