KR980009524A - 활성금속을 이용하여 비활성 전극을 만드는 전기분해방법과 그 전기분해장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철이나 여러종류의 스텐레스 강과 같은 활성금속으로 만든 전극에 이들 금속이나 합금의 구성원소보다 산화전위가 높은 마그네슘, 알루미늄, 아연과 같은 금속을 전해조와 다른 별도의 용기에 담은 전해질 용기에 담구어 활성금속으로 만든 양극(anode)에 도선으로 접속시켜 전기분해장치를 만들면 비활성 전극이 되어 화학반응에 포함되지 않는다.

이렇게 하면 모든 활성금속의 전극이라도 해당 금속보다 산화전위가 높고 환원전위가 낮은 금속으로 희생적 양극(+)을 만들어 양극에 접속시켜 비활성 전극을 만들어 줌으로서 연구용이나 산업폐기물의 전기분해 처리시 막대한 경제적 이익을 창출할 수 있을 뿐 아니라, 활성금속 전극의 용출에 의한 중금속 오염을 방지할 수 있으므로 환경 친화적인 폐수전해처리에 크게 기여할 발명이며 고온 플라즈마 소각로와 같은 아크 방전에도 본 발명을 이용하면 아크방전에 의한 양극마모를 크게 억제시킬 수 있게 된다.

Description

할성금속을 이용하여 비활성 전극을 만드는 전기분해방법과 그 전기분해장치

제1도는 본 발명의 개략적인 구성을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명

2 ： 전해조 4 ： 양전극

6 ： 음전극 8 ： 용기

10 ： 희생전극 12 ： 도선

E ： 전지

본 발명은 활성금속을 비활성전극으로 만드는 전기분해방법과 그 전기분해장치에 관한 것으로, 상세하게는 활성금속의 양전극과 음전극이 설치된 전해조의 주변에 전해액이 수용된 별도의 용기를 설치한 다음 전해조의 전극보다 산화전위가 높은 금속의 희생전극을 넣어 설치하고, 상기 희생전극은 전해조의 양극에 접속하여 활성전극으로 만들어 고가의 백금전극을 대체할 수 있게 한 것이다.

일반적으로 전해 전지는 그 전지 내에 전기적 에너지를 강제로 넣어 줌으로서 비자발적인 화학반응이 일어나도록 만든 전지이며 이 과정을 전기분해라고 부른다. 전해전지는 반응물질이 들어 있는 용기에 직류전원이 공급되는 연결한 양전극(anode)과 음전극(cathode)을 담구어 구성한다. 이때 양전과 음전극은 백금이나 흑연과 같은 비활성 전극을 사용하므로 전극은 화학반응에 포함되지 아니하며, 그에 따라 전극의 수명이 길고 효율적인 전해를 달성할 수 있게 된다.

따라서 본 발명은 전해장치에 사용되는 전극을 가격이 저렴하면서 구입이 용이한 활성전극을 사용하되 활성전극을 비활성화함으로써 고효율의 전기분해를 달성할 수 있는 전기분해방법과 그 장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 철이나 여러종류의 스텐레스 강(SUS304, SUS316, SUS317 등)과 같은 활성금속(reactive metal)으로 만든 양전극과 음전극을 전해액이 담긴 전해조에 투입 설치한 다음 전지를 접속하고, 상기 전해조의 주변에 전해액이 담긴 용기를 별도 설치한 다음 활성금속이나 활성금속의 합금된 상기 전해전극의 원소들보다 산화 전위가 높은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn)과 같은 금속으로 만든 희생전극을 담구고, 상기 희생전극은 전해조의 양극에 접속하여 전해조의 활성전극이 비활성화되게 한 것이며, 본 발명의 원리를 "아크방전에 의한 직류고온 플라즈마 토취(plasma touch)"제작에 활용하면 방전에 의한 양전극(anode)의 마모를 크게 줄일수 있을 것이다.

이와 같이 활성금속으로 전기분해용 비활성 전극을 만드는 방법은 지금까지 전혀 연구된바 없으며, 이 발명을 이용하면 고가인 백금전극을 비활성전극으로 사용하지 않아도 되므로 실험용이나 연구용은 물론 산업폐수의 전해 처리시 철이나 철의 합금인 스텐리스 강을 비활성 전극으로 사용할 수 있으므로 막대한 경제적인 이익을 창출할 수 있게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 물을 전기분해하기 위하여 황산나트륨(Na₂SO₄) 수용액을 다음과 같은 방법으로 전기분해 하였다.

[실험 1]

비활성 백금전극을 전해액이 담긴 전해조에 넣은 다음 백금전극에 3V의 전압을 인가하여 5분간 전기분해 한 결과, (1) 음극 주변에 발생하는 기체를 포집하여 양극에서 발생된 가스를 가까이 하였더니 "펑"하는 소리가 났으므로 수소가스가 음극에서 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 음극 주위의 용액에 리트머스 시험지를 넣었더니 푸른색으로 변하였다. 대부분 음극 주위의 용액이 알카리성임을 알 수 있었다. (2) 양극에서 발생된 가스를 포집하여 타는 성냥불을 가까이 하였더니 불꽃이 갑자기 커졌다. 이 사실로 양극에서 발생되는 가스가 산소임을 확인하였다. 그리고 양극주위의 용액에 리트머스 시험지를 넣었더니 붉은색으로 변하였다. 그러므로 이 용액이 산성임을 알 수 있었다. (3) 전체 용액은 무색이었다.

이와 같은 사실로부터 물은 음극에서 수화(hydration)된 나트륨이온(Na⁺(aq))에 우선하여 환원되고, 양극에서는 수화된 황산이온 (SO^2- ₄(aq))보다 우선하여 산화됨을 알 수 있으므로 다음과 같은 전지반응을 생각할 수 있다.

[실험 2]

활성금속으로 된 철(Fe) 전극을 전해액이 담긴 전해조에 넣은 다음 철 전극에 3V의 전압을 인가하여 5분간 전기분해를 하였으며, 실험결과 실험1의 (1), (2)와 동일한 결과를 확인하였다.

그러나 이번 실험에서는 양극에서 반응의 초기부터 처음에는 옅은 적갈색이 나타나더니 시간이 지남에 따라 짙은 적갈색으로 변하였다. 그리고 음극 주 의 용액의 색깔은 변하지 않았다. 이 사실로부터 실험2에서는 반응(1)의 반응외에 양극에서는 철이 녹아나서 적색의 황산철(FeSO₄)이 생성됨을 알 수 있었다.

[실험 3]

제1도와 같이 황산나트륨(Na2SO4)수용액이 담긴 전해조(2)에 활성금속(예컨데 철)으로 된 양전극(4)과 음전극(6)을 넣어 설치하고, 양전극(4)에 전지(E)의 양극(+)를 접속하고, 음전극(4)에 전지(E)의 음극(-)를 접속한다.

전해조(2)의 주변에 황산나트륨(NaSO4)수용액이나 염용액 (NaCl, KCl, Fecl2 등)이 담긴 용기(8)에 전해전극(4)(6)보다 산화전위가 상대적으로 높고, 환원전위 또한 전해전극8(4)(6)보다 상대적으로 낮은 마그808*??-), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)과 같은 금속으로 된 희생전극(10)을 넣어 설치하고, 상기 희생전극(10)은 전지(E)의 양극 (+)에 도선(12)으로 접속하여 전해장치를 구성한 다음 실험 (1), (2)와 같이 전지(E)의 전위를 3V로 하되 희생전극(12)의 재질을 마그네슘 (Mg), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)으로 각각 바꾸어 가면서 5분간 전기분해하였다.

전기분해 결과 산화 전위가 철(Fe)보다 높고 환원전위는 철(Fe)보다 낮는 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn)을 바꾸어 가면서 전기 분해한 결과 실험(2)에서와는 다르게 양전극(4) 주변에 적갈색 용액은 생성되지 않았으며, 이와 같은 사실로부터 활성금속인 철(Fe)이 마그네슘(Mg) 또는 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)의 산화작용에 의해 비활성 전극으로 작용하고 있음을 알 수 있다.

여기서 괄호 속의 S는 고체상 (solid phase)을 나타내고 aq는 수용액(aqueoussolution)상태를 나타내고 E°_Mn/Mn+는 금속의 표준 산화 전위를 나타낸다.

식4에서 보는 바와 같이 E°_Mg/Mg2+= 2.37v, E°_Al/Al3+= 1.66v, E°_Zn/Zn2+= 0.76v로 E°_Fe/Fe2+= 0.44v보다 훨씬 높은 산화전위이므로 활성금속인 철(Fe)은 제1도와 같은 전기분해장치를 만들면 Mg(S), Al(S) 또는 Zn(S)이 희생적인 양전극 역할을 수행하므로 전기 분해시 철 전극(4)(6)의 용출을 방지할 수 있음을 알 수 있으며, 이 실험에서 희생적 양극(10)의 전해질은 전해질(Mg, Al, Zn)의 종류에 무관함을 확인할 수 있었다.

이와 같은 사실로부터 실험(3)은 활성금속인 철(Fe)을 전극 (4)(6)으로 사용할지라도 실험1에서 비활성 금속인 백금을 전해전극으로 사용한 경우와 똑같은 결과를 얻을 수 있었다.

Claims (3)

1. 활성금속을 전해전극으로 사용하고 전해전극보다 표준 산화전위가 높은 금속을 전해조와 다른 용기의 전해질을 담근 후 전해전극의 양극과 연결하여 활성전극이 비활성화되게 한 활성금속을 이용하여 비활성 전극을 만드는 전기분해방법.
2. 전해액이 담긴 전해조(2)에 활성금속으로 된 양전극(4)과 음전극(6)을 넣어 설치하고, 양전극(4)에 전지(E)의 양극(+)을 접속하고, 음전극(4)에 전지(E)의 음극(-)를 접속한 전해장치에 있어서, 전해조 (2)의 주변에 전해액이 담긴 용기(8)에 전해전극(4)(6)보다 산화전위가 상대적으로 높고 환원전위는 낮은 금속으로 된 희생전극(10)을 넣어 설치한 다음 전지(E)의 양극(+)에 전기 접속하여서 된 활성금속을 이용하여 비활성 전극을 만드는 전기분해장치.
3. 아크방전에 의한 직류고온 프라즈마 토취에 앞의 1항의 발명을 이용하여 아크방전에 의한 직류고온 플라즈마 토위의 양극 마모를 크게 억제시키도록 한 활성금속을 이용하여 비활성전극을 만드는 전기분해방법.

   ※참고사항:최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.