WO2016159455A1 - 산성수 전해조 - Google Patents

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WO2016159455A1
WO2016159455A1 PCT/KR2015/008583 KR2015008583W WO2016159455A1 WO 2016159455 A1 WO2016159455 A1 WO 2016159455A1 KR 2015008583 W KR2015008583 W KR 2015008583W WO 2016159455 A1 WO2016159455 A1 WO 2016159455A1
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charging
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임신교
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주식회사 심스바이오닉스
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to an acidic electrolyzer, and more specifically, to increase the reaction residence time while sequentially passing through a sub-charging chamber divided by two raw water passing between the electrode and the ion exchange resin to obtain a high concentration of acidic water. .
  • Patent document 1 is an acidic water electrolyzer which can electrolyze not only tap water but also pure water or ultrapure water by securing sufficient conductivity without using a separate catalyst or ion exchange resin even in pure water or ultrapure water. Its purpose is to provide a method of using acidic reduced water. In addition, if the existing electrolytic cell is electrolyzed using a catalyst, it is possible to obtain acidic and oxidizing power on the anode side and alkalinity on the cathode side, while reducing properties of the cathode.
  • An acidic water electrolytic cell for achieving this purpose includes a main body having at least two charging chambers separated around at least one ion exchange membrane, each charging chamber having an inlet and an outlet; A first electrode installed in the charging chamber; A second electrode installed in the remaining charging chamber in proximity to the ion exchange membrane and having a different polarity from the first electrode; And a third electrode installed in each of the charging chambers with the same polarity as the second electrode and spaced apart from the second electrode by a predetermined interval.
  • Patent document 2 (Korean Patent No. 1476442) stacks an expansion set manufactured in the form of a block in accordance with the electrolytic capacity of an electrolytic cell that varies depending on the processing capacity of the water purifier, thereby allowing the electrolytic cell to be assembled in a module form, thereby purifying the water purifier capacity of the water purifier. It is an object of the present invention to provide an easily expandable hydrogen water electrolyzer module capable of obtaining a desired processing capacity by stacking and assembling an expansion set as needed without separately manufacturing an electrolyzer that varies depending on. Another object of the present invention is to provide an expandable hydrogen water electrolyzer module capable of obtaining oxidized water or reduced water according to the polarity of an applied power source.
  • the present invention has been invented in view of such a point, and a charging chamber having a predetermined size is divided into two sub charging chambers, and raw water supplied to one sub charging chamber is serially connected through the other sub charging chamber. It is configured to pass in the form, minimizing displacement of redox level and dissolved hydrogen concentration (DH) irrespective of power supply conditions, temperature change and flow rate that are supplied to the electrode compared to the existing acidic water electrolyzer.
  • the purpose of the present invention is to provide an acidic electrolyzer that allows high concentration of acidic water.
  • the present invention through the simple configuration of adding a partition wall to the existing charging chamber configured to flow only one way, while increasing the residence time in the charging chamber while the flow of raw water is a "U" shape, as a result, Another object is to provide an acidic electrolyzer that allows for increased contact time to obtain a high concentration of acidic water regardless of these conditions.
  • the present invention is to add a lattice to the configuration of the existing acidic water electrolytic cell, the acidic to obtain a high-quality oxidation water having the same size as the existing high redox level (ORP) and dissolved hydrogen concentration (DH)
  • ORP high redox level
  • DH dissolved hydrogen concentration
  • At least two charging chambers 110a and 110b separated around the at least one ion exchange membrane 111 according to the present invention for achieving the above object are provided, and each charging chamber 110a and 110b has an inlet 112a, respectively.
  • Main body 100 having 113a and outlets 112b and 113b;
  • a first electrode 200 installed in the charging chamber 110a;
  • a second electrode 300 installed near the ion exchange membrane 111 in the remaining charging chamber 110b and having a different polarity than the first electrode 200;
  • a partition wall 120 is added between the first electrode 200 and the ion exchange membrane 111 to divide the charging chamber 110a into two sub charging chambers 110 'and 110 " Water entering the inlet (112a) is characterized in that the two sub-charging chamber (110 ', 110 ") to pass through in series form in turn to the outlet (112b).
  • the second electrode 300 and the third electrode 300 ′ are connected to each other and are configured to be applied with power at the same time.
  • the ion exchange membrane 111 and the first electrode 200 is installed so as to be spaced apart by a gap (W1) of 0.1 ⁇ 10.0mm is characterized in that used as a charging space so that raw water can pass through.
  • the second electrode 300 and the third electrode 300 ′ are installed to be spaced apart by a gap W2 of 0.1 to 100.0 mm, and used as a charging space therebetween so that raw water can pass therethrough.
  • the above-described acidic water electrolytic cell according to the present invention is characterized in that the ion tank 400 is provided between the inlet port 112a and the outlet port 112b of the charging chamber 110a.
  • the ion exchange membrane 111 is characterized in that the fluorine-based catch-on membrane.
  • first to third electrodes 200, 300, and 300 ′ are perforated platinum electrodes or mesh platinum electrodes.
  • Acidic water electrolytic cell according to the present invention has the following effects.
  • This high quality acid water can be obtained, in particular, by a simple design change that adds a bulkhead in the existing acid water electrolyzer structure. This makes it possible to obtain high concentrations of acidic water through simple design changes that add bulkheads to existing acidic water electrolyzers.
  • the acidic water obtained by the acidic water electrolytic cell according to the present invention can obtain a higher concentration of acidic water than the existing acidic water while being less affected by temperature changes, power supply conditions, and water flow rate.
  • FIG. 1 is a schematic drawing to show the configuration of an acidic water electrolytic cell according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view showing the internal configuration of the acidic water electrolytic cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the configuration of a charging chamber in an acidic water electrolytic cell according to Example 1 of the present invention, (a) is a view showing a shape seen from the side, and (b) is a shape seen from the front Showing picture.
  • Figure 4 is a schematic drawing to show the configuration of the acidic water electrolytic cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic drawing to show the configuration of an acidic electrolyzer according to a third embodiment of the present invention.
  • the acidic water electrolytic cell according to the first embodiment of the present invention is installed in the main body 100 and the main body 100 in which electrolysis is performed, as shown in FIGS. 1 to 3 to supply power for electrolysis.
  • the ion water is increased to increase the potential difference. will be.
  • the acidic water electrolytic cell comprises at least two charging chambers 110a and 110b by installing an ion exchange membrane 111 inside the main body 100 so that the electrolyzed ions can be charged in a predetermined space.
  • the redox level is separated by separating one charging chamber 110a into two sub charging chambers 110 'and 110 "and allowing water to pass through these two sub charging chambers 110' and 110" in series.
  • ORP dissolved hydrogen concentrations
  • DH dissolved hydrogen concentrations
  • the main body 100 is an electrolyzer body for electrolyzing by receiving a certain amount of water (raw water) therein.
  • the main body 100 is formed in a hollow hollow shape, and has an ion exchange membrane 111 to separate the electrolyzed ions.
  • the ion exchange membrane 111 partitions the inside of the main body 100 into at least two charging chambers 110a and 110b.
  • a preferred embodiment of the present invention has been described as being separated into two, it may be configured to separate more than this by using a plurality of ion exchange membrane (111).
  • such an ion exchange membrane may be used a fluorine-based catchon exchange membrane (Dupont Nafion 117).
  • each of the charging chamber (110a, 110b) has a water inlet (112a, 113a) and the outlet (112b, 113b) for discharging the acidic water electrolysis to the outside to receive the raw water (water) for electrolysis Is formed.
  • the charging chambers 110a and 110b are described as being composed of two, but may be used in a form in which a plurality of ion exchange membranes 111 are divided into several charging chambers and connected in parallel.
  • the charging chamber (110a) is installed inside the partition wall 120 to divide the interior into two sub-charging chamber (110 ', 110 ").
  • the partition wall 120 As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the battery is installed between the first electrode 200 and the ion exchange membrane 111, and the water flows in a series form (“U” shaped flow in the figure) to allow the water to flow into the charging chamber 110a. It is preferable that the residence time at) be increased to stably obtain a high concentration of acidic water.
  • inlet port 112a and the outlet port 113b described above, as shown in FIG. 1 and FIG. Install it if possible.
  • the first electrode 200 is installed in any one charging chamber 110a.
  • the first electrode 200 secures a charging space having a predetermined size between the ion exchange membrane 111.
  • the first electrode 200 is installed in the charging chamber 110a such that the gap W1 with the ion exchange membrane 111 is 0.1 to 10.0 mm. This is because if the gap W1 becomes wider than this, the electrical resolution with the second electrode 300, which will be described later, is reduced.
  • the first electrode 200 when the first electrode 200 is mounted on the main body 100 having two or more charging chambers, the first electrode 200 is mounted on the outermost charging chamber.
  • the second electrode 300 has a different polarity from that of the first electrode 200 and is installed in the other charging chamber 110b to be adjacent to the ion exchange membrane 111.
  • the charging chambers 110b in which the second electrodes 300 are installed are provided in plural numbers, one second electrode 300 is installed in each charging chamber.
  • the third electrode 300 ′ has the same polarity as the second electrode 300 and is installed in the charging chamber 110b in which the second electrode 300 is installed.
  • the third electrode 300 ′ is provided to be spaced apart from the second electrode 300 by a predetermined gap W2.
  • the gap W2 is formed to be 0.1 to 100.0 mm, and the gap W2 is used as a space for filling ions therebetween.
  • the above-described first to third electrodes 200, 300, and 300 ' may use a porous platinum electrode or a mesh platinum electrode.
  • raw water is supplied to the main body 100 through water inlets 112a and 113a.
  • the raw water may be supplied through only one of the two inlets 112a and 113a.
  • an anode (+) is applied to the first electrode 200, and a cathode ( ⁇ ) is applied to the second electrode 300 and the third electrode 300 ′. Accordingly, as electrolysis of raw water occurs, OH ⁇ is charged in the charging chamber 110a to which the anode is applied due to the ion exchange membrane 111, and H + is charged to the other charging chamber 110b to which the cathode is applied.
  • H + may be converted into H or H 2 due to the increase of the negative ( ⁇ ) ions.
  • the high potential difference obtained by the charging of ions can be useful for electrolysis of pure water (RO) or ultrapure water (DI) having low conductivity as well as tap water which is generally used.
  • RO pure water
  • DI ultrapure water
  • the test results according to the change in physical properties of the existing acidic water electrolytic cell and the acidic water electrolytic cell according to Example 1 of the present invention are as follows.
  • the comparative example is a conventional acidic water electrolytic cell described in Patent Literature 1, and unlike the embodiment, there is no partition wall, and the embodiment refers to a configuration in which the partition wall 120 is added as described above.
  • Raw water tap water (conductivity less than 5uS / cmcm, pH7.0, ORP + 500mV, temperature 21 °C)
  • Raw water tap water (conductivity less than 5uS / cmcm, pH7.0, ORP + 500mV, temperature 21 °C)
  • test results of the Examples are shown in Table 3 below, and the test results of the Comparative Examples are shown in Table 4 below. At this time, the temperature was measured in the range of 3 ⁇ 98 °C as follows. Test result
  • the temperature gradually decreases until the temperature is about 3 to 50 ° C. and then increases again, but the comparative example repeatedly increases and decreases with temperature change, and shows a large difference between low temperature and high temperature.
  • the Example shows a nearly constant value irrespective of the temperature change, it can be seen that the comparative example is significantly different from both sides based on the intermediate temperature (50 ⁇ 60 °C).
  • Raw water tap water (conductivity less than 5uS / cmcm, pH7.0, ORP + 500mV, temperature 21 °C)
  • the examples are -582 to -568 (mV), it can be seen that the reduced width than the comparative example (-581 ⁇ 534 (mV)) is not large.
  • DH it can be seen that the example is basically higher than the comparative example, and even in the reduced width, the example is reduced by about 20%, but the comparative example is about 40%, which is about twice as much as the example.
  • the present invention compared with the configuration of the existing Patent Document 2, it is possible to obtain a high concentration of acidic water while minimizing the displacement of the redox level (ORP) irrespective of temperature, power supply change and flow rate.
  • the ion tank 400 is further configured in the main body 100 of the first embodiment as shown in FIG.
  • symbol is attached
  • the ion tank 400 is installed between the inlet port 112a and the outlet water 112b of the main body 100, and is charged in the charging chamber 110a by the first electrode 200. It is a tank for storing the charged ions.
  • the ion tank 400 is shown an example mounted in the charging chamber (110a), it will be readily known to those skilled in the art that the same similar effect can be obtained even if it is mounted in another charging chamber (110b).
  • the acidic water electrolytic cell according to the second embodiment of the present invention is capable of generating a large potential difference in proportion to the amount of ions stored in the ion tank 400, thereby increasing the oxidation and reducing power.
  • the second electrode 300 and the third electrode 300 ′ are connected to each other in the first embodiment so that power can be simultaneously supplied. will be.
  • the power supply is simultaneously performed, so that the same potential difference can be supplied to these electrodes so that the surface electrodes can be stably extended.
  • Example 3 is described as a variation of Example 1, it will be readily apparent to those skilled in the art that such a configuration can also be applied to Example 2.

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Abstract

본 발명은 미리 정한 크기의 충전실을 두 개의 서브 충전실로 분리하고, 어느 한쪽의 서브 충전실에 공급된 원수가 다른 한쪽의 서브 충전실을 통해 직렬 형태로 통과할 수 있도록 구성하여, 전극에 공급되는 조건 변화와 상관이 없이 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH)의 변위를 최소화하여, 고농도의 산성수를 얻을 수 있게 하고, 원수의 흐름이 "U"자 형태가 되면서 충전실에 머무는 체류 시간을 늘려 전극과의 접촉 시간이 늘어나게 하여, 고농도의 산성수를 얻을 수 있게 하는 산성수 전해조를 제공하는 것이다.

Description

산성수 전해조
본 발명은 산성수 전해조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극과 이온교환수지 사이를 통과하는 원수가 두 개로 나눈 서브 충전실을 차례로 지나면서 반응 체류 시간을 늘려 고농도의 산성수를 얻을 수 있게 한 것이다.
특허문헌 1(한국등록특허 제1408502호)은 순수나 초순수에서도 별도의 촉매제나 이온교환수지를 이용하지 않고서도 충분한 전도성을 확보하여 수돗물뿐만 아니라 순수나 초순수도 전기분해할 수 있는 산성수 전해조 및 그 산성 환원수의 이용방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 기존의 전해조가 촉매제를 사용하여 전기분해를 하면 양극 측에서는 산성이면서 산화력을 음극 측에서는 알칼리성이면서 환원력의 물성을 얻을 수 있는데 반하여, 촉매제를 사용하지 않고 캐소드측의 물성을 산성이면서 환원력을 갖는 물(산성 환원수)과 양극 측에서는 산성이면서 산화력을 갖는 물(산성 산화수)을 얻을 수 있는 산성수 전해조 및 그 산성 환원수의 이용방법을 제공하는데 다른 목적이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 산성수 전해조는, 적어도 하나의 이온교환막을 중심으로 분리된 적어도 2개의 충전실을 구비하고, 각 충전실에는 각각 입수구 및 출수구를 형성한 본체; 상기 충전실에 설치한 제1전극; 나머지 충전실 내에 이온교환막과 근접하게 설치되며 제1전극과 다른 극성을 갖는 제2전극; 및 상기 각 충전실에, 제2전극과 동일 극성을 가지면서 이 제2전극과 미리 정해진 간격만큼 떨어지게 설치한 제3전극;을 포함하여 구성된다.
특허문헌 2(한국등록특허 제1447642호)는 정수기 등의 처리 용량에 따라서 달라지는 전해조의 전해 용량에 맞게 블록 형태로 제작한 확장 셋을 적층하여 전해조를 모듈 형태로 조립할 수 있게 함으로써, 정수기의 정수 용량에 따라 달라지는 전해조를 별도로 제작하지 않고도 필요한 만큼 확장 셋을 적층 조립하여 원하는 처리 용량을 얻을 수 있도록 한 확장성이 용이한 수소수 전해조 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 인가되는 전원의 극성에 따라 산화수나 환원수를 얻을 수 있도록 한 확장성이 용이한 수소수 전해조 모듈을 제공하는데 다른 목적이 있다.
하지만, 위 전해조는 다음과 같은 문제가 발생하였다.
(1) 음극이나 양극에 공급한 원수(原水)가 한 방향으로만 지나가면서 전기 분해 반응을 하므로 원수가 실제 전기분해 반응하는데 노출되는 시간에 한계가 있다.
(2) 이런 노출 시간의 한계로 산성수의 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH)를 올리는 데 한계가 있다.
(3) 원수의 공급 유량이나 유속 그리고 전극에 공급하는 전원의 세기에 따라 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH) 등이 급격한 변화로 안정적인 산성수를 얻는 데 한계가 있다.
(4) 기존 산성수 전해조로 산성수의 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH)를 높이려면 같은 구성의 산성수 전해조를 직렬이나 병렬로 연결하여 구성해야 하므로 산성수 전해조의 크기가 커진다.
(5) 또한, 이처럼 산성수 전해조가 커지는 만큼 전해조를 설치해야 하는 공간이 커질 뿐만 아니라 유지 보수를 하는 데에도 많은 시간과 비용이 요구된다.
본 발명은 이러한 점을 고려하여 발명한 것으로, 미리 정한 크기의 충전실을 두 개의 서브 충전실로 분리하고, 어느 한쪽의 서브 충전실에 공급한 원수(原水)가 다른 한쪽의 서브 충전실을 통해 직렬 형태로 통과할 수 있도록 구성함으로써, 기존의 산성수 전해조와 비교하여 전극에 공급하는 전원 조건이나 온도 변화 그리고 유속 변화와 상관이 없이 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH)의 변위를 최소화하면서도 고농도의 산성수를 얻을 수 있게 한 산성수 전해조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 이처럼 한쪽으로만 흐르도록 구성한 기존의 충전실에 격벽을 추가하는 간단한 구성을 통해, 원수의 흐름이 "U"자 형태가 되면서 충전실에 머무는 체류 시간을 늘려 결과적으로 전극과의 접촉 시간이 늘어가게 하여 이처럼 여러 조건과 상관없이 고농도의 산성수를 얻을 수 있게 한 산성수 전해조를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존 산성수 전해조의 구성에 격자를 추가 구성하는 것으로, 기존과 같은 크기를 가지면서도 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH)가 높은 고품질의 산화수를 얻을 수 있게 한 산성수 전해조를 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적어도 하나의 이온교환막(111)을 중심으로 분리된 적어도 2개의 충전실(110a,110b)이 구비되고, 각 충전실(110a,110b)에는 각각 입수구(112a,113a)와 출수구(112b,113b)를 가진 본체(100); 상기 충전실(110a)에 설치되는 제1전극(200); 나머지 충전실(110b) 내에 이온교환막(111)과 근접하게 설치되며 제1전극(200)과 다른 극성을 갖는 제2전극(300); 및 상기 각 충전실(110b)에, 제2전극(300)과 같은 극성을 가지면서 이 제2전극(300)과 미리 정해진 간격만큼 떨어지게 설치한 제3전극(300');을 포함하되, 상기 제1전극(200)과 이온교환막(111) 사이에는 격벽(120)을 추가하여 상기 충전실(110a)을 어느 한쪽이 서로 통하도록 두 개의 서브 충전실(110',110")로 나누고, 상기 입수구(112a)로 들어온 물은 이 두 개의 서브 충전실(110',110")을 직렬 형태로 차례로 지나서 출수구(112b)로 나가게 한 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제2전극(300)과 제3전극(300')은 서로 연결되어 동시에 전원이 인가되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이온교환막(111)과 상기 제1전극(200)은 0.1~10.0㎜의 간극(W1)만큼 떨어지게 설치하여 원수가 통과할 수 있도록 그 사이를 충전 공간으로 이용하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 제2전극(300)과 상기 제3전극(300')은 0.1~100.0㎜의 간극(W2)만큼 떨어지게 설치하여 원수가 통과할 수 있도록 그 사이를 충전공간으로 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상술한 산성수 전해조는, 상기 충전실(110a)의 입수구(112a)와 출수구(112b) 사이에, 이온탱크(400)가 구비된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 이온교환막(111)은 불소계 캐치온 교환막인 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 상기 제1 내지 제3전극(200,300,300')은 타공성 백금전극 또는 메쉬 백금 전극인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 산성수 전해조는 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 구조가 간단하면서도 기존 산성수 전해조에서 얻은 산성수보다 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH)가 높은 고품질의 산성수를 얻을 수 있다.
(2) 특히, 기존의 산성수 전해조 구조에서 격벽을 추가하는 간단한 설계 변경을 통해 이처럼 고품질의 산성수를 얻을 수 있다. 이는 기존 산성수 전해조에 대해 격벽을 추가하는 간단한 설계 변경을 통해 고농도의 산성수를 얻을 수 있게 한다.
(3) 그리고, 이처럼 간단한 추가 구성과 비교하여 고농도의 산성수를 얻을 수 있으므로 기존 산성수 전해조와 비교하여 유지 보수 비용도 거의 같게 들이면서 그 결과물로서 고농도의 산성수를 얻을 수 있다.
(4) 또한, 본 발명에 따른 산성수 전해조로 얻은 산성수는 온도 변화나 전원 조건 그리고 물의 유속 등의 영향을 덜 받으면서도 기존 산성수보다 고농도의 산성수를 얻을 수 있다.
[도 1]는 본 발명의 실시예 1에 따른 산성수 전해조의 구성을 보여주기 위하여 개략적으로 그린 도면.
[도 2]는 본 발명의 실시예 1에 따른 산성수 전해조의 내부 구성을 보여주기 위한 분해 사시도.
[도 3]은 본 발명의 실시예 1에 따른 산성수 전해조에서 충전실의 구성을 보여주기 위한 개략도로, (a)는 측면에서 본 형상을 보여주는 그림이고, (b)는 정면에서 본 형상을 보여주는 그림.
[도 4]는 본 발명의 실시예 2에 따른 산성수 전해조의 구성을 보여주기 위하여 개략적으로 그린 도면.
[도 5]는 본 발명의 실시예 3에 따른 산성수 전해조의 구성을 보여주기 위하여 개략적으로 그린 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예 1에 따른 산성수 전해조는, [도 1] 내지 [도 3]과 같이, 전기분해가 이루어지는 본체(100), 본체(100)에 설치되어 전기분해에 필요한 전원을 공급시켜 주기 위해 서로 다른 극성을 갖는 제1 전극(200)과 제2전극(300), 그리고 이들 전극 중 어느 하나와 같은 전극을 가지면서 해당 이온수를 증가시켜 전위차를 높여서 산성산화수나 산성 환원수를 얻을 수 있도록 한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 산성수 전해조는, 전기분해한 이온들이 미리 정해진 공간 내에 충전될 수 있도록 본체(100) 내부에 이온교환막(111)을 설치하여 적어도 2개의 충전실(110a,110b)을 구성하되, 하나의 충전실(110a)를 두 개의 서브 충전실(110',110")로 분리하여 물이 이 두 개의 서브 충전실(110',110")를 직렬로 통과하게 함으로써, 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH) 등이 높은 고농도의 산성수를 얻을 수 있게 한 것이다.
이하,이러한 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본체(100)는 내부에 일정량의 물(원수)을 공급받아 전기분해하기 위한 전해조 본체이다.
이러한 본체(100)는 내부가 빈 중공의 형태로 형성되며, 전기분해한 이온을 분리할 수 있도록 이온교환막(111)을 갖춘다. 이온교환막(111)은 본체(100)의 내부를 적어도 2개의 충전실(110a,110b)로 구획한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 2개로 분리된 것으로 설명하고 있으나 여러 개의 이온교환막(111)을 이용하여 이보다 더 많게 분리하여 구성할 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이러한 이온교환막으로는 불소계 캐치온 교환막(듀퐁사 나피온 117))을 이용할 수 있다.
한편, 상기 각 충전실(110a,110b)에는 전기분해를 위해 원수(물)를 공급받을 수 있게 입수구(112a,113a)와 전기분해한 산성수를 외부로 배출하기 위한 출수구(112b,113b)가 형성된다.
여기서, 상기 충전실(110a,110b)은 2개가 구성된 것으로 설명하고 있으나, 여러 개의 이온교환막(111)으로 여러 개의 충전실로 구획하여 병렬로 연결한 형태로 구성하여 사용할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 충전실(110a)에는 내부에 격벽(120)을 설치하여 그 내부를 두 개의 서브 충전실(110',110")로 나눈다. 이때, 격벽(120)은, [도 2] 및 [도 3]과 같이, 제1전극(200)과 이온교환막(111) 사이에 설치하되 직렬 형태(도면에서 "U"자 흐름)로 유동하게 하여 물이 이 충전실(110a)에 머무는 체류 시간을 늘려 고농도의 산성수를 안정적으로 얻을 수 있게 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상술한 입수구(112a)와 출수구(113b)는, [도 1] 및 [도 3]과 같이, 한쪽 면에 나란하게 설치하여 직렬 형태로 유동하는 물의 유출입이 가능하게 설치한다.
제1전극(200)은 어느 하나의 충전실(110a)에 설치된다. 이때, 제1전극(200)은 이온교환막(111)과의 사이에 미리 정해진 크기의 충전공간을 확보하게 된다.
이를 위하여, 상기 제1전극(200)은 이온교환막(111)과의 간극(W1)을 0.1~10.0㎜이 되도록 충전실(110a)에 설치한다. 이는 간극(W1)이 이보다 넓어 버리면 후술하게 될 제2전극(300)과의 전기분해능이 저하되는 것으로 판단되기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1전극(200)은 충전실이 2개 이상 구성된 본체(100)에 장착하는 경우에는 가장 바깥쪽에 구비된 충전실에 장착하게 된다.
제2전극(300)은 제1전극(200)과 다른 극성을 가지면서 이온교환막(111)과 인접하도록 다른 충전실(110b)에 설치된다.
이때, 제2전극(300)이 설치되는 충전실(110b)이 여러 개를 갖출 때에는 각각의 충전실마다 제2전극(300)을 하나씩 설치한다.
제3전극(300')은 제2전극(300)과 동일한 극성을 가지면서 이 제2전극(300)이 설치된 충전실(110b) 내에 설치된다.
이때, 상기 제3전극(300')은 제2전극(300)과의 사이의 미리 정해진 간극(W2)만큼 떨어지게 설치된다. 이 경우 간극(W2)은 0.1~100.0㎜로 형성하여 그 사이를 이온의 충전공간으로 활용하게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상술한 제1 내지 제3전극(200,300,300')은 타공성 백금전극이나 메쉬 백금 전극을 이용할 수 있다.
[동작]
상술한 본 발명의 실시예 1과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 산성수 전해조의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 본체(100)에는 입수구(112a,113a)를 통해 원수를 공급한다. 이때, 원수는 2개의 입수구(112a,113a) 중에서 어느 하나만을 통해 공급할 수도 있다.
이어, 제1전극(200)에는 양극(+)을 인가하고, 제2전극(300)과 제3전극(300')에는 음극(-)을 인가하게 된다. 이에, 원수의 전기분해가 일어나면서 이온교환막(111) 때문에 양극을 인가한 충전실(110a)에는 OH-이 충전되고, 음극을 인가한 다른 충전실(110b)에는 H+이 충전된다.
이처럼 각 충전실(110a,110b)에 OH-과 H+이 충전되게 되면 이들 이온의 전위차로 인하여 전류가 흐르게 된다. 특히, 제3전극(300')이 설치된 충전실(110b)의 경우 음극(-)성 이온의 증가로 인하여 H+은 H나 H2로 변환될 것으로 생각된다.
이처럼 이온들의 충전으로 인하여 얻어지는 높은 전위차는 일반적으로 사용되는 수돗물뿐만 아니라 전도도가 낮은 순수(RO)나 초순수(DI)를 전기분해하는 데에도 유용하게 사용할 수 있다.
이하, 기존 산성수 전해조와 본 발명의 실시예 1에 따른 산성수 전해조의 물성 변화에 따른 시험 결과는 다음과 같다. 여기서, 비교예는 특허문헌 1에 기재한 기존 산성수 전해조로서 실시예와 달리 격벽이 없는 것이고, 실시예는 상술한 바와 같이 격벽(120)을 추가한 구성을 말한다.
또한, 아래의 물성 값으로는 산화환원준위(ORP)와 용존수소농도(DH) 그리고 pH 각각 전원 조건과 온도 변화 그리고 유속 변화에 따라 측정하였다.
<전원 조건에 따른 물성값 변화>
1. 시험 조건
원수 : 수돗물(전도도 5uS/㎝cm이하, pH7.0, ORP +500㎷, 온도 21℃)
전원 : DC 24V
유속(유량) : 0.35L/min
측정기 : 토아(TOA)사의 계측기
pH : TOA- 21P
ORP : TOA- 21P
DH : TOA DH-35A
2. 시험 결과
실시예의 시험 결과는 다음의 [표 1]로, 비교예의 시험 결과는 다음의 [표 2]와 같다. 이때, 전원은 5.3V~12.2V로 올리면서 전류를 1A~5A로 올리면서 시험하였다.
전원 조건 pH ORP(mV) DH(ppm)
5.3V 1A 6.77 -577 0.82
6.8V 2A 6.81 -586 1.08
8.1V 3A 6.76 -588 1.22
10.2V 4A 6.69 -589 1.33
12.2V 5A 6.71 -579 1.41
전원 조건 pH ORP(mV) DH(ppm)
5.3V 1A 6.77 -544 0.54
6.8V 2A 6.82 -556 0.72
8.1V 3A 6.79 -570 0.81
10.2V 4A 6.66 -574 0.91
12.2V 5A 6.77 -577 1.09
3. 종합
위의 [표 1] 및 [표 2]와 같이, 실시예와 비교예는 모두 전압과 전류의 세기가 세짐에 따라 pH 변화는 거의 없으나, ORP는 작아지고 DH는 커지는 것을 알 수 있다.
특히, ORP의 경우 실시예는 -577~-589(mV)로 그 변화 폭에 큰 차이가 없으나, 비교예는 -544~-577(mV)로 큰 차이를 보였다. 또한, DH의 경우, 실시예는 0.82~1.41(ppm)으로, 비교예가 0.54~1.09(ppm)인 점을 고려하면 비교예 보다 약 30~40% 정도 더 높음을 알 수 있다.
<온도 변화에 따른 물성값 변화>
1. 시험 조건
원수 : 수돗물(전도도 5uS/㎝cm이하, pH7.0, ORP +500㎷, 온도 21℃)
전원 : DC 24V3A
유속(유량) : 0.35L/min
측정기 : 토아(TOA)사의 계측기
pH : TOA- 21P
ORP : TOA- 21P
DH : TOA DH-35A
2. 시험 결과
실시예의 시험 결과는 다음의 [표 3]으로, 비교예의 시험 결과는 다음의 [표 4]와 같다. 이때, 온도는 3~98℃ 범위에서 다음과 같이 측정하였다.2. 시험 결과
실시예의 시험 결과는 다음의 [표 3]으로, 비교예의 시험 결과는 다음의 [표 4]와 같다. 이때, 온도는 3~98℃ 범위에서 다음과 같이 측정하였다.
온도(℃) 3 20 50 60 80 90 98
pH 6.78 6.79 6.72 6.74 6.79 6.77 6.81
ORP(mV) -566 -570 -588 -581 -571 -564 -559
DH(ppm) 1.24 1.22 1.24 1.21 1.04 0.95 0.9
온도(℃) 3 20 50 60 80 90 98
pH 6.81 6.81 6.79 6.69 6.68 6.87 6.85
ORP(mV) -574 -571 -578 -554 -310 -319 -102
DH(ppm) 0.82 0.81 0.82 0.65 0.31 0.31 0.27
3. 종합
위의 [표 3] 및 [표 4]와 같이, 실시예와 비교예는 모두 온도가 올라감에 따라 pH 변화는 거의 없으나, ORP와 DH가 모두 작아짐을 알 수 있다.
특히, ORP에서, 실시예는 온도가 3~50℃ 전후까지는 점차 감소하였다가 다시 커지는 현상을 보이나, 비교예는 온도 변화에 따라 커지고 작아지는 것을 반복하고 저온과 고온에서 큰 차이를 보인다. 그리고, 실시예는 온도 변화에 상관없이 거의 일정한 값을 보이나, 비교예는 중간 온도(50~60℃)를 기준으로 양쪽에서의 차이가 현저하게 달라짐을 알 수 있다.
또한, DH에서, 실시예와 비교예는 모두 작아지나 실시예가 비교예보다 농도가 높음을 알 수 있고, 특히 농노가 낮아지는 폭을 보면 실시예는 약 20~30% 전후로 작아지나, 비교예는 약 50~60% 감소한 것을 알 수 있다.
<유속 변화에 따른 물성값 변화>
1. 시험 조건
원수 : 수돗물(전도도 5uS/㎝cm이하, pH7.0, ORP +500㎷, 온도 21℃)
전원 : DC 24V3A
측정기 : 토아(TOA)사의 계측기
pH : TOA- 21P
ORP : TOA- 21P
DH : TOA DH-35A
2. 시험 결과
실시예의 시험 결과는 다음의 [표 5]으로, 비교예의 시험 결과는 다음의 [표 6]와 같다. 이때, 유량은 0.1(L/min)에서 0.8(L/min)까지 0.1(L/min) 단위만큼 늘리면서 측정하였다.
유속(L/m) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
pH 6.79 6.77 6.81 6.82 6.79 6.77 6.81
ORP(mV) -577 -578 -582 -579 -568 -571 -569
DH(ppm) 1.26 1.24 1.25 1.21 1.17 1.09 1.08
유속(L/m) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
pH 6.77 6.87 6.72 6.74 6.79 6.81 6.75
ORP(mV) -571 -577 -581 -567 -569 -554 -534
DH(ppm) 0.81 0.83 0.81 0.76 0.68 0.66 0.52
3. 종합
위의 [표 5] 및 [표 6]과 같이, 실시예와 비교예는 유속 변화에 따라 pH 변화는 거의 없으나, ORP와 DH가 변화되는 것을 알 수 있다.
하지만, ORP에서, 실시예는 -582~-568(mV)로, 비교예(-581~~534(mV))보다 줄어든 폭이 크지 않음을 알 수 있다. 또한, DH에서도, 기본적으로 비교예보다 실시예가 높음을 알 수 있고, 감소한 폭에서도 실시예는 약 20% 감소하였으나, 비교예는 약 40%로서 실시예의 두 배 정도 감소한 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은, 기존 특허문헌 2의 구성과 비교하여, 온도와 전원 변화 그리고 유량에 상관없이 산화환원준위(ORP)의 변위를 최소화하면서도 고농도의 산성수를 얻을 수 있다.
[실시예 2]
본 발명의 실시예 2에 따른 산성수 전해조는, 실시예 1의 구성과 비교하여, [도 4]와 같이 실시예 1의 본체(100)에 이온탱크(400)를 더 구성한 것이다. 여기서, 실시예 1과 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다.
이온탱크(400)는, [도 4]와 같이, 상기 본체(100)의 입수구(112a)와 출구수(112b) 사이에 설치되며, 제1전극(200)에 의해 충전실(110a) 내에 충전된 이온을 저장해 주는 탱크이다.
여기서, 상기 이온탱크(400)는 충전실(110a)에 장착한 예를 보여주고 있으나, 다른 충전실(110b)에 장착하더라도 동일 유사한 효과를 얻을 수 있음을 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
이에, 본 발명의 실시예 2에 따른 산성수 전해조는, 이 이온탱크(400)에 저장되는 이온량 만큼 비례하게 더 큰 전위차를 발생하게 할 수 있게 되어 그만큼 산화 및 환원력을 높여줄 수 있게 되는 것이다.
[실시예 3]
본 발명의 실시예 3에 따른 산성수 전해조는, [도 5]와 같이, 실시예 1에서 제2전극(300)과 제3전극(300')을 서로 연결하여 동시에 전원공급이 이루어질 수 있게 한 것이다.
이는 제2전극(300) 및 이와 같은 극성을 갖는 다른 하나의 전극(제3전극)을 하나로 연결하여 동일한 세기의 전원을 공급할 수 있게 함으로써, 이들 제2전극(300)과 제3전극(300')에 전원공급이 동시에 이루어지게 되어 이들 전극에 동일한 전위차의 전원공급이 가능하게 하여 표면전극을 안정적으로 확장할 수 있게 한 것이다.
마지막으로, 실시예 3은 실시예 1의 변형 형태로 설명하고 있으나, 이러한 구성은 실시예 2에도 적용할 수 있음을 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 적어도 하나의 이온교환막(111)을 중심으로 분리된 적어도 2개의 충전실(110a,110b)이 구비되고, 각 충전실(110a,110b)에는 각각 입수구(112a,113a)와 출수구(112b,113b)를 가진 본체(100); 상기 충전실(110a)에 설치되는 제1전극(200); 나머지 충전실(110b) 내에 이온교환막(111)과 근접하게 설치되며 제1전극(200)과 다른 극성을 갖는 제2전극(300); 및 상기 각 충전실(110b)에, 제2전극(300)과 같은 극성을 가지면서 이 제2전극(300)과 미리 정해진 간격만큼 떨어지게 설치한 제3전극(300');을 포함하되,
    상기 제1전극(200)과 이온교환막(111) 사이에는 격벽(120)을 추가하여 상기 충전실(110a)을 어느 한쪽이 서로 통하도록 두 개의 서브 충전실(110',110")로 나누고, 상기 입수구(112a)로 들어온 물은 이 두 개의 서브 충전실(110',110")을 직렬 형태로 차례로 지나서 출수구(112b)로 나가게 한 것을 특징으로 하는 산성수 전해조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극(300)과 제3전극(300')은 서로 연결되어 동시에 전원이 인가되도록 구성한 것을 특징으로 하는 산성수 전해조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온교환막(111)과 상기 제1전극(200)은 0.1~10.0㎜의 간극(W1)만큼 떨어지게 설치하여 원수가 통과할 수 있도록 그 사이를 충전 공간으로 이용하는 것을 특징으로 하는 산성수 전해조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극(300)과 상기 제3전극(300')은 0.1~100.0㎜의 간극(W2)만큼 떨어지게 설치하여 원수가 통과할 수 있도록 그 사이를 충전공간으로 이용하는 것을 특징으로 하는 산성수 전해조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전실(110a)의 입수구(112a)와 출수구(112b) 사이에는, 이온탱크(400)가 구비된 것을 특징으로 하는 산성수 전해조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이온교환막(111)은 불소계 캐치온 교환막인 것을 특징으로 하는 산성수 전해조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3전극(200,300,300')은 타공성 백금전극 또는 메쉬 백금 전극인 것을 특징으로 하는 산성수 전해조.
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