KR100523982B1

KR100523982B1 - 전기화학적 살균제 발생기

Info

Publication number: KR100523982B1
Application number: KR10-2002-0083783A
Authority: KR
Inventors: 문상봉
Original assignee: (주)엘켐텍
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2005-10-26
Also published as: KR20040057009A

Abstract

본 발명은, 전기화학적으로 살균제를 발생하는 장치로서, 소금물을 공급받아 염소를 발생시키는 양극실과, 물을 공급받아 가성소다를 발생시키는 음극실과, 및 상기 양극실과 상기 음극실을 분리하는 양이온교환막을 구비한 전해셀과, 상기 양극실로부터 제공되는 염소와 상기 음극실로부터 제공되는 가성소다를 반응시켜 하이포아염소산염을 발생시키는 반응부를 구비한다.

Description

전기화학적 살균제 발생기{Electrolytic disinfectants generator}

본 발명은 상수도, 하수도, 수영장 및 대중 목욕탕등에서 필요한 살균제를 현장에서 소금을 이용하여 대량으로 생성하는 시스템에 관한 것이다.종래의 경우 상수도, 하수도, 수영장 및 목욕탕등에서는 염소(Cl₂) 외에 하이포아염소산염(NaOCl), 하이포아염소산칼슘(CaCOCl ·2H₂O)의 형태로 염소약품 소독을 사용하여 왔으며 최근에는 소금을 이용한 무격막 전기분해 방식이 최근 도입되고 있다.이와 같은 염소가스(Cl₂)는 보관하기가 불편하며, 가스상으로 얻어지고 사용되기 때문에 다루기가 매우 위험할 뿐만 아니라 살균효과도 현저히 낮고, 부식의 문제등 보수-유지가 어려운 점이 문제로 대두되어 왔다.이에 염소가스 대체 약품으로 사용되는 하이포아염소산염(NaOCl), 하이포아염소산칼슘(CaCOCl·2H₂O)은 염소보다는 취급이 용이하지만 가격이 비싸고, 부식등의 문제가 있다.전기분해를 이용한 방법은 격막이 없이 전기분해조에 양극과 음극을 교대로 복수개를 설치하여 전기분해 하는 것으로서, 일반적으로 전기분해 방식을 이용한 방법은 크게 3가지로 대별된다. 첫째는 은이온 발생 장치를 이용하는 방법으로, 이와 관련 되는 특허로는 대한 민국 특허 출원번호 2020020022335(강종석, 은 이온수 생산장치), 2020020021422(천일물산㈜, 은이온수 치아세정기)등이 있다. 둘째는 수돗물을 전기분해하여 강산화수와 환원수를 얻어 이 물을 이용하는 방법으로, 이와 관련되는 특허로는 출원번호 1020027002260(김희정, 살균수 제조장치 및 방법), 0000004613(㈜티엠디, 대용량 전해수 제조 및 살포장치), 2019990029004(㈜보인글로벌, 삼방밸브를 구비한 산화 전해수 생성기), 1019980040446(㈜경우테크, 강전해수 생성장치), 2019980018576(㈜경우테크, 강전해수 생성장치의 ORP센서)등이 있다. 셋째는 소금물을 격막없이 전기분해하여 저농도의 차아염소산을 얻는 방법으로, 이와 같은 방법으로는 2020010027566(SI산업㈜, 치아 염소산의 생성시스템), 019980006792(김명호, 차아염소산의 생성시스템)등이 있다.상기 발명중 첫번째 은이온을 이용하여 살균하는 방법은 고가의 은을 사용하기 때문에 대량의 살균제가 필요로 하는 곳에는 전극 비용으로 인한 경제성 때문에 부적합하다.상기 방법중 둘째방법인 전해산성수를 이용하는 방법은 전해산성수의 발생효율이 20~30%로서 살균제 발생 효율이 매우 낮기 때문에 대량의 살균제가 필요한 경우 대규모 설비가 필요하게 되어 부적합하다.상기 방법중 셋째방법인 무격막 소금물 전기분해 방식역시 차아염소산등의 살균제 발생효율이 50%로 매우 낮고, 최대 염소농도가 0.8%인 시스템으로 대량의 살균제가 필요한 경우 역시 살균제 발생 설비가 대규모로 필요하게 되어 경제성이 없게 되는 문제점이 있다.따라서, 상기 특허들은 살균제 발생효율이 낮아 운전비용 및 설비비 측면에서 경제성이 없어 대량의 살균제가 필요로하는 정수장, 하수처리장, 수영장등에서는 염소계 화학약품이 주로 이용되어 왔다.

대량의 살균제가 요구되는 정수장, 하수처리장, 수영장등의 현장에서 현장 운전원 및 인근 주민 지역의 안전에 위협되는 염소계 화학약품을 사용하지 않으면서, 컴팩트한 공간을 차지하고, 저비용 운전과 저렴한 설비비의 살균제 발생기가 요구된다.

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 양극실과 음극실, 그사이에 양이온 교환막을 설치하여 양극실에는 소금물을, 음극실에는 순수를 공급하여, 양극실에서는 염소가스가 음극실에는 가성소다가 발생하여 전해실 상부에 이들이 혼합하는 공간을 두어 이들 염소가스와 가성소다를 반응시켜 고농도의 유효염소를 만들수 있는 전기화학적 전해셀을 제공한다. 이와 같은 기술에서 양이온 교환막은 일반적으로 불소계 양이온 교환막이다.

첨부한 도면에 의거하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 원리를 나타낸 도면으로, 전해셀(900)은 양극실(200), 음극실(300), 및 막(400)을 구비한다.

양극실(200)에는 소금물(2)이 공급되고 소금은 소듐이온(Na⁺)(9)과 염소이온(Cl^-)(7)으로 전리된다. 이때의 전리되는 반응식은 식1과 같다.

전리된 소듐이온(9)은 전기장하에서 음극(10)으로 이동하며, 염소이온(7)은 양극(20)에서 산화되어 염소(8)가 생성되어 전해셀(900) 외부로 배출된다. 이때의 반응식은 식2와 같다.

이때 양극(20)에서의 염소 발생 효율은 96%이상이며, 발생된 염소는 전해셀내 혼합관(500)으로 양극실 인입라인(4)을 통하여 이동한다.

음극실(300)에는 순수(1)가 공급되고 물은 수소이온(H⁺)과 수산이온(OH^-) 으로 전리되며 이의 전리식은 식3과 같이 표현할 수 있다. 전리된 수소이온(5)은 전기장하에서 음극(10)으로 이동하며 환원되어 식4와 같이 수소(6)가 생성되며, 미반응의 수산이온과 양극실에서 이동한 소듐이온(9)이 반응하여 반응식5와 같이 가성소다가 생성된다.

이때 전극에서의 수소 발생 효율은 99%이상이며, 발생된 가성소다는 혼합관(500)으로 음극실 인입라인(3)을 통하여 이동한다. 이동한 가성소다와 염소는 반응을 하여 반응식6과 같이 유효염소농도 최대10%의 차아염소산 나트륨을 얻을 수 있다.

도 2-가는 본 발명의 단위 전해셀로서 양극실 및 음극실을 분리하는 이온교환막(90), 양극(20)이 배치된 양극실과 음극(10)이 배치된 음극실로 이루어진다.

양극실의 입구(120)를 통하여 4%이상의 소금물을 주입시키면 가해준 전기에너지에 비례해서 양극(20)에서 염소가 생성되고, 발생된 염소는 출구(128)를 통해 배출된다. 가해준 전기에너지는 양극실 외벽(130)으로부터 전기전도체(122)를 지나 양극(20)으로 공급된다. 일반적으로 소금물의 농도 범위는 4%-25%로서, 소금물의 농도 범위가 4%미만의 경우는 전도도가 낮아 전기 분해 시 전압이 상승하여, 에너지 비용이 증가한다. 소금물의 농도 범위가 25%를 넘어서부터는 소금물 중의 소금이 석출되기 시작하여, 소금의 분해 효율이 급격히 감소하여, 소금이 과량으로 소모하게 된다.전기전도체(122)는 양극실 외벽(130)에 용접된 플레이트로서, 플레이트에는 일정크기 원형의 전해질 통로(124)가 있어 전해질의 혼합 기능을 가지며, 또한 동시에 전류 전도체 역할을 한다.

본 발명의 양극(20)은 상기한 양극실의 반응이 원활히 일어날 수 있도록 이에 적합한 촉매를 사용한다. 양극(20)은 티타늄(Ti) 기재(substrate)위에 백금도금 또는 산소발생 촉매인 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등의 산화물을 사용한 수치안정성 전극(DSA)을 주로 사용한다.

전기전도체(122) 재질은 티타늄이나 양극(20)과 같이 티타늄(Ti) 기재(substrate)위에 백금도금 또는 산소발생 촉매인 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등의 산화물을 코팅하여 사용한다.

음극실의 입구(110)를 통하여 물이 공급되면 음극(10)에서 가성소다와 수소가 생성되고, 생성된 수소와 가성소다는 출구(118)를 통해 배출된다. 가한 전기에너지는 양극(20)으로부터, 이온교환막(90), 음극(10), 전기전도체(102)를 통과하여 음극실 외벽(230)으로 이동한다.

전기전도체(102)는 음극실 외벽(230)에 용접된 플레이트이며, 플레이트에는 일정크기 원형의 전해질 통로(112)가 있어 양극실의 경우와 동일하게 전해질의 혼합 기능을 가지며, 또한 동시에 전류 전도체 역할을 한다.

음극(10)은 스테인레스 스틸, 니켈, 마일드 스틸, 티타늄 기재외에 수소 발생촉매 백금 및 그의 산화물을 주로 사용한다.

전기전도체(102) 재질은 음극(10)의 구성 재료와 동일 한 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 이온교환막(90)은 시중에서 판매되고 있는 것으로서 전기분해시스템에 사용가능한 이온교환막은 미국의 듀폰사, 일본의 아사히케미칼사, 아사히 그라스사 등에서 시판하는 불소 및 탄화수소 계열의 이온교환막, 일본 도쿠야마소다사 등에서 생산하는 양이온 및 음이온교환막이 일체형 구조로 되어 있는 복극의 이온교환막등이다.

본 발명의 단위셀들은 도 2-나와 같이 볼트 및 너트(192)를 이용하여 압차 결합된다.

도 3은 본 발명에 따른 양극실의 구조를 나타낸 것으로, 번호는 도 2-가와 같으며, 해당번호와 동일한 기능을 가진다. 194는 도 2-나의 볼트-너트를 체결하기 위한 구멍을 나타낸다.

양극실의 내부와 양극실의 플랜지면(27)과 이온교환막(90)에 밀착된 양극가스켓(37)은 양극실을 실(seal)하게 된다. 음극실의 내부와 음극실의 플랜지면과 이온교환막(90)에 밀착된 음극가스켓(39)은 양극반응실을 실(seal)하게 된다.

도 4는 단위셀(A)을 수개 연결한 것으로, 이들 단위셀(A)은 외부에서 프레싱(Pressing)하여 한 개의 전해스택(100)을 이룬다. 이와 같은 도 4는 대용량의 살균제를 처리하기 위해서 단위셀(A)을 복수개로 설치한 전기분해 스택의 한 예이다. 다수의 셀(A)의 양끝에는 다수의 셀(A)을 밀착시키기 위한 플레이트(5)가 배치된다. 여기서 플레이트(5)는 가이드 로드 또는, 압착 스프링(97)등에 의해 지지된다.

통로(200)는 각각의 전해셀(A)의 양극실로 공급하는 소금물 통로이며 통로(300)는 각각의 전해셀(A)의 음극실로 공급하는 물의 통로이다. 통로(200,300)를 통해서 각각의 단위 셀로 소금물과 물이 각기 공급된다. 전해스택(100)의 각 단위셀(A)의 양극실과 음극실에서 발생한 수소와 가성소다는 혼합관(400)에서 혼합되어 반응이 일어나며, 이때 1%이상의 고농도의 유효염소 살균제가 생성된다. 전해스택(100)의 운전 조건에 따라 최대 10%의 유효염소 농도까지 얻을 수 있다.

도 5는 고농도 유효염소 발생을 나타낸 도면이다.먼저, 소금 저장조(1400)에서 소금(221)을 녹여 소금물 4%로 만든 후 펌프(1920)를 이용하여 전해스택(1100)의 양극실(1110)에 공급하면 부피농도 96%이상의 염소(31)가 얻어지며, 이 염소(31)는 압력차에 의해 반응부(1200)로 이동한다.

물 저장조(1500)에 물(211)을 공급받아 펌프(1910)를 이용하여 전해스택(1100)의 음극실(1120)에 공급하면 20%이상의 가성소다(41)가 생성되어 반응부(1200)로 이동한다.반응부(1200)로 이동한 염소(31)와 가성소다(41)가 반응함으로써 고농도의 유효염소를 가지는 살균제(251)가 얻어진다. 이 살균제(251)는 그대로 사용할 수도 있으나 미반응의 염소가 포함되어 있을 수도 있다. 만약 미반응의 염소성분이 살균제(251)에 포함된 경우에는 다음과 같이 시스템을 구성하여 처리할 수 있다. 반응부(1200)에서 제조된 미반응 염소를 포함한 살균제(251)는 액체-가스분리탑(1300)의 하부로 유입되어 기체(미반응 염소가스)는 액체-가스분리탑(1300)의 상부로 이동하여 액체-가스분리탑(1300)의 패킹층(1310)에 도달하며 액체인 살균제는 중력차에 의해 아래로 분리되어 미반응의 염소가 없는 살균제(271)가 되어 살균제저장조(1600)에 저장된다.

저장된 살균제(271)는 펌프(1700)에 의해 살균이 필요한 공정에 일부 공급하고, 나머지 살균제(281)는 액체-가스분리탑(1300)의 패킹층(1310) 상부로 공급하여 액체-가스분리탑(1300)의 하단부에서 상승하는 미반응 염소가스와 패킹층(1310)에서 중화처리하여 미반응 염소가 없는 살균제(271)로 다시 만들어 살균제저장조(600)로 공급한다.상기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 하는 것으로서 이들 실시예가 본 발명의 기술적 범위를 한정하지는 않는다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 고농도의 살균제를 발생할 수가 있어 살균제가 대량으로 필요한 정수장, 하수장, 대중목욕탕등에 저렴한 설비비용과 운전비용으로 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 원리를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 단위셀을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 양극실을 나타낸 도면,

도 4는 전해스택을 나타낸 도면,

도 5는 고농도 유효염소 발생을 나타낸 도면.

Claims

전기화학적으로 살균제를 발생하는 장치로서,

소금물을 공급받아 염소를 발생시키는 양극실과, 물을 공급받아 가성소다를 발생시키는 음극실과, 및 상기 양극실과 상기 음극실을 분리하는 양이온교환막을 구비한 전해셀과,

상기 양극실로부터 제공되는 염소와 상기 음극실로부터 제공되는 가성소다를 반응시켜 하이포아염소산염을 발생시키는 반응부

를 포함하는 전기화학적 살균제 발생기.
제 1 항에 있어서,

상기 소금물은 4%-25%의 소금물이고, 상기 물은 순수인 것을 특징으로 하는 전기화학적 살균제 발생기.