KR101640592B1 - 용존 수소 음료수의 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가정용에서의 음용에 적합하고, 용존 수소 농도가 높으며, 용존 수소의 수명이 긴 용존 수소 음료수를 제조하는 장치를 제공하는 것을 과제로 한다. 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 용존 수소 음료수 제조장치는, 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수를 공급해서, pH가 2.5 내지 8.5의 범위, 특히 5.8 내지 8.5의 범위이고 용존 수소 농도가 0.1ppm 이상인 음료수를 생성하기 위한 유수형의 전해조를 구비한 용존 수소 음료수 제조장치로서, 상기 전해조는 투수성의 판 형상 애노드 전극을 가진 세로형의 애노드 실과 판 형상 캐소드 전극을 가진 세로형의 캐소드 실로 이루어지고, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실은 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막에 의해 격리되며, 해당 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막에 투수성의 판 형상 애노드 전극을 밀착시켜, 상기 격막과 캐소드 전극 사이의 공간에 이온교환수지를 충전한 구조를 가진 것을 특징으로 한다.

Description

용존 수소 음료수의 제조장치 및 그 제조방법{APPARATUS FOR PRODUCING HYDROGEN-DISSOLVED DRINKING WATER AND PROCESS FOR PRODUCING THE DISSOLVED DRINKING WATER}
본 발명은 수소분자가 용존하는 음료수(이하, "용존 수소 음료수"라 칭함)의 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
인체는 산소분자(O2)를 받아들여, 미토콘드리아에서 음식물 유래의 환원성 물질에 의해 물로 환원시켜, 그때 발생하는 에너지를 이용하고 있다. 이 과정에 있어서, 일부의 산소분자는 활성 산소(O2 -)로 변환된다. 활성 산소는 불안정 물질로, 이 물질을 출발 물질로 해서 하이드록시 라디칼(OH·)이 생성되어 인체의 DNA로부터 전자를 빼앗아 안정화하는 경향이 있다. 하이드록시 라디칼은 DNA를 손상시키고, 동맥 경화를 야기하거나, 암의 발생에 관여하여, 생활 습관병의 하나의 큰 요인으로 되고 있다.
최근, 수소분자가 인체의 활성 산소를 저감시키는 것이 일본의과대학 노인연구소의 오타 시게오 교수로부터 비특허문헌 1에 보고되어 있다. 상기 대학의 연구팀은, 시험관에서 배양한 래트(rat)의 신경 세포로 실험을 행하여, 수소 농도가 1.2ppm인 용액이 활성 산소를 환원하여 무독화하는 것을 확인하였다. 수소는 세포의 핵의 내부에도 간단하게 침입하므로, 유전자를 활성 산소의 공격으로부터 지키는 것도 기대할 수 있다고 한다.
따라서, 수소분자 용존수를 효율적으로 저비용으로 생성하는 기술이 착안되어 있다. 수소분자 용존수의 생성 방법은 이하의 2가지로 크게 나누어진다:
(1) 고압 하에서 수소 가스를 물에 용해시키는 방법;
(2) 전해조를 이용해서 캐소드(cathode) 전해에 의해 직접 물속에 수소분자를 생성하는 방법.
상기 (1)의 수소 가스 용해 방법은 방법으로서는 용이하지만, 위험물용의 압력용기가 필요해져, 간편하지 않고, 고비용으로 된다. 또한, 수소 가스는 위험물이기 때문에, 수소 가스 봄베를 가정에서 사용하는 것은 곤란하다.
가정용으로 저렴하게 수소분자 용존수를 생성하는 장치로서 상기 (2)의 전해법을 이용하는 것이 유망하다. 가정용 전해장치로서는, 종래부터 알칼리 이온 수 생성기가 일반적이다. 알칼리 이온수 생성기는 본래 위산과다증에 대처하기 위해서 수돗물 등을 전해시켜 pH가 7 내지 8.5인 약알칼리수를 생성하는 것을 목적으로 하고 있다. 이 종류의 장치에는, 도 18에 나타낸 바와 같이, 격막(5)에 의해 애노드 전극(anode electrode)(4)을 지니는 애노드 실(1)과 캐소드 전극(9)을 지니는 캐소드 실(6)의 2실로 나눈 2실형 전해장치가 구비되어 있다. 처리하고자 하는 물은, 애노드 실 입구(1)와 캐소드 실 입구(7)로부터 공급되어, 애노드 전극(4) 및 캐소드 전극(9)에서 전해되고, 전해수는 애노드 실 출구(3)와 캐소드 실 출구(8)로부터 배출된다. 이 경우, 격막(5)과 전극(애노드 전극(4), 캐소드 전극(9))이 떨어져 있으므로, 통전하기 위해서는 전해조에 공급하는 물에 전해질이 포함되는 것이 필수적이다. 그러나, 수돗물에는 나트륨 등의 알칼리 금속 이온, 염소 등의 음이온이 100 내지 200ppm 용해되어 있어, 나트륨과 염소가 용해된 수돗물의 경우 이하의 반응이 고려된다.
애노드 전극에 있어서의 반응
Figure 112011035507129-pct00001
Figure 112011035507129-pct00002
캐소드 전극에 있어서의 반응
Figure 112011035507129-pct00003
Figure 112011035507129-pct00004
Figure 112011035507129-pct00005
상기 반응식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 캐소드 실(6)로부터 배출되는 캐소드 전해수에는 수소분자가 용해된 알칼리수가 얻어진다. 생성된 전해수를 음용수로서 사용하기 위해서는 수도법상 pH에 제한이 있어, pH 8.5 이하로 하는 것이 요구된다. 도 18에 나타낸 2실형 전해조를 이용했을 경우, 강전해시키면 pH가 8.5 이상으로 될 가능성이 높아져, 음용에 적합하지 않은 캐소드 전해수가 생성되게 된다. 또, pH를 낮추고자 해서, 전해 전류를 저하시키면, 당연 수소분자 농도가 저하되므로 수소분자의 효과를 기대할 수 없게 된다. 이와 같이 도 18에 나타낸 종래의 2실형 전해조는 용존 수소 음료수의 제조장치로서는 적합하지 않다.
강전해시키기 위해서는, 전도도가 낮은 순수를 이용하는 방법이 고려되지만, 전도도가 낮은 순수를 전해시키는 전해조로서는, 도 19(도 18과 같은 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략함)에 나타낸 2실형 전해조를 이용하는 방법이 고려된다. 이 경우에는, 캐소드 전극과 애노드 전극을 격막에 밀착시킨다. 물을 효율적으로 전해시키기 위하여, 캐소드 전극 및 애노드 전극은, 물이 투과하도록, 망상, 펀칭 메탈(punching metal) 형상 또는 다수의 관통 구멍을 형성할(이하, "투수성"이라 칭한다. 도 19에서는 투수성의 애노드 전극을 (4-1), 투수성의 캐소드 전극을 (9-1)이라 표기한다) 필요가 있다. 또한, 격막으로서 불소계의 양이온교환막을 이용하면, 저전압에서 순수를 전해 가능하게 된다(도 19에서는 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막을 (5-1)이라 표기한다). 순수를 전해시키므로 기본적으로 캐소드 전해수의 pH의 변화는 보여지지 않고, 전해 전류를 증가시키는 것이 가능해진다. 알칼리 금속이온 농도가 ppt 이하인 초순수(ultrapure water)를 전해시킬 경우에는 기본적으로 캐소드 전해수의 pH에 큰 변화는 보여지지 않으므로, 전해 전류를 증가시키는 것이 가능해진다. 그러나, 가정용의 저비용의 전해장치를 대상으로 했을 경우, 수돗물의 순도는 초순수의 순도보다 낮으며, 알칼리 금속 이온 농도가 수 ppm으로 될 경우가 상정된다.
발생하는 수소분자량은 전해 전류에 비례한다. 캐소드 전해수를 음료에 제공할 때 수중에 있어서의 수소분자의 존재 형태가 중요하다. 인체에 적절하게 흡수되기 위해서는 수소분자가 물에 용해되어 있는 것이 필요하다. 생성된 수소분자는 기포 형상의 수소 가스와 용해된 수소분자로 크게 분리된다. 기포 형상의 수소 가스는 신속하게 공기 중에 휘산하여, 인체에 흡수되는 비율이 낮아진다. 용해한 수소분자는, 단분자 형상, 복수의 분자 형상 등으로 물속에서 존재한다. 이러한 상태에서 용존 수소분자의 수명은 길어져, 인체에의 흡수 확률이 향상된다.
동일한 외형 크기의 전극을 이용했을 경우, 캐소드 전해수 중의 발생 수소 농도를 증가시키기 위해서는 전류밀도를 증가시켜 수소발생량을 증가시키는 것이 필요한 것으로 여겨진다. 그러나, 발생한 수소분자가 캐소드 전해수에 용해되는 효율은 전류밀도와 전극표면의 유속에 의존하는 것이 보고되어 있다. 전류밀도가 커짐에 따라서 용해 효율은 저하하는 것이 알려져 있다. 따라서, 최적전류밀도가 존재하게 된다. 또, 용해 효율은 전극 표면의 유속에도 의존하고, 유속이 빠를수록 용해 효율은 큰 것이 알려져 있다. 그러나, 용해 효율이 커져도 유속을 증가시키면 캐소드 전해수의 양이 증가함으로써, 용존 수소분자 농도는 반드시 증가되는 것으로는 되지 않는다. 즉, 유속에 있어서도 최적 유속이 존재하게 된다.
이상의 견지에 의거해서, 순수 등의 고순도수를 이용할 경우, 도 19에 나타낸 바와 같은 불소계 이온교환막(5-1)에 애노드 전극과 캐소드 전극이 밀착된 2실형 전해조가 적합하다. 그러나, 이 경우 전해 생성물을 전해수에 용해시키기 위해서는, 애노드 전극 및 캐소드 전극이 모두 투수성으로 되고 또한 격막인 불소계 이온교환막에 밀착시키는 것이 필요하다. 투수성 전극을 이용하는 것은, 유효면적이 작아지는 것을 의미하고, 유효전류밀도는 커진다. 이것은, 구멍이 없는 동일한 외형 크기의 캐소드 전극의 최적전류와 비교해서 투수성 전극의 최적전류는 작아지는 것을 의미한다. 또한, 투수성 전극을 격막에 밀착시키는 것이 필수적이므로, 전해는 투수성 전극의 구멍의 테두리 부분에서 일어나게 된다. 따라서, 전해를 위한 유효면적은 더욱 좁아진다. 동일한 외형크기의 전해조와 비교해서 투수성 전극을 구비한 전해조의 용존 수소분자 생성량이 저하한다. 비용을 저감시키기 위해서는, 구멍의 면적이 작은 전극을 이용하는 것 및 격막과의 접촉 면적이 작은 구조가 바람직하다.
Nature Medicine Electronic Version 2007/5/8(Published online: 7 May 2007; doi:10. 1038/nm1577)
전술한 바와 같이, 가정용의 용존 수소 음료수를 제조하는 장치로서는, 적합한 것이 없는 것이 현실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 가정용으로, 음용에 적합하고, 용존 수소 농도가 높으며, 용존 수소의 수명이 긴 용존 수소 음료수를 제조하는 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 예의연구를 거듭한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수를 공급해서, pH가 2.5 내지 8.5의 범위, 특히 5.8 내지 8.5의 범위이고 용존 수소 농도가 0.1ppm 이상인 음료수를 생성하기 위한 유수형의 전해조를 구비한 용존 수소 음료수 제조장치로서, 상기 전해조는 투수성의 판 형상 애노드 전극을 가진 세로형의 애노드 실과 판 형상 캐소드 전극을 가진 세로형의 캐소드 실로 이루어지고, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실은 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막에 의해 격리되며, 해당 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막에 투수성의 판 형상 애노드 전극을 밀착시켜, 상기 격막과 캐소드 전극 사이의 공간에 이온교환수지를 충전한 구조를 가진 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치를 요지로 하는 것이다.
본 발명에 의해, 음용에 적합하고, 용존 수소 농도가 높으며, 용존 수소의 수명이 긴 용존 수소 음료수를 제조하는 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 수소함유 음료수제조장치에 이용하는 2실형 전해조의 모식적 단면도;
도 2는 격막으로서 이용하는 이온교환수지막의 상위에 의한 전위구배를 나타낸 모식도로서, (a)는 불소계 양이온교환막 이외의 이온교환막을 격막으로서 이용한 경우의 전위구배를 나타낸 모식도, (b)는 불소계 양이온교환막을 격막으로서 이용한 경우의 전위구배를 나타낸 모식도;
도 3은 본 발명의 수소함유 음료수제조장치에 이용하는 2실형 전해조의 모식적 단면도;
도 4는 본 발명의 수소함유 음료수제조장치에 이용하는 2실형 전해조의 모식적 단면도;
도 5는 수돗물의 정화 시스템을 구비한 본 발명의 용존 수소 음료수 제조장치의 시스템 흐름도;
도 6은 본 발명의 수소함유 음료수제조장치에 이용하는 3실형 전해조의 모식적 단면도;
도 7은 실시예 2의 용해 수소량의 비율과 전류의 관계를 나타낸 그래프;
도 8은 실시예 3의 용존 수소량의 비율과 유속의 관계를 나타낸 그래프;
도 9는 다공질 전극의 평면도;
도 10은 실시예 4의 전해조의 구조와 용존 수소량의 비율의 관계를 나타낸 그래프;
도 11은 실시예 5의 전해조의 구조의 상위에 있어서의 산화환원전위와 시간의 관계를 나타낸 그래프;
도 12는 순환 라인을 구비한 용존 수소 음료수 제조장치의 시스템 흐름도;
도 13은 이온교환수지탑을 구비한 용존 수소 음료수 제조장치의 시스템 흐름도;
도 14는 탈기장치를 구비한 용존 수소 음료수 제조장치의 시스템 흐름도;
도 15는 3실형 전해조를 구비한 용존 수소 음료수 제조장치의 시스템 흐름도;
도 16은 유기산 수용액 공급수단을 구비한 용존 수소 음료수 제조장치의 시스템 흐름도;
도 17은 3실형 전해조를 구비한 용존 수소 음료수의 시스템 흐름도;
도 18은 종래의 2실형 전해조의 모식적 단면도;
도 19는 종래의 2실형 전해조의 모식적 단면도.
도면에 의해 본 발명의 본 발명의 용존 수소 음료수 제조장치를 설명한다.
청구항 제1항에 기재한 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수를 처리해서 pH가 2.5 내지 8.5의 범위, 특히 5.8 내지 8.5의 범위이고 용존 수소 농도가 0.1ppm 이상인 음료수를 생성하는 장치에 이용되는 전해조의 일례를 모식적 단면도로서 도 1에 나타낸다.
도 1에 나타낸 본 발명의 전해조는, 투수성의 판 형상 애노드 전극(4-1)을 가진 세로형의 애노드 실(1)과 판 형상 캐소드 전극(9)을 가진 세로형의 캐소드 실(6)로 이루어지고, 애노드 실과 캐소드 실은 원수를 유입하기 위한 입구(2, 7)와 전해수(이하, "수소수" 또는 "생성수"라 칭할 경우도 있음)를 유출시키는 출구(3, 8)를 구비한 유수형의 2실 전해조이다. 상기 애노드 실(1)과 상기 캐소드 실(6)은 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막(5-1)에 의해 격리되어, 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막에 투수성의 판 형상 애노드 전극(4-1)을 밀착시켜, 상기 격막(5-1)과 캐소드 전극(9) 사이의 공간에 이온교환수지(10)를 충전한 구조를 가진다.
불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막(5-1)에 의해 애노드 실(1)과 캐소드 실(6)의 2실로 칸막이되어 있다. 애노드 전극은 투수성이며, 격막(5-1)에 밀착되어 있다. (도 1에서는 투수성 애노드 전극을 (4-1)로 표시하고 있다). 전극을 투수성으로 하기 위해서는, 망상, 펀칭 메탈 형상의 전극으로 하거나, 판 형상의 전극에 도 9와 같이 복수의 관통 구멍을 형성하면 된다. 캐소드 전극(6)은 격막(5-1)과 대향하는 캐소드 실 벽면에 밀착되어 있고, 캐소드 전극(6)과 격막(5-1) 사이의 공간에는 통수(通水) 가능하게 이온교환수지가 충전되어 있다.
불소계 양이온교환막이란, 폴리테트라플루오로에틸렌 구조를 주체로 하는 막에 설폰산기가 결합된 불소계 고분자 이온교환막이다.
격막으로서 불소계의 양이온교환막을 이용하면 수 10볼트 이하의 저전압에서 순수를 전해시키는 것이 가능한 것이 알려져 있다. 이 이유로서 불소계 양이온교환막 중에서 불소수지의 환경에서 이온교환기인 황산기에 결합하고 있는 수소 이온(H+)이 해리되기 쉬워져, 수소 이온이 캐리어로 되어 전도도 향상에 기여한다. 이 결과로서 저전압에서 순수가 전해 가능해진다. 또한, 강 양이온교환수지 및 강 음이온교환수지에 결합하고 있는 이온교환기 근방의 강전장 하에서 물분자(H2O)가 이하와 같이 가수분해가 촉진되는 것이 알려져 있다.
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이 결과로서, 초순수를 전해시켜도, 캐리어가 발생하므로, 전해가 안정적으로 지속가능하다. 여기에서 애노드 전극과 격막 사이에 간극이 존재하면, 이 간극에서 전압강하가 커져, 전해가 십 수볼트의 저전압에서 진행하지 않으므로, 전극과 격막을 밀착시키는 것이 필요하다. 따라서, 애노드 전극은 격막에 밀착시킬 필요가 있다.
그러나, 캐소드 전극과 격막 사이에 간극이 없으면, 캐소드 전극 표면에 통수하는 것은 불가능하다. 그러나, 이들 사이에 거리를 두면, 이 부분에서 전압강하가 커져, 저전압에서의 전해가 불가능해진다. 그래서, 애노드 전극 및 불소계 양이온교환막에 의해 생성한 캐리어인 수소 이온이 용이하게 이행될 수 있도록 이온교환수지를 충전한다.
불소계 양이온교환막으로부터 공급된 수소 이온에 의해 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 외부전장이 이온교환수지층에 침입한다. 도 2에 모식적으로 전위구배를 나타낸다. 불소계가 아닌 일반적인 폴리프로필렌제 또는 염화비닐제 수지로 만든 막에 이온교환기를 결합한 이온교환막을 이용한 경우에는, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이 전위구배는 전극 표면에 한정되어, 이온교환수지상에서는 전위구배가 작아진다. 그러나, 격막으로서 불소계 양이온교환막을 이용하면, 캐리어가 공급되므로, (b)에 나타낸 바와 같이 전위구배가 이온교환수지상에까지 침입한다. 이 결과, 이온교환수지에 결합한 이온교환기에 전장이 인가되는 것으로 되어, 물의 가수분해가 촉진되어서 캐리어가 생성됨으로써, 저전압에서 전해가 가능해진다.
도 1에 나타낸 바와 같은 본 발명의 구조의 전해조를 이용함으로써, 캐소드 전극 전면(前面)이 이용가능하게 되어, 용존 수소분자 생성량을 높이는 것이 가능해져 비용 저감이 가능하다.
도 1의 전해조의 변형예로서 도 3에 나타낸 전해조를 들 수 있다. 도 3에 나타낸 전해조는, 원수를 캐소드 전극을 거쳐서 공급하고, 전해수를 캐소드 전극을 거쳐서 배출되도록, 캐소드 실 입구(7)와 캐소드 실 출구(8)를 캐소드 전극에 직교하게끔 설치한 것이다. 2실형 전해조에 있어서, 전해 전압을 저하시키기 위해서는, 캐소드 실의 두께를 좁게 하는 것이 필요해진다. 그러나, 두께가 좁아지면, 캐소드 실의 출입구를 얻는 것이 곤란해지는 결점이 있다. 이 경우, 도 3에 나타낸 구조의 전해조를 사용함으로써, 캐소드 실의 두께를 좁히고, 또한 출입구를 용이하게 얻는 것이 가능해진다.
또한, 도 3에 나타낸 전해조의 경우에는, 원수의 공급 및 전해수의 배출을 위하여, 캐소드 전극은 투수성인 것이 필요하다(도 3에는 투수성 캐소드 전극을 (9-1)이라 표시하였다).
도 1 및 도 3에 나타낸 전해조의 결점의 하나는 유량을 증가시키면, 캐리어의 일부가 공급 원수에 의해 제거되어서, 전해 전류가 저감되는 것이다. 이 경우에는, 더욱 대량으로 캐소드 실에 원수를 공급하기 위해서, 도 4에 나타낸 바와 같은 구조의 전해조를 이용하여, 캐소드 실 공급수를 일부 바이패스(by-pass)해서 전해를 행하는 쪽이 최종적으로 이점이 크다.
도 4의 전해조는, 청구항 제1항에 기재된 전해조에 있어서, 이온교환수지와 접하지 않는 면과 캐소드 실 벽면과의 사이에 공간이 생기도록 캐소드 전극을 배치하고, 캐소드 전극을 투수성으로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
도 4에 나타낸 구조의 전해조로 함으로써, 캐소드 실(6)에 공급된 원수가 캐소드 전극의 애노드 전극 측의 표면과 배면의 양면에 유통된다. 이러한 구조를 채용함으로써, 캐소드 실 입구(7)로부터 공급된 원수는, 일부가 이온교환수지(10)의 충전층을 유통하고, 일부는 이온교환수지(10)의 충전층을 경유하지 않고 유통한다. 또한, 원수를 바이패스시킬 경우에는, 캐소드 전극을 투수성으로 함으로써, 캐소드 전극의 표면 측에 원수를 공급시킨다(또한, 도 4에서는 투수성의 캐소드 전극을 (9-1)이라 표시하고 있다).
도 1, 도 3 및 도 4에 나타낸 전해조에 공급하는 원수는, 강전해시키기 위하여, 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수를 이용할 필요가 있지만, 원수로서 수돗물을 이용하는 경우에는, 수돗물에 용존하는 불순물 이온을 필터 시스템에 의해 제거할 필요가 있다. 필터 시스템을 구비한 용존 수소 음료수 제조장치 일례를 도 5에 나타낸다. 불순물 이온을 제거함으로써 캐소드 전해수의 pH를 과잉으로 알칼리성으로 되는 것을 방지할 수 있다. 불순물 이온을 제거하는 필터 시스템으로서는, 실패 필터(string-wound filter)로 이루어진 전치 필터(pre-filter), 정밀 필터 또는 활성탄 필터 혹은 이들을 조합시킨 것을 들 수 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 수돗물은 수돗물 라인(15)으로부터 공급되어, 전치 필터(11), 전치 카본필터(12) 및 정밀 카본 필터(14)에 의해서, 수돗물에 용존하는 불순물 이온이 제거되어서, 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수로 된다. 고순도수는 유량 센서(16)에서 유량을 측정하고, 본 발명의 2실형 전해조의 캐소드 실(6)에 공급된다. 캐소드 실(6)에서 전해된 물은 용존 수소 음료수로서 배출되어 수소수 저장탱크(21)에 저장된다. 수소수 저장탱크(21)에는, 저장된 용존 수소 음료수에 잡균이 번식하는 것을 막기 위해서, 자외선 램프(24) 등의 살균 수단을 설치하는 것이 바람직하다. 수소수 저장탱크(21)에 저장된 용존 수소 음료수는 그대로 음용해도 되지만, 냉온의 수소수를 소망하는 경우에는, 용존 수소 음료수를 냉수소수 탱크(chilling hydrogen water tank)(17)(냉각 수단은 도면에 나타내지 않음)에 저장해서 냉각한 후, 수소수 밸브(18)를 거쳐서, 냉각된 수소수를 공급한다. 따뜻한 수소수를 소망하는 경우에는, 용존 수소 음료수를 온수소수 탱크(warm hydrogen water tank)(22)(가온수단은 도면에 나타내지 않음)에 저장해서 가온한 후, 온수 밸브(23)를 거쳐서, 가온된 수소수를 공급하면 된다.
또한, 이온교환수지탑을 구비함으로써, 칼슘 이온이나 마그네슘 이온에 의한 캐소드 전극의 오염을 방지할 수 있다. 이온교환수지탑 대신에 역침투막 필터(13)를 사용해도 된다.
역침투막 필터를 사용하면, 알칼리 금속 및 알칼리토금속 이온 농도가 대폭 저감되므로, 캐소드 전해수의 pH가 알칼리성으로 될 가능성이 작아진다. 그러나, 중국, 유럽, 미국의 중남부와 같이 경수지역에서는, 역침투막 필터의 성능이 떨어진다. 이와 같이 역침투막 필터의 성능이 떨어지는 지역에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이 애노드 실(1), 중간실(25) 및 캐소드 실(6)로 이루어진 3실형 전해조를 구비한 용존 수소 음료수 제조장치를 이용하여, 중간실에 유기산 수용액을 공급하는 방법이 유효하다. 도 6에 나타낸 3실형 전해조는, 애노드 실(1)과 캐소드 실(6) 사이에 중간실(25)을 설치한 것으로, 애노드 실(1)과 중간실(25) 및 중간실(25)과 캐소드 실(6)은 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막(5-1)에 의해 칸막이되어 있다. 중간실(25)에는 이온교환수지(28)가 충전되어 있다.
중간실에 충전하는 유기산 수용액의 해리도가 작거나, 그 농도가 낮을 경우, 전도도가 낮다면 전해 전압을 크게 하는 것이 필요하다. 그 경우에는 이온교환수지를 충전하여, 기본적으로 순수에서도 전해가 가능한 구조가 유효하다. 단, 유기산 수용액의 농도가 높을 경우에는 이온교환수지를 충전하지 않는다.
중간실(25)에 유기산 수용액을 공급함으로써, 중간실액에서 방출된 수소 이온이 캐소드 실(6)로 이행되어 캐소드 전해수의 pH가 알칼리성으로 되는 것을 방지할 수 있다. 유기산으로서는, 식품첨가물 중에서 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 락트산, 아스코르브산, 구연산, 말산, 글루콘산 및 아세트산 등을 들 수 있다.
본 발명의 용존 수소 음료수 제조장치에 있어서, 캐소드 수의 용존 수소분자 농도를 향상시키기 위해서, 캐소드 전해에 의해 생성된 수소수를 순환시켜 전해시키기 위해서, 생성수용 탱크 및 순환 펌프를 구비한 순환 라인을 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 용존 수소 음료수 제조장치에 있어서, 생성수의 용존 수소 농도를 향상시키는 것을 목적으로 해서, 고순도수의 용존 공기의 농도를 저감시키기 위하여 전해조의 전단에 탈기수단을 설치하는 것이 바람직하다. 탈기수단으로서는, 예를 들어, 중공사 막법(hollow fiber membrane method)을 이용한 탈기장치를 이용한다. 이 방법에서는, 중공사 막 속을 물을 통수시켜, 외측의 공기를 빼내는 것에 의해 탈기를 행한다.
실시예 1
캐소드 전해수의 pH와 도 17에 나타낸 종래의 전해조와 도 1에 나타낸 본 발명의 전해조의 구조의 관계를 확인하였다. 전해조의 전극의 치수는 8㎝×6㎝로 하였다. 격막으로서, 불소계 양이온교환막을 이용하였다. 전극에는 백금 도금 티탄판을 이용하였다. 단, 도 1의 전해조의 애노드 전극에는 도 9에 나타낸 바와 같은 복수의 관통 구멍(3mmφ)을 형성한 투수성 전극을 이용하였다. 또, 도 1의 전해조의 경우 듀퐁사 제품인 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막(5-1)과 캐소드 전극 사이에는 5㎜의 두께로 양이온교환수지(10)를 충전하였다. 원수로서, 수돗물을 역침투막 필터 처리한 물을 사용하였다(전도도: 4μS/㎝).
그러나, 도 17에 나타낸 종래의 2실형 전해조의 경우, 전해질이 없으면 전해가 불가능하므로, 원수에 0.2%의 식염을 첨가하였다. 유량을 0.5ℓ/min, 전해 전류를 5A에 설정하였다. 생성된 캐소드 전해수의 pH를 측정한 바, 도 17의 종래의 2실형 전해조를 이용했을 경우, pH가 10.6으로 되었지만, 본 발명의 도 1의 전해조를 이용한 바, 캐소드 전해수의 pH는 6.8로 중성이어서, 음료수의 기준을 만족하였다.
실시예 2
도 1에 나타낸 구조의 전해조에 있어서 8㎝×6㎝로 전극면적 48㎠이며, 도 9에 나타낸 바와 같은 복수의 관통 구멍(3mmφ)을 형성한 투수성의 애노드 전극 및 캐소드 전극을 이용하였다. 캐소드 전극은 관통 구멍이 없는 백금 도금의 티탄제 평판을 이용하였다. 격막으로서 듀퐁사 제품인 불소계 양이온교환막을 이용하였다. 격막과 캐소드 전극 사이에는 양이온교환수지를 충전하였다. 이온교환수지층의 두께는 5㎜로 하였다. 캐소드 전해수를 0.1미크론의 필터를 통과시켜서 거시적 기포 형상의 수소분자(GH)와 미립자 형상으로 용해된 수소분자(SH)를 분리하였다. SH+GH는 전류로부터 환산한 전해에 의해 생성된 전체 수소량이다. 전류는 0.2A 내지 9.5A 사이에서 변화시켰다. 캐소드 전해실에 공급하는 물은 약 1μS/㎝의 순수였고, 유속은 0.5㎖/min으로 하였다. 캐소드 전해수의 pH는 6.0 내지 6.8이었다. 또한, 용존 수소에 관한 시험 결과를 도 7에 나타낸다.
도 7로부터 명백한 바와 같이, 전류밀도를 증가시키면 발생하는 수소분자 중 용해 성분 SH의 비율이 작아진다.
실시예 3
실시예 2와 마찬가지의 전해조를 이용해서, 캐소드 전해실 내의 유속과 용존 수소분자 농도의 변화를 측정하였다. 전류를 5A에 설정하였다. 캐소드 전해실에 공급하는 물은 약 1μS/㎝의 순수로 하였다. 전류치로부터 환산한 수소분자 농도(SH+GH)와 0.1미크론의 필터를 통과한 캐소드 전해수 중의 용존 수소분자 농도(SH)의 비교(SH/(SH+GH))에 대한 유속의 효과를 플롯(plot)하였다. 이때의 캐소드 전해수의 pH는 6.1 내지 6.7이었다. 용존 수소에 관한 측정데이터를 도 8에 나타낸다. 도 8로부터 명백한 바와 같이 유속을 증가시킴으로써 용존 수소 농도의 비율이 향상된다. 그러나, 전해 전압은 유속 0.1ℓ/min일 때 약 58V이었지만, 1ℓ/min일 때 9V로 되어, 유속과 함께 전해 전압이 상승하는 것을 알 수 있었다.
실시예 4
다음에, 용존 수소분자 농도에 대한 도 19의 구조의 전해조와 도 1 및 도 4에 나타낸 바와 같은 구조의 전해조를 비교하였다. 도 19에 나타낸 전해조의 경우, 애노드 전극 및 캐소드 전극은 투수성인 것을 이용하였다. 도 4에 나타낸 전해조의 경우, 캐소드 전극은 투수성인 것을 이용하였다. 도 1에 나타낸 전해조의 경우, 구멍이 없는 판 형상의 캐소드 전극을 이용하였다. 도 1 및 도 4에 나타낸 전해조의 경우, 캐소드 실에 충전하는 이온교환수지는 불소계 양이온교환수지(상품명: NR50, 주식회사 듀퐁사 제품)를 이용하였다. 투수성의 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 일 실시형태를 도 9에 나타낸다. 즉, 판 형상의 전극에 관통 구멍(30)을 형성하고, 부착용의 구멍(29)을 뚫은 것이다.
공급하는 물은 전도도 4μS/㎝인 것을 이용하여, 전해 전류를 10A로 하고, 유속은 0.5㎖/min으로 하였다. 도 19의 전해조를 이용했을 때의 캐소드 전해수의 pH는 약 8.8이었다. 도 1 및 4의 전해조를 이용했을 경우, pH는 6.5 내지 7.2였다.
도 10에 결과를 나타낸다. 도 10으로부터 명백한 바와 같이 투수성 캐소드 전극과 비교해서 판 형상의 캐소드 전극의 쪽이 용존 수소분자 농도의 비율이 높게 된다. 또한, 투수성 캐소드 전극을 이용해도, 도 19와 비교해서 본 발명의 전해조의 구조가 바람직한 것을 알 수 있다.
실시예 5
도 9에 나타낸 투수성 전극을 구비한 도 1, 도 3 및 도 19의 구조의 전해조를 이용해서 생성한 용존 수소수 농도의 수명을 검토하였다. 원수로서, 수돗물을 역침투막 필터로 처리한 물을 이용하였다(전도도 4μS/㎝). 유량은 0.5ℓ/min으로 하고, 전해 전류를 10A로 하였다. 용존 수소 농도의 수명을 캐소드 전해수의 ORP(oxidation-reduction potential)(백금을 시료극으로 한 산화환원전위)의 변화로 측정하였다. ORP의 시간에 따른 변화가 적을수록 용존 수소 농도의 수명이 길다. 도 11에 ORP의 시간에 따른 변화를 나타낸다. 도 11로부터 명백한 바와 같이 도 1의 구조의 본 발명의 전해조에서 생성한 용존 수소수의 수명이 가장 길어, 도 19의 종래의 2실형 전해조와 비교해서 본 발명의 유효성을 알 수 있다. 도 19의 전해조를 이용한 캐소드 전해수의 pH는 약 8.8이었다. 또, 도 1 또는 도 4를 이용한 캐소드 전해수의 pH는 6.5 내지 7.2였다.
실시예 6
다음에, 실시예 1에서 이용한 도 1의 구조의 전해조를 이용해서 원수를 탈기했을 때의 용존 수소 농도에의 효과를 확인하였다. 수돗물을 원수로서 역침투막 필터 처리를 한 후(전도도 4μS/㎝), 막방식을 이용한 탈기장치를 통과시켰다. 이 처리에 의해 용존 산소 농도가 8ppm으로부터 5ppm으로 저하되었다. 유량은 1ℓ/min으로 하고, 전해 전류를 10A로 하였다. 캐소드 전해수의 ORP에 의거해서 탈기 효과를 평가하였다. 무탈기의 원수를 사용했을 경우, ORP은 525㎷였지만, 탈기 처리를 했을 경우, ORP는 570㎷로 되었다. 이와 같이 용존 수소 농도를 증가시키기 위해서는 탈기 처리는 유효하였다. 이때의 캐소드 전해수의 pH는 약 6.4였다.
실시예 7
이상의 실시예에서는, 순수를 이용했지만, 이 실시예에서는 원수로서 수돗물을 이용하였다. 장치는 도 5에 나타낸 용존 수소 음료수 제조장치를 이용하였다. 원수 처리로서, 전해조의 상류에 전치 필터(11), 전치 카본필터(12) 및 정밀 카본 필터(14)를 이용하였다. 또한, 캐소드 전해에 의해 pH의 알칼리성으로의 이행을 억제하기 위해서 역침투막 필터(13)를 이용하였다. 이와 같이 처리한 원수를 도 1에 나타낸 2실형 전해조에 공급하였다.
실시예 8
본 실시예는 수돗물을 원수로 해서, 음료용의 수소수를 공급하기 위한 가정용 또는 사무소용의 소형의 용존 수소 음료수 제조장치로서, 그 시스템 흐름도를 도 12에 나타낸다. 수돗물은 수돗물 라인(15)으로부터 공급되어, 전치 필터(11), 전치 카본필터(12), 역침투막 필터(13) 및 정밀 카본 필터(14)에 의해서, 수돗물에 용존하는 불순물 이온을 제거해서 전도도 5μS/㎝의 고순도수로 하였다. 고순도수는 유량 센서(16)로 유량을 측정하고, 본 발명의 2실형 전해조의 캐소드 실(6)에 공급하였다. 캐소드 실(6)에서 전해된 수는 용존 수소 음료수로서 배출되어 수소수 저장탱크(21)에 저장하였다.
본 장치에서는, 여과 처리한 물을 수소수 저장탱크(21)에 모아둔 후, 캐소드 실(6)에 수소수를 순환 펌프(33)에 의해 순환시켜서 용존 수소 농도를 증가시킨다. 용존 수소수는 냉수소수 탱크(17) 또는 온수소수 탱크(22)에 옮겨, 차가운 수소수 또는 따뜻한 수소수를 공급할 수 있는 구조이다.
실시예 9
실시예 9는 따뜻한 수소수와 차가운 수소수를 공급하기 위한 소형의 용존 수소 음료수 제조장치이고, 그 시스템 흐름을 도 13에 나타낸다. 도 13에 나타낸 용존 수소 음료수 제조장치가 도 12에 나타낸 용존 수소 음료수 제조장치와 다른 점은, 역침투막 필터(13) 대신에 정밀 필터(34)와 이온교환수지탑(35)을 병용한 점이다.
또, 필터 처리된 온수를 온수 저장탱크(36)에 저장하고, 온수 탱크(36-1)와 온수 밸브(36-2)를 거쳐서 온수를 공급할 수 있도록 하고 있다.
실시예 10
실시예 10은 탈기장치를 구비한 소형의 용존 수소수 제조장치이고, 그 시스템 흐름을 도 14에 나타낸다. 도 14에 나타낸 용존 수소 음료수 제조장치가 도 12에 나타낸 용존 수소제조장치와 다른 점은, 탈기장치(37)를 수소수 저장탱크(21)의 전단에 설치한 것이다. 전치 필터(11), 전치 카본필터(12), 역침투막 필터(13) 및 정밀 카본 필터(14)에 의해 처리된 원수는 탈기장치(37)에서 탈기되어 용존 공기가 저감되어서, 수소수 저장탱크(21)에 저장되고, 순환 펌프(33)에 의해 캐소드 실(6)에 순환시켜 공급되어, 캐소드 전해수의 용존 수소 농도가 상승한다.
실시예 11
본 실시예는, 도 6에 나타낸 본 발명의 3실형 전해조를 예로서 이용한 용존 수소 음료수 제조장치에 관한 것이다. 도 15에 그 시스템 흐름을 나타낸다. 도 15에 나타낸 용존 수소 음료수 제조장치가 도 12에 나타낸 용존 수소제조장치와 다른 점은, 2실형 전해조를 3실형 전해조로 바꾼 것이다. 캐소드 실(6)과 애노드 실(1) 사이에 중간실(25)을 설치하고, 중간실에 이온교환수지를 충전함으로써, 애노드 실(1)에서 생성한 산소 또는 오존 등의 산화성 물질이 캐소드 실(6)로 이행하는 것을 방지할 수 있으므로, 오존 등의 산화성 물질은 수소분자와 반응하여, 수소 농도를 저하시킬 가능성이 있어, 산화성 물질이 캐소드 실로 이행하는 것을 최대한 방지하는 것이 기대된다.
실시예 12
도 16에는 중간실(25)에 락트산 또는 아스코르브산 등의 식품첨가물인 유기산을 첨가함으로써 캐소드 전해수의 pH를 보다 안정적으로 중성으로부터 산성으로 유지하는 것이 용이한 용존 수소수를 제조하는 장치에 관한 시스템 흐름도이다. 도 16에 나타낸 용존 수소 음료수 제조장치가 도 15에 나타낸 용존 수소 음료수 제조장치와 다른 점은, 유기산 수용액을 중간실(25)에 순환 공급하기 위해서, 중간실 액탱크(39)를 설치하여 중간실 탱크 내의 유기산 수용액을 중간실로 순환시키기 위한 중간실 액순환 펌프(38)를 설치한 것이다.
실시예 13
도 16과 마찬가지의 중간실에 유기산 수용액 공급수단을 구비한 용존 수소 음료수 제조장치이지만, 도 17에 나타낸 용존 수소 음료수 제조장치에서는 캐소드 전해수를 순환시키지 않고, 한번의 통수로 캐소드 전해수를 생성하는 제조장치이다. 한번의 통수로 캐소드 전해수를 생성시킴으로써, 용존 수소수의 생성속도를 증가시키는 것이 가능해진다. 물론, 이 경우에는, 순환형과 비교해서 큰 면적을 지닌 전해조를 설치하는 것으로 된다.
음용에 적합하고, 용존 수소 농도가 높으며, 용존 수소의 수명이 긴 용존 수소 음료수를 제조하는 장치를 제공할 수 있으므로, 용존 수소 음료수를 간단하게 섭취할 수 있어, 활성 산소의 폐해의 방지가 기대된다.
1: 애노드 실 2: 애노드 실 입구
3: 애노드 실 출구 4: 애노드 전극
4-1: 투수성 애노드 전극 5: 격막
5-1: 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막
6: 캐소드 실 7: 캐소드 실 입구
8: 캐소드 실 출구 9: 캐소드 전극
9-1: 투수성 캐소드 전극 10: 이온교환수지
11: 전치 필터 12: 전치 카본필터
13: 역침투막 필터 14: 정밀 카본 필터
15: 수돗물 라인 16: 유량 센서
17: 냉수소수 탱크 18: 수소수 밸브
19: 배수 라인 20: 에어 필터
21: 수소수 저장탱크 22: 온수소수 탱크
23: 온수 밸브 24: 자외선 램프
25: 중간실 26: 중간실 입구
27: 중간실 출구 28: 이온교환수지
29: 부착용 관통 구멍 30: 관통 구멍
31: 유량 센서 32: 3방향 전환 밸브
33: 순환 펌프 34: 정밀 필터
35: 이온교환수지탑 36: 온수 저장탱크
36-1: 온수 탱크 36-2: 온수 밸브
37: 탈기장치 38: 중간실 액순환 펌프
39: 중간실 액탱크

Claims (12)

  1. 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수를 공급해서, pH가 2.5 내지 8.5의 범위이고 용존 수소 농도가 0.1ppm 이상인 음료수를 생성하기 위한 유수형의 전해조를 구비한 용존 수소 음료수 제조장치로서, 상기 전해조는 투수성의 판 형상 애노드 전극을 가진 세로형의 애노드 실과 판 형상 캐소드 전극을 가진 세로형의 캐소드 실로 이루어지고, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실은 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막에 의해 격리되며, 해당 불소계 양이온교환막으로 이루어진 격막에 투수성의 판 형상 애노드 전극을 밀착시켜, 상기 격막과 캐소드 전극 사이의 공간에 이온교환수지를 충전한 공간을 통해 격막과 대향하는 캐소드실 벽면에 판 형상 캐소드 전극이 밀착되어 있는 구조를 가지며, 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수를 캐소드 실 내의 격막과 캐소드 전극 사이에 공급하여 전해하는 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전해조는, 캐소드 실과 애노드 실 사이에 중간실을 설치하고, 애노드 실과 중간실 및 캐소드 실과 중간실을 격리하는 격막으로서 불소계 양이온교환막을 이용하며, 중간실에 이온교환수지를 충전한 전해조인 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중간실에 유기산 수용액 공급수단을 설치한 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전해조의 캐소드 실에 있어서, 격막과 캐소드 전극 사이에 충전하는 이온교환수지가 양이온교환수지 또는 양이온교환수지와 음이온교환수지의 혼합물인 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전해조의 캐소드 실에 있어서, 격막과 캐소드 전극 사이에 충전하는 이온교환수지가 불소계 양이온교환수지인 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 용존 수소 음료수 제조장치의 캐소드 실에 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수를 공급하는 단계; 해당 고순도수를 0.1A/㎠ 이상의 전류밀도에서 전해시켜 용존 수소 음료수를 얻는 단계; 및 상기 캐소드 실로부터 상기 용존 수소 음료수를 취출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수의 제조방법.
  7. 제2항에 기재된 용존 수소 음료수 제조장치의 중간실에 유기산 수용액을 유통시키고, 50μS/㎝ 이하의 전도도의 고순도수를 캐소드 실에 공급하여 전해시킴으로써 캐소드 전해수의 pH를 중성으로부터 산성으로 유지하는 것을 가능하게 하는 단계를 포함하는, 용존 수소 음료수의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전해조에 고순도수를 공급하기 위해서, 전해조의 상류 측에 실패 필터(string-wound filter)로 이루어진 전치 필터, 정밀 필터 또는 활성탄 필터 혹은 이들을 조합시킨 필터 시스템을 설치한 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치.
  9. 제1항에 기재된 전해조에 고순도수를 공급하기 위해서, 전해조의 상류 측에 이온교환수지탑 및 역침투막 필터 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두를 설치한 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치.
  10. 제9항에 있어서, 이온교환수지탑 또는 역침투막 필터에의 부하를 저감시키기 위해서, 이온교환수지탑 또는 역침투막 필터의 전단에 실패 필터로 이루어진 전치 필터, 정밀 필터 또는 활성탄 필터 혹은 이들을 조합시킨 필터 시스템을 구비한 것을 특징으로 하는 용존 수소 음료수 제조장치.
  11. 제1항 내지 제5항, 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 기재된 용존 수소 음료수 제조장치에 생성수용 탱크 및 순환 펌프를 구비한 순환 라인을 설치하고, 캐소드 실에서 생성한 물을 순환시켜서 전해시켜, 용존 수소분자 농도를 pH 2.5 내지 8.5의 범위에서 0.1ppm 이상으로 높인 것인 용존 수소 음료수 제조장치.
  12. 제9항 또는 제10항에 기재된 용존 수소 음료수 제조장치에 있어서 고순도수의 용존 공기의 농도를 저감시키기 위해서 전해조의 전단에 탈기수단을 구비한 용존 수소 음료수 제조장치.
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