KR19980081448A - 산성수 및 알칼리수 생산용 전해조 - Google Patents

Abstract

산성수 및 알칼리수를 생산하기 위한 전해조를 개시한다. 최소한의 전기를 사용하여 소정의 산성수 및 알칼리수를 제조하는 데 필요한 최소량이 공급되는 초순수를 사용하여 양호하게 균형 잡힌 비율로 고순도의 산성수 및 고순도의 알칼리수를 생산한다. 전해조는 양극 쳄버(6) 및 제 1 이온 교환막(5)에 의해 분리되는 보조 음극 쳄버(7)를 구비하는 전해 산성수 생산 유니트(3)와, 음극 쳄버(10) 및 제 2 이온 교환막(8)에 의해 분리되는 보조 양극 쳄버(9)를 구비하는 전해 알칼리수 생산 유니트(4)를 포함한다. 독립적으로 제어 가능한 전원 공급원은 또한 두 장치의 각각으로 전원을 공급하도록 제공된다. 순수(純水)의 공급량 및 사용된 전기량은 소정량의 산성수 및 알칼리수에 따라서 변경될 수 있다. 따라서, 초순수 및 전력의 비경제적인 소모를 회피할 수 있다.

Description

산성수 및 알칼리수 생산용 전해조

본 발명은 모두 금속으로 오염되지 않은 고순도의 산성수(acidic water) 및/또는 알칼리수(alkaline water)를 생산하는 전해조에 관한 것이다. 따라서 이와 같이 하여 생산된 고순도의 산성수 및/또는 알칼리수는, 예를 들어 반도체 및 액정 등과 같은 세정 장치용으로 적합하다.

전자 장치를 생산하고 세정하는 데 있어서, 매체는 특히 이와 같은 목적으로 종래에는, 예를 들어 황산, 불산, 과산화수소 및 염화수산 등을 사용하였다. 상기한 세정 매체는 적용하고자 하는 응용 분야에 따라서 적합하게 계속 사용되고 있다. 그러나, 상기한 세정 매체는 화학 공정을 거쳐서 생산되는 생산물을 특별히 정제하여 얻는다. 정제 공정은 복잡한데, 이는 예를 들어 생산 중에 사용된 촉매 등에서 화학적 생산품 내로 도입되는 금속 성분을 제거하는 단계를 포함하기 때문이다. 따라서, 정제된 생산품을 비싸지게 된다. 또한, 정제 공정을 조심스럽게 수행한다고 해도, 이렇게 정제된 생산품이 전자 장치의 진보에 의해 요구되는 허용 가능한 불순물 순도의 감소를 항상 만족시키지는 못한다. 따라서, 새로운 대체 방안이 필요하게 되었다.

이와 같은 대체 방안 중의 하나는, 오존 처리수를 사용하는 것이다. 특히, 전해에 의해 생산된 고농도의 오존 처리수는, 예를 들어 전자 장치의 세정에 대단히 효율적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 어떤 경우에는 오존 처리수 만을 사용하는 것으로 불충분하며, 예를 들어 산화 기능과, 환원 기능과 같은 오존 처리수가 가지지 못한 하나 또는 그 이상의 기능을 가지고, 또한 금속성의 요소를 포함하지 않는 처리 액체에 대한 점증하는 요구가 있었다.

이와 같은 처리 액체 중에는 이른바 산성수 또는 초산성수(ultra-acidic water)가 있다. 산성수는 일반적으로 pH 3 또는 그 이하이며, 산화 환원 전위(ORP: oxidation-reduction potential)는 1.2 V 또는 그 이상이며, 그러므로 산화능을 가진다. 그 결과, 산성수는 예를 들어, 유기물을 분해하거나, 내부의 금속성 침전물을 용해하여 불순물을 제거하는 것과 같은 효과를 가지며, 또한 전자 장치의 세정 등에도 사용할 수 있게 되었다.

전해조 내의 산성수의 생산과 동시에, pH 10 또는 그 이상 및 ORP가 0 V 또는 그 이하인 알칼리수도 전해조의 음극 쳄버 내에서 부산물의 형태로 생산된다. 세정 등에 이 알칼리수를 이용하는 것은 실제적인 사용 단계에 도달하였다.

상기한 변형된 산성수 및 알칼리수(전해 활성수 또는 전해 이온수)는 예를 들어 고순도의 산, 알칼리, 및 과산화수소 등과 같은 시약과 같은 정도의 세정 효과를 가진다. 전해 활성수는 현저하게 비용이 적게 들기 때문에, 상당히 큰 비용 감소를 이룰 수 있다.

산성수 및 알칼리수의 전해 생산에서, 두 쳄버형의 전해조가 일반적으로 사용되며, 이는 다이아프램으로 기능하는 이온 교환막을 가지는 양극 쳄버 및 음극 쳄버로 분리되어 있다. 상기한 형태의 전해조를 사용하여 전해를 수행하기 위해서는, 적합한 지지 전해질을 전해액에 첨가하여 이온 전도성을 부여한다. 하지만, 세정수는 따라서 대부분 내부에 남아 있는 전해질을 포함하거나 또는 전해액에 의해 전해조 본체의 내벽을 구성하는 재료의 용해를 초래하는 금속 이온 및 입자로 오염된 채로 생산된다. 만약에 이와 같이 오염된 세정수를 반도체나 액정 등과 같은 전자 장치를 세정하는데 사용한다면, 세정액 내의 금속 이온 및 다른 오염물이 반도체의 표면에 부착되며 또한 이와 같은 부착된 불순물은 절연 파괴와 같은 문제점을 발생시킨다.

따라서, 예를 들어 전자 장치의 세정과 같은 것에 사용하기 위한 고순도의 산성수 및 알칼리수를 생산하기 위해서는, 전해는 내부에 용해된 전해질을 포함하지 않은 전해액을 사용하고 이온 교환막을 사용하여 수행하여 막 자체가 고체 전해질처럼 기능하도록 한다. 이 방법에서, 초순수(超純水)는 양극액 및 음극액으로 사용되며, 공급 원료로 사용되는 양극액 및 음극액 내로 및 산성수 및 알칼리수 내로 불순물이 거의 도입되지 않는 것이 따라서 생산된다. 즉, 소정의 고순도의 산성수 및 알칼리수를 생산할 수 있게 된다.

상술한 전해에서, 양극 쳄버에서의 산성수(양극수: anode water)를 생산하는 효율 및 음극 쳄버에서의 알칼리수(음극수: cathode water)를 생산하는 효율은 공급 원료수의 종류 및 전극 촉매의 종류, 및 전류 밀도를 포함하는 전해 조건 등에 따라서 변한다. 또한, 산성수 및 알칼리수의 소정량은 의도하는 목적에 따라 변한다. 따라서, 단일 전해조(두 쳄버 또는 세 쳄버 전해조의 어떤 것이라도)가 동시에 산성수 및 알칼리수를 산출하는 경우, 둘 중 하나는 너무 많이 생산되는 경향이 있으며 따라서 경비가 증가한다. 산성수 및 알칼리수를 원하는 만큼 생산량을 적합하게 제어하는 것이 바람직하기는 하지만, 이와 같은 제어는 사실상 종래 장치에서 불가능하다.

고순도의 산성수 및 고순도의 알칼리수를 생산하기 위해 사용되는 종래의 전해조에서, 전해는 양극측 및 음극측에 단일 전해조에 물, 특히 초순수를 첨가하면서 수행되고, 따라서 단일 전해조 내에서 산성수 및 알칼리수를 동시에 얻는다. 이 기술은 일반적으로 알칼리수를 과도하게 산출하며, 과도한 알칼리수는 버려지게 된다. 그러나, 초순수가, 특히 전해액으로 사용되는 경우, 과잉의 생산물을 버리는 것은 매우 비경제적인데, 이는 초순수 자체가 매우 비싸고 또한 동일한 것을 생산하는데 시간이 필요하기 때문이다.

또한, 상술한 종래의 전해조는 비록 매우 적은 양이지만, 이온 교환막을 통해서 대향하는 전극측으로 전극 재료가 이동하여 순도가 감소된 전해수를 얻게 된다는 하는 해결되어지지 않은 문제점이 있다. 상기한 전극 재료의 용해가 대략 최대 몇십 ppb 정도로 발생하기 때문에, 이들과의 오염은 공급 원료수가 이온 교환수가 사용된 정도와 동일한 수준의 순도를 가지는 보통의 응용에서는 아무런 문제도 발생시키지 않는다. 그러나, 전극 재료와의 오염은 전자 장치의 세정용 산성수 또는 알칼리수에 대해서는 허용 가능한 불순물 수준을 초과한다.

따라서 본 발명의 목적은 종래 기술에 대한 상술한 문제점을 해결하는 산성수 및 알칼리수를 생산하기에 적합한 전해조, 즉 적절한 균형을 양자 사이에서 유지하면서 초순수를 전해하여 각각의 원하는 양 만큼의 산성수 및 알칼리수를 생산할 수 있는 전해조를 제공하는 것이며, 따라서 과잉의 생산물을 폐기하지 않고도 효과적으로 전체 전해수의 생산이 가능하며, 또한 전극 재료의 용해에 의해 초래되는 오염을 최소화하는 효과가 있다.

본 발명의 상술한 목적은 초순수의 전해에 의해서 양극을 포함하는 양극 쳄버에서는 산성수를, 음극을 포함하는 음극 쳄버에서는 알칼리수를 생산하기 위한 전해조에 관한 것으로, 상기 전해조는 양극 쳄버와, 제 1 이온 교환막에 의해 분리되는 보조 음극을 포함하는 보조 음극 쳄버를 구비하는 전해 산성수 생산 유니트와, 음극 쳄버와, 제 2 이온 교환막에 의해 분리되는 보조 양극을 포함하는 보조 양극 쳄버를 구비하는 전해 알칼리수 생산 유니트와, 상기 전해 산성수 생산 유니트와 상기 전해 알칼리수 생산 유니트의 각각에 전력을 공급하기 위한 독립적으로 제어 가능한 전원 공급원을 구비한다. 이 전해조는 두 쳄버형 또는 세 쳄버형 전해조의 어떤 것으로도 구성될 수 있다.

본 발명의 전해조의 독특한 특징은 산성수의 생산 및 알칼리수의 생산에 필요한 전원 공급원가 독립적으로 제어된다는 점이다. 이는 산성수 및 알칼리수의 생산에 사용되는 전기량이 각각 최적의 값으로 독립적으로 유지 가능하게 한다. 다른 말로 하자면, 전해조는 산성수가 생산되는 전해 산성수 생산 유니트와 알칼리수가 생산되는 전해 알칼리수 생산 유니트를 구비한다. 양극 쳄버에서 원하는 고순도의 산성수가 생산되는 전해 산성수 생산 유니트에서, 초순수는 단지 양극 쳄버에만 공급된다. 또한, 상기 장치의 전원 공급원은 원하는 양 만큼의 산성수를 얻기 위해서 필요한 양 만큼만 전류를 공급하도록 제어된다. 음극 쳄버에서 원하는 고순도의 알칼리수가 생산되는 전해 알칼리수 생산 유니트에서, 초순수는 단지 음극 쳄버에만 공급된다. 또한, 상기 장치의 전원 공급원은 원하는 양 만큼의 알칼리수를 얻기 위해서 필요한 양 만큼의 전류를 공급하도록 제어된다.

따라서, 초순수는 소정량의 고순도의 산성수 및 알칼리수를 생산할 수 있을 만큼의 최소량만 공급된다.

본 발명의 장치는 두 쳄버형 전해조 또는 세 쳄버형 전해조의 어떤 것이라도 좋다. 본 발명의 장치가 두 쳄버형 전해조로 구성되는 경우, 산성수를 생산하기 위한 제 1 전해조와 알칼리수를 생산하기 위한 제 2 전해조를 구비하게 된다. 상기한 두 구성 요소의 전해조는 독립적으로 배치될 수도 있으며, 또는 두 구성 요소의 전해조가 격벽에 의해 분리되는 다전극 전해조를 구성하도록 일체로 될 수도 있다. 제 1 전해조의 음극 쳄버와 제 2 전해조의 양극 쳄버는 각각 보조 음극 쳄버 및 보조 양극 쳄버로 기능한다. 보조 전극 쳄버로 초순수를 공급하는 것이 바람직하지만, 상대적으로 값싼, 예를 들면, 이온 교환수나 다른 순도가 거의 동등한 물(水)을 보조 전극 쳄버로 공급할 수도 있다. 그 이유는 상기한 쳄버가 고순도의 산성수 및 알칼리수를 생산하는데 사용되지 않기 때문이다. 다전극 전해조를 구성하는 제 1 전해조 및 제 2 전해조가 독립적으로 또는 일체로 배치되든가의 여부와 무관하게, 불필요한 에너지의 낭비를 회피하기 위해서 동일 전위로 유지하도록 보조 음극 쳄버의 음극과 보조 양극 쳄버의 양극을 제어하는 것이 바람직하다.

두 쳄버형 전해조에서, 전해액을 전해 산성수 생산 유니트의 보조 음극 쳄버로제공할 필요는 없다. 이는 양극 쳄버에서 음극 쳄버로 물이 이동하면서, 양이온 양의 몇 배까지(몰(mole) 단위로)의 양의 양이온이 침투하기 때문이다. 물을 보조 음극 쳄버로 공급하는 경우에서, 물은 초순수일 필요는 없으며 상대적으로 값싼, 예를 들면 이온 교환수 또는 다른 순도에서 거의 동등한 물이라도 좋다. 또한, 전해 알칼리수 생산 유니트의 보조 양극 쳄버에도 초순수를 공급하지 않아도 좋다.

전해 산성수 생산 유니트의 양극과 보조 음극 쳄버의 음극을 통해서 소정량의 산성수에 대응하는 양의 전류를 흘리고, 전해 산성수 생산 유니트의 양극 쳄버로 소정량의 산성수에 필요한 최소량의 초순수를 공급하면서 전해가 수행된다. 그 결과, 초순수 및 전력을 소모하지 않고도 양극 쳄버에서 소정량 만큼만 산성수가 생산된다. 알칼리수도 동일한 방식으로 생산된다. 즉, 상응하는 계산되는 양을 전해 알칼리수 생산 유니트로 전기 및 초순수를 공급하면서 전해를 수행하고, 따라서 초순수 및 전력을 소모하지 않고도 소정량 만큼만 전해 알칼리수 생산 장이의 음극 쳄버에서 알칼리수를 생산한다.

본 발명의 전해조가 세 쳄버형 전해조로 구성되는 경우, 상술한 바와 같이 보조 음극 쳄버 및 보조 양극 쳄버로 기능하는 중간 쳄버가 산성수 생산용 양극 쳄버와 알칼리수 생산용 음극 쳄버 사이에 배치된다. 종래의 두 쳄버형 전해조는 양극액에 용해되는 양극 재료가 양이온 교환막을 통과하는 양이온의 침투에 동반하여 물의 이동에 의해 음극 쳄버로 도입된다고 하는 문제점이 있다. 그러나 세 쳄버형 전해조에서는 매우 작은 양의 양극 재료가 중간 쳄버로 도입된다고 하는 경우에도, 양극 재료가 양이온 교환막을 지나서 음극 쳄버로는 거의 이동하지 않는다. 이는, 또한, 음극 쳄버에서 생산되는 알칼리수가 오염되는 것을 방지한다. 중간 쳄버는 소정의 산성수 및 알칼리수를 생산하는데는 직접적으로 관여하지는 않으며, 내부에서 전해 반응의 수행에는 불필요하다. 그것보다는, 내부에서 전해 반응이 발생하는 것을 방지하고 따라서 불필요한 물질의 발생을 방지하도록 중간 쳄버의 양극 및 음극을 동일 전위로 유지하도록 제어하는 것이 바람직하다. 전해 반응이 중간 쳄버에서는 일어나지 않기 때문에, 불필요한 이온이 생성되지 않으며 따라서 이온 교환막을 침투하는 이온의 양이 증가되지 않는다. 그러므로, 이온 교환막의 오염이 방지된다.

상기한 세 쳄버형 전해조에서, 전해는 또한 양극 쳄버의 양극과 중간 쳄버의 보조 음극을 통해서, 및 중간 쳄버의 보조 양극과 음극 쳄버의 음극을 통해서 소정량의 산성수 및 알칼리수에 상당하는 양으로 전류를 흘리면서 수행된다. 전해는 또한 소정량의 산성수 및 알칼리수를 생산하는데 필요한 각각의 최소량 만큼의 초순수를 양극 쳄버 및 음극 쳄버로 공급하면서 수행된다. 그 결과, 양극 쳄버 및 음극 쳄버에서 초순수 및 전력을 소모하지 않고도 각각의 소정량 만큼만의 산성수 및 알칼리수가 생산된다. 중간 쳄버에 이온 교환수를 공급할 수도 있다.

본 발명에서, 다양한 저항 특성이 우수한 과불화 탄소(perfluorocarbon) 양이온 교환막을 양극 쳄버와, 음극 쳄버로 또는 양극 쳄버와, 중간 쳄버와, 음극 쳄버로 전해조를 분할하기 위해서 칸막이로 사용하는 것이 바람직하다. 과불화 탄소 양이온 교환막은 두 가지 종류, 즉 술폰산염형 과불환 탄소 양이온 교환막과 카르복실화된 형태의 과불화 탄소 양이온 교환막으로 분류된다. 상기한 양이온 교환막은 매우 높은 저항을 가지고 있기 때문에, 안정한 전해 작업이 가능하다. 그러나, 본 발명에서는 이온 교환막을 부식시키는 물질이 산성수 및 알칼리수를 제외하고는 생산되지 않기 때문에, 경제적인 관점에서 보았을 때 부식 저항은 약간 떨어지지만 값이 싼 탄화수소형 양이온 교환막을 사용할 수도 있다.

산성수 생산용으로 양극 쳄버에서 사용된 양극은 산성수를 생산하는 중에 양극액으로 용해되지 않는 양극 재료로 코팅되는 것이 바람직하다. 양극 재료의 예로서는 백금, 루테늄, 이리듐, 로듐, 팔라듐 및 오스뮴 등과 같은 백금 계열 금속과, 산화 루테늄과 산화 이리듐과 같은 백금 계열 금속의 산화물이 있다. 알칼리수 생산용으로 음극 쳄버에서 사용된 음극은 음극 재료로 백금 또는 산화 루테늄을 채택하는 것이 바람직하다. 상기한 물질은, 음극 재료로 사용되었을 때, 극단적으로 감소된 전해액의 소모를 나타낸다. 상기한 물질이 낮은 과전압을 가지기 때문에, 이들의 사용은 감소된 전압에서소 효과적으로 전해를 수행할 수 있다. 스테인레스 스틸과, 니켈 또는 티타늄 등과 같은 금속을, 예를 들어 백금 또는 산화 루테늄 대신에 음극으로 사용한다면, 전해 전압과 전력 비용을 증가시키게 되는 과전압의 증가를 초래할 뿐만 아니라, 또한 음극이 전해에 의해서 상당히 소모되어 금속 이온을 방출하고 따라서 이들이 도입된 알칼리수가 제조되게 된다. 이렇게 해서 생산된 알칼리수를 반도체 또는 액정 등을 세정하는데 사용하면 금속 이온에 의한 절연 파괴 위험이 증가된다.

음극 집전기는, 사용한다면 지르코늄으로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 지르코늄이 아니라 스테인레스 스틸이나 니켈로 형성된 집전기는 음극액 내에서 적지 않게 용해되지 않고, 또한 이와 같은 집전기를 사용하여 얻어진 알칼리수는 반도체 장치의 세정에 사용하기에 부적합하기 때문이다.

보조 양극 쳄버, 보조 음극 쳄버 또는 중간 체버에 사용되는 전극은 촉매 특성이 물의 정상적인 전해를 일으키기에 충분한 것이 바람직한데, 그 이유는 이런 전극은 산성수 또는 알칼리수의 생산에 관여하지 않기 때문이다. 상기한 쳄버용으로 적합한 전극을 선택하기 위해서는, 생산될 산성수 및 알칼리수를 오염시키지 않는 특성이 촉매 작용의 성능 보다 더 중요하다. 예를 들어, 백금 계열의 금속 또는 이들의 산화물, 예를 들어 백금, 산화 이리듐, 또는 산화 루테늄을 구비하는 전극이 보조 양극 쳄버 또는 중간 쳄버의 음극으로 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 이들의 용해는 단지 음이온만을 생성할 뿐이며, 이는 보조 양극 쳄버 또는 중간 쳄버와 알칼리수 생산용 음극 쳄버 사이에 배치된 양이온 교환막을 거의 침투하지 않는다. 따라서, 음극 쳄버 내의 알칼리수가 오염에서 보호된다.

상술한 바와 같이, 전해 산성수 생산 유니트의 양극 및 보조 음극을 통해서 흐르는 전류와, 전해 알칼리수 생산 유니트의 보조 양극 및 음극을 통해서 흐르는 전류는 독립적으로 제어 가능하다. 하나의 DC 전원 공급원을 사용하여 상기 두 전류 흐름을 독립적으로 제어할 수도 있고, 독립적인 전원 공급원을 사용할 수도 있다. 후자의 경우, 양극액용의 전원 공급원와 음극액용의 전원 공급원은 각각 항상 마이너스와 플러스가 되도록 제어하여 동일 전위를 가지는 중간 쳄버 또는 어떤 지점이 접지될 수 있도록 한다. 이 장치는 전체적으로 전압이 낮다는 점에서 유리하다. 추가하여, 상업적으로 입수 가능한 전원 공급원을 조합하여 사용하는 것도 용이하다. 따라서, 경비 절감이 얻어진다.

이렇게 하여 생산된 산성수와 알칼리수가 불순물로 작은 양의 양이온과 음이온을 포함하는 경우가 있다. 이와 같은 양이온의 또는 음이온의 불순물은 본 발명에 따라 얻어진 산성수 또는 알칼리수를 양이온 수지 또는 음이온 수지로 충진되고 전해조의 외측에 설치된 컬럼(column)을 통과시켜 제거할 수 있으며, 따라서 보다 높은 순도의 산성수 또는 알칼리수를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 두 쳄버형 다전극 전해조의 한 실시예를 도시하는 개념적인 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 세 쳄버형 다전극 전해조의 한 실시예를 도시하는 개념적인 종단면도.

도 1 및 도 2 에서 참조부호에 의해 판별되는 구성 요소는 다음과 같다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 전해조 본체 2 : 격벽

3 : 전해 산성수 생산 유니트 4 : 전해 알칼리수 생산 유니트

5 : 제 1 양이온 교환막 6 : 양극 쳄버

7 : 보조 음극 쳄버 8 : 제 2 양이온 교환막

9 : 보조 양극 쳄버 10 : 음극 쳄버

11 : 양극 12 : 보조 음극

13 : 보조 양극 14 : 음극

15 : 양극액 입구 16 : 양극액 출구

17 : 보조 음극액 입구 18 : 보조 음극액 출구

19 : 보조 양극액 입구 20 : 보조 양극액 출구

21 : 음극액 입구 22 : 음극액 출구

23 : 제 1 전원 공급원 24 : 제 2 전원 공급원

31 : 전해조 본체 32 : 제 1 양이온 교환막

33 : 제 2 양이온 교환막 34 : 양극 쳄버

35 : 중간 쳄버 36 : 음극 쳄버

37 : 스페이서 38 : 양극

39 : 보조 음극 40 : 보조 양극

41 : 음극 42 : 양극액 입구

43 : 양극액 출구 44 : 중간 쳄버 전해액 입구

45 : 중간 쳄버 전해액 출구 46 : 음극액 입구

47 : 음극액 출구 48 : 제 1 전원 공급원

49 : 제 2 전원 공급원

도 1은 본 발명에 따른 두 쳄버형 다전극 전해조의 한 실시예를 도시하는 개념적인 종단면도이다.

전해조 본체(1)는 격벽(2)에 의해 전해 산성수 생산 유니트(3)와 전해 알칼리수 생산 유니트(4)로 분할된다. 전해 산성수 생산 유니트(3)는 제 1 양이온 교환막(6)에 의해 양극 쳄버(6)와 보조 음극 쳄버(7)로 분할되며, 한편 전해 알칼리수 생산 유니트(4)는 제 2 양이온 교환막(8)에 의해 보조 양극 쳄버(9)와 음극 쳄버(10)로 분할된다. 제 1 양이온 교환막(5)은 다공성 난용성 재료를 구비하는 양극(11)과 다공성 백금을 구비하는 보조 음극(12)을 가지며; 양극(11) 및 보조 음극(12)은 각각 양극 쳄버측 및 보조 음극 쳄버측 상에서 막(5)과 밀접하게 접촉하고 있다. 제 2 양이온 교환막(8)은 다공성 난용성 재료를 구비하는 보조 양극(13)과 다공성 백금을 구비하는 음극(14)을 가지며; 보조 양극(13) 및 음극(14)은 각각 보조 양극 쳄버측 및 음극 쳄버측 상에서 막(8)과 밀접하게 접촉하고 있다.

양극 쳄버(6)와, 보조 음극 쳄버(7)와, 보조 양극 쳄버(9)와, 음극 쳄버(10)는 각각 각 쳄버의 바닥판과 상부판 상에 형성된 양극액 입구(15)와 양극액 출구(16)와, 보조 음극액 입구(17)와 보조 음극액 출구(18)와, 보조 양극액 입구(19)와 보조 양극액 출구(20)와, 음극액 입구(21)와 음극액 출구(22)를 가진다. 또한, 제 1 전원 공급원(23)가 양극(11)과 보조 음극(12)에 연결되는 한편, 제 2 전원 공급원(24)는 보조 양극(13) 및 음극(14)에 연결된다. 보조 음극(12) 및 보조 양극(13)은 서로 리드 와이어(lead wire)에 의해 연결되어 동일 전위로 유지된다.

상술한 구조를 가지는 전해조 본체(1)에서 고순도의 산성수 및 알칼리수를 생산하기 위해서는, 전해를 개시하기 전에 소정의 산성수 및 알칼리수의 양에 따라 공급될 초순수와 전기량을 계산한다. 그 후에, 제 1 전원 공급원(23)에서 공급되는 전류는 소정량의 산성수에 상당하는 양만큼 양극(11)과 보조 음극(12)을 통해서 흐르게 되며, 제 2 전원 공급원(24)에서 공급되는 전류는 소정량의 알칼리수에 상당하는 양만큼 보조 양극(13)과 음극(14)을 통해서 흐르게 된다. 동시에, 초순수가 소정량의 산성수에 상당하는 양만큼 양극액 입구(15)를 통해서 양극 쳄버(6)로 공급되고, 또한 초순수는 소정량의 알칼리수에 상당하는 양만큼 음극액 입구(21)를 통해서 음극 쳄버(10)로 공급된다. 전해액(純水: pure water), 즉 값싸고 상대적으로 고순도인, 예를 들면 이온 교환수(ion-changed water)를 보조 음극 쳄버(7) 및 보조 양극 쳄버(9)로 공급한다.

그 결과, 산성수 및 알칼리수는 각각 양극 쳄버(6) 및 음극 쳄버(10)에서 소정량 만큼만 생산된다. 다른 말로 하자면, 상기한 산성수 및 알칼리수는 각각 최소량의 초순수 및 전기를 사용하여 생산된다.

도 2는 본 발명에 따른 세 쳄버형 다전극 전해조의 한 실시예를 도시하는 개념적인 종단면도이다.

전해조 본체(31)는 제 1 양이온 교환막(32)과 제 2 양이온 교환막(33)에 의해서 양극 쳄버(34), 중간 쳄버(35) 및 음극 쳄버(36)로 분할된다. 스페이서(37)가 중간 쳄버(35) 내의 대부분의 공간을 차지한다. 제 1 양이온 교환막(32)은 각각 양극 쳄버측 및 중간 쳄버측 상의 막(32)과 밀접하게 접촉하고 있는 다공성 양극(38) 및 보조 음극(39)을 가진다. 제 2 양이온 교환막(33)은 각각 중간 쳄버측 및 음극 쳄버측 상의 막(33)과 밀접하게 접촉하고 있는 다공성 보조 양극(40) 및 다공성 음극(41)을 가진다.

양극 쳄버(34)와, 중간 쳄버(35)와, 음극 쳄버(36)는 각각 각 쳄버의 바닥판과 상부판 상에 형성된 양극액 입구(42)와 양극액 출구(43), 중간 쳄버 전극액 입구(44)와 중간 쳄버 전극액 출구(45), 및 음극액 입구(46)와 음극액 출구(47)를 가진다. 또한, 제 1 전원 공급원(48)가 양극(38) 및 보조 음극(39)에 연결되는 한편, 제 2 전원 공급원(49)는 보조 양극(40) 및 음극(41)에 연결된다. 보조 음극(39)과 보조 양극(40)은 서로 리드 와이어에 의해 연결되어 동일 전위로 유지된다.

상술한 구조를 가지는 전해조 본체(31)에서 고순도의 산성수 및 알칼리수를 생산하기 위해서, 도 1에 도시한 장치의 경우에서와 마찬가지로 전해를 개시하기 전에 소정의 산성수 및 알칼리수의 양에 따라 공급될 초순수와 전기량을 계산한다. 따라서, 제 1 전원 공급원(48)에서 공급되는 전류는 소정량의 산성수에 상당하는 양만큼 양극(38)과 보조 음극(39)을 통해서 흐르게 되며, 제 2 전원 공급원(49)에서 공급되는 전류는 소정량의 알칼리수에 상당하는 양만큼 보조 양극(40)과 음극(41)을 통해서 흐르게 된다. 동시에 도 1에 도시한 장치에서의 경우에서와 마찬가지로 초순수가 소정량의 산성수 및 알칼리수에 상당하는 양만큼 양극 쳄버(34) 및 음극 쳄버(36)로 공급된다. 이온 교환수 등이 중간 쳄버(35)로 공급된다.

따라서, 산성수 및 알칼리수는 각각 양극 쳄버(34) 및 음극 쳄버(36)에서 소정량 만큼만 생산된다. 다른 말로 하자면, 상기한 산성수 및 알칼리수는 각각 최소량의 초순수 및 전기를 사용하여 생산된다.

본 발명에 따른 전해조를 사용하여 산성수 및 알칼리수를 생산하는 방법의 한 실시예를 이하에서 설명한다. 그러나, 본원의 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석해서는 아니된다.

제 1 실시예

도 1에 도시한 전해조를 산성수 및 알칼리수를 생산하기 위해 사용한다.

나피온(117: Nafion, E. I. du Pont de Nemours Co.에서 제조된)을 양이온 교환막으로 사용하였다. 표면에 지지된 산화 이리듐 촉매를 가지는 티타늄으로 형성된 다공성 양극과, 표면에 지지된 백금 촉매를 가지는 티타늄으로 형성된 음극은 양이온 교환막에 부착되어 각각 양극측과 음극측 사이에서 밀접하게 접촉한다.

박스 형상의 전해조는 플루오르 수지로 형성된 격벽에 의해서 두 부분으로 분할되어 전해 산성수 생산 유니트와 전해 알칼리수 생산 유니트로 구성되는 다전극 전해조를 형성한다. 견고하게 부착된 양극과 음극을 가지는 양이온 교환막은 상기 두 장치 중의 각각과 결합하여 전해 산성수 생산 유니트를 양극 쳄버 및 보조 음극 쳄버로, 전해 알칼리수 생산 유니트를 보조 양극 쳄버 및 음극 쳄버로 분할한다.

필요한 초순수 및 전기량은 각각 420 ℓ/hr 및 420 ℓ/hr의 소정의 산성수 및 알칼리수의 양에 의거하여 계산한다. 따라서, 산성수를 생산하기 위해 공급되는 계산된 초순수 및 전기량은 각각 420 ℓ/hr 및 120 A인 반면에, 알칼리수를 생산하기 위해 공급되는 것은 각각 120 ℓ/hr 및 60 A이다.

각각의 계산된 양만큼 초순수를 양극 쳄버 및 음극 쳄버로 공급하는 한편, 제 1 및 제 2 전원 공급원을 사용하여 양극과 보조 음극을 통해서 및 보조 양극과 음극을 통해서 전류를 흐르도록 한다. 그 결과, 소정량 만큼 양극 쳄버에서 산성수가 생산되며, 소정량 만큼 음극 쳄버에서 알칼리수가 생산된다. 이렇게 하여 생산된 산성수와 알칼리수는 각각 각 요소에 대해서 100 ppt를 초과하지 않는 불순물 함유량을 가진다.

제 1 비교예

제 1 실시예에서 제조한 것과 마찬가지로 견고하게 부착된 양극과 음극의 양자를 가지는 양이온 교환막을 사용하여 양극 쳄버와 음극 쳄버로 구성되는 전해조를 형성하였다. 전류가 120 A/hr로 양극과 음극을 통해서 흐르도록 되는 반면에 초순수는 각각 420 ℓ/hr 및 420 ℓ/hr의 속도로 양극 쳄버 및 음극 쳄버로 공급된다. 그 결과, 산성수 및 알칼리수는 각각 420 ℓ/hr 및 420 ℓ/hr의 속도로 생산된다. 이렇게 해서 생산된 산성수 및 알칼리수의 양은 독립적으로 증가되거나 감소될 수는 없다. 즉, 알칼리수는 소정량 보다 더 많은 양이 생산된다. 이렇게 해서 생산된 산성수 및 알칼리수는 각각 100 ppt를 초과하지 않는 불순물 함유량을 가진다.

상술한 바와 같이, 초순수의 전해에 의해 양극 쳄버에서는 산성수를 음극 쳄버에서는 알칼리수를 생산하기 위한 본 발명의 전해조는 제 1 이온 교환막에 의해 분리되는 양극 쳄버 및 보조 음극 쳄버를 구비하는 전해 산성수 생산 유니트와, 제 2 이온 교환막에 의해 분리되는 음극 쳄버 및 보조 양극 쳄버를 구비하는 전해 알칼리수 생산 유니트와, 각각 전해 산성수 생산 유니트와 전해 알칼리수 생산 유니트로 전력을 공급하기 위한 제 2의 독립적으로 제어 가능한 전원 공급원을 구비한다.

본 발명에서, 산성수 및 알칼리수는 각각 전해 산성수 생산 유니트와 전해 알칼리수 생산 유니트에서 생산된다. 각각 고체 전극으로 기능하는 이온 교환막을 칸막이로 채택하였다. 또한, 독립적으로 제어 가능한 전원 공급원가 각 장치로 전력을 공급하기 위해서 제공된다. 두 장치가 독립적으로 제어 가능하기 때문에, 생산될 산성수 및 알칼리수의 소정량에 따라서 공급되는 초순수와 전기량을 고정시킬 수가 있고 각각 산성수 생산과 알칼리수 생산에 대해 독립적으로 제어된다. 또한, 각각의 이온 교환막이 전해액으로 기능하기 때문에, 전해액을 추가할 필요는 없다. 즉, 추가된 전해액과 함께 생산된 산성수 및 알칼리수의 오염을 초래하는 것과 같은 종래 장치에서의 문제점이 해결되며, 고순도의 산성수 및 고순도의 알칼리수를 얻을 수 있다. 따라서, 값비싼 초순수를 최소량만 사용하여, 고순도의 산성수 및 알칼리수를 종래 기술과 비교하여 매우 저렴한 비용으로 효율적으로 생산할 수 있다. 사용된 전기량 또한 생산될 산성수 및 알칼리수에 의해서 최소화된다. 따라서, 상기한 두 가지 측면에서 경제적인 작동이 가능하다.

본 발명의 전해조를 두 쳄버형 또는 세 쳄버형 전해조의 어떤 것으로도 제조 가능하기는 하지만, 각각의 전해조는 상술한 이유로 해서 각각 최소한의 필요량만큼의 초순수 및 전기를 사용하여 소정량의 산성수 및 알칼리수를 생산하도록 제조될 수도 있다. 두 쳄버형 전해조의 경우, 전해조 구성 요소(전해조 단위)가 격벽 등에 의해 분리되기 때문에 불순물의 이동이 방지되며, 따라서 고순도의 산성수 및 알칼리수를 생산할 수 있다. 세 쳄버형 전해조의 경우, 양극 쳄버에서 음극 쳄버로의 불순물의 이동은 중간 쳄버의 존재로 인하여 방지되며, 따라서 고순도의 산성수 및 알칼리수를 얻을 수 있다.

두 쳄버형 전해조와 세 쳄버형 전해조의 각각은 보조 음극 및 보조 양극이 동일 전위를 가지도록 작동되는 것이 바람직하다. 이와 같은 전위 제어는 주로 두 쳄버형 전해조의 경우에서 에너지의 낭비를 회피하려는 의도이며, 세 쳄버형 전해조의 경우에서는 중간 쳄버에서 발생하는 불필요한 반응을 억제하려는 의도에서 이다.

본 발명을 본원의 특정 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련자에게는 본 발명의 정신 및 범위에서 이탈하지 않고도 본원의 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 것은 명백하다.

Claims (15)

1. 초순수의 전해에 의해서 양극을 포함하는 양극 쳄버에서는 산성수를, 음극을 포함하는 음극 쳄버에서는 알칼리수를 생산하기 위한 전해조에 있어서,

   상기 전해조는 양극 쳄버와, 제 1 이온 교환막에 의해 분리되는 보조 음극을 구비하는 보조 음극 쳄버를 포함하는 전해 산성수 생산 유니트와, 음극 쳄버와 제 2 이온 교환막에 의해 분리되는 보조 양극을 구비하는 보조 양극 쳄버를 포함하는 전해 알칼리수 생산 유니트와, 상기 전해 산성수 생산 유니트와 상기 전해 알칼리수 생산 유니트의 각각에 전력을 공급하기 위한 독립적으로 제어 가능한 전원 공급원을 구비하는 산성수 및 알칼리수 생산용 전해조.
2. 제 1 항에 있어서, 보조 음극 쳄버의 음극 및 보조 양극 쳄버의 양극을 제어하여 동일한 전위를 가지도록 하는 수단을 또한 포함하는 산성수 및 알칼리수 생산용 전해조.
3. 초순수의 전해에 의해 양극을 포함하는 양극 쳄버에서 산성수를, 음극을 포함하는 음극 쳄버에서 알칼리수를 생산하기 위한 두 쳄버형 전해조에 있어서,

   상기 전해조는 제 1 이온 교환막에 의해서 양극 쳄버와 보조 음극을 구비하는 보조 음극 쳄버로 분할되는 제 1 전해조 유니트와, 제 2 이온 교환막에 의해서 음극 쳄버와 보조 양극을 구비하는 보조 양극 쳄버로 분할되는 제 2 전해조 유니트와, 상기 제 1 전해조 유니트 및 상기 제 2 전해조 유니트의 각각에 전력을 공급하기 위한 독립적으로 제어 가능한 전원 공급원을 구비하는 산성수 및 알칼리수 생산용 두 쳄버형 전해조.
4. 초순수의 전해에 의해서 양극을 포함하는 양극 쳄버에서 산성수를, 음극을 포함하는 음극 쳄버에서 알칼리수를 생산하기 위한 세 쳄버형 전해조에 있어서,

   상기 전해조는 양극 쳄버와, 보조 양극과 보조 음극을 구비하는 중간 쳄버와, 제 1 및 제 2 이온 교환막을 가지는 음극 쳄버로 분할되며,

   양극 쳄버의 양극과 중간 쳄버의 보조 음극은 제 1 이온 교환막과 밀접하게 접촉하고 있으며,

   음극 쳄버의 음극과 중간 쳄버의 보조 양극은 제 2 이온 교환막과 밀접하게 접촉하고 있으며,

   상기 전해조는 또한 중간 쳄버의 보조 양극 및 보조 음극을 동일 전위로 유지하도록 제어하기 위한 수단과, 양극 쳄버의 양극과 중간 쳄버의 보조 음극을 통해 흐르는 전류의 양을 독립적으로 제어하고, 중간 쳄버의 보조 양극과 음극 쳄버의 음극을 통해 흐르는 전류의 양을 독립적으로 제어하기 위한 수단을 추가로 구비하는 산성수 및 알칼리수 생산용 세 쳄버형 전해조.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전해 산성수 생산 유니트는 상기 전해 알칼리수 생산 유니트와 독립적으로 위치하는 산성수 및 알칼리수 생산용 전해조.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전해 산성수 생산 유니트는 격벽을 통해서 상기 전해 알칼리수 생산 유니트와 인접하는 산성수 및 알칼리수 생산용 전해조.
7. 제 1 항에 있어서, 보조 음극 쳄버의 음극과 보조 양극 쳄버의 양극은 전기적으로 연결된 산성수 및 알칼리수 생산용 전해조.
8. 제 1 항에 있어서, 양극 쳄버의 양극과 보조 음극 쳄버의 보조 음극은 제 1 이온 교환막과 밀접하게 접촉하며, 음극 쳄버의 음극과 보조 양극 쳄버의 양극은 제 2 이온 교환막과 밀접하게 접촉하는 산성수 및 알칼리수 생산용 전해조.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 독립적으로 제어 가능한 전원 공급원은 제 1 및 제 2 전원 공급원을 구비하는 산성수 및 알칼리수 생산용 전해조.
10. 제 3 항에 있어서, 보조 음극 쳄버의 음극 및 보조 양극 쳄버의 양극을 제어하여 동일한 전위를 가지도록 하는 수단을 또한 포함하는 산성수 및 알칼리수 생산용 두 쳄버형 전해조.
11. 제 3 항에 있어서, 보조 음극 쳄버의 음극과 보조 양극 쳄버의 양극은 전기적으로 연결된 산성수 및 알칼리수 생산용 두 쳄버형 전해조.
12. 제 3 항에 있어서, 양극 쳄버의 양극과 보조 음극 쳄버의 보조 음극은 제 1 이온 교환막과 밀접하게 접촉하며, 음극 쳄버의 음극과 보조 양극 쳄저의 양극은 제 2 이온 교환막과 밀접하게 접촉하는 산성수 및 알칼리수 생산용 두 쳄버형 전해조.
13. 제 4 항에 있어서, 상기 중간 쳄버는 상기 양극 쳄버 및 상기 음극 쳄버의 사이에 위치하는 산성수 및 알칼리수 생산용 세 쳄버형 전해조.
14. 제 4 항에 있어서, 전류의 양을 독립적으로 제어하기 위한 상기 수단은 제 1 및 제 2의 독립적으로 제어 가능한 전원 공급원을 포함하는 산성수 및 알칼리수 생산용 세 쳄버형 전해조.
15. 제 4 항에 있어서, 중간 쳄버의 보조 양극 및 보조 음극은 전기적으로 연결되어 있는 산성수 및 알칼리수 생산용 세 쳄버형 전해조.