KR200273793Y1 - 간이급수 소독용 전해셀 및 응용장치 - Google Patents

Abstract

간이급수용 상수도의 살균소독을 목적으로 복합 산화제(Mixed Oxidants)의 제조를 위한 전해 살균셀을 고안하고 이를 간이급수용 물탱크와 관정용에 이용하도록 고안한 것으로 이때 전해 살균셀에서 생성되는 복합 산화제를 살균수로서 적당량 물속에 공급하여 물속의 잔류염소농도가 약 0.5-1.0ppm 정도를 유지시켜 줌으로서 물속의 세균을 살균 소독하도록 고안한 것이다.

Description

간이급수 소독용 전해셀 및 응용장치{Electro-chemical cell and it's application for the disinfection of small-scale water supply system}

현재 대부분의 간이정수용 살균 소독기는 고체염소를 일정한 시간 간격으로 낙하시켜서 고체염소가 녹으면서 HOCl을 발생시켜 살균 ·소독하게 된다. 하지만 이들은 고체이기 때문에 정확한 농도 조절이 불가능한 것이 현실이다.

본 고안은 전해셀을 이용하여 소금물을 전기 분해하여 복합 산화제를 발생시켜 정확한 농도의 살균수를 물속에 생성시켜 살균 소독하도록 한 것이다.

이 방법은 고체염소를 정기적으로 빈번하게 계속하여 공급하여 주는 방법에 비해 간편하고 안정적이다.

상수도 혜택을 받지 못하는 산간벽지는 간이급수용 소독시스템은 이용하여 지하수, 지표수 또는 용출수를 살균 소독하여 가정에 공급하고 있다. 이 소독시스템은 크게 관정용과 물탱크용으로 나눌 수 있다.

이 소독시스템의 대부분은 고체염소를 일정시간에 한번씩 일정량을 자동투입하는 시스템이거나 고체염소를 물에 녹여 액체 상태로 투입하고 있다. 하지만 이 방법은 고체 정제를 투입하므로 정확한 농도조절이 어렵고 염소 가스로 인한 부식으로 고장이 잘나며 자주 고체 염소를 충전해야 하는 등 여러 문제들이 있다. 또한 관정용은 적용하기 어려웠다. 또 다른 방법으로는 전해 방식으로 산성수를 제조하여 이를 살균수로 사용하는 방법이 있지만 이 방법의 문제는 산성수가 나오는 만큼 알칼리수가 나오게 되는데 이 알칼리수를 버려야 하는 문제점과 또한 전극과 전극사이에 격막을 사용하기 때문에 음전극의 주위에 탄산칼슘이나 탄산마그네슘등이 부착되어 전해성능이 떨어지는 문제가 있다.

본 고안은 고체염소와 달리 독성 염소가스를 발생시키지 않는 복합 산화제를 소금물과 전기에너지를 이용하여 생성하여 살균 소독하는 차세대 살균시스템이로서 생성된 복합 산화제는 염소에 의해 생성되는 2차 생성물인 THMs이 생성되지 않으므로 안정하다.

일반 격막을 사용하는 일반 전해방식과 달리 음이온교환 막(도2 ③)을 사용하기 때문에 배출 수를 내보내지 않으므로 물이 절약될 뿐 아니라 음이온교환막(도2 ③)은 염소이온 같은 음이온 외에 다른 양이온을 통과 하지 않으므로 일반적으로 전극에 부착되는 탄산칼슘과 같은 물질이 생성되지 않기 때문에 전극을 장기간 사용할 수 있고 산에 의한 세정과 관리가 불필요하도록 해야 한다. 특히 정제로 된 고체염소로는 정확한 농도의 잔류염소를 조절할 수 없지만 정확한 복합 산화제를 발생시킬 수 있는 이 시스템은 원수에 정확한 농도로 주입하여 조절할 수 있도록 한 것이다.

본 고안은 간이급수용 저장탱크내의 살균소독을 위한 전해셀이 장착되고 태양열이나 전기에너지를 이용할 수 있도록 되어 있으며 공급되는 NaC1과 HCl 혼합용액(2)이 자동으로 공급될 수 있도록 고안한 장치로서 간이급수용 저장탱크에 전해셀(8) 부분을 담가 놓고 용액이 들어 있는 컨트롤(3)부분은 탱크위에 설치하며 정기적으로 용액 통의 용액만을 갈아 줄 수 있도록 한 것이다. 이때 물속의 전해셀(8)에서 전기 화학적으로 복합 산화제를 생성시켜 소독 또는 살균하는 방법으로서 도 1 에서와 같이 튜브형 전해셀(8)을 설치한 개략도이다.

도 2는 전해셀(8)의 구조를 나타낸 것으로서 음이온교환 막(도2 ③)을 분리 막으로 하여 내부에는 음전극(도2 ①)이 외부에는 양전극(도2 ④)이 설치되어 있다. 전기에너지를 가하면 이온들이 이동하게 되는데 음이온교환 막(도2 ③)을 사용하기때문에 음이온만이 이동하게 된다. 튜브 안쪽에 사용되는 혼합용액은 의 NaCl 용액과 HCl용액의 혼합용액으로 탱크위의 혼합용액탱크에서 자동으로 공급되게 되어 있다 따라서 용액을 공급해주는 장치 즉 정량펌프가 필요치 않다.

본 고안이 이루고자하는 과제는 전해셀(8)에서 생성되는 살균수의 농도를 전기에너지와 셀의 크기를 조합하여 조절할 수 있어 가정에 공급되는 잔류염소의 농도가 기준치인 0.2ppm 이상을 유지 시킬 수 있으므로 항상 살균 소독된 음용수를 공급할 수 있도록 한 것이다. 오래 사용할 때 용액 쪽 즉 음전극(도2 ①)쪽에 pH 가 상승하여 성능이 떨어지는 것을 방지하기 위해 혼합용액을 사용하여 이러한 문제를 해결하여 장기간 사용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

[도 1]

(1) 태양열집열판 (2) 용액 탱크

(3) 컨트롤러 (4) 혼합용액

(5) 튜브 (6) 물탱크

(7) 수위 (8) 전해셀

[도 2]

① Cathode ② 기공분리구조

③ 이온교환막 ④ Anode

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는 도 1과 같이 단위 전해셀(8)장착한 시스템을 고안하였다. 간이급수시설의 물탱크에 설치 할 수 있도록 한 이 시스템은 물속에 잠긴 전해셀(8), 컨트롤러(3), 전해셀(8)에 용액을 공급하고 발생수소 가스를 제거할 수 있는 용액탱크(2)가 설치되어 있으며 용액탱크의 용액이 전 해셀로 공급될 수 있도록 튜브나 관으로 되어 있어 연결되어 있으며 전해셀 족에서 발생한 수소는 이 관을 통해 상승하여 배출되고 전해셀 내의 용액의 pH가 상승하면 대류에 의해 관을 통해 위쪽에 위치한 용액탱크 쪽으로 서서히 확산되면서 pH가 낮아지도록 구성되어 있다.

전기 에너지를 전해셀에 전가하면 전기분해가 일어나면서 이온들이 이동하게 되는데 젠해셀 내부인 음전극(도2 ①)을 중심으로, 다른 한쪽은 양전극(도2 ④)을 중심으로 하여 반응과 이온들의 이동이 발생하게 된다.

특히 양전극 쪽으로 염소이온, 염소가스, 오존들의 복합 산화제를 발생시키고 이 농도가 높은 이 복합 산화제가 탱크안의 잔류염소의 양의 적당량이 되도록 조절이 되게 된다.

구체적으로 도면2와 같이 전해셀이 구성되어 있으며 내부로부터 음전극(도2 ①), 기공의 분리구조(도2 ②), 음이온교환막(도2 ③)과 Anode(도2 ④)으로 되어 있고 용액은 내부 셀에 채워져 있다. 이 내부의 용액을 소금물과 HCl의 혼합용액으로 구성되어 있다.

이때 양전극(도2④)에서는

H₂O → H⁺+ OH^-

40H^-- 4e^-→ 2H₂0 + 0₂

H₂0 +0₂- 2e^-→ O₃↑ + 2H⁺

2C1^-- 2e^-→ 2C1 → Cl₂

Cl₂+ H₂0 → HOC1 + H⁺+ Cl^-

또한 음전극(도2①)에서는

2H₂0 + 2e^-→ 20H^-+ H₂↑

이와 같이 양전극 쪽 즉 전해셀의 외부의 반응에서 보는 바와 같이 오존, 염소등과 같은 복합 산화제가 발생하게 되는데 이들을 이용한 살균 소독 작용을 이용한 것이다. 또한 전극에 여러 가지 염들이 달라붙어 성능이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 음이온교환 막(도2 ③)을 사용하여 양이온들의 이동을 최소화 하였다.

하지만 음전극에서 0H^-가 발생하여 pH가 높아지는 것을 이용한 것이 일반적인 전해법예 의한 정수기이고, 여기에서는 OH^-과 Cl^-이 함께 이온교환막을 통해 외부 쪽으로 동시에 나오므로 Cl 이온의 농도가 떨어지는 것을 방지하기 위하여 OH^-의 농도의 증가를 방지하기 위해 본 고안에서는 HCl 용액을 사용하였고 다음과 같이 생성되는 OH^-을 HCl의 분해에 의해 생성된 H⁺과 반응이 일어나므로 0H^-의 증가로 인한 pH의 증가와 성능이 떨어지는 현상을 없게 하였다.

H⁺(HCl이 이온화되어 남은 수소이온)+ OH^-→ H₂0

본 발명에서 사용된 양전극은 백금코팅 티탄 전극을 음전극은 탄소전극을 사용하였으며 전극의 종류는 이리듐코팅 티탄 전극등도 사용할 수 있다.

본 고안은 전해 살균셀에서 발생하는 복합 산화제(Mixed Oxidants)의 장점을 이용한 살균소독 시스템으로서 고체염소를 사용하는 장치에 비해 독성 염소가스를 발생시키지 않으므로 작업자의 가스 누출에 의한 폐의 이상이나 피부에 손상을 입지 않는다. 또한 일반 염소 소독과 달리 강력한 산화력으로 인해 깨끗한 음용수를 얻을 수 있고 암 유발 물질인 THMs을 생성하지 않는다. 또한 전해 살균셀을 이용하여 간이급수용은 물론 용량이 큰 배수지용이나 수영장의 살균 소독에 사용할 수 있으며 무동력이므로 태양 에너지 만을 이용한 물탱크용 살균소독 장치에 사용할수 있다.

독성의 고체염소 대신 소금물을 전해하여 사용할 수도 있고 혼합용액을 쉽게 교체할 수 있어 관리가 쉬운 특성이 있다.

Claims (3)

1. 튜브형 음 이온교환막을 사용하고 그 외부에 양전극의 면적을 높이기 위해 전극 망을 둘러쌓아 만들고 내부에는 음전극이 설치되어 있으며 튜브형 음이온교환막과 연결된 튜브형 혼합용액 저장용 튜브로 구성되어 있어 하나의 단위 전해셀로 구성된 살균장치.
2. 제1항에 있어서 튜브형 음 이온교환막의 외부에 양전극으로서 큰 면적을 갖도록 백금 코팅 티탄이나 탄소섬유직포등 사용하여 둘러싸서 전극으로 사용한 것을 특징으로 하는 살균장치
3. 제 1항에 있어서 음이온교환 막 튜브와 연결된 튜브에 고농도의 소금용액이나 소금용액과 염산용액을 섞어 만든 혼합용액을 채워, pH가 올라가는 것을 방지하는 동시에 OH 이온의 증가로 인한 성능 저하를 막는 특성을 갖으며 또한 외부로부터 용액을 공급받지 않도록 한 살균장치