KR20050057009A - 전해조용 전극구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해조의 음전극 및/또는 양전극으로 사용되는 전극구조에 관한 것이다. 전극구조는 다수의 액체 유동 구멍(18)을 가지며 전류 공급원에 연결하는 연결수단(20)을 구비하는 도전성 프레임(10)을 포함하며, 상기 프레임의 일측 또는 양측 평면이 도전성의 천공된 박막 또는 와이어 망으로 덮히고, 상기 와이어망은 프레임의 표면 구조를 덮도록 된 스페이서 수단(18)을 포함하는 것을 특징으로 하여 구성된다. 상기한 전극을 제조하는 방법 및 음전극과 양전극의 용도도 또한 개시된다.

Description

전해조용 전극구조{STRUCTURE OF AN ELECTRODE FOR USE IN AN ELECTROLYTIC CELL}

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 기재된 바와같은 전해조의 양전극/음전극용으로 사용되는 전극구조에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기한 전극구조를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기한 음전극과 양전극을 포함하는 전해조의 사용에 관한 것이다.

본 발명은 박테리아, 포자, 미생물, 녹조류 및 바이러스를 파괴하고, 액체속의 유기물 및 입자상태의 유기물들을 산화시켜 제거하는데 사용되는 옥시던트(oxidants)와 라디칼(radicals)들의 생산과 관련한 기술에 관한 것이다.

오늘날 양전극(전극)들은 희귀 금속의 박층들을 기판에 전해 도금함으로써 제조된다. 그러나, 이러한 전극들은 특히 짧은 수명을 가지며 장시간 고전압에 노출될 때 내구성이 약하다. 전극들이 고전압에 노출되면 소실된다. 반응과정에서 용해 및 침전이 양전극에서 발생되어 양전극이 부식된다.

또한, 희귀족에 속하지 않는 순수한 금속들이나 이들 금속들의 합금으로 양전극을 제조하기도 하지만, 이러한 양전극들은 사용시 빨리 부식되고 필요한 옥시던트가 생성되지 않을 뿐만 아니라 요구되는 전압에 노출될 수도 없다.

오늘날 사용되는 다른 덜 알려진 방법은 탄탈륨, 이리듐 또는 이들의 혼합물이 0.015 내지 0.035mm의 두께로 압연하여 티타늄, 알루미늄 또는 구리의 양전극용 코아에 접합하는 것을 포함한다. 상기 방법에서는 마찰 접합이 사용된다. 이들 전극들의 수명은 전해 도금에 의하여 만들어지는 전극들의 수명보다 더 길다. 이들 전극은 상당한 고전압 및 고전류에 대하여 내구성을 갖는다. 전기분해 과정에서의 변수, 즉 0 - 380V와 0 - 1000암페어의 전류에 대한 장점을 가짐과 함께, 단일의 옥시던트(Cl₂, Cl0₃ ^- , O₃, O₂, H₂O₂, OH, ClOH, O)들의 기능적 밸런싱 가능성과 매우 높은 반응성 및 반응력을 포함하는 옥시던트의 혼합물이 만들어지며, 이들 옥시던트 혼합물은 다른 방법에 의해 만들어지는 양전극으로부터의 옥시던트들의 효과보다 우수하며 바람직하지 못한 효과를 감소시킨다.

이들 방법들의 제약은 합금 혼합물의 연실율에 있다. 예를들어, 이리듐을 20% 보다 많은 량을 포함하는 백금/이리듐 합금(Pt/Ir)은 요구되는 두께로 압연하기 어려운 것으로 알려져 있다. 오늘날, 상기 합금은 33미크론까지 압연할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이리듐의 함량이 더 커지면 심각한 문제가 초래되며, 그렇게 만들어지는 박막은 취성이 있다. 또한, 박막은 마모 및 찢김에 대한 기계적 내구성을 증가시키기 위하여 높은 경도를 갖는 것이 바람직하다. 더욱이, 박막은 두께는 주어진 전압과 전류에서 임의 액체내에서 어떤 옥시던트가 얼마나 생성되는지를 결정하는데 있어서 결정적 요인이다. 또한, 예를들어 순수한 백금은 기술적으로 15미크론까지 밖에 압연되지 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 두께 이하의 조밀한 (기공이 없는) 박막을 얻는 것이 불가능하다.

최근 상술한 방법에 따라 탄탈럼과 희귀 금속을 진공/플라스마 분사하는 방법은, 박막층들을 분사함과 함께 100%의 기공 밀도를 갖게 합금 혼합물의 연신율을 증가시켜 사용 면적이 증대되도록 하는 방법을 개발하였다는 점에서 사용가능성을 확장하였다.

가장 단순한 형태의 공지의 전기분해방법은 산화제로서 이산화염소를 제공한다. 더욱이, 옥시던트(Cl₂, Cl0₃ ^- , O₃, O₂, H₂O₂, OH, ClOH, O)들은 그러나 화학적 반응성이 훨씬 떨어져서 패러디 법칙을 넘는 범위의 전압을 인가하여 희귀 금속을 기판에 코팅함으로써 제공된다.

이들 성분들의 라디칼들은 산화력 및 바람직하지 않는 효과(유기물의 할로겐화합물)면에서 가장 강력한 산화제이다. 공지의 전기분해 방법의 문제는 라디칼이 천분의 일초의 수명을 갖기 때문에 라디칼을 이용할 수 없으며, 따라서 양전극 표면에 매우 근접하여 존재한다는 점이다. 전해조를 통하여 전도되는 극소량의 액체만이 양전극 표면과 접촉하게 되므로, 전해조의 액체의 많은 량은, 액체에서 제거되는 것이 바람직한 유기화합물, 박테리아, 바이러스등과 라디칼이 반응하도록 효과적으로 노출될 수 없는 문제가 있다.

공지의 전기분해 방법은 음전극에 수소가 생성된다. 수소는 옥시던트와 접촉하여 물을 생성하기 때문에 양전극의 옥시던트 생성물을 상당히 낮춘다. 이것은 특히 OH^- 라디칼이 수소와 반응하게 되는 것을 의미한다. 수소 가스는 또한 양전극과 음전극 사이의 전기장에 존재하게 되면 양전극과 접촉하여 액체의 전도성을 감소시킨다.

미국 특허 제6,328,875호에는 희귀 금속을 포함하는 금속 또는 카본으로 접합 또는 직조된 천, 확장된 금속 또는 카본 펠트, 카본 직조 천, 또는 망상의 유리질 카본 및 금속 거품재(foam)로 이루어진 다공성의 도전성 요소로 구성된 양전극/음전극을 구비하는 전해조가 개시되어 있다. 그러한 전극구조는 개방 용액 영역을 포함하며, 그 개방용액 영역에서 유출물은 스페이서와 양전극 및 음전극들 사이를 통과하여 개방영역으로 유동하게 된다. 이러한 적층 구조는 함께 클램핑되며, 양전극과 음전극은 스페이서에 의해 단극 또는 쌍극성으로 분리되어 단락되지 않도록 한다. 상기 유출물은 전기분해과정에서 양전극과 음전극 및 스페이서들 사이를 통과하게 된다.

또한, 미국 특허 제6,342,151에는 다공판과, 스크린, 울(wool), 펠트, 및 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 백금도금된 티타늄, 금속산화물의 혼합물, 금, 금도금 스틸의 직조물등에서 선택된 액체가 침투가능한 도전성 재료로 만들어진 양전극/음전극을 포함한다. 또한 이러한 전극은 스페이서를 사용하여 양전극과 음전극 요소들 사이의 거리가 짧더라도 양전극과 음전극 사이에서의 단락을 방지한다.

스페이서들은 전기분해 과정에ㅓ 전류 소비를 증가시키고 전극을 통한 유동 캐패시티를 감소시키는 것으로 알려져 있다.

또한, 또한, 처리된 유출물에서의 마그네슘과 칼슘에 의해 야기되는 스케일링으로 인한 오염은 전해조에 대한 중요한 문제로서 잘 알려져 있다. 그러한 스케일링의 문제는, 마그네슘과 칼슘을 함유한 해수와 같은 유출물이 양전극/음전극 반응조를 통과할 때 발생된다. 상기 유출물의 속도가 너무 느리면, 결정이 석출되어 양전극과 음전극 사이에 브릿지 형태로의 결정 석출이 가속화되어 전기분해 공정을 오염시킨다. 이러한 문제는 모든 석출되는 마그네슘과 칼슘이 음전극에 부착되기전에 이동하게 하는 정도로 유출물의 속도를 증가시킴으로써 어느 정도 해결된다. 이와 다른 방법은, 양전극과 음전극을 동일한 반응 재료로 구성하고 양전극과 음전극의 극성을 일정하게 교대로 되게 하는 것이다. 그러면, 음전극에서 떨어진 스케일링은 양전극으로 되돌아가게 된다.

도 1A는 귀금속 단일 와이어 망으로 덮여진 고 도전성 Cu(구리) 프레임(1)의 양전극(1)의 개략적 평면도를 보여준다.

도 1B는 편직되거나, 직조되거나 주름진 와이어 망(4)(예컨대 스테인레스 스틸 316L)를 포함하는 음전극 프레임(3)을 보여준다. 와이어 망이 고정되는 고도의 도전성 프레임(1)은 성형된 내산화성 절연체로 절연된다.

도 1C는 내산화성 절연체(5)의 측면 및 다른 부분들을 상세히 보여준다.

도 2는 절연된 고도의 도전성에 고정되는 와이어들로 이루어진 양전극을 보여준다.

도 3은 절연된 고도의 도전성에 고정되는 박막로 이루어진 양전극을 보여준다.

도 4A는 본 실시예에 상세하게 기술되는 장방형 전극 구조의 분해사시도를 보여준다.

도 4B는 본 발명에 따른 원형 전극의 분해사시도를 보여준다.

도 5는 단락 접촉을 방지하기 위해 양전극과 음전극사이에 분리 망을 이용하여 와이어형으로 하거나, 편직되거나, 직조하거나, 주름지게 한 망으로 만들어진 전해조(명료성을 위해 한 세트의 음전극과 양전극만을 보여줌)의 단면을 보여준다. 액체는, 수소가 음전극으로부터 나와 양전극으로 전도되도록 음전극과 양전극을 통해 전도가 진행된다.

본 발명의 목적은 단락의 위험 없이 양전극과 음전극을 근접하게 하는데 필요한 스페이서로 인한 에너지 손실이 방지된 새롭고 개선된 전극구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스케일링으로 인한 오염을 방지하기 위하여 전기분해의 충분한 효과를 유지하면서 전극을 통한 많은 량의 수직 유동을 가능하게 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 Cl₂, ClO₃ ^- , O₃, O₂, H₂O₂, (OH), (ClOH), (O)와 같은 옥시던트를 생성하고 양전극의 표면에서 라디칼의 생성에 최적으로 이동할 수 있는 개선된 전극구조를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 양전극과 음전극 사이 및 음전극에서의 수소로 인한 산화 효과 감소의 문제가 제거된 개선된 전극구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 라디칼이 생성되는 양전극에 인접한 영역에서 모든 액체가 접촉되게 하며, 라디칼이 천분의 수초동안의 수명을 갖도록 하는 것이다. 상기 라디칼은 다른 산화제의 바람직하지 못한 효과에 대해서도 우수한 산화제이기 때문에, 본 발명은 종래 기술과 비교하여 살균될/산화될 물질에 대한 라디칼의 효과는 상당히 향상되는 것이 본 발명의 중요한 효과이다.

본 발명의 목적은 또한 본 발명에 따라 처리될 액체의 부피에 관련하여 본 발명에 따라 회로에 연결되는, 소비전력이 상당히 감소되는 양전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 또한, 공지된 전극에서 보다 더 높은 수행능력을 갖는 개선된 전극 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 전극의 용도를 제공한다.

본 발명에 따른 전극구조, 전극 제조방법 및 그 용도는 첨부된 청구범위의 독립항의 특징부에 기재된 특징들에 의해 특징지어진다.

본 발명의 다른 특징들은 각각 첨부한 청구범위의 종속항들에서 기재되어 있다.

본 발명에 따라, 와이어, 편직, 직조 또는 짜여진 금속 와이어망의 사용에 적합하며, 전기분해에 의해 산화제 혼합물, 특히 라디칼들을 생성하는데 사용되는 양전극 및/또는 음전극의 제조에 적합한 방법이 제공된다.

본 발명은 양전극이 탄탈륨, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 백금, 로듐, 리리듐, 루테늄, 팔라듐 또는 이들의 합금의 와이어 또는 편직 또는 직조된 와이어망, 또는 상기한 금속의 여러 망들의 혼합체에 조립되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 음전극이 316L 스틸와이어, 또는 더 높은 도전성 및 저항의 합금으로 된 와이어들 또는 직조되거나 편직된 와이어망과 조립되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 와이어들 또는 양전극망과 음전극망들이 회로가 단락되는 접촉없이 서로 인접하게 결합되고, 비도전성의 내산화성 재료의 분리망, 멤브레인 또는 조대한 가로지르는 장방형의 망이 회로의 단락을 방지하도록 양전극과 음전극을 분리하도록 양전극과 음전극 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 우수한 도전성 재료가 양전극과 음전극 사이에 각각 또는 조대한 사각 패턴으로 배치되며, 노출된 와이어망을 통하여 균일한 전류 흐름이 제공되도록 전해질로부터 내산화성 절연재료에 의해 절연되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 양전극/음전극이 그들을 통과해야 하는 액체의 흐름속에 배치되며, 양전극/음전극이 옥시던트의 생성을 위한 용기속에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 신선한 물을 전기분해하기 위하여 SS316L 등급 또는 그보다 높은 등급의 합금으로 된 음전극망과 양전극망을 사용하도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 신선한 물을 전기분해하기 위하여, 와이어망을 대체하도록 직조되거나 편직된 망이 광화학적 방법으로 천공된 SS316L의 판으로 대체된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 새로운 방법의 장점

패러디 법칙을 초과하는 고전류밀도를 갖는 전류를 와이어 조립체 또는 상기한 희귀 금속 또는 금속의 직조되거나 편직된 망에 인가시킴으로써, 고율의 라디칼 및 반응성 산화제를 얻게 된다. 이러한 생성물은 특히 높은 유기물의 산화 및 살균 효과를 갖는다.

본 발명은 라디칼, 오존, 과산화수소, 이산화염화물, 차아염소산염의 효과가, 반응성 옥시던트들을 생성하는 희귀 금속의 층을 구비하는 양전극으로부터 발생되는 점과, 종래 기술에서 보다 최적으로 이용될 수 있는 라디칼이 생성되도록 하는 전극구조를 제공함으로써 종래의 전해조/전기분해과정과 다르다.

이것은, 상술한 바와같은 금속망을 포함하는 형상을 갖도록 하고, 100 미크론 내지 25000미크론의 와이어 간격 또는 18 미크론 내지 25000미크론의 사각 구멍을 갖도록 하여 패러디 법칙을 넘는 전압이 금속에 인가되어 양전극에 인접하여 높은 옥시던트가 생성되도록 이루어진 양전극에 의해 제공된다.

본 발명에 의한 전극 구조를 사용함으로써, 처리될 액체는 와이어망의 구멍이 최소 15미크론의 크기를 갖는 와이어망을 통과하게 된다. 액체가 통과하면서, 천분의 수 초의 수명을 갖는 라디칼이 와이어망을 통과하는 액체 모두에 작용하게 된다. 다른 전기분해 산화과정에서는 양전극의 표면에서 1-3%의 라디칼 효과를 얻는데 비하여, 본 발명에서는 라이칼 효과의 95-98%의 이용효율을 얻는다. 이것은 액체의 95-98%까지 양전극에 인접하여 통과하게 되고 양전극의 미세한 망을 통하여 액체가 유동하는 양전극에서 라디칼이 수명 기간을 소모하게 되기 때문이다.

본 발명은 양전극과 음전극이 조대한 장방형의 비도전성 재료로 된 분리 와이어망 또는 분리요소(스페이서)에 의해 서로 매우 근접하게 배치된 점에서 종래의 전해조와 다르다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 각각의 프레임은 그의 양 평면측 각각에 두 개의 와이어망의 층들로 덮이게 된다. 그러나, 도 1A, 1B, 1C에 도시되어 있듯이 각 프레임에는 하나의 와이어망 층만을 포함하여도 충분하다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에 따라, 평행한 와이어 망(12,14)들은 각각 도전성의 프레임(10)의 양측에 열과 접합제를 사용하여 가압하여 또는 와이어망 또는 다공성 박막이 충분한 인장력을 받게 레이저 용접 또는 유도 용접법에 의해 접합된다. 와이어망은 평행한 줄들을 포함하여 구성되며, 그중 각 10번째 또는 12번째 줄은 탄탈럼으로 이루어지는 한편 다른 줄들은 백금줄들이다.

프레임(10)의 분리 와이어망 또는 하나의 와이어망(14)에는 프레임(10)과 정확히 같은 평면 형상을 가지며 비도전성 재료의 (PVS 또는 폴리프로필렌 재료로 된) 스페이서 박막(16)이 배치되어 고정된다. 분리 와이어망(16)의 구멍(18)들은 프레임(10)의 관통 유동 구멍(18)들과 일직선상에 정렬되도록 배치된다.

와이어망(12,14)으로 덮혀진 프레임(10)의 유동 구멍(18)들은 상기 스페이서 박막(16)에 의해 덮히지 않는다. 상기 프레임(10)의 두께는 5mm인 한편, 스페이서 박막(16)은 (양전극과 음전극 사이의 분리를 나타내도록) 0.3mm 정도의 작은 두께를 갖는다. 따라서, 사용시 프레임의 구멍들을 통해 액체/물의 유동이 장애를 받지 않는다.

양전극 또는 음전극용의 전극 유니트는 유동 구멍(18)들을 갖는 도전성 프레임을 포함하며, 그 프레임의 양측 평면은 다공판으로 덮히고, 일측에만 와이어들(분리망 또는 평행한 줄들)과 스페이서 박막(18)이 제공된다. 상기 (음전극 또는 양전극용의)도전성 프레임(10)은 적당한 전력 (전압 및 전류) 공급원에 연결하는 연결수단(20)을 포함한다.

단일의 (가장 단순한) 전해조를 구성하기 위하여, 도 4에 도시된 바와같이 두 개의 전극 유니트들이 서로 근접하여 정렬하여 장착되어서, 스페이서(18)가 한 전극 유니트의 양전극 표면(14)과 인접한 전극 유니트의 음전극 표면(12) 사이의 필요한 간격(예를들어 0.3mm)을 제공하게 된다.

(스테인레스 스틸재의) 도전성 프레임(10)과, 그 프레임을 덮는 도전성 와이어(와이어망)(12,14)들은, 도 1C에 도시된 바와같이 전해조와 접촉되는 것을 방지하도록 비산화성 재료로 피복되는 것이 바람직하다.

다수 쌍들(50쌍 까지)로 된 전극 유니트들로 구성되는 전해조는 원형 또는 장방형의 형상을 가질 수 있다. 원형의 전극 유니트는 그 전극 유니트를 통하여 유동하는 물에 따라 1m까지의 직경을 가질 수 있다. 전해조는 본 발명에 따라, 예를들어 도 15에 도시된 바와같이 처리될 물이 이동하는 파이프속에 배치될 수 있다. 충분한 전압이 양전극/음전극 전극 세트들에 인가되면, 전극 유니트의 와이어망의 구멍(18)들을 통과하는 물은 와이어망의 양전극 줄들에서 생성되는 옥시던트와 라디칼들과 친밀하게 반응 접촉된다.

도 4A와 4B들은 각 전극 유니트를 구성하는 (장방형과 원형의) 4개의 층(20,12,14,16)들의 확대도이다.

도 4B는 양전극 또는 음전극 와이어망을 보여주며, 우수한 강성의 도전성 재료로 된 도전성 프레임은 높은 전류의 경우에 넓은 면적의 균일한 분포가 얻어지도록 양전극 또는 음전극 표면을 지지한다. 와이어망은 도전성 프레임의 양측에 고정된다. 강성의 도전성 프레임과 같은 형상의 비도전성 재료가 일측의 와이어망들중 하나에 부착된다.

단일의 양전극 또는 음전극 조립체는 양전극과 음전극이 교대로 되게 50개 까지 적층되어 구성될 수 있다.

양전극과 음전극 전극들은 동일한 재료로 되거나 서로 다른 재료로 될 수도 있다. 유사한 재료로 되는 경우에 인가되는 직류 전압은 스케일링 또는 찢김 및 마모를 방지하기 위하여 교류로 될 수도 있다. 양전극 전극의 크기는 1m 보다 크게 구성될 수도 있다. 유동 용량은 가장 작은 전해조에서는 시간당 수 리터에서 가장 큰 전해조의 경우에 시간당 1000m3 까지 될 수 있다. 316L 양전극에서의 전형적인 전류 밀도는 Cl의 함량이 5 ppm인 경우 38mA/cm2 이다. 희귀 금속의 경우 0.5cm2의 양전극 면적에서 270Amp까지 테스트되었다.

와이어망은 상술한 와이어망을 형성하도록 직조, 편직되거나 또는 짜여지거나 유도 용접된 와이어들 또는 프레임에 서로 평행하게 장착된 와이어들로 형성될 수 있다.

각각의 와이어망 또는 천공된 박막은 도전성 프레임에 고정되어서 노출된 전극 면적에 대하여 균일한 전류 분포가 얻어지게 전기적으로 접촉되며, 노출된 전극 면적은 안정되게 인장력이 작용하여 종래의 스페이서가 필요하지 않게 되며, 프레임 또는 도체는 내산화성 피복에 의해 액체 전해질로부터 절연된다.

전극의 구멍들 보다 큰 입자들과 유기물을 제거하기 위하여 처리될 물은 기계적인 입자 추출기를 통과하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따라 처리된 액체는 소수성(hydrophobic) 흡착 필터 또는 소수성 흡착 매체를 통하게 하여 과도한 유기 화합물을 제거하도록 한다.

그렇게 처리한 뒤에 상기 액체는 부유물 제거장치를 통과하도록 함으로써 부유된 유기물을 제거하는 것이 바람직하다.

음전극과 양전극 사이의 틈새에는 더이상 종래와 같은 스페이서가 필요없으며, 그것은 프레임과 같은 형상의 비도전성의 조대한 박막, 멤브레인을 적용함으로써 간격이 형성되기 때문이다. 그러한 간격은 0.3mm 정도로 작을 수 있다. 이것은 본 발명에 의해 매우 낮은 전압으로도 높은 전류 밀도를 얻을 수 있으며, 종래의 스페이서로 인한 전류 손실이 없어 패러디 법칙을 쉽게 초과할 수 있고 요구되는 반응성 옥시던트가 생성될 수 있음을 의미한다.

도전성의 프레임의 양측에 와이어 망 또는 천공된 박막을 적용함으로써 전기분해를 위해 노출된 면적을 통과하는 양끝단의 전류가 높아지게 되는 잇점이 있다. 양측이 피복된 5mm 두께의 프레임은 양측면에서 얇은 스페이서 프레임의 배치를 할 수 있도록 하여 음전극 망과 천공된 박막이 0.3mm 이하의 거리에서 양전극에 근접하게 배치될 수 있게 한다. 이와같은 간격으로 3000Amps 이상의 전류가 전극들을 통하여 흐를 수 있게 된다.

본 발명은 매우 낮은 전압으로 처리될 액체의 유동 체적을 감소시키지 않고도 요구되는 넓은 면적의 높은 전류 밀도를 얻을 수 있게 하는 점에서 종래의 전해조와 다르다. 이것은 또한 많은 량의 액체를 매우 저렴하게 처리할 수 있음을 의미한다. 전해조의 체적 용량은 양전극과 음전극 사이의 간격이 5cm에서 0.3mm로 감소됨에도 종래의 전해조와 비교하여 감소되지 않는데, 그것은 양전극과 음전극 사이의 상호간의 간격에 무관하게 동일한 체적의 액체의 흐름이 이루어지기 때문이다.

본 발명은 와이어들의 사용으로 금속의 중량과 실제 표면에 대한 양전극의 면적이 상당히 증가되는 점에서 종래의 전해조의 양전극과 다르다. 따라서, 희귀 금속의 비용이 상당히 감소됨과 동시에 평방 센티미터당 효율이 향상된다.

본 발명은 또한 전해조의 용량 감소 없이 양전극과 음전극 사이의 간격이 0.3mm로 감소될 수 있어서 신선한 물(지표수와 지층수)에서의 철의 전기 전도성을 이용할 수 있게 되고 높은 액체 유량과 낮은 에너지 소비 및 높은 전류 밀도를 얻을 수 있는 점에서 종래의 전해조와 다르다.

본 발명에 따라 여러 금속들의 효과를 결합하여 사용할 수 있다. 예를들어, 탄탈럼의 양전극 망은 백금계로부터 선택된 다른 희귀 금속의 망들을 포함하는 탄탈럼의 양전극망은 주로 오존과 라디칼 및 과산화수소를 생성하며 차아염소산염과 이산화염화물이 거의 없다. 이것은 모든 전류 흐름이 탄탈럼과 같은 희귀 금속의 망들로부터 발생되므로 산화물의 격리층이 즉시 얻어지기 때문이다.

본 발명은 또한 오늘날 전세계적으로 대단히 많이 존재하는 조성물들을 포함하는 표면수, 지층수들과 같은 액체의 많은 량을 저렴하게 처리할 수 있는 점에서 종래의 전해조/전기분해방법과 다르다. 316L 스틸 또는 합금의 양전극과 음전극에서도 산화 또는 부식의 염려가 없다. 이것은 에너지 소비가 매우 낮은 전극 표면이 넓기 때문에, 지표수와 지층수에서의 평균 전도성으로도 필요한 옥시던트(오존과 라디칼들)가 생성된다.

본 발명은 액체가 양전극과 음전극 사이로 이동되고, 도전성 재료의 프레임이 충분히 접촉하게 양전극과 음전극의 망에 고정되며, 상기 망은 프레임의 양측에 조립되고, 도전성 재료의 프레임은 전해질과의 접촉을 방지하도록 비도전성 재료로 피복된는 것을 특징으로 한다. 비도전성의 내산화성 재료의 스페이서 재료가 제공될 수 있으며, 그런 다음 양전극과 음전극의 망이 조립된다. 스페이서 재료는 다양한 두께로 도전성 재료의 프레임과 같은 형상으로 된다.

본 발명에 따른 장치는 첨부된 도면과 이하의 실시예에서 보다 상세히 설명된다.

도 5에 도시된 구조는 선박으로부터의 밸러스트 워터(ballast water)를 처리하고 박테리아, 미생물, 조류(algae) 및 포자(spores)를 함유하는 해수를 포함하기 위한 실험들을 제어하고 검증하는데 사용되었다. 심하게 오염된 물은 먼저 100A의 전류로 전지를 통해 화살표와 같이 전도되었다. 그 결과 전술된 포자를 포함하는 100%의 오염물질이 파괴되는 것으로 나타났다. 실험들을 기초로 하여 결과들을 추정한 결과 2.5㎡의 전극 표면으로 2500㎥/h의 처리수를 처리하기 위해서는 5kWh의 소비 에너지가 필요한 것으로 나타났다.

유사하게 도 5에 도시된 구조는 맑은 물(fresh water)내의 산화물을 검증하는데 사용되었다. 1mm의 음전극/양전극간 거리와 귀금속 망의 전극으로 한번의 순환유동 동안 0.5ppm의 오존을 검출해 냈다. 모델들을 스케일링하는 중에 2.5㎡의 음전극표면으로 2500㎥/h를 처리하는데 87kWh가 필요한 것으로 나타났다.

실험은 316L 스틸의 양전극 망 및 음전극 망으로 반복되었다. 한 번의 전체 순환동안 80V 및 3A에서 음료수에서는 0.91ppm의 오존이 생산되었다.

도 6은 액체가 평면 양측에 부가되는 와이어 망 또는 박막이 있는 전해조의 단면을 보여주는 것으로서, 액체는, 수소가 양전극과 접촉되지 않도록 또는 양전극과 음전극 사이의 영역으로 들어오지 않도록 양전극의 각각의 측면상의 음전극을 통해 전도된다.

이 전해조는 해수 슬러리 내의 입자들 상의 PCB 및 폴리 아로메틱 하이드로카본(PAH)을 제거하기 위해 사용되었다. 전해질을 신중하게 부가하여 20분 동안 혼합물을 순환시키면, PAH 함량은 99.6% 까지 감소되며 PCB 함량은 상대적으로 높은 농도를 기초로 하여 76%까지 감소되었다.

본 발명의 또 다른 실험예들이 제공되었다.

실험예1

모두 316L 스틸으로 형성되고 전체의 양전극 면적이 1013㎠인 5개의 양전극과 6개의 음전극을 포함하며 도 4에 설명된 바와 같은 전극 스택(stack)은 도 4에 설명된 바와 같이 1mm의 간극으로 조립된다. 전해조를 통과하는 액체의 유량은 10l/min 이다. 1.5ppm 내지 5ppm 사이에서 변하는 염도 및 높은 부식 함량을 갖는 표면 소스(surface source)로부터 음료수는 폐수로 처리되지 않았다. E-대장균(E-coli) 박테리아가 560,000 박테리아 수/ml의 농도로 물에 부가되었다. 20 암페어의 전류를 전해조에 통과시키면 처리 후 획득된 모든 샘플에서 완전한 살균효과가 나타났다. 그것은 전해조를 통과한 후 2분 내지 20분 사이에 획득된 샘플 시리즈들이다.

동일 샘플들이 트리할로메탄(trihalomethane)(클로르오르가닉(Clororganic) 및 브로모오르가닉(bromoorganic) 화합물)에 대해 분석되었다, 이 샘플들은 0.9-2.5ppm의 결과를 나타냈다. 이것은 물의 클로리네이션(clorination)에 대해 극히 낮은 것이다. 박테리아의 전체양은 18.5 암페어의 전류를 인가할 때 10log3 보다 많았다.

실험예2

실험예1에서 사용된 것과 동일한 내용 및 유사한 물이 사용되었지만 더 높은 전류량을 달성하기 위해 전극의 수를 증가시켰다. 목적은 IPN 바이러스를 비활성화 시키는데 있다. 60 암페어에서 원하는 10log3 의 비활성화가 달성되었다. 더욱이 애로모나스 살모니시다(Aremonas Salmonicida) 또한 동일 조건에서 동일 log 값으로 비활성화 되었다. 전체 잔류 산화체(rest oxidant)는 0.7ppm에서 1.6ppm으로 변했다.

실험예3

PAH, 탄화수소, 페놀 및 BETEX를 현저한 농도로 포함하는 기름 및 가스 제품으로부터 생산된 물을 도 4B에 도시된 바와 같이 제직된 와이어 클로즈(cloth)로 형성된 하나의 귀금속 양전극과 2개의 음전극을 통과시켰다. 전류량은 300암페어 이었고, 양전극 면적은 180㎠ 이었다. 유량은 180l/min 이었다. 페놀은 1580마이크로그램(microgram)/l에서 0.51마이크로그램/l로 감소되었다. PAH16은 34.7마이크로그램/l에서 3.92마이크로그램/l로 감소되었다. NPD는 114마이크로그램/l에서 3.92마이크로그램/l로 감소되었으며, TEOM(C10-C40)은 16mg/l에서 2.41mg/l로 감소되었다.

실험예4

1600ppm H2S, 2-3%의 페놀 및 2900PPM의 암모늄을 포함하는 정유공장으로부터의 오염된 유체는 316L 망으로 이루어진 3개의 음전극이 겹쳐진 2개의 귀금속 와이어 망 양전극을 통과하였다. 음전극영역 전체 면적은 225㎠ 이었다. 전류는 300암페어였다. 유량은 140l/min 이었다. Cl의 함량은 2%의 NaCl 이었다. 15분간 40l의 체적을 일괄 처리한 후, H2S는 0ppm으로 산화되었으며, 15분 더 처리하니까 3ppm의 암모늄 함량 및 300ppb의 페놀함량을 나타냈다. 처리중 산성도(pH)는 첨가제에 의해 조절되었다.

실험예5

산업현장에서 250g의 드릴 절삭시 발생되는 오일 및 가스를 실험예4에 기술된 조건하에서 전해조를 통과시켰다. 절삭물들이 6%의 NaCl을 포함하는 폐수에 221개가 분산되어 있었다. 목적은 입자들로부터 탄화수소를 제거하는데 있다. 초기의 전체 탄화수소의 함량은 7.62%에서 1시간 처리 후에는 1.32%로 감소되었다.

실험예6

전극만의 면적 전체가 0.5㎠이 되도록 심각하게 오염된 직물기 폐수가 5in 직경의 양전극 도전성 프레임을 가로질러 신장된 귀금속 줄의 양전극을 통과했다. 2개의 음전극은 316L 스틸의 와이어 망이었다. 20l의 폐수가 전해조를 통해 180l/min으로 일괄 처리되었다. 20l의 체적에 NaCl 함량은 5% 이었다. 전류는 270 암페어였다. 25 내지 35초 동안에 폐수가 비어졌다.

Claims (30)

1. 전해조에 양전극 및/또는 음전극으로 사용되는 전극의 구조에 있어서,

   다수의 액체 통과 개구부(18)를 지니며 전류공급원에 접속하기 위한 수단을 포함하는 도전성 프레임을 포함하고;

   상기 프레임의 일 측면 또는 양 측면은 도전성 천공 박막 또는 와이어 망으로 덮여지며;

   상기 와이어 망은 상기 프레임(10)의 표면구조를 덮도록 형성되는 스페이서 수단(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
2. 제1항에 있어서, 프레임의 양 측면은 도전성 천공 박막 또는 와이어 망으로 덮여지며, 스페이서 수단은 상기 박막 또는 와이어 망 네트상에 배열되는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
3. 제1항에 있어서, 스페이서 수단은, 상기 프레임의 통과구멍을 차단하지 않고 사용시 전극들 간 전기적 접촉을 차단하기 위해 상기 프레임의 평면에 상응하는 평면 섹션을 구비하는 박막인 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
4. 제1항에 있어서, 상기 스페이서 수단 박막(16)의 두께는 약 0.3mm인 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
5. 제1 내지 4항에 있어서, 와이어 망은 평행 스레드 또는 와이어 망 네트를 포함하며, 상기 와이어 망은 각각 10 내지 20개의 스레드가 탄탈륨으로 되고 중간 스레드는 플래티늄으로 만들어지는 평행 스레드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
6. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 양전극이나 음전극 또는 양쪽 모두에서 망/와이어/천공 박막은, 사용 중 양전극과 음전극 사이의 단락을 방지하는데 필요한 안정성을 획득하기 위해 상기 망/와이어/천공박막에 충분한 텐션이 부가된 우수한 도전성 재료로 형성된 구조 도전성의 양 측 모두 또는 일 측에 압축/가열 및 접합제를 사용하거나 마찰 용접 또는 레이저 용접에 의해 금속 간 적정 도전성을 획득하도록 충분히 근접되며, 도전성 프레임 자체는 내산화성 비도전성 재료에 의해 전해조와의 접촉으로부터 절연되는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
7. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 각각의 개별 와이어 또는 천공 박막은, 전기 접촉이 노출된 전극 영역에 전류분포를 균일하게 하고 그 노출된 전극 영역이 통상의 스페이서의 사용을 배제하기 위해 안정화된 텐션을 생기게 하도록 와이어 또는 천공 박막이 충분한 텐션 하에 유지되도록 동시에 인덕션 용접 또는 레이져 용접이나 압력, 열 및 접합제를 사용하여 우수한 도전성 재료의 프레임에 부착되며; 프레임 또는 도전성은 내산화성 절연체/코팅에 의해 액체 전해조로부터 절연되는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
8. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 각각의 전극은 가로놓여지면 100미크론(micron) 내지 25000미크론으로 이격되며, 각각의 전극들이 와이어로 짜여지거나, 직조되거나, 인덕션 용접되거나 엮어지면 15 미크론에서 25000미크론의 기공을 지니는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
9. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 양전극은 탄탈륨, 니오븀. 하프늄, 지르코늄, 플래티늄, 로듐, 이리듐, 루테늄, 팔라듐 또는 이들의 합금, 또는 상기 금속들과 다른 와이어들의 합금 또는 조성물로 형성되며, 또는 양전극은 SS316 L 스틸 또는 고급 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
10. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 양전극은 박막로 형성되며, 액체의 유동이 박막의 양측면상으로 유도되어 음전극 망/음전극 와이어를 통해 배출될 수 있는 와이어 또는 짜여지거나 직조되거나 꼬아진 망으로 형성된 음전극을 갖는 챔버에 배치되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
11. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 양전극 및 음전극은 광화학에 의해 밀접하게 천공된 고급 합금 또는 SS316 L내의 플레이트로만 구성되는 것을 특징으로 하는 전극의 구조.
12. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 플레이트의 두께는 25-1000미크론이며, 구멍의 직경은 25-2000미크론인 것을 특징으로 하는 구조.
13. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 와이어는 0.010mm 내지 5mm의 직경을 지니는 것을 특징으로 하는 구조.
14. 상기 항들 중 어느 항에 있어서, 양전극은 챔버내에서 탄탈륨, 니오븀. 하프늄, 지르코늄, 플래티늄, 로듐, 이리듐, 루테늄, 팔라듐 또는 이들의 합금으로 0.015mm 내지 0.300mm의 두께로 형성되며, 음전극은 액체의 흐름이 박막의 양측면상으로 유도되어 음전극 망/음전극 와이어를 통해 배출될 수 있는 짜여지거나 직조되거나 인덕션 용접되거나 꼬아진 형태 또는 와이어의 망 형태를 지니는 것을 특징으로 하는 구조.
15. 전해조에서 양전극 및/도는 음전극으로 사용하기 위한 전극을 제조하는 방법에 있어서,

    다수의 액체 통과 개구부(18)를 지니며 전류공급원에 접속하기 위한 수단을 포함하는 도전성 프레임을 제공하며;

    상기 프레임의 일 측면 또는 양 측면은 도전성 천공 박막 또는 와이어 망으로 덮여지며, 상기 박막 또는 와이어 망은 그 박막 또는 와이어 망에 강도 또는 텐션을 가하여 프레임에 고정되어, 용접 및/또는 접착 공정에 의해 프레임 표면에 강제되어 고정되는 것을 특징으로 하는 전극 제조방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 박막 또는 와이어 망 네트상에 스페이서 수단이 배열되며, 상기 스페이서 수단(18)은 사용시 프레임의 통과구멍들을 차단하지 않도록 프레임의 평면에 상응하는 평면부를 갖는 박막로 되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제15 및 16항에 있어서, 스페이서 박막은 PVC 또는 폴리프로필렌 시트이며 프레임/도전성 와이어 망에 용접되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제15 내지 17항에 있어서, 약 0.3mm 두께의 스페이서 수단 박막(16)을 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 하나의 단일 양전극과 음전극이 하나의 양전극에서부터 50개 까지 함께 상호 적층되어 접속되는 전해조에서의 상기 청구항들에 따른 전극 구조의 용도.
20. 제19항에 있어서, 양전극과 음전극이 동일 재료 또는 다른 재료로 형성되며, 유사한 재료인 경우 인가된 직류(DC) 전원이 교류로 되어 스케일링이나 불규칙한 파단 및 마모를 회피하는 액체/물 처리 전해조에서의 제19항에 따른 전극 구조의 용도.
21. 제19항 내지 20항에 있어서, 유량이 수 l/hr 에서 1000㎥/hr 이상까지 되는 액체/물 처리 전해조에서의 전극 구조의 용도.
22. 제19항 내지 21항에 있어서, 316L 양전극에서의 특정 전류밀도가 38mA/㎠이고, Cl의 농도는 5ppm이며, 귀금속에 대해 0.5㎠의 양전극면적에서 전류는 270Amp로 되는 액체/물 처리 전해조에서의 전극 구조의 용도.
23. 제19항 내지 22항에 있어서, 전기분해를 통한 산화체 생산을 위한, 액체내의 유기물질의 산화를 위한, 액체내의 입자들 상의 유기물질의 산화를 위한 전해조에서의 양전극 및 음전극의 용도.
24. 제19항 내지 23항에 있어서, 전기분해를 통한 산화체의 생산을 위한, 액체내의 박테리아, 포자, 미생물, 조류 및 바이러스의 박멸 및 산화를 위한 전해조에서의 양전극 및 음전극의 용도.
25. 제19항 내지 24항에 있어서, 전기분해를 통한 산화체의 생산을 위한, 신선한 물 및 음료수의 처리를 위한 전해조에서의 양전극 및 음전극의 용도.
26. 제19항 내지 25항에 있어서, 오염된 액체/물이 양전극 및/또는 음전극에서 미세구멍을 통해 처리되는 전해조에서의 양전극 및 음전극의 용도.
27. 제19항 내지 26항에 있어서, 전기분해를 통한 산화체의 생산을 위한, 선박으로부터의 밸러스트 워터내의 100미크론 이하의 박테리아, 포자, 미생물, 조류 및 바이러스의 박멸을 위한 전해조에서의 양전극 및 음전극의 용도.
28. 제19항 내지 27항에 있어서, 처리될 액체는, 본 발명에 따라 처리되기 전에, 전극의 미세 구멍보다 큰 모든 입자 및 유기물을 제거하기 위해 기계적 입자 추출기를 통해 처리되는 양전극 및 음전극의 용도.
29. 제19항 내지 28항에 있어서, 처리될 액체는, 본 발명에 따라 처리된 후에, 잠복하는 초과 유기 화합물을 제거하기 위해 소수성 흡수 필터 또는 소수성 흡수 매체를 통해 처리되는 양전극 및 음전극의 용도.
30. 제19항 내지 29항에 있어서, 액체는 처리되는 동안 전기 부유된 유기물질을 제거하기 위해 부유장치를 통해 처리되는 양전극 및 음전극의 용도.