KR20240001798A - 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치 - Google Patents

원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치에 관한 것으로, 특히 물의 전기분해에 의한 하이드록실 라디칼 수의 제조를 위한 전해 셀을 원통형으로 제조함과 동시에 전해액 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트로 구성된 스테틱 믹서를 채택하고, 원료수 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판을 채택함으로써, 소형이면서 간결할 뿐만 아니라 물의 전기 분해를 이용하여 대용량으로 하이드록실 라디칼(HO·) 기능수를 생성할 수 있는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치에 관한 것이다.

Description

원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치{Cylinder type electric cell for production of hydroxyl radical containing molecule water}
본 발명은 원통형의 하이드록실 라디칼(HO·) 함유 분자수의 제조장치에 관한 것으로, 특히 물의 전기분해에 의한 하이드록실 라디칼 수의 제조를 위한 전해 셀을 원통형으로 제조함과 동시에, 원료수 흐름로 또는 전해액 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트로 구성된 스테틱 믹서를 채택하고, 전해액 흐름로 또는 원료수 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판을 채택함으로써, 소형이면서 간결할 뿐만 아니라 물의 전기 분해를 이용하여 대용량으로 하이드록실 라디칼(HO·) 기능수를 생성할 수 있는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치에 관한 것이다.
하이드록실 라디칼(HO·)은 오존이나 과산화수소를 물에 용존 시킨 후 생성되거나 혹은 광촉매 표면에 자외선이나 가시광선을 조사하여 공기 중의 산소와 물 분자의 분해로 생성되는 산소 음이온계 물질로 거의 모든 오염물질의 살균, 소독에 관여하여 화학적으로 유기 및 무기물을 산화 및 분해시킬 수 있는 가장 강력한 살균효과를 발휘하면서 인체에는 무해한 천연물질이다.
현존하는 물질 중에서 하이드록실 라디칼의 산화력은 불소(F)다음으로 강력하며 오존이나 염소보다도 강력하나 불소, 염소, 및 오존처럼 인체에 독성을 기치거나 하는 유해물질이 아니다. 하이드록실 라디칼의 특성은 강력한 살균력을 가지고 있고 모든 중금속이나 화학성분을 분해하여 제거하는 능력을 가지고 공기와 물속의 오염물질에 직접 관여하여 용존 산소가 풍부한 건강한 물을 제공한다.
따라서 하이드록실 라디칼의 용도는 세균학적 제어와 유기물, 무기물을 산화제거하며 세균류인 대장균, 박테리아, 바이러스, 곰팡이균, 백선균, 간염균과 냉방 질병균 Legionella, 리스테리아 균을 수초이내 산화 멸균시킨다. 또한 산화반응을 통하여 냄새, 색, 맛, 조류, 시안화물, 트리할로메탄을 제거하고 유기물 산화제로 세척제, 페놀, 망간, 마그네슘 등을 제거하므로 상수원 용수처리, 냉각수 재순환 시스템의 냉각수 처리, 용기 세척수, 양식장의 수질처리와 활성산소 공급, 육계 및 돈육 가공 공장의 폐수처리등 광범위하게 사용된다. 이와같이 공기는 물론 환경에 각종 부패균, 식중독균, 곰팡이(진균류), 박테리아 및 바이러스 등의 거의 모든 질병균을 5~10초 내에 효과적으로 살균하는 능력 및 탈취효과를 발휘하여 청결한 환경을 만들어 준다.
특히 물의 정화를 위하여 하이드록실 라디칼을 이용하는 방법으로는 물을 전기분해하여 오존 및 과산화수소를 생성하고 이를 다시 분해하여 하이드록실 라디칼을 제조하는 방법을 채택하고 있다.
특허문헌 1, 2는 상기한 물의 전해에 의한 강력한 살균력을 가진 전해수(HO· 함유수)의 생성장치의 제조 및 방법에 대하여 기술하고 있다.
상기한 특허들의 내용은 거의 유사하며, 전해 셀을 구성하는 재료들의 상이, 전극 배치, 전해 방법 등의 차이를 가지고 있으며 그 효율을 극대화 시키는 방안을 구별하고 있을 뿐이다.
특허문헌 1은 염소형 음이온 교환수지를 이용하여 수돗물을 염소이온 교환수지와 접촉시키도록 구성한 이온교환부와 이 이온교환 부를 유통시킨 물을 전기분해하여 하이드록실 라디칼을 생성하는 방법으로 하이드록실 라디칼 함유수에 약 1ppm 이하의 염소를 함유하는 방법이다.
특허문헌 2는 물의 전해용 전극으로 판상의 금속 메쉬 촉매전극을 사용하고 두 전극사이에 고분자 전해질 막을 밀착되게 접촉면을 형성하여 물의 전해를 수행하여 산소 과전압을 저감하거나 증대시키는 촉매 층을 갖는 장치로 고체 전해질 막이 두 전극 면에 밀착되어 높은 전압 또는 전류를 유통시킬 경우 전해질 막의 열화가 빨리 진행되는 염려가 있다.
특히, 종래의 양극, 음극, 및 고분자 전해질 막을 평면적으로 밀폐하여 적층하여 설치하는 경우 완전한 밀폐성으로 실링이 어려워 이 밀폐성이 확보되지 않으면 양극과 음극 사이 물(원료수, 전해질 수용액)이 이동하여 전기분해에 효과적인 전위차를 감소시켜 오존의 발생 효율이 감소하는 문제점이 발생하게 된다.
따라서 보다 효율적이고 운전이 용이하며 장치가 콤팩트하고 소규모이면서 염소이온 등이 함유되지 않는 하이드록실 라디칼 생성량이 최대가 될 수 있는 장치의 개발 및 운전 시스템의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
대한민국특허 10-1839581(2018. 3. 12.) 대한민국특허 10-1837154(2018. 3. 5.)
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 본 발명의 목적은, 물의 전기분해에 의한 하이드록실 라디칼 수의 제조를 위한 전해 셀을 원통형으로 제조함과 동시에 원료수 흐름로 또는 전해액 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트로 구성된 스테틱 믹서를 채택하고, 전해액 흐름로 또는 원료수 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판을 채택함으로써, 소형이면서 간결할 뿐만 아니라 물의 전기 분해를 이용하여 대용량으로 하이드록실 라디칼(HO· 라디칼) 기능수를 생성할 수 있는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하이드록실 라디칼을 함유하는 기능수를 제조하기 위한 전해 셀의 제조 장치를 원통형으로 제조하여 하이드록실 기능수의 효과적인 생산 방법을 제공하는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 원통형 전해 셀 본체를 작은 규모로 콤팩트하게 구성하여도 하이드록실 라디칼 기능수의 생성량을 최대한 증대시킬 수 있는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 원료수의 가압작용과 충돌 교반작용 및 밀폐성으로 인한 오존 발생 효율이 향상되고, 원료수가 나선형으로 흐름으로 원심력을 받게 되어 고분자 전해질 막에 충돌하게 되고 이 부위에서 원료수가 국부적으로 가압되어 내압이 상승하게 되어 이러한 가압 상태에서 발생되는 오존은 물에 쉽게 용해될 수 있는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 오링 형태의 음극 터미널 및 양극 터미널이 별도 제작되어 끼워져 조립되어짐으로써, 실링재로 밀폐를 확실히 보증할 수 있게 하여 오존의 발생효율을 향상시킬 수 있는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치는, 수직된 원통형으로서, 중앙 하단부 및 상단부에는 전해액 공급부로부터 공급되는 전해액이 투입되어 배출되도록 하는 전해액 투입구 및 전해액 배출구가 각각 형성되어지되, 상기 전해액 투입구 및 전해액 배출구 사이에는 투입된 전해액이 교반 혼합되어 전해액 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트로 구성된 스테틱 믹서가 설치되며, 하단 및 상단 측부에는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수가 투입되어 배출되도록 하는 원료수 투입구 및 원료수 배출구가 각각 형성되어지되, 상기 원료수 투입구 및 상기 원료수 배출구 사이인 내주연 외곽에는 투입된 원료수가 상기 전해액 흐름로를 둘러싸도록 원료수 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판이 설치되는 원통형 수전해셀 케이스; 및 상기 스테틱 믹서와 상기 나선형 유도판 사이에 배치되며 원통형 고분자 전해질 막을 사이에 두고 음극과 양극이 형성되는 전극부를 포함하여 이루어져, 상기 전해액 투입구 및 전해액 배출구 사이의 전해액 흐름로를 따라 배출되도록 하는 전해액은 상기 음극과 접촉하면서 유통되고, 상기 원료수 투입구 및 원료수 배출구 사이의 원료수 흐름로를 따라 배출되는 원료수는 상기 양극과 접촉하면서 유통하도록 하여 전기분해에 의해 상기 원료수 흐름로를 따라 흐르는 원료수에 하이드록실 라디칼을 생성하여 배출하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치는, 수직된 원통형으로서, 중앙 하단부 및 상단부에는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수가 투입되어 배출되도록 하는 원료수 투입구 및 원료수 배출구가 각각 형성되어지되, 상기 원료수 투입구 및 원료수 배출구 사이에는 투입된 원료수가 교반 혼합되어 원료수 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트로 구성된 스테틱 믹서가 설치되며, 하단 및 상단 측부에는 전해액 공급부로부터 공급되는 전해액이 투입되어 배출되도록 하는 전해액 투입구 및 전해액 배출구가 각각 형성되어지되, 상기 전해액 투입구 및 상기 전해액 배출구 사이인 내주연 외곽에는 투입된 전해액이 상기 원료수 흐름로를 둘러싸도록 전해액 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판이 설치되는 원통형 수전해셀 케이스; 및 상기 스테틱 믹서와 상기 나선형 유도판 사이에 배치되며 원통형 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양극과 음극이 형성되는 전극부를 포함하여 이루어져, 상기 원료수 투입구 및 원료수 배출구 사이의 원료수 흐름로를 따라 배출되도록 하는 원료수는 상기 양극과 접촉하면서 유통되고, 상기 전해수 투입구 및 전해수 배출구 사이의 전해액 흐름로를 따라 배출되는 전해액은 상기 음극과 접촉하면서 유통하도록 하여 전기분해에 의해 상기 원료수 흐름로를 따라 흐르는 원료수에 하이드록실 라디칼을 생성하여 배출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원통형 수전해셀 케이스는, 원통형 튜브 본체의 상하단를 각각 커버하기 위한 상부 캡 및 하부 캡이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극부는, 상기 스테틱 믹서와 상기 나선형 유도판 사이에 배치되어지되, 원통형 메쉬 형태의 음극 또는 양극, 고체 이온 교환막으로서의 원통형 고분자 전해질 막, 및 원통형 메쉬 형태의 양극 또는 음극이 서로 밀착되어 원통형으로 순차적으로 형성되어 지되, 상기 상부 캡 및 하부 캡에는 상기 원통형 메쉬 형태의 음극 및 상기 원통형 메쉬 형태의 양극과 접촉되어 전력을 공급하는 오링 형태의 음극 터미널 및 양극 터미널이 끼워져 조립되어져 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극과 음극사이에 5~24volt, 및 0.1~10A/㎠의 직류 전원을 유통하고 원료수의 공급량은 1~10ℓ/분, 전해액의 공급량은 양극 공급량의 약 1/10~1/1000로 조절하며 재순환하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나선형 유도판은, 하측의 원료수 투입구를 통해 투입된 원료수가 내측으로 안내되어 상측으록 가이드 되도록 하는 나선형의 요홈부와, 상기 나선형의 요홈부의 형태에 따라 하측으로 돌출되는 나선형의 요철부로 이루어지며, 상기 스테틱 믹서의 믹싱 엘리먼트는, 금속 재질의 나선형으로 형성되거나, 복수의 금속편(片)을 사선방향으로 서로 교차하게 결합하는 형태, 또는 별형상 또는 십자형인 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치에 의하면, 물의 전기분해에 의한 하이드록실 라디칼 수의 제조를 위한 전해 셀을 원통형으로 제조함과 동시에 원료수 흐름로 또는 전해액 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트로 구성된 스테틱 믹서를 채택하고, 전해액 흐름로 또른 원료수 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판을 채택함으로써, 소형이면서 간결할 뿐만 아니라 물의 전기 분해를 이용하여 대용량으로 하이드록실 라디칼(HO· 라디칼) 기능수를 생성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 하이드록실 라디칼을 함유하는 기능수를 제조하기 위한 전해 셀의 제조 장치를 원통형으로 제조하여 하이드록실 기능수를 효과적으로 생산할 수 있다.
또한, 원통형 전해 셀 본체를 작은 규모로 콤팩트하게 구성하여도 하이드록실 라디칼 기능수의 생성량을 최대한 증대시킬 수 있는 장점도 있다.
또한, 원료수의 가압작용과 충돌 교반작용 및 밀폐성으로 인한 오존 발생 효율이 향상되고, 원료수가 나선형으로 흐름으로 원심력을 받게 되어 고분자 전해질 막에 충돌하게 되고 이 부위에서 원료수가 국부적으로 가압되어 내압이 상승하게 되어 이러한 가압 상태에서 발생되는 오존은 물에 쉽게 용해될 수 있는 장점도 있다.
또한, 오링 형태의 음극 터미널 및 양극 터미널이 별도 제작되어 끼워져 조립되어짐으로써, 실링재로 밀폐를 확실히 보증할 수 있게 하여 오존의 발생효율을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치의 결합 사시도들이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치의 내부 구조를 나타내는 단면도들이다.
도 3a는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 상부 캡의 결합 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 전극부 구조를 나타내는 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 스테틱 믹서 및 나선형 유도판 구조를 나타내는 모식도이다.
도 4c는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 전해액 흐름로 및 원료수 흐름로를 나타내는 모식도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 스테틱 믹서의 세부 구조를 나타내는 모식도들이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치의 결합 사시도들이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치의 내부 구조를 나타내는 단면도들이고, 도 3a는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 상부 캡의 결합 구조를 나타내는 모식도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 전극부 구조를 나타내는 모식도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 스테틱 믹서 및 나선형 유도판 구조를 나타내는 모식도이고, 도 4c는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 전해액 흐름로 및 원료수 흐름로를 나타내는 모식도이고, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 원통형 하이드록실 라디칼 함유수의 스테틱 믹서의 세부 구조를 나타내는 모식도들이다.
먼저, 도 1a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치(1)는, 수직된 원통형으로서, 중앙 하단부 및 상단부에는 전해액 공급부(미도시)로부터 공급되는 전해액이 투입되어 배출되도록 하는 전해액 투입구(11) 및 전해액 배출구(12)가 각각 형성되어지되, 상기 전해액 투입구 및 전해액 배출구 사이에는 투입된 전해액이 교반 혼합되어 전해액 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트(31)로 구성된 수직의 스테틱 믹서(30)가 설치되며, 하단 및 상단 측부에는 원료수 공급부(미도시)로부터 공급되는 원료수가 투입되어 배출되도록 하는 원료수 투입구(13) 및 원료수 배출구(14)가 각각 형성되어지되, 상기 원료수 투입구 및 상기 원료수 배출구 사이인 내주연 외곽에는 투입된 원료수가 상기 전해액 흐름로를 둘러싸도록 원료수 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판(40)이 설치되는 원통형 수전해셀 케이스(10); 및 상기 스테틱 믹서(30)와 상기 나선형 유도판(40) 사이에 배치되며 원통형 고분자 전해질 막(23)을 사이에 두고 음극(21)과 양극(22)이 형성되는 전극부(20)를 포함하여 이루어져, 상기 전해액 투입구 및 전해액 배출구 사이의 전해액 흐름로(도 4c 참조)를 따라 배출되도록 하는 전해액은 상기 음극과 접촉하면서 유통되고, 상기 원료수 투입구 및 원료수 배출구 사이의 원료수 흐름로(도 4c 참조)를 따라 배출되는 원료수는 상기 양극과 접촉하면서 유통하도록 하여 전기분해에 의해 상기 원료수 흐름로를 따라 흐르는 원료수에 하이드록실 라디칼을 생성하여 배출하도록 한다.
여기서, 도시된 예에서는 전해액 투입구(11) 및 전해액 배출구(12) 사이에 믹싱 엘리먼트(31)로 구성된 수직의 스테틱 믹서(30)가 설치되어 전해액 흐름로를 형성하고, 원료수 투입구(13) 및 상기 원료수 배출구(14) 사이에 수직된 나선형 유도판(40)을 형성되어 원료수 흐름로를 형성된 예를 나타내고 있으나, 원통형 수전해셀 케이스(10)의 중앙 하단부 및 상단부에 원료수 투입구 및 상기 원료수 배출구를 형성하고 그 사이에 믹싱 엘리먼트로 구성된 수직의 스테틱 믹서가 설치되어 원료수 흐름로를 형성하고, 원통형 수전해셀 케이스(10)의 하단 및 상단 측부에 전해액 투입구 및 전해액 배출구를 형성하고 그 사이에 수직의 나선형 유도판을 형성하여 전해수 흐름로를 형성하여 전기분해에 의해 상기 원료수 흐름로를 따라 흐르는 원료수에 하이드록실 라디칼을 생성하여 배출하도록 할 수 있다.
이때, 전극부는 원통형 고분자 전해질 막을 사이에 두고 도시된 예와 반대로 양극이 내측에 음극이 외측에 형성되어, 원통형의 내부 외주연에 형성되는 전해액 투입구 및 전해액 배출구 사이의 전해액 흐름로 따라 배출되도록 하는 전해액은 상기 음극과 접촉하면서 유통되고, 원통형의 내부연에 형성되는 원료수 투입구 및 원료수 배출구 사이의 원료수 흐름로를 따라 배출되는 원료수는 상기 양극과 접촉하면서 유통하도록 해야한다.
아울러, 도시된 예에서는 전해액 투입구(11)와 원료수 투입구(13)가 원통형 수전해셀 케이스(10)의 하측에 위치하고, 전해액 배출구(12)와 원료수 배출구(14)가 원통형 수전해셀 케이스(10)의 상측에 위치하는 예를 나타내고 있으나, 그 위치를 상호 바꾸어 배열하더라도 무방함을 이해하여야 할 것이다.
상기 원통형 수전해셀 케이스(10)는, 도 1a 및 도 1b 등에 도시된 바와 같이, 전체적으로 상하 수직된 원통 형태로 플라스틱 재질로 이루어짐이 바람직하다.
상기 원통형 본체의 플라스틱 재료는 재질은 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌프타레이트(PET), 폴리에텔에텔케톤(PEEK), 나이론 등의 난연, 단열, 내열성이 우수한 재료이면 모두 무방하다.
상기 상기 전해액 투입구(11) 및 전해액 배출구(12)는 원통형 수전해셀 케이스(10)의 중앙 하단부 및 상단부에 각각 상하로 수직되게 배치되어 외부의 전해액 공급부(미도시)로부터 전해액을 공급받아 후술하는 바와 같이, 믹싱 엘리먼트(31)로 구성된 스테틱 믹서(30)를 통해 투입된 전해액이 교반 혼합되어 전해액 흐름로를 따라 하측에서 상측으로 배출하도록 되어 있다(도 4c 참조).
상기 전해액은 NaCl, KCl 등의 알칼리 금속염이나 Na2SO4와 같은 황산염, 염산(HCl), 구연산(C6H8O7) 수용액 등을 2~10% 농도로 희석하여 사용 할 수 있다. 소금의 경우 염소이온의 농도가 10~100㎎/ℓ사이로 조정한다.
상기 염소이온 농도가 높으면 양극(+)측의 산화 열화가 억제되어 전류 효율이 높게 유지된다. 전해액의 전도율은 300 μS/cm 이상의 전해질 수용액이 바람직하다.
여기서, 전해액 배출구(12)를 통해 배출되는 음극수인 전해액은 전해질 수용액을 다시 농도를 조절하여 마이크로 펌프(미도시)를 이용하여 재순환하여 사용함이 바람직하다.
상기 원료수 투입구(13) 및 원료수 배출구(14)는 원통형 수전해셀 케이스(10)의 하단 및 상단 일측부에 각각 상하로 수직되게 배치되어 외부의 원료수 공급부(미도시)로부터 원료수(수돗물)을 공급받아 후술하는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 전기분해에 의해 나선형 유도판(40)에 의해 나선형으로 유도되는 원료수 흐름로를 따라 흐르는 원료수에 하이드록실 라디칼을 생성한 하이드록실 라디칼 함유수를 배출하여 외부에 저장하도록 한다.
이때, 공급되는 양극수인 원료수(수돗물)의 온도는 약 10~20℃로 유지하도록 조절하는 것이 바람직하다. 온도가 너무 높은 경우 양극수 중의 오존이 가스로 분출되어 하이드록실 라디칼 함유수의 생성량이 감소되는 우려가 있다.
또한, 원료수로서 수돗물 뿐만 아니라, 순수, 증류수, 역삼투압 정제수 등도 사용할 수 있음은 물론이다. 또한 물속에 존재할 수 있는 여러 가지 불순물 등을 여과 할 수 있는 필터, 양이온, 음이온 수지, 활성탄 등을 사용 할 수 있다. Ca, Mg 등은 전극에 스케일로 고착되어 전극을 열화시킬 우려가 있다.
상기 원통형 수전해셀 케이스(10)는, 원통형 튜브 본체의 상하단를 각각 커버하기 위한 상부 캡(15) 및 하부 캡(16)이 설치된다.
이때, 도 3a에 도시된 바와 같이, 캡 조립 볼트(50)를 사용하여 상부 캡(15) 및 하부 캡(16)을 조립함이 바람직하다.
상기 전극부(20)는, 도 3a 및 도 3b 등에 도시된 바와 같이, 후술하는 스테틱 믹서(30)와 상기 나선형 유도판(40) 사이에 원통형으로 배치되며 원통형 고분자 전해질 막(23)을 사이에 두고 원통형의 음극(21)과 양극(22)이 형성되도록 설치된다.
즉, 상기 전극부(20)는, 스테틱 믹서(30)와 상기 나선형 유도판(40) 사이에 배치되어지되, 원통형 메쉬 형태의 음극(21), 고체 이온 교환막으로서의 원통형 고분자 전해질 막(23), 원통형 비전도성 필터(24), 및 원통형 메쉬 형태의 양극(22)이 서로 밀착되어 원통형으로 순차적으로 형성된다.
한편, 도 3a에 도시된 바와 같이, 원통형 수전해셀 케이스(10)의 상하단에 형성된 상부 캡(15) 및 하부 캡(16)에는 원통형 메쉬 형태의 음극(21) 및 원통형 메쉬 형태의 양극(22)과 접촉되어 전력을 공급하는 오링 형태의 음극 터미널(25) 및 양극 터미널(26)이 별도 제작되어 끼워져 조립되어짐과 동시에 밀폐가 가능해진다.
이때, 상부 캡(15) 및 하부 캡(16)에서의 오링 형태의 음극 터미널(25) 및 양극 터미널(26)의 조립은 다수의 음극 터미널 조립 볼트(51) 및 양극 터미널 조립 볼트(52)를 통해 조립함이 바람직하다.
여기서, 미설명의 부호 54는 조립용 러버이다.
아울러 원통형 메쉬 형태의 음극(21) 및 원통형 메쉬 형태의 양극(22) 사이에는 고체 이온 교환막으로서의 원통형 고분자 전해질 막(23)이 형성되어 양극수(원료수 또는 라디칼 수)와 음극수(전해질 수용액)가 서로 혼합되지 않도록 밀폐한다.
이와 같이 오링 형태의 음극 터미널(25) 및 양극 터미널(26)이 별도 제작되어 끼워져 조립되어짐으로써, 실링재로 밀폐를 확실히 보증 할 수 있게 하여 오존의 발생 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 전극부(20)의 재질 등의 특성을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
원통형의 음극(21) 및 양극(22)의 재질은 백금 혹은 티탄에 백금을 도금한 메쉬 형태의 금속망으로 메쉬선의 직경은 약 0.3~0.8㎜, 구멍수는 약 40~80메쉬가 바람직하다. 40메쉬보다 작은 경우 즉 구멍의 크기가 큰 경우 양극수의 난류가 발생하지 않아 양극수의 양극과의 접촉시간이 짧아지는 경향이 있으며, 80메쉬 보다 큰 경우에는 양극수의 흐름이 늦어지거나 불순물의 개입으로 물의 흐름이 방해를 받는 문제가 발생 할 염려가 있다.
양극(+)과 음극(-)재료는 망상의 티타늄에 백금을 도금한 촉매 전극을 사용한다. 전극의 형상은 메쉬 형태의 망구조를 가진 것을 사용하여 전해 반응으로 생성되는 오존이나 산소 기포 등을 복잡한 망구조의 공극을 빠져나가는 동안 용이하게 용해 분해되어 하이드록실 라디칼을 생성한다. 티타늄이나 백금 메쉬의 선의 직경은 약 0.3~0.8㎜, 망의 구멍의 크기는 약 35~100메쉬가 적당하다. 백금선은 직경이 약 0.01~0.8㎜이고 구멍의 크기는 약 65~100메쉬의 것이 바람직하다. 원료수의 온도는 약 10~30℃로 유지 한다. 온도가 너무 높으면 라디칼 수의 분해가 촉진되어 농도가 낮아지는 경향이 있다.
고분자 전해질 막(23)은 프로톤 도전막으로 설폰산형 양이온교환 수지를 사용한다. 시판 제품으로는 나피온막(듀폰사 제품)을 사용 할 수 있으나 이에 제한을 받지 않고 유사한 양이온 교환막을 사용 할 수 있다. 일반적으로 고분자 전해질 막의 두께는 0.05~0.5㎜의 것을 사용한다. 고분자 전해질 막을 통하여 이온이나 전자의 교환이 이루어지도록 설치하고 고분자 전해질 막의 도전율은 음극(-)부의 전해질 수용액의 도전율과 거의 동일한 값을 가지는 것이 바람직하다.
고분자 전해질 막(23)은 양극(+)과 음극(-)사이에 설치하고 전해질 막의 한 면이 양극(+)측에 밀착되게 설치하며 음극(-)과는 0.1~0.8㎜의 간극을 두고 설치한다. 이 공극에는 유전체나 다공질 비전도성 필터을 설치한다. 고분자 전해질 막은 프로톤 도전막으로 설폰산형 양이온교환 막을 사용한다. 시판 제품으로는 나피온막(듀폰사 제품)을 사용 할 수 있으나 이에 제한을 받지 않고 유사한 양이온 교환막을 사용 할 수 있다. 일반적으로 고분자 전해질 막의 두께는 0.05~0.5㎜의 것을 사용한다. 이 전해질막을 통하여 이온이나 전자의 교환만이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 고분자 전해질 막의 도전율은 음극(-)부의 전해질의 도전율과 거의 동일한 값을 가지는 것이 바람직하다. 비전도성 유전체 다공성 필터 재료는 유리 또는 석영 섬유로 직조 또는 부직포인 것을 사용한다.
양극(22)과 음극(21)사이에 5~24volt, 및 0.1~10A/㎠의 직류 전원을 유통하고 원료수의 공급량은 1~10ℓ/분, 전해액의 공급량은 양극 공급량의 약 1/10~1/1000로 조절하며 재순환하도록 하여 하이드록실 기능수의 생산을 위한 원통형 전해 셀의 구성을 완성한다.
상기 나선형 유도판(40)은, 도 2a, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 원료수 투입구(13) 및 상기 원료수 배출구(14) 사이인 내주연 외곽에는 투입된 원료수가 상기 전해액 흐름로를 둘러싸도록 원료수 흐름로를 형성하도록 상하 나선형으로 설치된다.
즉, 상기 나선형 유도판(40)은, 하측의 원료수 투입구(13)를 통해 투입된 원료수가 내측으로 안내되어 상측으록 가이드되도록 하는 나선형의 요홈부(41)와, 상기 나선형의 요홈부의 형태에 따라 하측으로 돌출되는 나선형의 요철부(42)로 이루어져 자연스럽게 하이드록실 기능수를 함유하는 원료수가 상측의 원료수 배출구(14)를 통해 외부로 배출되어 저장될 수 있도록 되어 있다.
상기 스테틱 믹서(30)는, 도 5a 내지 도 5c 등에 도시된 바와 같이, 상기 전해액 투입구(11) 및 전해액 배출구(12) 사이로 투입된 전해액이 교반 혼합되어 전해액 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트(31)로 구성되어 설치된다.
상기 믹싱 엘리먼트(31)는 도 5b에 도시된 바와 같이 금속 재질의 나선형으로 형성되거나, 도 5a 및 도 5c와 같이 복수의 금속편(片)을 사선방향으로 서로 교차하게 결합하는 형태나 별형상 또는 십자형 등의 다양한 형태가 가능함으로 물론이다.
이러한 다양한 형태의 믹싱 엘리먼트(31)는 투입된 전해액을 하나의 엘리먼트를 통과할 때마다 2분할되는 분할 작용, 엘리먼트 내의 비틀림면을 따라 관 중앙부에서 벽부로, 관 벽부에서 중앙부로 정렬되는 전환작용, 및 1엘리먼트마다 회전 방향이 바뀌고, 급격한 관성력의 반전으로 난류 교반되는 반전작용 등을 통해 교반 혼합되어 전해액 흐름로를 형성하도록 하는 역활을 수행한다.
한편, 물의 전기분해에 의한 오존의 생성반응을 살펴보면 다음과 같다.
1) 양극반응
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- E°1.229V-------①
3H2O → O3 + 6H+ + 6e- E°1.511V--------②
O2 +H2O → O3 + 2H+ + 2e- E°2.075V--------③
2)음극반응
2H+ +2e- → H2 E°0V---------④
3)하이드록실 라디칼 생성반응
양극(+)반응에서 생성된 오존은 다음 반응식 ⑤, ⑥, ⑦을 거쳐 하이드록실 라디칼(HO·), 산소, 2산화수소 등이 생성된다. ⑤, ⑥, ⑦반응은 반응 상수 값(k)이 약 107M-1S-1 이상으로 모두 오른쪽으로의 반응이 빠르게 진행되어 반응식 ⑧에서 보는 바와 같이 하이드록실 라디칼(HO·)이 최종 생성된다.
O3 + OH- → HO2 - + O2 ---------⑤
O3 + HO2 - → O3 - + HO2 ---------⑥
O3- + H2O → HO· + O2 + OH----⑦
⑤+⑥+⑦
2O3 + H2O → HO· +2O2 + HO2 ---⑧
오존 생성반응에는 물 분자로부터 직접 오존이 생성되는 6원자 반응식 ②와 물 분자로부터 먼저 산소가 발생하고, 이 산소가 오존으로 변하는 반응식 ① 및 ③이 있다.
상기한 반응식 ① 및 ③ 전자반응으로 물의 전기분해를 수행하는 것이 전류 효율을 높일 수 있어 바람직하며 반응식 ⑧에서와 같이 HO·, 2O2, HO2와 같은 산소 라디칼이 생성된다.
음극(-)에서는 수소가스 또는 수소라디칼이 생성되고 수소가스는 외부로 배출한다.
또한 본 발명의 특징은 원료수의 가압작용과 충돌 교반작용 및 밀폐성으로 인한 오존 발생 효율이 향상되는 점이다. 원료수가 나선형으로 흐름으로 원심력을 받게 되어 고분자 전해질 막에 충돌하게 되고 이 부위에서 원료수가 국부적으로 가압되어 내압이 상승하게 되어 이러한 가압 상태에서 발생되는 오존은 물에 쉽게 용해된다.
즉, 원료수의 흐름이 원료수의 전기분해에 미치는 영향을 살펴보면 다음과 같다. 원료수가 원통형 셀의 내면측의 나선 방향으로 흐르면서 양극 전극과 고분자 전해질 막에 간헐적으로 충돌하고 다시 나선 방향으로 선회하면서 진행을 반복한다. 원료수가 고분자 전해질 막에 충돌 할 때 전기분해 반응이 일어나 양극(22) 측에 오존이 발생되고 바로 물에 용해하게 된다. 이 오존은 미세기포로 반응성이 높아 거의 전량이 원료수 중에 용해된다.
<실시예 1>
본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 자세히 설명하고자 한다.
전극부(20)를 전해 셀인 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치(1) 내의 설치방법은 두께가 약 2㎜의 망상형의 양극(22)을 지름이 약 33㎜되게 원통형으로 제작하고, 원통형의 양극(22)의 내부에 두께가 약 2㎜, 지름이 약 32㎜인 고분자 전해질 막(23), 두께가 약 1~2㎜이고 지름이 약 31㎜인 비전도성 필터(24), 두께가 약 2㎜이고 지름이약 30㎜인 원통형의 음극(21)을 차례로 삽입하여 전극부(20 )를 형성한다.
원통형 케이스 본체 내부면의 나선형 유도판(40)의 요철부분의 깊이는 약 10~15㎜이고 중앙부위의 스테틱 믹서(30)의 믹싱 엘리먼트(31)와 양극(22) 사이의 거리는 약 10~15㎜되게 간극을 두어 전체 원통 본체의 지름은 약 50~70㎜되게 제작한다.
따라서 원통형 전극부(20)의 외부 지름은 약 35㎜이고, 그 내부 지름은 약 30㎜인 원통이 형성되고 원통 튜브의 길이는 약 170㎜되게 제작하여 전해 셀을 구성한다.
상기한 같은 구조로 전극부(20)를 설치함으로써 고분자 전해질 막(23)과 양극(22) 및 음극(21)을 겹쳐 조합한 것을 원통형으로 감고 이 원통형 양극의 전극면의 둘레를 나선형으로 진행되는 흐름로로 유도되게 원료수를 흐르게 함으로써 원료수가 장시간 전기분해 과정에 정체되어 높은 라디칼 기능수의 생성 효과를 얻을 수 있음 알 수 있었다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 본 발명에 따른 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치
10: 원통형 수전해셀 케이스
11: 전해액 투입구 12: 전해액 배출구
13: 원료수 투입구 14: 원료수 배출구
15: 상부 캡 16: 하부 캡
20: 전극부
21: 음극 22: 양극
23: 고분자 전해질 막 24: 비전도성 필터,
25: 음극 터미널 26: 양극 터미널
30: 스테틱 믹서
31: 믹싱 엘리먼트
40: 나선형 유도판
41: 요홈부 41: 요철부
50: 캡 조립 볼트 51: 음극 터미널 조립 볼트
52: 양극 터미널 조립 볼트 54: 조립용 러버

Claims (6)

  1. 수직된 원통형으로서, 중앙 하단부 및 상단부에는 전해액 공급부로부터 공급되는 전해액이 투입되어 배출되도록 하는 전해액 투입구 및 전해액 배출구가 각각 형성되어지되, 상기 전해액 투입구 및 전해액 배출구 사이에는 투입된 전해액이 교반 혼합되어 전해액 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트로 구성된 스테틱 믹서가 설치되며, 하단 및 상단 측부에는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수가 투입되어 배출되도록 하는 원료수 투입구 및 원료수 배출구가 각각 형성되어지되, 상기 원료수 투입구 및 상기 원료수 배출구 사이인 내주연 외곽에는 투입된 원료수가 상기 전해액 흐름로를 둘러싸도록 원료수 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판이 설치되는 원통형 수전해셀 케이스; 및
    상기 스테틱 믹서와 상기 나선형 유도판 사이에 배치되며 원통형 고분자 전해질 막을 사이에 두고 음극과 양극이 형성되는 전극부를 포함하여 이루어져,
    상기 전해액 투입구 및 전해액 배출구 사이의 전해액 흐름로를 따라 배출되도록 하는 전해액은 상기 음극과 접촉하면서 유통되고, 상기 원료수 투입구 및 원료수 배출구 사이의 원료수 흐름로를 따라 배출되는 원료수는 상기 양극과 접촉하면서 유통하도록 하여 전기분해에 의해 상기 원료수 흐름로를 따라 흐르는 원료수에 하이드록실 라디칼을 생성하여 배출하는 것을 특징으로 하는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치.
  2. 수직된 원통형으로서, 중앙 하단부 및 상단부에는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수가 투입되어 배출되도록 하는 원료수 투입구 및 원료수 배출구가 각각 형성되어지되, 상기 원료수 투입구 및 원료수 배출구 사이에는 투입된 원료수가 교반 혼합되어 원료수 흐름로를 형성하도록 믹싱 엘리먼트로 구성된 스테틱 믹서가 설치되며, 하단 및 상단 측부에는 전해액 공급부로부터 공급되는 전해액이 투입되어 배출되도록 하는 전해액 투입구 및 전해액 배출구가 각각 형성되어지되, 상기 전해액 투입구 및 상기 전해액 배출구 사이인 내주연 외곽에는 투입된 전해액이 상기 원료수 흐름로를 둘러싸도록 전해액 흐름로를 형성하도록 나선형 유도판이 설치되는 원통형 수전해셀 케이스; 및
    상기 스테틱 믹서와 상기 나선형 유도판 사이에 배치되며 원통형 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양극과 음극이 형성되는 전극부를 포함하여 이루어져,
    상기 원료수 투입구 및 원료수 배출구 사이의 원료수 흐름로를 따라 배출되도록 하는 원료수는 상기 양극과 접촉하면서 유통되고, 상기 전해수 투입구 및 전해수 배출구 사이의 전해액 흐름로를 따라 배출되는 전해액은 상기 음극과 접촉하면서 유통하도록 하여 전기분해에 의해 상기 원료수 흐름로를 따라 흐르는 원료수에 하이드록실 라디칼을 생성하여 배출하는 것을 특징으로 하는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원통형 수전해셀 케이스는, 원통형 튜브 본체의 상하단를 각각 커버하기 위한 상부 캡 및 하부 캡이 설치되는 것을 특징으로 하는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극부는, 상기 스테틱 믹서와 상기 나선형 유도판 사이에 배치되어지되, 원통형 메쉬 형태의 음극 또는 양극, 고체 이온 교환막으로서의 원통형 고분자 전해질 막, 및 원통형 메쉬 형태의 양극 또는 음극이 서로 밀착되어 원통형으로 순차적으로 형성되어지되,
    상기 상부 캡 및 하부 캡에는 상기 원통형 메쉬 형태의 음극 및 상기 원통형 메쉬 형태의 양극과 접촉되어 전력을 공급하는 오링 형태의 음극 터미널 및 양극 터미널이 끼워져 조립되어져 밀폐되는 것을 특징으로 하는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    또한, 상기 양극과 음극사이에 5~24volt, 및 0.1~10A/㎠의 직류 전원을 유통하고 원료수의 공급량은 1~10ℓ/분, 전해액의 공급량은 양극 공급량의 약 1/10~1/1000로 조절하며 재순환하도록 하는 것을 특징으로 하는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 나선형 유도판은, 하측의 원료수 투입구를 통해 투입된 원료수가 내측으로 안내되어 상측으록 가이드 되도록 하는 나선형의 요홈부와, 상기 나선형의 요홈부의 형태에 따라 하측으로 돌출되는 나선형의 요철부로 이루어지며,
    상기 스테틱 믹서의 믹싱 엘리먼트는, 금속 재질의 나선형으로 형성되거나, 복수의 금속편(片)을 사선방향으로 서로 교차하게 결합하는 형태, 또는 별형상 또는 십자형인 것을 특징으로 하는 원통형의 하이드록실 라디칼 함유 분자수의 제조장치.

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