KR101130795B1 - 다단계 전극을 구비한 전해조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극을 다단계로 형성하되 직렬연결함으로써 항상 일정한 전류가 흐르도록 하여 수압에 따른 영향을 받지 않고 전해효율을 일정하게 할 수 있는 전해조에 관한 것이다.

전해조, 다단계 전극

Description

다단계 전극을 구비한 전해조{electrolytic cell having a multi-step electrode}

본 발명은 전해조에 관한 것으로, 구체적으로는 다단계 전극을 직렬로 연결하여 전해효율을 향상시킨 전해조에 관한 것이다.

깨끗한 물을 이용하고자 하는 노력의 일환으로 개발된 것 중에 하나가 살균 및 세정 효과를 얻을 수 있도록 전기분해를 통해 이온수를 생성시키기 위한 전해 수 생성장치이다.

물은 H+와 OH-로 이온으로 구성되며 여러 종류의 미네랄 성분을 함유하고 있다. 이 미네랄은 전기적인 성질을 띠고 있어 전기를 통해주면 양극과 음극으로 나뉘게 된다. 이와 같은 원리를 이용하여 전극간에 격막이 형성된 전해조에 전압을 가하여 전기분해하면 음극(-)에는 알칼리성 이온이, 양극(+)에는 산성 이온이 생성된다.

물이 전기분해가 되면 산화, 환원을 하는데 이때 전위수치를 ORP(Oxidation Reduction Potential; 산화환원 전위)로 표시한다. 상기 ORP는 물이 산화수인지, 환원수인지 알아보는 기준치라 할 수 있다. 상기 ORP 수치가 + 값이면 산화수이고, ORP 수치가 - 값이면 환원수가 된다.

도 1 은 전해수를 생성하는 양극전극과 음극전극을 도시한다.

전해수를 생성하는 종래의 장치는 통상적으로 전해조 내를 이온 투과성 격막(3)으로 분할한 음극실(1)과 양극실(2)에 음극전극(4)과 양극전극(5)을 충전시켰으며 순수를 전해실내에 넣은 상태로 양전극간(4,5)에 전류를 넣으면 격막(3)을 사이에 놓고 전기 분해되며 음극실내의 물의 pH 수치가 높아져서 알카리수가 되고 양극실내의 물의 pH 수치가 낮아져 산성수가 형성된다.

상기 도면에서 보듯이, 종래에는 양극과 음극이 각각 한 장으로 제작되어 있다. 이와 같이 형성할 경우, 수압에 따라 전류량이 다르기 때문에 수압이 높은 부분(a)은 전류가 적게 흐르고, 수압이 낮은 부분(b)은 전류가 많이 흐른다. 즉, 전해조의 전류는 수압과 반비례 관계인 것이다.

따라서, (a) 부분은 전해효율이 낮고, (b)부분은 전해효율이 높으나 과전기분해될 수도 있다.

상기와 같이 종래에는 수압에 따라 전해효율이 영향을 받기 때문에 항상 안정적인 전해조 공급이 어려웠다. 전해효율을 항상 일정하게 좋게 하기 위해서는 수압에 상관없이 일정한 전류가 흐르도록 하여야 하는 바, 본 발명자는 전극의 형상을 개선함으로써 상기와 같은 문제점을 개선하고 전해효율이 향상된 전해조를 공급하기 위한 방안을 강구하게 되었다.

본 발명은 이와같은 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전해효율이 높은 전해조를 제공하는 것을 기술적 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명은 전극을 다단계로 형성하되 직렬연결함으로써 항상 일정한 전류가 흐르도록 하여 수압에 영향을 받지 않고 전해효율을 일정하게 할 수 있는 전해조에 관한 것이다.

캐소드 전극과 애노드 전극에 의하여 전기분해 하는 전해조에 있어서,

수압에 영향받지 않고 전류가 일정하게 흐르도록 하기 위하여 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 다단계 전극으로 형성하는 것을 특징으로 하며,

상기 캐소드 전극과 애노드 전극사이에 양이온교환막과 음이온교환막이 형성된 것을 특징으로 하며,

상기 이온교환막과 전극사이에 이온교환수지가 충진되는 것을 특징으로 하는 다단계 전극을 구비한 전해조에 관한 것이다.

상술한 바와 같이 형성된 본 발명에 따른 다단계 전극을 포함한 전해조는 전 극에 흐르는 전류를 일정하게 하여 전해효율을 향상시킬 수 있는 기술적 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 다단계 전극은 표면적이 증가하여 격막 내에 물의 해리 반응이 제어되는 효과를 얻을 수 있고 전해효율이 높아진다는 점에서 기술적 장점이 있다.

이상에서의 서술은 특정의 실시 예와 관련한 것으로, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 목적은 이 기술 분야에서 숙련된 당업자에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확해질 것이다. 이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

참고로, 도 2 본 발명에 따른 다단계 전극을 도시한다.

본 발명은 다단계 전극을 사용함으로써 전해효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 전해조에 관한 것이다.

또한, 상기와 같이 다단계 전극으로 형성된 전해조의 전해효율 향상과 관련한 실험을 통하여 증명하고자 한다.

통상적으로 전해조는 유입되는 순수를 산성수 및 알카리수로 변환시키는 전해수 생성유니트; 상기 전해수 생성유니트에 순수를 공급하기 위한 순수공급부; 및 상기 전해수 생성유니트에서 생성된 산성수 및/또는 알카리수를 수용하는 전해수 수용부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전해수 생성유니트에는 순수를 전기 분해시켜 산성수 및 알칼리수로 변환 시키기 위하여서는 한 쌍 이상의 전극 어셈블리; 상기 전극 어셈블리에 전류를 인가하는 전원 인가부; 상기 전원 인가부에서 인가받은 전류가 소정의 시간 간격으로 상기 전극 어셈블리에 교호되게 공급되도록 제어하는 컨트롤러; 및 물 분자보다 작은 미세한 구멍으로 구성되어 물분자는 통과시키지 못하고 물분자보다 작은 이온들만 통과시켜 물에 용존해 있는 이온들을 이동시킬 수 있는 격막;을 포함하도록 구성한다.

본 발명에 따른 전해조는 상기에 상술한 바와 같은 일반적인 전해조를 사용하며, 사용에 용도나 목적에 따라 구성을 추가하여 사용할 수 있다.

본 발명은 전해조의 수압에 따라 전류가 다르게 형성되어 전해효율이 낮아진 다는 점에 주목하고, 이와같은 문제를 해결하기 위하여 전극의 모든 부분에 전류를 일정하게 흐르도록 함으로써 전해효율을 향상시킬 수 있다는 점에 중점을 두고 있는 바, 본 발명의 전해조 전극을 다단계로 형성하여 전해효율을 향상시키는 것에 초점을 두고 서술하고자 한다.

도 2 는 본 발명에 따른 다단계 전극을 도시한다.

본 발명은 전극 어셈블리와 격막으로 이루어진 전해조를 도시하도록 한다.

우선, 상기 전극 어셈블리는 i)백금 또는 이리듐 등의 백금족 금속 ii) 티타늄이나 스테인리스 재질에 백금이나 이리듐의 백금족 금속 혹은 그 혼합물이 도금되도록 구성한다.

캐소드전극 및 애노드전극의 전극재료로는 전해에 의해 양 전극 사이에서 전자이동이 활발하게 행해지고 산화가 쉽게 이루어지도록 하기 위하여 티탄 등의 산화되기 어려운 소재를 선택하고 그 표면에 백금이나 이리듐 등을 도금하는 것이 바람직하다. 또한, 전원의 극성을 절환하는 경우가 있기 때문에, 상기 양극 모두에 동일한 도금을 실시하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 제작된 전극은 다단계 형 전극으로 구성한다.

즉, 전해조 하부에서부터 제 1 캐소드 전극, 제 2 캐소드 전극, 제 3 캐소드 전극 등 다수개의 전극을 소정 간격을 두고 직렬로 형성한다. 또한, 제 1 애노드 전극, 제 2 애노드 전극, 제 3 애노드 전극 등 다수개의 전극은 소정 간격을 두고 직렬로 형성한다.

상기와 같이 다단계의 전극을 형성한 후, 상기 제 1 애노드 전극과 제 2 캐소드 전극, 상기 제 2 애노드 전극과 제 3 캐소드 전극, 상기 제 3 애노드 전극과 제 4 캐소드 전극을 전선으로 연결하고, 상기 제 4 애노드 전극과 상기 제 1 캐소드 전극에는 최종적으로 직류 전압을 가한다.

상기와 같이 다단계의 전극을 형성할 경우, 전극 면적이 증대되는 효과를 얻을 수 있다. 상기와 같이 전극의 면적이 증대되면 격막 내에 물의 해리 반응이 제어되는 효과를 얻을 수 있고 전해효율이 높아지는 특징이 있다.

이와 같이 형성할 경우, 제 1 애노드 전극과 제 2 캐소드 전극이 연결된 최하단 전해조는 수력이 높지만 전류가 일정하게 되어 전해효율이 높아지게 되고, 제 3 애노드 전극과 제 4 캐소드 전극이 연결된 최상단 전해조는 수압은 낮지만 전류가 일정하게 되어 전해효율이 높아지는 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같이 다단계 전극을 형성할 경우, 일정한 전류가 흐르도록 하여 수압의 영향을 받지않고 전해효율이 향상되어 안정적인 전해조를 제공할 수 있는 것이다.

상기 격막은 이온수지로 형성된 것으로, 물속의 이온들이 이온들의 극성에 의하여 캐소드(-)극과 애노드(+)극으로 이동할 수 있도록 한다. 격막은 얇은 막으로 이루어지며, 상기 격막에는 미세한 구멍이 무수히 존재하며 물분자 크기보다 작게 형성한다. 따라서 물분자를 통과시키지 않고, 물분자보다 크기가 작은 이온들은 통과시킬수 있는데 이러한 격막의 특징으로 인하여 전극의 캐소드극에는 H+이온들이 격막을 통과하면서 모여 pH가 높은 알칼리수가 되며, 애노드극에는 OH-이온들이 격막을 통과하여 pH가 낮은 산성수가 되는 것이다.

상기 격막은 전해수의 사용목적에 따라 각종 이온교환막, 즉 양이온교환막 또는 음이온교환막을 선정할 수 있고, 또한 사용빈도 등에 따라 적당히 두께를 선택할 수 있다. 예컨대, 알카리수를 주로 사용할 경우에는 양이온교환막을, 산성수를 주로 사용할 경우에는 음이온교환막을 이용하는 것이 전해효율을 높이는데 바람직하다. 본 발명은 양이온교환막과 음이온 교환막을 모두 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 격막과 전극사이에 이온교환수지를 충진한다. 상기 이온교환수지는 구상 또는 파이버 상을 사용한다. 사용되어지는 이온교환 수지는 전도성을 확보하기 위한 것이며 통수시에 전기저항을 저하시킨다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다. 이는 바람직한 일 실시예로 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.

(실시 예)

도 2 에 표시한 전해조를 사용하여 애노드실과 캐소드실에 순수를 공급한다. 순수의 수질은 이하와 같다.

1.순수의 조건

비저항 최소값 : 1MΩcm

수온 : 23℃ 의 순수

통수 속도 : 1L/min

2. 전극의 제조 방법

전해수 생성 유니트내 전극 어셈블리(캐소드극 및 애노드극)의 전극은 티타늄 전극에 백금을 도금한 후, 방전 가공하여 표면적을 최대한 크게 만든다.

또한, 애노드 전극에는 제 1 애노드 전극(A1), 제 2 애노드 전극(A2), 제 3 애노드 전극(A3), 제 4 애노드 전극(A4)를 소정 간격을 두고 직렬로 구성한다.

캐소드 전극은 제 1 캐소드 전극(C1), 제 2 캐소드 전극(C2), 제 3 캐소드 전극(C3), 제 4 캐소드 전극(C4)을 소정 간격을 두고 직렬로 구성한다.

상기와 같이 각각의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 고정한 후, 전선을 사용하여 제 1 애노드 전극(A1)과 제 2 캐소드 전극(C2)을 연결하고, 제 2 애노드 전극(A2)과 제 3 캐소드 전극(C3)을 연결하고, 제 3 애노드 전극(A3)과 제 4 캐소드 전극(C4)을 연결한다.

그 후, 제 4 애노드 전극(A4)과 제 1 캐소드 전극(C1) 양단에 0V~80V 정도의 직류전압을 가하고 전압을 가변시키면서 pH와 ORP의 변화를 확인한다.

표 1 은 본 발명에 따른 전해조 양극 전압과 전류값, pH 값 및 ORP값을 나타낸다.

전류[mA]	1단(최하단) 전해조[v]	2단 전해조[v]	3단 전해조[v]	4단(최상단) 전해조[v]	Ph	ORP[mV]
0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	6.2	270
500.0	4.8	4.2	3.6	2.7	6.3	70
1000.0	9.0	7.4	5.7	4.3	6.4	-430
1500.0	12.0	9.3	7.0	5.8	6.4	-500
2000.0	14.9	11.7	8.8	7.1	6.5	-512
2500.0	17.1	15.2	12.1	8.9	6.6	-533
3000.0	21.4	18.8	14.1	11.1	6.8	-563
3500.0	23.0	23.1	15.9	12.4	7.1	-605

(비교 예)

본 발명의 다단계 전극 전해조의 전해효율 향상을 더욱 극명하게 비교하기 위하여 상기 실시 예와 같은 조건하에서 실험을 한다.(즉, 종래의 전극을 사용하는 것만 다르며 타 조건은 동일하다.)

표 2 는 비교 예에 따른 전해조 양극 전압과 전류값, pH 값 및 ORP값을 나타낸다.

전류[mA]	전해조 양극전압	Ph	ORP[mV]
0.0	0	6.20	270
500.0	13.3	6.23	100
1000.0	14.0	6.25	-40
1500.0	17.6	6.27	-70
2000.0	21.4	6.36	-250
2500.0	24.6	6.41	-330
3000.0	28.6	6.47	-380
3500.0	31.5	6.50	-405

상기 실시 예와 비교 예의 결과를 통하여 알 수 있듯, 다단계 전극을 사용한 실험 예의 경우, ORP값의 차이가 나는 것을 볼 수 있다.

표 2 의 결과를 통하여 다단계 전극을 사용하지 않는 전극의 경우, 전해조의 수압은 아래 부분이 높아서 같은 전압을 인가할 때 전류가 적게 흐르고, 수압이 낮은 윗부분으로 올라갈수록 전류는 많이 흐른다. 따라서, 최하단 전해조의 전해효율은 낮고, 최상단 전해조는 효율은 높으나 과 전기분해되는 문제점이 발생함을 알 수 있다.

그러나, 상기 비교 예와 실험 예를 통하여 보면, 다단계의 전극을 직렬로 연결하여 일정한 전류가 흐르도록 하여 수압에 따른 전해조의 전해 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. 즉, 최하단 전해조의 전해효율은 종래보다 높아지고, 최상단 전해조는 과 전기분해되지 않도록 함으로써 전체적인 전해조의 전해효율을 향상시킬 수 있는 것이다.

이상에서의 서술은 특정의 실시 예와 관련된 것으로 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다.

도 1 은 종래기술의 전해조 .

도 2 는 본 발명에 따른 다단계 전해조 단면도 .

Claims (4)

1. 캐소드 전극과 애노드 전극에 의하여 전기분해하는 전해조에 있어서,

   전해조 하부에서부터 수직한 방향으로 서로 분리되는 형태로 직렬로 다단계 전극으로 형성된 복수개의 애노드 전극과,

   상기 직렬로 다단계 전극으로 형성된 복수개의 애노드 전극과 각각 대응되는 위치에 전해조 하부에서부터 수직한 방향으로 서로 분리되는 형태로 직렬로 다단계 전극으로 형성된 복수개의 캐소드 전극과,

   상기 복수개의 애노드 전극 중 끝단의 애노드 전극과, 상기 복수개의 캐소드 전극 중 다른 끝단의 캐소드 전극에 전압을 인가하는 외부전원을 포함하며 형성되며,

   상기 외부전원과 연결되지 않은 애노드 전극과 캐소드 전극은 전선에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 다단계 전극을 구비한 전해조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 외부전원과 연결되지 않은 애노드 전극과 캐소드 전극은 전선에 의해 서로 다른 단에 있는 다른 전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 다단계 전극을 구비한 전해조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드 전극과 애노드 전극사이에 양이온교환막과 음이온교환막이 형성된 것을 특징으로 하는 다단계 전극을 구비한 전해조.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 이온교환막과 전극사이에 이온교환수지가 충진되는 것을 특징으로 하는 다단계 전극을 구비한 전해조.

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