KR101312879B1 - 3조 1포트식 전기분해 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 3조(Three-Compartment-Cell) 1포트(One-Port)식의 구조를 갖는 3조 1포트식 전기분해 장치에 관한 것으로, 적어도 양측벽이 제1 및 제2 이온교환막으로 형성되어, 전해질을 보관 및 순환시키기 위한 제1실; 제1 입수구와 제1 출수구가 형성되어 있고, 내부에 제1 전극이 구비되며, 상기 제1실의 일측에 상기 제1 이온교환막을 공통 칸막이벽으로 사용하여 형성되어, 물을 보관하거나 상기 제1 입수구로부터 상기 제1 출수구로 통과시키기 위한 제2실; 제2 입수구와 제2 출수구가 형성되어 있고, 내부에 제2 전극이 구비되며, 상기 제1실의 타측에 상기 제2 이온교환막을 공통 칸막이벽으로 사용하여 형성되어, 물을 보관하거나 상기 제2 입수구로부터 상기 제2 출수구로 통과시키기 위한 제3실; 및 상기 제1 및 제2 출수구 중 선택된 하나와 상기 제1 및 제2 입수구 중 선택된 하나를 서로 연결하기 위한 연결 장치를 포함하여, 1조식 및 2조식 전해조의 문제점을 해결함은 물론, 극미량의 전해질소모로도 강력한 기능성을 띤 고순도의 전기분해수를 생성할 수 있고, 염상태의 다양한 전해질을 사용하여 다양한 종류의 전해수를 생성할 수 있으며, 특히 산화수와 환원수를 선택에 따라 서로 조합하여 각종 용도에 따라 pH가 최적화된 산화수 또는 환원수를 제공함과 아울러 물의 낭비를 최소화 한다.

Description

3조 1포트식 전기분해 장치{Three-Compartment-Cell and One-Port typed Electrolysis Apparatus}

본 발명은 원수(原水)를 전해조에 공급하여 직수식으로 통과시키는 형태의 전기분해 장치로서의 전해조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3조(Three-Compartment-Cell) 1포트(One-Port)식 구조를 갖는 3조 1포트식 전기분해 장치에 관한 것이다.

물의 가수분해 원리는 100여년 정도의 역사를 가지고 있을 정도로 일반화되어진 원리이다.

초기의 1조식(One Compartment Cell System)은 소량의 전해질(Electrolyte)을 첨가한 물에 양극(+)과 음극(-) 2개의 전극만을 사용하여 전기분해수를 얻어내었다.

1조식 전해수의 pH는 약알칼리성을 띠게 되며, 치아염소산나트륨(NaClO: Sodium Hypochlorite)을 함유하여 일정한 살균력을 띄게 된다. 최근에도 이러한 1조식 장비를 통해 바닷물을 전기분해하여(바닷물을 전기분해할 시 전해질의 충전이 필요 없음) 적조현상을 퇴치한 보고도 있으나 아직 환경위해성에 대한 검증이 끝나지 않은 상태이다. 수산화칼륨(KOH)을 전해질로 사용하여 전기분해 하였을 시 발생되는 수소와 산소의 혼합가스(Brown Gas)를 이용한 무공해 완전연소물질도 개발되었다. 1조식 장비는 또한 여러 가지 한계점을 가지고 있는데 이는 직접 첨가한 전해질이 완전히 분해되지 않는 현상 때문에 발생되는 주위 환경의 부식과 염소가스의 엄청난 발생 등이 그것이다.

이후 이온교환막(Ion Exchange Membrane)의 개발과 함께 특성화된 개별(2종) 전해수의 생성을 목적으로 도 1에 도시된 바와 같은 2조식(Two Compartment Cell System) 장비가 개발되었다.

2조식 장비는 소량의 전해질(통상 식염 등)을 첨가한 물에 직류전압을 인가하여 중간에 설치된 이온교환막(Ion Exchange Membrane; Separator)을 통하여 이온의 수수(授受)가 발생하며 양극(Anode)(+) 측에서는 치아염소산물(HCLOX)과 염소가스(Cl2)를 비롯한 여러 가지 부산물 등이 생성된다. 이 중 염소와 치아염소산은 강력한 살균력을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다. 2조식 장비의 개발과 더불어 일반산업에서의 전해수를 이용한 세정방법이 연구되고 있으나 여러 가지 변종 화학종들의 발생과 이들에 의한 모재(세정하고자 하는 물질)의 산화 등이 문제시되는 한계가 있었다.

본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 1조식 및 2조식 전해조의 문제점을 해결하되, 극미량의 전해질소모로도 강력한 기능성을 띤 고순도의 전기분해수(산성산화수와 알카리성환원수)의 생성이 가능하도록 하고, 염상태의 다양한 전해질을 사용하여 다양한 종류의 전해수를 생성할 수 있도록 하며, 특히 산화수와 환원수를 선택에 따라 서로 조합하여 각종 용도에 따라 pH가 최적화된 산화수 또는 환원수를 제공하면서 물의 낭비도 최소화 할 수 있는, 3조 1포트식 전기분해 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 3조 1포트식 전기분해 장치는, 적어도 양측벽이 제1 및 제2 이온교환막으로 형성되어, 전해질을 보관 및 순환시키기 위한 제1실; 제1 입수구와 제1 출수구가 형성되어 있고, 내부에 제1 전극이 구비되며, 상기 제1실의 일측에 상기 제1 이온교환막을 공통 칸막이벽으로 사용하여 형성되어, 물을 보관하거나 상기 제1 입수구로부터 상기 제1 출수구로 통과시키기 위한 제2실; 제2 입수구와 제2 출수구가 형성되어 있고, 내부에 제2 전극이 구비되며, 상기 제1실의 타측에 상기 제2 이온교환막을 공통 칸막이벽으로 사용하여 형성되어, 물을 보관하거나 상기 제2 입수구로부터 상기 제2 출수구로 통과시키기 위한 제3실; 및 상기 제1 및 제2 출수구 중 선택된 하나와 상기 제1 및 제2 입수구 중 선택된 하나를 서로 연결하기 위한 연결 장치를 포함할 수 있다.

상기 제1 전극은 양(+)과 음(-) 중 하나의 극성을 가지며, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 반대의 극성을 갖도록 할 수 있다.

상기 연결 장치는 상기 제1 또는 제2 출수구와 상기 제1 또는 제2 입수구와의 연결을 선택하기 위한 선택부를 포함할 수 있고, 연결관의 일단을 상기 제1 또는 제2 출수구에 스위칭하면서 연결하고 그 연결관의 타단을 상기 제1 또는 제2 입수구에 스위칭하면서 연결하기 위한 스위칭부를 포함할 수 있으며, 또한 상기 제1 또는 제2 출수구로부터 출수되어 상기 제1 또는 제2 입수구로 입수되는 유량을 조절하기 위한 조절 밸브를 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 1조식 및 2조식 전해조의 문제점을 해결함은 물론, 극미량의 전해질소모로도 강력한 기능성을 띤 고순도의 전기분해수를 생성할 수 있고, 염상태의 다양한 전해질을 사용하여 다양한 종류의 전해수를 생성할 수 있으며, 특히 산화수와 환원수를 선택에 따라 서로 조합하여 각종 용도에 따라 pH가 최적화된 산화수 또는 환원수를 제공함과 아울러 물의 낭비를 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 2조식 전해조 장비를 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)는 3조식 전해조의 기본 적인 구조 및 전기분해수의 생성 원리를 설명하기 위한 도면이고, (b)는 3조식 전해조에서의 전해질 및 전기분해수의 기본적인 유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3조 1포트식 전기분해 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3조 1포트식 전기분해 장치에서의 전기분해수의 유로를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하였다. 또한, 본 발명의 실시예에 대한 설명 시 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 3조식 전해조의 기본적인 구조 및 원리를 설명하기 위한 도면으로, (a)는 3조식 전해조의 기본적인 구조 및 전기분해수의 생성 원리를 설명하기 위한 도면이고, (b)는 3조식 전해조에서의 전해질 및 전기분해수의 기본적인 순환계를 설명하기 위한 도면이다.

3조식 전해조는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 원수를 전해조에 공급하여 직수식으로 통과시키는 형태의 전기분해 장치이다. 점선으로 표시된 부분은 전기분해를 원활하게 진행시키기 위한 전해질의 순환시스템으로, 중간실에 투입된 전해질이 양쪽실로 전기분해되어 이동하게 되며, 이에 따라 양쪽실에서 산성산화수와 알카리성환원수를 생성하게 된다. 이 때 양극(Anode)쪽에서는 산성산화수가 음극(cathode)쪽에서는 알카리성환원수가 생성되게 되는데, NaCl을 전해질로 사용할 경우 산성산화수는 강력한 살균력을 가지고 있으며, 알카리성환원수는 강력한 세정력과 함께 pH농도가 강할 경우 강한 살균력도 갖게 된다. 또한 중간실에 첨가되는 전해질의 종류에 따라 생성되는 전기분해수의 성질도 다르게 되며, 첨가되는 전해질의 종류에 따라 전해시스템의 사양도 변하게 된다.

기존 전기분해기술과의 가장 큰 차이점은 중 하나는 원수에 식염 등의 전해질은 직접 첨가하지 않는 다는 것이다. 단지 중간실에만 전해질이 공급되며, 전해를 개시하면, 전해전류에 비례해서 중간실의 전해질 이온이 도 2의 (a)에 도시된 전기분해 모식도과 같이 양극실 또는 음극실로 이동한다. 즉, 필요 최저량의 이온이 이동하게 되고 전해수 내의 이온 농도를 극미량으로 저감하는 것이 가능하다. 이러한 특성에 의해 극미량의 전해질소모로도 강력한 기능성을 띤 고순도의 전기분해수의 생성이 가능하다. 또 하나의 큰 차이점은 염상태의 다양한 전해질을 사용하여 다양한 종류의 전해수를 생성할 수 있다는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3조 1포트식 전기분해 장치의 구성도로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 중간에 형성된 제1실(310), 제1실(310)의 양측에 각각 형성된 제2실(320)과 제3실(330), 및 제2실(320)과 제3실(330)의 출수구와 입수구를 선택적으로 연결하기 위한 연결 장치(340)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 제1실(310)은 전해질을 보관 및 순환시키기 위하여 외부로부터 밀폐된 제1 공간(310a)을 갖는 것으로, 적어도 양측벽이 제1 이온교환막(311) 및 제2 이온교환막(312)으로 형성되어 있고, 전해질을 입수 및 출수할 수 있는 입수구(313)와 출수구(314)가 형성되어 있으며, 그 입수구(313)와 출수구(314)를 순환관(미도시)에 의해 서로 연결하여 전해질이 도 2의 (b)와 같이 순환되도록 할 수 있다.

본 실시예에 따른 제2실(320)은 물을 보관하거나 직수식으로 통과시키기 위하여 외부로부터 밀폐된 제2 공간(320a)을 갖는 것으로, 제1실(310)의 일측에 제1 이온교환막(311)을 공통 칸막이벽(또는 격막이라 칭함)으로 사용하여 형성되어 있고, 물을 입수 및 출수할 수 있는 입수구(321)와 출수구(322)가 형성되어 있으며, 제2 공간(320a)내에 제1 전극(323)이 구비되어 있다.

본 실시예에 따른 제3실(330)은 물을 보관하거나 직수식으로 통과시키기 위하여 외부로부터 밀폐된 제3 공간(330a)을 갖는 것으로, 제1실(310)의 타측에 제2 이온교환막(312)을 공통 칸막이벽(또는 격막이라 칭함)으로 사용하여 형성되어 있고, 물을 입수 및 출수할 수 있는 입수구(331)와 출수구(332)가 형성되어 있으며, 제3 공간(330a)내에 제2 전극(333)이 구비되어 있다.

따라서, 본 실시예에서 제1실(310)의 제1 공간(310a)과 제2실(320)의 제2 공간(320a)은 격막으로서의 제1 이온교환막(311)을 경계로 서로 이웃하고 있으며, 제1실(310)의 제1 공간(310a)과 제3실(330)의 제3 공간(330a)은 격막으로서의 제2 이온교환막(312)을 경계로 서로 이웃하고 있다.

본 실시예에서 제1 전극(323)은 양(+)과 음(-) 중 하나의 극성을 가지며, 제2 전극(333)은 제1 전극(323)과 반대의 극성을 갖는데, 제1 전극(323)은 음(-)의 극성을 갖는 음전극이고 제2 전극(333)은 양(+)의 극성을 갖는 양전극인 것을 일예로 설명한다.

본 실시예에 따른 연결 장치(340)는 제2실(320)의 출수구(322)와 제3실(330)의 출수구(332) 중 하나와 제2실(320)의 입수구(321)와 제3실(330)의 입수구(331) 중 하나를 사용자의 선택에 따라 서로 연결하기 위한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 스위칭부(341a,341b), 선택부(343), 연결관(345), 및 조절 밸브(347)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 스위칭부(341)는 연결관(345)의 일단을 제2실(320)의 출수구(322) 또는 제3실(330)의 출수구(332)에 스위칭하면서 연결하고 연결관(345)의 타단을 제2실(320)의 입수구(321) 또는 제3실(330)의 입수구(331)에 스위칭하면서 연결하기 위한 것이다.

본 실시예에 따른 선택부(343)는 사용자의 선택에 따라 스위칭부(341)의 스위칭 연결 동작을 제어하기 위한 것이다.

본 실시예에 따른 조절 밸브(347)는 2개의 출수구(322,332) 중 하나로부터 출수되어 2개의 입수구(321,331) 중 하나로 입수되는 유량을 조절하기 위한 것으로, 일예로 연결관(345) 상에 설치할 수 있다. 또한, 조절 밸브(347)는, 일예로 선택부(343)를 통한 사용자의 선택에 따라 동작이 자동 조절되도록 할 수 있고, 다른 예로 수동으로 조절되도록 할 수 있다.

이어, 전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 3조 1포트식 전기분해 장치의 동작의 예에 대해 설명한다.

<제1 동작 예>

먼저, 연결 장치(340)의 스위칭부(341a,341b)를 동작시키지 않을 경우(즉, 제1 동작예의 경우), 도 2를 참조로 설명한 바와 같이, 전해질을 중간의 제1실(310)로 공급하고 원수를 제1실(310)의 양측에 있는 음극실로서의 제2실(320) 및 양극실로서의 제3실(330)에 공급하여 직수식으로 통과시키면 중간의 제1실(310)에 투입된 전해질이 양쪽의 제2실(320)과 제3실(330)로 전기분해되어 이동하게 되며, 이에 따라 음극(cathode)(323)이 있는 제2실(320)과 양극(Anode)(333)이 있는 제3실(330)에서 각각 알카리성환원수와 산성산화수가 생성되어 출수구(322,332)를 통해 출수된다. 이와 같은 제1 동작 예에서의 전기분해수의 유로는 도 4의 (a)와 같이 형성된다. 도 4의 (a)는 도 2의(b)와 실질적으로 동일하다.

<제2 동작 예>

다음, 전술한 제1 동작 예와 같이 동작하다가 연결 장치(340)의 스위칭부(341a,341b)를 동작시켜 연결관(345)의 양단을 제2실(320)의 출수구(322)와 제3실(330)의 입수구(331)에 각각 연결시키면(즉, 제2 동작예의 경우), 제2실(320)의 출수구(322)로부터 출수된 알칼이성환원수는 연결관(345)을 통해 제3실(330)의 입수구(331)로 입수되어 제3실(330)내에서 재전기분해 반응되고 산성산화수와 합쳐진 후 출수구(332)로 출수된다. 이 경우에 원수는 제2실(320)의 입수구(321)를 통해 입수되는 것을 기본으로 하지만, 이에 한정되지 않고 제3실(330)의 입수구(331)로도 원수가 계속 입수되도록 할 수 있을 것이다. 또한, 선택에 따라 조절 밸브(347)를 조절하여 제3실(330)의 입수구(331)로 입수되는 알칼이성환원수의 유량을 조절할 수 있다. 이와 같은 제2 동작 예에서의 전기분해수의 유로는 도 4의 (b)와 같이 형성된다. 이와 같이 동작시키면, 제3실(330)의 출수구(332)로 출수되는 산성산화수는 잔류 염소량을 높여 살균력은 최대화 하면서 pH 농도는 줄여 강산성에 의한 부식력을 줄일 수 있다. 또한, 산성산화수만이 필요할 경우라도 알칼이성환원수를 버리지 않고 재사용하므로 물을 절약할 수 있다.

<제3 동작 예>

또한, 전술한 제1 동작 예 또는 제2 동작 예와 같이 동작하다가 연결 장치(340)의 스위칭부(341a,341b)를 동작시켜 연결관(345)의 양단을 제3실(330)의 출수구(332)와 제2실(320)의 입수구(321)에 각각 연결시키면(즉, 제3 동작예의 경우), 제3실(330)의 출수구(332)로부터 출수된 산성산화수는 연결관(345)을 통해 제2실(320)의 입수구(321)로 입수되어 제2실(320)내에서 재전기분해 반응되고 알칼이성환원수와 합쳐진 후 출수구(322)로 출수된다. 이 경우 원수는 제3실(330)의 입수구(331)를 통해 입수되는 것을 기본으로 하지만, 이에 한정되지 않고 제2실(320)의 입수구(321)로도 원수가 계속 입수되도록 할 수 있을 것이다. 또한, 선택에 따라 조절 밸브(347)를 조절하여 제2실(320)의 입수구(321)로 입수되는 산성산화수의 유량을 조절할 수 있다. 이와 같은 제3 동작 예에서의 전기분해수의 유로는 도 4의 (c)와 같이 형성된다. 전술한 바와 같이 동작시키면, 사용자의 용도에 따라 pH가 최적화된 알칼이성환원수를 얻을 수 있다. 또한, 알칼이성환원수만이 필요할 경우라도 산성산화수를 버리지 않고 재사용하므로 물을 절약할 수 있다.

전술한 제2 및 제3 동작 예와 같이 3조식 전해조에서 원수가 하나의 입수구로 입수되어 두 개의 극실에서 전기분해된 후 하나의 출수구를 통해 출구되는 것을 일명 3조 1포트식이라 지칭한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 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.

310: 제1실(전해실)
310a: 제1실내의 공간
311,312: 이온교환막
313: 제1실의 입수구
314: 제1실의 출수구
320: 제2실(음극실)
320a: 제2실내의 공간
321: 제2실의 입수구
322; 제2실의 출수구
323: 제1전극(음극)
330: 제3실(양극실)
330a: 제3실내의 공간
331: 제3실의 입수구
332; 제3실의 출수구
333: 제2전극(양극)
340: 연결 장치
341a,341b: 스위칭부
343: 선택부
345: 연결관
347: 조절 밸브

Claims (5)

1. 적어도 양측벽이 제1 및 제2 이온교환막으로 형성되어, 전해질을 보관 및 순환시키기 위한 제1실;
   제1 입수구와 제1 출수구가 형성되어 있고, 내부에 제1 전극이 구비되며, 상기 제1실의 일측에 상기 제1 이온교환막을 공통 칸막이벽으로 사용하여 형성되어, 물을 보관하거나 상기 제1 입수구로부터 상기 제1 출수구로 통과시키기 위한 제2실;
   제2 입수구와 제2 출수구가 형성되어 있고, 내부에 제2 전극이 구비되며, 상기 제1실의 타측에 상기 제2 이온교환막을 공통 칸막이벽으로 사용하여 형성되어, 물을 보관하거나 상기 제2 입수구로부터 상기 제2 출수구로 통과시키기 위한 제3실; 및
   상기 제1 또는 제2 출수구와 상기 제1 또는 제2 입수구와의 연결을 선택하기 위한 선택부, 및 상기 선택부를 통한 선택에 따라 연결관의 일단을 상기 제1 또는 제2 출수구에 스위칭하면서 연결하고 그 연결관의 타단을 상기 제1 또는 제2 입수구에 스위칭하면서 연결하기 위한 스위칭부를 포함하는 연결 장치;
   를 포함하는 3조 1포트식 전기분해 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전극은 양(+)과 음(-) 중 하나의 극성을 가지며, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 반대의 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 3조 1포트식 전기분해 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 연결 장치는 상기 제1 또는 제2 출수구로부터 출수되어 상기 제1 또는 제2 입수구로 입수되는 유량을 조절하기 위한 조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 3조 1포트식 전기분해 장치.

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