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KR101406986B1 - 전해살균수 생산장치 및 생산방법 - Google Patents

전해살균수 생산장치 및 생산방법 Download PDF

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KR101406986B1
KR101406986B1 KR1020120029938A KR20120029938A KR101406986B1 KR 101406986 B1 KR101406986 B1 KR 101406986B1 KR 1020120029938 A KR1020120029938 A KR 1020120029938A KR 20120029938 A KR20120029938 A KR 20120029938A KR 101406986 B1 KR101406986 B1 KR 101406986B1
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이호일
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(주) 시온텍
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Abstract

본 발명은 전해살균수 생산장치 및 생산방법에 관한 것이다.
본 발명의 전해살균수 생산장치는, 음전극과 양전극을 가지며, 원수가 유입되도록 되어 있고, 유입된 원수를 전기분해하여 전해살균수를 생산하는 전해조; 및 상기 원수가 전해조로 유입되기 전 경유하도록 설치되어 있고, 유입된 원수와 접촉되는 양이온교환수지, 음이온교환수지, 양쪽성교환수지 중 어느 하나 이상을 갖는 이온교환수지저장조;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면, 전해조로 공급되는 원수가 이온교환수지를 경유하도록 하여 원수 중에 포함된 음이온들이 이온교환수지에 의해 염소이온으로 치환되도록 한 후 전해조에서 전해반응이 이루어지도록 하는 것이므로 지역별 원수조건(염분농도 및 염소이온농도)이 다르더라도 전해살균수의 농도편차가 최소화될 뿐만 아니라 원수 중에 포함된 경도성 물질인 Ca2 +, Mg2이 비경도성 물질로 치환되어 전해조 음전극에 스케일이 침착되는 문제가 해소된다.
전해조 음전극에서의 스케일 침착이 방지되므로 전기분해를 통한 전해살균수 제조의 효율성이 우수한 특징이 있다.

Description

전해살균수 생산장치 및 생산방법{Apparatus and method of producing electrolytic disinfection water}
본 발명은 전극을 이용한 전기화학반응을 통해 각종 살균, 소독에 사용되는 전해살균수를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
전해질을 공급하지 않고 전해살균수를 생산하는 종래의 기술은 물속에 용존되어 있는 염소이온(Cl-)을 전극을 통해 전기분해하여 차아염소산수 또는 차아염소산나트륨수를 발생시키고, 물속에 잔류염소를 일정하게 유지시켜 일반세균 또는 기타 미생물의 발생을 억제하는 전해살균수를 생산하는 방법이다.(도 1참고)
이러한 기술에 대해서는 한국 특허등록 제10-0694846호(특허출원 제10-2006-0107580호)등에 기재되어 있다.
전해살균수는 염소계 소독제로서, 각종 세균, 바이러스에 대하여 광범위한 살균력을 보유하고 있어 식품가공공장, 단체급식소, 농, 수, 축산물 가공공장, 학교, 가정 등에서의 식품위생, 환경위생 및 개인위생 등에 적용이 가능한 살균소독제이다.
이러한 살균소독제의 살균, 소독력은 유리잔류염소에 의해 결정된다.
유리잔류염소는 Cl2(aq), 차아염소산(HOCl), 염소산이온(OCl-)으로 존재하며, 이러한 화학종이 수중에 용존되어 있는 형태이다.
원수에 염소이온(Cl-)이 존재할 경우 전극을 이용하여 전기분해하면 양전극에서 아래의 반응이 일어난다.
2Cl- →Cl2 + 2e-
2H2O → O2↑ + 2H+ + 2e-
또, 음전극에서는 아래의 반응을 통해 수소가스가 발생한다.
2H2O + 2e- → H2↑ + 2OH-
또, 용액 내에서의 혼합반응은 Cl2 + H2O ↔ HOCl + HCl 이다.
원수에 염분(NaCl)이 존재할 경우 전극을 이용하여 전기분할 때 양전극에서 일어나는 반응은 아래와 같다.
2Cl- →Cl2 + 2e-
2H2O → O2↑ + 2H+ + 2e-
또, 음전극에서 일어나는 반응은 아래와 같다.
2H2O + 2e- → H2↑ + 2OH-
2H2O + 2Na+ + 2H2O → 2NaOH + H2
용액 내에서의 혼합반응은 음전극에서 생성된 가성소다(NaOH) 와 양전극에서 생성된 염소가스(Cl2)가 결합하여 차아염소산나트륨(NaOCl)이 생성된다.
Cl2 + 2NaOH → NaOCl + NaCl + H2O
상기와 같이 전극을 이용한 전기화학 반응으로 전해살균수를 생성하는데 있어서 여러 가지 문제점이 있었다.
구체적으로 설명하면, 지역별로 사용되는 원수에 따라 물속에 용존된 염소이온이나 염분의 함량이 상이하므로(표1 참조) 전해살균수의 농도 편차가 발생할 수 있다는 것이다.
지역별 수질현황(경도, 염소이온, 황산이온)(2011. 12월 수질검사현황)
지역 경도(ppm) 염소이온(ppm) 황산이온(ppm)
정수장별 농도 평균 정수장별농도 평균 정수장별농도 평균
서울특별시 68.8,69.5,69.3
70.4,68.4,57.8		 67.4 14,15,13,20,16,11 14.8 16,17,20,12,11,13 14.8
부산광역시 50,93,94,8 61.3 12,27,28,3 17.5 15,52,55,0 30.5
대구광역시 93,91,34,35,58 62.2 34,33,8,15,19 21.8 30,30,7,6,12 17
인천광역시 81,75,80,70,82,112 83.3 16,15,17,15,19,15 16.2 15,13,15,13,15,8 13.2
대전광역시 48,49,53 50 11,10,12 11 10,10,11 10.3
울산광역시 67,42,42 50.3 28,13,14 18.3 34,9,9 17.3
광주광역시 18,18,20,17 8,8,10,8 5,5,5,5 5
청주시 48 48 10 10 11 11
원주시 73,40,128,58 74.8 19,29,41,6 23.8 9,0,9,6 6
여수시 12.7,15.9,22.1
20.1,15		 17.2 7.5,8.1,12.1,13.5,
9.3		 10.1 7,7,7,18,3 8.4
전주시 43,32 37.5 13,8 10.5 10,7 8.5
종래기술의 또 다른 문제점은 농도 편차의 문제점을 해결하기 위해서는 부득이하게 염수 또는 희염산과 같은 전해질을 보충해주어야 하므로 전해질저장탱크, 전해질공급펌프, 전해질저장탱크와 전해조를 연결하는 배관 등이 필요하며 이로 인하여 불필요하게 장치가 대형화되는 문제가 발생된다는 것이다.
또, 전해조의 음전극 표면에는 원수에 포함된 Ca2 + Mg2+가 수산화칼슘, 수산화마그네슘의 형태로 침착되어 전류의 흐름을 방해하는 문제도 있었다.
한국 특허등록 제10-0694846호(특허출원 제10-2006-0107580호)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 더욱 상세하게는 염수 또는 희염산과 같은 전해질을 사용하지 않고, 원수에 용존된 염소이온 및 염분농도의 편차에 의해 전해조에서 생성되는 전해살균수의 농도편차를 최소화하며, 전해조 음전극에 수산화마그네슘, 수산화칼슘과 같은 고형물이 침착되어 전류의 흐름이 방해되는 문제가 발생되지 않으며, 구조가 간단한 전해살균수 생산장치 및 생산방법을 제공하려는데 목적이 있다.
본 발명에서는 전해조로 공급되는 원수가 이온교환수지를 경유하도록 하여 원수 중에 포함된 음이온들이 이온교환수지에 의해 염소이온으로 치환되도록 한 후 전해조에서 전해반응이 이루어져 지역별 원수조건(염분농도 및 염소이온농도 편차)에 의한 전해살균수의 농도편차가 최소화될 뿐만 아니라 원수 중에 포함된 경도성 물질인 Ca2 +, Mg2이 비경도성 물질로 치환되어 전해조(10) 음전극에 스케일이 침착되는 문제가 해소되도록 한다.
이러한 본 발명의 전해살균수 생산장치는, 음전극과 양전극을 가지며, 원수가 유입되도록 되어 있고, 유입된 원수를 전기분해하여 전해살균수를 생산하는 전해조를 갖는다.
또, 상기 원수가 전해조로 유입되기 전 경유하도록 설치되어 있고, 유입된 원수와 접촉되는 양이온교환수지, 음이온교환수지, 양쪽성교환수지 중 어느 하나 이상을 갖는 이온교환수지저장조를 갖는다.
본 발명의 전해살균수 제조방법은, 원수가 양이온교환수지, 음이온교환수지, 양쪽성교환수지 중 어느 하나 이상과 접촉되어 원수 중에 포함된 음이온들이 염소이온으로 치환되도록 하는 염소이온치환단계를 갖는다.
또, 염소이온치환단계를 경유한 원수가 음전극과 양전극을 갖는 전해조로 공급되어 전기분해가 이루어지도록 함으로써 전해살균수가 생성되도록 하는 전기분해단계를 갖는다.
본 발명은, 전해조로 공급되는 원수가 이온교환수지를 경유하도록 하여 원수 중에 포함된 음이온들이 이온교환수지에 의해 염소이온으로 치환되도록 한 후 전해조에서 전해반응이 이루어지도록 하는 것이므로 지역별 원수조건(염분농도 및 염소이온농도)이 다르더라도 전해살균수의 농도편차가 최소화될 뿐만 아니라 원수 중에 포함된 경도성 물질인 Ca2 +, Mg2이 비경도성 물질로 치환되어 전해조 음전극에 스케일이 침착되는 문제가 해소된다.
전해조 음전극에서의 스케일 침착이 방지되므로 전기분해를 통한 전해살균수 제조의 효율성이 우수한 특징이 있다.
도 1은 종래 전해조를 사용한 살균수 생산장치의 구조를 도시한 개략도
A : 원수만이 전해조로 유입되는 형태
B : 원수와 함께 전해질이 전해조로 유입되는 형태
도 2는 본 발명의 전해살균수 생산장치를 설명하기 위한 개략도
A : 제1실시 형태
B : 제2실시 형태
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 전해조(10)를 사용하여 전해살균수를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
따라서 본 발명의 전해살균수 생산장치는, 음전극(11)과 양전극(12)을 가지며, 원수가 유입되도록 되어 있고, 유입된 원수를 전기분해하여 전해살균수를 생산하는 전해조(10)를 갖는다.
그런데 본 발명은 염수 또는 희염산과 같은 전해질을 사용하지 않을 뿐만 아니라 원수에 용존된 염소이온 및 염분농도의 편차에 의해 전해조(10)에서 생성되는 전해살균수의 농도편차를 최소화하며, 전해조(10) 음전극(11)에 수산화마그네슘, 수산화칼슘과 같은 고형물이 침착되어 전류의 흐름이 방해되는 문제가 발생되지 않고, 구조가 간단한 전해살균수 생산장치 및 생산방법을 제공하려는 목적을 갖는다.
이를 위하여 본 발명에서는, 전해조(10)로 공급되는 원수가 이온교환수지를 경유하도록 하여 원수 중에 포함된 음이온들이 이온교환수지에 의해 염소이온으로 치환되도록 한 후 전해조(10)에서 전해반응이 이루어지도록 한다.
따라서 본 발명의 생산장치는, 양이온교환수지, 음이온교환수지, 양쪽성교환수지 중 어느 하나 이상을 갖는 것으로서 원수가 전해조(10)로 유입되기 전 경유하도록 설치되어 있는 이온교환수지저장조(20)를 갖는다.
양이온교환수지, 음이온교환수지, 양쪽성교환수지 중 어느 하나 이상으로 제한하는 것은 전자교환수지, 킬레이트수지 등으로는 본 발명의 목적을 달성하기 어렵기 때문이다.
만약 원수의 유량이 과다할 경우라면 도2의 B에서와 같이 용량이 큰 원수배관에서 분기한 원수가 이온교환수지저장조(20)와 전해조(10)를 경유하게 하여 전해살균수를 생성한 후 원수와 전해살균수가 혼합하도록 배관을 구성 할수 있다.
즉, 이온교환수지저장조(20)와 전해조(10)를 경유하여 생성된 전해살균수가 원수와 혼합되도록 하는 것이다.
이러한 경우 유량 과다시 발생할 수 있는 이온교환수지의 빠른 소모를 방지할 수 있으며, 원수가 이온교환수지저장조(20)와 전해조(10)에서 더 길게 체류되게 하여 전해조에서의 전해효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 적용되는 전해조(10)는 전기화학반응을 위하여 양전극(12)과 음전극(11)이 수납된 형태이며, 양전극은 티타늄(Ti) 기재 위에 백금도금 또는 백금족 원소인 이리듐(Ir), 루테늄(Ru)을 소결피복한 디에스이(DSE : Dimensional Stable Electrode) 전극을 사용할 수 있다.
또, 음전극(11)으로는 상기 양전극(12)과 같이 디에스이(DSE)전극, 티타늄, 스테인레스스틸 등을 사용할 수 있다.
전해조(10)에서 음전극(11)과 양전극(12)의 설치형태는, 원수의 흐름방향으로 연장된 형태로 설치되거나 원수의 흐름방향에 직교하는 방향으로 연장된 형태가 되도록 할 수 있다.
전해조는 음전극(11)과 양전극(121) 사이에 격막이 위치되어 있는 격막전해조 형태를 갖도록 할 수도 있고, 격막이 위치되지 않은 무격막 전해조 형태로 구현할수도 있다.
전해조(10)의 전단에는 이온교환수지가 충진된 이온교환수지저장조(20)를 형성하고 원수가 이온교환수지저장조(20)를 통과하여 전해조(10)에서 전기분해반응이 진행되도록 구성한다.
이온교환수지는 미세한 3차원구조의 고분자수지에 이온교환기를 결합시킨 것을 사용하는데 극성, 비극성용액 중에 녹아있는 이온성 물질을 교환, 정제해 주는 고분자 물질이다.
이온교환수지가 가지고 있는 가동이온이 수용액 중에 다른 이온과 서로 치환하여 주는 것이며, 양이온교환수지, 음이온교환수지, 양쪽성교환수지를 본 발명에 사용한다.
본 발명 이온교환수지의 이온교환반응 메카니즘은 다음과 같다.
R-SO3·Na + Ca2 +,Mg2 +, K+ R-SO3·Ca2 +,Mg2 +, K+ + Na+
R-SO3·H + Ca2 +,Mg2 +, K+ R-SO3·Ca2 +,Mg2 +, K+ + H+
R-N·OH + HCO3 -,SO4 2 -, SiO2 - R-N·HCO3 -,SO4 2 -, SiO2 - + OH-
R-N·Cl + HCO3 -,SO4 2 -, SiO2 - R-N·HCO3 -,SO4 2 -, SiO2 - + Cl-
이온교환수지 적용시 원수 중에 존재하는 경도성 물질인 Ca2 +,Mg2을 비경도성 물질로 치환하여 전해조(10) 음전극에 스케일이 침착되는 문제가 해소된다.
또, 원수 중에 존재하는 음이온들을 염소이온으로 치환하여 지역별 수질에 따라 염소이온농도가 다르더라도 치환된 염소이온으로 보충하여 최종적으로 전해살균수의 농도편차를 최소화할 수 있다.
본 발명은 원수 중에는 염분 및 염소이온 외에 기타 여러 음이온들이 존재하며(HCO3 -,SO4 2 -, SiO2 - 등) 이들 이온을 이온교환수지를 이용하여 염소이온으로 치환 함으로서 지역에 따라 원수 중에 존재하는 염분 및 염소이온 농도가 다르더라도 다른 이온과 치환한 염소이온을 전해조(10)에서 전해반응시켜 전해살균수를 생성함으로써 전해살균수의 농도편차를 최소화하는 것이다.
음전극(11)에 스케일이 생성되는 문제를 해소하여 전극반응으로 생성된 전해생성물의 낭비요인을 배제하고 원수와의 혼합, 교반, 희석이 용이하도록 구성하여 결과적으로 전해조(10)의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
아래의 실험 결과 <표2>는 원수가 음이온교환수지와 접촉되면서 이온교환수지저장조(20)를 경유한 후의 유량별 염소이온농도 변화를 나타낸 것이다.
실험결과는 원수에서의 염소이온 농도는 이온교환수지조장조를 통과한 후 최소 3.7배 증가한 것으로 나타나고 있다.
이온교환수지 통과 후 염소이온 농도변화(채수지역 : 대전광역시 유성구 용산동)
통과유량
농도		 원수 이온교환수지 통과 후
15ℓ 45ℓ 60ℓ 75ℓ 90ℓ
염소이온농도
(ppm)		 11 42 42 43 41 41
주)1. 이온교환수지 통과 유속 : 1ℓ/min
이온교환수지저장조(20)를 경유하여 원수 중에 존재하는 이온을 염소이온으로 치환하고 이를 전기분해하여 전해살균수 생성시 지역별 원수의 수질편차에 의한 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 이온교환수지저장조(20)와 전해조(10)를 구비한 전해살균수 생산장치는 소형화 및 저비용으로 제품구성이 가능하며 위생문제가 우려되는 각종 배관살균에 적합한 살균소독시스템이다.
즉, 탄산음료 파운틴장비, 생맥주 디스펜서에서의 배관에 손쉽게 장착하여 주기적인 배관살균을 진행하여 위생문제를 해결할 수 있으며, 정수기, 냉온수기의 배관 및 저수조 살균에도 적합하다.
10. 전해조
11.음전극
12. 양전극
20. 이온교환수지저장조

Claims (6)

  1. 전해살균수를 생산하는 장치에 있어서,
    유입된 원수가 접촉되어 원수에 포함된 음이온들이 염소이온으로 치환되도록 하는 양이온교환수지, 음이온교환수지, 양쪽성교환수지 중 어느 하나 이상을 갖는 이온교환수지저장조(20); 및
    음전극(11)과 양전극(12)을 가지며, 상기 이온교환수지저장조(20)를 경유한 원수가 유입되면 전기분해하는 전해조(10);를 포함하여 구성된, 전해살균수 생산장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전해조(10)의 양전극(12)이나 음전극(11)은 티타늄(Ti) 위에 백금으로 도금하거나 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 중 어느 하나 이상을 소결 피복한 것임을 특징으로 하는, 전해살균수 생산장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전해조(10)의 음전극(11)과 양전극(12)은 원수의 흐름방향으로 연장된 형태로 설치되거나 원수의 흐름방향에 직교하는 방향으로 연장된 형태로 설치되고,
    상기 음전극(11)과 양전극(121) 사이에 격막이 위치되어 있는 것을 특징으로 하는, 전해살균수 생산장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이온교환수지저장조(20)와 전해조(10)는 분리, 결합이 가능하도록 된 것을 특징으로 하는, 전해살균수 생산장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온교환수지저장조(20)와 전해조(10)를 경유하여 생성된 전해살균수가 원수와 혼합되도록 된 것을 특징으로 하는, 전해살균수 생산장치.
  6. 전해조를 사용하여 전해살균수를 제조하는 방법에 있어서,
    원수가 양이온교환수지, 음이온교환수지, 양쪽성교환수지 중 어느 하나 이상과 접촉되어 원수 중에 포함된 음이온들이 염소이온으로 치환되도록 하는 염소이온치환단계
    상기 염소이온치환단계를 경유한 원수가 음전극과 양전극을 갖는 전해조로 공급되어 전기분해가 이루어지도록 함으로써 전해살균수가 생성되도록 하는 전기분해단계;를 포함하여 구성된, 전해살균수 생산방법.
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