본문 바로가기

카테고리 없음

전기분해와 전해소독의 원리

1. 전기분해의 원리

전기분해는 금속의 산화, 환원에 의한 전기 화학적 반응과 같은 원리로써 부식의 원리와 유사하다. 순수한 물은 전기 분해가 되지 않으나 소량의 전해질을 첨가하면 전기 분해할 수 있다. 일정량의 NaCl용액을 전해조에 흘려보내 주면서 전류를 걸어준다. 이때 양극에서는 산화반응이 일어나고 음극에서는 환원 반응이 일어난다. Cl- 는 양극(anode)에서 산화되어 chlorinegas(Cl2 )를 생성하고 물은 음극에서 환원되어 수소가스(H2)를 발생시킨다. 양극에서 생성되는 산화제의 총생산량은 패러데이 법칙(Faraday'sLaw)을 따른다. 전기분해 시 막으로 두 전극을 분리하면 양극과 음극에는 각각 다른 종류의 물이 생성된다. 양극에서는 산성 전해수(acidicelectrolyzedwater)가, 음극에서는 알칼리 전해수가 생성된다. 소금물의 전기분해 시 양극(Anode)에서는 FAC(Free AvailableChlorine), O3, ClO2, H2 O2 외에 chlorite(ClO2 -)와 chlorate(ClO3 -)등이 생성될 수 있다. NaCl의 Na+와 Cl- 이온은 cell의 균형을 제공하며, 음극(Cathode)에서 발생되는 수소가스(H2)는 시스템 내에서 안전하게 날아가므로 안전에 영향을 주지 않는다.

2. 전해 소독의 원리

전기분해에 의하여 생성된 산성, 중성 전해수는 여러 가지 물리 화학적 특성에 기인하는 소독효과를 가진다. 양극에서 생성되는 산성 전해수는 수소이온으로 인해 pH값이 2.5 이하로 낮아지며 1000mV이상의 높은 산화환원 전위(oxidation-reduction potential)를 보인다. 산화환원 전위 수치는 물속의 살균 정도를 알아볼 때 흔히 사용하며 일반 세균의 경우 산화환원 전위차가 650~700mV 정도이면 짧은 시간 내에 살균된다. 그리고 전기분해를 위해 전해질로 염소이온(Cl-)이 있을 경우 여러 유기염소 화합물질(chloroorganic)이 생성되며 각 전극에서 여러 가지 라디칼(radical)이 생성된다. 물을 전기 분해하면 하이드록실 라디칼(OH), 하이드로 옥시 라디칼(HOO), 슈퍼 옥 사이드 라디칼(O2), 과산화수소(H2 O2), 차요이 온(OCl-)등의 라디칼이 생성된다. 이 라디칼은 수 초에서 수억 분의 1초의 짧은 시간 동안 존재하는 불안정한 물질로서 2V 이상의 높은 전위차를 가지며 거의 모든 유기물과 매우 빠른 속도로 골고루 반응하는 특징이 있다.

3. 전기화학(Electrochemistry)의 기초개념

전기화학은 전기적 현상과 화학적 현상 사이의 관계를 다루는 학문 분야이다. 전해질 용액에 대한 현상과 이 전해질 용액 속의 전극에서 발생하는 현상에 대한 연구 및 부식(Corrosion)에 대한 이해를 위해서는 전기화학에 대한 지식이 필요하 다. 전기분해는 전기화학 분해법으로 100여 년 전부터 일반 공업 분야에서 이용돼 어 왔으며, 이러한 전기분해의 기본 기술을 발전시켜 무기성 또는 유기성 전해질이 포함된 물의 고급 정수처리나 폐수처리에 이용되며, 전해질에 전기에너지를 공급 시 킴으로써 발생되는 물리․화학적인 산화와 환원 분해, 석출, 중화, 응집, 살균등의 반응이 일어나고, 이러한 반응들의 반응속도를 증가시켜 각종 오염물질을 제거하는 방법으로 전해질 수용액에 직류전압(12~24V)을 가하면 직류전류가 흘러서, 양극과 음극에서 산소, 수소가스가 발생하며 이때의 전압이 분해 전압이며, 이 전압에 도달하면 전해가 일어나고 전리 이온화가 시작되면 다음과 같은 전기 화학반응이 발생되어 음극에서는 전해환원 작용이 양극에서는 전해산화작용이 일어나 생성된 산화제, 환원제 및 금속 수산화물 등이 물질과의 2차 반응으로 유도되어 처리한다. 전도체인 금속에서 전류는 전가(electron)에 의해 흐르지만 전해질에서는 양이 온과 음이온에 의해 전류가 운반된다. 전극과 전해질로 이루어진 전기화학 셀에 외 부에서 전류를 공급해 주면 양이온은 음극(cathode)을 향해 이동하고 음이온은 양 극(anode)을 향해 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 또한 전하 운반체가 전자에서 이온으로 바뀌는 과정에서 전극 주위의 용액에서는 화학변화가 일어나게 된다. 예를 들어 전극을 백금전극으로 하고 전해질이 황산나트륨 용액일 경우 양극과 음극에서는 다음과 같은 전기화학반응이 일어나게 된다. 양극 표면에서는 물이 산화되어 수소이온과 산소 기체를 발생하고, 음극 표면에서는 물분자가 전자를 얻어 수산화 이온과 수소 기체가 발생한다.