KR100519196B1 - 이온 교환 물질의 전기화학적 처리 - Google Patents

이온 교환 물질의 전기화학적 처리 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, a) 애노드 및 캐소드 사이에 둘 이상의 이온 교환 물질 영역을 위치시키되, 두 영역 중 적어도 일부는 비-이온 특이 투과성 인터페이스에 의하여 분리되도록 하는 단계;
b) 상기 둘 이상의 영역에 물을 공급하는 단계;
c) 상기 전극 간에 전위를 인가함으로써, 애노드에는 수소 이온, 캐소드에는 수산화 이온을 발생시키되, 이온은 각 영역을 통하여 반대-하전된 전극 쪽으로 이동하도록 하고, 이를 통하여, 각 영역에서 이온 교환 물질과 결합되어 있는 음이온 또는 양이온 중 적어도 일부를 치환시켜, 치환된 음이온 및 양이온이 또한 영역을 통하여 반대로 하전된 전극 쪽으로 이동하도록 하는 단계; 및
d) c) 단계에서 형성되어 인터페이스에 도달된 양이온 및/또는 음이온의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는 이온 교환 물질의 처리 방법이 제공된다.

Description

이온 교환 물질의 전기화학적 처리{ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF ION EXCHANGE MATERIAL}
본 발명은 일반적으로 이온 교환 수지를 사용한 수처리에 관한 것으로, 특히 양이온 및 음이온 교환 수지의 전기화학적 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
이온 교환은 고체(대체로 수지) 및 액체 간의 이온의 가역적인 교환으로, 이온 교환 시에 이온 교환 물질인 고체의 구조에 영구적 변화가 일어나지는 않는다. 이온 교환의 유용성은 적당한 재생 단계를 통하여 이온 교환 물질을 사용 및 재사용할 수 있느냐에 달려있다.
고순도의 물은 수요가 많다. 산업에 있어 널리 사용되며, 제약, 전자 및 전력 산업에서 대부분 사용된다.
대부분의 경우, 최종 처리(폴리싱 단계)에서, 물을 이온 교환 물질 또는 수지를 통과시킴으로써 용해되어 있는 염이 일반적으로 제거된다. 양이온 및 음이온 각각을 제거하기 위해서는 양이온 교환 수지(H+ 형) 및 음이온 교환 수지(OH- 형)를 조합하여 사용한다. 많은 염을 제거하기 위해서, 두 층(하나는 각 수지 형를 포함)을 직렬로 사용할 수 있다. 수용액이 1차적으로 양이온 교환 수지(H+ 형) 층을 통과하면, 용액 내 양이온은 양이온 교환기에 의하여 붙잡히고, 당량의 H+ 이온이 용액으로 빠져나온다(따라서, 전기적으로 중성이 유지된다.). 이 용액(산성)은 두번째 층인 음이온 교환 수지(OH- 형)를 통과하고, 용액 내 음이온이 음이온 교환기에 의하여 붙잡힌다. 방출되는 OH- 는 용액 내 H+ 를 중화하여 물을 형성한다. 용해되어 있는 염은 두 층을 통과한 후 용액으로부터 효과적으로 제거된다. (탈염 과정을 반대로 실시하면, 중간에 알칼리 용액이 생성되는 이에 상응하는 방법이 적용된다.)
다수의 정수 방법에 있어 최종 폴리싱 단계로, 층을 직렬로 배치하는 대신 이온 교환 수지 혼합층을 사용하거나, 직렬 층 배치에 추가로 이온 교환 수지 혼합층을 사용하는 것이 바람직하다.
이런 경우, 양이온 및 음이온 수지를 잘 혼합하여, 양이온 및 음이온을 동시에 용액에서 제거하고, 수지에서 방출된 OH- 및 H+ 를 바로 중화하여 물을 형성한다. 상호 중화를 통하여 OH- 및 H+ 가 없어짐으로써 화학적 평형 과정이 "유도" 되므로, 이 배치를 갖는 수용액으로부터 더 큰 수준으로 염을 제거할 수 있다.
어떤 배치에서, 수지가 일단 소모되면(즉, H+ 및 OH- 형 수지가 더 이상 존재하지 않음), 양이온 및 음이온 층은 재생되어야만 한다. 통상의 화학 재생 공정을 위해서는, 화학적 재생을 실시하기 전에, 혼합 수지층의 양이온 및 음이온 수지가 물리적으로 분리되어야 한다. 이러한 재생은 일반적으로 산(일반적으로 H2SO4) 및 알칼리(일반적으로 NaOH)로 각각 처리하여 실시한다. 이 화학 공정은 진한 산 및 알칼리성 용액의 저장 및 취급과, 사용 후의 세척액 및 폐수 재생 처리가 포함된다. 이 공정은 비용, 안전성 및 환경적인 면을 고려할 때 바람직하지 못하다.
이온 교환 수지의 재생을 위하여, 철저한 화학적 처리가 필요없는 여러 다른 방법이 개발되어 왔다. 이 중 몇가지 방법에는 특정 이온-투과 막을 사용하는 전기탈이온화 시스템(electrodeionization system)이 포함된다. 막은 비용이 많이 들거나, 사용중에 새거나 파열 가능성이 있는 것이 많다. 또한, 막으로 수지를 하우징하기 위한 장치는 유지 및 생산 비용이 많이 든다. 이용가능한 여러 다른 방법은 양이온 또는 음이온 형 수지를 재생하기 위해서만 사용되므로, 두가지 형태의 이온 교환 물질을 재생하기 위해서는 두 시스템이 필요하다.
본 발명의 발명자들은 쉽고, 비용이 적게 들며, 생태학적으로 허용가능한 전기화학적 방법을 사용하여 이온 교환 수지를 처리하는 방법을 개발하였다. 이러한 방법은 재생 화학제가 필요 없고, 수지 층을 망가뜨릴 필요없이 정수 처리 및 이온 교환 재생을 동일한 용기에서 실시할 수 있다는 추가의 장점을 갖는다. 혼합 층 시스템의 경우, 이러한 처리는 또한, 음이온 교환 수지로부터 양이온 교환 수지를 분리할 필요 없이 수지 층들 상에서 재생을 실시할 수 있다는 장점을 갖는다.
발명의 개시
본 발명의 제 1 실시형태는 이온 교환 물질의 처리 방법에 관한 것으로, 상기 방법은
a) 애노드 및 캐소드 전극 사이에 둘 이상의 이온 교환 물질 영역을 위치시키되, 두 영역 중 적어도 일부는 비-이온 특이 투과성 인터페이스(non-ion specific permeable interface)에 의하여 분리되도록 하는 단계;
b) 상기 둘 이상의 영역에 물을 공급하는 단계;
c) 상기 전극 간에 전위를 인가함으로써, 애노드에는 수소 이온, 캐소드에는 수산화 이온을 발생시키되, 이온은 각 영역을 통하여 반대-하전된 전극 쪽으로 이동하도록 하고, 이를 통하여, 각 영역에서 이온 교환 물질과 결합되어 있는 음이온 또는 양이온 중 적어도 일부를 치환시켜, 치환된 음이온 및 양이온이 또한 영역을 통하여 반대로 하전된 전극 쪽으로 이동하도록 하는 단계; 및
d) c) 단계에서 형성되어 인터페이스에 도달된 양이온 및/또는 음이온의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
두 영역 중 적어도 일부가 전기적으로 접촉하여 전극 간에 전위가 인가될 수 있어야 함을 고려해야 한다.
두 영역에는 단일 또는 혼합형 이온 교환 물질이 포함될 수 있다. 단일형 이온 교환 물질을 각 영역에 위치시키는 경우, 이 방법을 충분하게 실시하기 위해서는, 양이온 교환 물질은 캐소드과 결합되어 있는 영역에, 음이온 교환 물질은 애노드과 결합되어 있는 영역에 위치시킬 필요가 있다. 양 영역에서 혼합형 음이온 및 양이온 교환 물질을 사용할 때, 이온 교환 물질이 충분히 처리되도록 하기 위하여, 전극들의 극성은 반대로 하고, 초기에 처리되지 않은 각 영역의 물질 부분이 각각 이온 치환되도록 전위를 인가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에서, 영역에서의 이온 교환 물질의 전기화학적 재생은 동시에 일어난다.
이온 교환 물질과 결합되어 있으며 이 방법을 통하여 제거되는 음이온 및 양이온은 염인 것이 바람직하다. 한가지 형태로, 수처리하는 동안에 염이 이온 교환 물질에 축척된 후, 이온 교환 물질을 재생하기 위하여 본 발명에 따른 방법이 실시된다.
인터페이스는, 전위의 영향 하에 이온이 이동하는 동안 인터페이스에 도달하는 이온 및 물을 제거 또는 플러싱할 수 있는 모든 형태가 가능하다. 적당한 형태에는, 비-이온 선택성 막, 프릿, 다공성 스페이서, 이온 교환 물질의 두 영역을 물리적으로 분리함으로써 형성되는 캐비티, 불활성 물질, 밸브 배치, 두 영역 간의 물리적 경계가 포함되며, 이에 제한되지는 않는다. 두 영역 간의 물리적 경계는 또한 적당한 인터페이스를 형성할 수 있다. 인터페이스는 이온 및 물을 제거할 수 있는 밸브와 결합되어 있는 폴리프로필렌 프릿이 바람직하다.
c) 단계 동안에 형성되는 양이온 및/또는 음이온은, 인터페이스를 가로질러 이온 교환 물질의 다른 영역으로 들어가기 전에 제거되는 것이 바람직하다.
바람직한 한 형태에서, 처리수에 용해되어 있는 염을 제거하기 위한 수단으로서 b) 단계를 사용한다. 하나 이상의 영역은 처리수로 플러싱하여, 이에 용해되어 있는 염이 이온 교환 물질에 결합되도록 한다. 수-처리 공정이 완료되어 이온 교환 물질을 재생하려는 경우, 이어서 c) 단계 및 d) 단계를 실시한다. 이러한 형태의 수처리 공정은, 이온 교환 물질이 동일 반응계에서 재생될 수 있다는 큰 장점을 갖는다.
애노드는 백금 코팅 티타늄으로 형성되는 것이 바람직하며, 캐소드는 백금 코팅 티타늄 또는 스텐레스 스틸로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 모든 적당한 물질로 전극을 형성시킬 수 있다.
d) 단계는, 인터페이스 및 주변 영역으로부터 이온 및 물을 제거할 수 있는 적당한 방법으로 실시할 수 있다. 적당한 한 가지 방법으로는, 예를 들어 물을 사용하여 인터페이스를 플러싱하는 것이다. 그러나, 모든 적당한 방법을 적용할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태는,
a) 애노드 및 캐소드 전극;
b) 이온 교환 물질을 함유하고 상기 전극 사이에 위치되어 있는 둘 이상의 영역;
c) 비-이온 특이 투과성 인터페이스로 분리되는, 두 영역의 적어도 일부;
d) 상기 둘 이상의 영역에 물을 공급하는 수단;
e) 선택적으로, 상기 전극 사이에 전위를 인가하기 위한 수단; 및
f) 상기 인터페이스에서 이온, 염 및 물을 제거하기 위한 수단을 포함하여 이루어지는 전기 화학 전지에 관한 것으로,
이를 사용할 때, 전위를 인가하여, 애노드에서 수소 이온, 캐소드에서 수산화 이온이 발생하도록 하고, 이러한 이온은 반대-하전된 전극 쪽으로 각 영역을 통하여 이동하도록 하고, 이를 통하여, 이온 교환 물질과 결합되어 있는 음이온 또는 양이온의 적어도 일부를 각 영역에서 치환시켜, 치환된 음이온 및 양이온이 또한 영역을 통하여 반대로 하전된 전극 쪽으로 이동하도록 하고; 형성되어 인터페이스에 이르는 양이온 및/또는 음이온 중 적어도 일부는 플러싱 수단으로 제거한다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 방법을 실시하기 위하여 전기화학 전지가 특히 적당하다. 이 영역에 위치시킨 이온 교환 물질을 재생하거나 용해된 염을 제거함으로써 물을 정화하기 위하여 이 전지를 사용할 수 있다.
애노드는 백금 코팅 티타늄으로 형성시키는 것이 바람직하고, 캐소드는 백금 코팅 티타늄 또는 스텐레스 스틸로 형성시키는 것이 바람직하다. 그러나, 적당한 물질로 전극을 형성시킬 수도 있다.
두 영역의 적어도 일부를 전기적으로 접촉시켜, 전위를 전극 간에 인가할 수 있다.
바람직한 형태의 전지에서, 인터페이스는 두 전극 사이의 대략 중간에 위치되고, 이들 간에 영역은 실질적으로 이온 교환 물질의 양 또는 체적이 동일하다.
전위를 인가하는 수단은 적당한 전원이면 모두 가능하다. 인가 전위는 이온 교환 물질의 형태 및 양에 달려있다. 일반적으로, 강한 이온-교환기 XXXX를 함유하는 전지는, 전류 YYYYY를 ZZZZZ 분동안 인가하면, 완전히 소모된 이온 교환 물질을 실질적으로 완전히 재생할 수 있다. 이들 값은 예를 든 것 뿐이며, 물질, 소모 정도 및 사용 체적에 따라 변화된다.
제 3 실시형태는, 이온 교환 물질을 재생하기 위한 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 전지의 용도에 관한 것이다.
제 4 실시형태는, 물에 용해되어 있는 염을 제거하기 위한 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 전지의 용도에 관한 것이다.
종래 기술과 비교하여, 본 발명은 이를 실시하기 위하여 양이온 및 음이온 선택성 막이 필요없다. 오히려, 필요없는 이온을 옮기기 위하여 이온교환 물질의 영역 또는 층을 배리어로서 사용한다. 이온-선택성 막이 필요없다는 것은 종래 기술과 비교하여 상당한 장점으로, 더욱 단순하고, 더욱 쉬우며, 비용이 적게 드는 시스템을 얻을 수 있다.
본 명세서에서 달리 언급이 없는 한, "포함하여 이루어지는" 또는 이를 변형한 말은, 언급된 요소, 동계어 또는 단계나, 요소 그룹, 동계어 또는 단계들을 포함하지만, 어떤 다른 요소, 동계어 또는 단계나, 요소그룹, 동계어 또는 단계들을 제외시키는 것은 아니다.
본 발명을 더욱 명확히 이해시키기 위해서, 하기 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 바람직한 형태를 기술한다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따른 전기화학 전지의 일 실시형태의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전기화학 전지의 다른 실시형태의 개략도이고,
도 3a 및 3b는 도 1의 전기화학 전지의 작동 개략도이고,
도 4a, 4b 및 4c는 도 2의 전기화학 전지의 작동 개략도이고,
도 5는 밀도 함수로서 이온 교환 수지 재생에 대한 시간의 그래프를 도시한 것이고,
도 6은 40mA의 특정 전류 밀도에서 이온 교환 수지 재생에 대한 시간의 그래프를 도시한 것이고,
도 7은 전류 밀도 함수로서 이온 교환 수지 재생의 쿨롱 효율 그래프를 도시한 것이고,
도 8은 본 발명에 따른 전기화학 전지의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 1에서, 이러한 개략도는 양이온 및 음이온 교환 수지의 한쌍의 개별 영역 또는 층에 대한, 본 발명에 따른 이온 교환 물질의 재생 방법의 일반적인 원리를 설명한다. 음이온 교환 수지층(5) 및 양이온 교환 수지층(6)을 한쌍의 애노드(7) 및 캐소드(8) 사이에 배치한다. 물은 입구 포트(1 및 2)를 통하여 층들(5 및 6)에 제공되고, 출구 포트(3)를 통하여 배출된다. 애노드(7)과 캐소드(8)을 가로질러 적절한 전위를 인가하고, 두 전극(7 및 8)의 주변에 물이 존재하면, 하기의 전기화학적 반응이 일어난다.
산화(애노드에서)
2H2O O2 + 4H+ + 4e
환원(캐소드에서)
2H2O + 2e H2 + 2OH-
전체적인 전기화학적 반응
6H2O 2H2 + O2 + 4H+ + 4OH-
알짜 결과는 물이 수소와 산소로 분리된다는 것과, 또, H+ 이온이 애노드(7)에 생성되고, OH- 이온이 캐소드(8)에 생성된다는 것이다. 통과된 각각의 전자에 대해서, 1 당량의 H+ 및 1 당량의 OH-가 생성된다. 그리고 나서, 생성된 이온을 전지 내의 이온교환 수지에 결합된 양이온 및 음이온(염)과 이온 교환할 수 있다. 이온교환된 양이온 및 음이온(염)은 전위차의 영향 하에 이동하여, 인터페이스(9)에서 만난다. 상이한 구성에서, 인터페이스(9)는 다공성 스페이서, 두개의 수지층이 물리적으로 분리되어 형성된 캐비티, 스페이서 물질(이온 교환 수지 또는 불활성 물질 등)의 중간 경계를 포함하여 이루어지거나, 단순히 두개의 수지층 사이의 인터페이스를 나타낼 수 있다. 양이온 및 음이온은 이 영역에서 만나며, 몇가지 수단에 의하여 이들을 액체 스트림[수성 또는 그외]으로 전지 밖으로 흘러 나가게 할 수 있다.
이러한 시스템은 수용액(작동 모드에서)을 탈염할 때와, 수지층을 흐트리거나 수지를 전지에서 제거할 필요가 없이 이온교환 수지를 재생할 때 모두 사용할 수 있는 방법으로 구성할 수 있다.
혼합(양이온성 + 음이온성) 이온 교환 수지의 층을 포함하는 시스템을 재생하기 위해서, 유사한 시스템이 안출되었다. 전체적인 구성을 도 2에 나타내었다. 이러한 경우, 재생은 두가지 단계로 진행된다. 재생의 제 1 단계에서, 시스템은 도 2에 나타낸 바와 같이 작동하며, 제 2 단계에서는, 전극의 극성이 반대로 바뀐다. 도 3(이중층 시스템) 및 도 4(혼합층 시스템)를 참조하여, 하기에 공정을 상세히 설명한다. 두가지 구성 모두에서, 하기의 부호는 상이한 형태의 두가지 이온 교환 수지를 나타낸다.
A는 "소모" 형태의 음이온 교환 수지를 나타낸다.
OH는 "재생" 형태의 음이온 교환 수지를 나타낸다.
C는 "소모" 형태의 양이온 교환 수지를 나타낸다.
H는 "재생" 형태의 양이온 교환 수지를 나타낸다.
도 3(a)는 음이온 교환 수지를 포함하는 좌측 구획(6)과 양이온 교환 수지를 가지는 우측 구획(5)을 가지는 한쌍의 분리된 수지층을 나타낸다. 두 층(5 및 6)은 모두 완전히 소모된 상태로 나타내었다; 즉, 실질적으로 H+ 상태의 양이온 교환 수지와 OH- 상태의 음이온 교환수지가 존재하지 않는다. 그러나, 수지가 부분적으로 또는 완전히 소모된 상태일 수 있고, 재생이 부분적으로 또는 완전히 진행될 수 있는 것을 고려할 수 있다.
도 3(b)에 나타낸 바와 같이 두개의 전극(11 및 12)를 가로질러 적당한 전위차를 인가하면, OH-가 좌측 전극(11, 캐소드, "-"로 표시)에 생성되고, H+가 우측 전극(12, 애노드, "+"로 표시)에 생성된다. 전기장의 영향하에, 이들 이온은 각각의 전극으로부터 떨어져 나와 수지층을 통하여 이동한다. OH- 이온은 좌측 구획(6)을 통하여 이동하기 때문에, 음이온 교환수지에 결합된 음이온을 대체하므로, 수지가 OH- 형태로 전환된다. 방출된 음이온도 또한 잉여 OH-와 함께 애노드(12) 방향으로 이동한다. H+ 이온은 우측 구획(5)을 통하여 이동하기 때문에, 양이온 교환 수지에 결합된 양이온을 대체하므로, 수지가 H+ 형태로 전환된다. 방출된 양이온 또한 잉여 H+와 함께 캐소드(11) 방향으로 이동한다. 양이온 및 음이온은 인터페이스(9)에서 만나고, 당량의 존재하는 H+ 및 OH-가 서로 중화되어 물을 형성하고; 나머지 이온종(염)은 출구 포트(3)를 통하여 제거할 수 있다. 이러한 관점에서, 생성된 H+ 및 OH-의 전체몰에 대하여, 물 1.5몰이 소모되므로, 포트(1 및 2)를 통하여 적어도 최소한의 물의 흐름이 있는 것이 바람직하다.
도 4(a)는 혼합층 시스템에 대한 구성을 나타낸다. 이러한 경우에, 좌측 및 우측 구획(6 및5)을 모두 음이온 및 양이온 교환 수지의 혼합물로 채운다. 두 층 모두 완전히 소모된 상태로 나타내었다; 즉, H+ 상태의 양이온 교환 수지도 없고, OH- 상태의 음이온 교환 수지도 없다. 그러나, 수지는 부분적으로 또는 완전히 소모된 상태일 수 있고, 재생은 부분적으로 또는 완전히 실시할 수 있는 것을 고려할 수 있다.
도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 적합한 전위차가 두 전극을 가로질러 인가되면, 좌측 전극(11, 캐소드, "-"로 표시)에 OH-가 생성되고, 우측 전극(12, 애노드 "+"로 표시)에 H+가 생성된다. 전기장의 영향 하에, 이들 이온은 각각의 전극에서 떨어져 나와 수지층을 통하여 이동한다. OH- 이온은 좌측 구획(6)을 통하여 이동하기 때문에, 음이온 교환수지에 결합된 음이온을 대체하므로, 수지가 OH- 형태로 전환된다. 방출된 음이온도 또한 잉여 OH-와 함께 애노드(12) 방향으로 이동한다. 음이온은 구획 내의 양이온 교환 수지의 상태에 영향을 미치지 않는다. H+ 이온은 우측 구획(5)을 통하여 이동하기 때문에, 양이온 교환 수지에 결합된 양이온을 대체하므로, 수지가 H+ 형태로 전환된다. 방출된 양이온 또한 잉여 H+와 함께 캐소드(11) 방향으로 이동한다. 양이온은 구획 내의 음이온 교환 수지의 상태에 영향을 미치지 않는다. 음이온 및 양이온은 각각 좌측 및 우측 구획(6 및 5)을 통하여 이동하여, 인터페이스(9)에서 만나고, 당량의 존재하는 H+ 및 OH-가 서로 중화되어 물을 형성하고; 나머지 이온종은 출구 포트(3)를 통하여 제거할 수 있다. 이러한 관점에서, 생성된 H+ 및 OH-의 전체몰에 대하여, 물 1.5몰이 소모되므로, 포트(1 및 2)를 통하여 적어도 최소한의 물의 흐름이 있는 것이 바람직하다.
도 4(b)의 좌측 구획(6)의 음이온 교환수지 및 도 4(b)의 우측 구획(5)의 양이온 교환수지는 각각 OH- 및 H+ 형태로 전환되며, 부가적인 전류에 의해, 수지층을 통하여 이동되고, 만나면 서로 중화되는 당량의 OH- 및 H+가 생성된다. 이러한 단계에서, 두개의 전극의 극성이 반대로 바뀌고, 도 4(c)에 나타낸 바와 같이, H+ 및 OH-가 좌측 전극(11) 및 우측 전극(12)에서 각각 생성된다.
상기한 바와 같이, 이온은 전지의 중간을 향해 이동하여, 각각 좌측 구획(6) 및 우측 구획(5) 내의 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지에 결합된 양이온 및 음이온을 대체할 수 있다. 음이온 및 양이온은 각각 우측 구획(5) 및 좌측 구획(6)을 통하여 이동하여, 인터페이스(9)에서 만나고, 당량의 존재하는 H+ 및 OH-가 서로 중화되어 물을 형성하고, 나머지 이온종은 출구 포트(3)를 통하여 제거할 수 있다. 이러한 관점에서, 생성된 H+ 및 OH-의 전체몰에 대하여, 물 1.5몰이 소모되므로, 포트(1 및 2)를 통하여 적어도 최소한의 물의 흐름이 있는 것이 바람직하다.
하기 실시예는 도 1의 특징을 갖는 실린더형 전기화학 전지를 참조한다. 이 전지의 인터페이스는 다공성 폴리프로필렌 프릿이었다. 오른편 구획(5) 및 왼편 구획(6)은 각각 Amberlite IRA-420TM 강성 음이온 교환 수지(I5-5O 메쉬 ASTM) 및 Amberlite 1R-120TM 강성 양이온 교환 수지(I5-5O 메쉬 ASTM)로 각각 충전시켰다. 이들 수지는 단지 예를 들어 사용된 것으로, 본 발명이 특정 이온 교환 수지 또는 물질에 한정되거나 특정되는 것은 아니다. 각 구획에 있는 수지의 이온 교환 커패시티는 -17 밀리몰이었다. 수지는 각각 표준 화학적 방법으로 Cl- 및 Na+ 형으로 전환되었고, 탈이온수로 철저히 세척되어 모든 잔류 염이 제거되었다. 전극(7, 8)은 티타늄에 코팅된 백금의 메쉬였다(직경 6cm). 전극은 수지에 근접하여 위치시켰고, 전지에 클램프된 한 쌍의 말단 플레이트에 의하여 적절하게 지지되어 밀봉 유닛을 이루었다. 고순도 탈이온수를 포트(1, 2)를 통하여 전지에 펌핑하여 포트(3)를 통하여 배출시켰다. 정전류기(galvanostat)를 사용하여 백금 코팅 티타늄 메쉬 전극을 가로질러 일정한 전류를 인가하였다. 물을 포트(1, 2)를 통하여 전지에 펌핑하고, 포트(3)로부터의 배출물을 수집하였다. pH, 전도도, 및 유출액의 Na+ 이온 농도를 모니터하고, 전류 및 전위를 기록하였다. 세가지 상이한 전류 밀도에서의 결과는 도 5에 도시한다. 이 그래프는 시간 함수로서 포트(3)를 통하여 수집되는 Na+ 이온의 누적 몰수를 나타낸다.
도 6은 40mA의 전류에 대하여 시간의 함수로서 포트(3)을 통해 수집되는 Na+ 및 Cl- 이온 모두의 누적 몰수를 나타낸다. 도 7은 전지 작동시 전기화학적 효율을 도시한다. 전자의 각 몰당, H+ 1몰 및 OH- 1몰이 생성되었다. 각 몰의 전자가 양이온 교환 수지 1몰 및 음이온 교환 수지 1몰을 재생시키면, 전지의 전기화학적 효율은 100%이다. 도 7에서, 양이온 교환 수지 전환에 대한 총 퍼센트 쿨롱 효율을, 재생된 전지내 양이온 교환 수지 퍼센트의 함수로서 플롯한다.
도 8은, 티 밸브(Tee valve, 13)에 의하여 두 층의 수지 간의 인터페이스가 형성되는 본 발명의 바람직한 실시형태를 도시한 것으로, 밸브 내의 액체 유로(18)는 실질적으로 혼합 또는 미혼합 상태의 음이온 및 양이온 교환 수지로 충전되어 있다. 수지 재생 모드(도 8(a))에서, 이 밸브(13)를 돌리면, 밸브(13)의 통로(18)를 통한 흐름의 각 말단이 수지층 중 하나로 개방되고, 이에 수직인 유로는 양이온 및/또는 음이온과 물(폐기 염 용액)이 통하여 흐를 수 있는 포트로 개방된다. 시스템이 정수를 위하여 사용되는 경우(도 8(b)), 밸브(13)를 돌리면, 밸브(13)의 액체 유로(18)는 더이상 수지층에 개방되지 않는다. 이를 통하여, 사이클 중 물 정화시에 두 수지층 사이에 바람직하지 못한 형태로 액체가 흐르는 것이 방지된다. 도 8의 배치에서 수지는 역류 형태(즉, 사이클 중 물 정화시의 두 수지층 사이에 이온 및 물 흐름)로 재생된다. 정화 모드에서, 물은 층(5)의 베이스의 다른 입구 포트(16)를 통해 들어가고, 포트(15)를 통하여 빠져나와, 포트(17)에 의하여 다른 층(6)을 통하여 들어간다. 정제된 물은 포트(14)를 통하여 나온다. 전지가 재생 모드에 있는 경우에 포트(16, 17)는 폐쇄된다. 도 8의 배치에서, 수지는 역류 형태로 재생된다(즉, 정화 사이클에서 이온 흐름 및 물 흐름은 모두 수지 층을 통하여 한 방향으로 진행되며, 재생 모드에서 이들은 모두 수지층을 통하여 반대 방향으로 진행된다).
상기 설명에서 전지는 실린더형이지만, 이 방법이 이러한 특정 형태로 제한되거나 좌우되는 것은 아니다. 유사하게, 전지 크기도 제한 요소가 아니다. 예를 들어, 대략 5배의 커패시티를 갖는 실린더형 전지로 유사한 효율을 얻었다. 또한, 대략 10배의 커패시티를 갖는, 직선형 실린더형이라기보다는 U-튜브 배치의 전지로 유사한 효율을 얻었다. 또한, 폴리프로필렌 프릿을, 떨어져있는 두 수지층을 지지하는 한쌍의 나일론 메쉬(즉, 캐비티가 단순히 액체로 충전되어 있다.)로 대체한 전지로 유사한 효율을 얻었다. 전지를 통한 물의 유속 및 전류는 또한 전기화학적 효율을 떨어뜨리지 않는다면 변화가 가능하다.
이 시스템은 매뉴얼 형태로 작동시키지만, 적당한 센서 및 콘트롤 시스템을 사용하여 장치를 자동적으로 작동시킬 수 있다. 이 장치의 예로는, 유출수의 순도를 모니터하기 위한 전도도 전지, 밸브 액튜에이터(valve actuator) 및 마이크로프로세서 제어 회로(microprocessor control circuitry)가 있다.
당업자는 특정 실시형태로 나타낸 본 발명을, 광범위하게 기재된 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않도록 다양하게 변형 및/또는 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태는 설명을 위한 것으로, 제한을 위한 것이 아닌 것으로 고려해야 한다.

Claims (20)

  1. a) 애노드 및 캐소드 전극 사이에 두개의 이온 교환 물질 영역을 위치시키되, 두 영역은 비-이온 특이 투과성 인터페이스에 의하여 분리되도록 하는 단계;
    b) 상기 이온 교환 물질 영역에 물을 공급하는 단계;
    c) 상기 전극 간에 전위를 인가함으로써, 애노드에는 수소 이온, 캐소드에는 수산화 이온을 발생시키되, 이온은 각 영역을 통하여 반대-하전된 전극 쪽으로 이동하도록 하고, 이를 통하여, 각 영역에서 이온 교환 물질과 결합되어 있는 음이온 또는 양이온을 치환시켜, 치환된 음이온 및 양이온이 또한 영역을 통하여 반대로 하전된 전극 쪽으로 이동하도록 하는 단계; 및
    d) c) 단계에서 형성되어 인터페이스에 도달된 양이온 또는 음이온을 제거하는 단계를 포함하는 이온 교환 물질의 처리 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 한 영역은 음이온 교환 물질을 포함하고, 다른 영역은 양이온 교환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온 교환 물질의 처리 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 음이온 교환 물질을 포함하는 영역은 애노드 근처에 위치시키고, 양이온 교환 물질을 포함하는 영역은 캐소드 근처에 위치시키는 것을 특징으로 하는, 이온 교환 물질의 처리 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 이온 교환 물질 영역이 음이온 및 양이온 교환 물질의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온 교환 물질의 처리 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 전위를 인가한 후, 전극의 극성을 반대로 하고 제 2 전위를 인가하는 것을 특징으로 하는, 이온 교환 물질의 처리 방법.
  6. 제 1항 내지 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 교환 물질 영역에서 이온 교환 물질의 전기화학적 재생이 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는, 이온 교환 물질의 처리 방법.
  7. 제 1항 내지 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 이온 교환 물질과 결합되어 제거되는 음이온 및 양이온은, 물의 탈이온화 처리동안 이온 교환 물질 상에 축척되는 염인 것을 특징으로 하는 이온 교환 물질의 처리 방법.
  8. 제 1항 내지 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 비-이온 특이 투과성 인터페이스는 비-이온 선택성 막, 프릿, 다공성 스페이서, 이온 교환 물질의 두 영역을 물리적으로 분리함으로써 형성되는 캐비티, 불활성 물질, 밸브 배치, 두 영역 간의 물리적 경계로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온 교환 물질의 처리 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 인터페이스는 인터페이스로부터 이온 및 물을 제거할 수 있는 밸브와 결합되어 있는 폴리프로필렌 프릿인 것을 특징으로 하는 이온 교환 물질의 처리 방법.
  10. 제 1항 내지 5항 중의 어느 한 항에 있어서, c) 단계동안 형성된 물과 양이온 또는 음이온은, 인터페이스를 가로질러 이온 교환 물질의 다른 영역에 들어가기 전에 제거되는 것을 특징으로 하는 이온 교환 물질의 처리 방법.
  11. 제 1항 내지 5항 중의 어느 한 항에 있어서, b) 단계가 c) 및 d) 단계를 실시하기 전에 물에 용해되어 있는 염을 제거하기 위한 수단으로 사용되는 것을 특징으로 하는 이온 교환 물질의 처리 방법.
  12. 제 1항 내지 5항 중의 어느 한 항에 있어서, d) 단계가 물로 인터페이스를 플러싱하는 것임을 특징으로 하는 이온 교환 물질의 처리 방법.
  13. a) 애노드 및 캐소드 전극;
    b) 이온 교환 물질을 함유하고 상기 전극 사이에 위치되어 있으며, 비-이온 특이 투과성 인터페이스로 분리되는 두 영역;
    d) 상기 두 영역에 물을 공급하는 수단;
    e) 선택적으로, 상기 전극 사이에 전위를 인가하기 위한 수단; 및
    f) 상기 인터페이스에서 이온, 염 및 물을 제거하기 위한 수단을 포함하여 이루어지고,
    이를 사용할 때, 전위를 인가하여, 애노드에서 수소 이온, 캐소드에서 수산화 이온이 발생하도록 하고, 이러한 이온은 반대-하전된 전극 쪽으로 각 영역을 통하여 이동하도록 하고, 이를 통하여, 각 영역에서 이온 교환 물질과 결합되어 있는 음이온 또는 양이온을 치환시켜, 치환된 음이온 및 양이온이 또한 영역을 통하여 반대로 하전된 전극 쪽으로 이동하도록 하고; 형성되어 인터페이스에 이르는 양이온 또는 음이온을 플러싱 수단으로 제거하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  14. 제 13항에 있어서, 애노드가 백금 코팅 티타늄으로 형성되고, 캐소드가 백금 코팅 티타늄 또는 스텐레스 스틸로 형성되는 것을 특징으로 하는 전지.
  15. 제 13항 또는 14항에 있어서, 한 영역은 음이온 교환 물질을 포함하고, 다른 영역은 양이온 교환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  16. 제 15항에 있어서, 음이온 교환 물질을 포함하는 영역을 애노드 근처에 위치시키고, 양이온 교환 물질을 포함하는 영역을 캐소드 근처에 위치시키는 것을 특징으로 하는 전지.
  17. 제 13항 또는 14항에 있어서, 상기 두 영역은 음이온 및 양이온 교환 물질의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  18. 제 13항 또는 제 14항에 있어서, 상기 비-이온 특이 투과성 인터페이스는 비-이온 선택성 막, 프릿, 다공성 스페이서, 이온 교환 물질의 두 영역을 물리적으로 분리함으로써 형성되는 캐비티, 불활성 물질, 밸브 배치, 두 영역 간의 물리적 경계로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전지.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 인터페이스는 인터페이스로부터 이온 및 물을 제거할 수 있는 밸브와 결합되어 있는 폴리프로필렌 프릿인 것을 특징으로 하는 전지.
  20. 제 13항 또는 제 14항에 있어서, 상기 f) 수단은 물로 인터페이스를 플러싱하는 것임을 특징으로 하는 전지.
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