KR100577501B1

KR100577501B1 - 비-희생적 전극 및 이들의 제조방법

Info

Publication number: KR100577501B1
Application number: KR1020057016163A
Authority: KR
Inventors: 제임스 아르. 홧트; 데이비드 에이. 케이플; 브리앙 비. 엘슨
Original assignee: 제노모시스, 엘.엘.씨.
Priority date: 1997-10-06
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2006-05-10
Also published as: US5977015A; IL135482A; KR20010030972A; CN1607183A; HK1076796A1; IL154320A; AU742608B2; JP2001518389A; EP1042053A1; US6090259A; EP1042053A4; CA2305469C; CN100457643C; KR100550740B1; JP2009190030A; CA2305469A1; AU9682498A; US6045685A; IL135482A0; CN1154532C

Abstract

본 발명은 탈이온화 셀(80)을 가지는 기구에 관한 것이며, 그 각각의 셀은 2개의 상이한 전극(20, 22)을 가진다. 첫번째 전극(22)은, 탄화된 형태의, 레조르시놀, 포름알데히드, 탄소 보강재, 촉매 및 그 반응 생성물로부터 제조된 높은 표면적 흡수 재료("HSAAM")로 형성되었다. 두번째 전극(20)은, 탄소 클로스 또는 탄소 펠트와 같은 비-HSAAM 재료로 형성되었다. 각각의 탈이온화 셀(80)은 어느 한 면 상에 비-HSAAM 전극(20)이 위치하는 하나의 HSAAM 전극(22)을 가지며, 인접한 셀은 양쪽 유형의 전극을 공유하지 않는다. 탄소 섬유, 탄소 펠트 또는 셀룰로오스의 형태로 제공된 탄소 보강재, 포름알데히드 및 레조르시놀의 중합된 혼합물을 제어된 온도 및 시간 제한 하에서 경화시킨 후에, 전극을 탄화시키기 위해 생성되는 제품을 소성시킴으로써, HSAAM 전극(22)을 제조하는 방법이 본 발명에 개시되어 있다.

탈이온화 기구

Description

비-희생적 전극 및 이들의 제조방법{Non-sacrificial electrodes and method for preparing the same}

도 1은 본 발명에 따라 형성된 기구의 투시도이다.

도 2A는 본 발명의 기구에 사용된 탱크의 도면이다. 도 2B 및 도 2C는 탱크 내에 있는 HSAAM 판을 고정시키는 2개의 배열을 나타낸다.

도 3는 구불구불한 흐름을 위해 배열된 제1도의 기구의 평면도이다.

도 4A 및 도 4B는 인접하는 전극으로부터 형성된 탈이온화 셀을 도시한 도면이다.

도 5는 일련으로 연결된 3개의 장치를 지닌 기구를 도시한 도면이다.

도 6A 및 도 6B는 모든 전극이 서로 평행한 대안물들을 도시한 도면이다.

도 7는 이온 출구 구멍이 형성되어 있는 탱크의 평면도를 도시한 것이다.

도 8는 도 5 에 도시된 기구의 라인을 따라 제작된 실험 기구를 도시한 도면이다.

도 9A 내지 도 9E는 도 8의 기구를 사용한 뱃치(batch) 가공 결과를 나타낸 도면이다.

삭제

본 발명은 수(water) 유출물의 탈이온화 및 정화를 위한 탄소 에어로겔(aerogel), 전기화학 셀 및 시스템에 관한 것이다.

레조르시놀은 수지, 염료, 접착제, 약제 및 기타 용도에 흔히 사용되는 공지된 물질이다. 이것은, 결정, 플레이크(flake), 펠릿(pellet) 등과 같이 다양한 형태 및 등급으로 수득될 수 있다. 다양한 형태의 레조르시놀은 물, 알콜, 에테르, 벤젠, 글리세롤 및 포름알데히드에 가용성이다.

미국 특허 제5,425,858호(파머)에 개시된 바와 같이, 레조르시놀은 탄소 에어로겔을 합성하는데 사용될 수 있다. 특히, 약간 염기성인 배지내에서 레조르시놀 및 포름알데히드의 중축합 후에, 불활성 분위기 내에서 초임계 건조 및 열분해(pyrolysis)를 행하여 탄소 에어로겔을 제조할 수 있다. 이러한 탄소 에어로겔로부터 형성된 얇은 전극은 상기 참고문헌에 개시된 바와 같이 용량성(capacitive) 탈이온화 용도에 사용될 수 있는데, 그 내용은 전부 본원에 참고로 삽입된다.

그러나, 이 방법에 의해 형성된 얇은 전극 판(대략 0.25 mm 두께)은 다수의 결점을 가진다. 첫번째로 이 판은, 표면적 1 인치제곱당 $1000 의 비용이 들어, 상업적 스케일로 사용하기에는 불가능할 정도로 비싸다. 두번째로, 이 전극들을 사용하는 장치는, 물이 전해되는 전압 및 전류보다 낮은 전압 및 전류에서만 효과적으로 구동된다. 또한, 이 판의 얇은 성질은 탈이온화 능력(capacity)을 제한한다. 얇 은 판은 자체 지지되지 않으며, 이 판과 직접적이고 재현성있는 전기 연결을 만드는 것은 어렵다. 최종적으로, 이들 전극은 티탄 판에 고착되어 이 전극판들의 각각의 한 면이 탈이온화 표면으로서 사용되는 것이 불가능하다.

본 발명은 다수의 탈이온화 셀을 가지는 탱크(tank)를 포함하는 탈이온화 기구에 관한 것이다. 각각의 탈이온화 셀은, 2개의 상이한 유형의 3개의 비-희생적 전극을 포함한다. 한 전극은, 반대 방향으로 대면하는(facing) 2개의 면을 지닌 판으로 형성된, 높은 표면적 흡수 재료를 포함한다("HSAAM 전극"). 이 HSAAM 전극은 탈이온화되는 액체로부터 이온을 제거한다. 이 HSAAM 전극의 옆에는, 탈이온화되는 액체로부터 이온을 제거하지 않는 전극이 2개 존재하는데, 즉 HSAAM 전극의 양면에 1개씩 위치한다.

탱크의 바닥은, 공기를 전달하는 파이프의 네트워크를 구비할 수 있는데, 각각의 파이프에는 공기가 배출될 수 있는 작은 구멍이 있다. 이 파이프를 통해 펌프된 공기는 탈이온화되는 액체를 교반하고 혼합하여, HSAAM 전극에 대한 이온의 접촉 및 포획(capture)을 촉진시킨다.

본 발명의 비-HSAAM 전극은 평평하고 비전도성인 구조적 지지 부재의 양면에 부착된 흑연 판 전극 또는 탄소 클로스(carbon cloth: CC)의 형태로 존재한다. 구조적 지지 부재의 한 면 위에 있는 비-HSAAM 전극은, 구조적 지지 부재의 다른 면 위에 있는 비-HSAAM 전극과 전기적으로 분리된다. 그러므로 각각의 비-HSAAM 전극은 서로 다른 HSAAM 전극과 관련된다. 이로 인해, 각각 서로 다른 구조적 지지 부 재 상에 장착되었지만 그 사이에 샌드위치된 동일한 HSAAM 전극에 대면하고 있는, 첫번째 및 두번째 비-HSAAM 전극을 포함하는 탈이온화 셀이 형성된다.

탈이온화 셀내에 사용된 HSAAM 전극의 제조는 다음과 같다. 우선 포름알데히드 내에 레조르시놀을 용해시켜서 초기의 액(liqour)을 형성한다. 중합을 촉진시키고 HSAAM의 최종 구조를 만들기 위해 촉매가 첨가된다. 정해진 양의 비-희생적 재료가 보강재(reinforcing material)로서 상기 액으로 도입된다. 제어된 중합반응이 일어나고 상기 혼합물이 보강재를 지지하기에 충분한 점조도(consistency)에 도달하도록 충분한 시간 동안 또는 충분한 온도에서 이 혼합물을 가열함으로써, 충분한 열이 부가된다. 생성되는 점성(viscous) 액체는 계속 중합되어 몰드(mold) 내에서 고체를 형성한다. 생성되는 벽돌은 탄화될 때까지 오븐 내에서 소성(fire)된 후에, 기구 내에서 차후의 사용을 위해 기계가공된다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 기구(18)를 도시한 것이다. 이 기구는 다수의 평행하게 배열된, 직립(upstanding) 전극(20, 22)을 포함한다. 하기하는 바와 같이, 2개의 상이한 유형의 전극이 제공되고, 이들은 교호적으로(alternate) 존재한다.

이 기구의 전극은 거의 직사각형인 챔버 또는 탱크(24) 내에 가로방향으로(widthwise) 장착된다. 탱크 자체는 한 쌍의 측벽(26, 28), 한쌍의 말단 벽(30, 32), 및 평평한 바닥(34)을 포함한다. 탱크 벽은 바람직하게는 유리, 플라스틱, 플렉시글라스, 또는 기타 전기절연성이고 수밀성(water-tight)인 재료로 형성된다.

바닥에 형성된 유입구(36) 및 첫번째 말단 벽 내의 유출구(38)는, 탈이온화되는 액체가 탱크 내에 있는 동안 유입 및 배출되도록 한다. 대안적으로, 도 3의 대시(dash)선 경로에 의해 도시된 바와 같이 구불구불한 흐름이 바람직한 경우에는, 유입구가 두번째 말단벽 내에 형성될 수 있다. 또한, 상이한 원천으로부터 액체를 탈이온화시키기 위해 단일의 탱크를 사용하고 각각의 액체가 상이한 극성 및 크기의 제거될 이온을 함유하는 경우, 측면 또는 바닥내에 서로 떨어져서 위치한 다중 유입구 및 유출구가 제공될 수도 있다.

탱크의 기저면에는 공기 확산기(diffuser)(42)가 존재하며, 공기 확산기를 통해 공기가 도입된다. 도 2A에 도시된 바와 같이, 공기 확산기는 다수의 평행하게 배열된 파이프(44)를 포함하는데, 이 파이프는 스티렌 등으로 형성되었으며 그 안에 작은 개구(opening)들이 형성되어 있다. 파이프(44)는 탱크의 넓이를 가로질러 연장되어 있으며, 바람직한 구체예에서는 대면하고 있는 전극 사이에 존재한다. 기구가 작동될 때, 공기는 이들 파이프를 통해 펌프되어 탱크 내에 있는 액체를 교반시키고 공기혼입(aerate)시킨다. 이것은, 탱크 내에서 액체를 혼합시키고 반대 하전을 띤 전극들 사이에 이온들을 교반시킴으로써, 탈이온화를 촉진시킨다.

개구를 지닌 평행한 튜브의 네트워크 대신에 균등한 공기혼입 수단을 사용할 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 예를들면, 허위(false) 바닥이 제공될 수 있고, 탱크 바닥과 허위 바닥 사이에 펌프된 공기가 허위 바닥 내에 형성된 개구를 통해 퍼콜레이트(percolate)된다. 다른 대안은 탱크 바닥 위에 거의 평평한 플라스틱 공기주머니(bladder)를 배치하는 것인데, 일단 공기주머니 내로 펌프된 공기는 그 최상부 내의 개구부를 통해 액체로 들어갈 수 있다.

탱크 측벽(26, 28)은 그 내부 표면 위에 일렬의 장착(mounting) 클립을 구비하는데, 이 클립은 스티렌 또는 다른 플라스틱으로 성형되었다. 도 2A에 도시된 바와 같이 장착 클립(46, 48)은 탱크로 삽입된 전극을 정렬시키고 보유하도록 작용한다. 장착 클립 (46) 및 (48)은, 그 클립이 수용하도록 설계된 전극(20, 22)의 물리적 및 화학적 성질에 따라서 크기, 형상 및 재료가 다를 수 있다.

하나의 전극의 양측 가장자리(edge)가 대향(opposing) 장착 클립에 직접 삽입될 수 있다. 이러한 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극이 장착 클립에 삽입되는 위치에 인접한 개구(50)를 지닌 전극을 형성할 수 있다. 이 개구(50)는, 액체가 탱크를 관통하여 흐를 때 통과할 수 있는 통로로서 작용한다.

대안적으로, 장착 클립의 한쪽 또는 양쪽 말단 상의 아크릴 스페이서(52)를 경유하여 장착 클립이 전극을 간접적으로 보유할 수 있는데, 이 아크릴 스페이서는 연결 클립(54)에 의해 전극에 고정된다. 이러한 경우에, 액체가 통과할 수 있는 개구(56)가 아크릴 스페이서 자체 내에 형성될 수 있다. 이러한 배열은, 구조적, 전기적 또는 기타 이유로 인해 전극 자체 내에 개구가 형성될 수 없는 경우에 특히 유리하다.

부가적으로 탱크 바닥(34)은, 도 2B에 도시된 바와 같이 플라스틱 가드(guard) 부재(57)를 구비하거나, 또는 도 2C에 도시된 바와 같이 탱크의 가로 방향으로 연장되는 그루브(58)를 구비할 수 있다. 이러한 가드 부재 및 그루브로 인해, 조작자는 하나의 측벽 또는 다른 측벽을 향해 전극을 선별적으로 및 슬라이드적으로(slideably) 조정할 수 있다. 이것은, 탱크의 하나의 말단 벽에 있는 유입구로부터 반대편 말단 벽에 형성된 유출구까지의 액체의 구불구불한 흐름이 각 전극의 각각의 면들을 지나가게 하는 것이 바람직한 경우에, 특히 유리하다. 전극이 슬라이드할 수 있는 그루브 또는 가드 부재에 대한 대안으로서, 바닥벽의 중앙부는, 직립 바닥 클립 또는 스프링-하중 리테이너(retainer)가 삽입되는 슬롯(slot)을 구비할 수 있다. 양 측벽으로부터 바람직한 임의의 거리를 두고 전극의 바닥 가장자리가 이 바닥 클립으로 또는 리테이너로 삽입될 수 있다. 전술한 바와 같이, 아크릴 스페이서 바(bar)를 사용하여, 전극의 자유(free) 가장자리와 장착 클립 사이의 간격을 연결시킬 수 있다.

탱크의 외측벽위에 버스바(busbar)(60)를 구비할 수 있다. 각각의 버스바는 서로 전기적으로 분리된 다수의 터미널(62)을 구비하며, 그 각각은 하나의 관련된 전극에 연결되도록 배열되어 있다. 이로 인해, 조작자는 각각의 전극에 적용되는 전압 및 전류를 개별적으로 조절할 수 있다. 개별적인 터미널은 통상적인 전기 납(예, 앨리게이터(alligator) 클립 또는 균등한 연결 수단)와 함께 그 관련된 전극들에 전기적으로 연결될 수 있다. 그러나 더 바람직하게는, 개별적인 터미널은, 비-희생적 흑연 로드(rod)를 통해 연결된 구리 선(64)에 의해 상응하는 장착 클립 또는 상응하는 연결 클립(사용된 경우)에 연결될 수 있다. 전극이 장착 또는 연결 클립에 삽입되는 경우, 전극은 흑연 로드와 접촉한다. 이 전기적인 접촉을 용이하게 하기 위해, 판(leaf) 스프링 등이 공지된 방법으로 전도성 스트립의 말단에 부착될 수 있다. 그후 판 스프링은, 전극의 가장자리가 삽입되는 클립의 채널에 고정될 수 있다.

전술한 바와 같이, 2가지 유형의 전도성이고 비-희생적인 전극이 본 발명에 따라 형성된 기구 내에서 사용된다. 바람직한 구체예에서, 평평한 판으로 형성된 첫번째 유형의 전극의 양쪽면 상에 두번째 유형의 전극이 위치한다. 3개의 전극은 함께 탈이온화 셀을 형성한다. 조작 동안에, 첫번째 유형의 전극과 두번째 유형의 각각의 전극들 사이에 거의 비슷한 전압 포텐셜(potential)이 통상 생긴다. 이것은, 전압원(voltage source)의 하나의 납을 첫번째 유형의 전극에 연결하고 그 동일한 전압원으로부터 한 쌍의 공통된 납을 두번째 유형의 2개의 전극 각각에 연결함으로써 이루어진다. 공통된 납은, 첫번째 유형의 전극과, 첫번째 유형의 전극 경계에 있는 두번째 유형의 각각의 전극 사이에 거의 비슷한 포텐셜이 유지되도록 해준다.

첫번째 유형의 전극(22)은 탄소를 주성분으로 하는 높은 표면적 흡수 재료으로부터 형성된다("HSAAM 전극"). 이 전극은, 전기 전류가 적용되었을 때 수용액으로부터 이온을 제거하고 보유한다. 바람직한 구체예에서, HSAAM 전극은 탄화된 형태 내의, 탄소 섬유, 탄소 펠트(felt) 및 셀룰로오스 중 하나 이상; 레조르시놀; 포름알데히드; 촉매; 및 그 반응 생성물로부터 형성된다. HSAAM 전극을 형성하는 방법은 하기에 기재된다.

두번째 유형의 전극(20)은 비록 전도성 재료로 형성되었지만, 전기 전류가 적용되었을 때 이온을 제거하거나 보유하지 않으며, 따라서 비흡수적이다("비-HSAAM 전극"). 이 성질은, 탄소 클로스, 흑연, 금, 백금, 및 수용액내 전기장내에 서 분해(degrade)되지 않는 다른 전도성 재료로부터 형성된 전극에 공통적인 것이다. 바람직한 구체예에서 비-HSAAM 탄소 전극은 흑연으로부터 형성되거나, 또는 더 바람직하게는 탄소 클로스(예를들면 졸텍사에서 시판하는 파트 번호 PANEX 30 직물(woven) 섬유)로부터 형성된다.

도 4A에 도시된 바와 같이, 비-HSAAM 탄소 전극(20)은 이중(dual) 전극으로 형성되며, 상기 이중 전극은 서로 전기적으로 분리된 한쌍의 전도성 표면을 갖는다. 이중 전극(20)은, 탄소 클로스(72a, 72b)의 별개 조각을 플렉시글라스(74)의 3/8 인치 두께의 시이트의 양면에 고착시킴으로써 형성된다. 플렉시글라스는 비전도성이고 구조적으로 강성인 지지(support) 부재로서 작용하며, 또한 액체가 탄소 클로스의 양 조각을 직접적으로 통과하여 흐르는 것을 방지한다. 그러므로, 유리, 아크릴 등을 플렉시글라스 대신에 사용할 수 있다. 바람직한 구체예에서, 탄소 클로스는 에폭시 접착제에 의해 플렉시글라스 시이트의 양면에 고정된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 다른 접착제, 및 심지어는 기계적인 고정 수단(예, 나사, 클립 등)도 탄소 클로스 (CC) 전극을 고정하기 위해 사용될 수 있다.

일단 플렉시글라스 시이트(74)의 양면에 고정된 후에, 한면 위에 있는 탄소 클로스(72a)는 필요한 경우에는, 동일한 시이트(74)의 다른 면위에 있는 그 대응부(72b)에 전기적으로 연결될 수도 있다. 그러나, 통상적으로는 그렇게 연결되지 않으며, 따라서 조작자는 개별적인 전압원들에 의해, 플렉시글라스의 각각의 면 위에 있는 탄소 클로스에 상이한 전압을 적용시킬 수 있다. 이러한 경우에는, 단일의 탱크 내에 있는 인접한 셀이 상이한 전압원에 의해 구동될 수 있다.

도 4B에 도시된 바와 같이, 본 발명의 기구 내에서 상기 2개-면의 비-HSAAM 전극(20)은 탱크내에서 HSAAM 전극(22)과 교대로 존재하며, 임의의 정해진 시간에 이들 각각에 단일 전압만이 적용될 수 있다. 그러므로 본 발명의 기구에서 HSAAM 전극의 한 면은, 플렉시글라스의 첫번째 시이트(74)에 부착된 탄소 클로스 전극(72b)과 대면하고 있는 반면에, HSAAM 전극의 뒷면인 두번째 면은, 플렉시글라스의 두번째 시이트(78)에 부착된 탄소 클로스 전극(76a)과 대면하고 있다. 이러한 방법으로 HSAAM 전극(22) 각각은 그에 상응하는 한쌍의 비-HSAAM 클로스 전극과 함께 탈이온화 셀(80)을 형성한다. 말단 벽(30, 32)은 그 내부 면 위에 탄소 클로스 전극이 부착되는데, 이 전극은 셀의 일부가 된다.

사용 중에, 동일한 HSAAM 전극(22)과 대면하고 있는 2개의 탄소 클로스 전극(72b, 76a)은 통상적으로 동일한 극성 및 전압 레벨로 유지된다. 대안적으로, 각각이 버스바(60) 위에 그 자체의 터미널(62)을 구비하므로, 필요한 경우에는, 이들은 서로 상이한 레벨로 유지될 수 있다. HSAAM 전극(22)과 그에 상응하는 비-HSAAM 전극(72b, 76a) 사이에 전압이 적용되었을 때, 셀(80)은 활성화되고 HSAAM 전극(22)의 양면 위에서 탈이온화 반응이 일어난다. 바람직하게는, 단일 셀의 비-HSAAM 전극 둘다에 동일한 전압 레벨이 적용된다. 그러나, HSAAM 전극의 양면에 위치하는 2개의 비-HSAAM 전극이 서로 다른 표면적을 지녀서 서로 다른 전류 밀도를 유지할 수 있다면, 서로 다른 전압에서 이들을 구동하는 것도 가능할 것이다.

HSAAM 전극은 비-HSAAM 전극에 대하여 양으로 또는 음으로 하전될 수 있다. HSAAM 전극이 양으로 하전된 경우에는, 음이온을 끌어당기고 흡수하며 보유한다. 이것은, 셀의 바로 근처에 있는 물의 pH 를 증가시키거나, 또는 부식성을 더 심하게 한다. HSAAM 전극이 음으로 하전된 경우에는 양이온을 끌어당기고 흡수하며 보유하므로, 물의 pH 를 감소시키고 물을 더 산성이 되게 한다.

각각의 HSAAM 전극(22)은 그 양면상에 한쌍의 탄소 클로스 전극이 위치하므로, 동일한 탱크 내에서 인접한 탈이온화 셀은 서로 다른 유형의 이온을 제거하는데 사용될 수 있다. 그러므로, 한쌍의 이격된 유입구 또는 유출구가 동일한 탱크의 바닥 또는 측면에 존재한다면, 첫번째 세트의 셀은 첫번째 유형의 이온을 제거하고 두번째 세트의 셀은 두번째 유형의 이온을 제거하도록 상기 유입구에 가까운 탈이온화 셀이 활성화될 수 있다. 이와 유사하게, 구불구불한 유체 흐름이 바람직한 경우에, 유체가 접촉하는 첫번째 상류(upsteram) 세트의 셀이 활성화되어 첫번째 유형의 이온을 제거할 수 있는 반면, 두번째 하류 세트는 활성화되어 두번째 유형의 이온을 제거한다.

주어진 탱크 내에 다수의 셀이 존재하는 것이 전형적이다. 탱크 내에서 물을 완전히 탈이온화시키기 위해서는, 양 및 음으로 하전된 HSAAM 전극 둘다 존재해야 한다. 일반적으로, 이온 제거를 야기하기 위해 양으로 하전된 셀 및 음으로 하전된 셀에 상이한 전압을 적용해야 하며, 양으로 하전된 셀 및 음으로 하전된 셀의 수는 동일하지 않을 수 있다. 이것은, 양으로 및 음으로 하전된 HSAAM 전극이 서로 다른 전압 레벨에서 그리고 독립적으로(independently) 활성화될 수 있게 한다. 판의 이격(spacing) 및 적용된 적압을 변화시키면, 처리되는 유체로부터 특정한 이온을 제거할 수 있다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 한 탱크의 유출구를 다음 탱크의 유입구와 연결시켜, 다수의 탱크를 서로 연결시킬 수 있다. 이러한 경우에 각각의 탱크가 한가지 유형의 이온의 제거에 집중되도록 각각의 탱크 내에 있는 탈이온화 셀을 공통된 방법으로 활성화시킬 수 있다. 대안적으로, 동일한 이온의 감소되는 양을 제거하도록 연속적인 탱크를 사용할 수도 있다.

도 6A 및 도 6B 에 도시된 바와 같이, 한가지 유형의 전극을 다른 유형의 전극에 대하여 약간 각이 지도록 배치하는 것도 가능하다. 도 6A에서 HSAAM 전극은 서로 평행하며 수직인 것으로 도시된다. 대조적으로, HSAAM 전극의 양면에 있는 비-HSAAM 탄소 클로스 전극은 HSAAM 전극에 대해 대칭적으로 각이 져 있다. 이 경우에, 인접한 HSAAM 전극은, 서로 다른 방법으로 각이 진 각각의 탄소 클로스 전극을 갖는다. 이와 유사하게, 도 6B 에 도시된 바와 같이, 탄소 클로스 전극은 수직으로 서 있고, 반면에 HSAAM 전극은 탄소 클로스 전극에 대해 각이 져 있다. 도 6B의 입체배치에서, HSAAM 전극은 여전히 서로 평행하지만, 탱크의 기저면 및 벽에 대해서는 각이 져 있다.

도 7는 4개의 탈이온화 셀을 포함하는 탱크의 평면도이다. 양으로 하전된 HSAAM 판을 갖는 첫번째 쌍의 탈이온화 셀에, 음으로 하전된 HSAAM 판을 갖는 두번째 쌍이 인터리브(interleave)되어 있다. 각각의 탈이온화 셀 밑에 있는 영역인 탱크의 기저면에는 일렬의 구멍이 구비되어 있다. 이 구멍은, 양으로 하전된 탈이온화 셀에 대해서는 구멍(82)으로 표시되고, 음으로 하전된 탈이온화 셀에 대해서는 구멍(84)으로 표시된다.

구멍(82, 84)의 목적은, 탱크가 작동중일 때 HSAAM 판 위에 수집된 양이온 및 음이온의 선별적인 제거를 가능하게 하는 것이다. 그러므로, 양으로 하전된 HSAAM 판을 갖는 이들 셀 내에서는 음이온이 판 위에 수집될 것이다. 셀이 재생될때, 이들 이온은 구멍(82)을 통해 수집될 수 있다. 이와 유사하게, 재생 동안에, 음으로 하전된 HSAAM 판 위에 수집된 이온은 구멍(84)을 통해 수집될 수 있다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 구멍(82)과 구멍(84)은 대략 동일한 크기 및 배열을 가진다. 그러나, 반드시 그럴 필요는 없다. 예를들면, 음으로 하전된 이온을 위한 구멍은, 양으로 하전된 이온을 위한 구멍보다 작을 수 있다. 또한, HSAAM 전극 및 비-HSAAM 전극에 평행하게 배열된 일렬의 구멍 대신에, 구멍은 좀더 불규칙한 패턴(예, 바둑판 또는 벌집)으로 도시될 수 있다.

전술한 바와 같이, HSAAM 전극은 높은 표면적 흡수 재료로부터 형성된다. 본 발명에서 이 재료는, 3개의 성분, 즉 레조르시놀, 포름알데히드 및 보강재(예, 탄소원)를 필요로 하는 발명적인 방법에 의해 형성된다. 레조르시놀-포름알데히드 수지의 중합반응을 용이하게 하기 위해 촉매가 사용될 수도 있다.

레조르시놀은 많은 상이한 등급이 있으며, 펠릿, 플레이크 및 기타 편리한 형태로 다수의 공급회사로부터 구입할 수 있다. 하기 실시예에서, 훽스트 셀라니즈 회사(Hoechst Celanese Company)로부터 시판되는, 유기 화학 제제에 적합한 형태의 레조르시놀을 사용하였다.

포름알데히드는 여러 공급회사로부터 구입할 수 있으며, 상이한 등급 및 형태로 시판된다. 하기 실시예에서, 조지아-퍼시픽 레진, 스펙트럼 캐미칼 회사 (Georgia-Pacific Resin, Spectrum Chemical Company)에서 시판되는, 염료, 수지 및 생물학적 보존에 적합한 포르말린 형태의 포름알데히드를 사용하였다.

HSAAM 전극의 형성에 보강재로서 사용된 탄소원(carbon source)은 상이한 형태로 존재할 수 있다. 일례로, 예를들면 아모코(Amoco)에서 시판되는 토르넬(THORNEL)^R P25 4K 1/4인치 컷(cut) 탄소 섬유와 같은 느슨한(loose) 탄소 섬유는, 본 발명에서 사용되는 HSAAM 전극을 형성하는데 성공적으로 사용되었다. 또한 성공적으로 사용되는 다른 대안물은 탄소 펠트(felt)로서, 흑연 펠트 등급 wdf 3331060 또는 탄소 펠트 VDG 3330500 이며, 둘다 내쇼날 일렉트릭 카본 회사(National Electric Carbon Company)에서 시판된다. 일반적으로, 레조르시놀-포름알데히드 액(liquor)내에 완전히 분산되어 그 후에 경화될 수 있거나 또는 매트릭스 내 비슷한 양의 액(liquor)을 흡수한 후에 경화될 수 있는 한, 일정한 양의 임의의 비교적 순수한 탄소원을 사용할 수 있다. 탄소 섬유가 전기적으로 전도성인 것이 중요하다. 비록 바람직한 구체예는 탄소 펠트의 탄소 클로스를 필요로 하지만, 중요한 것은 비-희생적 전기 전도체(conductor)를 사용한다는 것이다. 그러므로, 흑연, 금, 백금, 전도성 플라스틱, 유리질(glaasy) 탄소(예, 펜실베니아주 세인트 메이스에 위치한 SGL 카본 그룹에서 시판되는 시그라듀르(SIGRADUR) ) 등과 같은 재료를 탄소 클로스 또는 탄소 펠트 대신에 사용할 수 있다.

사용된 보강재에 상관없이, HSAAM 전극을 형성하는 방법은 동일하게 시작한다. 실온에서 4 lbs의 레조르시놀 고체를 3.5 리터의 포름알데히드에 첨가하여 대 략 1/2 몰 비율을 형성시킨다. 물론, 상기 양은, 이 초기 혼합물의 전체 양을 다르게 하기 위해 하강 또는 상승 방향의 직선으로 스케일조정할 수 있다. 이 초기 혼합물은 30분 내지 90분 동안, 또는 레조르시놀이 용해될 때까지 혼합된다.

레조르시놀이 완전히 용해된 때, 생성되는 혼합물은 호박색 내지 분홍색이 된다. 레조르시놀의 용해 후에 약 12 내지 24 시간 동안 실온, 즉 약 72℉ (약 22.2℃) 또는 그 이하로 상기 혼합물을 유지하면, 상기 색은 우유빛 유백광(opalescent)의 액으로 변한다.

상기 액의 측정된 부분에 정해진 양의 탄산나트륨 촉매를 첨가하고, 탄소원 및 액을 완전히 혼합한다.

생성되는 재료를 가열한 후 약 3/4 인치의 두께가 되도록 8인치 x 8인치의 몰드에 부은 후, 제로(xero) 겔 (중합된 레조르시놀-포름알데히드로 이루어짐) 블록으로 경화시킨다. 이 재료가 제로 겔 블록으로 변함에 따라 공기 중에서 중합 반응이 계속되도록 하는 몰드는 실온의 수평면 위에 놓여진다. 몰드 내의 재료가 실온에서 고체화하는데 대략 20분 내지 60분이 걸린다. 재료가 고체화함에 따라, 상기 재료는 각각의 치수(dimension)에서 약 0.5 ∼ 1.0 % 정도 줄어들고, 몰드의 하나 이상의 측벽으로부터 떨어진다. 그후 생성된 블록은, 단지 몰드의 윗부분을 아래로 향하게 하여 제거할 수 있다.

그 몰드로부터 제거되는 때에 중합화를 완전하게 하기 위해, 각각의 블록을, 공기 중의 대략 80℉(약 26.7℃) 내지 90℉(약 32.2℃)의 온도에서 약 2시간 동안 경화 및 강화시킬 수 있다. 선행기술의 경화 기법과는 달리, 본 발명의 경화 방법 은 임계점 건조(즉, 초임계 건조)를 수반하지 않는다. 이것은 시간 및 비용을 상당히 절약한다. 경화가 과량의 액체의 일부를 제거하지만, 그러나 생성되는 블록은 여전히 매우 불량한 전기 전도체이다.

경화 후에, 블록을 오븐 내에 평평하게 놓고 탄화시킨다. 탄화 동안에, 크래킹(cracking), 평평하지 않은 휘어짐(buckling) 및 그 가장자리의 끝말림(curling)을 방지하기 위해, 각각의 블록 위에 추(weight)가 놓여진다. 탄화는, 바람직하게는 대략 1850 ∼ 2200 ℉ (약 1010 ∼약 1204.4℃)의 온도에서 행해진다. 그러나 실험 결과는, 1750℉ (약 954℃)와 같은 낮은 온도와 10 ∼ 20 분의 탄화 시간도 허용가능하며, 온도가 낮을 수록 탄화 시간이 길어진다는 것을 보여주었다. 상기 온도에 블록을 적용시키면, 추가의 습기제거(desiccation)를 야기하고, 원래의 성분에 존재하는 불순물을 많이 태워없앤다. 바람직한 구체예에서, 블록의 두께가 연소(burning)로 인한 재료의 손실을 어느 정도 견딜 수 있기 때문에, 탄화는 공기 환경 중에서 수행될 수 있다. 이것은, 비교적 얇은 블록이 탄화 동안에 소모되는 것을 방지하기 위해서 질소 또는 다른 불활성 기체 분위기를 사용해야만 하는 선행기술의 기법과는 대조적이다.

탄화가 완결된 후에, 생성되는 HSAAM 판은 소정의 형상, 크기 및 두께의 평면 전극으로 머신가공(machine) 및 샌드가공(sand)될 수 있다. 바람직하게는, 전극은 자체-지지성(예, 단부에 놓여졌을 때 그 자체의 중량을 견딜 수 있음)이 되기에 충분한 두께를 지니고 있다. 이것은, 2 인치 x 4 인치 전극에 대해 약 1 mm 이상의 두께를 필요로 한다. 이보다 얇은 판이 형성될 수는 있으나, 이 재료의 취성 (brittleness)은 이러한 얇은 판을 취급하기가 어렵게 하며, 용액으로부터 이온을 제거하고 저장하는 능력을 매우 제한한다. 일반적으로, 판의 두께는 그 표면적에 비례하여 만들어져야 하며, 통상적으로 판이 클수록 두꺼워져야 한다. 두께에 상관없이, 탄화 후의 블록은 우수한 전기 전도체이다.

상기 액(liquor)에 촉매 및 탄소원을 첨가하는 단계의 정확한 세부사항은, 사용된 탄소원의 유형에 따라 한가지 이상의 방법으로 수행될 수 있다. 이 단계를 더 상세히 고찰한다.

첫번째로, 토르넬(THORNEL)^R 탄소 섬유를 사용하는 경우이다. 3 온스의 전술한 1/4 인치 토르넬(THORNEL)^R 탄소 섬유, 및 10 ml의 1.0 몰 탄산 나트륨 (중합을 촉진시키기 위한 촉매로서 작용함) 용액과 함께, 800 밀리리터(ml)의 액(liquor)을 블렌더에 부었다. 탄소 섬유와 액이 완전히 혼합될 때까지 이 혼합물을 약 3 ∼ 5 분 동안 혼합시켰다. 혼합됨에 따라, 탄소 섬유는 훨씬 더 작은 조각으로 절단(chop)된다. 이 혼합의 결과는, 탄산 나트륨과 혼합되고 탄소 섬유가 혼입된 레조르시놀/포름알데히드 액을 함유하는 점성의 흑색 배양액(broth)이다. 혼합 단계 후의 배양액의 온도는 약 90℉ (약 32.2℃)이다. 비록 본 실시예에서는 800 ml의 액(liquor)만이 사용되었지만, 이 방법은 스케일조정될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 그러므로, 수 ℓ(several liter), 또는 그 이상도 동시에 뱃치 가공될 수 있다.

이러한 방법으로 제조된 1600 ml의 배양액을 스테인레스 스틸 혼합 보울에 넣고, 전기 테이블 히터를 사용하여 배양액을 점차적으로 가열하였다. 가열됨에 따라, 배양액을 교반하고 그 온도를 밀접하게 모니터했다. 이런 방법으로, 배양액의 온도는, 대략 130 ∼ 140 ℉ (약 54.4 ∼ 약 60℃)의 온도를 유지하면서 25 ∼ 45 분에 걸쳐서 상승하였는데, 최적 온도는 135℉ (약 57.2℃)이다.

이 가열 공정 동안에, 배양액의 온도는 150 ℉ (약 65.6℃)를 초과하지 않도록 제어되는데, 150℉ (약 65.6℃)를 넘으면 중합을 조절할 수 없게 된다. 열전(thermoelectric) 셀, 순환 냉각제를 가지는 코일, 및 혼합 보울이 낮추어질 수 있는 수욕(water bath)과 같은 여러 수단에 의해 온도 조절을 할 수 있다. 여러 공지된 모니터 장치 및 제어 장치 중 하나를 사용하여 자동 온도 조절도 행할 수 있다.

가열 공정 동안에 배양액의 점조도도 모니터된다. 이것은 탄소 섬유가 서로 뭉치거나 가라앉지 않도록 하기 위한 것으로서, 뭉치거나 가라앉으면 윤기없는(matted) 탄소 섬유의 비균질하게 분산된 응집물을 만든다. 이런 일이 생기면, 그 내용물을 추가로 균질분산시키기 위해서 그 배양액을 블렌더에 다시 넣을 수 있다.

배양액은 대략 135℉ (약 57.2℃)의 온도로 유지되며, 균일한 중합을 제공하기 위해 연속적으로 교반된다. 이 온도는 약 35분 동안 유지되며, 이 동안 배양액이 수초 동안이라도 교반되지 않고 있으면 그때마다 배양액의 표면에 얇은 외피(skin)가 형성된다. 중합이 계속됨에 따라 배양액은 농후화되고 점성이 계속 증가하여, 콜로이드 입자처럼 배양액 내에 탄소 섬유가 부유하는 점조도(consistency)에 도달한다. 상기 지점에 도달하였을 때, 가열된 배양물을 8 인치 x 8인치의 몰드에 부어 대략 3/4 인치의 두께가 되도록 한다.

몰드에 붓는 때의 배양액의 온도는 135 ∼ 150℉ (약 57.2 ∼ 약 65.6℃) 근처의 범위 내에 있어야 한다는 것에 주의해야 한다. 이것은, 배양액이 경화될 때, 생성되는 고체 블록이 등방적인(isotropic) 기계적 및 전기적 성질을 갖도록 도와준다. 150℉ (약 65.6℃) 이상의 온도에서 배양액을 몰드에 붓거나 배양액의 온도가 150℉ (약 65.6℃) 이상이 되도록 하면, 통제되지 않는(runaway) 반응이 일어나서, 발포(boil) 및 기타 균질하지 않은 표면 및 용적측정(volumetric) 특징을 갖는 결함있는(deformed) 블록이 생성된다. 이것은 구조적 및 전기적 비등방성(anisotropy)을 갖는 블록을 형성한다.

두번째 경우는, 레조르시놀-포름알데히드 수지를 보강하기 위해 탄소 펠트, 평평한 셀룰로오스 섬유, 또는 활성탄이 함침(impregnate)된 셀룰로오스 섬유를 사용하는 경우이다. 탄소 섬유 펠트, 또는 매트(mat)는 몰드에 맞도록 잘라진다. 그후 탄소 펠트를 덮기 위해 레조르시놀-포름알데히드 액(liquor)을 몰드에 부어, 펠트 내에 포획된 공기를 대치(displace)시킨다. 그후 몰드를 92℉ (약 33.3℃)의 경화 오븐 셋트로 이동시키고 대략 72 시간동안 중합시켜 제로(xero) 겔 블록을 형성한다. 제로 겔을 오븐에 넣고 1850 ∼ 2200 ℉ (1010 ∼ 약 1204.4℃)에서 탄화시킨다. 오븐에서 탄화되는 동안 제로 겔은 내화 블록의 형태로 0.5 ∼ 0.8 lbs/인치² 의 힘으로 제한되었다. 이 목적을 위해 사용된 오븐은, 최상부(top) 배기구(vent)를 갖는 전기 머플(muffle) 노(furnace)였다. 이 탄화의 결과는 HSAAM 제품이다. HSAAM 을 노로부터 제거한 후에, 공기 중에서 냉각시켰다. 냉각된 HSAAM을 평평한 샌딩(sanding) 휠상에서 소정의 균일한 두께로 기계가공시켰다. 최종적으로, 카바이드로 말단처리된 테이블 톱을 사용하여 이 판을 정사각형으로 만들었다.

사용된 탄소원에 상관없이, 생성되는 블록은 흑색이며 전기 전도체로서 작용한다.

상기 상세한 설명에서, 레조르시놀이 성분의 하나로서 사용된다. 그러나, 실험결과는, 레조르시놀 대신에 1,5-디하이드록시 나프탈렌, 2,3-디하이드록시 나프탈렌, 1,4-디하이드록시 나프탈렌 및 1,4-디하이드록시 벤젠 중 하나의 화학물질을 사용하여 적합한 블록을 형성할 수 있다는 것을 보여준다. 이들 화학물질 각각은 포름알데히드와 함께 중합체를 형성하고, 블록으로 성공적으로 탄화되어, 차후에 전류가 적용되었을 때 물을 탈이온화시키는 것으로 나타났다. 일반적으로, 임의의 디하이드록시 또는 트리하이드록시 벤젠 또는 나프탈렌이 레조르시놀 대신에 사용될 수 있다고 여겨진다. 그 이유는, 이들 화학물질이 화학 구조면에서 유사하고, 포름알데히드와 중합체를 형성하는 특징을 공유하며, 이온 제거에 사용될 수 있는 탄화된 블록을 형성할 수 있기 때문이다. 현재, 레조르시놀이 바람직한데, 그 이유는 비용이 저렴하고, 다량으로 구입할 수 있으며, 실온 및 실압에서 포름알데히드와 반응하기 때문이다.

도 8는 본 발명에 따라 제조된 기구를 예시한 것이다. 이 기구는 3개의 탱크(102, 104, 106)를 포함한다. 이 3개의 탱크는 콜로라도주 푸에블로 도시의 하수도(sewage) 유출물을 탈이온화시키기 위해 연속적으로 사용되었다. 유출물은 첫번째 탱크(102)의 유입구(108)로 도입되었고, 그 최종 생성물은 탱크(106)의 유출구 (122)를 통해 시스템으로부터 배출되었다. 전체로서, 시스템은 1500 밀리리터/분 (ml/min) 까지 탈이온화시킬 수 있었다.

이 시스템에서, 탱크 (102) 및 (106)는 동일한 구조를 가졌다. 각각은 6개의 탈이온화 셀을 구비한다. 탱크 (102) 및 (106) 둘다에서, 인접한 탈이온화 셀내의 HSAAM 전극은 서로 다른 극성을 가졌다. 이것은, 각각의 탱크 내에 전압-인터리브(interleave)된 탈이온화 배열을 형성한다. 그 결과, 탱크 (102) 및 (106) 둘다 양이온 및 음이온 둘다를 수집하도록 배열되었다. 그러므로, 이 탱크들의 각각은 2개의 전압원을 가지는데, 하나의 전압원은 양으로 하전된 탈이온화 셀을 형성하도록 배열되었고 두번째 전압원은 음으로 하전된 탈이온화 셀을 형성하도록 배열되었다.

탱크(102)는 중간 탱크(104)에 연결되었다. 탱크(102)로부터 부분적으로 탈이온화된 유출물은 유출구(110), 밸브(112) 및 유입구(114)를 통과하여 두번째 탱크(104)로 들어간다. 비록 단일 유입구로 도시되긴 하였지만, 유입구(114)는 사실은 두번째 탱크(104)로 들어가는 다수의 도관(conduit)이었다. 밸브(112)의 목적은, 탱크 (102) 및 (104) 사이에 있는 전기 전도 공정을 차단하는 것이다. 또한 탱크(102)의 유출구(110)에는, 탱크(102)의 성능을 평가하기 위해 부분적으로 탈이온화된 유출물을 시험하기 위한 블리드(bleed)(도시되지 않음)가 구비될 수 있다.

탱크(104)도 6개의 탈이온화 셀을 구비한다. 그러나, 이 탈이온화 셀은 2배의 길이이다. 각각의 HSAAM 전극의 단부에는 래빗(rabbit) 조인트가 구비되어, 유사한 판 위에서 보완적인 구조로 어울릴 수 있도록 한다. 탱크(102)와는 대조적으 로, 탱크(104) 내에 있는 모든 탈이온화 셀은 양으로 하전된 HSAAM 전극을 갖는다. 이것은, 탱크(104) 내에서 음이온만이 제거된다는 것을 의미한다.

탱크(104)로부터 추가로 탈이온화된 유출물은 유출구(116)를 통해 나와서, 밸브(118)를 통과하여, 유입구(120)로 들어가고, 거기에서 탱크(106) 자체로 들어간다. 또한 탱크(104)로부터의 유출물을 샘플링하기 위해 유출구(116)에 블리드(bleed)가 구비될 수 있다.

전술한 바와 같이, 탱크(106)는 탱크(102)와 구조 면에서 유사하다. 이것은 유입구(120)로 들어오는 액체를 추가로 탈이온화시킨다. 탱크(106)로부터 탈이온화된 배출물은 유출구(122)를 통해 시스템으로부터 배출된다.

탱크 (102) 및 (106)에서 HSAAM 전극은 6½인치 x 13 인치 x 0.4 인치였으며, 6½인치 x 6½인치 x 0.4 인치 치수의 2개의 판으로 형성되었다. 탱크 (102) 및 (106)의 판을 형성하기 위해서 0.25 인치의 래빗 조인트의 한 가장자리를 잘랐고, 접하고 있는 판으로부터 보완적인 조인트의 대향 가장자리를 잘랐다. 2개의 판을 프레임(frame)에 맞추고, 전도성 에폭시로 말단부끼리 고착시켰다. 탱크(104)를 만들기 위해, 4개의 판을 유사한 공정으로 맞추었다. 모든 탱크에 대해, 프레임에 HSAAM 판을 장착시키는 클립에 접착(예를들면 에폭시에 의해) 연결된 탄소 섬유 전선(wire)으로 전기 연결을 하였다.

탱크 (102) 및 (106) 내에서 물은, HSAAM 전극의 최상부 근처에 있는 하나의 지점을 통해 각각의 탱크로 도입된다. 탱크 안으로 들어온 후에, 물은 탈이온화 동안에 연속적으로 혼합된다. 혼합의 목적은, 탈이온화 동안에 탱크의 국재화된 산성 또는 부식성 영역을 만드는 것을 방지하는 것이다. 비록 다른 혼합 수단, 예를들면 자기적 또는 기계적 교반기 및 스피너(spinner)가 대신 사용될 수 있지만, 상기 탱크의 바닥을 따라 존재하는 여러 지점에서 탱크에 공기혼입시킴으로써, 혼합을 수행할 수 있다. 주어진 탱크 내에서 물의 전체 체류(retention) 시간은, 전술한 바와 같이 1500 ml/min 이하인 유속에 의해서만 결정되었다.

각각의 탱크내에서 하나의 지점으로 물을 도입하는 것에 대한 대안으로서, 각각의 탱크 내 HSAAM 및 비-HSAAM 판의 하나의 말단에 다수의 유입구를 설치하고 그 판의 다른 말단에 다수의 유출구를 설치할 수도 있다. 이러한 경우에 물은 배출되기 전에 탈이온화 셀의 길이방향으로 흐를 것이다.

탱크 (102) 및 (106)은 이에 적용되는 전압을 가지는데, 이 전압은 탈이온화되는 물의 전도도에 좌우된다. 이들 2개의 탱크내 탈이온화 동안에 적용된 전압 범위는 0.01 ∼ 15 볼트(volt)이다. 탈이온화 동안에 상응하는 암페어수(amperage) 범위는 0.01 ∼ 10 암페어(amp)이다. 물의 탈이온화 속도(즉, 이온이 제거되는 속도)는, 탈이온화되는 물의 유형의 함수였다. 그러므로, 불순물이 더 많은 탱크(102) 내 탈이온화 속도는, 2회 탈이온화된 물을 처리하는 탱크(106)의 탈이온화 속도보다 컸다.

두번째 탱크(104)는 음으로 하전된 이온을 제거했다. 이로 인해 이 탱크의 물은 부식성이 심하게 되었고, 부식성 덩어리(flock)를 형성한다. 두번째 탱크는 유입구가 HSAAM 판의 바닥 근처에 위치하여 구불구불한 흐름 패턴으로 작동되었다. 탱크(104) 내의 물에 적용된 전압 및 전류는, 물의 전기분해를 야기하는데 충분하 였다. 이 두번째 탱크내 물의 처리는, 대략 300 ∼ 500 ㎛ho/cm 또는 μS/cm 의 전도도의 제거를 야기하였다. 그러나, 이 탱크로부터의 부식성 배출물은 8 ∼ 12 범위의 pH 를 지니며, 이것은 세번째 탱크(106)로 보내진다.

표 1은 도 8의 시스템을 사용하여 콜로라도주 푸에블로 도시의 하수도 유출물의 탈이온화 실험 결과를 나타낸 것이다. 특히, 표 1은 본 발명에 따라 형성된 기구를 사용한, 탈이온화 각각의 단계의 효과를 나타낸 것이다. 표 1에 보고된 수치는, 마지막 탱크인 탱크(106)로부터의 배출물이, 연방(Federal) 물 기준에 대한 한정사항을 만족시키므로, 음용수(potable water)와 일치한다는 것을 나타낸다.

표 2는 아사르코 회사에 의해 작동된, 콜로라도주 레드빌 근처의 약 턴넬(Yak Tunnel)/캘리포니아 굴흐(Gulch)의 처리된 슈퍼 펀드(Fund) 영역의 도 8의 시스템을 사용한 탈이온화 실험 결과를 나타낸 것이다. 특히, 표 2는 본 발명에 따라 형성된 기구를 사용한, 탈이온화 각각의 단계의 효과를 나타낸 것이다.

연속적인 흐름 탈이온화에 부가하여, 본 발명의 기구는 또한 뱃치 공정 탈이온화를 위해서도 사용될 수 있다. 뱃치 가공의 결과가 도 9A 내지 도 9E 에 도시되어 있다. 특히, 이들 도면은 공지된 농도의 철, 나트륨 및 구리 이온을 첨가(spike)한 뱃치의 물을 탈이온화시킨 결과를 나타낸 것이다. 철 및 구리 이온은 1 ppb 이하의 레벨로 제거되었고, 나트륨 이온은 2 ppm 이하의 레벨로 제거되었으며, 전도도는 12,150 μS 에서 410 μS 으로 감소되었다.

HSAAM 판이 포화된 때를 나타내기 위해서, 3개 탱크 각각에 있는 물의 pH 및 전도도 레벨을 모니터하였다. pH 에 있어서의 상응하는 변화가 없이 물 유출물의 전도도에 있어서의 증가는, HSAAM 판이 이온으로 포화되었고 기구가 재생될 필요가 있다는 것을 나타낸다. 이와 유사하게, 셀내의 pH 및 전도도와 함께 저장된 전하(charge)는, 기구가 재생될 필요가 있는 때를 나타내는데 사용될 수 있다. 일반적으로 HSAAM 판은 물을 탈이온화시킴에 따라 변색된다. 전하의 유형 및 색상은, 처리되는 물의 유형에 따라 달라진다. 예를들면 황산염 농도가 높은 물은, 황산염이 판에 석출됨에 따라 판을 백색으로 변화시킨다. 이와 유사하게, 유기 폐기물 함량이 높은 물은 HSAAM 판을 갈색으로 변화시킨다. 둘다에 있어, 이러한 변색은, 이온 포화 레벨 때문에 재생이 필요하다는 것을 나타낸다.

탱크(102) 및 (106)내에서, 재생 동안에 산화된 덩어리(flock) 또는 농축된 이온 용액을 형성하는 것이 가능했다. 둘중 어느 쪽이 생성되는가 하는 것은, 적용된 전압 레벨에 좌우되었다. 물의 전기분해를 야기하기에 필요한 것보다 낮은 전압을 적용하면, 도 7에 도시된 바와 같이 음으로 또는 양으로 하전된 탈이온화 셀로부터 바닥 구멍(82, 84)를 통해서 이온이 풍부한 물을 수집할 수 있다. 반면, 물을 전기분해하기에 충분한 전압을 적용하면 산화된 덩어리를 형성한다. 이러한 경우에 탱크로부터 이 덩어리를 생성하고 방출하기 위해 재생 동안에 혼합이 필요했다.

두번째 탱크(104)내에서 음으로 하전된 이온이 제거되었다. 이것은 물의 부식성을 더 강하게 하고, pH를 8 ∼ 12 의 크기로 만들었다. 이것은 또한 부식성 덩어리를 형성했다. 작동 중에, 탱크(104) 내의 탈이온화 셀에 적용된 전압은 물의 전기분해를 야기하기에 충분했다. 그러므로, 적용된 전압은 1 ∼ 12 볼트(volt)의 크기였고, 암페어수(amperage)는 1.3 ∼ 12 암페어(amp)였다. 이것의 영향으로, 두번째 탱크(104)는 300 ∼ 500 ㎛ho/cm 또는 μS/cm 의 전도도의 제거를 야기하였다.

셀의 저장된 전하 (counter EMF)를 극복하기에 충분한 전압을 가지고 판에 적용된 전류를 역전시킴으로써, 두번째 탱크(104) 내에서 판을 재생시켰다. 또, pH의 변화 없이 물 유출물의 전도도에 있어서의 증가는, 두번째 탱크(104)내 HSAAM 가 이온으로 포화되었다는 것을 나타내는데, 이는 기구가 재생될 필요가 있다는 것을 의미한다. 이것은, HSAAM 판이 심하게 변색되고, 변화의 유형 및 색상은 세정되는 물의 유형에 따라 좌우된다는 사실에 의해 매우 쉽게 식별될 수 있다. 재생 동안에, 시스템의 작동 동안에 만들어진 EMF 에 대항하기 위해 필요한 전압에서 장치를 작동시킴으로써, 산화된 덩어리가 형성되었다.

그 후 이 덩어리는 탱크(104) 바닥의 구멍을 통해 수집될 수 있다. 재생 후에, 3개의 탱크(102, 104, 106) 모두 전과 동일한 효능으로 재사용될 수 있다.

탈이온화를 위해 필요한 전압을 공급하기 위해 사용된 전원장치(power supply)는, 한정된 범위의 전압으로 제어될 수 있는 것이 바람직하다. 통상적으로, 전원장치는 AC 유출구로 접속될 수 있는 유형의 것이다. 그러나, 상당히 낮은 전압 및 전류가 필요하기 때문에, 일부 셋팅에서는 휴대용의 전지(battery)-동력의 전원장치를 사용할 수 있다. 이 베인(vein)에서, 처리율이 매우 낮긴 하지만, 태양에너지-동력의 탈이온화 기구가 제조되고 성공적으로 작동되었다. 축소된 크기의 태양에너지-동력 및 전지-동력 시스템은 비용이 저렴하고 휴대성이 높다는 이중의 장점을 제공한다.

삭제

엄격히 말해서, 본 발명의 기구는, 비-HSAAM (비-흡수적) 전극이 전하를 거의 저장하지 않는 용량성(capacitive) 탈이온화를 수행하지 않는다는 것에 주의해야 한다. 실제로, 이들 전극이 얼마나 하전되었는가에 관계없이, 이온은 이들 전극상에 증착되지 않았다. HSAAM 전극만이 이온을 포획하고 저장한다.

상기 바람직한 구체예는 평평한 전극의 형성 및 사용을 교시한다는 것에 주의해야 한다. 그러나, 대안적(alternate) 전극 및 탈이온화 셀 기하형태도 사용할 수 있다. 이러한 예의 하나는, (1) 솔리드(solid) 또는 고리모양의(annular) 내부 비-HSAAM 전극, (2) 내부 비-HSAAM 전극과 중심이 같은, 고리모양의 HSAAM 전극, 및 (3) 첫번째의 2개의 전극과 중심이 같은, 고리모양의 외부 비-HSAAM 전극을 포함하는, 고리모양의 탈이온화 셀이다. 이러한 배열은, 고리모양의 HSAAM 전극과 상기 2개의 비-HSAAM 전극 사이의 유체 흐름을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 배열에서 내부 및 외부 비-HSAAM 전극은 HSAAM 전극과 대면하는 표면적이 서로 다르다. 그러므로, 상기 2개의 비-HSAAM 전극과, 이 2개의 전극 사이에 샌드위치된 HSAAM 전극 사이에 서로 다른 전압 또는 전류를 사용하는 것이 필요할 수 있다.

상기에서 몇몇 바람직한 구체예를 참고로 하여 본 발명을 개시하였지만, 이것은 본 발명을 한정하는 것으로 여겨져서는 안된다. 당업자라면, 본 발명의 범위 및 범주 내에서 상기 구체예들의 변형들이 가능하다는 것을 당연히 알 것이며, 이것을 하기 청구범위에 예시했다.

본 발명에 따른 비-희생적 흡수 전극을 탈이온화 장치에 이용함으로써, 유출 수를 탈이온화 장치를 통해 탈이온화함에 따라 효과적으로 물을 정화한다.

Claims

탄화된 형태(form) 내에,

디하이드록시 벤젠, 트리하이드록시 벤젠, 디하이드록시 나프탈렌 및 트리하이드록시 나프탈렌으로 이루어진 군 중 하나 이상;

포름알데히드;

탄소 보강재;

촉매; 또는

그 반응 생성물을 포함하며,

1 mm 보다 큰 두께를 가지고 있고,

상기 탄소 보강재가 상기 두께 전체에 걸쳐 실질적으로 분산된,

비-희생적 흡수 전극.
제1항에 있어서,

상기 디하이드록시 벤젠, 트리하이드록시 벤젠, 디하이드록시 나프탈렌 및 트리하이드록시 나프탈렌으로 이루어진 군 중 하나가 레조르시놀인 전극.
제2항에 있어서,

상기 탄소 보강재가 탄소 섬유, 탄소 펠트(felt) 및 셀룰로오스로 이루어진 군 중의 하나 이상인 전극.
액(liquor)을 형성하기 위해 포름알데히드 중에 레조르시놀을 용해시키는 단계;

배양액(broth)을 형성하기 위해 상기 액을 탄소 보강재와 혼합시키는 단계;

탄소 보강재가 상기 배양액 내에 가라앉지 않을 정도의 점조도(consistency)를 배양액이 가질 때까지 충분한 온도에서 충분한 시간 동안 상기 배양액을 가열하는 단계;

상기 배양액을 몰드에 붓는 단계;

상기 배양액이 고체로 경화되도록 상기 배양액을 충분한 온도에서 충분한 시간 동안 경화시키는 단계; 및

상기 고체가 전기 전도성 판으로 탄화되도록 충분한 온도에서 충분한 시간 동안 고체를 소성(firing)시키는 단계

를 포함하는 1 mm 보다 큰 두께를 갖는 탄소-보강되고 비-희생적인 흡수 전극의 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 탄소 보강재가 탄소 섬유를 포함하며,

상기 혼합 단계가 탄소 섬유를 더 작은 조각으로 절단(chop)하는 단계를 포함하는 방법.
제4항에 있어서,

상기 가열단계 동안에 배양액의 온도를 130°F (54.4℃) ∼ 150°F (65.6℃) 사이로 제어하는 것을 포함하는 방법.
삭제
제4항에 있어서,

상기 배양액을 공기(air) 중에서 경화시키는 방법.
제4항에 있어서,

생성되는 판의 변형(deformation)을 방지하기 위해, 고체를 소성시키기 전에 고체 위에 추(weight)를 배치하는 단계를 포함하는 방법.
제4항에 있어서,

상기 고체를 1750°F 내지 2200℉ (954.4℃ 내지 1204.4℃)의 온도에서 공기 중에서 소성시키는 방법.
삭제
제4항에 있어서,

고체를 소성시킨 후에 판을 기계적으로 가공하는 단계를 포함하며, 상기 기계적 가공은 판을 샌드가공(sanding)하거나 머신가공(machining)하는 것을 포함하는 방법.
매트릭스 구조를 갖는 탄소 매트(mat)를 용기에 도입하는 단계;

액(liquor)을 형성하기 위해 포름알데히드 중에 레조르시놀을 용해시키는 단계;

상기 액이 상기 매트릭스 구조 전체에 걸쳐 실질적으로 분산되어 상기 매트릭스 구조 내에 존재하는 공기를 대치하도록, 상기 액을 상기 용기에 도입하는 단계;

내부에 액이 분산된 상기 매트릭스 구조가 제로(xero) 겔 블록으로 경화되도록 상기 매트릭스 구조를 충분한 온도에서 충분한 시간 동안 유지하는 단계; 및

상기 블록이 전기 전도성 판으로 탄화되도록 충분한 온도에서 충분한 시간동안 상기 블록을 소성시키는 단계

를 포함하며,

상기에서 탄소 매트가 충분히 두꺼워서 상기 블록이 1mm보다 큰 두께를 가지는 전기 전도성 판으로 탄화되는 탄소-보강되고 비-희생적인 흡수 전극의 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 탄소 매트는 탄소 펠트, 평평한 셀룰로오스 섬유, 및 활성탄이 함침된 셀룰로오스 섬유로 이루어진 군 중의 하나인 방법.
제13항에 있어서,

내부에 액이 분산된 상기 매트릭스 구조를 약 92℉ (33.3℃)의 온도로 유지시키는 방법.
제13항에 있어서,

상기 소성 단계 전에 상기 블록을 추에 의해 제한시키는 방법.
제13항에 있어서,

상기 블록을 1850℉ 내지 2200℉ (1010℃ 내지 1204.4℃)의 온도에서 소성시키는 방법.
제13항에 있어서,

블록을 소성시킨 후에 판을 기계적으로 가공하는 단계를 포함하며, 상기 기계적 가공은 판을 샌드가공하거나 머신가공하는 것을 포함하는 방법.