KR101094731B1 - Electrochemical water treatment apparatus using carbon electrodes - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소전극을 이용하여 무기이온을 함유하는 해수, 염수, 산업폐수 등으로부터 무기이온을 제거하는 전기화학적 수처리 장치를 제공하기 위한 것으로 전기화학적 수처리 장치의 성능을 획기적으로 증대시키는 탄소전극의 구조 형상 및 반응기의 구성에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 타 기술에 비해 수중 무기이온을 제거하는데 에너지 소비량이 적고 2차 오염물질을 발생하지 않으며 유지관리가 용이한 효과가 있다.The present invention is to provide an electrochemical water treatment apparatus for removing inorganic ions from seawater, salt water, industrial wastewater and the like containing inorganic ions using a carbon electrode structure of the carbon electrode to dramatically increase the performance of the electrochemical water treatment apparatus It relates to the shape and configuration of the reactor. The present invention has a low energy consumption, does not generate secondary pollutants to remove inorganic ions in the water compared to other conventional techniques, and has an effect of easy maintenance.
전기화학적, 수처리, 탄소전극 Electrochemical, water treatment, carbon electrode
Description
본 발명은 탄소전극을 이용한 전기화학적 수처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐수, 염수 및 해수 등 수중으로부터 무기이온을 제거하는데 있어 기존의 방법에 비해 수처리 효율이 크게 향상된 탄소전극 이용한 전기화학적 수처리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical water treatment apparatus using a carbon electrode, and more particularly, to an electrochemical water treatment apparatus using a carbon electrode having an improved water treatment efficiency compared to conventional methods in removing inorganic ions from water such as wastewater, brine, and seawater. It is about.
일반적으로 수중 무기이온을 제거하는 방법에는 응집법, 이온교환수지법, 역삼투막법 등 다양한 방법이 있으나 이들 방법은 처리장치의 복잡성, 에너지 소비량이 크고, 2차 오염물질의 발생, 운전 및 유지관리의 어려움 등 많은 단점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 전기화학적 흡·탈착 원리를 이용한 다양한 수처리 방법이 시도되고 있으나, 무기이온의 제거에 이용되는 탄소전극의 성능문제, 무기이온 제거공정 중 반응기내의 탄소전극의 유효 이용효율을 좌우하는 유로형성 문제 등 탄소전극을 이용한 전기화학적 수처리 기술을 실적용하는데 여러 가지 문제점들이 있다.In general, there are various methods of removing inorganic ions in water, such as agglomeration, ion exchange resin, and reverse osmosis membrane method. However, these methods have a high complexity of treatment equipment, high energy consumption, difficulty in generating secondary pollutants, operation and maintenance. It has many disadvantages. In order to solve this problem, various water treatment methods using electrochemical adsorption and desorption principles have been attempted, but the performance problem of the carbon electrode used to remove inorganic ions and the effective utilization efficiency of the carbon electrode in the reactor during the inorganic ion removal process are influenced. There are various problems in using electrochemical water treatment technology using carbon electrodes such as flow path formation problems.
이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 폐수, 염수, 해수 등에 함유되어 있는 수중 무기이온의 탄소전극의 흡착 제거효율 및 탈착 재생효율을 높일 수 있는 탄소전극 및 탄소전극을 포함한 반응기를 이용한 전기화학적 수처리 장치를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention was devised to solve the above-described problems, and includes a carbon electrode and a carbon electrode capable of increasing the adsorption removal efficiency and desorption and regeneration efficiency of the carbon electrode of the inorganic ions in the wastewater, salt water, and seawater. The purpose is to provide an electrochemical water treatment apparatus using.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소전극을 이용한 전기화학적 수처리 장치는 수중의 무기이온을 양이온과 음이온으로 각각 흡착하여 제거하는 평판형의 탄소전극을 적어도 한 쌍 이상 반응기 내부에 포함하고, 상기 탄소전극의 표면이 깊이 0.1 내지 0.7 ㎜, 넓이 1.0 내지 4.0 ㎜2을 갖는 요철형태로 되어 있는 것을 특징으로 한다.Electrochemical water treatment apparatus using a carbon electrode according to the present invention for achieving the object as described above includes at least one pair of plate-shaped carbon electrode inside the reactor to remove the inorganic ions in the water by cations and anions, respectively. In addition, the surface of the carbon electrode is characterized in that the concave-convex shape having a depth of 0.1 to 0.7 mm, the width 1.0 to 4.0 mm 2 .
본 발명에서 상기 반응기는 전기화학적 단위 셀이 셀이 적어도 하나 이상의 단으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하고, 상기 전기 화학적 단위 셀은 물이 흐르게 되는 스페이서; 수중의 이온이 흡착하게 되고 양전극과 음전극으로 사용되는 상기 탄소전극; 물 중의 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막; 및 외부의 직류전원을 상기 탄소전극에 직접 인가는 역할을 하는 카본 그라파이트로 형성된 양극 및 음극 집전체;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the reactor is characterized in that the electrochemical unit cell is composed of at least one stage of the cell, the electrochemical unit cell comprises a spacer through which water flows; The carbon electrode is adsorbed in the water and used as a positive electrode and a negative electrode; An ion exchange membrane for selectively passing ions in water; And a positive electrode and a negative electrode current collector formed of carbon graphite, which directly serves to directly apply an external direct current power source to the carbon electrode.
또한, 상기 탄소전극 표면의 요철모양은 원형 또는 사각형 형태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the uneven shape of the surface of the carbon electrode may be characterized in that it has a circular or rectangular shape.
또한, 상기 반응기 내부는 상기 탄소전극이 장착되어 있는 공간을 제외하고는 직경 5 내지 10 ㎜의 구형의 미디어로 채워져 있는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the inside of the reactor may be filled with spherical media having a diameter of 5 to 10 mm except for the space in which the carbon electrode is mounted.
또한, 상기 반응기 내부에 채워져 있는 미디어는 전기적 도체를 제외한 다양한 재질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the media filled in the reactor may be formed of a variety of materials except electrical conductors.
또한, 상기 반응기는 원통형 또는 사각통형의 형상을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the reactor may be characterized by having a cylindrical or square cylindrical shape.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 탄소전극을 이용한 전기화학적 수처리장치는 무기이온을 흡착 제거하는 탄소전극의 물과 접촉하는 표면이 요철형태로 되어있어 흡착에 이용되는 면적이 크게 증가하여 동일한 전극 면적크기를 가지고도 이온 흡착 처리용량을 크게 증가시킬 수 있으며, 반응기내에 수용되어 있는 미디어에 의해 물의 흐름이 탄소 전극표면 전체에 대하여 균일하게 흐르도록 하여 이온의 제거 흡착효율을 크게 증가시킨다.As described in detail above, in the electrochemical water treatment apparatus using the carbon electrode according to the present invention, the surface contacting with the water of the carbon electrode for adsorption and removal of inorganic ions has an uneven shape so that the area used for adsorption is greatly increased and the same. Even with the electrode area size, the ion adsorption treatment capacity can be greatly increased, and the water contained in the reactor allows the flow of water to flow uniformly over the entire surface of the carbon electrode, thereby greatly increasing the removal efficiency of ions.
또한 탄소전극에 흡착된 무기이온을 탈착하는 재생 공정시에도 상기와 같은 이유로 재생효율을 크게 증대시킨다. 따라서 수중 무기이온을 함유하고 있는 물로부터 각종 용수를 생산하는 용도로 활용하는데 효과적이다.In addition, the regeneration efficiency of the inorganic ions adsorbed on the carbon electrode greatly increases the regeneration efficiency. Therefore, it is effective to use for producing various water from water containing inorganic ions in water.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 탄소전극을 이용한 전기화학적 수처리 장치의 반응기의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a reactor of an electrochemical water treatment apparatus using a carbon electrode.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(100)는 전기화학적 단위 셀(120), 구형의 미디어(140), 처리될 물이 유입되는 유입구(160), 처리된 물이 배출되는 유출구(180)로 구성되어 있다. 반응기(100)에는 상기 전기화학적 단위 셀(120)이 하나 내지 다수가 적층될 수 있다. 또한 하나의 수처리 장치는 다수의 반응기로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a
상기 유입구(160)를 통하여 처리될 물이 유입되며, 상기 반응기(100) 내에는 상기 전기화학적 단위 셀(120) 주변으로 상기 구형의 미디어(140)가 배치된다. 상기 반응기(100)를 내부에 채워져 있는 구형의 미디어(140)는 반응기(100) 내부의 유체의 흐름을 균일하게 유지하는 역할을 수행하여, 대부분의 일반적인 반응기에서 발생하여 반응기의 유효효율을 크게 저감시키는 채널링 효과 등을 크게 저감시켜 수중 무기이온의 제거 흡착효율 및 이온의 탈착 재생효율을 크게 증가시킬 수 있다. 상기 구형의 미디어(140)는 다양한 재질로 형성될 수 있으나, 전기적 도체를 제외한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.Water to be treated is introduced through the
이렇듯 상기 유입구(160)를 통하여 유입된 처리될 물은 상기 반응기(100) 내의 탄소전극들에 의하여 무기이온이 전기화학적으로 제거되게 된다. 상기 탄소전극의 양극에는 음이온이, 음극에는 양이온이 각각 전기적 힘에 의하여 부착되어 물을 처리하게 되고, 기존의 이온들을 탄소전극에 흡착시킨 물은 상기 유출구(180)를 통하여 외부로 배출되게 된다.As such, the water to be treated introduced through the
도 2는 도의 1의 반응기 내부에 장착되어 있는 전기화학적 단위 셀의 측면도이다.FIG. 2 is a side view of an electrochemical unit cell mounted inside the reactor of FIG. 1.
도 2는 전기화학적 수처리 장치의 반응기(100)에 장착되어 수중의 무기이온들을 양이온과 음이온으로 각각 흡착, 제거하는 역할을 하는 최소 구성단위인 전기화학적 단위 셀의 측면도를 나타낸 도면이다. 도 2을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 단위 셀(120)은 양전극 탄소전극(200) 및 음전극 탄소전극(210), 양이온 선택성 막(220) 및 음이온 선택성 막(240), 스페이서(260) 및 집전체(280)를 포함한다.FIG. 2 is a side view of an electrochemical unit cell, which is a minimum structural unit mounted on a
상기 양전극 및 음전극 탄소전극(200,210)은 직접적으로 수중의 양이온과 음이온을 흡착하는 표면이 요철형태로 이루어져 있는 것이 특징이다. 이러한 요철형태의 표면을 이용하여 수중의 양이온과 음이온을 좀 더 효율적으로 흡착할 수 있는 효과가 있다.The positive electrode and the negative electrode carbon electrode (200, 210) is characterized in that the surface directly adsorbing cations and anions in the water is made of irregularities. By using the surface of the concave-convex shape, there is an effect that can more efficiently adsorb cations and anions in water.
상기 양이온 선택성 막(220) 및 음이온 선택성 막(240)은 상기 음전극 탄소전극(210) 및 양전극 탄소전극(200)이 수중의 양이온과 음이온을 선택적으로 흡착할 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 상기 스페이서(260)는 상기 단위 셀 내에서 물이 이동하는 유로를 제공하며, 상기 집전체(280)는 상기 두개의 탄소전극에 1 내지 3 볼트의 직류전압을 인가하는 직류전원공급 장치(170)로부터 양, 음 전원을 직접 인가하는 역할을 한다. 상기 반응기(100)에는 전기화학적 단위 셀(120)이 하나 또는 그 이상의 단이 포함될 수 있다.The cation
도 3a는 전기화학적 단위 셀의 양, 음전극을 구성하는 평판형 탄소전극의 표면 형상을 나타낸 사시도이다. 도 3b는 도 3a의 'A'부분을 확대한 부분 사시도이다.Figure 3a is a perspective view showing the surface shape of the flat carbon electrode constituting the positive electrode, the negative electrode of the electrochemical unit cell. FIG. 3B is an enlarged partial perspective view of portion 'A' of FIG. 3A.
도 3a는 반응기 내부에 장착되어 있는 전기화학적 단위 셀을 구성하는 평판형 탄소전극의 표면의 형상을 나타낸 평면도를 나타낸 것이다. 본 발명의 평판형의 양극 및 음극 탄소전극(200,210)은 표면이 요철형태를 가지도록 요철의 깊이가 0.1 내지 0.7 ㎜, 요철의 넓이가 1.0 내지 4.0 ㎜2를 가지도록 제작되며, 이러한 형상구조로 인해 탄소전극이 동일한 면적에서 더 많은 수중의 이온들을 흡착할 수 있도록 하고, 재생 공정시 탄소전극(200)의 표면요철과 이온 선택성막(220, 240) 사이에 존재하는 공극에 향상 존재하는 유체에 의해 탄소전극(200, 210)으로부터 이온의 탈착이 더욱 용이하여 재생효율을 크게 극대화 할 수 있다.3A is a plan view showing the shape of the surface of the plate-shaped carbon electrode constituting the electrochemical unit cell mounted in the reactor. The planar anode and
도 3b를 참조하면, 상기 탄소전극의 요철형태가 'h'의 깊이와 's'의 넓이를 가지고 있음을 알 수 있다. 상기 요철의 깊이(h)의 범위는 대략 0.1 내지 0.7 mm 이며, 상기 요철의 넓이(s)는 대략 1.0 내지 4.0 mm2 를 가지도록 제작된다. 상기 요철의 형태가 꼭 사각형의 형태로 제한된 것은 아니기 때문에, 상기의 넓이(s) 범위를 가지는 다른 어떠한 형태의 요철로도 생성될 수 있음은 물론이다.Referring to FIG. 3B, it can be seen that the uneven form of the carbon electrode has a depth of 'h' and an area of 's'. The depth (h) of the unevenness is in the range of about 0.1 to 0.7 mm, and the width (s) of the unevenness is manufactured to have about 1.0 to 4.0 mm 2 . Since the shape of the unevenness is not necessarily limited to the shape of the rectangle, of course, it can be made of any other shape of unevenness having the above-mentioned range (s).
본 발명에 따른 요철표면을 갖는 상기 평판형 탄소전극(200, 210)은 다공성 활성탄, 도전재 및 바인더로 재료로 하여 요철이 있는 틀을 이용한 프레스법, 롤링법 등 다양한 방법으로 제조가 가능하다.The plate-
도 4는 본 발명인 탄소전극을 이용한 전기화학적 수처리 장치의 수처리 공정도이다.4 is a water treatment process diagram of an electrochemical water treatment apparatus using the carbon electrode of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 반응기(100)는 두 개 이상이 연결되어 하나 의 공정을 이룰 수 있다. 먼저 유입되는 반응기(100)에서 처리된 후 배출된 물은 다시 다른 반응기(100)에 유입되어 2차적으로 재처리됨으로써, 처리수의 처리 효율을 증대시킬 수 있다. 일반적으로 상기 반응기(100)에는 복수개의 전기화학적 단위 셀(120)이 단을 이루어 포함되어 있으므로, 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 전원공급장치(170)를 통하여 여러개의 반응기(100)에 전원을 공급할 수 있다.As shown in FIG. 4, two or
본 발명의 반응기(100)의 형상은 사각통형, 원통형 등 설치되는 시설에 적합하게 배치되도록 다양하게 제작될 수 있다.The shape of the
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.Although the above has been illustrated and described with respect to the preferred embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the above-described specific embodiments, and the present invention belongs in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or the prospect of the present invention.
도 1은 탄소전극을 이용한 전기화학적 수처리 장치의 반응기의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a reactor of an electrochemical water treatment apparatus using a carbon electrode.
도 2는 도의 1의 반응기 내부에 장착 되어있는 전기화학적 단위 셀의 측면도이다.FIG. 2 is a side view of an electrochemical unit cell mounted inside the reactor of FIG. 1.
도 3a는 전기화학적 단위 셀의 양, 음전극을 구성하는 평판형 탄소전극의 표면형상을 나타낸 사시도이다.3A is a perspective view showing the surface shape of the flat carbon electrode constituting the positive and negative electrode of the electrochemical unit cell.
도 3b는 도 3a의 'A'부분을 확대한 부분 사시도이다.FIG. 3B is an enlarged partial perspective view of portion 'A' of FIG. 3A.
도 4는 본 발명인 탄소전극을 이용한 전기화학적 수처리 장치의 수처리 공정도이다.4 is a water treatment process diagram of an electrochemical water treatment apparatus using the carbon electrode of the present invention.
<도면의 주요부부에 대한 설명><Description of main parts of drawing>
100 : 반응기100: reactor
120 : 전기화학적 단위 셀120: electrochemical unit cell
140 : 구형의 미디어140: spherical media
160 : 유입구160: inlet
180 : 유출구180: outlet
170 : 직류전원 공급창치170: DC power supply window
200 : 양전극 탄소전극200: positive electrode carbon electrode
210 : 음전극 탄소전극210: negative electrode carbon electrode
220 : 양이온 선택성 막220: cation selective membrane
240 : 음이온 선택성 막240: anion selective membrane
260 : 스페이서260 spacer
280 : 집전체280: collector
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