KR101479457B1 - 통액형 캐패시터, 탈이온액 제조 장치 및 탈이온액의 제조 방법 - Google Patents
통액형 캐패시터, 탈이온액 제조 장치 및 탈이온액의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
복수의 셀이 적층된 통액형 캐패시터로서, 셀은, 제 1 전극과, 제 2 전극과, 제 1 전극과 제 2 전극에 개재되는 세퍼레이터를 구비하고, 제 1 전극은, 흑연 시트로 이루어지는 제 1 집전체 시트와, 제 1 집전체 시트에 적층된 제 1 다공질 탄소 시트와, 제 1 다공질 탄소 시트에 적층된 카티온 교환막을 구비하고, 제 2 전극은, 흑연 시트로 이루어지는 제 2 집전체 시트와, 2 집전체 시트에 적층된 제 2 다공질 탄소 시트와, 제 2 다공질 탄소 시트에 적층된 아니온 교환막을 구비하고, 카티온 교환막과 아니온 교환막은 세퍼레이터를 개재하여 대향하도록 배치되어 있고, 제 1 집전체 시트 및 제 2 집전체 시트의 적어도 일방은, 탭부를 갖고, 적어도 2 개 이상의 탭부끼리는, 탭부에 대해 접촉하도록 배치된 도전성 시트로 접속되어 있다.
Description
본 발명은 액 중의 이온을 흡착 제거하여 탈염하기 위한 통액형 캐패시터, 탈이온액 제조 장치 및 탈이온액의 제조 방법에 관한 것이다.
액 중의 이온을 정전력을 이용하여 제거하기 위한 통액형 캐패시터가 알려져 있다. 통액형 캐패시터를 사용한 탈염 방법은, 이온의 흡착시에 공급한 전기 에너지를 캐패시터에 축전하고, 이온의 탈리시에 전기 에너지를 회수할 수 있기 때문에 에너지 효율이 우수한 탈염 방법이다. 또, 통액형 캐패시터는, 낮은 전압에서도 운전이 가능하다. 또한, 통액형 캐패시터에 있어서는, 이온의 흡착시와 탈리시에 극성이 전환되기 때문에, 장치 내부에 스케일이 쉽게 발생하지 않는다. 이들 면에서, 통액형 캐패시터는 설비 장점이 높은 탈염 방법이다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1 은, 적어도 일방의 이온 흡착용 전극이 다공성 금속박인 것을 특징으로 하는 통액형 캐패시터를 개시한다. 또, 하기 특허문헌 2 는 다공질 재료를 함유하고, 반대 전하의 이온을 흡착하도록 구성된 충전 가능한 전극과, 충전 가능한 전극의 다공질 재료와 접촉하고 있는 이온 교환 재료를 함유하는 전극 어셈블리를 개시한다. 그리고, 이 전극 어셈블리에 있어서는, 이온 교환 재료가 충전 가능한 전극과 동일하게 충전되고, 또, 이온 교환 재료는 반대 전하의 이온에 대해 투과성이고 또한 동일 전하의 이온에 대해 적어도 부분적으로 불투과성인 것을 개시한다.
도 9 및 도 10 을 참조하여, 통액형 캐패시터 (110) 의 구성을 설명한다. 도 9 는 통액형 캐패시터 (110) 의 셀 구조를 설명하기 위한 부분 분해 모식도이다. 도 10 은 통액형 캐패시터 (110) 의 각 셀을 조립했을 때의 도 9 의 X-X' 단면의 모식도이다. 도 9 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 통액형 캐패시터 (110) 는, 액 중의 이온을 흡착하기 위한 2 개의 전극 (101, 102) 과, 전극 (101) 과 전극 (102) 사이에 개재되는 세퍼레이터 (3) 를 구비하는 셀 (120) 을 복수 셀 중첩하도록 하여 구성되어 있다. 각 전극 (101) 은 각각 집전체 (1a (1a')) 와, 집전체 (1a (1a')) 에 각각 적층된 다공질 탄소 시트 (1b (1b')) 를 구비한다. 각 전극 (102) 은 각각 집전체 (2a) 와, 집전체 (2a) 에 각각 적층된 다공질 탄소 시트 (2b) 를 구비한다. 각 전극 (101, 102) 은 서로 대극 (對極) 이다. 그리고, 셀 (120) 을 복수 셀 중첩하여 형성된 적층체는, 예를 들어, 금속제의 체결 볼트 (5a, 5b) 로 체결되어 있다. 체결 볼트 (5a) 는 각 셀 (120) 에 있어서, 다공질 탄소 시트 (1b (1b')) 와 대향하지 않도록 집전체 (1a) 에 각각 형성된 탭부 (1d) 를 전기적으로 접속한다. 마찬가지로, 체결 볼트 (5b) 는 각 셀 (120) 에 있어서, 다공질 탄소 시트 (2b) 와 대향하지 않도록 집전체 (2a) 에 형성된 탭부 (2d) 를 전기적으로 접속한다. 그리고, 체결 볼트 (5a) 또는 체결 볼트 (5b) 로 체결된, 탭부 (1d) 또는 탭부 (2d) 에 의해, 복수의 집전체 (1a) 끼리 또는 복수의 집전체 (2a) 끼리는 각각 전기적으로 접속된다.
통액형 캐패시터 (110) 에 있어서는, 예를 들어, 피처리액이 도 9 의 백색 화살표로 나타내는 방향으로 통액된다. 도시가 생략된 외부 전원에 의해 전극 (101) 과 전극 (102) 사이에 전압을 인가하면서 전극 (101) 과 전극 (102) 에 의해 형성되는 캐패시터 사이에 통액한 경우, 통액된 액 중의 이온이 다공질 탄소 시트 (1b (1b')), 다공질 탄소 시트 (2b) 에 흡착된다. 그리고, 캐패시터에 의해 이온이 흡착 제거된 후의 처리액은 각 셀의 중앙부에 형성된 통액공 (8) 에 도달하여, 통액공 (8) 을 통해서 외부에 배출된다.
상기 서술한 바와 같이, 통액형 캐패시터 (110) 에 있어서는, 동극의 집전체 (1a) 끼리 및 집전체 (2a) 끼리는, 그들 탭부 (1d) 끼리 또는 탭부 (2d) 끼리를 금속제의 체결 볼트 (5a, 5b) 로 체결함으로써 전기적으로 접속되어 있었다. 이와 같은 체결 볼트에 의한 체결만으로는, 피처리액 중에 고농도의 이온이 함유되어 있거나, 피처리액을 고유량으로 처리하거나 하는 경우에는, 도전성이 부족하여, 이온의 제거율이 저하되는 경우가 있었다. 특히, 집전체로서, 흑연 (그라파이트) 시트와 같이 전기 전도도가 시트의 면 방향으로는 높고 수직 방향으로는 낮은, 전기 전도도의 이방성이 높은 재료를 사용한 경우에는, 수직 방향의 도전성의 부족에 의해 이온의 제거율이 저하되는 경우가 있었다.
본 발명의 일 국면은, 복수의 셀이 적층되어 형성된 통액형 캐패시터로서, 셀은, 제 1 전극과, 제 2 전극과, 제 1 전극과 제 2 전극에 개재되는 세퍼레이터를 구비하고, 제 1 전극은, 흑연 시트로 이루어지는 제 1 집전체 시트와, 제 1 집전체 시트에 적층된 제 1 다공질 탄소 시트와, 제 1 다공질 탄소 시트에 적층된 카티온 교환막을 구비하고, 제 2 전극은, 흑연 시트로 이루어지는 제 2 집전체 시트와, 제 2 집전체 시트에 적층된 제 2 다공질 탄소 시트와, 제 2 다공질 탄소 시트에 적층된 아니온 교환막을 구비하고, 카티온 교환막과 아니온 교환막은 세퍼레이터를 개재하여 대향하도록 배치되어 있고, 제 1 집전체 시트 및 제 2 집전체 시트의 적어도 일방은, 탭부를 갖고, 적어도 2 개 이상의 탭부끼리는, 그 탭부의 표면에 접촉하도록 배치된 도전성 시트로 전기적으로 접속되어 있는 통액형 캐패시터이다.
또, 본 발명의 다른 일 국면은, 상기 서술한 바와 같은 통액형 캐패시터와, 직류 전원과, 통액형 캐패시터를 수용하는 용기를 구비하고, 직류 전원은 정극측 및 부극측의 극성을 서로 교환 가능하게 제 1 전극 및 제 2 전극에 접속되어 있고, 용기는, 통액형 캐패시터에 이온성 물질을 함유하는 액체를 공급하기 위한 급액구 및 통액형 캐패시터로부터 처리된 액체를 배출하기 위한 배액구를 구비하는 탈이온액 제조 장치이다.
또한 다른 일 국면은, 상기 서술한 바와 같은 탈이온액 제조 장치를 사용하는 탈이온액의 제조 방법으로서, 직류 전원에 의해 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 인가하면서 급액구로부터 이온성 물질을 함유하는 피처리액을 공급함으로써, 각 전극 표면에 이온성 물질에서 유래하는 이온을 흡착시켜, 배액구로부터 이온성 물질이 제거된 처리액을 배출하는 제 1 공정과, 각 전극의 정극과 부극의 극성을 제 1 공정과는 반대로 하여 전압을 인가하면서, 급액구로부터 이온성 물질을 함유하는 피처리액을 공급함으로써, 각 전극 표면에 부착된 이온을 탈리시켜, 배액구로부터 이온을 함유하는 이온 농축액을 배출하는 제 2 공정을 구비하는 탈이온액의 제조 방법이다.
본 발명의 목적, 특징, 국면 및 이점은, 이하의 상세한 설명 및 첨부하는 도면에 의해 보다 명백해진다.
본 발명에 의하면, 종래의 통액형 캐패시터에 비해, 이온성 물질의 제거 능력이 높은 통액형 캐패시터, 탈이온액의 제조 방법 및 탈이온액 제조 장치를 제공할 수 있다.
도 1 은, 제 1 실시형태의 통액형 캐패시터 (100) 구성의 주요부를 설명하기 위한 부분 분해 사시 모식도이다.
도 2a 는 통액형 캐패시터 (100) 의 상면 모식도이다.
도 2b 는 통액형 캐패시터 (100) 의 정면 모식도이다.
도 3a 는 통액형 캐패시터의 도전성 시트의 배치 패턴의 예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3b 는 통액형 캐패시터의 도전성 시트의 배치 패턴의 예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4 는 제 1 실시형태의 통액형 캐패시터 (100) 를 구비한 탈이온액 제조 장치 (200) 의 구성을 설명하기 위한 모식 설명도이다.
도 5a 는 통액형 캐패시터 (100) 에 있어서의 캐패시터 구조의 작용의 제 1 단계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5b 는 통액형 캐패시터 (100) 에 있어서의 캐패시터 구조의 작용의 제 2 단계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5c 는 통액형 캐패시터 (100) 에 있어서의 캐패시터 구조의 작용의 제 3 단계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 6 은, 실시예 1 의 통액형 캐패시터의 운전시의 시간 (초) 에 대한 전류 및 전압의 변화를 플롯한 그래프이다.
도 7 은, 실시예 1 의 통액형 캐패시터의 운전시의 시간 (초) 에 대한 전기 전도도의 변화를 플롯한 그래프이다.
도 8 은, 실시예 및 비교예의 통액형 캐패시터를 운전했을 때의 물의 유량 비율에 대한 평균 제거율을 플롯한 그래프이다.
도 9 는, 종래의 통액형 캐패시터의 셀 구조를 설명하기 위한 모식 분해도이다.
도 10 은 도 9 의 X-X' 단면 부근의 모식도이다.
도 2a 는 통액형 캐패시터 (100) 의 상면 모식도이다.
도 2b 는 통액형 캐패시터 (100) 의 정면 모식도이다.
도 3a 는 통액형 캐패시터의 도전성 시트의 배치 패턴의 예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3b 는 통액형 캐패시터의 도전성 시트의 배치 패턴의 예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4 는 제 1 실시형태의 통액형 캐패시터 (100) 를 구비한 탈이온액 제조 장치 (200) 의 구성을 설명하기 위한 모식 설명도이다.
도 5a 는 통액형 캐패시터 (100) 에 있어서의 캐패시터 구조의 작용의 제 1 단계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5b 는 통액형 캐패시터 (100) 에 있어서의 캐패시터 구조의 작용의 제 2 단계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5c 는 통액형 캐패시터 (100) 에 있어서의 캐패시터 구조의 작용의 제 3 단계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 6 은, 실시예 1 의 통액형 캐패시터의 운전시의 시간 (초) 에 대한 전류 및 전압의 변화를 플롯한 그래프이다.
도 7 은, 실시예 1 의 통액형 캐패시터의 운전시의 시간 (초) 에 대한 전기 전도도의 변화를 플롯한 그래프이다.
도 8 은, 실시예 및 비교예의 통액형 캐패시터를 운전했을 때의 물의 유량 비율에 대한 평균 제거율을 플롯한 그래프이다.
도 9 는, 종래의 통액형 캐패시터의 셀 구조를 설명하기 위한 모식 분해도이다.
도 10 은 도 9 의 X-X' 단면 부근의 모식도이다.
본 발명에 관련된 실시형태의 통액형 캐패시터의 구성에 대해 설명한다.
도 1 은, 본 실시형태의 통액형 캐패시터 (100) 구성의 주요부를 설명하기 위한 부분 분해 사시 모식도, 도 2a 는 통액형 캐패시터 (100) 의 상면 모식도, 도 2b 는 그 정면 모식도이다.
본 실시형태의 통액형 캐패시터 (100) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 복수의 셀 (10) 이 적층되어 형성된 캐패시터 구조를 갖는다. 각 셀 (10) 은, 제 1 전극 (1) 과, 제 2 전극 (2) 과, 제 1 전극 (1) 과 제 2 전극 (2) 에 개재되는 세퍼레이터 (3) 를 구비한다. 또한, 도 1 에 있어서는, 설명의 편의상, 층의 일부분에 대해, 적층 구조를 전개하도록 분해했을 때의 모습을 모식적으로 도시하고 있다.
제 1 전극 (1) 은, 제 1 집전체 시트 (1a) 또는 제 1 집전체 시트 (1a') 와, 제 1 집전체 시트 (1a (1a')) 에 적층된 제 1 다공질 탄소 시트 (1b (1b')) 와, 제 1 다공질 탄소 시트 (1b (1b')) 에 적층된 카티온 교환막 (1c (1c')) 을 구비한다. 제 2 전극 (2) 은, 제 2 집전체 시트 (2a) 와, 제 2 집전체 시트 (2a) 에 적층된 제 2 다공질 탄소 시트 (2b) 와, 제 2 다공질 탄소 시트 (2b) 에 적층된 아니온 교환막 (2c) 을 구비한다. 카티온 교환막 (1c (1c')) 과 아니온 교환막 (2c) 은 세퍼레이터 (3) 를 개재하여 대향하도록 배치되어 있다. 또한, 제 1 집전체 시트 (1a) 및 제 1 다공질 탄소 시트 (1b), 제 2 집전체 시트 (2a) 및 제 2 다공질 탄소 시트 (2b), 카티온 교환막 (1c) 및 아니온 교환막 (2c) 은 대략 중앙부에 캐패시터 구조의 셀 (10) 에 의해 탈이온된 액을 통액하기 위한 통액공 (8) 을 갖는다. 한편, 제 1 집전체 시트 (1a') 및 제 1 다공질 탄소 시트 (1b'), 카티온 교환막 (1c) 은 통액 방향을 규제하기 위해서 통액공 (8) 을 갖지 않고, 최상층의 셀을 형성한다.
제 1 집전체 시트 (1a, 1a') 는, 제 1 다공질 탄소 시트 (1b, 1b') 와 대향하지 않는 탭부 (1d) 를 갖고, 제 2 집전체 시트 (2a) 는, 제 2 다공질 탄소 시트 (2b) 와 대향하지 않는 탭부 (2d) 를 갖는다. 복수의 탭부 (1d) 끼리 및 복수의 탭부 (2d) 끼리는 각각 도전성의 체결 볼트 (5a, 5b) 로 체결되어 있다. 이와 같은 체결 볼트 (5a, 5b) 는, 복수의 탭부 (1d) 끼리 또는 복수의 탭부 (2d) 끼리를 그것들을 서로 표면에서 접촉시킴으로써 전기적으로 접속한다. 복수의 탭부 (1d) 끼리를 체결하는 체결 볼트 (5a) 및 복수의 탭부 (2d) 끼리를 체결하는 체결 볼트 (5b) 는, 후술하는 바와 같이, 직류 전원 일방의 전극측 및 타방의 전극측에 각각 접속된다. 그리고, 복수의 제 1 집전체 시트 (1a) 끼리 또는 복수의 제 2 집전체 시트 (2a) 끼리를 등전위로 한다.
통액형 캐패시터 (100) 에 있어서는, 도 1, 도 2a 및 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 복수의 탭부 (1d) 끼리는 각 탭부 (1d) 의 표면에 접촉하도록 배치된 1 장의 도전성 시트 (6a) 에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 복수의 탭부 (2d) 끼리는, 각 탭부 (2d) 의 표면에 접촉하도록 배치된 1 장의 도전성 시트 (6b) 에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 이와 같이, 복수의 탭부 (1d) 끼리 또는 복수의 탭부 (2d) 끼리를 도전성 시트 (6a) 또는 도전성 시트 (6b) 를 개재하여 접속함으로써, 복수의 제 1 집전체 시트 (1a) 끼리 또는 복수의 제 2 집전체 시트 (2a) 끼리는 시트면에 대해 평행 방향으로 전기적으로 접속된다. 이와 같은 시트면에 대한 평행 방향의 접속에 의하면, 예를 들어, 제 1 집전체 시트 또는 제 2 집전체 시트로서, 흑연 (그라파이트) 시트와 같이 전기 전도도가 시트의 면 방향으로는 높고 수직 방향으로는 낮은, 전기 전도도의 이방성이 높은 시트 재료를 사용한 경우에도 충분한 도전성을 얻을 수 있다. 그것에 의해, 처리되는 액 중에 고농도의 이온성 물질이 함유되어 있거나, 액을 고유량으로 처리하거나 하는 경우에도 높은 이온 제거율을 유지할 수 있다.
또한, 도 1, 도 2a 및 도 2b 에 나타낸 집전체 시트에 있어서는, 1 장의 집전체 시트의 한 변에 2 지점의 탭부를 형성하고 있지만, 1 장의 집전체 시트의 탭부의 수는 특별히 한정되지 않고, 1 지점뿐이어도 되고, 3 지점 이상이어도 된다. 또, 도전성 시트는 동극의 복수의 집전체 시트의 탭부끼리를 서로 도통시키도록, 탭부에 직접 접촉하도록 배치하는 것이 바람직하다. 도 3a 및 도 3b 에 도전성 시트의 배치 패턴의 일례를 나타낸다. 배치 패턴으로는, 도 3a 에 나타내는 배치 패턴과 같이, 탭부 (D) 의 1 층씩을 누비도록 도전성 시트 (C) 를 배치해도 되고, 도 3b 에 나타내는 바와 같이, 복수층의 탭부 (D) 의 적층체를 누비도록 도전성 시트 (C) 를 배치해도 된다.
도전성 시트로는, 내부식성이 높은 도전성의 시트이면 특별히 한정없이 사용할 수 있다. 이와 같은 도전성 시트의 구체예로는, 예를 들어, 티탄 또는 티탄 합금으로 이루어지는 티탄계 금속, 금, 백금, 은, 또는 이들의 복합 재료 등으로 이루어지는 금속박이나, 흑연 시트 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 내부식성과 도전성과 저비용성의 밸런스가 우수한 점에서 티탄계 금속으로 형성된 티탄박이 바람직하게 사용된다.
도전성 시트의 두께로는, 20 ∼ 200 ㎛, 나아가서는 30 ∼ 100 ㎛ 인 것이 높은 도전성을 유지하면서, 과대한 스페이스를 확보할 필요가 없는 점에서 바람직하다.
또, 체결 볼트로는, 금속 볼트 등의 도전성 볼트 및 너트를 사용한 볼트·너트 구조의 체결 수단을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 통액형 캐패시터는 피처리액의 탈염에 사용되기 때문에, 티탄 또는 티탄 합금으로 이루어지는 티탄 볼트와 같은 내부식성이 높은 금속 볼트를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또, 체결 수단으로는 볼트 구조에 한정되지 않고, 클립상의 구조체로 협지하는 등의 수단을 사용해도 된다.
또, 체결 볼트로 체결할 때, 그 체결압에 의해 집전체 시트나 도전성 시트가 파손되는 경우가 있다. 이와 같은 파손을 방지하기 위해, 체결 볼트의 볼트 헤드와 도전성 시트 사이에는, 도 1 에 나타내는 바와 같은 티탄판 등의 내부식성 및 도전성이 우수한 금속판 (4) 을 개재시켜 체결압을 분산시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 금속판 (4) 의 두께는 특별히 한정되지 않지만 0.5 ∼ 5 ㎜ 정도인 것이 바람직하다. 이 경우, 금속판과 체결 볼트와 집전체 시트와 도전성 시트가 도통함으로써, 이들이 전기적으로 접속된다.
또한, 1 개의 셀은 세퍼레이터를 협지한 2 개의 전극으로 구성된다. 셀 수는 세퍼레이터의 수에 거의 일치한다. 본 실시형태의 통액형 캐패시터의 셀 수는 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는, 예를 들어 3 ∼ 100, 나아가서는 5 ∼ 50 정도인 것이 바람직하다.
다음으로, 통액형 캐패시터 (100) 를 구성하는 다른 요소에 대해 상세하게 설명한다.
제 1 집전체 시트 및 제 2 집전체 시트로는 흑연 시트가 사용된다. 흑연 시트의 구체예로는, 팽창 흑연을 성형한 흑연 시트 등을 들 수 있다. 흑연 시트는, 내부식성과 고도전성과 저비용성의 밸런스가 우수하다. 한편, 흑연 시트는, 전기 전도성이 시트의 면 방향과 비교하여, 두께 방향 쪽이 낮다는 특징을 갖는다. 이와 같은 전기 전도성의 이방성을 갖는 흑연 시트를 집전체로서 사용하여 탭부를 체결 볼트 등에 의해 체결한 경우, 두께 방향의 도전성이 낮고, 시트의 면 방향에서 높아지는 경향이 있다. 본 실시형태의 통액형 캐패시터에 있어서는, 도전성 시트를 흑연 시트의 탭부에 접촉하도록 배치하여, 복수의 탭부끼리를 전기적으로 접속함으로써, 흑연 시트의 면 방향의 고도전성을 충분히 살릴 수 있다. 흑연 시트의 두께로는 100 ∼ 500 ㎛ 인 것이 바람직하다.
제 1 다공질 탄소 시트 및 제 2 다공질 탄소 시트로는, 예를 들어, 활성탄 입자와 같은 다공질 탄소 입자를 바인더로 결착시켜 얻어지는 성형 시트를 들 수 있다.
활성탄 입자의 구체예로는, 예를 들어, 목재, 톱밥, 목탄, 야자 껍질이나 호두 껍질 등의 과실 껍질, 과실 종자, 펄프 제조 부생물, 리그닌, 폐당밀 등의 식물계 활성탄 입자；이탄, 초탄, 아탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄, 코크스, 콜타르, 석탄 피치, 석유 증류 잔사, 석유 피치 등을 탄화 및 부활화 (賦活化) 하여 얻어지는 광물계 활성탄 입자；페놀, 사란, 아크릴 수지 등을 탄화 및 부활화하여 얻어지는 합성 수지계 활성탄 입자；재생 섬유 (레이온) 등을 탄화 및 부활화하여 얻어지는 천연 섬유계 활성탄 입자；등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 흡착 성능이 우수한 점에서 야자 껍질 활성탄 입자가 특히 바람직하다.
활성탄 입자의 중심 입자경으로는 1 ∼ 100 ㎛, 나아가서는 2 ∼ 50 ㎛, 특히는 3 ∼ 30 ㎛ 인 것이 바람직하다. 여기서 중심 입자경이란, 입도 분포에 있어서, 전체 입자 질량의 적산치가 50 ％ 가 될 때의 입자경이다. 이와 같은 중심 입자경은, 예를 들어, 닛키소 (주) 제조 마이크로트랙 입도 분포 측정 장치 (MT3300) 를 이용하여 측정할 수 있다. 활성탄 입자의 중심 입자경이 지나치게 작은 경우에는, 사용하는 바인더량이 많아져, 활성탄이 차지하는 비율이 적어지기 때문에, 이온의 포착 능력이 저하되는 경향이 있다. 또, 활성탄 입자의 중심 입자경이 지나치게 큰 경우에는, 얻어지는 활성탄 시트의 표면 균일성이 나빠져, 이온의 포착 능력이 저하되는 경향이 있다.
또, 활성탄 입자의 비표면적은, 700 ∼ 2500 ㎡/g, 나아가서는 1500 ∼ 2000 ㎡/g 인 것이 바람직하다. 비표면적이 지나치게 작은 경우에는, 탈이온 능력이 낮아짐과 함께, 전극의 극성을 역극성으로 하여 활성탄 시트의 표면에 흡착된 이온을 탈리시킬 때, 이온이 잘 탈리되지 않게 되는 경향이 있다. 또, 비표면적이 지나치게 큰 경우에는 체적당 성능이 저하될 뿐만 아니라, 사용하는 바인더량이 많아져, 활성탄이 차지하는 비율이 적어지기 때문에, 이온 포착 능력이 저하되는 경향이 있다. 비표면적은, 예를 들어, 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 활성탄의 77K 에 있어서의 질소 흡착 등온선을 닛폰 벨 (주) 제조의 BELSORP-mini 등을 사용하여 측정한다. 그리고, 얻어진 질소 흡착 등온선으로부터 BET 의 식에 의해 다점법에 의한 해석을 실시하고, 얻어진 곡선의 상대압 p/p0 = 0.01 ∼ 0.1 의 영역에서의 직선으로부터 비표면적을 산출할 수 있다.
또, 활성탄 입자의 세공 용적은 0.5 ∼ 1.2 ㎖/g, 나아가서는 0.7 ∼ 1.0 ㎖/g 인 것이 바람직하다. 세공 용적이 지나치게 작은 경우에는, 전극의 극성을 반대로 하여 활성탄 시트의 표면에 흡착된 이온을 탈리시킬 때에 이온이 잘 탈리되지 않게 되는 경향이 있다. 또, 세공 용적이 지나치게 큰 경우에는, 체적당 성능이 저하되는 경향이 있다. 세공 용적은, 예를 들어, 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 활성탄의 77K 에 있어서의 질소 흡착 등온선을 BELSORP-mini 등을 사용하여 측정한다. 그리고, 상대압 p/p0 = 0.99 에 있어서의 표준 상태에서의 질소 흡착 체적 (㎖/g) 으로부터 이하의 식에 의해 세공 용적을 산출할 수 있다.
세공 용적 = (p/p0 = 0.99 에 있어서의 표준 상태에서의 질소 흡착 체적) × 28/22400/0.808
또, 활성탄 입자의 평균 세공 직경은 1.5 ∼ 2.4 ㎚, 나아가서는 1.6 ∼ 2.2 ㎚ 인 것이 바람직하다. 평균 세공 직경이 지나치게 작은 경우에는, 전극의 극성을 반대로 하여 활성탄 시트의 표면에 흡착된 이온을 탈리시킬 때에 이온이 잘 탈리되지 않게 되는 경향이 있다. 또, 평균 세공 직경이 지나치게 큰 경우에는, 체적당 성능이 저하되는 경향이 있다. 평균 세공 직경은 상기 서술한 바와 같이 구해진 비표면적과 세공 용적으로부터 이하의 식에 의해 산출할 수 있다.
평균 세공 직경 = 세공 용적 × 4000/비표면적
또, 활성탄 입자의 표면 관능기량은 0.1 ∼ 0.8 meq/g, 나아가서는 0.2 ∼ 0.5 meq/g 인 것이 바람직하다. 표면 관능기량이 지나치게 적은 경우에는, 활성탄 입자의 표면 전하의 영향으로부터 시트 성형이 곤란해지는 경향이 있다. 또, 표면 관능기량이 지나치게 많은 경우에는, 성능의 내구성이 저하되는 경향이 있다. 표면 관능기량은, 예를 들어, 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 120 ℃ 로 조절한 항온 건조기로 8 ∼ 10 시간 진공 건조시킨 후, 건조제로서 실리카 겔을 넣은 데시케이터 중에서 방랭한다. 그리고, 100 ㎖ 의 공전 (共栓) 삼각 플라스크에 방랭된 활성탄 1 g 을 0.1 ㎎ 의 단위까지 정확하게 계량하여 넣는다. 그리고, 활성탄을 계량하여 넣은 공전삼각 플라스크에, N/10 나트륨에톡시드에탄올 용액을 50 ㎖ 첨가하고, 160 rpm, 25 ℃ 에서 24 시간 진탕한다. 그리고, 진탕 후, 원심 분리에 의해 상청과 침전을 분리하고, 상청액 20 ㎖ 를 100 ㎖ 삼각 플라스크에 정확하게 계량하여 넣고, pH 4.0 이 되는 점을 적정 (滴定) 종점으로 하여 N/10 염산으로 적정하여, 시료 적정량을 구한다. 한편, 시료를 함유하지 않는 용액으로 공시험을 실시하여, 공시험 적정량도 구한다. 그리고, 다음 식에 의해 표면 관능기량을 산출한다.
표면 관능기량 = ((공시험 적정량)-(시료 적정량)) × 0.1 × f (염산 팩터) × 50/20
활성탄 시트는 활성탄 입자와 바인더를 함유하는 혼합물을 시트상으로 성형함으로써 얻어진다. 또한, 바인더로는, 정수용으로 사용되는 경우에는, 생체 위해성이 없는 바인더를 사용하는 것이 바람직하다. 활성탄 시트 중에 함유되는 활성탄 입자의 비율은 50 ∼ 99 질량％, 나아가서는 80 ∼ 95 질량％ 인 것이 바람직하다. 활성탄 시트 중에 함유되는 활성탄 입자의 비율이 지나치게 낮은 경우에는 성능이 저하되는 경향이 있다.
바인더의 구체예로는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 플루오로에틸렌-퍼플루오로알콕시에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 에틸렌-메타크릴산 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드 등을 들 수 있다. 이 중에서는 폴리테트라플루오로에틸렌이 결착성이나 안정성 등의 관점에서 바람직하다.
활성탄 시트는 추가로 도전재를 함유해도 된다. 도전재를 배합함으로써, 활성탄 시트에 우수한 도전성을 부여할 수 있다. 이와 같은 도전재의 구체예로는, 예를 들어, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 흑연 등의 탄소계 재료；금, 백금, 은 등의 귀금속；질화티탄, 티탄실리콘카바이드, 탄화티탄, 붕화티탄, 붕화지르코늄 등의 고도전성 세라믹스；등을 들 수 있다. 이 중에서는, 탄소계 재료가 비용이나 가공성이 우수한 점에서 바람직하다.
활성탄 시트의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 200 ∼ 500 ㎛ 정도인 것이 전기 저항이 지나치게 높지 않은 점에서 바람직하다.
세퍼레이터의 구체예로는, 예를 들어, 합성 섬유의 수지 네트, 직물, 지상 (紙狀) 의 집합체, 합성 섬유 또는 재생 섬유를 집적시킨 부직포 등을 들 수 있다. 이 중에서는, 수지 네트나 부직포, 특히 수지 네트가 통액성 및 경제성이 우수한 점에서 바람직하다.
세퍼레이터의 재질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리에테르에테르케톤 등을 들 수 있다. 이 중에서는, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 특히 폴리에틸렌테레프탈레이트가 저비용성이나 가공성이 우수한 점에서 바람직하다.
세퍼레이터의 두께는 50 ∼ 250 ㎛, 나아가서는 70 ∼ 150 ㎛ 인 것이 바람직하다. 세퍼레이터의 두께가 지나치게 두꺼운 경우에는 통전시에 셀 간의 전기 저항이 높아짐으로써 이온의 포착 능력이 저하되는 경향이 있다. 또, 지나치게 얇은 경우에는, 통액 저항이 커지는 경향이 있다.
또, 세퍼레이터의 개공률은 20 ∼ 80 ％, 나아가서는 30 ∼ 70 ％ 인 것이 바람직하다. 세퍼레이터의 개공률이 지나치게 작은 경우에는, 통액 저항이 지나치게 커져 통액이 곤란해지는 경우가 있다. 또, 지나치게 큰 경우에는, 개공부에서 내부 단락되어 통액형 캐패시터로서의 성능을 발현할 수 없게 될 우려가 있다.
아니온 교환막도 특별히 한정은 되지 않지만, 구체적으로는, 예를 들어, 4 급 아미노기 등의 아니온 교환기를 갖는 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 불소계 수지 등의 이온 교환 수지를 함유하는 막을 들 수 있다. 또, 카티온 교환막도 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는, 예를 들어, 술폰기, 카르복실기 등의 카티온 교환기를 갖는 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 불소계 수지 등의 이온 교환 수지를 함유하는 막을 들 수 있다.
도 4 는 제 1 실시형태의 통액형 캐패시터 (100) 를 구비한 탈이온액 제조 장치 (200) 의 구성을 설명하기 위한 모식 설명도이다. 통액형 캐패시터 (100) 를 구비한 탈이온액 제조 장치 (200) 의 동작에 대해 도 4 를 참조하면서 설명한다. 탈이온액 제조 장치 (200) 는, 통액형 캐패시터 (100) 와, 직류 전원 (20) 과, 통액형 캐패시터 (100) 를 수용하는 용기 (30) 를 구비한다. 직류 전원 (20) 은 정극측 및 부극측을 서로 교환 가능하게, 통액형 캐패시터 (100) 의 제 1 전극 (1) 또는 제 2 전극 (2) 을 체결하는 체결 볼트 (5a, 5b) 에 배선 (20a, 20b) 에 의해 접속되어 있다. 용기 (30) 는, 통액형 캐패시터 (100) 에 이온성 물질을 함유하는 피처리액을 공급하기 위한 급액구 (31) 및 통액형 캐패시터 (100) 에 의해 처리된 처리액을 배출하기 위한 배액구 (32) 를 구비한다. 또, 용기 (30) 는 체결 볼트 (5a, 5b) 에 통전하기 위한 단자 (15a, 15b) 를 구비하고 있다.
탈이온액 제조 장치 (200) 에 의해 이온성 물질을 함유하는 피처리액의 탈이온 처리를 하기 위해서는, 먼저, 급액구 (31) 로부터 용기 (30) 내에 이온성 물질을 함유하는 물 등의 피처리액 (W1) 을 급액한다. 피처리액 (W1) 은, 용기 (30) 내에서 도 4 중에 화살표로 나타낸 유로를 따라 통액된다. 그리고, 피처리액 (W1) 은, 통액형 캐패시터 (100) 의 중앙부에 형성된 통액공 (8) 을 거쳐, 배액구 (32) 로부터 배출된다. 피처리액 (W1) 을 급액하면서 직류 전원 (20) 으로부터 체결 볼트 (5a, 5b) 에 각각 접속된 단자 (15a, 15b) 를 통하여 통액형 캐패시터 (100) 에 전압을 인가한다. 그리고, 전압을 인가하면서, 용기 (30) 의 배액구 (32) 로부터 탈이온액을 배출한다.
피처리액 (W1) 에 함유되어 있는 이온은 제 1 전극 (1) 과 제 2 전극 (2) 사이를 통과할 때에, 제 1 다공질 탄소 시트 (1b) 및 제 2 다공질 탄소 시트 (2b) 에 정전적으로 흡착되어 포착된다. 그리고, 제 1 다공질 탄소 시트 (1b) 또는 제 2 다공질 탄소 시트 (2b) 의 표면에 다량의 이온이 흡착된 경우에는, 밸브 (V1) 를 열고 밸브 (V2) 를 닫음으로써 이온 농축액 회수 경로로 전환한다. 그리고, 전극의 극성을 반대로 함으로써, 농축된 이온을 회수할 수 있다. 이와 같이 하여, 제 1 다공질 탄소 시트 및 제 2 다공질 탄소 시트의 흡착 능력을 재생시킬 수 있다.
전극을 전환하는 사이클은 특별히 한정되지 않지만, 흡착 공정과 탈리 공정을 흡착 공정의 시간/탈리 공정의 시간이 1 ∼ 5, 나아가서는 1.5 ∼ 4.5 가 되도록 반복하여 전환하는 것이 바람직하다.
통액형 캐패시터 (100) 의 셀 (10) 의 각 캐패시터의 작용에 대해 설명한다.
도 5a 에 나타내는 바와 같이, 통액형 캐패시터 (100) 에 전압이 인가되기 전에는, 각 셀 (10) 에 피처리액 (W1) 을 통액해도 액 중의 아니온 (-) 및 카티온(＋) 은 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 에 포착되지 않고, 양 전극 간을 그냥 지나친다. 도 5b 에 나타내는 바와 같이, 제 1 전극 (1) 에 직류 전원의 부극측, 제 2 전극 (2) 에 직류 전원의 정극측을 접속함으로써 양극 간에 전압을 인가한 경우, 카티온은 제 1 전극 (1) 의 표면에 배치된 카티온 교환막 (1c) 을 통과할 수 있기 때문에 제 1 전극 (1) 의 제 1 다공질 탄소 시트 (1b) 에 흡착되고, 한편 아니온은 제 2 전극 (2) 의 표면에 배치된 아니온 교환막 (2c) 을 통과할 수 있기 때문에 제 2 전극 (2) 의 제 2 다공질 탄소 시트 (2b) 에 흡착된다. 그리고, 통액량이 증가함으로써, 서서히 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 의 이온 흡착량이 증가되어, 이온 보충능이 서서히 저하되어 간다. 그리고, 도 5c 에 나타내는 바와 같이, 제 1 전극 (1) 에 직류 전원의 정극측, 제 2 전극 (2) 에 직류 전원의 부극측을 접속하여 양극 간에 흡착시와는 반대의 전압을 인가한다. 이 경우, 제 1 전극 (1) 에 흡착된 카티온 및 제 2 전극 (2) 에 흡착된 아니온이 탈리되어, 통액되는 액 중에 방출된다. 이 때, 방출된 카티온은 제 2 전극 (2) 의 표면에 배치된 아니온 교환막 (2c) 을 통과할 수 없기 때문에, 제 2 전극 (2) 에 흡착되지 않는다. 마찬가지로, 방출된 아니온은 제 1 전극 (1) 의 표면에 배치된 카티온 교환막 (1c) 을 통과할 수 없기 때문에, 제 1 전극 (1) 에 흡착되지 않는다. 이와 같이, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 에 이온이 재흡착되는 것이 억제되기 때문에, 이 때 통액된 액에는 고농도의 이온이 함유된다. 따라서, 이 고농도의 이온을 함유하는 액을 정기적으로 배출함으로써, 액 중의 이온을 효율적으로 제거할 수 있다.
통액형 캐패시터 (100) 를 이용하여 액 중의 이온 제거를 실시하기 위한 통액 방식으로는, 피처리액의 원액을 전체량 여과하는 전체 여과 방식을 채용해도 되고, 순환 여과 방식을 채용해도 된다. 통액 조건은 특별히 한정되지 않지만, 5 ∼ 100 hr- 1 의 공간 속도 (SV) 로 실시하는 것이 압력 손실이 지나치게 높아지지 않는 점에서 바람직하다.
또한, 배출된 액의 전기 전도도와 통액 개시부터 유통시킨 통액량의 관계를 2 차원적으로 플롯함으로써, 이온 제거 능력 상태를 모니터할 수 있다. 또, 액 중의 이온 농도는 물의 전기 전도도와 상관이 있기 때문에, 탈이온 처리 전과 탈이온 처리 후의 액의 전기 전도도를 측정함으로써, 이온 제거율을 계산할 수 있다. 또, 액 중의 이온 농도는, 예를 들어 이온 크로마토그래피 등의 방법에 의해 측정할 수도 있다.
탈이온액 제조 장치 (200) 에 전력을 공급하는 직류 전원 (20) 의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 100 V 의 가정용 전원으로부터 전압을 조정하고, 직류화하여 사용해도 되고, 전지, 축전지를 사용하여 전력을 공급해도 된다. 또, 옥외에서 사용하는 경우에는, 태양 전지, 풍력 발전기, 연료 전지, 코제네레이터 등의 독립 전원을 사용해도 된다. 또, 통액형 캐패시터 자체가 축전 능력을 갖기 때문에, 복수의 통액형 캐패시터를 접속하여, 서로 축전된 전력을 교대로 전원으로서 사용해도 된다. 직류 전원의 전압은 특별히 한정되지 않지만, 본 실시형태의 통액형 캐패시터 (100) 를 사용한 경우에는, 1.5 ∼ 2 V 와 같은 낮은 전압에서도 운전 가능하다.
이상 설명한 본 발명의 통액형 캐패시터 및 탈이온액 제조 장치는, 단독으로, 이온성 물질을 함유하는 물 등의 탈이온 처리에 사용해도 되고, 그 밖의 공지된 정수 수단 등의 수처리 수단과 조합하여 사용해도 된다. 공지된 수처리 수단의 구체예로는, 예를 들어, 부직포 필터, 세라믹 필터, 활성탄 등의 각종 흡착재, 미네랄 첨가재, 세라믹 여과재, 중공사막 여과재, 이온 흡착재 등을 포함하는 수처리 수단을 들 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명의 범위는 이하의 실시예의 내용에 의해 조금도 한정되는 것은 아니다.
실시예
[실시예 1］
다공질 탄소 시트로서, 중심 입자경 6 ㎛, 비표면적 1700 ㎡/g, 세공 용적 0.73 ㎖/g, 평균 세공 직경 1.7 ㎚, 표면 관능기량 0.33 meq/g 의 활성탄 입자 (야자 껍질을 원료로 하는 활성탄 입자, 구라레 케미칼 (주) 제조 GW-H) 100 질량부에 대해, 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더 10 질량부를 함유하는 활성탄 시트 A1 을 사용하였다. 활성탄 시트 A1 은 두께 250 ㎛ 이고, 세로 60 ㎜, 가로 60 ㎜ 로 재단한 것을 사용하였다.
집전체 시트로서, 팽창 흑연을 압축 성형하여 형성된 두께 250 ㎛ 의 흑연 시트 (SGL 카본 재팬 (주) 제조의 SIGRAFLEX S GRAFHITE FOIL) 를 세로 60 ㎜, 가로 60 ㎜ 이고, 또한, 하나의 변의 중앙에 대해 균등하게, 세로 50 ㎜, 가로 20 ㎜ 의 탭부를 2 개 갖는 형상으로 재단한 것을 사용하였다. 추가로, 탭부에는 중앙부에 적층체를 체결하기 위한 볼트를 통과시키는 직경 6.5 ㎜ 의 구멍을 형성하였다.
또, 세퍼레이터로서, 두께 90 ㎛, 선 직경 62 ㎛, 메시 (opening size) 80 ㎛, 개공률 32 ％ 의 폴리에스테르제 수지 네트 (Sefar AG 제조의 PETEX07-80/32) 를 세로 68 ㎜, 가로 68 ㎜ 로 재단한 것을 사용하였다.
또한 아니온 교환막으로서 두께 130 ㎛ 의 아사히 유리 (주) 제조의 세레미온 AMV, 카티온 교환막으로서 두께 130 ㎛ 의 아사히 유리 (주) 제조의 세레미온 CMV 를 세로 64 ㎜, 가로 64 ㎜ 로 재단한 것을 사용하였다.
상기 서술한 활성탄 시트, 집전체 시트, 세퍼레이터, 아니온 교환막 및 카티온 교환막을 적층하여 적층체를 형성하였다. 구체적으로는, 집전체 시트, 활성탄 시트, 카티온 교환막, 세퍼레이터, 아니온 교환막, 활성탄 시트, 집전체 시트, 활성탄 시트, 아니온 교환막···카티온 교환막, 활성탄 시트, 집전체의 순서로 적층하여, 10 셀의 캐패시터 구조를 갖는 적층체를 형성하였다. 또한, 적층체는 각 구성 요소의 세로 60 ㎜, 가로 60 ㎜ 의 영역이 중첩되고, 각 집전체 시트의 탭부는 세퍼레이터를 협지한 최근층의 탭부끼리가 서로 반대 방향을 향하도록 배치하였다. 또, 최상층을 제외한 각 층을 형성하는 집전체 시트, 세퍼레이터, 아니온 교환막 및 카티온 교환막의 각각의 중앙부에는, 탈이온된 피처리액을 통액하기 위한 직경 9 ㎜ 의 통액공을 형성하고 있었다.
그리고, 도 2a 및 도 2b 에 나타낸 바와 같이, 적층체의 각 방향에서 중첩되어 있는 복수의 탭끼리를 각각 2 개의 티탄제의 볼트 (합계로 4 개) 및 너트로 체결함으로써 적층체를 고정시켰다. 이 때, 동 방향의 탭부 사이에는, 폭 20 ㎜, 두께 100 ㎛ 의 1 장의 띠 형상의 티탄박을 도 1 에 나타낸 바와 같이 시트면에 중첩하도록 하여, 탭부를 개재하여 접히도록 배치하였다. 또, 볼트의 체결시에 체결압으로 집전체가 파손되는 것을 방지하기 위해, 적층체의 최상층 및 최하층과 볼트의 헤드 사이에는 각각 두께 2 ㎜, 폭 15 ㎜ 의 티탄판을 배치하였다. 이와 같이 하여, 통액형 캐패시터인 적층체가 체결 고정되었다.
그리고, 얻어진 통액형 캐패시터를 수지제의 용기에 수용하였다. 또한, 용기는, 내형이 세로 170 ㎜, 가로 70 ㎜, 높이 50 ㎜ 의 대략 직육면체 형상이고, 직경 9 ㎜ 의 급액로 및 직경 9 ㎜ 의 배액로를 구비하고 있었다. 또, 용기의 정면에는 용기에 수용된 통액형 캐패시터의 티탄제 볼트와 전기적으로 접속된 2 개의 전극의 단자가 배치되어 있었다. 용기 내에 통액형 캐패시터를 밀폐 수용함으로써, 탈이온액 제조 장치를 제조하였다. 그리고, 외부로 노출된 각 단자에 직류 전원의 부극측과 정극측을 각각 접속하였다.
그리고, 얻어진 탈이온액 제조 장치에 약 1000 μS/㎝ 의 식염수를 100 ㎖/분의 유량으로 통과시켰다. 그리고, 각 전극의 단자에 직류 전원으로부터 전력을 공급하였다. 또한, 전력 공급은 전압 상한 1.5 V, 전류 상한 20 A 의 정전류정 전압 제어 (CC-CV) 에 의해 실시하였다. 또한, 활성탄 시트를 재생시키기 위해서, 단자에 접속한 직류 전원의 극성을 정기적으로 반대로 하였다. 구체적으로는 흡착시 180 초-탈리시 60 초의 사이클을 1 사이클로 하여 극성을 역전시켜, 이 사이클을 복수 사이클 반복하는 운전을 실시하였다. 시간 (초) 에 대해 플롯한 전류 및 전압의 변화를 도 6 의 그래프에 나타낸다.
소정의 통수량마다 탈이온액 제조 장치로부터 배출된 처리수의 전기 전도도를 측정하고, 원수 (原水) 인 식염수의 전기 전도도와 처리수의 전기 전도도로부터 이온의 제거율을 산출하였다. 구체적으로는, 탈이온액 제조 장치에 공급되는 물의 전기 전도도 (μS/cm) 및 탈이온액 제조 장치로부터 배출되는 물의 전기 전도도 (μS/cm) 를 측정하고, 하기 식에 의해 이온 제거율을 산출하였다.
이온 제거율 (％) = (공급수의 전기 전도도-배출수의 전기 전도도)/배출수의 전기 전도도 × 100
또한, 흡착시에는 배출되는 물의 전기 전도도가 저하되고, 탈리시에는 배출되는 물의 전기 전도도가 증가한다. 흡착량은 1 사이클째에 최대가 되고, 사이클을 거듭할 때마다 서서히 저하된다. 흡착과 탈리의 밸런스가 안정적인 10 사이클째의 흡착량을 셀의 흡착량으로서 취급하였다. 시간 (초) 에 대해 플롯한 전기 전도도의 변화를 도 7 의 그래프에 나타낸다. 평균 제거율을 산출한 결과 84 ％ 였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
[실시예 2 ∼ 4］
100 ㎖/분의 유량으로 물을 통과시키는 대신에, 250 ㎖/분, 400 ㎖/분, 또는 1000 ㎖/분의 유량으로 물을 통과시킨 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 탈이온액 제조 장치의 특성을 평가하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
[실시예 5 ∼ 8］
10 셀의 캐패시터 구조를 갖는 적층체를 형성하는 대신에, 동일한 순서로 각층을 적층한 20 셀의 캐패시터 구조를 갖는 적층체를 형성하고, 통액형 캐패시터 및 탈이온액 제조 장치를 제조한 것 이외에는, 실시예 1 ∼ 4 와 동일하게 하여 탈이온액 제조 장치의 특성을 평가하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
[비교예 1 ∼ 8］
탭부 간에 티탄박을 배치하지 않고 통액형 캐패시터 및 탈이온액 제조 장치를 작성한 것 이외에는, 실시예 1 ∼ 8 과 동일하게 하여 탈이온액 제조 장치의 특성을 평가하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
실시예 1 ∼ 4 와 비교예 1 ∼ 4 의 비교, 및 실시예 5 ∼ 8 과 비교예 5 ∼ 8 의 결과를 플롯한 도 8 로부터, 동일한 셀 수의 통액형 캐패시터를 동일한 통수 유량으로 운전한 경우, 탭부에 티탄박을 배치한 실시예는 비교예보다 현저하게 이온의 평균 제거율이 높아져 있는 것을 알 수 있다. 또, 특히, 통수 유량이 400 ㎖/분 이하인 경우에 있어서는, 통수량이 증가하면 할수록, 티탄박을 배치하는 것에 의한 이온의 평균 제거율의 향상이 현저하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 평균 제거율의 향상은 티탄박을 배치함으로서, 집전체가 시트면에 대해 평행 방향으로 접속되어, 전기 전도도가 향상되었기 때문인 것으로 생각된다.
산업상 이용가능성
본 발명의 통액형 캐패시터 및 탈이온액 제조 장치는 탈염 처리가 요구되는 각종 용도에 사용된다. 구체적으로는, 예를 들어, 수도물이나 공업용수의 탈염 처리나, 해수 담수화 장치, 지하수의 음료 적용수 장치 등 폭넓은 용도에 적용할 수 있다. 특히, 본 발명의 통액형 캐패시터 및 탈이온수 제조 장치는 이온 흡착 능력이 높기 때문에, 적은 전력으로 운전 가능하다. 따라서, 예를 들어, 가정용 수도로부터의 물을 처리하는 각종 정수 장치, 더욱 구체적으로는, 가정용 정수기나 연수기, 화장실의 변좌 등에 구비되는 국부 세정 장치 등에 구비되는 세정수의 탈염 장치로서 바람직하게 사용될 수 있다.
1, 101 : 제 1 전극
1a, 1a' : 제 1 집전체 시트
1b, 1b' : 제 1 다공질 탄소 시트
1c : 카티온 교환막
1d, 2d, D : 탭부
2, 102 : 제 2 전극
2a : 제 2 집전체 시트
2b : 제 2 다공질 탄소 시트
2c : 아니온 교환막
3 : 세퍼레이터
4 : 금속판
5a, 5b : 체결 볼트
6a, 6b, C : 도전성 시트
8 : 통액공
10, 120 : 셀
15a, 15b : 단자
20 : 직류 전원
30 : 용기
31 : 급액구
32 : 배액구
100, 110 : 통액형 캐패시터
200 : 탈이온액 제조 장치
W1 : 피처리액
V1, V2 : 밸브
1a, 1a' : 제 1 집전체 시트
1b, 1b' : 제 1 다공질 탄소 시트
1c : 카티온 교환막
1d, 2d, D : 탭부
2, 102 : 제 2 전극
2a : 제 2 집전체 시트
2b : 제 2 다공질 탄소 시트
2c : 아니온 교환막
3 : 세퍼레이터
4 : 금속판
5a, 5b : 체결 볼트
6a, 6b, C : 도전성 시트
8 : 통액공
10, 120 : 셀
15a, 15b : 단자
20 : 직류 전원
30 : 용기
31 : 급액구
32 : 배액구
100, 110 : 통액형 캐패시터
200 : 탈이온액 제조 장치
W1 : 피처리액
V1, V2 : 밸브
Claims (12)
- 복수의 셀이 적층되어 형성된 통액형 캐패시터로서,
상기 셀은, 제 1 전극과, 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 개재되는 세퍼레이터를 구비하고,
상기 제 1 전극은, 흑연 시트로 이루어지는 제 1 집전체 시트와, 그 제 1 집전체 시트에 적층된 제 1 다공질 탄소 시트와, 그 제 1 다공질 탄소 시트에 적층된 카티온 교환막을 구비하고,
상기 제 2 전극은, 흑연 시트로 이루어지는 제 2 집전체 시트와, 그 제 2 집전체 시트에 적층된 제 2 다공질 탄소 시트와, 그 제 2 다공질 탄소 시트에 적층된 아니온 교환막을 구비하고,
상기 카티온 교환막과 상기 아니온 교환막은 상기 세퍼레이터를 개재하여 대향하도록 배치되어 있고,
상기 제 1 집전체 시트 및 상기 제 2 집전체 시트의 적어도 일방은, 상기 각 다공질 탄소 시트와 대향하지 않는 탭부를 갖고,
적어도 2 개 이상의 상기 탭부끼리는, 그 탭부에 접촉하도록 배치된 도전성 시트로 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 통액형 캐패시터. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 시트는 티탄박 또는 티탄 합금박인, 통액형 캐패시터. - 제 1 항에 있어서,
복수의 상기 탭부끼리는, 적어도 1 개의 금속 볼트에 의해 체결되어 있는, 통액형 캐패시터. - 제 2 항에 있어서,
복수의 상기 탭부끼리는, 적어도 1 개의 금속 볼트에 의해 체결되어 있는, 통액형 캐패시터. - 제 3 항에 있어서,
상기 금속 볼트는 티탄 또는 티탄 합금으로 형성된 볼트인, 통액형 캐패시터. - 제 4 항에 있어서,
상기 금속 볼트는 티탄 또는 티탄 합금으로 형성된 볼트인, 통액형 캐패시터. - 제 3 항에 있어서,
상기 금속 볼트는 볼트 헤드를 갖고, 상기 볼트 헤드와 상기 도전성 시트 사이에는 티탄 또는 티탄 합금으로 형성된 금속판이 개재되어 있는, 통액형 캐패시터. - 제 5 항에 있어서,
상기 금속 볼트는 볼트 헤드를 갖고, 상기 볼트 헤드와 상기 도전성 시트 사이에는 티탄 또는 티탄 합금으로 형성된 금속판이 개재되어 있는, 통액형 캐패시터. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 통액형 캐패시터와, 직류 전원과, 상기 통액형 캐패시터를 수용하는 용기를 구비하고,
상기 직류 전원은 정극측 및 부극측의 극성을 서로 교환 가능하게, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 접속되어 있고,
상기 용기는, 상기 통액형 캐패시터에 이온성 물질을 함유하는 액체를 공급하기 위한 급액구, 및 상기 통액형 캐패시터로부터 처리된 액체를 배출하기 위한 배액구를 구비하는 것을 특징으로 하는 탈이온액 제조 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 직류 전원의 전압이 1.5 ∼ 2 V 의 범위인, 탈이온액 제조 장치. - 제 9 항에 기재된 탈이온액 제조 장치를 사용하는 탈이온액의 제조 방법으로서,
상기 직류 전원에 의해 상기 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 인가하면서 상기 급액구로부터 이온성 물질을 함유하는 피처리액을 공급함으로써, 각 전극 표면에 상기 이온성 물질에서 유래하는 이온을 흡착시켜, 상기 배액구로부터 상기 이온성 물질이 제거된 처리액을 배출하는 제 1 공정과,
상기 각 전극의 정극과 부극의 극성을 상기 제 1 공정과는 반대로 하여 전압을 인가하면서, 상기 급액구로부터 이온성 물질을 함유하는 피처리액을 공급함으로써, 각 전극 표면에 부착된 상기 이온을 탈리시켜, 상기 배액구로부터 상기 이온을 함유하는 이온 농축액을 배출하는 제 2 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 탈이온액의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 공정과 상기 제 2 공정을, 상기 제 1 공정의 시간/상기 제 2 공정의 시간의 비가 1 ∼ 5 가 되도록 교대로 실시하는, 탈이온액의 제조 방법.
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