KR101526246B1 - Composite Electrode For Water Treatment And Method For Manufacturing The Same And Water Treatment System - Google Patents

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Abstract

전기화학적 탄소전극의 특성과 표면특성이 개질된 수처리용 복합전극이 개시되어 있다. 상기 제올라이트 복합전극은 활물질 65 내지 88 중량%, 탄소를 포함하는 전도성 물질 10 내지 25 중량% 및 바인더 2 내지 10중량%를 포함하는 탄소전극과 상기 탄소전극의 표면에 코팅된 금속산화물 박막을 포함한다. 상술한 구성을 갖는 복합 전극이 적용되는 수처리 장치는 전기화학적 특성의 변화없이 이온의 제거효율이 증가되는 고효율의 수처리 시스템을 구축할 수 있다. There is disclosed a composite electrode for water treatment in which the characteristics and surface characteristics of an electrochemical carbon electrode are modified. The zeolite composite electrode includes a carbon electrode including 65 to 88 wt% of active material, 10 to 25 wt% of a conductive material containing carbon and 2 to 10 wt% of a binder, and a metal oxide thin film coated on the surface of the carbon electrode . The water treatment apparatus to which the composite electrode having the above-described configuration is applied can form a highly efficient water treatment system in which ion removal efficiency is increased without changing the electrochemical characteristics.

Description

수처리용 복합전극 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 수 처리장치{Composite Electrode For Water Treatment And Method For Manufacturing The Same And Water Treatment System }Technical Field [0001] The present invention relates to a composite electrode for water treatment, a method for manufacturing the same,

본 발명은 수 처리용 복합전극과 이의 제조방법 및 수 처리용 복합전극을 포함하는 수 처리장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속산화물 박막으로 표면이 개질화된 수처리용 복합전극과 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수 처리장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a water treatment apparatus comprising a composite electrode for water treatment, a method for producing the composite electrode, and a composite electrode for water treatment, and more particularly to a water treatment composite electrode having a surface modified with a metal oxide thin film, And a water treatment apparatus including the same.

세계적으로 지구 온난화에 의한 가뭄 현상 심화, 지하수 고갈, 사막화 진행과, 인구 증가, 산업화에 의한 생활 및 산업 용수 사용 증가로 인하여 물의 자원으로서의 가치가 증대되고 있어, 해수의 담수화나 생활 및 산업 폐수의 재활용화 등이 새로운 이슈로 등장하고 있다. 또한 산업용 초순수의 제조에 대한 관심이 높아지고, 생활면에서는 먹고, 씻을 맑은 물의 수요가 증가함에 따라 고효율의 이온 제거 장치의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Globally, the value of water resources is increasing due to the deepening of drought phenomenon caused by global warming, the depletion of groundwater, the progress of desertification, population increase, industrialization, and the increase in industrial water usage. Therefore, desalination of seawater, recycling of living and industrial wastewater Etc. are emerging as new issues. In addition, as interest in the production of ultra pure water for industrial use increases, the demand for clean water that can be eaten and washed increases in living, and research on the development of high efficiency ion removing apparatus is actively carried out.

또한, 경수(hard water)를 공업용수 및 생활용수로 사용할 경우 세제가 잘 풀리지 않을 뿐만 아니라 이가 양이온(Ca2+,Mg2+등)에 의한 스케일의 형성으로 공업적, 위생적 문제를 야기한다. 따라서 경수의 사용으로 인한 피해를 줄이기 위해서는 연수화 공정이 필수적이며, 이에 대한 기술력 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 수중에 존재하는 방사성 Cs+이온의 제거 및 Li+이온 등의 회수는 환경 및 공업 분양에서 중요하게 인식되고 있다In addition, when hard water is used as industrial water and domestic water, detergent is not solved easily, and the formation of scales by cations (Ca 2+ , Mg 2+, etc.) causes industrial and hygienic problems. Therefore, in order to reduce the damage caused by the use of hard water, softening process is indispensable. In addition, removal of radioactive Cs + ions present in the water and recovery of Li + ions are recognized as important in environment and industrial sale

현재 이온물질을 제거하는 기술은 주로 증발법, 역삼투막법 및 이온교환수지법을 이용하고 있으며, 증발법과 역삼투막법은 높은 에너지 소비에 따른 운전비용 및 운전상의 문제점 등을 가지고 있고 가장 폭 넓게 사용하는 이온교환수지법은 재생할 때 산(Acid)이나 소금(NaCl)을 과량 사용하므로 2차 오염물질을 만드는 단점을 가지고 있다.At present, technologies for removing ionic materials mainly use evaporation method, reverse osmosis membrane method and ion exchange resin method. Evaporation method and reverse osmosis method have operation cost and operation problem due to high energy consumption, and most widely used ion The exchange resin method has a disadvantage of producing secondary pollutants because it uses excess acid or salt (NaCl) during regeneration.

기존의 용존 이온 제거기술들이 가진 단점들을 보완하고 저 에너지 소비형의 새로운 이온 제거기술을 개발하고자 세계 여러 나라에서 연구들이 진행 중이며, 이러한 신 개념의 이온 제거기술에는 미국 LLNL, Sabrex of Texas 등에서 개발 중에 있는 전기 흡착식 이온제거(CDI ; Capacitive Deionization) 기술이 있다.In order to overcome the disadvantages of existing ion-ion removal technologies and to develop a new ion-depletion technology with low energy consumption, researches are underway in various countries around the world. Such new concept ion depleting technologies are being developed in LLNL, Sabrex of Texas And capacitive deionization (CDI) technology.

전기 흡착식 이온 제거기술인 CDI기술은 다른 방법들에 비해 에너지 소비량이 적으며 기존의 이온 제거기술에서와 달리 화학약품에 의한 세정이 필요 없어 2차 오염이 없는 환경 친화적인 새로운 이온 제거기술이며 유지보수가 간편하다는 장점이 있어 차세대 용존 이온 제거기술로 연구가 활발히 진행되고 있다. CDI technology is a new environmentally friendly ion removal technology that does not require secondary cleaning because it requires less energy consumption compared to other methods and does not require cleaning by chemicals unlike conventional ion removal technology. It is easy to use and it is actively researched by next generation dissolved ion removal technology.

최초의 CDI 공정연구는 1960년대 미국 오클라호마대학 연구진이 다공성 활성탄 전극을 사용하여 해수의 담수화 연구를 하였고 이후 Johnson 등은 활성탄소를 이용하여 CDI 실험을 수행한 바 있다. 그러나 핵심 요소인 전극의 성능저하로 인하여 지속적인 공정의 어려움으로 개발하지 못하였으나 미국의 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 90년대 중반에 탄소에어로젤 전극을 이용한 CDI 공정을 개발하는 등의 연구가 진행되었고 그 밖에 활성 탄소 섬유, 탄소나노튜브 등을 전극 활물질로 사용한 CDI 공정 개발에 대한 연구도 진행된 바 있다. In the first CDI process, researchers at the University of Oklahoma in the US in the 1960s studied seawater desalination using porous activated carbon electrodes, and Johnson et al. Conducted CDI experiments using activated carbon. However, the development of the CDI process using carbon airgel electrodes in the mid-1990s at Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in the United States was carried out. Research has also been conducted on the development of a CDI process using active carbon fibers and carbon nanotubes as an electrode active material.

또한, 대한민국 출원특허 제2010-0119911호에는 탄소복합체로서, 지지체인 탄소체에 활전극물질을 적층함으로써 전극의 흡착용량을 높이면서 공정상의 운전과정에서 이온들의 흡탈착 능력이 우수하고 탄소복합체를 제조하는 기술이 개시되어 있다. 상기 탄소복합체를 전극으로 이용하여 수처리 공정시 그 표면의 젖음 특성이 상대적으로 좋지 않아 이온의 접근성이 낮아 CDI의 탈염 성능을 개선하기는 다소 무리가 있다. Korean Patent Application No. 2010-0119911 discloses a carbon composite material in which an electrode active material is laminated on a carbon body supporting the electrode, thereby increasing the adsorption capacity of the electrode, And the like. It is somewhat unreasonable to improve the desalination performance of CDI because the wettability of the surface of the carbon composite material is relatively poor due to the relatively poor accessibility of ions during the water treatment process.

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착안된 기술로서 금속산화물박막의 형성으로 인해 표면이 개질시켜 수처리 공정시 전극의 젖음 현상(wettability)을 극대화 시켜 전극표면으로 이온의 접근성을 향상시켜 CDI의 탈염 성능이 향상되는 수처리용 탄소 복합 전극을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems and it is an object of the present invention to improve the wettability of the electrode during the water treatment process by improving the surface of the electrode due to the formation of the metal oxide thin film, And an object of the present invention is to provide a carbon composite electrode for water treatment having enhanced desalting performance.

또한, 본 발명은 금속산화물 박막의 형성으로 인해 표면이 개질되어 수처리 공정시 전극표면으로 이온의 접근성을 향상되어 CDI의 탈염 성능이 향상된 수처리용 탄소 복합 전극의 제조 방법을 제공하는데 그 목적을 갖는다.It is another object of the present invention to provide a method for producing a carbon composite electrode for water treatment, wherein the surface is modified due to the formation of a metal oxide thin film, thereby improving the accessibility of ions to the electrode surface during the water treatment process and improving the desalination performance of CDI.

또한, 본 발명은 금속산화물 박막의 형성으로 인해 표면이 개질된 수처리 용 복합전극이 적용된 수처리 장치를 제공하는데 그 목적을 갖는다.It is another object of the present invention to provide a water treatment apparatus to which a surface-modified composite electrode for water treatment is applied due to the formation of a metal oxide thin film.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 수처리용 복합전극은 수처리 공정시 양이온을 제거하기 위한 적용되는 수처리용 전극으로서 활물질, 탄소를 포함하는 전도성 물질 및 상기 활물질과 전도성 물질을 결합시키는 바인더를 포함하는 탄소전극; 및 상기 탄소전극의 표면에 코팅된 금속산화물 박막을 포함하는 구성을 갖는다. In order to accomplish the object of the present invention, there is provided a composite electrode for water treatment according to an embodiment of the present invention, which is an electrode for water treatment applied to remove cations in a water treatment process, and includes an active material, a conductive material containing carbon, A carbon electrode; And a metal oxide thin film coated on the surface of the carbon electrode.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 수처리용 제올라이트 복합전극을 제조하기 위해서는 활물질 65 내지 85 중량부, 전도성 물질 10 내지 25 중량부, 바인더 2 내지 10중량부 및 알콜성 용매 3 내지 10 중량부가 혼합된 제올라이트 복합전극 형성용 페이스트를 마련하는 단계; 상기 제올라이트 복합전극 형성용 페이스트를 전극 형상을 갖도록 성형하는 단계; 및 성형된 제올라이트 복합전극 형성용 페이스트를 건조시키는 단계를 수행함으로서 이루어 질 수 있다. In order to accomplish another object of the present invention, there is provided a process for producing a zeolite composite electrode for water treatment according to one embodiment, comprising 65 to 85 parts by weight of an active material, 10 to 25 parts by weight of a conductive material, 2 to 10 parts by weight of a binder, Preparing a paste for forming a zeolite composite electrode mixed with 3 to 10 parts by weight of the paste; Molding the paste for forming a zeolite composite electrode so as to have an electrode shape; And drying the formed paste for forming a zeolite composite electrode.

일 실시예에 따른 수처리용 제올라이트 복합전극 및 이의 제조방법에 있어서, 상기 전극은 제올라이트 입자 65 내지 88 중량%, 전도성 물질 10 내지 25 중량% 및 바인더 2 내지 10중량%를 포함할 수 있다. In one embodiment, the electrode may comprise from 65 to 88 weight percent of zeolite particles, from 10 to 25 weight percent of a conductive material, and from 2 to 10 weight percent of a binder.

일 실시예에 따른 수처리용 복합전극 및 이의 제조방법에 있어서, 상기 활물질은 그래파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 탄소파우더, 카본블랙, 탄소와 금속의 혼합물 및 탄소와 금속의 화합물을 포함할 수 있다. In the composite electrode for water treatment and the method of manufacturing the same according to an embodiment, the active material may include graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, carbon powder, carbon black, a mixture of carbon and metal, and a compound of carbon and metal .

일 실시예에 따른 수처리용 복합전극 및 이의 제조방법에 있어서, 상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 및 폴리플루오린화비닐(PVF)을 포함할 수 있다. In one embodiment, the binder may include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polyvinyl fluoride (PVF).

또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 수처리 장치은 제올라이트 입자들과 탄소를 포함하는 전도성 물질 및 상기 제올라이트 입자와 전도성 물질을 결합시키는 바인더를 포함하는 조성을 갖는 제올라이트 복합전극과, 상기 제올라이트 복합전극과 마주하는 상대전극 및 상기 복합전극과 상대 전극에 전원을 인가하는 전원 제공부를 포함하는 구성을 갖는다. According to another aspect of the present invention, there is provided a water treatment apparatus comprising: a zeolite composite electrode having a composition including zeolite particles, a conductive material containing carbon, and a binder for binding the zeolite particles to a conductive material; A counter electrode facing the zeolite composite electrode, and a power supply unit for applying power to the composite electrode and the counter electrode.

일 실시예에 따른 수처리 장치에 있어서, 상기 복합전극은 제올라이트 입자 65 내지 88 중량%, 전도성 물질 10 내지 25 중량% 및 바인더 2 내지 10중량%를 포함할 수 있다. In a water treatment apparatus according to an embodiment, the composite electrode may include 65 to 88 wt% of zeolite particles, 10 to 25 wt% of a conductive material, and 2 to 10 wt% of a binder.

일 실시예에 따른 수처리 장치에 있어서, 상기 제올라이트 복합전극과 상대 전극 사이에 위치하는 분리막을 더 포함할 수 있다.The water treatment apparatus according to one embodiment may further include a separation membrane disposed between the zeolite composite electrode and the counter electrode.

일 실시예에 따른 수처리 장치에 있어서, 상기 상대전극으로 제올라이트 복합전극이 적용될 수 있고, 상기 상대전극으로 탄소를 포함하는 탄소전극 또는 금속을 포함하는 금속전극이 적용될 수 있다. In the water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention, a zeolite composite electrode may be used as the counter electrode, and a carbon electrode including carbon or a metal electrode including a metal may be applied as the counter electrode.

언급한 본 발명의 수처리 복합전극의 경우, 무기물인 금속산화물 박막이 탄소전극 표면에 형성된 구조를 가짐으로서 안정적으로 전기화학적 탈염공정을 수행 수 있다. 또한, 금속산화물박막의 형성으로 인해 표면이 개질시켜 수처리 공정시 전극의 젖음 현상(wettability)을 극대화 시켜 전극표면으로 이온의 접근성을 향상시켜 CDI의 탈염 성능이 향상시킬 수 있다는 장점을 갖고 있다. In the case of the water treatment composite electrode of the present invention, the electrochemical desalination process can be stably performed because the metal oxide thin film is formed on the surface of the carbon electrode. In addition, since the surface of the metal oxide thin film is modified to maximize the wettability of the electrode during the water treatment process, the ion accessibility to the electrode surface can be improved to improve the desalination performance of CDI.

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 수처리용 복합전극을 개략적으로 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 일 실시예에 따른 수처리용 복합전극의 제조방법을 나타내는 공정흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 복합전극이 적용된 수처리 장치를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 수처리용 복합전극의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 4b는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 수처리용 탄소전극의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 4c는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 수처리용 복합전극의 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 4d는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 수처리용 탄소전극의 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 수처리용 복합전극과 비교예의 탄소전극의 순환전압전류 나타내는 그래프이다.
도 6는 본 발명의 수처리용 복합전극과 비교예의 탄소전극의 전기 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 수처리용 복합전극과 비교예의 탄소전극의 이온 제거량을 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic view schematically showing a composite electrode for water treatment according to an embodiment of the present invention.
2 is a process flow diagram illustrating a method of manufacturing a composite electrode for water treatment according to an embodiment of the present invention.
3 is a view schematically showing a water treatment apparatus to which a water treatment composite electrode according to an embodiment of the present invention is applied.
4A is a SEM photograph showing the surface of a water treatment composite electrode manufactured according to Example 1 of the present invention.
4B is an SEM photograph showing the surface of the water treatment carbon electrode prepared according to Comparative Example 1 of the present invention.
4C is a SEM photograph showing a cross section of the water treatment composite electrode prepared according to Example 1 of the present invention.
4D is a SEM photograph showing a cross section of the water treatment carbon electrode prepared according to Comparative Example 1 of the present invention.
5 is a graph showing cyclic voltage currents of the composite electrode for water treatment of the present invention and the carbon electrode of the comparative example.
6 is a graph showing the electrical conductivity of the composite electrode for water treatment of the present invention and the carbon electrode of the comparative example.
7 is a graph showing ion removal amounts of the composite electrode for water treatment of the present invention and the carbon electrode of the comparative example.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 발명의 명확성을 기하기 위해 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 설명하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the invention, and are actually shown in a smaller scale than the actual dimensions in order to explain the schematic configuration. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
On the other hand, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

수처리용 복합전극 및 이의 제조방법Composite electrode for water treatment and manufacturing method thereof

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 수처리용 복합전극을 개략적으로 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view schematically showing a composite electrode for water treatment according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 수처리용 복합전극(100)은 탄소전극(120)의 표면에 전기화학적 탄소전극의 특성과 표면에 물에 대한 젖음 특성이 우수한 금속산화물(무기물) 박막(150)이 형성된 복합의 수처리용 전극이다. Referring to FIG. 1, the water treatment composite electrode 100 according to the present embodiment includes a metal oxide (inorganic) thin film having excellent characteristics of an electrochemical carbon electrode and wetting property on water on the surface of the carbon electrode 120 150) formed thereon.

본 실시예의 수처리용 복합전극(100)은 활물질과, 탄소를 포함하는 전도성 물질 및 바인더를 적용하여 형성된 탄소전극(120)에 상기 탄소전극의 표면의 특성을 개질시키기 위하여 그 표면에 미세 두께의 금속산화물 박막(150)을 형성함으로서 형성될 수 있다.In order to modify the surface characteristics of the carbon electrode 120 formed on the active material, the conductive material containing carbon, and the binder, the water-treatment composite electrode 100 of the present embodiment has a thin metal Oxide thin film 150 may be formed.

일 예로서, 상기 수처리용 복함 복합전극(100)에 포함된 탄소전극을 형성하는데 적용되는 활물질의 예로서는 그래파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 탄소파우더, 카본블랙, 탄소와 금속의 혼합물 및 탄소와 금속의 화합물 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. Examples of the active material applied to form the carbon electrode included in the composite electrode for water treatment 100 include graphite, carbon nanotube, carbon fiber, carbon powder, carbon black, a mixture of carbon and metal, And the like. These may be used singly or in a mixture of two or more.

상기 탄소전극에 포함된 활물질의 함유량이 65 중량% 이하일 경우 수처리용 복합전극(100)을 이용한 수처리 공정시 활물질의 양이 부족하여 정전용량이 매우 감소하여 탈염성능이 저하 되는 문제점이 발생하며, 상기 탄소전극에 포함된 활물질의 함유량이 88 중량%를 초과할 경우,즉 전도성 물질의 약의 감소, 전극의 전도성의 감소로 저항이 증가하는 문제를 갖게 된다. 이에 따라, 상기 탄소전극은 활물질을 65 내지 88 중량% 포함되는 것이 바람직하고, 67 내지 81 중량%가 포함되는 것이 보다 바람직하다. When the content of the active material contained in the carbon electrode is 65 wt% or less, the amount of the active material is insufficient during the water treatment process using the water treatment composite electrode 100, When the content of the active material contained in the carbon electrode exceeds 88 wt%, that is, the resistance of the electrode decreases due to the decrease of the conductivity of the conductive material and the decrease of the conductivity of the electrode. Accordingly, the carbon electrode preferably contains 65 to 88 wt%, more preferably 67 to 81 wt% of the active material.

상기 수처리용 복함 복합전극(100)에 포함된 탄소전극을 형성하는데 적용되는 전도성 물질은 탄소전극의 기능과 전기장 생성 기능을 복합전극에 부여하는 물질이다. 상기 탄소를 포함하는 전도성 물질의 예로서는 나노크기 크기 갖는 탄소 입자를 사용할 수 있다. 일 예로서, 나노 탄소섬유, 나토 탄소파우더 등이 사용되며, 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The conductive material used to form the carbon electrode included in the composite water treatment composite electrode 100 is a material that imparts the function of the carbon electrode and the electric field generation function to the composite electrode. As examples of the conductive material containing carbon, nano-sized carbon particles may be used. As an example, nano carbon fiber, natto carbon powder and the like are used, and they can be used singly or in a mixture of two or more.

상기 탄소전극에서 탄소를 포함하는 전도성 물질의 함유량이 10 중량% 이하일 경우 수처리용 복합전극을 이용한 수처리 공정시 전도성 물질의 양이 부족하여 전극의 전도성 감소로 인해 전극의 저항이 증가하는 문제점이 발행되며, 상기 탄소를 포함하는 전도성 물질의 함유량이 25 중량%를 초과할 경우 수처리 공정시 활물질의 양이 부족하여 정전용량이 매우 감소하여 탈염성능이 저하 되는 문제점이 발생한다. 이에 따라, 상기 탄소전극에서는 탄소를 포함하는 전도성 물질은 10 내지 25 중량%가 포함되는 것이 바람직하고, 12 내지 18 중량%가 포함되는 것이 보다 바람직하다. When the content of the conductive material containing carbon in the carbon electrode is less than 10 wt%, the resistance of the electrode is increased due to a decrease in the conductivity of the electrode due to a shortage of the conductive material during the water treatment process using the water- If the content of the conductive material containing carbon is more than 25% by weight, the amount of the active material may be insufficient during the water treatment process, resulting in a decrease in the electrostatic capacity and a deterioration of the desalination performance. Accordingly, in the carbon electrode, the conductive material containing carbon preferably includes 10 to 25 wt%, more preferably 12 to 18 wt%.

상기 탄소전극에 적용되는 바인더는 복합전극을 구성하는 활물질과 탄소를 포함하는 전도성 물질을 서로 단단하게 결합 또는 부착시키는 결합제로 사용된다. 상기 바인더의 예로서는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 및 폴리플루오린화비닐(PVF)등의 불소수지를 들 수 있다. 이들은 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The binder used for the carbon electrode is used as a binder for firmly bonding or attaching the active material constituting the composite electrode and the conductive material containing carbon. Examples of the binder include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyfluorinated vinylidene (PVDF), and polyfluorinated vinyl (PVF). These may be used singly or in a mixture of two or more.

상기 탄소전극에서 바인더의 함유량이 2 중량% 이하일 경우 수처리용 복합전극을 구성하는 활물질과 전도성 물질의 결합이 약해지는 문제점이 초래된다. 상기 바인더의 함유량이 10 중량%를 초과할 경우 복합전극 내부에서 비전도성을 갖는 바인더 함량의 증가로 인해 복합전극의 전기 전도성이 낮아지는 문제점이 있다. 이에 따라, 상기 탄소전극에서 바인더는 2 내지 10 중량%가 포함되는 것이 바람직하고, 4 내지 8 중량%가 포함되는 것이 보다 바람직하다. When the content of the binder in the carbon electrode is 2 wt% or less, the bonding between the active material and the conductive material constituting the water treatment composite electrode is weakened. When the content of the binder is more than 10% by weight, the electric conductivity of the composite electrode is lowered due to an increase in the content of the binder having a nonconductive property in the composite electrode. Accordingly, the amount of the binder in the carbon electrode is preferably 2 to 10 wt%, more preferably 4 to 8 wt%.

상기 금속산화물 박막(150)은 상기 탄소전극의 표면에 졸-겔 스프레이 증착 공정에 의해 형성된다. 구체적으로 본 실시예의 금속산화물 박막은 금속산화물 전구체를 알코올 용매에 용해시켜 졸-겔 상태로 형성한 후 졸-겔 스프레이 증착방법을 통해 1회 내지 수회 상기 탄소전극 표면에 코팅함으로서 형성된다. 상기 금속산화물 박막은 상기 탄소전극 표면 전체에 약 20 내지 150㎛의 두께를 균일한 두께로 형성되고, 바람직하게는 약 40 내지 100㎛의 두께로 형성된다. The metal oxide thin film 150 is formed on the surface of the carbon electrode by a sol-gel spray deposition process. Specifically, the metal oxide thin film of the present embodiment is formed by dissolving a metal oxide precursor in an alcohol solvent to form a sol-gel state, and coating the surface of the carbon electrode once or several times through a sol-gel spray deposition method. The metal oxide thin film is formed to have a uniform thickness of about 20 to 150 mu m on the entire surface of the carbon electrode, preferably about 40 to 100 mu m.

일 예로서, 고효율 축전식 탈염공정용 복합전극 개발시 무기물 및 이온교환 수지를 첨가하는 기술이 대표적이다. 무기물 첨가를 통한 복합전극의 개발은 무기물의 높은 친수성 특성을 활용하여 이온의 접근성을 향상시키는 방향으로 진행되고 있다. 이 경우, 전극 표면에 노출된 무기물이 전극 표면의 친수성을 높여 물 분자 및 이온의 전극으로의 접촉을 향상시켜 속도적 측면에서 탈염 성능을 향상시키게 된다. As an example, in the development of a composite electrode for a high efficiency electrochemical desalination process, a technique of adding an inorganic material and an ion exchange resin is typical. The development of composite electrodes through the addition of inorganic materials is proceeding in a direction to improve the accessibility of ions by utilizing the high hydrophilic properties of inorganic materials. In this case, the inorganic material exposed on the surface of the electrode increases the hydrophilicity of the surface of the electrode and improves the contact of the water molecule and the ion to the electrode, thereby improving desalination performance in terms of speed.

하지만, 무기물을 첨가할 경우 상대적으로 활물질(ex. 활성탄소)의 양이 감소하기 때문에 전극의 최대 탈염 성능이 감소하게 되므로 실제 공정에 적용하기에는 한계를 갖는다. 이에 본 발명에서는 가격이 높은 이온교환수지를 사용하지 않고, 전극 표면에 금속 산화물을 코팅할 경우에는 전극표면에 이온의 농도 분극을 극대화할 수 있어 이온의 접근성을 향상시켜 전극 자체의 전기화학적 특성에 변화 없이 높은 탈염성능을 가질 수 있는 효과를 갖는다. 즉, 상기 졸겔 방법으로 형성된 금속산화물 박막은 탄소전극의 전기화학적 성능에 영향을 주지 않고도 이온접근성을 향상시켜 고효율의 탈염공정을 구현가능 도록한 효과를 가질 수 있다. However, the addition of an inorganic substance reduces the maximum desalination performance of the electrode because the amount of the active material (ex. Activated carbon) is decreased. Therefore, in the present invention, when a metal oxide is coated on the surface of an electrode without using an ion exchange resin having a high price, concentration polarization of ions can be maximized on the surface of the electrode, thereby improving the accessibility of the ions and improving the electrochemical characteristics It has an effect of having a high desalination performance without change. That is, the metal oxide thin film formed by the sol-gel method can improve ion accessibility without affecting the electrochemical performance of the carbon electrode, thereby achieving a highly efficient desalination process.

일 예로서, 상기 금속산화물 박막은 알루미늄 산화물, 마그네슘 산화물, 티타늄 산화물, 실리콘 산화물 등과 같은 금속산화물이 코팅됨으로서 형성될 수 있다. 본 실시예에 금속산화물 박막은 독성을 갖지 않는 금속 전구체를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. For example, the metal oxide thin film may be formed by coating a metal oxide such as an aluminum oxide, a magnesium oxide, a titanium oxide, a silicon oxide, or the like. In this embodiment, the metal oxide thin film is preferably formed using a metal precursor having no toxicity.

도 2는 본 발명에 일 실시예에 따른 수처리용 복합전극의 제조방법을 나타내는 공정흐름도이다.2 is a process flow diagram illustrating a method of manufacturing a composite electrode for water treatment according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 활물질, 탄소를 포함하는 전도성 물질, 바인더 및 알콜성 용매가 균일하게 분산되어 혼합된 상태를 갖는 탄소전극 형성용 페이스트를 마련한다.(S110)2, a paste for forming a carbon electrode having an active material, a conductive material containing carbon, a binder, and an alcoholic solvent dispersed and mixed uniformly is prepared (S110).

S110 단계에 있어서, 상기 탄소전극 형성용 페이스트는 활물질 65 내지 85중량부, 전도성 물질 10 내지 25 중량부를 혼합하여 단일상의 상태를 갖도록 분산시킨 뒤에 바인더 2 내지 10중량부 및 알콜성 용매 3 내지 10 중량부를 투입 혼합함으로서 제조될 수 있다. In step S110, the carbon electrode forming paste is mixed with 65 to 85 parts by weight of the active material and 10 to 25 parts by weight of the conductive material and dispersed so as to have a single phase state. Then, 2 to 10 parts by weight of the binder and 3 to 10 parts by weight of the alcoholic solvent And then mixing the components.

일 예로서, 상기 활물질로 그래파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 탄소파우더, 카본블랙, 탄소와 금속의 혼합물 및 탄소와 금속의 화합물 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용하고, 전도성 물질로 나노크기 크기 갖는 탄소 입자를 사용하며, 상기 바인더로 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 및 폴리플루오린화비닐(PVF)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 불소수지를 사용한다.For example, the active material may be one selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes, carbon fiber, carbon powder, carbon black, a mixture of carbon and metal, and a mixture of carbon and metal, Carbon particles are used. As the binder, any one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyfluorinated vinylidene (PVDF), and polyfluorinated vinyl (PVF) is used.

이때, 상기 알코올성 용매는 휘발성으로써 혼합물의 중량에 영향을 미치지 않는 것이기 때문에 제올라이트 입자, 전도성 물질, 바인더(접착제) 간의 혼합비만을 고려한다. 알콜성 용매로는 바인더를 용해시킬 수 있는 에탄올을 사용하는 것이 바람직하다.At this time, since the alcoholic solvent is volatile and does not affect the weight of the mixture, only the mixing ratio between the zeolite particles, the conductive material and the binder (adhesive) is considered. As the alcoholic solvent, it is preferable to use ethanol which can dissolve the binder.

이어서, 상기 제올라이트 탄소전극 형성용 페이스트를 전극 형상을 갖도록 성형한다.(S120)Subsequently, the zeolite carbon electrode-forming paste is shaped to have an electrode shape (S120)

S120 단계에 있어서, 전극의 성형은 완성하고자 하는 탄소전극의 크기 및 두께를 갖는 성형틀 또는 성형판에 상기 페이스트를 제공하여 이루어지거나, 상기 페이스트를 박판 형태로 가공하는 것을 포함할 수 있다.In step S120, the electrode may be formed by providing the paste to a molding or molding plate having the size and thickness of the carbon electrode to be completed, or processing the paste into a thin plate shape.

이어서, 성형된 탄소전극 형성용 페이스트를 건조 및 압착하여 수처리용 탄소전극을 형성한다.(S130) Subsequently, the molded carbon electrode-forming paste is dried and pressed to form a carbon electrode for water treatment (S 130)

이어서, 상기 탄소전극의 표면에 금속산화물 박막을 함으로서 수처리용 복합전극을 완성한다.(S140)Subsequently, a metal oxide thin film is formed on the surface of the carbon electrode to complete a water treatment composite electrode (S140)

S140 단계에 있어서, 상기 금속산화물 박막은 알코올 용매에 용해된 금속산화물 형성용 전구체를 탄소전극의 표면에 졸-겔 스프레이 증착 공정을 수행하여 형성된다. 일 예로서, 상기 금속산화물 형성용 전구체로 티타늄 전구체, 실리콘 전구체, 알루미늄 전구체, 마그네슘 전구체 등이 적용될 수 있다. 이때, 상기 금속산화물 박막은 상기 탄소전극 표면 전체에 약 20 내지 150㎛의 두께를 균일한 두께로 형성되고, 바람직하게는 약 40 내지 100㎛의 두께로 형성된다.In step S140, the metal oxide thin film is formed by performing a sol-gel spray deposition process on the surface of the carbon electrode, which is a precursor for forming a metal oxide dissolved in an alcohol solvent. For example, a titanium precursor, a silicon precursor, an aluminum precursor, a magnesium precursor, or the like may be used as the metal oxide-forming precursor. At this time, the metal oxide thin film is formed with a uniform thickness of about 20 to 150 mu m on the entire surface of the carbon electrode, preferably about 40 to 100 mu m.

상술한 방법으로 제조된 수처리용 복합전극은 금속산화물 박막의 이온교환 기능과 탄소전극의 전기화학적 특성을 복합적으로 포함하며 보다 효과적 및 보다 안정적으로 연수 또는 수처리 기능을 수행할 수 있다. 또한, 전극 표면에 금속산화물 박박이 존재함으로 인해 전극 표면의 친수성이 크게 증가하여 물 분자 및 이온의 전극으로의 접촉을 향상시켜 속도적 측면에서 탈염 성능이 향상된다.
The composite electrode for water treatment manufactured by the above-described method includes a combination of the ion exchange function of the metal oxide thin film and the electrochemical characteristics of the carbon electrode, and can more effectively and stably perform the water softening or water treatment function. Further, since the metal oxide foil exists on the surface of the electrode, the hydrophilicity of the surface of the electrode is greatly increased, and the contact of the water molecule and the ion to the electrode is improved to improve the desalination performance in terms of speed.

수처리용 복합전극이 적용된 수처리 장치Water treatment system using composite electrode for water treatment

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 복합전극이 적용된 수처리 장치를 개략적으로 나타내는 도이다.3 is a view schematically showing a water treatment apparatus to which a water treatment composite electrode according to an embodiment of the present invention is applied.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치는(200) 적어도 하나의 수처리용 복합전극을 포함하는 작동전극(210), 상기 작동전극과 마주하는 상대전극(250) 및 상기 작동전극과 상대전극에 전위를 인가하는 전원 제공부(290) 및 분리막(미도시)을 포함하는 구성을 갖는다. Referring to FIG. 3, the water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention includes a working electrode 210 including at least one composite electrode for water treatment 200, a counter electrode 250 facing the working electrode, A power supply unit 290 for applying a potential to the electrode and the counter electrode, and a separator (not shown).

상기 구성을 갖는 수처리 장치(200)는 전기화학적 수처리 시스템으로서 전위 인가의 특성에 따라서 상기 전기화학 수처리 시스템을 대칭형 구조와 비대칭형 구조로 구분할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 작동 전극에 동일한 전위(+,+/ -,-) 를 인가할 수 있는 경우를 대칭형 구조로 정의하였고, 그 이외의 경우를 비대칭형 구조라고 정의하여 다양한 전기화학적 수처리 시스템을 구성할 수 있다. The water treatment apparatus 200 having the above-described configuration is an electrochemical water treatment system, and the electrochemical water treatment system can be divided into a symmetric structure and an asymmetric structure according to the characteristics of potential application. In the present embodiment, a symmetric structure is defined as a case where the same potential (+, + / -, -) can be applied to the working electrode, and the other case is defined as an asymmetric structure to constitute various electrochemical water treatment systems can do.

본 실시예서는 수처리 복합전극을 작동전극(210)으로 사용하고, 상대전극(250)으로는 및 전기화학적으로 안정한 전도성 물질(ex. 그래파이트, Pt/Ti 등)로 이루어진 전극을 사용할 수 있다. 이때, 상기 상대전극과 상기 작동전극은 수처리 조(270) 내에서 서로 가깝게 위치시키며 유로의 형성 및 수처리 복합전극인 작동전극과 상대전극 간의 저항을 최소화하기 위하여 상기 전극들 사이에 분리막(미 도시)을 위치한 구조를 갖는다. 또한 다른 예로서, 상기 수처리 장치는 상기 작동전극과 상대전극(250)으로 모두 수처리 복합전극을 사용할 수 있다.In this embodiment, the water treatment composite electrode may be used as the working electrode 210, and the counter electrode 250 may be formed of an electrochemically stable conductive material (e.g., graphite, Pt / Ti, etc.). At this time, the counter electrode and the working electrode are positioned close to each other in the water treatment tank 270, and a separation membrane (not shown) is formed between the electrodes to minimize the resistance between the working electrode and the counter electrode, . As another example, the water treatment apparatus may use a water treatment composite electrode as both the working electrode and the counter electrode 250.

상기 분리막은 상기 수처리 조(270) 내에서 구비되고, 상기 상대전극(210)과 작동전극(250) 사이에 위치하며, 이온 및 물이 통과할 수 있는 기공을 갖는 비전도성 분리막으로 이온교환막 또는 부직포 등이 사용될 수 있다. The separation membrane is disposed in the water treatment tank 270 and is disposed between the counter electrode 210 and the working electrode 250. The separation membrane is a nonconductive separator having pores through which ions and water can pass, Etc. may be used.

상기 수처리 장치(200)는 상기 수처리 조(270) 내부로 용수를 제공하거나 및 상기 수처리 조 내에서 상기 전극들의 반응으로 인해 수처리된 용수를 배출시키는 펌프를 더 포함할 수 있다.The water treatment apparatus 200 may further include a pump for supplying water into the water treatment tank 270 and discharging the water treated by the reaction of the electrodes in the water treatment tank.

상술한 구성을 갖는 수처리 장치(200)는 이온화 특성 및 전기화학적 특성을 융합함으로써 기존 공정이 갖고 있던 전기화학적 특성을 향상시켜 고효율의 수처리 시스템을 구축할 수 있다. The water treatment apparatus 200 having the above-described structure can improve the electrochemical characteristics of existing processes by fusing ionization characteristics and electrochemical characteristics, thereby constructing a highly efficient water treatment system.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 및 평가예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 하기 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
Hereinafter, embodiments and evaluation examples will be described in more detail to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following examples. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

실시예 1Example 1

복합전극 형성용 페이스트는 그래파이트 78 중량부, 나노입자를 갖는 탄소나노 튜브 15 중량부를 혼합하여 단일상의 상태를 갖도록 분산시킨 뒤에 바인더인 폴리테트라플루오르에틸렌 수지 7 중량부 및 에탄올 4 중량부 투입 혼합하여 도전성 페이스트를 마련하였다. 이후, 상기 도전성 페이스트를 이용하여 탄소 전극으로 성형하는 동시에 건조 및 압착하여 탄소전극을 마련하였다. 이후 탄소전극의 표면에 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)에 용해된 티타늄 전구체(Titanium butoxide)를 졸-겔 스프레이 코팅하여 티타늄 산화물 박막이 약 60 내지 70㎛의 두께로 형성된 수처리용 복합전극을 마련하였다.
78 parts by weight of graphite and 15 parts by weight of carbon nanotubes having nanoparticles were mixed and dispersed so as to have a single phase state, and then 7 parts by weight of polytetrafluoroethylene resin as a binder and 4 parts by weight of ethanol were mixed and mixed to form conductive Paste. Thereafter, the conductive paste was formed into a carbon electrode, dried and compressed to form a carbon electrode. Then, a titanium precursor (titanium butoxide) dissolved in isopropyl alcohol was sol-gel coated on the surface of the carbon electrode to form a titanium oxide thin film having a thickness of about 60 to 70 μm.

비교예 1Comparative Example 1

그래파이트 78 중량부, 나노입자를 갖는 탄소나노 튜브 15 중량부를 혼합하여 단일상의 상태를 갖도록 분산시킨 뒤에 바인더인 폴리테트라플루오르에틸렌 수지 7 중량부 및 에탄올 4 중량부 투입 혼합하여 도전성 페이스트를 마련하였다. 이후, 상기 도전성 페이스트를 이용하여 탄소 전극으로 성형하는 동시에 건조 및 압착하여 탄소전극을 마련하였다.
78 parts by weight of graphite and 15 parts by weight of carbon nanotubes having nanoparticles were mixed and dispersed so as to have a single phase state. Then, 7 parts by weight of a polytetrafluoroethylene resin as a binder and 4 parts by weight of ethanol were added and mixed to prepare a conductive paste. Thereafter, the conductive paste was formed into a carbon electrode, dried and compressed to form a carbon electrode.

수처리 전극의 평가 1Evaluation of water treatment electrode 1

실시예 1에서 제조된 수처리용 복합전극과, 비교예 1에서 제조된 수처리용 탄소전극의 구성을 확인하기 위해 그 표면 및 단면을 주사전자현미경을 이용하여 표면 분석하였다. 그 결과가 도 4a 내지 4d의 SEM 사진에 개시되어있다. 여기셔, 도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 수처리용 복합전극의 표면을 나타내는 SEM 사진이고, 도 4b는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 수처리용 탄소전극의 표면을 나타내는 SEM 사진이고, 도 4c는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 수처리용 복합전극의 단면을 나타내는 SEM 사진이고, 도 4d는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 수처리용 탄소전극의 단면을 나타내는 SEM 사진이다. The surface and cross section of the composite electrode for water treatment prepared in Example 1 and the surface of the carbon electrode for water treatment prepared in Comparative Example 1 were surface-analyzed using a scanning electron microscope. The results are shown in the SEM photographs of Figs. 4A to 4D. 4A is a SEM photograph showing the surface of the composite electrode for water treatment manufactured according to Example 1 of the present invention, and FIG. 4B is a SEM photograph showing the surface of the water treatment carbon electrode prepared according to Comparative Example 1 of the present invention 4C is a SEM photograph showing a cross section of the water treatment composite electrode prepared according to Example 1 of the present invention, and FIG. 4D is a SEM photograph showing a cross section of a water treatment carbon electrode prepared according to Comparative Example 1 of the present invention It is a photograph.

상기 도 4a 내지 4d의 SEM 사진들에서 알 수 있듯이, 실시예 1에 따라 제조된 수처리용 복합전극의 표면(도 4a)은 비교예 1의 탄소전극(도 4b)의 표면과 달리 다각형 구조를 갖는 금속산화물(티타늄 산화물)이 그 표면에 골고루 분포하고 있음을 확인 할 수 있어, 탄소 전극과 큰 표면 차이를 갖는 것이 확인되었다. As can be seen from the SEM photographs of FIGS. 4A to 4D, the surface (FIG. 4A) of the water treatment composite electrode prepared according to Example 1 has a polygonal structure unlike the surface of the carbon electrode of Comparative Example 1 It was confirmed that the metal oxide (titanium oxide) was uniformly distributed on the surface thereof, and it was confirmed that it had a large surface difference from the carbon electrode.

또한, 전극의 단면의 관찰 결과를 통해서도 상기 실시예 1에 따라 제조된 수처리용 복합전극의 단면(도 4c)은 비교예 1의 탄소전극의 단면(도 4d)과 달리 탄소전극 표면에 약 60 내지 70㎛의 두께로 티타늄 산화물 박막이 형성된 것이 확인되었다.
4C) of the water treatment composite electrode prepared according to Example 1 through the observation of the cross section of the electrode shows that, unlike the cross section of the carbon electrode of Comparative Example 1 (FIG. 4D) It was confirmed that a titanium oxide thin film was formed in a thickness of 70 mu m.

수처리 전극의 평가 2Evaluation of water treatment electrode 2

실시예 1에서 제조된 복합전극의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 NaCl(1000mg/L)의 용액에서 작동전극 (working electrode)과 상대전극(counter electrode)으로 실시예1의 복합 전극이 사용되고, 기준전극 (reference electrode)으로 Ag/AgCl 전극(KCl sat)이 적용된 사용전위차계(Potentiostat) 장치를 활용하여 순환전압전류법(Cyclic voltammetry) 실험을 수행하였다. 또한, 비교예 1에서 제조된 탄소전극의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 NaCl(1000mg/L)의 용액에서 작동전극(working electrode)과 상대전극(counter electrode)으로 비교예1의 탄소전극이 사용되고, 기준전극(reference electrode)으로 Ag/AgCl 전극(KCl sat)이 적용된 사용전위차계(Potentiostat) 장치를 활용하여 순환전압전류법(Cyclic voltammetry) 실험을 수행하였다. 상기 순환전압전류법은 전위를 시간에 따라 변화시키면서 전류를 측정하는 전기화학적 실험 방법으로 순환전압전류 결과를 통해 전기화학 반응의 특성 및 충-방전 전류의 특성을 확인할 수 있으며, 본 실험 조건에서는(0 ~0.6 V 전위 조건) 전기화학 반응이 형성되지 않는 조건으로 충ㆍ방전 전류의 특성을 확인하였다. 그 결과가 하기 도 5의 그래프에 개시되어 있다. In order to confirm the electrochemical characteristics of the composite electrode prepared in Example 1, the composite electrode of Example 1 was used as a working electrode and a counter electrode in a solution of NaCl (1000 mg / L) a cyclic voltammetry experiment was performed using a potentiostat apparatus having Ag / AgCl electrode (KCl sat) as a reference electrode. In order to confirm the electrochemical characteristics of the carbon electrode prepared in Comparative Example 1, the carbon electrode of Comparative Example 1 was used as a working electrode and a counter electrode in a solution of NaCl (1000 mg / L) A cyclic voltammetry experiment was performed using a potentiostat device with a Ag / AgCl electrode (KCl sat) as a reference electrode. The cyclic voltammetric method is an electrochemical method for measuring the current while changing the potential over time. The characteristics of the electrochemical reaction and the characteristics of the charge-discharge current can be confirmed through the cyclic voltammetry results. 0 to 0.6 V potential condition) Charge / discharge current characteristics were confirmed under conditions that no electrochemical reaction was formed. The results are shown in the graph of Fig. 5 below.

도 5는 본 발명의 수처리용 복합전극과 비교예의 탄소전극의 순환전압전류 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing cyclic voltage currents of the composite electrode for water treatment of the present invention and the carbon electrode of the comparative example.

도 5를 참조하면, 순환전압전류 결과에서 면적은 정전용량(capacitance)를 나타내는데 정전용량은 전기화학 시스템의 충-방전시 전극 표면에 형성되는 전기이중층(electrical double layer)과 관련이 있으며 전극 표면의 전하 농도 및 전위에 영향을 받는 인자이다. 도 5의 그래프에서 볼 수 있듯이, 티타늄 산화물 박막이 형성된 복합전극에서 형성된 전위ㆍ전류 곡선의 면적이 탄소 전극 매우 흡사하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이는 티타늄 산화물 박막 형성 후에도 탄소전극에 전기화학적 특성에는 영향을 주지 않는 것으로 티타늄 산화물 박막이 전기이중층의 형성에 큰 영향을 주지 않았기 때문이다. 본 결과를 통하여 복합전극은 티타늄 산화물 박막 형성 후에도 코팅 전의 전기화학적 성질을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
Referring to FIG. 5, in the result of cyclic voltammetry, an area represents a capacitance. The capacitance relates to an electrical double layer formed on the surface of the electrode during charging and discharging of the electrochemical system, It is a factor influenced by charge concentration and potential. As can be seen from the graph of FIG. 5, it can be seen that the area of the potential-current curve formed in the composite electrode formed with the titanium oxide thin film is very similar to that of the carbon electrode. This is because the electrochemical properties of the carbon electrode are not affected even after the formation of the titanium oxide thin film. This is because the titanium oxide thin film does not greatly affect the formation of the electric double layer. From these results, it was confirmed that the composite electrode retains the electrochemical properties before coating even after the formation of the titanium oxide thin film.

수처리 전극의 평가 3Evaluation of water treatment electrode 3

전위 인가 시 수처리 전극의 탈염 특성을 확인하기 위하여 전해질이 수용된 반응기 내에 실시에 1의 복합전극 및 비교예 1의 탄소전극을 작동전극 (working electrode)을 각각 적용하여 전기화학적 시스템을 각각 구성하여 전기 전도도 및 탈염 특성의 변화를 평가하였다. 이때, 작동 전극에 전위를 1.2 V를 인가하였고 반응기로의 전해질의 유량을 10 ml/min으로 유지하면서 10 분씩 충ㆍ방전을 통한 전기 전도도 및 탈염 능력을 측정하여 도 6 및 도 7에 도시하였다.  In order to confirm the desalination characteristics of the water treatment electrode when the potential was applied, a composite electrode of Example 1 and a working electrode of Comparative Example 1 were respectively applied to a reactor containing an electrolyte to construct an electrochemical system, And changes in desalting characteristics were evaluated. At this time, a potential of 1.2 V was applied to the working electrode, and the electric conductivity and desalting capacity through charge / discharge were measured for 10 minutes while the flow rate of the electrolyte to the reactor was maintained at 10 ml / min.

도 6는 본 발명의 수처리용 복합전극과 비교예의 탄소전극의 전기 전도도를 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the electrical conductivity of the composite electrode for water treatment of the present invention and the carbon electrode of the comparative example.

도 6을 참조하면, 티타늄 산화물 박막이 형성된 복합전극은 탄소전극에 비해 전기 전도도 값이 높은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 값은 상기 복합전극이 탈염 속도 측면에서뿐만 아니라 총량에서도 탄소전극 보다 높은 성능을 나타내는 것으로 전극 표면에 무기물 코팅을 통하여 축전식 탈염고정의 효율이 높아 질 수 있음을 보여주는 결과라 할 수 있다. Referring to FIG. 6, it can be seen that the composite electrode formed with the titanium oxide thin film has a higher electrical conductivity than the carbon electrode. These values show that the composite electrode exhibits higher performance than the carbon electrode in terms of the desalination rate and the total amount, and that the efficiency of the storage desalination can be enhanced through the inorganic coating on the electrode surface.

도 7은 본 발명의 수처리용 복합전극과 비교예의 탄소전극의 이온 제거량을 나타내는 그래프이다. 도 7의 그래프는 탈염 성능의 정량적 접근을 위해서 전기 전도도를 이온 제거량으로 전환하여 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 10 분의 탈염 공정에서 티타늄 산화물 박막이 형성된 복합전극은 약 8.9%의 높은 탈염 성능을 보였다. 두 전극의 최대 이온 제거량은 약 7.3 분에서 나타났으며 이 때의 복합전극에서 탈염 성능은 약 20% 정도의 향상을 가져왔다.(이온 제거량: 복합전극- 약 17.2 mg/L, 탄소전극- 약 15.8 mg/L)7 is a graph showing ion removal amounts of the composite electrode for water treatment of the present invention and the carbon electrode of the comparative example. The graph of FIG. 7 is a graph showing the conversion of the electrical conductivity to the ion removal amount for a quantitative approach to the desalination performance. Referring to FIG. 7, in the 10-minute desalination process, the composite electrode having a titanium oxide thin film exhibited a high desalination performance of about 8.9%. The maximum ion removal amount of the two electrodes was about 7.3 minutes, and the desalting performance of the composite electrode was improved by about 20%. (Ion removal amount: about 17.2 mg / L for composite electrode, 15.8 mg / L)

위의 결과들을 종합해 볼 때, 티타늄 산화물 박막이 형성된 복합전극은 전기화학적 특성에 변화가 없었지만, 전극 표면으로의 이온 접근성을 높여 탄소전극에 비해 탈염성능에서는 높은 효율을 갖는 것을 확인되었다. From the above results, it was confirmed that the composite electrode formed with the titanium oxide thin film had no change in the electrochemical characteristics, but the ion accessibility to the electrode surface was improved, and the efficiency was higher in the desalting performance than in the carbon electrode.

본 발명은 수처리용 복합전극은 금속산화물 박막의 이온교환 기능과 탄소전극의 전기화학적 특성을 복합적으로 포함하며 보다 효과적 및 보다 안정적으로 연수 또는 수처리 장치에 적용될 수 있다. 또한, 전극 표면에 금속산화물 박박이 존재함으로 인해 전극 표면의 친수성이 크게 증가하여 물 분자 및 이온의 전극으로의 접촉을 향상시켜 속도적 측면에서 탈염 성능이 향상된 수처리 장치를 제공할 수 있다. The water treatment composite electrode of the present invention includes the ion exchange function of the metal oxide thin film and the electrochemical characteristics of the carbon electrode, and can be more effectively and stably applied to the soft water or water treatment apparatus. In addition, since the metal oxide foil exists on the electrode surface, the hydrophilic property of the electrode surface is greatly increased, thereby improving the contact of the water molecules and ions to the electrode, thereby improving the desalination performance in terms of speed.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. It will be understood that the invention may be modified and varied without departing from the scope of the invention.

Claims (13)

수처리 공정시 양이온을 제거하기 위한 적용되는 수처리용 전극에 있어서,
활물질, 탄소를 포함하는 전도성 물질 및 상기 활물질과 전도성 물질을 결합시키는 바인더를 포함하는 탄소전극; 및
상기 탄소전극의 표면에 코팅된 금속산화물 박막을 포함하는 수처리용 복합전극.
A water treatment electrode for removing cations in a water treatment process,
A carbon electrode including a conductive material including an active material, carbon, and a binder for binding the active material with the conductive material; And
And a metal oxide thin film coated on the surface of the carbon electrode.
제 1항에 있어서, 상기 금속산화물 박막은 20 내지 150㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 수처리용 복합전극.The composite electrode for water treatment according to claim 1, wherein the metal oxide thin film has a thickness of 20 to 150 탆. 제 1항에 있어서, 상기 탄소전극은 활물질 65 내지 85 중량부, 전도성 물질 10 내지 25 중량부, 바인더 2 내지 10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 복합전극.The composite electrode for water treatment according to claim 1, wherein the carbon electrode comprises 65 to 85 parts by weight of the active material, 10 to 25 parts by weight of the conductive material, and 2 to 10 parts by weight of the binder. 제 1항에 있어서, 상기 탄소를 포함하는 전도성 물질은 나노 크기 갖는 탄소 입자인 것을 특징으로 하는 수처리용 복합전극.The composite electrode for water treatment according to claim 1, wherein the conductive material containing carbon is nanosized carbon particles. 제 1항에 있어서, 상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 및 폴리플루오린화비닐(PVF)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 불소수지인 것을 특징으로 하는 수처리용 복합전극.The method according to claim 1, wherein the binder is any one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyfluorinated vinylidene (PVDF), and polyfluorinated vinyl (PVF) Composite electrode for water treatment. 활물질, 탄소를 포함하는 전도성 물질 및 상기 활물질과 전도성 물질을 결합시키는 바인더가 혼합된 탄소전극 형성용 페이스트를 마련하는 단계;
상기 탄소전극 형성용 페이스트를 전극 형상을 갖도록 성형하는 단계;
성형된 탄소전극 형성용 페이스트를 건조시켜 수처리용 탄소전극을 형성하는 단계; 및
수처리용 탄소전극의 표면에 금속산화물 박막을 형성하는 단계를 포함하는 수처리용 복합전극의 제조방법.
Providing a paste for forming a carbon electrode in which a conductive material including an active material, carbon, and a binder for binding the active material with a binder is mixed;
Forming the carbon electrode forming paste so as to have an electrode shape;
Drying the formed paste for forming a carbon electrode to form a carbon electrode for water treatment; And
And forming a metal oxide thin film on the surface of the water treatment carbon electrode.
제 6항에 있어서, 상기 금속산화물 박막은 금속전구체를 졸겔 코팅 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수처리용 복합전극의 제조방법.The method of claim 6, wherein the metal oxide thin film is formed by a sol-gel coating method. 제 7항에 있어서, 상기 금속전구체는 티타늄 전구체, 알루미늄 전구체, 마그네슘전구체 및 실리콘 전구체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 수처리용 복합전극의 제조방법.The method of claim 7, wherein the metal precursor is selected from the group consisting of a titanium precursor, an aluminum precursor, a magnesium precursor, and a silicon precursor. 제 6항에 있어서, 상기 금속산화물 박막은 20 내지 150㎛의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 수처리용 복합전극의 제조방법.7. The method of claim 6, wherein the metal oxide thin film is formed to have a thickness of 20 to 150 mu m. 활물질, 탄소를 포함하는 전도성 물질 및 상기 활물질과 전도성 물질을 결합시키는 바인더를 포함하는 수처리용 탄소 복합 전극 및 상기 수처리용 탄소복합 전극의 표면에 형성된 금속산화물 박막을 포함하는 수처리용 복합 전극;
상기 수처리용 복합 전극체와 마주하는 상대전극; 및
상기 수처리용 복합 전극체와 상대전극에 전원을 인가하는 전원 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
A composite electrode for water treatment comprising a carbon composite electrode for water treatment comprising a conductive material including an active material, carbon, and a binder for binding the active material with a conductive material, and a metal oxide thin film formed on a surface of the carbon composite electrode for water treatment.
A counter electrode facing the water-treatment composite electrode body; And
And a power supply unit for applying power to the composite electrode body for water treatment and the counter electrode.
제 10항에 있어서, 상기 금속산화물 박막은 금속산화물 전구체를 졸겔 코팅 방법으로 20 내지 150㎛의의 두께를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 수처리 장치.The water treatment apparatus according to claim 10, wherein the metal oxide thin film is formed to have a thickness of 20 to 150 탆 by a sol-gel coating method. 제 10항에 있어서, 상기 수처리용 복합전극와 상기 상대전극 사이에 위치하는 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.11. The water treatment apparatus according to claim 10, further comprising a separation membrane located between the water treatment composite electrode and the counter electrode. 제 10항에 있어서, 상기 상대전극으로 탄소를 포함하는 탄소전극 또는 금속을 포함하는 금속전극을 적용되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
The water treatment apparatus according to claim 10, wherein a carbon electrode comprising carbon or a metal electrode including a metal is applied as the counter electrode.
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