KR101582477B1 - 전도성 폼을 구비한 축전식 탈염 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극과 분리막 사이 공간에 유동상 활물질을 흐르게 하여 대용량화가 가능하고, 이 공간의 전기 저항을 감소시키기 위해 전도성 폼을 삽입함으로써 염 제거 효율이 향상되고 운전 비용이 절감된 축전식 탈염 장치를 제공하고자 한다. 이를 위하여, 본 발명은 탈염 장치에 있어서, 전해질로부터 이온을 선택적으로 통과시키는 교환막과; 상기 교환막과 이격되어 설치되어 유로를 형성하며 상기 전해질에 전기장을 제공하는 전극과; 상기 유로 내에 위치하며, 상기 교환막과 상기 전극을 전기적으로 연결하고, 상기 교환막을 통과한 이온을 흡착하는 활물질을 통과시키는 전도성 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전도성 폼을 구비한 축전식 탈염 장치{CAPACITIVE DEIONIZATION APPARATUS HAVING CONDUCTIVE FOAM}

본 발명은 축전식 탈염 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극과 분리막 사이 공간에 유동상 활물질(Active Material)을 흐르게 하여 대용량화가 가능하고, 이 공간의 전기 저항을 감소시키기 위해 전도성 폼을 삽입함으로써 염 제거 효율이 향상되고 운전 비용이 절감된 축전식 탈염 장치에 관한 것이다.

축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI) 기술은 하전된(charged) 전극의 계면에 형성되는 전기이중층(electric double layer, EDL)에서 전기적 힘에 의한 이온들의 흡착 및 탈착 반응의 원리를 이용한 것이다.

도 1은 축전식 탈염 기술의 원리를 나타내는 설명도이며, 하전된 전극 표면에서 이온들의 흡착 및 탈착 과정이 도시되어 있다. 도 1을 참조하여 흡착과정을 설명하면, 전극반응이 일어나지 않는 전위 범위(약 1.2 V) 내에서 전압을 인가하면 전극에는 일정한 전하량이 하전된다. 하전된 전극에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전극 표면에 흡착되고, 전극을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(pure water)가 된다. 전극에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(capacitance)에 따라 결정되기 때문에 CDI에 사용되는 전극은 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(carbon electrode)이 일반적으로 사용된다.

다음으로 도 1을 참조하여 탈착 과정을 설명하면, 전극의 흡착 용량이 포화 되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수로 나오게 된다. 전극에 흡착된 이온들을 탈착시켜 전극을 재생하기 위해 전극들을 쇼트(short) 시키거나 흡착 전위와 반대 전위를 인가한다. 이 경우 전극들은 전하를 잃거나 반대 전하를 갖게 되어 흡착된 이온들을 빠르게 탈착시켜 전극의 재생이 이루어지게 된다.

결국 CDI 기술은 전극의 전위만을 변화시켜서 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 매우 간편하고 탈염 과정에서 환경 오염 물질을 배출하지 않기 때문에 환경 친화적인 탈염 공정으로 알려져 있다. 그리고, 종래 CDI 기술의 다른 실시예로는 전극의 표면에 이온교환막을 형성하여 흡착되는 이온의 선택도를 높이는 것도 있다.

한편, 종래의 CDI의 전극은 고정상 활물질 전극이어서 전극 활물질에 이온이 충전되면 더 이상의 이온 흡착이 불가능하므로, 대용량화를 위해서는 전극을 대면적화 하거나 여러 개의 전극을 스택화 하여야 하므로, 장치 제조나 운전 비용이 크게 증가하는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전극과 분리막 사이 공간에 유동상 활물질을 흐르게 하여 대용량화가 가능하고, 이 공간의 전기 저항을 감소시키기 위해 전도성 폼을 삽입함으로써 염 제거 효율이 향상되고 운전 비용이 절감된 축전식 탈염 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탈염 장치에 있어서, 전해질로부터 이온을 선택적으로 통과시키는 교환막과; 상기 교환막과 이격되어 설치되어 유로를 형성하며 상기 전해질에 전기장을 제공하는 전극과; 상기 유로 내에 위치하며, 상기 교환막과 상기 전극을 전기적으로 연결하고, 상기 교환막을 통과한 이온을 흡착하는 활물질을 통과시키는 전도성 부재를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

여기서, 상기 전도성 부재는 전도성 폼이고, 상기 전도성 폼은 금속 폼, 전도성 폴리머 폼, 탄소계열 폼 중 어느 하나이다. 상기 전도성 폼이 금속 폼인 경우 상기 금속 폼의 표면에 부식 방지 코팅이 형성된다. 상기 부식 방지 코팅은 전도성 물질로 형성되며, 상기 전도성 물질은 그래핀일 수 있다. 상기 전도성 폼의 포어(pore)의 직경은 상기 활물질의 직경보다 크고, 상기 교환막과 상기 전극 사이에는 상기 전도성 부재의 눌림을 방지하는 지지 부재를 더 포함한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탈염 장치에 있어서, 전해질로부터 양이온을 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막과; 상기 양이온 교환막과 함께 전해질 유로를 형성하고, 상기 전해질로부터 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막과; 상기 양이온 교환막과 이격되어 설치되어 음극 유로를 형성하는 음극과; 상기 음이온 교환막과 이격되어 설치되어 양극 유로를 형성하며, 상기 음극과 함께 상기 유로들에 전기장을 형성하는 양극과; 상기 음극 유로 및 상기 양극 유로 내에 위치하며, 상기 양이온 교환막 및 상기 음극 사이와 상기 음이온 교환막 및 상기 양극 사이를 전기적으로 연결하고, 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막을 통과한 이온을 흡착하는 활물질을 통과시키는 전도성 부재를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

여기서, 상기 전도성 부재는 전도성 폼이고, 상기 전도성 폼은 금속 폼, 전도성 폴리머 폼, 탄소계열 폼 중 어느 하나이다. 상기 전도성 폼이 금속 폼인 경우 상기 금속 폼의 표면에 부식 방지 코팅이 형성되며, 상기 부식 방지 코팅은 전도성 물질로 형성된다. 상기 전도성 물질로는 그래핀이 사용될 수 있다. 상기 전도성 폼은 상기 양극에는 전도성 폴리머 폼 또는 탄소계열 폼이고, 상기 음극에는 금속 폼이 사용된다.

기존의 축전식 탈염 전극이 집전체에 코팅된 고정상 활물질 전극을 사용하기 때문에 용량이 제한되는데 비하여 상기와 같은 본 발명은 집전체와 분리된 수십 nm에서 수십 ㎛ 크기의 미세 전극 활물질이 전해질과 혼합된 슬러리 상태로 연속 유동함으로써 손쉽게 대용량화를 이룰 수 있다. 또한, 전극과 분리막 사이의 공간에 전도성 폼을 삽입하여 전극과 분리막이 연결되므로 전극과 분리막 사이의 전기 저항이 감소하는 효과가 있다. 이러한 저항의 감소는 전극의 전기장이 분리막까지 잘 전달되어 염 제거 효율이 증가하는 효과가 있다. 또한, 전기 저항이 작기 때문에 장치의 전력 소모율이 감소하여 유지 비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1은 축전식 탈염 기술의 원리를 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치에 사용되는 흐름전극의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극물질을 포함하는 마이크로 캡슐의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 폼을 구비한 축전식 탈염 장치의 구성도이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염장치에 사용되는 흐름전극(1)의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 흐름전극(1)은 유동하는 양극 활물질(12)을 포함하는 흐름 양극(10), 유동하는 음극 활물질(22)을 포함하는 흐름 음극(20), 및 유동하는 전해질(30)을 포함하는 전해질 유로(34)를 포함한다. 양극 활물질(12), 음극 활물질(22) 및 전해질(30)은, 흐름전극 장치, 예를 들어 전지 또는 축전지 등에 사용되어 오던 것 어느 것이나 다 사용될 수 있으며, 당해 기술분야의 통상의 전문가가 사용 목적 및 환경에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

본 실시예에서 양극 활물질(12) 및 음극 활물질(22)은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다. 양극 활물질(12) 및/또는 음극 활물질(22) 등의 전극물질은 다공성 탄소(활성탄, 카본 파이버, 탄소 에어로젤, 탄소 나노튜브 등), 흑연 분말, 금속산화물 분말 등이 사용될 수 있으며, 전해질과 혼합되어 유동화된 상태로 사용될 수 있다.

전해질은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3 등 수용성 전해질과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질을 포함한다. 본 실시예에서 전극 활물질(12,22)만 유동하고 전해질은 고체상 또는 정지상 전해질일 수 있다.

흐름 양극(10)은 양극 집전체(11), 양극 분리막(13), 상기 양극 집전체와 상기 양극 분리막 사이에 형성된 양극 유로(14), 및 상기 양극 유로(14)를 흐르는 양극 활물질(12)을 포함하고, 흐름 음극(20)은 음극 집전체, 음극 분리막, 상기 음극 집전체(21)와 상기 음극 분리막(23) 사이에 형성된 음극 유로(24), 및 음극 유로(24)를 흐르는 음극 활물질(22)을 포함한다. 전해질은 양극 분리막 및 상기 음극 분리막 사이에 형성된 유로(34)를 따라 흐른다.

전극 집전체(11,21) 및 전극분리막(13,23)은 종래 흐름전극(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

양극 유로(14) 및 음극 유로(24)의 폭은 종래 흐름전극에서 전극 집전체와 분리막 사이의 간격 또는 그 이하로 형성할 수 있다. 종래에는 전극 활물질이 고정되어 있어 충방전에 필요한 활물질의 용량을 확보하고자 할 때에는 흐름전극의 크기가 커지는 문제점이 있어, 활물질이 충진되는 전극 집전체와 분리막 사이의 간격에 제한이 있다. 그러나 본 발명에 따르면 전극 활물질을 지속적으로 공급할 수 있으므로, 이러한 제한 없이 사용 목적이나 사용되는 활물질, 전해질 등에 따라 자유롭게 설계 변경할 수 있다. 유로의 폭과 높이는 수십 ㎛에서 수㎜ 크기로 사용될 수 있다.

전해질 유로(34)의 폭도 마찬가지로 전해질이 지속적으로 공급될 수 있으므로, 흐름전극의 크기로 인한 제한 없이 적절하게 설계 변경할 수 있다. 다만, 충방전 효율을 높이기 위하여 전해질과 활물질의 속도를 달리하거나, 활물질 유로(14,24)의 폭과 전해질 유로(34)의 폭의 비에 제한을 둘 수도 있다.

양극 분리막(13)은 미세공 절연 분리막이거나 음이온교환(전도)막이고, 음극 분리막(23)은 미세공 절연 분리막이거나 양이온 교환(전도)막일 수 있다. 양극 분리막 및 음극 분리막은 전기물리적 분리를 위해 설치되는 것으로 미세공 절연 분리막(separator)은 이온 이동만이 가능하고, 이온교환(전도)막은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있다. 또한 양극 활물질(12) 또는 음극 활물질(22)은 전해질과 혼합된 슬러리상의 활물질이다.

흐름전극은 단위셀로서 2개 이상 연속해서 설치되어 사용될 수 있으며, 전극물질과 전해질을 동시에 연속적으로 유동화시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극물질을 포함하는 마이크로 캡슐의 단면도이다. 도 3을 참조로 하면 전극물질을 마이크로 캡슐화하여 전해질과 전극물질의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 구체적으로 두 전극 활물질과 전해질 흐름통로 사이에 양이온 분리막과 음이온 분리막을 사용한다. 그러나 각각의 선택적 이온막으로 캡슐화된 전극 활물질을 사용하면, 양극 사이에 이온 전도 분리막들을 사용할 필요가 없고, 이온만이 아닌 전해질 유통이 가능한 미세공 절연 분리막을 사용하면 전해질과 각각의 캡슐화된 전극 활물질 입자와의 접촉면적이 증대된다.

마이크로 캡슐은 중심이 되는 코어와 바깥을 둘러싸는 셀로 구성되며 셀 물질은 전해질에 존재하는 이온을 교환시킬 수 있는 특성을 갖고 있다. 실시예에 따르면, 셀 물질은 양이온을 교환할 수 있는 술폰산기(SO3－), 카르복실기(COO－), 인산기(PO4－) 등이 존재하는 고분자 막과 음이온을 교환할 수 있는 1,2,3,4급 암모늄기가 붙어있는 고분자 막을 사용할 수 있다. 마이크로 캡슐은 고상법 또는 액상법으로 만들 수 있으며, 특히 액상법에는 코어/셀 구조는 계면활성제를 이용하는 에멀전법, 셀로 사용되는 물질을 단량체에서 중합하여 제조하는 중합법, 코어와 셀을 개별적으로 혹은 동시에 분사하거나 압출시켜 제조하는 방법으로 마이크로 캡슐을 만들 수 있다. 마이크로 캡슐화된 전극은 개별 알갱이가 하나 혹은 수개가 뭉쳐서 셀이 둘러싸게 되므로 전체 알갱이가 뭉쳐 한 개 벌크화된 전극보다 단위 무게당 혹은 부피당 차지하는 전극 면적이 크다는 장점이 있다.

흐름전극의 탈염 작용은 다음과 같다. 먼저 흐름전극(1)에 전위차, 예를 들어 0.5~2.0v 범위의 전위차를 인가하면서, 슬러리상의 양극 활물질(12), 음극 활물질(22) 및 전해질(30)을 동시에 흐름전극(1)에 연속적으로 통과시킨다. 이때 사용되는 양극 활물질(12)과 양극 활물질(22)은 동일할 수 있다. 전해질 속의 음이온은 전기적 인력으로 양극으로 끌려가면서 양극 분리막(13)을 통과한 후 양극 활물질(12)에 흡착되어 양극 유로(14)를 통하여 배출된다. 전해질 속의 양이온도 마찬가지 원리로 음극 활물질(22)에 흡착되어 음극 유로(24)를 통하여 배출된다. 이런 원리로 전해질 속의 이온은 제거될 수 있다. 여기서 전해질로는 해수 또는 폐수가 공급될 수 있어 해수의 담수화 또는 폐수의 정화에 흐름전극이 이용될 수 있다.

이와 같이 기존 고정상 활물질 전극의 경우에는 전극 활물질에 이온이 충전되면 더 이상의 충전이 불가능하므로, 대용량화를 위해서는 전극을 대면적화 하거나 여러 개의 전극을 스택화하여야 하므로, 장치 제조나 운전비용이 크게 증가하는 문제점이 있었으나, 본 발명에 의하면 활물질을 지속적으로 공급하고 이온흡착된 활물질은 따로 설치된 저장탱크에 저장할 수 있으므로, 손쉽게 대용량화가 가능하다. 또한, 흐름전극(1)을 필요에 따라 더 설치할 수 있어, 보다 용이하게 다양한 용량에 적합한 스케일업이 가능하다

위에서 본 바와 같이 해수 담수화 공정 및 이온 제거 공정에 이용되는 흐름전극(1)을 이용한 축전식 탈염 장치는 전기장을 인가하기 위해 두 개의 전극(11,21)을 사용하고 분리된 염 또는 이온을 흡착하기 위하여 전극 활물질, 예를 들면 활성탄(12,13)을 전해질에 혼합하여 각 전극과 분리막(13,23) 사이의 공간(14,24)에 흘려 보낸다. 그런데, 전극과 분리막 사이의 공간에 유동 매체인 염수를 사용하기 때문에 전기 저항이 커져 전극(11,21)에서 인가되는 전기장이 분리막(13,23)까지 제대로 전달되지 못하는 문제가 발생하여 염 제거 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 전기 저항을 감소시키는 방안이 요구된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 폼을 구비한 축전식 탈염 장치의 구성도이다. 도 4를 참고하면 본 발명의 탈염 장치는 해수와 같은 전해질로부터 이온을 선택적으로 통과시키는 교환막과(13); 상기 교환막과 이격되어 설치되어 유로를 형성하며 상기 전해질에 전기장을 제공하는 전극과(11); 상기 유로 내에 위치하며, 상기 교환막과 상기 전극을 전기적으로 연결하고, 상기 교환막을 통과한 이온을 흡착하는 활물질을 통과시키는 전도성 부재(60)를 포함 한다.

본 발명에 의하면 전도성 부재(60)를 매개로 전극이 분리막에 연결되므로 종전의 전극과 분리막 사이가 전기 저항이 큰 유동 매체로 채워져 있는 경우보다 전극(11)의 전기장이 분리막(13)에 잘 전달될 수 있어 분리막에서 전해질 속의 이온을 끌어당기는 전기력이 강해진다. 또한, 전도성 부재(60)의 구조가 슬러리상의 활물질이 통과할 수 있으므로 종전의 흐름전극의 특성을 그대로 유지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 활물질이 통과할 수 있는 전도성 부재(60)는 전도성 폼일 수 있고, 금속 폼, 전도성 폴리머 폼, 탄소계열 폼 중 어느 하나일 수 있다. 전도성 폼은 수많은 포어(pore)를 가지므로 활물질과 이온이 반응할 수 있는 장소 즉 비표면적의 증가로 이온의 제거 효율이 향상될 수 있다. 활물질이 전도성 폼에 의해 막힘 없이 통과할 수 있도록 하기 위하여 전도성 폼의 포어의 직경은 활물질의 직경보다 크게 하여야 한다. 또한 교환막(13)과 전극(11) 사이에는 전도성 부재의 눌림을 방지하는 지지 부재를 더 포함할 수 있다. 지지 부재로는 가스켓(gasket)을 이용할 수 있다.

전도성 폼이 금속 폼인 경우 폼의 표면에 부식 방지 코팅이 형성될 수 있다. 부식 방지 코팅은 전도성 물질로 형성되는 것이 바람직하며 일 실시예로서 그래핀으로 코팅할 수 있다. 본 발명에서 제공되는 금속 폼은 미세한 기공이 형성된 폼 형태이다. 이러한 금속 폼은 유연성과 기계적 강도를 동시에 충족하고 활성탄 등의 전극 활물질의 통로 역할을 수행한다. 금속 폼(60)의 재료로서 전극(11)을 지지하고, 용접 열 또는 외부 충격 등에 의해 변형되지 않는 정도의 기계적 강도 및 내열성을 가지며, 전도성이 있는 금속, 또는 금속 합금 등이 이용 가능하다. 이러한 금속 폼의 재질은 알루미늄, 니켈, 구리, 은, 이들의 합금 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 또한, 다양한 방법에 의해 기공이 형성될 수 있는데, 예를 들어 알루미늄 재질의 경우에는 AAO(Anodic Aluminum Oxide)를 이용할 수 있다. 기공의 크기는 통과하는 활성탄의 크기가 보통 100~200nm이므로 이보다 크면 족하다.

그래핀은 자연광물인 흑연에서 한 겹의 원자층씩 떼어낸 마이크로미터(㎛·100만분의 1미터) 크기의 탄소물질로 2차원 평면에서는 탄소 원자가 육각형의 벌집 모양 구조를 이룬다. 이 신소재는 빛을 잘 투과하면서도 전기전도도가 뛰어나 터치패널·차세대 디스플레이 등의 투명전극으로 이용되고 있다. 따라서 전도도가 뛰어나고 부식에 강하므로 금속 폼에 코팅하여 금속 폼의 부식을 방지하고 금속의 전도도를 유지할 수가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 폼은 전도성 고분자(폴리머) 폼이다. 전도성 고분자란 말 그대로 전기가 흐를 수 있는 고분자를 말한다. 대부분 전도성 고분자의 구조는 단일결합과 이중결합을 선택적(alternative)으로 가지고 있는 특징을 보이고 있다. 전도성 고분자의 용도는 정전기 제거, 유해전자파 차폐 및 흡수이다. 정전기의 원인은 정지된 전하가 대전된 물질의 가장 자리로 몰려서 고전압을 띄는 것인데 전도성 고분자는 정전기가 한곳으로 몰리는 것을 방지하며 다른 에너지형태로 소멸시킨다는 것이다. 전도성 고분자인 폴리아세틸렌(polyacetylene)은 처음으로 발견된 전도성 고분자이지만 공기 중에서 산화가 쉽게 일어나는 단점으로 인하여 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiopene) 등으로 발전하게 되는 계기를 마련하였다. 이중에서 폴리아닐린(polyaniline)이 원료 가격이 싼 이유로 가장 많이 연구되었는데 내열성이 약한 단점 때문에 폴리피롤(polypyrrole)이 부각되고 있다. 전도성 고분자의 가장 큰 장점은 가공성이 매우 다양하다는 것과 경량화, 대량 생산 가능하다는 것이다. 따라서, 폼 형태로 제작하여 전도성 폼으로 활용될 수 있다.

한편, 해수와 같은 전해질 속의 양이온과 음이온들을 제거하기 위해서는 음극과 양극을 제공하여야 할 것이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 폼을 구비한 축전식 탈염 장치의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈염 장치는 전해질로부터 양이온을 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막과(23); 양이온 교환막과 함께 전해질 유로(34)를 형성하고, 전해질로부터 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막과(13); 양이온 교환막과 이격되어 설치되어 음극 유로를 형성하는 음극(21)과; 음이온 교환막(13)과 이격되어 설치되어 양극 유로를 형성하며, 음극(21)과 함께 상기 유로들에 전기장을 형성하는 양극(11)과; 음극 유로 및 상기 양극 유로 내에 위치하며, 양이온 교환막 및 음극 사이와 상기 음이온 교환막 및 양극 사이를 전기적으로 연결하고, 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 통과한 이온을 흡착하는 활물질을 통과시키는 전도성 부재(60,61)를 포함할 수 있다.

전도성 부재는 전도성 폼일 수 있고, 전도성 폼은 금속 폼, 전도성 폴리머 폼, 탄소계열 폼 중 어느 하나일 수 있다. 전도성 폼이 금속 폼인 경우 금속 폼의 표면에 부식 방지 코팅이 형성될 수 있으며, 부식 방지 코팅은 전도성 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 전도성 물질로 그래핀을 이용할 수 있다.

탈염 과정 중 양극에서는 Cl- 이온의 환원 반응 때문에 음극보다는 양극에서 부식에 대한 문제 해결이 요구된다. 전도성 폼의 실시예 중에서 금속 폼이 전기 전도성이 제일 좋으나 부식에는 제일 취약하다. 따라서, Cl- 이온이 주로 흡착되어 부식 문제가 야기되는 양극에는 전도성 폴리머 폼, 또는 탄소계열 폼을 적용하고, Na+ 이온이 주로 흡착되는 음극에는 금속 폼을 적용할 수 있다. 즉, 부식 방지가 주목적이면 전도성 폴리머 폼을 적용하고 효율성을 증가시킬 목적이면 금속 폼을 적용할 수 있다.

탈염은 분리막(13,23)에 전기장이 균일하게 적용될 때 염 제거 등의 효율이 상승한다. 이를 위하여 전극과 폼의 사이, 또는 분리막과 폼 사이에 전기장을 균일하게 분포시킬 수 있는 전도체를 삽입할 수도 있다. 한편, 폼의 기공 크기가 작으면 폼의 비표면적이 크므로 전극 활물질(예: 활성탄)에 의한 흡착 효율이 큰 반면 기공이 막힐 염려가 있고, 폼의 기공 크기가 크면 폼의 비표면적이 작아져서 흡착 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 폼의 기공 크기는 최소한 전극 활물질의 크기보다는 크면 되고 효율이 최대가 되는 적정 크기가 존재할 수 있다. 다만, 흘려주는 활성탄의 크기와 흘려주는 유속을 고려하여 기공의 크기를 정하여야 할 것이다. 전극 및 폼의 길이와 관련하여, 전극의 입구부터 탈염이 진행되므로 길이가 긴 경우 후단은 탈염에 이용되지 못하게 되어 운전에 필요한 전력만 소비되어 비효율적일 수 있다. 따라서, 피처리수의 농도 및 유량 속도를 고려하여 적정 길이로 제조해야 할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

1: 흐름전극 10: 흐름 양극
11: 양극 집전체(전극) 12: 양극 활물질
13: 양극 분리막(음이온 교환막) 14: 양극 유로
20: 흐름 음극 21: 음극 집전체(전극)
22: 음극 활물질 23: 음극 분리막(양이온 교환막)
24: 음극 유로 30: 전해질
34: 전해질유로 50:캡슐막(이온막)
60,61: 전도성 부재

Claims (15)

1. 분리막과;
   상기 분리막과 이격되어 설치되어 유로를 형성하는 전극; 및
   상기 유로 내에 위치하며, 상기 분리막과 상기 전극을 전기적으로 연결하고, 상기 분리막을 통과한 이온을 흡착하는 활물질을 통과시키는 전도성 부재를
   포함하며,
   상기 전도성 부재는 상기 활물질보다 큰 직경의 포어(pores)를 갖는 전도성 폼인 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전도성 폼은 금속 폼, 전도성 폴리머 폼, 탄소계열 폼 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 전도성 폼이 금속 폼인 경우 상기 금속 폼의 표면에 부식 방지 코팅이 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 부식 방지 코팅은 전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 전도성 물질은 그래핀인 것을 특징으로 하는 탈염 장치
   
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 분리막과 상기 전극 사이에는 상기 전도성 부재의 눌림을 방지하는 지지 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
   
9. 전해질로부터 양이온을 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막;
   상기 양이온 교환막과 함께 전해질 유로를 형성하고, 상기 전해질로부터 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막;
   상기 양이온 교환막과 이격되어 설치되어 음극 유로를 형성하는 음극;
   상기 음이온 교환막과 이격되어 설치되어 양극 유로를 형성하며, 상기 음극과 함께 상기 유로들에 전기장을 형성하는 양극; 및
   상기 음극 유로 및 상기 양극 유로 내에 위치하며, 상기 양이온 교환막 및 상기 음극 사이와 상기 음이온 교환막 및 상기 양극 사이를 전기적으로 연결하고, 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막을 통과한 이온을 흡착하는 활물질을 통과시키는 전도성 부재를
   포함하며,
   상기 전도성 부재는 상기 활물질보다 큰 직경의 포어(pores)를 갖는 전도성 폼인 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
   
10. 삭제
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전도성 폼은 금속 폼, 전도성 폴리머 폼, 탄소계열 폼 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전도성 폼이 금속 폼인 경우 상기 금속 폼의 표면에 부식 방지 코팅이 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 부식 방지 코팅은 전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 그래핀인 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
    
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 전도성 폼은 상기 양극에는 전도성 폴리머 폼 또는 탄소계열 폼이고, 상기 음극에는 금속 폼인 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
    

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