KR101591257B1 - 축전식탈염복합전극, 축전식탈염복합전극 셀 및 축전식복합탈염전극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비도전성 다공성 지지체를 활용한 축전식 탈염전극(Capacitive deionization electrode; CDI electrode)에 관한 것이다.
더욱 상세하게는 전기전도성 집전체가 아닌 직포, 부직포 및 다공성 필름과 같은 비도전성 다공성 지지체의 양쪽에 전극 물질층 만든 후 한쪽은 양이온선택성 코팅 층을 다른 한쪽은 음이온선택성 코팅 층을 갖는 축전식 탈염복합전극을 제조하고, 양이온선택성 층과 음이온선택성 층을 서로 마주보는 층을 복수로 가지도록 적층하여, 적층의 내측과 외측의 양쪽 끝에서 적층수에 따라 전위를 달리 인가하거나 롤(Roll)로 감아 롤의 내측과 외측에서 감겨진 장수와 회수에 따라 인가전위를 달리하는 복극형식의 운전이 가능한 축전식 탈염복합전극 제조 방법에 관한 것이다.

Description

축전식탈염복합전극, 축전식탈염복합전극 셀 및 축전식복합탈염전극의 제조방법 {Capacitive Deionization Composited Electrode, Capacitive Deionization Composited Electrode Cell and Capacitive Deionization Composited Electrode Manufacturing Method}

본 발명은 지하수, 수도수, 기수(brackish water), 중수 및 산업폐수의 정수 및 연수용 CDI(Capacitive deionization)복합전극 및 모듈에 관한 것이다.

즉 본 발명은 도전성 집전체를 사용하지 않고 비도전성의 직포, 부직포 및 다공성 필름과 같은 비도전성 다공성 지지체를 활용하여 축전식 탈염복합전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.

즉 본 발명은 먼저 비도전성 다공성 지지체의 양쪽에 전극활물질등의 전극물질, 예를 들면 탄소계, 을 코팅하거나 혹은 전극활물질 시트(sheet)를 부착하여 탄소전극(전극물질층)을 만들고, 이어서 각각의 탄소전극층 상에 서로 상이한 이온선택성 층이 형성된 축전식 복합 탈염전극을 제조하는 방법 및 그로부터 얻어지는 신규한 축전식탈염복합전극 및 이를 이용한 축전식 복합 탈염장치에 관한 것이다.

본 발명의 하나의 예를 든다면, 먼저, 비도전성 다공성 지지체의 양면에 전극활물질을 코팅하거나 혹은 전극활물질 시트(sheet)를 부착하여 탄소전극(전극활물질층)을 만든다. 이어서 이온교환막, 이온교환용액, 또는 이온교환수지 분말 등을 활용하여 상기 탄소전극의 한쪽 면에는 양이온선택성 층 또는 음이온 선택성층을 형성하고, 탄소전극의 다른 한쪽 면에는 서로 상이한 이온성을 가지는 이온선택성층(상기에서 양이온선택성층이면 다른 쪽은 음이온선택성 층)을 갖도록 함으로써, 축전식탈염복합전극을 제조한다. 또 상기 축전식탈염복합전극을 이용하여 제조하는 축전식 복합탈염장치를 제조한다.

또한 본 발명은 상기 제조된 새로운 축전식탈염복합전극을 양이온선택성 층과 음이온선택성 층이 서로 마주보는 구조가 최소한 2개 이상 가지는 축전식탈염복합전극 적층체를 제공하는 것이다

또한 본 발명은 상기 제조된 2개 이상의 새로운 축전식탈염복합전극을 이용하여 양이온선택성 층과 음이온선택성 층이 서로 마주보도록 적층하여 제조되는 축전식 복합 탈염전극 적층체를 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 상기의 축전식탈염복합전극 적층체를 양쪽 끝에서 적 층수에 따라 전위를 달리 인가하거나, 상기 적층된 본 발명의 축전식탈염복합전극 적층체를 롤(Roll)로 감아 롤의 내측과 외측에서 감겨진 장수와 회수에 따라 인가전위를 달리하여 복극형식으로 운전하는 축전식 복합탈염 복극용 셀 및 이의 제조방법, 이를 이용한 CDI 복합전극 모듈, 축전식 복합탈염장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

생활용수나 산업용수의 제조에서 탈염기술은 사람의 건강이나 공정의 효율, 제품의 성능을 결정하는데 매우 중요한 역할을 한다.

중금속이나 질산성 질소, 불소 이온들이 포함된 물을 사람이 장기간 음용했을 때, 건강에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 또한 경도물질(hard material)이 포함된 보일러 수와 같은 경수(hard water)는 보일러나 열교환기에 스케일을 유발하여 공정의 효율을 크게 떨어뜨릴 수 있다. 또 전자산업이나 의약산업에서도 이온들을 완전히 제거한 초순수를 제조하고 이를 사용하는 것은 제품의 성능을 결정하는 중요한 요인으로 작용한다.

최근 세계적으로 물 부족으로 인하여 해수 담수화방법이나 폐수 및 염수 처리방법에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 상기의 방법 중, 이온교환수지를 이용한 방법이 많이 사용되고 있으나, 수지의 재생 시 화합물의 사용 및 고가의 운전비용 등의 문제점으로 사용에는 여전히 한계를 가지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명과 같은 축전식 탈염공정(CDI 공정)이 연구되고 있다.

CDI 공정은 캐패시터(capacitor) 공정에서 사용되는 전기 이중층 이론을 근거로 하여, 전극표면에 전기를 가용할 때 수질내부에 있는 상대극성이온이 전극 표면에 흡착되는 성질을 이용한 방법이다. 즉, 양이온, 음이온이 함유된 용액이 두 개의 다공성 탄소전극 층 사이를 통과할 때 정전기력을 인가함으로써 수용액속에 함유된 이온을 제거하는 방법이다. 이러한 제거원리는 정전기력을 인가함으로서, 정전기력에 의하여 양극으로 Cl- 와 같은 음이온이 이동하고, 음극으로는 Na+와 같은 양이온이 이동하여 대전이 이루어지게 되어, 수용액 속에 함유된 이온물질들이 제거되어 담수화 또는 폐수용액을 정화하게 된다.

상기 CDI공정은 CDI 전극과 이를 이용하여 제작하는 CDI 모듈을 예로 들 수 있다. 다공성 탄소소재를 이용하는 CDI 전극은 이온의 침투 및 확산이 빠르게 일어나야한다. 또 이온의 선택성을 갖고 있어서 재생 시 역전위에 의한 반대전극에 재흡착되는 것을 방지할 수 있어야 한다. 또한 내구성을 가져야 산업적인 응용이 가능하다.

그러나 기존 CDI 전극은 집전체로서 전기를 직접적으로 인가해줄 수 있는 도전성 그라파이트 호일(graphite foil)을 집전체로 사용하여 전극을 만들고 있기 때문에, 기계적 강도가 약하여 취급이 어렵고 모듈의 조립 시 손상에 의한 성능저하 및 불량률이 높은 단점을 갖고 있다.

또한 상기 그라파이트 호일 등의 도전성인 집전체를 이용하여 제조되는 적층형태의 모듈은 전극을 절단가공 해야 하고, 전기를 제공할 수 있는 전극 단자를 한쪽 면에 일정한 크기로 길게 절단하여 전극 단자를 만들어 외부와 연결해야 하는 어려움이 있다. 이는 전도체인 그라파이트를 사용하여 복극으로 조립하면 by current 때문에 전류효율이 떨어져 단극으로 조립할 수 밖에 없으며, 단극으로 조립을 하기 위해서는 외부에서 전기를 인가해주기위한 일정한 형태가 만들어져야만 하기 때문이다. 따라서 단극으로 조립하기 위해서는 전극 단자를 만들 수 있도록 설계하여 절단가공 해야 하므로 집전체의 손실이 많다. 특히 적층된 전극에 전기를 인가할 수 있도록 단자대를 연결하기 위해서는 충분히 넓은 공간을 가져야 하므로 외형적 부피가 커지게 되며, 이로부터 CIP(Cleaned in place) 세정액을 더 많이 사용해야하는 단점을 갖고 있다.

한국등록특허 [10-1022257]에서는 이온선택성 축전식 탈염 복합전극 및 모듈의 제조 방법이 개시되어 있다.

한국등록특허 [10-1022257](등록일: 2011년 03월 08일)

본 발명은 기존의 전도성 집전체- 예를 들면, 그라파이트 호일-를 사용하여 만들어진 축전식 탈염전극의 단점을 개선하기 위해서, 직포나 부직포 또는 다공성 필름 등의 비도전성 지지체를 활용하여 새로운 축전식 탈염전극, 및 이의 적층구조를 가지는 축전식탈염복합전극을 제조하는 것이다.

본 발명에서 상기 비도전성 지지체는 다공성인 것이 더욱 좋지만 이에 한정되는 것이 아니다. 또한 상기 비도전성 지지체의 예를 들면 직포, 부직포, 천공필름, 다공성 필름 등의 것을 사용할 수 있지만 비도전성이라면 이에 한정하지 않는다.

또한 본 발명은 상기 비도전성 지지체 양쪽에 전극활물질을 코팅하거나 혹은 전극활물질 시트(sheet)를 부착하여 전극층(전극물질층)을 만든 후, 이온교환막, 이온교환용액, 또는 이온교환수지 분말을 활용하여 한쪽은 양이온선택성 층을 형성하고, 다른 한쪽은 음이온선택성 층을 형성시켜 제조되는 새로운 구조의 축전식 탈염전극(CDI electrode) 및 이의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기계적 강도가 우수한 직포, 부직포 및 다공성 필름과 같은 비도전성 지지체를 그라파이트 호일 집전체 대신 사용하기 때문에 취급이 용이하고, 모듈을 조립하는 동안 손상에 의한 성능 저하 및 불량률을 줄일 수 있는 축전식탈염복합전극(CDI Composited Electrode), 축전식탈염복합전극 셀(CDI Composited Electrode Cell) 및 축전식탈염복합전극의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 비도전성 지지체를 이용하여 양쪽에 전극물질층(통상 탄소전극층이지만 이에 한정되는 것은 아니다)을 형성한 후, 한쪽의 전극물질층에 양이온선택성 층을 형성하였다면, 다른 쪽 면의 전극물질층 상에는 그 반대 이온선택성을 가지는 층(이 경우에는 양이온선택성층의 반대인 음이온 선택성 층)을 갖도록 하여 새로운 구조의 축전식 탈염전극(CDI전극)을 제조한다.

또 본 발명은 상기 축전식 탈염전극을 하나 이상 이용하여 양이온성 선택성 층과 음이온성 선택성 층이 마주보도록 적층되는 적층 면이 2 이상 가지는 축전식탈염복합전극, 좋게는 상기 축전식 탈염전극의 양이온선택성 층과 음이온선택성 층을 서로 마주보도록 본 발명의 축전식 탈염전극을 2장 이상 복수로 적층한 새로운 형태의 축전식탈염복합전극를 제조한다.

이어서 본 발명은 상기 축전식탈염복합전극의 양쪽 끝에서 적층수에 따라 전위를 달리 인가하거나, 상기 제조한 축전식탈염복합전극을 롤(Roll)로 감아 롤의 내측과 외측에서 감겨진 장수와 회수에 따라 인가전위를 달리하는 CDI복합전극모듈을 만들 수 있는 축전식탈염복합전극 단위 셀을 포함하는 축전식탈염복합전극 셀 및 이의 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다. 여기서, 축전식탈염복합전극 단위 셀은 최소단위로 모듈을 구성하는 것을 의미한다. 즉 축전식탈염복합전극 단위 셀은 양극 복합전극(복합전극 한 장) 음극으로 이루어진 모듈을 의미한다. 또한, 축전식탈염복합전극 셀은 축전식탈염복합전극 단위 셀 이상의 모듈을 의미하며, 축전식탈염복합전극 단위 셀 보다 좀 더 넓은 의미의 뜻을 포함하고 있다.

또한 본 발명은 상기 축전식 탈염전극 및 축전식탈염복합전극에 유체가 흐를 수 있도록 하는 유로(流路)패턴을 갖고 있는 것을 더 포함할 수 있다. 유로패턴을 가지는 경우에는 별도의 스페이서를 사용하지 않고 양이온선택성 층과 음이온선택성 층이 마주보도록 적층하여 쉽게 모듈을 생산할 수 있는 장점이 있다.

따라서 본 발명은 유로패턴을 가지는 축전식 탈염전극, 축전식탈염복합전극 , 축전식탈염복합전극 단일 셀을 포함하는 복극용 셀(bipolar cell), 이들을 구비하는 CDI 복합전극 모듈, 복합 CDI 장치 및 이들의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 기존의 시트형태의 모든 전극과 같이 단자대와 연결하기 위해 가공할 필요가 없고, 전기를 제공할 수 있는 전극 단자를 외부로 많이 만들어야 하는 어려움이 없으며, 기존의 상업적인 필터제품과 같은 용량설계와 크기를 다양하게 만들 수 있기 때문에 상업적 응용이 쉬운 CDI(Capacitive deionization)복합전극모듈의 제조방법을 제공을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식탈염복합전극은 전극물질층이 형성된 비도전성 다공성 지지체의 일면에 양이온선택성 코팅 층이 형성되고 다른 면에는 음이온선택성 코팅 층이 형성된 적어도 하나 이상의 축전식 탈염전극을 가지고, 상기 양이온선택성 층과 음이온선택성 층을 서로 마주하는 구조를 최소한 2 이상 가지도록 제조되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 축전식탈염복합전극은 상기 이온선택성층에 유로(流路)패턴 또는 격막을 이온선택성층 상에 형성하여 유로패턴을 가지도록 하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 비도전성 다공성 지지체가 다공성의 고분자시트나 박막, 다공성 세라믹, 직포, 부직포, 다공성 고분자 필름, 다공성 고분자 폼에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 축전식탈염복합전극 셀은 전극 물질층이 형성된 비도전성 다공성 지지체의 일면에는 양이온선택성 코팅 층이 형성되고, 다른 면에는 음이온선택성 코팅 층이 형성된 적어도 하나 이상의 축전식 탈염전극을 가지고 상기 양이온선택성 층과 음이온선택성 층을 서로 마주하는 구조를 최소한 2 이상 가지도록 제조되는 축전식탈염복합전극 및 상기 축전식탈염복합전극의 양측에 외부 인가 집전체 전극이 적층되어 상기 축전식탈염복합전극의 적층수에 따라 인가전위를 달리하여 복극형식으로 운전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 축전식탈염복합전극은 롤(Roll)로 감아 롤의 내측과 외측의 집전체 전극에 의해 감겨진 장수와 회수에 따라 인가전위를 달리하여 복극형식으로 운전하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 축전식탈염복합전극이 2이상 적층되어 제조되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 축전식탈염복합전극은 상기 이온선택성층에 유로(流路)패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 축전식탈염복합전극의 제조방법은 비도전성 다공성 지지체의 양면에 전극 활물질과 바인더를 포함하는 슬러리를 도포하여 또는 상기 슬러리를 캘린더 가공하여 시트형성 후 상기 비도전성 다공성 지지체상에 압착하여 전극물질층을 형성하는 단계; 상기 전극물질층의 각각의 면에 이온교환 막, 이온교환용액 코팅, 이온교환수지 분말 슬러리를 이용하여 각각의 면에 상이한 이온선택성 층을 형성하여 축전식탈염전극을 제조하는 단계; 상기 축전식 탈염전극의 이온선택성층이 하나 이상이 서로 상이한 이온선택성층과 마주하도록 적층된 구조를 최소한 2 이상 포함하도록 적층하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이온선택성층 형성단계와 동시에 또는 형성 후 유로패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 유로패턴은 격막을 이온선택성층 상에 형성함으로써 얻어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제조되는 축전식탈염복합전극은 기계적 강도가 우수한 비도전성 다공성 지지체를 사용하기 때문에 취급이 용이하고 복극 형식으로 운전하게 되면 바이커런트(by current)에 의한 성능저하를 막을 수 있다.

또한 이온선택성 층을 포함하는 전극상에 유로(流路) 패턴(pattern)을 포함하고 있어 유로를 주기위한 별도의 스페이서가 필요하지 않으며, 모듈 조립의 자동화를 도모할 수 있으며, 양산성을 증대시킬 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 축전식 탈염전극을 이용하여 제조된 사각형 및 원통형의 모듈은 전극에 직접적으로 전기를 인가하지 않는 복극형태로 모듈의 조립성이 용이하고 부피를 최소화할 수 있다. 또한 높은 수압에서도 안전하게 사용할 수 있으며 흡착전극의 장수에 따라 고전압 저전류의 다양한 형태의 원통형 모듈을 만들 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 규모에 따라 모듈의 용량 및 사용전압을 자유롭게 설계할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식탈염복합전극을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식탈염복합전극 셀을 나타내는 도면.
도 3은 도 1을 이용하여 다공성 지지지체를 활용한 CDI 복합전극모듈의 분해도.
도 4는 도 3에서 축전식탈염복합전극의 구조와 축전식탈염복합전극 롤의 구성을 나타낸 도면.
도 5는 도 4에서 축전식탈염복합전극 롤을 만드는 방법을 나타낸 도면.
도 6은 도 4의 축전식탈염복합전극 롤을 나타낸 도면.
도 7은 도 3의 조립 과정을 보여주는 도면.
도 8은 도 7의 조립도를 나타낸 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식탈염복합전극을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식탈염복합전극 셀을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1을 이용하여 다공성 지지지체를 활용한 CDI 복합전극모듈의 분해도이고, 도 4는 도 3에서 축전식탈염복합전극의 구조와 축전식탈염복합전극 롤의 구성을 나타낸 도면이며, 도 5는 도 4에서 축전식탈염복합전극 롤을 만드는 방법을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4의 축전식탈염복합전극 롤을 나타낸 도면이며, 도 7은 도 3의 조립 과정을 보여주는 도면이고, 도 8은 도 7의 조립도를 나타낸 도면이다.

이하 본 발명을 하기 실시예에서 보다 상세히 설명하겠지만, 본 발명은 그 요지에 국한된 실시예에 지나지 않는다. 한편 본 발명은 이하의 실시예에서 제시하는 공정조건에 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 목적을 달성하기에 필요한 조건의 범위 안에서 임의로 선택 할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

이하에서는 본 발명의 제조단계에 대하여 설명한다.

본 발명의 하나의 양태는 직포, 부직포 및 다공성 필름과 같은 비도전성 다공성 지지체의 양면에 전극 활물질과 바인더를 포함하는 슬러리를 도포 또는 상기 슬러리를 캘린더 가공하여 시트형성 후 상기 비도전성 다공성 지지체상에 압착하여 전극물질층(탄소물질을 사용하는 경우에는 탄소전극(층)이라 할 수 있다)을 제조하는 단계; 상기 전극물질층의 각각의 면에 이온교환 막, 이온교환용액 코팅, 이온교환수지 분말 슬러리를 이용하여 서로 상이한 이온선택성 층을 형성하는 단계;를 포함하여 제조되는 축전식 탈염전극 및 이의 제조방법일 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 직포, 부직포 및 다공성 필름과 같은 비도전성 다공성 지지체의 양면에 전극 활물질과 바인더를 포함하는 슬러리를 도포 또는 상기 슬러리를 캘린더 가공하여 시트형성 후 상기 비도전성 다공성 지지체상에 압착하여 전극활물질층을 제조하는 단계; 상기 전극활물질층(통상, 탄소전극층이지만 이에 한정되는 것은 아니다)의 각각의 면에 이온교환 막, 이온교환용액 코팅, 이온교환수지 분말 슬러리를 이용하여 서로 상이한 이온선택성 층을 형성하는 단계; 상기 이온선택성 층에 유로패턴을 형성하는 단계; 를 포함하는 축전식 탈염전극 및 이의 제조방법일 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 상기에 기재된 본 발명의 양태들에서 제조된 축전식 탈염전극을 2층 이상 적층하거나 적층한 후 롤링하여 제조되는 축전식탈염복합전극 및 이의 제조방법일 수 있다.

축전식탈염복합전극은 비도전성 다공성 지지체의 양면에 전극 활물질과 바인더를 포함하는 슬러리를 도포하여 또는 상기 슬러리를 캘린더 가공하여 시트형성 후 상기 비도전성 다공성 지지체상에 압착하여 전극물질층을 형성하는 단계;

상기 전극물질층의 각각의 면에 이온교환 막, 이온교환용액 코팅, 이온교환수지 분말 슬러리를 이용하여 각각의 면에 상이한 이온선택성 층을 형성하여 축전식탈염전극을 제조하는 단계;

상기 축전식 탈염전극의 이온선택성층이 하나 이상이 서로 상이한 이온선택성층과 마주하도록 적층된 구조를 최소한 2 이상 포함하도록 적층하는 단계;

를 포함하여 제조될 수 있다.

상기에서 상기 축전식탈염복합전극의 최외층의 적층면은 전극물질층 및 이온선택성층이 형성되어 상기 이온선택성 층이 상기 축전식 탈염전극의 다른 이온선택성층과 적층되며, 이후 전극층과 적층되는 다른 면은 상기 전극물질이나 이온선택성층이 코팅되지 않은 비도전성 다공성 시트 자체의 면일 수도 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 상기에 기재된 본 발명의 양태들에서 제조된 축전식 탈염전극을 2층 이상 적층하거나 적층한 후 롤링하고 외부인가 도전성 집전체 전극(Electrode of Current Collector )과 적층되어서 제조되는 도 2에서 하나의 예로 도식화 한 축전식 탈염전극 복극용 셀(Bipolar Cell of CDI Electrode) 및 이의 제조방법일 수 있다.

상기에서 상기 집전체 전극과 접촉하는 축전식탈염복합전극의 최외층의 적층면은 전극물질층 및 이온선택성층이 형성되어 상기 이온선택성 층이 상기 축전식 탈염전극의 다른 이온선택성층과 적층되며, 이후 외부인가 전극층과 적층되는 다른 면은 상기 전극물질이나 이온선택성층이 코팅되지 않은 비도전성 다공성 시트 자체의 면일 수도 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 상기 축전식 탈염전극 복극용 셀을 이용하여 제조되는 도 3에서 하나의 예로 도식화한 CDI 복합 전극 모듈 및 이의 제조방법일 수 있다.

본 발명에 따른 상기 비도전성 다공성 지지체는 구체적으로 보면 다공성의 고분자, 세라믹의 직포, 부직포, 다공성 필름, 다공성 폼(Form), 다공성 시트(sheet), 다공성 박막 등으로 수중에서 전기화학적 안정성을 갖는 모든 물질을 사용할 수 있다. 본 발명의 비도전성 다공성 지지체로는 좋게는 고분자로 제조되는 비도전성 다공성 지지체가 선호되지만 이에 한정하지 않으며, 비도전성으로서 다공성을 가지면서 그 표면에 전극활물질층(예를 들면 탄소전극)을 형성할 수 있는 지지체라면 제한 없이 사용가능하다.

상기 비도전성 다공성 지지체는 전처리 없이 사용할 수 도 있고, 불순물을 제거하기 위해 수세나 지지체가 변형되지 않는 용제를 사용하여 세정할 수 있다.

본 발명의 상기 비도전성 다공성 지지체는 이온교환수지에 의해 표면처리된 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 별도의 전처리 없이 사용할 수도 있지만, 전처리하여 사용하는 것도 좋다. 전처리하는 경우 좋게는 이온교환기를 가지는 고분자 수지 용액(이온교환 용액)으로 코팅하여 사용하는 것도 더욱 좋으며 이 건 발명의 또 다른 특징이 될 수 있다. 이는 다공성 부직포로 한쪽에 전극활물질층(예를 들어 탄소전극 층)을 형성한 후 반대편에 전극활물질 슬러리를 코팅할 때 비도전성 다공성 지지체는 바로 용매의 흡수하게 되어, 만들어진 전극활물질층(예를들어 탄소전극 층)을 손상시키므로, 미리 비도전성 다공성 지지체에 이온교환수지를 코팅하는 것이 본 발명에서는 매우 좋다.

본 발명에 따른 상기 전극활물질층을 형성할 때, 전극활물질과 바인더를 하유하는 슬러리를 코팅하여 제조한다. 상기 바인더는 비도전성 다공성 지지체상에 전극 활물질과 슬러리를 형성하여 도포 또는 압착 가능한 모든 물질을 포함하며, 일례로써,상기 바인더는 유기용매에 용해되어 용액의 형태로 존재할 수 있는 비이온, 양이온 또는 음이온 교환기를 가지는 모든 고분자 수지를 포함할 수 있으며 이 기술 분야에 사용하는 통상의 것이라면 제한 없이 사용가능하다. 바인더 수지의 함량은 통상 1 내지 50중량%, 좋게는 2~15중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 상기 양이온교환층, 음이온교환층 또는 바인더로 사용하는 물질에 함유되는 양이온 또는 음이온 교환기는 비제한적인 일례로써, 술폰산기(-SO₃H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO₃H₂), 포스피닉기(-HPO₂H), 아소닉기(-AsO₃H₂), 셀리노닉기(-SeO₃H) 등의 양이온교환기를 가지는 고분자 수지일 수 있다. 또한 비제한적인 일례로서 4급 암모늄염(-NH₃), 1~3급 아민(-NH₂, -NHR, -NR₂), 4급 포스포니움기(-PR₄), 3급 술폰니움기(-SR₃) 등의 음이온 교환기를 가지는 고분자 수지일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 이온 교환기를 가질 수 있는 고분자 수지의 예로서는 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리이서술폰, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리글리시딜메타크릴레이트, 또는 이들의 공중합체에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 이온교환기는 중합시 이온교환기를 가지는 공단량체를 채택하거나 또는 중합한 후 개질하여 생성시킬 수 있다.

본 발명 따른 상기 양이온교환기를 갖는 고분자수지로 도포된 전극은 음극으로 사용하고, 음이온교환기를 갖는 고분자수지로 도포된 전극은 양극으로 사용할 수 있다.

또한 상기 비이온성 바인더 용액은 상기 전극 활물질과 슬러리를 형성하여 전극에 도포 또는 압착될 수 있는 모든 고분자 수지를 포함할 수 있으며, 비 제한적인 일례로써 폴리비닐디플로라이드(PVDF),폴리스타이렌브타디엔러버(SBR), 폴리테트라플로라이드에틸렌(PTFE), 폴리우레탄(PU)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으나, 이들에 제한되지 않고 유기용매 또는 에멀젼 용액의 상태의 수지라면 제한없이 사용가능할 수 있다.

상기 이온교환기를 가지는 고분자수지나 비이온성 고분자 수지의 중량평균분자량은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 제한되는 것은 아니나, 비 제한적으로 20,000 ~ 4,000,000인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50,000 ~ 1,500,000인 것이 좋으며, 상기 범위의 고분자수지를 사용했을 때 전극슬러리의 점도 및 전극활물질을 결합해 주는 특성이 우수하다.

상기 유기용매는 상기 고분자 수지의 종류에 따라 선택하여 사용할 수 있으며, 일례로써 상기 고분자 수지가 용해되는 유기용매로는 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으나, 이들에 제한되는 것은 아니며 고분자 수지를 용해시킬 수 있는 모든 유기용매를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 전극 활물질은 비표면적이 높은 활성탄소계열의 물질이면 제한 없이 이용가능하며, 비제한적인 일례로써 활성탄소 분말, 활성탄소 섬유, 카본 나노 튜브, 탄소 에어로겔 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 분말로 제조하여 사용하는 것이 바람직하다.

또한 금속산화물 계열의 물질로서 RuO₂, Ni(OH)₂, MnO₂, PbO₂, TiO₂ 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

이러한 전극활물질은 필요한 물성에 따라 그 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있으며, 비제한적인 일례로 평균입경이 5nm ~ 50㎛ 이하인 것, 좋게는 20㎛이하인것, 더욱 좋게는 10㎛이하인 것이 좋으면, 더욱 좋게는 보다 구체적으로는 10nm ~ 10㎛을 사용하는 것이 전극의 비표면적과 축전용량을 증가시킬 수 있어 바람직하다.

상기 고분자 용액(바인더 용액)과 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 이용하여 비도전성 다공성 지지체상에 전극물질층을 형성하는 방법은 본 발명에 따른 축전식 탈염전극을 제조하기 위한 모든 방법을 포함할 수 있고, 일례로써 지지체 상에 도포 하거나, 상기 슬러리를 적당히 반죽(Kneading)하여 캘린더(Calender) 가공하여 시트를 형성한 후 지지체와 압착하는 방법에 의해 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 슬러리를 비도전성 다공성 지지체에 도포하는 방법은 스프레이, 딥 코팅, 나이프 캐스팅, 닥터블레이드, 스핀코팅 등에 있으나 이에 제한되지 않고 모든 도포방법이 가능하며, 도포두께는 5 ~ 500 ㎛, 바람직하게는 20 ~ 300㎛범위로 하는 것이 전극의 전기저항을 줄이면서 탈염 효율을 높이는데 효과적이며, 상기 슬러리 도포 방법은 한번 이상 반복하여 제조하고자 하는 특정한 두께의 전극을 제조할 수도 있다.

또한 상기 슬러리를 적당히 반죽(Kneading)하여 캘린더(Calender) 가공하여 시트를 형성한 후 압착하는 방법에 있어서, 캘린더(Calender)의 롤 표면 온도는 고분자 수지의 종류에 따라 결정되고, 바람직하게는 고분자 수지의 유리전이온도(glass transition temperature) 이상 용융온도(melting temperature) 이하에서 하는 것이 좋은데, 이는 캘린더(Calender)의 롤 표면의 온도가 용융온도를 초과하여 높아지면 수지의 연화가 활발해져 롤 표면의 시트가 달라붙고 롤 제조시 장력이 약해져 시트가 절단되는 현상 때문에 외인딩(winding) 작업이 어렵고 따라서 시트를 롤 형태로 제조하기 어려울 수 있으며, 캘린더(Calender)의 롤 표면 온도가 유리전이온도 미만으로 낮으면 수지가 연화되지 않아 시트의 표면이 불균일해지고, 두께를 200㎛ 이하의 시트를 제조하기가 어렵울 수 있기 때문이다.

상기 캘린더(Calender) 가공을 통해 제조된 시트를 롤 프레스(roll press)를 이용하여 비도전성 다공성 지지체에 압착하여 전극을 만들 때 롤 프레스의 표면 온도는 고분자 수지의 종류에 따라 다르며, 바람직하게는 고분자의 유리전이온도이상 용융온도 이하에서 하는 것이 좋으나 적합하게는 유리전이온도 보다 20℃ 높은 온도에서 하는 것이 좋으나 이에 제한되는 것은 아니다.

다음은 본 발명의 이온선택성층의 형성방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 상기의 방법으로 제조된 전극(전극물질층)에 이온 선택성층을 형성하는 것은 탈염 기술의 문제점인 전기 이중층에 흡착된 이온들의 완전한 탈착을 도모하여 흡착효율을 증가시키기 위한 것이다.

이온선택성층의 형성방법으로는 이온교환막의 적층, 이온교환용액 코팅에 의한 형성, 이온교환수지 분말과 바인더의 혼합물로 코팅하여 이온선택성 층을 형성하는 것 등이 있다. 즉, 본 발명에 따른 축전식 탈염전극이나 축전식탈염복합전극의 제조방법에 있어서, 상기 이온 선택성 층은 양이온교환 막과 음이온교환 막을 부착하여 형성되는 층일 수 있고, 양이온교환 용액과 음이온교환 용액을 도포하여 형성되는 층일 수 있으며, 양이온 교환수지분말이나 음이온교환수지 분말과 바인더 혼합의 슬러리를 도포하여 형성되는 층일 수 있으며 그 형성방법에 제한을 하는 것은 아니다.

상기 양이온교환 막과 음이온교환 막을 부착하는 하나의 방법으로서 롤프레스하는 방법에 대하여 설명하면, 비도전성 다공성 지지체에 만들어진 탄소전극의 한쪽에 양이온교환 막을 다른 한쪽에 음이온교환 막을 맞대고 롤 프레스(roll press)로 압착하여 부착한다. 상기 롤프레스 압착에서 롤 프레스의 표면 온도는 이온교환 막의 종류에 따라 다르며, 바람직하게는 이온교환 작용기가 분해되지 않는 온도 이하에서 하는 것이 좋으나 적합하게는 80℃에서 하는 것이 좋지만 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 이온교환 용액을 도포하는 방법의 경우에는, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 나이프 캐스팅, 닥터블레이드, 스핀코팅 등이 있으나 이에 제한되지 않는다. 본 발명에서 도포된 이온선택성층의 도포두께는 2 ~ 1,000 ㎛ 범위로 하는 것이 바람직하나 좋게는 10~100㎛ 범위로 하는 것이 전극의 전기저항을 줄이면서 탈염 효율을 높이는데 바람직하다. 상기 이온교환 용액은 양이온 또는 음이온 교환기를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 용해되어 용액의 형태로 존재할 수 있는 모든 고분자 수지의 용액을 포함할 수 있다.

상기 이온교선택성층을 이루는 이온교환수지의 예를 들면, 술폰산기(-SO₃H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO₃H₂), 포스피닉기(-HPO₂H), 아소닉기(-AsO₃H₂), 셀리노닉기(-SeO₃H) 등의 양이온교환기를 가지는 고분자 수지 또는 4급 암모늄염(-NH₃), 1~3급 아민(-NH₂, -NHR, -NR₂), 4급 포스포니움기(-PR₄), 3급 술폰니움기(-SR₃) 등의 음이온 교환기를 가지는 고분자 수지일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 구체적으로 상기 이온 교환 가능한 고분자 수지는 상기 이온교환기를 가지는 폴리스티렌계 수지, 폴리술폰, 폴리이서술폰(PES), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리이더이더케톤(PEEK), 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리글리시딜메타크릴레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 이온선택성층은 상기에서 기재한 이온교환수지 분말과 바인더의 혼합물에 의해 형성할 수도 있다. 이 경우 도포하는 방법의 경우에는, 압출용융코팅, 캘린더링 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 나이프 캐스팅, 닥터블레이드, 스핀코팅 등이 있으나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 상기 도포두께는 2 ~ 1,000 ㎛ 범위로 하는 것이 바람직하나 좋게는 10~100 ㎛ 범위로 하는 것이 전극의 전기저항을 줄이면서 탈염 효율을 높이는데 바람직하다.

상기 이온교환수지 분말과 바인더의 혼합물에서 바인더는 유리전이온도가 낮고 상온과 물속에서 안정한 고분자 물질로서, 이온교환수지 분말과 균일하게 혼합되며 코팅층을 잘 형성할 수 있는 것으로 열 용융코팅이나 용매 용해코팅이 가능한 고분자물질이면 사용가능하다. 보다 구체적으로, 선상저밀도폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌비린아세테이트(EVA), 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리우레탄에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 이온교환수지 분말과 바인더의 혼합물의 제조 시 이온교환수지 분말의 조성이 20 ~ 80중량%인 것이 바람직하며, 40 ~ 60중량%인 것이 보다 바람직하다. 상기 조성이 20중량% 미만이거나 80 중량%를 초과하는 경우는 전기저항이 높아 이온의 흡착특성이 떨어지거나 흐름성이 떨어져 용융코팅이나 캘리더링 코팅이 용이하지 않을 수 있다.

상기 고분자 바인더 물질 40 ~ 60 중량부에 대하여, 이온교환수지 분말은 60 ~ 40 중량부인 것이 이온 흡/탈착이 특성이 우수한 축전식 탈염전극을 만드는데 바람직하며, 용매없이 열용융 코팅 시에는 흐름이 있는 유동액으로, 캘린더링 가공시에는 반죽 덩어리로 만든 후 일정한 크기로 잘라 펠렛(pellet)으로 만드는 것이 좋다.

또한, 상기 이온교환수지 분말을 바인더와 균일하게 섞어 반죽 덩어리를 만드는 혼련(kneading) 공정은 상기 이온교환수지 분말과 이온교환 고분자 용액을 첨가한 후 가압 분산 혼련기를 이용하여 혼련(kneading)하며, 이온교환 고분자 용액의 종류에 따라 혼련 온도 및 시간을 달리할 수 있다. 이때, 상온에서 2시간 정도 혼련한 후 혼련기의 온도를 이온교환 고분자의 연화점 이상으로 하되 승온온도가 너무 낮으면 고분자의 점도가 높아져 혼합이 곤란해지므로 통상 연화점보다 10℃ 이상의 높은 온도로 설정하는 것이 바람직하며, 연화점 보다 20℃이상인 것이 보다 바람직하다. 이때, 가열온도가 너무 높으면 바인더의 분해에 의해 갤린더 가공을 위한 반죽 덩어리가 잘 만들어지지 않고 너무 낮으면 혼련하는 시간이 길어진다.

상기 혼련기는 교반 날개를 갖는 기종이나 롤(roll)혼련기가 바람직하나 균일하게 혼련이 될 수 있는 것이라면 이에 한정되지 않는다. 혼련기에 투입하는 원료의 양은 통상 혼합기 용적의 10부피% 이상인 것이 바람직하며, 15 ~ 50부피%인 것이 보다 바람직하다. 혼련시간은 5분 ~ 5시간인 것이 바람직하며, 점성변화를 초래하는 시간까지로 30 ~ 120분인 것이 보다 바람직하다. 얻어진 혼련물은 그대로 압출 용용 코팅하거나 캘린더 가공 코팅에 사용해도 되는데 바람직하게는 핸들링하기 쉽도록 일정한 크기로 절단하여 제공하는 것이 좋으며, 성형방법은 형상을 유지하는 것이라면 제한되지 않고 가능하다.

본 발명의 이온교환수지 분말과 폴리올레핀 바인더 혼련물의 필름은 종래 공지의 용융압출 방법을 이용해 제막할 수 있다. 용융 압출법으로는, T 다이캐스트법, 인플레이션법 등이 있지만, 축전식 탈염전극의 이온선택성 층을 형성하기 위해서는 T 다이캐스트법이 바람직하다. 이온교환수지 분말과 폴리올레핀 바인더 혼련물을 용융시키는 장치로는 일반적으로 이용되는 압출기를 사용하면 되고, 단축 압출기라도 다축 압출기라도 된다. 압출기는 하나 이상의 벤트를 가지고 있어도 되고, 벤트를 감압으로 해 이온교환수지 분말과 올레핀 바인더 혼합물의 용용으로부터 가스, 수분, 저분자 물질 등을 제거해도 된다. 또, 압출기의 선단 혹은 하류 측에는 필요에 따라 철망 필터나 소결 필터를 설치해도 된다. 다이는 T 다이, 코트 행거 다이, 피쉬테일 다이, 스탁 플레이트 다이 등을 이용할 수 있다. 압출 온도는 100~300℃인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 120~180℃, 특히 바람직하게는 120~150℃이다. 압출 온도가 상기 범위에 있는 경우, 얻어지는 축전식 탈염전극의 이온선택성 층의 조밀성, 밀착성, 흡탈착 특성 등의 밸런스가 뛰어난다. 또, 에어 갭 (용융 코팅 층이 다이로부터 토출되어 냉각 롤에 접촉할 때까지의 거리)은 0.1~100mm인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1~50mm, 더욱 바람직하게는 3~30mm 이지만 이에 한정되는 것은 아니다. 에어 갭이 상기 범위에 있는 경우, 에어 갭(Air gap)간의 서냉(徐冷) 과정에서의 수지열에 의한 배향 완화 편차(에어갭 주위 환경의 영향이나, 이온선택성 층의 중앙부와 단부의 냉각 속도의 차이의 영향)를 작게 억제할 수 있고, 더욱이 넥 인에 의한 이온선택성 층 단부의 급격한 막 두께 증가를 억제하는 것이 가능하다.

다이로부터 압출된 이온교환수지 분말과 올레핀 바인더 혼합물의 용융체의 냉각 방법은 종래 공지의 방법을 이용할 수 있으며 일반적으로 냉각 롤로 냉각한다. 냉각 롤의 수는 용융체의 토출량이나 인취 속도에 따라서는 2개 이상 이용해도 되며, 좋게는 복수의 냉각 롤을 이용해 용융체가 코팅된 전극의 양쪽면을 사이에 두고 냉각하는 것이 바람직하다. 본 발명에 사용하는 폴리에스테르는 실질적으로 비결정성의 수지이기 때문에, 냉각 롤의 온도는 폭넓게 설정하는 것이 가능하다. 냉각 롤의 온도는 폴리에스테르의 유리 전이 온도 - 30℃ ~ 폴리에스테르의 유리 전이 온도 + 30 ℃의 범위로 하는 것이 바람직하다. 인취 속도는 용융체의 압출한 양이나 다이의 폭 등 장치에 따라 다르지만, 0.2~100m/분인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5~95m/분, 더욱 바람직하게는 1~90m/분이 좋지만 이에 한정되는 것이 아니다. 인취 속도가 상기 범위에 있는 경우, 목적으로 하는 두께의 이온선택성 층을 얻을 수 있다. 실질적으로 연신되는 것이 없도록 냉각 롤, 핀치 롤, 귄취 롤 등의 회전 속도를 조절하는 것이 바람직하다.

상기 이온교환수지 분말과 폴리올레핀 바인더 혼련물을 캘린더링(calendaring) 가공을 통하여 이온교환 시트(sheet)를 만들어 폴리올레핀 바이더 용융온도 보다 20℃ 낮은 온도에서 롤 압착으로 이온선택성 층을 형성할 수 있다. 이때 캘린더 가공시 롤 표면 온도는 바인더의 종류에 따라 결정되나 좋게는 바인더의 유리전이온도(glass transition temperature) 이상 용융온도(melting temperature) 이하에서 하는 것이 좋다. 캘린더의 롤 표면의 온도가 용융온도를 초과하여 높아지면 수지의 연화가 활발해져 롤 표면의 시트가 달라붙고 롤 제조시 장력이 약해져 시트가 절단되는 현상 때문에 외인딩(winding) 작업이 어렵고 따라서 시트를 롤 형태로 제조하기 어렵다. 한편, 캘리더의 롤 표면 온도가 유리전이온도 미만으로 낮으면 수지가 연화되지 않아 시트의 표면이 불균일해지고, 두께가 균일한 시트를 제조하기가 어렵다.

본 발명에서 상기 이온선택성층은 형성과 동시 또는 형성 후 유로패턴을 형성할 수 있다. 즉, 하나의 예로서, 본 발명에 따른 축전식 탈염전극의 제조방법은 비도전성 다공성 지지체에 고분자 용액과 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포 또는 상기 슬러리를 캘린더(Calender) 가공하여 시트형성 후 상기 비도전성 다공성 지지체상에 압착하여 제조된 전극에 이온 선택성 층을 형성하고 유로를 패터닝(Patterning)함으로써 별도의 스페이서 구비 없이도 적층하여 모듈을 쉽게 제조할 수 있는 축전식 탈염전극을 제조하는 방법을 더 포함할 수 있다.

상기 축전식 탈염전극에 유로를 패터닝(Patterning)하는 방법은 프린팅(printing)법, 리소그라피(lithography)법 등의 인쇄기법을 통해 유로를 형성할 수 있지만, 용융압출 코팅 시 유로의 패턴을 갖고 있는 T-다이를 이용하여 유로를 형성할 수 있고, 용융압축의 냉각 롤이나 캘린더 가공의 롤에 유로 패턴을 형성하여 축전식 탈염전극에 유로패턴을 만들어주는 방법을 사용할 수 있다. 또 하나의 유로패턴 형성방법으로는 이온교환 용액을 코팅할 때 전극이 완전히 건조되기 전, 즉 약간의 점착성이 있을 때 전극 롤에 스페이서를 롤로 연속적으로 부쳐서 건조하므로서, 스페이서가 유로역할을 하도록 하여 유로패턴을 가지는 일체형의 축전식 탈염전극을 제조할 수도 있다.

또 다른 유로패턴의 형성방법으로는 축전식 탈염전극 상에 패턴닝 형태부로 소재를 코팅하거나 코팅후 경화등에 의해 유로패턴을 형성하는 방법을 사용할 수도 있다. 본 발명에서 축전식탈염복합전극 상에 유로를 패터닝(Patterning)할 수 있는 소재의 비 제한적인 일례로 유/무기 경화체, 고분자 경화체, 점착제 및 접착체 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이들의 소재를 이용하여 패턴닝하는 구체적인 방법의 일예로서 스크린 프린팅(screening printing)을 설명하면 다음과 같다. 이는 틀에 견포(絹布), 기타 스크린을 걸고 손작업 혹은 사진원리의 방법에 의해 화상 이외 부분의 스크린 결을 막고 스퀴지로 스크린 결을 통해 잉크를 압출하여 인쇄하는 방법이다. 비단, 나일론, 데드론의 섬유 또는 스테인레스 스틸 등으로 짜여진 망사를 틀에 펼쳐 놓고, 네 모서리를 팽팽하게 고정시킨다. 이어서 망사 위에 판막을 만들어 필요한 유로형태 이외의 부분은 인쇄액이나 코팅 용액이 들어가지 못하도록 막고 유로패턴만 인쇄나 코팅이 되도록 인쇄 틀을 만들거나 하여 유로의 형태를 만들어주는 것이다.

상기 이온교환수지 분말과 올레핀 바인더 혼합물의 용융압출 코팅 시 유로의 패턴을 갖고 있는 T-다이를 이용하여 유로를 형성할 경우, 코팅 층에 오목한 면과 볼록한 면을 형성할 수 있도록 T-다이의 형태를 만들어 코팅층의 두께의 조절로 줄무늬의 유로를 형성해 줄 수 있으며, 용융압축 냉각 롤과 캘린더 가공의 롤에 유로 패턴을 형성하여 이온선택성 코팅 층의 압축에 의해 유로를 형성해 줄 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

또한 유로의 패턴은 흐름의 방향을 바꾸면서 유로의 길이를 확장해 주거나 유량에 따라 유로 선을 조절할 수 있다. 유로는 빗살무늬, 물결무늬, 줄무늬, 격자무늬, 점무늬 등 다양한 형태로 만들 수 있으며 유체가 흐를 수 있는 형태라면 이에 국한되지 않는다. 또한 유로의 볼록한 형태에 따라 삼각형, 반타원형, 반원, 사다리꼴, 사각형, 원뿔형, 원기둥형 등 다양한 형태로 만들 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 전극에 형성된 유로의 규격 및 형태는 본 발명의 목적을 달성하는 범위 내에서는 제한이 없으나, 유로의 깊이는 5~300㎛ 범위가 좋으나 더욱 좋게는 30 ∼ 100㎛ 바람직하며, 유로의 깊이가 5㎛이하의 경우 양전극과 음전극을 적층하게 되면 양전극과 음전극의 간격이 너무 짧아 유체가 흐를 수 있는 양이 적어 운전 시 높은 압력을 유지하거나 자주 막히는 현상이 발생할 수 있으며, 300 ㎛ 이상의 경우 유로의 오목한 부분에 이온선택성 층의 형성하지 못하여 재생시 흡착된 이온들이 반대편 전극에 흡착되어 제거효율이 낮아지고 전극흡착 층이 노출되어 부반응에 의한 전극손상이 발생할 수 있다.

또한, 유로의 폭는 10 ∼ 5,000㎛ 범위가 좋으나 더욱 좋게는 50 ∼ 200㎛ 바람직하며, 유로의 폭이 10㎛이하의 경우 유로의 폭이 너무 좁아 유체가 흐를 수 있는 양이 적어 운전시 높은 압력을 유지하거나 자주 막히는 현상이 발생할 수 있으며, 5,000㎛ 이상의 경우 운전 압력은 낮출 수 있으나 유로의 오목한 부분에 볼록한 부분이 겹치게 되어 균일한 유로형성이 어려워 모듈의 조립시 성능편차가 큰 단점을 갖고 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 비도전성 다공성 지지체를 활용한 CDI 복합전극을 도면을 통하여 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비도전성 다공성 지지체를 활용한 CDI 복합전극은 하나의 비도전성 다공성 지지체(101) 앞과 뒤에 각각 양이온선택성 흡착전극 층(102)과 음이온선택성 흡착전극 층(103)을 갖고 있고, 동시에 유로패턴(104, 105)이 구비되어 있는 축전식 탈염전극(100)을, 양이온선택성 흡착전극 층(102)과 음이온선택성 흡착전극 층(103)을 서로 마주보도록 1장 이상을 적층되어 있다. 이러한 적층된 복수의 축전식 탈염전극(100)은 다공성 튜브(110)를 중심으로 물이 잘 통과할 수 있도록 일정한 압력을 주면서 롤(Roll) 형태로 감을 수 있다. 이때, 직포나 부직포(120)를 이용하여 롤 형태를 유지할 수 있도록 고정시킬 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 롤 형태로 감은 전극(도 5 참조)의 한쪽은 홀(Hole)이 없고 모듈케이스와 밀착되어 원수(原水)가 밖으로 누수 되지 않도록 오링(O-ring)(131)을 구비한 뚜껑(130)을 가지며, 롤 형태로 감은 전극(도 5 참조)의 다른 한쪽은 다공성 튜브로부터 나오는 물을 밖으로 배출할 수 있는 구멍(142)을 가지며 원수와 처리수가 혼합되는 것을 방지하기 위한 오링(141)이 구비된 뚜껑(140)을 가진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 롤 형태로 감은 전극과 뚜껑(130, 140)을 에폭시나 우레탄 접착제로 몰딩함으로써, 도 6에 도시된 바와 같이, 밖에서 안쪽으로 유체가 흐를 수 있는 적층 축전식 탈염 전극 롤(300)을 만들 수 있다.

이렇게 만들어진 적층 축전식 탈염 전극 롤(300)을 원통형 모듈 케이스(500)에 넣어 조립(도 7 참조)할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 모듈케이스(500)는, 내측에 음전극(531)을 포함하고, 중심에 처리수나 농축수를 배출할 수 있는 유로(540)와 양전극(530)을 포함하며, 모듈케이스 뚜껑(550)과 유입구(510)과 출수구(520)가 구비되어 있다. 이때, 음전극(531) 및 양전극(530)에 전기를 인가할 수 있다.

모듈케이스(500)에 적층 축전식 탈염 전극 롤(300)을 조립하고, 모듈케이스(500)와 모듈케이스 뚜껑(550)을 결합하면, 오링(131, 141)에 의하여 원수와 처리수가 혼합되지 않도록 구획이 가능하다. 하여, 적층 축전식 탈염 전극 롤(300) 밖에서 안쪽 방향의 한쪽 방향으로 유체가 흐를 수 있도록 본 발명의 일 실시예에 따른 비도전성 다공성 지지체를 활용한 CDI 복합전극을 만들 수 있다.

이하, 본 발명의 CDI(Capacitive deionization)복합전극, 복극용 셀 및 모듈 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 하기 제조예1은 따른 비도전성의 비도전성 다공성 지지체인 부직포상에 고분자 용액과 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 양쪽으로 도포한 탄소전극 및 이의 제조방법을 설명하고 있다.

본 발명에서 하기 제조예 2 내지 제조예 4는 비도전성 다공성 지지체인 부직포에 양이온교환 용액 또는 음이온교환 용액 또는 양이온교환 용액과 음이온교환용액을 코팅한 후 고분자 용액과 전극활물질을 포함하는 슬러리를 도포한 탄소전극 및 이의 제조방법을 설명하고 있다.

본 발명에서 제조예 5 및 제조예 6은 상기 제조예 3으로 만들어진 탄소전극에 이온선택성 층으로 한쪽은 양이온교환 막을 다른 한쪽은 음이온교환 막을 부착한 축전식 탈염전극을 예로 들고 있다.

또한 본 발명의 하기 제조예 7은 상기 제조예 3으로 만들어진 탄소전극에 이온선택성 층으로 한쪽은 양이온교환수지 분말과 폴리올레핀계 바인더 혼합물을 도포하고 다른 한쪽은 음이온교환수지 분말과 폴리올레핀계 바인더 혼합물을 도포한 축전식 탈염전극을 설명하고 있으며, 하기 제조예 8은 이온교환수지 분말과 폴리올레핀계 바인더 혼합물을 도포한 상기 제조예7의 축전식 탈염전극에서 유로패턴을 형성한 축전식 탈염전극을 설명하고 있다.

또한 비교예 1은 상기 제조예들의 효과를 입증하기 위한 비교예로서, 비교예 1은 그라파이트 집전체상에 고분자 용액과 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포한 탄소전극에 양이온교환 용액을 코팅한 축전식 탈염전극을 설명한 것이고, 비교예 2는 그라파이트 집전체상에 고분자 용액과 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포한 탄소전극에 음이온교환용액을 코팅한 축전식 탈염전극을 제조하여 탈염효율을 평가하기 위한 것이다.

또한 하기 실시예 1 및 실시예 2는 상기 [제조예]와 [비교예]에 따라 제조된 양극 또는 음극을 포함하는 축전식 탈염용 셀을 이용한 탈염실험을 수행한 결과를 설명하고 있는 것이다.

본 발명에서 상기 제조예 및 실시예들은 본 발명에 따른 일례에 불과할 뿐 본 발명의 기술적 사상을 제한하지 아니함을 자명하다.

[제조예 1]

비도전성 다공성 지지체인 부직포상에 고분자 용액과 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 양쪽으로 도포한 전극 제조

폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 370,000) 1.2g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 8.8g 을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다.

상기 제조된 슬러리를 비도전성 다공성 지지체인 부직포(두께: 80㎛, PP, (주)효성)위에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하고 뒷면을 닥터블레이드(Doctor blade)로 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 활성 층이 형성된 탄소전극을 제조하였다.

[제조예 2]

비도전성 다공성 지지체인 부직포에 양이온교환 용액을 코팅한 후 고분자 용액과 전극활물질을 포함하는 슬러리를 도포한 전극의 제조

폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 370,000)1.2g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 8.8g 을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다.

양이온교환 용액은 술폰화(sulfonation) 반응을 통해 제조된 양이온교환기를 가지고 있는 폴리스티렌(Mw=270,000 Aldrich, 양이온교환용량 = 1.5 meq/g) 1.0g, 디메틸아세트아마이드(DMAc) 20g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 양이온교환 용액에 비도전성 다공성 지지체인 부직포(두께: 80㎛, PP, (주)효성)를 딥(dip) 코팅하여 건조하였으며, 상기 제조된 슬러리를 양이온교환용액이 코팅된 부직포에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅 층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하고 뒷면을 닥터블레이드(Doctor blade)로 코팅 층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 활성 층이 형성된 탄소전극을 제조하였다.

[제조예 3]

비도전성 다공성 지지체인 부직포에 음이온교환 용액을 코팅한 후 고분자 용액과 전극활물질을 포함하는 슬러리를 도포한 전극의 제조

폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 370,000) 1.2g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 8.8g 을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다.

음이온교환 용액은 아민화 반응을 통해 제조된 음이온교환기를 가지고 있는 폴리에테르술폰(Victrex 사, Mw=80,000, 음이온교환용량 = 1.2 meq/g) 1.0g, 디메틸아세트아마이드 20g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 음이온교환 용액에 비도전성 다공성 지지체인 부직포(두께: 80㎛, PP, (주)효성)를 딥(dip) 코팅하여 건조하였으며, 상기 제조된 슬러리를 음이온교환용액이 코팅된 부직포에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅 층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하고 뒷면을 닥터블레이드(Doctor blade)로 코팅 층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 활성 층이 형성된 탄소전극을 제조하였다.

[제조예 4]

비도전성 다공성 지지체인 부직포에 양이온교환 용액과 음이온교환용액을 코팅한 후 고분자 용액과 전극활물질을 포함하는 슬러리를 도포한 전극의 제조

폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 370,000)1.2g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 8.8g 을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다.

상기 [제조예 2]의 양이온교환 용액에 비도전성 다공성 지지체인 부직포(두께: 80㎛, PP, (주)효성)를 딥(dip) 코팅하여 건조한 후 [제조예 3]의 음이온교환 용액에 한 쪽면을 롤(roll) 코팅하여 건조하였으며, 상기 제조된 전극슬러리를 양이온교환 용액과 음이온교환용액이 코팅된 부직포에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅 층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하고 뒷면을 닥터블레이드(Doctor blade)로 코팅 층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 활성 층이 형성된 탄소전극을 제조하였다.

[제조예 5]

이온선택성 층으로 이온교환막을 사용한 축전식 탈염전극

상기 제조예 1 내지 4의 탄소전극 상에 이온선택성 층을 형성하기 위해 한쪽 면에는 양이온교환 막(ASTOM사 CMX)을 다른 한쪽 면에는 음이온교환 막(ASTOM사 AMX)을 덧대어 80℃에서 0.1m/min의 속도로 롤 프레스하여 이온선택성 층을 갖는 축전식 탈염전극을 제조하였다.([도 1] 참조)

[제조예 6]

이온선택성 층으로 이온교환 용액 코팅한 축전식 탈염전극

상기 [제조예 3]의 탄소전극 상에 이온선택성 층을 형성하기 위해 [제조예 2]의 양이온교환 용액을 한쪽 면에 코팅한 후 70℃에서 2시간 건조하고 다른 한쪽 면을 [제조예 3]의 음이온교환 용액을 코팅하여 70℃에서 2시간 건조하여 이온선택성 층을 갖는 축전식 탈염전극을 제조하였다.

[제조예 7]

이온선택성 층으로 이온교환수지 분말과 폴리올레핀계 바인더 혼합물을 도포한 축전식 탈염전극

양이온교환수지(Trilite CMP28, 삼양사)와 음이온교환수지(Trilite AMP28, 삼양사)를 에어제트밀(Model: NETSCH-CONDUX, Netsch사) 팬을 이용 1700 RPM으로 분쇄하여 각각 평균입도가 1.7㎛(최대 5.3㎛)과 2.0㎛(최대 5.5㎛)인 분말을 제조하였다. 이렇게 제조된 양이온교환수지 분말 또는 음이온교환수지 분말을 각각 선형저밀도폴리에틸렌(LLDPE 롯데케미칼 U8835)을 혼합물 100% 중량부에 대하여 각각 52 중량%와 48 중량%가 되도록 혼합하여 1kg을 혼련기(KDK3,한국엠텍)에 넣고 1시간동안 25RPM으로 회전한 후 30RPM으로 1시간 충분히 혼련하여 각각 양이온교환수지 분말과 선형저밀도 폴리에틸렌의 균일한 조성물과 음이온교환수지분말과 선형저밀도 폴리에틸렌의 균일한 조성물을 만들었다.

상기 [제조예 3]의 탄소전극의 양 쪽에 상기의 2가지의 조성물을 이용하여 각 면에 서로 다른 이온선택성 층을 형성한 축전식 탈염전극 제조하였다. 상기 층은 리프 디스크 (leaf disk)형으로 150mm 폭의 코트 행거형 T 다이(Coat hanger T die)를 설치한 진공 벤트 부착 단축 압출기(스크류 지름 32mmφ), 평면의 냉각 압축 롤(열매에 의해 온도 조절 가능), 인취 롤 및 권취기 (장력 조정 가능)으로 이루어진 압축기 코팅설비를 이용하여 형성하였으며, 이 때, 탄소전극상에 압출기 실린더 온도 120℃, T 다이 온도 120℃, 평탄한 냉각 압축 롤 온도 60~65℃, T 다이립 개도 0.1mm, 에어 갭 20mm, 토출 속도 3kg/h의 조건으로, 두께가 50㎛이 되도록 형성하였다.

[제조예 8]

이온선택성 층과 유로패턴을 형성한 축전식 탈염전극

상기 제조예 7에서 상기 평면의 냉각 압축 롤 대신에 폭이 70㎛, 높이 40㎛, 간격 200㎛의 균일한 유로패턴을 갖고 있는 냉각 압축 롤을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 이온선택성 코팅 층의 형성과 동시에 줄무늬의 유로패턴을 갖는 양이온 이온선택성 전극을 제조하였다.

[비교예 1]

폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 370,000) 1.2g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 8.8g 을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다.

상기 제조된 슬러리를 전도성 흑연 시트(두께: 130㎛, 동방카본(주), Cat. No. F02511C) 위에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하고 뒷면을 닥터블레이드(Doctor blade)로 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 활성 층이 형성된 탄소전극을 제조하였다.

양이온교환 용액은 술폰화(sulfonation) 반응을 통해 제조된 양이온교환기를 가지고 있는 폴리스티렌(Mw=270,000, Aldrich, 양이온교환용량 = 1.5 meq/g) 1.0g, 디메틸아세트아마이드(DMAc) 20g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 탄소전극에 양이온교환용액을 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 양이온선택성을 갖는 축전식 탈염전극을 제조하여 음극으로 사용하였다.

[비교예 2]

폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 370,000)1.2g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 8.8g 을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다.

상기 제조된 슬러리를 전도성 흑연 시트(두께: 130㎛, 동방카본(주), Cat. No. F02511C) 위에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하고 뒷면을 닥터블레이드(Doctor blade)로 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 활성 층이 형성된 탄소전극을 제조하였다.

음이온교환 용액은 아민화 반응을 통해 제조된 음이온교환기를 가지고 있는 폴리에테르술폰(음이온교환용량 = 1.2 meq/g) 1.0g, 디메틸아세트아마이드 20g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 탄소전극에 음이온교환용액을 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 음이온선택성을 갖는 축전식 탈염전극을 제조하여 양극으로 사용하였다.

[실시예 1 ~ 4]

[제조예 5]에서 제조예 1의 탄소전극, 제조예 2의 탄소전극, 제조예 3의 탄소전극 및 제조예 4의 탄소전극을 이용하여 제조된 4종의 이온선택성 축전식탈염복합전극을 10 x 10 ㎠로 절단한 후 중앙에 1cm의 구멍을 뚫어 용액이 전극의 사면에서 유로나 스페이서를 통과해 중앙으로 빠져 나갈 수 있도록 구성 하였다.

이때 [비교예 1] 음전극의 양이온선택성 층과 [제조예 5]에서 만들어진 음이교환 막이 서로 마주보도록 하고 [비교예 2] 양전극의 음이온선택성 층과 [제조예 5]의 양이온교환 막이 서로 마주보도록 3장을 적층하여 축전식탈염복합전극을 제조하고 이어서 외부인가 집전체 전극을 적층하여 복합탈염전극 셀을 구성하였다. [비교예 1]의 음극과 [비교예 2]의 양극의 외부에 15 x 15 cm2 크기의 아크릴 판을 대고 볼트로 고정하여 [도 2]의 축전식 탈염용 복극용 단일 셀을 구성하였다.(유로패턴을 갖고 있는 것은 셀을 구성하는데 있어서 별도의 스페이스가 필요없으나 유로패턴이 없는 것은 유로를 주기위해 전극사이에 "나일론 6, 100 mesh"을 넣어 셀을 구성할 수 있다.

상기 축전식 탈염욜 복극용 단일 셀은 제조예1의 탄소전극을 이용한 경우를 실시예 1, 제조예2의 경우는 실시예 2, 제조예 3의 경우는 실시예 3 및 제조예 4의 탄소전극을 이용하여 제조한 경우는 실시예 4로 하였다.

집전체 전극에 전극전위를 3.0 V로 일정하게 인가하면서 250 mg/L의 NaCl 용액을 60 mL/min의 속도로 공급하였다. 유출수의 총 용존 고형물(Total Dissolved Solid;TDS)의 변화를 측정하여 탈염효율을 분석하였다. 3분 동안 흡착시킨 후 전극전위를 1분 동안 쇼트, 50초 동안 역전위 10초 동안 휴지기로 변화시켜 가면서 탈착시키는 방식으로 운전하였다.

[실시예 1]에 의해 제조된 셀로 탈염실험을 진행 한 결과를 [표 1]에 염 제거율(%)을 나타내었다.

[표 1]에서 보이는 바와 같이, [제조예 1] > [제조예 3](1.5 Ω/cm2) > [제조예 2](10.2 Ω/cm2) > [제조예 4] (79.0Ω/cm2) 순으로 서로 상이한 탄소전극을 이용하여 제조한 축전식탈염복합전극으로 제조한 축전식 복합탈염용 복극용 단일 셀의 염 제거효율을 나타내고 있다. 이러한 결과는 [제조예 1]의 경우가 다공성의 부직포에 별도의 이온성 수지층이 없이 곧바로 전극활물질 층이 형성되어 수용액 중에서 전기저항이 가장 낮기 때문에 가장 높은 제거효율을 보이는 것이라 생각된다. 또한 [제조예 4]의 탄소전극을 이용한 경우의 축전식 탈염용 복극용 단일 셀의 염 제거효율은 지지체 부직포가 양이온과 음이온선택성 용액으로 코팅되어 있기 때문에 저항이 가장 높아 제거효율이 낮아지는 것으로 생각된다. 그러나 전체적으로 염 제거효율은 모두 70% 이상으로 매우 우수한 것임을 알 수 있다.

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
염제거효율(%)	81.7	81.1	81.3	75.3

[실시예 2]

[제조예 3]의 탄소전극을 이용하여 [제조예 5], [제조예 6], [제조예 7] 및 [제조예 8]의 방법으로 축전식 탈염전극을 제조하고, 이를 이용하여 [실시예 1]과 같은 방법으로 탈염용 복극용 단일 셀을 제조하여 염 제거효율을 평가하였다. 그 결과를 [표 2]에 나타내었다. 상기에서 제조예 5의 방법으로 제조한 경우는 실시예 5, 제조예 6의 방법으로 제조한 경우는 실시예 6, 제조예 7의 방법으로 제조한 경우는 실시예 8이라 하였다.

구분	실시예 5	실시예 6	실시예 7	실시예 8
염제거효율(%)	81.3	85.6	80.4	86.9

[표 2]에서 보는바와 같이 실시예 6이 가장 우수한 탈염 효율을 보이는 것을 확인 할 수 있으며 실시예 7이 다소 낮았지만, 모두 80%이상의 우수한 염제거효율을 가지는 것을 알 수 있었다. 이는 실시예 6의 경우는 이온교환 용액을 코팅함으로서 계면간의 접촉저항과 이온선택성층의 두께가 얇아 막 저항이 낮기 때문에 염 제거효율이 가장 높은 것으로 생각되며, 실시예 7은 이온교환수지 분말과 선형저밀도 폴리에틸렌 바인더와의 혼합물로 코팅되어 이온선택성 층의 저항이 높기 때문에 염 제거효율이 낮아진 것으로 보인다. 그러나 실시예 7과 같은 조성의 물질로 코팅한 후 유로패턴을 형성한 실시예 8의 경우 더 높은 염 제거효율을 보이고 있다.

[실시예 3]

[제조예 3]의 탄소전극을 이용하여 [제조예 6]의 방법으로 축전식탈염복합전극을 제조하고, 이때 [비교예 1] 음전극의 양이온선택성 층과 [제조예 6]에서 만들어진 음이온선택성 층이 서로 마주보도록 하고 [제조예 6] 양이온선택성 층과 또 다른 [제조예 6]의 음이온선택성 층이 서로 마주보도록 계속해서 7장을 적층한 후 [비교예 2] 양전극의 음이온선택성 층과 마지막의 [제조예 6]의 양이온교환 막이 서로 마주보도록 9장을 적층하여 탈염용 복합복극 셀을 구성하였다.

이를 이용하여 [실시예 1]과 같은 방법으로 전극전위를 12.0 V로 일정하게 인가하면서 250 mg/L의 NaCl 용액을 240 mL/min의 속도로 공급하였다. 유출수의 총 용존 고형물(Total Dissolved Solid;TDS)의 변화를 측정한 결과 90.1%의 우수한 염 제거효율을 나타내었다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

101: 비도전성 다공성 지지체 102: 양이온선택성 흡착전극층
103: 음이온선택성 흡착전극층 104, 105: 유로패턴
110: 다공성 튜브 120: 직포나 부직포
130, 140: 뚜껑 131, 141: 오링
142: 구멍 300: 축전식 탈염 전극 롤
500: 모듈 케이스 510: 유입구 520: 유출구
530: 양전극 531 음전극 540: 유로
550: 모듈케이스 뚜껑

Claims (10)

1. 전극물질층이 형성된 비도전성 다공성 지지체의 일면에 양이온선택성 코팅 층이 형성되고 다른 면에는 음이온선택성 코팅 층이 형성된 적어도 하나 이상의 축전식 탈염전극을 가지고, 상기 양이온선택성 층과 음이온선택성 층을 서로 마주하는 구조를 최소한 2 이상 가지도록 제조되는 축전식탈염복합전극.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 축전식탈염복합전극은 상기 이온선택성층에 유로(流路)패턴(water flowing pattern)또는 격막을 이온선택성층 상에 형성하여 유로패턴을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 축전식탈염복합전극.
   
3. 제 1항에 있어서
   상기 비도전성 다공성 지지체가 다공성의 고분자시트나 박막, 다공성 세라믹, 직포, 부직포, 다공성 고분자 필름, 다공성 고분자 폼에서 선택되는 어느 하나인 축전식탈염복합전극.
   
4. 전극 물질층이 형성된 비도전성 다공성 지지체의 일면에는 양이온선택성 코팅 층이 형성되고, 다른 면에는 음이온선택성 코팅 층이 형성된 적어도 하나 이상의 축전식 탈염전극을 가지고 상기 양이온선택성 층과 음이온선택성 층을 서로 마주하는 구조를 최소한 2 이상 가지도록 제조되는 축전식탈염복합전극 및 상기 축전식탈염복합전극의 양측에 외부 인가 집전체 전극이 적층되어 상기 축전식탈염복합전극의 적층수에 따라 인가전위를 달리하여 복극형식으로 운전하는 축전식탈염복합전극 셀.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 축전식탈염복합전극은 롤(Roll)로 감아 롤의 내측과 외측의 집전체 전극에 의해 감겨진 장수와 회수에 따라 인가전위를 달리하여 복극형식으로 운전하는 축전식탈염복합전극 셀.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 축전식탈염복합전극이 2이상 적층되어 제조되는 복합탈염전극 셀.
   
7. 제 4항에 있어서
   상기 축전식탈염복합전극은 상기 이온선택성층에 유로(流路)패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 축전식탈염복합전극 셀.
   
8. 비도전성 다공성 지지체의 양면에 전극 활물질과 바인더를 포함하는 슬러리를 도포하여 또는 상기 슬러리를 캘린더 가공하여 시트형성 후 상기 비도전성 다공성 지지체상에 압착하여 전극물질층을 형성하는 단계;
   상기 전극물질층의 양 면에 각각 양이온선택성 코팅층 및 음이온선택성 코팅층을 형성하여 축전식탈염전극을 제조하는 이온선택성층 형성단계; 및
   상기 이온선택성층 형성단계에서 제조된 축전식탈염전극을 두 개 이상 적층하되, 서로 인접한 축전식탈염전극면에는 서로 상이한 이온선택성층이 마주하도록 하는 축전식탈염전극 적층단계;
   를 포함하는 축전식탈염복합전극의 제조방법.
   
9. 제 8항에 있어서
   상기 이온선택성층 형성단계와 동시에 또는 형성 후 유로패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 축전식탈염복합전극의 제조방법.
   
10. 제 9항에 있어서
    상기 유로패턴은 격막을 이온선택성층 상에 형성함으로써 얻어지는 축전식탈염복합전극의 제조방법.

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