KR101598589B1 - 축전 탈이온화 장치 - Google Patents

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김지연
고광범
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김태경
김한주
최영일
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한국수자원공사
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Abstract

본 발명은 원수에 함유된 양이온을 음전극에 흡착하고 음이온을 양전극에 흡착하여 원수를 탈이온화하고, 전극에 흡착한 이온을 탈착하여 이온 농축수를 얻는 축전 탈이온화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 소정 용량의 전극 스택을 수용한 단위 탈이온 모듈을 목표 용량에 맞는 수만큼 적층하도록 구성되어 탈이온화 처리 용량에 따라 용이하게 구성할 수 있고 증설도 용이하며, 하부에서 원수를 가압하여 각 층의 탈이온화 모듈을 원수로 채우고 탈이온화한 후 회수하는 회분식 운전에 의해 원수의 탈이온화율이 향상되고, 원수의 탈이온화 동작 이후에 전극에 흡착된 이온을 회분식으로 탈착하여 이온 농축수를 얻는 동작을 수행하는 일련을 사이클을 반복함으로써 전극 스택의 탈이온화 효율을 높이고 고농도의 이온 농축수를 얻을 수 있는 축전 탈이온화 장치에 관한 것이다.

Description

축전 탈이온화 장치{APPARATUS FOR CAPACITIVE DEIONIZATION}
본 발명은 원수에 함유된 양이온을 음전극에 흡착하고 음이온을 양전극에 흡착하여 원수를 탈이온화하고, 전극에 흡착한 이온을 탈착하여 이온 농축수를 얻는 축전 탈이온화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 소정 용량의 전극 스택을 수용한 단위 탈이온화 모듈을 목표 용량에 맞는 수만큼 적층하도록 구성되고, 하부에서 원수를 가압하여 각 층의 탈이온화 모듈을 원수로 채우고 탈이온화한 후 회수하는 회분식 운전을 채용하며, 원수의 탈이온화 동작 이후에 전극에 흡착된 이온을 회분식으로 탈착하여 이온 농축수를 얻는 동작을 수행하는 일련의 사이클을 반복함으로써 고농도의 이온 농축수를 얻는 축전 탈이온화 장치에 관한 것이다.
하폐수 처리공정 또는 해수담수화 공정에서 예를 들어 염소, 인, 질소, 또는 용존고형물이 포함된 원수를 정화하기 위한 방법으로서 탈이온화(CDI : Capacitive Deionization) 방법이 있다.
탈이온화 방법은 스택(stack) 형태로 구성된 두 탄소전극 사이에 전압을 인가하고 두 탄소전극 사이의 채널을 통해 원수를 통과시켜서 원수에 포함된 음이온을 양극으로 흡착하고 양이온을 음극에 흡착하는 간단한 원리에 기초한다. 이러한 탈이온화 방법을 구현하기 위해서 일반적으로 등록특허 제10-1290728에서 보여주는 바와 같이 스택을 복수개로 적층하여 양전극과 음전극이 교대로 배치되는 전극집합체를 구성한 후, 전극집합체를 입수구 및 출수구를 구비한 케이스에 수용한 CDI 반응조를 제작하여 사용한다. 또한, CDI 반응조를 실제 사용하여 수처리할 시에는 원수로부터 흡착된 이온을 전극으로부터 분리하는 전극 재생 공정도 탈이온화 공정의 중간에 실행되도록 운영한다.
또한, CDI 반응조를 실제 수처리 공정에 적용하는 경우에 등록특허 제10-0953085호에서 보여주는 바와 같이 복수의 CDI 반응조를 직렬 또는 병렬로 연결하여 원수의 탈이온화율을 높이고 탈이온화 공정과 이온 탈착 공정(전극 재생 공정)을 반복하면서도 연속운전하게 하기도 한다.
하지만, 상기한 종래기술들에 따르면 연속식으로 운용되므로, 충분한 탈이온화율을 얻기 위해서는 CDI 반응조를 매우 크게 제작하든지 아니면 CDI 반응조를 복수로 연결해야만 한다. 그런데, CDI 반응조를 크게 제작하는 경우는 제작상의 어려움 뿐만 아니라 시설 유지관리도 어렵게 하고, 복수의 CDI 반응조를 연결하여 사용하는 경우에 각 CDI 반응조를 직병렬로 배관 연결하여야 하는 설치의 어려움이 있고, 단일 CDI 반응조를 사용하는 경우보다 넓은 시설 공간을 확보하여야 하여하는 공간 확보의 어려움도 있다.
한편, 전극에서 탈착한 이온은 활용 가치가 높은 물질로서 회수할 필요가 있으므로, 고농도로 농축하여 회수하는 것이 바람직하다.
KR 10-0953085 B1 2010.04.08. KR 10-1290728 B1 2013.07.22.
따라서, 본 발명의 목적은 수처리 용량에 맞게 용이하게 구성할 수 있고, 조립하기에도 용이한 구조를 갖추며, 회분식 운전으로 탈이온화율을 높이고 고농도의 이온 농축수를 생산하는 축전 탈이온화 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 축전 탈이온화 장치에 있어서, 양전극과 음전극을 서로 이격되게 배치한 전극집합체(120)를 내부공간에 수용하고 상면판의 상부홀(111)과 저면판의 하부홀(112)을 구비한 복수의 탈이온화 모듈(100)를 하부홀(112)의 위치에 맞게 내부통로(430)의 상면 입출수구(410)를 구비한 하부 지지체(400)의 상면에 적층하되, 상호 맞닿는 상면 입출수구(410)와 하부홀(112) 사이 및 상부홀(111)과 하부홀(112) 사이를 실링부재(200)로 실링하며 연통되게 하여서 적층한 탈이온화 모듈(100)의 각 내부공간이 수직으로 연통되게 한 모듈 적층체(10); 탈이온화할 원수를 담아두는 탱크로서, 제1 삼방밸브(21)를 통해 하부 지지체(400)의 내부통로(430)에 연결되고 제2 삼방밸브(22)를 통해 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)에 연결되는 원수 탱크(20); 전극집합체(120)의 양전극 및 음전극으로부터 탈착한 이온을 농축하여 얻는 농축수를 담아두는 탱크로서, 상기 제1 삼방밸브(21)를 통해 하부 지지체(400)의 내부통로(430)에 연결되고 상기 제2 삼방밸브(22)를 통해 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)에 연결되는 농축수 탱크(30); 상기 제1 삼방밸브(21)를 제어하여 하부 지지체(400)의 내부통로(430) 및 상면 입출수구(410)를 통해 각 층의 탈이온화 모듈(100)에 원수를 채우고 전극집합체(120)의 양전극 및 음전극을 대전시켜 탈이온화한 후 원수를 원수 탱크(20)로 회수하는 동작과, 각 층의 탈이온화 모듈(100)에 농축수를 채우고 전극집합체(120)의 대전을 해제시켜 이온을 탈착한 후 농축수를 농축수 탱크(30)로 회수하는 동작을 교대로 수행하는 컨트롤러(40); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
탈이온화 모듈(100)에 원수를 채울 시에 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)을 통해 넘치는 원수를 상기 제2 삼방밸브(22)에 의해 원수 탱크(20)로 회수하고, 농축수를 채울 시에 넘치는 농축수를 상기 제2 삼방밸브(22)에 의해 농축수 탱크(30)로 회수하되, 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)과 상기 제2 삼방밸브(22) 사이에는 유체의 흐름을 감지하는 센서(24)를 구비하여서, 상기 컨트롤러(40)는 각 층의 탈이온화 모듈(100)에 원수 또는 농축수를 채울 시에 상기 센서(24)로 유체의 흐름을 감지하기 전까지 원수 또는 농축수를 가압하여 채우게 함을 특징으로 한다.
상기 탈이온화 모듈(100)은 격벽(113)에 의해 좌우의 내부공간으로 구획되어 구획된 각 내부공간에 상기 전극집합체(120)를 수용하고 내부공간 별로 상부홀(111) 및 하부홀(112)이 구비되며, 상기 하부 지지체(400)에서 내부통로(430)에 병렬로 이어지는 2개의 상면 입출수구(410)를 마련하여 최하층 탈이온화 모듈에 구비되는 2개의 하부홀(112)에 일대일로 연결되게 하고, 최상층 탈이온화 모듈에 구비되는 2개의 상부홀(111)이 상기 제2 삼방밸브(22)에 병렬 연결됨을 특징으로 한다.
좌우 내부공간에 각각 수용된 상기 전극집합체(120)에서 양전극에 연결된 양전극 단자(122)와 음전극에 연결된 음전극 단자(123)가 격벽(113)에 대향하는 측면을 관통하며, 적층한 탈이온화 모듈(100)의 측면에 고정되되, 양전극 단자(122)를 일대일로 삽입하는 양전극 체결부(310)를 상호 전기적으로 연결하고 음전극 단자(123)를 일대일로 삽입하는 음전극 체결부(320)를 상호 전기적으로 연결하여 탈이온화 모듈(100)을 전기적으로 병렬연결되게 하는 전극 연결체(300);를 탈이온화 모듈(100)의 양측면에 각각 1개씩 구비하며, 상기 컨트롤러(40)는 전기를 양측 전극 연결체(300)에 동시 투입하게 함을 특징으로 한다.
상기 실링부재(200)는 상부로 테이퍼진 상부체(210), 하부로 테이퍼진 하부체(230) 및 플랜지 형상을 갖도록 외부로 돌출시킨 중간체(220)로 구성되어 중간체(220)의 중심을 기준으로 상하 대칭구조를 이루되, 상부체(210) 및 하부체(230)의 테이퍼진 외주면과 중간체(220)의 상하면에 각각 오링을 구비하고, 상하로 관통 형성한 내부중공(240)을 구비하며, 상기 상부홀(111) 또는 상면 입출수구(410)는 상기 하부체(230) 및 상기 중간체(220)의 하부측 절반을 삽입하게 형성되고, 상기 하부홀(112)은 상기 상부체(210) 및 상기 중간체(220)의 상부측 절반을 삽입하게 형성됨을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 소정 크기 및 처리 능력을 갖는 탈이온화 모듈을 수직으로 적층하여 탈이온화 공간이 직렬로 연결되게 하므로, 시설의 목표 처리 능력을 확보하는 데 필요한 개수의 탈이온화 모듈을 적층하는 간단한 조립 구조를 갖추고, 목표 처리 능력의 증설 또는 감소도 용이하며, 적층할 시에 배관 없이 실링부재를 사용하므로 적층작업도 용이하다.
또한, 본 발명은 최하층에 적층한 탈이온화 모듈의 하부홀을 통해서 원수의 유입 및 배출과 농축수의 유입 및 배출이 이루어지는 간단한 구조를 갖추고, 최상층에 적층한 탈이온화 모듈에서 넘치는 원수 또는 농축수를 회수하는 구조를 갖추어서, 원수 탱크 및 농축수 탱크와의 배관 연결도 용이하다.
또한, 본 발명은 탈이온화 모듈의 적층과정 중에 상호 맞닿는 상부홀과 하부홀을 실링부재로 실링하며 연통되게 함에 있어서, 상부 및 하부의 테이퍼진 사면 및 플랜지 형상의 중간체의 상면과 저면에 오링을 설치함으로써, 탈이온화 모듈의 하중에 의해 오링이 압착되게 하므로, 실링을 확실하게 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 축전 탈이온화 장치의 구성도.
도 2는 모듈 적층체(10)의 분해 사시도.
도 3은 탈이온화 모듈(100)의 분해 사시도.
도 4는 탈이온화 모듈(100)에서 케이스(110)의 단면도.
도 5는 실링부재(200)의 사시도(a) 및 단면도(b).
도 6은 모듈 적층체(10)의 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 축전 탈이온화 장치의 구성도이고, 도 2는 모듈 적층체(10)의 분해 사시도이고, 도 3은 탈이온화 모듈(100)의 분해 사시도, 도 4는 탈이온화 모듈(100)에서 케이스(110)의 단면도이고, 도 5는 실링부재(200)의 사시도(a) 및 단면도(b)이고, 도 6은 모듈 적층체(10)의 단면도이다. 여기서, 도 4는 내부공간에 수용되는 전극집합체(120)를 생략하고 케이스(110)의 단면도만 도시하였고, 도 5는 적층된 탈이온 모듈(100)의 내부공간이 실링부재(200)에 의해 실링되며 연통되는 것을 보여주기 위한 도면으로서 내부공간에 수용되는 전극집합체(120)의 단면구조 및 전극 연결체(300)의 단면 구조를 생략하고 도시하였다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 축전 탈이온화 장치는 전극집합체(120)를 내부공간에 수용한 탈이온화 모듈(100)을 목표 탈이온화 처리 용량에 맞게 적층한 모듈 적층체(10), 탈이온화할 원수를 담아두는 원수 탱크(20), 전극집합체(120)의 양전극 및 음전극에 흡착된 이온을 탈착 및 농축하여 얻는 농축수를 담아두는 농축수 탱크(30), 전극집합체(120)에 전압을 인가하여 원수를 탈이온화하는 탈이온화 동작과 전극집합체(120)에서 이온을 탈착하여 전극을 재생하면서 농축수를 얻는 농축화 동작을 제어하는 컨트롤러(40)를 포함하여 구성되며, 구성요소별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 모듈 적층체(10)는 상면에 조성한 상면 입출수구(410)에서 시작하여 측면에 조성한 측면 입출수구(420)에 이르는 내부통로(430)를 구비하는 하부 지지체(400), 하부 지지체(400)의 상면에 연직방향으로 적층하는 복수의 탈이온화 모듈(100), 탈이온화 모듈(100)을 적층할 시에 하부 지지체(400)와 최하층 탈이온화 모듈 간의 연통 지점을 실링하고 탈이온화 모듈 간의 연통 지점을 실링하는 데 사용되는 실링부재(200), 적층한 탈이온화 모듈(100)의 양측면에 고정되어 각 탈이온화 모듈(100)에 수용한 전극집합체(120)와 전기적으로 연결되는 전극 연결체(300), 적층한 탈이온화 모듈(100)을 안정적으로 하부 지지체(400)에 고정하기 위한 측면 지지체(500)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 탈이온화 모듈(100)은 개구된 양측면이 실링재(115)로 실링하며 마개(114)로 폐구하고 내부공간의 중심을 격벽(113)으로 막아 내부공간이 좌우의 2개 내부공간으로 구획되며 각 내부공간 별로 상부판에 상부홀(111)이 조성되고 하부판에 하부홀(112)이 조성되는 케이스(110); 케이스(110)의 구획된 각 내부공간에 하나씩 수용되며 양전극에 연결된 양전극 단자(122)와 음전극에 연결된 음전극 단자(123)가 마개(114)를 관통하여 외측으로 노출되게 한 전극집합체(120);로 구성된다.
전극집합체(120)는 양전극과 음전극을 교대로 배치하며 각 전극의 사이를 스페이서에 의해 이격되게 한 전극 스택(121), 전극 스택(121)의 모든 양전극이 전기적으로 연결되게 한 양전극 단자(122), 및 전극 스택(121)의 모든 음전극이 전기적으로 연결되게 한 음전극 단자(123)를 포함하여 구성되는 것으로서, 공지된 구성요소이므로 상세한 설명을 생략한다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 케이스(110)의 구획된 양측 내부공간에 하나씩 수용되어 양전극 단자(122) 및 음전극 단자(123)가 실링재(116)에 의해 실링되며 마개(114)를 관통하게 하므로, 양전극 단자(122)와 음전극 단자(123)가 동일한 방향을 향하게 되어 있다.
이와 같이 구성된 전극집합체(120)를 케이스(110)에 수용함으로써, 케이스(110)에서 양측면의 마개(114)에는 각각 양전극 단자(122)와 음전극 단자(123)가 하나씩 외부로 노출된다. 본 발명의 실시예에 따르면 외부로 노출된 양전극 단자(122)와 음전극 단자(123)는 각각 후술하는 양전극 체결부(310)와 음전극 체결부(320)에 삽입고정하기 위해서 봉 형상으로 되어 있다.
상기 상부홀(111)은 케이스(110)의 상면판 외면(상면)에 원형으로 조성한 원형홈(111a)과, 원형홈(111a)의 중앙에서 상기 원형홈(111a)의 직경보다 작은 직경에서 시작하여 내면까지 직경을 점차 축소시켜 하부로 테이퍼지게 함으로써 역원뿔대 형상으로 조성되는 역원뿔대형홀(111b)로 구성된다.
상기 하부홀(112)은 상기 상부홀(111)과 대칭적으로 형성되어, 케이스(110)의 저면판 외면(저면)에 원형으로 조성한 원형홈(112a) 및 원형홈(112a)의 중앙에서 원형홈(112a)의 직경보다 작은 직경에서 시작하여 내면까지 직경을 점차 축소시켜 상부로 테이퍼지게 함으로써 원뿔대 형상으로 조성되는 원뿔대형홀(112b)로 구성된다.
그리고, 상기 상부홀(111) 및 하부홀(112)은 각각 내부공간 별로 형성되고, 연직방향 선상에 위치하여서, 복수의 탈이온화 모듈(100)을 적층하면, 상호 접하며 적층되는 하부측 탈이온화 모듈의 상부홀(111)과 상부측 탈이온화 모듈의 하부홀(112)이 맞닿아 연통된다. 또한, 상기 하부 지지체(400)의 상면에 탈이온화 모듈(100)을 올려놓을 시에 탈이온화 모듈(100)의 하부홀(112)이 하부 지지체(400)의 상면 입출수구(410)에 맞닿아 연통되도록 2개의 상면 입출수구(410)가 하부 지지체(400)의 상면에 조성되고, 이때 2개 상면 입출수구(410)는 내부통로(430)에서 분기되어 이어짐에 따라 결국, 측면 입출수구(420)과 병렬적으로 연통된다.
이에 따라, 하부 지지체(400)의 상면에 복수의 탈이온화 모듈(100)을 적층하면, 하부 지지체(400)의 측면 입출수구(420)가 내부통로(430)의 분기에 의해 연결된 2개의 상면 입출수구(410)를 통해서 적층된 탈이온화 모듈(100)의 수직으로 연결된 좌측 내부공간과 우측 내부공간에 병렬로 연통된다.
서로 맞닿아 연통되는 상기 하부 지지체(400)의 상면 입출수구(410)와 최하층 탈이온화 모듈의 하부홀(112) 사이 및 서로 맞닿아 연통되는 상부홀(111)과 하부홀(112) 사이는 상기 실링부재(200)에 의해 실링되되 연통상태를 유지하게 하여서, 하부 지지체(400)의 측면 입출수구(420)를 통해 원수 또는 농축수를 가압하여 공급하더라도 누수되지 아니하고, 연직방향으로 이어진 내부공간에서 점차 수위가 상승하여 최상층 탈이온화 모듈(100)의 내부공간까지 채워지게 된다.
그리고, 하부 지지체(400)의 상면 입출수구(410)는 탈이온화 모듈(100)을 적층할 시에 하부홀(112)의 위치에 맞게 배치되고 형상에 있어서는 상부홀(111)과 동일하게 형성되어서 실링부재(200)를 변형 없이 적용하여 밀폐할 수 있다. 즉, 상면 입출수구(410)는 상부홀(111)과 동일하게 원형홈(411) 및 역원뿔대형홀(412)을 갖추게 형성된다.
상기 실링부재(200)는 상부로 갈수록 외경이 점차 작아져서 상부로 테이퍼진 원뿔대 형상을 갖는 상부측의 상부체(210), 하부로 갈수록 외경이 점차 작아져서 하부로 테이퍼진 역원뿔대 형상을 갖는 하부측의 하부체(230), 및 플랜지 형상을 갖도록 외부로 돌출시킨 중간체(220)로 구성되어 중간체(220)의 중심을 기준으로 상하 대칭구조를 이룬다. 이때, 중간체(220)는 탈이온화 모듈(100)에서 상부홀(111) 및 하부홀(112)의 원형홈(111a, 112a)과 하부 지지체(400)에서 상면 입출수구(410)의 원형홈(411)에 절반을 삽입할 수 있는 두께를 갖고, 상부체(210)는 탈이온화 모듈(100)에서 하부홀(112)의 원뿔대홀(112b)에 삽입할 수 있는 형상으로 형성되고, 하부체(230)는 탈이온화 모듈(100)에서 상부홀(111)의 역원대형홀(111b)과 하부 지지체(400)에서 상면 입출수구(410)의 역원대형홀(412)에 삽입할 수 있는 형상으로 형성된다.
이러한 실링부재(200)는 수축에 대해 팽창 복원력을 갖는 고무를 예로 들수 있는 탄성재로 구성하고, 상부체(210)가 하부홀(112)의 원뿔대홀(112b)보다 약간 크게 하고, 하부체(230)가 상부홀(111)의 역원대형홀(111b) 및 상면 입출수구(410)의 역원대형홀(412)보다 약간 크게 하고, 중간체(220)의 높이의 절반이 상부홀(111) 및 하부홀(112)의 원형홈(111a, 112a) 높이보다 약간 크게 하여서, 실링부재(200)가 삽입될 시에 압착되게 하는 것이 좋다.
또한, 상부체(210) 및 하부체(230)의 테이퍼진 외주면에는 둘레 방향을 따라 끼워지는 오링(251)을 구비하고, 중간체(220)의 상하면에도 각각 오링(252)을 구비한다. 이때, 중간체(220)의 상하면에 구비하는 오링(252)은 상면의 경우 상부체(210)의 하단 둘레를 감싸도록 구비하고 하면의 경우 하부체(230)의 상단 둘레를 감싸도록 구비한다.
또한, 실링부재(200)는 상하로 관통 형성한 내부중공(240)을 구비하여서, 하부측(하부체 및 중간체 절반)을 상부홀(111)에 삽입되게 하고 상부측(상부체 및 중간체 절반)을 하부홀(112)에 삽입되게 하며 탈이온화 모듈(100)을 적층 때에 상부홀(111)과 하부홀(112) 간의 연통 상태를 유지하게 하고, 하부측을 상면 입출수구(420)에 삽입되게 하고 상부측을 하부홀(112)에 삽입되게 하며 최하층 탈이온화 모듈을 적층할 때에 상면 입출수구(420)와 하부홀(112) 간의 연통 상태를 유지하게 한다.
한편, 상기 탈이온화 모듈(100)의 측면에서 상부측에는 홈형상의 측면 상부홈(117)이 상부 모서리까지 이어지게 형성되고, 하부측에는 하부 모서리에서 하부로 연장 형성하여 측면 상부홈(117)에 끼울 수 있는 측면 하부돌기(118)를 구비한다. 이에 따라, 탈이온화 모듈(100)을 적층하면 측면 상부홈(117)과 측면 하부돌기(118) 간의 끼움결합에 의해 안정되게 적층상태를 유지한다. 아울러, 최하층 탈이온화 모듈(110)의 하부돌기(118)를 끼움결합하기 홈이 하부 지지체(400)에 조성된다.
이와 같이 실링부재(200)로 실링하며 하부 지지체(400)의 상면에 적층한 탈이온화 모듈(100)의 양측면에는 각각 전극 연결체(300)가 고정된다.
탈이온화 모듈(100)의 적층체를 살펴보면 각 층별로 양측면에 각각 양전극 단자(122)와 음전극 단자(123)가 하나씩 외측으로 돌출되어 있고, 측면별로 상기 전극 연결체(300)로 고정 설치하여 전기적으로 병렬연결된다.
상기 전극 연결체(300)를 살펴보면 탈이온화 모듈(100) 적층체의 측면에 상하로 배열되게 돌출된 복수의 양전극 단자(122)를 일대일로 삽입 고정하는 양전극 체결부(310)가 양전극 단자(122) 간의 상하 높이 및 위치에 맞게 배치되어 있고, 마찬가지로 상하로 배열되게 돌출된 복수의 음전극 단자(123)를 일대일로 삽입 고정하는 음전극 체결부(320)도 음전극 단자(123) 간의 상하 높이 및 위치에 맞게 배치되어 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 상기 양전극 체결부(310)와 음전극 체결부(320)는 봉 형상의 양전극 단자(122)와 음전극 단자(123)를 삽입할 수 있도록 구성되어서 체결이 용이하다.
그리고, 각각의 전극 연결체(300)에서 복수의 양전극 체결부(310)는 전기적으로 상호 연결되어 있고, 복수의 음전극 체결부(320)도 전기적으로 상호 연결되어 있다. 컨트롤러(40)로부터 전기를 공급받을 시에 전기적 병렬연결에 의해서 복수의 탈이온화 모듈(100)에 각각 수용한 전극집합체(120)에 전압을 동시 인가한다.
상기 측면 지지체(500)는 탈이온화 모듈(100) 적층체의 양측면 모서리를 감싸는 형상의 기둥으로 구성되고 하단을 상기 하부 지지체(400)에 고정함으로써, 탈이온화 모듈(100)의 적층체를 더욱 안정적으로 고정시킨다. 상술한 바와 같이 측면 상부홈(117)과 측면 하부돌기(118) 간의 끼움결합에 의해서 탈이온화 모듈(100)이 분리 낙하되는 것은 물론이고 좌우 전후로 움직이는 것도 방지하고, 측면 지지체(500)에 의해서도 더욱 보강되어 안정된다.
상술한 바와 같이 구성되는 모듈 적층체(10)는 복수의 탈이온화 모듈(100)을 연직방향으로 적층하는 구조로 이루어짐으로써, 목표로 하는 탈이온화 처리 용량에 맞게 필요한 개수의 탈이온화 모듈(100)을 적층하여 구성할 수 있고, 처리 용량을 증설할 때에도 추가로 모듈 적층체(10)를 적층하면 된다. 한편, 본 발명의 실시예에 따르면 탈이온화 모듈(100)의 적층 개수에 맞는 높이의 전극 연결체(300) 및 측면 지지체(500)를 사용하여야 하지만 이러한 구성도 제작이 용이하여서 설치의 이점을 고려하면 본 발명의 실시예처럼 구성하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 탈이온화 모듈(100)이 격벽(113)에 의해 양측 2개 내부공간으로 구획되므로, 하부에서 수압에 의해 원수(또는 농축수)를 내부공간에 채우고 비울 시에 하나의 내부공간을 사용할 때보다는 원활하고, 전극집합체(120)에 구비되는 전극 스택(121)의 길이를 대략 1/2로 줄여 사용하므로 견고할 뿐만 아니라 유지관리도 용이하다.
상기 원수 탱크(20)는 예를 들면 해수 담수화 공정, 하수 처리공정, 폐수 처리공정 또는 연수화공정에서 질소, 인 등의 이온이 함유되어 이러한 이온을 제거할 필요가 있는 원수를 담아두도록 마련되는 탱크로서, 제1 삼방밸브(21)를 통해서 하부 지지체(400)의 측면 입출수구(420)에 배관 연결되어 내부통로(430)에 연통되고 제1 삼방밸브(21)와의 사이에 정역운전이 가능한 제1 펌프(23)가 설치된다. 또한, 상기 원수 탱크(20)는 제2 삼방밸브(22)를 통해서 최상층에 적층된 탈이온화 모듈의 상부홀(111)에 연결되어서 상부홀(111)을 통해 넘치는 원수를 받을 수 있다. 여기서, 최상층에 적층된 탈이온화 모듈에 있는 2개의 상부홀(111)은 배관에 의해 상호 연결된 후 상기 제2 삼방밸브(22)에 연결된다.
그리고, 상기 제2 삼방밸브(22)에서 상부홀(111) 측에 연결되는 배관에는 유체의 흐름을 감지하는 센서(24)가 설치되어 있어서, 제2 삼방밸브(22)를 통한 원수(또는 농축수)의 흐름 여부를 감지한다.
도면에는 도시하지 아니하였지만, 상기 원수 탱크(20)는 외부로부터 원수를 유입받을 수 있고, 하기하는 컨트롤러(40)의 탈이온화 동작에 의해 반복 처리된 후 배출할 수 있게 되어 있다.
상기 농축수 탱크(30)는 원수에 함유되어 전극집합체(120)에 흡착된 이온을 회수하여 고동노로 농축함으로써 얻는 농축수를 담아두는 탱크로서, 상기 제1 삼방밸브(21)에 연결되어 선택적으로 하부 지지체(400)의 내부통로(430)에 연통될 수 있고, 아울러, 상기 제2 삼방밸브(22)에 연결되어 선택적으로 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)에 연통될 수 있다.
즉, 상기 제1 삼방밸브(21)는 하기의 컨트롤러(40)에 의해 제어되어 하부 지지체(400)의 내부통로(430)를 상기 원수 탱크(20) 및 농축수 탱크(30) 중에 어느 하나로 연결되게 동작하고, 상기 제2 삼방밸브(22)도 하기의 컨트롤러(40)에 의해 제어되어 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)을 상기 원수 탱크(20) 및 농축수 탱크(30) 중에 어느 하나로 연결되게 동작한다.
또한, 제1 삼방밸브(21)와 농축수 탱크(30)의 사이를 연결하는 배관에는 정역운전이 가능한 제2 펌프(31)가 설치된다.
도면에는 도시하지 아니하였지만, 상기 농축수 탱크(30)는 외부로부터 이온을 농축할 물을 공급받을 수 있고, 하기하는 컨트롤러(40)의 반복적 농축화 동작에 의해 농축된 농축수를 배출할 수 있게 되어 있다.
상기 컨트롤러(40)는 상기 센서(24)로부터 검출신호를 전송받고, 상기 제1,2 삼방밸브(21, 22)를 제어하고 상기 제1,2 펌프(23, 31)를 제어하여 탈이온화 동작과 농축화 동작을 교대로 반복 수행하며, 제1,2 삼방밸브(21, 22)의 밸브 동작 및 제1,2 펌프(23, 31)의 가동/정지 동작을 제어하기 위한 컨트로수단, 센서(24)의 검출신호를 전송받기 위한 인터페이스, 하기에서 동작 시간의 타이밍을 맞추기 위한 타이머, 제1,2 펌프(23, 31)의 가동과 전극 연결체(300)에의 전압인가를 위한 전원부를 구비한다.
탈이온화 동작은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 제2 삼방밸브(22)를 제어하여 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)을 원수 탱크(20)에 연통시키고 제1 삼방밸브(21)를 제어하여 원수 탱크(20)를 하부 지지체(400)의 내부통로(430)에 연통시킨 후 제1 펌프(23)를 정회전시켜 원수를 내부통로(430)에 가압 공급한다. 이에 따라, 가압 공급하는 원수가 하부 지지체(400)의 상면 입출수구(410)를 통해 분출하여 최하층 탈이온 모듈의 내부공간부터 시작하여 최상층 탈이온 모듈의 내부공간까지 순차적으로 채워진다.
이때, 상기 센서(24)로 유체의 흐름 감지하면 최상층 탈이온 모듈의 내부공간이 원수로 채워진 후 넘치는 원수가 원수 탱크(20)로 회수되는 상황이므로 컨트롤러(40)는 펌프의 가동을 멈추고, 전극집합체의 양전극 및 음전극을 대전시켜 원수에 함유된 이온을 양전극 및 음전극으로 흡착하기 위해서 전극 연결체(300)의 양전극 체결부(310) 및 음전극 체결부(320) 사이에 전압을 인가한다.
전압 인가 상태를 소정의 시간 동안 지속하여 원수를 탈이온화하고, 이후에는 제1 펌프(23)를 역회전시켜 탈이온화 모듈(100)에 채웠던 원수를 원수 탱크(30)로 회수한다.
농축화 동작은 다음과 같이 이루어진다.
원수를 회수하여 탈이온화 모듈(100)에 원수가 채워지지 아니한 상태에서, 먼저, 제2 삼방밸브(22)를 제어하여 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)을 농축수 탱크(30)에 연통시키고 제1 삼방밸브(21)를 제어하여 농축수 탱크(30)를 하부 지지체(400)의 내부통로(430)에 연통시킨 후 제2 펌프(31)를 정회전시켜 농축수를 내부통로(430)에 가압 공급한다. 이에 따라, 가압 공급하는 농축수가 하부 지지체(400)의 상면 입출수구(410)를 통해 분출하여 최하층 탈이온 모듈의 내부공간부터 시작하여 최상층 탈이온 모듈의 내부공간까지 순차적으로 채워진다.
이때, 상기 센서(24)로 유체의 흐름 감지하면 최상층 탈이온 모듈의 내부공간이 농축수로 채워진 후 넘치는 농축수가 원수 탱크(20)로 회수되는 상황이므로 컨트롤러(40)는 제2 펌프(31)의 가동을 멈추고, 전극 연결체(300)의 양전극 체결부(310) 및 음전극 체결부(320) 사이에 전압 인가를 해제한 상태에서 소정 시간 동안 대기함으로써, 전극집합체(120)의 전극에 흡착되었던 이온이 탈착되어 농축수에 함유되게 한다. 이때, 탈이온화 공정에서 인가한 전압에 대해 역전압을 인가하여 이온을 탈착시키는 방식도 가능하다. 소정의 시간이 경과한 이후에는 제2 펌프(31)를 역회전시켜 탈이온화 모듈(100)에 채웠던 농축수를 농축수 탱크(30)로 회수한다.
상기한 탈이온화 동작 및 농축화 동작를 순차적으로 진행하는 1사이클의 제어 동작은 반복되어서, 탈이온화 처리하여 원수 탱크(20)에 담아지는 원수에 잔류하는 이온을 최소화하며, 이에 원수의 탈이온화율을 높일 수 있고, 이온이 고농도로 농축화된 농축수도 생산할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 탈이온화 동작에서 원수를 탈이온화 모듈(100)에 채울 때와, 농축화 동작에서 농축수를 탈이온화 모듈(100)에 채울 때에, 원수(또는 농축수)를 최상층 탈이온화 모듈(100)에 채워질 때까지 제1 펌프(또는 제2 펌프)를 가동시킨다고 하였으나, 제1 펌프(또는 제2 펌프)를 멈추면 수압에 의해 역으로 흘러 탈이온화 모듈(100)로부터 배출될 수 있으므로, 역으로의 흐름을 차단하는 밸브(미도시)를 제1 삼방밸브(21)와 하부 지지체(400)의 측면 입출수구(420) 사이에 설치하고 컨트롤러(40)에 제어되게 하는 것이 좋다. 아니면, 원수(또는 농축수)가 제2 삼방밸브(22)로 흐를 시에 제1 펌프(또는 제2 펌프)의 회전수를 감소시켜 저속 회전시킴으로써, 가압 공급하는 유량을 작게 할 수도 있으며, 이때에는 제2 삼방밸브(22)를 통해서 적은 양이 지속적으로 회수된다.
다른 한편으로, 탈이온화 모듈(100)의 적층수 또는 원수의 이온 함유비율에 따라 인가 전압의 크기, 원수의 이온을 전극에 흡착하는 데 소요되는 상기한 소정의 시간, 전극으로부터 이온을 탈착하기 위해 소요되는 상기한 소정의 시간을 상기 컨트롤러(40)에서 UI(User Interface)로 설정하게 하는 것이 좋다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
10 : 모듈 적층체
20 : 원수 탱크 21 : 제1 삼방밸브 22 : 제2 삼방밸브
23 : 제1 펌프 24 : 센서
30 : 농축수 탱크 31 : 제2 펌프
40 : 컨트롤러
100 : 탈이온화 모듈
110 : 케이스
111 : 상부홀 111a : 원형홈 111b : 역원뿔대형홀
112 : 하부홀 112a : 원형홈 112b : 원뿔대형홀
113 : 격벽 114 : 마개 115,116 : 실링재
117 : 측면 상부홈 118 : 측면 하부돌기
120 : 전극집합체
121 : 전극 스택 122 : 양전극 단자 123 : 음전극 단자
200 : 실링부재
210 : 상부체 220 : 중간체 230 : 하부체
240 : 내부중공 251,252 : 오링
300 : 전극 연결체
310 : 양전극 체결부 320 : 음전극 체결부
400 : 하부 지지체
410 : 상면 입출수구 411 : 원형홈 412 : 역원뿔대형홀
420 : 측면 입출수구 430 : 내부통로
500 : 측면 지지체

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 양전극과 음전극을 서로 이격되게 배치한 전극집합체(120)를 내부공간에 수용하고 상면판의 상부홀(111)과 저면판의 하부홀(112)을 구비한 복수의 탈이온화 모듈(100)를 하부홀(112)의 위치에 맞게 내부통로(430)의 상면 입출수구(410)를 구비한 하부 지지체(400)의 상면에 적층하되, 상호 맞닿는 상면 입출수구(410)와 하부홀(112) 사이 및 상부홀(111)과 하부홀(112) 사이를 실링부재(200)로 실링하며 연통되게 하여서 적층한 탈이온화 모듈(100)의 각 내부공간이 수직으로 연통되게 한 모듈 적층체(10);
    탈이온화할 원수를 담아두는 탱크로서, 제1 삼방밸브(21)를 통해 하부 지지체(400)의 내부통로(430)에 연결되고 제2 삼방밸브(22)를 통해 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)에 연결되는 원수 탱크(20);
    전극집합체(120)의 양전극 및 음전극으로부터 탈착한 이온을 농축하여 얻는 농축수를 담아두는 탱크로서, 상기 제1 삼방밸브(21)를 통해 하부 지지체(400)의 내부통로(430)에 연결되고 상기 제2 삼방밸브(22)를 통해 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)에 연결되는 농축수 탱크(30);
    상기 제1 삼방밸브(21)를 제어하여 하부 지지체(400)의 내부통로(430) 및 상면 입출수구(410)를 통해 각 층의 탈이온화 모듈(100)에 원수를 채우고 전극집합체(120)의 양전극 및 음전극을 대전시켜 탈이온화한 후 원수를 원수 탱크(20)로 회수하는 동작과, 각 층의 탈이온화 모듈(100)에 농축수를 채우고 전극집합체(120)의 대전을 해제시켜 이온을 탈착한 후 농축수를 농축수 탱크(30)로 회수하는 동작을 교대로 수행하는 컨트롤러(40);
    를 포함하여 구성되되,
    탈이온화 모듈(100)에 원수를 채울 시에 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)을 통해 넘치는 원수를 상기 제2 삼방밸브(22)에 의해 원수 탱크(20)로 회수하고, 농축수를 채울 시에 넘치는 농축수를 상기 제2 삼방밸브(22)에 의해 농축수 탱크(30)로 회수하되, 최상층 탈이온화 모듈의 상부홀(111)과 상기 제2 삼방밸브(22) 사이에는 유체의 흐름을 감지하는 센서(24)를 구비하여서,
    상기 컨트롤러(40)는 각 층의 탈이온화 모듈(100)에 원수 또는 농축수를 채울 시에 상기 센서(24)로 유체의 흐름을 감지하기 전까지 원수 또는 농축수를 가압하여 채우게 함을 특징으로 하는 축전 탈이온화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탈이온화 모듈(100)은 격벽(113)에 의해 좌우의 내부공간으로 구획되어 구획된 각 내부공간에 상기 전극집합체(120)를 수용하고 내부공간 별로 상부홀(111) 및 하부홀(112)이 구비되며,
    상기 하부 지지체(400)에서 내부통로(430)에 병렬로 이어지는 2개의 상면 입출수구(410)를 마련하여 최하층 탈이온화 모듈에 구비되는 2개의 하부홀(112)에 일대일로 연결되게 하고, 최상층 탈이온화 모듈에 구비되는 2개의 상부홀(111)이 상기 제2 삼방밸브(22)에 병렬 연결됨을 특징으로 하는 축전 탈이온화 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    좌우 내부공간에 각각 수용된 상기 전극집합체(120)에서 양전극에 연결된 양전극 단자(122)와 음전극에 연결된 음전극 단자(123)가 격벽(113)에 대향하는 측면을 관통하며,
    적층한 탈이온화 모듈(100)의 측면에 고정되되, 양전극 단자(122)를 일대일로 삽입하는 양전극 체결부(310)를 상호 전기적으로 연결하고 음전극 단자(123)를 일대일로 삽입하는 음전극 체결부(320)를 상호 전기적으로 연결하여 탈이온화 모듈(100)을 전기적으로 병렬연결되게 하는 전극 연결체(300);를 탈이온화 모듈(100)의 양측면에 각각 1개씩 구비하며,
    상기 컨트롤러(40)는 전기를 양측 전극 연결체(300)에 동시 투입하게 함을 특징으로 하는 축전 탈이온화 장치.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중에 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 실링부재(200)는 상부로 테이퍼진 상부체(210), 하부로 테이퍼진 하부체(230) 및 플랜지 형상을 갖도록 외부로 돌출시킨 중간체(220)로 구성되어 중간체(220)의 중심을 기준으로 상하 대칭구조를 이루되, 상부체(210) 및 하부체(230)의 테이퍼진 외주면과 중간체(220)의 상하면에 각각 오링을 구비하고, 상하로 관통 형성한 내부중공(240)을 구비하며,
    상기 상부홀(111) 또는 상면 입출수구(410)는 상기 하부체(230) 및 상기 중간체(220)의 하부측 절반을 삽입하게 형성되고, 상기 하부홀(112)은 상기 상부체(210) 및 상기 중간체(220)의 상부측 절반을 삽입하게 형성됨을 특징으로 하는 축전 탈이온화 장치.
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