KR101652043B1

KR101652043B1 - 서로 다른 패턴 또는 구조의 유로를 포함하는 복수 개의 집전체를 갖는 탈이온 장치

Info

Publication number: KR101652043B1
Application number: KR1020140069315A
Authority: KR
Inventors: 이재영; 정상호; 이재광
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2016-08-30
Also published as: KR20150140988A

Abstract

본 발명은 효율 향상 및 전극의 내구성 향상을 얻을 수 있도록 기존 정전기적 탈이온 수전해 시스템에 가변형 유로 패턴을 적용함으로써 전체 셀 내에서의 균일한 반응을 유도할 수 있는 탈이온 장치를 제공한다. 본 발명은 기존 정전기적 탈이온 수전해 시스템에 가변형 유로 패턴을 적용하여 전체 셀 내에서의 균일한 반응을 형성시켜 효율 향상 및 전극의 내구성 향상을 얻을 수 있다.

Description

서로 다른 패턴 또는 구조의 유로를 포함하는 복수 개의 집전체를 갖는 탈이온 장치{De-ionizing device comprising a plurality of current collectors having different flow channel}

본 발명은 서로 다른 패턴 또는 구조의 유로를 포함하는 복수 개의 집전체를 갖는 탈이온 장치에 관한 것이다.

도 1과 같은 축전식 탈염 장치(CDI)는 커패시터(capacitor)의 원리를 이용한 탈염 기술로, 선극 전위의 조절을 통해 용존 이온의 제거가 가능하며, 에너지 소모가 적고, 회수율이 높은 장점을 가지고 있다. CDI 기술은 고도 수처리 산업(정수 및 연수기술), 초순수 제조산업(의약품 제조, 반도체 제조, 보일러 공급수 제조), 해수담수화 산업, 자원재활용 산업(생활용수, 공업용수, 중수) 등에 활용이 가능하다.

현재 축전식 탈염 장치의 상용화를 위해서 많은 연구가 진행되고 있는데, 그 중 하나의 문제점으로 지적되고 있는 것이 장기내구성이다. 이러한 장기내구성은 여러 가지 원인이 있지만, 그 중 집전체 표면의 전류 밀도의 불균일성으로 인한 전극의 불균일한 반응은 이러한 현상을 심화시킨다.

이와 같은 전극의 불균일한 반응의 예에는 기존 CDI 스택의 용수 입구에 가까운 층에서는 용수의 농도가 높아 전류밀도와 이온흡착량이 높은 반면, 용수 출구에 가까운 층에서는 용수 농도가 낮아 전류밀도와 이온흡착량이 낮게 되는 문제가 있을 수 있으며, 이러한 현상은 집전체의 크기가 클수록, 그리고 스택이 많이 쌓일수록 더욱 심각해진다.

이와 관련해서, 한국 특허출원 제10-2012-0002171호(적층형 유동상 축전식 탈이온화 장치)는 유동상 축전식 탈이온 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흐름양극, 전해질, 흐름 음극층으로 구성되는 이온제거 장치의 스케일-업 기술을 제공한다. 다만, 위 문헌은 적층화한 FCDI 구성 시 적층 수량과 무관하게 전극 물질과 전해질은 각각 단일 입출구로 공급과 배출이 진행되고, 구성 플레이트에 존재하는 홀의 연결에 의하여 유통 홀을 구성하는 컴팩트하게 모듈화된 단위 셀의 구성을 가지고 있어 적층을 통해 시스템의 스케일업 기술을 제안하고 있다고는 말할 수 있으나, 적층된 각층의 균일한 전극반응을 위한 방안은 전혀 제시하지 못하고 있다.

또한, 아주대학교 권용민 등의 논문("수치모사를 이용한 CDI 시스템 유동 및 구조 특성 평가")에서도 6 가지 형상의 CDI 단위셀에 대한 내부유로 성능 평가를 수행하고, 그에 따른 이온 제거율 변화를 비교함으로써, 다양한 CDI 셀 구조에 따른 이온제거에 대한 영향을 분석하고는 있으나, 단위셀에서의 영향만 분석하였을 뿐, 다양한 구조의 단위셀을 이용한 스택 구성에 따른 이온제거 영향은 기술하지 못하고 있다.

한국 특허출원 제10-2012-0002171호 한국 특허출원 제10-2007-0126233호

권용민 등, "수치모사를 이용한 CDI 시스템 유동 및 구조 특성 평가", 아주대학교

본 발명은 효율 향상 및 전극의 내구성 향상을 얻을 수 있도록 기존 정전기적 탈이온 수전해 시스템에 가변형 유로 패턴을 적용함으로써 전체 셀 내에서의 높은 이온제거 효율을 갖는 탈이온 장치를 제공한다.

본 발명은 위와 같은 과제 해결을 위하여, 제1 엔드 플레이트, 상기 제1 엔드 플레이트의 우측에 위치한 결합체, 상기 결합체의 우측에 위치한 제2 엔드 플레이트를 포함하는 탈이온화 장치로서; 상기 결합체는 (1a) 상기 제1 엔드 플레이트의 우측에 위치한 제1 집전체, (1b) 상기 제1 집전체의 우측에 위치한 제1 전극, (1c) 상기 제1 전극의 우측에 위치한 제1 스페이서, (1d) 상기 제1 스페이서의 우측에 위치한 제1 반대전극; (2a) 상기 제1 반대전극의 우측에 위치한 제2 집전체, (2b) 상기 제2 집전체의 우측에 위치한 제2 전극, (2c) 상기 제2 전극의 우측에 위치한 제2 스페이서, (2d) 상기 제2 스페이서의 우측에 위치한 제2 반대전극; ... ((N-1)a) 상기 제(N-2) 반대전극의 우측에 위치한 제(N-1) 집전체, ((N-1)b) 상기 제(N-1) 집전체의 우측에 위치한 제(N-1) 전극, ((N-1)c) 상기 제(N-1) 전극의 우측에 위치한 제(N-1) 스페이서, ((N-1)d) 상기 제(N-1) 스페이서의 우측에 위치한 제(N-1) 반대전극; (Na) 상기 제(N-1) 반대전극의 우측에 위치한 제N 집전체, (Nb) 상기 제N 집전체의 우측에 위치한 제N 전극, (Nc) 상기 제N 전극의 우측에 위치한 제N 스페이서, (Nd) 상기 제N 스페이서의 우측에 위치한 제N 반대전극; 및 제N 반대전극 우측에 위치한 제(N+1) 집전체로 구성되어 있고; 상기 제1 집전체의 우측면에는 제1 우측 유로가 형성되어 있고; 상기 제2 집전체의 좌측면에는 제2 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제2 집전체의 우측면에는 제2 우측 유로가 형성되어 있으며; ... 상기 제(N-1) 집전체의 좌측면에는 제(N-1) 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제(N-1) 집전체의 우측면에는 제(N-1) 우측 유로가 형성되어 있으며; 상기 제N 집전체의 좌측면에는 제N 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제N 집전체의 우측면에는 제N 우측 유로가 형성되어 있으며; 상기 제(N+1) 집전체의 좌측면에는 제(N+1) 좌측 유로가 형성되어 있고; 상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로가 나머지 유로와 구조 또는 패턴이 상이한 것을 특징으로 하는 탈이온화 장치를 제공한다.

본 발명은 기존 정전기적 탈이온 수전해 시스템에 가변형 유로 패턴을 적용하여 전체 셀 내에서의 균일한 반응을 형성시켜 효율 향상 및 전극의 내구성 향상을 얻을 수 있다.

구체적으로, 예를 들어 수처리용 스택의 각각 층에 서로 다른 유로 패턴을 구성함으로써, 각각의 층의 유로에 수압과 유속을 조절함으로써, 전체적인 이온 제거 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전극의 균일한 반응을 유도하여 내구성을 크게 증대할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 축전식 탈염 장치 시스템의 경우에는 1.5 V 이하의 비교적 낮은 전위를 인가하여 액체 내 이온을 효율적으로 제거할 수 있으면서도 2차 오염물이 발생하지 않기 때문에 미래의 수처리 방식으로 주목받고 있다. 그러나 처리 용량을 높이기 위해서는 전극의 면적을 증가시키고 스택 형태로 적층해야 하는 것이 불가피한데, 이 경우 각각의 집전체에 걸리는 전위는 균일하지 않게 되고, 이에 따른 전류 밀도의 차이는 전극의 불균일한 전기화학적 반응을 초래함으로써, 그에 따라 탄소 전극의 부식의 영향이 커지게 되는데, 본 발명에서는 스택 내 가변형 유로 패턴을 형성하여 일반적인 축전식 탈염 시스템이 갖는 집전체의 전류 밀도의 불균일성을 최소화하고, 그에 따른 불균일한 탄소 전극 부식의 영향을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 기존의 탈이온화 장치(예: 축전식 탈염 장치)를 보여주는 개략도이다.
도 2의 좌측 사진은 탈이온화 장치에 사용될 수 있는 집전체 및 그 표면에 형성된 유로를 보여주고 있으며, 우측 그래프는 불균일한 전류 밀도 형성의 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 가변형 수처리 스택을 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라서 유로의 흐름 제어를 통한 전류밀도 제어하기 위한 가변형 유로 형성의 예를 보여주고 있다. 1 채널에서 2 채널을 거쳐 3 채널로 갈수록 유로 단면적이 좁아지고, 방향 전환점의 개수가 많아짐으로써 유속이 낮아질 수 있는 유로 형성이라고 할 수 있다.
도 5는 가변형 유로 형성에 따른 1가 및 2가 이온 제거 효율을 비교한 결과를 보여주는 그래프이다.

본 발명의 일 측면은 제1 엔드 플레이트, 상기 제1 엔드 플레이트의 우측에 위치한 결합체, 상기 결합체의 우측에 위치한 제2 엔드 플레이트를 포함하는 탈이온화 장치에 관한 것이다.

이때, 상기 결합체는 (1a) 상기 제1 엔드 플레이트의 우측에 위치한 제1 집전체, (1b) 상기 제1 집전체의 우측에 위치한 제1 전극, (1c) 상기 제1 전극의 우측에 위치한 제1 스페이서, (1d) 상기 제1 스페이서의 우측에 위치한 제1 반대전극; (2a) 상기 제1 반대전극의 우측에 위치한 제2 집전체, (2b) 상기 제2 집전체의 우측에 위치한 제2 전극, (2c) 상기 제2 전극의 우측에 위치한 제2 스페이서, (2d) 상기 제2 스페이서의 우측에 위치한 제2 반대전극; ... ((N-1)a) 상기 제(N-2) 반대전극의 우측에 위치한 제(N-1) 집전체, ((N-1)b) 상기 제(N-1) 집전체의 우측에 위치한 제(N-1) 전극, ((N-1)c) 상기 제(N-1) 전극의 우측에 위치한 제(N-1) 스페이서, ((N-1)d) 상기 제(N-1) 스페이서의 우측에 위치한 제(N-1) 반대전극; (Na) 상기 제(N-1) 반대전극의 우측에 위치한 제N 집전체, (Nb) 상기 제N 집전체의 우측에 위치한 제N 전극, (Nc) 상기 제N 전극의 우측에 위치한 제N 스페이서, (Nd) 상기 제N 스페이서의 우측에 위치한 제N 반대전극; 및 제N 반대전극 우측에 위치한 제(N+1) 집전체로 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 N은 2 내지 500 사이의 정수일 수 있다.

상기 제1 집전체의 우측면에는 제1 우측 유로가 형성되어 있고; 상기 제2 집전체의 좌측면에는 제2 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제2 집전체의 우측면에는 제2 우측 유로가 형성되어 있으며; ... 상기 제(N-1) 집전체의 좌측면에는 제(N-1) 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제(N-1) 집전체의 우측면에는 제(N-1) 우측 유로가 형성되어 있으며; 상기 제N 집전체의 좌측면에는 제N 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제N 집전체의 우측면에는 제N 우측 유로가 형성되어 있으며; 상기 제(N+1) 집전체의 좌측면에는 제(N+1) 좌측 유로가 형성되어 있다.

상기 제1 엔드 플레이트에는 좌측면과 우측면을 관통하도록 용액 투입구가 형성되어 있는데, 제1 엔드 플레이트 좌측면의 용액 투입구로 투입된 용액은 관통된 통로를 따라 제1 엔드 플레이트의 우측면으로 이동하게 된다. 마찬가지로, 상기 제1 집전체에도 좌측면과 우측면을 관통하도록 제1 집전체 관통구가 형성되어 있는데, 좌측면의 제1 집전체 관통구로 이동된 용액은 관통된 통로를 따라 우측면으로 이동하게 된다. 따라서, 용액 투입구를 통해 이동한 용액은 제1 집전체 관통구도 통과한 후, 제1 집전체 우측에 형성된 제1 우측 유로를 따라 흐르면서 인접해 있는 제1 전극과 전기화학 작용을 통해 탈이온 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 제1 우측 유로를 따라 흐르는 용액은 제2 좌측 유로로 이동을 하게 되는데, 그 이동 방식으로는 우선 제1 우측 유로의 끝 부분에 제1 전극과 제1 스페이서 및 제1 반대전극을 모두 관통하도록 제1 용액 이동로를 형성시켜 그 제1 용액 이동로를 따라 제2 좌측 유로로 이동할 수 있다. 또는 이와는 별도로 또는 이와 병행해서 용액은 제1 우측 유로를 따라 흐르는 동안 제1 전극과 제1 스페이서 및 제1 반대극에 각각 형성되어 있는 미세한 틈을 통해 제2 좌측 유로로 이동을 할 수도 있다.

이러한 이동 방식은 주로 제1 전극과 제1 반대전극의 재질 또는 미세 구조에 따라 영향을 많이 받게 되는데, 카본 블랙 슬러리 전극을 사용하는 경우에는 이를 통한 투과량이 없거나 상대적으로 적게 되므로 제1 용액 이동로를 따라 이동하는 비율이 상대적으로 높게 된다. 이와는 달리, 카본 페이퍼 또는 카본 클로스(cloth)를 전극으로 사용하는 경우에는 전극을 투과하여 이동하는 양이 상대적으로 높게 되며, 이 경우에는 제1 용액 이동로를 제1 전극과 제1 스페이서와 제1 반대전극에 따로 형성하지 않을 수도 있다.

또한, 제2 좌측 유로를 따라 이동한 용액은 제2 좌측 유로의 끝부분에 제2 집전체의 좌측면과 우측면을 관통하도록 형성된 제2 집전체 관통구를 통해 제2 우측 유로로 이동하게 되고, 그 이후의 용액 흐름 및 이동은 위에서 설명한 바와 동일하다.

이와 같이 유로를 따라 흐르거나, 이동로 또는 틈 그리고 관통구 등을 통해 흐른 용액은 마지막으로 제(N+1) 좌측 유로에 다다르게 되고, 이를 따라 이동한 용액은 제(N+1) 좌측 유로의 끝부분에 제(N+1) 집전체의 좌측면과 우측면을 관통하도록 형성된 제(N+1) 집전체 관통구를 통해 제(N+1) 우측면으로 이동하게 된다. 또한, 제2 엔드 플레이트의 좌측면과 우측면을 관통하도록 용액 배출구가 형성되어 있는데, 제(N+1) 집전체의 우측면으로 이동한 용액은 용액 배출구를 통과하여 배출되게 된다.

본 발명에서 스페이서는 전극과 반대전극 사이에 서킷 쇼트(circuit short)가 일어나지 않도록 그 사이에 두는 층을 의미하고, 스페이서로 사용 가능한 재질의 예에는 비전도성을 갖는 나일론 망(Nylon net)가 포함되나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명에서, 이온이란 전하를 띤 원자 또는 분자를 의미하며, 탈이온 또는 탈이온화란 용액 내 전자를 제공하거나 빼앗음을 통해서 용액 내 이온을 석출시키는 등 용액에서 제거하는 과정을 의미한다. 또한, 본 발명에서 전극 또는 반대전극은 각각 양극과 음극이 될 수도 있고, 각각 음극과 양극이 될 수도 있다.

상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로가 나머지 유로와 구조 또는 패턴이 상이하다.

또한 본 발명에서는 상기 제1 우측 유로, 제2 좌측 유로, 제2 우측 유로, ... 제(N-1) 좌측 유로, 제(N-1) 우측 유로, 제N 좌측 유로, 제N 우측 유로, 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로가 나머지 유로와 구조 또는 패턴이 상이하도록 구성한다. 즉, 단 하나의 유로만 구조 또는 패턴을 달리하도록 구성할 수도 있고, 또는 모든 유로의 구조 또는 패턴이 서로 다르게 구성할 수도 있으며, 또는 일부 유로의 구조 또는 패턴이 나머지 유로의 구조 또는 패턴과 다르도록 구성할 수도 있고, 또는 유로를 세 개 이상의 그룹으로 나누어 각각의 그룹의 유로가 서로 다른 구조 또는 패턴을 갖도록 구성할 수도 있다.

한편, 인접한 두 집전체 사이의 간극을 통해 용액이 용출되어 나오는 것을 방지하기 위하여, 가스킷을 두는 것이 필요하고, 가스킷을 설치하는 방법으로는 예를 들어 제1 집전체와 제2 집전체의 간극을 막을 수 있도록 제1 전극과 제1 스페이서 및 제1 반대전극의 외각에 형성할 수도 있다. 가압 전 제1 전극과 제1 스페이서 및 제1 반대전극 전체 두께보다 작은 두께(예를 들어 50% 내지 90%)의 가스킷을 해당 위치에 위치시키고 가압 고정함으로써 용액 용출을 막을 수 있게 밀폐할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로는 나머지 유로와 단면적이 상이하다.

위에서 설명한 바와 마찬가지로, 단 하나의 유로만 나머지 유로와 단면적을 달리하도록 구성할 수도 있고, 또는 모든 유로의 단면적이 서로 다르게 구성할 수도 있으며, 또는 일부 유로의 단면적이 나머지 유로의 단면적과 다르도록 구성할 수도 있고, 또는 유로를 세 개 이상의 그룹으로 나누어 각각의 그룹의 유로가 서로 다른 단면적을 갖도록 구성할 수도 있다.

이와 같이, 단면적을 달리하기 위하여 유로의 폭은 동일하게 하고 깊이를 다르게 할 수도 있고, 깊이를 동일하게 하고 폭을 달리할 수도 있으며, 깊이와 폭을 모두 달리해서 단면적을 달리할 수도 있다. 또한, 본 발명에서 유로의 단면적이란 용액이 흐를 수 있는 공간의 단면적을 의미하므로, 폭과 깊이 조절과 별도로 또는 이와 병행해서, 하나 이상의 유로 내에 격벽(inner wall)을 두거나 그 두께를 달리하여 유체가 흐를 수 있는 공간의 단면적을 조절할 수도 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로는 나머지 유로와 방향 전환점의 개수가 상이하다.

일반적으로 유로의 방향 전환점(turn)이란 유로가 실질적으로 한 방향으로 흐르다가 다른 방향으로 급하게 진로를 바꾸는 지점을 의미하는데, 이러한 예로는 대표적으로 유로의 진로 방향이 좌측이다가 우측으로 바뀌는 지점을 들 수가 있고, 다만 이에 국한되지 않고 예를 들어 진로의 방향 변화가 5^o 이내로 조절되면서 흐르다가 갑자기 20^o를 초과하는 진로 방향의 전환점을 의미할 수도 있다.

다만, 본 발명에서는 방향 전환점의 개수가 달라지면서 탈이온 효과의 변화가 달라질 수 있는 방향 전환점을 의미하며, 이러한 효과가 확인된 범위인 유로의 진로의 방향이 0^o 내지 5^o 범위로 조절되면서 흐르다가 70^o 내지 180^o 범위로 방향 전환이 이루어지는 지점을 의미한다.

또한 위에서 설명한 바와 마찬가지로, 단 하나의 유로만 나머지 유로와 방향 전환점 개수를 달리하도록 구성할 수도 있고, 또는 모든 유로의 방향 전환점 개수가 서로 다르게 구성할 수도 있으며, 또는 일부 유로의 방향 전환점 개수가 나머지 유로의 방향 전환점 개수와 다르도록 구성할 수도 있고, 또는 유로를 세 개 이상의 그룹으로 나누어 각각의 그룹의 유로가 서로 다른 방향 전환점 개수를 갖도록 구성할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로는 나머지 유로와 길이가 상이하다.

위에서 설명한 바와 마찬가지로, 단 하나의 유로만 나머지 유로와 길이를 달리하도록 구성할 수도 있고, 또는 모든 유로의 길이가 서로 다르게 구성할 수도 있으며, 또는 일부 유로의 길이가 나머지 유로의 길이와 다르도록 구성할 수도 있고, 또는 유로를 세 개 이상의 그룹으로 나누어 각각의 그룹의 유로가 서로 다른 길이를 갖도록 구성할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 유로 중 스페이서를 사이에 두고 위치한 유로는 서로 패턴과 구조가 동일하다.

즉, 제1 스페이서를 사이에 두고 위치한 상기 제1 우측 유로와 상기 제2 좌측 유로는 서로 패턴과 구조가 동일하고, 마찬가지로 제2 스페이서를 사이에 두고 위치한 제2 우측 유로와 제3 좌측 유로의 패턴과 구조도 동일하며, ... 제N 스페이서를 사이에 두고 위치한 제N 우측 유로와 제(N+1) 좌측 유로의 패턴과 구조도 동일한 것을 의미한다.

이 경우, 스페이서를 사이에 둔 한 쌍의 전극과 반대전극에서 전위와 전류밀도의 차이가 최소가 되고, 양이온과 음이온의 제거가 서로 원활히 이루어지면서, 탈염 효과가 극대화될 수 있다는 점을 확인하였다. 또한, 마주하는 두 집전체의 유로가 서로 다른 패턴과 구조로 된 경우는 전체 유로가 서로 동일한 패턴과 구조를 갖는 경우에 비해서 초기 탈이온 성능과 내구성이 크게 증가하기는 하나, 층마다 패턴과 구조라 다르면서 동시에 마주하는 두 집전체의 유로는 서로 동일한 패턴과 구조로 형성하는 경우에 비해서는 내구성이 다소 떨어짐을 확인하였다.

본 발명에서 사용 가능한 집전체 재질의 예에는 전기전도성을 갖는 흑연(graphite) 및 Ti 호일(foil)과 같이 부식에 강한 금속 등이 포함되나 이에 한정되지 않고, 사용 가능한 전극 재질의 예에는 활성탄(activated carbon, AC), 카본 나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀, 활성 탄소 클로쓰(activated carbon cloth, ACC), 카본 나노화이버(carbon nanofiber, CNF) 등이 포함되나 이에 한정되지 않으며, 사용 가능한 스페이서 재질의 예에는 비전도성을 갖는 나일론 망(Nylon net) 등이 포함되나 이에 한정되지 않는다.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.

실시예

비교예 1: 단위셀의 영역별 전류 밀도 관측

도 1과 같은 단위셀을 구성하되, 스페이서를 중심으로 양쪽 집전체의 마주하는 두 면의 유로를 도 2의 왼쪽 사진과 같이 구성하고, 집전체 한 면의 영역별 전류밀도를 관측하였다.

도 2의 오른쪽 그래프에서 보는 바와 같이, 처리수의 주입구와 배출구에서 전류밀도가 높게 나타났으며, 이러한 현상은 전극의 크기가 대면적일 경우 더욱 큰 차이를 보였다(도면 미제시).

비교예 2: 동일 유로를 포함하는 스택 구성 및 성능 관측

비교예 1과 같이 구성된 단위셀을 적층하여 도 3에 나타낸 바와 같이 스택을 구성하였다. 층 마다 위치한 각 집전체 표면의 유로는 도 2의 왼쪽 사진과 같이 서로 동일하게 구성하였다.

적층된 스택 내 층마다 서로 다른 전류밀도를 보였고, 특히 스택 전체에서 처리수의 주입구와 배출구에서의 전류밀도는 비교예 1에서보다 더욱 큰 결과를 확인하였다.

1.6 V 운전 조건에서 구동 시, 초기 탈이온 성능은 처리수 농도 대비하여, 각각 54%, 70% 제거 효율을 보여 주었다. (1000 μS, 200 μS 용수 기준, 최저 전도도 기준)

실시예 1: 가변형 유로를 포함하는 스택 구성 및 성능 관측

비교예 2와 같이 스택을 구성하되, 총 3개의 스페이서를 포함하고 각 스페이서를 사이에 두고 마주하는 집전체 및 스페이서 방향의 유로를 각각 도 4의 1 채널, 2 채널, 3 채널로 구성하여 스택을 구성하였다.

즉, 총 4개의 집전체 중에 전체 스택의 처리수 투입구쪽에 있는 집전체의 우측면과 두 번째 집전체의 좌측면에는 1 채널의 유로를 형성하였고, 두 번째 집전체의 우측면과 세 번째 집전체의 좌측면에는 2 채널의 유로를 형성하였으며, 세 번째 집전체의 우측면과 네 번째 집전체의 좌측면에는 3 채널의 유로를 형성하였다.

위 비교예 2와 동일한 조건과 시간으로 연속하여 운전한 결과, 초기 탈이온 성능은 전도도 대비 각각 68%, 83%로 관측되어 비교예 2에 비해 26%, 19% 향상되었음을 확인하였다.

실시예 2: 가변형 유로를 포함하는 스택 구성 및 성능 관측

실시예 1과 같이 스택을 구성하되, 총 3개의 스페이서를 포함하고 각 스페이서를 사이에 두고 마주하는 집전체 및 스페이서 방향의 유로를 각각 도 4의 3 채널, 2 채널, 1 채널로 구성하여 스택을 구성하였다.

즉, 총 4개의 집전체 중에 전체 스택의 처리수 투입구쪽에 있는 집전체의 우측면과 두 번째 집전체의 좌측면에는 3 채널의 유로를 형성하였고, 두 번째 집전체의 우측면과 세 번째 집전체의 좌측면에는 2 채널의 유로를 형성하였으며, 세 번째 집전체의 우측면과 네 번째 집전체의 좌측면에는 1 채널의 유로를 형성하였다.

위 비교예 2와 동일한 조건과 시간으로 연속하여 운전한 결과, 초기 탈이온 성능은 전도도 대비 각각 72%, 85%로 관측되어 비교예 2에 비해 33%, 21% 향상되었음을 확인하였다.

실시예 3: 가변형 유로를 포함하는 스택 구성 및 성능 관측

실시예 1과 같이 스택을 구성하되, 총 3개의 스페이서를 포함하고 각 스페이서를 사이에 두고 마주하는 집전체 및 스페이서 방향의 유로를 각각 도 4의 1 채널, 3 채널, 2 채널로 구성하여 스택을 구성하였다.

즉, 총 4개의 집전체 중에 전체 스택의 처리수 투입구쪽에 있는 집전체의 우측면과 두 번째 집전체의 좌측면에는 1 채널의 유로를 형성하였고, 두 번째 집전체의 우측면과 세 번째 집전체의 좌측면에는 3 채널의 유로를 형성하였으며, 세 번째 집전체의 우측면과 네 번째 집전체의 좌측면에는 2 채널의 유로를 형성하였다.

위 비교예 2와 동일한 조건과 시간으로 연속하여 운전한 결과, 초기 탈이온 성능은 전도도 대비 각각 70%, 83%로 관측되어 비교예 2에 비해 29%, 19% 향상되었음을 확인하였다.

실시예 4: 가변형 유로를 포함하는 스택 구성 및 이온선택성 관측

실시예 1과 같이 스택을 구성하되, 총 3개의 스페이서를 포함하고 각 스페이서를 사이에 두고 마주하는 집전체 및 스페이서 방향의 유로를 서로 달리하여 스택을 구성하였다.

Inductively coupled plasma (ICP-OES)를 활용하여, 이온에 대한 1가 및 2가 이온에 대한 제거 효율을 분석한 결과, 비교예 2에 비해서, 1가 이온의 경우에는 38% 이상, 2가 이온의 경우는 18% 이상의 향상된 이온 제거 능력을 보여주었다.

위와 같이 적층된 집전체 표면에 형성된 유로의 패턴과 구조를 달리 설계함으로써, 공급되는 처리수의 유속과 압력에 변화를 줄 수 있으며, 이는 각각의 유로에서의 볼륨의 차이를 발생시켰고, 이는 다시 서로 다른 유속을 유발시킴으로써, 결국 전체적으로 좀더 균일한 반응이 가능하게 될 수 있다는 점을 보여준다.

Claims

제1 엔드 플레이트, 상기 제1 엔드 플레이트의 우측에 위치한 결합체, 상기 결합체의 우측에 위치한 제2 엔드 플레이트를 포함하는 탈이온화 장치로서;
상기 결합체는 (1a) 상기 제1 엔드 플레이트의 우측에 위치한 제1 집전체, (1b) 상기 제1 집전체의 우측에 위치한 제1 전극, (1c) 상기 제1 전극의 우측에 위치한 제1 스페이서, (1d) 상기 제1 스페이서의 우측에 위치한 제1 반대전극;
(2a) 상기 제1 반대전극의 우측에 위치한 제2 집전체, (2b) 상기 제2 집전체의 우측에 위치한 제2 전극, (2c) 상기 제2 전극의 우측에 위치한 제2 스페이서, (2d) 상기 제2 스페이서의 우측에 위치한 제2 반대전극; ...
((N-1)a) 제(N-2) 반대전극의 우측에 위치한 제(N-1) 집전체, ((N-1)b) 상기 제(N-1) 집전체의 우측에 위치한 제(N-1) 전극, ((N-1)c) 상기 제(N-1) 전극의 우측에 위치한 제(N-1) 스페이서, ((N-1)d) 상기 제(N-1) 스페이서의 우측에 위치한 제(N-1) 반대전극;
(Na) 상기 제(N-1) 반대전극의 우측에 위치한 제N 집전체, (Nb) 상기 제N 집전체의 우측에 위치한 제N 전극, (Nc) 상기 제N 전극의 우측에 위치한 제N 스페이서, (Nd) 상기 제N 스페이서의 우측에 위치한 제N 반대전극; 및
상기 제N 반대전극 우측에 위치한 제(N+1) 집전체로 구성되어 있고;
상기 N은 2 내지 500 사이의 정수이며;
상기 제1 집전체의 우측면에는 제1 우측 유로가 형성되어 있고; 상기 제2 집전체의 좌측면에는 제2 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제2 집전체의 우측면에는 제2 우측 유로가 형성되어 있으며; ... 상기 제(N-1) 집전체의 좌측면에는 제(N-1) 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제(N-1) 집전체의 우측면에는 제(N-1) 우측 유로가 형성되어 있으며; 상기 제N 집전체의 좌측면에는 제N 좌측 유로가 형성되어 있고, 상기 제N 집전체의 우측면에는 제N 우측 유로가 형성되어 있으며; 상기 제(N+1) 집전체의 좌측면에는 제(N+1) 좌측 유로가 형성되어 있고;
상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로가 나머지 유로와 구조 또는 패턴이 상이한 것을 특징으로 하는 탈이온화 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로는 나머지 유로와 단면적이 상이한 것을 특징으로 하는 탈이온화 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로는 나머지 유로와 방향 전환점의 개수가 상이한 것을 특징으로 하는 탈이온화 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 우측 유로, 상기 제2 좌측 유로, 상기 제2 우측 유로, ... 상기 제(N-1) 좌측 유로, 상기 제(N-1) 우측 유로, 상기 제N 좌측 유로, 상기 제N 우측 유로, 상기 제(N+1) 좌측 유로 중 적어도 하나 이상의 유로는 나머지 유로와 길이가 상이한 것을 특징으로 하는 탈이온화 장치.
제1항에 있어서, 상기 유로 중 스페이서를 사이에 두고 위치한 유로는 서로 패턴과 구조가 동일한 것을 특징으로 하는 탈이온화 장치.