KR101688530B1 - 전기 흡착 탈이온 장치 - Google Patents

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Abstract

전기 흡착 탈이온 장치가 개시된다. 개시된 전기 흡착 탈이온 장치는 이온종들의 종류 및/또는 총 농도가 유입수에 함유된 이온종의 그것들과 상이한 전해질 용액 및 상기 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 포함한다.

Description

전기 흡착 탈이온 장치{Capacitive deionization device}
전기 흡착 탈이온 장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 이온종들의 종류 및/또는 총 농도가 유입수에 함유된 이온종의 그것들과 상이한 전해질 용액 및 상기 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치가 개시된다.
CDI(Capacitive Deionization, 전기 흡착 탈이온화) 장치는 나노 사이즈의 기공을 갖는 전극에 전압을 인가하여, 상기 전극이 극성을 띠게함으로써 매질(예를 들어, 경수) 중의 이온성 물질을 전극 표면에 흡착시켜 제거하는 장치이다. CDI 장치에 있어서 양극 및 음극의 두 전극 사이로 용존 이온을 함유하는 매질이 흐를 경우 낮은 전위차의 직류 전원을 인가하게 되면 용존 이온 중에서 음이온 성분은 양극에, 양이온 성분은 음극에 흡착되어 농축되며, 두 전극을 단락시키는 등의 방법으로 역방향으로 전류가 흐르도록 하면 상기 농축된 이온들이 상기 각 전극으로부터 탈착된다. CDI 장치는 높은 전위차를 필요로 하지 않으므로 에너지 효율이 높고, 이온 흡착시 경도성분과 함께 유해이온까지 제거할 수 있으며, 재생시 화학약품을 필요로 하지 않는 장점이 있다.
그러나, 종래의 CDI 장치에서는 각 전극에 전위가 인가될 때 기공 내에 존재 하는 이온 중 상기 각 전극의 극성과 같은 극성을 띤 이온들(즉, 코이온(coion))이 유출수로 다량 방출되는 현상이 발생한다. 이와 같이 모든 이온의 이동방향이 각 전극 쪽 방향이 되도록 제어할 수 없는 문제로 인해 CDI장치는 투입 전하량 대비 이온제거효율이 크게 떨어지는 단점을 갖는다.
상기와 같은 종래의 CDI 장치의 문제점을 개선하기 위하여 이온 교환막 등의 전하 장벽(charge barrier)를 도입하여 이온제거효율을 높인 개량 CDI 장치(Charge-barrier CDI)가 Andelman 등에 의해 소개되었다.
Charge-barrier CDI장치는 해수와 같은 고농도의 이온을 포함하는 물을 처리할 때, 이온제거속도 및 효율 측면에서 종래의 CDI 장치에 비해 유리한 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 Charge-barrier CDI 장치는, 이를 사용하여 경도성분의 함량이 300wtppm 이하인 경수를 처리할 경우에는 전극 기공 내의 이온 농도가 충분히 높지 않고, 기공 내의 이온 전달 속도가 느리기 때문에 충방전시에 전극 물질의 정전 용량을 모두 활용하지 못하는 단점이 있다.
한편, 종래의 CDI 장치 및 Charge-barrier CDI장치는 유입수에 전극 물질의 정전 용량 발현에 부적합한 이온(이하, 유해이온이라고 함)이 포함되어 있을 경우, 상기 이온이 각 전극에 흡착되어 이온제거효율이 더욱 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예는 이온종들의 종류 및/또는 총 농도가 유입수에 함유된 이온종의 그것들과 상이한 전해질 용액 및 상기 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
유입수가 흐를 수 있는 적어도 하나의 유로;
적어도 한쌍의 전극;
상기 적어도 하나의 유로와 대응 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 전하 장벽;
상기 적어도 하나의 전극과 대응 전하 장벽 사이에 배치된 적어도 하나의 전해질 용액; 및
상기 적어도 하나의 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 구비하고,
상기 적어도 하나의 전해질 용액은 상기 유입수와 상이한 전기 흡착 탈이온 장치를 제공한다.
상기 전해질 보상 장치는 보상 시기 결정부 및 보상부를 포함할 수 있다.
상기 보상 시기 결정부는 상기 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도를 측정하여, 상기 농도 측정치가 기준 농도 범위를 벗어났을 때, 상기 보상부의 작동을 개시할 수 있다.
상기 보상 시기 결정부는 상기 적어도 한쌍의 전극 사이에 인가되는 전류 또는 전압을 모니터링하여, 상기 전류 또는 전압 측정치가 기준 전류 또는 전압 범위를 벗어 났을 때, 상기 보상부의 작동을 개시할 수 있다.
상기 보상부는 외부 전해질 용액을 상기 적어도 하나의 전해질 용액에 보충하여 상기 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도와 기준 농도 사이의 농도 차이를 보상할 수 있다.
상기 보상부는 상기 적어도 하나의 전해질 용액 중의 용매 성분을 제거하여 상기 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도와 기준 농도 사이의 농도 차이를 보상할 수 있다.
상기 전해질 보상 장치는 방전시 상기 적어도 하나의 전극 및 대응 전해질 용액으로부터 상기 유입수로 누출된 이온종들을 회수한 후 이를 상기 적어도 하나의 전해질 용액에 재공급하여 상기 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도 저하를 보상할 수 있다.
상기 전해질 보상 장치는 상기 적어도 하나의 전해질 용액을 외부 전해질 용액으로 교환하여 상기 적어도 하나의 전해질 용액의 순도 저하를 보상할 수 있다.
상기 적어도 하나의 전하 장벽은 양이온 선택성 투과막 또는 음이온 선택성 투과막일 수 있다.
상기 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 종류는 상기 유입수에 함유된 이온종들의 종류와 상이할 수 있다.
상기 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도는 상기 유입수에 함유된 이온종들의 총 농도 보다 높을 수 있다.
상기 적어도 하나의 전극은 극성이 변하는 가변전극일 수 있다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치는 상기 적어도 하나의 유로를 형성하는 적어도 하나의 스페이서를 추가로 구비할 수 있다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치는 상기 적어도 한쌍의 전극의 대응 유로와 반대쪽 전극 면에 배치된 적어도 하나의 집전체를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은,
유입수가 흐를 수 있는 적어도 하나의 유로;
적어도 한쌍의 제1 전극 및 제2 전극;
상기 적어도 하나의 유로와 대응 제1 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 제1 전하 장벽;
상기 적어도 하나의 유로와 대응 제2 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 제2 전하 장벽;
상기 적어도 하나의 제1 전극과 대응 제1 전하 장벽 사이에 배치된 적어도 하나의 제1 전해질 용액; 및
상기 적어도 하나의 제1 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 구비하고,
상기 적어도 하나의 제1 전해질 용액은 상기 유입수와 상이한 전기 흡착 탈이온 장치를 제공한다.
상기 적어도 하나의 제1 전하 장벽은 양이온 선택성 투과막이고, 상기 적어도 하나의 제2 전하 장벽은 음이온 선택성 투과막일 수 있다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치는 상기 적어도 하나의 제2 전극과 대응 제2 전하 장벽 사이에 배치된 적어도 하나의 제2 전해질 용액을 추가로 구비하고, 상기 적어도 하나의 제2 전해질 용액은 대응 제1 전해질 용액과 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 전해질 보상 장치는 상기 적어도 하나의 유로를 경유하지 않고 대응 제1 전해질 용액과 대응 제2 전해질 용액을 직접 연통시키는 적어도 하나의 이온 전달 채널을 추가로 포함하고, 방전시 상기 적어도 하나의 유로를 절연시켜 상기 적어도 하나의 유로 대신에 대응 이온 전달 채널을 통해 이온종들을 이동시켜 상기 이온종들의 총 농도 감소를 미연에 방지할 수 있다.
상기 적어도 하나의 유로의 절연은 상기 적어도 하나의 유로에 상기 유입수 대신에 공기를 주입함에 의해 이루어질 수 있다.
상기 전해질 보상 장치는 상기 적어도 하나의 제1 전해질 용액에 함유된 이온종들과 대응 제2 전해질 용액에 함유된 이온종들을 동시에 보상할 수 있다.
상기 전기 흡착 탈이온 장치는 상기 적어도 하나의 제1 전해질 용액의 전해질 보상 장치와 동일하지만 이와는 별개인, 대응 제2 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 이온종들의 종류 및/또는 총 농도가 유입수에 함유된 이온종의 그것들과 상이한 전해질 용액 및 상기 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 포함함으로써, 전극 활물질, 집전체 및 전하 장벽과 같은 전해질 용액과 직접 접촉하는 구성요소의 재료 선정에 있어서 선택의 폭이 확대되고, 장기적으로 안정적인 탈이온 및 재생 성능을 유지하여 장치의 수명이 연장될 수 있는 전기 흡착 탈이온 장치가 제공될 수 있다.
이어서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치(10)는 유입수의 유로(11), 한쌍의 전하 장벽들(charge barriers)(12a, 12b), 전해질 용액(14a, 14b)을 각각 함침한 한쌍의 전극들(13a, 13b), 한쌍의 집전체들(15a, 15b) 및 전해질 보상 장치(17: 17-1, 17-2)를 구비한다.
상기 유입수는 유로(11)에 유입되어 전기 흡착 탈이온 장치(10)에 의해 탈이온화가 이루어지는 것으로서, 예를 들어, 경수(hard water)일 수 있다. 본 명세서에서, 경수란 칼슘 이온이나 마그네슘 이온을 다량 함유하여 미끄러운 성질을 가지며 비누가 잘 풀리지 않는 물을 의미한다. 상기 유로(11)에 유입되는 상기 유입수의 이온전도도는 0.01mS/cm 내지 10mS/cm일 수 있다. 상기 유입수의 이온전도도가 상기 범위이내이면, 상기 유입수로부터 이온을 전기적으로 제거하는데 필요한 전하량이 낮아 투입 에너지 대비 효율 측면에서 경제적이고, 유입수로부터 이온을 제거하기 위해 높은 전압의 인가가 불필요하다.
한쌍의 전하 장벽들(12a, 12b)은 유로(11)를 사이에 두고 서로 이격되어 대향되게 배치되어 후술하는 전극(13a, 13b)을 유로(11)에 유입된 유입수와 이온적으로 격리시킨다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이러한 한쌍의 전 하 장벽들(12a, 12b) 중 어느 하나가 생략될 수도 있다. 또한, 상기 한쌍의 전하 장벽들(12a, 12b)중 하나는 음이온 선택성 투과막, 예를 들어, 음이온 교환막이고, 다른 하나는 양이온 선택성 투과막, 예를 들어, 양이온 교환막일 수 있다. 상기 음이온 교환막 및 양이온 교환막의 이온 선택도는, 예를 들어, 각각 99 내지 99.999%일 수 있다. 상기 음이온 교환막 및 양이온 교환막의 이온 선택도가 각각 99% 이상이면, 충전시 전극(13a, 13b) 기공내의 코이온 방출을 효과적으로 차단할 수 있어서 이온제거효율이 높고, 이온 선택도가 99.999%를 초과하는 이온 교환막은 제조하기가 어렵다.
전해질 용액(14a, 14b)은 후술하는 각 전극(13a, 13b)의 기공내, 및 선택적으로 각 전극(13a, 13b)과 대응 전하 장벽(12a, 12b) 사이에 배치되어 이온 전도의 매체 역할을 수행하는 용액이다.
상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액은 상기 유입수와 상이하다. 본 명세서에서, 대비되는 두 용액이 서로 상이하다는 것은 각 용액의 구성성분들의 종류 중 적어도 하나 및/또는 각 구성성분의 단위 부피당 질량 중 적어도 하나가 서로 상이하다는 것을 의미하고, 대비되는 두 용액이 서로 동일하다는 것은 각 용액의 구성성분들의 종류 및 각 구성성분의 단위 부피당 질량이 모두 동일하다는 것을 의미한다.
예를 들어, 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 종류 및/또는 총 농도는 상기 유입수에 함유된 이온종들의 종류 및/또는 총 농도와 상이할 수 있다. 또한, 전해질 용액(14a)에 함유된 이온종들의 종류 및/또는 총 농도와 전해질 용액(14b)에 함유된 이온종들의 종류 및/또는 총 농도는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 본 명세서에서, 전해질이란 물 등의 용매에 녹아서 이온으로 해리되어 전류를 흐르게 하는 물질을 의미한다. 또한 본 명세서에서, '이온종들의 종류가 서로 상이하다'는 것은 대비되는 두 용액 중 어느 한 용액에 함유된 이온종들의 집합이 다른 용액에 함유된 이온종들의 집합과 같지 않다는 것을 의미하고, '이온종들의 종류가 서로 동일하다'는 것은 대비되는 두 용액 중 어느 한 용액에 함유된 이온종들의 집합이 다른 용액에 함유된 이온종들의 집합과 같다는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 양이온종 중 적어도 하나(ex. K+)는 상기 유입수에 함유된 모든 양이온종들(ex. Mg2+, Ca2+)과 상이하거나, 및/또는 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 음이온종 중 적어도 하나(ex. Cl-)는 상기 유입수에 함유된 모든 음이온종들(ex. HCO3 -)과 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 전해질 용액(14a, 14b)은 각각 서로 독립적으로 LiF, LiCl, LiBr, LiI, NaF, NaCl, NaBr, NaI, KF, KCl, KBr, KI, LiNO3, NaNO3, KNO3, Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, MgCl2, CaCl2, CuCl2, MgSO4, CaSO4, 및 CuSO4으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 전해질에서 유래한 이온종을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액은 불순물 을 포함하지 않고 이에 함유된 이온종은 후술하는 전극(13a, 13b) 활물질의 정전 용량 발현에 적합한 것일 수 있다. 이러한 특성을 갖는 전해질 용액(14a, 14b)을 함침한 전극(13a, 13b)을 구비함으로써, 전기 흡착 탈이온 장치(10)는 전극 활물질, 집전체(15a, 15b) 및 전하 장벽(12a, 12b)과 같이 전해질 용액(14a, 14b)과 직접 접촉하는 장치 재료 선정에 있어서 선택의 폭이 확대되어 하기와 같은 잇점들을 얻을 수 있다:
(1) 전해질과 장치 재료의 조합에 따라 유해한 반응(detrimental reaction)이 일어나는 온셋 전압(on-set potential)이 달라진다. 과전압에 의한 전해질의 분해 및 전극 소재의 분해는 곧바로 전극 성능의 열화로 이어지므로, 해당 재료에 대해 전위창(potential window)이 넓은 전해질을 채택함으로써 장치의 내구성(사이클 성능)을 향상시킬 수 있다.
(2) 전해질 용액 내의 이온종에 따라 이온 자체의 크기와, 이온 및 물분자가 형성하는 수화층(hydrous layer)의 크기가 달라지는데, 이에 따라 수화된 이온의 크기가 기공 크기에 비해 과도하게 커질 때, 다공성 전극의 기공(특히 메조포어 및 마이크로포어) 내에서 이온의 이동 속도가 제약되게 된다. 또한, 최근에 이온의 전하량 및 크기가 마이크로포어 내표면의 활용 가능 여부를 결정하는 중요한 요소라는 점도 보고되고 있다. 따라서, 활물질 구조에 적합한 전해질을 선택함으로써 전극의 속도 특성 및 발현되는 정전 용량의 향상을 꾀할 수 있다.
(3) 전해질 용액의 조성 및 pH를 조절함으로써 전극 상에 잠재적으로 발생할 수 있는 스케일 형성 문제를 방지할 수 있다.
한편, 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도가 상기 유입수에 함유된 이온종들의 총 농도 보다 높은 경우, 이러한 특성을 갖는 전해질 용액(14a, 14b)을 함침한 전극(13a, 13b)을 구비함으로써, 전기 흡착 탈이온 장치(10)는 하기와 같은 이유로 활물질의 정전 용량의 향상, 충방전 속도 특성의 향상 및 역방향 충전에 의한 추가 용량 발현 등의 잇점들을 얻을 수 있다:
(1) 동일한 활물질을 사용하더라도 이온종들의 총 농도에 따라 발현되는 정전 용량이 달라지게 된다. 예를 들어, 다공성 탄소 소재의 경우, 마이크로- 및 나노 크기의 포어 네트워크가 잘 발달되어 있는데 이러한 기공들 내에 충분한 농도의 이온종이 침투해 있지 않는 경우 흡착에 필요한 이온종 자체가 부족하여 상기 탄소 소재의 흡착 면적의 대부분이 제대로 활용되지 못하므로 정전용량이 감소하게 된다. 따라서, 상기 기공들 내에 충분한 농도의 전해질을 공급하여 탄소 소재가 가지고 있는 정전용량의 대부분 또는 전부를 사용할 수 있다.
(2) 기공들 내에 이온종의 양이 충분한 경우에는 고속 충방전이 가능하다. 복잡한 네트워크를 구성하는 다공성 소재의 경우, 기공들 내에서 이온의 이동이 수반될 때 발생하는 전기적 저항은 소재의 충방전 속도 특성을 제약하는 하나의 요소이다. 충방전 속도 특성은 소재의 기공 구조에 따라서도 영향을 받지만 전해질 용액의 이온전도도의 변화에도 많은 영향을 받는다. 구체적으로, 기공들내에 높은 이온전도도를 갖는 고농도의 전해질을 공급하여 소재가 발현할 수 있는 충방전 속도 특성을 극한까지 끌어올릴 수 있다. 이에 따라, 동일한 과전압으로 고전류를 흘릴 수 있다.
(3) 전하 장벽과 전해질 용액 사이의 계면 특성을 향상시킬 수 있다. 전하 장벽과 전해질 용액 사이의 계면에 물질 전달(mass transfer, 즉 이온 이동)이 충분히 빠르지 않으면 상기 계면에서 저항 증가가 발생할 수 있다. 따라서, 전하 장벽의 일면이 높은 농도의 전해질 성분들과 접하게 되면, 특히 방전시에 이온 공급 부족으로 인한 농도 분극(concentration polarization) 현상을 최소화할 수 있다.
(4) 상기 (2) 및 (3)의 결과, 탈이온 및 재생 과정에서 에너지 효율이 개선될 수 있다.
(5) 기공들 내부에 충분한 이온종이 존재하게 되면, 탈이온시 인가되는 전압의 극성과 반대 극성의 전압 인가를 통해 반대 극성으로 충전(역방향 충전)시킬 수 있다. 이러한 "역방향 충전" 동안에 저장된 전하량 및 에너지는 이후의 충전(탈이온)과정에서 사용될 수 있으므로 이론상 상기 전극에 저장될 수 있는 전하량은 2배가 될 수 있다. 예를 들어, 한쌍의 전극이 원래 0~1V 범위의 전위창에서 동작하던 것이었다면, 탈이온시에는 초기의 역방향 충전으로 인해 -1~1V의 영역을 활용할 수 있으므로, 전하량(Q = C x V)이 2배가 된다. 상기 식에서, C는 정전용량이고 V는 전압이다. 이와는 반대로, 기공들 내부에 존재하는 이온종들의 총 농도가 낮으면 흡착에 필요한 이온종의 부족으로 이와 같은 역방향 충전이 불가능해진다.
또한, 상기 전기 흡착 탈이온 장치(10)는 하기 수학식 1로 표시되는 회수율을 증가시킬 수 있다.
[수학식 1]
회수율(%) = 처리수(treated water)의 총부피/탈이온 및 전극 재생과정에 투입된 유입수의 총부피 X 100
상기 유입수가 경수인 경우, 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 K+ 및 Cl-와 같은 이온종들의 총 농도는, 예를 들어, 0.05 내지 10M일 수 있다. 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도가 상기 범위이내이면, 대응 전극의 기공내 이온종들의 총 농도가 높아져서 높은 속도의 충방전시에 대응 전극이 높은 정전 용량을 발현할 수 있고, 이온종들의 총 농도 증가 대비 대응 전극의 충방전 속도 특성 향상 효과가 현저해질 수 있다. 또한, 이러한 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액은 산(acid)을 포함하고 pH가 1 내지 5일 수 있다. 상기 전해질 용액(14a, 14b) 중 적어도 하나의 전해질 용액의 pH가 상기 범위이내이면, 대응 전극의 표면에서 물 분해가 쉽게 일어나지 않아 장치가 안정하게 동작할 수 있고, OH- 이온과의 결합에 의해 Ca2+나 Mg2+ 이온을 포함하는 침전물이 쉽게 생성되지 못한다. 상기 산은 경도 성분 이온에 의한 전극(13a, 13b) 열화를 방지하는 역할을 수행하는 것으로, 예를 들어, HCl, HNO3, H2SO4 및/또는 구연산 등을 포함할 수 있다.
상기 한쌍의 다공성 전극들(13a, 13b)은 한쌍 또는 하나의 전하 장벽(12a, 12b)을 사이에 두고 서로 이격되어 대향되게 배치될 수 있다. 상기 각 전극(13a, 13b)은 상기 각 전하 장벽(12a, 12b)과 서로 이격되어 대향되게 배치될 수 있는데, 이 경우 전해질 용액(14a, 14b)은 각 전극(13a, 13b)의 기공내 및 각 전극(13a, 13b)과 대응 전하 장벽(12a, 12b) 사이에 배치될 수 있다(도 1~도 4). 또한, 상기 각 전극(13a, 13b)은 대응 전하 장벽(12a, 12b)과 밀착되게 배치될 수도 있는데, 이 경우 전해질 용액(14a, 14b)은 각 전극(13a, 13b)의 기공내에 배치될 수 있다(도 5).
또한, 이러한 전극들(13a, 13b)은, 여기에서는 비록 구분되어 도시되지 않았지만, 각각 활물질, 바인더 및 도전조제를 포함할 수 있다.
상기 활물질은 전기이중층 정전 용량(electrical double layer capacitance)을 갖는 다공성 물질일 수 있다. 본 명세서에서, 전기이중층이란 전해질 용액(14a, 14b)을 함침한 후 (+) 또는 (-)로 대전된 전극(13a, 13b)에, 상기 전극(13a, 13b)의 극성과 반대 극성의 이온종이 흡착하여, 각 전극(13a, 13b)과 전해질 용액(14a, 14b) 사이에 형성된 콘덴서와 같은 전기적 구조를 갖는 층을 의미한다. 또한, 상기 활물질의 정전 용량은 전해질 용액으로서 상기 유입수(저농도의 이온종들을 함유하는 경수) 대신에 전술한 전해질 용액(14a, 14a) 및/또는 고농도의 이온종들을 함유하는 경수를 사용함으로써, 30% 이상 증가될 수 있다. 이러한 활물질은 활성탄, 에어로겔, 카본나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 활성탄소 섬유, 흑연 산화물 및 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 바인더는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 포함할 수 있다.
상기 도전조제는 카본블랙, VGCF(Vapor Growth Carbon Fiber), 흑연 및 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 이러한 전극(13a, 13b) 중 적어도 하나의 전극은 극성이 변하는 가변전극일 수 있다. 예를 들어, 상기 한쌍의 전극(13a, 13b) 중 어느 하나의 전극(13a)이 양극이 되고 다른 하나의 전극(13b)이 음극이 되도록, 전극(13a, 13b)을 탈이온시의 극성과 반대 극성으로 충전하는 역방향 충전을 수행한 후, 상기 각 전극(13a, 13b)의 극성이 역방향 충전시의 반대가 되도록 전압을 인가하여 상기 유입수의 탈이온화를 수행할 수 있다(이를 충전이라고 함).
한쌍의 집전체(15a, 15b)는 외부 전원(미도시)에 각각 전기적으로 연결되어 한쌍의 전극(13a, 13b)에 전압을 인가하는 역할을 수행하는 것으로서, 각 전극(13a, 13b)의 일면, 즉 유로(11)와 반대쪽 면에 하나씩 배치된다. 이러한 집전체(15a, 15b)는 흑연 플레이트 또는 그래파이트 호일이거나, 또는 Cu, Al, Ni, Fe, Co 및 Ti으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속, 금속 혼합물 또는 합금을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 흡착 탈이온 장치(10)는 유로(11)를 형성하는 스페이서(16) 및 선택적으로 각 전극(13a, 13b)과 대응 전하 장벽(12a, 12b) 사이의 공간을 형성하는 스페이서(미도시)를 추가로 구비할 수 있다. 이러한 스페이서들(16, 미도시)은 이온 투과성 및 전자 절연성으로서, 오픈 메쉬(open mesh) 또는 필터 등일 수 있다.
전해질 보상 장치(17: 17-1, 17-2)는 상기 전해질 용액(14a, 14b)을 순환, 보충, 농축, 재이용, 교환 및/또는 우회순환(방전시)시킴으로써 상기 전해질 용액(14a, 14b)에 각각 함유된 이온종들의 총 농도 및/또는 상기 각 전해질 용액(14a, 14b)의 순도를 일정하게 유지하는 역할을 수행한다. 즉, 전해질 보상 장치(17)는 장치(10)의 운전시 전하 장벽(12a, 12b)을 통한 전해질 용액(14a, 14b)으로부터의 이온종(즉, 전해질 성분)의 소실 및 전해질 용액(14a, 14b)으로의 물 유입으로 인해 전해질 용액(14a, 14b) 중 이온종들의 총 농도가 점진적으로 저하되거나, 및/또는 상기 유입수에 유래하는 불순물(ex. 유해이온)이 전해질 용액(14a, 14b)에 점진적으로 누적되는 현상을 보상한다. 전해질 용액(14a, 14b)으로부터의 이온종의 소실은 주로 방전(또는 재생)시 발생하며, 전해질 용액(14a, 14b)으로의 물 유입은 전해질 용액(14a, 14b)과 유입수(11)간의 이온종들의 총 농도 차이로 인한 삼투압에 의해 발생한다. 본 명세서에서, '전해질의 보상'이란 이온종을 순환, 보충, 농축(전해질 용액 중의 용매 제거), 재이용, 교환(통상, 전해질 용액 자체의 교환) 및/또는 보존(방전시 우회순환)하는 것 등을 의미한다. 또한 본 명세서에서, '전해질 용액의 순도'란 유입수 등에서 유래하는 유해이온 등의 불순물이 상기 전해질 용액에 함유되지 않은 정도를 의미한다.
예를 들어, 전해질 용액(14a) 및/또는 전해질 용액(14b)에 각각 함유된 이온종들의 총 농도를 직접 또는 간접적으로 측정하여, 상기 농도 측정치가 기준 농도 보다 낮을 때, 외부 전해질 용액(미도시)을 전해질 용액(14a) 및/또는 전해질 용액(14b)에 보충하거나(도 2), 전해질 용액(14a) 및/또는 전해질 용액(14b) 중의 용매 성분을 제거하여 이들 용액들(14a, 14b)를 농축시키거나(도 3), 전해질 용 액(14a) 및/또는 전해질 용액(14b)으로부터 상기 유입수(11)로 누출된 이온종을 회수한 후 이를 상기 각 용액들(14a, 14b)에 재공급한다(도 4). 이를 위해 전해질 보상 장치(17)는, 도 1에서는 비록 구분하여 도시하지 않았지만, 보상 시기 결정부 및 보상부를 구비할 수 있다. 상기 보상 시기 결정부 및 보상부에 관하여는 도 2 내지 도 4에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
한편, 전해질 보상 장치(17)는 유로(11)를 경유하지 않는 이온 전달 채널(도 5의 57a)을 추가로 포함하고, 방전시 유로(11)를 절연시켜 유로(11) 대신에 이온 전달 채널(도 5의 57a)을 통해 이온종을 이동시켜 상기 이온종의 농도 감소를 미연에 방지할 수 있다(도 5). 또한, 유입수에 함유된 불순물이 전하 장벽(12a, 12b)을 통해 전해질 용액(14a, 14b)으로 유입될 수도 있는데, 이 경우에는 오염된 전해질 용액(14a, 14b)을 새로운 전해질 용액(14a, 14b)으로 교환할 수 있다.
또한, 이러한 전해질 보상 장치(17)는 전해질 용액(14a) 및 전해질 용액(14b) 각각에 대하여 1대씩 2대가 설치될 수도 있고(도 1), 1대의 장치(17)만 설치되어 제1 전해질 용액(14a)에 함유된 이온종과 제2 전해질 용액(14b)에 함유된 이온종을 동시에 보상할 수도 있다(도 2~도 5). 예를 들어, 제1 전해질 용액(14a)에 함유된 이온종들의 종류와 제2 전해질 용액(14b)에 함유된 이온종들의 종류가 동일한 경우에는 1대의 장치(17)만이 설치될 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1의 전기 흡착 탈이온 장치의 다양한 구현예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전기 흡착 탈이온 장치(20)는 유입수의 유로(21), 한쌍의 전하 장벽들(22a, 22b), 전해질 용액(24a, 24b)을 각각 함침한 한쌍의 전극들(23a, 23b), 한쌍의 집전체들(25a, 25b) 및 전해질 보상 장치(27)를 구비한다.
전해질 보상 장치(27)는 전해질 용액 배출라인(27a), 전해질 용액 저장조(27b), 이온전도도센서(27c) 및 이온전도도계(27d)를 포함하는 보상 시기 결정부; 및 밸브(27e), 외부 전해질 용액(27f), 펌프(27g) 및 전해질 용액 반송라인(27h)을 포함하는 보상부를 구비한다. 여기서, 전해질 용액 저장조(27b)는 상부가 개방된 형태이거나 닫힌 형태일 수 있다.
이하, 상기 전해질 보상 장치(27)의 작동 원리에 대하여 상세히 설명한다. 상기 전기 흡착 탈이온 장치(20)의 나머지 부분의 작동 원리는 한국특허출원 제2009-0077161호를 참조하기 바란다.
먼저, 전기 흡착 탈이온 장치(20)의 운전시 전해질 용액(24a, 24b)은 전해질 용액 배출라인(27a) → 전해질 용액 저장조(27b) → 펌프(27g) → 전해질 용액 반송라인(27h)을 통해 연속적으로 순환한다. 이러한 순환 과정 중 전해질 용액 저장조(27b)내에 설치된 이온전도도센서(27c)가 전해질 용액 저장조(27b)내에 채워진 전해질 용액(24'a, 24'b)의 이온전도도를 검출하여 이온전도도계(27d)에 그 값을 송신한다.
다음에, 이온전도도계(27d)가 수신한 이온전도도(즉, 이온종의 농도)가 미리 설정된 기준 이온전도도(즉, 기준 농도) 범위를 벗어날 경우에는, 밸브(27e)가 열려, 전해질 용액(24'a, 24'b)의 이온전도도가 상기 기준 이온전도도에 도달할 때까지, 외부 전해질 용액(27f)이 전해질 용액 저장조(27b)내로 주입된다. 즉, 펌 프(27g)는 계속 작동하고, 밸브(27e)는 전해질 용액(24'a, 24'b)의 농도 저하가 발생한 경우에만 열린다.
한편, 상기 전기 흡착 탈이온 장치(20)는 전술한 보상 시기 결정부 대신에 한쌍의 전극(23a, 23b) 사이에 인가되는 전류 또는 전압을 모니터링하여, 상기 전류 또는 전압 측정치가 기준 전류 또는 전압 범위를 벗어날 때, 상기 보상부의 작동을 개시하는 보상 시기 결정부(미도시)를 구비할 수 있다.
도 3을 참조하면, 전기 흡착 탈이온 장치(30)는 유입수의 유로(31), 한쌍의 전하 장벽들(32a, 32b), 전해질 용액(34a, 34b)을 각각 함침한 한쌍의 전극들(33a, 33b), 한쌍의 집전체들(35a, 35b) 및 전해질 보상 장치(37)를 구비한다.
전해질 보상 장치(37)는 전해질 용액 배출라인(37a), 전해질 용액 저장조(37b), 이온전도도센서(37c) 및 이온전도도계(37d)를 포함하는 보상 시기 결정부; 및 밸브(37e), 공기 탱크(37f), 펌프(37g) 및 전해질 용액 반송라인(37h)을 포함하는 보상부를 구비한다. 여기서, 전해질 용액 저장조(37b)는 상부가 개방된 형태이거나 닫힌 형태일 수 있다. 전해질 용액 저장조(37b)의 상부가 닫힌 형태인 경우에는 전해질 용액 저장조(37b)에 공기 유출구(미도시) 및 상기 공기 유출구를 개폐시키는 밸브(미도시)가 추가로 설치될 수 있다. 이러한 전해질 보상 장치(37)는 장치(30)의 가동률이 저조한 경우에 이온종을 손쉽게 보상할 수 있다. 또한, 공기 탱크(37f) 대신에 공기 압축 장치(37f) 등이 사용될 수도 있다.
도 3의 전기 흡착 탈이온 장치(30)가 도 2의 전기 흡착 탈이온 장치(20)와 다른 점은, 보상부의 구성이 도 2의 대응 부재의 구성과 다르다는 것이다. 즉, 전 해질 용액(34a, 34b)의 순환 과정 중, 이온전도도계(37d)가 이온전도도센서(37c)로부터 수신한 이온전도도(즉, 이온종들의 총 농도)가 미리 설정된 기준 이온전도도(즉, 기준 농도) 범위를 벗어날 경우에는, 밸브(37e)가 열려, 전해질 용액 저장조(37b)내에 채워진 전해질 용액(34'a, 34'b)의 이온전도도가 상기 기준 이온전도도에 도달할 때까지, 공기 탱크(37f)의 공기가 전해질 용액 저장조(37b)내로 강제 주입되어 전해질 용액(34'a, 34'b) 중의 물을 빠르게 증발시킨다. 이와 같이 물이 증발됨으로써 전해질 용액(34'a, 34'b)이 농축되며, 상기 농축된 전해질 용액(34'a, 34'b)은 펌프(37g)에 의해 전해질 용액 반송라인(37h)을 거쳐 전해질 용액(34a, 34b)으로 각각 공급된다. 여기서, 펌프(37g)는 계속 작동하고, 밸브(37e)는 전해질 용액(34a, 34b)의 농도 저하가 발생한 경우에만 열린다.
또한, 전기 흡착 탈이온 장치(30)에서 공기 탱크(37f)가 제거될 수도 있는데, 이 경우에는 밸브(37e)를 열면 자연 대류에 의해 공기가 순환하여 전해질 용액 저장조(37b)내의 물을 증발시키게 된다.
또한, 도 3의 전기 흡착 탈이온 장치(30)는 전해질 용액 저장조(37b)를 가열하는 장치(미도시)를 추가로 구비하거나, 또는 상기 가열 장치를 밸브(37e) 및 공기 탱크(37f) 대신에 구비함으로써 물 제거 속도(즉, 농축 속도)를 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 전기 흡착 탈이온 장치(40)는 유입수의 유로(41), 한쌍의 전하 장벽들(42a, 42b), 전해질 용액(44a, 44b)을 각각 함침한 한쌍의 전극들(43a, 43b), 한쌍의 집전체들(45a, 45b) 및 전해질 보상 장치(47)를 구비한다.
도 4의 전기 흡착 탈이온 장치(40)가 도 2의 전기 흡착 탈이온 장치(20)와 다른 점은, 전해질 보상 장치(47)의 구성이 도 2의 대응 장치의 구성과 다르다는 것이다. 즉, 전해질 보상 장치(47)는 유출수 배출라인(47a), 이온종 회수 장치(47b) 및 이온종 반송라인(47c)를 구비한다. 이러한 이온종 회수 장치(47b)는 방전시 전극(43a, 43b) 및/또는 전해질 용액(44a, 44b)으로부터 유출수로 누출된 이온종을 회수한 후 이를 전해질 용액(44a, 44b)에 재공급하여 전해질 용액(44a, 44b)에 함유된 이온종들의 총 농도 저하를 보상하는 역할을 수행한다. 상기 이온종의 회수는, 예를 들어, 유출수로부터 물을 증발시켜 이온종을 농축시키거나 유출수를 반복적으로 재사용함으로써 이온종을 농축시키는 방법 등에 의해 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 전기 흡착 탈이온 장치(50)는 유입수의 유로(51), 한쌍의 전하 장벽들(52a, 52b), 전해질 용액(54a, 54b)을 각각 함침한 한쌍의 전극들(53a, 53b), 한쌍의 집전체들(55a, 55b), 전해질 보상 장치(57), 하우징(58) 및 체결부(59)를 구비한다.
도 5의 전기 흡착 탈이온 장치(50)가 도 2의 전기 흡착 탈이온 장치(20)와 다른 점은, 전해질 보상 장치(57)의 구성이 도 2의 대응 장치의 구성과 다르다는 것이다. 즉, 전해질 보상 장치(57)는 이온 전달 채널(57a) 및 밸브(57b)를 구비한다. 이러한 전해질 보상 장치(57)는 방전(즉, 재생)시 유로(51)에 유입수 대신에 공기를 주입하여 유로(51)를 절연시키고, 밸브(57b)를 열어, 전해질 용액(54a, 54b) 중의 이온종이 유로(51) 대신에 이온 전달 채널(57a)을 통해 이동하도록 함으로써 전해질 용액(54a, 54b)에 함유된 이온종들의 총 농도 감소를 미연에 방지한다. 즉, 전해질 용액(54a, 54b)에 함유된 이온종이 전하 장벽(52a, 52b)을 통해 유로(51)쪽으로 소실되는 것을 미연에 방지한다. 더욱이, 이러한 전기 흡착 탈이온 장치(50)는 방전시 유입수를 전혀 사용하지 않으므로 회수율을 100% 가까이 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 전기 흡착 탈이온 장치(50)는, 도 5에는 비록 도시되지 않았지만, 전해질 또는 이온종을 이온 전달 채널(57a)을 통해서 또는 직접 전해질 용액(54a, 54b)에 보충 및/또는 교환하는 장치를 추가로 구비할 수 있다. 한편, 충전(즉, 탈이온)시에는 유로(51)에 공기 대신에 유입수를 공급하고, 밸브(57b)를 닫아, 전해질 용액(54a, 54b) 중의 이온종이 전하장벽(52a, 52b) 및 유로(51)를 통해 이동하도록 한다. 이 때, 상기 유입수는 유로(51)를 통과하면서 탈이온되어 유출수로서 배출된다.
도 1 내지 도 5에는 1개의 유로, 한쌍의 전하 장벽, 한쌍의 전해질 용액, 한쌍의 전극 및 한쌍의 집전체를 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치만이 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 다른 구현예는 한국특허출원 제2009-0077161호에 개시된 것과 같은 다른 다양한 전기 흡착 탈이온 장치로서, 전술한 전해질 보상 장치를 추가로 구비하는 장치를 포함한다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 전극 및 셀의 제조
1) 전극의 제조
교반 용기에, 활성탄(관서열화학, MSP 20) 40g, 카본블랙 10g, 60중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 수현탁액 4.17g 및 프로필렌글리콜 130g을 투입한 다음 반죽한 후, 프레스 성형하였다. 이후, 상기 결과물을 오븐에서 80℃로 2시간, 120℃로 1시간 및 200℃로 1시간 건조하여 전극을 완성하였다.
2) 셀 및 전기 흡착 탈이온 장치의 제조
① 상기 과정에 따라 건조된 전극을 면적 13.5cmx9cm(121.5㎠)의 크기로 잘라 2매를 준비하고 각각의 무게를 측정하였다. 상기 전극의 무게는 1매당 2.0g이었다.
② 전극 2매를 전해질 용액(1M NaCl 수용액)에 넣고 진공 함침시켰다.
③ 집전체(흑연 플레이트) → ②의 전극 중 1매 → 양이온 교환막(ASTOM Neosepta CMX) → 세퍼레이터(투수성의 오픈 메쉬) → 음이온 교환막(ASTOM Neosepta AMX) → ②의 전극 중 나머지 1매 → 집전체(흑연 플레이트)의 순서로 적층하여 셀(cell)을 제조하였다.
④ 상기 ③에서 제조한 셀을 사용하여 도 6에 도시된 것과 같은 전기 흡착 탈이온 장치(60)를 제조하였다. 즉, 유입수의 유로(61), 양이온 교환막(62a), 음이온 교환막(62b), 1M NaCl 수용액(64a, 64b)을 각각 함침한 한쌍의 전극들(63a, 63b), 한쌍의 집전체들(65a, 65b), 가스켓(68), 하우징(69) 및 체결나사(70)를 구비한 전기 흡착 탈이온 장치(60)를 제조하였다. 또한, 외부 전해질 용액(64'a, 64'b)을 순환시키기 위하여 상기 전기 흡착 탈이온 장치(60)에 4개의 홀(h)을 형성하였다.
⑤ 펌프(미도시)를 이용하여 차례로 홀(h) 및 집전체(65a, 65b)를 통해 각 전극(63a, 63b)의 기공내로 전해질 용액(1M NaCl 수용액) 250mL를 순환시켰다.
비교예 1
상기 ⑤의 조작을 생략한 것(즉, 전해질 용액을 순환시키지 않음)을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극, 셀 및 전기 흡착 탈이온 장치를 제조하였다.
평가예
(셀의 성능 평가)
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 각 전기 흡착 탈이온 장치를 하기 조건으로 운전하였다.
(1) 유출수의 이온전도도의 시간별 추이
충방전시 실시예 1 및 비교예 1의 각 장치로부터 배출된 유출수의 이온전도도를 장치 운전 중 연속적으로 측정하여 도 7a 및 도 8a에 각각 그래프로 나타내었 다. 유출수의 이온전도도는 이온전도도계(HORIBA, D-54, 센서: 3561-10D)를 사용하여 측정하였다.
① 셀의 운전은 상온에서, 유입수가 충분히 공급되는 상태에서 진행하였다.
② 유입수로는 500wtppm NaCl 용액(1000uS/cm)를 사용하였으며, 유속을 22 mL/min으로 조절하였다.
③ 이하에서는, 편의상 양이온 교환막과 맞닿아 있는 전극을 음극, 음이온 교환막과 맞닿아 있는 전극을 양극으로 지칭하고, 하기와 같은 충방전 과정을 반복하여 실행하였다. 먼저, (i) 각 전극에 전원를 연결하여 5분간 전류(양극 → 음극)가 280mA의 정전류 상태로 흐르도록 조절하였다(이를 충전 과정이라고 함). 이후, (ii) 전류를 -420mA로 유지하여 방전(즉, 전극 재생)을 진행하되, 전압이 -0.5V에 도달한 시점에 방전을 종료하였다. 다음에, 전극이 완전히 방전된 상태가 되도록 보장하기 위해 (iii) Rest 40초, (iv) 단락(전류가 50mA 이하로 떨어질 때까지) 및 (v) Rest 1분을 유지하였다(상기 (ii)~(v)를 방전 과정이라고 함).
도 7a 및 도 8a에서, 오목 피크는 충전 피크이며, 볼록 피크는 방전 피크이다.
도 7a 및 도 8a를 참조하면, 실시예 1과 비교예 1에서 제조한 각 장치는 충전피크와 방전피크의 크기가 서로 비슷하고, 충방전 사이클 횟수에 관계없이 충전피크와 방전피크의 크기가 거의 일정한 것으로 나타났다. 이로부터, 실시예 1과 비교예에서 제조한 각 셀은 충방전 성능이 서로 비슷하고 내구성이 모두 양호하다는 사실을 알 수 있다.
(2) 충전 종료 전압의 충방전 사이클별 추이
전원으로부터 충방전 사이클별 시간별 충방전 전압의 변화를 측정하여 도 7b 및 도 8b에 각각 나타내었다. 이후, 도 7b 및 도 8b 각각에서 사이클별 충전 종료 전압 데이터만을 발췌하여 도 7c 및 도 8c에 각각 나타내었다.
도 7c 및 도 8c를 참조하면, 실시예 1에서 제조한 전기 흡착 탈이온 장치는 충전 종료 전압이 3회 충방전 사이클 이후 정상 상태(약 1.32V)에 도달하여 23회 충방전 사이클까지 거의 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 반면에, 비교예 1에서 제조한 전기 흡착 탈이온 장치는 충전 종료 전압이 충방전 사이클 횟수에 따라 거의 선형으로 증가하는 것으로 나타났다. 상기 결과로부터, 일정한 성능을 유지하기 위하여, 실시예 1에서 제조한 전기 흡착 탈이온 장치는 약 1.32V의 일정한 전압을 필요로 하지만, 비교예 1에서 제조한 전기 흡착 탈이온 장치는 충방전 사이클 횟수가 증가할수록 전압을 높여줘야 하므로 상기 두 장치는 에너지 효율 측면에서 서로 차이가 있음을 알 수 있다(즉, 에너지 효율: 실시예 1 >> 비교예 1).
(3) 방전시간(총 재생시간)의 충방전 사이클별 추이
도 7b 및 도 8b 각각에서 사이클별 방전시간 데이터만을 발췌하여 도 7d 및 도 8d에 각각 나타내었다.
도 7d 및 도 8d를 참조하면, 실시예 1에서 제조한 전기 흡착 탈이온 장치는 방전시간이 3회 충방전 사이클 이후 정상 상태(약 388~392sec)에 도달하여 23회 충방전 사이클까지 거의 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 반면에, 비교예 1에서 제조한 전기 흡착 탈이온 장치는 방전시간이 충방전 사이클 횟수에 따라 거의 선형 으로 증가하는 것으로 나타났다. 상기 결과로부터, 일정한 성능을 유지하기 위하여, 실시예 1에서 제조한 전기 흡착 탈이온 장치는 약 388~392sec의 일정한 방전시간을 필요로 하지만, 비교예 1에서 제조한 전기 흡착 탈이온 장치는 충방전 사이클 횟수가 증가할수록 방전시간 및 재생에 사용되는 물의 양을 증가시켜야 하므로, 상기 두 장치는 방전(즉, 전극 재생)을 위해 사용되는 유입수의 회수율 측면에서 서로 차이가 있음을 알 수 있다(즉, 회수율: 실시예 1 >> 비교예 1).
이상에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 전기 흡착 탈이온 장치의 다양한 구현예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 사용한 전기 흡착 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7a 내지 7d는 각각 실시예 1에서 측정한, 시간에 따른 처리수 중의 이온전도도, 충방전 사이클별 시간에 따른 충방전 전압, 충전 사이클 수에 따른 충전 종료 전압 및 방전 사이클 수에 따른 총 재생시간을 도시한 그래프이다.
도 8a 내지 8d는 각각 비교예 1에서 측정한, 시간에 따른 처리수 중의 이온전도도, 충방전 사이클별 시간에 따른 충방전 전압, 충전 사이클 수에 따른 충전 종료 전압 및 방전 사이클 수에 따른 총 재생시간을 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 20, 30, 40, 50, 60: 전기 흡착 탈이온 장치
11, 21, 31, 41, 51, 61: 유입수의 유로
12a, 12b, 22a, 22b, 32, 42, 52a, 52b, 62a, 62b: 전하 장벽
13a, 13b, 23a, 23b, 33a, 33b, 43a, 43b, 53a, 53b, 63a, 63b: 전극
14a, 14b, 24a, 24b, 34, 44, 54a, 54b, 54c, 64a, 64'a, 64b, 64'b: 전해질 용액
15a, 15b, 25a, 25b, 35a, 35b, 45a, 45b, 55a, 55b, 65a, 65b: 집전체
16, 26, 36, 46, 56, 66: 세퍼레이터
17, 27, 37, 47, 57: 전해질의 농도 조절 장치
27e, 37e, 57b: 밸브
57a: 이온 전달 채널

Claims (21)

  1. 유입수가 흐를 수 있는 적어도 하나의 유로;
    상기 각 유로를 사이에 두고 서로 마주보도록 배치된 한쌍의 전극;
    상기 각 유로와 이에 대응하는 한쌍의 전극 사이에 배치된 한쌍의 전하 장벽;
    상기 각 전극과 이에 대응하는 전하 장벽 사이에 배치된 전해질 용액; 및
    상기 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 구비하고,
    상기 전해질 용액은 상기 유입수와 상이하고,
    상기 전해질 보상 장치는 상기 각 유로를 경유하지 않고 상기 각 유로에 대응하는 한쌍의 전해질 용액을 서로 직접 연통시키는 이온 전달 채널을 추가로 포함하고, 방전시 상기 각 유로를 절연시켜 상기 각 유로 대신에 상기 각 유로에 대응하는 이온 전달 채널을 통해 이온종들을 이동시켜 상기 이온종들의 총 농도 감소를 미연에 방지하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 보상 장치는 보상 시기 결정부 및 보상부를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보상 시기 결정부는 상기 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도를 측정하여, 상기 농도 측정치가 기준 농도 범위를 벗어났을 때, 상기 보상부의 작동을 개시하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 보상 시기 결정부는 상기 각 쌍의 전극 사이에 인가되는 전류 또는 전압을 모니터링하여, 상기 전류 또는 전압 측정치가 기준 전류 또는 전압 범위를 벗어 났을 때, 상기 보상부의 작동을 개시하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 보상부는 외부 전해질 용액을 상기 전해질 용액에 보충하여 상기 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도와 기준 농도 사이의 농도 차이를 보상하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 보상부는 상기 전해질 용액 중의 용매 성분을 제거하여 상기 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도와 기준 농도 사이의 농도 차이를 보상하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 보상 장치는 방전시 상기 각 전극 및 대응 전해질 용액으로부터 상기 유입수로 누출된 이온종들을 회수한 후 이를 상기 전해질 용액에 재공급하여 상기 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도 저하를 보상하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 보상 장치는 상기 전해질 용액을 외부 전해질 용액으로 교환하여 상기 전해질 용액의 순도 저하를 보상하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 각 전하 장벽은 양이온 선택성 투과막 또는 음이온 선택성 투과막인 전기 흡착 탈이온 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 각 전해질 용액에 함유된 이온종들의 종류는 상기 유입수에 함유된 이온종들의 종류와 상이한 전기 흡착 탈이온 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 각 전해질 용액에 함유된 이온종들의 총 농도는 상기 유입수에 함유된 이온종들의 총 농도 보다 높은 전기 흡착 탈이온 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 각 전극은 극성이 변하는 가변전극인 전기 흡착 탈이온 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 각 유로를 형성하는 스페이서를 추가로 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 각 쌍의 전극의 대응 유로와 반대쪽 전극 면에 배치된 한쌍의 집전체를 추가로 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  15. 유입수가 흐를 수 있는 적어도 하나의 유로;
    상기 각 유로를 사이에 두고 서로 마주보도록 배치된 한쌍의 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 각 유로와 이에 대응하는 제1 전극 사이에 배치된 제1 전하 장벽;
    상기 각 유로와 이에 대응하는 제2 전극 사이에 배치된 제2 전하 장벽;
    상기 제1 전극과 이에 대응하는 제1 전하 장벽 사이에 배치된 제1 전해질 용액; 및
    상기 제1 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 구비하고,
    상기 제1 전해질 용액은 상기 유입수와 상이하고,
    상기 제2 전극과 이에 대응하는 제2 전하 장벽 사이에 배치된 제2 전해질 용액을 추가로 구비하고,
    상기 제2 전해질 용액은 이에 대응하는 제1 전해질 용액과 동일하거나 상이하고,
    상기 전해질 보상 장치는 상기 각 유로를 경유하지 않고 상기 각 유로에 대응하는 제1 전해질 용액과 이에 대응하는 제2 전해질 용액을 직접 연통시키는 이온 전달 채널을 추가로 포함하고, 방전시 상기 각 유로를 절연시켜 상기 각 유로 대신에 상기 각 유로에 대응하는 이온 전달 채널을 통해 이온종들을 이동시켜 상기 이온종들의 총 농도 감소를 미연에 방지하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전하 장벽은 양이온 선택성 투과막이고, 상기 제2 전하 장벽은 음이온 선택성 투과막인 전기 흡착 탈이온 장치.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제15항에 있어서,
    상기 각 유로의 절연은 상기 각 유로에 상기 유입수 대신에 공기를 주입함에 의해 이루어지는 전기 흡착 탈이온 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 전해질 보상 장치는 상기 제1 전해질 용액에 함유된 이온종들과 대응 제2 전해질 용액에 함유된 이온종들을 동시에 보상하는 전기 흡착 탈이온 장치.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전해질 용액의 전해질 보상 장치와 동일하지만 이와는 별개인, 대응 제2 전해질 용액의 전해질 보상 장치를 추가로 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치.
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