KR101692387B1

KR101692387B1 - 전기적 단락에 의한 전극재생이 가능한 흐름전극장치와 이를 이용한 축전식 탈염장치

Info

Publication number: KR101692387B1
Application number: KR1020140130884A
Authority: KR
Inventors: 양승철; 전성일; 최지연; 김동국; 곽성조; 여정구
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2017-01-05
Also published as: KR20160038290A

Abstract

본 발명은 흐름양극 및 흐름음극의 전기적 단락에 의한 이온 흡착용량 재생방법 및 이를 적용한 담수화 장치에 관한 것으로, 탈염공정과 동시에 흐름전극이 재생되기 때문에 적은 양의 전극을 소모하면서 탈염공정을 연속적로 진행할 수 있다. 본 발명에 의해 흐름양극과 흐름음극의 공급 및 회수 라인의 통합으로 담수화 장치의 설치면적 및 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 전극재생에 드는 비용을 감소시킬 수 있으며, 탈염공정으로 소모되는 흐름전극의 양을 줄일 수 있다.

Description

전기적 단락에 의한 전극재생이 가능한 흐름전극장치와 이를 이용한 축전식 탈염장치{Flow-electrode device with electrode regeneration by short circuit and capacitive deionization device}

본 발명은 전기적 단락에 의한 전극재생이 가능한 흐름전극장치와 이를 이용한 축전식 탈염장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양이온으로 충전된 흐름전극과 음이온으로 충전된 흐름전극의 통합 및 단락에 의하여 전극을 재생할 수 있는 흐름전극장치와, 이를 이용하여 염수를 탈염하는 축전식 탈염장치의 연속 운용 방법에 관한 것이다.

최근 에너지 저장 분야에서 대용량 에너지저장을 목적으로 전기화학 흐름 커패시터(electrochemical flow capacitor, EFC)라는 이름으로 흐름전극에 대한 연구가 각광 받고 있다.

또한, 정수 또는 폐수처리, 해수담수화와 같은 수처리 분야에서 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능한 전기화학적 공정, 즉 축전식 탈염(Capacitive Deionization: CDI) 공정 연구되고 있고, 최근에는 연속공정 및 대용량화가 용이한 신기술인 흐름전극을 이용한 축전식 탈염(Flow electrode Capacitive Deionization: FCDI) 공정이 개발 진행 중이다.

상기 EFC는 외부 전원에 의해 분리막을 사이에 둔 양측 흐름전극 간의 이온이동 및 저장이 발생하고 이를 통해 에너지를 저장하는 개념으로, 외부전원에 의해 분리막을 사이의 염수의 이온이 양측 흐름전극으로 이동하여 탈염이 되는 FCDI와 비슷한 개념을 갖고 있다.

특히, 상기 FCDI는 흡착된 이온을 별도의 용기에 저장하여 에너지를 저장할 수 있기 때문에 탈염뿐만 아니라 에너지 저장 분야에 활용 가능한 기술로 평가되고 있다.

상기 특성으로, 본 발명자들은 흐름전극장치(한국특허 제10-1233295호)를 출원한 바 있고, 이를 발전(한국특허 제10-1318331호), 에너지 저장(한국특허 제10-1210525호), 수처리(한국특허 제10-1221562호) 등에 사용한 바 있다.

상기 흐름전극장치를 이용한 탈염방법으로는 이온이 포화된 흐름전극의 배출이 필요하고, 염수 처리 용량을 증대시키기 위해서는 흐름전극이 공급되는 양이 증가한다는 문제점이 있다.

한국특허 제10-1233295호 한국특허 제10-1318331호 한국특허 제10-1210525호 한국특허 제10-1221562호

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 흐름양극과 흐름음극의 통합에 의한 전기적 단락을 이용한 전극재생방법 및 이를 이용한 효율적이고 경제적인 탈염 공정을 제공하는 것이다.

또, 흐름양극과 흐름음극의 통합으로 저장 용기를 하나로 합하여 양쪽 흐름전극의 지속적인 재생을 통해 전극 사용량을 간단히 줄일 수 있고 전극제조비용 과 흐름전극장치 시스템의 점유 공간을 획기적으로 감소시킬 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유동하는 전극활물질을 가지는 흐름전극이 흐르는 흐름양극유로 및 흐름음극유로와, 상기 흐름양극유로 및 상기 흐름음극유로의 사이를 흐르는 전해질이 이동하는 전해질유로를 가지고, 상기 전해질과 상기 흐름양극 사이에는 음이온이 이동가능하며, 상기 전해질과 상기 흐름음극 사이에는 양이온이 이동가능하며, 상기 흐름양극유로를 통과한 흐름전극과 상기 흐름음극유로를 통과한 흐름전극은 합쳐져 다시 상기 흐름양극유로 및 상기 흐름음극유로에 유입되는 것을 특징으로 하는 흐름전극장치이다.

즉, 상기 흐름전극이 흐름전극장치에 공급될 때에는 하나의 저장용기를 통해 상기 흐름양극유로와 상기 흐름음극유로로 공급되며 상기 흐름양극유로와 상기 흐름음극유로를 통과한 흐름양극과 흐름음극은 다시 흐름전극 저장용기로 보내져 폐순환 흐름으로 작동하는 것이 본 발명의 주요한 특징이다.

본 발명에서 흐름전극은 흐름양극과 흐름음극을 합한 것으로 정의한다. 상기 흐름전극은 전극활물질과 유동액의 혼합물이다. 흐름전극에 사용되는 유동액은 수용성 전해질 또는 유기성 전해질을 사용하는 것이 가능하다. 특히, 상기 유동액으로 담수 또는 염수를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 상기 흐름음극유로를 통과하여 양이온을 흡착한 흐름전극은 흐름음극이며 상기 흐름양극유로를 통과하여 음이온을 흡착한 흐름전극은 흐름양극이다.

또 다른 발명은 하나 이상의 흐름전극장치; 상기 흐름양극유로를 통과한 흐름전극과 상기 흐름음극유로를 통과한 흐름음극이 합쳐져서 유입되며, 다시 상기 흐름양극유로 및 상기 흐름음극유로에 흐름전극을 공급하는 흐름전극 공급부; 상기 흐름전극장치에 전해질을 공급하는 전해질 공급부; 및 상기 흐름전극장치에 전력을 공급하는 전원공급장치를 포함하는 축전식 탈염장치이다. 또, 여기에 추가적으로 상기 흐름전극의 염분농도를 측정하여 분취하는 전극재생제어부; 상기 분취한 흐름전극으로부터 농축 유동액을 분리 및 배출하는 유동액분리부; 및 상기 유동액이 분리된 흐름전극에 상대적으로 농도가 낮은 유동액을 추가하여 상기 흐름전극공급부 또는 흐름전극장치로 재생된 흐름전극을 재공급하는 흐름전극 재생부를 더 포함할 수 있다.

상기 축전식 탈염장치에서 탈염공정으로 음이온을 흡착한 흐름양극과 양이온을 흡착한 흐름음극이 흐름전극 저장용기에서 합쳐져 전극활물질들의 접촉에 의해 전기적인 단락이 발생하여 흡착된 양이온들과 음이온들이 미세공에서 빠져나와 흐름전극의 유동액에서 농축될 수 있다. 이 결과, 상기 흐름전극의 흡착용량이 간단히 회복되고 다시 흐름전극장치로 공급되어 연속 탈염운전이 가능하다. 다만 상기 유동액의 농도가 지나치게 높아질 경우 탈염성능이 하락할 수 있으므로, 상기 농축 유동액을 흐름전극으로부터 분리하여 신규 유동액으로 교체하는 것만으로 간단히 흐름전극의 재생이 가능하다.

상기 흐름전극의 유동액을 교체하는 것은, 염분농도가 미리 정해진 농도 이상이거나, 미리 정해진 시간 간격으로 상기 흐름전극의 일부 또는 전체가 상기 흐름전극장치를 흐르는 흐름전극보다 상대적으로 농도가 낮은 흐름전극으로 교체시킬 수 있다.

또 다른 발명은, 상술한 축전식 탈염장치; 상기 축전식 탈염장치의 흐름양극유로로부터 공급되는 흐름양극이 흐르는 흐름양극유로와, 상기 축전식 탈염장치의 흐름음극유로로부터 공급되는 흐름음극이 흐르는 흐름음극유로와, 상기 흐름양극유로 및 상기 흐름음극유로의 사이를 흐르는 전해질이 이동하는 전해질유로를 가지도록 상기 축전식 탈염장치의 후단에 배치되는 회수측 흐름전극장치; 및 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름양극유로와 흐름음극유로에 연결되어 발생되는 전류가 유입되는 전력장치를 포함하고, 상기 회수측 흐름전극장치를 통과한 흐름양극 및 흐름음극은 상기 축전식 탈염장치의 상기 흐름전극 공급부로 유입되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장회수장치이다.

상기 전력장치는 회수측 흐름전극장치에서 발생되는 전기 에너지를 이용할 수 있는 모든 장치를 의미한다. 즉, 전력장치는 커패시터, 배터리 같은 전력 저장장치가 될 수 있고, 선풍기, 전등 등의 전기를 이용하는 장치가 될 수 있으며, 인버터 등의 전기변환장치가 될 수도 있다.

상기 축전식 탈염장치의 흐름양극유로와 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름양극유로 사이에는 흐름양극 제어부가 배치되고, 상기 축전식 탈염장치의 흐름음극유로와 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름음극유로 사이에는 흐름음극 제어부가 배치되고, 상기 흐름양극제어부와 상기 흐름음극제어부는 상기 흐름전극 공급부와 연결되며, 상기 흐름양극제어부는 상기 축전식 탈염장치의 흐름양극유로로부터 공급되는 흐름양극을 상기 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름양극유로와 상기 흐름전극 공급부에 각각 공급되는 양을 조절하고, 상기 흐름음극제어부는 상기 축전식 탈염장치의 흐름음극유로로부터 공급되는 흐름음극을 상기 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름음극유로와 상기 흐름전극 공급부에 각각 공급되는 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 축전식 탈염장치의 흐름양극유로와 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름양극유로 사이에는 흐름양극 저장부가 배치되고, 상기 축전식 탈염장치의 흐름음극유로와 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름음극유로 사이에는 흐름음극 저장부가 배치되는 것을 특징으로 한다.

흐름전극을 이용한 축전식 탈염에 의한 정수, 폐수처리, 담수화 등의 작업에서 소모되는 흐름전극의 재생을 손쉽게 할 수 있고, 동일한 시간동안 소모되는 흐름전극의 양을 획기적으로 감소시킬 수 있고, 흐름양극과 흐름음극의 공급 및 저장을 통합하여 설치공간을 크게 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 흐름전극장치를 이용한 축전식 탈염장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 0.3 V로 탈염실험을 수행하였을 때 각 단계에서의 시간에 따른 탈염율 변화 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 0.3 V로 탈염실험을 수행하였을 때 각 단계별 시간에 따른 전류 변화 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예를 위해 기존 방식으로 0.3 V로 탈염실험을 수행하였을 때 각 단계에서의 시간에 따른 탈염율 변화 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예를 위해 기존 방식으로 0.3 V로 탈염실험을 수행하였을 때 각 단계별 시간에 따른 전류 변화 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 흐름전극을 이용한 대용량 에너지저장 장치의 개략도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 본 발명의 모든 실시예에서 공통적으로 사용되는 흐름전극장치(105)에 대해 설명한다.

상기 흐름전극장치(105)는 도 1에 도시된 바와 같이, 음극집전체(111)와 양극집전체(120) 사이에 형성되는 공간이, 음극분리막(115)와 양극분리막(117)에 의해 구분된다. 즉, 상기 흐름전극장치(105)은 상기 음극분리막(115)와 상기 음극집전체(111) 사이의 흐름음극유로(114), 상기 양극분리막(117)외 상기 양극집전체(120) 사이의 흐름양극유로(119), 및 상기 음극분리막(115)와 상기 양극분리막(117) 사이의 전해질 유로(116)으로 이루어진다.

상기 흐름음극유로(114)에는 흐름음극(112)이 흐르고, 상기 흐름양극유로(119)에는 흐름양극이 흐른다. 상기 흐름음극(112)은 유동액에 전극활물질이 혼합된 분산된 슬러리 상태의 흐름전극이 흐름음극유로(114)를 통과하며 양이온을 흡착한 상태이고, 상기 흐름양극(118)은 흐름전극이 흐름양극유로(119)를 통과하며 음이온을 흡착한 상태이다. 상기 흐름음극(112) 및 상기 흐름양극(118)에 사용되는 전극활물질은 다공성 탄소(활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 탄소나노튜브 등), 흑연분말, 금속산화물 분말 등이 사용될 수 있다.

또, 상기 유동액은 NaCl, H₂SO₄, HCl, NaOH, KOH, Na₂NO₃등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 유동액으로써 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다.

상기 음극분리막(115)은 흐름양극과 전해질 유로사이의 전해질 액체의 유통을 막고 이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막과, 양이온만 선택적으로 통과시키는 양이온 선택막을 사용하는 것이 가능하다.

또, 상기 양극분리막(117)은 흐름음극과 전해질 유로사이의 전해질 액체의 유통을 막고 이온만을 선택적으로 통과시키는 치밀막과, 음이온만 선택적으로 통과시키는 음이온 분리막을 사용하는 것이 가능하다.

그리고, 상기 전해질 유로(116)에는 전해질이 이동하며, 상기 전해질로는 상기 유동액과 마찬가지로 NaCl, H₂SO₄, HCl, NaOH, KOH, Na₂NO₃등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 유동액으로써 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다. 상기 전해질 유로(116)은 유로를 형성할 수 있는 스페이서가 내부에 사용될 수 있다.

상기 전해질유로(116)의 전해질 이동방향과 상기 흐름음극유로(114) 및 상기 흐름양극유로(119)의 유체의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.

상기 전극집전체(111,120) 및 상기 이온분리막(115,117)은 종래 유동상 전극 시스템(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

상기 흐름전극장치(105)에 유입되는 흐름전극 내 전극활물질에 이온이 흡착되어있는 경우 흐름전극이 흡착할 수 있는 이온의 양은 줄어든다. 따라서, 상기 흐름전극장치(105)를 통과한 상기 흐름음극유로(114) 및 상기 흐름양극유로(119)의 흐름전극을 합쳐서 전기적으로 중화시키면 흡착된 이온이 유동액으로 빠져나와 흐름전극의 흡착용량을 회복시킬 수 있고, 이를 상기 흐름전극장치(105)에 공급하면 새로운 흐름전극을 사용하지 않아도 전극의 기존의 이온 흡착용량을 유지할 수 있다. 다만, 유동액의 농도가 증대되므로, 일정수준의 농도가 되면 유동액만을 분리하여 교체하거나, 새로운 흐름전극으로 교체할 수 있다.

다음으로 상기 흐름전극장치(105)를 이용한 축전식 탈염장치(100)에 대해서 설명한다.

도 1에서 도면부호 100은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염장치를 지시한다.

상기 축염식 탈염장치(100)는 크게 흐름전극장치(105)와, 상기 흐름전극장치(105)에 흐름전극을 공급 및 저장하는 흐름전극 공급부(140)와, 상기 흐름전극 공급부(140)로부터 흐름전극을 분취하여 농축 유동액을 분리 배출하는 유동액 분리부(141)와, 상기 흐름전극장치(105)에 재생 흐름전극을 공급하는 흐름전극 재생부(142)와, 상기 흐름전극장치(105)에 전해질을 공급하는 전해질 공급부(144)를 포함한다.

상기 전해질 공급부(144)에서는 양이온과 음이온을 가지는 전해질(예를 들어, 염수)를 상기 흐름전극장치(105)의 전해질 유로(116)에 공급한다. 상기 전해질 유로(116)을 통과한 전해질은 이온농도가 낮아지거나 높아지므로, 담수를 얻거나 다른 목적으로 활용될 수 있다.

그리고, 상기 흐름전극 공급부(140)는 전극활물질을 포함하는 슬러리 상태의 흐름전극을 상기 흐름양극유로(114)와 상기 흐름음극유로(119)에 공급한다.

그리고, 상기 흐름전극장치(105)에는 전류를 공급하는 전원공급장치(130)이 연결돼서, 현재 상기 흐름전극장치(105)의 음극집전체(111)와 양극집전체(120) 사이에 전위차를 발생시킬 수 있다.

따라서, 상기 흐름전극장치(105)에 전해질과 흐름전극을 보내면 상기 음극집전체(111)와 상기 양극집전쳬(120)에 인가되는 전위에 의해, 양이온은 상기 음극분리막(115)를 거쳐 전극활물질에 흡착되고, 음이온은 상기 양극분리막(117)을 거쳐 상기 전극활물질에 흡착된다. 이 결과, 상기 전해질에 포함된 이온이 제거되어 상기 전해질은 탈염된다.

이러한 탈염과정을 통해 양이온을 흡착하여 흡착용량을 채운 상기 흐름음극(112)과 음이온을 흡착하여 흡착용량을 채운 상기 흐름양극(118)은 상기 흐름전극장치(105)를 통과하여 다시 상기 흐름전극 공급부(140)에서 합쳐진다.

따라서, 상기 흐름전극 공급부(140)에서 상기 흐름음극(112)와 상기 흐름양극(118)의 물리적 접촉에 의해 서로 다르게 하전된 전극활물질 간의 전기적인 단락이 발생하고, 전극활물질 표면에 흡착되어있는 양이온과 음이온이 흐름전극 유동액으로 방출되어 상기 흐름전극의 흡착용량이 재생된다.

따라서 상기 흐름전극장치(105)로 재공급되는 상기 흐름전극은 기존의 탈염성능을 유지할 수 있다.

이러한 탈염과정이 계속되면, 상기 흐름전극 전해질 내의 이온농도가 지나치게 높아져 탈염성능이 하락할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해, 상기 흐름전극 공급부(140)로 회수되는 흐름전극의 유동액 농도가 한계농도를 초과할 시, 상기 흐름전극 공급부(140)로부터 일정량의 흐름전극을 유동액 분리부(141)로 보내어 농축 유동액을 분리, 배출할 수 있다.

또한 상기 농축전해질이 제거된 흐름전극은 흐름전극 재생부(142)에서 신규 유동액을 추가를 통해 기존 조성에 맞게 재생되어 상기 흐름전극장치(105)로 재투입하는 것이 가능하다.

따라서 상기 축전식 탈염장치(100)은 소모되는 흐름전극의 양을 최소화하면서 연속적인 탈염공정이 가능하다.

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 대용량 에너지 저장장치(101)을 도시한다. 실시예 1에서 축전식 탈염장치(100)에 에너지 회수장치를 더하여 원하는 시간에 저장된 에너지를 회수하는 것이 가능하다.

실시예 2에서 에너지를 회수하기 위하여 사용되는 회수측 흐름전극장치(106)은 실시예 1의 흐름전극장치(105)와 동일하나, 유입되는 흐름양극과 흐름음극이 상기 흐름전극장치(105)로부터 공급되는 것을 쇼트없이 그대로 유입된다는 차이가 있다.

이를 위해, 상기 대용량 에너지 저장장치(101)은 크게 상기 축전식 탈염장치(100)를 그대로 포함하고, 추가적으로 상기 축전식 탈염장치(100)로부터 이온이 흡착된 흐름양극(118)을 공급받아 저장하거나 상기 에너지를 회수하는 상기 흐름전극장치(106)로 공급하는 흐름양극 저장부(151)와, 상기 축전식탈염장치(100)으로부터 이온이 흡착된 흐름음극(112)을 공급받아 저장하거나 상기 흐름전극장치(106)로 공급하는 흐름음극 저장부(152)와, 상기 흐름전극장치(106)로 전해질을 공급하는 에너지 회수를 위한 전해질 공급부(145)를 포함한다.

상기 흐름양극 저장부(151)와 상기 흐름음극 저장부(152)를 통해 원하는 만큼의 흐름양극(118)과 흐름음극(112)을 저장할 수 있고, 흐름양극 제어부(153)와 흐름음극 제어부(154)를 통해 더 이상 저장이 필요없는 상기 흐름양극(118)과 상기 흐름음극(112)을 상기 흐름전극 공급부(140)로 순환시켜 상기 축전식 탈염장치(100)의 연속운용이 가능하다.

그리고, 상기 에너지회수장치(106)에는 전력장치(131)가 연결돼서, 현재 상기 에너지 회수장치(106)에서 흐름전극에 저장된 이온의 방출로 발생하는 전기에너지를 공급받아 외부로 공급받는다.

상기 전력장치(131)는 회수측 흐름전극장치에서 발생되는 전기 에너지를 이용할 수 있는 모든 장치를 의미한다. 즉, 전력장치(131)는 커패시터, 배터리 같은 전력 저장장치가 될 수 있고, 선풍기, 전등 등의 전기를 이용하는 장치가 될 수 있으며, 인버터 등의 전기변환장치가 될 수도 있다.

또한, 상기 에너지 회수장치(106)을 빠져나온 이온이 완전히 방출되지 않은 상기 흐름양극과 상기 흐름음극은 상기 흐름전극 공급부로 공급되어 전기적인 단락에 의해 흐름전극 유동액으로 이온들이 완전히 방출되며, 다시 흐름전극장치(105)로 재투입되는 것이 가능하다.

이하, 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실험예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

[실험예 1]

본 발명의 실시예 1에 따라, 미세유로 구조를 갖는 직사각형의 양극 및 음극 집전체(Graphite, 294×210㎜, 유효면적 228㎠) 사이에 양이온 교환막(Neosepta CMX, Tokuyama, Japan)과 음이온 교환막(Neosepta AMX, Tokuyama, Japan) 및 스페이서로(Polyester, 0.4mm) 분리된 흐름전극장치를 제작하였다.

약 3,263㎡/g의 비표면적을 갖는 활성탄 (평균 세공직경 21Å, 총 세공부피 1.71㏄/g)을 0.1M NaCl 유동액에 섞어 nanodisperser (ISA-N-10, Ilshin Autoclave, Korea)로 미분쇄하여 증류수 내 활성탄의 평균입도가 8㎛인 흐름전극을 제조했다. 제조된 0.5L의 흐름전극은 하나의 저장용기에 담아 25㎖/min의 유속으로 흐름전극장치의 양극유로 및 음극유로에 통과시켰고, 흐름전극장치를 통과한 흐름전극은 다시 원래의 저장용기로 돌아가는 폐 사이클 흐름으로 공급하였다.

이와 동시에 NaCl 전해질액을 마이크로 정량펌프(일본정밀화학(주), Minichemi pump)를 이용하여 3㎖/min의 유량으로 흐름전극장치의 전해질 유로에 통과시켰고, 다음단계로, 탈염된 NaCl 전해질액을 모아 다시 흐름전극장치에 통과시키며 전기전도도의 변화를 측정하였다.

또한, 각 단계에서 흐름전극장치의 외부단자를 Potentiostat (Ivium Technologies B.V., Netherlands)에 연결하여 0.3V의 전압을 가해 탈염 실험을 수행했다.

흐름전극장치를 통과하고 난 후 나온 NaCl 전해질액의 농도는 conductivity meter (S47, Mettler-Toledo, Switzerland)로 10초마다 측정되었고, 탈염 시간에 따른 농도 변화는 도 2에 도시하였고 전류 변화는 도 3에 도시하였다. 또한, 전체 결과를 표 1에 나타내었다. 또한 기존 공정에서 취하는 방식인 흐름전극의 개방 사이클 흐름에서의 탈염실험을 상기와 같은 조건에서 실시하여 도 4에 농도 변화를 도시하였고 도 5에 전류 변화를 도시하였다.

실험단계	실시예				비교예
실험단계	투입수 농도 (mS/cm)	생산수 농도 (mS/cm)	탈염율 (%)	측정전류 (mA)	투입수 농도 (mS/cm)	생산수 농도 (mS/cm)	탈염율 (%)	측정전류 (mA)
1단계	55.3	47.2	14.65	425	54.2	46.6	14.02	420
2단계	47.4	39.2	17.3	450	46.6	42.7	8.37	190
3단계	39.2	31.2	20.41	440	42.7	40.5	5.15	85
4단계	31.1	23.4	24.76	415	40.7	39.0	4.18	55

실험결과, 기존 흐름전극 운영방식에서는 이온을 흡착한 흐름전극이 탈염공정에 투입되어 각 단계에서 탈염성능이 저하되는 것을 볼 수 있다. 이는 이전 단계에서 이온 흡착으로 흐름전극의 이온 흡착용량이 줄어들었기 때문으로 기존 흐름전극의 운영방식으로는 탈염공정에 사용된 흐름전극의 재생과정이 없이는 재사용이 불가능함을 의미한다.

반면, 이온을 흡착한 흐름전극이 하나의 저장용기에서 서로 섞이게 되는 폐 사이클 흐름에서는 사용한 흐름전극이 재공급되어도 탈염성능을 유지하는 것을 볼 수 있다. 이는 흐름전극이 흐름전극 공급부에서 전극활물질 간에 이루어지는 전기적 단락으로 흡착된 이온들을 유동액으로 방출하였기 때문이다.

또한, 실시예와 비교예의 전류변화를 도시한 도 3과 도 5를 통해 기존의 흐름전극 운영방식에서는 단계가 지날수록 흐름전극으로 유입되는 이온이 현저히 줄어드는 것에 비해, 본 발명의 방식에서는 이동하는 이온의 양이 일정함을 알 수 있다.

따라서 본 발명을 통해 별다른 재생공정 없이 흐름음극과 흐름양극을 섞는 것만으로 전극활물질의 흡착용량이 간단히 재생되어 재사용이 가능하고 연속적인 탈염 공정에 사용할 수 있음을 알 수 있다. 또한 시간의 흐름에 따라 소모되는 흐름전극의 양이 증가하는 기존의 흐름전극 운영방식과는 달리 본 발명에서는 흐름전극이 유동액의 농도가 한계에 이르기 전까지 폐순환으로 유동하기 때문에 탈염공정 시 소모되는 흐름전극의 양을 크게 절감할 수 있음을 알 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 축전식 탈염장치 101: 에너지 저장회수장치
105: 흐름전극장치 106: 회수측 흐름전극장치
111: 음극집전체 112: 흐름음극
114: 흐름음극유로 115: 음극분리막
116: 전해질유로 117: 양극분리막
118: 흐름양극 119: 흐름양극유로
120: 양극집전체 130: 전원공급장치
131: 전력장치 140: 흐름전극 공급부
141: 유동액 분리부 142: 흐름전극 재생부
144,145: 전해질 공급부 151: 흐름양극 저장부
152: 흐름음극 저장부 153: 흐름양극 제어부
154: 흐름음극 제어부

Claims

유동하는 전극활물질을 가지는 흐름전극이 흐르는 흐름양극유로 및 흐름음극유로와, 상기 흐름양극유로 및 상기 흐름음극유로의 사이를 흐르는 전해질이 이동하는 전해질유로를 가지고,
상기 전해질과 상기 흐름양극 사이에는 음이온이 이동가능하며, 상기 전해질과 상기 흐름음극 사이에는 양이온이 이동가능하며,
상기 흐름양극유로를 통과한 흐름양극과 상기 흐름음극유로를 통과한 흐름음극이 흐름전극 공급부에서 합쳐져서, 다시 상기 흐름양극유로 및 상기 흐름음극유로에 연속적으로 공급되는 흐름전극 공급부를 포함하는,
흐름전극의 재생 및 탈염이 동시에 이루어지는 폐순환 흐름을 특징으로 하는 흐름전극장치.
제1항의 하나 이상의 흐름전극장치;
상기 흐름전극장치에 전해질을 공급하는 전해질 공급부; 및
상기 흐름전극장치에 전력을 공급하는 전원공급장치를 포함하는 축전식 탈염장치.
제2항에 있어서
상기 흐름전극의 염분농도가 미리 정해진 농도 이상이면 상기 흐름전극의 일부 또는 전체가 상기 흐름전극장치를 흐르는 흐름전극보다 상대적으로 농도가 낮은 흐름전극으로 교체되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치.
제2항에 있어서
미리 정해진 시간 간격으로 상기 흐름전극의 일부 또는 전체가 상기 흐름전극장치를 흐르는 흐름전극보다 상대적으로 농도가 낮은 흐름전극으로 교체되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치.
제1항의 하나 이상의 흐름전극장치;
상기 흐름전극장치에 전해질을 공급하는 전해질 공급부;
상기 흐름전극장치에 전력을 공급하는 전원공급장치;
상기 흐름전극의 염분농도를 측정하여 분취하는 전극재생제어부;
상기 분취한 흐름전극으로부터 농축 유동액을 분리 및 배출하는 유동액 분리부;
상기 유동액이 분리된 흐름전극에 상대적으로 농도가 낮은 유동액을 추가하여 상기 흐름전극 공급부 또는 흐름전극장치로 재생된 흐름전극을 재공급하는 흐름전극 재생부를 포함하는 축전식 탈염장치.
제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 축전식 탈염장치;
상기 축전식 탈염장치의 흐름양극유로로부터 공급되는 흐름양극이 흐르는 흐름양극유로와, 상기 축전식 탈염장치의 흐름음극유로로부터 공급되는 흐름음극이 흐르는 흐름음극유로와, 상기 흐름양극유로 및 상기 흐름음극유로의 사이를 흐르는 전해질이 이동하는 전해질유로를 가지도록 상기 축전식 탈염장치의 후단에 배치되는 회수측 흐름전극장치; 및
상기 회수측 흐름전극장치의 흐름양극유로와 흐름음극유로에 연결되어 발생되는 전류가 유입되는 전력장치를 포함하고,
상기 회수측 흐름전극장치를 통과한 흐름양극 및 흐름음극은 상기 축전식 탈염장치의 상기 흐름전극 공급부로 유입되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장회수장치.
제6항에 있어서,
상기 축전식 탈염장치의 흐름양극유로와 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름양극유로 사이에는 흐름양극 제어부가 배치되고, 상기 축전식 탈염장치의 흐름음극유로와 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름음극유로 사이에는 흐름음극 제어부가 배치되고,
상기 흐름양극제어부와 상기 흐름음극제어부는 상기 흐름전극 공급부와 연결되며,
상기 흐름양극제어부는 상기 축전식 탈염장치의 흐름양극유로로부터 공급되는 흐름양극을 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름양극유로와 상기 흐름전극 공급부에 각각 공급되는 양을 조절하고,
상기 흐름음극제어부는 상기 축전식 탈염장치의 흐름음극유로로부터 공급되는 흐름음극을 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름음극유로와 상기 흐름전극 공급부에 각각 공급되는 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장회수장치.
제6항에 있어서,
상기 축전식 탈염장치의 흐름양극유로와 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름양극유로 사이에는 흐름양극 저장부가 배치되고, 상기 축전식 탈염장치의 흐름음극유로와 상기 회수측 흐름전극장치의 흐름음극유로 사이에는 흐름음극 저장부가 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장회수장치.