KR101710923B1 - 축전식 탈염장치 및 그 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CDI(Capacitive Deionization) 전극에 고효율의 흡착능을 가지는 그래핀 소재를 다양한 형상으로 도입하여 고염도 원수에 적용이 가능하며 제조가 용이한 축전식 탈염장치 및 그 운전방법에 대한 것이다.

Description

축전식 탈염장치 및 그 운전방법{Capacitive Deionization Device and Operation Method of it}

본 발명은 CDI(Capacitive Deionization) 전극에 고효율의 흡착능을 가지는 그래핀 소재를 다양한 형상으로 도입하여 고염도 원수에 적용이 가능하며 제조가 용이한 축전식 탈염장치 및 그 운전방법에 대한 것이다.

축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI) 기술은 하전된 전극 계면에 형성되는 전기이중층(Electric Double Layer, EDL)에서의 이온 흡착 및 탈착 반응을 이용하여 원수 내 이온성 물질을 제거하는 기술이다.

도 1은 축전식 탈염 기술의 원리를 나타내는 설명도로서, 하전된 전극 표면에서 이온들의 흡착 및 탈착 과정이 도시되어 있다. 도 1을 참조하여 흡착 및 탈착 과정을 설명하면, 먼저 물의 전기분해반응이 일어나지 않는 전위 범위 내에서 전압을 인가하면 전극에는 일정한 전하량이 하전된다. 하전된 전극에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전극 표면에 흡착되고, 전극을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(desalinated water)가 된다.

이때, 전극에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(Capacitance)에 따라 결정되기 때문에 CDI에 사용되는 전극은 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(Carbon Electrode)이 일반적으로 사용된다.

한편, 전극의 흡착 용량이 포화되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수로 나오게 된다. 이때 전극에 흡착된 이온들을 탈착시키기 위하여, 전극들을 쇼트(short) 시키거나 전극에 흡착 전위와 반대 전위를 인가하면, 전극은 전하를 잃거나 반대 전하를 갖게 되고 흡착된 이온들은 빠르게 탈착되어 전극의 재생이 이루어지게 된다.

이와 같이 CDI 기술은 전극의 전위만을 변화시켜서 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 매우 간편하고 탈염 과정에서 환경 오염 물질을 배출하지 않기 때문에 환경 친화적인 탈염 공정으로 알려져 있다. 또한, 또 다른 실시예로 전극 표면에 이온교환막을 형성하여 흡착되는 이온의 선택도를 높일 수도 있다.

그러나, 종래의 CDI의 전극은 고정상 활물질 전극(활성탄, 카본파이버, 탄소 에어로젤 등)을 사용하기 때문에 이온흡착 능력에 한계가 있으며, 대용량화를 위해서는 전극을 대면적화하거나 여러 개의 전극을 스택화하여야 하므로 장치 제조나 운전비용이 크게 증가하는 문제점이 있다.

이에, CDI 전극 소재로 이온흡착능이 높은 새로운 소재를 적용하고자 하는 시도들이 이루어지고 있으나, 이러한 방법들은 전극 제조를 위하여 복잡한 공정을 거쳐야 할 뿐 아니라 전극이 가지는 밀도상 새로운 소재의 표면적을 최대화시키는 데 한계가 있다.

이에, 본 발명은 기존의 전극들을 최대한 활용하면서 비교적 간단한 공정 및 저비용으로 CDI 흡착 능력을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다.

한국공개공보 제10-2015-0008348호 (공개일: 2015.01.22)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기존의 CDI 전극에 고효율의 흡착능을 가지는 그래핀 소재를 다양한 형상으로 도입하여 대용량화 및 고염도 원수에 적용이 가능하며 제조가 용이한 축전식 탈염장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 한 쌍의 전극(10) 사이로 유입용액(Feed Solution)이 흐르면서 유입용액 내 이온성 물질이 흡착 제거되는 축전식 탈염 장치에 있어서, 상기 전극(10)의 흡착능력을 높이기 위하여, 전극물질 또는 전극 활물질이 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 축전식 탈염장치는, 상기 한 쌍의 전극(10) 사이에 배치되어 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막(30)을 추가로 포함하며, 상기 전극(10)과 이온교환막(30) 사이에 메쉬(mesh) 형태의 그래핀(22)이 채워진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 축전식 탈염장치는, 상기 한 쌍의 전극(10) 사이에 배치되어 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막(30)을 추가로 포함하며, 상기 전극(10)과 이온교환막(30) 사이의 유로에 그래핀 슬러리(23)가 연속적으로 유동하면서 유입용액(Feed Solution) 내 이온성 물질을 흡착 제거하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 축전식 탈염장치는 다수개가 세트를 이루어 운전될 수 있으며, 상기 세트를 구성하는 각각의 축전식 탈염장치가 서로 다른 운영 스케쥴에 따라 충전과 방전을 번갈아 수행하면서 유입용액의 탈염이 연속적으로 이루어지는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 상기 세트가 두 개의 축전식 탈염장치로 이루어지며, 상기 두 개의 축전식 탈염장치가 서로 번갈아 충전과 방전을 수행하면서, 그래핀 슬러리(23)가 상기 두 개의 축전식 탈염장치 사이를 순환하여 연속적으로 운전될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 축전식 탈염장치는, 한 쌍의 제1 전극(11)과 유입용액이 흐르는 유로 측 표면에 그래핀 증착층(20)이 형성된 한 쌍의 제2 전극(12)을 포함하며, 상기 제2 전극(12)은 상기 제1 전극(11) 사이에 배치되고, 상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 활성 슬러리(40)가 채워진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2 전극(12)은 다공성 전극(Porous Electrode)인 것이 바람직하며, 상기 활성 슬러리(40)는 탄소 슬러리, 그래핀 슬러리 또는 전도성 나노입자 슬러리가 사용될 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 충전 및 방전은 동시에 또는 번갈아 이루어질 수 있다.

본 발명의 축전식 탈염장치는 종래 CDI 전극이 가지는 이온흡착 능력의 한계를 극복하기 위하여, 전극에 고효율의 흡착능을 가지는 그래핀 소재를 다양한 형상으로 도입하여 대용량화가 용이하고 고염도 원수에 적용이 가능하다.

도 1 - 축전식 탈염 기술의 원리를 나타내는 설명도
도 2,3 - 본 발명의 일 실시예에 따라 메쉬 형태의 그래핀이 적용된 축전식 탈염장치의 구성 및 작동과정을 보여주는 개념도
도 4,5 - 본 발명의 일 실시예에 따라 그래핀 슬러리가 적용된 축전식 탈염장치의 구성 및 작동과정을 보여주는 개념도
도 6,7 - 본 발명의 일 실시예에 따라 두 종류의 전극이 사용된 축전식 탈염장치의 구성 및 작동과정을 보여주는 개념도

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명은 한 쌍의 전극(10) 사이로 유입용액(Feed Solution)이 흐르면서 유입용액 내 이온성 물질이 흡착 제거되는 축전식 탈염 장치에 있어서, 상기 전극(10)의 흡착능력을 높이기 위하여, 전극물질 또는 전극 활물질로서 그래핀을 사용하는 것을 특징으로 한다.

그래핀(Graphene)은 탄소원자들이 벌집 모양으로 얽혀 있는 얇은 막 형태의 나노 소재로서, 공극률(Porosity) 및 흡착률이 높아 CDI 전극의 이온 흡착능을 향상시킬 수 있지만, 그래핀으로 CDI 전극을 제조하는 경우 일정 수준 이상의 밀도 및 형상을 가지도록 성형하는 데 많은 공정과 비용이 소모된다는 한계가 있다.

이에, 상기 그래핀은 그라파이트의 기계적 또는 화학적 박리, 실리콘 카바이드 기판 위에서의 직성장(epitaxial growth), 전이금속 촉매층 위에서 화학기상증착 방식 등 다양한 방식에 의하여 제조할 수 있으나, 본 발명의 그래핀 증착층(20)은 화학기상증착법(CVD)에 의하여 형성되는 것이 바람직하다.

상기 화학기상증착법이란 탄화수소 분위기에서 고온으로 금속 박막을 가열하여 탄화수소 가스를 열적 분해하며, 열적 분해된 탄소 원자를 금속 박막 속에 융해시킨 후 이어지는 냉각 과정에서 금속 박막 표면으로 과포화된 탄소 원자가 석출(segregation)되도록 하여 금속 박막 상에 그래핀 층을 형성하는 방법을 의미한다.

이를 위하여, 본 발명의 축전식 탈염 장치는 전극(10)과 그래핀 증착층(20)사이에 금속 박막층을 추가로 포함할 수 있으며, 또는 전극(10) 자체를 금속층으로 구성할 수도 있다. 또한, 전극 표면에 흡착되는 이온의 선택도를 높이기 위하여 사용되는 이온교환막은 필요에 따라 적용하거나 생략될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염장치는, 도 2,3에 도시된 것과 같이 한 쌍의 전극(10) 사이에 배치되어 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막(30)을 포함하며, 상기 전극(10)과 이온교환막(30) 사이에 메쉬(mesh) 형태의 그래핀(22)이 채워진 것을 특징으로 한다.

상기 전극(10)과 이온교환막(30) 사이에 채워진 메쉬 형태의 그래핀은 기존의 전극을 그대로 이용하면서 이온흡착능을 향상시킬 수 있으며, 전극과 이온교환막을 서로 연결하여 전극과 분리막 사이의 전기 저항을 감소시킬 수 있다. 상기 메쉬 형태의 그래핀은 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 박막 형태의 그래핀에 비하여 높은 표면적 및 이온흡착능을 구현하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 축전식 탈염장치는, 도 4,5에 도시된 것과 같이 한 쌍의 전극(10) 사이에 배치되어 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막(30)을 포함하며, 상기 전극(10)과 이온교환막(30) 사이의 유로에 그래핀 슬러리(23)가 연속적으로 유동하면서 유입용액(feed solution) 내 이온성 물질을 흡착 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기 전극(10)과 이온교환막(30)은 그래핀 슬러리(23)가 유동하는 유로를 형성하게 되며, 그래핀은 전해질 등과 혼합되어 유동화된 상태로 상기 유로를 따라 흐르게 된다.

종래에는 전극물질 또는 전극활물질이 고정되어 있어 충방전에 필요한 용량을 확보하고자 할 때에는 전극의 크기가 커져야 하는 문제가 있었으나, 상기 실시예와 같이 그래핀 슬러리(23)를 사용하는 경우 전극 활물질을 지속적으로 공급할 수 있으므로, 크기나 공간의 제한 없이 사용 목적에 따라 자유롭게 장치의 설계 변경이 가능하다.

전극(10)과 이온교환막(30) 사이의 유로 폭도 그래핀 슬러리가 지속적으로 공급될 수 있으므로, 크기로 인한 제한 없이 적절하게 설계 변경할 수 있으며, 다만 충방전 효율을 높이기 위하여 그래핀 슬러리의 유동속도를 달리하거나, 활물질과 유입용액 유로의 폭의 비에 제한을 둘 수 있다.

한편, 상기 축전식 탈염장치는 단독으로 운전될 수도 있으나, 바람직하게는 다수개가 세트를 이루어 운전될 수 있으며, 상기 세트를 구성하는 각각의 축전식 탈염장치가 서로 다른 운영 스케쥴에 따라 충전과 방전을 번갈아 수행하면서 유입용액의 탈염이 연속적으로 이루어질 수 있다.

구체적인 실시예로, 상기 세트는 도 5에 도시된 것과 같이 두 개의 축전식 탈염장치로 이루어지며, 상기 두 개의 축전식 탈염장치가 서로 번갈아 충전과 방전을 수행하면서, 그래핀 슬러리(23)가 상기 두 개의 축전식 탈염장치 사이를 순환하여 연속적으로 운전될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 축전식 탈염장치는, 도 6,7에 도시된 것과 같이 한 쌍의 제1 전극(11); 및 유입용액이 흐르는 유로 측 표면에 그래핀 증착층(20)이 형성된 한 쌍의 제2 전극(12);을 포함하며, 상기 제2 전극(12)은 상기 제1 전극(11) 사이에 배치되며, 상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 활성 슬러리(40)가 채워지는 것을 특징으로 한다.

상기 실시예는 표면적 및 흡착능을 최대화하기 위하여, 서로 다른 두 쌍의 전극을 사용하는 것을 특징으로 한다. 이를 자세히 살펴보면, 유입용액 내 이온성 물질은 먼저 그래핀 증착층(20)이 형성된 제2 전극을 통하여 흡착되게 되고, 이와 같이 흡착된 이온성 물질은 제2 전극을 통과하여 다시 제1 전극(11)으로 이동하여 흡착되게 된다. 이때, 상기 제2 전극은 이온성 물질이 통과할 수 있도록 다공성 전극을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에는 전극 활물질로 이루어진 활성 슬러리(40)가 채워져 이온흡착능을 더욱 향상시키게 되는데, 이때 상기 활성 슬러리(40)는 상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 서로 연결하여 전극 사이의 전기 저항을 감소시키는 역할도 하게 된다. 상기 활성 슬러리(40)는 전극 활물질로 작용할 수 있는 다양한 물질이 사용될 수 있으며, 일 실시예로 탄소 슬러리, 그래핀 슬러리 또는 전도성 나노입자 슬러리가 사용될 수 있다.

또한, 상기 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 충전 및 방전은 필요에 따라 도 6, 7에 나타난 것과 같이 동시에 또는 번갈아 이루어질 수 있다.

전술한 실시예들은 기존 전극에 고효율의 흡착능을 가지는 그래핀 소재를 다양한 형상으로 간편하게 도입하여 대용량화가 용이하고 고염도 원수에 적용이 가능한 CDI 장치를 구현할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

10 : 전극 11 : 제 1전극
12 : 제 2 전극 20 : 그래핀 증착층
22 : 메쉬 형태의 그래핀 23 : 그래핀 슬러리
30 : 이온교환막 30a : 양이온교환막
30b : 음이온교환막 40 : 활성 슬러리

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 한 쌍의 제1 전극(11); 및
   상기 한 쌍의 제1 전극(11) 사이에 배치되며, 유입용액이 흐르는 유로 측 표면에 그래핀 증착층(20)이 형성된 한 쌍의 제2 전극(12);을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 활성 슬러리(40)가 채워진 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)이 다공성 전극(porous electrode)인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 활성 슬러리(40)가 탄소 슬러리, 그래핀 슬러리 또는 전도성 나노입자 슬러리인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.
10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 충전 및 방전이 동시에 또는 번갈아 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.

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