KR101741529B1 - 축전식 탈염 전극 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 이를 단위 모듈로 하여 물리 구조상 직렬로 다수 결합 가능하고 전류 흐름상 병렬로 연결 가능한 장점이 있으며, 전류의 인가 및 각 모듈의 연결에 필요한 금속전극과 금속단자가 유체에 노출되지 않도록 하여 전기적 산화에 의한 부식을 방지할 수 있는 매우 현저한 효과가 있다.
또한 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 고전압, 저전류로 운전이 가능하고, 경우에 따라 요구 전압을 제어할 수 있음에 따라, 제어 기판의 에너지 효율 및 유입수의 농도와 유량에 따른 에너지 효율의 저하를 극소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

축전식 탈염 전극 모듈{Capacitive deionization electrode module}

본 발명은 축전식 탈염 전극 모듈에 관한 것이다.

물은 지구상의 생명체에 있어서 매우 중요한 물질이다. 물은 생활용수, 산업용수 등 다양한 용도로 사용되며, 이렇게 사용된 물은 환경적인 이유로 정화 처리가 필수적으로 요구되고 있다. 특히 정화 처리 기술 분야에 있어서 탈염 기술이 필수적으로 요구된다.

구체적으로, 생명체가 물을 섭취하기 위해 또는 산업용 장비의 부식을 억제하고 안정하게 운전하기 위해, 물속의 NaCl 등의 금속염 및 경도 성분을 제거해 주어야 하며, 생명체에 해로운 성분, 예컨대 질화물, 중금속 등의 이온성 오염물질을 제거해야 한다. 이러한 물질들은 일반적인 필터를 통한 정화 처리 기술로는 제거가 어렵기 때문에 이온성 물질들을 효과적으로 제거할 수 있는 탈염 기술이 필요하다.

종래의 탈염 기술로는 역삼투막법, 증발법, 이온교환법 등이 있으나, 이러한 탈염 기술은 막오염 등으로 인하여 높은 경도의 물의 처리에는 사용이 어려우며, 경제성 및 약품을 통한 재생 등 여러 가지 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점들을 해결하고자 종래의 탈염 기술과는 원리적으로 상이한 새로운 기술분야에 해당하는 탈염 기술인 축전식 탈염(Capacitive deionization, CDI) 기술이 최근에 본격적으로 연구되고 있다.

구체적으로, 축전식 탈염 기술은 양전극과 음전극이 구비된 전극으로 운전되며, 양전극과 음전극 사이에 전기장이 형성됨에 따라 양이온성 물질은 음전극으로, 음이온성 물질은 양전극으로 흡착되어 탈염되는 원리를 이용한 기술이다. 전극에 흡착된 이온은 전기장이 제거되었을 때 탈착되어 농축되고 다시 전기장이 형성되었을 때 이온이 흡착되므로 운전이 용이하다. 따라서 흡착 및 탈착은 전기장 형성을 위하 전류의 흐름을 조절하는 것으로 반복적으로 제어될 수 있기 때문에 재생 시 약품이 요구되지 않는다. 또한 물 분해 반응이 발생하지 않는 약 1.5 V 이하의 비교적 낮은 전압으로 운전되기 때문에 기수 이하의 농도를 탈염할 때 다른 탈염기술에 비하여 에너지 소모량이 낮다. 또한 전기적으로 흡착 및 탈착이 수행되므로 탈착 시 낮은 유량에 의한 회수율이 떨어지는 단점이 없어, 유량에 대한 제약이 없는 우수한 장점을 가진다.

따라서 축전식 탈염 기술은 용존 이온을 흡착하여 제거하는데 매우 유용하다. 하지만 기술의 역사가 길지 않아 아직 개발이 필요한 부분이 많이 존재한다. 아직까지 축전식 탈염 기술은 연구 시설 또는 대규모의 정화 처리 시설에 사용되고 있을 뿐, 정수기 등과 같은 소규모의 대중적인 정화 시설에는 적용되지 못하고 있는 것이 현실이다. 축전식 탈염 기술은 상술한 바와 같이 전류의 제어를 통해 흡착 및 탈착이 수행되므로, 이를 위한 전기적 설비가 더 요구되나, 소규모의 정화 시설, 예컨대 정수기와 같은 장치에는 적용이 어렵다.

축전식 탈염 기술에 사용되는 일반적인 축전식 탈염 전극은 물속에서 안정하게 전자를 이동시킬 수 있는 그래파이트층 또는 이를 포함하는 집전체, 상기 집전체에 적층되며 많은 이온을 흡착하기 위한 탄소층으로 구성된다. 또한 이온의 흡착 성능과 전류 효율을 높이기 위해 상기 탄소층 표면에 적층되는 이온교환막층을 더 포함할 수 있다.

또한 종래의 일반적인 축전식 탈염 전극은 시트 형태로 제조되며, 이러한 축전식 탈염 전극을 한 단위 모듈로 다수 적층되어, 각각의 전극 사이에 1.5 V 이하의 전압이 인가되는 병렬 구조로 구성된다. 따라서 각각의 모듈의 전극 사이에 전압을 인가하기 위해 모듈 내부의 각 층들과 다른 모듈 내부의 각 층들을 연결해 주는 금속전극 및 금속단자가 필요하다. 그러나 금속전극 및 금속단자는 물속에 노출될 경우, 특히 전류가 인가되는 특성상 전기적 산화에 의한 부식에 매우 취약하여 실질적으로 사용이 불가한 치명적인 문제가 존재한다.

또한 일반적인 축전식 탈염 전극은 적층되는 전극들이 병렬구조로 연결되어 1.5 V의 전압으로 운전되므로, 유입수의 농도와 유량이 증가할수록 전류가 증가하게 된다. 이러한 구조의 모듈은 구조가 복잡하여 제조가 어렵고, 고가이며 에너지 효율이 매우 낮은 단점을 가진다.

이러한 이유로, 축전식 탈염 전극을 한 단위 모듈로 다수 연결하여도 유입수의 농도 및 유량에 따른 에너지 효율의 저하를 방지할 수 있고, 모듈 구조를 간소화하여 공정상 설계, 설비의 어려움, 고장 등의 문제를 최소화할 수 있으며, 특히 금속전극, 금속단자가 물에 의한 부식이 진행되지 않도록 하여, 소규모의 정화 시설에도 바로 적용할 수 있는 축전식 탈염 기술이 필요하다.

한국공개특허 KR2016-0120132A 한국공개특허 KR10-2016-0120132A 한국등록특허 KR10-1237258B1 한국등록특허 KR10-1022257B1

본 발명의 목적은 축전식 탈염 전극을 단위 모듈로 하여 물리 구조상 직렬로 다수 결합 가능하고 전류 흐름상 병렬로 연결 가능한 축전식 탈염 전극 모듈을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 전류의 인가 및 각 모듈의 연결에 필요한 금속전극과 금속단자가 유체에 노출되지 않도록 하여 전기적 산화에 의한 부식을 방지할 수 있는 축전식 탈염 전극 모듈을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 고전압, 저전류로 운전이 가능하고, 경우에 따라 요구 전압을 제어할 수 있음에 따라, 제어 기판의 에너지 효율 및 유입수의 농도와 유량에 따른 에너지 효율의 저하를 극소화할 수 있는 축전식 탈염 전극 모듈을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 원통형 구조를 채택할 수 있는 구성을 가짐으로써, 강한 압력에서도 구조가 안정한 축전식 탈염 전극 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 유체 수용 공간, 상기 유체 수용 공간과 연통되는 유입구 및 상기 유체 수용 공간과 연통되는 배출구가 형성되는 필터하우징; 상기 필터하우징의 내부에 구비되는 제1방수부재; 상기 제1방수부재에 적층되는 제1금속전극; 상기 제1금속전극에 적층되고 상기 유체 수용 공간의 내부에 구비되는 제1탄소전극; 상기 제1탄소전극에 적층되는 바이폴라 이온교환 복합체를 포함하는 바이폴라 이온교환 복합 구조체; 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체에 적층되는 제2탄소전극; 상기 제2탄소전극에 적층되는 제2금속전극; 및 상기 제2금속전극에 적층되고 상기 필터하우징의 내부에 구비되는 제2방수부재;를 포함한다. 이때 상기 제1방수부재, 상기 제1금속전극, 상기 제1탄소전극, 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체, 상기 제2탄소전극, 상기 제2금속전극 및 상기 제2방수부재는 순차적으로 적층된다.

특히 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 상기 제1금속전극 및 상기 제2금속전극이 유체에 노출되지 않도록 상기 제1방수부재와 상기 제1탄소전극이 결합되어 상기 제1금속전극을 밀봉하며, 상기 제2방수부재와 상기 제2탄소전극이 결합되어 상기 제2금속전극을 밀봉하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 예에 따른 도 5에 있어서, 상기 제1금속전극은 상기 제1방수부재 또는 상기 제1탄소전극에 형성된 홈에 위치하여 고정될 수 있고, 상기 홈을 상기 제1탄소전극 또는 상기 제1방수부재가 덮어 결합되어 형성될 수 있다. 또한 상기 제2금속전극은 상기 제2방수부재 또는 상기 제2탄소전극에 형성된 홈에 위치하여 고정될 수 있고, 상기 홈을 상기 제2탄소전극 또는 상기 제2방수부재가 덮어 결합되어 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 2 및 도 5에 있어서, 상기 제1금속전극의 일면에 고정홀이 형성될 수 있고, 상기 제1방수부재의 홈의 내면에 돌출부가 형성될 수 있으며, 상기 돌출부가 상기 고정홀에 끼워져 고정될 수 있다. 또한 상기 제2금속전극의 일면에 고정홀이 형성될 수 있고, 상기 제2방수부재의 홈의 내면에 돌출부가 형성될 수 있으며, 상기 돌출부가 상기 고정홀에 끼워져 고정될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 2 및 도 5에 있어서, 상기 제1방수부재의 돌출부의 내부; 또는 상기 돌출부 하부의 제1방수부재의 내부;에 고정홈이 형성될 수 있으며, 상기 제1금속전극에, 제1금속전극 일면의 상부 또는 하부 방향으로 돌출되어 측단부 방향으로 꺾여 돌출되는 고정꺾쇠가 형성될 수 있고, 상기 꺾여 돌출된 고정꺾쇠가 상기 고정홈에 끼워져 고정될 수 있다. 또한 상기 제2방수부재의 돌출부의 내부; 또는 상기 돌출부 하부의 제2방수부재의 내부;에 고정홈이 형성될 수 있으며, 상기 제2금속전극에, 제2금속전극 일면의 상부 또는 하부 방향으로 돌출되어 측단부 방향으로 꺾여 돌출되는 고정꺾쇠가 형성될 수 있고, 상기 꺾여 돌출된 고정꺾쇠가 상기 고정홈에 끼워져 고정될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 5에 있어서, 상기 제1금속전극과 연결되는 제1금속단자; 및 상기 제2금속전극과 연결되는 제2금속단자;를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 제1금속단자는 상기 제1방수부재의 내부를 통과하고 상기 필터하우징을 통과하여 필터하우징의 외면에 노출되되, 상기 제1금속단자가 위치하는 제1방수부재의 외면부가 상기 필터하우징의 내면에 접하도록 형성되어 제1금속단자가 유체에 노출되지 않는다. 또한 상기 제2금속단자는 상기 제2방수부재의 내부를 통과하고 상기 필터하우징을 통과하여 필터하우징의 외면에 노출되되, 상기 제2금속단자가 위치하는 제2방수부재의 외면부가 상기 필터하우징의 내면에 접하도록 형성되어 제2금속단자가 유체에 노출되지 않는다.

본 발명의 일 예에 따른 도 5에 있어서, 상기 배출구와 연통되며 상기 유체 수용 공간에 형성되어 상기 필터하우징 내측벽과 이격하여 형성되는 배출관을 더 포함할 수 있고, 상기 배출관은 상기 유체 수용 공간과 연통되는 배출홀이 형성될 수 있다. 또한 상기 제1방수부재, 상기 제2방수부재, 상기 제1금속전극, 상기 제2금속전극, 상기 제1탄소전극, 상기 제2탄소전극 및 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체는 끼움홀이 형성되어 상기 끼움홀이 상기 배출관에 끼워져 구비될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 5에 있어서, 상기 배출구는 상기 필터하우징의 상면과 하면에 각각 형성될 수 있고, 상기 배출관은 상기 각각 형성된 배출구와 연통하여 상기 유체 수용 공간을 통과하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 5에 있어서, 상기 필터하우징의 내면은 끼움홈이 형성될 수 있고, 상기 끼움홈에 상기 제1방수부재가 끼워져 고정되되, 상기 제1금속단자가 상기 끼움홈의 일면을 통과하여 형성될 수 있으며, 상기 끼움홈에 상기 제2방수부재가 끼워져 고정되되, 상기 제2금속단자가 상기 끼움홈의 일면을 통과하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 5에 있어서, 상기 배출홀은 상기 제1금속전극 및 상기 제2금속전극과 접하지 않도록 상기 제1방수부재, 상기 제2방수부재 및 상기 필터하우징의 내면과 이격하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 7 및 도 8에 있어서, 상기 제1금속전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관의 외주면의 지름은 상기 제1탄소전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관의 외주면의 지름보다 크게 형성될 수 있으며, 상기 제2금속전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관의 외주면의 지름은 상기 제2탄소전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관의 외주면의 지름보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 바이폴라 이온교환 복합체는 양이온교환막, 집전체 및 음이온교환막이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있고, 상기 제1탄소전극에 상기 양이온교환막이 적층될 수 있으며, 상기 제2탄소전극에 상기 음이온교환막이 적층되 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체는 상기 바이폴라 이온교환 복합체를 한 단위로 하여 다수가 적층되어 형성되되, 바이폴라 이온교환 복합체의 양이온교환막과 다른 바이폴라 이온교환 복합체의 음이온교환막이 접하여 적층될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 9에 있어서, 축전식 탈염 전극 모듈을 한 단위로 하여 다수 결합될 수 있고, 상기 축전식 탈염 전극 모듈들의 유체 수용 공간은 각각의 유입구를 통하여 서로 연통될 수 있으며, 상기 축전식 탈염 전극 모듈들의 배출구는 서로 대응하여 연통될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 5 및 도 9에 있어서, 상기 축전식 탈염 전극 모듈의 유입구는 상기 필터하우징의 상면과 하면에 각각 형성될 수 있고, 상기 축전식 탈염 전극 모듈의 배출구는 상기 필터하우징의 상면과 하면에 각각 형성될 수 있으며, 상기 배출관은 상기 필터하우징의 상면과 하면에 각각 형성된 배출구와 연통하여 상기 유체 수용 공간을 통과하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 9 및 도 10에 있어서, 상기 축전식 탈염 전극 모듈은 상기 제1금속전극과 연결되어 상기 필터하우징의 외면에 노출되는 제1금속단자; 및 상기 제2금속전극과 연결되어 상기 필터하우징의 외면에 노출되는 제2금속단자;를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 축전식 탈염 전극 모듈들의 제1금속단자와 접촉하여 전류를 인가하는 제1부스바; 및 상기 축전식 탈염 전극 모듈들의 제2금속단자와 접촉하여 전류를 인가하는 제2부스바;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 이를 단위 모듈로 하여 물리 구조상 직렬로 다수 결합 가능하고 전류 흐름상 병렬로 연결 가능한 장점이 있다.

또한 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 전류의 인가 및 각 모듈의 연결에 필요한 금속전극과 금속단자가 유체에 노출되지 않도록 하여 전기적 산화에 의한 부식을 방지할 수 있는 매우 현저한 효과가 있다.

또한 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 고전압, 저전류로 운전이 가능하고, 경우에 따라 요구 전압을 제어할 수 있음에 따라, 제어 기판의 에너지 효율 및 유입수의 농도와 유량에 따른 에너지 효율의 저하를 극소화할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 원통형 구조를 채택할 수 있는 구성을 가짐으로써, 강한 압력에서도 구조가 안정한 효과가 있다.

본원발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 나타낸 조립 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈의 상부 필터하우징을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈의 하부 필터하우징을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 나타낸 단면 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 나타낸 단면 확대도이다.
도 9는 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈들이 결합되는 축전식 탈염 전극 모듈 복합체의 결합 과정을 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈들이 결합된 축전식 탈염 전극 모듈 복합체를 나타낸 사시도이다.
도 11은 종래의 일반적인 축전식 탈염 전극을 나타낸 단면도이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈을 상세히 설명한다.

본 발명에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.

또한 본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

또한 본 발명에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것을 의미한다.

또한 본 발명에서 특별한 언급 없이 불분명하게 사용된 %의 단위는 중량%를 의미한다.

또한 본 발명에서 언급되는 “유체”는 일반적으로 수처리 분야에서 정화가 필요한 모든 대상을 의미할 수 있으며, 정화가 필요한 액체, 액체와 기체 또는 액체와 기체와 고체의 혼합물을 의미한다. 구체적으로, 상기 유체로 수상, 오일상 또는 물 및 기름의 혼합액 등의 오염물질, 용도 측면에서 생활용수, 공업용수 등이 예시될 수 있다.

또한 본 발명에서 언급되는 “적층”은 두 물체가 직접적으로 접촉하여 쌓이는 것을 의미한다.

일반적으로, 종래의 축전식 탈염 전극은 도 11에서와 같이 유체 수용 공간(130)을 중심으로 탄소전극, 이온교환막, 집전체 등의 탈염 구성 요소가 양측단에 위치하여 탈염 운전이 수행되는 구조를 갖는다. 이러한 종래의 탈염 전극 구조는 각 전극 간에 전류를 인가하기 위한 금속전극 및 탈염 구성 요소가 유체 수용 공간(130)의 양측단인 외부에 위치하므로, 상기 전극이 단위 모듈로서 복수가 결합되어 사용될 시, 유체 수용 공간(130)이 직렬로 연통되어야 한다. 따라서 유체 수용 공간(130)이 직렬로 연통된 종래의 탈염 전극 모듈들을 연결하는 배선 구조가 매우 복잡해지는 문제가 있다. 이에 따라 종래의 탈염 전극 구조로는 소규모의 정화 처리 설비에 적용하기 어렵다.

특히 상기 종래의 구조는 유체 수용 공간(130)으로 유입 및 배출되는 유체에 의한 압력이 상기 탈염 구성 요소가 위치한 양측단 방향으로 가해지므로, 각 구성 요소에 가해지는 단위 면적당 압력이 달라 구조 안정성이 취약한 문제가 있다.

하지만 본 발명에서는 탄소전극(410, 420), 이온교환막(510, 520), 집전체(530) 등의 탈염 구성 요소가 유체 수용 공간(130) 내부에 위치하는 특이적 구조를 갖는 축전식 탈염 전극 모듈을 설계함으로써, 각 구성 요소에 가해지는 단위 면적당 압력의 차이를 최소화할 수 있는 효과가 구현된다. 이와 함께 각 모듈을 물리 구조상 직렬로 결합하면서 전류 흐름상 병렬로 연결되므로, 종래의 정수기 등의 소규모 정화 처리 시설과 호환성이 우수한 효과가 동시에 구현된다. 나아가 상기 특이적 구조는 탈염 구성 요소를 원통형으로 형성될 수 있도록 하는 구조이므로, 이에 따라 가해지는 단위 면적당 압력의 차이를 실질적으로 없앨 수 있는 현저한 효과가 있다.

이하, 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 유체 수용 공간(130), 상기 유체 수용 공간(130)과 연통되는 유입구(140) 및 상기 유체 수용 공간(130)과 연통되는 배출구(150)가 형성되는 필터하우징(100); 상기 필터하우징(100)의 내부에 구비되는 제1방수부재(210); 상기 제1방수부재(210)에 적층되는 제1금속전극(310); 상기 제1금속전극(310)에 적층되고 상기 유체 수용 공간(130)의 내부에 구비되는 제1탄소전극(410); 상기 제1탄소전극(410)에 적층되는 바이폴라 이온교환 복합체(500)를 포함하는 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500); 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)에 적층되는 제2탄소전극(420); 상기 제2탄소전극(420)에 적층되는 제2금속전극(320); 및 상기 제2금속전극(320)에 적층되고 상기 필터하우징(100)의 내부에 구비되는 제2방수부재(220);를 포함한다. 이때 상기 제1방수부재(210), 상기 제1금속전극(310), 상기 제1탄소전극(410), 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500), 상기 제2탄소전극(420), 상기 제2금속전극(320) 및 상기 제2방수부재(220)는 도 2에 도시된 바와 같이 순차적으로 적층된다.

본 발명에서 언급되는“금속전극”, “금속단자”, “탄소전극”, “방수부재”는 순서대로 각각 “제1금속전극” 또는 “제2금속전극”, “제1금속단자” 또는 “제2금속단자”, “제1탄소전극” 또는 “제2탄소전극”, “제1방수부재” 또는 “제2방수부재”를 의미한다.

탄소전극 및 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)는 탈염을 수행하고 탈염 효율을 향상시키는 탈염 구성 요소로서, 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 탈염 구성 요소가 유체 수용 공간(130)의 내부에 위치하면서도 이와 접촉하는 금속전극이 유체에 노출되지 않는 특이적 구조를 가진다. 특히 상기 특이적 구조는 유체에 의해 가해지는 단위 면적당 압력의 차이를 극소화하는 동시에, 물리적 구조상 각 모듈간 직렬로 결합될 수 있고 전류 흐름 구조상 병렬로 연결될 수 있음에 따라 소규모 정화 처리 시스템에도 적용이 매우 용이한 장점이 있다.

특히 본 발명의 축전식 탈염 전극은 유체 수용 공간(130) 내부에 탄소전극 등의 각 구성 요소들이 위치하면서 상기 탄소전극이 금속전극과 직접 접촉함에도, 금속전극이 유체에 노출되지 않도록 방수부재와 탄소전극이 결합되어 상기 금속전극을 밀봉하는 구조를 가진다. 구체적으로, 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 제1금속전극(310) 및 상기 제2금속전극(320)이 유체에 노출되지 않도록 제1방수부재(210)와 제1탄소전극(410)이 결합되어 제1금속전극(310)을 밀봉하며, 제2방수부재(220)와 제2탄소전극(420)이 결합되어 제2금속전극(310)을 밀봉하는 것을 특징으로 한다. 따라서 금속전극은 유체와 접촉하지 않는 구조를 가짐에 따라, 금속전극이 탄소전극에 접촉하여 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)에 전류를 통하게 함과 동시에, 탄소전극 및 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500) 등의 탈염 구성 요소가 유체 수용 공간(130)의 내부에 위치하여(바람직하게는 원형 또는 원통형으로 형성될 수 있음에 따라) 단위 면적당 가해지는 압력의 차이를 최소화할 수 있는 효과가 구현된다.

금속전극은 물과 접촉할 경우, 부식 진행 속도가 증가하며, 전류가 인가될 경우 금속전극은 매우 급격히 부식이 진행되어 실질적으로 수처리 분야에 사용 불가하지만, 상기 구조를 가짐에 따라 유체 노출에 의한 금속전극의 부식을 사전에 예방할 수 있다.

금속전극은 방수부재 또는 탄소전극에 형성된 홈에 위치하여 고정될 수 있으며, 상기 홈을 상기 탄소전극 또는 상기 방수부재가 덮어 결합될 수 있다. 구체적으로, 제1금속전극(310)은 제1방수부재(210) 또는 제1탄소전극(410)에 형성된 홈에 위치하여 고정될 수 있고, 상기 홈을 상기 제1탄소전극(410) 또는 상기 제1방수부재(210)가 덮어 결합되어 형성될 수 있다. 마찬가지로 제2금속전극(320)은 제2방수부재(220) 또는 제2탄소전극(420)에 형성된 홈에 위치하여 고정될 수 있고, 상기 홈을 상기 제2탄소전극(420) 또는 상기 제2방수부재(220)가 덮어 결합되어 형성될 수 있다. 따라서 방수부재 및 탄소전극이 금속전극을 밀봉하여 유체가 금속전극에 접촉하는 경로를 차단함과 동시에 금속전극 및 탄소전극은 직접 접촉한 상태로 존재함에 따라 금속전극, 탄소전극, 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)에 전자가 쉽게 이동 및 전달될 수 있다.

바람직한 일 예로 도시된 도 5에서와 같이, 제1금속전극(310)은 제1방수부재(210)에 형성된 홈에 위치하여 고정될 수 있고, 상기 홈을 상기 제1탄소전극(410)이 덮어 결합되어 형성될 수 있다. 마찬가지로 제2금속전극(320)은 제2방수부재(220)에 형성된 홈에 위치하여 고정될 수 있고, 상기 홈을 상기 제2탄소전극(420)이 덮어 결합되어 형성될 수 있다. 방수부재는 다양한 재질로 제조 가능하여 성형성이 우수한 물질로 제조할 수 있으므로, 공정 설계상 방수부재에 홈을 형성하는 것이 좋으며, 금속전극이 유체에 노출될 가능성을 더욱 줄일 수 있다.

바람직한 일 예로 도 2 및 도 5에서와 같이, 금속전극의 일면에 고정홀이 형성될 수 있고, 방수부재의 홈의 내면에 돌출부(201a, 201b)가 형성될 수 있으며, 상기 돌출부(201a, 201b)가 상기 고정홀에 끼워져 고정될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1금속전극(310)의 일면에 고정홀이 형성될 수 있고, 상기 제1방수부재(210)의 홈의 내면에 돌출부가 형성될 수 있으며, 상기 돌출부가 상기 고정홀에 끼워져 고정될 수 있다. 마찬가지로 상기 제2금속전극(320)의 일면에 고정홀이 형성될 수 있고, 상기 제2방수부재(220)의 홈의 내면에 돌출부가 형성될 수 있으며, 상기 돌출부가 상기 고정홀에 끼워져 고정될 수 있다. 이를 만족할 경우, 금속전극은 방수부재에 견고히 밀착 및 고정될 수 있음에 따라 제조 과정상 발생되는 각 부품간 유격, 외부의 물리적 충격, 장시간 탈염 운용에 따른 부품의 내구성 저하에 의해 금속전극이 유체에 노출되는 부작용이 발생할 확률을 감소시킬 수 있다.

보다 바람직한 일 예로 도 2 및 도 5에서와 같이, 방수부재의 돌출부(201b)의 내부; 또는 상기 돌출부(201b) 하부의 방수부재의 내부;에 고정홈이 더 형성될 수 있다. 또한 상기 금속전극에, 금속전극 일면의 상부 또는 하부 방향으로 돌출되되 측단부 방향으로 꺾여 돌출되는 고정꺾쇠(311, 321)가 더 형성될 수 있으며, 상기 꺾여 돌출된 고정꺾쇠(311, 321)가 상기 고정홈에 끼워져 고정될 수 있다. 구체적으로, 제1방수부재(210)의 돌출부(201b)의 내부; 또는 상기 돌출부(201b) 하부의 제1방수부재(210)의 내부;에 고정홈이 형성될 수 있으며, 제1금속전극(310)에, 제1금속전극(310) 일면의 상부 또는 하부 방향으로 돌출되어 측단부 방향으로 꺾여 돌출되는 고정꺾쇠(311)가 형성될 수 있고, 상기 꺾여 돌출된 고정꺾쇠(311)가 상기 고정홈에 끼워져 고정될 수 있다. 마찬가지로 제2방수부재(220)의 돌출부(201b)의 내부; 또는 상기 돌출부(201b) 하부에 대응하는 제2방수부재(220)의 홈의 내면의 내부;에 고정홈이 형성될 수 있으며, 제2금속전극(320)에, 제2금속전극(320) 일면의 상부 또는 하부 방향으로 돌출되어 측단부 방향으로 꺾여 돌출되는 고정꺾쇠(321)가 형성될 수 있고, 상기 꺾여 돌출된 고정꺾쇠(321)가 상기 고정홈에 끼워져 고정될 수 있다. 상술한 고정홈과 고정꺾쇠(311,321)에 의해 체결되는 구조 및 앞서 상술한 돌출부(201a)와 고정홀에 의해 체결되는 구조를 함께 가질 경우, 금속전극이 유체 수용 공간(130) 방향 및 이의 역방향으로 가해지는 내부 또는 외부의 힘에 의한 고정 풀림 현상을 방지할 수 있다. 따라서 제조 과정상 발생되는 특히 상하 흔들림, 진동 등에 의해 외부의 각 부품간 유격이 발생하거나 체결이 풀리는 것 등에 의한 금속전극이 유체에 노출되는 부작용을 실질적으로 방지할 수 있다.

도 5에서와 같이, 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 전류를 인가하기 위한 금속전극과 연결되는 금속단자를 더 포함할 수 있다. 특히 금속단자가 유체에 노출되지 않도록, 금속단자는 방수부재의 내부를 통과하고 필터하우징(100)을 통과하여 필터하우징(100)의 외면에 노출될 수 있으며, 상기 금속단자가 위치하는 방수부재의 외면부가 상기 필터하우징(100)의 내면에 접하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1금속전극(310)과 연결되는 제1금속단자(610); 및 제2금속전극(320)과 연결되는 제2금속단자(620);를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 제1금속단자(610)는 상기 제1방수부재(210)의 내부를 통과하고 상기 필터하우징(100)을 통과하여 필터하우징(100)의 외면에 노출되되, 상기 제1금속단자(610)가 위치하는 제1방수부재(210)의 외면부가 상기 필터하우징(100)의 내면에 접하도록 형성되어 제1금속단자(610)가 유체에 노출되지 않는다. 마찬가지로 상기 제2금속단자(620)는 상기 제2방수부재(220)의 내부를 통과하고 상기 필터하우징(100)을 통과하여 필터하우징(100)의 외면에 노출되되, 상기 제2금속단자(620)가 위치하는 제2방수부재(220)의 외면부가 상기 필터하우징(100)의 내면에 접하도록 형성되어 제2금속단자(620)가 유체에 노출되지 않는다.

또한 상기 필터하우징(100)의 내면은 끼움홈이 형성될 수 있으며, 상기 끼움홈에 방수부재가 끼워져 고정될 수 있다. 구체적으로, 필터하우징(100)의 내면은 끼움홈이 형성될 수 있고, 상기 끼움홈에 제1방수부재(210)가 끼워져 고정될 수 있다. 즉, 필터하우징(100) 내면에 형성된 끼움홈에 방수부재가 끼워져 고정되고, 방수부재 내면의 홈에 끼워져 고정된 금속단자를 탄소전극의 일면이 덮어 밀봉하는 동시에 상기 탄소전극의 타면이 유체 수용 공간(130)의 유체에 노출된다. 따라서 유체 수용 공간(130)은 제1방수부재(210)의 하부 및 제2방수부재(220)의 상부에 형성된다. 이러한 구조를 가질 경우, 방수부재와 금속전극이 유체 수용 공간(130)과 이격되어 금속전극이 유체에 노출될 가능성을 더욱 감소시키면서도, 금속전극이 탄소전극과 접촉하여 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)로 전류가 인가되어 전자의 이동 및 전달이 보다 수월하여 우수한 탈염 효율을 가질 수 있다.

또한 필터하우징(100)의 내면에 형성된 끼움홈에 방수부재가 끼워져 고정된 경우, 상기 금속단자는 상기 끼움홈의 일면을 통과하고 필터하우징(100)을 통과하여 필터하우징(100)의 외면에 노출될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1금속단자(610)가 상기 끼움홈의 일면을 통과하여 형성될 수 있으며, 상기 끼움홈에 상기 제2방수부재(220)가 끼워져 고정되되, 상기 제2금속단자(620)가 상기 끼움홈의 일면을 통과하여 형성될 수 있다. 이러한 구조를 가질 경우, 필터하우징(100)과 방수부재는 단단히 결합 및 고정될 수 있음에 따라, 외부의 물리적 충격 등에 의해 방수부재와 탄소전극 사이에 결합된 금속전극과 이와 연결된 금속단자가 유체에 노출될 수 있는 부작용을 더욱 최소화할 수 있다.

제1금속단자(610)와 제2금속단자(620)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 후술하는 배출관(160)을 중심으로 서로 반대 방향으로 필터하우징(100)의 외면에 형성되어 노출될 수 있다. 제1금속단자(610) 및 제2금속단자(620)가 배출관(160)을 중심으로 서로 반대 방향으로 형성되어 필터하우징(100)의 외면에 노출될 경우, 즉, 각 금속단자간 이격거리가 클 경우, 전기저항을 보다 감소시킬 수 있어 에너지 효율이 보다 증대될 수 있다.

본 발명에서 언급하는 금속전극 및 금속단자는 전류가 통할 수 있는 재질이라면 제한되지 않으며, 예컨대 구리, 철, 금, 은, 알루미늄 등의 통상적인 금속, 비철 금속, 이들의 합금, 탄소강, 탄소, 그래파이트 및 이들이 혼합되어진 물질 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 또한 방수부재는 물 등의 유체가 실질적으로 통과할 수 없는 방수 재질이라면 무방하며, 예컨대 통상적인 고분자 수지, 전도성 고분자 수지 또는 이들의 혼합 수지로 제조된 것일 수 있다. 그리고 필터하우징(100)의 재질은 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 전류가 통하지 않는 방수 재질일 수 있다.

일반적으로 수처리에 사용되는 필터, 즉, 전류가 인가될 필요 없는 물리적 필터는 강한 압력에 안정적인 원통형 구조로 되어 있으나, 전류의 인가가 필수적인 축전식 탈염 전극 분야에서는 금속전극 및 금속단자의 연결 등의 전류를 인가하기 위한 배선 연결에 어려움이 있어 원통형 구조로의 제작이 불가하였다. 따라서 종래의 축전식 탈염 전극은 도 11에 도시된 바와 같이 유체 수용 공간(130)의 양측단에 탄소전극, 이온교환막 등의 각 구성이 위치하여 설계됨에 따라 소규모 탈염 정화 시설에 적용이 실질적으로 불가한 한계가 존재하였다. 그러나 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 종래의 것과는 차별화된 것으로, 탄소전극 및/또는 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500) 등 구성의 형태가 2차원적으로 원형, 3차원적으로 원통형 구조를 가질 수 있으면서 배선 연결이 간단한 구조를 가지며, 이는 후술하는 바와 같다.

본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 배출구(150)와 연통되며 유체 수용 공간(130)에 형성되어 상기 필터하우징(100) 내측벽과 이격하여 형성되는 배출관(160)을 더 포함할 수 있다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 제1방수부재(210), 제2방수부재(220), 제1금속전극(310), 제2금속전극(320), 제1탄소전극(410), 제2탄소전극(420) 및 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)는 끼움홀이 형성될 수 있으며, 상기 끼움홀이 상기 배출관(160)에 끼워져 고정될 수 있다.

유체의 흐름(Stream) 경로를 예를 들면, 유체가 필터하우징(100)에 형성된 유입구(140)를 통과하여 필터하우징 내부의 유체 수용 공간(130)에 유입되며, 이어서 유체 수용 공간(130) 내의 유체는 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)를 경유하여 배출홀(161)을 통해 배출관(160)으로 유입되고, 상기 배출관(160)과 연통된 배출구(150)를 통해 유체가 배출된다. 따라서 상기 끼움홀은 제1방수부재(210), 제2방수부재(220), 제1금속전극(310), 제2금속전극(320), 제1탄소전극(410), 제2탄소전극(420) 및 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 구성의 중심부에 형성되는 것이 유체에 의한 단위 면적당 압력 차이를 더 줄일 수 있는 측면에서 바람직하다. 아울러 제1방수부재(210), 제2방수부재(220), 제1금속전극(310), 제2금속전극(320), 제1탄소전극(410), 제2탄소전극(420) 및 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 구성이 원형 또는 원통형인 것이 끼움홀에 끼워진 배출관(160)으로 유입되는 유체의 방향에 따른 단위 면적당 압력이 이론적으로 같아지는 측면에서 보다 바람직하다.

따라서 상기 배출관(160)은 유체 수용 공간(130) 내의 유체가 배출되는 통로인 동시에 방수부재, 금속전극, 탄소전극 및 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500) 등이 고정되도록 하는 역할을 하며, 이와 함께 특히 탄소전극 및 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)를 포함하는 탈염 구성 요소의 각 구성의 중심부에 배출관(160)이 위치함으로서 유체에 의해 가해지는 단위 면적당 압력의 차이를 매우 현저히 감소시키는 역할을 한다. 나아가 상기 탈염 구성 요소가 원형 또는 원통형일 경우에 유체에 의해 가해지는 단위 면적당 압력의 차이가 실질적으로 없어지는 현저한 효과가 있다. 이에 따라 탄소전극 및 바이폴라 이온교환 복합 구조체 등의 각 구성의 내구성이 현저히 증가하여 장기간 안정적으로 높은 효율로 탈염 운전을 지속할 수 있다.

또한 배출관(160)은 유체 수용 공간(130)과 연통되는 배출홀(161)이 형성될 수 있다. 배출홀(161)은 유체 수용 공간(130) 내의 유체가 배출관(160)을 통하여 필터하우징(100) 외부로 배출되는 통로 역할을 한다. 이때 배출홀(161)은 제1금속전극(310) 및 제2금속전극(320)과 접하지 않도록 제1방수부재(210), 제2방수부재(220) 및 필터하우징(100)의 내면과 이격하여 형성될 수 있음에 따라 유체가 배출홀(161)을 통과할 시 금속전극과 유체간의 접촉을 방지할 수 있다.

상기 배출구(150)는 상기 필터하우징(100)의 상면, 하면 또는 상하면에 각각 형성될 수 있다. 또한 배출관(160)은 상기 각각 형성된 배출구(150)와 연통하여 상기 유체 수용 공간(130)을 통과하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 배출구(150)는 상면에 형성될 수 있거나, 하면에 형성될 수 있거나, 상면 및 하면에 각각 형성될 수 있다. 상면 및 하면에 각각 형성된 축전식 탈염 전극 모듈의 경우, 별도의 추가적인 설계 없이 각 모듈을 결합하여 각 모듈들의 배출구(150) 및 배출관(160)이 서로 연통될 수 있다. 또한 일 예로 도시된 도 10에서와 같이, 필요에 따라 배출구(150)를 막는 별도의 캡을 이용하여 최상위 모듈 상단 또는 최하위 모듈 하단을 막아 각 배출구(150)를 밀폐할 수 있다.

바람직한 일 예에 따른 도 7 또는 도 8에서와 같이, 금속전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관(160)의 외주면의 지름(L1, L3)은 탄소전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관(160)의 외주면의 지름(L2, L4)보다 크게 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1금속전극(310)의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관(160)의 외주면의 지름(L1)은 제1탄소전극(410)의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관(160)의 외주면의 지름(L2)보다 크게 형성될 수 있으며, 제2금속전극(320)의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관(160)의 외주면의 지름(L3)은 제2탄소전극(420)의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관(160)의 외주면의 지름(L4)보다 크게 형성될 수 있다. 이러한 구조는 유체 수용 공간(130) 내의 유체가 금속전극에 접촉할 수 있는 경로를 더욱 차단하는 구조로서, 탄소전극의 끼움홀의 내측단이 금속전극의 끼움홀의 내측단보다 배출관(160) 방향으로 더 길게 형성되는 것에 기인한다.

상기 바이폴라 이온교환 복합체는 양이온 또는 음이온이 흡착 및 탈착되는 탈염을 직접적으로 수행하는 것으로, 양이온교환막(510), 집전체(530) 및 음이온교환막(520)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1탄소전극(410)에 상기 양이온교환막(510)이 적층될 수 있으며, 제2탄소전극(420)에 음이온교환막(520)이 적층될 수 있다. 또한 바이폴라 이온교환 복합체(500) 중심부에는 상술한 바와 같이 끼움홀이 형성되어 여기에 배출관(160)이 끼워져 형성될 수 있다. 따라서 유체가 끼움홀까지 상기 복합체(이온교환막)를 통과하고 배출홀을 경유하여 배출관을 통해 배출될 수 있다. 즉, 상기 복합체 사이에는 유체가 통과할 수 있는 미세한 공극 또는 미세한 통로가 형성될 수 있다.

특히 바이폴라 이온교환 복합체는 서로 반대의 특성(양이온 또는 음이온 선택성)을 가지는 이온교환막이 대칭 구조로 적층되어 형성된 것임에 따라, 상기 복합체를 한 단위로 하여 다수가 적층되어 탈염 운전이 수행될 수 있다. 이렇게 적층된 바이폴라 이온교환 복합체들은 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)를 의미한다.

즉, 본 발명에서 바이폴라 이온교환 복합체는 각 이온교환막이 바이폴라 구조를 가짐에 따라 이를 다수 적층하여 사용할 수 있고, 적층됨에 따라 고전압으로 사용할 수 있다. 구체적으로, 바이폴라 이온교환 복합체의 양이온교환막(510)과 다른 바이폴라 이온교환 복합체의 음이온교환막(520)이 접하여 적층될 수 있다. 바이폴라 이온교환 복합체는 이러한 바이폴라 구조를 가짐으로써, 하나 또는 복수 개가 적층되어 형성될 수 있고, 적층수를 조절하여 축전식 탈염 전극 모듈에 인가되는 전압을 요구 전압에 맞도록 적절히 제어할 수 있다. 예를 들어, 48 V의 축전식 탈염 전극 모듈을 구성하고자 할 경우, 바이폴라 이온교환 복합체 하나는 약 1.5 V이므로, 상기 복합체 33 개를 순차적으로 적층하여 형성된 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)를 이용하여 축전식 탈염 전극을 구성할 수 있다.

뿐만 아니라 적층수가 조절된 바이폴라 이온교환 복합 구조체(500)를 포함하는 모듈을 상하 기준으로 물리 구조상 직렬로 결합, 전류 흐름상 병렬로 연결할 수 있음에 따라, 고전압, 저전류로 운전이 가능하다. 따라서 제어 기판의 에너지 효율 및 유입수의 농도와 유량에 따른 에너지 효율의 저하를 극소화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈은 일 예로서 도시된 도 9 및 도 10에서와 같이, 상기 모듈을 한 단위로 다수 결합되어 탈염 용량을 증대시킬 수 있으며, 단위 결합수를 조절하여 요구 탈염 용량을 갖도록 제어할 수 있다. 이때 각 모듈들의 유체 수용 공간(130)은 각각의 유입구(140)를 통하여 서로 연통될 수 있으며, 각 모듈들의 배출구(150)는 서로 대응하여 연통될 수 있다. 즉, 각 모듈들의 유체 수용 공간(130)은 유입구(140)를 통하여 서로 연통되고, 각 모듈들의 배출관(160)은 각 배출구(150)를 통하여 연통됨에 따라, 물리적 구조상 각 모듈이 직렬로 결합되어 하나의 축전식 탈염 전극 모듈 복합체를 이룰 수 있다. 구체적으로, 상기 축전식 탈염 전극 모듈의 유입구(140)는 필터하우징(100)의 상면과 하면에 각각 형성될 수 있으며, 상기 모듈의 배출구(150)는 필터하우징(100)의 상면과 하면에 각각 형성될 수 있다. 또한 상기 배출관(160)은 필터하우징(100)의 상면과 하면에 각각 형성된 배출구(150)와 연통하여 상기 유체 수용 공간(130)을 통과하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 도 2에서와 같이, 상기 필터하우징(100)은 상부 필터하우징(110) 및 하부 필터하우징(120)이 결합되어 형성될 수 있다. 이러한 결합 구조를 가지는 축전식 탈염 전극 모듈을 제조할 경우, 제조 공정상 효율이 우수할 수 있으며, 제조된 모듈의 구조 안정성 또한 보다 우수할 수 있다.

각 모듈간 결합을 위한 구조는 통상적으로 공지된 결합 구조를 가져도 무방하므로 제한되지 않는다. 예컨대 도 3, 도 5, 도 6에서와 같이 볼트 및 너트간 체결되는 결합 구조, 돌출부(201a, 201b) 및 홈부를 형성하여 이들이 결합되는 구조 등 다양한 결합 구조를 가질 수 있으며, 경우에 따라 융착하여 결합하는 방법도 사용될 수 있다. 구체적으로, 필터하우징(100)의 상부는 도 3에 도시된 바와 같이 볼트에 해당하는 구조를 가질 수 있고, 도 5, 도 6에 도시된 바와 같이 필터하우징(100)의 하부는 너트에 해당하는 구조를 가질 수 있다. 따라서 모듈의 필터하우징(100) 상부와 다른 모듈의 필터하우징(100) 하부가 결합될 수 있다. 또한 필터하우징(100)의 상부는 너트에 해당하는 구조를 가지는 별도의 상부 캡(190)으로 체결되어 유입구(140) 및 배출구(150)를 밀폐할 수 있으며, 필터하우징(100)의 하부는 볼트에 해당하는 구조를 가지는 별도의 하부 캡으로 체결되어 유입구(140) 및 배출구(150)를 밀폐할 수 있다.

본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈 복합체는 일 예로 도시된 도 10에서와 같이, 금속단자와 접촉하여 전류를 인가하는 부스바(700)를 더 포함할 수 있다. 본발명에서 언급되는 “부스바”는 “제1부스바” 또는 “제2부스바”를 의미한다. 구체적으로, 상기 모듈들의 제1금속단자(610)와 접촉하여 전류를 인가하는 제1부스바; 및 상기 모듈들의 제2금속단자(620)와 접촉하여 전류를 인가하는 제2부스바;를 더 포함할 수 있다. 또한 필터하우징(100)의 외면에 부스홈(170)이 형성될 수 있고, 상기 부스홈(170)의 내면에 제1금속단자(610) 또는 제2금속단자(620)가 노출되어 형성될 수 있다. 따라서 부스홈(170)의 내면에 노출된 금속단자에 부스바(700)가 접촉되도록 부스홈(170)에 부스바(700)가 끼워져 결합될 수 있다.

상기 부스바(700)는 각 모듈의 필터하우징(100) 외면에 노출된 금속단자와 접촉하여 이들을 연결하는 역할을 한다. 따라서 부스바(700)는 전류가 흐를 수 있는 재질(예컨대 금속 등)이면 다양한 형태로 사용 가능하다. 또한 부스바(700)의 규격(길이, 높이, 두께, 형태 등)은 도 10에 도시된 바와 같이 결합되는 모듈의 수에 따라 길이가 조절될 수 있으며, 그 외의 규격 요소들은 당업자가 적절히 설계하여 사용할 수 있으므로 제한되지 않는다. 도 10에 도시된 바와 같이 제1부스바(700) 및 제2부스바(700)는 각 모듈의 제1금속단자(610)와 제2금속단자(620)에 각각 전류 흐름상 병렬료 연결되므로, 각 모듈의 결합수에 관계없이 이론상 일정한 전압을 가진다.

또한 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈염 전극 모듈 복합체는 부스바(700)와 연결되는 전선을 더 포함할 수 있으며, 경우에 따라 상기 전선과 연결되는 제어 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 제어 기판은 전류의 흐름 등을 컨트롤하는 역할을 하며, 이외 다양한 부가적인 항목들을 컨트롤하는 역할을 할 수 있다. 상기 제어 기판은 모듈 복합체에 구비될 수 있거나, 모듈 복합체와 떨어져 별도로 구비될 수 있다. 축전식 탈염 전극 기술분야에서 전극에 연결되는 제어 기판 또는 이를 포함하는 제어부의 구성 및 전극과 제어부와의 결합 구성은 공지되어 있으므로, 이를 참고할 수 있으므로 제한되지 않는다.

본 발명에서 방수부재, 금속전극, 탄소전극, 바이폴라 이온교환 복합 구조체는 시트상일 수 있으며, 시트의 높이는 적절히 조절될 수 있다. 또한 상술한 바와 같이, 상기 시트는 2차원적으로 원형, 3차원적으로 원통형일 수 있다. 따라서 이를 수용하는 필터하우징(100)도 원통형인 것이 바람직하나, 이는 바람직한 일 예일 뿐, 이 외에도 다양한 형태를 가질 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈염 전극 모듈 구조체는 종래의 정수기용 필터 등과 같은 소규모의 처리 시설에 적용이 용이한 효과가 있다. 특히 본 발명은 종래의 정수기 필터에 적합한 구조를 가짐에 따라 전류를 인가하는 정도의 간단한 설비만으로도 종래의 정수기 장치에 그대로 적용할 수 있어 호환성이 우수한 효과가 있다.

이하 탄소전극 및 바이폴라 이온교환 복합체에 대하여 구체적으로 설명한다.

상기 탄소전극은 탈염 효율, 즉, 이온의 흡착 및 탈착 효율을 향상시킬 수 있는 탄소계 전극이라면 무방하며, 예컨대 활성탄소 입자, 탄소섬유, 카본나노튜브 및 그래파이트 입자 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 탄소계 소재를 포함하는 것일 수 있다. 이 외에도 탄소전극은 탄소전극으로서 탈염 효율을 향상시킬 수 있는 물질을 더 포함할 수 있으므로, 이에 본 발명이 제한되지 않는다. 구체적인 일 예로, 상기 탄소전극은 탄소계 소재 및 바인더 용액이 혼합된 슬러리를 막형태로 도포하고 건조하여 제조되는 것일 수 있다. 또한 경우에 따라 비표면적과 축전용량 증대를 위해 상기 슬러리에 전극활물질이 더 첨가될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 예로서 설명한 것일 뿐, 이외에도 다양한 물질이 더 첨가될 수 있고, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이며, 이미 공지된 문헌을 참고해도 무방하다.

상기 바이폴라 이온교환 복합체는 양이온 또는 음이온이 흡착 및 탈착되는 탈염을 직접적으로 수행하는 것으로, 양이온교환막(510), 집전체(530) 및 음이온교환막(520)이 순차적으로 적층되어 형성된 것일 수 있다.

상기 양이온교환막(510)은 양이온 및 음이온 중에서 양이온을 선택적으로 흡착하는 물질이라면 무방하며, 상기 음이온교환막(520)은 양이온 및 음이온 중에서 음이온을 선택적으로 흡착하는 물질이라면 무방하다. 구체적인 일 예로, 이온교환막은 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 용해하여 제조된 고분자 용액을 막 형태로 도포하고 건조하여 제조된 것일 수 있다. 양이온교환기를 가지는 고분자 수지는 예컨대 술폰산기(-SO₃H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO₃H₂), 포스피닉기(-HPO₂H), 아소닉기(-AsO₃H₂), 셀리노닉기(-SeO₃H) 등의 양이온교환기를 가지는 것일 수 있다. 그리고 음이온교환기를 가지는 고분자 수지는 예컨대 4급 암모늄염(-NH₃), 1~3급 아민(-NH₂, -NHR, -NR₂), 4급 포스포니움기(-PR₄), 3급 술폰니움기(-SR₃) 등의 음이온 교환기를 가지는 것일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 예로서 설명한 것일 뿐, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이며, 이미 공지된 문헌을 참고해도 무방하다.

상기 집전체(530)는 전류가 인가되었을 때 전기장이 집전체(530)에 균일하게 분포할 수 있도록 전도성이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸, 흑연 또는 이들의 혼합물을 포함하는 시트, 박막 또는 평직금망 형태를 사용할 수 있다. 또한 경우에 따라 그래파이트, 그래핀 및 탄소섬유 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 탄소계 소재를 더 포함할 수 있다. 하지만 집전체(530)는 이외에도 공지된 다양한 물질을 포함하여 구성될 수 있으므로, 이에 본 발명이 제한되지 않으며, 다양한 문헌을 참고할 수 있다.

또한 상기 바이폴라 이온교환 복합체는 양이온교환막(510)과 집전체(530) 사이 및/또는 음이온교환막(520)과 집전체(530) 사이에 탄소층을 더 포함할 수 있다. 즉, 바이폴라 이온교환 복합체는 양이온교환막(510), 탄소층, 집전체(530) 및 음이온교환막(520)이 순차적으로 적층되거나, 양이온교환막(510), 집전체(530), 탄소층 및 음이온교환막(520)이 순차적으로 적층되거나, 양이온교환막(510), 탄소층, 집전체(530), 탄소층 및 음이온교환막(520)이 순차적으로 적층된 것일 수 있다. 이렇게 집전체(530)의 일면 또는 양면에 탄소층이 더 포함될 경우, 탈염 효율이 보다 증가될 수 있다. 상기 탄소층은 상기 탄소전극과 동일한 방법으로 제조되거나 동일한 것이어도 무방하다.

11 : 흡착모듈, 12: 재생모듈,
100 : 필터하우징, 110 : 상부 필터하우징,
120 : 하부 필터하우징, 130 : 유체 수용 공간,
140 : 유입구, 150 : 배출구,
160 : 배출관, 161 : 배출홀,
170 : 부스홈, 190 : 상부 캡,
210 : 제1방수부재, 220 : 제2방수부재,
201(201a, 201b) : 돌출부, 310 : 제1금속전극,
320 : 제2금속전극, 311, 321 : 고정쇠,
410 : 제1탄소전극, 420 : 제2탄소전극,
500 : 바이폴라 이온교환 복합체, 510 : 양이온교환막,
520 : 음이온교환막, 530 : 집전체,
610 : 제1금속단자, 620 : 제2금속단자,
700 : 부스바

Claims (15)

1. 유체 수용 공간, 상기 유체 수용 공간과 연통되는 유입구 및 상기 유체 수용 공간과 연통되는 배출구가 형성되는 필터하우징;
   상기 필터하우징의 내부에 구비되는 제1방수부재;
   상기 제1방수부재에 적층되는 제1금속전극;
   상기 제1금속전극에 적층되고 상기 유체 수용 공간의 내부에 구비되는 제1탄소전극;
   상기 제1탄소전극에 적층되는 바이폴라 이온교환 복합체를 포함하는 바이폴라 이온교환 복합 구조체;
   상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체에 적층되는 제2탄소전극;
   상기 제2탄소전극에 적층되는 제2금속전극; 및
   상기 제2금속전극에 적층되고 상기 필터하우징의 내부에 구비되는 제2방수부재;를 포함하며,
   상기 제1방수부재, 상기 제1금속전극, 상기 제1탄소전극, 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체, 상기 제2탄소전극, 상기 제2금속전극 및 상기 제2방수부재는 순차적으로 적층되며,
   상기 제1금속전극 및 상기 제2금속전극이 유체에 노출되지 않도록 상기 제1방수부재와 상기 제1탄소전극이 결합되어 상기 제1금속전극을 밀봉하며, 상기 제2방수부재와 상기 제2탄소전극이 결합되어 상기 제2금속전극을 밀봉하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1금속전극은 상기 제1방수부재 또는 상기 제1탄소전극에 형성된 홈에 위치하여 고정되고, 상기 홈을 상기 제1탄소전극 또는 상기 제1방수부재가 덮어 결합되어 형성되며,
   상기 제2금속전극은 상기 제2방수부재 또는 상기 제2탄소전극에 형성된 홈에 위치하여 고정되고, 상기 홈을 상기 제2탄소전극 또는 상기 제2방수부재가 덮어 결합되어 형성되는 축전식 탈염 전극 모듈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1금속전극의 일면에 고정홀이 형성되고, 상기 제1방수부재의 홈의 내면에 돌출부가 형성되며, 상기 돌출부가 상기 고정홀에 끼워져 고정되며,
   상기 제2금속전극의 일면에 고정홀이 형성되고, 상기 제2방수부재의 홈의 내면에 돌출부가 형성되며, 상기 돌출부가 상기 고정홀에 끼워져 고정되는 축전식 탈염 전극 모듈.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1방수부재의 돌출부의 내부 또는 상기 돌출부 하부의 제1방수부재의 내부에 고정홈이 형성되며,
   상기 제1금속전극에, 제1금속전극 일면의 상부 또는 하부 방향으로 돌출되어 측단부 방향으로 꺾여 돌출되는 고정꺾쇠가 형성되고, 상기 꺾여 돌출된 고정꺾쇠가 상기 고정홈에 끼워져 고정되며,
   상기 제2방수부재의 돌출부의 내부 또는 상기 돌출부 하부의 제2방수부재의 내부에 고정홈이 형성되며,
   상기 제2금속전극에, 제2금속전극 일면의 상부 또는 하부 방향으로 돌출되어 측단부 방향으로 꺾여 돌출되는 고정꺾쇠가 형성되고, 상기 꺾여 돌출된 고정꺾쇠가 상기 고정홈에 끼워져 고정되는 축전식 탈염 전극 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1금속전극과 연결되는 제1금속단자; 및 상기 제2금속전극과 연결되는 제2금속단자;를 더 포함하며,
   상기 제1금속단자는 상기 제1방수부재의 내부를 통과하고 상기 필터하우징을 통과하여 필터하우징의 외면에 노출되되, 상기 제1금속단자가 위치하는 제1방수부재의 외면부가 상기 필터하우징의 내면에 접하도록 형성되어 제1금속단자가 유체에 노출되지 않으며,
   상기 제2금속단자는 상기 제2방수부재의 내부를 통과하고 상기 필터하우징을 통과하여 필터하우징의 외면에 노출되되, 상기 제2금속단자가 위치하는 제2방수부재의 외면부가 상기 필터하우징의 내면에 접하도록 형성되어 제2금속단자가 유체에 노출되지 않는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극 모듈.
6. 제5항에 있어서,
   상기 배출구와 연통되며 상기 유체 수용 공간에 형성되어 상기 필터하우징 내측벽과 이격하여 형성되는 배출관을 더 포함하고, 상기 배출관은 상기 유체 수용 공간과 연통되는 배출홀이 형성되며,
   상기 제1방수부재, 상기 제2방수부재, 상기 제1금속전극, 상기 제2금속전극, 상기 제1탄소전극, 상기 제2탄소전극 및 상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체는 끼움홀이 형성되어 상기 끼움홀이 상기 배출관에 끼워져 구비되어 형성된 축전식 탈염 전극 모듈.
7. 제6항에 있어서,
   상기 배출구는 상기 필터하우징의 상면과 하면에 각각 형성되고, 상기 배출관은 상기 각각 형성된 배출구와 연통하여 상기 유체 수용 공간을 통과하여 형성된 축전식 탈염 전극 모듈.
8. 제6항에 있어서,
   상기 필터하우징의 내면은 끼움홈이 형성되며,
   상기 끼움홈에 상기 제1방수부재가 끼워져 고정되되, 상기 제1금속단자가 상기 끼움홈의 일면을 통과하여 형성되며,
   상기 끼움홈에 상기 제2방수부재가 끼워져 고정되되, 상기 제2금속단자가 상기 끼움홈의 일면을 통과하여 형성되는 축전식 탈염 전극 모듈.
9. 제8항에 있어서,
   상기 배출홀은 상기 제1금속전극 및 상기 제2금속전극과 접하지 않도록 상기 제1방수부재, 상기 제2방수부재 및 상기 필터하우징의 내면과 이격하여 형성된 축전식 탈염 전극 모듈.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1금속전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관의 외주면의 지름은 상기 제1탄소전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관의 외주면의 지름보다 크게 형성되며,
    상기 제2금속전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관의 외주면의 지름은 상기 제2탄소전극의 끼움홀의 내면과 접하는 배출관의 외주면의 지름보다 크게 형성되는 축전식 탈염 전극 모듈.
11. 제1항에 있어서,
    상기 바이폴라 이온교환 복합체는 양이온교환막, 집전체 및 음이온교환막이 순차적으로 적층되어 형성되며,
    상기 제1탄소전극에 상기 양이온교환막이 적층되며, 상기 제2탄소전극에 상기 음이온교환막이 적층되는 축전식 탈염 전극 모듈.
12. 제11항에 있어서,
    상기 바이폴라 이온교환 복합 구조체는 상기 바이폴라 이온교환 복합체를 한 단위로 하여 다수가 적층되어 형성되되, 바이폴라 이온교환 복합체의 양이온교환막과 다른 바이폴라 이온교환 복합체의 음이온교환막이 접하여 적층되는 축전식 탈염 전극 모듈.
13. 제1항 내지 제12항에서 선택되는 어느 한 항의 축전식 탈염 전극 모듈을 한 단위로 하여 다수 결합되며,
    상기 축전식 탈염 전극 모듈들의 유체 수용 공간은 각각의 유입구를 통하여 서로 연통되며, 상기 축전식 탈염 전극 모듈들의 배출구는 서로 대응하여 연통되는 축전식 탈염 전극 모듈 복합체.
14. 제13항에 있어서,
    상기 축전식 탈염 전극 모듈의 유입구는 상기 필터하우징의 상면과 하면에 각각 형성되며,
    상기 축전식 탈염 전극 모듈의 배출구는 상기 필터하우징의 상면과 하면에 각각 형성되며,
    상기 배출관은 상기 필터하우징의 상면과 하면에 각각 형성된 배출구와 연통하여 상기 유체 수용 공간을 통과하여 형성된 축전식 탈염 전극 모듈 복합체.
15. 제13항에 있어서,
    상기 축전식 탈염 전극 모듈은 상기 제1금속전극과 연결되어 상기 필터하우징의 외면에 노출되는 제1금속단자; 및 상기 제2금속전극과 연결되어 상기 필터하우징의 외면에 노출되는 제2금속단자;를 더 포함하며,
    상기 축전식 탈염 전극 모듈들의 제1금속단자와 접촉하여 전류를 인가하는 제1부스바; 및 상기 축전식 탈염 전극 모듈들의 제2금속단자와 접촉하여 전류를 인가하는 제2부스바;를 더 포함하는 축전식 탈염 전극 모듈 복합체.

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