KR101782138B1 - 단계적 전압인가에 의한 축전탈이온 반응장치 제어방법 및 이에 사용되는 복합전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양전극과 음전극 사이를 유동하는 유체로부터 이온을 흡착하는 흡착단계와, 양전극과 음전극에 흡착된 이온을 탈착하는 탈착단계를 반복수행토록 하는 축전탈이온 반응장치의 제어방법에 있어서, 상기 흡ㅇ탈착 단계에서 양전극과 음전극 사이에 일정 정전압 도달시까지 단계적으로 전압을 높이면서 이온을 흡ㅇ탈착하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 단계적 전압인가에 의한 축전탈이온 반응장치의 제어방법에 관한 것이다.

Description

단계적 전압인가에 의한 축전탈이온 반응장치 제어방법 및 이에 사용되는 복합전극{Control method for capacitive deionization apparatus and thereof using the composite electrode}

본 발명은 축전탈이온 반응장치에 전압을 다단으로 인가함에 의해 전류증폭량을 제어하여 전원공급장치의 용량을 최소화 할 수 있으며, 전극의 내구성 저하를 방지할 수 있는 축전탈이온 반응장치 제어방법에 관한 것이다.

우리나라의 경우 용수 부족현상이 심각하여 가용 수자원의 의존도를 줄여 나가면서 하, 폐수 처리수와 같은 방류수를 다양한 용도로 재이용 하고자하는 계획을 수립하여 추진중에 있다. 그리하여 하수 처리장, 폐수 처리장의 방류수를 원수로 한 재이용 공정 및 시스템에 대한 연구 및 적용사례가 매년 꾸준하게 증가하고 있으나 아직 미약한 실정이다.

이러한 방류수를 용수로 재이용하기 위해서는 방류수 중의 부유성 고형물, 바이러스, 용존 고형물, 난분해성 물질, 냄새, 색도 등을 제거해야 한다.

또한 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙에 따르면 도시폐수 및 하수, 분뇨, 공장폐수 등을 처리하는 처리장의 방류수 수질을 규정하고 있는바, 각 처리장에서는 유입수로부터 오염물질을 제거하여 유출수의 수질을 적당한 기준에 맞도록 적절한 처리공법을 갖추게 된다.

상기 처리공법에는 설계자의 의도에 따라서 단계적으로 여러 개의 공정들이 조합되어 하나의 처리공법을 구성하게 되는데, 그 공정에는 생물학적, 화학적, 물리적 처리공정 등이 있고 적용되는 원리와 방법이 서로 상이하다.

그 중 생물학적 처리공정을 살펴보면, 종래 생물학적 처리공정을 통해서는 고농도 유기물 제거 등이 어렵기 때문에 처리수질을 향상시키기 위해 분리막이 결합된 MBR(Membrane Bio Reactor)공정으로 그 기술개발 방향이 추진되고 있다.

상기 MBR 공정의 장점은 MLSS 농도를 높게 유지할 수 있어 유기물 처리효율이 증가되고, 마이크로 기공 크기의 분리막을 이용함으로써 처리수의 탁도 및 대장균과 같은 큰 입자성 물질의 제거가 용이하여 처리수질을 향상시키는 장점이 있다. 그러나 이러한 MBR공정의 경우도 이온성 오염물질의 처리에는 한계를 보이고 있다.

이러한 문제점에 기해 축전탈이온 반응장치(CDI, Capacitive Deionization)가 제시되는데, 축전탈이온 반응장치는 다공성 탄소전극에 전압을 가하여, 이온을 제거하는 수처리 장치(공정)이다. 상기 축전탈이온 반응장치에서, 음이온은 양전극으로 이동하며, 양이온은 음전극으로 이동하여 흡착된다. 이러한 흡착반응에 의해 각각의 전극에 흡착된 이온은 탈착반응에 의해 제거되도록 하는 것이다.

이러한 축전탈이온 반응장치의 운전에 있어 종래에는 흡착반응과 탈착반응시 일정 전압이 인가되도록 하여 흡착과 탈착이 진행되도록 하였는데, 고농축 이온수의 탈착반응시 급격한 전류량의 변화 등에 의해 전류증폭량이 커서 필요이상으로 전원공급장치의 용량이 커지도록 하는 문제가 있었다.

이에 대한민국 특허등록 제1083244호에서는 축전식 탈염 장치의 전극에 특정 정전류를 인가하여 정수하고, 특정 역전류를 인가하여 재생되도록 함으로써 급격한 전압 변화를 억제할 수 있으며, 이에 따라 전극 표면에서 전기 화학 반응이 일어나지 않는 안정한 상태를 유지하고, 전체 내구성을 향상할 수 있는 축전식 탈염 장치의 제어 방법을 제시하고 있다.

그러나 본 기술에 있어서 특정 정전류를 인가하는 공정이 용이하지 않은 문제가 있다.

한편 이러한 축전탈이온 반응장치에 있어 전극을 제조시 일반적으로 전도성 재질의 도전체 상부에 카본 파우더를 슬러리 형태로 제조하여 코팅함으로써 집전체를 형성하도록 하고 있다. 그런데 이와 같이 슬러리를 코팅함으로써 집전체를 형성하는 경우 슬러지 제조자체가 번거로운 작업이며, 코팅층의 두께를 일정하게 하는 것이 용이하지 않아 이온흡착이 불균일하게 이루어지는 문제가 있다.

대한민국 특허등록 제1083244호

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 축전탈이온 반응장치의 제어에 있어 전류증폭량을 제어함으로써 전원공급장치의 용량을 최소화 하고 전극의 내구성 저하를 방지할 수 있도록 하는 축전탈이온 반응장치의 제어방법을 제공하고자 함이다. 또한 이러한 제어방법에 사용되는 전극을 구성함에 있어 유기용매를 사용하지 않아 친환경적이며 간단한 공정으로 이온교환막이 일체로 부착되어 안정적으로 탈염효율이 높은 복합전극을 제공하고자 함이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제에 의한 단계적 전압인가에 의한 축전탈이온 반응장치의 제어방법은, 양전극과 음전극 사이를 유동하는 유체로부터 이온을 흡착하는 흡착단계와, 양전극과 음전극에 흡착된 이온을 탈착하는 탈착단계를 반복수행토록 하는 축전탈이온 반응장치의 제어방법에 있어서, 상기 흡착단계에서 양전극과 음전극 사이에 일정 정전압 도달시까지 단계적으로 전압을 높이면서 이온을 흡착하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이에 더하여 본 발명에서는 상기 탈착단계에서 양전극과 음전극 사이에 일정 역전압 도달시까지 단계적으로 역전압을 높이면서 이온을 탈착하는 것을 포함하여 이루어지도록 함에 특징이 있다.

바람직하게는 상기 탈착단계에서 양전극과 음전극 사이에 일정 역전압 도달시부터 펌프를 가동하여 농축이온수를 배출토록 하는 것이 타당하다.

한편 본 발명에서는 단계적 전압인가에 의한 축전탈이온 반응장치의 제어방법에 사용되는 복합전극에 대해서도 제시하고 있는 바, 상기 제어방법에 사용되는 양전극 또는 음전극은, 집전체; 상기 집전체에 전극활물질, 수성바인더, 물의 배합에 의한 전극슬러리의 도포에 의해 형성되는 전극층; 상기 전극층에 일체로 부착되는 이온교환막;을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 "복합전극"이라함은 집전체와 전극층으로 구성되는 전극과 이온교환막이 일체형으로 부착된 축전식 탈염용 전극을 정의하는 것이다.

상기 전극슬러리에는 전극활물질, 수성바인더, 물에 더하여 분산제가 첨가되되, 분산제는 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하며, 이에 더하여 상기 전극슬러리에는 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 더 배합되도록 함이 타당하다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 축전탈이온 반응장치의 제어방법은 축전탈이온 반응장치 운전중 특히 탈착운전시 발생하는 전류증가폭을 낮춤으로써 전원공급장치의 불필요한 용량을 낮출 수 있으며, 급격한 전류량 변화에 의해 전극의 내구성 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 축전탈이온 반응장치의 제어방법은 단계적으로 전압을 인가함에 의해 전류증가폭을 제어할 수 있으므로 운전이 용이한 장점이 있다.

또한 본 발명의 축전탈이온 반응장치의 제어방법에 사용되는 복합전극은 물에 분산되는 수성 바인더를 사용하기 때문에 전극의 제조과정에서 유기용매의 사용에 따른 기존의 환경오염 문제를 해결할 수 있으며, 제조과정에서 유기용매를 회수하여 처리하기 위한 별도의 장치(시설)이 필요 없어 제조과정이 용이하고 경제적인 장점이 있다.

또한, 본 발명의 축전탈이온 반응장치의 제어방법에 사용되는 복합전극은 제조과정에서 별도의 접착공정 없이 전극과 이온교환막을 부착하여 일체형으로 제작됨에 따라 별도의 이온교환코팅층 등에 의한 2중 코팅의 공정이 필요가 없으며, 이온교환용량이 높으면서 화학적, 물리적으로 안정된 이온교환막이 일체형으로 제공됨에 따라 이온선택성을 높이면서 전기저항은 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 있어 축전탈이온 반응장치를 나타내는 개략도.
도 2는 시간에 따른 각각의 예에 대한 전기전도도(Conductivity)를 측정한 그래프.
도 3은 비교예의 시간에 따른 전류(A)를 측정한 그래프.
도 4는 실시 예 1의 시간에 따른 전류(A)를 측정한 그래프.
도 5는 실시 예 2의 시간에 따른 전류(A)를 측정한 그래프.
도 6은 복합전극의 기본 예를 나타내는 개략도.

이하 본 발명의 실시예들을 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 축전탈이온 반응장치의 제어방법은 도 1에서 보는 바와 같이 축전탈이온 반응장치(1)를 운전함에 있어 전류증가폭을 제어하여 전원공급장치의 용량을 줄일 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기 축전탈이온 반응장치(1)는 양극과 음극으로 형성되는 전극(10), 상기 전극(10)에 전원을 공급하는 전원공급장치(20), 상기 전원공급장치(20)를 제어하는 제어부(30)로 구성되는 바, 상기 전극(10)은 도면에 도시되지 않았으나, 양전극 및 음전극으로 구성되고, 양전극과 음전극 사이에는 유체가 유동하는 스페이서가 구성된다.

상기 축전탈이온 반응장치(1)의 작동은 유체공급라인(50)을 통해 유체가 상기 전극(10)으로 공급되는 바, 상기 유체공급라인(50)을 통해 공급되는 유체는 하,폐수, 중수 등이 포함되는 것으로 이렇게 상기 전극(10)으로 공급되는 유체는 처리수배출라인(60)을 통해 이온이 제거된 처리수가 배출되는 것이다.

이러한 과정에서 상기 전원공급장치(20)에 의해 상기 전극(10)에 전원이 공급되어 흡착단계가 수행되도록 하는 것이며, 일정 시간 흡착단계가 수행되면 각각의 양전극 및 음전극에 흡착된 이온을 탈착하기 위해서 탈착단계가 수행되는 바, 탈착단계는 상기 전극(10)에 상기 전원공급장치(20)를 이용하여 역전압이 인가되도록 함으로써 수행되어 지는 것이다. 탈착과정에서는 농축수배출라인(70)을 통해 이온이 농축된 농축이온수를 외부로 배출토록 하는 것이다. 이러한 흡착과정 및 탈착과정은 계속적으로 반복수행되도록 하는 것이다.

특히 본 발명에서는 흡착과정과 탈착과정에서 제어부(30)의 제어에 의해 상기 전극(10)에 일정 정전압 도달시까지 단계적으로 전압을 높이면서 전압이 인가되도록 하여 흡착과정이 수행되도록 하며, 일정시간 흡착과정이 수행되면 상기 제어부(30)의 제어에 의해 상기 전극(10)에 일정 역전압 도달시까지 단계적으로 역전압을 높이면서 전압이 인가되도록 하여 탈착과정이 수행되도록 한다.

이하에서는 본 발명의 실시 예 및 실험예를 설명한다.

이하 실험에서는 100 ppm(190 ㎲/cm)의 NaCl수용액을 사용하였으며, 유량은 30 ml/min로 하고 인가전압은 ±1.2 V로 하였으며, 흡/탈착시간은 각각 5분씩 수행토록 하였다.

상기와 같은 조건에서 아래 3가지 방법으로 실험을 수행하였으며, 그 결과가 도 2 내지 5에 도시되고 있다.

- 비교예(1차)

인가전압을 흡착단계와 탈착단계에서 각각 ±1.2 V로 하여 5분씩 수행되도록 하였다.

- 실시 예 1(2차)

흡착단계를 수행토록 함에 있어 0.3V 간격으로 6초씩 준 후 1.2 V에서 남은 시간 동안 흡착단계가 수행되도록 하고, 탈착단계는 0.1V 간격으로 6초씩 준 다음 남은 시간 동안 -1.2V에서 탈착단계가 수행되도록 하며, 탈착단계 시 바로 펌프를 가동하여 농축이온수를 배출시키도록 하였다.

- 실시 예 2(3차)

흡착단계를 수행토록 함에 있어 0.3V 간격으로 6초씩 준 후 1.2 V에서 남은 시간 동안 흡착단계가 수행되도록 하고, 탈착단계는 0.1V 간격으로 6초씩 준 다음 남은 시간 동안 -1.2V에서 탈착단계가 수행되도록 하며, 탈착단계에서 -1.2V 도달시부터 펌프를 가동하여 농축이온수를 배출시키도록 하였다.

도 2는 시간에 따른 각각의 예에 대한 전기전도도(Conductivity)를 측정한 그래프로서 결과적으로 3가지 예 모두 전기전도도(Conductivity)가 수렴되는 것을 알 수 있는 바, 비교예와 본 발명의 실시 예 1,2의 경우 모두 같은 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.

도 3은 비교 예 1에 대한 시간경과에 따른 전류를 측정한 것으로 비교 예 1의 경우 특히 탈착단계 시작점에서 전류증폭량이 큰 것을 알 수 있다. 즉 흡착단계 종료시에 0.1A를 밑돌다가 탈착단계에서 양전극과 음전극의 인가전압을 1.2V에서 -1.2V로 변환시킴에 따라 0.3A까지 전류가 증폭되는 것을 알 수 있다.

한편 도 4는 실시 예 1에 대한 시간경과에 따른 전류를 측정한 것으로 실시 예 1의 경우 전체적으로 전류가 0.1이하에서 측정되는 것을 알 수 있으며, 탈착단계 시작점에서도 비교 예 1에 비해 현저하게 작은 폭으로 전류가 증폭되는 것을 알 수 있다.

또한 도 5는 실시 예 2에 대한 시간경과에 따른 전류를 측정한 것으로 실시 예 2의 경우도 전체적으로 전류가 0.1이하에서 측정되는 것을 알 수 있으며, 탈착단계 시작점에서도 비교 예 1에 비해 현저하게 작은 폭으로 전류가 증폭되는 것을 알 수 있다. 특히 실시 예 2의 경우는 탈착단계에서 단계적으로 전위를 높이다가 -1.2V도달시점에서 펌프를 가동하여 농축이온수를 배출하도록 하는 바, 실시 예 1과 비교하여 펌프의 가동시점을 달리하더라도 전류증폭량에는 변화가 없는 것을 알 수 있다.

즉 실시 예 2와 같이 단계적으로 전위를 높이다가 -1.2V도달시점에서 펌프를 가동하여 농축이온수를 배출하는 것이 펌프가동시간을 줄여 에너지를 절약할 수 있음은 물론 별도로 처리해야 하는 농축이온수의 량을 줄이는 면에서 유리한 것을 알 수 있다.

결과적으로 실시 예 1,2의 경우가 비교 예와 대비시 도 2에서 보는 바와 같이 흡착 및 탈착에 있어 동일한 효과가 유도되도록 하되, 전류증폭량을 현저하게 감소시키도록 함으로써 전원공급장치의 용량을 최소화 할 수 있게 되는 것이며, 전극의 내구성면에서도 유리한 것을 알 수 있다. 또한 실시 예 2와 같이 일정 전압도달시점에서부터 펌프를 가동하여 농축이온수를 배출하는 것이 전류증폭량에 영향을 주지 않으면서도 농축이온수의 량을 줄이고 펌프가동시간을 줄여 에너지면에서 유리한 것을 알 수 있다.

한편 본 발명에서는 도 6에서 보는 바와 같이 상기에서 언급한 축전탈이온 반응장치의 제어방법에 사용되는 복합전극에 대해서도 제시하고 있다.

본 발명에 따른 복합전극(10)은 도 6에서 보는 바와 같이 집전체(11)와 상기 집전체(11) 일면에 전극층(12) 및 상기 전극층(12)의 일면에 이온교환막(13)으로 구성되는 것으로, 집전체(11)와 전극층(12)으로 이루어진 전극에 이온교환막(13)이 부착되어 일체형을 이루는 것이다.

이러한 본 발명의 복합전극(10)은 전극층(12)이 수성 바인더에 의해 이루어짐으로써 유기용매를 사용하지 않음에 첫 번째 특징이 있는 것이며, 별도의 바인더 등에 의한 접착과정 없이 건조과정에서 이온교환막(13)이 전극층(12)에 부착되는 일체형을 제공하는데 두 번째 특징이 있는 것이다.

이러한 상기 복합전극(10)의 구성을 이하에서는 제조공정을 통해 설명한다.

상기 복합전극(10)은 전극활물질, 수성바인더, 물을 배합하여 전극슬러리를 제조하는 단계(S10); 상기 전극슬러리를 집전체에 도포하여 전극층을 형성하는 단계(S20); 상기 전극층에 이온교환막을 부착하는 단계(S30);를 통해 제조된다.

상기 전극활물질, 수성바인더, 물을 배합하여 전극슬러리를 제조하는 단계(S10)에 있어 전극활물질은 비표면적과 전기전도성이 높은 탄소계열의 물질로서, 활성탄소 분말, 활성탄소 섬유, 탄소나노튜브, 탄소에어로겔, 그래핀 등 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며 미세한 분말로 제조하여 사용하는 것이 좋다. 또한 금속 산화물 계열의 물질로서 TiO₂, MnO₂, SiO₂, MgAl₂O₄ 등 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.

이러한 전극활물질은 선택되어진 물질에 따라 그 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있으며 평균 입경이 10μm 이하인 것, 보다 구체적으로는 100 nm ~ 10μm를 사용하는 것이 전극슬러리를 제조하는데 편리하고 전극의 성능을 증가시키는데 바람직하다. 또한 전극활물질이 차지하는 비중은 전극슬러리의 고형분 중에서 60 ~ 95중량% 범위를 사용하는 것이 정전용량이 높은 전극을 제조하는데 바람직하다.

또한 전극의 전기전도성을 향상시키기 위하여 상기 전극슬러리에는 전극활물질과 함께 전도성물질을 더 첨가할 수 있으며 전기전도성이 높고 전기화학반응에 안정적인 물질이라면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들면 케첸블랙, 아세틸렌블랙, SRF 카본 등의 전도성 카본블랙과 그래파이트 파우더 등을 사용할 수 있다.

이러한 전도성 물질은 물성에 따라 그 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있다. 전극의 정전용량과 전도성을 만족시키기 위해서는 전극활물질 100중량부에 대하여 전도성물질 1 ~ 10 중량부의 범위를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 전도성 물질의 평균 입경은 구체적으로 제한되지는 않으나 평균입경이 1μm 이하인 것, 보다 바람직하게는 10 nm ~ 1μm인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 전극슬러리의 조성으로서 수성바인더는 수성 에멀젼수지가 사용되는 것이 타당하다. 여기서 수성 에멀젼 수지의 평균 입경을 제한하는 것은 아니나 입경이 10 nm ~ 1μm인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 ~ 100 nm의 마이크로 에멀젼을 사용하는 것이 전극슬러리의 분산과 전극활물질을 결합하는데 좋은 성능을 발휘할 수 있다.

또한, 전극슬러리의 고형물 중에서 수성 에멀젼 수지가 차지하는 비중은 5 ~ 50중량%가 배합되는 것이 바람직하고 더욱 좋게는 10 ~ 30중량%인 것이 바람직하다. 이렇게 배합량을 한정하는 이유는 수성 에멀젼 수지가 5중량% 미만일 경우 전극활물질을 충분히 바인딩하지 못하고 50중량%를 초과하는 경우 바인더의 함량이 많아 전극의 전기저항이 증가하여 전극의 성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.

이러한 수성 에멀젼수지는 초산비밀계 에멀젼수지, 아크릴계 에멀젼수지, 합성고무계 에멀젼수지, 에폭시계 에멀젼수지, 우레탄계 에멀젼수지에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용됨이 타당하다. 이렇게 전극슬러리를 제조함에 있어 물에 분산되어 있는 수성 에멀젼 수지를 사용함에 따라 유기용매를 사용하지 않고도 전극슬러리를 제조할 수 있도록 하는 것이다.

이에 더하여 상기 전극슬러리를 제조함에 있어 전극활물질, 수성 에멀젼 수지가 물에서 균일한 혼합을 위해 분산제가 첨가되도록 하는 것이 타당하다. 분산제는 triethanolamine oleate, sodium oleate, potasium oleate 등의 음이온성 계면활성제, N-cetyl-N-ethylmorphorinium sulphate 등의 양이온성 계면활성제, oleic acid, sorbitan trioleate, sorbitan monolaurate 등의 비이온성 계면활성제 중 하나 또는 둘이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

상기 분산제의 사용량은 조성물 총량을 기준으로 할 때 0.1 ~ 1중량% 범위가 되도록 하는 것이 바람직한바, 만약 이의 사용량이 0.1 중량% 보다 적으면 분산 효과가 저하되어 바람직하지 못하며 1.0 중량%를 초과하면 분산과정에서 기포가 발생되어 경화후 전극의 내구성이 저하되는 문제가 있어 이와 같이 한정하는 것이다.

그런데 상기 전극슬러리의 제조에 전극활물질, 수성 에멀젼 수지, 물을 배합함에 있어서 분산제를 이용하여 전극활물질, 수성 에멀젼 수지가 물에 균일하게 분산되도록 하는데는 상기에서 언급한 바와 같이 기포발생, 점성저하 등에 의해 전극의 내구성 저하의 문제가 발생될 수 있는 바, 본 발명에서는 분산과정에서 기포발생을 최저화 하면서 분산후에도 점성 저하에 의해 강도가 저하되는 것을 제어하기 위해 일정 배합범위에서 분산제를 첨가함과 더불어 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 더 배합되도록 하는 것이다.

이러한 물질이 더 배합되도록 하여 전극슬러리의 점탄성을 향상시킴으로써 분산과정에서 점성을 낮추어 균일한 분산이 이루어지도록 함과 동시에 분산 후 점성이 복원되도록 하여 전극의 강도저하를 방지하도록 하는 것이다. 이러한 조성은 조성물 총량을 기준으로 할 때 0.1~1 중량% 범위로 포함시키도록 하는 것이 바람직한 바, 이는 적절한 점도를 유지하도록 하여 제조가 용이하도록 하면서 강도가 저하되는 것을 방지하도록 하기 위함이다.

이렇게 전극슬러리가 제조되면 그 다음으로 상기 전극슬러리를 집전체에 도포하여 전극층을 형성하는 단계(S20)를 갖는다.

여기서 집전체(11)는 전기전도성이 우수하여 전위를 인가했을 때 전극표면에 전기장이 균일하게 분포할 수 있도록 하는 것으로 예로는 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸, 흑연 또는 이들의 혼합물을 포함하는 방박 또는 평직금망 형태를 사용할 수 있다.

이러한 집전체(11)에 전극슬러리를 도포하는 방법은 나이프 캐스팅, 닥터블레이드, 스핀코팅, 딥 코팅, 스프레이, 실크스크린 등을 사용할 수 있으며, 도포 두께는 50 ~ 500μm 범위로 하는 것이 축전탈염공정에 적용하는데 가장 바람직하다.

본 단계(S20)에서 형성되는 전극층(12)은 경화되기 전의 전극층(12)을 의미하는 것으로 후술하는 후 단계(S30)에서 전극층(12)은 경화 되면서 이온교환막(13)이 부착되어 최종 결과물로서 복합전극이 제조되는 것이다.

마지막으로 본 발명은 상기 전극층에 이온교환막을 부착하는 단계(S30)를 통해 복합전극이 제조되도록 하는 바, 본 단계(S30)는 상기 전극층이 건조전에 이온교환막을 전극층에 안치하는 단계(S31)와, 압착에 의해 건조전 전극층과 이온교환막 사이에 밀착이 이루어지도록 하는 단계(S32)와, 건조에 의해 전극층과 이온교환막을 부착시키는 단계(S33)를 포함하여 이루어짐에 특징이 있다.

상기 전극층이 건조전에 이온교환막을 전극층에 안치하는 단계(S31)에는 전 단계(S20)에서 집전체에 전극슬러리가 도포되어 형성된 전극층에 이온교환막을 안치하는 것으로, 이온교환막은 양극용 전극을 제조하기 위해서는 음이온교환막을 사용하고 음극용 전극을 제조하기 위해서는 양이온교환막을 사용한다.

상기 이온교환막의 두께를 한정하는 것은 아니지만, 이온교환막의 두께는 10 ~ 300μm인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ~ 50μm 두께의 이온교환막을 사용하는 것이 전극을 제조하는데 용이하고 전극의 전기저항을 줄이는데도 바람직하다.

상기에서 언급한 바와 같이 본 단계(S31)에서는 전극층(12)이 건조전(경화전)에 상기 이온교환막(13)이 안치되도록 하는 것으로 이는 후단계에서 언급하는 바와 같이 전극층(12)의 경화과정에 의해 이온교환막(13)이 자동적으로 부착되도록 하기 위한 것이다.

그 다음으로 압착에 의해 건조전 전극층과 이온교환막 사이에 밀착이 이루어지도록 하는 단계(S32)를 갖는 바, 이는 건조전 전극층(12)과 이온교환막(13) 사이에 생길 수 있는 공기방울을 제거하고 완전한 밀착이 이루어지도록 하기 위한 것으로 전극층(12)의 건조과정에 의한 이온교환막(13) 부착시 공기방울의 존재에 의한 들뜸 등의 문제를 방지하기 위한 것이다.

또한, 이러한 압착에 의해 전극이 더욱 밀실한 구조를 갖도록 함으로써 강도 등 물성이 향상되도록 하기 위한 것이다.

마지막으로 건조에 의해 전극층과 이온교환막을 부착시키는 단계(S33)를 갖는 바, 건조전(경화전) 전극층(12)에 포함된 물을 건조하여 제거함으로써 전극층(12)에 있어서 전극활물질과 수성바인더가 결합하도록 하는 것이며 이와 동시에 이온교환막(13)과 수성바인더가 결합하도록 하는 것이다.

즉 건조과정만으로 전극에 있어 전극층(12)이 경화되도록 함에 따라 자동적으로 전극층(12)과 이온교환막(13)이 부착되어 전극과 이온교환막이 일체형인 복합전극이 제조되는 것이다.

이렇게 제조되는 복합전극은 건조과정만에 의해 제조됨으로써 공정이 단순하고, 별도의 접착공정에 의해 발생될 수 있는 계면저항을 줄일 수 있게 되는 것이다. 본 단계(S33)에서 건조 방법은 상온 ~ 100℃의 온도 분위기에서 상압 또는 진공 상태에서 전극슬러리의 물이 건조되도록 하는 것이 타당하다.

또한, 이온교환막(13)과 결합한 전극은 건조과정에서 형태가 뒤틀릴 가능성이 있으므로 완전히 건조하기 전에 이온교환막과 결합한 전극을 롤 형태로 말아서 상온 ~ 100℃의 온도 분위기에서 상압 또는 진공 상태의 건조기에서 건조할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

1 : 축전탈이온 반응장치 10 : 전극
20 : 전원공급장치 30 : 제어부
40 : 펌프

Claims (6)

1. 양전극과 음전극 사이를 유동하는 유체로부터 이온을 흡착하는 흡착단계 및 양전극과 음전극에 흡착된 이온을 탈착하는 탈착단계를 반복 수행토록 하는 축전탈이온 반응장치의 제어방법에 있어서,
   상기 흡착단계 또는 탈착단계에서는 양전극과 음전극 사이에 설정된 정전압 또는 역전압 도달시까지 일정한 시간 간격으로 정전압 또는 역전압을 단계적으로 을 인가하고, 상기 설정된 정전압 또는 역전압 도달시부터 이온에 대한 흡착 또는 탈착 공정이 수행되도록 제어하며,
   상기 양전극 또는 음전극은,
   집전체; 상기 집전체에 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제 중 하나 또는 이들의 혼합물로 구성되는 분산제, 전극활물질, 수성바인더, 물의 배합에 의한 전극슬러리의 도포에 의해 형성되는 전극층; 상기 전극층에 일체로 부착되는 이온교환막;을 포함하여 구성되되, 상기 전극층이 경화되기 이전에 상기 이온교환막을 상기 전극층에 안치 및 압착한 후, 상기 전극층을 건조시켜 상기 이온교환막이 전극층에 부착되도록 하며,
   상기 수성바인더로는 수성 에멀젼수지가 사용되고,
   상기 수성 에멀젼수지는 초산비밀계 에멀젼수지, 아크릴계 에멀젼수지, 합성고무계 에멀젼수지, 에폭시계 에멀젼수지, 우레탄계 에멀젼수지에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용되며,
   상기 전극슬러리에는 전극활물질, 수성바인더, 물, 분산제에 더하여 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 더 배합되도록 하는 것을 특징으로 하는 단계적 전압인가에 의한 축전탈이온 반응장치의 제어방법.
   
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3. 제 1항에 있어서,
   상기 탈착단계에서 양전극과 음전극 사이에 일정 역전압 도달시부터 펌프를 가동하여 농축이온수를 배출토록 하는 것을 특징으로 하는 단계적 전압인가에 의한 축전탈이온 반응장치의 제어방법.
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