KR101833047B1 - Capacitive Deionization Apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 축전식 탈염 공정 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 원형 유로의 중앙에 유출구가 형성되고, 원형 유로의 가장자리에 서로 마주보는 한 쌍의 유입구가 형성된 축전식 탈염 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈염 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 유로를 포함하는 축전식 탈염 장치는 축전식 탈염 공정 운전 시 유로 내부의 사각지대 발생을 최소화하여 전극 면적 당 흡/탈착 성능을 개선하고 나아가 탈염 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.The present invention relates to a storage desalination apparatus and more particularly to a storage desalination module in which a discharge port is formed at the center of a circular flow passage and a pair of inlets facing each other are formed at the edge of a circular flow passage, ≪ / RTI > The storage tank containing the flow path according to the present invention has an advantage of minimizing the occurrence of blind spots in the flow path during the operation of the storage desalination process, thereby improving the desorption performance per electrode area and further improving the desalination efficiency.
Description
본 발명은 축전식 탈염 공정 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 원형 유로 또는 육각형 유로의 중앙에 유출구가 형성되고, 각 유로의 가장자리 부근에 유출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 원형 또는 육각형 유로 구조를 포함하는 축전식 탈염 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈염 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a storage desalination apparatus, and more particularly, to a condensate desalination apparatus having a circular or hexagonal flow path structure in which a discharge port is formed at the center of a circular flow path or a hexagonal flow path and an outlet is formed near the edge of each flow path A storage type desalination module, and a storage type desalination device including the same.
축전식 탈염(CDI, Capacitive Deionization) 공정은 전극에 전위를 인가했을 때 전극 표면에 형성되는 전기 이중층에서 발생하는 전기적 인력에 의한 이온들의 흡착 반응을 이용하여 이온을 제거하는 기술이다. 구체적으로 두 개의 다공성 전극으로 구성된 셀 사이로 염수를 흘러주면서 양쪽 전극에 1 ~ 2 볼트(V)의 전위를 인가하면 전극 표면에 전기 이중층이 형성되는데, 이 전기 이중층에서의 흡착반응으로 유입수(염수) 중의 이온물질들을 제거하고, 흡착된 이온이 전극의 축전용량에 도달하게 되면 전극전위를 0 볼트(V), 또는 반대 전위로 전환하여 흡착된 이온들을 탈착시켜 전극을 재생하게 되는 것이다.The capacitive deionization (CDI) process is a technique for removing ions by utilizing the adsorption reaction of ions by the electrical attraction generated in the electric double layer formed on the electrode surface when a potential is applied to the electrode. Specifically, an electric double layer is formed on the surface of the electrode when a potential of 1 to 2 volts (V) is applied to both electrodes while flowing salt water through the cells composed of two porous electrodes. In this electric double layer, And when the adsorbed ions reach the charge capacity of the electrode, the electrode potential is switched to 0 volt (V) or the opposite potential to desorb the adsorbed ions to regenerate the electrode.
축전식 탈염 공정은 반응 시 고온, 고압 조건을 필요로 하지 않으며, 물 분해 반응 및 기타 전극 반응이 일어나지 않는 낮은 전극전위 (약 1 ~ 2 V)에서 작동하기 때문에 기존에 사용되던 역삼투압법 (RO, reverse osmosis), 전기투석법 (ED, electrodialysis), 다중효용법 (MED, multi-effect distillation), 다단증발법 (MSF, multi-stage flash)과 같은 다른 탈염 기술에 비해 에너지 소비량이 월등이 낮아 저 에너지 소모형 차세대 탈염기술로 평가되고 있다. 뿐만 아니라 흡착 및 탈착 과정에서 화학물질을 사용하지 않아 2차 오염물질이 발생하지 않으며, 그에 따른 폐수의 발생량을 줄일 수 있어 친환경적인 기술이라는 장점이 있다.Since the electrolytic desalination process does not require high temperature and high pressure conditions during the reaction and operates at a low electrode potential (about 1-2 V) at which water decomposition reaction and other electrode reaction do not occur, the conventional reverse osmosis (RO energy consumption is much lower than other desalting technologies such as reverse osmosis, ED, electrodialysis, MED, multi-effect distillation and multi-stage flash (MSF) It is being evaluated as a next-generation desalination technology with low energy consumption. In addition, since no chemical substances are used during the adsorption and desorption processes, secondary pollutants are not generated, and the amount of wastewater thus generated can be reduced, which is advantageous as an environmentally friendly technology.
기존에는 축전식 탈염 공정의 효율을 높이기 위하여, 다양한 소재의 탄소체를 전극 제조에 활용하기 위한 연구, 탄소체의 물리화학적 특성과 전기흡착 사이의 상관관계를 통한 탄소 전극의 흡착 성능 향상을 위한 연구 및 종래 축전식 탈염 공정에 이온 교환막을 결합하여 염 제거율을 향상시키기 위한 연구 등이 진행되었다. In the past, studies have been carried out to utilize carbon bodies of various materials to manufacture electrodes in order to increase the efficiency of the storage desalination process, and studies for improving the adsorption performance of carbon electrodes through correlation between physico-chemical properties of carbon bodies and electroadhesion And studies for improving the salt removal rate by combining an ion exchange membrane with the conventional storage desalination process.
한편, 축전식 탈염 공정에서 전극 소재의 특성이나 이온 교환막의 유무뿐만 아니라 셀 운전 시 발생하는 사각지대의 존재도 염 제거 효율에 중요한 영향을 미치는 요인으로 작용한다. 종래 축전식 탈염 공정에서는 대부분 도 1과 같은 사각형 유로를 사용하고 있었으나, 용액의 흐름에 있어서 넓은 범위의 사각지대가 발생하였고, 그로 인해 전극면적에 비해 염 제거 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.On the other hand, not only the characteristics of the electrode material, the presence of the ion exchange membrane but also the presence of the blind zone in the cell operation are important factors in the salt removal efficiency in the storage desalination process. Conventionally, in the conventional electrochemical desalination process, a rectangular channel as shown in FIG. 1 was used. However, a wide range of dead zones occurred in the solution flow, and the salt removal efficiency was lowered compared with the electrode area.
위와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 출원인은 전산 유체 역학 (CFD, computational fluid dynamics) 유동 해석 방법을 통하여 축전식 탈염 공정용 셀 내부에서 용액의 흐름 및 사각지대의 형성을 분석하였으며, 그 결과를 바탕으로 본 발명을 완성하였다. In order to solve the above problems, Applicant has analyzed the flow of solution and the formation of blind spots in a cell for a storage desalination process through a CFD (Computational Fluid Dynamics) flow analysis method, and based on the result Thus completing the present invention.
따라서 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사각 형상의 유로의 구조를 변형시킴으로써 흡탈착 효율을 증대시킨 축전식 탈염 공정용 셀 모듈 및 장치를 제공하는 데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a cell module and apparatus for a storage desalination process in which absorption / desorption efficiency is increased by modifying the structure of a rectangular channel.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원형 유로의 중앙에 유출구가 형성되고, 상기 원형 유로의 가장자리에 서로 마주보는 한 쌍의 유입구가 형성되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 모듈을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an electrolytic desalination module, wherein an outlet is formed at the center of the circular flow path, and a pair of inlet ports facing each other are formed at an edge of the circular flow path.
또한, 본 발명에서는 육각형 유로의 중앙에 유출구가 형성되고, 상기 유출구를 지나는 대각선의 양 끝에 각각 유입구가 형성되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 모듈을 제공한다.According to the present invention, a discharge port is formed at the center of a hexagonal flow path, and inlet ports are formed at both ends of a diagonal line passing through the outlet port.
본 발명의 일실시예에 있어서, 공급액은 100ppm의 농도를 갖는 염화나트륨 수용액이고, 15㎖/분의 유량으로 공급할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the feed liquid is an aqueous solution of sodium chloride having a concentration of 100 ppm and can be fed at a flow rate of 15 ml / min.
또한, 본 발명의 일실시예에 있어서, 흡착시간은 3분 내지 5분이고, 탈착시간은 3분일 수 있다.Further, in one embodiment of the present invention, the adsorption time may be 3 minutes to 5 minutes, and the desorption time may be 3 minutes.
또한, 본 발명의 일실시예에 있어서, 흡착전압은 0.2V 내지 1.2V이고, 탈착전압은 0.3V일 수 있다.Further, in one embodiment of the present invention, the adsorption voltage may be 0.2V to 1.2V, and the desorption voltage may be 0.3V.
또한, 본 발명의 일실시예에 있어서, 염제거율이 33% 내지 46%일 수 있다.Further, in one embodiment of the present invention, the salt removal rate may be from 33% to 46%.
또한, 본 발명에서는 상기와 같은 축전식 탈염 모듈을 포함하는 축전식 탈염장치를 제공한다.The present invention also provides a storage desalination apparatus including the above-described storage desalination module.
본 발명에 따른 유로를 포함하는 축전식 탈염 장치는 축전식 탈염 공정 운전 시 유로 내부의 사각지대 발생을 최소화하여 전극 면적 당 흡/탈착 성능을 개선하고 나아가 탈염 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.The storage tank containing the flow path according to the present invention has an advantage of minimizing the occurrence of blind spots in the flow path during the operation of the storage desalination process, thereby improving the desorption performance per electrode area and further improving the desalination efficiency.
도 1은 종래 축전식 탈염 공정에 사용되는 사각형태 유로 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1에 따른 유로 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제조예 2에 따른 유로 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 종래 축전식 탈염 공정장치의 전산 유체 역학 유동 해석 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 제조예 1에 따른 원형 유로를 포함하는 축전식 탈염 공정장치의 전산 유체 역학 유동 해석 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제조예 2에 따른 육각형 유로를 포함하는 축전식 탈염 공정장치의 전산 유체 역학 유동 해석 실험 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a view showing a rectangular channel structure used in a conventional storage desalination process.
2 is a view showing a flow path structure according to Production Example 1 of the present invention.
3 is a view showing a flow path structure according to Production Example 2 of the present invention.
4 is a graph showing a result of a computational fluid dynamic flow test of a conventional thermal desalination apparatus.
FIG. 5 is a graph showing the results of computational fluid dynamic analysis of a storage type desalination apparatus including a circular flow path according to Production Example 1 of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the results of computational fluid dynamic analysis of an electrochemical desalination apparatus including a hexagonal flow path according to Production Example 2 of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
비교예. 종래 사각형 유로Comparative Example. Conventionally,
본 발명의 개선된 유로 구조의 성능 평가를 위해 종래 일반적으로 사용되던 사각형 유로를 사용한 축전식 탈염 공정의 염 제거 효율을 측정하였다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에서는 한 변이 16 cm인 정사각형의 셀 내부에 한 변이 10 cm인 정사각형 유로를 구비하여 정사각형 대각선 양 끝에 지름 약 1 cm의 유입구 2개와 정 중앙에 동일한 크기의 유출구 1개를 포함하도록 설계하였으며, 두께 1 mm의 실리콘을 설계와 같이 재단하여 축전식 탈염 셀을 제작하였다. 본 발명의 실시에 사용한 종래 사각형 유로의 도면은 도 1에 나타내었다. In order to evaluate the performance of the improved channel structure of the present invention, the salt removal efficiency of the conventional de-ionization process using a conventional rectangular channel was measured. Specifically, in the embodiment of the present invention, a square channel having a side length of 10 cm is provided inside a square cell having one side of 16 cm, and two inlet ports having a diameter of about 1 cm are provided at both ends of a square diagonal line, and an outlet having the same size And 1 mm thick silicon was cut as designed to fabricate an electrolytic desalination cell. A diagram of a conventional rectangular channel used in the practice of the present invention is shown in Fig.
제조예 1. 유로 1 제조Production Example 1. Production of Euro 1
한 변이 16 cm인 정사각형의 셀 내부에 원형의 유로 1을 도 2와 같이 제작하여 축전식 탈염공정을 통한 탄소전극의 염 제거 효율을 측정하였다. 구체적으로 셀에 사용되는 전극의 면적은 모두 100 cm2로 동일하게 하였으며, 정 중앙에 지름 약 1 cm의 유출구를 형성하고, 가장자리에 서로 마주보도록 한 쌍의 유입구를 형성하도록 설계하였으며, 상기 비교예와 같이 두께 1 mm의 실리콘을 설계와 같이 재단하여 축전식 탈염 셀을 제작하였다. A circular channel 1 was formed in a square cell of 16 cm on one side as shown in FIG. 2, and the salt removal efficiency of the carbon electrode was measured by a storage desalination process. Specifically, the areas of the electrodes used in the cells were all equal to 100 cm 2 , and an outlet having a diameter of about 1 cm was formed at the center of the cell, and a pair of inlets were formed so as to face each other at the edge. And 1 mm thick silicon was cut as in the design to fabricate an electrolytic desalination cell.
제조예 2. 유로 2 제조Production Example 2. Production of Euro 2
한 변이 16 cm인 정사각형의 셀 내부에 육각형태의 유로 2를 도 3과 같이 제작하여 축전식 탈염공정을 통한 탄소전극의 염 제거 효율을 측정하였다. 구체적으로 셀에 사용되는 전극의 면적은 모두 100 cm2로 동일하게 하였으며, 정 중앙에 지름 약 1 cm의 유출구를 형성하고, 중앙의 유출구와 일직선이 되도록 육각형 꼭지점에 같은 크기의 유입구 2개를 형성하도록 설계하였으며, 상기 비교예와 같이 두께 1 mm의 실리콘을 설계와 같이 재단하여 축전식 탈염 셀을 제작하였다. As shown in FIG. 3, a hexagonal channel 2 was formed in a square cell having a side of 16 cm on one side, and the salt removal efficiency of the carbon electrode was measured by a storage desalination process. Specifically, the area of the electrode used in the cell is all 100 cm 2, and an outlet having a diameter of about 1 cm is formed at the center of the cell, and two inlet ports having the same size are formed at the hexagonal vertex so as to be in line with the center outlet. And silicon of 1 mm in thickness was trimmed as designed to fabricate an electrolytic desalination cell as in the comparative example.
실시예 1. 사각지대 발생 여부 확인Example 1. Confirmation of occurrence of blind spot
상기 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 유로에서 구조적으로 사각지대의 발생이 최소화되는지 여부를 살펴보기 위하여, 전산 유체 역학 (CFD, computational fluid dynamics) 유동 해석 방법을 사용하여 용액의 유동을 분석하였으며, 그 결과를 도 4 내지 6에 나타내었다. In order to investigate whether the occurrence of the dead zone is minimized structurally in the channel manufactured according to the production example 1 of the present invention, the flow of the solution was analyzed using CFD (Computational Fluid Dynamics) flow analysis method , And the results are shown in Figs.
도 4에 나타난 바와 같이, 종래 사각형 구조의 유로(비교예)에서는 양 끝의 주입구를 제외한 나머지 두 곳의 모서리에서 유체의 속도벡터와 유선이 관찰되지 않아 용액의 유동이 활발히 일어나지 않는 사각지대가 존재하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, in the flow path of the conventional rectangular structure (comparative example), there is a blind spot in which fluid velocity vectors and flow lines are not observed at the other two corners except for the injection ports at both ends, .
그러나 도 5 및 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 원형 유로(제조예 1) 및 육각형 유로(제조예 2)에서는 모듈 전 범위에 걸쳐 용액이 고르게 이동하여 전체 면적을 고루 사용하는데 보다 유리함을 알 수 있었다.However, as shown in Figs. 5 and 6, it can be seen that the solution flows evenly over the whole range of the module in the circular flow path (Production Example 1) and the hexagonal flow path (Production Example 2) there was.
실시예 2. 탈염 효율 확인Example 2. Determination of Desalination Efficiency
상기 제조예 1 ~ 2 및 비교예의 유로 구조를 적용하여 아래와 같이 축전식 탈염 공정을 수행하고, 각각의 탈염 효율을 비교해 보았다.The channel structures of Production Examples 1 and 2 and Comparative Example were applied to perform a storage desalination process as described below, and the respective desalination efficiencies were compared.
구체적으로, 공급액(feed)으로서 100 ppm 농도의 NaCl 수용액을 공급하였고, 흡착 시간 3분~5분 동안 0.2V~1.2V 전압을 일정하게 인가하고, 탈착 시간 3분 동안 0.3V로 유지하면서 공급액의 유속을 15㎖/분으로 일정하게 유지하였다. 1시간 동안 탈염 공정을 수행하면서 안정화되었을 때 배출되는 배출수의 농도를 측정하여 탈염 효율을 조사하였다. 본 발명의 구체적인 실시예 조건을 하기 표 1에 나타내었다.Specifically, a NaCl aqueous solution at a concentration of 100 ppm was supplied as a feed, a voltage of 0.2 V to 1.2 V was constantly applied for 3 minutes to 5 minutes of the adsorption time, and while maintaining at 0.3 V for 3 minutes of the desorption time, The flow rate was kept constant at 15 ml / min. The desalting efficiency was investigated by measuring the concentration of effluent discharged when the desalting process was stabilized for 1 hour. Specific conditions of the present invention are shown in Table 1 below.
각 실시예마다 배출수의 농도를 통해 흡착량 및 탈착량을 측정하였고, 전극 면적을 고려하여 전극 1 cm2당 흡착 및 탈착하는 염의 농도(㎖/L)를 분석하였다. 또한, 흡착량으로부터 전극의 염 제거 효율(%)을 계산하였으며, 측정 공식은 다음과 같다.In each example, the adsorption amount and desorption amount were measured through the concentration of the effluent water, and the concentration (ml / L) of the adsorbed and desorbed salt per 1 cm 2 of the electrode was analyzed in consideration of the electrode area. The salt removal efficiency (%) of the electrode was calculated from the adsorption amount, and the measurement formula was as follows.
그 결과를 하기 표 2 내지 4에 나타내었다. 하기 흡탈착 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 종래 사각 유로의 경우 염 제거율이 21%~37.36%에 불과하지만, 본 발명의 원형 유로는 33.3%~44.25%, 육각형 유로는 33.6%~45.16%로 조사되어 약 10% 정도 염 제거율이 향상되는 것을 알 수 있었다. The results are shown in Tables 2 to 4 below. As can be seen from the results of the following adsorption / desorption experiments, the salt removal ratio of conventional square channels is only 21% ~ 37.36%, but the circular channel of the present invention is 33.3% ~ 44.25% and the hexagonal channel is 33.6 ~ 45.16% And the salt removal rate was improved by about 10%.
이상에서 본 발명은 구체적인 일실시예를 상세히 설명하였으나, 상기 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내의 치환, 부가 및 변형된 실시 형태들 역시 하기의 특허청구범위에 의하여 정해지는 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Are also within the scope of the present invention as defined by the following claims.
Claims (8)
상기 육각형 유로에서는 모듈 전 범위에 걸쳐 공급액이 이동하여 전체 면적을 사용하고,
축전식 탈염 공정 운전 시 유로 내부의 사각지대 발생을 최소화하여 전극 면적당 흡/탈착 성능을 개선하고 탈염 효율을 향상시키며,
공급액은 100ppm의 농도를 갖는 염화나트륨 수용액이고, 15㎖/분의 유량으로 공급하고,
흡착시간은 3분 내지 5분이고, 탈착시간은 3분이며,
흡착전압은 0.2V 내지 1.2V이고, 탈착전압은 0.3V인 것을 특징으로 하며,
염제거율이 33% 내지 46%인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 모듈.
An outlet is formed at the center of the hexagonal flow path, an inlet is formed at both ends of the diagonal line passing through the outlet,
In the hexagonal flow path, the feed liquid moves over the entire range of the module to use the entire area,
It minimizes the occurrence of dead zones in the flow path during the operation of the storage desalination process, improves the desorption / desorption performance per electrode area, improves desalination efficiency,
The feed liquid was an aqueous solution of sodium chloride having a concentration of 100 ppm and fed at a flow rate of 15 ml / min,
The adsorption time is 3 minutes to 5 minutes, the desorption time is 3 minutes,
The adsorption voltage is 0.2 V to 1.2 V, and the desorption voltage is 0.3 V,
Wherein the salt removal rate is 33% to 46%.
A condensate desalination device comprising the condensate desalination module of claim 2.
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| JP4065664B2 (en) * | 1998-03-24 | 2008-03-26 | 株式会社荏原製作所 | Electric desalination equipment |
| KR101065492B1 (en) * | 2009-05-12 | 2011-09-16 | 광주과학기술원 | Capacitive deionization apparatus and method for operating of capacitive deionization apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR20170129367A (en) | 2017-11-27 |
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