KR101872125B1 - Water treatment system which is possible to make desalinization and oxidant - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈염전극과 산화전극을 포함하고 상기 탈염전극과 상기 산화전극 사이에 음이온의 이동통로를 확보할 수 있는 음이온교환막을 가지며, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 탈염반응이 이루어지며, 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 산화제가 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a water treatment system capable of producing desalting and oxidizing agents. More particularly, the present invention relates to a water treatment system comprising a desalting electrode and an oxidizing electrode, an anion exchange membrane capable of securing a passage for an anion between the desalting electrode and the oxidizing electrode, And a desalination reaction is performed in a space between the desalting electrode and the anion exchange membrane and an oxidant is formed in a space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane.

Description

탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템 {Water treatment system which is possible to make desalinization and oxidant}[0001] The present invention relates to a water treatment system capable of producing desalting and oxidizing agents,

본 발명은 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음이온 교환막을 중심으로 탈염 반응기와 산화제 발생반응기가 형성될 수 있는 수처리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a water treatment system capable of producing desalting and oxidizing agents, and more particularly, to a water treatment system capable of forming a desalting reactor and an oxidant generating reactor around an anion exchange membrane.

세계는 현재 지구 온난화에 의한 가뭄현상 심화, 지하수 고갈, 사막화 진행, 인구 증가, 산업화에 의한 생활 및 산업 용수 사용 증가로 인하여 수자원의 가치가 증대되고 있어, 생활 및 산업 폐수의 재활용이나 해수의 담수화 등이 새로운 이슈로 등장하고 있다.In the world, the value of water resources is increasing due to the deepening of drought phenomenon caused by global warming, depletion of groundwater, progress of desertification, population increase, industrialization, and increase of industrial water use. Therefore, recycling of living and industrial wastewater and desalination of seawater This is emerging as a new issue.

일반적으로 해수의 담수화는 역삼투막법, 이온교환막에 의한 전기투석법, 해수를 증기로 변환시켜서 담수화하는 증발법, 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있다. 현재 상용화된 담수화 기술은 열을 가해 염을 분리시키는 증발공정과 물만을 통과시키는 막을 이용한 역삼투막 공정이 있다.In general, seawater desalination is performed by reverse osmosis membrane, electrodialysis by ion exchange membrane, evaporation method by converting seawater into steam, desalination, and solar heat. Currently, commercialization of desalination technology includes a vaporization process for separating the salt by heat and a reverse osmosis membrane process for passing only water.

그런데, 상기와 같은 기술은 다음과 같은 문제가 있는데, 증발공정은 해수를 증발시켜서 염분과 수증기를 분리하고 수증기를 응결시켜 담수를 얻는 방법으로 에너지 소비량이 매우 크기 때문에 원유 가격이 안정적이고 값이 싼 중동지역에서 주로 이용된다. 역삼투막 공정은 물은 통과하지만 물속에 녹아있는 염분등은 투과하지 않는 역삼투막에 해수를 가압하여 담수를 얻는 방법으로 고압의 공정이 필요하기 때문에 소규모 공정이 어렵고 막 막힘 현상으로 인해 운전비용이 높은 단점을 가지고 있다. 이러한 기존 공정들의 단점을 극복하고자 최근에는 축전식 탈염공정, 배터리 탈염공정 등 전기화학적 방법을 이용한 탈염기술들이 개발되고 있으며, 이러한 기술들은 에너지효율이 높고 공정이 단순하여 미래의 담수화 시장에 있어 광범위하게 사용될 것으로 예상하고 있다.However, the above-mentioned technology has the following problems. The evaporation process is a method of separating salinity and water vapor by evaporating seawater and condensing water vapor to obtain fresh water. Because energy consumption is very large, the crude oil price is stable, It is mainly used in the Middle East. Reverse osmosis membrane process is a method to obtain fresh water by pressurizing seawater into a reverse osmosis membrane that does not permeate water that passes through water but is dissolved in water. Because it requires high pressure process, small scale process is difficult and operation cost is high due to clogging Have. In order to overcome the disadvantages of these conventional processes, desalination technologies using electrochemical methods such as a storage desalination process and a battery desalination process have been recently developed, and these technologies are widely used in the future desalination market It is expected to be used.

또한, 수처리후 남은 물질에 대한 처리도 중요한 바, 이를 재활용할 수 있는 방안에 대한 필요성이 대두되고 있다.In addition, the treatment of the remaining materials after the water treatment is also important, and a need for measures to recycle them is emerging.

특허문헌 1: 한국등록특허 제0899290호 (2009.05.28. 공고)Patent Document 1: Korean Patent No. 0899290 (Published on May 28, 2009) 특허문헌 2: 한국등록특허 제1637539호 (2016.07.07. 공고)Patent Document 2: Korean Patent No. 1637539 (issued on July 27, 2016)

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 목적은 담수화 처리시 잔존하는 폐기물을 재활용할 수 있는 시스템을 제공하는 데 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a system capable of recycling waste remaining in the desalination process.

또한, 본 발명의 다른 목적은 담수화처리 이외에 다른 공정을 접목하여 산화제를 제조할 수 있는 시스템을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a system capable of producing an oxidizing agent by combining other processes besides the desalination treatment.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 탈염전극과 산화전극을 포함하고 상기 탈염전극과 상기 산화전극 사이에 음이온의 이동통로를 확보할 수 있는 음이온교환막을 가지며, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 탈염반응이 이루어지며, 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 산화제가 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides an anion exchange membrane comprising a desalting electrode and an oxidizing electrode, the anion exchange membrane capable of securing a path for moving anion between the desalting electrode and the oxidizing electrode, Wherein the desalination reaction is performed in a space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane, and an oxidizing agent is formed in a space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane.

또한 본 발명에 따르면, 상기 탈염전극 및 상기 산화전극은 다양한 양이온과 음이온이 전기화학적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a water treatment system capable of producing desalination and oxidizing agents, wherein the desalting electrode and the oxidation electrode are electrodes capable of electrochemically reacting various positive ions and anions.

또한 본 발명에 따르면, 상기 탈염전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서는 양이온이 상기 탈염전극과의 전기화학적 반응으로 인해 제거되고 음이온은 상기 음이온교환막을 통해 상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간으로 확산되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.According to the present invention, in the space between the desalting electrode and the anion exchange membrane, the cation is removed by the electrochemical reaction with the desalting electrode, and the anion is diffused into the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane through the anion exchange membrane. And a water treatment system capable of producing desalting and oxidizing agents.

또한 본 발명에 따르면, 상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서는 음이온 또는 상기음이온교환막을 통해 확산된 음이온이 상기 산화전극과 전기화학적 반응으로 인해 산화제로 전환되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.According to the present invention, in the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane, the anion or the anion diffused through the anion exchange membrane is converted into the oxidizing agent due to the electrochemical reaction with the oxidation electrode. Provides a possible water treatment system.

또한 본 발명에 따르면, 상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서 형성되는 산화제는 염소, 이산화염소, 클로라민, 하이드록실 라디칼, 오존 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.According to the present invention, the oxidizing agent formed in the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane is at least one of chlorine, chlorine dioxide, chloramine, hydroxyl radical, and ozone. .

또한 본 발명에 따르면, 상기 탈염전극은 Na0 . 44MnO2, λ-Mn02, NaFePO4, NaFeP2O7, NaMnxCoyFezPO4, 활성탄, 그래핀 계열 탄소 소재, 카본나노튜브 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.According to the present invention, the desalting electrode is made of Na 0 . 44 MnO 2 , λ-MnO 2 , NaFePO 4 , NaFeP 2 O 7 , NaMn x Co y Fe z PO 4 , activated carbon, graphene carbon material, and carbon nanotube. To provide a water treatment system.

또한 본 발명에 따르면, 상기 산화전극은 RuO2, IrO2, SnO2, PbO2, TiO2 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.According to the present invention, the oxidation electrode may be formed of RuO 2 , IrO 2 , SnO 2 , PbO 2 , TiO 2 The present invention provides a water treatment system capable of producing desalination and oxidizing agent.

본 발명의 실시예들에 따른 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템은 물을 정화하는 동시에 산화제를 제조할 수 있다.A water treatment system capable of producing desalination and oxidizing agents according to embodiments of the present invention can purify water and produce an oxidizing agent.

또한, 담수화 공정에서 사용되는 Cl2 등의 산화제를 산화제 제조공정을 통해 직접 공급할 수 있는 장점이 있다.Further, there is an advantage that the oxidizing agent such as Cl 2 used in the desalination process can be directly supplied through the oxidizing agent manufacturing process.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템의 개념도를 나타낸것이다.
도 2는 실시예에 따른 탈염 및 산화제 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에서 전하량에 따른 발생된 염소의 농도 및 쿨롱 효율을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 전하량에 따른 전위차를 도시한 그래프이다.
1 is a conceptual diagram of a water treatment system capable of producing desalting and oxidizing agents according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flow chart for explaining a desalting and oxidizing agent generating method according to an embodiment.
3 is a graph showing the concentration and Coulomb efficiency of chlorine generated according to the charge amount in the embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a potential difference according to the amount of charge in the embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않기 위하여 생략한다.First, in the drawings, it is noted that the same components or parts are denoted by the same reference numerals as possible. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted so as to avoid obscuring the subject matter of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 " 약 ", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적이니 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used herein are intended to be taken to mean an approximation of, or approximation to, the numerical values of manufacturing and material tolerances inherent in the meanings mentioned, It is used to prevent unauthorized exploitation by an unscrupulous infringer from disclosing the exact or absolute numerical value to help.

본 발명은 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템에 있어서, 탈염전극과 산화전극 사이에 음이온이 이동할 수 있는 음이온 교환막(Anionexchange membrane, AEM)이 존재하며, 전기화학적 반응 시 상기 음이온 교환막과 상기 탈염전극 사이의 공간에서 탈염이 이루어지며, 상기 음이온 교환막과 상기 산화전극 사이의 공간에서는 산화제가 형성되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a water treatment system capable of producing desalting and oxidizing agents, wherein an anion exchange membrane (AEM) capable of moving anions between a desalting electrode and an oxidizing electrode is present, and in the electrochemical reaction, And an oxidizing agent is formed in a space between the anion exchange membrane and the oxidation electrode.

도 1을 참조하면, 상기 음이온 교환막은 상기 탈염전극 및 산화전극과 일정거리를 유지하여 위치해 있으며, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간 및 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간을 분리하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, the anion exchange membrane is disposed to maintain a certain distance from the desalting electrode and the oxidation electrode, and a space between the desalting electrode and the anion exchange membrane and a space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane are separated .

또한, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간 및 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간은 해수, 염수 또는 폐수가 흐를 수 있으며 상기 해수, 염수 또는 폐수는 탈염이 가능한 양이온과 음이온을 포함할 수 있다.In addition, the space between the desalting electrode and the anion exchange membrane and the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane may flow seawater, brine or wastewater, and the seawater, brine or wastewater may contain desalting cations and anions have.

먼저, 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템의 작동 원리를 설명한다.First, the operation principle of a water treatment system capable of producing desalting and oxidizing agents will be described.

도 2는 실시예에 따른 탈염 및 산화제 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 2 is a flow chart for explaining a desalting and oxidizing agent generating method according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 상기 탈염전극과 상기 산화전극을 하나의 회로로 연결하여 전기 에너지를 인가하였을 때(S10), 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하는 양이온들은 상기 탈염전극과 전기화학적 반응으로 인하여 상기 탈염전극으로 삽입된다(S20). Referring to FIG. 2, when the desalting electrode and the oxidizing electrode are connected to each other by a single circuit to apply electric energy (S10), the positive ions existing in the space between the desalting electrode and the anion- And is inserted into the desalting electrode due to a chemical reaction (S20).

또한, 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하는 음이온들은 상기 산화전극과 전기화학적 반응으로 인하여 상기 산화전극 표면에서 산화제로 전환된다(S30).In addition, the anions present in the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane are converted into oxidants from the surface of the oxidation electrode due to the electrochemical reaction with the oxidation electrode (S30).

이 때, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간과 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간의 전기적 중성이 일시적으로 깨지게 되고, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하던 음이온은 음이온 교환막을 통하여 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간으로 확산되어 이동하게 된다(S40).At this time, the electrical neutrality of the space between the desalting electrode and the anion exchange membrane and the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane is temporarily broken, and the anion existing in the space between the desalination electrode and the anion exchange membrane is anion exchange (S40) through the membrane to the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane.

따라서, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하던 양이온은 상기 탈염전극과의 전기화학적 반응을 통해 제거되고 음이온의 경우 확산을 통해 제거되어 탈염이 이루어 질 수 있다(S50).Therefore, the cation existing in the space between the desalting electrode and the anion exchange membrane is removed through the electrochemical reaction with the desalting electrode, and in the case of the anion, the desalting can be performed through diffusion (S50).

다시 말해, 상기 탈염전극과 상기 산화전극 사이에 상기 음이온 교환막을 두어 음이온이 이동할 수 있도록 함으로써, 탈염과 산화제 제조를 동시에 진행할 수 있다.In other words, the anion exchange membrane can be disposed between the desalting electrode and the oxidation electrode to allow the anion to migrate, so that desalination and oxidant preparation can be performed at the same time.

상기 탈염전극 및 산화전극은 양이온 및 음이온과 가역적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 한다.The desalting electrode and the oxidizing electrode are electrodes capable of reversibly reacting with a cation and an anion.

전압 인가시에 상기 탈염전극에서 환원반응이 일어나며 상기 산화전극에서는 산화반응이 일어난다.When the voltage is applied, a reduction reaction occurs at the desalting electrode and an oxidation reaction occurs at the oxidation electrode.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 탈염전극 및 상기 산화전극을 구성하는 물질은 내부 격자 구조가 큰 공간을 가질 수 있으며, 다양한 양이온들이 삽입 또는 이탈 될 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the material constituting the desalting electrode and the oxidation electrode may have a large internal grating structure, and various positive ions may be inserted or removed.

상기 양이온은 이탈 및 삽입이 가능하며, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘이온 등을 포함할 수 있다.The cation can be separated and inserted, and may include sodium, potassium, magnesium, calcium ions, and the like.

따라서, 상기 탈염전극 및 상기 산화전극은 해수, 염수 또는 폐수와 같이 이온 농도가 높고 다양한 이온이 용해되어 있는 유체에 대하여 탈염을 진행할 수 있다.Therefore, the desalting electrode and the oxidizing electrode can perform desalination for a fluid having a high ion concentration and various ions dissolved therein, such as seawater, brine or wastewater.

상기 탈염전극은 반응전위가 높으며, 상기 산화전극은 반응전위가 낮은 것을 특징으로 한다.The desalting electrode has a high reaction potential and the oxidation electrode has a low reaction potential.

상기 탈염전극은 반응전위가 높아 상대적으로 반응성이 낮으며 산화되기 어려운 것을 특징으로 하며, 상기 산화전극은 반응전위가 낮아 상대적으로 반응성이 높고 산화되기 쉬운 것을 특징으로 한다.The desalting electrode is characterized in that it has a relatively low reactivity due to its high reaction potential and is difficult to oxidize. The oxidation electrode has a low reaction potential and is relatively reactive and easily oxidized.

상기 탈염전극은 Na0 . 44MnO2, λ-Mn02, NaFePO4, NaFeP2O7, NaMnxCoyFezPO4, 활성탄, 그래핀 계열 탄소 소재, 카본나노튜브 중에서 적어도 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 산화전극은 RuO2, IrO2, SnO2, PbO2, TiO2 중에서 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.The desalting electrode is made of Na 0 . 44 MnO 2, λ-Mn0 2 , NaFePO 4, NaFeP 2 O 7, NaMn x Co y Fe z PO 4, activated carbon, graphene-based carbon material, preferably at least one of a carbon nanotube and said anode is RuO 2, IrO 2, SnO 2 , PbO 2, TiO 2 Or the like.

이외에도, 상기 탈염전극은 양이온이 탈삽입 가능한 배터리 전극 소재 계열, 금속 인화물 계열, 금속 혼합인화물, 이온 흡착이 가능한 탄소 소재 등을 사용 할 수 있다.In addition, the desalination electrode may be a battery electrode material series in which cations can be inserted and removed, a metal phosphide series, a metal mixed phosphide, or a carbon material capable of ion adsorption.

상기 산화전극은 산소 발생 과전압이 낮은 DSA(Dimensionally stable anode)계열 전극과 산소 발생 과전압이 높은 BDD(Boron doped diamond) 계열 전극이 사용 될 수 있다.The oxidation electrode may be a DSA (Dimensionally Stable Anode) electrode having a low oxygen overvoltage and a BDD (Boron doped diamond) electrode having a high oxygen generation overvoltage.

이하에서는, 구체적인 실시예 및 실험예를 참조하여, 본 발명의 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 설명하기로 한다.Hereinafter, a water treatment system capable of producing the desalination and oxidizing agent of the present invention will be described with reference to specific examples and experimental examples.

실시예Example 1 One

전극제조Electrode Manufacturing

음극으로 Na0 . 44MnO2, 양극으로 TiO2 나노튜브 전극을 제조 하였는데, 상기 음극은 Na2CO3, Mn2O3 분말을 이용한 고상법으로 제조하였으며, 양극은 에틸린 글라이콜을 기반으로한 유기용매상에 물 (2.5 wt%)/암모늄플로라이드 (0.2 wt%)가 혼합된 전해질에서 전기화학적 양극산화법으로 제조하였다.Na 0 for the cathode . 44 MnO 2 , and TiO 2 nanotube electrode was prepared as an anode. The cathode was prepared by the solid phase method using Na 2 CO 3 and Mn 2 O 3 powder, and the anode was an organic solvent based on ethyleneglycol (2.5 wt%) / ammonium fluoride (0.2 wt%) was prepared by electrochemical anodization in an electrolyte.

Na0 . 44MnO2는 Na2CO3 와 Mn2O3를 몰 비율 1:1 로 섞은 분말을 볼밀러를 이용하여 1시간 동안 갈아준 후, 이를 5시간 동안 섭씨 500도 조건에서 어닐링 시켰다. 어닐링 후 획득한 분말을 다시한번 잘 섞은 후 12시간동안 섭씨 900도 조건에서 2차 어닐링을 하였다. 어닐링 조건은 산소가 존재하는 대기 조건에서 수행하였다. 2차 어닐링으로 획득한 분말은 증류수에 수회 씻어 준 후 450나노 기공의 필터로 걸러 건조하였다. 이러한 고상법으로 획득한 Na0 . 44MnO2 (86 wt%) 분말을 전도체인 Carbon black (7 wt%), PTFE (7 wt%)와 함께 혼합된 슬러리 형태로 만들고 이를 반죽하여 롤 플레서를 이용하여 sheet 형태의 전극을 제작하였다. 이렇게 만들어진 전극의 두께는 약 250마이크로미터 수준이었다.Na 0 . 44 MnO 2 was prepared by mixing a mixture of Na 2 CO 3 and Mn 2 O 3 in a molar ratio of 1: 1 for 1 hour using a ball mill, and then annealing at 500 ° C. for 5 hours. After the annealing, the obtained powders were mixed again and then subjected to secondary annealing at 900 ° C. for 12 hours. The annealing conditions were carried out at atmospheric conditions in the presence of oxygen. The powder obtained by the second annealing was rinsed several times with distilled water and then filtered with a 450 nm pore filter. The Na 0 . 44 MnO 2 (86 wt%) powders were mixed with carbon black (7 wt%) and PTFE (7 wt%) as conductors to form mixed slurries and kneaded and rolled to form sheet type electrodes. The thickness of the electrode thus formed was about 250 micrometers.

TiO2는 물 (2.5 wt%)/암모늄플로라이드 (0.2 wt%)가 혼합된 에텔렌 글라이콜 (97.3 wt%) 전해질에서 플래티넘 전극을 음극으로 하여 약 40 V를 16시간 동안 인가하여 양극 산화 시켜 나노 튜브 전극을 제조하였다. 이렇게 제조된 TiO2 나노 튜브 전극의 튜브 지름은 외경 100나노 내경 60나노 수준이었으며 튜브 높이의 경우 약 30마이크로 수준이었다.TiO 2 was prepared by applying about 40 V for 16 hours to a platinum electrode as a negative electrode in an ethylene glycol (97.3 wt%) electrolyte mixed with water (2.5 wt%) / ammonium fluoride (0.2 wt% To prepare a nanotube electrode. The TiO2 nanotube electrode thus fabricated had a tube diameter of 100 nanometers in inner diameter of 60 nanometers and a tube height of about 30 nanometers.

탈염 및 산화제 제조 가능한 Desalting and Oxidizing Agents 수처리Water treatment 시스템 구성 System configuration

Na0 . 44MnO2 전극을 음극으로, TiO2 나노튜브 전극을 양극으로 하며, 시스템은 음극이 포함된 탈염 반응기와 양극이 포함된 산화제 제조 가능한 반응기로 구성되며, 두 반응기의 전해질은 음이온 교환막으로 완전히 분리되어 있다. Na 0 . 44 MnO 2 electrode as a cathode and a TiO 2 nanotube electrode as an anode. The system consists of a desulfurization reactor containing a cathode and a reactor capable of producing an oxidant containing an anode. The electrolytes of the two reactors are completely separated by an anion exchange membrane have.

실험예Experimental Example 1 -  One - 탈염성능Desalination performance 및 산화제 제조 성능 평가 And oxidative agent production performance evaluation

Na0 . 44MnO2 전극은 KH2PO4 0.1 M 용액에 3전극 셀(작동전극:Na0 . 44MnO2, 반대전극: Pt, 기준전극: Ag/AgCl KCl)을 구성하여 기준전극 대비 0.8V를 30분간 인가하여 precharging을 시행하였다. precharging 후 전극은 Na0.22MnO2 로 충전되었다.Na 0 . 44 MnO 2 electrode is KH 2 PO 4 0.1 M solution of the 3-electrode cell (active electrode: Na 0 44 MnO 2, the opposite electrode:. Pt, Reference electrode: Ag / AgCl KCl) to the 0.8V configuration compared to the reference electrode 30 to And precharging was performed. After precharging, the electrode was filled with Na 0.22 MnO 2 .

탈염성능 및 산화제 제조 성능 실험은 정전류 조건에서 운전되며 Na0 . 44MnO2전극 기준 50mA/g, TiO2 나노 튜브 전극 기준 9mA/cm2의 전류를 총 전하량 64 C이 흐를 동안 인가하였다.Desalting performance and oxidant production performance test is run at a constant current condition Na 0. 44 MnO 2 electrode and a current of 9 mA / cm 2 based on the TiO 2 nanotube electrode were applied while a total charge amount of 64 C was applied.

음극이 포함된 탈염 반응기의 용량은 약 40 mL용액과 양극이 포함된 산화제 생성 반응기의 용액의 용량은 각 85 mL이며 상기 탈염 반응기의 이온 농도변화는 Ion chromatograph를 이용하여 측정하였으며, 산화제 생성 반응기에서의 염소 발생은 DPD 시약을 통한 흡광도 변화를 통하여 측정되었다.The capacity of the desalting reactor containing the anode was about 85 mL and the solution volume of the oxidant generating reactor containing the anode was about 85 mL. The ion concentration of the desalting reactor was measured using an Ion chromatograph, Of chlorine was measured by the change of absorbance through DPD reagent.

Desalination CellDesalination Cell Oxidation CellOxidation Cell Na+ Na + Ca2 + Ca 2 + Mg2 + Mg 2 + Cl- Cl - SO4 2- SO 4 2- Cl2 Cl 2 Ci/mgL-1 C i / mgL -1 874874 6363 8686 15471547 220220 00 Cf/mgL-1 C f / mgL -1 617617 3939 4343 11191119 157157 173173 △C/%? C /% 2929 3838 4949 2828 2828 -- Coulombic Efficiency/%Coulombic Efficiency /% 6969 77 2222
-

-

66

66
98(combined)98 (combined)

평가과정 이후 각 양이온에 대한 농도와 각 음이온의 농도가 감소하고 염소가 발생하였으며, 이를 통해 본 발명의 탈염 및 산화제 제조 가능한 수처리 시스템은 탈염과정과 동시에 산화제 제조가 진행됨을 확인할 수 있다. After the evaluation process, the concentration of each cation and the concentration of each anion were decreased and chlorine was generated. As a result, it was confirmed that the water treatment system capable of producing the desalting and oxidizing agent of the present invention proceeded with desalting and oxidizing agent production simultaneously.

위 표 1은 일반적인 강물 수준의 이온 농도(총 이온농도: 50Mm)를 가정하여 만든 합성수로 본 시스템을 운전하였을 때 대표적 실험 결과이다. Table 1 shows representative experimental results when the system is operated with synthetic water made assuming general ion concentration at the river level (total ion concentration: 50Mm).

포함된 3종류의 양이온들이 98%의 쿨롱 효율을 보여주면서 제거가 되었으며, 음이온 2종류도 확산에 의하여 이동되었음을 볼 수 있다.Three kinds of cations contained were removed with a Coulomb efficiency of 98%, and two kinds of anions were transferred by diffusion.

또한, 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서 대표적 산화제인 염소가 66% 발생되었으며 하이드록실 라디칼 및 산소의 발생도 일부 존재하는 것으로 조사 되었다.It was also found that 66% of chlorine, a representative oxidizing agent, was generated in the space between the oxidized electrode and the anion exchange membrane, and hydroxyl radical and oxygen were partially present.

도 3는 본 발명의 실시예에서 전하량에 따른 발생된 염소의 농도 및 쿨롱 효율을 도시한 그래프이다.3 is a graph showing the concentration and Coulomb efficiency of chlorine generated according to the charge amount in the embodiment of the present invention.

도 3은 운전 시간 동안 발생한 염소종의 양과 효율에 대한 내용이라고 볼 수 있는 데, 반응 초반에 90% 이상의 염소 발생 전하 효율이 측정되었으나 본 시스템이 진행되면서, 물질전달 저항에 의하여 미량 전하 효율이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 최종적으로 14 C 전하가 흐를 동안 염소 발생 효율은 80% 이상을 유지함을 확인하였다.FIG. 3 shows the amount and efficiency of the chlorine species generated during the operation time. In the early stage of the reaction, the efficiency of the chlorine generating charge was measured to be 90% or more. However, as the system progressed, It is possible to confirm that it is. Finally, it was confirmed that the efficiency of chlorine generation was maintained over 80% while the charge of 14 C was flowing.

실시예Example 2 -  2 - 수처리Water treatment 시스템 작동 전압 평가 System operating voltage evaluation

시스템이 운전되는 동안 Na0 . 44MnO2 전극과 TiO2 나노튜브 전극에 인가되는 실제 전압을 기준 전극(Ag/AgCl KCl)에 연결하여 각각 측정된 결과를 도시한 결과이다. 각 전극에 인가된 전압의 차이가 실제 시스템에서 사용하고 있는 셀 전압이다.While the system is operating, Na 0 . 44 MnO 2 electrode and the TiO 2 nanotube electrode are connected to the reference electrode (Ag / AgCl KCl), respectively. The difference in voltage applied to each electrode is the cell voltage used in the actual system.

도 4는 본 발명의 실시예에서 전하량에 따른 전위차를 도시한 그래프이다.4 is a graph showing a potential difference according to the amount of charge in the embodiment of the present invention.

시스템 운전 전압 중에서 탈염 반응기에 있는 음극의 전압과 산화제 생성 반응기에 있는 양극의 전압의 전압차이가 시스템의 작동전압이라고 할 수 있는데, 본 시스템의 작동 전압은 도 4에서 파란색 선과 검정색 선의 차이가 운전 전압이라고 볼 수 있다.In the system operating voltage, the difference between the voltage of the cathode in the desalination reactor and the voltage of the anode in the oxidizer generating reactor is the operating voltage of the system. The operating voltage of the system is the difference between the blue line and the black line in FIG. .

도 4을 참조하면, 시간에 따라서 음극의 전압은 낮아지고, 양극의 전압은 높아지는 것을 확인할 수 있는 데, 음극에 양이온이 삽입되면서 전압이 낮아지며, 양극에는 반응이 진행되면서 양극표면에 농도 분극에 의해 과전압이 높아져 전압이 높아지기 때문이다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the voltage of the cathode is lowered and the voltage of the anode is higher according to the time. The positive electrode is inserted into the cathode and the voltage is lowered. This is because the overvoltage increases and the voltage increases.

총 이온 농도가 50 Mm 수준인 합성수에서 TiO2 전극과 Na0 . 44MnO2 전극을 이용하여 본 시스템을 운전하였을 때, 약 2.5 ~ 3.0V 수준의 작동 전압이 관찰되었다.In synthetic water with a total ion concentration of 50 Mm, TiO2 electrode and Na 0 . When the system was operated using 44 MnO 2 electrodes, an operating voltage of about 2.5 ~ 3.0 V was observed.

Na0 . 44MnO2전극은 0.1 V 에서 0.5 V(vs. Ag/AgCl) 전위에서 TiO2 전극은 2.9 V 에서 3.3V (vs. Ag/AgCl) 사이의 전위에서 이온과의 가역적 반응이 일어남을 보여준다. 이러한 두 물질의 전위차를 통해 Na0 . 44MnO2 전극을 탈염전극으로 TiO2 전극을 산화전극으로 하여 배터리 셀이 구성될 경우 탈염과 산화제 제조가 잘 진행될 수 있다.Na 0 . 44 MnO 2 electrode shows reversible reaction with ions at potential between 0.1 V and 0.5 V (vs Ag / AgCl) and between 2.9 V and 3.3 V (vs. Ag / AgCl) at TiO 2 electrode. Through the potential difference of these two materials, Na 0 . 44 MnO 2 electrode as a desalting electrode and a TiO 2 electrode as an oxidation electrode to form a battery cell, desalination and oxidant preparation can proceed well.

또한, DSA 전극을 이용하는 경우에는 산화 전극의 작동 전압이 1.6V 수준으로 낮아져 작동 전압이 0.8 ~ 1.5V 수준까지 측정되었다.In the case of using the DSA electrode, the operating voltage of the oxidizing electrode was lowered to 1.6 V, and the operating voltage was measured to 0.8 to 1.5 V level.

이와 같은 작동 전압은 일반적인 산화제 생성 시스템과 비교하였을 때, 산화 전극의 반대 전극을 수소 발생 전극(Pt, stainless)을 이용하므로 작동 전압이 이론적으로 0 ~ -0.6V 가 걸리게 되므로 본 발명의 시스템보다 약 1V 이상의 전압이 더 필요함을 알 수 있다.Since the operating voltage is theoretically 0 to -0.6 V because the opposite electrode of the oxidizing electrode is made of a hydrogen generating electrode (Pt, stainless) when compared with a general oxidizing agent generating system, It can be seen that more than 1V is needed.

본 시스템의 셀 전압은 산화전극과 탈염전극의 전압 차이로 결정되며, 인가되는 전류의 크기를 포함한 다양한 운전 인자에 따라서 작동 전압을 영향을 받을 수 있다.The cell voltage of the system is determined by the voltage difference between the oxidizing electrode and the desalting electrode, and the operating voltage may be affected by various operating factors including the magnitude of the applied current.

산화전극의 반응전압은 전극의 종류, 전류밀도, 산화제의 종류 및 전해질의 농도에 영향을 받으며, 탈염전극은 전류밀도, 전해질의 농도에 크게 영향을 받을 수 있다.The reaction voltage of the oxidizing electrode is influenced by the type of the electrode, the current density, the type of the oxidizing agent and the concentration of the electrolyte, and the desalting electrode may be greatly influenced by the current density and the electrolyte concentration.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.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 inventions. It will be clear to those who have knowledge of.

100 : 수처리 시스템 113 : 확산된 음이온
101 : 탈염전극 114 : 산화제
102 : 산화전극
103 : 이온 교환막
111 : 양이온
112 : 음이온
100: water treatment system 113: diffused negative ion
101: desalting electrode 114: oxidizing agent
102:
103: ion exchange membrane
111: cation
112: negative ion

Claims (7)

탈염전극과 산화전극을 포함하고 상기 탈염전극과 상기 산화전극 사이에 음이온의 이동통로를 확보할 수 있는 음이온교환막을 가지며,
상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 탈염반응이 이루어지며,
상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 산화제가 형성되되,
상기 탈염전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서는 양이온이 상기 탈염전극과의 전기화학적 반응으로 인해 제거되고 음이온은 상기 음이온교환막을 통해 상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간으로 확산되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
And an anion exchange membrane including a desalting electrode and an oxidation electrode and capable of securing a path for passage of an anion between the desalting electrode and the oxidation electrode,
A desalting reaction is performed in a space between the desalting electrode and the anion exchange membrane,
An oxidant is formed in a space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane,
Wherein in the space between the desalting electrode and the anion exchange membrane, the cation is removed by the electrochemical reaction with the desalting electrode, and the anion is diffused into the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane through the anion exchange membrane. And a water treatment system capable of producing an oxidizing agent.
제1항에 있어서,
상기 탈염전극 및 상기 산화전극은 다양한 양이온과 음이온이 전기화학적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the desalting electrode and the oxidation electrode are electrodes capable of electrochemically reacting with various positive ions and negative ions.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서는 음이온 또는 상기 음이온교환막을 통해 확산된 음이온이 상기 산화전극과 전기화학적 반응으로 인해 산화제로 전환되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein an anion dispersed in the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane is converted into an oxidizing agent due to an electrochemical reaction with the oxidation electrode through the anion or the anion exchange membrane.
제1항에 있어서,
상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서 형성되는 산화제는 염소, 이산화염소, 클로라민, 하이드록실 라디칼, 오존 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidizing agent formed in the space between the oxidation electrode and the anion exchange membrane is at least one of chlorine, chlorine dioxide, chloramine, hydroxyl radical, and ozone.
제1항에 있어서,
상기 탈염전극은 Na0 . 44MnO2, λ-Mn02, NaFePO4, NaFeP2O7, NaMnxCoyFezPO4, 활성탄, 그래핀 계열 탄소 소재, 카본나노튜브 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
The method according to claim 1,
The desalting electrode is made of Na 0 . 44 MnO 2 , λ-MnO 2 , NaFePO 4 , NaFeP 2 O 7 , NaMn x Co y Fe z PO 4 , activated carbon, graphene carbon material, and carbon nanotube. Water treatment system.
제1항에 있어서,
상기 산화전극은 RuO2, IrO2, SnO2, PbO2, TiO2 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
The method according to claim 1,
The oxidation electrode may be formed of RuO 2 , IrO 2 , SnO 2 , PbO 2 , TiO 2 Wherein the desalting and oxidizing agent is at least one of the desalting and oxidizing agents.
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