KR101893488B1 - 대전원리를 이용한 cdi장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 간 전원 인가를 위한 접점부를 최소화할 수 있도록 전극의 배치 및 적층 구조를 개선함으로써 조립이 용이하고 작업효율성을 향상시키며, 전극에 전원을 공급하는 외부급전장치의 단순화 및 다양성을 확보하고, 전류 효율을 높일 수 있는 대전원리를 이용한 CDI장치에 관한 것으로, 복수의 전극이 상하방향으로 적층 구성되는 단위 축전탈이온 모듈이 둘 이상 나란히 배치되며, 상기 단위 축전탈이온 모듈로 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 CDI장치에 있어서, 최외측에 위치하는 각 단위 축전탈이온 모듈은, 하나의 전극으로 구성되며 상기 전원부로부터 전원이 인가되는 제1전극부 및 두 개의 전극이 그라파이트접속부에 의해 이격되어 전기적으로 연결되되 하나의 전극은 인접하는 타 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되도록 배치되는 제2전극부가 교번으로 적층 구성되어 상호 상하 또는 좌우로 대면하는 전극 간에 전하가 교번으로 대전되는 것이 특징이다.

Description

대전원리를 이용한 CDI장치{Capacitive deionization apparatus using electrification electric charging phenomenon}
본 발명은 전극 간 전원 인가를 위한 접점부를 최소화할 수 있도록 전극의 배치 및 적층 구조를 개선함으로써 조립이 용이하고 작업효율성을 향상시키며, 전극에 전원을 공급하는 외부급전장치의 단순화 및 다양성을 확보하고, 전류 효율을 높일 수 있는 대전원리를 이용한 CDI장치에 관한 것이다.
우리나라의 경우 용수 부족 현상이 심각하여 가용 수자원의 의존도를 줄여 나가면서 하, 폐수 처리수와 같은 고도처리 방류수를 다양한 용도로 재이용하고 지하염수 및 해수의 탈염을 통한 양질의 음용수 확보, 중금속을 포함한 다양한 이온성 오염물에 의해 오염된 지하수의 처리를 통한 깨끗한 수자원의 확보를 위한 노력을 꾸준히 진행하고 있다. 이를 위해서는 수중의 유기물 뿐만 아니라, 부유성 고형물, 바이러스, 용존 고형물, 난분해성 물질, 냄새, 색도 등을 제거해야 한다.
특히, 물속에 존재하는 다양한 이온성 물질들을 제거하는 탈염(Desalination or Deionization) 기술은 고도 수처리 기술 개발을 위한 필수 요소기술로 그 중요성이 점차 강조되고 있는 실정이다. 현재 상업적으로 개발, 이용되고 있는 탈염 기술로는 종래의 증발법(Distillation), 역삼투법(RO: Revers Osmosis), 전기투석법(ED: Electrodialysis), 이온교환법(IEX: Ion exchange) 등이 있으며, 이들 공정들은 기술적으로 검증되어 실제 탈염 시설에 많이 적용되고 있다.
그러나 이들 공정은 탈염 과정에서 에너지 비용이 높고 막 오염으로 인한 효율 저하 등의 문제점으로 점차 효과적이고 에너지 비용을 줄일 수 있는 새로운 탈염 기술에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.
이러한 종래 탈염 기술들의 문제점에 기해 새로운 탈염 기술로 축전탈이온 반응장치(CDI, Capacitive Deionization)가 제시되는데, 축전탈이온 반응장치는 다공성 탄소전극에 물분해 반응을 유발시키지 않는 미량의 전류(0.1 내지 1.2볼트)를 공급하여 전기적으로 대전된 전극표면에 이온을 흡착, 제거하는 수처리 장치(공정)이다. 상기 축전탈이온 반응장치에서, 음이온은 양전극으로 이동하며, 양이온은 음전극으로 이동하여 흡착된다.
종래기술로서 대한민국 특허등록 제10-1022257호 등에서는 집전체와 일체로 된 탄소전극이 적층되도록 하되 각각의 집전체에 교번으로 양극 및 음극이 형성되도록 각각 전원을 병렬접지 연결하도록 하여 장치의 작동을 수행하도록 하는 기술을 제시한다.
그런데 복수의 집전체에 교번으로 모든 전극을 병렬식으로 전기적 연결을 하는 단극접속은 접지구조가 복잡하여 작업이 용이하지 않을뿐더러 접점의 과다로 인해 조립오차, 부적절 접지 등 기기고장으로 유도될 수 있는 문제가 있다.
또한 예를 들어 이러한 장치를 운용하는데 있어 각각의 집전체에 1.2 볼트(V)의 전압이 인가되도록 모든 전극을 전기적으로 단극 병렬 연결하여 외부 전원공급장치에 연결토록 함에 따라 축전되는 이온농도가 높고 전극의 적층수가 늘어날수록 외부 전원공급장치 용량을 저전압-고전류 사양으로 가져가야 하므로 지속적으로 전극에 낮은 전압을 일정하게 유지하는 것이 용이하지 않고 다수 전극의 병렬연결로 인한 고전류 발생으로 전원공급장치 고장의 원인과 기기효율 및 전류효율을 저하시키는 등 장치의 안정성에 문제가 있다.
또한 1.2 V의 낮은 전압임에도 불구하고 고전류의 사용으로 인해 각종 전원 케이블 및 제어기기 등 부속기기의 사양이 커져야 하며 처리용량에 따라 고전류 사양에 적합한 별도의 전원공급장치 제작으로 인한 장치제작 비용증가의 원인이 되기도 한다.
이러한 종래 기술을 해결하기 위한 방법으로, 각 축전탈이온 모듈에 배치된 전극들은 병렬 연결시키고, 복수의 축전탈이온 모듈들을 상호 직렬 연결시켜 전원공급장치에 연결시키도록 하는 방법이 제시되었다.
그러나 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 축전탈이온 모듈에 적층되는 복수의 전극들에 있어 동일 극성 예를 들면 양전극은 양전극끼리 음전극은 음전극끼리 전원 연결봉을 통해 일괄적으로 연결시키도록 하는데, 동일 극성을 갖는 전극 간은 상호 일정 거리가 이격되어야 하는 바, 상기 이격된 공간에서 연결봉 또는 전극의 미세한 유동으로도 접점 불량이 발생하게 전극의 정상적인 이온 흡착 공정을 수행하는데 많은 어려움이 있었다.
이에 전극의 불안정한 접속 구조를 개선하기 위하여 이격된 공간에서 전극 간에 안정적인 지지 및 접속하기 위한 도체 재질의 이격 수단을 개재하였으나 이 역시 반복적인 이온의 흡탈착 과정 내지 노후화에 내구성이 저하되는 등 근본적인 접속 불량 문제를 해결하기에는 어려움이 있다는 문제점이 있다.
대한민국 특허등록 제10-1022257호
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복수의 축전탈이온 모듈들을 직렬 연결함에 있어 전원 인가를 위한 접점부를 최소화할 수 있도록 전극의 배치 및 적층 구조를 개선함으로써 조립이 용이하고 작업 효율성을 향상시킬 수 있어 결과적으로 경제적인 이점을 도모할 수 있는 대전원리를 이용한 CDI장치를 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제에 의한 대전원리를 이용한 CDI장치는, 복수의 전극이 상하방향으로 적층 구성되는 단위 축전탈이온 모듈이 둘 이상 나란히 배치되며, 상기 단위 축전탈이온 모듈로 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 CDI장치에 있어서, 최외측에 위치하는 각 단위 축전탈이온 모듈은, 하나의 전극으로 구성되며 상기 전원부로부터 전원이 인가되는 제1전극부 및 두 개의 전극이 그라파이트접속부에 의해 이격되어 전기적으로 연결되되 하나의 전극은 인접하는 타 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되도록 배치되는 제2전극부가 교번으로 적층 구성되어 상호 상하 또는 좌우로 대면하는 전극 간에 전하가 교번으로 대전되는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 최외측 단위 축전탈이온 모듈 사이에 하나 이상의 내측 단위 축전탈이온 모듈이 배치되는 경우, 상기 내측 단위 축전탈이온 모듈은, 두 개의 전극이 그라파이트접속부에 의해 이격되어 전기적으로 연결되되 하나의 전극은 인접하는 일측 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되고 다른 하나의 전극은 인접하는 타측 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되도록 배치되는 제3전극부가 교번으로 적층되는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 제1전극부는 그라파이트접점부가 외측으로 연장되도록 구성되어 상기 전원부와 연결될 수 있다.
하나의 예로써, 상기 제2전극부 및 제3전극부는, 연결된 두 개의 전극 간의 이격 거리가 상하로 대면하는 타 전극과의 이격 거리보다 상대적으로 길게 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 대전원리를 이용한 CDI장치는 축전탈이온 모듈을 적층 구성하고 있는 각각의 전극 간 접점부를 최소화하면서도 안정적인 전원공급을 구현함으로써 구성의 간소화 및 조립의 용이성을 도모할 수 있으며 결과적으로 경제적이 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 축전탈이온 전극모듈의 적층 구조를 나타내는 개략도.
도 2는 내지 도 4는 본 발명의 대전원리를 이용한 CDI장치의 실시 예를 나타내는 개략도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1전극부를 나타내는 사시도.
도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2전극부 또는 제3전극부를 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 간 이격 거리를 나타내는 사시도.
이하 본 발명의 실시 예들을 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 내지 도 4는 본 발명의 대전원리를 이용한 CDI장치의 실시 예를 나타내는 개략도이다. 그리고 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1전극부를 나타내는 사시도이며, 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2전극부 또는 제3전극부를 나타내는 사시도이다.
본 발명의 대전원리를 이용한 CDI장치(이하 'CDI장치'이라 함)는, 복수의 전극이 적층 구조로 이루어진 단위 축전탈이온 모듈(110, 120) 간을 전기적으로 연결함에 있어 구조적인 제반 문제점들을 해결할 수 있는 전극 간 연결 구조를 제시한다.
구체적으로 본 발명의 CDI 장치는 복수의 전극이 상하 방향으로 적층 구성되는 단위 축전탈이온 모듈(110, 120)이 둘 이상 나란히 배치되는 구조에 적용될 수 있으며, 상호 연결된 단위 축전탈이온 모듈(110, 120)들로 전원을 인가하는 전원부(500)를 포함하도록 구성된다.
그리고, 최외측에 위치하는 각각의 단위 축전탈이온 모듈(이하 '최외측 단위 축전탈이온 모듈'이라 함)(110)은, 도 2 등에서 도시된 바와 같이 하나의 전극으로 구성되는 제1전극부(200) 및 두 개의 전극이 그라파이트접속부(310)에 의해 이격되어 전기적으로 연결되되 하나의 전극은 인접하는 타 단위 축전탈이온 모듈(110, 120)의 전극 사이에 개재되도록 배치되는 제2전극부(300)가 교번으로 적층되도록 구성되어 있다.
여기서 상기 전극은 종래 기술에 따른 다양한 전극이 사용될 수 있는 바, 예를 들면 한 쌍 탄소 전극과 상기 탄소 전극 사이에 배치되는 그라파이트 재질의 집전체가 일체로 구성된 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 집전체는 메쉬망에 그라파이트 슬러리가 침지 또는 도포된 상태로 양면에 탄소전극을 각각 부착시켜 구성된 것일 수 있다.
또한, 도면에 도시된 바 없으나, 적층 구성되는 전극에는 이온의 탈착과정에 따라 전원부(500)의 역전원 공급시 발생할 수 있는 전극의 재흡착을 방지하기 위하여 이온교환막이 구비될 수 있다.
한편 본 발명의 CDI 장치에 있어 상기 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)은, 최하부 또는 최상부에 위치하는 제1전극부(200)에 상기 전원부(500)로부터 인가되는 전원이 공급되도록 함으로써 상호 대면하는 전극 간에 전하가 교번으로 대전될 수 있도록 구성됨에 특징이 있다.
이때, 전원부(500)의 전원이 공급되는 최외측 단위 축전탈이온 모듈(100)의 제1전극부(200)는 적어도 하나 이상으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 모든 제1전극부(200)에 전원이 공급되도록 할 수 있다.
즉, 상호 상하 또는 좌우 방향으로 대면하는 전극 간은 바이폴라 현상에 의한 전위가 형성될 수 있도록, 일측에 위치하는 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110) 및 타측에 위치하는 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)의 제1전극부(200)에는 각각 상반되는 극성을 갖는 전원이 인가되는 복극접속 구조를 구축하는 것이다.
도 2는 CDI장치에 있어 단위 축전탈이온 모듈이 2개가 나란히 설치된 예를 도시한 것으로, 이 경우 2개의 단위 축전탈이온 모듈은 모두가 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)에 해당된다.
본 실시 예의 경우 전원부(500)에서 인가되는 양전위 및 음전위는 각각 일측에 위치하는 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)과 타측에 위치하는 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)의 제1전극부(200)로 공급될 수 있다.
여기서 상기 전원부(500)로부터 전원을 인가받는 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)의 제1전극부(200)는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 그라파이트접점부(210)가 외측으로 연장되도록 구성되어 상기 전원부(500)의 전원 연결선이 접속될 수 있도록 하거나, 상기 그라파이트접점부(210)에 접속홀(211)을 구성하여 전원 연결봉(600)이 체결될 수 있도록 한다.
이에 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)을 포함한 각 단위 축전탈이온 모듈은 양전위 또는 음전위가 인가되는 전극으로부터 상호 상하 또는 좌우로 대면하는 전극 간에 전위차를 형성하게 되어 음전위와 양전위가 교번으로 대전됨으로써 전극 간에 형성되는 각각 유로에서 이온 흡착이 가능하도록 하는 것이다.
이때, 본 발명에 있어 제1전극부(200) 및 제2전극부(300)는 물론 이하에서 설명하는 제3전극부(400)를 구성하는 전극은, 상기 유로 즉 처리 대상 공간과 연통하는 유로홀(220, 320, 420)이 구성됨으로써 유로에서 이온 흡착 공정 후 배출되는 처리수가 상기 유로홀(220, 320, 420)를 통해 용이하게 유동할 수 있도록 한다.
결과적으로 본 실시 예에 의하면 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)에 배치된 제1전극부(200)만이 상기 전원부(500)와 전기적으로 연결된다면 CDI장치를 이루는 모든 단위 축전탈이온 모듈을 구성하는 각 전극에 전원이 공급되는 효과가 나타나므로, 모든 양전극은 양전극끼리 음전극은 음전극끼리 접속시키는 종래 기술에 비해 접속 개소를 획기적으로 줄일 수 있어 모듈 구성의 간소화가 가능하고 조립도 용이해지게 되는 것이다.
이러한 모듈의 간소화 및 조립의 용이에 의해 그만큼 기기 조립, 전극의 접속 불량에 의한 고장을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 생산성을 높일 수 있게 되는 바, 제조 효율은 물론 경제적인 이점이 도출될 수 있는 것이다.
도 3 및 도 4는 각각 3개 및 4개의 단위 축전탈이온 모듈이 나란히 연결되는 배치 구조를 나타내는 것으로, 상기 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110) 사이에 하나 이상의 내측 단위 축전탈이온 모듈(120)이 배치되는 구조의 예를 나타내고 있다.
이 경우 상기 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110) 사이에 배치되는 단위 축전탈이온 모듈(이하 '내측 단위 축전탈이온 모듈'이라 함)(120)은, 두 개의 전극이 그라파이트접속부(410)에 의해 이격되어 전기적으로 연결되되 하나의 전극은 인접하는 일측 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되고 다른 하나의 전극은 인접하는 타측 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되도록 배치되는 제3전극부(400)가 교번으로 적층될 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 내측 단위 축전탈이온 모듈(120)이 구성되는 경우, 상기 제3전극부(400)의 일 전극은 인접하는 일측 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)의 전극 사이로 배치되는 것이며, 상기 제3전극부(400)의 타 전극은 인접하는 타측 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)의 전극 사이로 배치되는 구조를 갖는 것이다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이 둘 이상의 내측 단위 축전탈이온 모듈(120)이 구성되는 경우에는, 상기 제3전극부(400)의 일 전극은 인접하는 일측 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110) 또는 인접하는 일측 내측 단위 축전탈이온 모듈(120)의 전극 사이로 배치될 수 있으며, 상기 제3전극부(400)의 타 전극은 인접하는 타측 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110) 또는 타측 내측 단위 축전탈이온 모듈(120)의 전극 사이로 배치되는 것이다.
본 실시 예 역시 전원부(500)에 의한 전원 공급은 양 최외측 단위 축전탈이온 모듈(110)의 제1전극부(200)로 상호 상반되는 극성의 전원이 공급됨으로써, 제1전극부(200)의 전극으로부터 대면하는 전극 간에 양전위 또는 음전위의 대전 작용이 이루어질 수 있도록 한다.
이처럼 본 발명에 따른 CDI 장치는 둘 이상의 단위 축전탈이온 모듈이 전기적으로 직렬 연결이 구축함에 있어 전원 공급을 위한 접점부를 최소화할 수 있게 되는 것으로, 이는 앞서 설명한 바와 같이 모듈의 간소화는 물론 종래 병렬 방식에 비해 전원부(500)가 필요에 따라 중전압 및 중전류 또는 고전압 및 저전류를 인가하면 되므로 전원부(500) 선택의 다양성 확보가 가능하다.
또한 종래와 같이 고전류에 따른 모듈 간 및 전력 연결부의 전기적 부하 문제를 해소하고 전극에 일정한 전압이 인가되도록 하는 것이 용이하여 기기 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
기존에 적층된 모든 전극에 전원부를 전기적으로 연결하는 경우에는 일 예로 10개의 전극을 적층하여 적층 구조(모듈)를 형성할 시, 각각의 전극에 1.5V의 전류가 공급되고, 이때 각각의 전극은 20A의 전류가 흐른다고 한다면 전원부는 1.5V 및 200A사양이 필요한데 반해, 본 발명의 경우에는 단위 축전탈이온 모듈(110, 120)의 직렬 연결로 15V 및 20A사양이 필요하게 되는 것이다.
즉 종래 기술을 적용하는 경우 저전압 및 고전류(1.5V 및 200A)의 사양을 가진 전원부가 필요하여 모든 부품들이 고전류량이 맞추어 용량이 증가되고 저전압 고전류 사양에서 각 전극에 일정 전압(1.5V)을 인가하는 것이 미세 조정이 요구되는 바, 그 운용이 어렵고 수십에서 수백 개의 전극으로 구성되는 통상의 단위 축전탈이온 모듈 내 각각의 전극에 일정 전압 인가의 어려움으로 인해 효율이 저하되는 문제가 있는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 CDI 장치의 적층 및 접속 구조는 중전압 및 중전류 또는 고접압 및 저전류 사양의 전원부의 사용이 가능하게 되므로 고전류량에 따른 부하 등의 문제를 없앨 수 있으며, 각 전극으로 일정 전압의 인가가 용이하여 기기 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 간 이격 거리를 나타내는 사시도이다.
한편 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면 상기 제2전극부(300) 및 제3전극부(400)는, 도 6에 도시된 바와 같이 연결된 두 개의 전극 간의 이격 거리(a)가 상하로 대면하는 타 전극과의 이격 거리(b)보다 상대적으로 길게 구성되도록 하여 상하로 대면하는 전극 간 작용하는 대전 과정에서 인접하는 타 단위 축전탈이온 모듈에 배치된 전극 간에 작용하는 대전 과정에 영향을 주지 않도록 할 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.
110 : 최외측 단위 축전탈이온 모듈
120 : 내측 단위 축전탈이온 모듈
200 : 제1전극부
210 : 그라파이트접점부
300 : 제2전극부
310 : 그라파이트접속부
400 : 제3전극부
410 : 그라파이트접속부
500 : 전원부

Claims (4)

  1. 복수의 전극이 상하방향으로 적층 구성되는 단위 축전탈이온 모듈이 둘 이상 나란히 배치되며, 상기 단위 축전탈이온 모듈로 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 CDI장치에 있어서, 최외측에 위치하는 각 단위 축전탈이온 모듈은, 하나의 전극으로 구성되며 상기 전원부로부터 전원이 인가되는 제1전극부 및 두 개의 전극이 그라파이트접속부에 의해 이격되어 전기적으로 연결되되 하나의 전극은 인접하는 타 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되도록 배치되는 제2전극부가 교번으로 적층 구성되어 상호 상하 또는 좌우로 대면하는 전극 간에 전하가 교번으로 대전되고,
    상기 최외측 단위 축전탈이온 모듈 사이에 하나 이상의 내측 단위 축전탈이온 모듈이 배치되는 경우, 상기 내측 단위 축전탈이온 모듈은, 두 개의 전극이 그라파이트접속부에 의해 이격되어 전기적으로 연결되되 하나의 전극은 인접하는 일측 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되고 다른 하나의 전극은 인접하는 타측 단위 축전탈이온 모듈의 전극 사이에 개재되도록 배치되는 제3전극부가 교번으로 적층되는 것을 특징으로 하는 대전원리를 이용한 CDI장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극부는,
    그라파이트접점부가 외측으로 연장되도록 구성되어 상기 전원부와 연결되는 것을 특징으로 하는 대전원리를 이용한 CDI장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2전극부 및 제3전극부는,
    연결된 두 개의 전극 간의 이격 거리가 상하로 대면하는 타 전극과의 이격 거리보다 상대적으로 길게 구성되는 것을 특징으로 하는 대전원리를 이용한 CDI장치.
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