KR101907969B1 - Ion selective carbon composite for desalinization carbon electrode, method for manufacturing thereof, and desalinization carbon electrode therefrom - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동일전하를 띠는 다양한 종류의 이온들 중 특정한 이온에 대한 선택성을 부여하기 위하여 탄소 표면을 개질하여 특정 이온에 대해 선택성을 나타낼 수 있는 이온 선택성을 가지는 전극을 제조하여 고가의 이온 교환막을 사용하지 않으면서도 특정 이온만을 선택적으로 제거할 수 있다.In the present invention, an electrode having ion selectivity capable of exhibiting selectivity for a specific ion by modifying a carbon surface is added to impart selectivity to a specific ion among various kinds of ions having the same charge, It is possible to selectively remove only a specific ion without using it.

Description

탈염 탄소전극용 이온 선택성 탄소복합체, 이의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 탈염 탄소전극{Ion selective carbon composite for desalinization carbon electrode, method for manufacturing thereof, and desalinization carbon electrode therefrom}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an ion selective carbon composite material for a desalting carbon electrode, a method for producing the same, and a desalination carbon electrode manufactured by the method.

본 발명은 탈염 탄소전극용 이온 선택성 탄소복합체, 이의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 탈염 탄소전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 별도의 이온 교환막을 포함하지 않으면서도 이온 선택성을 가지며, 특정 양이온 또는 특정 음이온을 효율적으로 분리 및 제거할 수 있는 탈염 탄소전극용 이온 선택성 탄소복합체, 이의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 탈염 탄소전극에 관한 것이다.The present invention relates to an ion selective carbon composite material for a desalting carbon electrode, a method for producing the same, and a desalted carbon electrode produced by the method. More particularly, the present invention relates to an ion selective carbon composite material having a specific ion The present invention relates to an ion selective carbon composite material for a desalted carbon electrode, and a desalted carbon electrode produced by the method.

일반적으로, 지구의 모든 물 중 우리가 사용할 수 있는 양은 고작 0.0086%에 지나지 않는다. 이는 기후변화로 인한 재해를 염두에 둔다면 과히 넉넉한 편은 못된다. 물은 인간 생활에 있어 매우 중요하고, 생활용수나 산업용수로서 물은 다양하게 이용된다. 산업 발전으로 물이 중금속, 질산성 질소, 불소 이온 등으로 오염되고 있고, 오염된 물을 음용했을 때 건강에 매우 해롭다.In general, only about 0.0086% of all water on Earth is usable. This can not be overly generous if you consider the disaster caused by climate change. Water is very important in human life, and water is widely used as living water or industrial water. Water is polluted by heavy metals, nitrate nitrogen, fluoride ions, etc. due to industrial development, and it is very harmful to health when drinking contaminated water.

최근, 오염된 물을 정화하고, 해수를 정화하여 용수로 사용하기 위한 탈염 기술이 다양하게 연구되고 있다. 이러한 탈염 기술은, 해수나 폐수 등와 같은 오염수에 함유되는 각종 부유물질이나 이온성분을 제거하여 담수화하는 기술로, 현재 알려져 있는 나이트레이트 제거 방법으로는 이온교환법(ion exchange), 생물학적 처리법(biologicaltreatment), 역삼투막법(reverse osmosis, RO), 전기투석법(electrodialysis, ED) 등이 있다. 생물학적 처리법 은 처리비용이 비교적 저렴하지만 큰 규모의 생물반응조가 필요하다. 또한 수온이 낮은 겨울철에는 미생물의 활성이 떨어져 제거율이 저하되는 문제점이 있다. 이온교환법은 간편한 방법으로 나이트레이트 이온을 제거할 수 있지만 이온교환이 완료된 수지(resin)를 재생하는 과정에서 2차 오염물질이 다량 배출된다는 단점이 있다. 역삼투막법과 전기투석법도 효과적으로 나이트레이트를 제거할 수 있지만 주기적으로 막을 교체해야 하고 운전과정에서도 높은 압력이나 전압을 인가해야 하기 때문에 경제성이 떨어진다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근에는 에너지 소비량이 낮은 축전식 탈염공정(Capacitive deionization, CDI)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다고 보고된다.Recently, a variety of desalination techniques have been studied for purifying contaminated water and purifying seawater for use as a water source. This desalination technique is a technique of desalting by removing various suspended substances and ion components contained in contaminated water such as seawater and wastewater. As currently known nitrate removal methods, ion exchange, biological treatment, Reverse osmosis (RO), and electrodialysis (ED). Biological treatment is relatively inexpensive, but requires large-scale bioreactors. In addition, there is a problem that the removal efficiency is lowered due to the activity of the microorganisms in the winter when the water temperature is low. The ion exchange method is capable of removing nitrate ions by a simple method, but there is a disadvantage in that a large amount of secondary pollutants is discharged during the regeneration of the ion-exchanged resin. Reverse osmosis membrane and electrodialysis methods can effectively remove nitrate, but they have a disadvantage in that the membrane must be periodically replaced and the operation cost must be increased by applying a high pressure or voltage. In order to compensate for this, researches on capacitive deionization (CDI), which has a low energy consumption, are actively being conducted.

이러한 CDI 기술은 전기투석법(electrodialysis, ED)이나 역삼투막법(reverse osmosis, RO) 등과 같은 기존의 탈염기술들에 비해 에너지 비용을 크게 줄일 수 있다는 특징을 갖고 있다. 또한 운전과정에서 오염물질을 배출하지 않기 때문에 환경적인 측면에서도 장점이 있는 탈염기술로 인식되고 있다.This CDI technology is characterized by a significant reduction in energy costs over conventional desalination technologies such as electrodialysis (ED) and reverse osmosis (RO). In addition, since it does not emit pollutants during operation, it is recognized as a desalination technology having an advantage in environmental aspect.

CDI 기술은 다공성 탄소전극에 전위를 인가했을 때 반대 전하를 갖는 이온들을 전극에 흡착시켜 이온을 제거한다. 따라서 탈염율을 높이기 위해서는 탄소전극 자체의 흡착용량을 증가시키는 것이 중요하다. 이러한 목적으로 현재까지 많은 종류의 탄소체를 이용한 CDI용 탄소전극들이 개발되었다. 한편 2000년대 초반 Andelman은 탄소전극에 이온교환막을 결합하여 이온들을 선택적으로 투과시키는 기술인 membrane capacitive deionization (MCDI)을 이용하여 CDI 공정의 탈염효율을 획기적으로 향상시킬 수 있었다.The CDI technique removes ions by adsorbing ions with opposite charges when the potential is applied to the porous carbon electrode. Therefore, in order to increase the desalination rate, it is important to increase the adsorption capacity of the carbon electrode itself. To this end, carbon electrodes for CDI using many types of carbon bodies have been developed. In the early 2000s, Andelman was able to dramatically improve the desalination efficiency of the CDI process by using membrane capacitive deionization (MCDI), which is a technique for selectively intercalating ions by combining an ion exchange membrane with a carbon electrode.

그러나, 이러한 MCDI 기술은 시중에서 판매하는 고가의 이온교환막을 사용해야 하므로 경제성이 낮고, 이온교환막과 전극을 결합시킬 때 접촉 저항이 존재하는 단점이 존재한다. 따라서, 최근에는 고분자소재 및 무기소재를 이용하여 이온 선택성을 가지는 이온 막제조를 위한 기술이 주목 받고 있다. 이때, 막의 작용기에 따라 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 구분된다. 양이온 교환막은 -SO3 -, -COO-, -PO3 2-, -PO3H-, -C6H4O- 등 음전하 작용기를 가지고 있어, 양이온을 선택적으로 투과시키고, 음이온 교환막은 -NH3 +, -NRH2 +, -NR2H+, -NR3 +, -PR3 +, -SR2 + 등의 양전하 작용기를 지니고 있어 음이온을 선택적으로 투과시키게 된다.However, such an MCDI technique has a disadvantage in that it is economically disadvantageous to use an expensive ion exchange membrane sold in the market, and a contact resistance exists when the ion exchange membrane and the electrode are combined. Therefore, recently, a technique for manufacturing an ionic membrane having ion selectivity by using a polymer material and an inorganic material has been attracting attention. At this time, depending on the functional group of the membrane, it is divided into cation exchange membrane and anion exchange membrane. Cation exchange membrane is -SO 3 -, -COO -, -PO 3 2-, -PO 3 H -, -C 6 H 4 O - , etc. It has a negatively charged functional groups, and selectively transmits a cation, an anion exchange membrane is -NH 3 + , -NRH 2 + , -NR 2 H + , -NR 3 + , -PR 3 + , and -SR 2 + , and selectively permeates anions.

공개특허공보 제10-2010-0082977호(2010.07.21)Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2010-0082977 (July 21, 2010)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 동일전하를 띠는 다양한 종류의 이온들 중 특정한 이온에 대한 선택성을 부여하기 위하여 탄소 표면에 금속을 코팅하여 축전용량을 향상시킴과 동시에 특정 이온에 대해 선택성을 나타낼 수 있는 이온 선택성을 가지는 술폰화기를 통해 이온 막을 형성시킴으로써, 특정 이온만을 선택적으로 제저할 수 있는 탈염 탄소전극용 이온 선택성 탄소복합체, 이의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 탈염 탄소전극을 제공하는데 목적이 있다.Disclosure of the Invention The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to improve the storage capacity by coating a metal on a carbon surface to impart selectivity to a specific ion among various kinds of ions having the same charge, Ion selective carbon composite material for a desalted carbon electrode capable of selectively selecting only specific ions by forming an ionic membrane through a sulfonic acid group having ion selectivity capable of exhibiting selectivity for a desalted carbon electrode, The purpose is to provide.

또한, 본 발명은 탄소 표면을 개질하여 직접 탄소전극을 제조함으로써, 제조 공정이 간소해지는 탈염 탄소전극을 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a desalted carbon electrode in which the manufacturing process is simplified by directly modifying the carbon surface to produce a carbon electrode.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 탈염 탄소전극을 통하여 별도의 이온 교환막을 포함하지 않으면서도 이온 선택성을 가지며, 특정 양이온 또는 특정 음이온을 효율적으로 분리 및 제거할 수 있는 탈염 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.The present invention also provides a desalination apparatus capable of efficiently separating and removing specific cations or specific anions, having ion selectivity without containing a separate ion exchange membrane through the desalted carbon electrode according to the present invention, .

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 탄소분말의 표면 상에 결합된 금속산화물을 포함하는 제 1 탄소복합체를 제조하는 단계; 상기 제 1 탄소복합체의 금속산화물에 술폰화기가 도입된 제 2 탄소복합체를 제조하는 단계; 및 상기 제 2 탄소복합체 및 바인더를 혼합하여 전극을 제조하는 단계;를 포함하는 탈염 탄소전극의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method of manufacturing a carbon composite material, comprising: preparing a first carbon composite material comprising a metal oxide bonded on a surface of a carbon powder; Preparing a second carbon composite material having a sulfonated group introduced into the metal oxide of the first carbon composite material; And mixing the second carbon composite material and the binder to produce an electrode.

하나의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄소는 활성탄소 분말(activated carbon powder: ACP), 활성탄소, 에어로겔 카본, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.According to one preferred embodiment, the carbon may include at least one selected from the group consisting of activated carbon powder (ACP), activated carbon, aerogel carbon, carbon nanotubes, and graphene.

하나의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 탄소분말의 평균입경은 0.1 ~ 20 ㎛일 수 있다.According to another preferred embodiment, the average particle diameter of the carbon powder may be 0.1 to 20 탆.

하나의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (1) 단계는, 상기 탄소분말의 표면을 히드록시기, 카르복실기 술폰산기(SO3 -) 및 인산기(PO3H-) 로 이루어진 군에서 선택된 제 1 관능기로 개질시키는 단계; 및 개질된 탄소분말을 수화 반응된 금속산화물의 전구체와 반응시키는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the step (1) further comprises a step of mixing the surface of the carbon powder with a first functional group selected from the group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group sulfonic acid group (SO 3 - ) and a phosphoric acid group (PO 3 H - ; And reacting the modified carbon powder with a precursor of the hydrated metal oxide.

여기서, 상기 술폰화기는 술폰화기를 포함하는 화합물과 상기 제 1 탄소복합체의 금속산화물과 반응하여 도입된 것일 수 있다.Here, the sulfonated group may be introduced by reacting with a compound containing a sulfonate group and a metal oxide of the first carbon composite material.

하나의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (3)단계에 추가되는 용매는 디메틸아세트아마이드(Di-methylacetamide), 및 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment, the solvent added to the step (3) is selected from the group consisting of di-methylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone And at least one selected from the group consisting of

하나의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 탄소와 상기 금속 산화물은 1:0.01 ~ 1:0.20 중량비로 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment, the carbon and the metal oxide may be contained in a weight ratio of 1: 0.01 to 1: 0.20.

하나의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바인더는 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride), 및 폴리테트라플르오루에틸렌(Polytetrafluoroethylene)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the binder may include at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene.

하나의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속 산화물과 상기 바인더는 1:0.05 ~ 1:0.3 중량비로 혼합될 수 있다.According to another preferred embodiment, the metal oxide and the binder may be mixed in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.3.

하나의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속 산화물은 이산화티타늄(TiO2), 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하고, 상기 술폰화기는 카테콜디술폰산나트륨(Tiron), 폴리(소디엄-4 스틸렌 설포네이트)(Poly(sodium-4 styrene sulfonate)), 설포네이티드 폴리(에테르 에테르 케톤)(Sulfonated Poly(ether ether ketone)) 및 설포석시닉산(Sulfosuccinic Acid (SSA))으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.According to yet another preferred embodiment, the metal oxide is selected from the group consisting of titanium dioxide (TiO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) , And the sulfonating group includes at least one selected from the group consisting of sodium catecholate sulfonate (Tiron), poly (sodium-4 styrene sulfonate) (poly (sodium styrene sulfonate)), sulfonated poly (Ether ether ketone), and sulfosuccinic acid (SSA). [0027] The term " polyether ether ketone "

한편, 본 발명은 탄소분말 및 상기 탄소분말 상에 결합되고, 술폰화기가 도입된 금속산화물을 포함하는 탄소복합체;를 포함하는 탈염 탄소전극을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a desalted carbon electrode comprising a carbon powder and a carbon composite material, which is bonded to the carbon powder and contains a metal oxide having a sulfonated group introduced therein.

하나의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 술폰화기가 도입된 금속산화물은 술폰화기를 포함하는 화합물과 금속산화물 간의 반응물일 수 있다.According to one preferred embodiment, the metal oxide into which the sulfonate is introduced may be a reactant between the metal oxide and the compound containing the sulfonating group.

또한, 본 발명은 탄소분말; 및 상기 탄소분말 상에 결합되고, 술폰화기가 도입된 금속산화물;을 포함하는 탈염 탄소전극용 이온선택성 탄소복합체를 제공한다.Further, the present invention relates to a carbon powder; And a metal oxide, which is bound to the carbon powder and into which a sulfonated group is introduced, to provide an ion selective carbon composite material for a desalted carbon electrode.

또한, 본 발명은 탄소분말의 표면 상에 결합된 금속산화물을 포함하는 제 1 탄소복합체를 제조하는 단계; 및 상기 제 1 탄소복합체의 금속산화물에 술폰화기가 도입된 제 2 탄소복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 탈염 탄소전극용 이온선택성 탄소복합체 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a carbon composite material, comprising the steps of: preparing a first carbon composite material comprising a metal oxide bonded on a surface of a carbon powder; And preparing a second carbon composite material having a sulfone group introduced into the metal oxide of the first carbon composite material. The present invention also provides a method for producing an ion-selective carbon composite material for a desalted carbon electrode.

이하, 본 발명에서 사용한 용어에 대해 설명한다.Hereinafter, terms used in the present invention will be described.

본 발명에서 사용한 용어인 "술폰화기"는 금속산화물의 표면을 술폰화시키는 술폰화기를 포함하는 화합물을 포함하는 것을 의미한다.As used herein, the term " sulfonating group " means containing a compound containing a sulfonating group to sulfonate the surface of the metal oxide.

또, 본 발명에 사용하는 "술폰화(sulfoniazation)"은 술폰화기가 금속 산화물에 직접 결합되는 것 뿐만 아니라, 술폰화기를 포함하는 화합물이 금속 산화물에 결합되는 것을 모두 포함하는 것을 의미한다.The term " sulfoniazation " used in the present invention means that not only the sulfonation group is directly bonded to the metal oxide but also the compound including the sulfonation group is bonded to the metal oxide.

또한, 하기에는 본 발명에서 사용한 전극 관련 용어들을 나타내었다.In addition, the electrode related terms used in the present invention are shown below.

(1) ACP (Activated Carbon powder): 활성 탄소 분말.(1) ACP (Activated Carbon powder): Activated carbon powder.

(2) CDI (Capacitive deionization): 축전식 탈염 공정.(2) CDI (Capacitive deionization): Condensation desalination process.

(3) AEM (anion exchange membrane): 음이온 교환막.(3) AEM (anion exchange membrane): Anion exchange membrane.

(4) CEM (cation exchange membrane): 양이온 교환막.(4) CEM (cation exchange membrane): Cation exchange membrane.

(5) MCDI (membrane capacitive deionization): 막 축전식 탈염 공정.(5) MCDI (membrane capacitive deionization): Membrane storage desalination process.

본 발명에 따른 탈염 복합전극의 제조방법은 동일전하를 띠는 다양한 종류의 이온들 중 특정한 이온에 대한 선택성을 부여하기 위하여 탄소 표면에 특정 이온에 대해 선택성을 나타낼 수 있는 이온 선택성을 가지는 이온 막을 형성시킴으로써, 특정 이온만을 선택적으로 제거할 수 있다.The method for producing a desalted composite electrode according to the present invention comprises forming an ionic film having ion selectivity capable of exhibiting selectivity for a specific ion on a carbon surface in order to impart selectivity to a specific ion among various ions having the same charge , It is possible to selectively remove only specific ions.

또한, 본 발명은 이온교환능력을 갖도록 탄소 표면을 개질하여 슬러리 형태로 직접 탄소전극을 제조함으로써, 전극의 제조 공정이 간소해질 수 있다.In addition, the present invention can simplify the manufacturing process of the electrode by preparing the carbon electrode directly in slurry form by modifying the carbon surface so as to have ion exchange ability.

또한, 본 발명의 탈염 탄소전극을 포함하는 탈염 장치는 별도의 이온 교환막을 포함하지 않으면서도 이온 선택성을 가지며, 특정 양이온 또는 특정 음이온을 효율적으로 분리 및 제거할 수 있다.In addition, the desalination apparatus including the desalination carbon electrode of the present invention has ion selectivity without containing a separate ion exchange membrane, and can efficiently separate and remove specific cations or specific anions.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ACP, TiO2 및 Tirron의 합성과정을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 ACP 표면에 TiO2 코팅하는 과정을 나타태는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Tiron을 이용한 TiO2/ACP 표면 개질하는 제조과정을 나타태는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전지의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀의 조립 구조를 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀을 이용한 풀셀 평가 측정 방법을 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 FT-IR 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이온교환능력(IEC) 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 TGA 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12 및 도 13는 본 발명의 일실시예에 따른 TEM 및 EDS의 결과를 나타내는 사진들이다.
도 14 내지 도 18는 본 발명의 일실시예에 따른 전지의 CV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 전극의 EIS 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 염 제거 효율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a conceptual diagram illustrating a process of synthesizing ACP, TiO 2, and Tirron according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flow chart showing a process of TiO 2 coating on an ACP surface according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flow chart illustrating a process of modifying a TiO 2 / ACP surface using Tiron according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a CV measurement result of a battery according to an embodiment of the present invention.
5 is a conceptual view illustrating an assembly structure of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring a full cell using a battery cell according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing FT-IR analysis results according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the results of ion exchange capacity (IEC) evaluation according to an embodiment of the present invention.
9 to 11 are graphs showing the results of TGA analysis according to an embodiment of the present invention.
12 and 13 are photographs showing the results of TEM and EDS according to an embodiment of the present invention.
14 to 18 are graphs showing CV measurement results of a battery according to an embodiment of the present invention.
19 and 20 are graphs showing the results of EIS measurement of an electrode according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 21 and 22 are graphs showing the results of the measurement of the salt removal efficiency according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 다만, 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention, which should be construed to facilitate understanding of the present invention.

상술한 바와 같이, 종래의 탈염 복합탄소전극을 제조하는 방법을 제시하는 기술들은 고가의 이온교환막을 사용해야 하므로 경제성이 낮고, 이온교환막과 전극을 결합시킬 때 접촉 저항이 존재하는 문제점이 있었다.As described above, the conventional techniques for producing the desalination composite carbon electrode have a problem that the cost is low due to the use of an expensive ion exchange membrane, and the contact resistance exists when the ion exchange membrane and the electrode are combined.

이에 본 발명에서는, 이온교환능력을 향상시키기 위하여 탄소분말의 표면 상에 결합된 금속산화물을 포함하는 제 1 탄소복합체를 제조하는 단계; 상기 제 1 탄소복합체의 금속산화물에 술폰화기가 도입된 제 2 탄소복합체를 제조하는 단계; 및 상기 제 2 탄소복합체 및 바인더를 혼합하여 전극을 제조하는 단계;를 포함하는 탈염 탄소전극의 제조방법을 제공하여 상술한 문제점의 해결을 모색하였다.Accordingly, the present invention provides a method of manufacturing a carbon composite material, comprising: preparing a first carbon composite material containing a metal oxide bound on a surface of a carbon powder to improve ion exchange capability; Preparing a second carbon composite material having a sulfonated group introduced into the metal oxide of the first carbon composite material; And a step of mixing the second carbon composite material and the binder to prepare an electrode. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems.

이를 통해 종래의 탈염 복합탄소전극의 제조방법과 대비하여 별도로 고가의 이온교환막을 사용하지 않으면서도 직접 탄소 표면을 개질하여 특정 이온에 대해 선택성을 나타낼 수 있는 이온 선택성을 가지도록 함으로써, 특정 이온만을 선택적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 이온교환능력을 크게 향상시킬 수 있다.As compared with the conventional method for producing desalted composite carbon electrodes, it is possible to modify the carbon surface directly without using expensive ion exchange membrane and to have ion selectivity to exhibit selectivity to specific ions, And the ion exchange capacity can be greatly improved.

또한, 이온교환능력을 부여하도록 탄소 표면을 개질하여 슬러리 형태로 직접 전극을 제조함으로써, 제조 공정이 간소해질 수 있다.Further, by manufacturing the electrode directly in the form of a slurry by modifying the carbon surface so as to impart ion exchange ability, the manufacturing process can be simplified.

이하에서는, 이러한 본 발명에 따른 탈염 탄소전극의 제조방법으로 탄소표면을 개질하여 전극을 제조하는 방법에 대해 구체적으로 설명하나 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a method for manufacturing an electrode by modifying a carbon surface by the method for producing a desalted carbon electrode according to the present invention will be described in detail, but it is not limited thereto.

우선, 탄소분말의 표면 상에 결합된 금속산화물을 포함하는 제 1 탄소복합체를 제조하는 단계를 설명한다.First, the step of preparing a first carbon composite material containing a metal oxide bonded on the surface of a carbon powder will be described.

이에 앞서, 본 발명에 따른 상기 탄소은 활성탄소 분말(activated carbon powder: ACP), 에어로겔 카본, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상의 탄소와 결합된 구조일 수 있다. 바람직하게는 활성탄소 분말 또는 탄소나노 튜브일 수 있고, 더욱 바람직하게는 활성탄소 분말일 수 있다.The carbon according to the present invention may be bonded to at least one carbon selected from the group consisting of activated carbon powder (ACP), carbon black, carbon nanotube, and graphene. Preferably an activated carbon powder or a carbon nanotube, and more preferably an activated carbon powder.

특히, 본 발명에 따르면, 상기 탄소분말의 평균입경은 0.1 ~ 20 ㎛일 수 있다. 바람직하게는, 0.5 ~ 10 ㎛일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1 ~ 5 ㎛일 수 있다. 이 때, 상기 탄소분말의 평균입경이 0.1 미만일 경우에는 형성된 탄소 전극층이 너무 치밀하여 전해질의 전극 내부로의 확산이 어려울 수 있다는 문제가 있을 수 있고, 상기 탄소의 평균입경이 20 ㎛ 초과일 경우에는 백 마이크론 내외 두께의 얇은 전극을 제조하는데 어려움이 있고 전극의 겉표면적이 현저히 줄어들어 탄소 전극 자체의 성능이 저하되는 문제가 있을 수 있으므로 상기의 범위가 바람직하다.Particularly, according to the present invention, the average particle diameter of the carbon powder may be 0.1 to 20 탆. Preferably 0.5 to 10 mu m, and more preferably 1 to 5 mu m. If the average particle diameter of the carbon powder is less than 0.1, the formed carbon electrode layer may be too dense and diffusion of the electrolyte into the electrode may be difficult. If the average particle diameter of the carbon is more than 20 탆 It is difficult to manufacture a thin electrode having a thickness of about one hundred microns and the outer surface area of the electrode is considerably reduced, thereby deteriorating the performance of the carbon electrode itself. Therefore, the above range is preferable.

구체적으로, 상기 제 1 탄소복합체는 상기 탄소 분말의 표면을 상기 금속 산화물로 코팅시켜 제조되는 것으로, 탄소 분말 표면의 작용기와 상기 금속 산화물의 작용기가 상호 결합되도록 함으로써 상기 탄소의 축전용량(Capacitance)을 향상시킬 수 있다.Specifically, the first carbon composite material is prepared by coating the surface of the carbon powder with the metal oxide. When the functional groups on the surface of the carbon powder and the functional groups of the metal oxide are bonded to each other, Can be improved.

이와 관련하여, 도 12에는 TEM 및 EDS의 결과를 나타내는 사진들이 나타나 있으며, 특히, 도 12(a)에 나타난 바와 같이, 탄소 표면을 TiO2가 둘러싼 형태로 코팅되어 있는 것을 볼 수 있다. In this regard, FIG. 12 shows photographs showing the results of the TEM and EDS, and in particular, as shown in FIG. 12 (a), it can be seen that the carbon surface is coated with TiO 2 .

또, 도 12(c) 및 도 12(d)를 통해서 탄소 상에 O 및 Ti가 결합되어 있고, O 및 Ti 위에 S가 고르게 분포되어 있는 것을 확인함으로써 탄소에 코팅이 안정적으로 형성된 것을 확인할 수 있다.It is also confirmed from FIG. 12 (c) and FIG. 12 (d) that O and Ti are bonded on carbon, and that S is uniformly distributed on O and Ti, .

또한, 도 2에는 본 발명에 따른 활성 탄소 분말의 표면에 TiO2가 코팅되는 과정이 예시적으로 나타나 있다. 구체적인 도 2의 탄소분말에 TiO2가 코팅되는 과정은 하기의 실시예 1에서 보다 상세히 설명하기로 한다.In addition, FIG. 2 illustrates a process in which TiO 2 is coated on the surface of activated carbon powder according to the present invention. The process of coating the carbon powder of FIG. 2 with TiO 2 will be described in more detail in the following Example 1.

한편, 상기 금속 산화물은 넓은 표면적을 가지고 수용액 상에서 상대적으로 화학적으로 안정적인 용량특성을 가지며 친수성이면서도 저항이 매우 작아서 빠른 속도의 특성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 금속 산화물은 TiO2, ZrO2, ZnO, Al2O3, SiO2, SnO2, MnO, FeO, CoO, NiO 및 CrO 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.On the other hand, the metal oxide has a large surface area and relatively chemically stable capacity in an aqueous solution, and is not particularly limited as long as it has a hydrophilic property and a very small resistance and has a high speed characteristic. As a specific example, the metal oxide may be TiO 2 , ZrO 2 , ZnO, Al 2 O 3 , SiO 2 , SnO 2 , MnO, FeO, CoO, NiO, and CrO.

바람직하게는 상기 금속 산화물은 이산화티타늄(TiO2) 또는 이산화규소(SiO2)를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 이산화티타늄(TiO2)을 포함할 수 있다.Preferably, the metal oxide may comprise titanium dioxide (TiO 2 ) or silicon dioxide (SiO 2 ), and more preferably titanium dioxide (TiO 2 ).

또한, 본 발명에 따르면, 상기 금속 산화물의 평균 입경은 0.02 ~ 10 ㎛일 수 있다. 바람직하게는 0.02 ~ 5 ㎛일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.05 ~ 0.5 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 금속 산화물의 평균 입경이 0.02 ㎛ 이하일 경우에는 입자의 제조가 어렵다는 문제가 있을 수 있고, 상기 금속의 평균 입경이 10 ㎛ 이상일 경우에는 표면적이 작아 이온교환 작용 능력이 저하되는 문제가 있을 수 있으므로, 상기의 범위가 좋다.In addition, according to the present invention, the average particle diameter of the metal oxide may be 0.02 to 10 탆. Preferably 0.02 to 5 mu m, and more preferably 0.05 to 0.5 mu m. If the average particle diameter of the metal oxide is 0.02 mu m or less, it may be difficult to produce particles. If the average particle diameter of the metal is 10 mu m or more, the surface area may be small, Therefore, the above range is preferable.

보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 탄소복합체를 제조하는 단계는 상기 탄소분말의 표면을 히드록시기, 카르복실기, 술폰산기(SO3 -) 및 인산기(PO3H-) 로 이루어진 군에서 선택된 제 1 관능기로 개질시키는 단계; 및 개질된 탄소분말을 수화 반응된 금속 산화물의 전구체와 반응시키는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. Article selected from the group consisting of More specifically, according to the present invention, the first step for producing the carbon composite is a surface of the carbon powder, a hydroxy group, a carboxyl group, a sulfonic acid group (SO 3 - -) and a phosphoric acid group (PO 3 H) 1 functional group; And reacting the modified carbon powder with a precursor of the hydrated metal oxide.

여기서, 상기 금속 산화물이 이산화티타늄(TiO2)을 포함하는 금속 산화물인 경우에는 수화반응된 상기 금속 산화물 전구체는 티타늄 알콕사이드(titanium alkoxides) 화합물을 포함할 수 있으며, 구체적인 예에서, 티타늄이소프로포사이드(Titanium(IV) isopropoxide: TTIP)일 수 있다.When the metal oxide is a metal oxide including titanium dioxide (TiO 2 ), the hydrated metal oxide precursor may include a titanium alkoxide compound. In a specific example, the metal oxide precursor may include titanium isopropoxide Titanium (IV) isopropoxide: TTIP).

이와 관련하여, 도 1에는 이온교환능력을 부여하도록 상기 탄소분말에 상기 금속 산화물이 처리되는 과정이 예시적으로 나타나 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 상기 제 1 탄소복합체는 전처리된 상기 탄소의 히드록시기와 낮은 ph 농도가 유지되는 조건하에 상기 수화반응이 우선적으로 일어나 OH-Ti-OH 의 형태를 갖는 상기 티타늄이소프로포사이드(TTIP)를 반응시켜 제조될 수 있다.In this regard, FIG. 1 illustrates an exemplary process in which the metal oxide is treated on the carbon powder to impart ion exchange capability. As shown in FIG. 1, the first carbon composite material preferably has a hydration reaction under the condition that a low pH concentration with the hydroxy group of the pretreated carbon is maintained, and the titanium isopropoxide having an OH-Ti-OH form TTIP). ≪ / RTI >

본 발명에 따르면, 상기 탄소와 상기 금속 산화물은 1:0.01 ~ 1:0.20 중량비로 혼합될 수 있다. 바람직하게는 상기 탄소와 상기 금속 산화물은 1:0.03 ~ 1:0.15 중량비로 혼합될 수 있고, 더욱 바람직하게는 1:0.05 ~ 1:0.10 중량비로 혼합될 수 있다. 이때, 상기 상기 금속 산화물이 0.01 중량비 미만으로 첨가될 경우에는 이온교환 작용기를 붙일 수 있는 금속의 량이 적어 전극의 이온교환 능력이 현저히 저하되는 문제가 있을 수 있고, 상기 금속 산화물이 0.2 중량비 초과하여 첨가될 경우에는 탄소 자체에 너무 많은 금속산화물이 붙착되어 전극 저항의 증가 또는 탄소의 비축전 용량을 현저히 감소시키는 문제가 있을 수 있으므로, 상기의 범위가 좋다.According to the present invention, the carbon and the metal oxide may be mixed in a weight ratio of 1: 0.01 to 1: 0.20. Preferably, the carbon and the metal oxide may be mixed in a weight ratio of 1: 0.03 to 1: 0.15, more preferably 1: 0.05 to 1: 0.10. When the metal oxide is added in an amount of less than 0.01 wt%, there may be a problem that the ion exchange ability of the electrode is remarkably lowered due to a small amount of metal to which the ion exchange functional group can be added, and when the metal oxide is added in excess of 0.2 wt% There is a problem that too much metal oxide adheres to the carbon itself, which may increase the electrode resistance or significantly reduce the non-storage capacity of the carbon.

이와 관련하여, 도 10 및 도 11에는 이산화티타늄(TiO2)의 함량에 따른 TGA 측정 결과가 나타나 있다. 여기서, 상기 술폰화된 금속 산화물 및 표면 코팅된 탄소는 종래의 TiO2/ACP와는 다른 그래프 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 도 17에서 확인되는 바와 같이, TiO2를 0.75 mmol/g-C 만큼 첨가하여 ACP에 코팅하였을 때 정전용량이 가장 크게 측정되는 것을 알 수 있다.In this connection, FIGS. 10 and 11 show TGA measurement results according to the content of titanium dioxide (TiO 2 ). Here, the sulfonated metal oxide and a surface coating of carbon is, as can be confirmed that represents the conventional TiO 2 / ACP Unlike the graph trend, identified in Figure 17, the addition of TiO 2 as much as 0.75 mmol / gC ACP It can be seen that the capacitance is measured the greatest.

또, 도 19(c)를 통해 확인되는 바와 같이, 진동수 0.1 Hz를 기준으로 기울기가 완만해지는 경향을 볼 수 있으며, TiO2가 0.75 mmol/g-C 만큼 첨가되었을 때 정전용량이 가장 큰 것을 다시 한번 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 19 (c), the inclination tends to be gentle with respect to the frequency of 0.1 Hz. When the TiO 2 is added by 0.75 mmol / gC, the largest capacitance is again confirmed .

그 다음, 상기와 같이 제조된 제 1 탄소복합체의 금속 산화물에 술폰화기가 도입된 제 2 탄소복합체를 제조하는 단계를 설명한다.Next, the step of preparing the second carbon composite material having the sulfone group introduced into the metal oxide of the first carbon composite material produced as described above will be described.

구체적으로, 상기 제 2 탄소복합체는 상기 금속 산화물이 처리된 탄소 표면을 술폰화기를 포함하는 화합물로 개질하여 형성되는 것으로써, 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 제 1 탄소복합체 제조 후에 술폰화기를 포함하는 화합물을 첨가하여 Ti-OH와 상기 술폰화기를 포함하는 화합물의 OH가 축합반응(Condenstion reaction)에 의해 결합되어 형성된다.Specifically, the second carbon composite material is formed by modifying the carbon surface treated with the metal oxide with a compound containing a sulfonate group. As shown in FIG. 2, after the first carbon composite material is produced, And the OH of the compound containing Ti-OH and the sulfonated group is formed by bonding by a condensation reaction.

여기서, 상기 술폰화기는 술폰화기를 포함하는 화합물과 상기 제 1 탄소복합체의 금속 산화물과 반응하여 도입된 것 일 수 있다.Here, the sulfonate group may be introduced by reacting with a compound containing a sulfonate group and a metal oxide of the first carbon composite material.

이와 관련하여, 전술한 탄소, 금속 산화물 및 술폰화기를 포함하는 화합물의 반응과정의 예시가 도 1에 나타나 있다. 도 1에는 탄소의 전처리를 통하여 탄소의 표면의 작용기에 금속인 이산화티타늄(TiO2)의 전구체를 결합시켜 코팅한 후에 상기 이산화티타늄에 -SO3 - 작용기를 가지는 카테콜디술폰산나트륨(Tiron)을 합성하는 과정을 예시로 나타낸 것이다. 즉, 전술한 바와 같이, 탄소의 표면에 -OH 작용기를 형성시키고 상기 이산화티타늄의 전구체인 TTIP(Titanium(IV) isopropoxide)를 혼합하여 상기 -OH 작용기에 결합시켜 이온교환능력을 부여할 수 있다.In this regard, an example of the reaction process of the above-mentioned carbon, metal oxide and compound containing a sulfonated group is shown in FIG. FIG. 1 shows the synthesis of titanium catecholate sulfonate (Tiron) having -SO 3 - functional groups on titanium dioxide by coating a precursor of titanium dioxide (TiO 2 ) on the functional groups of the surface of carbon through pretreatment of carbon As shown in FIG. That is, as described above, the -OH functional group is formed on the surface of carbon, and TTIP (Titanium (IV) isopropoxide), which is a precursor of titanium dioxide, is mixed with the -OH functional group to impart ion exchange ability.

이에 대해, 도 7에서 확인되는 바와 같이, 460 cm- 1 과 1650 cm-1 근처에서 피크가 나타나는 것을 볼 수 있으며, 이는 Ti와 OH에 의한 것임을 알 수 있다. 이를 통해, Ti와 OH가 결합되는 것을 확인할 수 있다.Therefore, as for, identified in FIG. 7, 460 cm - can be seen that the peak appearing in the vicinity of 1 and 1650 cm -1, it can be seen that due to the Ti and OH. Through this, it can be confirmed that Ti and OH are bonded.

또한, 도 3에는 본 발명에 따른 Tiron을 이용하여 탄소 및 TiO2의 표면을 개질하기 위한 제조과정이 예시적으로 나타나 있다. 구체적인 도 3의 탄소 및 TiO2의 에 Tiron에 의해 술폰화되는 과정은 하기의 실시예 2에서 보다 상세히 설명하기로 한다.In addition, FIG. 3 illustrates an exemplary process for modifying the surface of carbon and TiO 2 using Tiron according to the present invention. The process of sulfonation of the carbon and TiO 2 of FIG. 3 by Tiron will be described in more detail in Example 2 below.

또한, 상기 제 2 탄소복합체는 상기 제 1 탄소복합체를 상기 술폰화기를 포함하는 화합물을 용매와 혼합한 혼합물로 처리하여 제조되는 바, 상기 용매는 상기 금속 산화물의 금속이온을 용출시키기 위해 첨가되는 제제로써, 상기 금속 산화물을 용해시킬 수 있는 성분이면 특별히 제한되는 것은 아니다.Also, the second carbon composite material is prepared by treating the first carbon composite material with a mixture of a compound containing the sulfonated group and a solvent, wherein the solvent is an agent added to elute the metal ion of the metal oxide And is not particularly limited as long as it is a component capable of dissolving the metal oxide.

따라서, 상기 탄소의 표면이 상기 금속 산화물로 코팅되고 상기 금속 산화물이 상기 술폰화기를 포함하는 화합물로 술폰화됨으로써, 다양한 종류의 이온들 중 특정한 이온에 대한 선택성을 부여하여 이온교환능력(IEC)을 향상시킬 수 있다.Therefore, the surface of the carbon is coated with the metal oxide, and the metal oxide is sulfonated with the compound containing the sulfonate group, thereby imparting selectivity to a specific ion among various kinds of ions, thereby improving the ion exchange capacity (IEC) Can be improved.

한편, 본 발명에 따르면, 상기 탄소와 상기 술폰화기를 포함하는 화합물은 1:0.05 ~ 1:1.0 중량비로 혼합될수 있다. 바람직하게는 상기 탄소와 상기 술폰화기를 포함하는 화합물은 1:0.1 ~ 1:0.8 중량비로 혼합될수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 탄소와 상기 술폰화기를 포함하는 화합물은 1:0.3 ~ 1:0.7 중량비로 혼합될수 있다. 이때, 상기 술폰화기를 포함하는 화합물이 0.05 중량비 미만으로 첨가될 경우에는 이온교환 능력이 낮은 산화물 입자가 형성되는 문제가 있을 수 있고, 상기 술폰화기를 포함하는 화합물이 1.0 중량비를 초과하여 첨가될 경우에는 술폰화가 작용기의 상호간의 응집에 의해 표면에 붙는 술폰기가 작아져 낮은 이온교환 능력을 가진 금속입자가 제조될 수 있는 문제가 있을 수 있으므로, 상기의 범위가 좋다.Meanwhile, according to the present invention, the carbon and the compound including the sulfonated group may be mixed at a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 1.0. Preferably, the carbon and the compound containing the sulfonated group may be mixed at a weight ratio of 1: 0.1 to 1: 0.8, more preferably the compound containing the carbon and the sulfonated group at a weight ratio of 1: 0.3 to 1: Lt; / RTI > When the compound containing the sulfonate group is added in an amount of less than 0.05 part by weight, oxide particles having a low ion exchange ability may be formed. When the compound containing the sulfonate group is added in an amount exceeding 1.0 by weight There may be a problem that metal particles having a low ion exchange ability can be produced because the sulfone groups attached to the surface are reduced due to mutual cohesion of sulfonated functional groups.

이와 관련하여, 도 8에서 확인되는 바와 같이, Tiron의 양이 증가하여도 당량은 일정하게 유지되는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 Tiron의 양이 일정수준 이상이면 평형에 도달하여 더 이상의 Tiron에 의한 술폰화는 이루어지지 않는 것을 알 수 있다.In this connection, as can be seen in FIG. 8, it can be seen that even when the amount of thiron is increased, the equivalent amount is kept constant, so that if the amount of thiron is above a certain level, equilibrium is reached, It can be seen that the paging is not performed.

또, 도 12(b)에서 나타난 바와 같이, Tiron 기능기가 탄소를 둘러싼 TiO2 위에 붙어있는 것을 두께에 따른 색의 농도 차이로 확인할 수 있다.Further, as shown in Fig. 12 (b), it is possible to confirm that the Tiron functional group is attached to the TiO 2 surrounding the carbon by the difference in the color concentration depending on the thickness.

또한, 상기 술폰화기를 포함하는 화합물은 상기 금속 산화물의 금속 이온과 결합하도록 술폰화하기 위하여 첨가되는 성분으로써, 구체적인 예에서, 상기 술폰화기를 포함하는 화합물은 양이온 작용기를 가지는 화합물 또는 고분자로서, 카테콜디술폰산나트륨(Tiron), 폴리(소디엄-4 스틸렌 설포네이트(Poly(sodium-4 styrene sulfonate)), 설포네이티드 폴리(에테르 에테르 케톤(Sulfonated Poly(ether ether ketone) (Sulfonated PEEK)) 및 설포석시닉산(Sulfosuccinic Acid (SSA))으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 술폰화제는 카테콜디술폰산나트륨(Tiron) 또는 설포석시닉산(Sulfosuccinic Acid (SSA))일 수 있고, 더욱 바람직하게는 카테콜디술폰산나트륨(Tiron)일 수 있다.Also, the compound containing a sulfonate group is added to sulfonate the metal oxide to bind with the metal ion. In a specific example, the compound containing a sulfonate group is a compound having a cationic functional group or a polymer, Sodium sulfonate (Tiron), Poly (sodium-4 styrene sulfonate), Sulfonated Poly (ether ether ketone) (Sulfonated PEEK) And sulfosuccinic acid (SSA). Preferably, the sulfonating agent is at least one selected from the group consisting of sodium catecholate sulfonate (Tiron) and sulfosuccinic acid (SSA) , And more preferably sodium catecholate sulfonate (Tiron).

또, 상기 술폰화기를 포함하는 화합물은 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포 스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H) 등의 양이온 작용기를 가지는 것도 포함할 수 있다.The compound containing a sulfonate group may be a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2 ), a phosphonic group (-HPO 2 H) -AsO 3 H 2 ) and a selinolytic group (-SeO 3 H).

이와 관련하여, 도 18(b)에는 TiO2/ACP 0.75에 Tiron 기능기를 붙이고 측정한 결과를 나타내며, 여기서, 음극에서의 정전용량이 양극에서의 값보다 크게 측정되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 술폰화기를 포함하는 화합물은 양이온 선택성을 갖는 전극에 적합하다고 판단할 수 있다.In this connection, FIG. 18 (b) shows the result of measurement with TiO 2 / ACP 0.75 attached with a Tiron functional group, wherein it can be seen that the capacitance at the cathode is measured to be larger than that at the anode. Therefore, it can be judged that the compound containing the sulfonated group is suitable for an electrode having cationic selectivity.

다만, 경우에 따라서, 상기 술폰화기를 포함하는 화합물이 음이온 작용기를 가지는 화합물 또는 고분자인 경우는 4급 암모늄염(-NH3), 1~3급 아민(-NH2, -NHR, -NR2), 4급 포스포니움기(-PR4), 3 급 술폰니움기(-SR3) 등의 음이온 교환기를 가지는 것을 사용한다. 이러한 고분자수지는 유기용매에 녹아서 용액 형태로 존재할 수 있는 것으로, 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리이서술폰, 폴리아미드, 폴리 에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리글리시딜메타크릴레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이들에 제한되지 않고 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가질 수 있는 수지라면 제한되지 않고 사용할 수 있다.(NH 2 ), a primary to tertiary amine (-NH 2 , -NHR, -NR 2 ) may be used when the compound containing the sulfonate group is a compound or polymer having an anionic functional group, , A quaternary phosphonium group (-PR 4 ), and a tertiary sulfonium group (-SR 3 ). Such a polymer resin may be present in the form of a solution in the form of a solution in the form of a solution in an organic solvent. Examples of the polymer resin include polystyrene, polysulfone, polyisocyanurate, polyamide, polyester, polyimide, polyether, polyethylene, polytetrafluoroethylene, Glycidyl methacrylate, and mixtures thereof. The resin is not limited to these, and any resins that can have a cation-exchange group or anion-exchange group can be used without limitation.

또한, 경우에 따라서, 본 발명은 전술한 술폰화기에 의한 술폰화된 금속 산화물 이외에 아민화제에 의한 아민화된 금속 산화물도 포함하는 바, 상기 금속 산화물을 아민화시키기 위한 아민화제로는 아민기(amine group)을 가진 화합물 또는 고분자이면 제한없이 사용 가능하며, 구체적인 예에서, 3-아미노-프로릴트리에톡시실란(3-amino-prolyltriethoxysilane (APTES))일 수 있다.Further, in some cases, the present invention also includes an aminated metal oxide by an aminating agent in addition to the sulfonated metal oxide by the above-mentioned sulfonating agent. As the amineifying agent for aminating the metal oxide, an amine group amine group, or a polymer thereof. In a specific example, it may be 3-amino-prolyltriethoxysilane (APTES).

마지막으로, 상기 제 2 탄소복합체 및 바인더를 혼합하여 전극을 제조하는 단계를 설명한다.Finally, the step of preparing the electrode by mixing the second carbon composite material and the binder will be described.

구체적으로, 상기 전극은 상기 제 2 탄소복합체 및 바인더를 용매와 혼합하여 상기 제 2 탄소복합체의 금속 산화물과 상기 술폰화기를 포함하는 화합물의 기능기를 결합시킨 슬러리 형태로 제조하여 전극으로 제조할 수 있다.Specifically, the electrode may be manufactured as a slurry in which the second carbon composite material and the binder are mixed with a solvent to form a slurry in which the functional group of the compound including the sulfonated group is combined with the metal oxide of the second carbon composite material to form an electrode .

여기서, 상기 바인더는 유리전이온도가 낮고 상온과 물속에서 안정한 고분자 물질로 상기 제 2 탄소복합체와 균일하게 혼합되며 코팅층을 잘 형성할 수 있도록 첨가되는 것으로써, 열 용융코팅이나 용매 용해코팅이 가능한 고분자물질이면 종류에 제한 없이 사용가능하며 상기 바인더로 예를 들면, 폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride: PVdF), 선상저밀도폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌비린 아세테이트(EVA), 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리우레탄에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼 합물을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.Here, the binder is a polymer material having a low glass transition temperature and stable at room temperature and water, is uniformly mixed with the second carbon composite material, and is added so that a coating layer can be formed well. As a result, a polymer capable of thermal melting coating or solvent- The binder can be any type of material. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), linear low density polyethylene (LLDPE), low density polyethylene (LDPE), polyethylene (PE), ethylene vinyl acetate EVA), polyolefin, polyamide, polyester, and polyurethane, but is not limited thereto.

본 발명에 따르면, 바람직하게 상기 바인더는 폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride:PVdF) 또는 폴리테트라플르오루에틸렌 (Polytetrafluoroethylene)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride:PVdF)일 수 있다.According to the present invention, preferably, the binder may be polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene, more preferably polyvinylidene fluoride (PVdF) .

또한, 본 발명에 따르며, 상기 금속 산화물과 상기 바인더는 1:0.05 ~ 1:0.3 중량비로 혼합될 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속 산화물과 상기 바인더는 1:0.08 ~ 1:0.2 중량비로 혼합될 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 금속 산화물과 상기 바인더는 1:0.1 ~ 1:0.15 중량비로 혼합될 수 있다. 이 때, 상기 금속 산화물에 대해, 상기 바인더가 0.05 중량비 미만으로 첨가될 경우에는 금속 산화물 층의 접착력이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 상기 바인더가 0.3 중량비를 초과하여 첨가될 경우에는 전극 자체의 저항이 크게 증가하고 금속 산화물 층의 이온교환 능력이 저하되는 문제가 있을 수 있으므로, 상기의 범위가 좋다.Also, according to the present invention, the metal oxide and the binder may be mixed in a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.3. Preferably, the metal oxide and the binder may be mixed in a weight ratio of 1: 0.08 to 1: 0.2, and more preferably, the metal oxide and the binder may be mixed in a weight ratio of 1: 0.1 to 1: 0.15. When the binder is added in an amount of less than 0.05 wt%, the adhesion of the metal oxide layer may be deteriorated. When the binder is added in an amount exceeding 0.3 wt%, the resistance of the electrode itself And the ion exchange capacity of the metal oxide layer may be deteriorated. Therefore, the above range is preferable.

또한, 상기 용매는 상기 제 2 탄소복합체와 술폰화기를 포함하는 화합물이 용해되도록 투입되는 성분으로 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 바인더의 종류에 의해 결정되며 선택된 고분자 바인더가 용해되는 유기용매는 모두 가능하나, 바람직한 고분자 바인더의 유기용매로는 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, 디에틸포름아마이드, 디메틸카보네이트, 에틸렌카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 프로필렌카보네이트, 아세토니트릴, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 프로판올 및 헥산으로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 가능하다.In addition, the solvent is not particularly limited as a component to be added so that the compound containing the second carbon composite material and the sulfonated group is dissolved, and organic solvents in which the polymer binder selected is determined depending on the type of the binder are all possible Examples of suitable organic solvents for the polymer binder include dimethylacetamide, dimethylformamide, diethylformamide, dimethyl carbonate, ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, propylenecarbonate, acetonitrile, It is possible to use one or a mixture of two or more selected from the group consisting of money, acetone, chloroform, dichloromethane, trichlorethylene, ethanol, methanol, isopropanol, propanol and hexane.

여기서, 본 발명에 따르면, 상기 용매는 디메틸아세트아마이드(Di-methylacetamide) 및 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 디메틸아세트아마이드 (DMAc)일 수 있다.According to the present invention, the solvent may include at least one selected from the group consisting of di-methylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. , And more preferably dimethylacetamide (DMAc).

한편, 본 발명은, 탄소분말 및 상기 탄소분말 상에 결합되고, 술폰화기가 도입된 금속산화물을 포함하는 탄소복합체;를 포함하는 탈염 탄소전극 및 이를 포함하는 탈염 장치를 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a desalination carbon electrode comprising a carbon powder and a carbon composite, which is bonded to the carbon powder and includes a metal oxide into which a sulfonated group is introduced, and a desalination apparatus comprising the same.

여기서, 상기 술폰화기가 도입된 금속 산화물은 술폰화기를 포함하는 화합물과 금속산화물 간의 반응물일 수 있다.Here, the metal oxide into which the sulfonated group is introduced may be a reaction product between a compound containing a sulfonated group and a metal oxide.

이와 관련하여, 상기 탄소 및 상기 술폰화기가 도입된 금속 산화물인 술폰화된 금속 산화물에 대한 설명은 전술한 바와 같으므로, 중복되는 부분의 설명은 생략한다.In this connection, the description of the carbon and the sulfonated metal oxide, which is a metal oxide into which the sulfonated group is introduced, is as described above, so that the description of overlapping portions is omitted.

본 발명에 따르면, 상기 탈염 탄소전극을 포함하는 탈염 장치는 별도의 이온교환막을 포함하지 않는다. 따라서, 고가의 이온교환막을 사용하지 않고도 술폰화기를 사용하여 술폰화된 금속 산화물로 탄소 표면을 개질시킴으로써, 이온교환능력을 향상시킬 수 있게 된다. According to the present invention, the desalination apparatus including the desalination carbon electrode does not include a separate ion exchange membrane. Therefore, the ion exchange ability can be improved by modifying the carbon surface with the sulfonated metal oxide by using a sulfonated group without using an expensive ion exchange membrane.

이와 관련하여, 도 20에는 TiO2/ACP 0.75에 Tiron 기능기를 붙인 전극의 EIS 측정 결과를 나타내며, 도 20(b)에서 확인되는 바와 같이, 이온 교환막을 부착시킨 경우보다 Tiron 기능기를 붙인 코팅된 탄소전극이 저항면에서 더 우수한 것을 알 수 있다.In this connection, FIG. 20 shows the EIS measurement result of the electrode having TiO 2 / ACP 0.75 attached with the Tiron functional group. As shown in FIG. 20 (b), the coated carbon coated with the Tiron functional group It can be seen that the electrode is more excellent in resistance.

또한, 본 발명에 따르면, 탄소분말; 및 상기 탄소분말 상에 결합되고, 술폰화기가 도입된 금속산화물;을 포함하는 탈염 탄소전극용 이온선택성 탄소복합체를 포함한다.Further, according to the present invention, carbon powder; And a metal oxide bonded to the carbon powder and having a sulfonated group introduced thereinto, and an ion selective carbon composite material for a desalted carbon electrode.

또한, 상기 탈염 탄소전극용 이온선택성 탄소복합체는 상술한 탈염 탄소전극의 제조공정중 제조되는 제2탄소복합체일 수 있고, 이에 따라서 상술한 (1) 단계 및 (2) 단계를 통해 제조될 수 있다.The ion-selective carbon composite material for desalted carbon electrode may be a second carbon composite material produced during the production of the desalted carbon electrode, and may be prepared through the steps (1) and (2) described above .

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are intended to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

[실시예] [Example]

<실시예 1> ACP 표면에 TiO2 코팅<Example 1> TiO 2 coating on the surface of ACP

먼저, 활성 탄소 분말(Activated Carbon powder: ACP)에 TiO2를 코팅하기 위해 기본 베이스(Base)로 ACP(Activated carbon powder) 10 g, 에탄올 200 ml를 넣었다. 다음으로 ACP(Activated carbon powder)에 TiO2가 코팅되는 최적점을 찾기 위해 TiO2 전구체 물질인 TTIP(Titanium(IV) isopropoxide)의 양을 변경해 주면서 첨가하였는데, 이 때의 TTIP 조성표를 하기 표 1에 나타내었다.First, 10 g of ACP (activated carbon powder) and 200 ml of ethanol were added as a base to coat TiO 2 on activated carbon powder (ACP). Next, in order to find the optimum point for TiO 2 coating on ACP (Activated Carbon Powder), TiO 2 The amount of TTIP (Titanium (IV) isopropoxide), which is a precursor material, was added while changing the amount of TTIP.

구분division Sample nameSample name ACPACP EtOHEtOH TTIPTTIP Theoretical TiO2 Theoretical TiO 2 [g][g] [mmol][mmol] [g][g] [mmol/g-C][mmol / g-C] 실시예 1Example 1 TiO2 0.75TiO 2 0.75 1010 200200 2.292.29 0.750.75 실시예 1-1Example 1-1 TiO2 1.00TiO 2 1.00 1010 200200 3.053.05 1.001.00 실시예 1-2Examples 1-2 TiO2 1.25TiO 2 1.25 1010 200200 3.823.82 1.251.25

상기 표 1의 조성에 따라 각 시료를 넣어주고 1시간 동안 교반해 주었다. 그 다음 산 분위기를 만들기 위해 HCl 10 ml를 추가로 첨가하고 45℃에서 24시간 동안 교반하였다. 마지막으로 코팅된 탄소를 얻기 위해 로터리를 이용한 감압 여과를 하고 40℃ 오븐에서 하루 건조하는 과정을 통하여 TiO2/ACP를 제조하였다. 이러한 과정을 하기의 도 2에 나타내었다.Each sample was put in accordance with the composition of Table 1 and stirred for 1 hour. 10 ml of HCl was then added to make the acid atmosphere and stirred at 45 &lt; 0 &gt; C for 24 hours. Finally, to obtain coated carbon, TiO 2 / ACP was prepared by vacuum filtration using a rotary and drying in a 40 ° C oven overnight. This process is shown in Fig. 2 below.

<실시예 1-1~1-2> ACP 표면에 TiO2 코팅<Example 1-1 ~ 1-2> TiO 2 coating on the surface of ACP

상기 표 1로 조성비를 변경한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 활성 탄소 분말(Activated Carbon powder: ACP)에 TiO2를 코팅을 수행하였다.Activated carbon powder (ACP) was coated with TiO 2 in the same manner as in Example 1 except that the composition ratio was changed to the above Table 1.

<실시예 2> Tiron을 이용한 TiO2/ACP 표면 개질&Lt; Example 2 > Surface modification of TiO2 / ACP using Tiron

실시예 1에서 제조된 TiO2/ACP에 Tiron 기능기를 붙이기 위해 먼저, 증류수에 HCl을 첨가하여 pH 2인 용액을 500 ml제조하였다. 다음으로 TiO2/ACP를 5 g기준으로 하여 pH 2인 용액 200 mL와 섞어 2 시간 동안 초음파 분산을 시켰다. 남은 pH 2인 용액 300ml는 중량% 비율에 따라 Tiron 분말을 넣고 용해될 때까지 교반시켰다. 이때의 중량% 조성표를 하기 표 2에 나타내었다.In order to attach the Tiron functional group to the TiO 2 / ACP prepared in Example 1, 500 ml of a solution having a pH of 2 was prepared by adding HCl to distilled water. Next, TiO 2 / ACP (5 g) was mixed with 200 mL of a solution of pH 2 and ultrasonically dispersed for 2 hours. The remaining 300 ml of the solution having a pH of 2 was added with Tiron powder according to the weight% ratio and stirred until it dissolved. The weight% compositional table at this time is shown in Table 2 below.

구분division Sample nameSample name Tiron/carbonTiron / carbon [wt. ratio][wt. ratio] TironTiron pH 2 solutionpH 2 solution [wt. ratio][wt. ratio] [g][g] [ml][ml] 실시예 2Example 2 Tiron 0.10Tiron 0.10 0.100.10 55 0.500.50 500500 실시예 3Example 3 Tiron 0.30Tiron 0.30 0.300.30 55 1.501.50 500500 실시예 4Example 4 Tiron 0.50Tiron 0.50 0.500.50 55 2.502.50 500500 실시예 5Example 5 Tiron 0.70Tiron 0.70 0.700.70 55 3.503.50 500500

다음으로 pH 2인 용액에서 분산된 TiO2/ACP와 Tiron을 서로 섞어 30분 이상 교반하였다. 그 후 교반된 용액을 감압 여과 장치에 넣고 pH 7이 될 때까지 증류수로 세척해준 뒤, 얻어진 분말을 오븐에 넣고 40℃에서 건조하였다. 이러한 과정은 하기의 도 3 에 개략적으로 나타내었다.Next, TiO 2 / ACP and Tiron dispersed in a solution of pH 2 were mixed with each other and stirred for 30 minutes or more. The stirred solution was then poured into a vacuum filtration apparatus, washed with distilled water until the pH reached 7, and the obtained powder was placed in an oven and dried at 40 ° C. This process is schematically shown in FIG. 3 below.

<실시예 3~5> 탄소전극 제조Examples 3 to 5 Carbon electrode fabrication

상기 표 2와 같이 조성비를 변경한 점을 제외하고, 실시예 2와 동일하게 Tiron을 이용한 TiO2/ACP 표면 개질을 수행하였다.TiO 2 / ACP surface modification using Tiron was performed in the same manner as in Example 2, except that the composition ratio was changed as shown in Table 2.

<실시예 6> 탄소전극 제조&Lt; Example 6 > Carbon electrode fabrication

활성 탄소 분말(ACP)과 TiO2/ACP, TiO2/ACP + Tiron 분말을 이용하여 탄소 전극을 제조하기 위해 먼저, DMAc와 폴리비닐리덴(Poly vinylidene)을 9:1의 중량비로 하루 동안 교반하여 바인더(Binder)인 10% PvdF를 만들어 주었다. 각각의 ACP, TiO2/ACP, TiO2/ACP + Tiron 분말을 3 g기준으로 용매인 DMAc 3.33 g, 바인더인 PvdF 4.6 g을 첨가하여 원심 혼합기(Centrifugal mixer)을 사용하여 2000 RPM에서 15분간 혼합하여 탄소 전극에 전압을 가하더라도 풀어지지 않는 슬러리(Slurry)를 제조 하였다. To prepare a carbon electrode using activated carbon powder (ACP), TiO 2 / ACP, and TiO 2 / ACP + Tiron powder, DMAc and polyvinylidene were first stirred at a weight ratio of 9: 1 for one day I made 10% PvdF which is a binder. 3.33 g of DMAc as a solvent and 4.6 g of a binder PvdF were added to each ACP, TiO 2 / ACP, and TiO 2 / ACP + Tiron powder on the basis of 3 g, and mixed using a Centrifugal mixer at 2000 RPM for 15 minutes Thereby producing a slurry which was not loosened even when a voltage was applied to the carbon electrode.

이렇게 제조된 슬러리를 그래파이트(graphite) 위에 적정량 올리고 닥터 블레이드(Doctor blade) 300 ㎛를 이용하여 캐스팅(Casting) 한 후에 오븐에서 DAMc가 충분히 증발할 수 있도록 2시간 동안 건조시켰다. 이렇게 건조된 후에 제조된 순수한 탄소 전극의 두께는 측정결과 약 140 ~ 150 ㎛로 측정 되었다.The slurry thus prepared was loaded on graphite in an appropriate amount and casted using a doctor blade of 300 占 퐉, followed by drying for 2 hours so that DAMc could be sufficiently evaporated in an oven. The thickness of the pure carbon electrode prepared after drying was measured to be about 140 to 150 탆.

[실험예 1] 표면 기능기 평가[Experimental Example 1] Evaluation of surface functional groups

1. 이온교환능력(IEC) 평가1. Evaluation of ion exchange capacity (IEC)

TiO2/ACP 및 Tiron의 이온교환능력을 평가하기 위하여, 먼저 세 개의 바이알에 각각 0.5 g씩 제조된 TiO2/ACP + Tiron를 넣고 1.0 M HCl용액에 하루 동안 보관하였다. 이때 HCl 용액의 H+이 기능기에 붙어 H-form 형태로 바뀌게 되며, 붙지 않은 용액을 제거하기 위해 pH가 7이 될 때까지 증류수로 세척해주었다. 다음으로 각각 30 ml씩 0.1 M NaOH용액에 하루 동안 보관하여 H-form이 교환되도록 해주고, 용액을 여과하여 20 ml를 분취한 뒤 지시약인 페놀프탈레인을 넣고 0.1 M HCl용액으로 중성이 될 때까지 적정해 주었다. 이 과정은 도 4에 나타나 있다.To evaluate the ion exchange capacity of TiO 2 / ACP and Tiron, TiO 2 / ACP + Tiron, 0.5 g each, was added to three vials and stored in 1.0 M HCl solution for one day. At this time, the H + of the HCl solution was attached to the functional group and changed into the H-form, and the solution was washed with distilled water until the pH became 7 to remove the unfixed solution. Next, 30 ml of each solution is stored in 0.1 M NaOH solution for one day to allow the H-form to be exchanged. The solution is filtered to collect 20 ml. Add the indicator phenolphthalein and titrate with 0.1 M HCl until neutral gave. This process is shown in FIG.

2. TGA (Thermal gravity analysis) 평가2. Evaluation of thermal gravity analysis (TGA)

TGA는 온도에 따른 무게를 측정하는 분석으로 ACP에 코팅된 TiO2의 양을 정량분석하기 위해 실시하였다. 따라서 air분위기에서 온도를 1분에 10 ℃씩 0 ℃부터 800 ℃로 증가시켰으며, 유량을 30 ml/min으로 흘려주어 제조된 분말의 ACP를 연소시켰다.TGA was performed to quantitatively analyze the amount of TiO 2 coated on the ACP by analyzing the weight with temperature. Therefore, the temperature was increased from 0 ° C to 800 ° C in air at 10 ° C for 1 minute, and the ACP of the powder was burned by flowing the flow rate at 30 ml / min.

3. TEM/Elementary mapping/EDS 평가3. TEM / Elementary mapping / EDS evaluation

TEM은 시료를 통과한 전자 빔을 모아서 영상을 만들어 주는 기법으로, ACP에 어떤 형태로 코팅이 되었는지를 보기 위해 측정하였으며, Elementary mapping은 제조된 분말의 원소들이 ACP에 고르게 분포되었는지를 확인하기 위하여 측정되었고, EDS는 제조된 분말의 정량분석을 위해 측정되었다.TEM is a technique for collecting electron beams passing through a sample to form an image. It was measured to see what kind of coating was formed on ACP. Elementary mapping was performed to check whether the elements of powder were uniformly distributed in ACP And EDS was measured for quantitative analysis of the powder produced.

4. CV(Cyclic Voltammetry) 평가4. Evaluation of CV (Cyclic Voltammetry)

Cyclic Voltammetry (이하 CV)는 순환 전압 전류법으로도 불리며, 전기화학적 특성을 분석하는데 사용된다. 전극반응이 일어나는 Working electrode에 일정속도로 -0.5 V부터 0.5 V까지 전압을 주사하면 potential energy를 변화시키는데, 이에 따라 용액 중에 녹아있는 시료가 산화, 환원 된다. 초기전위에서 전위를 정방향으로 주사하고, 변환전위에서 전위를 역방향으로 주사하면 한번의 순환을 완성하게 되며 시간에 따른 Current를 도 4에 나타내었다.Cyclic Voltammetry (CV), also called cyclic voltammetry, is used to analyze electrochemical properties. When a voltage of -0.5 V to 0.5 V is applied to the working electrode at a constant rate, the potential energy is changed, thereby oxidizing and reducing the sample dissolved in the solution. When the potential is scanned in the forward direction at the initial potential and the potential is reversely scanned at the conversion potential, one cycle is completed and the current with time is shown in FIG.

도 4에서, Potential의 오른쪽은 양극, 왼쪽은 음극을 나타내며 양극에서는 음이온의 흡착, 탈착 과정이 일어나고 음극에서는 양이온의 흡착, 탈착 과정이 일어난다. 이상적인 CV그래프는 흡착, 탈착 과정이 짧은 시간 사이에 일어나 직사각형의 모양을 나타내지만 실제 측정에서는 구리전극의 산화나 저항에 의해 양쪽이 대칭을 이루는 곡선을 나타내게 된다. 본 실험에서는 Scan rate를 5, 10, 20, 40, 80, 100, 120 mV로 바꾸어 가며 각각 5 Cycle씩 실험하였다.In FIG. 4, the right side of the potential indicates an anode, and the left side indicates a cathode. Anion adsorption and desorption processes occur at the anode, and adsorption and desorption processes occur at the cathode. In the ideal CV graph, the adsorption and desorption processes occur within a short time and show the shape of a rectangle. In actual measurement, however, both sides exhibit a symmetrical curve due to oxidation or resistance of the copper electrode. In this experiment, the scan rate was changed to 5, 10, 20, 40, 80, 100, and 120 mV, and each cycle was experimented with 5 cycles.

5. Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) 평가5. Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) Evaluation

임피던스 분광법이라고도 불리는Electrical Impedance Spectroscopy(이하 EIS)는 정전용량을 알아보기 위한 분석방법으로, 이는 주파수가 다른 미소한 교류신호를 셀에 부여하여 파수를 변화시켜 전극의 저항을 측정하는 분석장치이다. 본 실험에서는 파수를 0.01 ~ 500Hz까지 변화시켜주었고, -0.2, 0, 0.2 V일 때의 저항을 측정하였다.Electrical Impedance Spectroscopy (EIS), also referred to as impedance spectroscopy, is an analytical method for evaluating capacitance. It is an analyzer that measures the resistance of an electrode by applying a minute AC signal having different frequencies to a cell to change the wave number. In this experiment, the wave number was varied from 0.01 to 500 Hz, and the resistance at -0.2, 0, and 0.2 V was measured.

6. 풀셀(Full cell (CDI, MCDI)) 평가6. Evaluation of Full Cell (CDI, MCDI)

풀셀(Full cell) 평가는 탄소 전극에 전위를 인가하여 이온을 흡착, 탈착시키는 것으로 300초의 안정화 시간을 거친 뒤에 1.0 V에서 흡착 전위를 360초 인가하고 0V에서 탈착 전위를 360초 인가하는 조건으로 전기 전도도를 측정하였다. 전기 전도도는 현재 이온의 농도를 나타내는 지표가 되는 것으로 흡착시에는 전극에 이온이 붙어 전도도가 감소하며, 탈착시에는 전극에 붙어있던 이온이 떨어져 나와 전도도가 증가하게 된다. 본 실험은 Batch 형식으로 200 ml NaCl 용액이 순환되도록 설계하였으며, 50 ml/min의 속도로 탄소 전극에 NaCl 용액을 흘려주었을 때, 탄소 전극을 나오는 용액의 전도도가 측정되어 전극에 이온이 얼마나 흡착, 탈착되었는지 알 수 있게 해준다. 이때 NaCl의 농도를 400, 500, 600 ppm으로 변경하여 농도에 따른 흡착효율을 보고자 하였다. 각각 6 Cycel씩 측정되었으며, 도 5에는 실험에서 사용된 셀 조립 구조를 나타내었고 도 6에는 실험의 공정도를 나타내었다.Full cell evaluation was performed by applying a potential to a carbon electrode to adsorb and desorb ions. After a stabilization time of 300 seconds, the adsorption potential at 1.0 V was applied for 360 seconds and the desorption potential was applied at 0 V for 360 seconds. Conductivity was measured. The electrical conductivity is an indicator of the current ion concentration. When adsorbed, the ions are attached to the electrode and the conductivity decreases. At the time of desorption, the ions attached to the electrode are separated and the conductivity is increased. This experiment was designed to circulate a 200 ml NaCl solution in a batch format. When the NaCl solution was flowed to the carbon electrode at a rate of 50 ml / min, the conductivity of the solution exiting the carbon electrode was measured, Allows you to see if it has been removed. At this time, the concentration of NaCl was changed to 400, 500 and 600 ppm to investigate the adsorption efficiency depending on the concentration. Respectively. FIG. 5 shows the cell assembly structure used in the experiment, and FIG. 6 shows a flow chart of the experiment.

[실험예 2] 탄소복합전극의 경향[Experimental Example 2] Tendency of carbon composite electrode

1. 이온교환능력(IEC) 평가1. Evaluation of ion exchange capacity (IEC)

이온교환 능력 평가는 H-form이 g당 얼마나 교환되었는지를 나타내는 지표로 하기 식(1)을 이용하여 당량을 계산할 수 있다. 따라서 계산된 값을 하기의 표 3에 나타내었다. 당량이 크기 위해서는 적정에 사용되는 20 ml의 NaOH용액보다 적정에 사용되는 HCl용액이 적게 투입되면 되지만, 본 실험에서는 모든 변수에서 HCl용액의 양이 적게 들어간 것을 확인할 수 있었다.Ion exchange capacity evaluation is an indicator of how much the H-form has been exchanged per g, and can be calculated using Equation (1) below. The calculated values are shown in Table 3 below. In order to obtain the equivalent weight, the amount of HCl solution used for titration is lower than that of 20 ml NaOH solution used for titration. However, in this experiment, it was confirmed that the amount of HCl solution was small in all the parameters.

[식 (1)][Formula (1)

Figure 112017015298793-pat00001
Figure 112017015298793-pat00001

VNaOH : 적정에 사용된 NaOH 부피(ml)V NaOH : Volume of NaOH used in titration (ml)

NNaOH : NaOH 몰농도(M)N NaOH : NaOH molarity (M)

VHCl : 적정에 사용된 HCl 부피(ml)V HCl : HCl volume used in titration (ml)

NHCl : HCl 몰농도(M)N HCl : HCl molarity (M)

Sample
Name
Sample
Name
여과전 NaOH 용액 부피(ml)Volume of NaOH solution before filtration (ml) NaOH 용액 부피(ml)NaOH solution volume (ml) 샘플 중량(g)Sample weight (g) HCl 용액 부피(ml)HCl solution volume (ml) 이온교환능력(meq/g)Ion exchange capacity (meq / g)
Tiron 0.1Tiron 0.1 30.030.0 20.020.0 0.4780.478 12.912.9 2.2682.268 Tiron 0.3Tiron 0.3 30.030.0 20.020.0 0.4070.407 13.813.8 2.3202.320 Tiron 0.5Tiron 0.5 30.030.0 20.020.0 0.4250.425 13.613.6 2.2932.293 Tiron 0.7Tiron 0.7 30.030.0 20.020.0 0.4960.496 12.612.6 2.2772.277

상기 표 3을 이용하여 Tiron의 첨가량에 따른 당량을 하기의 도 8에 그래프로 나타내었다. 이를 참조하면, Tiron의 양이 증가하여도 당량은 일정한 것을 볼 수 있었다. 이는 Tiron의 양이 일정수준 이상이면 평형에 도달하기 때문이다. 따라서 본 실험에서는 충분한 과량으로 판단되는 Tiron 0.1로 분말을 제조하여 실험을 진행하였다.Using Equation (3), the equivalence according to the amount of thiron added is shown graphically in FIG. 8 below. As a result, it can be seen that even when the amount of thiron is increased, the equivalent amount is constant. This is because if the amount of Tiron exceeds a certain level, equilibrium is reached. Therefore, in this experiment, the powder was prepared with Tiron 0.1, which is considered to be an excessive amount, and the experiment was conducted.

2. FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) 분석2. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis

ACP에 TiO2와 Tiron의 결합 구조를 확인하기 위하여 scan 수 16, resolution 4 cm1, Wave number 4,000~1,000 cm-1의 범위에서 FT-IR 스펙트럼 분석을 하였다. 이에 따른 분석 결과를 하기의 도 8에 나타내었다. 이에 대한 결과를 살펴보면 3460 cm-1 및 1650 cm- 1근처에서 피크(peak)가 생성되는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 Ti와 OH에 의한 것으로 확인하였다. 본 실험에서는 1000~1500 cm-1 범위의 값[12]으로 나타나는 Tiron 기능기가 TiO2에 잘 붙었는지를 확인해 보고자 스펙트럼 분석을 한 것인데, 제조된 분말의 색이 너무 어두운 탓에 빛을 투과시키지 못해 이에 대한 측정 결과값은 얻을 수 없었다.FT-IR spectrum analysis was performed in the range of scan number 16, resolution 4 cm 1 , and wave number 4,000 ~ 1,000 cm -1 to confirm the binding structure of TiO 2 and Tiron in ACP. The analysis result is shown in FIG. 8 below. Thus for The results 3460 cm -1 and 1650 cm - was confirmed that that the peak (peak) generated in the vicinity of 1, which was found to be due to the Ti and OH. In this experiment, spectral analysis was performed to confirm that the TiO 2 functional group, which is represented by the value [12] in the range of 1000 ~ 1500 cm -1, adhered well to TiO 2. The color of the prepared powder was too dark to transmit the light The measurement results were not obtained.

3. TGA 분석3. TGA analysis

제조된 분말의 열분해 특성과 TiO2가 어느 정도 붙었는지를 알아보기 위하여 TGA를 측정하였다. 먼저, 하기의 도 9에 정전용량이 가장 높게 측정되었던 TiO2/ACP 0.75 분말의 열처리 전 측정결과를 그래프로 나타냈다.TGA was measured to investigate the pyrolysis characteristics and the degree of TiO 2 attached to the powder. First, FIG. 9 is a graph showing the measurement results of the TiO 2 / ACP 0.75 powder before the heat treatment, in which the capacitance was the highest measured.

또한, 다음으로 TiO2의 함량을 다르게 하고 질소 열처리를 했을 때의 TGA 측정 결과를 하기의 도 11에 나타내었다. (a)는 열처리 후의 TiO2/ACP 0.75로 분율에 대한 예시로 나타낸 것이며, 측정결과 ACP는 94.3983%이고, TiO2 잔류 분율은 5.0067%로 나타났다. 이를 하기 식(2)을 이용하여 계산하면 하기 표 4의 TiO2의 함량에 따른 데이터를 얻을 수 있는데, TiO2의 함량을 늘려줄수록 활성탄소 분말(ACP)의 분율이 감소하고, TiO2의 잔류 분율은 증가하는 것을 볼 수 있다. Next, the results of the TGA measurement when the content of TiO 2 is varied and the heat treatment by nitrogen is performed are shown in FIG. 11 below. (a) is an example of the fraction after TiO 2 / ACP 0.75 after heat treatment. As a result, the ACP was found to be 94.3983% and the residual fraction of TiO 2 was found to be 5.0067%. To when it calculated by the following formula (2) may obtain the data according to the content of TiO 2 of Table 4, more neulryeojul the content of TiO 2 reduced the fraction of activated carbon powder (ACP), and the residue of TiO 2 It can be seen that the fraction increases.

따라서, 하기의 표 4의 데이터를 이용하여 도 11(b)에 그래프로 나타내었는데, TiO2의 함량이 증가할수록 잔류하는 분율이 많아지는 것을 다시 한번 확인할 수 있었다. 즉, 하기의 표 4를 통해, 이론 담지량과 실제 측정 담지량을 비교한 결과 대체로 유사한 것을 확인 할 수 있었는데, 대부분의 측정 담지량이 이론 담지량 보다 조금 더 낮게 나타난 것을 알 수 있다.Therefore, as shown in the graph of FIG. 11 (b) using the data in the following Table 4, it can be confirmed once again that the remaining fraction increases as the content of TiO 2 increases. In other words, through the comparison of the theoretical loading and the actual measurement loading, it can be seen that a similar result can be obtained through Table 4, and it can be seen that most of the measured load is slightly lower than the theoretical loading.

[식(2)][Expression (2)]

Figure 112017015298793-pat00002
Figure 112017015298793-pat00002

χ : TiO2 중량(composition of TiO2)χ: TiO 2 weight (composition of TiO 2 )

Mω : TiO2 분자량(molecular weight of TiO2 (79.89 g/mol))Mω: TiO 2 molecular weight (molecular weight of TiO 2 (79.89 g / mol))

Y : ACP 중량(composition of ACP)Y: ACP weight (composition of ACP)

이론값(mmol/g-C)Theoretical values (mmol / g-C) 조성(중량%)Composition (% by weight) 측정값(mmol/g-C)Measured value (mmol / g-C) ACPACP TiO2 TiO 2 0.000.00 100.000100,000 0.0000.000 0.0000.000 0.750.75 94.39894.398 5.0075.007 0.6640.664 1.001.00 92.70892.708 6.6976.697 0.9040.904 1.251.25 90.06390.063 9.3439.343 1.2991.299

또한, TiO2/ACP + Tiron분말의 TGA 측정하여 도 11에 나타냈다. TiO2/ACP + Tiron의 TGA그래프는 기존의 TiO2/ACP와는 다른 그래프 경향을 볼 수 있다. 이러한 이유는 100 ℃에서 무게가 감소하는 것으로 보아 Tiron 기능기를 붙일 때 사용된 pH 2인 용액, 즉 H2O의 첨가에 따른 변화라고 판단 되었으며, 이를 제거하고 TGA를 측정한다면 잔류 분율이 더 높게 나타날 수 있을 것이라고 예측된다.Further, the TGA of the TiO 2 / ACP + Tiron powder was measured and shown in FIG. The TGA graph of TiO 2 / ACP + Tiron shows a tendency to be different from that of the conventional TiO 2 / ACP. The reason for this is considered to be the change due to the addition of the pH 2 solution, ie, H 2 O, which was used for attaching the Tiron functional group at 100 ° C. When the TGA was measured after removing it, the residual fraction was higher It is predicted that it will be possible.

4. TEM/Elementary mapping/EDS 분석4. TEM / Elementary mapping / EDS analysis

하기의 도 13(a)에는 TiO2/ACP의 분말에 대한 TEM 결과를 나타내었고, 도 13 (b)에는 TiO2/ACP + Tiron 분말의 TEM 결과를 나타내었다. 또한, 도 13 (c)과 도 13 (d)에는 TiO2/ACP, TiO2/ACP + Tiron 분말에 대한 Elementary mapping 결과를 나타내었으며, 도 13 (e) 및 도 13 (f)에는 TiO2/ACP, TiO2/ACP + Tiron 분말의 정량분석을 한 EDS 결과를 나타내었다. FIG. 13 (a) shows TEM results for TiO 2 / ACP powders, and FIG. 13 (b) shows TEM results for TiO 2 / ACP + Tiron powders. In addition, FIG. 13 (c) and Figure 13 (d), the TiO 2 / ACP, TiO 2 / ACP +, 13 exhibited a Elementary mapping results for Tiron powder (e) and 13 (f), the TiO 2 / ACP, and TiO 2 / ACP + Tiron powders.

도 13(a)를 보면 ACP표면을 TiO2가 둘러싼 형태로 코팅되어 있는 것을 볼 수 있으며, 도 13(b)를 통해 Tiron 기능기가 ACP를 둘러싼 TiO2위에 붙어있는 것을 두께에 따른 색의 정도 차이로 확인 할 수 있다. 마찬가지로 도 13(c) 및 도 13(d)를 통해서 ACP 상에 O, Ti가, O, Ti위에 S가 부분적으로 몰려있지 않고 고르게 분포되어 있는 것을 확인 함으로써 ACP에 코팅이 잘 된 것을 확인 할 수 있다. Figure 13 (a) to look to see that it is coated with the ACP surface to form a TiO 2 surrounding, and FIG. 13 (b) Tiron functional groups degree difference in color according to the thickness that is attached on the TiO 2 surrounding the ACP through a . 13 (c) and 13 (d), it is confirmed that O, Ti, O, and S on the ACP are not partially scattered and distributed evenly. have.

다음으로 도 13(e)와 도 13(f)를 살펴보면, S는 Tiron 기능기를 붙인 도 13(f)의 경우에만 측정되어 기능기가 붙은 것을 다시 한번 확인할 수 있으며, 중량%를 이용하여 Ti에 대한 정량분석을 한 결과 0.77 mmol/g-C로 첨가한 0.75 mmol/g-C와 유사함을 알 수 있다.13 (e) and FIG. 13 (f), S is measured only in the case of FIG. 13 (f) with the Tiron functional group, and it can be confirmed once again that the functional group is attached. Quantitative analysis showed that it was similar to 0.75 mmol / gC added at 0.77 mmol / gC.

5. CV(Cyclic Voltammetry) 평가 분석5. CV (Cyclic Voltammetry) Evaluation Analysis

ACP에 최적으로 코팅되는 TiO2의 양을 파악하기 위해서 TiO2의 양을 0.00, 0.75, 1.00, 1.25 mmol/g-C로 변화를 주어가며 CV를 측정하였다. 도 14에는 전압에 따라 측정된 전류에 순수한 탄소의 무게를 나누어준 값을 각각 그래프로 나타내었다. 상기 그래프 모두 속도가 빨라질수록 그래프의 기울기가 커지는 것을 확인 할 수 있는데, 이는 속도가 빨라짐에 따라 저항이 커지게 되고 이에 따라 흡착 및 탈착이 제대로 이루어지지 못해 생긴 현상이라고 판단되었다. 또한 -0.5 V 부터 0.5 V까지 전압에 따른 Current를 이용하여 코팅의 최적점을 찾을 수 있는 비정전용량을 구하였는데, 방법은 하기 식(3)에 나타내었다.To determine the optimum amount of TiO 2 to be coated on ACP, the amount of TiO 2 was measured at 0.00, 0.75, 1.00 and 1.25 mmol / gC, respectively. FIG. 14 is a graph showing a value obtained by dividing the weight of pure carbon by the current measured according to the voltage. It can be seen that the slope of the graph increases as the speed of the graph increases. As the speed increases, the resistance increases and it is determined that the phenomenon occurs due to poor adsorption and desorption. The noncircuitable capacity for finding the optimum point of the coating was obtained by using the current according to the voltage from -0.5 V to 0.5 V. The method is shown in the following equation (3).

[식(3)][Expression (3)]

Figure 112017015298793-pat00003
Figure 112017015298793-pat00003

C: 특정 정류C: Specific rectification

Ia: 애노드 전류Ia: anode current

Ic: 캐소드 전류Ic: cathode current

v: 주사속도v: scan speed

m: 카본중량m: Carbon weight

계산된 비정전용량의 경향을 더 잘 알아볼 수 있게 하기 위하여 각 Potential 별로 평균을 내어 도 15에 각각 나타내었다. 다음으로 도 16에는 -0.2, 0, 0.2 V에서의 Scan rate에 따른 비정전용량을 나타내었다. 이상적인 그래프는 속도와 상관없이 일정한 비정전용량을 가지는 것이나, 측정된 그래프 모두 속도가 증가함에 따라 비정전용량의 값이 작아지는 것을 확인 할 수 있다. In order to better understand the trend of the calculated non-volatile capacities, the average of each potential is shown in FIG. Next, FIG. 16 shows the non-discharging capacity according to the scan rate at -0.2, 0, and 0.2 V. FIG. The ideal graph has a constant non-linearity regardless of the speed, but it can be confirmed that the value of the non-linearity decreases as the speed of the measured graph increases.

따라서, 속도가 빨라짐에 따라 전극의 성능이 떨어진 것을 알 수 있었고, 이는 도 14의 그래프가 속도가 빨라질수록 기울기가 커지는 이유와 같다고 추측된다.Therefore, it can be seen that the performance of the electrode decreases as the speed increases, which is presumed to be the reason why the graph of FIG. 14 increases as the speed increases.

또, 도 17(a) 및 도 17(b)에는 Scan rate이 5 mV일때의 값이 나타나 있고, 도 17(c)에는 -0.2V에서의 Scan rate별 비정전용량을 비교하여 종합 그래프가 나타나 있다. 여기서, 도 17(b)을 참조하면, TiO2를 0.75 mmol/g-C만큼 첨가하여 ACP에 코팅하였을 때 정전용량이 가장 크게 측정되는 것을 알 수 있었다. 또한 TiO2의 양을 0.75 mmol/g-C 이상으로 첨가하였을 때는 정전용량이 감소한 것을 확인할 수 있었는데, 이는 과량의 양이 ACP에 코팅되어 분말 자체의 저항이 커졌기 때문이라고 판단된다. 따라서 본 실험에서는 충전하는데 성능이 가장 뛰어난 TiO2/ACP 0.75에 Tiron기능기를 붙이는 것이 효과적이라는 판단을 할 수 있었고, 도 17(c)에서 속도가 증가함에 따라 비정전용량이 작아지는 문제점을 Tiron 기능기를 붙임으로써 속도와는 무관하게 일정한 값을 가질 수 있을 것이라 판단된다.17 (a) and 17 (b) show values when the scan rate is 5 mV, and FIG. 17 (c) shows the integrated graph by comparing the non-discharge capacities by scan rate at -0.2 V . Referring to FIG. 17 (b), it was found that capacitance was the largest when ACP was coated with 0.75 mmol / gC of TiO 2 . When the amount of TiO 2 was more than 0.75 mmol / gC, it was confirmed that the capacitance was decreased because the excessive amount of the TiO 2 was coated on the ACP and the resistance of the powder itself was increased. Therefore, in this experiment, it was judged that it is effective to attach the Tiron functional group to TiO 2 / ACP 0.75 having the best performance for charging. In FIG. 17 (c), the problem that the non- It is judged that it is possible to have a constant value irrespective of the speed.

따라서, TiO2/ACP 0.75에 Tiron 기능기를 붙이고 측정한 결과가 도 18에 나타나 있다. 이때 순수한 ACP전극에 양이온 교환막을 덧댄 CV 측정 결과를 추가하여 비교하였으며, 도 18(a) 및 도 18(b)에는 Scan rate이 5 mV일 때의 값이 나타나 있고, 도 18(c)에는 -0.2V에서의 Scan rate별 비정전용량을 비교한 결과를 나타내었다.Thus, the result of measuring TiO 2 / ACP 0.75 with a Tiron functional group is shown in FIG. 18 (a) and 18 (b) show the values when the scan rate is 5 mV, and in FIG. 18 (c), the values obtained when the scan rate is 5 mV are shown. And the nonvolatile capacity by the scan rate at 0.2 V was compared.

여기서, 도 18(b)에 나타난 바와 같이, 음극에서의 정전용량이 양극에서의 값보다 크게 측정되는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 본 실험의 목적인 양이온 선택성을 갖는 전극에 적합하다고 판단할 수 있으며, 도 18(c)에서 나타난 바와 같이 Tiron 기능기를 붙인 결과 속도에 따른 비정전용량의 변화가 적어진 것을 확인할 수 있다. Here, as shown in Fig. 18 (b), it can be confirmed that the capacitance at the cathode is measured to be larger than the value at the anode. Therefore, it can be judged that the present invention is suitable for an electrode having a cation selectivity. As shown in FIG. 18 (c), it is confirmed that the change of the non-ionic capacity according to the speed is reduced by attaching the Tiron functional group.

즉, 빠른 속도일 때도 용액 속의 이온을 효과적으로 흡착, 탈착시킬 수 있으므로 실생활에 적용하는데 더 적합해 졌으며 TiO2만 코팅된 탄소 전극보다 Tiron 기능기를 붙인 것의 충전능력이 뛰어나다는 것을 확인 할 수 있다.In other words, it is more suitable for practical application because it can effectively adsorb and desorb ions in solution even at a high speed, and it can be confirmed that the charging ability of a TiO 2 coated carbon electrode is superior to that of a TiO 2 coated carbon electrode.

6. EIS 평가 분석6. EIS evaluation analysis

TiO2의 첨가량에 따른 EIS를 -0.2, 0, 0.2 V에서 측정하였다. 측정된 임피던스(Impedance)를 사용하여 비정전용량을 구하는 방법은 하기 식(4)에 나타내었다.The EIS was measured at -0.2, 0, and 0.2 V according to the addition amount of TiO 2 . The method of determining the non-discharging capacity using the measured impedance is shown in the following equation (4).

[식(4)][Expression (4)]

Figure 112017015298793-pat00004
Figure 112017015298793-pat00004

Cs: 특정 정전용량Cs: Specific capacitance

f: 진동수f: Frequency

Z": 충전저항(charging resistance)Z ": charging resistance

ω: 전극중량ω: electrode weight

상기 식(4)에 의한 값을 하기 도 19(c)에 그래프로 나타내었다. 도 19(a)는 순수한 측정 결과이며, 도 19(b)는 -0.2 V일 때 주파수를 0.01부터 500 Hz까지 변화시켜가면서 측정한 임피던스(Impedance)이다.The values according to the above formula (4) are shown graphically in Fig. 19 (c). FIG. 19 (a) is a pure measurement result, and FIG. 19 (b) is an impedance measured while changing the frequency from 0.01 to 500 Hz at -0.2 V. FIG.

여기서, 도 19(a)를 살펴보면, TiO2의 첨가량이 증가할수록 전류가 확산됨으로써 생기는 확산저항이 증가함을 알 수 있다. 도 19(b)를 살펴보면, 진동수 0.1 Hz를 기준으로 기울기가 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 저항이 크다는 뜻으로 그만큼 용액 속의 이온이 기공 사이로 충분히 들어가지 못한다는 것을 의미한다. Referring to FIG. 19 (a), it can be seen that as the amount of TiO 2 added increases, diffusion resistance caused by current diffusion increases. Referring to FIG. 19 (b), it can be seen that the slope increases sharply with respect to the frequency of 0.1 Hz. This means that the resistance is large, meaning that ions in the solution can not sufficiently enter between the pores.

즉, 진동수가 느릴수록 이온이 기공을 통해 멀리 통과할 수 있다. 도 19(c)를 보면 진동수 0.1 Hz를 기준으로 기울기가 완만해지는 경향을 볼 수 있으며, TiO2가 0.75 mmol/g-C 만큼 첨가되었을 때 정전용량이 가장 큰 것을 다시 한번 확인할 수 있다.That is, the slower the frequency, the more ions can pass through the pores. In FIG. 19 (c), the gradient tends to be gentle at a frequency of 0.1 Hz, and it can be confirmed once again that the capacitance is highest when TiO 2 is added by 0.75 mmol / gC.

또, 도 20에는 TiO2/ACP 0.75에 Tiron 기능기를 붙인 전극의 EIS 측정 결과가 나타나 있고, 이때 또한 순수한 ACP전극에 양이온 교환막을 덧댄 결과를 같이 비교한 그래프가 나타나 있다. 도 20(c)의 비정전용량은 상기 식(4)를 사용하여 계산되었다.20 shows the result of EIS measurement of a TiO 2 / ACP 0.75 electrode with a Tiron functional group, and also shows a graph comparing the result of adding a cation exchange membrane to a pure ACP electrode. The non-discharging capacity of Fig. 20 (c) was calculated using the above equation (4).

또한, 도 20(a)를 참조하면, Tiron 기능기를 붙였을 경우가 순수한 ACP에 양이온 교환막을 덧댄 경우보다 확산저항이 작게 측정된 것을 확인 할 수 있다. 또한, 도 20(b)에서도 Charging resistance의 값이 양이온 교환막을 덧댄 경우보다 작게 측정되는 것을 확인 할 수 있었다. Also, referring to FIG. 20 (a), it can be seen that when a Tiron functional group is attached, diffusion resistance is measured to be smaller than when a cation exchange membrane is applied to a pure ACP. 20 (b), it was confirmed that the value of the charging resistance was smaller than that of the cation exchange membrane.

따라서, 본 실험의 목적과 같이 성능은 유사하지만 이온 교환막을 부착한 경우보다 Tiron 기능기를 붙인 코팅된 탄소 전극이 저항면에서 더 우수한 것을 알 수 있다.Therefore, although the performance is similar to that of the present experiment, it can be seen that the coated carbon electrode coated with the Tiron functional group is more excellent in resistance than the ion exchange membrane.

7. 염 제거 효율 측정7. Measurement of salt removal efficiency

염 제거 효율을 알아보기 위해서 하기의 도 6의 형태를 갖는 셀 조립 구조를 사용하여 도 7의 실험 공정도에 따라 수행하였다. 여기서, NaCl 용액을 400, 500, 600 ppm으로 변화를 주었으며, 흡착, 탈착 시간을 각각 360초로 6 cycle로 측정한 모든 데이터를 도 21에 나타내었다. 흡착이 급격하게 이루어진 뒤 일정구간 값이 유지되었다가 다시 탈착이 급격하게 이루어진 뒤 유지되는 것을 볼 수 있는데, 이는 탄소 전극에 200 ml NaCl 용액이 50 ml/min으로 유입됨에 따라 240초면 비커에 담아져 있던 NaCl 용액이 모두 순환되어 일정 농도가 유지되기 때문이다. In order to investigate the salt removal efficiency, the cell assembly structure having the shape of FIG. 6 below was used in accordance with the experimental flow chart of FIG. Here, the NaCl solution was changed to 400, 500, and 600 ppm, and all the data obtained by measuring the adsorption and desorption times in six cycles of 360 seconds were shown in FIG. After the adsorption is abruptly performed, the value of the constant interval is maintained, and the desorption is abruptly maintained, and then it is maintained. The 200 ml NaCl solution is introduced into the carbon electrode at a rate of 50 ml / min. And the NaCl solution was circulated to maintain a constant concentration.

또한, 전도도의 값이 일정하지 못하고 흔들리는 것을 볼 수 있는데 이는 이상적인 Batch라면 용액 속의 모든 농도는 같다고 가정하지만, 실험에서는 위치에 따른 농도가 조금씩 다르므로 교반되면서 전도도가 흔들린 것이라고 판단된다.Also, it can be seen that the conductivity value is not constant and fluctuates because it is assumed that all concentrations in the solution are the same in an ideal batch, but in the experiment, the concentration is slightly different depending on the position.

또한, 도 22에는 6 Cycle 중 5번째 cycle만을 별도로 나타냈다. 도 22에서 보는 바와 같이 도 22(a) 및 도 22(b)의 데이터들은 모두 비슷한 경향성을 나타낸 것을 알 수 있다. In FIG. 22, only the fifth cycle of 6 cycles is shown separately. As shown in FIG. 22, the data of FIG. 22 (a) and FIG. 22 (b) all show a similar tendency.

따라서, 데이터를 파악하기 쉽도록 흡착과정만의 데이터를 하기의 도 23에 따로 나타내었다. 특히, 도 23(c)에서만 그래프가 경향성에 맞지 않는 것을 확인할 수 있는데, 그 중 Tiron + AEM + CEM의 데이터 값이 일정치 않은 것을 관찰할 수 있다. 이는 이온 교환막이 탄소 전극에 제대로 부착되지 않은 것과 이온의 농도가 가장 높은 600 ppm에서 AEM과 CEM을 탄소전극에 덧댐에 따라 전극과 이온간의 저항이 커져 생긴 결과라고 판단된다. Therefore, in order to easily grasp the data, the data of only the adsorption process is shown separately in FIG. 23 below. In particular, it can be seen that the graph does not fit the trend only in FIG. 23 (c), and it can be observed that the data value of Tiron + AEM + CEM is not constant. It is considered that the ion exchange membrane is not adhered to the carbon electrode and that the resistance between the electrode and the ion is increased as the AEM and CEM are added to the carbon electrode at the highest ion concentration of 600 ppm.

이와는 다르게 도 23(a) 및 도 23(b)의 자료는 모두 양이온 및 음이온 교환막을 덧대지 않은 Tiron일 때 즉, 제조된 TiO2/ACP + Tiron 전극과 ACP전극만으로 평가했을 때의 흡착 성능이 가장 뛰어난 것을 알 수 있다. 또한 이 때의 이온이 흡착되는 속도가 가장 빨랐는데, 이러한 이유는 TiO2/ACP + Tiron 전극이 양이온 선택성이 있기 때문인 것으로 추측된다. 따라서 Tiron의 성능을 더 높여주기 위해서는 양이온 교환막을 덧대야 하는데, 본 실험에서는 Tiron + AEM + CEM의 경우가 성능이 더 뛰어나지 않은 것으로 측정되었다.23 (a) and 23 (b), on the other hand, the adsorption performance of TiO 2 / ACP + Tiron electrode and ACP electrode alone, that is, Tiron without cation and anion exchange membrane, You can see the most outstanding. Also, the rate of ion adsorption was the fastest at this time, presumably because of the cation selectivity of the TiO 2 / ACP + Tiron electrode. Therefore, in order to improve the performance of Tiron, it is necessary to apply a cation exchange membrane. In this experiment, Tiron + AEM + CEM is not superior in performance.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예 및 실험예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예 및 실험예에 의해 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.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 the present invention, Various modifications and variations are possible.

Claims (14)

(1) 탄소분말의 표면 상에 결합된 금속 산화물을 포함하는 제 1 탄소복합체를 제조하는 단계;
(2) 상기 금속 산화물과 술폰화기를 포함하는 화합물을 반응시켜 상기 금속 산화물에 술폰화기가 도입된 제 2 탄소복합체를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 제 2 탄소복합체 및 바인더를 혼합하여 전극을 제조하는 단계;를 포함하는 탈염 탄소전극의 제조방법.
(1) preparing a first carbon composite material comprising a metal oxide bound on a surface of a carbon powder;
(2) reacting the metal oxide with a compound containing a sulfonate group to prepare a second carbon composite material having a sulfonated group introduced into the metal oxide; And
(3) mixing the second carbon composite material and the binder to prepare an electrode.
제 1 항에 있어서, 상기 탄소분말은 활성탄소 분말(activated carbon powder: ACP), 활성탄소, 에어로겔 카본, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 탄소전극의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the carbon powder comprises at least one selected from the group consisting of activated carbon powder (ACP), activated carbon, aerogel carbon, carbon nanotube and graphene A method of manufacturing a carbon electrode.
제 1 항에 있어서, 상기 탄소분말의 평균입경은 0.1 ~ 20 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 탈염 탄소전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the carbon powder has an average particle size of 0.1 to 20 탆.
제 1 항에 있어서, 상기 (1) 단계는,
상기 탄소분말의 표면을 히드록시기, 카르복실기 (COO-), 술폰산기(SO3 -) 및 인산기(PO3H-)로 이루어진 군에서 선택된 제 1 관능기로 개질시키는 단계; 및 개질된 탄소분말을 수화 반응된 금속 산화물의 전구체와 반응시키는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 탈염 탄소전극의 제조방법.

The method of claim 1, wherein the step (1)
Modifying the surface of the carbon powder with a first functional group selected from the group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group (COO - ), a sulfonic acid group (SO 3 - ) and a phosphoric acid group (PO 3 H - ); And reacting the modified carbon powder with a precursor of the hydrated metal oxide.

삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 (3)단계에 추가되는 용매는 디메틸아세트아마이드 (Di-methylacetamide), 및 N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 탄소전극의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the solvent added to step (3) is at least one selected from the group consisting of Di-methylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, And at least one selected from the group consisting of carbon black,
제 1 항에 있어서, 상기 탄소분말과 상기 금속 산화물은 1:0.01 ~ 1:0.2 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 탄소전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the carbon powder and the metal oxide are contained at a weight ratio of 1: 0.01 to 1: 0.2.
제 1 항에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride), 및 폴리테트라플르오루에틸렌(Polytetrafluoroethylene)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 탄소전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the binder comprises at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene. .
제 8 항에 있어서, 상기 금속 산화물과 상기 바인더는 1:0.05 ~ 1:0.3 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 탈염 탄소전극의 제조방법.
The method of claim 8, wherein the metal oxide and the binder are mixed at a weight ratio of 1: 0.05 to 1: 0.3.
제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화물은 이산화티타늄(TiO2), 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하고, 상기 술폰화기를 포함하는 화합물은 카테콜디술폰산나트륨(Tiron), 폴리(소디엄-4 스틸렌 설포네이트)(Poly(sodium-4 styrene sulfonate)), 설포네이티드 폴리(에테르 에테르 케톤)(Sulfonated Poly(ether ether ketone)) 및 설포석시닉산(Sulfosuccinic Acid (SSA))으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 탄소전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the metal oxide is titanium dioxide (TiO 2), silicon dioxide (SiO 2), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2) and aluminum oxide (Al 2 O 3) from the group consisting of selected Wherein the compound containing at least one sulfonate group is at least one selected from the group consisting of sodium catecholate sulfonate (Tiron), poly (sodium-4 styrene sulfonate) (poly (sodium styrene sulfonate)), sulfonated poly Wherein the electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of sulfonated poly (ether ether ketone) and sulfosuccinic acid (SSA).
탄소분말 및 상기 탄소분말의 표면 상에 결합되고, 술폰화기를 포함하는 화합물과의 반응물인 술폰화기가 도입된 금속 산화물을 포함하는 탄소복합체;를 포함하는 탈염 탄소전극.
A carbon composite comprising a carbon powder and a metal oxide which is bonded to the surface of the carbon powder and into which a sulfonated group is introduced as a reaction product with a compound containing a sulfonated group.
삭제delete 탄소분말; 및 상기 탄소분말의 표면 상에 결합되고, 술폰화기를 포함하는 화합물과의 반응물인 술폰화기가 도입된 금속 산화물;을 포함하는 탈염 탄소전극용 이온선택성 탄소복합체.
Carbon powder; And a metal oxide which is bonded on the surface of the carbon powder and into which a sulfonated group is introduced, which is a reactant with a compound containing a sulfonated group.
(1) 탄소분말의 표면 상에 결합된 금속 산화물을 포함하는 제 1 탄소복합체를 제조하는 단계; 및
(2) 상기 금속 산화물과 술폰화기를 포함하는 화합물을 반응시켜 상기 금속 산화물에 술폰화기가 도입된 제 2 탄소복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 탈염 탄소전극용 이온선택성 탄소복합체 제조방법.
(1) preparing a first carbon composite material comprising a metal oxide bound on a surface of a carbon powder; And
(2) reacting the metal oxide with a compound containing a sulfonate group to prepare a second carbon composite material having a sulfonated group introduced into the metal oxide.
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