KR101954141B1 - 전기 흡착모듈의 세정 제어장치 - Google Patents

Abstract

용수 공급부로부터 공급되는 용수에 포함된 이온성 오염물질을 전극에 흡착하고 흡착된 이온성 오염물질을 탈착하여 제거하는 전기 흡착모듈의 오염상태를 전기화학적 신호로 감지하여 측정하는 측정부와, 측정부에서 측정된 측정값과 기준값을 비교하여 전기 흡착모듈의 세정시기를 판단하고 판단 결과에 따라 전기 흡착모듈로 세정제를 공급하도록 세정제 공급유닛을 제어하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 흡착모듈의 세정 제어장치가 개시된다.

Description

전기 흡착모듈의 세정 제어장치{AN APPARATUS FOR CONTROLLING WASH OF CAPACITIVE DEIONIZATION MODULE}

본 발명은 전기 흡착모듈의 오염을 세정하기 위한 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용액 중에 포함된 용존 이온성 물질을 전극으로 흡착한 뒤 탈착하여 제거하는 전기흡착공정에 있어서 전극의 오염 정도를 확인하여 세정할 수 있도록 하는 전기 흡착모듈의 세정 제어장치에 관한 것이다.

현재 수용액 중의 이온성 물질을 제거하는 방법으로 이온교환수지를 이용한 이온교환법이 많이 사용되고 있다. 이 방법은 대부분의 이온성 물질들을 효과적으로 분리할 수 있지만 이온교환이 완료된 수지를 재생하는 과정에서 다량의 산, 염기, 또는 염의 폐액이 발생한다는 단점을 가지고 있다. 이외에도 역삼투막법, 전기투석법 등의 분리막 기술이 적용되고 있지만 막의 파울링으로 인한 처리 효율의 감소, 오염된 막의 세정, 주기적인 막의 교체 등과 같은 문제점을 안고 있다. 이러한 기존 탈염 기술들의 문제점을 해결하는 방법으로 전기이중층의 원리를 이용한 전기 흡착공정 기술(CDI ; Capacitive deionization)이 연구되고 있다.

전기 흡착공정 기술은 전극에 전위를 인가했을 때 전극 표면에 형성되는 전기이중층에서 전기적 인력에 의한 이온들의 흡착 반응을 이용하기 때문에 낮은 전극전위에서 작동하고 그 결과 에너지 소비량이 다른 탈염 기술에 비해 낮아 저 에너지 소모형 차세대 탈염기술로 평가되고 있다.

그러나 이러한 전기흡착공정에 있어서도 처리대상 용액 상의 유기물이나 무기물에 의해 전극 또는 이온교환층이 오염되어 성능저하가 발생될 수 있다. 이에 따라 주기적인 세정을 통한 재생을 필요로 하게 된다.

이러한 오염을 살펴보면, 음이온을 흡착하는 음이온교환층과 양극에서는 유기물에 의한 오염이, 양이온을 흡착하는 양이온교환층과 음극에서는 무기물에 의한 오염이 각각 두드러지게 일어나게 된다. 특히 무기물에 의한 양이온교환층과 음극의 오염은 물분해이상의 전압이 가해질 경우 무기물에 의한 스케일의 형성이 더욱 두드러지게 나타나게 된다.

일반적으로 이러한 오염물질은 화학적 세정에 의해 제거하는 방법이 주로 사용되는데, 특히 유기물의 오염은 알칼리용액으로의 세정이 이루어지고, 무기물에 대한 오염은 산성용액으로의 세정이 이루어지게 된다.

그러나 이러한 화학적 세정제를 현장에서 직접 주입하게 되면, 별도의 세정제를 보관하는 약품탱크 및 공급펌프 등의 구성이 필요하고, 약품보관에 따른 유지관리의 필요성 등의 문제점을 내포하고 있다. 특히 최근 화학물질관리법과 같은 법적, 제도적 관리의 필요성이 증대함에 따라 관리상 다양한 문제점을 가지고 있다.

또한, 전극 또는 이온교환층이 오염으로 인해 성능 저하가 발생하기 전에 세정제를 공급하여 세정작업을 해야 한다.

따라서, 전극 또는 이온교환층의 오염 정도를 정확하게 확인하여, 적절한 시점에 세정작업을 해 줌으로써, 용수에 포함된 오염물질의 흡착 및 탈착공정의 효율이 안정적으로 유지되고, 전극 또는 이온교환층의 성능이 저하되는 것을 방지할 필요성이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1410642호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전극 또는 이온교환층의 오염 정도를 정확하게 측정하여 세정 공정이 효과적으로 이루어질 수 있도록 개선된 전기 흡착모듈의 세정 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기 흡착모듈의 세정 제어장치는, 용수 공급부로부터 공급되는 용수에 포함된 이온성 오염물질을 전극에 흡착하고, 흡착된 이온성 오염물질을 탈착하여 제거하는 전기 흡착모듈의 오염상태를 전기화학적 신호로 감지하여 측정하는 측정부; 상기 측정부에서 측정된 측정값과 기준값을 비교하여 상기 전기 흡착모듈의 세정시기를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 전기 흡착모듈로 세정제를 공급하도록 세정제 공급유닛을 제어하는 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이로써, 전기 흡착모듈의 오염 정도를 용이하게 확인하여 세정시기를 정확하게 판단하여 실행할 수 있다.

여기서, 상기 측정부는, 상기 전기 흡착모듈의 양극과 음극의 전극에 대한 전기화학적 특성변화를 측정하는 제1측정부를 포함하는 것이 바람직하다. 이로써, 전극의 전기화학적 특성변화를 이용한 간단한 구성에 의해 세정시점을 정확하게 판단할 수 있다.

또한, 상기 측정부는, 상기 전기 흡착모듈의 용수 입구에서 유입측 용수의 전기화학적 특성을 측정하는 제2측정부; 및 상기 전기 흡착모듈의 용수 출구에서 유출측 용수의 전기화학적 특성을 특정하는 제3측정부; 중에서 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 제어유닛은, 상기 제2측정부 또는 제3측정부에서 측정된 데이터 또는 측정된 데이터의 변화를 이용하여 상기 제1측정부에서 측정된 측정값을 보정하여 상기 전기 흡착모듈의 세정여부를 결정하는 것이 좋다.

이때, 상기 제2측정부와 제3측정부에서 측정되는 전기화학적 특성신호는 용수의 전도도, ORP, pH 값 중에 적어도 하나 이상의 측정치를 나타낼 수 있다.

이로써, 복수의 측정인자를 가지고 상호 보완하여 측정데이터의 정확도를 향상시켜서 정확한 세정시점을 판단할 수 있다.

또한, 상기 전기 흡착모듈은, 용수 입구와 용수 출구를 가지는 모듈 본체와, 상기 모듈 본체의 내부에 서로 대향되게 배치되는 양극 전극 및 음극 전극을 포함하며, 상기 제1측정부는, 상기 용수 입구측이나 출구측 또는 흡착모듈 내부의 어느 한 지점에 배치되는 기준전극; 상기 기준 전극과 상기 음극 전극 사이의 전압을 측정하는 제1전압계;를 포함하여, 상기 제어유닛은 상기 제1전압계에서 측정된 전압을 설정값과 비교하여 세정동작 여부를 판단하여 세정을 수행하는 것이 좋다.

이때 제1전압계에 의한 음극 전극의 세정은 산성용액 세정제를 이용한 세정을 수행하는 것이 바람직하다.

이로써, 전기 흡착모듈에 간단한 구성으로 제1전압계를 설치하여 전기화학적 특성 신호의 측정을 통해 세정을 수행 할 수 있게 된다.

또한, 상기 제1측정부는, 상기 기준전극과 상기 양극 전극 사이의 전압을 측정하는 제2전압계를 더 포함하여, 상기 제어유닛은 상기 제1 및 제2전압계 각각에서 측정된 전압 중에서 적어도 어느 하나가 상기 설정값에 도달하면 세정 동작시점으로 판단하는 것이 바람직하다.

이때 상기 제1전압계의 이상신호에 따른 세정 동작은 산성 세정제를 이용한 세정을 수행하도록 하고, 상기 제2전압계의 이상신호에 따른 세정 동작은 알칼리 세정제를 통한 세정을 수행하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제어유닛은, 상기 제1전압계의 이상신호시에는 상기 전기 흡착모듈로 산성 세정제를 공급하여 세정동작을 수행하고, 상기 제2전압계의 이상신호시에는 상기 전기 흡착모듈로 알칼리 세정제를 공급하도록 제어하여 세정동작이 이루어지도록 제어하는 것이 바람직하다.

이로써, 복수의 전압계를 설치하여 측정값의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 음극 전극 및 양극 전극 어느 한쪽의 오염도가 높은 경우에도 세정이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 기준전극은 은-염화은 전극 또는 칼로멜 전극을 포함하는 것이 바람직하다. 이로써, 기준전극은 외부환경 등에 영향을 받지 않고 정확하게 측정할 수 있게 된다.

또한, 상기 제어유닛은 상기 제1측정부에서 측정된 전기화학적 특성치의 시간에 따른 기울기를 설정값과 비교하여 상기 전기 흡착유닛의 세정시점을 판단하는 것이 좋다.

이로써, 제1측정부에서 측정된 데이터를 다양한 설정값과 비교하여 보다 신뢰성 있게 세정시점을 확인할 수 있다.

본 발명에 의하면, 전기 흡착모듈의 오염 정도를 전기화학적 방법에 의해 측정하여 오염정도를 확인할 수 있다.

또한, 복수의 측정인자를 각각 측정하여 측정값을 보정함으로써, 전기 흡착모듈의 오염 정도를 더욱 정확하게 측정할 수 있다.

따라서, 전기 흡착모듈의 전극 또는 이온교환층의 성능이 저하되기 전에 세정할 수 있도록 제어할 수 있게 되어, 전기 흡착모듈을 이용한 용수 처리효율을 높이고, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

특히, 현장에서 세정제를 생성하여 공급하는 시스템에서는 세정 모드시 직접 세정제를 생성하거나, 필요한 양만큼만 적절히 생산해야 하므로 전기 흡착모듈의 오염 정도를 정확하게 측정하게 되면, 세정제의 생성 및 공급량을 보다 효율적으로 운영할 수 있게 되어, 체계적인 유지관리가 가능하고, 생산 및 저장 관리 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 전기 흡착모듈의 세정 제어장치가 적용된 전기 흡착 세정 시스템을 개략적으로 나타내 보인 블록 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기 흡착 세정시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전기 흡착모듈의 일예를 나타내 보인 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 전해모듈로서 전해조를 나타내 보인 도면이다.
도 5 내지 도 7 각각은 전해모듈의 다른 실시예들을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전기 흡착 세정시스템을 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 전기 흡착 세정시스템을 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 전기 흡착 세정시스템을 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전기 흡착모듈 세정 제어장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기 흡착모듈의 세정 제어장치를 자세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 흡착모듈의 세정 제어장치가 적용된 전기 흡착 세정시스템을 나타내 보인 개략적인 블록구성도이고, 도 2는 개략적인 시스템 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전기 흡착 세정시스템은, 용수 공급부(200)로부터 공급되는 용수에 포함된 이온성 오염물질을 흡착 및 탈착하여 제거하는 전기 흡착모듈(300), 상기 전기 흡착모듈(300)로 공급할 세정제를 생성하고 공급하는 세정제 생성 및 공급유닛(400) 및 전기 흡착모듈의 세정 제어장치(20)를 구비한다. 여기서 상기 전기 흡착모듈의 세정 제어장치(20)는 제어유닛(500), 측정부(600) 및 저장부(700)를 구비한다.

상기 용수 공급부(200)는 처리할 용수를 수용하는 용수 탱크(210)와, 용수탱크(210)의 용수를 전기 흡착유닛(300)으로 공급하는 용수 공급라인(220)과, 용수 공급라인(220)에 설치되는 가압펌프(230)를 구비한다. 용수 탱크(210)에는 수위센서(211)가 설치된다. 용수 공급라인(220)에는, 용수의 불순물을 필터링하는 여과기(240)가 가압펌프(230)의 하류에 설치될 수 있다. 또한, 용수 공급라인(220)에는 유량계(250)와 압력계(260)가 여과기(240)의 하류에 설치될 수 있다.

상기 용수탱크(210)에 저장된 용수는 폐수, 오수 등 수처리 대상이 되는 다양한 용수를 포함할 수 있다. 이러한 용수에는 제거해야 할 이온성 물질이 포함되어 있다. 이러한 구성의 용수 공급부(200)는 본 발명을 한정하는 것이 아니므로, 다양한 예가 가능하며, 더 이상의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 전기 흡착모듈(300)은 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈 본체(310)의 내부에 서로 마주하여 배치되는 양극 전극(320)과 음극 전극(330), 스페이서(340) 및 상기 각 전극(320)(330)으로 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(350)를 구비한다. 모듈 본체(310)에는 용수 유입구(311), 세정제 유입구(312), 처리수 배출구(313) 및 농축액 배출구(314)가 각각 구비되도록 구성될 수 있으나, 본 발명에서는 이러한 구성을 한정하지는 않는다. 즉, 모듈 본체(310)에 유입구와 배출구가 각각 하나씩 구성되고 외부 밸브 등의 수단을 통해 용수나 세정제 또는 처리수(생산수)나 농축액 등을 동일 라인을 공유하여 사용하도록 구성될 수도 있다. 본 발명의 상세한 설명에 있어서는 상기의 용수 유입구(311), 세정제 유입구(312), 처리수 배출구(313) 및 농축액 배출구(314)로 구성된 실시예를 이용하여 기술하고자 한다. 상기 양극 전극(320)과 음극 전극(330)은 복수가 구비되어 서로 교번되게 배치될 수 있다. 이 경우 복수의 양극 전극(320)은 양극 부스바(361)에 의해 서로 전기적으로 연결되고, 음극 전극(330)은 음극 부스바(363)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 이러한 양극 및 음극 전극(320)(330) 각각은 용수에 포함된 이온성 물질을 효과적으로 흡착할 수 있도록 다공성 탄소제로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 다공성 탄소제는 활성탄소, 카본 에어로젤, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF), 탄소섬유, 탄소종이 등의 재질일 수 있다.

상기 스페이서(340)는 양극 전극(320)과 음극 전극(330) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 스페이서(340)는 메쉬와 가스켓이 적층된 구조를 가질 수 있다. 메쉬와 가스켓을 포함하는 스페이서는 PE, PP, Nylon 등의 재질로 형성될 수 있다.

또한, 스페이서(340)와 전극(320,330) 사이에는 미도시된 이온교환층이 더 구비될 수도 있다.

상기 전원공급부(350)는 양극 전극(320)과 음극 전극(330) 각각에 직류전원을 공급하거나 단락한다.

이와 같이 상기 전원공급부(350)에서 모듈 본체(310)로 용수가 공급될 때 양극 전극(320) 및 음극 전극(330) 각각에 직류전원을 공급하게 되면, 용수에 포함된 이온성 물질이 정전기적 인력으로 인하여 전극과 반대 전하를 띤 이온이 전극(이온교환층 포함) 표면에 흡착되어 용수 중의 이온성 물질을 분리할 수 있다.

그리고 양극 전극(320)과 음극 전극(330)에 인가된 전하를 단락하거나, 반대 전하를 인가하면, 흡착된 이온들이 탈착이 되면서 전극(이온교환층 포함)을 재생할 수 있게 된다. 이러한 흡착 및 탈착 과정을 거치면서 용액의 이온성 물질을 제거하는 탈염 공정을 수행할 수 있다. 이때 상기의 흡착 공정과 탈착 공정은 전원공급부(350)의 동작을 제어하는 제어유닛(500)에 의해 그 주기와 기간, 시점 등이 결정되어 제어될 수 있다.

또한, 이온성물질이 제거된 용수는 생산수 저장조(270) 또는 생산수라인을 통해 저장되거나 사용처로 공급 또는 방류되게 된다. 반대로, 상기 탈착공정을 통해 전극에서 탈착된 이온성물질이 포함된 농축액은 농축액 배출구(314)를 통해 농축액으로 처리되거나 세정제 생성이 필요할 경우 세정제 생성 및 공급유닛(400)으로 이동된다.

상기 세정제 생성 및 공급유닛(400)은 바람직하게는 전기 흡착모듈(300)에서의 탈착 과정에서 발생되는 농축액을 이용하여 세정제(산성용액, 알칼리용액 포함)를 생성하고, 생성된 세정제를 세정공정을 위해 전기 흡착모듈(300)로 공급되도록 구성될 수 있다. 여기서, 세정제 생성 및 공급유닛(400)은 전해모듈을 포함할 수 있으며, 전해모듈의 제1실시예로는 도 4에 도시된 바와 같은 전해조(410)가 적용될 수 있다.

상기 전해조(410)는 양극 전극(411)과 음극 전극(412), 상기 두 전극(411)(412)을 사이에 두고 양극과 음극을 구획하는 격막(413)을 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 양극 전극(411)과 음극 전극(412) 각각으로 농축액이 동시에 공급될 수 있도록 농축액 공급라인이 연결될 수 있다.

또한, 양극 전극(411)에는 농축액이 공급되고, 음극 전극(412)에는 원수 또는 탈염이 이루어진 생산수가 공급될 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 양극 전극(411)이 위치한 구획에서는 양극전극반응을 통해 산성 용액이 생성된다. 그리고 음극 전극(412)이 위치한 영역에서는 음극전극반응을 통해 알칼리성 용액이 제조된다. 구체적인 전극반응은 아래와 같다.

양극 전극반응 : H₂O -> 2H⁺ + 1/2O₂(g) + 2e^-

음극 전극반응 : 2H₂O + 2e^- -> 2OH^- + H₂(g)

전체 반응 : H₂O + MX -> HX(양극 영역) + MOH(음극 영역)

우선 양극 전극(411)에서는 물(H₂O) 분해에 의해 산소(O₂)와 수소이온(H⁺)이 생성되는 전극반응이 이루어지고, 이때 양극에 공급되는 농축액의 이온성물질인 염(MX)과 만나 산성용액(HX)를 생성하게 되고, 염(MX) 용액의 양이온(M⁺)은 격막을 통해 음극 전극(412)이 위치한 영역으로 이동하게 되고, 음극 전극(412)에서 물(H₂O) 분해반응을 통해 생성되는 수소(H₂)와 수산화이온(OH^-) 중 수산화이온(OH^-)과 만나 알칼리용액(MOH)을 생성하게 된다.

이때 염(MX) 용액의 양이온(M⁺)은 Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ 등의 알카리금속 또는 알카리토금속 등 일 수 있고, 음이온(X^-)은 Cl^-, NO₃ ^-, CO₃ ^2-, SO₄ ^2-, PO₄ ^3- 등 일 수 있다.

또한, 상기와 같이 음극 전극반응에서 생성된 수소가스를 양극 전극(411)이 위치한 구획으로 공급하여 양극전극(411)에서 산성용액이 제조되도록 하는 것이 좋다(수소 양극 반응 : H₂ -> 2H⁺ + 2e^-). 이러한 수소 양극반응은 물분해 반응보다 더욱 낮은 전위에서 이루어질 수 있어 소비전력을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 부가적인 양극 반응에 의한 부반응들을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이를 위해 음극 전극반응으로 생성된 수소가스를 양극 구획으로 공급하기 위한 수소 가스 공급라인(415)이 더 구비된다.

이때 음극 전극반응을 통해 생성되는 수소가스와 알칼리용액을 분리하여 상기 수소 가스 공급라인(415)으로 수소 기체만을 공급하도록 별도의 기액분리수단(414)을 추가적으로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 기액분리수단(414)은 사이클론 분리기, 소수성분리막, 탱크 내의 자연 기체부상식 등 다양한 방식의 기액분리수단을 사용할 수 있으며 본 발명에서는 기액분리수단에 대하여 한정하지는 아니하고, 기액을 분리할 수 있는 수단이라면 어느 것이라도 적용할 수 있다.

또한, 양극 전극(411)은 수소가 투과할 수 있는 가스확산전극을 사용하는 것이 더욱 바람직하며, 이때 수소의 공급은 가스확산전극의 일측면을 통해 양극 전극의 반응면으로 투과시켜 직접 공급하도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 전해모듈로서 물분해전기투석조(420)가 적용될 수 있다. 상기 물분해전기투석조(420)는 양극 전극(421)과 음극 전극(422), 두 전극(421,422) 사이에 교대로 배치되는 양쪽성이온교환막(423)과 음이온교환막(424)이 교대로 배치된 구성을 가진다. 이러한 구성에 의하면, 음이온교환막(424)의 이온의 선택적 투과성과 양쪽성이온교환막(423)의 물분해특성을 이용하여 산성용액과 알칼리용액을 서로 다른 격실에서 생산할 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 세정제 생성 및 공급유닛(400)의 제3실시예에 따른 전해모듈로서 물분해전기투석조(430)가 적용될 수 있다. 상기 물분해전기투석조(430)는 양극 전극(431)과 음극 전극(432), 두 전극(431,432) 사이에 교대로 배치되는 양쪽성이온교환막(433)과 양이온교환막(434)을 구비한다. 이러한 구성에 의하면, 양이온교환막(434)의 이온의 선택적 투과성과 양쪽성이온교환막(433)의 물분해특성을 이용하여 산성용액과 알칼리용액을 서로 다른 격실에서 생산할 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 세정제 생성 및 공급유닛(400)의 제4실시예에 따른 전해모듈은 물분해전기투석조(440)가 적용될 수 있다. 상기 물분해전기투석조(440)는 양극 전극(441)과 음극 전극(442), 두 전극(441,442) 사이에 교번되게 배치되는 양쪽성이온교환막(443)과 양이온교환막(445) 및 음이온교환막(444)을 구비한다. 이러한 구성에 의하면, 양쪽성이온교환막(443)과 음이온교환막(444) 사이의 격실에서는 산성용액이 생성되고, 양쪽성이온교환막(443)과 양이온교환막(445) 사이의 격실에서는 알칼리용액이 생성된다.

상기의 도 5 내지 도 7에서 설명한 각각의 전해모듈에서의 공통적인 전기분해과정을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

물분해전기투석조(420,430,440)에서 양쪽성이온교환막(423,433,443)은 양극 전극(421,431,441) 측면으로는 음이온선택층이 대향하여 위치하고 있으며, 음극 전극(422,432,442) 측면으로는 양이온선택층이 대향하여 위치하게 된다. 이에 따라 양극과 음극에 직류전원이 공급되면 양쪽성이온교환막(423,433,443)에서는 내부의 물(H₂O)이 분해되어 양극 전극(421,431,441) 측면으로는 음이온선택층을 통해 수산화이온(OH^-)이 생성되어 나오게 되고, 음극 전극(422,432,442) 측면으로는 양이온선택층을 통해 수소이온(H⁺)이 생성되어 나오게 된다. 이때 농축액으로부터 공급되는 염(MX)과 만나 산성용액(HX)과 알칼리용액(MOH)을 생성하게 된다. 염(MX)을 포함한 농축액은 이온교환막의 일측면 격실로 공급되어 양이온교환막(434,445)을 통해서는 양이온(M⁺)을 투과시키고, 음이온교환막(424,444)을 통해서는 음이온(X^-)을 투과시켜 각각의 다른 격실에서 산성용액(HX)과 알칼리용액(MOH)을 생성하게 된다.

즉, 도 5에서는 염(MX)을 포함한 농축액이 음이온교환막(424)과 양쪽성이온교환막(423)의 음이온선택층과 인접한 격실로 공급되어 양쪽성이온교환막(423)의 음이온선택층으로 생성되어 나온 수산화이온(OH^-)과 염(MX)의 양이온(M⁺)이 만나 알칼리용액(MOH)을 생성하고, 염(MX)의 음이온(X^-)은 음이온교환막(424)을 통해 다른 격실로 이동하게 되고 다른 격실에서는 양쪽성이온교환막(423)의 양이온선택층을 통해 생성되어 나온 수소이온(H⁺)과 결합하여 산성용액(HX)을 생성되게 된다. 도 6에서는 염(MX)을 포함한 농축액이 양이온교환막(434)과 양쪽성이온교환막(433)의 양이온선택층과 인접한 격실로 공급되고, 도 7에서는 양이온교환막(445)와 음이온교환막(444)의 사이의 격실로 염(MX)을 포함한 농축액이 공급되어 상기 도 5의 상세한 설명과 같이 이온교환막의 선택성 투과성과 양쪽성이온교환막의 물분해특성에 따라 별도의 격실에서 산성용액(HX)과 알칼리용액(MOH)를 생성할 수 있게 된다.

각 전기분해과정에서 표시된 염(MX) 용액의 양이온(M⁺)은 Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ 등의 알카리금속 또는 알카리토금속 등 일 수 있고, 음이온(X^-)은 Cl^-, NO₃ ^-, CO₃ ^2-, SO₄ ^2-, PO₄ ^3- 등 일 수 있다.

한편, 상기와 같이 다양한 전해모듈(방법)에 의해 생성된 산성용액과 알칼리용액 즉, 세정제는 도 2와 같이 세정제 공급라인(402)을 통해 전기 흡착유닛(300)으로 공급되어 오염된 전극을 세정하는데 사용된다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 전기 흡착 세정시스템(100')에 따르면, 세정제 생성 및 공급유닛(400')에서 생성된 산성 세정제 및 알칼리 세정제 각각을 저장하는 세정제 저장조 즉, 양극조(403) 및 음극조(404)와, 양극조(403)와 음극조(404) 각각에 저장된 세정제를 세정제 공급라인(402)으로 펌핑하여 전기 흡착유닛(300)으로 공급하는 주입펌프들(405)을 더 구비할 수 있다. 이 경우 전기 흡착유닛(300)에서 나오는 농축액이 세정제 생성 및 공급유닛(400')으로 그대로 공급되어 전기분해에 의해 산성 및 알칼리성 용액을 생성하여 저장하게 된다.

또한, 양극조(403) 및 음극조(404) 각각에 저장된 산성 및 알칼리성 용액은 순환펌프들(406)로 순환하는 방식을 사용할 수도 있다. 이 경우 농축액은 양극조(403) 및 음극조(404) 각각으로 직접 공급되어 저장된 뒤, 전해모듈(410,420,430,440)을 동작시키고 순환펌프(406)로 농축액을 순환시키면서, 양극조(403) 및 음극조(404) 각각의 농축액을 산성용액과 알칼리용액으로 생성하여 저장할 수 있다.

이때, 양극조(403)와 음극조(404)로 각각 순환하는 순환펌프들(406)은 상기 세정제 공급라인(402)을 통해 전기 흡착유닛(300)으로 세정제를 주입하는 주입펌프들(405)과 별도로 구성하지 않고 단일 펌프들로 구성될 수 있다. 즉, 양극조(403)와 전해모듈(410,420,430,440)을 순환하는 순환펌프(406)와 양극조(403)에서 생산된 산성 세정제를 전기 흡착유닛(300)으로 공급하는 주입펌프(405)를 하나로 구성하고, 이 주입펌프의 후단에서 분지라인을 통해 전해모듈로의 순환라인과 산성용액 공급라인(403a)이 연결되어 각각의 밸브조작을 통해 순환 및 세정제 공급의 역할을 모두 수행할 수 있다. 음극조(404)의 순환과 알칼리 세정제의 공급도 동일한 방식으로 하나의 펌프를 통해 두 가지 역할을 수행할 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 순환방식은 산성 및 알칼리성 용액을 목표농도로 제조하기가 수월하며, 용액 내에 전기전도성과 전해모듈 내부에서 유동장을 원할히 이루어 전력소비량을 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 양극조(403)와 세정액 공급라인(402)을 연결하는 산성용액 공급라인(403a)에서 분기된 산성용액 배출라인(407a)은 농축액 공급라인(401)에서 분기된 농축액 배출라인(408)과 연결된다. 그리고 음극조(404)와 세정액 공급라인(402)을 연결하는 알칼리용액 공급라인(404a)에서 분기된 알칼리용액 배출라인(407b)은 상기 농축액 배출라인(408)과 연결된다. 상기 각각의 배출라인(407a,407b)에는 밸브가 설치된다.

이러한 구성에 의하면, 전기 흡착유닛(300)에 산성용액 세정제가 공급되어 세정이 수행될 경우에는, 세정을 완료한 산성용액 세정제는 농축액 배출라인(408)을 통해 배출되게 되고, 이때 세정제 저장조인 음극조(404)에서 알칼리용액이 상기 알칼리용액 배출라인(407b)을 통해 농축액 배출라인(408)으로 공급되어 전기 흡착유닛(300)에서 배출되는 세정 후의 산성용액과 혼합되어 중화처리 되도록 구성될 수 있다. 반대로, 전기 흡착유닛(300)에 알칼리용액이 공급되는 경우, 세정제 저장조인 양극조(403)에서 산성용액이 흡착유닛(300)에서 배출되는 용액과 혼합하여 중화되는 공정이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 전기 흡착 세정시스템(100")에 따르면, 세정제 생성 및 공급유닛(400")은 전기 흡착모듈(300)에서 배출되는 농축액을 저장하여 전해모듈(410,420,430,440)로 공급하는 농축액 저장조(409)를 더 구비하는데 특징이 있다.

상기 농축액 저장조(409)에 저장된 농축액은 필요시 제어유닛(500)의 제어신호에 따라 구동되는 농축액 주입펌프(407)에 의해 농축액 공급라인(401)을 통해 전해모듈(410,420,430,440)로 공급된다. 그러면, 전해모듈(410,420,430,440)에서 생성된 세정제는 세정제 공급라인(402)을 통해 산성세정제 또는 알칼리세정제를 선택적으로 전기 흡착모듈(300)로 공급되어 세정공정이 이루어지고, 세정공정 이후 배출되는 세정제는 상기의 상세한 설명과 마찬가지로 중화시켜 배출시키는 것이 바람직하다. 또한, 세정제는 농축액 저장조(409)에 회수되거나 별도의 배출라인을 통해 처리되도록 구성될 수 있다. 여기서 농축액 저장조(409)에도 수위센서와 농축액 배출구가 각각 설치될 수 있다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 전기 흡착 세정시스템(101)에 따르면, 세정제 생성 및 공급유닛(1400)은 전기 흡착유닛(300)에서 배출되는 농축액을 저장하는 농축액 저장조(409)와, 전해모듈(410,420,430,440)에서 생성되는 세정제를 저장하는 양극조(403) 및 음극조(404)를 함께 구비하는데 특징이 있다. 이러한 구성에 의하면, 농축액 저장조(409)에 저장되어 있는 농축액은 필요에 따라 제어유닛(500)에 의해 농축액 주입펌프(407)를 구동시켜서 전해모듈(410,420,430,440)로 공급한다. 그러면, 전해모듈(410,420,430,440)에서는 전기화학적 반응에 의해 산성 세정제 및 알칼리 세정제를 생성하여 양극조(403)와 음극조(404) 각각으로 공급하여 저장한다.

이때 농축액은 도 8의 설명과 같이 양극조(403)와 음극조(404)로 공급되도록 구성될 수 있으며, 양극조(403)와 음극조(404)에 공급된 농축액은 주입펌프(405)에 의해 각각 별도로 전해모듈(410,420,430,440)로 공급되게 구성하되, 생성되는 산성 및 알칼리성 용액은 전해모듈(410,420,430,440)과 양극조(403) 및 음극조(404)로 각각 순환시켜 생산하도록 구성될 수 있다. 이렇게 생성된 세정제는 세정제 공급라인(402)을 통해 산성세정제 또는 알칼리세정제를 선택적으로 전기 흡착모듈(300)로 공급되어 세정공정이 이루어지고, 세정공정 이후 배출되는 세정제는 상기의 상세한 설명과 마찬가지로 중화시켜 배출시키는 것이 바람직하다. 또한, 세정제는 농축액 저장조(409)에 회수되거나 별도의 배출라인을 통해 처리되도록 구성될 수 있다.

상기의 설명과 같이 도 2와 도 8 내지 도 10의 실시예에 따른 전기 흡착 세정시스템에 있어서, 생성된 산성 및 알칼리성 용액 중에서 하나의 용액(산성용액 또는 알칼리용액)이 제어유닛(500)에 의해 전기 흡착 모듈(300)을 세정하도록 구동제어 되고, 세정 후 배출되는 세정제는 사용되지 않은 또 다른 세정제와 혼합하여 중화처리 후 배출하는 것이 바람직하다. 즉, 제어유닛(500)의 신호를 통해 산성세정제를 사용한 세정을 수행할 경우에는 산성세정 후 배출되는 산성세정제에 농축액 저장조(409) 또는 별도의 라인상에서 산성세정제와 전해모듈(410,420,430,440)에서 동시에 생성된 알칼리세정제를 혼합하여 중화시켜 배출하도록 구성할 수 있다. 또한, 알칼리세정제를 사용한 세정을 수행할 경우에는 배출되는 알칼리세정제와 동시에 생성된 산성세정제를 농축액 저장조(409) 또는 별도의 라인상에서 혼합하여 중화시켜 배출되도록 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 사용 후 세정제를 중화처리하여 배출함으로 별도의 오염물질의 발생 없이 세정을 수행할 수 있게 된다.

상기 도 2와 도 8 내지 도 10의 실시예에 따른 전기 흡착 세정시스템의 설명에 있어서 모두 상기 흡착모듈에서 탈착과정 중 발생되는 농축액을 사용하여 산성 및 알칼라성 세정제를 제조하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 유입되는 원수용수 또는 탈염 후 생산된 생산수 또는 별도의 공급수를 이용하여 제조하여도 무방하다.

한편, 상기 제어유닛(500)은 전기 흡착모듈(300)의 양극 전극(320)과 음극 전극(330)의 오염물질의 세정을 위한 세정동작 시기를 상기 측정부(600)에서 측정된 정보를 근거로 하여 결정하여 동작 제어할 수 있다.

즉, 제어유닛(500)은 도 11에 도시된 바와 같이, 전기 흡착모듈(300)의 전기화학적 신호를 측정부(600)를 이용하여 측정하여 전극들(320,330)의 오염 정도를 확인할 수 있으며, 측정 정보를 저장부(700)에 저장된 설정값과 비교하여 세정동작 여부를 결정할 수 있다.

상기 측정부(600)는 제1측정부(610)와, 제2측정부(620) 및 제3측정부(630)를 구비한다.

상기 제1측정부(610)는 전기 흡착모듈(300)의 전극들(320,330)에 대한 전기화학적 특성 변화를 측정하기 위한 것이다. 이러한 전극의 전기화학적 특성치를 전압에 한정하여 구체적으로 살펴보면, 제1측정부(610)는 도 11에 도시된 바와 같이, 기준전극(611)과, 기준전극(611)과 음극 전극(330) 사이의 전압을 측정하는 제1전압계(613), 기준전극(611)과 양극 전극(320) 사이의 전압을 측정하는 제2전압계(615)를 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 기준전극(611)은 외부환경에 따라 변하지 않는 전극으로서, 바람직하게는 은-염화은 전극(Ag/AgCl in KCl), 칼로멜 전극(Hg/HgCl₂ in KCl)이 적용될 수 있다. 이러한 기준전극(611)은 전기 흡착모듈(300) 내부를 통과한 용액의 입구측이나 출구측 또는 흡착모듈 내부의 어느 한 지점에 배치될 수 있다.

상기 제1전압계(613)는 기준전극(611)과 음극 전극(330) 사이에서의 전압을 측정하도록 설치된다. 여기서 음극 전극(330)이 복수 배치된 경우에는 복수의 음극 전극(330)끼리 연결된 음극 부스바(363)와 기준전극(611) 사이의 전압을 제1전압계(613)에서 측정하도록 구성될 수 있다.

또한, 양극 전극(320)이 복수 설치된 경우, 복수의 양극 전극(320)끼리 연결하는 양극 부스바(361)를 설치하고, 양극 부스바(361)와 기준전극(611) 사이의 전압을 제2전압계(615)에서 측정하도록 구성될 수 있다.

상기와 같이 설치된 제1 및 제2전압계(613)(615) 각각에서는 전압을 측정하고, 측정된 측정값들은 제어유닛(500)으로 전달된다. 제어유닛(500)은 제1 및 제2전압계(613)(615)에서 측정된 전압 중에서 어느 하나라도 설정값(예를 들어 1.5V)에 도달하게 될 경우, 전극이 오염된 것으로 판단하여 세정동작을 진행하도록 제어할 수 있다. 이때 제1전압계의 이상신호에 따른 세정 동작은 산성 세정제를 이용한 세정을 수행하고, 제2전압계의 이상신호에 따른 세정 동작은 알칼리 세정제를 통한 세정을 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 제어유닛(500)은 제1 및 제2전압계(613)(615) 각각에서 측정되는 전압의 상승속도, 로그 스케일 전류에 대한 전압값 기울기 등을 설정값과 비교 판단하여 오염 여부를 판단하여 세정동작을 결정할 수도 있다.

이와 같이, 제1측정부(610)를 설치하여 기준전극(611)과 음극 전극(330) 및 양극 전극(320) 사이의 전압 변화값에 따라서 전극의 오염 정도를 판단하여 세정 여부를 결정함으로써, 전극들(320)(330)의 성능이 저하되기 전에 세정동작이 이루어지도록 할 수 있게 된다. 따라서 전기 흡착모듈(300)의 효율이 저하되지 않도록 효과적으로 유지관리 할 수 있게 된다.

또한, 상기 제1측정부(610)에서 측정된 측정값을 보정하여 측정의 정확도를 높일 수 있도록 상기 제2 및 제3측정부(620,630) 중에서 적어도 하나 이상이 더 구비되는 것이 바람직하다.

상기 제2측정부(620)는 전기 흡착모듈(300)의 용수가 유입되는 유입구의 라인 또는 전기 흡착모듈(300)의 내부의 용수 유입측에 설치되는 제1센서(621)를 구비한다. 제1센서(621)에서 감지된 전기화학적 특성신호는 제어유닛(500)으로 전달된다.

제어유닛(500)에서는 제1센서(621)에서 감지된 정보를 보정부(520)로 전달하고, 보정부(520)에서는 제1센서(621)에서 감지된 전기화학적 특성치를 반영하여 제1측정부(610)에서 측정된 측정값을 보정한다. 보정된 측정값은 제어부(510)로 전달되고, 제어부(510)는 보정된 측정값을 설정값과 비교하여 더욱 정확한 오염 정도를 확인하여 세정여부를 판단하게 된다.

또한, 상기 제3측정부(630)는 전기 흡착모듈(300)의 용수가 유출되는 유출구의 라인 또는 전기 흡착모듈(300)의 내부의 용수 유출측에 설치되는 제2센서(631)를 포함한다. 제2센서(631)는 전기 흡착모듈(300)에서 흡착을 통해 탈염된 생산수(처리수) 또는 탈착을 통해 배출되는 농축액의 전기화학적 특성신호를 감지하여 제어유닛(500)으로 전달한다. 보정부(520)는 제2센서(631)에서 감지된 정보를 통해 제1측정부(610)의 측정값을 보정하고, 보정된 정보는 제어부(510)를 통해 설정값과 비교하여 더욱 정확한 오염 정도를 확인하여 세정여부를 판단하게 된다.

여기서, 제2측정부(620)와 제3측정부(630)는 하나만으로 구성될 수 있고, 또는 두 측정부(620,630)를 모두 구성하여 유입과 유출의 정보와 그 변화값의 정보를 통해 제1측정부(620)를 보정하여 세정여부를 결정하도록 구성될 수도 있다.

이때, 제2측정부(620)와 제3측정부(630)에서 측정되는 전기화학 특성신호는 용수의 전도도, ORP, pH 등의 전기화학적 신호 값 중에 적어도 하나 이상의 측정값을 사용하도록 구성되어지는 것이 바람직하다.

또한, 도시하지는 않았으나, 상기 측정부(600)는 전기 흡착모듈(300)의 용액의 입구측과 배출측에서의 차압을 측정하기 위한 차압센서를 더 포함할 수도 있다.

이와 같이, 상기 측정부(600)는 제1측정부(610)와, 상술한 다수의 측정부(620,630) 중에서 적어도 2가지 이상을 적용하여, 서로 다른 복수의 측정인자를 근거로 하여 세정시기를 보다 정확하게 결정할 수도 있다. 이와 같이 상기 측정부(600)는 다양한 센서를 적용하여, 전기 흡착모듈(300) 내에서의 전기화학적 신호를 감지하고, 감지된 정보가 설정값에 도달할 경우에 제어유닛(500)은 전극이 오염된 것으로 판단하여, 세정제 생성 및 공급유닛(400)을 구동 제어하여 세정제를 전기 흡착모듈(300)로 공급하여 세정작업을 수행한다.

한편, 이상에서는 상기 세정제 생성 및 공급유닛(400)을 제어하여 세정제를 현장에서 생성하고, 공급하는 구성에 대해서 예를 들어 설명하였으나, 세정제를 현장에서 생성하지 않는 경우에도 본 발명이 동일하게 적용될 수 있음은 당연한 것으로 이해되어야 한다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

100,100',100",101..전기 흡착 세정시스템 200..용수 공급부
210..용수탱크 230..가압펌프
300..전기 흡착모듈 310..모듈 본체
320..양극 전극 330..음극 전극
340..스페이서 350..전원공급부
361..양극 부스바 363..음극 부스바
400,400',400",1400..세정제 생성 및 공급유닛 410..전해조
420,430,440..물분해전기투석조
500..제어유닛 600..측정부
610..제1측정부 620..제2측정부
630..제3측정부 611..기준전극
613..제1전압계 615..제2전압계
510..제어부 520..보정부
700..저장부

Claims (6)

1. 용수 공급부로부터 공급되는 용수에 포함된 이온성 오염물질을 전극에 흡착하고, 흡착된 이온성 오염물질을 탈착하여 제거하는 전기 흡착모듈의 오염상태를 전기화학적 신호로 감지하여 측정하는 측정부;
   상기 측정부에서 측정된 측정값과 기준값을 비교하여 상기 전기 흡착모듈의 세정시기를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 전기 흡착모듈로 세정제를 공급하도록 세정제 공급유닛을 제어하는 제어유닛;을 포함하고,
   상기 측정부는,
   상기 전기 흡착모듈의 양극과 음극의 전극에 대한 전기화학적 특성 변화를 측정하는 제1측정부; 상기 전기 흡착모듈의 용수 입구에서 유입측 용수의 전기화학적 특성을 측정하는 제2측정부; 및 상기 전기 흡착모듈의 용수 출구에서 유출측 용수의 전기화학적 특성을 측정하는 제3측정부;를 포함하고,
   상기 전기 흡착모듈은,
   용수 입구와 용수 출구를 가지는 모듈 본체와, 상기 모듈 본체의 내부에 서로 대향되게 배치되는 양극 전극 및 음극 전극을 포함하며,
   상기 제1측정부는,
   상기 흡착모듈 내부의 어느 한 지점에 배치되는 기준 전극;
   상기 기준 전극과 상기 음극 전극 사이의 전압을 측정하는 제1전압계;
   상기 기준 전극과 상기 양극 전극 사이의 전압을 측정하는 제2전압계;를 포함하여,
   상기 제어유닛은 상기 제1전압계와 상기 제2전압계에서 측정된 전압 중에서 어느 하나의 상승속도, 로그 스케일 전류에 대한 전압값 기울기가 설정값에 도달할 경우 세정동작을 진행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 흡착모듈의 세정 제어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어유닛은,
   상기 제2측정부 또는 제3측정부에서 측정된 데이터 또는 측정된 데이터의 변화를 이용하여 상기 제1측정부에서 측정된 측정값을 보정하여 상기 전기 흡착모듈의 세정 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 전기 흡착모듈의 세정 제어장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2측정부와 제3측정부에서 측정되는 전기화학적 특성신호는 용수의 전도도, ORP, pH 값 중에서 적어도 하나 이상의 측정치인 것을 특징으로 하는 전기 흡착모듈의 세정 제어장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 음극 전극과 양극 전극 각각은 복수 구비되며,
   상기 전기 흡착모듈은,
   상기 복수의 음극 전극들을 연결하는 음극 부스바 및 상기 복수의 양극 전극을 연결하는 양극 부스바를 더 포함하고,
   상기 제1전압계는 상기 기준전극과 상기 음극 부스바 사이의 전압을 측정하도록 연결되고, 상기 제2전압계는 상기 기준전극과 상기 양극 부스바 사이의 전압을 측정하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 흡착모듈의 세정 제어장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 기준전극은 은-염화은 전극 또는 칼로멜 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 흡착모듈의 세정 제어장치.
6. 삭제

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