KR101958734B1 - 이온교환막 재생 시스템 - Google Patents

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KR101958734B1
KR101958734B1 KR1020170152796A KR20170152796A KR101958734B1 KR 101958734 B1 KR101958734 B1 KR 101958734B1 KR 1020170152796 A KR1020170152796 A KR 1020170152796A KR 20170152796 A KR20170152796 A KR 20170152796A KR 101958734 B1 KR101958734 B1 KR 101958734B1
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exchange membrane
membrane
regeneration
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anion exchange
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KR1020170152796A
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박진수
김다은
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상명대학교 천안산학협력단
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Abstract

본 발명에 의한 이온교환막 재생 시스템은 전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극 셀;
전자를 받는 음극 용액을 포함하는 음극 셀; 및
양극 셀과 음극 셀 사이에 위치하며, 서로 교번하여 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막;을 포함하는 이온교환막 재생 시스템으로서,
각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하여 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 재생하여 장기간 높은 효율로 역전기투석 또는 전기투석을 수행할 수 있는 장점이 있다.

Description

이온교환막 재생 시스템{System for regeneration of ion exchange membrane}
본 발명은 염화나트륨을 이용하여 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 재생하는 이온교환막 재생 시스템에 관한 것이다.
현재 일상생활 및 산업체에서 이용하고 있는 에너지의 대부분은 화석연료 또는 화석연료를 이용하여 생산된 에너지이다. 그러나 이러한 화석연료는 한정된 매장량과 지구 온난화의 문제를 일으켜, 이를 대체하기 위한 다양한 에너지원에 대해 연구 개발이 수행되고 있다.
이러한 새로운 에너지원의 일종으로, 해수(염수) 및 담수의 염분차를 이용한 발전 방식이 주목받고 있다. 이러한 염분차를 이용한 발전은 압력지연삼투, 역전기투석, CDLE((Capacitive double layer expansion) 등이 있다. 이중 역전기투석 시스템은 양이온 및 음이온 교환막을 교차로 배열하고, 염수와 담수를 이온교환막 사이로 각각 흐르게 하는 방법을 이용한다. 상세하게는, 양이온 교환막으로 나트륨 이온이 이동하고, 음이온 교환막으로 염소 이온이 통과하여 염의 농도차이로 인해 이온의 전위차가 발생한다. 결과적으로 이온교환막의 양쪽에 위치하는 전극에서 산화·환원반응이 일어나 산화전극(Anode)에서 환원 전극(Cathod)로 전자가 이동하여 전기가 생성되고, 이온교환막은 고분자 지지체에 전하를 띤 작용기가 고정되어 고정전하 작용기와 다른 전하를 띤 이온들을 선택적으로 통과시켜 분리한다.
또한, 2012년 현재 세계 인구의 1/3이상은 음용수 부족으로 고통받고 있으며, 이러한 숫자는 2025년까지 거의 2배 이상으로 증가할 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 제조업과 화력발전, 국내사용 목적의 물 수요가 각각 400%, 140%, 130% 늘면서 2050년 글로벌 물 수요가 55% 정도 늘 것으로 전망되고 있다. 이를 해결할 수 있는 기술 중 하나가 상기 기술한 역전기투석 시스템과 동일한 스택 구조를 활용하지만 외부 전원을 통해 강제적으로 이온을 목적하는 곳으로 이동시켜 탈염하는 전기투석(Electrodialysis) 기술이다. 기존의 압력 기반 탈염 기술에 비해 오염의 정도가 적고 막의 수명도 길어 운전상의 장점을 가지고 있다.
하지만, 역전기투석 시스템 또는 전기투석 시스템의 경우, 오염을 유발하는 오염원의 대부분이 수용액 상에서 전하를 띠고 있다. 실제 역전기투석 또는 전기투석 시스템에서 발생하는 막 오염 현상의 영향인자는 주로 해수에 존재하는 마그네슘 이온 및 칼슘 이온 및 담수에 존재하는 각종 유기물질일 수 있다. 이러한 오염원은 전기적으로 전하를 띠고 있어 이온막의 전기적 저항을 증가시키고 전극 표면에 불용성 침전물을 형성함에 따라, 전극 성능을 저하시키고 막의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.
장기적으로 역전기투석 시스템 또는 전기투석 시스템을 이용하여 발전을 수행하고, 이온교환막의 교체 등과 같이 역전기투석 발전 또는 전기투석 탈염에 소요되는 유지비용을 현저히 저감하기 위하여, 이러한 막의 오염을 제거하고 오염을 관리하는 방법의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명의 목적은 간단한 방법으로 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 세정할 수 있는 이온교환막 재생 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 효율로 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 세정할 수 있는 이온교환막 재생 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극 셀;
전자를 받는 음극 용액을 포함하는 음극 셀; 및
양극 셀과 음극 셀 사이에 위치하며, 서로 교번하여 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막;을 포함하는 이온교환막 재생 시스템으로서,
각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하여 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 재생하는 이온교환막 재생 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서, 전력의 생산 시에는 상기 복수의 유로에 서로 독립적으로 담수 또는 해수가 유입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 상기 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생은, 염분차 발전의 경우 기 설정된 발전량 이하인 경우 또는 탈염 시스템에서 탈염량이 기 설정된 탈염량 이하인 경우 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 상기 염화나트륨 수용액의 농도는 제한이 없으나, 구체적으로 0.3 내지 5 M일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 각 유로에 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도는 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 상기 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생은 특별히 제한되는 것은 아니나 1 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 상기 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생 후 막 면적 저항은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112017113811120-pat00001
관계식 1에서,
Figure 112017113811120-pat00002
는 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 초기 막 저항,
Figure 112017113811120-pat00003
은 오염 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항,
Figure 112017113811120-pat00004
은 재생 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항이다.
본 발명은 또한 역전기투석 장치를 제공하며, 본 발명에 의한 역전기투석 장치는 전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극 셀, 전자를 공급받는 음극 용액을 포함하는 음극 셀, 상기 양극 셀과 음극 셀의 사이에 위치하며, 서로 교번하여 배치되어 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막, 상기 각 유로에 해수 또는 담수를 공급하는 공급관을 포함하며,
상기 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 재생액 공급부를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 역전기투석 장치에서 상기 역전기 투석 장치는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 서로 독립적으로 1 내지 20개 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 전기투석 탈염 장치를 제공하며, 본 발명에 의한 전기투석 탈염 장치는 전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극 셀, 전자를 공급받는 음극 용액을 포함하는 음극 셀, 상기 양극 셀과 음극 셀의 사이에 위치하며, 서로 교번하여 배치되어 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막, 상기 각 유로에 해수 또는 담수를 공급하는 공급관을 포함하며,
상기 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 재생액 공급부를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기투석 탈염 장치는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 서로 독립적으로 1 내지 20개 포함할 수 있다.
본 발명은 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 간단한 방법으로, 높은 효율로 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 재생할 수 있는 장점이 있으며, 이에 따라 역전기투석 장치를 장기간 사용이 가능하고, 교환막의 교체 등에 소요되는 유지비 등을 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 재생 전후 교환막을 육안으로 관찰하고 이를 나타낸 것이다.
도 2는 염화나트륨 농도에 따른 재생 전후의 전력 밀도를 각각 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 역전기투석 발전 장치를 대략적으로 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 이온교환막 재생 시스템에 대해 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 전자를 공급하는 환원극 용액을 포함하는 환원극 셀;
전자를 받는 산화극 용액을 포함하는 산화극 셀; 및
환원극 셀과 산화극 셀 사이에 위치하며, 서로 교번하여 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막;을 포함하며,
각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하여 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 재생하는 이온 교환막 재생 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 시스템으로 막을 재생하는 경우, 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 손쉬운 세정이 가능하여, 특히 염분차 발전 등과 같은 발전에 있어서는 발전 효율의 저하를 예방할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 양이온 교환막 또는 음이온 교환막(이하 교환막이라 한다)의 지속적인 세정을 통하여 교환막의 사용연한을 연장시킬 수 있어 유지비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템은, 이온 교환막을 시스템의 경우 제한 없이 이용이 가능하나, 구체적으로는 염분차 발전 또는 탈염 공정에 이용될 수 있다. 염분차 발전 또는 탈염공정에 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템이 적용되는 경우, 장기적으로 발전 효율 저하를 예방할 수 있는 장점이 있다. 더욱 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템은 염분차 발전 중 역전기투석 발전에 적용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템이 역전기투석 발전에 적용되는 경우, 역전기투석의 수행 전 담수 또는 해수에서 불순물을 제거하는 추가단계를 필요로 하지 않거나, 불순물 제거단계를 최소화하면서도 효율적으로 역전기투석발전을 수행할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 종래 처리가 어려웠던 담수에 의한 교환막의 오염 또한 손쉽게 저감할 수 있는 장점이 있다.
더욱 상세하게, 역전기투석 발전은 해수와 담수의 염도차를 이용하여 이온을 이동시키고, 이러한 이온의 이동에 의하여 전기를 생산하는 친환경 발전 방법이다. 이러한 역전기투석 발전은 양이온 교환막과 음이온 교환막을 유로를 형성하여 배치하고, 이들의 사이에 각각 담수 또는 해수를 흘려주는 방법으로 수행된다. 이러한 역전기투석발전은 이온의 교환 채널 역할을 하는 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 성능이 중요한 인자로 작용한다. 통상적으로 해수에는 다량의 염화나트륨과 소량의 마그네슘 이온 및 칼슘 이온의 불순물 존재하고, 담수에는 여러 유기 오염물질들이 불순물로 포함되어 있어, 이러한 물질들이 교환막에 작용할 수 있다. 구체적으로 불순물은 교환막의 전기적 저항을 증가시키고, 전극 표면에 불용성 침전물을 형성하여 전극의 성능을 저하시키고, 막의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.
이에 본 출원인은 간단한 방법으로 상술한 문제점을 해결하고 막 수명을 연장하기 위하여 장기간 연구를 수행하였으며, 수행 결과 담수 공급원과 해수 공급원 모두에 염화나트륨 수용액을 흘려보내 줄 경우, 막 오염을 저감하여 발전효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였으며, 나아가 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 적용 가능한 시스템에서 이러한 방법을 통해 교환막을 재생할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템이 염분차 발전 또는 탈염에 적용되는 경우, 전력의 생산 또는 탈염공정은 서로 농도가 다른 두 염 용액이 각각의 유로에 유입됨으로써 수행될 수 있다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템이 염분차 발전에 적용되는 경우, 전력의 생산 시에는 복수의 유로에 서로 독립적으로 담수 또는 해수가 유입되어 발전을 수행할 수 있으며, 교환막의 세정 시에는 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하여 교환막의 재생을 수행할 수 있다.
이온 교환막의 재생은 염분차 발전 또는 탈염 공정의 수행 중 언제라도 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일 예로 기 설정된 시간 동안 염분차 발전 또는 탈염 공정의 수행 후 이온 교환막의 재생을 수행할 수 있다. 다른 일 예로, 이온 교환막의 재생은 염분차 발전 중 발전량이 기 설정된 발전량 이하인 경우 가능하며 또는 이온 교환막의 재생은 탈염 공정 중 탈염량이 기 설정된 수치 이하인 경우 재생 공정의 수행이 가능하나, 이는 재생의 수행기준과 관련한 일 예일 뿐이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서, 교환막의 재생 시 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도는 0.3 M 이상, 구체적으로는 0.3 내지 5 M, 더욱 구체적으로는 0.8 내지 3 M일 수 있다. 상술한 범위에서 빠른 속도로 막을 재생하여 재생단계의 포함에 의한 막 효율 저하를 예방할 수 있으면서도, 고농도의 염화나트륨 용액의 제조에 의한 재생 비용 상승 등의 문제를 예방할 수 있다.
나아가 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서, 각 유로에 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도는 동일할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 각 유로에 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도 차가 10% 미만, 더욱 구체적으로는 5% 미만일 수 있다. 특히 역전기투석발전에서 전력 생산 시에는 담수가 공급되는 담수 유로 및 해수가 공급되는 해수 유로가 구별되어 있지만, 교환막의 재생 시에는 담수유로 또는 해수 유로의 구별 없이 염화나트륨 수용액이 공급될 수 있으며, 이에 더하여 해수유로 및 담수유료에 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도는 동일하거나, 유사한 범위 이내일 수 있다.
만일 역전기투석 발전에 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템을 적용한 경우, 해수 유로 및 담수 유로에 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도가 상이한 경우, 서로 다른 농도의 염화나트륨 수용액 투입에 의하여 교환막의 재생 보다는 전력 생산이 수행될 수 있으며, 결과적으로 재생 속도를 현저히 저하시킬 수 있는 문제점이 있다. 나아가, 담수유로에 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도가, 해수유로에 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도 보다 높은 경우, 역전기투석 발전과 반대 방향으로 이온의 이동이 일어나, 전체 이온교환막 재생 시스템에 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 상술한 교환막의 재생은 교환막의 오염정도, 교환막의 크기 및 염화나트륨 수용액의 농도 등에 따라 달라 질 수 있다. 구체적이고 비한정적인 일 예로 이러한 재생은 1시간 이상, 구체적으로는 1 내지 30시간, 더욱 구체적으로는 2 내지 25시간 동안 수행될 수 있다. 상술한 범위에서 효율적으로 교환막을 세정하면서도, 장기간 세정에 의한 불필요한 발전효율 저하를 예방할 수 있다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 재생은 상술한 시간 동안, 염화나트륨 수용액을 각 유로에 통과시키면서 수행될 수 있다. 이때, 염화나트륨 용액의 통과 유량은 염화나트륨 수용액의 농도, 교환막 간의 간격, 전체 전지 셀의 크기, 교환막의 오염 정도 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 염화나트륨 수용액은 각 역전기투석 장치에 설정된 해수 및 담수의 주입 유량과 동일 또는 유사한 범위에서 수행될 수 있으며, 더욱 구체적으로는 분당 1 내지 3000 ㎖, 더욱 구체적으로는 10 내지 2500 ㎖의 유량으로 통과시킬 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서, 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생 후 막 면적 저항(membrane areal resistance, Ω㎠)은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112017113811120-pat00005
관계식 1에서,
Figure 112017113811120-pat00006
는 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 초기 막 저항,
Figure 112017113811120-pat00007
은 오염 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항,
Figure 112017113811120-pat00008
은 재생 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템이 상술한 관계식 1을 만족한다는 것은 교환막을 재생함으로써 교환막의 초기 막 면적 저항과 유사하거나, 초기 막 면적 저항 보다 낮은 막 면적 저항을 나타낼 수 있음을 의미한다. 이는 염화나트륨 수용액을 유로에 공급하는 비교적 간단한 방법으로, 현저히 높은 효율로 교환막을 재생할 수 있음을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에서 환원극 셀 및 산화극 셀은 각각 환원극 용액 및 산화극 용액을 포함할 수 있으며, 환원극 셀 및 산화극 셀에 포함된 환원극 용액 및 산화극 용액은 서로 연통되어 있을 수 있고, 이러한 연통을 위해, 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템은 순환배관을 더 포함할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템이 염분차 발전에 적용되는 경우 양극 및 음극을 포함할 수 있으며, 양극 또는 음극은 통상적으로 전극으로 사용되는 금속을 이용하는 경우 제한이 없다. 구체적이고 비한정적인 일 예로 양극 또는 음극은 백금, 루테늄 또는 이리듐에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템이 염분차 발전에 적용되는 경우 상기 환원극 및 산화극은 전극수를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 양극 셀 또는 음극 셀에 포함된 전극수는 산화환원-커플용액(redox-couple solution)으로, 통상적으로 이온교환막 재생 시스템에 사용되는 전극수인 경우 제한이 없다. 구체적이고 비한정적인 일 예로 전극수는 Fe(CN)6 3 -/4- 또는 Fe3 +/2+를 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템은 각각 1 내지 20 개, 구체적으로는 1 내지 10개, 더욱 구체적으로는 1 내지 5개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함할 수 있다. 좋게는 이러한 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 양극 셀과 음극 셀의 사이에, 서로 교번하여 위치할 수 있으며, 교환막에 의해 발생하는 유로에 담수 또는 해수가 공급될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템은 역전기투석 장치의 설계에 따라 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 일부가 교번하여 위치하며, 일부가 교번하여 위치하지 않을 수 있으나, 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 순차로 위치하여 유로를 형성할 수 있는 한에서는 제한되지 않는다.
나아가, 각 유로에는 담수 및 해수가 교번하여 흐를 수 있도록, 담수 공급관 및 해수 공급관이 구비되어 있을 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 의한 이온교환막 재생 시스템에 이용되는 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 통상적으로 양이온 또는 음이온의 투과가 가능한 재질인 경우 제한 없이 이용할 수 있다.
본 발명은 또한 역전기투석 장치를 제공한다.
본 발명에 의한 역전기 투석 장치는 본 발명의 일 실시예에 의한 역전기투석 시스템의 구동을 위한 것일 수 있다.
본 발명에 의한 역전기투석 장치는
전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극 셀, 전자를 공급받는 음극 용액을 포함하는 음극 셀, 상기 양극 셀과 음극 셀의 사이에 위치하며, 서로 교번하여 배치되어 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막, 상기 각 유로에 해수 또는 담수를 공급하는 공급관을 포함하며,
상기 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 재생액 공급부를 포함한다.
본 발명에 의한 역전기투석 장치는, 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 재생액 공급부를 포함함으로써, 역전기투석 장치에 포함된 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 단시간 내에 높은 효율로 재생할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 역전기투석 장치는 상술한 재생액을 공급하기 위한 관점에서 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 재생액 공급부를 더 포함할 수 있다. 이러한 재생액 공급부는 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급할 수 있는 구조를 포함하는 경우 제한이 없다.
구체적이고 비한정적인 일 예로 재생액 공급부는, 유로에 담수를 공급하는 담수 공급관 및 유로에 해수를 공급하는 해수 공급관과 각각 연통되어 있을 수 있다. 더욱 상세하게는, 유로에 담수를 공급하는 담수 공급부는 담수원으로부터 담수를 공급받는 담수 공급관 및 각 담수 유로에 담수를 주입하기 위하여, 각 담수 유로로 분기된 담수 분기관을 포함할 수 있다. 또한, 유로에 해수를 공급하는 해수 공급부는 해수원으로부터 해수를 공급받는 해수 공급관 및 각 해수 유로에 해수를 주입하기 위하여, 각 해수 유로로 분기된 해수 분기관을 포함할 수 있다. 이러한 구조에서, 재생액 공급관은 담수 공급관 및 해수 공급관과 각각 연통되어 있을 수 있으며, 연통부는 개폐 가능한 밸브를 포함하여 담수 또는 해수와 재생액의 공급을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 역전기투석 장치는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 서로 독립적으로 1 내지 20개, 구체적으로는 1 내지 10개, 더욱 구체적으로는 1 내지 5개 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
아울러 본 발명의 일 실시예에 의한 역전기투석 장치에 포함되는 양극 셀, 음극 셀, 교환 막 등은 통상적으로 역전기투석 발전 장치에 이용되는 재질 또는 물건을 제한없이 이용이 가능하며, 본 발명은 상술한 재질 에 제한되지 않는다.
본 발명은 또한 전기투석 탈염 장치를 제공한다.
본 발명에 의한 전기투석 탈염 장치는 상술한 이온교환막 재생 시스템이 적용된 전기투석 장치를 제공한다.
본 발명에 의한 전기투석 탈염 장치는 전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극 셀, 전자를 공급받는 음극 용액을 포함하는 음극 셀, 상기 양극 셀과 음극 셀의 사이에 위치하며, 서로 교번하여 배치되어 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막, 상기 각 유로에 해수 또는 담수를 공급하는 공급관을 포함하며,
상기 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 재생액 공급부를 포함한다.
본 발명에 의한 전기투석 탈염 장치를 이용할 경우, 각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 간단한 공정을 통하여 전기투석 탈염장치에 포함된 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 쉽게 재생할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기투석 탈염 장치는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 서로 독립적으로 1 내지 20개, 더욱 구체적으로는 2 내지 10개 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
아울러 본 발명의 일 실시예에 의한 전기투석 탈염 장치에 포함되는 양극 셀, 음극 셀, 교환 막 등은 통상적으로 전기투석 탈염 장치에 이용되는 재질 또는 물건을 제한없이 이용이 가능하며, 본 발명은 상술한 재질에 제한되지 않는다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 한정되지 않는다.
[실시예 1]
양극과 음극을 양 끝에 배치하고, 전극 사이에 양이온 교환막 3 장과 음이온 교환막 2장이 교번하여 배열된 셀을 준비한다. 이때, 교환막은 10 × 10 ㎝ 크기이며, 양이온 교환막은 Fuji film Cation exchange membrane을 이용하고, 음이온 교환막은 Fuji film Anion exchange membrane을 이용하였다.
역전기 투석 셀에 해수와 담수는 각각 2.5 ㎖/분의 유량으로 주입하였으며, 전극수는 50 ㎖/분의 유량으로 주입하면서 역전기투석 발전을 수행하였다.
발전 중 전류 및 전압은 2 electrode system으로 20mV/s로 측정하였으며, 임피던스 또한 2 electrode system으로 측정하였고, Frequency는 200 kHz ~ 100 mHz, Amplitude는 10 mV로 측정하였다.
측정 중 역전기투석 발전에 의한 발전량이 점차 저하되고, 더 이상 발전량이 저하되지 않는 지점에서 염화나트륨 수용액을 이용한 교환막의 재생을 수행하였다. 상세하게는, 각각 0.513 M, 1.026 M, 2.565 M의 염화나트륨 수용액을 각각 분당 2.5 ㎖의 속도로 각 유로로 1 시간 동안 흘려보내 주면서 교환막의 재생을 수행하였으며, 재생 후 역전기투석 발전을 수행하여 각각의 물성을 측정하였다.
도 1은 재생을 수행하기 직전, 발전량이 저하된 상태의 이온 교환막(좌) 및 재생을 수행한 후의 이온교환막의 상태를 육안으로 관찰하고 촬영한 사진이다. 도 1을 참고하면, 재생 전 이온교환막에는 하얗게 석출된 불순물이 관찰되나, 재생 후에는 이러한 부분이 거의 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 2는 재생액의 염화나트륨 농도별 역전기투석 발전 장치의 전력밀도를 도시한 것으로, 검은색은 최초 전력밀도, 붉은 색은 재생 직전 불순물이 석출된 상태의 전력밀도, 파란 색은 재생 후 전력밀도를 의미한다. 도 2를 참고하면, 교환막의 재생 후 저하된 전력밀도가 회복되는 것을 확인할 수 있다.
염화나트륨 수용액의 농도별로, 최초 막 면적 저항, 교환막의 오염 후 막 면적 저항 및 재생 후 막 면적 저항을 각각 측정하고 표 1로 나타내었다.
재생액의 농도
0.513 M 1.026 M 2.565 M
최초 막 면적 저항(Ω㎠) (①) 1.25±0.026
오염 후 막 면적 저항(Ω㎠) (②) 1.44±0.024 1.44±0.021 1.48±0.026
재생 후 막 면적 저항(Ω㎠) (③) 1.37±0.011 1.25±0.0057 1.27±0.0059
오염 저감률(%) ((②-③)/(②-①)) 37 100 91
10 역전기투석 장치
110 양이온 교환막
120 음이온 교환막
210 양극 셀
220 음극 셀
310 담수 공급관
320 염수 공급관
330 제 1 재생액 공급관
340 제 2 재생액 공급관

Claims (12)

  1. 염분차 발전 또는 탈염을 포함하는 이온 교환막 재생 시스템으로서,
    전자를 공급하는 환원극 용액을 포함하는 환원극 셀;
    전자를 받는 산화극 용액을 포함하는 산화극 셀; 및
    환원극 셀과 산화극 셀 사이에 위치하며, 서로 교번하여 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막;을 포함하며,
    각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하여 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 재생하며,
    상기 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생 후 막 면적 저항은 하기 관계식 1을 만족하는 이온 교환막 재생 시스템.
    [관계식 1]
    Figure 112018127687138-pat00016

    (관계식 1에서,
    Figure 112018127687138-pat00017
    는 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 초기 막 저항,
    Figure 112018127687138-pat00018
    은 오염 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항,
    Figure 112018127687138-pat00019
    은 재생 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항이다)
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이온교환막 재생 시스템에서, 전력의 생산 또는 탈염 시에는 복수의 유로에 서로 독립적으로 농도가 다른 두 염 용액이 유입되는 이온 교환막 재생 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생은, 염분차 발전의 경우 기 설정된 발전량 이하인 경우 또는 탈염 시스템에서 탈염량이 기 설정된 탈염량 이하인 경우 수행되는 것을 특징으로 하는 이온교환막 재생 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 염화나트륨 수용액의 농도는 0.3 내지 5 M인 이온 교환막 재생 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    각 유로에 공급되는 염화나트륨 수용액의 농도는 동일한 것을 특징으로 하는 이온 교환막 재생 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생은 1 내지 30 시간 동안 수행되는 이온 교환막 재생 시스템.
  8. 삭제
  9. 전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극 셀, 전자를 공급받는 음극 용액을 포함하는 음극 셀, 상기 양극 셀과 음극 셀의 사이에 위치하며, 서로 교번하여 배치되어 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막, 각 유로에 해수 또는 담수를 공급하는 공급관을 포함하며,
    각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 재생액 공급부를 더 포함하며,
    상기 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생 후 막 면적 저항은 하기 관계식 1을 만족하는 역전기투석 발전 장치.
    [관계식 1]
    Figure 112018127687138-pat00020

    (관계식 1에서,
    Figure 112018127687138-pat00021
    는 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 초기 막 저항,
    Figure 112018127687138-pat00022
    은 오염 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항,
    Figure 112018127687138-pat00023
    은 재생 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항이다)
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 역전기 투석 발전 장치는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 서로 독립적으로 1 내지 20개 포함하는 역전기투석 발전 장치.
  11. 전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극 셀, 전자를 공급받는 음극 용액을 포함하는 음극 셀, 상기 양극 셀과 음극 셀의 사이에 위치하며, 서로 교번하여 배치되어 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막, 각 유로에 해수 또는 담수를 공급하는 공급관을 포함하며,
    각 유로에 염화나트륨 수용액을 공급하는 재생액 공급부를 더 포함하며,
    상기 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 재생 후 막 면적 저항은 하기 관계식 1을 만족하는 전기투석 탈염 장치.
    [관계식 1]
    Figure 112018127687138-pat00024

    (관계식 1에서,
    Figure 112018127687138-pat00025
    는 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 초기 막 저항,
    Figure 112018127687138-pat00026
    은 오염 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항,
    Figure 112018127687138-pat00027
    은 재생 후 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 막 저항이다)
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 전기투석 탈염 장치는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 서로 독립적으로 1 내지 20개 포함하는 전기투석 탈염 장치.
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