KR101975098B1 - Deionization electrode with oxidation resistance and method of operating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내산화성 탈염전극 제조방법 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 고리구조를 포함하는 탄소재료, 금속산화물 및 염류를 준비하는 전극재료 준비단계; 상기 전극재료를 탄화시키는 탄화단계; 상기 전극재료에 포함된 염류를 제거하는 염류제거단계를 포함하는 내산화성 탈염전극 제조방법 및 이의 운전방법을 제공한다.The present invention relates to a method for manufacturing an oxidation-resistant desalting electrode and a method of operating the same, comprising the steps of: preparing an electrode material for preparing a carbon material, a metal oxide, and a salt including a ring structure; A carbonization step of carbonizing the electrode material; And a salt removal step of removing the salts contained in the electrode material, and a method of operating the oxidation-resistant desalination electrode.
Description
본 발명은 내산화성 탈염 전극 제조방법 및 이를 이용한 운전방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 내구성이 좋으면서 탈염용량이 높은 내산화성 탈염 전극 제조방법 및 이를 이용한 운전방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing an oxidation-resistant desalting electrode having high durability and high desalting capacity and a method of operating the same.
세계는 현재 지구 온난화에 의한 가뭄 현상 심화, 지하수 고갈, 사막화 진행과, 인구 증가, 산업화에 의한 생활 및 산업 용수 사용 증가로 인하여 물의 자원으로서의 가치가 증대되고 있어, 해수의 담수화나 생활 및 산업 폐수의 재활용화 등이 새로운 이슈로 등장하고 있다. 또한 산업용 초순수의 제조에 대한 관심이 높아지고, 생활면에서는 먹고, 씻을 맑은 물의 수요가 증가함에 따라 고효율의 이온 제거 장치의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.The world is now increasing in value as a resource of water due to the deepening of drought phenomenon due to global warming, depletion of groundwater, progress of desertification, population increase, industrialization, and increase in industrial water usage. Therefore, desalination of sea water, And recycling are emerging as new issues. In addition, as interest in the production of ultra pure water for industrial use increases, the demand for clean water that can be eaten and washed increases in living, and research on the development of high efficiency ion removing apparatus is actively carried out.
또한, 경수(hard water)를 공업용수 및 생활용수로 사용할 경우 세제가 잘 풀리지 않을 뿐만 아니라 이가 양이온(Ca2 +, Mg2 + 등)에 의한 스케일의 형성으로 공업적, 위생적 문제를 야기한다. 따라서 경수의 사용으로 인한 피해를 줄이기 위해서는 연수화 공정이 필수적이며, 이에 대한 기술력 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 수중에 존재하는 방사성 Cs+ 이온의 제거 및 Li+ 이온 등의 회수는 환경 및 공업 분양에서 중요하게 인식되고 있다In addition, when hard water is used as industrial water and domestic water, the detergent is not solved easily, and the formation of scales by cationic ions (Ca 2 + , Mg 2 +, etc.) causes industrial and hygienic problems. Therefore, in order to reduce the damage caused by the use of hard water, softening process is indispensable. In addition, removal of radioactive Cs + ions present in the water and recovery of Li + ions are recognized as important in environment and industrial sale
현재 이온물질을 제거하는 기술은 주로 증발법, 역삼투막법 및 이온교환수지법을 이용하고 있으며, 증발법과 역삼투막법은 높은 에너지 소비에 따른 운전비용 및 운전상의 문제점 등을 가지고 있고 가장 폭 넓게 사용하는 이온교환수지법은 재생할 때 산(Acid)이나 소금(NaCl)을 과량 사용하므로 2차 오염물질을 만드는 단점을 가지고 있다.At present, technologies for removing ionic materials mainly use evaporation method, reverse osmosis membrane method and ion exchange resin method. Evaporation method and reverse osmosis method have operation cost and operation problem due to high energy consumption, and most widely used ion The exchange resin method has a disadvantage of producing secondary pollutants because it uses excess acid or salt (NaCl) during regeneration.
기존의 용존 이온 제거기술들이 가진 단점들을 보완하고 저 에너지 소비형의 새로운 이온 제거기술을 개발하고자 세계 여러 나라에서 연구들이 진행 중이며, 이러한 이온 제거기술에는 미국 LLNL, Sabrex of Texas 등에서 개발 중에 있는 전기 축전식 탈염(CDI ; Capacitive Deionization) 기술이 있다.In order to overcome the disadvantages of existing ion-ion removal technologies and to develop a new ion-depletion technology of low energy consumption type, researches are being carried out in various countries around the world. Such ion-removing technologies include an electric storage which is being developed by US LLNL, Sabrex of Texas, Capacitive Deionization (CDI) technology.
전기 흡착식 이온 제거기술인 CDI기술은 다른 방법들에 비해 에너지 소비량이 적으며 기존의 이온 제거기술에서와 달리 화학약품에 의한 세정이 필요 없어 2차 오염이 없는 환경 친화적인 새로운 이온 제거기술이며 유지보수가 간편하다는 장점이 있어 차세대 용존 이온 제거기술로 연구가 활발히 진행되고 있다.CDI technology is a new environmentally friendly ion removal technology that does not require secondary cleaning because it requires less energy consumption compared to other methods and does not require cleaning by chemicals unlike conventional ion removal technology. It is easy to use and it is actively researched by next generation dissolved ion removal technology.
최초의 CDI 공정연구는 1960년대 미국 오클라호마대학 연구진이 다공성 활성탄 전극을 사용하여 해수의 담수화 연구를 하였고 이후 Johnson 등은 활성탄소를 이용하여 CDI 실험을 수행한 바 있다. 그러나 핵심 요소인 전극의 성능저하로 인하여 지속적인 공정의 어려움으로 개발하지 못하였으나 미국의 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 90년대 중반에 탄소에어로젤 전극을 이용한 CDI 공정을 개발하는 등의 연구가 진행되었고 그 밖에 활성 탄소 섬유, 탄소나노튜브 등을 전극 활물질로 사용한 CDI 공정 개발에 대한 연구도 진행된 바 있다.In the first CDI process, researchers at the University of Oklahoma in the US in the 1960s studied seawater desalination using porous activated carbon electrodes, and Johnson et al. Conducted CDI experiments using activated carbon. However, the development of the CDI process using carbon airgel electrodes in the mid-1990s at Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in the United States was carried out. Research has also been conducted on the development of a CDI process using active carbon fibers and carbon nanotubes as an electrode active material.
이처럼 탄소 전극을 이용할 경우 넓은 표면적을 가지고 있어, 수용액 상에서 상대적으로 안정적인 용량 특성에서 우수한 장점이 있기는 하나, 탄소 자체의 저항이 적지 않으며, 표면 특성이 소수성이므로 물과 친하지 않다는 단점이 있으며, 탈염되는 속도면에서도 다소 느린 경향이 있으며, 내구성도 좋지 않아 오랜기간 ㅅ사용이 힘든 실정이다.When the carbon electrode is used, it has a large surface area and thus has a relatively stable capacity characteristic in the aqueous solution. However, it has a disadvantage in that the carbon itself has a low resistance and the surface property is hydrophobic, It tends to be somewhat slow in terms of speed, and durability is not good enough to be used for a long time.
따라서, 탈염이 효율적으로 이루어지면서도 내구성이 좋은 탈염전극의 개발이 요구되었다.Accordingly, it has been required to develop a desalting electrode having high durability while efficiently performing desalination.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 축전식 탈염 공정에서 탈염 용량을 향상시킬 수 있는 전극을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide an electrode capable of improving desalination capacity in a storage desalination process.
본 발명의 다른 목적은 내산화성이 우수한 탈염 공정용 전극을 제공하여 오랜기간 사용이 가능한 전극을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide an electrode for desalination which is excellent in oxidation resistance and which can be used for a long time.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 고리구조를 포함하는 탄소재료, 금속산화물 및 염류를 준비하는 전극재료 준비단계; 상기 전극재료를 탄화시키는 탄화단계; 상기 전극재료에 포함된 염류를 제거하는 염류제거단계를 포함하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of preparing a carbon material, comprising: preparing an electrode material for preparing a carbon material, a metal oxide, and a salt; A carbonization step of carbonizing the electrode material; And a salt removing step of removing salts included in the electrode material.
또한 본 발명에 의하면, 상기 염류제거단계 이후에 결정화도를 높이기 위해 가열하는 재결정화단계를 더 포함하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an oxidation-resistant desalting electrode, further comprising a recrystallization step of heating to raise the degree of crystallization after the salt removing step.
또한 본 발명에 의하면, 상기 탄소재료는 단당류 및 이당류를 포함하는 당류인 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is also provided a method for producing an oxidation-resistant desalting electrode characterized in that the carbon material is a saccharide including monosaccharides and disaccharides.
또한 본 발명에 의하면, 상기 금속산화물은 TiO2, CuNiFe2O4, CuO, HfO2, CeO2, Gd2O3, FexO 중에서 1이상이 포함된 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, the metal oxide is TiO 2, CuNiFe 2 O 4, CuO, HfO 2, CeO 2, Gd 2 O 3, the oxidation resistance desalted electrode production method characterized in that included at least one from among Fe x O .
또한 본 발명에 의하면, 상기 염류는 NaCl, CaCl2 및 ZnCl2 중 1이상의 염류를 이용하는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is also provided a method of manufacturing an oxidation-resistant desalting electrode characterized in that the salt is one or more salts of NaCl, CaCl 2 and ZnCl 2 .
또한 본 발명에 의하면, 상기 전극재료 준비단계에서 그래핀 또는 탄소나노튜브가 첨가되는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, graphene or carbon nanotubes are added in the step of preparing the electrode material.
또한 본 발명에 의하면, 상기 탄화단계에서는 1~5℃/min의 온도상승으로 탄화시키는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is also provided a method for producing an oxidation-resistant desalting electrode characterized in that carbonization is carried out at a temperature rise of 1 to 5 ° C / min in the carbonization step.
또한 본 발명에 의하면, 상기 탄화단계에서는 500~600℃로 상승시켜 탄화시키는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is also provided a method for producing an oxidation-resistant desalting electrode characterized in that carbonization is carried out by raising the temperature to 500 to 600 ° C in the carbonization step.
또한 본 발명에 의하면, 상기 염류제거단계에서 염류제거는 활성화단계 및 세척단계를 거치는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is also provided a method for manufacturing an oxidation-resistant desalting electrode, wherein the salt removing step is carried out through an activating step and a washing step in the salt removing step.
또한 본 발명에 의하면, 상기 활성화단계는 800 ~ 900℃로 열을 가함으로써 상기 염류를 기화시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is provided a method of manufacturing an oxidation-resistant desalting electrode, wherein the activating step is performed by heating at 800 to 900 ° C. to vaporize and remove the salts.
또한 본 발명에 의하면, 상기 세척단계는 물을 통해 세척함으로써 염류를 제거하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is provided a method of manufacturing an oxidation-resistant desalting electrode, wherein the cleaning step is performed by washing the water with water to remove salts.
또한 본 발명에 의하면, 상기 재결정화단계에서는 1300~1400℃의 온도에서 가열하는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is also provided a method for producing an oxidation-resistant desalting electrode characterized in that the recrystallization step is carried out at a temperature of 1300 to 1400 ° C.
또한 본 발명에 의하면, 상기 방법으로 제조된 탈염전극을 이용하여 역전위 교차충전 및 방전에 의해 탈염을 진행하는 탈염전극 운전방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a desalting electrode operating method for conducting desalting by reversed-phase cross-charging and discharging using a desalting electrode manufactured by the above method.
본 발명에 따른 내산화성 탈염 전극은 탄소전극을 특별한 공정을 통해 제조함으로써 내산화성이 우수한 탈염 공정용 전극을 제공한다.The oxidation-resistant desalination electrode according to the present invention provides a carbon electrode for a desalination process with excellent oxidation resistance by producing the carbon electrode through a special process.
본 발명에 따른 내산화성 탈염 전극은 금속산화물이 탄화단계 이전에 전극재료 준비단계에서 투입됨으로서 탄소 구조 사이에 자리잡아 내구성이 좋아지는 장점이 있다.The oxidation-resistant desalination electrode according to the present invention is advantageous in that durability of the oxidation-resistant desalination electrode is improved by positioning the metal oxide between the carbon structures by injecting it in the electrode material preparing step before the carbonization step.
본 발명에 따른 내산화성 탈염 전극은 다공성 구조의 결정성 탄노 나노 전극을 이용함에 따라 50시간 이상의 운전이 가능한 탈염 공정용 전극을 제공할 수 있다.The oxidation-resistant desalination electrode according to the present invention can provide an electrode for desalting process which can operate for more than 50 hours by using a crystalline tin nanometer electrode having a porous structure.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 축전식 탈염공정용 전극의 제조공정을 대략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 축전식 탈염전극의 역전위 교차충전 시스템에 대하여 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 유출수 전도도를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 2 및 비교예 2의 유출수 전도도를 나타낸 것이다.1 schematically shows a manufacturing process of an electrode for a storage desalination process according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 shows a reverse-potential cross-charging system of a charge-coupled desalting electrode.
Fig. 3 shows the effluent conductivity of Example 1 and Comparative Example 1. Fig.
Fig. 4 shows the effluent conductivity of Example 2 and Comparative Example 2. Fig.
이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않기 위하여 생략한다.First, in the drawings, it is noted that the same components or parts are denoted by the same reference numerals as possible. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted so as to avoid obscuring the subject matter of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 " 약 ", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적이니 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used herein are intended to be taken to mean an approximation of, or approximation to, the numerical values of manufacturing and material tolerances inherent in the meanings mentioned, It is used to prevent unauthorized exploitation by an unscrupulous infringer from disclosing the exact or absolute numerical value to help.
본 발명은 내산화성 탈염 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 탈염전극의 제조는 고리구조를 포함하는 탄소재료, 금속산화물 및 염류를 준비하는 전극재료 준비단계; 상기 전극재료를 탄화시키는 탄화단계; 상기 전극재료에 포함된 염류를 제거하는 염류제거단계로 구성되며, 상기 염류제거단계 이후에 결정화도를 높이기 위해 가열하는 재결정화단계를 더 포함한다.The present invention relates to an oxidation-resistant desalination electrode and a method of manufacturing the same, wherein the production of a desalting electrode comprises: preparing an electrode material for preparing a carbon material, a metal oxide, and a salt including a ring structure; A carbonization step of carbonizing the electrode material; And a salt removal step of removing salts contained in the electrode material, wherein the salt removal step further includes a recrystallization step of heating to increase the degree of crystallization.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 탈염전극의 제조공정을 대략적으로 나타낸 것이다.1 schematically shows a manufacturing process of an oxidation-resistant desalting electrode according to an embodiment of the present invention.
전극재료준비단계Electrode material preparation step
먼저, 전극재료를 준비하는 데, 상기 전극재료로는 고리구조를 포함하는 탄소재료, 금속산화물 및 염류를 준비한다.First, in preparing the electrode material, a carbon material, a metal oxide, and a salt containing a ring structure are prepared as the electrode material.
탄소재료로는 고리구조를 포함하는 다양한 당류가 바람직한데, 이 중 단당류나 이당류를 이용하는 것이 더 바람직하다.As the carbon material, various saccharides including a cyclic structure are preferable, among which monosaccharides and disaccharides are more preferable.
또한, 전극재료 준비시 금속산화물이 포함되는 데, 이는 탄화단계에서 탄화가 진행하게 되면 자연스럽게 금속 산화물 입자가 탄소 구조체 내부에 고르게 담지된 탄소재료를 구성되는 데, 이 경우 금속산화물에 의해 전기화학 반응을 일으켜 탈염성능 및 내구도 향상될 수 있다.In addition, the metal oxide is included in the preparation of the electrode material. When the carbonization proceeds in the carbonization step, the metal oxide particles naturally form a carbon material uniformly supported in the carbon structure. In this case, So that desalination performance and durability can be improved.
상기 금속산화물은 탄화단계 이전에 전극재료 준비단계에서 투입됨으로서 탄소 구조 사이에 자리잡아 내구성이 좋아지는 장점이 있다.The metal oxide is deposited in the electrode material preparation step prior to the carbonization step, and is positioned between the carbon structures, thereby improving durability.
이러한 금속산화물로는 TiO2, CuNiFe2O4, CuO, HfO2, CeO2, Gd2O3, FexO 중에 1이상 이용할 수 있다.As such a metal oxide, at least one of TiO 2 , CuNiFe 2 O 4 , CuO, HfO 2 , CeO 2 , Gd 2 O 3 , and Fe x O can be used.
또한 탄소사이에 존재하여 기공을 형성할 수 있는 염류를 준비한다. 염류의 예로는 염소가 포함된 NaCl, CaCl2, ZnCl2 중 1이상 이용할 수 있다.Also prepared are salts which are present between the carbons and can form pores. Examples of salts include one or more of chlorine-containing NaCl, CaCl 2 , and ZnCl 2 .
이들의 혼합을 위한 용매로는 특별히 제한되는 것은 아니며, 금속산화물을 분산시키고 탄소재료와 염류를 녹일 수 있는 물질이면 가능한 데, 이러한 용매의 바람직한 예로 물을 사용할 수 있다. 충분한 양의 용매에 탄소재료와 염류를 녹이고, 금속산화물을 분산시켜 전극재료를 준비한다.The solvent for mixing them is not particularly limited, and any solvent can be used as long as it is capable of dissolving the metal oxide and dissolving the carbon material and the salt. Water can be used as a preferable example of such a solvent. A carbon material and salts are dissolved in a sufficient amount of a solvent, and a metal oxide is dispersed to prepare an electrode material.
한편, 상기 전극재료준비단계에서 탄소재료 외에 그래핀 또는 탄소나노튜브가 추가될 수 있다. 추가되는 양은 탄소재료 대비 그래핀 또는 탄소나노튜브가 1 : 1 ~ 3 : 2 질량비로 추가될 수 있다. 상기 그래핀 또는 탄소나노튜브가 추가되었을 때 제조되는 전극은 전기전도도 향상 및 비표면적이 향상될 수 있다.On the other hand, in addition to the carbon material, graphene or carbon nanotube may be added in the electrode material preparation step. The added amount can be added in the ratio of 1: 1 ~ 3: 2 mass ratio of graphene or carbon nanotube to carbon material. The electrode manufactured when the graphene or the carbon nanotube is added can improve the electrical conductivity and the specific surface area.
탄화단계Carbonization step
준비된 전극재료는 열을 가함으로써 탄화단계를 갖는다.The prepared electrode material has a carbonization step by applying heat.
상기 탄화단계는 단분자 상태로 떨어져 있는 Carbon source를 탄화시켜 골격을 만드는 단계이다. 탄소가 연결되면서 구조체가 만들어지며, 염류는 반응하지 않고 염(salt) 상태로 존재한다. 단 염(salt)의 종류에 따라 다양한 cluster를 만들면서 특징적인 기공을 형성할 수 있다.The carbonization step is a step of carbonizing the carbon source separated in a monomolecular state to form a skeleton. Structures are made with carbon connections, salts do not react and exist in salt state. Characteristic pores can be formed by forming various clusters according to the type of salt.
탄화단계 동안에 약 1~5℃/min 의 느린 속도로 온도를 상승시켜 탄화시킬 수 있는 데, 상온에서 약 600℃까지 서서히 온도를 올리면서 탄화를 실시한다.During the carbonization step, carbonization can be carried out by raising the temperature at a slow rate of about 1 to 5 ° C / min. Carbonization is carried out by increasing the temperature gradually from room temperature to about 600 ° C.
느린 속도를 온도를 상승시키는 이유는 단당류 또는 이당류로 이루어진 탄소재료가 탄화될 때, 보다 높은 결정도를 갖기 위해서이다.The reason for raising the temperature at a slow rate is to have a higher degree of crystallinity when a carbonaceous material composed of a monosaccharide or a disaccharide is carbonized.
염류제거단계Salt removal step
탄화가 생성된 이후에는 염류를 제거하는 단계를 거친다.After the carbonization is generated, the salt is removed.
축전식 탈염기술은 한 쌍의 전극에 전위를 가했을 때 전극 표면에 이온이 전기 이중층을 형성하면서 흡착되는 것을 이용하는 탈염기술이다. 따라서 전극 재료의 비표면적을 극대화할 필요가 있다. 전극 재료의 비표면적은 기공의 발달 정도에 따라 달라진다. 미세기공이 많이 발달할수록 단위 질량 당 혹은 단위 부피 당 비표면적이 증가하는 경향이 있으며, 중형기공, 대형기공이 발달하면 전극 내부에서 이온의 이동도가 증가하여 마찬가지로 탈염성능을 향상시킬 수 있다.The electrochemical desalination technique is a desalination technique which utilizes the fact that ions are adsorbed while forming an electric double layer on the electrode surface when a potential is applied to a pair of electrodes. Therefore, it is necessary to maximize the specific surface area of the electrode material. The specific surface area of the electrode material depends on the degree of pore development. The specific surface area per unit mass or unit volume tends to increase as the number of fine pores develops, and the mobility of ions in the electrode increases when the mesopores and large pores are developed.
본 발명에서 제조되는 전극은 비표면적을 넓히는 기공을 최대한 많이 발생하도록 하여 탈염성능을 향상시킬 수 있는 데, 탄화단계에서 탄소 구조 사이에 자리를 잡은 염류를 제거함으로써 기공을 형성할 수 있다.The electrode of the present invention can increase the desalination performance by generating as many pores as possible to widen the specific surface area. The pores can be formed by removing salts trapped between the carbon structures in the carbonization step.
염류제거는 활성화단계 및 세척단계를 통해 이루어질 수 있다.The salt removal can be accomplished through an activation step and a washing step.
활성화단계에서는 일부 탄소가 산화되거나 염소에 의해 에칭되어 기공을 형성하게 된다. 즉, 온도를 약 800 ~ 900℃까지 상승시켜 염류를 기화방식으로 제거한다. 이 때에는 열을 서서히 가할 필요는 없으며 단시간에 900℃에 도달할 수 있도록 한다. 이렇게 되면 염류의 기화가 발생하는 데, 기화되어 염류가 제거된 부위는 기공이 형성되는 것이다.In the activation step, some of the carbon is oxidized or etched by chlorine to form pores. That is, the temperature is raised to about 800 to 900 ° C to remove the salts by vaporization. At this time, it is not necessary to apply heat slowly, and it is possible to reach 900 ° C in a short time. In this case, the vaporization of the salts occurs, and the sites where the vaporized and removed salts are pores are formed.
또한, 이후 세척단계를 통해 기공을 추가적으로 형성할 수 있다. 열이 가해진 재료를 상온까지 식힌 후에 이를 세척해줌으로써 염류가 제거되도록 할 수 있다.Further, pores may be additionally formed through a subsequent washing step. After the heat-applied material is cooled to room temperature, it is washed to remove salts.
세척단계는 물을 이용하여 세척할 수 있는 데, 탄소 사이사이에 있던 염류가 물에 녹아 나오면서 염류가 차지하고 있던 자리가 기공으로 형성될 수 있다.The washing step can be carried out using water, and the salt in the space between the carbon atoms can be formed as pores while the salt between the carbon atoms is dissolved in the water.
재결정화단계Recrystallization step
완성된 탄소재료는 필요시 추가적인 활성화를 진행하여 기공의 양을 늘릴 수 있으며, 재결정화단계에서는 1300~1400℃의 온도에서 가열하는 데, 상기 온도에서 가열할 경우 높은 결정화도를 가지게 되어 축전식 탈염장치의 내구도 향상에 기여할 수 있다.The completed carbon material may be further activated to increase the amount of pores. If the carbon material is heated, the carbon material may be heated at a temperature of 1300 to 1400 ° C in the recrystallization step. When the carbon material is heated at the above temperature, Thereby contributing to improvement of durability.
한편, 본 발명은 탈염전극을 이용하여 교차역전위 인가방식으로 탈염을 진행할 수 있다. 즉, 역전위 교차충전 및 방전방식으로 탈염을 진행할 경우 전극을 오랜시간 사용이 가능하다.In the meantime, the present invention can proceed desalination using a desalting electrode in a crossing reversing manner. In other words, when desalting is performed by the reverse-potential cross-charging and discharging method, the electrode can be used for a long time.
도 2는 축전식 탈염전극의 역전위 교차충전 시스템에 대하여 나타낸 것이다.Fig. 2 shows a reverse-potential cross-charging system of a charge-coupled desalting electrode.
일반적인 축전식 탈염전극 시스템의 경우 충전시에 두 전극에 양전압을, 방전시에 단락시켜준다.In the case of a typical storage type desalination electrode system, a positive voltage is applied to both electrodes and a short circuit is made at the time of discharging.
이에 반해 교차역전위 인가방식은 역전위 교차충전의 경우 방전시에 단락시키는 것은 동일하나, 충전시에 한번은 양전압, 한번은 음전압으로 번갈아 충전시켜줄 수 있다.On the other hand, in the case of reversed-phase cross-over charging, the short-circuiting is the same in the case of reversed-phase cross-over charging, but the charging can be alternately performed once at the time of charging and once at the time of charging.
이온교환막이 접목되지 않은 CDI에서는 단락으로 방전시키고 충전시에 양전압과 음전압(=역전위)을 번갈아가며 인가시킬 수 있다. 단락이 아닌 음전압으로 방전을 하게 되면 방전되지 않고 이온이 반대방향으로 이동해 다시 흡착이 되기 때문이다. 이온교환막이 접목되지 않은 CDI에서의 역전위(음전압) 교차 충전 방법은 도 2의 (a)와 같다.In the case of CDI without ion-exchange membranes, short-circuit discharges can occur and positive and negative voltages (= reverse potential) can be alternately applied during charging. If the negative voltage is discharged instead of the short circuit, the ions move in the opposite direction without being discharged, and the ions are adsorbed again. The reversed (negative voltage) cross-charging method in the CDI without the ion exchange membrane is shown in FIG. 2 (a).
또한, 이온교환막 혹은 이온교환고분자가 접목된 형태의 CDI (MCDI)에서는 방전 과정에서 음전압을 걸어주는 운전방식이 가능하다. 이러한 운전 방식에서는 방전시에 단락시키지 않고 도 2의 (b)와 같이 음전압을 가해준다. 충전시에는 기존과 동일하나 방전시에 음전압이 가해지면, 단순히 단락시킬 때 남아있게 되는 이온까지 모두 밖으로 빼낼 수 있게 되므로 성능이 증가하는 장점이 있다.In addition, in CDI (MCDI) in which an ion exchange membrane or an ion exchange polymer is grafted, negative voltage can be applied in the discharge process. In this operating mode, negative voltage is applied as shown in Fig. 2 (b) without shorting at the time of discharging. However, if a negative voltage is applied during discharging, it is possible to take out all the ions remaining in the short circuit, thereby increasing the performance.
역전위(음전위)를 교차적으로 인가하게 되는 경우 내구성이 우수해 지는 데, 이와 관련하여서는, 전기화학적인 반응을 반대로 일으켜 전극을 일부 재생시킴과 동시에 전극을 손상시키는 물질을 제거하여 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한 양극의 경우 전극이 산화되어 음극과 양극의 두 전극 사이에 불균형이 발생하게 되는데, 이는 시스템의 불균형성을 초래하여 탈염성능을 감소시킨다. 그러나 교차적인 전위를 인가하게 되면 전기화학적 반응이 양쪽 전극에서 균형적으로 발생하기 때문에 초기 전극의 균형 상태를 비교적 잘 유지하여 운전될 수 있기 때문에 시스템의 내구성이 증가하여 오랜 사용이 가능하게 된다.In the case where the negative potential is alternately applied, the durability is improved. In this regard, the electrochemical reaction is reversed to partially regenerate the electrode, and the material which damages the electrode is removed to improve the durability . Also, in the case of the anode, the electrode is oxidized and an imbalance occurs between the two electrodes of the cathode and the anode, which causes the imbalance of the system, thereby decreasing the desalination performance. However, since the electrochemical reaction occurs equally in both electrodes when a cross potential is applied, the durability of the system can be increased and the electrode can be used for a long time because the initial electrode can be maintained in a well-balanced state.
이하에서는, 구체적인 실시예를 참조하여, 본 발명의 탈염공정용 전극의 제조공정을 설명하기로 한다.Hereinafter, the production process of the electrode for desalting process of the present invention will be described with reference to specific examples.
실시예 1Example 1
탄소재료로 글루코오스, 금속산화물로 TiO2 및 염류로 NaCl을 준비하여 이를 물과 함께 혼합한다.(전극재료 준비단계)As a carbon material, glucose, TiO 2 as a metal oxide, and NaCl as a salt are prepared and mixed with water (electrode material preparation step).
상온에서 가열을 시작하는 데, 약 2℃/min로 서서히 온도를 상승시켜 약 600℃ 상승시킨다.(탄화단계)To start heating at room temperature, the temperature is gradually raised at about 2 DEG C / min and raised to about 600 DEG C. (Carbonization step)
탄화단계 이후에 열을 추가로 가하여 온도를 900℃까지 상승시켜 염류를 기화시키고 또한 상온까지 온도는 낮춘 뒤에 물을 이용하여 세척하여 남아 있는 염류를 모두 제거한다.(염류제거단계)After the carbonization step, additional heat is applied to raise the temperature to 900 ° C. to vaporize the salts, and further lower the temperature to room temperature, followed by washing with water to remove any remaining salts.
염류제거단계 이후 1300℃까지 열을 가하여 전극의 내구성을 더 높여주었다.(재결정화단계)After the salt removal step, heat was applied to 1300 ° C to increase the durability of the electrode (recrystallization step).
이렇게 제조된 물질을 축전식 탈염전극에 활용하여 용량을 측정하였다.Capacity was measured by using this material for storage type desalting electrode.
실시예Example 2 2
실시예 1에서 제조된 전극을 이용하여 축전식 탈염공정을 실시하였는 데, 교차역전위 방식으로 충전 및 방전을 실시하였다. 즉, 충전시에 한번은 양전압, 한번은 음전압으로 번갈아 충전시키고, 방전시에는 단락시켜주었다.The electrode prepared in Example 1 was subjected to a charge and discharge process by a charge reversal method. That is, at the time of charging, the battery was charged alternately once with positive voltage and once with negative voltage, and was short-circuited during discharging.
비교예Comparative Example 1 One
일반적인 활성탄을 전극재료에 이용하여 탈염전극에 이용하였다.General activated carbon was used for the electrode material and used for the desalting electrode.
비교예Comparative Example 2 2
비교예 1에서 제조된 전극을 이용하여 축전식 탈염공정을 실시하였는 데, 교차역전위 방식으로 충전 및 방전을 실시하였다. 즉, 충전시에 한번은 양전압, 한번은 음전압으로 번갈아 충전시키고, 방전시에는 단락시켜주었다.The electrode manufactured in Comparative Example 1 was subjected to a charge and discharge process using a reversed charge reversal method. That is, at the time of charging, the battery was charged alternately once with positive voltage and once with negative voltage, and was short-circuited during discharging.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 유출수 전도도를 나타낸 것이며, 도 4는 실시예 2 및 비교예 2의 유출수 전도도를 나타낸 것이다.Fig. 3 shows the effluent conductivity of Example 1 and Comparative Example 1, and Fig. 4 shows the effluent conductivity of Example 2 and Comparative Example 2. Fig.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 전극을 이용하는 것이 장기운전에서 더 좋은 성능의 안정성을 보였다. Referring to FIG. 3, the use of the electrode according to Example 1 of the present invention showed better performance stability in a long-term operation.
유출수의 용액 전도도가 감소하는 것은 전극에 이온이 흡착되어 용액에 포함된 이온의 농도가 감소하였기 때문이다. 유출수 전도도가 더 많이 감소하는 것은 이온 탈염성능이 더 좋은 것을 의미한다.The decrease in the solution conductivity of the effluent is due to the adsorption of ions on the electrode and the concentration of ions contained in the solution. A further decrease in effluent conductivity means better desalination performance.
축전식 탈염전극의 CDI의 초기 0~30분동안 흡착성능은 실시예 1 및 비교예 1의 전극의 차이는 거의 없지만, 2700~2730분에서는 실시예 1로 제조된 전극에서의 흡착성능이 훨씬 좋음을 알 수 있다.The adsorption performance for the initial 0 to 30 minutes of the CDI of the storage type desalination electrode was not much different between the electrodes of Example 1 and Comparative Example 1 but the adsorption performance of the electrode manufactured in Example 1 was much better at 2700 to 2730 minutes .
또한, 도 4를 참조하면, 축전식 탈염전극의 초기 0~30분동안 흡착성능은 실시예 2 및 비교예 2의 전극의 차이는 거의 없지만, 2970~3000분에서는 실시예 2 전극의 흡착성능이 좋음을 알 수 있다.4, there was almost no difference in the adsorption performance between the electrodes of Example 2 and Comparative Example 2 during the initial 0 to 30 minutes of the storage type desalination electrode, but the adsorption performance of the electrode of Example 2 was 2970 to 3000 minutes It is good to know.
이로부터 본 발명의 실시예 1에 따른 전극을 오랜기간 이용하더라도 내산화성으로 인해 내구성이 향상됨을 알 수 있었으며, 본 발명의 실시예 2를 살펴보면 본 발명에 따른 전극을 이용하여 역전위 교차 충전 및 방전 방식으로 인가 할 경우 내구성에서 더 우수함을 알 수 있다.From this, it was found that the durability was improved due to the oxidation resistance even when the electrode according to Example 1 of the present invention was used for a long period of time. According to the second embodiment of the present invention, It can be seen that durability is superior to the conventional method.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be clear to those who have knowledge of.
110 : 탄소재료
120 : 금속산화물
130 : 염류110: carbon material
120: metal oxide
130: Salt
Claims (13)
상기 전극재료를 탄화시키는 탄화단계;
상기 전극재료에 포함된 염류를 제거하는 염류제거단계를 포함하되,
상기 탄소재료는 고리구조를 포함하는 단당류 또는 이당류를 포함하는 당류이며,
상기 염류는 NaCl, CaCl2 및 ZnCl2 중 1이상의 염류를 이용하며,
상기 탄화단계에서 탄소 구조 사이에 자리를 잡은 염류를 상기 염류제거단계에서 제거함으로써 기공을 형성하는 것을 특징으로 하는
내산화성 탈염전극 제조방법.
Preparing an electrode material for preparing a carbon material, a metal oxide and a salt containing a ring structure;
A carbonization step of carbonizing the electrode material;
And a salt removal step of removing salts included in the electrode material,
The carbon material is a saccharide containing a cyclic structure or a saccharide containing a disaccharide,
The salts use one or more salts of NaCl, CaCl 2 and ZnCl 2 ,
Characterized in that pores are formed by removing the salts located between the carbon structures in the carbonization step in the salt removal step
A method for producing an oxidation resistant desalting electrode.
상기 염류제거단계 이후에 결정화도를 높이기 위해 가열하는 재결정화단계를 더 포함하는 내산화성 탈염전극 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a recrystallization step of heating to raise the degree of crystallization after the step of removing the salt.
상기 금속산화물은 TiO2, CuNiFe2O4, CuO, HfO2, CeO2, Gd2O3 중에서 1이상이 포함된 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide comprises at least one of TiO 2 , CuNiFe 2 O 4 , CuO, HfO 2 , CeO 2 , and Gd 2 O 3 .
상기 전극재료 준비단계에서 그래핀 또는 탄소나노튜브가 첨가되는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein graphene or carbon nanotubes are added in the step of preparing the electrode material.
상기 탄화단계에서는 1~5℃/min의 온도상승으로 탄화시키는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein carbonization is carried out at a temperature rise of 1 to 5 占 폚 / min in the carbonization step.
상기 탄화단계에서는 500~600℃로 상승시켜 탄화시키는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법.
The method according to claim 1,
In the carbonization step, carbonization is carried out by raising the temperature to 500 to 600 ° C.
상기 염류제거단계에서 염류제거는 활성화단계 및 세척단계를 거치고,
상기 활성화단계는 800 ~ 900℃로 열을 가함으로써 상기 염류를 기화시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법.
The method according to claim 1,
In the salt removal step, the salt removal is carried out through an activation step and a washing step,
Wherein the activating step is carried out by heating at 800 to 900 DEG C to vaporize and remove the salts.
상기 세척단계는 물을 통해 세척함으로써 염류를 제거하는 내산화성 탈염전극 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the cleaning step removes salts by washing through water.
상기 재결정화단계에서는 1300~1400℃의 온도에서 가열하는 것을 특징으로 하는 내산화성 탈염전극 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the heating is carried out at a temperature of 1300 to 1400 캜 in the recrystallization step.
A desalting electrode manufactured by any one of claims 1, 2, 4, 6, 7, 8, 9, 11, A desalting electrode operating method for conducting desalting by charging and discharging.
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