KR101976590B1 - 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 탈염 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치에 관한 것으로, 탈염용 복합전극은 미세 기공을 갖는 다공성 기재; 상기 다공성 기재의 일면에 이온교환용액이 전기분사되어 형성된 이온교환막; 및 상기 다공성 기재의 타면 또는 전면(全面)에 형성되어 있는 도전성막;을 포함한다.

Description

이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 탈염 장치{Complex Electrode for Desalination having Ion Exchange Membrane, Manufacturing Method thereof and Deionization Equipment using the Same}

본 발명은 탈염용 복합전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 초박형 구조로 고 축전용량을 가질 수 있는 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치에 관한 것이다.

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.

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, 화석연료나 전기 등의 열원을 이용하여 수분을 증발하는 증발법과, 분리막을 이용한 이물질을 걸러 제거하는 여과법과, 전극셀의 전기분해작용을 이용하여 이온들을 제거하는 전기투석법이 있다.

증발법은, 화석연료나 전기 등을 열원으로 사용하여 수분을 증발시키는 것으로, 탈염장치의 부피가 커서 비효율적이고, 에너지의 소모량이 증대되어 제조단가가 증대될 뿐만 아니라, 화석연료의 사용으로 인한 대기오염의 원인이 된다.

여과법은 분리막에 고압을 가하여 이물질을 제거해야하므로 에너지의 비용이 증대되고, 전기투석법은 지속적으로 전극셀을 교체해야 하므로 전극셀의 교체에 따른 낭비요인이 발생될 뿐만 아니라 전극셀의 교체에 따른 인적 및 물적 부대비용이 증대되는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 제501417호에는 소정의 압력으로 유입되는 처리수에 대해 1차로 염성분을 제거하는 역삼투막장치; 스페이서, 양전극, 음전극이 원통형의 탱크내에 순차적으로 설치되어 상기 역삼투막장치로에서 1차 처리된 처리수로부터 재차 염성분을 제거하는 전극탈염장치; 상기 역삼투막장치의 브라인측 압력을 전극탈염장치의 입구수 가압용으로 활용하기 위한 에너지회수장치; 상기 전극탈염장치에 구비된 양전극과 음전극에 전원을 공급하는 전원공급수단; 및 상기 전극탈염장치로 유입되는 처리수를 탈염하는 탈염과정과 탈염과정중에 전극에 흡착된 이온들을 탈리시키는 재생과정을 수행하기 위해 처리수가 유동하는 배관들에 구비된 밸브들을 제어하는 제어수단;을 포함하는 역삼투막법/전극법을 이용한 폐수 탈염장치가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 폐수 탈염장치는 역삼투막장치 및 전극탈염장치가 개별적으로 구비되어 있어, 탈염 장치의 크기가 크고, 많은 제조 비용이 소요되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명자들은 탈염 장치를 슬림화시키고, 제조 경비를 감소시킬 수 있는 기술에 대한 연구를 지속적으로 진행하여 고 축전용량을 가짐과 동시에 초박막형의 집전체를 구현할 수 있는 집전체 모듈의 구조적인 특징을 도출하여 발명함으로써, 보다 경제적이고, 활용 가능하고 경쟁력있는 본 발명을 완성하였다.

한국 공개특허공보 제501417호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 초박형 구조로 고 축전용량을 가질 수 있는 탈염용 복합전극을 구현할 수 있는 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그의 제조방법 및 이를 이용한 탈염 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 저비용으로 고 축전용량을 가질 수 있으며, 비표면적을 매우 높일 수 있는 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그의 제조방법 및 이를 이용한 탈염 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전극과 집전체를 일체화함으로써 초박막화하여 탈염 장치를 슬림화시킬 수 있는 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 플렉서블한 탈염 모듈을 구현할 수 있는 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치를 제공하는 데 있다.

상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예는, 미세 기공을 갖는 다공성 기재; 상기 다공성 기재의 전체 면에 형성되는 도전성막; 및 상기 도전성막이 형성된 다공성 기재의 일면에 이온교환용액이 전기분사되어 형성된 이온교환막;을 포함하 탈염용 복합전극을 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예는, 미세 기공을 갖는 다공성 기재를 준비하는 단계; 상기 다공성 기재의 일면에 이온교환용액을 전기분사하여 분사 액적이 축적되어 이루어진 이온교환막을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 기재의 타면에 도전성 물질을 증착하여 도전성막을 형성하는 단계;를 포함하는 탈염용 복합전극의 제조 방법을 제공한다.

더불어, 본 발명의 일 실시예는, 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 축적되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹, 및 부직포 중 선택된 하나 또는 양자의 적층 구조의 다공성 기재를 준비하는 단계; 상기 다공성 기재의 타면 또는 전면에 도전성 물질을 증착하여 도전성막을 형성하는 단계; 상기 다공성 기재의 타면에 형성된 도전성막에 금속 물질을 도금하여 도금층을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 기재의 일면에 이온교환용액을 코팅하여 이온교환막을 형성하는 단계;를 포함하는 탈염용 복합전극의 제조 방법을 제공한다.

게다가, 본 발명의 일 실시예는, 미세 기공을 갖는 다공성 기재, 다공성 기재의 타면에 형성되어 있는 도전성막, 다공성 기재의 일면에 형성된 이온교환막을 포함하는 제1 탈염용 복합전극; 및 상기 제1 탈염용 복합전극과 공간을 사이에 두고 대향하고 있으며, 미세 기공을 갖는 다공성 기재, 다공성 기재의 타면에 형성되어 있는 도전성막, 다공성 기재의 일면에 형성된 이온교환막을 포함하는 제2 탈염용 복합전극;을 포함하는 탈염 장치를 제공한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 다공성 기재 일면에 이온교환용액을 전기 방사하여 이온교환 나노섬유 웹을 형성하고, 다공성 기재 타면 또는 전면에 도전성막을 형성하는 초박형 구조를 구현하여 저렴한 비용으로 고 축전용량을 가질 수 있는 탈염용 복합전극을 구현할 수 있는 장점이 있다.

또, 본 발명에서는 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질이 침투된 전극 구조를 구현하여 비표면적이 매우 높은 전극, 및 초박막 전극을 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 가요성이 우수한 나노섬유 웹 또는 부직포를 전극 지지체로 적용하여 플렉서블한 탈염 전극복합체를 구현할 수 있는 잇점이 있다.

또, 본 발명에서는 전극 지지체의 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 균일한 크기의 기공을 갖는 전극 구현이 가능하여, 이온의 흡착 및 탈착 효율을 향상시킬 수 있으며, 바인더를 사용하지 않아 바인더의 용출 우려를 해소하고, 간단한 제조 공정으로 제조 경비를 감소시킬 수 있는 탈염용 복합전극을 제작할 수 있는 기술을 제공한다.

더불어, 본 발명에서는 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질을 침투시켜 전극을 제작함으로써, 제조 경비를 감소시키고, 저렴한 비용으로 고 축전용량을 가질 수 있는 탈염용 복합전극을 구현할 수 있는 장점이 있다.

게다가, 본 발명에서는 미세 기공을 갖는 다공성 기재에 도전성막을 형성하여 초박형의 탈염용 복합전극을 구현함으로써, 초박형 탈염 장치를 구현할 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 이온교환용액을 전기분사하고, 분사된 액적을 축적하여 이온교환막을 형성함으로써, 치밀한 구조의 무기공 필름 형태를 구현할 수 있고, 초박막의 두께를 가질 수 있어, 선택된 이온만이 자유자제로 이동할 수 있고, 이온들이 이동하는 저항을 낮출 수 있는 잇점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극을 설명하기 위한 개념적인 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 적용된 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극의 다공성 기재의 미세 기공에 증착 물질이 침투된 것을 설명하기 위한 개념적인 도면이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극에 도금층이 형성된 것을 설명하기 위한 개념적인 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 복합전극의 제조 방법의 흐름도이고,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 복합전극의 제조 방법중 다공성 기재 및 이온교환막을 형성하는 공정을 설명하기 위한 개념적인 도면이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염용 복합전극의 제조 방법의 흐름도이고,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이고,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이고,
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이고,
도 10은 도 9의 필터 모듈이 적층된 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이고,
도 11은 본 발명의 탈염 장치의 조립 상태를 설명하기 위한 개념적인 사시도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극을 설명하기 위한 개념적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 적용된 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극의 다공성 기재의 미세 기공에 증착 물질이 침투된 것을 설명하기 위한 개념적인 도면이며, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극에 도금층이 형성된 것을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 복합전극은 미세 기공을 갖는 다공성 기재(110); 다공성 기재(110)의 일면(111)에 이온교환용액이 전기분사되어 형성된 이온교환막(120); 다공성 기재(110)의 타면(112)에 형성되어 있는 도전성막(130)을 포함한다.

*이온교환막(120)은 전극의 극성에 따라 양이온교환막 또는 음이온교환막일 수 있고, 이온교환막(120)은 이온들을 전극에 선택적으로 흡착시키는 역할을 한다. 즉, 양극에는 음이온교환막이 결합되고, 음극에는 양이온교환막이 결합되어, 전압이 인가되면 음극에는 양이온만이 흡착되고, 양극에는 음이온만 흡착된다.

그리고, 이온교환용액을 전기분사하게 되면, 전기분사되는 노즐에서 미세한 크기의 액적이 분사하고, 전기적인 힘에 의해 더 미세하게 분화되어 축적됨으로써 무기공 필름 형태의 이온교환막(120)이 형성된다.

이온교환막(120)이 무기공 형태를 갖는 경우, 이온의 선택적 투과성을 높일 수 있다. 이와 반대로, 기공을 갖는 이온교환막(120)은 전기적인 인력 또는 반발력에도 불구하고 양이온 및 음이온 모두가 기공을 통하여 통과될 수 있기에, 바람직한 구조는 아니다.

이와 같이, 본 발명에서는 이온교환용액을 전기분사하고, 분사된 액적을 축적하여 이온교환막(120)을 형성함으로써, 치밀한 구조의 무기공 필름 형태를 구현할 수 있고, 초박막의 두께를 가질 수 있어, 선택된 이온만이 자유자제로 이동할 수 있고, 이온들이 이동하는 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다.

도전성막(130)은 도전성 물질을 다공성 기재(110)의 적어도 타면(112)에 증착하여 형성할 수 있다. 도전성 물질로 니켈(Ni), 구리(Cu), 스텐레스 스틸(SUS), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al)과 같은 금속류 중 하나를 적용할 수 있고, 바람직하게는 구리를 증착시켜 증착막을 형성하는 것이다. 여기서, 다공성 기재(110)의 하나의 면인 타면(112)에만 도전성 물질을 증착할 수 있고, 바람직하게는 다공성 기재(110)의 전체 면에 대하여 도전성 물질을 증착할 수도 있다.

다공성 기재(110)의 전체 면에 대하여 도전성 물질을 증착하고자 하는 경우에는, 먼저, 다공성 기재의 전체 면에 도전성막을 형성하고, 이어서 도전성막이 형성된 다공성 기재의 일면에 이온교환용액을 전기분사하여 도전성막 위에 이온교환막을 형성한다.

다공성 기재(110)는 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 축적되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹 및 부직포의 적층 구조를 적용할 수 있다. 나노섬유 웹과 부직포의 적층 구조는 부직포 일면에 나노섬유 웹이 적층된 구조이거나, 부직포의 양면에 나노섬유 웹이 적층되는 구조일 수 있다. 여기서, 나노섬유 웹 및 부직포의 적층 구조를 적용하여 탈염용 복합전극을 구현하게 되면, 비표면적이 높은 전극을 만들 수 있다.

*즉, 다공성 기재(110)는 나노섬유 웹과 부직포의 2층의 적층 구조, 또는 나노섬유 웹/부직포/나노섬유 웹의 3층의 적층 구조로 할 수 있다. 이때, 나노섬유 웹의 두께는 부직포의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 이때, 나노섬유 웹과 부직포는 합지하는 공정을 수행하여 적층할 수 있다.

이와 같이, 탈염용 복합전극을 나노섬유 웹과 부직포의 적층 구조로 적용하게 되면, 부직포가 나노섬유 웹보다 가격이 저렴하고, 강도가 높기 때문에, 탈염용 복합전극의 제조 경비를 감소시킴과 동시에 강도를 향상시킬 수 있다. 이와 더불어, 부직포도 다수의 기공이 존재하므로, 증착되는 도전성 물질이 침투된다.

이러한 다공성 기재(110)는 미세 기공을 구비하고 있으므로, 다공성 기재(110)에 도전성 물질이 증착되면, 증착된 도전성 물질은 미세 기공으로 침투되어, 미세 기공 내측에 증착막이 형성되고, 증착된 후(後)의 다공성 기재(110)의 기공은 증착되기 전(前)의 다공성 기재(110) 기공보다 더 미세해진다. 그러므로, 본 발명의 탈염용 복합전극은 이온을 흡착시킬 수 있는 미세 기공을 갖는 전극 구조가 되어 축전식 탈염 전극으로 사용할 수 있는 것이다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 다공성 기재(110)의 타면(112) 또는 전체면에 증착된 도전성 물질(131)은 미세 기공(115)으로 침투되어, 다공성 전극이 되는 것이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 복합전극은 다공성 기재(110)에 형성된 도전성막(130)에 도금되어 있는 도금층(150)이 더 형성되어 있고, 이 도금층(150)은 집전체가 된다.

*도금층(150)은 탈염용 복합전극의 전기전도도를 향상시키고, 별도의 집전체를 필요로하지 않기 때문에 초박막화하여 슬림화시킬 수 있어, 탈염장치를 소형화시킬 수 있다. 여기서, 도금층(150)은 다공성 기재(110)에 형성된 도전성막(130)에 도금되며, 다공성 기재(110)의 일면에만 도금층(150)을 형성한다. 즉, 본 발명에 적용된 탈염용 복합 전극이 하나의 시트로서 전극 및 집전체의 역할을 동시에 수행하기 위한 것으로, 증착하여 형성된 도전성막(130)으로는 탈염용 복합 전극을 위한 충분한 전기전도성을 갖지 못하므로, 도금층(150)이 필요한 것이다.

그리고, 다공성 기재(110)의 일면에만 도금층(150)을 형성하는 이유는 통상 도금을 하면 기공이 막히게 되는바, 탈염용 복합전극의 전극부는 다공성이어야 하므로, 전극부에는 도금층(150)을 형성하지 않는다.

따라서, 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 복합전극은 나노섬유 웹과 같은 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질이 침투된 전극 구조이므로, 비표면적이 매우 높은 전극, 및 1㎛-50㎛ 두께의 초박막 전극을 제작할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서는 가요성이 우수한 나노섬유 웹 또는 부직포를 전극 지지체로 제작하여 플렉서블한 탈염용 복합전극을 구현할 수 있고, 이와 동시에, 휘어진 극한 형상의 탈염장치에도 탈염용 복합전극을 장착할 수 있는 잇점이 있다.

더불어, 본 발명에서는 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 균일한 크기의 기공을 갖는 전극 구현이 가능하여, 이온의 흡착 및 탈착 효율을 극대화시킬 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 바인더를 사용하지 않아 바인더의 용출 우려가 없으며, 공정이 간단해 경제성 있는 전극을 만들수 있다.

게다가, 본 발명에서는 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질을 침투시켜 전극을 제작함으로써, 제조 경비를 감소시키고, 저렴한 비용으로 고 축전용량을 가질 수 있는 탈염용 복합전극을 제공할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 복합전극의 제조 방법의 흐름도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 복합전극의 제조 방법중 다공성 기재 및 이온교환막을 형성하는 공정을 설명하기 위한 개념적인 도면이고, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염용 복합전극의 제조 방법의 흐름도이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 복합전극의 제조 방법은 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 축적되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹, 및 부직포 중 선택된 하나 또는 양자의 적층 구조의 다공성 기재를 준비한다(S100).

여기서, 다공성 나노섬유 웹은 단일 종류의 고분자 또는 적어도 2 종류의 고분자를 혼합하여 용매에 용해시킨 혼합 방사용액을 전기방사하거나, 또는 서로 다른 고분자를 각각 용매에 용해시킨 후 각각 서로 다른 방사 노즐을 통하여 교차방사하여 얻어질 수 있다.

2 종류의 고분자를 사용하여 혼합 방사용액을 형성하는 경우, 예를 들어, 내열성 고분자로서 PAN과 접착성 고분자로서 PVDF를 혼합하는 경우, 8:2 내지 5:5 중량% 범위로 혼합하는 것이 바람직하다.

내열성 고분자와 접착성 고분자의 혼합비가 중량비로 5:5보다 작은 경우 내열성이 떨어져서 요구되는 고온 특성을 갖지 못하며, 혼합비가 중량비로 8:2보다 큰 경우 강도가 떨어지고 방사 트러블이 발생하게 된다.

본 발명에서는 단일 용매를 사용할 때는 고분자의 종류에 따라 용매의 휘발이 잘 이루어지지 못하는 경우가 있다는 것을 고려하여 방사공정 이후에 후술하는 바와 같이 프리히터에 의한 선 건조구간(Pre-Air Dry Zone)을 통과하면서 다공성 나노섬유 웹의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절하는 공정을 거칠 수 있다.

고분자는 용매에 용해되어 방사용액을 형성한 후 전기방사 방법으로 방사되어 나노섬유를 형성할 수 있는 섬유 성형성 폴리머라면 어떤 것도 사용 가능하다.

본 발명에서 사용 가능한 내열성 고분자 수지는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고 융점이 180℃ 이상인 수지로서, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등을 사용할 수 있다.

다공성 나노섬유 웹은 단일 또는 혼합 고분자를 용매에 용해시켜 방사용액을 형성한 후, 방사용액을 방사하여 초극세 나노섬유로 이루어진 다공성 나노섬유 웹을 형성하고, 고분자의 융점 이하의 온도에서 캘린더링하여 기공 사이즈와 웹의 두께를 조절하여 형성된다.

다공성 나노섬유 웹은 예를 들어, 50 내지 1500um의 직경을 갖는 나노섬유에 의해 형성되고, 1 내지 100um 두께, 바람직하게는 10 내지 30um 두께로 설정된다. 상기 미세 기공의 크기는 수십 um로 설정되고, 기공도는 50 내지 90%로 설정된다.

이 경우, 다공성 기재는 다공성 부직포 단독으로 사용하거나 필요에 따라 다공성 나노섬유 웹과 지지체의 강도를 보강하기 위해 다공성 부직포가 합지되어 사용될 수 있다. 다공성 부직포는 예를 들어, 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 구조의 PP/PE 섬유로 이루어진 부직포, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyleneterephthalate) 섬유로 이루어진 PET 부직포, 셀룰로즈 섬유로 이루어진 부직포 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

이어서, 다공성 기재의 일면에 이온교환용액을 전기분사하여 분사액적이 축적되어 이루어진 이온교환막을 형성하고(S110), 다공성 기재의 타면에 도전성 물질을 증착하여 도전성막을 형성한다(S120).

이와 같은 방법으로 초박형의 탈염용 복합전극을 제조하게 되며, 다공성 기재를 나노섬유 웹으로 구현하는 경우 도 5a에 도시된 바와 같이, 고분자 물질이 용매에 용해된 방사용액을 제1노즐(41)로 전기 방사하여 나노섬유(113)를 축적하여 나노섬유 웹(117)을 형성한다. 그리고, 이온교환막(127)은 도 5b와 같이 나노섬유 웹(117)의 일면에 이온교환용액을 전기분사하여 분사 액적(123)을 축적하여 형성한다.

한편, 도전성막은 도전성 물질의 재료에 따라 CVD(Chemical Vapor Deposition:화학적 기상성장) 방법 또는 PVD(Physical Vapor Deposition :물리적 기상 성장) 방법을 이용하여 증착 공정을 수행한다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염용 복합전극의 제조 방법은 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 축적되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹, 및 부직포 중 선택된 하나 또는 양자의 적층 구조의 다공성 기재를 준비하고(S200), 다공성 기재의 전면(全面)에 도전성 물질을 증착하여 도전성막을 형성한다(S210).

그 후, 다공성 기재의 타면의 도전성막에는 금속 물질을 도금하여 도금층을 형성하고(S220), 다공성 기재의 일면의 도전성막에는 이온교환용액을 코팅하여 이온교환막을 형성한다(S230).

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이고, 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이다.

도 7을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염 장치는 미세 기공을 갖는 다공성 기재, 다공성 기재의 타면에 형성되어 있는 도전성막, 다공성 기재의 일면에 형성된 이온교환막을 포함하는 제1 탈염용 복합전극(160); 및 제1 탈염용 복합전극(160)과 공간을 사이에 두고 대향하고 있으며, 미세 기공을 갖는 다공성 기재, 다공성 기재의 타면에 형성되어 있는 도전성막, 다공성 기재의 일면에 형성된 이온교환막을 포함하는 제2 탈염용 복합전극(170)을 포함한다.

제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)은 서로 다른 극성의 집전체 또는 전위가 발생될 수 있는 집전체로, 예컨대, 제1 탈염용 복합전극(160)은 음극 집전체이고, 제2 탈염용 복합전극(170)은 양극 집전체이다.

제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170) 사이에 전위를 인가하게 되면, 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)의 표면에 형성되는 전기이중층에서 전기적 인력에 의하여, 탈염 장치의 일측으로 유입되는 해수나 폐수등의 처리수에 포함된 이온들이 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)의 표면에 흡착되어 제거됨으로써, 탈염 장치의 타측으로 정화된다. 이때, 전기적인 인력에 의해, 다공성 전극은 해수나 폐수등의 처리수에 포함된 이온을 흡착한다.

도 7을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염 장치는 제1실시예에 따른 탈염 장치와 비교하여 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170) 사이 공간에 위치되어, 처리수가 통과하는 부직포(180)를 더 포함한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 탈염 장치에서는 제1 및 제2 탈염용 복합전극에 인가된 전위로 부직포(180)로 통과되는 처리수에서 이온을 흡착함으로써, 축전식 탈염을 구현한다.

그리고, 부직포(180)에는 불규칙한 형상의 다수의 기공이 형성되어 있어, 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170) 사이에서 통과되는 처리수의 유동 방향을 다양하게 가변시켜, 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170) 사이에 인가된 전위에 의해 이온들의 흡착 효율을 증가시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 탈염 장치는 미세 기공을 갖는 다공성 기재에 도전성막을 형성하여 초박형의 탈염용 복합전극을 구현함으로써, 초박형 탈염 장치를 구현할 수 있다.

본 발명에서는 제1 및 제2실시예에 따른 탈염 장치에 적용된 도전성막에 전기전도도를 향상시키기 위한 도금층이 더 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 탈염 장치는 흡착된 이온이 탈염용 복합전극의 축전용량에 도달하게 되면, 전극전위를 0 볼트(V), 또는 역 전위로 전환하여 탈염용 복합전극에 흡착된 이온들을 탈착시켜 역세척함으로써, 탈염 장치를 재생하여 사용할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이고, 도 10은 도 9의 필터 모듈이 적층된 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이다.

도 9를 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 탈염 장치는 정화수가 배출되는 타단에 설치된 중금속 이온 및 세균성 물질을 필터링할 수 있는 필터 모듈(200)을 더 포함할 수 있다.

필터 모듈(200)은 탈염 장치의 타단에 설치되어, 중금속 이온 및 박테리아, 미생물 등의 세균성 물질을 제거할 수 있다. 이때, 도 9는 개념적인 도면으로, 필터 모듈(200)이 탈염 장치의 타단으로부터 이격되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170) 사이를 통과한 제1정화수의 누수를 기본적으로 방지하기 위한 구조로 이루어져 있어야 한다. 예컨대, 필터 모듈(200)이 탈염 장치의 타단에 필터 모듈(200)에 밀착될 수 있거나, 제1정화수의 누수를 방지하기 위한 가이드가 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)과 필터 모듈(200) 사이에 설치될 수 있다.

필터 모듈(200)은 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)에서 이온이 제거된 제1정화수에서 중금속 이온을 제거하기 위한 은(Ag) 메쉬 모듈(220), 및 은 메쉬 모듈(220)에 고정되어, 중금속 이온이 제거된 제2정화수(미도시)에서 세균성 물질을 필터링하기 위한 나노섬유 웹(210)을 포함하여 구성된다.

나노섬유 웹(210)은 3차원 미세 기공이 형성되어 있어, 제2정화수가 나노섬유 웹(210)을 통과하는 동안 세균성 물질은 나노섬유 웹에 포집된다.

그리고, 도 10에 도시된 바와 같이, 필터 모듈(200)은 은 메쉬 모듈(220) 및 나노섬유 웹(210)의 적층 구조가 반복적으로 적층된 구조로 구현할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 탈염 장치에 필터 모듈을 더 포함시켜, 중금속 이온과 세균성 물질을 필터링할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명에서는 나노섬유 웹(210)이 은나노 물질이 포함되어 있는 나노섬유가 적층된 나노섬유 웹으로 구현할 수 있고, 즉, 은나노 물질이 포함된 나노섬유 웹을 통과한 정화수는 세균 번식을 방지하여 항균 특성을 증가시킬 수 있다.

이경우, 은나노 물질, 고분자 물질을 유기용매에 용해하여 방사용액을 제조한 후, 전기방사를 수행하여 나노섬유를 적층하여 나노섬유 웹을 제조한다.

도 11은 본 발명의 탈염 장치의 조립 상태를 설명하기 위한 개념적인 사시도이다.

전술된 탈염용 복합전극은 가요성이 우수한 나노섬유 웹 또는 부직포를 전극 지지체로 제작함으로써, 매우 플렉서블한 특성을 가지고 있어 다양한 조립 형태의 탈염 장치를 구현할 수 있다.

그의 일례로, 본 발명에서는 제1 탈염용 복합전극(160)과 제2 탈염용 복합전극(170) 사이에 처리수가 통과될 수 있는 유로가 형성된 스페이서(191)를 개재하고, 도 11에 도시된 바와 같이 스파이럴(spiral) 권취하여 조립할 수 있다. 즉, 탈염 장치는 나권형으로 조립되어 있다.

제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)의 이온교환막(120a,120b)은 서로 대향되어 있어, 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)에 전압이 인가되면 스페이서(191)로 통과되는 처리수에서 이온을 흡착하여 축전식 탈염을 수행하게 된다. 이때, 처리수는 탈염 장치의 일측에서 투입되어 나권형된 스페이서(191)의 유로를 따라 유동되면서 탈염된 후, 탈염된 정화수는 탈염 장치의 타측으로 배출되는 조립 구조를 가짐으로써, 탈염 효율을 향상시킬 수 있는 것이다. 이 스페이서(191)의 일례로 부직포를 적용할 수 있다.

여기서, 제1 탈염용 복합전극(160)은 미세 기공을 갖는 다공성 기재(110a), 다공성 기재(110a)의 타면에 형성되어 있는 도전성막(130a), 다공성 기재(110a)의 일면에 형성된 이온교환막(120a)을 포함하고, 제2 탈염용 복합전극(170)도 미세 기공을 갖는 다공성 기재(110b), 다공성 기재(110b)의 타면에 형성되어 있는 도전성막(130b), 다공성 기재(110b)의 일면에 형성된 이온교환막(120b)을 포함한다.

본 발명에서는 제1 탈염용 복합전극(160)의 도전성막(130a), 제2 탈염용 복합전극(170)의 도전성막(130b), 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)의 도전성막(130a,130b) 모두 중 하나에 절연층(192)이 적층되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서 나권형 조립 구조의 탈염 장치를 구현하기 위해, 제1 탈염용 복합전극(160), 스페이서(191) 및 제2 탈염용 복합전극(170)이 순차적으로 적층된 구조를 스파이럴 형상으로 롤링하게 되면, 롤링된 구조의 중심(롤링축)에서 외주면 방향으로, 제1 탈염용 복합전극(160), 스페이서(191) 및 제2 탈염용 복합전극(170)이 계속 반복되는 구조가 됨으로, 제1 및 제2 탈염용 복합전극(160,170)에 전압이 인가되면, 이웃하는 반복 구조와 전기적인 간섭이 발생되어 탈염 특성이 저하될 수 있다.

이에, 나권형으로 권취된 반복 구조 간에 전기적인 간섭 및 영향을 방지하기 위한 절연층(192)을 포함하여 탈염 장치를 나권형으로 조립하는 것이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 다공성 기재 일면에 이온교환막을 형성하고, 다공성 기재 타면 또는 전면에 도전성막을 형성하는 초박형 구조로 고 축전용량을 가질 수 있는 탈염용 복합전극을 제작함으로써, 초박형 탈염 장치를 제공할 수 있다.

100,110a,110b:다공성 기재 113:나노섬유
117,210:나노섬유 웹 120,120a,120b:이온교환막
130,130a,130b:도전성막 131:도전성 물질
150:도금층 160,170:탈염용 복합 전극
180:부직포 191:스페이서
192:절연층 200:필터 모듈
220:은 메쉬 모듈

Claims (13)

1. 미세 기공을 갖는 다공성 기재;
   상기 다공성 기재의 전체 면에 형성되는 도전성막; 및
   상기 다공성 기재의 일면의 상기 도전성막에 이온교환용액이 전기분사되어 무기공 필름 형태로 형성된 이온교환막;을 포함하며,
   상기 도전성막은 상기 다공성 기재에 증착된 도전성 물질에 의해 형성되며,
   상기 다공성 기재는 나노섬유 웹과 부직포의 적층 구조이고, 상기 나노섬유 웹은 고분자 물질의 전기방사에 의해 얻어진 나노섬유가 적층된 3차원 미세 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 탈염용 복합전극.
2. 제1항에 있어서, 상기 이온교환막은,
   양이온교환막 또는 음이온교환막인 것을 특징으로 하는 탈염용 복합전극.
3. 제1항에 있어서, 상기 다공성 기재의 미세 기공으로 상기 증착된 도전성 물질이 침투되어 있는 것을 특징으로 하는 탈염용 복합전극.
4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 기재의 타면의 상기 도전성막에 도금된 도금층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염용 복합전극.
5. 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 축적되어 있고 3차원 미세기공을 갖는 나노섬유 웹, 및 부직포의 적층 구조로 된 다공성 기재를 준비하는 단계;
   상기 다공성 기재의 전체 면에 도전성 물질을 증착하여, 상기 다공성 기재에 도전성막을 형성하는 단계;
   상기 다공성 기재의 일면의 상기 도전성막에 이온교환용액을 전기분사하여 무기공 필름 형태의 이온교환막을 형성하는 단계; 및
   상기 다공성 기재의 타면의 상기 도전성막에 금속 물질을 도금하여 도금층을 형성하는 단계;를 포함하는 탈염용 복합전극의 제조방법.
6. 미세 기공을 갖는 제1 다공성 기재; 상기 제1 다공성 기재의 전체 면에 형성되어 있는 도전성막; 및 상기 제1 다공성 기재의 일면의 상기 도전성막에 이온교환용액이 전기분사되어 무기공 필름 형태로 형성된 이온교환막;을 포함하며, 상기 도전성막은 상기 제1 다공성 기재에 증착된 도전성 물질에 의해 형성되며, 상기 도전성 물질은 상기 미세 기공으로 침투되어 상기 미세 기공이 더 미세해지고 상기 제1 다공성 기재는 다공성 전극이 되며, 상기 제1 다공성 기재는 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹, 및 부직포의 적층 구조인 제1 탈염용 복합전극; 및
   상기 제1 탈염용 복합전극과 공간을 사이에 두고 대향하고 있으며, 미세 기공을 갖는 제2 다공성 기재; 상기 제2 다공성 기재의 전체 면에 형성되어 있는 도전성막; 및 상기 제2 다공성 기재의 일면의 상기 도전성막에 이온교환용액이 전기분사되어 무기공 필름 형태로 형성된 이온교환막;을 포함하며, 상기 도전성막은 상기 제2 다공성 기재에 증착된 도전성 물질에 의해 형성되며, 상기 제2 다공성 기재는 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹, 및 부직포의 적층 구조인 제2 탈염용 복합전극;을 포함하며,
   상기 제1 및 제2 다공성 기재에 증착된 도전성막 각각은 상기 제1 및 제2 다공성 기재 각각에 증착된 도전성 물질에 의해 형성되며, 상기 도전성 물질은 상기 미세 기공으로 침투되어 상기 미세 기공이 더 미세해지고 상기 제1 및 제2 다공성 기재는 다공성 전극이 되는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 탈염용 복합전극과 상기 제2 탈염용 복합전극 사이에 처리수가 통과될 수 있는 유로가 형성된 스페이서가 개재된 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 탈염용 복합전극, 상기 스페이서 및 상기 제2 탈염용 복합전극이 순차적으로 적층된 구조가 스파이럴 형상으로 롤링되어 있는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 제1 탈염용 복합전극의 도전성막 및 상기 제2 탈염용 복합전극의 도전성막의 적어도 하나에는 절연층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
10. 제7항에 있어서, 상기 처리수에 포함된 이온이 상기 제1 및 제2 탈염용 복합전극에서 흡착되어 정화된 정화수가 배출되는 영역에, 상기 정화수에서 중금속이온 및 세균성 물질을 필터링할 수 있는 필터 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 필터 모듈은,
    상기 정화수에서 중금속 이온을 제거하기 위한 은(Ag) 메쉬 모듈; 및
    상기 은 메쉬 모듈에 고정되어, 상기 중금속 이온이 제거된 정화수에서 세균성 물질을 필터링하기 위한 나노섬유 웹을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 필터 모듈은,
    상기 은 메쉬 모듈 및 상기 나노섬유 웹의 적층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 탈염 장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 나노섬유 웹은,
    은나노 물질이 포함되어 있는 나노 섬유가 적층된 나노섬유 웹인 탈염 장치.

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