KR101978985B1 - 축전식 탈염 전극 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축전식 탈염 전극 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 내구성이 향상되고, 파울링 현상을 최소화 할 수 있으며, 유입수의 처리량을 증대시킬 수 있는 축전식 탈염 전극 모듈에 관한 것이다. 이를 위해 축전식 탈염 전극 모듈은 중심부에 홀이 형성된 원통형의 하우징; 원통형의 하우징의 내부에 구비되고, 중심부에 홀이 형성된 한 쌍의 원형 전극; 및 한 쌍의 원형 전극 사이에 일정한 간격으로 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형의 중간 전극;을 포함하되, 원형 전극 및 중간 전극은 직경이 30~40cm인 것을 특징으로 한다.

Description

축전식 탈염 전극 모듈{CAPACITIVE DEIONIZATION ELECTRODE MODULE}

본 발명은 축전식 탈염 전극 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 내구성이 향상되고, 파울링 현상을 최소화 할 수 있으며, 유입수의 처리량을 증대시킬 수 있는 축전식 탈염 전극 모듈에 관한 것이다.

축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI) 전극 모듈은 하전된 전극 계면에 형성되는 전기이중층(Electric Double Layer, EDL)에서의 이온 흡착 및 탈착 반응을 이용하여 원수 내 이온성 물질을 제거하는 기술이다. 구체적으로 설명하면, 물의 전기분해반응이 일어나지 않는 전위 범위 내에서 전압을 인가하면 전극에는 일정한 전하량이 하전되고, 하전된 전극에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전극 표면에 흡착되며, 전극을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(desalinated water)가 된다.

이때, 전극에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(Capacitance)에 따라 결정되기 때문에 CDI에 사용되는 전극은 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(Carbon Electrode)이 일반적으로 사용된다.

한편, 전극의 흡착 용량이 포화되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수로 나오게 된다. 이때 전극에 흡착된 이온들을 탈착시키기 위하여, 전극들을 쇼트(short) 시키거나 전극에 흡착 전위와 반대 전위를 인가하면, 전극은 전하를 잃거나 반대 전하를 갖게 되고 흡착된 이온들은 빠르게 탈착되어 전극의 재생이 이루어지게 된다.

이와 같이 CDI 기술은 전극의 전위만을 변화시켜서 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 매우 간편하고 탈염 과정에서 환경 오염 물질을 배출하지 않기 때문에 환경 친화적인 탈염 공정으로 알려져 있다.

또한, 상기 CDI의 개량된 일 실시예인 MCDI(Membrane Capacitive Deionization Device)는 전극 표면에 이온교환막을 형성하여 흡착되는 이온의 선택도를 높이는 것을 특징으로 한다(도 6 참조). 그러나, 상기 MCDI는 고가의 이온교환막 사용으로 인하여 전체적인 CAPEX 비용을 높인다는 문제가 있었다.

또한, 종래의 CDI 또는 MCDI는 염의 제거효율을 증가시키기 위하여 유로를 100㎛ 정도로 좁게 설계하는 것이 일반적이고, 이에 따라, 좁은 유로로 인하여 파울링 현상이 발생하기 쉬우며, 처리량이 감소하여 생산성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 또한, 좁은 유로로 인하여 대면적의 직렬구조 CDI 모듈을 제조하기 어려워, 생산성을 높이는 데에도 한계가 있었다.

또한, 종래의 탈염 전극 모듈은 사각 형태의 전극을 이용하여 제조되었는데, 사각 형태의 전극은 모서리 부분에서는 탈염 반응이 일어나지 않고, 오히려 부식이 일어나 탈염 효율을 떨어뜨리는 문제도 있었다.

이에, 파울링 현상을 최소화하고 처리량을 증대시키면서도, 이온성 물질의 제거효율을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 요구가 이어지고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0106747호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 내구성이 향상되고, 파울링 현상을 최소화 할 수 있으며, 유입용액의 처리량을 증대시킬 수 있는 축전식 탈염 전극 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.

상기 목적은, 중심부에 홀이 형성된 원통형의 하우징; 원통형의 하우징의 내부에 구비되고, 중심부에 홀이 형성된 한 쌍의 원형 전극; 및 한 쌍의 원형 전극 사이에 일정한 간격으로 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형의 중간 전극;을 포함하되, 원형 전극 및 중간 전극은 직경이 30~40cm인 축전식 탈염 전극 모듈에 의해 달성될 수 있다.

이때, 한 쌍의 원형 전극의 서로 마주보는 면에는 활성탄층이 형성될 수 있고, 중간 전극의 양 면에는 활성탄층이 형성될 수 있다.

또한, 축전식 탈염 전극 모듈은 한 쌍의 원형 전극에만 전원이 연결되어, 각각 양극 또는 음극이 형성될 수 있고, 중간 전극은 일면에 양극이 형성되며, 타면에 음극이 형성될 수 있고, 중간 전극은 복수 개일 수 있다.

또한, 축전식 탈염 전극 모듈의 전극 사이의 유로에 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지가 혼합되어 채워질 수 있고, 전극 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지와 음이온 교환수지가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가질 수 있으며, 양이온 교환수지는 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지는 양극 쪽에 다수 분포되어 있을 수 있다. 바람직하게는, 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지가 유로 중앙 부분에 고르게 분포될 수 있다.

본 발명에 따르면, 원형의 전극을 사용하여 부식(전극의 산화)을 방지함으로써 축전식 탈염 전극 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

또한, 하우징 내부의 최외각에 위치하는 한 쌍의 원형 전극에만 전위를 인가함으로써 종래와 같이 각 전극에 전위를 인가하는 경우처럼 별도의 변압기를 구비하지 않고, 운영할 수 있는 장점을 가진다.

또한, 직경이 큰 전극을 사용하고, 유로의 크기를 키울 수 있어 파울링 현상을 최소화하고, 유입수의 처리량을 증대시킬 수 있는 효과를 가진다.

또한, 대면적의 직렬구조 또는 병렬구조로 운영할 수 있고, 별도의 이온 교환막을 사용하지 않아 CAPEX 비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 내부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈의 작동과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈의 작동과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 직렬로 연결하여 운영하는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 병렬로 연결하여 운영하는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 이온교환막을 사용하는 축전식 탈염 전극 모듈의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 내부를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)(이하 CDI 모듈이라고도 한다.)은 중심부에 홀이 형성된 원통형의 하우징(10); 원통형의 하우징(10)의 내부에 구비되고, 중심부에 홀이 형성된 한 쌍의 원형 전극(20); 및 한 쌍의 원형 전극(20) 사이에 일정한 간격으로 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형의 중간 전극(30);을 포함한다. 이때, 유입수의 처리 용량을 향상시키기 위하여 하우징(10)의 내부에 구비되는 원형 전극(20) 및 원형 전극(20) 사이에 배치되는 중간 전극(30)의 직경은 30~40cm인 것이 바람직하다.

종래의 CDI 모듈은 대부분 사각 형태의 전극을 사용하고, 그 크기는 10x10cm인 것이 일반적이며, 이 경우, 유입수의 처리량은 2.5ton/day 정도이다. 또한, 사각 형태의 전극은 모서리 부근에서 탈염 반응이 일어나지 않고, 오히려 부식(전극의 산화)이 일어나 탈염 효율을 떨어뜨리는 문제점도 있었다. 그러나, 본 발명은 직경이 30~40cm인 원형 형상의 전극을 사용함으로써 전극을 쌓는 것이 용이하고, 전극의 전체에서 고르게 탈염 작용이 일어나 단위면적당 탈염 효율을 향상시킬 수 있으며, 전체적으로 10배 이상의 처리 효율을 가질 수 있다. 또한, 모서리에서 발생하는 산화 현상을 방지함으로써 CDI 모듈의 내구성도 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, 원통형의 하우징(10)은 중심부에 홀이 형성된 것으로서, uPVC(unplasticized polyvinyl chloride)와 같은 소재로 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 하우징(10)의 중심부에 형성된 홀은 유입수가 지나가는 유로로서, 유입수가 하우징(10)의 일측으로 진입하여 타측으로 유출되면서 유입수 내의 이온들이 원형 전극(20) 및 중간 전극(30)에 흡착 또는 탈착이 일어난다.

일 실시예에 있어서, 한 쌍의 원형 전극(20)은 중심부에 홀이 형성되고, 원통형의 하우징(10)의 내부에 구비될 수 있는 것으로서, 후술하는 중간 전극(30)이 한 쌍의 원형 전극(20)의 사이에 배치될 수 있도록 하우징(10) 내부에 구비된 복수 개의 전극 중에서 최외각에 배치된 전극을 의미한다. 중심부에 형성된 홀은 하우징(10)의 홀과 연결되어 유입수의 유로가 된다. 한 쌍의 원형 전극(20)은 비표면적이 큰 다공성 탄소 전극을 사용할 수 있고, 서로 마주보는 면에는 활성탄(active carbon)층이 형성될 수 있다. 또한, 일측에는 전원 장치(power supply)와 연결될 수 있도록 전극부가 형성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 중간 전극(30)은 한 쌍의 원형 전극(20) 사이에 일정한 간격으로 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형 형상으로, 기본적으로 한 쌍의 원형 전극(20)과 동일한 전극을 사용할 수 있다. 다만, 하우징(10) 내부에서 최외각에 위치하는 한 쌍의 원형 전극(20)과 달리 전극의 양면에 모두 활성탄층이 형성될 수 있고, CDI 모듈의 운영방식(후술하는 바이폴라 또는 모노폴라 방식)에 따라 일측에 전원 장치(power supply)와 연결될 수 있도록 전극부가 형성될 수도 있고, 없을 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 축전식 탈염 전극 모듈(100)은 바이폴라(bipolar) 방식으로 운영될 수 있다. 바이폴라 방식이란, 하우징(10) 내부의 각 전극을 전원 장치와 연결하여 각각 양극 또는 음극으로 작용하도록 하는 모노폴라(monopolar) 방식과 달리, 하우징(10) 내부의 복수 개의 전극 중 최외각에 있는 한 쌍의 원형 전극(20)만 전원 장치와 연결하여 일측은 양전위를 인가하고(양극), 타측은 음전위를 인가(음극)함으로써, 원형 전극(20) 사이에 배치되는 중간 전극(30)의 일면은 양전위가 대전(양극)되도록 하고, 타면은 음전위로 대전(음극)되도록 한다. 바이폴라 방식에서 흡착과정 및 탈착과정이 수행될 때 하우징(10) 내부의 최외각에 배치되는 원형 전극(20)은 각각 반대 전위로 대전된다. 즉, 흡착과정에서 양극으로 작용했던 경우, 탈착과정에서는 음극으로 작용하고, 흡착과정에서 음극으로 작용했던 경우, 탈착과정에서는 양극으로 작용한다.

일 실시예에 있어서, 중간 전극(30)은 복수 개일 수 있고, 전원 장치에서 인가하는 전체 전압에 따라서 중간 전극(30)의 숫자를 조절할 수 있다. 즉, CDI 모듈은 각 전극이 산화되지 않도록 1.5V 이하의 전압이 인가되도록 하는 것이 바람직한데, CDI 모듈에 인가되는 전체 전압에 따라 중간 전극(30)의 수를 조절함으로써 각 전극이 산화되지 않도록 1.5V 이하의 전압이 인가될 수 있다. 바이폴라 방식으로 운영할 경우, 하우징(10) 내부의 최외각에 배치되는 한 쌍의 원형 전극(20)에만 전원 장치와 연결하는 전극부를 형성하면 되고, 각 전극에 전압을 걸기 위한 변압기를 사용하지 않을 수 있어 전체 설비 비용이 절약될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염전극 모듈(100)은 모노폴라 방식으로 운영될 수도 있다. 이 경우, 중간 전극(30) 역시 전원장치와 연결되도록 전극부를 형성하는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)의 작동과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)의 각 전극 사이의 유로에는 양이온 교환수지(40) 및 음이온 교환수지(50)가 혼합되어 채워질 수 있다.

종래의 CDI 모듈 또는 MCDI 모듈은 염의 제거효율을 증가시키기 위하여 유로를 100㎛ 정도로 좁게 설계하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 종래의 CDI 모듈 또는 MCDI 모듈은 좁은 유로로 인하여 파울링(fouling) 현상이 발생하기 쉬우며, 처리량이 감소하는 문제점이 있었다. 또한, 좁은 유로로 인하여 1개의 유로가 막히게 되면 전체 시스템이 정지하게 되는 관계로 대면적의 직렬구조 CDI 모듈을 제조하기 어려워, 대용량 담수화 등 생산성을 높이는 데에도 한계가 있었다.

이에, 본 발명은 염 제거효율을 유지하면서도 파울링 현상 및 처리량 감소 현상을 해결하기 위하여, 유로를 확대하는 동시에 유로 내에 양이온 교환수지(40) 및 음이온 교환수지(50)를 채워 브릿지(bridge) 역할을 하도록 함으로써 유로 내의 전기저항을 감소시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 유로가 확대됨에 따라 파울링 현상이 저감되고 처리수량이 증가하는 동시에, 유로 내에 채워진 양이온 교환수지(40) 및 음이온 교환수지(50)가 염 제거효율을 높일 뿐만 아니라 염 제거시에도 염 제거 속도를 향상시키게 된다.

또한, 본 발명은 상대적으로 저가인 이온교환수지(약 100만원/톤)를 사용함으로써, 기존 축전식 탈염장치에서 염 제거 효율을 높이기 위하여 사용되던 고가의 이온교환막(약 10만원/m²)을 사용할 필요가 없어 CAPEX 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

이때, 상기 전극 사이에 형성되는 유로의 폭은 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있으나, 파울링 현상 저감 및 처리수량 증가를 위하여 0.2mm ~ 10mm로 설계되는 것이 바람직하다. 유로의 폭이 0.2mm 미만인 경우 기존 축전식 탈염 전극 모듈과 같이 파울링 문제 등이 발생할 수 있으며, 10mm를 초과하는 경우 염 제거 효율이 떨어질 수 있다.

일 실시예에 있어서, 전극 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지(40)와 음이온 교환수지(50)가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가질 수 있다. 즉, 양이온 교환수지(40)는 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지(50)는 양극 쪽에 다수 분포되어 있을 수 있다(도 4 참조). 이를 통해, 각 전극에서의 흡착 효율을 최대화시킬 수 있고, 흡착된 이온을 탈착할 때, 탈착된 이온들이 이온교환수지 및 유속에 의해 빠르게 배출되도록 할 수 있다.

또한, 양이온 교환수지(40) 및 음이온 교환수지(50)가 유로 중앙 부분에 고르게 분포될 수도 있다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)을 직렬로 연결하여 운영하는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)을 병렬로 연결하여 운영하는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5a 및 도 5b에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)은 목적에 따라 복수 개를 직렬 또는 병렬로 연결하여 운영할 수 있다. 즉, 유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 클 경우(3000ppm 이상), 직렬로 연결하여 운영하고, TDS가 적을 경우(3000ppm 미만), 병렬로 연결하여 운영할 수 있다. 이때, 공급유량(feed flow)의 압력 손실을 줄이기 위해서, 각 CDI 모듈은 수평 방향에 대해서 0.5도 아래로 배치하는 것이 바람직하다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

100 : 축전식 탈염 전극 모듈
10 : 하우징
20 : 원형 전극
30 : 중간 전극
40 : 양이온 교환수지
50 : 음이온 교환수지

Claims (10)

1. 중심부에 홀이 형성된 원통형의 하우징;
   원통형의 하우징의 내부에 구비되고, 중심부에 홀이 형성된 한 쌍의 원형 전극; 및
   한 쌍의 원형 전극 사이에 일정한 간격으로 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 복수의 원형 중간 전극들;을 포함하되,
   원형 전극 및 중간 전극은 직경이 30~40cm인 다공성 탄소 전극이고,
   상기 중간 전극은, 일면에 양극이 형성되고, 타면에 음극이 형성되며,
   한 쌍의 원형 전극의 서로 마주보는 면과 중간 전극의 양 면에는 활성탄층이 형성되며,
   한 쌍의 원형 전극에만 전원이 연결되어, 각각 양극 또는 음극이 형성되고,
   전극 사이에 형성되는 유로의 폭은 0.2~10mm이며,
   전극 사이의 유로에 이온교환막은 구비되지 않고,
   양이온 교환수지 및 음이온 교환수지가 혼합되어 채워지되,
   전극 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지와 음이온 교환수지가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 갖되, 양이온 교환수지(40)는 음극 쪽에 다수 분포하고, 음이온 교환수지(50)는 양극 쪽에 다수 분포하는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극 모듈.
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