KR101997877B1 - 전기 생산과 지하수 처리가 동시에 가능한 농도차 발전 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 동전기-투수성 반응벽체(EK-PRB)운전에 이용하여 연속적으로 지하수의 오염물질을 처리할 수 있는, 전기 생산과 수처리가 동시에 가능한 농도차 발전 수처리 장치를 제공하고자 한다.

Description

전기 생산과 지하수 처리가 동시에 가능한 농도차 발전 수처리 장치{HYBRID DEVICE FOR generating electricity and Ground WATER TREATMENT}

본 발명은 전기 생산과 수처리가 동시에 가능한 일체형 농도차 발전 수처리 장치에 관한 것으로, 역전기투석(RED, Reverse Electrodialysis)과 투수성반응벽체(PRB, Permeable Reactive Barrier) 원리를 동시에 이용하여 농도차 발전 및 지하수 내에 포함된 오염물질을 처리할 수 있는 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

역전기투석(RED)은 농도가 다른 두 유체, 예를 들어 해수와 담수의 혼합 과정에서 발생한 염분차 또는 농도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하는 것을 말한다.

보다 구체적으로, 역전기투석(RED)은 고농도 용액과 저농도 용액을 이용하여 농도차에 의해 발전하는 시스템으로서, 고농도 용액과 저농도 용액의 농도차로 인해 고농도 용액 내에 용해되어 있는 양이온 및 음이온이 각각의 양이온 교환막과 음이온 교환막을 통해 선택적으로 이동함에 따라, 복수 개의 이온교환막이 번갈아 배열된 스택(stack)의 양쪽에 배치된 양전극 및 음전극간의 전위차를 발생시키며, 전극상에서 산화환원반응을 통하여 전기에너지를 생성하는 장치이다.

여기서, 선택적으로 이동한다는 것은, 고농도 용액 내 양이온은, 양이온 교환막 만을 통과하고, 음이온은 음이온 교환막 만을 통과하는 것을 의미한다.

일반적으로, 고농도 용액과 저농도 용액은 해수 및 담수일 수 있으며, 해수(염수)에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하는 발전방식으로 기존의 화력, 수력, 원자력과 같은 발전방식과 비교하여 에너지 손실이 적은 발전장치이다.

한편, 투수성 반응벽체(PRB) 공정은 도 1과 같이, 오염된 지하수를 복원하기 위하여 반응 기질로 채워진 지중벽체로, 용존성 오염물질은 주변 지하수 흐름에 의해 투수성 반응벽체(PRB)로 이동되며, 반응물질이 충진된 벽체를 통과하면서 처리된다.

그러나, 투수성 반응벽체는 대체로 장시간에 걸쳐서 오염원을 정화시키기 때문에 최근에는 동전학적 정화기법을 투수성 반응벽체에 복합적으로 적용하여 오염물질의 정화 속도를 향상시키는 방법들이 연구되고 있다.

여기서, 동전학적 정화기법이란(Electrokinetic Remediation), 오염된 지반에 일련의 전극봉(Electrod Rods)을 설치하여 직류전류를 공급함으로써 지반 내에 존재하는 오염물질들을 전기영동, 전기삼투 및 동전기적 이동 등의 효과로 분리해서 추출해 내는 방법을 말한다.

일반적으로 양전하를 띤 오염물질은 직류전류를 공급함에 따라 양극으로부터 음극방향으로 이동하게 되며 따라서 이동된 오염물질은 음극부근에서 펌프로 추출할 수 있다.

즉, 복합 적용된 동전기-투수성 반응벽체(EK-PRB)를 이용하여, 음극부근에 반응벽체(PRB)를 설치하게 되면 양극으로부터 이동된 오염물질은 음극 부근에 설치된 반응벽체를 통과함으로써 분해되며, 음극부근에서 오염물질을 추출할 필요가 없게 된다.

그러나, 상기와 같이 복합적으로 적용된 동전기-투수성 반응벽체(EK-PRB)는 종래에 사용해오던 투수성 반응벽체(PRB)에 비해 오염물질이 빠르게 처리되어 효과적이나, 전기를 지속적으로 인가해 주어야 하므로 많은 양의 에너지가 필요하다는 문제점이 있다.

따라서, 전기 에너지를 최소한으로 사용하며, 효과적인 지하수처리 기술이 요구되는 실정이다.

또한, 이러한 기술들은 토양오염 또는 지하수 오염을 처리하기 위해 다양한 연구보고서와 논문 등이 발표되고 있지만, 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 동전기-투수성 반응벽체(EK-PRB) 운전에 이용하여 연속적으로 지하수의 오염물질을 처리할 수 있는 연계 시스템은 아직까지 보고된 바 없다.

본 발명은 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 동전기-투수성 반응벽체(EK-PRB)운전에 이용하여 연속적으로 지하수의 오염물질을 처리할 수 있는, 전기 생산과 수처리가 동시에 가능한 일체형 농도차 발전 수처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 소정 간격을 두고 마주하도록 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 제1 전극과 제2 전극 사이 공간의 제2 전극 측에 위치하며, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로; 제1 유로와 제2 유로를 구획하기 위한 복수 개의 이온교환막; 제1 전극 측에 인접한 이온교환막과 제1 전극 사이에 충진된 반응 매질; 및 반응 매질과 제1 전극 측에 인접한 이온교환막 사이에 형성된 지하수 유로를 포함하는 농도차 발전 수처리 장치를 제공한다.

또한, 유입구와 배출구 및 유입구와 배출구 사이에 소정의 공간부를 갖는 벽체; 소정의 공간부 내부에 소정 간격을 두고 마주하도록 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 제1 전극과 제2 전극 사이 공간의 제2 전극 측에 위치하며, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로; 제1 유로와 제2 유로를 구획하기 위한 복수 개의 이온교환막; 제1 전극 측에 인접한 이온교환막과 제1 전극 사이에 충진된 반응 매질; 및 반응 매질과 제1 전극 측에 인접한 이온교환막 사이에 형성된 지하수 유로를 포함하는 농도차 발전 수처리 장치를 제공한다.

이에 더하여, 지하수가 유입되는 유입구 및 지하수를 집수하기 위한 소정의 공간부를 갖는 벽체; 소정의 공간부에 집수된 지하수를 양수하도록 마련된 지하수 양수유로; 소정의 공간부 외부에 마련되고, 소정 간격을 두고 마주하도록 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 제1 전극과 제2 전극 사이 공간의 제2 전극 측에 위치하며, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로; 제1 유로와 제2 유로를 구획하기 위한 복수 개의 이온교환막; 제1 전극 측에 인접한 이온교환막과 제1 전극 사이에 충진된 반응 매질; 및 반응 매질과 제1 전극 측에 인접한 이온교환막 사이에 형성된 지하수 유로를 포함하며, 지하수 양수유로와 지하수 유로는 유체이동 가능하게 연결되는 농도차 발전 수처리 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 역전기투석(RED) 장치에서 에너지를 생산하여, 이때 생산되는 에너지를 동전기-투수성 반응벽체(EK-PRB)운전에 사용할 수 있어, 추가적인 에너지를 사용하지 않고, 연속적으로 지하수의 오염물질을 처리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 처리된 지하수를 저농도 용액의 공급원으로 활용하거나, 이산화탄소 포집장치와 연계하여 포집된 이산화탄소를 고농도 용액의 공급원으로 활용하여, 대기 중 이산화탄소 저감 및 물- 에너지 넥서스(Nexus) 구현에 기여할 수 있다.

도 1은 종래의 투수성 반응벽체(PRB)를 나타내는 모식도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 농도차 발전 수처리 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 농도차 발전 수처리 장치를 이용한 In-Situ 공정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 농도차 발전 수처리 장치를 이용한 Ex-Situ 공정을 나타난 모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 전기 생산과 수처리가 동시에 가능한 일체형 농도차 발전 수처리 장치에 관한 것으로, 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 동전기-투수성 반응벽체(EK-PRB)운전에 이용하여 연속적으로 지하수의 오염물질을 처리할 수 있는, 전기 생산과 수처리가 동시에 가능한 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

예시적인 본 발명의 일체형 농도차 발전 수처리 장치에 의하면, 역전기투석(RED) 장치에서 생산된 에너지를 동전기-투수성 반응벽체(EK-PRB)운전에 사용할 수 있어, 추가적인 에너지를 사용하지 않고, 연속적으로 지하수 오염물질을 처리할 수 있는 효과가 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 농도차 발전 수처리 장치의 구성도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 농도차 발전 수처리 장치를 이용한 In-Situ 공정을 나타낸 모식도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 농도차 발전 수처리 장치를 이용한 Ex-Situ 공정을 나타난 모식도이다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 농도차 발전 수처리 장치(10)는, 제1 및 제2 전극(101,102), 하나 이상의 제1 및 제2 유로(200,210), 복수 개의 이온교환막(300), 반응 매질(400) 및 지하수 유로(500)를 포함한다.

도 2를 참조하면, 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)은 소정 간격을 두고 마주하도록 배치될 수 있다.

또한, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로(200)와 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로(210)는 상기 제1 전극(101)과 제2 전극(102) 사이 공간의 제2 전극(102) 측에 위치할 수 있다.

또한, 상기 제1 유로(200)와 제2 유로(210)는 복수 개의 이온교환막(300) 에 의해 구획될 수 있다.

여기서, 상기 복수 개의 이온교환막(300)은 양이온 교환막(301)과 음이온 교환막(302)를 포함한다.

이에 더하여, 상기 반응 매질(400)은, 제1 전극(101) 측에 인접한 이온교환막(300)과 제1 전극(101) 사이에 충진될 수 있다.

즉, 반응매질(400)은 제1 전극(300)과 가장 인접하게 배치된 이온교환막과 제1 전극(300) 사이의 소정 영역에 충진될 수 있다.

또한, 상기 지하수 유로(500)는, 반응 매질(400)과 제1 전극 측에 인접한 이온교환막 사이에 형성될 수 있다.

특히, 지하수 유로(500)는 지하수가 유입되는 지하수 유입부(501)와 지하수가 배출되는 지하수 배출부(502)를 포함한다.

상기 지하수 유로(500)는 지하수 유입부(501)와 지하수 배출부(502) 사이를 유체이동 가능하게 연결한다.

상기 지하수 유입부(501)로, 오염물질을 포함하는 지하수가 유입되어 지하수 유로(500)를 유동하며, 오염물질이 제거된 후, 처리된 지하수가 지하수 배출부(502)로 배출될 수 있다.

여기서, 지하수 유로(500)는, 지하수 내 오염물질이 제1 전극으로 이동하며 반응 매질(400)을 통과하도록 이온교환막(300)과 반응 매질(400) 사이에 형성된다.

한편, 상기 제1 유로(200)로 고농도 용액이 유동하고, 제2 유로(210)로 저농도 용액이 유동하며, 지하수 유로(500)로 지하수가 유동할 때, 이온교환막(300)을 통과하는 고농도 용액과 저농도 용액의 농도차에 의해 제1 및 제2 전극(101,102)에서 전기가 생산될 수 있다.

즉, 고농도 용액 내에 포함된 양이온과 음이온이, 저농도 용액과의 농도차에 의해 복수 개의 이온교환막(300)을 선택적으로 통과하며, 제1 및 제2 전극(101,102) 간의 전위차를 발생시켜, 전기 에너지를 생산하게 된다.

따라서, 양이온 교환막(301)과 음이온 교환막(302)을 교번하여 배치함으로써, 제1 유로(200)와 제2 유로(210)가 교번하여 배열되도록, 제1 유로(200)와 제2 유로(210)를 구획할 수 있다.

이에 더하여, 상기와 같이 농도차에 의해 생산된 전기에 의해 지하수 내 오염물질은, 상기 반응매질(400)을 통과하여 제1 전극(101) 측으로 이동하며 반응 매질과 접촉할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)는, 양 말단에 제1 및 제2 전극(101,102)이 소정 간격을 두고 배치되는 소정의 공간부를 갖는 본체(100)를 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 본체(100)는, 제2 전극(102) 및 복수 개의 이온교환막(300)을 둘러싸는 제1 케이스(100a) 및 제1 전극(101), 반응매질(400) 및 지하수 유로(500)를 둘러싸는 제2 케이스(100b)를 포함할 수 있다.

특히, 상기 제1 및 제2 케이스(100a, 100b)는 분리 가능하게 결합될 수 있다.

즉, 상기 제1 및 제2 케이스(100a, 100b)는, 모듈화 하여 서로 탈착 가능하게 구비될 수 있다.

상기 제1 케이스(100a)과 제2 케이스(100b)은 탈착 식으로 연결 구비될 수 있어, 반응 매질이 처리 용량을 초과하거나, 그 수명을 다한 경우에 각 모듈을 분리 및 교체함으로써, 효과적으로 장치의 유지관리 및 보수를 할 수 있다.

일 예로, 지하수 내 오염물질 처리에 사용된 반응매질(400)이 수명을 다하면, 반응매질(400)이 포함된 제2 케이스(100b)만 꺼내어 반응매질을 교환한 후 다시 제1 케이스(100a)와 연결할 수 있다.

또한, 이온교환막에 문제가 생겼을 경우, 이온교환막이 포함된 제1 케이스(100a)만 꺼내어 이온교환막을 교체한 후 다시 제2 케이스(100b)와 연결할 수 있다.

상기 제1 케이스(100a)은 제2 전극(102), 복수 개의 이온교환막(300)에 의해 구획되는 제1 유로(200)와 제2 유로(210)를 포함한다.

특히, 저농도 용액과 고농도 용액을 공급 및 배출하기 위한 각각의 공급부를 포함할 수 있다.

일 예로, 본체(100) 내에 상기 양이온 교환막(301), 음이온 교환막(302), 양이온 교환막(301)이 차례로 교번하여 배치되어, 양이온 교환막(301)과 음이온 교환막(302) 사이에 고농도 용액이 유동하는 제1 유로(200)가 형성될 수 있고, 음이온 교환막(302)과 양이온 교환막(301) 사이에 고농도 용액이 유동하는 제2 유로(210)가 형성될 수 있다.

따라서, 고농도 용액과 저농도 용액의 농도차로 인해 고농도 용액 내 이온이 양이온 교환막(301)과 음이온 교환막(302)을 선택적으로 통과하여 이동하며 상기 제1 및 제2 전극(101,102)간의 전위차를 발생시켜 전기 에너지를 생산할 수 있게 된다.

여기서, 상기 양이온 교환막(301)과 음이온 교환막(302)은 각각 교번하여 배치되며, 지하수 내에 포함된 오염물질의 종류에 따라 그 개수를 적절하게 변경할 수 있다.

일 예로, 제2 전극(301)에 인접한 이온교환막을 기준으로, 양이온 교환막(301), 음이온 교환막 (302), 양이온 교환막(301), 음이온 교환막(302), 양이온 교환막(301)이 순서대로 배열되어, 그 사이에 각각 제1 유로(200), 제2 유로(210), 제1 유로(200), 제2 유로(210)가 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

특히, 지하수 내에 포함된 오염물질의 종류에 따라, 제1 및 제2 전극(101, 102)에 인접한 이온교환막의 종류를 선택하여 배치할 수 있다.

일 예로, 상기 오염물질이 양이온을 띠는 경우, 제1 및 제2 전극(101, 102) 전극에 인접하는 이온교환막을, 음이온 교환막으로 선택하여 배치함으로써, 이온교환막을 통과하는 오염물질의 유출을 방지할 수 있다.

이와 반대로, 상기 오염물질이 음이온을 띠는 경우, 제1 및 제2 전극(101,102) 전극에 인접하는 이온교환막을, 양이온 교환막으로 선택하여 배치 함으로써, 이온교환막을 통과하는 오염물질의 유출을 방지할 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 장치(10) 내에 충진되는 반응 매질(400)의 종류에 따라, 제1 및 제2 전극(101, 102)에 인접한 이온교환막의 종류를 선택하여 배치할 수 있다.

일 예로, 반응 매질(400)이 영가철(ZVI)과 같은 금속성 매질인 경우, 금속성 매질이 갖는 양이온 형태의 유출물에 의한 막의 오염을 방지하기 위해, 음이온 교환막과 양이온 교환막을 연접하게 나란히 배치하는 복극 형태로 이온교환막을 배열함으로써, 막 오염 방지 및 장치의 장기 운전이 가능하게 된다.

여기서, 이온교환막의 종류는, 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 의미한다.

이에 더하여, 제1 전극(101) 측에 인접한 제2 케이스(100b)는, 제1 전극(101), 지하수 유로(500) 및 반응 매질(400)을 포함한다.

상기와 같이, 제1 케이스(100a) 측에서는, 전기 생산을 유도할 수 있으며, 제2 케이스(100b) 측에서는 생산된 전기를 이용하여, 지하수 유로(500)로 유입된 지하수 내 오염물질이 반응 매질(400)을 통과하며 오염물질과 접촉하여, 오염물질을 처리할 수 있게 된다.

따라서, 지하수 내에 포함된 오염물질을 처리하기 위해 추가적인 에너지를 사용하지 않아도 되며, 동시에 전기 에너지 생산할 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 발명의 본체(100)는 상기 제1 유로(200)로 고농도 용액을 공급하기 위한 고농도 용액 공급부(110)를 더 포함한다.

또한, 상기 제2 유로(210)로 저농도 용액을 공급하기 위한 저농도 용액 공급부(120)를 더 포함한다.

여기서, 상기 저농도 용액은 오염물질이 포함된 지하수, 기수 및 담수 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 고농도 용액은 염수 및 해수 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여, 복수 개의 이온교환막(300)을 통과함에 따라 농도가 희석된 고농도 용액과 농도가 증가된 저농도 용액을 배출시키기 위해, 고농도 용액 배출부(111)와 저농도 용액 배출부(121)를 더 포함한다.

즉, 고농도 용액 공급부(110)와 배출부(111)는 제1 유로(200)와 유체이동 가능하게 연결되고, 저농도 용액 공급부(120)와 배출부(121)는 제2 유로(210)와 유체이동 가능하게 연결된다.

여기서, 전기를 생산하기 위해 공급된 고농도 용액 및 저농도 용액의 배출에 있어, 고농도 용액 배출부(111) 및 저농도 용액 배출부(121)에 펌프를 연결하여 배출 시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)의 본체(100)는 소정의 공간부를 갖기 위해 막힌 구조를 갖을 수 있으며, 이 때, 본체(100)의 양 측면에 지하수 유입부(501)와 배출부(502)를 형성하기 위해, 일부 영역은 개방된 구조를 갖을 수 있으나, 이에 한정 되는 것은 아니다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 농도차 발전 수처리 장치를 이용하여 지하수 내에 포함된 오염물질의 처리과정을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

참고로, 도 3은 도 2와 같은 도면의 부호를 사용하므로, 이를 생략하고 설명의 편의를 위해, 오염물질의 처리과정을 화살표로 나타내기로 한다.

먼저, 지하수 유입부(501)를 통해 유입된 오염물질을 포함하는 지하수는 지하수 유로(500)를 유동하고, 이 때, 제1 케이스(100a) 측에 공급된 고농도 용액과 저농도 용액의 농도차에 의해 제1 및 제2 전극(101,102)에서 전기가 생산된다.

이 때, 생산된 전기에 의해 지하수 내에 포함된 오염물질은, 지하수 유로(500)와 제1 전극(101) 사이에 충진된 반응 매질(400)을 통과하며 접촉함으로써, 오염물질이 전기화학적 산화 또는 환원 반응에 의해 처리되고, 오염물질이 제거된 지하수는 지하수 배출부(502)로 배출된다.

즉, 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)는 상기와 같이 고농도 용액과 저농도 용액의 농도차에 의해 전기를 생산하고, 이 때 생산된 전기 에너지에 의해 지하수 내에 포함된 이온형태의 오염물질을 반응 매질 주변으로 이동시키며, 오염물질이 반응매질과 접촉 반응 하여 오염물질을 처리할 수 있게 된다.

여기서, 상기 제1 및 제2 전극(101,102)는 탄소 소재의 다공성 전극을 포함한다.

상기 제1 및 제2 전극(101, 102)은, 상기 전극들 사이에서 이온의 이동에 의해 형성된 전기화학적 위치에너지를 전류로 전화함과 동시에, 이 때 생성된 전자를 이용하여 본 발명의 장치(10)내로 유입된 지하수 내 오염물질을 처리 할 수 있다.

여기서, 상기 다공성 전극은 카본 펠트(Carbon Felt), 카본 크로스(Carbon Cloth), 활성탄, 표면이 개질된 활성탄, 그라파이트, 탄소 나노튜브, 탄소 나노와이어로 이루어진 다공성 탄소 소재군; 또는 카본 펠트(Carbon Felt), 카본 크로스(Carbon Cloth), 활성탄, 표면이 개질된 활성탄, 그라파이트, 탄소 나노튜브, 탄소 나노와이어 중에서 선택되는 하나 이상의 조합으로 이루어진 탄소 복합재군; 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 소재를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 종래에 사용되는 다공성 전극이라면 모두 사용 가능하다.

여기서, 다공성 전극은 다공성의 표면구조를 갖는 전극을 의미할 수 있다.

특히, 상기 다공성 전극은 탄소 복합체로써, 다공성 표면 구조의 전극 이외에도, 구형 전극 또는 비정형의 입자성 전극을 전극의 구조체 공간 내에 입체적으로 3차원 구조로 배열 또는 충진하여 넓은 비표면적을 갖는 전극 구조를 형성할 수 있다.

일반적으로 역전기투석(RED) 장치 내 이온교환막을 통해 이동하는 이온의 양 즉, 이온의 이동에 의해 생성되는 전류의 양에는 한계가 있다.

그러나, 본 발명의 장치(10)는 이를 극복하기 위해, 상기와 같이 제1 및 제2 전극(101, 102)으로, 3차원 구조로 배열하거나 충진된 탄소 소재의 다공성 전극을 사용함에 따라 오염물질의 처리율을 향상시킬 수 있게 된다.

즉, 각각의 전극(101,102)에 접하는 지하수의 접촉 시간 및 접촉 면적을 최대로 증가시켜, 오염물질의 처리율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극(101,102)과 반응매질(400)로, 특정 오염물질의 처리에 효과적으로 반응하는 촉매 등을 사용할 수 있다.

일 예로, 지하수 내에 존재하는 오염물질인 질산성 질소를 처리하기 위해, 질산성 질소의 환원 처리에 효과적인 영가철을 환원 전극 또는 매질에 사용함으로써, 질산성 질소를 효과적으로 환원 처리할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 본체(100)의 제1 케이스(100a)과 제2 케이스(100b)은 각각 서로 탈착 가능하도록 마련될 수 있다.

따라서, 반응매질(400)이 처리 용량을 초과하거나, 그 수명을 다한 경우에 제2 케이스(100b)을 제1 케이스(100a)로부터 분리 및 교체함으로써, 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)의 유지관리 및 보수를 효과적으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)를 이용하여 처리하고자 하는 오염물질은, 유기오염물질, 다가 양이온 오염물질, 음이온계 오염 물질 및 이들의 혼합물질을 포함한다.

보다 구체적으로, 유기오염물질은 TCE (트리클로로에틸렌), PCE (퍼클로로에틸렌), 자일렌, 톨루엔, 메틸 알코올, 디클로로 메탄, 아세트산 에틸, 메틸 에틸 케톤, N,N-디메틸포름아미드, 에틸렌, 부탄 등을 포함하며, 다가 양이온 오염물질은 중금속, 6가 크롬, 망간, 납, 비소 등을 포함하며, 음이온계 오염 물질은 질산성 질소 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

특히, 상기 오염물질의 종류는, 오염물질의 처리 방법에 따라 구분될 수 있으며, 상기 오염물질은 산화 또는 환원 처리될 수 있다.

즉, 지하수 내에 포함된 오염물질이 유기오염물질인 경우, 산화 처리할 수 있으며, 다가 양이온 오염물질 또는 음이온계 오염물질인 경우 환원 처리 할 수 있다.

따라서, 지하수 내 포함된 오염물질이 산화처리 되는 유기오염물질인 경우, 제1 전극(101)으로, 산화 전극(Anode)을 배치함으로써, 지하수 내 포함된 유기오염물질을 산화 전극 측으로 이동시켜 반응매질과 접촉함에 따라 유기오염물질이 전기화학적 산화 처리될 수 있다.

이와 반대로, 지하수 내 포함된 오염물질이 환원 처리되는 다가 양이온 오염물질 및 음이온 계 오염물질인 경우, 제1 전극(101)으로, 환원 전극(Cathode)을 배치함으로써, 지하수 내 포함된 오염물질을 환원 전극 측으로 이동시켜 반응매질과 접촉함에 따라 전기화학적 환원 처리할 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)에 공급되는 고농도 용액은, 염류를 포함한 용액, 해수, 염수, 전도성 고분자 화합물, 나노 구조체, 마이셀 구조의 계면 활성제 및 이들의 혼합물을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

보다 구체적으로, 상기 고농도 용액은 수중에서 용해되어 전하를 갖는 염류를 포함하는 용액, 전기전도성을 갖는 전해질로써 NaCl 등이 포함된 해수 및 염수를 포함할 수 있다.

특히, 상기 고농도 용액은, 지하수 처리 과정에서 지하수의 오염을 방지하기 위해, 이온교환막을 통한 이동은 제한적이면서 수중에서 전하를 띠는 전도성 고분자 또는 그 화합물, 표면에 전하를 갖는 덴드리머 등의 나노 구조체 및 마이셀 구조의 양이온성 또는 음이온성 계면 활성제 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

또한, 저농도 용액은, 지하수 또는 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)를 통과하여 처리된 지하수를 이용할 수 있다.

또한, 반응매질은 영가철, 나노영가철, 슬래그 등의 철 및 철 화합물 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 흡착 등의 기작을 위하여 활성탄, 지올라이트 등의 흡착제 또는 전도성 고분자 및 나노 물질과 결합되거나 개질된 전도성 흡착제, 이들 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 제1 및 제2 전극(101,102)은 산화 전극(Anode) 또는 환원 전극(Cathode)일 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제1 전극(101)이 산화 전극(Anode)일 때, 제2 전극(102)은 환원 전극(Cathode)일 수 있고, 제1 전극(101)이 환원 전극 (Cathode)일 때, 제2 전극(102)은 산화 전극 (Anode)일 수 있다.

특히, 상기 제1 전극(300)이 산화 전극(Anode)이면, 농도차에 의해 생산된 전기에 의해 오염물질이 제1 전극으로 이동하여 산화 반응을 통해 처리될 수 있다.

이와 반대로, 상기 제1 전극(300)이 환원 전극 (Cathode)이면, 농도차에 의해 생산된 전기에 의해 오염물질이 제1 전극으로 이동하여 환원 반응을 통해 처리될 수 있다.

특히, 상기 제1 전극(300)이 환원 전극인 경우, 음극재로 영가 철(Zero Valent Iron)을 사용할 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 전극(300)이 환원 전극인 경우, 질산성 질소 또는 염소계유기화합물의 전기화학적 처리를 목적으로 음극재로 영가철을 사용 할 수 있다.

이 때, 영가철을 사용함으로써, 영가철이 반응에 참여하여 특정 오염물질의 환원처리율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 철이 포함된 폐자원 (슬래그 등)을 활용함으로써 전체적인 유지보수 비용을 저감할 수 있다.

반응식 1: Fe <-> Fe+2 + 2e-

반응식 2: R-Cl + 2e- + H+ <-> R-H + Cl-

상기 반응식 1 및 2 에서 R-Cl의 염소계유기화합물이 R-H 형태의 무독성 형태로 전환되는 것을 알 수 있으며, 또한 이와 유사한 기작으로 환원 조건에서 비소 및 질산성 질소 등의 환원 처리가 가능하다.

한편, 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)는 실제 오염된 지하수가 흐르는 지면 아래에 설치(In-Situ)하여 오염물질을 처리하거나, 외부에 설치(Ex-Situ)하여, 오염된 지하수를 양수하여 외부에서 처리 할 수 있다.

따라서, 이하에서는 농도차 발전 수처리 장치(10)를 지면 아래에 설치(In-Situ)한 제2 실시예와, 외부에서 처리(Ex-Situ)하는 제3 실시예에 대하여 설명하며, 전술한 제1 실시예와 공통되는 부분은 동일한 도면부호를 사용하고, 그 설명을 생략한다.

먼저, 도 4를 참조하여, 본 발명에의 제2 실시예에 따른 농도차 발전 수처리 장치(20)를 설명한다.

농도차 발전 수처리 장치(20)는 유입구(601)와 배출구(602) 및 유입구(601)와 배출구(602) 사이에 소정의 공간부를 갖는 벽체(600)를 포함한다.

상기 벽체(600)는 지하수 흐름에 수직으로 배치되어, 지하수가 유입 및 배출되도록 마련된다.

특히, 상기 벽체(500)의 일부 영역은 지하수 흐름에 따라 자연유하 형태로 지하수가 유입되고, 정화된 지하수가 배출되도록 개방된 영역을 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 벽체(500)의 일측면(601a)은 지하수가 흐름에 따라 자연유하 형태로 유입되는 지하수 유입구(601)가 형성되고, 타측면(602a)은 처리된 지하수가 배출되는 지하수 배출구(602)가 형성될 수 있다.

상기 지하수 유입구 및 배출구(601,602)는 대수층의 토양 등의 유입을 방지하며, 지하수는 이동 가능하도록 메쉬(Mesh) 형태의 플레이트 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여, 상기 벽체(600)의 하부면(603)은 지하수 흐름에 따라 오염된 물질이 인접한 토양으로 배출되지 않도록 막힌 구조로 형성될 수 있다.

즉, 지하수 유입구(601) 및 배출구(602)는 일측면(601a) 및 타측면(602a)의 일부 영역일 수도 있고, 전체 영역으로 형성될 수도 있다.

한편, 벽체(600)의 소정의 공간부 내부에는, 소정 간격을 두고 마주하도록 배치된 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)을 포함한다.

또한, 제1 전극(101)과 제2 전극(102) 사이 공간의 제2 전극(102) 측에 위치하며, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로(200) 및 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로(210)를 포함한다.

또한, 제1 유로(200)와 제2 유로(220)를 구획하기 위한 복수 개의 이온교환막(300)을 포함한다.

또한, 제1 전극(101) 측에 인접한 이온교환막(300)과 제1 전극(101) 사이에 충진된 반응 매질(400)을 포함한다.

또한, 반응 매질(400)과 제1 전극(101) 측에 인접한 이온교환막(300) 사이에 형성된 지하수 유로(500)를 포함한다.

여기서, 상기 지하수 유로(500)는, 벽체(600) 내에 유입되는 지하 수위(L) 아래에 잠기도록 마련될 수 있다.

특히, 지하수 유로(500)의 유입부(501)가 지하 수위(L) 아래에 잠기도록 마련될 수 있다.

여기서, 지하 수위는 유입된 지하수의 최상부 수면을 의미한다.

상기와 같이 지하수위 아래에 잠기도록 지하수 유로(500)를 배치함으로써, 지하수의 흐름에 따라 자연 유하 형태로 지하수가, 벽체(600) 내에 마련된 농도차 발전 수처리 장치 내부로 유입될 수 있어, 지하수를 유입시키기 위한 펌프 등이 필요 없게 되어 펌프의 사용 등에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.

특히, 지하수는 지하수의 수두에 의하여 자연유하 하기 때문에, 지하수의 자연 유하를 그대로 유지하면서, 초기 일정양의 흡입 수두만을 추가로 더해주면, 장치(10) 내로 유체 유입이 가능하므로, 펌프 사용을 최소화 하면서 반응 매질로의 지하수 유입이 가능하다.

즉, 사이펀(siphon) 현상을 이용하여 배출부(502) 측에서 초기 일정양의 흡입 수두를 더해주면, 장치(10) 내로 지하수를 유입 시키는데 필요한 펌프의 동력을 절감할 수 있다.

따라서, 자연 유하 형태로 유입된 지하수 내에 포함된 오염물질이 처리되고, 정화된 지하수가 벽체(600) 외부로 배출될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 농도차 발전 수처리 장치(30)를 설명한다.

농도차 발전 수처리 장치(30)는, 지하수가 유입되는 유입구(701) 및 지하수를 집수하기 위한 소정의 공간부를 갖는 벽체(700)를 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 벽체(700)는 지하수를 집수하기 위한 집수 시설로써, 지하수의 흐름에 따라 자연유하 형태로 유입되도록 일측면(701a)은 적어도 일부가 개방된 유입구(701)를 갖고, 타측면(702)은 유입된 지하수가 집수 되도록 막힌 구조를 갖는다.

여기서, 벽체(700)의 하부면(703) 또한, 막힌 구조를 갖을 수 있다.

또한, 지하수 유입구(701)는 일측면(701a)의 일부 영역일 수도 있고, 전체 영역으로 형성될 수도 있다.

상기 벽체(700)의 일측면(701a)은 대수층의 토양 등의 유입을 방지하며, 지하수는 이동 가능하도록 메쉬(Mesh) 형태의 플레이트 등으로 형성될 수 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여, 상기 벽체(700)의 소정의 공간부에 집수된 지하수를 양수하도록 마련된 지하수 양수유로(710)를 포함한다.

이에 더하여, 소정의 공간부 외부에 마련되고, 소정 간격을 두고 마주하도록 배치된 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)을 포함한다.

또한, 제1 전극(101)과 제2 전극(102) 사이 공간의 제2 전극(102) 측에 위치하며, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로(200) 및 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로(210)를 포함한다.

또한, 제1 유로(200)와 제2 유로(210)를 구획하기 위한 복수 개의 이온교환막(300)을 포함한다.

또한, 제1 전극(101) 측에 인접한 이온교환막(300)과 제1 전극(101) 사이에 충진된 반응 매질(400)을 포함한다.

또한, 반응 매질(400)과 제1 전극(101) 측에 인접한 이온교환막(300) 사이에 형성된 지하수 유로(500)를 포함한다.

여기서, 상기 지하수 양수유로(710)와 지하수 유로(500)는 유체이동 가능하게 연결된다.

상기와 같이 지하수 양수유로(710)로부터 공급되는 지하수를 농도차 발전 수처리 장치를 통과시킨 후 오염물질을 처리하여, 이를 대수층으로 다시 유입 시킬 수 있다.

또한, 상기와 같이 처리된 지하수는 저농도 용액 공급부(120)로 공급하여 저농도 용액으로 사용할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 농도차 발전 수처리 장치(10)의 제1 및 제2 전극은, 내부에 구비된 양이온 교환막과 음이온 교환막의 배치와, 양이온 교환막과 음이온 교환막에 의해 구획되는 제1 및 제2 유로에 흐르는 각각의 용액의 농도에 따라, 제1 및 제2 전극의 형태(산화 전극 또는 환원 전극)가 바뀔 수 있다.

일 예로, 도 1과 같이, 본 발명의 제1 전극과 제2 전극 사이에 양이온 교환막, 음이온 교환막이 각각 교번하여 배치되고, 제2 전극 측에 인접한 제1 유로에는 고농도 용액이 흐르고, 그 다음 유로에는 저농도 용액이 각각 교번하게 유동하면, 제1 전극은 산화 전극이 되고, 제2 전극은 환원 전극이 될 수 있다.

따라서, 제1 및 제2 전극의 형태(산화 전극 또는 환원 전극)는, 각각의 전극 측에 인접하게 배치된 이온교환막의 형태와 이온교환막에 구획되는 유로에 흐르는 용액의 농도에 의해 바뀔 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따라 환원 반응을 통해 침전된 오염물질은 회수할 수 있다.

보다 구체적으로, 오염물질 중 다가 양이온을 띠는 물질 등은 환원되어 금속 물질로 전환되므로, 반응 매질(400) 사이에 침전된 오염물질을 제2 케이스(100b)를 분리 하여, 화학적 또는 전기화학적으로 회수할 수 있고, 경우에 따라, 회수된 금속 물질은 반응 매질로 사용할 수 있다.

따라서, 효율적인 처리가 가능하게 된다.

10, 20, 30: 농도차 발전 수처리 장치
100: 본체
101: 제1 전극 102: 제2 전극
110: 고농도 용액 공급부 111: 고농도 용액 배출부
120: 저농도 용액 공급부 121: 저농도 용액 배출부
200: 제1 유로 210: 제2 유로
301: 양이온 교환막 302: 음이온 교환막
400: 반응매질
500: 지하수 유로
501: 지하수 유입부 502: 지하수 배출부
600: 벽체 601: 유입구
602: 배출구 603: 벽체 하부면
700: 벽체
701: 유입구 710: 양수유로

Claims (15)

1. 소정 간격을 두고 마주하도록 배치된 제1 전극 및 제2 전극;
   제1 전극과 제2 전극 사이 공간의 제2 전극 측에 위치하며, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로;
   제1 유로와 제2 유로를 구획하기 위한 복수 개의 이온교환막;
   제1 전극 측에 인접한 이온교환막과 제1 전극 사이에 충진된 반응 매질; 및
   반응 매질과 제1 전극 측에 인접한 이온교환막 사이에 형성된 지하수 유로를 포함하는 농도차 발전 수처리 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   제1 유로로 고농도 용액이 유동하고, 제2 유로로 저농도 용액이 유동하며 지하수 유로로 지하수가 유동할 때,
   이온교환막을 통과하는 고농도 용액과 저농도 용액의 농도차에 의해 제1 및 제2 전극에서 전기가 생산되는 농도차 발전 수처리 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   농도차에 의해 생산된 전기에 의해 지하수 내 오염물질은, 반응매질과 접촉하여 산화 또는 환원처리 되는 것을 특징으로 하는 농도차 발전 수처리 장치.
4. 유입구와 배출구 및 유입구와 배출구 사이에 소정의 공간부를 갖는 벽체;
   소정의 공간부 내부에 소정 간격을 두고 마주하도록 배치된 제1 전극 및 제2 전극;
   제1 전극과 제2 전극 사이 공간의 제2 전극 측에 위치하며, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로;
   제1 유로와 제2 유로를 구획하기 위한 복수 개의 이온교환막;
   제1 전극 측에 인접한 이온교환막과 제1 전극 사이에 충진된 반응 매질; 및
   반응 매질과 제1 전극 측에 인접한 이온교환막 사이에 형성된 지하수 유로를 포함하는 농도차 발전 수처리 장치.
5. 지하수가 유입되는 유입구 및 지하수를 집수하기 위한 소정의 공간부를 갖는 벽체;
   소정의 공간부에 집수된 지하수를 양수하도록 마련된 지하수 양수유로;
   소정의 공간부 외부에 마련되고, 소정 간격을 두고 마주하도록 배치된 제1 전극 및 제2 전극;
   제1 전극과 제2 전극 사이 공간의 제2 전극 측에 위치하며, 고농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 저농도 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로;
   제1 유로와 제2 유로를 구획하기 위한 복수 개의 이온교환막;
   제1 전극 측에 인접한 이온교환막과 제1 전극 사이에 충진된 반응 매질; 및
   반응 매질과 제1 전극 측에 인접한 이온교환막 사이에 형성된 지하수 유로를 포함하며,
   지하수 양수유로와 지하수 유로는 유체이동 가능하게 연결되는 농도차 발전 수처리 장치.
6. 제 4항에 있어서,
   벽체는, 지하수 흐름에 수직으로 배치되어, 지하수가 유입 및 배출되는 농도차 발전 수처리 장치.
7. 제 6항에 있어서,
   지하수 유로는, 벽체 내에 유입되는 지하 수위 아래에 잠기도록 마련되는 농도차 발전 수처리 장치.
8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

   제 3항에 있어서,
   오염물질은, 유기오염물질, 다가 양이온 오염물질, 음이온 계 오염 물질 및 이들의 혼합물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 오염물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 농도차 발전 수처리 장치.
9. 제 1항에 있어서,
   고농도 용액은, 염류를 포함한 용액, 해수, 염수, 전도성 고분자 화합물, 나노 구조체, 마이셀 구조의 계면 활성제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 농도차 발전 수처리 장치.
10. 제 3항에 있어서,
    제1 전극은, 산화 전극(Anode)으로, 지하수 내 유기오염물질을 산화처리 하는 것을 특징으로 하는 농도차 발전 수처리 장치.
11. 제 3항에 있어서,
    제1 전극은, 환원 전극(Cathode)으로, 지하수 내 다가 양이온 오염물질 및 음이온 계 오염물질을 환원처리 하는 것을 특징으로 하는 농도차 발전 수처리 장치.
12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

    제 11항에 있어서,
    환원 전극의 전극재로, 영가 철(Zero Valent Iron)을 사용하는 것을 특징으로 하는 농도차 발전 수처리 장치.
13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

    제 11항에 있어서,
    환원 반응을 통해 침전된 오염물질을 회수하는 것을 특징으로 하는 농도차 발전 수처리 장치.
14. 제 4항에 있어서,
    저농도 용액은, 지하수 유로로 유입된 지하수인 것을 특징으로 하는 농도차 발전 수처리 장치.
15. 제 1항에 있어서,
    제2 전극 및 복수 개의 이온교환막을 둘러싸는 제1 케이스; 및
    제1 전극, 반응매질 및 지하수유로를 둘러싸는 제2 케이스를 추가로 포함하고,
    제1 및 제2 케이스는 분리 가능하게 결합되는 농도차 발전 수처리 장치.
    

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