KR102024925B1 - Capacitive deionization electrode module system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축전식 탈염 전극 모듈 시스템에 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.The present invention relates to a capacitive desalination electrode module system, and more particularly, to a capacitive desalination electrode module capable of improving durability, minimizing fouling, and increasing throughput of influent. Capacitive desalination electrode module for this purpose is a cylindrical housing formed with a hole in the center; A pair of circular electrodes provided inside the cylindrical housing and having a hole formed in the center thereof; And a circular middle electrode spaced apart at regular intervals between the pair of circular electrodes and having a hole formed in the center thereof, wherein the circular electrode and the intermediate electrode have a diameter of 30 to 40 cm.

Description

축전식 탈염 전극 모듈 시스템{CAPACITIVE DEIONIZATION ELECTRODE MODULE SYSTEM}CAPACITIVE DEIONIZATION ELECTRODE MODULE SYSTEM}

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 모듈을 포함하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive desalination electrode module, and more particularly, to a system including a capacitive desalination electrode module capable of improving durability, minimizing fouling, and increasing throughput of influent. will be.

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.Capacitive Deionization (CDI) electrode module is a technique for removing ionic substances in raw water by using ion adsorption and desorption reactions in an electric double layer (EDL) formed at a charged electrode interface. Specifically, if a voltage is applied within a potential range in which water electrolysis does not occur, a constant amount of charge is charged to the electrode, and when brine containing ions passes through the charged electrode, a charge opposite to the charged electrode is generated. The excited ions move to each electrode by the electrostatic force and are adsorbed on the electrode surface, and the water passing through the electrode becomes desalinated water.

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.At this time, since the amount of ions adsorbed on the electrode is determined according to the capacitance of the electrode used, a porous carbon electrode having a large specific surface area is generally used as the electrode used for CDI.

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.On the other hand, when the adsorption capacity of the electrode is saturated, no more ions can be adsorbed, and the ions of the inflow water are directly discharged into the outflow water. At this time, in order to desorb ions adsorbed on the electrode, if the electrodes are shorted or an opposite potential to the adsorption potential is applied to the electrode, the electrode loses charge or has a reverse charge, and the adsorbed ions are desorbed quickly, The regeneration is made.

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.As described above, the CDI technology is known to be an environmentally friendly desalination process because the operation of the process is very simple because the adsorption and desorption is performed only by changing the potential of the electrode, and the environmental pollutants are not emitted during the desalination process.

또한, 상기 CDI의 개량된 일 실시예인 MCDI(Membrane Capacitive Deionization Device)는 전극 표면에 이온교환막을 형성하여 흡착되는 이온의 선택도를 높이는 것을 특징으로 한다(도 7 참조). 그러나, 상기 MCDI는 고가의 이온교환막 사용으로 인하여 전체적인 CAPEX 비용을 높인다는 문제가 있었다.In addition, the MCDI (Membrane Capacitive Deionization Device), which is an improved embodiment of the CDI, is characterized in that an ion exchange membrane is formed on the electrode surface to increase the selectivity of the adsorbed ions (see FIG. 7). However, the MCDI has a problem of increasing the overall CAPEX cost due to the use of expensive ion exchange membrane.

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.In addition, conventional CDI or MCDI is generally designed to narrow the flow path as narrow as 100㎛ in order to increase the salt removal efficiency, it is easy to cause fouling phenomenon due to the narrow flow path, the throughput is reduced and productivity is lowered Had a problem. In addition, due to the narrow flow path, it is difficult to manufacture a large-area serial CDI module, and there is a limit to increase productivity.

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.In addition, the conventional desalination electrode module was manufactured using a square electrode, the square electrode has a problem that the desalination reaction does not occur at the corner portion, but rather deterioration efficiency due to corrosion.

이에, 파울링 현상을 최소화하고 처리량을 증대시키면서도, 이온성 물질의 제거효율을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 요구가 이어지고 있다.Accordingly, there is a demand for a technology capable of improving the removal efficiency of ionic materials while minimizing fouling and increasing throughput.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0106747호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0106747

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 모듈 시스템을 제공하는데 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a capacitive desalination electrode module system that can improve the durability, minimize the fouling phenomenon, can increase the throughput of the influent solution. have.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.These and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments.

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.The object is a cylindrical housing formed with a hole in the center; A pair of circular electrodes provided inside the cylindrical housing and having a hole formed in the center thereof; And a circular intermediate electrode disposed at regular intervals between the pair of circular electrodes, the hole being formed in the center thereof, wherein the circular electrode and the intermediate electrode are achieved by a capacitive desalination electrode module having a diameter of 30 to 40 cm. Can be.

이때, 한 쌍의 원형 전극의 서로 마주보는 면에는 활성탄층이 형성될 수 있고, 중간 전극의 양 면에는 활성탄층이 형성될 수 있다.At this time, the activated carbon layer may be formed on the surfaces of the pair of circular electrodes facing each other, and the activated carbon layers may be formed on both surfaces of the intermediate electrode.

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.In addition, the capacitive desalination electrode module has a power source connected only to a pair of circular electrodes, respectively, and an anode or a cathode may be formed, and an intermediate electrode may have an anode formed on one surface thereof, and an anode formed on the other surface thereof, and an intermediate electrode formed thereon. There may be a plurality.

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.In addition, a cation exchange resin and an anion exchange resin may be mixed and filled in the flow path between the electrodes of the capacitive desalination electrode module, and a cation exchange resin and an anion exchange resin filled in the flow path between the electrodes may have opposite concentration gradients. It may have a, cation exchange resin is distributed in a large number on the negative electrode side, anion exchange resin may be distributed in a large number on the positive electrode side. Preferably, the cation exchange resin and the anion exchange resin may be evenly distributed in the central portion of the flow path.

본 발명의 다른 실시형태로, 복수 개의 탈염 전극 모듈이 직렬 혹은 병렬로 연결된 탈염 전극 모듈 시스템을 들 수 있는데, 상기 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 복수의 원형 중간 전극들;을 포함하되, 원형 전극 및 중간 전극은 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 유로에는 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 한다.In another embodiment of the present invention, there is a desalination electrode module system in which a plurality of desalination electrode modules are connected in series or in parallel, wherein the desalting electrode module comprises: a cylindrical housing having a hole formed in a central portion thereof; A pair of circular electrodes provided inside the cylindrical housing and having a hole formed in the center thereof; And a plurality of circular intermediate electrodes spaced at regular intervals between the pair of circular electrodes, the holes being formed in the center thereof, wherein the circular electrode and the intermediate electrode are porous carbon electrodes, and the intermediate electrode is disposed on one surface thereof. A positive electrode is formed, a negative electrode is formed on the other surface, and an activated carbon layer is formed on both sides of the pair of circular electrodes facing each other and the middle electrode, and a power source is connected only to the pair of circular electrodes, respectively, for the positive or negative electrode. In the flow path formed between the electrodes, the ion exchange membrane is not provided, and the cation exchange resin and the anion exchange resin are mixed and filled, but the cation exchange resin and the anion exchange resin filled in the flow path between the electrodes have opposite concentration gradients. (concentration gradient), but the cation exchange resin 40 is distributed in the cathode side, the anion exchange resin 50 is distributed in the anode side And a gong.

이때 상기 복수의 탈염 전극 모듈은, 수평 방향에 대해서 0.5도 아래로 배치되는 것이 바람직하고, 상기 원형 전극 및 중간 전극은, 직경이 30~40cm인 다공성 탄소 전극이 사용될 수 있다.At this time, the plurality of desalination electrode module, it is preferable to be disposed below 0.5 degrees with respect to the horizontal direction, the circular electrode and the intermediate electrode, a porous carbon electrode having a diameter of 30 ~ 40cm may be used.

또한, 상기 전극 사이에 형성되는 유로의 폭은, 0.2~10 mm일 수 있다.In addition, the width of the flow path formed between the electrodes may be 0.2 ~ 10 mm.

한편, 이러한 축전식 탈염 전극 모듈 시스템에 공급되는 유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 이상일 경우, 복수 개의 탈염 전극 모듈이 직렬로 연결되어 운전될 수 있고, 유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 미만일 경우, 복수 개의 탈염 전극 모듈이 병렬로 연결되어 운전될 수 있다.On the other hand, when the total dissolved solids (TDS) of the influent supplied to the capacitive desalination electrode module system is 3000 ppm or more, a plurality of desalted electrode modules may be connected and operated in series, and the total dissolved solids (TDS) of the influent are 3000 ppm If less, the plurality of desalination electrode modules may be connected and operated in parallel.

본 발명에 따르면, 원형의 전극을 사용하여 부식(전극의 산화)을 방지함으로써 축전식 탈염 전극 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.According to the present invention, by using a circular electrode to prevent corrosion (oxidation of the electrode) has an effect that can improve the durability of the capacitive desalination electrode module.

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.In addition, by applying a potential only to a pair of circular electrodes located at the outermost inside of the housing, there is an advantage that can operate without a separate transformer as in the case of applying the potential to each electrode as in the prior art.

또한, 직경이 큰 전극을 사용하고, 유로의 크기를 키울 수 있어 파울링 현상을 최소화하고, 유입수의 처리량을 증대시킬 수 있는 효과를 가진다.In addition, by using an electrode having a large diameter, it is possible to increase the size of the flow path has the effect of minimizing fouling phenomenon and increase the throughput of the influent.

또한, 대면적의 직렬구조 또는 병렬구조로 운영할 수 있고, 별도의 이온 교환막을 사용하지 않아 CAPEX 비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.In addition, it can be operated in a large area serial structure or parallel structure, and does not use a separate ion exchange membrane has the effect of reducing the CAPEX cost.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

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 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 직렬로 연결하여 운영하는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈을 병렬로 연결하여 운영하는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 종래의 이온교환막을 사용하는 축전식 탈염 전극 모듈의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a capacitive desalination electrode module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view schematically showing the interior of FIG. 1.
3 is a view schematically showing the operation of the capacitive desalination electrode module according to an embodiment of the present invention.
4 is a view schematically showing an operation process of the capacitive desalination electrode module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view schematically showing a mode in which a capacitive desalination electrode module is connected and operated in series according to an embodiment of the present invention, and FIG. Figure is a schematic diagram showing the form of operation by connecting.
7 is a view schematically showing an example of a capacitive desalination electrode module using a conventional ion exchange membrane.

이하에서는, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 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.Hereinafter, with reference to the embodiments and the drawings of the present invention will be described in detail. These examples are only presented by way of example only to more specifically describe the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples. .

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.Also, unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and in the case of conflict, the specification including definitions The description of will prevail.

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.In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted to clearly describe the proposed invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification. And when a part is said to "include" a certain component, this means that it can further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. In addition, the "unit" described in the specification means one unit or block that performs a specific function.

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.In each step, an identification code (first, second, etc.) is used for convenience of description, and the identification code does not describe the order of each step, and each step does not explicitly describe a specific order in context. It may be carried out in a different order than described above. That is, each step may be performed in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

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. 1 is a view schematically showing a capacitive desalination electrode module 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view schematically showing the inside of FIG. 1. 1 and 2, a capacitive desalination electrode module 100 (hereinafter also referred to as a CDI module) according to an embodiment of the present invention includes a cylindrical housing 10 having a hole formed in a central portion thereof; A pair of circular electrodes 20 provided inside the cylindrical housing 10 and having a hole formed in the center thereof; And a circular intermediate electrode 30 disposed to be spaced apart at regular intervals between the pair of circular electrodes 20 and having a hole formed in a central portion thereof. At this time, the diameter of the intermediate electrode 30 disposed between the circular electrode 20 and the circular electrode 20 provided inside the housing 10 to improve the treatment capacity of the influent is preferably 30 ~ 40cm.

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.Conventional CDI modules mostly use a square electrode, the size of which is generally 10 × 10 cm. In this case, the throughput of the influent is about 2.5 ton / day. In addition, the square electrode does not have a desalination reaction near the corners, but rather has a problem of deterioration efficiency due to corrosion (oxidation of the electrode). However, the present invention is easy to stack the electrodes by using a circular electrode having a diameter of 30 ~ 40cm, evenly desalting action occurs in the entire electrode can improve the desalination efficiency per unit area, overall processing efficiency of 10 times or more Can have In addition, the durability of the CDI module may be improved by preventing oxidation occurring at the corners.

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.In one embodiment, the cylindrical housing 10 is formed with a hole in the center, it can be made of a material such as uPVC (unplasticized polyvinyl chloride), but is not limited thereto. The hole formed in the center of the housing 10 is a flow path through which the inflow water passes. As the inflow water enters one side of the housing 10 and flows out to the other side, ions in the inflow water are adsorbed or desorbed on the circular electrode 20 and the intermediate electrode 30. This happens.

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.In one embodiment, the pair of circular electrodes 20 is a hole is formed in the center, can be provided in the interior of the cylindrical housing 10, the intermediate electrode 30 to be described later is a pair of circular electrodes It means an electrode disposed at the outermost of the plurality of electrodes provided in the housing 10 so that it can be disposed between the (20). The hole formed in the center is connected to the hole of the housing 10 to become a flow path of the inflow water. The pair of circular electrodes 20 may use a porous carbon electrode having a large specific surface area, and an active carbon layer may be formed on surfaces facing each other. In addition, an electrode unit may be formed at one side to be connected to a power supply.

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.In one embodiment, the intermediate electrode 30 is spaced at regular intervals between the pair of circular electrodes 20, and has a circular shape with a hole formed in the center thereof, and basically the pair of circular electrodes 20 The same electrode can be used. However, unlike a pair of circular electrodes 20 located at the outermost inside of the housing 10, an activated carbon layer may be formed on both sides of the electrode, and the operating method of the CDI module (bipolar or monopolar method described later). In some cases, the electrode unit may or may not be formed to be connected to a power supply at one side.

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.In one embodiment, the capacitive desalination electrode module 100 may be operated in a bipolar manner. The bipolar method is different from the monopolar method in which each electrode in the housing 10 is connected to a power supply device to act as an anode or a cathode, respectively, as long as it is at the outermost part of the plurality of electrodes in the housing 10. One side of the intermediate electrode 30 disposed between the circular electrodes 20 by connecting only a pair of circular electrodes 20 to the power supply device by applying a positive potential on one side (anode) and applying a negative potential on the other side (cathode) Causes the positive potential to be charged (positive) and the other side to be charged (negative) to the negative potential. When the adsorption process and the desorption process are performed in the bipolar method, the circular electrodes 20 disposed at the outermost sides of the inside of the housing 10 are respectively charged to opposite potentials. That is, in the case of acting as the anode in the adsorption process, it acts as the cathode in the desorption process, and in the case of acting as the cathode in the adsorption process, acts as the anode in the desorption process.

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.In one embodiment, there may be a plurality of intermediate electrodes 30, and the number of intermediate electrodes 30 may be adjusted according to the total voltage applied by the power supply device. That is, in the CDI module, it is preferable that a voltage of 1.5 V or less is applied so that each electrode is not oxidized. A voltage below V can be applied. When operating in a bipolar manner, only a pair of circular electrodes 20 disposed in the outermost part of the housing 10 need to form an electrode part connecting to the power supply, and do not use a transformer for applying voltage to each electrode. This can save overall equipment costs.

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.On the other hand, the capacitive desalination electrode module 100 according to an embodiment of the present invention may be operated in a monopolar manner. In this case, it is preferable to form the electrode part so that the intermediate electrode 30 is also connected to the power supply device.

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.3 and 4 is a view schematically showing the operation of the capacitive desalination electrode module 100 according to an embodiment of the present invention. 3 and 4, the cation exchange resin 40 and the anion exchange resin 50 are mixed in the flow path between the electrodes of the capacitive desalination electrode module 100 according to an embodiment of the present invention. Can be filled.

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.Conventional CDI module or MCDI module is generally designed to narrow the flow path as narrow as 100㎛ in order to increase the salt removal efficiency. However, such a conventional CDI module or MCDI module is likely to cause fouling due to a narrow flow path, and has a problem of decreasing throughput. In addition, when one flow path is blocked due to a narrow flow path, the entire system is stopped. Therefore, it is difficult to manufacture a large-area serial CDI module, and there is a limit to increase productivity such as large-scale desalination.

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.Accordingly, the present invention serves to bridge the cation exchange resin 40 and the anion exchange resin 50 in the flow path while expanding the flow path to solve the fouling phenomenon and throughput reduction while maintaining the salt removal efficiency. By reducing the electrical resistance in the flow path can be reduced. That is, according to the present invention, as the flow path is expanded, the fouling phenomenon is reduced and the amount of water to be treated is increased, and the cation exchange resin 40 and the anion exchange resin 50 filled in the flow path not only increase the salt removal efficiency but also at the time of salt removal. This also improves the rate of salt removal.

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.In addition, the present invention by using a relatively low-cost ion exchange resin (about 1 million won / ton), the expensive ion exchange membrane (about 100,000 won / m 2 ) that was used to increase the salt removal efficiency in the conventional desalination equipment There is no need to use it, which greatly reduces the cost of CAPEX.

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.At this time, the width of the flow path formed between the electrodes can be variously designed as needed, but in order to reduce the fouling phenomenon and increase the amount of treatment is preferably designed to 0.2mm ~ 10mm. When the width of the flow path is less than 0.2mm, fouling problems may occur as in the conventional capacitive desalination electrode module, and when it exceeds 10mm, the salt removal efficiency may decrease.

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. In one embodiment, the cation exchange resin 40 and the anion exchange resin 50 filled in the flow path between the electrodes may have an opposite concentration gradient. That is, the cation exchange resin 40 may be distributed in a large number on the negative electrode side, and the anion exchange resin 50 may be distributed in a large number on the positive electrode side (see FIG. 4). Through this, the adsorption efficiency at each electrode can be maximized, and when the adsorbed ions are desorbed, the desorbed ions can be quickly discharged by the ion exchange resin and the flow rate.

또한, 양이온 교환수지(40) 및 음이온 교환수지(50)가 유로 중앙 부분에 고르게 분포될 수도 있다.In addition, the cation exchange resin 40 and the anion exchange resin 50 may be evenly distributed in the central portion of the flow path.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)을 직렬로 연결하여 운영하는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 모듈(100)을 병렬로 연결하여 운영하는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5 및 도 6에 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.5 is a view schematically showing a mode in which the capacitive desalination electrode module 100 is connected and operated in series according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a capacitive desalination electrode module according to an embodiment of the present invention. Figure 100 schematically shows the form of operating by connecting in parallel to 100. As shown in Figure 5 and 6, the desalination electrode module 100 according to an embodiment of the present invention can be operated by connecting a plurality in series or in parallel according to the purpose. That is, when the TDS (Total dissolved solid) of the influent is large (more than 3000ppm), it can be connected in series, and when the TDS is less (less than 3000ppm), it can be connected in parallel. At this time, in order to reduce the pressure loss of the feed flow (feed flow), it is preferable that each CDI module is disposed below 0.5 degrees with respect to the horizontal direction.

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.In the present specification, only a few examples of various embodiments performed by the present inventors are described, but the technical idea of the present invention is not limited thereto, but may be variously modified and implemented by those skilled in the art.

100 : 축전식 탈염 전극 모듈 10 : 하우징
20 : 원형 전극 30 : 중간 전극
40 : 양이온 교환수지 50 : 음이온 교환수지100: capacitive desalination electrode module 10: housing
20: circular electrode 30: intermediate electrode
40: cation exchange resin 50: anion exchange resin

Claims (6)

복수 개의 탈염 전극 모듈이 직렬 혹은 병렬로 연결된 탈염 전극 모듈 시스템에 있어서,
상기 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 복수의 원형 중간 전극들;을 포함하되,
원형 전극 및 중간 전극은 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 유로에는 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 분포하고,
유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 이상일 경우, 복수 개의 탈염 전극 모듈이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극 모듈 시스템.In the desalination electrode module system in which a plurality of desalination electrode modules are connected in series or in parallel,
The desalting electrode module may include a cylindrical housing having a hole formed at a central portion thereof;
A pair of circular electrodes provided inside the cylindrical housing and having a hole formed in the center thereof; And
It includes; a plurality of circular intermediate electrodes are spaced apart at regular intervals between the pair of circular electrodes, the hole is formed in the center;
The circular electrode and the middle electrode are porous carbon electrodes,
The intermediate electrode, the anode is formed on one surface, the cathode is formed on the other surface,
Activated carbon layers are formed on opposite sides of the pair of circular electrodes and on both sides of the intermediate electrode,
A power source is connected to only a pair of circular electrodes, each having a positive or negative electrode,
An ion exchange membrane is not provided in the flow path formed between the electrodes, and the cation exchange resin and the anion exchange resin are mixed and filled,
The cation exchange resin and the anion exchange resin filled in the flow path between the electrodes have the opposite concentration gradient, the cation exchange resin 40 is distributed in the negative electrode side, the anion exchange resin 50 is distributed in the positive electrode side and,
When the total dissolved solids (TDS) of the influent is more than 3000ppm, a plurality of desalination electrode module is characterized in that connected in series, capacitive desalination electrode module system. 제1항에 있어서,
상기 복수의 탈염 전극 모듈은, 수평 방향에 대해서 0.5도 아래로 배치되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극 모듈 시스템.The method of claim 1,
The plurality of desalination electrode modules, characterized in that disposed below 0.5 degrees with respect to the horizontal direction, capacitive desalination electrode module system. 제1항에 있어서,
상기 원형 전극 및 중간 전극은, 직경이 30~40cm인 다공성 탄소 전극인 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극 모듈 시스템.The method of claim 1,
The circular electrode and the intermediate electrode, characterized in that the porous carbon electrode having a diameter of 30 ~ 40cm, capacitive desalination electrode module system. 제1항에 있어서,
상기 전극 사이에 형성되는 유로의 폭은, 0.2~10 mm인 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극 모듈 시스템.The method of claim 1,
The width | variety of the flow path formed between the said electrodes is 0.2-10 mm, The electrostatic desalination electrode module system. 삭제delete 제1항에 있어서,
유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 미만일 경우, 복수 개의 탈염 전극 모듈이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 축전식 탈염 전극 모듈 시스템.The method of claim 1,
When the total dissolved solids (TDS) of the influent is less than 3000ppm, a plurality of desalination electrode modules are connected in parallel, Capacitive desalination electrode module system.
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