KR102040394B1 - Apacitive deionization apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극, 양이온교환막 및 상기 전극과 상기 양이온교환막 사이에 형성되며 양이온교환수지가 흐르는 양이온교환수지 유로를 포함하는 음극; 전극, 음이온교환막 및 상기 전극과 상기 음이온교환막 사이에 형성되며 음이온교환수지가 흐르는 음이온교환수지 유로를 포함하는 양극; 그리고 상기 음극 및 양극 사이에 위치하고 유입수가 통과하는 스페이서;를 포함하는 축전식 탈염 장치에 관한 것이다.
본 발명은 축전식 탈염 장치에 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 순환 공급함으로써 저비용으로 연속운전이 가능하고 이온성 물질의 제거효율을 향상시킬 수 있다.The present invention is a negative electrode including an electrode, a cation exchange membrane and a cation exchange resin flow path formed between the electrode and the cation exchange membrane flows cation exchange resin; An anode including an electrode, an anion exchange membrane, and an anion exchange resin flow path formed between the electrode and the anion exchange membrane, through which an anion exchange resin flows; And it relates to a capacitive desalination device comprising; a spacer positioned between the negative electrode and the positive electrode through which the inflow water passes.
The present invention enables continuous operation at low cost and improves the removal efficiency of the ionic material by circulating the cation exchange resin and the anion exchange resin to the capacitive desalination apparatus.
Description
본 발명은 축전식 탈염 장치에 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 순환 공급함으로써 저비용으로 연속운전이 가능하고 이온성 물질의 제거효율을 향상시킨 축전식 탈염 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive desalination apparatus capable of continuously operating at low cost and improving the removal efficiency of ionic substances by circulating and supplying a cation exchange resin and an anion exchange resin to the capacitive desalination apparatus.
탈염기술은 생활용수나 산업용수의 제조 시 인체 유해 여부, 공정 효율 또는 제품의 성능 등을 결정하는 데 있어 매우 중요한 역할을 한다. 예를 들면, 중금속, 질산성 질소, 불소 이온 등이 함유된 물을 사람이 장기간 음용하는 경우 건강에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 또한, 경도물질이 함유된 보일러수는 보일러나 열교환기에 스케일을 유발하여 공정의 효율을 크게 떨어뜨릴 수 있고, 전자산업이나 의약산업에서도 이온성 물질의 제거공정은 제품의 성능을 결정하는 중요한 요인으로 작용한다.Desalination technology plays a very important role in determining whether to be harmful to human body, process efficiency or product performance in the manufacture of domestic or industrial water. For example, long-term drinking of water containing heavy metals, nitrate nitrogen, fluoride ions, and the like can have a devastating effect on health. In addition, the boiler water containing hardness material can cause the boiler or heat exchanger to scale and greatly reduce the efficiency of the process.In the electronics and pharmaceutical industries, the removal of ionic substances is an important factor that determines the performance of the product. Works.
수용액 중 이온성 물질을 제거하는 방법으로는 이온교환수지를 이용한 이온교환법이 주로 사용되고 있다. 이러한 방법은 대부분의 이온성 물질들을 효과적으로 분리할 수 있으나 이온교환이 완료된 수지를 재생하는 과정에서 다량의 산, 염기, 또는 염의 폐액이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 또한, 역삼투막법, 전기투석법 등의 분리막 기술이 적용되고 있지만 막의 파울링으로 인한 처리 효율의 감소, 오염된 막의 세정, 주기적인 막의 교체 등과 같은 문제점을 안고 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 최근 들어 전기이중층의 원리를 이용한 축전식 탈염기술이 탈염공정에 적용되고 있다.As a method of removing ionic substances in an aqueous solution, an ion exchange method using an ion exchange resin is mainly used. This method can effectively separate most of the ionic materials, but has a problem in that a large amount of waste liquid of acid, base, or salt is generated in the process of regenerating the ion exchanged resin. In addition, membrane separation techniques such as reverse osmosis and electrodialysis have been applied, but have problems such as reduction in treatment efficiency due to fouling of membranes, cleaning of contaminated membranes, and periodic membrane replacement. In order to solve this problem, capacitive desalination technology using the principle of electric double layer has recently been applied to the desalination process.
축전식 탈염(CDI, Capacitive Deionization) 공정은 전극에 전위를 인가했을 때 전극 표면에 형성되는 전기이중층에서 발생하는 전기적 인력에 의한 이온들의 흡착 반응을 이용하여 이온을 제거하는 기술이다. 구체적으로 축전식 탈염 공정은 물의 전기분해반응이 일어나지 않는 전위 범위 내에서 전압을 인가하면 전극에는 일정한 전하량이 하전된다. 하전된 전극에 이온을 포함한 유입수를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전극 표면에 흡착되고, 전극을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(desalinated water)가 된다.Capacitive Deionization (CDI) is a technology that removes ions by adsorption reaction of ions due to electrical attraction generated in the electric double layer formed on the surface of the electrode when a potential is applied to the electrode. Specifically, in the capacitive desalination process, when a voltage is applied within a potential range in which electrolysis of water does not occur, a constant amount of charge is charged to the electrode. When the influent containing ions passes through the charged electrode, ions having opposite charges to the charged electrode are moved to each electrode by the electrostatic force and adsorbed to the electrode surface, and the water passing through the electrode is desalinated water. )
이때, 전극에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(Capacitance)에 따라 결정되기 때문에 축전식 탈염 공정에 사용되는 전극은 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(Carbon Electrode)이 일반적으로 사용된다.In this case, 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 in the capacitive desalination process.
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 같은 축전식 탈염 공정은 낮은 전극전위에서 작동하고 전극의 전위만을 변화시켜서 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 매우 간편하고 에너지 소비량이 낮으며, 탈염 과정에서 환경 오염 물질을 배출하지 않기 때문에 저 에너지 소모형의 환경 친화적인 탈염 기술로 알려져 있다.The capacitive desalination process operates at a low electrode potential and changes only the potential of the electrode, so that adsorption and desorption are performed, so the operation of the process is very simple, energy consumption is low, and environmental pollutants are not emitted during the desalination process. It is known for its low energy consumption and environmentally friendly desalting technology.
그러나 종행의 축전식 탈염 기술은 이온이 흡착된 후에 전극을 단락시키거나, 반대 전위를 인가하여 흡착된 이온을 탈착하면서 전극을 재생하게 되는데, 이때, 연속운전이 되지 않고 가동 및 중단을 반복해야 되는 문제가 있다. 이를 방지하기 위해서는 모듈을 추가하여 교대로 가동 및 중단을 진행하여 연속운전이 가능할 수 있으나 모듈의 추가로 인한 비용 문제가 발생하게 된다.However, the conventional capacitive desalination technology short-circuits the electrode after the ion is adsorbed, or regenerates the electrode by desorbing the adsorbed ion by applying the opposite potential. In this case, the operation and the interruption must be repeated without continuous operation. there is a problem. In order to prevent this, it is possible to continuously operate by alternately starting and stopping by adding a module, but there is a cost problem due to the addition of the module.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 순환 공급함으로써 저비용으로 연속운전이 가능하고 이온성 물질의 제거효율을 향상시킬 수 있는 축전식 탈염 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, to provide a capacitive desalination device that can be continuously operated at a low cost and improve the removal efficiency of the ionic material by circulating supply of cation exchange resin and anion exchange resin The purpose.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극, 양이온교환막 및 상기 전극과 상기 양이온교환막 사이에 형성되며 양이온교환수지가 흐르는 양이온교환수지 유로를 포함하는 음극; 전극, 음이온교환막 및 상기 전극과 상기 음이온교환막 사이에 형성되며 음이온교환수지가 흐르는 음이온교환수지 유로를 포함하는 양극; 그리고 상기 음극 및 양극 사이에 위치하고 유입수가 통과하는 스페이서;를 포함하는 축전식 탈염 장치를 제공할 수 있다.According to an aspect of the invention, the negative electrode including a cation exchange resin flow path formed between the electrode, the cation exchange membrane and the electrode and the cation exchange membrane flows; An anode including an electrode, an anion exchange membrane, and an anion exchange resin flow path formed between the electrode and the anion exchange membrane, through which an anion exchange resin flows; And it is possible to provide a capacitive desalination device comprising; a spacer positioned between the cathode and the anode and the inflow water passes.
상기 전극은 활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 활성탄소 섬유, 탄소 에어로젤, 흑연 및 흑연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 탄소 재료를 포함하는 탄소전극일 수 있다.The electrode may be a carbon electrode including at least one carbon material selected from the group consisting of activated carbon, carbon nanotubes (CNT), mesoporous carbon, activated carbon fibers, carbon aerogels, graphite and graphite oxide.
상기 탄소전극은 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.The carbon electrode may include a conductive material and a binder.
상기 양이온교환수지는 술폰산기, 카르복실기, 포스포닉기, 포스피닉기, 아소닉기 및 셀리노닉기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 양이온교환기를 가질 수 있다.The cation exchange resin may have at least one cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxyl group, phosphonic group, phosphonic group, asonic group and selenic group.
상기 음이온교환수지는 4급 암모늄염, 1급 아민염, 2급 아민염, 3급 아민염, 4급 포스포늄기 및 3급 술폰늄기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 음이온교환기를 가질 수 있다.The anion exchange resin may have at least one anion exchange group selected from the group consisting of quaternary ammonium salts, primary amine salts, secondary amine salts, tertiary amine salts, quaternary phosphonium groups and tertiary sulfonium groups.
상기 음극의 전극에 양이온교환물질이 포함되어 있고, 상기 양극의 전극에 음이온교환물질이 포함되어 있을 수 있다.A cation exchange material may be included in the electrode of the cathode, and an anion exchange material may be included in the electrode of the cathode.
상기 양이온교환수지 및 음이온교환수지가 흐르는 방향과 상기 유입수가 흐르는 방향은 동일 또는 반대 방향일 수 있다.The direction in which the cation exchange resin and the anion exchange resin flow and the inflow water flow may be the same or the opposite direction.
상기 축전식 탈염 장치는 상기 양이온교환수지를 상기 양이온교환수지 유로에 공급하는 양이온교환수지 공급장치와 상기 음이온교환수지를 상기 음이온교환수지 유로에 공급하는 음이온교환수지 공급장치를 더 포함할 수 있다.The capacitive desalination device may further include a cation exchange resin supply device for supplying the cation exchange resin to the cation exchange resin flow path and an anion exchange resin supply device for supplying the anion exchange resin to the anion exchange resin flow path.
상기 양이온교환수지 공급장치는 양이온교환수지를 재생하는 양이온교환수지 재생장치를 더 포함하고, 상기 음이온교환수지 공급장치는 음이온교환수지를 재생하는 음이온교환수지 재생장치를 더 포함할 수 있다.The cation exchange resin supply device may further include a cation exchange resin regeneration device for regenerating a cation exchange resin, and the anion exchange resin supply device may further include an anion exchange resin regeneration device for regenerating anion exchange resin.
본 발명의 축전식 탈염 장치에 의하면, 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 순환 공급함으로써 저비용으로 연속운전이 가능하고 이온성 물질의 제거효율을 향상시킬 수 있다. According to the capacitive desalination apparatus of the present invention, by continuously supplying the cation exchange resin and the anion exchange resin, continuous operation can be performed at low cost and the removal efficiency of the ionic substance can be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양이온교환수지 유로 및 음이온교환수지 유로의 일 형상이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치로 양이온 및 음이온 교환수지 순환공정을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환수지의 재생 공정을 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of a capacitive desalination apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a shape of the cation exchange resin flow path and the anion exchange resin flow path according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a cation and anion exchange resin circulating process with a capacitive desalination apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 shows a regeneration process of an ion exchange resin according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명을 설명함에 있어, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.In describing the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms.
본 발명을 설명함에 있어, 층, 막, 영역, 판 등의 구성 요소가 다른 구성 요소 '위에' 또는 '상에' 있다고 하는 경우, 이는 다른 구성 요소 '바로 위에' 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성 요소가 있는 경우도 포함할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반대로, 어떤 구성 요소가 다른 부분 '바로 위에' 있다고 하는 경우에는 중간에 또 다른 부분이 없는 것을 뜻한다고 이해되어야 할 것이다.In describing the present invention, when a component such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be 'on' or 'on' another component, it is not only when the other component is 'directly on' but also in between It will be understood that other components may be included as well. On the contrary, if a component is said to be 'just above' another part, it should be understood to mean that there is no other part in the middle.
본 발명을 설명함에 있어, 정도의 용어 '약', '실질적으로', '정도' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.In describing the present invention, the terms 'about', 'substantially', 'degree', and the like, are used at, or in proximity to, a numerical value when a manufacturing and material tolerance inherent in the meaning mentioned is presented. In order to aid the understanding of the present invention, it is used to prevent an unscrupulous infringer from unfairly using the disclosure in which an accurate or absolute numerical value is mentioned.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극, 양이온교환막 및 상기 전극과 상기 양이온교환막 사이에 형성되며 양이온교환수지가 흐르는 양이온교환수지 유로를 포함하는 음극; 전극, 음이온교환막 및 상기 전극과 상기 음이온교환막 사이에 형성되며 음이온교환수지가 흐르는 음이온교환수지 유로를 포함하는 양극; 그리고 상기 음극 및 양극 사이에 위치하고 유입수가 통과하는 스페이서;를 포함하는 축전식 탈염 장치를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, a cathode including an electrode, a cation exchange membrane and a cation exchange resin flow path formed between the electrode and the cation exchange membrane flows; An anode including an electrode, an anion exchange membrane, and an anion exchange resin flow path formed between the electrode and the anion exchange membrane, through which an anion exchange resin flows; And it provides a capacitive desalination device comprising; a spacer positioned between the cathode and the anode and the inflow water passes.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 도면은 본 발명의 구체적인 설명을 위한 일예일 뿐 본 발명이 도면에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are only examples for the detailed description of the present invention, and the present invention is not limited to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치의 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양이온교환수지 유로 및 음이온교환수지 유로의 일 형상이다.1 is a schematic diagram of a capacitive desalination apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a shape of a cation exchange resin flow path and an anion exchange resin flow path according to an embodiment of the present invention.
도 1에 의하면, 본 발명의 축전식 탈염 장치는 전극(110), 양이온교환막(130) 및 상기 전극(110)과 상기 양이온교환막(130) 사이에 형성되며 양이온교환수지(150)가 흐르는 양이온교환수지 유로(120)를 포함하는 음극(100); 전극(210), 음이온교환막(230) 및 상기 전극(210)과 상기 음이온교환막(230) 사이에 형성되며 음이온교환수지(250)가 흐르는 음이온교환수지 유로(220)를 포함하는 양극(200); 그리고 상기 음극(100) 및 양극(200) 사이에 위치하고 유입수가 통과하는 스페이서(300);를 포함하는 축전식 탈염 장치를 제공한다.1, the capacitive desalination apparatus of the present invention is formed between the
상기 음극(100)은 전극(110), 양이온교환수지 유로(120) 및 양이온교환막(130)을 포함하며, 상기 양극(200)은 전극(210), 음이온교환수지 유로(220) 및 음이온교환막(230)을 포함하여 구성될 수 있다.The
상기 음극(100)과 양극(200)에 포함되는 전극(110, 210)은 다공성 탄소전극이 유리하다. 다공성 탄소전극은 넓은 표면적을 가지고 반응성이 적기 때문에 다양한 용도로 사용되고 있다. 상기 전극(110, 210)의 탄소 재료의 종류는 활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 활성탄소 섬유, 탄소 에어로젤, 흑연 및 흑연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.The
상기 전극(110, 210)은 탄소 재료의 탄소전극에 도전재 및 바인더를 포함하여 구성될 수 있다.The
상기 도전재는 전극제조 후 수용액 중에서 함수율을 높여주고, 팽윤에 의한 이온의 이동도를 증가시켜 줄 뿐만 아니라 전극의 양이온 혹은 음이온 전도도를 높여 주고 이온의 흡ㆍ탈착의 속도를 증가시켜 주며 이온의 흡착량 및 이온의 선택성을 높여줄 수 있다.The conductive material increases the water content in the aqueous solution after electrode production, not only increases the mobility of ions by swelling, but also increases the cation or anion conductivity of the electrode, increases the rate of adsorption and desorption of ions, and the amount of adsorption of ions. And selectivity of ions.
상기 도전재의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, XCF 카본, SRF 카본 등의 탄소계 물질, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질, SnO2, ZnO, TiO2, Al2O3, In2O3, MgO, BaO, 및 MoO3 등의 금속산화물, 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머, LiCl, NaCl, KCl 등의 무기염 등을 들 수 있다.The type of the conductive material is not particularly limited, but carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, XCF carbon, SRF carbon, metal powder such as copper, nickel, aluminum, silver, or metal fiber Materials, metal oxides such as SnO 2 , ZnO, TiO 2 , Al 2 O 3 , In 2 O 3 , MgO, BaO, and MoO 3 , conductive polymers such as polyphenylene derivatives, inorganic salts such as LiCl, NaCl, KCl Etc. can be mentioned.
상기 바인더는 탄소 재료를 전극에 고정시켜 주는 역할을 하며, 따라서 전극의 물리적 특성을 향상시킬 수 있다. 축전식 탈염 장치에 있어 탈이온 전극은 기계적 강도가 열화되기 쉽고, 탄소 재료의 이탈에 의해 전극 수명이 감소할 수 있으나, 바인더를 적용하여 탄소 재료를 서로 연결시켜 연속적인 구조물을 형성할 수 있게 하고 각각의 전극을 집전체에 잘 부착되게 할 수 있다. 바인더로는 수계와 비수계 바인더를 사용할 수 있다.The binder serves to fix the carbon material to the electrode, thereby improving the physical properties of the electrode. In the capacitive desalination apparatus, the deionized electrode is easily deteriorated in mechanical strength, and the lifetime of the electrode can be reduced by the removal of the carbon material, but the binder can be used to connect the carbon materials to each other to form a continuous structure. Each electrode can be attached well to the current collector. As a binder, an aqueous and non-aqueous binder can be used.
상기 바인더는 폴리아크릴산, 폴리(아크릴산-말레산)공중합체, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스, 폴리비닐아민, 키토산, 폴리아크릴아미드, 폴리(아크릴아미드-아크릴산) 공중합체, 폴리(스티렌-아크릴산)공중합체, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리아미드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The binder is polyacrylic acid, poly (acrylic acid-maleic acid) copolymer, polyvinyl alcohol, cellulose, polyvinylamine, chitosan, polyacrylamide, poly (acrylamide-acrylic acid) copolymer, poly (styrene-acrylic acid) copolymer , Polystyrene, polyvinylchloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinylfluoride, polyamide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene Butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of an epoxy resin may be used, but is not limited thereto.
상기 음극의 전극(110)은 양이온교환물질(140)을 포함할 수 있으며, 상기 양극의 전극(210)은 음이온교환물질(240)을 포함할 수 있다. 상기 양이온교환물질(140)은 전극(110)의 조성물에 혼합되어 형성될 수 있으며, 전극(110)이 형성된 후 양이온교환물질(140)을 전극(110) 상에 코팅하거나 막 형태로 접착하여 형성될 수 있다. 상기 음이온교환물질(240)도 전극(210)의 조성물에 혼합되어 형성될 수 있으며, 전극(210)이 형성된 후 음이온교환물질(240)을 전극(210) 상에 코팅하거나 막 형태로 접착하여 형성될 수 있다.The
상기 양이온교환물질(140)은 술폰산기, 카르복실기, 포스포닉기, 포스피닉기, 아소닉기 및 셀리노닉기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 양이온교환기를 가지는 물질일 수 있으며, 상기 음이온교환물질(240)은 4급 암모늄염, 1급 아민염, 2급 아민염, 3급 아민염, 4급 포스포늄기 및 3급 술폰늄기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 음이온교환기를 가지는 물질일 수 있다.The
상기 양이온교환수지 유로(120)는 양이온교환수지(150)가 흐르는 통로역할을 하는 것으로, 상기 양이온교환수지 유로(120) 내에 채워진 양이온교환수지(150)는 염 제거효율을 높일 뿐만 아니라 염 제거 속도를 향상시키게 된다. 또한, 상기 양이온교환수지 유로(120)를 통해서 양이온교환수지(150)를 순환/공급할 수 있으므로 탈염장치의 가동을 중단하지 않고 저비용으로 연속적으로 운전이 가능하여 이온성 물질의 제거효율과 제거속도를 향상시킬 수 있다. 상기 양이온교환수지(150)는 상기 양이온교환수지 유로(120)를 통해서 지속적으로 순환/공급될 수 있으나, 일정 시간을 간격으로 양이온교환수지 유로(120)를 통해서 순환/공급될 수도 있다.The cation exchange
또한, 상기 음이온교환수지 유로(220)는 상기 음이온교환수지(250)가 흐르는 통로역할을 하게 된다. 상기 음이온교환수지 유로(220) 및 음이온교환수지(250)는 상기 양이온교환수지 유로(120) 및 양이온교환수지(150)와 마찬가지로 음이온교환수지 유로(220)를 통해서 음이온교환수지(250)를 순환/공급할 수 있으므로 탈염장치의 가동을 중단하지 않고 저비용으로 연속적으로 운전이 가능하여 이온성 물질의 제거효율과 제거속도를 향상시킬 수 있다. 상기 음이온교환수지(250)는 상기 음이온교환수지 유로(220)를 통해서 지속적으로 순환/공급될 수 있으나, 일정 시간을 간격으로 음이온교환수지 유로(220)를 통해서 순환/공급될 수도 있다.In addition, the anion exchange resin flow path 220 serves as a passage through which the
한편, 양이온교환수지와 음이온교환수지가 각각 양이온교환수지 유로(120) 및 음이온교환수지 유로(220)를 흐를 때 용매를 포함할 수 있으며, 용매로 물을 사용하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the cation exchange resin and the anion exchange resin may include a solvent when flowing through the cation exchange
상기 양이온교환수지(150)는 술폰산기, 카르복실기, 포스포닉기, 포스피닉기, 아소닉기 및 셀리노닉기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 양이온교환기를 가지는 이온교환수지일 수 있으며, 상기 음이온교환수지(250)는 4급 암모늄염, 1급 아민염, 2급 아민염, 3급 아민염, 4급 포스포늄기 및 3급 술폰늄기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 음이온교환기를 가지는 이온교환수지일 수 있다.The
상기 양이온교환막(130)은 양이온교환수지 유로(120)와 스페이서(300) 사이에서 양이온교환수지와 유입수의 유통을 막고 유입수의 양이온만 선택적으로 통과시키는 역할을 하며, 상기 음이온교환막(230)은 음이온교환수지 유로(220)와 스페이서(300) 사이에서 음이온교환수지와 유입수의 유통을 막고 유입수의 음이온만 선택적으로 통과시키는 역할을 한다.The
상기 양이온교환막(130)은 술폰산기, 카르복실기, 포스포닉기, 포스피닉기, 아소닉기 및 셀리노닉기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 양이온교환기를 가질 수 있으며, 음이온교환막(230)은 4급 암모늄염, 1급 아민염, 2급 아민염, 3급 아민염, 4급 포스포늄기 및 3급 술폰늄기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 음이온교환기를 가질 수 있다.The
상기 스페이서(300)는 음극(100)과 양극(200) 사이에 위치하는데 상기 스페이서(300)는 음극(100)과 양극(200)을 상호 이격시킴으로써 전극사이에 유입수가 흐를 수 있는 유로를 형성하기 위한 것이다. 상기 스페이서(300)는 유입수가 흘러 유로를 형성해 줄 수 있는 부직포나 얇고 촘촘히 짜인 망사천일 수 있다.The
한편, 상기 양이온교환수지 유로(120) 및 음이온교환수지 유로(220)에서 상기 양이온교환수지(150) 및 음이온교환수지(250)가 흐르는 방향과 상기 스페이서(300)에서 유입수가 흐르는 방향은 서로 동일하거나 반대 방향일 수 있다.On the other hand, in the cation exchange
다음으로, 본 발명의 축전식 탈염 장치에 양이온 및 음이온 교환수지가 순환/공급되는 장치에 대해서 설명한다.Next, an apparatus in which cation and anion exchange resins are circulated / supplied to the capacitive desalination apparatus of the present invention will be described.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 장치로 양이온 및 음이온 교환수지 순환공정을 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환수지의 재생 공정을 나타낸 것이다.3 shows a cation and anion exchange resin circulating process with a capacitive desalination apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows a regeneration process of an ion exchange resin according to an embodiment of the present invention.
상기 축전식 탈염 장치는 상기 양이온교환수지(150)를 상기 양이온교환수지 유로(120)에 공급하는 양이온교환수지 공급장치(400)와 상기 음이온교환수지(250)를 상기 음이온교환수지 유로(220)에 공급하는 음이온교환수지 공급장치(500)를 더 포함할 수 있다.The capacitive desalination apparatus includes a cation exchange
상기 양이온교환수지 공급장치(400)는 양이온교환수지를 재생하는 양이온교환수지 재생장치(420)를 더 포함하고, 상기 음이온교환수지 공급장치(500)는 음이온교환수지를 재생하는 음이온교환수지 재생장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.The cation exchange
상기 양이온교환수지 공급장치(400)는 (-)전하를 띄는 양이온교환수지를 펌프(410)를 통해 상기 음극(100)의 양이온교환수지 유로(120)에 공급한다. 상기 스페이서(300)를 통과하는 유입수에 포함된 양이온이 상기 양이온교환막(130)을 통과하여 상기 양이온교환수지(150)와 이온 교환을 통하여 유입수에 포함되는 양이온의 농도가 낮아지게 된다. 한편, 지속적인 이온 교환을 수행한 양이온교환수지(150)는 유입수에 포함된 양이온을 제거할 수 있는 효율이 감소하여 재생과정이 필요하며, 이때 상기 양이온교환수지 공급장치(400)에서 새로운 양이온교환수지를 펌프(410)를 통해서 양이온교환수지 유로(120)에 공급하고, 기존의 양이온교환수지는 양이온교환수지 재생장치(420)를 거쳐 양이온교환수지 공급장치(400)에 저장되어 양이온교환수지를 순환/공급하게 된다.The cation exchange
한편, 상기 음이온교환수지 공급장치(500)는 (+)전하를 띄는 음이온교환수지를 펌프(510)를 통해 상기 양극(200)의 음이온교환수지 유로(220)에 공급한다. 상기 스페이서(300)를 통과하는 유입수에 포함된 음이온이 상기 음이온교환막(230)을 통과하여 상기 음이온교환수지(250)와 이온 교환을 통하여 유입수에 포함되는 음이온의 농도가 낮아지게 된다. 한편, 지속적인 이온 교환을 수행한 음이온교환수지(250)는 유입수에 포함된 음이온을 제거할 수 있는 효율이 감소하여 재생과정이 필요하며, 이때 상기 음이온교환수지 공급장치(500)에서 새로운 음이온교환수지를 펌프(510)를 통해서 음이온교환수지 유로(220)에 공급하고, 기존의 음이온교환수지는 음이온교환수지 재생장치를 거쳐 음이온교환수지 공급장치(500)에 저장되어 음이온교환수지를 순환/공급하게 된다.On the other hand, the anion exchange
전술한 바와 같이 본 발명의 축전식 탈염 장치는 이온교환수지 공급장치와 재생장치를 포함함으로써 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 축전식 탈염 장치에 순환 공급함으로써 저비용으로 가동 중단없이 연속운전이 가능하고 유입수에 포함되는 이온성 물질의 제거효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the capacitive desalination device of the present invention includes an ion exchange resin supply device and a regeneration device, and thus, the cation exchange resin and the anion exchange resin are circulated and supplied to the capacitive desalination device to enable continuous operation without interruption at a low cost and influent water. It is possible to improve the removal efficiency of the ionic substance contained in.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예 및 실험예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains understand that the present invention may be embodied in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Could be. Therefore, the disclosed embodiments and experimental examples should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.
100 : 음극 110 : 전극
120 : 양이온교환수지 유로 130 : 양이온교환막
140 : 양이온교환물질 150 : 양이온교환수지
200 : 양극 210 : 전극
220 : 음이온교환수지 유로 230 : 음이온교환막
240 : 음이온교환물질 250 : 음이온교환수지
300 : 스페이서 400 : 양이온교환수지 공급장치
410 : 펌프 420 : 양이온교환수지 재생장치
500 : 음이온교환수지 공급장치 510 : 펌프100: cathode 110: electrode
120: cation exchange resin flow path 130: cation exchange membrane
140: cation exchange material 150: cation exchange resin
200: anode 210: electrode
220: anion exchange resin flow path 230: anion exchange membrane
240: anion exchange material 250: anion exchange resin
300: spacer 400: cation exchange resin supply device
410: pump 420: cation exchange resin regeneration device
500: anion exchange resin supply device 510: pump
Claims (9)
전극, 음이온교환막 및 상기 전극과 상기 음이온교환막 사이에 형성되며 음이온교환수지가 흐르는 음이온교환수지 유로를 포함하는 양극; 그리고
상기 음극 및 양극 사이에 위치하고 유입수가 통과하는 스페이서;
를 포함하는 축전식 탈염 장치.A cathode including an electrode, a cation exchange membrane, and a cation exchange resin flow path formed between the electrode and the cation exchange membrane and through which a cation exchange resin flows;
An anode including an electrode, an anion exchange membrane, and an anion exchange resin flow path formed between the electrode and the anion exchange membrane, through which an anion exchange resin flows; And
A spacer disposed between the cathode and the anode and having an inflow water therethrough;
Capacitive desalination device comprising a.
상기 전극은 활성탄, 탄소나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 활성탄소 섬유, 탄소 에어로젤, 흑연 및 흑연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 탄소 재료를 포함하는 탄소전극인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.The method of claim 1,
The electrode is a carbon electrode comprising at least one carbon material selected from the group consisting of activated carbon, carbon nanotubes (CNT), mesoporous carbon, activated carbon fibers, carbon aerogels, graphite and graphite oxide Capacitive desalination device.
상기 탄소전극은 도전재 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.The method of claim 2,
The carbon electrode is a capacitive desalination device, characterized in that it comprises a conductive material and a binder.
상기 양이온교환수지는 술폰산기, 카르복실기, 포스포닉기, 포스피닉기, 아소닉기 및 셀리노닉기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 양이온교환기를 가지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.The method of claim 1,
And the cation exchange resin has at least one cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxyl group, phosphonic group, phosphonic group, asonic group and selinonic group.
상기 음이온교환수지는 4급 암모늄염, 1급 아민염, 2급 아민염, 3급 아민염, 4급 포스포늄기 및 3급 술폰늄기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 음이온교환기를 가지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.The method of claim 1,
The anion exchange resin has at least one anion exchange group selected from the group consisting of quaternary ammonium salts, primary amine salts, secondary amine salts, tertiary amine salts, quaternary phosphonium groups and tertiary sulfonium groups Capacitive desalination device.
상기 음극의 전극에 양이온교환물질이 포함되어 있고,
상기 양극의 전극에 음이온교환물질이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치The method of claim 1,
Cation exchange material is included in the electrode of the negative electrode,
Capacitive desalination device, characterized in that an anion exchange material is contained in the electrode of the positive electrode
상기 양이온교환수지 및 음이온교환수지가 흐르는 방향과 상기 유입수가 흐르는 방향이 동일 또는 반대 방향인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.The method of claim 1,
Capacitive desalination device characterized in that the direction in which the cation exchange resin and the anion exchange resin flows and the inflow water flows in the same or opposite direction.
상기 양이온교환수지를 상기 양이온교환수지 유로에 공급하는 양이온교환수지 공급장치와 상기 음이온교환수지를 상기 음이온교환수지 유로에 공급하는 음이온교환수지 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.The method of claim 1,
And a cation exchange resin supply device for supplying the cation exchange resin to the cation exchange resin flow path and an anion exchange resin supply device for supplying the anion exchange resin to the anion exchange resin flow path.
상기 양이온교환수지 공급장치는 양이온교환수지를 재생하는 양이온교환수지 재생장치를 더 포함하고,
상기 음이온교환수지 공급장치는 음이온교환수지를 재생하는 음이온교환수지 재생장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 장치.The method of claim 8,
The cation exchange resin supply apparatus further includes a cation exchange resin regeneration device for regenerating a cation exchange resin,
The anion exchange resin supply device is a capacitive desalination device further comprises an anion exchange resin regeneration device for regenerating anion exchange resin.
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