KR102053774B1 - Water treating apparatus for saving energy and water treating method using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지를 절약하기 위한 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 에너지 회수장치를 이용하여 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 염을 탈착하면서 발생하는 에너지를 회수하여 재이용할 수 있는 수처리 장치 및 수처리 방법에 관한 것이다. 이를 위해 수처리 장치는 축전식 탈염 전극 모듈에 전압을 인가하는 전원공급장치; 유입수 내의 이온을 흡착하는 축전식 탈염 전극 모듈; 및 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 이온이 탈착시 발생하는 에너지를 회수하는 에너지 회수장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a water treatment apparatus for saving energy and a water treatment method using the same, and more particularly, to recover and reuse energy generated by desorption of salt adsorbed on a capacitive desalination electrode module using an energy recovery apparatus. It relates to a water treatment apparatus and a water treatment method that can be. To this end, the water treatment device includes a power supply device for applying a voltage to the capacitive desalination electrode module; A capacitive desalination electrode module for adsorbing ions in the influent; And an energy recovery device for recovering energy generated when the ions adsorbed on the capacitive desalination electrode module are desorbed.

Description

에너지를 절약하기 위한 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법{WATER TREATING APPARATUS FOR SAVING ENERGY AND WATER TREATING METHOD USING THE SAME}WATER TREATING APPARATUS FOR SAVING ENERGY AND WATER TREATING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 에너지를 절약하기 위한 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 에너지 회수장치를 이용하여 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 염을 탈착하면서 발생하는 에너지를 회수하여 재이용할 수 있는 수처리 장치 및 수처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a water treatment apparatus for saving energy and a water treatment method using the same, and more particularly, to recover and reuse energy generated by desorption of salt adsorbed on a capacitive desalination electrode module using an energy recovery apparatus. It relates to a water treatment apparatus and a water treatment method that can 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 by the capacitance of the electrode used, a porous carbon electrode having a large specific surface area is generally used for 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 quickly desorbed to 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. 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 surface of the electrode to increase the selectivity of the adsorbed ions. 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, thereby limiting 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.

또한, 기존의 축전식 탈염 전극 모듈은 흡착 및 탈착 과정에서 소모되는 에너지를 회수할 수 있는 방법이 없어 전체적으로 에너지 비용이 많이 소모되었다.In addition, the conventional capacitive desalination electrode module does not have a method for recovering the energy consumed in the adsorption and desorption process, which consumes a lot of energy.

이에, 파울링 현상을 최소화하고 처리량을 증대시키면서도, 이온성 물질의 제거효율을 향상시킬 수 있는 축전식 탈염 전극 모듈과 축전식 탈염 전극 모듈의 운영과정에서 소모되는 에너지를 회수하여 재이용할 수 있는 기술에 대한 요구가 이어지고 있다.Therefore, while minimizing fouling and increasing throughput, the technology to recover and reuse the energy consumed in the operation of the capacitive desalination electrode module and capacitive desalination electrode module that can improve the removal efficiency of the ionic material. There is a demand for it.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0065300호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0065300

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 개발하고, 이를 운영시 탈착되는 과정에서 발생하는 에너지를 회수하여 재이용할 수 있는 에너지를 절약하기 위한 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공하는데 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to improve the durability, to minimize the fouling phenomenon, to develop a capacitive desalination electrode module that can increase the throughput of the influent solution, The present invention provides a water treatment apparatus and a water treatment method using the same to save energy that can be reused by recovering energy generated in the process of desorption during operation.

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.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 수처리 장치는, 축전식 탈염 전극 모듈에 전압을 인가하는 전원공급장치; 유입수 내의 이온을 흡착하는, 적어도 2개 이상의 복수의 축전식 탈염 전극 모듈; 및 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 이온이 탈착시 발생하는 에너지를 회수하는 에너지 회수장치;를 포함한다.A water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention, the power supply device for applying a voltage to the capacitive desalination electrode module; At least two or more capacitive desalination electrode modules for adsorbing ions in the influent; And an energy recovery device for recovering energy generated when the ions adsorbed on the capacitive desalination electrode module are desorbed.

상기 축전식 탈염 전극 모듈은, 중심부에 홀이 형성된 원통형의 하우징; 원통형의 하우징의 내부에 구비되어, 중심부에 홀이 형성된 한 쌍의 원형 전극; 및 한 쌍의 원형 전극 사이에 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형의 중간 전극;을 포함하며, 한 쌍의 원형 전극의 서로 마주보는 면과 중간 전극의 양 면에는 활성탄층이 형성되고, 인접한 전극 사이의 유로에 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지가 혼합되어 채워지는 것이 바람직하다.The capacitive desalination 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 a central portion thereof; And a circular intermediate electrode disposed to be spaced between the pair of circular electrodes and having a hole formed in the center thereof, wherein an activated carbon layer is formed on opposite surfaces of the pair of circular electrodes and on both surfaces of the intermediate electrode. It is preferable that a cation exchange resin and an anion exchange resin are mixed and filled in the flow path between adjacent electrodes.

또한, 상기 전원공급장치는 축전식 탈염 전극 모듈의 한 쌍의 원형 전극에만 연결되어 각각 양극 또는 음극이 형성되고, 상기 에너지 회수장치는, 축전식 탈염 전극 모듈에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주는 브레이커; 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 염들이 탈착하면서 발생하는 에너지를 회수하는 컨버터; 및 회수된 에너지를 저장하는 커패시터;를 포함할 수 있.다.In addition, the power supply device is connected to only a pair of circular electrodes of the capacitive desalination electrode module to form a positive or negative electrode, respectively, the energy recovery device, breaker for changing the direction of the current flowing through the capacitive desalination electrode module; A converter for recovering energy generated by desorption of salts adsorbed on the capacitive desalination electrode module; And a capacitor storing the recovered energy.

상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈은, 2개가 하나의 세트로 구성되어, 한 세트의 축전식 탈염 전극 모듈이, 하나의 에너지 회수 장치(30)를 공유할 수 있으며, 상기 중간 전극은 일면에 양극이 형성되고, 타면에 음극이 형성되는 것이 바람직하다.The plurality of capacitive desalination electrode modules may be configured in a set of two, and a set of capacitive desalination electrode modules may share a single energy recovery device 30, and the intermediate electrode may have a positive electrode on one surface thereof. Is formed, and the cathode is preferably formed on the other surface.

상기 중간 전극은 복수 개인 것이 바람직하며, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈은, 직렬 혹은 병렬로 연결될 수 있다.Preferably, the plurality of intermediate electrodes is provided, and the plurality of capacitive desalination electrode modules may be connected in series or in parallel.

각 축전식 탈염 전극 모듈에 개별적으로 에너지 회수장치가 구비되거나, 2개의 축전식 탈염 전극 모듈이 하나의 에너지 회수장치를 공유할 수 있는데, 유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 이상인 경우, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈은 직렬로 연결되어 운전되고, 유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 미만인 경우, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈을 병렬로 연결되어 운전될 수 있다.Each capacitive desalination electrode module may be provided with an energy recovery device individually, or two capacitive desalination electrode modules may share one energy recovery device. When the total dissolved solid (TDS) of the influent is 3000 ppm or more, the plurality The capacitive desalination electrode modules may be connected and operated in series. When the total dissolved solid (TDS) of the influent is less than 3000 ppm, the plurality of capacitive desalination electrode modules may be connected and operated in parallel.

각 축전식 탈염 전극 모듈은 수평 방향에 대해 0.5도 아래로 배치되는 것이 바람직하며, 인접한 전극 사이에 형성되는 유로의 폭은 0.2~10mm인 것이 바람직하다.Each capacitive desalination electrode module is preferably disposed below 0.5 degrees with respect to the horizontal direction, the width of the flow path formed between the adjacent electrodes is preferably 0.2 ~ 10mm.

본 발명의 다른 실시 형태로, 적어도 2개 이상의 복수의 축전식 탈염 전극 모듈을 사용한 수처리 방법을 들 수 있는데, 축전식 탈염 전극 모듈에 전압을 인가하는 전원공급단계; 축전식 탈염 전극 모듈이 유입수 내의 이온을 흡착하는 흡착단계; 및 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 이온이 탈착시 발생하는 에너지를 회수하는 에너지 회수단계;를 포함한다.In another embodiment of the present invention, a water treatment method using at least two or more capacitive desalination electrode modules includes a power supply step of applying a voltage to the capacitive desalination electrode module; An adsorption step of capacitive desalination electrode module adsorbing ions in the influent water; And an energy recovery step of recovering energy generated when the ions adsorbed on the capacitive desalination electrode module are desorbed.

상기 에너지 회수단계는, 축전식 탈염 전극 모듈에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주는 브레이킹 단계; 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 염들이 탈착하면서 발생하는 에너지를 회수하여 커패시터로 전달하는 전달단계; 및 회수된 에너지를 커패시터에 저장하는 저장단계;를 포함할 수 있다.The energy recovery step may include a braking step of changing a direction of a current flowing in the capacitive desalination electrode module; A transfer step of recovering energy generated by desorption of salts adsorbed on the capacitive desalination electrode module and transferring the energy to a capacitor; And a storing step of storing the recovered energy in the capacitor.

이때 상기 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 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형의 중간 전극;을 포함하고, 인접한 전극 사이의 유로에 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지가 혼합되어 채워지는 것이 바람직하다.At this time, the capacitive desalination electrode module, the cylindrical housing having 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 to be spaced between the pair of circular electrodes, and having a hole formed at the center thereof, wherein the cation exchange resin and the anion exchange resin are mixed and filled in the flow path between adjacent electrodes.

상기 전원공급단계에서 사용되는 전원공급장치는, 축전식 탈염 전극 모듈의 한 쌍의 원형 전극에만 연결되어, 각각 양극 또는 음극을 형성할 수 있다.The power supply device used in the power supply step may be connected to only a pair of circular electrodes of the capacitive desalination electrode module to form an anode or a cathode, respectively.

상기 전극 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지와 음이온 교환수지가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가질 수 있고, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈은, 직렬 혹은 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.It is preferable that the cation exchange resin and the anion exchange resin filled in the flow path between the electrodes can have opposite concentration gradients, and the plurality of capacitive desalination electrode modules are connected in series or in parallel.

유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 이상인 경우, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈이 직렬로 연결되어 운전되고, 유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 미만인 경우, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈이 병렬로 연결되어 운전되는 것이 바람직하다.When the total dissolved solids (TDS) of the influent is more than 3000ppm, the plurality of capacitive desalination electrode modules are operated in series, and when the total dissolved solids (TDS) of the influent is less than 3000ppm, the plurality of capacitive desalination electrode modules It is preferable to operate in parallel.

본 발명에 따르면, 에너지 회수장치를 이용하여 흡착된 염이 탈착하는 과정에서 발생하는 에너지를 회수할 수 있고, 이를 흡착 과정에 재이용함으로써 수처리 장치를 운영하는 데 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 효과를 가진다.According to the present invention, it is possible to recover the energy generated in the process of desorption of the adsorbed salt by using the energy recovery apparatus, and by reusing it in the adsorption process, it is possible to save the energy consumed in operating the water treatment apparatus. Have

또한, 축전식 탈염 전극 모듈은 원형의 전극을 사용하여 부식(전극의 산화)을 방지함으로써 축전식 탈염 전극 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.In addition, the capacitive desalination electrode module has an effect of improving the durability of the capacitive desalination electrode module by preventing corrosion (oxidation of electrodes) using a circular electrode.

또한, 축전식 탈염 전극 모듈의 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 of the capacitive desalination electrode module, it is possible to operate without a separate transformer as in the case of applying the potential to each electrode as in the prior art. Has an advantage.

또한, 축전식 탈염 전극 모듈은 직경이 큰 전극을 사용하고, 유로의 크기를 키울 수 있어 파울링 현상을 최소화하고, 유입수의 처리량을 증대시킬 수 있는 효과를 가진다.In addition, the capacitive desalination electrode module has an effect of using an electrode having a large diameter and increasing the size of the flow path to minimize fouling and to 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 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치에 사용되는 에너지 회수장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 CDI 모듈 2개를 한 세트로 운영하는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 복수 개의 CDI 모듈을 직렬로 연결한 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 복수 개의 CDI 모듈을 병렬로 연결한 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치에 사용되는 CDI 모듈의 내부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치에 사용되는 CDI 모듈의 작동과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치에 사용되는 CDI 모듈의 작동과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a water treatment device according to an embodiment of the present invention.
2 is a view schematically showing an energy recovery apparatus used in the water treatment device according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view of a water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention operating two CDI modules in a set.
4 is a view schematically illustrating a water treatment device according to an embodiment of the present invention in which a plurality of CDI modules are connected in series.
5 is a view schematically illustrating a water treatment device according to an embodiment of the present invention in which a plurality of CDI modules are connected in parallel.
6 is a view schematically showing the inside of the CDI module used in the water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
7 is a view schematically showing an operation of the CDI module used in the water treatment device according to an embodiment of the present invention.
8 is a view schematically illustrating an operation process of a CDI module used in a water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments and drawings of the present invention. 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. In addition, when a part "contains" a certain component, this means that the component may further include other components, without excluding other components, unless specifically stated otherwise. 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 the 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 수처리 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)는 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 전압을 인가하는 전원공급장치(10); 유입수 내의 이온을 흡착하는 축전식 탈염 전극 모듈(20); 및 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 흡착된 이온이 탈착시 발생하는 에너지를 회수하는 에너지 회수장치(30);를 포함한다. 본 발명은 축전식 탈염 전극 모듈(20) 운영시 흡착된 이온이 탈착될 때 발생하는 에너지를 회수하여 저장할 수 있는 에너지 회수장치(30)를 구비함으로써 저장된 에너지를 재이용하여 에너지 소모를 절감할 수 있는 효과를 가진다. 구체적으로, 축전식 탈염 전극 모듈(20)의 탈착과정에서 발생하는 에너지의 최대 80%를 회수하여 재사용할 수 있어 큰 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.1 is a view schematically showing a water treatment device 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 1, the water treatment device 100 according to an embodiment of the present invention includes a power supply device 10 for applying a voltage to the capacitive desalination electrode module 20; A capacitive desalination electrode module 20 that adsorbs ions in the influent; And an energy recovery device 30 for recovering energy generated when the ions adsorbed on the capacitive desalination electrode module 20 are desorbed. The present invention has an energy recovery device 30 that can recover and store the energy generated when the adsorbed ions are desorbed during the operation of the capacitive desalination electrode module 20 to reduce the energy consumption by reusing the stored energy. Has an effect. Specifically, up to 80% of the energy generated in the desorption process of the desorption electrode module 20 can be recovered and reused, thereby obtaining a large energy saving effect.

일 실시예에 있어서, 에너지 회수장치(Energy Recovery Device, ERD)(30)는 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주는 브레이커(breaker)(31);를 포함할 수 있다. 후술할 축전식 탈염 전극 모듈(CDI 모듈이라고도 한다)(20)에 대해서 간략하게 설명하면, 유입수가 축전식 탈염 전극 모듈(20)로 유입되면, 유입수 속에 포함된 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 흡착된다. 충분히 흡착되면, 탈착 과정을 거쳐 흡착된 이온을 제거한다. 이때, 브레이커(breaker)(31)를 이용해서 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주면, 즉, 양극은 음극으로, 음극은 양극으로 바꿔주면, 흡착되었던 이온들은 바뀐 전극과 반발력을 갖게 되고, 이로 인해 흡착된 이온들이 탈착된다.In one embodiment, the energy recovery device (ERD) 30 may include a breaker 31 for changing the direction of the current flowing in the capacitive desalination electrode module 20. The capacitive desalination electrode module (also referred to as a CDI module) 20, which will be described later, will be briefly described. When the inflow water flows into the capacitive desalination electrode module 20, the cations included in the inflow water are the negative electrode, and the anion is the positive electrode. Is adsorbed. Once sufficiently adsorbed, the adsorbed ions are removed through a desorption process. At this time, by changing the direction of the current flowing in the capacitive desalination electrode module 20 by using a breaker (31), that is, the anode to the cathode, the cathode to the anode, the adsorbed ions and the changed electrode It has a repulsive force, which causes the adsorbed ions to desorb.

일 실시예에 있어서, 에너지 회수장치(Energy Recovery Device, ERD)(30)는 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 흡착된 염들이 탈착하면서 발생하는 에너지를 회수하는 컨버터(converter)(32);를 포함할 수 있다. 구체적으로, 컨버터(converter)(32)는 후술하는 커패시터(capacitor)(33)와 같은 에너지 저장수단과 연결되고, 축전식 탈염 전극 모듈(20) 및 커패시터(33) 사이에서 에너지를 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 축전식 탈염 전극 모듈(20)의 탈착과정(방전)에서 발생하는 에너지를 회수하여 커패시터(33)가 저장할 수 있도록 전달하고, 커패시터(33)에 저장된 에너지를 축전식 탈염 전극 모듈(20)의 흡착과정(충전)에 사용하기 위해 축전식 탈염 전극 모듈(20)로 다시 전달할 수 있다.In an embodiment, the energy recovery device (ERD) 30 includes a converter 32 which recovers energy generated by desorption of salts adsorbed on the capacitive desalination electrode module 20. It may include. Specifically, the converter 32 is connected to an energy storage means such as a capacitor 33 to be described later, and serves to transfer energy between the capacitive desalination electrode module 20 and the capacitor 33. Can be done. That is, the energy generated in the desorption process (discharge) of the capacitive desalination electrode module 20 is recovered and transferred to the capacitor 33 for storage, and the energy stored in the capacitor 33 is transferred to the capacitive desalination electrode module 20. It can be transferred back to the capacitive desalination electrode module 20 for use in the adsorption process (charging).

일 실시예에 있어서, 에너지 회수장치(Energy Recovery Device, ERD)(30)는 회수된 에너지를 저장하는 커패시터(33);를 포함할 수 있다. 구체적으로, 커패시터(33)는 축전식 탈염 전극 모듈(20)의 탈착과정에서 발생하는 에너지가 컨버터(converter)(32)를 통해 전달되면 이를 저장하고, 이후 축전식 탈염 전극 모듈(20)에서 흡착과정이 진행되기 위해 저장된 에너지를 재공급할 수 있는 보조 전원공급장치로 사용될 수 있다. 커패시터(33)로는 공지의 다양한 저장수단을 사용할 수 있으나, 대용량의 전기화학식 커패시터(electrochemical capacitor)를 사용하는 것이 바람직하다.In one embodiment, the energy recovery device (ERD) 30 may include a capacitor 33 for storing the recovered energy. Specifically, the capacitor 33 stores the energy generated in the desorption process of the capacitive desalination electrode module 20 when it is transferred through the converter 32, and then is adsorbed by the capacitive desalination electrode module 20. It can be used as an auxiliary power supply to replenish stored energy for the process to proceed. As the capacitor 33, various known storage means may be used, but it is preferable to use a large capacity electrochemical capacitor.

도 3은 CDI 모듈(20) 2개를 한 세트로 운영하는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)는 축전식 탈염 전극 모듈(20) 2개를 한 세트로 구성하고, 한 세트의 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 하나의 에너지 회수장치(30)를 공유하도록 하며, 일방의 탈착과정(방전)에서 발생하는 에너지를 회수하여 저장한 후, 저장된 에너지를 타방의 흡착과정(충전)에 이용할 수 있다.3 is a schematic view of a water treatment apparatus 100 according to an embodiment of the present invention operating two CDI modules 20 as a set. Referring to Figure 3, the water treatment apparatus 100 according to an embodiment of the present invention comprises a set of two capacitive desalination electrode module 20, a set of capacitive desalination electrode module 20 In order to share one energy recovery device 30, and after recovering and storing the energy generated in one desorption process (discharge), the stored energy can be used for the other adsorption process (charge).

도 4는 복수 개의 CDI 모듈(20)을 직렬로 연결한 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 복수 개의 CDI 모듈(20)을 병렬로 연결한 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면으로, 본 발명은 달성하고자 하는 목적에 따라 복수 개의 CDI 모듈(20)을 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있고, 이때, 각 CDI 모듈(20)에 에너지 회수장치(30)를 구비하거나 2개의 CDI 모듈(20)이 하나의 에너지 회수장치(30)를 공유하도록 설계할 수도 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 모듈(20)은 수평 방향에 대해서 0.5도 아래로 배치하는 것이 바람직하다.4 is a diagram schematically illustrating a water treatment apparatus 100 according to an embodiment of the present invention in which a plurality of CDI modules 20 are connected in series, and FIG. 5 is a diagram in which a plurality of CDI modules 20 are connected in parallel. In the drawings schematically showing the water treatment device 100 according to an embodiment of the present invention, the present invention can connect a plurality of CDI modules 20 in series or in parallel according to the purpose to achieve, wherein, each CDI module The energy recovery device 30 may be provided at the 20 or two CDI modules 20 may be designed to share one energy recovery device 30. 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), each CDI module 20 is preferably disposed below 0.5 degrees with respect to the horizontal direction.

이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 대해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the capacitive desalination electrode module 20 of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 6 to 8.

일 실시예에 있어서, 축전식 탈염 전극 모듈(20)은 중심부에 홀이 형성된 원통형의 하우징(21); 원통형의 하우징(21)의 내부에 구비되고, 중심부에 홀이 형성된 한 쌍의 원형 전극(22); 및 한 쌍의 원형 전극(22) 사이에 일정한 간격으로 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형의 중간 전극(23);을 포함한다. 이때, 유입수의 처리 용량을 향상시키기 위하여 하우징(21)의 내부에 구비되는 원형 전극(22) 및 원형 전극(22) 사이에 배치되는 중간 전극(23)의 직경은 30~40cm인 것이 바람직하다. In one embodiment, the capacitive desalination electrode module 20 includes a cylindrical housing 21 having a hole formed in a central portion thereof; A pair of circular electrodes 22 provided inside the cylindrical housing 21 and having a hole formed in the center thereof; And a circular intermediate electrode 23 disposed to be spaced apart at regular intervals between the pair of circular electrodes 22 and having a hole formed at a central portion thereof. At this time, the diameter of the circular electrode 22 and the intermediate electrode 23 disposed between the circular electrode 22 provided in the housing 21 in order 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 모듈(20)의 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, durability of the CDI module 20 may be improved by preventing oxidation occurring at the corners.

일 실시예에 있어서, 원통형의 하우징(21)은 중심부에 홀이 형성된 것으로서, uPVC(unplasticized polyvinyl chloride)와 같은 소재로 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 하우징(21)의 중심부에 형성된 홀은 유입수가 지나가는 유로로서, 유입수가 하우징(21)의 일측으로 진입하여 타측으로 유출되면서 유입수 내의 이온들이 원형 전극(22) 및 중간 전극(23)에 흡착 또는 탈착이 일어난다.In one embodiment, the cylindrical housing 21 is formed with a hole in the center, it may 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 21 is a flow path through which the inflow water passes. As the inflow water enters one side of the housing 21 and flows out to the other side, ions in the inflow water are adsorbed or desorbed on the circular electrode 22 and the intermediate electrode 23. This happens.

일 실시예에 있어서, 한 쌍의 원형 전극(22)은 중심부에 홀이 형성되고, 원통형의 하우징(21)의 내부에 구비될 수 있는 것으로서, 후술하는 중간 전극(23)이 한 쌍의 원형 전극(22)의 사이에 배치될 수 있도록 하우징(21) 내부에 구비된 복수 개의 전극 중에서 최외각에 배치된 전극을 의미한다. 중심부에 형성된 홀은 하우징(21)의 홀과 연결되어 유입수의 유로가 된다. 한 쌍의 원형 전극(22)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 22 is a hole is formed in the center, can be provided in the cylindrical housing 21, the intermediate electrode 23 to be described later is a pair of circular electrodes It means an electrode disposed at the outermost part among the plurality of electrodes provided in the housing 21 so as to be disposed between the (22). The hole formed in the center portion is connected to the hole of the housing 21 to form a flow path of the inflow water. The pair of circular electrodes 22 may use porous carbon electrodes 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(23)은 한 쌍의 원형 전극(22) 사이에 일정한 간격으로 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형 형상으로, 기본적으로 한 쌍의 원형 전극(22)과 동일한 전극을 사용할 수 있다. 다만, 하우징(21) 내부에서 최외각에 위치하는 한 쌍의 원형 전극(22)과 달리 전극의 양면에 모두 활성탄층이 형성될 수 있고, CDI 모듈(20)의 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 23 is spaced at regular intervals between the pair of circular electrodes 22 and has a circular shape having a hole in the center thereof. The same electrode can be used. However, unlike a pair of circular electrodes 22 located at the outermost inside of the housing 21, an activated carbon layer may be formed on both sides of the electrode, and the operating method of the CDI module 20 (bipolar or mono to be described later). According to the polar method, an electrode part may be formed on one side or may be absent so as to be connected to a power supply.

일 실시예에 있어서, 축전식 탈염 전극 모듈(20)은 바이폴라(bipolar) 방식으로 운영될 수 있다. 바이폴라 방식이란, 하우징(21) 내부의 각 전극을 전원 장치와 연결하여 각각 양극 또는 음극으로 작용하도록 하는 모노폴라(monopolar) 방식과 달리, 하우징(21) 내부의 복수 개의 전극 중 최외각에 있는 한 쌍의 원형 전극(22)만 전원 장치와 연결하여 일측은 양전위를 인가하고(양극), 타측은 음전위를 인가(음극)함으로써, 원형 전극(22) 사이에 배치되는 중간 전극(23)의 일면은 양전위가 대전(양극)되도록 하고, 타면은 음전위로 대전(음극)되도록 한다. 바이폴라 방식에서 흡착과정 및 탈착과정이 수행될 때 하우징(21) 내부의 최외각에 배치되는 원형 전극(22)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 20 may be operated in a bipolar manner. The bipolar method, unlike the monopolar method, in which each electrode in the housing 21 is connected to a power supply device and acts as an anode or a cathode, respectively, as long as it is at the outermost part of the plurality of electrodes in the housing 21. Only one pair of circular electrodes 22 is connected to the power supply so that one side applies a positive potential (anode) and the other side applies a negative potential (cathode), so that one surface of the intermediate electrode 23 disposed between the circular electrodes 22 is provided. Causes the positive potential to be charged (anode) and the other side to be charged (cathode) with the negative potential. In the bipolar method, when the adsorption process and the desorption process are performed, the circular electrodes 22 disposed at the outermost inside of the housing 21 are charged with opposite potentials, respectively. 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(23)은 복수 개일 수 있고, 전원 장치에서 인가하는 전체 전압에 따라서 중간 전극(23)의 숫자를 조절할 수 있다. 즉, CDI 모듈(20)은 각 전극이 산화되지 않도록 1.5V 이하의 전압이 인가되도록 하는 것이 바람직한데, CDI 모듈(20)에 인가되는 전체 전압에 따라 중간 전극(23)의 수를 조절함으로써 각 전극이 산화되지 않도록 1.5V 이하의 전압이 인가될 수 있다. 바이폴라 방식으로 운영할 경우, 하우징(21) 내부의 최외각에 배치되는 한 쌍의 원형 전극(22)에만 전원 장치와 연결하는 전극부를 형성하면 되고, 각 전극에 전압을 걸기 위한 변압기를 사용하지 않을 수 있어 전체 설비 비용이 절약될 수 있다.In an exemplary embodiment, the plurality of intermediate electrodes 23 may be provided, and the number of intermediate electrodes 23 may be adjusted according to the total voltage applied by the power supply device. That is, the CDI module 20 is preferably applied to a voltage of 1.5V or less so that each electrode is not oxidized, by adjusting the number of intermediate electrodes 23 in accordance with the total voltage applied to the CDI module 20 A voltage of 1.5 V or less can be applied so that the electrode is not oxidized. When operating in a bipolar manner, only a pair of circular electrodes 22 disposed in the outermost part of the housing 21 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 모듈은 모노폴라 방식으로 운영될 수도 있다. 이 경우, 중간 전극(23) 역시 전원장치와 연결되도록 전극부를 형성하는 것이 바람직하다.On the other hand, the capacitive desalination electrode module 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 23 is also connected to the power supply device.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)에 사용되는 CDI 모듈(20)의 작동과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 축전식 탈염 전극 모듈(20)의 각 전극 사이의 유로에는 양이온 교환수지(24) 및 음이온 교환수지(25)가 혼합되어 채워질 수 있다.7 and 8 are diagrams schematically showing the operation of the CDI module 20 used in the water treatment device 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 7 and 8, the cation exchange resin 24 and the anion exchange resin 25 may be mixed and filled in the flow path between the electrodes of the capacitive desalination electrode module 20.

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 in that throughput is reduced. 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 capacity desalination.

이에, 본 발명은 염 제거효율을 유지하면서도 파울링 현상 및 처리량 감소 현상을 해결하기 위하여, 유로를 확대하는 동시에 유로 내에 양이온 교환수지(24) 및 음이온 교환수지(25)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(24) 및 음이온 교환수지(25)가 염 제거효율을 높일 뿐만 아니라 염 제거시에도 염 제거 속도를 향상시키게 된다.Accordingly, the present invention serves to bridge the cation exchange resin 24 and the anion exchange resin 25 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 24 and the anion exchange resin 25 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 capacitive 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(24)와 음이온 교환수지(25)가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가질 수 있다. 즉, 양이온 교환수지(24)는 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지(25)는 양극 쪽에 다수 분포되어 있을 수 있다(도 8 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(24) 및 음이온 교환수지(25)는 유로 중앙 부분에 고르게 분포될 수도 있다.In one embodiment, the cation exchange resin 24 and the anion exchange resin 25 filled in the flow path between the electrodes may have an opposite concentration gradient. That is, the cation exchange resin 24 may be distributed in a large number on the negative electrode side, and the anion exchange resin 25 may be distributed in a large number on the positive electrode side (see FIG. 8). 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. In addition, the cation exchange resin 24 and the anion exchange resin 25 may be evenly distributed in the central portion of the flow path.

다음으로, 에너지를 절감할 수 있는 수처리 방법에 대해 설명한다. 이를 설명하는데 있어, 설명의 편의를 위하여 상술한 수처리 장치(100)를 이용하여 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니고, 중복되는 부분의 설명은 생략하도록 한다.Next, a water treatment method that can save energy will be described. In this description, for convenience of description, the water treatment apparatus 100 will be described above, but the present invention is not limited thereto and description of overlapping portions will be omitted.

본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 방법(S100)은 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 전압을 인가하는 전원공급단계(S10); 축전식 탈염 전극 모듈(20)이 유입수 내의 이온을 흡착하는 흡착단계(S20); 및 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 흡착된 이온이 탈착시 발생하는 에너지를 회수하는 에너지 회수단계(S30);를 포함한다. 본 발명은 축전식 탈염 전극 모듈(20) 운영시 흡착된 이온이 탈착될 때 발생하는 에너지를 회수하여 저장하는 에너지 회수단계(S30)를 구비함으로써 저장된 에너지를 재이용하여 에너지 소모를 절감할 수 있는 효과를 가진다. 구체적으로, 축전식 탈염 전극 모듈(20)의 탈착과정에서 발생하는 에너지의 최대 80%를 회수하여 재사용할 수 있어 큰 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.Water treatment method (S100) according to an embodiment of the present invention includes a power supply step (S10) for applying a voltage to the desalination electrode module 20, An adsorption step (S20) in which the capacitive desalination electrode module 20 adsorbs ions in the influent water; And an energy recovery step (S30) for recovering energy generated when the ions adsorbed on the capacitive desalination electrode module 20 are desorbed. The present invention has an energy recovery step (S30) for recovering and storing the energy generated when the adsorbed ions are desorbed during operation of the capacitive desalination electrode module 20 to reduce the energy consumption by reusing the stored energy. Has Specifically, up to 80% of the energy generated in the desorption process of the desorption electrode module 20 can be recovered and reused, thereby obtaining a large energy saving effect.

일 실시예에 있어서, 전원공급단계(S10)는 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 전압을 인가하는 단계로서, 공지의 전원공급장치를 이용할 수 있다. 전원공급단계(S10)에서 전압을 인가할 때, 바이폴라 방식 또는 모노폴라 방식을 모두 적용할 수 있다. 즉, 축전식 탈염 전극 모듈(20) 내의 최외각 전극에만 전압을 인가할 수도 있고, 각 전극에 각각 전압을 인가할 수도 있다.In one embodiment, the power supply step (S10) is a step of applying a voltage to the capacitive desalination electrode module 20, it is possible to use a known power supply device. When applying a voltage in the power supply step (S10), it is possible to apply both a bipolar method or a monopolar method. That is, a voltage may be applied only to the outermost electrode in the capacitive desalination electrode module 20, or a voltage may be applied to each electrode.

일 실시예에 있어서, 흡착단계(S20)는 축전식 탈염 전극 모듈(20)이 유입수 내의 이온을 흡착하는 단계로서, 공지의 CDI 모듈 흡착원리를 적용한다. 즉, CDI 모듈(20)이 전압을 인가 받아 각 전극이 양극 또는 음극으로 작용하면, 유입수 내의 양이온은 음극으로 흡착되고, 음이온은 양극으로 흡착된다.In one embodiment, the adsorption step (S20) is a step in which the capacitive desalination electrode module 20 adsorbs ions in the influent, and applies a known CDI module adsorption principle. That is, when the CDI module 20 receives a voltage and each electrode acts as an anode or a cathode, cations in the influent water are adsorbed to the cathode and anions are adsorbed to the anode.

일 실시예에 있어서, 에너지 회수단계(S30)는 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주는 브레이킹 단계(S31)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 흡착단계(S20)를 통해 CDI 모듈(20)의 양극 및 음극에 각각 음이온 및 양이온이 흡착되고, 충분히 흡착되면, 탈착단계를 거치게 되는데, 흡착된 이온을 탈착하기 위해 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 흐르는 전류의 방향을 바꿔준다. 즉, 양극은 음극으로, 음극은 양극으로 바꿔준다.In one embodiment, the energy recovery step (S30) may include a braking step (S31) for changing the direction of the current flowing in the capacitive desalination electrode module 20. Specifically, the anion and the cation are respectively adsorbed to the anode and the cathode of the CDI module 20 through the adsorption step (S20), and if sufficiently adsorbed, it goes through a desorption step, the capacitive desalination electrode module to desorb the adsorbed ions Change the direction of current flowing in (20). That is, the anode is changed to the cathode and the cathode is changed to the anode.

일 실시예에 있어서, 에너지 회수단계(S30)는 축전식 탈염 전극 모듈(20)에 흡착된 염들이 탈착하면서 발생하는 에너지를 회수하여 커패시터(33)로 전달하는 전달단계(S32)를 포함할 수 있다. 이를 위해, 커패시터(33)와 같은 에너지 저장수단과 연결되어 축전식 탈염 전극 모듈(20) 및 커패시터(33) 사이에서 에너지를 전달하는 컨버터(converter)(32)를 구비할 수 있다. 즉, 컨버터(converter)(32)를 통해 CDI 모듈(20)의 방전(탈착과정)시에 발생하는 에너지를 회수하여 커패시터(33)로 전달하여 커패시터(33)에 저장하고, CDI 모듈(20)의 충전(흡착과정)시에 커패시터(33)에 저장된 에너지를 CDI 모듈(20)로 전달하여 이용할 수 있도록 한다.In one embodiment, the energy recovery step (S30) may include a transfer step (S32) for recovering the energy generated by the desorption of salts adsorbed on the capacitive desalination electrode module 20 to deliver to the capacitor 33. have. To this end, it may be provided with a converter 32 connected to the energy storage means such as the capacitor 33 to transfer energy between the capacitive desalination electrode module 20 and the capacitor 33. That is, the energy generated during the discharge (desorption process) of the CDI module 20 is recovered through the converter 32, transferred to the capacitor 33, stored in the capacitor 33, and the CDI module 20. At the time of charging (adsorption process), the energy stored in the capacitor 33 is transferred to the CDI module 20 to be used.

일 실시예에 있어서, 에너지 회수단계(S30)는 회수된 에너지를 커패시터(33)에 저장하는 저장단계(S33)를 포함할 수 있다. 이를 위해, 공지의 다양한 저장수단을 구비할 수 있고, 바람직하게는, 대용량의 전기화학식 커패시터(electrochemical capacitor)를 구비할 수 있다. 또한, 저장단계(S33) 후에는 저장된 에너지를 CDI 모듈(20)로 전달하여 CDI 모듈(20)의 충전 과정에 사용할 수 있는 재사용단계(S34)를 포함할 수도 있다. In one embodiment, the energy recovery step S30 may include a storage step S33 for storing the recovered energy in the capacitor 33. To this end, various known storage means may be provided, and preferably, a large capacity electrochemical capacitor may be provided. In addition, after the storing step (S33) it may include a reuse step (S34) that can be used for the charging process of the CDI module 20 by transferring the stored energy to the CDI module 20.

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 : 수처리 장치 10 : 전원공급장치
20 : 축전식 탈염 전극 모듈 21 : 하우징
22 : 원형 전극 23 : 중간 전극
24 : 양이온 교환수지 25 : 음이온 교환수지
30 : 에너지 회수장치 31 : 브레이커
32 : 컨버터 33 : 커패시터
S100 : 수처리 방법 S10 : 전원공급단계
S20 : 흡착단계 S30 : 에너지 회수단계
S31 : 브레이킹 단계 S32 : 전달단계
S33 : 저장단계 S34 : 재사용단계100: water treatment device 10: power supply device
20: capacitive desalination electrode module 21: housing
22: circular electrode 23: intermediate electrode
24: cation exchange resin 25: anion exchange resin
30: energy recovery device 31: breaker
32: converter 33: capacitor
S100: Water treatment method S10: Power supply step
S20: adsorption step S30: energy recovery step
S31: Breaking Step S32: Delivery Step
S33: storage step S34: reuse step

Claims (13)

수처리 장치에 있어서,
축전식 탈염 전극 모듈에 전압을 인가하는 전원공급장치;
유입수 내의 이온을 흡착하는, 적어도 2개 이상의 복수의 축전식 탈염 전극 모듈; 및
축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 이온이 탈착시 발생하는 에너지를 회수하는 에너지 회수장치;를 포함하고,
상기 축전식 탈염 전극 모듈은, 중심부에 홀이 형성된 원통형의 하우징; 원통형의 하우징의 내부에 구비되어, 중심부에 홀이 형성된 한 쌍의 원형 전극; 및 한 쌍의 원형 전극 사이에 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형의 중간 전극;을 포함하며, 한 쌍의 원형 전극의 서로 마주보는 면과 중간 전극의 양 면에는 활성탄층이 형성되고, 인접한 전극 사이의 유로에 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지가 혼합되어 채워지며,
상기 전원공급장치는 축전식 탈염 전극 모듈의 한 쌍의 원형 전극에만 연결되어 각각 양극 또는 음극이 형성되고,
상기 에너지 회수장치는, 축전식 탈염 전극 모듈에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주는 브레이커; 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 염들이 탈착하면서 발생하는 에너지를 회수하는 컨버터; 및 회수된 에너지를 저장하는 커패시터;를 포함하며,
상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈은, 직렬 혹은 병렬로 연결되되,
유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 이상인 경우, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈은 직렬로 연결되어 운전되고, 유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 미만인 경우, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈을 병렬로 연결되어 운전되는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.In the water treatment apparatus,
A power supply for applying a voltage to the desalination electrode module;
At least two or more capacitive desalination electrode modules for adsorbing ions in the influent; And
And an energy recovery device for recovering energy generated when the ions adsorbed on the capacitive desalination electrode module are desorbed.
The capacitive desalination 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 a central portion thereof; And a circular intermediate electrode disposed to be spaced apart between the pair of circular electrodes and having a hole formed in the center thereof, wherein an activated carbon layer is formed on opposite surfaces of the pair of circular electrodes and on both surfaces of the intermediate electrode. Cation exchange resin and anion exchange resin are mixed and filled in the flow path between adjacent electrodes,
The power supply is connected to only a pair of circular electrodes of the capacitive desalination electrode module to form a positive electrode or a negative electrode, respectively
The energy recovery device, the breaker for changing the direction of the current flowing through the capacitive desalination electrode module; A converter for recovering energy generated by desorption of salts adsorbed on the capacitive desalination electrode module; And a capacitor storing the recovered energy.
The plurality of capacitive desalination electrode modules are connected in series or in parallel,
When the total dissolved solids (TDS) of the influent is more than 3000ppm, the plurality of capacitive desalination electrode modules are connected in series, and when the total dissolved solids (TDS) of the influent is less than 3000ppm, the plurality of capacitive desalination electrode modules The water treatment device, characterized in that the operation is connected in parallel. 제1항에 있어서,
상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈은, 2개가 하나의 세트로 구성되어,
한 세트의 축전식 탈염 전극 모듈이, 하나의 에너지 회수 장치(30)를 공유하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.The method of claim 1,
The plurality of capacitive desalination electrode modules, two in one set,
A water treatment device, characterized in that a set of capacitive desalination electrode modules share one energy recovery device (30). 제1항에 있어서,
상기 중간 전극은 일면에 양극이 형성되고, 타면에 음극이 형성되는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.The method of claim 1,
The intermediate electrode is characterized in that the anode is formed on one surface, the cathode is formed on the other surface, water treatment apparatus. 제1항에 있어서,
상기 중간 전극은 복수 개인 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.The method of claim 1,
The water treatment device, characterized in that the plurality of intermediate electrodes. 삭제delete 제1항에 있어서,
각 축전식 탈염 전극 모듈에 개별적으로 에너지 회수장치가 구비되거나, 2개의 축전식 탈염 전극 모듈이 하나의 에너지 회수장치를 공유하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.The method of claim 1,
An energy recovery device is provided in each capacitive desalination electrode module separately, or two capacitive desalination electrode modules share one energy recovery device. 삭제delete 제1항에 있어서,
각 축전식 탈염 전극 모듈은 수평 방향에 대해 0.5도 아래로 배치되는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.The method of claim 1,
Each capacitive desalination electrode module is disposed below 0.5 degrees with respect to the horizontal direction, water treatment apparatus. 제1항에 있어서,
인접한 전극 사이에 형성되는 유로의 폭은 0.2~10mm인 것을 특징으로 하는, 수처리 장치The method of claim 1,
Water treatment apparatus, characterized in that the width of the flow path formed between adjacent electrodes is 0.2 ~ 10mm 적어도 2개 이상의 복수의 축전식 탈염 전극 모듈을 사용한 수처리 방법에 있어서,
축전식 탈염 전극 모듈에 전압을 인가하는 전원공급단계;
축전식 탈염 전극 모듈이 유입수 내의 이온을 흡착하는 흡착단계; 및
축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 이온이 탈착시 발생하는 에너지를 회수하는 에너지 회수단계;를 포함하고,
상기 에너지 회수단계는, 축전식 탈염 전극 모듈에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주는 브레이킹 단계; 축전식 탈염 전극 모듈에 흡착된 염들이 탈착하면서 발생하는 에너지를 회수하여 커패시터로 전달하는 전달단계; 및 회수된 에너지를 커패시터에 저장하는 저장단계;를 포함하며,
상기 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 이격되어 배치되고, 중심부에 홀이 형성된 원형의 중간 전극;을 포함하고, 인접한 전극 사이의 유로에 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지가 혼합되어 채워지며,
상기 전원공급단계에서 사용되는 전원공급장치는, 축전식 탈염 전극 모듈의 한 쌍의 원형 전극에만 연결되어, 각각 양극 또는 음극을 형성하고,
상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈은, 직렬 혹은 병렬로 연결되되,
유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 이상인 경우, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈이 직렬로 연결되어 운전되고,
유입수의 TDS(Total dissolved solid)가 3000ppm 미만인 경우, 상기 복수의 축전식 탈염 전극 모듈이 병렬로 연결되어 운전되는 것을 특징으로 하는, 수처리 방법.In the water treatment method using at least two or more capacitive desalination electrode module,
A power supply step of applying a voltage to the desalination electrode module;
An adsorption step of capacitive desalination electrode module adsorbing ions in the influent water; And
And an energy recovery step of recovering energy generated when the ions adsorbed on the capacitive desalination electrode module are desorbed.
The energy recovery step may include a braking step of changing a direction of a current flowing in the capacitive desalination electrode module; A transfer step of recovering energy generated by desorption of salts adsorbed on the capacitive desalination electrode module and transferring the energy to a capacitor; And a storage step of storing the recovered energy in a capacitor.
The capacitive desalination 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 a circular intermediate electrode disposed to be spaced between the pair of circular electrodes and having a hole formed at the center thereof, wherein a cation exchange resin and an anion exchange resin are mixed and filled in a flow path between adjacent electrodes.
The power supply device used in the power supply step is connected to only a pair of circular electrodes of the capacitive desalination electrode module, to form an anode or a cathode, respectively,
The plurality of capacitive desalination electrode modules are connected in series or in parallel,
When the total dissolved solids (TDS) of the influent is 3000 ppm or more, the plurality of capacitive desalination electrode modules are operated in series,
When the total dissolved solids (TDS) of the influent is less than 3000ppm, the plurality of capacitive desalination electrode modules are connected and operated in parallel, the water treatment method. 제10항에 있어서,
전극 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지와 음이온 교환수지가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 갖는 것을 특징으로 하는, 수처리 방법.The method of claim 10,
A water treatment method, characterized in that the cation exchange resin and the anion exchange resin filled in the flow path between the electrodes have opposite concentration gradients. 삭제delete 삭제delete
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