KR102079005B1 - Ion exchange membrane with monovalent selective patterns and RED comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 패턴형 이온교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 이온교환수지로 형성된 베이스층 및 베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 패턴층을 포함하며, 적어도 하나의 돌출부재는 베이스층과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성된, 패턴형 이온 교환막이 제공된다.The present invention relates to a patterned ion exchange membrane and a reverse electrodialysis apparatus including the same. According to an aspect of the present invention, a base layer formed of an ion exchange resin and a plurality of protruding members for guiding fluid flow on the base layer are provided. A patterned ion exchange membrane is provided, comprising a patterned layer having at least one protruding member formed of an ion exchange resin having a charge opposite to the base layer.

Description

일가이온 선택성 패턴을 갖는 이온 교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치{Ion exchange membrane with monovalent selective patterns and RED comprising the same}Ion exchange membrane with monovalent selective patterns and RED comprising the same

본 발명은 일가이온 선택성 패턴을 갖는 이온 교환막(이하, '패턴형 이온교환막'이라고 함) 및 이를 포함하는 역전기투석장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ion exchange membrane having a monovalent selective pattern (hereinafter referred to as a 'pattern type ion exchange membrane') and a reverse electrodialysis apparatus including the same.

전기투석 (Reverse-electrodialysis, RED) 장치는 용해되어 있는 이온이 갖는 농도차를 전기화학적 방법을 통해 전기에너지로 전환하는 장치로써 이러한 기술범주를 통틀어 농도차 발전이라고 한다. Reverse-electrodialysis (RED) is a device that converts the concentration difference of dissolved ions into electrical energy through an electrochemical method.

역전기투석 장치는 해수 및 담수의 유로를 형성하기 위하여 가스켓과 스페이서를 동시에 사용하는 것이 일반적이며, 역전기투석과 같이 전해질의 농도차를 이용하여 전기를 생산하는 경우, 이온교환막의 특성이 시스템의 효율 등에 영향을 미치는 중요한 요소 중의 하나이다.In general, the reverse electrodialysis apparatus uses a gasket and a spacer to form a flow path of seawater and fresh water.In the case of generating electricity by using a difference in concentration of electrolyte, such as reverse electrodialysis, the characteristics of the ion exchange membrane are It is one of the important factors affecting the efficiency.

가스켓은 실리콘, PTFE 등과 같은 물에 대한 화학적 저항성이 높은 재질을 사용하는 것이 일반적이며, 전기적 전도성이 매우 낮아야 한다.The gasket is generally made of a material having high chemical resistance to water such as silicone, PTFE, etc., and should have a very low electrical conductivity.

한편, 교대로 적층되는 양이온교환막 및 음이온교환막 사이에 스페이서를 넣어 막 사이의 간격을 유지시키고, 유입수의 유속이 낮을 때는 스페이서에 의해 유체의 혼합이 유도되어 이온교환막과 유체 계면에 형성되는 농도 분극을 저감시키는 것으로 알려져 있다.On the other hand, spacers are placed between the cation exchange membranes and the anion exchange membranes that are alternately stacked to maintain the spacing between the membranes. When the flow rate of the inflow water is low, the mixture of the fluids is induced by the spacers to form concentration polarization formed at the ion exchange membrane and the fluid interface. It is known to reduce.

하지만, 치밀한 구조를 갖는 스페이서의 구조적 특성에 의해 쉐도우 이펙트(Shadow Effect, 이온교환막과 스페이서가 접하는 면적이 증가함에 따라 물과 이온교환막이 접하는 면적이 상대적으로 감소하는 현상) 등의 부정적 영향을 줄 수 있을 뿐 아니라, 스페이서에 의해 유동 흐름이 제한되어 역전기투석 장치의 높은 압력 손실을 야기한다.However, due to the structural characteristics of the spacer having a dense structure, it may have a negative effect such as a shadow effect (relatively decreasing the area between the water and the ion exchange membrane as the area between the ion exchange membrane and the spacer increases). In addition, the flow flow is limited by the spacers, causing high pressure losses in the reverse electrodialysis apparatus.

또한, 전해질에 함유되어 있는 다가 이온의 경우, 이온교환 관능기와 정전기적 인력이 일가이온보다 커서 막 오염을 일으킬 수 있고, 막 저항을 증가시키는 원인이 된다.In addition, in the case of the polyvalent ions contained in the electrolyte, the ion exchange functional group and the electrostatic attraction are larger than the monovalent ions, which may cause membrane fouling and cause membrane resistance to increase.

KR 공개 10-2016-0061894(2016.06.01)KR Publication 10-2016-0061894 (2016.06.01)

본 발명은 내부 저항 및 유출수간의 압력 차를 줄일 수 있는 패턴형 이온교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.An object of the present invention is to provide a patterned ion exchange membrane and a reverse electrodialysis apparatus including the same capable of reducing a pressure difference between internal resistance and effluent.

또한, 본 발명은 다가이온으로 인한 이온교환막의 오염을 방지할 수 있는 패턴형 이온교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a patterned ion exchange membrane and a reverse electrodialysis apparatus including the same capable of preventing contamination of the ion exchange membrane due to polyions.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 이온교환수지로 형성된 베이스층 및 베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 패턴층을 포함하며, 적어도 하나의 돌출부재는 베이스층과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성된, 패턴형 이온 교환막이 제공된다.In order to solve the above problems, according to an aspect of the present invention, comprising a base layer formed of an ion exchange resin and a pattern layer having a plurality of protrusions for guiding fluid flow on the base layer, at least one protrusion The member is provided with a patterned ion exchange membrane, formed of an ion exchange resin having a charge opposite to the base layer.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 전극, 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극, 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 이온교환수지로 형성된 제1 베이스층 및 제1 베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 제1 패턴층을 포함하는 제1 이온교환막, 및 이온교환수지로 형성되고, 제1 전극과 제2 전극 사이에, 제1 패턴층에 접촉하게 배치된 제2 베이스층 및 제2 베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 제2 패턴층을 포함하는 제2 이온교환막을 포함하며, 제1 패턴층의 적어도 하나의 돌출부재는 제1 베이스층과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성된, 역전기투석장치가 제공된다.Further, according to another aspect of the present invention, the first electrode, the second electrode electrically connected to the first electrode, the first base layer and the first base layer formed between the first electrode and the second electrode, and formed of an ion exchange resin A first ion exchange membrane comprising a first pattern layer having a plurality of protruding members for guiding fluid flow on the base layer, and an ion exchange resin, and between the first electrode and the second electrode, the first pattern layer A second ion exchange membrane comprising a second base layer disposed in contact with the second base layer and a second pattern layer having a plurality of protruding members for guiding fluid flow on the second base layer, wherein at least one of the first pattern layers The protruding member of is formed of an ion exchange resin having a charge opposite to the first base layer, there is provided a reverse electrodialysis apparatus.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 패턴형 이온교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the pattern-type ion exchange membrane and the reverse electrodialysis apparatus including the same according to at least one embodiment of the present invention have the following effects.

역전기투석장치와 같이 양이온교환막 및 음이온교환막을 교대로 적층시키는 수처리 장치의 경우, 종래 인접하는 이온교환막간의 접촉 방지 및 유입수의 유로 확보를 위하여 스페이서를 사용하지만, 내부 저항 및 유출수간의 압력차를 높여 역전기투석으로 얻을 수 있는 출력량을 감소시키는 문제가 있었다.In the case of a water treatment device in which a cation exchange membrane and an anion exchange membrane are alternately stacked like a reverse electrodialysis apparatus, a spacer is used to prevent contact between adjacent ion exchange membranes and to secure an inflow of water, but a pressure difference between an internal resistance and an outflow water is used. There was a problem to increase the amount of output that can be obtained by reverse electrodialysis.

또한, 전해질간의 농도차를 이용하여 전기를 생산하는 역전기투석에서 전해질의 다가이온은 이온교환막의 오염을 유도하고 결과적으로 전체 장치의 출력량을 감소시키는 문제가 있었다. In addition, in reverse electrodialysis, which produces electricity using concentration differences between electrolytes, polyvalent ions of electrolytes induce contamination of the ion exchange membranes, and consequently, there is a problem of reducing the output of the entire apparatus.

상기한 바와 같이, 이온교환막의 구조를 변화시킴으로써, 내부 저항 및 유출수간의 압력 차를 줄일 수 있고, 다가이온으로 인한 이온교환막의 오염을 방지할 수 있다.As described above, by changing the structure of the ion exchange membrane, the pressure difference between the internal resistance and the effluent can be reduced, and contamination of the ion exchange membrane due to polyvalent ions can be prevented.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 패턴형 이온교환막을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 패턴형 이온교환막의 일 작동상태를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3 내지 도 5는 패턴층의 다양한 실시예를 나타내는 개략도들이다.
도 6은 역전기투석 발전 장치를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a patterned ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view for explaining an operating state of the patterned ion exchange membrane shown in FIG. 1.
3 to 5 are schematic diagrams illustrating various embodiments of a pattern layer.
6 is a schematic view showing a reverse electrodialysis power generation device.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴형 이온교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a patterned ion exchange membrane and a reverse electrodialysis apparatus including the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.In addition, irrespective of the reference numerals, the same or corresponding elements will be given the same or similar reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. For convenience of description, the size and shape of each component shown are exaggerated or reduced. Can be.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 패턴형 이온교환막(10)을 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 패턴형 이온교환막의 일 작동상태를 설명하기 위한 개략도이며, 도 3 내지 도 5는 패턴층의 다양한 실시예를 나타내는 개략도들, 도 6은 역전기투석 발전 장치를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a patterned ion exchange membrane 10 according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram for explaining one operating state of the patterned ion exchange membrane shown in Figure 1, Figures 3 to 5 is schematic diagrams showing various embodiments of a pattern layer, and FIG. 6 is a schematic diagram showing a reverse electrodialysis generator apparatus.

본 문서에서, 패턴형 이온교환막은 이온교환막이 사용되는 다양한 수처리 장치, 예를 들어, 역전기투석장치 또는 축전식 탈염 장치 등에 사용될 수 있다.In this document, the patterned ion exchange membrane can be used in various water treatment apparatuses, for example, reverse electrodialysis apparatus or capacitive desalination apparatus, in which an ion exchange membrane is used.

도 1 및 도 2를 참조하면, 패턴형 이온교환막(10)은 이온교환수지로 형성된 베이스층(100) 및 베이스층(100) 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재(210)를 갖는 패턴층(200)을 포함한다. 본 문서에서, 베이스층(100)은 이온교환막(10)이 양이온 교환막일 때, 통상의 양이온 수지 또는 이온교환막(10)이 음이온 교환막일 때, 통상의 음이온 수지로 형성될 수 있다. 1 and 2, the patterned ion exchange membrane 10 has a base layer 100 formed of an ion exchange resin and a plurality of protruding members 210 for guiding fluid flow on the base layer 100. The pattern layer 200 is included. In the present document, the base layer 100 may be formed of a conventional anion resin when the ion exchange membrane 10 is a cation exchange membrane, or a conventional cation resin or when the ion exchange membrane 10 is an anion exchange membrane.

또한, 상기 패턴층(200)은 종래 스페이서를 대신하기 위해 이온교환막 상에 미세 구조물(돌출부재)을 패턴화시켜 인접하는 이온교환막 간의 간격 유지를 가능하게 하는 기능을 제공하고, 뿐만 아니라 상기 패턴층(200)은 복수의 돌출부재(210)를 통해 유체가 유동할 수 있는 채널을 제공한다.In addition, the pattern layer 200 provides a function of patterning microstructures (protrusion members) on the ion exchange membrane to replace the conventional spacers, thereby maintaining the gap between adjacent ion exchange membranes, as well as the pattern layer. 200 provides a channel through which fluid can flow through the plurality of protruding members 210.

이 때, 적어도 하나의 돌출부재(210)는 베이스층(100)과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성될 수 있다.In this case, the at least one protruding member 210 may be formed of an ion exchange resin having a charge opposite to that of the base layer 100.

도 2의 (a)는 패턴형 이온교환막이 양이온교환막(CEM)인 경우를 예시적으로 도시한 것으로, 도 2를 참조하면, 패턴층(200)의 돌출부재(210)는 다가이온에 대하여 정전기적 반발력을 제공하도록 마련될 수 있다. FIG. 2A illustrates a case where the patterned ion exchange membrane is a cation exchange membrane (CEM). Referring to FIG. 2, the protruding member 210 of the pattern layer 200 is electrostatic with respect to polyvalent ions. It may be arranged to provide a miracle repulsive force.

즉, 미세 구조물인 돌출부재(210)를 베이스층(100)과 반대되는 전하를 가지는 이온교환수지로 형성함으로써, 정전기적 반발력을 이용하여 베이스층(100)으로 다가 이온이 투과하는 것을 저감시킬 수 있다. That is, by forming the protruding member 210, which is a microstructure, with an ion exchange resin having a charge opposite to that of the base layer 100, it is possible to reduce the penetration of multivalent ions into the base layer 100 by using an electrostatic repulsive force. have.

이온교환막의 성능은 상기 베이스층(100) 층에 대해서, 돌출부재에 의한 패턴층의 면적 비율이 중요하다.As for the performance of the ion exchange membrane, the area ratio of the pattern layer by the protruding member is important with respect to the base layer 100 layer.

예를 들어, 일가이온 선택성을 위해 평판형 막(베이스층)에, 평막(베이스층) 전체에 평막과 반대되는 전하를 갖는 레이어를 얇게 형성하여 다가 이온(예를들어, 2가 이온)이 반발력에 의해 평막을 투과하지 않도록 형성되는 경우, 즉, 베이스층과 돌출부재의 면적 비율이 동일한 경우, 평막(베이스층) 전체에 반대되는 전하가 형성되어 있으므로, 1가 이온 또한 전체 면적에서 반발력에 의해 이온교환막을 투과하지 못하는 문제점이 발생할 수 있으며, 이에 의해 장치의 성능이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.For example, a thin layer is formed on a flat film (base layer) and a flat layer (base layer) having a charge opposite to the flat film for monovalent selectivity so that polyvalent ions (for example, divalent ions) are repulsive. Is formed so as not to penetrate the flat membrane, i.e., when the area ratio of the base layer and the protruding member is the same, since charges opposite to the entire flat membrane (base layer) are formed, monovalent ions are also caused by repulsive force in the entire area. The problem of not penetrating the ion exchange membrane may occur, thereby causing a problem of degrading the performance of the device.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해, 1가 이온은 이온교환막을 용이하게 통과하고, 다가 이온은 돌출부재(210)에 의해 이온교환막을 투과하지 못하고 유체의 흐름에 따라 배출되게 함과 동시에 종래에 사용되는 스페이서를 사용하지 않고 유체의 유동 유로를 형성함으로써, 베이스층(100) 전체에 패턴층(200)이 형성된 경우에 비해 1가 이온 선택성을 높일 수 있으며, 이온교환막의 오염을 방지할 수 있고, 이에 따라 장치의 유지 보수가 용이하게 된다.Accordingly, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention allows monovalent ions to easily pass through the ion exchange membrane, and the multivalent ions do not penetrate the ion exchange membrane by the protruding member 210 and are discharged according to the flow of the fluid. At the same time, by forming a fluid flow path without using a spacer used in the related art, monovalent ion selectivity can be improved as compared with the case where the pattern layer 200 is formed on the entire base layer 100, and the contamination of the ion exchange membrane is prevented. This can facilitate maintenance of the device.

즉, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 고농도 또는 저농도 용액이 유동하는 유로에는 돌출된 돌출부재에 의해 다가 이온이 이온교환막을 투과하지 못하고 반발되어 외부로 배출될 수 있다.That is, as shown in (b) of FIG. 2, multivalent ions may be repelled by the protruding protruding member in the flow passage through which the high concentration or low concentration solution flows, and may be discharged to the outside without being penetrated.

종래에는 이온교환막의 오염(스케일링, 파울링 등)을 방지하기 위해, 전처리 장치 등을 이용하여 다가 이온을 제거한 후, 유입시키기 때문에 에너지 손실 및 공정이 복잡해 지는 문제점이 있었으나, 본 발명은 이온교환막의 1가이온 선택성을 보다 높여, 다가 이온을 처리해야 하는 전처리 공정이 필요 없어 지므로, 에너지 손실이 없고, 공정이 보다 컴팩트 하게 되는 효과가 있다.Conventionally, in order to prevent contamination (scaling, fouling, etc.) of the ion exchange membrane, since the polyvalent ions are removed using a pretreatment apparatus or the like and then introduced therein, energy loss and the process are complicated. Since the monovalent ion selectivity is higher and the pretreatment process which needs to process polyvalent ions is unnecessary, there is no energy loss and the process becomes more compact.

또한, 베이스층(100)이 양이온 교환막일 때, 패턴층(200)의 돌출부재(210)는 트리메틸암모늄기(-N(CH3)3 +)과 같은 4차 암모늄기를 가지는 관능기를 포함할 수 있으며, 종래에 알려진 4차 암모늄기를 갖는 관능기라면 적절히 선택하여 이용 할 수 있다.In addition, when the base layer 100 is a cation exchange membrane, the protruding member 210 of the pattern layer 200 may include a functional group having a quaternary ammonium group such as trimethylammonium group (—N (CH 3 ) 3 + ). If it is a functional group which has a quaternary ammonium group known conventionally, it can select suitably and can use.

이와는 다르게, 베이스층(100)이 음이온 교환막일 때, 패턴층(200)의 돌출부재(210)는 술폰산기(-SO3 -), 카르복실기(-COO-), 인산기(-PO4 -) 등과 같이 양이온교환 관능기를 포함할 수 있으며, 종래에 알려진 양이온교환 관능기라면 적절히 선택하여 이용할 수 있다.Etc. Alternatively, the base layer 100, the projecting member 210 of the anion exchange makil time, the pattern layer 200 is a sulfonic acid group (-SO 3 - -), carboxyl (-COO-), a phosphate group (-PO 4) As such, a cation exchange functional group may be included, and any cation exchange functional group known in the art may be appropriately selected and used.

즉, 베이스층(100)이 음이온 교환막일 때, 패턴층(200)의 돌출부재(210)는 술폰산기(-SO3 -) 또는 카르복실기(-COO-) 또는 인산기(-PO4 -) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. That is, when the base layer 100 is an anion exchange makil, protruding member 210 of the pattern layer 200 is a sulfonic acid group (-SO 3 -) - at least one or a carboxyl group (-COO-) or a phosphate group (-PO 4) It may include one.

또한, 상기 베이스층(100)은 두께가 10 내지 50㎛, 바람직하게 13 내지 40㎛, 보다 바람직하게 16 내지 38㎛이고, 돌출부재(210)는 높이가 0.01 내지 0.2mm, 바람직하게 0.03 내지 0.15mm, 보다 바람직하게 0.05 내지 0.15mm일 수 있다.In addition, the base layer 100 has a thickness of 10 to 50 μm, preferably 13 to 40 μm, more preferably 16 to 38 μm, and the protrusion member 210 has a height of 0.01 to 0.2 mm, preferably 0.03 to 0.15. mm, more preferably 0.05 to 0.15 mm.

전술한 베이스층(100)의 두께가 10㎛ 미만일 경우 이온교환막의 적층 공정 에서 핸들링하기 쉽지 않고, 50㎛ 초과일 때는 이온교환막 제막 과정이 원활하게 진행되지 못할 수 있다. 즉, 베이스층(100)의 기공 크기 및 두께에 따라 이온교환수지의 함침 정도가 달라질 수 있고, 두께 증가는 막 저항을 증가시키는 요인이 될 수 있다. When the thickness of the above-described base layer 100 is less than 10㎛, it is not easy to handle in the lamination process of the ion exchange membrane, and when the thickness of more than 50㎛ may not proceed smoothly. That is, the degree of impregnation of the ion exchange resin may vary according to the pore size and thickness of the base layer 100, and the increase in thickness may be a factor for increasing the membrane resistance.

또한, 돌출부재(210)의 높이가 0.01mm 미만일 경우, 전해질을 주입할 때 펌프 에너지 소비가 높아질 수 있고, 0.2mm 초과일 때 막간 간격이 넓어져 역전기투석과 같은 시스템의 내부저항을 높이는 문제가 생길 수 있다. In addition, when the height of the protruding member 210 is less than 0.01mm, pump energy consumption may be increased when the electrolyte is injected, and when the thickness of the protruding member 210 is greater than 0.2mm, the interval between the membranes is widened to increase the internal resistance of the system such as reverse electrodialysis. Can occur.

또한, 베이스층(100)의 두께가 50㎛ 일때 돌출부재(210)의 높이가 200 ㎛이상이 되면 베이스층(100)이 돌출부재(210)를 기계적으로 지지해 줄 수 없는 문제점이 발생될 수 있다.In addition, when the thickness of the base layer 100 is 50 μm, when the height of the protruding member 210 becomes 200 μm or more, a problem may occur in which the base layer 100 cannot mechanically support the protruding member 210. have.

상기 돌출부재(210)의 높이는 돌출부재로 사용되는 소재의 점도 및 패터닝 속도 등에 따라 조절할 수 있다.The height of the protruding member 210 may be adjusted according to the viscosity and patterning speed of the material used as the protruding member.

여기서, 상기 베이스층(100)의 두께 16 내지 38 ㎛ 이 보다 바람직하며, 이 때 돌출부재(210)의 높이는 0.05 내지 0.15mm가 바람직하다.Here, the thickness of the base layer 100 is more preferably 16 to 38 μm, and the height of the protruding member 210 is preferably 0.05 to 0.15 mm.

본 발명에서, 돌출부재(210)의 디자인, 돌출부재(210) 간 간격 및 높이 등에 따라 유체의 혼합 정도를 제어할 수 있다. 따라서, 패턴 형태, 간격, 배열, 높이 등은 다양하게 결정될 수 있다. In the present invention, the mixing degree of the fluid can be controlled according to the design of the protruding member 210, the spacing and the height between the protruding members 210, and the like. Accordingly, the pattern shape, spacing, arrangement, height, and the like can be variously determined.

도 3을 참조하면, 돌출부재(210)는 다양한 형상을 가질 수 있고, 예를 들어, 베이스층(100)을 평면에서 바라보았을 때, 다각형상(사각형 등), 원형상, 반원 형상, 타원형상, 물결 형상 등을 가질 수 있다.Referring to FIG. 3, the protruding member 210 may have various shapes. For example, when the base layer 100 is viewed from a plane, a polygonal shape (square, etc.), a circular shape, a semicircular shape, and an elliptical shape may be used. , Wavy shape, and the like.

도 4를 참조하면, 돌출부재는 길이(l)가 0.1 내지 5mm일 수 있고, 돌출부재는 폭(w)이 0.05 내지 1mm일 수 있으며, 인접하는 2개의 돌출부재 사이의 간격(a, b)은 0.1 내지 5mm일 수 있다. 이 때 베이스층(100)의 전체 면적(T)에서 총 돌출부재(210)의 면적을 뺀 나머지 면적(S)의 비율을 open area(S/T, %)로 표시할 때 45~50%가 바람직하지만 최대 80%까지 유지할 수 있다.Referring to FIG. 4, the protruding members may have a length l of 0.1 to 5 mm, the protruding members may have a width w of 0.05 to 1 mm, and the spacings a and b between two adjacent protruding members. May be 0.1 to 5 mm. At this time, when the ratio of the remaining area (S) minus the area of the total protruding member 210 from the total area (T) of the base layer (100) is 45 to 50% It is desirable but can be maintained up to 80%.

도 5를 참조하면, 패턴층(200)에서, 복수 개의 돌출부재(210)는 일렬로 배열될 수도 있고, 지그재그로 엇갈려 배열될 수도 있다.Referring to FIG. 5, in the pattern layer 200, the plurality of protruding members 210 may be arranged in a line, or may be arranged in a staggered manner.

또한, 상기 패턴층(200)은 UV 경화를 통해 형성될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 스크린 프린트, 디스펜서, 또는 그라비아 인쇄, 잉크젯프린트 등의 방식으로 패턴층(200)이 형성될 수도 있다.In addition, the pattern layer 200 may be formed through UV curing, but the present invention is not limited thereto, and the pattern layer 200 may be formed by screen printing, dispenser, gravure printing, or inkjet printing. have.

본 발명의 일 실시예와 관련된 역전기투석장치(1)는 제1 전극(2), 제2 전극(3), 제1 이온교환막(예를 들어, 양이온 교환막) 및 제2 이온교환막(예를 들어, 음이온 교환막)을 포함한다. 본 문서에서, 역전기투석장치는 통상 사용되는 역전기투석장치와 동일한 구조를 갖는다. 도 6을 참조하여 구체적으로, 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이에, 복수 개의 제1 이온교환막(양이온 교환막, 10)과 제2 이온교환막(음이온 교환막, 10')이 교대로 배열된다. 이 때, 인접하는 2개이 이온교환막 사이에는 유로가 형성된다. 또한, 복수 개의 제1 이온교환막과 제2 이온교환막이 교대로 배열됨에 따라, 복수 개의 유로가 형성되며, 인접하는 2개의 유로에는 각각 고농도 용액 및 저농도 용액이 유입될 수 있다. 이때, 2개의 용액 사이의 농도차에 의해 전기가 생산된다.The reverse electrodialysis apparatus 1 according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 2, a second electrode 3, a first ion exchange membrane (eg, cation exchange membrane) and a second ion exchange membrane (eg, Anion exchange membrane). In this document, the reverse electrodialysis apparatus has the same structure as the reverse electrodialysis apparatus normally used. Specifically, referring to FIG. 6, a plurality of first ion exchange membranes (cation exchange membranes) 10 and second ion exchange membranes (anion exchange membranes, 10 ') alternate between the first electrode 2 and the second electrode 3. Is arranged. At this time, a flow path is formed between two adjacent ion exchange membranes. In addition, as the plurality of first ion exchange membranes and the second ion exchange membranes are alternately arranged, a plurality of flow paths are formed, and a high concentration solution and a low concentration solution may be introduced into two adjacent flow paths, respectively. At this time, electricity is produced by the concentration difference between the two solutions.

그러나 전술한 바와 같이, 본원 발명에 따른 역전기투석장치는 종래 역전기투석장치와 대비하여, 이온교환막의 구조가 상이하고, 스페이서를 사용하지 않는다는 점에서 차이를 갖는다.However, as described above, the reverse electrodialysis apparatus according to the present invention has a difference in that the structure of the ion exchange membrane is different from that of the conventional reverse electrodialysis apparatus and does not use a spacer.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예와 관련된 역전기투석장치는, 제1 전극 및 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극을 포함한다. Specifically, the reverse electrodialysis apparatus according to an embodiment of the present invention includes a first electrode and a second electrode electrically connected to the first electrode.

또한, 역전기투석장치는, 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 이온교환수지로 형성된 제1 베이스층 및 제1 베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 제1 패턴층을 포함하는 제1 이온교환막을 포함한다. The reverse electrodialysis apparatus also includes a first base layer disposed between the first electrode and the second electrode and having a first base layer formed of an ion exchange resin and a plurality of protruding members for guiding fluid flow on the first base layer. A first ion exchange membrane including a pattern layer is included.

또한, 역전기투석장치는, 이온교환수지로 형성되고, 제1 전극과 제2 전극 사이에, 제1 패턴층에 접촉하게 배치된 제2 베이스층 및 제2 베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 제2 패턴층을 포함하는 제2 이온교환막을 포함한다.In addition, the reverse electrodialysis apparatus is formed of an ion exchange resin, and guides the fluid flow on the second base layer and the second base layer disposed between the first electrode and the second electrode in contact with the first pattern layer. And a second ion exchange membrane including a second pattern layer having a plurality of protruding members.

이때, 제1 패턴층의 적어도 하나의 돌출부재는 제1 베이스층과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성된다. In this case, at least one protruding member of the first pattern layer is formed of an ion exchange resin having a charge opposite to that of the first base layer.

또한, 제2 패턴층의 적어도 하나의 돌출부재는 제2 베이스층과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성될 수 있다. In addition, at least one protruding member of the second pattern layer may be formed of an ion exchange resin having a charge opposite to that of the second base layer.

또한, 제1 베이스층은 양이온교환막이고, 제1 패턴층은 트리메틸암모늄기(-N(CH3)3 +)를 포함하며, 제2 베이스층은 음이온 교환막이고, 제2 패턴층은 술폰산기(-SO3 -), 카르복실기(-COO-), 인산기(-PO4 -)를 포함할 수 있다.In addition, the first base layer is a cation exchange membrane, the first pattern layer includes a trimethylammonium group (-N (CH 3 ) 3 + ), the second base layer is an anion exchange membrane, and the second pattern layer is a sulfonic acid group (- may comprise a) - SO 3 -), carboxyl (-COO-), a phosphate group (-PO 4.

또한, 상기 제1 및 제2 베이스층은 두께가 10 내지 20㎛, 바람직하게 13 내지 40㎛, 보다 바람직하게 16 내지 38㎛이고, 제1 및 제2 패턴층의 돌출부재는 각각 높이가 0.01 내지 0.2mm, 바람직하게 0.03 내지 0.15mm, 보다 바람직하게 0.05 내지 0.15mm일 수 있다. In addition, the first and second base layers have a thickness of 10 to 20 µm, preferably 13 to 40 µm, more preferably 16 to 38 µm, and the protruding members of the first and second pattern layers each have a height of 0.01 to 20 µm. 0.2 mm, preferably 0.03 to 0.15 mm, more preferably 0.05 to 0.15 mm.

또한, 제1 및 제2 패턴층의 돌출부재는 각각 길이가 0.1 내지 5mm일 수 있고, 제1 및 제2 패턴층의 돌출부재는 각각 폭이 0.05 내지 1mm일 수 있다.In addition, the protruding members of the first and second pattern layers may each have a length of 0.1 to 5 mm, and the protruding members of the first and second pattern layers may each have a width of 0.05 to 1 mm.

또한, 제1 및 제2 패턴층에서, 인접하는 2개의 돌출부재 사이의 간격은 각각 0.1 내지 5mm일 수 있다. Further, in the first and second pattern layers, the spacing between two adjacent protruding members may be 0.1 to 5 mm, respectively.

또한, 제1 베이스층, 제1 패턴층 및 제2 베이스층이 이루는 공간을 통해 유체 유로가 형성될 수 있으며, 제1 패턴층은 종래 스페이서의 기능을 수행할 뿐만 아니라, 정전기적 반발력을 제공하여 다가이온에 의한 막의 오염을 방지하는 기능을 수행한다. In addition, a fluid flow path may be formed through a space formed by the first base layer, the first pattern layer, and the second base layer, and the first pattern layer not only functions as a conventional spacer, but also provides an electrostatic repulsion force. It serves to prevent the contamination of the membrane by polyvalent ions.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art having various ordinary knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. And additions should be considered to be within the scope of the following claims.

10, 10': 패턴형 이온 교환막
100: 베이스층
200: 패턴층
210: 돌출부재10, 10 ': patterned ion exchange membrane
100: base layer
200: pattern layer
210: protruding member

Claims (16)

이온교환수지로 형성된 베이스층; 및
베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 패턴층을 포함하며,
적어도 하나의 돌출부재는 베이스층과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성되며,
1가 이온은 베이스층을 통과하고, 다가 이온은 돌출부재와의 정전기적 반발력에 의해 베이스층을 통과하지 못하고 유체의 흐름에 따라 배출되도록 마련된, 패턴형 이온 교환막.A base layer formed of an ion exchange resin; And
A pattern layer having a plurality of protruding members for guiding fluid flow on the base layer,
At least one protruding member is formed of an ion exchange resin having a charge opposite to the base layer,
The monovalent ions pass through the base layer, and the multivalent ions do not pass through the base layer by the electrostatic repulsive force with the protruding member, and are provided to be discharged according to the flow of the fluid. 삭제delete 제 1항에 있어서,
베이스층이 양이온 교환막일 때, 패턴층은 트리메틸암모늄기(-N(CH3)3 +)를 포함하는, 패턴형 이온 교환막.The method of claim 1,
When the base layer is a cation exchange membrane, the pattern layer comprises a trimethylammonium group (-N (CH 3 ) 3 + ), patterned ion exchange membrane. 제 1 항에 있어서,
베이스층이 음이온 교환막일 때, 패턴층은 술폰산기(-SO3 -) 또는 카르복실기(-COO-) 또는 인산기(-PO4 -) 중 적어도 하나를 포함하는, 패턴형 이온 교환막.The method of claim 1,
When the base layer is makil anion exchange, the pattern layer is a sulfonic acid group (-SO 3 -) or a carboxyl group (-COO-) or a phosphate group (-PO 4 -) of the pattern-type ion exchange membrane comprising at least one. 제 1 항에 있어서,
상기 베이스층은 두께가 10 내지 50㎛이고,
돌출부재는 높이가 0.01 내지 0.2mm인 패턴형 이온 교환막.The method of claim 1,
The base layer has a thickness of 10 to 50㎛,
The protruding member has a patterned ion exchange membrane having a height of 0.01 to 0.2 mm. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 6 has been abandoned upon payment of a set-up fee. 제 5 항에 있어서,
돌출부재는 길이가 0.1 내지 5mm인 패턴형 이온 교환막.The method of claim 5, wherein
Protruding member is a patterned ion exchange membrane having a length of 0.1 to 5mm. ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 7 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제 5 항에 있어서,
돌출부재는 폭이 0.05 내지 1mm인 패턴형 이온 교환막.The method of claim 5, wherein
Protruding member is a patterned ion exchange membrane having a width of 0.05 to 1mm. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 8 has been abandoned upon payment of a setup registration fee. 제 1항에 있어서,
인접하는 2개의 돌출부재 사이의 간격은 0.1 내지 5mm인 패턴형 이온 교환막.The method of claim 1,
A patterned ion exchange membrane having a spacing between two adjacent protruding members is 0.1 to 5 mm. 제1 전극;
제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극;
제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 이온교환수지로 형성된 제1 베이스층 및 제1 베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 제1 패턴층을 포함하는 제1 이온교환막; 및
이온교환수지로 형성되고, 제1 전극과 제2 전극 사이에, 제1 패턴층에 접촉하게 배치된 제2 베이스층 및 제2 베이스층 상에 유체 흐름을 안내하기 위한 복수 개의 돌출부재를 갖는 제2 패턴층을 포함하는 제2 이온교환막을 포함하며,
제1 패턴층의 적어도 하나의 돌출부재는 제1 베이스층과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성되고,
1가 이온은 제1 베이스층을 통과하고, 다가 이온은 돌출부재와의 정전기적 반발력에 의해 제1 베이스층을 통과하지 못하고 유체의 흐름에 따라 배출되도록 마련된, 역전기투석장치.A first electrode;
A second electrode electrically connected with the first electrode;
A first ion disposed between the first electrode and the second electrode and including a first base layer formed of an ion exchange resin and a first pattern layer having a plurality of protruding members for guiding fluid flow on the first base layer; Exchange membrane; And
A second base layer formed of an ion exchange resin, the second base layer disposed between the first electrode and the second electrode in contact with the first pattern layer and a plurality of protruding members for guiding fluid flow on the second base layer; A second ion exchange membrane comprising a second pattern layer,
At least one protruding member of the first pattern layer is formed of an ion exchange resin having a charge opposite to that of the first base layer,
The monovalent ions pass through the first base layer, and the multivalent ions do not pass through the first base layer by the electrostatic repulsive force with the protruding member, and are provided to be discharged according to the flow of the fluid. 제 9항에 있어서,
제2 패턴층의 적어도 하나의 돌출부재는 제2 베이스층과 반대되는 전하를 갖는 이온교환수지로 형성된, 역전기투석장치.The method of claim 9,
At least one protruding member of the second pattern layer is formed of an ion exchange resin having a charge opposite to the second base layer, reverse electrodialysis apparatus. 제 9 항에 있어서,
제1 베이스층은 양이온 교환막이고, 제1 패턴층은 트리메틸암모늄기(-N(CH3)3 +)를 포함하며,
제2 베이스층이 음이온 교환막이고, 제2 패턴층은 술폰산기(-SO3 -) 또는 카르복실기(-COO-) 또는 인산기(-PO4 -) 중 적어도 하나를 포함하는, 역전기투석장치.The method of claim 9,
The first base layer is a cation exchange membrane, the first pattern layer includes a trimethylammonium group (-N (CH 3 ) 3 + ),
A second base layer and the anion exchange membrane, the second pattern layer is a sulfonic acid group (-SO 3 -) or a carboxyl group (-COO-) or a phosphate group (-PO 4 -), reverse electrodialysis device containing at least one of. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 12 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제 11 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 베이스층은 각각 두께가 10 내지 50㎛이고,
제1 및 제2 패턴층의 돌출부재는 각각 높이가 0.01 내지 0.2mm인 역전기투석장치.The method of claim 11,
The first and second base layers each have a thickness of 10 to 50 μm,
The protruding members of the first and second pattern layers each have a height of 0.01 to 0.2 mm. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 13 has been abandoned upon payment of a setup registration fee. 제 12 항에 있어서,
제1 및 제2 패턴층의 돌출부재는 각각 길이가 0.1 내지 5mm인 역전기투석장치.The method of claim 12,
The protruding members of the first and second pattern layers each have a length of 0.1 to 5 mm. ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 14 has been abandoned upon payment of a set-up fee. 제 12 항에 있어서,
제1 및 제2 패턴층의 돌출부재는 각각 폭이 0.05 내지 1mm인 역전기투석장치.The method of claim 12,
The protruding members of the first and second pattern layers each have a width of 0.05 to 1 mm. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 15 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제 12 항에 있어서,
제1 및 제2 패턴층에서, 인접하는 2개의 돌출부재 사이의 간격은 각각 0.1 내지 5mm인 역전기투석장치.The method of claim 12,
In the first and second pattern layer, the spacing between two adjacent protruding members is 0.1 to 5mm respectively. ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 16 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제 9 항에 있어서,
제1 베이스층, 제1 패턴층 및 제2 베이스층이 이루는 공간을 통해 유체 유로가 형성되는 역전기투석장치.
The method of claim 9,
The reverse electrodialysis apparatus of which a fluid flow path is formed through a space formed by the first base layer, the first pattern layer, and the second base layer.
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