KR102153995B1 - 레독스 흐름전지용 전해질에 의한 연속적인 탈 이온화 시스템 - Google Patents

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서정용
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Abstract

탈 이온화 모듈과 레독스 흐름전지 모듈이 결합된 형태의 신개념의 연속적인 탈 이온화 시스템에 관한 것이다.

Description

레독스 흐름전지용 전해질에 의한 연속적인 탈 이온화 시스템{CONTINUOUS CAPACITIVE DEIONIZATION PROCESS USING ELECTROYTES FOR REDOX FLOW CELLS}
본 발명은 탈 이온화 모듈과 레독스 흐름전지 모듈을 결합하여 연속적으로 이온을 제거할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
최근 환경문제의 급격한 악화로 수자원의 안정적인 기술 확보에 대한 관심이 증가하고 있다. 현재 이용되고 있는 역삼투 및 열처리 방식은 에너지 효율이 떨어진다는 단점을 가지고 있어 에너지 효율이 높은 전기적 탈 이온화 공정(Capacitive deionization, CDI)이 활발하게 연구되고 있다. 탈 이온화 시스템에 관한 다양한 연구가 보고 되고 있으나 상용화를 위해서는 이온 저장 용량과 시스템의 수명 개선이 필수적으로 요구된다.
종래의 CDI 연구는 고형 전극에 이온을 집적시키는데 초점이 맞춰지고 있다. 탈이온화 대상 용액을 전극과 바로 맞닿게 한 뒤 시스템에 전기장을 가하여 이온을 제거하는 연구의 경우 주로 탄소계 물질이나 금속 산화물 등을 전극물질로 사용한다. 그러나 이러한 CDI 연구의 경우, 이온이 전극 내로 인터칼레이션(intercalation) 되거나 표면에서 비가역적 반응을 발생시켜 성능을 유지하는데 한계가 있다.
종래의 탈 이온화 공정에서는 고형의 전극이 사용된다. 그러나 지속적인 탈 이온화 공정에 따라 표면상에 양이온 및 음이온의 흡착이 진행되어 용량을 늘리는데 한계가 있으며, 인터칼레이션(intercalation)의 반복이나 표면상에서 반응으로 인해 흡착 용량 저하 등의 문제가 발생하여 이를 해결하기 위한 연구의 필요성이 요구되고 있다.
최근의 CDI 연구는 용액과 전극이 직접 맞닿지 않도록 선택성 이온 교환막을 전극과 용액 사이에 두어 이온을 흡착하는 멤브레인(memnrane) CDI 방식이 주목받고 있다. 최근엔 흐름전극을 도입하거나 다중 채널을 두어 용량을 극대화한 사례들이 등장했다. 이 방식은 전극 표면에 흡착된 이온의 자기 반발력을 해소하기 때문에 종래 대비 좀 더 큰 용량을 기대할 수 있지만 전압을 가해줌에 따라 물에서 발생하는 부반응으로 인한 pH의 변화로 지속적으로 시스템에 조작을 가해주어햐 하는 문제점이 발생한다.
이에 따라 큰 용량을 저장할 수 있는 CDI연구에 대한 필요성이 높이 요구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 탈이온화 모듈과 레독스 흐름전지 모듈이 결합된 형태의 신개념 시스템을 이용하여 탈 이온화 대상 용액으로부터 회수하는 이온을 레독스 흐름 전지 전해질 상에 저장 및 회수함으로써 연속적이고 친환경적인 공정을 설계하는 것이다,
본 발명의 일 목적을 위한 연속적인 탈 이온화 시스템은 제1 내부 공간을 구비하는 제1 챔버, 상기 제1 내부공간을 제1 공간, 제3 공간 및 상기 제1 공간과 상기 제3 공간 사이에 위치하는 제2 공간으로 분할하도록 상기 제1 챔버 내부에 배치된 제1 이온교환막과 제2 이온교환막, 상기 제1 공간과 상기 제3 공간에 각각 배치된 제1 전극과 제2 전극 및 상기 제1 및 제2 전극에 전압을 인가하는 전원 장치를 포함하는 탈 이온화 모듈; 제2 내부 공간을 구비하는 제2 챔버, 상기 제2 내부 공간을 제4 공간과 제5 공간으로 분할하는 제3 이온 교환막, 상기 제4 공간과 상기 제5 공간에 각각 배치된 제3 전극과 제4 전극 그리고 상기 제3 및 제4 전극과 전기적으로 연결된 로드를 포함하는 레독스 흐름전지 모듈; 상기 제1 공간 및 상기 제1 공간과 연결된 제4 공간과 연결되어 제1 순환경로를 형성하고, 제1 전해질 용액을 수용하는 제1 전해질 탱크; 상기 제3 공간 및 상기 제3 공간과 연결된 상기 제5 공간과 연결되어 제2 순환경로를 형성하고 제2 전해질 용액을 수용하는 제2 전해질 탱크; 및 상기 제2 공간과 연결되어 제3 순환경로를 형성하고 탈이온화 대상 용액을 수용하는 용액 탱크를 포함한다.
일 실시예에서 상기 제1 전해질 용액은 상기 제1 공간에서 상기 제1 전해질 탱크로 흐르고 상기 제1 전해질 탱크에서 상기 제4 공간으로 흐르고 상기 제4 공간에서 상기 제1 공간으로 흐르는 상기 제1 순환경로를 형성하고, 상기 제2 전해질 용액은 상기 제3 공간에서 상기 제2 전해질 탱크로 흐르고 상기 제2 전해질 탱크에서 상기 제5 공간으로 흐르고 상기 제5 공간에서 상기 제3 공간으로 흐르는 상기 제2 순환경로를 형성하고, 상기 탈 이온화 대상 용액은 상기 용액 탱크에서 상기 제2 공간으로 흐르고 상기 제2 공간에서 상기 용액 탱크로 흐르는 상기 제3 순환경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서 상기 제1 및 제2 전극에는 음의 전압 및 양의 전압이 각각 인가되고, 상기 제1 이온 교환막은 양이온 교환막을 포함하고, 상기 제2 이온교환막은 음이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서 상기 제2 공간에 공급된 상기 탈이온화 대상 용액 내의 양의 이온 및 음의 이온은 상기 음의 전압 및 상기 양의 전압에 의해 상기 제1 공간 및 상기 제3 공간으로 각각 이동되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서 상기 제4 공간의 제1 전해질 용액에 포함된 양이온과 상기 제5 공간의 제2 전해질 용액에 포함된 음이온이 상기 제3 이온교환막을 통해 교환되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서 상기 탈이온화 모듈은 상기 제1 전극과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제1 집전체; 및 상기 제2 전극과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제2 집전체를 더 포함한다.
일 실시예에서 상기 레독스 흐름전지 모듈은, 상기 제3 전극과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제3 집전체; 및 상기 제4 전극과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제4 집전체를 포함한다.
일 실시예에서 상기 제1 전해질 용액은 환원 반응이 일어나는 제1 레독스 물질을 포함한다.
일 실시예에서 상기 환원 반응이 일어나는 제1 레독스 물질은 PTIO(2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide), FL(9-fluorenone), potassium ferricyanide, 바나듐 3가 이온을 포함한다.
일 실시예에서 상기 제2 전해질 용액은 산화 반응이 일어나는 제2 레독스 물질을 포함한다.
일 실시예에서 상기 산화 반응이 일어나는 제2 레독스 물질은 PTIO(2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide), AcNH-TEMPO(4-acetamido-2,2,6,6-tetramethylpeperidine-1-oxyl), potassium ferricyanide, 바나듐 4가 이온을 포함한다.
일 실시예에서 상기 제1 전해질 용액 및 상기 제2 전해질 용액은 연속적인 탈 이온화 시스템에서 레독스 반응을 제회한 탈 이온화 대상 용액에 포함된 상기 양의 이온 및 상기 음의 이온과 반응하지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 탈 이온화 모듈과 레독스 흐름전지 모듈을 포함하는 탈이온화 시스템에 관한 것으로 탈이온화 대상 용액에 포함된 이온을 연속적인 탈 이온화 공정을 통해 전해질 내에 저장 및 회수할 수 있어서, 해수 담수화, 중금속 제거, 폐전해질 재생 등의 친환경적인 공정에 적용가능하다.
또한 종래 기술 대시 설치 장소에 제약이 적기 때문에 다양한 환경에서 구동 가능하며 반영구적인 수명을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 연속적인 탈 이온화 시스템에 관한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 연속적인 탈 이온화 시스템에 관한 도면을 도시한다.
도 1에 따르면 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적인 탈 이온화 시스템은, 제1 내부 공간을 구비하는 제1 챔버, 상기 제1 내부공간을 제1 공간, 제3 공간 및 상기 제1 공간과 상기 제3 공간 사이에 위치하는 제2 공간(200)으로 분할하도록 상기 제1 챔버 내부에 배치된 제1 이온교환막(103)과 제2 이온교환막(303), 상기 제1 공간과 상기 제3 공간에 각각 배치된 제1 전극(102)과 제2 전극(302) 및 상기 제1 및 제2 전극에 전압을 인가하는 전원 장치(110)를 포함하는 탈 이온화 모듈(100); 제2 내부 공간을 구비하는 제2 챔버, 상기 제2 내부 공간을 제4 공간과 제5 공간으로 분할하는 제3 이온 교환막(403), 상기 제4 공간과 상기 제5 공간에 각각 배치된 제3 전극(402)과 제4 전극(502) 그리고 상기 제3(402) 및 제4 전극(502)과 전기적으로 연결된 로드(120)를 포함하는 레독스 흐름전지 모듈(300); 상기 제1 공간 및 상기 제1 공간과 연결된 제4 공간과 연결되어 제1 순환경로를 형성하고, 제1 전해질 용액(610)을 수용하는 제1 전해질 탱크(600); 상기 제3 공간 및 상기 제3 공간과 연결된 상기 제5 공간과 연결되어 제2 순환경로를 형성하고 제2 전해질 용액(710)을 수용하는 제2 전해질 탱크(700); 및 상기 제2 공간(200)과 연결되어 제3 순환경로를 형성하고 탈이온화 대상 용액(810)을 수용하는 용액 탱크(800)를 포함한다.
일 실시예에서 상기 탈 이온화 대상 용액(810)은 외부에서 상기 용액 탱크(800)로 유입될 수 있으며 해수, 폐액, 폐전해질, 금속 폐수 등 탈이온화 가능한 물질이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 용액 탱크(800)에 담긴 탈 이온화 대상 용액(810)은 상기 제2 공간(200)과 연결된 통로를 따라 상기 제2 공간(200)에 유입된다.
상기 제1 공간에는 상기 제1 전해질 용액(610)이 흐를 수 있고 상기 제3 공간에는 제2 전해질 용액(710)이 흐를 수 있다. 상기 제1 전해질 용액(610)은 환원 반응이 일어나는 제1 레독스 물질을 포함하는 전해질일 수 있다. 상기 환원 반응이 일어나는 제1 레독스 물질은 2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide (PTIO), 9-fluorenone(FL) 등의 유기물 내지는 potassium ferricyanide, vanadium 3가 이온 등의 금속 이온을 포함할 수 있다. 상기 제1 전해질 용액(610) 연속적인 탈 이온화 시스템 내에서 레독스 반응 외에 탈 이온화 대상 용액에 포함된 양의 이온 및 음의 이온과 반응 하지 않을 수 있다. 상기 제2 전해질 용액(710)은 산화 반응이 일어나는 제2 레독스 물질을 혼합한 전해질일 수 있다. 상기 산화 반응이 일어나는 제2 레독스 물질은 유기물인 PTIO, 4-acetamido-2,2,6,6-tetramethylpeperidine-1-oxyl(AcNH-TEMPO)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 제2 레독스 물질은 potassium ferrocyanide, vanadium 4가 등의 금속 이온을 추가로 더 포함할 수 있다. 상기 제2 전해질 용액(710)은 연속적인 탈 이온화 시스템 내에서 레독스 반응 외에 탈 이온화 대상 용액에 포함된 양의 이온 및 음의 이온과 반응 하지 않을 수 있다.
상기 전원창치(110)는 상기 제1 전극(102) 및 상기 제2 전극(302)에 각각 전압을 인가하고, 상기 제1 전극(102)은 음의 전압일 수 있고, 상기 제2 전극(302)은 양의 전압일 수 있다. 상기 제1 전극(102) 및 제2 전극(302)은 카본 펠트를 포함할 수 있다. 상기 카본펠트의 두께는 10mm 이내일 수 있다. 상기 카본펠트의 두께가 10mm 이상이면 전기전도도를 떨어트려 시스템의 IR drop을 유발할수 있기 때문이다.
상기 제1 전극(102) 및 상기 제2 전극(302)은 각각 상기 제1 공간 및 상기 제3 공간 내에서 산화, 환원 반응을 위한 활성 사이트(active site)를 제공할 수 있다. 상기 활성 사이트의 면적은 3 cm2 내지 7 cm2일 수 있다. 그러나 상기 활성 사이트의 면적은 셀의 크기에 따라 제한된 것이며 활성 사이트의 면적은 넓을수록 유리하다.
상기 탈 이온화 모듈(100)은 상기 제1 전극(102)과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제1 집전체(101) 및 상기 제2 전극(302)과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제2 집전체(301)를 포함할 수 있다.
상기 탈 이온화 모듈(100)은 상기 제1 공간, 상기 제3 공간 및 상기 제1 공간과 상기 제3 공간 사이에 위치하는 상기 제2 공간(200)으로 분할하도록 상기 제1 챔버 내부에 배치된 상기 제1 이온교환막(103) 및 상기 제2 이온교환막(303)을 포함할 수 있다. 상기 제1 이온교환막(103)은 양이온 교환막일 수 있고, 상기 제2 이온교환막(303)은 음이온 교환막일 수 있다.
구체적으로 상기 제1 전극(102) 및 상기 제2 전극(302)에 음의 전압 및 양의 전압이 각각 인가된 경우, 상기 제1 전해질 용액(610)이 환원되고 상기 제2 전해질 용액(710)은 산화될 수 있다. 상기 제2 공간(200)에 유입된 탈 이온화 대상 용액(810)의 양의 이온은 상기 제1 이온교환막(103)을 통해 상기 제1 공간으로, 탈 이온화 대상 용액(810)의 음의 이온은 상기 제2 이온교환막(303)을 통해 상기 제3 공간으로 이동될 수 있다. 이에 따라 상기 제1 공간을 흐르는 제1 전해질 용액(610)은 양의 이온을 포함할 수 있고, 상기 제3 공간을 흐르는 제2 전해질 용액(710)은 음의 이온을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제2 공간(200)에서 탈 이온화 된 용액은 다시 용액 탱크(800)로 흐름으로써 상기 제3 순환 경로를 형성할 수 있다.
상기 제1 공간을 흐르는 양의 이온을 포함한 상기 제1 전해질 용액(610)은 상기 제1 공간에 연결된 상기 제1 전해질 탱크(600)로 흐르고, 상기 제1 전해질 탱크(600)와 연결된 상기 제4 공간으로 흐를 수 있다.
상기 제3 공간을 흐르는 음의 이온을 포함한 상기 제2 전해질 용액(710)은 상기 제3 공간에 연결된 상기 제2 전해질 탱크(700)로 흐르고, 상기 제2 전해질 탱크(700)와 연결된 상기 제5 공간으로 흐를 수 있다.
일 실시예에서 상기 레독스 흐름전지 모듈(300)은 상기 제2 내부 공간을 구비하는 제2 챔버, 상기 제2 내부 공간을 제4 공간과 제5 공간으로 분할하는 제3 이온 교환막(403), 상기 제4 공간과 상기 제5 공간에 각각 배치된 제3 전극(402)과 제4 전극(502) 그리고 상기 제3(402) 및 제4 전극(502)과 전기적으로 연결된 로드(120)를 포함한다.
상기 제3 전극(402) 및 상기 제4 전극(502)은 각각 상기 제4 공간 및 상기 제5 공간 내에서 산화, 환원 반응을 위한 활성 사이트를 제공할 수 있다. 상기 활성 사이트의 면적은 3 cm2 내지 7 cm2일 수 있다. 그러나 상기 활성 사이트의 면적은 셀의 크기에 따라 제한된 것이며 활성 사이트의 면적은 넓을수록 유리하다.
상기 제3 전극(402) 및 상기 제4 전극(502)은 카본 펠트를 포함할 수 있다. 상기 카본펠트의 두께는 10mm 이내일 수 있다. 상기 카본펠트의 두께가 10mm 이상이면 전기전도도를 떨어트려 시스템의 IR drop을 유발할수 있기 때문이다.
상기 레독스 흐름전지 모듈(100)은 상기 제3 전극(402)과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제3 집전체(401) 및 상기 제4 전극(502)과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제4 집전체(501)를 포함할 수 있다.
상기 제4 공간은 상기 제1 전해질 탱크(600)와 연결되고, 상기 제5 공간은 상기 제2 전해질 탱크(700)과 연결될 수 있다.
구체적으로 상기 제4 공간에는 상기 제1 전해질 탱크(600)로부터 상기 양의 이온을 포함한 상기 제1 전해질 용액(610)이 흐르고, 상기 제5 공간에는 상기 제2 전해질 탱크(700)로부터 상기 음의 이온을 포함한 상기 제2 전해질 용액(710)이 흐를 수 있다.
상기 제3 전극(401) 및 상기 제4 전극(501)이 상기 로드(120)에 연결된 경우, 상기 제1 전해질 용액(610)에 포함되어 있는 양의 이온 및 상기 제2 전해질 용액(710)에 포함되어 있는 음의 이온을 내어 놓게 되고, 상기 양의 이온 및 상기 음의 이온은 상기 제3 이온교환막(403)을 통해 교환되어 전하의 평형을 유지할 수 있다.
한편 교환된 이온에 의해 산화된 상기 제1 전해질 용액(610) 및 환원된 상기 제2 전해질 용액(710)은 다시 사용가능한 상태로 회귀될 수 있다.
회귀된 상기 제1 전해질 용액(610)은 상기 제4 공간(400)에 연결된 상기 제1 공간으로 흐르게 되어 상기 제1 순환경로를 형성할 수 있고, 회귀된 상기 제2 전해질 용액(710)은 상기 제5 공간(500)에 연결된 상기 제3 공간으로 흐르게 되어 상기 제2 순환 경로를 형성할 수 있다.
실시 예
전해질 제조
염수를 구현하기 위해 NaCl(99%, Daejung chemical, Korea)을 증류수에 녹여 사용한다. 레독스 흐름전지 모듈에 이용된 전해질은 2-phenyl-4,4,5,5,-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide (PTIO, 98%, TCL chemicals, Japan)를 tetrabutylammonium hexaflouorophosphate (TBAP, above 98%, TCL chemicals, Japan)가 500mM 용해된 anhydrous acetonitrile (99.5%, Dae-jung chemical, Korea)에 녹여 사용한다. 상기 혼합용액은 상온, 상압에서 쉽게 용해되며, 고순도 질소 가스로 20분 이상 퍼지(purge) 시킨다.
레독스 흐름전지 모듈 제작
레독스 흐름전지 모듈은 end plate, current collector, spacer로 구성된다. End plate는 stainless steel로 제작되어, 볼트와 너트를 이용해 부속품을 고정하는 역할을 한다. Current collector(Ildo F&C, Korea)는 그래파이트로 누수를 방지하기 위해 수지를 함침시킨다. 용액이 흐르는 spacer는 내화학성을 고려해 테플론을 사용하여 제작한다. 상기 spacer는 바이톤 오링을 활용해 누수를 방지함과 동시에 이온 교환막(NEOSEPTA ASE and CSE, ASTOM, Japan)을 고정하도록 설계된다. 액티브 면적은 2.5×2.5 cm 이며, 두께 4.7 mm의 카본펠트(Nippon carbon, Japan)을 전극으로 이용된다.
레독스 흐름전지 모듈 측정
battery tester(WMPG1000, Won-A tech, Korea)를 이용하여 충,방전을 진행한다. 레독스 흐름전지 모듈에 흐르는 전해질의 경우 RFB 전해질을 각 15mL, 염수를 100mL 유입시킨다. 충전 전압은 2.4V, 방전 전압은 0.4V에서 potentiostatic method로 설정하고, 이 과정에서 순환되는 염수의 이온전도도를 전도도 미터(PC 650, Eutech instruments, U.S.A)를 활용해 측정한다. 전도도의 경우 염분의 농도와 선형으로 비례하기 때문에 이를 활용하여 전해질의 농도 변화를 계산할 수 있다.
연속적인 탈 이온화 시스템 측정
유기 레독스 활물질이 용해된 유기 RFB 전해질을 활용하여 2.4V에서 충전, 0.4V에서 방전하는 형태로 제작된 셀의 성능을 평가한다. 이온의 이동이 이뤄짐을 확인하기 위하여 NaCl 수용액을 셀의 가운데에 흐르는 용액으로 둔다. 레독스 활물질과 NaCl의 농도를 변화시켜가며 실험을 진행한 결과, 충전이 이뤄지는 과정에서 탈이온화가 발생하고 레독스 물질의 재생 간 에너지를 방전하는 것을 확인하였으며 충ㅇ방전 간 쿨롱 효율은 85% 이상이다. 이 때 기존의 연구에서 보이는 흡착 용량보다 높은 80~85mg/g에 해당하는 탈이온 용량과, 0.11mg/cm2·min의 탈이온 속도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 제작된 셀을 이용해 연속적인 공정을 진행하기 위하여 RFB 셀로 용액이 연이어 흐르도록 연결한다. 이렇게 구성된 공정에서는 RFB+CDI 셀에서 2.4V로 충전을 지속하고, RFB 셀에서는 -5mA/cm2로 방전을 지속하는 형태로 구동한다. 결과적으로 25mM의 레독스 활물질이 용해된 RFB 전해질 40mL가 흐르는 시스템에서, 50 mM의 NaCl이 용해된 1L 수용액은 40시간 이상 지속적으로 탈이온화됨을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 탈 이온화 모듈 101 : 제1 집전체
102 : 제1 전극 103 : 제1 이온교환막
110 : 전원 장치 120 : 로드
200 : 제2 공간 300 : 레독스 흐름전지 모듈
301 : 제2 집전체 302 : 제2 전극
303 : 제2 이온교환막 401 : 제3 집전체
402 : 제3 전극 403 : 제3 이온교환막
501 : 제4 집전체 502 : 제4 전극
600 : 제1 전해질 탱크 610 : 제1 전해질 용액
700 : 제2 전해질 탱크 710 : 제2 전해질 용액
800 : 탈이온화 대상 용액을 수용하는 용액 탱크
810 : 탈이온화 대상 용액

Claims (12)

  1. 제1 내부 공간을 구비하는 제1 챔버, 상기 제1 내부공간을 제1 공간, 제3 공간 및 상기 제1 공간과 상기 제3 공간 사이에 위치하는 제2 공간으로 분할하도록 상기 제1 챔버 내부에 배치된 제1 이온교환막과 제2 이온교환막, 상기 제1 공간과 상기 제3 공간에 각각 배치된 제1 전극과 제2 전극 및 상기 제1 및 제2 전극에 전압을 인가하는 전원 장치를 포함하는 탈 이온화 모듈;
    제2 내부 공간을 구비하는 제2 챔버, 상기 제2 내부 공간을 제4 공간과 제5 공간으로 분할하는 제3 이온 교환막, 상기 제4 공간과 상기 제5 공간에 각각 배치된 제3 전극과 제4 전극 그리고 상기 제3 및 제4 전극과 전기적으로 연결된 로드를 포함하는 레독스 흐름전지 모듈;
    상기 제1 공간 및 상기 제1 공간과 연결된 제4 공간과 연결되어 제1 순환경로를 형성하고, 제1 전해질 용액을 수용하는 제1 전해질 탱크;
    상기 제3 공간 및 상기 제3 공간과 연결된 상기 제5 공간과 연결되어 제2 순환경로를 형성하고 제2 전해질 용액을 수용하는 제2 전해질 탱크; 및
    상기 제2 공간과 연결되어 제3 순환경로를 형성하고 탈이온화 대상 용액을 수용하는 용액 탱크를 포함하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전해질 용액은 상기 제1 공간에서 상기 제1 전해질 탱크로 흐르고 상기 제1 전해질 탱크에서 상기 제4 공간으로 흐르고 상기 제4 공간에서 상기 제1 공간으로 흐르는 상기 제1 순환경로를 형성하고,
    상기 제2 전해질 용액은 상기 제3 공간에서 상기 제2 전해질 탱크로 흐르고 상기 제2 전해질 탱크에서 상기 제5 공간으로 흐르고 상기 제5 공간에서 상기 제3 공간으로 흐르는 상기 제2 순환경로를 형성하고,
    상기 탈 이온화 대상 용액은 상기 용액 탱크에서 상기 제2 공간으로 흐르고 상기 제2 공간에서 상기 용액 탱크로 흐르는 상기 제3 순환경로를 형성하는 것을 특징으로 하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극에는 음의 전압 및 양의 전압이 각각 인가되고,
    상기 제1 이온 교환막은 양이온 교환막을 포함하고,
    상기 제2 이온교환막은 음이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 공간에 공급된 상기 탈이온화 대상 용액 내의 양의 이온 및 음의 이온은 상기 음의 전압 및 상기 양의 전압에 의해 상기 제1 공간 및 상기 제3 공간으로 각각 이동되는 것을 특징으로 하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제4 공간의 제1 전해질 용액에 포함된 양이온과 상기 제5 공간의 제2 전해질 용액에 포함된 음이온이 상기 제3 이온교환막을 통해 교환되는 것을 특징으로 하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탈이온화 모듈은
    상기 제1 전극과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제1 집전체; 및
    상기 제2 전극과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제2 집전체를 더 포함하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름전지 모듈은,
    상기 제3 전극과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제3 집전체; 및
    상기 제4 전극과 접촉되게 배치되고 전원장치와 연결되는 제4 집전체를 포함하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전해질 용액은 환원 반응이 일어나는 제1 레독스 물질을 포함하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 환원 반응이 일어나는 제1 레독스 물질은
    PTIO(2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide), FL(9-fluorenone), potassium ferricyanide, 바나듐 3가 이온을 포함하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전해질 용액은 산화 반응이 일어나는 제2 레독스 물질을 포함하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산화 반응이 일어나는 제2 레독스 물질은
    PTIO(2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide), AcNH-TEMPO(4-acetamido-2,2,6,6-tetramethylpeperidine-1-oxyl), potassium ferricyanide, 바나듐 4가 이온을 포함하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전해질 용액 및 상기 제2 전해질 용액은 연속적인 탈 이온화 시스템에서 레독스 반응을 제외한 상기 탈 이온화 대상 용액에 포함된 양의 이온 및 음의 이온과 반응하지 않는 것을 특징으로 하는,
    연속적인 탈 이온화 시스템.
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