KR102177492B1 - Capacitive deionization module and capacitive deionization apparatus comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통형의 하우징; 상기 하우징의 중심축을 따라 설치되는 처리수 관; 상기 처리수 관으로부터 상기 하우징의 내벽 측으로 연장된 복수의 판형 전극들; 및 상기 하우징의 상면 및 하면에 설치되고, 상기 처리수 관이 관통되는 상부 커버 및 하부 커버를 포함하고, 상기 전극들은 서로 교번적으로 배치된 양전극과 음전극을 포함하고, 상기 음전극은 상기 처리수 관과 인접한 단부가 음극 단자와 연결되도록 상기 처리수 관과 연결되고, 상기 양전극은 상기 하우징의 내부에 설치된 양전극 판과 연결되는 것을 특징으로 하여, 소형화 가능하며, 이온 교환막을 사용하지 않고 재생 성능을 유지할 수 있어 제작 비용을 절감하고 스케일을 효과적으로 방지할 수 있는 축전식 탈이온 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈이온 장치에 관한 것이다.The present invention is a cylindrical housing; A treated water pipe installed along the central axis of the housing; A plurality of plate-shaped electrodes extending from the treated water pipe toward the inner wall of the housing; And an upper cover and a lower cover installed on the upper and lower surfaces of the housing and through which the treated water pipe passes, wherein the electrodes include positive and negative electrodes alternately disposed with each other, and the negative electrode is the treated water pipe. It is connected to the treated water pipe so that the end adjacent to the negative terminal is connected to the negative terminal, and the positive electrode is connected to the positive electrode plate installed inside the housing, so that it is possible to miniaturize and maintain regeneration performance without using an ion exchange membrane. The present invention relates to a capacitive deionization module and a capacitive deionization device including the same, which can reduce manufacturing cost and effectively prevent scale.

Description

축전식 탈이온 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈이온 장치{Capacitive deionization module and capacitive deionization apparatus comprising the same}Capacitive deionization module and capacitive deionization apparatus comprising the same

본 발명은 수처리 분야에 사용되는 축전식 탈이온 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈이온 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive deionization module used in the field of water treatment and a capacitive deionization device including the same.

축전식 탈이온 모듈은 통상적으로 CDI(capacitive deionization) 장치라고 불리우며, 캐패시터 이중층 원리를 바탕으로 다공성 카본 전극에 전기를 인가하면 표면에 이온이 흡착되는 성질을 이용한 장치이다.The capacitive deionization module is generally called a capacitive deionization (CDI) device, and is a device using the property of adsorbing ions on the surface when electricity is applied to a porous carbon electrode based on the capacitor double layer principle.

양이온 및 음이온이 함유된 물이 2개의 다공성 탄소 전극층 사이를 통과할 때 전기를 인가하면 물속에 함유된 음이온은 양극으로 그리고 양이온은 음극으로 이동하여 전극 표면에 흡착됨으로써 물속의 이온을 제거할 수 있다.When water containing positive and negative ions passes between the two porous carbon electrode layers, when electricity is applied, anions contained in the water move to the positive electrode and positive ions move to the negative electrode and are adsorbed on the electrode surface, thereby removing ions from the water. .

축전식 탈이온 모듈은 대부분 평판의 카본 전극을 복수 개 적층하여 구성한 플레이트 앤 프레임(plate and frame) 형태를 갖는다. 프레임의 형태에는 사각형과 원통형이 있으며, 사각형 프레임의 경우 사각 판형의 카본 전극을 복수 개 적층하여 구성되고, 원통형 프레임의 경우 원판형의 카본 전극을 복수 개 적층하여 구성된다. 대표적인 축전식 탈이온 모듈에는 네덜란드의 볼티아(Voltea) 사의 제품이 있다.Most capacitive deionization modules have a plate and frame shape composed of a plurality of flat carbon electrodes stacked. The frame has a rectangular shape and a cylindrical shape. In the case of a rectangular frame, a plurality of square plate-shaped carbon electrodes are stacked, and in the case of a cylindrical frame, a plurality of disk-shaped carbon electrodes are stacked. A typical capacitive deionization module is the product of Voltea in the Netherlands.

전극을 원통형으로 말아서 모듈을 형성한 국내 기술로는, 등록실용신안 제20-186205(카트리지형 전기탈염장치 모듈), 등록특허 제10-0934161호(CDI 전극 모듈), 등록특허 제10-1349753호(원통형 셀), 등록특허 제10-1482656호(고농도 폐수처리용 축전식 탈이온 장치 및 이를 이용한 회분식 단속운전 방법) 등이 있다. 이러한 국내 기술들은, 2장의 카본 전극 사이에 유체가 통과할 수 있는 스페이서를 두고 중심축을 기준으로 말아서 모듈을 형성하는 방법, 또는 2장의 카본 전극 사이에 각각의 전극과 접촉하는 이온 교환막을 배치하고 이온 교환막 사이에 유체가 통과할 수 있는 스페이서를 배치하며 중심축을 기준으로 말아서 모듈을 형성한 방법을 적용하고 있다.As a domestic technology in which electrodes are rolled into a cylindrical shape to form a module, registered utility model No. 20-186205 (cartridge type electric desalination device module), registered patent No. 10-0934161 (CDI electrode module), and registered patent No. 10-1349753 (Cylindrical cell), Patent No. 10-1482656 (capacitive deionization device for high-concentration wastewater treatment and a batch-type intermittent operation method using the same). These domestic technologies are a method of forming a module by placing a spacer through which fluid can pass between two carbon electrodes and rolling it around a central axis, or by placing an ion exchange membrane in contact with each electrode between the two carbon electrodes. A spacer through which fluid can pass is disposed between the exchange membranes, and a method of forming a module by rolling it around a central axis is applied.

이러한 방법들은 처리 유량이 적은 직경이 작은 모듈을 만들 수는 있으나, 처리 용량이 큰 모듈을 만드는 경우에는 유체가 통과하는 유로가 너무 길이서 운전시 차압이 많이 걸리고, 재생 시에는 농축수가 통과하는 유로가 길어서 스케일이 발생되는 문제를 갖고 있다.These methods can make a module with a small diameter with a small processing flow rate, but in the case of making a module with a large processing capacity, the flow path through which the fluid passes is too long, which takes a lot of differential pressure during operation, and the flow path through which concentrated water passes during regeneration. It has a problem that scale is generated because it is long.

또한, 축전식 탈이온 모듈을 일정시간 운전한 후 부착된 이온들이 포화된 전극에서 이온들을 제거하기 위한 재생 방법은, 단순하게 역전압을 걸어 카본 전극에 부착된 이온들을 전극으로부터 분리한 후 분리된 이온들을 물로 세척하여 외부로 배출하는 방식을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 방법으로 분리된 이온들은 카본 전극 사이의 스페이서를 통과하여 배출되면서 역전압으로 인가된 상태 카본 전극에 흡착되어 카본 전극에 스케일을 형성하거나, 모듈의 성능을 저하시키는 문제점이 있다. In addition, the regeneration method for removing ions from the electrode saturated with attached ions after operating the capacitive deionization module for a certain period of time is by simply applying reverse voltage to separate the ions attached to the carbon electrode from the electrode and then The ions are washed with water and then discharged to the outside. However, the ions separated by this method are discharged through the spacer between the carbon electrodes and are adsorbed to the carbon electrode in a state in which the reverse voltage is applied, thereby forming scale on the carbon electrode or reducing the performance of the module.

이를 해결하기 위해서는, 역전으로 탈리된 이온들이 다시 상대 카본 전극에 흡착되지 않도록 카본 전극과 유체가 통과하는 스페이서 사이에 이온 교환막을 설치해야 한다. 그러나, 이온 교환막의 사용으로 인해 모듈의 제작비용이 증가하는 문제점이 있다.In order to solve this problem, an ion exchange membrane must be provided between the carbon electrode and the spacer through which the fluid passes so that ions desorbed by reverse are not adsorbed to the counter carbon electrode again. However, there is a problem in that the production cost of the module increases due to the use of the ion exchange membrane.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유로의 길이를 최소화하여 소형화 가능한 축전식 탈이온 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈이온 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a capacitive deionization module and a capacitive deionization device including the same, which can be miniaturized by minimizing the length of a flow path.

또한, 본 발명은 이온 교환막을 사용하지 않고 재생 성능을 유지할 수 있어 제작 비용을 절감하고 스케일을 효과적으로 방지할 수 있는 축전식 탈이온 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a capacitive deionization device capable of reducing manufacturing cost and effectively preventing scale by maintaining regeneration performance without using an ion exchange membrane.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 원통형의 하우징; 상기 하우징의 중심축을 따라 설치되는 처리수 관; 상기 처리수 관으로부터 상기 하우징의 내벽 측으로 연장된 복수의 판형 전극들; 및 상기 하우징의 상면 및 하면에 설치되고, 상기 처리수 관이 관통되는 상부 커버 및 하부 커버를 포함하고, 상기 전극들은 서로 교번적으로 배치된 양전극과 음전극을 포함하고, 상기 음전극은 상기 처리수 관과 인접한 단부가 음극 단자와 연결되도록 상기 처리수 관과 연결되고, 상기 양전극은 상기 하우징의 내부에 설치된 양전극 판과 연결되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is a cylindrical housing; A treated water pipe installed along the central axis of the housing; A plurality of plate-shaped electrodes extending from the treated water pipe toward the inner wall of the housing; And an upper cover and a lower cover installed on the upper and lower surfaces of the housing and through which the treated water pipe passes, wherein the electrodes include positive and negative electrodes alternately disposed with each other, and the negative electrode is the treated water pipe. The treated water pipe is connected so that an end adjacent to and is connected to a negative terminal, and the positive electrode is connected to a positive electrode plate installed inside the housing.

바람직하게는, 상기 전극들은 나선형으로 말려서 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 전극들 중 음전극은 상기 양전극 및 상기 양전극 판과 전기적으로 접촉하지 않도록 절연 망사로 둘러싸여 있는 것을 특징으로 한다.Preferably, the electrodes are spirally rolled and disposed inside the housing, and a negative electrode among the electrodes is surrounded by an insulating mesh so as not to electrically contact the positive electrode and the positive electrode plate.

바람직하게는, 상기 음전극은 상기 처리수 관의 상부에 설치된 음전극 링을 통해 상기 처리수 관과 전기적으로 연결되고, 상기 양전극은 상기 하우징의 내벽에 설치된 양전극 판과 전기적으로 접촉하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the negative electrode is electrically connected to the treated water pipe through a negative electrode ring installed on the upper portion of the treated water pipe, and the positive electrode electrically contacts a positive electrode plate installed on an inner wall of the housing.

여기서, 상기 상부 커버 또는 하부 커버는 상기 양전극에 전원이 인가되도록 상기 양전극 판과 연결된 양극 단자 및 상기 음전극에 전원이 인가되도록 상기 음전극 링과 연결된 음극 단자를 구비하는 것을 특징으로 한다.Here, the upper cover or the lower cover may include a positive terminal connected to the positive electrode plate so that power is applied to the positive electrode, and a negative terminal connected to the negative electrode ring so that power is applied to the negative electrode.

바람직하게는, 상기 처리수 관은 복수의 관통공을 구비하고, 운전 모드 시, 상기 하우징 내부로 유입된 유체는 상기 관통공을 통해 상기 처리수 관으로 유입되어 상기 처리수 관을 따라 상기 하우징 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the treated water pipe has a plurality of through-holes, and in the operation mode, the fluid flowing into the housing is introduced into the treated water pipe through the through-hole to the outside of the housing along the treated water pipe. It is characterized in that discharged into.

본 발명에 따른 축전식 탈이온 장치는, 전술한 축전식 탈이온 모듈; 및 상기 축전식 탈이온 모듈이 내장되는 원통형의 베셀을 포함하고, 상기 베셀은 일측에 유입수 입구를 구비하고, 상기 하우징은 외주에 유입공을 구비하고, 상기 상부 커버와 인접한 상기 하우징의 외주에는 오링 홈이 형성되고, 상기 오링 홈에는 상기 하우징과 상기 베셀 사이를 밀폐하는 오링이 설치되어, 상기 유입수 입구로 유입된 유입수는 상기 하부 커버 측의 상기 하우징과 상기 베셀 사이의 틈을 거쳐 상기 유입공으로 유입되어 상기 하우징 내부로 유입되는 것을 특징으로 한다.The capacitive deionization device according to the present invention includes the capacitive deionization module described above; And a cylindrical vessel in which the capacitive deionization module is embedded, wherein the vessel has an inlet water inlet on one side, the housing has an inlet hole on the outer circumference, and an O-ring on the outer circumference of the housing adjacent to the upper cover A groove is formed, and an O-ring is installed in the O-ring groove to seal between the housing and the vessel, and the influent water introduced into the inlet water flows into the inlet hole through a gap between the housing and the vessel on the lower cover side. And is introduced into the housing.

바람직하게는, 상기 베셀 내부에는 2개의 상기 축전식 탈이온 모듈이 길이방향으로 배치되고, 2개의 상기 축전식 탈이온 모듈 사이에는 2개의 처리수 관을 연결하는 커넥터가 설치되며, 상기 유입수 입구는 상기 커넥터와 인접한 상기 베셀의 중심 측에 구비되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the two capacitive deionization modules are disposed in the longitudinal direction inside the vessel, and a connector connecting two treated water pipes is installed between the two capacitive deionization modules, and the inlet water inlet is It characterized in that it is provided on the center side of the vessel adjacent to the connector.

바람직하게는, 재생 모드 시, 재생시간 동안 공급되는 전원은 운전 모드에서의 전원의 극성과 반대로 전환된 후 일정시간 동안 반대 극성으로 공급된 후, 재생 모드 중에 분당 50회 이상 극성이 전환되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.Preferably, in the regeneration mode, the power supplied during the regeneration time is reversed from the polarity of the power in the operation mode and then supplied in the opposite polarity for a certain period of time, and then the polarity is controlled so that the polarity is switched at least 50 times per minute during the regeneration mode. It features.

본 발명에 따르면, 나선형으로 말려 있는 전극들의 배치로 인해 모듈의 크기를 최소화하여 유로의 길이를 감소시키으로써, 운전시 차압을 줄이고 재생시 스케일의 발생을 억제할 수 있다.According to the present invention, the length of the flow path is reduced by minimizing the size of the module due to the arrangement of the spirally wound electrodes, thereby reducing the differential pressure during operation and suppressing the generation of scale during regeneration.

또한, 본 발명에 따르면, 별도의 이온 교환막을 이용하지 않고, 재생 모드 중에 탈리된 이온들이 전극에 재흡착되는 것을 방지할 수 있어, 제조 비용을 절감하면서도 운전 모드에서의 처리 성능 저하를 방지하고 전극에 스케일이 형성되는 것을 방지할 수 있다.In addition, according to the present invention, without using a separate ion exchange membrane, it is possible to prevent re-adsorption of ions desorbed on the electrode during the regeneration mode, thereby reducing manufacturing cost and preventing degradation of processing performance in the operation mode. It is possible to prevent the formation of scale.

도 1은 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈을 개략적으로 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈에 설치된 처리수 관 및 전극들을 개략적으로 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈을 개략적으로 도시한 횡단면도,
도 4는 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈을 포함하는 축전식 탈이온 장치를 개략적으로 도시한 종단면도,
도 5는 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈을 포함하는 축전식 탈이온 장치의 또 하나의 예를 개략적으로 도시한 종단면도,
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 축전식 탈이온 장치의 운전 모드에서의 이온들의 이동 상태를 나타낸 도면들,
도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 축전식 탈이온 장치의 재생 모드에서의 이온들의 이동 상태를 나타낸 도면들.1 is a perspective view schematically showing a capacitive deionization module according to the present invention,
2 is a perspective view schematically showing treated water pipes and electrodes installed in the capacitive deionization module according to the present invention;
3 is a cross-sectional view schematically showing the capacitive deionization module according to the present invention,
4 is a longitudinal cross-sectional view schematically showing a capacitive deionization device including a capacitive deionization module according to the present invention;
5 is a longitudinal sectional view schematically showing another example of a capacitive deionization device including a capacitive deionization module according to the present invention;
6A to 6C are views showing a movement state of ions in an operation mode of the capacitive deionization apparatus according to the present invention;
7A to 7C are diagrams showing movement states of ions in the regeneration mode of the capacitive deionization apparatus according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈 및 이를 포함하는 축전식 탈이온 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the capacitive deionization module according to the present invention and the capacitive deionization device including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For reference, in the following description of the present invention, the terms referring to the components of the present invention are named in consideration of the functions of the respective components, and should not be understood as limiting the technical components of the present invention. Will be

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈은 캐패시터 이중층 원리를 이용하여 전원이 인가된 다공성 카본 전극에 이온을 흡착시켜 수처리 공정, 예를 들면 탈염 공정을 수행하는 CDI(capacitive deionization) 장치로서, 하우징(100), 처리수 관(200), 전극들(310, 320) 및 커버들(410, 420)을 포함한다.1 to 3, the capacitive deionization module according to the present invention uses a capacitor double layer principle to adsorb ions to a porous carbon electrode to which power is applied to perform a water treatment process, for example, a desalting process. As a deionization) device, it includes a housing 100, a treated water tube 200, electrodes 310 and 320, and covers 410 and 420.

하우징(100)은 상면 및 하면이 개방된 원통형상의 부재로서, 내부에는 처리수 관(200)과 전극들(310, 320)이 수용된다. 이 하우징(100)은 처리 대상수가 내부로 유입되도록 하는 유입공들(110)을 구비할 수 있다.The housing 100 is a cylindrical member with open upper and lower surfaces, and the treated water pipe 200 and electrodes 310 and 320 are accommodated therein. The housing 100 may include inlet holes 110 through which water to be treated is introduced into the interior.

처리수 관(200)은 하우징(100) 내로 유입되어 전극들(310, 320)에 의해 이온들이 분리된 처리수가 하우징(100)의 외부로 배출되도록 하는 배출관으로서, 하우징(100)의 중심축을 따라 하우징(100)을 관통하도록 하우징 내부에 설치된다. The treated water pipe 200 is a discharge pipe that flows into the housing 100 and discharges treated water from which ions are separated by the electrodes 310 and 320 to the outside of the housing 100, along the central axis of the housing 100. It is installed inside the housing so as to pass through the housing 100.

전극들(310, 320)은 다공성 카본 물질로 이루어지고, 복수의 양전극(310)과 복수의 음전극(320)을 포함한다. 이 전극들(310, 320)은 소정 면적을 갖는 판형의 카본 전극으로서, 처리수 관(200)으로부터 하우징(100)의 내벽 측으로 연장되어 하우징(100)의 내부에 설치된다.The electrodes 310 and 320 are made of a porous carbon material, and include a plurality of positive electrodes 310 and a plurality of negative electrodes 320. The electrodes 310 and 320 are plate-shaped carbon electrodes having a predetermined area, extending from the treated water pipe 200 toward the inner wall of the housing 100 and installed in the housing 100.

커버들(410, 420)은 하우징(100)의 상부, 즉 상면을 폐쇄하는 상부 커버(410) 및 하우징의 하부, 즉 하면을 폐쇄하는 하부 커버(420)를 포함한다. 그리고, 상부 커버(410)와 하부 커버(420)의 중심에는 처리수 관(200)이 관통된다.The covers 410 and 420 include an upper cover 410 that closes an upper portion, that is, an upper surface of the housing 100, and a lower cover 420 that closes a lower portion, that is, a lower surface of the housing. In addition, the treated water pipe 200 passes through the centers of the upper cover 410 and the lower cover 420.

여기서, 전극들(310, 320)은 처리수 관(200)을 중심으로 원주방향으로 서로 이격되어 배치된다. 또한, 전극들(310, 320)은 처리수 관(200)을 중심으로 원주방향으로 양전극(310)과 음전극(320)이 서로 교번적으로 배치된다. 여기서, 처리수 관(200)과 인접한 음전극(320)의 단부는 처리수 관(200)과 접촉하여 음극 단자(510)와 전기적으로 연결된다. 또한, 처리수 관(200)과 인접한 양전극(310)의 단부는 처리수 관(200)과 전기적으로 연결되지 않는 반면, 하우징(100)의 내벽과 인접한 양전극(310)의 단부는 하우징(100)의 내부에 설치된 양전극 판(520)과 접촉하여 양전극 판(520)과 전기적으로 연결된다.Here, the electrodes 310 and 320 are disposed to be spaced apart from each other in the circumferential direction around the treated water tube 200. In addition, as for the electrodes 310 and 320, the positive electrode 310 and the negative electrode 320 are alternately disposed with each other in the circumferential direction around the treated water tube 200. Here, an end of the negative electrode 320 adjacent to the treated water pipe 200 is in contact with the treated water pipe 200 and is electrically connected to the negative terminal 510. In addition, the end of the positive electrode 310 adjacent to the treated water pipe 200 is not electrically connected to the treated water pipe 200, while the end of the positive electrode 310 adjacent to the inner wall of the housing 100 is the housing 100. In contact with the positive electrode plate 520 installed inside of the positive electrode plate 520 is electrically connected.

바람직하게는, 전극들(310, 320)은 나선형으로 말려서 하우징(100)의 내부에 배치된다. 그리고, 전극들 중 음전극들(320)은 인접한 양전극들(310)과 접촉하지 않도록 그리고 하우징(100) 내부의 양전극 판(520)과 접촉하지 않도록 절연 망사(330)로 둘러싸여 있다.Preferably, the electrodes 310 and 320 are spirally rolled and disposed inside the housing 100. In addition, among the electrodes, the negative electrodes 320 are surrounded by an insulating mesh 330 so as not to contact the adjacent positive electrodes 310 and not to contact the positive electrode plate 520 inside the housing 100.

이러한 구성에 의해, 전극들(310, 320)은 음전극과 양전극이 서로 나선형으로 말려서 하우징(100) 내부에 인접하게 배치되더라도 서로 전기적으로 연결되지 않으며, 하우징(100) 내부에서 나선 형상으로 말려있는 복수의 전극들의 배치로 인해 모듈의 길이 및 폭을 최소화하면서 충분한 수처리 성능을 유지할 수 있다. 여기서, 모듈에 포함된 전극의 길이, 즉 반경방향 길이는 대략 100 ~ 600mm일 수 있다.With this configuration, the electrodes 310 and 320 are not electrically connected to each other even if the negative electrode and the positive electrode are spirally rolled to each other and disposed adjacent to the inside of the housing 100, and a plurality of the electrodes 310 and 320 are spirally rolled inside the housing 100. Due to the arrangement of the electrodes of the module, it is possible to maintain sufficient water treatment performance while minimizing the length and width of the module. Here, the length of the electrode included in the module, that is, the radial length may be about 100 to 600 mm.

이와 같이, 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈은 모듈의 크기를 최소화하여 유로의 길이를 감소시켜, 운전시 차압을 줄이고 재생시 스케일의 발생을 억제할 수 있다.As described above, the capacitive deionization module according to the present invention can reduce the length of the flow path by minimizing the size of the module, thereby reducing differential pressure during operation and suppressing the generation of scale during regeneration.

본 발명의 실시예에서는 2개의 양전극(310)과 2개의 음전극(320)을 포함하는 축전식 탈이온 모듈을 개시하고 있지만, 전극들의 수는 처리 용량에 따라 다양하게 변경될 수 있다.In the embodiment of the present invention, a capacitive deionization module including two positive electrodes 310 and two negative electrodes 320 is disclosed, but the number of electrodes may be variously changed according to processing capacity.

한편, 음전극들(320)은 처리수 관(200)의 상부에 설치되어 전극들을 감싸는 음전극 링(미도시)을 통해 처리수 관(200)과 전기적으로 연결되고, 양전극들(310)은 하우징(100)의 내벽에 설치된 양전극 판(520)과 전기적으로 연결되어 전원이 인가된다.On the other hand, the negative electrodes 320 are installed on the treated water pipe 200 and electrically connected to the treated water pipe 200 through a negative electrode ring (not shown) surrounding the electrodes, and the positive electrodes 310 are provided in the housing ( Power is applied by being electrically connected to the positive electrode plate 520 installed on the inner wall of 100).

또한, 상부 커버(410) 또는 하부 커버(420)에는 양전극(310)에 전원이 인가되도록 양전극 판(520)과 연결된 양극 단자(530) 및 음전극(320)에 전원이 인가되도록 음전극 링과 연결된 음극 단자(510)가 구비된다. In addition, the upper cover 410 or the lower cover 420 has a positive electrode terminal 530 connected to the positive electrode plate 520 so that power is applied to the positive electrode 310 and a negative electrode connected to the negative electrode ring so that power is applied to the negative electrode 320. Terminal 510 is provided.

한편, 처리수 관(200)은 복수의 관통공(210)을 구비한다. 이 관통공(210)은 하우징(100) 내부로 유입되어 전극들(310, 320)을 통해 이온들이 분리된 물이 처리수 관(200) 내부로 유입되도록 하는 역할을 한다. 따라서, 운전 모드시, 전극들(310, 320)에 전원이 인가되면, 양전극(310)에는 하우징(100) 내부로 유입된 처리 대상수의 음이온들이 흡착되고, 음전극(320)에는 처리 대상수의 양이온들이 흡착된다. 이렇게 수처리된 처리수는 관통공들(210)을 통해 처리수 관(200)으로 유입되어 처리수 관(200)을 따라 하우징(100)의 외부로 배출된다.Meanwhile, the treated water pipe 200 has a plurality of through holes 210. The through hole 210 serves to flow into the housing 100 and allow water from which ions are separated through the electrodes 310 and 320 to flow into the treated water pipe 200. Therefore, in the operation mode, when power is applied to the electrodes 310 and 320, negative ions of the water to be treated flowing into the housing 100 are adsorbed to the positive electrode 310, and the negative electrode 320 Cations are adsorbed. The treated water thus treated is introduced into the treated water pipe 200 through the through holes 210 and discharged to the outside of the housing 100 along the treated water pipe 200.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 축전식 탈이온 장치는 전술한 축전식 탈이온 모듈(10) 및 원통형의 베셀(600; vessel)을 포함한다. 축전식 탈이온 모듈(10)은 전술한 바와 같이, 하우징(100), 처리수 관(200), 전극들(310, 320) 및 커버들(410, 420)을 포함하여 이루어진다. 베셀(600)은 축전식 탈이온 모듈(10`)이 내장되는 케이스로서 역할을 한다.Referring to FIG. 4, the capacitive deionization apparatus according to the present invention includes the capacitive deionization module 10 and a cylindrical vessel 600 described above. As described above, the capacitive deionization module 10 includes a housing 100, a treated water tube 200, electrodes 310 and 320, and covers 410 and 420. The vessel 600 serves as a case in which the capacitive deionization module 10' is embedded.

구체적으로, 베셀(600)은 일측에 처리 대상수, 즉 유입수가 유입되는 유입수 입구(610)를 구비한다. 이 유입수 입구(610)는 베셀(600)의 단부 측에 구비되는 것이 바람직하다. 도 4의 실시예에서, 유입수 입구(610)는 베셀(600)의 하단부 측에 형성되고, 이 유입수 입구(610)를 통해 베셀(600) 내부로 유입된 유입수는 하우징(100)의 외주에 형성된 유입공들(110)을 통해 하우징(100) 내부로 유입되고, 전극들(310, 320)에 의해 이온들이 분리된 후 관통공(210)을 통해 처리수 관(200)으로 유입되어 하우징(100) 외부로 배출된다.Specifically, the vessel 600 has an inlet water inlet 610 through which treatment target water, that is, influent water, is introduced. It is preferable that the inlet water inlet 610 is provided at the end side of the vessel 600. In the embodiment of FIG. 4, the inlet water inlet 610 is formed on the lower end side of the vessel 600, and the influent water introduced into the vessel 600 through the inlet water inlet 610 is formed on the outer periphery of the housing 100. It is introduced into the housing 100 through the inlet holes 110, ions are separated by the electrodes 310 and 320, and then flows into the treated water pipe 200 through the through hole 210, and the housing 100 ) It is discharged to the outside.

한편, 상부 커버(410)와 인접한 하우징(100)의 외주에는 오링 홈(411; 도 1 참조)이 형성된다. 이 오링 홈(411)에는 하우징(100)과 베셀(600) 사이를 밀폐하는 오링(620)이 설치된다. 그러나, 하부 커버(420)와 인접한 하우징(100)의 외주에는 오링 홈 및 오링이 구비되지 않는다. 따라서, 베셀(600)의 유입수 입구(610)로 유입된 유입수는 하부 커버(420) 측에 형성된 하우징(100)과 베셀(600) 사이의 틈을 거쳐 하우징(100)의 유입공으로 유입되어 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다.Meanwhile, an O-ring groove 411 (see FIG. 1) is formed on the outer periphery of the housing 100 adjacent to the upper cover 410. An O-ring 620 that seals between the housing 100 and the vessel 600 is installed in the O-ring groove 411. However, an O-ring groove and an O-ring are not provided on the outer periphery of the housing 100 adjacent to the lower cover 420. Therefore, the influent water introduced into the inlet water inlet 610 of the vessel 600 is introduced into the inlet hole of the housing 100 through the gap between the housing 100 and the vessel 600 formed on the lower cover 420 side, 100) can flow into the interior.

도 5를 참조하면, 베셀(700) 내부에는 서로 대칭으로 배치된 2개의 축전식 탈이온 모듈(10)이 길이방향을 따라 배치될 수 있다. 이 2개의 축전식 탈이온 모듈(10) 사이에는 서로 일렬로 배치된 2개의 처리수 관(200)을 연결하는 커넥터(730)가 설치되고, 베셀(700)의 중심 측에는 커넥터(730)와 인접하게 유입수 입구(710)가 형성된다.Referring to FIG. 5, inside the vessel 700, two capacitive deionization modules 10 arranged symmetrically to each other may be disposed along the longitudinal direction. Between the two capacitive deionization modules 10, a connector 730 connecting two treated water pipes 200 arranged in a row is installed, and adjacent to the connector 730 at the center side of the vessel 700 Inlet water inlet 710 is formed.

이에 따라, 베셀(700)의 유입수 입구(710)로 유입된 유입수는 각각의 하우징(100) 내부로 유입되어 수처리된 후 각각의 수처리 관(200)을 통해 베셀(700)의 좌우 양측으로 배출된다.Accordingly, the influent water introduced into the inlet water inlet 710 of the vessel 700 is introduced into each housing 100 to be treated with water, and then discharged to the left and right sides of the vessel 700 through each water treatment pipe 200. .

도 6a 내지 6d를 참조하여, 본 발명에 따른 축전식 탈이온 장치의 운전 모드를 설명한다. 도 6a는 설명의 편의를 위해 전극들(310, 320)을 이격시켜 도시한 개념도이고, 도 6b는 1개의 축전식 탈이온 모듈을 구비한 축전식 탈이온 장치를 도시한 단면도이며, 도 6c는 2개의 축전식 탈이온 모듈을 구비한 축전식 탈이온 장치를 도시한 단면도이다.6A to 6D, an operation mode of the capacitive deionization device according to the present invention will be described. 6A is a conceptual diagram showing electrodes 310 and 320 spaced apart for convenience of description, FIG. 6B is a cross-sectional view showing a capacitive deionization device having one capacitive deionization module, and FIG. 6C is It is a cross-sectional view showing a capacitive deionization device including two capacitive deionization modules.

운전 모드에서, 양전극 판(520) 및 음전극 링을 통해 전극들(310, 320)에 전원이 인가되면, 양전극(310)에는 양전하가 그리고 음전극(320)에는 음전하가 인가된다. 그러면, 베셀(600, 700)의 유입수 입구(610, 710)를 통해 하우징(100) 내부로 유입된 유입수의 포함된 음이온이 양전극(310)에 흡착되고 양이온은 음전극(320)에 흡착된다. 이렇게 이온들이 제거되어 탈염된 처리수는 처리수 관(200)을 거쳐 베셀의 외부로 배출된다.In the operation mode, when power is applied to the electrodes 310 and 320 through the positive electrode plate 520 and the negative electrode ring, a positive charge is applied to the positive electrode 310 and a negative charge is applied to the negative electrode 320. Then, the negative ions contained in the influent water introduced into the housing 100 through the inlet water inlets 610 and 710 of the vessels 600 and 700 are adsorbed to the positive electrode 310 and the positive ions are adsorbed to the negative electrode 320. The treated water desalted by removing the ions is discharged to the outside of the vessel through the treated water pipe 200.

여기서, 유입수는 나선형으로 말려서 서로 중첩되어 있는 전극들(310, 320) 사이를 흐르면서 전극 표면과 충분한 접촉 면적을 갖게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 축전식 탈이온 모듈(10)은 길이방향으로 그리고 반경방향으로의 치수를 최소화하면서 충분한 수처리 성능을 유지할 수 있다.Here, the influent water is spirally rolled and flows between the electrodes 310 and 320 overlapping each other to have a sufficient contact area with the electrode surface. Accordingly, the capacitive deionization module 10 according to the present invention can maintain sufficient water treatment performance while minimizing dimensions in the longitudinal direction and in the radial direction.

한편, 전극들(310, 320)에 이온들이 충분히 흡착되어 더 이상 전극들(310, 320)에 이온 흡착이 이루어지지 않으면, 처리수의 전도도가 상승하게 된다. 이 처리수의 전도도가 설정값을 초과하면 본 발명에 따른 축전식 탈이온 장치의 운전 모드가 종료되고, 재생 공정이 진행된다.On the other hand, when ions are sufficiently adsorbed to the electrodes 310 and 320 so that ions are no longer adsorbed to the electrodes 310 and 320, the conductivity of the treated water is increased. When the conductivity of the treated water exceeds the set value, the operation mode of the capacitive deionization apparatus according to the present invention is terminated, and the regeneration process proceeds.

도 7a 내지 7c를 참조하여, 본 발명에 따른 축전식 탈이온 장치의 재생 모드를 설명한다. 도 7a는 설명의 편의를 위해 전극들을 이격시켜 도시한 개념도이고, 도 7b는 1개의 축전식 탈이온 모듈을 구비한 축전식 탈이온 장치를 도시한 단면도이며, 도 7c는 2개의 축전식 탈이온 모듈을 구비한 축전식 탈이온 장치를 도시한 단면도이다.With reference to Figures 7a to 7c, the regeneration mode of the capacitive deionization apparatus according to the present invention will be described. 7A is a conceptual diagram showing electrodes separated from each other for convenience of description, FIG. 7B is a cross-sectional view showing a capacitive deionization device having one capacitive deionization module, and FIG. 7C is a two capacitive deionization It is a cross-sectional view showing a capacitive deionization device equipped with a module.

재생 모드에서, 전원은 운전 모드에서의 전원과 극성이 전환되어 전극들(310, 320)에 인가된다. 즉, 양전극(310)에는 음전하가 그리고 음전극(320)에는 양전하가 인가된다. 또한, 유체의 유동 경로 역시 운전 모드와는 반대로 전환되어, 처리수 관(200)을 통해 유입된 처리수가 전극 표면을 통하여 하우징(100)의 다수의 유입공(110)으로 배출되고, 베셀(600, 700)의 유입수 입구(610, 710)를 통해 베셀 외부로 배출된다.In the regeneration mode, power is applied to the electrodes 310 and 320 by switching the power and polarity in the driving mode. That is, a negative charge is applied to the positive electrode 310 and a positive charge is applied to the negative electrode 320. In addition, the flow path of the fluid is also switched opposite to the operation mode, so that the treated water introduced through the treated water pipe 200 is discharged to the plurality of inlet holes 110 of the housing 100 through the electrode surface, and the vessel 600 , 700) is discharged to the outside of the vessel through the inlet (610, 710).

재생 모드에서, 전극들에 반대 극성의 전원이 일정시간 동안 인가되면, 전극에 남아있던 전하를 중화시키고 전극에 흡착된 이온들은 처리수 관을 통해 유입된 처리수와 함께 전극 표면으로부터 밀려나간다. 그러면 절연 망사(330) 측에는 양전극(310)에서 흡착되어 있다가 음전하로 역전되어 밀려나온 음이온과 음전극(320)에서 흡착되어 있다가 양전하로 역전되어 밀려나온 양이온이 모이게 되고, 이 이온들은 처리수 관(200)을 통해 유입된 처리수와 함께 하우징(100)의 다수의 유입공(110)으로 배출되고, 베셀(600, 700)의 유입수 입구(610, 710)를 통해 베셀 외부로 배출된다.In the regeneration mode, when power of opposite polarity is applied to the electrodes for a certain period of time, charges remaining on the electrode are neutralized and ions adsorbed on the electrode are pushed out of the electrode surface together with the treated water introduced through the treated water tube. Then, on the side of the insulating mesh 330, anions adsorbed from the positive electrode 310 and pushed out by being reversed to a negative charge and cations pushed out by being adsorbed from the negative electrode 320 and reversed to a positive charge are collected. The treated water introduced through 200 is discharged to the plurality of inlet holes 110 of the housing 100, and discharged to the outside of the vessel through the inlet water inlets 610 and 710 of the vessels 600 and 700.

이때, 전극 표면으로부터 밀려난 이온들은 극성이 전환된 다른 전극 표면에 흡착되려는 성질을 갖고 있어, 재생 모드 중에 일부의 이온들이 전극 표면에 흡착된 상태가 될 수 있다. 그러면, 운전 모드로의 전환 시에 전극의 흡착 성능이 저하될 수 있다.At this time, since the ions pushed from the electrode surface have a property of being adsorbed to the surface of another electrode whose polarity has been switched, some ions may be adsorbed to the electrode surface during the regeneration mode. Then, when switching to the operation mode, the adsorption performance of the electrode may be deteriorated.

이를 방지하기 위해, 종래에는 양이온만 통과 가능한 양이온 교환막을 양전극 표면에 설치하고, 음이온만 통과 가능한 음이온 교환막을 음이온 표면에 설치하고, 이온 교환막들 사이에 유로가 형성되도록 스페이서를 설치하여야 했다.To prevent this, conventionally, a cation exchange membrane capable of passing only cations was installed on the surface of a positive electrode, an anion exchange membrane capable of passing only anions was installed on the surface of an anion, and spacers had to be installed so that a flow path was formed between the ion exchange membranes.

그러나, 이러한 이온 교환막들 및 스페이서는 장치의 크기 및 제작 비용을 증가시키는 원인이 된다.However, these ion exchange membranes and spacers cause an increase in the size and manufacturing cost of the device.

본 발명에 따른 축전식 탈이온 장치는, 재생 모드에서 세척된 이온들이 다시 전극 표면에 흡착되는 것을 방지하기 위해 별도의 이온 교환막을 이용하지 않고, 전원의 극성을 주기적으로 전환시켜 재생 모드를 수행한다.The capacitive deionization device according to the present invention performs the regeneration mode by periodically switching the polarity of the power source without using a separate ion exchange membrane to prevent the ions washed in the regeneration mode from being adsorbed on the electrode surface again. .

구체적으로, 재생 모드 시, 양극 단자(530) 및 음극 단자(510)를 통해 양전극(310) 및 음전극(320)에 공급되는 전원은 재생 모드의 재생시간 동안 최소 50회 이상 극성이 전환되도록 제어된다. 이때, 운전 모드에서 재생 모드로의 전환 시, 전원은 운전 모드에서의 전원의 극성과 반대로 전환된 후 재생에 충분한 시간만큼 반대 극성으로 공급된 후, 재생 모드 중에 분당 최소 50회 이상 극성이 전환되도록 제어된다.Specifically, in the reproduction mode, the power supplied to the positive electrode 310 and the negative electrode 320 through the positive terminal 530 and the negative terminal 510 is controlled so that the polarity is switched at least 50 times during the reproduction time of the reproduction mode. . At this time, when switching from the operation mode to the regeneration mode, the power is reversed from the polarity of the power in the operation mode and supplied in the opposite polarity for a sufficient time for regeneration, and the polarity is switched at least 50 times per minute during the regeneration mode. Is controlled.

이에 따라, 전극으로부터 탈리된 이온들은 반대 극성의 전극 측에 다시 흡착되기 전에 전극의 극성이 전환되어 전극으로의 이온 흡착이 이루어지지 않는다. 따라서, 별도의 이온 교환막을 이용하지 않고, 재생 모드 중에 탈리된 이온들이 전극에 재흡착되는 것을 방지할 수 있어, 운전 모드에서의 처리 성능 저하를 방지하고 전극에 스케일이 형성되는 것을 방지할 수 있다. Accordingly, the polarity of the electrode is switched before the ions desorbed from the electrode are adsorbed to the electrode side of the opposite polarity again, and ions are not adsorbed to the electrode. Therefore, without using a separate ion exchange membrane, it is possible to prevent re-adsorption of ions desorbed on the electrode during the regeneration mode, thereby preventing deterioration of the treatment performance in the operation mode and the formation of scale on the electrode. .

이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above are merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and the scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims. In addition, a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention, and all technical ideas within the scope equivalent to the present invention are It should be interpreted as being included in the scope of rights.

Claims (8)

원통형의 하우징;
상기 하우징의 중심축을 따라 설치되는 처리수 관;
상기 처리수 관으로부터 상기 하우징의 내벽 측으로 연장된 복수의 판형 전극들; 및
상기 하우징의 상면 및 하면에 설치되고, 상기 처리수 관이 관통되는 상부 커버 및 하부 커버를 포함하고,
상기 전극들은 서로 교번적으로 배치된 양전극과 음전극을 포함하고, 상기 음전극은 상기 처리수 관과 인접한 단부가 음극 단자와 연결되도록 상기 처리수 관의 상부에 설치된 음전극 링을 통해 상기 처리수 관과 전기적으로 연결되고, 상기 양전극은 상기 하우징의 내벽에 설치된 양전극 판과 전기적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈이온 모듈.
Cylindrical housing;
A treated water pipe installed along the central axis of the housing;
A plurality of plate-shaped electrodes extending from the treated water pipe toward the inner wall of the housing; And
It is installed on the upper and lower surfaces of the housing and includes an upper cover and a lower cover through which the treated water pipe passes,
The electrodes include a positive electrode and a negative electrode alternately arranged with each other, and the negative electrode is electrically connected to the treated water tube through a negative electrode ring installed on the treated water tube so that an end adjacent to the treated water tube is connected to a negative terminal. And the positive electrode is in electrical contact with the positive electrode plate installed on the inner wall of the housing.
 제1항에 있어서,
상기 전극들은 나선형으로 말려서 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 전극들 중 음전극은 상기 양전극 및 상기 양전극 판과 전기적으로 접촉하지 않도록 절연 망사로 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 축전식 탈이온 모듈.
The method of claim 1,
The electrodes are spirally rolled and disposed inside the housing, and a negative electrode among the electrodes is surrounded by an insulating mesh so as not to electrically contact the positive electrode and the positive electrode plate.
 제1항에 있어서,
상기 상부 커버 또는 하부 커버는 상기 양전극에 전원이 인가되도록 상기 양전극 판과 연결된 양극 단자 및 상기 음전극에 전원이 인가되도록 상기 음전극 링과 연결된 음극 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈이온 모듈.
The method of claim 1,
The capacitive deionization module, wherein the upper cover or the lower cover includes a positive terminal connected to the positive electrode plate so that power is applied to the positive electrode, and a negative terminal connected to the negative electrode ring so that power is applied to the negative electrode.
 제1항에 있어서,
상기 처리수 관은 복수의 관통공을 구비하고,
운전 모드 시, 상기 하우징 내부로 유입된 유체는 상기 관통공을 통해 상기 처리수 관으로 유입되어 상기 처리수 관을 따라 상기 하우징 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈이온 모듈.
The method of claim 1,
The treated water pipe has a plurality of through holes,
In the operation mode, the fluid flowing into the housing is introduced into the treated water pipe through the through hole and discharged to the outside of the housing along the treated water pipe.
 제1항에 따른 축전식 탈이온 모듈; 및
상기 축전식 탈이온 모듈이 내장되는 원통형의 베셀을 포함하고,
상기 베셀은 일측에 유입수 입구를 구비하고, 상기 하우징은 외주에 유입공을 구비하고,
상기 상부 커버와 인접한 상기 하우징의 외주에는 오링 홈이 형성되고, 상기 오링 홈에는 상기 하우징과 상기 베셀 사이를 밀폐하는 오링이 설치되어, 상기 유입수 입구로 유입된 유입수는 상기 하부 커버 측의 상기 하우징과 상기 베셀 사이의 틈을 거쳐 상기 유입공으로 유입되어 상기 하우징 내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈이온 장치.
The capacitive deionization module according to claim 1; And
It includes a cylindrical vessel in which the capacitive deionization module is embedded,
The vessel has an inlet water inlet on one side, and the housing has an inlet hole on the outer periphery,
An O-ring groove is formed on the outer circumference of the housing adjacent to the upper cover, and an O-ring sealing between the housing and the vessel is installed in the O-ring groove, so that the influent water introduced into the inlet water is transferred to the housing on the lower cover side. A capacitive deionization device, characterized in that it is introduced into the inlet hole through a gap between the vessels and introduced into the housing.
 제5항에 있어서,
상기 베셀 내부에는 2개의 상기 축전식 탈이온 모듈이 길이방향으로 배치되고, 2개의 상기 축전식 탈이온 모듈 사이에는 2개의 처리수 관을 연결하는 커넥터가 설치되며, 상기 유입수 입구는 상기 커넥터와 인접한 상기 베셀의 중심 측에 구비되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈이온 장치.
The method of claim 5,
Inside the vessel, two capacitive deionization modules are disposed in a longitudinal direction, a connector connecting two treated water pipes is installed between the two capacitive deionization modules, and the inlet water inlet is adjacent to the connector. Capacitive deionization device, characterized in that provided on the center side of the vessel.
 제5항에 있어서
재생 모드 시, 재생시간 동안 공급되는 전원은 운전 모드에서의 전원의 극성과 반대로 전환된 후 일정시간 동안 반대 극성으로 공급된 후, 재생 모드 중에 분당 50회 이상 극성이 전환되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈이온 장치.The method of claim 5
In the regeneration mode, the power supplied during the regeneration time is switched to the opposite polarity of the power in the operation mode and then supplied in the opposite polarity for a certain period of time, and then the polarity is controlled so that the polarity is switched at least 50 times per minute during the regeneration mode. Capacitive deionization device. 삭제delete
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