KR102188108B1 - Patterned ion exchange membrane for reducing pressure and RED comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 교환막; 및 이온 교환막 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재를 포함하고, 돌출부재는, 가상의 기준선을 기준으로 연장되되, 기준선을 따라 복수 회 기준선과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡된 곡선부를 포함하며, 기준선과 교차하는 복수 개의 교차점 중 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격과, 해당 간격 내에서 기준선과 돌출부재 사이의 최대 거리의 비율은 3 내지 8 : 1인, 패턴형 이온 교환막을 제공한다.The present invention is an ion exchange membrane; And a plurality of protrusion members provided at predetermined intervals to guide the flow of fluid on the ion exchange membrane, wherein the protrusion members extend based on an imaginary reference line, and cross the reference line multiple times along the reference line in different directions. A patterned ion including a curved curved part, and the ratio of the distance between the two adjacent intersections among the plurality of intersections that intersect the reference line and the maximum distance between the reference line and the protruding member within the distance is 3 to 8:1. Provide an exchange membrane.

Description

압력 저감을 위한 패턴형 이온 교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치{Patterned ion exchange membrane for reducing pressure and RED comprising the same}Patterned ion exchange membrane for reducing pressure and reverse electrodialysis device including the same

본 발명은 역전기투석장치(RED) 내에서 압력을 저감할 수 있는 패턴형 이온 교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치에 관한 것이다.The present invention relates to a pattern-type ion exchange membrane capable of reducing pressure in a reverse electrodialysis device (RED) and a reverse electrodialysis device including the same.

역전기투석 (Reverse-electrodialysis, RED) 장치는 용해되어 있는 이온이 갖는 농도차를 전기화학적 방법을 통해 전기에너지로 전환하는 장치로써 이러한 기술범주를 통틀어 농도차 발전이라고 한다. The reverse-electrodialysis (RED) device is a device that converts the difference in concentration of dissolved ions into electrical energy through an electrochemical method, and is referred to as concentration difference power generation across these technical categories.

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.A reverse electrodialysis device generally uses a gasket and a spacer at the same time to form a flow path for seawater and freshwater. In the case of generating electricity by using the difference in concentration of the electrolyte, such as reverse electrodialysis, the characteristics of the ion exchange membrane It is one of the important factors affecting efficiency, etc.

가스켓은 실리콘, PTFE 등과 같은 물에 대한 화학적 저항성이 높은 재질을 사용하는 것이 일반적이며, 전기적 전도성이 매우 낮아야 한다.It is common to use a material with high chemical resistance to water, such as silicone or PTFE, and the electrical conductivity must be very low.

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.Meanwhile, spacers are placed between the alternately stacked cation exchange membranes and anion exchange membranes to maintain the gap between the membranes, and when the flow rate of influent water is low, mixing of the fluid is induced by the spacer to prevent concentration polarization formed at the interface between the ion exchange membrane and the fluid. 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, negative effects such as shadow effect (a phenomenon in which the area in contact with the water and the ion exchange membrane relatively decreases as the area in contact with the ion exchange membrane and the spacer increases) can be adversely affected. In addition, the flow flow is restricted by the spacer, leading to a high pressure loss in the reverse electrodialysis device.

상기와 같은 스페이서에 의한 압력손실에 의해 유입수내에 존재하는 오염물질이 스페이서의 공극에 붙는 오염 현상이 발생하게 된다. 이러한 오염 현상은 역전기투석 장치의 장기적 운전 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 비가역적인 오염반응을 감소시키거나 방지 또는 회복하는데 많은 에너지를 소모하여 역전기투석 장치의 유지보수에 매우 심각한 문제를 일으킨다.Due to the pressure loss due to the spacer as described above, a contamination phenomenon in which contaminants present in the inflow water adhere to the spacers of the spacer occurs. This contamination phenomenon not only degrades the long-term operation performance of the reverse electrodialysis apparatus, but also consumes a lot of energy to reduce, prevent, or recover irreversible contamination reactions, causing a very serious problem in the maintenance of the reverse electrodialysis apparatus.

역전기투석 장치에서 스페이서 사용 시 압력 손실 등의 문제는 매우 중요하며, 특히 스페이서에 오염이 시작되면 압력 손실이 더욱 커지게 되어 펌프 등에서 에너지 소모가 증가하고, 결과적으로 시스템의 에너지 효율이 감소하게 된다.When using a spacer in a reverse electrodialysis device, problems such as pressure loss are very important.In particular, when contamination starts on the spacer, the pressure loss increases further, resulting in an increase in energy consumption in the pump, etc., resulting in a decrease in system energy efficiency. .

이에 대한 해결 방안으로 유로를 확보할 수 있는 프로파일 (또는 패턴형) 멤브레인이 2010년 이후 보고되고 있으며, Post 등은 종래 특허 WO 2010/104381에 나타낸 바와 같이, 프로파일 이온교환막을 처음으로 보고하였다. As a solution to this, a profile (or patterned) membrane capable of securing a flow path has been reported since 2010, and Post et al. reported for the first time a profiled ion exchange membrane, as shown in the prior patent WO 2010/104381.

Vermaas 등 (2011) 은 논문에서 몰드를 제작 후 열로 이온교환막의 형태에 변형을 가하여 채널을 만든 후 이를 RED에 적용하였다. 채널 형성으로 압력 손실은 감소하였지만, 막의 특성이 감소하거나, 이온교환막 자체의 성능이 낮은 (두께가 두꺼운) 막을 선택하여야 하기 때문에 RED의 성능향상을 위한 바람직한 방법은 아니며, 대량 생산에 한계가 있다.In the thesis, Vermaas et al. (2011) made a mold and applied it to RED after making a channel by modifying the shape of the ion exchange membrane with heat. Although the pressure loss was reduced due to the formation of the channel, it is not a preferred method for improving the performance of RED, and there is a limit to mass production because the characteristics of the membrane are reduced or the performance of the ion exchange membrane itself (thick) must be selected.

이러한 방식은 이온교환막의 대량 생산에 있어서 경제성이 떨어지며, 높은 전기화학적 막 저항을 갖으며, 열경화 또는 열소성 변형 등의 과정을 거치면서 이온교환막의 화학적 내구성 및 안전성이 감소하는 문제점이 있다.This method has a problem in that economic efficiency in mass production of an ion exchange membrane is low, has a high electrochemical membrane resistance, and chemical durability and safety of the ion exchange membrane are reduced while undergoing a process such as thermosetting or thermoplastic transformation.

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, such as a reverse electrodialysis device, a spacer is used to prevent contact between adjacent ion exchange membranes and secure a flow path of influent water, but the internal resistance and pressure difference between the outflow water are reduced. There was a problem of reducing the amount of output that can be obtained through 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 using the difference in concentration between electrolytes, polyvalent ions in the electrolyte induce contamination of the ion exchange membrane, and as a result, there is a problem of reducing the output of the entire device.

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

본 발명은 역전기투석 장치내부에서 압력이 저감되어 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 pattern-type ion exchange membrane capable of reducing a pressure difference by reducing a pressure inside a reverse electrodialysis apparatus, and a reverse electrodialysis apparatus including the same.

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 capable of preventing contamination of the ion exchange membrane due to polyvalent ions, and a reverse electrodialysis device including the same.

또한, 본 발명은 디스펜서 또는 잉크젯 장치인 패터닝 장치를 이용하여, 이온교환막 상에 패턴을 형성함으로써 패턴형 이온 교환막의 대량 생산이 가능한 패턴형 이온교환막을 제공하데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a patterned ion exchange membrane capable of mass-producing a patterned ion exchange membrane by forming a pattern on the ion exchange membrane using a patterning device which is a dispenser or an inkjet device.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 이온 교환막; 및 이온 교환막 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재를 포함하고, 돌출부재는, 가상의 기준선을 기준으로 연장되되, 기준선을 따라 복수 회 기준선과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡된 곡선을 포함하며, 기준선과 교차하는 복수 개의 교차점 중 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격과, 해당 간격 내에서 기준선과 돌출부재 사이의 최대 거리의 비율은 3 내지 8: 1인, 패턴형 이온 교환막을 제공한다.In order to solve the above problems, according to an aspect of the present invention, an ion exchange membrane; And a plurality of protrusion members provided at predetermined intervals to guide the flow of fluid on the ion exchange membrane, wherein the protrusion members extend based on an imaginary reference line, and cross the reference line multiple times along the reference line in different directions. A patterned ion that includes a curved curve, and the ratio of the distance between two adjacent intersections among a plurality of intersections that intersect the reference line and the maximum distance between the reference line and the protruding member within the distance is 3 to 8: 1. Provide an exchange membrane.

또한, 인접하는 2개의 돌출부재 사이의 간격은, 0.5mm 내지 3mm 의 범위를 갖는다.In addition, the interval between the adjacent two protruding members has a range of 0.5 mm to 3 mm.

또한, 돌출부재는, 소정의 폭 및 높이를 가지며, 폭은 0.05mm 내지 3mm, 높이는 0.05 mm 내지 0.5mm 의 범위를 각각 갖는다.In addition, the protruding member has a predetermined width and height, and has a width of 0.05 mm to 3 mm, and a height of 0.05 mm to 0.5 mm, respectively.

또한, 돌출부재는, 비이온전도성 소재 및 이온전도성 소재 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 포함하며, 비이온전도성 소재는, (메타)아크릴레이트계 수지, 아마이드계 수지, 우레탄-(메타)아크릴레이트계 수지 중 적어도 하나를 포함하고, 이온전도성 소재는, 이온교환막이 양이온 교환막일 때, 술폰산 또는 카르복실기를 가지는 (메타)아크릴레이트계 또는 아마이드계 수지 중 적어도 하나를 포함하며, 이온교환막이 음이온 교환막일 때, 4차암모늄기 또는 이미다졸륨을 가지는 (메타)아크릴레이트계 또는 아마이드계 수지 중 적어도 하나를 포함한다.In addition, the protruding member includes one formed of at least one of a nonionic conductive material and an ion conductive material, and the nonionic conductive material includes (meth)acrylate-based resin, amide-based resin, urethane-(meth)acrylate-based When the ion exchange membrane is a cation exchange membrane, the ion conductive material includes at least one of a (meth)acrylate-based or amide-based resin having a sulfonic acid or carboxyl group, and the ion exchange membrane is an anion exchange membrane , At least one of a (meth)acrylate-based or amide-based resin having a quaternary ammonium group or imidazolium.

또한, 돌출부재는, 디스펜서 또는 잉크젯 장치를 이용하여 프린팅 된 것을 포함한다.In addition, the protruding member includes one printed using a dispenser or an inkjet device.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 산화전극; 산화전극과 전기적으로 연결된 환원전극; 및 산화전극과 환원전극 사이에 배치되는 복수 개의 패턴형 이온 교환막; 을 포함하고, 패턴형 이온 교환막은, 이온 교환막; 및 이온 교환막 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재를 포함하고, 돌출부재는, 가상의 기준선을 기준으로 연장되되, 기준선을 따라 복수 회 기준선과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡된 곡선을 포함하며, 기준선과 교차하는 복수 개의 교차점 중 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격과, 해당 간격 내에서 기준선과 돌출부재 사이의 최대 거리의 비율은 3 내지 8 : 1 을 갖도록 각각 마련된, 역전기투석장치를 제공한다.In addition, according to another aspect of the present invention, the anode; A cathode electrically connected to the anode; And a plurality of patterned ion exchange membranes disposed between the anode and cathode. Including, the pattern-type ion exchange membrane, the ion exchange membrane; And a plurality of protrusion members provided at predetermined intervals to guide the flow of fluid on the ion exchange membrane, wherein the protrusion members extend based on an imaginary reference line, and cross the reference line multiple times along the reference line in different directions. It includes a curved curve, and the ratio of the distance between two adjacent intersections among the plurality of intersections that intersect the reference line and the maximum distance between the reference line and the protruding member within the distance is 3 to 8:1, respectively, Provide reverse electrodialysis devices.

또한, 복수 개의 패턴형 이온 교환막은, 패턴형 양이온 교환막 및 패턴형 음이온 교환막을 포함한다.Further, the plurality of patterned ion exchange membranes include a patterned cation exchange membrane and a patterned anion exchange membrane.

또한, 역전기투석장치 내부에 패턴형 양이온 교환막과 패턴형 음이온 교환막이 교번하여 배치될 때, 돌출부재의 길이방향을 기준으로 음이온 교환막의 돌출부재는, 양이온 교환막의 돌출부재와 45도 내지 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치된 것을 포함한다.In addition, when the pattern-type cation exchange membrane and the pattern-type anion exchange membrane are alternately arranged inside the reverse electrodialysis device, the protruding member of the anion exchange membrane based on the longitudinal direction of the protruding member is 45 degrees to 90 degrees with the protruding member of the cation exchange membrane. It includes those arranged to be rotated to have an angle.

또한, 역전기투석장치 내부에 패턴형 양이온 교환막과 패턴형 음이온 교환막이 교번하여 배치될 때, 돌출부재의 길이방향을 기준으로, 음이온 교환막의 돌출부재는 양이온 교환막의 돌출부재와 60도 각도를 갖도록 회전하여 배치된 것을 포함한다.In addition, when the pattern-type cation exchange membrane and the pattern-type anion exchange membrane are alternately disposed inside the reverse electrodialysis device, the protruding member of the anion exchange membrane has a 60 degree angle with the protruding member of the cation exchange membrane based on the length direction of the protruding member. Includes things that are arranged by rotation.

또한, 역전기투석장치 내부에 패턴형 양이온 교환막과 패턴형 음이온 교환막이 교번하여 배치될 때, 돌출부재의 길이방향을 기준으로, 음이온 교환막의 돌출부재는 양이온 교환막의 돌출부재와 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치된 것을 포함한다.In addition, when the pattern-type cation exchange membrane and the pattern-type anion exchange membrane are alternately disposed inside the reverse electrodialysis device, the protruding member of the anion exchange membrane has a 90 degree angle with the protruding member of the cation exchange membrane based on the longitudinal direction of the protruding member. Includes things that are rotated and placed.

또한, 역전기투석장치는, 하나 이상의 유입구 및 배출구를 각각 가지며, 내부에 패턴형 양이온 교환막 및 패턴형 음이온 교환막이 교번하여 적층 될 때, 인접하는 2개의 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 돌출부재는, 동일 평면 상에서 기준선을 기준으로 좌우 대칭 구조를 갖도록 배치된 것을 포함한다.In addition, the reverse electrodialysis apparatus has one or more inlets and outlets, respectively, and when a pattern-type cation exchange membrane and a pattern-type anion exchange membrane are alternately stacked therein, the protruding members of two adjacent cation exchange membranes or anion exchange membranes are the same. It includes those arranged to have a left-right symmetric structure with respect to a reference line on a plane.

또한, 유입구는, 저농도 용액이 유입되는 제1 유입구 및 고농도 용액이 유입되는 제2 유입구를 포함하며, 역전기투석장치의 중심부를 기준으로, 제1 유입구와 제2 유입구는 45도 내지 90도 각도를 갖도록 형성된 것을 포함한다.In addition, the inlet includes a first inlet through which a low concentration solution is introduced and a second inlet through which a high concentration solution is introduced, and the first inlet and the second inlet are at an angle of 45 degrees to 90 degrees based on the center of the reverse electrodialysis device. Includes those formed to have.

또한, 인접하는 2개의 돌출부재 사이의 간격은, 0.5mm 내지 3mm 의 범위를 갖는 것을 포함한다.In addition, the spacing between the adjacent two protruding members includes those having a range of 0.5 mm to 3 mm.

또한, 돌출부재는, 소정의 폭 및 높이를 가지며, 폭은 0.05mm 내지 3mm, 높이는 0.05 mm 내지 0.5mm 의 범위를 각각 갖는 것을 포함한다.In addition, the protruding members include those having a predetermined width and height, each having a width ranging from 0.05 mm to 3 mm, and a height ranging from 0.05 mm to 0.5 mm.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 패턴형 이온교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the patterned 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.

본 발명에 따르면, 물결 형상의 패턴을 갖는 이온교환막을 제조하여 구조를 변화시킴으로써, 내부 저항 및 유출수간의 압력 차를 줄일 수 있고, 유입수에 의한 이온교환막의 오염을 방지할 수 있다.According to the present invention, by manufacturing an ion exchange membrane having a wavy pattern and changing the structure, it is possible to reduce the pressure difference between the internal resistance and the outflow water, and to prevent contamination of the ion exchange membrane by inflow water.

또한, 서로 소정 각도를 갖도록 유입구들을 역전기투석장치에 형성하여 내부에 적층되는 양이온교환막과 음이온교환막의 배치를 변화시킴으로써, 보다 향상된 출력 밀도를 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, by forming inlets to have a predetermined angle to each other in the reverse electrodialysis apparatus and changing the arrangement of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane laminated therein, there is an effect of obtaining a more improved power density.

또한, 이온교환막을 컨베이어 방식으로 연속적으로 대량 생산하는 롤투롤(Roll To Roll, R2R) 방식에 디스펜서 또는 잉크젯 방식을 추가로 적용함으로써 보다 용이하게 패턴형 이온 교환막을 제작할 수 있는 효과가 있다.In addition, by applying a dispenser or inkjet method to a roll-to-roll (R2R) method in which an ion exchange membrane is continuously mass-produced by a conveyor method, there is an effect that a pattern-type ion exchange membrane can be manufactured more easily.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 패턴형 이온교환막을 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 패턴형 이온교환막의 부분 확대도이다.
도 4는 도 1에 도시된 패턴형 이온교환막의 사진이다.
도 5는 도 1에 도시된 패턴을 형성하기 위해 사용되는 디스펜서 또는 잉크젯 장치를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석장치를 나타낸 개략도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석장치들의 정면에서 본 개략도들이다.
도 10 및 도 11은, 본 발명의 역전기투석장치 내부에 적층된 상태의 패턴형 음이온 교환막 및 패턴형 양이온 교환막을 도시한 개략도이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴형 이온교환막을 동일 평면상에 배치한 상태를 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 실시예 및 비교예를 설명하기 위해 나타낸 도면들이다.1 and 2 are schematic diagrams showing a patterned ion exchange membrane related to an embodiment of the present invention.
3 is a partially enlarged view of the patterned ion exchange membrane shown in FIG. 2.
4 is a photograph of the pattern-type ion exchange membrane shown in FIG. 1.
5 is a photograph showing a dispenser or inkjet device used to form the pattern shown in FIG. 1.
6 is a schematic diagram showing a reverse electrodialysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
7 to 9 are schematic diagrams viewed from the front of reverse electrodialysis devices according to an embodiment of the present invention.
10 and 11 are schematic diagrams showing a pattern-type anion exchange membrane and a pattern-type cation exchange membrane stacked inside the reverse electrodialysis apparatus of the present invention.
12 is a view showing a state in which the patterned ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention is disposed on the same plane.
13 to 18 are diagrams illustrating examples and comparative examples of the present invention.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴형 이온교환막 및 이를 포함하는 역전기투석장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a pattern-type 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, regardless of the reference numerals, the same or corresponding components are given the same or similar reference numbers, and duplicate descriptions thereof will be omitted, and the size and shape of each component member shown for convenience of explanation are exaggerated or reduced. Can be.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 패턴형 이온교환막(10)을 나타내는 개략도이고, 도 3은 도 2에 도시된 패턴형 이온교환막의 부분 확대도이며, 도 4는 도 1에 도시된 패턴형 이온교환막의 사진이다.1 and 2 are schematic diagrams showing a patterned ion exchange membrane 10 according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a partially enlarged view of the patterned ion exchange membrane shown in FIG. 2, and FIG. 4 is This is a photograph of the patterned ion exchange membrane shown.

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 devices in which the ion exchange membrane is used, for example, a reverse electrodialysis device or a capacitive desalination device.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 패턴형 이온교환막(10)은 이온 교환막(100) 및 이온 교환막(100) 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재(200)를 포함한다.1 to 4, the pattern-type ion exchange membrane 10 includes an ion exchange membrane 100 and a plurality of protruding members 200 provided at predetermined intervals to guide the flow of fluid on the ion exchange membrane 100. do.

상기 이온교환막(100)은 이온교환수지로 형성될 수 있으며, 본 문서에서, 이온교환막(100)은 패턴형 이온교환막(10)이 양이온 교환막일 때, 통상의 양이온 수지 또는 패턴형 이온교환막(10)이 음이온 교환막일 때, 통상의 음이온 수지로 형성될 수 있다.The ion exchange membrane 100 may be formed of an ion exchange resin. In this document, the ion exchange membrane 100 is a conventional cationic resin or a patterned ion exchange membrane 10 when the patterned ion exchange membrane 10 is a cation exchange membrane. When) is an anion exchange membrane, it may be formed of a conventional anion resin.

일 예로, 상기 이온교환막(100)의 두께는 10 내지 50㎛, 바람직하게 10 내지 20㎛, 보다 바람직하게 15 내지 17㎛ 또는 16㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the thickness of the ion exchange membrane 100 may be 10 to 50 μm, preferably 10 to 20 μm, more preferably 15 to 17 μm or 16 μm, but is not limited thereto.

이에 더하여, 상기 돌출부재(200)는 종래 스페이서를 대신하기 위해 이온교환막 상에 미세 구조물(돌출부재)을 패턴화시켜 인접하는 이온교환막 간의 간격 유지를 가능하게 하는 기능을 제공하고, 뿐만 아니라 복수 개의 돌출부재(200)를 통해 유체가 유동할 수 있는 채널 또는 유로를 제공한다.In addition, the protrusion member 200 provides a function of patterning a microstructure (protrusion member) on an ion exchange membrane to replace a conventional spacer to maintain a gap between adjacent ion exchange membranes, as well as a plurality of A channel or flow path through which a fluid can flow through the protruding member 200 is provided.

상기 돌출부재(200)는, 가상의 기준선(K)을 기준으로 연장되되, 기준선(K)을 따라 복수 회 기준선(K)과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡된 곡선부를 포함한다.The protrusion member 200 extends with respect to the virtual reference line K, and includes curved portions that are curved in different directions along the reference line K to cross the reference line K a plurality of times.

이 때, 상기 기준선(K)과 교차하는 복수 개의 교차점(P) 중 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격(r1)과, 해당 간격(r1) 내에서 기준선(K)과 돌출부재(200) 사이의 최대 거리(r2)의 비율은 3 내지 8 :1 일 수 있다.At this time, the distance r1 between two adjacent intersections among the plurality of intersections P intersecting the reference line K, and between the reference line K and the protruding member 200 within the distance r1. The ratio of the maximum distance r2 may be 3 to 8:1.

구체적으로, 상기 돌출부재(200)는, 가상의 기준선(K)을 기준으로, 제1 방향(d1)으로 만곡된 제1 곡선(211)과 제1 곡선(211)에서 연장되며, 제1 방향(d1)과 반대방향인 제2 방향(d2)으로 만곡된 제2 곡선(212)을 포함한다.Specifically, the protrusion member 200 extends from the first curve 211 and the first curve 211 curved in the first direction d1 based on the virtual reference line K, and the first direction It includes a second curve 212 curved in a second direction d2, which is the opposite direction to (d1).

상기 복수 개의 교차점(P)은, 제1 곡선(211)에서 제2 곡선(212)으로 변하는 변곡점 또는 제2 곡선(212)에서 제1 곡선(211)으로 변하는 변곡점을 의미할 수 있으며, 제1 및 제2 곡선(211, 212)의 시작점 또는 끝점을 의미할 수 있다. (도 2 참조) The plurality of intersection points P may mean an inflection point that changes from the first curve 211 to the second curve 212 or a inflection point that changes from the second curve 212 to the first curve 211, and the first And a start point or an end point of the second curves 211 and 212. (See Fig. 2)

또한, 본 문서에서, 상기 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격(r1)은, 제1 간격(r1)으로 지칭될 수 있고, 제1 간격(r1) 내에서 기준선(K)과 돌출부재(200) 사이의 최대 거리(r2)는 제2 간격(r2)으로 지칭될 수 있다.Further, in this document, the distance r1 between the two adjacent intersections may be referred to as a first distance r1, and the reference line K and the protruding member 200 within the first distance r1 The maximum distance r2 between them may be referred to as a second interval r2.

상기 제2 간격(r2)은, 인접하는 2개의 교차점(P) 사이를 잇는 기준선에서 제1 곡선(211) 또는 제2 곡선(212)의 최대점까지의 길이로 정의될 수 있다.The second interval r2 may be defined as a length from a reference line connecting two adjacent intersection points P to a maximum point of the first curve 211 or the second curve 212.

즉, 제1 간격(r1)과 제2 간격(r2)은, 3 내지 8 : 1의 비율을 가질 수 있다.That is, the first interval r1 and the second interval r2 may have a ratio of 3 to 8:1.

상기 제1 간격(r1)과 제2 간격(r2)이 상기의 비율 범위를 벗어나는 경우, 제1 곡선 및 제2 곡선이 형성되지 않고, 직선형에 가까운 형태로 나타나게 되어 전해질 유출입시 압력 저감의 효과가 현저히 저하될 수 있다.When the first and second intervals r1 and r2 are out of the above ratio range, the first and second curves are not formed, but appear in a form close to a straight line. It can be significantly reduced.

상기 제1 간격(r1)은 기준선을 기준으로, 제1 곡선(211) 또는 제2 곡선(212) 각각의 시작점에서 끝점을 잇는 직선구간의 길이를 의미할 수 있고, 제2 간격(r2)은 제1 곡선(211) 또는 제2 곡선(212) 각각의 시작점에서 끝점을 잇는 직선구간의 중앙지점에서 직선과 수직한 수직선이 제1 곡선(211) 및 제2 곡선(212)과 맞닿는 각각의 직선구간의 길이를 의미할 수 있다.The first interval r1 may refer to a length of a straight line connecting the start point to the end point of each of the first curve 211 or the second curve 212 based on the reference line, and the second interval r2 is Each of the first curve 211 or the second curve 212 is a straight line in contact with the first curve 211 and the second curve 212 at the center point of the straight line section connecting the start point to the end point. It can mean the length of the section.

일 예로, 제1 간격(r1)은 3mm 내지 8mm 일 수 있고, 이 때, 제2 간격(r2)는 1mm 내지 3mm일 수 있다.For example, the first spacing r1 may be 3mm to 8mm, and in this case, the second spacing r2 may be 1mm to 3mm.

상기 제1 간격 및 제2 간격이 상기의 범위를 벗어 나는 경우, 제1 곡선 및 제2 곡선이 형성되지 않고, 직선형에 가까운 형태로 나타나게 되어 전해질 유출입시 압력 저감의 효과가 현저히 저하될 수 있다.When the first and second intervals are out of the above ranges, the first curve and the second curve are not formed, but appear in a form close to a straight line, so that the effect of reducing the pressure when the electrolyte flows out and enters may be significantly reduced.

이에 더하여, 상기 인접하는 2개의 돌출부재(200) 사이 간격(d)은, 0.5mm 내지 3mm의 범위를 가질 수 있다.In addition, the distance d between the adjacent two protruding members 200 may have a range of 0.5mm to 3mm.

상기 인접하는 2개의 돌출부재(200) 각각의 사이 간격(d)이, 0.5mm 미만인 경우 실제 공정상 구현이 불가능한 문제점이 있으며, 3mm 초과 시 돌출 부재(200)가 형성되지 않은 이온교환막(지지막) 즉, 인접하는 2개의 돌출부재(200) 사이 영역(유체가 유동하는 유로 또는 채널이 라고도 함)이 아래로 처지면서, 패턴형 이온교환막을 적층할 때, 유체 유로를 막는 문제점이 발생하게 된다. If the distance (d) between each of the adjacent two protruding members 200 is less than 0.5mm, there is a problem that it is impossible to implement in the actual process, and if the protrusion member 200 is not formed when it exceeds 3mm, the ion exchange membrane (support membrane ) In other words, when the area between the adjacent two protruding members 200 (also referred to as a flow path or channel through which a fluid flows) sags down, a problem of blocking the fluid flow path occurs when stacking the patterned ion exchange membrane. .

또한, 상기 돌출부재(200)는, 소정의 폭(w) 및 높이(h)를 가지며, 폭(w)은 0.05mm 내지 3mm, 높이(h)는 0.05 mm 내지 0.5mm 인 범위를 각각 가질 수 있다.In addition, the protruding member 200 may have a predetermined width (w) and height (h), a width (w) of 0.05 mm to 3 mm, a height (h) of 0.05 mm to 0.5 mm, respectively. have.

특히, 상기 높이(h)는 0.05mm 내지 0.15mm의 범위를 가질 수 있다.In particular, the height h may have a range of 0.05mm to 0.15mm.

상기 돌출부재(200)의 폭(w)이 상기 범위를 벗어나는 경우, 기계적 안정성이 떨어지게 되며, 특히 간격이 0.05mm 미만이 되는 경우, 후술할 역전기투석 장치 내에서 압력이 증가하게 되는 문제점이 있다.When the width w of the protruding member 200 is out of the above range, mechanical stability is deteriorated, and in particular, when the interval is less than 0.05 mm, there is a problem that the pressure increases in the reverse electrodialysis device to be described later. .

또한, 상기 높이(h)가 상기 범위를 벗어나는 경우, 역전기투석 장치 내에서 압력이 증가하게 되며, 특히, 0.15mm 이상일 경우, 역전기 투석 장치 내에서 출력이 낮아지는 문제점이 발생한다. In addition, when the height h is out of the above range, the pressure increases in the reverse electrodialysis device. In particular, when it is 0.15 mm or more, the output decreases in the reverse electrodialysis device.

또한, 상기 돌출부재(200)는, 비이온전도성 소재 및 이온전도성 소재 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.In addition, the protruding member 200 may be formed of at least one of a nonionic conductive material and an ion conductive material.

구체적으로, 상기 돌출부재(200)는, 비이온전도성 소재로 형성될 수 있으며, 상기 비이온전도성 소재는, (메타)아크릴레이트계 수지, 아마이드계 수지, 및 우레탄-(메타)아크릴레이트계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Specifically, the protruding member 200 may be formed of a nonionic conductive material, and the nonionic conductive material is a (meth)acrylate-based resin, an amide-based resin, and a urethane-(meth)acrylate-based resin It may include at least one of.

또한, 상기 돌출부재(200)는, 이온전도성 소재로 형성될 수 있으며, 상기 이온 전도성 소재는, 이온교환막과 동일한 전하를 갖는 (메타)아크릴레이트계 또는 아마이드계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In addition, the protruding member 200 may be formed of an ion conductive material, and the ion conductive material may include at least one of a (meth)acrylate-based or amide-based resin having the same charge as the ion exchange membrane. .

구체적으로, 이온교환막이 양이온 교환막일 때, 측쇄에 술폰산(술폰산기) 또는 카르복실기(카르복실그룹)를 가지는 (메타)아크릴레이트계 또는 아마이드계 수지 중 적어도 하나를 포함하며, 이온교환막이 음이온 교환막일 때, 측쇄에 4차암모늄기(4차암모늄그룹) 또는 이미다졸륨을 가지는 (메타)아크릴레이트 또는 아마이드계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Specifically, when the ion exchange membrane is a cation exchange membrane, it contains at least one of a (meth)acrylate-based or amide-based resin having a sulfonic acid (sulfonic acid group) or a carboxyl group (carboxyl group) in the side chain, and the ion exchange membrane is an anion exchange membrane. In this case, at least one of a (meth)acrylate or amide-based resin having a quaternary ammonium group (quaternary ammonium group) or imidazolium in the side chain may be included.

예를 들어, 상기 돌출부재(200)는, 비이온전도성 소재로서 광경화용 잉크로 아크릴레이트계 단량체가 365nm의 UV를 조사하여 경화시켜 가교를 이룰수 있다.For example, the protruding member 200 is a non-ionic conductive material, which is a photocuring ink, and an acrylate-based monomer is cured by irradiating 365 nm of UV to achieve crosslinking.

본 발명의 돌출부재(200)의 제1 및 제2 곡선이 상기와 같은 비율을 갖고, 전술한 범위의 폭과 높이를 갖도록 물결(웨이브) 형상의 패턴을 형성함으로써, 유입 및 유출수 간의 압력 차를 줄일 수 있고, 이온 교환막에서 발생될 수 있는 오염(스케일링, 파울링 등)을 현저하게 방지할 수 있는 효과가 있다.By forming a wave (wave)-shaped pattern so that the first and second curves of the protruding member 200 of the present invention have the same ratio as described above and have a width and height within the above-described range, the pressure difference between the inflow and outflow water is reduced. It can be reduced, and there is an effect of remarkably preventing contamination (scaling, fouling, etc.) that may occur in the ion exchange membrane.

한편, 본 발명의 돌출부재(200)는, 디스펜서 또는 잉크젯 장치를 이용하여 프린팅 될 수 있다.Meanwhile, the protruding member 200 of the present invention may be printed using a dispenser or an inkjet device.

도 5는 상기 디스펜서(400) 또는 잉크젯 장치(500)를 나타낸 사진이다. 상기 디스펜서(400) 또는 잉크젯 장치(500)는, 이온교환막 상에 패턴을 형성하기 위해 사용될 수 있다.5 is a photograph showing the dispenser 400 or the inkjet device 500. The dispenser 400 or the inkjet device 500 may be used to form a pattern on the ion exchange membrane.

구체적으로, 도 5의 (a)는 디스펜서, (b)는 잉크젯 장치를 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 디스펜서와 잉크젯 방식의 패터닝 장치를 이용하여, 소정의 간격(d), 폭(w), 높이(h)를 갖도록 설계된 패턴(웨이브)을 형성하므로 보다 용이하게 패턴을 형성할 수 있으며, 패턴형 이온 교환막의 대량 생산이 가능하게 된다.Specifically, (a) of FIG. 5 shows a dispenser and (b) shows an inkjet device. As shown in Fig. 5, a pattern (wave) designed to have a predetermined distance (d), width (w), and height (h) is formed using a dispenser and an inkjet patterning device, so that the pattern is more easily formed. And mass production of patterned ion exchange membranes is possible.

상기와 같이 디스펜서 또는 잉크젯 장치를 이용하여 패턴을 형성 시, 반복 적인 프린팅을 통해 돌출부재(200)의 높이(h)를 제어할 수 있다.When a pattern is formed using a dispenser or an inkjet device as described above, the height h of the protruding member 200 may be controlled through repeated printing.

상기와 같이 형성된 복수의 돌출부재에 의해, 인접하는 2개의 돌출부재 사이에는 유체가 유동할 수 있는 유로가 형성된다.By the plurality of protruding members formed as described above, a flow path through which a fluid can flow is formed between two adjacent protruding members.

이에 따라, 인접하는 2개의 돌출부재 사이의 각각의 유로를 통해 저농도 용액 또는 고농도 용액이 유동할 수 있게 된다.Accordingly, a low-concentration solution or a high-concentration solution can flow through each flow path between two adjacent protruding members.

한편, 본 발명은 전술한 패턴형 이온 교환막을 포함하는 역전기투석장치(300)를 포함한다.Meanwhile, the present invention includes a reverse electrodialysis apparatus 300 including the pattern-type ion exchange membrane described above.

예를 들어, 상기 역전기투석장치(300)는, 전술한 패턴형 이온 교환막(10)을 포함하는 역전기투석장치(300)에 관한 것이다. 따라서, 후술하는 역전기투석장치(300) 에 대한 구체적인 사항은 패턴형 이온 교환막(10)에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.For example, the reverse electrodialysis apparatus 300 relates to a reverse electrodialysis apparatus 300 including the pattern-type ion exchange membrane 10 described above. Accordingly, details of the reverse electrodialysis apparatus 300 to be described later may be the same as those described in the pattern-type ion exchange membrane 10.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석장치(300)를 나타낸 개략도이다.6 is a schematic diagram showing a reverse electrodialysis apparatus 300 according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 상기 역전기투석장치(300)는, 산화전극(310), 산화전극(310)과 전기적으로 연결된 환원전극(320) 및 산화전극(310)과 환원전극(320) 사이에 배치되는 복수 개의 패턴형 이온 교환막(10)을 포함한다.Referring to FIG. 6, the reverse electrodialysis apparatus 300 includes an anode 310, a cathode 320 electrically connected to the anode 310, and between the anode 310 and the cathode 320. It includes a plurality of pattern-type ion exchange membranes 10 disposed.

또한, 역전기투석장치에 사용되는 통상의 가스켓(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.In addition, it may further include a conventional gasket (not shown) used in the reverse electrodialysis device.

상기 패턴형 이온 교환막(10)은, 패턴형 음이온 교환막(11) 및 패턴형 양이온 교환막(12)을 포함한다.The patterned ion exchange membrane 10 includes a patterned anion exchange membrane 11 and a patterned cation exchange membrane 12.

여기서, 상기 패턴형 음이온 교환막(11) 및 패턴형 양이온 교환막(12) 각각은 복수 개 마련되어, 교번하여 적층될 수 있다.Here, a plurality of each of the pattern-type anion exchange membrane 11 and the pattern-type cation exchange membrane 12 may be provided and alternately stacked.

예를 들어, 패턴형 음이온 교환막(11a), 패턴형 양이온 교환막(12a), 패턴형 음이온 교환막(11b), 패턴형 양이온 교환막(12b)이 차례로 적층될 수 있다.For example, a pattern type anion exchange membrane 11a, a pattern type cation exchange membrane 12a, a pattern type anion exchange membrane 11b, and a pattern type cation exchange membrane 12b may be sequentially stacked.

즉, 패턴형 음이온 교환막(11a), 패턴형 양이온 교환막(12a)이 복수 번 교번하여 상부에서 하부로 차례로 적층될 수 있다.That is, the patterned anion exchange membrane 11a and the patterned cation exchange membrane 12a may be alternately stacked multiple times and sequentially stacked from top to bottom.

본 문서에서는, 역전기투석장치에서 사용되는 일반적인 가스켓, 산화전극 및 환원전극에 대해 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 상기 가스켓, 산화전극 및 환원전극은, 종래에 사용되어 오는 것들이라면 적절하게 선택하여 사용할 수 있음을 이해 하여야 한다.In this document, a detailed description of the general gasket, the anode, and the cathode used in the reverse electrodialysis apparatus will be omitted, and the gasket, the anode and the cathode are appropriately selected if they are conventionally used. It should be understood that it can be used.

상기 역전기투석장치(300)는, 하나 이상의 유입구(301) 및 배출구(302)를 각각 갖는다.The reverse electrodialysis device 300 has at least one inlet 301 and an outlet 302, respectively.

구체적으로, 상기 유입구(301)는, 저농도 용액 예를 들어, 담수 등이 유입되는 제1 유입구(301a), 고농도 용액 예를 들어, 해수 등이 유입되는 제2 유입구(301b) 및 산화전극 및 환원전극 측으로 전극 용액 예를 들어, 전해질을 포함하는 용액 등이 유입되는 제3 유입구(301c)를 포함한다.Specifically, the inlet 301 includes a first inlet 301a through which a low-concentration solution, for example, fresh water, etc., is introduced, a second inlet 301b through which a high-concentration solution, for example, seawater, etc., flows, and an anode and reduction. It includes a third inlet 301c through which an electrode solution, for example, a solution including an electrolyte, flows into the electrode side.

여기서, 상기 저농도 용액, 고농도 용액 및 전극 용액 각각은 역전기투석장치에서 통상적으로 사용되어 오는 것들이라면 모두 적용 가능하다.Here, each of the low concentration solution, the high concentration solution, and the electrode solution may be applied as long as they are commonly used in a reverse electrodialysis device.

또한, 상기 역전기투석장치(100)는 해수와 담수를 이용한 염분차로 발전하는 시스템으로서, 해수와 담수의 농도차로 인해 이온이 이온교환막(양이온교환막과 음이온교환막)을 통해 이동하게 되고, 복수개의 이온교환막이 번갈아 배열된 스택(stack)의 양쪽 끝의 산화 전극 및 환원 전극 간의 전위차를 발생시키며, 전극상에서 산화환원반응을 통하여 전기에너지를 생성한다.In addition, the reverse electrodialysis device 100 is a system that generates power by a difference in salinity using seawater and freshwater, and ions are moved through an ion exchange membrane (cation exchange membrane and anion exchange membrane) due to the difference in concentration between seawater and freshwater, and a plurality of ions A potential difference is generated between the oxidation electrode and the reduction electrode at both ends of a stack in which the exchange membranes are alternately arranged, and electric energy is generated through redox reaction on the electrode.

이에 더하여, 상기 배출구(302)는, 저농도 용액이 이온교환막을 유동한 후 배출되는 제1 배출구(302a), 고농도 용액이 이온교환막을 유동한 후 배출되는 제2 배출구(302b) 및 전극 용액이 산화전극 및 환원전극을 유동하여 배출되는 제3 배출구(302c)를 포함한다.In addition, the outlet 302 includes a first outlet 302a discharged after the low concentration solution flows through the ion exchange membrane, a second outlet 302b discharged after the high concentration solution flows through the ion exchange membrane, and the electrode solution is oxidized. It includes a third outlet (302c) discharged by flowing the electrode and the cathode.

여기서, 상기 제1 유입구(301a)와 제1 배출구(302a), 제2 유입구(301b)와 제2 배출구(302b), 및 제3 유입구(301c)와 제3 배출구(302c)는 각각 서로 마주하도록 위치된다.Here, the first inlet 301a and the first outlet 302a, the second inlet 301b and the second outlet 302b, and the third inlet 301c and the third outlet 302c are each facing each other. Is located.

이 때, 상기 역전기투석장치(300) 내부에는 전술한 패턴형 음이온 교환막(11) 및 패턴형 양이온 교환막(12)이 교번하여 적층될 수 있다.In this case, the above-described pattern-type anion exchange membrane 11 and pattern-type cation exchange membrane 12 may be alternately stacked in the reverse electrodialysis apparatus 300.

또한, 상기 저농도 용액(담수)과 고농도 용액(해수)은 상대적인 농도 즉, 상대적으로 저농도 용액, 상대적으로 고농도 용액을 의미할 수 있다.In addition, the low-concentration solution (fresh water) and the high-concentration solution (seawater) may mean a relative concentration, that is, a relatively low concentration solution or a relatively high concentration solution.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석장치들의 정면에서 본 개략도이다.7 to 9 are schematic diagrams viewed from the front of reverse electrodialysis devices according to an embodiment of the present invention.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 역전기투석장치(300)는, 역전기투석장치를 정면에서 바라 봤을 때 중앙 영역에 중심부(중심점 이라고도 함)를 기준으로, 제1 유입구(301a)와 제2 유입구(301b)는 45도 내지 90도 각도를 갖도록 형성될 수 있다.7 to 9, the reverse electrodialysis device 300 includes a first inlet 301a and a first inlet port 301a based on a center (also referred to as a center point) in a central area when viewed from the front of the reverse electrodialysis device. 2 The inlet 301b may be formed to have an angle of 45 degrees to 90 degrees.

즉, 제1 유입구(301a)를 기준으로, 제2 유입구(301b)는 제1 유입구(301a)에 대하여 45도 내지 90도 각도를 갖는다.That is, based on the first inlet 301a, the second inlet 301b has an angle of 45 degrees to 90 degrees with respect to the first inlet 301a.

일 예로, 도 7을 참조하면, 역전기투석장치의 정면을 기준으로, 정면의 중심부에서 제1 유입구(301a)와 제2 유입구(301b)의 사이 각도는 90도를 갖도록 형성될 수 있다.As an example, referring to FIG. 7, the angle between the first inlet 301a and the second inlet 301b at the center of the front side of the reverse electrodialysis apparatus may be formed to have 90 degrees.

즉, 제1 유입구(301a)를 기준으로, 제2 유입구(301b)는 제1 유입구(301a)에 대하여 90도 각도를 가질 수 있다.That is, based on the first inlet 301a, the second inlet 301b may have an angle of 90 degrees with respect to the first inlet 301a.

이 때, 제1 배출구(302a)와 제2 배출구(302b) 각각은 제1 유입구(301a)와 제2 유입구(301b)와 마주하도록 형성된다. At this time, each of the first outlet 302a and the second outlet 302b is formed to face the first inlet 301a and the second inlet 301b.

따라서, 제1 배출구(302a)와 제2 배출구(302b)의 사이 각도도 90도를 갖도록 형성될 수 있으며, 제1 유입구(301a)를 기준으로, 제1 배출구(302a)는 180도 각도를 가질 수 있고, 제2 배출구(302b)는 270도 각도를 갖도록 마련될 수 있다.Accordingly, the angle between the first outlet 302a and the second outlet 302b may also be formed to have a 90 degree angle, and based on the first inlet 301a, the first outlet 302a has an angle of 180 degrees. In addition, the second outlet 302b may be provided to have an angle of 270 degrees.

도 8을 참조하면, 정면의 중심부를 기준으로, 제1 유입구(301a)와 제2 유입구(301b)의 사이 각도는 60도를 갖도록 형성될 수 있으며, 또한 제2 유입구(301b)와 제3 유입구(301c)도 60도 각도를 갖도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 8, based on the center of the front, the angle between the first inlet 301a and the second inlet 301b may be formed to have 60 degrees, and also the second inlet 301b and the third inlet (301c) may be formed to have an angle of 60 degrees.

즉, 제1 유입구(301a)를 기준으로, 제2 유입구(301b)는 제1 유입구(301a)에 대하여 60도 각도를 가질 수 있고, 제3 유입구(301c)는 제1 유입구(301a)에 대하여 120도 각도를 갖도록 마련될 수 있다.That is, based on the first inlet 301a, the second inlet 301b may have an angle of 60 degrees with respect to the first inlet 301a, and the third inlet 301c is with respect to the first inlet 301a. It may be provided to have an angle of 120 degrees.

이 때, 제1 배출구(302a), 제2 배출구(302b) 및 제3 배출구(302c)는 각각 제1 유입구(301a), 제2 유입구(301b) 및 제3 유입구(301c)와 마주하도록 형성된다. At this time, the first outlet 302a, the second outlet 302b, and the third outlet 302c are formed to face the first inlet 301a, the second inlet 301b, and the third inlet 301c, respectively. .

따라서, 제1 배출구(302a)와 제2 배출구(302b)의 사이 각도도 60도를 갖도록 형성될 수 있으며, 제2 배출구(302b)와 제3 배출구(302c)의 사이 각도도 60도를 가질 수 있고, 제1 유입구(301a)를 기준으로, 제1 배출구(302a)는 180도, 제2 배출구(302b)는 240도, 제3 배출구(302c)는 300도 각도를 갖도록 마련될 수 있다.Therefore, the angle between the first outlet 302a and the second outlet 302b may be formed to have 60 degrees, and the angle between the second outlet 302b and the third outlet 302c may also have 60 degrees. In addition, based on the first inlet 301a, the first outlet 302a may have an angle of 180 degrees, the second outlet 302b may have an angle of 240 degrees, and the third outlet 302c may have an angle of 300 degrees.

여기서, 상기 제1 유입구로는 저농도 용액 또는 고농도 용액 중 적어도 하나가 유입될 수 있으며, 이 때, 제2 유입구로는 저농도 용액 또는 고농도 용액 중 나머지 하나가 유입될 수 있고, 제3 유입구로는 전극 용액이 각각 유입될 수 있다.Here, at least one of a low-concentration solution or a high-concentration solution may be introduced into the first inlet, and at this time, the other one of a low-concentration solution or a high-concentration solution may be introduced into the second inlet, and the electrode Each solution can be introduced.

상기와 같이 제1 내지 제3 유입구가 서로 60도 각도를 갖도록 형성되는 역전기투석장치는, 일 예로, 육각형 구조를 갖도록 마련될 수 있다.The reverse electrodialysis apparatus in which the first to third inlets are formed to have an angle of 60 degrees to each other as described above may be provided to have a hexagonal structure, for example.

도 9를 참조하면, 정면의 중심부를 기준으로, 제1 유입구(301a)와 제2 유입구(301b)의 사이 각도는 45도를 갖도록 형성될 수 있으며, 또한 제2 유입구(301b)와 제3 유입구(301c)도 45도 각도를 갖도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 9, based on the center of the front, the angle between the first inlet 301a and the second inlet 301b may be formed to have 45 degrees, and also the second inlet 301b and the third inlet (301c) may be formed to have an angle of 45 degrees.

즉, 제1 유입구(301a)를 기준으로, 제2 유입구(301b)는 제1 유입구(301a)에 대하여 45도 각도를 가질 수 있고, 제3 유입구(301c)는 제1 유입구(301a)에 대하여 90도 각도를 갖도록 마련될 수 있다.That is, based on the first inlet 301a, the second inlet 301b may have an angle of 45 degrees with respect to the first inlet 301a, and the third inlet 301c is with respect to the first inlet 301a. It may be provided to have a 90 degree angle.

이 때, 제1 배출구(302a), 제2 배출구(302b) 및 제3 배출구(302c)는 각각 제1 유입구(301a), 제2 유입구(301b) 및 제3 유입구(301c)와 마주하도록 형성된다. At this time, the first outlet 302a, the second outlet 302b, and the third outlet 302c are formed to face the first inlet 301a, the second inlet 301b, and the third inlet 301c, respectively. .

따라서, 제1 배출구(302a)와 제2 배출구(302b)의 사이 각도도 45도를 갖도록 형성될 수 있으며, 제2 배출구(302b)와 제3 배출구(302c)의 사이 각도도 45도를 가질 수 있고, 제1 유입구(301a)를 기준으로, 제1 배출구(302a)는 180도, 제2 배출구(302b)는 225도, 제3 배출구(302c)는 270도 각도를 갖도록 마련될 수 있다.Accordingly, the angle between the first discharge port 302a and the second discharge port 302b may be formed to have a 45 degree angle, and the angle between the second discharge port 302b and the third discharge port 302c may also have a 45 degree. In addition, based on the first inlet 301a, the first outlet 302a may have an angle of 180 degrees, the second outlet 302b may have an angle of 225 degrees, and the third outlet 302c may have an angle of 270 degrees.

상기와 같이 45도 내지 90도의 각도를 갖도록 제1 유입구(301a)와 제2 유입구(301b)를 형성함으로써, 유입되는 저농도 용액과 고농도 용액은 서로 교차하여 유동(cross flow)될 수 있다. By forming the first inlet 301a and the second inlet 301b to have an angle of 45 degrees to 90 degrees as described above, the low concentration solution and the high concentration solution that are introduced can cross flow.

도 10 및 도 11은, 본 발명의 역전기투석장치(300) 내부에 적층된 상태의 패턴형 음이온 교환막(11) 및 패턴형 양이온 교환막(12)을 도시한 개략도이다. 10 and 11 are schematic diagrams showing a patterned anion exchange membrane 11 and a patterned cation exchange membrane 12 stacked inside the reverse electrodialysis apparatus 300 of the present invention.

먼저, 설명의 편의를 위해, 본 문서에서는 역전기투석장치(300) 내부에 적층된 상태에서, 상부에 있는 패턴형 음이온 교환막(11)을 제1 음이온교환막(11a)이라 지칭하고, 제1 음이온교환막(11a)의 하부에 배치된 패턴형 양이온 교환막(12)을 제1 양이온 교환막(12a)라 지칭하고, 제1 양이온 교환막(12a)의 하부에 배치된 패턴형 음이온 교환막을 제2 음이온 교환막(11b)이라 지칭하고, 제2 음이온 교환막(11b) 하부에 배치된 패턴형 양이온 교환막을 제2 양이온 교환막(12b)라 지칭한다.First, for convenience of explanation, in this document, in a state stacked inside the reverse electrodialysis device 300, the pattern-type anion exchange membrane 11 on the top is referred to as a first anion exchange membrane 11a, and the first anion The pattern-type cation exchange membrane 12 disposed under the exchange membrane 11a is referred to as a first cation exchange membrane 12a, and the pattern-type anion exchange membrane disposed under the first cation exchange membrane 12a is referred to as a second anion exchange membrane ( 11b), and a pattern-type cation exchange membrane disposed under the second anion exchange membrane 11b is referred to as a second cation exchange membrane 12b.

또한, 제1 및 제2 음이온교환막(11a, 11b)에 형성된 돌출부재는, 각각 제1 및 제2 돌출부재(200a, 200b)라 지칭하고, 제1 및 제2 양이온교환막(12a, 12b)에 형성된 돌출부재는, 각각 제3 및 제4 돌출부재(200c, 200d)라 지칭한다.In addition, the protruding members formed on the first and second anion exchange membranes 11a and 11b are referred to as first and second protruding members 200a and 200b, respectively, and are formed on the first and second cation exchange membranes 12a and 12b. The formed protruding members are referred to as third and fourth protruding members 200c and 200d, respectively.

도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 역전기투석장치(300) 내부에 각각의 이온교환막(11, 12)들이 교번하여 배치될 때, 돌출부재(200)의 길이방향을 기준으로 양이온 교환막(12)의 돌출부재(200)는, 음이온 교환막(11)의 돌출부재(200)와 45도 내지 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치될 수 있다.10 and 11, when each of the ion exchange membranes 11 and 12 are alternately disposed inside the reverse electrodialysis device 300, the cation exchange membrane 12 is formed based on the longitudinal direction of the protruding member 200. ) Of the protruding member 200 may be disposed to rotate to have an angle of 45 degrees to 90 degrees with the protruding member 200 of the anion exchange membrane 11.

다시 말하면, 제1 양이온 교환막(12a) 및 제2 양이온 교환막(12b) 각각의 제3 및 제4 돌출부재(200c, 200d)는, 제1 음이온 교환막(11a) 및 제2 음이온 교환막(11b) 각각의 제1 및 제2 돌출부재(200a, 200b)와 45도 내지 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치될 수 있다.In other words, the third and fourth protruding members 200c and 200d of the first cation exchange membrane 12a and the second cation exchange membrane 12b, respectively, are each of the first anion exchange membrane 11a and the second anion exchange membrane 11b. The first and second protruding members 200a and 200b of may be rotated to have an angle of 45 degrees to 90 degrees.

즉, 제1 양이온 교환막의 기준선과 제1 음이온 교환막의 기준선은 45도 내지 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치될 수 있으며, 제1 양이온 교환막의 기준선을 기준으로, 제1 음이온 교환막의 기준선이 제1 양이온 교환막의 기준선에 대해 45도 내지 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치될 수 있다.That is, the reference line of the first cation exchange membrane and the reference line of the first anion exchange membrane may be rotated to have an angle of 45 degrees to 90 degrees, and the reference line of the first anion exchange membrane is the first The cation exchange membrane may be rotated to have an angle of 45 degrees to 90 degrees with respect to the baseline.

따라서, 양이온 교환막 상에 형성된 인접하는 2개의 돌출부재 사이를 유동하는 유체(예를 들어, 고농도 용액)의 유동 경로(흐름)와 음이온 교환막 상에 형성된 인접하는 2개의 돌출부재 사이를 유동하는 유체(예를 들어, 저농도 용액)의 유동 경로(흐름)은 45도 내지 90도 각도를 갖도록 유동하게 된다. Accordingly, a flow path (flow) of a fluid (for example, a high concentration solution) flowing between two adjacent protruding members formed on the cation exchange membrane and a fluid flowing between two adjacent protruding members formed on the anion exchange membrane ( For example, the flow path (flow) of a low concentration solution) flows to have an angle of 45 degrees to 90 degrees.

예를 들어, 도 10을 참조하면, 상기 돌출부재의 길이방향을 기준으로, 양이온 교환막(12)의 돌출부재는 음이온 교환막(11)의 돌출부재와 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치된다.For example, referring to FIG. 10, based on the longitudinal direction of the protruding member, the protruding member of the cation exchange membrane 12 is disposed to rotate to have a 90 degree angle with the protruding member of the anion exchange membrane 11.

즉, 제1 양이온 교환막(12a) 및 제2 양이온 교환막(12b) 각각의 제3 및 제4 돌출부재(200c, 200d)는, 제1 음이온 교환막(11a) 및 제2 음이온 교환막(11b) 각각의 제1 및 제2 돌출부재(200a, 200b)와 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치될 수 있다.That is, the third and fourth protruding members 200c and 200d of each of the first cation exchange membrane 12a and the second cation exchange membrane 12b are each of the first anion exchange membrane 11a and the second anion exchange membrane 11b. The first and second protruding members 200a and 200b may be rotated to have an angle of 90 degrees.

따라서, 양이온 교환막 상에 형성된 인접하는 2개의 돌출부재 사이를 유동하는 유체(예를 들어, 고농도 용액)의 유동 경로(흐름)와 음이온 교환막 상에 형성된 인접하는 2개의 돌출부재 사이를 유동하는 유체(예를 들어, 저농도 용액)의 유동 경로(흐름)는 90도 각도를 갖도록 유동하게 된다. Accordingly, a flow path (flow) of a fluid (for example, a high concentration solution) flowing between two adjacent protruding members formed on the cation exchange membrane and a fluid flowing between two adjacent protruding members formed on the anion exchange membrane ( For example, the flow path (flow) of a low concentration solution) flows to have a 90 degree angle.

또한, 도 11을 참조하면, 상기 돌출부재의 길이방향을 기준으로, 양이온 교환막의 돌출부재는 음이온 교환막의 돌출부재와 60도 각도를 갖도록 회전하여 배치될 수 있다.In addition, referring to FIG. 11, with respect to the longitudinal direction of the protruding member, the protruding member of the cation exchange membrane may be disposed to rotate at an angle of 60 degrees to the protruding member of the anion exchange membrane.

즉, 제1 양이온 교환막(12a) 및 제2 양이온 교환막(12b) 각각의 제3 및 제4 돌출부재(200c, 200d)는, 제1 음이온 교환막(11a) 및 제2 음이온 교환막(11b) 각각의 제1 및 제2 돌출부재(200a, 200b)와 60도 각도를 갖도록 회전하여 배치될 수 있다.That is, the third and fourth protruding members 200c and 200d of each of the first cation exchange membrane 12a and the second cation exchange membrane 12b are each of the first anion exchange membrane 11a and the second anion exchange membrane 11b. The first and second protruding members 200a and 200b may be rotated to have an angle of 60 degrees.

따라서, 양이온 교환막 상에 형성된 인접하는 2개의 돌출부재 사이를 유동하는 유체(예를 들어, 고농도 용액)의 유동 경로(흐름)와 음이온 교환막 상에 형성된 인접하는 2개의 돌출부재 사이를 유동하는 유체(예를 들어, 저농도 용액)의 유동 경로(흐름)는 60도 각도를 갖도록 유동하게 된다. Accordingly, a flow path (flow) of a fluid (for example, a high concentration solution) flowing between two adjacent protruding members formed on the cation exchange membrane and a fluid flowing between two adjacent protruding members formed on the anion exchange membrane ( For example, the flow path (flow) of a low concentration solution) flows to have an angle of 60 degrees.

도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴형 이온교환막을 동일 평면상에 배치한 상태를 나타낸 도면이다.12 is a view showing a state in which the patterned ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention is disposed on the same plane.

도 12를 참조하면, 내부에 패턴형 음이온 교환막(11) 및 패턴형 양이온 교환막(12)이 교번하여 적층 될 때, 인접하는 2개의 음이온 교환막(11a, 11b) 또는 양이온 교환막(12a, 12b)의 돌출부재는, 동일 평면 상에서 기준선(K)을 기준으로 좌우 대칭 구조를 갖도록 배치될 수 있다.Referring to FIG. 12, when the pattern type anion exchange membrane 11 and the pattern type cation exchange membrane 12 are alternately stacked therein, the two adjacent anion exchange membranes 11a and 11b or the cation exchange membrane 12a and 12b The protruding member may be disposed to have a left-right symmetric structure with respect to the reference line K on the same plane.

구체적으로, 인접하는 2개의 제1 음이온 교환막(11a) 및 제2 음이온 교환막(11b)을 동일 평면 상으로, 정사영을 내렸을 때 즉, 투영 시키면 기준선(K)을 기준으로 제1 돌출부재(200a)와 제2 돌출부재(200b)는 대칭 구조를 갖는다.Specifically, when the adjacent two first anion exchange membranes 11a and the second anion exchange membrane 11b are projected on the same plane, that is, when they are projected, the first protruding member 200a based on the reference line K And the second protruding member 200b have a symmetrical structure.

즉, 제1 음이온 교환막(11a) 및 제2 음이온 교환막(11b)을 동일 평면 상으로 겹치면, 제1 음이온 교환막(11a)의 제1 돌출부재(200a)의 제1 곡선(211a) 및 제2 곡선(212a)과 제2 음이온 교환막의 제2 돌출부재(200b)의 제2 곡선(211b) 및 제1 곡선(212b)은 각각 서로 마주하도록 배치된다.That is, when the first anion exchange membrane 11a and the second anion exchange membrane 11b are overlapped on the same plane, the first curve 211a and the second curve of the first protruding member 200a of the first anion exchange membrane 11a The second curve 211b and the first curve 212b of the second protruding member 200b of the second anion exchange membrane 212a and the second anion exchange membrane are disposed to face each other.

이와 마찬가지로, 인접하는 2개의 제1 양이온 교환막(12a) 및 제2 양이온 교환막(12b)을 동일 평면 상으로, 정사영을 내렸을 때 즉, 투영 시키면 기준선(K)을 기준으로 제3 돌출부재(200c)와 제4 돌출부재(200d)는 대칭 구조를 갖는다.Likewise, when the adjacent two first cation exchange membranes 12a and second cation exchange membranes 12b are projected on the same plane, that is, when they are projected, the third protruding member 200c based on the reference line K And the fourth protruding member 200d have a symmetrical structure.

즉, 제1 양이온 교환막(12a) 및 제2 양이온 교환막(12b)을 동일 평면 상으로 겹치면, 제1 양이온 교환막(12a)의 제3 돌출부재(200c)의 제1 곡선 및 제2 곡선과 제2 양이온 교환막의 제4 돌출부재(200d)의 제2 곡선 및 제1 곡선은 각각 서로 마주하도록 배치된다.That is, when the first cation exchange membrane 12a and the second cation exchange membrane 12b are overlapped on the same plane, the first curve and the second curve and the second curve of the third protruding member 200c of the first cation exchange membrane 12a The second curve and the first curve of the fourth protruding member 200d of the cation exchange membrane are disposed to face each other.

상기 돌출 부재를 지지하는 이온교환막(지지막)은 얇기 때문에 패턴형 이온 교환막이 복수 개 적층될 때, 상기와 같이 대칭 구조를 갖도록 배치하여 적층함으로써, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.Since the ion exchange membrane (supporting membrane) supporting the protruding member is thin, when a plurality of patterned ion exchange membranes are stacked, the structural stability can be improved by arranging and stacking them to have a symmetrical structure as described above.

예를 들어, 같은 방향으로 적층하는 경우에는, 위 아래의 돌출부재(패턴 구조물)가 정확하게 겹쳐지지 않으면 유로를 막게 되는 문제점이 발생할 수 있다. For example, in the case of stacking in the same direction, if the upper and lower protruding members (pattern structures) are not accurately overlapped, a problem of blocking the flow path may occur.

전술한 바와 같이 배치된 복수 개의 패턴형 이온교환막을 통과하는 저농도 용액과 고농도 용액은 서로 교차하는 교차 흐름(cross flow)으로 유동된다.The low-concentration solution and the high-concentration solution passing through a plurality of patterned ion exchange membranes arranged as described above flow in a cross flow crossing each other.

실시예 1: 패턴형 이온 교환막이 적층된 역전기투석장치(RED)의 압력차 측정Example 1: Measurement of the pressure difference in a reverse electrodialysis apparatus (RED) in which a pattern-type ion exchange membrane is stacked

역전기투석장치(이하, RED stack)는 일반적으로 사용되는 RED 형태인 도 13의 (a)와 같이 구성하였고, 패턴형 이온 교환막은 (b)와 같이 90도 각도를 갖도록 적층 하였다. 패턴형 이온 교환막 및 운전 조건은 하기 표 1과 같다.The reverse electrodialysis apparatus (hereinafter, RED stack) was constructed as shown in FIG. 13(a), which is a commonly used RED type, and the patterned ion exchange membrane was stacked to have a 90 degree angle as shown in (b). The pattern type ion exchange membrane and operating conditions are shown in Table 1 below.

또한, 해수는 음이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하고, 담수는 양이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하여 유량에 따른 해수 및 담수의 유출입 압력차를 측정하였다.In addition, seawater was allowed to flow above the anion exchange membrane, and fresh water was allowed to flow above the cation exchange membrane, and the pressure difference between the seawater and freshwater in and out according to the flow rate was measured.

그 결과는 도 14에 도시하였다. 도 14의 (a)는 해수 측 압력차, (b)는 담수 측 압력차를 나타낸다.The results are shown in FIG. 14. 14(a) shows the pressure difference on the seawater side, and (b) shows the pressure difference on the freshwater side.

도 14에 도시된 바와 같이, 비교예 1에서 측정된 평막형 이온교환막 보다 압력차가 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 14, it was confirmed that the pressure difference was lower than that of the flat membrane type ion exchange membrane measured in Comparative Example 1.

돌출부재 사이 간격 및 높이Spacing and height between protruding members 1.5mm, 0.1mm1.5mm, 0.1mm 돌출부재 제1 및 제2 간격길이Protruding member first and second gap length 4mm, 2mm4mm, 2mm 해수농도Seawater concentration 3.0wt% NaCl3.0wt% NaCl 담수농도Freshwater concentration 0.01wt% NaCl0.01wt% NaCl 전극용액농도Electrode solution concentration K4[FE(CN)6]/K3[Fe(CN)3 50mMK 4 [FE(CN) 6 ]/K 3 [Fe(CN) 3 50mM 유량flux 30~200mL/min30~200mL/min 전극electrode Pt-coated TiPt-coated Ti 이온교환막의 갯수Number of ion exchange membranes 10셀10 cells

비교예 1: 평막형 이온교환막 적층된 역전기투석장치(RED)의 압력차 측정Comparative Example 1: Measurement of the pressure difference of a reverse electrodialysis apparatus (RED) in which a flat membrane type ion exchange membrane is stacked

RED stack은 실시예 1(도 13 참조)과 동일하게 구성하였고, 평막형 이온 교환막(양이온 교환막 및 음이온 교환막)은 스페이서를 이용하여 적층하였다. 운전 조건은 하기 표 2와 같다.The RED stack was constructed in the same manner as in Example 1 (see FIG. 13), and the flat-membrane ion exchange membrane (cation exchange membrane and anion exchange membrane) was stacked using spacers. Operating conditions are shown in Table 2 below.

또한, 해수는 음이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하고, 담수는 양이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하여 유량에 따른 해수 및 담수의 유출입 압력차를 측정하였다.In addition, seawater was allowed to flow above the anion exchange membrane, and fresh water was allowed to flow above the cation exchange membrane, and the pressure difference between the seawater and freshwater in and out according to the flow rate was measured.

그 결과는 도 14에 도시하였다.The results are shown in FIG. 14.

해수농도Seawater concentration 3.0wt% NaCl3.0wt% NaCl 담수농도Freshwater concentration 0.01wt% NaCl0.01wt% NaCl 전극용액농도Electrode solution concentration K4[FE(CN)6]/K3[Fe(CN)3 50mMK 4 [FE(CN) 6 ]/K 3 [Fe(CN) 3 50mM 유량flux 30~200mL/min30~200mL/min 전극electrode Pt-coated TiPt-coated Ti 평막Flat screen KIER CEM/AEMKIER CEM/AEM 스페이서Spacer 0.1mm woven type0.1mm woven type 이온교환막의 갯수Number of ion exchange membranes 10셀10 cells

실시예 2: 패턴형 이온 교환막이 적층된 역전기투석장치(RED)의 출력밀도 측정Example 2: Measurement of the power density of a reverse electrodialysis device (RED) with a patterned ion exchange membrane stacked thereon

RED stack은 도 15의 (a)와 같이 각각의 유입구들이 60도 각도를 갖도록 구성하였고, 패턴형 이온 교환막은 (b)와 같이 60도 각도를 갖도록 적층하였다. 운전 조건은 하기 표 3과 같다.The RED stack was configured so that each inlet had an angle of 60 degrees as shown in (a) of FIG. 15, and the patterned ion exchange membrane was stacked to have an angle of 60 degrees as shown in (b). Operating conditions are shown in Table 3 below.

또한, 해수는 음이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하고, 담수는 양이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하여 최대 출력밀도 및 유량에 따른 최대 출력밀도를 각각 측정하였다.In addition, seawater flowed above the anion exchange membrane and fresh water flowed above the cation exchange membrane, so that the maximum power density and maximum power density according to the flow rate were measured.

그 결과는 도 16 (a)에 도시하였다. 도 16 (a)에 도시된 바와 같이, 최대 출력밀도는 1.72 W/m2 값을 얻음을 확인할 수 있었다. The results are shown in Figure 16 (a). As shown in FIG. 16 (a), it was confirmed that the maximum power density obtained a value of 1.72 W/m 2 .

돌출부재 사이 간격 및 높이Spacing and height between protruding members 1.5mm, 0.1mm1.5mm, 0.1mm 돌출부재 제1 및 제2 간격길이Protruding member first and second gap length 4mm, 2mm4mm, 2mm 해수농도Seawater concentration 3.0wt% NaCl3.0wt% NaCl 담수농도Freshwater concentration 0.01wt% NaCl0.01wt% NaCl 전극용액농도Electrode solution concentration K4[FE(CN)6]/K3[Fe(CN)3 50mMK 4 [FE(CN) 6 ]/K 3 [Fe(CN) 3 50mM 해수-담수-전극용액유량Seawater-freshwater-electrode solution flow rate 100mL/min-100mL/min-100mL/min100mL/min-100mL/min-100mL/min 전극electrode Pt-coated TiPt-coated Ti 이온교환막의 갯수Number of ion exchange membranes 10셀10 cells

비교예 2: 패턴형 이온 교환막이 적층된 역전기투석장치(RED)의 출력밀도 측정Comparative Example 2: Measurement of the power density of a reverse electrodialysis apparatus (RED) with a patterned ion exchange membrane stacked thereon

RED stack 및 패턴형 이온교환막은 실시예 1(도 13 참조)과 동일하게 구성하였다. 운전 조건은 하기 표 4와 같다.The RED stack and patterned ion exchange membrane were configured in the same manner as in Example 1 (see FIG. 13). Operating conditions are shown in Table 4 below.

또한, 해수는 음이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하고, 담수는 양이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하여 최대 출력밀도를 측정하였다.In addition, seawater flowed above the anion exchange membrane and fresh water flowed above the cation exchange membrane to measure the maximum power density.

그 결과는 도 17 에 도시하였다. 도 17 에 도시된 바와 같이, 최대 출력밀도는 0.8 W/m2 값을 얻음을 확인할 수 있었다. The results are shown in FIG. 17. As shown in FIG. 17, it was confirmed that the maximum power density obtained a value of 0.8 W/m 2 .

돌출부재 사이 간격 및 높이Spacing and height between protruding members 1.5mm, 0.1mm1.5mm, 0.1mm 돌출부재 제1 및 제2 간격길이Protruding member first and second gap length 4mm, 2mm4mm, 2mm 해수농도Seawater concentration 3.0wt% NaCl3.0wt% NaCl 담수농도Freshwater concentration 0.01wt% NaCl0.01wt% NaCl 전극용액농도Electrode solution concentration K4[FE(CN)6]/K3[Fe(CN)3 50mMK 4 [FE(CN) 6 ]/K 3 [Fe(CN) 3 50mM 해수-담수-전극용액유량Seawater-freshwater-electrode solution flow rate 100mL/min-100mL/min-100mL/min100mL/min-100mL/min-100mL/min 전극electrode Pt-coated TiPt-coated Ti 이온교환막의 갯수Number of ion exchange membranes 10셀10 cells

실시예 3: 패턴형 이온 교환막이 적층된 역전기투석장치(RED)의 압력차 측정Example 3: Measurement of the pressure difference in a reverse electrodialysis apparatus (RED) with a patterned ion exchange membrane stacked thereon

RED stack 및 패턴형 이온 교환막은 실시예 2(도 15 참조)와 동일하게 구성하였다. 운전 조건은 하기 표 5와 같다.The RED stack and the patterned ion exchange membrane were configured in the same manner as in Example 2 (see FIG. 15). Operating conditions are shown in Table 5 below.

또한, 해수는 음이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하고, 담수는 양이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하여 유량에 따른 해수 및 담수의 유출입 압력차를 측정하였다.In addition, seawater was allowed to flow above the anion exchange membrane, and fresh water was allowed to flow above the cation exchange membrane, and the pressure difference between the seawater and freshwater in and out according to the flow rate was measured.

그 결과는 도 18에 도시하였다. 도 18의 (a)는 해수 측 압력차, (b)는 담수 측 압력차를 나타낸다.The results are shown in FIG. 18. Figure 18 (a) shows the seawater side pressure difference, (b) shows the freshwater side pressure difference.

도 18에 도시된 바와 같이, 비교예 3에서 측정된 평막형 이온교환막 보다 압력차가 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 18, it was confirmed that the pressure difference was lower than that of the flat membrane type ion exchange membrane measured in Comparative Example 3.

돌출부재 사이 간격 및 높이Spacing and height between protruding members 1.5mm, 0.1mm1.5mm, 0.1mm 돌출부재 제1 및 제2 간격길이Protruding member first and second gap length 4mm, 2mm4mm, 2mm 해수농도Seawater concentration 3.0wt% NaCl3.0wt% NaCl 담수농도Freshwater concentration 0.01wt% NaCl0.01wt% NaCl 전극용액농도Electrode solution concentration K4[FE(CN)6]/K3[Fe(CN)3 50mMK 4 [FE(CN) 6 ]/K 3 [Fe(CN) 3 50mM 유량flux 30~200mL/min30~200mL/min 전극electrode Pt-coated TiPt-coated Ti 이온교환막의 갯수Number of ion exchange membranes 10셀10 cells

비교예 3: 평막형 이온 교환막이 적층된 역전기투석장치(RED)의 압력차 측정Comparative Example 3: Measurement of the pressure difference in a reverse electrodialysis apparatus (RED) in which a flat membrane type ion exchange membrane is stacked

RED stack은 실시예 2(도 15 참조)와 동일하게 구성하고, 평막형 이온 교환막(양이온 교환막 및 음이온 교환막)은 스페이서를 이용하여 적층하였다. 운전 조건은 하기 표 6과 같다.The RED stack was constructed in the same manner as in Example 2 (see FIG. 15), and the flat-membrane ion exchange membrane (cation exchange membrane and anion exchange membrane) was stacked using spacers. Operating conditions are shown in Table 6 below.

또한, 해수는 음이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하고, 담수는 양이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하여 유량에 따른 해수 및 담수의 유출입 압력차를 측정하였다.In addition, seawater was allowed to flow above the anion exchange membrane, and fresh water was allowed to flow above the cation exchange membrane, and the pressure difference between the seawater and freshwater in and out according to the flow rate was measured.

그 결과는 도 18에 도시하였다.The results are shown in FIG. 18.

해수농도Seawater concentration 3.0wt% NaCl3.0wt% NaCl 담수농도Freshwater concentration 0.01wt% NaCl0.01wt% NaCl 전극용액농도Electrode solution concentration K4[FE(CN)6]/K3[Fe(CN)3 50mMK 4 [FE(CN) 6 ]/K 3 [Fe(CN) 3 50mM 유량flux 30~200mL/min30~200mL/min 전극electrode Pt-coated TiPt-coated Ti 평막Flat screen KIER CEM/AEMKIER CEM/AEM 스페이서Spacer 0.1mm woven type0.1mm woven type 이온교환막의 갯수Number of ion exchange membranes 10셀10 cells

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 the purpose of illustration, and those skilled in the art who have 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 will be seen as falling within the scope of the following claims.

10: 패턴형 이온 교환막
100: 이온교환막
200: 돌출부재
300: 역전기투석장치10: patterned ion exchange membrane
100: ion exchange membrane
200: protruding member
300: reverse electrodialysis device

Claims (14)

산화전극; 산화전극과 전기적으로 연결된 환원전극; 및 산화전극과 환원전극 사이에 배치되는 복수 개의 패턴형 이온교환막; 을 포함하고,
패턴형 이온교환막은, 이온 교환막; 및 이온 교환막 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재를 포함하고,
돌출부재는, 가상의 기준선을 기준으로 연장되며, 기준선을 따라 복수 회 기준선과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡되되, 가상의 기준선을 기준으로 제1방향으로 만곡된 제1 곡선과 제1 곡선에서 연장되며, 제1 방향과 반대방향인 제2 방향으로 만곡된 제2 곡선을 포함하고,
기준선을 기준으로, 제1 곡선 또는 제2 곡선 각각의 시작점에서 끝점을 잇는 직선 구간의 길이인 제1 간격과 제1 곡선 또는 제2 곡선의 시작점에서 끝점을 잇는 직선 구간의 중앙지점에서 직선과 수직한 수직선이 제1 곡선 또는 제2 곡선과 맞닿는 최대 거리인 제2 간격의 비율은 3 내지 8: 1이며,
복수 개의 패턴형 이온교환막을 상부에서 하부로 차례로 적층할 때, 인접하는 2개의 돌출부재 사이 영역의 이온교환막에 의해, 상하로 인접하는 이온교환막간의 접촉을 방지하여 복수 개의 돌출부재를 통해 유체가 유동할 수 있는 유체 유로를 형성하도록, 인접하는 2개의 돌출부재 각각의 사이 간격이 0.5mm 내지 3mm의 범위를 갖도록 형성된, 역전기투석장치.An anode; A cathode electrically connected to the anode; And a plurality of patterned ion exchange membranes disposed between the anode and cathode. Including,
Pattern type ion exchange membrane, ion exchange membrane; And a plurality of protruding members provided at predetermined intervals to guide the flow of fluid on the ion exchange membrane,
The protruding member extends based on the virtual reference line and is curved in different directions to cross the reference line multiple times along the reference line, but extends from the first curve and the first curve curved in the first direction based on the virtual reference line. And a second curve curved in a second direction opposite to the first direction,
From the baseline, perpendicular to the straight line at the center point of the first interval, which is the length of the straight line section connecting the start point to the end point of each of the first curve or the second curve, and the straight line section connecting the end point from the start point of the first curve or the second curve. The ratio of the second interval, which is the maximum distance between one vertical line and the first curve or the second curve, is 3 to 8: 1,
When a plurality of patterned ion exchange membranes are sequentially stacked from the top to the bottom, the ion exchange membrane in the region between the adjacent two protruding members prevents contact between the ion exchange membranes adjacent to each other so that the fluid flows through the plurality of protruding members. The reverse electrodialysis apparatus is formed so that the distance between each of the adjacent two protruding members has a range of 0.5 mm to 3 mm so as to form a fluid flow path capable of flowing. 삭제delete 제 1항에 있어서,
돌출부재는, 소정의 폭 및 높이를 가지며,
폭은 0.05mm 내지 3mm, 높이는 0.05 mm 내지 0.5mm 의 범위를 각각 갖는, 역전기투석장치.The method of claim 1,
The protruding member has a predetermined width and height,
A reverse electrodialysis apparatus having a width of 0.05 mm to 3 mm and a height of 0.05 mm to 0.5 mm, respectively. 제 1항에 있어서,
돌출부재는, 비이온전도성 소재 및 이온전도성 소재 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 포함하며,
비이온전도성 소재는, (메타)아크릴레이트계 수지, 아마이드계 수지, 우레탄-(메타)아크릴레이트계 수지 중 적어도 하나를 포함하고,
이온전도성 소재는,
이온교환막이 양이온 교환막일 때, 술폰산 또는 카르복실기를 가지는 (메타)아크릴레이트계 또는 아마이드계 수지 중 적어도 하나를 포함하며,
이온교환막이 음이온 교환막일 때, 4차암모늄기 또는 이미다졸륨을 가지는 (메타)아크릴레이트계 또는 아마이드계 수지 중 적어도 하나를 포함하는, 역전기투석장치.The method of claim 1,
The protruding member includes one formed of at least one of a non-ion conductive material and an ion conductive material,
The nonionic conductive material includes at least one of a (meth)acrylate resin, an amide resin, and a urethane-(meth)acrylate resin,
The ion conductive material,
When the ion exchange membrane is a cation exchange membrane, it contains at least one of a (meth)acrylate-based or amide-based resin having a sulfonic acid or a carboxyl group,
When the ion exchange membrane is an anion exchange membrane, a reverse electrodialysis apparatus comprising at least one of a (meth)acrylate-based or amide-based resin having a quaternary ammonium group or imidazolium. 제 1항에 있어서,
돌출부재는, 디스펜서 또는 잉크젯 장치를 이용하여 프린팅 된 것인, 역전기투석장치.The method of claim 1,
The protruding member is printed using a dispenser or an inkjet device. 하나 이상의 유입구 및 배출구를 각각 갖는 역전기투석장치에 있어서,
유입구는, 저농도 용액이 유입되는 제1 유입구 및 고농도 용액이 유입되는 제2 유입구를 포함하며,
역전기투석 장치의 정면을 기준으로, 정면의 중심부에서 제1 유입구와 제2 유입구의 사이 각도는 45도 내지 60도 각도를 갖도록 마련되며,
역전기투석장치 내부에 배치되는, 산화전극; 산화전극과 전기적으로 연결된 환원전극; 및 산화전극과 환원전극 사이에 배치되는 복수 개의 패턴형 이온 교환막; 을 포함하고,
패턴형 이온 교환막은,
이온 교환막; 및 이온 교환막 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재를 포함하고, 돌출부재는, 가상의 기준선을 기준으로 연장되며, 기준선을 따라 복수 회 기준선과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡되되, 가상의 기준선을 기준으로 제1방향으로 만곡된 제1 곡선과 제1 곡선에서 연장되며, 제1 방향과 반대방향인 제2 방향으로 만곡된 제2 곡선을 포함하고,
기준선을 기준으로, 제1 곡선 또는 제2 곡선 각각의 시작점에서 끝점을 잇는 직선 구간의 길이인 제1 간격과 제1 곡선 또는 제2 곡선의 시작점에서 끝점을 잇는 직선 구간의 중앙지점에서 직선과 수직한 수직선이 제1 곡선 또는 제2 곡선과 맞닿는 최대 거리인 제2 간격의 비율은 3 내지 8: 1이며,
복수 개의 패턴형 이온 교환막은,
패턴형 양이온 교환막 및 패턴형 음이온 교환막을 포함하고, 역전기투석장치 내부에 패턴형 양이온 교환막과 패턴형 음이온 교환막이 교번하여 배치될 때,
돌출부재의 길이방향을 기준으로 음이온 교환막의 돌출부재는, 양이온 교환막의 돌출부재와 45도 내지 60도 각도를 갖도록 회전하여 배치된, 역전기투석장치.In the reverse electrodialysis device each having one or more inlet and outlet,
The inlet includes a first inlet through which a low concentration solution is introduced and a second inlet through which a high concentration solution is introduced,
Based on the front of the reverse electrodialysis device, the angle between the first inlet and the second inlet at the center of the front is provided to have an angle of 45 degrees to 60 degrees,
An anode disposed inside the reverse electrodialysis device; A cathode electrically connected to the anode; And a plurality of patterned ion exchange membranes disposed between the anode and cathode. Including,
The patterned ion exchange membrane,
Ion exchange membrane; And a plurality of protruding members provided at predetermined intervals to guide the flow of fluid on the ion exchange membrane, wherein the protruding members extend based on an imaginary reference line, and cross the reference line a plurality of times along the reference line in different directions. A first curve curved in a first direction based on an imaginary reference line and a second curve extending from the first curve and curved in a second direction opposite to the first direction,
From the baseline, perpendicular to the straight line at the center point of the first interval, which is the length of the straight line section connecting the start point to the end point of each of the first curve or the second curve, and the straight line section connecting the end point from the start point of the first curve or the second curve. The ratio of the second interval, which is the maximum distance between one vertical line and the first curve or the second curve, is 3 to 8: 1,
The plurality of patterned ion exchange membranes,
Including a pattern-type cation exchange membrane and a pattern-type anion exchange membrane, and when the pattern-type cation exchange membrane and the pattern-type anion exchange membrane are alternately disposed inside the reverse electrodialysis device,
The protruding member of the anion exchange membrane based on the longitudinal direction of the protruding member is arranged to rotate to have an angle of 45 to 60 degrees with the protruding member of the cation exchange membrane, reverse electrodialysis apparatus. 제 1항에 있어서,
복수 개의 패턴형 이온 교환막은,
패턴형 양이온 교환막 및 패턴형 음이온 교환막을 포함하는, 역전기투석장치.The method of claim 1,
The plurality of patterned ion exchange membranes,
Reverse electrodialysis apparatus comprising a pattern-type cation exchange membrane and a pattern-type anion exchange membrane. 제 1항에 있어서,
역전기투석장치 내부에 패턴형 양이온 교환막과 패턴형 음이온 교환막이 교번하여 배치될 때,
돌출부재의 길이방향을 기준으로 음이온 교환막의 돌출부재는, 양이온 교환막의 돌출부재와 45도 내지 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치된, 역전기투석장치.The method of claim 1,
When the pattern-type cation exchange membrane and the pattern-type anion exchange membrane are alternately arranged inside the reverse electrodialysis device,
The protruding member of the anion exchange membrane relative to the longitudinal direction of the protruding member is arranged to rotate to have an angle of 45 to 90 degrees with the protruding member of the cation exchange membrane, reverse electrodialysis apparatus. 제 1항에 있어서,
역전기투석장치 내부에 패턴형 양이온 교환막과 패턴형 음이온 교환막이 교번하여 배치될 때,
돌출부재의 길이방향을 기준으로, 음이온 교환막의 돌출부재는 양이온 교환막의 돌출부재와 60도 각도를 갖도록 회전하여 배치된, 역전기투석장치.The method of claim 1,
When the pattern-type cation exchange membrane and the pattern-type anion exchange membrane are alternately arranged inside the reverse electrodialysis device,
A reverse electrodialysis apparatus, wherein the protruding member of the anion exchange membrane is rotated to have an angle of 60 degrees with the protruding member of the cation exchange membrane based on the longitudinal direction of the protruding member. 제 1항에 있어서,
역전기투석장치 내부에 패턴형 양이온 교환막과 패턴형 음이온 교환막이 교번하여 배치될 때,
돌출부재의 길이방향을 기준으로, 음이온 교환막의 돌출부재는 양이온 교환막의 돌출부재와 90도 각도를 갖도록 회전하여 배치된, 역전기투석장치.The method of claim 1,
When the pattern-type cation exchange membrane and the pattern-type anion exchange membrane are alternately arranged inside the reverse electrodialysis device,
A reverse electrodialysis device, wherein the protruding member of the anion exchange membrane is rotated to have a 90 degree angle with the protruding member of the cation exchange membrane based on the longitudinal direction of the protruding member. 제 6항에 있어서,
인접하는 2개의 양이온 교환막 또는 음이온 교환막의 돌출부재는, 동일 평면 상에서 기준선을 기준으로 좌우 대칭 구조를 갖도록 배치된, 역전기투석장치.The method of claim 6,
The protruding member of two adjacent cation exchange membranes or anion exchange membranes is arranged to have a symmetrical structure with respect to a reference line on the same plane. 삭제delete 제 6항에 있어서,
인접하는 2개의 돌출부재 사이의 간격은, 0.5mm 내지 3mm의 범위를 갖는, 역전기투석장치.The method of claim 6,
A distance between two adjacent protruding members, having a range of 0.5 mm to 3 mm, reverse electrodialysis apparatus. 제 6항에 있어서,
돌출부재는, 소정의 폭 및 높이를 가지며,
폭은 0.05mm 내지 3mm, 높이는 0.05 mm 내지 0.5mm 의 범위를 각각 갖는, 역전기투석장치.
The method of claim 6,
The protruding member has a predetermined width and height,
A reverse electrodialysis apparatus having a width of 0.05 mm to 3 mm and a height of 0.05 mm to 0.5 mm, respectively.
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