KR102199855B1 - 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막 제조장치 - Google Patents

이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 유체 내의 이온에 따라 선택적으로 작용하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법을 제공한다. 전기화학적 처리장치의 제조방법에서, 먼저, 후속 공정에서 형성될 스페이서 블록과의 부착력 향상을 위해, 이온 교환막의 표면을 전처리한다. 이후, 전처리된 이온교환막의 표면에 잉크를 사용한 프린팅 방식으로 상기 스페이서 블록을 형성한다.

Description

이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막 제조장치{METHOD FOR MANUFACTURING ELECTROCHEMICAL PROCESSING APPARATUS HAVING ION EXCHANGE MEMBRANE AND MANUFACTURING APPARATUS OF ION EXCHANGE MEMBRANE }
본 발명은 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조공정의 효율이 향상된 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막 제조장치에 관한 것이다.
물이나 폐수 등 유체 내의 특정한 이온을 제거하거나 농도를 조절하는 등, 이온에 대해 선택적 작용 및 처리를 하기 위해 이온교환막이 사용된다. 이온교환막을 사용하는 전기화학적 처리장치 또는 방법으로는 축전식탈염(CDI: capacitive deionization), 전기투석(ED : Electrodialysis), 역전기투석(RED : Reverse electrodialysis), 전기탈이온(EDI : Electrodeionization) 등이 있다.
CDI는 전기흡착 기술의 일종으로 전극에 전위를 인가했을 때 전극 계면에 형성되는 전기 이중층에서의 흡착반응을 이용하여 이온성 물질을 제거하는 기술이다.
ED은 직류전류를 구동력으로 하여 전리되어 있는 이온을 양이온교환막과 음이온교환막을 이용하여 분리하는 장치이다.
RED는 용해되어 있는 이온이 갖는 농도차 에너지를 전기화학적 방법을 통해 전기에너지로 전환하는 장치로써 이러한 기술범주를 통틀어 농도차 발전이라고 한다. 농도차발전 (Salinity Gradient Power, SGP) 에는 역전기투석(RED) 이외에도 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis, PRO) 및 축전식 혼합 (Capacitive mixing) 방식 등이 존재하며, 이 중 역전기투석(RED)은 이온의 농도차를 전기화학적 반응을 통해 직접 전기에너지로 전환하는 기술로써 열역학적 손실이 크지 않아 고효율 발전 시스템을 구성할 수 있다.
EDI는 ED와 마찬가지로 이온교환막을 사용한 장치로서, 희석조, 농축조, 전극조를 포함하며, 양단에 양극전극 및 음극전극을 포함한다. 전극 사이에는 양이온교환막과 음이온교환막이 교대로 배치되고, 그 사이에 이온교환 수지 충전된 점이 ED 공정과 다르다.
이러한 전기화학적 처리장치는 대체로 양이온교환막과 음이온교환막 사이로 물과 같은 유체를 흐르게 하면서 특정 이온을 필터링 내지 분리할 수 있다. 이러한 전기화학적 처리장치에서, 양이온교환막과 음이온교환막 사이에 스페이서를 배치하는 구성이 채택되는 경우가 많다.
스페이서는 통상적으로 메쉬 타입의 구조체를 사용하며, 재질은 폴리에틸렌(PE, Polyethylene) 및 나일론(Nylon) 등과 같이 전기적 전도성이 낮은 폴리머 등이 사용된다.
스페이서는 스페이서를 기준으로 양 옆에 배치되는 양이온교환막 및 음이온 교환막이 서로 접하는 것을 방지하여 전기화학적 처리장치 내에서 전기적 쇼트가 일어나는 것을 방지하며, 스페이서로 인해 형성되는 양이온교환막 및 음이온교환막 사이의 공간으로 해수 또는 담수, 폐수, 물 등과 같은 장치 내 유체가 흐를 수 있는 유로를 확보하는 역할을 한다.
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 전기화학적 장치의 높은 압력 손실을 야기한다.
스페이서(Spacer)는 일반적으로 두께가 얇아질수록 직조(weaving) 구조를 유지하기 위하여 개구부(opening, 직조 구조를 이루는 두 선 사이의 간격, 또는 간격의 크기)가 감소하며 쉐도우 이펙트(shadow effect)는 증가한다. 따라서 얇은 두께의 스페이서를 사용하면 채널 내에 유체가 차지하는 공간이 감소하여 압력이 증가하는 결과를 야기한다.
상기와 같은 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조를 위해, 보통 양이온교환막과 음이온교환막을 교번하여 복수회 적층하고, 양이온교환막과 음이온교환막의 사이에 스페이서를 배치하거나, 양이온교환막, 스페이서 및 음이온교환막을 순차로 적층하는 공정이 수행될 수 있다.
이 경우, 스페이서를 배치하는 공정이 필요하고, 특히 스페이서와 양이온교환막과 음이온교환막 간의 상당히 정밀한 얼라인이 필요하하므로 공정시간이나 공정의 복잡함을 증가시켜 제조공정의 효율성이 저하되는 문제점이다. 또한, 별도로 스페이서가 필요하므로 부품수가 증가하고 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 양이온교환막 및 음이온 교환막 사이에 배치되는 스페이서로 인한 단점을 해소한 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 유체 내의 이온에 따라 선택적으로 작용하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법을 제공한다. 전기화학적 처리장치의 제조방법에서, 먼저, 후속 공정에서 형성될 스페이서 블록과의 부착력 향상을 위해, 이온 교환막의 표면을 전처리한다. 이후, 전처리된 이온교환막의 표면에 잉크를 사용한 프린팅 방식으로 상기 스페이서 블록을 형성한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서 블록을 형성하는 공정 이후, 자외선으로 상기 스페이서 블록을 경화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이온교환막은, 양이온교환막 및 음이온교환막을 포함하며, 상기 스페이서 블록이 형성된 상기 양이온교환막과, 상기 스페이서 블록이 형성된 음이온교환막을 교번하여 복수회 적층할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전처리하는 공정에서, 상기 이온교환막의 표면을 플라즈마로 처리하여 상기 이온교환막의 표면의 부착력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서 블록은 UV 경화성 잉크를 잉크젯 프린팅 방식으로 상기 이온교환막의 표면에 프린팅하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서 블록을 형성하는 공정에서, 상기 스페이서는, 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막 사이를 흐르는 상기 유체의 유동을 제어하도록 복수의 섬형태로 프린팅될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막을 복수회 적층하는 공정에서, 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막 사이에 별도의 추가적 스페이서 부재를 구비시키는 공정 없이, 상기 스페이서 블록이 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막 간의 스페이서로 기능하도록, 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막이 적층될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서 블록은 상기 잉크젯 프린팅을 복수회 실시하여 설계 높이가 되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 잉크는 아크릴계 단량체, 우레탄계 단량체, 실리콘계 단량체 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 단량체를 포함하는 것 일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 잉크의 점도는 8 CPS 내지 12 CPS인 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 유체 내의 이온을 처리하는 전기화학적 장치에 사용되는 이온교환막을 제조하는 이온교환막 제조장치를 제공한다. 이온교환막 제조장치는 유체 내의 이온에 선택적으로 작용하도록 형성된 이온교환막이 로딩되는 베이스; 상기 베이스에 로딩된 상기 이온교환막의 표면을 플라즈마 처리하여, 부착력을 향상시키는 플라즈마처리 유닛; 상기 플라즈마 처리된 이온교환막의 표면에, 잉크를 프린팅하여 스페이서 블록을 형성하는 프린팅 유닛; 그리고 상기 스페이서 블록에 자외선을 조사하여 경화시키는 경화 유닛;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 플라즈마처리 유닛은 저온 리모트회전젯 대기압플라즈마이고, 상기 이온교환막의 위에서 스캐닝 방식으로 플라즈마처리하며, 상기 프린팅 유닛과 상기 경화 유닛은 통합되어 하나의 UV 프린터로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 양이온교환막 및 음이온 교환막 사이에 통상적인 스페이서를 제거하고, 양이온교환막 및 음이온 교환막 표면에 스페이서로 기능할 수 있는 블록을 형성함으로써, 제조공정 효율이 향상되고, 스페이서로 인한 문제점을 해소한 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막 제조장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막을 가진 전기화학적 처리장치의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2내 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막 제조장지를 나타내는 도면이다.
도 5는 잉크젯 프린팅에 의해, 이온교환막 표면에 스페이서 블록이 형성되는 공정의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막 제조장치에 의해 스페이서 블록이 프린팅된 이온교환막의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막 제조장치에 의해 스페이서 블록이 프린팅된 이온교환막의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 양이온교환막 및 음이온교환막이 적층된 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 이온교환막을 포함하는 전기화학적 처리장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일 실험예에 따른 이온교환막의 시간에 따른 TDS 값을 나타낸 그래프이며, 도 10b는 도 10a의 일부분을 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 도 10a 및 도 10b에서 TDS 제거율을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
유체 내의 이온에 따라 선택적으로 작용하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법(이하, 전기화학적 처리장치의 제조방법)은 축전식탈염(CDI: capacitive deionization), 전기투석(ED : Electrodialysis), 역전기투석(RED : Reverse electrodialysis), 전기탈이온(EDI : Electrodeionization) 등 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조에 적용될 수 있다.
전기화학적 처리장치의 제조방법에 있어서, 먼저, 이온교환막(210,220 : 도 3, 4 참조)을 로딩한다(S101). 예를 들어, 이온교환막(210,220)은 작업을 위해 베이스(110)에 이송장치를 이용하여 로딩될 수 있다.
이온교환막(210,220)은 양이온교환막(210) 또는 음이온교환막(220)일 수 있다. 본 실시예에서는, 양이온교환막(210) 또는 음이온교환막(220)의 구분이 필요한 경우 이외에는 단순히 이온교환막(210,220)으로 칭한다.
이후, 이온교환막(210,220)의 표면을 전처리한다(S103).
후속 공정에서 형성될 스페이서 블록(230)과의 부착력 향상을 위해, 이온교환막(210,220)의 표면을 전처리할 수 있다. 본 실시예에서는 전처리방법으로 플라즈마처리를 할 수 있다. 플라즈마처리에 의해 이온교환막(210,220)의 표면의 분자의 물리적 또는 화학적 특성이 변경될 수 있고, 이로 인해 후속공정에서 이온교환막(210,220) 표면에 형성될 스페이서 블록(230)과의 부착력이 증가될 수 있다.
다음으로, 플라즈마로 처리된 이온교환막(210,220)의 표면에 특별히 준비된 잉크를 사용하여 프린팅 방식으로 스페이서 블록(230)을 형성(프린팅)한다(S105).
프린팅 방식으로는 잉크젯 프린팅이 사용될 수 있다. 물론, 3D프린팅 방식이나 다른 프린팅 방식이 사용될 수도 있다.
잉크로는 UV 경화성 잉크를 사용할 수 있다.
스페이서는 양이온교환막(210)과 음이온교환막(220) 사이를 흐르는 유체의 유동 통로를 제공하거나 흐름을 원활히 하는 등 흐름을 일정정도 제어할 수 있도록, 그 형태를 적절히 설계할 수 있다. 예를 들어, 스페이서 블록(230)은 복수의 섬형태로 프린팅될 수 있다.
스페이서 블록(230)의 높이를 설계 높이로 형성하기 위해, 잉크젯 프린팅을 복수회 실시할 수 있다.
다음으로, 자외선을 조사하여 스페이서 블록(230)을 경화시킬 수 있다. 이러한 경화공정으로 스페이서 블록(230)이 충분한 강도를 갖도록 할 수 있으며, 후속될 이온교환막(210,220)의 적층공정에서 적층을 견딜수 있도록 강화될 수 있다.
한편, 잉크젯 프린팅의 반복하여 스페이서 블록(230)을 형성하는 공정에서, 다음 번 프린팅 전에 현재 프린팅된 스페이서 블록(230)의 일부를 자외선으로 경화하는 공정을 추가할 수도 있다.
계속해서, 스페이서 블록(230)이 형성된 이온교환막(210,220)을 전기화학적 처리장치의 다른 부분과 결합한다. 이를 위해, 이온교환막(210,220), 즉 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220)을 교번하여 복수회 적층할 수 있다.
본 실시예에서는, 양이온교환막(210)과 음이온교환막(220) 사이에 별도의 부재로서 스페이서가 구비되는 것이 아니라, 전술된 스페이서 블록(230)에 의해 양이온교환막(210)과 음이온교환막(220) 사이 간격이 유지될 수 있다.
따라서, 매시 형태의 별도의 스페이서를 양이온교환막(210)과 음이온교환막(220) 사이에 구비시키고 얼라인 하는 등 공정시간과 공수가 많이 소요되는 공정이 제거되므로 제조공정의 효율이 현저히 향상된다.
또한, 스페이서 블록(230)은 통상적인 메시 형태의 스페이서에 비해 양이온교환막(210)과 음이온교환막(220)과의 접촉면적이 작을 수 있다. 따라서, 양이온교환막(210)과 음이온교환막(220)과 통상적인 스페이서 간의 접촉면적 증가로 인한 문제(쉐도우 이펙트)가 감소될 수 있다.
또한, 통상적인 스페이서에 비해, 스페이서 블록(230)은 프린팅 명령만 조작하면 되므로, 스페이서 블록(230)의 배열패턴, 형상, 면적, 높이, 개수 등에서 다양하게 설계할 수 있는 장점이 있어서, 통상적인 매시형태의 스페이서에 비해 유체의 흐름에 대한 더 적합한 스페이서 구조를 제공할 수 있다.
도 2내 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막(210,220) 제조장지를 나타내는 도면이다.
이하, 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법을 본 실시예에 따른 이온교환막 제조장치(100)를 사용하여 더 상세히 설명한다.
이온교환막 제조장치(100)는 유체 내의 이온을 처리하는 전기화학적 장치에 사용되는 이온교환막(210,220)을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 이온교환막 제조장치(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조에 사용될 수 있다.
이온교환막 제조장치(100)는 베이스(110), 플라즈마처리 유닛(130), 프린팅 유닛(160) 및 경화 유닛(180)을 포함할 수 있다.
베이스(110) 상에 유체 내의 이온에 선택적으로 작용하도록 형성된 이온교환막(210,220)이 로딩된다(S110). 이온교환막 제조장치(100)는 작업테이블(105)을 포함할 수 있으며, 베이스(110)는 작업테이블(105)의 상면에 설치될 수 있다. 이온교환막(210,220)은 이송장치를 이용하여 자동으로 베이스(110) 상에 로딩될 수 있다.
플라즈마처리 유닛(130)은 베이스(110)의 일측에 베이스(110)의 상측에 위치하도록 작업테이블(105)에 설치될 수 있다. 작업테이블(105)의 상면의 가장자리에는 레일이 설치될 수 있고, 플라즈마처리 유닛(130)은 레일을 따라 이동하면서 이온교환막(210,220)의 위에서 스캐닝 방식으로 플라즈마처리 공정을 수행할 수 있다.
플라즈마처리 유닛(130)의 외측에는 플라즈마처리 유닛(130)의 레일을 따른 이동을 제어하는 언와인더(191)(unwinder)가 설치될 수 있다.
플라즈마처리 유닛(130)은 언와인더(191)에 의해 이동되며 베이스(110) 상에 위치한 이온교환막(210,220)의 표면을 플라즈마처리할 수 있다. 플라즈마처리에 의해 이온교환막(210,220)의 표면의 분자가 변형되어 부착력이 향상될 수 있다(S120).
예를 들어, 플라즈마 처리조건은 600 mm 폭 기준, 이송속도 0.5 m/min으로 수행될 수 있다. 플라즈마처리에 의해 이온교환막(210,220)의 표면의 표면장력이 물접촉각 기준으로 30도 미만이 될 수 있다. 이에 의해 이온교환막(210,220)의 표면과 스페이서 블록(230)간의 부착력이 증가하거나 부착될 수 있는 부착력 자체를 제공할 수 있다.
이러한 플라즈마 전처리를 함으로써, 프라이머를 사용하지 않고도 스페이서 블록(230)과의 부착력을 얻을 수 있다.
또한, 물에 의한 부품(swelling) 정도가 이온교환막(210,220)과 스페이서 블록(230)간에 차이가 있을 수 있지만, 플라즈마 처리에 의해 부착력이 향상되므로, 부품 정도의 차이로 인해 스페이서 블록(230)이 이온교환막(210,220) 표면으로부터 떨어지는 것이 방지된다.
본 실시예에서, 플라즈마처리 유닛(130)은 저온 리모트회전젯 대기압플라즈마 처리 유닛일 수 있다. 이 경우, 플라즈마처리 유닛(130)의 출력파워는 약 800W이고, 도 2 내지 도 4에 예시된 바와 같이, 단축로봇에 부착되어 좌우이동될 수 있다.
도 5는 잉크젯 프린팅에 의해, 이온교환막(210,220) 표면에 스페이서 블록(230)이 형성되는 공정의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
프린팅 유닛(160)은 베이스(110)의 타측에 베이스(110)의 상측에 위치하도록 작업테이블(105)에 설치될 수 있다. 프린팅 유닛(160)도 작업테이블(105)의 상면의 레일을 따라 전진 및 후진될 수 있으며, 이를 위해 프린팅 유닛(160)의 외측에 리와인더(195)(rewinder)가 설치될 수 있다.
프린팅 유닛(160)은 플라즈마처리된 이온교환막(210,220)의 표면에, 도 5에 예시된 바와 같이, 잉크를 프린팅하여 스페이서 블록(230)을 형성할 수 있다(S130).
잉크로는 UV 경화성 잉크로서 예를 들어, 아크릴계 단량체, 우레탄계 단량체, 실리콘계 단량체 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 단량체를 포함하는 것일 수 있으며, 추가적으로 기타 첨가제 및 개시제가 포함되는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 단량체는 바람직하게 지방족 우레탄 아크릴레이트(aliphatic urethane acrylate), 초분기 폴리에스테르 아크릴레이트(hyperbranched polyester acrylate), 벤질 아크릴레이트(benzyl acrylate), 이소보르닐 아크릴레이트(isobornyl acrylate) 등을 포함하는 것일 수 있으며, 기타 첨가제로서 에틸 아세테이트(ethyl acetate) 및 통상적인 개시제를 더 포함하는 것일 수 있다.
원활한 잉크젯 프린팅과 스페이서 블록(230)의 형성을 위해 잉크의 점도는 8 CPS 내지 12 CPS인 것이 바람직하다. 희석제를 잉크와 혼합하여 점도조절을 할 수 있다.
스페이서 블록(230)의 필요한 높이를 얻기 위해, 복수회 프린팅 공정을 수행할 수 있다(S140). 프린팅 공정이 반복됨에 따라 도 5에 예시된 바와 같이 스페이서 블록(230)의 높이가 점차 증가될 수 있으며, 일 예로, 100 ~ 300 마이크로미터의 높이로 형성할 수 있다.
언와인더(191) 및 리와인더(195)와 플라즈마처리 유닛(130) 및 프린팅 유닛(160) 간의 연결 및 동작 방식은 전술된 방식 이외에도 다양하게 변경이 가능할 것이다. 일 예로, 언와인더(191)는 플라즈마처리 유닛(130) 및 프린팅 유닛(160)의 좌측 이동을 제어하고, 리와인더(195)는 플라즈마처리 유닛(130) 및 프린팅 유닛(160)의 우측이동을 제어하는 방식도 가능하다. 물론, 베이스(110)가 좌우로 이동하고, 플라즈마처리 유닛(130) 및 프린팅 유닛(160)은 위치고정되는 구성도 가능하다.
경화 유닛(180)은 스페이서 블록(230)에 자외선을 조사하여 경화시킬 수 있다(S150).
예를 들어, 경화 유닛(180)은 수은고압 UV램프 또는 LED UV 경화기를 포함할 수 있다. 자외선 강도는, 예를 들어, 500 mV/cm2 이상이고, 조사 에너지는 1000~1500 mJ/ cm2이다.
본 실시예에서, 프린팅 유닛(160)과 경화 유닛(180)은 통합되어 하나의 UV 프린터(150)로 구성될 수 있다. 따라서, 스페이서 블록(230)을 프린팅하는 공정에 바로 후속하여, 실질적으로 단일 공정으로, 프린팅 공정과 자외선 경화 공정이 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이, 반복해서 프린팅 하는 공정 사이에 자외선 경화공정이 삽입될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막 제조장치(100)에 의해 스페이서 블록(230)이 프린팅된 이온교환막(210,220)의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환막 제조장치(100)에 의해 스페이서 블록(230)이 프린팅된 이온교환막(210,220)의 다른 예를 나타내는 도면이다.
스페이서 블록(230)은 프린팅 명령만 변경하면 되므로, 도 6 및 도 7과 같이, 스페이서 블록(230)의 배열패턴, 형태, 면적, 높이, 개수 등에서 다양하게 설계할 수 있는 장점이 있어서, 통상적인 매시형태의 스페이서에 비해 유체의 흐름에 대한 더 적합한 스페이서 구조를 제공할 수 있다.
스페이서 블록(230)이 도 6 및 도 7에 예시된 바와 같이, 복수의 섬형태로 형성될 수 있다. 스페이서 블록(230)의 위치, 배열 패턴, 각 스페이서 블록(230)의 사이즈, 모양 등은 스페이서 블록(230)을 포함하는 전기화학적 처리장치의 종류 및 필요에 따라 변경될 수 있다.
즉, 전기화학적 처리장치의 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220) 사이 간격, 유체의 유속, 유량, 압력 등에 따라 스페이서 블록(230)의 사이즈, 모양, 프린팅 패턴 등을 변경할 수 있다.
따라서, 도 6 및 도 7에 예시된 섬형태의 스페이서 블록(230)과는 다르게 길게 연장된 실 형태의 스페이서 블록(230)을 형성하는 것도 가능하다.
도 8은 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220)이 적층된 상태를 나타내는 도면이다. 도 9는 본 실시예에 따른 이온교환막(210,220)을 포함하는 전기화학적 처리장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이 스페이서 블록(230)이 형성된 이온교환막(210,220), 즉 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220)을 도 8에 예시된 바와 같이 적층할 수 있다(S160).
본 실시예에 따르면, 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220)을 적층될 때, 스페이서 블록(230)에 의해 간격이 유지될 수 있다. 따라서, 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220) 사이에 별도로 스페이서 부재를 구비할 필요가 없어서 공정이 간편하고 시간이 단축되며, 스페이서와 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220) 간의 얼라인미스, 스페이서 자체의 불량 등으로 인한 문제가 제거된다.
도 10에 예시된 RED 장치는 전술한 바와 같이, 적층된 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220)을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 10에서 스페이서 블록(230)의 사이즈는 실재보다 과장되게 표현하였다.
스페이서 블록(230)이 형성된 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220)의 적층체를 양극전극과 음극전극의 사이에 구비되도록하여 전기화학적 처리장치, 예를 들어, 도 10에 예시된 바와 같이, RED 장치가 제조될 수 있다.
본 실시예에 따른 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막(210,220)의 제조장치(100)에 의하면, 본 양이온교환막(210) 및 음이온교환막(220)을 사이를 흐르는 유체, 예를 들어, 물의 유속과 공정압력 등 필요에 따라, 스페이서 블록(230)의 패턴 및 사이즈를 설계하여 간단히 프린팅 방법으로 제조할 수 있어서, 양산성이 매우 좋을 뿐만 아니라 전기화학적 처리장치의 성능향상에 필요한 요소의 조절에도 기여할 수 있다.
본 실시예에 따른 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법 및 이온교환막(210,220)의 제조장치(100)는 이온교환막의 종류에 무관하게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예. 스페이서 블록이 형성된 이온교환막의 제조
본 발명의 일 실시예에 따른 스페이서 블록이 형성된 이온교환막을 제조하기 위하여 세공충진형 양이온교환막 및 음이온교환막의 표면을 플라즈마로 전처리하였다. 이때, 상기 플라즈마 처리 조건은 600 mm 폭 기준 이송속도 0.5 m/min 조건에서 표면장력이 물접촉각 기준으로 30˚ 미만이었다. 또한, 상기 사용된 플라즈마는 저온 리모트 회전젯 대기압 플라즈마이었으며, 출력파워는 약 800 W이었고, 단축로봇에 부착하여 좌우 이동하는 형태이었다. 상기 전처리한 이온교환막에 잉크를 사용한 프린팅 방식으로 스페이서 블록을 형성하였으며, 이때 상기 잉크의 조성은 하기 표 1과 같았다.
성분 함량(중량%)
안료 3~5
지방족 우레탄 아크릴레이트 1~5
초분기 폴리에스테르 아크릴레이트 1~10
벤질 아크릴레이트 20~50
이소보르닐 아크릴레이트 5~20
에틸 아세테이트 10~30
기타 중합 개시제 5~10
첨가제 0.1~1
이후, 상기 형성된 스페이서 블록을 경화시키기 위하여 수은 고압 UV 램프 또는 LED UV 경화기로 UV를 조사하였으며, 이때 UV 강도는 500 mW/cm2 이상이었고, 조사에너지는 1,000 ~ 1,500 mJ/cm2이었다. 본 실시예에서 제조한 이온교환막은 스페이서 블록이 형성되어 있기 때문에 따로 스페이서를 사용하지 않았다.
비교예 1. 상용막의 준비
상용막으로서, Tokuyama사의 CMX/AMX를 준비하였으며, 스페이서로서 두께 100 μm, mesh 간격 237 μm, open area 70.6 %인 폴리프로필렌 재질의 것을 사용하였다.
비교예 2. 세공충진형 이온교환막의 제조
상기 실시예에서 사용한 스페이서 블록이 형성되기 전의 세공충진형 양이온교환막 및 음이온교환막을 사용하였으며, 스페이서로서 두께 100 μm, mesh 간격 237 μm, open area 70.6 %인 폴리프로필렌 재질의 것을 사용하였다.
실험예. 이온교환막의 성능 실험
상기 실시예 및 비교예 1, 2에서 제조한 이온교환막의 성능을 평가하기 위하여 원수로서, pH 5.7의 100 mg/L NaCl 용액을 준비하였으며, 유량은 30 mL/min, 압력은 0.3 kgf/cm2, 유효전극면적은 100 cm2, 인가전원은 1.0/-1.0 V(정수: 180초, 쇼트: 60초, 퇴수: 50초, 분리:10초)으로 하여 각각의 이온교환막의 성능을 평가하였다. 이에 대한 결과를 도 10a, 10b 및 11에 나타내었다. 이때, 도 11에 나타낸 제거율은 도 10a 및 10b의 TDS 감소율을 나타낸 것으로서, 0초일 때, 100 ppm인 TDS가 도 10b에 나타낸 바와 같이 시간에 따라 감소한 감소정도를 퍼센트(%)로 나타낸 것이다. 또한, 도 10b는 도 10a의 검정 사각 부분을 확대한 것으로서, 상기 실시예에서 제조한 이온교환막이 비교예 1 및 2에서 제조한 이온교환막과 유사한 TDS를 나타냄을 확인할 수 있었다. 상기 TDS는 총 용존성 고형물질(total dissolved solid)을 의미하는 것으로서, 상기 실시예에서 제조한 이온교환막은 추가의 스페이서를 사용한 비교예 1 및 2의 이온교환막과 성능이 유사함을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예에서 제조한 스페이서 블록이 형성된 이온교환막은 기존의 스페이서를 사용하는 이온교환막과 유사한 성능을 나타내며, 추가적인 스페이서가 필요하지 않아 제조공정의 효율성 및 비용적인 측면에서 우수함을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 이온교환막 제조장치
110 : 베이스
130 : 플라즈마처리 유닛
150 : UV프린터
160 : 프린팅 유닛
180 : 경화 유닛
191 : 언와인더
195 : 리와인터
210, 220 : 이온교환막
230 : 스페이서 블록

Claims (12)

  1. 이온교환막이 로딩되는 베이스와, 상기 베이스의 일측 상부에 소정의 높이 간격을 두고 위치하는 플라즈마처리 유닛과, 상기 베이스의 타측 상부에 위치하여, 상기 베이스의 길이 방향으로 이동하는 프린팅 유닛과, 일단부에 위치하여 상기 플라즈마처리 유닛 또는 상기 프린팅 유닛을 제1 방향으로 이동시키는 언와인더와, 타단부에 위치하여 상기 플라즈마처리 유닛 또는 상기 프린팅 유닛을 상기 제1 방향과 상이한 방향인 제2 방향으로 이동시키는 리와인더를 포함하는 이온교환막 제조장치가, 유체 내의 이온에 따라 선택적으로 작용하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치를 제조하는 제조방법에 있어서,
    상기 플라즈마처리 유닛이, 후속 공정에서 형성될 스페이서 블록과의 부착력 향상을 위해, 상기 이온교환막의 표면을 전처리하는 단계; 그리고
    상기 프린팅 유닛이, 전처리된 이온교환막의 표면에 잉크를 사용한 프린팅 방식으로 상기 스페이서 블록을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 이온교환막은, 양이온교환막 및 음이온교환막을 포함하며, 상기 스페이서 블록이 형성된 상기 양이온교환막과, 상기 스페이서 블록이 형성된 상기 음이온교환막을 교번하여 복수회 적층하되, 상기 스페이서 블록의 상단에는 상기 양이온교환막의 하면 또는 상기 음이온교환막의 하면이 접촉되는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 블록을 형성하는 단계 이후,
    자외선으로 상기 스페이서 블록을 경화시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 스페이서 블록은 UV 경화성 잉크를 잉크젯 프린팅 방식으로 상기 이온교환막의 표면에 프린팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 블록을 형성하는 단계에서,
    상기 스페이서는, 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막 사이를 흐르는 상기 유체의 유동을 제어하도록 복수의 섬형태로 프린팅되는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막을 복수회 적층하는 단계에서,
    상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막 사이에 별도의 추가적 스페이서 부재를 구비시키는 공정 없이, 상기 스페이서 블록이 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막 간의 스페이서로 기능하도록, 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막이 적층되는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 스페이서 블록은 상기 잉크젯 프린팅을 복수회 실시하여 설계 높이가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 잉크는 아크릴계 단량체, 우레탄계 단량체, 실리콘계 단량체 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 잉크의 점도는 8 CPS 내지 12 CPS인 것을 특징으로 하는 이온교환막을 가지는 전기화학적 처리장치의 제조방법.
  11. 유체 내의 이온을 처리하는 전기화학적 장치에 사용되는 이온교환막을 제조하는 이온교환막 제조장치에 있어서,
    유체 내의 이온에 선택적으로 작용하도록 형성된 이온교환막이 로딩되는 베이스;
    상기 베이스의 일측 상부에 소정의 높이 간격을 두고 위치하여, 상기 베이스에 로딩된 상기 이온교환막의 표면을 플라즈마 처리하여, 부착력을 향상시키는 플라즈마처리 유닛;
    상기 베이스의 타측 상부에 위치하여, 상기 베이스의 길이 방향으로 이동하며, 상기 플라즈마 처리된 이온교환막의 표면에, 잉크를 프린팅하여 스페이서 블록을 형성하는 프린팅 유닛;
    상기 스페이서 블록에 자외선을 조사하여 경화시키는 경화 유닛;
    상기 플라즈마처리 유닛 및 상기 프린팅 유닛을 제1 방향으로 이동시키는 언와인더; 그리고
    상기 이온교환막 제조장치의 타단부에 위치하여, 상기 플라즈마처리 유닛 및 상기 프린팅 유닛을 상기 제1 방향과 상이한 방향인 제2 방향으로 이동시키는 리와인더를 포함하되,
    상기 이온교환막은, 양이온교환막 및 음이온교환막을 포함하며, 상기 스페이서 블록이 형성된 상기 양이온교환막과, 상기 스페이서 블록이 형성된 상기 음이온교환막을 교번하여 복수외 적층하되, 상기 스페이서 블록의 상단에는 상기 양이온교환막의 하면 또는 상기 음이온교환막의 하면이 접촉되는 것을 특징으로 하는 이온교환막 제조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마처리 유닛은 저온 리모트회전젯 대기압플라즈마이고, 상기 이온교환막의 위에서 스캐닝 방식으로 플라즈마처리하며,
    상기 프린팅 유닛과 상기 경화 유닛은 통합되어 하나의 UV 프린터로 구성된 것을 특징으로 하는 이온교환막 제조장치.
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