KR102224842B1 - Methods for manufacturing capacitive deionization electrodes - Google Patents

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    • C02F1/4691Capacitive deionisation

Abstract

축전식 탈염 전극의 제조 방법이 제조된다. 이 제조 방법은 활성탄을 분쇄함으로써 활성탄 분말을 제조하는 단계, 및 상기 활성탄 분말을 포함하는 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 활성탄 분말은 분쇄되기 전보다 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가되고, 산소/탄소 비가 증가될 수 있다.A method of manufacturing a capacitive desalting electrode is prepared. This manufacturing method includes preparing activated carbon powder by pulverizing activated carbon, and preparing an electrode including the activated carbon powder, wherein the activated carbon powder has a volume of fine pores having a diameter within a predetermined range than before being pulverized. Increased, and the oxygen/carbon ratio can be increased.

Description

축전식 탈염 전극 제조 방법 {Methods for manufacturing capacitive deionization electrodes}Method for manufacturing capacitive deionization electrodes {Methods for manufacturing capacitive deionization electrodes}

본 발명의 기술적 사상은 축전식 탈염 전극(capacitive deionization electrode)에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 활성탄 분말을 포함하는 축전식 탈염 전극에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a capacitive deionization electrode. More specifically, it relates to a capacitive desalting electrode containing activated carbon powder.

통상의 폐수 처리 기술로는 역삼투, 응집 침전, 및 증류법 등이 있다. 역삼투는 고압을 형성하기 위해 높은 에너지를 필요로 하고, 분리막의 관리를 위한 비용이 소모된다. 응집 침전은 약품 첨가에 상당한 비용이 소모된다. 증류법은 에너지 소비가 높으며 공정 중 유해물질이 발생될 수 있다.Typical wastewater treatment techniques include reverse osmosis, coagulation precipitation, and distillation. Reverse osmosis requires high energy to form a high pressure, and costs for managing the separation membrane are consumed. Coagulation precipitation is a significant cost to the chemical addition. The distillation method consumes high energy and may generate harmful substances during the process.

이러한 단점들을 극복할 수 있는 방안으로 전기화학적 폐수 처리 기술이 연구되고 있으며, 대표적으로는 전기투석(Electrodialysis, ED), 및 축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI)이 있다. 전기투석은 비교적 고농도의 폐수를 처리할 수 있지만 많은 에너지를 소비하며 이온교환 수지의 유지 비용이 존재한다는 단점을 가지고 있다. 축전식 탈염 기술은 하전된(charged) 전극의 계면에 형성되는 전기 이중층(electric double layer, EDL)에서 전기적 힘에 의한 이온들의 흡착 및 탈착의 원리를 이용한 기술로서, 매우 적은 양의 에너지만을 소비한다는 장점이 있다.Electrochemical wastewater treatment technologies are being studied as a way to overcome these shortcomings, and representatively, electrodialysis (ED) and capacitive deionization (CDI) are available. Electrodialysis can treat relatively high concentration of wastewater, but has a disadvantage in that it consumes a lot of energy and there is a cost of maintaining an ion exchange resin. Capacitive desalination technology is a technology that uses the principle of adsorption and desorption of ions by electric force in an electric double layer (EDL) formed at the interface of a charged electrode, and consumes only a very small amount of energy. There is an advantage.

본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 특정 이온, 예를 들어 황산 이온에 대한 흡착 용량 및 선택성이 향상된 축전식 탈염 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the technical idea of the present invention is to provide a method of manufacturing a capacitive desalting electrode with improved adsorption capacity and selectivity for specific ions, for example, sulfate ions.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 축전식 탈염 전극의 제조 방법은 활성탄을 분쇄함으로써 활성탄 분말을 제조하는 단계, 및 상기 활성탄 분말을 포함하는 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 활성탄 분말은 분쇄되기 전보다 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공(micropore)의 부피가 증가되고, 산소/탄소 비가 증가될 수 있다.In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing a capacitive desalting electrode according to an embodiment of the technical idea of the present invention includes preparing activated carbon powder by pulverizing activated carbon, and preparing an electrode including the activated carbon powder. The activated carbon powder may have an increased volume of micropores having a diameter within a predetermined range than before being pulverized, and an oxygen/carbon ratio may be increased.

본 발명의 기술적 사상에 의한 축전식 탈염 전극의 제조 방법에 따르면, 활성탄을 분쇄함으로써 분쇄 전보다 소정의 크기의 미세 기공의 부피가 증가되고 산소/탄소 비가 증가될 수 있다. 이러한 활성탄 분말을 포함하는 축전식 탈염 전극은 분쇄 전의 활성탄을 포함하는 축전식 탈염 전극보다 특정 이온에 대한 흡착 성능이 증가될 수 있다. 또한, 비교적 저렴하지만 비교적 흡착 성능이 낮은 활성탄을 구매하더라도 향상된 흡착 성능을 가지는 축전식 탈염 전극의 제조가 가능하므로, 본 발명의 기술적 사상에 의한 축전식 탈염 전극의 제조 방법에 따르면 원가가 절감될 수 있다.According to the method of manufacturing a capacitive desalination electrode according to the technical idea of the present invention, by pulverizing activated carbon, the volume of micropores having a predetermined size may be increased and the oxygen/carbon ratio may be increased compared to before pulverization. The capacitive desalting electrode including such activated carbon powder may have increased adsorption performance for specific ions than the capacitive desalting electrode including activated carbon before pulverization. In addition, since it is possible to manufacture a capacitive desalting electrode having improved adsorption performance even if an activated carbon with relatively inexpensive but relatively low adsorption performance is purchased, the cost can be reduced according to the manufacturing method of the capacitive desalting electrode according to the technical idea of the present invention. have.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조 방법의 활성탄 분말 제조 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 비교예 및 실시예들에 대한 황산 이온 흡착 실험에서 측정 시간에 따른 유출수 내의 황산 이온 농도의 측정 결과 그래프들이다.
도 4는 비교예 및 실시예들의 황산이온에 대한 흡착 용량을 비교하는 플롯이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a capacitive desalting electrode according to an embodiment of the inventive concept.
2 is a flow chart showing a step of manufacturing activated carbon powder in a method of manufacturing a capacitive desalting electrode according to an embodiment of the inventive concept.
3 are graphs of measurement results of sulfate ion concentration in effluent water according to measurement time in sulfate ion adsorption experiments for Comparative Examples and Examples.
4 is a plot comparing adsorption capacity for sulfate ions in Comparative Examples and Examples.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조 방법의 활성탄 분말 제조 단계를 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a capacitive desalting electrode according to an embodiment of the inventive concept. 2 is a flow chart showing a step of manufacturing activated carbon powder in a method of manufacturing a capacitive desalting electrode according to an embodiment of the inventive concept.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조 방법은 활성탄 분말 제조 단계(110) 및 활성탄 분말을 포함하는 전극을 제조하는 단계(120)를 포함할 수 있다.1 and 2, a method of manufacturing a capacitive desalination electrode according to an embodiment of the inventive concept includes a step of manufacturing an activated carbon powder 110 and a step 120 of manufacturing an electrode including the activated carbon powder. Can include.

활성탄 분말 제조 단계(110)는 활성탄 분쇄 단계(111), 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피 및 산소/탄소 비가 소정의 조건을 만족하는지 판단하는 단계(112), 및 분쇄 시간이 증가함에 따라 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가하는지 판단하는 단계(113)를 포함할 수 있다.The activated carbon powder manufacturing step 110 includes an activated carbon pulverization step 111, a step 112 of determining whether the volume of micropores having a diameter within a predetermined range and an oxygen/carbon ratio satisfy a predetermined condition (112), and as the pulverization time increases. Accordingly, it may include a step 113 of determining whether the volume of micropores having a diameter within a predetermined range increases.

활성탄은 임의의 당업계에 알려진 통상의 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 목재, 톱밥, 목탄, 섬유, 야자, 코크스, 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 활성탄 전구체가 준비될 수 있다. 상기 활성탄 전구체를 불활성 가스 분위기 하에서 약 500℃ 내지 약 1500℃의 온도에서 약 2 내지 약 4시간 동안 열처리함으로써 상기 활성탄 전구체가 탄화물화될 수 있다. 이어, 상기 열처리에 의해 형성된 탄화물을 수산화 칼륨(KOH), 탄산나트륨(Na2CO3) 등과 같은 활성화제와 혼합하고 약 60℃ 내지 약 100℃의 온도에서 활성화시킴으로써 활성탄이 제조될 수 있다. 그러나, 활성탄 제조 방법은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상업적으로 입수 가능한 활성탄이 사용될 수 있다.Activated carbon can be prepared using any conventional method known in the art. For example, an activated carbon precursor selected from the group consisting of wood, sawdust, charcoal, fiber, palm, coke, or a combination thereof may be prepared. The activated carbon precursor may be carbonized by heat-treating the activated carbon precursor at a temperature of about 500° C. to about 1500° C. for about 2 to about 4 hours in an inert gas atmosphere. Subsequently, activated carbon may be prepared by mixing the carbide formed by the heat treatment with an activating agent such as potassium hydroxide (KOH) and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) and activating it at a temperature of about 60°C to about 100°C. However, the method for producing activated carbon is not limited thereto. For example, commercially available activated carbon can be used.

활성탄 분쇄 단계(111)에서, 활성탄은 예를 들어 볼 밀(ball mill) 공정을 이용하여 분쇄될 수 있다. 일부 실시예에서, 건식 볼 밀 공정이 사용될 수 있다. 건식 볼 밀 공정은 습식 볼 밀 공정보다 활성탄 분말의 회수가 용이하다는 장점이 있다. 그러나, 일부 다른 실시예에서, 습식 볼 밀 공정이 사용될 수 있다. 볼 밀 공정 시, 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 또는 자기 재질의 용기와 볼을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 볼의 직경은 약 0.5mm 내지 약 5mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 볼 밀 용기는 약 100 내지 약 1000rpm의 속도로 회전될 수 있다.In the activated carbon pulverization step 111, the activated carbon may be pulverized using, for example, a ball mill process. In some embodiments, a dry ball mill process may be used. The dry ball mill process has the advantage of easier recovery of activated carbon powder than the wet ball mill process. However, in some other embodiments, a wet ball mill process may be used. In the ball mill process, zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), or a container and ball made of a magnetic material may be used. In some embodiments, the diameter of the ball may be between about 0.5 mm and about 5 mm. In some embodiments, the ball mill container may be rotated at a speed of about 100 to about 1000 rpm.

활성탄 분쇄 단계(111)가 일정 시간 진행된 후, 활성탄 분말의 미세 기공 분포 및 산소/탄소비가 측정될 수 있다. 본 명세서에서, 산소/탄소 비는 물질 내의 산소/탄소 원자수의 비, 즉 몰수비를 의미한다. 미세 기공 분포는 통상의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 측정 장비를 사용하여 측정될 수 있다. 산소/탄소 비는 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy) 또는 원소 분석기(elemental analyzer)를 사용하여 측정될 수 있다.After the activated carbon pulverization step 111 is performed for a predetermined time, the fine pore distribution and the oxygen/carbon ratio of the activated carbon powder may be measured. In the present specification, the oxygen/carbon ratio means the ratio of the number of oxygen/carbon atoms in the material, that is, the ratio of the number of moles. The micropore distribution can be measured using a conventional Brunauer-Emmett-Teller (BET) measuring equipment. The oxygen/carbon ratio can be measured using X-ray photoelectron spectroscopy or an elemental analyzer.

소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피 및 산소/탄소 비가 소정의 조건을 만족하는지 판단하는 단계(112)에서, 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 특정 값 이상이고, 산소/탄소 비가 특정 값 이상인지 판단될 수 있다. 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피 및 산소/탄소 비가 상기 소정의 조건을 만족하는 경우 분쇄가 종료될 수 있고, 그렇지 않은 경우 분쇄 시간이 증가함에 따라 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가하는지 판단하는 단계(113)가 수행될 수 있다.In step 112 of determining whether the volume of micropores having a diameter within a predetermined range and the oxygen/carbon ratio satisfy a predetermined condition (112), the volume of the micropores having a diameter within a predetermined range is greater than or equal to a specific value, and oxygen/carbon It can be determined whether the ratio is greater than or equal to a specific value. If the volume of the micropores having a diameter within a predetermined range and the oxygen/carbon ratio satisfy the predetermined conditions, the milling may be terminated. Otherwise, as the milling time increases, the micropores having a diameter within the predetermined range The step 113 of determining whether the volume increases may be performed.

분쇄 과정에서 활성탄 분말 내의 미세 기공의 크기 분포가 변화될 수 있다. 일부 실시예에서, 분쇄 시간이 증가함에 따라 활성탄 분말 내의 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피는 증가하다가 이후 감소할 수 있다. 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공에 특정 이온이 선택적으로 흡착될 수 있다. 예를 들어, 황산 이온은 약 0.6nm 내지 약 2nm의 직경을 가지는 미세 기공에 흡착이 가능하다. 따라서 약 0.6nm 내지 약 2nm의 직경을 가지는 미세 기공에 흡착이 가능한 황산 이온과 이보다 작은 크기의 미세 기공에 흡착이 가능한 염소 이온이 공존할 경우, 약 0.6nm 내지 약 2nm의 직경을 가지는 미세 기공의 부피를 증가시킴으로써 황산 이온에 대한 흡착 용량 및 선택성을 증가시키는 것이 가능하다. 즉, 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가할수록 특정 이온에 대한 흡착 용량 및 선택성이 증가될 수 있다. During the pulverization process, the size distribution of the fine pores in the activated carbon powder may be changed. In some embodiments, as the grinding time increases, the volume of micropores having a diameter within a predetermined range in the activated carbon powder may increase and then decrease. Specific ions may be selectively adsorbed to micropores having a diameter within a predetermined range. For example, sulfate ions can be adsorbed into micropores having a diameter of about 0.6 nm to about 2 nm. Therefore, when sulfate ions capable of adsorbing to micropores having a diameter of about 0.6 nm to about 2 nm and chlorine ions capable of adsorbing to micropores having a smaller size coexist, the micropores having a diameter of about 0.6 nm to about 2 nm It is possible to increase the adsorption capacity and selectivity for sulfate ions by increasing the volume. That is, as the volume of micropores having a diameter within a predetermined range increases, adsorption capacity and selectivity for specific ions may increase.

또한, 분쇄 과정에서 활성탄 분말의 표면의 산화가 진행될 수 있다. 활성탄 분말의 표면의 산화가 진행되면, 표면에 -OH나 -COOH 등의 작용기가 형성되고, 산소/탄소 비가 증가할 수 있다. 일부 실시예에서, 분쇄 시간이 증가함에 따라 산소/탄소 비가 증가할 수 있다. 이들 작용기들은 특정 이온, 예를 들어 황산 이온과의 수소 결합을 통한 상호작용이 가능할 수 있다. 따라서, 산소/탄소 비가 증가시킴으로써 특정 이온, 예를 들어 황산 이온에 대한 흡착 용량 및 선택성을 추가적으로 향상시키는 것이 가능할 수 있다.In addition, oxidation of the surface of the activated carbon powder may proceed during the pulverization process. When oxidation of the surface of the activated carbon powder proceeds, functional groups such as -OH or -COOH are formed on the surface, and the oxygen/carbon ratio may increase. In some embodiments, the oxygen/carbon ratio may increase as the grinding time increases. These functional groups may be capable of interacting with certain ions, for example through hydrogen bonding, with sulfate ions. Thus, it may be possible to further improve the adsorption capacity and selectivity for certain ions, such as sulfate ions, by increasing the oxygen/carbon ratio.

따라서, 특정 이온에 대한 흡착 용량 및 선택성이 향상된 활성탄 분말을 얻기 위하여, 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피 및 산소/탄소 비가 소정의 조건을 만족하는지 판단하는 단계(112)에서, 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 특정 값 이상이고, 산소/탄소 비가 특정 값 이상인지 판단될 수 있다. 예를 들어, 황산 이온에 대한 흡착 용량 및 선택성을 증가시키기 위하여, 약 0.6nm 내지 약 2nm의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 약 0.45 cm3/g 이상이고 산소/탄소 비가 0.1 이상인지 여부가 판단될 수 있다.Therefore, in the step 112 of determining whether the volume of micropores having a diameter within a predetermined range and the oxygen/carbon ratio satisfy a predetermined condition in order to obtain an activated carbon powder with improved adsorption capacity and selectivity for a specific ion, a predetermined It may be determined whether the volume of micropores having a diameter within a range is greater than or equal to a specific value, and whether the oxygen/carbon ratio is greater than or equal to a specific value. For example, in order to increase the adsorption capacity and selectivity for sulfate ions, it is determined whether the volume of micropores having a diameter of about 0.6 nm to about 2 nm is about 0.45 cm 3 /g or more and the oxygen/carbon ratio is 0.1 or more. Can be.

소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피 또는 산소/탄소 비가 상기 소정의 조건을 만족하지 않는 경우, 분쇄 시간이 증가함에 따라 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가하는지 판단하는 단계(113)가 수행될 수 있다. 분쇄 시간이 증가함에 따라 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가하는 경우, 분쇄가 지속될 수 있고, 그렇지 않은 경우, 분쇄가 종료될 수 있다.When the volume of micropores having a diameter within a predetermined range or the oxygen/carbon ratio does not satisfy the predetermined condition, determining whether the volume of the micropores having a diameter within a predetermined range increases as the grinding time increases ( 113) can be performed. When the volume of micropores having a diameter within a predetermined range increases as the grinding time increases, grinding may continue, otherwise, grinding may be terminated.

이와 같이, 활성탄의 분쇄를 통해 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가되고, 산소/탄소 비가 증가된 활성탄 분말을 얻을 수 있다. 이러한 활성탄 분말을 이용하여 특정 이온, 예를 들어, 황산이온에 대한 흡착 용량 및 선택성이 향상된 축전식 탈염 전극이 제조될 수 있다.In this way, through the pulverization of the activated carbon, the volume of fine pores having a diameter within a predetermined range is increased, and activated carbon powder with an increased oxygen/carbon ratio can be obtained. Using such activated carbon powder, a capacitive desalting electrode having improved adsorption capacity and selectivity for specific ions, for example, sulfate ions, may be manufactured.

활성탄 분말을 포함하는 전극을 제조하는 단계(120)는 슬러리를 제조하는 단계(121), 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 단계(122), 및 용매를 제거하는 단계(123)를 포함할 수 있다. 슬러리를 제조하는 단계(121)에서, 활성탄 분말, 바인더, 및 용매를 섞음으로써 슬러리가 제조될 수 있다. 상기 바인더는 예컨대 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리스타이렌부타디엔 러버(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리우레탄(PU), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 용매는 예컨대 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 단계(122)에는, 예를 들어 닥터 블레이드(doctor blade) 방식이 사용될 수 있다. 용매를 제거하는 단계(123)에서, 예를 들어, 용매가 휘발되도록 슬러리로 코팅된 전극이 건조될 수 있다.Manufacturing an electrode including activated carbon powder 120 may include preparing a slurry 121, coating the slurry on a current collector 122, and removing a solvent 123. . In the step 121 of preparing a slurry, a slurry may be prepared by mixing activated carbon powder, a binder, and a solvent. The binder may include, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polystyrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyurethane (PU), or a combination thereof. The solvent may include, for example, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), acetone, chloroform, dichloromethane, trichloroethylene, ethanol, methanol, normal hexane, or a combination thereof. I can. In the step 122 of coating the slurry on the current collector, for example, a doctor blade method may be used. In the step 123 of removing the solvent, for example, the electrode coated with the slurry may be dried so that the solvent is volatilized.

이하에서, 실시예들 및 비교예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 전극 제조 방법이 보다 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되는 것은 아니다.In the following, examples and comparative examples, a method of manufacturing a capacitive desalting electrode according to an embodiment of the present invention will be described in more detail. However, the present invention is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

상용 활성탄(대동 에이씨로부터 입수한 P-60 제품) 5g과 알루미나 볼 50g을 알루미나 포트에 넣고 밀봉하였다. 500rpm으로 분쇄 시간을 달리하여(20h: 제1 실시예, 40h: 제2 실시예, 60h: 제3 실시예) 볼 밀링을 실시하였다. 이후, 활성탄 분말과 볼을 채에 걸러 활성탄 분말을 얻었다. 활성탄 분말과 바인더 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 9:1 비율로 섞고 이를 용매 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 녹여 슬러리를 제조하였다. 슬러리를 닥터 블레이드 방식으로 집전체 상에 코팅하고, N-메틸-2-피롤리돈(NMP)를 제거하기 위해 슬러리로 코팅된 집전체를 120℃에서 8시간 이상 건조시켰다.5 g of commercial activated carbon (product of P-60 obtained from Daedong AC) and 50 g of alumina balls were placed in an alumina pot and sealed. Ball milling was performed by varying the grinding time at 500 rpm (20h: first example, 40h: second example, 60h: third example). Thereafter, the activated carbon powder and the balls were sieved to obtain activated carbon powder. Activated carbon powder and binder polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed in a ratio of 9:1 and dissolved in a solvent N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a slurry. The slurry was coated on the current collector in a doctor blade method, and the current collector coated with the slurry was dried at 120° C. for 8 hours or more in order to remove N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).

[비교예][Comparative Example]

분쇄되지 않은(즉, 분쇄 시간 0h) 상용 활성탄과 바인더 PVDF를 9:1 비율로 섞고 이를 용매 NMP에 녹여 슬러리를 제조하였다. 슬러리를 닥터 블레이드 방식으로 집전체 상에 코팅하고, NMP를 제거하기 위해 슬러리로 코팅된 집전체를 120℃에서 8시간 이상 건조시켰다.Commercial activated carbon and binder PVDF were mixed in a ratio of 9:1, which was not pulverized (ie, pulverization time 0h), and dissolved in a solvent NMP to prepare a slurry. The slurry was coated on the current collector in a doctor blade method, and the current collector coated with the slurry was dried at 120° C. for 8 hours or more in order to remove NMP.

[평가예1][Evaluation Example 1]

비교예 및 실시예들에 대하여, BET 값, 미세 기공의 크기 분포, 및 산소/탄소 비가 측정되었다. 그 결과가 하기 표 1에 나타난다. 표 1을 참조하면, 비교예(0h)에 비하여 제1 실시예(20h), 제2 실시예(40h), 및 제3 실시예(60h)의 0.6nm 내지 2nm의 직경을 가지는 미세기공의 부피가 큰 것이 관찰되었다. 분쇄 시간이 증가함에 따라 활성탄 분말 내의 0.6nm 내지 2nm의 직경을 가지는 미세기공의 부피가 증가하다가 40h 이후 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예(0h)에 비하여 제2 실시예(40h), 및 제3 실시예(60h)의 산소/탄소 비가 큰 것이 관찰되었다. 분쇄 시간이 증가함에 따라 활성탄 분말의 산소/탄소 비가 증가하는 것을 확인할 수 있다.For the comparative examples and examples, the BET value, the size distribution of the micropores, and the oxygen/carbon ratio were measured. The results are shown in Table 1 below. Referring to Table 1, the volume of micropores having a diameter of 0.6 nm to 2 nm in the first example (20h), the second example (40h), and the third example (60h) compared to the comparative example (0h) Was observed to be large. It can be seen that as the grinding time increases, the volume of micropores having a diameter of 0.6 nm to 2 nm in the activated carbon powder increases and then decreases after 40 h. In addition, it was observed that the oxygen/carbon ratio of the second example (40h) and the third example (60h) was larger than that of the comparative example (0h). It can be seen that as the grinding time increases, the oxygen/carbon ratio of the activated carbon powder increases.

비교예Comparative example 제1 실시예Embodiment 1 제2 실시예Embodiment 2 제3 실시예Embodiment 3 분쇄 시간 (h)Grinding time (h) 00 2020 4040 6060 BET (m2/g)BET (m 2 /g) 1316.81316.8 1435.21435.2 1499.91499.9 1313.41313.4 0.6nm 이하부피(cm3/g)Volume less than 0.6nm (cm 3 /g) 0.220.22 0.2460.246 0.2480.248 0.190.19 0.6nm~2nm부피(cm3/g)0.6nm~2nm volume (cm 3 /g) 0.4330.433 0.4760.476 0.4960.496 0.4710.471 2nm~50nm부피(cm3/g)2nm~50nm volume (cm 3 /g) 0.1520.152 0.150.15 0.1640.164 0.1330.133 50nm 이상부피(cm3/g)Volume over 50nm (cm 3 /g) 0.8050.805 0.8720.872 0.9080.908 0.7940.794 산소/탄소 비Oxygen/carbon ratio 0.0850.085 0.0830.083 0.110.11 0.120.12

[평가예2][Evaluation Example 2]

비교예 및 실시예들에 대하여, 황산 이온 흡착 실험이 진행되었다. 구체적으로, 실시예들 및 비교예에 따른 전극을 직경 4cm 크기의 폴리프로필렌 셀에 설치하고, 셀전압 1V를 인가하고, 1000ppm Na2SO4 를 포함하는 유입수를 3mL/min의 속도로 흘리는 동안, 유출수 내의 황산 이온의 농도를 각각 20분 동안 3회씩 측정하였다. For the Comparative Examples and Examples, the sulfate ion adsorption experiment was conducted. Specifically, while the electrodes according to Examples and Comparative Examples were installed in a polypropylene cell having a diameter of 4 cm, a cell voltage of 1 V was applied, and influent water containing 1000 ppm Na 2 SO 4 was flowed at a rate of 3 mL/min, The concentration of sulfate ions in the effluent was measured three times for 20 minutes each.

도 3은 황산 이온 흡착 실험에서 측정 시간에 따른 유출수 내의 황산 이온 농도의 측정 결과 그래프들이다. 도 3을 참조하면, 유출 수 내의 황산 이온 농도는 황산 이온이 전극에 흡착됨에 따라 초기 농도 1000ppm으로부터 점점 낮아진다. 그러나, 흡착 용량이 포화되어 더 이상 황산 이온이 전극에 흡착되지 않으면 유출 수 내의 이온 농도는 다시 1000ppm으로 증가된다. 도 3의 그래프들에서, 1000ppm 선과 그래프 사이의 면적은 흡착 용량에 비례한다. 비교예 1(0h) 보다 실시예1(20h), 실시예2(40h), 및 실시예3(60h)의 1000pppm 선과 그래프 사이의 면적이 더 큰 것을 관찰할 수 있었다. 즉, 비교예 1(0h)보다 실시예1(20h), 실시예2(40h), 및 실시예3(60h)의 흡착 용량이 더 큰 것을 관찰할 수 있었다.3 are graphs of measurement results of sulfate ion concentration in effluent water according to measurement time in a sulfate ion adsorption experiment. Referring to FIG. 3, the concentration of sulfate ions in the effluent water gradually decreases from the initial concentration of 1000 ppm as the sulfate ions are adsorbed to the electrode. However, when the adsorption capacity is saturated and the sulfate ions are no longer adsorbed to the electrode, the ion concentration in the effluent water is again increased to 1000 ppm. In the graphs of Fig. 3, the area between the 1000 ppm line and the graph is proportional to the adsorption capacity. It could be observed that the area between the 1000pppm line and the graph of Example 1 (20h), Example 2 (40h), and Example 3 (60h) was larger than that of Comparative Example 1 (0h). That is, it could be observed that the adsorption capacity of Example 1 (20h), Example 2 (40h), and Example 3 (60h) was greater than that of Comparative Example 1 (0h).

도 3으로부터 얻은 1000ppm 선과 그래프 사이의 면적으로부터 황산 이온에 대한 흡착 용량을 계산하였다. 그 결과가 도 4에 도시된다. 도 4를 참조하면, 실시예1(20h), 실시예2(40h), 및 실시예3(60h)은 비교예(0h)보다 높은 황산이온에 대한 흡착용량을 가지는 것이 확인되었다. 또한, 분쇄 시간이 증가함에 따라 황산 이온에 대한 흡착 용량이 증가하다가 40h 이후부터는 감소하였다. 이는 분쇄 시간에 따른 0.6nm 내지 2nm 직경의 미세 기공의 부피의 경향과 유사하다.The adsorption capacity for sulfate ions was calculated from the area between the 1000 ppm line and the graph obtained from FIG. 3. The results are shown in FIG. 4. Referring to FIG. 4, it was confirmed that Example 1 (20h), Example 2 (40h), and Example 3 (60h) had higher adsorption capacity for sulfate ions than Comparative Example (0h). In addition, as the grinding time increases, the adsorption capacity for sulfate ions increases, but decreases after 40 h. This is similar to the tendency of the volume of micropores of 0.6 nm to 2 nm diameter with the grinding time.

[평가예3][Evaluation Example 3]

10mM의 NaCl과 10mM의 Na2SO4를 포함하는 유입수를 사용하여 염소 이온 최대 흡착량 및 황산이온 최대 흡착량을 측정하였다. 그 결과가 아래 표 2에 나타난다. 표 2를 참조하면, 실시예1(20h), 실시예2(40h), 및 실시예3(60h)은 비교예(0h)에 비하여 높은 황산이온 최대 흡착량/염소이온 최대 흡착량 비를 달성하는 것이 관찰되었다. 즉, 실시예1(20h), 실시예2(40h), 및 실시예3(60h)은 비교예(0h)에 비하여 황산이온에 대한 선택성이 향상된다는 것이 관찰 되었다.The maximum adsorption amount of chlorine ions and the maximum adsorption amount of sulfate ions were measured using influent water containing 10 mM NaCl and 10 mM Na 2 SO 4. The results are shown in Table 2 below. Referring to Table 2, Example 1 (20h), Example 2 (40h), and Example 3 (60h) achieve a higher maximum adsorption amount of sulfate ions/maximum adsorption amount of chlorine ions compared to Comparative Example (0h). Was observed. That is, it was observed that Example 1 (20h), Example 2 (40h), and Example 3 (60h) have improved selectivity for sulfate ions compared to Comparative Example (0h).

분쇄 시간(h)Grinding time(h) 염소 이온
최대 흡착량(mg/g)
Chlorine ion
Maximum adsorption amount (mg/g)
황산 이온
최대 흡착량(mg/g)
Sulfate ion
Maximum adsorption amount (mg/g)
황산이온 최대 흡착량/염소이온 최대 흡착량Maximum adsorption amount of sulfate ions / Maximum adsorption amount of chlorine ions
비교예Comparative example 00 2.442.44 4.8554.855 1.991.99 실시예1Example 1 2020 2.22.2 5.365.36 2.442.44 실시예2Example 2 4040 2.4952.495 5.895.89 2.362.36 실시예3Example 3 6060 2.572.57 6.2756.275 2.442.44

본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to describe it, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

110: 활성탄 분말 제조 단계, 111: 활성탄 분쇄 단계, 112: 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피 및 산소/탄소 비가 소정의 조건을 만족하는지 판단하는 단계, 113: 분쇄 시간이 증가함에 따라 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가하는지 판단하는 단계, 120: 활성탄 분말을 포함하는 전극을 제조하는 단계, 121: 슬러리 제조 단계, 122: 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 단계, 123: 용매를 제거하는 단계110: activated carbon powder production step, 111: activated carbon pulverization step, 112: determining whether the volume of fine pores having a diameter within a predetermined range and the oxygen/carbon ratio satisfy a predetermined condition, 113: predetermined as the grinding time increases Determining whether the volume of micropores having a diameter within the range of increases, 120: preparing an electrode including activated carbon powder, 121: preparing a slurry, 122: coating a slurry on a current collector, 123: Step of removing the solvent

Claims (10)

활성탄을 분쇄함으로써 활성탄 분말을 제조하는 단계; 및
상기 활성탄 분말을 포함하는 전극을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 활성탄 분말은 분쇄되기 전보다 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공(micropore)의 부피가 증가되고, 산소/탄소 비가 증가되고,
상기 활성탄 분말을 포함하는 상기 전극은 분쇄 전의 상기 활성탄을 포함하는 전극보다 특정 이온에 대한 흡착 용량 및 선택성이 증가하고,
상기 소정의 범위는 0.6nm 내지 2nm 범위이고,
상기 특정 이온은 황산 이온이고,
상기 선택성은 염소 이온에 대한 황산 이온의 선택비인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법.
Preparing activated carbon powder by pulverizing activated carbon; And
Preparing an electrode including the activated carbon powder; Including,
The activated carbon powder has an increased volume of micropores having a diameter within a predetermined range than before being pulverized, and an oxygen/carbon ratio is increased,
The electrode including the activated carbon powder increases adsorption capacity and selectivity for specific ions than the electrode including the activated carbon before pulverization,
The predetermined range is in the range of 0.6nm to 2nm,
The specific ion is a sulfate ion,
The selectivity is a method of manufacturing a capacitive desalting electrode, characterized in that the selectivity of sulfate ions to chlorine ions.
제1 항에 있어서,
분쇄 시간이 증가함에 따라 상기 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피는 증가하다 이후 감소하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법.
The method of claim 1,
As the grinding time increases, the volume of the fine pores having a diameter within the predetermined range increases and then decreases.
제1 항에 있어서,
분쇄 시간이 증가함에 따라 상기 산소/탄소 비는 증가하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법.
The method of claim 1,
As the grinding time increases, the oxygen/carbon ratio increases.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 활성탄을 분쇄함으로써 활성탄 분말을 제조하는 단계는,
상기 활성탄을 분쇄하는 단계; 및
상기 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피 및 산소/탄소 비가 소정의 조건을 만족하는 경우, 분쇄를 종료하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법.
The method of claim 1,
The step of preparing activated carbon powder by pulverizing the activated carbon,
Pulverizing the activated carbon; And
The method of manufacturing a capacitive desalting electrode comprising: terminating the pulverization when the volume of the micropores having a diameter within the predetermined range and the oxygen/carbon ratio satisfy a predetermined condition.
제7 항에 있어서,
상기 활성탄을 분쇄함으로써 활성탄 분말을 제조하는 단계는,
상기 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피 또는 산소/탄소 비가 소정의 조건을 만족하지 않는 경우,
분쇄 시간이 증가함에 따라 상기 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가하는 경우, 분쇄를 지속하고,
분쇄 시간이 증가함에 따라 상기 소정의 범위 내의 직경을 가지는 미세 기공의 부피가 증가하지 않는 경우, 분쇄를 종료하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법.
The method of claim 7,
The step of preparing activated carbon powder by pulverizing the activated carbon,
When the volume of micropores having a diameter within the predetermined range or the oxygen/carbon ratio does not satisfy a predetermined condition,
When the volume of the micropores having a diameter within the predetermined range increases as the grinding time increases, the grinding is continued,
When the volume of the fine pores having a diameter within the predetermined range does not increase as the grinding time increases, the method of manufacturing a capacitive desalting electrode, further comprising: terminating the grinding.
제1 항에 있어서,
상기 활성탄 분말을 포함하는 전극을 제조하는 단계는,
상기 활성탄 분말, 바인더, 및 용매를 섞음으로써 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 단계; 및
상기 슬러리로부터 상기 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법.
The method of claim 1,
The step of preparing an electrode including the activated carbon powder,
Preparing a slurry by mixing the activated carbon powder, a binder, and a solvent;
Coating the slurry on a current collector; And
The method of manufacturing a capacitive desalting electrode comprising; removing the solvent from the slurry.
제1 항에 있어서,
상기 활성탄을 분쇄함으로써 활성탄 분말을 제조하는 단계는 볼 밀(ball mill) 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법.
The method of claim 1,
The step of producing activated carbon powder by pulverizing the activated carbon is a method of manufacturing a capacitive desalting electrode, characterized in that using a ball mill process.
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