KR102251224B1 - 이온 선택 전환 배관형 이온분리막 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 분리막으로 양쪽 이온 중 하나를 선택할 수 있는 이온 선택성을 가지며 내화학성과 기계적 대응강도를 높여 높은 수압과 유속에도 사용할 수 있도록 한 이온 선택 전환 배관형 이온분리막에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 유전율이 높고 다공성 세라믹으로 구비된 지지관체와, 상기 지지관체의 벽면 내부에 배치되고 탄소 필라멘트사로 직조된 환형의 스크린전극으로 구성되는 제1전극과, 상기 제1전극의 상,하단 테두리에 결착되고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비된 상,하단 전극밴드와, 상기 제1전극의 하단 전극밴드와 대응된 위치에 일정 간격을 두고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비된 제2전극이 배치된 구성으로 된 이온 선택 전환 배관형 이온분리막을 특징으로 한다.

Description

이온 선택 전환 배관형 이온분리막 {SEPARATOR HAVING SELECTIVE MOVING FUNCTION OF ION}

본 발명은 이온 선택 전환 배관형 이온분리막에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 하나의 분리막으로 양쪽 이온 중 하나를 선택할 수 있는 이온 선택성을 가지며 내화학성과 기계적 대응강도를 높여 높은 수압과 유속에도 사용할 수 있도록 한 이온 선택 전환 배관형 이온분리막에 관한 것이다.

일반적으로 이온교환수지와 이온교환막, 이온분리막은 이온을 다루는 서로 다른 기질과 용도 그리고 서로의 요소적인 기술 차이점이 있는 것으로 이를 설명하면 다음과 같다.

이온교환수지는 스스로 고유전하를 가진 가벼운 다공성 고체전해질로 아주 작은 비드형태로 만든 것으로, 수지가 용액에 잠기면 용액을 흡수하여 부피가 늘어나는데 늘어나는 정도는 중합체의 구조 및 용액의 이온 농도에 따라 달라지며, 특수한 이온을 교환하기 위해 적당한 화학적 조성과 물리적 성질을 가지고 있는 수지를 임의로 합성할 수 있으므로 실험실과 공업에서 쓰이는 합성 이온 교환 물질의 대부분을 차지한다. 물에서 칼슘·마그네슘·철·망간의 염을 없앨 때나 설탕의 정제과정, 그리고 광석에서 금·은·우라늄 같은 귀중한 원소들을 농축하는 데 쓰이며 제일 많이 쓰이는 용도가 탈염을 하는 공정에 쓰기도 하며 순수를 만드는데도 쓰인다. 보통 컬럼에 입자를 충전하여 교환반응을 일으키게 하고 있다.

이상과 같은 이온교환수지에 대한 객관적인 설명은 거의 기작이 공통적 이라고 할 수 있다. 그런데 공개된 백과사전과 같은 문헌에서 인용하면 교환한 수지는 역으로 HCl, NaCH액을 통하여 재생하고 반복하여 사용할 수 있다라고 하는 것은 부분적인 기작이다. 대개 이온교환수지의 실제 사용시 어느 정도 이온교환기능이 떨어지면 재생하기 위하여 컬럼에 직접 재생제를 투입하는 경우는 드물다. 수지비드를 수세하고 난 뒤에 재생제에 침전시키는 것이 일반적인 재생 방법이다.

그런데 이 재생의 공정에 장시간이 소요되고 재생을 한다고 영구적으로 사용 되는 것은 아니며, 이온교환수지도 화학적으로 안정되는 물리량이 고정되어 있다. 수지 자체가 가지고 있는 전하량이 고정하고 있던 이온의 물리량 이상의 교환체를 물리적으로 가질 수 없고, 또한 고정하고 있던 물리량을 화학적으로 교환한 뒤 체적되는 교환체의 량도 정해지기 때문에 한계체적이 되면 사실상 이온교환 기능의 수명은 끝났다고 보아야 한다.

예를 들면, 물속의 염분을 제거하기 위하여 OH형의 음이온수지를 사용하면서 수지가 고정하고 있던 OH이온의 물리량을 교환하여 흡착한 Cl이온의 물리량으로 바꾸어주었으므로 OH의 한계체적이 Cl한계체적으로 바뀌어진 수지를 NaOH와 같은 재생제로 체적되어 있는 Cl이온을 OH이온으로 치환시켜 주어야 다시 이온교환 능력이 생길 수 있는 것이다. 그런데 전해공정에서는 수지의 이온교환량은 중요하지 않게 된다. 이 교환기능을 무시하고 이온의 선택성만 중요시 한 것이 이온교환막이다. 즉 전해공정상에서 애노드와 캐소드 사이에 막으로 두게 되면 선택한 이온만 한쪽으로 통과 할 수 있게 한 것이다. 이온교환수지처럼 재생이 필요하지 않게 된다.

그리고, 이온교환막의 원리는 1890년에 Maigrot과 Sabates (Maigrot et al. 1890)에 의해 처음으로 소개되었다. 그들은 과망간산 페이퍼를 분리막으로 사용하여 설탕 시럽에서 무기이온들을 제거하였다. 또한 1903년 Morse와 Pierce (Morse et al. 1903)에 의해 전기투석이 처음으로 연구논문에 소개되면서부터 이온교환막에 대한 전기 화학적 이론들은 급속한 발전을 보여 1920년대에 이르러 이론적 정립을 보였다. 그러나 1940년대까지만 해도 이온 교환막들은 이온에 대한 선택성이 거의 없는 초보적 단계에 머물러 있었으며 이후에 여러 산업분야에서 전기투석 공정에 대한 관심이 증가하면서부터 페놀-포름알데히드-축중합을 토대로 고분자 물질을 이용한 이온교환막이 개발되기 시작했다. 현재 상업화된 다실 구조(multi-cell configuration)의 전기투석도 고분자 이온교환막의 합성기술이 발전하여서 가능하게 되었고 이온교환막전해로 화학물질의 생산용도로도 사용되기 시작하였다.

이온교환막 역시 고유 전하를 가진 이오너머수지를 단량체로 하던지 합성하던지하여 압착 성형하거나 가교제를 축합하여 필름 형태의 막으로 제조된 것이 많다. 논리적으로 수지가 기지이므로 수화안전성과 기계적 안정성이 있다고 알려져 있지만 제법 용량이 큰 전해공정에서는 그렇지가 않다. 특히 강산이나 강알카리 에서의 내저항이 약해서 일부분만 손상이 가더라도 조직이 치밀한 관계로 전체의 손실이나 마찬가지가 된다.

또한 상기의 이온교환수지와는 다르게 가교제를 사용하거나 성형압축한 것이므로 수용액에 들어가면 이온교환수지나 마찬가지로 수지입자의 부피가 늘어나는데 가교제는 늘어나지 않으므로 표면손상이 쉽게 오게 되어 장시간 연속 사용에 문제점이 발견되고 있다. 이러한 응력저항이 약해 수압이나 기계적결합강도에 대응하지 못하는 것이 단점이다. 이러한 단점들을 보완하여 이온선택분리기능을 가지면서 내화학성과 기계적 대응강도는 높인 기술의 개발이 요구되는 배경에서 제안되는 것이 이온분리막 기술이다.

한편, 이온교환막은 수용액중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 이온선택성 기능으로 인하여 전지 및 유기산을 정제하기 위한 전기투석, 산과 염기 회수를 위한 전해 전기투석, 산세 폐액으로부터 산 및 금속화학종을 회수하기 위한 확산투석, 그리고 초순수를 제조공정 등에 이르기까지 폭 넓게 응용되고 있으나 산업적으로는 전해공정에 제일 많이 쓰인다. 전해공정은 도 1의 예시도와 같이 전기분해라고도 하며 전해질이 있는 수용액(105)에 애노드[Anode](101)와 캐소드[Cathode](102)를 거리를 두고 설치한 후에 직류 전류를 흘려 보내어 2가지 이상의 성분 물질로 나누어 얻는 화학 공정을 말한다.

이때 수용액중의 이온들은 등방성을 가진 이온으로 이동하게 되는데 ＋전기를 띤 양이온은 음극인 캐소드(102)영역에 모이고 －전기를 띤 음이온은 양극인 애노드(101)영역에 모인다. 이때 양이온은 캐소드(102)영역에서 전자를 얻어 중성인 물질이 되고, 음이온은 애노드(101)영역에서 전자를 잃고 중성인 물질이 되는 화학변화가 일어나는 것을 이용하여 얻고자 하는 물질을 공정한다. 전해에서 주연은 전극과 전하가 하지만 반응영역의 분리도 매우 중요하다 반응영역의 분리가 없으면 산화 되거나 환원된 물질들이 희석되어 얻고자 목표하는 순도 높은 물질을 얻지 못하게 되기 때문이다.

도 2는 NaOH(가성소다)를 생산하는 실시 예로서 반응영역의 분리를 시도한 예이다. 도 2a는 격막법의 생산법이고, 도 2b는 이온교환막법의 생산법이다. 애노드(101) 캐소드(102)사이에 격막(103)을 두어 애노드(101)영역과 캐소드(102)영역을 분리 하여 사용 하는 방법이다. 규모가 크게 되면 시멘트벽으로도 격막(103)을 형성하였다. 그러나 격막벽이 차지하는 면적이 이온의 이동 면적보다 커서 생산성이 떨어지고 목적하는 물질의 순수성이 개선되기는 하였지만 목적의 물질외에 희석물질들도 많이 희석되어 정재해야 하는 단점을 개선하기 위하여 도 2b와 같이 선택한 이온만 통과 할 수 있도록 한 이온교환막법을 개발하게 된 것이다. 이온교환막법은 선택한 이온만을 통과 시키므로 순도가 높은 목적 물질을 생산 할 수가 있다. NaOH(가성소다)를 생산하는 실시예와 같이 이온교환막법은 양이온교환막(104)을 채용함으로서NaOH?이온만 통과 시켜 수중 OH이온과 결합하게 하여 NaOH(가성소다)를 생산하게 한다. 캐소드(102)영역의 수지단량체는 음전하를 가지고 있다.

그러므로 같은 전하를 가진 -이온은 반발력에 의하여 차단되고 반대전하의 +이온만을 통과 시키게 되는 것이다. 순도가 높은 NaOH(가성소다)가 캐소드(102)영역에 생산되면 캐소드(102)영역과 접촉되는 양이온교환막(104)에 쉽게 부식이 일어나 수시로 교체해 주어야 한다. 최근 듀폰사에서는 알칼리에 강한 물질을 캐소드(102)영역과 접촉되는 부분에 증착하여 부식을 방지하는 방법으로 (Nafion)계열의 상표명으로 시장에 내어 놓고 실시를 하고 있다. 그래서 (Nafion)계열의 양이온교환막(104)은 설치의 방향이 정하여져 있다. 보통의 전문적인 지식없이 (Nafion)계열의 양이온교환막(104)을 반대방향으로 설치하게 되면 부식의 진행이 빨라져서 수지의 수명이 단축 되게 된다.

이 외에도 나일론66 중간체 원료가 되는 아디포니트릴(NC(CH2)4CN)의 제조나 산과 염기의 제조에도 이온교환막법은 중요하게 사용되고 있다. 이상 살펴보았듯이 종래의 상용화 되고 있는 이온교환막은 지지체가 모두 수지이다. 수지단량체를 축합하거나 가교하기 때문에 너무 두껍게 되면 전도성이 떨어져서 이온선택기능이 저하가 된다. 필름과 같은 얇은 막에 다른 기계적 지지체를 결합한다고 해도 피할 수 없는 산화와 부식문제, 그리고 응력과 압력 저항에 한계가 있게 된다. 본 발명은 이 한계를 해결하는 목적이 있다.

꼭 합성하는 수지만이 이온을 고정하거나, 교환하거나, 이온을 분리 하는 것은 아니다. 이온교환을 할 수 있는 합성수지나 화합물들이 개발되기 이전에는 자연상태의 토양이나 광석에서도 이온교환 능력이 있는 물질들이 발견 되어 이온교환 수지의 연구개발 기초가 된바 있다. 이는 무기물도 음전하나 양전하를 정적으로 가지면 이온을 고정하고 교환 할 수 있다는 것을 알 수 있다.

뿐만 아니라 다양한 물질들이 이온을 고정 할 수 있는 전하를 가지면 이온을 표면에 고정하고 또한 전해질에 의해 교환도 할 수가 있게 된다. 단일 원소물질이 아닌 화합물의 경우에는 결합고리사이에 이온이 고정되기도 한다. 다만 합성되는 수지단량체 만큼 전도성이 떨어질 뿐이다.

(특허공개문헌 0001) KR 제10-2017-0092481호 (특허공개문헌 0002) KR 제10-2017-0136388호 (특허공개문헌 0003) KR 제10-2019-0081745호 (특허공개문헌 0004) KR 제10-2017-0112562호

1) Dzyaz'ko, YS, Belyakov, VN, Stefanyak, NV , Russ J Appl Chem (2006) 79 : 769. (응용 화학 러시아 저널 2006 년 5 월 , 제 79 권, 제 5 호 , 페이지 769?773) 이산화 지르코늄을 함유하는 복합 세라믹 막의 음이온 교환 특성 2)RSC Advances(왕립화학협회)2015 년 제 57호 MC Marti-Calatayud , M. Garcia-Gabaldon , V. Perez-Herranz 수화된 이산화 지르코늄으로 침윤한 미세 다공성 지지체에 기초한 세라믹 음이온 교환막

본 발명은 이온선택성을 가지며 내화학성과 기계적 대응강도를 높혀서 종래 이온교환막으로는 할 수 없었던 높은 수압과 유속에 대응하도록 하고 기계적으로 결합하여 대응할 수 있도록 한 이온 선택 전환 배관형 이온분리막을 제공함에 있다.

본 발명은 유전율이 높고 다공성 세라믹으로 구비된 지지관체와, 상기 지지관체의 벽면 내부에 배치되고 탄소 필라멘트사로 직조된 환형의 스크린전극으로 구성되는 제1전극과, 상기 제1전극의 상,하단 테두리에 결착되고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비된 상,하단 전극밴드와, 상기 제1전극의 하단 전극밴드와 대응된 위치에 일정 간격을 두고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비된 제2전극이 배치된 구성으로 된 이온 선택 전환 배관형 이온분리막을 특징으로 한다.

상기 지지관체의 구성시에는 알루미나와 점토 또는 실리카와 점토를 배합한 어느 하나의 세라믹 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 지지관체를 구성하는 다공성 세라믹의 통공은 5㎛ 내지 20㎛로 형성함을 특징으로 한다.

상기 제1전극을 구성하는 필라멘트수는 200필라멘트 이하가 되고 망목은 0.1~20㎛ 사이가 되도록 함을 특징으로 한다.

이온분리막은 전해 모듈의 내부에 배치되어 유수가 전해 모듈을 통과하는 과정에서 이온 분리가 이루어지되 상기 전해 모듈은 관체 내벽에 양전극이 구비되고 관체의 중심부에 음전극이 구비되어 상기 양전극과 음전극 사이에 이온분리막이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 이온분리막에 인가되는 분리막 전원공급부의 전압은 전해 모듈에 인가되는 전해 전원공급부의 전압보다 낮거나 같게 가변 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 이온분리막에 인가되는 분리막 전원공급부의 출력 전류는 전해 모듈에 인가되는 전해 전원공급부의 전류보다 낮은 전류로 가변할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 이온분리막에 인가되는 분리막 전원공급부의 출력극성을 전환하는 릴레이 스위치가 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 이온 선택 전환 배관형 이온분리막은 하나의 분리막으로 양쪽 이온중 하나를 선택하고 또 다른 이온으로도 전환 할 수 있도록 하여 전해 이온분리공정상의 간편성을 제공하고, 종래 이온교환막의 응력저항이 약해서 유압이 있거나 유속이 있을 경우 사용하지 못하였던 단점을 해결하여 큰 낙차성의 수처리나 흐르는 유수의 환경에서도 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1a는 종래 전해방식에서 전하를 주지 않은 상태의 설명도
도 1b는 종래 전해방식에서 전하를 인가한 상태의 이온 분리를 나타낸설명도
도 2a는 종래 전해방식에서 분리막식 이온 분리를 나타낸 설명도.
도 2b는 종래 전해방식에서 이온교환 분리막시 이온분리를 나타낸 설명도.
도 3은 본 발명에 의한 이온분리막의 구성 실시예를 나타낸 단면 예시도.
도 4는 본 발명에 의한 이온분리막을 구성하는 제1,2전극을 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 이온분리막에서 제1컨넥터 부분의 확대 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 이온분리막에서 제1전극의 하단 전극밴드와 제2전극 부분을 나타낸 확대 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 이온분리막이 전해 모듈에 배치된 형태를 예시한 단면 예시도.
도 8은 본 발명에 의한 이온분리막이 전해 모듈에 배치되어 이온이 분리되는 것을 나타낸 사용상태 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 이온 선택 전환 배관형 이온분리막(100)은, 유전율이 높고 다공성 세라믹으로 구비된 지지관체(110)와, 상기 지지관체(110)의 벽면 내부에 배치되고 탄소 필라멘트사(carbon filament yarn)로 직조된 환형의 스크린전극으로 구성되는 제1전극(120)과, 상기 제1전극(120)의 상,하단 테두리에 결착되고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비된 상,하단 전극밴드(121)(122)와, 상기 제1전극(120)의 하단 전극밴드(122)와 대응된 위치에 일정 간격을 두고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비된 제2전극(130)이 배치된 구성으로 되어 있다.

이온분리막(100)의 구성요소인 지지관체(110)는 유전율이 높고 수용액이 통과할 수 있는 다수의 통공이 형성되며 기계적 강도와 내화학성을 가진 다공성 세라믹으로 구비하여 애노드 영역이나 캐소드 영역에서 모두 대응할 수 있는 조건을 갖도록 한다.

상기 지지관체(110)의 구성시에는 알루미나와 점토 또는 실리카와 점토를 배합한 세라믹 소재로 이루어지되 이러한 세라믹 소재를 반죽하여서 된 반죽물로 일정 두께를 가진 지지관체(110)를 구비하면서 지지관체(110)의 벽면 내부에 배치되는 제1,2전극(120)(130) 등의 구성부재가 내입되게 한 다음 이를 소성하는 과정으로 성형이 이루어지며, 상기 알루미나와 점토 또는 실리카와 점토를 배합한 세라믹 소재를 사용함으로써 성형시 성형구조 내부에 성질이 다른 물질을 넣고 성형하여 소성하여도 이상 물질과의 간격이 생기지 않고 유전율이 높아 분극을 할 수 있기 때문이다.

그리고, 상기 지지관체(110)를 구성하는 다공성 세라믹의 통공은 5㎛ 내지 20㎛로 형성함이 바람직한 것으로, 이는 통공이 5㎛ 이하이면 이온의 통과를 방해하고, 20㎛ 이상이면 불순물 등이 쉽게 유입되어 이온 분리효율이 떨어지는 단점이 있다.

상기 제1전극(120)을 구성하는 탄소 필라멘트사는 전도성을 가지고 있으며 금속물중 용융점이 높은 텅스텐 보다 더 높은 용융점을 가지고 있어서 탄소 필라멘트사로 직조된 환형의 스크린전극으로 구성되는 제1전극(120)은 지지관체(110)의 고온 소성시나 소성후에도 지지관체(110)의 벽면 내부에 배치된 형태를 그대로 유지하고 변형되지 않으면서 고정된 상태를 유지하여 유전율이 떨어지지 않도록 하며, 전기음성도가 금속 전극보다 높아 자유전자의 이동은 제공하나 고유전자의 이동성이 매우 낮아 본 발명의 이온분리 기능에 사용하기 적합하다.

상기 제1전극(120)을 구성하는 필라멘트수는 200필라멘트 이하가 되고 망목은 0.1~20㎛ 사이가 되도록 함이 바람직한 것으로, 이는 망목이 0.1㎛ 이하가 되면 이온의 통과를 방해하며 20㎛ 이상이면 전하의 이동 방향성을 방해하여 이온의 선택성을 낮아지게 하는 결과를 초래 하게 된다.

상기 상,하단 전극밴드(121)(122)는 제1전극(120)의 상,하단 테두리에 결착되고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비되어 이온의 통과에 관여하지 않고 투과력이 없으며, 제1전극(120)에 전하를 고르게 분배하기 위한 너비로 구비한다.

상기 상단 전극밴드(121)에는 외부에 구성되는 분리막 전원공급부(140)에서 전하를 인가받을 수 있도록 제1컨넥터(123)가 인출되어 구성되고 제1전극(120)의 하단 전극밴드(122)의 하부에는 일정 간격을 두고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비되고 제2컨넥터(131)가 인출된 제2전극(130)이 대응되게 배치된다.

상기 제1전극(120)의 하단 전극밴드(122)와 제2전극(130) 사이의 간격(L)은 1.5mm 이상으로 구비하여 방전이 발생되지 않도록 하되 이러한 제1전극(120)의 하단 전극밴드(122)와 제2전극(130) 사이의 간격(L)은 지지관체(110)의 두께(T)에 비해 50% 이하로 함이 바람직한 것으로, 이는 제1전극(120)의 하단 전극밴드(122)와 제2전극(130) 사이의 간격(L)이 지지관체(110)의 두께(T)에 비해 50% 이상이 되면 선택하지 않은 이온들이 늘어나는 단면적만큼 통과 할 수도 있고 선택한 이온이 통과하는 단면적은 줄어들게 됨과 아울러 인가되는 전류흐름의 방향이 제1전극(120)에서 제2전극(130)으로 흐르는 수직의 등방형에서 전해질의 농도가 짙은 지지관체(110)와 접촉하고 있는 유수쪽으로 수평의 이방형이 되어 선택적 이온의 통과와 비선택 이온의 저지 기능이 떨어지기 때문이다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 이온분리막(100)은 전해 모듈(200)의 내부에 배치되어 유수가 전해 모듈(200)을 통과하는 과정에서 이온 분리가 이루어지도록 되어 있다.

상기 전해 모듈(200)은 전해관체(210)의 내벽에 양전극(220)이 구비되고 전해관체(210)의 중심부에 음전극(230)이 구비되어 상기 양전극(220)과 음전극(230) 사이에 이온분리막(100)이 설치되며, 상기 이온분리막(100)에 의해 분리된 이온은 유수 배출방향에 구비된 분리관로(240)를 통해 얻게 된다.

그리고, 이온분리막(100)에 인가되는 분리막 전원공급부(140)의 전압은 전해 모듈(200)에 인가되는 전해 전원공급부(250)의 전압보다 낮은 가변 전압과 미세가변 전류인가가 가능한 직류전원으로 구성되며, 이온분리막(100)에 인가되는 분리막 전원공급부(140)는 출력극성을 전환하는 릴레이 스위치(142)가 구비된 것으로 구성된다. 분리막 전원공급부(140)의 전압은 전해 전원공급부(250)의 전압보다 낮아도 결국 전해 전원공급부(250)의 전압과 동화 되지만 분리막 전원공급부(140)의 출력 전류는 전해 전원공급부(250)의 전류보다 낮고 상대되는 전해질의 이온화 에너지 보다 작아서 전해에는 관여 하지 않아야 이온의 선택 통과를 효율적으로 달성 할 수가 있다.

이온화 에너지는 고립된 원자나 분자로부터 전자 1개를 제거하는 데 필요한 에너지의 양을 가리키는 것으로 어떤 원소가 화학반응에 필요한 이온을 형성하거나 전자를 제공할 수 있는 정도를 나타내는 것으로서 이온화 전위라고도 설명 할 수가 있다. 만약 분리막 전원공급부(140)에서 인가한 전위가 선택하고자 하는 물질의 이온화 전위보다 높으면 전해를 위한 전위를 인가하는 애노드 영역이나 캐소드 영역에 목적하는 반응물이 형성되는 것이 아니고 이온분리막(100) 영역에 반응물이 고정되어 선택하는 이온의 통과와 분리는 못하게 된다.

또한, 분리막 전원공급부(140)의 전류가 가변되지 않으면 화합물에서 화학결합의 특성은 원소에 따라 달라 이온화 에너지가 각기 틀리므로 대상물질의 종류별로 전원을 구비해야 하는 비생산적인 결과를 초래하게 된다. 또한 분리막 전원공급부(140)의 출력극성을 전환하는 릴레이 스위치(142)가 구비되지 않으면 종래의 이온교환막처럼 음이온분리막과 양이온분리막을 필요시마다 별도로 구비해야 한다.

예를 들어 설명하면, 전해 모듈(200)의 전해공정에서 나트륨 이온의 선택을 위하여 전해 전위는 나트륨의 3차 이온화 에너지인 6910.3kJ/mol 보다 높아야 하고 이온분리막(100)에는 상기에 기술한 이유로 나트륨 1차 이온화 에너지인 495.8kJ/mol인 3.094 eV 보다 7~8 Wh 낮은 전위 120Wh를 인가하여 사용하고 있다고 가정하고, 이번에는 같은 전해 모듈(200)에서 염소이온의 선택이 필요할 경우가 생긴다고 가정하면 염소이온의 3차 이온화 에너지는 나트륨 3차 이온화 에너지보다 낮으므로 전해 전위는 그대로 두고 염소의 1차이온화 에너지는 1251.2 kJ/mol이므로 환산하면 약 7.9eV의 에너지가 필요하게 되고 약 347.55Wh의 전위가 필요하므로 전해전위는 그대로 둔다고 하더라도 약 347.55Wh의 전위를 가지고 이온분리막(100)의 지지관체(110)에는 양극성 전하를 인가하기 위한 전원이 별도로 구비 되어야 목적하는 염소이온을 통과시키고 분리하게 될 것이다.

그러나 본 발명에서와 같이 외부에 구비되는 분리막 전원공급부(140)의 전압이 전해 전원공급부(250)의 전압과 대응할 수 있도록 전해전압보다 낮은 가변 전압과 미세가변 전류인가가 가능한 직류전원으로 구성되며, 분리막 전원공급부(140)의 극성을 전환하는 릴레이 스위치(142)가 있으면 조건에 따른 별도의 전원과 전하의 극성 전환 필요에 따라 일일이 전원을 별도로 구비 할 필요가 없도록 하는 것이다. 적정한 전원의 전류레벨은 0~1암페어 정도만 가변하여 조정되어도 본 발명의 목적인 이온분리를 만족시킬 수 있게 되고 이온분리막(100)은 종래 이온교환막과는 비교할 수 없는 내구성을 가지게 된다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

100 : 이온분리막 110 : 지지관체
120 : 제1전극 121,122 : 상,하단 전극밴드
123 : 제1컨넥터 130 : 제2전극
131: 제2컨넥터 140 : 분리막 전원공급부
142 : 릴레이 스위치 200 : 전해 모듈
210 : 전해관체 220 : 양전극
230 : 음전극 240 : 분리관로
250 : 전해 전원공급부

Claims (8)

1. 전해 모듈(200)의 내부에 이온분리막(100)이 배치되어 유수가 전해 모듈(200)을 통과하는 과정에서 이온 분리가 이루어지되
   상기 이온분리막(100)은;
   유전율이 높고 통공이 5㎛ 내지 20㎛로 형성된 다공성 세라믹으로 구비된 지지관체(110)와,
   상기 지지관체(110)의 벽면 내부에 배치되고 필라멘트수는 200필라멘트 이하가 되는 탄소 필라멘트사로 직조되어 망목은 0.1~20㎛ 사이가 되는 환형의 스크린전극으로 구성되는 제1전극(120)과,
   상기 제1전극(120)의 상,하단 테두리에 결착되고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비된 상,하단 전극밴드(121)(122)와,
   상기 제1전극(120)의 하단 전극밴드(122)와 대응된 위치에 일정 간격을 두고 탄소 필라멘트로 띠형으로 구비된 제2전극(130)이 배치된 구성으로 됨을 특징으로 하는 이온 선택 전환 배관형 이온분리막.
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