KR102268476B1 - Multi-channel membrane capacitive deionization with enhanced deionization performance - Google Patents

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Abstract

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 서로 마주보는 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 상기 양이온 교환막의 일측에 배치되는 복수의 제 1 전극; 상기 음이온 교환막의 타측에 배치되는 복수의 제 2 전극; 및 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 사이에 배치되는 유로;를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a cation exchange membrane and an anion exchange membrane facing each other; a plurality of first electrodes disposed on one side of the cation exchange membrane; a plurality of second electrodes disposed on the other side of the anion exchange membrane; and a flow path disposed between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane.

Description

탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치{MULTI-CHANNEL MEMBRANE CAPACITIVE DEIONIZATION WITH ENHANCED DEIONIZATION PERFORMANCE}MULTI-CHANNEL MEMBRANE CAPACITIVE DEIONIZATION WITH ENHANCED DEIONIZATION PERFORMANCE

본 발명은 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-channel membrane-coupled capacitive desalting device with increased desalting performance.

세계는 현재 지구 온난화에 의한 가뭄 현상 심화, 지하수 고갈, 사막화 진행과, 인구 증가, 산업화에 의한 생활 및 산업 용수 사용 증가로 인하여 물의 자원으로서의 가치가 증대되고 있어, 해수의 담수화나 생활 및 산업 폐수의 재활용화 등이 새로운 이슈로 등장하고 있다. 또한 산업용 초순수의 제조에 대한 관심이 높아지고, 생활면에서는 먹고, 씻을 맑은 물의 수요가 증가함에 따라 고효율의 이온 제거 장치의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In the world, the value of water as a resource is increasing due to the deepening of drought caused by global warming, the depletion of groundwater, the progress of desertification, and the increase in the use of living and industrial water due to population growth and industrialization. Recycling is emerging as a new issue. In addition, as interest in the manufacture of industrial ultrapure water increases and the demand for clean water to eat and wash in daily life increases, research on the development of high-efficiency ion removal devices is being actively conducted.

또한, 경수(hard water)를 공업용수 및 생활용수로 사용할 경우 세제가 잘 풀리지 않을 뿐만 아니라 이가 양이온(Ca2+, Mg2+ 등)에 의한 스케일의 형성으로 공업적, 위생적 문제를 야기한다. 따라서 경수의 사용으로 인한 피해를 줄이기 위해서는 연수화 공정이 필수적이며, 이에 대한 기술력 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 수중에 존재하는 방사성 Cs+ 이온의 제거 및 Li+ 이온 등의 회수는 환경 및 공업 분양에서 중요하게 인식되고 있다In addition, when hard water is used as industrial water and household water, detergents do not dissolve well and cause industrial and sanitary problems due to the formation of scale by divalent cations (Ca2+, Mg2+, etc.). Therefore, in order to reduce the damage caused by the use of hard water, the softening process is essential, and technological development for this is actively underway. In addition, the removal of radioactive Cs+ ions present in water and the recovery of Li+ ions are recognized as important in the environment and industrial distribution.

현재 이온물질을 제거하는 기술은 주로 증발법, 역삼투막법 및 이온교환수지법을 이용하고 있으며, 증발법과 역삼투막법은 높은 에너지 소비에 따른 운전비용 및 운전상의 문제점 등을 가지고 있고 가장 폭 넓게 사용하는 이온교환수지법은 재생할 때 산(Acid)이나 소금(NaCl)을 과량 사용하므로 2차 오염물질을 만드는 단점을 가지고 있다.Currently, technologies for removing ionic substances mainly use evaporation, reverse osmosis membrane, and ion exchange resin. Evaporation and reverse osmosis membrane methods have operating costs and operational problems due to high energy consumption, and are the most widely used ions. The exchange resin method has the disadvantage of creating secondary pollutants because it uses an excessive amount of acid (Acid) or salt (NaCl) during regeneration.

기존의 용존 이온 제거기술들이 가진 단점들을 보완하고 저 에너지 소비형의 새로운 이온 제거기술을 개발하고자 세계 여러 나라에서 연구들이 진행 중이며, 이러한 이온 제거기술에는 미국 LLNL, Sabrex of Texas 등에서 개발 중에 있는 전기 축전식 탈염(CDI: Capacitive Deionization) 기술이 있다.Research is underway in many countries around the world to compensate for the shortcomings of existing dissolved ion removal technologies and to develop new low-energy consumption-type ion removal technologies. There is a Capacitive Deionization (CDI) technology.

전기 흡착식 이온 제거기술인 CDI기술은 다른 방법들에 비해 에너지 소비량이 적으며 기존의 이온 제거 기술에서와 달리 화학약품에 의한 세정이 필요 없어 2차 오염이 없는 환경 친화적인 새로운 이온 제거 기술이며 유지보수가 간편하다는 장점이 있어 차세대 용존 이온 제거기술로 연구가 활발히 진행되고 있다.CDI technology, an electro-adsorption type ion removal technology, consumes less energy than other methods, and unlike the existing ion removal technology, it does not require cleaning with chemicals, so it is an environmentally friendly new ion removal technology that does not cause secondary pollution. Due to the advantage of simplicity, research is being actively conducted as a next-generation dissolved ion removal technology.

최초의 CDI 공정연구는 1960년대 미국 오클라호마 대학 연구진이 다공성 활성탄 전극을 사용하여 해수의 담수화 연구를 하였고 이후 Johnson 등은 활성탄소를 이용하여 CDI 실험을 수행한 바 있다. 그러나 핵심 요소인 전극의 성능저하로 인하여 지속적인 공정의 어려움으로 개발하지 못하였으나 미국의 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 90년대 중반에 탄소 에어로젤 전극을 이용한 CDI 공정을 개발하는 등의 연구가 진행되었고 그 밖에 활성 탄소 섬유, 탄소나노튜브 등을 전극 활물질로 사용한 CDI 공정 개발에 대한 연구도 진행된 바 있다.The first CDI process research was conducted in the 1960s by researchers at the University of Oklahoma in the US using a porous activated carbon electrode to study seawater desalination, and then Johnson et al. performed CDI experiments using activated carbon. However, the development was not possible due to the continuous process difficulties due to the deterioration of the electrode, which is a key factor, but research was conducted at the LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) in the US to develop a CDI process using a carbon airgel electrode in the mid-1990s. In addition, research on the development of a CDI process using activated carbon fibers and carbon nanotubes as electrode active materials has been conducted.

CDI는 전기화학적 흡/탈착을 이용해 원수의 이온을 가역적으로 제거하는 기술이다. 본 공정은 전위가 인가될 때, 전극 표면의 이중 층 내에 이온을 저장시킴으로써, 원수 내 이온을 제거한다. 그러나 축전식 탈염 공정은 필연적으로 이온 흡착에 필요한 전하의 일부가 낭비된다. 왜냐하면, 전기 이중층이 형성될 때 전극 표면에 존재했던 동전하 이온들 (전극의 전위와 같은 전위를 띄는 이온)을 밀어 내는데 전력을 소모하기 때문이다. 이러한 한계를 극복하기 위해, Membrane capacitive deionization (MCDI) 시스템이 등장했다. MCDI는 이온교환막을 적용함으로써 '동전하 이온반발'을 완화시켜, 탈염 성능과 전하 효율을 비약적으로 향상시켰다.CDI is a technology that reversibly removes ions from raw water using electrochemical adsorption/desorption. This process removes ions in the raw water by storing the ions in a double layer on the electrode surface when an electric potential is applied. However, the capacitive desalination process inevitably wastes some of the charge required for ion adsorption. This is because, when the electric double layer is formed, power is consumed to repel the charged ions (ions having the same potential as the electrode potential) existing on the electrode surface. To overcome these limitations, membrane capacitive deionization (MCDI) systems have emerged. MCDI relieves 'coin charge ion repulsion' by applying an ion exchange membrane, and dramatically improves the desalination performance and charge efficiency.

양쪽 전극 앞에 위치한 이온 선택성 막들은 (cation exchange membrane on cathode and anion exchange membrane on anode) 동전하 이온에 소모되는 전하를 절약시켰다. MCDI 시스템은 저농도 운전, 정전류 운전과 에너지 회수 등 활발하게 개발되어 왔다.Ion-selective membranes located in front of both electrodes (cation exchange membrane on cathode and anion exchange membrane on anode) saved the charge consumed by the same charge ions. The MCDI system has been actively developed for low-concentration operation, constant current operation, and energy recovery.

MCDI에 적용되는 이온교환 물질의 개발은 두 가지 방향으로 진행되었다.The development of ion exchange materials applied to MCDI proceeded in two directions.

첫째로, 이온 교환막의 재료가 개발되었다. 이러한 이온 교환막 개발의 예로는 NaSS-MAA-MMA copolymer 를 양이온 교환막으로, 4-vinylbenzylchloride/ styrene/ ethylmethacrylate를 음이온 교환막으로 적용하였다. 또한, Cross-linked quaternised polyvinyl alcohol을 AEM으로 제안하여 약 2배의 탈염 용량 향상을 보였다. 이온교환막 외에, 전극에 코팅용 이온 교환 물질 적용을 통해 성능 향상을 보인 연구들도 보고되어 왔다.First, the material of the ion exchange membrane was developed. As an example of such an ion exchange membrane development, NaSS-MAA-MMA copolymer was applied as a cation exchange membrane and 4-vinylbenzylchloride/styrene/ethylmethacrylate was applied as an anion exchange membrane. In addition, cross-linked quaternised polyvinyl alcohol was suggested as AEM, and the desalting capacity was improved by about 2 times. In addition to the ion exchange membrane, studies showing performance improvement through the application of an ion exchange material for coating to the electrode have also been reported.

둘째로, 이온 교환 물질을 전극에 코팅하는 방향으로 개발되었다. 이러한 이온 교환물질을 전극에 코팅하는 방법의 개발예로는 양이온교환 수지로써, Polyvinyl alcohol/sulfosuccinic acid를 음전극에 입혀 탈염 성능을 비약적으로 향상시켰다. 또한, 황산, 아민처리가 이루어진 bromomethylated poly(2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide) (BPPO)를 양/음 전극에 분사함으로써 이온교환 물질 코팅을 간편하게 성공시켰다. Nie 등은 electrodeposition 법으로 전극에 양이온 교환 수지로써 polyacrylic acid를 직접 전극에 코팅하여 좋은 regeneration ability(30 cycle)를 달성하였다.Second, it was developed in the direction of coating the electrode with an ion exchange material. As a development example of a method for coating such an ion exchange material on an electrode, polyvinyl alcohol/sulfosuccinic acid was coated on the negative electrode as a cation exchange resin to dramatically improve the desalting performance. In addition, by spraying bromomethylated poly(2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide) (BPPO) treated with sulfuric acid and amine on the positive/negative electrodes, the coating of the ion exchange material was easily successful. Nie et al. achieved good regeneration ability (30 cycles) by directly coating the electrode with polyacrylic acid as a cation exchange resin using the electrodeposition method.

이처럼 탄소 전극을 이용할 경우 넓은 표면적을 가지고 있어, 수용액 상에서 상대적으로 안정적인 용량 특성에서 우수한 장점이 있기는 하나, 탄소 자체의 저항이 적지 않으며, 표면 특성이 소수성이므로 물과 친하지 않다는 단점이 있으며, 탈염되는 속도면에서도 다소 느린 경향이 있다.As such, when using a carbon electrode, it has a large surface area and has an excellent advantage in relatively stable capacity characteristics in aqueous solution, but there is a disadvantage in that the resistance of carbon itself is not small, and it is not friendly with water because the surface characteristic is hydrophobic. It also tends to be a bit slow in terms of speed.

따라서, 탈염이 효율적으로 이루어지면서도 우수한 속도 특성을 갖는 탈염 공정의 개발이 요구되었다.Therefore, the development of a desalting process having excellent speed characteristics while efficiently desalting has been required.

특허문헌 1: 대한민국등록특허 제1237258호Patent Document 1: Republic of Korea Patent No. 1237258 특허문헌 2: 대한민국등록특허 제1410642호Patent Document 2: Republic of Korea Patent No. 1410642 특허문헌 3: 대한민국공개특허 제2012-0058228호Patent Document 3: Republic of Korea Patent Publication No. 2012-0058228

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 축전식 탈염 공정에서 탈염 용량을 향상시킬 수 있는 축전식 탈염 장치를 제공하는 데 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a capacitive desalting device capable of improving the desalting capacity in the capacitive desalting process.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 서로 마주보는 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 상기 양이온 교환막의 일측에 배치되는 복수의 제 1 전극; 상기 음이온 교환막의 타측에 배치되는 복수의 제 2 전극; 및 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 사이에 배치되는 유로;를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a cation exchange membrane and an anion exchange membrane facing each other; a plurality of first electrodes disposed on one side of the cation exchange membrane; a plurality of second electrodes disposed on the other side of the anion exchange membrane; and a flow path disposed between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane.

또한, 상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극의 개수는 동일할 수 있다.Also, the number of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes may be the same.

또한, 복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극의 수는 각각 2개 내지 10개 일 수 있다.Also, the number of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes may be 2 to 10, respectively.

또한, 상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극은 전해액에 접촉될 수 있다. In addition, the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes may be in contact with the electrolyte.

또한, 상기 복수의 제 1 전극에 접촉되는 전해액 및 상기 복수의 제 2 전극에 접촉되는 전해액은 서로 유동될 수 있다.In addition, the electrolyte in contact with the plurality of first electrodes and the electrolyte in contact with the plurality of second electrodes may flow with each other.

본 발명에 따른 축전식 탈염 장치는 복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극을 통해 축전식 탈염 공정에서 탈염 용량을 향상시킬 수 있다.Capacitive desalination apparatus according to the present invention can improve the desalination capacity in the capacitive desalination process through a plurality of first electrodes and a plurality of second electrodes.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 도시한 예시도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에서의 이온 제거 기작을 도시한 예시도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이고,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염장치에서의 이온 제거 기작을 도시한 예시도이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따라 반복되는 흡탈착에 따른 농도변화 곡선을 나타낸 것으로, 전해액에서의 산화환원 반응 물질의 농도 변화에 따른 결과를 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에서 전해액에서의 산화환원 반응 물질의 농도에 따른 탈염 성능을 나타낸 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치를 통한 탈염 및 재생 공정 중 처리수의 pH 변화를 나타낸 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따른 순환 전압 전류법 측정 결과를 나타낸 그래프이고,
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 산화환원 반응 물질을 이용하여 지속적인 탈염공정을 관찰한 결과를 나타낸 그래프이고,
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극 쌍의 수의 변화에 따른 유출수의 농도 변화를 나타낸 그래프이고,
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극 쌍의 수의 변화에 따른 처리수의 pH 변화를 나타낸 그래프이고,
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극 쌍의 수의 변화에 따른 탈염 양(SAC), 전극 무게 당 탈염 양 및 전하 효율을 나타낸 그래프이다.
1 is an exemplary view schematically showing a capacitive desalination apparatus according to Embodiment 1 of the present invention;
Figure 2 is an exemplary view showing the ion removal mechanism in the capacitive desalination device according to the first embodiment of the present invention,
3 is an exemplary view schematically showing a capacitive desalination apparatus according to Example 2 of the present invention;
Figure 4 is an exemplary view showing the ion removal mechanism in the capacitive desalting device according to the second embodiment of the present invention,
5 is a graph showing a concentration change curve according to repeated adsorption and desorption according to the capacitive desalination device according to Example 1 of the present invention, showing the results according to the change in the concentration of the redox reaction material in the electrolyte;
6 is a graph showing the desalination performance according to the concentration of the redox reactant in the electrolyte in the capacitive desalting device according to Example 1 of the present invention;
7 is a graph showing the pH change of treated water during the desalting and regeneration process through the capacitive desalting device according to Example 1 of the present invention;
8 is a graph showing the cyclic voltammetry measurement results according to the capacitive desalination apparatus according to Example 1 of the present invention;
9 is a graph showing the results of observing the continuous desalination process using the redox reaction material according to Example 1 of the present invention;
10 is a graph showing a change in the concentration of effluent according to a change in the number of electrode pairs in the capacitive desalination apparatus according to Example 2 of the present invention;
11 is a graph showing a change in the pH of treated water according to a change in the number of electrode pairs in the capacitive desalination apparatus according to Example 2 of the present invention;
12 is a graph showing the desalination amount (SAC), the desalination amount per electrode weight, and the charge efficiency according to a change in the number of electrode pairs in the capacitive desalination apparatus according to Example 2 of the present invention.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Other advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only this embodiment serves to complete the disclosure of the present invention, and to obtain common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화Even if not defined, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by common technology in the prior art to which this invention belongs. Terms defined by general dictionaries may be construed as having the same meaning as they have in the related description and/or in the text of the present application, and are conceptualized even if not expressly defined herein.

되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.nor will it be construed as overly formal.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, 'comprise' and/or various conjugations of this verb, eg, 'comprise', 'comprising', 'comprising', 'comprising', etc., refer to the referenced composition, ingredient, component, A step, operation and/or element does not exclude the presence or addition of one or more other compositions, components, components, steps, operations and/or elements. As used herein, the term 'and/or' refers to each of the listed components or various combinations thereof.

한편, 본 명세서 전체에서 사용되는 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.Meanwhile, terms such as '~ unit', '~ group', '~ block', and '~ module' used throughout this specification may mean a unit that processes at least one function or operation. For example, it can mean software, hardware components such as FPGAs or ASICs. However, '~ part', '~ group', '~ block', and '~ module' are not meant to be limited to software or hardware. '~ unit', '~ group', '~ block', and '~ module' may be configured to reside in an addressable storage medium or to regenerate one or more processors.

따라서, 일 예로서 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 더 분리될 수 있다.Accordingly, as an example, '~ part', '~ group', '~ block', and '~ module' are components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components. fields, processes, functions, properties, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and include variables. The functions provided within the components and '~part', '~gi', '~block', and '~module' are smaller than the number of components and '~bu', '~gi', '~block' ', '~modules' or may be further separated into additional components and '~parts', '~groups', '~blocks', and '~modules'.

이하, 본 명세서의 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings of the present specification.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 도시한 예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에서의 이온 제거 기작을 도시한 예시도이다.1 is an exemplary view schematically showing a capacitive desalting apparatus according to Example 1 of the present invention, and FIG. 2 is an exemplary view showing an ion removal mechanism in the capacitive desalting apparatus according to Example 1 of the present invention .

본 발명의 실시예 1는 축전식 탈염 장치에서 전극 측에 흐르는 전해 용액에 산화 환원 반응 물질을 포함시킨 것을 특징으로 한다.Embodiment 1 of the present invention is characterized in that the redox reaction material is included in the electrolytic solution flowing to the electrode side in the capacitive desalination device.

본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치는 해수, 염수 또는 폐수가 유입되고, 처리된 처리수(10)가 배출되는 경로를 제공하는 중심 유로(11), 상기 중심 유로(11)의 일측에 배치된 양이온 교환막(21), 상기 중심 유로(11)의 타측에 배치된 음이온 교환막(22), 상기 양이온 교환막(21) 일측에 배치된 제 1 유로(31), 상기 음이온 교환막(22) 타측에 배치된 제 2 유로(32), 상기 제 1 유로(31) 및 상기 제 2 유로(32) 내에 각각 배치된 한 쌍의 전극(41, 42) 및 상기 제 2 유로(32) 내에서 유동하며, 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액(30)을 포함한다.In the capacitive desalination apparatus according to the first embodiment of the present invention, a central flow path 11 providing a path through which seawater, salt water or wastewater is introduced and the treated treated water 10 is discharged, and one side of the central flow path 11 . The cation exchange membrane 21 disposed in the cation exchange membrane 22 disposed on the other side of the central flow path 11, the first flow path 31 disposed on one side of the cation exchange membrane 21, the other side of the anion exchange membrane 22 A pair of electrodes 41 and 42 disposed in the second flow path 32, the first flow path 31, and the second flow path 32, respectively, and the second flow path 32 disposed in the , and an electrolyte solution 30 containing a redox reaction material.

중심 유로(11)는 해수, 염수 또는 폐수가 유입될 수 있으며 처리된 처리수(10)를 배출하는 경로를 제공할 수 있다.The central flow path 11 may provide a path through which seawater, salt water, or wastewater may be introduced and the treated treated water 10 may be discharged.

여기서, 상기 해수, 염수 또는 폐수는 탈염이 가능한 양이온과 음이온을 포함할 수 있다.Here, the seawater, brine or wastewater may include desalting cations and anions.

중심 유로(11)의 일측에는 양이온 교환막(21)이 배치되고, 타측에는 음이온 교환막(22)이 배치되어, 해수, 염수 또는 폐수 내의 양이온과 음이온이 교환될 수 있다.A cation exchange membrane 21 is disposed on one side of the central flow path 11 , and an anion exchange membrane 22 is disposed on the other side, so that cations and anions in seawater, brine or wastewater can be exchanged.

여기서, 이온 교환막(21, 22) 및 전극(41, 42)는 종래 축전식 전극(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용 가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.Here, any of the ion exchange membranes 21 and 22 and the electrodes 41 and 42 that have been used in conventional capacitive electrodes (battery, storage battery, etc.) can be used, and a person of ordinary skill in the art It can be appropriately selected and used according to the purpose and conditions of its use.

양이온 교환막(21) 및 음이온 교환막(22)은 미세공 절연 분리막이고, 이온교환(전도)막일 수 있다. 양이온 교환막(21) 및 음이온 교환막(22)은 전기물리적 분리를 위해 설치되는 것으로 미세공 절연 분리막(separator)은 이온 이동만이 가능하고, 이온교환(전도)막은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있다.The cation exchange membrane 21 and the anion exchange membrane 22 are micropore insulating membranes, and may be ion exchange (conductive) membranes. The cation exchange membrane 21 and the anion exchange membrane 22 are installed for electrophysical separation. The micropore insulating separator is capable of only ion movement, and the ion exchange (conductive) membrane is a cation or anion. can be selectively moved.

전극(41, 42)는 양이온 교환막(21)에 인접하게 배치된 제 1 전극(41) 및 음이온 교환막(22)에 인접하게 배치된 제 2 전극(42)을 포함할 수 있다.The electrodes 41 and 42 may include a first electrode 41 disposed adjacent to the cation exchange membrane 21 and a second electrode 42 disposed adjacent to the anion exchange membrane 22 .

한편, 전극(41, 42)에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(capacitance)에 따라 결정되기 때문에 본 발명에서는 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(carbon electrode)이 사용될 수 있다.Meanwhile, since the amount of ions adsorbed to the electrodes 41 and 42 is determined according to the capacitance of the used electrode, a porous carbon electrode having a large specific surface area may be used in the present invention.

제 1 전극(41)은 양이온 교환막(21)의 일측에 배치된 제 1 유로(31) 내에 배치되고, 제 2 전극(42)은 음이온 교환막(22)의 타측에 배치된 제 2 유로(32) 내에 배치될 수 있다.The first electrode 41 is disposed in the first flow path 31 disposed on one side of the cation exchange membrane 21 , and the second electrode 42 is disposed in the second flow path 32 disposed on the other side of the anion exchange membrane 22 . can be placed within.

여기서, 제 1 전극(41)은 양이온 교환막(21)과 이격되어 배치될 수 있고, 제 2 전극(42)은 음이온 교환막(22)과 이격되어 배치될 수 있다.Here, the first electrode 41 may be disposed to be spaced apart from the cation exchange membrane 21 , and the second electrode 42 may be disposed to be spaced apart from the anion exchange membrane 22 .

여기서, 도시하지 않았지만, 제 1 전극(41)에는 음전극 활물질이 코팅되어 있고, 제 2 전극(42)에는 양전극 활물질이 코팅되어 있을 수 있다.Here, although not shown, the first electrode 41 may be coated with a negative electrode active material, and the second electrode 42 may be coated with a positive electrode active material.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염장치에서의 이온 제거 기작을 도시한 예시도이다.3 is an exemplary view schematically showing a capacitive desalting apparatus according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exemplary view showing an ion removal mechanism in the capacitive desalting apparatus according to the second exemplary embodiment of the present invention.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 유로(31)에는 복수의 제 1 전극(141)이 배치되고, 제 2 유로(32)에는 복수의 제 2 전극(142)이 배치된다.3 and 4 , a plurality of first electrodes 141 are disposed in the first flow path 31 , and a plurality of second electrodes 142 are disposed in the second flow path 32 .

예를 들면, 양이온 교환막(21)의 일측에는 복수의 제 1 전극(141a, 141b, 141c 및 141d)이 배치되고, 음이온 교환막(22)의 타측에는 복수의 제 2 전극(142a, 142b, 142c 및 142d)이 배치된다. For example, a plurality of first electrodes 141a , 141b , 141c and 141d are disposed on one side of the cation exchange membrane 21 , and a plurality of second electrodes 142a , 142b , 142c and a plurality of second electrodes 142a , 142b , 142c and the other side of the anion exchange membrane 22 are disposed on one side of the cation exchange membrane 21 . 142d) is placed.

한편, 도 3에 따르면 제 1 전극(141) 및 제 2 전극(142)의 수는 각각 4개로 도시되어 있지만 그 수를 4개로 한정하는 것은 아니며, 각각 5개 이상의 전극으로 제공될 수 있다.Meanwhile, according to FIG. 3 , although the number of the first electrode 141 and the second electrode 142 is illustrated as four, the number is not limited to four, and five or more electrodes may be provided, respectively.

이 때, 제 1 전극(141a 내지 141d)과 제 2 전극(142a 내지 142d)은 서로 같은 수로 제공될 수 있다. In this case, the first electrodes 141a to 141d and the second electrodes 142a to 142d may be provided in the same number.

예를 들어 제 1 전극(141a 내지 141d)의 개수가 제 2 전극(142a 내지 142d)의 개수보다 많을 경우 제 1 전극(141a 내지 141d)은 제 2 전극(142a 내지 142d)에 비해 짧은 시간 안에 흡착 용량이 포화되어 더 이상 이온을 흡착할 수 없게 된다.For example, when the number of the first electrodes 141a to 141d is greater than the number of the second electrodes 142a to 142d, the first electrodes 141a to 141d are adsorbed within a shorter time than the second electrodes 142a to 142d. The capacity is saturated and can no longer adsorb ions.

흡착 용량이 포화되면 전극에 붙은 이온을 떨어트리는 탈착 과정을 진행해야 하므로, 제 1 전극(141a 내지 141d)과 제 2 전극(142a 내지 142d)은 비슷한 시기에 포화되는 것이 바람직하다. 따라서 양 전극은 포화 시기의 차이를 줄이기 위해 같은 수로 제공되는 것이 바람직하다.When the adsorption capacity is saturated, since a desorption process for dropping ions attached to the electrode must be performed, the first electrodes 141a to 141d and the second electrodes 142a to 142d are preferably saturated at a similar time. Therefore, it is preferable to provide the same number of electrodes in order to reduce the difference in saturation timing.

하지만, 실시예에 따라서는 양 전극의 개수 차이를 다르게 하는 것 역시 가능하다.However, depending on the embodiment, it is also possible to make a difference in the number of both electrodes.

전극(141, 142)에는 집전체(43)가 포함될 수 있다. 집전체(43)는 활물질의 전기화학반응에 의해 생성된 전자를 회수하거나 전기화학반응에 필요한 전자를 공급하여 탈염 성능을 향상시킨다.The electrodes 141 and 142 may include a current collector 43 . The current collector 43 recovers electrons generated by the electrochemical reaction of the active material or supplies electrons necessary for the electrochemical reaction to improve desalting performance.

제 1 유로(31) 및 제 2 유로(32)는 상호 연통되는 것이 바람직하며, 제 1 유로(31) 측으로 유입된 전해액(30)은 제 1 전극(41) 및 제 2 전극(42) 측을 거쳐 제 2 유로(32)측으로 배출될 수 있다.It is preferable that the first flow path 31 and the second flow path 32 communicate with each other, and the electrolyte 30 introduced into the first flow path 31 is directed toward the first electrode 41 and the second electrode 42 side. It may be discharged to the second flow path 32 side.

전해액(30)은 산화환원 반응 물질을 포함할 수 있다.The electrolyte solution 30 may include a redox reaction material.

여기서, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 페로시안 화합물(Ferro cyanide)을 포함할 수 있다.Here, the redox material of the electrolyte solution 30 may include a ferro cyanide compound.

일 예에서, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 Na4Fe(CN)6으로 선택될 수 있다.In one example, the redox material of the electrolyte 30 may be selected as Na 4 Fe(CN) 6 .

한편, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 다음의 [반응식]과 같이 산화 환원 반응할 수 있다.On the other hand, the redox reaction material of the electrolyte 30 may be subjected to a redox reaction as shown in the following [reaction formula].

[반응식][reaction formula]

Figure 112019099260471-pat00001
Figure 112019099260471-pat00001

도 2 및 도 4를 참조하면, 양이온 교환막(21)은 양이온을 선택적으로 투과하고, 음이온 교환막(22)은 음이온을 선택적으로 투과할 수 있다.2 and 4 , the cation exchange membrane 21 may selectively permeate cations, and the anion exchange membrane 22 may selectively permeate anions.

또한, 외부로부터 공급되는 발생한 전위차, 예를 들어 0.6~1.2v 범위의 전위차가 제 1 전극(41)과 제 2 전극(42)에 인가되면, 전극에는 일정한 전하량이 하전된다. In addition, when the generated potential difference supplied from the outside, for example, a potential difference in the range of 0.6 to 1.2v is applied to the first electrode 41 and the second electrode 42 , the electrode is charged with a certain amount of charge.

하전된 전극(41, 42)에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극(41, 42)으로 이동하여 전극(41, 42) 표면에 흡착되고, 전극(41, 42)을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(pure water)(처리수)(40)가 된다.When brine water containing ions is passed through the charged electrodes 41 and 42, ions having an opposite charge to the charged electrode move to the respective electrodes 41 and 42 by electrostatic force to move to the electrodes 41 and 42. The water adsorbed to the surface and passing through the electrodes 41 and 42 becomes pure water (treated water) 40 from which ions are removed.

또한, 전극(41, 42)이 배치된 제 1 유로(31) 및 제 2 유로(32) 내에는 전해액(30)이 흐르게 되며, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 전극에 인가된 전압으로 인해 산화환원 반응을 수행하게 되고, 이 때 전해액의 전하 균형을 맞추기 위해 양이온 또는 음이온이 양이온 교환막(21)과 음이온 교한막(22)를 통해 전해액(30)으로 유입되어 중심 유로(11)의 탈염 성능을 높일 수 있다.In addition, the electrolyte 30 flows in the first flow path 31 and the second flow path 32 in which the electrodes 41 and 42 are disposed, and the redox reaction material of the electrolyte 30 is a voltage applied to the electrodes. Due to the redox reaction, cations or anions are introduced into the electrolyte 30 through the cation exchange membrane 21 and the anion exchange membrane 22 to balance the charge of the electrolyte solution, and the central flow path 11 is desalted. performance can be increased.

예컨대, 제 1 유로(31) 내의 산화환원 반응 물질은 제 1 전극(41)에 인가된 - 전압으로 인해 환원반응을 수행할 수 있고, 제 2 유로(32) 내의 산화환원 반응 물질은 제 2 전극(42)에 인가된 + 전압으로 인해 산화반응을 수행할 수 있다For example, the redox reaction material in the first flow passage 31 may perform a reduction reaction due to the voltage applied to the first electrode 41 , and the redox reaction material in the second flow passage 32 is the second electrode Oxidation can be carried out due to the + voltage applied to (42)

즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치는 전극의 용량(Capacitive)에 따른 이온 처리 기작과 산화환원 반응(Redox Couple)을 통한 전자전달반응에 따른 이온 처리 기작을 동시에 활용할 수 있어, 탈염 성능을 향상시킬 수 있다.That is, the capacitive desalination apparatus according to Example 1 of the present invention can simultaneously utilize the ion treatment mechanism according to the capacitance of the electrode and the ion treatment mechanism according to the electron transfer reaction through the Redox Couple, Demineralization performance can be improved.

한편, 탈착 과정을 설명하면, 전극(41, 42)의 흡착 용량이 포화되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수로 나오게 된다. 전극(41, 42)에 흡착된 이온들을 탈착시켜 전극을 재생하기 위해 전극(41, 42)들을 쇼트(short) 시키거나 흡착 전위와 반대 전위를 인가한다. 이 경우 전극들은 전하를 잃거나 반대 전하를 갖게 되어 흡착된 이온들을 빠르게 탈착시켜 전극의 재생이 이루어지게 된다.On the other hand, when the desorption process is described, when the adsorption capacity of the electrodes 41 and 42 is saturated, no more ions can be adsorbed, so that the ions of the influent come out as they are in the outflow. In order to regenerate the electrodes by desorbing ions adsorbed to the electrodes 41 and 42, the electrodes 41 and 42 are shorted or a potential opposite to the adsorption potential is applied. In this case, the electrodes lose charge or have an opposite charge, so that the adsorbed ions are rapidly desorbed, and the electrode is regenerated.

<본 발명의 실시예 1에 따른 측정 결과><Measurement results according to Example 1 of the present invention>

이하에서는 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따른 탈염 성능을 비교예와 비교하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 5 to 8, the desalination performance of the capacitive desalination apparatus according to Example 1 of the present invention will be described in comparison with the comparative example.

비교예comparative example

비교예는 전극 측 유로에 흐르는 전해액에서 산화환원 반응 물질을 Na4Fe(CN)6 로 선택하고, 산화환원 반응 물질의 농도를 0 mM로 설정하였다. In Comparative Example, Na 4 Fe(CN) 6 was selected as the redox reactant in the electrolyte flowing through the electrode side flow path, and the concentration of the redox reactant was set to 0 mM.

산화환원 반응 물질의 농도 변화에 따른 실시예Examples according to the change in the concentration of the redox reactant material

실시예 1에서는 전극 측 유로에 흐르는 전해액에서 산화환원 반응 물질을 Na4Fe(CN)6 로 선택하고, 산화환원 반응 물질의 농도를 아래의 [표 1]과 같이 설정하였다. In Example 1, Na 4 Fe(CN) 6 was selected as the redox reactant in the electrolyte flowing through the electrode side flow path, and the concentration of the redox reactant was set as shown in [Table 1] below.


실시예 1-1

Example 1-1

실시예 1-2

Example 1-2

실시예 1-3

Examples 1-3

실시예 1-4

Examples 1-4

농도

density

10 mM

10 mM

30 mM

30 mM

50 mM

50 mM

100 mM

100 mM

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따라 반복되는 흡탈착에 따른 농도변화 곡선을 나타낸 것으로, 전해액에서의 산화환원 반응 물질의 농도 변화에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a concentration change curve according to repeated adsorption and desorption according to the capacitive desalination apparatus according to Example 1 of the present invention, and showing the results according to the change in the concentration of the redox reactant in the electrolyte.

도 5를 참조하면, 제 1 유로 및 제 2 유로에 흐르는 전해액에서 산화환원 반응 물질의 농도가 증가할수록 중심 유로를 통해 배출되는 처리수의 농도가 감소함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that as the concentration of the redox reactant in the electrolyte flowing through the first flow passage and the second flow passage increases, the concentration of the treated water discharged through the central flow passage decreases.

한편, 도 5를 참조하면, 전해액에서 산화환원 반응 물질의 농도가 증가할수록 배출되는 처리수의 농도가 감소하나 산화환원 반응 물질의 농도가 50 mM를 초과하는 경우에는 배출되는 처리수 농도의 감소량이 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 5 , the concentration of the discharged treated water decreases as the concentration of the redox reactant in the electrolyte increases. However, when the concentration of the redox reactant exceeds 50 mM, the decrease in the concentration of the discharged treated water is It can be seen that there is no increase.

즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 처리수 10 mM 축전식 탈염 장치에서는 전해액에서 산화환원 반응 물질의 농도가 0 mM 초과 50 mM 이하인 것이 바람직하며, 처리수의 농도가 증가할 경우 (>10 mM), 산화환원 반응 물질의 농도가 더 높은 것이 바람직할 수 있다. That is, in the 10 mM capacitive desalting apparatus for treated water according to Example 1 of the present invention, it is preferable that the concentration of the redox reactant in the electrolyte is greater than 0 mM and less than or equal to 50 mM, and when the concentration of the treated water increases (>10 mM) ), a higher concentration of the redox reactant may be desirable.

도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에서 전해액에서의 산화환원 반응 물질의 농도에 따른 탈염 성능을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the desalination performance according to the concentration of the redox reactant in the electrolyte in the capacitive desalting device according to Example 1 of the present invention.

여기서, Salt adsorption Capcitiy (SAC)는 탈염 성능을 나타내고, Charge efficiency는 전하 효율로 전기에너지 효율을 나타내고, Capacitiy는 전극의 저장용량을 나타낸다.Here, salt adsorption capacity (SAC) represents the desalination performance, charge efficiency represents electric energy efficiency as charge efficiency, and capacitance represents the storage capacity of the electrode.

우선, 탈염 성능과 전극의 저장용량을 살펴보면, 비교예에 비해 실시예 1-1 내지 1-4의 탈염 성능(SAC)이 월등히 증감함을 확인할 수 있다.First, looking at the desalination performance and the storage capacity of the electrode, it can be seen that the desalination performance (SAC) of Examples 1-1 to 1-4 is significantly increased compared to the comparative example.

여기서, 탈염 성능은 전해액에서 산화환원 반응 물질의 농도가 50mM인 경우, 임계 성능에 유사하게 수렴하는 것을 확인할 수 있다.Here, it can be seen that the desalting performance converges similarly to the critical performance when the concentration of the redox reactant in the electrolyte is 50 mM.

한편, 전하 효율을 살펴보면, 비교예 및 실시예 1-1 내지 1-4의 모든 조건에서 전하 효율이 감소하지 않고 높은 효율을 유지함을 확인할 수 있다.On the other hand, looking at the charge efficiency, it can be confirmed that the charge efficiency does not decrease under all the conditions of Comparative Examples and Examples 1-1 to 1-4, and high efficiency is maintained.

도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치를 통한 탈염 및 재생 공정 중 처리수의 pH 변화를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the pH change of treated water during the desalting and regeneration process through the capacitive desalting apparatus according to Example 1 of the present invention.

도 7을 참조하면, H+와 OH-에 의한 pH 변화를 측정하기 위한 것으로, 처리수의 pH를 측정하여 나타낸 그래프이다. 일반적으로 pH는 전극에 전기적인 힘을 인가하였을 때 셀 내에서 용액 내 이온들의 흡/탈착 반응 또는 어느 화학종에 의한 산화/환원 반응을 확인할 수 있는 지표로서, 이상적인 축전식 탈염용 전극은 전자에 선호적이어야 한다. Referring to FIG. 7 , it is for measuring a change in pH due to H + and OH , and is a graph showing the measurement of the pH of treated water. In general, pH is an indicator that can confirm the adsorption/desorption reaction of ions in the solution or the oxidation/reduction reaction by a certain chemical species in the cell when an electric force is applied to the electrode. should be preferred.

전반적으로 약간의 산성을 띄었으며, 효율이 상당히 높은 실시예와 비교예는 pH에 대한 변화의 폭이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. pH의 변화 폭은 약 ±0.1로 상당히 편차가 상당히 낮았으며, 전극에 인가된 힘이 이온들의 흡/탈착 반응에 더 우호적이었음을 확인할 수 있다.Overall, it was slightly acidic, and it could be confirmed that the Examples and Comparative Examples with significantly high efficiency did not show a large change in pH. The range of change in pH was about ±0.1, and the deviation was quite low, and it can be confirmed that the force applied to the electrode was more favorable to the adsorption/desorption reaction of ions.

도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따른 순환 전압 전류법 측정 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the measurement results of the cyclic voltammetry according to the capacitive desalination apparatus according to Example 1 of the present invention.

여기서, 물질과 전극에 따라 각기 다른 전위에서 산화와 환원이 일어나기 때문에 순환전압전류도(cyclic voltammogram, CV)에 나타나는 특징적인 전위로부터 정성분석이 가능하며, 이 때의 전류 크기로부터 정량 분석 도한 가능하다.Here, since oxidation and reduction occur at different potentials depending on materials and electrodes, qualitative analysis is possible from the characteristic potentials shown in the cyclic voltammogram (CV), and quantitative analysis is also possible from the current magnitude at this time. .

순환전압전류법은 분석물질의 전기화학적인 산화환원 거동을 보여주고, 전기 용량(Capacitance)은 순환전압전류도 면적에 비례하므로, 이를 통해 전극에서의 전기 용량을 확인할 수 있다.Cyclic voltammetry shows the electrochemical redox behavior of the analyte, and the capacitance is proportional to the cyclic voltammetry area, so the capacitance at the electrode can be confirmed.

즉, 도 8을 참조하면, 전해액에 산화환원 반응 물질을 포함시키면, 전기 용량이 증가함을 확인할 수 있다.That is, referring to FIG. 8 , it can be confirmed that when the redox reaction material is included in the electrolyte, the electric capacity is increased.

도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 산화환원 반응 물질을 이용하여 지속적인 탈염공정을 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the results of observing the continuous desalination process using the redox reaction material according to Example 1 of the present invention.

전해액(30)내의 산화환원 반응물질이 지속적으로 처리수의 탈염을 가능케 하는 것을 알 수 있으며, 저 농도의 처리수 (10 mM) 뿐만 아니라, 해수 (600 mM)까지도 탈염이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that the redox reactants in the electrolyte 30 continuously enable desalting of treated water, and it can be seen that desalting is possible not only of low concentration treated water (10 mM) but also seawater (600 mM). .

또한, 산화환원 반응 물질은 제 1 전극(41)에서 인가된 - 전압으로 인해 환원반응을 지속적으로 수행할 수 있고, 제 2 전극 (42)에 인가된 + 전압으로 인해 산화반응을 지속적으로 수행할 수 있어, 지속적인 탈염이 가능하다.In addition, the redox reactant material can continuously perform a reduction reaction due to the - voltage applied to the first electrode 41 , and continuously perform the oxidation reaction due to the + voltage applied to the second electrode 42 . Therefore, continuous desalination is possible.

<본 발명의 실시예 2에 따른 측정 결과><Measurement results according to Example 2 of the present invention>

이하에서는 도 10 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치의 탈염 성능을 비교예와 함께 비교하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 10 to 12, the desalination performance of the capacitive desalination apparatus according to Example 2 of the present invention will be described by comparing it with a comparative example.

비교예comparative example

비교예는 제 1 전극 및 제 2 전극의 수를 각각 1개로 설정하였다.In the comparative example, the number of the first electrode and the second electrode was set to one each.

실시예 2Example 2

실시예 2에서는 제 1 전극(141) 및 제 2 전극(142)의 수를 각각 2개 내지 4개로 설정하였다.In Example 2, the number of the first electrodes 141 and the second electrodes 142 was set to 2 to 4, respectively.

도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수의 변화에 따른 처리수의 농도 변화를 나타낸 그래프이다. 10 is a graph showing a change in the concentration of treated water according to a change in the number of pairs of electrodes 141a to 141d and 142a to 142d in the capacitive desalination apparatus according to Example 2 of the present invention.

도 10을 참조하면, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수를 증가시킬수록 중심 유로(11)를 통해 배출되는 처리수(10)의 농도가 감소함을 확인할 수 있다. 따라서, 전극(141, 142)의 수를 증가시킬수록 축전식 탈염 장치의 탈염 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10 , it can be seen that as the number of pairs of electrodes 141a to 141d and 142a to 142d increases, the concentration of the treated water 10 discharged through the central flow path 11 decreases. Therefore, it can be seen that as the number of electrodes 141 and 142 is increased, the desalination performance of the capacitive desalination device is improved.

도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수의 변화에 따른 처리수(10)의 pH 변화를 나타낸 그래프이다. 11 is a graph showing the pH change of the treated water 10 according to the change in the number of pairs of electrodes 141a to 141d and 142a to 142d in the capacitive desalination apparatus according to Example 2 of the present invention.

도 11을 참조하면, 처리수(10)는 전반적으로 약산성을 나타냈으나, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수가 증가하더라도 pH의 변화 폭은 약 ±0.3으로 상당히 편차가 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수를 증가시키더라도 전하 효율이 높고, 부 반응이 적은 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 11 , the treated water 10 exhibited weak acidity as a whole, but even if the number of pairs of electrodes 141a to 141d and 142a to 142d increased, the range of change in pH was about ±0.3, indicating that the deviation was quite small. can Accordingly, it can be seen that charge efficiency is high and side reactions are small even when the number of pairs of electrodes 141a to 141d and 142a to 142d is increased.

도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수의 변화에 따른 탈염 양(SAC), 전극 무게 당 탈염 양 및 전하 효율을 나타낸 그래프이다.12 shows the desalination amount (SAC), the desalination amount per electrode weight and the charge efficiency according to the change in the number of pairs of electrodes 141a to 141d and 142a to 142d in the capacitive desalination device according to Example 2 of the present invention; It is a graph.

Salt adsorption Capacity (SAC)는 탈염 양을 나타내고, Charge efficiency는 전하 효율로 전기에너지 효율을 나타내며, Specific SAC는 전극 무게 당 탈염 양을 나타낸다.Salt adsorption capacity (SAC) represents the amount of desalination, charge efficiency represents electrical energy efficiency as charge efficiency, and specific SAC represents the amount of desalination per electrode weight.

도 12를 참조하면, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수가 증가할수록 총 탈염 양 (Salt adsorption Capacity, SAC)는 증가한다. 하지만 전극 무게 당 탈염 양 (Specific SAC)은 감소하는 것으로 나타난다. Referring to FIG. 12 , as the number of pairs of electrodes 141a to 141d and 142a to 142d increases, a total salt adsorption capacity (SAC) increases. However, the desalination amount per electrode weight (Specific SAC) appears to decrease.

즉, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수의 증가로 인한 탈염 장치의 제작 비용의 증가를 고려하면 본 발명의 탈염 장치에 사용되는 전극의 수를 적절히 조절하는 것이 바람직하며, 전극(141, 142) 쌍의 수는 2쌍 내지 10쌍인 것이 가장 바람직하다.That is, considering the increase in the manufacturing cost of the desalting device due to the increase in the number of pairs of electrodes 141a to 141d, 142a to 142d, it is preferable to appropriately control the number of electrodes used in the desalting device of the present invention, and the electrode ( 141, 142) the number of pairs is most preferably from 2 to 10 pairs.

하지만, 실시예에 따라서는 11쌍 이상으로 제공되는 것 역시 가능하다.However, depending on the embodiment, it is also possible to provide 11 or more pairs.

이때, 제 1 전극 및 제 2 전극이 서로 같은 개수로 제공되지 않을 경우, 각각의 전극의 수는 2개 내지 10개인 것이 바람직하다.In this case, when the first electrode and the second electrode are not provided in the same number, the number of each electrode is preferably 2 to 10.

하지만, 실시예에 따라서는 11개 이상으로 제공되는 것 역시 가능하다.However, depending on the embodiment, it is also possible to provide 11 or more.

한편, 전하 효율의 경우 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수를 증가시키더라도 전하 효율이 감소하지 않고 높은 효율을 유지함을 확인할 수 있다. 이를 통해 전극 쌍의 수가 증가하더라도 효율이 유지될 것이라 생각되며 시간당 더 많은 탈염이 가능하게 된다.On the other hand, in the case of charge efficiency, it can be seen that even if the number of pairs of electrodes 141a to 141d and 142a to 142d is increased, charge efficiency does not decrease and high efficiency is maintained. Through this, it is thought that the efficiency will be maintained even if the number of electrode pairs is increased, and more desalination is possible per hour.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the technical field to which the present invention pertains that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those who have the knowledge of

10: 처리수 11: 중심 유로
21: 양이온 교환막 22: 음이온 교환막
30: 전해액 31: 제 1 유로
32: 제 2 유로 41: 제 1 전극
42: 제 2 전극 43: 집전체
141 a, b, c, d: 제 1 전극 142 a, b, c, d: 제 2 전극
10: treated water 11: central flow path
21: cation exchange membrane 22: anion exchange membrane
30: electrolyte 31: first euro
32: second flow passage 41: first electrode
42: second electrode 43: current collector
141 a, b, c, d: first electrode 142 a, b, c, d: second electrode

Claims (5)

서로 마주보는 양이온 교환막 및 음이온 교환막;
상기 양이온 교환막의 일측에 배치되는 복수의 제 1 전극;
상기 음이온 교환막의 타측에 배치되는 복수의 제 2 전극; 및
상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 사이에 배치되는 유로;를 포함하는 축전식 탈염 장치.
a cation exchange membrane and an anion exchange membrane facing each other;
a plurality of first electrodes disposed on one side of the cation exchange membrane;
a plurality of second electrodes disposed on the other side of the anion exchange membrane; and
Capacitive desalination apparatus comprising a; flow path disposed between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극의 개수는 동일한 축전식 탈염 장치.
The method of claim 1,
The number of the plurality of first electrodes and the number of the plurality of second electrodes is the same.
제 1 항에 있어서,
복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극의 수는 각각 2개 내지 10개인 축전식 탈염 장치.
The method of claim 1,
The number of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes is 2 to 10, respectively.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극은 전해액에 접촉되는 축전식 탈염 장치.
The method of claim 1,
The plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes are in contact with the electrolytic solution.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 전극에 접촉되는 전해액 및 상기 복수의 제 2 전극에 접촉되는 전해액은 서로 유동되는 축전식 탈염 장치.
5. The method of claim 4,
The electrolytic solution in contact with the plurality of first electrodes and the electrolyte in contact with the plurality of second electrodes flow with each other.
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