KR102373244B1 - 다중채널 배터리 탈염시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템은 지하수, 호수 또는 강물을 포함하는 유입수가 유입되어 이동하는 경로를 제공하는 제 1 채널유로; 상기 제 1 채널유로의 일측에 배치되는 양이온 교환막; 상기 제 1 채널유로의 타측에 배치되는 음이온 교환막; 상기 양이온 교환막 외측에 배치되는 제 2 채널유로; 상기 음이온 교환막 외측에 배치되는 제 3 채널유로; 및 상기 제 2 채널유로 및 상기 제 3 채널유로 내에 각각 배치되는 한 쌍의 전극을 포함한다.

Description

다중채널 배터리 탈염시스템{MULTI-CHANNEL DESALINATION BATTERY SYSTEM}

본 발명은 다중채널 배터리 탈염시스템에 관한 것이다.

세계의 산업의 발달과 인구증가로 인해 담수의 사용량은 점점 더 증가하고 있으며, 이에 대한 수자원의 확보는 미래 사회에 있어서 매우 중요한 이슈로 여겨지고 있다. 그러나, 급격한 기후변화로 인해 많은 국가가 물 부족에 시달리고 있으며, 이를 위해 해수를 탈염하여 담수화하는 기술이 활발히 연구되어 오고 있다.

일반적으로 해수의 담수화는 역삼투막법, 이온교환막에 의한 전기투석법, 해수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법(다단 플래시증발법, 다중효용증발법, 증기 압축법), 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있으며, 해수의 담수화 기술로 환경문제를 야기시키지 않으면서 염을 효율적으로 제거할 수 있는 기술인 배터리를 활용한 탈염시스템이 활발히 연구되고 있다.

그러나, 종래의 배터리를 활용한 탈염시스템은 "싱글"채널로 구성 되어있어, 저농도의 기수를 탈염할시 성능이 감소하는 단점을 가지고 있다.

다시 말해, 배터리 전극은 특히 농도가 낮은 용액을 처리할시 표면에 이온의 농도가 적어서 그 성능이 저하가 되므로, 저농도 이온을 제거할 때는 속도, 용량 특성이 현저히 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 다중채널 구조를 이용하여 저농도 기수를 탈염할 시 탈염 성능이 감소되는 것을 최소화할 수 있는 다중채널 배터리 탈염시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템은 지하수, 호수 또는 강물을 포함하는 유입수가 유입되어 이동하는 경로를 제공하는 제 1 채널유로; 상기 제 1 채널유로의 일측에 배치되는 양이온 교환막; 상기 제 1 채널유로의 타측에 배치되는 음이온 교환막; 상기 양이온 교환막 외측에 배치되는 제 2 채널유로; 상기 음이온 교환막 외측에 배치되는 제 3 채널유로; 및 상기 제 2 채널유로 및 상기 제 3 채널유로 내에 각각 배치되는 한 쌍의 전극을 포함한다.

또한, 상기 유입수는 양이온 및 음이온이 함유된 저농도 용액인 제 1 반응 용액을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 1 반응 용액은 용액 농도가 1 내지 50 mM일 수 있다.

또한, 상기 제 2 채널유로 및 상기 제 3 채널유로는 상기 유입수에 함유된 양이온 및 음이온과 동일한 이온이 함유된 고농도 용액인 제 2 반응 용액을 포함하되, 상기 제 2 반응 용액의 흐름을 유도할 수 있는 경로를 제공한다.

또한, 상기 제 2 반응 용액은 용액 농도가 100 내지 1000 mM일 수 있다.

또한, 상기 제 2 채널유로와 상기 제 3 채널유로는 상호 연통된다.

또한, 상기 전극에 방전전위가 인가되면, 상기 제 2 채널유로와 상기 제 3 채널유로를 흐르는 상기 제 2 반응 용액 내의 양이온과 음이온이 상기 전극으로 패러데이 반응을 통해 제거되되, 상기 제 2 채널유로 및 제 3 채널유로를 각각 흐르는 상기 제 2 반응 용액 내의 중성도를 맞추기 위하여, 상기 제 1 반응 용액 내의 양이온은 상기 양이온 교환막을 통해 상기 제 2 채널유로로 이동하고, 상기 제 1 반응 용액 내의 음이온은 상기 음이온 교환막을 통해 상기 제 3 채널유로로 이동할 수 있다.

또한, 상기 전극은 상기 양이온 교환막에 인접하게 배치된 제 1 전극; 및 상기 음이온 교환막에 인접하게 배치된 제 2 전극을 포함한다.

또한, 상기 제 1 전극은 NaNiHCF(sodium-nickel-hexacyanoferrate), NaFeHCF(sodium-iron-hexacyanoferrate), NaCuFeHCF(sodium-copper-iron-hexacyanoferrate), NaFePO₄, NaMnO₂ 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 전극은 은(Ag), 은-염화은(Ag/AgCl), 비스무스/비스무스 옥시 클로라이드(bismuth/bismuth oxychloride), 맥신(Mxene) 중 어느 하나를 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템은 다중채널 구조를 이용하여 저농도 기수를 탈염할 시 탈염 성능이 감소되는 것을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템에서 양이온의 움직임을 도시한 도면이다.
도 3은 정전압 운전조건에서 제 2 채널유로 및 제 3 채널유로를 흐르는 NaCl 용액의 농도 변화에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 정전류 운전조건에서 제 1 채널유로, 제 2 채널유로 및 제 3 채널유로를 흐르는 NaCl 용액의 농도 변화에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템의 용량 활용도을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템의 정전류 운전조건에서의 탈염 및 에너지 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 고농도 NaCl 용액 내의 배터리 전극에서 이온 확산속도를 나타낸 도면이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

또한, 이하의 도면에서 각 구성은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며,

하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템에서 양이온의 움직임을 도시한 도면이다.

본 발명은 다중채널 흐름식 구조를 활용하여 배터리의 이온 삽입/탈리 성능을 향상시키는 탈염시스템에 대한 것으로, 본 발명의 다중채널 배터리 탈염시스템에서는 복수개의 채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템은 지하수, 호수 또는 강물을 포함하는 유입수가 유입되어 이동하는 경로를 제공하는 제 1 채널유로(100), 상기 제 1 채널유로의 일측에 배치되는 양이온 교환막(200), 상기 제 1 채널유로의 타측에 배치되는 음이온 교환막(300), 상기 양이온 교환막 외측에 배치되는 제 2 채널유로(400), 상기 음이온 교환막 외측에 배치되는 제 3 채널유로(500) 및 상기 제 2 채널유로(400) 및 상기 제 3 채널유로(500) 내에 각각 배치되는 한 쌍의 전극(600)를 포함할 수 있다.

제 1 채널유로(100)는 지하수, 호수 또는 강물을 포함하는 유입수가 유입될 수 있으며, 탈염처리된 처리수를 배출하는 경로를 제공할 수 있다.

상기 유입수는 산의 음이온과 염기의 양이온이 정전기적 인력으로 결합하고 있는 이온성 물질인 염을 포함할 수 있으며, 예를 들어 양이온은 Na⁺, K+, NH₄ ⁺, Mg²⁺, Ba^{2 +}, Ca^{2 +}, Pb^{2 +}, Ag⁺ 중 어느 하나일 수 있으며, 음이온은 NO₃ ^-, Cl^-, S^2-, SO₄ ^2-, CO₃ ^2- 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 시스템에서 제 1 채널유로(100)에 포함된 상기 유입수는 전극(600)과의 전기화학적 반응이 가능한 양이온과 음이온을 포함할 수 있으며, 양이온으로는 나트륨 이온(Na⁺), 음이온으로는 염소 이온(Cl^-)을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지는 않는다.

더하여, 상기 유입수는 양이온 및 음이온이 함유된 저농도 용액인 제 1 반응 용액을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 반응 용액은 용액 농도가 1 내지 50 mM일 수 있다.

또한, 제 1 채널유로(100)의 일측에는 양이온 교환막(200)이 배치되고, 타측에는 음이온 교환막(300)이 배치되어, 유입수 내의 양이온과 음이온이 선택적으로 이동할 수 있다.

또한, 양이온 및 음이온 교환막(200, 300)은 종래 배터리 탈염시스템에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 사용될 수 있으며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

예를 들어, 양이온 교환막(200) 및 음이온 교환막(300)은 미세공 절연 분리막이고, 이온교환(전도)막일 수 있다. 양이온 교환막(200) 및 음이온 교환막(300)은 전기물리적 분리를 위해 사용되는 것으로 미세공 절연 분리막(Separator)은 이온 이동만이 가능하고, 이온교환(전도)막은 양이온(Cation) 또는 음이온(Anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있다.

제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)는 유입수에 함유된 양이온 및 음이온과 동일한 이온이 함유된 고농도 용액인 제 2 반응 용액을 포함할 수 있으며, 상기 제 2 반응 용액은 용액 농도가 100 내지 1000 mM인 것이 바람직하다.

또한, 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)는 상기 제 2 반응 용액의 흐름을 유도할 수 있는 경로를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템에서 상기 제 2반응 용액에 포함된 용질은 상기 제 1 반응 용액에 포함된 용질과 동일한 것이 바람직하며, 예를 들어, 상기 용질로 염화나트륨(NaCl)이 사용되어 상기 제 1 반응 용액이 저농도의 염화나트륨(NaCl) 용액인 경우, 상기 제 2 반응 용액은 고농도의 염화나트륨(NaCl) 용액인 것이 바람직하다.

더하여, 제 2 채널유로(400)와 제 3 채널유로(500)에는 상기 제 2 반응 용액이 흐르게 되며, 상기 제 1 반응 용액의 양이온은 양이온 교환막(200)을 통해 제 2 채널유로(400)의 제 2 반응 용액으로 이동하고, 상기 제 1 반응 용액의 음이온은 음이온 교환막(300)을 통해 제 3 채널유로(500)의 제 2 반응 용액으로 이동할 수 있다.

예를 들어, 상기 용질로 염화나트륨을 사용하면, 제 1 반응 용액의 나트륨 이온(Na⁺)은 양이온 교환막(200)을 통해 제 2 채널유로(400)의 제 2 반응 용액으로 이동하고, 염소 이온(Cl^-)은 음이온 교환막(300)을 통해 제 3 채널유로(500)의 제 2 반응 용액으로 선택적으로 이동한다.

또한, 반대의 경우로, 제 2 채널유로(400)의 제 2 반응 용액 내 나트륨 이온은 양이온 교환막(200)을 통해 제 1 반응 용액으로 이동하고, 제 3 채널유로(500)의 제 2 반응 용액 내 염소 이온은 음이온 교환막(300)을 통해 제 1 반응 용액으로 이동할 수 있다.

또한, 제 2 채널유로(400)와 제 3 채널유로(500)는 상호 연통되는 것이 바람직하며, 제 2 채널유로(400) 측으로 유입된 제 2 반응 용액은 양이온 교환막(200)을 거쳐 음이온 교환막(300) 측으로 배출될 수 있다.

전극(600)은 양이온 교환막(200)에 인접하게 배치된 제 1 전극(610) 및 음이온 교환막(300)에 인접하게 배치된 제 2 전극(620)을 포함할 수 있다.

또한, 제 1 전극(610)은 양이온 교환막(200)의 외측에 배치된 제 2 채널유로(400) 내에 배치되고, 제 2 전극(620)은 음이온 교환막(300)의 외측에 배치된 제 3 채널유로(500) 내에 배치될 수 있다.

여기서, 제 1 전극(610)은 양이온 교환막(200)과 이격되어 배치되며, 제 2 전극(620)은 음이온 교환막(300)과 이격되어 배치될 수 있다.

한편, 제 1 전극(610)은 비표면적이 큰 다공성 프루시안 블루(Prussian Blue) 전극일 수 있으며, 상기 프루시안 블루 전극은 NaNiHCF(sodium-nickel-hexacyanoferrate), NaFeHCF(sodium-iron-hexacyanoferrate) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

더하여, 제 1 전극(610)은 NaNiHCF(sodium-nickel-hexacyanoferrate), NaFeHCF(sodium-iron-hexacyanoferrate) 이외에도 NaCuFeHCF(sodium-copper-iron-hexacyanoferrate), NaFePO₄, NaMnO₂ 등을 포함할 수 있으며 나트륨 이온 배터리 전극재료로 사용될 수 있는 것이면, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 전극(610)은 NaNiHCF 전극 또는 NaFeHCF 전극을 포함하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(610)은 폴리머 바인더로 인해 사슬 형태로 응집되어 있는 카본 블랙(Carbon Black) 입자를 포함하고, 상기 사슬에 NaNiHCF 입자(Particle) 또는 NaFeHCF 입자(Particle)가 뭉쳐 형성된 덩어리(Agglomeration)를 포함하는 구조를 가질 수 있다.

이로써, 제 1 전극(610)은 방전전위가 인가되는 탈염단계에서, 전자를 제공받고, 층간 삽입반응(Intercalation reaction)을 통해 제 2 채널유로(400)에 포함된 양이온은 상기 제 1 전극(610)으로 삽입될 수 있다.

상기 층간 삽입반응은 결정 구조를 갖는 전극재료의 삽입형 자리(Interstitial site) 내부로 이온들이 삽입과 탈리되는 것을 의미하며, 이에 따라 제 1 전극(610)은 층간 삽입반응을 통해 나트륨 이온을 저장하는 재료로 제한없이 구성될 수 있다.

더하여, 제 2 전극(620)은 은(Ag) 전극, 은-염화은(Ag/AgCl) 전극, 비스무스/비스무스 옥시 클로라이드(Bismuth/Bismuth oxychloride) 전극을 포함할 수 있으며, 방전전위가 인가되는 탈염단계에서 제 3 채널유로(500)에 포함된 음이온과 전환반응(Conversion reaction)을 통해 상기 음이온을 흡착시켜 제거할 수 있다.

이러한, 상기 전환반응은 전극에서 기존의 화학 결합이 깨지고 새로운 결합을 통해 새로운 화합물을 형성하며 상 분해 반응이 가역적으로 일어나는 것을 의미하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 전극(620)은 은-염화은 전극을 사용하는 것이 바람직하나, 음이온을 제거할 수 있는 전극이면 이에 제한되지 않는다.

또한, 제 2 전극(620)은 맥신(Mxene)과 같은 2-dimensional compounds 형태의 전극을 포함할 수 있으며, 방전전위가 인가되는 탈염단계에서 제 3 채널유로(500)에 포함된 음이온은 층간 삽입반응(Intercalation reaction)을 통해 제 2 전극(620)으로 삽입되어 제거될 수 있다.

하기에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템의 작동 원리를 설명한다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 제 1 전극(610)과 제 2 전극(620)을 하나의 회로로 연결하여 전기 에너지를 인가하였을 때, 제 2 채널유로(400)의 제 2 반응 용액 내 양이온들은 상기 제 1 전극(610)과 층간 삽입반응으로 인하여 상기 제 1 전극(610)에 삽입되어 제거된다.

또한, 제 3 채널유로(500)의 제 2 반응 용액 내 음이온들은 상기 제 2 전극(620)과 전환반응으로 인하여 상기 제 2 전극(620)에 흡착되어 제거된다.

이후, 상기 제 2 채널유로(400)의 제 2 반응 용액 내 양이온이 제거되면, 상기 제 2 반응 용액 내의 중성도를 맞추기 위하여, 제 1 반응 용액 내의 양이온은 양이온 교환막(200)을 통해 상기 제 2 채널유로(400)의 제 2 반응 용액으로 이동한다.

마찬가지로, 상기 제 3 채널유로(500)의 제 2 반응 용액 내 음이온이 제거되면, 상기 제 2 반응 용액 내의 중성도를 맞추기 위하여, 제 1 반응 용액 내의 음이온은 음이온 교환막(300)을 통해 상기 제 3 채널유로(500)의 제 2 반응 용액으로 이동한다.

즉, 제 1 반응 용액 내의 양이온과 음이온은 제 2 반응 용액으로 이동함으로써, 상기 제 1 반응 용액 내의 양이온 및 음이온이 제거될 수 있는 것이다.

예를 들어, 제 1 반응 용액과 제 2 반응 용액의 용질로 염화나트륨을 사용하였다면, 상기 제 1 반응 용액 내 나트륨 이온은 제 2 채널유로(400)의 제 2 반응 용액 내 중성도를 맞추기 위하여 상기 제 2 채널유로(500)로 이동하고, 상기 제 1 반응 용액 내 염소 이온은 제 3 채널유로(500)의 제 2 반응 용액 내 중성도를 맞추기 위하여 상기 제 3 채널유로(600)로 이동하는 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 다중채널 배터리 탈염시스템은 기본적으로 양이온과 가역적 반응을 하는 양극(제 1 전극)과 음이온과 화학적 반응을 할 수 있는 음극(제 2 전극)으로 이루어질 수 있으며, 탈염시스템은 크게 방전을 통해 수중 내의 이온을 제거하는 탈염단계(Desalination Step)와 충전을 통해 전극과 결합된 이온을 다시 수중으로 방출시키는 재생단계(Regeneration Step)로 구성될 수 있다.

구체적으로, 상기 전극(600)에 방전전위가 인가되면, 상기 제 2 채널유로(400)와 상기 제 3 채널유로(500)를 흐르는 상기 제 2 반응 용액 내의 양이온과 음이온이 상기 전극(600)으로 패러데이 반응을 통해 제거되되, 상기 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)를 각각 흐르는 상기 제 2 반응 용액 내의 중성도를 맞추기 위하여, 상기 제 1 반응 용액 내의 양이온은 상기 양이온 교환막(200)을 통해 상기 제 2 채널유로(400)로 이동하고, 상기 제 1 반응 용액 내의 음이온은 상기 음이온 교환막(300)을 통해 상기 제 3 채널유로(500)로 이동하여 탈염단계가 진행된다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 패러데이 반응은 전기화학적인 구동 메커니즘의 특징에 따라 분류되는 층간 삽입반응(Intercalation reaction), 합금반응(Alloying reaction), 전환반응(Conversion reaction)을 포함할 수 있으며, 더 구체적으로 양이온은 제 1 전극(610)으로 층간 삽입반응을 통해 제거되고, 음이온은 제 2 전극(620)으로 전환 반응을 통해 제거될 수 있다.

반대로, 상기 전극(600)에 재생전위가 인가되면, 상기 전극(600)에 삽입되거나 흡착된 양이온과 음이온이 상기 제 2 채널유로(400)와 상기 제 3 채널유로(500)를 흐르는 상기 제 2 반응 용액 내로 탈리되되, 상기 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)를 각각 흐르는 상기 제 2 반응 용액 내의 중성도를 맞추기 위하여, 상기 제 2 채널유로(400)의 제 2 반응 용액 내의 양이온은 제 1 채널유로(100)로 이동하고, 상기 제 3 채널유로(500)의 제 2 반응 용액 내의 음이온은 제 1 채널유로(100)로 이동하여 재생단계가 진행된다.

다중채널 배터리 탈염시스템 구성

NaNiHCF 전극을 제 1 전극(610)으로, Ag/AgCl 전극을 제 2 전극(620)으로 하며, 시스템은 저농도 염화나트륨 용액(10~50 mM)인 제 1 반응 용액이 유입하거나 배출되는 경로인 제 1 채널유로(100), 상기 제 1 채널유로의 일측과 타측에 배치되는 양이온 교환막(200), 음이온 교환막(300), 고농도 염화나트륨 용액(100~1000 mM)인 제 2 반응 용액이 유입되어 이동하는 경로인 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)로 구성된다.

실험예 1 - 정전압 운전조건에서의 염화나트륨 용액의 농도별 및 시간별 탈염 제거 성능 평가

탈염 제거 성능 평가는 정전압

운전 조건에서 제 1 채널유로(100)에 저농도 염화나트륨 용액(10mM)을 흘려주고 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)에 고농도 염화나트륨 용액(10 ~ 1000 mM)을 흘려주어 탈염시스템의 성능을 평가하였다.

관련하여 도 3은 정전압 운전조건에서 제 2 채널유로 및 제 3 채널유로를 흐르는 NaCl 용액의 농도 변화에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템의 성능을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)의 염화나트륨 용액의 농도가 증가할수록 더 높은 탈염 용량(Desalination Capacity)을 가지는 것으로 나타났다.

또한, 도 3에 도시되지 않았지만, 제 2 채널유로(400)와 제 3 채널유로(500)에 용액농도가 3 내지 5 M인 고농도 염화나트륨 용액을 흘려주면 지나치게 큰 삼투압으로 인해 탈염 성능이 저하되는 경향을 보였다.

실험예 2 - 정전류 운전조건에서의 염화나트륨 용액의 농도별 탈염 제거 성능 평가

탈염 제거 성능 실험은 10, 20, 30 A/m²의 면 전류 조건에서 제 1 채널유로(100)에 저농도 염화나트륨 용액(10 ~ 50 mM)을 흘려주고 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)에 저농도 (10 ~ 50 mM) 또는 고농도 염화나트륨 용액(1000 mM)을 흘려주어 탈염시스템의 성능을 평가하였다.

관련하여 도 4는 정전류 운전조건에서 제 1 채널유로, 제 2 채널유로 및 제 3 채널유로를 흐르는 NaCl 용액의 농도 변화에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템의 용량 활용도을 설명하기 위한 도면이다.

도 4을 참조하면, 종래의 농도 구배가 없는 배터리 탈염시스템은 하나의 채널에 흘려주는 염화나트륨 용액의 농도가 10 mM에서 50 mM으로 증가함에 따라 성능이 급격하게 변화하는 것을 알 수 있다(F10S10, F50S50).

그러나, 본 발명의 다중채널 배터리 탈염시스템은 제 1 채널유로(100)를 흐르는 저농도 염화나트륨 용액의 농도가 10 mM이여도 종래의 농도 구배가 없는 배터리 탈염시스템의 탈염 성능보다 높게 나타났으며, 제 1 채널유로(100)에 저농도 염화나트륨 용액의 농도가 10 mM에서 50 mM으로 증가하더라도 탈염 성능이 크게 변하지 않음을 확인하였다(F10S1000, F50S1000).

실험예 3 - 정전류 운전의 특성

정전류 운전 특성 실험은 ±5 A/m²의 면 전류, ±0.8V Cut-off 셀 전압 조건에서 제 1 채널유로(100)에 저농도 염화나트륨 용액(50 mM)을 흘려주고 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)에 고농도 염화나트륨 용액(1000 mM)을 흘려주어 정전류 운전의 특성을 평가하였다.

관련하여 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템의 정전류 운전조건에서의 탈염 및 에너지 특성을 나타낸 도면이다.

도 5을 참조하면, 정전류 운전을 진행하는 경우, 탈염단계에서 에너지를 일부 회수할 있는 특성을 확인할 수 있으며, 이로써, 에너지 회수율이 종래의 싱글채널 배터리 탈염시스템보다 월등하게 높음을 알 수 있다.

실험예 4 - 고농도 염화나트륨 용액 내의 전극에서 이온 확산 속도 평가

이온 확산 속도 실험은 3 전극 시스템을 기반으로 제 1 전극(610)으로 나트륨 이온 배터리 전극재료 중 하나인 NaNiHCF를 사용했으며, 제 2 전극(620)과 기준 전극은 은-염화은(Ag/AgCl)으로 구성된 전극을 활용하였다. 그러고 나서, NaNiHCF 전극의 고농도 염화나트륨 용액(1000 mM) 내에서 이온의 확산 속도를 순환전압전류법 실험을 통해 평가하였다.

관련하여 도 6은 고농도 NaCl 용액 내의 배터리 전극에서 이온 확산속도를 나타낸 도면이다.

구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예로 고농도 염화나트륨 용액(1000 mM) 내에 배치된 NaNiHCF 전극 내부에서의 이온 확산 속도를 나타낼 수 있는 순환전압전류법 결과와 이를 기초로 얻은 최대 환원 전류와 scan rate의 연관성을 나타내었다.

도 6을 참조하면, 물질 내부로 이온의 이동을 계산하는 실험을 통해, NaNiHCF 전극이 저농도 염화나트륨 용액(10 mM) 내에 있을 때보다, 고농도 염화나트륨 용액(1000 mM) 내에 있을 경우 약 2.5배 빠른 이온의 확산 계수를 확인할 수 있다.

즉, 다중 채널 배터리에서 전극(600)이 배치된 제 2 채널유로(400) 및 제 3 채널유로(500)에 고농도의 용액을 흘려주게 되면 이온의 농도가 높아지면서 전극 내부로의 이온의 이동이 향상되어 탈염시스템의 전반적인 성능 향상을 불러 일으킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 배터리 탈염시스템은 저농도 용액에서 발생할 수 있는 물질전달 한계를 극복하여 배터리 탈염시스템의 이온 삽입/탈리 성능을 향상시킬 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다.

또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당 업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100: 제 1 채널유로
200: 양이온 교환막
300: 음이온 교환막
400: 제 2 채널유로
500: 제 3 채널유로
600: 전극

Claims (10)

1. 지하수, 호수 또는 강물을 포함하는 유입수가 유입되어 이동하는 경로를 제공하는 제 1 채널유로;
   상기 제 1 채널유로의 일측에 배치되는 양이온 교환막;
   상기 제 1 채널유로의 타측에 배치되는 음이온 교환막;
   상기 양이온 교환막 외측에 배치되는 제 2 채널유로;
   상기 음이온 교환막 외측에 배치되는 제 3 채널유로; 및
   상기 제 2 채널유로 및 상기 제 3 채널유로 내에 각각 배치되는 한 쌍의 전극을 포함하고,
   상기 전극은,
   상기 양이온 교환막에 인접하게 배치된 제 1 전극; 및
   상기 음이온 교환막에 인접하게 배치된 제 2 전극을 포함하고,
   상기 제 1 전극은 폴리머 바인더로 인해 사슬 형태로 응집되어 있는 카본 블랙(Carbon Black) 입자를 포함하고, 상기 사슬에 NaNiHCF 입자 또는 NaFeHCF 입자가 뭉쳐 형성된 덩어리를 포함하는 다중채널 배터리 탈염시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유입수는,
   양이온 및 음이온이 함유된 제 1 반응 용액을 포함하는 다중채널 배터리 탈염시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 반응 용액은,
   용액 농도가 1 내지 50 mM인 다중채널 배터리 탈염시스템.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 2 채널유로 및 상기 제 3 채널유로는,
   상기 유입수에 함유된 양이온 및 음이온과 동일한 이온이 함유되고, 상기 제 1 반응 용액 보다 높은 농도 용액인 제 2 반응 용액을 포함하되,
   상기 제 2 반응 용액의 흐름을 유도할 수 있는 경로를 제공하는 다중채널 배터리 탈염시스템.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 2 반응 용액은,
   용액 농도가 100 내지 1000 mM인 다중채널 배터리 탈염시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 채널유로와 상기 제 3 채널유로는 상호 연통되는 다중채널 배터리 탈염시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제1전극 및 제2전극에 방전전위가 인가되면, 상기 제 2 채널유로와 상기 제 3 채널유로를 흐르는 상기 제 2 반응 용액 내의 양이온과 음이온이 상기 전극으로 패러데이 반응을 통해 제거되되, 상기 제 2 채널유로 및 제 3 채널유로를 각각 흐르는 상기 제 2 반응 용액 내의 중성도를 맞추기 위하여, 상기 제 1 반응 용액 내의 양이온은 상기 양이온 교환막을 통해 상기 제 2 채널유로로 이동하고, 상기 제 1 반응 용액 내의 음이온은 상기 음이온 교환막을 통해 상기 제 3 채널유로로 이동하는 다중채널 배터리 탈염 시스템.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은,
    은(Ag), 은-염화은(Ag/AgCl), 비스무스/비스무스 옥시 클로라이드(bismuth/bismuth oxychloride), 맥신(Mxene) 중 어느 하나를 포함하는 다중채널 배터리 탈염시스템.
    

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