KR102437597B1 - Electrode Module use of alumina electrode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양전극와, 양전극과 이격되게 배치되는 음전극와, 양전극과 음전극으로 전원을 공급하는 전원부를 포함하여 구성되고, 양전극과 음전극는, 각각 탄소분말과 알루미나분말이 혼합된 혼합분말을 소결시켜 형성됨을 특징으로 하는 알루미나 전극을 이용한 전극모듈을 제공한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 본 발명에서는 처리수 내 포함된 불소이온도 효과적으로 흡착시킬 수 있으며, 구조가 간단하고 제조가 용이하여 경제적인 효과가 있다.The present invention is configured to include a positive electrode, a negative electrode spaced apart from the positive electrode, and a power supply unit for supplying power to the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode and the negative electrode are formed by sintering a mixed powder in which carbon powder and alumina powder are mixed, respectively It provides an electrode module using an alumina electrode. According to the present invention as described above, in the present invention, the fluorine ions contained in the treated water can also be effectively adsorbed, and the structure is simple and easy to manufacture, so there is an economic effect.

Description

불소 선택적 처리를 위한 CDI 정수처리 시스템 {Electrode Module use of alumina electrode}CDI water treatment system for selective fluorine treatment {Electrode Module use of alumina electrode}

본 발명은 알루미나 전극을 이용한 전극모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 처리수 내 포함된 불소이온을 효과적으로 흡착할 수 있는 알루미나 전극을 이용한 전극모듈에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode module using an alumina electrode, and more particularly, to an electrode module using an alumina electrode capable of effectively adsorbing fluoride ions contained in treated water.

일반적으로 원수를 처리하여 정수를 생성하는 수처리 장치는 현재 다양한 방식이 연구 개발되고 있으며, 이중에서 EDI(Electro Deionization), CEDI(Continuous Electro Deionization), CDI(Capacitive Deionization)와 같은 전기 탈이온 방식이 최근 각광을 받고 있으며, 특히 최근에는 축전식 탈이온 방식인 CDI(Capacitive DeIonization) 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In general, various methods are currently being researched and developed for water treatment devices that process raw water to generate purified water. Among them, electric deionization methods such as EDI (Electro Deionization), CEDI (Continuous Electro Deionization), and CDI (Capacitive Deionization) have recently been developed. In particular, recently, research on a capacitive deionization (CDI) method, which is a capacitive deionization method, is being actively conducted.

한편, 이러한 CDI 방식은 전기적인 힘에 의해 전극의 표면에서 이온이 흡착되고 탈착되는 원리를 이용하여 이온(오염물질)을 제거하는 방식으로, 도 1에 나타난 바와 같이 양극과 음극에 각각 전압을 인가시킨 상태에서 이온을 포함하는 처리수를 양극과 음극 사이로 통과시키면, 음이온은 양극으로 이동하고 양이온은 음극으로 이동하면서 각 전극에서 이온성 여과물질(1)의 흡착이 발생하며, 이를 통해 처리수 내 이온성 여과물질 제거하도록 되어 있다. 그러나 이렇게 전극이 계속적으로 이온성 여과물질을 흡착하게 되면 전극은 더 이상 이온성 여과물질을 흡착할 수 없는 포화상태에 이르게 되는데, 이와 같은 상태에 이르게 되면 도 2에 나타난 바와 같이 흡착할 때와는 반대인 전압을 각 전극에 인가하여 각 전극에 흡착된 이온성 여과물질들을 탈착시킴으로써, 전극을 다시 재생되도록 하고 있다. On the other hand, this CDI method removes ions (contaminants) using the principle that ions are adsorbed and desorbed from the surface of the electrode by electrical force. As shown in FIG. 1, voltage is applied to the anode and the cathode, respectively When treated water containing ions is passed between the anode and the cathode in It is designed to remove ionic filtrate. However, when the electrode continuously adsorbs the ionic filter material in this way, the electrode reaches a saturated state that can no longer adsorb the ionic filter material. By applying an opposite voltage to each electrode to desorb the ionic filter materials adsorbed to each electrode, the electrodes are regenerated.

한편, 상기한 CDI 방식의 전극모듈에 대한 기술의 예로 대한민국 등록특허 제10-0934161호는 음전극 단자, 배출공이 구비된 양전극 단자, 양측에 상기 음전극 단자와 양전극 단자가 각각 결합되며 상기 음전극 단자와 상기 양전극 단자에 각각 연결된 음전극 및 양전극과, 상기 음전극과 상기 양전극 사이에 개재되되는 스페이서로 이루어지는 전극 모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CDI 전극 모듈이 개시된 바 있다. On the other hand, as an example of the technology for the above-described CDI-type electrode module, Korean Patent Registration No. 10-0934161 discloses a negative electrode terminal, a positive electrode terminal provided with a discharge hole, and the negative electrode terminal and the positive electrode terminal are coupled to both sides, respectively, and the negative electrode terminal and the A CDI electrode module has been disclosed, comprising an electrode module comprising a negative electrode and a positive electrode respectively connected to a positive electrode terminal, and a spacer interposed between the negative electrode and the positive electrode.

그런데, 상기한 종래의 CDI 방식의 전극모듈은 처리수 내 불소이온을 효과적으로 흡착하여 제거하기는 어려운 문제점이 있었다. However, the conventional CDI type electrode module has a problem in that it is difficult to effectively adsorb and remove fluoride ions in treated water.

대한민국 등록특허 제10-0934161호Republic of Korea Patent Registration No. 10-0934161

본 발명은, 처리수 내에 포함된 불소이온을 효과적으로 흡착할 수 있는 알루미나 전극을 이용한 전극모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide an electrode module using an alumina electrode capable of effectively adsorbing fluoride ions contained in treated water.

본 발명의 제1측면에 의하면 본 발명은 양전극와, 상기 양전극과 이격되게 배치되는 음전극와, 상기 양전극과 상기 음전극으로 전원을 공급하는 전원부를 포함하여 구성되고, 상기 양전극과 상기 음전극는, 각각 탄소분말과 알루미나분말이 혼합된 혼합분말을 소결시켜 형성됨을 특징으로 하는 알루미나 전극을 이용한 전극모듈을 제공한다. According to the first aspect of the present invention, the present invention is configured to include a positive electrode, a negative electrode spaced apart from the positive electrode, and a power supply unit for supplying power to the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode and the negative electrode are carbon powder and alumina, respectively It provides an electrode module using an alumina electrode, characterized in that it is formed by sintering the powder mixed powder.

본 발명의 제2측면에 의하면 본 발명은 전원부와, 상기 전원부로부터 전원이 인가되는 양전극와, 상기 양전극과 이격되게 배치되며 상기 전원부로부터 전원이 인가되는 음전극을 포함하여 구성되고, 상기 양전극과 상기 음전극는, 각각 탄소봉의 표면으로 알루미늄이 코팅되어 형성됨을 특징으로 하는 알루미나 전극을 이용한 전극모듈을 제공한다. According to the second aspect of the present invention, the present invention is configured to include a power supply unit, a positive electrode to which power is applied from the power supply unit, and a negative electrode spaced apart from the positive electrode and receiving power from the power supply unit, wherein the positive electrode and the negative electrode are, It provides an electrode module using an alumina electrode, characterized in that the surface of each carbon rod is coated with aluminum.

본 발명에 따른 불소 선택적 처리를 위한 CDI 정수처리 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.CDI water treatment system for selective fluorine treatment according to the present invention provides the following effects.

첫째, 알루미나 전극을 통하여 처리수 내 포함된 불소이온을 효과적으로 흡착시켜 제거할 수 있다. First, it is possible to effectively adsorb and remove fluoride ions contained in the treated water through the alumina electrode.

둘째, 알루미늄성분 및 탄소성분을 통하여 불소이온뿐만 아니라 염소이온의 흡착하여 제거할 수 있다.Second, through the aluminum component and the carbon component, not only fluorine ions but also chlorine ions can be adsorbed and removed.

셋째, 구조가 간단하고 제조가 용이하여 경제적이다.Third, it is economical because of its simple structure and easy manufacturing.

도 1 및 도 2는 일반적인 CDI방식의 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 불소 선택적 처리를 위한 CDI 정수처리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.1 and 2 are diagrams illustrating the principle of a general CDI method.
3 is a diagram showing the configuration of a CDI water treatment system for selective treatment of fluorine according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미나 전극을 이용한 전극모듈(이하 'CDI전극모듈'이라 한다)은, 양전극(110)와, 음전극(120)와, 전원부(300)를 포함하여 구성된다.First, referring to FIG. 3 , the electrode module (hereinafter referred to as 'CDI electrode module') using an alumina electrode according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode 110 , a negative electrode 120 , and a power supply unit 300 . consists of including

여기서, 상기 양전극(110)과 음전극(120)은 서로 이격되게 배치되며 그 사이로 처리수가 유동하도록 되어 있으며, 상기한 양전극(110)와 음전극(120)을 포함하는 전극부(100)에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.Here, the positive electrode 110 and the negative electrode 120 are spaced apart from each other and the treated water flows therebetween. Detailed description of the electrode part 100 including the positive electrode 110 and the negative electrode 120 will be described later.

한편, 도시하지 않았지만 처리수가 통과할 수 있는 공간을 두고 서로 이격된 상기 양전극(110)과 음전극(120)들을 수용하고 처리수가 유입되고 유출되는 하우징을 포함하며, 이러한 구성은 공지의 CDI 방식을 이용한 필터모듈을 적용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. On the other hand, although not shown, it includes a housing that accommodates the positive electrode 110 and the negative electrode 120 spaced apart from each other with a space through which the treated water can pass, and the treated water flows in and out. Since the filter module can be applied, a detailed description thereof will be omitted.

상기 전원부(300)는, 전원라인(301,302)을 통하여 양전극(110)과 음전극(120)으로 전원을 공급하는 역할을 한다. 나아가, 상기 전원부(300)는 부가적으로 정수모드 시에는 상기 양전극(110)과 음전극(120)으로 각각 정수전압을 공급하여 처리수 내 포함된 이온여과물질을 흡착하고, 재생모드 시에는 상기 양전극(110)과 음전극(120)으로 각각 재생전압을 공급하여 흡착된 상기 이온여과물질을 탈착하도록 구성될 수 있다. The power supply unit 300 serves to supply power to the positive electrode 110 and the negative electrode 120 through the power lines 301 and 302 . Furthermore, the power supply unit 300 additionally supplies a constant voltage to the positive electrode 110 and the negative electrode 120 in the water purification mode to adsorb the ion filter material contained in the treated water, and in the regeneration mode, the positive electrode Each of the regenerative voltages 110 and the negative electrode 120 may be supplied to desorb the adsorbed ion-filtering material.

한편, 상기한 양전극(110)과 음전극(120)에 대하여 상세하게 살펴봄에 앞서, 불소 이온에 대하여 살펴보기로 한다. On the other hand, before looking at the positive electrode 110 and the negative electrode 120 in detail, we will look at the fluorine ion.

일반적으로 소량의 불소 이온은 충치예방에 효과가 있지만 과다한 섭취는 불소 침착증(fluorosis), 위장관 질환, 신장 질환, 방광암, 뇌의 송과선(pineal gland) 및 갑상선 질환을 유발할 수 있다. In general, small amounts of fluoride ions are effective in preventing tooth decay, but excessive intake can cause fluorosis, gastrointestinal disease, kidney disease, bladder cancer, pineal gland and thyroid disease.

또한, 디스플레이, 반도체 산업 등에 사용되는 불산의 경우에는 독성과 부식성이 강한 무기산으로 산업 전반에 걸쳐 널리 사용 되고 있으며, 특히 표면처리, 세정 및 식각공정에 이용되는 불산의 사용량이 증가하고 있는 추세이다. 한편, 이러한 표면처리 식각공정에 사용되는 불산은 공정에 따라 사용 농도가 다르고 함께 사용하는 약품의 종류가 다양하기 때문에 발생되는 폐수 또한 공정에 따라 상이한 성상을 지니고 있으나, 불소는 그 값이 5 mg/L을 초과하게 되면 치명적인 독성을 야기 시키는 원소로 산업폐수 중의 불소농도는 매우 신중하게 관리되고 처리되어야 하는 관리항목으로 규정하고 있다.In addition, in the case of hydrofluoric acid used in the display and semiconductor industries, it is widely used throughout the industry as an inorganic acid with strong toxic and corrosive properties. In particular, the amount of hydrofluoric acid used for surface treatment, cleaning and etching processes is increasing. On the other hand, the hydrofluoric acid used in the surface treatment etching process has different properties depending on the process as the concentration used is different depending on the process and the types of chemicals used together are different. When it exceeds L, it is an element that causes fatal toxicity, and the concentration of fluorine in industrial wastewater is regulated as a management item that must be managed and treated very carefully.

수학식 1Equation 1

H3BO3 + 4HF = 3H2O + HBF4 (1)H 3 BO 3 + 4HF = 3H 2 O + HBF 4 (1)

BF4- + 4Al3 + + 3H2O = H3BO3 + 4AlF2 + + 3H+ (2)BF 4 - + 4Al 3 + + 3H 2 O = H 3 BO 3 + 4AlF 2 + + 3H + (2)

AlF2 + + H+ = Al3 + + HF (3)AlF 2 + + H + = Al 3 + + HF (3)

상기한 수학식 1은 알루미늄과 불소이온의 반응식의 예로 식각과정에서 유리에 포함된 붕소성분과 불산이 반응하여 불화붕산염이 형성되는 반응식(2)과, 불화붕산염이 알루미늄 이온과 반응하여 불화알루미늄을 형성하는 반응식(3)과, 불화알루미늄이 알루미늄과 불소이온으로 분해되는 과정(4)을 나타내고 있다.Equation 1 above is an example of a reaction formula between aluminum and fluorine ions, in Reaction Formula (2), in which a boron component contained in glass and hydrofluoric acid react to form a fluoroborate salt during the etching process, and in the reaction formula (2) in which a fluoroborate salt reacts with aluminum ions to produce aluminum fluoride Reaction formula (3) to form and process (4) in which aluminum fluoride is decomposed into aluminum and fluoride ions are shown.

나아가, 이러한 알루미늄을 이용한 불소이온의 흡착은 탄소성분이 혼합될 경우에는 불소이온의 흡착성능이 더욱 향상된다.Furthermore, in the adsorption of fluoride ions using such aluminum, the adsorption performance of fluoride ions is further improved when carbon components are mixed.

때문에, 상기한 바에 따라 본 발명은 불소이온의 흡착하여 제거하기 위하여 활성 알루미나(activated alumina)를 이용한 이온교환법(ion exchange)을 이용하고, 알루미나 또는 알루미늄을 이온흡착제로 적용하며, 탄소성분을 혼합하여 이러한 불소이온 흡착 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 하고 있다. Therefore, according to the above, the present invention uses an ion exchange method using activated alumina to adsorb and remove fluoride ions, apply alumina or aluminum as an ion adsorbent, and mix carbon components to This fluoride ion adsorption performance can be further improved.

이하에서는 상기 양전극(110)과 음전극(120)에 대하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, the positive electrode 110 and the negative electrode 120 will be described.

상기 양전극(110)과 음전극(120)은 각각 서로 실질적으로 동일한 형태와 구조를 갖고 있으며, 전원부(300)로부터 전원을 공급받아 처리수 내 포함된 이온을 흡착하도록 되어 있다. The positive electrode 110 and the negative electrode 120 have substantially the same shape and structure, respectively, and receive power from the power supply unit 300 to adsorb ions contained in the treated water.

한편, 처리수 내에는 다양한 이온성분이 함유되어 있으며, 이 중 염소이온의 경우에는 탄소와 이온결합이 용이하고, 불소이온의 경우에는 알루미늄과 이온결합이 용이하다. 나아가 탄소의 경우에는 알루미늄과 혼합되었을 때는 불소이온의 흡착성능을 향상시킬 수 있다. On the other hand, various ionic components are contained in the treated water, and among these, chlorine ions easily bond with carbon, and fluorine ions easily bond with aluminum. Furthermore, in the case of carbon, when mixed with aluminum, the adsorption performance of fluoride ions can be improved.

이에, 상기 양전극(110)과 상기 음전극(120)는, 각각 탄소분말과 알루미나분말이 혼합된 혼합분말을 소결시켜 형성할 수 있다.Accordingly, the positive electrode 110 and the negative electrode 120 may be formed by sintering a mixed powder in which carbon powder and alumina powder are mixed, respectively.

여기서, 혼합분말을 소결시켜 전극으로 제조하는 세부공정은 공지의 분말을 소결시키는 공정과 실질적으로 동일하며 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Here, the detailed process of producing an electrode by sintering the mixed powder is substantially the same as the known process of sintering the powder, and a detailed description thereof will be omitted.

또한, 상기한 바와는 달리 상기 양전극(110)과 상기 음전극(120)는, 각각 탄소봉의 표면으로 알루미늄을 코팅하여 형성될 수 있다. Also, unlike the above, the positive electrode 110 and the negative electrode 120 may be formed by coating aluminum on the surface of a carbon rod, respectively.

여기서, 상기 탄소봉은 처리수 내 이온흡착 설계에 따라 다양한 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 알루미늄코팅은 설정된 두께에 따라 탄소봉의 표면을 코팅하도록 한다. 이때 알루미늄 코팅작업은 공지의 금속 코팅작업을 이용할 수 있으며 이에대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Here, the carbon rod may be formed to have various diameters according to the design of ion adsorption in the treated water, and the aluminum coating is to coat the surface of the carbon rod according to a set thickness. In this case, for the aluminum coating operation, a known metal coating operation may be used, and a detailed description thereof will be omitted.

한편, 상기한 알루미늄 성분을 포함하는 양전극(110)과 음전극(120)은 전술한 바와 같이 CDI전극모듈에 사용된 경우를 실시예로 하여 나타내었으나, 이러한 CDI방식 외 공지의 이온흡착을 위한 전극이라면 모두 적용 가능함은 물론이다. On the other hand, the positive electrode 110 and the negative electrode 120 containing the above-described aluminum component were used in the CDI electrode module as described above as an example, but if it is an electrode for ion adsorption other than this CDI method, Of course, all are applicable.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is merely exemplary, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100 : 전극부 110 : 양전극
120 : 음전극 300 : 전원부100: electrode part 110: positive electrode
120: negative electrode 300: power supply

Claims (2)

양전극와;
상기 양전극과 이격되게 배치되는 음전극와;
상기 양전극과 상기 음전극으로 전원을 공급하는 전원부를 포함하여 구성되고,
상기 양전극과 상기 음전극는,
각각 탄소분말과 알루미나분말이 혼합된 혼합분말을 소결시켜 형성됨을 특징으로 하는 불소 선택적 처리를 위한 CDI 정수처리 시스템.
positive electrode;
a negative electrode spaced apart from the positive electrode;
and a power supply unit for supplying power to the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode and the negative electrode are
A CDI water purification system for selective fluorine treatment, characterized in that it is formed by sintering a mixed powder in which carbon powder and alumina powder are mixed, respectively.
 전원부와;
상기 전원부로부터 전원이 인가되는 양전극와;
상기 양전극과 이격되게 배치되며 상기 전원부로부터 전원이 인가되는 음전극을 포함하여 구성되고,
상기 양전극과 상기 음전극는, 각각
탄소봉의 표면으로 알루미늄이 코팅되어 형성됨을 특징으로 하는 불소 선택적 처리를 위한 CDI 정수처리 시스템.
power supply unit;
a positive electrode to which power is applied from the power supply;
It is disposed to be spaced apart from the positive electrode and is configured to include a negative electrode to which power is applied from the power supply,
The positive electrode and the negative electrode are each
CDI water treatment system for selective fluorine treatment, characterized in that the surface of the carbon rod is coated with aluminum.
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