KR102481639B1 - 다공성 이온교환 구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

다공성 이온교환 구조체 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102481639B1
KR102481639B1 KR1020200142350A KR20200142350A KR102481639B1 KR 102481639 B1 KR102481639 B1 KR 102481639B1 KR 1020200142350 A KR1020200142350 A KR 1020200142350A KR 20200142350 A KR20200142350 A KR 20200142350A KR 102481639 B1 KR102481639 B1 KR 102481639B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ion exchange
exchanger
porous
cation
anion
Prior art date
Application number
KR1020200142350A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220057264A (ko
Inventor
곽노균
박수동
유연욱
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020200142350A priority Critical patent/KR102481639B1/ko
Publication of KR20220057264A publication Critical patent/KR20220057264A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102481639B1 publication Critical patent/KR102481639B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J47/00—Ion-exchange processes in general; Apparatus therefor
    • B01J47/016—Modification or after-treatment of ion-exchangers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J39/00—Cation exchange; Use of material as cation exchangers; Treatment of material for improving the cation exchange properties
    • B01J39/08—Use of material as cation exchangers; Treatment of material for improving the cation exchange properties
    • B01J39/16—Organic material
    • B01J39/18—Macromolecular compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J41/00—Anion exchange; Use of material as anion exchangers; Treatment of material for improving the anion exchange properties
    • B01J41/08—Use of material as anion exchangers; Treatment of material for improving the anion exchange properties
    • B01J41/12—Macromolecular compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/42—Treatment of water, waste water, or sewage by ion-exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C02F1/4693—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis
    • C02F1/4695—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis electrodeionisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/20—Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
    • C08J5/22—Films, membranes or diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/26—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof by elimination of a solid phase from a macromolecular composition or article, e.g. leaching out
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 다공성 이온교환 구조체에 관한 것으로, 침출과정을 통한 다수 개의 공극을 형성하고, 형성된 다수 개의 공극이 연결된 구조를 형성하여 이온교환 대상물질의 유로를 형성하는 이온교환 구조체에 관한 것으로, 전기탈이온 장치에서의 이온교환시 압력강하 및 전력 소모를 줄이고, 동시에 이온교환면적을 증가시켜 이온교환 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

다공성 이온교환 구조체 및 이의 제조방법{POROUS ION EXCHANGE STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 다공성 이온교환 구조체에 관한 것으로, 침출과정을 통한 다수 개의 공극을 형성하고, 형성된 다수 개의 공극이 연결된 구조를 형성하여 이온교환 대상물질의 유로를 형성하는 이온교환 구조체에 관한 것이다.
전기탈이온 방식을 이용한 해수 담수화 장치는 각각 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교차적으로 병치되며 그 사이에 이온 교환수지가 채워진 형태를 갖는다. 각각의 이온 교환막에 수직한 방향으로 외부 전극을 통해 전기장이 인가되며, 이온 교환막 사이의 유동채널(flow channel)로 해수가 주입된다. 전기장이 가해질 때, 해수 내 양이온은 양이온 교환수지의 이온 교환기와 교환이 되고 양이온 교환수지에 붙은 해당 양이온은 이후 또다른 해수 내 이온과 이온교환을 한다. 이 과정이 반복됨에 따라 양이온은 전기장 방향에 의해 점차 양이온 교환막 너머로, 음이온은 반대 과정을 거치며 음이온 교환막 너머로 이동한다. 강한 전기장이 주어질 경우, 이온 교환수지와 이온 교환막 사이에서 물분해가 발생하여 수산화/수소 이온이 생성된다. 두 이온은 양이온 교환수지와 음이온 교환수지를 화학적으로 재생시켜 지속적으로 이온교환이 가능하도록 만들어 주며, 이에 따른 연속공정으로 채널 내 염분의 양이 줄어들며 담수가 생성된다.
전기탈이온 방식을 이용한 선행특허로서 국제공개공보 WO 2004-047991호에 따르면 단방형 전기탈이온 담수 및 농축 기술을 개시하고 있으며, 이온 전도도가 높은 이온 교환수지 구슬의 영향으로 높은 수준의 담수 및 농축 달성이 가능하지만, 담수 채널 내에 적층된 이온 교환수지 구슬이 유로를 막아 높은 압력강하는 수반한다.
이온농도분극 방식을 이용한 해수/염수 농축 장치는 동일한 이온 교환막의 병치로 구성된다. 전기장이 인가될 때 전기장에 의해 이온은 전극방향으로 이동하며 이온 교환막에서는 선택적인 이온 투과가 이루어진다. 이때, 이온 교환막 전후로 특정 전하 이온의 농도 분극이 나타나며 이온 교환막의 한쪽 면에서는 이온공핍층이, 반대쪽 면에서는 이온농축층이 형성된다. 이러한 이온농도분극 장?M 경우, 미국등록특허 제9845252호에 개시되어 있다.
한편, 탈염이 진행되는 이온 교환막 근처에 유리프릿(glass frit)과 같은 다공성 물질을 위치시켜 해당 물질의 표면 전도(surface conductance)을 이용할 수 있다. 표면 전도에 따라 특정 이온이 다공성 물질을 통해 이온 교환막으로 전달되며, 반대 이온은 다공성 물질을 통과하지 못하고 반대편에 농축된다.
이온농도분극 이용한 해수(염수)의 농축 시스템 중 다공성 구조체를 이용하는 시스템에서 나타나는 문제점으로 "Overlimiting Current and Shock Electrodialysis in Porous Media, Z.Bazant et al, Langmuir 2013"에서 소개한 바와 같이 유리 프릿(glass frit)과 같은 다공성 구조체를 이용해 이온농도를 분극시키는 시스템의 경우 나노 단위의 다공성 구조의 표면전하를 이용한다. 그러나, 너무 높은 공극률로 인해 유동채널에서는 큰 압력강하는 수반한다.
본 발명은 종래의 이온교환법 및 전기탈이온 장치에 사용되는 이온교환수지를 대체할 수 있는 다공성 이온교환 수조체를 제공하고자 한다.
해결하고자 하는 과제의 달성을 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체는 지지체; 상기 지지체 내부에 서로 연결되는 구조를 가지며 유로를 형성하는 다수 개의 공극; 및 상기 공극 내부에 형성되는 이온교환기를 포함한다.
상기 이온교환기는 양이온 교환기 및/또는 음이온 교환기일 수 있다.
상기 이온교환기가 양이온 교환기 및 음이온 교환기인 경우, 일 공극의 내부 표면에는 양이온 교환기가 형성되며, 타 공극의 내부 표면에는 음이온 교환기가 형성되며, 상기 일 공극과 상기 타 공극이 연속되는 것일 수 있다.
상기 지지체는 고분자 또는 이온교환 수지일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기탈이온 장치는 상기의 다공성 이온교환 구조체를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 제조방법은 지지체 전구체 용액을 제공하는 단계; 상기 지지체 전구체 용액에 이온교환체와 기공 형성제를 혼합하는 단계; 상기 지지체 전구체 용액을 경화시키는 단계; 및 상기 기공 형성제를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 지지체 전구체 용액은 고분자 전구체 용액 또는 이온교환 수지 전구체 용액일 수 있다.
상기 이온교환체는 양이온 교환체 및/또는 음이온 교환체일 수 있다.
상기 기공형성제는 가용성 염(soluble salts)일 수 있으며, 상기 가용성 염은 염화나트륨(NaCl)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기탈이온 장치에서의 이온교환시 압력강하 및 전력 소모를 줄이고, 동시에 이온교환면적을 증가시켜 이온교환 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 구조도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 구조도를 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 이온교환 매커니즘을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 제조과정을 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 사진이미지 및 다공성 이온교환 구조체 표면의 SEM이미지를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 압력강하 실험 결과들 도시한 것이다.
도 7a은 이온교환구슬을 적용한 종래의 전기탈이온 장치의 모식도를 도시한 것이다.
도 7b본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 이온교환 효율 실험 결과를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐 만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다．
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 구조도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체(100)는 지지체(110); 지지체(110) 내부에서 서로 연결되는 구조를 가지며 유로를 형성하는 다수 개의 공극(130); 및 공극(130) 내부에 형성되는 이온교환기(150a, 150b)를 포함한다.
지지체(110)은 이온교환 대상물질로부터 분리된 이온성 물질을 관통 내지 통과시킬 수 있는 구조를 가지는 것일 수 있으며, 지지체(110)는 공극(130)을 관통하는 이온교환 대상물질로부터 분리된 이온성 물질을 지지체(110) 외부로 이동시킨다.
지지체(110)는 고분자 또는 이온교환수지일 수 있다. 상기 고분자는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리프로필렌(polyprolylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE) 또는 폴리에테르 설폰(polyether　sulfone; PES)일 수 있으며, 이에 제한되지 않고 다공성 지지체를 형성할 수 있는 고분자 물질일 수 있다. 상기 이온교환수지는 양이온교환 수지 또는 음이온효관 수지일 수 있으며, 상기 이온교환수지는 양이온교환 수지와 음이온교환 수지를 혼합한 것일 수 있다. 상기 양이온교환 수지는 나피온(nafion)일 수 있다. 상기 음이온교환 수지는 m-TPN1-TMA 수지(as powder)(Orion polymer 사의 'Orion TM1 Polymer')일 수 있으며, 상기 m-TPN1-TMA 수지는 meta-terphenyl (m-TPN1)과 trimethylammonium(TMA)의 중합체이며, TMA가 음이온 이온교환기(Functional group)으로 작용한다.
상기 이온교환 대상물질은 해수(sea water) 또는 중금속 함유 용액일 수 있으며, 이외에 탈염공정(Desalting Process)을 필요로 하는 용액일 수 있다. 상기 중금속 함유 용액은 니켈, 코발트, 카드뮴 등을 포함할 수 있다.
공극(130)은 이웃한 공극(130)과 연속됨으로써, 연속되는 공극(130)의 구조는 이온교환 대상물질이 통과할 수 있는 유로(channel)를 제공한다. 이때, 이온교환 대상물질은 해수 등과 같이 이온성(양이온 또는 음이온) 물질을 포함하고 있는 유체일 수 있다. 다수 개의 공극(130)은 이웃한 공극(130)과 연속됨으로써, 이온교환대상 물질이 이동할 수 있는 유로(channel)를 형성하며, 이온교환대상 물질이 이온교환할 수 있는 장소(면적)를 극대화시킴으로써 이온교환효율을 향상시킬 수 있다.
공극(130)의 크기는 모두 균일하거나 불균일 할 수 있으며, 공극(130)은 10 nm 내지 1 mm의 직경을 가지는 것일 수 있으며, 공극(130)은 다공성 이온교환 구조체(100) 상의 공극율을 향상시켜 이온교환 대상물질의 유동 저항을 감소시켜, 이온교환시 압력강하는 해소할 수 있음과 동시에, 전력소모를 최소화할 수 있다. 보다 구체적으로, 종래 구(spherical) 형상의 이온교환수지 내지 이온교환수지 구슬은 이온교환채널 내부에서 약 52 내지 74%의 공간을 차지함으로써 이온교환 대상물질의 유도저항을 야기시켰으나, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체(100)는 다수 개의 공극(130)을 형성함으로써, 기존의 구 형상의 이온교환수지 내지 이온교환수지 구슬이 차지하고 있는 공간을 이온교환 대상물질의 유로로 제공함으로써 유동저항을 감소시켜 전력소모를 최소화함과 동시에, 이온교환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 이온교환기(150a, 150b)는 양이온 교환기(150a) 또는 음이온 교환기(150b)일 수 있으며, 양이온 교환기(150a) 및 음이온 교환기(150b)일 수 있다.
이온교환기(150a, 150b)가 양이온 교환기(150a) 및 음이온 교환기(150b)인 경우, 지지체(110) 상의 일부 공극(130a)의 내부 표면에는 양이온 교환기(150a)가 형성되며, 다른 공극(130b)의 내부 표면에는 음이온 교환기(150b)가 형성될 수 있다. 다수 개의 공극(130a, 130b)은 각각 이웃한 공극(130a, 130b)과 서로 연결됨으로써 망상구조의 네트워크(network) 구조를 형성할 수 있으며, 동일한 이온교환기(150a, 150b)가 형성된 공극(130a, 130b)이 서로 연결되는 것일 수 있다. 구체적으로는, 양이온 교환기(150a)기가 형성된 공극(130a)은 이웃한 양이온 교환기(150a)가 형성된 이웃한 공극(130a)과 연속되는 것일 수 있으며, 음이온 교환기(150b)기가 형성된 공극(130b)은 이웃한 음이온 교환기(150b)가 형성된 이웃한 공극(130b)과 연속되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체(100)의 이온 교환 메커니즘과 관련하여, 도 3을 참조하면, 이온 교환대상 물질은 연속되는 공극(130)으로 형성된 유로(1)를 관통하며, 공극(130)의 내부표면에 형성된 이온교환기(150a, 150b)에 의하여 이온교환이 발생된다. 이온교환된 이온성 물질(20)은 지지체(110) 상에 다수 개의 공극(130)사이의 이동경로(2)를 통하여 이온성 물질(20)을 지지체(100) 외부로 이동시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체는 양이온 교환 수지, 음이온 교환 수지 또는 이들 모두를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기탈이온 장치는 상기의 다공성 이온교환 구조체를 포함한다.
상기 전기탈이온 장치는 캐소드(cathode); 제1 농축 채널; 양이온 교환막(CEM); 상기 다공성 이온교환 구조체; 음이온 교환막(AEM); 제2 농축 채널; 및 애노드(anode)가 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
상기 제1 농축 채널은 상기 다공성 이온교관 구조체로부터 분리된 양이온성 물질이 저장되는 장소이며, 상기 제2 농축 채널은 상기 다공성 이온교환 구조체로부터 분리된 음이온성 물질이 저장되는 장소이다.
상기 전기탈이온 장치는 필요에 따라서, 캐소드(cathode); 제1 농축 채널; 양이온 교환막(CEM); 상기 다공성 이온교환 구조체; 다공성 막(Porous membrane); 제3 농축채널; 양이온 교환막(CEM); 제2 농축 채널; 및 애노드(anode)가 순차적으로 적층된 구조일 있으며, 이때 상기 다공성 이온교환 구조체는 담수채널로서 주입되는 해수 등의 이온 교환대상 물질에 대하여 이온교환을 수행하여 담수가 진행되며, 이온교환을 반복하여 교환된 이온을 전지장에 따라 이온교환막으로 이동시킨다. 상기 제3 농축채널은 상기 다공성 이온교환 구조체로부터 분리된 양이온 및 음이온 물질을 저장하는 공간이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 이온교환 구조체의 제조방법은 다공성 전구체 용액을 제공하는 단계; 상기 다공성 전구체 용액에 이온교환체와 기공 형성제를 혼합하는 단계; 상기 다공성 전구체 용액을 경화시키는 단계; 및 상기 기공 형성제를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 다공성 전구체 용액은 폴리디메틸실록산(PDMS) 전구체 용액 또는 이온교환수지 용액일 수 있다.
상기 이온교환체는 양이온 교환체 또는 음이온 교환체일 수 있으며, 양이온 교환체와 음이온 교환체를 모두 포함할 수 있다.
상기 기공형성제는 소정의 크기를 가지는 염(Salt)의 형태일 수 있으며, 상기 기공형성제는 가용성 염(soluble salts)일 수 있으며, 상기 가용성 염은 염화나트륨(NaCl)일 수 있으며, 결정 크기가 200 내지 400um를 가지는 염화나트륨일 수 있다. 가용성 염으로 염화나트륨(NaCl)을 이용하는 경우, 염화나트륨의 결정 크기에 따라 최종적에 제조되는 다공성 이온교환 구조체에서 기공의 면적당 체적 비율을 조정할 수 있으며, 보다 구체적으로 염화나트륨의 결정 크기가 큰 경우 기공의 면적당 체적 비율을 증가하며, 결정 크기가 작은 경우 기공의 면적당 체적 비율이 감소한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 다공성 이온교환 구조체의 제조
도 4는 실시예 1의 다공성 이온교환 구조체의 제조과정을 도시한 것으로, 도 4를 참조하며, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)(PDMS Elastomer kit A) 용액에 경화제(sylgard 184 curing agent or PDMS Elastomer kit B)를 9:1의 질량비로 혼합하여 혼합용액을 제조하며, 혼합용액에 대하여 염화 나트륨(결정 크기: 200~400um)을 1:3(혼합용액 : 염화나트륨)의 질량비로 첨가한다(Step 1). 이후, 60 ℃ 오븐에서 2시간 동안 경화시킨 후(Step 2), 경화된 구조체를 초순수물(Deionized water)에 2 일(day) 동안 담지하여 염화나트륨을 제거(Step 3)하여, 다공성 이온교환 구조체를 제조(Step 4)한다.
제조된 다공성 이온교환 구조체에 대하여 5 wt%의 양이온 교환수지(나피온; nafion perfluorinated resin)과 3 wt%의 음이온 교환수지(Orion Polymer사의'Orion TM1 Polymer')를 1:1의 질량비로 혼합한 혼합물을 이온교환기로 코팅한다.
실시예 2. 다공성 이온교환 구조체의 제조
5 wt%의 양이온교환 수지(나피온(nafion); perfluorinated resin)과 음이온 교환기로서 3 wt%의 음이온교환 수지(Orion Polymer사의'Orion TM1 Polymer')를 1:1의 질량비로 혼합한 용액에 대하여 염화 나트륨을 1:1의 부피비로 첨가한 후 30 분(min) 경화시켜 구조체를 제조한다. 제조된 구조체를 초순수물에 2 일간 담지하여 염화나트륨(결정 크기: 200~400um) 만을 제거하여 이온교환 구조체를 제조한다.
측정예 1. 모폴로지 분석
상기 실시예 1 및 2에서 제조된 다공성 이온교환 구조체의 사진이미지 및 다공성 이온교환 구조체의 표면을 주사전자현미경(SEM)(Verious G4UC; pt coating: 1분, 전압: 5kV, 진공: 10E-5Pa, 배율: 50~100 배율)으로 촬영하였으며, 그 결과를 도 5a 및 도 5b에 도시하였다.
도 5a는 실시예 1에 따른 다공성 이온교환 구조체의 사진이미지를 도시한 것이다.
도 5b는 실시예 1에 따른 다공성 이온교환 구조체의 이온교환기의 형성 전후의 SEM이미지를 도시한 것으로, 도 5b의 (a)는 이온교환기 형성 전의 SEM 이미지이며, 도 5b의 (b)는 이온교환기가 형성된 이후의 SEM 이미지이다. 도 5b를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 다공성 이온교환 구조체의 지지체 상에 다수 개의 공극이 형성되며, 공극의 내부 표면에 이온교환기가 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5c는 실시예 1에 따른 다공성 이온교환 구조체의 양이온교환기 및 음이온교환기를 확인 SEM이미지(Verious G4UC; pt coating: 1분, 전압: 5kV, 진공: 10E-5Pa, 배율: 500 배율)를 도시한 것으로, 도 5c를 참조하면, 염화나트륨(소금) 침출을 통하여 제조됨에 따라 소금 결정 모양의 공극이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이에 지지체 상으로 양이온교환기는 매끄러운 형상을 보이며, 음이온교환기는 겹겹으로 거친 형상을 보인다.
도 5d는 실시예 1에 따른 다공성 이온교환 구조체의 공극의 크기를 측정하여 표시한 SEM이미지를 도시한 것으로, 도 5d를 참조하면 92.16 ㎛, 138.6 ㎛, 158.8 ㎛, 172.3 ㎛의 직경을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 5e는 실시예 2에 따른 다공성 이온교환 구조체의 사진이미지를 도시한 것이다.
도 5f는 실시예 2에 따른 다공성 이온교환 구조체의 SEM 이미지로서, 도 5f를 참조하면, 지지체 상에 다수 개의 공극이 형성되며, 공극의 내부표면에 이온교환기가 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
실험예 1. 압력강하 특성 분석
상기 실시예 1에서 제조된 다공성 이온교환 구조체를 적용한 전기탈이온 장치와, 종래의 이온교환수지를 적용한 전기탈이온 장치의 압력강하를 측정하였으며, 이를 도 6에 도시하였다.
본 실험예 1에서 이용한 전기탈이온 장치는 채널의 너비가 2000 μm, 높이가 300 μm이고 길이는 1 cm인 유동 채널을 가지는 것이며, 이에 일반적인 이온교환수지를 적용한 기존 전기탈이온 장치와, 상기 실시예 1에서 제조된 다공성 이온교환 구조체를 적용한 신규 전기탈이온 장치를 준비하였다.
준비된 상기의 기존 전기탈이온 장치와 상기의 신규 전기탈이온 장체에 대하여 각각 유동액(해수)를 흘려 줬을 때의 채널 입구부터 출구까지의 압력강하를 비교하였으며, 입력 유량은 0부터 2500μl/min까지 500μl/min 단위로 높였으며, 전기장은 가해지지 않은 상태로 각 단계에서 두 장치의 압력강하를 mmHg 단위로 측정하였다.
도 6을 참조하면, 실시예 1('다공성 이온교환 구초제')의 경우, 높은 공극률(Porosity)에 따라 유동 저항이 감소되어 압력강하가 발생되지 않음을 확인할 수 있으며, 이는 에너지 효율이 기존 전기탈이온 장치보다 크게 향상되는 것임을 확인할 수 있다.
실험예 2. 이온성 물질의 제거 비율 분석
상기 실시예 1에서 제조된 다공성 이온교환 구조체를 적용한 전기탈이온 장치와, 종래의 이온교환수지를 적용한 전기탈이온 장치에 대하여 해수 내 염(salt) 제거 비율을 분석하였으며, 그 결과를 도 7에 도시하였다.
본 실험예 2에서 이용한 전기탈이온 장치는 채널의 너비가 2000 μm, 높이가 300 μm이고 길이는 1 cm인 유동 채널을 가지는 것이며, 이에 일반적인 이온교환구슬을 적용한 기존 전기탈이온 장치와, 상기 실시예 1에서 제조된 다공성 이온교환 구조체를 적용한 신규 전기탈이온 장치를 준비하였다.
기존의 전기탈이온 장치는 도 7a의 (a)와 같은 CEM(양이온 교환 멤브레인)과 AEM(음이온 교환 멤브레인) 사이에 이온교환구슬이 위치하는 것이며, 신규 전기탈이온 장치는 도 7a의 (b)에서와 같이 기존의 전기탈이온 장치의 이온교환구슬을 상기 실시예 1에서 제조된 다공성 이온교환 구조체가 위치하는 것이다.
준비된 상기 기존의 전기탈이온 장치와 신규 전기탈이온 장치에 대하여 각각 유동액은 10mM NaCl을 이용했고, 음극과 양극의 전극용액 및 중앙 채널 모두 10μl/min의 유동속도를 주었다. 탈염 정도는 중앙 채널의 토출부에서 나온 탈염수의 전기전도도를 측정하고 이를 이온농도 제거율로 바꾸어 나타낸 것이며, 전압은 0에서 14V까지 2V 단위로 올려가며 실험을 진행했고, 10분간 탈염을 진행해 나온 탈염도를 도 7b에 도시하였다.
도 7b을 참조하면, 실시예 1('다공성 이온교환 구조체를 이용한 전기탈이온')의 경우, 기존의 전기탈이온 장치보다 낮은 전압 조건에서도 염의 제거 비율이 현저히 증가하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (11)

  1. 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 지지체;
    상기 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 지지체 내부에 서로 연결되는 구조를 가지며 유로를 형성하는 다수 개의 공극; 및
    상기 공극 내부에 형성되는 이온교환기를 포함하고,
    상기 이온교환기는 양이온 교환기 및 음이온 교환기를 포함하는 다공성 이온교환 구조체.

  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온교환기가 양이온 교환기 및 음이온 교환기인 경우,
    일 공극의 내부 표면에는 양이온 교환기가 형성되며,
    타 공극의 내부 표면에는 음이온 교환기가 형성되며,
    상기 일 공극과 상기 타 공극이 연속되는 것을 특징으로 하는 다공성 이온교환 구조체.
  4. 양이온교환 수지와 음이온 교환수지가 혼합된 지지체;
    상기 양이온교환 수지와 음이온 교환수지가 혼합된 지지체 내부에 서로 연결되는 구조를 가지며 유로를 형성하는 다수 개의 공극; 및
    상기 공극 내부에 형성되는 이온교환기를 포함하고,
    상기 이온교환기는 양이온 교환기 및 음이온 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 이온교환 구조체.
  5. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항의 다공성 이온교환 구조체를 포함하는 전기탈이온 장치.
  6. 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 용액을 제공하는 단계;
    상기 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 용액에 이온교환체와 기공 형성제를 혼합하는 단계;
    상기 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 용액을 경화시키는 단계; 및
    상기 기공 형성제를 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 이온교환체는 양이온 교환체 및 음이온 교환체이며,
    상기 기공 형성제는 가용성 염(soluble salts)인 다공성 이온교환 구조체의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 가용성 염은 염화나트륨(NaCl)인 것을 특징으로 하는 다공성 이온교환 구조체의 제조방법.
  11. 양이온교환 수지와 음이온 교환수지를 혼합한 용액을 제공하는 단계;
    상기 양이온교환 수지와 음이온 교환수지를 혼합한 용액에 기공 형성제를 혼합하는 단계;
    상기 양이온교환 수지와 음이온 교환수지를 혼합한 용액을 경화시키는 단계; 및
    상기 기공 형성제를 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 기공 형성제는 가용성 염(soluble salts)인 다공성 이온교환 구조체의 제조방법.
KR1020200142350A 2020-10-29 2020-10-29 다공성 이온교환 구조체 및 이의 제조방법 KR102481639B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200142350A KR102481639B1 (ko) 2020-10-29 2020-10-29 다공성 이온교환 구조체 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200142350A KR102481639B1 (ko) 2020-10-29 2020-10-29 다공성 이온교환 구조체 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220057264A KR20220057264A (ko) 2022-05-09
KR102481639B1 true KR102481639B1 (ko) 2022-12-27

Family

ID=81582833

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200142350A KR102481639B1 (ko) 2020-10-29 2020-10-29 다공성 이온교환 구조체 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102481639B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100389938B1 (ko) 1995-01-19 2003-10-10 아사히 가라스 가부시키가이샤 다공질이온교환체및탈이온수제조방법
KR100876541B1 (ko) 2007-03-16 2008-12-31 명지대학교 산학협력단 다공성 알루미늄실리케이트 나노입자를 함유하는 ｐｄｍｓ혼합막
DE102014205029A1 (de) 2014-03-18 2015-09-24 Volkswagen Ag Konditionierungseinheit zur Konditionierung eines Betriebsmediums sowie Brennstoffzellenanordnung mit einer solchen
DE102014221241A1 (de) 2014-10-20 2016-04-21 Volkswagen Aktiengesellschaft Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1894029B (zh) * 2003-12-15 2011-05-11 旭化成化学株式会社 多孔成形物及其生产方法
KR101852925B1 (ko) * 2011-11-29 2018-04-30 삼성전자주식회사 혼성 다공성 구조체, 혼성 다공성 구조체의 제조 방법, 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막, 및 상기 분리막을 포함하는 수처리 장치
KR20200122670A (ko) * 2019-04-18 2020-10-28 한양대학교 산학협력단 나노 채널 구조물 및 이의 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100389938B1 (ko) 1995-01-19 2003-10-10 아사히 가라스 가부시키가이샤 다공질이온교환체및탈이온수제조방법
KR100876541B1 (ko) 2007-03-16 2008-12-31 명지대학교 산학협력단 다공성 알루미늄실리케이트 나노입자를 함유하는 ｐｄｍｓ혼합막
DE102014205029A1 (de) 2014-03-18 2015-09-24 Volkswagen Ag Konditionierungseinheit zur Konditionierung eines Betriebsmediums sowie Brennstoffzellenanordnung mit einer solchen
DE102014221241A1 (de) 2014-10-20 2016-04-21 Volkswagen Aktiengesellschaft Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Brennstoffzellensystem

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220057264A (ko) 2022-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ghalloussi et al. Ageing of ion-exchange membranes in electrodialysis: A structural and physicochemical investigation
EP2857442B1 (en) Ion exchange membrane for flow-electrode capacitive deionization device and flow-electrode capacitive deionization device including the same
US11739010B2 (en) Electrodes for selective removal of multivalent ions through capacitive deionization
US6334941B1 (en) Apparatus for producing deionized water
KR101741243B1 (ko) 이온 교환막
CN104495991B (zh) 一种基于流动式电极的高效膜电容去离子阵列
JPH11502764A (ja) 電気透析を含めた膜処理の改良
KR101004707B1 (ko) 이온제거용 축전식 전극 및 그를 이용한 전해셀
JP4384444B2 (ja) 電気式脱塩装置及び電気透析装置
JP2003334560A (ja) 電気式脱イオン水製造装置
JPWO2002083770A1 (ja) 複合多孔質イオン交換体、その製造方法、それを用いる脱イオンモジュール及び電気式脱イオン水製造装置
KR101528777B1 (ko) 유가자원회수용 바이폴라 이온교환시트, 이의 제조방법 및 이를 이용한 유가자원회수장치
KR101047335B1 (ko) 전극의 제조 방법
Jordan et al. Promoting water-splitting in Janus bipolar ion-exchange resin wafers for electrodeionization
KR20180109586A (ko) 비대칭 구조의 바이폴라 이온교환막 및 그 제조방법
KR102481639B1 (ko) 다공성 이온교환 구조체 및 이의 제조방법
Eti et al. Ion exchange membranes for reverse electrodialysis (RED) applications-recent developments
WO2014206381A1 (en) The asymmetric ion-exchange membrane and use thereof
US10457576B2 (en) Apparatus for removal of ions from water and method of producing the same
Nemati et al. Thin film heterogeneous ion exchange membranes prepared by interfacial polymerization of paa-co-iron-nickel oxide nanoparticles on polyvinylchloride based substrate
KR20170062986A (ko) 균질 바이폴라 계면을 갖는 비균질 바이폴라 이온교환막 및 그 제조방법
CN204400676U (zh) 一种基于流动式电极的高效膜电容去离子装置
KR20150007070A (ko) 축전식 전기탈염용 단위셀 및 이의 제조방법
CN212942311U (zh) 一种分离装置及工业用或家用水处理设备
Park et al. Role of the electric field in selective ion filtration in nanostructures

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant