KR102624823B1 - 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치 및 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈 - Google Patents
레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치 및 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치 및 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 유입수채널(Feed Channel)에 이온교환레진을 충진한 레독스(redox) 기반의 전기화학적 다중채널 막에 추가적인 농축채널(concentration channel, CC)를 도입하여, 전압인가시 유입수채널 내 이온교환레진 표면에서 전기화학적으로 이온화된 삼중수소수가 양쪽 전극이 위치한 반응채널로 분리되는 동시에 상기 분리된 삼중수소가 농축채널(CC)에서 농축되어 자원화가 가능하며, 비교적 제어가 간단한 다중채널 막 및 그를 다층으로 적층한 다중채널 막 스택형 모듈을 통해 전기화학적으로 삼중수소를 분리 및 농축시키므로, 열과 전기 에너지소비 측면에서 효율적이다.
본 발명은 유입수채널(Feed Channel)에 이온교환레진을 충진한 레독스(redox) 기반의 전기화학적 다중채널 막에 추가적인 농축채널(concentration channel, CC)를 도입하여, 전압인가시 유입수채널 내 이온교환레진 표면에서 전기화학적으로 이온화된 삼중수소수가 양쪽 전극이 위치한 반응채널로 분리되는 동시에 상기 분리된 삼중수소가 농축채널(CC)에서 농축되어 자원화가 가능하며, 비교적 제어가 간단한 다중채널 막 및 그를 다층으로 적층한 다중채널 막 스택형 모듈을 통해 전기화학적으로 삼중수소를 분리 및 농축시키므로, 열과 전기 에너지소비 측면에서 효율적이다.
Description
본 발명은 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치 및 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유입수채널(Feed Channel)에 이온교환레진을 충진한 레독스(redox) 기반의 전기화학적 다중채널 막에 추가적인 농축채널(concentration chanel, CC)를 도입하여, 전압인가시 상기 유입수채널 내 이온교환레진 표면에서 전기화학적으로 이온화된 삼중수소수가 양쪽 전극이 위치한 반응채널로 분리되는 동시에 상기 분리된 삼중수소가 농축채널(CC)에서 농축되어 자원화가 가능한, 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치 및 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈에 관한 것이다.
삼중수소(Tritium, T)는 반감기가 12.32년으로 길고 붕괴당 최대 18.6 keV, 평균 5.7 keV의 베타선을 방출하는 방사성 동위원소이다.
원자로 핵연료에서 일어나는 핵분열 과정에서 핵분열당 0.01% 정도가 발생되고, 중수로의 감속재로 사용되는 중수의 중수소에 중성자가 포획되어 삼중수소로 변환되기도 한다.
2D + n → 3T (σγ= 0.508 mb)
또한, 경수로의 임계도제어를 위해 사용하는 붕산과 냉각수관리를 위해 사용하는 리튬의 중성자 포획도 삼중수소의 발생원이 된다.
6Li + n → 4He + 3T (σγ= 940b)
10B + n → 24He + 3T (σγ= 10.6mb)
비록 삼중수소는 순수한 베타선 방출 핵종으로 감마선을 방출하지 않지만 다량의 삼중수소를 물과 함께 섭취할 경우 문제가 되는데, 유럽방사성위원회에서는 삼중수소가 DNA 구성에 사용된 후 헬륨으로 붕괴하면 DNA 이상이 발생할 수 있다고 밝힌 바 있다. 따라서, 물 또는 수증기의 형태로 인체 내로 흡입되어 내부 피폭문제를 일으키기 쉬우므로 방사선 방어 관점에서 삼중수소 방사능은 중요한 관심 사항이다.
삼중수소에 의한 피폭의 영향을 저감하기 위해 중수로원전에서는 삼중수소 제거설비(TRF: Tritium Removal Facility)가 가동되고 있다.
그러나 TRF에 있는 삼중수소가 타이타늄에 결합돼 있기 때문에 분리하기가 쉽지 않고, 보통 온도를 700℃로 높여야 하는데 이 과정에서 삼중수소가 새 나와 주변 지역에 방사능 오염을 일으킬 수 있고, 수증기 형태의 삼중수소를 완벽히 제거하지 못한 채 바닷물로 희석하여 온배수로 방출하고 있는 실정이다. 따라서 바닷물을 식수원으로 이용할 때에는 해수 중의 삼중수소(T2O)가 큰 문제가 될 수 있다.
이러한 요구에 따라, 특허문헌 1은 원전 폐수 혹은 자연 해수에 포함되어 수중의 일반 물 분자와 유사 거동을 하는 삼중수소를 광합성을 하는 미세조류를 이용하는 생물공학적 방법을 적용하여 빠르게 흡수하여 농축하여 삼중수소를 제거하는 방법 및 장치를 제시하고 있으며, 방사성 물질인 삼중수소가 주변으로 확산되고 위해를 주는 부분을 생물공학적인 방법 및 장치를 이용해 친환경적으로 차단 및 정화할 수 있고, 해수와 같은 부피가 큰 수 톤 규모 이상의 대용량 수처리도 가능하다고 보고하고 있다.
반면에 한국수력원자력에 따르면 삼중수소 1g의 가격은 3300만∼3500만원 수준이다. 통상 금 1g 가격이 6∼7만원인 점을 고려하면, 삼중수소는 금보다 500배 비싼 고가의 물질이다.
삼중수소가 고가인 건 분리가 어렵기 때문이며, 일례로 국내 월성 원전에 설치된 삼중수소 제거설비(TRF: Tritium Removal Facility)는 초저온 증류법을 사용하는데, 수소 동위원소 사이의 끓는점 차이를 이용해 분리하는 기술이며, 마이너스 250℃로 냉각시켜 증류하면 상대적으로 가벼운 중수소는 기체로, 무거운 삼중수소는 액체로 분리 농축된다. 중수소와 삼중수소의 액화 온도를 유지하기 위한 초저온 냉매로는 액화 수소 또는 저온 헬륨 가스를 이용하는데, 이러한 과정을 거쳐도 완벽한 삼중수소 분리는 불가능한 수준이다.
이러한 삼중수소는 중성자 2개와 양성자 1개로 이루어져 있는데, 중수소는 중성자 1개와 양성자 1개로 이루어져 있다. 중수소 2개를 핵융합시키면 양성자와 삼중수소가 나오며 엄청난 에너지가 나온다. 상기 삼중수소를 중수소와 다시 핵융합시키면 또 엄청난 에너지와 중성자, 헬륨가스가 나온다. 또한, 중수소와 중수소를 핵융합시키면 삼중 수소의 대체품인 헬륨 3이 나오고 헬륨 3은 중성자 1개와 양성자 2개로 이루어져 있고 중수소와 핵융합시키면 엄청난 에너지와 양성자와 헬륨가스가 나오며, 이 과정에서 얻은 에너지는 전기로 만들 수 있는 것은 물론, 오염 없는 친환경 에너지도 만들 수 있다. 그러므로 기존의 화력 발전소가 만든 온실 가스와 핵분열 발전소가 만든 방사성 물질이 만들어지지 않는다. 또한 이 에너지는 다른 대체 에너지보다 상상도 못하게 많으며 강력한 에너지 중의 강력한 에너지다.
이에, 본 발명자들은 종래 문제점을 해소하고자 노력한 결과, 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2에 기반하되, 유입수채널(Feed Channel)에 이온교환레진을 충진한 레독스(redox) 기반의 전기화학적 다중채널 막을 개발하고, 전압인가시 상기 유입수채널 내 이온교환레진 표면에서 전기화학적으로 이온화된 삼중수소수가 분리되고, 동시에 상기 다중채널 막에 추가적인 농축채널(concentration chanel, CC)를 도입하여 분리된 삼중수소를 농축을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
High-Desalination Performance via Redox Couple Reaction in the Multichannel Capacitive Deionization System, ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 16182-16189.
Performance analysis of the multi-channel membrane capacitive deionization with porous carbon electrode stacks, Desalination, 2020, 479, 114315.
본 발명의 목적은 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다중채널 막 스택형 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명은 삼중수소 오염수가 유입되는 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막,
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막,
상기 양이온 교환막 일측에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막 및
상기 제2음이온 교환막 일측에 배치된 제1전극을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 제2전극을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어지되, 상기 제1유로 및 상기 제2유로가 연결되어 유동하며, 반응채널 내 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액이 포함되고, 상기 유입수채널 내 이온교환레진이 충진된, 제1실시형태의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 삼중수소 오염수가 유입되는 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막,
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막,
상기 양이온 교환막 상에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막 및
상기 제2음이온 교환막 일측에 배치된 복수 개의 제1전극을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 복수 개의 제2전극을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어지되, 상기 제1유로 및 상기 제2유로가 연결되어 유동하며, 반응채널 내 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액이 포함되고, 상기 유입수채널 내 이온교환레진이 충진된, 제2실시형태의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치를 제공한다.
상기 제1실시형태 및 제2실시형태에 있어서, 이온교환레진은 유입수채널 공간 부피 내 70 내지 100% 충진되며, 이때, 이온교환레진은 양이온교환레진 및 음이온교환레진이 1:1 중량비율로 혼합되어 충진된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 이온교환레진이 충진된 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막,
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막,
상기 양이온 교환막 일측에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막 및
상기 제2음이온 교환막 타측에 배치된 복수 개의 제1전극을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 복수 개의 제2전극을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어진, 제3실시형태의 다중채널 막의 스택형 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 이온교환레진이 충진된 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막,
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막,
상기 양이온 교환막 일측에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막 및
상기 제2음이온 교환막 타측에 배치된 제1전극을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 제2전극을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어진 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막이고, 상기 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막이 단위 모듈로 2개 내지 10개가 직렬 결합된 제4실시형태의 다중채널 막 스택형 모듈을 제공한다.
본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 따라, 종래의 삼중수소 제거 기술과 달리, 비교적 제어가 간단한 다중채널 막 및 그를 다층으로 적층한 다중채널 막 스택형 모듈을 통해 전기화학적으로 삼중수소를 분리함으로써, 열과 전기 에너지소비 측면에서 효율적이다. 또한, 상기 분리된 삼중수소를 장치내 추가적으로 도입된 농축채널에 의해 삼중수소를 농축시켜 회수함으로써 자원화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태로서 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치의 모식도이고,
도 2는 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 전압인가시 삼중수소의 제거 결과이고,
도 3은 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 전압인가시 유입수채널 내 pH 조건에 따른 삼중수소의 제거 결과이고,
도 4는 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에서 pH 조건에 따른 삼중수소의 제거 및 농축효율을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 제2실시형태로서 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치의 모식도이고,
도 6은 본 발명의 다중채널 막의 스택형 모듈의 결합을 나타낸 것이고,
도 7은 상기 다중채널 막 스택형 모듈에서 단위 전극체의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 전압인가시 삼중수소의 제거 결과이고,
도 3은 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 전압인가시 유입수채널 내 pH 조건에 따른 삼중수소의 제거 결과이고,
도 4는 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에서 pH 조건에 따른 삼중수소의 제거 및 농축효율을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 제2실시형태로서 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치의 모식도이고,
도 6은 본 발명의 다중채널 막의 스택형 모듈의 결합을 나타낸 것이고,
도 7은 상기 다중채널 막 스택형 모듈에서 단위 전극체의 구성도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태로서 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치의 모식도로서, 삼중수소 오염수가 유입되는 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막(11),
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막(12),
상기 양이온 교환막 (11)일측에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막(13) 및
상기 제2음이온 교환막(13) 일측에 배치된 제1전극(21)을 포함하는 제1유로(31) 및 상기 제1음이온 교환막(11) 일측에 배치된 제2전극(22)을 포함하는 제2유로(32)를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어지되,
상기 제1유로 및 상기 제2유로가 연결되어 유동하며, 반응채널 내 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액이 포함되고, 상기 유입수채널 내 이온교환레진이 충진된, 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치를 제공한다.
도 1을 참고하여 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막에 의한 삼중수소 제거 및 농축 기작을 설명하면, 삼중수소 오염수가 유입되는 유입수채널(Feed Channel, FC)과 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어지되 상기 유입수채널(Feed Channel, FC)에 이온교환레진(50)을 통해 물의 분해가 일어나고, 삼중수소수 역시 하기 반응식 1 및 2와 같이 분해가 일어난다.
반응식 1
HTO → T+ + OH-
반응식 2
HTO → H+ + OT-
상기 삼중수소수가 이온으로 분해되면서 전기화학적으로 전하특성에 따라 양쪽 전극으로 분리가 일어나면서 처리된 물에서 삼중수소가 제거된다.
구체적으로, 제1음이온 교환막(11)을 통해 OH- 또는 OT- 이온은 제1전극(Positive electrode) 쪽의 반응채널(SC)로 이동된다. 동일한 방식으로 양이온 교환막(11)을 통해 분리된 T+ 또는 H+ 이온은 농축채널(CC) 방향으로 이동된다.
상기 OH- 또는 OT- 이온은 제1전극(Positive electrode)에서 전해질을 통해 제2전극(Negative electrode) 방향으로 이동하고, 다시 제2음이온 교환막(13)을 통해 농축채널(CC)로 이동된다.
이때, 농축채널(CC)에서는 하기 반응식 3 및 반응식 4에 따라 삼중수소를 농축시킨다.
반응식 3
OH- + T+ → HTO
반응식 4
OT- + H+ → HTO
따라서, 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치를 통해, 유입수채널(FC)에서는 물분해된 삼중수소가 분리되어 제거되고, 농축채널(CC)에서 분리된 이온간의 반응으로 삼중수소가 농축된다.
상기 제1유로(31) 및 상기 제2유로(32)가 연결되어 유동하며, 반응채널(SC)내 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액이 포함되는데, 상기 반응채널에서 포함되는 전해액의 산화환원 반응 물질의 레독스 반응에 의해 유입수 내 이온화된 삼중수소의 분리를 가속화시킨다.
상기 산화환원 반응 물질은 페로시안 화합물(Ferro cyanide)을 포함할 수 있다.
바람직한 일례로는 Na4Fe(CN)6을 선택할 수 있으며, 산화환원 반응 물질은 하기 반응식 5과 같이 산화 환원 반응이 가역적으로 일어난다.
반응식 5
Fe(CN)6 3- + e- ↔ Fe(CN)6 4-
상기의 레독스 커플의 산화환원 반응 물질은 전극에서 반응하면서 이온 분리를 가속화한다.
본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 있어서, 상기 이온교환레진(50)은 유입수채널(FC) 공간 부피 내 70 내지 100% 충진되는 것이 바람직하며, 본 발명의 실시예로는 유입수채널(FC) 내부를 100%로 가득 채워 수행하고 있으나, 적어도 70% 수준으로 충진될 때 삼중수소 제거효율을 충족시킬 수 있다.
또한, 이온교환레진(50)은 양이온교환레진 및 음이온교환레진이 혼합되어 충진된 것이며, 상기 레진의 강산성, 약산성, 강염기성, 약염기성의 선택 또는 겔 타입이나 다공성 타입의 선택은 삼중수소 제거효율을 고려하여 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능할 것이다. 이때, 본 발명의 바람직한 실시예로는 상용제품(삼양 트리라이트)의 양이온교환레진 및 음이온교환레진이 1:1중량비율로 충진하여 실시한다.
본 발명의 이온 교환막(11, 12) 및 전극(21, 22)은 종래 전지, 축전지 등에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용 가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 있어서, 유입수채널(FC)을 통해 원전폐수의 삼중수소를 전기화학적으로 이온 분리하여 제거할 수 있으며, 그 제거효율 향상을 최적화할 수 있다.
또한, 이온교환레진(50)은 삼중수소 오염수(원수)의 저항을 낮춰 낮은 전압에서 구동이 가능하게 하며, 바람직하게는 0.5∼2.0V 전압인 인가되며, 전압인가 시, pH 2 내지 5 조건에서 수행되면, 삼중수소의 제거효율이 증가한다.
도 2는 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 전압(전위) 인가시 삼중수소의 제거 결과를 도시한 것이다.
구체적으로, 삼중수소수 농도(0.125 mCi/L + 증류수)를 유지하고, 유속 5㎖/min 조건하에 전압을 0V 또는 1.2V를 인가하고 시간별로 삼중수소 제거결과를 비교 관찰한 결과, 전압인가가 없을 때(0V)는 1∼2% 제거효율을 보이나, 전압인가시(1.2V) 10% 제거효율을 구현함을 확인할 수 있다.
따라서, 외부로부터 공급되는 발생한 전위차, 바람직하게는 0.5∼2.0V 범위의 전위차가 제1전극(21)과 제2전극(22)에 인가되면, 전극에는 일정한 전하량이 하전된다.
도 3은 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에 전압인가시 유입수채널 내 pH 조건에 따른 삼중수소의 제거 결과를 도시한 것으로, 삼중수소수 농도(0.125 mCi/L + 증류수)를 유지하고, 유속 5㎖/min 조건하에 전압을 1.2V를 인가하되, 삼중수소가 포함된 유입수채널내 조건을 증류수, NaOH (10mM) 및 HCl (10mM) 조건으로 각각 조성한 후 시간별로 삼중수소 제거결과를 비교 관찰한 것이다.
그 결과, 삼중수소가 포함된 유입수채널내 조건이 증류수 또는 NaOH (10mM) 경우는 10% 수준의 삼중수소 제거효율을 보인 반면, HCl (10mM) 조건인 경우에는 15% 삼중수소 제거효율을 확인할 수 있다.
상기 결과로부터 바람직하게는 전압인가 시, 유입수채널내 조건을 pH 2 내지 5 조건에서 유지되면, 삼중수소의 제거효율을 향상시킬 수 있음을 제시한다.
본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에서, 전극은 양이온 교환막(11)에 인접하게 배치된 제1전극(21) 및 음이온 교환막(12)에 인접하게 배치된 제2전극(22)을 포함할 수 있다.
전극(21, 22)에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(capacitance)에 따라 결정되기 때문에 본 발명에서는 비표면적이 큰 다공성 탄소 전극(carbon electrode)이 사용된다.
또한, 제1전극(21)은 양이온 교환막(11)의 일측에 배치된 제1유로(31) 내에 배치되고, 제2 전극(22)은 음이온 교환막(12)의 타측에 배치된 제2유로(32) 내에 배치될 수 있다. 상기 제1전극(21)은 양이온 교환막(11)과 이격되어 배치될 수 있고, 제2 전극(22)은 음이온 교환막(12)과 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 제 1 전극(21)에는 음전극 활물질이 코팅되어 있고, 제 2 전극(22)에는 양전극 활물질이 코팅되어 있을 수 있다.
제1유로(31) 및 제2유로(32)는 상호 연통되는 것이 바람직하며, 제1유로(31) 측으로 유입된 전해액(40)은 제1전극(21) 및 제2전극(22) 측을 거쳐 제2유로(32) 측으로 배출될 수 있다.
도 4는 본 발명의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치에서 pH 조건에 따른 삼중수소의 제거 및 농축효율을 나타낸 것으로서, 삼중수소수 농도(0.125 mCi/L + 증류수 및 10mM HCl)를 유지하고, 농축채널(CC) 농도는 10mM NaCl로 유지하고 유속 5㎖/min 조건하에 전극 스택은 1스택 조건에서 전압을 1.2V를 인가하여 수행한 것이다.
그 결과, 농축채널(CC) 도입 후 삼중수소 제거효율도 증가하고, 특히 HCl 첨가조건에서는 제거효율 30%으로 증가된 결과를 보이며, 동시에 삼중수소의 농축효율의 증가도 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시형태로서 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치의 모식도로서,
오염수가 유입되는 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막(110),
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막(120),
상기 양이온 교환막 상에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막(130) 및
상기 제2음이온 교환막 일측에 배치된 복수 개의 제1전극(210n)을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 복수 개의 제2전극(220n)을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어지되, 상기 제1유로 및 상기 제2유로가 연결되어 유동하며, 반응채널 내 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액(40)이 포함되고, 상기 유입수채널 내 이온교환레진(50)이 충진된, 제2실시형태의 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치를 제공한다.
상기에서 제 1 유로에는 복수의 제 1 전극(210n)이 배치되고, 제 2 유로에는 복수의 제 2 전극(220n)이 배치된다. 예를 들면, 양이온 교환막(110)의 일측에는 복수의 제 1 전극(210a, 210b, 210c, 210d‥‥210n)이 배치되고, 음이온 교환막(22)의 타측에는 복수의 제 2 전극(220a, 220b, 220c, 220d‥‥220n)이 배치된다.
상기 복수 개의 제1전극(210n) 및 복수 개의 제2전극(220n)의 수는 각각 2개 내지 10개가 바람직하다.
또한, 상기 복수 개의 제1전극(210n) 및 복수 개의 제2전극(220n)의 개수는 동일하게 같은 수로 구성되는 것이 바람직하다. 다만, 실시예에 따라서는 양 전극의 개수 차이를 다르게 설계 변경될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 제1전극(210n) 및 복수 개의 제2전극(220n)은 전해액에 접촉되도록 구성되며, 상기 복수 개의 제1전극(210n)에 접촉되는 전해액 및 상기 복수 개의 제2전극(220n)에 접촉되는 전해액은 서로 유동된다.
상기 전해액에는 산화환원 반응물질이 포함되고, 바람직하게는 페로시안 화합물(Ferro cyanide)을 포함되는 것을 제1실시형태에서 설명한 바와 동일하다.
도 6은 본 발명의 다중채널 막의 스택형 모듈의 결합을 나타낸 것이고, 도 7은 상기 다중채널 막 스택형 모듈에서 단위 전극체의 상세 구성을 나타낸 것이다.
구체적으로 단위 전극체는 집전체(current collector)로서 타이타늄 메쉬 및 섬유소재(Carbon cloth)의 탄소전극이 교차 배치된 유닛으로서, 상기 교차 배치횟수는 1∼10 스택으로 확장될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 다중채널 막의 스택형 모듈은 이온교환레진이 충진된 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막,
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막,
상기 양이온 교환막 일측에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막 및
상기 제2음이온 교환막 타측에 배치된 복수 개의 제1전극을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 복수 개의 제2전극을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어진 제3실시형태의 다중채널 막의 스택형 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시형태의 다중채널 막의 스택형 모듈은
이온교환레진이 충진된 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막,
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막,
상기 양이온 교환막 일측에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막 및
상기 제2음이온 교환막 타측에 배치된 제1전극을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 제2전극을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어진 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막이고, 상기 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막이 단위 모듈로 2개 내지 10개가 직렬 결합된, 제4실시형태의 다중채널 막 스택형 모듈을 제공한다.
상기 제1전극 및 제2전극은 집전체(current collector)로서 타이타늄 메쉬 및 탄소천 (Carbon cloth) 소재의 탄소전극이 교차 배치된 단위 전극체로 이루어지며, 상기 교차 배치횟수는 1∼10 스택까지 확장할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
FC: 유입수채널 SC: 반응채널
CC 농축채널 11: 양이온 교환막
12: 제1음이온 교환막 13: 제2음이온 교환막
21: 제1전극 22: 제2전극
31: 제1유로 32: 제1전극
40: 전해액 50: 이온교환레진
1: 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 장치
CC 농축채널 11: 양이온 교환막
12: 제1음이온 교환막 13: 제2음이온 교환막
21: 제1전극 22: 제2전극
31: 제1유로 32: 제1전극
40: 전해액 50: 이온교환레진
1: 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 장치
Claims (18)
- 이온교환레진이 충진된 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막,
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막,
상기 양이온 교환막 일측에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막 및
상기 제2음이온 교환막 일측에 배치된 제1전극을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 제2전극을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어진 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막이고,
상기 제1유로 및 상기 제2유로가 연결되어 유동하며, 반응채널 내 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액이 포함되고,
상기 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막에 전압인가시, 유입수채널(FC)에 유입된 삼중수소 오염수가 이온교환레진 표면에서 전기화학적으로 이온화된 삼중수소수가 분리되는 동시에 농축채널(CC)에서 상기 분리된 삼중수소가 농축되는 것을 특징으로 하는, 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치. - 이온교환레진이 충진된 유입수채널(Feed Channel, FC),
상기 유입수채널의 일측에 배치된 양이온 교환막,
상기 유입수채널의 타측에 배치된 제1음이온 교환막,
상기 양이온 교환막 상에 배치된 농축채널(Concentrated channel, CC),
상기 농축채널 일측에 배치된 제2음이온 교환막 및
상기 제2음이온 교환막 일측에 배치된 복수 개의 제1전극을 포함하는 제1유로 및 상기 제1음이온 교환막 일측에 배치된 복수 개의 제2전극을 포함하는 제2유로를 포함하는 반응채널(Side Channel, SC)로 이루어진 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막의 스택형 모듈이고,
상기 제1유로 및 상기 제2유로가 연결되어 유동하며, 반응채널 내 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액이 포함되고,
상기 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막의 스택형 모듈에 전압인가시, 유입수채널(FC)에 유입된 삼중수소 오염수가 이온교환레진 표면에서 전기화학적으로 이온화된 삼중수소수가 분리되는 동시에 농축채널(CC)에서 상기 분리된 삼중수소가 농축되는 것을 특징으로 하는, 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온교환레진이 유입수채널 공간 부피 내 70 내지 100% 충진된 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온교환레진이 양이온교환레진 및 음이온교환레진이 동량 비율로 혼합되어 충진된 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1전극이 상기 양이온 교환막과 이격되며, 상기 제2전극이 상기 제1 음이온 교환막과 이격되는 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압이 0.5∼2.0V 인가된 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압인가 시, pH 2 내지 5 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 전압인가 시, 상기 산화환원 반응 물질이 전극에서 산화 반응 및 환원 반응에 의한 지속적인 이온 분리가 가능한 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 제9항에 있어서, 상기 산화환원 반응 물질이 페로시안 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 삭제
- 제2항에 있어서, 상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극의 개수는 동일한 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 제2항에 있어서, 상기 복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극의 수는 각각 2개 내지 10개인 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1전극 및 제2전극이 타이타늄 메쉬와 섬유소재의 탄소전극이 교차 배치된 단위 전극체로 이루어진 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
- 제17항에 있어서, 상기 교차 배치횟수는 1 내지 10 스택까지 확장된 것을 특징으로 하는 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치.
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| KR1020210189679A KR102624823B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치 및 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈 |
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| KR1020210189679A KR102624823B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치 및 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈 |
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| KR (1) | KR102624823B1 (ko) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2016041400A (ja) * | 2014-08-18 | 2016-03-31 | 敬 横川 | トリチウム水濃度制御方法 |
| KR102202285B1 (ko) * | 2020-06-05 | 2021-01-13 | 주식회사 티에스케이엔지니어링 | 전기탈이온장치 및 이를 포함하는 초순수 제조 시스템 |
| KR102268476B1 (ko) * | 2019-09-27 | 2021-06-23 | 서울대학교 산학협력단 | 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치 |
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-
2021
- 2021-12-28 KR KR1020210189679A patent/KR102624823B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|---|---|---|
| JP2016041400A (ja) * | 2014-08-18 | 2016-03-31 | 敬 横川 | トリチウム水濃度制御方法 |
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| KR102202285B1 (ko) * | 2020-06-05 | 2021-01-13 | 주식회사 티에스케이엔지니어링 | 전기탈이온장치 및 이를 포함하는 초순수 제조 시스템 |
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| KR20230100094A (ko) | 2023-07-05 |
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