KR20030012351A

KR20030012351A - 전기영동용 전극셀의 제조 방법 및 측정 장치

Info

Publication number: KR20030012351A
Application number: KR1020010046345A
Authority: KR
Inventors: 서곤; 류민웅; 이창소; 한상범
Original assignee: 한국정수공업 주식회사; 류민웅
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-12
Also published as: KR100439431B1

Abstract

본 발명은 오염용액 중에 녹아 있는 불순물을 이온상태로 여과하여 주는 전극셀에 관한 것으로서, 활성탄소섬유를 50∼200℃의 온도범위가 유지되는 건조기에서 건조하여 수분을 제거하는 1차건조공정; 1차건조공정을 통해 건조된 활성탄소섬유를 세정용기에서 세정하여 표면에 묻어있는 이물질을 제거하는 전처리공정; 전처리공정을 통해 이물질이 제거된 활성탄소섬유에 담지금속을 코팅하여 도포하는 담지공정; 담지공정을 통해 금속이 코팅된 활성탄소섬유를 세정용기에서 세정하고 50∼200℃의 온도범위로 건조하여 수분을 제거하는 2차건조공정 및 건조공정을 통해 건조된 활성탄소섬유를 200∼500℃의 온도범위를 유지하는 소성로에서 2∼5시간 동안 가열하여 전극재료로 제조하는 소성공정으로 이루어져, 산업폐수나 해수 중에 이온상태로 녹아있는 불순물들의 제거 효율이 증대되어 초정밀 가공분야에서 낮은 에너지비용으로 고청정도의 순수를 제조할 수 있게 한 것이다.

Description

전기영동용 전극셀의 제조 방법 및 측정 장치 {Method and Device for manufacturing the electrode cell of electrophoresis}

본 발명은 오염용액 중에 녹아 있는 불순물을 이온상태로 여과하여 주는 전극셀에 관한 것으로, 특히 활성탄소섬유의 외표면에 전이금속이나 전형금속을 담지하여 전극셀로 제조할 수 있도록 된 전기영동용 전극셀의 제조 방법 및 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 산업폐수나 해수 등과 같은 오염용액에는 각종 무기이온이나 미세한 입자 등의 불순물이 이온상태로 다량 존재하는 바, 이러한 불순물들은 공급/리턴 과정에서 관체나 밸브 등의 주변기기를 부식시켜 수명을 단축시키므로, 세정공정을 거쳐 미리 제거해야 한다.

특히, 고밀도 반도체의 제조공장 또는 도금 및 의료공장에서와 같이 초정밀도의 제품을 생산하는 공장에서는, 미량의 이온까지 세정공정을 통해 제거하여 순수로 제조하거나 또는 18㏁ 이상의 저항을 갖는 초순수로 제조된 물을 공급하여 제품의 품질을 향상시키게 된다.

또한, 산업폐수와 해수에 이온상태로 녹아 있는 중금속은 인체에 유해한 영향을 끼침은 물론 생태계에 악영향을 끼치므로, 이를 회수하거나 효과적으로 처리하려는 기술이 고안되어 응용되는 바, 이러한 불순물들을 제거하기 위한 대표적인 종래의 기술들을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 활성탄 흡착법 : 수용액 중에 녹아있는 이온이나 오염물질을 비표면적이 큰 활성탄이나 활성탄소섬유를 이용하여 흡착제거하는 기술로서, 오염물질의 농도가 낮은 폐수의 처리에 적합한 장점이 있지만, 활성탄의 파손으로 인해 미립자가 생성되어 이차오염을 유발하므로 순수의 제조에는 한계가 있다.

둘째, 감압증류폐수처리법: 대기압보다 낮은 압력을 유지한 상태에서 100℃이하의 온도에서 물을 증발시켜 회수함으로 폐수를 정화하는 기술로서, 저압상태에서 작동이 가능하여 에너지 비용이 저렴한 장점은 있으나, 열교환기를 별도로 설치 또는 교환하기 위한 부대비용이 증대된다.

셋째, 역삼투압법: 용매가 저농도에서 고농도용액으로 이동하는 정상적인 삼투현상과 반대로 고농도측에 압력을 가하면서 물을 뽑아내어 불순물을 걸러내는 기술로서, 초순수를 제조하거나 폐수를 정화하기에는 용이하지만, 고온고압에 견딜 수 있는 셀의 제조가 어려움은 물론 작동비용이 많이 든다.

네째, 이온교환법: 강산성 양이온교환수지와 강염기성 음이온교환수지가 별도로 또는 혼합상태로 배열된 이온교환장치를 통해 순수를 제조하는 기술로서, 대량의 순수제조에는 적합하지만 이온교환수지의 재생을 위해 고농도의 염산이나 질산이나 수산화나트륨이 필요하므로 부대비용이 증대된다.

다섯째, 전기투석법: 양극(+)과 음극(-)의 사이에 양이온교환막과 음이온교환막을 교차로 배열하고 고전압을 가하여 양전하를 갖는 이온은 음극측으로, 음전하를 갖는 이온은 양극측으로 이동시키는 기술로서, 에너지소비율이 증대됨은 물론 이온선택투과막의 설치유지에 따른 부대비용이 증대된다.

이외에도, 오염액체에 현탁되어 있는 미립자를 제거하기 위해 순수한 물만통과시키고 미세입자는 여과시켜 제거하는 정밀여과법과, 전기투석과 이온교환법을 병행하여 순수를 제조하는 탈염설비 등이 있으나, 대부분 시설비의 부담이 크고 유지관리비용이 증대된다.

따라서, 상기한 폐수처리나 순수제조의 방법들은 강한 산과 염기를 이용하는 방법으로서, 화학적 재생에 따른 특수설비 및 고밀도필터의 사용에 따른 시설비가 필수적으로 요구될 뿐만 아니라, 불순물의 재생에 따른 2차오염물질이 다량 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 폐수처리 또는 순수제조공정에서 발생하는 2차오염물질의 처리에 따른 부대비용이 증대될 뿐만 아니라 장치의 운전에 있어서도 고온고압 또는 고전압을 이용하거나 이온선택투과막이나 멤브레인 등의 잦은 교체에 따른 운전비용 및 부대비용이 증대되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로서, 활성탄소섬유에 전이금속이나 전형금속을 담지하여 전극셀로 제조하여, 오염용액 중에 녹아 있는 불순물을 이온상태로 제거시킬 수 있도록 된 전기영동용 전극셀의 제조 방법 및 측정 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 활성탄소섬유를 50∼200℃의 건조로에서 수분을 제거하는 건조공정; 건조공정을 통해 건조된 활성탄소섬유를 세정용기에서 세정하는 전처리공정; 전처리공정을 통해 이물질이 제거된 활성탄소섬유에 담지금속을 코팅하는 담지공정; 담지공정을 통해 담지금속이 코팅된 활성탄소섬유를 세정용기에서 세정하고 50∼200℃의 건조로에서 수분을 제거하는 건조공정 및 건조공정을 통해 건조된 활성탄소섬유를 200∼500℃의 소성로에서 2∼5시간 동안 열처리하는 소성공정으로 이루어져 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전극셀의 제조과정을 도시한 공정도,

도 2는 본 발명에 따른 전극셀의 측정장치를 도시한 도면,

도 3(a),도3(b)는 본 발명에 따른 활성탄소섬유에 담지금속이 담지된 상태와 그렇지 않은 상태의 이온흡착량을 비교한 그래프도,

도 4는 본 발명에 따른 역삼투압방식으로 제조된 증류수의 전기전도도 변화를 도시한 그래프도,

도 5는 본 발명에 따른 전극셀을 병렬로 연결한 상태를 모식도이다.

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 하우징 10 : 고정판

11,12 : 물유입구 20 : 집전체

30 : 단락방지판 40 : 분리막

50 : 양전극 60 : 음전극

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 전극셀의 제조과정을 도시한 공정도 및 전극셀의 성능측정장치를 도시한 도면으로서, 활성탄소섬유를 50∼200℃의 온도범위가 유지되는 건조기에서 건조하여 수분을 제거하는 1차건조공정; 건조공정을 통해 건조된 활성탄소섬유를 세정용기에서 세정하여 이물질을 제거하는 전처리공정; 전처리공정을 통해 이물질이 제거된 활성탄소섬유에 담지금속을 코팅하는 담지공정; 담지공정을 통해 담지금속이 코팅되어진 활성탄소섬유를 세정용기에서 세정하고 50∼200℃의 온도범위로 건조하여 수분을 제거하는 2차건조공정 및; 건조공정을 통해 건조된 활성탄소섬유를 200∼500℃의 온도범위를 유지하는 소성로에서 2∼5시간 동안 열처리하여 전극재료로 제조하는 소성공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 활성탄소섬유에 담지되는 금속으로는 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 실리콘, 알루미늄 등과 같은 전이금속 또는 전형금속이 사용되었다.

물론, 본 발명에서 사용되는 활성탄소섬유는 비표면적이 크고 전기전도도가 우수할 뿐만 아니라 적절한 크기의 세공이 형성되어 이온의 원활한 흡/탈착이 가능한 특징이 있으며, 특히 음극과 양극의 전위차가 없는 상태에서 물리흡착량이 적을수록 정전기적 흡착 후 재생이 용이한 특징이 있다.

한편, 전극셀의 측정장치는 하우징(100)의 내벽양측에 장착됨과 더불어 몸체상하부에 수용액통과홈(11,12)이 형성된 고정판(10)과, 고정판(10)의 내벽에 각각 장착됨과 더불어 스테인레스스틸로 제직된 집전체(20), 집전체(20)의 내벽에 장착되어 양극과 음극을 이루는 다수개의 전극셀(50,60), 전극셀(50,60)의 사이에 개재되어 물과 이온을 분리하는 분리막(40) 및 전극셀(50,60)의 사이에 개재되어 전극의 단락을 방지하는 단락방지판(30)으로 이루어져 있다.

여기서, 좌측의 고정판(10)은 상하부에 각각의 수용액통과홈(11,12)이 형성되면서 우측의 고정판(10)은 하부에 수용액통과홈(12)이 형성되어 있다. 또, 집전체(20)는 물의 흐름을 원활하게 유지하기 위한 것으로, 스테인레스스틸의 재질을 이용하여 그물망 형태로 제조하였다.

또한, 단락방지판(30)은 두께가 0.2mm이하로 유지되면서 전기절연성이 우수한 재료를 사용함이 바람직하며, 본원에서는 아크로나트릴계 필름을 사용하였다.

[실시예 1]

먼저, 활성탄소섬유(이하, AFC라고도 함, 비표면적: 약 2000㎡/g, 평균세공크기: 18 Å, 두께: 0.6㎜)를, 본 발명에 따른 제조공정을 통해 전극소재로 제조한 다음, 5×5㎠크기로 절단하여 전극셀로 성형하였다.

이어서, 전극셀의 표면을 전자현미경으로 관찰하여 본 결과, 담지금속을 코팅하기 전의 표면상태와 유사하였고 금속결정도 보이지 않았다. 또한, 전극셀을 X-선 회전패턴(XRD)으로 측정하여도 결정상 금속이나 산화물의 특성피크는 나타나지 않아 담지금속이 모두 잘 분산 되었을 것으로 추측된다.

그런 다음, 도 2에서와 같은, 전기영동셀의 집전체(20)에 양전극셀(50)과 음전극셀(60)을 결합시킨 다음, 양/음전극셀(50,60)에 정전압장치(미도시)를 연결하여 정압의 직류전원을 공급하였다. 이어서, 도 2와 같은 전기영동셀을 증류수 500mL(이온전도도:약 3㎲/㎝)가 채워진 원통형상의 유리반응조(직경:10㎝, 높이:15㎝)에 넣은 다음, 전극셀(50,60)의 성능을 측정하였다.

이때, 양/음전극셀(50,60)의 성능측정과정에서 NaCl수용액(0.5M)을 일정량씩 반응기에 투입하면서 농도변화를 조사하였고, 반응조 내 물의 이온농도와 온도가 균일하도록 400rpm 속도의 교반기로 교반하였다.

그런 다음, 유리반응기를 항온조에 넣어 25℃로 온도를 일정하게 유지하였으며, 반응조 내 용액의 이온농도는 이온전도도측정기(Desktop Conductivity Meter, Model 455C, Istec, Inc.)를 이용하여 측정하였다. 또한, 반응조 내의 수용액에 녹아있는 이온의 물리흡착량을 측정할 때는 전극 사이에 전위차가 발생하지 않도록 전기영동셀의 집전체(20)를 서로 연결하였다.

한편, 도 3(b)는, 전극셀(금속을 담지하지 않음)의 이온흡착특성을 도시한 그래프도로서, 전극재료 1㎏ 당 NaCl의 물리흡착량은 0.033 mol 정도가 유지되었지만, 전극셀에 DC 1V의 전기장을 인가하면 0.123 mol을 흡착제거 할 수 있음을 도시한 것이다.

따라서, 도 3(b)에서와 같이, 금속이 담지되지 않은 전극재료를 전극셀로 사용한 전기영동셀의 경우, 종래의 기술에 비해 총 흡착량이 약 4배 정도의 비율로 증가하였음을 알 수 있다.

또한, 도 3(a)는 전극셀(티타늄이 담지됨)의 이온흡착특성을 도시한 그래프도로서, 전극재료 1㎏ 당 NaCl의 물리흡착량이 0.032mol정도로 줄어들었으나, DC 1V의 전기장을 인가하면 0.268 mol을 흡착제거할 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 도 3(b)에서와 같이, 티타늄이 담지된 전극재료를 전기영동셀의 전극셀로 사용하는 경우, 종래의 기술에 비해 총 흡착량이 약 8배 정도의 비율로 크게 증가함을 알 수 있다.

[표 1]

티타늄 양(wt％)	NaCl 흡착량(mol/㎏)
티타늄 양(wt％)	물리흡착량	전기장흡착량	총 흡착량
0	0.019	0.012	0.031
1.9	0.014	0.025	0.035
3.9	0.017	0.035	0.052
4.5	0.007	0.076	0.083
5.0	0.006	0.071	0.077

표 1은 티타늄의 담지량 변화에 따른 이온흡착특성으로서, 티타늄을 담지한 전극재료를 사용하는 경우 그렇지 않은 경우에 비해 물리흡착량이 감소하는 경향을 보여주고 있지만, 전극재료에 DC 1V의 전압을 인가하는 경우 전기장흡착량이 크게 증가되었음을 알 수 있다.

또한, 티타늄의 담지량이 4.5wt％ 이상으로 담지되는 경우 티타늄을 담지하는 않은 경우에 비해 물리흡착량이 급격하게 감소하는 경향을 보이고 있지만, 전기장흡착량에 있어서는 티타늄을 담지한 경우가 그렇지 않은 것에 비해 약 6배 정도의 비율로 증가함을 알 수 있다.

[표 2]

담지금속	NaCl흡착량(mol/㎏)
담지금속	물리흡착량	전기장흡착량	총 흡착량
없음	0.019	0.012	0.031
Si	0.009	0.016	0.025
Al	0.008	0.021	0.029
Zr	0.010	0.026	0.036
Ti	0.006	0.071	0.077
M=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Pt	담지금속이 용출되어 전기전도도가 상슴함.

표 2는 담지금속의 변화에 따른 이온흡착 특성으로서, 알루미늄, 지르코늄, 티타늄을 담지한 활성탄소섬유를 전극재료로 하는 전기영동셀은 금속을 담지하지 않은 경우에 비해 물리흡착량이 줄어들지만, DC 1V의 전하를 인가하는 경우 전기장흡착량이 증가하였음을 알 수 있다.

특히, 티타늄이 담지된 전극셀을 사용한 전기영동셀에서 전기장흡착량이 약 6배 정도로 증가하였음을 알 수 있으나, 총 흡착량에서 실리콘과 알루미늄을 담지한 전극셀을 사용한 전기영동셀에서 감소하였음을 알 수 있었다.

반면, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연을 담지한 전극셀의 경우, 전기전도도가 상승되었는데, 이는 담지금속이 NaCl의 이온을 일부 흡착하였지만 담지금속 자체가 일부 용출되었기 때문인 것으로 추측된다.

또한, 백금을 담지한 전극셀을 사용하는 경우, 백금표면에 수소이온이 탈착되어 수용액의 PH가 초기 6.5에서 5.2까지 낮아지고, 이온전도도가 3.5㎲/㎝에서 11.0㎲/㎝로 높아졌음을 알 수 있었다.

또한, 티타늄이 담지된 전극셀을 사용한 전기영동셀의 음극과 양극에 정전기적으로 각각 흡착된 양이온과 음이온은 두 전극을 접지시키면 전위차 소실로 인해 빠르게 탈착되어 쉽게 진행한다.

한편, 티타늄이 담지된 전극재료로 제조한 전기영동셀의 양전극과 음전극을 상호 접지시키면, 두 전극(50,60)에 정전기적으로 각각 흡착된 양이온과 음이온이 전위차 소실로 인해 빠르게 탈착되어 쉽게 재생된다.

특히, 본 발명의 전극셀(크기: 5×5㎠)을 설치한 전기영동셀의 경우, NaCl 수용액(500mL)의 이온전도도가 50㎲/㎝에서 31㎲/㎝로 감소되었으며, -2.5mA의 정전류 방전을 통한 재생과정에서 약 7.6F/cell의 전하 회수가 가능하였으며, 이로인해 2차오염물의 발생이 최소화됨을 알 수 있었다.

[실시예 2]

도 4는 역삼투압방식으로 제조된 증류수의 전기전도도 변화를 도시한 그래프도로서, 금속을 담지하는 않은 전극셀을 사용하는 경우 반응조 내의 소금물의 전기전도도를 2.3㎲/㎝까지 낮출 수 있으나. 티타늄을 담지한 전극셀을 사용하여 DC 1V의 전압을 가하는 경우 이온농도가 점차 낮아져 0.1㎲/㎝ 이하 상태를 유지하는 순수가 제조되었다.

[실시예 3]

도 5는 전기영동셀 내에 다수개의 전극셀을 병렬로 연결한 장치를 도시한 모식도로서, 100㎲/㎝로 조절된 3.0 L NaCl수용액을 순환펌프를 이용하여 순환시키면서 배출수의 이온전도도를 측정한 결과를 표 3에 도시하였다.

[표 3]

시간(h)	이온전도도(㎲/㎝)
0	100
2.5	63
5	55
10	42
20	36

이때, 전기영동셀은, 하우징(100)의 내부공간에 다수개의 양전극(50)과 음전극(60)이 병렬로 연속적으로 연결된 상태에서, 물유입구(11)를 통해 소금물을 공급하는 장치로서, 이때 전기영동셀 내의 전극셀은 그 총면적이 924㎠이었다.

이때, 전극셀에 DC 1.0V를 인가한 결과 약 1.4mmol의 NaCl을 제거할 수 있었으며, 이는 이온제거율이 66％에 도달되어, 전극셀을 면적을 넓게 하면 많은 양의 물에 대해서도 순수 제조가 가능함을 보여주고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전기영동용 전극셀의 제조 방법 및 측정 장치에 의하면, 활성탄소섬유에 전이금속이나 전형금속을 담지하여 전기영동셀의 전극으로 사용하므로써, 산업폐수나 해수 중에 이온상태로 녹아있는 불순물들의 제거 효율이 증대되어 초정밀 가공분야에서 낮은 에너지비용으로 고청정도의 순수를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전기영동셀의 양전극과 음전극의 상호 접지시키는 경우, 전극에 흡착되어있던 양이온과 음이온이 전위차 소실로 인해 빠르게 탈착되어 재생되므로, 2차오염물질의 발생이 최소화될 뿐만 아니라 이로인해 이들의 처리에 소용되는 제반부대비용이 절감됨은 물론 전극의 수명이 연장되는 효과가 있다.

Claims

활성탄소섬유를 50∼200℃의 온도범위가 유지되는 건조기에서 건조하여 수분을 제거하는 1차건조공정; 1차건조공정을 통해 건조된 활성탄소섬유를 세정용기에서 세정하여 표면에 묻어있는 이물질을 제거하는 전처리공정; 전처리공정을 통해 이물질이 제거된 활성탄소섬유의 외표면에 담지금속을 코팅하여 도포하는 담지공정; 담지공정을 통해 금속이 코팅된 활성탄소섬유를 세정용기에서 세정하고 50∼200℃의 온도범위로 건조하여 수분을 제거하는 2차건조공정 및 2차건조공정을 통해 건조되어진 활성탄소섬유를 200∼500℃의 온도범위를 유지하는 소성로에서 2∼5시간 동안 가열하여 전극재료로 제조하는 소성공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기영동용 전극셀의 제조 방법.
제 1항에 있어서,

담지금속은 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 실리카, 알루미늄인 것을 특징으로 하는 전기영동용 전극셀의 제조 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

담지금속이 티타늄인 경우, 활성탄소섬유 대비 중량비로 4.5 ±1wt％를 담지시키는 것을 특징으로 하는 전기영동용 전극셀의 제조 방법.
하우징(100)의 내벽양측에 장착됨과 더불어 몸체상하부에 수용액통과홈(11, 12)이 형성된 고정판(10)과, 고정판(10)의 내벽에 각각 장착됨과 더불어 스테인레스스틸을 이용하여 망 형태로 제직된 집전체(20), 집전체(20)의 내벽에 장착되어 양극과 음극을 이루는 다수개의 전극셀(50,60), 전극셀(50,60)의 사이에 개재되어 물과 이온을 분리하는 분리막(40) 및 전극셀(50,60)의 사이에 개재되어 전극의 단락을 방지하는 단락방지판(30)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기영동용 전극셀의 측정 장치.
제 4항에 있어서,

전기영동셀의 전극(50,60)을 상호 접지시켜 양전극(50)과 음전극(60)에 흡착되어 있던 양이온과 음이온을 재생하는 것을 특징으로 하는 전기영동용 전극셀의 측정장치.