KR20070029248A - 바이폴라 챔버 및 상기 바이폴라 챔버를 구비한 전기화학액처리 장치 - Google Patents

바이폴라 챔버 및 상기 바이폴라 챔버를 구비한 전기화학액처리 장치 Download PDF

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소타 나카가와
마코토 가시와기
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명에 따른 바이폴라 챔버는 전기투석장치 및 전기분해장치와 같은 전기화학액 처리 장치에 사용된다. 상기 바이폴라 챔버는 음이온-교환 멤브레인(1), 전극(2), 및 양이온-교환 멤브레인(3)을 포함한다. 상기 양이온-교환 멤브레인(3)과 상기 음이온-교환 멤브레인(1) 사이에는 액체가 공급된다. 상기 음이온-교환 멤브레인(1), 상기 전극(2), 및 상기 양이온-교환 멤브레인(3)은 이 순서대로 상기 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 배치된다. 상기 액체는 순수 또는 비전해질 수용액을 포함할 수도 있다.

Description

바이폴라 챔버 및 상기 바이폴라 챔버를 구비한 전기화학액 처리 장치{BIPOLAR CHAMBER AND ELECTROCHEMICAL LIQUID TREATMENT APPARATUS HAVING SUCH BIPOLAR CHAMBER}
본 발명은 전기투석장치(electrodialyzer) 및 전기분해장치(electrolyzer)에 사용하기 위한 바이폴라 챔버(bipolar chamber)에 관한 것이고, 또한 상기 바이폴라 챔버를 구비한 전기화학액 처리 장치에 관한 것이다.
전기투석장치 및 전기분해장치에 사용하기 위한 바이폴라 챔버가 공지되어 있다. 이러한 바이폴라 챔버의 예로는 일본특허공개공보 제54-90079호, 제10-81986호, 및 제51-43377호에 개시되어 있다. 이들 예시에서는, 전극을 형성하는 금속이 처리될 액체인 전해질 용액과 직접 접촉된다. 이에 따라, 액체의 속성에 따라, 금속 부식이 가속화될 수도 있다. 예를 들어, 상술된 일본특허공개공보 제54-90079호는 농축된 알칼리 용액이 티탄에 대해 높은 부식성을 나타낸다는 것을 기술하고 있다.
또한, 액체 내의 이온들이 전극과 반응하면, 유해 물질 또는 부식-가속 물질이 액체 또는 가스 상태로 생성될 수도 있다. 결과적으로, 내식 처리, 안전 조치, 및 상기 장치의 유지보수에 많은 비용이 들게 된다. 또한, 전극 반응은 제품의 품 질에 영향을 미칠 수도 있는 부산물을 생성할 수도 있다.
본 발명은 상기 단점들의 관점에서 고안되었다. 그러므로, 본 발명의 목적은 전극의 서비스 수명을 연장할 수 있고, 부산물, 유해 물질 또는 부식성 물질들이 전극 반응에 의해 생성되는 것을 방지할 수 있으며, 유지보수를 촉진할 수 있는 새로운 바이폴라 챔버를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 바이폴라 챔버를 구비한 전기화학액 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 발명자들은 심혈을 기울인 연구를 통해 이온-교환 멤브레인(ion-exchange membrane), 이온 교환체, 및 전극 재료의 효과적인 조합을 이용하여, 그리고 상기 바이폴라 챔버에 공급될 물이나 비전해질 수용액(non-electrolytic aqueous solution)을 이용함으로써, 상기 문제점들을 해결할 수 있는 바이폴라 챔버를 개발하였다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전기투석장치 및 전기분해장치에 사용하기 위한 바이폴라 챔버가 제공된다. 상기 바이폴라 챔버는 음이온-교환 멤브레인, 전극, 및 양이온-교환 멤브레인을 포함하여 이루어진다. 상기 음이온-교환 멤브레인, 상기 전극, 및 상기 양이온-교환 멤브레인은 이 순서대로 상기 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 배치된다. 상기 양이온-교환 멤브레인과 상기 음이온-교환 멤브레인 사이에는 액체가 공급되고, 상기 액체는 순수를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 양이온-교환 멤브레인과 상기 전극 사이에는 양이온 교환체가 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 양이온 교환체는 섬유재(fibrous material)로 이루어진 이온-교환 부직포(ion-exchange nonwoven fabric) 또는 이온-교환 직포(ion-exchange woven fabric)를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법(radiation-induced graft polymerization)을 이용하여 생성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 음이온-교환 멤브레인과 상기 전극 사이에는 음이온 교환체가 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 음이온 교환체는 섬유재로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 생성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 전극은 액체 투과성(liquid permeability) 및 가스 투과성을 갖는 도전재(conductive material)로 만들어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 도전재는 팽창 금속(expanded metal), 사선 메시(diagonal meshes)를 구비한 금속재, 격자 메시를 구비한 금속재, 그물형 금속재, 폼 금속재, 및 소결 금속 직물 시트(sintered metallic fabric sheet)로부터 선택된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 바이폴라 챔버는 또한 순수가 상기 바이폴라 챔버 안으로 공급되는 공급구, 및 전기분해에 의해 생성되는 순수와 가스가 배출되는 배출구를 더 포함하여 이루어진다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 음이온-교환 멤브레인, 전극, 및 양이온-교환 멤브레인을 포함하여 이루어지는 바이폴라 챔버가 제공된다. 상기 음이온-교환 멤브레인, 상기 전극, 및 상기 양이온-교환 멤브레인은 이 순서대로 상기 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 배치된다. 상기 양이온-교환 멤브레인과 상기 음이온-교환 멤브레인 사이에는 액체가 공급되고, 상기 액체는 비전해질 수용액을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 양이온-교환 멤브레인과 상기 전극 사이에는 양이온 교환체가 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 양이온 교환체는 섬유재로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 생성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 음이온-교환 멤브레인과 상기 전극 사이에는 음이온 교환체가 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 음이온 교환체는 섬유재로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 생성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 전극은 액체 투과성 및 가스 투과성을 갖는 도전재로 만들어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 도전재는 팽창 금속, 사선 메시를 구비한 금속재, 격자 메시를 구비한 금속재, 그물형 금속재, 폼 금속재, 및 소결 금속 직물 시트로부터 선택된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 바이폴라 챔버는 또한 비전해질 수용액이 상기 바이폴라 챔버 안으로 공급되는 공급구, 및 전기분해에 의해 생성되는 비전해질 수용액과 가스가 배출되는 배출구를 더 포함하여 이루어진다.
본 발명의 또다른 실시형태에 따르면, 음이온-교환 멤브레인, 음이온 교환체, 전극, 양이온 교환체, 및 양이온-교환 멤브레인을 포함하여 이루어지는 바이폴라 챔버가 제공된다. 상기 음이온-교환 멤브레인, 상기 음이온 교환체, 상기 전극, 상기 양이온 교환체 및 상기 양이온-교환 멤브레인은 이 순서대로 상기 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 양이온 교환체 및 상기 음이온 교환체 중 하나 이상은 섬유재로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 생성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 전극은 액체 투과성 및 가스 투과성을 갖는 도전재로 만들어진다.
본 발명의 또다른 실시형태에 따르면, 양극, 음극, 및 상술된 1 이상의 바이폴라 챔버를 포함하여 이루어지는 전기화학액 처리 장치가 제공된다. 상기 1 이상의 바이폴라 챔버는 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된다.
본 발명에 따른 바이폴라 챔버는 전극의 서비스 수명을 연장시킬 수 있게 한다. 또한, 상기 바이폴라 챔버는 부산물, 유해 물질 또는 부식성 물질들이 전극 반응에 의해 생성되는 것을 방지할 수 있으며, 유지보수를 촉진할 수도 있다. 환경 보호와 자원 보호 양자 모두의 관점에서 볼 때, 본 발명은 매우 유용하다.
본 발명의 예시적이면서도 제한적이지 않은 실시예들의 실시형태는 첨부된 도면들을 참조하여 후술하는 상세한 설명에 기술함으로써 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 챔버의 일례를 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 챔버의 또다른 일례를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 챔버를 이용하는 전기투석장치의 일례를 도시한 도면; 및
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 챔버를 이용하는 전기투석장치의 또다른 일례를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 후술하기로 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예의 바이폴라 챔버는 음이온-교환 멤브레 인(1), 전극(2) 및 양이온-교환 멤브레인(3)을 포함하여 이루어지는데, 이들은 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 상기 순서대로 배치되어 있다. 음이온 교환체로서의 역할을 하는 음이온-교환 부직포(4)가 상기 음이온-교환 멤브레인(1)과 전극(2) 사이에 배치되어 있다. 양이온 교환체로서의 역할을 하는 양이온-교환 부직포(5)는 상기 양이온-교환 멤브레인(3)과 전극(2) 사이에 배치되어 있다. 상기 전극(2)은 액체 투과성 및 가스 투과성을 갖는 도전재로 만들어진다. 이러한 액체 투과성 및 가스 투과성을 갖는 도전재는 라스(lath) 금속(팽창 금속), 사선 메시를 구비한 금속재, 격자 메시를 구비한 금속재, 그물형 금속재, 폼 금속재, 및 소결 금속 직물 시트로부터 선택된다.
상기 바이폴라 챔버는 바이폴라 챔버의 하부 및 상부에 각각 배치되는 액체 유입구(공급구)(6) 및 액체 유출구(배출구)(7)를 포함하여 이루어진다. 상기 액체 유입구(6)를 통해 바이폴라 챔버 안으로 액체가 도입된 후, 상기 전극(2)의 캐비티, 양이온-교환 부직포(5), 및 음이온-교환 부직포(4)를 통과하여 상기 액체 유출구(7)에 도달하게 된다. 바이폴라 챔버가 활성화되고 있는 경우에는, 전기분해로 인하여 상기 전극(2)의 음극 측에는 산소 가스가 생성되고, 상기 전극(2)의 양극 측에는 수소 가스가 생성된다. 이들 가스는 주로 전극(2)을 통과하여 액체와 함께 상기 액체 유출구(7)를 통해 배출된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 챔버의 또다른 예시를 보여준다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 바이폴라 챔버는 음이온-교환 멤브레인(1), 전극(2) 및 양이온-교환 멤브레인(3)을 포함하여 이루어지는데, 이들은 바이폴라 챔 버의 양극 측으로부터 상기 순서대로 배치되어 있다. 음이온 교환체로서의 역할을 하는 음이온-교환 스페이서(14)가 상기 음이온-교환 멤브레인(1)과 전극(2) 사이에 배치되어 있다. 양이온 교환체로서의 역할을 하는 양이온-교환 스페이서(15)는 상기 양이온-교환 멤브레인(3)과 전극(2) 사이에 배치되어 있다. 이들 스페이서(14, 15)들은 액체 투과성 및 가스 투과성을 가진다. 상기 전극(2)은 판형 모양을 가진다.
상기 바이폴라 챔버는 바이폴라 챔버의 하부 및 상부에 각각 배치되는 액체 유입구(공급구)(6) 및 액체 유출구(배출구)(7)를 포함하여 이루어진다. 상기 액체 유입구(6)를 통해 바이폴라 챔버 안으로 액체가 도입된 후, 상기 양이온-교환 스페이서(15) 및 음이온-교환 스페이서(14)의 캐비티들을 통과하여 상기 액체 유출구(7)에 도달하게 된다. 바이폴라 챔버가 활성화되고 있는 경우에는, 전기분해로 인하여 상기 전극(2)의 음극 측에는 산소 가스가 생성되고, 상기 전극(2)의 양극 측에는 수소 가스가 생성된다. 이들 가스는 상기 양이온-교환 스페이서(15) 및 음이온-교환 스페이서(14)를 통과하여 액체와 함께 상기 액체 유출구(7)를 통해 배출된다. 만일 액체 유출구(7)가 상기 전극(2)의 양쪽에 위치하는 두 유출구로 분할된다면, 생성된 산소 가스 및 수소 가스가 서로 분리될 수 있다.
전극을 형성하기 위한 재료로는 백금, 백금 도금 금속, 다이아몬드 또는 카본이 사용되는 것이 바람직하다. 하지만, 전극을 형성하기 위한 재료는 상기 재료가 전자 전도성(electron conductivity)을 갖고 있는 한, 상기 재료들로 국한되는 것은 아니다.
이온-교환 멤브레인(즉, 음이온-교환 멤브레인 및 양이온-교환 멤브레인)에 인가될 전류 밀도는 일반적으로 3A/dm2 을 넘지 않게 설정된다. 음이온-교환 멤브레인과 양이온-교환 멤브레인 간의 거리는 일반적으로 10mm를 넘지 않으며, 바람직하게는 6mm를 넘지 않는다.
상술된 이온-교환 멤브레인은 상용화되어 있다. 예컨대, 음이온-교환 멤브레인 및 양이온-교환 멤브레인 각각에 대해서는 ASTOM사가 제조한 AHA 및 CMB가 사용될 수 있다.
이온 교환체(즉, 음이온 교환체 및 양이온 교환체)로는, 이온-교환기들이 그라프트 중합법에 의해 도입되는 중합체 섬유 기질(polymer fibrous substrates)을 포함하여 이루어지는 섬유재를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 방사선 그라프트 중합법은 단위체와 반응하는 라디칼을 생성하기 위하여 방사선으로 중합체 기질을 조사(irradiating)함으로써 단위체를 중합체 기질 내로 도입하기 위한 기술이다. 상기 방사선 그라프트 중합법에 사용할 수 있는 방사선은 α-선, β-선, γ-선, 전자빔, 자외선 등을 포함한다. 바람직하게는, 이들 가운데 γ-선 또는 전자빔이 본 발명에서 사용될 수 있다. 방사선 그라프트 중합법으로는, 그라프트 기질을 방사선으로 사전에 미리 조사한 다음, 상기 기질을 그라프팅 단위체와 접촉시키는 단계로 이루어지는 예비-조사 그라프트 중합법과, 기질 및 그라프팅 단위체의 공존 시에 방사선의 조사가 실시되는 공동-조사 방법(co-irradiation method)을 들 수 있다. 이들 방법 양자 모두가 본 발명에 채택될 수도 있다. 또한, 단위체와 기질들 간의 접촉 방식에 따라, 기질들이 단위체 용액 내에 침지(immerse)되는 동안 중합법이 실시되는 액상 그라프트 중합법, 기질들이 단위체의 증기와 접촉하는 동안 중합법이 실시되는 기상 그라프트 중합법, 및 기질들이 먼저, 단위체 용액 내에 침지된 다음 단위체 용액으로부터 제거되고, 중합법이 기상으로 실시되는 침지 기상 그라프트 중합법과 같은 중합법들이 있다. 어느 중합법이라도 본 발명에 채택될 수 있다.
그라핑될 중합체 섬유의 기질들은, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀의 단일 섬유이거나 상이한 중합체로 각각 이루어진 코어부 및 시스부(sheath portion)를 포함하여 이루어지는 복합 섬유일 수도 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 복합 섬유들의 예로는, 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀이 시스를 구성하고, 상기 시스에 사용되지 않는 폴리프로필렌과 같은 여타의 중합체가 코어를 구성하는 코어-시스 구조를 갖는 복합 섬유를 들 수 있다. 이온-교환기들이 방사선 그라프트 중합법에 의해 복합 섬유 내로 도입되어 얻어지는 이온-교환 섬유재들은 이온-교환 용량이 우수하고, 균일한 두께로 형성될 수 있으므로, 상기 목적을 위해 사용될 이온-교환 섬유재로서 좋다. 상기 이온-교환 섬유재는 직포, 부직포 등의 형태로 있을 수도 있다.
사선 네트와 같은 스페이서 부재 형태의 이온 교환체로는, 이온 교환 능력이 우수하고 처리될 물을 분산시키는 능력이 우수한 폴리올레핀 수지로 이루어지는 이온 교환체가 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 기질로서는 전기투석조(electrodialysis baths)에 폭넓게 이용되는 폴리에틸렌 사선 네트가 사용되고, 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 이온-교환 능력이 나누어진 다음, 바람직한 이온 교환체가 얻어진다.
상술된 각종 형태의 이온 교환체들 가운데, 부직포 또는 직포 형태의 이온-교환 섬유재가 특히 바람직하다. 직포 또는 부직포와 같은 섬유재는 수지 비즈(resin beads), 사선 네트 등의 형태의 재료들과 비교하여 현저하게 큰 표면적을 가지므로, 대량의 이온-교환기들이 그 안으로 도입될 수 있다. 또한, 이온-교환기들이 상기 비즈 내의 마이크로포어 또는 매크로포어에 존재하는 수지 비즈와는 달리, 모든 이온-교환기들이 이온-교환 섬유재의 섬유 표면 위에 존재한다. 이에 따라, 처리될 물 안의 금속 이온들이 이온-교환기들 부근에서 쉽게 확산될 수 있고, 상기 이온들이 이온 교환에 의하여 흡착된다. 그러므로, 이온-교환 섬유재를 사용하면, 금속 이온들의 제거 및 복원 효율성을 향상시킬 수 있게 된다.
상술된 이온-교환 섬유재 이외에도, 본 발명에서는 공지된 이온-교환 수지 비즈가 사용될 수도 있다. 예컨대, 디비닐벤젠과 크로스링크되는 폴리스티렌으로 이루어지는 염기성 수지로서 비즈를 이용하고, 술포기를 염기성 수지 안으로 도입하도록 술폰산 또는 클로로술폰산과 같은 술폰화제(sulfonating agent)에 의해 상기 비즈를 술폰화함으로써 얻어지는 강산성 양이온-교환 수지 비즈를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 생성법은 종래 기술에 공지되어 있으며, 상기 방법에 의해 생성되는 양이온-교환 수지 비즈의 각종 제품들은 상용화되어 있다. 또한, 이미노디아세트산 및 그 나트륨염으로부터 유도되는 작용기, 페닐알라닌, 리신, 류신, 발린, 프롤린 및 그 나트륨염과 같은 각종 아미노산들로부터 유도되는 작용기, 및 이 미노디에탄올로부터 유도되는 작용기와 같은 각종 작용기들을 구비한 수지 비즈를 사용하는 것도 가능하다.
부직포와 같은 섬유 기질 내로 또는 스페이서 기질 내로 도입될 이온-교환기들은 특별히 제한되지 않는다. 여러 종류의 양이온-교환기 및 음이온-교환기들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 유용한 양이온-교환기로는 술포기와 같은 강산성 양이온-교환기, 인기와 같은 중산성 양이온-교환기 및 카르복실기와 같은 약산성 양이온-교환기를 들 수 있다. 유용한 음이온-교환기로는 1차, 2차 및 3차 아미노기와 같은 약염기 음이온-교환기, 및 4차 암모늄기와 같은 강염기 음이온-교환기를 들 수 있다. 또한, 상술된 양이온 및 음이온기 양자 모두를 갖는 이온 교환체가 채택될 수도 있다.
나아가, 이미노디아세트산 또는 그 나트륨염으로부터 유도되는 작용기, 페닐알라닌, 리신, 류신, 발린, 프롤린 또는 그 나트륨염을 포함하는 각종 아미노산들로부터 유도되는 작용기, 또는 이미노디에탄올로부터 유도되는 작용기와 같은 작용기들을 구비한 이온 교환체를 사용하는 것도 가능하다.
이러한 목적을 위해 사용가능한 이온-교환기를 갖는 단위체로는 아크릴산(AAc), 메타크릴산, 스티렌술폰산나트륨(SSS), 메탈릴술폰산나트륨, 알릴술폰산나트륨, 비닐술폰산나트륨, 비닐벤질 트리메틸암모늄 클로라이드(VBTAC), 디에틸아미노에틸 메타크릴레이트 및 디메틸아미노프로필아크릴아미드를 들 수 있다.
예컨대, 강산성 양이온-교환기로서의 술포기는, 스티렌술폰산나트륨이 단위체로 사용되는 방사선 그라프트 중합법을 실시하여 기질 내로 직접 도입될 수도 있 다. 강염기 음이온-교환기로서의 4차 암모늄기는, 비닐벤질 트리메틸암모늄 클로라이드가 단위체로 사용되는 방사선 그라프트 중합법을 실시하여 기질 내로 직접 도입될 수도 있다.
이온-교환기로 변환될 수 있는 기들을 구비한 단위체의 예로는, 아크릴오니트릴, 아크롤레인, 비닐피리딘, 스티렌, 클로로메틸스티렌 및 글리시딜 메타크릴레이트(GMA)를 들 수 있다. 예컨대, 강산성 양이온-교환기로서의 술포기는, 글리시딜 메타크릴레이트가 방사선 그라프트 중합법에 의해 기질들 안으로 도입된 다음, 아황산나트륨(sodium sulfite)과 같은 술폰화제와 반응하는 방식으로 기질 내로 도입될 수도 있다. 강염기 음이온-교환기로서의 4차 암모늄기는, 클로로메틸스티렌이 기질들 상으로 그라프트-중합된 다음, 상기 기질들이 트리메틸아민의 수용액 안으로 침지되어 4차-암모니아생성작용(quaternary-ammonification)을 실시하게 되는 방식으로 기질 내로 도입될 수도 있다.
또한, 작용기로서의 이미노디아세트산나트륨기는, 클로로메틸스티렌이 기질들 상으로 그라프트-중합되어, 상기 기질들이 황화물과 반응하여 술포늄염을 만든 다음, 상기 술포늄염이 이미노디아세트산나트륨과 반응하는 방식으로 기질 내로 도입될 수도 있다. 대안적으로는, 작용기로서의 이미노디아세트산나트륨은, 클로로메틸스티렌이 기질 상으로 그라프트-중합되고, 클로로기가 이오딘기로 치환되며, 이오딘기가 이미노디아세트산디에틸에스테르와 반응하여, 이오딘기를 이미노디아세트산디에틸에스테르기로 치환시키고, 최종적으로 상기 에스테르기가 수산화나트륨과 반응하여 상기 에스테르기를 나트륨염으로 변환시키는 방식으로 기질 내로 도입될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 챔버를 이용하는 전기투석장치의 일례를 보여준다. 도 3에 도시된 전기투석장치는 원수(처리될 액체)로부터 음이온인 플루오르를 선택적으로 분리시켜 상기 플루오르를 농축시키도록 설계되어 있다. 상기 전기투석장치는 양극 챔버(21), 중화 챔버(22), 탈이온화 챔버(23), 바이폴라 챔버(24), 중화 챔버(25), 탈이온화 챔버(26), 및 음극 챔버(27)를 포함하여 이루어지는 7개의 챔버를 구비한다. 상기 탈이온화 챔버(23, 26)들은 저농도의 음이온들을 함유하는 처리액을 생성하기 위하여 액체로부터 음이온들만을 선택적으로 제거하기 위해 제공된다. 상기 중화 챔버(22, 25)들은 상기 양극 챔버(21) 또는 바이폴라 챔버(24)로부터 공급되는 수소 이온들과, 상기 탈이온화 챔버(23, 26)로부터 도입된 음이온들을 전기적으로 중화시키기 위해 제공된다.
상기 양극 챔버(21)와 상기 중화 챔버(22) 사이에는 양이온-교환 멤브레인(C)이 배치되고, 상기 중화 챔버(22)와 상기 탈이온화 챔버(23) 사이에는 음이온-교환 멤브레인(A)이 배치되며, 상기 탈이온화 챔버(23)와 상기 바이폴라 챔버(24) 사이에는 음이온-교환 멤브레인(A)이 배치되어 있다. 또한, 상기 바이폴라 챔버(24)와 상기 중화 챔버(25) 사이에는 양이온-교환 멤브레인(C)이 배치되고, 상기 중화 챔버(25)와 상기 탈이온화 챔버(26) 사이에는 음이온-교환 멤브레인(A)이 배치되며, 상기 탈이온화 챔버(26)와 상기 음극 챔버(27) 사이에는 음이온-교환 멤브레인(A)이 배치되어 있다.
상기 바이폴라 챔버(24)는 음이온-교환 부직포(4) 및 양이온-교환 부직포(5) 를 구비하는데, 이들 양자 모두는 일 유형의 이온-교환 부직포이다. 상기 음이온-교환 부직포(4) 및 상기 양이온-교환 부직포(5)는 라스 금속 전극(38)의 양쪽에 배치되어 있다. 상기 음이온-교환 멤브레인(A, A)들 사이에 배치된 탈이온화 챔버(23, 26)로 원수가 공급되고, 상기 탈이온화 챔버(23, 26)에 제공된 음이온 교환체(즉, 음이온-교환 스페이서, 음이온-교환 부직포)들에 의해 포획된다. 양극(51)과 음극(53) 사이에는 미리 DC 전압이 인가되어, 상기 음극 챔버(27)와 바이폴라 챔버(24)에서의 전기분해에 의해 생성된 수산화 이온들이 양극 측으로 이동되게 되고, 상기 탈이온화 챔버(23, 26)에 제공된 음이온 교환체(즉, 음이온-교환 스페이서, 음이온-교환 부직포)들에 의해 포획된 음이온들은 상기 음이온-교환 멤브레인(A)을 통해 상기 중화 챔버(22, 25) 안으로 이동하게 된다. 상기 양극 챔버(21) 및 바이폴라 챔버(24)에서는, 전기분해로 생성되는 수소 이온들이 음극 측을 향해 이동한다. 구체적으로는, 양극 챔버(21) 내의 수소 이온들이 양이온-교환 멤브레인(C)을 통해 중화 챔버(22)로 이동하고, 바이폴라 챔버(24) 내의 수소 이온들은 양이온-교환 멤브레인(C)을 통해 중화 챔버(25)로 이동한다.
각각의 중화 챔버(22, 25)들에는, 상기 바이폴라 챔버(24)의 양극 측으로부터 하기 순서대로 배치되어 있는 양이온-교환 부직포(41), 양이온-교환 스페이서(42), 음이온-교환 스페이서(43) 및 음이온-교환 부직포(44)가 채워져 있다. 모든 유형의 양이온 교환체 및 음이온 교환체들은, 양이온-교환 부직포(41)와 음이온-교환 부직포(44) 사이에 제공되는 양이온-교환 스페이서(42) 및 음이온-교환 스페이서(43)에 각각 사용될 수 있다. 각각의 탈이온화 챔버(23, 26)들에는 음이온-교 환 부직포(46) 및 음이온-교환 스페이서(47)가 채워져 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 챔버를 이용하는 전기투석장치의 또다른 예시를 보여준다. 도 4에 도시된 전기투석장치는 원수(처리될 액체)로부터 양이온인 NH4 + 를 선택적으로 분리시켜 상기 NH4 + 를 농축시키도록 설계되어 있다. 상기 전기투석장치는 양극 챔버(21), 탈이온화 챔버(23), 중화 챔버(22), 바이폴라 챔버(24), 탈이온화 챔버(26), 중화 챔버(25), 및 음극 챔버(27)를 포함하여 이루어지는 7개의 챔버를 구비한다. 상기 탈이온화 챔버(23, 26)들은 저농도의 양이온들을 함유하는 처리액을 생성하기 위하여 액체로부터 양이온들만을 선택적으로 제거하기 위해 제공된다. 상기 양이온들은 상기 탈이온화 챔버(23, 26)로부터 상기 중화 챔버(22, 25) 내로 이동하여, 여기서 상기 양이온들이 상기 바이폴라 챔버(24) 또는 음극 챔버(27)로부터 공급되는 수산화 이온들과 전기적으로 중화되게 된다.
상기 양극 챔버(21)와 상기 탈이온화 챔버(23) 사이에는 양이온-교환 멤브레인(C)이 배치되고, 상기 탈이온화 챔버(23)와 상기 중화 챔버(22) 사이에는 양이온-교환 멤브레인(C)이 배치되며, 상기 중화 챔버(22)와 상기 바이폴라 챔버(24) 사이에는 음이온-교환 멤브레인(A)이 배치되어 있다. 또한, 상기 바이폴라 챔버(24)와 상기 탈이온화 챔버(26) 사이에는 양이온-교환 멤브레인(C)이 배치되고, 상기 탈이온화 챔버(26)와 상기 중화 챔버(25) 사이에는 양이온-교환 멤브레인(C)이 배치되며, 상기 중화 챔버(25)와 상기 음극 챔버(27) 사이에는 음이온-교환 멤브레 인(A)이 배치되어 있다.
상기 바이폴라 챔버(24)는 음이온-교환 부직포(4) 및 양이온-교환 부직포(5)를 구비하는데, 이들 양자 모두는 일 유형의 이온-교환 부직포이다. 상기 음이온-교환 부직포(4) 및 상기 양이온-교환 부직포(5)는 라스 금속 전극(38)의 양쪽에 배치되어 있다. 상기 양이온-교환 멤브레인(C, C)들 사이에 배치된 탈이온화 챔버(23, 26)로 원수가 공급되고, 상기 탈이온화 챔버(23, 26)에 제공된 양이온 교환체(즉, 양이온-교환 스페이서, 양이온-교환 부직포)들에 의해 포획된다. 양극(51)과 음극(53) 사이에는 미리 DC 전압이 인가되어, 상기 양극 챔버(21)와 바이폴라 챔버(24)에서의 전기분해에 의해 생성된 수소 이온들이 음극 측으로 이동되게 되고, 상기 탈이온화 챔버(23, 26)에 제공된 양이온 교환체(즉, 양이온-교환 스페이서, 양이온-교환 부직포)들에 의해 포획된 양이온들은 상기 양이온-교환 멤브레인(C)을 통해 상기 중화 챔버(22, 25) 안으로 이동하게 된다. 상기 바이폴라 챔버(24) 및 음극 챔버(27)에서는, 전기분해로 생성되는 수산화 이온들이 양극 측을 향해 이동한다. 구체적으로는, 바이폴라 챔버(24) 내의 수산화 이온들이 음이온-교환 멤브레인(A)을 통해 중화 챔버(22)로 이동하고, 음극 챔버(27) 내의 수산화 이온들은 음이온-교환 멤브레인(A)을 통해 중화 챔버(25)로 이동한다.
각각의 중화 챔버(22, 25)들에는, 상기 바이폴라 챔버(24)의 양극 측으로부터 하기 순서대로 배치되어 있는 양이온-교환 부직포(41), 양이온-교환 스페이서(42), 음이온-교환 스페이서(43) 및 음이온-교환 부직포(44)가 채워져 있다. 모든 유형의 양이온 교환체 및 음이온 교환체들은, 양이온-교환 부직포(41)와 음이온 -교환 부직포(44) 사이에 제공되는 양이온-교환 스페이서(42) 및 음이온-교환 스페이서(43)에 각각 사용될 수 있다. 각각의 탈이온화 챔버(23, 26)들에는 양이온-교환 부직포(41) 및 양이온-교환 스페이서(42)가 채워져 있다.
도 3 및 도 4에서, 상기 양극 챔버(21)는 라스 금속(즉, 팽창 금속)의 전극(51)과 양이온-교환 멤브레인(C) 사이에 배치된 양이온-교환 부직포(52)를 구비한다. 상기 음극 챔버(27)는 라스 금속(즉, 팽창 금속)의 전극(53)과 음이온-교환 멤브레인(A) 사이에 배치된 음이온-교환 부직포(54)를 구비한다. 양극 챔버(21) 및 음극 챔버(27)는 각각 라스 금속(즉, 팽창 금속)의 전극(51, 53)을 사용하기 때문에, 전기분해에 의해 생성되는 산소 가스 또는 수소 가스가 상기 전극(51, 53) 내에 형성된 캐비티들을 통해 바깥쪽으로 외부로 배출된다. 이에 따라, 절연 물질인 가스가 양이온-교환 부직포(52) 또는 음이온-교환 부직포(54) 내부로 트래핑되지 않게 되어, 전기 저항이 높아지는 것이 방지된다.
양극 챔버(21), 음극 챔버(27) 및 바이폴라 챔버(24)로 공급될 액체로는 순수를 사용하는 것이 좋다. 사용가능한 순수는 특별히 제한되지 않는다. 당업계에 알려진 공정들에 의해 생성되는 모든 유형의 순수가 사용될 수 있다. 예를 들면, RO(reverse osmosis) 멤브레인, 이온 교환, 증류, 전기 담수, 또는 이들의 조합과 같은 공지된 기술들이 순수를 생성하는데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 순수를 추가로 정화함으로써 생성되는 초순수를 사용하는 것도 가능하다. 순수 대신, 비전해질 수용액이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 대략 0.5 mg/L의 이소프로필 알코올을 함유하는 순수가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 특정 예시를 참조하여 추가로 설명한다. 본 발명은 다음과 같은 예시로 국한되는 것이 아님에 유의해야 한다.
[예시]
도 3에 도시된 전기투석장치를 이용하여 실험을 행하였다. 반도체 제조 설비로부터 해제되는 500 mg F/L의 플루오르 이온들을 함유하고 있는 폐수가 원수로 사용되었다. 피농축수로는 순수가 사용되었고, 이 물은 순환되었다. 양극 챔버, 음극 챔버 및 바이폴라 챔버로 공급될 전극 액체로는 순수가 사용되었다. 상기 바이폴라 챔버에는 음이온-교환 부직포, 라스 금속(팽창 금속) 전극, 및 양이온-교환 부직포가 채워져 있는데, 이들은 상기 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 상기 순서대로 배치되었다. 라스 금속(팽창 금속) 전극의 재료는 백금으로 도금된 티탄이었다. 전류 밀도는 3A/dm2로 설정되었다. 원수, 피농축수 및 순수의 SV(superficial velocity)는 50 내지 100 l/hr로 설정되었다.
실험 결과는 다음과 같다. 처리수 내의 플루오르 이온들의 농도는 1 내지 3 mg/L 이었다. 동작 전압은 40 V로 낮게 유지되었다. 원수 내에 함유된 플루오르 이온들은 5000 mg/L 보다 적지 않게 농축되었고, 플루오르화수소수가 얻어졌다. 이들 결과로부터, 바이폴라 챔버가 순수를 전기분해하고 전극으로서의 기능을 할 수 있다는 것을 확인하였다.
·양이온-교환 부직포: 그라프트 중합법으로 생성됨. 기질로는 폴리에틸렌 부직포가 사용됨. 작용기는 술포기임.
·음이온-교환 부직포: 그라프트 중합법으로 생성됨. 기질로는 폴리에틸렌 부직포가 사용됨. 작용기는 4차 암모늄기임.
·양이온-교환 스페이서: 그라프트 중합법으로 생성됨. 기질로는 폴리에틸렌 사선 네트가 사용됨. 작용기는 술포기임.
·음이온-교환 스페이서: 그라프트 중합법으로 생성됨. 기질로는 폴리에틸렌 사선 네트가 사용됨. 작용기는 4차 암모늄기임.
·양극: 백금으로 도금된 티탄으로 만들어진 라스 금속(팽창 금속)
·음극: SUS 304로 만들어진 라스 금속(팽창 금속)
·양극-교환 멤브레인: ASTOM사가 제조한 CMB
·음극-교환 멤브레인: ASTOM사가 제조한 AHA
앞선 실시예들의 설명은 본 발명을 실시하는 당업계의 당업자들에게는 자명하다. 더욱이, 이들 실시예들의 다양한 수정예들 또한 당업계의 당업자들에게는 명백할 것이며, 본 명세서에 한정된 일반 원칙과 특정 예시들도 여타의 실시예들에 적용가능하다. 그러므로, 본 발명은 본 명세서에 기술된 실시예들로 국한되는 것이 아니라, 본 발명의 청구범위 및 그 균등론에 의해 한정되는 가장 넓은 범위로 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 전기투석장치 및 전기분해장치에 사용하기 위한 바이폴라 챔버에 적용가능하며, 전기화학액 처리 장치에도 적용가능하다.

Claims (27)

  1. 전기투석장치 및 전기분해장치에 사용하기 위한 바이폴라 챔버에 있어서,
    음이온-교환 멤브레인;
    전극; 및
    양이온-교환 멤브레인을 포함하되,
    상기 음이온-교환 멤브레인, 상기 전극, 및 상기 양이온-교환 멤브레인은 이 순서대로 상기 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 배치되며,
    상기 양이온-교환 멤브레인과 상기 음이온-교환 멤브레인 사이에는 액체가 공급되고,
    상기 액체는 순수를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양이온-교환 멤브레인과 상기 전극 사이에 배치된 양이온 교환체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양이온 교환체는 섬유재(fibrous material)로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법(radiation-induced graft polymerization)을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음이온-교환 멤브레인과 상기 전극 사이에 배치된 음이온 교환체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 음이온 교환체는 섬유재로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 액체 투과성 및 가스 투과성을 갖는 도전재로 만들어지는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 도전재는 팽창 금속(expanded metal), 사선 메시(diagonal meshes)를 구비한 금속재, 격자 메시를 구비한 금속재, 그물형 금속재, 폼 금속재, 및 소결 금속 직물 시트(sintered metallic fabric sheet)로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  10. 제1항에 있어서,
    순수가 상기 바이폴라 챔버 안으로 공급되는 공급구; 및
    전기분해에 의해 생성되는 순수와 가스가 배출되는 배출구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  11. 전기투석장치 및 전기분해장치에 사용하기 위한 바이폴라 챔버에 있어서,
    음이온-교환 멤브레인;
    전극; 및
    양이온-교환 멤브레인을 포함하되,
    상기 음이온-교환 멤브레인, 상기 전극, 및 상기 양이온-교환 멤브레인은 이 순서대로 상기 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 배치되며,
    상기 양이온-교환 멤브레인과 상기 음이온-교환 멤브레인 사이에는 액체가 공급되고,
    상기 액체는 비전해질 수용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 양이온-교환 멤브레인과 상기 전극 사이에 배치된 양이온 교환체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 양이온 교환체는 섬유재로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 음이온-교환 멤브레인과 상기 전극 사이에 배치된 음이온 교환체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 음이온 교환체는 섬유재로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 전극은 액체 투과성 및 가스 투과성을 갖는 도전재로 만들어지는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 도전재는 팽창 금속, 사선 메시를 구비한 금속재, 격자 메시를 구비한 금속재, 그물형 금속재, 폼 금속재, 및 소결 금속 직물 시트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  20. 제11항에 있어서,
    비전해질 수용액이 상기 바이폴라 챔버 안으로 공급되는 공급구; 및
    전기분해에 의해 생성되는 비전해질 수용액과 가스가 배출되는 배출구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  21. 전기투석장치 및 전기분해장치에 사용하기 위한 바이폴라 챔버에 있어서,
    음이온-교환 멤브레인;
    음이온 교환체;
    전극;
    양이온 교환체; 및
    양이온-교환 멤브레인을 포함하되,
    상기 음이온-교환 멤브레인, 상기 음이온 교환체, 상기 전극, 상기 양이온 교환체 및 상기 양이온-교환 멤브레인은 이 순서대로 상기 바이폴라 챔버의 양극 측으로부터 배치되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 양이온 교환체 및 상기 음이온 교환체 중 하나 이상은 섬유재로 이루어진 이온-교환 부직포 또는 이온-교환 직포를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 이온-교환 부직포 또는 상기 이온-교환 직포는 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 전극은 액체 투과성 및 가스 투과성을 갖는 도전재로 만들어지는 것을 특징으로 하는 바이폴라 챔버.
  25. 전기화학액 처리 장치에 있어서,
    양극;
    음극; 및
    제1항에 따른 1 이상의 바이폴라 챔버를 포함하되,
    상기 1 이상의 바이폴라 챔버는 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학액 처리 장치.
  26. 전기화학액 처리 장치에 있어서,
    양극;
    음극; 및
    제11항에 따른 1 이상의 바이폴라 챔버를 포함하되,
    상기 1 이상의 바이폴라 챔버는 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학액 처리 장치.
  27. 전기화학액 처리 장치에 있어서,
    양극;
    음극; 및
    제21항에 따른 1 이상의 바이폴라 챔버를 포함하되,
    상기 1 이상의 바이폴라 챔버는 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학액 처리 장치.
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