KR20090036791A

KR20090036791A - 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체

Info

Publication number: KR20090036791A
Application number: KR1020070102048A
Authority: KR
Inventors: 강경석; 김태일; 김한주
Original assignee: (주) 시온텍
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-15
Also published as: KR100915338B1

Abstract

본 발명은 지하수, 수도수, 기수(brackish water), 중수 및 산업폐수의 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체 및 그 단위셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수개의 복극 전해셀이 병렬로 연결되어 있고, 복극 전해셀을 구성하는 각각의 단위셀은 상호 직렬로 연결되어 있으므로, 낮은 전기에너지에 의해서도 물의 정화처리 용량이 증가되는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체 및 그 단위셀에 관한 것이다.

복극 전해셀, 이온 교환막, 집전체, 전극, 정화장치

Description

전기 흡탈착식 정화장치용 구조체 및 그 단위체{A structure for composing an apparatus for purifying water through an electrical adsorption-desorption cycle and its unit cell}

종래에 전극은 탄소 활물질이 집전체인 탄소종이나, 금속 메쉬등에 도포된 구조로, 일반적인 분리막으로 분리되어 왔으나, CDI(Capacitive deionization) 공정에서는 처리대상 용액의 유로 흐름을 원활하게 하기 위해 분리막을 별도로 사용하지 않고 있다.

CDI 공정은 캐패시터(capacitor) 공정에서 사용되는 전기 이중층 이론을 근거로 하여, 전극표면에 전기를 가용할 때 수질내부에 있는 상대극성 이온이 전극 표면에 흡착되는 성질을 이용한 방법이다. 즉, 양이온, 음이온이 함유된 용액이 두 개의 다공성 탄소전극 층 사이를 통과할 때 정전기력을 인가함으로써 수용액속에 함유된 이온이 제거된다. 정전기력에 의하여 양극으로 Cl^- 와 같은 음이온이 이동하고, 음극으로는 Na⁺와 같은 양이온이 이동하여 대전이 이루어지게 되며, 물은 이온이 제거된 순수 형태로 배출되게 된다.

최근 전 세계적으로 물 부족으로 인한 해수 담수화 및 폐수 및 염수 처리방법에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 이중에서도 이온교환수지를 이용한 방법이 많이 사용되고 있으나, 수지의 재생 시 약제사용 및 경제적인 부담이 큰 단점으로 인하여 이를 대체하기 위하여 CDI 공정이 연구되고 있다.

CDI 공정의 핵심 부분은 전극부분으로써, 이온의 흡착과 탈착이 이루어지는 부분이다. 다공성 탄소재를 이용하는 전극부분은 이온의 침투 및 확산이 빠르게 일어나야하며, 내구성을 가져야만 산업적인 응용이 가능하다. 기존의 CDI 전극 구조에서는 내구성과 원하는 수명을 가지기 위해 결착제를 과량으로 첨가하면, 그에 따른 탄소 함유량이 적어져 반응에 기여하는 활성면적이 줄어드는 단점이 있고, 전극의 저항이 증가되어 이온 제거 에너지 사용에 비효율적인 측면이 있다.

본 발명은 폐수나 수도수 중의 이온제거를 위하여 이온교환막으로 전극부분을 밀봉하여 이온들만 전극과 반응하는 동시에 전극활물질인 탄소재의 탈리를 방지하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체 및 그 단위셀을 제공하고자 한다.

본 발명은 다수개의 복극 전해셀이 병렬로 연결되어 있고, 복극 전해셀을 구성하는 각각의 단위셀은 상호 직렬로 연결되어 있어, 낮은 전기에너지에 의해서도 물의 정화처리 용량이 증가되는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체 및 그 단위셀을 제공하고자 한다.

본 발명은 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 제2 전극을 상호 연결하는 집전체와, 상기 제1 전극에 부착되는 음이온 교환막과, 상기 제2 전극에 부착되는 양이온 교환막을 갖는 단위셀이 2개 이상 상호 이격되어 설치되되, 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막이 교번되도록 설치되는 다수개의 복극 전해셀과, 상기 각각의 복극 전해셀 중 일측단에 위치한 단위셀의 제1 전극에 제1 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가부와, 상기 각각의 복극 전해셀 중 타측단에 위치한 단위셀의 제2 전극에 제2 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가부와, 상기 다수개의 복극 전해셀에 병렬로 전압을 인가하기 위해 상기 각각의 제1 전압 인가부에 연결되는 제1 전극 리드선 및 상기 각각의 제2 전압 인가부에 연결되는 제2 전극 리드선과, 상기 다수개의 제1 전압 인가부, 상기 다수개의 복극 전해셀 및 상기 다수개 의 제2 전압 인가부를 일체로 셋팅(setting)시키기 위한 고정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 집전체의 양측면에 각각 부착되고, 상기 음이온 교환막은 상기 제1 전극의 외측면에 부착되고, 상기 양이온 교환막은 상기 제2 전극의 외측면에 부착되기도 한다.

본 발명에 있어서, 상기 각각의 단위셀에는 상기 음이온 교환막의 외측면부터 상기 양이온 교환막 외측면까지 관통되는 관통공이 형성되기도 한다.

본 발명에 있어서, 상기 각각의 복극 전해셀을 구성하는 단위셀과 단위셀은 직포 분리막을 사이에 두고 상호 적층되기도 한다.

본 발명에 있어서, 상기 각각의 제1 전압 인가부는 상기 음이온 교환막의 외측면에 적층되는 판 형상이고, 상기 각각의 제2 전압 인가부는 상기 양이온 교환막의 외측면에 적층되는 판 형상이고, 상기 고정수단은 상기 각각의 복극 전해셀 중 일측단에 위치한 복극 전해셀의 제1 전압 인가부의 외측면에 적층되는 제1 고정판과, 상기 이웃한 복극 전해셀의 제1 전압 인가부와 제2 전압 인가부 사이에 적층되는 중간 고정판과, 상기 각각의 복극 전해셀 중 타측단에 위치한 복극 전해셀의 제2 전압 인가부의 외측면에 적층되는 제2 고정판과, 상기 제1 고정판, 중간 고정판, 제2 고정판을 상호 연결 고정하는 고정봉이기도 하다.

본 발명에 있어서, 상기 각각의 제1 전압 인가부의 둘레면에는, 상기 제1 전극 리드선이 상기 각각의 제2 전압 인가부에 접촉됨이 없이 상기 각각의 제1 전압 인가부에 일직선 형태로 접촉 가능하도록 제1 돌출부가 형성되고, 상기 각각의 제2 전압 인가부의 둘레면에는, 상기 제2 전극 리드선이 상기 각각의 제1 전압 인가부에 접촉됨이 없이 상기 각각의 제2 전압 인가부에 일직선 형태로 접촉 가능하도록 제2 돌출부가 형성되기도 한다.

본 발명에 있어서, 상기 각각의 제1 전압 인가부는 상기 음이온 교환막의 외측면에 적층되는 판 형상이고, 상기 각각의 제2 전압 인가부는 상기 양이온 교환막의 외측면에 적층되는 판 형상이고, 상기 각각의 제1 전압 인가부의 둘레면에는, 상기 제1 전극 리드선이 상기 각각의 제2 전압 인가부에 접촉됨이 없이 상기 각각의 제1 전압 인가부에 직선 형태로 접촉 가능하도록 제1 돌출부가 형성되고, 상기 각각의 제2 전압 인가부의 둘레면에는, 상기 제2 전극 리드선이 상기 각각의 제1 전압 인가부에 접촉됨이 없이 상기 각각의 제2 전압 인가부에 직선 형태로 접촉 가능하도록 제2 돌출부가 형성되고, 상기 이웃한 복극 전해셀의 제2 전압 인가부와 제1 전압 인가부 사이에는 절연판이 적층되고, 상기 고정수단은 상기 각각의 제1 전압 인가부 및 제2 전압 인가부를 순차적으로 연결 고정하는 고정봉이기도 하다.

본 발명에 있어서, 상기 각각의 제1 전압 인가부와, 상기 각각의 복극 전해셀와, 상기 각각의 제2 전압 인가부와, 상기 제1 전극 리드선 및 제2 전극 리드선의 소정부위와, 상기 고정수단을 내포하는 정화통과, 상기 정화통의 일측면에 관통 형성되는 유입관과, 상기 정화통의 타측면에 관통 형성되는 유출관을 포함하기도 한다.

본 발명에 있어서, 상기 집전체는 흑연, 탄소종이 섬유, 티나뮴 메쉬 중 어느 하나로 구성되고, 상기 전극은 활성탄소, 카본블랙 및 바인더의 혼합물로 이루 어지기도 한다.

본 발명에 있어서, 상기 각각의 단위셀에 구비되는 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막은, 상기 집전체 및 상기 집전체의 양측면에 각각 부착되는 제1 전극 및 제2 전극을 밀봉하도록 그 둘레면이 상호 접촉 연결되기도 한다.

한편, 본 발명은 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 제2 전극을 상호 연결하는 집전체와, 상기 제1 전극에 부착되는 음이온 교환막과, 상기 제2 전극에 부착되는 양이온 교환막을 갖는 단위셀이 2개 이상 상호 이격되어 설치되되, 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막이 교번되도록 2개 이상 상호 이격되어 설치되는 하나의 복극 전해셀과, 상기 복극 전해셀 중 일측단에 위치한 단위셀의 제1 전극에 제1 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가부와, 상기 복극 전해셀 중 타측단에 위치한 단위셀의 제2 전극에 제2 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가부와, 상기 복극 전해셀에 전압을 인가하기 위해 상기 제1 전압 인가부에 연결되는 제1 전극 리드선 및 상기 제2 전압 인가부에 연결되는 제2 전극 리드선과, 상기 제1 전압 인가부, 상기 복극 전해셀 및 상기 제2 전압 인가부를 셋팅(setting)시키기 위한 고정수단을 포함하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체에 관한 것이다.

한편, 본 발명은 2개 이상 적층되어 전기 흡탈착식 정화용 구조체의 복극 전해셀을 구성하는 단위체로서, 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 제2 전극을 상호 연결하는 집전체와, 상기 제1 전극에 부착되는 음이온 교환막과, 상기 제2 전극에 부착되는 양이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화용 구조체의 단위셀에 관한 것이다.

본 발명은 이온 교환막으로 전극부분을 밀봉함으로써 이온들만 전극과 반응하는 동시에 전극활물질인 탄소재의 탈리를 방지되는 효과가 있다.

본 발명은 단위셀이 이온 교환막으로 밀봉되어 있어, 단위셀을 다수개 적층하여 복극 전해셀을 구성하기 용이하므로 제조 공정이 간단한 장점이 있다.

본 발명은 다수개의 복극 전해셀이 병렬로 연결되어 있고, 복극 전해셀을 구성하는 각각의 단위셀은 상호 직렬로 연결되어 있어, 낮은 전기에너지에 의해서도 물의 정화처리 용량이 증가되는 효과가 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.

실시예1

실시예1은 본 발명에 따른 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체에 관한 것이다. 도1은 실시예1의 주요부의 분해 사시도를, 도2는 도1의 조립 사시도를, 도3은 도1의 복극 전해셀의 분해 사시도를, 도4는 도3의 단위체의 평면도를, 도5는 도3의 AA'의 단면도를, 도6은 실시예1의 전체의 외관 사시도를 나타낸다.

도1을 참조하면 실시예1은 복극 전해셀(100), 제1 전압 인가부(210), 제2 전압 인가부(220)를 포함한다.

도1과 도2를 참조하면 실시예1은 2개 이상의 복극 전해셀(100)을 구비한다.

도1과 도2를 참조하면 각각의 복극 전해셀(100)의 상면에는 제1 전압 인가부(210)가 적층되고, 하면에는 제2 전압 인가부(220)가 적층된다. 제1 전압 인가부(210) 및 제2 전압 인가부(220)는 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 제1 전압 인가부(210) 및 제2 전압 인가부(220)는 각각의 복극 전해셀(100)에 전압을 인가하기 위한 전극판이다.

도1과 도2를 참조하면 복극 전해셀(100) 중 최상단에 위치한 복극 전해셀(100)의 제1 전압 인가부(210)의 상면에는 제1 고정판(310)이 적층되고, 복극 전해셀(100) 중 최하단에 위치한 복극 전해셀(100)의 제2 전압 인가부(220)의 하면에는 제2 고정판(320)이 적층되며, 상호 이웃한 복극 전해셀(100)의 제2 전압 인가부(220)와 제1 전압 인가부(210) 사이에는 중간 고정판(330)이 적층된다.

도2를 참조하면 제1 고정판(310), 각각의 중간 고정판(330), 제2 고정판(320)에는 고정공(312, 332, 322)이 형성되며, 고정공(312, 332, 322)을 통하여 고정봉(400)이 끼워져 제1 고정판(310), 각각의 중간 고정판(330), 제2 고정판(320)을 상호 연결 고정시킴으로써, 각각의 제1 전압 인가부(210), 복극 전해셀(100) 및 제2 전압 인가부(220)가 일체로 셋팅(setting)된다. 제1 고정판(310), 각각의 중간 고정판(330), 제2 고정판(320) 및 고정봉(400)은 각각 부도체인 것이 바람직하다. 이를테면 제1 고정판(310), 각각의 중간 고정판(330), 제2 고정판(320)은 베이클라트나 폴리카보네이트 판일 수 있다.

도3을 참조하면 복극 전해셀(100)은 2개 이상의 단위셀(110)을 갖는데, 단위 셀(110)과 단위셀(110) 사이에는 직포 분리막(120)이 위치한다. 즉, 복극 전해셀(100)을 구성하는 단위셀(110)과 단위셀(110)은 직포 분리막(120)을 사이에 두고 상호 적층된다. 직포 분리막(120)은 단위셀(110)과 단위셀(110)을 상호 이격시킴으로써, 단위셀(110)과 단위셀(110) 사이에 물이 흐를수 있는 유로를 형성하기 위한 것이다. 직포 분리막(120)은 물을 흡수할 수 있는 얇고 촘촘히 짜인 망사천일 수 있다.

도4와 도5를 참조하면 복극 전해셀(100)을 구성하는 각각의 단위셀(110)은 상면으로부터 하면을 관통하는 중앙 관통공(111)이 형성된다. 각각의 단위셀(110)은 집전체(112), 제1 전극(113), 제2 전극(115), 음이온 교환막(117) 및 양이온 교환막(119)을 갖는다. 집전체(112)는 전도성이 우수한 재질로 이루어지는데, 흑연, 탄소종이 섬유, 티타늄 메쉬 중 어느 하나로 구성되거나 이들의 혼합물로 구성될 수 있다. 이 집전체는 낮은 전압을 인가하기 때문에 전기가 잘 통하고 부식성이 없어야 한다. 알루미늄 호일보다는 그라화이트(흑연) 호일이 부식성이 적어 더 안정적이었다.

도5를 참조하면 제1 전극(113)은 집전체(112)의 상면에 부착되고, 제2 전극(115)은 집전체(112)의 하면에 부착된다. 제1 전극(113) 및 제2 전극(115)은 많은 양의 이온들을 흡착할 수 있도록 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소에어로젤과 같은 다공성 탄소 재를 사용하는데, 그 외에 도전체인 카본블랙 및 결착제인 테프론 또는 SBR과 같은 물질을 첨가한 0.5 mm 이내의 얇은 박막일 수 있다.

도5를 참조하면 음이온 교환막(117)은 제1 전극(113)에 부착되고, 양이온 교 환막(119)은 제2 전극(115)에 부착된다. 이온교환막(117, 119)은 각각 양이온 및 음이온이 선택적으로 투과될 수 있는 일반 이온교환막이나 테프론과 같은 유기불화탄화수소물질을 사용하는 것이 바람직하다.

도5를 참조하면 음이온 교환막(117) 및 양이온 교환막(119)은 집전체(112), 제1 전극(113) 및 제2 전극(115)를 밀봉하도록 그 둘레면이 상호 접촉 연결된다. 이렇게 함으로써, 제1 전극(113) 및 제2 전극(115)에 전압이 인가될 때 물이 전기 분해되거나 전극의 일부가 전해되어 소실되는 것을 방지할 뿐만 아니라 단위셀(110)을 다수 적층하여 복극 전해셀(100)을 구성하기 쉬워지며, 전극활물질인 탄소재의 탈리가 방지된다.

도1에는 도시되지 않았지만 복극 전해셀(100)을 이루는 각각의 단위셀(110)은 음이온 교환막(117)이 상부에 위치하고 양이온 교환막(119)이 하부에 위치하도록 적층된다. 즉, 이웃한 단위셀(110)은 양이온 교환막(119)과 음이온 교환막(117)이 직포 분리막(120)을 사이에 두고 상호 교번되도록 동일한 방향으로 적층된다.

도1, 도3 및 도5를 참조하면 제1 전압 인가부(210)는 각각의 복극 전해셀(100) 중 최상단에 위치한 단위셀(110)의 음이온 교환막(117) 상부에 적층되고, 제2 전압 인가부(220)는 각각의 복극 전해셀(100) 중 최하단에 위치한 단위셀(110)의 양이온 교환막(117) 하부에 적층된다. 따라서, 각각의 복극 단위셀(100)의 제1 전압 인가부(210)에 제1 전압이 인가되고, 제2 전압 인가부(220)에 제2 전압이 인가되는 경우 각각의 복극 전해셀(100) 중 최상단에 위치한 단위셀(110)의 제1 전극에 제1 전압이 걸리고, 최하단에 위치한 단위셀(110) 의 제2 전극에 제2 전압이 걸리게 된다.

도2를 참조하면 실시예1은 다수개의 복극 전해셀(100)에 병렬로 전압을 인가하기 위해 각 복극 전해셀(100)의 제1 전압 인가부(210)에 연결되는 제1 전극 리드선(510) 및 각 복극 전해셀(100)의 제2 전압 인가부(220)에 연결되는 제2 전극 리드선(520)을 갖는다.

도1과 도3을 참조하면 각 복극 전해셀(100)의 제1 전압 인가부(210)의 둘레면에는 제1 돌출부(213)가 형성되고, 제2 전압 인가부(220)의 둘레면에는 제2 돌출부(225)가 형성된다. 제1 돌출부(213) 및 제2 돌출부(225)에는 각각 삽입공(213-1, 225-1)이 형성된다. 도2를 함께 참조하면 제1 돌출부(213)는 제1 전극 리드선(510)이 제1 돌출부(213)에 끼워져 접촉함으로써 각각의 제2 전압 인가부(220)에 접촉됨이 없이 각각의 제1 전압 인가부(210)에 일직선 형태로 접촉 가능하도록 각각의 제1 전압 인가부(210)의 동일한 위치에 형성된다. 마찬가지로 제2 돌출부(225)는 제2 전극 리드선(520)이 제2 돌출부(225)에 끼워져 접촉함으로써 각각의 제1 전압 인가부(210)에 접촉됨이 없이 각각의 제2 전압 인가부(220)에 일직선 형태로 접촉 가능하도록 제2 전압 인가부(220)의 동일한 위치에 형성된다. 따라서, 제1 전극 리드선(510) 및 제2 전극 리드선(520)을 도체봉으로 형성하는 경우 제1 전극 리드선(510) 및 제2 전극 리드선(520)을 삽입공(213-1, 225-1)에 끼움으로써, 다수개의 복극 전해셀(100)에 병렬로 전압을 인가할 수 있게 된다. 도1 및 도3을 도시하면 제1 돌출부(213)는 제1 전압 인가부(210)의 좌우측에 형성된 것으로 도시되어 있고, 제2 돌출부(225)는 제2 전압 인가부(220)의 전후측에 형성된 것으로 도시되 어 있다.

도4를 참조하면 제1 고정판(310), 중간 고정판(330) 및 제2 고정판(320)에는 제1 전극 리드선(510)이 끼워지기 위한 삽입공(313, 333, 323) 및 제2 전극 리드선(520)이 끼워지기 위한 삽입공(315, 335, 325)이 제1 돌출부(213)의 삽입공(213-1) 및 제2 돌출부(225)의 삽입공(225-1)에 대응하는 위치에 형성되어 있다.

도1 및 도3을 참조하면 제1 고정판(310), 제1 전압 인가부(210), 직포 분리막(120), 제2 전압 인가부(220), 중간 고정판(330) 및 제2 고정판(320)의 중앙부에는 이들 상하면을 관통하는 관통공(311, 211, 121, 221, 331, 321)이 각각 형성된다. 이들 관통공(311, 211, 121, 221, 331, 321)은 고정봉(400)이 제1 고정판(310), 중간 고정판(330) 및 제2 고정판(320)에 끼워짐으로써 다수개의 복극 전해셀(100)이 셋팅(setting)된 경우 상호 연통되도록 상호 대응하는 위치에 형성된다.

도6을 참조하면 실시예1은 정화통(600)을 갖는다. 정화통(600)에는 고정봉(400)에 의하여 셋팅(setting)된 다수개의 복극 전해셀(100), 제1 전압 인가부(210), 제2 전압 인가부(220), 제1 전극 리드선(510) 및 제2 전극 리드선(520)의 소정부위가 안치된다.

도6을 참조하면 정화통(600)의 하면에는 물이 유입되는 유입관(610)이 형성된다. 또한 정화통(600)의 상면에는 물이 유출되는 유출관(620)이 형성된다. 도6에 도시되지는 않았으나, 유출관(620)의 하측단부는 제1 고정판(310)에 형성된 관통 공(311)에 삽착된다. 따라서, 유출관(620)을 통해 유출되는 물은 최종적으로 제1 고정판(310)의 관통공(311)을 통과한 물에 한정된다.

도6에 도시되지는 않았으나, 정화통(620)의 횡단면은 복극 전해셀(100)의 횡단면보다 넓은 단면적을 갖는다. 이는 유입관(610)을 통해 정화통(600) 내에 유입된 물이 복극 전해셀(100)의 측면부를 통해 유입되어 직포 분리막(121)을 따라 흘러 직포 분리막(121)의 중앙부에 형성된 관통공(121)에 이를 수 있게 하기 위한 것이다.

도6을 참조하면 정화통(620)의 상하면에는 제1 전극 리드선(510) 및 제2 전극 리드선(520)의 단부가 노출된다. 이들 제1 전극 리드선(510) 및 제2 전극 리드선(520)의 단부는 전원 공급부(도면 미도시)에 연결된다.

이하, 상기한 실시예1의 작동에 대하여 설명한다.

먼저 물의 흐름에 대하여 설명한다.

도6 및 도1을 참조하면 정화통(600)의 유입관(610)을 통해 유입된 물은 복극 전해셀(100)의 측면부를 통해 유입되어 직포 분리막(121)을 따라 흘러 직포 분리막(121)에 형성된 관통공(121)에 이르러, 제2 고정판(320)의 관통공(321)을 통해 유입되어 제2 전압 인가부(220), 직포 분리막(120), 제1 전압 인가부(210), 중간 고정판(330), …, 제1 고정판(310)의 중앙부에 형성된 관통공(221, 121, 211, 331, …, 311)을 따라 흐르는 물과 합쳐지게 된다. 최종적으로 제1 고정판(310)의 관통공(311)을 통과한 물은 유출관(620)을 통하여 외부에 유출된다.

제1 전극 리드선(510)에 양 전압이 인가되고, 제2 전극 리드선(520)에 음 전 압이 인가된 경우에 대하여 설명한다.

도1 및 도2를 참조하면 제1 전극 리드선(510)에 양 전압이 인가되고 제2 전극 리드선(520)에 음 전압이 인가되면, 각 복극 전해셀(100)의 제1 전압 인가부(210)에는 양 전압이 인가되고 제2 전압 인가부(220)에는 음 전압이 인가된다.

도5를 참조하면 제1 전압 인가부(210)에 양 전압이 인가되고 제2 전압 인가부(220)에 음 전압이 인가되면, 각 복극 전해셀(100)을 이루는 각각의 단위셀(110)의 제1 전극(113)에는 양 전압이 인가되고 제2 전극(115)에는 음 전압이 인가된다.

도5를 참조하면 단위셀(110)의 제1 전극(113)에 양 전압이 인가되면 직포 분리막(120)을 통해 흐르는 물 중에 포함되어 있는 음이온은 음이온 교환막(117)을 통과하여 제1 전극(113)에 흡착되게 된다. 마찬가지로 단위셀(110)의 제2 전극(115)에 음 전압이 인가되면 직포 분리막(120)을 통해 흐르는 물 중에 포함되어 있는 양이온은 양이온 교환막(119)을 통과하여 제2 전극(115)에 흡착되게 된다. 따라서, 유출관(620)을 통과하는 물은 이온들이 남아 있지 않은 순수에 가까운 총 용해고형물(TDS)이 0 에 가까운 물이 되는 것이다.

제1 전극 리드선(510)에 음 전압이 인가되고, 제2 전극 리드선(520)에 양 전압이 인가된 경우에 대하여 설명한다.

도1 및 도2를 참조하면 제1 전극 리드선(510)에 음 전압이 인가되고 제2 전극 리드선(520)에 양 전압이 인가되면, 각 복극 전해셀(100)의 제1 전압 인가부(210)에는 음 전압이 인가되고 제2 전압 인가부(220)에는 양 전압이 인가된다.

도5를 참조하면 제1 전압 인가부(210)에 음 전압이 인가되고 제2 전압 인가 부(220)에 양 전압이 인가되면, 각 복극 전해셀(100)을 이루는 각각의 단위셀(110)의 제1 전극(113)에는 음 전압이 인가되고 제2 전극(115)에는 양 전압이 인가된다.

도5를 참조하면 단위셀(110)의 제1 전극(113)에 음 전압이 인가되면 제1 전극(113)에 흡착된 음이온은 탈착되어 음이온 교환막(117)을 통과하여 직포 분리막(120)을 통해 흐르는 물에 합체되어 관통공(111)을 경유하여 유출관(620)을 통하여 외부에 유출되게 된다. 마찬가지로 단위셀(110)의 제2 전극(115)에 양 전압이 인가되면 제2 전극(115)에 흡착된 양이온은 탈착되어 양이온 교환막(119)을 통과하여 직포 분리막(120)을 통해 흐르는 물에 합체되어 관통공(111)을 경유하여 유출관(620)을 통하여 외부에 유출되게 된다. 즉, 직포 분리막(120)을 사이에 두고 음이온 교환막(117)과 양이온 교환막(119)이 교번하여 적층되어 있어, 제1 전극(113)으로부터 탈착되어 음이온 교환막(117)을 통과한 음이온은 양이온 교환막(119)을 통과하지 못하여 제2 전극(115)에 흡착되지 못하고, 제2 전극(115)으로부터 탈착되어 양이온 교환막(119)을 통과한 양이온은 음이온 교환막(119)을 통과하지 못하여 제1 전극(113)에 흡착되지 못하므로, 제1 전극(113) 및 제2 전극(115)에 흡착되었던 이온들이 탈착되어 관통공(111)을 경유하여 유출관(620)을 통하여 외부에 유출되게 되는 것이다.

실시예1은 음이온 교환막(117)과 양이온 교환막(119)이 집전체(112)와 전극(113, 115) 부분을 밀봉하고 있으므로, 전극활물질인 탄소재의 탈리가 방지되게 된다.

실시예1은 음이온 교환막(117)과 양이온 교환막(119)이 집전체(112)와 전극(113, 115) 부분을 밀봉하고 있으므로, 제1 전극(113) 및 제2 전극(115)에 전압이 인가될 때 전극(113, 115)에서 전극(113, 115)의 용해 또는 전기분해에 의한 손상을 최소화할 수 있고, 이온 교환막(117, 119)이 전극(113, 115)과 전극(113, 115) 사이에 절연 역할을 하므로 복극 전해셀(100)에서 전류누전에 의한 전류의 손실을 최소화 할 수 있게 된다.

실시예1은 물의 유로는 정화통(600) 외부로 개방되어 있고 유출관(620)에 연통되는 관통공(311, 211, 111, 121, 221, 331, …, 321)을 비교적 크게 형성함으로써 물의 유동이 원활하며 복극 전해셀(100) 내부에 물이 잔류하여 포화된 탄산칼슘과 같은 물질이 석출되는 오염(fouling)을 최소화한다.

실시예1은 다수개의 복극 전해셀(100)이 병렬로 연결되어 있고, 복극 전해셀(100)을 구성하는 각각의 단위셀(110)은 상호 직렬로 연결되어 있으므로, 물의 정화처리 용량이 증가된다. 따라서, 실시예1은 낮은 전압과 높은 전류의 기존의 것에 비하여 높은 전압 낮은 전류를 사용하기 때문에 일반적인 전원공급장치를 사용할 수 있게 된다. 즉, 실시예1의 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체는 역삼투 정수 방법보다 훨씬 낮은 전기에너지를 이용하여 물을 정수할 수 있게 된다.

예를 들면 복극 전해셀(100)을 30개의 단위셀(110)을 적층하여 구성하고, 각각의 단위셀(110)의 양단 간에 1.5~1.8V의 전압을 인가하면, 하나의 복극 전해셀(100)의 양단에 걸리는 전압은 45~50 V가 되고 흐르는 전류는 0.1 A미만이 된다.

이러한 복극 전해셀(100)을 30개 적층하여 이루어진 실시예1을 이용하여 수도수를 대상으로 실험한 결과 유입수의 TDS는 약 90 ppm이고, 3분 흡착과 1분 탈착 사이클을 반복하여 정제된 유출수의 TDS는 2~3 ppm이 되었다. 이때 유속은 약 0.5 l/분이고 적층된 복극 전해셀(100) 내부를 흐르는 수도수의 압력은 약 45 psig정도였다.

실시예1의 경우 제2 고정판(320)에는 관통공(321)이 형성되는 것으로 하였으나, 다른 실시예의 경우 제2 고정판(320)에는 관통공(321)이 형성되지 않을 수 있다.

실시예1의 경우 복극 전해셀(100)이 다수개 구비되는 것으로 하였으나, 다른 실시예의 경우 복극 전해셀(100)이 하나 구비될 수 있다. 이 경우 중간 고정판(330)은 필요하지 않게 된다.

실시예2

실시예2는 본 발명에 따른 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체에 관한 것이다. 도7은 실시예1의 주요부의 조립 사시도를, 도8은 실시예1의 주요부의 분해 사시도를 나타낸다.

도1을 참조하면 실시예1은 복극 전해셀(1100), 제1 전압 인가부(1210), 제2 전압 인가부(1220), 절연판(1700)을 포함한다.

도7과 도8을 참조하면 실시예2는 2개 이상의 복극 전해셀(1100)을 구비한다.

도7과 도8을 참조하면 각각의 복극 전해셀(1100)의 상면에는 제1 전압 인가부(1210)가 적층되고, 하면에는 제2 전압 인가부(1220)가 적층된다. 제1 전압 인가부(1210) 및 제2 전압 인가부(1220)는 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 제1 전압 인가부(1210) 및 제2 전압 인가부(1220)는 각각의 복극 전해셀(100)에 전압을 인가하기 위한 전극판이다.

도7과 도8을 참조하면 절연판(1700)은 이웃한 제1 전압 인가부(1210)와 제2 전압 인가부(1220) 사이에 적층된다.

도7과 도8을 참조하면 각각의 제1 전압 인가부(1210), 절연판(1700) 및 제2 전압 인가부(1220)에는 고정공(1212, 1702, 1222)이 형성되며, 고정공(1212, 1702, 1222)을 통하여 고정봉(1400)이 끼워져 제1 전압 인가부(1210), 절연판(1700) 및 제2 전압 인가부(1220)를 상호 연결 고정시킴으로써, 각각의 제1 전압 인가부(1210), 복극 전해셀(1100) 및 제2 전압 인가부(1220)가 일체로 셋팅(setting)된다. 고정봉(1400)은 부도체이다. 한편, 고정봉(1400)이 끼워지는 제1 전압 인가부(1210) 및 제2 전압 인가부(1220)의 고정공(1212, 1222)에는 절연체인 테프론계 튜브나 폴리프로필렌 튜브를 먼저 끼우고 그 안에 볼팅함으로써 절연이 잘 되도록 하는 것이 바람직하다.

도7과 도8을 참조하면 복극 전해셀(1100)은 실시예1에서와 마찬가지로 2개 이상의 단위셀(1110)을 가지며, 단위셀(1110)과 단위셀(1110)은 직포 분리막(1120)을 사이에 두고 상호 적층된다. 직포 분리막(1120)은 단위셀(1110)과 단위셀(1110)을 상호 이격시킴으로써, 단위셀(1110)과 단위셀(1110) 사이에 물이 흐를수 있는 유로를 형성하기 위한 것이다. 직포 분리막(1120)은 물을 흡수할 수 있는 얇고 촘촘히 짜인 망사천일 수 있다.

도7과 도8을 참조하면 복극 전해셀(1100)을 구성하는 각각의 단위셀(1110)은 상면으로부터 하면을 관통하는 중앙 관통공(1111)이 형성된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 각각의 단위셀(1110)은 실시예1에서와 마찬가지로 집전체, 제1 전극, 제2 전극, 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 갖는다. 단위셀(1110)의 구조는 실시예1에서 설명한 바에 준한다.

도면에 도시되지는 않았으나 복극 전해셀(1100)을 이루는 각각의 단위셀(1110)은 실시예1에서와 마찬가지로 음이온 교환막이 상부에 위치하고 양이온 교환막이 하부에 위치하도록 적층된다. 즉, 이웃한 단위셀은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 직포 분리막(1120)을 사이에 두고 상호 교번되도록 동일한 방향으로 적층된다.

도7과 도8을 참조하면 실시예1에서와 마찬가지로 제1 전압 인가부(1210)는 각각의 복극 전해셀(1100) 중 최상단에 위치한 단위셀(1110)의 음이온 교환막 상부에 적층되고, 제2 전압 인가부(2220)는 각각의 복극 전해셀(1100) 중 최하단에 위치한 단위셀(1110)의 양이온 교환막 하부에 적층된다. 따라서, 각각의 복극 단위셀(1100)의 제1 전압 인가부(1210)에 제1 전압이 인가되고, 제2 전압 인가부(1220)에 제2 전압이 인가되는 경우 각각의 복극 전해셀(1100) 중 최상단에 위치한 단위셀(1110)의 제1 전극에 제1 전압이 걸리고, 최하단에 위치한 단위셀(1110)의 제2 전극에 제2 전압이 걸리게 된다.

도7과 도8을 참조하면 실시예2는 실시예1에서와 마찬가지로 다수개의 복극 전해셀(1100)에 병렬로 전압을 인가하기 위해 각 복극 전해셀(1100)의 제1 전압 인가부(1210)에 연결되는 제1 전극 리드선(1510) 및 각 복극 전해셀(1100)의 제2 전 압 인가부(1220)에 연결되는 제2 전극 리드선(1520)을 갖는다.

도7과 도8을 참조하면 각 복극 전해셀(1100)의 제1 전압 인가부(1210)의 둘레면에는 제1 돌출부(1213)가 형성되고, 제2 전압 인가부(1220)의 둘레면에는 제2 돌출부(1225)가 형성된다. 제1 돌출부(1213) 및 제2 돌출부(1225)는 실시예1에서 설명한 바에 준하므로 이하 설명을 생략한다.

따라서, 실시예1에서와 마찬가지로 제1 전극 리드선(1510) 및 제2 전극 리드선(1520)을 도체봉으로 형성하는 경우 제1 전극 리드선(1510) 및 제2 전극 리드선(1520)을 삽입공(1213-1, 1225-1)에 끼움으로써, 다수개의 복극 전해셀(1100)에 병렬로 전압을 인가할 수 있게 된다.

도7과 도8을 참조하면 제1 전압 인가부(1210), 직포 분리막(1120), 제2 전압 인가부(1220), 절연판(1700)의 중앙부에는 이들 상하면을 관통하는 관통공(1211, 1121, 1221)이 각각 형성된다. 이들 관통공(1211, 1121, 1221)은 고정봉(1400)이 제1 전압 인가부(1210), 직포 분리막(1120), 제2 전압 인가부(1220), 절연판(1700)에 끼워짐으로써 다수개의 복극 전해셀(1100)이 셋팅(setting)된 경우 단위셀(1110)에 형성된 관통공(1111)을 통하여 상호 연통되도록 상호 대응하는 위치에 형성된다.

도면에 도시되지는 않았으나 실시예2는 실시예1과 마찬가지로 정화통을 갖는다. 정화통은 실시예1에서 설명한 바에 준하므로 이하 설명을 생략한다.

실시예1의 작동 및 그 변형 실시예도 실시예1에서 설명한 바에 준하므로 이하 설명을 생략한다.

실시예3

실시예3은 실시예1 및 실시예2의 복극 전해셀을 구성하는 단위셀에 관한 것이다.

실시예3은 실시예1 및 실시예2의 복극 전해셀을 구성하는 단위체로서, 집전체와, 상기 집전체의 양측면에 각각 부착되는 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극에 부착되는 음이온 교환막과, 상기 제2 전극에 부착되는 양이온 교환막을 포함한다. 이들은 실시예1에서 설명한 바에 준하므로 이하 설명을 생략한다.

도1은 실시예1의 주요부의 분해 사시도.

도2는 도1의 조립 사시도.

도3은 도1의 복극 전해셀의 분해 사시도.

도4는 도3의 단위체의 평면도.

도5는 도3의 AA'의 단면도.

도6은 실시예1의 전체의 외관 사시도.

도7은 실시예1의 주요부의 조립 사시도.

도8은 실시예1의 주요부의 분해 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:복극 전해셀 110:단위셀

111:관통공 113:제1 전극

115:제2전극 117:음이온 교환막

119:양이온 교환막 120:직포 분리막

121:관통공

210:제1 전압 인가부 211:관통공

213:제1 돌출부 213-1:삽입공

220:제2 전압 인가부 221:관통공

225:제2 돌출부 225-1:삽입공

310:제1 고정판 311:관통공

312:고정공 313:삽입공

315:삽입공

320:제2 고정판 321:관통공

322:고정공 323:삽입공

325:삽입공

330:중간 고정판 331:관통공

332:고정공 333:삽입공

335:삽입공

400:고정봉

510:제1 전극 리드선 520:제2 전극 리드선

600:정화통 610:유입관

620:유출관

1100:복극 전해셀 1110:단위셀

1111:관통공 1120:직포 분리막

1121:관통공

1210:제1 전압 인가부 1211:관통공

1212:고정공 1213:제1 돌출부

1213-1:삽입공

1220:제2 전압 인가부 1221:관통공

1222:고정공 1225:제2 돌출부

1225-1:삽입공

1400:고정봉

1510:제1 전극 리드선 1520:제2 전극 리드선

1700:절연판 1701:관통공

1702:고정공

Claims

제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 제2 전극을 상호 연결하는 집전체와, 상기 제1 전극에 부착되는 음이온 교환막과, 상기 제2 전극에 부착되는 양이온 교환막을 갖는 단위셀이 2개 이상 상호 이격되어 설치되되, 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막이 교번되도록 설치되는 다수개의 복극 전해셀과,

상기 각각의 복극 전해셀 중 일측단에 위치한 단위셀의 제1 전극에 제1 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가부와,

상기 각각의 복극 전해셀 중 타측단에 위치한 단위셀의 제2 전극에 제2 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가부와,

상기 다수개의 복극 전해셀에 병렬로 전압을 인가하기 위해 상기 각각의 제1 전압 인가부에 연결되는 제1 전극 리드선 및 상기 각각의 제2 전압 인가부에 연결되는 제2 전극 리드선과,

상기 다수개의 제1 전압 인가부, 상기 다수개의 복극 전해셀 및 상기 다수개의 제2 전압 인가부를 일체로 셋팅(setting)시키기 위한 고정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 집전체의 양측면에 각각 부착되고,

상기 음이온 교환막은 상기 제1 전극의 외측면에 부착되고,

상기 양이온 교환막은 상기 제2 전극의 외측면에 부착되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제2항에 있어서,

상기 각각의 단위셀에는 상기 음이온 교환막의 외측면부터 상기 양이온 교환막 외측면까지 관통되는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제3항에 있어서,

상기 각각의 복극 전해셀을 구성하는 단위셀과 단위셀은 직포 분리막을 사이에 두고 상호 적층되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제4항에 있어서,

상기 각각의 제1 전압 인가부는 상기 음이온 교환막의 외측면에 적층되는 판 형상이고,

상기 각각의 제2 전압 인가부는 상기 양이온 교환막의 외측면에 적층되는 판 형상이고,

상기 고정수단은 상기 각각의 복극 전해셀 중 일측단에 위치한 복극 전해셀의 제1 전압 인가부의 외측면에 적층되는 제1 고정판과, 상기 이웃한 복극 전해셀의 제1 전압 인가부와 제2 전압 인가부 사이에 적층되는 중간 고정판과, 상기 각각 의 복극 전해셀 중 타측단에 위치한 복극 전해셀의 제2 전압 인가부의 외측면에 적층되는 제2 고정판과, 상기 제1 고정판, 중간 고정판, 제2 고정판을 상호 연결 고정하는 고정봉인 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제5항에 있어서,

상기 각각의 제1 전압 인가부의 둘레면에는, 상기 제1 전극 리드선이 상기 각각의 제2 전압 인가부에 접촉됨이 없이 상기 각각의 제1 전압 인가부에 일직선 형태로 접촉 가능하도록 제1 돌출부가 형성되고,

상기 각각의 제2 전압 인가부의 둘레면에는, 상기 제2 전극 리드선이 상기 각각의 제1 전압 인가부에 접촉됨이 없이 상기 각각의 제2 전압 인가부에 일직선 형태로 접촉 가능하도록 제2 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제4항에 있어서,

상기 각각의 제1 전압 인가부는 상기 음이온 교환막의 외측면에 적층되는 판 형상이고,

상기 각각의 제2 전압 인가부는 상기 양이온 교환막의 외측면에 적층되는 판 형상이고,

상기 각각의 제1 전압 인가부의 둘레면에는, 상기 제1 전극 리드선이 상기 각각의 제2 전압 인가부에 접촉됨이 없이 상기 각각의 제1 전압 인가부에 직선 형 태로 접촉 가능하도록 제1 돌출부가 형성되고,

상기 각각의 제2 전압 인가부의 둘레면에는, 상기 제2 전극 리드선이 상기 각각의 제1 전압 인가부에 접촉됨이 없이 상기 각각의 제2 전압 인가부에 직선 형태로 접촉 가능하도록 제2 돌출부가 형성되고,

상기 이웃한 복극 전해셀의 제2 전압 인가부와 제1 전압 인가부 사이에는 절연판이 적층되고,

상기 고정수단은 상기 각각의 제1 전압 인가부 및 제2 전압 인가부를 순차적으로 연결 고정하는 고정봉인 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 각각의 제1 전압 인가부와, 상기 각각의 복극 전해셀와, 상기 각각의 제2 전압 인가부와, 상기 제1 전극 리드선 및 제2 전극 리드선의 소정부위와, 상기 고정수단을 내포하는 정화통과,

상기 정화통의 일측면에 관통 형성되는 유입관과,

상기 정화통의 타측면에 관통 형성되는 유출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 집전체는 흑연, 탄소종이 섬유, 티나뮴 메쉬 중 어느 하나로 구성되고,

상기 전극은 활성탄소, 카본블랙 및 바인더의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 각각의 단위셀에 구비되는 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막은, 상기 집전체 및 상기 집전체의 양측면에 각각 부착되는 제1 전극 및 제2 전극을 밀봉하도록 그 둘레면이 상호 접촉 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 제2 전극을 상호 연결하는 집전체와, 상기 제1 전극에 부착되는 음이온 교환막과, 상기 제2 전극에 부착되는 양이온 교환막을 갖는 단위셀이 2개 이상 상호 이격되어 설치되되, 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막이 교번되도록 2개 이상 상호 이격되어 설치되는 하나의 복극 전해셀과,

상기 복극 전해셀 중 일측단에 위치한 단위셀의 제1 전극에 제1 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가부와,

상기 복극 전해셀 중 타측단에 위치한 단위셀의 제2 전극에 제2 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가부와,

상기 복극 전해셀에 전압을 인가하기 위해 상기 제1 전압 인가부에 연결되는 제1 전극 리드선 및 상기 제2 전압 인가부에 연결되는 제2 전극 리드선과,

상기 제1 전압 인가부, 상기 복극 전해셀 및 상기 제2 전압 인가부를 셋팅(setting)시키기 위한 고정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제11항에 있어서,

상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 집전체의 양측면에 각각 부착되고,

상기 음이온 교환막은 상기 제1 전극의 외측면에 부착되고,

상기 양이온 교환막은 상기 제2 전극의 외측면에 부착되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제12항에 있어서,

상기 각각의 단위셀에는 상기 음이온 교환막의 외측면부터 상기 양이온 교환막 외측면까지 관통되는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
제13항에 있어서,

상기 단위셀과 단위셀은 직포 분리막을 사이에 두고 상호 적층되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.
2개 이상 적층되어 전기 흡탈착식 정화용 구조체의 복극 전해셀을 구성하는 단위체로서, 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 제2 전극을 상호 연결하는 집전체와, 상기 제1 전극에 부착되는 음이온 교환막과, 상기 제2 전극에 부착되는 양이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화용 구조체의 단위셀.
제15항에 있어서,

상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 집전체의 양측면에 각각 부착되고,

상기 음이온 교환막은 상기 제1 전극의 외측면에 부착되고,

상기 양이온 교환막은 상기 제2 전극의 외측면에 부착되는 것을 특징으로 하는 전기 흡탈착식 정화장치용 구조체.