KR20090085756A - 전극용 활성탄, 그의 제조방법 및 상기 활성탄을 포함하는연수기 - Google Patents

전극용 활성탄, 그의 제조방법 및 상기 활성탄을 포함하는연수기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2nm 이하의 마이크로 포어의 비율이 90 내지 99%이고, 비표면적이 1500 내지 3500m2/g 인 전극용 활성탄 및 그의 제조방법; 상기 활성탄을 활물질로 함유하는 전극을 포함하는 연수기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전극용 활성탄은 이온을 흡착하기에 적합한 마이크로 포어의 비율이 높고, 수계 전해액과의 함침성이 우수하며, 높은 전극용량을 갖는다. 또한 이에 따라 상기 활성탄을 활물질로 함유하는 전극을 포함하는 연수기는 충전 및 방전에 의하여 용이하게 전극의 재생이 가능하고, 유지 관리가 용이하며, 반영구적인 수명을 가진다.
활성탄, 마이크로 포어, 비표면적, 산소 함량, 전극, 연수기.

Description

전극용 활성탄, 그의 제조방법 및 상기 활성탄을 포함하는 연수기{Activated carbon for electrode, preparation method thereof and water softener system for comprising the same}
본 발명은 전극용 활성탄, 그의 제조방법 및 상기를 포함하는 연수기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 2nm이하의 마이크로 포어의 비율이 90 내지 99%이고, 비표면적이 1500 내지 3500m2/g 인 전극용 활성탄; 상기의 제조방법; 그리고 상기 활성탄을 활물질로 함유하는 전극을 포함하는 연수기에 관한 것이다.
현대사회는 급격한 산업화에 따라 자연환경이 훼손되고, 기후변화가 초래되어 수질환경이 오염되고, 물 부족 현상이 심화되고 있다. 이에 반해 인구는 계속적으로 증가하고, 생활수준이 향상되어 정제수에 대한 수요가 증가하고 있다.
수처리 시스템 중 하나인 연수기는 경수를 연수로 바꾸어주는 기기로, 경수 속에 들어 있는 칼슘 또는 마그네슘 등의 2가 양이온을 60ppm이하의 농도로 제거하여 부드럽고 깨끗한 물로 만들어 주는 시스템이다.
현재 사용되고 있는 대부분의 연수기는 양이온 교환수지를 이용하여, 양이온 교환수지와 결합하고 있는 양이온을 경수 속의 2가 양이온과 교환하는 이온교환 방식을 채택하고 있다. 양이온 교환수지를 이용하는 기존의 연수기는 첨부된 도 1과 같이 이온교환수지와 결합하고 있는 나트륨 이온을 경수 속의 칼슘 등의 2가 양이온과 교환하여 나트륨 이온은 흘러나가고, 칼슘 등의 2가 양이온은 교환수지에 남게 된다.
그런데 이러한 연수기는 일정기간 동안 사용하여 양이온 교환수지가 포화되어 이온교환 능력이 떨어지면, 수지를 교체하거나 재생하여야 한다. 이와 같은 수지의 재생방법의 대표적인 예는 정제염(NaCl)을 사용하는 것인데, 정제염을 다량 투입하여 이온교환수지와 결합하고 있는 2가 양이온을 밀어내고, 나트륨 이온을 붙게 하는 가역반응을 이용하는 것이다. 이 경우 이온교환수지와 정제염의 혼합능력을 향상시키기 위하여 막대기로 저어주거나 교반 부재를 구성하여 자동 혼합을 시도하는 방법이 사용되고 있다. 그러나 이러한 재생방법은 상당한 시간이 소요되고, 수지가 손상될 수 있어 연수기의 수명이 단축될 수 있는 문제점이 되고 있다.
또한 약 1파운드의 이온교환수지에 대해 100 파운드 정도의 정제염이 필요하여 2차 오염문제가 발생하게 된다. 재생과정에서 이온교환수지에 처리에 사용된 물은 다량의 나트륨이온을 포함하게 되고, 염소이온은 제거되지 않기 때문에 식용으로 사용할 수 없다. 또한 다량의 염소 이온을 포함한 물을 식물에 주게 되면 식물이 죽을 수 있어, 염소이온으로 인한 농작물 피해가 발생할 수 있다.
대한민국공개특허 제2007-42669호는 연수기 내의 이온교환수지의 성능이 저하되는 경우, 내용물의 충진이나 교환이 필요 없도록 이온교환수지와 정제염이 들어 있는 연수통을 통째로 교환할 수 있는 연수기를 개시한다. 그러나 상기 기술은 이온교환수지의 반복적인 사용에 따른 미생물의 증식 또는 오염물질의 배출 및 연수통의 교체에 따른 관리의 어려움 등의 문제점이 있다.
이와 같이, 연수기의 계속적 사용에 따른 성능 저하 및 재생 곤란성 등을 해결하고, 우수한 연수 특성을 나타내는 기술은 아직까지 개발되고 있지 못한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 연수기에 전기화학 방식의 전기흡착 탈이온화 장치(Capacitive Deionization)를 이용한 것이다. 전기흡착 탈이온화 장치란 나노 크기의 기공을 갖는 탄소 전극에 전압을 인가하여 극성을 걸어 줌으로써, 매질 중의 이온 물질을 전극 표면에 흡착하여 제거하고, 재생 시에는 전극에 역 전압을 걸어 탈착 된 이온 물질을 물과 함께 배출하는 시스템이다. 즉, 탄소 전극 사이에 이온이 용존된 물이 흐를 때 낮은 전위차의 직류전원을 인가하면 용존 이온 중에서 음이온 성분은 양극에 농축흡착되고, 양이온 성분은 음극에 농축흡착되어 물에 용존된 음이온 및 양이온을 제거하게 된다. 직류전원을 중단하면 흡착된 이온들은 전극에서 탈착되어 제거된다.
이는 초고용량 커패시터(supercapacitor)와 유사한 특징을 가지고 있으나, 전기흡착 탈이온화 장치는 재생 시 화학 약품을 필요로 하지 않고, 이온교환수지와 고가의 필터 또는 분리막(membrane)이 요구되지 않는 장점이 있다.
또한 초고용량 커패시터에 사용되는 EDLC(electrical double layer capacitor)용 활성탄은 통상적으로 적용되는 유기 전해질 등과의 함침, 흡착 특성이 중요하였으나, 전기흡착 탈이온화 장치에 사용되는 활성탄은 칼슘, 마그네슘, 나트륨 등의 이온의 흡착을 주목적으로 하는 것으로 유기 전해질에 비하여 크기가 작은 이온이 흡착될 수 있는 마이크로 포어의 비율이 클 것이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이온을 흡착하기에 적합한 마이크로 포어의 비율이 높고, 수계 전해액과 함침성이 우수한 전극용 활성탄; 그의 제조방법; 및 계속적 사용으로 인한 성능저하가 억제되고 재생이 용이하도록 전기흡착 탈이온화 방법을 이용한 연수기를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로 2nm이하의 마이크로 포어의 비율이 90 내지 99%이고, 비표면적이 1500 내지 3500m2/g 인 전극용 활성탄을 제공한다.
상기 활성탄은 산소 함량이 5 내지 15%인 것이 바람직하고, 입자의 평균입경이 3 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 불순물의 함량이 1% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로 활성탄 원료를 분쇄하는 제 1 단계; 분쇄된 활성탄 원료 및 활성화제를 혼합하여 활성화하는 제 2 단계; 및 세정을 통하여 활성탄 표면의 불순물을 제거하는 제 3 단계를 포함하는 전극용 활성탄의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로 본 발명에 따른 활성탄을 활물질로 함유하는 제 1 및 제 2 전극; 상기 제 1 전극 상면에 적층되고, 유입구가 형성되어 있는 상부 집전체; 상기 제 2 전극 저면에 적층되고, 배출구가 형성되어 있는 하부 집전체; 및 상기 상부 및 하부 집전체가 소정의 간격을 유지하도록 지지하는 스페이서를 포함하여 상기 유입구로 유입된 유체가 제 1 및 제 2 전극 사이를 통과하여 상기 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 연수기를 제공한다.
또는 본 발명에 따른 활성탄을 활물질로 함유하고, 슬롯이 형성된 제 1 및 제 2 전극; 상기 제 1 전극 상면에 적층되고, 배출구가 형성되어 있는 상부 집전체; 상기 제 2 전극 저면에 적층되는 하부 집전체; 및 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 적층되고 유입구가 형성되어 있는 분리막을 포함하여, 상기 유입구로 유입된 유체가 제 1 및 제 2 전극을 통과하여 상기 전극에 형성된 슬롯 및 상부 집전체의 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 연수기를 제공한다.
본 발명에 따른 전극용 활성탄은 이온을 흡착할 수 있는 마이크로 포어의 비율이 높고, 비표면적이 넓기 때문에 이온흡착효율이 우수하며, 높은 전극용량을 가진다. 또한 본 발명에 따른 활성탄을 활물질로 함유하는 전극을 포함하여 전기흡착 탈이온화 방법을 이용한 연수기는 충전 또는 방전에 의하여 전극의 재생이 가능하고, 유지 관리가 용이할 뿐만 아니라 연수 특성이 우수하며, 반영구적인 수명을 가진다.
본 발명은 2nm이하의 마이크로 포어의 비율이 90 내지 99%이고, 비표면적이 1500 내지 3500m2/g인 전극용 활성탄에 관한 것이다. 본 발명의 전극용 활성탄은 크기가 작은 이온을 흡착할 수 있는 2nm이하의 마이크로 포어의 비율이 높고, 비표면적이 넓기 때문에 이온흡착효율이 우수하고, 높은 전극용량을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 본 발명의 전극용 활성탄은 칼슘, 마그네슘 등의 경도성분 제거에 적합하고, 용량이 커서 전기흡착 탈이온 장치를 이용한 연수기에 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 전극용 활성탄은 2nm 이하의 마이크로 포어의 비율이 90 내지 99%이고, 비표면적이 1500 내지 3500m2/g인 것이 바람직하다. 본 발명의 활성탄은 일반적인 유기 전해질과 달리 수계 전해액에 함침되고, 전해액 속의 Ca2 +, Mg2 +, 또는 Fe2 + 등의 이온을 흡착하는 것을 주목적으로 하므로, 90 내지 99%의 높은 마이크로 포어의 비율은 상기 활성탄을 활물질로 하는 전극의 용량 증대에 효과적이다. 상기 마이크로 포어의 비율이 90%미만인 경우에는 용량이 떨어지고, 99%를 초과하는 경우에는 흐르는 물에서 이온의 흡착이 어려워 연수효율이 떨어질 우려가 있다.
또한 비표면적이 1500 내지 3500m2/g로써 우수한 이온흡착 능력을 가지게 된 다. 비표면적이 1500m2/g 미만인 경우에는 이온을 흡착할 수 있는 유효면적이 작아 이온 흡착 능력이 떨어질 우려가 있고, 3500m2/g를 초과하는 경우 전극 성형이 어렵고, 전극밀도가 낮아져 전극 체적당 연수 효율이 떨어질 우려가 있다.
또한 본 발명에 따른 전극용 활성탄은 산소 함량이 5 내지 15%인 것이 바람직하다. 본 발명은 경수를 전해액으로 사용하는 것으로 전극의 친수성을 높여 전극과 전해액의 함침성을 높이는 것이 중요한 요소가 된다. 활성탄에 존재하는 산소 관능기는 소수성인 탄소에 친수성을 부여하게 되어 수계 전해액과의 함침을 향상시키는 반면, 전기화학 반응이 진행됨에 따라 안정성이 떨어져 수명특성을 열화시키는 원인이 된다. 따라서, 본 발명의 전극용 활성탄은 산소 함량이 5 내지 15%인 것이 바람직하다. 전극용 활성탄의 산소 함량이 5%미만이면 전해액과의 함침이 어려워질 수 있고, 15%를 초과하면 전극의 수명이 감소할 우려가 있다.
본 발명에 따른 전극용 활성탄은 또한 입자의 평균입경이 3 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 평균입경이 3㎛ 미만인 경우 성형성이 떨어져 전극제작이 어렵고, 반복 사용시 입자가 용출되어 오히려 물을 오염시킬 우려가 있다. 또한 상기 평균입경이 100㎛를 초과하는 경우에는 입자간 저항이 커져 전극의 수명이 감소할 우려가 있다.
또한 본 발명에 따른 전극용 활성탄은 불순물의 함량이 1% 이하인 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용하는 용어 「불순물」은 활성탄을 구성하는 탄소 이외의 성분으로써, 활성화 과정에서 유입될 수 있는 활성화제, 금속, 또는 금속산화물 등을 포함하는 개념으로 사용된다. 불순물의 함량이 1%를 초과하는 경우 전극의 수명이 단축되거나 연수 과정에서 불순물이 용출될 우려가 있다.
본 발명은 또한 활성탄 원료를 분쇄하는 제 1 단계; 분쇄된 활성탄 원료 및 활성화제를 혼합하여 활성화하는 제 2 단계; 및 세정을 통하여 활성탄 표면의 불순물을 제거하는 제 3 단계를 포함하는 전극용 활성탄의 제조방법에 관한 것이다.
활성탄 원료를 분쇄하는 제 1 단계
본 발명의 제 1 단계는 활성탄 원료를 분쇄하여 활성탄 입자의 평균입경을 조절하는 단계이다. 활성탄 원료의 분쇄 입자의 크기에 따라 활성탄의 마이크로 포어 비율, 비표면적, 전기적 저항, 및 전극밀도가 결정된다. 이때 사용되는 활성탄 원료는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 야자껍질, 대나무, 왕겨, 또는 목질 등의 바이오 물질; 셀룰로오스 등의 천연 고분자; 페놀 수지, 또는 푸란 수지 등의 합성 고분자 물질; 및 석탄 또는 석유 잔사 등의 코크스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 탄화물을 사용할 수 있다.
본 발명의 제 1 단계에서는 활성탄 원료를 3 내지 100㎛의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하다. 상기 분쇄 입자의 크기가 3㎛ 미만인 경우 성형성이 떨어져 전 극제작이 어렵고, 반복 사용할 경우 입자가 용출되어 물을 오염시킬 우려가 있으며, 100㎛를 초과하는 경우 입자간 저항이 커져 수명이 감소할 우려가 있다.
분쇄된 활성탄 원료 및 활성화제를 혼합하여 활성화하는 제 2 단계
본 발명의 제 2 단계는 활성탄 원료를 활성화제로 처리하여 이를 활성화시키는 단계이다. 본 발명은 활성화제를 이용한 약품 활성화 방법을 이용한 것을 특징으로 한다. 일반적으로 탄화물을 활성화하는 방법은 이산화탄소, 수증기 및 산소를 이용하는 가스활성화 방법 또는 화학 약품을 이용하는 약품활성화 방법이 있는데, 이 중 가스활성화 방법은 물리적인 방법으로 활성탄의 비표면적이 작고, 평균 기공크기가 균일하게 형성되지 않는 문제가 있기 때문에 약품활성화 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용할 수 있는 활성화제는 이 분야에서 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 수산화칼륨, 탄산칼륨, 수산화나트륨, 탄산 나트륨, 염화 아연 및 인산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한 활성탄 원료 및 활성화제의 혼합비율(활성화제/활성탄원료)은 1.5 내지 5인 것이 바람직하다. 상기 혼합비율이 1.5 미만인 경우 마이크로 포어의 비율이 작아질 우려가 있고, 고비표면적 활성탄을 제조하는 것이 어려우며, 5를 초과하는 경우 반응기의 부식으로 인해 활성탄의 불순물 함량이 급격히 증가한다.
상기 활성탄 원료의 활성화 단계는 600 내지 1000℃의 온도의 불활성화 분위기에서 1 내지 5 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 활성화 온도가 600℃ 미만인 경우 반응온도가 낮아 비표면적이 낮아질 우려가 있고, 1000℃를 초과하는 경우 급격한 반응에 의하여 활성탄이 팽창하거나 균열이 발생할 수 있고, 기공의 크기가 커질 우려가 있으며 부반응에 따른 불순물이 증가할 우려가 있다. 또한 상기 활성화 시간이 1 시간 미만인 경우 활성화에 필요한 반응시간이 부족할 우려가 있고, 5 시간을 초과하는 경우 부반응이 증가할 우려있으며, 생산성의 효율이 떨어진다.
활성화제에 의한 활성화 반응이 완료되면, 400 내지 700℃의 온도의 불활성화 또는 환원분위기에서 0.5 내지 5 시간 동안 열처리하여 산소 함량을 조절할 수 있다. 상술한 바와 같이 활성탄의 산소함량은 5 내지 15%로 조절하는 것이 바람직하다.
세정을 통하여 활성탄 표면의 불순물을 제거하는 제 3 단계
본 발명의 제 3 단계는 활성탄 표면의 불순물을 제거하는 세정단계이다. 이 과정을 통하여 활성탄의 불순물의 함량을 제어할 수 있다. 즉 상기 활성화 과정에서 활성탄은 활성화제, 금속 또는 금속산화물 등의 불순물을 함유하게 되므로, 활성화제를 제거하고, 불순물의 함량을 조절하기 위하여 세정하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 세정 공정을 수행하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 염산, 질산 또는 황산 등의 무기산(inorganic acid); 및 아세트산, 옥살산, 또는 타르타르산 등의 유기산(organic acid)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물과 같이 활성화제, 금속 또는 금속산화물 등의 불순물을 세정할 수 있는 화합물을 사용하여 수행할 수 있다.
본 발명에서는 상기 각 단계를 수행한 후 통상의 수단으로 건조 등의 과정을 거칠 수 있다.
본 발명은 또한 상기 본 발명에 따른 활성탄을 활물질로 함유하는 전극을 포함하는 연수기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연수기는 활성탄 전극 사이에 형성된 유체이동 통로를 통하여 경수 속의 경수 성분을 제거하는 전기흡착 탈이온화 방법을 이용한 것으로 충전 및 방전에 의하여 재생이 가능하고, 이에 따라 유지 관리가 용이하고, 반영구적인 수명을 갖는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연수기를 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연수기를 구성하는 단위 셀(10)의 단면도이고, 도 2b는 단위 셀을 적층한 연수기의 단위 모듈(100) 단면도이다.
도 2a에 도시된 단위 셀(10)은 본 발명에 따른 활성탄을 활물질로 함유하는 제 1 및 제 2 전극(11, 12); 상기 제 1 전극(12) 상면에 적층되고, 유입구(17)가 형성되어 있는 상부 집전체(14); 상기 제 2 전극(11) 저면에 적층되고, 배출구(18)가 형성되어 있는 하부 집전체(13); 및 상기 상부 및 하부 집전체가 소정의 간격을 유지하도록 지지하는 스페이서(15)를 포함한다. 상기 스페이서에 의하여 제 1 및 제 2 전극 사이에는 소정의 공간(19)이 형성되고, 상기 유입구로 유입된 유체가 제 1 및 제 2 전극 사이를 통과하여 상기 배출구로 배출되게 된다.
도 2a에 도시된 것과 같이 상부 집전체에 형성된 유입구(17) 및 하부 집전체에 형성된 배출구(18)는 대각선으로 형성되어 유입구로 유입된 유체가 전극 사이에 형성된 소정의 공간(19)을 지날 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에는 소정의 공간(19)에는 분리막이 적층 될 수 있다. 이때 본 발명에서 사용할 수 있는 분리막은 특별히 제한되지 아니하나, 유체를 통과시킬 수 있고, 이온 투과성을 갖으나 비전도성인 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용할 수 있는 분리막의 구체적인 예를 들면 다공성 직포 또는 부직포 시트, 세공 폴리머 멤브레인 시트, 및 비전도성 또는 비절연성 입자를 포함하는 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 다공성 직포 또는 부직포 시트는 폴리프로필렌 같은 올레핀 섬유; 나일론 같은 폴리아미드 섬유; 유리 섬유(fiberglass); 폴리에스테르 섬유; 및 플루오르화 탄소(fluorocarbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 세공 폴리머 멤브레인 시트는 플루오르화탄소, 폴리아미드 멤브레인 같은 이온 투과성 물질을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 비전도성 입자는 세 라믹 또는 실리카 등이 있고, 비절연성 입자는 일반적인 폴리머 물질 등이 있다.
도 2b는 연수기의 단위 모듈(100)로써, 경수 처리 용량에 적합한 단위 셀(10)이 적층되어 형성된다. 도 2b에 도시된 바와 같이 단위 셀의 배출구는 인접하고 있는 단위 셀의 유입구와 연결되어 유입구로 유입된 유체가 연속적으로 단위 셀을 통과하도록 하는 것이 바람직하다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연수기를 구성하는 단위 셀(20)의 단면도이고, 도 3b는 상기 단위 셀(20)의 사시도이며, 도 3c는 상기 단위 셀을 적층한 연수기의 단위 모듈(200)의 단면도이다.
도 3a에 도시된 단위 셀(20)은 본 발명에 따른 활성탄을 활물질로 함유하고, 슬롯이 형성된 제 1 및 제 2 전극(21, 22); 상기 제 1 전극(22) 상면에 적층되고, 배출구(28)가 형성되어 있는 상부 집전체(24); 상기 제 2 전극(21) 저면에 적층되는 하부 집전체(23); 및 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 적층되고 유입구(27)가 형성되어 있는 분리막을 포함한다. 상기 유입구로 유입된 유체는 제 1 및 제 2 전극을 통과하여 상기 전극에 형성된 슬롯 및 상부 집전체의 배출구(28)로 배출되는 것을 특징으로 한다.
상기 분리막은 제 1 및 제 2 전극 사이에 적층되어 전위차가 가해지는 경우 양전하 분극 및 음전하 분극으로 서로 다른 극성을 띄는 제 1 및 제 2 전극을 절연한다. 본 발명에서 사용할 수 있는 분리막은 특별히 제한되지 아니하나, 유체를 통과시킬 수 있고, 이온 투과성을 갖으나 비전도성인 것이 바람직하다. 본 발명에 서 사용할 수 있는 분리막의 구체적인 예를 들면 다공성 직포 또는 부직포 시트, 세공 폴리머 멤브레인 시트, 및 비전도성 또는 비절연성 입자를 포함하는 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 다공성 직포 또는 부직포 시트는 폴리프로필렌 같은 올레핀 섬유; 나일론 같은 폴리아미드 섬유; 유리 섬유(fiberglass); 폴리에스테르 섬유; 및 플루오르화 탄소(fluorocarbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 세공 폴리머 멤브레인 시트는 플루오르화탄소, 폴리아미드 멤브레인 같은 이온 투과성 물질을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 비전도성 입자는 세라믹 또는 실리카 등이 있고, 비절연성 입자는 일반적인 폴리머 물질 등이 있다.
상기 분리막의 두께는 10 내지 1000 ㎛인 것이 바람직하다.
도 3c는 연수기의 단위 모듈(200)로써, 경수 처리 용량에 적합한 단위 셀(20)이 적층되어 형성된다. 도 3c에 도시된 바와 같이 단위 모듈에 적층되는 단위 셀은 가장 아래에 적층되는 단위 셀을 제외하고 인접하고 있는 단위 셀에서 배출되는 유체를 유입할 수 있도록 하부 집전체에 유체 유입구를 포함하는 것이 바람직하다.
첨부된 도 4는 이와 같이 구성된 단위 셀에서의 경수를 연수로 바꾸는 과정을 개략적으로 도시한 것이다. 활성탄을 활물질로 함유하는 제 1 및 제 2 전극은 전위차가 가해지면 각각 양전하 분극 및 음전하 분극으로 서로 다른 극성을 띄게 된다. 이때 서로 다른 극성의 제 1 및 제2 전극 사이로 경수가 지나가게 되는데, 경수가 상기 전극 사이를 지나면서 경수 속의 양이온은 음전하 분극으로 흡착되고, 음이온은 양전하 분극으로 흡착되게 된다. 본 발명에 따른 연수기를 구성하는 단위 셀은 이와 같이 전극간 전위차에 의하여 연수과정을 수행하기 때문에 경수 속의 칼슘, 마그네슘 등의 양이온 뿐 만 아니라, 염소 등의 음이온의 제거가 가능한 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 연수기는 방전 또는 단락(쇼트) 등의 방법으로 두 전극의 전위차를 해소시키면 충전 시 흡착되었던 이온들이 탈착 후 전극 밖으로 배출되어 전극을 용이하게 재생시킬 수 있다. 상기와 같이 본 발명에 따른 연수기는 충·방전에 의하여 전극의 재생이 가능하여, 유지 관리가 용이하고, 반영구적인 수명을 갖는다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 이는 발명의 구체적인 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<활성탄의 제조>
실시예 1
700℃에서 페놀수지 탄화물을 디스크밀(disc mill)로 조분쇄한 후 제트밀 (jet mill)로 평균 입경이 10㎛이 되도록 미분쇄 하였다. 미세분말 상태의 페놀수지 탄화물 100g을 활성화제 KOH 400g과 혼합하여 Ni 재질의 도가니에 넣고 질소 분위기의 연속로를 통과시켰다. 연속로 온도는 800℃, 처리 시간은 2시간이었다.
활성화제에 의한 활성화 반응이 완료되면, 500℃ 온도의 불활성화 분위기에서 2 시간 동안 열처리하여 산소 함량을 조절하였다.
상온까지 냉각한 후 얻어진 활성탄 혼합물에 15% 염산 1ℓ을 가하여 미반응 KOH와 활성화 중 혼입된 불순물을 용해시키기 위해 1시간 동안 교반한 후, 프레스 필터 (press filter)를 이용하여 여과하였다. 여과한 활성탄을 다시 증류수 1ℓ에 분산, 교반한 후 프레스 필터를 이용하여 여과하는 과정을 여과액의 pH가 중성이 될 때까지 3회 반복하였다. 세정이 종료된 후 활성탄을 150℃ 진공오븐에서 건조하여 47g의 활성탄을 얻었다.
실시예 2
석유계 잔사(residue)를 550℃의 코크오븐(delayed coker)에서 열처리하여 얻어진 석유계 코크스를 실시예 1에서와 같이 분쇄, 활성화, 세정, 건조하여 58g의 활성탄을 얻었다.
실시예 3
석유계 잔사(residue)를 550℃의 코크오븐 (delayed coker)에서 열처리하여 얻어진 석유계 코크스를 활성화 단계에서 활성화제로 NaOH를 사용하여 1시간 동안 처리한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 58g의 활성탄을 얻었다.
비교예 1
실시예 1의 페놀수지 탄화물 100g을 1000℃, 수증기-질소 혼합 가스 분위기(수증기 5 vol.%)의 로터리 킬른(rotary kiln)을 통과시켜 활성화하여 28g의 활성탄을 얻었다.
비교예 2
실시예 2의 미분쇄 석유계 코크스 100g을 비교예 1에서와 같이 로터리 킬른에서 수증기로 활성화하여 활성탄 26g을 얻었다.
비교예 3
실시예 1의 페놀수지 탄화물 100g을 800℃ 온도에서 KOH 와 혼합하여 6시간 동안 수증기-질소 혼합 가스 분위기(수증기 5 vol.%)의 로터리 킬른(rotary kiln)을 통과시켜 활성화하여 25g의 활성탄을 얻었다.
<전극 및 단위 셀의 제조>
전극의 제조
바인더인 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; poly-tetrafluoroethylene)는 물 과 서스펜션(suspension)형태인 것을 사용하였으며, 서스펜션 형태에 10% IPA sol’n (water)을 넣어 교반하였다. 교반 용기에 활성탄 0.9g 및 카본블랙(Ketjenblack EC 600JD, 미쓰비시화학) 0.1g을 넣은 후, PTFE 서스펜션을 2 g 첨가하여 니딩(kneading)한 후 판상(sheet)으로 만들었다. 이를 상온에서 10분간 건조하고, 80℃ 오븐에서 2시간 동안 건조하였다.
단위 셀 제조
건조된 전극을 면적 10x10(100㎠)으로 잘라 2매를 준비하고 무게를 측정하였다. 전극을 전해액(1M NaCl)에 넣고 진공으로 만든 후 벤팅하여 함침시켰다. 집전체인 그라파이트 포일 위에 2개의 전극을 놓고, 분리막, 전극, 그라파이트 포일 순으로 적층하였다. 셀에 가해지는 압력은 토크 렌치를 사용하여 조절하였으며 3N-m Torque까지 증가시켜 체결하였다. 셀은 밀폐형 타입 및 흐름형 타입으로 제조하였다.
<평가>
1. 활성탄의 마이크로 포어 비율 및 비표면적 측정
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 활성탄의 수분제거를 위해 200℃, 진공조건에서 24시간 동안 충분히 건조시켰다. 건조된 활성탄을 ASAP2020(Micrometrics사)을 이용하여 영하 196℃에서 질소가스를 흡착시켜 흡탈착 등온선을 얻었다. 흡탈착 등온선으로부터 BET식 및 두비닌(Dubinin)식에 의해 각 각 비표면적 및 마이크로 포어의 비율을 측정하고, 이의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
원료 활성화제 비표면적 (m2/g) 마이크로포어 비율(%) 산소 함량(%)
실시예 1 페놀수지 KOH 2,000 95.0 6.5
실시예 2 코크스 KOH 2,500 97.1 5.6
실시예 3 코크스 NaOH 2,400 96.0 7.0
비교예 1 페놀수지 수증기 1,200 55.4 9.4
비교예 2 코크스 수증기 300 30.3 10.5
비교예 3 페놀수지 KOH 2,300 83.3 2.6
2. 연수 특성평가
본 발명에 따른 활성탄의 전기화학적 평가는 활성탄 고유의 전기 이중층 용량을 파악하기 위한 밀폐형 타입(closed type)과 실제 연수기 성능을 측정하기 위한 흐름형(flow type) 타입으로 나누어 평가하였다.
1) 용량 측정
밀폐형 셀을 충방전기(TOSCAT-3000, Toyo system)를 이용하여 50mA/g의 정전류로 1.0V까지, 1.0V에서 30분간 정전압으로 충전하였다. 충전 후, 50mA/g의 정전류로 0V까지 방전하여 얻은 데이터로부터 하기의 수학식으로부터 단위 셀의 용량(C, F/g)을 구하고, 이의 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[수학식]
Figure 112008009353350-PAT00001
(상기 식에서 I는 전류이고, V1는 충전전압의 1.0V의 80%인 0.8이며, V2는 충전전압의 40%인 0.4이고, T1 및 T2는 각각 V1, V2에서의 시간이며, W는 두 전극 질량의 합이다)
2) 경수 성분 제거 측정
흐름형 셀의 양쪽 전극의 단위면적(100cm2) 당 경수 성분인 Ca2 +, Mg2 +, Fe2 +의 농도를 알고 있는 물을 통과시키면서 2.0V의 전압을 걸어 경수 성분을 제거하였다. 전극을 통과한 물의 Ca2 +, Mg2 +, Fe2 +의 농도를 유도결합플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)로 정량하여 하기 표 2에 나타내었다.
3) 이온 전도도 및 처리유량 측정
흐름형 셀의 양쪽 전극의 단위면적(100cm2) 당 전해액 500 uS/cm의 NaCl 용액을 사용하고, 유속을 700 mL/min으로 조절하면서 정전압(2V) 충전을 하였다. 쇼트를 시켜 이온전도도가 일정해질 때까지 방전하였다. 일정시간 간격으로 전도도를 측정하여 이온 전도도가 100 uS/cm가 되는 지점의 유량을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
밀폐형 타입 흐름형 타입
구분 용량 (F/g) 초기 이온농도(ppm) 처리 후 이온농도(ppm) 처리유량
Ca2 + Mg2 + Fe2 + Ca2 + Mg2 + Fe2 + L/min/m2 L/min/g
실시예 1 50 20 10 10 2.2 1.3 2.3 4.00 295
실시예 2 54 20 10 10 1.4 1.2 1.6 4.35 300
실시예 3 46 20 10 10 2.6 1.5 2.4 3.56 169
비교예 1 32 20 10 10 11.3 6.5 6.7 1.85 110
비교예 2 4 20 10 10 19.2 10.0 9.2 0.95 35
비교예 3 23 20 10 10 15.4 8.5 7.9 1.80 109
상기 표 2에서 보는 바와 같이 실시예 1 내지 3에서 제조된 활성탄을 활물질로 하는 전극의 용량은 비교예 1 내지 3에서 제도된 활성탄을 활물질로 하는 전극의 용량보다 우수하였다. 또한 물에 포함된 경수성분의 제거에 효과적임을 알 수 있었고, 이온 전도도가 100 uS/cm가 되는 지점의 유량이 증가하여 이온제거에 효과적임을 알 수 있었다.
도 1는 종래의 이온교환 수지를 이용하여 경수를 연수로 바꾸는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연수기를 구성하는 단위 셀의 단면도이고, 도 2b는 단위 셀을 적층한 연수기의 단위 모듈 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연수기를 구성하는 단위 셀의 단면도이고, 도 3b는 단위 셀의 사시도 이며, 도 3c는 단위 셀을 적층한 연수기의 단위 모듈 단면도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 연수기를 구성하는 단위 셀에서의 경수를 연수로 바꾸는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

Claims (16)

  1. 2nm이하의 마이크로 포어의 비율이 90 내지 99%이고, 비표면적이 1500 내지 3500m2/g 인 전극용 활성탄.
  2. 제 1 항에 있어서,
    활성탄은 산소 함량이 5 내지 15%인 것을 특징으로 하는 전극용 활성탄.
  3. 제 1 항에 있어서,
    활성탄은 입자의 평균 입경이 3 내지 100㎛ 인 것을 특징으로 하는 전극용 활성탄.
  4. 제 1 항에 있어서,
    활성탄은 불순물의 함량이 1% 이하인 것을 특징으로 하는 전극용 활성탄.
  5. 활성탄 원료를 분쇄하는 제 1 단계;
    분쇄된 활성탄 원료 및 활성화제를 혼합하여 활성화하는 제 2 단계; 및
    세정을 통하여 활성탄 표면의 불순물을 제거하는 제 3 단계를 포함하는 전극용 활성탄의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 1 단계의 활성탄 원료는 야자껍질, 왕겨, 목질, 셀룰로오스, 페놀 수지, 푸란 수지, 석탄, 및 석유 잔사로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 탄화물인 것을 특징으로 하는 전극용 활성탄의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    제 2 단계의 활성화제는 수산화칼륨, 탄산칼륨, 수산화나트륨, 탄산 나트륨, 염화 아연 및 인산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전극용 활성탄의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    제 2 단계의 활성탄 원료 및 활성화제의 혼합비율(활성화제/활성탄원료)은 1.5 내지 5인 것을 특징으로 하는 전극용 활성탄의 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    제 2 단계는 600 내지 1000℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전극용 활성탄의 제조방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    제 2 단계 이후에 400 내지 700℃의 온도의 불활성화 또는 환원 분위기에서 0.5 내지 5 시간 동안 열처리하여 산소 함량을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극용 활성탄의 제조방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 활성탄을 활물질로 함유하는 제 1 및 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 상면에 적층되고, 유입구가 형성되어 있는 상부 집전체;
    상기 제 2 전극 저면에 적층되고, 배출구가 형성되어 있는 하부 집전체; 및
    상기 상부 및 하부 집전체가 소정의 간격을 유지하도록 지지하는 스페이서
    를 포함하여 상기 유입구로 유입된 유체가 제 1 및 제 2 전극 사이를 통과하여 상기 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 연수기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 전극 사이에 분리막이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 연수기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    분리막은 다공성 직포 또는 부직포 시트, 세공 폴리머 멤브레인 시트, 및 비전도성 또는 비절연성 입자를 포함하는 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연수기.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 활성탄을 활물질로 함유하고, 슬롯이 형성된 제 1 및 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 상면에 적층되고, 배출구가 형성되어 있는 상부 집전체;
    상기 제 2 전극 저면에 적층되는 하부 집전체; 및
    상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 적층되고 유입구가 형성되어 있는 분리막
    을 포함하여 상기 유입구로 유입된 유체가 제 1 및 제 2 전극을 통과하여 상기 전극에 형성된 슬롯 및 상부 집전체의 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 연수기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    분리막은 다공성 직포 또는 부직포 시트, 세공 폴리머 멤브레인 시트, 및 비전도성 또는 비절연성 입자를 포함하는 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연수기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    분리막은 두께가 10 내지 1000 ㎛인 것을 특징으로 하는 연수기.
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