KR20100089251A - Capacitive deionization device, method for capacitively deionizing, and desalination apparatus, wastewater treatment apparatus using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A relative contact area of effluent or the salty water and electrode is multiplied in the ionization process burned celebration. Decontamination or the ionosorption performance can be improved. The electrode production time fluid directly passes through the bubble of electrode and the effective electrode regeneration is induced and the electrode playtime is shortened. CONSTITUTION: The celebration deionizing apparatus(1). The positive electrode and negative electrode are included. The positive electrode and negative electrode perpendicular in the ion containment solution movement direction flowing in. The ion containment solution transmits the positive electrode and negative electrode. The positive electrode and negative electrode have the micro pore structure. The ion containment solution is transmitted through the micro pore.

Description

축전 탈 이온화 장치, 이를 이용한 축전 탈 이온화 방법 및 이를 이용한 담수화 장치, 폐수 처리 장치{Capacitive deionization device, Method for capacitively deionizing, and Desalination apparatus, Wastewater treatment apparatus using the same} Capacitive deionization device, Method for capacitively deionizing, and Desalination apparatus, Wastewater treatment apparatus using the same

본 발명은 축전 탈 이온화 장치, 이를 이용한 축전 탈 이온화 방법 및 이를 이용한 담수화 장치, 폐수 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축전 탈 이온화 공정 시 폐수 또는 염수와 전극의 상대적 접촉면적을 증가시켜 제염 또는 이온 흡착 성능을 향상시킬 수 있고, 전극 재생 시 유체가 전극의 기포를 직접 통과, 효과적인 전극 재생을 유도하여 전극 재생시간을 단축시키며, 장치의 유지 및 관리를 쉽게 제어할 수 있는 효과가 있는 축전 탈 이온화 장치, 이를 이용한 축전 탈 이온화 방법 및 이를 이용한 담수화 장치, 폐수 처리 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a capacitive deionization apparatus, a capacitive deionization method using the same, a desalination apparatus using the same, and a wastewater treatment apparatus, and more particularly, to increase the relative contact area of the wastewater or the brine and the electrode during the deionization, Capacitive desorption can improve ion adsorption performance, fluid flows directly through electrode bubbles during electrode regeneration, inducing effective electrode regeneration, shortening electrode regeneration time, and controlling device maintenance and management easily The present invention relates to an ionization apparatus, an electricity storage deionization method using the same, a desalination apparatus, and a wastewater treatment apparatus using the same.

최근 수질환경 오염과 물 부족에 대한 사회적 관심이 고조되면서 과거 대형 선박에서 사용되었던 염수담수화를 포함한 다양한 수처리기술들의 응용 및 조합시스템, 이의 고효율화 기술개발이 진행되고 있다. 이러한 수처리기술은 크게 증발증류나 역삼투막 분리와 같은 물리적 처리방법, 생물분해 또는 화학적 산화 및 침전 과 같은 생화학적 처리방법, 전기투석 또는 이온교환 등과 같은 전기화학적 처리방법으로 분류할 수 있는데, 특히 현재 상업적으로 주로 이용하고 있는 담수화 기술로 증발법과 막분리법, 그리고 이온교환 방법을 들 수 있다. Recently, as social concern about water pollution and water shortages is increasing, the application and combination system of various water treatment technologies including salt water desalination, which has been used in large ships in the past, and the development of high efficiency thereof are being developed. These water treatment technologies can be broadly classified into physical treatment methods such as evaporation distillation or reverse osmosis membrane separation, biochemical treatment methods such as biodegradation or chemical oxidation and precipitation, and electrochemical treatment methods such as electrodialysis or ion exchange. The desalination techniques commonly used include evaporation, membrane separation, and ion exchange.

상기 방법 중 전기화학적 처리 방법의 일 예인 축전 탈 이온화(CDI) 공정은 미국 캘리포니아의 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 Joseph C. Farmer에 의해 처음 개발되었으며, 이는 다공성의 탄소전극을 스택(stack) 형태로 구성함으로써 물에 포함된 불순물 또는 염을 제거할 수 있는 원리에 기초한 공정이다(Lawrence W. Hrubesh, Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998) 335; J. C. Farmer et al., Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998) 74). 상기 방법은 염수와 같이 양이온, 음이온이 포함된 용액이 두 개의 다공성 탄소전극 층의 사이를 통과할 때 정전기력을 인가함으로써 물속에 포함된 이온이 제거되며, 정전기력에 의하여 양극(positive electrode)으로 Cl-와 같은 음이온, 음극(negative electrode)으로는 Na+와 같은 양이온이 이동하여 대전이 이루어지게 되며, 물은 이온이 제거된 순수 형태로 배출되게 된다.An electrochemical deionization (CDI) process, an example of the electrochemical treatment of the above methods, was first developed by Joseph C. Farmer of Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA, which stacks porous carbon electrodes. It is a process based on the principle of removing impurities or salts in water by forming a stack (Lawrence W. Hrubesh, Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998) 335; JC Farmer et al., Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998) 74). The method removes ions contained in water by applying an electrostatic force when a solution containing cations and anions such as brine passes between two porous carbon electrode layers, and removes Cl − from the positive electrode to the positive electrode by the electrostatic force. The negative electrode, such as the negative electrode (negative electrode), such as Na + cation is transferred to the charge is made, the water is discharged in the form of pure ions removed.

현재까지 소금 성분 또는 중금속 등을 포함하는 물의 정화를 위해서 여러 가지 종류의 방법 중, 이온교환수지(Ion exchangeresin)를 이용한 방법이 많이 사용되고 있다. 그러나 이온교환수지를 사용하는 방법은 수지의 재생 시 산이나 염기성 용액을 사용해야 하고, 대용량의 물을 처리하기 위해서 많은 량의 폴리머 수지와 화학약품을 사용해야 하므로 비경제적인 단점이 있다. 따라서, 전기적 방식의 축전 탈 이온화 공정은 용액내의 이온을 효과적으로 제거하면서도 재생이 간단하고 재료가 차지하는 비중이 적기 때문에 경제적이고 효과적인 공정이라 할 수 있다.Until now, among the various types of methods for purifying water containing salts or heavy metals, many methods using ion exchangeresins have been used. However, the method of using an ion exchange resin has an economical disadvantage because an acid or basic solution should be used when regenerating the resin, and a large amount of polymer resin and chemical should be used to treat a large amount of water. Therefore, the electrical desorption deionization process is an economical and effective process because it effectively removes ions in the solution and is simple in regeneration and has a low specific gravity.

하지만, 일반적으로 축전 탈 이온화 방식은 증발법 및 막여과법(RO, ED 등)에 비해 담수화에 소모되는 에너지가 작은 장점이 있지만, 현재로서는 기술상의 한계로 인해 해수와 같이 높은 농도를 가지는 대용량의 염수의 담수화, 폐수 처리에는 적합하지 않다는 단점이 있으며, 다시 재생과정을 거쳐야하므로, 비효율적이다는 문제 또한 있다. However, in general, the deionization method of the electricity storage has a small energy consumption for desalination compared to the evaporation and membrane filtration methods (RO, ED, etc.), but due to technical limitations, a large-capacity brine having a high concentration, such as seawater, is presently used. There is a disadvantage that it is not suitable for desalination and wastewater treatment, and it is also inefficient because it needs to be regenerated again.

도 1은 대한민국 공개특허공보 2002-0076629호에 개시된 전기흡착 방식의 담수화 장치의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a desalination apparatus of the electrosorption method disclosed in Korean Laid-Open Patent Publication No. 2002-0076629.

도 1을 참조하면, 이온을 함유하는 해수와 같은 유체가 양전극 또는 음전극 사이의 채널을 통과하며, 이 과정에서 이온이 흡착되는 것을 알 수 있다. 하지만, 이 경우 대용량의 해수를 처리하기 위해서는 무한히 큰 표면적의 전극을 사용하여야 하는데, 이는 현실적으로 불가능하므로, 이러한 용량 제한이 축전 탈 이온화 장치의 큰 한계로 작용하여 왔다.Referring to FIG. 1, it can be seen that a fluid such as seawater containing ions passes through a channel between a positive electrode and a negative electrode, and ions are adsorbed in this process. However, in this case, in order to treat a large amount of seawater, an electrode of infinitely large surface area must be used, which is practically impossible, and this capacity limitation has been a big limitation of the capacitive deionization apparatus.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 종래 기술에 비하여 보다 높은 효율을 갖는 새로운 구조의 축전 탈 이온화 장치를 제공하는 데 있다. Accordingly, the first problem to be solved by the present invention is to provide a capacitive deionization device of a new structure having a higher efficiency than the prior art.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 종래 기술에 비하여 보다 높은 효율을 달성할 수 있는 새로운 방식의 축전 탈 이온화 방법을 제공하는 데 있다. In addition, a second problem to be solved by the present invention is to provide a new type of capacitive deionization method that can achieve a higher efficiency than the prior art.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 축전 탈 이온화 장치를 이용한 활용 방법을 제공하는 데 있다. In addition, a third problem to be solved by the present invention is to provide a utilization method using the capacitive deionization device.

상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양전극, 음전극 및 분리판을 포함하는 축전 탈 이온화 장치에 있어서, 상기 양전극 및 음전극은 유입되는 이온 함유 용액 이동 방향에 수직하며, 상기 이온 함유 용액은 상기 양전극 및 음전극을 투과하는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치를 제공한다. In order to solve the first problem, the present invention is a capacitive deionization device including a positive electrode, a negative electrode and a separator, the positive electrode and the negative electrode is perpendicular to the flow direction of the ion-containing solution flows, the ion-containing solution is Provided is a capacitive deionization device that transmits a positive electrode and a negative electrode.

상기 양전극 및 음전극은 미세 기공 구조를 가지며, 상기 미세 기공을 통하여 이온 함유 용액이 투과되며, 상기 양전극 및 음전극은 활성 탄소로 이루어지거나, 니켈 폼을 포함할 수 있고, 상기 활성 탄소의 비표면적은 1000 내지 1500m2/g일 수 있다. The positive electrode and the negative electrode have a fine pore structure, the ion-containing solution is permeated through the fine pores, the positive electrode and the negative electrode may be made of activated carbon, or may include a nickel foam, the specific surface area of the activated carbon is 1000 To 1500 m 2 / g.

또한, 상기 양전극 및 음전극은 상기 분리판에 의하여 분리되며, 복수 개의 양전극 및 음전극이 일정 간격으로 이격되어 반복되어, 적층된 구조일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 이온 함유 용액의 전극 투과 속도는 10 내지 100 ml/min 일 수 있다. In addition, the positive electrode and the negative electrode are separated by the separator, a plurality of positive electrodes and negative electrodes are spaced at a predetermined interval and repeated, it may be a stacked structure. In one embodiment of the present invention, the electrode permeation rate of the ion-containing solution may be 10 to 100 ml / min.

상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양전극 및 음전극을 이용한 축전 탈 이온화 방법에 있어서, 상기 축전 탈 이온화 방법은 상기 양전극 및 음전극에 이온 함유 용액을 투과시키는 방식으로 상기 이온을 상기 전극에 흡착시키는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 방법을 제공한다. In order to solve the second problem, the present invention In the capacitive deionization method using a positive electrode and a negative electrode, the capacitive deionization method provides a capacitive deionization method comprising adsorbing the ions to the electrode in such a manner that a ion-containing solution is allowed to pass through the positive electrode and the negative electrode. .

상기 이온 함유 용액의 투과는 상기 양전극 및 음전극에 형성된 미세 기공을 통하여 수행될 수 있으며, 상기 양전극 및 음전극은 활성 탄소로 이루어지거나, 니켈 폼을 포함할 수 있고, 활성 탄소의 비표면적은 1000 내지 1500m2/g일 수 있다.Permeation of the ion-containing solution may be performed through fine pores formed in the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode may be made of activated carbon or may include nickel foam, and the specific surface area of the activated carbon is 1000 to 1500 m. May be 2 / g.

상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기 축전 탈 이온화 장치를 이용한 담수화 장치 또는 폐수 처리 장치를 제공한다. In order to solve the third problem, the present invention provides a desalination apparatus or a wastewater treatment apparatus using the capacitive deionization apparatus.

본 발명에 따른 축전 탈이온화 장치는 축전 탈 이온화 공정 시 폐수 또는 염수와 전극의 상대적 접촉면적을 증가시켜 제염 또는 이온 흡착 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 재생시 유체가 전극의 기포를 직접 통과, 효과적인 전극 재생을 유도하여 전극 재생시간을 단축시키며, 장치의 유지 및 관리를 쉽게 제어할 수 있는 효과가 있다.Capacitor deionization apparatus according to the present invention can improve the decontamination or ion adsorption performance by increasing the relative contact area of the waste water or the brine and the electrode in the capacitive deionization process. In addition, when the electrode regeneration, the fluid directly passes through the bubbles of the electrode, induces effective electrode regeneration to shorten the electrode regeneration time, there is an effect that can easily control the maintenance and management of the device.

이하 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하지만, 아래의 도면 및 실시예 등을 통하여 예시되는 구체적인 구성은 본 발명을 모두 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 본 발명의 범위가 제한되거나, 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings and examples. However, the specific configuration illustrated through the drawings and embodiments, etc. below are intended to illustrate all of the present invention, the scope of the present invention is not limited or limited thereto.

종래의 축전 탈 이온화 장치는 전극 표면을 흐르는 유체와 전극간의 접촉을 통한 이온 흡착 방식이었으며, 이는 도 1을 통하여 설명한 바와 같다. 하지만, 이 경우 전체적인 흡착은 전극의 표면에만 이루어지므로, 대용량의 이온 흡착을 하기위해서는, 전극의 단면적을 무한히 증가시켜야 하는 문제가 있었다. 또한 축전 탈 이온화 장치에는 필수적인 전극 재생 단계에서 전기화학적인 방식으로만 이온을 탈착시키므로, 재생시간이 상대적으로 오래 걸리는 문제가 있었다. The conventional capacitive deionization device is an ion adsorption method through contact between a fluid flowing through an electrode surface and an electrode, as described with reference to FIG. 1. However, in this case, since the entire adsorption is performed only on the surface of the electrode, there is a problem that the cross-sectional area of the electrode must be infinitely increased in order to adsorb a large amount of ions. In addition, since the desorption ionizer desorbs ions only by an electrochemical method in an essential electrode regeneration step, there is a problem in that the regeneration time is relatively long.

본 발명자는 이러한 문제를 상기 이온-함유 유체가 투과될 수 있는 전극을 상기 축전 탈 이온화 장치에 적용함으로써 해결하였는데, 이하 도면 및 실험예를 통하여 보다 상세히 설명한다.The present inventors solved this problem by applying an electrode through which the ion-containing fluid can permeate to the capacitive deionization apparatus, which will be described in more detail with reference to the accompanying drawings and experimental examples.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전 탈 이온화 장치의 단면도이다. 2 is a cross-sectional view of a capacitive deionization apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 축전 탈 이온화 장치에 사용되는 전극 집합체 는 전극(1,2)과 분리기(3)를 포함한다. 또한, 각 전극의 상/하부 프레임에는 전압인가를 위한 돌기부가 형성되어 있으며, 상이한 극성을 갖는 전극(즉, 양전극 및 음전극)이 교대로 배치되며 각 전극의 사이에는 분리기가 구비된다. 본 발명은 특히 상기 전극 및 분리기를 해수 또는 폐수와 같은 이온 함유 용액이 투과되는 미세 기공 구조로 한다. 이로써, 종래 기술과 같이 표면에서만 이루어지는 이온 흡착은 전극 내부까지 확장하였으며, 이는 단순히 이온 흡착 면적의 증가뿐만 아니라, 내부로 흐르는 용액에 의한 이온 탈착 속도 증가라는 효과를 발생시킨다. 즉, 앞서 기술한 바와 같이 기존의 축전 탈 이온화 장치는 전극 표면과 염수의 흐름 방향이 평행한 구성으로 전극이 배치되어 있어, 이온의 제거를 하는 데 있어 확산에만 의존하였으나, 본 발명에서는 전극 표면이 염수의 흐름 방향과 수직이 되도록 함으로써 염수가 전극을 직접 통과하여 재생 효율(즉, 이온 탈착 효율)을 높이도록 하였다. Referring to FIG. 2, the electrode assembly used in the capacitive deionization apparatus of the present invention includes electrodes 1 and 2 and a separator 3. In addition, protrusions for voltage application are formed in upper and lower frames of each electrode, and electrodes having different polarities (that is, positive and negative electrodes) are alternately disposed, and separators are provided between the electrodes. In particular, the electrode and separator have a fine pore structure through which an ion-containing solution such as seawater or wastewater is permeated. Thus, as in the prior art, the ion adsorption only on the surface has been extended to the inside of the electrode, which not only increases the ion adsorption area but also causes an effect of increasing the rate of ion desorption by the solution flowing therein. That is, in the conventional capacitive deionization apparatus as described above, the electrodes are arranged in a configuration in which the flow direction of the electrode is parallel to the flow direction of the brine, and only the diffusion is used to remove ions. By being perpendicular to the flow direction of the brine, the brine passes directly through the electrode to increase the regeneration efficiency (ie, ion desorption efficiency).

본 발명의 일 실시예에서 상기 전극과 분리기는 유체가 통과할 수 있는 미세 기공을 갖는 다공성 물질로 이루어지며, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 전극 재료로 활성 탄소를, 또 다른 일 실시예에서는 상기 전극 재료로 니켈 폼을 사용한다. 특히 활성 탄소는 니켈 폼에 비하여 100배 수준의 비표면적을 가지므로 높은 탈 이온 효과를 기대할 수 있으므로, 더욱 바람직하다. 또한 활성탄소로 전극 재료를 사용하는 경우 이온 함유 용액의 전극 투과 속도는 상기 이온 함유 용액의 전극 투과 속도는 10 내지 100ml/min인 것이 바람직한데, 만약 상기 범위 미만인 경우는 충분한 이온 흡착 효과를 달성하기 어렵고, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우는 표면 또는 전극 내에 흡착된 이온이 전극으로부터 다시 떨어질 수 있다는 문제가 있다. 또한, 활성 탄소를 전극으로 사용하는 경우 미세 기공 크기는 2 내지 30nm가 바람직한데, 만약 상기 범위 미만인 경우 충분한 투과 효과를 달성하기 어렵고, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우는 충분한 비표면적을 얻을 수 없기 때문이다. 하 지만, 전극 자체의 구조에 따르 충분한 비표면적을 달성하는 경우라며, 수백 nm크기의 기공 크기를 가진 탄소물질을 사용할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.In one embodiment of the present invention, the electrode and the separator are made of a porous material having fine pores through which fluid can pass, and in one embodiment of the present invention, activated carbon is used as the electrode material, and in another embodiment, Nickel foam is used as the electrode material. In particular, since activated carbon has a specific surface area of 100 times that of nickel foam, a high deionization effect can be expected, and therefore, more preferable. In addition, when the electrode material is used as activated carbon, the electrode permeation rate of the ion-containing solution is preferably 10 to 100 ml / min. The ion permeation rate of the ion-containing solution is less than the above range. On the contrary, in the case of exceeding the above range, there is a problem that ions adsorbed in the surface or the electrode may fall back from the electrode. In addition, when using activated carbon as an electrode, the fine pore size is preferably 2 to 30 nm, because if it is less than the above range, it is difficult to achieve a sufficient transmission effect, and if it exceeds the above range, a sufficient specific surface area cannot be obtained. to be. However, according to the structure of the electrode itself to achieve a sufficient specific surface area, a carbon material having a pore size of several hundred nm size can be used, which is within the scope of the present invention.

도 3은 본 발명의 전극집합체의 전체적인 모습을 나타내는 모식도이다. Figure 3 is a schematic diagram showing the overall appearance of the electrode assembly of the present invention.

도 3을 참조하면, 유체가 전극을 관통하는 특징을 갖는 상기 전극 집합체의 모양을 유지시키기 위하여 상기 전극집합체에는 지지체(6)가 구비되며, 또한 폐수 또는 해수의 유입을 위한 유입구(7)가 구비된다. 상기 지지체 양 단부 사이에는 전극(5)과 분리기(4)가 교대로 배치되어 있다. 또한, 각 전극의 상, 하부 프레임에는 전압인가를 위한 돌출부(8)가 지지체 밖으로 형성되어 있다. 또한 상기 전극집합체의 전극은 유체 유동이 수직으로 투과할 수 있도록 활성 탄소 등과 같은 다공성 재료를 사용한다. Referring to Figure 3, in order to maintain the shape of the electrode assembly having a characteristic that the fluid penetrates the electrode, the electrode assembly is provided with a support 6, and also provided with an inlet 7 for the inflow of wastewater or seawater do. An electrode 5 and a separator 4 are alternately arranged between both ends of the support. In addition, the upper and lower frames of each electrode are provided with a protrusion 8 for applying voltage outside the support. In addition, the electrode of the electrode assembly uses a porous material such as activated carbon so that the fluid flow can be vertically transmitted.

이와 같은 구조의 전극집합체를 갖는 축전 탈 이온화 장치는 염수의 담수화 공정 또는 이온을 함유하는 폐수의 처리 장치로 활용가능하며, 이외의 다양한 용도의 이온 제거에 사용될 수 있다.Capacitive deionization apparatus having an electrode assembly of such a structure can be utilized as a desalination process of brine or a treatment apparatus for wastewater containing ions, and can be used for ion removal for various other purposes.

이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples.

실시예Example 1 One

실시예Example 1-1 1-1

전극 물질Electrode material

축전 탈 이온화 장치의 전극 물질로 Ni이 사용되었는데, 특히 이온 흡착 효율 향상 및 유체의 직접적인 통과를 위해, 상기 전극을 다공성 구조의 금속 폼(foam) 형태로 제작하여 사용하였다. 상기 전극 시트는 11.5x11.5 cm2로 제단하였으며 집전체인 니켈 폼과의 단락을 방지하기 위하여 부직포를 사용한 분리기도 동일한 크기로 제작하였다. 상기 금속(니켈) 폼은 110ppi(pore per inch)이었다. 하지만, 상기 전극 물질로 다양한 물질이 사용될 수 있으며, 특히 활성 탄소와 같은 다공성 물질이 매우 효과적으로 사용될 수 있다. Ni was used as an electrode material of a capacitive deionization device, and in particular, the electrode was manufactured and used in the form of a porous metal foam to improve ion adsorption efficiency and direct passage of a fluid. The electrode sheet was cut to 11.5 × 11.5 cm 2 and a separator using a nonwoven fabric was also manufactured in the same size to prevent short circuit with the nickel foam as the current collector. The metal (nickel) foam was 110 ppi (pore per inch). However, various materials can be used as the electrode material, and particularly porous materials such as activated carbon can be used very effectively.

실시예Example 1-2 1-2

장치 제조Device manufacturing

상술한 바와 같이 동일한 두 장의 니켈 전극 사이의 단락을 방지하고, 전극의 사이가 동일한 간격을 유지시키기 위한 분리막으로 부직포를 사용하였다. 전압을 인가해주기 위한 전극은 정사각형 형태의 전극집합체의 서로 맞은편 모서리의 중앙에 배치된 전극봉에 집전체가 직접 접촉하여 전압을 인가받는 형식으로, 각각의 집전체의 한쪽 모서리에는 돌기부가 형성되어 있어 이 부분을 전극봉에 끼워넣는 형식으로 제작하였다(도 4 참조). 또한 전극집합체 내에서의 전극, 집전체 그리고 분리기는 한 장씩 번갈아 배치되었으며(도 5 참조), 총 176장의 전극이 사용되었다. 전극집합체 내의 최종 배치가 끝난 후에는 열화 에폭시로 마감하여 유체의 누출이 발생하지 않게 하였으며, 그 결과 도 7에서 도시된 최종 축전 탈 이온화 장 치의 전극 집합체가 제조되었다. 이후, 상기 전극집합체의 양단부에는 유체가 들어오고 나갈 수 있도록 배출구가 구비되며, 상기 전극집합체 하부에는 실험 후 장치 내에 들어있는 유체를 제거하기 위한 배출구가 형성되어 있다. 하부에 위치한 배출구를 제외한 양 끝단의 배출구는 최종적으로 하나의 관으로 연결되어 있으며 이 관의 양단부는 실험을 위한 유체의 출입이 가능할 수 있도록 뚫려있으나, 각각의 위치마다 밸브가 장치되어 있어 유로의 자유로운 제어가 가능하다. 전극집합체는 지면과 수평한 방향으로 장치되어 있으며 부수적인 장치들로는 펌프와 전원장치(도 6 참조)가 사용되었다.As described above, a nonwoven fabric was used as a separator for preventing a short circuit between two identical nickel electrodes and maintaining the same spacing between the electrodes. The electrode for applying a voltage is a type in which a current collector is directly applied to an electrode rod disposed at the center of opposite corners of a square electrode assembly in which voltage is applied, and protrusions are formed at one corner of each current collector. This part was produced in such a way that the electrode was sandwiched (see FIG. 4). In addition, the electrodes, current collectors, and separators in the electrode assembly were alternately arranged one by one (see FIG. 5), and a total of 176 electrodes were used. After the final arrangement in the electrode assembly was finished with a deterioration epoxy to prevent the leakage of the fluid, as a result, the electrode assembly of the final capacitive deionization device shown in Figure 7 was prepared. Then, both ends of the electrode assembly is provided with a discharge port for entering and exiting the fluid, the lower portion of the electrode assembly is formed with an outlet for removing the fluid contained in the device after the experiment. Exhaust ports at both ends except the outlet located at the bottom are finally connected to one pipe, and both ends of the pipe are drilled to allow the fluid to pass through for the experiment, but valves are provided at each position to free the flow path. Control is possible. The electrode assembly is installed in a direction parallel to the ground, and as ancillary devices, a pump and a power supply (see FIG. 6) are used.

실험예Experimental Example 1 One

실험방법Experiment method

본 실험에서는 유체가 전극을 직접 통과하는 방식으로 실험하였다. 염수의 농도가 500uS일 때, 유속의 유무에 따른 실험을 실행하였고, 유속이 일정할 때, 118uS, 466uS 그리고 946uS에서의 실험을 하여 제염성능을 보이는지에 대한 실험을 하였다. 본 실험에서 유속은 50ml/min으로 고정하였고, 전압은 1.0V, 각 실험은 60분을 기준으로 상온에서 이루어졌다.In this experiment, the fluid was passed through the electrode directly. When the concentration of brine was 500uS, the experiment was performed according to the presence or absence of the flow rate, and when the flow rate was constant, the experiment was performed to determine the decontamination performance by experimenting at 118uS, 466uS and 946uS. In this experiment, the flow rate was fixed at 50ml / min, voltage was 1.0V, each experiment was performed at room temperature based on 60 minutes.

실험예Experimental Example 1-1 1-1

기전력Electromotive force 측정(118 Measure (118) uSuS , 466, 466 uSuS , 946, 946 uSuS ))

도 8 내지 10은 각각 염수 농도가 118uS, 466uS 그리고 946uS일 때의 기전력 을 나타내는 그래프이다.8 to 10 are graphs showing the electromotive force at the brine concentrations of 118 uS, 466 uS and 946 uS, respectively.

도 8 내지 10을 참조하면, 시간 경과에 따라 염수 이온이 전극에 흡착되어 제거되는 효과를 명확히 알 수 있다. Referring to FIGS. 8 to 10, it can be clearly seen that the effect of brine ions being adsorbed on the electrode and removed over time.

실험예Experimental Example 1-2 1-2

농도 측정(118Concentration Measurement (118 uSuS , 466, 466 uSuS , 946, 946 uSuS ))

도 11 내지 13은 각각 본 발명에 따른 축전 탈 이온화 장치를 거친 후의 염수 농도를 측정한 그래프이다. 11 to 13 are graphs respectively measuring the brine concentration after the power storage deionization apparatus according to the present invention.

도 11 내지 13을 참조하면, 상기 실험예 1-1과 유사하게, 염수 농도가 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 상기 결과는 특히 투과형의 전극을 사용하는 경우, 충분한 이온 제거효과가 달성할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 본 발명에 따른 축전 탈 이온화 장치는 담수화 장치 및 폐수 처리 장치에 효과적으로 이용할 수 있다는 것을 나타낸다. 11 to 13, similar to Experimental Example 1-1, it can be seen that the brine concentration is significantly reduced. The above results mean that sufficient ion removal effect can be achieved, especially when using a transmissive electrode, which indicates that the capacitive deionization device according to the present invention can be effectively used for desalination devices and wastewater treatment devices.

도 1은 대한민국 공개특허공보 2002-0076629호에 개시된 전기흡착 방식의 담수화 장치의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a desalination apparatus of the electrosorption method disclosed in Korean Laid-Open Patent Publication No. 2002-0076629.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전 탈 이온화 장치의 단면도이다. 2 is a cross-sectional view of a capacitive deionization apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 전극집합체의 전체적인 모습을 나타내는 모식도이다. Figure 3 is a schematic diagram showing the overall appearance of the electrode assembly of the present invention.

도 4 내지 7은 본 발명에 따른 전극집합체 제조 공정을 나타내는 사진이다.4 to 7 are photographs showing the electrode assembly manufacturing process according to the present invention.

도 8 내지 10은 각각 염수 농도가 118uS, 466uS 그리고 946uS일 때의 기전력을 나타내는 그래프이다.8 to 10 are graphs showing electromotive force when the brine concentration is 118 uS, 466 uS and 946 uS, respectively.

도 11 내지 13은 각각 본 발명에 따른 축전 탈 이온화 장치를 거친 후의 염수 농도를 측정한 그래프이다. 11 to 13 are graphs respectively measuring the brine concentration after the power storage deionization apparatus according to the present invention.

Claims (14)

양전극 및 음전극을 포함하는 축전 탈 이온화 장치에 있어서, In the capacitive deionization apparatus including a positive electrode and a negative electrode, 상기 양전극 및 음전극은 유입되는 이온 함유 용액 이동 방향에 수직하며, 상기 이온 함유 용액은 상기 양전극 및 음전극을 투과하는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.The positive electrode and the negative electrode are perpendicular to the flow direction of the ion-containing solution flows in, the ion-containing solution is characterized in that the positive electrode and the negative electrode permeate desorption device. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 양전극 및 음전극은 미세 기공 구조를 가지며, 상기 미세 기공을 통하여 이온 함유 용액이 투과되는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치. The positive electrode and the negative electrode have a fine pore structure, the capacitive deionization device, characterized in that the ion-containing solution is transmitted through the fine pores. 제 2항에 있어서, 3. The method of claim 2, 상기 양전극 및 음전극은 활성 탄소로 이루어진 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.The positive electrode and the negative electrode capacitive deionization device, characterized in that made of activated carbon. 제 2항에 있어서, 3. The method of claim 2, 상기 양전극 및 음전극은 니켈 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.The positive electrode and the negative electrode capacitive deionization device, characterized in that the nickel foam. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 활성 탄소의 비표면적은 1000 내지 1500m2/g인 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.The specific surface area of the activated carbon is 1000 to 1500m 2 / g, the degeneration of the power storage device, characterized in that. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 양전극 및 음전극은 분리판에 의하여 분리되며, 복수 개의 양전극 및 음전극이 일정 간격으로 이격되어 반복되어, 적층된 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.The positive electrode and the negative electrode are separated by a separating plate, the plurality of positive electrode and the negative electrode are repeated, spaced apart at a predetermined interval, the capacitive deionization device, characterized in that stacked. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 이온 함유 용액의 전극 투과 속도는 10 내지 100ml/min인 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 장치.The electrode permeation rate of the ion-containing solution is 10 to 100ml / min Capacitive deionization device, characterized in that. 양전극 및 음전극을 이용한 축전 탈 이온화 방법에 있어서, In the capacitive deionization method using a positive electrode and a negative electrode, 상기 축전 탈 이온화 방법은 상기 양전극 및 음전극에 이온 함유 용액을 투과시키는 방식으로 상기 이온을 상기 전극에 흡착시키는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 방법.The capacitive deionization method is characterized in that the capacitive deionization method adsorbs the ions to the electrode in such a manner as to transmit an ion-containing solution through the positive electrode and the negative electrode. 제 8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 이온 함유 용액의 투과는 상기 양전극 및 음전극에 형성된 미세 기공을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 방법.Permeation of the ion-containing solution is a capacitive deionization method characterized in that the through the fine pores formed in the positive electrode and the negative electrode. 제 8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 양전극 및 음전극은 활성 탄소로 이루어진 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 방법.The positive electrode and the negative electrode are capacitive deionization method, characterized in that made of activated carbon. 제 8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 양전극 및 음전극은 니켈 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 방법.The positive electrode and the negative electrode capacitive deionization method characterized in that it comprises a nickel foam. 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 활성 탄소의 비표면적은 1000 내지 1500m2/g인 것을 특징으로 하는 축전 탈 이온화 방법.The specific surface area of the activated carbon is 1000 to 1500m 2 / g Capacitive deionization method characterized in that. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 축전 탈 이온화 장치를 이용한 담수화 장치.Desalination apparatus using the electrical storage deionization apparatus of any one of Claims 1-7. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 축전 탈 이온화 장치를 이용한 폐수 처리 장치.The wastewater treatment apparatus using the electrical storage deionization apparatus in any one of Claims 1-7.
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