KR20130068950A - 전기흡착 탈염 장치의 이온교환막 일체형 전극 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 염수 중의 이온을 제거하기 위한 전기흡착 탈염 장치의 이온교환막 일체형 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이온교환수지를 분쇄하여 분말로 형성하는 단계, 상기 이온교환수지의 분말을 용매에 녹여 슬러리를 형성하는 단계 및 상기 슬러리를 전기방사법에 의해 전극 표면에 방사하여 상기 전극을 코팅하는 단계를 포함하는 이온교환막 일체형 전극 제조방법을 제공한다.

Description

전기흡착 탈염 장치의 이온교환막 일체형 전극 제조방법{Method for Preparing Electrode Membrane Capacitive Deionization System By Ion Exchange Resin Electro Spinning}

본 발명은 염수 중의 이온을 제거하기 위한 전기흡착 탈염 장치의 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.

전기 흡착식 이온 제거(CDI, Capacitive Deionization) 기술은 전위가 인가된 전극 계면에 수용액 중의 이온들이 정전기적인 힘에 의해 흡착하는 원리를 이용하는 것이다. 구체적으로, 전극에 전위를 인가하면 인가된 전위와 반대의 전하를 갖는 이온들이 전극표면으로 이동하여 흡착됨으로써 이온이 제거되며, 전극의 흡착 용량이 한계에 도달하면 하전된 전극을 방전시켜 이온들을 탈착시켜 전극을 재생하게 된다.

이처럼 전기흡착 공정은 전극의 전위만을 변화시켜 이온들을 흡착 및 탈착시킬 수 있기 때문에 운전이 매우 간편하고, 또한 인가되는 전위가 전기분해가 일어나지 않는 낮은 전압에서 운전되기 때문에 에너지 소모량이 기존의 탈염 공정에 비해 현저히 줄일 수 있는 특징이 있다.

전기흡착 공정에서 전극에 많은 이온들을 흡착시키기 위해서는 전극의 전기 용량을 높이는 것이 중요하다. 그러나 일정한 전기 용량을 갖는 전극이라 하더라도, 전극 계면에서의 흡착 및 탈착 메커니즘에 따라 염 제거율은 큰 차이를 나타낼 수 있다.

예를 들어, 만일 탈착 과정에서 전극에 흡착된 이온들이 모두 벌크(Bulk) 용액으로 이동하지 못하게 되면 전극 계면에 염이 잔류하게 된다. 이 경우 다시 전위가 인가되면 전극 계면에 잔류하는 이온들이 전극 표면에 다시 흡착되어 염 제거율을 감소시키는 결과를 초래하게 된다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 전극과 이온교환막을 결합한 이온교환막 일체형 전기흡착(MCDI, Membrane Capacitive Deionization) 공정이 소개되었다. 이러한 MCDI 공정은 염수가 통과할 수 있는 스페이서(Spacer)를 중심으로 음극 앞에 양이온 교환막, 양극 앞에 음이온 교환 막을 결합하여 구성된다.

이와 같은 이온교환막은 이온들이 전극에 선택적으로 흡착되도록 하는 역할을 하는데, 특히 탈착 공정에서 탈착 효율과 탈착 속도를 높이기 위해 역전하를 인가할 때 이온들이 반대 전극에 재흡착되는 것을 막아준다.

J.B.Lee, K.K Park, H.M.Eum, and C.W.Lee, Desalination, 196, 125 (2006)에는 MCDI 공정을 발전소에서 발생하는 폐수의 탈염에 적용한 결과 기존의 CDI보다 염 제거율이 19% 정도 향상된 결과를 얻었다고 보고하고 있다.

그러나, 현재 시판되고 있는 이온교환막은 고가의 재료이기 때문에, 이온교환막을 사용할 경우, MCDI 공정의 구성 비용이 증가하고, 또한 이러한 이온교환막은 MCDI 공정에서 특별한 기능을 하지 않는 지지체 등을 포함하고 있어, 이러한 이온교환막을 적용하는 경우, 두께가 커 하나의 단위 셀(unit cell) 내에 장착할 수 있는 전극의 수량이 줄어드는 단점이 있다.

본 발명은 전극과 이온교환막이 일체형으로 결합되어 있는 일체형 전극을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 이온교환막 일체형 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 본 발명의 일 구현예에 따르면 이온교환수지를 분쇄하여 분말로 형성하는 단계, 상기 이온교환수지의 분말을 용매에 녹여 슬러리를 형성하는 단계, 상기 슬러리를 전기방사법에 의해 전극 표면에 방사하여 상기 전극을 코팅하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 분말은 입자사이즈 100 내지 150㎛일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 이온교환수지는 스티렌계 이온교환수지일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 용매는 디메틸포름아미드, 아세트산, 톨루엔 및 포름산으로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, MCDI 전기흡착 공정에서 사용되는 이온교환막을 전극과 일체형으로 결합함으로써 전기흡착 셀을 효과적으로 신속하게 조립할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 저렴한 이온교환막을 사용하고, 일체형 구조를 가짐으로써 장치 구조를 단순화할 수 있어 장치 제작 비용을 절약할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 전극과 이온교환막이 일체형 구조를 가짐으로써 단위 셀 내에 보다 많은 전극을 삽입할 수 있어, 탈염 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이온교환막 일체형 전극을 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 공정에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 MCDI 장치의 구성도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 이온교환막 일체형 전극을 이용하여 탈염 공정을 행한 경우에 있어서, 시간의 경과에 따른 탈염수의 전기전도도 변화를 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 시판되는 이온교환막을 전극과 결합하여 형성된 종래의 MCDI 장치를 이용하여 탈염 공정을 행한 경우에 있어서, 시간의 경과에 따른 탈염수의 전기전도도 변화를 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 이온교환막 일체형 전극 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일체형 전극은 이온교환수지를 전극의 표면에 코팅함으로써 제조할 수 있다. 이를 위해 이온교환수지를 분쇄하여 분말을 제조한다. 이때 본 발명에서 사용될 수 있는 이온교환수지로는 가격이 저렴한 스티렌계 이온교환수지를 사용할 수 있고, 이외에 통상적으로 사용되는 것이라면 적용할 수 있으며, 예를 들어, Rohm and Haas사 제의 IR-120, 삼양사 제의 SCR-B, Purolite 사제의 C-100 등의 양이온교환수지 또는 Rohm and Haas사 제의 IRA 420), 삼양사제 SAR-10), Purolite 사제의 A-600) 등의 음이온 교환수지를 적합하게 사용할 수 있다.

상기와 같은 이온교환수지는 예를 들어, 볼밀과 같은 통상적인 분쇄 수단을 사용함으로써 분쇄하여 분말을 얻을 수 있다. 이때, 이온교환수지 분말은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 100~150㎛의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 분말의 입경이 미세할수록 용매에 대한 용해가 용이하여 본 발명에서 적용될 수 있으나, 직경이 100㎛ 미만인 분말을 제조하기 위한 공정 비용 증대 또는 미세화를 위한 작업 시간의 증대를 초래할 수 있으며, 150㎛를 초과하는 경우에는 용매에 대하여 용해시키는 것이 용이하지 않은 문제가 있는바, 상기 범위의 입자 사이즈로 분쇄하는 것이 바람직하다.

상기 분쇄에 의해 일정한 직경을 갖는 분말을 만든 후, 상기 이온교환수지 분말을 용매에 녹여 슬러리로 제조한다. 상기 슬러리를 제조하는데 사용될 수 있는 용매로는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 디메틸포름아미드, 아세트산, 톨루엔, 포름산 등의 유기용매를 사용할 수 있다.

상기 얻어진 슬러리를 전기흡착용 전극 표면에 코팅함으로써 전극과 이온교환막이 일체로 형성된 전극을 제조할 수 있다. 상기 코팅법은 전기방사법을 적용하는 것이 바람직하다. 상기 제조된 슬러리에 고전압 전기장을 인가하면 원료 물질 내부에서 전기적 반발력에 의해 수지 분자들이 서로 뭉치게 되며, 이를 노즐을 통해 이온교환수지의 나노 파이버를 방사할 수 있다.

전기 방사에 의해 코팅하기 위해 인가되는 전압은 특별히 한정하지 않으나, 슬러리의 특성 및 나노 파이버의 굵기 등을 고려하여 적절하게 조절할 수 있는 것으로서, 예를 들어, 5~30kV의 전압을 인가하여 전기방사를 수행할 수 있다.

이와 같은 방법에 의해 이온 교환수지의 나노 파이버를 전극표면에 대하여 방사함으로써 이온교환수지 막을 제조하기 위한 별도의 직조과정을 거칠 필요가 없이, 전극 표면에 얇은 막을 형성할 수 있어, 이온교환수지를 전극에 일체화시킬 수 있다.

상기 제조된 슬러리에 도 1과 같이 고전압 전기장을 걸면 원료물질 내부에서 전기적 반발력이 생겨 분자들이 서로 뭉쳐 나노 사이즈의 실 형태로 갈라지며, 나노 파이버는 별도의 직조과정 없이 전극 표면에 얇은 막(멤브레인) 형태로 코팅된다.

이때, 전극 표면에 형성되는 이온교환수지가 양이온교환수지인 경우 양이온교환막 일체형 전극을 얻을 수 있고, 음이온교환수지인 경우 음이온교환 막 일체형 전극을 얻을 수 있다.

이때, 상기 전극 표면에 형성되는 이온교환수지 막의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 전기적 저항 특성과 경제성 등을 고려하여 선택될 수 있는 것으로서, 예를 들어, 0.1~0.5㎜의 두께 범위를 갖는 것이 바람직하다.

이와 같은 전극과 이온교환막이 결합된 일체형 전극을 사용하여 전기흡착장치를 제조하는 경우, 별도의 이온교환막을 사용할 때보다 약 10~20% 정도의 원료를 사용함으로써 제조 원가를 대폭 낮출 수 있어 제조비용의 절감을 도모할 수 있다.

그리고 또한, 본 발명에 따른 이온교환막 일체형 전극을 사용하는 경우에는 이온교환막을 전극과 결합하여 사용시 이온교환막의 지지체 등과 같은 불필요한 층을 제거할 수 있어, 전극의 두께를 1/2~1/3 정도 감소시킬 수 있다. 이로 인해, 단위 셀 내에 보다 많은 전극을 삽입할 수 있고, 나아가 탈염 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 장치 구조가 단순화될 수 있어 셀 제작 비용을 절감시킬 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 이온교환막 일체형 전극을 이용한 전기흡착 탈염 장치 및 이를 구비한 탈염 시스템이 이해될 것이다. 이하의 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다.

실시예

Rohm and Haas 사에서 제조되어 IR-120의 제품명으로 판매되는 스티렌계 양이온 교환수지와 IRA 420의 제품명으로 판매되는 스티렌계 음이온교환수지를 각각 볼밀을 사용하여 분쇄함으로써 평균 입경이 120㎛인 일정한 크기의 분말을 얻었다.

상기 얻어진 수지 분말을 디메틸포름아미드 용매와 1:1의 질량비로 혼합하여 교반하면서 슬러리를 제조하였다.

CDI용 활성탄 전극을 이송시키면서 상기 제조된 슬러리를 방사 노즐을 통해 방사하여 상기 전극 표면에 코팅하였다. 이때, 상기 전극과 슬러리에 15kV의 고전압을 인가하여 코팅을 수행하였다.

이에 의해 이온교환수지 막이 코팅되어 일체화된 활성탄 전극을 제조하였다.

상기 제조된 이온교환막 일체형 전극을 일정한 크기로 잘라 MCDI 셀에 장착하여 운전하여 탈염 공정을 수행하였다.

MCDI 장치에 +1.4V의 전압을 인가하면서 공급펌프를 가동하여 100mL/min의 유량으로 염수를 공급하여 탈염을 시작하고, 처리수는 처리수조로 배출하였다.

탈염 운전 시작 후 약 약 180초 경과 후에 전극의 한계 흡착 용량에 도달하였다. 이에 펌프를 정지시키고 전압을 O.0V로 변화시켜 전극에 흡착된 이온들을 탈착하였다.

이어 역전압(-1.4V)을 인가하면서 공급펌프를 가동하여 전극에서 탈착되어 벌크 용액으로 확산된 이온들을 농축수와 함께 시스템 밖으로 배출하였다.

이와 같은 싸이클을 반복하면서 염수의 탈염 공정을 수행하였다. 구체적인 탈염 공정의 운전 조건은 표 1에 나타낸 바와 같이 수행하였다.

	흡착	정지	탈착	퇴수	흡착	정지	탈착	퇴수
시간(SEC)	180	60	50	10	180	60	50	10
공급펌프	ON	OFF	ON	ON	ON	OFF	ON	ON
전압(V)	+1.4	0	-1.4	0	+1.4	0	-1.4	0

상기 탈염 공정에 의해 수행된 탈염 결과를 측정하여 도 3에 나타내었다.

비교를 위해 Asahi Kasei사에서 제조되어 판매되는 스티렌계 수지로 된 제품명 NEOSEPTA CMX 양이온교환 막과 NEOSEPTA AMX 음이온교환 막을 장착한 전극을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법에 의해 탈염 공정을 수행하였다. 이에 의한 탈염효율 측정 결과를 도 4에 나타내었다.

도 3 및 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 시간의 경과에 따른 흡착효율에 있어서는 거의 변화가 없이 기존의 전극을 사용한 경우에 얻어지는 탈염 효율과 동등한 수준의 탈염 효율을 나타내었다.

이와 같은 결과로부터, 본 발명에서 제공되는 방법에 의해 이온교환수지를 전극 표면에 코팅하여 얻어진 이온교환막 일체형 전극을 사용함으로써 기존에 시판되는 이온교환막을 전극과 결합하여 구성된 전극을 사용한 경우와 동등한 탈염 효율을 얻을 수 있으면서, 저렴한 비용으로 제조할 수 있고, 간편하게 장치를 제작할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 기술적인 특징에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명이 구현될 수 있음에 대한 가장 적합한 예시로서, 상기 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아님을 밝혀둔다. 따라서, 본 발명은 상기 설명한 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 예 역시 본 발명의 기술 범위 내에 속하는 것이다.

1: 커버 2: 집전체
3: 전극 4: 음이온 수지교환 막
5: 스페이스 6: 양이온 수지교환 막

Claims (4)

1. 이온교환수지를 분쇄하여 분말로 형성하는 단계;
   상기 이온교환수지의 분말을 용매에 녹여 슬러리를 형성하는 단계; 및
   상기 슬러리를 전기방사법에 의해 전극 표면에 방사하여 상기 전극을 코팅하는 단계
   를 포함하는 이온교환막 일체형 전극 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 분말은 입자사이즈가 100 내지 150㎛인 이온교환막 일체형 전극 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 이온교환수지는 스티렌계 이온교환수지인 이온교환막 일체형 전극 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 용매는 디메틸포름아미드, 아세트산, 톨루엔 및 포름산으로부터 선택되는 이온교환막 일체형 전극 제조방법.

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