KR20130121581A - 탈이온 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탈이온 장치에 관한 것으로, 서로 대향되는 위치에 일정간격으로 이격되어 구비되고 이온 제거를 위한 용수의 유입구 및 배출구가 형성된 한 쌍의 지지체; 상기 지지체 사이에 구비되며 교대로 반복 적층되는 복수 개의 제1단위셀; 및 제2단위셀;을 포함하되, 상기 제1단위셀:은 양전극; 상기 양전극의 양면에 구비되는 음이온교환수지; 상기 음이온교환수지를 고정하기 위한 한 쌍의 이온수지 고정수단; 및 상기 이온수지 고정수단의 각 일 측에 구비되며 상기 용수의 이동을 위한 한 쌍으로 유로;로 이루어지고, 상기 제2단위셀:은 음전극; 상기 음전극의 양면에 구비되는 양이온교환수지; 상기 양이온교환수지를 고정하기 위한 한쌍의 이온수지 고정수단; 및 상기 이온수지 고정수단의 각 일 측에 구비되며 상기 용수의 이동을 위한 한 쌍으로 유로;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

탈이온 장치{Deionization device}

본 발명은 탈이온 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 탈이온 장치 내에서 이온제거 효율을 향상시키기 위해 지지체의 하부에서 상부로 용수가 흐를 수 있도록 유입구, 배출구 및 용수 전환유로를 구비하고, 일체화된 전극과 이온교환수지를 이용함으로써 이온 제거 효율을 향상시킬 수 있는 탈이온 장치에 관한 것이다.

현재까지 소금 성분 또는 중금속 등을 포함하는 물의 정화를 위해서 여러가지 종류의 방법 중, 이온교환수지(Ion exchangeresin)를 이용한 방법이 많이 사용되고 있다. 그러나, 이온교환수지를 사용하는 방법은 수지의 재생시 산이나 염기성 용액을 사용해야 하고, 대용량의 물을 처리하기 위해서 다량의 폴리머수지와 화학약품을 사용해야하므로 비경제적인 단점이 있다.

최근에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 Capacitive Deionization(이하 CDI라 한다)장치에 대한 연구가 이루어지고 있다.

전기용량방식 탈이온(Capacitive deionization, CDI) 기술은 스택(stack) 형태로 구성된 두 전극 사이에 전압을 가하여 양극에는 음이온이 음극에는 양이온이 전기적으로 흡착하여 물과 같은 유체 속에 용존하는 이온을 제거하는 간단한 원리에 기초한다.

또한, 전극에 이온의 흡착이 포화되면 전극의 극성을 반대로 바꾸어 주거나 전원공급을 끊어주는 방법을 통해 전극의 재생을 간편하게 할 수 있다. 전극재생을 위해 이온교환수지법이나 역삼투압법과 같이 산이나 염기 등의 세척용액을 사용하지 않으므로 이차적으로 발생하는 화학적 폐기물이 전혀 없다.

또한 전극의 부식이나 오염이 거의 없어 수명이 반영구적이고 다른 처리방법에 비해 에너지 효율이 높아 에너지를 10 - 20배 절감할 수 있는 것이 큰 장점이다.

이와 같은 CDI장치의 일 예가 미국특허공보 US6309532에 개시되었다.

상기 공보에 개시된 CDI장치는 상,하단에 마련된 end plate, 중간층을 구성하는 다수의 전극(electrode), 집전체(current collector), 절연체(insulating material)등으로 구성된다.

이때, 집전체는 티타늄 시트, 혹은 탄소포일과 같은 전기전도성이 좋은 재료를 사용하며, 특정 부위에 유로형성을 위한 채널을 만들고 양면에 전극을 붙여 하나의 전극체로 구성된다. 단, 최상단과 최 하단은 한쪽 면에만 전극이 부착된다.

상기 공보에 개시된 CDI장치는 전극, 집전체, 절연체, 실링 등을 교대로 적층하여 체결함으로써 CDI 스택을 구성하는데, 이와 같은 CDI스택에서 전극에 (+)극과 (-)극을 교대로 인가하고 상부 혹은 하부의 유입구로 물을 흘리면, 집전체에 형성되어 있는 채널을 통해 물이 지그재그 형태로 이동하며, 물속에 포함된 이온 성분들이 전극에 흡착된다.

일정 수준 흡착 후, 기존 (+)극에는 (-)극을, (-)극에는 (+)극을 인가하면 전극에 흡착된 이온 성분이 제거되어 전극의 재생이 간단하게 이루어진다.

그러나 상기 공보에 개시된 CDI장치는 전극 제작시 탄소재료와 집전체를 전도성 에폭시 등을 이용하여 접착시킴으로써 전도성 에폭시에 의해 전극의 기공이 일부 막힐 수 있으며, 접촉저항으로 인해 전기전도도가 나빠질 수 있다.

또한, 각층 마다 고무나 테프론 재질의 가스킷을 이용하여 실링함으로써 다수의 셀을 적층 한 후 체결시 상부, 중간부, 하부의 셀 별로 균일한 힘으로 체결되지 못한다. 이로 인하여 셀 간의 이격 거리가 다르게 되어 셀 별로 균일한 전압이 걸리지 못하고, 그 결과 이온제거 효율이 떨어지는 셀이 발생하게 되었다.

또한, 집전체로는 티타늄 또는 기능적으로 동일한 금속을 사용하는데, 이를 사용하는 경우 제조비용이 증가하게 되고, 제조비용을 절감하기 위해 다른 금속류를 사용하는 경우 금속이 부식될 가능성이 있다. 또한, 가격이 저렴한 탄소포일을 이용하는 경우, 상기 공보에 개시된 구조에서는 집전체의 테두리 측이 외부로 노출되기 때문에 집전체가 파손될 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 탈이온장치는 스택 안으로 유입된 용수가 멤브레인들 사이에서 희석실과 농축실로 나누어지거나 나선형의 바깥부분인 Cathode(또는 anode)와 나선형의 중심부분인 Anode(또는 Cathode)가 멤브레인과 만나기 전에 환원 전극수 및 산화 전극수가 흐르는 유로가 추가적으로 구성되므로 구조가 복잡하여 모듈의 제작 어려움이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로,

먼저, 전극의 양면에 이온교환수지를 충진함으로써 접촉저항 감소 및 전류효율이 향상된 탈이온 장치의 제공을 일 목적으로 한다.

또한, 이온제거를 위한 용수가 단위셀의 하부에서 상부로 채워지면서 이동함으로써, 전극과의 접촉 면적 증가로 인한 이온 제거 효율을 향상시킬 수 있고, 탈이온 장치에 다공성 전극을 이용함으로써 기존의 Plate 전극보다 비표면적의 향상을 통하여 이온의 제거량을 증가시킬 수 있는 탈이온 장치의 제공을 다른 목적으로 한다.

아울러 종래와 같이 희석실과 농축실을 별도로 구분하지 않고, 일체화된 전극과 이온교환수지를 이용함으로써, 제조비용 및 장치의 유지·보수 비용을 절감할 수 있는 탈이온 장치의 제공을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상술한 목적들을 달성하기 위해, 서로 대향되는 위치에 일정간격으로 이격되어 구비되고 이온 제거를 위한 용수의 유입구 및 배출구가 형성된 한 쌍의 지지체; 상기 지지체 사이에 구비되며 교대로 반복 적층되는 복수 개의 제1단위셀; 및 제2단위셀;을 포함하되, 상기 제1단위셀:은 양전극; 상기 양전극의 양면에 구비되는 음이온교환수지; 상기 음이온교환수지를 고정하기 위한 한 쌍의 이온수지 고정수단; 및 상기 이온수지 고정수단의 각 일 측에 구비되며 상기 용수의 이동을 위한 한 쌍으로 유로;로 이루어지고, 상기 제2단위셀:은 음전극; 상기 음전극의 양면에 구비되는 양이온교환수지; 상기 양이온교환수지를 고정하기 위한 한쌍의 이온수지 고정수단; 및 상기 이온수지 고정수단의 각 일 측에 구비되며 상기 용수의 이동을 위한 한 쌍으로 유로;로 이루어진다.

바람직하게는 상기 지지체의 상·하단에는 상기 제1단위셀 및 제2단위셀을 상기 지지체 사이에 고정하고, 상기 용수의 외부 누출을 방지하기 위한 결합부재가 더 구비된다.

바람직하게는 상기 제1단위셀 및 제2단위셀 사이에는 상기 용수가 인접하는 단위셀의 하부로 유입되도록 하기 위한 용수 전환유로가 더 구비된다.

바람직하게는 상기 이온수지 고정수단은 한겹 또는 다겹으로 형성된 직조섬유, 다공성 수지 및 메탈메쉬로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 양전극 및 상기 음전극은 외부 전압인가를 위한 접지돌기가 형성된 다공성 전극으로 metal mesh, metal fiber, carbon fiber 및 금속분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

먼저, 전극의 양면에 이온교환수지를 충진함으로써 접촉저항 감소 및 전류효율이 향상시킬 수 있다.

또한, 이온제거를 위한 용수가 단위셀의 하부에서 상부로 채워지면서 이동함으로써, 전극과의 접촉 면적 증가로 인한 이온 제거 효율을 향상시킬 수 있고, 탈이온 장치에 다공성 전극을 이용함으로써 기존의 Plate 전극보다 비표면적의 향상을 통하여 이온의 제거량을 증가시킬 수 있다.

아울러 종래와 같이 희석실과 농축실을 별도로 구분하지 않고, 일체화된 전극과 이온교환수지를 이용함으로써, 제조비용 및 장치의 유지·보수 비용을 절감할 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 탈이온 장치의 측 단면도다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 탈이온 장치의 측 단면도다.

상기 도 1을 참조하여 상세히 설명하면, 상기 탈이온 장치는(100) 서로 대향되는 위치에 일정간격으로 이격되어 구비되고 이온 제거를 위한 용수의 유입구(111) 및 배출구(112)가 형성된 한 쌍의 지지체(110)를 포함한다.

이때, 상기 지지체(110)는 후술할 결합부재(140)와 함께 복수 개로 적층 된 단위셀들(120)(130)을 고정 및 지지하는 역할을 수행한다.

한편, 상기 지지체(110)는 금속, 플라스틱, 고무 등을 포함하는 다양한 재료를 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 절연을 위해 플라스틱 재질을 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 한 쌍의 지지체(110) 중 어느 하나에는 이온제거를 위한 용수의 유입을 위한 유입구(111)가 형성되며 다른 하나에는 이온제거된 용수의 배출을 위한 배출구(112)가 구비된다.

이때, 상기 유입구(111)는 어느 하나의 지지체(110)의 하부에 구비되며, 상기 배출구(112)는 다른 하나의 지지체(110) 상부에 구비되는데, 이처럼 용수 유입구(111)를 지지체(110)의 하부에 배출구(112)를 상부에 구비하는 이유는 다음과 같다.

먼저, 유입되는 용수가 지지체(110)의 하부를 통해 유입됨으로써, 후술할 단위셀(120)(130)의 하부에서부터 용수가 채워지게 되며, 단위셀(120)(130)을 가득 채운 용수는 단위셀들(120)(130)과 접촉을 통해 이온이 제거된 후, 지지체(110)의 상부에 구비되는 상기 배출구(112)를 통해 배출된다.

이를 통해 이온제거를 위한 용수는 상기 단위셀들(120)(130)과의 충분한 접촉 시간 및 접촉 면적을 공유할 수 있어 용수의 이온제거 효율을 극대화할 수 있다.

한편, 상술한 상기 단위셀들(120)(130)은 상기 지지체(110) 사이에 구비되며 교대로 반복 적층되는 복 수개의 제1단위셀(120) 및 제2단위셀(130)로 이루어진다.

이때, 상기 제1단위셀(120)은 도 1에 도시된 바와 같이, 양전극(121), 음이온교환수지(122), 이온수지 고정수단(123) 및 용수의 이동을 위한 유로(124)로 이루어진다.

상기 양전극(121)은 다양한 소재의 전극재료로 이루어질 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 metal mesh, metal fiber, carbon fiber 및 금속분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어지며 상기 용수와의 접촉 면적을 최대화하기 위해 다공성 전극으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 음이온교환수지(122)는 상기 양전극(121)의 양면에 구비되는 것으로, 400~800㎛의 구슬 모양으로 이루어져 있으며 다양한 소재의 음이온교환수지(122)를 이용할 수 있다.

한편, 상기 음이온교환수지(122)는 상술한 바와 같이 구슬 모양으로 이루어진 관계로 상기 양전극(121)의 양면에 구비시 설치의 어려움 있다.

따라서 본 발명의 일실시 예에 따른 탈이온 장치(100)는 상술한 문제를 해결하기 위해 상기 음이온교환수지(122)를 양전극(121)에 고정하기 위한 한 쌍의 이온수지 고정수단(123)을 포함한다.

상기 이온수지 고정수단(123)은 다양한 소재를 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 한겹 또는 다겹으로 형성된 직조섬유, 다공성 수지 및 메탈메쉬로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용하였다.

이처럼 상술한 이온수지 고정수단(123)을 이용함으로써, 상기 음이온교환수지(122)를 상기 양전극(121)에 안정적으로 고정할 수 있다.

한편, 상술한 한 쌍의 상기 이온수지 고정수단(122)의 각 일 측에는 상기 지지체(110)의 유입구(111)를 통해 유입된 용수의 흐름을 안내하기 위한 한 쌍의 유로(124)가 구비된다.

이때, 상기 유로(124) 중 하나는 상기 지지체(110)의 유입구(111)와 연결 즉, 용수의 이동통로가 유로(124)의 하부에 형성되어 있으며, 다른 하나의 유로(124)는 상기 용수의 이동통로가 유로(124)의 상부에 형성되어 있다.

이처럼 한 쌍으로 이루어진 유로(124)의 용수 이동통로를 하부 및 상부에 구비하는 이유는 앞서 설명한 지지체(110)의 유입구(111) 및 배출구(112)의 구조와 동일한 원리로, 상기 제1단위셀(120)로 유입되는 용수를 유로(124) 하부에 형성된 이동통로 유입시키고 양전극(121), 음이온교환수지(122) 및 이온수지 고정수단(123)을 모두 용수로 채운 다음 유로(124) 상부에 형성된 이동통로를 통해 용수를 다음 단위셀(130)로 이동시키기 위함이다.

이와 같은 구성을 통해 유입된 용수는 상기 제1단위셀(120)과의 충분한 접촉시간 및 접촉 면적을 공유함으로써 효율적인 이온제거 보다 구체적으로 용수에 포함된 음이온을 제거할 수 있다.

한편, 상기 제1단위셀(120)과 접촉 적층되는 제2단위셀(130)은 음전극(131), 상기 음전극(131)의 양면에 구비되는 양이온교환수지(132), 상기 양이온교환수지(132)를 고정하기 위한 한 쌍의 이온수지 고정수단(133) 및 상기 이온수지 고정수단(133)의 각 일 측에 구비되며 상기 용수의 이동을 위한 한 쌍의 유로(134)를 포함한다.

이때, 상기 제2단위셀(130)은 제1단위셀(120)과는 달리 음전극(131), 음전극(131)의 양면에 구비되는 양이온교환수지(132)로 이루어져 용수의 양이온을 제거한다는 점에서 차이가 있으며 나머지 구성은 상술한 제1단위셀(120)과 동일하다 할 것이므로 이하에서는 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1단위셀(120) 및 제2단위셀(130) 사이에는 인접하는 단위셀의 하부로 용수가 유입되도록 하기 위한 전환유로(150)가 더 구비된다.

이에 대해 상세히 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이 지지체(110)의 유입구(111)로 유입된 용수는 상기 제1단위셀(120)의 유로(124)를 거쳐 다음 단위셀인 상기 제2단위셀(130)로 이동하는데, 상기 제1단위셀(120)의 유입 유로(124)를 거쳐 유입된 용수는 유로(124) 상부에 이동통로가 구비된 유로(124)를 통해 이동하게 된다.

따라서, 제1단위셀(120)의 유로(124) 상부를 통해 배출된 용수를 인접한 제2단위셀(130)의 유로(134) 하부로 유입시키기 위해서는 배출된 용수를 상기 제2단위셀(130)의 유로(134) 하부로 이동시켜야 하는데 이를 위해 별도의 상기 전환유로(150)를 구비하였다.

결과적으로 제1단위셀(120)의 유로(124) 상부로 배출된 용수를 상기 전환유로(150)를 통해 상기 제2단위셀(130)의 유로(134) 하부로 유입시킴으로써, 상기 제1단위셀(120)과 동일하게 상기 제2단위셀(130)의 하부부터 용수를 채울 수 있어 이온제거 효율 보다 구체적으로 용수 내 포함된 양이온의 제거를 극대화할 수 있다.

한편, 상기 제1단위셀(120) 및 제2단위셀(130)의 적층 수는 필요에 따라 다양한 개수로 구비할 수 있으며, 본 발명의 일실시 예에 따른 탈이온 장치(100)에 있어서는 단위셀(120)(130)의 개수에 대해서 특별히 한정하지 아니하였다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 탈이온 장치(100)는 상기 지지체(110)의 상·하단에는 복수 개의 상기 제1단위셀(120) 및 제2단위셀(130)을 상기 지지체(110) 사이에 고정하고, 상기 용수의 외부 누출을 방지하기 위한 결합부재(140)가 더 구비된다.

이때, 상기 결합부재(140)는 상술한 목적을 달성할 수 있는 다양한 방식의 결합부재를 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 지지체(110) 및 상기 지지체(110) 사이에 구비되는 단위셀들(120)(130)을 동시에 결합할 수 있도록 상기 지지체(110)의 상·하단에 구비되는 볼트 및 너트를 이용하였다.

한편, 상술한 양전극(121) 및 음전극(131)의 일단은 용수의 이온제거를 위한 외부전압을 인가하기 위한 접지돌기(160)가 더 형성되어 있으며, 상기 접지돌기(160)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 결합부재(140)의 외부로 돌출되어 있다.

결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 탈이온 장치(100)는 상술한 바와 같은 기술적 구성을 통해 용수 내에 있는 이온을 전극 표면에서 흡착 및 이온교환수지를 통하여 제거하며, 희석실과 농축실을 별도로 구분하지 않고 일체화된 전극과 이온교환수지를 이용함으로써, 제조비용 및 장치의 유지·보수 비용을 절감할 수 있으며 다공성 전극을 이용함으로써 기존의 Plate전극 보다 비표면적 향상을 통하여 이온제거 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 전극의 양면에 이온교환수지를 충진함으로써 접촉저항 감소 및 전류효율이 향상시킬 수 있고, 이온제거를 위한 용수가 단위셀의 하부에서 상부로 채워지면서 이동함으로써, 전극과의 접촉 면적 증가로 인한 이온 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

100 : 탈이온 장치 110 : 지지체 111 : 유입구 112 : 배출구
120 : 제1단위셀 121 : 양전극 122 : 음이온교환수지
123 : 이온수지 고정수단 124 : 유로 130 : 제2단위셀 131 : 음전극
132 : 양이온교환수지 133 : 이온수지 고정수단 134 : 유로 140 : 결합부재
150 : 전환유로 160 : 접지돌기

Claims (5)

1. 탈이온 장치에 있어서,
   서로 대향되는 위치에 일정간격으로 이격되어 구비되고 이온 제거를 위한 용수의 유입구 및 배출구가 형성된 한 쌍의 지지체;
   상기 지지체 사이에 구비되며 교대로 반복 적층되는 복수 개의 제1단위셀; 및 제2단위셀;을 포함하되,
   상기 제1단위셀:은
   양전극;
   상기 양전극의 양면에 구비되는 음이온교환수지;
   상기 음이온교환수지를 고정하기 위한 한 쌍의 이온수지 고정수단; 및
   상기 이온수지 고정수단의 각 일 측에 구비되며 상기 용수의 이동을 위한 한 쌍으로 유로;로 이루어지고,
   상기 제2단위셀:은
   음전극;
   상기 음전극의 양면에 구비되는 양이온교환수지;
   상기 양이온교환수지를 고정하기 위한 한쌍의 이온수지 고정수단; 및
   상기 이온수지 고정수단의 각 일 측에 구비되며 상기 용수의 이동을 위한 한 쌍으로 유로;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탈이온 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지체의 상·하단에는 상기 제1단위셀 및 제2단위셀을 상기 지지체 사이에 고정하고, 상기 용수의 외부 누출을 방지하기 위한 결합부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 탈이온 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제1단위셀 및 제2단위셀 사이에는 상기 용수가 인접하는 단위셀의 하부로 유입되도록 하기 위한 용수 전환유로가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 탈이온 장치.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 이온수지 고정수단은 한겹 또는 다겹으로 형성된 직조섬유, 다공성 수지 및 메탈메쉬로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈이온 장치.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 양전극 및 상기 음전극은 외부 전압인가를 위한 접지돌기가 형성된 다공성 전극으로 metal mesh, metal fiber, carbon fiber 및 금속분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탈이온 장치.

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