KR20130134187A - 패턴화 된 채널이 형성된 활성탄 전극을 갖는 축전 탈이온화용 전기화학셀 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축전 탈이온화용 전기화학셀로서 이온선택성 멤브레인, 상기 멤브레인과 대면하는 1 이상의 전극, 및 상기 멤브레인과 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 전극 표면에는 전해질의 흐름을 유도할 수 있는 복수 개의 채널들이 규칙적으로 패턴화되어 있다. 본 발명은 전극표면에 패턴화된 채널을 형성함으로써 셀 내에서 전해액의 흐름을 유도할 수 있다. 이에 따라 내압강하가 달성됨으로써 전극에 인가되는 물리적 힘이 줄어들고, 전해액의 접촉면적이 증가되어 이온의 효율적 제거가 가능할 뿐 아니라 전극과 분리막 사이의 공극이 생김으로써 이온의 탈리/재사용시 효율이 상승된다. 이에, CDI용 전기화학적 수처리 장치에 적용하면 해수, 염수, 산업폐수 등으로부터 이온을 효과적으로 제거함으로써 성능을 획기적으로 증대시킬 수 있다.

Description

패턴화 된 채널이 형성된 활성탄 전극을 갖는 축전 탈이온화용 전기화학셀 및 이의 제조방법{ELECTROCHEMICAL CELL FOR CAPACITIVE DEIONIZATION CONTAINING CARBON ELECTRODE HAVING PATTERNED CHANNEL AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 해수 또는 경수 처리 등의 다양한 수처리에 이용될 수 있는 축전 탈이온화용 전기화학셀로서, 패턴화 된 채널이 형성된 활성탄 전극을 갖는 축전 탈이온화용 전기화학셀 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
물의 수요는 지속적으로 증가하고 있는데 반하여, 물의 공급은 대부분 강수량에 의존하고 있고, 환경문제로 인한 수질악화는 심화되고 있어 사용 가능한 물의 양은 급격히 감소하고 있다. 우리나라의 경우도 물 기근 국가군으로 분류되며, 지역적으로 물 부족으로 인한 문제를 경험하고 있다. 이와 같은 물 부족 현상을 해결하기 위한 여러 가지 방안이 연구되어 왔고, 그 중에서 해수 또는 경수 처리로 이를 극복하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 지역의 특성과 상황에 따라 다양한 방법이 연구되고 있으며, 증발법과 역삼투압법, 그리고 전극과 전기 석출에 의해 바닷물을 처리하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 기존에 사용되던 방법들은 개선해야 할 여러 단점들을 가지고 있다.
담수화 방법으로 가장 오래되고 많이 사용되고 있는 증발법의 경우 원리 및 장치가 단순하고 고 순도의 담수를 얻을 수 있는 장점이 있으나 다른 방법들에 비해 월등히 많은 에너지 비용을 필요로 하며, 전기투석법의 경우 값비싼 이온 교환막과 높은 농도에서는 높은 전압을 사용해야한다는 점 때문에 주로 저 농도 처리용으로 사용되고 있다. 또한 역삼투압법은 고압펌프를 사용해야하며, 사용되는 막을 관리하는데 어려움이 있다.
이처럼, 기존에 사용되고 있던 담수처리 방법들의 단점들을 보완하기 위해 새로운 연구들이 진행되고 있으며, 이와 같은 새로운 연구 중 축전 탈이온화(Capacitive Deionization, CDI) 공정은 다른 방법들에 비해 에너지 소비량이 적으며, 이온 교환법의 경우와 같이 이온교환수지 막의 재생시에 사용되는 H2SO4나 HNO3와 같은 산 세정 및 NaOH 등의 염기 세정에 의한 2차 오염이 없어 환경 친화적인 공정이며, 또한 유지 보수도 간단하다는 장점을 가지고 있어, 새로운 담수처리 방법으로 개발이 진행되고 있다.
상기 CDI 공정의 기본 원리는 전기이중층(Electric double layer)에 기초하여 탄소 전극을 사용하여 전기적으로 이온을 흡착시키는 것으로, 두 개의 다공성 탄소 전극에 1 ~ 2V 내외의 전압을 걸어주고 그 사이로 이온이 함유된 물을 흘려주면 양 이온은 음극에 음 이온은 양극에 흡착되어 이온을 제거하는 원리이다. 포화된 전극은 반대전하를 가하거나 전극을 연결시켜 주어 이온을 탈착시킴으로 전극을 쉽게 재생할 수 있다.
CDI 공정에 사용하는 전극으로는 다공성 탄소 전극이 유리하다. 다공성 탄소전극은 넓은 표면적을 가지고 반응성이 적기 때문에 다양한 용도로 사용되고 있다. 다공성 탄소재료 중 활성탄소(Activated carbon)는 우수한 세공 용적, 높은 비표면적, 높은 탈-흡착 성능, 그리고 오랜 수명을 가진다. CDI 전극 표면에 이온의 흡착은 물리흡착과 전기이중층에서의 흡착으로 나눈다. 전극 표면의 흡착점과 이온의 상호작용에 의해 전해질이 흡착되는 물리흡착과 전극에 인가된 전위차에 의해 이온이 전극에 흡착되는 전기이중층에서의 흡착이 있다. CDI 공정에서 주된 메카니즘은 이온들과 전극사이의 정전기적 인력 때문에 발생하는 전기이중층에서의 흡착이라 할 수 있다.
상기 축전 탈이온화(CDI) 시스템은 전기이중층의 원리를 이용하는데 기존의 다공성 활성탄소로 전극을 제조하였을 때 다양한 이온을 포함한 용액에서 생기는 이온제거효율의 문제를 증가시키기 위한 개선이 필요하다.
또한, 이러한 CDI 시스템에 있어 가장 큰 문제는 대용량화시 효율저하와 고가의 장치비용이다. 즉 스케일업을 위한 전극의 대면적화, 이에 따른 전극내 전기장 분포의 불균일, 집전체에 코팅되는 박막전극의 제한된 활물질 량, 코팅과정에서 바인더에 의한 활물질과 전해질의 접촉면적 감소 및 충방전 효율저하 등으로 다수의 단위셀 스택화가 필요하고, 이에 따른 장치의 고가화, 특히 CDI 공정의 경우 스택(stack) 내 물(전해질) 흐름의 압력손실에 의한 운전비용의 증가가 문제점으로 지적되고 있다.
한국공개특허 2011-0096039
본 발명의 목적은 CDI 기술에 적용될 수 있고, 내부에 원수의 흐름을 유도하여 내부 압력을 완화하며 이온 흡착율을 높여 수처리 효율을 상승시킬 수 있는 축전 탈이온화용 전기화학셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 내부 압력이 완화된 축전 탈이온화용 전기화학셀을 이용한 수처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 내부 압력이 완화된 축전 탈이온화용 전기화학셀의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면은 축전 탈이온화용 전기화학셀로서, 이러한 전기화학셀은 수처리를 목적으로 원수에 포함되어 있는 이온을 효과적으로 제거하는데 이용된다. 구체적으로 활물질로 탄소재를 사용하여 외부 전원 장치에 의해 탄소재의 기공 내에 이온을 흡착하여 원수 내에 포함되어 있는 이온을 제거한다. 본 발명은 이온의 효율적 제거와 원수의 흐름 특성을 강화하기 위해 탄소재 전극 표면에 일정 간격의 채널을 형성한 특성화 전극에 관한 것이다.
일 예에서, 축전 탈이온화용 전기화학셀은 이온선택성 멤브레인, 상기 멤브레인과 대면하는 1 이상의 전극, 및 상기 멤브레인과 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 전극은 활물질로서 활성탄을 포함하며, 전극 표면에는 전해질의 흐름을 유도할 수 있는 복수 개의 채널들이 규칙적으로 패턴화되어 있다.
일 예에서, 상기 채널깊이(h2)는 전극두께(h1)의 20% 미만이다.
일 예에서, 상기 복수 개의 채널은 폭이 동일하다.
일 예에서, 채널의 폭(y)과 채널들 사이의 간격(x)의 비율(y/x)이 바람직하게는 1 이하, 더욱 바람직하게는 0.7 이하이다.
일 예에서, 상기 채널들의 폭의 합(y1+y2+y3+...+yn) 은 전극 시트의 총 폭(w) 대비 50 % 미만이다.
일 예에서, 상기 채널은 원수의 흐름 방향에 따라 규칙적인 직선 또는 사선형태이다.
일 예에서, 상기 채널은 길이방향으로 직선인 제1 채널과 상기 제1 채널을 기준으로 서로 대칭하고 폭방향으로 사선인 제2 채널 및 제3 채널로 이루어진다.
일 예에서, 상기 전극은 활성탄, 도전재 및 바인더를 포함한다.
일 예에서, 상기 활성탄은 비표면적이 1000~2500 m2g-1이고, Coconut shell계, 탄소나노섬유계 또는 흑연계 중에서 선택된다.
일 예에서, 상기 도전재는 흑연계, 카본블랙계, 코크스(coke)계, MCMB(mesophase carbon micro bead)계 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된다.
일 예에서, 상기 바인더는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택된다.
일 예에서, 축전 탈이온화 장치용 전기화학셀은 실린더 타입의 원통형 셀이다.
본 발명의 또 다른 측면은 축전 탈이온화용 전기화학셀의 제조방법이다.
일 예에서, 하기 단계들을 포함한다.
1) 활성탄, 도전재, 바인더를 혼합하여 제조한 고형체를 얻는 단계;
2) 상기 고형체를 시트형상으로 압연 및 건조한 후 집전체에 접착하여 전극을 제조하는 단계;
3) 시트전극 위에 채널의 역상인 요철이 있는 마스크를 위치시키고 재압연하여 채널을 형성하는 단계; 및
4) 제조된 전극과 이온선택성 멤브레인 및 분리막을 대칭형 또는 비대칭형으로 적층하여 전기화학셀을 제작하는 단계.
본 발명에 따른 축전 탈이온화용 전기화학셀은 전극표면에 패턴화된 채널을 형성함으로써 셀 내에서 전해액의 흐름을 유도할 수 있다. 이에 따라 내압강하가 달성됨으로써 전극에 인가되는 물리적 힘이 줄어들고, 전해액의 접촉면적이 증가되어 이온의 효율적 제거가 가능할 뿐 아니라 전극과 분리막 사이의 공극이 생김으로써 이온의 탈리/재사용시 효율이 상승된다. 이에, 본 발명의 셀을 CDI용 전기화학적 수처리 장치에 적용하면 해수, 염수, 산업폐수 등으로부터 이온을 효과적으로 제거함으로써 성능을 획기적으로 증대시킬 수 있다. CDI 법은 수중 이온을 제거하는데 에너지 소비량이 적고 2차 오염물질을 발생하지 않으며 유지관리가 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 채널 전극의 모식도이며, 회색부분은 채널을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 채널 전극의 모식도이며, 회색부분은 채널을 나타낸 것이다.
도 3은 채널 수(n)에 따른 x, y 길이의 비율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 전극 채널에 있어서 y/x 비율에 따른 내부 부피 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 y/x 비율에 따른 유입수의 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 전극과 기존 전극의 200ppm의 수처리 공정 적용 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 조립 모식도를 나타낸 것으로서,도면에서 위의 전극은 양극을 나타낸 것이고, 밑의 전극은 음극을 나타낸 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
축전 탈이온화용 전기화학셀
CDI 기술은 활성탄 전극을 이용한 축전 탈이온화용 전기화학셀에 외부 전원을 인가하여 원수 내에 포함되어 있는 이온을 흡착하여 원수를 처리하는 방법이다. 종래의 축전 탈이온화용 셀은 멤브레인과 분리소재의 삽입으로 인해 전극간 거리가 일정하게 유지되지 못하고 내부에 많은 압력이 생겨 분리소재 너머로 원수가 흘러가는 특성을 보인다.
이에, 본 발명의 축전 탈이온화용 전기화학셀은 활성탄 전극에 채널을 형성하여 전극 내부에 원수의 흐름을 유도 할 수 있는 통로를 확보함으로써 전극내압을 줄일 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 예에 따른 축전 탈이온화용 전기화학셀에서 전극의 정면도, 측면도, 및 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 축전 탈이온화용 전기화학셀에 이용되는 전극(100)의 일 면은 전극 집전체(300)와 대면하며, 타 면에는 원수의 흐름을 유도할 수 있는 복수 개의 채널들(200)이 규칙적으로 패턴화되어 있다.
상기 복수 개의 채널들(200)은 수 중의 이온과 흡착하는 면에 형성되고, 길고 연속적인 관을 형성한다. 이에 해수, 염수, 또는 산업폐수과 같은 다양한 전해질의 원수가 채널 내로 들어가면 원수의 흐름을 유도할 뿐만 아니라 셀 내의 유압이 낮아짐으로써 전극에 인가되는 외력을 줄일 수 있다. 또한, 실질적인 전극의 접촉면적을 넓힘으로써 원수가 전극 내에 체류하는 시간이 늘어나 이온흡착성이 향상된다.
상기 채널(200)의 깊이(h2)는 특별히 제한되지 않지만 전극두께(h1)의 20% 미만인 것이 바람직하다. 20% 이상의 압축률을 가할 경우 전극이 집전체에서 탈리되거나 또는 집전체 외부로 밀림 현상이 일어나 전극 안정성을 저해하기 때문이다. 여기서, 상기 전극의 두께는 바람직하게는, 0.15mm에서 0.25mm 사이이다. 상기 두께가 0.15mm 미만인 경우에는 전극의 내구성이 감소하는 문제가 있고, 0.25mm 초과하게 되는 경우에는 성능이 저하되는 경우가 발생된다.
상기 채널(200)은 균일한 내압강하를 위해 규칙적으로 패턴화되어 있고, 바람직하게는 복수 개의 채널들(200)의 폭을 대략 동일하게 설정할 수 있다. 하나의 예에서, 도 1에 도시된 것과 같이 채널(200)의 폭(y)과 채널들 사이의 간격(x)의 비율(y/x)이 바람직하게는 1 이하, 더욱 바람직하게는 0.7 이하인 것이 바람직하다. 여기서 채널들 사이의 간격은 전극에서 채널이 형성되지 않은 부위의 폭을 의미한다. 상기 채널의 폭은 바람직하게는, 0.3에서 0.8mm 이내이다. 또한, 상기 채널들의 폭의 합(y1+y2+y3+...+yn) 은 전극 시트의 총 폭(w) 대비 50% 미만인 것이 바람직하다.
상기 채널(200)의 형태는 특별히 제한되지 않지만, 전해액의 흐름을 원활하게 하기 위해 규칙적이고 연속적인 직선 또는 사선형태일 수 있다. 도 2에는 일 구체예에 따른 채널의 형태가 모식적으로 도시되어 있는바, 이를 참조하면, 채널은 길이방향으로 직선인 제1 채널(210)과 상기 제1 채널을 기준으로 서로 대칭하고 폭방향으로 사선인 제2 채널(220) 및 제3 채널(230)로 이루어져 있다. 이러한 구조에서 원수는 제2, 제3 채널(220, 230)으로부터 유입되어 처리되며 처리수는 채널을 따라 제1 채널(210)로 흘러 들어간다.
상기 채널(200)의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며 당업계의 공지된 방법으로 가능하며 예를 들어, 역상의 요철이 있는 틀을 이용한 프레스법, 롤링법 등 다양한 방법으로 제조가 가능하다.
상기 전극(100)은 다공성 활성탄소, 도전재 및 바인더를 혼합하여 시트형으로 제조되며, 전극의 성분 및 제조방법은 하기에서 구체적으로 설명한다.
상기 집전체(300)는 기존에 축전 탈이온화용 전기화학셀의 전극에 사용되던 것이라면 어느 것이나 다 사용가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일 예에 따른 축전 탈이온화용 전기화학셀의 단면도가 모식적으로 도시되어 있는바, 이를 참조하여 살펴본다.
본 발명의 전기화학셀(10)은 이온선택성 멤브레인(11)을 중심으로 양극(12)과 음극(13)이 서로 대면하는 대칭형의 구조이다. 상기 이온선택성 멤브레인(11)과 양 전극(12, 13)의 사이에는 각각 분리막(14, 15)이 삽입되어 있다. 본 도면에서는 대칭형 전극 구조를 도시하였지만 비대칭형 전극 구조도 가능함은 물론이다. 비대칭 구조는 크게 물질 부분의 비대칭 구조와 형태 부분의 비대칭 구조로 나눌 수 있으며, 물질 부분의 비대칭 구조는 양극재 혹은 음극재에 약간의 금속 산화물을 첨가할 경우 흡착되는 이온 양이 증가되는 특성이 있다. 또한 형태 부분의 비대칭 구조는 본 발명에서 제공하고 있는 패턴 전극에서 한쪽 면만을 사용하고 다른 면은 일반 전극을 사용할 수 있다.
상기 이온선택성 멤브레인(11)은 이온의 이동만이 가능한 미세공극의 막이고, 상기 분리막(14, 15)은 이온 선택성을 가지며, 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있는데, 양이온 멤브레인은 선택적으로 양이온만을 투과할 수 있는 멤브레인을 말하며, 음이온 멤브레인은 선택적으로 음이온만을 투과하는 멤브레인을 말한다. 또한 바람직하게는 양이온 멤브레인만을 적용할 수 있는데, 이는 음이온 멤브레인은 멤브레인 특성상 고분자 물질 또는 유기 물질로 SO4 2 -, Cl-등의 분해 요인으로 열화 현상을 유발하여 싸이클 성능 저하를 가져올 수도 있기 때문이다.
상기 전극들(12, 13)은 동일한 활물질을 가질 수도 있고, 서로 다른 활물질을 가질 수도 있지만, 적어도 하나는 활성탄 전극이며, 바람직하게는 양극과 음극 모두 활성탄 전극이다. 이들은 각각 전극집전체와 결합되어 있어서 외부전원으로부터 집전체를 통해 전압이 인가된다.
이상 살펴본 본 발명의 축전 탈이온화용 전기화학셀은 해수의 담수화 및 산업 폐수의 정화 등과 같은 수처리를 위한 CDI 장치에 도입될 수 있다. 이는 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능하며 대용량화가 가능하다.
상기 수처리 장치는 다양한 공지의 CDI 장치일 수 있는바, 예를 들어, 처리대상수를 공급하는 유입관과 처리수를 배출하는 배출관을 구비하는 반응기; 반응기 내부에 설치되고, 전극 집전체가 서로 반대방향을 향하도록 배치된 본 발명의 축전 탈이온화용 전기화학셀; 반응기에 직류전압을 공급하는 정류기; 및 상기 정류기와 연결되어 집전체에 전압을 인가하는 전압인가선을 구비하는 전기흡착식 수처리장치일 수 있다. 이 때, 상기 전기화학셀은 예를 들어, 대면적 시트를 실린더 타입의 원통형 셀로 제작하거나 단위셀이 다수 개 적층된 구조로 제작되어 수처리 장치에 도입될 수 있다.
축전 탈이온화용 전기화학셀의 제조방법
본 발명은 또한, 하기 단계들을 포함하는 패턴화된 채널이 형성된 전극 및 이를 포함하는 축전 탈이온화용 전기화학셀의 제조방법을 제공한다.
1) 활성탄, 도전재, 바인더를 혼합하여 제조한 고형체를 얻는 단계(S10);
2) 상기 고형체를 시트형상으로 압연 및 건조한 후 집전체에 접착하여 전극을 제조하는 단계(S20);
3) 시트전극 위에 채널의 역상인 요철이 있는 마스크를 위치시키고 재압연하여 채널을 형성하는 단계(S30); 및
4) 제조된 전극과 이온선택성 멤브레인 및 분리막을 대칭형 또는 비대칭형으로 적층하는 단계(S40);
이하 각 단계별로 구체적으로 살펴본다.
전극물질 혼합 단계( S10 단계)
전극에 필요한 활성탄을 도전재와 바인더를 이용하여 시트 전극을 제조하는 단계로서 활성탄은 바람직하게는 비표면적이 1000~2500m2g-1을 사용하며, Coconut shell계, 탄소나노섬유계 또는 흑연계 중에서 선택될 수 있다. 도전재로는 흑연계, 카본블랙(carbon black)계, 코크스(coke)계, MCMB(mesophase carbon micro bead)계 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 등의 카본블랙계를 사용한다. 바인더로는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등이 이용될 수 있으며, 본 실시에서는 PTFE(emulsion 60wt% solution)을 사용하였다. 용매로 2-프로판올, 에탄올을 이용하여, 활성탄, 도전재, 바인더를 혼합하여 고무(rubber) 형태의 고형체를 만든다.
상기 활성탄, 도전재, 및 바인더의 혼합비율은 특별히 제한되지 않지만, 상기 활성탄 60 ~ 95wt%, 도전재 5 ~ 40wt%이 바람직하다. 상기 도전재의 사용량이 40wt% 초과하게 되는 경우에는, 단위 그램(g)당 비표면적이 감소하여 이온의 탈·흡착량이 감소한다. 또한, 상기 바인더의 함량은 5wt% ~ 15wt%이 바람직한바, 바인더의 함량이 15wt%를 초과하게 되면 전극 내에 비전도성 물질이 많이 들어가기 때문에 급격한 저항증가와 응집 현상이 발생하게 되며 상대적으로 용량감소를 초래하기 때문에 바람직하지 않고, 바인더의 함량이 5wt% 미만이면 전극 제조상 충분한 결착력이 생기지 않아 갈라짐 현상과 집전체와의 탈리 현상이 발생하게 되기 때문이다.
전극 제조 단계( S20 단계)
S10에서 제조된 고형체를 롤프레스에 약 70~90℃ 사이의 온도 조건에서 150~300㎛의 두께로 압연 과정을 수차례 수행한다. 제조된 전극을 약 60℃의 조건에서 12시간 동안 용매를 건조하고, 도전성 접착제를 이용하여 집전체인 그라파이트 호일에 접착후 재 건조 과정을 수행한다.
채널 형성 단계( S30 단계)
S20 단계에서 제조된 전극에 일정 채널을 인가하기 위해 일정 두께의 채널을 부가한 마스크를 놓고 재 압연 과정을 수행한다. 채널이 부가된 마스크의 두께(도 1의 h2)는 전극의 두께(도 1의 h1)에 따라 결정된다. S10 단계에서 제조된 전극의 두께를 기준으로 최대 압축률은 20% 미만이다. 또한 채널의 폭 비율(y/x) 비율과 채널의 수(n)에 따라 마스크에 제작된 채널의 크기가 변경되며, 그 값의 표는 아래와 같다. 이 값은 도 3과 같다.
셀 조립 단계( S40 단계)
상기에서 제조된 전극을 대칭 혹은 비대칭으로 멤브레인과 분리막(시아)를 사이에 두고 도 7과 같이 적층형으로 제조하는 과정이다. CDI 공정의 적용은 전해액을 일정 유량으로 투입하면서 외부 전원 장치를 이용하여 전압을 1.2V로 인가하여 이때 형성되는 TDS 변화를 관찰한다.
Figure pat00001

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
< 실험예 1>
내압 강하 효과
도 5의 그래프는 도 1에서 제시된 비율에 따라 제시된 전극을 대칭 전극으로 사용하여 내부에 인가되는 원수의 속도를 30 mL/min으로 고정하였을 경우 유입수에 걸리는 압력을 측정한 결과이다.
그 결과, y/x 의 비율이 증가함(채널의 폭이 넓어짐)에 따라 일정 압력까지 유입수의 압력이 감소함을 확인하였으며, 이는 도 4에서 제시한 내부에 채널 전극에 의해 유지되는 부피 비율의 증가 폭과 유사한 특성을 나타낸다. 하지만 y/x 의 비율이 0.7을 지나면서 유입수의 압력은 다시 증가하는 경향을 나타내고 있다.
< 실험예 2>
이온 제거량의 증가
도 6의 결과는 기존의 전극(채널이 없는)과 본 발명의 채널 전극간의 이온 제거량을 비교한 결과로서 1.2V 충전 3분, -1.2V 방전 3분의 전압 인가 결과에서 충전 과정에서 흡착된 이온의 량이 기존 전극은 완전한 제거를 이루지 못하지만 본 발명의 채널 전극은 유출수에서 측정된 이온량이 0임을 확인할 수 있다. 이를 통해 기존의 전극 보다 높은 이온 제거 특성이 있음을 확인할 수 있다. 또한 충전 후 방전 과정에서도 흡착되었던 이온이 완전히 배출되는 결과를 관찰할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 이온선택성 멤브레인, 상기 멤브레인과 대면하는 1 이상의 전극, 및 상기 멤브레인과 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고,
    상기 전극은 활물질로서 활성탄을 포함하며, 전극 표면에는 전해질의 흐름을 유도할 수 있는 복수 개의 채널들이 규칙적으로 패턴화되어 있는 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널깊이(h2)는 전극두께(h1)의 20% 미만인 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 채널은 폭이 동일한 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  4. 제3항에 있어서,
    채널의 폭(y)과 채널들 사이의 간격(x)의 비율(y/x)이 1 이하인 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  5. 제4항에 있어서,
    채널의 폭(y)과 채널들 사이의 폭(x)의 비율(y/x)이 0.7 이하인 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 채널들의 폭의 합(y1+y2+y3+...+yn) 은 전극 시트의 총 폭(w) 대비 50% 미만인 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 채널은 전극의 규칙적인 직선 또는 사선형태인 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 채널은 길이방향으로 직선인 제1 채널과 상기 제1 채널을 기준으로 서로 대칭하고 폭방향으로 사선인 제2 채널 및 제3 채널로 이루어진 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 활성탄, 도전재 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 활성탄은 비표면적이 1000~2500 m2g-1이고, Coconut shell계, 탄소나노섬유계 또는 흑연계 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 도전재는 흑연계, 카본블랙계, 코크스(coke)계, MCMB(mesophase carbon micro bead)계 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되고,
    상기 바인더는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀.
  12. 제1항에 있어서,
    실린더 타입의 원통형 셀인 것을 특징으로 하는, 축전 탈이온화 장치용 전기화학셀.
  13. 1) 활성탄, 도전재, 바인더를 혼합하여 제조한 고형체를 얻는 단계;
    2) 상기 고형체를 시트형상으로 압연 및 건조한 후 집전체에 접착하여 전극을 제조하는 단계;
    3) 시트전극 위에 채널의 역상인 요철이 있는 마스크를 위치시키고 재압연하여 채널을 형성하는 단계; 및
    4) 제조된 전극과 이온선택성 멤브레인 및 분리막을 대칭형 또는 비대칭형으로 적층하여 전기화학셀을 제작하는 단계;
    를 포함하는, 축전 탈이온화용 전기화학셀의 제조방법.
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