KR20150003094A - 흐름전극 축전식 탈염 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흐름전극 축전식 탈염 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 직사각형의 양극 및 음극 집전체 사이에 설치된 양이온 및 음이온 교환막에 염수와의 접촉 표면적을 극대화하는 다양한 형상의 미세 유로를 마련함에 따라, CDI 탈염기술 분야에서 이온 교환막과 염수와의 접촉 표면적에 따른 담수 처리 효율성에 제한을 받았던 기존의 축전식 탈염 방식의 문제점을 용이하게 해결함으로써 담수 처리 효율성을 획기적으로 개선이 가능하고 아울러, 탈염된 이온으로 인한 금속의 전극 집전체의 부식을 근본적으로 방지할 수 있게 된다.

Description

흐름전극 축전식 탈염 장치{FLOW-ELECTRODE CAPACITIVE DEIONIZAION APPARATUS USING ION EXCHANGE MEMBRANES}
본 발명은 흐름전극 축전식 탈염 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온 교환막에 염수와 접촉면을 극대화하기 위해 다양한 형상의 미세 유로를 형성할 수 있도록 한 장치에 관한 것이다.
산업의 발전과 인구의 증가에 따라 물 소비량은 매년 증가하지만 인간이 사용할 수 있는 물의 양은 제한되어 있다. 이에 따라 물 부족 문제를 해결하기 위하여 다양한 탈염 기술들이 개발되었고 그 중의 하나로 축전식 전기 탈이온(Capacitive deionization: CDI) 기술을 꼽을 수 있다.
CDI 기술은 기초적인 전기화학이론을 사용하는 기술로, CDI 셀에 포함되어 있는 전극에 전위차를 공급하여 양극과 음극의 성질을 띠게 하고, 이온들을 포함하고 있는 원수를 전극 사이로 통과시켜 선택적 흡착에 따라 이온들이 전극에 흡착되게 만든다. 전극의 흡착 과정이 끝나면 전극에 공급되었던 전위차를 제거함으로써 탈착이 이루어지고 전극은 재생하게 된다.
이처럼 CDI 기술은 화학약품 없이 전기만 사용하는 시스템이기 때문에 2차 오염이 없고, 흡착 단계에서 물 분해가 일어나지 않도록 낮은 전위를 인가하기 때문에 전력손실이 적다. 이런 기술적 특징 때문에 CDI 기술에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다.
이러한 축전식 탈염은 고정전극을 사용하는 데 반해 흐름전극 축전식 탈염 장치의 전극은 집전체 위에 형성된 유로 내의 액체 흐름으로서, 유동 상태로 제공되므로 전극의 흡착 성능이 향상된다.
그러나, 기존의 이온 교환막을 이용한 흐름전극 축전식 탈염 장치는 집전체 위에 형성된 유로로 인해 전극활 물질과 이온 교환막 간의 접촉면이 한정되어 있기 때문에, 탈염 처리 효율을 향상시키기 위해 염수와 접촉되는 이온교환막의 표면적을 극대화할 필요가 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 염수와 접촉되는 이온 교환막의 표면적을 극대화하여 탈염 처리 효율성을 향상시킬 수 있는 흐름전극 축전식 탈염 장치를 제공하고자 함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 양극 집전체 및 음극 집전체와, 상기 양극 집전체와 음극 집전체 사이에 마련되고 미세 유로가 형성된 양이온 교환막 및 음이온 교환막과, 상기 양이온 및 음이온 교환막을 통과하는 염수의 이온 흡착 및 탈착하여 충방전하는 양전극 활물질 및 음전극 할 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 미세 유로의 형상은 단일 유로로 염수와의 접촉하는 표면적으로 넓히기 위해 절곡 및 곡선 구조를 포함하고, 음이온 교환막 및 양이온 교환막의 미세 유로는 서로 상하 대칭되게 마련된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이온교환막을 이용한 흐름전극 축전식 탈염 장치는, 이온 교환막에 염수와의 접촉 표면적을 극대화하기 위한 다양한 형상의 미세 유로를 마련하여 탈염 처리량이 향상됨에 따라, 담수 처리 효율성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 이온교환막에 미세 유로가 형성됨에 따라 기존의 탈염 시 발생하는 이온으로 금속성의 전극 집전체가 부식되는 것을 근본적으로 제거할 수 있는 효과를 가진다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이온 교환막을 이용한 흐름전극 축전식 탈염 장치의 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이온 교환막 및 유로의 다양한 형상을 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 이온 교환막의 평면 구조를 보인 도면이다.
이하 본 발명을 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면이 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 이온 교환막을 보인 도면이고, 도 2는 이온 교환막 및 유로의 다양한 형상을 보인 예시도이며, 도 3은 도 2의 이온 교환막 및 유로 설치된 이온 교환막을 이용한 흐름전극 축전식 탈염 장치의 구성을 보인 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이온 교환막을 이용한 흐름전극 축전식 탈염 장치는, 이온 교환막에 다양한 형태의 유로를 형성하여 염수와 이온 교환막과의 접촉면을 증가하는 구성을 가지며, 이러한 구성은, 양극 집전체(11), 양극 활물질(12), 양이온 교환막(13), 양극 유로(14)로 이루어지는 양극 흐름과, 음극집전체(21), 음극 활물질(22), 음이온 교환막(23), 및 음극 유로(24)로 이루어진 음극 흐름과, 양이온 교환막(13)과 음이온 교환막(23) 사이에 형성되어 염수(30)가 통과하는 염수 유로(34)로 구비된다.
양극 집전체(11) 및 음극 집전체(21)와 상기 양이온 교환막(13) 및 음이온 교환막(23)은 종래 흐름전극장치(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 사용 가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
양극 유로(14) 및 음극유로(24)의 폭은 양극 집전체(11) 및 음극 집전체(21)와 양이온 교환막(13) 및 음이온 교환막(23) 사이의 간격 또는 그 이하로 형성할 수 있다.
또한, 양극 활물질(12) 및 음극 활물질(22)는 지속적으로 공급할 수 있으므로, 이러한 제한 없이 사용 목적이나 사용되는 활물질, 염수 등에 따라 자유롭게 설계 변경할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 의하면 상기 유로의 폭과 높이는 수십 ㎛에서 수 ㎜ 크기로 사용될 수 있다.
염수 유로(34)의 폭도 마찬가지로 염수가 지속적으로 공급될 수 있으므로, 이온 교환막을 이용한 흐름전극 축전식 탈염 장치의 크기로 인한 제한 없이 적절하게 설계 변경할 수 있다. 다만, 충방전 효율을 높이기 위하여 염수와 활물질의 속도를 달리하거나, 활물질 유로의 폭과 염수 유로(34)의 폭의 비에 제한을 둘 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 양이온 교환막(13) 및 상기 음이온 교환막(23)은 전기물리적 분리를 위해 설치되는 것으로 미세공 절연 분리막(separator)은 이온 이동만이 가능하고 상기 이온교환(전도)막은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있으므로, 본 발명의 실시 예에서는 이온만을 선택 통과시키는 이온 교환막으로 구비됨이 바람직하다. 그러나, 상기 양이온 교환막(13)은 미세공 절연 분리막이거나 양극 분리막일 수도 있고, 상기 음이온 교환막(23)은 미세공 절연 분리막이거나 음극분리막일 수 있다.
양이온 교환막(13) 및 음이온 교환막(23)의 양극 유로(14) 및 음극 유로(24)의 패턴은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 단일 유로로서, 염수(30)와의 접촉면을 극대화하도록 접촉 표면적이 넓은 절곡 또는 곡선 중 하나, 또는 절곡 및 곡선이 조합된 형상으로 제공될 수 있다.
유로 패턴 제작 시 절곡 또는 곡선의 형상이 유지되도록 양이온 교환막(13)과 음이온 교환막(23)의 양극 유로(14) 및 음극 유로(25)는 서로 상하 대칭되도록 구비될 수 있으며 일부 가스켓이 적용될 수 있다.
한편, 이온 교환막(13)(23)에 형성되는 양극 유로(14) 및 음극 유로(24)는 미세 유로로 가공되어 유로 길이를 길게 하여 염수와 접촉되는 표면적이 넓게 확보하도록 구비된다. 즉, 상기 전기 인가 시에 유로 패턴의 돌출 부위에 전기장이 집중되어 탈염의 효율성이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 반구형의 곡선 또는 아치형의 절곡 구조가 적용될 수 있다.
이온 교환막(13)(23)의 유로 패턴은 몰드 또는 열 압착기(hot press)를 이용하여 제작 가능하고 이에 한정하지 아니하고 다양한 방법으로 제작할 수 있다.
한편 양극 유로(14) 및 음극 유로(24) 패턴은 이온 교환막(13, 23)이 유체 압력에 충분이 견딜 수 있는 재질로 구비되고, 예를 들어 가교도가 폴리머가 사용되는 이온 교환막에 적용될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 외부로부터 공급되는 발생한 전위차, 예를 들어 0.5~2.0v 범위의 전위차가 양전극 집전체(11) 및 음전극 집전체(21)에 인가되면, 슬러리상의 양전극 활물질(12), 음전극 활물질(22) 및 염수(30)를 동시에 연속적으로 양극 유로(14) 및 음극 유로(24) 및 염수 통로(34)를 통과시킨다
상기와 같이 양전극 활물질(12), 음전극 활물질(22) 및 염수(30)에 전위가 인가된 염수 유로(34)를 통과하도록 흘려 보내면(실선 방향), 통과하면서 이온흡착(충전)된 전극 활물질(12,22)과 이온이 제거된 탈염 염수(30)는 외부로 배출된다. 또한, 양전극 활물질(12), 음전극 활물질(22), 및 염수(30)을 역으로 흘려 보내면 염수 유로(34)를 통과하면서 이온탈착(방전)이 진행된다. 이때 양극 유로(14) 및 음극 유로(24)가 염수와 이온 교환막(13, 23)과의 접촉면에 극대화하기 위해 다양한 형태로 마련되므로 이온 흡착 및 탈착이 기존의 축전식 탈염 장치에 비해 극대화되어 담수 처리 효율성이 증가된다.
이온 교환막(13, 23)은 전극물질의 오염방지와 역전위(polarity reverse) 인가에 의한 저장이온의 급속 탈착 및 전해질 농축을 위해 이온 전도 특성을 갖는 분리막으로 구비될 수도 있다.
즉, 염수(30)가 전위차가 발생된 염수 유로(34)를 통과시키면, 탈염(탈이온화)되어 외부로 배출되므로, 해수의 담수화 및 산업 폐수의 정화가 이루어질 수 있다. 따라서, 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능하며, 대용량화가 가능하다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 직사각형의 양극 및 음극 집전체(11, 21) 사이에 설치된 양이온 및 음이온 교환막(13, 23)에 염수와의 접촉 표면적을 극대화하는 다양한 형상의 미세 유로를 마련함에 따라, CDI 탈염기술 분야에서 이온 교환막과 염수와의 접촉 표면적에 따른 담수 처리 효율성에 제한을 받았던 기존의 축전식 탈염 방식의 문제점을 용이하게 해결함으로써 담수 처리 효율성을 획기적으로 개선이 가능하고 아울러, 탈염된 이온으로 인한 금속의 전극 집전체의 부식을 근본적으로 방지할 수 있게 된다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
직사각형의 양극 및 음극 집전체 사이에 설치된 양이온 및 음이온 교환막에 염수와의 접촉 표면적을 극대화하는 다양한 형상의 미세 유로를 마련함에 따라, CDI 탈염기술 분야에서 이온 교환막과 염수와의 접촉 표면적에 따른 담수 처리 효율성에 제한을 받았던 기존의 축전식 탈염 방식의 문제점을 용이하게 해결함으로써 담수 처리 효율성을 획기적으로 개선이 가능하고 아울러, 탈염된 이온으로 인한 금속의 전극 집전체의 부식을 근본적으로 방지할 수 있는 흐름전극 축전식 탈염 장치에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 적용되는 광 막 생물 반응기의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (3)

  1. 양극 집전체 및 음극 집전체와,
    상기 양극 집전체와 음극 집전체 사이를 통과하는 염수의 이온을 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막 및 음이온 교환막과
    상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 통과하는 이온을 흡착 및 탈착하여 탈염하는 양전극 활물질 및 음전극 활물질을 포함하고,
    상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막에는 상기 염수와 접촉하는 표면을 가지는 미세 유로가 마련되는 것을 특징으로 하는 흐름전극 축전식 탈염 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 유로는 상기 염수와의 접촉 표면의 면적을 넓히기 위해 절곡 또는 곡선 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름전극 축전식 탈염 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 음이온 교환막 및 양이온 교환막의 미세 유로는 서로 상하 대칭되게 구비되는 것을 특징으로 하는 흐름전극 축전식 탈염 장치.
KR20140077360A 2013-06-28 2014-06-24 흐름전극 축전식 탈염 장치 KR20150003094A (ko)

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