KR20150041444A - 탈염용 플렉서블 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치 - Google Patents

탈염용 플렉서블 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축전식 탈염 전극 모듈, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치에 관한 것으로, 미세 기공을 갖는 다공성 기재, 및 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 도전성막을 포함하여 탈염용 플렉서블 복합전극을 구현할 수 있다.

Description

탈염용 플렉서블 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치{Flexible Complex Electrode for Desalination, Manufacturing Method thereof and Deionization Equipment using the Same}
본 발명은 탈염용 플렉서블 복합전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질이 침투된 전극 구조를 구현하여 비표면적이 매우 높고, 초박막화 및 슬림화가 가능하고, 가요성이 우수하고 별도의 집전체가 필요없는 탈염용 플렉서블 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 지구의 모든 물 중 우리가 사용할 수 있는 양은 고작 0.0086%에 지나지 않는다. 이는 기후변화로 인한 재해를 염두에 둔다면 과히 넉넉한 편은 못된다.
물은 인간 생활에 있어 매우 중요하고, 생활용수나 산업용수로서 물은 다양하게 이용된다. 산업 발전으로 물이 중금속, 질산성 질소, 불소 이온 등으로 오염되고 있고, 오염된 물을 음용했을 때 건강에 매우 해롭다.
최근, 오염된 물을 정화하고, 해수를 정화하여 용수로 사용하기 위한 탈염 기술이 다양하게 연구되고 있다.
이러한 탈염 기술은, 해수나 폐수 등와 같은 오염수에 함유되는 각종 부유물질이나 이온성분을 제거하여 담수화하는 기술로, 화석연료나 전기 등의 열원을 이용하여 수분을 증발하는 증발법과, 분리막을 이용한 이물질을 걸러 제거하는 여과법과, 전극셀의 전기분해작용을 이용하여 이온들을 제거하는 전기투석법이 있다.
증발법은, 화석연료나 전기 등을 열원으로 사용하여 수분을 증발시키는 것으로, 탈명장치의 부피가 커서 비효율적이고, 에너지의 소모량이 증대되어 제조단가가 증대될 뿐만 아니라, 화석연료의 사용으로 인한 대기오염의 원인이 된다.
여과법은 분리막에 고압을 가하여 이물질을 제거해야하므로 에너지의 비용이 증대되고, 전기투석법은 지속적으로 전극셀을 교체해야 하므로 전극셀의 교체에 따른 낭비요인이 발생될 뿐만 아니라 전극셀의 교체에 따른 인적 및 물적 부대비용이 증대되는 단점이 있다.
한국 공개특허공보 제501417호에는 소정의 압력으로 유입되는 처리수에 대해 1차로 염성분을 제거하는 역삼투막장치; 스페이서, 양전극, 음전극이 원통형의 탱크내에 순차적으로 설치되어 상기 역삼투막장치로에서 1차 처리된 처리수로부터 재차 염성분을 제거하는 전극탈염장치; 상기 역삼투막장치의 브라인측 압력을 전극탈염장치의 입구수 가압용으로 할용하기 위한 에너지회수장치; 상기 전극탈염장치에 구비된 양전극과 음전극에 전원을 공급하는 전원공급수단; 및 상기 전극탈염장치로 유입되는 처리수를 탈염하는 탈염과정과 탈염과정중에 전극에 흡착된 이온들을 탈리시키는 재생과정을 수행하기 위해 처리수가 유동하는 배관들에 구비된 밸브들을 제어하는 제어수단;을 포함하는 역삼투막법/전극법을 이용한 폐수 탈염장치가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 폐수 탈염장치는 역삼투막장치 및 전극탈염장치가 개별적으로 구비되어 있어, 탈염 장치의 크기가 크고, 많은 제조 비용이 소요되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명자들은 탈염 장치를 슬림화시키고, 제조 경비를 감소시킬 수 있는 기술에 대한 연구를 지속적으로 진행하여 고 축전용량을 가짐과 동시에 초박막형의 집전체를 구현할 수 있는 집전체 모듈의 구조적인 특징을 도출하여 발명함으로써, 보다 경제적이고, 활용 가능하고 경쟁력있는 본 발명을 완성하였다.
한국 공개특허공보 제501417호
본 발명은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질을 침투시켜 집전체를 적용하여, 제조 경비를 감소시키고, 고 축전용량을 가질 수 있으며, 비표면적을 매우 높일 수 있는 탈염용 플렉서블 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극과 집전체를 일체화함으로써 초박막화하여 탈염 장치를 슬림화시킬 수 있는 탈염용 플렉서블 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 플렉서블한 탈염 모듈을 구현할 수 있는 탈염용 플렉서블 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치를 제공하는 데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예는, 미세 기공을 갖는 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 도전성막;을 포함하는 탈염용 플렉서블 복합전극을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 미세 기공을 갖는 다공성 기재를 준비하는 단계; 및 도전성 물질을 증착하여 상기 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 도전성막을 형성하는 단계;를 포함하는 탈염용 플렉서블 복합전극의 제조 방법을 제공한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예는, 미세 기공을 갖는 제1다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 제1 도전성막을 포함하는 제1 탈염용 플렉서블 복합전극; 및 상기 제1 탈염용 플렉서블 복합전극과 공간을 사이에 두고 대향하고 있으며, 미세 기공을 갖는 제2 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 제2 도전성막을 포함하는 제2 탈염용 플렉서블 복합전극;을 포함하는 탈염 장치를 제공한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질이 침투된 전극 구조를 구현하여 비표면적이 매우 높은 전극, 및 초박막 전극을 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 가요성이 우수한 나노섬유 웹 또는 부직포를 전극 지지체로 적용하여 플렉서블한 탈염 전극복합체를 구현할 수 있는 잇점이 있다.
또, 본 발명에서는 전극 지지체의 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 균일한 크기의 기공을 갖는 전극 구현이 가능하여, 이온의 흡착 및 탈착 효율을 향상시킬 수 있으며, 바인더를 사용하지 않아 바인더의 용출 우려를 해소하고, 간단한 제조 공정으로 제조 경비를 감소시킬 수 있는 탈염용 복합전극을 제작할 수 있는 기술을 제공한다.
더불어, 본 발명에서는 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질을 침투시켜전극을 제작함으로써, 제조 경비를 감소시키고, 저렴한 비용으로 고 축전용량을 가질 수 있는 탈염용 복합전극을 구현할 수 있는 장점이 있다.
게다가, 본 발명에서는 미세 기공을 갖는 다공성 기재에 도전성막을 형성하여 초박형의 탈염용 플렉서블 복합전극을 구현함으로써, 초박형 탈염 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 적용된 탈염용 플렉서블 복합전극의 다공성 기재의 미세 기공에 증착 물질이 침투된 것을 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극의 제조 방법을 설명하기 위한 개념적인 단면도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 6는 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면,
도 8은 도 7의 필터 모듈이 적층된 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극을 설명하기 위한 개념적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 적용된 탈염용 플렉서블 복합전극의 다공성 기재의 미세 기공에 증착 물질이 침투된 것을 설명하기 위한 개념적인 도면이며, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극은 미세 기공을 갖는 다공성 기재(100); 및 다공성 기재(100)의 일면(101), 타면(102)또는 전면에 형성되어 있는 도전성막(121,122)을 포함한다.
도전성막(121,122)은 도전성 물질을 다공성 기재(100)의 일면(101), 타면(102) 또는 전면에 증착하여 형성할 수 있다. 도전성 물질로 니켈(Ni), 구리(Cu), 스텐레스 스틸(SUS), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al)과 같은 금속류 중 하나를 적용할 수 있고, 바람직하게는 구리를 증착시켜 증착막을 형성하는 것이다. 여기서, 다공성 기재(100)의 일면(101) 및 타면(102)을 포함한 다공성 기재(100) 전체면에 도전성 물질을 증착할 수 있다.
다공성 기재(100)는 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹, 및 부직포 중 선택된 하나 또는 양자의 적층 구조를 적용할 수 있다. 나노 섬유 웹과 부직포의 적층 구조는 부직포 일면에 나노 섬유 웹이 적층된 구조, 또는 부직포 양면에 나노 섬유 웹이 적층된 구조일 수 있다. 여기서, 나노 섬유 웹, 및 부직포 중 선택된 하나 또는 양자의 적층 구조를 적용하여 탈염용 플렉서블 복합전극을 구현하게 되면, 비표면적이 높은 전극을 만들 수 있고, 플렉서블한 전극을 형성할 수 있다.
즉, 다공성 기재(100)는 나노 섬유 웹과 부직포의 적층 구조, 또는 나노 섬유 웹/부직포/나노섬유 웹의 적층 구조로 적용할 수 있다. 이때, 나노 섬유 웹의 두께는 부직포의 두께보다 얇은 것이 바람직하다.
이와 같이, 탈염용 플렉서블 복합전극을 나노 섬유 웹과 부직포의 적층 구조로 적용하게 되면, 부직포가 나노 섬유 웹보다 가격이 저렴하고, 강도가 높기 때문에, 탈염용 플렉서블 복합전극의 제조 경비를 감소시킴과 동시에 강도를 향상시킬 수 있다. 이와 더불어, 부직포도 다수의 기공이 존재함으로, 증착되는 도전성 물질이 침투된다.
이러한 다공성 기재(100)는 미세 기공을 구비하고 있으므로, 미세 기공을 갖는 다공성 기재(100)에 도전성 물질이 증착되면, 증착된 도전성 물질은 미세 기공으로 침투되어, 미세 기공 내측에 증착막이 형성되고, 증착된 후(後)의 다공성 기재(100)의 기공은 증착되기 전(前)의 다공성 기재(100) 기공보다 더 미세해진다.
그러므로, 다공성 기재(100)의 미세 기공으로 증착되는 도전성 물질이 침투되는 현상에 의해, 다공성 기재(100)의 일면과 타면에 도전성막을 형성하게 되면, 다공성 기재(100)의 일면과 타면의 도전성막은 전기적으로 연결된다. 그러므로, 본 발명의 탈염용 플렉서블 복합전극은 이온을 흡착시킬 수 있는 미세 기공을 갖는 전극 구조가 되어 축전식 탈염 전극으로 사용할 수 있는 것이다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 다공성 기재(100)의 일면(101)으로 증착된 도전성 물질은 미세 기공(105)으로 침투되는 것과 동일하게, 다공성 기재(100)의 타면으로 증착된 도전성 물질도 미세 기공으로 침투되어, 다공성 기재(100)의 일면과 타면의 도전성막은 미세 기공으로 침투된 도전성 물질에 의해 전기적으로 연결된다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극은 제 1실시예와 비교해보면, 다공성 기재(100)의 일면(101), 타면(102) 또는 전면에 도전성막(121,122)이 형성되어 있는 것은 동일하나, 다공성 기재(100)에 형성된 도전성막(122)에 도금되어 있는 도금층(130)이 더 형성되어 있다.
도금층(130)은 탈염용 플렉서블 복합전극의 전기전도도를 향상시키고, 별도의 집전체를 필요로하지 않기 때문에 초박막화하여 슬림화시킬 수 있어, 탈염장치를 소형화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극은 나노섬유 웹과 같은 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질이 침투된 전극 구조임으로, 비표면적이 매우 높은 전극, 및 1㎛-50㎛ 두께의 초박막 전극을 제작할 수 있는 장점이 있다.
또, 본 발명에서는 가요성이 우수한 나노섬유 웹 또는 부직포를 전극 지지체로 제작하여 플렉서블한 탈염용 복합전극을 구현할 수 있고, 이와 동시에, 휘어진 극한 형상의 탈염장치에도 모듈을 장착할 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 발명에서는 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 균일한 크기의 기공을 갖는 전극 구현이 가능하여, 이온의 흡착 및 탈착 효율을 극대화시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 바인더를 사용하지 않아 바인더의 용출 우려가 없으며, 공정이 간단해 경제성 있는 전극을 만들수 있다.
게다가, 본 발명에서는 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질을 침투시켜전극을 제작함으로써, 제조 경비를 감소시키고, 저렴한 비용으로 고 축전용량을 가질 수 있는 탈염용 플렉서블 복합전극을 제공할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극의 제조 방법을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 탈염용 플렉서블 복합전극의 제조 방법은 먼저, 고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹, 및 부직포 중 선택된 하나 또는 양자의 적층 구조의 다공성 기재(100)를 준비한다(도 4a).
여기서, 다공성 나노섬유 웹은 단일 종류의 고분자 또는 적어도 2 종류의 고분자를 혼합하여 용매에 용해시킨 혼합 방사용액을 전기방사하거나, 또는 서로 다른 고분자를 각각 용매에 용해시킨 후 각각 서로 다른 방사 노즐을 통하여 교차방사하여 얻어질 수 있다.
2 종류의 고분자를 사용하여 혼합 방사용액을 형성하는 경우, 예를 들어, 내열성 고분자로서 PAN과 접착성 고분자(또는 팽윤성 고분자)로서 PVDF를 혼합하는 경우, 8:2 내지 5:5 중량% 범위로 혼합하는 것이 바람직하다.
내열성 고분자와 접착성 고분자의 혼합비가 중량비로 5:5보다 작은 경우 내열성이 떨어져서 요구되는 고온 특성을 갖지 못하며, 혼합비가 중량비로 8:2보다 큰 경우 강도가 떨어지고 방사 트러블이 발생하게 된다.
본 발명에서는 방사용액을 준비할 때 내열성 고분자 물질과 팽윤성 고분자 물질의 혼합 고분자인 경우, 단일 용매 또는 고비등점 용매와 저비등점 용매를 혼합한 2성분계 혼합용매를 사용할 수 있다. 이 경우, 2성분계 혼합용매와 전체 고분자 물질 사이의 혼합비율은 중량비로 약 8:2로 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 단일 용매를 사용할 때는 고분자의 종류에 따라 용매의 휘발이 잘 이루어지지 못하는 경우가 있다는 것을 고려하여 방사공정 이후에 후술하는 바와 같이 프리히터에 의한 선 건조구간(Pre-Air Dry Zone)을 통과하면서 다공성 나노섬유 웹의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절하는 공정을 거칠 수 있다.
고분자는 용매에 용해되어 방사용액을 형성한 후 전기방사 방법으로 방사되어 나노섬유를 형성할 수 있는 섬유성형성 폴리머라면 어떤 것도 사용 가능하다.
본 발명에서 사용 가능한 내열성 고분자 수지는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고 융점이 180℃ 이상인 수지로서, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 사용 가능한 팽윤성 고분자 수지는 전해액에 팽윤이 일어나는 수지로서 전기 방사법에 의하여 초극세 섬유로 형성 가능한 것으로, 예를 들어, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드 또는 폴리비닐리덴 클로라이드 및 이들의 공중합체 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 및 이들의 혼합물을 들 수 있다.
다공성 나노섬유 웹은 단일 또는 혼합 고분자를 용매에 용해시켜 방사용액을 형성한 후, 방사용액을 방사하여 초극세 나노섬유로 이루어진 다공성 나노섬유 웹을 형성하고, 고분자의 융점 이하의 온도에서 캘린더링하여 기공 사이즈와 웹의 두께를 조절하여 형성된다.
다공성 나노섬유 웹은 예를 들어, 50 내지 1500um의 직경을 갖는 나노섬유에 의해 형성되고, 1 내지 100um 두께, 바람직하게는 10 내지 30um 두께로 설정된다. 상기 미세 기공의 크기는 수백 um로 설정되고, 기공도는 50 내지 90%로 설정된다.
이 경우, 다공성 기재(110)는 다공성 부직포 단독으로 사용하거나 필요에 따라 다공성 나노섬유 웹과 지지체의 강도를 보강하기 위해 다공성 부직포가 합지되어 사용될 수 있다. 다공성 부직포는 예를 들어, 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 구조의 PP/PE 섬유로 이루어진 부직포, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyleneterephthalate) 섬유로 이루어진 PET 부직포, 셀룰로즈 섬유로 이루어진 부직포 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
그 다음, 도전성 물질을 증착하여 다공성 기재(100)의 일면(101) 및 타면(102)에 도전성막(121,122)을 형성한다(도 4b). 도전성막(121,122)은 도전성 물질의 재료에 따라 CVD(Chemical Vapor Deposition:화학적 기상성장) 방법 또는 PVD(Physical Vapor Deposition :물리적 기상 성장) 방법을 이용하여 증착 공정을 수행한다.
본 발명에서는 도 4b 공정 후에, 다공성 기재(100)의 타면(102)에 형성된 도전성막(122)에 도금 공정을 수행하여 도금층(미도시)을 형성하는 공정을 더 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이고, 도 6는 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 탈염 장치는 미세 기공을 갖는 제1다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 제1 도전성막을 포함하는 제1 탈염용 플렉서블 복합전극(160); 및 제1 탈염용 플렉서블 복합전극(160)과 공간을 사이에 두고 대향하고 있으며, 미세 기공을 갖는 제2 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 제2 도전성막을 포함하는 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(170)을 포함한다.
제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170)은 서로 다른 극성의 집전체 또는 전위가 발생될 수 있는 집전체로, 예컨대, 제1 탈염용 플렉서블 복합전극(160)은 음극 집전체이고, 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(170)은 양극 집전체이다.
제1 및 제2 축전식 탈염 전극 모듈(160,170) 사이에 전위를 인가하게 되면, 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170)의 표면에 형성되는 전기이중층에서 전기적 인력에 의하여, 탈염 장치의 일측으로 유입되는 해수나 폐수등의 처리수에 포함된 이온들이 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170)의 표면에 흡착되어 제거됨으로써, 탈염 장치의 타측으로 정화된다. 이때, 전기적인 인력에 의해, 다공성 전극은 해수나 폐수등의 처리수에 포함된 이온을 흡착한다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 탈염 장치는 제1실시예에 따른 탈염 장치와 비교하여 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170) 사이 공간에 위치되어, 처리수가 통과하는 부직포(180)를 더 포함한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 탈염 장치에서는 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극에 인가된 전위로 부직포(180)로 통과되는 처리수에서 이온을 흡착함으로써, 축전식 탐염을 구현한다.
그리고, 부직포(180)에는 불규칙한 형상의 다수의 기공이 형성되어 있어, 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170) 사이에서 통과되는 처리수의 유동 방향을 다양하게 가변시켜, 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170) 사이에 인가된 전위에 의해 이온들의 흡착 효율을 증가시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 탈염 장치는 미세 기공을 갖는 다공성 기재에 도전성막을 형성하여 초박형의 탈염용 플렉서블 복합전극을 구현함으로써, 초박형 탈염 장치를 구현할 수 있다.
본 발명에서는 제1 및 제2실시예에 따른 탈염 장치에 적용된 도전성막에 전기전도도를 향상시키기 위한 도금층이 더 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 탈염 장치는 흡착된 이온이 탈염용 플렉서블 복합전극의 축전용량에 도달하게 되면, 전극전위를 0 볼트(V), 또는 역 전위로 전환하여 탈염용 플렉서블 복합전극에 흡착된 이온들을 탈착시켜 역세척함으로써, 탈염 장치를 재생하여 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 탈염 장치를 설명하기 위한 개념적인 도면이고, 도 8은 도 7의 필터 모듈이 적층된 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 탈염 장치는 정화수가 배출되는 타단에 설치된 중금속 이온 및 세균성 물질을 필터링할 수 있는 필터 모듈(200)을 더 포함할 수 있다.
필터 모듈(200)은 탈염 장치의 타단에 설치되어, 중금속 이온 및 박테리아, 미생물 등의 세균성 물질을 제거할 수 있다. 이때, 도 7은 개념적인 도면으로, 필터 모듈(200)이 탈염 장치의 타단으로부터 이격되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170) 사이를 통과한 제1정화수의 누수를 기본적으로 방지하기 위한 구조로 이루어져 있어야 한다. 예컨대, 필터 모듈(200)이 탈염 장치의 타단에 필터 모듈(200)에 밀착될 수 있거나, 제1정화수의 누수를 방지하기 위한 가이드가 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170)과 필터 모듈(200) 사이에 설치될 수 있다.
필터 모듈(200)은 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극(160,170)에서 이온이 제거된 제1정화수에서 중금속 이온을 제거하기 위한 은(Ag) 메쉬 모듈(220), 및 은 메쉬 모듈(220)에 고정되어, 중금속 이온이 제거된 제2정화수(미도시)에서 세균성 물질을 필터링하기 위한 나노섬유 웹(210)을 포함하여 구성된다.
나노섬유 웹(210)은 3차원 미세 기공이 형성되어 있어, 제2정화수가 나노섬유 웹(210)을 통과하는 동안 세균성 물질은 나노섬유 웹에 포집된다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 필터 모듈(200)은 은 메쉬 모듈(220) 및 나노섬유 웹(210)의 적층 구조가 반복적으로 적층된 구조로 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 탈염 장치에 필터 모듈을 더 포함시켜, 중금속 이온과 세균성 물질을 필터링할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에서는 나노섬유 웹(210)이 은나노 물질이 포함되어 있는 나노 섬유가 적층된 나노섬유 웹으로 구현할 수 있고, 즉, 은나노 물질이 포함된 나노섬유 웹을 통과한 정화수는 세균 번식을 방지하여 항균 특성을 증가시킬 수 있다.
이경우, 은나노 물질, 고분자 물질을 유기용매에 용해하여 방사용액을 제조한 후, 전기방사를 수행하여 나노 섬유를 적층하여 나노섬유 웹을 제조한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 다공성 기재의 미세 기공에 도전성 물질이 침투된 전극 구조를 구현하여 초박형의 탈염용 플렉서블 복합전극을 제작함으로써, 초박형 탈염 장치를 제공할 수 있다.
100:다공성 기재 105:미세 기공
121,122:도전성막 130:도금층
160,170:탈염용 플렉서블 복합전극 180:부직포
200:필터 모듈 210:나노섬유 웹
220:은 메쉬 모듈

Claims (18)

  1. 미세 기공을 갖는 다공성 기재; 및
    상기 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 도전성막;을 포함하는 탈염용 플렉서블 복합전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 기재는,
    고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹, 및 부직포 중 선택된 하나 또는 양자의 적층 구조인 탈염용 플렉서블 복합전극.
  3. 제2항에 있어서, 상기 나노 섬유 웹 및 부직포의 적층 구조는,
    상기 부직포 일면에 상기 나노 섬유 웹이 적층된 구조, 또는 상기 부직포 양면에 나노 섬유 웹이 적층된 구조인 축전식 탈염 전극 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 나노 섬유 웹의 두께는 상기 부직포의 두께보다 얇은 탈염용 플렉서블 복합전극.
  5. 제1항에 있어서, 상기 도전성막은,
    도전성 물질을 상기 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 증착하여 형성된 탈염용 플렉서블 복합전극.
  6. 제5항에 있어서, 상기 도전성 물질은,
    니켈(Ni), 구리(Cu), 스텐레스 스틸(SUS), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 중 적어도 하나인 탈염용 플렉서블 복합전극.
  7. 제5항에 있어서, 상기 다공성 기재의 미세 기공으로 상기 증착된 도전성 물질이 침투되어 있는 탈염용 플렉서블 복합전극.
  8. 제7항에 있어서, 상기 미세 기공으로 침투된 도전성 물질에 의해 상기 다공성 기재의 일면과 타면의 도전성막은 전기적으로 연결되는 탈염용 플렉서블 복합전극.
  9. 제1항에 있어서, 상기 도전성막에 도금된 도금층을 더 포함하는 탈염용 플렉서블 복합전극.
  10. 미세 기공을 갖는 다공성 기재를 준비하는 단계; 및
    도전성 물질을 증착하여 상기 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 도전성막을 형성하는 단계;를 포함하는 탈염용 플렉서블 복합전극의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 도전성막에 도금 공정을 수행하여 도금층을 형성하는 단계를 더 포함하는 탈염용 플렉서블 복합전극의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 다공성 기재는,
    고분자 물질을 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 적층되어 있고 3차원 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹, 및 부직포 중 선택된 하나 또는 양자의 적층 구조인 탈염용 플렉서블 복합전극의 제조 방법.
  13. 미세 기공을 갖는 제1다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 제1 도전성막을 포함하는 제1 탈염용 플렉서블 복합전극; 및
    상기 제1 탈염용 플렉서블 복합전극과 공간을 사이에 두고 대향하고 있으며, 미세 기공을 갖는 제2 다공성 기재의 일면, 타면 또는 전면에 형성되어 있는 제2 도전성막을 포함하는 제2 탈염용 플렉서블 복합전극;을 포함하는 탈염 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 축전식 탈염 전극 모듈 사이 공간에 위치되어, 처리수가 통과하는 부직포를 더 포함하는 탈염 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 처리수에 포함된 이온이 상기 제1 및 제2 탈염용 플렉서블 복합전극에서 흡착되어 정화된 정화수가 배출되는 영역에, 상기 정화수에서 중금속 이온 및 세균성 물질을 필터링할 수 있는 필터 모듈을 더 포함하는 탈염 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 필터 모듈은,
    상기 정화수에서 중금속 이온을 제거하기 위한 은(Ag) 메쉬 모듈; 및
    상기 은 메쉬 모듈에 고정되어, 상기 중금속 이온이 제거된 정화수에서 세균성 물질을 필터링하기 위한 나노섬유 웹을 포함하는 탈염 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 필터 모듈은,
    상기 은 메쉬 모듈 및 상기 나노섬유 웹의 적층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 갖는 탈염 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 나노섬유 웹은,
    은나노 물질이 포함되어 있는 나노 섬유가 적층된 나노섬유 웹인 탈염 장치.





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