KR20150084956A

KR20150084956A - 축전 탈이온화를 위한 함침 전극, 그의 제조 방법 및 상기 전극을 사용한 장치

Info

Publication number: KR20150084956A
Application number: KR1020157015382A
Authority: KR
Inventors: 틴토 조니찬 알렌체리; 솜나쓰 고쉬; 벤카타라가반 라자나라야나
Original assignee: 유니레버 엔.브이.
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-07-22
Also published as: HUE029051T2; PH12015501268A1; AU2013357739B2; AR093893A1; CL2015001613A1; ES2584352T3; EP2931665A1; WO2014090508A1; MX342492B; MX2015007496A; PL2931665T3; CA2893381A1; CN104903250A; AU2013357739A1; EA201500635A1; US20150307373A1; EP2931665B1; JP2016509527A; PH12015501268B1; BR112015013568A2

Abstract

(i) 100 m²/g 내지 1300 m²/g의 비표면적을 갖는 흡착제;

(ii) 전도성 카본 블랙; 및

(iii) 결합제를 포함하고, 여기서 상기 흡착제는 10⁵ S/m 내지 10⁷ S/m 범위의 전도성 및 -0.3 V 내지 +1.3 V 범위의 표준 수소 전위를 갖는 물질이 함침된 것인 축전 탈이온화를 위한 전극이 개시되어 있다. 전극은 증진된 회수율 및 보다 큰 총 고체 감소를 제공하고, 보다 에너지 효율적이다. 전극을 제조하는 방법 및 상기 전극이 포함된 중력 공급식 물 정제 장치가 또한 개시되어 있다.

Description

축전 탈이온화를 위한 함침 전극, 그의 제조 방법 및 상기 전극을 사용한 장치 {IMPREGNATED ELECTRODE FOR CAPACITIVE DEIONISATION, PROCESS FOR PREPARING IT AND APPARATUS EMPLOYING THE ELECTRODES}

본 발명은 축전 탈이온화를 위한 전극에 관한 것이다.

물의 정제를 위한 여러 기술이 이용가능하다. 목록은 자외선 (UV) 방사선, 화학적 정제 작용제, 예컨대 하이포클로라이트 염 뿐만 아니라 다양한 막의 사용을 포함한다. 상기 나열된 기술은 탈이온화를 제공하지 않는다. 그러나, 증류, 역삼투, 축전 탈이온화 및 이온-교환 수지와 같은 다른 방법은 탈이온화를 제공한다.

탈이온화는 물이, 흔히 물의 TDS (총 용존 고형물)로서 측정되는 다량의 용존 고형물을 함유하는 경우에 필요하게 된다. 물을 탈이온화시키는 정제기는 일반적으로 총 용존 고형물을 감지하기 위한 내장된 메카니즘 (예를 들어, 전도도 측정기)를 갖는다. 총 용존 고형물이 미리-설정된 한계 미만인 한, 사용자는 분배 포트/탭을 통해 정제된 물을 수집할 수 있다. 정제된 물이 상기 미리-설정된 한계를 초과하는 경우의 단계가 오게 된다. 이 단계에서, 센서는 변화를 즉시 감지하고, 포트/탭으로의 물의 공급을 차단한다. 이어서, 물을 폐수용 유출구로 우회시킨다. 상기 미리-규정된 수준 (TDS_설정)은 통상적으로 유입된 물의 평균 TDS 및 소비자에 의해 요구되는 정제된 물의 평균 TDS를 고려한 후에 고정된다. 어느 정도의 물 중 TDS는 양호한 맛을 위해 필요하다.

전형적인 축전 탈이온화의 과정 동안, 물은 하나 이상의 반대로 하전된 전극의 쌍을 통해 흐르며, 그동안 물 중에 존재하는 이온이 전극의 표면으로 끌려가 흡착된다. 이 현상은 TDS의 감소를 유발한다. 흡착은 전극의 이용가능한 표면적에 제한되는 표면 현상이다. 축전 탈이온화 전극을 함유하는 상업용 정수기는 통상적으로 주기적으로 충전되고 방전되는 다수의 전극의 배열을 함유한다. 이 전극의 스택을 통해 흐르는 물은 충전 사이클 동안 계속적으로 탈이온화된다.

그러나, 전극의 성능은 일반적으로 사용 기간의 경과에 따라 강하된다. 그러면, 장치는 더 이상 목적하는 정도의 TDS 감소를 제공할 수 없다. 이것은 전극 상의 염 침착 때문인 것으로 여겨진다. 이 현상은 전극의 사용가능한 수명에 영향을 미친다. 그러나, 소비자는 보다 오래 지속되는 전극을 원한다.

축전 탈이온화의 과정에서, 물의 순도는 TDS_설정으로 불리는 미리-결정된 파라미터에 의해 확인된다. 설정 값 초과의 TDS를 함유하는 물은 불순한 것으로 간주되고, 따라서 소비에 적합하지 않다. 즉, 이러한 물은 보다 많은 양의 용존 고형물, 주로 물을 비-식수로 만드는 무기 염을 함유한다. 반대로, 정제된 (또는 유출된) 물의 TDS가 TDS_설정 미만인 한, 물은 여전히 소비에 적합하다.

임의의 CDI 시스템의 성능은 2개의 파라미터에 의해 측정된다.

첫번째는 시스템에 의해 유도된 TDS 감소의 정도이고, 두번째는 회수율로 불리며, 전체 물 유입량에 대한 정제수의 비로 정의된다.

바람직한 전극은 보다 높은 회수율로, 보다 많은 TDS 제거를 지속적으로 제공하면서 가능한 한 긴 시간 동안 정제수의 제공을 계속하는 것이다.

US2012187054A1 (삼성 전자 캄파니 리미티드)은 유입된 물로부터 흡착을 통해 금속 오염물을 제거하기 위한 전극 상의 금속 흡수 물질의 사용을 개시하고 있다.

EP1601617B1 (모거나이트 일렉트 카본(MORGANITE ELECT CARBON))은 전기분해에 의해 금속을 물 내로 침출시켜 전기적-응집체를 형성하도록 함으로써 유입된 불순한 물의 탁도를 감소시키기 위한 전극에서의 금속의 포함을 개시하고 있다. 대표적인 전극은 1 내지 90% 흑연 기재 탄소 매트릭스 및 40% 이하의 금속, 예컨대 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 철을 갖는다.

WO2008016671 A1 (쿠오스 인크.(Quos Inc), 미국)은 수지 결합제, 활성 흡착제로서의 카본 블랙 및/또는 흑연, 및 흡착제 프로모터로서의 금속 산화물로 제조된 탄소-기재 복합체 전극을 개시하고 있다. 약간의 양의 금속, 예컨대 은 또는 금이 또한 보다 우수한 전도성을 위해 전극에 첨가될 수 있다는 것이 제시되었다.

DE10013457 A1 (노악 안드레아스(Noack Andreas), 2001)은 하우징 및 적어도 2개의 전기적으로 반대로 하전된 전극 (하나의 전극은 다공성 지지체 상에 다공성 탄소 막을 포함함)을 포함하는 정수 장치를 개시하고 있다. 정수 장치는 하우징 및 적어도 2개의 전기적으로 반대로 하전된 전극 (하나의 전극은 다공성 지지체 상의 다공성 탄소 막을 포함함)을 포함한다.

전자의 경우에서의 전극은 금속성 미세-오염물의 제거를 위한 것이지만, 무기 염/TDS의 감소는 의도되지 않았다. 후자의 경우에서, 전극은 전기 응집을 위해 금속을 물 내로 침출시키기 위해 사용되며, 이는 탁도를 감소시키기 위한 방법이다. 이것은 무기 염 또는 TDS의 감소에 관한 어떠한 기술적 문제도 다루지 않는다.

본 발명의 목적은 증진된 회수 뿐만 아니라 보다 높은 TDS 제거를 제공하는 전극을 제공하는 것이다.

발명의 개요

흡착성 매체에 10⁵ S/m 내지 10⁷ S/m 범위의 전도도 및 - 0.3 V 내지 +1.3 V 범위의 표준 환원 전위를 갖는 물질을 함침시키면 상기 문제 중 적어도 일부가 해결될 수 있는 것으로 판명되었다.

따라서,

(i) 100 내지 1300 m²/g의 비표면적을 갖는 흡착제;

(ii) 전도성 카본 블랙; 및

(iii) 결합제

를 가지며, 여기서 상기 흡착제는 10⁵ S/m 내지 10⁷ S/m 범위의 전도도 및 - 0.3 V 내지 +1.3 V 범위의 표준 환원 전위를 갖는 물질이 함침된 것인

축전 탈이온화를 위한 전극이 제1 측면에 따라 개시된다.

축전 탈이온화를 위한 개시된 전극은

(i) 100 내지 1300 m²/g의 비표면적을 갖는 흡착제;

(ii) 전도성 카본 블랙; 및

(iii) 결합제;

를 함유하고, 여기서 흡착제는 10⁵ S/m 내지 10⁷ S/m 범위의 전도도 및 - 0.3 V 내지 +1.3 V 범위의 표준 환원 전위를 갖는 물질이 함침된 것이다.

축전 탈이온화는 전형적으로 300 내지 3000 ppm의 TDS를 갖는 반염수의 탈이온화를 위한 보다 새로운 기술이다. 작동 원리는 전기-수착 또는 전기-흡착이며, 여기서 물 중에 존재하는 이온이 적용된 전기장의 영향 하에 전극에 흡착하게 된다. 축전 탈이온화의 전형적인 사이클은 정제 단계 및 재생 단계를 포함한다.

축전 탈이온화의 과정은 유입된 물 중에 함유된 총 용존 고형물을 감소시키기 위한 이온의 전기흡착에 대한 기질로서 전극을 필요로 한다.

흡착제

바람직한 흡착제는 활성탄, 고 비표면적 흑연 (HSAG), 탄소 나노튜브 (CNT), 활성탄 섬유, 양이온 교환 수지, 제올라이트, 스멕타이트 또는 버미큘라이트로부터 선택된다. 특히 바람직한 흡착제는 활성탄이다. 활성탄이 역청탄, 코코넛 쉘, 목재 또는 석유 타르로부터 얻어지는 것이 바람직하다. 바람직하게는 활성탄의 표면적은 500 m²/g 초과; 보다 바람직하게는 1000 m²/g 초과이다. 활성탄의 크기 균일성 계수가 2 미만, 보다 바람직하게는 1.5 미만인 것이 바람직하다.

활성탄의 사염화탄소가는 50% 초과, 보다 바람직하게는 60% 초과인 것이 바람직하다. 또한, 활성탄의 아이오딘가는 800 단위 초과, 보다 바람직하게는 1000 단위 초과인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 활성탄의 입자 크기는 75 내지 300 μm, 바람직하게는 100 내지 250 μm이다.

탄소 포, 탄소 펠트, 탄소 에어로겔을 비롯한 활성탄의 변형된 형태가 또한 활성탄을 대신하여 또는 그에 추가하여 사용될 수 있다.

전도성 카본 블랙

전도성 카본 블랙은 원소 탄소의 형태이다. 전도성 카본 블랙은 대부분 액체 방향족 탄화수소로부터 오일 퍼니스 공정에 의해 제조된다. 전극을 위한 카본 블랙을 선택함에 있어, 바람직하고 중요한 요소는 총 표면적 및 메조기공 표면적, 구조 및 표면 산화이다.

전도성 카본 블랙의 총 표면적은 바람직하게는 500 m²/g 초과이다. 추가로, 전도성 카본 블랙의 메조기공 영역이 100 m²/g 초과, 보다 바람직하게는 100 m²/g 내지 1000 m²/g 범위인 것이 바람직하다.

카본 블랙의 구조는 그의 오일 흡수가 (OAN)에 의해 특성화된다. 카본 블랙의 OAN이 45 내지 400 cm³/100 그램, 보다 바람직하게는 100 내지 400 cm³/100 g, 추가로 보다 바람직하게는 250 내지 400 cm³/100 g인 것이 바람직하다. 전도성 카본 블랙이 그의 표면 상에 보다 낮은 양의 화학흡착된 산소를 갖는 것이 바람직하다.

적합한 등급의 카본 블랙은 팀칼 그래파이트 5 카본(TIMCAL Graphite 5 Carbon) (등급: 엔사코(Ensaco)™ 250G, 엔사코™ 350) 또는 캐보트 코포레이션(Cabot Corporation) (등급: 리갈(Regal)™, 블랙 펄(Black Pearl)™ 2000, 불칸(Vulcan)), 또는 에보노빅(Evonovik) (등급: 프린텍스(PRINTEX)™ XE-2), 또는 악조 노벨(Akzo Nobel) (케첸 블랙(Ketjen Black))으로부터 선택될 수 있다.

결합제

전극은 또한 결합제를 함유한다. 바람직하게는 결합제는 열가소성이다. 용어 열가소성 결합제는 5 g/ 10분 미만, 보다 바람직하게는 2 g/ 10분 미만, 추가로 보다 바람직하게는 1 g/ 10분 미만의 용융 유량 (MFR)를 갖는 결합제를 의미한다. 결합제의 벌크 밀도는 바람직하게는 0.6 g/cm³ 이하, 보다 바람직하게는 0.5 g/cm³ 이하, 추가로 보다 바람직하게는 0.25 g/cm³ 이하이다.

적합한 예는 초고분자량 중합체, 바람직하게는 낮은 MFR 값을 갖는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 그의 조합을 포함한다. 분자량은 바람직하게는 10⁶ 내지 10⁹ g/mol 범위이다. 이러한 부류의 결합제는 티코나 게엠베하(Tycona GMBH)로부터의 상표명 호스탈렌(HOSTALEN), GUR, 선파인(Sunfine) (일본 아사히로부터), 하이젝스(Hizex) (미츠비시(Mitsubishi)로부터) 하에 및 브라스켄 코포레이션(Brasken Corp) (브라질)으로부터 상업적으로 입수가능하다. 다른 적합한 결합제는 루폴렌(Lupolen) (바젤 폴리올레핀스(Basel Polyolefins))으로서 판매되는 LDPE 및 퀴노스(Qunos) (오스트레일리아)로부터의 LLDPE를 포함한다.

열가소성 결합제는 피브릴화 중합체, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)이 아닌 것이 바람직하다.

열가소성 결합제의 입자 크기가 20 내지 60 μm, 바람직하게는 40 내지 60 μm의 범위인 것이 바람직하다. 바람직한 전극은 8 내지 30 중량%, 보다 바람직하게는 10 내지 30 중량%, 추가로 보다 바람직하게는 12 내지 28 중량%의 결합제를 함유한다.

활성탄:결합제:전도성 카본 블랙의 중량비는 바람직하게는 5:2:3 내지 8:1:0.5의 범위, 보다 바람직하게는 7:2:1이다.

물질

개시된 필터에서, 흡착제는 10⁵ S/m 내지 10⁷ S/m 범위의 전도도 및 - 0.3 V 내지 + 1.3 V 범위의 표준 환원 전위를 갖는 물질이 함침된다. 표준 환원 전위는 표준 수소 전극에 관한 것이다.

이러한 물질의 존재로 인한 흡착제의 증가된 전기 전도도는 증진된 회수율 및 보다 큰 총 고형물 감소를 제공하고, 보다 높은 에너지 효율을 제공하는 것으로 여겨진다. 증가된 전기 전도도는 활성 물질의 저항을 감소시키고, 이에 따라 물질 내에 보다 적은 전위 강하를 유발하고, 결과적으로 전극-용액 계면에서 보다 높은 전위가 전개된다. 이 현상은 염 (TDS) 함량을 낮추는 전극의 용량을 증가시킨다. 이것은 또한 염 제거 과정의 동역학을 증가시킨다. 그 결과, 축전 탈이온화 시스템의 회수율이 증가하는 것으로 여겨진다.

물질 (흡착제에 이것이 함침됨)이 귀금속인 것이 바람직하다. 흡착제, 예컨대 활성탄 상에 함침된 물질의 백분율이 흡착제의 0.2 중량% 내지 0.8 중량%, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.5 중량%인 것이 바람직하다. 바람직한 물질은 금, 은, 구리 및 백금 등을 포함한다. 은이 특히 바람직하다. 은은 6.3x10⁷ S/m의 전도도 및 표준 수소 전극에 대해 0.8 V의 표준 환원 전위를 갖는다. 사용되는 흡착제에는 상기 물질이 사전-함침된다.

전극의 추가의 세부사항

본 발명의 제1 측면의 전극은 바람직하게는 본 발명의 제2 측면에 따른 방법에 의해 얻을 수 있다.

전극을 사용하기 위해, 통상적으로 요구되는 크기로 그들을 절단한다. 이 크기는 전극이 조립되는 상응하는 축전 탈이온화 셀의 크기에 의존한다. 통상적으로 전극은 대략 쌍으로, 예컨대 11쌍, 13쌍, 바람직하게는 25쌍 이하로 조립된다. 25쌍을 초과하면, 전극의 배열의 유압 저항이 너무 높아져서 더 많은 압력 강하를 유발한다. 두번째 이유는 전극의 배열에 의해 정해지는 경로 길이가 너무 커지기 때문에 충전 사이클과 시스템으로부터의 정제수의 출구 사이에 약간의 지연이 종종 존재한다는 것이다. 바람직한 방법에서, 물은 8 내지 25쌍의 전극을 통과한다. 일반적으로, 전극의 전체 개수 중, 상당한 개수는 양면 전극이고, 가장 흔하게는 "n"쌍의 전극이 사용되는 경우에; 양면 전극의 개수는 "n-1"이고, 나머지 한 쌍을 단면 전극으로서 사용하며, 조립체 또는 스택에서 단면 전극을 단자 전극으로서 1개씩 배치한다.

전극의 모든 쌍 중에서, 대부분의 전극은 양면이고, 상응하게 부차적 부분의 전극이 단면인 것이 특히 바람직하다.

병렬 배열의 전극을 갖는 것이 바람직하지만, 이들은 또한 직렬로 배열될 수 있다.

각각의 양면 전극의 두께가 1 내지 6 mm, 바람직하게는 2 내지 5 mm, 보다 바람직하게는 3 내지 4 mm인 것이 바람직하다. 각각의 단면 전극의 두께가 1 내지 3 mm인 것이 바람직하다.

비-전도성 물질, 예컨대 나일론 포가 바람직하게는 전극 사이의 직접 접촉을 방지하기 위해 사용된다. 2개의 인접한 전극 사이의 간격이 1 mm 이하인 것이 특히 바람직하다.

전극의 추가의 상세한 설명은 WO2009/077276 A1 (유니레버(Unilever))에서 찾아볼 수 있다.

흡착제, 예컨대 탄소에 물질, 예컨대 은이 사전-함침되기 때문에, 전극을 형성한 후에 전극의 코팅과 같은 임의의 추가의 후-처리는 필요하지 않다.

축전 탈이온화 셀의 설명

전극을 사용하기 위해, 이들을 축전 탈이온화 셀로 불리는 셀을 형성하기 위해 조립할 필요가 있다. 셀을 형성하는 방법이 간략하게 기재되어 있다.

통상적으로 이러한 셀에서 한 쌍의 전극이 각각 양전위 및 음전위에 연결된다. 엔클로져는 축전 탈이온화 셀을 둘러싸며, 물에 대해 셀로의 유입 및 유출을 제공한다. 엔클로져는 또한 셀 내의 전극의 외부적 연결의 생성을 제공한다.

임의의 공지된 수단이 셀 내로 물의 유입에 사용될 수 있다. 물은 일반적으로 저장소를 통해 또는 물의 인라인 공급원 및 펌프에 의해 공급된다. 예를 들어, 저장소에 저장된 물은 축전 탈이온화 셀로 공급되거나 또는 축전 탈이온화 셀이 수도꼭지와 같은 물의 직접적 공급원에 연결된다.

펌프가 사용되는 경우, 물은 1 내지 1500 ml/분, 보다 바람직하게는 10 내지 300 ml/분의 유량 하에 펌핑될 수 있다. 보다 흔한 유량은 약 55 ml/분 내지 200 ml/분이다. 물에 유기 물질 및 미립자 불순물이 없도록 하기 위해 물을 사전-여과하는 것이 바람직하다. 적합한 여과 수단을 채택할 수 있다.

전원 공급장치

전원 공급장치가 필요하다. 전원은 임의의 수단에 의해 공급될 수 있다. 그러나, 전원이 DC 전압을 공급하기 위한, 또한 사전 프로그램된 시간의 단계, 예컨대 단락, 충전 및 방전을 적용하기 위한 프로그램가능 DC 시스템에 의해 공급되는 것이 바람직하다.

충전 단계 동안 전극을 가로질러 적용되는 전압이 0.1 내지 10 V, 보다 바람직하게는 0.8 내지 8 V, 보다 더 바람직하게는 1.0 내지 6 V인 것이 바람직하다. 방전 단계에서, 전극 상의 전하가 단지 짧은 기간 동안에 역전된 경우, 바람직한 적용 전압은 -0.1 내지 -10 V, 보다 바람직하게는 -0.8 내지 - 8 V, 보다 더 바람직하게는 -1.0 내지 - 6 V이다.

TDS의 측정

전도도 측정기를 사용하여 물 중 염의 농도를 측정하고, 적합한 전자 프로그램을 이용하여; TDS를 직접 계산하고 디스플레이 한다. 바람직하게는 이러한 측정기를 2개 사용한다. 제1 전도도 측정기는 축전 탈이온화 셀 전방에 위치하여 유입되는 물 중 염의 농도를 측정한다. 제2 전도도 측정기는 셀 후방에 위치하여 유출되는 물 중 염의 농도를 측정한다. 이 제2 전도도 측정기가 전자 프로세서에 연결된다. 전자 프로세서는 전도도 측정기로부터의 전기 신호를 수신하고, 이것은 전도도 측정기로부터의 전기 신호를 TDS로 전환한다. 전도성이 일정한 간격, 예를 들어 1초 간격으로 측정되는 것이 바람직하며, 이는 전자 프로세서에 의해 제어될 수 있다.

물의 유출을 제어하는 일부 수단을 제공하기 위해, 솔레노이드 밸브가 이러한 축전 탈이온화 셀에 일반적으로 사용된다.

솔레노이드 밸브는 전자기계적으로 작동되는 밸브이다. 상기 밸브는 솔레노이드를 통한 전류에 의해 제어된다. 2-포트 밸브의 경우, 유량은 스위치 온 또는 오프되고, 3-포트 밸브의 경우; 유출은 2개의 유출구 포트 사이에서 스위칭된다. 솔레노이드 밸브는 유체 유동에서 가장 흔하게 사용되는 제어 요소이다.

1개의 포트가 물의 유입을 위한 것이고, 다른 2개의 포트가 유출을 위한 것인 3-원 솔레노이드 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 솔레노이드 밸브가 릴레이 스위치를 갖는 전도도 측정기에 연결되는 것이 바람직하다. TDS가 미리 설정된 한계 초과인 경우, 물의 관류는 통상 폐쇄형이고, 물은 유출 포트로부터 나온다. TDS가 미리 설정된 포인트 미만으로 감소되는 경우, 릴레이 스위치가 턴온되어 전류가 솔레노이드 밸브로 흐르고, 그 다음 유동 경로를 또 다른 포트로 스위칭한다.

전자 프로세서는 유입 및 유출 TDS 수준 및 TDS에 대해 미리-결정된 미리 설정된 포인트에 기초하여 솔레노이드 밸브의 특정 포트의 개방을 제어한다. 유입된 물의 TDS가 700 내지 800 ppm인 것이 바람직하지만, TDS는 물의 공급원에 따라 달라질 수 있다. TDS가 탈이온화 후에 그의 초기 수준의 적어도 30%로 낮아지는 것, 예를 들어 초기 유입 수준 100 ppm으로부터 유출된 물에서 적어도 30 ppm으로 감소되는 것이 바람직하다.

전극이 30% 감소를 제공하는데 실패하는 경우, 전극은 개입을 필요로 할 수 있다. 즉, 유입 TDS가 100 ppm이고 유출 TDS가 70 ppm 초과인 경우, 전극은 개입을 필요로 할 수 있다.

TDS의 미리 설정된 상한치 (즉, 최대 허용 TDS)가 550 ppm, 보다 바람직하게는 300 ppm인 것이 바람직하다. 모든 용존 염을 완전히 제거하기 위해서는 TDS에서의 급격한 감소는 바람직하지 않다. 어떤 용존 고체도 없는 물은 보통 맛이 없다.

따라서, TDS_설정은 최소 150 ppm이다. 이것은 유출된 물 중에 최소 150 ppm의 TDS를 가지는 것이 바람직하다는 것을 의미한다.

사용되는 전극

사용 시에, 둘 이상의 전극을 갖는 축전 장치가 직렬로 배열된다. 각각의 전극은 제1면, 반대쪽의 제2면, 및 제1면으로부터 반대쪽의 제2면까지 연장되는 외부 표면으로 규정되는 두께를 갖는다. 제1 전류 수집기는 전극 중 하나 이상의 외부 표면과 전기적으로 접촉되어 있고, 제1 전류 수집기와 하나 이상의 다른 전극의 외부 표면 사이에 배치된 순응성 물질과의 접촉을 통해 하나 이상의 다른 전극으로부터 절연되어 있다. 제2 전류 수집기는 제1 전류 수집기로부터 절연된 전극 중 하나 이상과 전기적으로 접촉되어 있다.

물의 정제의 전형적인 방법은 반복되는 일련의, 유입된 물이 적어도 한 쌍의 반대로 하전된 전극을 통과하는 사이클을 가지며, 각각의 사이클은

(i) 충전 단계;

(ii) 제1 단락 단계;

(iii) 전극 상의 전하의 역전으로 이루어지는 방전 단계; 및

(iv) 제2 단락 단계

를 갖는다.

10회 사이클 전의 적용된 극성의 역전은 공정을 비효율적으로 만든다. 이것은 극성의 변화 후에 시스템이 안정화되고 그의 최대 능률을 수행하기 위해서는 몇 번의 사이클 (폐기 사이클로 지칭됨)을 취하기 때문이다. 따라서, 극성이 빈번하게 역전되는 경우에, 폐기 사이클의 수가 증가하고, 이는 공정을 비효율적으로 만든다. 20회 사이클 후의 전하의 역전은 전극에 그때까지 많은 이온을 흡착하였기 때문에 목적하는 효과를 제공하지 않을 것이다.

충전 단계에서, 유입된 물 중에 존재하는 이온은 전극의 표면에 흡착된다. 바람직한 방법에서, 충전 단계의 지속시간은 1 내지 25분, 보다 바람직하게는 6 내지 18분, 추가로 보다 바람직하게는 12 내지 18분 동안이다. 각각의 단계의 지속시간은 전극의 유형, 그들을 구성하는 물질, 그들의 치수, 적용된 전압 및 처리될 물의 TDS에 의존한다.

제1 단락 단계는 전극에 부착된 전하를 동등하게 하거나 또는 중성화시키는 것을 도와 이온이 대부분의 물로 이동할 수 있도록 한다. 바람직한 방법에서, 제1 단락 단계의 지속시간은 2 내지 60초, 보다 바람직하게는 8 내지 15초, 가장 바람직하게는 10 내지 15초이다.

심지어 제1 단락 단계 이후에도, 일부 이온은, 다른 이유 중에서도 탈착에 대한 비특이적 구동력 때문에 여전히 전극에 부착되어 있을 수 있다. 이것은 전극의 잔류 전하에 의해 흡착된 이온의 방출을 돕는, 전극 상에 적용된 전하의 짧은 기간 동안의 역전으로 이루어진 방전 단계에 의해 달성될 수 있다. 이어서, 이러한 이온은 전기적 척력에 의해 즉시 방출된다.

이 단계는 또한 추가의 사용을 위한 전극을 재생한다. 바람직한 방법에서, 방전 단계의 지속시간은 5 내지 20초, 보다 바람직하게는 8 내지 15초이다. 제2 단락 단계는 잔류 전하를 추가로 중성화시키는 것을 돕는다. 바람직한 방법에서, 제2 단락 단계의 지속시간은 4 내지 20분, 보다 바람직하게는 12 내지 18분 동안이다. 이 단계는 추가로 이온을 전극으로부터 대부분의 물로 보낸다.

전극의 제조 방법:

또 다른 측면에 따라,

(i) 100 m²/g 내지 1300 m²/g의 비표면적을 갖는 흡착제 60 내지 88 중량부, 열가소성 중합체성 결합제 5 내지 30 중량부, 및 전도성 카본 블랙 2 내지 20 중량부의 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물의 중량의 4배 이하의 양의 유체를 상기 혼합물에 포함시키는 단계;

(ii) 단계 (i)에서 수득한 조성물을 금형 내에 캐스팅하는 단계;

(iii) 금형을 압축시키는 단계;

(iv) 150 내지 350℃ 범위의 온도로 금형을 가열하는 단계; 및

(v) 성형된 전극을 이형시키는 단계

를 포함하고, 여기서 상기 흡착제는 10⁵ S/m 내지 10⁷ S/m 범위의 전도도 및 -0.3 V 내지 +1.3 V 범위의 표준 수소 전위를 갖는 물질이 함침된 것인, 물의 축전 탈이온화를 위한 제1 측면의 전극을 제조하는 방법이 제공된다.

바람직한 공정에서, 유체는 물이다. 추가로 바람직하게는, 조성물의 캐스팅은 시트를 형성하기 위해 금형을 사용하여 수행되고, 보다 바람직하게는 조성물의 캐스팅은 금형 내의 전류 수집기 상에서 수행된다. 바람직한 전류 수집기는 흑연, 알루미늄 또는 티타늄으로부터 선택된다. 공정 동안, 금형의 온도가 200 내지 300℃인 것이 바람직하다. 금형을 가열하기 전에 금형을 30 kg/cm² 이하의 압력으로 압박시키는 것이 바람직하다. 추가의 바람직한 압력은 12 내지 25 kg/cm²이다.

개시된 방법은 적층 블록 또는 적층 성형품과는 다르게, 보다 더 균질하거나 또는 보다 덜 균질한 혼합물을 생성한다.

또 다른 측면에 따라, 물의 축전 탈이온화를 위한 제1 측면의 전극을 갖는 물 정제 시스템이 제공된다.

또 다른 측면에 따라, 복수의 제1 측면의 전극을 갖는 하우징을 포함하고, 여기서 전극은 전극을 가로질러 1.4 V 전위 미만의 전압을 제공하는 DC 전력의 공급원에 연결되는, 물로부터 용해된 염을 제거하기 위한 중력-공급 물 정제 장치가 제공된다.

물의 정제 방법

정제 동안, 양전위 및 음전위가 전극을 가로질러 적용되고, 물 중에 존재하는 반대이온이 상응하는 반대 전하의 전극에 끌리게 된다. 이 효과는 유입된 물 중에 존재하는 이온의 감소를 유도한다.

재생 단계에서, 전극 상의 전하가 역전된다 (또는 전극이 단락된다). 이 단계에서, 이온은 정전기 척력 때문에 전극으로부터 탈착되어 유동수로 이동한다. 이 단계 동안, 보다 많은 양의 이온이 물 중에 존재한다. 이러한 물은 일반적으로 소비에 적합하지 않고, 따라서 상업적인 장치는 이 물을 폐기하기 위한 내장된 메카니즘을 갖는다.

제3 측면에 따라, 75 내지 300 μm 범위의 입자 크기를 갖는 활성탄 60 내지 88 중량%, 20 내지 60 μm 범위의 입자 크기를 갖는 열가소성 중합체성 결합제 5 내지 30 중량%, 및 전도성 카본 블랙 2 내지 30 중량%를 포함하는 조성물로부터 성형된 복수의 전극을 포함하는 하우징을 포함하며, 상기 전극은 1.4 V 전위 미만의 전압을 제공하는 DC 전력의 공급원에 연결된 것인, 물의 탈염을 위한 장치가 제공된다.

본 발명의 추가의 세부사항이 이제 비제한적 실시예와 관련하여 설명될 것이다.

실시예

실시예 1: 전극의 제조 방법

습식 혼합 공정에 이어서 열적 어닐링에 의해 전극을 제조하였다. 함침된 0.2% 은 (액티브 카본 리미티드(Active Carbon Ltd)에 의해 공급됨)을 함유하는 분말 활성탄 (비표면적 885 m²/g), 결합제 (고밀도 폴리 에틸렌, 티코나(Ticona)에 의해 공급됨) 및 전도성 카본 블랙 (BET 표면적 770 m²/g, 전도도 ~ 0.05 S/cm, 팀칼에 의해 공급됨)을 70:20:10의 비 (즉, 7:2:1)로 탈이온화된 물과 함께 혼합하여 슬러리를 형성하였다. 슬러리를 두께 0.3 mm의 흑연 시트 상에 필요한 치수로 도포하고, 핫 에어 오븐에서 200℃에서 2시간 동안 유지하였다.

실시예 2: 단일 셀 탈염

실시예 1의 전극 뿐만 아니라 분말 활성탄 상의 비교예 전극 (함침된 은이 없음) 상에서 단일 셀 탈염 연구를 수행하였다.

실시예 3

분말 활성탄 중 보다 높은 도핑 수준의 은 (상기 0.2%에 대하여 1%)으로 또 다른 세트의 전극을 제조하였다.

모든 실험에 대해 유입된 물은 815 ppm TDS를 함유하는 보어웰 물이었다. 물에는 콜로이드, 유기 물질 및 미립자 물질이 없었다. 1.2 V의 DC 전압을 셀에 적용하였다. 유입된 물의 유량은 10 ml/분으로 고정되었다. 16분 동안의 전위 적용 (T1), 10초 동안의 단락 단계 (T2), 10초 동안의 전위 역전 단계 (T3) 및 8분 동안의 단락 상태 (T4)로 이루어진 공정을 통해 전극을 순환시킴으로써 탈염 실험을 수행하였다.

T1 동안, 전극 중 하나에 양전압을 적용하고, 다른 전극에 음전압을 적용하고, T3 동안 전극의 극성을 역전시켰다. 단극 상태 동안, 전극을 가로질러 전압을 적용하지 않았고, 전극 단자를 단락시켰다.

하기 방정식을 사용하여 TDS의 감소 및 회수를 관찰함으로써 전극 물질의 성능을 결정하였다.

염 제거율 (%) = [1-(TDS_유입/TDS_유출)]*100

회수율 (%) = [정제된 물의 부피/유입된 물의 부피]*100

유출된 물은 TDS가 550 ppm (TDS_설정) 미만인 경우에 순수한 것으로 간주되었다. 데이터를 표 1에 나타내었다.

표 1: 단일 셀 데이터

주: 표 1에서, T1의 시간 단위는 분이고, T2 내지 T4는 초이다.

은의 포함은 셀의 성능을 유의하게 개선시켰다 (실시예 1과 비교하여 실시예 2). 이것은 은 함침된 탄소가 활성탄의 저항을 감소시켜 전극-용액 계면에서 적용된 전위를 보다 잘 나타내도록 도와 이온을 흡착하기 때문인 것으로 여겨진다.

보다 많은 은을 첨가하는 것은 어느 정도는 전도도를 개선시키지만, 은의 보다 높은 도핑에서는 정전용량을 또한 감소시켜 보다 불량한 성능을 유발한다 (실시예 1 및 2와 비교하여 실시예 3).

실시예 4 및 5 - 전극 스택에서의 성능:

개별 전극이 병렬 배위로 배열되어 있는 11쌍의 전극 스택 (배열) 상에서 실험을 또한 수행하였다.

4.4 V의 전위를 스택을 가로질러 적용하고, 유량을 110 ml/분에서 유지하였다. TDS의 한계 (TDS_설정)를 550 ppm에 고정하였다.

실시예 1에 따라 제조한 전극을 실시예 4에 사용하였다.

실시예 2에 따라 제조한 전극을 실시예 5에 사용하였다.

표 3

성능에서의 개선이 또한 전극 셀이 11쌍의 전극의 스택 (배위)의 규모일 때, TDS의 감소 및 회수에서의 절대적인 증가 뿐만 아니라 전극의 수명에 대한 성능에서의 상대적인 강하 둘 다에서 관찰되었다. 추가로, 흡착의 동역학이 또한 TDS에서의 바람직한 강하를 가져오는데 소요되는 보다 적은 시간에 의해 나타내어진 바와 같이 개선되었다.

Claims

(i) 100 m²/g 내지 1300 m²/g의 비표면적을 갖는 흡착제;
(ii) 전도성 카본 블랙; 및
(iii) 결합제
를 포함하고, 여기서 상기 흡착제는 10⁵ S/m 내지 10⁷ S/m 범위의 전도도 및 -0.3 V 내지 +1.3 V 범위의 표준 수소 전위를 갖는 물질이 함침된 것인
축전 탈이온화를 위한 전극.
제1항에 있어서, 상기 흡착제가 활성탄, 고 비표면적 흑연 (HSAG), 탄소 나노튜브 (CNT), 활성탄, 활성탄 섬유, 양이온 교환 수지, 제올라이트, 스멕타이트 또는 버미큘라이트로부터 선택된 것인 전극.
제2항에 있어서, 상기 흡착제가 활성탄인 전극.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 물질이 귀금속인 전극.
제4항에 있어서, 상기 귀금속이 은인 전극.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 활성탄에 함침된 은의 백분율이 흡착제의 0.1 중량% 내지 0.8 중량%인 전극.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 활성탄:결합제:전도성 카본 블랙의 비가 5:2:3 내지 8:1:0.5의 범위인 전극.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합제가 열가소성 결합제인 전극.
제1항의 전극의 물의 정제를 위한 용도.
(i) 100 m²/g 내지 1300 m²/g의 비표면적을 갖는 흡착제 60 내지 88 중량부, 열가소성 중합체성 결합제 5 내지 30 중량부, 및 전도성 카본 블랙 2 내지 20 중량부의 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물의 중량의 4배 이하의 양의 유체를 상기 혼합물에 포함시키는 단계;
(ii) 단계 (i)에서 수득한 조성물을 금형 내에 캐스팅하는 단계;
(iii) 상기 금형을 압축시키고;
150 내지 350℃ 범위의 온도로 상기 금형을 가열하는 단계; 및
(iv) 성형된 전극을 이형시키는 단계
를 포함하고, 여기서 상기 흡착제는 10⁵ S/m 내지 10⁷ S/m 범위의 전도도 및 -0.3 V 내지 +1.3 V 범위의 표준 수소 전위를 갖는 물질이 함침된 것인
제1항에 따른 물의 축전 탈이온화를 위한 전극을 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 유체가 물인 방법.
제1항에 따른 복수의 전극을 갖는 하우징을 포함하고, 여기서 상기 전극은 전극을 가로질러 1.4 V 전위 미만의 전압을 제공하는 DC 전력의 공급원에 연결되는 것인, 물로부터 용존 염을 제거하기 위한 중력-공급식 물 정제 장치.