KR20170117963A - 축전식 탈염장치 및 축전식 탈염 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파울링 현상의 최소화 및 처리량 증대를 위하여 기존의 막 축전식 탈염 장치(Membrane Capacitive Deionization Device)의 유로를 확대하면서도, 이온 교환수지를 이용하여 이온성 물질의 제거효율을 높인 축전식 탈염장치 및 축전식 탈염 모듈에 대한 것이다.

Description

축전식 탈염장치 및 축전식 탈염 모듈{Capacitive Deionization Device and Capacitive Deionization Module}
본 발명은 파울링 현상의 최소화 및 처리량 증대를 위하여 기존의 막 축전식 탈염 장치(Membrane Capacitive Deionization Device)의 유로를 확대하면서도, 이온 교환수지를 이용하여 이온성 물질의 제거효율을 높인 축전식 탈염장치 및 축전식 탈염 모듈에 대한 것이다.
축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI) 기술은 하전된 전극 계면에 형성되는 전기이중층(Electric Double Layer, EDL)에서의 이온 흡착 및 탈착 반응을 이용하여 원수 내 이온성 물질을 제거하는 기술이다.
도 1은 축전식 탈염 기술의 원리를 나타내는 설명도로서, 하전된 전극 표면에서 이온들의 흡착 및 탈착 과정이 도시되어 있다. 도 1을 참조하여 흡착 및 탈착 과정을 설명하면, 먼저 물의 전기분해반응이 일어나지 않는 전위 범위 내에서 전압을 인가하면 전극에는 일정한 전하량이 하전된다. 하전된 전극에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전극 표면에 흡착되고, 전극을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(desalinated water)가 된다.
이때, 전극에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(Capacitance)에 따라 결정되기 때문에 CDI에 사용되는 전극은 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(Carbon Electrode)이 일반적으로 사용된다.
한편, 전극의 흡착 용량이 포화되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수로 나오게 된다. 이때 전극에 흡착된 이온들을 탈착시키기 위하여, 전극들을 쇼트(short) 시키거나 전극에 흡착 전위와 반대 전위를 인가하면, 전극은 전하를 잃거나 반대 전하를 갖게 되고 흡착된 이온들은 빠르게 탈착되어 전극의 재생이 이루어지게 된다.
이와 같이 CDI 기술은 전극의 전위만을 변화시켜서 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 매우 간편하고 탈염 과정에서 환경 오염 물질을 배출하지 않기 때문에 환경 친화적인 탈염 공정으로 알려져 있다.
또한, 상기 CDI의 개량된 일 실시예인 MCDI(Membrane Capacitive Deionization Device)는 전극 표면에 이온교환막을 형성하여 흡착되는 이온의 선택도를 높이는 것을 특징으로 한다. 그러나, 상기 MCDI는 고가의 이온교환막 사용으로 인하여 전체적인 CAPEX 비용을 높인다는 문제가 있었다.
한편, 종래의 CDI 또는 MCDI는 염의 제거효율을 증가시키기 위하여 유로를 100㎛ 정도로 좁게 설계하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 종래의 CDI 또는 MCDI는 좁은 유로로 인하여 파울링 현상이 발생하기 쉬우며, 처리량이 감소하여 생산성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 또한, 좁은 유로로 인하여 대면적의 직렬구조 CDI 모듈을 제조하기 어려워, 생산성을 높이는데에도 한계가 있었다.
이에, 본 발명은 파울링 현상의 최소화하고 처리량을 증대시키면서도, 이온성 물질의 제거효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다.
등록공보 제10-1410642호 (공개일: 2014.06.17)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 파울링 현상의 최소화 및 처리량 증대를 위하여 이온교환막을 사용하지 않고 유로를 확대하면서도, 이온 교환수지를 이용하여 이온성 물질의 제거효율을 높인 축전식 탈염장치 및 축전식 탈염 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은, 한 쌍의 전극(10) 사이로 유입용액이 흐르면서 유입용액 내 이온성 물질이 정전기력에 의해 흡착 제거되는 축전식 탈염 장치에 있어서, 이온성 물질의 제거효율을 높이기 위하여, 상기 전극(10) 사이의 유로에 양이온(21) 교환수지 및 음이온 교환수지(22)가 혼합되어 채워지고, 상기 전극(10) 사이에 염수(brine water) 또는 순수(desalinated water)가 이동하는 단일 유로가 구비되며, 상기 전극(10) 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지(21)와 음이온 교환수지(22)가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가지고, 양이온 교환수지(21)는 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지(22)는 양극 쪽에 다수 분포되어 있는 축전식 탈염장치에 의해 달성될 수 있다.
이때, 상기 한 쌍의 전극(10) 사이에 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극(10) 사이에 형성되는 유로의 두께가 0.2mm ~ 10mm일 수 있고, 양이온 교환수지(21) 및 음이온 교환수지(22)가 유로 중앙 부분에 고르게 분포될 수 있다.
또한, 상기 목적은, 전극(10) 및 이온 교환수지(20)가 순차적으로 적층되며, 전압이 전체 전극에 걸리는 직렬 구조의 축전식 탈염 모듈에 있어서, 이웃한 전극(10) 사이의 유로마다 양이온(21) 교환수지 및 음이온 교환수지(22)가 혼합되어 채워지고, 이웃한 전극(10) 사이에 염수(brine water) 또는 순수(desalinated water)가 이동하는 단일 유로가 구비되며, 상기 이웃한 전극(10) 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지(21)와 음이온 교환수지(22)가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가지고, 양이온 교환수지(21)는 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지(22)는 양극 쪽에 다수 분포되어 있는 축전식 탈염 모듈에 의해 달성될 수 있다.
이때, 상기 한 쌍의 전극(10) 사이에 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극(10) 사이에 형성되는 유로의 두께가 0.2mm ~ 10mm일 수 있고, 양이온 교환수지(21) 및 음이온 교환수지(22)가 이웃한 전극(10) 사이의 유로 중앙 부분에 고르게 분포될 수 있다.
본 발명의 축전식 탈염장치는 유로의 크기를 키워 파울링 현상을 최소화하고 수 처리량를 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 축전식 탈염장치는 유로를 확대하면서도, 이온 교환수지를 유로에 채움으로써, 이온성 물질의 제거효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 축전식 탈염장치는 이온교환막을 사용하지 않고도 염 제거효율을 높임으로써, CAPEX 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 축전식 탈염장치는 대면적의 직렬구조 CDI 모듈 제조가 가능하여 대용량 담수를 생산할 수 있다.
도 1 - 축전식 탈염 기술의 원리를 나타내는 설명도
도 2 - 종래 MCDI 장치의 구성 및 작동과정을 보여주는 개념도
도 3,4 - 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염장치의 구성 및 작동과정을 보여주는 개념도
도 5.6 - 병렬구조 및 직렬구조 CDI의 구성 및 작동과정을 보여주는 개념도
도 7 - 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염장치 모듈의 구성 및 작동과정을 보여주는 개념도
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 한 쌍의 전극(10) 사이로 유입용액이 흐르면서 유입용액 내 이온성 물질이 정전기력에 의해 흡착 제거되는 축전식 탈염 장치에 있어서, 이온성 물질의 제거효율을 높이기 위하여, 상기 전극(10) 사이의 유로에 양이온(21) 교환수지 및 음이온 교환수지(22)가 혼합되어 채워지는 것을 특징으로 한다.
한편, 종래의 CDI 또는 MCDI는 염의 제거효율을 증가시키기 위하여 유로를 100㎛ 정도로 좁게 설계하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 종래의 CDI 또는 MCDI는 좁은 유로로 인하여 파울링(fouling) 현상이 발생하기 쉬우며, 처리량이 감소하는 문제점이 있었다. 또한, 좁은 유로로 인하여 1개의 유로가 막히게 되면 전체 시스템이 정지하게 되는 관계로 대면적의 직렬구조 CDI 모듈을 제조하기 어려워, 대용량 담수화 등 생산성을 높이는데에도 한계가 있었다.
본 발명은 염 제거효율을 유지하면서도 파울링 현상 및 처리량 감소 현상을 해결하기 위하여, 유로를 확대하는 동시에 유로 내에 양이온(21) 교환수지 및 음이온 교환수지(22)를 채워 bridge 역할을 하도록 함으로써 유로 내의 전기저항을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 축전식 탈염장치는 유로가 확대됨에 따라 파울링 현상이 저감되고 처리수량이 증가하는 동시에, 유로 내에 채워진 양이온(21) 교환수지 및 음이온 교환수지(22)가 염 제거효율을 높일 뿐만 아니라 염 제거시에도 염 제거 속도를 향상시키게 된다.
또한, 본 발명의 축전식 탈염장치는 상대적으로 저가인 이온교환수지(약 백만원/톤)를 사용함으로써, 기존 축전식 탈염장치에서 염 제거 효율을 높이기 위하여 사용되던 고가의 이온교환막(약 10만원/m2)을 사용할 필요가 없어 CAPEX 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
이때, 상기 전극(10) 사이에 형성되는 유로의 두께는 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있으나, 파울링 현상 저감 및 처리수량 증가를 위하여 0.2mm ~ 10mm로 설계되는 것이 바람직하다. 유로의 두께가 너무 작은 경우 기존 축전식 탈염장치와 같이 파울링 문제 등이 발생할 수 있으며, 너무 큰 경우 염 제거 효율이 떨어질 수 있다.
한편, 상기 전극(10) 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지(21)와 음이온 교환수지(22)는 도 3에 도시된 것과 같이 균일하게 혼합되어 채워질 수도 있으나, 염 제거 효율을 더욱 높이기 위하여 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가질 수도 있다.
구체적으로, 도 4에 도시된 것과 같이 양이온 교환수지(21)는 양극 쪽보다 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지(22)는 음극 쪽보다 양극 쪽에 다수 분포되도록 함으로써, 각 전극에서의 흡착 효율을 최대화시킬 뿐만 아니라, 전원 차단시 탈착된 이온들이 이온교환수지 및 유속에 의해 빠르게 배출되도록 할 수 있다. 이때 양이온 교환수지(21) 및 음이온 교환수지(22)가 유로 중앙 부분에 고르게 분포되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 축전식 탈염장치는 유로를 확대함으로써, 좁은 유로로 인하여 어려웠던 직렬구조 CDI 모듈의 제조가 가능하다.
도 5,6에 나타낸 바와 같이, 병렬구조의 CDI 모듈은 전압이 각각의 cell에 소량씩 나누어지는 저전압, 고전류 구조로서 초반에는 제거효율이 좋지만 제거시간이 짧은 것을 특징으로 한다. 이에 반해, 직렬구조의 CDI 모듈은 전압이 전체 전극에 걸리는 고전압, 저전류 구조로서 초반 제거효율은 낮지만 제거시간이 길며, 모듈 크기 확대에 따른 가격절감효과 및 에너지 효율이 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 직렬구조의 CDI 모듈은 Power Supply 및 Control System의 가격이 상대적으로 낮고 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 불필요하여 병렬 구조의 CDI 모듈에 비하여 가격 경쟁력을 가진다.
그러나, 종래의 축전식 탈염장치는 좁은 유로로 인하여 1개의 유로가 막히게 되면 전체 시스템이 정지하게 되는 관계로 대면적의 직렬구조 CDI 모듈을 제조하기 어려웠다.
본 발명은 전술한 바와 같이 유로를 확대하고 유로 내에 이온교환수지를 채움으로써 대면적의 직렬구조 CDI 모듈의 구현이 가능한 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 축전식 탈염 모듈은 도 7에 도시된 바와 같이 전극(10) 및 이온 교환수지(20)가 순차적으로 적층되며, 전압이 전체 전극에 걸리는 직렬 구조의 축전식 탈염 모듈로서, 이웃한 전극(10) 사이의 유로마다 양이온(21) 교환수지 및 음이온 교환수지(22)가 혼합되어 채워지는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구조를 통하여 유로의 막힘 문제없이 대면적/대용량의 담수화가 가능하다.
이때, 상기 전극(10) 사이에 형성되는 유로의 두께는 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있으나, 파울링 현상 저감 및 처리수량 증가를 위하여 0.2mm ~ 10mm로 설계되는 것이 바람직하다. 유로의 두께가 너무 작은 경우 기존 축전식 탈염장치와 같이 파울링 문제 등이 발생할 수 있으며, 너무 큰 경우 염 제거 효율이 떨어질 수 있다.
한편, 상기 이웃한 전극(10) 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지(21)와 음이온 교환수지(22)는 균일하게 혼합되어 채워질 수도 있으나, 전술한 바와 같이 염 제거 효율을 더욱 높이기 위하여 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가질 수도 있다.
구체적으로, 도 7에 도시된 것과 같이 양이온 교환수지(21)는 양극 쪽보다 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지(22)는 음극 쪽보다 양극 쪽에 다수 분포되도록 함으로써, 각 전극에서의 흡착 효율을 최대화시킬 뿐만 아니라, 전원 차단시 탈착된 이온들이 이온교환수지 및 유속에 의해 빠르게 배출되도록 할 수 있다. 이때 양이온 교환수지(21) 및 음이온 교환수지(22)가 유로 중앙 부분에 고르게 분포되는 것이 바람직하다.
전술한 실시예들은 파울링 현상을 최소화하고 수처리량을 증가시키면서도 이온성 물질의 제거효율을 높인 CDI 장치를 구현할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10 : 전극 20 : 이온 교환수지
21 : 양이온 교환수지 22 : 음이온 교환수지

Claims (8)

  1. 한 쌍의 전극(10) 사이로 유입용액이 흐르면서 유입용액 내 이온성 물질이 정전기력에 의해 흡착 제거되는 축전식 탈염 장치에 있어서,
    이온성 물질의 제거효율을 높이기 위하여, 상기 전극(10) 사이의 유로에 양이온(21) 교환수지 및 음이온 교환수지(22)가 혼합되어 채워지고,
    상기 전극(10) 사이에 염수(brine water) 또는 순수(desalinated water)가 이동하는 단일 유로가 구비되며,
    상기 전극(10) 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지(21)와 음이온 교환수지(22)가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가지고,
    양이온 교환수지(21)는 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지(22)는 양극 쪽에 다수 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극(10) 사이에 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극(10) 사이에 형성되는 유로의 두께가 0.2mm ~ 10mm인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치.
  4. 제1항에 있어서,
    양이온 교환수지(21) 및 음이온 교환수지(22)가 유로 중앙 부분에 고르게 분포되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치.
  5. 전극(10) 및 이온 교환수지(20)가 순차적으로 적층되며, 전압이 전체 전극에 걸리는 직렬 구조의 축전식 탈염 모듈에 있어서,
    이웃한 전극(10) 사이의 유로마다 양이온(21) 교환수지 및 음이온 교환수지(22)가 혼합되어 채워지고,
    이웃한 전극(10) 사이에 염수(brine water) 또는 순수(desalinated water)가 이동하는 단일 유로가 구비되며,
    상기 이웃한 전극(10) 사이의 유로에 채워지는 양이온 교환수지(21)와 음이온 교환수지(22)가 정반대의 농도 구배(concentration gradient)를 가지고,
    양이온 교환수지(21)는 음극 쪽에 다수 분포되어 있고, 음이온 교환수지(22)는 양극 쪽에 다수 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극(10) 사이에 이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환막이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전극(10) 사이에 형성되는 유로의 두께가 0.2mm ~ 10mm인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 모듈.
  8. 제5항에 있어서,
    양이온 교환수지(21) 및 음이온 교환수지(22)가 이웃한 전극(10) 사이의 유로 중앙 부분에 고르게 분포되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 모듈.
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