KR20180001915A - Ion exchange membrane having flow channel laminated bipolar electrodes and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 축전식(Capacitive Deionization) 탈염에서 사용할 수 있는 이온교환막이 코팅된 복극전극에 관한 기술이다. The present invention relates to a bipolar electrode coated with an ion exchange membrane that can be used in capacitive deionization desalination.
유체에 용해되어 있는 이온을 제거하는 탈염(Deionization) 기술은 생활용수나 산업용수를 제조하는데 매우 중요하다. 예를 들어, 생활용수에 중금속, 질산성 질소, 불소 이온 등이 포함되어 있는 경우 건강에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 산업용수의 경우 경도물질이 포함되어 있는 보일러 수를 사용하게 되면 보일러의 열교환기에 스케일을 유발할 수 있어 공정의 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이외에도, 전자나 의/약학 산업에서도 이온이 완전히 제거된 초순수(水)는 제품의 성능을 결정하는데 주요 요인 중 하나가 될 수 있어 탈염 기술은 다양한 산업 분야에 이용되고 있다. Deionization techniques to remove ions dissolved in fluids are very important for the production of domestic or industrial water. For example, if drinking water contains heavy metals, nitrate nitrogen, fluoride ions, etc., it can have a serious health effect. In the case of industrial water, the use of boiler water containing hard material can cause scale in the heat exchanger of the boiler, which may reduce the efficiency of the process. In addition, in the electronic and pharmaceutical industries, deionized water, in which ions are completely removed, can be one of the main factors in determining the performance of a product. Desalination technology is used in various industrial fields.
일반적으로 탈염에 사용되는 방법으로 이온교환수지를 이용한 이온교환법이 주로 사용된다. 이온교환법은 효과적인 이온성 물질 분리가 가능하나, 이온교환이 완료된 수지 재생에 산, 염기 또는 염의 폐액 등이 발생할 수 있는 단점이 있다. 이온교환법외에 역삼투막법, 전기투석법 등의 분리막 기술이 사용되고 있으나, 막의 파울링(fouling)으로 인한 효율 감소, 오염된 막의 처리 필요 등 여러 단점이 존재한다. In general, the ion exchange method using an ion exchange resin is mainly used as a method for desalting. The ion exchange method is capable of effectively separating ionic materials, but there is a disadvantage that an acid, a base or a salt waste solution may be generated in the regeneration of the resin after the ion exchange is completed. In addition to the ion exchange method, a membrane technique such as a reverse osmosis membrane method and an electrodialysis method is used, but there are various drawbacks such as reduction of efficiency due to fouling of the membrane and necessity of treatment of a contaminated membrane.
최근에는 기존의 탈염 기술의 단점을 개선할 수 있는 축전식 탈염기술이 개발되었다. 축전식 탈염기술은 전극에 전위 인가시 전극 표면에 형성되는 전기이중층에서 전기적 인력에 의한 이온의 흡착 반응을 이용한 것으로 다른 탈염 기술에 비해 에너지 소모가 매우 낮은 장점이 있다. In recent years, a storage type desalination technology capable of improving the disadvantages of the existing desalination techniques has been developed. The electrolytic desalination technique utilizes the ion attraction reaction by electric attraction in the electric double layer formed on the electrode surface when the electric potential is applied to the electrode, which is advantageous in that the energy consumption is very low as compared with other desalination techniques.
축전식 탈염기술에는 전극의 흡착 효율 향상을 위해 이온선택성을 가지는 양이온 또는 음이온 이온교환막을 사용하여 이온선택성 전극이 포함된다. 그런데, 축전식 탈염 모듈을 조립할 때 전극사이에 유체가 흐를 수 있는 스페이서를 넣어 조립해야 하기 때문에 조립과정이 복잡하고 자동화가 어려워 생산성의 감소 및 제조원가 상승으로 이어지게 될 수 있다. 이러한 문제 해결을 위해 전극 양면에 직접 이온교환물질을 코팅하고 유로패턴을 만들거나 부치는 방법도 제안되었으나, 축전식 탈염복극을 만들 때 극성이 서로다른 양이온교환용액과 음이온교환용액을 탄소전극의 양쪽에 각각 코팅해야 함으로 연속공정으로 전극을 제조할 때 휨(curling) 현상의 발생하여 끊어짐이 발생할 수 있고 적층(stack)도 어려운 문제가 새로 발생하였다. 한국등록특허 제10-1410642호는 이온교환막에 인위적으로 유로를 형성하여 스페이서가 필요없는 탈염전극의 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 유로인 패턴을 형성하는 과정이 따로 필요하고, 연속공정의 어려움, 지속적인 탈염 과정에서 패턴 유지에 어려움 등이 있을 수 있다.Electrolytic desalination technology includes an ion selective electrode using a cation or anion ion exchange membrane having ion selectivity for improving the adsorption efficiency of the electrode. However, when the storage desalination module is assembled, it is necessary to insert a spacer that can flow fluid between the electrodes, so that the assembling process is complicated and automation is difficult, which may lead to a decrease in productivity and an increase in manufacturing cost. In order to solve this problem, a method of directly coating an ion exchange material on both sides of the electrode and forming or patterning a flow path has been proposed. However, when making a depolarizing depolarization electrode, a cation exchange solution and an anion exchange solution having different polarities It is necessary to coat each of them, so that a curling phenomenon may occur when the electrode is manufactured in a continuous process, resulting in breakage and a difficulty in stacking. Korean Patent No. 10-1410642 discloses a method for producing a desalting electrode that does not require a spacer by artificially forming a flow path in an ion exchange membrane. However, a process for forming a flow path pattern is separately required, and there are difficulties in continuous process, difficulty in pattern maintenance in the continuous desalination process, and the like.
본 발명은 유로를 형성하기 위한 스페이서가 필요하지 않는 유로일체형 이온교환막이 전극 양면에 부착된 유로일체형 축전식탈염 복극전극(bipolar elctrodes) 및 이의 제조방법을 통해, 탈염 전극의 이온 흡착제거 효율을 높일 수 있고 CDI(capacitive deionization) 모듈 조립과정의 단순화 및 자동화가 가능한 새로운 기술을 제공하고자 한다. The present invention relates to a bipolar elctrodes having a channel integrated type ion exchange membrane on both surfaces of which electrodes are not required to form a channel and a method for manufacturing the same, And to provide new technologies that simplify and automate the assembly process of capacitive deionization (CDI) modules.
본 발명은 양이온교환기(cation exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 양이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 양이온교환막, 음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 음이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 음이온교환막, 양이온교환막 및 음이온교환막을 전극의 서로 다른 면에 각각 부착한 유로일체형 축전식탈염 복극전극을 제공한다.The present invention relates to a cation exchange membrane having an anion exchange group and an anion exchange group prepared by coating a cation exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having a cation exchange group in an organic solvent, An anion exchange membrane prepared by coating an anion exchange solution prepared by dissolving a polymer resin in an organic solvent on a woven or nonwoven fabric, followed by drying, a cation exchange membrane, and an anion exchange membrane attached to different surfaces of the electrode, Electrode.
본 발명은 양이온교환기 및 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 제조하는 단계, 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 지지체인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 유로일체형 양이온교환막 및 음이온교환막을 제조하는 단계 및 양이온교환막 및 음이온교환막을 탄소전극의 서로 다른 면에 각각 붙이는 단계를 포함하는 유로일체형 축전식탈염 복극전극을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention relates to a process for preparing a cation exchange solution and an anion exchange solution by dissolving a polymer resin having a cation exchange group and an anion exchange group in an organic solvent to prepare a cation exchange solution and anion exchange solution, The method comprising the steps of: preparing an integral cation exchange membrane and an anion exchange membrane; and attaching the cation exchange membrane and the anion exchange membrane to different surfaces of the carbon electrode, respectively.
본 발명의 유로일체형 이온교환막은 이온교환막의 제조과정에서 유로가 지지체의 구조에 따라 형성되기 때문에 유로를 형성하는 공정이 따로 필요하지 않다. 본 발명의 양이온교환막 및 음이온교환막은 전극 양면에 각각 부착하여도 전극의 휨(curling) 현상이 발생하지 않아 안정적인 형태를 가지고, 스택(stack)이 용이하다. 그리고, 스페이서를 사용하지 않고 CDI(capacitive deionization) 전극 모듈 조립이 가능하여 모듈 조립성이 간편하고, 자동화를 통한 생산성 향상 및 제조원가를 낮출 수 있다. 또한, 이온선택성 용액을 전극에 코팅하지 않기 때문에 흡착사이트의 감소가 없어 이온의 흡착 제거 효율을 높일 수 있으며, 전극 표면에 이온교환막의 지지체가 결합되어 있어 전극 표면의 내구성도 향상시킬 수 있다. Since the channel-integrated ion-exchange membrane of the present invention is formed in accordance with the structure of the support in the course of manufacturing the ion-exchange membrane, a process for forming the channel is not particularly required. The cation exchange membrane and the anion exchange membrane of the present invention are stable in shape without causing a curling phenomenon of the electrode even when they are attached to both surfaces of the electrode, and stacking is easy. Also, it is possible to assemble a capacitive deionization (CDI) electrode module without using a spacer, so that module assembly is simple, and productivity and manufacturing cost can be reduced through automation. In addition, since the ion selective solution is not coated on the electrode, there is no decrease in the adsorption site, so that the adsorption removal efficiency of the ion can be enhanced, and the support of the ion exchange membrane is bonded to the electrode surface.
도 1은 유로일체형 이온교환막의 표면((A))과 단면((B))을 나타낸다.
도 2는 유로일체형 축전식 탈염 전극의 표면((A))과 단면((B))을 나타낸다.
도 3은 코팅형 축전식 탈염 전극의 표면((A))과 단면((B))을 나타낸다.
도 4는 코팅형 축전식 탈염 전극, 유로일체형 축전식 탈염 전극 및 상용막을 사용한 축전식 탈염 전극을 각각 포함하는 탈염 셀의 TDS(Total dissolved solid) 변화곡선((A))과 염 제거율((B))을 나타낸다.
도 5는 탄소전극의 양면에 서로 다른 극성의 이온교환막을 부착하여 제조한 복극전극 사진이다.
도 6은 탄소전극의 양면에 서로 다른 극성의 이온교환용액을 코팅하여 제조한 복극전극 사진이다.
도 7은 탄소전극의 양면에 서로 같은 극성의 이온교환용액을 코팅하여 제조한 전극 사진이다. Fig. 1 shows the surface ((A)) and the cross section ((B)) of the channel-integrated ion exchange membrane.
Fig. 2 shows the surface ((A)) and the cross section ((B)) of the channel-integrated separator.
3 shows the surface ((A)) and the cross section ((B)) of the coating type electrostatic desalination electrode.
FIG. 4 is a graph showing a TDS (total dissolved solid) change curve (A) and a salt removal rate ((B)) of a desalting cell containing a coating type electrostatic desalting electrode, a flow path integral type desalination electrode and a commercial membrane, )).
5 is a photograph of a bipolar electrode manufactured by attaching ion exchange membranes having different polarities to both surfaces of a carbon electrode.
6 is a picture of a bipolar electrode prepared by coating an ion exchange solution of different polarity on both sides of a carbon electrode.
7 is a photograph of an electrode prepared by coating an ion exchange solution of the same polarity on both sides of a carbon electrode.
이하에서 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 따로 정의하지 않는 경우 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 내용으로 해석되어야 할 것이다. 본 명세서의 도면 및 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 쉽게 이해하고 실시하기 위한 것으로 도면 및 실시예에서 발명의 요지를 흐릴 수 있는 내용은 생략될 수 있으며, 본 발명이 도면 및 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms used in the present specification should be construed as generally understood by a person having ordinary skill in the art unless otherwise defined. It is to be understood that the drawings and embodiments are not intended to limit the scope of the present invention, which is not intended to limit the scope of the present invention. It is not.
본 발명은 이온을 포함한 유체가 흐르는 유로를 포함하는 유로일체형 이온교환막이 부착된 유로일체형 축전식탈염 복극전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a channel integrated type desalination bi-polar electrode having a channel-integrated ion exchange membrane including a channel through which a fluid including ions flows, and a method for manufacturing the same.
본 발명의 유로일체형 축전식탈염 복극전극은 양이온교환기(cation exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 양이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 양이온교환막, 음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 음이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 음이온교환막, 양이온교환막 및 음이온교환막을 전극의 서로 다른 면에 각각 부착한 탈염 복극전극이다.The channel integral-type desalting bi-polar electrode of the present invention is characterized in that a cation exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having a cation exchange group in an organic solvent is coated on a woven fabric or a nonwoven fabric and then dried, Anion exchange membrane, anion exchange membrane and anion exchange membrane prepared by coating an anion exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having an anion exchange group in an organic solvent on a woven fabric or a nonwoven fabric and drying the same, Depleted bi-polar electrode.
본 발명의 탈염 복극전극에 부탁한 이온교환막은 지지체인 직포 또는 부직포에 양이온교환기(cation exchange group) 또는 음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 이온교환용액을 코팅한 후 건조하여 이온을 포함하는 유체가 흐르는 유로가 형성된 새로운 유로일체형 이온교환막이다. 본 발명의 이온교환막은 이온교환작용기(ion exchange function group)를 가지는 고분자 용액을 직포 또는 부직포인 지지체에 코팅하거나 함침한 후 증발 건조하여 이온교환막의 제조과정에서 유로가 형성될 수 있다. The ion exchange membrane according to the desalted bipolar electrode of the present invention is formed by coating an ion exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having a cation exchange group or an anion exchange group in a woven or nonwoven fabric as a support in an organic solvent And is then dried to form a flow path through which a fluid containing ions flows. In the ion exchange membrane of the present invention, a polymer solution having an ion exchange function group may be coated or impregnated on a woven or nonwoven substrate, followed by evaporation and drying, thereby forming a flow path in the course of manufacturing the ion exchange membrane.
본 발명의 유로일체형 이온교환막은 직포 또는 부직포를 지지체로 사용하고, 지지체의 종류, 지지체에 양이온선택성 또는 음이온선택성 용액을 코팅하거나 함침할 때 용액의 농도와 용액에 의해 형성되는 코팅층의 두께에 따라 유로의 형태 및 깊이를 달리할 수 있다. 이렇게 형성된 유로일체형 이온교환막을 전극 표면에 라미내이션(Lamination)함으로서 흡착 효율과 내구성이 우수하고, 휨 현상이 없어 안정적인 형태를 유지할 수 있으며, 스택도 용이한 복극전극을 제조할 수 있다. 나아가 스페이서가 필요없으면서 이온선택성을 갖는 유로일체형 축전식탈염(CDI) 전극 모듈을 간편히 생산할 수 있어 자동화를 통해 생산성 향상을 높힐 수 있다. The channel-integrated ion-exchange membrane of the present invention can be produced by using a woven fabric or a nonwoven fabric as a support and, depending on the kind of the support, the cation-selective or anion-selective solution in the support or the thickness of the coating layer formed by the solution, Can be different in shape and depth. By laminating the thus formed channel-integrated ion exchange membrane on the surface of the electrode, it is possible to manufacture a bi-polar electrode which is excellent in adsorption efficiency and durability, has no warping phenomenon, can maintain a stable shape, and can be easily stacked. Furthermore, since a channel integral type desalination (CDI) electrode module having ion selectivity can be easily produced without the need for spacers, productivity can be improved through automation.
본 발명에서 직포 또는 부직포는 이온교환용액을 코팅하거나 함침하는 지지체로, 폴리아미드계(polyamide series), 폴리에틸렌계(Polyethylene series), 폴리프로필렌계(polypropylene series), 셀룰로스계(cellulose series), 아크릴계 (polyacryl series), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에스테르계(polyester series) 및 천연섬유로 이루어진 군에서 선택되는 고분자로 형성된 것인 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the woven or nonwoven fabric is a support for coating or impregnating an ion exchange solution, and may be a polyamide series, a polyethylene series, a polypropylene series, a cellulose series, an acrylic series polyacrylic series, polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl alcohol (PVA), polyester series and natural fibers. However, the present invention is not limited thereto.
지지체의 두께는 10 ~ 10,000 ㎛, 바람직하게는 50 ~ 1,000 ㎛이나 이에 제한되지 않고 제조하고자 하는 모듈에 따라 조절할 수 있다. The thickness of the support is in the range of 10 to 10,000 占 퐉, preferably 50 to 1,000 占 퐉, but is not limited thereto and can be adjusted according to the module to be manufactured.
본 발명에서 지지체에 코팅하거나 함침하는 이온교환용액은 양이온교환기(cation exchange group) 또는 음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조할 수 있다. In the present invention, the ion exchange solution coated or impregnated on the support may be prepared by dissolving a polymer resin having a cation exchange group or an anion exchange group in an organic solvent.
양이온교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 양이온교환기가 바람직하나 이에 제한되지 않는다. The cation exchanger includes sulfonic acid group (-SO 3 H), carboxyl group (-COOH), phosphonic group (-PO 3 H 2 ), phosphonic group (-HPO 2 H), asonic group (-AsO 3 H 2 ) But is not limited to, at least one cation-exchange group selected from the group consisting of a serinonucleotide (-SeO 3 H).
음이온 교환기는 4급 암모늄염(-NH3), 1급 아민(-NH2), 2급 아민(-NHR), 3급 아민(-NR2), 4급 포스포니움기(-PR4) 및 3급 술폰니움기(-SR3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 음이온교환기가 바람직하나 이에 제한되지 않는다. Anion exchangers include quaternary ammonium salts (-NH 3 ), primary amines (-NH 2 ), secondary amines (-NHR), tertiary amines (-NR 2 ), quaternary phosphonium groups (-PR 4 ) (-SR < 3 >), but is not limited thereto.
이온교환용액은 양이온 또는 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해시켜 제조할 수 있고, 이온을 교환할 수 있는 기능기를 가지는 고분자라면 제한되지 않는다. 예를 들어, 이온교환기를 가지고 있으면서 유기용매에 녹아 용액으로 존재할 수 있는 고분자 이오노머로, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리이서술폰, 폴리아미드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리글리시딜메타크릴레이트 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. The ion exchange solution can be prepared by dissolving a polymer resin having a cation or anion exchanger in an organic solvent, and is not limited as long as it is a polymer having a functional group capable of ion exchange. For example, a polymer ionomer having an ion exchanger and dissolved in an organic solvent to be present as a solution may be a polymer ionomer such as polystyrene, polysulfone, polyisocyanurate, polyamide, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyester, polyimide, Any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of polyether, polyethylene, polytetrafluoroethylene and polyglycidyl methacrylate can be used.
유기용매는 양이온 또는 음이온교환기를 가지는 고분자 종류에 따라 선택하여 사용할 수 있으며, 고분자 이오노머를 용해할 수 있는 용매라면 제한되지 않는다. 예를 들어, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올, 노르말헥산 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.The organic solvent may be selected depending on the type of polymer having a cation or anion exchanger, and is not limited as long as it is a solvent capable of dissolving a polymeric ionomer. For example, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone acetone, chloroform, dichloromethane, trichlorethylene, ethanol, methanol, have.
지지체에 이온교환용액을 코팅하거나 함침한 후 건조하여 형성된 유로일체형 이온교환막에서 코팅층 두께는 0.1 ~ 200㎛, 바람직하게는 5 ~ 30 ㎛이나 이에 제한되지 않고 제조하고자 하는 모듈에 따라 조절할 수 있다. 다만, 이온교환막의 두께가 0.1 ㎛이하일 경우에는 이온교환막의 저항은 낮으나 선택성이 떨어져 탈염효율이 낮아질 수 있고, 200㎛ 이상일 경우 선택성을 좋으나 이온교환막의 저항이 증가하여 탈염효율이 낮아질 수 있으므로 이를 고려할 필요가 있다.The thickness of the coating layer in the channel-integrated ion exchange membrane formed by coating or impregnating the supporter with an ion exchange solution and drying it is 0.1 to 200 μm, preferably 5 to 30 μm, but it is not limited to this and can be controlled according to a module to be manufactured. However, when the thickness of the ion exchange membrane is 0.1 탆 or less, the resistance of the ion exchange membrane is low, but the selectivity is low, and the desorption efficiency may be low. When the thickness is 200 탆 or more, the selectivity is good. However, There is a need.
유로일체형 이온교환막은 함수율(moisture content)이 5 ~ 70%, 바람직하게는 10 ~ 50%이다. 함수율이 5%에 미치지 못하는 경우 막 저항이 높아 탈염효율이 낮아질 수 있고, 70%를 넘어서면 수중에서의 체널링 현상에 의한 탈염효율이 떨어질 수 있다. The flow-through integral ion exchange membrane has a moisture content of 5 to 70%, preferably 10 to 50%. If the moisture content is less than 5%, the desalination efficiency may be lowered due to the high membrane resistance. If the water content exceeds 70%, the desalination efficiency due to the channeling phenomenon in the water may be lowered.
본 발명의 유로일체형 이온교환막을 전극에 붙여 이온선택성을 가지는 축전식 탈염 전극을 제조할 수 있다. 본 발명의 양이온교환막과 음이온교환막 각각을 전극의 서로 다른 면에 부착하여 복극전극(bipolar electrodes)를 제조하여, 휨 현상이 없고 스택형 모듈을 만들 수 있다. 일반적으로 기존의 방법에 따라 복극 전극을 제조할 때, 복극전극의 양면에 서로 다른 극성의 이온교환용액을 코팅하는데, 극성이 다른 이온교환용액 제조에 사용되는 고분자의 물성이 다르기 때문에 건조시 휨 현상이 발생하게 된다. 그리고, 연속 제조공정시 생산 도중 끊어지는 현상이 잦으며, 스택형 모듈의 제조도 매우 어려운 문제가 있다. 그러나, 본 발명의 복극전극은 이러한 기존의 문제를 해결할 수 있다. The channel-integrated ion exchange membrane of the present invention can be attached to an electrode to produce a charge storage type desalination electrode having ion selectivity. The cation exchange membrane and the anion exchange membrane of the present invention may be attached to different surfaces of the electrode to produce bipolar electrodes, thereby making a stacked module free from warpage. Generally, when preparing a bipolar electrode according to the conventional method, the ion exchange solution of different polarity is coated on both sides of the bipolar electrode. Since the physical properties of the polymer used for preparing the ion exchange solution having different polarity are different, . Further, in the continuous manufacturing process, there are frequent breaks during production, and it is very difficult to manufacture the stacked module. However, the bipolar electrode of the present invention can solve such existing problems.
본 발명의 이온교환막은 서로 다른 극성의 이온교환막을 붙인 복극 전극막 제조 외에도, CDI(capacitive deionization) 모듈을 조립할 때 단극 또는 복극 모듈 등 목적하는 조립형태에 따라 전극의 양 면에 극성이 같은 이온교환막을 붙이거나 극성이 다른 이온교환막을 붙일 수 있다. The ion exchange membrane of the present invention can be used for manufacturing a bi-polar electrode membrane having ion exchange membranes of different polarities, and also for ion exchange (ion exchange) You can attach a membrane or attach an ion exchange membrane with a different polarity.
본 발명의 유로일체형 이온교환막을 붙인 탈염 전극은 이온교환막에 유로가 형성되어 있어 별도의 스페이서를 사용하지 않고 CDI(capacitive deionization) 모듈을 조립할 수 있다. 모듈 조립 형태는 단극 또는 복극 등 자유로우며 목적하는 조립 형태에 따라 전극에 이온교환막을 적절하게 붙여 사용할 수 있다. Since the flow path is formed in the ion exchange membrane of the desalination electrode having the channel integrated ion exchange membrane of the present invention, a CDI (capacitive deionization) module can be assembled without using a separate spacer. The assembly type of the module is free of monopolar or biomolecules, and the ion exchange membrane can be suitably attached to the electrode according to the desired assembly form.
본 발명의 유로일체형 이온교환막은 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 이온교환용액을 제조하는 단계, 이온교환용액을 지지체인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하는 단계로 제조할 수 있다. 이렇게 제조한 이온교환막으로 본 발명에서 목적하는 탈염 복극전극을 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 양이온교환기 및 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 제조하는 단계, 양이온교환용액 및 음이온교환용액을 지지체인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 유로일체형 양이온교환막 및 음이온교환막을 제조하는 단계 및 양이온교환막 및 음이온교환막을 탄소전극의 서로 다른 면에 각각 붙이는 단계로 제조할 수 있다. The channel-integrated ion exchange membrane of the present invention is produced by dissolving a polymer resin having a cation-exchange group or anion-exchange group in an organic solvent to prepare an ion-exchange solution, coating the ion- . The desalted bipolar electrode of the present invention can be produced with the thus prepared ion exchange membrane. More specifically, it is possible to prepare a cation exchange solution and an anion exchange solution by dissolving a polymer resin having a cation exchange group and an anion exchange group of the present invention in an organic solvent, a step of coating a cation exchange solution and an anion exchange solution on woven or non- Followed by drying to prepare an oil-in-line type cation exchange membrane and anion exchange membrane, and attaching the cation exchange membrane and the anion exchange membrane to different surfaces of the carbon electrode, respectively.
이온교환용액을 지지체에 코팅할 때, 용매에 용해되지 않는 이형필름 위에 지지체를 올려놓고 이온교환용액을 코팅하고 증발 건조 후, 이형필름을 제거하여 유로일체형 이온교환막을 제조할 수 있다. 이렇게 제조한 유로일체형 이온교환막은 지지체를 기준으로 이온교환이 일어나는 코팅층이 형성된 면과, 코팅층이 형성되지 않은 면이 구분된다. When the ion exchange solution is coated on a support, a support is placed on a release film that is not dissolved in a solvent, the ion exchange solution is coated on the support, evaporated and dried, and the release film is removed to produce a channel-integrated ion exchange membrane. The channel-integrated ion exchange membrane thus prepared is distinguished from a surface on which a coating layer on which ions are exchanged is formed based on a support and a surface on which a coating layer is not formed.
탈염 전극을 제조할 때는 이온교환막에서 코팅층이 형성되지 않는 면쪽을 전극에 붙여 제조한다. 이렇게 제조한 탈염 전극은 이온선택성 용액이 전극에 코팅되지 않기 때문에 코팅에 의한 전극의 흡착사이트가 감소하지 않아 전극의 흡착 및 제거 효율을 높힐 수 있다. 그리고, 코팅층이 형성되지 않은 지지체 면이 전극과 붙기 때문에 전극 표면의 내구성도 향상시킬 수 있다. 또한, 탈염 전극 제조시 휨 현상도 발생하지 않고, 스택형 모듈 제조도 용이하다. When preparing a desalting electrode, a surface of the ion exchange membrane on which no coating layer is formed is adhered to the electrode. Since the ion selective solution is not coated on the electrode, the adsorption site of the electrode due to the coating is not reduced, so that the adsorption and removal efficiency of the electrode can be enhanced. Since the support surface on which the coating layer is not formed adheres to the electrode, the durability of the electrode surface can also be improved. In addition, a warp phenomenon does not occur in the production of the desalting electrode, and the manufacture of the stacked module is also easy.
본 발명의 제조 방법에서 양이온 또는 음이온교환 용액 제조시 고형분인 이온교환 기능을 갖는 고분자의 함량은 1 ~ 30 중량%, 바람직하게는 3 ~ 10 중량%이다. 고형분 함량이 1 중량% 미만이면 양이온 또는 음이온교환 용액의 농도가 매우 낮기 때문에 용매의 증발시간이 길어질 수 있고 음이온교환 막의 두께가 얇아질 수 있다. 그리고, 고형분 함량이 30 중량%를 초과하면 음이온교환 용액의 농도가 높아지기 때문에 코팅이 어렵고 두께 조절 및 유로확보가 좋지 않아 유로일체형 이온교환막을 제조할 수 없다.In the production method of the present invention, the content of the polymer having an ion exchange function, which is a solid content in the production of the cation or anion exchange solution, is 1 to 30% by weight, preferably 3 to 10% by weight. If the solid content is less than 1 wt%, the concentration of the cation or anion exchange solution is very low, so that the evaporation time of the solvent may be prolonged and the thickness of the anion exchange membrane may be thinned. If the solid content exceeds 30% by weight, the concentration of the anion exchange solution increases, which makes it difficult to coat, to control the thickness and to secure the passage, and thus to produce a channel-integrated ion exchange membrane.
본 발명의 제조 방법에서 이온교환용액을 코팅할 때 이형필름 위에 이온교환막의 지지체인 직포 혹은 부직포를 놓고 코팅하고, 충분히 건조하여 이온교환막을 제조할 수 있다. 이 때, 코팅하는 이온교환용액의 농도에 따라 용매의 증발량이 결정되기 때문에 이온교환막의 두께와 유로의 깊이를 조절할 수 있다. 지지체를 놓는 이형필름은 소수성을 갖는 고분자 필름으로 건조하는 동안 열 변형이 일어나지 않는 것이 좋으며, 이온교환막을 형성한 후 이온교환막 층과 쉽게 분리될 수 있는 고분자 필름이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 에틸렌비닐아세테이트공중합체(EVA) 및 테프론(PTFE)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. In the manufacturing method of the present invention, when the ion exchange solution is coated, a woven or nonwoven fabric, which is the support of the ion exchange membrane, is coated on the release film, and the ion exchange membrane is sufficiently dried to produce an ion exchange membrane. At this time, since the evaporation amount of the solvent is determined according to the concentration of the coating ion exchange solution, the thickness of the ion exchange membrane and the depth of the flow path can be controlled. The release film on which the support is placed is preferably a polymer film having hydrophobic properties. It is preferable that no thermal deformation occurs during drying, and any polymer film that can be easily separated from the ion exchange membrane layer after formation of the ion exchange membrane can be used without limitation. For example, in the group consisting of polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyacrylate, polymethylmethacrylate (PMMA), ethylene vinyl acetate copolymer (EVA) and Teflon Any one selected can be used.
본 발명의 제조 방법에서 코팅은 캐스팅, 스프레이, 딥 코팅, 나이프 코팅, 닥터블레이드 및 스핀코팅 등에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 코팅할 수 있고 코팅 방법은 특별히 제한되지 않는다. In the production process of the present invention, the coating can be coated by any one of casting, spraying, dip coating, knife coating, doctor blade and spin coating, and the coating method is not particularly limited.
본 발명에 따라 유로일체형 이온교환막을 제조한 후, 이온교환막을 탄소전극에 붙이는 단계를 더 수행하여 축전식탈염 전극을 제조할 수 있다. After the production of the channel-integrated ion exchange membrane according to the present invention, a step of attaching an ion exchange membrane to the carbon electrode can be further performed to manufacture a charge storage type desalination electrode.
이온교환막을 탄소전극에 붙일 때, 이온교환막과 같은 극성의 이온교환용액을 코팅하여 접착시키거나 양이온과 음이온이 모두 잘 통과할 수 있는 다공질 비이온성 접착제나 점착제를 이용할 수 있다. 이 때, 이온교환용액은 지지체의 코팅에 사용한 양이온교환용액과 음이온교환용액을 의미하며, 탄소전극에 양이온교환 막을 붙일 때는 양이온교환 용액을 사용하고 음이온교환 막을 붙일 때는 음이온교환용액을 사용하는 것이 바람직하다. 다공질 비이온성 접착제나 점착제는 일반적으로 이온교환막을 탄소전극에 붙일 수 있는 접착제나 점착제면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 핫멜트(CoPA, CoPES, TPU, PE, PP<, EVA, Fatty acid PA, Reactive Hotmelt) 접착제, 수분산(천연고무, 초산비닐계, 라텍스계, 아크릴계, EVA계) 접착제, 융기용제에 합성수지나 고무가 용해되어 있는 용제형 접착제, 실리콘계 접착제, 에폭시계 접착제, 본드 등의 접착제나 점착제를 모두 사용할 수 있고, 건조 공정이 없이 열에 의해 쉽게 용해되어 융착할 수 있는 핫멜트 접착제를 사용하는 것이 바람직하다. When the ion exchange membrane is attached to the carbon electrode, it is possible to use a porous nonionic adhesive or a pressure-sensitive adhesive which can be coated with an ion exchange solution of the same polarity as the ion exchange membrane or can pass both positive and negative ions. In this case, the ion exchange solution refers to the cation exchange solution and the anion exchange solution used for coating the support, and it is preferable to use a cation exchange solution to attach the cation exchange membrane to the carbon electrode and use anion exchange solution to attach the anion exchange membrane Do. Porous nonionic adhesives and pressure sensitive adhesives can generally be used without any particular restriction on adhesives or pressure sensitive adhesives capable of attaching ion exchange membranes to carbon electrodes. For example, adhesives such as hot melt (CoPA, CoPES, TPU, PE, PP, EVA, Fatty acid PA, Reactive Hotmelt) adhesives, water dispersion (natural rubber, vinyl acetate, latex, acrylic, EVA) A hot-melt adhesive which can use both an adhesive agent such as a solvent-based adhesive, a silicone-based adhesive agent, an epoxy-based adhesive agent and a bonding agent in which a synthetic resin or a rubber is dissolved can be used and easily fused by heat without a drying step desirable.
이온교환막을 탄소전극에 붙일 때, 탄소전극의 표면과 유로일체형 이온교환막의 지지체에서 코팅층이 형성되지 않은 쪽의 매끄러운 표면을 압착하여 붙이며 접착력을 증가시키기 위해 가열이 가능한 프레스를 사용할 수 있다. 접착제의 도포방법의 코팅, 스프레이, 전기방사, 다공성 웹(Web)을 만들어 탄소전극에 도포할 수 있는 방법이면 제한되지 않는다. 도포한 후 이온교환막의 지지체의 코팅층이 형성되지 않은 매끄러운 부분을 마주보도록 하여 접착제의 유리변형온도(Glass transition temperature; Tg)이상 용융온도 이하로 압착 가열하여 붙이는 것이 바람직하나 부착할 수 있는 방법이면 제한되지 않고 사용할 수 있다.When the ion exchange membrane is attached to the carbon electrode, a press capable of heating can be used for pressing the smooth surface of the surface of the carbon electrode and the supporter of the channel-integrated ion exchange membrane on the side where the coating layer is not formed and attaching it to increase the adhesive force. There is no limitation as long as it is possible to form a coating, a spray, an electrospinning, and a porous web of a coating method of an adhesive and apply the coating to a carbon electrode. It is preferable that the adhesive is applied by pressing and heating at a melting temperature equal to or higher than the glass transition temperature (Tg) of the adhesive so that the smooth part where the coating layer of the ion exchange membrane is not formed is facing, Can be used without.
본 발명에서 이온교환막을 붙이는 탄소전극은 고분자수지를 유기용매에 용해하거나 수분산 고분자용액으로 바인더 용액을 제조하는 단계, 바인더 용액에 전극활물질을 첨가하여 슬러리를 제조하거나 캘린더링 가공을 하기 위한 반죽하는(kneading) 단계, 슬러리를 집전체에 도포하여 탄소전극을 만들거나 반죽을 캘리더링 가공하여 탄소시트(carbon sheet)를 집전체에 붙여 탄소전극을 만드는 단계 및탄소전극을 일정한 두께를 갖도록 프레스하는 단계를 통해 제조할 수 있다.In the present invention, the carbon electrode to which the ion exchange membrane is attached includes a step of dissolving the polymer resin in an organic solvent or preparing a binder solution with an aqueous dispersion polymer solution, adding an electrode active material to the binder solution to prepare a slurry or kneading for calendering forming a carbon electrode by applying a slurry to a current collector or by calibrating a paste to form a carbon electrode by attaching a carbon sheet to the current collector, and pressing the carbon electrode to have a predetermined thickness . ≪ / RTI >
탄소전극 제조 방법 중 고분자 바인더 용액을 제조하는 단계에서 고분자수지 용액은 활물질과 혼합하여 전극을 제조할 수 있는 고분자수지를 의미하며, 유기용매에 용해되거나 수분산 에멀젼 용액의 상태 수지라면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리이서술폰, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리글리시딜메타크릴레이트, 폴리비닐디플로라이드(PVDF), 폴리스타이렌브타디엔러버(SBR), 폴리테트라플로라이드에틸렌(PTFE) 및 폴리우레탄(PU) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 고분자 수지의 중량평균분자량은 10,000 ~ 4,000,000, 바람직하게는 100,000 ~ 1,500,000이고, 이 범위의 고분자수지를 사용했을 때 전극슬러리의 점도 및 전극활물질을 결합해 주는 특성이 우수하나 이에 제한되는 것은 아니다. The polymer resin solution in the step of producing the polymeric binder solution in the carbon electrode manufacturing method means a polymer resin capable of mixing with an active material to produce an electrode. The polymer resin solution is not limited as long as it is dissolved in an organic solvent or in a state of an aqueous dispersion emulsion solution. . (PVDF), poly (vinylidene fluoride), poly (vinylidene fluoride), poly (vinylidene fluoride), poly (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyurethane (PU), and the like can be used. The weight average molecular weight of the polymer resin is from 10,000 to 4,000,000, preferably from 100,000 to 1,500,000. When the polymer resin having such a range is used, the viscosity of the electrode slurry and the property of bonding the electrode active material are excellent, but are not limited thereto.
탄소전극 제조 방법 중 고분자 바인더 용액 제조에서 유기용매는 고분자 수지의 종류에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 상술한 고분자 수지가 용해되는 유기용매로는 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈 아세톤, 클로로포름, 디클로로메탄, 트리클로로에틸렌, 에탄올, 메탄올 및 노르말헥산 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용 가능하나 이에 제한되는 것은 아니다.In the preparation of the polymeric binder solution of the carbon electrode, the organic solvent may be selected depending on the kind of the polymer resin. Examples of the organic solvent in which the polymer resin is dissolved include a solvent selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidoneacetone, chloroform, dichloromethane, trichlorethylene, ethanol, methanol, Or a mixture of two or more thereof may be used, but is not limited thereto.
탄소전극 제조 방법 중 고분자 바인더 용액 제조에서 고형분인 탄소중량 대비 바이더로 사용되는 고분자의 함량은 1 ~ 30중량%, 바람직하나 3~10중량%이다. 고형분 함량이 1중량% 미만이거나 30 중량%를 초과하는 경우는 고분자 용액의 점도가 너무 낮거나 너무 높아 이 후 전극슬러리를 만들거나 캘린더링에 의한 탄소시트를 만들기 위한 반죽의 제조가 용이하지 않을 수 있다.In the production of the polymeric binder solution in the carbon electrode manufacturing method, the content of the polymer used as a binder with respect to the solid carbon content is 1 to 30% by weight, preferably 3 to 10% by weight. If the solids content is less than 1% by weight or more than 30% by weight, the viscosity of the polymer solution may be too low or too high to produce an electrode slurry thereafter, or it may not be easy to prepare a dough to make a carbon sheet by calendering have.
탄소전극 제조 방법 중 고분자 바인더 용액에 전극활물질을 첨가하는 과정은 비표면적이 높은 전극활물질을 첨가함으로써, 전극의 비표면적과 축전용량을 보다 향상시킬 수 있다. 그리고, 전도성물질을 더 첨가하여 전극의 전기전도도를 보다 향상시킬 수도 있다. The process of adding the electrode active material to the polymeric binder solution in the carbon electrode manufacturing method can further improve the specific surface area and storage capacity of the electrode by adding an electrode active material having a high specific surface area. Further, a conductive material may be further added to further improve the electrical conductivity of the electrode.
전극활물질은 비표면적이 높은 활성탄소계열의 물질로서, 활성탄소 분말, 활성탄소 섬유, 카본 나노 튜브, 탄소 에어로겔 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 분말로 제조하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그리고, 금속산화물 계열의 물질로서 RuO2, Ni(OH)2, MnO2, PbO2, TiO2 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.The electrode active material is an activated carbon material having a high specific surface area, and may be activated carbon powder, activated carbon fiber, carbon nanotube, carbon aerogels or a mixture thereof. It may be preferable to use the powder as a powder. As the metal oxide series material, RuO 2 , Ni (OH) 2 , MnO 2 , PbO 2 , TiO 2 or a mixture thereof can be used.
전극활물질은 전극 모듈에서 목적하는 물성에 따라 입자 크기나 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있다. 전극활물질의 입자크기는 평균입경이 10㎛ 이하, 바람직하게는 10nm ~ 10㎛을 사용하여 전극의 비표면적과 축전용량을 증가시킬 수 있다. 전극활물질의 함량은 이온교환작용기를 갖는 고분자물질 20 중량부에 대하여, 600 ~ 900 중량부 범위로 사용하여 좋은 이온선택성 및 축전용량이 높은 전극을 제조할 수 있다. The electrode active material can be used by adjusting the particle size or the content range according to the desired physical properties in the electrode module. The average particle size of the electrode active material may be 10 μm or less, preferably 10 nm to 10 μm, to increase the specific surface area and storage capacity of the electrode. The electrode active material may be used in an amount of 600 to 900 parts by weight based on 20 parts by weight of the ion exchange functional group-containing polymer material, thereby producing an electrode having good ion selectivity and high storage capacity.
전극활물질과 함께 추가할 수 있는 전도성 물질은 전기저항이 낮은 물질이라면 제한하지 않고 사용할 수 있다. 예를 들면, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, XCF 카본, SRF 카본 등의 전도성 카본블랙을 사용할 수 있다. 전도성물질도 전극 모듈에서 목적하는 물성에 따라 입자 크기나 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있다. 전도성 물질의 평균입경은 1 ㎛ 이하, 바람직하게는 10nm ~ 1㎛를 사용하여 전극의 전기전도도를 높일 수 있다. 전도성물질의 함량은 전극활물질 100 중량부에 대하여, 1 ~ 10 중량부 범위로 사용하는 것이 전극의 전기전도도와 축전용량을 높이는데 좋다.The conductive material that can be added together with the electrode active material can be used without restriction as long as the material has low electrical resistance. For example, conductive carbon black such as acetylene black, Ketjen black, XCF carbon, SRF carbon and the like can be used. Conductive materials can also be used by controlling the particle size or the content range of the electrode module according to the desired physical properties. The average particle diameter of the conductive material is 1 占 퐉 or less, preferably 10 nm to 1 占 퐉, and the electrical conductivity of the electrode can be increased. It is preferable that the content of the conductive material is in the range of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the electrode active material to enhance the electric conductivity and the storage capacity of the electrode.
전극활물질과 고분자 바인더 용액을 혼합하여 슬러리를 제조하거나, 균일하게 섞어 반죽 덩어리로 만드는 혼련을 할 수 있다. The electrode active material and the polymer binder solution are mixed to prepare a slurry or uniformly mixed to make a kneaded mass.
전극활물질과 고분자 바인더 용액은 균일하게 섞어 반죽 덩어리로 만드는 혼련(kneading)할 때, 각각의 성분들을 순차적으로 계량하여 첨가한 후 가압 분산 혼련기를 이용하여 혼련할 수 있다. 혼련 온도와 시간은 바인더의 종류에 따라 정해질 수 있다. 전극활물질 및 참가제 등의 원료는 우선 건식 혼련이 된 후 바인더 용액을 혼련하며, 전극활물질 혼합물에 액상의 바인더가 함침된 상태가 된다. 이때 혼련기를 혼련온도까지 승온하며, 승온온도 바인더의 연화점 이상으로 하되 승온온도가 너무 낮으면 바인더의 점도가 높아져 혼합이 곤란해지므로 통상 연화점보다 10℃ 이상, 바람직하게는 연화점 보다 20℃ 이상이다. 가열온도가 너무 높으면 바인더의 분해에 의해 갤린더 가공을 위한 반죽 덩어리가 잘 만들어지지 않고 너무 낮으면 혼련하는 시간이 길어진다. 혼련기는 교반 날개를 갖는 기종이나 롤(roll)혼련기가 바람직하나 균일하게 혼련이 될 수 있는 것이라면 이에 한정되지 않는다. 혼련기에 투입하는 원료의 양은 통상 혼합기 용적의 10체적 % 이상하는 것이 좋으나 바람직하게는 15 ~ 50 체적 %로 하는 것이 좋다. 혼련시간은 5분 ~ 5시간이 필요하나 좋게는 큰 점성변화를 초래하는 시간까지로 통상 30 ~ 120분 이다. 얻어진 혼련물은 그대로 캘린더 가공에 사용해도 되는데 바람직하게는 핸들링하기 쉽도록 일정한 크기로 성형하여 제공하는 것이 좋다. 성형방법은 형상을 유지하는 것이 가능하면 특별히 제한은 없다.When the electrode active material and the polymeric binder solution are homogeneously mixed and kneaded to make a kneaded mass, the respective components may be sequentially metered and kneaded using a pressure dispersion kneader. The kneading temperature and time may be determined according to the kind of the binder. The raw materials such as the electrode active material and the binder are first kneaded dry, then the binder solution is kneaded, and the binder mixture is impregnated with a liquid binder. At this time, the temperature of the kneader is raised to the kneading temperature. When the temperature is elevated to a temperature not lower than the softening point of the binder, the viscosity of the binder becomes too high and mixing becomes difficult. If the heating temperature is too high, the kneading mass for the galvanizing process is not well formed by the decomposition of the binder, and if it is too low, the kneading time becomes longer. The kneader is preferably a type having a stirring blade or a roll kneader, but is not limited thereto as long as it can be kneaded uniformly. The amount of the feedstock to be added to the kneading machine is usually 10 vol% or more, preferably 15 to 50 vol%, relative to the volume of the mixer. The kneading time is from 5 minutes to 5 hours, preferably from 30 to 120 minutes, until a time when a large viscosity change occurs. The obtained kneaded product may be used for calendering as it is, and it is preferable to provide the kneaded product in a predetermined size so as to be easily handled. The molding method is not particularly limited as long as the shape can be maintained.
탄소전극 제조 방법 중 슬러리를 집전체에 도포할 때, 집전체는 전원공급 장치를 통해 제조한 전극에 전류를 공급했을 때 전기장이 전극표면에 균일하게 분포할 수 있도록 전도성이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸, 흑연 또는 이들의 혼합물을 포함하는 시트, 박막 또는 평직금망 형태를 사용할 수 있다. 도포 방법은 특별히 제한되지 않고 스프레이, 딥 코팅, 나이프 캐스팅, 닥터블레이드, 스핀코팅 등으로 도포 가능하며, 도포두께는 50 ~ 300 ㎛ 범위로 하는 것이 전극의 전기저항을 줄이면서 탈염 효율을 높이는데 바람직하다. 필요에 따라, 슬러리 도포 방법은 한번 이상 반복하여 목적하는 특정 두께의 전극을 제조할 수 있다. When the slurry is applied to the current collector in the method of manufacturing the carbon electrode, it is preferable to use a current collector having excellent conductivity so that the electric field can be uniformly distributed on the electrode surface when current is supplied to the electrode manufactured through the power supply device Do. For example, a sheet, a thin film, or a plain-mesh network form including aluminum, nickel, copper, titanium, iron, stainless steel, graphite or a mixture thereof may be used. The coating method is not particularly limited and it can be applied by spraying, dip coating, knife casting, doctor blade, spin coating or the like. When the coating thickness is in the range of 50 to 300 μm, it is preferable to increase the desalination efficiency while reducing the electrical resistance of the electrode Do. If necessary, the slurry applying method can be repeated one or more times to produce an electrode having a desired specific thickness.
탄소전극 제조 방법 중 반죽(kneading)한 혼련물을 캘린더링(calendaring) 가공할 때 캘린더의 롤 표면 온도는 바인더의 종류에 따라 결정된다. 바람직한 온도는 바인더의 유리전이온도(glass transition temperature) 이상 용융온도(melting temperature) 이하이다. 캘린더 롤 표면의 온도가 용융온도를 초과하여 높아지면 수지의 연화가 활발해져 롤 표면의 시트가 달라붙고 롤 제조시 장력이 약해져 시트가 절단되는 현상 때문에 외인딩(winding) 작업이 어렵고 따라서 시트를 롤 형태로 제조하기 어려울 수 있다. 한편, 캘리더의 롤 표면 온도가 유리전이온도 미만으로 낮으면 수지가 연화되지 않아 시트의 표면이 불균일해지고, 두께를 200㎛ 이하의 시트를 제조하기가 어려울 수 있다. When calendaring kneaded kneaded material among the carbon electrode manufacturing methods, the roll surface temperature of the calender is determined according to the kind of the binder. The preferred temperature is below the melting temperature of the binder above the glass transition temperature. When the temperature of the calender roll surface is higher than the melting temperature, softening of the resin becomes active, the sheet on the roll surface becomes sticky, the tension is weakened during the roll production, and the sheet is cut off. . ≪ / RTI > On the other hand, if the roll surface temperature of the caliper is lower than the glass transition temperature, the resin is not softened and the surface of the sheet becomes uneven, and it may be difficult to produce a sheet having a thickness of 200 탆 or less.
전극활물질 시트를 롤 프레스(roll press)로 집전체에 압착하여 전극을 만들 때 롤 프레스의 표면 온도는 바인더의 종류에 따라 다를 수 있다. 바인더의 유리전이온도이상 용융온도 이하에서 하는 것이 좋고, 보다 적합하게는 유리전이온도 보다 20℃높은 온도에서 하는 것이 좋다.The surface temperature of the roll press when the electrode active material sheet is pressed onto the current collector by a roll press may be different depending on the type of the binder. The glass transition temperature is preferably higher than the glass transition temperature of the binder and lower than the melting temperature, and more preferably 20 ° C higher than the glass transition temperature.
탄소전극 제조 방법 중 탄소전극을 일정한 두께를 가지도록 프레스할 때, 전극표면의 평할성 등을 위하여 필요에 따라서 프레스하는 단계를 더 구비할 수 있다. 프레싱 시 압축율은 제조한 탄소전극의 두께의 0 ~ 30 % 정도를 압축하는 것이 바람직하다. 압축율이 30%를 초과하는 경우 전극표면과 전극활물질의 밀도는 좋아지나, 단단해져서 부서지기 쉬우며 따라서 취급이 어렵울 수 있다. 보다 바람직하게는 압축율이 1~25%로 하여 전극의 표면이 균일하고 전극활물질의 밀도를 충분하게 할 수 있어 전극특성의 재현성이 우수하게 된다. When the carbon electrode is pressed to have a certain thickness in the carbon electrode manufacturing method, it may further include a step of pressing if necessary for the flatness of the electrode surface. When compressing, it is preferable that the compressibility is compressed to about 0 to 30% of the thickness of the produced carbon electrode. When the compression ratio exceeds 30%, the density of the electrode surface and the electrode active material is improved, but it becomes hard and brittle, and therefore, it may be difficult to handle. More preferably, the compressibility is 1 to 25%, the surface of the electrode is uniform, and the density of the electrode active material can be made sufficiently, and the reproducibility of the electrode characteristics is excellent.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 축염식 탈염 전극은 다음과 같이 구체적인 일 양태에 따라 제조할 수 있다. (a) 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자수지를 유기용매에 용해하여 양이온 또는 음이온교환 용액을 제조하는 단계, (b) 양이온과 음이온교환 용액을 지지체에 함침한 후 증발 건조하여 유로일체형 양이온교환 막과 음이온교환 막을 제조하는 단계, (c) 고분자수지를 유기용매에 용해하거나 수분산 고분자용액으로 바인더 용액을 제조하는 단계, (d) 바인더 용액에 전극활물질을 첨가하여 슬러리를 제조하거나 캘린더링 가공을 하기 위한 반죽하는(kneading) 단계, (e) 슬러리를 집전체에 도포하여 탄소전극을 만들거나 반죽을 캘리더링 가공하여 탄소시트(carbon sheet)를 집전체에 붙여 탄소전극을 만드는 단계, (f) 탄소전극을 일정한 두께를 갖도록 프레스하는 단계 및, (g) 위의 (b) 단계의 유로일체형 이온교환막과 위의 (f) 단계의 탄소전극 붙여 이온선택성을 갖는 축전식탈염 전극을 만드는 단계로 제조할 수 있다. 그리고, 이렇게 제조한 축전식탈염 전극을 사용하여 CDI(capacitive deionization) 전극 모듈을 제조할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the condensate desalting electrode of the present invention can be produced according to a specific embodiment as follows. (a) dissolving a polymer resin having a cation exchanger or anion exchanger in an organic solvent to prepare a cation or anion exchange solution, (b) impregnating the support with a cation and an anion exchange solution, and evaporating and drying to obtain an oil- (C) dissolving the polymer resin in an organic solvent or preparing a binder solution with an aqueous dispersion polymer solution, (d) adding an electrode active material to the binder solution to prepare a slurry or calendering (E) applying a slurry to a current collector to form a carbon electrode or calendering the dough to attach a carbon sheet to the current collector to form a carbon electrode, (f) (G) a step of pressing the carbon monoxide type ion exchange membrane of step (b) above and the carbon electrode paste of step (f) It is having an on-selectivity can be produced by steps of creating a capacitive electrode desalting. A capacitive deionization (CDI) electrode module can be manufactured using the thus-prepared capacitive desalination electrode.
이하에서 본 발명을 실시하기 위해 보다 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예로서 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다. Hereinafter, a more specific embodiment of the present invention will be described. The following examples are intended to illustrate the present invention and are not to be construed as limiting thereof.
이온교환 막Ion exchange membrane 특성 측정 방법 How to measure characteristics
1. 이온교환용량1. Ion exchange capacity
이온교환용량을 측정하기 위하여 1 N NaOH 수용액과 1 N HCl 수용액을 이용한 산염기 적정에 의하여 이온교환용량을 다음과 같은 식에 의해 측정하였다. 음이온교환막의 경우 NaOH, HCl의 순서를 바꾸어 실시하였다.To determine the ion exchange capacity, ion exchange capacity was measured by acid base titration using 1 N NaOH aqueous solution and 1 N HCl aqueous solution by the following equation. In the case of the anion exchange membrane, the order of NaOH and HCl was changed.
IEC: 이온교환용량(meq/g)IEC: Ion exchange capacity (meq / g)
IEC(meq/g)= (VHCl×NHCl)-5(VNaOH×NNaOH) /Weight of sample(g)IEC (meq / g) = (VHCl x NHCl) -5 (VNaOH x NNaOH) / Weight of sample (g)
VHCl:HCl의 부피 (ml), VNaOH: NaOH의 부피(ml)VHCl: volume of HCl (ml), VNaOH: volume of NaOH (ml)
NHCl: HCl의 농도(N), NNaOH : NaOH의 농도(N)Concentration of NHCl: HCl (N), concentration of NNaOH: concentration of NaOH (N)
2. 막 저항2. Membrane Resistance
이온교환 수지 막의 전기저항을 측정하기 위하여 2-compartment cell을 사용하였다. 막을 일정크기(5×5 cm)로 절단하여 전기화학 셀에 끼운 후 0.1 M NaCl 용액에서 전기저항을 측정(R1)한 후 막을 제거하고 전해질 용액만의 저항을 측정(R2)하여 전기저항값(ER)을 구하였다.A 2-compartment cell was used to measure the electrical resistance of the ion exchange resin membrane. The membrane was cut into a certain size (5 × 5 cm) and inserted into an electrochemical cell. The electrical resistance was measured in a 0.1 M NaCl solution (R1), and the membrane was removed. The resistance of the electrolyte solution was measured (R2) ER) was obtained.
막 저항(Ω·m2) = (R1 - R2)·AFilm resistance (Ω · m 2 ) = (R 1 - R 2) · A
R: 저항(Ω), A: 면적(m2)R: resistance (Ω), A: area (m 2 )
3. 함수율3. Moisture content
이온교환 수지 막을 일정크기(5 × 5 cm)로 절단한 후 0.1 M NaCl 용액에 침적시켜 충분히 팽윤시킨 다음 이온교환막 표면의 수분(free water)를 제거한 후 MX-50 수분분석기를 사용하여 무게를 측정하였고 다음 식에 의해 함수율(WC)을 계산 하였다.The ion-exchange resin membrane was cut to a certain size (5 × 5 cm), immersed in a 0.1 M NaCl solution, swollen sufficiently, and free water removed from the surface of the ion exchange membrane was weighed using an MX-50 moisture analyzer And water content (WC) was calculated by the following equation.
WC(%) = (Wwet - Wdry)/Wdry x 100WC (%) = (Wwet - Wdry) /
WC: 물의 함량(%), WC: Water content (%),
Wwet: 처음 습윤상태에서의 막 무게(g), Wwet: the film weight (g) in the initial wet state,
Wdry: 건조후의 무게(g)Wdry: weight after drying (g)
4. 이온교환막의 단면 측정 방법4. Method for measuring cross-section of ion-exchange membrane
전자주사현미경(SEM)으로 이온교환막의 두께 및 유로의 깊이를 측정하였다.The thickness of the ion exchange membrane and the depth of the flow path were measured by a scanning electron microscope (SEM).
[[ 실시예Example 1] One]
유로일체형 양이온선택성 전극을 제조하였다. Channel type cation selective electrode was prepared.
실시예Example 1-1. 양이온교환 용액의 제조 1-1. Preparation of cation exchange solution
둥근바닥 4구 플라스크에 PPO(Polyphenylene oxide) 10g 및 클로로포름(Chloroform) 90g을 용해하고, CSA(chlorosulfonic acid) 2.5g을 투입한 후 60℃ 5시간동안 반응시켰다. 반응물을 얼음물에 침전 분리하고 세정하여 80℃ 진공 오븐에서 건조한 후 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide; DMAc)에 녹여 메탄올에 재침전시키는 과정을 3번 반복하여 잔류 황산을 제거하고 건조하여 술폰화된 PPO(sulfonated PPO; SPPO)의 양이온교환수지를 제조하였다. 건조된 술폰화된 PPO를 DMAc에 넣어 고형분 함량이 10 중량%인 양이온교환 용액을 제조하였다. 10 g of PPO (polyphenylene oxide) and 90 g of chloroform were dissolved in a round bottomed flask, and 2.5 g of chlorosulfonic acid (CSA) was added thereto, followed by reaction at 60 ° C for 5 hours. The reaction product was precipitated in ice water, washed and dried in a vacuum oven at 80 ° C., and then dissolved in dimethylacetamide (DMAc) and reprecipitated in methanol. The reaction was repeated three times to remove residual sulfuric acid and dried to give sulfonated PPO PPO; SPPO) were prepared. The dried sulfonated PPO was put into DMAc to prepare a cation exchange solution having a solid content of 10% by weight.
실시예Example 1-2. 1-2. 유로일체형Euro integrated type 양이온교환막Cation exchange membrane 제조 Produce
양이온교환 막은 100㎛ 두께의 PET 필름(SK 케미컬) 위에 두께가 100㎛의 직포 (120 mesh, 폴리아미드) 지지체의 4곳 모서리를 고정하고 실시예 1-1에서 만들어진 양이온교환 용액을 200㎛ 되도록 닥터 블래이드로 코팅한 후 상온에서 1시간, 50℃에서 5시간 80℃ 3시간 50℃상기, 상온에서 1시간 동안 순차적으로 5단계로 건조한 후 완전히 건조하기 위해 50℃에서 10시간 동안 건조하여 PET 필름과 분리하여 유로 일체형 양이온교환 막을 제조하였다.The cation exchange membranes were prepared by fixing four corners of a woven fabric (120 mesh, polyamide) support having a thickness of 100 mu m on a PET film (SK chemical) having a thickness of 100 mu m and attaching the cation exchange solution prepared in Example 1-1 to a doctor And then dried at 50 ° C. for 5 hours at 80 ° C. for 3 hours and then at 50 ° C. for 1 hour at room temperature and then dried at 50 ° C. for 10 hours to completely dry the PET film. To prepare a cation exchange membrane having a channel structure.
실시예Example 1-3. 1-3. 탄소전극의Carbon electrode 제조 Produce
폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 1,800,000)0.4g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 9.6g을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다. 제조된 슬러리를 각각 전도성 흑연 시트(두께: 130㎛, 동방카본(주), Cat. No. F02511C) 위에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 탄소전극을 제조하였다. 0.4 g of polyvinylidene diprolide (PVdF, Aldrich, Mw = 1,800, 000) and 40 g of dimethylacetamide were mixed to prepare a polymer solution. To the polymer solution was added activated carbon powder (P-60, Surface area = 1600 m 2 / g) were mixed to prepare an electrode slurry. The prepared slurry was coated on a conductive graphite sheet (thickness: 130 탆, Orient Carbon Co., Cat. No. F02511C) with a doctor blade so that the coating layer had a thickness of 200 탆 and then dried at 70 캜 And dried for 30 minutes to prepare a carbon electrode.
실시예Example 1-4. 1-4. 유로일체형Euro integrated type 양이온선택성 전극 제조 Preparation of cation selective electrode
실시예 1-2에서 만든 유로일체형 양이온교환 막의 매끄러운 부분과 실시예 1-3에서 제조한 탄소전극 사이에 핫멜트 접착제 웹(web)(10g/m2, (주)케미텍코리아)을 넣고, 핫 프레스(hot pressor)의 120℃에서 1분 동안 0.2 kgf로 압착하여 양이온선택성을 갖는 유로일체형 음극을 제조하였다.A hot-melt adhesive web (10 g / m 2, Chemtec Korea) was placed between the smooth portion of the channel-integrated cation exchange membrane prepared in Example 1-2 and the carbon electrode prepared in Example 1-3, and pressed at 0.2 kgf for 1 minute at 120 DEG C in a hot pressor to prepare a channel integrated anode having cationic selectivity.
[[ 실시예Example 2] 2]
유로일체형 음이온선택성 전극을 제조하였다. Channel integrated anion selective electrode was prepared.
실시예Example 2-1. 음이온교환 용액의 제조 2-1. Preparation of anion exchange solution
둥근바닥 4구 플라스크에 PPO(Polyphenylene oxide) 12.0g 및 클로로벤젠(Chlorobenzene) 88.0g을 용해하고, CMME(Chloro methyl methyl ether) 4.4g을 넣고 130℃에서 3시간 동안 반응한 후 실온으로 냉각하고 메탄올에 침전 분리하였으며, 합성물을 NMP(1-Methyl-2-pyrrolidinone)에 용해한 후 TMA(Trimethyl ammonium chloride) 1.5mol과 상온에서 반응하여 메탄올 침전/분리하여 상온에서 진공건조 하였다. 상기의 합성된 음이온교환수지를 NMP에 넣어 고형분 함량이 10 중량%인 음이온교환 용액을 제조하였다. 12.0 g of polyphenylene oxide (PPO) and 88.0 g of chlorobenzene were dissolved in a round-bottomed four-necked flask, and 4.4 g of CMME (chloromethyl methyl ether) was added. The mixture was reacted at 130 ° C. for 3 hours, cooled to room temperature, , And the compound was dissolved in NMP (1-Methyl-2-pyrrolidinone), reacted with 1.5 mol of TMA (trimethyl ammonium chloride) at room temperature, precipitated with methanol, and vacuum-dried at room temperature. The synthesized anion exchange resin was put into NMP to prepare an anion exchange solution having a solid content of 10% by weight.
실시예Example 2-2. 2-2. 유로일체형Euro integrated type 음이온교환막Anion exchange membrane 제조 Produce
음이온교환 막은 100㎛ 두께의 PET 필름(SK 케미컬) 위에 두께가 100㎛의 직포 (120 mesh, 폴리아미드) 지지체의 4곳 모서리를 고정하고 실시예 2-1에서 만든 음이온교환 용액을 200㎛ 되도록 닥터 블래이드로 코팅한 후 상온에서 1시간, 50℃에서 5시간 80℃ 3시간 50℃상기, 상온에서 1시간 동안 순차적으로 5단계로 건조한 후 완전히 건조하기 위해 50℃에서 10시간 동안 건조하여 PET 필름과 분리하여 유로 일체형 음이온교환 막을 제조하였다.The anion exchange membranes were prepared by fixing four corners of a woven fabric (120 mesh, polyamide) support having a thickness of 100 mu m on a 100 mu m thick PET film (SK Chemical), placing the anion exchange solution prepared in Example 2-1 at 200 mu m And then dried at 50 ° C. for 5 hours at 80 ° C. for 3 hours and then at 50 ° C. for 1 hour at room temperature and then dried at 50 ° C. for 10 hours to completely dry the PET film. Thereby preparing an oil-in-line type anion exchange membrane.
실시예Example 2-3. 2-3. 탄소전극의Carbon electrode 제조 Produce
폴리비닐리덴디플로라이드(PVdF, Aldrich, Mw = 1,800,000)0.4g, 디메틸아세트아마이드 40g을 혼합하여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액에 활성탄소 분말(P-60, 대동 AC(주), 비표면적 = 1600㎡/g) 9.6g을 혼합하여 전극슬러리를 제조 하였다. 제조된 슬러리를 각각 전도성 흑연 시트(두께: 130㎛, 동방카본(주), Cat. No. F02511C) 위에 닥터블레이드(Doctor blade)로 한 면의 코팅층 두께가 200 ㎛가 되도록 코팅한 후 70℃에서 30분 건조하여 탄소전극을 제조하였다. 0.4 g of polyvinylidene diprolide (PVdF, Aldrich, Mw = 1,800, 000) and 40 g of dimethylacetamide were mixed to prepare a polymer solution. To the polymer solution was added activated carbon powder (P-60, Surface area = 1600 m 2 / g) were mixed to prepare an electrode slurry. The prepared slurry was coated on a conductive graphite sheet (thickness: 130 탆, Orient Carbon Co., Cat. No. F02511C) with a doctor blade so that the coating layer had a thickness of 200 탆 and then dried at 70 캜 And dried for 30 minutes to prepare a carbon electrode.
실시예Example 2-4. 2-4. 유로일체형Euro integrated type 음이온선택성 전극 제조 Manufacture of anion selective electrode
실시예 2-2에서 만든 유로일체형 음이온교환 막의 매끄러운 부분과 실시예 2-3에서 제조한 탄소전극 사이에 핫멜트 접착제 웹(web)(10g/m2, (주)케미텍코리아)을 넣고, 핫 프레스 (hot pressor)의 120℃에서 1분 동안 0.2 kgf로 압착하여 음이온선택성을 갖는 유로일체형 양극을 제조하였다.A hot-melt adhesive web (10 g / m 2 , manufactured by KEMITEK CORPORATION) was placed between the smooth portion of the channel-integrated anion exchange membrane prepared in Example 2-2 and the carbon electrode prepared in Example 2-3, And pressed at 0.2 kgf for 1 minute at 120 DEG C in a hot pressor to prepare an anode integrated with flow path having anion selectivity.
[[ 비교예Comparative Example 1] One]
탄소전극을 양이온교환 용액으로 코팅한 코팅형 전극을 비교예 1로 제조하였다. A coated electrode having a carbon electrode coated with a cation exchange solution was prepared in Comparative Example 1.
실시예 1-1에서 만든 양이온교환 용액을 실시예 1-3에서 제조한 탄소전극에 20㎛정도의 코팅층이 형성되록 닥터블레이드로 코팅하여 80℃에서 1시간 동안 건조하여 양이온선택성 코팅 층을 갖는 음극을 제조하였다. The cation exchange solution prepared in Example 1-1 was coated with a doctor blade so as to form a coating layer of about 20 탆 on the carbon electrode prepared in Example 1-3 and dried at 80 캜 for 1 hour to form a negative electrode having a cation- .
[[ 비교예Comparative Example 2] 2]
탄소전극을 음이온교환 용액으로 코팅한 코팅형 전극을 비교예 2로 제조하였다. A coated electrode having a carbon electrode coated with an anion exchange solution was prepared in Comparative Example 2.
실시예 2-1에서 만든 양이온교환 용액을 실시예 2-3에서 제조한 탄소전극에 20㎛정도의 코팅층이 형성되록 닥터블레이드로 코팅하여 80℃에서 1시간 동안 건조하여 음이온선택성 코팅 층을 갖는 양극을 제조하였다.The cation exchange solution prepared in Example 2-1 was coated on the carbon electrode prepared in Example 2-3 with a doctor blade so as to form a coating layer having a thickness of about 20 탆 and dried at 80 캜 for 1 hour to form a positive electrode having an anion- .
[[ 비교예Comparative Example 3] 3]
상업용 양이온교환 막 전극을 비교예 3으로 제조하였다. A commercial cation exchange membrane electrode was prepared in Comparative Example 3.
상업용 양이온교환 막(CMX, Astom사)과 실시예 1-3에서 제조한 탄소전극 사이에 핫멜트 접착제 웹(web)(10g/m2, (주)케미텍코리아)을 넣고, 핫 프레스 (hot pressor)의 120℃에서 1분 동안 0.2 kgf로 압착하여 양이온선택성을 갖는 유로일체형 음극을 제조하였다.A hot-melt adhesive web (10 g / m 2, Chemtec Korea) was placed between a commercially available cation exchange membrane (CMX, Astom) and the carbon electrode prepared in Example 1-3 and hot- At 120 [deg.] C for 1 minute at 0.2 kgf to prepare a channel integrated anode having cationic selectivity.
[[ 비교예Comparative Example 4] 4]
상업용 음이온교환 막 전극을 비교예 4로 제조하였다. A commercial anion exchange membrane electrode was prepared as Comparative Example 4.
상업용 음이온교환 막(AMX, Astom사)과 실시예 2-3에서 제조한 탄소전극 사이에 핫멜트 접착제 웹(web)(10g/m2, (주)케미텍코리아)을 넣고, 핫 프레스 (hot pressor)의 120℃에서 1분 동안 0.2 kgf로 압착하여 음이온선택성을 갖는 유로일체형 양극을 제조하였다.A hot-melt adhesive web (10 g / m 2, Chemtec Korea) was placed between the commercial anion exchange membrane (AMX, Astom) and the carbon electrode prepared in Example 2-3, At 120 DEG C for 1 minute at 0.2 kgf to prepare an integrated positive electrode having anion selectivity.
[[ 실시예Example 3] 3]
실시예 1, 2 및 비교예 1~4에서 제조한 각 이온교환막의 형태(도 1 내지 3)와 특성([표 1])을 비교하였다. 도 1에는 실시예 1-2에서 만든 유로일체형 이온교환막을 나타내었고, 도 2에는 실시예 2-2에서 만든 유로일체형 탈염전극을 나타내었으며, 도 3에는 비교예 1에서 만든 코팅형 탈염전극의 전자주사현미경 사진을 나타내었다.(FIGS. 1 to 3) and characteristics (Table 1) of the ion exchange membranes prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 were compared. FIG. 1 shows the channel-integrated ion exchange membrane prepared in Example 1-2, FIG. 2 shows the channel-integrated desalination electrode prepared in Example 2-2, and FIG. A scanning electron microscope photograph is shown.
[표 1][Table 1]
[[ 실시예Example 4] 4]
실시예 1, 2 및 비교예 1~4에서 제조한 전극으로 탈염 전극 셀을 제조하여 탈염 특성을 평가하였다. A desalting electrode cell was prepared from the electrodes prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4, and the desalting characteristics were evaluated.
실시예 1에서 제조한 전극을 음극으로 사용하고 실시예 2에서 제조한 전극을 양극으로 사용하여 유로일체형 탈염 전극 셀을 제조였다. 비교예 1에서 제조한 전극을 음극으로 사용하고 비교예 2에서 제조한 전극을 양극으로 사용하여 코팅 전극의 탈염 전극 셀을 제조하였다. 비교예 3에서 제조한 전극을 음극으로 사용하고 비교예 4에서 제조한 전극을 양극으로 사용하여 상용막 탈염 전극 셀을 제조하여 비교하였다. 유로일체형 전극이나 코팅전극을 10 x 10cm2 절단한 후 유로일체형은 양극과 음극사이에 스페이서 없이 서로 맞대어 장착하고 코팅전극은 양극과 음극사이에 두 전극이 접촉되는 것을 방지하면서 유체가 통과할 수 있도록 100㎛ 두께의 스페이서(120 mesh, 폴리아미드)를 장착하였다. 전극의 중앙에 1cm의 구멍을 뚫어 용액이 전극의 사면에서 스페이서를 통과해 중앙으로 빠져 나갈 수 있도록 하였다. 양극과 음극의 외부에 15 x 15cm2 크기의 아크릴 판을 대고 볼트로 고정하여 축전식 탈염용 단일 셀을 구성하였다.A channel-integrated desalination electrode cell was prepared using the electrode prepared in Example 1 as a negative electrode and the electrode prepared in Example 2 as a positive electrode. The electrode prepared in Comparative Example 1 was used as a cathode and the electrode prepared in Comparative Example 2 was used as an anode to prepare a desalting electrode cell of a coated electrode. The membrane prepared in Comparative Example 3 was used as a negative electrode and the electrode prepared in Comparative Example 4 was used as an anode to prepare a membrane desalting electrode cell. After cutting the Euro-integrated electrode or coated electrode 10 x 10 cm 2 , the flow-channel type was mounted between the anode and the cathode with no spacer, and the coating electrode was designed to prevent the two electrodes from contacting each other between the anode and the cathode, And a spacer (120 mesh, polyamide) having a thickness of 100 mu m was mounted. A 1 cm hole was drilled in the center of the electrode to allow the solution to pass through the spacer at the slope of the electrode and to escape to the center. A 15 x 15 cm 2 acrylic plate was placed on the outside of the anode and the cathode and fixed with a bolt to form a single cell for depolarization.
전극전위를 1.5 V로 일정하게 인가하면서 250mg/L의 NaCl 용액을 30mL/min의 속도로 공급하였다. 유출수의 TDS(Total dissolved solid)의 변화를 측정하여 탈염효율을 분석하였다. 3분 동안 흡착시킨 후 전극전위를 1분 동안 쇼트, 50초 동안 역전위 10초 동안 휴지기로 변화시켜 가면서 탈착시키는 방식으로 운전하였다. 제조된 셀로 탈염실험을 진행 한 결과를 도 4에 TDS 변화곡선과 염 제거율(%)로 나타내었다.A 250 mg / L NaCl solution was supplied at a rate of 30 mL / min while the electrode potential was constantly applied at 1.5 V. The total dissolved solid (TDS) of the effluent was measured and the desalting efficiency was analyzed. After the adsorption for 3 minutes, the electrode potential was operated for 1 minute by short circuit and 50 seconds by reversing the reverse potential for 10 seconds. The cell desalting test was conducted and the results are shown in FIG. 4 as the TDS change curve and the salt removal rate (%).
코팅형 전극의 경우 탈염효율이 가장 높은 85%이고, 일체형 전극의 경우 코팅형 전극 84%의 제거효율을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 상업용 이온교환막을 사용할 경우 가장 낮은 81%의 제거효율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 일체형 전극을 사용할 경우 스페이서를 사용하지 않고 셀을 조립할 수 있고 코팅형태의 전극과 유사하게 높은 제거효율을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 얇고 무게가 가벼운 스페이서 적층이 어려워 모듈스텍의 조립공정이 복잡하였는데 스페이서를 사용하지 않고 모듈 스텍을 조립할 수 있어 매우 간단해진 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 일체형 이온교환막의 제조를 통해 이온선택성을 갖는 유로일체형 축전식탈염 전극을 제조할 수 있었으며, 또한 이들 전극이 상업용 이온교환막을 사용한 경우보다도 더 탈염효율이 좋은 것을 확인 할 수 있다. It was confirmed that the coating type electrode had the highest desorption efficiency of 85% and the integral type electrode had the removal efficiency of 84% of the coated type electrode. When the commercial type ion exchange membrane was used, it showed the lowest removal efficiency of 81% I could. In this way, it is possible to assemble the cell without using the spacer when using the integral electrode, and it is confirmed that the cell has a high removal efficiency similar to that of the coated electrode. Also, it is difficult to stack thin and lightweight spacers, so that the assembling process of the module stack is complicated. As a result, it is possible to assemble the module stack without using the spacer, which is very simple. Therefore, through the production of the integrated ion exchange membrane, it was possible to produce a channel integrated type desalination electrode having ion selectivity, and it is also confirmed that the desalination efficiency of these electrodes is higher than that of the case of using a commercial ion exchange membrane.
[[ 실시예Example 5] 5]
실시예 1-2 및 2-2로 제조한 이온교환막을 실시예 1-3 또는 1-4로 제조한 탄소전극의 양면에 부착시켜 서로 다른 극성의 이온교환막이 전극의 양면에 부착된 복극전극을 제조하였다. 부착 방법은 실시예 1-4 또는 2-4에 따라 부착하였다. 제조한 복극전극은 휘어짐이 없어 롤-투-롤(roll-to-roll) 연속 생산 공정이 가능하고, 양면에 서로 다른 극성을 가지는 복극전극이므로 산업용 대용량 모듈을 만드는데 적합하다(도 5). The ion exchange membranes prepared in Examples 1-2 and 2-2 were attached to both surfaces of the carbon electrode prepared in Examples 1-3 or 1-4, and ion exchange membranes of different polarities were attached to both surfaces of the electrode, . The attachment method was according to Examples 1-4 or 2-4. The manufactured bipolar electrode is suitable for making an industrial high-capacity module (Fig. 5) since it is a bipolar electrode having a polarity different on both sides, since it can perform a roll-to-roll continuous production process without warping.
그리고, 실시예 1-1 및 2-1로 제조한 이온교환용액을 실시예 1-3 또는 1-4로 제조한 탄소전극의 양면에 각각 코팅하여 서로 같은 극성의 전극 및 서로 다른 극성의 복극전극을 제조하였다. 코팅 방법은 비교예 1 또는 2에 따라 코팅하였다. 그 결과, 탄소전극의 양면에 각각 서로 다른 이온교환용액으로 코팅하여 제조한 복극전극의 경우 이온교환용액의 특성이 달라 전극이 한쪽으로 휘어지는 현상이 발생하였고, 이러한 현상은 롤-투-롤 연속 생산 공정에서 전극의 휘어지는 현상에 의해 중간 부분이 끊어지게 되므로 생산이 어려웠다(도 6). 탄소전극의 양면에 각각 동일한 이온교환용액을 코팅하게 되는 경우 전극이 휘지않고, 롤-투-롤 생산이 가능하나 산업용 대용량 모듈을 만들기 위해서는 복극 형태의 전극 제조가 필요하다(도 7). The ion exchange solution prepared in Examples 1-1 and 2-1 was coated on both surfaces of the carbon electrode prepared in Examples 1-3 or 1-4 to form electrodes of the same polarity and electrodes of the same polarity . The coating method was coated according to Comparative Example 1 or 2. As a result, in the case of a bipolar electrode prepared by coating with a different ion exchange solution on both sides of the carbon electrode, the characteristics of the ion exchange solution were different, and the electrode was warped to one side. This phenomenon occurred in the roll- The intermediate portion is broken due to the bending phenomenon of the electrode in the process (FIG. 6). When the same ion exchange solution is coated on both sides of the carbon electrode, it is possible to produce the roll-to-roll without bending the electrode. However, in order to make an industrial large-capacity module, it is necessary to manufacture a double electrode type electrode (FIG.
Claims (8)
음이온교환기(anion exchange group)를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 녹여 제조한 음이온교환용액을 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 제조한 유로일체형 음이온교환막;
상기 양이온교환막 및 음이온교환막을 전극의 서로 다른 면에 각각 부착한 유로일체형 축전식 탈염 복극전극.
A monolithic cation exchange membrane prepared by coating a cation exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having a cation exchange group in an organic solvent on a woven or nonwoven fabric followed by drying;
An anion exchange membrane prepared by coating an anion exchange solution prepared by dissolving a polymer resin having an anion exchange group in an organic solvent on a woven fabric or a nonwoven fabric followed by drying;
And the cation exchange membrane and the anion exchange membrane are attached to different surfaces of the electrode, respectively.
상기 직포 또는 부직포는 폴리아미드계(polyamide series), 폴리에틸렌계(Polyethylene series), 폴리프로필렌계(polypropylene series), 셀룰로스계(cellulose series), 아크릴계 (polyacryl series), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에스테르계(polyester series) 및 천연섬유로 이루어진 군에서 선택되는 고분자로 형성된 것인 탈염 복극전극.
The method according to claim 1,
The woven or nonwoven fabric may be a polyamide series, a polyethylene series, a polypropylene series, a cellulose series, a polyacryl series, a polyvinyl chloride (PVC), a polyvinyl Wherein the electrode is formed of a polymer selected from the group consisting of alcohol (PVA), polyester series, and natural fibers.
상기 양이온교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 양이온교환기인 탈염 복극전극.
The method according to claim 1,
The cation exchanger includes a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2 ), a phosphonic group (-HPO 2 H), an acidic group (-AsO 3 H 2 ) And at least one cation-exchange group selected from the group consisting of a celinonilic group (-SeO 3 H).
상기 음이온교환기는 4급 암모늄염(-NH3), 1급 아민(-NH2), 2급 아민(-NHR), 3급 아민(-NR2), 4급 포스포니움기(-PR4) 및 3급 술폰니움기(-SR3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 음이온교환기인 탈염 복극전극.
The method according to claim 1,
The anion exchanger is a quaternary ammonium (-NH 3), 1 primary amine (-NH 2), 2 amine (-NHR), 3 tertiary amine (-NR 2), quaternary phosphonium umgi (-PR 4) and And a tertiary sulfonium group (-SR < 3 >).
A capacitive deionization (CDI) electrode module comprising at least one desalting electrode according to any one of claims 1 to 5.
양이온교환용액 및 음이온교환용액을 지지체인 직포 또는 부직포에 코팅한 후 건조하여 유로일체형 양이온교환막 및 음이온교환막을 제조하는 단계; 및
상기 양이온교환막 및 음이온교환막을 탄소전극의 서로 다른 면에 각각 붙이는 단계;
를 포함하는 유로일체형 축전식 탈염 복극전극을 제조하는 방법.
Dissolving a polymer resin having a cation exchanger and an anion exchanger in an organic solvent to prepare a cation exchange solution and an anion exchange solution;
Preparing a cation exchange membrane and an anion exchange membrane by coating a cation exchange solution and an anion exchange solution on a woven or nonwoven fabric of a support and then drying; And
Attaching the cation exchange membrane and the anion exchange membrane to different surfaces of the carbon electrode, respectively;
Wherein the electrolytic dehydrogenated bipolar electrode is formed of a mixture of water and an organic solvent.
상기 이온교환용액 제조시 고형분 함량이 1 내지 30 중량%인 탈염 복극전극을 제조하는 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the desalted bipolar electrode has a solid content of 1 to 30 wt% when the ion exchange solution is prepared.
이온교환용액의 코팅으로 형성되는 코팅층의 두께가 0.1 내지 200㎛인 탈염 복극전극을 제조하는 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the thickness of the coating layer formed by coating the ion exchange solution is 0.1 to 200 mu m.
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