KR20180060515A - 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템 - Google Patents

탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20180060515A
KR20180060515A KR1020160160077A KR20160160077A KR20180060515A KR 20180060515 A KR20180060515 A KR 20180060515A KR 1020160160077 A KR1020160160077 A KR 1020160160077A KR 20160160077 A KR20160160077 A KR 20160160077A KR 20180060515 A KR20180060515 A KR 20180060515A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
desalting
exchange membrane
anion exchange
space
Prior art date
Application number
KR1020160160077A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101872125B1 (ko
Inventor
윤제용
김성환
김춘수
이재한
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020160160077A priority Critical patent/KR101872125B1/ko
Publication of KR20180060515A publication Critical patent/KR20180060515A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101872125B1 publication Critical patent/KR101872125B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C02F1/4691—Capacitive deionisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/4604—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods for desalination of seawater or brackish water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/4606—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods for producing oligodynamic substances to disinfect the water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/13—Ozone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/24—Halogens or compounds thereof
    • C25B1/26—Chlorine; Compounds thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/14—
    • C25B9/10—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)

Abstract

본 발명은 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈염전극과 산화전극을 포함하고 상기 탈염전극과 상기 산화전극 사이에 음이온의 이동통로를 확보할 수 있는 음이온교환막을 가지며, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 탈염반응이 이루어지며, 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 산화제가 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템에 관한 것이다.

Description

탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템 {Water treatment system which is possible to make desalinization and oxidant}
본 발명은 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음이온 교환막을 중심으로 탈염 반응기와 산화제 발생반응기가 형성될 수 있는 수처리 시스템에 관한 것이다.
세계는 현재 지구 온난화에 의한 가뭄현상 심화, 지하수 고갈, 사막화 진행, 인구 증가, 산업화에 의한 생활 및 산업 용수 사용 증가로 인하여 수자원의 가치가 증대되고 있어, 생활 및 산업 폐수의 재활용이나 해수의 담수화 등이 새로운 이슈로 등장하고 있다.
일반적으로 해수의 담수화는 역삼투막법, 이온교환막에 의한 전기투석법, 해수를 증기로 변환시켜서 담수화하는 증발법, 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있다. 현재 상용화된 담수화 기술은 열을 가해 염을 분리시키는 증발공정과 물만을 통과시키는 막을 이용한 역삼투막 공정이 있다.
그런데, 상기와 같은 기술은 다음과 같은 문제가 있는데, 증발공정은 해수를 증발시켜서 염분과 수증기를 분리하고 수증기를 응결시켜 담수를 얻는 방법으로 에너지 소비량이 매우 크기 때문에 원유 가격이 안정적이고 값이 싼 중동지역에서 주로 이용된다. 역삼투막 공정은 물은 통과하지만 물속에 녹아있는 염분등은 투과하지 않는 역삼투막에 해수를 가압하여 담수를 얻는 방법으로 고압의 공정이 필요하기 때문에 소규모 공정이 어렵고 막 막힘 현상으로 인해 운전비용이 높은 단점을 가지고 있다. 이러한 기존 공정들의 단점을 극복하고자 최근에는 축전식 탈염공정, 배터리 탈염공정 등 전기화학적 방법을 이용한 탈염기술들이 개발되고 있으며, 이러한 기술들은 에너지효율이 높고 공정이 단순하여 미래의 담수화 시장에 있어 광범위하게 사용될 것으로 예상하고 있다.
또한, 수처리후 남은 물질에 대한 처리도 중요한 바, 이를 재활용할 수 있는 방안에 대한 필요성이 대두되고 있다.
특허문헌 1: 한국등록특허 제0899290호 (2009.05.28. 공고) 특허문헌 2: 한국등록특허 제1637539호 (2016.07.07. 공고)
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 목적은 담수화 처리시 잔존하는 폐기물을 재활용할 수 있는 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 담수화처리 이외에 다른 공정을 접목하여 산화제를 제조할 수 있는 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 탈염전극과 산화전극을 포함하고 상기 탈염전극과 상기 산화전극 사이에 음이온의 이동통로를 확보할 수 있는 음이온교환막을 가지며, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 탈염반응이 이루어지며, 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 산화제가 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 탈염전극 및 상기 산화전극은 다양한 양이온과 음이온이 전기화학적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 탈염전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서는 양이온이 상기 탈염전극과의 전기화학적 반응으로 인해 제거되고 음이온은 상기 음이온교환막을 통해 상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간으로 확산되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서는 음이온 또는 상기음이온교환막을 통해 확산된 음이온이 상기 산화전극과 전기화학적 반응으로 인해 산화제로 전환되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서 형성되는 산화제는 염소, 이산화염소, 클로라민, 하이드록실 라디칼, 오존 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 탈염전극은 Na0 . 44MnO2, λ-Mn02, NaFePO4, NaFeP2O7, NaMnxCoyFezPO4, 활성탄, 그래핀 계열 탄소 소재, 카본나노튜브 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 산화전극은 RuO2, IrO2, SnO2, PbO2, TiO2 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템은 물을 정화하는 동시에 산화제를 제조할 수 있다.
또한, 담수화 공정에서 사용되는 Cl2 등의 산화제를 산화제 제조공정을 통해 직접 공급할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템의 개념도를 나타낸것이다.
도 2는 실시예에 따른 탈염 및 산화제 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에서 전하량에 따른 발생된 염소의 농도 및 쿨롱 효율을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 전하량에 따른 전위차를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 " 약 ", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적이니 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템에 있어서, 탈염전극과 산화전극 사이에 음이온이 이동할 수 있는 음이온 교환막(Anionexchange membrane, AEM)이 존재하며, 전기화학적 반응 시 상기 음이온 교환막과 상기 탈염전극 사이의 공간에서 탈염이 이루어지며, 상기 음이온 교환막과 상기 산화전극 사이의 공간에서는 산화제가 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 상기 음이온 교환막은 상기 탈염전극 및 산화전극과 일정거리를 유지하여 위치해 있으며, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간 및 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간을 분리하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간 및 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간은 해수, 염수 또는 폐수가 흐를 수 있으며 상기 해수, 염수 또는 폐수는 탈염이 가능한 양이온과 음이온을 포함할 수 있다.
먼저, 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템의 작동 원리를 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 탈염 및 산화제 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 상기 탈염전극과 상기 산화전극을 하나의 회로로 연결하여 전기 에너지를 인가하였을 때(S10), 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하는 양이온들은 상기 탈염전극과 전기화학적 반응으로 인하여 상기 탈염전극으로 삽입된다(S20).
또한, 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하는 음이온들은 상기 산화전극과 전기화학적 반응으로 인하여 상기 산화전극 표면에서 산화제로 전환된다(S30).
이 때, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간과 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간의 전기적 중성이 일시적으로 깨지게 되고, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하던 음이온은 음이온 교환막을 통하여 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간으로 확산되어 이동하게 된다(S40).
따라서, 상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에 존재하던 양이온은 상기 탈염전극과의 전기화학적 반응을 통해 제거되고 음이온의 경우 확산을 통해 제거되어 탈염이 이루어 질 수 있다(S50).
다시 말해, 상기 탈염전극과 상기 산화전극 사이에 상기 음이온 교환막을 두어 음이온이 이동할 수 있도록 함으로써, 탈염과 산화제 제조를 동시에 진행할 수 있다.
상기 탈염전극 및 산화전극은 양이온 및 음이온과 가역적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 한다.
전압 인가시에 상기 탈염전극에서 환원반응이 일어나며 상기 산화전극에서는 산화반응이 일어난다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 탈염전극 및 상기 산화전극을 구성하는 물질은 내부 격자 구조가 큰 공간을 가질 수 있으며, 다양한 양이온들이 삽입 또는 이탈 될 수 있다.
상기 양이온은 이탈 및 삽입이 가능하며, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘이온 등을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 탈염전극 및 상기 산화전극은 해수, 염수 또는 폐수와 같이 이온 농도가 높고 다양한 이온이 용해되어 있는 유체에 대하여 탈염을 진행할 수 있다.
상기 탈염전극은 반응전위가 높으며, 상기 산화전극은 반응전위가 낮은 것을 특징으로 한다.
상기 탈염전극은 반응전위가 높아 상대적으로 반응성이 낮으며 산화되기 어려운 것을 특징으로 하며, 상기 산화전극은 반응전위가 낮아 상대적으로 반응성이 높고 산화되기 쉬운 것을 특징으로 한다.
상기 탈염전극은 Na0 . 44MnO2, λ-Mn02, NaFePO4, NaFeP2O7, NaMnxCoyFezPO4, 활성탄, 그래핀 계열 탄소 소재, 카본나노튜브 중에서 적어도 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 산화전극은 RuO2, IrO2, SnO2, PbO2, TiO2 중에서 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
이외에도, 상기 탈염전극은 양이온이 탈삽입 가능한 배터리 전극 소재 계열, 금속 인화물 계열, 금속 혼합인화물, 이온 흡착이 가능한 탄소 소재 등을 사용 할 수 있다.
상기 산화전극은 산소 발생 과전압이 낮은 DSA(Dimensionally stable anode)계열 전극과 산소 발생 과전압이 높은 BDD(Boron doped diamond) 계열 전극이 사용 될 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예 및 실험예를 참조하여, 본 발명의 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템을 설명하기로 한다.
실시예 1
전극제조
음극으로 Na0 . 44MnO2, 양극으로 TiO2 나노튜브 전극을 제조 하였는데, 상기 음극은 Na2CO3, Mn2O3 분말을 이용한 고상법으로 제조하였으며, 양극은 에틸린 글라이콜을 기반으로한 유기용매상에 물 (2.5 wt%)/암모늄플로라이드 (0.2 wt%)가 혼합된 전해질에서 전기화학적 양극산화법으로 제조하였다.
Na0 . 44MnO2는 Na2CO3 와 Mn2O3를 몰 비율 1:1 로 섞은 분말을 볼밀러를 이용하여 1시간 동안 갈아준 후, 이를 5시간 동안 섭씨 500도 조건에서 어닐링 시켰다. 어닐링 후 획득한 분말을 다시한번 잘 섞은 후 12시간동안 섭씨 900도 조건에서 2차 어닐링을 하였다. 어닐링 조건은 산소가 존재하는 대기 조건에서 수행하였다. 2차 어닐링으로 획득한 분말은 증류수에 수회 씻어 준 후 450나노 기공의 필터로 걸러 건조하였다. 이러한 고상법으로 획득한 Na0 . 44MnO2 (86 wt%) 분말을 전도체인 Carbon black (7 wt%), PTFE (7 wt%)와 함께 혼합된 슬러리 형태로 만들고 이를 반죽하여 롤 플레서를 이용하여 sheet 형태의 전극을 제작하였다. 이렇게 만들어진 전극의 두께는 약 250마이크로미터 수준이었다.
TiO2는 물 (2.5 wt%)/암모늄플로라이드 (0.2 wt%)가 혼합된 에텔렌 글라이콜 (97.3 wt%) 전해질에서 플래티넘 전극을 음극으로 하여 약 40 V를 16시간 동안 인가하여 양극 산화 시켜 나노 튜브 전극을 제조하였다. 이렇게 제조된 TiO2 나노 튜브 전극의 튜브 지름은 외경 100나노 내경 60나노 수준이었으며 튜브 높이의 경우 약 30마이크로 수준이었다.
탈염 및 산화제 제조 가능한 수처리 시스템 구성
Na0 . 44MnO2 전극을 음극으로, TiO2 나노튜브 전극을 양극으로 하며, 시스템은 음극이 포함된 탈염 반응기와 양극이 포함된 산화제 제조 가능한 반응기로 구성되며, 두 반응기의 전해질은 음이온 교환막으로 완전히 분리되어 있다.
실험예 1 - 탈염성능 및 산화제 제조 성능 평가
Na0 . 44MnO2 전극은 KH2PO4 0.1 M 용액에 3전극 셀(작동전극:Na0 . 44MnO2, 반대전극: Pt, 기준전극: Ag/AgCl KCl)을 구성하여 기준전극 대비 0.8V를 30분간 인가하여 precharging을 시행하였다. precharging 후 전극은 Na0.22MnO2 로 충전되었다.
탈염성능 및 산화제 제조 성능 실험은 정전류 조건에서 운전되며 Na0 . 44MnO2전극 기준 50mA/g, TiO2 나노 튜브 전극 기준 9mA/cm2의 전류를 총 전하량 64 C이 흐를 동안 인가하였다.
음극이 포함된 탈염 반응기의 용량은 약 40 mL용액과 양극이 포함된 산화제 생성 반응기의 용액의 용량은 각 85 mL이며 상기 탈염 반응기의 이온 농도변화는 Ion chromatograph를 이용하여 측정하였으며, 산화제 생성 반응기에서의 염소 발생은 DPD 시약을 통한 흡광도 변화를 통하여 측정되었다.
Desalination Cell Oxidation Cell
Na+ Ca2 + Mg2 + Cl- SO4 2- Cl2
Ci/mgL-1 874 63 86 1547 220 0
Cf/mgL-1 617 39 43 1119 157 173
△C/% 29 38 49 28 28 -
Coulombic Efficiency/% 69 7 22
-
66
98(combined)
평가과정 이후 각 양이온에 대한 농도와 각 음이온의 농도가 감소하고 염소가 발생하였으며, 이를 통해 본 발명의 탈염 및 산화제 제조 가능한 수처리 시스템은 탈염과정과 동시에 산화제 제조가 진행됨을 확인할 수 있다.
위 표 1은 일반적인 강물 수준의 이온 농도(총 이온농도: 50Mm)를 가정하여 만든 합성수로 본 시스템을 운전하였을 때 대표적 실험 결과이다.
포함된 3종류의 양이온들이 98%의 쿨롱 효율을 보여주면서 제거가 되었으며, 음이온 2종류도 확산에 의하여 이동되었음을 볼 수 있다.
또한, 상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서 대표적 산화제인 염소가 66% 발생되었으며 하이드록실 라디칼 및 산소의 발생도 일부 존재하는 것으로 조사 되었다.
도 3는 본 발명의 실시예에서 전하량에 따른 발생된 염소의 농도 및 쿨롱 효율을 도시한 그래프이다.
도 3은 운전 시간 동안 발생한 염소종의 양과 효율에 대한 내용이라고 볼 수 있는 데, 반응 초반에 90% 이상의 염소 발생 전하 효율이 측정되었으나 본 시스템이 진행되면서, 물질전달 저항에 의하여 미량 전하 효율이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 최종적으로 14 C 전하가 흐를 동안 염소 발생 효율은 80% 이상을 유지함을 확인하였다.
실시예 2 - 수처리 시스템 작동 전압 평가
시스템이 운전되는 동안 Na0 . 44MnO2 전극과 TiO2 나노튜브 전극에 인가되는 실제 전압을 기준 전극(Ag/AgCl KCl)에 연결하여 각각 측정된 결과를 도시한 결과이다. 각 전극에 인가된 전압의 차이가 실제 시스템에서 사용하고 있는 셀 전압이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 전하량에 따른 전위차를 도시한 그래프이다.
시스템 운전 전압 중에서 탈염 반응기에 있는 음극의 전압과 산화제 생성 반응기에 있는 양극의 전압의 전압차이가 시스템의 작동전압이라고 할 수 있는데, 본 시스템의 작동 전압은 도 4에서 파란색 선과 검정색 선의 차이가 운전 전압이라고 볼 수 있다.
도 4을 참조하면, 시간에 따라서 음극의 전압은 낮아지고, 양극의 전압은 높아지는 것을 확인할 수 있는 데, 음극에 양이온이 삽입되면서 전압이 낮아지며, 양극에는 반응이 진행되면서 양극표면에 농도 분극에 의해 과전압이 높아져 전압이 높아지기 때문이다.
총 이온 농도가 50 Mm 수준인 합성수에서 TiO2 전극과 Na0 . 44MnO2 전극을 이용하여 본 시스템을 운전하였을 때, 약 2.5 ~ 3.0V 수준의 작동 전압이 관찰되었다.
Na0 . 44MnO2전극은 0.1 V 에서 0.5 V(vs. Ag/AgCl) 전위에서 TiO2 전극은 2.9 V 에서 3.3V (vs. Ag/AgCl) 사이의 전위에서 이온과의 가역적 반응이 일어남을 보여준다. 이러한 두 물질의 전위차를 통해 Na0 . 44MnO2 전극을 탈염전극으로 TiO2 전극을 산화전극으로 하여 배터리 셀이 구성될 경우 탈염과 산화제 제조가 잘 진행될 수 있다.
또한, DSA 전극을 이용하는 경우에는 산화 전극의 작동 전압이 1.6V 수준으로 낮아져 작동 전압이 0.8 ~ 1.5V 수준까지 측정되었다.
이와 같은 작동 전압은 일반적인 산화제 생성 시스템과 비교하였을 때, 산화 전극의 반대 전극을 수소 발생 전극(Pt, stainless)을 이용하므로 작동 전압이 이론적으로 0 ~ -0.6V 가 걸리게 되므로 본 발명의 시스템보다 약 1V 이상의 전압이 더 필요함을 알 수 있다.
본 시스템의 셀 전압은 산화전극과 탈염전극의 전압 차이로 결정되며, 인가되는 전류의 크기를 포함한 다양한 운전 인자에 따라서 작동 전압을 영향을 받을 수 있다.
산화전극의 반응전압은 전극의 종류, 전류밀도, 산화제의 종류 및 전해질의 농도에 영향을 받으며, 탈염전극은 전류밀도, 전해질의 농도에 크게 영향을 받을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 수처리 시스템 113 : 확산된 음이온
101 : 탈염전극 114 : 산화제
102 : 산화전극
103 : 이온 교환막
111 : 양이온
112 : 음이온

Claims (7)

  1. 탈염전극과 산화전극을 포함하고 상기 탈염전극과 상기 산화전극 사이에 음이온의 이동통로를 확보할 수 있는 음이온교환막을 가지며,
    상기 탈염전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 탈염반응이 이루어지며,
    상기 산화전극과 상기 음이온 교환막 사이의 공간에서는 산화제가 형성되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탈염전극 및 상기 산화전극은 다양한 양이온과 음이온이 전기화학적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탈염전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서는 양이온이 상기 탈염전극과의 전기화학적 반응으로 인해 제거되고 음이온은 상기 음이온교환막을 통해 상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간으로 확산되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서는 음이온 또는 상기음이온교환막을 통해 확산된 음이온이 상기 산화전극과 전기화학적 반응으로 인해 산화제로 전환되는 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화전극과 상기 음이온교환막 사이의 공간에서 형성되는 산화제는 염소, 이산화염소, 클로라민, 하이드록실 라디칼, 오존 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탈염전극은 Na0 . 44MnO2, λ-Mn02, NaFePO4, NaFeP2O7, NaMnxCoyFezPO4, 활성탄, 그래핀 계열 탄소 소재, 카본나노튜브 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화전극은 RuO2, IrO2, SnO2, PbO2, TiO2 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템.
KR1020160160077A 2016-11-29 2016-11-29 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템 KR101872125B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160160077A KR101872125B1 (ko) 2016-11-29 2016-11-29 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160160077A KR101872125B1 (ko) 2016-11-29 2016-11-29 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180060515A true KR20180060515A (ko) 2018-06-07
KR101872125B1 KR101872125B1 (ko) 2018-06-27

Family

ID=62621582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160160077A KR101872125B1 (ko) 2016-11-29 2016-11-29 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101872125B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114192000A (zh) * 2020-09-17 2022-03-18 中国石油化工股份有限公司 一种离子交换膜及其制备方法与应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06269777A (ja) * 1993-03-16 1994-09-27 Asahi Glass Co Ltd 造水プロセス
KR100899290B1 (ko) 2007-08-08 2009-05-28 서희동 해수의 탈염장치
KR20110080893A (ko) * 2010-01-07 2011-07-13 삼성전자주식회사 탈이온 장치
KR20140124324A (ko) * 2013-04-16 2014-10-24 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 해수 담수화 시스템
KR101637539B1 (ko) 2014-09-30 2016-07-07 한국에너지기술연구원 교차흐름을 이용한 흐름전극장치와 이를 이용한 축전식 탈염장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06269777A (ja) * 1993-03-16 1994-09-27 Asahi Glass Co Ltd 造水プロセス
KR100899290B1 (ko) 2007-08-08 2009-05-28 서희동 해수의 탈염장치
KR20110080893A (ko) * 2010-01-07 2011-07-13 삼성전자주식회사 탈이온 장치
KR20140124324A (ko) * 2013-04-16 2014-10-24 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 해수 담수화 시스템
KR101637539B1 (ko) 2014-09-30 2016-07-07 한국에너지기술연구원 교차흐름을 이용한 흐름전극장치와 이를 이용한 축전식 탈염장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114192000A (zh) * 2020-09-17 2022-03-18 中国石油化工股份有限公司 一种离子交换膜及其制备方法与应用
CN114192000B (zh) * 2020-09-17 2024-03-26 中国石油化工股份有限公司 一种离子交换膜及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
KR101872125B1 (ko) 2018-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Solar desalination coupled with water remediation and molecular hydrogen production: a novel solar water-energy nexus
Shi et al. Using reverse osmosis membranes to control ion transport during water electrolysis
Liang et al. Electrochemical oxidation of PFOA and PFOS in concentrated waste streams
Kim et al. Series assembly of microbial desalination cells containing stacked electrodialysis cells for partial or complete seawater desalination
Jiang et al. Efficient degradation of p-nitrophenol by electro-oxidation on Fe doped Ti/TiO2 nanotube/PbO2 anode
JP6106604B2 (ja) 水素の電気化学的製造方法
Othmani et al. Use of alternating current for colored water purification by anodic oxidation with SS/PbO 2 and Pb/PbO 2 electrodes
Ghahari et al. Metal-air desalination battery: Concurrent energy generation and water desalination
Moruno et al. Microbial desalination cell with sulfonated sodium poly (ether ether ketone) as cation exchange membranes for enhancing power generation and salt reduction
Gajda et al. Multi‐functional microbial fuel cells for power, treatment and electro‐osmotic purification of urine
Mateo‐Ramírez et al. Air breathing cathode‐microbial fuel cell with separator based on ionic liquid applied to slaughterhouse wastewater treatment and bio‐energy production
Gholizadeh et al. Improved power density and Cr/Pb removal using ozone in a microbial desalination cell
He et al. Preparation of Tin–Antimony anode modified with carbon nanotubes for electrochemical treatment of coking wastewater
Chen et al. Continuous electrochemical desalination via a viologen redox flow reaction
CN110636990A (zh) 水处理、脱盐以及化学物质生产复合系统
KR101872125B1 (ko) 탈염 및 산화제 제조가 가능한 수처리 시스템
US10544052B2 (en) Devices and methods for removing dissolved ions from water using composite resin electrodes
Okada et al. Electrolysis for ozone water production
Lee et al. Asymmetric cell design for decoupled hydrogen and oxygen evolution paired with V (II)/V (III) redox mediator
Zerrouki et al. An investigation on polymer ion exchange membranes used as separators in low-energy microbial fuel cells
Giurg et al. Electrode degradation mechanisms in capacitive deionisation
Motoc et al. Electrochemical degradation of pharmaceutical effluents on carbon-based electrodes.
Grimmig et al. Operating an ozone-evolving PEM electrolyser in tap water: A case study of water and ion transport
Shapira et al. The Feasibility of Energy Extraction from Acidic Wastewater by Capacitive Mixing with a Molecular‐Sieving Carbon Electrode
Sur et al. Hybrid Alkali–Salt–Acid Electrochemical Device for Electricity-Efficient Desalination and H2 Generation

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant