KR20180135237A - 축전식 탈염 전극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집전체상에 전극활물질과 고분자 바인더를 포함하는 조성물을 코팅 후 열처리하여 축전식 탈염 전극을 제조할때, 상기 집전체로 탄소섬유 및 융점이 100~200℃인 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유들로 이루어진 혼방 방적사를 포함하는 도전성 직물을 사용한다.
본 발명에서 집전체로 사용되는 상기 도전성 직물은 뛰어난 기계적 강도와 유연성을 구비하고 있기 때문에 축전식 탈염 전극을 제조하거나 축전식 탈염 전극 모듈을 제조하는 작업 공정성이 크게 개선되며, 사용중 축전식 탈염 전극이 절단되거나 손상되어 물에 용해된 이온들을 흡착하는 수율이 떨어지는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

축전식 탈염 전극의 제조방법{Method of manufacturing electrode of capacitive deionization}

본 발명은 축전식 탈염 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 축전식 탈염 전극을 구성하는 집전체의 기계적 강도와 유연성이 뛰어나 축전식 탈염 전극 또는 이의 모듈을 제조하는 작업 공정성을 개선할 수 있으며, 사용시 쉽게 손상되지 않아 물에 용해된 이온들을 흡착하는 성능을 오랫동안 유지될 수 있는 축전식 탈염 전극의 제조방법에 관한 것이다.

생활용수나 산업용수의 제조에서 탈염기술은 사람의 건강이나 공정의 효율, 제품의 성능을 결정하는데 매우 중요한 역할을 한다.

중금속이나 질산성 질소, 불소 이온들이 포함된 물을 사람이 장기간 음용했을 때, 건강에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 또한 경도물질이 포함된 보일러 수와 같은 경수(hard water)는 보일러나 열교환기에 스케일을 유발하여 공정의 효율을 크게 떨어뜨릴 수 있고, 전자산업이나 의약산업에서도 이온물질을 완전히 제거한 초순수는 제품의 성능을 결정하는 중요한 요인으로 작용한다.

현재 수용액 중의 이온성 물질을 제거하는 방법으로 이온교환수지를 이용한 이온교환법이 많이 사용되고 있다. 이 방법은 대부분의 이온성 물질들을 효과적으로 분리할 수 있지만, 이온교환이 완료된 수지를 재생하는 과정에서 다량의 산이나 염기성 물질이 사용되고, 또한 재생과정에서 다량의 폐액이 발생한다는 단점을 가지고 있다.

또 다른 이온성 물질의 제거방법에는 역삼투막법이나 전기투석법 등의 분리막 기술이 적용되고 있지만, 막의 파울링(fouling)으로 인한 처리 효율의 감소, 오염된 막의 세정, 주기적인 막의 교체 등과 같은 문제점을 안고 있다.

이러한 기존 탈염 기술들의 문제점을 해결하고자 최근 들어 전기이중층의 원리를 이용한 축전식 탈염(Capacitive deionization:CDI)기술이 연구되어 탈염공정에 적용하고 있다.

축전식 탈염은 전극에 전위를 인가했을 때, 전극 표면에 형성되는 전기이중층에서 전기적 인력에 의한 이온들의 흡착 반응을 이용하기 때문에, 낮은 전극전위 (약 1~2V)에서 작동하고, 그 결과 에너지 소비량이 다른 탈염기술에 비해 월등이 낮아 저에너지 소모형 차세대 탈염기술로 평가되고 있다.

축전식 탈염기술의 핵심은 전극의 축전용량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 전극을 개발하는 것이다. 1990년대부터 비표면적이 높으면서 전기전도도가 우수한 활성탄소 분말, 활성탄소 섬유, 탄소나노튜브, 탄소에어로겔 등 탄소계 물질을 전극활물질로 사용하여 전극을 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되었다.

축전식 탈염 전극을 제조하는 종래방법으로는 대한민국 공개특허 10-2010-0082977호 등에서는 그라파이트 호일(Graphite foil) 또는 금속박막 등과 같은 집전체 상에 탄소나노튜브, 활성탄 또는 카본 에어로겔 등과 같은 전극화 물질과 고분자 바인더를 포함하는 조성물을 코팅하여 축전식 탈염 전극을 제조하는 방법이 주로 사용되어 왔다.

그러나, 상기 종래방법은 집전체로 사용되는 그라파이트 호일 또는 금속 박막의 기계적 강도 및 유연성이 떨어지기 때문에 축전식 탈염 전극 또는 이의 모듈을 제조하는 작업성이 저하되거나, 사용중 상기 축전식 탈염 전극이 쉽게 절단 또는 손상되어 이온 흡착 성능이 급격히 저하되는 문제점 등이 발생되었다.

본 발명의 과제는 축전식 탈염 전극 또는 이를 포함하는 모듈을 제조하는 공정성을 크게 개선할 수 있으며, 사용이나 제조공정중 쉽게 손상되지 않아 이온 흡착 성능이 오랫동안 유지될 수 있는 축전식 탈염 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.

이와같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 집전체상에 전극활물질과 고분자 바인더를 포함하는 조성물을 코팅 후 열처리하여 축전식 탈염 전극을 제조할때, 상기 집전체로 탄소섬유 및 융점이 100~200℃인 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유들로 이루어진 혼방 방적사를 포함하는 도전성 직물을 사용한다.

본 발명에서 집전체로 사용되는 상기 도전성 직물은 뛰어난 기계적 강도와 유연성을 구비하고 있기 때문에 축전식 탈염 전극을 제조하거나 축전식 탈염 전극 모듈을 제조하는 작업 공정성이 크게 개선되며, 사용중 축전식 탈염 전극이 절단되거나 손상되어 물에 용해된 이온들을 흡착하는 수율이 떨어지는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 집전체상에 전극활물질과 고분자 바인더를 포함하는 조성물을 코팅 후 열처리하여 축전식 탈염 전극을 제조할때, 상기 집전체로 탄소섬유 및 융점이 100~200℃인 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유들로 이루어진 혼방 방적사를 포함하는 도전성 직물을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구현일례를 살펴보면, 먼저 탄소섬유 단섬유 및 융점이 100~200℃인 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유들을 혼방하여 이들 섬유들로 이루어진 혼방 방적사를 제조한다.

상기 혼방 방적사의 굵기는 20'S ~ 40'S인 것이 바람직하다.

상기 혼방 방적사는 탄소섬유 30~70중량% 및 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유 70~30중량%로 이루어지는 것이 집전체 내에 탄소섬유를 고르게 분산, 고정하여 집전체의 도전성을 향상시킴과 동시에 집전체의 기계적 강도와 유연성을 개선하는데 바람직하다.

상기 혼방 방적사내 탄소섬유 함량이 30중량% 미만인 경우에는 이를 포함하는 상기 도전성 직물의 도전성이 떨어지는 문제가 발생될 수도 있고, 70중량%를 초과하는 경우에는 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유 등의 함량이 낮아져 혼방 방적사 또는 도전성 직물 내에 탄소섬유를 효과적으로 고정시키기 어렵게 될 수 있다.

상기 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유는 이후 실시되는 열처리 공정중에 용융되면서 탄소섬유를 도전성 직물 또는 혼방 방적사 내에 단단히 고정시켜주는 바인더 역할을 하게 된다.

상기 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유는 공중합 폴리에스테르 수지들로 구성될 수 있다.

다음으로는, 상기와 같이 제조된 혼방 방적사를 경사로만 사용하거나, 위사로만 사용하거나, 경사 및 위사 모두로 사용하여 도전성 직물을 제조한다.

다음으로는, 고분자 바인더가 용해되어 있는 용매 내에 전극화 물질을 첨가하여 코팅용 조성물을 제조한 다음, 상기 코팅용 조성물을 도전성 직물 상에 코팅한 후 열처리(건조)하여 축전식 탈염 전극을 제조한다.

이때, 전극화 물질로는 탄소나노튜브, 활성탄 또는 카본 에어로겔 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 고분자 바인더로는 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리아크릴말레익산(polyacrylic acid-co- maleic acid), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 셀루로오즈(cellulose), 폴리비닐아민(polyvinyl amine), 키토산(chitosan), 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide), 폴리아크릴아마이드아크릴산(polyacrylamide-coacrylic acid) 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서 집전체로 사용되는 상기 도전성 직물은 뛰어난 기계적 강도와 유연성을 구비하고 있기 때문에 축전식 탈염 전극을 제조하거나 축전식 탈염 전극 모듈을 제조하는 작업 공정성이 크게 개선되며, 사용중 축전식 탈염 전극이 절단되거나 손상되어 물에 용해된 이온들을 흡착하는 수율이 떨어지는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명의 보호범위는 하기 실시예만으로 한정되게 해석 해서는 안된다.

실시예 1

탄소섬유 50중량% 및 융점이 120℃인 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유 50중량%를 혼합, 방적하여 20'S의 혼방 방적사를 제조하였다.

다음으로, 상기 혼방 방적사를 경사 및 위사로 사용하여 평직조직으로 제직하여 도전성 직물(집전체)을 제조하였다.

다음으로, 활성탄(전극활물질)을 폴리비닐알콜(고분자 바인더) 수용액에 첨가하여 코팅용 조성물을 제조하였다.

다음으로, 상기 코팅용 조성물을 도전성 직물(집전체)상에 코팅하여 축전식 탈염 전극을 제조하였다.

비교실시예 1

집전체로 도전성 직물을 사용하는 대신에 그라파이트 호일을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 축전식 탈염 전극을 제조하였다.

실시예 1의 경우에는 집전체의 도전성 직물의 뛰어난 유연성 및 기계적 강도로 인해 축전식 탈염 전극을 제조하는 공정의 수율이 우수하였고, 축전식 탈염 전극이 제조공정중 전혀 파손되지 않았다.

그러나, 비교실시예 1의 경우에는 집전체인 그라파이트 호일의 유연성 및 기계적 강도가 나빠서 축전식 탈염 전극을 제조하는 공정의 수율이 불량하였고, 축전식 탈염 전극이 제조공정중 많이 파손되었다.

Claims (4)

1. 집전체상에 전극활물질과 고분자 바인더를 포함하는 조성물을 코팅 후 열처리하여 축전식 탈염 전극을 제조함에 있어서, 상기 집전체로 탄소섬유 및 융점이 100~200℃인 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유들로 이루어진 혼방 방적사를 포함하는 도전성 직물을 사용하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 혼방 방적사는 탄소섬유 30~70중량% 및 융점이 100~200℃인 공중합 폴리에스테르 저융점 섬유 70~30중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 혼방 방적사는 굵기가 20'S ~ 40'S인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 전극활물질은 탄소나노튜브, 활성탄 및 카본 에어로겔 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 전극의 제조방법.