KR20190057933A - 탈이온 필터를 구비하는 수처리기 - Google Patents

탈이온 필터를 구비하는 수처리기 Download PDF

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이준영
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김철호
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 탈이온 필터를 구비하는 수처리기는, 유입되는 물에 포함된 이온물질을 제거하는 탈이온 동작을 수행하는 탈이온 필터; 유입되는 물에 대한 물분해를 통해 산성 용액을 생성하여 상기 탈이온 필터로 공급하는 물분해 모듈; 상기 물분해 모듈에 전원을 인가하는 전원 인가부; 및 상기 물분해 모듈에 물이 유입되도록 하고, 상기 전원 인가부가 상기 물분해 모듈에 전압을 인가하도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

탈이온 필터를 구비하는 수처리기 {WATER TREATMENT APPARATUS HAVING DEIONIZATION FILTER}
본 출원은 탈이온 필터를 구비하는 수처리기에 관한 것이다.
최근, 원수에 포함된 이온물질 등을 전기적 인력을 이용하여 제거하는 탈이온 필터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
일 예로, 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함하는 바이폴라(Bipolar) 이온교환막을 사용하여 탈이온 동작을 수행하는 탈이온 필터가 제안되었다.
그러나, 탈이온 필터는 주기적으로 재생 동작을 수행할 필요가 있으며, 재생 동작 수행 과정에서 바이폴라 이온교환막으로부터 떨어지는 이온들에 의해 스케일이 발생할 수 있다. 또한, 원수의 TDS(total dissolved solid)가 높은 경우에도 스케일이 쉽게 발생할 수 있다.
이와 같은 스케일 발생에 따라, 탈이온 필터를 구비한 수처리기의 성능이 떨어질 수 있다는 한계가 있다.
따라서, 당해 기술분야에서는 탈이온 필터의 스케일 발생 문제를 해결하여 탈이온 필터를 구비한 수처리기의 성능을 안정적으로 유지하기 위한 방안이 요구되고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기를 제공한다.
상기 탈이온 필터를 구비하는 수처리기는, 유입되는 물에 포함된 이온물질을 제거하는 탈이온 동작을 수행하는 탈이온 필터; 유입되는 물에 대한 물분해를 통해 산성 용액을 생성하여 상기 탈이온 필터로 공급하는 물분해 모듈; 상기 물분해 모듈에 전원을 인가하는 전원 인가부; 및 상기 물분해 모듈에 물이 유입되도록 하고, 상기 전원 인가부가 상기 물분해 모듈에 전압을 인가하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탈이온 필터의 스케일 발생 문제를 해결하여 탈이온 필터를 구비한 수처리기의 성능을 안정적으로 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈이온 필터를 구비하는 수처리기의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 물분해 모듈의 상세 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 바이폴라 이온교환시트의 단면 구조의 일 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 바이폴라 이온교환시트의 단면 구조의 다른 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈이온 필터를 구비하는 수처리기의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈이온 필터를 구비하는 수처리기(100)는 탈이온 필터(110), 물분해 모듈(120), 전원 인가부(130) 및 제어부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
탈이온 필터(110)는 전기적 인력을 이용하여 유입되는 물에 포함된 이온물질 등을 제거하는 탈이온 동작을 수행할 수 있다.
일 예에 따르면, 탈이온 필터(110)는 제1 전극 및 제2 전극과, 제1 전극 및 제2 전극의 사이에 위치하는 바이폴라 이온교환시트를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 바이폴라 이온교환시트는 양이온 교환막과 음이온 교환막을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하는 바와 같이 구성될 수 있다.
또한, 탈이온 필터(110)에는 후술하는 전원 인가부(130)에 의해 전원이 인가되거나, 별도의 전압원(미도시)에 의해 전원이 인가될 수 있다. 예를 들어, 탈이온 필터(110)에는, 탈이온 동작 수행시에는 탈이온 전압이 인가되고, 재생 동작 수행시에는 재생 전압이 인가될 수 있다.
그러나, 탈이온 필터(110)의 구성이 반드시 이로 제한되는 것은 아니며, 탈이온 필터(110)는 통상의 기술자에게 알려진 다양한 방식으로 탈이온 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 또한, 탈이온 필터(110)가 탈이온 동작 또는 재생 동작을 수행하는 원리는 통상의 기술자에게 알려진 사항이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
필요에 따라, 탈이온 필터(110)의 출수단에 연결되는 유로 상에 유량센서(FS)가 구비될 수 있다. 유량센서(FS)는 탈이온 필터(110)를 통해 추출되는 물의 유량을 측정할 수 있고, 측정된 유량값은 제어부(140)로 전달되어 물분해 모듈(120)의 동작 여부를 결정하는데 사용될 수 있다.
또한, 탈이온 필터(110)의 입수단에 연결되는 유로 상에 유로전환밸브(V)가 구비될 수 있으며, 유로전환밸브(V)에서 드레인(D)이 분기될 수 있다.
물분해 모듈(120)은 유입되는 원수에 대한 물분해를 통해 산성 용액을 생성하여 탈이온 필터(110)로 공급하기 위한 것으로, 일 예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 물분해 모듈(120)은 제1 전극(121), 제2 전극(122) 및 바이폴라 이온교환시트(123)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 각각 물분해 모듈(120)의 하우징 내의 양 측에 배치될 수 있고, 바이폴라 이온교환시트(123)는 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 배치될 수 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(122)에는 후술하는 전원 인가부(130)에 의해 전압이 인가될 수 있으며, 제1 전극(121)은 음극(-), 제2 전극(122)은 양극(+)일 수 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(122)에 전압이 인가되면, 바이폴라 이온교환시트(123)는 물분해에 의해 H+ 및 OH-를 생성할 수 있다. 여기서, 바이폴라 이온교환시트(123)는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 접착되어 형성될 수 있으며, 양이온 교환막은 제1 전극(121)(즉, 음극) 측으로 배치되고, 음이온 교환막은 제2 전극(122)(즉, 양극) 측으로 배치될 수 있다.
물분해에 의해 생성된 H+(즉, 산성 용액)는 탈이온 필터(110)로 공급되어 탈이온 필터(110)의 표면에 형성된 무기 입자들에 의한 파울링을 제거하는데 사용될 수 있다. 또한, 물분해에 의해 생성된 OH-(즉, 알칼리성 용액)는 드레인(D)을 통해 배출될 수 있다.
바이폴라 이온교환시트(123)의 구조는 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 후술한다.
필요에 따라, 물분해 모듈(120)에 의해 생성된 산성 용액을 탈이온 필터(110)로 공급하기 위해, 물분해 모듈(120)과 탈이온 필터(110) 사이를 연결하는 유로 상에 펌프(P)가 구비될 수 있다.
전원 인가부(130)는 제어부(140)의 제어에 따라 물분해 모듈(120)에 포함된 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)에 전압을 인가할 수 있다. 전원 인가부(130)는 물분해 모듈(120)에 인가하는 전압의 크기를 조절할 수 있으며, 인가되는 전압의 크기에 따라 물분해 모듈(120)에 의해 생성되는 산성 용액의 pH가 달라질 수 있다.
예를 들어, 전원 인가부(130)는 물분해 모듈(120)에 인가되는 전압의 크기를 1V 내지 20V 범위 내에서 조절할 수 있으며, 이 경우 물분해 모듈(120)에 의해 생성되는 산성 용액은 -2 내지 -6 범위의 pH를 가질 수 있다. 여기서, 인가되는 전압의 크기와 생성되는 산성 용액의 pH는 예시에 불과한 것으로, 수처리기(100)의 설치 조건 등에 따라 적절하게 변경될 수도 있다.
필요에 따라, 전원 인가부(130)는 제어부(140)의 제어에 따라 탈이온 필터(110)에 탈이온 전압 또는 재생 전압을 선택적으로 인가할 수도 있다. 또한, 전원 인가부(130)는 탈이온 필터(110)에 인가하는 전압의 크기를 조절하여 탈이온 필터(110)를 통해 추출되는 물의 pH를 조절할 수도 있다.
제어부(140)는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기(100)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 것으로, 예를 들어, 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등의 프로세서로 구현될 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는 물분해 모듈(120)에 원수가 유입되도록 하고, 전원 인가부(130)가 물분해 모듈(120)에 소정 크기의 전압을 인가하도록 제어하여 물분해 모듈(120)이 산성 용액을 생성하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 물분해 모듈(120)에 의해 생성된 산성 용액을 탈이온 필터(110)로 공급하여 산성 용액이 소정 시간 동안 탈이온 필터(110) 내부에서 체류하도록 한 후, 유로전환밸브(V)에 의해 유로를 전환하여 산성 용액이 드레인(D)을 통해 배출되도록 제어할 수 있다.
일 예에 따르면, 제어부(140)는 전원 인가부(130)가 물분해 모듈(120)에 제1 전압(예를 들어, 1~5V)을 연속적으로 인가하도록 제어하여 물분해 모듈(120)이 제1 농도(예를 들어, 저농도)의 산성 용액을 생성하도록 제어하고, 물분해 모듈(120)에 의해 생성된 제1 농도의 산성 용액이 탈이온 필터(110)로 연속적으로 공급되도록 제어할 수 있다.
다른 예에 따르면, 제어부(140)는 기 설정된 조건이 만족되면 전원 인가부(130)가 물분해 모듈(120)에 제2 전압(예를 들어, 15~20V)을 인가하도록 제어하여 물분해 모듈(120)이 제2 농도(예를 들어, 고농도)의 산성 용액을 생성하도록 제어하고, 펌프(P)를 구동하여 물분해 모듈(120)에 의해 생성된 제2 농도의 산성 용액이 탈이온 필터(110)로 공급되도록 제어할 수 있다. 여기서, 기 설정된 조건은 스케일 제거 필요 여부를 판단하기 위한 것으로, 하기의 조건 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
1) 기 설정된 스케일 제거 주기의 도래
2) 탈이온 필터(110)를 통해 추출되는 물의 유량이 기 설정된 유량 이하로 감소
여기서, 탈이온 필터(110) 내의 스케일 생성에 의해 탈이온 필터(110)에 구비된 바이폴라 이온교환시트의 차압이 증가하여 탈이온 필터(110)를 통해 추출되는 유량이 감소할 수 있다. 따라서, 탈이온 필터(110)를 통해 추출되는 유량이 기 설정된 유량 이하로 감소하면, 스케일 제거가 필요한 상태로 판단하여 상술한 바와 같이 물분해 모듈(120)에 의해 산성 용액을 생성하고 생성된 산성 용액을 탈이온 필터(110)로 공급할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 바이폴라 이온교환시트의 단면 구조의 일 예를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 바이폴라 이온교환시트의 단면 구조의 다른 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 양이온 교환막(1)은 양이온 흡착시트(1a) 및 양이온교환 코팅층(1b)을 포함하고, 음이온 교환막(2)는 음이온 흡착시트(2a) 및 음이온교환 코팅층(2b)을 포함하며, 양이온교환 코팅층(1b) 및 음이온교환 코팅층(132b)이 서로 마주보도록 접합되어 바이폴라 이온교환시트(123)를 형성할 수 있다.
일 예로, 바이폴라 이온교환시트(123)는, 이온 흡착시트(1a, 2a) 상에 이온교환 코팅액을 도포 및 건조하여 이온교환 코팅층(1b, 2b)을 형성함으로써 양이온 교환막(1) 및 음이온 교환막(2)을 각각 제조하고, 양이온교환 코팅층(1b) 및 음이온교환 코팅층(2b)이 서로 마주보도록 양이온 교환막(1) 및 음이온 교환막(2)을 접합함으로써 제조될 수 있다. 이를 통해, 양이온 교환막(1) 및 음이온 교환막(2)의 흡착용량의 차이를 최소화할 수 있다.
여기서, 이온 흡착시트(1a, 2a)는 이온교환에 의해 이온을 흡착하는 것으로, 다공성 시트로 구현될 수 있다. 이온 흡착시트(1a, 2a)로서 다공성 시트를 사용할 경우, 막 저항을 낮출 수 있고, 이로 인해 이온의 흡착능을 보다 향상시킬 수 있으며, 나아가, 물 분해 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 다공성 시트는 압출필름일 수 있다. 압출필름은 보다 간단한 공정에 의해 제조 가능하므로, 이온 흡착시트(1a, 2a)의 제조단가를 현저히 절감할 수 있으며, 압출필름으로 이루어진 이온 흡착시트(1a, 2a)의 표면에 이온교환 코팅액의 코팅에 의해 이온교환 코팅층(1b, 2b)을 형성함으로써 이온교환 코팅층(1b, 2b)의 두께를 현저히 얇게 형성할 수 있다.
또한, 이온교환 코팅액은 이온교환기를 갖는 이온교환 고분자가 유기용매에 녹아 있는 것으로서, 이온교환 코팅액을 이온 흡착시트(1a, 2a)의 일면에 도포한 후 건조함으로써 이온교환기를 갖는 이온교환 고분자를 포함하는 이온교환 코팅층(1b, 2b)을 형성할 수 있다.
여기서, 이온교환 코팅층(1b, 2b)은 양 극성의 이온교환막(1, 2) 사이의 접합력을 제공하는 수단으로서 역할을 수행할 수 있다. 양 극성의 이온교환막(1, 2)의 접합시에 이온교환 코팅층(1b, 2b)을 가열 및 가압한 후 접합할 수 있으며, 필요에 따라 어느 하나의 이온교환 코팅층이 완전히 건조되지 않은 상태에서 접합함으로써, 접합효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 바이폴라 이온교환시트(123)는, 양이온교환 코팅층(1b) 및 음이온교환 코팅층(2b) 사이에 물분해 촉매층(3)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 물분해 촉매층(3)은 물분해 효율을 촉진하기 위한 것으로서, 철 수산화물(Fe(OH)3, Fe(OH)2), 크롬 수산화물(Cr(OH)2)과 같은 금속 수산화물 나노분말을 용매에 분산시킨 슬러리를 어느 하나의 이온교환 코팅층 상에 도포하고 건조함으로써 형성될 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
110: 탈이온 필터
120: 물분해 모듈
121: 제1 전극
122: 제2 전극
123: 바이폴라 이온교환시트
130: 전원 인가부
140: 제어부
V: 유로전환밸브
D: 드레인
P: 펌프
FS: 유량센서

Claims (10)

  1. 유입되는 물에 포함된 이온물질을 제거하는 탈이온 동작을 수행하는 탈이온 필터;
    유입되는 물에 대한 물분해를 통해 산성 용액을 생성하여 상기 탈이온 필터로 공급하는 물분해 모듈;
    상기 물분해 모듈에 전원을 인가하는 전원 인가부; 및
    상기 물분해 모듈에 물이 유입되도록 하고, 상기 전원 인가부가 상기 물분해 모듈에 전압을 인가하도록 제어하는 제어부를 포함하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 물분해 모듈에 의해 생성된 산성 용액을 상기 탈이온 필터로 공급하여 산성 용액이 기 설정된 시간 동안 상기 탈이온 필터 내부에서 체류하도록 한 후 드레인을 통해 배출되도록 제어하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탈이온 필터의 입수단에 연결되는 유로 상에 설치되는 유로전환밸브를 더 포함하고,
    상기 드레인은 상기 유로전환밸브에서 분기되며,
    상기 제어부는 상기 유로전환밸브에 의해 유로를 전환하여 상기 탈이온 필터 내부에서 체류하는 산성 용액이 상기 드레인을 통해 배출되도록 제어하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전원 인가부가 상기 물분해 모듈에 기 설정된 제1 전압을 연속적으로 인가하도록 제어하여 상기 물분해 모듈이 제1 농도의 산성 용액을 생성하도록 하고, 상기 제1 농도의 산성 용액이 상기 탈이온 필터로 연속적으로 공급되도록 제어하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물분해 모듈과 상기 탈이온 필터 사이를 연결하는 유로 상에 설치되는 펌프를 더 포함하고,
    상기 제어부는 기 설정된 조건이 만족되면 상기 전원 인가부가 상기 물분해 모듈에 기 설정된 제2 전압을 인가하도록 제어하여 상기 물분해 모듈이 제2 농도의 산성 용액을 생성하도록 하고, 상기 펌프를 구동하여 상기 제2 농도의 산성 용액이 상기 탈이온 필터로 공급되도록 제어하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기 설정된 조건은,
    기 설정된 스케일 제거 주기가 도래된 경우를 포함하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 탈이온 필터의 출수단에 연결되는 유로 상에 설치되어 상기 탈이온 필터를 통해 추출되는 물의 유량을 측정하는 유량센서를 더 포함하고,
    상기 기 설정된 조건은,
    상기 유량센서에 의해 측정된 유량값이 기 설정된 유량 이하로 감소된 경우를 포함하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 물분해 모듈은,
    제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압이 인가되면 물분해를 진행하여 산성 용액 및 알칼리성 용액을 생성하는 바이폴라 이온교환시트를 포함하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 바이폴라 이온교환시트는,
    양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함하고,
    상기 양이온 교환막은 양이온 흡착시트 및 양이온교환 코팅층을 포함하고,
    상기 음이온 교환막은 음이온 흡착시트 및 음이온교환 코팅층을 포함하며,
    상기 양이온교환 코팅층 및 상기 음이온교환 코팅층이 서로 마주보도록 접합되는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 바이폴라 이온교환시트는,
    상기 양이온교환 코팅층 및 상기 음이온교환 코팅층 사이에 형성되는 물 분해 촉매층을 더 포함하는 탈이온 필터를 구비하는 수처리기.
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