KR20190063067A - 원통형 축전식 탈염 전극, 모듈 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 이온교환층, 탄소층 등의 탈염층을 관통하여 형성되는 유로를 포함하는 구조와, 상기 탈염층의 테두리를 따라 감싸 형성되는 밀봉부를 포함하는 구조를 가짐에 따라, 복잡한 하우징 케이스가 필수적으로 수반되지 않고, 유체가 유출유로 외의 경로를 통해 외부로 누수되는 문제, 충격, 유격 등에 의해 금속층이 유체에 접촉하여 산화되는 문제를 효과적으로 방지하며, 유체와 탈염부와의 단위 부피당 접촉 면적을 최대화하여 탈염 효율이 극대화되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 축전식 탈염 전극, 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
물은 지구상의 생명체에 있어서 매우 중요한 물질로, 생활용수, 산업용수 등 다양한 용도로 사용되며, 이렇게 사용된 물은 환경적인 이유로 정화 처리가 필수적으로 요구되고 있다. 특히 정화 처리 기술 분야에 있어서 탈염 기술이 필수적으로 요구된다.
구체적으로, 생명체가 물을 섭취하기 위해 또는 산업용 장비의 부식을 억제하고 안정하게 운전하기 위해, 물속의염화나트륨 등의 금속염 및 경도 성분을 제거해 주어야 하며, 생명체에 해로운 성분, 예컨대 질화물, 중금속 등의 이온성 오염물질을 제거해야 한다. 이러한 금속이온을 포함하는 물질들은 일반적인 필터를 통한 정화 처리 기술로는 제거가 어렵기 때문에 이온성 물질들을 효과적으로 제거할 수 있는 탈염 기술이 필요하다.
종래의 탈염 기술로는 역삼투막법, 증발법, 이온교환법 등이 있으나, 이러한 탈염 기술은 막오염 등으로 인하여 높은 경도의 물의 처리에는 사용이 어려우며, 경제성 및 약품을 통한 재생 등 여러 가지 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점들을 해결하고자 종래의 탈염 기술과는 원리적으로 상이한 새로운 기술분야에 해당하는 탈염 기술인 축전식 탈염(Capacitive deionization, CDI) 기술이 최근에 본격적으로 연구되고 있다.
축전식 탈염 기술은 양전극과 음전극이 구비된 전극으로 운전되며, 양전극과 음전극 사이에 전기장이 형성됨에 따라 양이온성 물질은 음전극으로, 음이온성 물질은 양전극으로 흡착되어 탈염되는 원리를 이용한 기술이다. 전극에 흡착된 이온은 전기장이 제거되었을 때 탈착되어 농축되고 다시 전기장이 형성되었을 때 이온이 흡착되므로 운전이 용이하다. 따라서 흡착 및 탈착은 전기장 형성을 위하 전류의 흐름을 조절하는 것으로 반복적으로 제어될 수 있기 때문에 재생 시 약품이 요구되지 않는다. 또한 물 분해 반응이 발생하지 않는 약 1.5 V 이하의 비교적 낮은 전압으로 운전되기 때문에 기수 이하의 농도를 탈염할 때 다른 탈염기술에 비하여 에너지 소모량이 낮다. 또한 전기적으로 흡착 및 탈착이 수행되므로 탈착 시 낮은 유량에 의한 회수율이 떨어지는 단점이 없어, 유량에 대한 제약이 없는 우수한 장점을 가진다.
따라서 축전식 탈염 기술은 용존 이온을 흡착하여 제거하는데 매우 유용하나, 기술의 역사가 길지 않아 아직 개발이 필요한 부분이 많이 존재한다. 종래까지 축전식 탈염 기술은 장치의 구조상의 문제, 제조상의 문제 등으로 인하여, 정수기 등과 같은 소규모의 대중적인 정화 시설에는 적용되지 못하고 있는 것이 현실이다.
축전식 탈염 기술에 사용되는 일반적인 축전식 탈염 전극(Capacitive deionization electrode, CDI)은 물속에서 안정하게 전자를 이동시킬 수 있는 그래파이트층 또는 이를 포함하는 집전체, 이온 흡착률을 향상시키기 위해 상기 그래파이트층에 적층되는 탄소층을 포함한다. 또한 이온의 흡착 성능과 전류 효율을 높이기 위해 상기 탄소층 표면에 적층되는 이온교환막층을 더 포함할 수 있다.
또한 종래의 일반적인 축전식 탈염 전극은 시트 형태로 제조되며, 이들 중 바이폴라 구조를 가지는 축전식 탈염 전극은 바이폴라 구조의 전극 구조체를 한 단위로 다수 적층되며, 이때 양단에 한 쌍의 금속전극이 위치한다. 그러나 금속전극은 물속에 노출될 경우, 전류가 인가되는 특성상 전기적 산화에 의한 부식에 매우 취약하므로, 실질적으로 사용이 불가한 치명적인 문제가 존재한다.
또한 종래의 모노폴라 구조를 가지는 축전식 탈염 전극은 적층되는 전극들이 병렬구조로 연결되어 1.5 V의 전압으로 운전되므로, 유입수의 농도와 유량이 증가할수록 전류가 증가하게 된다. 이러한 구조의 축전식 탈염 전극은 구조가 복잡하여 제조가 어렵고, 고가이며 에너지 효율이 낮은 문제가 존재한다.
이러한 이유로, 축전식 탈염 전극을 각 단위 전극의 복수 연결이 용이하도록 하는 구조의 설계가 필요하다. 구체적으로, 전극 구조체 구조를 간소화하여 공정상 설계, 설비의 어려움, 고장 등의 문제를 최소화할 수 있고, 금속단자가 물에 의한 부식이 진행되지 않도록 물의 유입 및 유출을 제어할 수 있으며, 유입수의 농도 및 유량에 따른 에너지 효율의 저하를 방지할 수 있는 구조를 가지는 축전식 탈염 전극의 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은 복잡한 하우징 케이스 없이도 유체의 탈염 과정에서 유체가 유출유로 외의 경로를 통해 외부로 누수되는 문제를 원천적으로 방지할 수 있는 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 복잡한 하우징 케이스 없이도, 유체의 유입 및 유출 과정에서 충격, 유격 등에 의해 금속전극 및 금속단자 등의 금속층이 유체에 접촉하여 산화되는 문제를 방지할 수 있는 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 유체와 탈염부와의 단위 부피당 접촉 면적을 최대화하여 탈염 효율을 극대화할 수 있는 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 높은 수압에서도 안정적인 구조를 유지할 수 있는 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 설계가 복잡하지 않아 제조 공정이 용이하고 제조된 장치 또한 복잡한 구조를 가지지 않음에 따라, 높은 안정성 및 높은 수명을 가지는 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 원통형 축전식 탈염 전극은, 탄소층을 포함하여 적층되는 원통형 적층체를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극으로, 상기 적층체는, 층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로; 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로; 및 상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부;를 포함하며, 상기 유입유로 및 상기 유출유로는 상기 밀봉부 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 적층체는 스페이서층; 제1이온교환층; 상기 탄소층; 및 상기 제1이온교환층과 반대극의 제2이온교환층;이 순서대로 접하여 적층되는 바이폴라 적층체일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 스페이서층은 제1스페이서층 및 제2스페이서층을 포함하며, 상기 바이폴라 적층체는 상기 제1스페이서층; 상기 제1이온교환층; 상기 탄소층; 상기 제2이온교환층; 및 상기 제2스페이서층이 순서대로 접하여 적층되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 적층체는 금속층; 상기 탄소층; 및 이온교환층;이 순서대로 접하여 적층되는 바이폴라 적층체일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 금속층은 상기 바이폴라 적층체의 외부로 돌출된 금속단자를 포함하는 금속전극일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 적층체는 스페이서층; 제1이온교환층; 상기 탄소층; 및 제2이온교환층;이 순서대로 접하여 적층되는 모노폴라 적층체일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 스페이서층은 제1스페이서층 및 제2스페이서층을 포함하며, 상기 모노폴라 적층체는 상기 제1스페이서층; 상기 제1이온교환층; 상기 탄소층; 상기 제2이온교환층; 및 상기 제2스페이서층이 순서대로 접하여 적층될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 적층체는 상기 탄소층; 및 이온교환층;이 순서대로 접하여 적층되는 모노폴라 적층체일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 탄소층은 상기 모노폴라 적층체의 외부로 돌출된 탄소단자를 포함하는 탄소전극일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 적층체는 스페이서층을 더 포함하며, 상기 스페이서층은 내부에 유체 수용 공간을 포함하되, 스페이서층의 측부를 통해 유체가 배출되지 않도록 상기 밀봉부가 스페이서층의 테두리 부분에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 축전식 탈염 전극은 상기 유입유로로부터 유입된 유체가 상기 스페이서층의 유체 수용 공간을 거쳐 상기 유출유로로 배출되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 탄소층은 흑연층 및 활성탄소층 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 제1금속층, 제1탄소층 및 제1이온교환층이 순서대로 접하여 적층되는 제1바이폴라 적층체; 스페이서층, 상기 제1이온교환층과 반대극의 제2-1이온교환층, 제2탄소층 및 상기 제2-1이온교환층과 반대극의 제2-2이온교환층이 순서대로 접하여 적층되는 제2바이폴라 적층체; 및 상기 제2-2이온교환층과 반대극의 제3이온교환층, 제3탄소층 및 제3금속층이 순서대로 접하여 적층되는 제3바이폴라 적층체;를 포함하며, 상기 제1바이폴라 적층체, 상기 제2바이폴라 적층체 및 상기 제3바이폴라 적층체는 순서대로 적층되며, 상기 적층체는 원통형이며, 상기 제1 바이폴라 적층체 내지 상기 제3 바이폴라 적층체는, 각 층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로; 각 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로; 및 상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부;를 포함하며, 상기 유입유로 및 상기 유출유로는 상기 테두리 내부에 형성되며, 상기 제1바이폴라 적층체 내지 상기 제3바이폴라 적층체의 각각의 유입유로가 서로 연결되고, 각각의 유출유로가 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제2바이폴라 적층체는 제2바이폴라 적층체를 한 단위로 하여 다수가 적층되며, 제2바이폴라 적층체들에 형성된 각각의 유입유로가 서로 연결되고, 각각의 유출유로가 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 제1탄소층 및 제1이온교환층이 순서대로 접하여 적층되는 제1모노폴라 적층체; 스페이서층, 상기 제1이온교환층과 반대극의 제2-1이온교환층, 제2탄소층 및 제2-2이온교환층이 순서대로 접하여 적층되는 제2모노폴라 적층체; 및 상기 제2-2이온교환층과 반대극의 제3이온교환층 및 제3탄소층이 순서대로 접하여 적층되는 제3모노폴라 적층체;를 포함하며, 상기 제1모노폴라 적층체, 상기 제2모노폴라 적층체 및 상기 제3모노폴라 적층체는 순서대로 적층되며, 상기 적층체는 원통형이며, 상기 제1 모노폴라 적층체 내지 상기 제3 모노폴라 적층체는, 각 층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로; 각 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로; 및 상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부;를 포함하며, 상기 유입유로 및 상기 유출유로는 상기 테두리 내부에 형성되며, 상기 제1모노폴라 적층체 내지 상기 제3모노폴라 적층체의 각각의 유입유로가 서로 연결되고, 각각의 유출유로가 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제2모노폴라 적층체는, 상기 제2모노폴라 적층체인 제2-1모노폴라 적층체; 및 상기 제2-1모노폴라 적층체의 이온교환층과 반대극의 이온교환층을 포함하는 제2-2모노폴라 적층체;를 포함하며, 상기 제2-1모노폴라 적층체 및 상기 제2-2모노폴라 적층체를 한 단위로 하여 다수가 교번 적층되며, 상기 제2모노폴라 적층체들에 형성된 각각의 유입유로가 서로 연결되고, 각각의 유출유로가 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른, 탄소층을 포함하여 적층되는 원통형 적층체를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극의 제조 방법은, a1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로를 형성하는 단계 및 a2) 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 층면의 테두리 부분에 접착제를 도포하여 밀봉부를 형성하되, 유로를 내측으로 포함하는 테두리에 밀봉부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른, 탄소층을 포함하여 적층되는 원통형 적층체를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극의 제조 방법은, b1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로를 형성하는 단계 및 b2) 적층체의 테두리를 따라 감싸는 밀봉부를 형성하되, 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 상기 테두리에 대응하는 적층체의 각 면을 접착제에 침지시켜 밀봉부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른, 탄소층을 포함하여 적층되는 원통형 적층체를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극의 제조 방법은, c1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로를 형성하는 단계 및 c2) 적층체의 테두리를 따라 감싸는 밀봉부를 형성하되, 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 상기 테두리에 대응하는 적층체의 각 면에 접착제를 분사시켜 밀봉부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 적층체는 스페이서층을 더 포함하고, 상기 스페이서층은 내부에 유체 수용 공간을 포함하며, 상기 밀봉부를 형성하는 단계는 스페이서층의 측부를 통해 유체가 배출되지 않도록 상기 밀봉부가 스페이서층의 테두리 부분에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 축전식 탈염 전극은 복잡한 하우징 케이스 없이도 유체의 탈염 과정에서 유체가 유출유로 외의 경로를 통해 외부로 누수되는 문제를 원천적으로 방지할 수 있는 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 축전식 탈염 전극은 복잡한 하우징 케이스 없이도, 유체의 유입 및 유출 과정에서 충격, 유격 등에 의해 금속전극 및 금속단자 등의 금속층이 유체에 접촉하여 산화되는 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 축전식 탈염 전극은 유체와 탈염부와의 단위 부피당 접촉 면적을 최대화하여 탈염 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 축전식 탈염 전극은 원통형 구조 및 측부를 통해 중앙부로 유체가 흐르도록 하는 구조를 가짐으로써, 높은 수압에서도 안정적인 구조를 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 축전식 탈염 전극은 설계가 복잡하지 않아 제조 공정이 용이하고 제조된 장치 또한 복잡한 구조를 가지지 않음에 따라, 높은 안정성 및 높은 수명을 가지는 효과가 있다.
본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 바이폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 바이폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체의 조립 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 모노폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 모노폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체의 조립 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 적층체의 절개 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 적층체의 절개 사시도로, 유체의 흐름 경로를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 예에 따른 적층체의 일 구성요소인 제1고정부재의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 적층체의 정면도(좌측) 및 사시도(우측)이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 바이폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체의 조립 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 모노폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 모노폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체의 조립 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 적층체의 절개 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 적층체의 절개 사시도로, 유체의 흐름 경로를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 예에 따른 적층체의 일 구성요소인 제1고정부재의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 적층체의 정면도(좌측) 및 사시도(우측)이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 원통형 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
또한 본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 본 발명에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
또한 본 발명에서 특별한 언급 없이 불분명하게 사용된 %의 단위는 중량%를 의미한다.
또한 본 발명에서 언급되는 금속층, 이온교환층, 탄소층, 스페이서층 등에 사용되는 ‘층’의 용어는 각 재료가 연속체(continuum)를 이루며 폭과 길이 대비 두께가 상대적으로 작은 디멘젼(dimension)을 가짐을 의미하는 것이다. 이에 따라, 본 발명에서 사용된 ‘층’의 용어에 의해, 금속층, 이온교환층, 탄소층, 스페이서층 등이 2차원의 편평한 평면으로 해석되어서는 안 된다. 또한 층의 두께는 탈염 전극의 구체적 사용 용도, 규모에 따라 적절히 조절될 수 있으므로 크게 제한되지 않는다.
또한 본 발명에서 언급되는 ‘유체는’탈염을 위한 대상이 되는 것이라면 무방하다.
본 발명은 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 복잡한 하우징 케이스 없이도, 유체가 유출유로(151) 외의 경로를 통해 외부로 누수되는 문제를 원천적으로 방지하고, 충격, 유격 등에 의해 금속층(140B)이 유체에 접촉하여 산화되는 문제를 효과적으로 방지하며, 유체와 탈염부와의 단위 부피당 접촉 면적을 최대화하여 탈염 효율을 극대화하고자 한다. 또한 단위 면적당 압력의 차이를 최소화하여 높은 수압에서도 안정적인 구조를 유지할 수 있는 축전식 탈염 전극 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에서는 이온교환층(120), 탄소층(130) 등의 탈염층을 관통하여 형성되는 유로(150)를 포함하는 구조와, 상기 탈염층의 테두리를 따라 감싸 형성되는 밀봉부(160)를 포함하는 구조를 동시에 가지는 것을 본 발명의 주요 특징으로 하며, 또한 원통형 구조 및 측부를 통해 중앙부로 유체가 흐르도록 하는 구조를 가지는 것을 본 발명의 주요 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 축전식 탈염 전극에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 축전식 탈염 전극은, 탄소층(130)을 포함하여 적층되는 원통형 적층체(100)를 포함하며, 상기 적층체(100)는, 층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로(152); 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로(151); 및 상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부(160);를 포함하며, 상기 유입유로(152) 및 상기 유출유로(151)은 상기 밀봉부(160) 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 종래에는 한국등록특허공보 제10-1621270호에서와 같이 스페이서층(110)의 양측부로 유체가 유입되어 탈염되는 구조를 가진다. 따라서 스페이서층(110)의 양측부를 포함하여 축전식 탈염 전극의 측부를 밀봉하는 하우징 케이스가 필수적이며, 금속전극, 금속단자 등의 금속층이 유체와 접촉하지 않도록 하는 복잡한 구조의 하우징 케이스가 필요했다. 이러한 복잡한 하우징 케이스를 포함하는 종래의 축전식 탈염전극은 그 구조상 유격이 발생할 확률이 높으며, 구조 안정성이 떨어지므로, 수명 및 안정성이 저하되는 한계가 있다. 또한 제조 공정상에서도 그 설계가 용이하지 못하고, 제조 자체도 용이하지 못한 단점이 있다.
그러나 본 발명에 따른 축전식 탈염 전극은 스페이서층(110)으로 유입되고 유출되는 유체의 경로를, 스페이서층(110)의 양측부;가 아닌, 이온교환층(120), 탄소층(130) 등의 탈염층을 관통하여 형성되는 유입유로(152) 및 유출유로(151)을 포함하는 유로(150);로 하고, 스페이서층(110) 및 탈염층의 측부를 밀봉하는 밀봉부(160)가 형성됨으로써, 전술한 종래의 복잡한 하우징 케이스가 필요하지 않고, 유체가 유출유로(151) 외의 경로를 통해 외부로 누수되는 문제 및 충격, 유격 등에 의해 금속층이 유체에 접촉하여 산화되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 축전식 탈염 전극은 스페이서층(110)으로 유입 및 유출되는 유체의 경로를, 탈염층을 관통하여 형성되는 유로(150);를 포함하는 경로로 함으로써, 유체와 탈염부와의 단위 부피당 접촉 면적을 최대화하여 탈염 효율을 극대화할 수 있다. 유체의 탈염 반응은 이온교환층(120), 탄소층(130) 등의 탈염층과 접촉하는 면에서 일어나므로, 단위 면적당 접촉면적의 증가는 곧 탈염 효율의 증가를 의미한다. 즉, 본 발명에서는 탈염층을 관통하여 형성된 유로(150)에도 유체가 흐르므로, 탈염층에 관통 형성된 유로(150)가 없는 종래와 것과 비교하여 상기 유로(150)의 내면부의 면적만큼 접촉 면적이 증가하여 탈염 효율이 증가된다.
아울러 본 발명에 따른 축전식 탈염 전극의 적층체에, 층의 면 방향의 측부를 관통하여 형성되는 유입유로(152) 및 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로(151)가 형성되어, 적층체의 측부에 형성된 유입유로를 통해 적층체의 중앙부에 형성된 유출유로로 유체가 흐름으로써, 유체의 압력에 따른 적층체의 구조 안정성 저하를 최소화할 수 있다. 본 발명에서는 유체의 흐름 경로가 탈염층 내부를 관통하여 형성되어 있어 유체 흐름 경로를 둘러싸는 면적 자체가 탈염 접촉 면적에 해당하므로, 단위 면적당 탈염 접촉 면적을 최대화할 수 있는 효과가 있다. 그러나 유체 흐름 경로가 케이스 등으로 형성되어 있는 종래의 발명과 비교하여 탈염층 내부에 형성된 유체 흐름 경로는 구조 안정성이 상대적으로 떨어질 수 있으나, 층의 면 방향의 측부를 관통하여 형성되는 유입유로(152)를 통해 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로(151)로 유체가 흐르도록 하는 구조를 가짐으로써, 유체의 압력에 따른 탈염층의 구조 안정성 저하를 최소화할 수 있다.
상기 유입유로(152)는 층의 면 방향의 측부를 관통하여 측부의 테두리를 따라 형성된다. 일 예로, 유입유로(152)는 원형의 띠 형상으로 하나가 형성될 수 있으며, 도 8의 일 예와 같이 층의 측부의 테두리를 따라 원형의 배열로 둘 이상의 복수로 형성될 수 있다. 유입유로(152)가 층의 측부의 테두리를 따라 둘 이상 형성될 경우에, 그 수는 크게 제한되지 않고, 예컨대 2 내지 30 개, 바람직하게는 5 내지 20 개일 수 있으나, 이는 바람직한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 유출유로(151)는 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성된다. 상기 중앙부는 층의 중앙 부분을 의미하며, 바람직하게는 정중앙을 의미할 수 있으나, 비제한적인 일 예로, 정중앙에서 어느 한 방향으로 치우친 부분일 수도 있다.
본 발명에서 도시된 도면 중 유입유로(152) 및 유출유로(152)를 포함하는 유로는 발명의 특징을 명확하게 보여주기 위해 유로의 크기를 크게 또는 작게 도시하였으나, 유체의 유량은 당업자가 적절히 조절할 수 있는 것이므로, 각 유로의 크기는 크게 제한되지 않는다. 따라서 본 발명이 도시된 도면의 각 구성요소들의 크기 비율로 제한하여 해석되어서는 안 된다.
본 발명에서 별도의 수식 없이 언급되는 ‘층’은 탄소층, 이온교환층 등을 포함하는 탈염층, 스페이서층, 금속층 등, 본 발명에서 언급하는 모든 층 중 하나 또는 둘 이상을 의미할 수 있다.
상기 적층체의 테두리라 함은 각 층이 적층되어 형성되는 적층체에서, 층의 면 방향으로 적층체를 볼 때 층의 측부의 테두리에 해당하며, 그 테두리가 층의 면 방향으로 연장 형성되는 영역에 밀봉부(160)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 8에 일 예로 도시된 바와 같이, 밀봉부(160)는 층의 측단부의 테두리를 따라 형성될 수 있으며, 층의 면방향, 즉, 층의 두께에 해당하는 길이 방향으로 연장 형성되어 유체가 적층체의 측부로 누수되지 않도록 형성될 수 있다.
본 발명의 축전식 탈염 전극은 각 층의 순서에 따라 크게 바이폴라 축전식 탈염 전극 및 모노폴라 축전식 탈염 전극으로 구분할 수 있다. 바이폴라 축전식 탈염 전극은 양이온교환층과 음이온교환층을 포함하는 단위체가 하나 또는 둘 이상 적층되는 구조를 의미하며, 모노폴라 축전식 탈염 전극은 제1양이온교환층과 제2양이온교환층을 포함하는 제1단위체와, 제1음이온교환층과 제2음이온교환층을 포함하는 제2단위체가 교번 적층되어 하나 또는 둘 이상 적층되는 구조를 의미한다.
이하 본 발명의 일 양태에 따른 바이폴라 축전식 탈염 전극에 대하여 상세히 설명한다.
바이폴라 축전식 탈염 전극의 경우, 도 2에 일 예로 도시된 바와 같이, 바이폴라 축전식 탈염 전극은, 적층체를 한 단위로 할 때, 양 끝측부에 위치하는 제1바이폴라 적층체(100B1)와 제3바이폴라 적층체(100B3), 그리고 그 사이에 위치하는 제2바이폴라 적층체(100B2)로 구분하여 포함할 수 있다.
중간 단위체인 제2바이폴라 적층체(100B2)를 먼저 설명하면, 제2바이폴라 적층체(100B2)는, 스페이서층(110); 제1이온교환층(121); 상기 탄소층(130); 및 상기 제1이온교환층(121)과 반대극의 제2이온교환층(122);이 순서대로 접하여 적층되는 것일 수 있다. 또한 일 예로, 중간 단위체인 제2바이폴라 적층체(100B2)는 이를 한 단위로 하여 다수가 적층될 수 있다.
또한 상기 제2이온교환층(122) 방향으로 스페이서층(110)이 더 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 스페이서층(110)은 제1스페이서층(110) 및 제2스페이서층(110)을 포함하며, 상기 바이폴라 적층체는 상기 제1스페이서층(110); 상기 제1이온교환층(121); 상기 탄소층(130); 상기 제2이온교환층(122); 및 상기 제2스페이서층(110)이 순서대로 접하여 적층되는 것일 수 있다.
상기 제1바이폴라 적층체(100B1) 또는 상기 제3바이폴라 적층체(100B3)는 금속층(140B); 상기 탄소층(130); 및 이온교환층(120);이 순서대로 접하여 적층되는 것일 수 있다. 또한 이온교환층(120) 방향으로 스페이서층(110)이 더 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1바이폴라 적층체(100B1) 또는 상기 제3바이폴라 적층체(100B3)는 금속층(140B); 상기 탄소층(130); 이온교환층(120); 및 스페이서층(110);이 순서대로 접하여 적층되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 금속층(140B)은 상기 바이폴라 적층체의 외부로 돌출된 금속단자를 포함하는 금속전극일 수 있다. 바이폴라 축전시식 탈염 전극은 금속전극을 포함하는 반면, 모노폴라 축전식 탈염 전극은 금속전극을 포함하지 않을 수 있고, 대신 탄소층(130)이 탄소전극으로서 역할을 할 수 있다. 바이폴라 축전식 탈염 전극은 단위체가 다수 적층되더라도 전선부와 연결되는 금속전극은 양단에 각각 한 개가 배치된다. 따라서 각 단위체의 수만큼, 전선부와 연결되는 탄소전극의 수가 증가하는 모노폴라 축전식 탈염 전극과는 그 구조가 상이하다. 그러므로 각 환경에 맞도록 바이폴라 또는 모노폴라 축전식 탈염 전극이 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 일 양태에 따른 모노폴라 축전식 탈염 전극에 대하여 상세히 설명한다.
모노폴라 축전식 탈염 전극의 경우, 도 4에 일 예로 도시된 바와 같이, 모노폴라 축전식 탈염 전극은, 적층체를 한 단위로 할 때, 양 끝측부에 위치하는 제1모노폴라 적층체(100M1)와 제3모노폴라 적층체(100M3), 그리고 그 사이에 위치하는 제2모노폴라 적층체(100M2)로 구분하여 포함할 수 있다.
중간 단위체인 제2모노폴라 적층체(100M2)를 먼저 설명하면, 제2모노폴라 적층체(100M2)는, 스페이서층(110); 제1이온교환층(121); 상기 탄소층(130); 및 제2이온교환층(122);이 순서대로 접하여 적층되는 것일 수 있다. 또한 일 예로, 중간 단위체인 제2모노폴라 적층체(100M2)는 양극의 제2모노폴라 적층체(100M2-1)와 음극의 제2모노폴라 적층체(100M2-2)가 교번하여 다수 적층될 수 있다.
또한 제2이온교환층(122) 방향으로 스페이서층(110)이 더 적층될 수 있다. 구체적인 일 예로, 제2모노폴라 적층체(100M2)는 제1스페이서층(110); 제1이온교환층(121); 상기 탄소층(130); 제2이온교환층(122); 및 제2스페이서층(110)이 순서대로 접하여 적층되는 것일 수 있다.
상기 제1모노폴라 적층체(100M1) 또는 상기 제3모노폴라 적층체(100M3)는 상기 탄소층(130); 및 이온교환층(120);이 순서대로 접하여 적층되는 모노폴라 적층체일 수 있다. 또한 이온교환층(120) 방향으로 스페이서층(110)이 더 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1모노폴라 적층체(100M1) 또는 상기 제3모노폴라 적층체(100M3)는 상기 탄소층(130); 이온교환층(120); 및 스페이서층(110);이 순서대로 접하여 적층되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 도 3에 일 예로 도시된 바와 같이, 상기 탄소층(130)은 상기 모노폴라 적층체의 외부로 돌출된 탄소단자를 포함할 수 있다. 모노폴라 축전식 탈염 전극은 바이폴라 축전식 탈염 전극과는 달리, 각 단위체인 적층체마다 전극인 탄소전극을 각각 포함함에 따라 각 단위체가 증가할수록 전선부와 연결되는 탄소전극의 수가 증가한다. 또한 설계의 용이성을 위해 탄소전극에 형성된 탄소전극과 이와 반대극의 탄소전극은 서로 다른 방향으로 형성되는 것이 좋다.
도 5의 일 예로 도시된 바와 같이, 유로(150)는 유입유로(152) 및 유출유로(151)을 포함한다. 도 6의 일 예와 같이, 상기 축전식 탈염 전극은 상기 유입유로(152)로부터 유입된 유체가 상기 스페이서층(110)의 유체 수용 공간을 거쳐 상기 유출유로(151)로 배출되도록 하는 구조를 가질 수 있다. 이렇게 탈염층의 측부로 유입되어 중앙부로 유출되는 경로의 구조를 가짐에 따라, 유체에 의한 단위 면적당 압력의 차이를 최소화하여 높은 수압에서도 안정적인 구조를 유지할 수 있다. 본 발명에서는 탈염층에 유로(150)가 관통 형성되므로, 유로(150)가 관통 형성된 탈염층을 포함하는 축전식 탈염 전극은 관통 홀이 없는 종래의 것과 비교하여 상대적으로 구조 안정성이 떨어질 수 있으나, 탈염층의 측부의 테두리로 유입되어 중앙부로 유출되는 구조를 취함으로써, 구조 안정성의 저하를 극소화할 수 있다.
본 발명에서 언급되는 ‘스페이서층(110)’은 스페이서층(110) 내부에 유체 수용 공간을 포함한다. 스페이서층(110)은 각 층간의 간격을 유지하는 역할, 유체가 흐를 수 있는 공간을 제공하는 역할을 한다. 또한 스페이서층(110)은 유입유로(152)와 유출유로(151)을 연결하는 역할을 할 수 있음에 따라, 유입유로(152)를 통과한 유체는 스페이서층(110) 내부를 경유하여 유출유로(151)을 통과하여 배출될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 스페이서층(110)은 층의 면 방향으로 관통하여 형성되는 유로(150)를 포함할 수 있으며, 포함하지 않을 수도 있다. 바람직하게는 스페이서층(110)은 층의 면 방향으로 관통하여 형성되는 유로(150)가 형성되는 것이 좋으나, 비제한적인 일 예로, 상기 유로(150)가 형성되지 않더라도 유체가 스페이서층(110)을 면 방향으로 통과할 수 있으므로, 상기 유로(150)가 형성되지 않을 수도 있다.
도 1, 도 3, 도 5 및 도 8에 일 예로 도시된 바와 같이, 상기 밀봉부(160)는 각 층의 측부로 유체가 누수되지 않도록 적층체의 테두리를 감싸 형성된다. 밀봉부(160)는 접착 특성을 가지는 고분자를 포함하는 슬러리 경화시켜 형성될 수 있다. 따라서 스페이서층(110)의 측부를 통해 유체가 배출되지 않도록 밀봉부(160)가 스페이서층(110)의 테두리 부분에 형성될 수 있으며, 밀봉부(160)는 스페이서층(110)의 유체 수용 공간의 테두리 부분에 소정 두께로 차지하여 위치할 수도 있다.
본 발명에서 언급되는 ‘탄소층(130)’은 흑연층(131B, 131M) 및 활성탄소층(132) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소층(130)은 흑연층; 일면에 활성탄소층(132)이 코팅된 흑연층(131B, 131M) 또는 양면에 활성탄소층(132)이 코팅된 흑연층일 수 있다.
전술한 바와 같이, 바이폴라 축전식 탈염 전극은 제1바이폴라 적층체(100B1), 제2바이폴라 적층체(100B2) 및 제3바이폴라 적층체(100B3)를 포함하는 바이폴라 축전식 탈염 전극 복합체일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 바이폴라 축전식 탈염 전극 복합체는, 도 2에 일 예로 도시된 바와 같이, 제1금속층(140B), 제1탄소층(130) 및 제1이온교환층(121)이 순서대로 접하여 적층되는 제1바이폴라 적층체(100B1); 스페이서층(110), 상기 제1이온교환층(121)과 반대극의 제2-1이온교환층(122), 제2탄소층(130) 및 상기 제2-1이온교환층(122)과 반대극의 제2-2이온교환층(121)이 순서대로 접하여 적층되는 제2바이폴라 적층체(100B2); 및 상기 제2-2이온교환층(121)과 반대극의 제3이온교환층(122), 제3탄소층(130) 및 제3금속층(140B)이 순서대로 접하여 적층되는 제3바이폴라 적층체(100B3);를 포함하며, 상기 제1바이폴라 적층체(100B1), 상기 제2바이폴라 적층체(100B2) 및 상기 제3바이폴라 적층체(100B3)는 순서대로 적층되며, 상기 제1 바이폴라 적층체 내지 상기 제3 바이폴라 적층체는, 각
층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로(152); 각 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로(151); 및 상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부(160);를 포함하며, 상기 유입유로(152) 및 상기 유출유로(151)는 상기 테두리 내부에 형성되며, 상기 제1바이폴라 적층체(100B1) 내지 상기 제3바이폴라 적층체(100B3)의 각각의 유로(150)가 서로 연결될 수 있다.
또한 상기 제2바이폴라 적층체(100B3)는 제2바이폴라 적층체(100B3)를 한 단위로 하여 다수가 적층될 수 있으며, 제2바이폴라 적층체(100B3)들에 형성된 각각의 유입유로(152)가 서로 연결되고, 각각의 유출유로(151)가 서로 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이, 모노폴라 축전식 탈염 전극은 제1모노폴라 적층체(100M1), 제2모노폴라 적층체(100M2) 및 제3모노폴라 적층체(100M3)를 포함하는 모노폴라 축전식 탈염 전극 복합체일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 모노폴라 축전식 탈염 전극 복합체는, 도 4에 일 예로 도시된 바와 같이, 제1탄소층(130) 및 제1이온교환층(121)이 순서대로 접하여 적층되는 제1모노폴라 적층체(100M1); 스페이서층(110), 상기 제1이온교환층(121)과 반대극의 제2-1이온교환층(122), 제2탄소층(130) 및 제2-2이온교환층(122)이 순서대로 접하여 적층되는 제2모노폴라 적층체(100M2); 및 상기 제2-2이온교환층(122)과 반대극의 제3이온교환층(121) 및 제3탄소층(130)이 순서대로 접하여 적층되는 제3모노폴라 적층체(100M3);를 포함하며, 상기 제1모노폴라 적층체(100M1), 상기 제2모노폴라 적층체(100M2) 및 상기 제3모노폴라 적층체(100M3)는 순서대로 적층되며, 상기 제1 모노폴라 적층체 내지 상기 제3 모노폴라 적층체는, 각
층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로(152); 각 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로(151); 및 상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부(160);를 포함하며, 상기 유입유로(152) 및 상기 유출유로(151)는 상기 테두리 내부에 형성되며, 상기 제1모노폴라 적층체(100M1) 내지 상기 제3모노폴라 적층체(100M3)의 각각의 유로(150)가 서로 연결될 수 있다.
또한 상기 제2모노폴라 적층체(100M2)는, 상기 제2모노폴라 적층체(100M2)인 제2-1모노폴라 적층체(100M2-1); 및 상기 제2-1모노폴라 적층체(100M2-1)의 이온교환층과 반대극의 이온교환층을 포함하는 제2-2모노폴라 적층체(100M2-2);를 포함할 수 있고, 상기 제2-1모노폴라 적층체(100M2-1) 및 상기 제2-2모노폴라 적층체(100M2-2)를 한 단위로 하여 다수가 교번 적층될 수 있으며, 상기 제2모노폴라 적층체(100M2)들에 형성된 각각의 유로(150)가 서로 연결될 수 있다.
본 발명에서 ‘층’은 층의 면 방향으로 바라봤을 때의 형태가 원형을 의미할 수 있으나, 비제한적인 일 예로, 타원형일 수도 있다. 바람직하게는, 단위 면적당 압력의 차이를 보다 최소화하여 높은 수압에서도 안정적인 구조를 유지할 수 있는 측면에서 원형인 것이 좋다. 이렇게 원형의 각 층이 적층됨에 따라 원통형의 적층체를 이룰 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 및 이의 복합체는 양측부에 비금속성 고정부재가 더 적층될 수 있다. 비금속성 고정부재는 내부를 관통하는 유입홀(186) 및/또는 유출홀(185)을 더 포함할 수 있으며, 유입홀(186) 및 유출홀(185)은 각각 유입유로(152) 및 유출유로(151)과 연결될 수 있다. 도 5 및 도 7에 도시된 도면을 보면알 수 있듯이, 비금속성 고정부재(181)는 유입홀(186)과 다수의 유입유로(152)를 연결하는 버스홈이 형성되고, 유출홀(185)과 유출유로(151)가 연결된 구조를 가질 수 있다.
비금속성 고정부재는, 도 7에 일 에로 도시된 바와 같이, 유입홀(186) 및/또는 유출홀(185)을 포함하는 비금속성 제1고정부재(181) 및 유입홀(186) 및/또는 유출홀(185)을 포함하지 않는 비금속성 제2고정부재(182)를 포함할 수 있으며, 각각 적층체의 양 끝측부에 적층될 수 있다. 비금속성 고정부재는 플라스틱, 나무 등의 재질일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 또는 이의 복합체는 금속전극 또는 탄소전극을 연결하는 전선부 또는 부스바를 더 포함할 수 있으며, 경우에 따라 상기 전선부 또는 부스바와 연결되는 제어 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 제어 기판은 전류의 흐름 등을 컨트롤하는 역할을 하며, 이외에 다양한 부가적인 항목들을 컨트롤하는 역할을 할 수 있다. 상기 제어 기판은 모듈 복합체에 구비될 수 있거나, 모듈 복합체와 떨어져 별도로 구비될 수 있다. 축전식 탈염 전극 기술분야에서, 전극에 연결되는 제어 기판 또는 이를 포함하는 제어부의 구성, 그리고 전극과 제어부와의 결합 구성은 공지된 것을 참고해도 무방하므로, 제한되지 않는다.
본 발명에서 언급되는 ‘이온교환층’은 양이온교환층(양이온교환막) 또는 음이온교환층(음이온교환막)을 의미한다. 양이온교환층은 양이온 및 음이온 중에서 양이온을 선택적으로 흡착하는 물질을 포함하여 형성된 것이라면 무방하며, 음이온교환층은 양이온 및 음이온 중에서 음이온을 선택적으로 흡착하는 물질을 포함하여 형성된 것이라면 무방하다. 구체적인 일 예로, 이온교환막은 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 용해하여 제조된 고분자 용액을 막 형태로 도포하고 건조하여 제조된 것일 수 있다. 양이온교환기를 가지는 고분자 수지는 예컨대 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2), 셀리노닉기(-SeO3H) 등의 양이온교환기를 가지는 것일 수 있다. 그리고 음이온교환기를 가지는 고분자 수지는 예컨대 4급 암모늄염(-NH3), 1~3급 아민(-NH2, -NHR, -NR2), 4급 포스포니움기(-PR4), 3급 술폰니움기(-SR3) 등의 음이온 교환기를 가지는 것일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 예로서 설명한 것일 뿐, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이며, 공지된 문헌을 참고해도 무방하므로 제한되지 않는다.
이하 본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극 또는 이의 복합체의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조 방법은, 밀봉부(160)를 형성하는 방법에 따라 크게 도포법, 침지법, 분사법으로 구분할 수 있으나, 이 외에도 다양한 방법이 사용될 수 있다.
상기 밀봉부(160)는 도 8에 일 예로 도시된 바와 같이, 각 층의 측부로 유체가 누수되지 않도록 적층체의 테두리를 감싸는 구조로 형성되어야 하므로, 접착 특성을 가지는 고분자를 포함하는 슬러리를 이용하여 밀봉부(160)를 형성할 수 있다. 따라서 스페이서층(110)의 측부를 통해 유체가 배출되지 않도록 스페이서층(110)의 테두리 부분에 밀봉부(160)를 형성할 수 있으며, 스페이서층(110)의 유체 수용 공간의 테두리 부분에 소정 두께로 상기 슬러리가 침투하여 밀봉부(160)를 형성시킬 수 있다.
상기 접착 특성을 가지는 고분자는 유체, 구체적으로 액상, 보다 구체적으로 물이 투과하지 않도록 하는 것이라면 다양한 것들이 사용될 수 있으며, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 폴리비닐클로라이드, 나일론, 우레아 수지, 폴리에스터, 에폭시,올레핀, 아크릴, 폴리페닐렌옥사이드, 러버 등을 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조 방법은, 탄소층(130)을 포함하여 적층되는 적층체를 포함하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법으로, a1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로(150)를 형성하는 단계 및 a2) 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 층면의 테두리 부분에 접착제를 도포하여 밀봉부(160)를 형성하되, 유로(150)를 내측으로 포함하는 테두리에 밀봉부(160)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조 방법은, 탄소층(130)을 포함하여 적층되는 적층체를 포함하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법으로, b1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로(150)를 형성하는 단계 및 b2) 적층체의 테두리를 따라 감싸는 밀봉부(160)를 형성하되, 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 상기 테두리에 대응하는 적층체의 각 면을 접착제에 침지시켜 밀봉부(160)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적인 일 예로, 본 발명의 적층체는 원통형이므로, 적층체의 일 면을 접착제에 침지하고 회전시키는 방법으로 밀봉부(160)를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 축전식 탈염 전극의 제조 방법은, 탄소층(130)을 포함하여 적층되는 적층체를 포함하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법으로, c1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로(150)를 형성하는 단계 및 c2) 적층체의 테두리를 따라 감싸는 밀봉부(160)를 형성하되, 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 상기 테두리에 대응하는 적층체의 각 면에 접착제를 분사시켜 밀봉부(160)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 밀봉부(160)를 형성하는 단계는 스페이서층(110)의 측부를 통해 유체가 배출되지 않도록 상기 밀봉부(160)가 스페이서층(110)의 테두리 부분에 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 스페이서층(110) 외의 각 층의 측부를 통해 유체가 배출되지 않도록 상기 밀봉부(160)가 각 층의 테두리 부분에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 축전식 탈염 전극 또는 이의 복합체의 제조 방법에서, 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로(150)를 형성하는 단계와 밀봉부(160)를 형성하는 단계는 그 순서에 차이를 크게 두지 않는다. 즉, 유로(150)를 먼저 형성한 후 밀봉부(160)를 형성할 수도 있고, 밀봉부(160)를 형성한 후 유로(150)를 형성할 수 있다. 다만 제조 공정상 유로(150)를 먼저 형성한 후 밀봉부(160)를 형성하는 것이 유리할 수 있으나, 이는 바람직한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
100B : 바이폴라 적층체, 100B1 : 제1바이폴라 적층체
100B2 : 제2바이폴라 적층체, 100B3 : 제3바이폴라 적층체
100M : 모노폴라 적층체, 100M1 : 제1모노폴라 적층체
100M2 : 제2모노폴라 적층체, 100M3 : 제3모노폴라 적층체
100M2-1 : 제2-1모노폴라 적층체, 100M2-2 : 제2-2모노폴라 적층체
110 : 스페이서층, 120 : 이온교환층
121 : 이온교환층, 122 : 121의 이온교환층과 반대극의 이온교환층
130 : 탄소층
131B : 흑연층, 131M : 흑연층(탄소전극)
132 : 활성탄소층, 140B : 금속층(금속전극)
150 : 유로, 151 : 유출유로, 152 : 유입유로
160 : 밀봉부
181 : 비금속성 제1고정부재, 182 : 비금속성 제2고정부재
185 : 유입출, 186 : 유입홀
100B2 : 제2바이폴라 적층체, 100B3 : 제3바이폴라 적층체
100M : 모노폴라 적층체, 100M1 : 제1모노폴라 적층체
100M2 : 제2모노폴라 적층체, 100M3 : 제3모노폴라 적층체
100M2-1 : 제2-1모노폴라 적층체, 100M2-2 : 제2-2모노폴라 적층체
110 : 스페이서층, 120 : 이온교환층
121 : 이온교환층, 122 : 121의 이온교환층과 반대극의 이온교환층
130 : 탄소층
131B : 흑연층, 131M : 흑연층(탄소전극)
132 : 활성탄소층, 140B : 금속층(금속전극)
150 : 유로, 151 : 유출유로, 152 : 유입유로
160 : 밀봉부
181 : 비금속성 제1고정부재, 182 : 비금속성 제2고정부재
185 : 유입출, 186 : 유입홀
Claims (20)
- 탄소층을 포함하여 적층되는 원통형 적층체를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극으로,
상기 적층체는,
층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로;
층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로; 및
상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부;를 포함하며,
상기 유입유로 및 상기 유출유로는 상기 밀봉부 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제1항에 있어서,
상기 적층체는 스페이서층; 제1이온교환층; 상기 탄소층; 및 상기 제1이온교환층과 반대극의 제2이온교환층;이 순서대로 접하여 적층되는 바이폴라 적층체인 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제2항에 있어서,
상기 스페이서층은 제1스페이서층 및 제2스페이서층을 포함하며,
상기 바이폴라 적층체는 상기 제1스페이서층; 상기 제1이온교환층; 상기 탄소층; 상기 제2이온교환층; 및 상기 제2스페이서층이 순서대로 접하여 적층되는 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제1항에 있어서,
상기 적층체는 금속층; 상기 탄소층; 및 이온교환층;이 순서대로 접하여 적층되는 바이폴라 적층체인 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제4항에 있어서,
상기 금속층은 상기 바이폴라 적층체의 외부로 돌출된 금속단자를 포함하는 금속전극인 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제1항에 있어서,
상기 적층체는 스페이서층; 제1이온교환층; 상기 탄소층; 및 제2이온교환층;이 순서대로 접하여 적층되는 모노폴라 적층체인 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제6항에 있어서,
상기 스페이서층은 제1스페이서층 및 제2스페이서층을 포함하며,
상기 모노폴라 적층체는 상기 제1스페이서층; 상기 제1이온교환층; 상기 탄소층; 상기 제2이온교환층; 및 상기 제2스페이서층이 순서대로 접하여 적층되는 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제6항에 있어서,
상기 적층체는 상기 탄소층; 및 이온교환층;이 순서대로 접하여 적층되는 모노폴라 적층체인 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제6항에 있어서,
상기 탄소층은 상기 모노폴라 적층체의 외부로 돌출된 탄소단자를 포함하는 탄소전극인 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제1항에 있어서,
상기 적층체는 스페이서층을 더 포함하며,
상기 스페이서층은 내부에 유체 수용 공간을 포함하되, 스페이서층의 측부를 통해 유체가 배출되지 않도록 상기 밀봉부가 스페이서층의 테두리 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제10항에 있어서,
상기 축전식 탈염 전극은 상기 유입유로로부터 유입된 유체가 상기 스페이서층의 유체 수용 공간을 거쳐 상기 유출유로로 배출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제1항 내지 제11항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소층은 흑연층 및 활성탄소층 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극. - 제1금속층, 제1탄소층 및 제1이온교환층이 순서대로 접하여 적층되는 제1바이폴라 적층체;
스페이서층, 상기 제1이온교환층과 반대극의 제2-1이온교환층, 제2탄소층 및 상기 제2-1이온교환층과 반대극의 제2-2이온교환층이 순서대로 접하여 적층되는 제2바이폴라 적층체; 및
상기 제2-2이온교환층과 반대극의 제3이온교환층, 제3탄소층 및 제3금속층이 순서대로 접하여 적층되는 제3바이폴라 적층체;를 포함하며,
상기 제1바이폴라 적층체, 상기 제2바이폴라 적층체 및 상기 제3바이폴라 적층체는 순서대로 적층되며,
상기 적층체는 원통형이며,
상기 제1 바이폴라 적층체 내지 상기 제3 바이폴라 적층체는,
각 층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로;
각 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로; 및
상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부;를 포함하며,
상기 유입유로 및 상기 유출유로는 상기 테두리 내부에 형성되며,
상기 제1바이폴라 적층체 내지 상기 제3바이폴라 적층체의 각각의 유입유로가 서로 연결되고, 각각의 유출유로가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체. - 제13항에 있어서,
상기 제2바이폴라 적층체는 제2바이폴라 적층체를 한 단위로 하여 다수가 적층되며,
제2바이폴라 적층체들에 형성된 각각의 유입유로가 서로 연결되고, 각각의 유출유로가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체. - 제1탄소층 및 제1이온교환층이 순서대로 접하여 적층되는 제1모노폴라 적층체;
스페이서층, 상기 제1이온교환층과 반대극의 제2-1이온교환층, 제2탄소층 및 제2-2이온교환층이 순서대로 접하여 적층되는 제2모노폴라 적층체; 및
상기 제2-2이온교환층과 반대극의 제3이온교환층 및 제3탄소층이 순서대로 접하여 적층되는 제3모노폴라 적층체;를 포함하며,
상기 제1모노폴라 적층체, 상기 제2모노폴라 적층체 및 상기 제3모노폴라 적층체는 순서대로 적층되며,
상기 적층체는 원통형이며,
상기 제1 모노폴라 적층체 내지 상기 제3 모노폴라 적층체는,
각 층의 면 방향의 측부를 관통하여 상기 측부의 테두리를 따라 형성되는 유입유로;
각 층의 면 방향의 중앙부를 관통하여 형성되는 유출유로; 및
상기 적층체의 테두리를 따라 감싸 형성되되, 상기 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 형성되는 밀봉부;를 포함하며,
상기 유입유로 및 상기 유출유로는 상기 테두리 내부에 형성되며,
상기 제1모노폴라 적층체 내지 상기 제3모노폴라 적층체의 각각의 유입유로가 서로 연결되고, 각각의 유출유로가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 모노폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체. - 제15항에 있어서,
상기 제2모노폴라 적층체는,
상기 제2모노폴라 적층체인 제2-1모노폴라 적층체; 및
상기 제2-1모노폴라 적층체의 이온교환층과 반대극의 이온교환층을 포함하는 제2-2모노폴라 적층체;를 포함하며,
상기 제2-1모노폴라 적층체 및 상기 제2-2모노폴라 적층체를 한 단위로 하여 다수가 교번 적층되며,
상기 제2모노폴라 적층체들에 형성된 각각의 유입유로가 서로 연결되고, 각각의 유출유로가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 모노폴라 원통형 축전식 탈염 전극 복합체. - 탄소층을 포함하여 적층되는 원통형 적층체를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극의 제조 방법으로,
a1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로를 형성하는 단계 및
a2) 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 층면의 테두리 부분에 접착제를 도포하여 밀봉부를 형성하되, 유로를 내측으로 포함하는 테두리에 밀봉부를 형성하는 단계를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극의 제조 방법. - 탄소층을 포함하여 적층되는 원통형 적층체를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극의 제조 방법으로,
b1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로를 형성하는 단계 및
b2) 적층체의 테두리를 따라 감싸는 밀봉부를 형성하되, 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 상기 테두리에 대응하는 적층체의 각 면을 접착제에 침지시켜 밀봉부를 형성하는 단계를 포함하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법. - 탄소층을 포함하여 적층되는 원통형 적층체를 포함하는 원통형 축전식 탈염 전극의 제조 방법으로,
c1) 층의 면 방향으로 적층체를 관통하는 유로를 형성하는 단계 및
c2) 적층체의 테두리를 따라 감싸는 밀봉부를 형성하되, 적층체의 테두리 외측 방향으로 유체가 배출되지 않도록 상기 테두리에 대응하는 적층체의 각 면에 접착제를 분사시켜 밀봉부를 형성하는 단계를 포함하는 축전식 탈염 전극의 제조 방법. - 제17항 내지 제19항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 적층체는 스페이서층을 더 포함하고, 상기 스페이서층은 내부에 유체 수용 공간을 포함하며,
상기 밀봉부를 형성하는 단계는 스페이서층의 측부를 통해 유체가 배출되지 않도록 상기 밀봉부가 스페이서층의 테두리 부분에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 축전식 탈염 전극.
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