KR20210011776A - 탄소 나노튜브와 nasicon 의 복합체로 구성된 나트륨 이온 선택적 흡/탈착이 가능한 투과형 축전식 탈염전극 제조 및 운전방법 - Google Patents
탄소 나노튜브와 nasicon 의 복합체로 구성된 나트륨 이온 선택적 흡/탈착이 가능한 투과형 축전식 탈염전극 제조 및 운전방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 탄소나노물질 및 NASICON계 세라믹 물질을 포함하는, 수용액이 전극을 투과할 수 있는 막 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 탄소나노물질이 서로 얽혀 3차원 망상 구조체를 형성하고. 여기에 NASICON계 세라믹 물질이 결합되어 형성된 복합체로서 평막 혹은 중공사막 형태의 막 구조체가 개시된다.
Description
본 발명은 NASICON 계열 세라믹 물질과 탄소 나노튜브의 복합체를 중공사막 형태의 투과전극으로 제조하고, 이의 운전을 통하여 나트륨 이온을 선택적으로 흡착할 수 있는 장치에 대한 내용이다. 보다 상세하게는 탄소나노튜브 - NASICON 복합체에 존재하는 NASICON 의 전기화학적 나트륨 양이온 흡/탈착 반응을 통해 높은 이온 흡착 용량 및 반복적 사용이 가능한 탄소나노튜브 - NASICON 복합전극의 제조 및 이를 이용한 축전식 탈염공정의 운전방법에 관한 것이다.
일반적인 축전식 탈염법 공정 전극의 경우, 금속 호일 형태의 집전체에 활성탄, 탄소 나노튜브, 그래핀 등의 탄소 기반 나노물질을 도포한 2차원 형태의 전극으로 제조된다.
이러한 형태의 전극은 축전식 탈염법 공정에서는 전극의 표면에 존재하는 전극 물질의 경우 수용액 내 이온과 접촉하여 이를 흡착할 수 있으나, 전극 내부에 존재하는 전극 물질의 경우 전극 내부로 침투해 들어오는 이온만 흡착하는 것이 가능하다. 따라서 전극 표면에 존재하는 일부 전극 물질만이 활발하게 작동하게 되고, 전체적인 성능이 저하되는 단점이 있다. 이와 같은 문제의 해결을 위해서는 전해질이 전극 내부를 통과하여 흐를 수 있도록 전극 구조를 변경하여, 전극을 구성하는 모든 전극 물질이 전해질 내 이온과 접촉하여 이를 흡착할 수 있도록 해야 한다.
또한, 탄소 나노물질의 경우, 전위차가 가해졌을 때 전극 표면의 전기장을 통해 수용액 내 이온을 물리적으로 흡착하기 때문에 물질의 표면에서만 흡착이 일어나 흡착 용량이 낮고, Ca2 +, Mg2 + 등 다가 이온은 잘 흡착하지만, 해수 내 이온의 30 % 이상을 차지하는 Na+와 같은 1가 양이온에 대해서는 흡착 특성이 떨어지는 모습을 보인다.
상기한 문제를 해결하기 위해, 금속 화합물과 탄소 나노물질의 복합체를 합성하여 이를 전극 물질로써 사용하는 연구가 보고되고 있다. 이들 물질은 이온을 표면에 흡착시키는 것과 동시에 전기화학적 반응을 통해 이온을 결정 구조 내부로 흡수하는 것이 가능하여, 종래의 탄소 기반 전극 대비 이온 제거 용량이 높을 것으로 기대되고 있다.
NASICON(NA Super Ionic CONductor)은 위와 같은 특성을 갖는 금속 화합물의 일종으로써, Na 이온에 대해 선택적으로 반응하여 가역적으로 흡수 및 방출하는 특성을 나타내며, 동시에 높은 결정 내 이온 전도성을 가져 리튬 2차전지, 나트륨 2차전지 등 다양한 분야에서 적용이 가능한 물질로써 각광받고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 확산을 통한 이온전달의 한계 및 다가 양이온의 우선 흡착으로 인한 총 이온 흡착용량 저하를 투과형 막 구조 및 NASICON 계 세라믹 입자의 적용을 통해 개선한 축전식 탈염 공정의 양이온 흡착 전극으로 사용 가능한 막 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기한 탄소나노물질 및 NASICON 계 세라믹 입자의 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 나노물질 복합체를 이용한 막 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 막구조체를 포함하는 전극 투과식 반응조를 이용한 수처리 공정 장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 염수 및 해수로부터 전기화학적 반응을 통해 Na 이온을 흡착하는 NASICON 계 세라믹 물질 및 탄소나노물질을 포함하며, 염수 및 해수가 자유롭게 투과할 수 있는 평막 및 중공사막 형태의 막 구조체로서, 상기 탄소나노물질은 서로 얽혀 3차원의 망상 구조체를 형성하고, NASICON 계 세라믹 물질이 탄소나노물질 구조체에 결합되어 있는 막 구조체를 제공한다.
본 발명에 의하면, 축전식 탈염 공정용 막 구조체는 전기장에 의한 물리적 이온 흡착과 전기화학 반응에 의한 화학적 이온 흡착을 동시에 수행하는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 막 구조체는 비표면적이 20 내지 400 m2/g 인 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 막 구조체는 다수 개의 1 내지 100 nm 크기의 기공을 갖는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 막 구조체는 다수개의 미세 기공 및 메조 기공을 포함하고, 미세 기공의 부피가 1.00×10-3 내지 50.00×10-3 cm3/g이고, 메조 기공의 부피가 0.01 내지 0.50 cm3/g인 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 활성탄으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, NASICON 계 세라믹 입자는 Li, Na, P, O, F, Ca, Ti, Si, Zr, Eu, V, Zn, Fe, Mn, Ni, Co, Ge, Cr 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성된 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, NASICON 계 세라믹 입자는 1 nm 내지 200 um 크기의 직경을 가지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 a) NASICON 계 세라믹 입자를 제조하는 단계; b) NASICON 계 세라믹 물질, 탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 처리하여, 세라믹 입자와 탄소나노물질이 서로 얽혀 형성된 3차원 망상 구조물로 이루어진 막 형태로 고정되게 하는 단계; c) 열처리하여 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계를 포함하는 막 구조체를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 b) 단계의 처리 공정은 습식 방사, 전기 방사, 닥터 블레이드 코팅, 침지-인상법 중에서 선택되는 1종 이상의 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 고분자는 폴리비닐계, 폴리스티렌계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴계, 폴리아크릴로나이트릴계, 레이온계 또는 이들 고분자의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 열처리 공정에 의해 탄소나노물질과 탄화된 고분자가 결합하여 복합체를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 막 구조체를 전기화학적 탈염공정의 양이온 흡착 전극으로써 사용하는 탈염공정 반응조를 이용한 수처리 공정 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 막 구조체는 탄소나노물질과 NASICON계 세라믹 입자가 서로 얽혀 형성된 3차원 망상 구조물로써, 전기전도성을 나타내며 높은 비표면적을 가지기 때문에 전기화학적 탈염 공정의 양이온 흡착 전극의 역할을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 막 구조체는 NASICON계 세라믹 입자를 통해 수용액 내에 존재하는 나트륨 이온을 선택적으로 흡수하며, 칼슘 등의 양이온이 존재하는 조건에서도 안정적으로 작동하는 특성을 가진다. 따라서, 종래 기술에 기반한 축전식 탈염 공정용 전극에 비해 확산에 의한 이온 흡착 특성 저하 문제 및 2가 이상의 양이온 우선 흡착에 따른 나트륨 이온 흡착 용량 저하 문제가 개선될 수 있으며, 다공성 구조를 갖기 때문에 전극 자체의 수투과성 및 이온 제거 성능이 우수하고, 전극 투과식 처리 공법의 적용을 통해 처리 전 용액과 처리 후 용액의 분리가 자동으로 이루어지기 때문에 산업상 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 막 구조체를 제조하는 방법을 도식화하여 표현한 것이다.
도 2는 도 1의 중공사막 방사 장치의 단면을 도식화하여 표현한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 막 구조체의 형태 및 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 이용한 수처리 공정 장치 및 장치 내 전극을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 비교예(탄소 단일 전극) 및 일 실시예의 수용액 내 양이온 흡착 특성 차이를 도식화하여 표현한 것이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 비교예(탄소 단일 전극) 및 일 실시예를 이용한 수용액 내 양이온 흡착 특성을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 중공사막 방사 장치의 단면을 도식화하여 표현한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 막 구조체의 형태 및 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 이용한 수처리 공정 장치 및 장치 내 전극을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 비교예(탄소 단일 전극) 및 일 실시예의 수용액 내 양이온 흡착 특성 차이를 도식화하여 표현한 것이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 비교예(탄소 단일 전극) 및 일 실시예를 이용한 수용액 내 양이온 흡착 특성을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 탄소나노물질의 높은 비표면적, 다공성, 전기적 특성 등을 극대화하고, 동시에 Na+ 선택성을 갖는 NASICON 계 세라믹 물질을 포함하는 막 전극 구조체를 제공한다.
본 발명에 따른 막 전극 구조체는 종래의 축전식 탈염 공정 전극의 문제점인 확산에 의한 흡착 효율 감소 문제의 해결뿐만 아니라, Ca2 +, Mg2 + 와 같은 다가 양이온 존재 환경에서도 양이온 흡착 성능을 유지하며, 전극 자체가 막 여과공정의 분리막 역할을 수행할 수 있어 별도의 분리공정 없이 처리 후 수용액의 분리 및 여과를 수행할 수 있어 종래 기술에 비해 우수한 효율을 나타낸다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 중공사막 방사 장치(1)를 통해 탄소나노물질(10)과 NASICON계 세라믹 입자(20)로 구성된 평막 또는 중공사막 형태의 막 구조체(30)로서, 탄소나노물질과 NASICON계 세라믹 입자가 서로 얽힌 3차원 망상 구조체(30)를 형성한다.
막 구조체(30)는 염수 및 해수로부터 전기화학적 반응을 통해 Na 이온을 흡착하는 NASICON 계 세라믹 물질(20) 및 탄소나노물질(10)을 포함하며, 염수 및 해수가 자유롭게 투과할 수 있는 평막 및 중공사막 형태의 막 구조체로서 형성된다. 다시 말해, 막 구조체(30)는 탄소나노물질(10)이 서로 얽혀 3차원의 망상 구조체로 형성하고, NASICON 계 세라믹 물질(20)이 탄소나노물질 구조체(10)에 결합되어 형성된다.
도 2는 중공사막 방사 장치(1)의 단면을 도식화하여 표현한 것으로, 중공사막 방사 장치(1)는 막 구조체(30)를 형성하기 위한 증류수와 방사액을 포함할 수 있다.
막 구조체(30)는 수처리 과정에서 전기화학적 탈염 공정의 양이온 흡착 전극 및 막 여과공정의 분리막의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
막 구조체(30)는 축전식 탈염 공정용 막 구조체로서 전기장에 의한 물리적 이온 흡착과 전기화학 반응에 의한 화학적 이온 흡착을 동시에 수행할 수 있다.
막 구조체(30)는 비표면적이 20 내지 400 m2/g 인 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 40 내지 120 m2/g 일 수 있다. 비표면적이 40 m2/g 미만이면, 흡착 성능이 저하될 수 있으며, 120 m2/g 을 초과하는 경우, 투과 성능이 저하될 수 있다.
막 구조체(30)는 다수 개의 1 내지 100 nm 크기의 기공을 갖는 것일 수 있다. 기공의 크기가 1 nm 미만이면 처리수의 이동속도가 느려 이온흡착 공정의 시간당 처리속도가 저하될 수 있으며, 기공의 크기가 100 nm을 초과하면 이온흡착 성능이 저하될 수 있다.
막 구조체(30)는 다수 개의 미세 기공 및 메조 기공을 포함하고, 미세 기공의 부피가 1.00×10-3 내지 50.00×10-3 cm3/g이고, 메조 기공의 부피가 0.01 내지 0.50 cm3/g인 것일 수 있다.
본 발명에서는 원수 내 양이온이 막 구조체로 이동하는 속도를 향상시킬 수 있기 때문에, 종래 기술에 따른 막 구조체보다 작은 미세기공 및 메조기공을 통해 이온흡착 효율 및 성능을 향상시킬 수 있다.
탄소나노물질(10)은 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 활성탄으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적인 수처리 과정에서 사용되는 탄소 재료이면 이용이 가능하다.
NASICON 계 세라믹 입자(20)는 Li, Na, P, O, F, Ca, Ti, Si, Zr, Eu, V, Zn, Fe, Mn, Ni, Co, Ge, Cr 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적 반응을 통해 수용액 내 양이온을 가역적으로 흡수/탈착하는 것이 가능하다면 이용이 가능하다.
NASICON 계 세라믹 입자(20)는 1 nm 내지 200 um 크기의 직경을 가지는 것일 수 있다. 입자의 크기가 1 nm 미만이면 막 구조체 내에 안정적으로 존재할 수 없을 가능성이 있으며, 입자의 크기가 200 um을 초과하면 세라믹 입자의 비표면적이 감소하여 이온흡착 효율이 저하될 수 있다.
막 구조체(30)를 제조하는 방법은, a) NASICON 계 세라믹 입자를 제조하는 단계; b) NASICON 계 세라믹 물질, 탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 처리하여, 세라믹 입자와 탄소나노물질이 서로 얽혀 형성된 3차원 망상 구조물로 이루어진 막 형태로 고정되게 하는 단계; c) 열처리하여 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계를 포함한다.
b) 단계의 처리 공정은 습식 방사, 전기 방사, 닥터 블레이드 코팅, 침지-인상법 중에서 선택되는 1종 이상의 방법으로 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 습식 방사일 수 있다. 구체적으로, NASICON, 탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 균질한 두께를 갖도록 하면서 용매를 제거하고 형태를 고정할 수 있도록 하는 것일 수 있다.
b) 단계에서 NASICON 세라믹 및 탄소나노물질은 유기용매 또는 수성용매에 분산될 수 있다. 유기용매는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 탄소나노물질을 분산시키는 데에 사용하는 것이면 특별히 제한은 없으며, 바람직하게는 N-메틸-2-피롤리돈 또는 다이메틸설폭사이드가 사용될 수 있다.
b) 단계에서 고분자는 폴리비닐계, 폴리스티렌계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴계, 폴리아크릴로나이트릴계, 레이온계 또는 이들 고분자의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
c) 단계에서는 열처리 공정에 의해 탄소나노물질과 탄화된 고분자가 결합하여 복합체를 형성할 수 있다.
상기한 과정을 통해 형성된 막 구조체(30)의 형태는 도 3의 (a)와 같다. 도 3의 (b)와 (c)는 막 구조체(30)를 주사전자현미경으로 촬영한 이미지를 나타내고 있다.
본 발명은 막 구조체(30)를 전기화학적 탈염공정의 양이온 흡착 전극으로써 사용하는 탈염공정 반응조 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공한다.
c) 단계의 공정을 통해 제조된 막 구조체로부터 고분자 및 가연성 물질을 선택적으로 제거할 수 있다.
상기 과정을 통해 NASICON 계 세라믹 및 탄소나노물질로 구성되어 있으며, 균질한 두께 및 투수성을 갖는 막 구조체(30)가 형성된다.
막 구조체(30)는 앞에서 설명한 바와 같은 구조 및 특성을 갖는다.
또한, 본 발명은 막 구조체(30)를 축전식 탈염 공정의 양이온 흡착 전극으로서 사용하는 축전식 탈염 공정의 운전방법을 제공한다.
본 발명에 따른 축전식 탈염 공정의 반응조는 용기, 전원 공급장치, 양이온 흡착전극 및 음이온 흡착전극으로 구성된다.
양이온 흡착전극 및 음이온 흡착전극은 서로 일정한 간격으로 배치되어 있는 형태일 수 있다. 이때, 양이온 흡착전극과 음이온 흡착전극은 물리적으로 직접 접촉하지 않아야 하며, 두 전극 간의 간격은 특별히 제한이 없다.
이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시로써, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예
1.
NaTi
2
(PO
4
)
3
- 탄소나노튜브 복합체 중공사막 전극의 제조
본 제조예에서는 NASICON 계 세라믹 물질 중 NaTi2(PO4)3 를 선정하여 이를 나노입자로 제조한다. NaTi2(PO4)3 나노입자는 아래의 합성 공정을 통해 제조된다. 티타늄(IV) 부톡사이드 3.4 g 및 아세트산나트륨 0.8 g을 200 mL 의 무수에탄올에 용해시킨 뒤, 30 mL 의 진한 인산을 추가한다. 제조된 용액을 내열, 내압용기를 이용해 160 ℃에서 3 시간 동안 반응시킨 뒤 생성된 백색 침전물을 용액으로부터 분리하고, 해당 침전물을 불활성 가스 상에서 600 ℃, 2 시간 동안 소결하여 NaTi2(PO4)3 나노입자를 제조한다.
제조된 NaTi2(PO4)3 나노입자와 탄소나노튜브를 고분자가 용해된 용액에 분산시켜 분산액을 제조하고(NaTi2(PO4)3 : MWCNT : PVB : NMP = 1 : 3 : 2 : 34 (wt%)), 이를 습식 방사 공정을 통해 중공사막 형태로 고정한다. 제조된 중공사막을 불활성 가스 상에서 열처리하여 NaTi2(PO4)3 - 탄소나노튜브 복합체 중공사막 전극을 완성한다.
제조된 복합체 중공사막 구조체는 60.28 m2/g 의 비표면적, 0.199 cm3/g 의 공극 부피, 24.01 nm 의 평균 공극 크기를 갖는 것으로 분석된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 이용한 수처리 공정 장치 및 장치 내 전극을 나타낸 사진이다.
제조예
2. 전극 투과형
축전식
탈염 공정을 위한
반응조의
제조 1
제조된 NASICON - 탄소나노튜브 복합체 중공사막 전극을 양이온 흡착 전극으로 사용하여, 양이온 흡착 전극 및 음이온 흡착 전극이 장착된 축전식 탈염 공정을 위한 반응조를 제작하며, 이는 도 4의 (a)에 나타내고 있다.
구체적으로, 아크릴 소재를 이용하여 내적 10 mL 의 원통형 용기를 제작하고, 용기의 상단 및 하단에 각각 양이온 흡착 전극 및 음이온 흡착 전극을 배치하며, 이때 양이온 흡착 전극의 길이는 5 cm, 음이온 흡착 전극의 길이는 5 cm × 6 이고, 두 전극 간 거리는 1 cm 이다.
제조예
3. 전극 투과형
축전식
탈염 공정을 위한
반응조의
제조 2
제조된 NASICON - 탄소나노튜브 복합체 중공사막 전극을 양이온 흡착 전극으로 사용하여, 양이온 흡착 전극 및 음이온 흡착 전극이 장착된 축전식 탈염 공정을 위한 반응조를 제작하며, 이는 도 4의 (b)에 나타내고 있다.
구체적으로, 아크릴 소재를 이용하여 내적 30 mL 의 용기를 제작하고, 용기의 상단 및 하단에 각각 양이온 흡착 전극 및 음이온 흡착 전극을 배치하고, 이때 양이온 흡착 전극의 길이는 4 cm × 5 이고, 음이온 흡착 전극의 길이는 4 cm × 10 이며, 두 전극 간 거리는 1 cm 이다.
실시예
1.
100, 200, 500, 1000 mg/L 농도의 NaCl 수용액 (pH = 7)을 제조한 다음, 시린지 펌프를 이용하여 반응조 외부로부터 40 mL/h 의 유속으로 흘러 넣는다. NaCl 수용액이 반응조 내부에 지속적으로 유입됨에 따라 발생한 압력을 통해 제조예 1에 따라 제조된 NASICON - 탄소나노튜브 복합체 중공사막 전극 내부로 용액이 투과하여 반응조 외부로 배출되고, 이를 수집한다. 양이온 흡착 전극과 음이온 흡착 전극을 전원 공급 장치에 연결하여, 1.3 V 의 전압을 인가한 상태에서 실험을 수행한다.
도 5는 본 발명의 일 비교예(탄소 단일 전극) 및 일 실시예의 수용액 내 양이온 흡착 특성 차이를 도식화하여 표현한 것이다.
비교예
비교예로 사용된 양이온 흡착 전극은 탄소나노튜브를 고분자가 용해된 용액에 분산시켜 분산액을 제조하고(MWCNT : PVB : NMP = 4 : 2 : 34 (wt%)), 이를 제조예 1에서 사용한 방법을 통해 중공사막 형태의 전극으로 제조한다. 제조된 전극은 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 장치 및 동일한 운영방식을 사용하여 실험을 수행한다.
시험예
1. 최대 흡착 용량 비교
도 6은 Na+ 흡착 용량에 대한 비교 결과를 나타낸 것이다.
실시예 1 및 비교예에 따른 전극 투과형 축전식 탈염 공정 반응조를 이용한 최대 양이온 흡착 용량을 비교하며, 비교 결과는 도 6과 같다.
실시예 1 및 비교예는 모두 15 분의 반응시간에서 샘플링하고, 샘플은 이온전도도 분석 센서를 사용하여 분석한다 (Labquest® 2, Vernier, USA).
실시예 1에서는 NASICON 세라믹 입자가 전기화학적 반응을 통해 Na+ 이온을 추가적으로 제거하기 때문에 1000 mg/L NaCl 수용액에서 122.4 mgNa/g 의 최대 흡착 용량을 보인 반면, 비교예에서는 상기한 전기화학적 반응이 없어 최대 흡착 용량 또한 75.4 mgNa/g 으로 실시예 1 대비 62 % 에 불과하다.
시험예
2. 이온 흡착 속도 비교
도 7은 Na+ 흡착 속도에 대한 비교 결과를 나타낸 것이다.
실시예 1 및 비교예에 따른 전극 투과형 축전식 탈염 공정 반응조를 이용한 이온 흡착 속도를 비교하며, 비교 결과는 도 7과 같다.
실시예 1 및 비교예는 모두 500 mg/L NaCl 용액에 대해 0, 1, 3, 6, 10, 15, 40 분의 반응시간에서 샘플링하고, 샘플은 이온전도도 분석 센서를 사용하여 분석한다 (Labquest® 2, Vernier, USA).
가동 결과, 실시예 1 및 비교예 모두 15 분에서 각각의 최대 양이온 흡착 용량을 달성할 수 있으며, 비교예의 이온 흡착 속도는 실시예 1의 62 % 임을 확인할 수 있다.
시험예
3.
Ca
2
+
존재 환경에서의 양이온 흡착 특성 비교
도 8은 Na+ 및 Ca2 + 복합 존재 수용액 내에서의 양이온 흡착 특성을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
실시예 1 및 비교예에 따른 전극 투과형 축전식 탈염 공정 반응조를 이용한 Ca2+ 존재 환경에서의 양이온 흡착 특성을 비교하며, 비교 결과는 도 8과 같다.
실시예 1 및 비교예는 모두 500 mg/L NaCl 용액에 CaCl2를 NaCl : CaCl2 = 100 : 0, 100 : 1, 100 : 5 (mol%) 의 비율로 첨가한 용액에 대해 15 분의 반응시간에서 샘플링하고, 샘플은 이온전도도 분석 센서(Labquest® 2, Vernier, USA) 및 Ca2+ 농도 분석 키트 (HS-Hardness, HUMAS, Korea)를 사용하여 분석한다.
가동 결과, 실시예 1에서는 NaCl : CaCl2 = 100 : 5 환경에서 NaCl : CaCl2 = 100 : 0 환경 대비 61 % 의 양이온 흡착 용량을 유지한 반면, 비교예의 경우에는 동일 조건에서 31 % 의 양이온 흡착 용량을 나타낸다.
이처럼 본 발명의 실시예들에 따르면, 본 발명에 따른 막 구조체는 탄소나노물질과 NASICON계 세라믹 입자가 서로 얽혀 형성된 3차원 망상 구조물로써, 전기전도성을 나타내며 높은 비표면적을 가지기 때문에 전기화학적 탈염 공정의 양이온 흡착 전극의 역할을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 막 구조체는 NASICON계 세라믹 입자를 통해 수용액 내에 존재하는 나트륨 이온을 선택적으로 흡수하며, 칼슘 등의 양이온이 존재하는 조건에서도 안정적으로 작동하는 특성을 가진다. 따라서, 종래 기술에 기반한 축전식 탈염 공정용 전극에 비해 확산에 의한 이온 흡착 특성 저하 문제 및 2가 이상의 양이온 우선 흡착에 따른 나트륨 이온 흡착 용량 저하 문제가 개선될 수 있으며, 다공성 구조를 갖기 때문에 전극 자체의 수투과성 및 이온 제거 성능이 우수하고, 전극 투과식 처리 공법의 적용을 통해 처리 전 용액과 처리 후 용액의 분리가 자동으로 이루어지기 때문에 산업상 유리하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (20)
- 탄소나노물질 및 NASICON(NA Super Ionic CONductor)계 세라믹 입자를 포함하는 평막 또는 중공사막 형태의 막 구조체로서,
상기 탄소나노물질 및 상기 NASICON계 세라믹 입자가 서로 얽힌 3차원 망상 구조체로 형성되는 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 막 구조체는,
상기 탄소나노물질이 서로 얽혀 탄소나노물질 구조물로 형성되고,
상기 NASICON계 세라믹 입자가 상기 탄소나노물질 구조물에 결합되는 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 막 구조체는,
수처리 과정에서 전기화학적 탈염 공정의 양이온 흡착 전극 및 막 여과공정의 분리막의 역할을 수행하는 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 막 구조체는,
축전식 탈염 공정용 막 구조체로서 전기장에 의한 물리적 이온 흡착과 전기화학 반응에 의한 화학적 이온 흡착을 수행하는 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 막 구조체는 비표면적이 20 m2/g 내지 400 m2/g 인 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 막 구조체는 크기가 1 nm 내지 100 nm인 다수 개의 기공을 갖는 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 막 구조체는 다수 개의 미세 기공과 메조 기공을 포함하고,
상기 미세 기공의 부피는 1.00×10-3 cm3/g 내지 50.00×10-3 cm3/g이고,
상기 메조 기공의 부피가 0.01 cm3/g 내지 0.50 cm3/g인 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 NASICON계 세라믹 입자는 Li, Na, P, O, F, Ca, Ti, Si, Zr, Eu, V, Zn, Fe, Mn, Ni, Co, Ge, Cr 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 NASICON계 세라믹 입자는 1 nm 내지 200 um 크기의 직경을 가지는 것
을 특징으로 하는 막 구조체. - 수처리 공정 장치에 있어서,
탄소나노물질 및 NASICON계 세라믹 입자로 구성된 평막 또는 중공사막 형태의 막 구조체를 축전식 탈염 공정의 양이온 흡착 전극으로 사용하고,
상기 양이온 흡착 전극이 음이온 흡착 전극과 서로 일정 간격으로 배치된 축전식 탈염 공정을 위한 반응조를 포함하는 것
을 특징으로 하는 수처리 공정 장치. - a) NASICON계 세라믹 입자를 제조하는 단계; 및
b) 상기 NASICON계 세라믹 입자가 탄소나노물질과 서로 얽힌 평막 또는 중공사막 형태의 막 구조체를 형성하는 단계
를 포함하는 막 구조체 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 b) 단계는,
습식 방사, 전기 방사, 닥터 블레이드 코팅, 침지-인상법 중에서 선택되는 1종 이상의 방법으로 수행되는 것
을 특징으로 하는 막 구조체 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 b) 단계는
상기 NASICON계 세라믹 입자와 상기 탄소나노물질을 유기용매 또는 수성용매에 분산하는 것
을 특징으로 하는 막 구조체 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 b) 단계는,
NASICON계 세라믹 물질, 탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 처리하여 상기 막 구조체를 고정되게 형성하는 것
을 특징으로 하는 막 구조체 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 막 구조체 제조 방법은,
c) 상기 막 구조체를 열처리하여 상기 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계
를 더 포함하는 막 구조체 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 고분자는 폴리비닐계, 폴리스티렌계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴계, 폴리아크릴로나이트릴계, 레이온계 또는 이들 고분자의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이용하는 것
을 특징으로 하는 막 구조체 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 c) 단계는,
열처리 공정에 의해 상기 탄소나노물질과 탄화된 상기 고분자가 결합되어 복합체를 형성하는 것
을 특징으로 하는 막 구조체 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이용하는 것
을 특징으로 하는 막 구조체 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 NASICON계 세라믹 입자는 Li, Na, P, O, F, Ca, Ti, Si, Zr, Eu, V, Zn, Fe, Mn, Ni, Co, Ge, Cr 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이용하는 것
을 특징으로 하는 막 구조체 제조 방법.
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