KR20210037343A - 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치 - Google Patents

탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20210037343A
KR20210037343A KR1020190119882A KR20190119882A KR20210037343A KR 20210037343 A KR20210037343 A KR 20210037343A KR 1020190119882 A KR1020190119882 A KR 1020190119882A KR 20190119882 A KR20190119882 A KR 20190119882A KR 20210037343 A KR20210037343 A KR 20210037343A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrodes
electrode
exchange membrane
desalination
present
Prior art date
Application number
KR1020190119882A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102268476B1 (ko
Inventor
윤제용
홍성필
김나영
김춘수
Original Assignee
서울대학교산학협력단
공주대학교 산학협력단
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, 공주대학교 산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020190119882A priority Critical patent/KR102268476B1/ko
Publication of KR20210037343A publication Critical patent/KR20210037343A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102268476B1 publication Critical patent/KR102268476B1/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

Abstract

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 서로 마주보는 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 상기 양이온 교환막의 일측에 배치되는 복수의 제 1 전극; 상기 음이온 교환막의 타측에 배치되는 복수의 제 2 전극; 및 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 사이에 배치되는 유로;를 포함한다.

Description

탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치{MULTI-CHANNEL MEMBRANE CAPACITIVE DEIONIZATION WITH ENHANCED DEIONIZATION PERFORMANCE}
본 발명은 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치에 관한 것이다.
세계는 현재 지구 온난화에 의한 가뭄 현상 심화, 지하수 고갈, 사막화 진행과, 인구 증가, 산업화에 의한 생활 및 산업 용수 사용 증가로 인하여 물의 자원으로서의 가치가 증대되고 있어, 해수의 담수화나 생활 및 산업 폐수의 재활용화 등이 새로운 이슈로 등장하고 있다. 또한 산업용 초순수의 제조에 대한 관심이 높아지고, 생활면에서는 먹고, 씻을 맑은 물의 수요가 증가함에 따라 고효율의 이온 제거 장치의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한, 경수(hard water)를 공업용수 및 생활용수로 사용할 경우 세제가 잘 풀리지 않을 뿐만 아니라 이가 양이온(Ca2+, Mg2+ 등)에 의한 스케일의 형성으로 공업적, 위생적 문제를 야기한다. 따라서 경수의 사용으로 인한 피해를 줄이기 위해서는 연수화 공정이 필수적이며, 이에 대한 기술력 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 수중에 존재하는 방사성 Cs+ 이온의 제거 및 Li+ 이온 등의 회수는 환경 및 공업 분양에서 중요하게 인식되고 있다
현재 이온물질을 제거하는 기술은 주로 증발법, 역삼투막법 및 이온교환수지법을 이용하고 있으며, 증발법과 역삼투막법은 높은 에너지 소비에 따른 운전비용 및 운전상의 문제점 등을 가지고 있고 가장 폭 넓게 사용하는 이온교환수지법은 재생할 때 산(Acid)이나 소금(NaCl)을 과량 사용하므로 2차 오염물질을 만드는 단점을 가지고 있다.
기존의 용존 이온 제거기술들이 가진 단점들을 보완하고 저 에너지 소비형의 새로운 이온 제거기술을 개발하고자 세계 여러 나라에서 연구들이 진행 중이며, 이러한 이온 제거기술에는 미국 LLNL, Sabrex of Texas 등에서 개발 중에 있는 전기 축전식 탈염(CDI: Capacitive Deionization) 기술이 있다.
전기 흡착식 이온 제거기술인 CDI기술은 다른 방법들에 비해 에너지 소비량이 적으며 기존의 이온 제거 기술에서와 달리 화학약품에 의한 세정이 필요 없어 2차 오염이 없는 환경 친화적인 새로운 이온 제거 기술이며 유지보수가 간편하다는 장점이 있어 차세대 용존 이온 제거기술로 연구가 활발히 진행되고 있다.
최초의 CDI 공정연구는 1960년대 미국 오클라호마 대학 연구진이 다공성 활성탄 전극을 사용하여 해수의 담수화 연구를 하였고 이후 Johnson 등은 활성탄소를 이용하여 CDI 실험을 수행한 바 있다. 그러나 핵심 요소인 전극의 성능저하로 인하여 지속적인 공정의 어려움으로 개발하지 못하였으나 미국의 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 90년대 중반에 탄소 에어로젤 전극을 이용한 CDI 공정을 개발하는 등의 연구가 진행되었고 그 밖에 활성 탄소 섬유, 탄소나노튜브 등을 전극 활물질로 사용한 CDI 공정 개발에 대한 연구도 진행된 바 있다.
CDI는 전기화학적 흡/탈착을 이용해 원수의 이온을 가역적으로 제거하는 기술이다. 본 공정은 전위가 인가될 때, 전극 표면의 이중 층 내에 이온을 저장시킴으로써, 원수 내 이온을 제거한다. 그러나 축전식 탈염 공정은 필연적으로 이온 흡착에 필요한 전하의 일부가 낭비된다. 왜냐하면, 전기 이중층이 형성될 때 전극 표면에 존재했던 동전하 이온들 (전극의 전위와 같은 전위를 띄는 이온)을 밀어 내는데 전력을 소모하기 때문이다. 이러한 한계를 극복하기 위해, Membrane capacitive deionization (MCDI) 시스템이 등장했다. MCDI는 이온교환막을 적용함으로써 '동전하 이온반발'을 완화시켜, 탈염 성능과 전하 효율을 비약적으로 향상시켰다.
양쪽 전극 앞에 위치한 이온 선택성 막들은 (cation exchange membrane on cathode and anion exchange membrane on anode) 동전하 이온에 소모되는 전하를 절약시켰다. MCDI 시스템은 저농도 운전, 정전류 운전과 에너지 회수 등 활발하게 개발되어 왔다.
MCDI에 적용되는 이온교환 물질의 개발은 두 가지 방향으로 진행되었다.
첫째로, 이온 교환막의 재료가 개발되었다. 이러한 이온 교환막 개발의 예로는 NaSS-MAA-MMA copolymer 를 양이온 교환막으로, 4-vinylbenzylchloride/ styrene/ ethylmethacrylate를 음이온 교환막으로 적용하였다. 또한, Cross-linked quaternised polyvinyl alcohol을 AEM으로 제안하여 약 2배의 탈염 용량 향상을 보였다. 이온교환막 외에, 전극에 코팅용 이온 교환 물질 적용을 통해 성능 향상을 보인 연구들도 보고되어 왔다.
둘째로, 이온 교환 물질을 전극에 코팅하는 방향으로 개발되었다. 이러한 이온 교환물질을 전극에 코팅하는 방법의 개발예로는 양이온교환 수지로써, Polyvinyl alcohol/sulfosuccinic acid를 음전극에 입혀 탈염 성능을 비약적으로 향상시켰다. 또한, 황산, 아민처리가 이루어진 bromomethylated poly(2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide) (BPPO)를 양/음 전극에 분사함으로써 이온교환 물질 코팅을 간편하게 성공시켰다. Nie 등은 electrodeposition 법으로 전극에 양이온 교환 수지로써 polyacrylic acid를 직접 전극에 코팅하여 좋은 regeneration ability(30 cycle)를 달성하였다.
이처럼 탄소 전극을 이용할 경우 넓은 표면적을 가지고 있어, 수용액 상에서 상대적으로 안정적인 용량 특성에서 우수한 장점이 있기는 하나, 탄소 자체의 저항이 적지 않으며, 표면 특성이 소수성이므로 물과 친하지 않다는 단점이 있으며, 탈염되는 속도면에서도 다소 느린 경향이 있다.
따라서, 탈염이 효율적으로 이루어지면서도 우수한 속도 특성을 갖는 탈염 공정의 개발이 요구되었다.
특허문헌 1: 대한민국등록특허 제1237258호 특허문헌 2: 대한민국등록특허 제1410642호 특허문헌 3: 대한민국공개특허 제2012-0058228호
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 축전식 탈염 공정에서 탈염 용량을 향상시킬 수 있는 축전식 탈염 장치를 제공하는 데 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 서로 마주보는 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 상기 양이온 교환막의 일측에 배치되는 복수의 제 1 전극; 상기 음이온 교환막의 타측에 배치되는 복수의 제 2 전극; 및 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 사이에 배치되는 유로;를 포함한다.
또한, 상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극의 개수는 동일할 수 있다.
또한, 복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극의 수는 각각 2개 내지 10개 일 수 있다.
또한, 상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극은 전해액에 접촉될 수 있다.
또한, 상기 복수의 제 1 전극에 접촉되는 전해액 및 상기 복수의 제 2 전극에 접촉되는 전해액은 서로 유동될 수 있다.
본 발명에 따른 축전식 탈염 장치는 복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극을 통해 축전식 탈염 공정에서 탈염 용량을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 도시한 예시도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에서의 이온 제거 기작을 도시한 예시도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이고,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염장치에서의 이온 제거 기작을 도시한 예시도이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따라 반복되는 흡탈착에 따른 농도변화 곡선을 나타낸 것으로, 전해액에서의 산화환원 반응 물질의 농도 변화에 따른 결과를 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에서 전해액에서의 산화환원 반응 물질의 농도에 따른 탈염 성능을 나타낸 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치를 통한 탈염 및 재생 공정 중 처리수의 pH 변화를 나타낸 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따른 순환 전압 전류법 측정 결과를 나타낸 그래프이고,
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 산화환원 반응 물질을 이용하여 지속적인 탈염공정을 관찰한 결과를 나타낸 그래프이고,
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극 쌍의 수의 변화에 따른 유출수의 농도 변화를 나타낸 그래프이고,
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극 쌍의 수의 변화에 따른 처리수의 pH 변화를 나타낸 그래프이고,
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극 쌍의 수의 변화에 따른 탈염 양(SAC), 전극 무게 당 탈염 양 및 전하 효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화
되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
한편, 본 명세서 전체에서 사용되는 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 더 분리될 수 있다.
이하, 본 명세서의 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 도시한 예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에서의 이온 제거 기작을 도시한 예시도이다.
본 발명의 실시예 1는 축전식 탈염 장치에서 전극 측에 흐르는 전해 용액에 산화 환원 반응 물질을 포함시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치는 해수, 염수 또는 폐수가 유입되고, 처리된 처리수(10)가 배출되는 경로를 제공하는 중심 유로(11), 상기 중심 유로(11)의 일측에 배치된 양이온 교환막(21), 상기 중심 유로(11)의 타측에 배치된 음이온 교환막(22), 상기 양이온 교환막(21) 일측에 배치된 제 1 유로(31), 상기 음이온 교환막(22) 타측에 배치된 제 2 유로(32), 상기 제 1 유로(31) 및 상기 제 2 유로(32) 내에 각각 배치된 한 쌍의 전극(41, 42) 및 상기 제 2 유로(32) 내에서 유동하며, 산화환원 반응 물질을 포함하는 전해액(30)을 포함한다.
중심 유로(11)는 해수, 염수 또는 폐수가 유입될 수 있으며 처리된 처리수(10)를 배출하는 경로를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 해수, 염수 또는 폐수는 탈염이 가능한 양이온과 음이온을 포함할 수 있다.
중심 유로(11)의 일측에는 양이온 교환막(21)이 배치되고, 타측에는 음이온 교환막(22)이 배치되어, 해수, 염수 또는 폐수 내의 양이온과 음이온이 교환될 수 있다.
여기서, 이온 교환막(21, 22) 및 전극(41, 42)는 종래 축전식 전극(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용 가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
양이온 교환막(21) 및 음이온 교환막(22)은 미세공 절연 분리막이고, 이온교환(전도)막일 수 있다. 양이온 교환막(21) 및 음이온 교환막(22)은 전기물리적 분리를 위해 설치되는 것으로 미세공 절연 분리막(separator)은 이온 이동만이 가능하고, 이온교환(전도)막은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있다.
전극(41, 42)는 양이온 교환막(21)에 인접하게 배치된 제 1 전극(41) 및 음이온 교환막(22)에 인접하게 배치된 제 2 전극(42)을 포함할 수 있다.
한편, 전극(41, 42)에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(capacitance)에 따라 결정되기 때문에 본 발명에서는 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(carbon electrode)이 사용될 수 있다.
제 1 전극(41)은 양이온 교환막(21)의 일측에 배치된 제 1 유로(31) 내에 배치되고, 제 2 전극(42)은 음이온 교환막(22)의 타측에 배치된 제 2 유로(32) 내에 배치될 수 있다.
여기서, 제 1 전극(41)은 양이온 교환막(21)과 이격되어 배치될 수 있고, 제 2 전극(42)은 음이온 교환막(22)과 이격되어 배치될 수 있다.
여기서, 도시하지 않았지만, 제 1 전극(41)에는 음전극 활물질이 코팅되어 있고, 제 2 전극(42)에는 양전극 활물질이 코팅되어 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염장치에서의 이온 제거 기작을 도시한 예시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 유로(31)에는 복수의 제 1 전극(141)이 배치되고, 제 2 유로(32)에는 복수의 제 2 전극(142)이 배치된다.
예를 들면, 양이온 교환막(21)의 일측에는 복수의 제 1 전극(141a, 141b, 141c 및 141d)이 배치되고, 음이온 교환막(22)의 타측에는 복수의 제 2 전극(142a, 142b, 142c 및 142d)이 배치된다.
한편, 도 3에 따르면 제 1 전극(141) 및 제 2 전극(142)의 수는 각각 4개로 도시되어 있지만 그 수를 4개로 한정하는 것은 아니며, 각각 5개 이상의 전극으로 제공될 수 있다.
이 때, 제 1 전극(141a 내지 141d)과 제 2 전극(142a 내지 142d)은 서로 같은 수로 제공될 수 있다.
예를 들어 제 1 전극(141a 내지 141d)의 개수가 제 2 전극(142a 내지 142d)의 개수보다 많을 경우 제 1 전극(141a 내지 141d)은 제 2 전극(142a 내지 142d)에 비해 짧은 시간 안에 흡착 용량이 포화되어 더 이상 이온을 흡착할 수 없게 된다.
흡착 용량이 포화되면 전극에 붙은 이온을 떨어트리는 탈착 과정을 진행해야 하므로, 제 1 전극(141a 내지 141d)과 제 2 전극(142a 내지 142d)은 비슷한 시기에 포화되는 것이 바람직하다. 따라서 양 전극은 포화 시기의 차이를 줄이기 위해 같은 수로 제공되는 것이 바람직하다.
하지만, 실시예에 따라서는 양 전극의 개수 차이를 다르게 하는 것 역시 가능하다.
전극(141, 142)에는 집전체(43)가 포함될 수 있다. 집전체(43)는 활물질의 전기화학반응에 의해 생성된 전자를 회수하거나 전기화학반응에 필요한 전자를 공급하여 탈염 성능을 향상시킨다.
제 1 유로(31) 및 제 2 유로(32)는 상호 연통되는 것이 바람직하며, 제 1 유로(31) 측으로 유입된 전해액(30)은 제 1 전극(41) 및 제 2 전극(42) 측을 거쳐 제 2 유로(32)측으로 배출될 수 있다.
전해액(30)은 산화환원 반응 물질을 포함할 수 있다.
여기서, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 페로시안 화합물(Ferro cyanide)을 포함할 수 있다.
일 예에서, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 Na4Fe(CN)6으로 선택될 수 있다.
한편, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 다음의 [반응식]과 같이 산화 환원 반응할 수 있다.
[반응식]
Figure pat00001
도 2 및 도 4를 참조하면, 양이온 교환막(21)은 양이온을 선택적으로 투과하고, 음이온 교환막(22)은 음이온을 선택적으로 투과할 수 있다.
또한, 외부로부터 공급되는 발생한 전위차, 예를 들어 0.6~1.2v 범위의 전위차가 제 1 전극(41)과 제 2 전극(42)에 인가되면, 전극에는 일정한 전하량이 하전된다.
하전된 전극(41, 42)에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극(41, 42)으로 이동하여 전극(41, 42) 표면에 흡착되고, 전극(41, 42)을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(pure water)(처리수)(40)가 된다.
또한, 전극(41, 42)이 배치된 제 1 유로(31) 및 제 2 유로(32) 내에는 전해액(30)이 흐르게 되며, 전해액(30)의 산화환원 반응 물질은 전극에 인가된 전압으로 인해 산화환원 반응을 수행하게 되고, 이 때 전해액의 전하 균형을 맞추기 위해 양이온 또는 음이온이 양이온 교환막(21)과 음이온 교한막(22)를 통해 전해액(30)으로 유입되어 중심 유로(11)의 탈염 성능을 높일 수 있다.
예컨대, 제 1 유로(31) 내의 산화환원 반응 물질은 제 1 전극(41)에 인가된 - 전압으로 인해 환원반응을 수행할 수 있고, 제 2 유로(32) 내의 산화환원 반응 물질은 제 2 전극(42)에 인가된 + 전압으로 인해 산화반응을 수행할 수 있다
즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치는 전극의 용량(Capacitive)에 따른 이온 처리 기작과 산화환원 반응(Redox Couple)을 통한 전자전달반응에 따른 이온 처리 기작을 동시에 활용할 수 있어, 탈염 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 탈착 과정을 설명하면, 전극(41, 42)의 흡착 용량이 포화되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수로 나오게 된다. 전극(41, 42)에 흡착된 이온들을 탈착시켜 전극을 재생하기 위해 전극(41, 42)들을 쇼트(short) 시키거나 흡착 전위와 반대 전위를 인가한다. 이 경우 전극들은 전하를 잃거나 반대 전하를 갖게 되어 흡착된 이온들을 빠르게 탈착시켜 전극의 재생이 이루어지게 된다.
<본 발명의 실시예 1에 따른 측정 결과>
이하에서는 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따른 탈염 성능을 비교예와 비교하여 설명한다.
비교예
비교예는 전극 측 유로에 흐르는 전해액에서 산화환원 반응 물질을 Na4Fe(CN)6 로 선택하고, 산화환원 반응 물질의 농도를 0 mM로 설정하였다.
산화환원 반응 물질의 농도 변화에 따른 실시예
실시예 1에서는 전극 측 유로에 흐르는 전해액에서 산화환원 반응 물질을 Na4Fe(CN)6 로 선택하고, 산화환원 반응 물질의 농도를 아래의 [표 1]과 같이 설정하였다.

실시예 1-1
실시예 1-2
실시예 1-3
실시예 1-4

농도
10 mM
30 mM
50 mM
100 mM
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따라 반복되는 흡탈착에 따른 농도변화 곡선을 나타낸 것으로, 전해액에서의 산화환원 반응 물질의 농도 변화에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 제 1 유로 및 제 2 유로에 흐르는 전해액에서 산화환원 반응 물질의 농도가 증가할수록 중심 유로를 통해 배출되는 처리수의 농도가 감소함을 확인할 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 전해액에서 산화환원 반응 물질의 농도가 증가할수록 배출되는 처리수의 농도가 감소하나 산화환원 반응 물질의 농도가 50 mM를 초과하는 경우에는 배출되는 처리수 농도의 감소량이 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 처리수 10 mM 축전식 탈염 장치에서는 전해액에서 산화환원 반응 물질의 농도가 0 mM 초과 50 mM 이하인 것이 바람직하며, 처리수의 농도가 증가할 경우 (>10 mM), 산화환원 반응 물질의 농도가 더 높은 것이 바람직할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에서 전해액에서의 산화환원 반응 물질의 농도에 따른 탈염 성능을 나타낸 그래프이다.
여기서, Salt adsorption Capcitiy (SAC)는 탈염 성능을 나타내고, Charge efficiency는 전하 효율로 전기에너지 효율을 나타내고, Capacitiy는 전극의 저장용량을 나타낸다.
우선, 탈염 성능과 전극의 저장용량을 살펴보면, 비교예에 비해 실시예 1-1 내지 1-4의 탈염 성능(SAC)이 월등히 증감함을 확인할 수 있다.
여기서, 탈염 성능은 전해액에서 산화환원 반응 물질의 농도가 50mM인 경우, 임계 성능에 유사하게 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 전하 효율을 살펴보면, 비교예 및 실시예 1-1 내지 1-4의 모든 조건에서 전하 효율이 감소하지 않고 높은 효율을 유지함을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치를 통한 탈염 및 재생 공정 중 처리수의 pH 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, H+와 OH-에 의한 pH 변화를 측정하기 위한 것으로, 처리수의 pH를 측정하여 나타낸 그래프이다. 일반적으로 pH는 전극에 전기적인 힘을 인가하였을 때 셀 내에서 용액 내 이온들의 흡/탈착 반응 또는 어느 화학종에 의한 산화/환원 반응을 확인할 수 있는 지표로서, 이상적인 축전식 탈염용 전극은 전자에 선호적이어야 한다.
전반적으로 약간의 산성을 띄었으며, 효율이 상당히 높은 실시예와 비교예는 pH에 대한 변화의 폭이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. pH의 변화 폭은 약 ±0.1로 상당히 편차가 상당히 낮았으며, 전극에 인가된 힘이 이온들의 흡/탈착 반응에 더 우호적이었음을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 탈염 장치에 따른 순환 전압 전류법 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서, 물질과 전극에 따라 각기 다른 전위에서 산화와 환원이 일어나기 때문에 순환전압전류도(cyclic voltammogram, CV)에 나타나는 특징적인 전위로부터 정성분석이 가능하며, 이 때의 전류 크기로부터 정량 분석 도한 가능하다.
순환전압전류법은 분석물질의 전기화학적인 산화환원 거동을 보여주고, 전기 용량(Capacitance)은 순환전압전류도 면적에 비례하므로, 이를 통해 전극에서의 전기 용량을 확인할 수 있다.
즉, 도 8을 참조하면, 전해액에 산화환원 반응 물질을 포함시키면, 전기 용량이 증가함을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 산화환원 반응 물질을 이용하여 지속적인 탈염공정을 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
전해액(30)내의 산화환원 반응물질이 지속적으로 처리수의 탈염을 가능케 하는 것을 알 수 있으며, 저 농도의 처리수 (10 mM) 뿐만 아니라, 해수 (600 mM)까지도 탈염이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 산화환원 반응 물질은 제 1 전극(41)에서 인가된 - 전압으로 인해 환원반응을 지속적으로 수행할 수 있고, 제 2 전극 (42)에 인가된 + 전압으로 인해 산화반응을 지속적으로 수행할 수 있어, 지속적인 탈염이 가능하다.
<본 발명의 실시예 2에 따른 측정 결과>
이하에서는 도 10 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치의 탈염 성능을 비교예와 함께 비교하여 설명한다.
비교예
비교예는 제 1 전극 및 제 2 전극의 수를 각각 1개로 설정하였다.
실시예 2
실시예 2에서는 제 1 전극(141) 및 제 2 전극(142)의 수를 각각 2개 내지 4개로 설정하였다.
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수의 변화에 따른 처리수의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수를 증가시킬수록 중심 유로(11)를 통해 배출되는 처리수(10)의 농도가 감소함을 확인할 수 있다. 따라서, 전극(141, 142)의 수를 증가시킬수록 축전식 탈염 장치의 탈염 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수의 변화에 따른 처리수(10)의 pH 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 처리수(10)는 전반적으로 약산성을 나타냈으나, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수가 증가하더라도 pH의 변화 폭은 약 ±0.3으로 상당히 편차가 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수를 증가시키더라도 전하 효율이 높고, 부 반응이 적은 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 탈염 장치에서, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수의 변화에 따른 탈염 양(SAC), 전극 무게 당 탈염 양 및 전하 효율을 나타낸 그래프이다.
Salt adsorption Capacity (SAC)는 탈염 양을 나타내고, Charge efficiency는 전하 효율로 전기에너지 효율을 나타내며, Specific SAC는 전극 무게 당 탈염 양을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수가 증가할수록 총 탈염 양 (Salt adsorption Capacity, SAC)는 증가한다. 하지만 전극 무게 당 탈염 양 (Specific SAC)은 감소하는 것으로 나타난다.
즉, 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수의 증가로 인한 탈염 장치의 제작 비용의 증가를 고려하면 본 발명의 탈염 장치에 사용되는 전극의 수를 적절히 조절하는 것이 바람직하며, 전극(141, 142) 쌍의 수는 2쌍 내지 10쌍인 것이 가장 바람직하다.
하지만, 실시예에 따라서는 11쌍 이상으로 제공되는 것 역시 가능하다.
이때, 제 1 전극 및 제 2 전극이 서로 같은 개수로 제공되지 않을 경우, 각각의 전극의 수는 2개 내지 10개인 것이 바람직하다.
하지만, 실시예에 따라서는 11개 이상으로 제공되는 것 역시 가능하다.
한편, 전하 효율의 경우 전극(141a 내지 141d, 142a 내지 142d) 쌍의 수를 증가시키더라도 전하 효율이 감소하지 않고 높은 효율을 유지함을 확인할 수 있다. 이를 통해 전극 쌍의 수가 증가하더라도 효율이 유지될 것이라 생각되며 시간당 더 많은 탈염이 가능하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 명백할 것이다.
10: 처리수 11: 중심 유로
21: 양이온 교환막 22: 음이온 교환막
30: 전해액 31: 제 1 유로
32: 제 2 유로 41: 제 1 전극
42: 제 2 전극 43: 집전체
141 a, b, c, d: 제 1 전극 142 a, b, c, d: 제 2 전극

Claims (5)

  1. 서로 마주보는 양이온 교환막 및 음이온 교환막;
    상기 양이온 교환막의 일측에 배치되는 복수의 제 1 전극;
    상기 음이온 교환막의 타측에 배치되는 복수의 제 2 전극; 및
    상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 사이에 배치되는 유로;를 포함하는 충전식 탈염 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극의 개수는 동일한 축전식 탈염 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극의 수는 각각 2개 내지 10개인 축전식 탈염 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 전극 및 상기 복수의 제 2 전극은 전해액에 접촉되는 축전식 탈염 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 전극에 접촉되는 전해액 및 상기 복수의 제 2 전극에 접촉되는 전해액은 서로 유동되는 축전식 탈염 장치.
KR1020190119882A 2019-09-27 2019-09-27 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치 KR102268476B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190119882A KR102268476B1 (ko) 2019-09-27 2019-09-27 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190119882A KR102268476B1 (ko) 2019-09-27 2019-09-27 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210037343A true KR20210037343A (ko) 2021-04-06
KR102268476B1 KR102268476B1 (ko) 2021-06-23

Family

ID=75472970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190119882A KR102268476B1 (ko) 2019-09-27 2019-09-27 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102268476B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102591796B1 (ko) * 2021-09-14 2023-10-20 한국해양대학교 산학협력단 이온 드라이브를 이용한 축전식 해수 담수화 시스템 및 방법
KR102600649B1 (ko) * 2021-12-28 2023-11-09 공주대학교 산학협력단 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소제거 장치, 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈 및 그의 제조방법
KR102624823B1 (ko) * 2021-12-28 2024-01-16 공주대학교 산학협력단 레독스 기반의 전기화학적 다중채널 막을 포함한 삼중수소 제거 및 농축장치 및 그를 기반으로 한 다중채널 막 스택형 모듈

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100973669B1 (ko) * 2009-11-27 2010-08-04 제이에이건설주식회사 축전 탈이온화 방식을 이용한 간이 상수도의 정수 처리 시스템
KR20120058228A (ko) 2010-11-29 2012-06-07 광주과학기술원 축전식 탈염전극용 탄소복합체 및 이의 제조방법
KR101237258B1 (ko) 2012-06-08 2013-02-27 (주) 시온텍 이온선택성 축전식 탈염 전극 및 이를 포함하는 ｃｄｉ 전극 모듈
KR101410642B1 (ko) 2014-02-20 2014-06-24 (주) 시온텍 축전식 탈염전극 제조방법, 이로부터 제조된 탈염전극 및 이를 포함하는 cdi 모듈
KR20160038296A (ko) * 2014-09-30 2016-04-07 한국에너지기술연구원 교차흐름을 이용한 흐름전극장치와 이를 이용한 축전식 탈염장치
KR101944954B1 (ko) * 2014-05-15 2019-04-17 서울대학교산학협력단 은 전극을 포함하는 탈염 및 살균 시스템, 및 이를 이용한 염수의 탈염 및 살균 방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100973669B1 (ko) * 2009-11-27 2010-08-04 제이에이건설주식회사 축전 탈이온화 방식을 이용한 간이 상수도의 정수 처리 시스템
KR20120058228A (ko) 2010-11-29 2012-06-07 광주과학기술원 축전식 탈염전극용 탄소복합체 및 이의 제조방법
KR101237258B1 (ko) 2012-06-08 2013-02-27 (주) 시온텍 이온선택성 축전식 탈염 전극 및 이를 포함하는 ｃｄｉ 전극 모듈
KR101410642B1 (ko) 2014-02-20 2014-06-24 (주) 시온텍 축전식 탈염전극 제조방법, 이로부터 제조된 탈염전극 및 이를 포함하는 cdi 모듈
KR101944954B1 (ko) * 2014-05-15 2019-04-17 서울대학교산학협력단 은 전극을 포함하는 탈염 및 살균 시스템, 및 이를 이용한 염수의 탈염 및 살균 방법
KR20160038296A (ko) * 2014-09-30 2016-04-07 한국에너지기술연구원 교차흐름을 이용한 흐름전극장치와 이를 이용한 축전식 탈염장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Choonsoo Kim 외 4명, Semi-continuous capacitive deionization using multi-channel flow stream and ion exchange membranes, Desalination, Volume 425, 1 January 2018, Pages 104-110, 2017.10.18 *
Nayeong Kim외 4명, High-Desalination Performance via Redox Couple Reaction in the Multichannel Capacitive Deionization System, ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 16182-16189, 2019.09.04 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102268476B1 (ko) 2021-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20110042205A1 (en) Capacitive deionization device
KR102268476B1 (ko) 탈염 성능이 증가한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염 장치
Andres et al. A capacitive deionization system with high energy recovery and effective re-use
KR102093443B1 (ko) 전기 흡착 탈이온 장치 및 이를 사용한 유체 처리 방법
JP6006493B2 (ja) スーパーキャパシタ及びその製造方法
KR101004707B1 (ko) 이온제거용 축전식 전극 및 그를 이용한 전해셀
JP2011140018A (ja) 脱イオン装置
CN103936116A (zh) 一种用于电吸附水中重金属离子的二氧化锰/碳复合电极及电吸附方法
Gao et al. Electrical double layer ion transport with cell voltage-pulse potential coupling circuit for separating dilute lead ions from wastewater
CN104495991A (zh) 一种基于流动式电极的高效膜电容去离子阵列
KR101526246B1 (ko) 수처리용 복합전극 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 수 처리장치
KR101343334B1 (ko) 패턴화 된 채널이 형성된 활성탄 전극을 갖는 축전 탈이온화용 전기화학셀 및 이의 제조방법
KR102180564B1 (ko) 산화환원 짝반응 물질을 도입한 다중 채널 막 결합형 축전식 탈염장치
KR102040394B1 (ko) 축전식 탈염 장치
KR20190073332A (ko) 에너지를 절약하기 위한 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법
KR101944954B1 (ko) 은 전극을 포함하는 탈염 및 살균 시스템, 및 이를 이용한 염수의 탈염 및 살균 방법
KR101929855B1 (ko) 축전식 탈염장치 및 축전식 탈염 모듈
KR101992312B1 (ko) 에너지를 절약하기 위한 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법
KR20150003094A (ko) 흐름전극 축전식 탈염 장치
CN204400676U (zh) 一种基于流动式电极的高效膜电容去离子装置
KR102517536B1 (ko) 탈염 장치
KR20150007070A (ko) 축전식 전기탈염용 단위셀 및 이의 제조방법
KR100979028B1 (ko) 폐수 또는 염수의 축전 탈이온화용 분리막 및 이를 이용한폐수 또는 염수의 이온제거방법
Volfkovich Capacitive deionization of water
KR20110080393A (ko) 전기 흡착 탈이온 장치용 전극의 제조방법, 전기 흡착 탈이온 장치용 전극 및 상기 전극을 구비하는 전기 흡착 탈이온 장치

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant