KR20220012643A - 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법 - Google Patents

흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 슬러리 탄소 전극 제조방법은 슬러리 탄소 전극에 사용되는 고가의 메조기공 탄소를 최적화된 비율로 슬러리를 제조하여 우수한 탈염 효율을 나타냄과 동시에 경제성을 확보할 수 있다.

Description

흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법 {Manufacturing Method of Slurry Carbon Electrode for Flow Electrode-based Capacitive desalination}
본 발명은 탈염 전극 제조방법에 관한 것으로, 특히 상세하게는 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법에 관한 것이다.
최근 세계 각국은 대기환경 오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위해 청정 대체 에너지 개발과 함께 에너지 저장기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 다양한 대체 에너지를 통해 생성된 전기에너지를 저장할 수 있는 대용량의 전력저장장치에서부터 각종 모바일 기기 또는 대기오염 개선을 위한 미래 전기자동차 등에 필요한 소형 고출력 전력저장장치에 이르기까지 전기 에너지 저장은 미래 녹색 산업기반의 핵심으로 대두되고 있다. 최근에는 수질오염 및 물부족에 대비한 정수 또는 폐수처리, 해수담수화와 같은 수처리 분야에서도 이와 동일한 원리를 이용하여 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능한 공정인 축전식 탈염(Capacitive Deionization: CDI) 공정개발이 진행 중이다.
고용량 커패시터(supercapacitor)는 기존의 콘덴서와 비교하여 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특징을 갖는 에너지 저장장치이다. 급속 충방전, 반영구적인 사이클 수명, 2차전지보다 100배 이상의 고출력인 장점뿐만 아니라 폭발성이 없기 때문에 이차전지의 병용 및 대체할 수 있는 에너지 저장장치로 각광을 받고 있다. 고용량 커패시터는 이온의 층간 삽입/탈리 반응에 기초한 이차전지(secondary ion battery)와는 달리 다공성 전극 표면에서 전해질 이온종의 흡탈착(전극/전해질 계면에서 생성되는 전기이중층)에 의한 충방전 현상을 이용한다.
이온종의 흡탈착현상을 이용하는 고용량커패시터는 동일한 시스템 내에서 해수나 오염수내의 이온을 제거하는 축전식 탈염(capacitive deionization) 장치로 적용이 가능하다. 하지만, 고용량커패시터 및 축전식 수처리 장치의 경우금속 집전체위에 고정된 다공성 탄소 전극(고정전극)의 제한된 이온의 흡탈착 용량 때문에 독립전원으로 응용으로 한계가 있다. 이러한 고정전극의 한계를 극복하기 위하여 흐름전극기반의 전기화학 흐름 커패시터(electrochemical flow capacitor) 및 흐름전극기반 축전식 탈염(flow-electrode capacitive deionization) 기술이 최근에 제안되었다.
흐름전극 에너지 변환 기술은 전극 입자를 전해질에 분산시켜 슬러리 전극으로 만들고 단위 셀 집전체 유로에 흘려보냄으로써 단위 셀 당(단위 셀 적층이 필요하지 않음) 에너지 저장용량 및 이온제거 용량을 슬러리 전극의 양에 비례하여 연속적으로 무한히 늘릴 수 있다. 전기화학 흐름 커패시터(electrochemical flow capacitor, EFC)는 외부 전원에 의해 분리막을 사이에 둔 양측 흐름전극 간의 이온이동 및 저장이 발생하고 이를 통해 에너지를 저장하는 개념으로, 외부전원에 의해 분리막을 사이의 염수의 이온이 양측 흐름전극으로 이동하여 탈염이 되는 흐름전극을 이용한 축전식 탈염(Flow electrode Capacitive Deionization: FCDI)와 비슷한 개념을 갖고 있다. 특히, 상기 FCDI는 흡착된 이온을 별도의 용기에 저장하여 에너지를 저장할 수 있기 때문에 탈염뿐만 아니라 에너지 저장 분야에 활용 가능한 기술로 평가되고 있다.
대한민국 공개특허 2015-0019712호는 축전식 탈염 전극 및 그 제조방법을 개시한다. 대한민국 등록특허 1621270호는 특정이온 선택성 축전식 탈염 복합탄소전극의 제조방법을 개시한다. 그러나 기존 흐름전극기반의 축전식 탈염 기술은 고성능 및 고효율 에너지 시스템 구현을 위한 탄소 전극 재료의 가공에 관련된 기술이다. 축전식 탈염의 핵심소재는 슬러리 탄소 전극이며, 슬러리 탄소전극은 메조기공탄소를 증류수에 분산시켜 제조한다. 이러한 메조기공탄소는 매우 고가의 소재이기 때문에 흐름전극기반 축전식 탈염 기술의 탄소전극은 최적의 슬러리 조성 도출이 필요하다.
대한민국 공개특허 2015-0019712호 대한민국 등록특허 1621270호
본 발명은 축전식 탈염 슬러리 탄소 전극에 사용되는 탄소전극과 증류수의 무게 중량비를 최적화할 수 있는 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극을 제조하는 방법으로, 상기 방법은: 집전체와 음이온교환막을 포함하는 양극유로를 준비하는 단계;상기 양극유로의 집전체와 전기적으로 분리된 집전체 및 양이온교환막을 포함하는 음극유로를 준비하는 단계; 상기 양극유로의 음이온교환막과 상기 음극유로의 양이온교환막 사이에 스페이서 물질로 패킹된 염수 흐름유로를 형성하도록 상기 양극유로 및 상기 음극유로를 배열하는 단계; 활성탄 및 증류수 슬러리를 교반하여 분산시키는 단계; 및 상기 양극유로 및 상기 음극유로에 상기 슬러리를 미리 정한 유속으로 공급하여 전기화학셀의 흐름전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 활성탄은 증류수 중량 대비 0.01 내지 0.3 중량부로 혼합되는, 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 활성탄의 비표면적은 1 내지 2,000㎡/g 인, 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 활성탄은 증류수 중량 대비 0.07 내지 0.1 중량부로 혼합되는, 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 미리 정한 유속은 1 내지 500 ml/min 인, 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법을 제공한다.본 발명은 또한, 상기 흐름전극을 형성하는 단계는 양극 및 상기 음극유로에 공급된 흐름전극은 양극 및 음극 유로를 통과하여 공급부로 유입되면 다시 양극 및 음극 유로로 공급되는, 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 흐름전극은 상기 슬러리 10 내지 1000g 이 순환되는, 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명의 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법은 슬러리 탄소 전극에 사용되는 고가의 메조기공 탄소 재료를 최적화된 비율로 슬러리 전극을 제조하여 우수한 탈염 효율을 나타냄과 동시에 경제성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 흐름전극 전기화학셀의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 흐름전극기반 축전식 탈염 장치 구성도이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따른 NaCl염농도에 따른 이온전도도 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 활성탄 중량비에 따른 인가전압 1.2V에서 탈염 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 한 구현예에 따른 슬러리 전극의 활성탄 중량비에 따른 임피던스 데이터, 저항값 결과 및 등가회로도이다. (a) 전기화학 임피던스 데이터 (기호) 및 등가회로 fitting (실선) 결과, (b) 고주파 영역에서의 전기화학 임피던스 데이터 (기호) 및 등가회로 fitting (실선) 결과, (c) 등가회로를 이용하여 계산한 저항값 결과, (d) fitting에 사용된 등가회로.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 상기 방법은 집전체와 음이온교환막을 포함하는 양극유로를 준비하는 단계; 상기 양극유로의 집전체와 전기적으로 분리된 집전체 및 양이온교환막을 포함하는 음극유로를 준비하는 단계; 상기 양극유로의 음이온교환막과 상기 음극유로의 양이온교환막 사이에 스페이서 물질로 패킹된 염수 흐름유로를 형성하도록 상기 양극유로 및 상기 음극유로를 배열하는 단계; 활성탄 및 증류수 슬러리를 교반하여 분산시키는 단계; 및 상기 양극유로 및 상기 음극유로에 상기 슬러리를 미리 정한 유속으로 공급하여 전기화학셀의 흐름전극을 형성하는 단계를 포함한다. 도 1은 본 발명의 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법으로 제조한 슬러리 탄소 전극이 사용되는 전기화학셀의 모식도이다. 본 발명의 흐름 슬러리 전극(10)은 음극에서 상기 음극유로(12)를 통과하여 양이온을 흡착하는 흐름전극과 양극에서 상기 양극유로(11)를 통과하여 음이온을 흡착하는 흐름전극이다.
본 발명의 축전식 탈염이란 전기이중층(Electric double layer)에 기초하여 흐름전극을 사용하여 전기적으로 이온을 흡착시키는 것으로, 전극에 1 내지 2.5V 범위의 전압을 걸어주고 그 사이로 이온이 함유된 유동액을 흘려주면 양이온은 음극에 음이온은 양극에 흡착되어 이온을 제거하는 원리이다. 열역학적으로 1.23V에서 물분해반응이 일어나지만, 과전압 때문에 물분해 전압보다 더 높은 전압에서 탈염반응이 수행되기도 한다. 포화된 전극은 반대 전하를 가하거나 전극을 연결시켜 주어 이온을 탈착시켜 전극을 쉽게 재생할 수 있다. 본 발명의 상기 흐름전극은 양극유로(11) 및 음극유로(12)를 흐르는 전극 활물질이 포함된 슬러리 전극(10)이 흐르는 전극이다. 상기 양극유로(11)는 전극 집전체(20)와 양극 분리막으로, 상기 음극 유로는 전극 집전체(20)와 음극 분리막으로 각각 형성되며, 각 물질은 종래 흐름전극장치(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다. 상기 양극유로(11) 및 상기 음극유로(12)의 폭은 종래 흐름전극장치에서 전극집전체와 분리막 사이의 간격 또는 그 이하로 형성할 수 있다. 이는 종래에는 전극활물질이 고정되어 있어 충방전에 필요한 활물질의 용량을 확보하고자 할 때에는 흐름전극장치의 크기가 커지는 문제점이 있어, 활물질이 충진되는 전극집전체와 분리막 사이의 간격에 제한이 있었으나, 본 발명에 따르면 전극활물질을 지속적으로 공급할 수 있으므로, 이러한 제한 없이 사용 목적이나 사용되는 활물질, 전해질 등에 따라 자유롭게 설계 변경할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 유로의 폭과 높이는 수십 ㎛에서 수 ㎜ 크기로 사용될 수 있다.
본 발명의 양극유로(11) 및 음극유로(12)에는 활물질을 포함하는 유동액인 슬러리 전극(10)이 흘러 흐름전극이 형성되며, 상기 양극유로(11)와 음극유로(12)는 양극 분리막 및 음극 분리막이 대향되고 분리막 사이에는 전해질이 흐르는 염수흐름유로(30)가 형성된다. 본 발명의 양극과 음극에 전위를 인가하면 각각 양전하와 음전하가 충전되며, 동시에 상기 염수흐름유로(30)에 염수 등의 유입수를 공급하면 하전된 전극과 이온들 간의 정전기적 인력이 작용하여 염수 내 존재하는 양이온은 음극에, 음이온은 양극에 흡착되어 탈염이 이루어진다. 상기 양극유로(11)의 양극 분리막은 전해질 액체의 유통을 막고 음이온만을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막(111)을 사용할 수 있으며, 상기 음극유로(12)의 음극분리막은 전해질 액체의 유통을 막고 양이온만 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막(121)을 사용할 수 있다.
상기 음극은 유동액에 전극활물질이 혼합 분산된 슬러리 상태의 흐름 슬러리 전극이 음극유로를 통과하면서 양이온을 흡착할 수 있고, 상기 양극은 흐름전극이 양극유로를 통과하면서 음이온을 흡착할 수 있다. 상기 슬러리 전극(10)에 사용되는 전극활물질은 다공성 탄소 전극 입자(40)(활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 탄소나노튜브 등), 흑연분말, 금속산화물 분말 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 흐름전극에 활물질로 다공성 탄소재료가 사용될 때 물리화학적 특성으로 표면적, 세공크기분포도를 고려해야 한다. 2㎚ 미만의 치수(직경 또는 폭)를 갖는 세공은 마이크로 세공(micropore)으로서 정의되고, 50㎚ 보다 큰 치수를 갖는 세공은 매크로 세공(macropore)으로서 정의되며, 2㎚ 내지 50㎚의 치수를 갖는 세공은 메조 세공(mesopore)으로 정의된다. 다공성 탄소재료 중 활성탄(Activated carbon)은 우수한 세공 용적, 높은 비표면적, 높은 탈-흡착 성능, 그리고 오랜 수명을 가질 수 있다. 본 발명의 흐름전극의 전극 활물질로는 바람직하게 활성탄을 사용할 수 있고 활성탄을 증류수에 분산시켜 흐름전극으로 사용할 수 있다. 한 구현예에서 상기 활성탄의 비표면적은 1 내지 2,000㎡/g의 범위를 사용할 수 있다. 또한 한 구현예에서 상기 활성탄은 증류수 중량 대비 0.01 내지 0.3 중량부로 혼합될 수 있다. 0.01 중량부 이하인 경우 전극에 흡착될 수 있는 흡착용량이 적어 비효율적이며, 0.3 중량부 이상일 경우엔 유로의 막힘현상이 발생할 수 있다. 본 원의 실시예에 따르면 상기 활성탄은 증류수 중량 대비 0.03 내지 0.1 중량부로 혼합되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게 0.07 내지 0.1 중량부로 혼합되는 경우 탈염 효율을 95% 이상의 우수한 효과를 나타내는 것을 하기 실시예에서 규명하였다.
본 발명의 염수흐름유로(30)는 양극과 음극 사이에 유동 전해질이 흐르는 유로로, 전해질로는 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3 등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 전해질 내에는 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다. 상기 염수 흐름 유로는 유로를 형성할 수 있는 스페이서(31)가 내부에 사용될 수 있으며, 한 구현예에서 나일론 천을 채워 사용할 수 있다. 염수흐름유로(30)의 염수의 이동방향과 상기 음극유로 및 상기 양극유로의 유체의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다. 한 구현예에서 상기 음극유로 및 상기 양극유로의 흐름전극의 유속은 1 내지 500 ml/min 으로 사용할 수 있다. 흐름전극과 염수의 유속은 흐름전극의 양과 전해질 양에 따라 변동적으로 사용할 수 있다. 상기 염수 흐름유로를 통과하는 염수는 상기 음극 및 양극의 각 집전체에 인가되는 전위에 의해 양이온은 상기 음극분리막를 거쳐 전극활물질에 흡착되는 음이온은 상기 양극분리막을 거쳐 상기 전극활물질에 흡착되는 탈염과정을 거치게 된다. 따라서 상기 염수는 이온농도가 낮아져 담수를 얻거나 다른 목적으로 활용될 수 있다. 탈염과정을 통해 양이온 및 음이온을 흡착한 양극 및 음극의 흐름전극은 전극공급부로 유입되어 양극 및 음극으로 재순환될 수 있다. 상기 흐름전극이 흐르는 유로에는 흐름전극용 슬러리의 용량을 무한히 사용할 수 있으며 예를 들면, 슬러리 10 내지 1000g 이 순환될 수 있다.
상기 슬러리 전극(10)과 염수는 전기화학셀을 통과하면 도 2와 같이 슬러리 전극 공급부(100)와 염수 공급부(300)로 각각 공급되고 정량펌프(50)를 사용하여 전기화학셀의 양극유로, 음극유로 및 염수흐름유로로 재공급될 수 있다. 음극 및 양극에서 슬러리 전극에 흡착된 양이온과 음이온, 예를 들면 Na+와 Cl-이 흡착된 슬러지 전극이 전극 공급부(100)로 공급되면 전기적으로 단락(short)되어 NaCl로 석출되어 회수할 수 있으며, 이온이 제거된 슬러리 전극은 양극과 음극으로 재공급되어 연속적으로 염수흐름유로로부터 이온을 제거할 수 있다. 본 발명에서 예를 들어 인가전압 1.2V 조건에서 염수가 염수 공급부로 공급되고 염수흐름유로로 재공급되는 폐회로를 반복하면서 축전식 담수화 공정에는 일정부피의 염수를 담수로 변환하고, 변환된 담수를 공급부에서 분리하고 다시 새로운 염수를 공급할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실 시 예
실시예 1. 전기화학셀의 제조 및 탈염 실험
본 발명의 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극을 제조하고 이를 사용하는 전기화학셀을 제조하고 탈염 효과를 분석하였다.
상기 유로가포함된 양극 및 음극 흑연 집전체(전극 유효면적 10cm2)사이에 양이온 교환막(IONSEP-AM-C, Iontech, China)과 음이온 교환막(IONSEP-AM-A, Iontech, China) 및 염수 흐름 유로 및 스페이서(Nylon 천)로 구성된 흐름전극 전기화학셀을 도 1과 같이 제작하였다. 2,000㎡/g의 비표면적과 10 μm 입자 크기의 활성탄 (activated carbon, MSP20, Kansai chemical, Japan)을 교반장치를 이용하여 증류수에 분산하고 활성탄의 중량비가 1 내지 10 중량%인 슬러리 탄소 전극을 제조하였다. 제조된 100g의 슬러리 탄소 흐름전극은 전극 공급부로 부터 정량펌프(Minipuls3, Gilson, France)를 이용하여 양극유로 및 음극유로에 12 ml/min의 유속으로 공급하였고, 양극 및 음극 유로를 통과한 슬러리 전극은 공급부로 유입되어 다시 양극 및 음극 유로로 공급되는 폐순환 조건에서 실험을 수행하였다. 이와 동시에 0.35 g/L NaCl 수용액을 정량펌프를 이용하여 12 ml/min의 유속으로 염수 유로에 통과 시키고, 이온 전도도 측정 프로브 (ORION STAR A215, Thermoscientific, USA)를 이용하여 실시간으로 이온 전도도를 측정하였다. 유로를 통과한 염수는 염수 공급부로 유입되고 다시 염수 유로로 공급하는 폐순환 조건으로 실험을 수행하였다(도 2). 양극 및 음극 집전체에 연결된 외부 단자에 Potentiostat (CT3001A, Wuhan LAND Electronic, China)를 이용하여 1.2V의 인가전압에서 탈염 실험을 수행했다. 전기화학적 물분해(열역학적 전압 1.23 V)를 막기 위하여 1.2 V의 인가전압이 선택되었다.
실시예 2. 슬러리 탄소 전극의 활성탄 중량비에 따른 탈염 효율 분석
실시예 1에 따른 탈염 실험 이후 탈염 실험 이후, 활성탄 중량비에 따른 인가전압 1.2V에서 탈염 결과에 관하여 염수 내 농도 변화를 계산하여 탈염효율을 계산하였다. 또한 LCR meter(IM3533, Hioki, Japan)를 이용하여 주파수에 따른 전기화학셀의 5 mHz-5 kHz 주파수 구간, 개방 전압(open circuit voltage)에서 전기화학 임피던스를 측정하고, 측정된 임피던스 데이터를 등가회로에 fitting하여 전해질 및 전극 저항 기여분을 분석하였다. 탈염실험에서 관찰되는 이온전도도의 감소로부터 염수에서 제거되는 NaCl의 농도를 계산하기 위해, 여러 농도의 NaCl 표준 용액의 이온전도도를 측정하여 이온 전도도로부터 NaCl 농도를 계산한 결과 도 3과 같은 NaCl 염 농도에 따른 이온전도도의 상관관계로 나타났다.
도 4는 활성탄 중량비에 따른 인가전압 1.2V에서 탈염 실험을 수행한 결과로, 활성탄의 중량비가 증가할수록 전도도의 변화가 더 크게 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이온 전도도의 변화로부터 염수내의 초기 및 죄종 농도를 계산하고 이로부터 탈염 효율(salt removal efficiency)을 하기 식 (1)을 이용하여 계산하였다. 그 결과는 표 1에 기재되어 있다.
Figure pat00001
식(1)
여기서 C0는 탈염 실험 이전의 초기농도, Cf는 탈염 실험 이후의 최종농도이다. 탈염 효율로 볼 때 3 중량% 이상의 활성탄 중량비를 갖는 슬러리 전극의 경우 90%이상의 탈염 효율을 갖는 것을 확인하였다.
[표 1]
Figure pat00002
도 5는 탈염 실험 이후에 동일한 실험 조건, 개방 전압에서 전기화학적 임피던스를 측정한 결과이다. 전기화학적 임피던스 데이터를 등가회로에 fitting하여 전기화학셀의 저항 성분을 분석하였고 저항의 전기화학적 의미는 다음과 같다. R1은 전기화학셀의 내부저항이며 이는 전해질저항과 양이온/음이온막의 저항뿐만 아니라 집전체와 활성탄 입자간의 접촉 저항을 포함한다. R2는 슬러리 탄소 전극 내의 활성탄 입자 계면에서 전하가 전달되는 전하 전달(charge transfer) 저항이고, R3는 염이온들이 활성탄 입자 기공에 흡착되는 저항이다. 표 1과 그림 5 (c)에서 보듯이 활성탄의 중량비가 높아질수록 R1, R2, R3가 감소함을 확인할 수 있다. 이는 활성탄의 중량비가 증가할수록 활성탄 전극 입자들간의 전기적 연결이 용이하고 염이온이 흡착할 수 있는 기공이 많기 때문이다. 이는 도 4의 탈염 실험 결과와 일치하며, 전해질 저항(R1)대비 전극 저항(R2+R3)의 비를 계산해보면 1 wt.%일 때 13.28이고 10 wt.%일 때는 0.9로 약 13배 이상 전해질 저항대비 전극 저항의 값이 감소하는 것으로 나타났다. 이를 탈염 효율과 연관시켜보면 전해질 저항대비 전극 저항 값이 2.5 이하의 값을 가지면 탈염 효율이 95% 이상임을 알 수 있다.
10. 슬러리 전극
11. 양극유로
12. 음극유로
20. 집전체
30. 염수흐름유로
31. 스페이서
40. 탄소 전극 입자
50. 정량펌프
111. 음이온교환막
121. 양이온교환막
100. 슬러리 전극 공급부
300. 염수 공급부

Claims (6)

  1. 흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극을 제조하는 방법으로, 상기 방법은:
    집전체와 음이온교환막을 포함하는 양극유로를 준비하는 단계;
    상기 양극유로의 집전체와 전기적으로 분리된 집전체 및 양이온교환막을 포함하는 음극유로를 준비하는 단계;
    상기 양극유로의 음이온교환막과 상기 음극유로의 양이온교환막 사이에 스페이서 물질로 패킹된 염수 흐름유로를 형성하도록 상기 양극유로 및 상기 음극유로를 배열하는 단계;
    활성탄 및 증류수 슬러리를 교반하여 분산시키는 단계; 및
    상기 양극유로 및 상기 음극유로에 상기 슬러리를 미리 정한 유속으로 공급하여 전기화학셀의 흐름전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 활성탄은 증류수 중량 대비 0.01 내지 0.3 중량부로 혼합되는,
    흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성탄의 비표면적은 1 내지 2,000㎡/g 인,
    흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성탄은 증류수 중량 대비 0.07 내지 0.1 중량부로 혼합되는,
    흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 정한 유속은 1 내지 500 ml/min 인,
    흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름전극을 형성하는 단계는 양극 및 상기 음극유로에 공급된 흐름전극은 양극 및 음극 유로를 통과하여 공급부로 유입되면 다시 양극 및 음극 유로로 공급되는,
    흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름전극은 상기 슬러리 10 내지 1000g 이 순환되는,
    흐름전극기반 축전식 탈염을 위한 슬러리 탄소 전극 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150019712A (ko) 2013-08-14 2015-02-25 한국에너지기술연구원 축전식 탈염 전극 및 그의 제조방법
KR101621270B1 (ko) 2012-03-29 2016-05-17 공주대학교 산학협력단 특정 이온 선택성 축전식 탈염 복합탄소전극의 제조방법

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